JP4417613B2 - Method and apparatus for crystallizing semiconductor thin film - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置や有機エレクトロルミネッセンス(OELD)表示装置等において、画素表示用トランジスタや駆動回路用トランジスタの活性層として用いられる半導体薄膜の結晶化方法及び結晶化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ガラス基板上のポリシリコンTFTにより駆動回路を形成する液晶表示装置やOELD表示装置が実用化されている。ポリシリコンTFTの活性層であるポリシリコン膜の形成方法として、ガラス基板上に形成された非晶質シリコン膜にエキシマレーザー光を照射して溶融結晶化させる、いわゆるエキシマレーザーアニール法が広く用いられている。
【0003】
図6はエキシマレーザーアニールの原理図である。ガラス基板21上に形成された非晶質シリコン膜22に、パルス発振しているエキシマレーザー光を照射して溶融結晶化させる。エキシマレーザー光のパルスごとに基板への照射位置を変え、膜全面を結晶化させる。この際、エキシマレーザー光のエネルギーが過剰になると、膜はポリシリコンとはならず非晶質化する。これは、エキシマレーザーアニールの成長時に、ガラス基板21と非晶質シリコン22の界面に残った核から結晶が成長するためである。過剰なエネルギーを照射して膜を完全に溶融させると、膜を急冷させる際に、核発生する前に固化してしまい、結晶質にはならない。
【0004】
一方、ポリシリコンの粒径を大きくして膜中のキャリア移動度を向上させるために、膜を完全溶融させる方法の研究が進められている。図7はこの種の方法を説明する原理図である。予め一部が結晶化している膜に、マスク23を介して、シリコンが完全に溶融する程度のエネルギーのエキシマレーザー光を照射する。この際、レーザー光の照射エッジが急峻になり、膜の溶融している部分と溶融していない部分との境界を核として、横方向に結晶が成長する。エキシマレーザーの照射エリアをパルスごとに横方向にずらして照射することで、粒径を大きくして膜の全面を結晶化させる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
このような結晶化方法は、1980年代にSOIデバイスのための結晶化方法として研究され、公知である。この方法をガラス基板上に適用する場合、基板全面にわたって結晶化させるのは困難である。その理由を以下に説明する。膜を完全溶融させる図7の結晶化方法では、光路の中途で、マスクを介して焦点深度の浅いレンズでエキシマレーザー光を集光させたパターン光を膜に照射する。その理由は、このような完全溶融を行う結晶化方法では、パルス1回あたりの成長長さが2μm以下程度であるため、固体〜液体の界面を作るレーザー光のエッジ位置を、高精度に制御する必要があるためである。
【0006】
しかしながら、通常のガラス基板の板厚には数10μm程度のうねりがある。基板ステージの平面度を高めてガラス基板を吸着しても、ガラス基板の板厚のうねりにより、フォーカスがずれてパターン光がぼけてしまう。うねりに対処するには、オートフォーカスを使用することが容易に考えられるが、オートフォーカスの精度を上げるには、レーザー光の1パルス当たりの照射面積を小さくしなければならず、ガラス基板全面にレーザー光を照射するのに時間がかかることから、生産性が著しく低下する。また、研磨等によりガラスの板厚のうねりを除去すると、その分だけ製造コストが高くなる。
【0007】
このように、従来の手法では、ガラス基板全面を生産性よく結晶化させることは困難である。
【0008】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体薄膜を高品質に結晶化できる半導体薄膜の結晶化方法及び結晶化装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様によれば、掃引方向に直交する方向で板厚が変動するガラス基板上に形成された半導体薄膜に対して、マスクのスリットを通過したエネルギービームを投射レンズで集光して照射し、照射位置周辺の半導体薄膜を溶融させて結晶化させる半導体薄膜の結晶化方法であって、
前記マスクのスリットを通過したエネルギービームの長手方向がガラス基板の成形時の掃引方向と略平行な方向になるように前記マスクを配置することを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法が提供される。
【0010】
本発明では、マスクのスリットを通過したエネルギービームの長手方向がガラス基板の成形時の掃引方向と略平行な方向になるようにマスクを配置するため、ガラス基板に凹凸があっても、ガラス基板の全面にわたって投射レンズの焦点を合わせることができる。
