JP3347072B2

JP3347072B2 - 多結晶の成長方法

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Publication number: JP3347072B2
Application number: JP26149098A
Authority: JP
Inventors: 田宏治臼
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-09-16
Filing date: 1998-09-16
Publication date: 2002-11-20
Anticipated expiration: 2018-09-16
Also published as: JP2000091231A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多結晶の成長方法
及び製造装置に関する。より具体的には、本発明は、ア
モルファス結晶あるいは多結晶を加熱により結晶化せし
める多結晶の成長方法及び製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子線やＲＴＡ（rapid thermal anneal
ing）により、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）薄膜を溶
融、固化させて多結晶シリコン（poly-Ｓｉ）を形成す
るプロセスは、低温での結晶成長を可能とする。このた
め、例えば、ガラス基板上に作成する大型のＴＦＴ（th
in film transistor）液晶ディスプレイへの応用が期待
されている。中でも、プラズマＣＶＤ法によりガラス基
板上に数１０ｎｍ（ナノメータ）程度の膜厚のａ−Ｓｉ
膜を堆積し、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌレーザ光をパル
ス状に照射することにより多結晶シリコン膜を形成する
技術が注目されている。

【０００３】ＸｅＣｌレーザを用いる理由は、アモルフ
ァスＳｉの光吸収効率が前記レーザの波長近傍で高いの
で下地のガラス基板を溶かさずに所望のアモルファスＳ
ｉ層のみを多結晶化させることが出来ること、或いは、
大出力発振の特徴を生かして大面積を照射することによ
り高スループットが期待できること、などである。

【０００４】このような技術においては、レーザ光の発
生装置から取り出したレーザ光線を、光学レンズで光強
度の均一性を確保しつつ拡大、或いは集光して照射する
のが一般的である。得られる照射サイズは、約０．６Ｊ
級の最大照射エネルギを有する現状のレーザ光線発生装
置では、およそ幅２００μｍ、長さ２０ｃｍである。こ
の照射面積は、アモルファス或いは多結晶に照射したレ
ーザ光線が、場合によっては溶融後に再結晶化させ、結
果として所望の大きさの多結晶粒径を得るに必要な量の
熱を披照射体に与えるための現実的な値である。即ち、
前記サイズに比べて、およそ一桁大きい面積に拡大され
たレーザビームサイズでは、前記結晶化を行うに充分な
単位面積あたりのエネルギーが被照射体に供給されず、
目的の多結晶を得ることは不可能である。

【０００５】一方、例えば携帯型パーソナルコンピュー
タ(ＰＣ)に搭載される液晶ディスプレイイのサイズは年
々大型化し、現在の主流は１２インチ型となりつつあ
る。近い将来には、１３インチ以上の大きさのディスプ
レイを搭載した携帯型ＰＣが主流となることは、予想に
違わない。前記１３インチの表示を確保するには、長手
方向と短手方向がそれぞれ２７ｃｍと２０ｃｍ程度の大
きさの長方形型の表示領域が必要である。ここに、実際
の液晶表示装置では、画像を表示する表示部の周囲に、
表示部の各画素を駆動するためのドライバ回路を配置す
る必要がある。多結晶シリコンが表示装置に適用される
メリットの一つは、前記表示部と駆動用ドライバ回路の
両方の半導体素子を、一枚の基板上に作製された多結晶
により形成することが可能な点である。これに対して、
アモルファス結晶を用いた表示装置の場合は、画素駆動
用の半導体チップを外付けで搭載する必要がある。つま
り、これと比較して、多結晶シリコンを用いた場合は、
部品点数の削減と製作工程数の削減の両方を実現でき
る。

【０００６】他方で、このドライバ回路を組み込むため
の領域として、画像表示に必要な表示部の周囲に更に１
ｃｍ程度の幅の領域が必要とされる。即ち、１３インチ
を越える大型の液晶表示装置を作製するためには、長手
方向の短手方向がそれぞれ２９ｃｍと２２ｃｍ程度の領
域を多結晶化する必要がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のレーザ
発生装置を用いた場合には、１３インチを越える大面積
ディスプレイを作製するに際して、１画面を１回の照射
スキャンで形成することができず、レーザビームの端を
重ねて、２回以上の照射スキャンをする必要があった。
しかし、このレーザビームが重なる部分では、レーザ光
の照射量が他の部分よりも多く、多結晶の粒径のばらつ
きが他の部分よりも大きくなる場合がある。その結果と
して、このようにして得られた多結晶シリコンを用いて
作製された半導体素子には、多結晶の不均一に起因する
電気的特性の不均一が生じる。この不均一は、ディスプ
レイ上の表示面素の点欠陥、線欠陥やコントラストの不
均一をもたらす。

