JP2023131583A - レーザアニール装置およびレーザアニール方法 - Google Patents

レーザアニール装置およびレーザアニール方法 Download PDF

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Junichi Kosugi
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Abstract

【課題】結晶の剥がれやガラス基板へのクラックなどの損傷が発生しない、良質で面内均一性が高い、帯状の結晶化領域や略全面アニールした結晶化領域の形成を可能にするレーザアニール装置を提供すること。【解決手段】連続発振レーザ光からなり被照射面に対して長方形のビームスポットを有するレーザビームを出射する複数のビーム出射部を備え、前記レーザビームを、基板の上に成膜された非晶質シリコン膜に対して、スキャン方向に沿って相対的にスキャンして前記非晶質シリコン膜の帯状の改質予定領域を結晶化するレーザアニール装置であって、前記ビームスポットの長辺が、前記スキャン方向に対して直交する方向と平行であり、前記ビームスポットの長辺の長さが、前記レーザビームの照射による加熱に伴って発生する前記基板に固有の内部応力により前記基板を破損させる長さよりも短く設定されている。【選択図】図４

Description

本発明は、レーザアニール装置およびレーザアニール方法に関する。
基板上の非晶質シリコン膜に対して、線状に延びる疑似単結晶シリコン膜(結晶化領域)をストライプ状に形成することができるレーザアニール装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この疑似単結晶シリコン膜は、長手方向に沿って列をなす薄膜トランジスタ(ＴＦＴ：Thin Film Transistor)を形成するための半導体膜として利用される。
このレーザアニール装置は、複数の光ファイバの出射側端部が配置された光学ヘッドを有する。光ファイバの出射側端部のコア形状は円形状であり、光学ヘッドの光出射面において所定の直線に沿って所定間隔を隔てて列をなすように配置されている。通常、このレーザアニール装置では、上記光出射面における所定の直線がスキャン方向に対して直交するように光学ヘッドを配置し、非晶質シリコン膜に対して相対的にスキャンしながら結晶化レーザアニールを行う。加えて、このレーザアニール装置では、光学ヘッドを非晶質シリコン膜に対向させた状態で、スキャン方向と直交する方向に対して任意の角度をなすように回転移動させることにより、作製される線状の結晶化領域同士の間隔を調整することが可能である。
近年は、液晶ディスプレイ(ＬＣＤ：Liquid Crystal Display)、有機ＥＬディスプレイ(ＯＬＥＤ：Organic Electroluminescence Display)などの薄型ディスプレイ(ＦＰＤ：Flat Panel Display)において、ＴＦＴの数の増加や、集積化が進んでいる。これに伴い、ＴＦＴ基板に対して幅の広い帯状の結晶化領域や、略全面アニールした結晶化領域の形成が必要になっている。このような幅の広い結晶化領域をレーザアニールにより形成する場合、この領域に作製されるＴＦＴの素子特性を均一化するために、結晶化領域の膜質の面内均一性が特に重要となる。このため、結晶化領域に照射されるレーザビームの照射条件(照射時間、ビーム照射量など)は、スキャン方向に対して直交する方向（結晶化領域の幅方向）のどの位置においても同じ照射条件であることが望ましい。したがって、レーザアニール装置から出射されるレーザビームのビームスポットの形状はスキャン方向に対して直交する方向に沿ったどの位置においてもビーム幅(スキャン方向の長さ)が一定な長方形であることが好ましい。
国際公開第２０２１/０３９９２０号
しかしながら、ビームスポットにおけるスキャン方向に対して直交する方向の長さ（長方形の長辺の長さ）が長くなると、アニールによる発熱に起因する基板内の引っ張り応力によりガラス基板に曲がりが発生する。そのため、結晶の剥がれやガラス基板にクラックが発生するという問題が生じる。処理効率の観点からは、ビームスポットにおけるスキャン方向に対して直交する方向の長さを長くすることが好ましい。この現象は、ビームスポットがスキャン方向に対して直交する方向に長くなり過ぎると、アニールによって発熱された領域から熱放散する効率が低下して、基板内に内部応力が蓄積するためであると推測される。近年では、ディスプレイの大型化や薄型化がさらに進んでおり、結晶化領域の幅、面積が大きくなるにつれてガラス基板が損傷され割れ易くなるという問題が危惧されている。因みに、近年の大型液晶ディスプレイ（６０インチ）の場合でも、標準的なガラス基板の厚さは２.８ｍｍ程度でしかない。薄いガラス基板ほど機械的に壊れ易くなる。また、電子移動度の高い疑似単結晶シリコン膜の製作においては、ガラス基板の損傷を防止するためにアニール温度を下げることは、膜質の低下を招き、疑似単結晶成長自体をも困難にする。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、結晶の剥がれやガラス基板へのクラックなどの損傷が発生しない、良質で面内均一性が高い、帯状の結晶化領域や略全面アニールした結晶化領域の形成を可能にするレーザアニール装置およびレーザアニール方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の態様は、連続発振レーザ光からなり被照射面に対して方形のビームスポットを有するレーザビームを出射する複数のビーム出射部を備え、前記レーザビームを、基板の上に成膜された非晶質シリコン膜に対して、スキャン方向に沿って相対的にスキャンして前記非晶質シリコン膜の帯状の改質予定領域を結晶化するレーザアニール装置であって、前記ビームスポットの一辺が、前記スキャン方向に対して直交する方向と平行であり、前記ビームスポットの前記一辺の長さが、前記レーザビームの照射による加熱に伴って発生する前記基板に固有の内部応力により前記基板を破損させる長さよりも短く設定されていることを特徴とする。
