JP2012015463A - Ｙａｇレーザアニーリング装置及びｙａｇレーザ光によるアニーリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アモルファスシリコンのアニーリングに高調波のＹＡＧレーザ光を使用した場合においても、安定して大きな結晶粒径のポリシリコンが得られるＹＡＧレーザアニーリング装置及びＹＡＧレーザ光によるアニーリング方法を提供する。
【解決手段】ＹＡＧレーザアニーリング装置１は、レーザ光源２からＰ偏光又はＳ偏光のＹＡＧレーザ光を出射する。レーザ光の光路上には、偏光ビームスプリッタ３と、λ／４板４と、部分透過ミラー５と、レーザ光の位相を遅らせる位相遅延部６とがこの順に配置されている。そして、レーザ光源２から出射した１パルスのレーザ光を部分透過ミラー５及び位相遅延部６により複数個のパルスに分割して、アニーリング用のレーザ光として順次取り出し、レーザ光の照射時間を延長するとともに、アモルファスシリコンを徐々に冷却し、結晶粒径を拡大する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光源から出射したＹＡＧレーザ光により、アモルファスシリコンをアニーリングし、多結晶化するＹＡＧレーザアニーリング装置及びＹＡＧレーザ光によるアニーリング方法に関し、特に、高調波のＹＡＧレーザ光を使用した場合にも、安定して大きな結晶粒径のポリシリコンが得られるＹＡＧレーザ光アニーリング装置及びＹＡＧレーザ光によるアニーリング方法に関する。

従来、例えば液晶表示装置等のガラス基板上に薄膜トランジスタ回路等を形成する際には、ガラス基板上に例えば真空蒸着法又は化学気相成長法等によりアモルファスシリコンを薄膜状に形成し、これをアニーリング（焼鈍）することによりシリコンを多結晶化することが行われている。

このアモルファスシリコンのアニーリングには、例えばエキシマレーザ等を媒体としたガスレーザ、又はＮｄ、Ｎｄ：ＹＡＧ、若しくはＹｂ等を媒体とした固体レーザが使用され、アモルファスシリコンにレーザ光を照射してレーザ光照射部位を局所的に溶融させ、溶融部位を冷却させることにより多結晶化することが行われている。レーザ光照射部位のみでアモルファスシリコンを局所的に溶融させることにより、例えばガラス基板又は回路接合部等の熱に弱い下地部分を損傷することなく、多結晶化したシリコン膜により、トランジスタ回路等を形成することが可能となる。従って、レーザ光を使用した種々のアニーリング技術が提案されている。

例えば、低出力のレーザ光照射装置を使用したアニーリング処理においては、単位面積あたりのレーザ光のエネルギー密度を高めるために、レーザ光の照射面積を小さくしている。そして、レーザ光照射部位をパルス波間でオーバーラップさせながら、レーザ光をアニーリング処理対象部位に沿って走査させていく方法が採用されている。この方法を採用した場合、多結晶化後の結晶粒径は、レーザ光の出力の安定性に大きく影響されてしまうという問題点がある。

この問題点を解決するために、特許文献１には、高出力のエキシマレーザ光を使用して大面積を一度にアニーリングする技術が開示されている。この特許文献１においては、レーザ光の照射面積を１００ｃｍ^２以上、照射時間を５０ｎ秒以上とし、エネルギー変化幅を３００ｍＪ／ｃｍ^２以下とした所定のパルス波形のレーザ光を処理対象部位に少なくとも１回照射することにより、広い面積を一度にアニーリングして処理効率を向上させ、また、多結晶化後の結晶粒径も大型化することが開示されている。

しかしながら、特許文献１の技術においても、アニーリング処理後のポリシリコンの結晶粒径は、小さく（５０ｎｍ程度のサブミクロンオーダー）、従って、単位面積あたりの結晶粒界の数が増え、トランジスタ回路として十分な電子移動度が得られないという問題点がある。また、特許文献１の技術においては、大面積を一度にアニーリング処理するため、冷却による多結晶化過程において、膜厚方向の温度差が発生し、安定して結晶粒径を大きくすることができないという問題点がある。

従って、特許文献１における問題点を解決するためには、レーザ光を処理対象部位に沿って走査させていくアニーリング処理を行う必要がある。特許文献２には、照射するレーザパルスの周波数を１乃至１０ｋＨｚとし、照射ビームの集光幅を１パルスあたりの走査距離の半値全幅により規定し、ビーム集光幅を１パルスあたりの照射時間の半値全幅に対して適正化することにより、多結晶化処理後にミクロンオーダーの大きな結晶粒径が得られることが開示されている。そして、特許文献２の技術においては、レーザ光源として、波長が３３０乃至８００ｎｍの可視光レーザを使用することが開示されており、レーザ光の一例として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２又は第３高調波を使用することが開示されている。

