JP4056577B2 - レーザー照射方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本明細書で開示する発明は、線状にビーム加工されたレーザー光を走査して照射する方法及び装置に関する。
【０００２】
本明細書で開示する発明は、例えば半導体に対するレーザーアニール技術、フォトリソグラフィー工程における露光技術に利用することができる。
【０００３】
【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）、すなわち、非単結晶珪素膜に対し、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。
【０００４】
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、レーザープロセスでは、基板を加熱することがなく、耐熱性の低いガラス基板の利用に向いているからである。
【０００５】
レーザーアニールを施して形成された結晶性珪素膜は、高い移動度を有している。こような結晶性珪素膜を用いると、一枚のガラス基板上に、画素駆動用と駆動回路用のＴＦＴを集積化することができる。
【０００６】
一般にレーザー光のビームは数ｃｍ角以内であるので、大面積への処理を行うには、工夫が必要である。
【０００７】
一般には、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、その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採用されている。
【０００８】
また、レーザービームを線状にビーム加工し、それを線状ビームの幅方向に走査して照射する技術も知られている。
【０００９】
この方法を利用すると、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、高い生産性を得ることができる。
【００１０】
【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方法は、生産性に優れた方法であるが、いくつかの問題が生じている。
【００１１】
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である。
【００１２】
線状レーザーが使われ始めた頃は、線状のビームとビームと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。
【００１３】
図１ａに示すのは、紙面の横方向に延長する縞状のレーザービーム（ＫｒＦエキシマレーザー）を紙面の下方から上方に向かって走査して照射した場合に得られる結晶性珪素膜の光学写真である。
【００１４】
図１ａを見れば明らかなように、線状ビームの重なった部分に縞模様が観察される。この縞模様は、結晶性の違いを反映したものである。
【００１５】
例えば、図１ａに示すような膜を使用して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る。
【００１６】
これは、図１ａに示すような縞状の結晶性の違いを反映して、作製されるＴＦＴにも特性のバラツキが生じてしまうからである。
【００１７】
この問題は、
（１）レーザーの照射対象である非単結晶半導体膜の改良
（２）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。
（３）各種照射条件を決定するパラメータの最適な組み合わせを追及する。例えば、線状レーザーの走査ピッチ、走査スピード、パルス発振間隔、照射エネルギー密度等のパラメータの組み合わせを最適化する。
等の工夫により、問題とならないレベルにまで低減できている。
【００１８】
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。
【００１９】
一般に線状レーザービームを形成する場合、元が長方形のビームを適当なレンズ群に通して線状に加工する。
【００２０】
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、これをレンズ群（これをビームホモジェナイザーと呼ぶ。）により、アスペクト比１００以上の線状ビームに変形される。
【００２１】
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、上記レンズ群は設計されている。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。
【００２２】
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。
【００２３】
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う。
【００２４】
この縞模様は、線状ビームの幅方向延在するようなものとして現れる。即ち、図１ｂに示す珪素膜は、紙面の左右方向に長手方向を有するレーザービームを紙面下方から上方に向かって走査して照射した後を示すものであるが、この膜には、線状のレーザービームの重なり具合から発生する図１ａに示すような縞模様に直交する縞模様が現れている。
【００２５】
なお、図１ａにおいても縦方向の縞が観察されているが、この場合は横縞が観察しやすいように撮影条件を設定しているので、図１ｂに示すほと横縞は顕著に現れていない。
【００２６】
なお、図１ａで僅かに観察される縦方向の縞を観察し易くした場合、図１ｂに示すような縦縞が観察される。即ち、図１ａ及び図１図ｂにおける縦縞で表されるアニールむら（結晶性のむら）は、実際には同じ状態のものであるといえる。
【００２７】
この図１の縦方向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。
【００２８】
〔発明に至る過程〕
図１ｂに示すような縦縞が形成されてしまう要因としては、以下の２つのものが考えられる。
（１）元の長方形ビームのエネルギー分布がそもそも縞状のエネルギー分布を有している。
（２）線状のレーザービームを形成する際に利用されるレンズ群に起因する。
【００２９】
本発明人は上記いずれの事項が原因があるのか、突き止めるべく簡単な実験を行った。この実験はレンズ群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。
【００３０】
結果は全く変化しなかった。よって、図１ｂに示すような縦縞の形成に関与しているのは元の長方形ビームではなく、レンズ群であると結論できる。
【００３１】
本レンズ群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。
【００３２】
光干渉は、位相の揃った同一波長の光が光路差をもって重なりあった場合の位相のずれにより生じる。この場合、ある周期でもって光が強めあったり、弱めあったりすることによって、見た目に縞模様が観察される。
【００３３】
上述の光干渉を考察するために以下のような議論を考える。図３には、位相のそろった平行光を５つのスリット３０１を等間隔に開けたマスクを通過させた場合の干渉縞の様子を示す。
【００３４】
干渉縞の様子は光の強度Ｉを使って示されている。５つのスリット３０１が等間隔で並んでいる場合、該スリット群の中央に対応する領域Ａに干渉のピークが生じる。そして、そのピークを中心にして干渉縞が形成される。
【００３５】
これを図４に示したシリンドリカルレンズ群４０１とシリンドリカルレンズ４０２とに当てはめて考える。なお、これらのシリンドリカルレンズは、図面の奥行き方向に長手状を有する形状を有している。
【００３６】
また、シリンドリカルレンズ群４０１によるビームの分割数が、図３のスリット３０１の数に対応している。
【００３７】
図４において、線状ビームの中央Ａは、図３のスリット群の中央の部分Ａに対応している。即ち、図４Ａの部分に干渉のピークができる。
【００３８】
それぞれの図で、点Ａを中心として干渉の強弱が周期的に形成され、図の点Ｂ及びＣに至る。
【００３９】
