JP4579575B2 - レーザ照射方法及びレーザ照射装置 - Google Patents

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Description

本発明は、非結晶性半導体膜の結晶化等に好適な照射面上に均一強度の線状ビームを投影できるレーザ照射方法及びレーザ照射装置に関する。
より詳しくは、本発明は、シリンドリカルレンズを用いて線状レーザ光を形成する際に、原ビームの強度分布が反映することにより生ずるエネルギー強度の偏りを生ずることなく、均一強度分布のレーザ光を形成することができる、照射面上に均一強度の線状ビームを投影する、非結晶性半導体膜の結晶化等に好適なレーザ照射方法及びレーザ照射装置に関する。
従来より半導体装置の製造工程においては、非晶質珪素膜を結晶化することが行われており、その際には、通常熱処理又はレーザ照射によるアニールが用いられている。
前者の熱処理は、高温で行われるため基板がガラスの場合には軟化等の対応し難い短所があるが、後者のレーザ照射によるアニールでは、そのような短所が回避でき、この点において後者は優れている。
例えば、パルス発振エキシマレーザビームを光学系により線状に加工し、非結晶珪素膜に対し前記線状レーザビームを走査させながら照射すると多結晶珪素膜が得られる。
このレーザ照射によるアニールには、前記したとおりの利点はあるものの、ビームを走査する際に前記線状レーザビームの強度分布が変動し、膜に照射ムラが発生する現象が見られる。
この照射ムラがあると基板面内で半導体特性が異なることになるため、照射ムラのある膜を使用して、ドライバー画素一体型（システムオンパネル）の表示装置を作製した場合、この照射ムラが画面にそのまま出てしまう不都合が生じた。
上記のムラはＥＬディスプレイに代表される高精細、高特性の表示装置を作製する場合、特に問題となる。
レーザ照射装置において線状ビームを形成する場合、レーザ発振器から射出したレーザビーム（以下、「原ビーム」と言う）は、通常シリンドリカルレンズアレイにより分割される。
さらに、分割された成分はシリンドリカルレンズを通過することにより互いに重ね合わさり、照射面において線状ビームが形成される。
この線状ビームを用いて半導体膜の処理を行う場合には、エネルギー密度の変動が数％以内の高い均一性が求められる。
しかしながら、この要求を満たすことができない場合、例えば線状ビームの長手方向のエネルギー分布が均一でない場合、長手方向の全ての領域にわたって最適エネルギー範囲内でレーザ処理を行うことが困難となる。
その結果、基板全面を均一に処理することが不可能となり照射ムラが発生する。
すなわち、原ビームの強度分布に依存して線状ビームの長手方向のエネルギー分布に変動が発生する場合、原ビームの強度分布の時間変化を反映した照射ムラが発生することになる。
一般に、線状ビームの均一性を向上させるためには、シリンドリカルレンズアレイを構成するシリンドリカルレンズ数を増やし、原ビームの分割数を増やす方法が利用される。 しかし、分割数が大きくなると分割されたビーム間での干渉が顕著となり、照射面において縞模様が発生することがある。
また、レンズ幅とレンズ長のアスペクト比が高いシリンドリカルレンズを作製し、シリンドリカルレンズアレイを構成しようとする場合、十分な強度やレンズ精度が得られにくいため、所望のビームが得られないことがある。
したがって、実際には分割数をある一定数以上に大きくしてレーザ照射することは難しい。
また、原ビームの強度分布が一方向に偏っている場合、分割された成分それぞれが偏りを持つため、照射面において合成された線状ビームのエネルギー分布にもそのまま原ビームの偏りが反映される。
分割数を増しても同様に長手方向に偏りを持つ強度分布となるため均一な処理が不可能となる。
以上のとおりであり、従来のシリンドリカルレンズアレイを使用してビームを均一化する場合には、対称な強度分布を持つ原ビームでなければ、照射面において均一なビームを形成することが不可能であった。
