JP3770999B2 - レーザー照射装置及びレーザー照射方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本明細書で開示する発明は、大面積にレーザー光を高い均質性で照射することができる技術に関する。またその応用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガラス等の絶縁基板上に形成された非晶質半導体膜や結晶性半導体膜（単結晶でない、多結晶、微結晶等の結晶性を有する半導体膜）に対し、レーザーアニールを施して、結晶化させたり、結晶性を向上させる技術が、広く研究されている。上記半導体膜には、珪素膜がよく用いられる。
【０００３】
ガラス基板は、従来よく使用されてきた石英基板と比較し、安価で加工性に富んでおり、大面積基板を容易に作成できる利点を持っている。これが上記研究が行われる理由である。また、結晶化に好んでレーザーが使用されるのは、ガラス基板の融点が低いからである。レーザーは基板の温度をあまり変えずに非単結晶膜にのみ高いエネルギーを与えることができる。
【０００４】
レーザーアニールを施して形成された結晶性珪素膜は、高い移動度を有するため、この結晶性珪素膜を用いて薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成し、例えば、一枚のガラス基板上に、画素駆動用と駆動回路用のＴＦＴを作製する、モノリシック型の液晶電気光学装置等に盛んに利用されている。該結晶性珪素膜は多くの結晶粒からできているため、多結晶珪素膜、あるいは多結晶半導体膜と呼ばれる。
【０００５】
また、出力の大きい、エキシマレーザー等のパルスレーザービームを、被照射面において、数ｃｍ角の四角いスポットや、数ミリ幅×数１０ｃｍの線状となるように光学系にて加工し、レーザービームを走査させて（レーザービームの照射位置を被照射面に対し相対的に移動させて）、レーザーアニールを行う方法が、量産性が良く、工業的に優れているため、好んで使用される。
【０００６】
特に、線状レーザービームを用いると、前後左右の走査が必要なスポット状のレーザービームを用いた場合とは異なり、線状レーザーの線方向に直角な方向だけの走査で被照射面全体にレーザー照射を行うことができるため、高い量産性が得られる。線方向に直角な方向に走査するのは、それが最も効率のよい走査方向であるからである。この高い量産性により、現在レーザーアニールには線状レーザービームを使用することが主流になりつつある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記線状に加工されたパルスレーザービームを走査させて、非単結晶半導体膜に対してレーザーアニールを施すに際し、いくつかの問題が生じている。その中でも特に深刻な問題の１つはレーザーアニールが膜面全体に一様に為されないことにあった。線状レーザーが使われ始めた頃は、ビームとビームの重なりの部分で縞ができてしまう現象が目立ち、これらの縞の一本一本で膜の半導体特性が著しく異なっていた。
【０００８】
図１a に示すのは、この縞の状態である。この縞は、レーザーアニール後の珪素膜の表面を観察すると光の反射加減によって現れる。
【０００９】
図１ａの場合、ＫｒＦエキシマレーザーを紙面の左右方向に延長する線状のレーザービームとし、これを紙面上から下方向に走査して照射した場合のものである。
【００１０】
図１ａの横縞は、パルスレーザーショットの重なり具合に起因するものであると理解される。
【００１１】
図１ａに示すような縞状の模様が現れてしまう珪素膜を用いて、アクティブマトリクス型の液晶ディスプレイを作製した場合、この縞が画面にそのまま出てしまう不都合が生じた。
【００１２】
この問題は、レーザーの照射対象である非単結晶半導体膜の改良や、線状レーザーの走査ピッチ（隣り合う線状レーザービームの間隔。）を細かくすることで、改善されつつある。
【００１３】
上記の縞模様が目立たなくなってくると、今度はビーム自身のエネルギー分布の不均一が目立つようになってきた。
【００１４】
一般に線状レーザービームを形成する場合、元が長方形状のビームを適当な光学系に通して線状に加工する。前記長方形状のビームはアスペクト比が２から５程度であるが、例えば、図２に示した光学系により、アスペクト比１００以上の線状ビームに変形される。その際、エネルギーのビーム内分布も同時に均質化されるように、上記光学系は設計されている。
【００１５】
図２に示す装置は、発振器２０１からのレーザー光（この状態では概略矩形形状を有している）を２０２、２０３、２０４、２０５、２０７で示す光学系を介して、線状ビームとして照射する機能を有している。なお、２０６はミラーである。
【００１６】
２０３はシリンドリカルレンズ群（多シリンドリカルレンズとも称される）と呼ばれ、ビームを多数に分割する機能を有する。この分割された多数のビームは、シリンドリカルレンズ２０５で合成される。
【００１７】
この構成は、ビーム内の強度分布を改善するために必要とされる。また、シリンドリカルレンズ群２０２とシリンドリカルレンズ２０４との組み合わせも上述したシリンドリカルレンズ群２０３とシリンドリカルレンズ２０５の組み合わせと同様な機能を有する。
【００１８】
即ち、シリンドリカルレンズ群２０３とシリンドリカルレンズ２０５の組み合わせは、線状レーザービームの長手方向における強度分布を改善する機能を有し、シリンドリカルレンズ群２０２とシリンドリカルレンズ２０４の組み合わせは、線状レーザービームの幅方向における強度分布を改善する機能を有している。
【００１９】
ビーム内のエネルギー分布を均質化する役割を果たす光学系をビームホモジェナイザーと呼ぶ。図２に示した光学系もビームホモジェナイザーの１つである。エネルギー分布を一様化する方法は、元の長方形のビームを分割後、各々拡大し重ね合わせて均質化するものである。
【００２０】
このような方法で分割し再構成されたビームは、一見、分割が細かければ細かいほどエネルギーの分布が均質になるように思える。しかしながら、実際にこのビームを半導体膜に照射すると分割の細かさにかかわらず、図１ｂに見られるような縞模様が膜にできてしまった。
【００２１】
図１ｂに示す珪素膜に対するレーザー照射も、図１ａの場合と同じで紙面の左右方向に延在する線状のＫｒＦエキシマレーザー光を紙面上から下へと走査して照射した場合の例である。ただし、走査条件を工夫して図１ａに示すような縞は顕著に現れないようにしてある。
【００２２】
この縞模様は、線状レーザービームの長手方向に直交する様に無数に形成される。このような縞模様の形成は、元の長方形ビームのエネルギー分布が縞状であることに起因するか、光学系に起因するかのいずれかである。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
本明細書で開示する発明は、図１ｂに示すようなレーザー光の照射ムラを改善することを課題とする。
【００２４】
〔発明に至る過程〕
本発明人は、上記いずれに縞形成の原因があるのか、突き止めるべく簡単な実験を行った。本実験は該光学系に長方形状のレーザービームが入射する前に該レーザービームを回転させることにより上記縦縞がどう変化するかを調べるものである。
【００２５】
結果は全く変化しなかった。よって、本縞模様の形成に関与しているものは元の長方形ビームではなく、光学系であることが判明した。本光学系は単一波長の位相の揃ったビーム（レーザーは位相を揃えて強度を得るものであるから、レーザー光の位相は揃っている。）を分割再結合させることにより均質化を図るものであるから、該縞は光の干渉縞であると説明できる。
【００２６】
図２の光学系を介して形成される線状レーザービーム301 内の光干渉縞の様子302 は図３に示した。図中、I はレーザー強度を表している。このような干渉縞が発生するのは、図２に示す光学系のシリンドリカルレンズ群２０２及び２０３で複数に分割されたビームがシリンドリカルレンズ２０４及び２０５で合成される際に先に分割されたビーム同士が干渉することに起因する。（本出願人による平成９年４月１７日の出願参照）
【００２７】
即ち、一端分割されたレーザービームが被照射面において、同一領域において重なるようにしていることに周期的な鋭い干渉ピークが発生する原因である。
【００２８】
図３において、波の振り幅は周期的に変化している。図２の光学系の場合、線状ビームの長手方向で１周期つき波が３個形成されている。（図３参照）
【００２９】
この波の数ｎ（干渉のピークの数といってもよい）とシリンドリカルレンズ群２０３のレンズ数ｓとは、以下の関係式を満たしている。
【００３０】
ｎ＝（ｓ−１）÷２ （ｓは奇数）
【００３１】
ｎ＝ｓ÷２ （ｓは偶数）
【００３２】
図２に示す光学系の場合は、シリンドリカルレンズ群２０３のレンズ数は、ｓ＝７（奇数）である。ここでｎ＝３である。
【００３３】
この場合、図４ａに示すような干渉状態が得られる。図４ａに示すのは、コンピューター計算で求めたものである。図４ａに示す縦軸の値を２乗したものが、実際の干渉状態における光強度に対応する。
【００３４】
例えば、図４ａに示す干渉状態は、実際には図３に示すような光強度の分布として観察される。
【００３５】
また、シリンドリカルレンズ２０３のレンズ数がｓ＝８個の場合、干渉のパターンは図４ｂに示すようなものとなる。
【００３６】
なお、図４においては、振幅の２乗の値が干渉の強さ（同位相の光が強め合う度合い）を示す。また、図４において、ｄが干渉のピークの１周期分の長さとなる。
【００３７】
図４に示すのは、コンピューターシュミレーションによって得られたものであり、実際のレーザーによる干渉縞はこのようにはっきりとした強弱を示さない。これは、微妙な光学系のズレや、光学系を構成する材質や光学系の加工誤差加工誤差に起因する光の分散や屈折や損失、さらには半導体膜中で熱伝導によるエネルギーの分散等に起因するものと推測される。
【００３８】
ところで、図２において、シリンドリカルレンズ群２０３とシリンドリカルレンズ２０５とを図５に示すような平行四辺形状のシリンドリカルレンズ群501 と平行四辺形状シリンドリカルレンズ502 に置き換える（図５参照）と、線状ビーム内で干渉のピークが適当に分散化されて図１ｂに示したような縞模様ができにくくなる。
【００３９】
このことは、本出願人による平成９年４月１７日出願の明細書（出願番号Ｐ００３６０１−０２）に記載されている。
【００４０】
図２記載の光学系の対称性から、シリンドリカルレンズ群２０２とシリンドリカルレンズ２０４とを、平行四辺形状のシリンドリカルレンズ群501 と平行四辺形状シリンドリカルレンズ502 とに置き換えても同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００４１】
図５中の角度Ｘが該平行四辺形状シリンドリカルレンズを特徴づけるものである。図５で示した平行四辺形状シリンドリカルレンズを含む光学系は、図４で示した干渉のパターンを複数個（シリンドリカルレンズ群２０２のレンズ数と同数）、互いにずらしながら重ね合わせることが可能であるから、干渉のピークが分散化される。即ち、干渉のピークが同じ場所に繰り返し重なり合うことを防ぎことができる。
【００４２】
すなわち、シリンドリカルレンズ群２０２を構成するレンズ一つ一つからのビームを全く同じように重ね合わせるのではなく、微妙にずれるように重ね合わせることにより、図４に示すような干渉パターンの形成を抑制する。
【００４３】
本明細書で示す平行四辺形状シリンドリカルレンズ502 の形状をここで厳密に定義する。
【００４４】
即ち、
平行四辺形状シリンドリカルレンズ502 は、
所定の断面形状を所定の方向に平行移動させた軌跡により形成されるものであり、
前記断面形状は、ある特定の波長を持つ２次元空間の平行光線を一点に集光させることのできる形状であり、
前記平行四辺形状シリンドリカルレンズは、任意の方向から平行光を入射させたとき形成される焦点の集合が成す平面と先に定義した所定の断面形状を含む平面とが互いに直交する形状であり、
かつ、前記所定の断面形状と先に定義した所定の方向が角度Ｘを成す形状であり、
かつ前記角度Ｘが直角でないもの、
として定義される。
【００４５】
平行四辺形状シリンドリカルレンズ群501 の個々の形状は、上記平行四辺形状シリンドリカルレンズ502 に準じたものであり、上記定義の角度Ｘと等しい角度を持つ。
【００４６】
平行四辺形状シリンドリカルレンズ群の個々が持つ所定の断面形状は、互いに合同であり、上記平行四辺形状シリンドリカルレンズのものとは異なる。
【００４７】
また、本発明で使用する平行四辺形状シリンドリカルレンズ群の個々が持つ所定の断面形状は、凹レンズ形状であっても良い。なぜならば、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群によって加工されたレーザー光が、平行四辺形状シリンドリカルレンズに入射する光線は広がりつつ進む光線であり、このような光線は、凸レンズからも凹レンズからも同様に得られるからである。
【００４８】
さて、図５に示すような構造を有す光学系を利用した場合、図４に示すような干渉ピークの形成は抑制されるが、その程度は、図５に示すレンズの角の角度Ｘ、シリンドリカルレンズ２０２のレンズ数、シレンドリカルレンズ群５０１のレンズ数等の組み合わせによって異なるものとなる。
【００４９】
図６ａに示した干渉縞のパターンは、図２に示す装置において、シリンドリカルレンズ群２０３の数が７個の場合のものである。
【００５０】
この干渉パターンは、値を２乗することにより光強度の強さとなる。図の左右の方向が線状レーザービームの長手方向に対応する。
【００５１】
ここで図６ａのパターンの１周期の長さをｄと定義する。これが干渉縞のピッチと対応している。
【００５２】
このパターンを複数個たし合わせて、干渉のピークが最も分散化されるパターンをコンピュータにより計算させたところ、該パターン２個を半周期ずらして互いに重ね合わせるとよいことが判った。
【００５３】
即ち、図６ａのパターンを半周期ずらした図６ｂのパターンを用意し、ａのパターンとｂのパターンとを重ね合わせる。こうすると図６ｃのパターンが得られる。
【００５４】
図６ｃの干渉パターンはａやｂのものに比較すれば、干渉の度合いがより分散化されたものとなっている。
【００５５】
また、図７ａに示した干渉縞のパターンは、シリンドリカルレンズ群２０３の数が９個の場合のものである。該パターンの１周期の長さをｄと定義する。
【００５６】
このパターンを複数個たし合わせて、干渉のピークが最も分散化されるパターンをコンピュータにより計算させたところ、該パターン３個を１／３周期づつずらして互いに重ね合わせるとよいことが判った。（図７ｄ参照）
【００５７】
即ち、図２に示す構成において、シリンドリカルレンズ群２０３の数が９個の場合に得られる図７ａの干渉パターンａを１／３周期づつずらした図７ｂ及び図７ｃを考え、これらを重ね合わせることにより図７ｄに示す干渉パターンを得ることができる。
【００５８】
図７ｄに示す干渉パターンは、ａ乃至ｃに示すものに比較すれば、干渉のピークが非常に分散化されたものとなっている。
【００５９】
このようなことを実現するには、例えば、図６ａに示す干渉状態を有するレーザービームと、図６ｂに示す干渉状態を有するレーザービームと、を作製する必要がある。
【００６０】
シリンドリカルレンズ群２０３とシリンドリカルレンズ２０５との組み合わせを通るレーザービームは、シリンドリカルレンズ２０２によって分割されたそれぞれのレーザービームである。
