JP2022041053A - レーザアニール装置、レーザアニール方法、及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
レーザアニール装置、レーザアニール方法、及び半導体装置の製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】レーザ光の照射ムラを適切に評価するレーザアニール装置、レーザアニール方法及び半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】レーザアニール装置において、光学系２０は、ランダム偏光のレーザ光Ｌ３０を発生させる第１レーザ光源２１ａと、ランダム偏光のレーザ光Ｌ３０を分岐する偏光ビームスプリッタ３１と、偏光ビームスプリッタ３１で分岐された複数のレーザ光Ｌ３１、Ｌ３２の偏光状態を制御する偏光制御素子（１／４波長板３４、３５）と、ランダム偏光のレーザ光Ｌ３１を発生させる第１レーザ光源２１ｂと、ランダム偏光のレーザ光Ｌ４０を分岐する偏光ビームスプリッタ４１と、偏光ビームスプリッタ４１で分岐された複数のレーザ光Ｌ４１、Ｌ４２の偏光状態を制御する偏光制御素子（１／４波長板４４、４５）と、を有する偏光制御部３０及び偏光制御素子からの複数のレーザ光を合成して、対象物に照射する合成部６０と、を備える。【選択図】図３
Description
本発明はレーザアニール装置、レーザアニール方法、及び半導体装置の製造方法に関する。
特許文献１には、多結晶シリコン薄膜を形成するためのレーザアニール装置が開示されている。特許文献１では、固体レーザから、直線偏光のレーザ光が出射している。直線偏光レーザ光は１／２波長板を介して偏光ビームスプリッタに入射している。偏光ビームスプリッタは、レーザ光を２つの光ビームに分岐している。偏光ビームスプリッタで分岐された２本の光ビームは、２つ目の偏光ビームスプリッタで合成されている。
このようなレーザ照射装置では、アニールプロセスに適したレーザ光を照射することが望まれる。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
一実施の形態によれば、レーザアニール装置は、ランダム偏光のレーザ光を発生させるレーザ光源と、ランダム偏光の前記レーザ光を分岐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で分岐された複数のレーザ光の偏光状態を制御する偏光制御素子と、前記偏光制御素子からの複数のレーザ光を合成して、対象物に照射する合成部と、を備えている。
一実施の形態によれば、レーザアニール方法は、（ａ）ランダム偏光のレーザ光を発生させるステップと、（ｂ）偏光ビームスプリッタでランダム偏光の前記レーザ光を分岐するステップと、（ｃ）前記偏光ビームスプリッタで分岐された複数のレーザ光の偏光状態を制御するステップと、（ｄ）偏光状態が制御された前記複数のレーザ光を合成して、対象物に照射するステップと、を備えている。
一実施の形態によれば、半導体装置の製造方法は、（Ｓ１）基板上に非晶質膜を形成するステップと、（Ｓ２）前記非晶質膜を結晶化して結晶化膜を形成するように、前記非晶質膜をアニールするステップと、を備え、前記（Ｓ２）アニールするステップは、（Ａ）ランダム偏光のレーザ光を発生させるステップと、（Ｂ）偏光ビームスプリッタでランダム偏光の前記レーザ光を分岐するステップと、（Ｃ）前記偏光ビームスプリッタで分岐された複数のレーザ光の偏光状態を制御するステップと、（Ｄ）偏光状態が制御された前記複数のレーザ光を合成して、対象物に照射するステップと、を備えている。
前記一実施の形態によれば、アニールプロセスに適したレーザ光を照射することができる。
実施の形態１．
本実施の形態にかかるレーザアニール装置は、例えば、低温ポリシリコン(LTPS:Low Temperature Poly-Silicon)膜を形成するエキシマレーザアニール（ELA:Excimer laser Anneal）装置である。以下、図面を参照して本実施の形態にかかるレーザアニール装置、レーザアニール方法、及び製造方法について説明する。
本実施の形態にかかるレーザアニール装置は、例えば、低温ポリシリコン(LTPS:Low Temperature Poly-Silicon)膜を形成するエキシマレーザアニール（ELA:Excimer laser Anneal）装置である。以下、図面を参照して本実施の形態にかかるレーザアニール装置、レーザアニール方法、及び製造方法について説明する。
（ＥＬＡ装置の光学系）
図１を用いて、本実施の形態にかかるＥＬＡ装置１の構成について説明する。図１は、ＥＬＡ装置１の光学系を模式的に示す図である。基板１００の上面（主面）には、シリコン膜１０１が形成されている。ＥＬＡ装置１は、レーザ光Ｌ１を基板１００上に形成されたシリコン膜１０１に照射する。これにより、非晶質のシリコン膜（アモルファスシリコン膜:ａ－Ｓｉ膜）１０１を多結晶のシリコン膜（ポリシリコン膜：ｐ－Ｓｉ膜）１０１に変換することができる。基板１００は、例えば、ガラス基板などの透明基板である。基板１００は、レーザ光が照射される対象物となる。
図１を用いて、本実施の形態にかかるＥＬＡ装置１の構成について説明する。図１は、ＥＬＡ装置１の光学系を模式的に示す図である。基板１００の上面（主面）には、シリコン膜１０１が形成されている。ＥＬＡ装置１は、レーザ光Ｌ１を基板１００上に形成されたシリコン膜１０１に照射する。これにより、非晶質のシリコン膜（アモルファスシリコン膜:ａ－Ｓｉ膜）１０１を多結晶のシリコン膜（ポリシリコン膜：ｐ－Ｓｉ膜）１０１に変換することができる。基板１００は、例えば、ガラス基板などの透明基板である。基板１００は、レーザ光が照射される対象物となる。