さらに、ガスレーザの場合、レーザ光が励起される媒質ガスを封入したチューブの冷却が必要となるが、冷却水流量の変動などによりレーザの発振特性が影響を受け、原ビームの強度分布が変動することがある。
また、共振器内の素子の熱歪などによっても原ビームの強度分布が変動することが知られている。
前記の他にも様々な要因により原ビームの強度分布が変動する場合があるが、従来のシリンドリカルレンズを使用した場合、原ビームの変動に対して影響を受けやすい光学系となっていた。
安定的に被処理物の均一な処理を行うためには、原ビームの強度分布に依存することなく常に均一な線状ビームが形成できる光学系が必要である。
また、原ビームの強度分布の変動に対しても敏感度の低い光学系が求められる。
そのようなことから、原ビームの強度分布に影響されることなく、均一強度の線状ビームを投影できるレーザ照射方法及びレーザ照射装置の出現が求められており、本発明者らは、シリンドリカルレンズを用いたそのためのレーザアニール装置を既に提案した（特許文献１参照）。
特開平１０−２５３９１６号公報
そのレーザアニール装置は、凸型シリンドリカルレンズと凹型シリンドリカルレンズを交互に配置し、両シリンドリカルレンズ間を滑らかに連続させたものであるが、この提案のレーザアニール装置においても、光学調整の難易度の点で、原ビームの強度分布に影響されることなく、均一強度の線状ビームを投影できるレーザ照射方法及びレーザ照射装置としては、充分なものではなく、本発明はこの点をも解消することができる画期的なレーザ照射方法及びレーザ照射装置を提供するものである。
したがって、本発明は、シリンドリカルレンズを用いて線状レーザ光を形成する際に、原ビームの強度分布が反映されることにより生ずるエネルギー強度の偏りを生ずることなく、均一強度分布のレーザ光を照射することができる非結晶性半導体膜の結晶化等に好適なレーザ照射方法及びレーザ照射装置を提供することを発明の解決すべき課題、すなわち、目的とするものである。
前記のとおりであるから、本発明は、前記特許文献１の前記短所をも解消することを目的とするものである。
本発明は、前記したとおり非結晶性半導体膜の結晶化等に好適な照射面上に均一強度の線状ビームを投影できるレーザ照射方法及びレーザ照射装置を提供するものであり、前者のレーザ照射方法は、レーザ発振器から射出されたレーザ光を複数に分割して通過後のエネルギー強度分布が反転した形態となる２種のシリンドリカルレンズアレイを通過させエネルギー強度分布が反転した２種の線状レーザ光を形成し、その２種の線状レーザ光を短尺方向で重ね合わせて投影することを特徴とするものである。
また、後者のレーザ照射装置は、レーザ発振器、レーザ発振器から射出されたレーザ光を複数に分割して通過させ、通過後エネルギー強度分布が反転した形態となる２種のシリンドリカルレンズアレイ、その両アレイで形成された線状レーザ光を短尺方向で重ね合わせる集光レンズ、集光レンズを通過したレーザを投影させる照射面を設置するステージを備えたことを特徴とするものである。
そして、それらレーザ照射方法及びレーザ照射装置においては、２種のシリンドリカルレンズアレイは、凹型シリンドリカルレンズアレイと凸型シリンドリカルレンズアレイとをそれぞれの母線の方向で連結するか、又は凸型シリンドリカルレンズと凹型シリンドリカルレンズとが曲率方向で交互に配置された第１の組合せシリンドリカルレンズアレイと、その第１の組合せシリンドリカルレンズアレイと同様に凸型及び凹型シリンドリカルレンズとが曲率方向で交互に配置されており、かつ２つの型のシリンドリカルレンズの配置が逆になっている第２の組合せシリンドリカルレンズアレイとが、第１の組合せシリンドリカルレンズアレイの凹型シリンドリカルレンズ及び第２の組合せシリンドリカルレンズアレイの凸型シリンドリカルレンズとをそれぞれの母線の方向で連結するのが好ましい。