特開２０００−２１６０８７号公報 特開２００５−７２４８７号公報

しかしながら、上記従来技術においては、以下のような問題点がある。上述の如く、特許文献１の技術においては、アニーリング処理後のポリシリコンの結晶粒径は、小さく、トランジスタ回路として十分な回路特性が得られず、結晶粒径を安定して大きくすることが困難であるという問題点がある。

特許文献２の技術においては、レーザ光源として波長が長いレーザ（ＹＡＧレーザ）を使用している。Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光（以下、ＹＡＧレーザの媒体であるＹＡＧの結晶成分の一部を他の元素で置換した場合におけるレーザ光を、まとめてＹＡＧレーザと称する）は、基本波の中心波長がλ＝１０６４ｎｍと長く、基本波ではアモルファスシリコン膜を溶融することが困難である。従って、特許文献２の技術においては、ＹＡＧレーザ光を第２又は第３高調波にすることにより３３０乃至８００ｎｍの波長を得、これによりアモルファスシリコン膜に対する吸収特性を高めてアモルファスシリコン膜を溶融し、その後、凝固させることによりポリシリコン化している。

しかしながら、高調波のレーザ光は、アモルファスシリコン膜に対する吸収特性は高まるものの、レーザ光照射時間が短縮されてしまう。また、例えば第３高調波のＹＡＧレーザ光は、基本波の出力の３０％程度の出力しか得られず、アモルファスシリコンを十分に溶融させることができない。また、溶融部位の冷却は、レーザ光照射部位が溶融部位から移動した後に急速に進行する。従って、アニーリング後のポリシリコンの結晶粒径が不均一になったり、安定して大きな結晶を得ることができないという問題点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、アモルファスシリコンのアニーリングに高調波のＹＡＧレーザ光を使用した場合においても、安定して大きな結晶粒径のポリシリコンが得られるＹＡＧレーザアニーリング装置及びＹＡＧレーザ光によるアニーリング方法を提供することを目的とする。

本発明に係るＹＡＧレーザアニーリング装置は、Ｐ偏光及びＳ偏光のいずれか一方の第１の直線偏光であるＹＡＧレーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から前記第１の直線偏光のレーザ光が入射され、この第１の直線偏光のレーザ光は透過し、他方の第２の直線偏光のレーザ光は入射方向に対して傾斜させて反射する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタから入射した第１の直線偏光のレーザ光を第１の円偏光のレーザ光に変換して出射するλ／４板と、前記λ／４板から入射した第１の円偏光のレーザ光の一部をその偏光方向を逆転させた第２の円偏光のレーザ光として前記λ／４板へ向けて反射し、入射した第１の円偏光のレーザ光の残部を透過する部分透過ミラーと、前記部分透過ミラーを透過した第１の円偏光のレーザ光が入射し、屈折率が空気の屈折率より大きい材料により形成されたレーザ光路と、このレーザ光路を伝達してきたレーザ光をその偏光方向を逆転させた第２の円偏光のレーザ光として反射する全反射ミラーとを備えた位相遅延部と、を有し、前記部分透過ミラーは、前記位相遅延部からの反射光の一部を前記λ／４板へ向けて透過し、残部を前記位相遅延部に向けて反射し、前記λ／４板は、前記部分透過ミラーからの第２の円偏光のレーザ光を前記第２の直線偏光に変換して前記偏光ビームスプリッタへ向けて出射することを特徴とする。なお、本発明におけるＹＡＧレーザの媒体としては、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）の他、Ｎｄ：ＹＡＧ（ネオジム：ＹＡＧ）及びＥｒ：Ｙａｇ（エルビジウム：ＹＡＧ）等、ＹＡＧの結晶成分の一部を他の元素で（例えばドーピングにより）置換したものを使用することができる。

例えば、前記レーザ光路は、ガラスロッドにより形成されている。又は、前記レーザ光路は、長手方向を平行にして複数個配置されたガラスロッドと隣接するガラスロッド同士を連結するように配置された全反射プリズムとにより形成されている。

