JP3429129B2 - 低温ポリシリコン薄膜トランジスタのレーザアニーリング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、基板上の形成さ
れたアモルファスシリコン膜、例えば液晶パネルの周辺
駆動回路部分および中央画素部分に形成される薄膜トラ
ンジスタのアモルファスシリコン膜をレーザ照射により
ポリシリコン化するレーザアニーリング方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】半導体膜としてアモルファスシリコンを
用いた薄膜トランジスタをスイッチング素子とする液晶
ディスプレイが実用化されているが、高精細化に伴って
画素サイズが小さくなってきており、薄膜トランジスタ
部の占有面積を極力小さくするために、アモルファスシ
リコンをより動作速度の速いポリシリコンに置き換えよ
うとする開発が進んでいる。さらに、薄膜トランジスタ
を駆動する回路までも、ポリシリコンを用いた薄膜トラ
ンジスタを用いて形成していこうとしており、ポリシリ
コンが液晶ディスプレイにおけるキーマテリアルとなっ
てきている。

【０００３】ポリシリコン膜を得る手段として、固相成
長法とレーザーアニール法が知られている。しかしなが
ら、固相成長法ではアニール温度を低温化することが困
難であるため、図８に示したようなガラス基板等の基板
上に形成されたアモルファスシリコン層をレーザでアニ
ーリングし、溶融再結晶化するレーザーアニール法が提
案され、全体を高温に加熱する必要がないため、安価な
ガラスを基板として用いることができる低温ポリシリコ
ン薄膜トランジスタ（多結晶Ｓｉ−ＴＦＴ）の製造法と
して期待されている。図において、１は駆動ＩＣ、２は
画素を作り込む部分で、３はその薄膜トランジスタ(Ｔ
ＦＴ)形成部、１１はレーザビームスポット、１２はレ
ーザビームの走査方向を示す矢印である。

【０００４】アモルファス層全域を一度に照射するに
は、極めて大きなレーザ出力が必要となるため、従来は
矩形ビームをステップ毎に重ねあわせて照射して全域を
アニーリングする手法がとられていた。しかし、重ねあ
わせの部分とそれ以外の部分で結晶性が異なり、これを
ベースに構成される薄膜トランジスタの特性が均一でな
くなるため液晶画面にムラが生じるなどの問題点があっ
た。

【０００５】そこで、図５に示すエキシマレーザアニー
ル技術が注目されている。ここでは、エキシマレーザと
してＸｅＣｌ（波長３０８ｎｍ）、ＫｒＦ（波長２４８
ｎｍ）、ＡｒＦ（波長１９３ｎｍ）などを用い、レーザ
ビームをビームホモナイザを含む光学系を通しチャンバ
に導入する。チャンバは真空や一定の雰囲気にコントロ
ールするためのポンプ、ガス系を有し、ビーム走査は基
板を置くステージを移動させるもの、光学系の移動によ
り行うもの、あるいは両者を組み合わせたものなどがあ
り、基板に照射されるレーザビームを照射強度の均一な
ものとし、細線および矩形ビーム形状のものを利用して
いる。

【０００６】一般に、線状レーザビームのような均一な
強度分布を作り出すビーム整形光学系としてビームホモ
ジナイズ光学系とシリンドリカルレンズとの組み合わせ
が用いられるが、ビームホモジナイザでは、レーザビー
ムの小さな一部分が拡大されて他の部分と大きく重ね合
わせられるために、お互いに干渉して干渉縞ができてし
まい、均一な強度分布にならないという問題点がある。
また、均一強度分布以外の任意の強度分布を作り出すこ
とも大変困難である。

【０００７】さらに、エキシマレーザは、短パルスの放
電励起レーザであり、放電の不安定性や、共振器内で発
振モートが十分に形成されないので、パルスごとのビー
ムプロファイルやビームの重心が不安定になっている。
さらに、放電電極の消耗などにより長期的にもビームプ
ロファイルやビームの重心が変化する。従って、ビーム
ホモジナイザでは、ビームの重心がずれると中央から分
割できなくなってしまうという問題点がある。また、設
計通りのビームプロファイルにならないと、重ね合わせ
ても均一な強度分布にならない。

【０００８】このように、エキシマレーザアニール技術
において、従来のビームホモジナイズ光学系は、短パル
スレーザに対して安定に均一な強度分布をつくることが
できず、安定な線状ビームを実現するのが困難であるた
め、安定なアニールは難しかった。

【０００９】このような問題点を解消するために、レー
ザアニーリング装置は、ビーム整形光学系を構成する重
要な要素としてフーリエ変換型位相ホログラムタイプの
ホログラムを具備するものが提案されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ＴＦＴ特性
は図６に示すようにエネルギー密度に依存して移動度が
変化し、また図７に示すようにショット数に依存して移
動度が変化するので、 １）駆動回路を作り込む部分の駆動ＩＣでは、画素を作
り込む部分２の薄膜トランジスタ(ＴＦＴ)形成部３より
高い移動度が必要なため、エネルギー密度の高いエキシ
マレーザを照射する一方、画素を作り込む部分の薄膜ト
ランジスタ形成部には比較的エネルギー密度の低いエキ
シマレーザを照射し、必要な移動度に応じて照射エネル
ギーを選択して照射する必要がある。 また、２）駆動ＩＣ部がプラズマＣＶＤ／α−Ｓｉ：Ｈ
膜で形成されている場合、大量の水素が含まれているの
で、いきなり高いエネルギー密度のレーザを照射する
と、水素が突沸して膜を破壊するので、最初は溶融エネ
ルギーより低いエネルギーの照射を行い、水素を追い出
してから溶融固化するように２段階で走査する必要があ
る。 さらに、３）駆動ＩＣ部は液晶パネルの上辺および側辺
に位置するため、基板に照射されるレーザビームを照射
強度が均一、かつ角形基板のいずれか一辺に平行な細線
ビームとし、アニールを行うため、一辺の駆動ＩＣをア
ニールした後、細線ビームもしくは基板を９０度回転さ
せて他辺の駆動ＩＣをアニールする必要がある。