【０００８】以下に、図面を参照しつつ、この問題につ
いてさらに詳細に説明する。

【０００９】図１０は、従来のＸｅＣｌレーザを用いた
アモルファスシリコンの多結晶化の方法を表す概念図で
ある。およそ０．６Ｊ級のＸｅＣｌレーザでは、レーザ
発生装置１１１から数ｃｍ角のサイズのレーザ光線を取
り出せる。この光線はガウス分布にて近似される光強度
分布を持っている。そこで、アモルファスシリコンを堆
積したガラス基板に導入する前に、ホモジナイザ（homo
genizer）１１３、収束レンズ系１１４を介して均一な
強度分布を持つレーザビームを形成し、最後に照射位置
に導くミラー１８を介して、被照射基板１１５上に導か
れる。

【００１０】ここで、ビームサイズは、前記アモルファ
スシリコンを溶融し、多結晶化するための光強度密度を
必要とするので、所定のサイズに限定される。例えば、
上記したようなおよそ幅２００μｍ、長さ２０ｃｍのビ
ームサイズが上限となる。このサイズに適合する最大サ
イズの液晶ディスプレイは、約１２インチ型である。従
って、これ以上のサイズの液晶ディスプレイを実現する
には、ガラス基板上の一部分を多結晶化のために照射ス
キャンした後に、その端部を重なり合わせるようにして
さらにレーザを照射スキャンする必要がある。つまり、
被照射基板上の所望の照射領域に比べて、レーザビーム
の幅の方が狭いので、所望の照射領域を多結晶化する為
には２回以上のスキャンを行わなくてはならない。

【００１１】ここに、レーザビームを重ね合わせた部分
の多結晶の粒径は、それ以外の照射箇所に比べて不均一
となり、その不均一はその他結晶の上に直接形成される
半導体装置の電気的特性の不均一をもたらす結果とな
る。例えば、０．２μｍの粒径を持つ均一な多結晶上に
作製されるＴＦＴの移動度は、約５０ｃｍ²／Ｖ・ｓ±
１０％の範囲に収まる。つまり、移動度は、４５〜５５
ｃｍ²／Ｖ・ｓとなる。これに対して、レーザビームが
重なり合う部分の粒径は、０．１〜０．５μｍ程度の範
囲に分散する。このような分布のある粒径上にＴＦＴを
作製すると、その移動度は２０〜８０ｃｍ²／Ｖ・ｓの
範囲でばらつく。

【００１２】この結果、この部分に液晶の画素部分が形
成されると、極端には線状の、あるいは点状の輝度むら
が生じ、あるいはコントラストの不均一が生じる。従っ
て、均一な多結晶体の作製には、重ね合わせの生じない
多結晶化の方法が必要であり、大面積ディスプレイの作
製には、そのサイズに対して充分な長さのライン状のビ
ームが必要である。

【００１３】一方、本発明者による検討の結果、結晶粒
径のばらつきを生じせしめるもう一つの原因として、レ
ーザビームの出力の変動が挙げられることが分かった。
すなわち、この変動は多結晶の不均一を生じ、プロセス
マージンを狭める要因にもなる。例えば、照射エネルギ
の許容範囲が３７０から４３０ｍＪ／ｃｍ²の多結晶化
プロセスにおいて、ピーク・トゥ・ピークで５％のビー
ム強度の変動がある場合には、中心エネルギが４００ｍ
Ｊ／ｃｍ²の条件では多結晶化を行うことはできるが、
中心エネルギが４１０ｍＪ／ｃｍ²を越えた、或いは３
９０ｍＪ／ｃｍ²未満の場合には、強度変動のために上
記許容値を外れ、所望の多結晶粒径が得られない。つま
り、見かけ上の照射エネルギーのマージンが（４３０−
３７０）＝６０ｍＪ／ｃｍ²であっても、実際のプロセ
ス許容種囲は２０ｍＪ／ｃｍ²程度と狭い。