【００６１】
よって、シリンドリカルレンズ２０２によって分割されたそれぞれのレーザービームが微妙な位置関係でもってずれて重ね合わされるようにすれば、図６ｃあるには図７ｃに示すような干渉ピークの集中が集中した状態を避けたレーザービームを得ることができる。
【００６２】
本明細書で開示する発明は、この点に関して最適な諸パラメータの組み合わせを提供するものである。
【００６３】
【課題を解決するための手段】
本発明では、干渉のピークの分布が最も効率よく分散化される光学系の特徴を開示するものである。
【００６４】
本明細書で開示する発明においては、図５に示すような光学系を採用した場合において、
レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向（線状レーザービームの幅方向）に光をＮ（ｎ−１）分割（図５の場合は４分割）する役割を果たすシリンドリカルレンズ群２０２と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される角度Ｘを持ち、光を横方向（線状レーザービームの長手方向）に（２ｎ＋１）分割（図５の場合は７分割）する役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズ群と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される角度Ｘを持ち前記横方向に分割された光を再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズ５０２と、
前記縦方向に分割された光を再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズ２０４と、
を含む光学系を有していることを特徴とする。
【００６５】
なお、ここでＮは０を含まない自然数。ｎは３以上の自然数である。また、図５に示す場合においては、Ｎ＝２、ｎ＝３の場合の例である。
【００６６】
上記構成において、ｄというのは、シリンドリカルレンズ群２０２を構成するレンズの一つを通過したビームが被照射面において形成する干渉パターンの間隔（１周期の長さ）である。
【００６７】
ｄの値を得るには、シリンドリカルレンズ群２０２において、一つのレンズだけを残し、他を覆い隠してしまった場合に得られるレーザービームを観察すればよい。またはそのレーザービームのアニール効果等を観察すれば良い。
【００６８】
また、後に実施例で示すように計算で求めることもできる。
【００６９】
上記構成は、レンズ群２０２の一つのレンズが作るビームが作る干渉ピークの間隔ｄと、シリンドリルレンズ群２０２を構成する１つのレンスの幅Ｗと、さらにはシリンドリカルレンズ群２０２のレンズ数Ｎ（ｎ−１）との組み合わせによって、Ｘの値を決めていることが特徴である。
【００７０】
こうすることで、シリンドリカルレンズ群２０２で分割されるレーザービームのそれぞれが、図６や図７で示すような状態で重ね合わせられる。そして、図６ｃや図７ｄに示すような干渉状態が均一化されたレーザービームを得ることができる。
【００７１】
なお、図５に示す構成において、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１のレンズ数（分割数）が７個である場合（ｎ＝３の場合）、シリンドリカルレンズ群２０２は最低（即ちＮ＝１）で２個あればよいことになる。
【００７２】
しかしながら、実際問題として、シリンドリカルレンズ群２０２が２個ではエネルギーの均質化のためにはやや不十分なことがある。
【００７３】
この場合、シリンドリカルレンズ群２０２が２（ｎ＝３でｎ−１に相当）の倍数個、例えば４個あればより均質性の良いビームが得られる。即ち、Ｎ＝２の場合として、シリンドリカルレンズ群２０２の分割数を４、または２の倍数とすることが望ましい。
【００７４】
この時、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群と平行四辺形状シリンドリカルレンズの角度Ｘは、｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／２）で定義される値を使えばよい。なお、ここでＷは、シリンドリカルレンズ群２０２の１つ当たりのレンズの幅である。
【００７５】
また、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群の数が９個である場合（ｎ＝４）、シリンドリカルレンズ群２０２は３個あればよいことがわかる。（ただしＮ＝１）
【００７６】
しかしながら、シリンドリカルレンズ群２０２が３個ではエネルギーの均質化のためにはやや不十分なことがある。
【００７７】
この場合、シリンドリカルレンズ群２０２が３（この場合ｎ＝４でｎ−１に相当）の倍数個、例えば６個あれば十分に均質性の良いビームが得られる。
【００７８】
このとき、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群と平行四辺形状シリンドリカルレンズの角度Ｘは｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／３）で定義される値を使えばよい。
【００７９】
このように、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１のレンズ数が奇数である場合、即ち、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１のレンズ数が（２ｎ＋１）で示される場合、｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される角度Ｘをもつ平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１と平行四辺形状シリンドリカルレンズ５０２とをもちいればよい。
【００８０】
この構成は、基本的なものであり、さらに他の光学系を配置してもよい。即ち、上記構成を全体の一部として利用してもよい。
【００８１】
上記の構成は、縦横比があまり大きく無いレーザービームを縦横比が１００以上あるような線状のレーザービームにビーム加工する場合に特に有効なものとなる。
【００８２】
一方、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群の数が偶数である場合、即ち図５のシリンドリカルレンズ群５０１のレンズ数が２ｎ個である場合、奇数である場合と比較し著しい効果は得られない。
【００８３】
しかしながら、従来の光学系（図２のもの）と比較すれば、格段の効果を得ることができる。即ち、干渉を分散させて、照射のムラを是正する効果は得ることができる。
【００８４】
この様な場合も、｜tan Ｘ｜ =Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））を満たす角度Ｘを持つ平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１と平行四辺形状シリンドリカルレンズ５０２とをもちいれば、よく干渉のピークが分散化される。
【００８５】
なお、この場合のｄは図４で示すような干渉ピークの周期幅（１周期の長さ）で定義される。即ち、シリンドリカルレンズ群２０２を構成するシリンドリカルレンズの一つが寄与するビーム（線状のレーザービーム）に現れる干渉状態の周期幅として定義される。
【００８６】
上記の説明から判るように、干渉縞の間隔ｄは線状レーザービーム中で一定である方が好ましい。即ち、図４で示すような指定の周期でもって干渉が線状ビームの長手方向に沿って現れるものであることが好ましい。
【００８７】
しかしながら、一般的に、図２の光学系で形成される線状レーザービームの干渉のピークの間隔は、一様とはならない。
【００８８】
なぜならば、該線状ビームは球面波を線状に合成しているからである。（図８ａ参照。球面波を直線で切ると、同位相同士の間隔は一定でない）
【００８９】
もし、干渉のピーク間隔をほぼ一定にしたいならば、平面波を線状に合成すればよい。（平面波を斜めに直線で切ると、同位相同士の間隔は一定となる）
【００９０】
このような光波を形成する光学系を図８ｂに示す。
【００９１】
上記両光学系の異なる点は、ビーム入射側のシリンドリカルレンズ群が分割したレーザービームが、後続のシリンドリカルレンズによりすべて平行光線に加工されることである。
【００９２】
このような光学系は、前方のシリンドリカルレンズ群と後方のシリンドリカルレンズとの間の距離を適当に選ぶことにより簡単に得られる。この様にすれば、シリンドリカルレンズ群で分割されたどのビームもシリンドリカルレンズにより平面波に加工される。本光学系により加工されたビームを使用すると該縦縞の間隔はほぼ一定となる。このような配置の光学系が本発明に最も適当である。
【００９３】
しかしながら、球面波で合成される線状ビームでも、該球面波の曲率半径は十分大きいので、実際問題としては平行光線と見なすことができ、本発明が適用できる。この場合、干渉縞の間隔ｄは全体の平均値で定義する。
【００９４】
なお、本出願人による平成９年４月１７日出願の出願番号Ｐ００３６０１−０２号に開示されているように、図２の光学系のうち、シリンドリカルレンズ２０５のみを平行四辺形状シリンドリカルレンズに置換したものを使用しても、本発明が特徴とする効果が得られる。この場合、やや干渉の分散が不均質となるが、コストや手間の点でこの光学系が前記光学系より勝っている。
【００９５】
本明細書で開示する発明を利用することで、線状レーザービーム内の干渉縞の分布は飛躍的に均質化される。
【００９６】
しかしながら、依然として光干渉によるエネルギーの不均質が該線状レーザービーム内に存在する。この不均質はレーザービームの照射条件により、強調される場合もある。
【００９７】
この様なときはレーザービームの走査方向を微調整すると改善される。前記微調整は、該線状レーザービームを、該ビームの線方向と直交しかつ該線状レーザービームが形成する面を含む方向より該平面内で角度ｙだけずれた方向に走査させながらレーザー処理することで行う。この角度ｙは、｜tan ｙ｜≦0.1 の範囲で見つけることができる。（但し、｜tan ｙ｜≠０）
【００９８】
本発明記載の光学系を介して半導体膜のレーザーアニールを行い、多結晶半導体膜とし、例えばＴＦＴ液晶ディスプレイのようなデバイスを作製すると、個々のＴＦＴの特性のばらつきが抑えられて、高画質なものを得ることができる。
【００９９】
また、半導体集積回路の作製に際するレーザーアニールに本明細書で開示する発明を利用すると、同一基体上に形成される素子の特性をそろえることができ、高い性能を有する回路を得ることができる。
【０１００】
以下において、本明細書で開示する発明の一つ一つを示す。なお、以下においおて、Ｎを０を含まない自然数、ｎを３以上の自然数、ｄをシリンドリカルレンズ群２０２中任意に選んだ１つのレンズと図５中シリンドリカルレンズ群２０２以外のレンズ群とを介して形成される線状レーザービーム内に分布する光干渉縞のピッチとする。
【０１０１】
本発明の第１は、
レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向に光をＮ（ｎ−１）分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される概略の角度Ｘを持ち、光を横方向に（２ｎ＋１）分割する役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズ群と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される概略の角度Ｘを持ち前記横方向に分割された光を再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割された光を再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、
を有し、
前記ｄは、前記縦方向に光を分割するシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されることを特徴とする。
【０１０２】
本発明の第２は、
レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向に光をＮ（ｎ−１）分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、
光を横方向に（２ｎ＋１）分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される概略の角度Ｘを持ち前記横方向に分割された光を再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割された光を再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、
を有し、
前記ｄは、前記縦方向に光を分割するシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されることを特徴とする。
【０１０３】
本発明の第３は、
レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向に光をＮ（ｎ−１）分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される概略の角度Ｘを持ち光を横方向に（２ｎ）分割する役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズ群と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される概略の角度Ｘを持ち前記横方向に分割された光を再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割された光を再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、
を有し、
前記ｄは、前記縦方向に光を分割するシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されることを特徴とする。
【０１０４】
本発明の第４は、
レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向に光をＮ（ｎ−１）分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、
光を横方向に（２ｎ）分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される概略の角度Ｘを持ち前記横方向に分割された光を再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割された光を再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、
を有し、
前記ｄは、前記縦方向に光を分割するシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されることを特徴とする。
【０１０５】
本発明の第５は、
（１）レーザビームを発生させる手段と、
