JP3812091B2 - 液晶表示装置、液晶パネル、ｌｃｄドライバ、並びにポリシリコン薄膜トランジスタの製造方法、およびレーザアニール装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、液晶パネルとこの液晶パネルを駆動するＬＣＤドライバとを備えた液晶表示装置、および液晶パネル、およびＬＣＤドライバ、およびこれら液晶表示装置や液晶パネルやＬＣＤドライバにおいて使用されるポリシリコン薄膜トランジスタの製造方法、および上記ポリシリコン薄膜トランジスタの製造にあたって用いられるレーザアニール装置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必要がある。また画素数が増加するに従い、画素へ表示信号に応じた充電電圧を充電するために許容される時間も短くなり、薄膜トランジスタのオン抵抗を極力小さくする必要がある。このため、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、上記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表示装置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は固相成長法とレーザ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、レーザアニール法が有用である。レーザアニール法は、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、溶融再結晶化する方法であり、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、低温ポリシリコン薄膜トランジスタの製造法として期待されている。図８は液晶パネルと駆動回路が一体となった液晶表示装置を製造するための部材を示す斜視図であり、図において、１００は駆動ＩＣ、２００は画素を作り込むディスプレイ部分である。
【０００４】
ところで、上記ディスプレイ部分２００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全域を一度にレーザ照射するには、極めて大出力のレーザが必要となるため、通常はレーザビームを整形し、均一強度分布をもつ細線状ビームに変換して、その細線状ビームを一部重ねながらずらしていくことにより全域をアニールする手法がとられている。図９は、レーザアニール装置の一例を示すものであり、例えばレーザとしてエキシマレーザ１０１を用い、レーザビームをビームホモジナイザ１０３を含む光学系１０４を通し、真空チャンバ１０５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１０７やガス系１０６を有する。ビーム走査は基板１１０を置くステージをステージコントローラ１０８により移動させて行なう。なお、１０９はステージコントローラ１０８やレーザコントローラ１０２を制御するコンピュータである。
【０００５】
一般に、細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形成光学系としてはフライアイレンズとシリンドリカル状のコンデンサレンズが用いられている。図１０は、例えば「最新レーザ加工技術総覧」（産業技術サービスセンター発行）の２３１〜２３３頁に示されたビームホモジナイザーである。図において、１３は基板、１４はレーザ発振器、５１はフライアイレンズ、５２はコンデンサレンズとして用いるシリンドリカルレンズ、５３は入射レーザビームの強度分布である。
【０００６】
次に、このフライアイレンズ方式ビームホモジナイザの動作について説明する。レーザ発振器１４から出射されたレーザビームは、多数（図１０ではＡ〜Ｅの５個）の四角形あるいはシリンドリカルレンズが光軸と直交する横断面に束ねられた、いわゆるフライアイレンズ５１で波面が分割される。分割されたレーザビームは上記フライアイレンズ５１の焦点位置で集光された後、上記フライアイレンズ５１と共焦点になっているコンデンサレンズ５２に入射され、このコンデンサレンズ５２の像側の焦点に置かれた基板１３上において、分割された各レーザビームを再び重ね合せることにより均一なレーザビームを形成する。図１１にＡ〜Ｅに分割されたレーザビームの基板上でのレーザビームの強度分布とこれらを重ねあわせた後のレーザビームの強度分布を示す。本方式では、分割されたレーザビームのうち、図１１のＡとＥ、ＢとＤのように光軸に対して対称なもの同士では対称な強度分布をもつので、これらを各々重ねあわせることにより均一性を確保する。このため、入射レーザビームが光軸に対し対称であること、および入射レーザビームの光軸とフライアイレンズの中心軸が正確に一致していることが必要である。これら条件が満たされたレーザアニール装置では、通常５分割〜１１分割程度にレーザビームを分割するフライアイレンズを用いて、レーザビーム強度の均一度は約±５％が達成されている。
【０００７】
一般にレーザアニールで良く用いられるエキシマレーザの場合、励起放電を生ぜしめるための放電電極がレーザの運転とともに経時的に不均一に消耗し、入射レーザビームの光軸に対する対称性が損なわれてしまう。また光学系を構成するミラー、レンズなどが振動、熱などにより変位した場合も、入射レーザビームの光軸とフライアイレンズの中心軸の相対位置が変位してしまい、結果として基板上でのレーザビーム強度分布が経時的に不均一なものとなり、±５％以上の不均一性が生じる。
【０００８】
すなわち、本方式によりレーザアニールを行ない、ポリシリコン膜を形成して得られたポリシリコン薄膜トランジスタを有する液晶パネルやドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置においては、経時的なレーザビームの強度分布変化によりポリシリコンの結晶粒径、移動度、および閾値電圧にバラツキが生じる。図１２にポリシリコン化のために照射されるレーザエネルギー密度と、そのレーザビームを用いてｎ型薄膜トランジスタを形成したときの移動度との関係を示す。ｎ型ポリシリコン薄膜トランジスタの移動度として通常必要とされる１００ｃｍ2／Ｖ・ｓ 以上の範囲において、移動度のバラツキは、±５％の照射強度のバラツキに対し±１６％以上と大きくなるため、特性にむらがある液晶パネルやドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置が製造されてしまうことになる。また、ｐ型ポリシリコン薄膜トランジスタの場合においても、移動度として通常必要とされる５０ｃｍ2／Ｖ・ｓ 以上の範囲で、±５％の照射強度のバラツキに対し、同様の移動度のバラツキが生じ、特性にむらがある液晶パネルやドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置が製造されてしまうことになる。
【０００９】
ところで、薄膜トランジスタを流れる電流Ｉdは、
Ｉd＝μ・（Ｗ／Ｌ）・Ｃox・｛（Ｖg−Ｖth）・Ｖd−Ｖd 2／２｝・・・（１）
で表される。ここでμ、Ｖthはポリシリコンあるいはアモルファスシリコンの特性で決まる移動度および閾値電圧であり、Ｗ、Ｌはそれぞれチャネル部の幅と長さ、Ｃoxはゲート酸化膜の静電容量、Ｖgはゲートに印加される電圧、Ｖdはドレインに印加される電圧である。
今、Ｖd＝Ｖg−Ｖth（ピンチオフ領域）を仮定すると式（１）は、
Ｉd＝μ・（Ｗ／Ｌ）・Ｃox・（Ｖg−Ｖth）・Ｖd／２・・・（２）
となり、結局薄膜トランジスタの抵抗値Ｒ（＝Ｉd／Ｖd）は
Ｒ＝２・Ｌ／｛μ・Ｗ・Ｃox・（Ｖg−Ｖth）｝
で表される。
薄膜トランジスタに負荷容量Ｃが接続されている場合は、充電の時定数τは
となるため、充電時定数τは移動度、閾値電圧のバラツキを反映することになる。
【００１０】