【００１１】そこで、本発明の第１の目的は、エキシマ
レーザビームにより同時に異なる移動度の多結晶Ｓｉに
アニールすることができるレーザアニール法を提供する
ことを目的とする。本発明の第２の目的は、多段階のビ
ーム強度のエキシマレーザを使用し、複数回の走査で行
う必要のあった多段階アニールを１回のエキシマレーザ
照射で行うことができるレーザアニール法を提供するこ
とにある。本発明の第３の目的は、細線ビームもしくは
基板を９０度回転させることなく、液晶パネルの２方向
に跨がる駆動ＩＣ部分をレーザアニールすることができ
る方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上記第１の目的
を達成するため、薄膜トランジスタを形成する基板上の
アモルファスシリコン膜をレーザ照射によりポリシリコ
ン化して低温ポリシリコン薄膜トランジスタを製造する
にあたり、エキシマレーザ発振器から放射されたレーザ
ビームを、フーリエ変換型位相ホログラムを用い、遠視
野で複数の点を所望の位置で所望の位相で結像させ、任
意の形状で、かつそのビーム強度分布を被ポリシリコン
化部の所望の移動度変化に相応するように整形する整形
ステップと、前記レーザビームを所定の整形パターンで
基板上に結像形成し、該レーザビームを前記基板に対し
相対的に移動させ、前記被ポリシリコン化部の全域を照
射する照射ステップとを含むことを特徴とするレーザア
ニーリング方法にある。

【００１３】上記フーリエ変換型位相ホログラムは図９
に示すように、レンズを介して入射するレーザビームを
回折させ、所望の照射パターンに応じたスペクトルを結
像形成することができるように設計することができ、以
下に詳細に説明するが、例えば、エキシマレーザ発振器
から放射されたレーザビームを、その相対的移動方向で
段階的に強度分布を変化させる場合は、遠視野で複数の
点を互いに平行な複数の直線上にそれぞれ任意の位相で
結像するパターンを有するフーリエ変換型位相ホログラ
ムを使用することにより上記第２の目的を達成すること
ができる。

【００１４】また、上記ＸＹ軸方向に帯状に延びる周辺
部分をアニールするレーザビームを上記フーリエ変換型
位相ホログラムによって上記周辺部分幅でＸ軸方向の延
びる直線成分とＹ軸方向に延びる直線成分とからなるＬ
形状または、上記ＸＹ軸方向に帯状に延びる周辺部分の
双方の必要幅をわたるＸ軸成分とＹ軸成分とから合成さ
れる／または＼傾斜形状に整形することにより、前記基
板に対するレーザビーム角度を変化させることなく、上
記ＸＹ軸方向に移動させることにより上記ＸＹ軸方向に
帯状に延びる周辺部分をアニール処理することができ、
本発明の第３の目的を達成することができる。

【００１５】上記ＸＹ軸方向に帯状に延びる周辺部分を
アニールするレーザビームは上記フーリエ変換型位相ホ
ログラムによって上記周辺部分のＸ軸に平行な直線成分
とＹ軸に平行な直線成分とからなるＬ形状細線ビームに
整形することもでき、この場合、該ビームの走査を上記
ＸＹ軸に対し斜め方向に行うことにより、上記ＸＹ軸方
向に帯状に延びる周辺部分をアニール処理することがで
きる。

【００１６】液晶パネルの画素を形成する部分をアニー
ルするにはレーザビームを上記フーリエ変換型位相ホロ
グラムによって画素ピッチに対応したスポットビーム列
に整形することができる。

【００１７】レーザビーム照射装置としては以下に列挙
した態様を状況に応じて選択使用することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】

実施の形態１ 図１は 基板が１２インチのＬＣＤ液晶パネルであっ
て、図１に示すように中央部に画素を形成する部分２を
有する一方、そのＸＹ軸方向に帯状に延びる周辺部分に
駆動回路を形成する部分１を有し、そのソース駆動回路
部１Ａおよびゲート駆動回路１Ｂは高い移動度を得るた
めに、プラズマＣＶＤ／α−Ｓｉ：Ｈ膜で形成されてい
る。この場合、上記駆動回路を有する周辺部分を照射す
るレーザビームは、その相対的移動方向で段階的に強度
分布を増大させるのが好ましい。そこで、脱水素プリア
ニール用のレーザビームとして２００ｍＪ／ｃｍ²と２
３０ｍＪ／ｃｍ²の線状ビームを前後に配置させるとと
もに、２６０ｍＪ／ｃｍ²（高移動度用照射強度）の結
晶化アニールのための矩形ビームとを組み合わせ結像形
成させる一方、脱水素プリアニールの２００ｍＪ／ｃｍ
²に連続して画素部分を照射する２００ｍＪ／ｃｍ²（低
移動度用照射強度）の線状ビームを結像形成させる。

【００１９】上記パターンのレーザビームを使用すれ
ば、アモルファスシリコン部分は大量の水素が含まれて
いるが、段階的に増大するエネルギー密度のレーザが一
回の走査により連続して照射されるので、アモルファス
膜中の水素が突沸することなく放出され、脱水素化が行
われる。次いで結晶化アニール用の矩形レーザビームが
アモルファス膜に照射されると、溶融固化されてポリシ
リコン化するようになる。 他方、画素部分は上記周辺
部分のポリシリコン化の走査と同時に２００ｍＪ／ｃｍ
²（低移動度用照射強度）の線状ビームが照射されてポ
リシリコン化が行われる。

【００２０】したがって、本実施の形態によれば、１つ
のレーザ発振器から照射強度の異なった均一な細線およ
び矩形ビームを複数個同時に結像形成させることができ
るので、複数回の工程で行われていたレーザアニール処
理工程が１回のスキャニングで行える。また、駆動回路
およいび画素を違った照射強度で照射したい場合でも、
一様な強度の均一ビームではなく、強い照射強度の領
域、弱い照射強度の領域を形成し、それぞれの領域内で
均一強度のビームを整形することにより、駆動回路、画
素をそれぞれの最適強度でもって１回のスキャニングに
よりアニール処理することができる。