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が、これはレーザー光線の波長が完全には揃っていないためである。またレンズ内を光を透過する影響が存在するためでもある。
【００４０】
このような干渉縞を消すために、本発明人は図５に見られるような光学系を用意した。この光学系の図４と比較して異なる点は、ビーム入射側のシリンドリカルレンズ群５０１で分割されたレーザービームが、後続のシリンドリカルレンズ５０２により平行光線に加工されることである。
【００４１】
このような光学系は図４の前方のシリンドリカルレンズ群４０１と後方のシリンドリカルレンズ４０２との間の距離を適当に選ぶことにより簡単に得られる。
【００４２】
このような構造としたのは、ビームのどの部分でも光干渉のピークがくるようにすれば、干渉縞の発生を抑えられるのではと考えたからである。
【００４３】
ところが、実際に本光学系により加工されたビームを使用しても、あいかわらず図１ｂに示すような縦縞が形成された。即ち、線状ビームの幅方向に延在する縞が観察された。
【００４４】
しかしながら、図５に示す光学系を採用することにより、若干ではるが、縞の強さ（強弱といってもよい）は緩和された。
【００４５】
この縞模様はレンズの厚みによりビームの各点で微妙に干渉の仕方が変わることに要因があると解釈するのが妥当である。
【００４６】
レンズの厚みを消すことは不可能であるから、該ビーム内の光干渉を完全に消すことは不可能である。
【００４７】
線状のレーザービームを照射するシステムは、例えば図２に示すような構成を有している。この構成では、線状ビームの長手方向にビームを分割するシリドリカルレンズ２０３とそれに直交する方向にビームを分割するシリンドリカルレンズ群２０２とが配置されている。
【００４８】
ところで、図２において、シリンドリカルレンズ群２０２とシリンドリカルレンズ２０４との組合せは、シリンドリカルレンズ群２０３とシリンドリカルレンズ２０５との組合せと全く同様の作用をレーザービームに与えるものである。
【００４９】
従って、線状レーザービーム内のビーム巾方向にも図３に示すような光干渉が起きていることが結論される。
【００５０】
以上の考察から、図２のような光学系を採用した場合、図６に示すように線状レーザービーム６０１のビーム内には、格子状に干渉のピーク６０２（丸印で表記）が分布することが結論される。
【００５１】
一般に線状のレーザービームの幅は、１ｍｍ以下であり、幅方向の干渉点は観察されない。他方、長手方向には、１０ｃｍ以上の長さに渡り引き延ばされるので、長手方向の干渉点は観察されてしまう。これが、図１ｂに示す縦縞として観察される。
【００５２】
線状のレーザービームをそれ単体として見た場合、図６に示すような干渉は存在してしまう。
【００５３】
他方、実際のレーザーアニールに際には、線状のレーザービームは少しづつ重ね合わされるようにして照射される。よって、レーザービームを走査するに従って、上述した線状レーザービーム単体に存在する干渉もやはり重ね合わされていくことになる。
【００５４】
これは、干渉に起因するレーザーアニールのむらをさらに助長するものと言える。
【００５５】
即ち、図７に示すように線状レーザービーム７０１はその長手方向に光干渉に起因する周期的エネルギーの強弱が見られる。（すでに述べたように線状レーザービームは、その巾方向にも光干渉による周期的エネルギーの強弱が見られるが、本発明にあまり影響しない。）
【００５６】
これらを図７に示すように重ね合わせると縞が強調されてしまう。
【００５７】
本明細書で開示する発明は、線状のレーザービームを走査しながら照射する際に生じてしまう線状ビームの長手方向に生じる縞状の処理ムラを是正する技術を提供することを課題とする。
【００５８】
【課題を解決するための手段】
本明細書で開示する発明においては、図６に示すような干渉点を多数有する線状のレーザービームを走査しながた照射する際に、その干渉点が重ならないようにすることで、照射効果に干渉の影響が表れることを抑制する。
【００５９】
例えば、パルス発振型の線状レーザービームの走査方向を従来の方向からやや斜めの方向に変更する。
【００６０】
この際、パルス毎に微妙に照射位置がずれて、また隣合うパルスは一部が重なるようにする。こうすると、干渉点は一部では重なるが完全には重ならず、分散された状態となる。
【００６１】
そして干渉に起因する照射効果のむらが是正される。具体的には、図１ｂに示すような縞模様の形成が是正される。
【００６２】
本明細書で開示する発明の一つは、
レーザビームを分割、再結合させて形成するレーザービーム発生手段と、
前記分割された方向に直角な方向に対して、所定の角度θ（θ≠０°）を有した方向にレーザービームを走査して照射する手段と、
を有し、
前記レーザービームは、パルス発振型であり、
前記レーザービームのパルスは、被照射領域において、一部が重ねられて照射されることを特徴とする。
【００６３】
また、上記構成において、レーザービーム発生手段に起因してレーザービーム内には、分割された方向に周期的に変化した強度分布が存在することを特徴とする。
【００６４】
上記のような構成とすることにより、光学系において生じた干渉のピークが重ならないようにすることができる。
【００６５】
他の発明の構成は、
線状のレーザービームを照射する手段と、
前記線状のレーザービームの幅方向に対して、所定の角度θ（θ≠０°）を有した方向にレーザービームを走査して照射する手段と、
を有し、
前記レーザービームは、その長手方向において周期的に変化した強度分布を有し、
前記レーザービームは、パルス発振型であり、
前記レーザービームのパルスは、被照射領域において、一部が重ねられて照射されることを特徴とする。
【００６６】
他の発明の構成は、
線状のレーザービームを照射する手段と、
前記線状のレーザービームの幅方向に対して、所定の角度θ（θ≠０°）を有した方向にレーザービームを走査して照射する手段と、
を有し、
前記レーザービームは、その長手方向において周期的に変化した強度分布を有し、
前記レーザービームは、パルス発振型であり、
前記レーザービームのパルスは、被照射領域において、一部が重ねられて照射され、
前記角度θは、前記周期的な強度分布のピークが重ならない範囲から選択されることを特徴とする。
【００６７】
上記構成において、
角度θは、0.01≦｜tan θ｜≦0.３を満たす範囲から選択されることを特徴とする。
【００６８】
他の発明の構成は、
長手方向において周期的に変化した強度分布を有した線状のパルス発振型のレーザービームを照射する方法であって、
前記線状のレーザービームの幅方向に対して、所定の角度θ（θ≠０°）を有した方向にレーザービームを走査して、レーザービームのパルスを被照射領域において一部を重ねつつ照射することを特徴とする。
【００６９】
また上記構成において、角度θは、周期的な強度分布のピークが重ならない範囲から選択されることを特徴とする。また、上記構成において、角度θは、０．０１≦｜ｔａｎθ｜≦０．３を満たす範囲から選択されることを特徴とする。
【００７０】
なお、線状のレーザービームを被照射面に重ね合わせない場合には、発明の効果は得られない。
【００７１】
この場合、ビームの重ね合わせを行わなくても干渉点の存在が顕在化する分けであるから、レーザービームを走査していっても干渉点が走査方向に延在する状態となるだけである。
【００７２】
〔作用〕
線状のレーザービームを照射する際に、その長手方向の直角方向に対して所定の角度を有した方向に走査することにより、線状のレーザービームの長手方向に観察される照射エネルギー密度の強弱の周期的繰り返しを完全に重ならないようにすることができ、干渉縞が表れることを抑制することができる。
【００７３】
即ち、線状レーザービームの走査方向をかえてやることにより、該ビーム内のエネルギーの最大の部分または最少の部分が繰り返しが半導体膜の同じ部分に完全に当たらないようにする。（即ち、少しづつずれて照射されるようにする）
【００７４】
このようにすれば、線状レーザービーム内のエネルギー分布が半導体膜内で分散化されて、より一様にレーザーアニールを行うことができる。
【００７５】