上述のＹＡＧレーザアニーリング装置において、例えば前記位相遅延部は、前記レーザ光路上に介在するように配置された１又は複数個の第２の部分透過ミラーを有する。

本発明に係るＹＡＧレーザ光によるアニーリング方法は、上述のＹＡＧレーザアニーリング装置を使用し、前記レーザ光源からＰ偏光及びＳ偏光のいずれか一方の第１の直線偏光であるＹＡＧレーザ光を出射させる工程と、前記レーザ光源から出射した前記第１の直線偏光のレーザ光を前記偏光ビームスプリッタに透過させる工程と、前記偏光ビームスプリッタから前記第１の直線偏光のレーザ光を前記λ／４板に入射させ、第１の円偏光のレーザ光に変換して出射させる工程と、前記λ／４板から前記第１の円偏光のレーザ光を前記部分透過ミラーに入射させ、前記部分透過ミラーにて第１の円偏光のレーザ光の一部をその偏光方向を逆転させた第２の円偏光のレーザ光として前記λ／４板へ向けて反射させ、前記第１の円偏光のレーザ光の残部を透過させる工程と、前記部分透過ミラーから反射した前記第２の円偏光のレーザ光を前記λ／４板に入射させて第２の直線偏光のレーザ光に変換した後、前記偏光ビームスプリッタに入射させ、前記偏光ビームスプリッタで入射方向に対して傾斜する方向に反射させることによりアニーリング用のＹＡＧレーザ光として取り出す工程と、前記部分透過ミラーを透過した前記第１の円偏光のレーザ光を前記部分透過ミラーと前記位相遅延部との間で１又は複数回反射させた後、偏光方向を逆転させた第２の円偏光のレーザ光として前記部分透過ミラーに入射させ、前記λ／４板により第２の直線偏光のレーザ光に変換した後、前記偏光ビームスプリッタに入射させ、前記偏光ビームスプリッタで入射方向に対して傾斜する方向に反射させることによりアニーリング用のＹＡＧレーザ光として取り出す工程と、を有することを特徴とする。

本発明に係るＹＡＧレーザアニーリング装置は、偏光ビームスプリッタ、λ／４板、部分透過ミラー及び位相遅延部を有し、レーザ光源からＰ偏光又はＳ偏光のいずれか一方の第１の直線偏光のレーザ光を出射させると、部分透過ミラーで反射されたレーザ光は、アニーリング用の第２の直線偏光のレーザ光として取り出される。そして、部分透過ミラーを透過したレーザ光は、部分透過ミラーと位相遅延部との間で１又は複数回反射されることにより位相が遅延された後、アニーリング用の第２の直線偏光のレーザ光として取り出される。これにより、１パルスのＹＡＧレーザ光を複数個のパルス波に分割して、所定の遅延時間ごとにアモルファスシリコンに照射することが可能となる。従って、高調波のＹＡＧレーザ光を使用した場合においても、１パルスのＹＡＧレーザ光を出射するだけで、複数個のパルス波によりレーザ光照射時間を長くすることができ、アモルファスシリコンを十分に溶融させることができる。

また、複数個のパルス波に分割されたＹＡＧレーザ光は、レーザ強度が一度高くなってから徐々に低くなるようにアモルファスシリコンに照射されるため、溶融部位を徐々に冷却することができる。これにより、安定して大きな結晶粒径のポリシリコンを得ることができる。

よって、本発明のＹＡＧレーザ光によるアニーリング方法は、生産性が高い。

本発明の第１実施形態に係るＹＡＧレーザアニーリング装置を示す模式図である。 （ａ）は部分透過ミラーによる反射光のレーザ強度の時間変化を一例として示す図、（ｂ）は本発明の実施形態に係るＹＡＧレーザアニーリング装置によるレーザ出力を一例として示す模式図である。 部分透過ミラーの透過率を変化させたときの反射光のレーザ強度の時間変化を一例として示す図である。 本発明の第２実施形態に係るＹＡＧレーザアニーリング装置において、位相遅延部を示す模式図である。 本発明の第３実施形態に係るＹＡＧレーザアニーリング装置を示す模式図である。 本発明の第３実施形態に係るＹＡＧレーザアニーリング装置の変形例を示す模式図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るＹＡＧレーザアニーリング装置を示す模式図、図２（ａ）は部分透過ミラーによる反射光のレーザ強度の時間変化を一例として示す図、図２（ｂ）は本発明の実施形態に係るＹＡＧレーザアニーリング装置によるレーザ出力を一例として示す模式図である。図１に示すように、本発明のＹＡＧレーザアニーリング装置１は、レーザ光源２と、偏光ビームスプリッタ３と、λ／４板４と、部分透過ミラー５と、位相遅延部６とにより構成されており、レーザ光源２から出射するＹＡＧレーザ光の光路に沿って、偏光ビームスプリッタ３、λ／４板４、部分透過ミラー５及び位相遅延部６がこの順に、例えば直線的に配置されている。

レーザ光源２は、固体の例えばＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）をレーザ媒体として誘導放出によりＹＡＧレーザ光を発生させるものである。本発明においては、ＹＡＧレーザの媒体としては、Ｎｄ：ＹＡＧ（ネオジム：ＹＡＧ）及びＥｒ：Ｙａｇ（エルビジウム：ＹＡＧ）等、ＹＡＧの結晶成分の一部を他の元素で（例えばドーピングにより）置換したものも使用することができる。