（２）レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向にレーザービームをＮ（ｎ−１）分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ（ｄ／（ｎ−１））で定義される概略の角度Ｘを持ちレーザービームを横方向に（２ｎ＋１）分割する役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズ群と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される概略の角度Ｘを持ち前記横方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、
を含む光学系から構成されるビームホモジェナイザーと、
（３）一方向に動く移動テーブルと、
を有し、
前記ｄは、前記縦方向に光を分割するシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されることを特徴とする。
【０１０６】
本発明の第６は、
（１）レーザビームを発生させる手段と、
（２）レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向にレーザービームをＮ（ｎ−１）分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、
レーザービームを横方向に（２ｎ＋１）分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される概略の角度Ｘを持ち前記横方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、
を含む光学系から構成されるビームホモジェナイザーと、
（３）一方向に動く移動テーブルと、
を有し、
前記ｄは、前記縦方向に光を分割するシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されることを特徴とする。
【０１０７】
本発明の第７は、
（１）レーザビームを発生させる手段と、
（２）レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向にレーザービームをＮ（ｎ−１）分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される概略の角度Ｘを持ちレーザービームを横方向に（２ｎ）分割する役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズ群と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される概略の角度Ｘを持ち前記横方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、
を含む光学系から構成されるビームホモジェナイザーと、
（３）一方向に動く移動テーブルと、
を有し、
前記ｄは、前記縦方向に光を分割するシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されることを特徴とする。
【０１０８】
本発明の第８は、
（１）レーザビームを発生させる手段と、
（２）レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向に該レーザービームをＮ（ｎ−１）分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、
レーザービームを横方向に（２ｎ）分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される概略の角度Ｘを持ち前記横方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、
を含む光学系から構成されるビームホモジェナイザーと、
（３）一方向に動く移動テーブルと、
を有し、
前記ｄは、前記縦方向に光を分割するシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されることを特徴とする。
【０１０９】
また、上記の構成において、
ｄは、
λをレーザー光の波長、
ｆを横方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズの焦点距離、
Ｌをレーザービームを横方向に分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群を構成する一つのレンズの幅として、
概略ｄ＝λｆ／Ｌで示される。
この場合、ｄは計算より求めることができる。
【０１１０】
また、被照射面におけるレーザービームは、横方向に長手形状を有する線状ビームである場合に上記発明は特に有効となる。
【０１１１】
また、レーザービームとしては、一般的にエキシマレーザーが利用される。
【０１１２】
また、移動テーブルの移動方向が可変であることが好ましい。
【０１１３】
【作用】
本発明は、非単結晶半導体膜にレーザー光線を分割後再構成し線状に加工されたレーザービームを使用してレーザーアニールを施し結晶化また結晶性を向上させるに際し、該線状レーザービーム内に形成される光干渉によるエネルギーの周期的不均一を、前記非単結晶半導体膜に反映させないものである。
【０１１４】
例えば、図２に示される光学系により形成される線状レーザービームのエネルギーは、その線方向にエネルギーの強弱の周期的繰り返しが見られる。
【０１１５】
このようなエネルギー分布を持つ線状レーザービームを、半導体膜に対し、線状レーザーの線方向に直角な方向に重ねながら走査し照射すると、線状レーザービーム内のエネルギーの分布が該膜内で強調されてしまう。
【０１１６】
本発明では、本発明の平行四辺形状のビームホモジェナイザーを使って線状レーザービーム内の干渉の分布を従来のものより飛躍的に分散化させ、線状レーザービーム内のエネルギー分布を均質化する。このようにすれば、より一様にレーザーアニールを行うことができる。
【０１１７】
【実施例】
〔実施例１〕
実施例の作製工程で、まず、レーザー照射される膜の作製方法を示す。レーザー照射される膜は、本明細書中で３種類である。いずれの膜に対しても、本発明は効果的である。
【０１１８】
まず、３種類いずれの膜も、基板として、１２７ｍｍ角のコーニング１７３７ガラス基板上に、下地膜としての酸化珪素膜を２００ｎｍの厚さに、その上に非晶質珪素膜を５０ｎｍの厚さに共にプラズマＣＶＤ法にて成膜する。この膜を今後、出発膜と呼ぶ。
【０１１９】
（膜Ａの作製手順）
出発膜を、４５０℃の熱浴に１時間さらす。本工程は非晶質珪素膜中の水素濃度を減らすための工程である。膜中の水素が多すぎると膜がレーザーエネルギーに対して耐えきれないので本工程が必要とされる。
【０１２０】
膜内の水素の密度は１０20atoms/cm3 オーダーが適当であある。この膜を非単結晶珪素膜Ａと呼ぶ。
【０１２１】
（膜Ｂの作製手順）
１０ｐｐｍの酢酸ニッケル水溶液が、スピンコート法により、出発膜上に塗布され、酢酸ニッケル層が形成される。酢酸ニッケル水溶液には、界面活性剤を添加するとより好ましい。酢酸ニッケル層は、極めて薄いので、膜状となっているとは限らないが、以後の工程において問題はない。
【０１２２】
次に、上記のようにして各膜が積層された基板に、６００℃で４時間の熱アニールを施す。すると、非晶質珪素膜が結晶化し、非単結晶珪素膜である結晶性珪素膜Ｂが形成される。
【０１２３】
このとき、触媒元素であるニッケルが結晶成長の核の役割を果たし、結晶化が促進される。６００℃、４時間という低温、短時間で結晶化を行うことができるのは、ニッケルの機能による。詳細については、特開平６−２４４１０４号に記載されている。
【０１２４】
触媒元素の濃度は、１×１０15〜１０19原子／ｃｍ3 であると好ましい。１×１０19原子／ｃｍ3 以上の高濃度では、結晶性珪素膜に金属的性質が現れ、半導体としての特性が消滅する。本実施例において、結晶性珪素膜中の触媒元素の濃度は、膜中のおける最小値で、１×１０17〜５×１０18原子／ｃｍ3 である。これらの値は、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により分析、測定したものである。
【０１２５】
（膜Ｃの作製手順）
出発膜の上からさらに酸化珪素膜を７００Åの厚さに成膜する。成膜方法はプラズマＣＶＤ法を用いる。
【０１２６】
次に該酸化珪素膜の一部をフォトリソパターニング工程によって完全に開孔する。
【０１２７】
さらに、該開孔部に薄い酸化膜を形成するために酸素雰囲気中でUV光を５分間照射する。この薄い酸化膜は、後に導入するニッケル水溶液に対する上記開孔部の濡れ性改善のために形成されるものである。
【０１２８】
次に１００ｐｐｍの酢酸ニッケル水溶液が、スピンコート法により、該膜上に塗布され、酢酸ニッケルが上記開孔部分に入る。酢酸ニッケル水溶液には、界面活性剤を添加するとより好ましい。
【０１２９】
次に、６００℃で８時間の熱アニールが施され、ニッケル導入部分から横方向に結晶が成長してゆく。このとき、ニッケルが果たす役割は膜Ｂと同様のものである。今回の条件では横成長量として４０μｍ程度が得られる。
【０１３０】
このようにして非晶質珪素膜が結晶化し、非単結晶珪素膜である結晶性珪素膜Ｃが形成される。その後、結晶性珪素膜上の酸化珪素膜をバッファーフッ酸を用い剥離除去する。
【０１３１】
このようにして得られる非単結晶珪素膜Ａ、Ｂ、Ｃを結晶化させる。
【０１３２】
次に結晶性をさらに高めるために、エキシマレーザーを用いてレーザーアニールを行う。
【０１３３】
図９に、実施例におけるレーザー照射システムを示す。図９は、レーザー照射システムの概観である。
【０１３４】
図９において、レーザー照射システムは、レーザー発振装置２０１から照射され、光学系９０１により断面形状が線状に加工されたパルスレーザービームを、ミラー２０６で反射させ、シリンドリカルレンズ２０７にて集光しつつ、被処理基板９０２に照射させる機能を有している。
【０１３５】
光学系９０１、ミラー２０６、及びシリンドリカルレンズ２０７は図５に示した構造を有している。
【０１３６】
本実施例で使用する光学系は、本発明の第一で明記したものとする。なお、図５に示す構造において、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１と平行四辺形状シリンドリカルレンズ５０２とがもつ角度Ｘは８６度とする。
【０１３７】
ここで角度Ｘを決定する方法を記載する。
【０１３８】
本実施例の場合、シリンドリカルレンズ群２０２中任意に選んだ１つのレンズと、図５中シリンドリカルレンズ群２０２以外のレンズ群とを介して形成される線状レーザービーム内に分布する光干渉縞のピッチが0.4 ｍｍである。この値が発明で利用されるパラメータｄにあたる。また、先に定義したＷが本光学系では３ｍｍである。
【０１３９】
先に示したように、｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で算出される角度Ｘが、最も干渉のピークを線状レーザービーム内で分散化できる角度である。
【０１４０】
ここで該式にｄ、Ｗ、ｎの値を代入する。また本実施例ではｎ＝３とする。
【０１４１】
これにより、レーザービームを縦方向（線状ビームの幅方向）に分割する数は（３ー１）の倍数で決まる。本明細書の場合は、Ｎ＝２とし、４分割とした。また、レーザービームを横方向（線状ビームの長手方向）に分割する数は（２×３＋１）＝７個と必然的に決まる。
【０１４２】
図２や図５で示したような光学系を用いるのは、光学系に入射する前のビームのエネルギー不均質を分割後重ね合わせることにより平均化しつつ、ビーム形状を線状に加工することが出来るからである。
【０１４３】
本発明で使用する線状レーザービームはすべて図５記載の光学系に準じたものを使用している。図５のようなタイプのレンズ群の役割を以下に記述する。
【０１４４】
シリンドリカルレンズ群２０２、５０１はビームを縦横に分割する役割を果たしている。該分割された光束をシリンドリカルレンズ２０４、５０２がその分割されたレーザービームを重ね合わせる役割を果たしている。
【０１４５】
本実施例では、元のビームを横方向（線状レーザービームの幅方向）に４分割、縦方向（線状レーザービームの長手方向）に７分割している。
【０１４６】
都合上、レーザービームは、２８分割されたビームを一つに合成したものとなっている。このようにすることにより、ビームのエネルギー分布を平均化している。
【０１４７】
ビームの縦横の長さの比はレンズ群の構造上、可変であるが、レンズの大きさ、焦点距離の組合せにより、造りやすいビーム形状は制限される。なお、本光学系においてビームの長辺の長さを変えることはできない。
【０１４８】
本実施例は、図８ａ、あるいは図８ｂ、何れの記載の配置のレンズ群を用いても効果がある。強いていえば図８ｂ記載の配置がより効果的である。
【０１４９】
なお、図５に示すシリンドリカルレンズ群２０２、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１は凸レンズ群であるが、凹レンズ群もしくは、凹凸混合のレンズ群を用いても本発明の本質に全く影響しない。
【０１５０】
図５記載の平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１を、同様の作用を持つ凹凸混合のレンズ群に置き換えると、例えば図１１に示すもののようになる。
【０１５１】
ただし、凹凸混合レンズ群に代表されるような、互いに合同でないレンズ群を使用する場合は、それらのレンズで加工される平行光線の、加工後の拡がりの角度が同じであるレンズ群で構成されなければならない。
【０１５２】
さもなければ、分割したビームが再結合されるとき、個々のビームが異なる大きさや形で重なり合い、ビームの輪郭が不明瞭となる。
【０１５３】
レーザー発振装置２０１は、ここでは、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ）を発振するものを用いる。他に、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）等を用いてもよい。
【０１５４】
被処理基板９０２は、台９０３上に配置される。そして、台９０３は、移動機構１００７によって、線状レーザービームの線幅方向に対して直角方向（線状レーザービームを含む平面を含む。）に真っ直ぐに移動され、被処理基板９０２上面に対しレーザービームを走査しながら照射することを可能とする。
【０１５５】
図１０に示す装置の説明をする。ロード／アンロード室１００５に、被処理基板９０２が多数枚、例えば２０枚収納されたカセット１００３が配置される。ロボットアーム１００５により、カセット１００３から一枚の基板がアライメント室に移動される。
【０１５６】
アライメント室１００２には、被処理基板９０２とロボットアーム１００４との位置関係を修正するための、アライメント機構が配置されている。アライメント室１００２は、ロード／アンロード室１００５と接続されている。
【０１５７】
基板は、ロボットアーム１００４によって基板搬送室１００１に運ばれ、さらにロボットアーム１００４によって、レーザー照射室１００６に移送される。