上記態様としては、前記非晶質シリコン膜の表面において、それぞれの前記ビーム出射部から出射された前記レーザビームの前記ビームスポットは、前記基板の基板面内において、前記スキャン方向に対して直交する方向から見ると、前記スキャン方向に対して直交する方向に沿って互いに隣接する前記ビームスポット同士が、前記スキャン方向に沿って、前記レーザビームの照射により加熱された前記改質予定領域の温度がシリコンの結晶化温度以下まで低下するスキャン時間に相当する距離よりも長い距離を隔てて互いに配置されていることが好ましい。
上記態様としては、前記レーザビームの照射により加熱された前記改質予定領域の温度がシリコンの結晶化温度以下まで低下するスキャン時間に相当する距離は、前記基板の厚み、前記非晶質シリコン膜の厚み、前記非晶質シリコン膜およびその下層の材料膜の熱拡散能力、前記レーザビームの照射量、および前記レーザビームの相対スキャン速度に基づいて算出されることが好ましい。
上記態様としては、前記複数のレーザビームは、選択的に点灯可能であることが好ましい。
上記態様としては、前記ビーム出射部から出射するレーザビームの強度変調が可能であることが好ましい。
上記態様としては、前記ビーム出射部は、光ファイバの一端部であり、前記光ファイバの他端部は、連続発振レーザ光を出射する光源に接続され、前記ビーム出射部の端面の形状で前記ビームスポットの形状が設定されていることが好ましい。
本発明の他の態様は、連続発振レーザ光からなり被照射面に対して方形のビームスポットを有するレーザビームを、出射する複数のビーム出射部を備え、前記レーザビームを、基板の上に成膜された非晶質シリコン膜に対して、スキャン方向に沿って相対的にスキャンして前記非晶質シリコン膜の帯状の改質予定領域を結晶化するレーザアニール装置であって、前記ビームスポットの一辺が前記スキャン方向に対して直交する方向と平行であり、前記スキャン方向から見ると、前記複数のビーム出射部から出射されたレーザビームの前記ビームスポットは、前記改質予定領域の全幅に亘って連続するように配置され、前記基板の基板面内において、前記スキャン方向に対して直交する方向に沿って互いに隣接する前記ビームスポット同士は、前記スキャン方向に対して直交する前記方向から見ると、前記スキャン方向に沿って離隔されていることを特徴とする。
上記態様としては、前記ビームスポットの前記一辺の長さが、前記レーザビームの照射による加熱に伴って発生する前記基板に固有の内部応力により前記基板を破損させる長さよりも短く設定され、前記スキャン方向に対して直交する前記方向に沿って互いに隣接する前記ビームスポット同士は、前記スキャン方向に沿って、前記レーザビームの照射により加熱された前記改質予定領域の温度がシリコンの結晶化温度以下まで低下するスキャン時間に相当する距離よりも長い距離を隔てて互いに配置されていることが好ましい。
上記態様としては、前記レーザビームの照射により加熱された前記改質予定領域の温度がシリコンの結晶化温度以下まで低下するスキャン時間に相当する前記距離は、前記基板の厚み、前記非晶質シリコン膜の厚み、前記非晶質シリコン膜およびその下層の材料膜の熱拡散能力、前記レーザビームの照射量、および前記レーザビームの相対スキャン速度に基づいて算出されることが好ましい。
上記態様としては、前記複数のレーザビームは、選択的に点灯可能であることが好ましい。
上記態様としては、前記ビーム出射部から出射するレーザビームの強度変調が可能であることが好ましい。
上記態様としては、前記ビーム出射部は、光ファイバの一端部であり、前記光ファイバの他端部は、連続発振レーザ光を出射する光源に接続され、前記ビーム出射部の端面の形状で前記ビームスポットの形状が設定されていることが好ましい。
本発明の他の態様は、複数のビーム出射部から、連続発振レーザ光からなり基板の上に成膜された非晶質シリコン膜の被照射面に対して方形のビームスポットを有する複数のレーザビームを照射し、この状態で、前記複数のレーザビームを前記基板に対してスキャン方向に沿って相対的にスキャンして前記非晶質シリコン膜の帯状の改質予定領域を結晶化させるレーザアニール方法であって、
前記基板に対して予備試験を行い、前記ビームスポット同士の距離を、レーザ加熱による熱応力割れが発生しない距離になるように、前記複数のビーム出射部同士の距離を調整、設定する工程と、その後、前記複数のレーザビームを前記基板に対して相対的にスキャンしてレーザアニールを行う工程と、を備えることを特徴とする。
上記態様としては、前記予備試験は、試験用の前記基板を用いて熱応力試験を行うことが好ましい。
上記態様としては、前記予備試験は、シミュレーションを行うことが好ましい。
本発明に係るレーザアニール装置およびレーザアニール方法によれば、結晶の剥がれやガラス基板を損傷させることなく、膜質の均一性が高い、帯状の結晶化領域や略全面アニールした結晶化領域の形成を可能にする。