レーザ光源２にて発生するＹＡＧレーザ光の基本波は、例えば中心波長がλ＝１０６４ｎｍと長く、基本波ではアモルファスシリコン膜を溶融することが困難である。従って、本発明においては、ＹＡＧレーザ光の基本波を例えば１又は複数の波長変換器を用いて例えば第２高調波、第３高調波又は第４高調波に変換して使用する。即ち、本実施形態のＹＡＧレーザ光は、中心波長がλ＝５３２ｎｍの第２高調波、中心波長がλ＝３５５ｎｍの第３高調波、又は中心波長がλ＝２６６ｎｍの第４高調波により構成されており、波長が例えば２５０乃至５５０ｎｍであり、レーザ光のエネルギー密度は、例えばアニーリング対象のアモルファスシリコンの照射面において、例えば０．３乃至１．５Ｊ／ｃｍ^２である。この第２高調波、第３高調波又は第４高調波は、アモルファスシリコン膜に対する吸収特性が高く、アモルファスシリコン膜を溶融することができる。アモルファスシリコン膜は、溶融後、凝固することによりポリシリコン膜に変化する。

本発明においては、レーザ光源２からは、直線偏光のＰ偏光又はＳ偏光の（第１の）高調波ＹＡＧレーザ光を出射させる。なお、本実施形態においては、図１に示すように、レーザ光源２が出射する高調波ＹＡＧレーザ光は、Ｐ偏光のレーザ光である。

偏光ビームスプリッタ３は、例えば柱状の直角プリズムを２個貼り合わせたものであり、接合面には、例えば誘電体多層膜又は金属薄膜からなるコーティングが施されている。これにより、偏光ビームスプリッタ３は、コーティング膜部分にて、Ｐ偏光及びＳ偏光のうちのいずれか一方のレーザ光を透過させ、他方のレーザ光を反射するように構成されている。従って、偏光ビームスプリッタに、Ｐ偏光とＳ偏光とが混在したレーザ光を入射させると、Ｐ偏光及びＳ偏光の各偏光成分のレーザ光を分離できるように構成されている。図１に示すように、本実施形態においては、偏光ビームスプリッタ３は、直角プリズム同士の接合面が例えばレーザ光源２からの出射光の光路に対して４５°傾斜するように配置されており、コーティング膜部分にてＰ偏光のレーザ光を透過し、Ｓ偏光のレーザ光を入射方向に対して９０°傾斜した方向へと反射するように構成されている。

λ／４板４は、例えば人工水晶等により板状に成形されており、入射光の位相を入射面に対して直交する２方向のいずれかの方向でπ／２ずらすように構成されている。即ち、λ／４板４を透過することにより、入射光の位相は以下のように変換される。例えば、入射光が、下記数式１で示されるように、入射面に直交する２方向（ｘ方向及びｙ方向）の成分Ｅｘ及びＥｙを有する直線偏光のレーザ光であるときに、この入射光がλ／４板を透過すると、ｙ方向の成分Ｅｙの位相がπ／２だけ進むとする。

このとき、λ／４板を透過した後のレーザ光は、ｘ成分Ｅｘ及びｙ成分Ｅｙの夫々が、下記数式２により示される。

従って、λ／４板を通過することにより、直線偏光のレーザ光は、レーザ光源２側から見たときに時計回りの回転方向を有する円偏光のレーザ光となる。一方、例えば下記数式３で示される（レーザ光源２側から見たときに反時計まわりの回転方向を有する）円偏光のレーザ光をλ／４板に上記の場合と逆側から入射させた際には、ｘ成分の位相がπ／２だけ進むとする。

このとき、λ／４板を透過した後のレーザ光は、ｘ成分Ｅｘ及びｙ成分Ｅｙの夫々が、下記数式４により示される。

従って、λ／４板を通過することにより、円偏光のレーザ光は直線偏光のレーザ光となる。また、数式１乃至４により、例えばλ／４板にＰ偏光のレーザ光を透過させ、部分透過ミラー又は全反射ミラーにて鏡像として反射させた場合、反射光を再度λ／４板に透過させることにより、取り出されるレーザ光はＰ偏光のレーザ光に対してπ／２の位相差を有するレーザ光、即ち、Ｓ偏光のレーザ光となる。

部分透過ミラー５は、例えば透明のガラス板の表面に例えばクロム等の金属膜、誘電体膜、又は金属膜及び誘電膜を組み合わせた膜をコーティングしたものである。部分透過ミラー５は、例えば表面のコーティング膜の膜厚を調整することにより、その透過率（反射率）を調整することができるように構成されており、入射光の一部を鏡像として反射し、入射光の残部を透過させるように構成されている。なお、本実施形態においては、部分透過ミラー５の透過率を０．５（５０％）として説明する。