図９において、被処理基板９０２上に照射される線状レーザービームは、幅０．４ｍｍ×長さ１３５ｍｍとする。本ビームは図５記載のレンズ配置で形成されている。
【０１５８】
被照射面におけるレーザービームのエネルギー密度は、１００ｍＪ／ｃｍ2 〜５００ｍＪ／ｃｍ2 の範囲で、例えば３００ｍＪ／ｃｍ2 とする。台９０３を１.２ｍｍ／ｓで一方向に移動させながら行うことで、線状レーザービームを走査させる。レーザーの発振周波数は３０Ｈｚとし、被照射物の一点に注目すると、１０ショットのレーザービームが照射される。前記ショット数は５ショットから５０ショットの範囲で適当に選ぶ。
【０１５９】
レーザー照射終了後、被処理基板９０２はロボットアーム１００４によって基板搬送室１００２に引き戻される。
【０１６０】
被処理基板９０２は、ロボットアーム１００４によって、ロード／アンロード室１００５に移送され、カセット１００３に収納される。
【０１６１】
こうして、レーザーアニール工程が終了する。このようにして、上記工程を繰り返すことにより、多数の基板に対して、連続的に一枚づつ処理できる。
【０１６２】
本実施例は線状レーザーを用いたが、線状から正方形状にいたるまでいずれのビーム形状を本発明に使用しても本発明が特徴とする効果がある。
【０１６３】
また、本実施例において、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１を使用せず、シリンドリカルレンズ群２０３で代用しても本明細書の開示する効果が得られた。
【０１６４】
上記レーザーアニールされた半導体膜を活性層とするＴＦＴを作製すると、Ｎチャネル型、Ｐチャネル型、いずれも作製できる。
【０１６５】
また、Ｎチャネル型とＰチャネル型とを組み合わせた構造も得ることが可能である。また、多数のＴＦＴを集積化して電子回路を構成することもできる。
【０１６６】
以上のことは、他の実施例で示した光学系を介してレーザーアニールされた半導体膜についてもいえる。本発明の光学系を介してレーザーアニールされた半導体膜を利用して、ＴＦＴで構成される液晶ディスプレイを作製した場合、個々のＴＦＴ特性のバラツキの少ない高画質なものが得られる。
【０１６７】
〔実施例２〕
実施例１にて、縞模様が上手く消えない場合は、光学系の配置が適当でない為であるか、線状レーザービームの重ね合わさり様が不適当かである。このときは、走査方向変更装置９０４により基板の走査方向を微調整し、干渉縞がより目立たない走査方向を選べばよい。
【０１６８】
即ち、線状レーザー光の幅方向に対して、少し角度をもたせて、レーザー光が走査されて照射されるようにするとよい。
【０１６９】
〔実施例３〕
実施例１にて、図８ｂ記載の光学系の配置を採用したときの、干渉縞のピッチｄは計算で容易に導出できる。本実施例ではその計算方法を示す。
【０１７０】
なお、図８に示す光学系は、図５に示すシリンドリカルレンズ群５０１とシリンドリカルレンズ５０２の断面を示したものである。
【０１７１】
図８ｂの光学系の配置を採用した場合、シリンドリカルレンズ５０２によって合成されるビームはそれぞれ平面波である。
【０１７２】
この場合、図１２において、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１を構成するレンズ中、中央のレンズに隣接する２つのレンズ１２０１を介して平行四辺形状シリンドリカルレンズ５０２に入射したレーザー光の光束は、照射面１２０４に角度αで交差する。
【０１７３】
ここでレーザーの波面１２０５は直線であるから、該波面の波長λ間隔で引かれた直線は照射面１２０４を間隔βで切る。（図１３参照。）
【０１７４】
前記角度αと間隔βとの関係式は波長λを使って表現できる。すなわち、β＝λ/ sin αと表現できる。
【０１７５】
２つのレンズ１２０１は間隔βの定常波を照射面１２０４に形成する。そしてβは、図４、図６、図７で示す干渉のピークの間隔ｄに一致する。
【０１７６】
またこの場合、平行四辺形状シリンドリカルレンズ５０２の焦点距離ｆ、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１のレンズ１つ当たりの幅Ｌとすると、tan α＝Ｌ／ｆが成立する。
【０１７７】
また、αの角度は十分に小さいから、tan α≒sin αが成立する。よって、β＝λｆ／Ｌが成立する。
【０１７８】
上述したように一般にβ＝ｄであるからｄは概略λｆ／Ｌで示されることになる。
【０１７９】
こうして、実測しなくても平行四辺形状シリンドリカルレンズ５０２の焦点距離ｆ、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１のレンズ１つ当たりの幅Ｌ、レーザー光の波長λが判れば、図５のシリンドリカルレンズ群２０２の一つのレンズを通過したビームに現れる干渉ピークの１周期の長さｄを求めることができる。
【０１８０】
なお、図８ａに示す光学系を採用した場合、シリンドリカルレンズ５０２を通過したビームは球面波となり、上述した数式は完全には成立しない。
【０１８１】
この場合は、計算機を用いた数値計算により、ｄを値を算出することになる。
【０１８２】
しかし、シリンドリカルレンズ５０２の焦点距離ｆとシリンドリカルレンズ群５０１の焦点距離との和がシリンドリカルレンズ５０２とシリンドリカルレンズ群５０１との間隔に近ければ、上述した数式により求めたｄを利用することができる。
【０１８３】
【発明の効果】
本発明により、分割再結合によりレーザービームを均質化したレーザービームによるレーザーアニールの効果の面内均質性を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 線状レーザーによりレーザー結晶化された珪素膜の写真。
【図２】 従来例における線状レーザーを形成する光学系と光路図。
【図３】 従来例の光学系が形成する線状レーザービーム内の光干渉の図解。
【図４】 従来例の光学系が形成する線状レーザービーム内の光干渉の様子を示す図。
【図５】 実施例における線状レーザーを形成する光学系と光路図。
【図６】 光干渉を目立たなくするする干渉縞の重ね合わせ方を示す図。
【図７】 光干渉を目立たなくするする干渉縞の重ね合わせ方を示す図。
【図８】 平面波をつくる光学系配置と球面波をつくる光学系配置の違いを示す図。
【図９】 実施例におけるレーザー照射システムを示す図。
【図１０】実施例におけるレーザーアニール装置の上面図。
【図１１】凹凸混合平行四辺形状シリンドリカルレンズの例を示す図。
【図１２】干渉縞のピッチｄを計算で求めるために必要なパラメータを示す図。
【図１３】干渉縞のピッチｄを計算で求めるために必要なパラメータを示す図。
【符号の説明】
２０１ レーザー発振装置
２０２ レーザー光分割のためのシリンドリカルレンズ群
２０３ レーザー光分割のためのシリンドリカルレンズ群
２０４ レーザー光、再結合のためのシリンドリカルレンズ
２０５ レーザー光、再結合のためのシリンドリカルレンズ
２０６ ミラー
２０７ 線状ビームを集光するためのシリンドリカルレンズ
３０１ 線状レーザービーム
３０２ 光干渉の強度ピーク
５０１ レーザー光分割のための平行四辺形状シリンドリカルレンズ群
５０２ レーザー光、再結合のための平行四辺形状シリンドリカルレンズ
９０１ 光学系
９０２ 被処理基板
９０３ 台
９０４ 走査方向変更装置
１００１ 基板搬送室
１００２ アライメント室
１００３ カセット
１００４ ロボットアーム
１００５ ロード／アンロード室
１００６ レーザー照射室
１００７ 移動機構
１２０１ 平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１を構成するレンズ中、中央のレンズに隣接する２つのレンズ
１２０２ 平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１を構成するレンズ中、線対称な位置にある２つのレンズ
１２０３ 平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１を構成するレンズ中、線対称な位置にある２つのレンズ
１２０４ 照射面
【産業上の利用分野】
本明細書で開示する発明は、大面積にレーザー光を高い均質性で照射することができる技術に関する。またその応用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガラス等の絶縁基板上に形成された非晶質半導体膜や結晶性半導体膜（単結晶でない、多結晶、微結晶等の結晶性を有する半導体膜）に対し、レーザーアニールを施して、結晶化させたり、結晶性を向上させる技術が、広く研究されている。上記半導体膜には、珪素膜がよく用いられる。
【０００３】
ガラス基板は、従来よく使用されてきた石英基板と比較し、安価で加工性に富んでおり、大面積基板を容易に作成できる利点を持っている。これが上記研究が行われる理由である。また、結晶化に好んでレーザーが使用されるのは、ガラス基板の融点が低いからである。レーザーは基板の温度をあまり変えずに非単結晶膜にのみ高いエネルギーを与えることができる。
【０００４】
レーザーアニールを施して形成された結晶性珪素膜は、高い移動度を有するため、この結晶性珪素膜を用いて薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成し、例えば、一枚のガラス基板上に、画素駆動用と駆動回路用のＴＦＴを作製する、モノリシック型の液晶電気光学装置等に盛んに利用されている。該結晶性珪素膜は多くの結晶粒からできているため、多結晶珪素膜、あるいは多結晶半導体膜と呼ばれる。
【０００５】
また、出力の大きい、エキシマレーザー等のパルスレーザービームを、被照射面において、数ｃｍ角の四角いスポットや、数ミリ幅×数１０ｃｍの線状となるように光学系にて加工し、レーザービームを走査させて（レーザービームの照射位置を被照射面に対し相対的に移動させて）、レーザーアニールを行う方法が、量産性が良く、工業的に優れているため、好んで使用される。
【０００６】
特に、線状レーザービームを用いると、前後左右の走査が必要なスポット状のレーザービームを用いた場合とは異なり、線状レーザーの線方向に直角な方向だけの走査で被照射面全体にレーザー照射を行うことができるため、高い量産性が得られる。線方向に直角な方向に走査するのは、それが最も効率のよい走査方向であるからである。この高い量産性により、現在レーザーアニールには線状レーザービームを使用することが主流になりつつある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記線状に加工されたパルスレーザービームを走査させて、非単結晶半導体膜に対してレーザーアニールを施すに際し、いくつかの問題が生じている。その中でも特に深刻な問題の１つはレーザーアニールが膜面全体に一様に為されないことにあった。線状レーザーが使われ始めた頃は、ビームとビームの重なりの部分で縞ができてしまう現象が目立ち、これらの縞の一本一本で膜の半導体特性が著しく異なっていた。
【０００８】
図１a に示すのは、この縞の状態である。この縞は、レーザーアニール後の珪素膜の表面を観察すると光の反射加減によって現れる。
【０００９】
図１ａの場合、ＫｒＦエキシマレーザーを紙面の左右方向に延長する線状のレーザービームとし、これを紙面上から下方向に走査して照射した場合のものである。
【００１０】
図１ａの横縞は、パルスレーザーショットの重なり具合に起因するものであると理解される。
【００１１】
図１ａに示すような縞状の模様が現れてしまう珪素膜を用いて、アクティブマトリクス型の液晶ディスプレイを作製した場合、この縞が画面にそのまま出てしまう不都合が生じた。
【００１２】
この問題は、レーザーの照射対象である非単結晶半導体膜の改良や、線状レーザーの走査ピッチ（隣り合う線状レーザービームの間隔。）を細かくすることで、改善されつつある。
【００１３】
上記の縞模様が目立たなくなってくると、今度はビーム自身のエネルギー分布の不均一が目立つようになってきた。
【００１４】
一般に線状レーザービームを形成する場合、元が長方形状のビームを適当な光学系に通して線状に加工する。前記長方形状のビームはアスペクト比が２から５程度であるが、例えば、図２に示した光学系により、アスペクト比１００以上の線状ビームに変形される。その際、エネルギーのビーム内分布も同時に均質化されるように、上記光学系は設計されている。
【００１５】
図２に示す装置は、発振器２０１からのレーザー光（この状態では概略矩形形状を有している）を２０２、２０３、２０４、２０５、２０７で示す光学系を介して、線状ビームとして照射する機能を有している。なお、２０６はミラーである。
【００１６】
２０３はシリンドリカルレンズ群（多シリンドリカルレンズとも称される）と呼ばれ、ビームを多数に分割する機能を有する。この分割された多数のビームは、シリンドリカルレンズ２０５で合成される。
【００１７】
この構成は、ビーム内の強度分布を改善するために必要とされる。また、シリンドリカルレンズ群２０２とシリンドリカルレンズ２０４との組み合わせも上述したシリンドリカルレンズ群２０３とシリンドリカルレンズ２０５の組み合わせと同様な機能を有する。
【００１８】
即ち、シリンドリカルレンズ群２０３とシリンドリカルレンズ２０５の組み合わせは、線状レーザービームの長手方向における強度分布を改善する機能を有し、シリンドリカルレンズ群２０２とシリンドリカルレンズ２０４の組み合わせは、線状レーザービームの幅方向における強度分布を改善する機能を有している。
【００１９】
ビーム内のエネルギー分布を均質化する役割を果たす光学系をビームホモジェナイザーと呼ぶ。図２に示した光学系もビームホモジェナイザーの１つである。エネルギー分布を一様化する方法は、元の長方形のビームを分割後、各々拡大し重ね合わせて均質化するものである。
【００２０】
このような方法で分割し再構成されたビームは、一見、分割が細かければ細かいほどエネルギーの分布が均質になるように思える。しかしながら、実際にこのビームを半導体膜に照射すると分割の細かさにかかわらず、図１ｂに見られるような縞模様が膜にできてしまった。
【００２１】
図１ｂに示す珪素膜に対するレーザー照射も、図１ａの場合と同じで紙面の左右方向に延在する線状のＫｒＦエキシマレーザー光を紙面上から下へと走査して照射した場合の例である。ただし、走査条件を工夫して図１ａに示すような縞は顕著に現れないようにしてある。
【００２２】
この縞模様は、線状レーザービームの長手方向に直交する様に無数に形成される。このような縞模様の形成は、元の長方形ビームのエネルギー分布が縞状であることに起因するか、光学系に起因するかのいずれかである。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
本明細書で開示する発明は、図１ｂに示すようなレーザー光の照射ムラを改善することを課題とする。
【００２４】
〔発明に至る過程〕
本発明人は、上記いずれに縞形成の原因があるのか、突き止めるべく簡単な実験を行った。本実験は該光学系に長方形状のレーザービームが入射する前に該レーザービームを回転させることにより上記縦縞がどう変化するかを調べるものである。
【００２５】
結果は全く変化しなかった。よって、本縞模様の形成に関与しているものは元の長方形ビームではなく、光学系であることが判明した。本光学系は単一波長の位相の揃ったビーム（レーザーは位相を揃えて強度を得るものであるから、レーザー光の位相は揃っている。）を分割再結合させることにより均質化を図るものであるから、該縞は光の干渉縞であると説明できる。