本発明では、前記したとおりレーザ発振器から射出されたレーザ光を複数に分割し、分割された各レーザ光を通過後のエネルギー強度分布が逆転するように２種のシリンドリカルレンズアレイが組み合わせ使用されており、例えば図３(ａ)では、凸型シリンドリカルレンズアレイと、凹型シリンドリカルレンズアレイとが、それぞれのシリンドリカルレンズの母線の方向で連結、組み合わされており、そのため凸型シリンドリカルレンズアレイを通過したレーザ光と、凹型シリンドリカルレンズアレイを通過したレーザ光とは逆転した関係で集光レンズにより集合されることになる。
その結果、原ビームのエネルギー強度分布に偏りがあっても、凸型シリンドリカルレンズアレイと、凹型シリンドリカルレンズアレイを通過したレーザ光は互いに逆転した関係で照射面に投影されることになり、そのため原ビームの強度分布の偏りを相殺することが可能となる。
したがって、本発明ではレーザビームの一方向に偏った強度分布を相殺し、照射面において均一性の高い線状ビームを形成することができる。
さらに、原ビームの強度分布の変動の影響を受けにくい光学系を構成することが可能になる。
以下において、本発明について、発明を実施するための最良の形態を含む実施の形態に関し説明するが、本発明は、それによって何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載によって特定されるものであることはいうまでもない。
本発明においては、前記したとおりレーザ発振器から射出されたレーザ光は、通過後のエネルギー強度分布が逆転するように組み合わせれた２種のシリンドリカルレンズアレイを複数に分割されて通過し、それによりレーザビームの偏ったエネルギー強度分布を相殺し、照射面において均一性の高い線状ビームを形成するものである。
そのようなことから、まずそれらシリンドリカルレンズの構造、機能、特性、使用態様等に関し説明する。
シリンドリカルレンズを使用するレーザ光の均一化には、通常凹型又は凸型シリンドリカルレンズのいずれかが使用される。
そこで、凹型シリンドリカルレンズを使用した凹型シリンドリカルレンズアレイで線状ビームの長手方向を形成する場合を図１に図示する。
凹型シリンドリカルレンズで構成された凹型シリンドリカルレンズアレイ１０１を通過し、複数に分割された光線は集光レンズ１０２により合成され照射面１０３において、線状ビームが形成される。
その際、前記アレイにより強度が一方向に偏ったエネルギー分布１０４を持つ原ビームを分割し、線状ビームを形成する場合、照射面には一方向に偏ったエネルギー分布１０５が現れることになる。
他方、凸型のレンズを使用した凸型シリンドリカルレンズアレイにより線状ビームの長手方向を形成する場合について図２に図示する。
その際、原ビームが偏ったエネルギー分布２０４を持つと、凸型シリンドリカルレンズアレイ２０１で分割されたビームも凹型シリンドリカルレンズアレイの場合と同様に偏ったエネルギー分布を持つことになる。
しかしながら、凸型シリンドリカルレンズの場合、凸型シリンドリカルレンズを通過した光線は一度集光されてから拡がるため、照射面２０３には凹型シリンドリカルレンズアレイ１０１で形成されるエネルギー分布１０５とは逆の形状となった、逆転したエネルギー分布２０５が形成されることになる。
前記したように凸型シリンドリカルレンズアレイと凹型シリンドリカルレンズアレイを用いて線状ビームを形成した場合には、いずれも原ビームのエネルギー強度分布が反映されたものとなる点では共通するものではある。
しかしながら、両者の照射面におけるエネルギー強度分布は逆転しているものとなっており、本発明者等は、今まで意識していなかったこの点に今回気付き、新鮮な驚きであった。
本発明は、この知見を利用するものであり、そのことを利用することを特徴とするものである。
本発明は、この知見に基づいて、原ビームを複数の領域に分割し、その各領域に凸型または凹型のそれぞれ異なるシリンドリカルレンズアレイを作用させることにより、原ビームの強度分布の偏りを相殺することを可能とする。
例えば、凸型と凹型のシリンドリカルレンズアレイを組み合わせ凸型シリンドリカルレンズアレイと凹型シリンドリカルレンズアレイを積み上げることにより、図３（a）に図示する形状の連結されたシリンドリカルレンズアレイを作製する。