【００２１】実施の形態２ 図２は図１と同様の、１２インチのＬＣＤ液晶パネルで
あって、図８に示すように中央部に画素を形成する部分
２を有する一方、そのＸＹ軸方向に帯状に延びる周辺部
分に駆動回路を形成する部分１を有し、そのソース駆動
回路部１Ａおよびゲート駆動回路１Ｂが形成される。上
記ＸＹ軸方向に帯状に延びる周辺部分をアニールするレ
ーザビームは上記ＸＹ軸方向に帯状に延びる周辺部分の
双方の必要幅をわたるＸ軸成分とＹ軸成分とから合成さ
れる＼傾斜形状１１Ａを有している。その傾き角および
その長さは基板の各辺の方向をＸＹ軸方向とした時、細
線ビームのＸ軸方向成分の長さをＹ軸方向を長手方向と
する駆動回路のＸ軸方向の長さより長く、細線ビームの
Ｙ軸方向成分の長さをＸ軸方向を長手方向とする駆動回
路のＹ軸方向の長さより長くなるようにするのがよい。
このビーム形状は図７に示すように、上記周辺部分幅で
Ｘ軸方向の延びる直線成分とＹ軸方向に延びる直線成分
とからなるＬ形状１１Ｂであってもよい。この場合も、
基板の各辺の方向をＸ、Ｙ軸方向とした時、Ｌ字型ビー
ムのＸ軸方向成分の長さをＹ軸方向を長手方向とする駆
動回路のＸ軸方向の長さより長く、ビームのＹ軸方向成
分の長さをＸ軸方向を長手方向とする駆動回路のＹ軸方
向の長さより長くなるようにするのがよい。

【００２２】図２および図３の場合、前記基板に対する
レーザビーム角度を変化させることなく、上記Ｘおよび
Ｙ軸方向に移動させることにより上記ＸＹ軸方向に帯状
に延びる周辺部分をアニール処理することができる。

【００２３】上記画素を形成する部分をアニールするレ
ーザビームが図２に示すように画素ピッチに対応したス
ポットビーム列からなる。１つのスポットビームは１つ
の画素中のＴＦＴを形成する部分のみに、かつ少なくと
も１列に並ぶ全画素用ＴＦＴを一括して照射できるよう
にスポットビーム列を形成する。これにより、均一ビー
ムに比べ少ないエネルギー（スポット化によりとびとび
になる）で、画素部全体をアニールすることができる。

【００２４】図４は、上記ＸＹ軸方向に帯状に延びる周
辺部分をアニールするレーザビームが上記周辺部分のＸ
軸に平行な直線成分とＹ軸に閉口な直線成分とからなる
Ｌ形状細線ビームであって、該ビームの走査を上記ＸＹ
軸に対し斜め方向に行い、上記ＸＹ軸方向に帯状に延び
る周辺部分をアニール処理するものである。細線ビーム
は基板の各辺に平行な二つの細線成分を有し、それぞれ
の長さは基板各辺の方向をＸＹ軸方向とした時、Ｌ字型
ビームのＸ軸方向成分の長さをＹ軸方向を長手方向とす
る駆動回路のＹ軸方向の長さより長く、ビームのＹ軸方
向成分の長さをＸ軸方向を長手方向とする駆動回路のＸ
軸方向の長さより長くなるようにするのがよい。この方
法によれば、画素周辺の駆動回路を１つのＬ字型ビーム
でアニールすることができるので、従来のビームや基板
を回転させる必要がなくなる。なお、レーザビーム形態
としては上記Ｌ字型および斜め形の外に十字形など任意
の形状を整形することができる。

【００２５】本発明によれば、フーリェ変換型位相ホロ
グラムにより種々の形状および強度分布のレーザビーム
を整形することができるので、適切なアニールパターン
を実行することができる。たとえば、多段階強度同時照
射アニールが可能となるので、スキャニング回数を低減
することができ、アニール時間を短縮し、スループット
が向上する。また、駆動回路、画素に適した照射強度で
アニールできるので、各部分の性能の向上、バラツキを
低減することができる。Ｌ字型または斜めビームが成形
でき、また斜めスキャンアニールが可能であるので、ビ
ームおよび基板を回転させることなく、画素周辺の駆動
回路をアニールすることができ、スループットが向上す
る。また、回転のためのステージ機構が不要となるの
で、装置の信頼性が高まる。スッポトビーム照射アニー
ルが可能であるので、低出力のレーザ発振器により広い
面積をアニールすることができ、スループットは向上
し、アニール装置の信頼性が高まる。

【実施例】

【００２６】以下の実施例で示される原理および装置は
上記実施の形態において使用されるフーリエ変換型位相
ホログラムおよびそれを含むレーザアニーリング装置の
具体例を示すものである。

【００２７】実施例１ 図１０はこの発明の他の実施例によるレーザアニーリン
グ方法を実現する装置の構成を示すブロック図であり、
７０はレンズ、７１はフーリエ変換型位相ホログラム
(以下ホログラムと略す)、７２はレンズ７０及びホログ
ラム７１から構成されるビーム整形光学系である。即
ち、レンズ７０及びホログラム７１はアニーリング加工
対象物３１上で長手方向に均一なレーザ強度分布を有す
る線状レーザビームを得るためのビーム整形光学系７２
を構成している。

【００２８】次に動作について説明する。レーザ発振器
２１から発せられたレーザ光は、レンズ７０及びホログ
ラム７１から構成されるビーム整形光学系７２を通る。
この際、レーザ光はレンズ７０によって基板３１上に照
射されるが、図１１に示す様に、レンズ７０と基板３１
との間に設けられたホログラム７１によって基板３１上
に一直線上に並んだいくつもの重なりあった照射スポッ
トを持つように空間変調される。ホログラム７１は、そ
れぞれの照射スポットを基板３１上の任意の位置に、任
意の強度で配置することができる。例えば、図１２(a)
に示すように一直線上に照射スポットが並ぶようなホロ
グラム７１を用い、図１２(b)に示すようにそれぞれの
照射スポットが重なりあうように調整すると、基板３１
上で長手方向に均一なレーザ照射強度分布を持つビーム
を得ることができ、安定なレーザアニールを実行するこ
とができるようになる。