【００１４】以上詳述したように、従来のＸｅＣｌレー
ザによる結晶化プロセスでは、照射面積の制約とプロセ
スマージンの狭さ故の制限がある。

【００１５】これらの問題を解決するため、重なり領域
を形成せずにスキャン照射する方法が検討されている
が、具体的解決策は示されていない。一方、ビームサイ
ズを拡大するためには、レーザ装置の発振出力の向上が
必須である。しかし、現在の技術に於いては、高出力で
のレーザ発振ほどレーザ光強度の変動幅が拡大し、その
結果として、得られる結晶の粒径の分布も拡大するため
に、その上に作製される半導体素子の素子特性の不均一
が避けられない。

【００１６】以上説明したような事情から、上記の様な
重なり領域に起因する粒径の不均一を解消する方法が切
望されている。

【００１７】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のである。すなわち、本発明は、現状のレーザビームの
サイズを越えた大面積のアモルファス、或いは多結晶の
材料の結晶化を、重なりによる多結晶の不均一を生じさ
せることなく実施し、その結果として、より低コスト且
つ高性能な液晶ディスプレイを製造することができる多
結晶の作成方法とその製造装置を提供することを目的と
する。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者は、もともと点光源に近く出力も不安定な
ガスレーザ発生装置の代わりに、出力がはるかに安定し
て、線状の均一なレーザビームを形成することができる
半導体発光素子に注目した。

【００１９】すなわち、本発明の多結晶の成長方法は、
非晶質あるいは多結晶状態の被照射体を光照射により多
結晶化せしめる多結晶の成長方法であって、半導体発光
素子から放出される光を用いて点状、線状、或いは面状
の光束を形成し、この光束を前記被照射体に照射するこ
とにより前記多結晶化することを特徴とする。

【００２０】ここで、前記光束は、前記被照射体上のい
ずれかの方向において前記被照射体の一端から他端まで
達する長さを有し、前記光束と前記被照射体とをひとつ
の方向に沿って相対的に移動させることにより前記被照
射体の全面を光照射することを特徴とする。

【００２１】また、前記半導体発光素子から放出される
前記光の強度の時間的な変動または、前記被照射体の照
射面における光の照射量の分布を５％以内に抑制するこ
とを特徴とする。

【００２２】また、複数の前記半導体発光素子を間隔を
おいて配置し、前記被照射体上において点在する複数の
領域を照射することを特徴とする。

【００２３】さらに、前記被照射体が前記光照射により
溶融後固化する過程での、前記光照射される照射面の面
内方向の温度勾配を１００℃／μｍ以上とすることを特
徴とする。

【００２４】一方、本発明による多結晶の製造装置は、
上述した成長方法を実施するものとして構成された各手
段を備える。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照しつつ本発明
の実施の形態について説明する。

【００２６】図１は、本発明による多結晶成長方法を表
す概念図である。すなわち、同図に表した方法において
は、レーザ発生装置１０から線状のレーザ光が放出さ
れ、このレーザ光により被照射体１５がスキャン照射さ
れる。同図中、レーザ発生装置１０には、アレイ状に並
べた複数の半導体レーザ１１が搭載されている。半導体
レーザ１１をアレイ状に並べることで、点状、線状ある
いは面状の所望の光源をビームサイズの制限無く形成す
ることが出来る。従って、例えば、被照射体１５の幅に
応じた長さの線状のレーザ光を形成し、１回のスキャン
で被照射体１５の全面を照射して多結晶化することもで
きる。また、後に詳述するように、複数の点状の光束を
放出し、基板上に点在した複数の領域のそれぞれを照射
することもできる。つまり、本発明によれば、前述した
ＸｅＣｌガスレーザの場合のように被照射体１５を分割
してスキャンするすることによるビームの重なり部が形
成されず、このような重なり部に起因する結晶粒径の不
均一を解消することができる。

【００２７】半導体レーザ１１の材料や構造は、被照射
体の光吸収特性などに応じて適宜選択することができ
る。例えば、被吸収体がアモルファスシリコンである場
合には、後に詳述するように、窒化ガリウム系半導体を
用いた半導体レーザを採用することが望ましい。なお、
本願明細書において「窒化ガリウム系半導体」とは、Ｂ
_xＩｎ_yＡｌ_zＧａ_(1-x-y-z)Ｎ（ここで、Ｏ≦ｘ≦１、Ｏ
≦ｙ≦１、Ｏ≦ｚ≦１である。）のＩＩＩ−Ｖ族化合物
半導体を含み、さらに、Ｖ族元素としては、Ｎに加えて
リン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などを含有する混晶も含むも
のとする。