前記したように凸型シリンドリカルレンズアレイと凹型シリンドリカルレンズアレイでは、原ビームのエネルギー強度分布を反映して形成される照射面でのエネルギー強度分布は逆転することになり、このことが両シリンドリカルレンズアレイを組み合わせたことの特徴である。
したがって、原ビームを複数の領域に分割し、その各領域に凸型または凹型のそれぞれ異なるシリンドリカルレンズアレイを作用させることにより、原ビームの強度分布の偏りを相殺することが可能になる。
例えば、複数の凸型シリンドリカルレンズかならる凸型シリンドリカルレンズアレイと、複数の凹型シリンドリカルレンズからなるシリンドリカルレンズアレイとをそれぞれの母線の方向で連結する、すなわちそれぞれの母線の方向で組み合わせて積み上げることにより図３(ａ)に図示する形状の連結シリンドリカルレンズアレイを作製することができる。
上記のシリンドリカルレンズアレイを使用して線状ビームを形成する場合、レーザビームの短手方向の上半分の領域には凹型シリンドリカルレンズアレイが作用し、短手方向の下半分の領域には凸型シリンドリカルレンズアレイが作用する。
そのため照射面における長手方向のエネルギー分布には凸型シリンドリカルレンズアレイにより形成される分布と凹型シリンドリカルレンズアレイにより形成される分布の両方が寄与するため、原ビームの強度分布の偏りを相殺することが可能になる。
なお、本発明においては、レーザ発振器から射出されたレーザ光は複数に分割され、その分割されたレーザ光が凸型シリンドリカルレンズアレイと凹型のシリンドリカルレンズアレイとを組み合わせた２種のシリンドリカルレンズアレイ、すなわち連結シリンドリカルレンズアレイを通過するものであるが、その分割数は偶数とするのが望ましい。
その分割を行う際には、シリンドリカルレンズを用いて連結シリンドリカルレンズアレイを構成する凸型又は凹型のシリンドリカルレンズアレイに入射するレーザ光の短手方向の幅が凹型又は凸型シリンドリカルレンズアレイの一杯にならないように予め調節するのがよく、それにより、前記連結シリンドリカルレンズアレイの凹型シリンドリカルレンズアレイと凸型シリンドリカルレンズアレイの継ぎ目に光線が通過しない構成とすることができ、より均一な線状ビームを形成することが可能になる。
また、２種のシリンドリカルレンズアレイとしては、図３（ａ）に図示した態様に加えて、図３（ｂ）に図示した凹型シリンドリカルレンズと凸型シリンドリカルレンズとを曲率方向で交互に配置した組合せシリンドリカルレンズアレイ、すなわち波状のシリンドリカルレンズアレイを用いることができる。
この場合には、山の位置が逆転した２種の波状のシリンドリカルレンズアレイを図６のように組合せて用いることにより、図３（ａ）に図示した場合と同様にエネルギー強度分布に偏りがあっても、シリンドリカルレンズアレイを通過したレーザ光は互いに反転した関係で照射面に投影されることになり、そのため原ビームの強度分布の偏りを相殺することが可能となり、照射面において均一性の高い線状ビームを形成することができる。
なお、この波状のシリンドリカルアレイを用いた態様についても、後に更に説明する。
本発明のレーザ照射装置の一態様（以下、第１態様という）に関し、図４を用いて更に具体的に説明する。
すなわち、各レンズの曲率半径、厚さ及び幅、並びに各レンズ間の間隔等の条件も具体的に例示し、本発明のレーザ照射装置に関し、図４を用いて詳細かつ具体的に説明する。
その図４において、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図であり、まず同図（ｂ）の側面図について説明する。
レーザ発振器４０１から出たレーザビームは、図４中、矢印の方向に伝搬され、球面レンズ４０２ａ及び４０２ｂにより拡大される。
この構成は、レーザ発振器４０１から出るビームスポットが十分に大きい場合には勿論必要ない。
そのレーザ発振器４０１から出たレーザビームは、短手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ、すなわち線状ビームの短手方向の長さと、均一性を決定する凸型シリンドリカルレンズアレイ４０３ａ及び凹型シリンドリカルレンズアレイ４０３ｂにより、レーザ光のビームスポットが短手方向に分割される。
