JP3865803B2

JP3865803B2 - 光処理方法および半導体装置の作製方法

Info

Publication number: JP3865803B2
Application number: JP24376295A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1995-08-29
Filing date: 1995-08-29
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2015-08-29
Also published as: JPH0963985A; US5820650A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本明細書で開示する発明は、基板上に形成された被照射物に対してレーザー光や強光を照射するための装置に関する。またその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザー光を利用して微細加工や各種アニール等を行う技術が知られている。このような技術の具体的な例としては、ガラス基板上に成膜された非晶質珪素膜に対してレーザー光を照射し、結晶性珪素膜に変成する技術がある。また、ガラス基板上に形成された珪素膜（非晶質珪素膜や結晶性珪素膜）を利用して薄膜トランジスタを作製する際におけるソースおよびドレイン領域の活性化にレーザー光の照射を行なう技術が知られている。
【０００３】
前者の技術は、ガラス基板上にまず非晶質珪素膜をプラズマＣＶＤ法等で成膜し、その後にレーザー光の照射を行うことにより、非晶質珪素膜を結晶性珪素膜に変成するものである。
【０００４】
一般にレーザー光の照射を行う場合、光学系によりレーザー光のビーム形状を所定の形状に変形する。この際、レーザー光の焦点が合う深さ方向の範囲（この長さを焦点深度[depth of focus]と定義する）は、数１０μｍ〜１００μｍ程度となる。勿論、この焦点深度は、光学系の構成やビーム形状、さらにはその断面積によって変化する。特に大面積に照射を行うために光学系によりビーム形状を拡大した場合に焦点深度は小さくなる。従って、被照射面が大面積化すると焦点の位置を合わせることが困難となる。
【０００５】
現状において非晶質珪素膜のような平面に対してレーザー光を照射する場合は、非晶質珪素膜の表面の凹凸を少なくとも１００μｍ程度以下、好ましくはそれよりさらに小さい寸法に抑える必要がある。即ち、凹凸を一定の範囲内に抑えないと、被照射面がレーザービームの焦点範囲から外れてしまい、所定のアニール効果を得ることができない。そして凹凸に従ってアニール効果にバラツキが生じてしまうことになる。このようなことは、不均一な結晶性を有した結晶性珪素膜を得る原因となってしまう。
【０００６】
この問題を解決するには、平滑性の優れた基板を用いることが有用である。しかし、一般に液晶電気光学装置に利用されるような安価なガラス基板は、その平滑性があまりよくない。この平滑性を改善するためには、表面を研磨して平滑にする方法があるが、そもそも上記のような安価なガラス基板は、構成材料の均質性がよくないので、レーザー光の照射時における加熱によって、やはり微小な凹凸は生じてしまう。また、必要とするような平滑性を出すための研磨工程は生産コストを上昇させることにもなり、生産技術としては好ましいものではない。
【０００７】
またレーザー光の変わりに紫外線や赤外線等の光を照射することにより、各種アニールを施す技術が知られているが、この場合にも上記の問題は生じる。ただし、焦点深度が基板の変形よりもはるかに大きい場合には上記の問題は特に生じない。
【０００８】
【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、基板の微小な凹凸の影響を排除して、レーザー光や強光の照射の効果を一定なものとする技術を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本明細書で開示する発明は、ガラス基板を強制的に変形させることによって、レーザー光や強光の照射時に一定の形状とすることを特徴とする。そして、レーザー光や強光の照射をこの変形させた形状に合わせて行なうことで、常に一定の効果をガラス基板の全面に渡って得ることを特徴とする。
【００１０】
本明細書で開示する発明においては、レーザー光または強光の照射を行なう対象として、ガラス基板上に形成された非晶質珪素膜、結晶性珪素膜、作製途中のデバイス（例えば薄膜トランジスタや薄膜ダイオード）を挙げることができる。
【００１１】
本明細書で開示する発明が特に有用なのは、基板として安価なガラス基板を利用した場合である。さらにその面積が大面積化するほど有用である。さらに、照射されるレーザー光や強光の焦点深度が小さい場合に有効となる。
【００１２】
本明細書で開示する発明の一つは、レーザー光または強光を照射する装置であって、気体の圧力差を利用してガラス基板を変形させる手段と、前記変形したガラス基板に対してレーザー光を照射する手段と、を有することを特徴としている。
【００１３】
上記構成を備えた構成を図１に示す。図１において（Ａ）と（Ｂ）は９０度異なった断面を示すものである。図１に示す構成においては、レーザー光源１１４からのレーザー光が加熱されたヘリウムガスによって強制的に変形したガラス基板１０３に対して照射される。この場合、ガラス基板を所定の形状に変形させることができるので、ガラス基板毎に異なるその形状の影響を排除することができる。
【００１４】
他の発明の構成は、
レーザー光または強光を照射する装置であって、
気体の圧力差を利用してガラス基板を強制的に変形させる手段と、
前記変形したガラス基板に対してその焦点距離を変化させつつレーザー光または強光を走査して照射する手段と、
を有することを特徴とする。
【００１５】
上記構成の具体的な例を図１に示す。図１に示す構成においては、ヒーター１１０によって加熱されたヘリウムガスによってガラス基板１０３が加熱され、所定の形状に変形される。そして、レーザー光が照射される際において、装置を構成する筐体１０１がガイドレール１１３に沿って移動する。またそれと同時に昇降装置１１１によって、筐体１０１が上下に微動する。こうすることにより、レーザー光が走査されて照射される。さらにその走査してのレーザー光の照射中において、被照射面が常に焦点深度の範囲内となる。
【００１６】
本明細書で開示する発明においては、ガラス基板に圧力を加えると同時に加熱する手段として利用する気体としてヘリウムを用いることが好ましい。これはヘリウムの熱伝導率が３００Ｋにおいて１５１０Ｗｍ^-1Ｋ^-1と大きいからである。熱伝導率が１０００Ｗｍ^-1Ｋ^-1以上ある気体としては、ヘリウムの他にＤ₂（３００Ｋにおいて１４０６Ｗｍ^-1Ｋ^-1）、Ｈ₂（３００Ｋにおいて１８１５Ｗｍ^-1Ｋ^-1）等があり、これらの気体を用いることもできる。しかし、安全性を考慮した場合、ヘリウムを用いることが好ましい。
【００１７】