【００２８】また、窒化ガリウム系半導体の他にも、例
えば、ＺｎＳ系、ＺｎＳｅ系、ＺｎＳＳｅ系あるいはＳ
ｉＣ系などの材料を用いても短波長帯のレーザ光を得る
ことができる。さらに、半導体レーザ１１の材料として
は、これらの他にも、例えば、ＡｌＧａＡｓ系や、Ｉｎ
Ｐ系、ＩｎＧａＡｌＰ系などの材料を用いても良い。こ
れらの材料を用いた場合は、レーザ光の波長が長いの
で、必要に応じてＳＨＧ（second harmonic genaratio
n：第２高調波発生）素子などを用いてアモルファスシ
リコンの吸収ピーク波長の近傍に波長変換することがさ
らに望ましい。

【００２９】さらに、半導体レーザ１１の代わりに、発
光ダイオード（ＬＥＤ：light emitting device）を用
いても良い。

【００３０】半導体レーザやＬＥＤの出力変動は１％以
下であり、ＸｅＣｌレーザと比べて格段に小さい。この
ため、本プロセスで作製した多結晶の粒径は従来よりも
均一で、液晶ディスプレイの高性能化を実現することが
できる。

【００３１】さらに、本発明によれば、被照射体のサイ
ズに適応したレーザビームを形成することが出来るた
め、従来に比べて光学系を簡素化することができる。そ
の結果として、光学系を含めたレーザ光系を簡略化し、
１／１０程度に小型化することもできる。その結果とし
て、レーザ光線の制御性及び信頼性が飛躍的に向上し、
メンテナンスや取り扱いも容易となる。

【００３２】以上説明したように、本発明によれば、半
導体レーザ素子を用いた点状、線状或いは面光源に近い
レーザ光発生装置１０を用いることにより、原理的には
いかなるサイズの被照射体でも１回のスキャン照射で全
面を多結晶化することができる。その結果として、市場
において期待されている大型の液晶表示装置にも適用可
能なプロセスを提供することができる。また、レーザ光
線を基板に導入する光学系も従来例と比べて簡素化さ
れ、かつより光強度の変動の少ない安定な光源を用いる
ことによって、省スペース、高信頼性、プロセスマージ
ンの拡大などの種々の効果を得ることができる。

【００３３】

【実施例】以下に、ガラス基板上に堆積したアモルファ
スシリコンを多結晶化する場合を例に挙げて、本発明の
実施例を説明する。

【００３４】図２は、本発明の実施例を説明する概念図
である。同図中、アレイ状に並べられた半導体レーザ１
１としては、窒化ガリウム系半導体からなる半導体レー
ザを用いる。半導体レーザ１１をアレイ状に並べること
で、点状、線状あるいは面状の所望のレーザ光をビーム
サイズの制限無く形成することができる。

【００３５】本実施例では、基板１２の上に、０．５ｍ
ｍ間隔で６００個の窒化ガリウム系半導体レーザ１１を
アレイ状に配列することにより直線状のレーザビームを
形成する。アレイ状に並べたレーザ素子１１を高出力で
動作させる場合は、安定な動作を長時間維持するための
冷却機構も設けることが望ましい。

【００３６】また、半導体レーザ１１の発振波長は、ア
モルファスシリコン或いは多結晶シリコンの吸収効率が
高い３００ｎｍ近傍であることが望ましい。半導体レー
ザ１１の活性層として窒化ガリウム（窒化ガリウム）を
用いた場合には、発振波長は約４２０ｎｍであるが、Ｇ
ａＮにホウ素（Ｂ）やアルミニウム（Ａｌ）を添加して
バンドギャップを大きくすることにより、発振波長を３
００ｎｍに近づけることができる。