本発明においては、前記したとおりレーザ発振器から射出されたレーザ光は複数に分割され、その分割されたレーザ光は、２種のシリンドリカルレンズアレイを組み合わせた連結シリンドリカルレンズアレイの凸型シリンドリカルレンズアレイ又は凹型のシリンドリカルレンズアレイを通過するものであるが、その分割数は偶数とするのが望ましい。
その際には、連結シリンドリカルレンズアレイを形成する凹型シリンドリカルレンズアレイと凸型シリンドリカルレンズアレイとの継ぎ目にレーザ光が通過しないように分割するのが好ましい。
そのため、本発明の図４の装置においては、前記連結シリンドリカルアレイの前方、すなわち入射側に短手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ４０３ａ及び４０３ｂが配置され、前記連結シリンドリカルレンズアレイに入射するレーザ光の短手方向の幅が前記連結シリンドリカルレンズアレイを構成する凸型又は凹型のシリンドリカルレンズアレイ一杯にならないように調節されており、それにより前記連結シリンドリカルレンズアレイの凹型シリンドリカルレンズアレイと凸型シリンドリカルレンズアレイの継ぎ目に光線が通過しない構成とされている。
なお、レーザ発振器から射出されたレーザ光の分割は、原ビームの強度分布の偏りを相殺することを目的とする前記連結シリンドリカルレンズアレイによって行うことも可能ではあるが、前記のとおり予め短手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ４０３ａ及び４０３ｂにより分割するのが好ましい。
本発明の図４における短手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ４０３ａは、第１面の曲率半径が＋１４６ｍｍで、厚さ３ｍｍ、幅３ｍｍの凸型シリンドリカルレンズを曲率方向に６個並べたものである。
その短手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ４０３ｂは、第１面の曲率半径が−２１９ｍｍで、厚さ３ｍｍ、幅３ｍｍの凹型シリンドリカルレンズを曲率方向に６個並べたものである。
また、短手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ４０３ａと４０３ｂとの間隔は５１０ｍｍとした。
なお、曲率半径の符号は、曲率中心がレンズ面に対して光線の射出側にある時が正、曲率中心がレンズ面に対して入射側にある時を負とする。
また、レンズ面は光が入射する面を第１面、射出する面を第２面とする。
その短手方向形成用凹型シリンドリカルレンズアレイ４０３ｂの照射面寄りには、該アレイから１９５ｍｍの位置に、第１面の曲率半径が＋１９４ｍｍ、厚さ５ｍｍの短手方向集光用シリンドリカルレンズ４０６が置かれ、レーザビームを集光する。
これにより両アレイを透過した光線が一箇所に集光され、短手方向集光用シリンドリカルレンズ４０６に対して照射面側に均一面が形成される。
また、これにより、ビームスポットの短手方向のエネルギー分布の均一化がなされ、形成された均一面を照射面に結像させることによって均一なエネルギー分布を持つ線状ビームを形成することができる。
そのビームの結像を行うために、短手方向集光用シリンドリカルレンズ４０６から１４６５ｍｍ照射面寄りにダブレットシリンドリカルレンズ４０７を配置する。
このダブレットシリンドリカルレンズ４０７は、線状ビームをより長くできる点で配置するのが好ましいが、配置しなくてもよい。
ここでダブレットシリンドリカルレンズとは、２枚のシリンドリカルレンズで構成されているレンズのことをいう。
前記ダブレットシリンドリカルレンズを構成する２枚のシリンドリカルレンズについては、１枚は第１面の曲率半径が＋１２５ｍｍ、第２面の曲率半径が＋７７ｍｍ、厚さ１０ｍｍのシリンドリカルレンズで、もう１枚は第１面の曲率半径が＋９７ｍｍ、第２面の曲率半径が−２００ｍｍ、厚さ２０ｍｍのシリンドリカルレンズであり、２枚のシリンドリカルレンズの間隔は５．５ｍｍである。