ここでアクティブマトリックス用スイッチとして薄膜トランジスタを考えると、負荷容量は画素となり、典型的には１ｐＦ程度の静電容量をもつ。ポリシリコン薄膜トランジスタの抵抗値は数ｋΩであるので、充電時定数τは式（３）より数ナノ秒となる。いわゆる点順次駆動のＸＧＡ級液晶パネルの場合、１画素の充電に許される時間は２０ナノ秒程度であり、充電時定数の数倍の時間しか許容されない。前述したように、従来の上記液晶パネルにおいてはポリシリコン薄膜トランジスタの移動度に±１６％以上のバラツキがあるので、平均充電時定数を５ナノ秒（すなわち抵抗値Ｒ＝５ｋΩ）とすれば、ポリシリコン薄膜トランジスタの移動度のバラツキにより抵抗値もばらつくため、最高、最低時定数は式（３）よりそれぞれ４．２ナノ秒、５．８ナノ秒となる。許容充電時間２０ナノ秒後の充電電圧は、Ｖ＝Ｖ0 （１―ｅｘｐ（−τ／ＣＲ））で求められ、４．２ナノ秒の場合、Ｖ＝０．９９１Ｖ0、５．８ナノ秒の場合、Ｖ＝０．９６８Ｖ0であり、２．４％のバラツキが生じてしまうことになる（Ｖ0 はソース・ドレイン間に印加される電圧）。これは、画素への充電電圧を最大４Ｖとした時、少なくとも９５ｍＶの変動が存在することを意味し、これによる画面むらが問題となっている。
【００１１】
一方、ビーム形成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。図１３に例えば特開平８−１４８４２３号公報に示されたビーム形成光学系を示す。図において、１０はレンズ、１１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）、１２はレンズ１０及びホログラム１１から構成されるビーム整形光学系である。即ち、レンズ１０及びホログラム１１はアニーリング加工対象物１３上で長手方向に均一なレーザ強度分布を有する細線状レーザビームを得るためのビーム整形光学系１２を構成している。
【００１２】
次に動作について説明する。レーザ発振器１４から発せられたレーザ光は、レンズ１０及びホログラム１１から構成されるビーム整形光学系１２を通る。この際、レーザ光はレンズ１０によって基板１３上に照射されるが、レンズ１０と基板１３との間に設けられたホログラム１１によって基板１３上に一直線に並んだいくつもの重なり合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１１は、それぞれの照射スポットを基板１３上の任意の位置に、任意の強度で配置することができる。図１４は図１３のレーザビーム整形光学系１２で整形され、液晶パネルに照射されるレーザビーム形状を示す図である。図１４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１１を用い、さらに照射スポットの重なり合わせピッチを均等なピッチとすることにより（図１４（ｂ））、基板１３上で長手方向に均一になるようなレーザビーム（図１４（ａ））を得ることができる。通常のホログラム１１ではレーザビームは４００〜８００の照射スポットに分割され、レーザビームの照射強度のバラツキは±３〜５％に抑えられる。
【００１３】
上記のようなレーザビーム形成光学系においては、励起放電を生ぜしめるための放電電極がレーザの運転とともに不均一に消耗し、入射レーザビームの光軸に対する対称性が損なわれた場合には、各々の照射スポット形状がそれに応じて変化するが、これら照射スポットは多数重ね合わされているので、重ね合わされた結果としての基板上のレーザビーム強度分布の均一性は変化しない。同様に光学系を構成するミラー、レンズなどが振動、熱などにより変位した時に生じる可能性のある、ホログラムの中心軸と入射レーザビームの光軸がずれた場合にも、レーザビームがホログラムからはずれない限り基板上のレーザビーム強度分布の均一性は経時的に変化しない。
【００１４】
したがって、上記方式によりレーザアニールを行なった液晶パネルやドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置においては、フライアイレンズを用いた方式に比べ、経時的な入射レーザビームの変化、あるいは光軸の変化によりレーザビームの強度分布は変化せず、ポリシリコン薄膜トランジスタの移動度および閾値電圧はそのバラツキ度合いが変化せず、初期状態と同様の均一な液晶パネルやドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置を製造することができる。
しかしながら、このようなホログラムを用いたビーム形成光学系によりレーザアニールを行う場合にも、前述のようにレーザビームの照射強度のバラツキは±３〜５％であり、このためｎ型ポリシリコン薄膜トランジスタの場合、移動度として通常必要とされる１００ｃｍ2／Ｖ・ｓ 以上の範囲で、上記移動度に±１０％以上のバラツキが生じてしまう。この結果、最大５６ｍＶ程度の充電電圧のバラツキが生じることになり、画面むらが依然問題となってくる。ｐ型ポリシリコン薄膜トランジスタの場合においても、移動度として通常必要とされる５０ｃｍ2／Ｖ・ｓ 以上の範囲で、±３〜５％の照射強度のバラツキに対し、同様の移動度のバラツキが生じ、画面むらが依然問題となってくる。
【００１５】
このように、ホログラムを用いたビーム形成光学系によるレーザアニールを行なった液晶パネルやドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置においては、初期状態と同様のバラツキをもつ均一なものが製造できるが、ホログラムの製造工程に起因する±３〜５％程度のレーザビーム強度分布はあるので、これによるポリシリコン薄膜トランジスタの移動度および閾値電圧のバラツキを解消することは極めて困難であった。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、フライアイレンズを用いたビーム形成光学系によりレーザアニールを行なった液晶パネルやドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置においては、薄膜トランジスタの移動度が、ｎ型ポリシリコン薄膜トランジスタの場合、通常必要とされる１００ｃｍ2／Ｖ・ｓ 以上の範囲で、ｐ型ポリシリコン薄膜トランジスタの場合、通常必要とされる５０ｃｍ2／Ｖ・ｓ 以上の範囲で、または薄膜トランジスタの閾値電圧が、ｎ型ポリシリコン薄膜トランジスタの場合、通常使用される０．５Ｖ〜２Ｖの範囲で、ｐ型ポリシリコン薄膜トランジスタの場合、通常使用される−０．５Ｖ〜−２Ｖの範囲で、経時的なレーザビームの強度分布変化により上記ポリシリコン薄膜トランジスタの移動度および閾値電圧に±１６％以上のバラツキが生じるので、そのバラツキによる画面むら、動作不良がある液晶パネルやドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置が製造されてしまう。また、この経時変化を防ぐためにホログラムを用いたビーム形成光学系によりレーザアニールを行なった液晶パネルやドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置においても、ホログラムの製造工程に起因する±３〜５％程度のレーザビーム強度分布が生じるので、上記と同様、ポリシリコン薄膜トランジスタの移動度および閾値電圧に±１０％以上のバラツキが生じ、このバラツキによる画面むら、動作不良がある液晶パネルやドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置が製造されてしまうという問題点があった。
【００１７】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、画面むらの少ない液晶パネル、動作不良の少ないドライバ、および液晶表示装置を得ることを目的としており、さらにこれらデバイスを実現するに適したポリシリコン薄膜トランジスタの製造方法およびレーザアニール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】
本発明に係るポリシリコン薄膜トランジスタの製造方法は、フーリエ変換型位相ホログラムを用いて第２の方向に沿って直線状に整形されたレーザビームを、前記第２の方向に直交する第１の方向に走査するとともに、前記第２の方向に沿って揺動させながらアモルファスシリコンのトランジスタ形成箇所に照射してレーザアニールすることを特徴とするポリシリコン薄膜トランジスタの製造方法としたものである。
【００１９】
