JP2010010526A - レーザアニール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】不活性ガスの温度ゆらぎによるレーザ光の屈折現象に起因するレーザ光の照射ムラを低減する。
【解決手段】レーザアニール装置１は、少なくとも被照射体７におけるレーザ照射領域に不活性ガスＧを供給するガス供給装置１０と、不活性ガスＧの温度を調整するガス温調装置１５とを備える。ガス温調装置１５は、不活性ガスＧの温度と、不活性ガスの供給領域の外側であってレーザ光の光路を囲む空間（部屋Ｒ）の雰囲気温度との温度差が小さくなるように、レーザ照射領域に供給される不活性ガスＧの温度を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被処理体にレーザ光を照射することにより被処理体をアニール処理するレーザアニール装置に関する。

近年、半導体装置や液晶ディスプレイのスイッチング素子として、チャネル層にポリシリコン膜を用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が広く用いられている。薄膜トランジスタのチャネル層に用いられるポリシリコン膜は、いわゆる低温オンポリシリコンとよばれるプロセスを用いて製造するのが一般的となっている。低温ポリシリコンは、ガラス基板上にアモルファスシリコンを成膜し、このアモルファスシリコン膜にレーザ光を照射して、ポリシリコン膜を製造するプロセスである。

このような低温ポリシリコンでは、レーザアニール装置を用いてアモルファスシリコン膜を加熱、溶融、再結晶化してポリシリコン膜を製作するが、アニールの雰囲気中に酸素が含まれていると、加熱時にシリコンが酸化してしまい、素子特性に悪影響を及ぼすといいう問題がある。このため、窒素などの不活性ガスを用いてシリコンの酸化を防止することが行われている。

特許文献１では、ガラス基板が載置されるステージを処理チャンバ内に設置して、処理チャンバ内に窒素ガスを供給することで、アニール処理中のシリコンの酸化を防止するようになっている。
特許文献２では、上下にスイングするスイングノズルの先端から窒素を噴出して、レーザ照射部分の近傍のみを窒素雰囲気とすることで、アニール処理中のシリコンの酸化を防止するようになっている。
特許文献３では、上部がガラスで密閉され下部が開放された円筒状のセルを基板に対して十分近接した位置に配置した状態で、セルの内部に窒素ガスを注入することで、アニール中のシリコンの酸化を防止するようになっている。

特許第３７３５３９４号公報 特許第３０９１９０４号公報 特開２００４−８７９６２号公報

上記のような窒素の供給を適用したレーザアニールの実施において、窒素ガス流量の違いや、季節の変化などに伴う外気温の変動などで、照射ムラが発生するなど、プロセスが不安定となるトラブルが発生している。本発明者は、このような照射ムラの発生要因を鋭意検討した結果、窒素ガスの温度のゆらぎ（変動）によるレーザ光の屈折現象がその要因であることを突き止めた。なお、特開平１１−１７６７３０号公報には、レーザ干渉式測長器に関して、空気の屈折率変動が光学式センサの精度に影響を及ぼすことが言及されており、これは本発明者の上記見解を支持するものである。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、不活性ガスの温度ゆらぎによるレーザ光の屈折現象に起因するレーザ光の照射ムラを低減することができるレーザアニール装置を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明のレーザアニール装置は、以下の技術的手段を採用する。
（１）被処理体にレーザ光を照射することにより被処理体をアニール処理するレーザアニール装置であって、少なくとも被照射体におけるレーザ照射領域に不活性ガスを供給するガス供給装置と、不活性ガスの温度を調整するガス温調装置と、を備え、該ガス温調装置は、不活性ガスの温度と、該不活性ガスの供給領域の外側であってレーザ光の光路を囲む空間の雰囲気温度との温度差が小さくなるように、レーザ照射領域に供給される前記不活性ガスの温度を調整する、ことを特徴とする。