【００２９】図１３はホログラム７１によって生成され
る複数のスポットの重なりぐあいを示す原理図で、均一
な強度分布を得るためには、図１３に示すように重なり
合わせる照射スポットは、それぞれの照射スポットの半
値幅よりも小さな間隔で配置されて互いに一部が重ね合
わせられなければならない。隣り合う照射スポットの中
心間の距離、即ち重ね合せ間隔は狭いほど同一点上に重
ね合わされる照射スポットの数が増すので、強度分布均
一性は高くなる。しかしながら、レーザ光の空間的可干
渉距離よりも狭い間隔で重ね合せると、干渉縞によって
かえって均一性が悪くなる可能性があるので、重ね合せ
間隔は狭ければよいというものではない。

【００３０】ホログラム７１としては、設計したパター
ン、即ち一直線上に並ぶ複数の照射スポットへ回折する
光のエネルギーの割合である回折効率の高い位相ホログ
ラムを用い、光利用効率を高めている。これによって、
レーザ出力の数１０％のエネルギーが実際のアニーリン
グ加工に利用できるようになる。

【００３１】次にホログラム７１によるレーザ光の空間
変調の方法について説明する。例えば、文献Ａ．Ｅ．Ｓ
iegman“ＬＡＳＥＲＳ”に示されるように、ＡＢＣＤ光
線行列で表わされる光学系を通して伝播する光の回折像
は次のように計算できる。

【００３２】

【数１】 この入力像u(x１)に空間周波数aで位相が変化する変調
板を重ね合せると、回折像は次のようになる。

【００３３】

【数２】 右辺のg(x２−Ｂλa)は変調板を挿入していないときの
回折像であるg(x２)をＢλaだけ移動させたものであ
る。右辺のその他の項は位相だけを変化させる項であ
る。入力像u(x１)空間周波数aを持った変調板を重ね合
せるとＢλaずれた位置に像が現れ、空間周波数a１と空
間周波数a２の成分が等しい強度で重なりあった変調板
を重ね合わせると、Ｂλa１及びＢλa２ずれた位置に２
つの像が現れる。これより、いくつかの空間周波数成分
を重ね合わせてできた位相分布を持つ変調板としての位
相ホログラムを光学系に挿入すると、それぞれの空間周
波数に相当する位置にいくつかの像を作ることができ
る。像と像との距離を互いにインコヒーレントになる程
度に離せば、像の位相は任意の値でも干渉しないので、
図２に示したようにレンズ７０による集光光学系にこの
ようなホログラム７１を挿入することにより、基板３１
上に一直線上に並んだ複数の照射スポットを形成し、そ
れらの照射スポットを互いに重なりあうように配置する
ことにより、アニールに適した任意の照射強度分布を作
り出すことができる。

【００３４】ホログラム７１の位相分布パターンは各照
射スポット即ち転写パターンそれぞれの位置に相当する
空間周波数を重ね合せて決定される。ホログラム７１の
位相分布パターンは計算機で計算することによって決定
することもできる。ホログラム７１は滑らかな位相分布
をいくつかの段階に量子化して製作することもできる。
この実施例では、ホログラム７１は様々な空間周波数を
任意の初期位相で重ね合わせるものとしている。このよ
うなホログラム７１では、位相を量子化する場合でも、
重ね合わせる初期位相をパラメータとして量子化誤差が
最小になるように最適化でき、高回折効率、低ノイズの
ホログラム７１をパターニングできる。

【００３５】図１４はこの実施例による位相ホログラム
形式のホログラム７１のパターニング方法を説明するた
めの図であり、図１４(a)は、複数のセルに分割された
ホログラム７１の一部における、位相を０度と１８０度
の２段階に量子化して計算機によって算出された位相分
布パターンを拡大して示しており、７４は位相０度部、
７５は位相１８０度部である。また、図１４(b)は、ホ
ログラム７１の位相分布パターン全体を示している。こ
のように、ホログラム全体を多数のセルに分割し、それ
ぞれのセルにおいて２段階に量子化して重ね合わせる初
期位相をパラメータとして量子化誤差を最小になるよう
に最適化して位相を決めていく方法でパターニングして
いる。レーザ用のホログラムを製作する場合、使用でき
る材料が限られている。しかしながら、この実施例のよ
うに位相を量子化して計算機でパターンを決定すれば、
限られた材料であっても実際の製作は比較的容易であ
る。

【００３６】図１５はホログラム７１の製作方法を説明
するための図であり、７１１は位相シフト膜、７１２は
位相シフト部、７１３は屈折率変化部、７１４は位相シ
フト膜７１１、位相シフト部７１２、又は屈折率変化部
７１３が形成された合成石英等の基板である。図１５
(a)は基板７１４に位相シフト膜７１１をつけて位相分
布を作る方法を示しており、このような位相ホログラム
は位相シフト膜７１１の膜厚によって位相シフト量が決
まるが膜圧の制御は比較的容易であるので、位相誤差は
小さい。図１５(b)は合成石英等の基板７１４をエッチ
ングし、エッチング溝により位相シフト部７１２を形成
し位相分布を作る方法を示しており、図６(a)に示した
ような耐光強度が比較的低い位相シフト膜と基板との間
の界面がないので、ホログラムの耐光強度を向上させる
ことができる。図１５(c)は合成石英等の基板７１４に
屈折率変化部７１３を作ることによって位相シフト部を
形成し位相分布を作る方法を示しており、この方法でも
やはり界面がなくなるので、ホログラムの耐光強度を向
上させることができる。