また、本発明に係るレーザアニール装置は、アモルファスシリコンのトランジスタ形成箇所に照射するレーザビームをフーリエ変換型位相ホログラムを用いて第２の方向に沿って直線状に整形する手段と、整形された前記レーザビームを前記第２の方向に直交する第１の方向に走査する機構と、前記第１の方向に走査される前記レーザビームを前記第２の方向に揺動する機構と、を備えることを特徴とするレーザアニール装置としたものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による液晶表示装置を示す図である。図１において、１は駆動回路一体型液晶表示装置、２はアクティブマトリックス液晶パネル、３はアクティブマトリックス用低温ｎ型ポリシリコン薄膜トランジスタであり、移動度が１００ｃｍ2／Ｖ・ｓ 以上で、かつ移動度のバラツキが±１０％以下に抑えられたポリシリコン薄膜トランジスタである。４は移動度のバラツキを±１０％以下に抑えた上記ポリシリコン薄膜トランジスタで構成されたデータ側ドライバ、５は移動度のバラツキを±１０％以下に抑えた上記ポリシリコン薄膜トランジスタで構成された走査側ドライバ、６は液晶である。
【００２７】
低温ポリシリコン薄膜トランジスタの移動度、あるいは閾値電圧が画素の充電特性に影響を与えることは既に述べた。またフーリエ変換型位相ホログラムの使用により、経時的なバラツキ、変動は抑制され、画面むら、動作不良も少なくできることも既に述べた。しかしながら前述したようにフーリエ変換型位相ホログラムの製造プロセスの誤差により、ホログラム方式を用いた場合も、なおレーザビーム強度に±３〜５％のバラツキを生じてしまう。
【００２８】
図２は、この発明の実施の形態１に係わるビーム形成光学系を示す図であり、移動度のバラツキを±１０％以下に抑えたポリシリコン薄膜トランジスタを形成するための光学系を示すものである。図において、１０はレンズ、１１はフーリエ変換型位相ホログラム、１２はビーム整形光学系、１３は基板、１４はエキシマレーザ発振器、１５はミラー、１６はガルバノスキャナのミラーである。
【００２９】
次に動作について説明する。エキシマレーザ発振器１４から出射されたレーザ光はミラー１５によりガルバノスキャナのミラー１６に導かれる。レーザビームはガルバノスキャナのミラー１６で反射され、フーリエ変換型位相ホログラム１１に入射され、細線状ビームに整形された後、基板１３上に照射される。照射されたレーザビームは基板１３上に成膜されたアモルファスシリコンに吸収され、アモルファスシリコンを溶融したのち、固化する際にポリシリコンとなる。ところが照射レーザビームにはホログラムの製造プロセスの誤差による照射強度のバラツキによりポリシリコン結晶粒径、移動度、あるいは閾値電圧等にバラツキを生じる。次のパルスが照射される時には、ガルバノスキャナによりミラー１６の角度がわずかに変わりホログラム１１を通して照射されるレーザビームの位置がスキャン方向とは垂直方向にわずかに変化するため、前のショットで生じた結晶粒径、移動度、あるいは閾値電圧等の分布もわずかに変化する。これを繰り返すことにより基板全面にわたり結晶粒径、移動度、あるいは閾値電圧等のバラツキは低減される。
【００３０】
図３および図４により、本実施の形態に係わるレーザアニール方法（図３）と従来のレーザアニール方法（図４）との違いを説明する。
図３、図４において、２０１はホログラム方式により形成された細線状のレーザビームを示し、２０２は上記レーザビーム２０１においてレーザビーム強度が強い部分、２０３は上記レーザビーム２０１においてレーザビーム強度が弱い部分である。本実施の形態においては、レーザビーム２０１の位置をショット毎にレーザビーム走査方向２０８と直交する方向に揺動させているので、基板２０５上に照射されたレーザビームの強度分布は、図３の２０４に示すように偏ることなく平均化された状態となる。その結果、基板２０５上にある各アモルファスシリコン薄膜トランジスタ２０６には種々の強度を有するレーザビームが照射され、移動度が平均化したポリシリコン薄膜トランジスタ２０７が形成され、移動度のバラツキが±１０％以下に抑えられることとなる。
これに対して、従来の方法では、レーザビーム２０１の位置が一定の状態で基板２０５上をスキャンするので、基板２０５上に照射されたレーザビームの強度分布は、図４の２０９に示すように偏った状態となる。その結果、基板２０５上にある各アモルファスシリコン薄膜トランジスタ２０６には各トランジスタ毎に異なる強度を有するレーザビームが照射され、例えば移動度が相対的に高いポリシリコン薄膜トランジスタ３０１と移動度が相対的に低いポリシリコン薄膜トランジスタ３０２とが形成されることとなり、形成されたポリシリコン薄膜トランジスタの特性にバラツキが生じる結果となる。
【００３１】
図１に示した液晶表示装置は、図２のようなビーム形成光学系を用いたレーザアニール方法、およびレーザアニール装置により製造さた薄膜トランジスタを用いているので、形成されたポリシリコン薄膜トランジスタの特性にバラツキがなく、画面むら、動作不良が少ない液晶表示装置が得られることとなる。
【００３２】
なお、この実施の形態においてはアクティブマトリックス液晶パネル、データ側ドライバ、および走査側ドライバに、上記レーザアニール方法により製造されたポリシリコン薄膜トランジスタを用い、かつ同一ガラス基板上にこれらを形成したいわゆる駆動回路一体型液晶表示装置を示したが、これらの一部分に上記レーザアニール方法により製造されたポリシリコン薄膜トランジスタを用いてもよい。
また、少なくともその一部をポリシリコン薄膜トランジスタで形成したデータ側ドライバ、走査側ドライバ、あるいは液晶パネル単体においても同様に画面むらを起こしにくく、動作不良が少ないＬＣＤドライバや液晶パネルが実現できる。
【００３３】
実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２に係わるビーム形成光学系を示す図である。図中、１７はポリゴンミラーである。
次に動作について説明する。レーザ発振器１４から出射されたレーザビームはポリゴンミラー１７で反射され、フーリエ変換型位相ホログラム１１に入射され、細線状ビームに整形された後、基板１３上に照射される。照射されたレーザビームは基板１３上に成膜されたアモルファスシリコンに吸収され、アモルファスシリコンを溶融したのち、固化する際にポリシリコンとなる。ところが照射レーザビームにはホログラムの製造プロセスの誤差による照射強度のバラツキによりポリシリコン結晶粒径、移動度、あるいは閾値電圧等にバラツキを生じる。しかし次のパルスが照射される時に、ポリゴンミラー１７においてミラーの角度がわずかに変わるようにしておけば、ホログラム１１を通して照射されるレーザビームの位置がスキャン方向とは垂直方向にわずかに変化し、実施の形態１におけるガルバノスキャナで得られたのと同様の効果が得られる。
すなわち、この実施の形態２に係るビーム形成光学系により製造された薄膜トランジスタを用いれば、画面むら、動作不良が少ない液晶パネルやＬＣＤドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置が製造できる。
【００３４】
実施の形態３．
図６は、この発明の実施の形態３に係わるビーム形成光学系を示す図である。図中、１８は音響光学モジュレータである。
次に動作について説明する。レーザ発振器１４から出射されたレーザ光は音響光学モジュレータ１８を透過し、フーリエ変換型位相ホログラム１１に入射され、細線状ビームに整形された後、基板１３上に照射される。照射されたレーザビームは基板１３上に成膜されたアモルファスシリコンに吸収され、アモルファスシリコンを溶融したのち、固化する際にポリシリコンとなる。ところが照射レーザビームにはホログラムの製造プロセスの誤差による照射強度のバラツキによりポリシリコン結晶粒径、移動度、あるいは閾値電圧等にバラツキを生じる。しかし次のパルスが照射される時には、音響光学モジュレータ１８による回折効果によりビームの光軸がわずかに傾き、ホログラム１１を通して照射されるレーザビームの位置がスキャン方向とは垂直方向にわずかに変化し、実施の形態１におけるガルバノスキャナで得られたのと同様の効果が得られる。
すなわち、この実施の形態３に係るビーム形成光学系により製造された薄膜トランジスタを用いれば、画面むら、動作不良が少ない液晶パネルやＬＣＤドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置が製造できる。