【００３７】一方、本発明者の検討の結果、被照射体１
５にレーザビームを照射して多結晶化するに際しては、
基板上に堆積されたアモルファスシリコン層が溶融後に
固化する過程で、水平方向の温度勾配が１００℃／μｍ
以上となるように、レーザビームのビーム端の強度分布
とスキャン速度とを調節することが望ましいことが分か
った。従来のＸｅＣｌガスレーザを用いた多結晶化プロ
セスの場合には、レーザのパルス照射時間が約２０ナノ
秒で、水平方向の温度勾配が約５００℃／μｍ以上であ
ることが必要とされていた。しかし、このような急峻な
温度勾配を形成することは容易ではなく、装置が複雑化
するとともに、スループットも低くなるという問題があ
った。これに対して、本発明によれば、半導体レーザを
用いるため、レーザの照射時間を従来のガスレーザの場
合よりも長くすることができる。そして、レーザの照射
時間を約１００〜２００ナノ秒程度とし、水平方向の温
度勾配を１００℃／μｍ以上とすれば、従来と同程度以
上の多結晶化が可能であることが分かった。

【００３８】本発明によれば、従来よりも水平方向の温
度勾配を緩くすることができるので、装置の構成を簡素
化し、温度加熱機構なども不要となるいう利点が得られ
る。

【００３９】本実施例においては、個々の半導体レーザ
１１は電圧３ボルト、電流１００ミリアンペアを印加
し、パルス幅１００ナノ秒、周波数０．５キロヘルツで
駆動する。この駆動条件において取り出されるレーザ光
束サイズは、光源と被照射体１５との間に設置された光
学系によって調整される。光学系には、基本的に、レー
ザ光強度を均一にするホモジナイザ１３と所望のサイズ
にレーザ光束を形成するための集束と平行化を行うレン
ズ系１４との組み合わせが用いられる。

【００４０】これらの光学系は、半導体レーザ１１の光
出力特性と照射サイズによって調整され、拡大レンズ、
ロッド（lod）レンズ、蒲鉾型レンズ、凹面鏡、凸面
鏡、或いはホログラムなど光学素子の組み合わせが必要
となる場合もある。照射領域における照射光の空間的強
度変動は１０％以内、できれば５％以内に抑えることが
望ましい。このために、ホモジナイザ１３を用いてビー
ム強度の空間分布を均一化する光学系の設計が必要であ
る。また、このようにして均一化されたレーザビームを
被照射体１５の上に走査するためには、ミラースキャン
方式が有効である。

【００４１】以上のようにして形成された所望の長さの
線状レーザビームを走査用ミラー１８により走査させる
ことにより、所望のサイズの被照射体１５の全面を１回
のスキャンで多結晶化処理することができる。また、レ
ーザビームをスキャンする代わりに、被照射体１５を移
動させても良い。上記の光学系を用いて形成されたレー
ザビームは、被照射体上で約１００μｍの幅に形成さ
れ、ビーム内の強度むらは１％以内である。このレーザ
ビームを、さらに光学系を適宜用いて拡大或いは縮小す
ることにより、或いはレーザアレイ自身を複数並べるこ
とによって、１３インチ以上のディスプレイに対応する
所望のサイズのレーザビームを自由に得ることが出来
る。

【００４２】本実施例の被照射体１５は、通常のガラス
基板の上にＰＥＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）法によりアモ
ルファスシリコン層が約５０ｎｍ堆積されたものであ
る。この被照射体に、上記のレーザビームを所望の領域
にのみ照射した。ここで、光強度の変動を抑えたレーザ
ビームを実現するには、レーザ発光装置そのものの安定
度を高めることが不可欠である。この点で、レーザの共
振器本体の調整が困難なＸｅＣｌなどのガスレーザと異
なり、本発明のアレイ状に並べた半導体発光素子の場合
は素子毎の強度差、即ち、ばらつきを個別に調整するこ
とが出来る。各発光素子の光強度変動は、それぞれの発
光素子の強度の測定や供給電力の制御により可能とな
り、手動はもとより自動での光出力制御が可能である。
従って、空間的、時間的光強度変動を抑えた安定な動作
が可能な点が利点となる。この結果として、照射領域に
おける、光強度変動を５％以下に抑えることが可能であ
る。

【００４３】図３は、本実施例により形成された多結晶
の粒径を表す概略図である。すなわち、同図は、ＦＥ−
ＳＥＭ（field emission−scanning electron microsco
pe）による観察例を表す。被照射体は、前述したよう
に、通常のガラス基板上に膜厚５０ｎｍのアモルファス
シリコン層をプラズマＣＶＤ法により堆積したものであ
る。