【発明の実施の形態】
発明を実施する場合は、線状のレーザービームをその幅方向に対して若干斜めにして走査して照射する。
【００７６】
例えば、以下のような条件でレーザーアニールをする場合を挙げる。
・線状レーザービームの長手方向の長さが135mm 、幅が0.4mm 。
・干渉のピークの間隔（縞の間隔）が0.1 ｍｍ程度。
・発振周波数２９Ｈｚ。
・走査速度1.2 mm/sec
【００７７】
図１１に一つのレーザーパルスの断面を模式的に示す。レーザービームは、線状の幅方向（ビーム幅方向）に対して、θの角度を有した方向に走査する。θは、tan θ＝0.25を満足する値である。
【００７８】
上記の走査方法を実現するには、100 ｍｍ基板を走査すると線状レーザービームが横に25ｍｍ程度ずれるように走査方向を設定すればよい。
【００７９】
図１１に示すようなレーザービームの走査を実現するのは、レーザー光学系を固定し、試料をｘ−ｙステージに載せ、ｘ−ｙステージをｘ方向に0.29mm/s、ｙ方向に1.16mm/Sの速度で試料を移動させ、それをベクトル合成させればよい。
【００８０】
上記の条件で照射を行うと、次のパルスが照射されるまでに試料が1.16mm/29 ＝0.04mmだけ移動する。即ち、隣合うパルスの間隔は0.04mmとなる。
【００８１】
このような照射方法を採用した場合、図１２に示すように、隣合うパルスにおいて、干渉のピークは0.01mmシフト（平行移動）したものとなる。
【００８２】
これは、隣合うレーザーパルスは、ｙ方向に(1.16/29)mm ＝0.04mm離れたものになるのと同時にx 方向に(0.29/29)mm ＝0.01mm離れたものとなるからである。
【００８３】
この場合、隣合う線状のレーザーパルスは、その幅方向において、９０％重ねられた状態となる。即ち、0.4mm のビーム幅の内、0.36mmの部分が重ねられた状態となる。
【００８４】
しかしながら、隣合う線状レーザーパルスにおいて、干渉ピークの位置は微妙にずれた状態となる。即ち、図１２に示すように干渉のピークは0.01mmずれたものとなる。
【００８５】
このような照射方法で１０パルス照射した場合の状態を図１３に示す。図１３は、レーザービームを0.04mm×10＝0.4mm 走査した状態を示すものである。
【００８６】
この場合、１パルス目の被照射領域における干渉ピークと１１パルス目の被照射領域における干渉ピークとがビームの幅方向において丁度並ぶ状態となる。
【００８７】
図１４には、さらに２０パルスを照射した場合における干渉ピークの分布の状態を示す。図１４は、レーザービームを0.04mm×20＝0.8mm 走査した状態を示すものである。
【００８８】
図１４に示すように、
・線状レーザービームの幅
・干渉ピークの間隔
・走査方向
・走査速度
・ビーム幅
・発振周波数
の組み合わせを適時設定することにより、図１４に示すようにビーム内に存在する干渉のピークが被照射領域において重ならないようにすることができる。
【００８９】
このようにすることで、被照射領域における照射むらやアニールむらを是正することができる。
【００９０】
即ち、図１に示すような干渉ピークの重なりに起因する縞模様の発生を抑制することができる。
【００９１】
実際には、光学系の調整のズレ、設計パラメータの設定の違い、レーザーの発振強度の違い、試料の違い等々のパラメータがあるので、干渉のピークの分散が上述した説明のように理屈通り行われることは限らない。
【００９２】
従って、実施に当たっては、特に目立つピークの間隔やその平均値を参考して、ピークとピークとが重ならないようにθの値を設定し、該設定された角度θの付近で実際にレーザーを照射して、最も縞が目立たなくなる角度を設定すればよい。
【００９３】
上述した説明から明らかなように、本明細書で開示する発明は、レーザービームのパルスを一部重ねながら走査して照射する場合に有効となるものである。その有効性は、パルス同士の重なりが多い程高いものとなる。
【００９４】
本明細書で開示する発明を利用した場合、100 ｍｍの基板走査で、1 ｍｍビームが横にずれる程度の角度でも効果がある。これは、走査方向を少し斜めにするだけで、基板の或る一点に干渉のピークが何度も当たることを防ぐことが出来るからである。
【００９５】
【実施例】
〔実施例１〕
以下の実施例の作製工程では、レーザーアニールによって、結晶性珪素膜を得る場合について示す。まず、アーニル対象となる３種類の膜の作製方法を示す。本明細書で開示する発明は、いずれの膜に対しても効果的である。
【００９６】
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ガラス基板上に形成する。
【００９７】
まず、当該ガラス基板上に、下地膜としての酸化珪素膜を２０００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法で成膜する。次に下地膜上に非晶質珪素膜を５００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法で成膜する。この非晶質珪素膜を出発膜と呼ぶ。
【００９８】
（膜Ａの作製手順）
まず、出発膜に対して、４５０℃、１時間の加熱処理を施す。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光の照射の際、膜中から水素が吹き出し、膜の表面が荒れてしまうのでこの工程が必要とされる。
【００９９】
上記工程の後における膜中の水素の密度は１０20atoms/cm3 台とすることが適当である。この膜を非単結晶珪素膜Ａと呼ぶ。
【０１００】
（膜Ｂの作製手順）
まず出発膜を成膜する。その上に極薄い酸化膜を成膜する。この酸化膜は、酸素雰囲気中において、ＵＶ光を照射することによって成膜する。
【０１０１】
次に１０ｐｐｍの濃度（重量換算）でニッケル元素を含んだ酢酸ニッケル水溶液をスピンコート法により塗布する。この際、先の酸化膜が溶液の濡れ性を良くするために機能する。
【０１０２】
この状態で出発膜（非晶質珪素膜）上にニッケルが均一に接して保持された状態となる。
【０１０３】
次に６００℃で４時間の加熱処理を施する。この工程において、非晶質珪素膜が結晶化する。この結晶化は、ニッケル元素の作用によるものである。（一般に非晶質珪素膜に対して、６００℃、４時間の加熱処理を加えた場合、結晶化はしない）
【０１０４】
こうして、ニッケルの作用により結晶化された非単結晶珪素膜Ｂが得られる。
【０１０５】
なお、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。
【０１０６】
（膜Ｃの作製手順）
出発膜の上に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。
【０１０７】
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除去し、開口部を形成する。この開口部は、線状（スリット状）を有したものとする。
【０１０８】
次に開口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口部の濡れ性改善のために形成される。
【０１０９】
次に１００ｐｐｍの酢酸ニッケル水溶液が、スピンコート法により塗布する。この状態で、酢酸ニッケルが上記開口部分に入る。そして、開口部において露呈している非晶質珪素膜（その表面にはＵＶ酸化膜が成膜されている）の表面にニッケル元素が接して保持された状態を得る。
【０１１０】
次に、６００℃で８時間の熱アニールを施す。この工程において、ニッケル導入部分から横方向（基板に平行な方向／膜面に平行な方向）に結晶が成長してゆく。
【０１１１】
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。上記の条件では横成長量として４０μｍ程度が得られる。
【０１１２】
この成長量は、出発膜の膜質、膜厚、酢酸ニッケル水溶液の塗布条件等、アニール条件等々によって変化する。
【０１１３】
結晶化が終了したら、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。