【００３５】
実施の形態４．
図７は、この発明の実施の形態４に係わるビーム形成光学系を示す図である。図中、１９はアクチュエータである。
次に動作について説明する。レーザ発振器１４から出射されたレーザ光はフーリエ変換型位相ホログラム１１に入射され、細線状ビームに整形された後、基板１３上に照射される。照射されたレーザビームは基板１３上に成膜されたアモルファスシリコンに吸収され、アモルファスシリコンを溶融したのち、固化する際にポリシリコンとなる。ところが照射レーザビームにはホログラムの製造プロセスの誤差による照射強度のバラツキによりポリシリコン結晶粒径、移動度、あるいは閾値電圧等にバラツキを生じる。しかしこの実施の形態４においては、ホログラム１１はアクチュエータ１９によりわずかに光軸に対して傾くように構成されている。したがって、次のパルスが照射される時には、アクチュエータ１９によりホログラム１１は光軸に対してわずかに傾き、ホログラム１１を通して照射されるレーザビームの位置がスキャン方向とは垂直方向にわずかに変化し、実施の形態１におけるガルバノスキャナで得られたのと同様の効果が得られる。
すなわち、この発明に係るビーム形成光学系により製造された薄膜トランジスタを用いれば、画面むら、動作不良が少ない液晶パネルやＬＣＤドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置が製造できる。
【００３６】
なお、上記各実施の形態においては、ｎ型ポリシリコン薄膜トランジスタの移動度のバラツキについて述べたが、各実施の形態による光学系を用いてレーザアニールすることにより、ｐ型ポリシリコン薄膜トランジスタの場合においても、通常使用される５０ｃｍ2／Ｖ・ｓ 以上の範囲において、上記ポリシリコン薄膜トランジスタの移動度のバラツキが、これらの平均値の±１０％以内となるように構成でき、画面むら、動作不良が少ない液晶パネルやＬＣＤドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置が製造できる。
また、各実施の形態による光学系を用いてレーザアニールすることにより、ｎ型ポリシリコン薄膜トランジスタの閾値電圧が０．５Ｖ〜２Ｖの範囲において、上記ｎ型ポリシリコン薄膜トランジスタの閾値電圧のバラツキが、これらの平均値の±１０％以内となるように構成でき、画面むら、動作不良が少ない液晶パネルやＬＣＤドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置が製造できる。
さらに、各実施の形態による光学系を用いてレーザアニールすることにより、ｐ型ポリシリコン薄膜トランジスタの閾値電圧が−０．５Ｖ〜−２Ｖの範囲において、上記ｐ型ポリシリコン薄膜トランジスタの閾値電圧のバラツキが、これらの平均値の±１０％以内となるように構成でき、画面むら、動作不良が少ない液晶パネルやＬＣＤドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置が製造できる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、フーリエ変換型位相ホログラムを用いて第２の方向に沿って直線状に整形されたレーザビームを、前記第２の方向に直交する第１の方向に走査するとともに、前記第２の方向に沿って揺動させながらアモルファスシリコンのトランジスタ形成箇所に照射してレーザアニールすることを特徴とするポリシリコン薄膜トランジスタの製造方法としたので、移動度および閾値電圧が極めて均一なポリシリコン薄膜トランジスタが形成できる。
【００３８】
また、本発明によれば、アモルファスシリコンのトランジスタ形成箇所に照射するレーザビームをフーリエ変換型位相ホログラムを用いて第２の方向に沿って直線状に整形する手段と、整形された前記レーザビームを前記第２の方向に直交する第１の方向に走査する機構と、前記第１の方向に走査される前記レーザビームを前記第２の方向に揺動する機構と、を備えることを特徴とするレーザアニール装置としたので、移動度および閾値電圧が極めて均一なポリシリコン薄膜トランジスタが形成できるようになる。
【００３９】
また、本発明によれば、フーリエ変換型位相ホログラムを用いて第２の方向に沿って直線状に整形されたレーザビームを、前記第２の方向に直交する第１の方向に走査するとともに、前記第２の方向に沿って揺動させながらアモルファスシリコンのトランジスタ形成箇所に照射してレーザアニールすることにより製造されたポリシリコン薄膜トランジスタを備える液晶表示装置としたので、画面むら、動作不良が少ない液晶表示装置が実現できる。
【００４０】
また、本発明によれば、フーリエ変換型位相ホログラムを用いて第２の方向に沿って直線状に整形されたレーザビームを、前記第２の方向に直交する第１の方向に走査するとともに、前記第２の方向に沿って揺動させながらアモルファスシリコンのトランジスタ形成箇所に照射してレーザアニールすることにより製造されたポリシリコン薄膜トランジスタを備える液晶パネルとしたので、画面むら、動作不良が少ない液晶パネルが実現できる。
【００４１】
また、本発明によれば、フーリエ変換型位相ホログラムを用いて第２の方向に沿って直線状に整形されたレーザビームを、前記第２の方向に直交する第１の方向に走査するとともに、前記第２の方向に沿って揺動させながらアモルファスシリコンのトランジスタ形成箇所に照射してレーザアニールすることにより製造されたポリシリコン薄膜トランジスタを備えるＬＣＤドライバとしたので、画面むら、動作不良が少ないＬＣＤドライバが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による駆動回路一体型液晶表示装置を示す構成図である。
【図２】 この発明の実施の形態１に係わるビーム形成光学系を示す構成図である。
【図３】 この発明の実施の形態１に係わるポリシリコン薄膜トランジスタの製造方法を説明する説明図である。
【図４】 従来のポリシリコン薄膜トランジスタの製造方法を説明する説明図である。
【図５】 この発明の実施の形態２に係わるビーム形成光学系を示す構成図である。
【図６】 この発明の実施の形態３に係わるビーム形成光学系を示す構成図である。
【図７】 この発明の実施の形態４に係わるビーム形成光学系を示す構成図である。
【図８】 液晶パネルと駆動回路が一体となった液晶表示装置を製造するための部材を示す斜視図である。
【図９】 従来のレーザアニール装置を示す構成図である。
【図１０】 従来のフライアイレンズを用いたビーム形成光学系を示す構成図である。
【図１１】 従来のフライアイレンズを用いたビーム形成光学系におけるビーム強度分布の均一化の原理を示す説明図である。
【図１２】 レーザエネルギー密度とポリシリコンの移動度との相関を示す図である。
【図１３】 従来のフーリエ変換型位相ホログラムを用いたビーム形成光学系を示す構成図である。
【図１４】 従来のフーリエ変換型位相ホログラムを用いたビーム形成光学系におけるビーム強度分布の均一化の原理を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 液晶表示装置、２ アクティブマトリックス液晶パネル、３ アクティブマトリックス用ポリシリコン薄膜トランジスタ、４ データ側ドライバ、５ 走査側ドライバ、６ 液晶、１０ レンズ、１１ フーリエ変換型位相ホログラム、１２ ビーム整形光学系、１３ 基板、１４ レーザ発振器、１５ ミラー、１６ ガルバノスキャナのミラー、１７ ポリゴンミラー、１８ 音響光学モジュレータ、１９ アクチュエータ。
【発明の属する技術分野】