【0011】
また、本発明の一態様によれば、掃引方向に直交する方向で板厚が変動するガラス基板上に形成された半導体薄膜に対して、マスクの複数のスリットを通過したエネルギービームを投射レンズで集光して照射し、照射位置周辺の半導体薄膜を溶融させて結晶化させる半導体薄膜の結晶化方法において、
前記マスクの複数のスリットを通過した複数のエネルギービームの長手方向がガラス基板の成形時の掃引方向と略平行な方向になるように前記マスクを配置することを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法が提供される。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る半導体薄膜の結晶化方法および結晶化装置について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【0013】
本発明者は、ガラス基板の板厚のばらつきによって発生する焦点誤差に対処するため、ガラス基板の板厚のばらつきを測定した。図1は典型的なガラスの板厚の目標板厚からのズレをμmで示している。図示のように、ガラスの板厚の変動は、ひだ状に分布しており、板の一方向に向かっては均一な板厚であることがわかる。
【0014】
多数のガラスを調査したところ、この分布は大型の薄板ガラスの製造工程に固有の分布であることがわかった。
【0015】
図2は大型の薄板ガラスの製造工程を示す図である。大型の薄板ガラスの製造工程においては、溶融したガラス1を炉2から流し出して、板状に成形し(図2(a))、これに引き続き、板状に成形したガラス1をローラ3間で圧延して成形する場合(図2(b))がある。
【0016】
以下、この図を用いて薄板ガラスの製造方法を説明する。まず、溶融したガラス1を炉2から流し出して、板状に成形する(図2(a))。次に、板状に成形したガラス1をローラ3間で圧延して成形する(図2(b))。
【0017】
図2(a)の場合も図2(b)の場合も、同一方向(図示の矢印Aの方向)にガラスを掃引している。このため、ガラスを炉2から流し出す際に炉2の端部の微妙な形状変化の影響により、あるいは圧延ローラ3の微妙な変化の影響により、掃引方向に直交する方向Bで、図2(c)に示すように板厚が変動してしまう。
【0018】
一方、ガラス1の掃引方向に平行な方向Aに対しては、ガラス一枚程度の短い距離では大きな変動はなく、板厚は略均一である。
【0019】
本実施形態では、このようなガラス基板の板厚の変動方向を考慮に入れてレーザー光を照射するものである。
【0020】
(第1の実施形態)
図3は本発明に係る半導体薄膜の結晶化装置の第1の実施形態を示す概略的なブロック図である。図3の結晶化装置は、2次元(XY)方向に移動可能なステージ11と、ステージ11に真空吸着されるガラス基板1と、ステージ11の移動を制御するステージ移動制御部12と、エキシマレーザー光を放射するレーザー光源13と、エキシマレーザー光を屈折させる屈折光学系14と、スリット15が形成されたマスク16と、マスク16のスリット15を通過したレーザー光を集光させるレンズ17と、レンズ17の焦点調節を行う焦点調節部18とを備えている。レンズ17の焦点深度は、1μm程度の解像度を得るためには5μm程度である。
【0021】
ステージ11の表面精度は±1μm以内に仕上げられているが、ステージ11に吸着されたガラス基板1は上述したように板厚にばらつきがあるため、ステージ11面からの高さが不均一である。
【0022】
マスク16に形成されたスリット15は、図3に示すように細長状である。本実施形態では、スリット15の長手方向をガラス基板1の成形時の掃引方向(図3の方向X)に略平行に配置する点に特徴がある。このように配置することで、ガラス基板1に照射されるレーザー光の全長にわたって焦点を合わせることができる。
【0023】
レーザー光源13は、レーザー光を一定周波数でパルス状に発信する。ステージ移動制御部12は、スリット15を通過したレーザー光の長手方向と略直交する方向にステージ11を一定の速度で動かす。このとき、焦点調節部18は、ガラス基板1の表面と投影レンズ17との距離を測定し、その距離を一定に保つようにステージ11と投影レンズ17との間の距離を調整する。
【0024】
1回で照射されるレーザー光の全長にわたって、ガラス基板1の板厚は略一定であるため、レーザー光の照射面積を大きくても、レーザー光の全長にわたって焦点がずれなくなる。
【0025】