なお、図１では説明の明確化のため、ＸＹＺ三次元直交座標系が示されている。Ｚ方向は鉛直方向となり、基板１００に垂直な方向である。ＸＹ平面は、基板１００のシリコン膜１０１が形成された面と平行な平面である。Ｘ方向は、矩形状の基板１００の長手方向となり、Ｙ方向は基板１００の短手方向となる。また、ＥＬＡ装置１では、搬送機構（不図示）により基板１００を＋Ｘ方向に搬送しながら、シリコン膜１０１にレーザ光Ｌ１が照射される。なお、図１では、シリコン膜１０１において、レーザ光Ｌ１の照射前のシリコン膜１０１をアモルファスシリコン膜１０１ａと示し、レーザ光Ｌ１の照射後のシリコン膜１０１はポリシリコン膜１０１ｂと示している。
ＥＬＡ装置１は、ステージ１０と、レーザ光源２１、光学系２０と、検出部２２を備えている。基板１００は、ステージ１０の上に配置されている。ステージ１０は、例えば、基板１００をエア浮上させる浮上搬送ステージ（浮上搬送ユニット）であるが、浮上搬送ステージに限られるものではない。例えば、ステージ１０は、バキュームチャックタイプのステージであってもよい。ステージ１０は、下側から基板１００に向けてガスを噴出させている。よって、ステージ１０と基板１００との間に微小なエアギャップが形成された状態で、基板１００が＋Ｘ方向に搬送される。
光学系２０は、アモルファスシリコン膜１０１ａを結晶化するためのレーザ光Ｌ１をシリコン膜１０１に照射するための光学系である。光学系２０は、レーザ光Ｌ１の偏光状態を制御する偏光制御部３０を備えている。偏光制御部３０は、レーザ光Ｌ１の偏光状態を制御する。光学系２０の詳細な構成については、後述する。
光学系２０は、基板１００の上側（＋Ｚ側）に配置されている。レーザ光源２１はパルスレーザ光源であり、パルスレーザ光を発生させる。レーザ光源２１は、例えば、中心波長３０８ｎｍのエキシマレーザ光を放出するエキシマレーザ光源である。また、レーザ光源２１はパルス状のレーザ光Ｌ１を放出する。
光学系２０は、レーザ光Ｌ１を均一化するためのホモジナイザ、及びレーザ光Ｌ１を集光するコンデンサレンズなどを有している。レーザ光Ｌ１は、基板１００上において、ライン状の照射領域を形成する。照射領域は、Ｙ方向を長手方向とし、Ｘ方向を短手方向とするライン状になっている。
光学系２０は、レーザ光源２１からのレーザ光Ｌ１を基板１００に導いている。光学系２０から基板１００に照射されるレーザ光をレーザ光Ｌ２とする。レーザ光Ｌ２の照射によって、アモルファスシリコン膜１０１ａが結晶化する。基板１００に対するレーザ光Ｌ２の照射位置を変えながら、レーザ光Ｌ２をシリコン膜１０１に照射する。ステージ１０の搬送機構により基板１００を＋Ｘ方向に搬送することで、基板１００上に均一なポリシリコン膜１０１ｂが形成される。もちろん、基板１００を搬送する構成ではなく、レーザ光源２１と光学系２０を移動させてもよい。つまり、基板１００と光学系２０とを相対的に移動させることで、レーザ光Ｌ２の照射領域が走査されていればよい。
さらに、基板１００の上に検出部２２が配置されている。検出部２２は、結晶化したポリシリコン膜１０１ｂからの光を検出する光検出器を備えている。例えば、検出部２２は、例えばポリシリコン膜１０１ｂを撮像するカメラを備えている。あるいは、検出部２２は、ポリシリコン膜１０１ｂで反射した反射光のスペクトルを測定する分光計を有していてもよい。さらに、検出部２２は基板１００を照明する照明光源を備えていてもよい。例えば、照明光源は、レーザ光Ｌ２が照射された領域を照明するための照明光を発生する。カメラは、照明光で照明された領域からの反射光を検出する。検出部２２は、レーザ光Ｌ２が照射された領域を撮像することができるため、ポリシリコン膜１０１ｂの結晶状態を評価することができる。ポリシリコン膜１０１ｂの結晶状態の均一性やムラなどを評価することが可能になる。
図２は、ＥＬＡ装置１の構成を示すブロック図である。ＥＬＡ装置１は、ステージ１０、光学系２０、レーザ光源２１、検出部２２、システム制御部５０、チャンバ１２０を備えている。光学系２０、レーザ光源２１、検出部２２は、図１で示したものであるため、詳細な説明を省略する。
チャンバ１２０は、ステージ１０、及び基板１００を収容するプロセスチャンバである。つまり、チャンバ１２０内に、ステージ１０が配置されている、そして、ステージ１０の上に、基板１００が配置される。チャンバ１２０の内部にて、レーザアニールプロセスが行われる。
システム制御部５０は、ステージ１０、レーザ光源２１、光学系２０、及び偏光制御部３０の動作を制御する。システム制御部５０は、ステージ１０をＸ方向に移動させる。さらに、システム制御部５０は、レーザ光源２１の出力パワーなどを制御する。また、偏光制御部３０の動作を制御する。これにより、基板１００に照射されるレーザ光Ｌ２の偏光状態が制御される。
システム制御部５０は、検出部２２での検出結果が入力されている。そして、システム制御部５０は、検出部２２での検出結果に応じて、レーザ光源２１や偏光制御部３０を制御する。つまり、ポリシリコン膜１０１ｂの結晶状態がより均一になるように、システム制御部５０は、レーザ光の出力パワーや偏光状態を制御する。
図３は、偏光制御部３０を含む光学系２０の構成を示す図である。光学系２０は、偏光制御部３０と、合成部６０とを備えている。合成部６０は、ホモジナイザ６１とコンデンサレンズ６２とを備えている。