この発明は、液晶パネルとこの液晶パネルを駆動するＬＣＤドライバとを備えた液晶表示装置、および液晶パネル、およびＬＣＤドライバ、およびこれら液晶表示装置や液晶パネルやＬＣＤドライバにおいて使用されるポリシリコン薄膜トランジスタの製造方法、および上記ポリシリコン薄膜トランジスタの製造にあたって用いられるレーザアニール装置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必要がある。また画素数が増加するに従い、画素へ表示信号に応じた充電電圧を充電するために許容される時間も短くなり、薄膜トランジスタのオン抵抗を極力小さくする必要がある。このため、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、上記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表示装置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は固相成長法とレーザ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、レーザアニール法が有用である。レーザアニール法は、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、溶融再結晶化する方法であり、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、低温ポリシリコン薄膜トランジスタの製造法として期待されている。図８は液晶パネルと駆動回路が一体となった液晶表示装置を製造するための部材を示す斜視図であり、図において、１００は駆動ＩＣ、２００は画素を作り込むディスプレイ部分である。
【０００４】
ところで、上記ディスプレイ部分２００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全域を一度にレーザ照射するには、極めて大出力のレーザが必要となるため、通常はレーザビームを整形し、均一強度分布をもつ細線状ビームに変換して、その細線状ビームを一部重ねながらずらしていくことにより全域をアニールする手法がとられている。図９は、レーザアニール装置の一例を示すものであり、例えばレーザとしてエキシマレーザ１０１を用い、レーザビームをビームホモジナイザ１０３を含む光学系１０４を通し、真空チャンバ１０５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１０７やガス系１０６を有する。ビーム走査は基板１１０を置くステージをステージコントローラ１０８により移動させて行なう。なお、１０９はステージコントローラ１０８やレーザコントローラ１０２を制御するコンピュータである。
【０００５】
一般に、細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形成光学系としてはフライアイレンズとシリンドリカル状のコンデンサレンズが用いられている。図１０は、例えば「最新レーザ加工技術総覧」（産業技術サービスセンター発行）の２３１〜２３３頁に示されたビームホモジナイザーである。図において、１３は基板、１４はレーザ発振器、５１はフライアイレンズ、５２はコンデンサレンズとして用いるシリンドリカルレンズ、５３は入射レーザビームの強度分布である。
【０００６】
次に、このフライアイレンズ方式ビームホモジナイザの動作について説明する。レーザ発振器１４から出射されたレーザビームは、多数（図１０ではＡ〜Ｅの５個）の四角形あるいはシリンドリカルレンズが光軸と直交する横断面に束ねられた、いわゆるフライアイレンズ５１で波面が分割される。分割されたレーザビームは上記フライアイレンズ５１の焦点位置で集光された後、上記フライアイレンズ５１と共焦点になっているコンデンサレンズ５２に入射され、このコンデンサレンズ５２の像側の焦点に置かれた基板１３上において、分割された各レーザビームを再び重ね合せることにより均一なレーザビームを形成する。図１１にＡ〜Ｅに分割されたレーザビームの基板上でのレーザビームの強度分布とこれらを重ねあわせた後のレーザビームの強度分布を示す。本方式では、分割されたレーザビームのうち、図１１のＡとＥ、ＢとＤのように光軸に対して対称なもの同士では対称な強度分布をもつので、これらを各々重ねあわせることにより均一性を確保する。このため、入射レーザビームが光軸に対し対称であること、および入射レーザビームの光軸とフライアイレンズの中心軸が正確に一致していることが必要である。これら条件が満たされたレーザアニール装置では、通常５分割〜１１分割程度にレーザビームを分割するフライアイレンズを用いて、レーザビーム強度の均一度は約±５％が達成されている。
【０００７】
一般にレーザアニールで良く用いられるエキシマレーザの場合、励起放電を生ぜしめるための放電電極がレーザの運転とともに経時的に不均一に消耗し、入射レーザビームの光軸に対する対称性が損なわれてしまう。また光学系を構成するミラー、レンズなどが振動、熱などにより変位した場合も、入射レーザビームの光軸とフライアイレンズの中心軸の相対位置が変位してしまい、結果として基板上でのレーザビーム強度分布が経時的に不均一なものとなり、±５％以上の不均一性が生じる。
【０００８】
すなわち、本方式によりレーザアニールを行ない、ポリシリコン膜を形成して得られたポリシリコン薄膜トランジスタを有する液晶パネルやドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置においては、経時的なレーザビームの強度分布変化によりポリシリコンの結晶粒径、移動度、および閾値電圧にバラツキが生じる。図１２にポリシリコン化のために照射されるレーザエネルギー密度と、そのレーザビームを用いてｎ型薄膜トランジスタを形成したときの移動度との関係を示す。ｎ型ポリシリコン薄膜トランジスタの移動度として通常必要とされる１００ｃｍ2／Ｖ・ｓ 以上の範囲において、移動度のバラツキは、±５％の照射強度のバラツキに対し±１６％以上と大きくなるため、特性にむらがある液晶パネルやドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置が製造されてしまうことになる。また、ｐ型ポリシリコン薄膜トランジスタの場合においても、移動度として通常必要とされる５０ｃｍ2／Ｖ・ｓ 以上の範囲で、±５％の照射強度のバラツキに対し、同様の移動度のバラツキが生じ、特性にむらがある液晶パネルやドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置が製造されてしまうことになる。
【０００９】
ところで、薄膜トランジスタを流れる電流Ｉdは、
Ｉd＝μ・（Ｗ／Ｌ）・Ｃox・｛（Ｖg−Ｖth）・Ｖd−Ｖd 2／２｝・・・（１）
で表される。ここでμ、Ｖthはポリシリコンあるいはアモルファスシリコンの特性で決まる移動度および閾値電圧であり、Ｗ、Ｌはそれぞれチャネル部の幅と長さ、Ｃoxはゲート酸化膜の静電容量、Ｖgはゲートに印加される電圧、Ｖdはドレインに印加される電圧である。
今、Ｖd＝Ｖg−Ｖth（ピンチオフ領域）を仮定すると式（１）は、
Ｉd＝μ・（Ｗ／Ｌ）・Ｃox・（Ｖg−Ｖth）・Ｖd／２・・・（２）
となり、結局薄膜トランジスタの抵抗値Ｒ（＝Ｉd／Ｖd）は
Ｒ＝２・Ｌ／｛μ・Ｗ・Ｃox・（Ｖg−Ｖth）｝
で表される。
薄膜トランジスタに負荷容量Ｃが接続されている場合は、充電の時定数τは
【００１０】
ここでアクティブマトリックス用スイッチとして薄膜トランジスタを考えると、負荷容量は画素となり、典型的には１ｐＦ程度の静電容量をもつ。ポリシリコン薄膜トランジスタの抵抗値は数ｋΩであるので、充電時定数τは式（３）より数ナノ秒となる。いわゆる点順次駆動のＸＧＡ級液晶パネルの場合、１画素の充電に許される時間は２０ナノ秒程度であり、充電時定数の数倍の時間しか許容されない。前述したように、従来の上記液晶パネルにおいてはポリシリコン薄膜トランジスタの移動度に±１６％以上のバラツキがあるので、平均充電時定数を５ナノ秒（すなわち抵抗値Ｒ＝５ｋΩ）とすれば、ポリシリコン薄膜トランジスタの移動度のバラツキにより抵抗値もばらつくため、最高、最低時定数は式（３）よりそれぞれ４．２ナノ秒、５．８ナノ秒となる。許容充電時間２０ナノ秒後の充電電圧は、Ｖ＝Ｖ0 （１―ｅｘｐ（−τ／ＣＲ））で求められ、４．２ナノ秒の場合、Ｖ＝０．９９１Ｖ0、５．８ナノ秒の場合、Ｖ＝０．９６８Ｖ0であり、２．４％のバラツキが生じてしまうことになる（Ｖ0 はソース・ドレイン間に印加される電圧）。これは、画素への充電電圧を最大４Ｖとした時、少なくとも９５ｍＶの変動が存在することを意味し、これによる画面むらが問題となっている。
【００１１】