【０１１４】
このようにして非晶質珪素膜が結晶化し、結晶化した非単結晶珪素膜Ｃが得られる。
【０１１５】
このようにして得られる非単結晶珪素膜Ａ、Ｂ、Ｃに対してレーザーアニールを施す。この場合、試料Ａに対するものは、結晶化のためのレーザーアニールとなる。また、試料Ｂ及び試料Ｃに対するものは、結晶化した結晶性珪素膜の結晶性をさらに改善するためのレーザーアニールとなる。
【０１１６】
図９に、実施例におけるレーザー照射システムの概要を示す。
【０１１７】
図９に示すレーザー照射システムは、レーザー発振装置２０１から出力され、光学系９０１により断面形状が線状に加工される。
【０１１８】
光学系によってビーム成形されたパルスレーザービームは、ミラー２０６で反射され、シリンドリカルレンズ２０７にて集光されつつ、被処理基板９０２に照射される。
【０１１９】
光学系９０１は、図２に示すシリンドリカルレンズ群２０２、２０３、シリンドリカルレンズ２０４、２０５でもって構成される。また、ミラー２０６、及びシリンドリカルレンズ２０７は図２に示されている。
【０１２０】
図２に示す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。線状ビーム面内のエネルギー分布のバラツキは±５％以内程度となる。
【０１２１】
図２に示すようなタイプのレンズ群の役割を以下に記述する。
【０１２２】
シリンドリカルレンズ群２０２、２０３はビームを縦横に分割する役割を果たしている。分割された光束は、シリンドリカルレンズ２０４、２０５によって収束され、さらにシリンドリカルレンズ２０７を介することにより、線状のレーザービームとして、被照射領域に照射される。
【０１２３】
本実施例では、シリンドリカルレンズ群２０２を７つのシリンドリカルレンズによって構成する。また、シリンドリカルレンズ群２０３を５つのシリンドリカルレンズによって構成する。
【０１２４】
従って、元のレーザービームを横に５分割、縦に７分割することになる。この状態は、元のレーザービームを３５分割することになる。そして、この３５分割されたレーザービームが重ね合わせられ、ビーム内におけるエネルギー分布が平均化される。
【０１２５】
ビームの縦横の長さの比はレンズ群の構造上自在に変えられるので、本光学系により、正方形状から線状に到るまであらゆるビームを形成できる。ただし、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。
【０１２６】
具体的には、図４に示すような配置でレンズ群を配置すれば、長方形状のビームの一辺の長さをシリンドリカルレンズ群４０１とシリンドリカルレンズ４０２との距離を変えることにより変化させることが出来る。
【０１２７】
しかしながら、図５のような光路を持つレーザービームを形成しようとすると、シリンドリカルレンズ群５０１とシリンドリカルレンズ５０２間の距離は両者の焦点距離により規定されてしまうため、長方形状のビームの一辺の長さも固定されてしまう。
【０１２８】
よって、図５のような光路のレーザービームを形成するためには予め所望のビームサイズを決定してからレンズ群を設計しなければならない。
【０１２９】
本実施例は、図４あるいは図５、何れの記載の配置のレンズ群を用いても効果がある。
【０１３０】
なお、シリンドリカルレンズ群２０２、２０３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ることもできる。
【０１３１】
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。
【０１３２】
レーザーアニール装置の全体の概要を図１０に示す。
【０１３３】
レーザーアニールを行うに際しては、被処理基板９０２は、台９０３上に配置される。（図９参照）
【０１３４】
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方向に対して直角よりややずれた角度方向（線状レーザービームを含む平面を含む面において）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。なお、前記角度は微調整が可能な構造とする。
【０１３５】
図１０に示す装置の説明をする。１００５は、ロード／アンロード室である。被処理基板９０２は多数枚、例えば２０枚がカセット１００３に収納された状態でロード／アンロード室１００５に収納される。
【０１３６】
動作に当たっては、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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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４記載のレンズ配置で形成されている。
【０１４０】
レーザービームの寸法は、レンズ系の設計によって、さらに大きくすることも可能である。
【０１４１】
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 の範囲から選択する。ここでは、３００ｍＪ／ｃｍ2 とする。
【０１４２】
照射条件を以下に示す。
・線状レーザービームの長手方向の長さが135mm 、幅が0.4mm 。
・干渉のピークの間隔（縞の間隔）が0.1 ｍｍ程度。
・発振周波数２９Ｈｚ。
・走査速度1.2 mm/sec
【０１４３】
この場合、図１３に示すように、被照射領域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ショットの範囲から選択することが適当である。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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発明が特徴とする効果がある。
【０１４８】
【発明の効果】
本明細書に開示する発明を利用することにより、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表面の写真。
【図２】 実施例における線状レーザーを形成する光学系。
【図３】 多数による光干渉の図解。
【図４】 線状レーザーを形成する光学系により、ビームを分割、再結合させるときの光路。
【図５】 線状レーザーを形成する光学系により、ビームを分割、再結合させるときの光路。
【図６】 実施例におけるレーザー照射室を示す図。
【図７】 光干渉を強調するレーザー照射の様子を示す図。
【図８】 光干渉を目立たなくするするレーザー照射の様子を示す図。
【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】線状のレーザービームの断面の状態を示す図。
【図１２】線状のレーザービームを斜めに走査して照射した場合におけるレーザービーム重なり具合を示す図。
【図１３】線状のレーザービームを斜めに走査して１０パルスを照射した場合におけるレーザービーム重なり具合を示す図。
【図１４】線状のレーザービームを斜めに走査して２０パルスを照射した場合におけるレーザービーム重なり具合を示す図。
【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 スリット
４０１ レーザー光分割のためのシリンドリカルレンズ群
４０２ レーザー光、再結合のためのシリンドリカルレンズ
５０１ レーザー光分割のためのシリンドリカルレンズ群
５０２ レーザー光、再結合のためのシリンドリカルレンズ
６０１ 線状レーザービーム
６０２ 干渉のピーク位置
７０１ 線状レーザービーム
９０１ 光学系
９０２ 被処理基板
９０３ 台
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
【発明の属する技術分野】
本明細書で開示する発明は、線状にビーム加工されたレーザー光を走査して照射する方法及び装置に関する。
【０００２】
本明細書で開示する発明は、例えば半導体に対するレーザーアニール技術、フォトリソグラフィー工程における露光技術に利用することができる。