これに対して、ガラスの成形時の掃引方向に対してレーザー光の照射方向を制御しなかった場合、1回に照射されるレーザー光の照射面積内でガラス基板1の高さにばらつきが生じ、レーザー光の全長にわたって焦点を合わせることができなくなる。このため、図4のようにスリット15の長手方向をガラス基板1の成形時の掃引方向と略直交する方向に配置した場合は、レーザー光の照射面積を小さくせざるを得ない。ところが、レーザー光の照射面積を小さくすると、ガラス基板1の全面にレーザー光を照射するのに時間がかかり、生産性が著しく低下する。
【0026】
このように、本実施形態では、マスク16に細長状のスリット15を形成し、このスリット15の長手方向をガラス基板1の成形時の掃引方向に略平行な方向に配置し、ステージ11をガラス基板1の成形時の掃引方向に略直角に移動させるようにしたため、ガラス基板1の凹凸の影響を受けることなく、ガラス基板1の全面にわたってレーザー光の焦点を合わせることができる。したがって、レーザー光の照射面積を大きくでき、生産性の向上が図れる。
【0027】
第1の実施形態では、細長状のスリット15を有するマスク16を用いてポリシリコン膜を形成する例を説明したが、一回に照射するエリアの縦横比が異なるスリット15であれば、スリット15の形状は特に問わない。例えば、図5は結晶粒の位置制御の目的でV字形のスリット15を一列に並べて配置したマスク16を用いる例を示している。図5の場合、複数のスリット15の並ぶ方向をガラス基板1の成形時の掃引方向に対して略平行な方向に配置し、ステージ11をガラス基板1の成形時の掃引方向に略直角に移動させる。これにより、第1の実施形態と同様に、ガラス基板1の凹凸の影響を受けなくなり、生産性の向上が図れる。
【0028】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、マスクのスリットを通過したエネルギービームの長手方向がガラス基板の成形時の掃引方向と略平行な方向になるようにマスクを配置するため、ガラス基板に凹凸があっても、その影響を受けることなく、ガラス基板の全面にわたって投射レンズの焦点を合わせることができる。したがって、投射レンズの照射面積を大きく設定でき、短時間で効率的に半導体薄膜を結晶化させることができるため、生産性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】典型的なガラスの板厚の目標板厚からのズレを示す図。
【図2】大型の薄板ガラスの製造工程を示す図。
【図3】本発明に係る半導体薄膜の結晶化装置の第1の実施形態を示す概略的なブロック図。
【図4】スリットの長手方向をガラス基板の成形時の掃引方向と略直交する方向に配置した例を示すブロック図。
【図5】結晶粒の位置制御の目的でV字形のスリットを一列に並べて配置したマスクを用いた例を示す図。
【図6】エキシマレーザーアニールの原理図。
【図7】ポリシリコンの粒径を大きくして膜中のキャリア移動度を向上させるために、膜を完全溶融させる方法を説明する原理図。
【符号の説明】
1 ガラス
2 炉
3 ローラ
11 ステージ
12 ステージ移動制御部
13 レーザー光源
14 屈折光学系
15 スリット
16 マスク
17 レンズ
18 焦点調節部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a crystallization method and a crystallization apparatus for a semiconductor thin film used as an active layer of a pixel display transistor and a drive circuit transistor in a liquid crystal display device, an organic electroluminescence (OELD) display device, and the like.
[0002]
[Prior art]
Liquid crystal display devices and OELD display devices in which drive circuits are formed by polysilicon TFTs on a glass substrate have been put into practical use. As a method for forming a polysilicon film which is an active layer of a polysilicon TFT, a so-called excimer laser annealing method is widely used in which an amorphous silicon film formed on a glass substrate is irradiated with excimer laser light to be melted and crystallized. ing.