【００２６】
図２の光学系を介して形成される線状レーザービーム301 内の光干渉縞の様子302 は図３に示した。図中、I はレーザー強度を表している。このような干渉縞が発生するのは、図２に示す光学系のシリンドリカルレンズ群２０２及び２０３で複数に分割されたビームがシリンドリカルレンズ２０４及び２０５で合成される際に先に分割されたビーム同士が干渉することに起因する。（本出願人による平成９年４月１７日の出願参照）
【００２７】
即ち、一端分割されたレーザービームが被照射面において、同一領域において重なるようにしていることに周期的な鋭い干渉ピークが発生する原因である。
【００２８】
図３において、波の振り幅は周期的に変化している。図２の光学系の場合、線状ビームの長手方向で１周期つき波が３個形成されている。（図３参照）
【００２９】
この波の数ｎ（干渉のピークの数といってもよい）とシリンドリカルレンズ群２０３のレンズ数ｓとは、以下の関係式を満たしている。
【００３０】
ｎ＝（ｓ−１）÷２ （ｓは奇数）
【００３１】
ｎ＝ｓ÷２ （ｓは偶数）
【００３２】
図２に示す光学系の場合は、シリンドリカルレンズ群２０３のレンズ数は、ｓ＝７（奇数）である。ここでｎ＝３である。
【００３３】
この場合、図４ａに示すような干渉状態が得られる。図４ａに示すのは、コンピューター計算で求めたものである。図４ａに示す縦軸の値を２乗したものが、実際の干渉状態における光強度に対応する。
【００３４】
例えば、図４ａに示す干渉状態は、実際には図３に示すような光強度の分布として観察される。
【００３５】
また、シリンドリカルレンズ２０３のレンズ数がｓ＝８個の場合、干渉のパターンは図４ｂに示すようなものとなる。
【００３６】
なお、図４においては、振幅の２乗の値が干渉の強さ（同位相の光が強め合う度合い）を示す。また、図４において、ｄが干渉のピークの１周期分の長さとなる。
【００３７】
図４に示すのは、コンピューターシュミレーションによって得られたものであり、実際のレーザーによる干渉縞はこのようにはっきりとした強弱を示さない。これは、微妙な光学系のズレや、光学系を構成する材質や光学系の加工誤差加工誤差に起因する光の分散や屈折や損失、さらには半導体膜中で熱伝導によるエネルギーの分散等に起因するものと推測される。
【００３８】
ところで、図２において、シリンドリカルレンズ群２０３とシリンドリカルレンズ２０５とを図５に示すような平行四辺形状のシリンドリカルレンズ群501 と平行四辺形状シリンドリカルレンズ502 に置き換える（図５参照）と、線状ビーム内で干渉のピークが適当に分散化されて図１ｂに示したような縞模様ができにくくなる。
【００３９】
このことは、本出願人による平成９年４月１７日出願の明細書（出願番号Ｐ００３６０１−０２）に記載されている。
【００４０】
図２記載の光学系の対称性から、シリンドリカルレンズ群２０２とシリンドリカルレンズ２０４とを、平行四辺形状のシリンドリカルレンズ群501 と平行四辺形状シリンドリカルレンズ502 とに置き換えても同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００４１】
図５中の角度Ｘが該平行四辺形状シリンドリカルレンズを特徴づけるものである。図５で示した平行四辺形状シリンドリカルレンズを含む光学系は、図４で示した干渉のパターンを複数個（シリンドリカルレンズ群２０２のレンズ数と同数）、互いにずらしながら重ね合わせることが可能であるから、干渉のピークが分散化される。即ち、干渉のピークが同じ場所に繰り返し重なり合うことを防ぎことができる。
【００４２】
すなわち、シリンドリカルレンズ群２０２を構成するレンズ一つ一つからのビームを全く同じように重ね合わせるのではなく、微妙にずれるように重ね合わせることにより、図４に示すような干渉パターンの形成を抑制する。
【００４３】
本明細書で示す平行四辺形状シリンドリカルレンズ502 の形状をここで厳密に定義する。
【００４４】
即ち、
平行四辺形状シリンドリカルレンズ502 は、
所定の断面形状を所定の方向に平行移動させた軌跡により形成されるものであり、
前記断面形状は、ある特定の波長を持つ２次元空間の平行光線を一点に集光させることのできる形状であり、
前記平行四辺形状シリンドリカルレンズは、任意の方向から平行光を入射させたとき形成される焦点の集合が成す平面と先に定義した所定の断面形状を含む平面とが互いに直交する形状であり、
かつ、前記所定の断面形状と先に定義した所定の方向が角度Ｘを成す形状であり、
かつ前記角度Ｘが直角でないもの、
として定義される。
【００４５】
平行四辺形状シリンドリカルレンズ群501 の個々の形状は、上記平行四辺形状シリンドリカルレンズ502 に準じたものであり、上記定義の角度Ｘと等しい角度を持つ。
【００４６】
平行四辺形状シリンドリカルレンズ群の個々が持つ所定の断面形状は、互いに合同であり、上記平行四辺形状シリンドリカルレンズのものとは異なる。
【００４７】
また、本発明で使用する平行四辺形状シリンドリカルレンズ群の個々が持つ所定の断面形状は、凹レンズ形状であっても良い。なぜならば、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群によって加工されたレーザー光が、平行四辺形状シリンドリカルレンズに入射する光線は広がりつつ進む光線であり、このような光線は、凸レンズからも凹レンズからも同様に得られるからである。
【００４８】
さて、図５に示すような構造を有す光学系を利用した場合、図４に示すような干渉ピークの形成は抑制されるが、その程度は、図５に示すレンズの角の角度Ｘ、シリンドリカルレンズ２０２のレンズ数、シレンドリカルレンズ群５０１のレンズ数等の組み合わせによって異なるものとなる。
【００４９】
図６ａに示した干渉縞のパターンは、図２に示す装置において、シリンドリカルレンズ群２０３の数が７個の場合のものである。
【００５０】
この干渉パターンは、値を２乗することにより光強度の強さとなる。図の左右の方向が線状レーザービームの長手方向に対応する。
【００５１】
ここで図６ａのパターンの１周期の長さをｄと定義する。これが干渉縞のピッチと対応している。
【００５２】
このパターンを複数個たし合わせて、干渉のピークが最も分散化されるパターンをコンピュータにより計算させたところ、該パターン２個を半周期ずらして互いに重ね合わせるとよいことが判った。
【００５３】
即ち、図６ａのパターンを半周期ずらした図６ｂのパターンを用意し、ａのパターンとｂのパターンとを重ね合わせる。こうすると図６ｃのパターンが得られる。
【００５４】
図６ｃの干渉パターンはａやｂのものに比較すれば、干渉の度合いがより分散化されたものとなっている。
【００５５】
また、図７ａに示した干渉縞のパターンは、シリンドリカルレンズ群２０３の数が９個の場合のものである。該パターンの１周期の長さをｄと定義する。
【００５６】
このパターンを複数個たし合わせて、干渉のピークが最も分散化されるパターンをコンピュータにより計算させたところ、該パターン３個を１／３周期づつずらして互いに重ね合わせるとよいことが判った。（図７ｄ参照）
【００５７】
即ち、図２に示す構成において、シリンドリカルレンズ群２０３の数が９個の場合に得られる図７ａの干渉パターンａを１／３周期づつずらした図７ｂ及び図７ｃを考え、これらを重ね合わせることにより図７ｄに示す干渉パターンを得ることができる。
【００５８】
図７ｄに示す干渉パターンは、ａ乃至ｃに示すものに比較すれば、干渉のピークが非常に分散化されたものとなっている。
【００５９】
このようなことを実現するには、例えば、図６ａに示す干渉状態を有するレーザービームと、図６ｂに示す干渉状態を有するレーザービームと、を作製する必要がある。
【００６０】
シリンドリカルレンズ群２０３とシリンドリカルレンズ２０５との組み合わせを通るレーザービームは、シリンドリカルレンズ２０２によって分割されたそれぞれのレーザービームである。
【００６１】
よって、シリンドリカルレンズ２０２によって分割されたそれぞれのレーザービームが微妙な位置関係でもってずれて重ね合わされるようにすれば、図６ｃあるには図７ｃに示すような干渉ピークの集中が集中した状態を避けたレーザービームを得ることができる。
【００６２】
本明細書で開示する発明は、この点に関して最適な諸パラメータの組み合わせを提供するものである。
【００６３】
【課題を解決するための手段】
本発明では、干渉のピークの分布が最も効率よく分散化される光学系の特徴を開示するものである。
【００６４】
本明細書で開示する発明においては、図５に示すような光学系を採用した場合において、
レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向（線状レーザービームの幅方向）に光をＮ（ｎ−１）分割（図５の場合は４分割）する役割を果たすシリンドリカルレンズ群２０２と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される角度Ｘを持ち、光を横方向（線状レーザービームの長手方向）に（２ｎ＋１）分割（図５の場合は７分割）する役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズ群と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される角度Ｘを持ち前記横方向に分割された光を再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズ５０２と、
前記縦方向に分割された光を再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズ２０４と、
を含む光学系を有していることを特徴とする。
【００６５】
なお、ここでＮは０を含まない自然数。ｎは３以上の自然数である。また、図５に示す場合においては、Ｎ＝２、ｎ＝３の場合の例である。
【００６６】
上記構成において、ｄというのは、シリンドリカルレンズ群２０２を構成するレンズの一つを通過したビームが被照射面において形成する干渉パターンの間隔（１周期の長さ）である。
【００６７】
ｄの値を得るには、シリンドリカルレンズ群２０２において、一つのレンズだけを残し、他を覆い隠してしまった場合に得られるレーザービームを観察すればよい。またはそのレーザービームのアニール効果等を観察すれば良い。
【００６８】
また、後に実施例で示すように計算で求めることもできる。
【００６９】
上記構成は、レンズ群２０２の一つのレンズが作るビームが作る干渉ピークの間隔ｄと、シリンドリルレンズ群２０２を構成する１つのレンスの幅Ｗと、さらにはシリンドリカルレンズ群２０２のレンズ数Ｎ（ｎ−１）との組み合わせによって、Ｘの値を決めていることが特徴である。
【００７０】
こうすることで、シリンドリカルレンズ群２０２で分割されるレーザービームのそれぞれが、図６や図７で示すような状態で重ね合わせられる。そして、図６ｃや図７ｄに示すような干渉状態が均一化されたレーザービームを得ることができる。
【００７１】
なお、図５に示す構成において、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１のレンズ数（分割数）が７個である場合（ｎ＝３の場合）、シリンドリカルレンズ群２０２は最低（即ちＮ＝１）で２個あればよいことになる。
【００７２】
しかしながら、実際問題として、シリンドリカルレンズ群２０２が２個ではエネルギーの均質化のためにはやや不十分なことがある。
【００７３】
この場合、シリンドリカルレンズ群２０２が２（ｎ＝３でｎ−１に相当）の倍数個、例えば４個あればより均質性の良いビームが得られる。即ち、Ｎ＝２の場合として、シリンドリカルレンズ群２０２の分割数を４、または２の倍数とすることが望ましい。
【００７４】
この時、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群と平行四辺形状シリンドリカルレンズの角度Ｘは、｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／２）で定義される値を使えばよい。なお、ここでＷは、シリンドリカルレンズ群２０２の１つ当たりのレンズの幅である。
【００７５】
また、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群の数が９個である場合（ｎ＝４）、シリンドリカルレンズ群２０２は３個あればよいことがわかる。（ただしＮ＝１）
【００７６】
しかしながら、シリンドリカルレンズ群２０２が３個ではエネルギーの均質化のためにはやや不十分なことがある。
【００７７】
この場合、シリンドリカルレンズ群２０２が３（この場合ｎ＝４でｎ−１に相当）の倍数個、例えば６個あれば十分に均質性の良いビームが得られる。
【００７８】
このとき、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群と平行四辺形状シリンドリカルレンズの角度Ｘは｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／３）で定義される値を使えばよい。
【００７９】
このように、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１のレンズ数が奇数である場合、即ち、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１のレンズ数が（２ｎ＋１）で示される場合、｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される角度Ｘをもつ平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１と平行四辺形状シリンドリカルレンズ５０２とをもちいればよい。
【００８０】
この構成は、基本的なものであり、さらに他の光学系を配置してもよい。即ち、上記構成を全体の一部として利用してもよい。
【００８１】
上記の構成は、縦横比があまり大きく無いレーザービームを縦横比が１００以上あるような線状のレーザービームにビーム加工する場合に特に有効なものとなる。
【００８２】
一方、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群の数が偶数である場合、即ち図５のシリンドリカルレンズ群５０１のレンズ数が２ｎ個である場合、奇数である場合と比較し著しい効果は得られない。
【００８３】
しかしながら、従来の光学系（図２のもの）と比較すれば、格段の効果を得ることができる。即ち、干渉を分散させて、照射のムラを是正する効果は得ることができる。
【００８４】
この様な場合も、｜tan Ｘ｜ =Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））を満たす角度Ｘを持つ平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１と平行四辺形状シリンドリカルレンズ５０２とをもちいれば、よく干渉のピークが分散化される。
【００８５】
なお、この場合のｄは図４で示すような干渉ピークの周期幅（１周期の長さ）で定義される。即ち、シリンドリカルレンズ群２０２を構成するシリンドリカルレンズの一つが寄与するビーム（線状のレーザービーム）に現れる干渉状態の周期幅として定義される。