図１は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置の概略を示す構成図である。 図２は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置のファイバアレイの説明図である。 図３は、非晶質シリコン膜に対してレーザビームをスキャンしている状態を示す断面説明図である。 図４は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置におけるビームスポットの配置関係を光ファイバのコアの配置に基づいて説明する平面説明図である。 図５は、レーザアニール装置におけるビームスポットの長辺の長さと基板裏面の曲げ応力との関係を示す説明図である。 図６は、被処理膜におけるレーザアニール装置のビーム中心からのスキャン方向距離と温度との関係を示す図である。 図７は、レーザビームのビーム中心からのスキャン方向の距離と温度との関係を表し、レーザビームの移動に伴う非晶質シリコン膜表面の定常温度分布を示す図である。 図８は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置を用いて複数の線状の結晶化領域をストライプ状に形成する実施例１を示す説明図である。 図９は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置を用いて複数の帯状の結晶化領域をストライプ状に形成する実施例２を示す説明図である。 図１０は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置を用いて略全面アニールした結晶化領域を形成する実施例３を示す説明図である。 図１１は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置のビームスポットの配置関係を示す変形例を光ファイバのコアの配置に基づいて説明する平面説明図である。
以下に、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置の詳細を図面に基づいて説明する。但し、図面は模式的なものであり、各部材の数、各部材の寸法、寸法の比率、形状などは現実のものと異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率や形状が異なる部分が含まれている。
（レーザアニール装置の概略構成）
図１に示すように、本実施の形態に係るレーザアニール装置１は、光源ユニット２と、光学ヘッド３と、被処理基板１０を載せるステージ２０と、被処理基板１０を所定のスキャン方向に沿って移動させる図示しない基板搬送手段と、を備えて概略構成されている。
光源ユニット２は、光源として例えば２４個の半導体レーザＬＤを備える。図１においては、４個の半導体レーザＬＤ１ａ～ＬＤ１ｄだけを示している。なお、本実施の形態では、説明の便宜上、半導体レーザＬＤの数を２４個としたが、本発明はこれに限定されるものではなく適宜変更可能である。
これらの半導体レーザＬＤは、連続発振レーザ光（ＣＷレーザ光）を発振する。ここで、連続発振レーザ光とは、目的領域に対して連続してレーザ光を照射する所謂疑似連続発振も含む概念である。つまり、レーザ光がパルスレーザであっても、パルス間隔が加熱後のシリコン薄膜（非晶質シリコン膜）の冷却時間よりも短い（固まる前に次のパルスで照射する）疑似連続発振レーザであってもよい。なお、本実施の形態では、半導体レーザＬＤとして波長が４４５ｎｍ～４５５ｎｍのものを用いている。
光源としては、半導体レーザＬＤの他に、固体レーザ、液体レーザ、気体レーザなどの各種のレーザを用いることが可能である。
光源ユニット２は、上記の複数の半導体レーザＬＤと、これら半導体レーザＬＤの光出射側にそれぞれに対応する位置に配置された複数のカップリングレンズ２１と、図示しないドライブ回路などを備えている。
ドライブ回路は、複数の半導体レーザＬＤのそれぞれに接続されており、それぞれの半導体レーザＬＤを駆動する。本実施の形態において、これら半導体レーザＬＤは、選択的に点灯可能に設定されている。さらに、ドライブ回路は、これら半導体レーザＬＤから出射するレーザビームを強度変調させる駆動が可能に設定されている。
光学ヘッド３は、ファイバアレイ３１と、結像光学系３２と、を備える。図１および図２に示すように、ファイバアレイ３１は、導波路としての光ファイバ４１～４４、５１～５４、６１～６４、７１～７４、８１～８４、９１～９４の一端部が図２に示す配置関係となるように接続されている。
これら光ファイバ４１～９４から出射されるレーザビームＬＢのビームスポット同士の配置関係は、後述する。また、光ファイバ４１～９４の他端部は、上記したカップリングレンズ２１の光出射側に対応する位置に接続されている。本実施の形態では、光ファイバ４１～９４としては、マルチモードファイバを適用している。
図１に示すように、結像光学系３２は、少なくとも入射側の第１レンズ３３と、出射側の第２レンズ３４と、を備えている。本実施の形態では、結像光学系３２としては、ファイバアレイ３１側から入射したレーザ光を被処理基板１０の被照射面へ等倍投影する構成とした。
図３に示すように、被処理基板１０は、ガラス基板１１を本体とする。このガラス基板１１の上には、例えばシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）などからなる絶縁膜１２、非晶質シリコンからなる被処理膜１３が、成膜されて構成されている。
図示しない基板搬送手段は、レーザアニール処理を施す被処理基板１０をスキャン方向へ任意の速度で搬送する機構を備える。したがって、光学ヘッド３の位置を固定した状態で被処理基板１０側をスキャン方向と逆の方向へ搬送することによって、被処理基板１０に対してレーザビームＬＢを相対的にスキャンするようになっている。
（本実施の形態の光ファイバの配置関係）