位相遅延部６は、例えば屈折率が空気の屈折率よりも大きいガラスロッド等の光透過性材料により形成されレーザ光路となる光路部材６ａと、例えば光路部材６ａの端部に固定された全反射ミラー６ｂとにより構成されている。光路部材６ａは、屈折率が例えば１．５乃至２．５である。また、光路部材６ａは、レーザ光路となる部分の長さが長いことが好ましいが、装置全体が大型化しない範囲で、例えば３００乃至６００ｍｍの長さである。本実施形態においては、光路部材６ａは、屈折率が１．８１のガラスロッドにより構成されており、長さが例えば３３６ｍｍである。これにより、本実施形態においては、後述する遅延時間Δｔを４．０６ｎ秒に設定する。即ち、例えば屈折率がｎの光路部材を使用し、後述する遅延時間を例えばΔｔに設定しようとする場合においては、光速度をｃ（＝３×１０^８ｍ／秒）として、ガラスロッドの長さは、（光速度）×（遅延時間）／（光路部材の屈折率×２（往復分））＝ｃ×Δｔ／２ｎとなる。例えば、屈折率ｎが１．８１のガラスロッドを使用して、遅延時間Δｔを２０ｎ秒に設定しようとする場合においては、ガラスロッドの長さは、（３×１０^８）×（２０×１０^−９）／（１．８１×２）＝１．６５ｍにする。また、例えば屈折率が１．５０の光路部材を使用して、遅延時間Δｔを２０ｎ秒延長しようとする場合においても、同様の計算式により、光路部材の長さを２ｍ延長する。全反射ミラー６ｂは、入射光を鏡像として全反射する。

次に、本実施形態に係るＹＡＧレーザアニーリング装置の動作について説明する。先ず、レーザ光源２にて基本波のＹＡＧレーザ光を発生させ、これを例えば１又は複数の波長変換器を用いて第２、第３又は第４高調波のＹＡＧレーザ光に変換する。次に、この高調波のＹＡＧレーザ光のうち、Ｐ偏光のレーザ光成分のみをフィルタリングにより取り出し、レーザ光源２から出射させる。

レーザ光源２から出射されたＰ偏光のＹＡＧレーザ光は、先ず、偏光ビームスプリッタ３に入射する。そして、入射光は、偏光ビームスプリッタ３のプリズム部分を透過していき、やがて、直角プリズム同士の接合面のコーティング膜部分に到達する。このコーティング膜は、Ｐ偏光のレーザ光を透過するように構成されているため、入射光はそのまま直進し、やがて偏光ビームスプリッタ３を透過する。

偏光ビームスプリッタ３を透過したＰ偏光のＹＡＧレーザ光は、次に、λ／４板４に入射する。上述の如く、λ／４板４は、直線偏光のレーザ光を円偏光のレーザ光に変換し、円偏光のレーザ光を直線偏光のレーザ光に変換するように構成されている。従って、入射光は、λ／４板４を透過する間に、上記数式１及び２に示すような位相変換を受け、図１に示すように、レーザ光源２側から見たときに時計回りの回転方向を有する（第１の）円偏光のレーザ光に変換される。

λ／４板４を透過した（第１の）円偏光のレーザ光は、やがて、部分透過ミラー５に到達する。本実施形態においては、部分透過ミラー５の透過率は０．５であるため、入射光のうちの半分が部分透過ミラー５を透過し、残りの半分が鏡像として反射される。従って、部分透過ミラー５における反射光は、入射光に対して偏光方向が逆転され、レーザ光源２側から見たときに半時計回りの回転方向を有する（第２の）円偏光のレーザ光となる。従って、部分透過ミラー５における反射光は、例えば上記数式３で示すような成分を有する。

部分透過ミラー５で反射された（第２の）円偏光のレーザ光は、再度λ／４板４に到達し、λ／４板４を透過する。このとき、上記数式４に示すような位相変換を受ける。即ち、レーザ光源２から出射されたレーザ光に対して位相がπ／２だけ遅れることになる。従って、レーザ光源２から出射されたときにＰ偏光であったＹＡＧレーザ光は、Ｓ偏光のＹＡＧレーザ光となる。

そして、このＳ偏光のＹＡＧレーザ光は、偏光ビームスプリッタ３に入射される。レーザ光源２から出射されたＰ偏光は、偏光ビームスプリッタ３のコーティング膜部分を透過することができたが、反射して再度、偏光ビームスプリッタ３に入射したＹＡＧレーザ光はＳ偏光であるため、ＹＡＧレーザ光は、直角プリズム同士の接合面のコーティング膜部分において、入射方向に対して９０°傾斜した方向に反射される。これにより、反射光が再度レーザ光源２へ向けて出射されることはなく、レーザ光源２から安定してＰ偏光のＹＡＧレーザ光のみを出射することができる。

一方、部分透過ミラー５を透過した（第１の）円偏光のレーザ光の残りの半分は、やがて、位相遅延部６のガラスロッド（光路部材６ａ）に到達する。この光路部材６ａは光透過性材料により形成されているため、レーザ光は光路部材６ａを透過していく。そして、光路部材６ａの端部の全反射ミラー６ｂに到達し、鏡像として全反射される。従って、光路部材６ａに（第１の）円偏光として入射したＹＡＧレーザ光は、全反射ミラー６ｂによる反射により、その偏光方向が逆転され、レーザ光源２側から見たときに半時計回りの回転方向を有する（第２の）円偏光のレーザ光となる。