【００４４】図４は、比較例として、従来の方法で作成
された多結晶の粒径を表す概略図である。同図も、ＦＥ
−ＳＥＭ（field emission−scanning electron micros
cope）による観察例を表す。この多結晶は、０．６Ｊ級
の最大照射エネルギーを有するＸｅＣｌレーザを用い、
光学系により幅約２００μｍ、長さ１０ｃｍのビームサ
イズとして多結晶化を行ったものである。被照射体は、
図３に用いたものと同じ基板から切り出された。

【００４５】多結晶化に際しては、この２００μｍ幅の
レーザビームを１回当たり２０ナノ秒の照射時間で、１
０回照射した。図４において、多結晶の平均粒径はおよ
そ０．２μｍであるが、そのばらつきは０．０５〜０．
３μｍの範囲に拡がり、およそ２５〜１５０％のばらつ
きがある。このばらつきは、その上に作られるＴＦＴ素
子の不均一を引きおこすため、結果として画素の点灯不
良や、コントラストの不均一が生じる。このような粒径
のばらつきは、照射レーザ光の光強度変動に強く依存す
る。本比較例で用いたガスレーザは、強度変動が１５％
程度あるため、前述したように結晶粒径の制御が困難で
あり、図４に示したような粒径のばらつきをもたらす。

【００４６】これに対して、図３に示したように、本実
施例によれば、多結晶の平均粒径はやはり０．２μｍ程
度であるが、そのばらつきは０．１〜０．３μｍの範囲
に収まり、５０〜１５０％程度のばらつきに減少してい
る。特に、本実施例によれば、小粒径の結晶粒が減り、
大きな粒径に揃っていることが、図６からも明瞭に分か
る。すなわち、本発明の効果によって、多結晶化プロセ
ス後に得られる多結晶の粒径分布が半減した。この効果
は、従来例に較べて照射エネルギの変動を抑えられたこ
とに起因している。本実施例においては、照射エネルギ
変動を５％程度まで抑制したが、さらに２％程度以下と
するとより均一な結晶粒分布が得られる。

【００４７】このように、本発明によれば、レーザビー
ムの重なり部を解消し、同時にビーム強度の出力変動を
抑制することにより、従来よりもはるかに均一な多結晶
を作製することが可能となる。本発明は、大型液晶ディ
スプレイの高性能化、高精細化を実現するために不可欠
な要素であり、従来の方法では実現し得なかったもので
ある。

【００４８】なお、上述した実施例では、パルスレーザ
光を照射する場合について説明したが、連続的にレーザ
光を照射する場合でも同様の効果が得られる。すなわ
ち、状況に応じて、パルス或いは連続的に被照射体を照
射することで、被結晶化薄膜の特性に応じたきめ細かな
調整が可能である。

【００４９】さらに、半導体レーザの波長を選べば、本
実施例のシリコンに限らず、各種の超伝導材料、化合物
材料、有機材料、絶縁材料などの多結晶化にも、本発明
の方法は有効である。

【００５０】一方、上記したガスレーザを用いた従来例
の場合は、１パルスあたりのレーザ発振時間は２０ナノ
秒であるが、半導体レーザの特徴として、発振時間を変
えて被照射体に適した所望の照射時間を選ぶこともでき
る。具体的には、２００ナノ秒程度まで照射時間を延ば
すことが可能であり、このようにして多結晶の多結晶化
可能時間を制御することが出来るので、異なる処理基板
に対して、任意に結晶条件を期待できる。

【００５１】また、図２において、ホモジナイザ１３と
被照射体１５との間に、図示しない光分割器を設けて基
板上に点在した複数の領域をそれぞれ照射するようにし
ても良い。すなわち、本発明によれば、個々の半導体レ
ーザ１１から放出されたレーザ光をホモジナイザ１３に
より一旦まとめることにより、ビームの強度ばらつきを
平均化させ、しかる後に必要に応じて分割することによ
り、分割されたいずれのビームの強度も、原理的に均一
にすることができる。

【００５２】前記実施例ではレーザ素子からの発光をそ
のまま利用する場合を例示したが、これ以外にも、例え
ば、波長変換素子を用いても良い。図５は、高調波発生
素子を用いた場合を例示する概念図である。すなわち、
同図の例においては、赤色レーザ１１を励起光源とする
高調波発生装置２１を用いることにより、所定の波長の
レーザ光を得ることができる。高調波発生装置２１とし
ては、例えば、ＫＴＢ結晶やＢＢＯ結晶を利用した２倍
波発生素子（secondharmonic generation：ＳＨＧ）を
用いることができる。また、３倍波あるいはそれ以上の
高調波に変換しても良い。このようにして得られた高調
波は、レンズ１４及び１９、ミラー１８を介して被照射
体１５に照射される。