まず、偏光制御部３０について説明する。偏光制御部３０は、偏光ビームスプリッタ３１と、ミラー３２と、１／２波長板３３と、１／４波長板３４と、１／４波長板３５と、を備えている。さらに、偏光制御部３０は、偏光ビームスプリッタ４１と、ミラー４２と、１／２波長板４３と、１／４波長板４４と、１／４波長板４５と、を備えている。
図３では、レーザ光源２１が２つのレーザ光Ｌ３０と、レーザ光Ｌ４０を発生する例を示している。具体的には、第１レーザ光源２１ａと第２レーザ光源２１ｂが設けられている。第１レーザ光源２１ａは、レーザ光Ｌ３０を発生する。第２レーザ光源２１ｂは、レーザ光Ｌ４０を発生する。なお、１つのレーザ光源からのレーザ光をハーフミラーなどで分岐してもよい。もちろん、レーザ光源の数やレーザ光の数は特に限定されるものではない。レーザ光Ｌ３０とレーザ光Ｌ４０はランダム偏光となっている。
第１レーザ光源２１ａから出射したレーザ光Ｌ３０は、偏光ビームスプリッタ３１に入射する。偏光ビームスプリッタ３１は、レーザ光Ｌ３０を２本のレーザ光Ｌ３１、Ｌ３２に分岐する。偏光ビームスプリッタ３１は、偏光状態に応じて、入射光を分岐する。具体的には、偏光ビームスプリッタ３１はＰ偏光成分を透過し、Ｓ偏光成分を反射する。よって、偏光ビームスプリッタ３１を透過したレーザ光Ｌ３１は、Ｐ偏光の直線偏光となる。偏光ビームスプリッタ３１で反射したレーザ光Ｌ３２は、Ｓ偏光の直線偏光となる。
偏光ビームスプリッタ３１を透過したレーザ光Ｌ３１は、１／４波長板３４に入射する。１／４波長板３４は、レーザ光Ｌ３１の光路中に回転可能に配置されている。具体的には、レーザ光Ｌ３１の光軸を回転軸として、１／４波長板３４は回転する。１／４波長板３４を透過したレーザ光Ｌ３１はホモジナイザ６１に入射する。
偏光ビームスプリッタ３１で反射されたレーザ光Ｌ３２は、１／２波長板３３に入射する。１／２波長板３３の光学軸は、レーザ光Ｌ３２の偏光方向と４５°傾いている。従って、レーザ光Ｌ３２が１／２波長板３３を透過すると、直線偏光の方向が９０°回転する。よって、１／２波長板３３を透過したレーザ光Ｌ３３は、Ｐ偏光の直線偏光となる。なお、１／２波長板３３を回転させることで、レーザ光Ｌ３３をＰ偏光～Ｓ偏光の間の任意の向きの直線偏光とすることができる。１／２波長板３３を透過したレーザ光Ｌ３３は。１／４波長板３５に入射する。１／４波長板３５は、レーザ光Ｌ３３の光路中に回転可能に配置されている。具体的には、レーザ光Ｌ３３の光軸を回転軸として、１／４波長板３５は回転する。１／４波長板３４を透過したレーザ光Ｌ３３はホモジナイザ６１に入射する。
偏光制御部３０において、レーザ光Ｌ４０の経路は、レーザ光Ｌ３０の経路と同様になっている。つまり、偏光ビームスプリッタ４１、ミラー４２、１／２波長板４３、１／４波長板４４、及び１／４波長板４５が、それぞれ、偏光ビームスプリッタ３１、ミラー３２、１／２波長板３３、１／４波長板３４、及び１／４波長板３５に対応している。
第２レーザ光源２１ｂから出射したレーザ光Ｌ４０は、偏光ビームスプリッタ４１に入射する。偏光ビームスプリッタ４１は、レーザ光Ｌ４０を２本のレーザ光Ｌ４１、Ｌ４２に分岐する。偏光ビームスプリッタ４１は、偏光状態に応じて、入射光を分岐する。具体的には、偏光ビームスプリッタ４１はＰ偏光成分を透過し、Ｓ偏光成分を反射する。よって、偏光ビームスプリッタ４１を透過したレーザ光Ｌ４１は、Ｐ偏光の直線偏光となる。偏光ビームスプリッタ４１で反射したレーザ光Ｌ４２は、Ｓ偏光の直線偏光となる。
偏光ビームスプリッタ４１を透過したレーザ光Ｌ４１は、１／４波長板４４に入射する。１／４波長板４４は、レーザ光Ｌ４１の光路中に回転可能に配置されている。具体的には、レーザ光Ｌ４１の光軸を回転軸として、１／４波長板４４は回転する。１／４波長板４４を透過したレーザ光Ｌ４１はホモジナイザ６１に入射する。
偏光ビームスプリッタ４１で反射されたレーザ光Ｌ４２は、１／２波長板４３に入射する。１／２波長板４３の光学軸は、レーザ光Ｌ４２の偏光方向と４５°傾いている。従って、レーザ光Ｌ４２が１／２波長板４３を透過すると、直線偏光の方向が９０°回転する。よって、１／２波長板４３を透過したレーザ光Ｌ４３は、Ｐ偏光の直線偏光となる。なお、１／２波長板４３を回転させることで、レーザ光Ｌ４３をＰ偏光～Ｓ偏光の間の任意の向きの直線偏光とすることができる。１／２波長板４３を透過したレーザ光Ｌ４２は。１／４波長板４５に入射する。１／４波長板４５は、レーザ光Ｌ４３の光路中に回転可能に配置されている。具体的には、レーザ光Ｌ４２の光軸を回転軸として、１／４波長板４５は回転する。１／４波長板４４を透過したレーザ光Ｌ４３はホモジナイザ６１に入射する。
上記のように、１／４波長板３４、３５、４４、４５は回転可能に配置されている。例えば、１／４波長板３４の光学軸がレーザ光Ｌ３１の偏光方向と４５°傾いている場合、レーザ光Ｌ３１が円偏光になる。さらに、１／４波長板３４の光学軸がレーザ光Ｌ３１の偏光方向と４５°からずれている場合、レーザ光Ｌ３１が楕円偏光になる。そして、１／４波長板３４の角度を変えることで、楕円の角度や程度を調整することができる。同様に、１／４波長板３４、３５、４４、４５の回転角度をそれぞれ変更することで、レーザ光Ｌ３３、Ｌ４１、Ｌ４３の偏光状態を調整することができる。このように、１／４波長板３４、３５、４４、４５がそれぞれ偏光制御素子として機能する。