全反射ミラー６ｂで反射された（第２の）円偏光のＹＡＧレーザ光は、再度、光路部材６ａに沿って進み、やがて部分透過ミラー５に到達する。本実施形態においては、レーザ光源２から出射した時の５０％のレーザ光が部分透過ミラー５に再度入射することとなるが、再度、部分透過ミラー５における透過率により、その一部（レーザ光源２から出射時の２５％）は、部分透過ミラー５をレーザ光源２側から見たときに反時計回りの回転方向を有する（第２の）円偏光のレーザ光として透過し、上記の場合と同様に、λ／４板４及び偏光ビームスプリッタ３を経て、Ｓ偏光の出力光として取り出される。一方、残りの２５％のレーザ光は、部分透過ミラー５で、再度鏡像として反射され、レーザ光源２側から見たときに時計回りの回転方向を有する（第１の）円偏光のレーザ光として再度位相遅延部６に入射され、所定の遅延時間Δｔ後に、順次、出射時の１２．５％、６．２５％・・・がＳ偏光の出力光として取り出されることになる。

即ち、本実施形態においては、位相遅延部６による光路長の分だけ、取り出されるレーザ光の出力時間が遅延することになる。例えば、ＹＡＧレーザ光の速度を３．０×１０^８ｍ／秒としたときに、本実施形態においては、光路部材６ａの屈折率１．８１及び長さ３３６ｍｍより、出力光ごとに４．０６ｎ秒の遅延時間Δｔが発生する。従って、出力光の相対強度は、例えば図２（ａ）に示すように、時間の経過と共に徐々に減衰していくものとなる。

このように、本実施形態のＹＡＧレーザアニーリング装置によれば、１パルスのＹＡＧレーザ光を複数個のパルス波に分割して、所定の遅延時間Δｔごとにアモルファスシリコンに照射することが可能となる。従って、高調波のＹＡＧレーザ光を使用した場合においても、１パルスのＹＡＧレーザ光を出射するだけで、複数個のパルス波を照射してレーザ光照射時間を長くすることができ、アモルファスシリコンを十分に溶融させることができる。

また、図２（ｂ）に示すように、本実施形態においては、出力光のパルス波形をオーバーラップさせて出力することができる。従って、出力光を合成した波形は、図２（ｂ）に破線で示すようにレーザ強度が一度高くなってから徐々に低くなるような形状となる。従って、ＹＡＧレーザ光は、レーザ強度が徐々に低くなるようにアモルファスシリコンに照射され、溶融部位を徐々に冷却することができる。これにより、安定して大きな結晶粒径のポリシリコンを得ることができる。

なお、本実施形態においては、レーザ光源２がＰ偏光のＹＡＧレーザ光を出射し、Ｓ偏光の出力レーザ光を得ているが、本発明におけるＹＡＧレーザアニーリング装置は、例えばレーザ光源２がＳ偏光のＹＡＧレーザ光を出射し、Ｐ偏光の出力レーザ光を得るように構成されていてもよい。

また、本実施形態においては、部分透過ミラーの透過率は０．５であるが、部分透過ミラーの透過率は、０又は１でない限り、本発明の効果を得ることができる。図３は、部分透過ミラーの透過率を１０％ずつ変化させた場合において、反射光のレーザ強度の時間変化を示す図である。図３に示すように、０．１乃至０．９のいずれの透過率においても、複数個のパルスによりレーザ光照射時間を長くできるという効果が得られ、出力光のパルス波形は、レーザ強度が一度高くなってから徐々に低くなるような形状となる。但し、部分透過ミラーの透過率が小さくなると２番目以降のレーザ光パルスの出力が小さくなり、レーザ光出力の立ち下がりが早まってしまうので、部分透過ミラーの透過率は、０．５以上であることが好ましい。

更に、本実施形態においては、レーザ光路は、ガラスロッド（光路部材６ａ）であるが、本発明においては、レーザ光路は屈折率が空気の屈折率よりも大きい光透過性材料により形成されていればよく、例えば液体によりレーザ光路が形成されていてもよい。

次に、本発明の第２実施形態に係るＹＡＧレーザアニーリング装置について説明する。図４は、本発明の第２実施形態に係るＹＡＧレーザアニーリング装置において、位相遅延部を示す模式図である。図４に示すように、本実施形態においては、位相遅延部６は、第１実施形態におけるガラスロッド（光路部材６ａ）が長手方向を平行にして５個配置されている。そして、隣接するガラスロッド同士を連結するように、４個の全反射プリズム６ｃが配置されている。これにより、ガラスロッド６ａ及び全反射プリズム６ｃによりレーザ光路が形成されている。そして、５個のガラスロッド６ａのうちの１個には、端部に全反射ミラー６ｂが固定されている。これにより、位相遅延部６に入射したレーザ光は、５個のガラスロッド６ａと４個の全反射プリズム６ａにより形成されたレーザ光路を透過し、全反射ミラー６ｂで鏡像として全反射され、再度ガラスロッド６ａ及び全反射プリズム６ｃによるレーザ光路を通過して出射されるように構成されている。