一方、ビーム形成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。図１３に例えば特開平８−１４８４２３号公報に示されたビーム形成光学系を示す。図において、１０はレンズ、１１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）、１２はレンズ１０及びホログラム１１から構成されるビーム整形光学系である。即ち、レンズ１０及びホログラム１１はアニーリング加工対象物１３上で長手方向に均一なレーザ強度分布を有する細線状レーザビームを得るためのビーム整形光学系１２を構成している。
【００１２】
次に動作について説明する。レーザ発振器１４から発せられたレーザ光は、レンズ１０及びホログラム１１から構成されるビーム整形光学系１２を通る。この際、レーザ光はレンズ１０によって基板１３上に照射されるが、レンズ１０と基板１３との間に設けられたホログラム１１によって基板１３上に一直線に並んだいくつもの重なり合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１１は、それぞれの照射スポットを基板１３上の任意の位置に、任意の強度で配置することができる。図１４は図１３のレーザビーム整形光学系１２で整形され、液晶パネルに照射されるレーザビーム形状を示す図である。図１４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１１を用い、さらに照射スポットの重なり合わせピッチを均等なピッチとすることにより（図１４（ｂ））、基板１３上で長手方向に均一になるようなレーザビーム（図１４（ａ））を得ることができる。通常のホログラム１１ではレーザビームは４００〜８００の照射スポットに分割され、レーザビームの照射強度のバラツキは±３〜５％に抑えられる。
【００１３】
上記のようなレーザビーム形成光学系においては、励起放電を生ぜしめるための放電電極がレーザの運転とともに不均一に消耗し、入射レーザビームの光軸に対する対称性が損なわれた場合には、各々の照射スポット形状がそれに応じて変化するが、これら照射スポットは多数重ね合わされているので、重ね合わされた結果としての基板上のレーザビーム強度分布の均一性は変化しない。同様に光学系を構成するミラー、レンズなどが振動、熱などにより変位した時に生じる可能性のある、ホログラムの中心軸と入射レーザビームの光軸がずれた場合にも、レーザビームがホログラムからはずれない限り基板上のレーザビーム強度分布の均一性は経時的に変化しない。
【００１４】
したがって、上記方式によりレーザアニールを行なった液晶パネルやドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置においては、フライアイレンズを用いた方式に比べ、経時的な入射レーザビームの変化、あるいは光軸の変化によりレーザビームの強度分布は変化せず、ポリシリコン薄膜トランジスタの移動度および閾値電圧はそのバラツキ度合いが変化せず、初期状態と同様の均一な液晶パネルやドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置を製造することができる。
しかしながら、このようなホログラムを用いたビーム形成光学系によりレーザアニールを行う場合にも、前述のようにレーザビームの照射強度のバラツキは±３〜５％であり、このためｎ型ポリシリコン薄膜トランジスタの場合、移動度として通常必要とされる１００ｃｍ2／Ｖ・ｓ 以上の範囲で、上記移動度に±１０％以上のバラツキが生じてしまう。この結果、最大５６ｍＶ程度の充電電圧のバラツキが生じることになり、画面むらが依然問題となってくる。ｐ型ポリシリコン薄膜トランジスタの場合においても、移動度として通常必要とされる５０ｃｍ2／Ｖ・ｓ 以上の範囲で、±３〜５％の照射強度のバラツキに対し、同様の移動度のバラツキが生じ、画面むらが依然問題となってくる。
【００１５】
このように、ホログラムを用いたビーム形成光学系によるレーザアニールを行なった液晶パネルやドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置においては、初期状態と同様のバラツキをもつ均一なものが製造できるが、ホログラムの製造工程に起因する±３〜５％程度のレーザビーム強度分布はあるので、これによるポリシリコン薄膜トランジスタの移動度および閾値電圧のバラツキを解消することは極めて困難であった。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、フライアイレンズを用いたビーム形成光学系によりレーザアニールを行なった液晶パネルやドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置においては、薄膜トランジスタの移動度が、ｎ型ポリシリコン薄膜トランジスタの場合、通常必要とされる１００ｃｍ2／Ｖ・ｓ 以上の範囲で、ｐ型ポリシリコン薄膜トランジスタの場合、通常必要とされる５０ｃｍ2／Ｖ・ｓ 以上の範囲で、または薄膜トランジスタの閾値電圧が、ｎ型ポリシリコン薄膜トランジスタの場合、通常使用される０．５Ｖ〜２Ｖの範囲で、ｐ型ポリシリコン薄膜トランジスタの場合、通常使用される−０．５Ｖ〜−２Ｖの範囲で、経時的なレーザビームの強度分布変化により上記ポリシリコン薄膜トランジスタの移動度および閾値電圧に±１６％以上のバラツキが生じるので、そのバラツキによる画面むら、動作不良がある液晶パネルやドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置が製造されてしまう。また、この経時変化を防ぐためにホログラムを用いたビーム形成光学系によりレーザアニールを行なった液晶パネルやドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置においても、ホログラムの製造工程に起因する±３〜５％程度のレーザビーム強度分布が生じるので、上記と同様、ポリシリコン薄膜トランジスタの移動度および閾値電圧に±１０％以上のバラツキが生じ、このバラツキによる画面むら、動作不良がある液晶パネルやドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置が製造されてしまうという問題点があった。
【００１７】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、画面むらの少ない液晶パネル、動作不良の少ないドライバ、および液晶表示装置を得ることを目的としており、さらにこれらデバイスを実現するに適したポリシリコン薄膜トランジスタの製造方法およびレーザアニール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】
本発明に係るポリシリコン薄膜トランジスタの製造方法は、フーリエ変換型位相ホログラムを用いて第２の方向に沿って直線状に整形されたレーザビームを、前記第２の方向に直交する第１の方向に走査するとともに、前記第２の方向に沿って揺動させながらアモルファスシリコンのトランジスタ形成箇所に照射してレーザアニールすることを特徴とするポリシリコン薄膜トランジスタの製造方法としたものである。
【００１９】
また、本発明に係るレーザアニール装置は、アモルファスシリコンのトランジスタ形成箇所に照射するレーザビームをフーリエ変換型位相ホログラムを用いて第２の方向に沿って直線状に整形する手段と、整形された前記レーザビームを前記第２の方向に直交する第１の方向に走査する機構と、前記第１の方向に走査される前記レーザビームを前記第２の方向に揺動する機構と、を備えることを特徴とするレーザアニール装置としたものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による液晶表示装置を示す図である。図１において、１は駆動回路一体型液晶表示装置、２はアクティブマトリックス液晶パネル、３はアクティブマトリックス用低温ｎ型ポリシリコン薄膜トランジスタであり、移動度が１００ｃｍ2／Ｖ・ｓ 以上で、かつ移動度のバラツキが±１０％以下に抑えられたポリシリコン薄膜トランジスタである。４は移動度のバラツキを±１０％以下に抑えた上記ポリシリコン薄膜トランジスタで構成されたデータ側ドライバ、５は移動度のバラツキを±１０％以下に抑えた上記ポリシリコン薄膜トランジスタで構成された走査側ドライバ、６は液晶である。
【００２７】