次に、合成部６０について説明する。レーザ光Ｌ３１、Ｌ３３、Ｌ４１、Ｌ４３はホモジナイザ６１に入射する。ホモジナイザ６１は、レーザ光Ｌ３１、Ｌ３３、Ｌ４１、Ｌ４３を合成して、ライン状の光ビームにする。ホモジナイザ６１は、例えば、複数のレンズがアレイ状に配置されたレンズアレイを有している。例えば、レーザ光Ｌ３１、Ｌ３３、Ｌ４１、Ｌ４３のそれぞれが、複数のレンズに入射して、複数の光ビームとなる。
ホモジナイザ６１で合成されたレーザ光Ｌ２はコンデンサレンズ６２で集光されて、基板１００に照射される。基板１００上において、レーザ光Ｌ２は、Ｙ方向を長手方向とし、Ｘ方向を短手方向とするラインビームとなっている。レーザ光Ｌ２が、基板１００上において、Ｙ方向に沿ったライン状の照射領域を形成する。さらに、レーザ光Ｌ２は、トップフラットな光強度分布となる。
上記のように、１／４波長板３４、３５、４４、４５は回転可能に配置されている。したがって、システム制御部５０は、１／４波長板３４、３５、４４、４５を回転させることで、レーザ光の偏光状態を調整することができる。
このようにすることで、任意の偏光状態のレーザ光Ｌ２を基板１００に照射することができる。レーザ光Ｌ１の照射条件や基板１００の種類に応じて、最適な結晶配列となるように、偏光状態を制御することができる。さらに、１／４波長板３４、３５、４４、４５の回転角度を独立して調整することがで、レーザ光Ｌ３１、Ｌ３３、Ｌ４１、Ｌ４３のそれぞれを任意の偏光状態にすることができる。任意の偏光状態を持った複数の光軸を合成したラインビームを得ることができる。これにより、偏光状態の高い自由度で制御することができるため、アニールプロセスに適したレーザ光を照射することができる。
例えば、図３では、Ｐ偏光のレーザ光Ｌ３１、Ｌ３３、Ｌ４１、Ｌ４３が、それぞれ１／４波長板３４、３５、４４、４５に入射している。例えば、レーザ光Ｌ３１、Ｌ３３、Ｌ４１、Ｌ４３の偏光方向と１／４波長板３４、３５、４４、４５の光学軸との成す角度を同じ角度とすることで、レーザ光Ｌ３１、Ｌ３３、Ｌ４１、Ｌ４３を同じ偏光状態とすることができる。そして、合成部６０は、同じ偏光状態のレーザ光Ｌ３１、Ｌ３３、Ｌ４１、Ｌ４３を合成することができる。
あるいは、レーザ光Ｌ３１、Ｌ３３、Ｌ４１、Ｌ４３の偏光方向と１／４波長板３４、３５、４４、４５の光学軸との成す角度を異なる角度とすることで、レーザ光Ｌ３１、Ｌ３３、Ｌ４１、Ｌ４３をそれぞれ異なる偏光状態にすることができる。そして、合成部６０において、異なる偏光状態のレーザ光Ｌ３１、Ｌ３３、Ｌ４１、Ｌ４３を合成して、基板１００に照射する。これにより、偏光状態の高い自由度で制御することができるため、アニールプロセスに適したレーザ光を照射することができる。
このように偏光ビームスプリッタ３１で分岐された２つのレーザ光Ｌ３１、Ｌ３２の光路中に１／４波長板３４、１／４波長板３５が配置されている。回転可能に設けられた１／４波長板３４、及び１／４波長板３５が偏光制御素子として機能する。つまり、１／４波長板３４、及び１／４波長板３５をそれぞれ回転させることで、２つのレーザ光Ｌ３１、Ｌ３３のそれぞれについて、偏光状態を独立して調整することができる。
同様に、偏光ビームスプリッタ４１で分岐された２つのレーザ光Ｌ４１、Ｌ４２の光路中に１／４波長板４４、１／４波長板４５が配置されている。１／４波長板４４、及び１／４波長板４５を回転させることで、偏光制御素子として機能する。つまり、１／４波長板４４、及び１／４波長板４５をそれぞれ回転させることで、２つのレーザ光Ｌ４１、Ｌ４３のそれぞれについて、偏光状態を独立して調整することができる。なお、偏光制御素子は１／２波長板や１／４波長板などの波長板に限られるものではない。
合成部６０は、偏光状態が調整されたレーザ光Ｌ３１、Ｌ３３、Ｌ４１、Ｌ４３を合成して、基板１００に照射する。これにより、基板１００に照射されるレーザ光Ｌ２の偏光状態を高い自由度で制御することができる。
システム制御部５０は、ポリシリコン膜１０１ｂの結晶状態の評価結果に応じて、偏光状態を制御してもよい。例えば、検出部２２がポリシリコン膜１０１ｂの結晶状態を検出している。検出部２２の検出結果に応じて、システム制御部５０が、１／４波長板３４、１／４波長板３５、１／４波長板４４、１／４波長板４５の回転角度を調整する。これにより、各種プロセス条件に適した偏光状態を生成することができる。例えば、レーザ光の出力パワー、基板１００の種類、シリコン膜１０１の厚さ、基板１００の搬送速度等に応じて、偏光状態を最適化することができる。例えば、ポリシリコン膜１０１ｂの結晶状態のばらつきが小さくなるように、システム制御部５０が、偏光状態を制御する。よって、アニールプロセスに適した偏光状態のレーザ光Ｌ２を照射することが可能となる。
なお、図３では、合成部６０が４つのレーザ光Ｌ３１、Ｌ３３、Ｌ４１、Ｌ４３を合成していたが、合成部６０によって合成されるレーザ光の数は特に限定されるものではない。つまり、合成部６０は、２つ以上のレーザ光を合成するものであればよい。
なお、上記の説明では、偏光制御素子として、１／４波長板３４、３５、４４、４５を用いたが、１／２波長板３３、４３を偏光制御素子として用いてもよい。例えば、１／２波長板３３、４３を光軸周りに回転させることで、偏光状態を制御することができる。この場合、図４に示すように、レーザ光Ｌ３１、Ｌ３３、Ｌ４１、Ｌ４３の全ての光路に１／２波長板３３、３７、４３、４７を配置してもよい。図４では、レーザ光Ｌ３１の光路中に１／２波長板３７が追加され、レーザ光Ｌ４１の光路中に１／２波長板４７が追加されている。また、レーザ光Ｌ３１、Ｌ３３、Ｌ４１、Ｌ４３の一部は、１／４波長板で偏光状態を制御し、残りは、１／２波長板で偏光状態を制御しても良い。