上述したように、本実施の形態では、結像光学系３２を、ファイバアレイ３１側から入射したレーザ光を被処理基板１０の被照射面へ等倍投影する構成である。このため、ファイバアレイ３１の光出射面における光ファイバ４１～９４の一端部同士の配置関係は、光ファイバ４１～９４の一端部から出射されたレーザビームＬＢが被照射面に投影されるビームスポット同士の配置関係と同じに設定されている。
そこで、本実施の形態においては、説明の便宜上、ビームスポットの配置関係として、レーザビームの出射面である、光ファイバ４１～９４の一端部の配置関係を用いて説明する。
図２は、ファイバアレイ３１を上から見下ろしたときの光ファイバ４１～９４の一端部（光出射面）の配置位置を表した説明図である。すなわち、図２は、ファイバアレイ３１を下方に位置する被処理基板１０側へ投影した説明図である。それぞれの光ファイバ４１～９４は、中心を通るコアと、その周囲を覆うクラッドとでなる。
図１に示す一部の光ファイバ４１～４４について説明すれば、図２に示すように、これら光ファイバ４１～４４は、コア４１ａ，４２ａ，４３ａ，４４ａと、その周囲を覆うクラッド４１ｂ，４２ｂ，４３ｂ，４４ｂと、を有する。他の光ファイバ５１～５４、６１～６４、７１～７４、８１～８４、９１～９４においても、同様にコアとクラッドとを有する構成であり、図面に符号を付して説明は省略する。
光ファイバ４１～４４、５１～５４、６１～６４、７１～７４、８１～８４、９１～９４のそれぞれのコアの少なくとも一端部は長方形角柱形状である。図２に示すように、それぞれのコアの一端面（ビーム出射部）は、同一の大きさの長方形に形成されている。このコアの一端面は、長方形の長辺（一辺）がスキャン方向（Ｙ）に対して直交する方向（Ｘ）と平行になるように配置されている。なお、本実施の形態では、コアの一端面が長方形であるが、長方形に限定されるものではなく、正方形も含めた方形であればよい。すなわち、本実施の形態のように、コアの一端面がスキャン方向に対して直交する方向に長い長方形としたが、スキャン方向に長い長方形であってもよい。
図４は、光ファイバ４４，５４，６４のコア４４ａ，５４ａ，６４ａを被処理基板１０側に投影した配置を説明する図である。図４に示すように、それぞれのコア４４ａ，５４ａ，６４ａの一端面（ビーム出射部）の長辺の長さ（Ｌ）は、後述するシミュレーションにより得られた長さよりも短く設定されている。この長さ（Ｌ）は、レーザビームの照射による加熱に伴って発生する被処理基板１０に固有の内部応力によりガラス基板１１を破損させる長さ、よりも短く設定されている。本実施の形態においてこの長辺の長さ（Ｌ）は、１ｍｍ以下、好ましくは０．５ｍｍ以下である。
因みに、本実施の形態においては、レーザビームのビームスポットサイズは、長辺が１００μｍ（０．１ｍｍ）、短辺が２０μｍ（０．０２ｍｍ）の長方形に設定している。また、レーザビームのパワー密度は、１７０ｋＷ／ｃｍ２に設定している。
図５は、上記条件の長方形のビームスポットをベースにして長辺の長さ（Ｌ）を変えた場合のアニール時の発生応力（基板裏面の曲げ応力）をシミュレーションして得られた結果である。このシミュレーションは、有限要素法を用いた熱応力解析により行った。図５から分かるように長辺の長さ（Ｌ）が２ｍｍを超えると、基板裏面の曲げ応力が５５［ＭＰａ］程度となる。因みに、このとき、被処理基板１０の表面とビームスポットの端部に発生する応力が１００ＭＰａを超え、ガラス基板１１が割れる状態となる。この長辺の長さ(Ｌ)が１ｍｍ以下では、基板裏面の曲げ応力が３０[ＭＰａ]以下に抑制される。さらに、長辺の長さ(Ｌ)が、０.５ｍｍ以下になると、基板裏面の曲げ応力は非常に低いレベルまで抑制できる。
図２に示すように、ファイバアレイ３１は、６つの支持ブロック４０，５０，６０，７０，８０，９０を組み合わせて構成されている。例えば、支持ブロック４０には、光ファイバ４１，４２，４３，４４が等間隔に配置されている。他の支持ブロック５０，６０，７０，８０，９０においても同様に光ファイバが等間隔に配置されている。
また、それぞれの支持ブロック４０，５０，６０，７０，８０，９０では、光ファイバの配置位置を長手方向（Ｘ方向）に沿って、順次、１つのコアの長辺の長さ（Ｌ）分ずつ配置位置がずれるように設定されている。したがって、図２に示すように、６つの支持ブロック４０，５０，６０，７０，８０，９０を重ね合わせてファイバアレイ３１を構成した状態で、Ｙ方向からみたときに、コア４１ａ，５１ａ，６１ａ，７１ａ，８１ａ，９１ａがＸ方向に沿って順次互いに隣接するように配置されている。
同様に、コア４２ａ，５２ａ，６２ａ，７２ａ，８２ａ，９２ａは、Ｙ方向から見たときに、Ｘ方向に沿って順次互いに隣接するように配置されている。ここで、コア９４ａとコア４３ａは、Ｙ方向から見たときに、Ｘ方向に沿って互いに隣接する位置に配置されている。
コア４３ａ，５３ａ，６３ａ，７３ａ，８３ａ，９３ａは、Ｙ方向から見たときに、Ｘ方向に沿って順次互いに隣接するように配置されている。ここで、コア９３ａとコア４２ａは、Ｙ方向から見たときに、Ｘ方向に沿って互いに隣接する位置に配置されている。
コア４４ａ，５４ａ，６４ａ，７４ａ，８４ａ，９４ａは、Ｙ方向から見たときに、Ｘ方向に沿って順次互いに隣接するように配置されている。ここで、コア９２ａとコア４１ａは、Ｙ方向から見たときに、Ｘ方向に沿って互いに隣接する位置に配置されている。上述のように、本実施の形態では、ビームスポットが、スキャン方向から見ると、連続するように配置されている。また、スキャン方向に対して直交する方向から見ると、スキャン方向に対して直交方向に互いに隣接するビームスポット同士が所定の距離（Ｄｙ）を隔てて配置されている。