これにより、レーザ光のビームスポットの短辺方向のエネルギー分布の均一化がなされ、短辺方向の長さが決定される。
前記ダブレットシリンドリカルレンズから照射面寄り２０８ｍｍに配置した被照射面４０８に光線を集光する。
これにより、短手方向に均一なエネルギー分布を持つビームを形成することができる。
次に、図４(ａ)の平面図について説明する。
レーザ発振器４０１から出たレーザビームは、長手方向形成用（すなわち線状ビームの長手方向の長さと、均一性を決定するため）の凸型シリンドリカルレンズアレイ、凸型シリンドリカルレンズアレイ４０４ａ及び凹型シリンドリカルレンズアレイ４０４ｂにより、ビームスポットが長手方向に分割される。
その凸型シリンドリカルレンズアレイ４０４ａは、第１面の曲率半径が＋３５ｍｍで、厚さ５ｍｍ、幅６．５ｍｍの凸型シリンドリカルレンズを曲率方向に７個並べたものであり、それは、レンズの上端がレーザ光の光軸高さと等しくなるように配置する。
これにより、凸型シリンドリカルレンズアレイ４０４ａは、短手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ４０３ｂの下半分の領域を通過した光線に対してのみ作用する。
また、前記凹型シリンドリカルレンズアレイ４０４ｂは、第２面の曲率半径が＋３５ｍｍで、厚さ４．８ｍｍ、幅６．５ｍｍの凹型シリンドリカルレンズを曲率方向に７個並べたものである。
その凹型シリンドリカルレンズアレイ４０４ｂは、レンズの下端がレーザ光の光軸高さと等しくなるように配置する。
これにより、凹型シリンドリカルレンズアレイ４０４ｂは短手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ４０３ｂの上半分の領域を通過した光線に対してのみ作用する。
その凸型シリンドリカルレンズアレイ４０４ａ及び凹型シリンドリカルレンズアレイ４０４ｂは、本発明の連結シリンドリカルレンズアレイに該当するものであり、その照射面寄りには、そこから７０ｍｍの位置に第１面の曲率半径が＋８７０ｍｍ、厚さ５ｍｍの長手方向集光用シリンドリカルレンズ４０５が置かれ、レーザビームは該長手方向集光用シリンドリカルレンズにて被照射面４０８において１つに合成される。
これにより、レーザ光のビームスポットの長辺方向のエネルギー分布の均一化がなされ、長辺方向の長さが決定される。
このようにして照射面に照射されるレーザ光は、凸型シリンドリカルレンズアレイ４０４ａ及び凹型シリンドリカルレンズアレイ４０４ｂをそれぞれ通過し、照射面に形成されるビームはその長手方向のエネルギー分布が互いに反転している。
その互いに反転したエネルギー分布を持つ両シリンドリカルレンズアレイを通過したレーザ光が短手方向集光用シリンドリカルレンズ４０６にて集光されるため、レーザ発振器から射出したビームの強度分布の偏りの影響を相殺することが可能になるのであり、本発明においては、前記短手方向集光用シリンドリカルレンズ４０６は、前記連結シリンドリカルレンズアレイと共に必要不可欠なものである。
上記の構成により、レーザ発振器から射出したビームの強度分布の影響を受けずに長手方向に均一なエネルギー分布を持つ線状ビームを形成することが可能になる。
また、強度分布の変動に対しても敏感度の少ない光学系を構成することが可能となる。
さらに、それらに関し、光学設計ソフトでシミュレーションを行い、その結果を図５に示す。
その結果より線状ビームの長辺方向のエネルギー分布が改善されたことがわかることは、以下のとおりである。
その図５(ａ)は、線状ビームの長手方向の形成に凸型シリンドリカルレンズアレイのみを作用させた場合に照射面に形成されるエネルギー分布であり、原ビームのエネルギー分布が非対称の場合、この図が示すように原ビームのエネルギー分布が反映され、強度が片側に偏った分布となる。
そして、図５(ｂ)は、上記の凸型と凹型のシリンドリカルレンズを組み合わせたシリンドリカルレンズアレイにより線状ビームの長手方向を形成した場合のエネルギー分布であり、原ビームのエネルギー分布に影響されることなく均一化している。