偏光ビームスプリッタ３１、４１を用いることで、ランダム偏光のレーザ光がほぼ均等に分岐される。そして、分岐された２つのレーザ光の偏光状態を制御することで、レーザ光Ｌ２を容易に所望の偏光状態とすることができる。さらに、効率よくレーザ光を利用することができる。つまり、偏光子などを用いていないため、レーザ光の吸収を防ぐことができ、レーザ光を効率よく利用することができる。
本実施の形態にかかるレーザアニール方法はランダム偏光のレーザ光を発生させるステップと、偏光ビームスプリッタでランダム偏光の前記レーザ光を分岐するステップと、前記偏光ビームスプリッタで分岐された複数のレーザ光の偏光状態を制御するステップと、偏光状態が制御された前記複数のレーザ光を合成して、対象物に照射するステップと、を備えている。これにより、偏光状態の高い自由度で制御することができるため、アニールプロセスに適したレーザ光を照射することができる。
レーザ光の偏光状態は、結晶の粒径、方位に影響を与える。本実施の形態では、レーザ光が任意の偏光状態となるように、制御することができる。よって、結晶の均一性、周期性、方位などの品質を向上するように、偏光状態を制御することができる。ミクロな結晶状態を制御することで、ムラが発生しにくい条件での調整が可能となる。
また、ステージ１０として、基板１００を浮上させながら搬送する浮上搬送ステージを用いることが好ましい。特に、浮上搬送ステージは、大型基板の搬送において優れている。大型基板をＥＬＡ処理する場合、製品単価当りにＥＬＡコストを下げる必要がある。浮上搬送ステージを用いて大型基板をアニール処理する場合、ランダム偏光であるエキシマレーザを偏光光に変換してから照射することで、適切なアニールが可能となる。さらに、検出部２２での結晶状態の評価結果に基づいて、偏光状態を制御することで、生産性が高く、高品質な結晶を得ることができる。
（有機ＥＬディスプレイ）
上記のポリシリコン膜を有する半導体装置は、有機ＥＬ（ElectroLuminescence）ディスプレイ用のＴＦＴ（Thin Film transistor）アレイ基板に好適である。すなわち、ポリシリコン膜は、ＴＦＴのソース領域、チャネル領域、ドレイン領域を有する半導体層として用いられる。
上記のポリシリコン膜を有する半導体装置は、有機ＥＬ（ElectroLuminescence）ディスプレイ用のＴＦＴ（Thin Film transistor）アレイ基板に好適である。すなわち、ポリシリコン膜は、ＴＦＴのソース領域、チャネル領域、ドレイン領域を有する半導体層として用いられる。
以下、本実施の形態にかかる半導体装置を有機ＥＬディスプレイディスプレイに適用した構成について説明する。図５は、有機ＥＬディスプレイの画素回路を簡略化して示す断面図である。図５に示す有機ＥＬディスプレイ３００は、各画素ＰＸにＴＦＴが配置されたアクティブマトリクス型の表示装置である。
有機ＥＬディスプレイ３００は、基板３１０、ＴＦＴ層３１１、有機層３１２、カラーフィルタ層３１３、及び封止基板３１４を備えている。図５では、封止基板３１４側が視認側となるトップエミッション方式の有機ＥＬディスプレイを示している。なお、以下の説明は、有機ＥＬディスプレイの一構成例を示すものであり、本実施の形態は、以下に説明される構成に限られるものではない。例えば、本実施の形態にかかる半導体装置は、ボトムエミッション方式の有機ＥＬディスプレイに用いられていてもよい。
基板３１０は、ガラス基板又は金属基板である。基板３１０の上には、ＴＦＴ層３１１が設けられている。ＴＦＴ層３１１は、各画素ＰＸに配置されたＴＦＴ３１１ａを有している。さらに、ＴＦＴ層３１１は、ＴＦＴ３１１ａに接続される配線（図示を省略）等を有している。ＴＦＴ３１１ａ、及び配線等が画素回路を構成する。
ＴＦＴ層３１１の上には、有機層３１２が設けられている。有機層３１２は、画素ＰＸごとに配置された有機ＥＬ発光素子３１２ａを有している。有機ＥＬ発光素子３１２ａは、例えば、陽極、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層、及び陰極が積層された積層構造を有している。トップエミッション方式の場合、陽極は金属電極であり、陰極はＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等の透明導電膜である。さらに、有機層３１２には、画素ＰＸ間において、有機ＥＬ発光素子３１２ａを分離するための隔壁３１２ｂが設けられている。
有機層３１２の上には、カラーフィルタ層３１３が設けられている。カラーフィルタ層３１３は、カラー表示を行うためのカラーフィルタ３１３ａが設けられている。すなわち、各画素ＰＸには、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、又はＢ（青色）に着色された樹脂層がカラーフィルタ３１３ａとして設けられている。有機層３１２から放出された白色光は、カラーフィルタ３１３ａを通過すると、ＲＧＢの色の光に変換される。なお、有機層３１２に、ＲＧＢの各色を発光する有機ＥＬ発光素子が設けられている３色方式の場合、カラーフィルタ層３１３を省略してもよい。
カラーフィルタ層３１３の上には、封止基板３１４が設けられている。封止基板３１４は、ガラス基板などの透明基板であり、有機層３１２の有機ＥＬ発光素子の劣化を防ぐために設けられている。
有機層３１２の有機ＥＬ発光素子３１２ａに流れる電流は、画素回路に供給される表示信号によって変化する。よって、表示画像に応じた表示信号を各画素ＰＸに供給することで、各画素ＰＸでの発光量を制御することができる。これにより、所望の画像を表示することができる。