上記の本発明の構成によれば、ガス温調装置により、レーザ照射領域に供給される不活性ガスの温度が、不活性ガスの供給領域の外側であってレーザ光の光路を囲む空間（部屋）の雰囲気温度に近づくように調整される。これにより、部屋と不活性ガスとの温度差が小さくなるので、レーザ光の屈折現象が低減されることで、照射ムラを低減することができる。なお、部屋と不活性ガスとの温度差は小さいほどよく、ゼロであるのが最も好ましい。

（２）前記ガス供給装置は、前記被処理体の表面に対向配置され内部に不活性ガスが導入されるパージボックスを備え、該パージボックスは、レーザ光を透過させて内部に導入する透過窓と、導入されたレーザ光を通過させかつ内部の不活性ガスを被処理体に向って吹き出す開口とを有し、前記ガス温調装置は、前記パージボックスより上流側の位置で不活性ガスの温度を調整する。

上記の本発明の構成によれば、レーザ光の光路上にパージボックスが配置されるため、アニール処理中、レーザ光はパージボックス内の不活性ガスを通過するが、不活性ガスはパージボックスに導入される前にパージボックス外の雰囲気温度（部屋の温度）に近づくように温度調整される。したがって、パージボックス内におけるレーザ光の屈折現象が低減され、照射ムラを低減することができる。

（３）前記ガス供給装置は、前記被処理体の表面に平行に対向配置される平行対向体と、該平行対向体と被処理体の表面との間に不活性ガスが供給されるように被処理体に向って不活性ガスを吹き付けるパージユニットとを備え、前記ガス温調装置は、前記パージユニット内またはパージユニットより上流側の位置で不活性ガスの温度を調整する。

上記の構成によれば、アニール処理中、パージユニットから被処理体に不活性ガスが吹き付けられ、レーザ光が不活性ガスを通過するが、不活性ガスは被処理体に吹き付けられる前にパージユニット外の雰囲気温度に近づくように温度調整される。したがって、不活性ガス供給領域におけるレーザ光の屈折現象が低減され、照射ムラを低減することができる。

（４）前記ガス供給装置は、前記被処理体を収容し内部に不活性ガスが導入される処理チャンバを備え、前記ガス温調装置は、前記処理チャンバより上流側の位置で不活性ガスの温度を調整する。

上記の構成によれば、アニール処理中、レーザ光は処理チャンバ内の不活性ガスを通過するが、不活性ガスは処理チャンバに導入される前に処理チャンバ外の雰囲気温度に近づくように温度調整される。したがって、処理チャンバ内におけるレーザ光の屈折現象が低減され、照射ムラを低減することができる。

本発明によれば、不活性ガスの温度ゆらぎによるレーザ光の屈折現象に起因するレーザ光の照射ムラを低減することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態にかかるレーザアニール装置１の全体構成を示す図である。レーザアニール装置１は、その基本構成要素として、レーザ光２を出射するレーザ光源３３と、レーザ光源３からのレーザ光２を所定のビーム形状に整形するビーム整形光学系４と、レーザ光２を被処理体７の方向に反射する反射ミラー５と、反射ミラー５からのレーザ光２を被処理体７の表面に集光する集光レンズ６と、被処理体７を載せてレーザ光２を横切る方向（図の矢印Ａ方向）に移動させる移動ステージ９とを備える。

上記のレーザ光源３としては、例えば、エキシマレーザ、固体レーザあるいは半導体レーザを適用することが可能である。固体レーザとしては、ＹＡＧ、ＹＬＦ、ＹＶＯ_４等がある。レーザ光２は、パルス発振、連続発振のいずれであってもよい。

ビーム整形光学系４は、例えば、レーザ光２を被処理体７表面において断面形状が線状あるいは長方形状のビームとなるように整形するものとして構成することが可能であり、この場合、ビームエキスパンダ、ホモジナイザ等を構成要素として含むことが可能である。

被処理体７は、基板７ａとその上に形成された非晶質半導体膜７ｂからなる。基板７ａは、ガラス基板や半導体基板である。非晶質半導体膜７ｂは、例えばアモルファスシリコン膜である。