低温ポリシリコン薄膜トランジスタの移動度、あるいは閾値電圧が画素の充電特性に影響を与えることは既に述べた。またフーリエ変換型位相ホログラムの使用により、経時的なバラツキ、変動は抑制され、画面むら、動作不良も少なくできることも既に述べた。しかしながら前述したようにフーリエ変換型位相ホログラムの製造プロセスの誤差により、ホログラム方式を用いた場合も、なおレーザビーム強度に±３〜５％のバラツキを生じてしまう。
【００２８】
図２は、この発明の実施の形態１に係わるビーム形成光学系を示す図であり、移動度のバラツキを±１０％以下に抑えたポリシリコン薄膜トランジスタを形成するための光学系を示すものである。図において、１０はレンズ、１１はフーリエ変換型位相ホログラム、１２はビーム整形光学系、１３は基板、１４はエキシマレーザ発振器、１５はミラー、１６はガルバノスキャナのミラーである。
【００２９】
次に動作について説明する。エキシマレーザ発振器１４から出射されたレーザ光はミラー１５によりガルバノスキャナのミラー１６に導かれる。レーザビームはガルバノスキャナのミラー１６で反射され、フーリエ変換型位相ホログラム１１に入射され、細線状ビームに整形された後、基板１３上に照射される。照射されたレーザビームは基板１３上に成膜されたアモルファスシリコンに吸収され、アモルファスシリコンを溶融したのち、固化する際にポリシリコンとなる。ところが照射レーザビームにはホログラムの製造プロセスの誤差による照射強度のバラツキによりポリシリコン結晶粒径、移動度、あるいは閾値電圧等にバラツキを生じる。次のパルスが照射される時には、ガルバノスキャナによりミラー１６の角度がわずかに変わりホログラム１１を通して照射されるレーザビームの位置がスキャン方向とは垂直方向にわずかに変化するため、前のショットで生じた結晶粒径、移動度、あるいは閾値電圧等の分布もわずかに変化する。これを繰り返すことにより基板全面にわたり結晶粒径、移動度、あるいは閾値電圧等のバラツキは低減される。
【００３０】
図３および図４により、本実施の形態に係わるレーザアニール方法（図３）と従来のレーザアニール方法（図４）との違いを説明する。
図３、図４において、２０１はホログラム方式により形成された細線状のレーザビームを示し、２０２は上記レーザビーム２０１においてレーザビーム強度が強い部分、２０３は上記レーザビーム２０１においてレーザビーム強度が弱い部分である。本実施の形態においては、レーザビーム２０１の位置をショット毎にレーザビーム走査方向２０８と直交する方向に揺動させているので、基板２０５上に照射されたレーザビームの強度分布は、図３の２０４に示すように偏ることなく平均化された状態となる。その結果、基板２０５上にある各アモルファスシリコン薄膜トランジスタ２０６には種々の強度を有するレーザビームが照射され、移動度が平均化したポリシリコン薄膜トランジスタ２０７が形成され、移動度のバラツキが±１０％以下に抑えられることとなる。
これに対して、従来の方法では、レーザビーム２０１の位置が一定の状態で基板２０５上をスキャンするので、基板２０５上に照射されたレーザビームの強度分布は、図４の２０９に示すように偏った状態となる。その結果、基板２０５上にある各アモルファスシリコン薄膜トランジスタ２０６には各トランジスタ毎に異なる強度を有するレーザビームが照射され、例えば移動度が相対的に高いポリシリコン薄膜トランジスタ３０１と移動度が相対的に低いポリシリコン薄膜トランジスタ３０２とが形成されることとなり、形成されたポリシリコン薄膜トランジスタの特性にバラツキが生じる結果となる。
【００３１】
図１に示した液晶表示装置は、図２のようなビーム形成光学系を用いたレーザアニール方法、およびレーザアニール装置により製造さた薄膜トランジスタを用いているので、形成されたポリシリコン薄膜トランジスタの特性にバラツキがなく、画面むら、動作不良が少ない液晶表示装置が得られることとなる。
【００３２】
なお、この実施の形態においてはアクティブマトリックス液晶パネル、データ側ドライバ、および走査側ドライバに、上記レーザアニール方法により製造されたポリシリコン薄膜トランジスタを用い、かつ同一ガラス基板上にこれらを形成したいわゆる駆動回路一体型液晶表示装置を示したが、これらの一部分に上記レーザアニール方法により製造されたポリシリコン薄膜トランジスタを用いてもよい。
また、少なくともその一部をポリシリコン薄膜トランジスタで形成したデータ側ドライバ、走査側ドライバ、あるいは液晶パネル単体においても同様に画面むらを起こしにくく、動作不良が少ないＬＣＤドライバや液晶パネルが実現できる。
【００３３】
実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２に係わるビーム形成光学系を示す図である。図中、１７はポリゴンミラーである。
次に動作について説明する。レーザ発振器１４から出射されたレーザビームはポリゴンミラー１７で反射され、フーリエ変換型位相ホログラム１１に入射され、細線状ビームに整形された後、基板１３上に照射される。照射されたレーザビームは基板１３上に成膜されたアモルファスシリコンに吸収され、アモルファスシリコンを溶融したのち、固化する際にポリシリコンとなる。ところが照射レーザビームにはホログラムの製造プロセスの誤差による照射強度のバラツキによりポリシリコン結晶粒径、移動度、あるいは閾値電圧等にバラツキを生じる。しかし次のパルスが照射される時に、ポリゴンミラー１７においてミラーの角度がわずかに変わるようにしておけば、ホログラム１１を通して照射されるレーザビームの位置がスキャン方向とは垂直方向にわずかに変化し、実施の形態１におけるガルバノスキャナで得られたのと同様の効果が得られる。
すなわち、この実施の形態２に係るビーム形成光学系により製造された薄膜トランジスタを用いれば、画面むら、動作不良が少ない液晶パネルやＬＣＤドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置が製造できる。
【００３４】
実施の形態３．
図６は、この発明の実施の形態３に係わるビーム形成光学系を示す図である。図中、１８は音響光学モジュレータである。
次に動作について説明する。レーザ発振器１４から出射されたレーザ光は音響光学モジュレータ１８を透過し、フーリエ変換型位相ホログラム１１に入射され、細線状ビームに整形された後、基板１３上に照射される。照射されたレーザビームは基板１３上に成膜されたアモルファスシリコンに吸収され、アモルファスシリコンを溶融したのち、固化する際にポリシリコンとなる。ところが照射レーザビームにはホログラムの製造プロセスの誤差による照射強度のバラツキによりポリシリコン結晶粒径、移動度、あるいは閾値電圧等にバラツキを生じる。しかし次のパルスが照射される時には、音響光学モジュレータ１８による回折効果によりビームの光軸がわずかに傾き、ホログラム１１を通して照射されるレーザビームの位置がスキャン方向とは垂直方向にわずかに変化し、実施の形態１におけるガルバノスキャナで得られたのと同様の効果が得られる。
すなわち、この実施の形態３に係るビーム形成光学系により製造された薄膜トランジスタを用いれば、画面むら、動作不良が少ない液晶パネルやＬＣＤドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置が製造できる。
【００３５】
実施の形態４．
図７は、この発明の実施の形態４に係わるビーム形成光学系を示す図である。図中、１９はアクチュエータである。
次に動作について説明する。レーザ発振器１４から出射されたレーザ光はフーリエ変換型位相ホログラム１１に入射され、細線状ビームに整形された後、基板１３上に照射される。照射されたレーザビームは基板１３上に成膜されたアモルファスシリコンに吸収され、アモルファスシリコンを溶融したのち、固化する際にポリシリコンとなる。ところが照射レーザビームにはホログラムの製造プロセスの誤差による照射強度のバラツキによりポリシリコン結晶粒径、移動度、あるいは閾値電圧等にバラツキを生じる。しかしこの実施の形態４においては、ホログラム１１はアクチュエータ１９によりわずかに光軸に対して傾くように構成されている。したがって、次のパルスが照射される時には、アクチュエータ１９によりホログラム１１は光軸に対してわずかに傾き、ホログラム１１を通して照射されるレーザビームの位置がスキャン方向とは垂直方向にわずかに変化し、実施の形態１におけるガルバノスキャナで得られたのと同様の効果が得られる。