【０００３】
【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）、すなわち、非単結晶珪素膜に対し、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。
【０００４】
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、レーザープロセスでは、基板を加熱することがなく、耐熱性の低いガラス基板の利用に向いているからである。
【０００５】
レーザーアニールを施して形成された結晶性珪素膜は、高い移動度を有している。こような結晶性珪素膜を用いると、一枚のガラス基板上に、画素駆動用と駆動回路用のＴＦＴを集積化することができる。
【０００６】
一般にレーザー光のビームは数ｃｍ角以内であるので、大面積への処理を行うには、工夫が必要である。
【０００７】
一般には、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、その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採用されている。
【０００８】
また、レーザービームを線状にビーム加工し、それを線状ビームの幅方向に走査して照射する技術も知られている。
【０００９】
この方法を利用すると、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、高い生産性を得ることができる。
【００１０】
【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方法は、生産性に優れた方法であるが、いくつかの問題が生じている。
【００１１】
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である。
【００１２】
線状レーザーが使われ始めた頃は、線状のビームとビームと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。
【００１３】
図１ａに示すのは、紙面の横方向に延長する縞状のレーザービーム（ＫｒＦエキシマレーザー）を紙面の下方から上方に向かって走査して照射した場合に得られる結晶性珪素膜の光学写真である。
【００１４】
図１ａを見れば明らかなように、線状ビームの重なった部分に縞模様が観察される。この縞模様は、結晶性の違いを反映したものである。
【００１５】
例えば、図１ａに示すような膜を使用して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る。
【００１６】
これは、図１ａに示すような縞状の結晶性の違いを反映して、作製されるＴＦＴにも特性のバラツキが生じてしまうからである。
【００１７】
この問題は、
（１）レーザーの照射対象である非単結晶半導体膜の改良
（２）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。
（３）各種照射条件を決定するパラメータの最適な組み合わせを追及する。例えば、線状レーザーの走査ピッチ、走査スピード、パルス発振間隔、照射エネルギー密度等のパラメータの組み合わせを最適化する。
等の工夫により、問題とならないレベルにまで低減できている。
【００１８】
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。
【００１９】
一般に線状レーザービームを形成する場合、元が長方形のビームを適当なレンズ群に通して線状に加工する。
【００２０】
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、これをレンズ群（これをビームホモジェナイザーと呼ぶ。）により、アスペクト比１００以上の線状ビームに変形される。
【００２１】
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、上記レンズ群は設計されている。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。
【００２２】
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。
【００２３】
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う。
【００２４】
この縞模様は、線状ビームの幅方向延在するようなものとして現れる。即ち、図１ｂに示す珪素膜は、紙面の左右方向に長手方向を有するレーザービームを紙面下方から上方に向かって走査して照射した後を示すものであるが、この膜には、線状のレーザービームの重なり具合から発生する図１ａに示すような縞模様に直交する縞模様が現れている。
【００２５】
なお、図１ａにおいても縦方向の縞が観察されているが、この場合は横縞が観察しやすいように撮影条件を設定しているので、図１ｂに示すほと横縞は顕著に現れていない。
【００２６】
なお、図１ａで僅かに観察される縦方向の縞を観察し易くした場合、図１ｂに示すような縦縞が観察される。即ち、図１ａ及び図１図ｂにおける縦縞で表されるアニールむら（結晶性のむら）は、実際には同じ状態のものであるといえる。
【００２７】
この図１の縦方向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。
【００２８】
〔発明に至る過程〕
図１ｂに示すような縦縞が形成されてしまう要因としては、以下の２つのものが考えられる。
（１）元の長方形ビームのエネルギー分布がそもそも縞状のエネルギー分布を有している。
（２）線状のレーザービームを形成する際に利用されるレンズ群に起因する。
【００２９】
本発明人は上記いずれの事項が原因があるのか、突き止めるべく簡単な実験を行った。この実験はレンズ群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。
【００３０】
結果は全く変化しなかった。よって、図１ｂに示すような縦縞の形成に関与しているのは元の長方形ビームではなく、レンズ群であると結論できる。
【００３１】
本レンズ群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。
【００３２】
光干渉は、位相の揃った同一波長の光が光路差をもって重なりあった場合の位相のずれにより生じる。この場合、ある周期でもって光が強めあったり、弱めあったりすることによって、見た目に縞模様が観察される。
【００３３】
上述の光干渉を考察するために以下のような議論を考える。図３には、位相のそろった平行光を５つのスリット３０１を等間隔に開けたマスクを通過させた場合の干渉縞の様子を示す。
【００３４】
干渉縞の様子は光の強度Ｉを使って示されている。５つのスリット３０１が等間隔で並んでいる場合、該スリット群の中央に対応する領域Ａに干渉のピークが生じる。そして、そのピークを中心にして干渉縞が形成される。
【００３５】
これを図４に示したシリンドリカルレンズ群４０１とシリンドリカルレンズ４０２とに当てはめて考える。なお、これらのシリンドリカルレンズは、図面の奥行き方向に長手状を有する形状を有している。
【００３６】
また、シリンドリカルレンズ群４０１によるビームの分割数が、図３のスリット３０１の数に対応している。
【００３７】
図４において、線状ビームの中央Ａは、図３のスリット群の中央の部分Ａに対応している。即ち、図４Ａの部分に干渉のピークができる。
【００３８】
それぞれの図で、点Ａを中心として干渉の強弱が周期的に形成され、図の点Ｂ及びＣに至る。
【００３９】
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が、これはレーザー光線の波長が完全には揃っていないためである。またレンズ内を光を透過する影響が存在するためでもある。
【００４０】
このような干渉縞を消すために、本発明人は図５に見られるような光学系を用意した。この光学系の図４と比較して異なる点は、ビーム入射側のシリンドリカルレンズ群５０１で分割されたレーザービームが、後続のシリンドリカルレンズ５０２により平行光線に加工されることである。