即ち、第１実施形態においては、１個のガラスロッド６ａによりレーザ光路を構成していたが、本実施形態においては、ガラスロッド６ａを複数個並置することによりレーザ光路を延長することができるため、レーザ光照射時間を更に長くすることができる。従って、例えば、第１実施形態と同じ屈折率及び長さのガラスロッド６ａを５個使用した場合には、レーザ光路長は５倍程度となるため、出力光ごとの遅延時間Δｔは、２０．３ｎ秒となり（図２（ａ）におけるカッコ内の数値は、本実施形態における時間軸の目盛りである）、アモルファスシリコンの溶融時間を十分に長く確保することができる。また、溶融部位の冷却時間も第１実施形態に比して長く確保することができ、ポリシリコンの形成を安定して行い、結晶粒径を安定的に大きくすることができる。

また、位相遅延部６のレーザ光路長を第１実施形態と同一とする場合においては、１個あたりのガラスロッド６ａの長さを短くすることができ、ガラスロッド６ａの長手方向に装置全体の大きさを小型化することができる。

次に、本発明の第３実施形態に係るＹＡＧレーザアニーリング装置について説明する。図５は本発明の第３実施形態に係るＹＡＧレーザアニーリング装置を示す模式図である。第１実施形態においては、ガラスロッド６ａへの入射光は、おおよそガラスロッド６ａの長手方向に平行に入射させたが、本実施形態においては、ガラスロッド６ａへの入射光は、ガラスロッド６ａの長手方向に垂直な面から若干傾斜させて入射させる。

また、図５に示すように、本実施形態においては、ガラスロッド６ａにおけるレーザ光の入射面及びこれと対向する面上には、複数枚の全反射ミラー６ｂが設置されている。これにより、ガラスロッド６ａ内でレーザ光が複数回全反射されることにより位相が遅延された後、再度入射面から出射されるように構成されている。更に、本実施形態においては、複数個の全反射ミラー６ｂにより形成されたレーザ光の光路上には、１又は複数枚（図５においては７枚）の（第２の）部分透過ミラー６ｄが設置されており、部分透過ミラー６ｄへの入射光の一部を反射し、残部を透過するように構成されている。

本実施形態においては、レーザ光路を形成するように、ガラスロッド６ａの一対の対向面には全反射ミラー６ｂが設置されているため、１個のガラスロッド６ａ内でレーザ光を複数回反射させることが可能となり、レーザ光路を反射回数に比例して延長することができ、第１実施形態に比して、レーザ光照射時間を長くすることができる。また、第２実施形態のようにガラスロッド６ａを複数個設置しなくても、全反射ミラー６ｂを複数枚設置するだけで第２実施形態と同様の光路延長が可能となるため、第２実施形態に比して装置全体の大きさを小型化することができる。

また、レーザ光の光路上に１又は複数枚の（第２の）部分反射ミラー６ｄを設置することにより、第１及び第２実施形態に比して、１パルスのレーザ光が分割される数は増加する。よって、図２に示すような各隣接パルス波間は、（第２の）部分反射ミラー６ｄによって分割された１又は複数個のパルス波により補間される。これにより、各パルス波間におけるレーザビーム強度を緩やかに変化させることができる。従って、アモルファスシリコンの溶融部は、第１及び第２実施形態に比して更に緩やかに冷却されることになり、大きな結晶粒径のポリシリコンを安定して形成することができる。

なお、本実施形態においては、ガラスロッド６ａへの入射光をガラスロッド６ａの長手方向に対して垂直な面から入射させているが、第１実施形態と同様に、ガラスロッド６ａの長手方向の一端部側から、ガラスロッド６ａの端面に対して若干傾斜させてレーザ光を入射させ、おおよそガラスロッド６ａの長手方向に沿って、レーザ光を複数回反射させるように構成してもよい。この場合には、ガラスロッド６ａの長手方向の両端面に夫々全反射ミラー６ｂを設置する。

また、本実施形態においては、全反射ミラー６ｂは、複数枚設置されているが、例えば複数枚の全反射ミラー６ｂを結合して１枚としてもよい。同様に、（第２の）部分透過ミラー６ｄが複数枚ある場合についても、複数枚の部分反射ミラー６ｄを結合して１枚としてもよい。

次に、本第３実施形態のＹＡＧレーザアニーリング装置の変形例について説明する。図６は、本発明の第３実施形態に係るＹＡＧレーザアニーリング装置の変形例を示す模式図である。図６に示すように、本変形例においては、偏光ビームスプリッタ３、λ／４板４及び部分透過ミラー５は、ガラスロッド６ａ内に設置されている。その他の構成については、第３実施形態と同様である。ＹＡＧレーザアニーリング装置１をこのように構成することにより、第３実施形態に比して、レーザ光路を長くすることができ、レーザパルス間ごとの遅延時間Δｔを若干延長することができる。