図６は、スキャン速度が異なる複数のケースをシミュレーションしたものであり、レーザビームＬＢの移動によるシリコン膜表面の定常温度分布を示す。図６において、レーザビームＬＢのスキャン方向は、ｘ軸方向の(＋)方向である。スキャン速度は、１００～５００[ｍｍ/ｓ](ピッチ１００ｍｍ/ｓ)とした。最高温度(ピーク温度)は、ビーム中心[０]から後方に移行している。このようなシミュレーションの結果から、例えば、図６に示すように、スキャン速度が４００ｍｍ/ｓの場合、図４に示した距離（Ｄｙ）を０．０５ｍｍ（５０μｍ）以上、スキャン速度が３００ｍｍ/ｓの場合、距離（Ｄｙ）を０．０８ｍｍ（８０μｍ）とすればよいことが分かる。
図７は、アニール後、すなわちレーザビームＬＢのスキャン後の膜温度変化のシミュレーション結果の一例を示す図であり、図６のｖ=２００ｍｍ／ｓの曲線を、横軸（ビーム中心からの距離）のスケールを変えてプロットした図である。レーザアニール時の膜温度は一旦、シリコンの融点１４１０℃を超える。条件によっては、２０００℃を超えることもある。レーザビームＬＢが通過後、ビームスポットからの距離が離れるに従って温度が低下する。なお、上記シミュレーションにおいては、基板の厚み、非晶質シリコン膜の厚み、非晶質シリコン膜およびその下層の材料膜の熱拡散能力、レーザビームの照射量、およびレーザビームの相対スキャン速度などに基づいて算出される。
図７に示すように、ビーム中心からのスキャン方向距離が６ｍｍ離れると基板温度（膜温度）は２００℃以下となる。また、１３ｍｍ離れると、１５０℃以下となる。このため、図２および図４に示す配置関係において、全面アニールする場合、スキャンで先行するレーザビームで加熱された改質予定領域の温度がシリコンの結晶化温度以下まで低下するスキャン時間に相当する距離より長い距離(Ｄｙ)だけ離すことにより改質予定領域を均一にアニールすることができる。
スキャン方向に対して直交する方向Ｘに沿って隣接するビームスポット同士では、スキャンで先行するビームスポットで加熱された位置近傍に後続のビームスポットが達したときに、膜温度は十分に低下していることが望ましい。図７に示すように、膜温度２００℃以下、さらには１５０℃以下とすることが望ましい。したがって、図７のシミュレーション結果から、距離Ｄｙは、７ｍｍ以上、さらに好ましくは１３ｍｍ以上とすることが望ましい。
上述のレーザビームＬＢの照射により加熱された改質予定領域の非晶質シリコン１３ａの温度が、シリコンが結晶化する温度（約１４０６℃）以下まで低下するスキャン時間に相当する距離Ｄｙは、被処理基板１０の厚み、非晶質シリコン１３ａの厚み、非晶質シリコン１３ａおよびその下層の材料膜の熱拡散能力、レーザビームの照射量、およびレーザビームＬＢの相対スキャン速度に基づいて算出することができる。
また、膜温度としては、１４００℃から１６００℃の間で良好な結晶が得られるが、凡そ１６００℃を超えると、膜アブレーションが発生するため、１４００℃から１６００℃の間の範囲で温度制御することが好ましい。
上記距離Ｄｙの距離を例えば５ｍｍ以上の距離とすることができない場合は、先行のビームスポットによる温度上昇を考慮して、後続のビームスポットを低い照射エネルギーに強度変調させておいてもよい。上記の実施の形態では、全ての半導体レーザＬＤに対して同一パワーを投入して駆動した。しかし、図２および図４に示す配置において、半導体レーザＬＤの投入パワーを独立に制御できるように設定し、それぞれの半導体レーザＬＤの投入パワーを膜温度が一定になる条件に電流制御してもよい。
上記実施の形態においては、レーザビームＬＢが被処理膜１３に対して、相対的にスキャンされるスキャン速度は、２００ｍｍ～５００ｍｍ／秒であることが好ましいが、これに限定されるものではない。
なお、本実施の形態では、図２に示したように、６つの支持ブロック４０，５０，６０，７０，８０，９０のそれぞれに４つのコアを有する構成としたが、それぞれ１つのコアを有する構成としてもよいし、支持ブロックやコアの数は、上記実施の形態の数に限定されるものではない。
（本発明のビームスポットの基板上での配置関係）
本実施の形態も含めた本発明における本来のビームスポットの被照射面（被処理面）における配置条件は、以下の通りである。
すなわち、本発明に係るビームスポットの配置関係としては、以下に列挙する（１）～（５）の条件を満足するものであればよい。
（１）ビームスポットが方形である。
（２）そのビームスポットの方形の一辺がスキャン方向(Ｙ方向)に対して直交する方向(Ｘ方向)と平行である。
（３）ビームスポットの長方形の上記一辺の長さ(Ｌ)が、レーザビームＬＢの照射による加熱に伴って発生する被処理基板１０に固有の内部応力によりガラス基板１１を破損させる長さよりも短く設定されている。
（４）被処理膜１３の表面において、それぞれのビームスポットは、スキャン方向(Ｙ方向)から見ると、連続するように配置されている。
（５）スキャン方向(Ｙ方向)に対して直交する方向(Ｘ方向)から見ると、スキャン方向（Ｙ）に対して直交する方向（Ｘ）に沿って互いに隣接する前記ビームスポット同士が、レーザビームＬＢの照射により加熱された被処理膜１３の温度がシリコンの結晶化温度以下まで低下するスキャン時間に相当する距離よりも長い距離Ｄｙ(図４参照)を隔てて互いに配置されている。
（本実施の形態に係るレーザアニール装置の動作および作用）
先ず、ステージ２０の上に被処理基板１０を配置し、被処理基板１０のアニール開始位置に光学ヘッド３を位置合わせする。
このとき、改質予定領域に応じて光学ヘッドにおいて点灯させるビーム出射部（本実施の形態ではコア）を設定しておく。なお、ここでは、スキャン方向から見て、互いに隣接する複数のビーム出射部を点灯して、被処理膜１３を帯状に結晶化させる場合について述べる。