【００８６】
上記の説明から判るように、干渉縞の間隔ｄは線状レーザービーム中で一定である方が好ましい。即ち、図４で示すような指定の周期でもって干渉が線状ビームの長手方向に沿って現れるものであることが好ましい。
【００８７】
しかしながら、一般的に、図２の光学系で形成される線状レーザービームの干渉のピークの間隔は、一様とはならない。
【００８８】
なぜならば、該線状ビームは球面波を線状に合成しているからである。（図８ａ参照。球面波を直線で切ると、同位相同士の間隔は一定でない）
【００８９】
もし、干渉のピーク間隔をほぼ一定にしたいならば、平面波を線状に合成すればよい。（平面波を斜めに直線で切ると、同位相同士の間隔は一定となる）
【００９０】
このような光波を形成する光学系を図８ｂに示す。
【００９１】
上記両光学系の異なる点は、ビーム入射側のシリンドリカルレンズ群が分割したレーザービームが、後続のシリンドリカルレンズによりすべて平行光線に加工されることである。
【００９２】
このような光学系は、前方のシリンドリカルレンズ群と後方のシリンドリカルレンズとの間の距離を適当に選ぶことにより簡単に得られる。この様にすれば、シリンドリカルレンズ群で分割されたどのビームもシリンドリカルレンズにより平面波に加工される。本光学系により加工されたビームを使用すると該縦縞の間隔はほぼ一定となる。このような配置の光学系が本発明に最も適当である。
【００９３】
しかしながら、球面波で合成される線状ビームでも、該球面波の曲率半径は十分大きいので、実際問題としては平行光線と見なすことができ、本発明が適用できる。この場合、干渉縞の間隔ｄは全体の平均値で定義する。
【００９４】
なお、本出願人による平成９年４月１７日出願の出願番号Ｐ００３６０１−０２号に開示されているように、図２の光学系のうち、シリンドリカルレンズ２０５のみを平行四辺形状シリンドリカルレンズに置換したものを使用しても、本発明が特徴とする効果が得られる。この場合、やや干渉の分散が不均質となるが、コストや手間の点でこの光学系が前記光学系より勝っている。
【００９５】
本明細書で開示する発明を利用することで、線状レーザービーム内の干渉縞の分布は飛躍的に均質化される。
【００９６】
しかしながら、依然として光干渉によるエネルギーの不均質が該線状レーザービーム内に存在する。この不均質はレーザービームの照射条件により、強調される場合もある。
【００９７】
この様なときはレーザービームの走査方向を微調整すると改善される。前記微調整は、該線状レーザービームを、該ビームの線方向と直交しかつ該線状レーザービームが形成する面を含む方向より該平面内で角度ｙだけずれた方向に走査させながらレーザー処理することで行う。この角度ｙは、｜tan ｙ｜≦0.1 の範囲で見つけることができる。（但し、｜tan ｙ｜≠０）
【００９８】
本発明記載の光学系を介して半導体膜のレーザーアニールを行い、多結晶半導体膜とし、例えばＴＦＴ液晶ディスプレイのようなデバイスを作製すると、個々のＴＦＴの特性のばらつきが抑えられて、高画質なものを得ることができる。
【００９９】
また、半導体集積回路の作製に際するレーザーアニールに本明細書で開示する発明を利用すると、同一基体上に形成される素子の特性をそろえることができ、高い性能を有する回路を得ることができる。
【０１００】
以下において、本明細書で開示する発明の一つ一つを示す。なお、以下においおて、Ｎを０を含まない自然数、ｎを３以上の自然数、ｄをシリンドリカルレンズ群２０２中任意に選んだ１つのレンズと図５中シリンドリカルレンズ群２０２以外のレンズ群とを介して形成される線状レーザービーム内に分布する光干渉縞のピッチとする。
【０１０１】
本発明の第１は、
レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向に光をＮ（ｎ−１）分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される概略の角度Ｘを持ち、光を横方向に（２ｎ＋１）分割する役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズ群と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される概略の角度Ｘを持ち前記横方向に分割された光を再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割された光を再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、
を有し、
前記ｄは、前記縦方向に光を分割するシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されることを特徴とする。
【０１０２】
本発明の第２は、
レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向に光をＮ（ｎ−１）分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、
光を横方向に（２ｎ＋１）分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される概略の角度Ｘを持ち前記横方向に分割された光を再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割された光を再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、
を有し、
前記ｄは、前記縦方向に光を分割するシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されることを特徴とする。
【０１０３】
本発明の第３は、
レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向に光をＮ（ｎ−１）分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される概略の角度Ｘを持ち光を横方向に（２ｎ）分割する役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズ群と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される概略の角度Ｘを持ち前記横方向に分割された光を再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割された光を再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、
を有し、
前記ｄは、前記縦方向に光を分割するシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されることを特徴とする。
【０１０４】
本発明の第４は、
レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向に光をＮ（ｎ−１）分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、
光を横方向に（２ｎ）分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される概略の角度Ｘを持ち前記横方向に分割された光を再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割された光を再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、
を有し、
前記ｄは、前記縦方向に光を分割するシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されることを特徴とする。
【０１０５】
本発明の第５は、
（１）レーザビームを発生させる手段と、
（２）レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向にレーザービームをＮ（ｎ−１）分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ（ｄ／（ｎ−１））で定義される概略の角度Ｘを持ちレーザービームを横方向に（２ｎ＋１）分割する役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズ群と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される概略の角度Ｘを持ち前記横方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、
を含む光学系から構成されるビームホモジェナイザーと、
（３）一方向に動く移動テーブルと、
を有し、
前記ｄは、前記縦方向に光を分割するシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されることを特徴とする。
【０１０６】
本発明の第６は、
（１）レーザビームを発生させる手段と、
（２）レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向にレーザービームをＮ（ｎ−１）分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、
レーザービームを横方向に（２ｎ＋１）分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される概略の角度Ｘを持ち前記横方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、
を含む光学系から構成されるビームホモジェナイザーと、
（３）一方向に動く移動テーブルと、
を有し、
前記ｄは、前記縦方向に光を分割するシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されることを特徴とする。
【０１０７】
本発明の第７は、
（１）レーザビームを発生させる手段と、
（２）レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向にレーザービームをＮ（ｎ−１）分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される概略の角度Ｘを持ちレーザービームを横方向に（２ｎ）分割する役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズ群と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される概略の角度Ｘを持ち前記横方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、
を含む光学系から構成されるビームホモジェナイザーと、
（３）一方向に動く移動テーブルと、
を有し、
前記ｄは、前記縦方向に光を分割するシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されることを特徴とする。
【０１０８】
本発明の第８は、
（１）レーザビームを発生させる手段と、
（２）レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向に該レーザービームをＮ（ｎ−１）分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、
レーザービームを横方向に（２ｎ）分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、
｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される概略の角度Ｘを持ち前記横方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、
を含む光学系から構成されるビームホモジェナイザーと、
（３）一方向に動く移動テーブルと、
を有し、
前記ｄは、前記縦方向に光を分割するシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されることを特徴とする。
【０１０９】
また、上記の構成において、
ｄは、
λをレーザー光の波長、
ｆを横方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズの焦点距離、
Ｌをレーザービームを横方向に分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群を構成する一つのレンズの幅として、
概略ｄ＝λｆ／Ｌで示される。
この場合、ｄは計算より求めることができる。
【０１１０】
また、被照射面におけるレーザービームは、横方向に長手形状を有する線状ビームである場合に上記発明は特に有効となる。
【０１１１】
また、レーザービームとしては、一般的にエキシマレーザーが利用される。
【０１１２】
また、移動テーブルの移動方向が可変であることが好ましい。
【０１１３】
【作用】
本発明は、非単結晶半導体膜にレーザー光線を分割後再構成し線状に加工されたレーザービームを使用してレーザーアニールを施し結晶化また結晶性を向上させるに際し、該線状レーザービーム内に形成される光干渉によるエネルギーの周期的不均一を、前記非単結晶半導体膜に反映させないものである。
【０１１４】
例えば、図２に示される光学系により形成される線状レーザービームのエネルギーは、その線方向にエネルギーの強弱の周期的繰り返しが見られる。
【０１１５】
このようなエネルギー分布を持つ線状レーザービームを、半導体膜に対し、線状レーザーの線方向に直角な方向に重ねながら走査し照射すると、線状レーザービーム内のエネルギーの分布が該膜内で強調されてしまう。
【０１１６】
本発明では、本発明の平行四辺形状のビームホモジェナイザーを使って線状レーザービーム内の干渉の分布を従来のものより飛躍的に分散化させ、線状レーザービーム内のエネルギー分布を均質化する。このようにすれば、より一様にレーザーアニールを行うことができる。
【０１１７】
【実施例】
〔実施例１〕
実施例の作製工程で、まず、レーザー照射される膜の作製方法を示す。レーザー照射される膜は、本明細書中で３種類である。いずれの膜に対しても、本発明は効果的である。
【０１１８】
まず、３種類いずれの膜も、基板として、１２７ｍｍ角のコーニング１７３７ガラス基板上に、下地膜としての酸化珪素膜を２００ｎｍの厚さに、その上に非晶質珪素膜を５０ｎｍの厚さに共にプラズマＣＶＤ法にて成膜する。この膜を今後、出発膜と呼ぶ。
【０１１９】
（膜Ａの作製手順）
出発膜を、４５０℃の熱浴に１時間さらす。本工程は非晶質珪素膜中の水素濃度を減らすための工程である。膜中の水素が多すぎると膜がレーザーエネルギーに対して耐えきれないので本工程が必要とされる。
【０１２０】
膜内の水素の密度は１０20atoms/cm3 オーダーが適当であある。この膜を非単結晶珪素膜Ａと呼ぶ。
【０１２１】
（膜Ｂの作製手順）
１０ｐｐｍの酢酸ニッケル水溶液が、スピンコート法により、出発膜上に塗布され、酢酸ニッケル層が形成される。酢酸ニッケル水溶液には、界面活性剤を添加するとより好ましい。酢酸ニッケル層は、極めて薄いので、膜状となっているとは限らないが、以後の工程において問題はない。
【０１２２】