【００３７】以上示したように、この実施例によるレー
ザアニーリング装置によれば、ホログラムを用いた光学
系により、ビームホモジナイザ光学系の欠点を克服する
ことができ、アニーリング加工対象物をアニールに適し
たレーザ照射強度分布でレーザ照射することができるの
で、安定で均一なレーザアニールを実行できる。

【００３８】実施例２ 図１６はこの発明の他の実施例によるレーザアニーリン
グ方法を実現する装置によるアニーリング加工対象物上
での照射スポットを示す図である。この実施例によるレ
ーザアニーリング装置の構成は、基本的には図１０に示
した実施例１によるものと同一である。

【００３９】上記実施例１によるホログラムによって、
線状ビームの長手方向は均一な強度分布が得られるが、
幅方向の強度分布は単一の照射スポットの強度分布がそ
のまま反映されるので、レーザアニールにおいて許容さ
れる強度を持つ領域は狭い範囲に限られる。このような
レーザビームでアニールを行う場合、薄膜トランジスタ
形成部１列をこの許容範囲内に収めるためには、精度の
高いアライメントを行うことが必要になることがある。
そこで、この実施例によるホログラムは、図１６(a)に
示すように、平行な２本の直線上にそれぞれ複数の照射
スポットを作るように構成されている。

【００４０】次に動作について説明する。図１６(a)に
示すような照射スポットを生成するホログラムを用い
て、図１６(b)に示すようにそれぞれの照射スポットが
長手方向に重なりあって線状のビームを形成するととも
に、２本の線状ビームも互いに１つの照射スポットの強
度分布の半値幅程度の重ね合せ距離で重なり合うように
調整する。これによって、図１７(a)に示す実施例１等
によって形成されるアニーリング加工対象物上における
１つの線状ビームの幅方向の強度分布と比べると、図１
７(b)に示すように前記重ね合わせ距離で２本の線状ビ
ームが重なり合い、幅方向についても均一強度分布を持
つ範囲を広がっている。これにより、照射位置のアライ
メント精度を緩和することがてき、安定なアニールが可
能になる。さらに、多くの平行な線状ビームを重ねるこ
とにより幅方向の均一強度領域を広げることができ、さ
らに照射位置のアライメント精度を緩和できる。

【００４１】実施例３ 図１８はこの発明の他の実施例によるレーザアニーリン
グ方法を実現する装置の構成を示すブロック図であり、
図において、図１０に示す参照符号と同一の符号は同一
又は相当する構成要素を示している。この実施例による
レーザアニーリング装置の構成は、基本的に図１０に示
した実施例１によるものと同一である。

【００４２】実施例１ではホログラム７１はレンズ７０
の後方に配置されていたのに対して、この実施例では、
ホログラム７１はレンズ７０の前側の焦点位置に配置さ
れている。

【００４３】次に動作について説明する。図１８に示し
たこの実施例によるホログラム７１及びレンズ７０の配
置においては、ホログラム７１で分割されたレーザビー
ムそれぞれの主光線がレンズ７０によって元の光軸と平
行になる。このため、基板３１に入射する全てのレーザ
ビームの主光線を基板３１に垂直に入射させることがで
きる。基板３１に対して光の入射角度が異なると、基板
３１の光反射率や光吸収率が変化してしまい、たとえ照
射強度分布が均一であっても、基板３１に吸収される光
エネルギーが均一でなくなり、アニールが不均一になる
ことがある。これに対して、図１９に示すような配置を
とることにより、基板３１に入射するレーザビームの主
光線がすべて同じ角度で入射するため、光入射角の影響
がなくなり均一で安定なアニールが可能になる。

【００４４】実施例４ 図１９はこの発明の他の実施例によるレーザアニーリン
グ方法を実現する装置の構成を示すブロック図であり、
図において、図１に示す参照符号と同一の符号は同一又
は相当する構成要素を示しており、８０は少なくとも線
状のビーム形状の長手方向と垂直方向にレーザビームの
ビーム幅を拡大するための凹面のシリンドリカルレンズ
である。図１９(a)はこの実施例によるレーザアニーリ
ング装置の平面図を示しており、図１９(b)はその側面
図を示している。

【００４５】上記実施例１から３においては、レーザ発
振器から出射されたレーザ光は、そのまま線状のビーム
形状に整形されていたため、レーザ発振器からのビーム
発散角が大きい場合には、トランジスタ形成部の列間隔
より小さい幅に集光できず、トランジスタ形成部の列間
隔を小さくして高精細の液晶ディスプレイを製作するこ
とができないという問題点がある。

【００４６】この実施例は、このような問題点を解消す
るためになされたもので、そのために凹面のシリンドリ
カルレンズ８０を具備している。

【００４７】次に動作について説明する。レーザ発振器
２１から出射されたレーザ光は、凹面のシリンドリカル
レンズ８０、凸レンズ７０、ホログラム７１と伝搬され
線状ビームに整形されて、アニーリング加工対象物であ
る基板３１上のトランジスタ形成部に照射されるが、こ
の途中でレーザ光は凹面のシリンドリカルレンズ８０に
より線状ビームの長手方向と垂直方向に拡げられる。

【００４８】一般に、焦点距離fの凸レンズを用いて光
を集光とした場合、最小の集光幅ω０は ω０＝f・(α・λ／Ｄ) で表される。

【００４９】ここで、λはレーザ光の波長、Ｄはレーザ
光が凸レンズに入射するときのビームの幅、αはレーザ
ビームのプロファイルや発散角で決まる定数である。

【００５０】従って、集光幅ω０を小さくするには、凸
レンズの焦点距離f、若しくはレーザ光の波長λを小さ
くする必要がある。又は、凸レンズに入射するときのレ
ーザビームの幅Ｄを大きくする必要がある。

【００５１】しかしながら、焦点距離fを小さくする
と、凸レンズの収差が大きくなり、むしろ集光幅が大き
くなる。加えて、凸レンズ７０と基板３１との間隔が近
づくことになるため、基板３１からの飛散物が凸レンズ
７０に付着するなどの弊害がある。また、レーザ光の波
長を小さくするとレンズ材料の選定が困難となり、レー
ザ発振器２１の安定性が悪くなる。