【００４１】
このような光学系は図４の前方のシリンドリカルレンズ群４０１と後方のシリンドリカルレンズ４０２との間の距離を適当に選ぶことにより簡単に得られる。
【００４２】
このような構造としたのは、ビームのどの部分でも光干渉のピークがくるようにすれば、干渉縞の発生を抑えられるのではと考えたからである。
【００４３】
ところが、実際に本光学系により加工されたビームを使用しても、あいかわらず図１ｂに示すような縦縞が形成された。即ち、線状ビームの幅方向に延在する縞が観察された。
【００４４】
しかしながら、図５に示す光学系を採用することにより、若干ではるが、縞の強さ（強弱といってもよい）は緩和された。
【００４５】
この縞模様はレンズの厚みによりビームの各点で微妙に干渉の仕方が変わることに要因があると解釈するのが妥当である。
【００４６】
レンズの厚みを消すことは不可能であるから、該ビーム内の光干渉を完全に消すことは不可能である。
【００４７】
線状のレーザービームを照射するシステムは、例えば図２に示すような構成を有している。この構成では、線状ビームの長手方向にビームを分割するシリドリカルレンズ２０３とそれに直交する方向にビームを分割するシリンドリカルレンズ群２０２とが配置されている。
【００４８】
ところで、図２において、シリンドリカルレンズ群２０２とシリンドリカルレンズ２０４との組合せは、シリンドリカルレンズ群２０３とシリンドリカルレンズ２０５との組合せと全く同様の作用をレーザービームに与えるものである。
【００４９】
従って、線状レーザービーム内のビーム巾方向にも図３に示すような光干渉が起きていることが結論される。
【００５０】
以上の考察から、図２のような光学系を採用した場合、図６に示すように線状レーザービーム６０１のビーム内には、格子状に干渉のピーク６０２（丸印で表記）が分布することが結論される。
【００５１】
一般に線状のレーザービームの幅は、１ｍｍ以下であり、幅方向の干渉点は観察されない。他方、長手方向には、１０ｃｍ以上の長さに渡り引き延ばされるので、長手方向の干渉点は観察されてしまう。これが、図１ｂに示す縦縞として観察される。
【００５２】
線状のレーザービームをそれ単体として見た場合、図６に示すような干渉は存在してしまう。
【００５３】
他方、実際のレーザーアニールに際には、線状のレーザービームは少しづつ重ね合わされるようにして照射される。よって、レーザービームを走査するに従って、上述した線状レーザービーム単体に存在する干渉もやはり重ね合わされていくことになる。
【００５４】
これは、干渉に起因するレーザーアニールのむらをさらに助長するものと言える。
【００５５】
即ち、図７に示すように線状レーザービーム７０１はその長手方向に光干渉に起因する周期的エネルギーの強弱が見られる。（すでに述べたように線状レーザービームは、その巾方向にも光干渉による周期的エネルギーの強弱が見られるが、本発明にあまり影響しない。）
【００５６】
これらを図７に示すように重ね合わせると縞が強調されてしまう。
【００５７】
本明細書で開示する発明は、線状のレーザービームを走査しながら照射する際に生じてしまう線状ビームの長手方向に生じる縞状の処理ムラを是正する技術を提供することを課題とする。
【００５８】
【課題を解決するための手段】
本明細書で開示する発明においては、図６に示すような干渉点を多数有する線状のレーザービームを走査しながた照射する際に、その干渉点が重ならないようにすることで、照射効果に干渉の影響が表れることを抑制する。
【００５９】
例えば、パルス発振型の線状レーザービームの走査方向を従来の方向からやや斜めの方向に変更する。
【００６０】
この際、パルス毎に微妙に照射位置がずれて、また隣合うパルスは一部が重なるようにする。こうすると、干渉点は一部では重なるが完全には重ならず、分散された状態となる。
【００６１】
そして干渉に起因する照射効果のむらが是正される。具体的には、図１ｂに示すような縞模様の形成が是正される。
【００６２】
本明細書で開示する発明の一つは、
レーザビームを分割、再結合させて形成するレーザービーム発生手段と、
前記分割された方向に直角な方向に対して、所定の角度θ（θ≠０°）を有した方向にレーザービームを走査して照射する手段と、
を有し、
前記レーザービームは、パルス発振型であり、
前記レーザービームのパルスは、被照射領域において、一部が重ねられて照射されることを特徴とする。
【００６３】
また、上記構成において、レーザービーム発生手段に起因してレーザービーム内には、分割された方向に周期的に変化した強度分布が存在することを特徴とする。
【００６４】
上記のような構成とすることにより、光学系において生じた干渉のピークが重ならないようにすることができる。
【００６５】
他の発明の構成は、
線状のレーザービームを照射する手段と、
前記線状のレーザービームの幅方向に対して、所定の角度θ（θ≠０°）を有した方向にレーザービームを走査して照射する手段と、
を有し、
前記レーザービームは、その長手方向において周期的に変化した強度分布を有し、
前記レーザービームは、パルス発振型であり、
前記レーザービームのパルスは、被照射領域において、一部が重ねられて照射されることを特徴とする。
【００６６】
他の発明の構成は、
線状のレーザービームを照射する手段と、
前記線状のレーザービームの幅方向に対して、所定の角度θ（θ≠０°）を有した方向にレーザービームを走査して照射する手段と、
を有し、
前記レーザービームは、その長手方向において周期的に変化した強度分布を有し、
前記レーザービームは、パルス発振型であり、
前記レーザービームのパルスは、被照射領域において、一部が重ねられて照射され、
前記角度θは、前記周期的な強度分布のピークが重ならない範囲から選択されることを特徴とする。
【００６７】
上記構成において、
角度θは、0.01≦｜tan θ｜≦0.３を満たす範囲から選択されることを特徴とする。
【００６８】
他の発明の構成は、
長手方向において周期的に変化した強度分布を有した線状のパルス発振型のレーザービームを照射する方法であって、
前記線状のレーザービームの幅方向に対して、所定の角度θ（θ≠０°）を有した方向にレーザービームを走査して、レーザービームのパルスを被照射領域において一部を重ねつつ照射することを特徴とする。
【００６９】
また上記構成において、角度θは、周期的な強度分布のピークが重ならない範囲から選択されることを特徴とする。また、上記構成において、角度θは、０．０１≦｜ｔａｎθ｜≦０．３を満たす範囲から選択されることを特徴とする。
【００７０】
なお、線状のレーザービームを被照射面に重ね合わせない場合には、発明の効果は得られない。
【００７１】
この場合、ビームの重ね合わせを行わなくても干渉点の存在が顕在化する分けであるから、レーザービームを走査していっても干渉点が走査方向に延在する状態となるだけである。
【００７２】
〔作用〕
線状のレーザービームを照射する際に、その長手方向の直角方向に対して所定の角度を有した方向に走査することにより、線状のレーザービームの長手方向に観察される照射エネルギー密度の強弱の周期的繰り返しを完全に重ならないようにすることができ、干渉縞が表れることを抑制することができる。
【００７３】
即ち、線状レーザービームの走査方向をかえてやることにより、該ビーム内のエネルギーの最大の部分または最少の部分が繰り返しが半導体膜の同じ部分に完全に当たらないようにする。（即ち、少しづつずれて照射されるようにする）
【００７４】
このようにすれば、線状レーザービーム内のエネルギー分布が半導体膜内で分散化されて、より一様にレーザーアニールを行うことができる。
【００７５】
【発明の実施の形態】
発明を実施する場合は、線状のレーザービームをその幅方向に対して若干斜めにして走査して照射する。
【００７６】
例えば、以下のような条件でレーザーアニールをする場合を挙げる。
・線状レーザービームの長手方向の長さが135mm 、幅が0.4mm 。
・干渉のピークの間隔（縞の間隔）が0.1 ｍｍ程度。
・発振周波数２９Ｈｚ。