次に、上記のようにして各膜が積層された基板に、６００℃で４時間の熱アニールを施す。すると、非晶質珪素膜が結晶化し、非単結晶珪素膜である結晶性珪素膜Ｂが形成される。
【０１２３】
このとき、触媒元素であるニッケルが結晶成長の核の役割を果たし、結晶化が促進される。６００℃、４時間という低温、短時間で結晶化を行うことができるのは、ニッケルの機能による。詳細については、特開平６−２４４１０４号に記載されている。
【０１２４】
触媒元素の濃度は、１×１０15〜１０19原子／ｃｍ3 であると好ましい。１×１０19原子／ｃｍ3 以上の高濃度では、結晶性珪素膜に金属的性質が現れ、半導体としての特性が消滅する。本実施例において、結晶性珪素膜中の触媒元素の濃度は、膜中のおける最小値で、１×１０17〜５×１０18原子／ｃｍ3 である。これらの値は、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により分析、測定したものである。
【０１２５】
（膜Ｃの作製手順）
出発膜の上からさらに酸化珪素膜を７００Åの厚さに成膜する。成膜方法はプラズマＣＶＤ法を用いる。
【０１２６】
次に該酸化珪素膜の一部をフォトリソパターニング工程によって完全に開孔する。
【０１２７】
さらに、該開孔部に薄い酸化膜を形成するために酸素雰囲気中でUV光を５分間照射する。この薄い酸化膜は、後に導入するニッケル水溶液に対する上記開孔部の濡れ性改善のために形成されるものである。
【０１２８】
次に１００ｐｐｍの酢酸ニッケル水溶液が、スピンコート法により、該膜上に塗布され、酢酸ニッケルが上記開孔部分に入る。酢酸ニッケル水溶液には、界面活性剤を添加するとより好ましい。
【０１２９】
次に、６００℃で８時間の熱アニールが施され、ニッケル導入部分から横方向に結晶が成長してゆく。このとき、ニッケルが果たす役割は膜Ｂと同様のものである。今回の条件では横成長量として４０μｍ程度が得られる。
【０１３０】
このようにして非晶質珪素膜が結晶化し、非単結晶珪素膜である結晶性珪素膜Ｃが形成される。その後、結晶性珪素膜上の酸化珪素膜をバッファーフッ酸を用い剥離除去する。
【０１３１】
このようにして得られる非単結晶珪素膜Ａ、Ｂ、Ｃを結晶化させる。
【０１３２】
次に結晶性をさらに高めるために、エキシマレーザーを用いてレーザーアニールを行う。
【０１３３】
図９に、実施例におけるレーザー照射システムを示す。図９は、レーザー照射システムの概観である。
【０１３４】
図９において、レーザー照射システムは、レーザー発振装置２０１から照射され、光学系９０１により断面形状が線状に加工されたパルスレーザービームを、ミラー２０６で反射させ、シリンドリカルレンズ２０７にて集光しつつ、被処理基板９０２に照射させる機能を有している。
【０１３５】
光学系９０１、ミラー２０６、及びシリンドリカルレンズ２０７は図５に示した構造を有している。
【０１３６】
本実施例で使用する光学系は、本発明の第一で明記したものとする。なお、図５に示す構造において、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１と平行四辺形状シリンドリカルレンズ５０２とがもつ角度Ｘは８６度とする。
【０１３７】
ここで角度Ｘを決定する方法を記載する。
【０１３８】
本実施例の場合、シリンドリカルレンズ群２０２中任意に選んだ１つのレンズと、図５中シリンドリカルレンズ群２０２以外のレンズ群とを介して形成される線状レーザービーム内に分布する光干渉縞のピッチが0.4 ｍｍである。この値が発明で利用されるパラメータｄにあたる。また、先に定義したＷが本光学系では３ｍｍである。
【０１３９】
先に示したように、｜tan Ｘ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で算出される角度Ｘが、最も干渉のピークを線状レーザービーム内で分散化できる角度である。
【０１４０】
ここで該式にｄ、Ｗ、ｎの値を代入する。また本実施例ではｎ＝３とする。
【０１４１】
これにより、レーザービームを縦方向（線状ビームの幅方向）に分割する数は（３ー１）の倍数で決まる。本明細書の場合は、Ｎ＝２とし、４分割とした。また、レーザービームを横方向（線状ビームの長手方向）に分割する数は（２×３＋１）＝７個と必然的に決まる。
【０１４２】
図２や図５で示したような光学系を用いるのは、光学系に入射する前のビームのエネルギー不均質を分割後重ね合わせることにより平均化しつつ、ビーム形状を線状に加工することが出来るからである。
【０１４３】
本発明で使用する線状レーザービームはすべて図５記載の光学系に準じたものを使用している。図５のようなタイプのレンズ群の役割を以下に記述する。
【０１４４】
シリンドリカルレンズ群２０２、５０１はビームを縦横に分割する役割を果たしている。該分割された光束をシリンドリカルレンズ２０４、５０２がその分割されたレーザービームを重ね合わせる役割を果たしている。
【０１４５】
本実施例では、元のビームを横方向（線状レーザービームの幅方向）に４分割、縦方向（線状レーザービームの長手方向）に７分割している。
【０１４６】
都合上、レーザービームは、２８分割されたビームを一つに合成したものとなっている。このようにすることにより、ビームのエネルギー分布を平均化している。
【０１４７】
ビームの縦横の長さの比はレンズ群の構造上、可変であるが、レンズの大きさ、焦点距離の組合せにより、造りやすいビーム形状は制限される。なお、本光学系においてビームの長辺の長さを変えることはできない。
【０１４８】
本実施例は、図８ａ、あるいは図８ｂ、何れの記載の配置のレンズ群を用いても効果がある。強いていえば図８ｂ記載の配置がより効果的である。
【０１４９】
なお、図５に示すシリンドリカルレンズ群２０２、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１は凸レンズ群であるが、凹レンズ群もしくは、凹凸混合のレンズ群を用いても本発明の本質に全く影響しない。
【０１５０】
図５記載の平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１を、同様の作用を持つ凹凸混合のレンズ群に置き換えると、例えば図１１に示すもののようになる。
【０１５１】
ただし、凹凸混合レンズ群に代表されるような、互いに合同でないレンズ群を使用する場合は、それらのレンズで加工される平行光線の、加工後の拡がりの角度が同じであるレンズ群で構成されなければならない。
【０１５２】
さもなければ、分割したビームが再結合されるとき、個々のビームが異なる大きさや形で重なり合い、ビームの輪郭が不明瞭となる。
【０１５３】
レーザー発振装置２０１は、ここでは、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ）を発振するものを用いる。他に、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）等を用いてもよい。
【０１５４】
被処理基板９０２は、台９０３上に配置される。そして、台９０３は、移動機構１００７によって、線状レーザービームの線幅方向に対して直角方向（線状レーザービームを含む平面を含む。）に真っ直ぐに移動され、被処理基板９０２上面に対しレーザービームを走査しながら照射することを可能とする。
【０１５５】
図１０に示す装置の説明をする。ロード／アンロード室１００５に、被処理基板９０２が多数枚、例えば２０枚収納されたカセット１００３が配置される。ロボットアーム１００５により、カセット１００３から一枚の基板がアライメント室に移動される。
【０１５６】
アライメント室１００２には、被処理基板９０２とロボットアーム１００４との位置関係を修正するための、アライメント機構が配置されている。アライメント室１００２は、ロード／アンロード室１００５と接続されている。
【０１５７】
基板は、ロボットアーム１００４によって基板搬送室１００１に運ばれ、さらにロボットアーム１００４によって、レーザー照射室１００６に移送される。
図９において、被処理基板９０２上に照射される線状レーザービームは、幅０．４ｍｍ×長さ１３５ｍｍとする。本ビームは図５記載のレンズ配置で形成されている。
【０１５８】
被照射面におけるレーザービームのエネルギー密度は、１００ｍＪ／ｃｍ2 〜５００ｍＪ／ｃｍ2 の範囲で、例えば３００ｍＪ／ｃｍ2 とする。台９０３を１.２ｍｍ／ｓで一方向に移動させながら行うことで、線状レーザービームを走査させる。レーザーの発振周波数は３０Ｈｚとし、被照射物の一点に注目すると、１０ショットのレーザービームが照射される。前記ショット数は５ショットから５０ショットの範囲で適当に選ぶ。
【０１５９】
レーザー照射終了後、被処理基板９０２はロボットアーム１００４によって基板搬送室１００２に引き戻される。
【０１６０】
被処理基板９０２は、ロボットアーム１００４によって、ロード／アンロード室１００５に移送され、カセット１００３に収納される。
【０１６１】
こうして、レーザーアニール工程が終了する。このようにして、上記工程を繰り返すことにより、多数の基板に対して、連続的に一枚づつ処理できる。
【０１６２】
本実施例は線状レーザーを用いたが、線状から正方形状にいたるまでいずれのビーム形状を本発明に使用しても本発明が特徴とする効果がある。
【０１６３】
また、本実施例において、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１を使用せず、シリンドリカルレンズ群２０３で代用しても本明細書の開示する効果が得られた。
【０１６４】
上記レーザーアニールされた半導体膜を活性層とするＴＦＴを作製すると、Ｎチャネル型、Ｐチャネル型、いずれも作製できる。
【０１６５】
また、Ｎチャネル型とＰチャネル型とを組み合わせた構造も得ることが可能である。また、多数のＴＦＴを集積化して電子回路を構成することもできる。
【０１６６】
以上のことは、他の実施例で示した光学系を介してレーザーアニールされた半導体膜についてもいえる。本発明の光学系を介してレーザーアニールされた半導体膜を利用して、ＴＦＴで構成される液晶ディスプレイを作製した場合、個々のＴＦＴ特性のバラツキの少ない高画質なものが得られる。
【０１６７】
〔実施例２〕
実施例１にて、縞模様が上手く消えない場合は、光学系の配置が適当でない為であるか、線状レーザービームの重ね合わさり様が不適当かである。このときは、走査方向変更装置９０４により基板の走査方向を微調整し、干渉縞がより目立たない走査方向を選べばよい。
【０１６８】
即ち、線状レーザー光の幅方向に対して、少し角度をもたせて、レーザー光が走査されて照射されるようにするとよい。
【０１６９】
〔実施例３〕
実施例１にて、図８ｂ記載の光学系の配置を採用したときの、干渉縞のピッチｄは計算で容易に導出できる。本実施例ではその計算方法を示す。
【０１７０】
なお、図８に示す光学系は、図５に示すシリンドリカルレンズ群５０１とシリンドリカルレンズ５０２の断面を示したものである。
【０１７１】
図８ｂの光学系の配置を採用した場合、シリンドリカルレンズ５０２によって合成されるビームはそれぞれ平面波である。
【０１７２】
この場合、図１２において、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１を構成するレンズ中、中央のレンズに隣接する２つのレンズ１２０１を介して平行四辺形状シリンドリカルレンズ５０２に入射したレーザー光の光束は、照射面１２０４に角度αで交差する。
【０１７３】
ここでレーザーの波面１２０５は直線であるから、該波面の波長λ間隔で引かれた直線は照射面１２０４を間隔βで切る。（図１３参照。）
【０１７４】
前記角度αと間隔βとの関係式は波長λを使って表現できる。すなわち、β＝λ/ sin αと表現できる。
【０１７５】
２つのレンズ１２０１は間隔βの定常波を照射面１２０４に形成する。そしてβは、図４、図６、図７で示す干渉のピークの間隔ｄに一致する。
【０１７６】
またこの場合、平行四辺形状シリンドリカルレンズ５０２の焦点距離ｆ、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１のレンズ１つ当たりの幅Ｌとすると、tan α＝Ｌ／ｆが成立する。
【０１７７】
また、αの角度は十分に小さいから、tan α≒sin αが成立する。よって、β＝λｆ／Ｌが成立する。
【０１７８】
上述したように一般にβ＝ｄであるからｄは概略λｆ／Ｌで示されることになる。
【０１７９】
こうして、実測しなくても平行四辺形状シリンドリカルレンズ５０２の焦点距離ｆ、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１のレンズ１つ当たりの幅Ｌ、レーザー光の波長λが判れば、図５のシリンドリカルレンズ群２０２の一つのレンズを通過したビームに現れる干渉ピークの１周期の長さｄを求めることができる。
【０１８０】
なお、図８ａに示す光学系を採用した場合、シリンドリカルレンズ５０２を通過したビームは球面波となり、上述した数式は完全には成立しない。
【０１８１】
この場合は、計算機を用いた数値計算により、ｄを値を算出することになる。
【０１８２】
しかし、シリンドリカルレンズ５０２の焦点距離ｆとシリンドリカルレンズ群５０１の焦点距離との和がシリンドリカルレンズ５０２とシリンドリカルレンズ群５０１との間隔に近ければ、上述した数式により求めたｄを利用することができる。
【０１８３】
【発明の効果】
本発明により、分割再結合によりレーザービームを均質化したレーザービームによるレーザーアニールの効果の面内均質性を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 線状レーザーによりレーザー結晶化された珪素膜の写真。
【図２】 従来例における線状レーザーを形成する光学系と光路図。
【図３】 従来例の光学系が形成する線状レーザービーム内の光干渉の図解。
【図４】 従来例の光学系が形成する線状レーザービーム内の光干渉の様子を示す図。
【図５】 実施例における線状レーザーを形成する光学系と光路図。
【図６】 光干渉を目立たなくするする干渉縞の重ね合わせ方を示す図。
【図７】 光干渉を目立たなくするする干渉縞の重ね合わせ方を示す図。
【図８】 平面波をつくる光学系配置と球面波をつくる光学系配置の違いを示す図。
【図９】 実施例におけるレーザー照射システムを示す図。
【図１０】実施例におけるレーザーアニール装置の上面図。
【図１１】凹凸混合平行四辺形状シリンドリカルレンズの例を示す図。
【図１２】干渉縞のピッチｄを計算で求めるために必要なパラメータを示す図。
【図１３】干渉縞のピッチｄを計算で求めるために必要なパラメータを示す図。
【符号の説明】
２０１ レーザー発振装置
２０２ レーザー光分割のためのシリンドリカルレンズ群
２０３ レーザー光分割のためのシリンドリカルレンズ群
２０４ レーザー光、再結合のためのシリンドリカルレンズ
２０５ レーザー光、再結合のためのシリンドリカルレンズ
２０６ ミラー
２０７ 線状ビームを集光するためのシリンドリカルレンズ
３０１ 線状レーザービーム
３０２ 光干渉の強度ピーク
５０１ レーザー光分割のための平行四辺形状シリンドリカルレンズ群
５０２ レーザー光、再結合のための平行四辺形状シリンドリカルレンズ
９０１ 光学系
９０２ 被処理基板
９０３ 台
９０４ 走査方向変更装置
１００１ 基板搬送室
１００２ アライメント室
１００３ カセット