【００５２】凹面のシリンドリカルレンズ８０に入射す
るビーム幅dのレーザ光を凹面のシリンドリカルレンズ
８０によって、凸レンズ７０に入射するときにはビーム
幅を拡大してＤとすることにより、ビーム発散角で決ま
るαを大きく、即ちビーム発散角を大きくできる。即
ち、ビーム発散角の大きなレーザ発振器２１でも集光幅
を小さくできる。また、同一のαを持つレーザビームを
用いる場合は、最小の集光幅ω０をd／Ｄに縮小するこ
とができ、この分だけ微細なトランジスタ形成部の列幅
を小さくすることができる。

【００５３】なお、この実施例では、凸レンズ７０に入
射するビーム幅を大きくするために、凹面のシリンドリ
カルレンズ８０を使用したが、重ね合わせピッチが十分
小さい場合、線状ビームの長手方向と平行方向にビーム
幅を拡大して集光幅が小さくなっても均一な線状ビーム
が得られるときは、凹面のシリンドリカルレンズの代わ
りに通常の凹面レンズを用いても良い。

【００５４】実施例５ 図２０はこの発明の他の実施例によるレーザアニーリン
グ方法を実現する装置の構成を示すブロック図であり、
図において、図１９に示す参照符号と同一の符号は同一
又は相当する構成要素を示しており、８１は反射ミラ
ー、８２は少なくとも線状のビーム形状の長手方向と垂
直方向にビーム幅を拡大するための凸面のシリンドリカ
ルミラーである。図２０(a)はこの実施例によるレーザ
アニーリング装置の平面図を示しており、図２１(b)は
その側面図を示している。この実施例では、上記実施例
４の凹面のシリンドリカルレンズの代わりに凸面のシリ
ンドリカルミラー８２を用いる。

【００５５】次に動作について説明する。上記したよう
に、入射するレーザ光のビーム幅を大きくすることによ
り、ビーム発散角の大きなレーザ発振器２１でも集光幅
を小さくでき、且つ同一の発散角を持つレーザビームを
用いる場合は、最小の集光幅を縮小することができ、こ
の分だけ微細なトランジスタ形成部の列幅を小さくでき
る。レーザ発振器２１から出射されたレーザ光は、反射
ミラー８１で反射された後、凸面のシリンドリカルミラ
ー８２、レンズ７０、ホログラム７１と伝搬され、線状
ビームに整形されて、アニーリング加工対象物である基
板３１上のトランジスタ形成部に照射されるが、この途
中でレーザ光は凸面のシリンドリカルミラー８２により
線状ビームの長手方向と垂直方向に拡げられる。これに
より、実施例１２と同様に、凹面のシリンドリカルミラ
ー８２に入射するビーム幅dのレーザ光を凹面のシリン
ドリカルミラー８２によって、凸レンズ７０に入射する
ときにはビーム幅を拡大してＤとすることにより、ビー
ム発散角で決まるαを大きく、即ちビーム発散角を大き
くできる。即ち、ビーム発散角の大きなレーザ発振器２
１でも集光幅を小さくできる。また、同一のαを持つレ
ーザビームを用いる場合は、最小の集光幅ω０をd／Ｄ
に縮小することができ、この分だけ微細なトランジスタ
形成部の列幅を小さくすることができる。

【００５６】実施例６ 図２１はこの発明の他の実施例によるレーザアニーリン
グ方法を実現する装置の構成を示すブロック図であり、
図において、図１９に示す参照符号と同一の符号は同一
又は相当する構成要素を示しており、８３は少なくとも
線状のビーム形状の長手方向と垂直方向にビーム幅を拡
大するための凹面のシリンドリカルレンズ及び凸面のシ
リンドリカルレンズ、又は凸面のシリンドリカルミラー
及び凹面のシリンドリカルミラーから成るビームエキス
パンダーである。図２１(a)はこの実施例にるレーザア
ニーリング装置の平面図を示しており、図２１(b)はそ
の側面図を示している。この実施例では、実施例４の凹
面のシリンドリカルレンズの代わりに線状のビーム形状
の長手方向と垂直方向にビーム幅を拡大するための凹面
のシリンドリカルレンズ及び凸面のシリンドリカルレン
ズから成るビームエキスパンダー８３を用いる。

【００５７】次に動作について説明する。レーザ発振器
２１から出射されたレーザ光は、ビームエキスパンダー
８３、レンズ７０、ホログラム７１と伝搬され、線状ビ
ームに整形されて、アニーリング加工対象物である基板
３１上のトランジスタ形成部に照射されるが、この途中
でレーザ光はビームエキスパンダー８３により線状ビー
ムの長手方向と垂直方向に拡げられ、実施例２１と同様
に、ビームエキスパンダー８３に入射するビーム幅dの
レーザ光をビームエキスパンダー８３によって、凸レン
ズ７０に入射するときにはビーム幅を拡大してＤとする
ことにより、ビーム発散角で決まるαを大きく、即ちビ
ーム発散角を大きくできる。即ち、ビーム発散角の大き
なレーザ発振器２１でも集光幅を小さくできる。また、
同一のαを持つレーザビームを用いる場合は、最小の集
光幅ω０をd／Ｄに縮小することができ、この分だけ微
細なトランジスタ形成部の列幅を小さくすることができ
る。また、この実施例では、レーザ光がレンズ７０に入
射する際、ビーム幅の広い平行ビームとなっているの
で、実施例４の凹面のシリンドリカルレンズを用いた場
合のように、凹面のシリンドリカルレンズ８０とレンズ
７０との距離により入射ビーム幅が変化することなく、
安定した集光幅でトランジスタ形成部に照射することが
できる。