次に、図示しない搬送手段により被処理基板１０をスキャンさせる方向に所定の速度で移動を開始し、同時に光学ヘッドからのレーザビームＬＢの照射も開始する。図３に示すように、レーザビームＬＢが被処理基板１０に対して相対的にスキャンされ、長方形状のビームスポットで照射された被処理膜１３を形成する非晶質シリコン１３ａは、溶融シリコン１３ｍに溶融し、所定の時間の経過後に帯状の疑似単結晶シリコン１３ｐが結晶化される。
このようなレーザビームＬＢのスキャンにより、被処理膜１３の改質予定領域の結晶化が終了する。
本実施の形態では、長方形状のビームスポットの長辺が、スキャン方向に対して直交する方向と平行であり、この長辺の長さ（Ｌ）が、レーザビームＬＢの照射による加熱に伴って発生する被処理基板１０に固有の内部応力によりガラス基板１１を破損させる長さよりも短く設定されているため、レーザアニールに伴うガラス基板１１の破損の発生や結晶の剥がれなどを抑制できる。
また、本実施の形態では、ビームスポットが、スキャン方向から見ると、連続するように配置されている。また、スキャン方向に対して直交する方向から見ると、スキャン方向に対して直交方向に互いに隣接するビームスポット同士が所定の距離（Ｄｙ）を隔てて配置されている。この距離（Ｄｙ）は、レーザビームの照射により加熱された改質予定領域（被処理膜１３）の温度がシリコンの結晶化温度以下まで低下するスキャン時間に相当する距離よりも長い距離である。
このため、スキャン方向から見たときに、互いに隣接するビームスポット同士のうち、被処理膜１３において、先行してスキャンされたビームスポットが照射された領域が、後続してスキャンされるビームスポットの近傍に移動したときに、先行して照射された領域の膜温度を十分に下げておくことができる。したがって、後続のスキャンに伴って過度の温度上昇が生じないようにすることができ、ガラス基板１１が損傷されることや結晶の剥がれが発生することを抑制できる。
なお、本実施の形態では、レーザビームの照射により加熱された改質予定領域の温度（膜温度）がシリコンの結晶化温度以下まで低下するスキャン時間に相当する距離を、被処理基板１０の厚み、非晶質シリコン膜（被処理膜１３）の厚み、非晶質シリコン膜およびその下層の材料膜の熱拡散能力、レーザビームＬＢの照射量、および前記レーザビームＬＢの相対スキャン速度に基づいて算出されるため、容易に求めることができる。
（本実施の形態に係るレーザアニール方法）
本実施の形態に係るレーザアニール方法では、複数のビーム出射部から、連続発振レーザ光からなる方形のビームスポットを有する複数のレーザビームＬＢを照射し、この状態で、複数のレーザビームＬＢを被処理基板１０に対してスキャン方向に沿って相対的にスキャンして非晶質シリコン膜（被処理膜）１３の帯状の改質予定領域を結晶化させるレーザアニール方法である。
先ず、被処理基板１０に対して予備試験を行い、ビームスポット同士の距離を、レーザ加熱による熱応力割れが発生しない距離になるように、複数のビーム出射部同士の距離を調整、設定する。その後、複数のレーザビームＬＢを被処理基板１０に対して相対的にスキャンしてレーザアニールを行う。具体的には、ビームスポットの長辺（一辺）がスキャン方向に対して直交する方向と平行になるように設定する。そして、スキャン方向から見て、複数のビーム出射部から出射されたレーザビームＬＢのビームスポットを、被処理膜１３における改質予定領域の全幅に亘って連続するように配置している。ガラス基板１１の基板面内において、スキャン方向に対して直交する方向に沿って互いに隣接するビームスポット同士を、スキャン方向から見て、スキャン方向に沿って、上記予備試験で得られた距離だけ離隔するように配置させる。
このレーザアニール方法においては、ビームスポットの長辺（一辺）の長さが、レーザビームの照射による加熱に伴って発生するガラス基板１１に固有の内部応力によりガラス基板１１を破損させる長さよりも短く設定する。
また、このレーザアニール方法では、スキャン方向に対して直交する方向に沿って互いに隣接するビームスポット同士は、スキャン方向に沿って、レーザビームの照射により加熱された改質予定領域の温度がシリコンの結晶化温度以下まで低下するスキャン時間に相当する距離よりも長い距離だけ距離を隔てるように配置する。なお、予備試験としては、試験用の基板を用いて熱応力試験を行うか、または、シミュレーションを行う。
(実施例１)
図８は、本実施の形態に係るレーザアニール装置を用いて線状の疑似単結晶シリコン１３ｐをストライプ状に作製する実施例１を示す平面説明図である。この実施例１は、ファイバアレイ３１において点灯するコアとして、ストライプ状に形成する線状の疑似単結晶シリコン１３ｐ同士の間隔を隔てた位置に相当するコア４４ａ，５３ａ，６２ａ，７１ａを選択した実施例である。実施例１によれば、スキャン方向に沿って細長い疑似単結晶シリコン１３ｐの領域を形成することができる。
（実施例２）
図９は、本実施の形態に係るレーザアニール装置を用いて広い幅を有する帯状の疑似単結晶シリコン１３ｐをストライプ状に作製する実施例２を示す平面説明図である。この実施例２は、ファイバアレイ３１において点灯するコアとして、スキャン方向（Ｙ方向）から見て互いに連続する複数のコア４４ａ，５４ａ，６４ａ，７４ａ，８４ａ，９４ａを選択した実施例である。実施例２によれば、スキャン方向に沿って幅の広い疑似単結晶シリコン１３ｐの領域を形成することができる。なお、このようにコア４４ａ，５４ａ，６４ａ，７４ａ，８４ａ，９４ａが選択されたファイバアレイ３１をＸ方向に移動させて再度スキャンを行うことにより、幅の広い疑似単結晶シリコン１３ｐの領域をストライプ状に形成することができる。