前記のとおりであり、この図５より、本発明のシリンドリカルレンズアレイを適用することにより、長手方向のエネルギー分布が改善され、より均一なビームを照射面において形成できることがわかる。
本発明のレーザ照射装置で使用するレーザ発振器は、特に制限されることなく各種のものが使用可能であるが、大出力でかつ半導体膜によく吸収される波長域を発振できるものが好ましい。
半導体膜として珪素膜を用いた場合、吸収率を考慮し、用いるレーザ発振器の出すレーザビームの波長は６００ｎｍ以下であることが好ましい。
このようなレーザビームを出すレーザ発振器には、例えば、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ（高調波）、ガラスレーザ（高調波）がある。
また、現在の技術ではまだ大出力は得られていないが、珪素膜の結晶化に適当な波長のレーザビームを発振するレーザ発振器として、例えば、ＹＶＯ4レーザ（高調波）、ＹＬＦレーザ（高調波）、Ａｒレーザがある。
次に、本発明のレーザ照射装置を用いた使用態様として、半導体装置を作製する場合について、具体例を用いながら説明する。
まず、基板として６００×７２０×０．７ｍｍのガラス基板（AN100）を用意する。
この基板は６００℃までの温度であれば充分な耐久性がある。
前記ガラス基板上に下地膜として酸化珪素膜を２００ｎｍ成膜する。
さらに、その上から非晶質珪素膜を５５ｎｍの厚さに成膜する。
それら成膜は、いずれもスパッタ法にて行う。
なお、プラズマＣＶＤ法にて成膜してもよい。
前記成膜済の基板を、４５０℃の窒素雰囲気中に１時間放置する。
この放置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。
この工程は、前記珪素膜中の水素が多すぎると膜がレーザエネルギーに対して耐えきれないため、それを回避するために行うものである。
前記膜内の水素の濃度は１０20/ｃｍ3オーダーが適当である。
なお、ここにおける１０20/ｃｍ3とは、１ｃｍ3あたりに水素原子が１０20個存在するという意味である。
本作製方法の具体例においては、レーザ発振器として、ラムダフィジック社製ＳＴＥＥＬ１０００ＸｅＣｌエキシマレーザを使う。
このエキシマレーザは、パルスレーザであり、その最大エネルギーは、１パルスあたり１０００ｍＪ、発振波長は３０８ｎｍ、最大周波数は３００Ｈｚである。
基板１枚をレーザ処理する間、該パルスレーザの１パルスごとのエネルギー変動は、±１０％以内、好ましくは±５％以内に収まっていると、均一な結晶化が行える。
ここで述べているレーザエネルギーの変動は、以下のように定義する。
すなわち、基板１枚を照射している期間のレーザエネルギーの平均値を基準とし、その期間の最小エネルギー又は最大エネルギーと前記平均値との差を％で表したものである。
レーザビームの照射は、例えば被照射面を載せたステージを長方形状のビームスポットの短辺方向に走査させながら行う。
このとき、被照射面におけるビームスポットのエネルギー密度や、走査のスピードは、所望の結晶化を行える範囲内において実施者が適宜決めればよい。
それらの目安は、エネルギー密度が２００ｍＪ/ｃｍ2〜１０００ｍＪ/ｃｍ2の範囲である。
走査のスピードは、長方形状のビームスポットの短辺方向の幅が９０％程度もしくはそれ以上で互いに重なり合う範囲で適当なものを選ぶと、均一なレーザアニールを行える可能性が高い。
最適な走査スピードは、レーザ発振器の周波数に依存し、前記周波数に比例すると考えてよい。
以上のとおりの処理を行うことにより、非晶質珪素膜をレーザアニールし、それにより珪素膜を結晶化することができる。
この処理を非晶質珪素膜に繰り返し行うことにより、多数の基板を処理できる。
前記基板を利用して例えばアクティブマトリクス型の液晶ディスプレイやＥＬディスプレイを公知の方法に従って作製することができる。
本作製方法においては、前記したとおりレーザ発振器にエキシマレーザを用いた。
エキシマレーザはコヒーレント長が数μｍと非常に小さいため、上記作製方法におけるレーザ照射装置の光学系に適している。