・走査速度1.2 mm/sec
【００７７】
図１１に一つのレーザーパルスの断面を模式的に示す。レーザービームは、線状の幅方向（ビーム幅方向）に対して、θの角度を有した方向に走査する。θは、tan θ＝0.25を満足する値である。
【００７８】
上記の走査方法を実現するには、100 ｍｍ基板を走査すると線状レーザービームが横に25ｍｍ程度ずれるように走査方向を設定すればよい。
【００７９】
図１１に示すようなレーザービームの走査を実現するのは、レーザー光学系を固定し、試料をｘ−ｙステージに載せ、ｘ−ｙステージをｘ方向に0.29mm/s、ｙ方向に1.16mm/Sの速度で試料を移動させ、それをベクトル合成させればよい。
【００８０】
上記の条件で照射を行うと、次のパルスが照射されるまでに試料が1.16mm/29 ＝0.04mmだけ移動する。即ち、隣合うパルスの間隔は0.04mmとなる。
【００８１】
このような照射方法を採用した場合、図１２に示すように、隣合うパルスにおいて、干渉のピークは0.01mmシフト（平行移動）したものとなる。
【００８２】
これは、隣合うレーザーパルスは、ｙ方向に(1.16/29)mm ＝0.04mm離れたものになるのと同時にx 方向に(0.29/29)mm ＝0.01mm離れたものとなるからである。
【００８３】
この場合、隣合う線状のレーザーパルスは、その幅方向において、９０％重ねられた状態となる。即ち、0.4mm のビーム幅の内、0.36mmの部分が重ねられた状態となる。
【００８４】
しかしながら、隣合う線状レーザーパルスにおいて、干渉ピークの位置は微妙にずれた状態となる。即ち、図１２に示すように干渉のピークは0.01mmずれたものとなる。
【００８５】
このような照射方法で１０パルス照射した場合の状態を図１３に示す。図１３は、レーザービームを0.04mm×10＝0.4mm 走査した状態を示すものである。
【００８６】
この場合、１パルス目の被照射領域における干渉ピークと１１パルス目の被照射領域における干渉ピークとがビームの幅方向において丁度並ぶ状態となる。
【００８７】
図１４には、さらに２０パルスを照射した場合における干渉ピークの分布の状態を示す。図１４は、レーザービームを0.04mm×20＝0.8mm 走査した状態を示すものである。
【００８８】
図１４に示すように、
・線状レーザービームの幅
・干渉ピークの間隔
・走査方向
・走査速度
・ビーム幅
・発振周波数
の組み合わせを適時設定することにより、図１４に示すようにビーム内に存在する干渉のピークが被照射領域において重ならないようにすることができる。
【００８９】
このようにすることで、被照射領域における照射むらやアニールむらを是正することができる。
【００９０】
即ち、図１に示すような干渉ピークの重なりに起因する縞模様の発生を抑制することができる。
【００９１】
実際には、光学系の調整のズレ、設計パラメータの設定の違い、レーザーの発振強度の違い、試料の違い等々のパラメータがあるので、干渉のピークの分散が上述した説明のように理屈通り行われることは限らない。
【００９２】
従って、実施に当たっては、特に目立つピークの間隔やその平均値を参考して、ピークとピークとが重ならないようにθの値を設定し、該設定された角度θの付近で実際にレーザーを照射して、最も縞が目立たなくなる角度を設定すればよい。
【００９３】
上述した説明から明らかなように、本明細書で開示する発明は、レーザービームのパルスを一部重ねながら走査して照射する場合に有効となるものである。その有効性は、パルス同士の重なりが多い程高いものとなる。
【００９４】
本明細書で開示する発明を利用した場合、100 ｍｍの基板走査で、1 ｍｍビームが横にずれる程度の角度でも効果がある。これは、走査方向を少し斜めにするだけで、基板の或る一点に干渉のピークが何度も当たることを防ぐことが出来るからである。
【００９５】
【実施例】
〔実施例１〕
以下の実施例の作製工程では、レーザーアニールによって、結晶性珪素膜を得る場合について示す。まず、アーニル対象となる３種類の膜の作製方法を示す。本明細書で開示する発明は、いずれの膜に対しても効果的である。
【００９６】
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ガラス基板上に形成する。
【００９７】
まず、当該ガラス基板上に、下地膜としての酸化珪素膜を２０００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法で成膜する。次に下地膜上に非晶質珪素膜を５００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法で成膜する。この非晶質珪素膜を出発膜と呼ぶ。
【００９８】
（膜Ａの作製手順）
まず、出発膜に対して、４５０℃、１時間の加熱処理を施す。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光の照射の際、膜中から水素が吹き出し、膜の表面が荒れてしまうのでこの工程が必要とされる。
【００９９】
上記工程の後における膜中の水素の密度は１０20atoms/cm3 台とすることが適当である。この膜を非単結晶珪素膜Ａと呼ぶ。
【０１００】
（膜Ｂの作製手順）
まず出発膜を成膜する。その上に極薄い酸化膜を成膜する。この酸化膜は、酸素雰囲気中において、ＵＶ光を照射することによって成膜する。
【０１０１】
次に１０ｐｐｍの濃度（重量換算）でニッケル元素を含んだ酢酸ニッケル水溶液をスピンコート法により塗布する。この際、先の酸化膜が溶液の濡れ性を良くするために機能する。
【０１０２】
この状態で出発膜（非晶質珪素膜）上にニッケルが均一に接して保持された状態となる。
【０１０３】
次に６００℃で４時間の加熱処理を施する。この工程において、非晶質珪素膜が結晶化する。この結晶化は、ニッケル元素の作用によるものである。（一般に非晶質珪素膜に対して、６００℃、４時間の加熱処理を加えた場合、結晶化はしない）
【０１０４】
こうして、ニッケルの作用により結晶化された非単結晶珪素膜Ｂが得られる。
【０１０５】
なお、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。
【０１０６】
（膜Ｃの作製手順）
出発膜の上に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。
【０１０７】
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除去し、開口部を形成する。この開口部は、線状（スリット状）を有したものとする。
【０１０８】
次に開口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口部の濡れ性改善のために形成される。
【０１０９】
次に１００ｐｐｍの酢酸ニッケル水溶液が、スピンコート法により塗布する。この状態で、酢酸ニッケルが上記開口部分に入る。そして、開口部において露呈している非晶質珪素膜（その表面にはＵＶ酸化膜が成膜されている）の表面にニッケル元素が接して保持された状態を得る。
【０１１０】
次に、６００℃で８時間の熱アニールを施す。この工程において、ニッケル導入部分から横方向（基板に平行な方向／膜面に平行な方向）に結晶が成長してゆく。
【０１１１】
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。上記の条件では横成長量として４０μｍ程度が得られる。
【０１１２】
この成長量は、出発膜の膜質、膜厚、酢酸ニッケル水溶液の塗布条件等、アニール条件等々によって変化する。
【０１１３】
結晶化が終了したら、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。
【０１１４】
このようにして非晶質珪素膜が結晶化し、結晶化した非単結晶珪素膜Ｃが得られる。
【０１１５】
このようにして得られる非単結晶珪素膜Ａ、Ｂ、Ｃに対してレーザーアニールを施す。この場合、試料Ａに対するものは、結晶化のためのレーザーアニールとなる。また、試料Ｂ及び試料Ｃに対するものは、結晶化した結晶性珪素膜の結晶性をさらに改善するためのレーザーアニールとなる。