[0003]
FIG. 6 shows the principle of excimer laser annealing. The
[0004]
On the other hand, in order to increase the particle size of polysilicon and improve the carrier mobility in the film, research on a method for completely melting the film is underway. FIG. 7 is a principle diagram for explaining this type of method. Excimer laser light having such an energy that silicon is completely melted is irradiated through a
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Such a crystallization method was studied and known as a crystallization method for SOI devices in the 1980s. When this method is applied on a glass substrate, it is difficult to crystallize the entire surface of the substrate. The reason will be described below. In the crystallization method of FIG. 7 in which the film is completely melted, the film is irradiated with pattern light obtained by condensing excimer laser light with a lens having a shallow depth of focus through a mask in the middle of the optical path. The reason is that in such a crystallization method that performs complete melting, the growth length per pulse is about 2 μm or less, so the edge position of the laser beam that forms the solid-liquid interface is controlled with high precision. It is necessary to do.
[0006]
However, the plate thickness of a normal glass substrate has a wave of about several tens of μm. Even if the glass substrate is attracted by increasing the flatness of the substrate stage, the focus is shifted due to the undulation of the thickness of the glass substrate and the pattern light is blurred. To deal with the undulations, it is easy to use autofocus. However, in order to increase the accuracy of autofocus, the irradiation area per pulse of the laser beam must be reduced, and the entire surface of the glass substrate must be reduced. Since it takes time to irradiate the laser beam, the productivity is significantly reduced. Further, if the waviness of the glass plate thickness is removed by polishing or the like, the manufacturing cost increases accordingly.
[0007]
As described above, it is difficult to crystallize the entire surface of the glass substrate with high productivity by the conventional method.
[0008]
This invention is made | formed in view of such a point, The objective is to provide the crystallization method and crystallization apparatus of the semiconductor thin film which can crystallize a semiconductor thin film with high quality.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
According to one aspect of the present invention, an energy beam that has passed through a slit of a mask is condensed by a projection lens on a semiconductor thin film formed on a glass substrate whose thickness varies in a direction orthogonal to the sweep direction. A method for crystallizing a semiconductor thin film, wherein the semiconductor thin film is irradiated and melted and crystallized around the irradiation position,
There is provided a method for crystallizing a semiconductor thin film, characterized in that the mask is arranged so that the longitudinal direction of the energy beam that has passed through the slit of the mask is substantially parallel to the sweep direction when the glass substrate is formed. .
[0010]
In the present invention, since the mask is arranged so that the longitudinal direction of the energy beam that has passed through the slit of the mask is substantially parallel to the sweep direction when the glass substrate is molded, the glass substrate The projection lens can be focused over the entire surface.
[0011]
Further , according to one aspect of the present invention , an energy beam that has passed through a plurality of slits of a mask is applied to a semiconductor thin film formed on a glass substrate whose thickness varies in a direction orthogonal to the sweep direction by a projection lens. In the method for crystallizing a semiconductor thin film in which the semiconductor thin film around the irradiation position is melted and crystallized by condensing and irradiating,
A method for crystallizing a semiconductor thin film, characterized in that the mask is arranged so that the longitudinal directions of the plurality of energy beams that have passed through the plurality of slits of the mask are substantially parallel to the sweep direction when the glass substrate is formed. Is provided .
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a semiconductor thin film crystallization method and a crystallization apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0013]
The present inventor measured the variation in the thickness of the glass substrate in order to deal with the focus error caused by the variation in the thickness of the glass substrate. FIG. 1 shows the deviation of the typical glass plate thickness from the target plate thickness in μm. As shown in the figure, the variation in the plate thickness of the glass is distributed in a pleat shape, and it can be seen that the plate thickness is uniform toward one direction of the plate.
[0014]
As a result of investigating a large number of glasses, it was found that this distribution is unique to the manufacturing process of large thin glass sheets.
[0015]
FIG. 2 is a diagram showing a manufacturing process of a large thin glass sheet. In the manufacturing process of the large thin glass, the
[0016]
Hereinafter, the manufacturing method of thin glass is demonstrated using this figure. First, the
[0017]
In both the case of FIG. 2A and FIG. 2B, the glass is swept in the same direction (the direction of arrow A in the figure). For this reason, when the glass is poured out of the
[0018]
On the other hand, with respect to the direction A parallel to the sweep direction of the
[0019]
In the present embodiment, the laser light is irradiated in consideration of such a fluctuation direction of the thickness of the glass substrate.