すなわち、この発明に係るビーム形成光学系により製造された薄膜トランジスタを用いれば、画面むら、動作不良が少ない液晶パネルやＬＣＤドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置が製造できる。
【００３６】
なお、上記各実施の形態においては、ｎ型ポリシリコン薄膜トランジスタの移動度のバラツキについて述べたが、各実施の形態による光学系を用いてレーザアニールすることにより、ｐ型ポリシリコン薄膜トランジスタの場合においても、通常使用される５０ｃｍ2／Ｖ・ｓ 以上の範囲において、上記ポリシリコン薄膜トランジスタの移動度のバラツキが、これらの平均値の±１０％以内となるように構成でき、画面むら、動作不良が少ない液晶パネルやＬＣＤドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置が製造できる。
また、各実施の形態による光学系を用いてレーザアニールすることにより、ｎ型ポリシリコン薄膜トランジスタの閾値電圧が０．５Ｖ〜２Ｖの範囲において、上記ｎ型ポリシリコン薄膜トランジスタの閾値電圧のバラツキが、これらの平均値の±１０％以内となるように構成でき、画面むら、動作不良が少ない液晶パネルやＬＣＤドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置が製造できる。
さらに、各実施の形態による光学系を用いてレーザアニールすることにより、ｐ型ポリシリコン薄膜トランジスタの閾値電圧が−０．５Ｖ〜−２Ｖの範囲において、上記ｐ型ポリシリコン薄膜トランジスタの閾値電圧のバラツキが、これらの平均値の±１０％以内となるように構成でき、画面むら、動作不良が少ない液晶パネルやＬＣＤドライバ、あるいはこれらを備えた液晶表示装置が製造できる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、フーリエ変換型位相ホログラムを用いて第２の方向に沿って直線状に整形されたレーザビームを、前記第２の方向に直交する第１の方向に走査するとともに、前記第２の方向に沿って揺動させながらアモルファスシリコンのトランジスタ形成箇所に照射してレーザアニールすることを特徴とするポリシリコン薄膜トランジスタの製造方法としたので、移動度および閾値電圧が極めて均一なポリシリコン薄膜トランジスタが形成できる。
【００３８】
また、本発明によれば、アモルファスシリコンのトランジスタ形成箇所に照射するレーザビームをフーリエ変換型位相ホログラムを用いて第２の方向に沿って直線状に整形する手段と、整形された前記レーザビームを前記第２の方向に直交する第１の方向に走査する機構と、前記第１の方向に走査される前記レーザビームを前記第２の方向に揺動する機構と、を備えることを特徴とするレーザアニール装置としたので、移動度および閾値電圧が極めて均一なポリシリコン薄膜トランジスタが形成できるようになる。
【００３９】
また、本発明によれば、フーリエ変換型位相ホログラムを用いて第２の方向に沿って直線状に整形されたレーザビームを、前記第２の方向に直交する第１の方向に走査するとともに、前記第２の方向に沿って揺動させながらアモルファスシリコンのトランジスタ形成箇所に照射してレーザアニールすることにより製造されたポリシリコン薄膜トランジスタを備える液晶表示装置としたので、画面むら、動作不良が少ない液晶表示装置が実現できる。
【００４０】
また、本発明によれば、フーリエ変換型位相ホログラムを用いて第２の方向に沿って直線状に整形されたレーザビームを、前記第２の方向に直交する第１の方向に走査するとともに、前記第２の方向に沿って揺動させながらアモルファスシリコンのトランジスタ形成箇所に照射してレーザアニールすることにより製造されたポリシリコン薄膜トランジスタを備える液晶パネルとしたので、画面むら、動作不良が少ない液晶パネルが実現できる。
【００４１】
また、本発明によれば、フーリエ変換型位相ホログラムを用いて第２の方向に沿って直線状に整形されたレーザビームを、前記第２の方向に直交する第１の方向に走査するとともに、前記第２の方向に沿って揺動させながらアモルファスシリコンのトランジスタ形成箇所に照射してレーザアニールすることにより製造されたポリシリコン薄膜トランジスタを備えるＬＣＤドライバとしたので、画面むら、動作不良が少ないＬＣＤドライバが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による駆動回路一体型液晶表示装置を示す構成図である。
【図２】 この発明の実施の形態１に係わるビーム形成光学系を示す構成図である。
【図３】 この発明の実施の形態１に係わるポリシリコン薄膜トランジスタの製造方法を説明する説明図である。
【図４】 従来のポリシリコン薄膜トランジスタの製造方法を説明する説明図である。
【図５】 この発明の実施の形態２に係わるビーム形成光学系を示す構成図である。
【図６】 この発明の実施の形態３に係わるビーム形成光学系を示す構成図である。
【図７】 この発明の実施の形態４に係わるビーム形成光学系を示す構成図である。
【図８】 液晶パネルと駆動回路が一体となった液晶表示装置を製造するための部材を示す斜視図である。
【図９】 従来のレーザアニール装置を示す構成図である。
【図１０】 従来のフライアイレンズを用いたビーム形成光学系を示す構成図である。
【図１１】 従来のフライアイレンズを用いたビーム形成光学系におけるビーム強度分布の均一化の原理を示す説明図である。
【図１２】 レーザエネルギー密度とポリシリコンの移動度との相関を示す図である。
【図１３】 従来のフーリエ変換型位相ホログラムを用いたビーム形成光学系を示す構成図である。
【図１４】 従来のフーリエ変換型位相ホログラムを用いたビーム形成光学系におけるビーム強度分布の均一化の原理を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 液晶表示装置、２ アクティブマトリックス液晶パネル、３ アクティブマトリックス用ポリシリコン薄膜トランジスタ、４ データ側ドライバ、５ 走査側ドライバ、６ 液晶、１０ レンズ、１１ フーリエ変換型位相ホログラム、１２ ビーム整形光学系、１３ 基板、１４ レーザ発振器、１５ ミラー、１６ ガルバノスキャナのミラー、１７ ポリゴンミラー、１８ 音響光学モジュレータ、１９ アクチュエータ。
Claims (7)
- フーリエ変換型位相ホログラムを用いて第２の方向に沿って直線状に整形されたレーザビームを、前記第２の方向に直交する第１の方向に走査するとともに、前記第２の方向に沿って揺動させながらアモルファスシリコンのトランジスタ形成箇所に照射してレーザアニールすることを特徴とするポリシリコン薄膜トランジスタの製造方法。
- フーリエ変換型位相ホログラムに入射されるレーザビームの角度を変動することにより、レーザビームを第２の方向に沿って揺動させることを特徴とする請求項１に記載のポリシリコン薄膜トランジスタの製造方法。
- アモルファスシリコンのトランジスタ形成箇所に照射するレーザビームをフーリエ変換型位相ホログラムを用いて第２の方向に沿って直線状に整形する手段と、整形された前記レーザビームを前記第２の方向に直交する第１の方向に走査する機構と、前記第１の方向に走査される前記レーザビームを前記第２の方向に揺動する機構と、を備えることを特徴とするレーザアニール装置。
- 第２の方向に揺動する機構は、フーリエ変換型位相ホログラムに入射されるレーザビームの角度を変動する機構を用いることを特徴とする請求項３に記載のレーザアニール装置。
- 請求項１に記載のポリシリコン薄膜トランジスタの製造方法を用いて製造されたポリシリコン薄膜トランジスタを備えることを特徴とする液晶表示装置。
- 請求項１に記載のポリシリコン薄膜トランジスタの製造方法を用いて製造されたポリシリコン薄膜トランジスタを備えることを特徴とする液晶パネル。
- 請求項１に記載のポリシリコン薄膜トランジスタの製造方法を用いて製造されたポリシリコン薄膜トランジスタを備えることを特徴とするＬＣＤドライバ。
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