【０１１６】
図９に、実施例におけるレーザー照射システムの概要を示す。
【０１１７】
図９に示すレーザー照射システムは、レーザー発振装置２０１から出力され、光学系９０１により断面形状が線状に加工される。
【０１１８】
光学系によってビーム成形されたパルスレーザービームは、ミラー２０６で反射され、シリンドリカルレンズ２０７にて集光されつつ、被処理基板９０２に照射される。
【０１１９】
光学系９０１は、図２に示すシリンドリカルレンズ群２０２、２０３、シリンドリカルレンズ２０４、２０５でもって構成される。また、ミラー２０６、及びシリンドリカルレンズ２０７は図２に示されている。
【０１２０】
図２に示す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。線状ビーム面内のエネルギー分布のバラツキは±５％以内程度となる。
【０１２１】
図２に示すようなタイプのレンズ群の役割を以下に記述する。
【０１２２】
シリンドリカルレンズ群２０２、２０３はビームを縦横に分割する役割を果たしている。分割された光束は、シリンドリカルレンズ２０４、２０５によって収束され、さらにシリンドリカルレンズ２０７を介することにより、線状のレーザービームとして、被照射領域に照射される。
【０１２３】
本実施例では、シリンドリカルレンズ群２０２を７つのシリンドリカルレンズによって構成する。また、シリンドリカルレンズ群２０３を５つのシリンドリカルレンズによって構成する。
【０１２４】
従って、元のレーザービームを横に５分割、縦に７分割することになる。この状態は、元のレーザービームを３５分割することになる。そして、この３５分割されたレーザービームが重ね合わせられ、ビーム内におけるエネルギー分布が平均化される。
【０１２５】
ビームの縦横の長さの比はレンズ群の構造上自在に変えられるので、本光学系により、正方形状から線状に到るまであらゆるビームを形成できる。ただし、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。
【０１２６】
具体的には、図４に示すような配置でレンズ群を配置すれば、長方形状のビームの一辺の長さをシリンドリカルレンズ群４０１とシリンドリカルレンズ４０２との距離を変えることにより変化させることが出来る。
【０１２７】
しかしながら、図５のような光路を持つレーザービームを形成しようとすると、シリンドリカルレンズ群５０１とシリンドリカルレンズ５０２間の距離は両者の焦点距離により規定されてしまうため、長方形状のビームの一辺の長さも固定されてしまう。
【０１２８】
よって、図５のような光路のレーザービームを形成するためには予め所望のビームサイズを決定してからレンズ群を設計しなければならない。
【０１２９】
本実施例は、図４あるいは図５、何れの記載の配置のレンズ群を用いても効果がある。
【０１３０】
なお、シリンドリカルレンズ群２０２、２０３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ることもできる。
【０１３１】
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。
【０１３２】
レーザーアニール装置の全体の概要を図１０に示す。
【０１３３】
レーザーアニールを行うに際しては、被処理基板９０２は、台９０３上に配置される。（図９参照）
【０１３４】
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方向に対して直角よりややずれた角度方向（線状レーザービームを含む平面を含む面において）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。なお、前記角度は微調整が可能な構造とする。
【０１３５】
図１０に示す装置の説明をする。１００５は、ロード／アンロード室である。被処理基板９０２は多数枚、例えば２０枚がカセット１００３に収納された状態でロード／アンロード室１００５に収納される。
【０１３６】
動作に当たっては、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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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４記載のレンズ配置で形成されている。
【０１４０】
レーザービームの寸法は、レンズ系の設計によって、さらに大きくすることも可能である。
【０１４１】
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 の範囲から選択する。ここでは、３００ｍＪ／ｃｍ2 とする。
【０１４２】
照射条件を以下に示す。
・線状レーザービームの長手方向の長さが135mm 、幅が0.4mm 。
・干渉のピークの間隔（縞の間隔）が0.1 ｍｍ程度。
・発振周波数２９Ｈｚ。
・走査速度1.2 mm/sec
【０１４３】
この場合、図１３に示すように、被照射領域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ショットの範囲から選択することが適当である。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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発明が特徴とする効果がある。
【０１４８】
【発明の効果】
本明細書に開示する発明を利用することにより、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表面の写真。
【図２】 実施例における線状レーザーを形成する光学系。
【図３】 多数による光干渉の図解。
【図４】 線状レーザーを形成する光学系により、ビームを分割、再結合させるときの光路。
【図５】 線状レーザーを形成する光学系により、ビームを分割、再結合させるときの光路。
【図６】 実施例におけるレーザー照射室を示す図。
【図７】 光干渉を強調するレーザー照射の様子を示す図。
【図８】 光干渉を目立たなくするするレーザー照射の様子を示す図。
【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】線状のレーザービームの断面の状態を示す図。
【図１２】線状のレーザービームを斜めに走査して照射した場合におけるレーザービーム重なり具合を示す図。
【図１３】線状のレーザービームを斜めに走査して１０パルスを照射した場合におけるレーザービーム重なり具合を示す図。
【図１４】線状のレーザービームを斜めに走査して２０パルスを照射した場合におけるレーザービーム重なり具合を示す図。
【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 スリット
４０１ レーザー光分割のためのシリンドリカルレンズ群
４０２ レーザー光、再結合のためのシリンドリカルレンズ
５０１ レーザー光分割のためのシリンドリカルレンズ群
５０２ レーザー光、再結合のためのシリンドリカルレンズ
６０１ 線状レーザービーム
６０２ 干渉のピーク位置
７０１ 線状レーザービーム
９０１ 光学系
９０２ 被処理基板
９０３ 台
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
Claims (1)
- 長手方向において周期的に変化した強度分布を有した線状のパルス発振型のレーザービームを照射する方法であって、
前記線状のレーザービームの幅方向に対して所定の角度θ（θ≠０°）を有した方向にレーザービームを走査して、レーザービームのパルスの被照射領域が隣合うレーザービームのパルスの被照射領域と一部で重なるように、レーザービームを照射し、
前記角度θは、周期的な強度分布のピークが重ならない範囲から選択されることを特徴とするレーザー照射方法。
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