上記のように構成されたレーザアニール装置１により、レーザ光源３からレーザ光２を出射させ、ビーム整形光学系４によるビーム整形４及び集光レンズ６による集光によりレーザ光２を線状あるいは長方形状のビームに集光して被処理体７に照射する。この状態で移動ステージ９により被処理体７をビームの短軸方向に移動させて、レーザ照射部分で被処理体７の非晶質半導体膜の全面を走査する。これにより、非晶質半導体膜７ｂの結晶化を行う。例えば、アモルファスシリコン膜をポリシリコン膜にする。

なお、被処理体７に照射されるレーザ光２のビーム形状は、線状あるいは長方形状のビームに限られないが、線状あるいは長方形状のビームに集光したレーザ光２をその短軸方向に走査することで、大面積の被処理体７を効率的にアニール処理することができる。

本発明のレーザアニール装置１は、さらに、少なくとも被処理体７におけるレーザ照射領域に不活性ガスＧを供給するガス供給装置１０と、不活性ガスＧの温度を調整するガス温調装置１５とを備える。

ガス供給装置１０から供給される不活性ガスＧとして、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン、ウンウンオクチウムなどを使用することが可能である。不活性ガスＧは、通常、レーザアニール装置１が設置される部屋Ｒの外部に設置されたガスタンクあるいはガスボンベから、ガス配管１４を介してガス供給装置１０に導入される。このため、不活性ガスＧの温度は、通常、部屋Ｒの温度とは異なっている。

ガス温調装置１５は、レーザ照射領域に供給される不活性ガスＧを、不活性ガスＧの供給領域の外側であってレーザ光２の光路を囲む空間の雰囲気温度と不活性ガスＧとの温度差が小さくなるように調整する。ガス温調装置１５は、不活性ガスＧに対する加熱と冷却の両方の機能を有することが好ましい。

ここで、不活性ガスＧの供給領域の外側であってレーザ光２の光路を囲む空間とは、通常、レーザアニール装置１が設置される部屋Ｒ（例えばクリーンルーム）であり、その温度とは、当該部屋Ｒの内部の温度である。部屋Ｒの温度は、部屋Ｒに設置された温度センサ１７で検出される。

温度センサ１７で検出された温度は、温度信号に変換されて制御装置１６に送信され、制御装置１６により、不活性ガスＧの温度が部屋Ｒの温度に近づくようにガス温調装置１５が制御される。

上記の本発明の構成によれば、ガス温調装置１５により、レーザ照射領域に供給される不活性ガスＧの温度が、不活性ガスＧの供給領域の外側であってレーザ光２の光路を囲む空間（部屋Ｒ）の雰囲気温度に近づくように調整される。

例えば、夏季において、部屋Ｒの温度が空調装置によって相対的に低くなり、別の場所に設置されたガスタンクからの不活性ガスＧの温度が相対的に高くなる場合、不活性ガスＧはガス温調装置により冷却される。また、例えば、冬季において、部屋Ｒの温度が空調装置によって相対的に高くなり、別の場所に設置されたガスタンクからの不活性ガスＧの温度が相対的に低くなる場合、不活性ガスＧはガス温調装置により加熱される。

これにより、部屋Ｒと不活性ガスＧとの温度差が小さくなるので、レーザ光２の屈折現象が低減されることで、照射ムラを低減することができる。なお、部屋Ｒと不活性ガスＧとの温度差は小さいほどよく、ゼロであるのが最も好ましい。よって、ガス温調装置１５により、不活性ガスＧの温度が部屋Ｒの温度に一致するように調整するのがよい。

上記のガス供給装置１０は、少なくとも被処理体７におけるレーザ照射領域に不活性ガスＧを供給する機能を有する限りで、種々の形態を採用することができる。以下、ガス供給装置１０について、いくつかの構成例を説明するが、本発明はこれらの構成例に限定されるものではない。