有機ＥＬディスプレイ等のアクティブマトリクス型表示装置では、１つの画素ＰＸに、１つ以上のＴＦＴ（例えば、スイッチング用ＴＦＴ、又は駆動用ＴＦＴ）が設けられている。そして、各画素ＰＸのＴＦＴには、ソース領域、チャネル領域、及びドレイン領域を有する半導体層が設けられている。本実施の形態にかかるポリシリコン膜は、ＴＦＴの半導体層に好適である。すなわち、上記の製造方法により製造したポリシリコン膜をＴＦＴアレイ基板の半導体層に用いることで、ＴＦＴ特性の面内ばらつきを抑制することができる。よって、表示特性の優れた表示装置を高い生産性で製造することができる。
（半導体装置の製造方法）
本実施の形態にかかるＥＬＡ装置を用いた半導体装置の製造方法は、ＴＦＴアレイ基板の製造に好適である。ＴＦＴを有する半導体装置の製造方法について、図６～図１３を用いて説明する。図６～図１３は半導体装置の製造工程を示す工程断面図である。以下の説明では、逆スタガード（inverted staggered）型のＴＦＴを有する半導体装置の製造方法について説明する。
本実施の形態にかかるＥＬＡ装置を用いた半導体装置の製造方法は、ＴＦＴアレイ基板の製造に好適である。ＴＦＴを有する半導体装置の製造方法について、図６～図１３を用いて説明する。図６～図１３は半導体装置の製造工程を示す工程断面図である。以下の説明では、逆スタガード（inverted staggered）型のＴＦＴを有する半導体装置の製造方法について説明する。
まず、図６に示すように、ガラス基板４０１上に、ゲート電極４０２を形成する。なお、ガラス基板４０１は、上記した基板１００に相当する。ゲート電極４０２は、例えば、アルミニウムなどを含む金属薄膜を用いることができる。ガラス基板４０１上に、スパッタ法や蒸着法により金属薄膜を成膜する。そして、金属薄膜をフォトリソグラフィーにより、パターニングすることで、ゲート電極４０２が形成される。フォトリソグラフィーグラフィ法では、レジスト塗布、露光、現像、エッチング、レジスト剥離等の処理が行われる。なお、ゲート電極４０２のパターニングと同工程で、各種の配線等を形成してもよい。
次に、図７に示すように、ゲート電極４０２の上に、ゲート絶縁膜４０３を形成する。ゲート絶縁膜４０３は、ゲート電極４０２を覆うように形成される。そして、図８に示すように、ゲート絶縁膜４０３の上に、アモルファスシリコン膜４０４を形成する。アモルファスシリコン膜４０４は、ゲート絶縁膜４０３を介して、ゲート電極４０２と重複するように配置されている。
ゲート絶縁膜４０３は、窒化シリコン膜（ＳｉＮｘ）、酸化シリコン膜（ＳｉＯ２膜）、又はこれらの積層膜等などである。具体的には、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、ゲート絶縁膜４０３とアモルファスシリコン膜４０４とを連続成膜する。
そして、アモルファスシリコン膜４０４にレーザ光Ｌ１を照射することで、図９に示すように、ポリシリコン膜４０５を形成する。すなわち、図１等で示したＥＬＡ装置１によって、アモルファスシリコン膜４０４を結晶化する。これにより、シリコンが結晶化したポリシリコン膜４０５がゲート絶縁膜４０３上に形成される。ポリシリコン膜４０５は、上記したポリシリコン膜１０１ｂに相当する。
この時、本実施の形態にかかる検査方法により、ポリシリコン膜４０５が検査されている。ポリシリコン膜４０５が所定の基準を満たさない場合、ポリシリコン膜４０５に再度レーザ光が照射される。このため、ポリシリコン膜４０５の特性をより均一にすることができる。面内のばらつきを抑制することができるため、表示特性の優れた表示装置を高い生産性で製造することができる。
なお、図示を省略するがポリシリコン膜４０５をフォトリソグラフィー法によりパターニングする。また、イオン注入法などにより、ポリシリコン膜４０５に不純物を導入してもよい。
その後、図１０に示すように、ポリシリコン膜４０５の上に、層間絶縁膜４０６を形成する。層間絶縁膜４０６には、ポリシリコン膜４０５を露出するためのコンタクトホール４０６ａが設けられている。
層間絶縁膜４０６は、窒化シリコン膜（ＳｉＮｘ）、酸化シリコン膜（ＳｉＯ２膜）、又はこれらの積層膜等などである。具体的には、ＣＶＤ法により、層間絶縁膜４０６を成膜する。そして、フォトリソグラフィー法により、層間絶縁膜４０６をパターニングすることで、コンタクトホール４０６ａが形成される。
次に、図１１に示すように、層間絶縁膜４０６の上に、ソース電極４０７ａ、及びドレイン電極４０７ｂを形成する。ソース電極４０７ａ、及びドレイン電極４０７ｂは、コンタクトホール４０６ａを覆うように形成される。すなわち、ソース電極４０７ａ、及びドレイン電極４０７ｂは、コンタクトホール４０６ａ内から層間絶縁膜４０６の上まで形成される。よって、コンタクトホール４０６ａを介して、ソース電極４０７ａ、及びドレイン電極４０７ｂは、ポリシリコン膜４０５と電気的に接続される。
これにより、ＴＦＴ４１０が形成される。ＴＦＴ４１０は、上記したＴＦＴ３１１ａに相当する。ポリシリコン膜４０５において、ゲート電極４０２と重複する領域がチャネル領域４０５ｃとなる。ポリシリコン膜４０５において、チャネル領域４０５ｃよりもソース電極４０７ａ側がソース領域４０５ａとなり、ドレイン電極４０７ｂ側がドレイン領域４０５ｂとなる。
ソース電極４０７ａ、及びドレイン電極４０７ｂは、アルミニウムなどを含む金属薄膜により形成されている。層間絶縁膜４０６上に、スパッタ法や蒸着法により金属薄膜を成膜する。そして、金属薄膜をフォトリソグラフィーにより、パターニングすることで、ソース電極４０７ａ、及びドレイン電極４０７ｂが形成される。なお、ソース電極４０７ａ、及びドレイン電極４０７ｂのパターニングと同工程で、各種の配線を形成してもよい。