また本明細書に開示する発明において、強制的に変形させられたガラス基板の形状に沿って焦点深度の分布を設定することは有用である。例えば、ビームの形状を線状のレーザービームとし、このビームの長手方向に直角な方向に走査しながらレーザー光の照射を行なう場合において、レーザービームの長手方向における焦点深度の分布を被照射面を有するガラス基板の湾曲の形状に沿ったものとして設定する。すると、レーザービームの長手方向におけるアニール効果の均一性を高めることができる。
【００１８】
本明細書で開示する他の発明は、
加熱された気体の圧力を利用してガラス基板を所定の形状に強制的に変形した状態で前記ガラス基板上に形成された半導体膜に対してレーザー光または強光を照射することを特徴とする。
【００１９】
【作用】
図１に示す装置を用いてレーザー光を照射する場合において、室１０７の圧力を室１０８の圧力に比較して減圧状態とし、さらに室１０８内にヒーター１１０によって加熱されたヘリウムガスを循環させる。このようにすると、室１０８からの圧力とヘリウムガスによる加熱によって、ガラス基板１０３が凸状に変形する。
【００２０】
このガラス基板の変形は、ガラス基板が有している凹凸にほとんど関係無く一定なものとすることができる。従って、所定の焦点深度にレーザービームを調整し、さらにガラス基板の形状に合わせて筐体を上下させながら移動させ、この際にレーザー光を照射することで、焦点深度内に被照射面を存在させつつ、レーザー光を走査して照射することができる。即ち高い均一性でもって、レーザー光の照射によるアニールを行うことができる。
【００２１】
この方法は、被照射面を有するガラス基板を所定の形状に強制的に変形させ、その所定の形状に合うようにレーザー光の焦点深度と照射時の走査方法を設定することにより、被照射面を常に焦点深度内に存在させるものである。そして均一性の高いアニールを実現するものである。
【００２２】
【実施例】
図１に本実施例で示すレーザー光の照射装置について示す。図１に示す装置は、ガラス基板上に形成された珪素膜や作製途中の半導体装置に対してレーザー光の照射によるアニールを行う装置である。図１において（Ａ）と（Ｂ）はそれぞれ９０度異なる角度から見た断面を示すものである。
【００２３】
図１に示すレーザー光の照射装置は、ガラス基板１０３が枠１０４によって筐体１０１に固定されており、この筐体１０１が線状のレーザー光１０６の照射時に昇降装置１１１によって上下しながらガイドレール１１３に沿って移動する構成を有している。
【００２４】
また筐体内は１０７と１０８の２室に分けられている。１０７で示される室は気密性を有しており、減圧状態にできるように排気ポンプ１０５を備えている。また、１０８で示される室は、ポンプ１０９によって室内にヘリウムガスを循環させることができる構成を有している。室１０８内を循環するヘリウムガスは、ヒーター１１０によって加熱される。そして、その加熱されたヘリウムガスによってガラス基板を加熱する構成となっている。
【００２５】
ここでは、室１０７を減圧にし、室１０８を特に加圧も減圧も行わない構成とする。基本的には、室１０７を室１０８に比較して相対的に減圧状態とできればよい。なお室１０７の気密性は、室１０８との圧力差を１／２気圧程度、好ましくは９／１０気圧程度とできる程度にする。
【００２６】
レーザー光は光源（発振器）１１４で発振されたエキシマレーザー（例えばＫｒＦエキシマレーザーが利用される）が光学系１１５によって長尺状（線状）にビーム加工される。そしてさらにミラー１１６によって反射され石英製の窓１０２を通してガラス基板に対して照射される。
【００２７】
線状のレーザービームの形状としては、例えば幅が１ｃｍで長さは３０ｃｍであるような形状とする。このような形状とするのは、一方向に走査することによって、基板の全体に対してレーザー光の照射が行えるからである。このような照射方法を採用すると、レーザー光の照射方法が簡単化され、高い生産性を得ることができる。
【００２８】
図１に示す装置を利用するには、まず室１０７と１０８とを所定の差圧状態とし、さらにヒーター１１０によって加熱されたヘリウムガスによってガラス基板を加熱した状態において、ガラス基板がどれほど変形するかを計測する。
【００２９】
このヘリウムガスによる加熱は、ガラス基板を強制的に変形させるもので、結果として数１００μｍ程度の凹凸を有するガラス基板が一定の形に変形する。この変形の結果、ガラス基板表面の凹凸は矯正される。
【００３０】
このガラス基板を強制的に変形させる条件としては、例えば室１０７を0.5 気圧の減圧状態とし、室１０８は特に圧力制御は行わずヘリウムを循環させた状態とする。ここでヘリウムに対する加熱はガラス基板が５００℃に加熱されるように調整する。ガラス基板の加熱は、４５０℃以上であって、そのガラス基板の歪点以下とする。
【００３１】
なお、室１０８から室１０７へとガスが流入してしまっても構わない。即ち、所定の圧力差を確保でるならば、完全に気密性が保たれなくてもよい。
【００３２】
このガラス基板の変形の度合いについては、何枚かのサンプルについて行い予め調べておく必要がある。そしてその計測値に基づいて、レーザー光の焦点深度の分布を調整する。即ち、加熱によって凸状に変形したガラス基板の形状に併せて、線状ビームの長手方向における焦点深度の分布を調整する。この調整は光学系１１５を調整することによって行なう。
【００３３】
また、レーザー光の走査方向における焦点深度の調整は光学系の調整だけではできないので、この方向における補正は、昇降装置１１１によって行なう。即ち、レーザー光を走査するために行う筐体１０１の移動を筐体１０１を昇降装置１１１によって僅かに上下させながら行う。
【００３４】
図１（Ｂ）に示すようにレーザー光の照射は、ガイドレールに沿って筐体を移動させながら行うことによって行うのであるが、この時に昇降装置１１１によって筐体を上下させることによって、基板の変形に沿ってレーザー光の焦点の位置を変化させる。こうして常に被照射面が焦点深度の範囲に存在するようにする。
【００３５】
このように図１に示す装置を用いてレーザー光の照射によるアニールを行なうことで、個々のガラス基板が微妙に異なった変形をしていたり凹凸を有していても、均一なアニール効果を得ることができる。
【００３６】
【発明の効果】
個々のガラス基板が異なる変形や凹凸を有していても、強制的に変形させた状態とし、その変形の状態に合わせてレーザービームの焦点深度と調整し、かつその変形に合わせて焦点の位置を変化させながらレーザー光の照射を行うことで、走査しながらのレーザー光の照射において、被照射面の全ての面を焦点深度内に存在させることができる。そして、レーザー光の照射による効果を均一なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザー光を照射するための装置の概要を示す。
【符号の説明】
１０１筐体
１０２窓（石英）
１０３ガラス基板
１０４ガラス基板を押さえるための枠
１０５排気ポンプ
１０６線状のレーザービーム
１０７減圧可能な室
１０８ヘリウムが循環する室
１０９ヘリウムを循環させるためのポンプ
１１０ヘリウムを加熱するためのヒーター
１１１筐体を上下させるための昇降装置
１１３筐体を平行移動させるためのガイドローラ
１１４レーザー光源
１１５レーザービームを成形するための光学系
１１６ミラー