図２は、第１構成例のガス供給装置１０Ａを示す図である。図２において、ガス供給装置１０Ａは、被処理体７の表面に対向配置され内部に不活性ガスＧが導入されるパージボックス１１を備える。パージボックス１１は、レーザ光２を透過させて内部に導入する透過窓１２（例えばガラス窓）と、導入されたレーザ光２を通過させかつ内部の不活性ガスＧを被処理体７に向って吹き出す開口１３とを有する。

パージボックス１１の下面と被処理体７との間に不活性ガスＧによるパージ領域が形成される。このため、パージボックス１１の下面は被処理体７の表面に平行な平面であるのがよく、パージボックス１１の下面と被処理体７との距離は両者が接触しない範囲で十分に近接している（例えば５ｍｍ以内）のがよい。

ガス温調装置１５は、パージボックス１１より上流側の位置で不活性ガスＧの温度を調整する。図２において、パージボックス１１には不活性ガスＧをパージボックス１１に導入するためのガス配管１４が接続されており、ガス温調装置１５は、ガス配管１４の途中部位に設置されている。

ガス温調装置１５としては、例えば、ヒートポンプ式加熱冷却装置や、ペルチエ素子を用いた電子式加熱冷却装置を適用することが可能であり、加熱装置のみとして構成する場合には、リボンヒータや加熱炉で構成することも可能である。なお、この点は、後述する第２構成例および第３構成例においても同様である。

上記の第１構成例では、レーザ光２の光路上にパージボックス１１が配置されるため、アニール処理中、レーザ光２はパージボックス１１内の不活性ガスＧを通過するが、不活性ガスＧはパージボックス１１に導入される前にパージボックス１１外の雰囲気温度（部屋Ｒの温度）に近づくように温度調整される。したがって、パージボックス１１内におけるレーザ光２の屈折現象が低減され、照射ムラを低減することができる。

図３は、第２構成例のガス供給装置１０Ｂを示す図である。図３において、ガス供給装置１０は、被処理体７の表面に平行に対向配置される平行対向体１８と、平行対向体１８と被処理体７の表面との間に不活性ガスＧが供給されるように被処理体７に向って不活性ガスＧを吹き付けるパージユニット２２とを備える。

平行対向体１８の下面と被処理体７との間に不活性ガスＧによるパージ領域が形成される。このため、平行対向体１８の下面は被処理体７の表面に平行な平面であるのがよく、平行対向体１８の下面と被処理体７との距離は両者が接触しない範囲で十分に近接している（例えば５ｍｍ以内）のがよい。また図３の構成例において、平行対向体１８は、被処理体７と対向する下面を形成する底部１９に、レーザ光２を透過させる透過窓２０（例えばガラス窓）を有する。

パージユニット２２は、内部に不活性ガスＧが導入される中空構造であり、不活性ガスＧを被処理体７に向って吹き出すための噴出口２３を下部に有する。図３の構成例では、パージユニット２２は、平行対向体１８の側部に取り付けられている。

図３の構成例において、ガス温調装置１５は、パージユニット２２より上流側の位置で不活性ガスＧの温度を調整する。不活性ガスＧをパージユニット２２に導入するためのガス配管１４がパージユニット２２に接続されており、ガス温調装置１５は、ガス配管１４の途中部位に設置されている。あるいはこの構成に代えて、パージユニット２２の内部にガス温調装置を設け、パージユニット２２の内部で不活性ガスＧを加熱又は冷却するように構成することも可能である。

上記の第２構成例では、アニール処理中、パージユニット２２から被処理体７に不活性ガスＧが吹き付けられ、レーザ光が不活性ガスＧを通過するが、不活性ガスＧは被処理体７に吹き付けられる前にパージユニット２２外の空間（部屋Ｒ）の雰囲気温度に近づくように温度調整される。したがって、不活性ガスＧ供給領域におけるレーザ光２の屈折現象が低減され、照射ムラを低減することができる。

図４は、第３構成例のガス供給装置１０Ｃを示す図である。図４において、ガス供給装置１０は、被処理体７を収容し内部に不活性ガスＧが導入される処理チャンバ２５を備える。処理チャンバ２５には内部のガスを排気するための図示しない排気装置が接続されている。