そして、図１２に示すように、ソース電極４０７ａ、及びドレイン電極４０７ｂの上に、平坦化膜４０８を形成する。平坦化膜４０８は、ソース電極４０７ａ、及びドレイン電極４０７ｂを覆うように形成される。さらに、平坦化膜４０８には、ドレイン電極４０７ｂを露出するためのコンタクトホール４０８ａが設けられている。
平坦化膜４０８は、例えば、感光性樹脂膜により形成されている。ソース電極４０７ａ、及びドレイン電極４０７ｂの上に、感光性樹脂膜を塗布して、露光、現像する。これにより、コンタクトホール４０８ａを有する平坦化膜４０８をパターニングすることができる。
そして、図１３に示すように、平坦化膜４０８の上に、画素電極４０９を形成する。画素電極４０９は、コンタクトホール４０８ａを覆うように形成される。すなわち、画素電極４０９は、コンタクトホール４０８ａ内から平坦化膜４０８の上まで形成される。よって、コンタクトホール４０８ａを介して、画素電極４０９は、ドレイン電極４０７ｂと電気的に接続される。
画素電極４０９は、透明導電膜又はアルミニウムなどを含む金属薄膜により形成される。平坦化膜４０８の上に、スパッタ法などにより、導電膜（透明導電膜、又は金属薄膜）を成膜する。そして、フォトリソグラフィー法により導電膜をパターニングする。これにより、平坦化膜４０８の上に画素電極４０９が形成される。有機ＥＬディスプレイの駆動用ＴＦＴの場合、画素電極４０９の上に、図５で示したような有機ＥＬ発光素子３１２ａ、カラーフィルタ（ＣＦ）３１３ａ等が形成される。なお、トップエミッション方式の有機ＥＬディスプレイの場合、画素電極４０９は、反射率の高いアルミニウムや銀などを含む金属薄膜により形成される。また、ボトムエミッション方式の有機ＥＬディスプレイの場合、画素電極４０９は、ＩＴＯなどの透明導電膜により形成される。
以上、逆スタガード（inverted staggered）型のＴＦＴの製造工程を説明したが、本実施の形態にかかる製造方法を逆スタガード（inverted staggered）型のＴＦＴの製造に適用してもよい。もちろん、ＴＦＴの製造方法は、有機ＥＬディスプレイ用のＴＦＴの製造に限られるものではなく、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）用のＴＦＴの製造に適用することもできる。
さらに、上記の説明では、本実施の形態にかかるレーザアニール装置が、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形成するものとして説明したが、アモルファスシリコン膜にレーザ光を照射してマイクロクリスタルシリコン膜を形成するものであってもよい。さらには、アニールを行うレーザ光はエキシマレーザに限定されるものではない。また、本実施の形態にかかる方法は、シリコン膜以外の薄膜を結晶化するレーザアニール装置に適用することも可能である。すなわち、非晶質膜にレーザ光を照射して、結晶化膜を形成するレーザアニール装置であれば、本実施の形態にかかる方法は適用可能である。本実施の形態にかかるレーザアニール装置によれば、結晶化膜付き基板を適切に改質することができる。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
１ ＥＬＡ装置
１０ ステージ
２０ 光学系
２１ レーザ光源
２１ａ 第１レーザ光源
２１ｂ 第２レーザ光源
２２ 検出部
３０ 偏光制御部
３１ 偏光ビームスプリッタ
３２ ミラー
３３ １／２波長板
３４ １／４波長板
３５ １／４波長板
３７ １／２波長板
４１ 偏光ビームスプリッタ
４２ ミラー
４３ １／２波長板
４４ １／４波長板
４５ １／４波長板
４７ １／２波長板
５０ システム制御部
６０ 合成部
６１ ホモジナイザ
６２ コンデンサレンズ
１００ 基板
１０１ シリコン膜
１０１ａ アモルファスシリコン膜
１０１ｂ ポリシリコン膜
１２０ チャンバ
３００ 有機ＥＬディスプレイ
３１０ 基板
３１１ ＴＦＴ層
３１１ａ ＴＦＴ
３１２ 有機層
３１２ａ 有機ＥＬ発光素子
３１２ｂ 隔壁
３１３ カラーフィルタ層
３１３ａ カラーフィルタ（ＣＦ）
３１４ 封止基板
４０１ ガラス基板
４０２ ゲート電極
４０３ ゲート絶縁膜
４０４ アモルファスシリコン膜
４０５ ポリシリコン膜
４０６ 層間絶縁膜
４０７ａ ソース電極
４０７ｂ ドレイン電極
４０８ 平坦化膜
４０９ 画素電極
４１０ ＴＦＴ
ＰＸ 画素
１０ ステージ
２０ 光学系
２１ レーザ光源
２１ａ 第１レーザ光源
２１ｂ 第２レーザ光源
２２ 検出部
３０ 偏光制御部
３１ 偏光ビームスプリッタ
３２ ミラー
３３ １／２波長板
３４ １／４波長板
３５ １／４波長板
３７ １／２波長板
４１ 偏光ビームスプリッタ
４２ ミラー
４３ １／２波長板
４４ １／４波長板
４５ １／４波長板
４７ １／２波長板
５０ システム制御部
６０ 合成部
６１ ホモジナイザ
６２ コンデンサレンズ
１００ 基板
１０１ シリコン膜
１０１ａ アモルファスシリコン膜
１０１ｂ ポリシリコン膜
１２０ チャンバ
３００ 有機ＥＬディスプレイ
３１０ 基板
３１１ ＴＦＴ層
３１１ａ ＴＦＴ
３１２ 有機層
３１２ａ 有機ＥＬ発光素子
３１２ｂ 隔壁
３１３ カラーフィルタ層
３１３ａ カラーフィルタ（ＣＦ）
３１４ 封止基板
４０１ ガラス基板