【００５３】また、レーザ素子１１は、点発光型の素子
に限らず、面発光型のレーザ素子を用いても同様の効果
が得られる。

【００５４】図６は、レーザ光発生装置の一例を表す斜
視図である。すなわち、同図に表したように、素子アレ
イ１１をスタック状に重ね合わせ、これらの間に冷却機
構５７を設けることにより、高出力でより安定した動作
が可能となる。冷却機構５７としては、例えば、水冷機
構やペルチェ素子などをもちいた電子冷却機構などを利
用することができる。このような冷却機構を利用するこ
とで、パルス発振に比べて発振出力を高められない場合
の多い連続発振時の発振出力を高めることが可能とな
る。

【００５５】図７は、光源となる発光素子を曲線状に並
べた場合を例示する概念図である。直線状のビーム形状
を持つレーザ光に比べて曲面状のレーザ光を照射する
と、レーザビームの先頭部分で結晶化した結晶粒の両脇
の結晶粒は先頭の結晶粒よりも遅れて結晶化が行われる
ように結晶成長を制御できる。この結果として、従来よ
りも大きな多結晶粒を実現できる。

【００５６】照射位置を固定せずに、スキャンする場合
は、レーザビームのスキャン方向と垂直な方向の結晶成
長も進行する。この場合は、より長い結晶化時間を確保
できるので、このビーム形状を適宜調節することによ
り、単に直線状のレーザ光を照射する場合にくらべてよ
り大きなサイズの結晶粒が得られる。また、パルス発振
の発光素子を用いた場合に特に有効で、連続発振で発光
素子を利用する場合と比べて発振出力の向上が期待でき
るため、レーザの安定動作、スループットの向上、ある
いは低消費エネルギなどの多くのメリットがある。連続
発振の場合は、結晶化速度として、例えば１ミリメータ
／秒以上の速度で基板上を走査することによって、その
効果が得られる。結晶化が可能であれば、１センチメー
タ／秒以上の速度での走査が望ましい。

【００５７】図８は、液晶表示装置のＴＦＴ部分にのみ
レーザ光を照射する場合の実施例を表す。すなわち、被
照射体のうちでＴＦＴが形成される部分１５ａにのみレ
ーザ光が照射されるようにレーザ素子１１を配列し、ま
たは、アレイ状に配列されたレーザ素子１１の所定の位
置の素子のみを動作させる。この際に、基板とアレイと
を相対的に、すなわち本実施例においては、被照射体１
５を図中の矢印の方向に移動させ、適宜レーザ光を照射
する。

【００５８】本実施例の場合は、基板全面を照射する必
要が無いので、駆動する発光素子の数を減らすことが可
能であり、装置の簡略化、小型化、軽量化はもとより、
低消費電力型の多結晶化装置を実現することが可能とな
る。また、基板全面の多結晶化と異なり、スループット
の向上による低コスト化も期待できる。

【００５９】さらに、本実施例によれば、従来よりも高
性能且つ高信頼性を有する液晶表示装置を高い歩留まり
で製造することが可能となる。すなわち、アモルファス
シリコンまたは微細多結晶シリコンをレーザアニールに
より多結晶化すると、その表面が凹凸状となり、結晶粒
界、特に粒界３重点において「突起」が生ずることが一
般的に認められている。液晶表示装置を構成するいわゆ
る「アレイ基板」は、ＴＦＴとともに、絶縁膜をキャパ
シタとして用いる「補助容量部」を有するが、前述した
「突起」により、補助容量部の絶縁膜が短絡し、または
耐圧が低下する。その結果として、蓄積容量の変動によ
る表示むらや、信頼性の低下、製造歩留まりの低下とい
う問題があった。

【００６０】これに対して、本実施例によれば、被照射
体すなわちアレイ基板のうちで、ＴＦＴ部１５ａのみを
効率的に多結晶化するが可能となる。つまり、補助容量
部をレーザ光で照射しないようにすれば、「突起」の発
生を抑制し、前述した絶縁膜の短絡や耐圧の低下という
問題を解消することができる。このように、本実施例に
よれば、補助容量部における多結晶シリコンの「突起」
を抑制することにより、高品質で高信頼性を有する大型
液晶表示装置を安定して製造することができるようにな
る。