この実施例２では、それぞれのコアからのレーザビームＬＢの照射により線状の疑似単結晶シリコン１３ｐの領域が互いに融合して均一な膜質の結晶化領域を形成できる。
（実施例３）
図１０は、本実施の形態に係るレーザアニール装置を用いてさらに広い領域に疑似単結晶シリコン１３ｐの領域を作製する略全面アニールする場合の実施例３を示す平面説明図である。この実施例３は、ファイバアレイ３１において全てのコアを点灯して用いる。実施例３によれば、効率よく略全面アニールすることができる。
この実施例３では、全部のコアからのレーザビームＬＢの照射により多くの隣接する線状の疑似単結晶シリコン１３ｐの領域が互いに融合して略全面アニールされた均一な膜質の結晶化領域を形成できる。
上記の本実施の形態および実施例１から実施例３によれば、結晶の剥がれやガラス基板１１へのクラックなどの損傷が発生しない、良質で面内均一性が高い、線状の結晶化領域、帯状の結晶化領域、および略全面アニールした面積の広い結晶化領域の形成が可能になる。
（その他の実施の形態）
以上、本発明の実施の形態について説明したが、実施の形態の開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
上記の実施の形態では、結像光学系３２として、光学ヘッド３側から入射したレーザ光を同じ大きさで被処理基板１０の被処理面へ投影する等倍投影としたが、これに限定されるものではない。
上記の実施の形態では、レーザアニール処理を施す被処理基板１０をスキャン方向へ任意の速度で搬送する基板搬送手段を用いたが、被処理基板１０側を位置固定した状態で、光学ヘッド３側をスキャン方向に沿って移動させるガントリステージを備えた構成としてもよい。
上記の実施の形態では、光ファイバ４１～９４の一端部のコア４１ａ～９４ａの配置関係について説明したが、結像光学系３２が等倍投影を行わない構成の場合は、ビームスポットの形状および配置関係が、上記した（１）～（５）に記載したビームスポットの基板上での配置関係を満足すればよい。
また、本発明おいては、本来のビームスポットの配置関係として、図２および図４に示すような配置に限定されるものではなく、例えば、図１１に示すような変形例としてもよい。この変形例では、Ｘ方向にコア５４ａを挟んで離れて配置されるコア４４ａとコア６４ａがＹ方向で同じ位置に配置されている。
この変形例においても、スキャン方向から見たときに、スキャン方向に対して直交する方向（Ｘ方向）に沿って並ぶビームスポット（図１１においてコア４４ａ，５４ａ，６４ａを示す）同士が互いに隣接する。
そして、スキャン方向(Ｙ方向)に対して直交する方向(Ｘ方向)から見ると、スキャン方向（Ｙ）に対して直交する方向（Ｘ）に沿って互いに隣接するビームスポット同士（図１１においてコア４４ａとコア５４ａ、コア５４ａとコア６４ａ）が、所定の距離（Ｄｙ）を隔てて互いに配置されている。
この距離（Ｄｙ）は、レーザビームＬＢの照射により加熱された被処理膜１３の温度がシリコンの結晶化温度以下まで低下するスキャン時間に相当する距離よりも長い距離である。
上記した実施の形態では、全てのビーム出射部（コア）の形状を同一に設定したが、上記したビームスポットの基板上での配置関係を満足すれば、互いに長辺の長さ（Ｌ）が異なるように設定してもよい。
上記した実施の形態では、光ファイバ４１～４４、５１～５４、６１～６４、７１～７４、８１～８４、９１～９４のそれぞれのコアの少なくとも一端部を長方形角柱形状に設定して、この一端面をビーム出射部としたが、ビーム出射部の構成はこれに限定されるものではない。例えば、複数の半導体レーザＬＤからレーザビームを発生させ、このレーザビームＬＢを集光レンズおよびレンチキュラーレンズを用いて長方形のビームスポットに形成して、光ファイバを介さずに直接、非晶質シリコン膜に照射、スキャンするようにしてもよい。この場合も、上記実施の形態と同様に、複数のビームスポットの配置条件を設定すればよい。
上記実施の形態では、複数の光源を用いたが、単一もしくは複数の光源を用いて幅の広いレーザビームＬＢを発生させ、この幅の広いレーザビームＬＢを複数のレーザビームＬＢに分解するように複数のミラーを備える反射デバイスとしてのＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）や、マスクアレイを用いて複数のビームスポットの形状、配置を本発明の配置条件に制御する構成としてもよい。この他、単一の母ビームを、回折格子、投影レンズなどを介して子ビームに分割する態様を適用しても本発明を実施することが可能である。
ＬＢ レーザビーム
ＬＤ 半導体レーザ（光源）
１ レーザアニール装置
２ 光源ユニット
３ 光学ヘッド
１０ 被処理基板
１１ ガラス基板
１３ 被処理膜
１３ａ 非晶質シリコン
１３ｍ 溶融シリコン
１３ｐ 疑似単結晶シリコン
２０ ステージ
２１ カップリングレンズ
３１ ファイバアレイ
３２ 結像光学系
４０，５０，６０，７０，８０，９０ 支持ブロック
４１～４４ 光ファイバ
４１ａ～４４ａ コア
４１ｂ～４４ｂ クラッド

Claims (15)

  1. 連続発振レーザ光からなり被照射面に対して方形のビームスポットを有するレーザビームを、出射する複数のビーム出射部を備え、
    前記レーザビームを、基板の上に成膜された非晶質シリコン膜に対して、スキャン方向に沿って相対的にスキャンして前記非晶質シリコン膜の帯状の改質予定領域を結晶化するレーザアニール装置であって、
    前記ビームスポットの一辺が、前記スキャン方向に対して直交する方向と平行であり、