４０２ ゲート電極
４０３ ゲート絶縁膜
４０４ アモルファスシリコン膜
４０５ ポリシリコン膜
４０６ 層間絶縁膜
４０７ａ ソース電極
４０７ｂ ドレイン電極
４０８ 平坦化膜
４０９ 画素電極
４１０ ＴＦＴ
ＰＸ 画素
Claims (17)
- ランダム偏光のレーザ光を発生させるレーザ光源と、
ランダム偏光の前記レーザ光を分岐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で分岐された複数のレーザ光の偏光状態を制御する偏光制御素子と、
前記偏光制御素子からの複数のレーザ光を合成して、対象物に照射する合成部と、を備えたレーザアニール装置。 - 前記偏光制御素子は、
前記偏光ビームスプリッタで分岐された２つのレーザ光の少なくとも一方の光路中に配置された１／２波長板と、
前記２つのレーザ光の光路中にそれぞれ配置された１／４波長板と、を備え、
前記１／２波長板及び前記１／４波長板の少なくとも一方を回転させることで、レーザ光の偏光状態を制御する請求項１に記載のレーザアニール装置。 - 前記対象物には、非晶質の膜が形成されており、
前記レーザ光によって前記膜が結晶化する請求項１、又は２に記載のレーザアニール装置。 - 結晶化した前記膜の結晶状態を評価する検出部をさらに備え、
前記検出部での評価結果に応じて、前記偏光状態が制御されている請求項３に記載のレーザアニール装置。 - 前記合成部で合成されたレーザ光が、前記対象物上において、第１の方向に沿ったライン状の照射領域を形成し、
上面視において前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って、前記対象物を移動しながら前記レーザ光を照射する請求項１～４のいずれか１項に記載のレーザアニール装置。 - 前記対象物を浮上させながら搬送する浮上搬送ステージをさらに備えた請求項１～５のいずれか１項に記載のレーザアニール装置。
- （ａ）ランダム偏光のレーザ光を発生させるステップと、
（ｂ）偏光ビームスプリッタでランダム偏光の前記レーザ光を分岐するステップと、
（ｃ）前記偏光ビームスプリッタで分岐された複数のレーザ光の偏光状態を制御するステップと、
（ｄ）偏光状態が制御された前記複数のレーザ光を合成して、対象物に照射するステップと、を備えたレーザアニール方法。 - 前記偏光ビームスプリッタで分岐された２つのレーザ光の少なくとも一方の光路中に１／２波長板が配置され、
前記２つのレーザ光の光路中にそれぞれ１／４波長板が配置され、
前記１／２波長板及び前記１／４波長板の少なくとも一方を回転させることで、レーザ光の偏光状態を制御する請求項７に記載のレーザアニール方法。 - 前記対象物には、非晶質の膜が形成されており、
前記レーザ光によって前記膜が結晶化する請求項７、又は８に記載のレーザアニール方法。 - 結晶化した前記膜の結晶状態を評価し、
前記結晶状態の評価結果に応じて、前記偏光状態を制御する請求項９に記載のレーザアニール方法。 - 合成されたレーザ光が、前記対象物上において、第１の方向に沿ったライン状の照射領域を形成し、
上面視において前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って、前記対象物を移動しながら前記レーザ光を照射する請求項７～１０のいずれか１項に記載のレーザアニール方法。 - 前記（ｄ）のステップでは、
浮上搬送ステージを用いて、前記対象物を浮上させながら搬送している請求項７～１１のいずれか１項に記載のレーザアニール方法。 - （Ｓ１）基板上に非晶質膜を形成するステップと、
（Ｓ２）前記非晶質膜を結晶化して結晶化膜を形成するように、前記非晶質膜をアニールするステップと、を備え、
前記（Ｓ２）アニールするステップは、
（Ａ）ランダム偏光のレーザ光を発生させるステップと、
（Ｂ）偏光ビームスプリッタでランダム偏光の前記レーザ光を分岐するステップと、
（Ｃ）前記偏光ビームスプリッタで分岐された複数のレーザ光の偏光状態を制御するステップと、
（Ｄ）偏光状態が制御された前記複数のレーザ光を合成して、対象物に照射するステップと、を備えている半導体装置の製造方法。 - 前記偏光ビームスプリッタで分岐された２つのレーザ光の少なくとも一方の光路中に１／２波長板が配置され、
前記２つのレーザ光の光路中にそれぞれ１／４波長板が配置され、
前記１／２波長板及び前記１／４波長板の少なくとも一方を回転させることで、レーザ光の偏光状態を制御する請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記結晶化膜の結晶状態を評価し、
前記結晶状態の評価結果に応じて、前記偏光状態が制御されている請求項１３、又は１４に記載の半導体装置の製造方法。 - 合成された前記レーザ光が、前記基板上において、第１の方向に沿ったライン状の照射領域を形成し、
上面視において前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って、前記基板を移動しながら前記レーザ光を照射する請求項１３～１５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記（Ｄ）のステップでは、
浮上搬送ステージを用いて、前記基板を浮上させながら搬送している請求項１３～１６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
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