また、本変形例においては、ＹＡＧレーザアニーリング装置１のレーザ光源２以外の構成を全てガラスロッド６ａ内に一体化することができるため、装置全体を小型化することができる。

なお、第１及び第２実施形態の構成において、本変形例と同様に、偏光ビームスプリッタ３、λ／４板４及び部分透過ミラー５をガラスロッド６ａ内に設置してもよい。

１：ＹＡＧレーザアニーリング装置、２：レーザ光源、３：偏光ビームスプリッタ、４：λ／４板、５：部分透過ミラー、６：位相遅延部、６ａ：光路部材（ガラスロッド）、６ｂ：全反射ミラー、６ｃ：全反射プリズム、６ｄ：（第２の）部分透過ミラー

Claims (5)

1. Ｐ偏光及びＳ偏光のいずれか一方の第１の直線偏光であるＹＡＧレーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から前記第１の直線偏光のレーザ光が入射され、この第１の直線偏光のレーザ光は透過し、他方の第２の直線偏光のレーザ光は入射方向に対して傾斜させて反射する偏光ビームスプリッタと、
   前記偏光ビームスプリッタから入射した第１の直線偏光のレーザ光を第１の円偏光のレーザ光に変換して出射するλ／４板と、
   前記λ／４板から入射した第１の円偏光のレーザ光の一部をその偏光方向を逆転させた第２の円偏光のレーザ光として前記λ／４板へ向けて反射し、入射した第１の円偏光のレーザ光の残部を透過する部分透過ミラーと、
   前記部分透過ミラーを透過した第１の円偏光のレーザ光が入射し、屈折率が空気の屈折率より大きい材料により形成されたレーザ光路と、このレーザ光路を伝達してきたレーザ光をその偏光方向を逆転させた第２の円偏光のレーザ光として反射する全反射ミラーとを備えた位相遅延部と、を有し、
   前記部分透過ミラーは、前記位相遅延部からの反射光の一部を前記λ／４板へ向けて透過し、残部を前記位相遅延部に向けて反射し、
   前記λ／４板は、前記部分透過ミラーからの第２の円偏光のレーザ光を前記第２の直線偏光に変換して前記偏光ビームスプリッタへ向けて出射することを特徴とするＹＡＧレーザアニーリング装置。
2. 前記レーザ光路は、ガラスロッドにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＹＡＧレーザアニーリング装置。
3. 前記レーザ光路は、長手方向を平行にして複数個配置されたガラスロッドと隣接するガラスロッド同士を連結するように配置された全反射プリズムとにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＹＡＧレーザアニーリング装置。
4. 前記位相遅延部は、前記レーザ光路上に介在するように配置された１又は複数個の第２の部分透過ミラーを有することを特徴とする請求項２又は３に記載のＹＡＧレーザアニーリング装置。
5. 前記請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＹＡＧレーザアニーリング装置を使用し、
   前記レーザ光源からＰ偏光及びＳ偏光のいずれか一方の第１の直線偏光であるＹＡＧレーザ光を出射させる工程と、
   前記レーザ光源から出射した前記第１の直線偏光のレーザ光を前記偏光ビームスプリッタに透過させる工程と、
   前記偏光ビームスプリッタから前記第１の直線偏光のレーザ光を前記λ／４板に入射させ、第１の円偏光のレーザ光に変換して出射させる工程と、
   前記λ／４板から前記第１の円偏光のレーザ光を前記部分透過ミラーに入射させ、前記部分透過ミラーにて第１の円偏光のレーザ光の一部をその偏光方向を逆転させた第２の円偏光のレーザ光として前記λ／４板へ向けて反射させ、前記第１の円偏光のレーザ光の残部を透過させる工程と、
   前記部分透過ミラーから反射した前記第２の円偏光のレーザ光を前記λ／４板に入射させて第２の直線偏光のレーザ光に変換した後、前記偏光ビームスプリッタに入射させ、前記偏光ビームスプリッタで入射方向に対して傾斜する方向に反射させることによりアニーリング用のＹＡＧレーザ光として取り出す工程と、
   前記部分透過ミラーを透過した前記第１の円偏光のレーザ光を前記部分透過ミラーと前記位相遅延部との間で１又は複数回反射させた後、偏光方向を逆転させた第２の円偏光のレーザ光として前記部分透過ミラーに入射させ、前記λ／４板により第２の直線偏光のレーザ光に変換した後、前記偏光ビームスプリッタに入射させ、前記偏光ビームスプリッタで入射方向に対して傾斜する方向に反射させることによりアニーリング用のＹＡＧレーザ光として取り出す工程と、
   を有することを特徴とするＹＡＧレーザ光によるアニーリング方法。

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