Claims

気体の圧力差によって基板を所定の形状にし、
前記基板の形状を保持した状態で前記基板を上下に移動させながら、前記基板上の被照射面にレーザまたは強光を照射することを特徴とする光処理方法。
筐体内に固定された基板により筐体内は第１室および第２室に分けられ、
前記第１室および前記第２室の気体の圧力差によって前記基板を所定の形状にし、
前記基板の形状を保持した状態で前記基板を上下に移動させながら、前記基板上の被照射面にレーザ光または強光を照射することを特徴とする光処理方法。
請求項１又は請求項２において、
前記気体を加熱し、
加熱した前記気体によって前記基板を加熱することを特徴とする光処理方法。
請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
前記基板は、４５０℃以上前記基板の歪点以下の温度で加熱されることを特徴とする光処理方法。
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
前記気体はヘリウム、Ｄ_２、Ｈ_２のいずれかであることを特徴とする光処理方法。
請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、
前記レーザ光または前記強光を線状のビーム形状に変形し、
前記レーザ光または前記強光を前記基板の形状に沿って走査することを特徴とする光処理方法。
請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、
前記レーザ光または前記強光を線状のビーム形状に変形し、
前記ビームの長手方向における焦点深度の分布を前記基板の形状に設定して走査することを特徴とする光処理方法。
請求項１乃至請求項７に記載の光処理方法を用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。