    前記ビームスポットの前記一辺の長さが、前記レーザビームの照射による加熱に伴って発生する前記基板に固有の内部応力により前記基板を破損させる長さよりも短く設定されていることを特徴とするレーザアニール装置。
  2. 前記非晶質シリコン膜の表面において、それぞれの前記ビーム出射部から出射された前記レーザビームの前記ビームスポットは、
    前記基板の基板面内において、前記スキャン方向に対して直交する方向から見ると、前記スキャン方向に対して直交する方向に沿って互いに隣接する前記ビームスポット同士が、前記スキャン方向に沿って、前記レーザビームの照射により加熱された前記改質予定領域の温度がシリコンの結晶化温度以下まで低下するスキャン時間に相当する距離よりも長い距離を隔てて互いに配置されている請求項１に記載のレーザアニール装置。
  3. 前記レーザビームの照射により加熱された前記改質予定領域の温度がシリコンの結晶化温度以下まで低下するスキャン時間に相当する前記距離は、前記基板の厚み、前記非晶質シリコン膜の厚み、前記非晶質シリコン膜およびその下層の材料膜の熱拡散能力、前記レーザビームの照射量、および前記レーザビームの相対スキャン速度に基づいて算出される請求項２に記載のレーザアニール装置。
  4. 前記複数のレーザビームは、選択的に点灯可能である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のレーザアニール装置。
  5. 前記ビーム出射部から出射するレーザビームの強度変調が可能である請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のレーザアニール装置。
  6. 前記ビーム出射部は、光ファイバの一端部であり、前記光ファイバの他端部は、連続発振レーザ光を出射する光源に接続され、前記ビーム出射部の端面の形状で前記ビームスポットの形状が設定されている請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のレーザアニール装置。
  7. 連続発振レーザ光からなり被照射面に対して方形のビームスポットを有するレーザビームを、出射する複数のビーム出射部を備え、
    前記レーザビームを、基板の上に成膜された非晶質シリコン膜に対して、スキャン方向に沿って相対的にスキャンして前記非晶質シリコン膜の帯状の改質予定領域を結晶化するレーザアニール装置であって、
    前記ビームスポットの一辺が前記スキャン方向に対して直交する方向と平行であり、
    前記スキャン方向から見ると、前記複数のビーム出射部から出射されたレーザビームの前記ビームスポットは、前記改質予定領域の全幅に亘って連続するように配置され、
    前記基板の基板面内において、前記スキャン方向に対して直交する方向に沿って互いに隣接する前記ビームスポット同士は、前記スキャン方向に対して直交する前記方向から見ると、前記スキャン方向に沿って離隔されていることを特徴とするレーザアニール装置。
  8. 前記ビームスポットの前記一辺の長さが、前記レーザビームの照射による加熱に伴って発生する前記基板に固有の内部応力により前記基板を破損させる長さよりも短く設定され、
    前記スキャン方向に対して直交する前記方向に沿って互いに隣接する前記ビームスポット同士は、前記スキャン方向に沿って、前記レーザビームの照射により加熱された前記改質予定領域の温度がシリコンの結晶化温度以下まで低下するスキャン時間に相当する距離よりも長い距離を隔てて互いに配置されている、請求項７に記載のレーザアニール装置。
  9. 前記レーザビームの照射により加熱された前記改質予定領域の温度がシリコンの結晶化温度以下まで低下するスキャン時間に相当する前記距離は、前記基板の厚み、前記非晶質シリコン膜の厚み、前記非晶質シリコン膜およびその下層の材料膜の熱拡散能力、前記レーザビームの照射量、および前記レーザビームの相対スキャン速度に基づいて算出される請求項８に記載のレーザアニール装置。
  10. 前記複数のレーザビームは、選択的に点灯可能である請求項７から請求項９いずれかに記載のレーザアニール装置。
  11. 前記ビーム出射部から出射するレーザビームの強度変調が可能である請求項７から請求項１０のいずれか一項に記載のレーザアニール装置。
  12. 前記ビーム出射部は、光ファイバの一端部であり、前記光ファイバの他端部は、連続発振レーザ光を出射する光源に接続され、前記ビーム出射部の端面の形状で前記ビームスポットの形状が設定されている請求項７から請求項１１のいずれか一項に記載のレーザアニール装置。
  13. 複数のビーム出射部から、連続発振レーザ光からなり基板の上に成膜された非晶質シリコン膜の被照射面に対して方形のビームスポットを有する複数のレーザビームを照射し、この状態で、前記複数のレーザビームを前記基板に対してスキャン方向に沿って相対的にスキャンして前記非晶質シリコン膜の帯状の改質予定領域を結晶化させるレーザアニール方法であって、
    前記基板に対して予備試験を行い、前記ビームスポット同士の距離を、レーザ加熱による熱応力割れが発生しない距離になるように、前記複数のビーム出射部同士の距離を調整、設定する工程と、
    その後、前記複数のレーザビームを前記基板に対して相対的にスキャンしてレーザアニールを行う工程と、
    を備えることを特徴とするレーザアニール方法。
  14. 前記予備試験は、試験用の前記基板を用いて熱応力試験を行う、請求項１３に記載のレーザアニール方法。
  15. 前記予備試験は、シミュレーションを行う、請求項１３に記載のレーザアニール方法。
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