【００５８】実施例７ 図２２はこの発明の他の実施例によるレーザアニーリン
グ方法を実現する装置の構成を示すブロック図であり、
図において、図１９に示す参照符号と同一の符号は同一
又は相当する構成要素を示しており、８４は少なくとも
線状のビーム形状の長手方向と垂直方向に不安定型共振
器を組むためのミラー対である。図２２(a)はこの実施
例によるレーザアニーリング装置の平面図を示してお
り、図２２(b)はその側面図を示している。

【００５９】上記した実施例１等においては、レーザ発
振器からのビーム発散角が大きい場合には、レーザ発振
器から出射されたレーザ光を線状のビーム形状に整形し
てもトランジスタ形成部の列間隔より小さい幅に集光で
きず、またトランジスタ形成部の列間隔を小さくして高
精細の液晶ディスプレイを製作することができないとい
う問題点がある。この実施例によるレーザアニーリング
装置は、かかる問題点を解消するために線状のビーム形
状の長手方向と垂直方向のビーム発散角を低減する不安
定型共振器８４を備えている。

【００６０】次に動作について説明する。不安定型共振
器８４を具備したレーザ発振器２１から出射されたレー
ザ光は、レンズ７０、ホログラム７１と伝搬され、線状
ビームに整形されて、アニーリング加工対象物である基
板３１上のトランジスタ形成部に照射される。

【００６１】既に述べたように、一般に、焦点距離fの
凸レンズを用いて光を集光とした場合、最小の集光幅ω
０はω０＝f・(α・λ／Ｄ)で表される。

【００６２】ここで、λはレーザ光の波長、Ｄはレーザ
光が凸レンズに入射するときのビームの幅、αはレーザ
ビームのプロファイルや発散角で決まる定数である。

【００６３】集光幅ω０を小さくするには、凸レンズの
焦点距離f、レーザ光の波長λを小さくするか、若しく
は凸レンズに入射するときのレーザビームの幅Ｄを大き
くするか、又は、焦点距離f、レーザ光の波長λ、凸レ
ンズに入射するときのレーザビームの幅Ｄが変わらない
とすれば、ビーム発散角を小さくする必要がある。

【００６４】実施例１等によるレーザアニーリング装置
では、線状ビームの集光幅をできるだけ小さくするた
め、通常のレーザ発振器では発散角が小さいとされる、
電極方向と垂直な方向のビームを線状ビームの幅方向と
なるように構成することが多い。しかしながら、安定型
共振器を用いた場合にはこの方向の発散角の小ささにも
限界があるため、集光幅を十分小さくできない。

【００６５】この実施例によるレーザアニーリング装置
は、電極方向と垂直な方向においてレーザビームのビー
ム発散角を抑えるような不安定型共振器８４を備え、且
つ線状のビーム形状の長手方向と垂直方向を電極方向と
垂直方向となるようにしている。これによって、不安定
型共振器８４から出射されるビームの発散角は、安定型
共振器から出射されるビームの発散角に比べ十分小さい
ため、集光幅がその分小さくなり、微細なトランジスタ
形成部の列幅を小さくできる。

【００６６】実施例８ 図２３はこの発明の他の実施例によるレーザアニーリン
グ方法を実現する装置の構成を示すブロック図であり、
図において、図１９に示す参照符号と同一の符号は同一
又は相当する構成要素を示しており、８５はレーザ光軸
に対して軸対称に不安定型共振器を組むためのミラー対
である。図２３(a)は、この実施例によるレーザアニー
リング装置の平面図を示しており、図２３(b)はその側
面図を示している。

【００６７】上記実施例７では、電極方向と垂直な方向
のレーザビームのビーム発散角を減少させるために不安
定型共振器を構成したが、この実施例によるレーザアニ
ーリング装置は、軸対称な不安定型共振器８５を具備し
ている。

【００６８】次に動作について説明する。軸対称な不安
定型共振器８５が組み込まれたレーザ発振器２１から出
射されたレーザ光は、レンズ７０、ホログラム７１と伝
搬された、線状ビームに整形されて、アニーリング加工
対象物である基板３１上のトランジスタ形成部に照射さ
れる。重ね合わせピッチが十分小さい場合は、線状ビー
ムの長手方向と平行方向に対するビーム発散角を小さく
しても均一な線状ビームが得られるときは、このような
両者の方向に不安定共振器となる軸対称の不安定型共振
器８５を用いることにより、微細なトランジスタ形成部
の列幅を小さくできる。

【００６９】実施例９ 図２４は上記実施例と異なり、ホログラム７１の基板１
側に縦型および横型の一対のシリンドリカルレンズ７０
からなるレンズ系をおいたもので、ホログラム７１を通
過して整形されたレーザビームの基板１上におけるビー
ム結像の縦及び横幅を一対のシリンドリカルレンズ７０
の調整するようにしたものである。ここではホログラム
７１に入射するレーザビームを長手方向８４ｍｍで４０
０〜８００山に回折分散させ、均一強度が得られるよう
にするとともに幅５０μmの細線ビームを基板１上に結
像できるようにしている。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の１実施形態の多段階強度同時アニ
ール方法の概要図である。

【図２】 この発明の第２の実施形態の斜めビームとス
ッポトビーム照射によるアニール方法の概要図である。

【図３】 この発明の第３の実施形態のＬ字型ビーム照
射によるアニール方法の概要図である。

【図４】 この発明の第４の実施形態の斜めスキャンア
ニール方法の概要図である。

【図５】 従来のエキシマレーザアニール装置の概要図
である。

【図６】 ＴＦＴ特性のエネルギー密度依存性を示すグ
ラフである。

【図７】 ＴＦＴ特性のショット数依存性を示すグラフ
である。

【図８】 この発明方法でアニールされる液晶パネルの
斜視図と部分拡大概要図である。

【図９】 この発明で使用されるフーリエ変換型位相ホ
ログラムの機能を示す概念図である。

【図１０】 この発明の実施形態におけるレーザアニー
リング方法を実現するレーザアニーリング装置の第１の
構成を示すブロック図である。

【図１１】 図１０に示したレーザアニーリング装置に
おけるビーム整形光学系の構成を示すブロック図であ
る。

【図１２】 図１０に示したレーザアニーリング装置の
ビーム整形光学系により生成される複数の照射スポット
を示す図である。

【図１３】 図１０に示したレーザアニーリング装置の
ビーム整形光学系により生成される複数の照射スポット
の強度分布を示す図である。

【図１４】 図１０に示したレーザアニーリング装置の
ビーム整形光学系に使用される位相ホログラムのパター
ニングを示す図である。

【図１５】 図１０に示したレーザアニーリング装置の
ビーム整形光学系に使用される位相ホログラムの製作方
法を示す図である。

【図１６】 この発明の実施形態によるレーザアニーリ
ング方法を実現するレーザアニーリング装置に使用され
るビーム整形光学系により生成される複数の照射スポッ
トを示す図である。