[0020]
(First embodiment)
FIG. 3 is a schematic block diagram showing a first embodiment of a semiconductor thin film crystallization apparatus according to the present invention. The crystallization apparatus of FIG. 3 includes a
[0021]
Although the surface accuracy of the
[0022]
The
[0023]
The
[0024]
Since the plate thickness of the
[0025]
On the other hand, if the irradiation direction of the laser beam is not controlled with respect to the sweep direction at the time of forming the glass, the height of the
[0026]
As described above, in the present embodiment, the elongated slit 15 is formed in the
[0027]
In the first embodiment, the example in which the polysilicon film is formed using the
[0028]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, since the mask is arranged so that the longitudinal direction of the energy beam that has passed through the slit of the mask is substantially parallel to the sweep direction when the glass substrate is formed, Even if the substrate is uneven, the projection lens can be focused over the entire surface of the glass substrate without being affected by the unevenness. Therefore, the irradiation area of the projection lens can be set large, and the semiconductor thin film can be efficiently crystallized in a short time, so that productivity is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a deviation of a typical glass plate thickness from a target plate thickness.
FIG. 2 is a diagram showing a manufacturing process of a large thin glass sheet.
FIG. 3 is a schematic block diagram showing a first embodiment of a semiconductor thin film crystallization apparatus according to the present invention.
FIG. 4 is a block diagram showing an example in which the longitudinal direction of the slit is arranged in a direction substantially perpendicular to the sweep direction when the glass substrate is formed.
FIG. 5 is a diagram showing an example using a mask in which V-shaped slits are arranged in a line for the purpose of controlling the position of crystal grains.
FIG. 6 is a principle diagram of excimer laser annealing.
FIG. 7 is a principle diagram illustrating a method for completely melting a film in order to increase the particle size of polysilicon and improve carrier mobility in the film.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記マスクのスリットを通過したエネルギービームの長手方向がガラス基板の成形時の掃引方向と略平行な方向になるように前記マスクを配置することを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。 The semiconductor thin film formed on the glass substrate whose thickness varies in the direction perpendicular to the sweep direction is irradiated with the energy beam that has passed through the slit of the mask condensed by the projection lens, and the semiconductor thin film around the irradiation position A method for crystallizing a semiconductor thin film by melting and crystallizing
A method of crystallizing a semiconductor thin film, characterized in that the mask is arranged so that the longitudinal direction of the energy beam that has passed through the slit of the mask is substantially parallel to the sweep direction when the glass substrate is formed.
前記マスクの複数のスリットを通過した複数のエネルギービームの長手方向がガラス基板の成形時の掃引方向と略平行な方向になるように前記マスクを配置することを特徴とする半導体薄膜の結晶化方法。 The semiconductor thin film formed on the glass substrate whose thickness varies in the direction orthogonal to the sweep direction is irradiated with the energy beam that has passed through the slits of the mask and condensed by the projection lens. In the semiconductor thin film crystallization method, the semiconductor thin film is melted and crystallized.
A method for crystallizing a semiconductor thin film, characterized in that the mask is arranged so that the longitudinal directions of the plurality of energy beams that have passed through the plurality of slits of the mask are substantially parallel to the sweep direction when the glass substrate is formed. .
各移動位置で前記投射レンズの焦点調節を行うステップと、
前記焦点調節後に、前記マスクを通過したエネルギービームを前記投射レンズで集光させて前記前記半導体薄膜を溶融させるステップと、を備えることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体薄膜の結晶化方法。Moving the glass substrate by a predetermined distance in a direction substantially perpendicular to a sweeping direction at the time of forming the glass substrate;
Adjusting the focus of the projection lens at each moving position;
3. The semiconductor thin film crystal according to claim 1, further comprising: condensing an energy beam that has passed through the mask after the focus adjustment by the projection lens to melt the semiconductor thin film. 4. Method.
非晶質シリコンからなる前記半導体薄膜に前記エキシマレーザービームを照射してポリシリコン膜を形成することを特徴とする請求項1及至3のいずれかに記載の半導体薄膜の結晶化方法。The energy beam is an excimer laser beam;
4. The semiconductor thin film crystallization method according to claim 1, wherein the semiconductor thin film made of amorphous silicon is irradiated with the excimer laser beam to form a polysilicon film.
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