１００４ ロボットアーム
１００５ ロード／アンロード室
１００６ レーザー照射室
１００７ 移動機構
１２０１ 平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１を構成するレンズ中、中央のレンズに隣接する２つのレンズ
１２０２ 平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１を構成するレンズ中、線対称な位置にある２つのレンズ
１２０３ 平行四辺形状シリンドリカルレンズ群５０１を構成するレンズ中、線対称な位置にある２つのレンズ
１２０４ 照射面
Claims (18)
- レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向に光をＮ（ｎ−１）（Ｎは０を含まない自然数であり、ｎは３以上の自然数である）分割する役割を果たす第１のシリンドリカルレンズ群と、
光を横方向に（２ｎ＋１）分割する役割を果たす第２のシリンドリカルレンズ群と、
｜ｔａｎＸ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される角度Ｘを持ち前記横方向に分割された光を再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割された光を再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、を有し、
前記ｄは、前記第１のシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されることを特徴とするレーザー照射装置。 - レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向に光をＮ（ｎ−１）（Ｎは０を含まない自然数であり、ｎは３以上の自然数である）分割する役割を果たす第１のシリンドリカルレンズ群と、
光を横方向に（２ｎ）分割する役割を果たす第２のシリンドリカルレンズ群と、
｜ｔａｎＸ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される角度Ｘを持ち前記横方向に分割された光を再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割された光を再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、を有し、
前記ｄは、前記第１のシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されることを特徴とするレーザー照射装置。 - レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向に光をＮ（ｎ−１）（Ｎは０を含まない自然数であり、ｎは３以上の自然数である）分割する役割を果たす第１のシリンドリカルレンズ群と、
｜ｔａｎＸ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される角度Ｘを持ち、光を横方向に（２ｎ＋１）分割する役割を果たす平行四辺形状の第２のシリンドリカルレンズ群と、
｜ｔａｎＸ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される角度Ｘを持ち前記横方向に分割された光を再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割された光を再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、を有し、
前記ｄは、前記第１のシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されることを特徴とするレーザー照射装置。 - レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向に光をＮ（ｎ−１）（Ｎは０を含まない自然数であり、ｎは３以上の自然数である）分割する役割を果たす第１のシリンドリカルレンズ群と、
｜ｔａｎＸ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される角度Ｘを持ち光を横方向に（２ｎ）分割する役割を果たす平行四辺形状の第２のシリンドリカルレンズ群と、
｜ｔａｎＸ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される角度Ｘを持ち前記横方向に分割された光を再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割された光を再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、を有し、
前記ｄは、前記第１のシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されることを特徴とするレーザー照射装置。 - レーザビームを発生させる手段と、
レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向にレーザービームをＮ（ｎ−１）（Ｎは０を含まない自然数であり、ｎは３以上の自然数である）分割する役割を果たす第１のシリンドリカルレンズ群と、
｜ｔａｎＸ｜＝Ｗ（ｄ／（ｎ−１））で定義される角度Ｘを持ちレーザービームを横方向に（２ｎ＋１）分割する役割を果たす平行四辺形状の第２のシリンドリカルレンズ群と、
｜ｔａｎＸ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される角度Ｘを持ち前記横方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、を含む光学系から構成されるビームホモジェナイザーと、
一方向に動く移動テーブルと、を有し、
前記ｄは、前記第１のシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されることを特徴とするレーザー照射装置。 - レーザビームを発生させる手段と、
レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向にレーザービームをＮ（ｎ−１）（Ｎは０を含まない自然数であり、ｎは３以上の自然数である）分割する役割を果たす第１のシリンドリカルレンズ群と、
｜ｔａｎＸ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される角度Ｘを持ちレーザービームを横方向に（２ｎ）分割する役割を果たす平行四辺形状の第２のシリンドリカルレンズ群と、
｜ｔａｎＸ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される角度Ｘを持ち前記横方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、を含む光学系から構成されるビームホモジェナイザーと、
一方向に動く移動テーブルと、を有し、
前記ｄは、前記第１のシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されることを特徴とするレーザー照射装置。 - レーザビームを発生させる手段と、
レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向にレーザービームをＮ（ｎ−１）（Ｎは０を含まない自然数であり、ｎは３以上の自然数である）分割する役割を果たす第１のシリンドリカルレンズ群と、
レーザービームを横方向に（２ｎ＋１）分割する役割を果たす第２のシリンドリカルレンズ群と、
｜ｔａｎＸ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される角度Ｘを持ち前記横方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、を含む光学系から構成されるビームホモジェナイザーと、
一方向に動く移動テーブルと、を有し、
前記ｄは、前記第１のシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されることを特徴とするレーザー照射装置。 - レーザビームを発生させる手段と、
レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向に該レーザービームをＮ（ｎ−１）（Ｎは０を含まない自然数であり、ｎは３以上の自然数である）分割する役割を果たす第１のシリンドリカルレンズ群と、
レーザービームを横方向に（２ｎ）分割する役割を果たす第２のシリンドリカルレンズ群と、
｜ｔａｎＸ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される角度Ｘを持ち前記横方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、を含む光学系から構成されるビームホモジェナイザーと、
一方向に動く移動テーブルと、を有し、
前記ｄは、前記第１のシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されることを特徴とするレーザー照射装置。 - 請求項３乃至請求項６のいずれか一項において、平行四辺形状の前記第２のシリンドリカルレンズ群は凹凸混合レンズ群であることを特徴とするレーザー照射装置。
- 請求項５乃至請求項８のいずれか一項において、被照射面におけるレーザービームは、横方向に長手形状を有する線状ビームであることを特徴とするレーザー照射装置。
- 請求項１乃至請求項１０のいずれか一項において、ｄは、λをレーザー光の波長、ｆを横方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たす前記平行四辺形状シリンドリカルレンズの焦点距離、Ｌをレーザービームを横方向に分割する役割を果たす前記第２のシリンドリカルレンズ群を構成する一つのレンズの幅として、概略ｄ＝λｆ／Ｌで示されることを特徴とするレーザー照射装置。
- レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向に光をＮ（ｎ−１）（Ｎは０を含まない自然数であり、ｎは３以上の自然数である）分割する役割を果たす第１のシリンドリカルレンズ群と、
光を横方向に（２ｎ＋１）分割する役割を果たす第２のシリンドリカルレンズ群と、
｜ｔａｎＸ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される角度Ｘを持ち前記横方向に分割された光を再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割された光を再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、を少なくとも有した光学系を通したレーザービームを被照射面に照射することを特徴とし、
前記ｄは、前記第１のシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されるレーザー照射方法。 - レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向に光をＮ（ｎ−１）（Ｎは０を含まない自然数であり、ｎは３以上の自然数である）分割する役割を果たす第１のシリンドリカルレンズ群と、
光を横方向に（２ｎ）分割する役割を果たす第２のシリンドリカルレンズ群と、
｜ｔａｎＸ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される角度Ｘを持ち前記横方向に分割された光を再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割された光を再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、を少なくとも有した光学系を通したレーザービームを被照射面に照射することを特徴とし、
前記ｄは、前記第１のシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されるレーザー照射方法。 - レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向に光をＮ（ｎ−１）（Ｎは０を含まない自然数であり、ｎは３以上の自然数である）分割する役割を果たす第１のシリンドリカルレンズ群と、
｜ｔａｎＸ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される概略の角度Ｘを持ち、光を横方向に（２ｎ＋１）分割する役割を果たす平行四辺形状の第２のシリンドリカルレンズ群と、
｜ｔａｎＸ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される概略の角度Ｘを持ち前記横方向に分割された光を再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割された光を再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、を少なくとも有した光学系を通したレーザービームを被照射面に照射することを特徴とし、
前記ｄは、前記第１のシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されるレーザー照射方法。 - レンズ１つ１つが幅Ｗを有し、縦方向に光をＮ（ｎ−１）（Ｎは０を含まない自然数であり、ｎは３以上の自然数である）分割する役割を果たす第１のシリンドリカルレンズ群と、
｜ｔａｎＸ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される角度Ｘを持ち光を横方向に（２ｎ）分割する役割を果たす平行四辺形状の第２のシリンドリカルレンズ群と、
｜ｔａｎＸ｜＝Ｗ／（ｄ／（ｎ−１））で定義される角度Ｘを持ち前記横方向に分割された光を再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズと、
前記縦方向に分割された光を再結合させる役割を果たすシリンドリカルレンズと、を少なくとも有した光学系を通したレーザービームを被照射面に照射することを特徴とし、
前記ｄは、前記第１のシリンドリカルレンズ群を構成するレンズの一つを通過するビームが照射面において形成する干渉縞のピークの間隔として定義されるレーザー照射方法。 - 請求項１２乃至請求項１５のいずれか一項において、被照射面におけるレーザービームは、横方向に長手形状を有する線状ビームであることを特徴とするレーザー照射方法。
- 請求項１２乃至請求項１６のいずれか一項において、レーザー光を半導体膜に対して照射することを特徴とするレーザー照射方法。
- 請求項１２乃至請求項１７のいずれか一項において、ｄは、λをレーザー光の波長、ｆを横方向に分割されたレーザービームを再結合させる役割を果たす前記平行四辺形状シリンドリカルレンズの焦点距離、Ｌをレーザービームを横方向に分割する役割を果たす前記第２のシリンドリカルレンズ群を構成する一つのレンズの幅として、概略ｄ＝λｆ／Ｌで示されることを特徴とするレーザー照射方法。
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