【図１７】 図１６に示したレーザアニーリング装置の
ビーム整形光学系により生成される線状ビームの幅方向
の複数の照射スポットの強度分布を示す図である。

【図１８】 この発明の実施形態によるレーザアニーリ
ング方法を実現するレーザアニーリング装置に使用され
るビーム整形光学系の第２の構成を示す構成図である。

【図１９】 この発明の実施形態によるレーザアニーリ
ング方法を実現するレーザアニーリング装置の第３の構
成を示す平面図及び側面図である。

【図２０】 この発明の実施形態によるレーザアニーリ
ング方法を実現するレーザアニーリング装置の第４の構
成を示す平面図及び側面図である。

【図２１】 この発明の実施形態によるレーザアニーリ
ング方法を実現するレーザアニーリング装置の第５の構
成を示す平面図及び側面図である。

【図２２】 この発明の実施形態によるレーザアニーリ
ング方法を実現するレーザアニーリング装置の第６の構
成を示す平面図及び側面図である。

【図２３】 この発明の実施形態によるレーザアニーリ
ング方法を実現するレーザアニーリング装置の第７の構
成を示す平面図及び側面図である。

【図２４】 この発明の実施形態によるレーザアニーリ
ング方法を実現するレーザアニーリング装置の第８の構
成を示す斜視図である。

【符号の説明】

２１ レーザ発振器 ７０ レンズ ３１ 基板(又はアニーリング加工対象物) ３１a アモルファスシリコン膜 ３１b 基板 ７１ ホログラム(フーリエ変換型位相ホログラム) ８４,８５ 不安定型共振器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 時岡 秀忠 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三菱電機株式会社内 (72)発明者 吉野 太郎 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三菱電機株式会社内 (72)発明者 江口 泰 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三菱電機株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−81710（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−102311（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−208133（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−8179（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−106599（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−148423（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/20 H01L 21/268 H01L 21/336 H01L 29/786 G02F 1/1368

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 薄膜トランジスタを形成する基板上のア
   モルファスシリコン膜をレーザ照射によりポリシリコン
   化して低温ポリシリコン薄膜トランジスタを製造するに
   あたり、 エキシマレーザ発振器から放射されたレーザビームを、
   フーリエ変換型位相ホログラムを用い、遠視野で複数の
   点を所望の位置で所望の位相で結像させ、任意の形状
   で、かつそのビーム強度分布を被ポリシリコン化部の所
   望の移動度変化に相応するように整形する整形ステップ
   と、前記レーザビームを所定の整形パターンで基板上に
   結像形成し、該レーザビームを前記基板に対し相対的に
   移動させ、前記被ポリシリコン化部の全域を照射する照
   射ステップとを含み、 前記フーリエ変換型位相ホログラムが、エキシマレーザ
   発振器から放射されたレーザビームを、その相対的移動
   方向で段階的に強度分布が変化するように、遠視野で複
   数の点を結像させるパターンを有し、前記基板上に多段
   階に強度分布が変化するレーザビームパターンを整形
   し、 被アニール部分がα−Ｓｉ：Ｈ膜からなり、前記レーザ
   ビームが線状ビームパターンと矩形ビームパターンとを
   組み合わせ、その相対的移動方向で段階的に照射強度分
   布を増大させることを特徴とするレーザアニーリング方
   法。
2. 【請求項２】 薄膜トランジスタを形成する基板が液晶
   パネルであって、中央部に画素を形成する部分を有する
   一方、そのＸＹ軸方向に帯状に延びる周辺部分に駆動回
   路を形成する部分を有するものであって、上記ＸＹ軸方
   向に帯状に延びる周辺部分をアニールするレーザビーム
   が上記フーリエ変換型位相ホログラムによって上記周辺
   部分幅でＸ軸方向の延びる直線成分とＹ軸方向に延びる
   直線成分とからなるＬ形状または、上記ＸＹ軸方向に帯
   状に延びる周辺部分の双方の必要幅をわたるＸ軸成分と
   Ｙ軸成分とから合成される／または＼傾斜形状に整形さ
   れ、前記基板に対するレーザビーム角度を変化させるこ
   となく、上記ＸＹ軸方向に移動させることにより上記Ｘ
   Ｙ軸方向に帯状に延びる周辺部分をアニール処理するこ
   とを特徴とするレーザアニーリング方法。
3. 【請求項３】 薄膜トランジスタを形成する基板が液晶
   パネルであって、中央部に画素を形成する部分を有する
   一方、そのＸＹ軸方向に帯状に延びる周辺部分に駆動回
   路を形成する部分を有するものであって、上記ＸＹ軸方
   向に帯状に延びる周辺部分をアニールするレーザビーム
   が上記フーリエ変換型位相ホログラムによって上記周辺
   部分のＸ軸に平行な直線成分とＹ軸に平行な直線成分と
   からなるＬ形状細線ビームに整形され、該ビームの走査
   を上記ＸＹ軸に対し斜め方向に行い、上記ＸＹ軸方向に
   帯状に延びる周辺部分をアニール処理することを特徴と
   するレーザアニーリング方法。
4. 【請求項４】 上記画素を形成する部分をアニールする
   レーザビームが画素ピッチに対応したスポットビーム列
   からなる請求項２または３記載のレーザアニーリング方
   法。