処理チャンバ２５において、内部には移動ステージ９が設置されており、上部にはレーザ光２を透過させるための透過窓２６（例えばガラス窓）が設けられており、透過窓２６からレーザ光２を処理チャンバ２５内に導入して、被処理体７に照射できるようになっている。

ガス温調装置１５は、処理チャンバ２５より上流側の位置で不活性ガスＧの温度を調整する。不活性ガスＧを処理チャンバ２５に導入するためのガス配管１４が処理チャンバ２５に接続されており、ガス温調装置１５は、ガス配管１４の途中部位に設置されている。

上記の第３構成例では、処理チャンバ２５内の空気を排気するとともに、処理チャンバ２５内に不活性ガスＧを導入することで、処理チャンバ２５内が不活性ガスＧで満たされる。アニール処理中、レーザ光２は処理チャンバ２５内の不活性ガスＧを通過するが、不活性ガスＧは処理チャンバ２５に導入される前に処理チャンバ２５外の空間（部屋Ｒ）の雰囲気温度に近づくように温度調整される。したがって、処理チャンバ２５内におけるレーザ光２の屈折現象が低減され、照射ムラを低減することができる。

なお、上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の実施形態にかかるレーザアニール装置の全体構成を示す図である。 本発明の実施形態にかかるレーザアニール装置における、第１構成例のガス供給装置を示す図である。 本発明の実施形態にかかるレーザアニール装置における、第２構成例のガス供給装置を示す図である。 本発明の実施形態にかかるレーザアニール装置における、第３構成例のガス供給装置を示す図である。

符号の説明

１ レーザアニール装置
２ レーザ光
３ レーザ光源
４ ビーム整形光学系
５ 反射ミラー
６ 集光レンズ
７ 被処理体
７ａ 基板
７ｂ 非晶質半導体膜
９ 移動ステージ
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ ガス供給装置
１１ パージボックス
１２、２０、２６ 透過窓
１３ 開口
１４ ガス配管
１５ ガス調温装置
１６ 制御装置
１７ 温度センサ
Ｇ 不活性ガス
Ｒ 部屋

Claims (4)

1. 被処理体にレーザ光を照射することにより被処理体をアニール処理するレーザアニール装置であって、
   少なくとも被照射体におけるレーザ照射領域に不活性ガスを供給するガス供給装置と、
   不活性ガスの温度を調整するガス温調装置と、を備え、
   該ガス温調装置は、不活性ガスの温度と、該不活性ガスの供給領域の外側であってレーザ光の光路を囲む空間の雰囲気温度との温度差が小さくなるように、レーザ照射領域に供給される前記不活性ガスの温度を調整する、ことを特徴とするレーザアニール装置。
2. 前記ガス供給装置は、前記被処理体の表面に対向配置され内部に不活性ガスが導入されるパージボックスを備え、
   該パージボックスは、レーザ光を透過させて内部に導入する透過窓と、導入されたレーザ光を通過させかつ内部の不活性ガスを被処理体に向って吹き出す開口とを有し、
   前記ガス温調装置は、前記パージボックスより上流側の位置で不活性ガスの温度を調整する、請求項１記載のレーザアニール装置。
3. 前記ガス供給装置は、前記被処理体の表面に平行に対向配置される平行対向体と、該平行対向体と被処理体の表面との間に不活性ガスが供給されるように被処理体に向って不活性ガスを吹き付けるパージユニットとを備え、
   前記ガス温調装置は、前記パージユニット内またはパージユニットより上流側の位置で不活性ガスの温度を調整する、請求項１記載のレーザアニール装置。
4. 前記ガス供給装置は、前記被処理体を収容し内部に不活性ガスが導入される処理チャンバを備え、
   前記ガス温調装置は、前記処理チャンバより上流側の位置で不活性ガスの温度を調整する、請求項１記載のレーザアニール装置。

Images