【００６１】図９は、２次元状に配置された複数のレー
ザ素子からレーザ光を照射する例を表す概念図である。
すなわち、複数のアレイ状の発光装置１０を被照射体で
ある液晶表示装装置１５のＴＦＴ部分１５ａのみ照射す
るように並列して設ける実施例を示す。この場合は、被
照射体１５の全面を照射する必要が無いうえに、一度に
基板上の全てのＴＦＴ部分１５ａを多結晶化することが
出来る。従って、被照射体あるいはレーザ装置の移動が
不要となり、装置の簡略化、小型化、軽量化はもとよ
り、低消費電力型の多結晶化装置を実現することが可能
となる。また、基板全面の多結晶化と異なり、スループ
ットの向上による低コスト化も期待できる。さらに、前
述した実施例と同様に、補助容量部の「突起」を解消し
て、高品質且つ高信頼性を有する液晶表示装置を低コス
ト、高歩留まりで製造することができるようになる。

【００６２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
従来困難であった、線状或いは面状の所望のサイズに調
節したレーザビームを容易に形成することができるた
め、大面積領域を多結晶化するに際して、ビーム端を重
ねて別の領域の多結晶化を行う必要がなく、１回のスキ
ャンで所望の面積の多結晶化が可能となる。

【００６３】従って、ビーム端を重ねることによる多結
晶の不均一部分を生じることなく、より均一に所望の面
積の多結晶化が可能となる。

【００６４】さらに、本発明によれば、光源として用い
る半導体レーザの光出力変動を、前記のＸｅＣｌなどの
ガスレーザと比べて格段に小さく抑えることができる。
その結果として、本発明を用いて作製する多結晶の粒径
はより均一となるため、液晶ディスプレイなどの各種の
デバイスの高性能化を実現できる。

【００６５】また、本発明によれば、従来に比べて光学
系を簡素化することもできる。さらに、レーザ装置本体
の寸法を１／１０以下に小型化でき、同時に軽量化も果
たされる。

【００６６】以上説明したように、本発明によれば、従
来よりも均一な多結晶化が可能となり、高性能且つ高信
頼性を有する液晶表示装置などの各種のデバイスを低コ
スト、高歩留まりで製造することができるようになり、
産業上のメリットは多大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による多結晶成長方法を表す概念図であ
る。

【図２】本発明の実施例を説明する概念図である。

【図３】本実施例により形成された多結晶の粒径を表す
概略図である。

【図４】従来の方法で作成された多結晶の粒径を表す比
較例の概略図である。

【図５】高調波発生素子を用いた場合を例示する概念図
である。

【図６】レーザ光発生装置の一例を表す斜視図である。

【図７】光源となる発光素子を曲線状に並べた場合を例
示する概念図である。

【図８】液晶表示装置のＴＦＴ部分にのみレーザ光を照
射する場合の実施例を表す。

【図９】２次元状に配置された複数のレーザ素子からレ
ーザ光を照射する例を表す概念図である。

【図１０】従来のＸｅＣｌレーザを用いたアモルファス
シリコンの多結晶化の方法を表す概念図である。

【符号の説明】

１０レーザ光発生装置１１半導体レーザ１３ホモジナイザ１４、１９レンズ１５被照射体１８ミラー２１高調波発生装置５７冷却手段１１１ガスレーザ１１３ホモジナイザ１１４光学系１１５被照射体

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】非晶質あるいは多結晶状態の被照射体を光
照射により多結晶化せしめる多結晶の成長方法であっ
て、前記被照射体上に点在する複数の領域に対応して間
隔をおいて配置された複数の半導体発光素子のそれぞれ
から放出される光を、前記被照射体上の対応する前記領
域にのみ照射することにより前記多結晶化することを特
徴とする多結晶の成長方法。
【請求項２】前記半導体発光素子から放出される前記光
の強度の時間的な変動または、前記被照射体の照射面に
おける光の照射量の分布を５％以内に抑制することを特
徴とする請求項１記載の多結晶の成長方法。
【請求項３】前記被照射体が前記光照射により溶融後固
化する過程での、前記光照射される照射面の面内方向の
温度勾配を１００℃／μｍ以上とすることを特徴とする
請求項１または２に記載の多結晶の成長方法。