以下に示すレーザにはコヒーレント長が長いものもあるが、それを前記した作製方法に使用する場合には、作為的にコヒーレント長を変えたものを用いればよい。
前記作製方法には、ＹＡＧレーザの高調波やガラスレーザの高調波を用いても同様な大出力が得られ、かつ珪素膜にレーザビームのエネルギーが良く吸収されるので好ましい。
珪素膜の結晶化に適当なレーザ発振器としては、ＹＶＯ4レーザ（高調波）、ＹＬＦレーザ（高調波）、Ａｒレーザなどがある。
これらのレーザビームの波長域は珪素膜によく吸収される。
前記した半導体装置の作製方法における具体例については、非単結晶半導体膜には非晶質珪素膜を使ったが、本発明は他の非単結晶半導体にも適用できることは詳述するまでもないことである。
例えば、非単結晶半導体膜に非晶質珪素ゲルマニウム膜などの非晶質構造を有する化合物半導体膜を使用してもよい。
さらに、非単結晶半導体膜については、非晶質のものばかりでなく多結晶膜、例えば多結晶珪素膜を使用しても勿論よい。
次に、本発明のレーザ照射方法に関し、前記図４に示した第１態様とは異なる別な態様（以下、第２態様という）について、第１態様の場合と同様に具体的に説明する。
この第２態様における２種のシリンドリカルレンズアレイ用のシリンドリカルレンズアレイとしては、前記したとおり図３（ｂ）に図示した波状のシリンドリカルレンズアレイを用いる。
この場合には、２種の組合せシリンドリカルレンズアレイは、図６に図示するように凸型シリンドリカルレンズと凹型シリンドリカルレンズとが曲率方向で交互に配置された第１の組合せシリンドリカルレンズアレイと、その第１の組合せシリンドリカルレンズアレイと同様に凸型及び凹型シリンドリカルレンズとが曲率方向で交互に配置された第２の組合せシリンドリカルレンズアレイとからなる。
そして、第１及び第２の組合せシリンドリカルレンズアレイは、両レンズアレイを組み合わせた際に、両アレイの凸型シリンドリカルレンズと凹型シリンドリカルレンズの位置が逆になっていることが必要である。
具体的には、図６に図示するように、第１及び第２の組合せシリンドリカルレンズアレイは、両レンズアレイを組み合わせた際に、第１の組合せシリンドリカルレンズアレイの凹型シリンドリカルレンズ及び第２の組合せシリンドリカルレンズアレイの凸型シリンドリカルレンズとをそれぞれの母線の方向で連結することが必要である。
すなわち、両レンズアレイを組み合わせた際に、図６における下側のレンズアレイの凸型シリンドリカルレンズ上に上側のレンズアレイの凹型シリンドリカルレンズが位置し、かつ両シリンドリカルレンズの母線が直行するように両レンズアレイを配置することが必要となる。
これらのことをより簡略化して表現すれば、２種の波状のシリンドリカルレンズアレイを図６のように山の位置が逆転した位置になるように配置し、それらを逆転した位置関係で連結することが必要となる。
その結果、この場合にも原ビームのエネルギー強度分布に偏りがあっても、シリンドリカルレンズアレイを通過したレーザ光は互いに反転した関係で照射面に投影されることになり、そのため原ビームの強度分布の偏りを相殺することが可能となり、照射面において均一性の高い線状ビームを形成することができる。
以下において、本発明に関し、ＴＦＴを作製するための実施例を挙げて更に具体的に説明するが、本発明はこの実施例によってなんら限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載によって特定されるものであることはいうまでもない。
この実施例においては、本発明によるレーザ照射装置を用いて、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作製する工程について、図７を用いて説明する。
まず、図７（Ａ）示すように、絶縁表面を有するガラス基板７００上に下地膜７０１を形成する。
その基板７００には、例えばバリウムホウケイ酸ガラスや、アルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、石英基板、ＳＵＳ基板等を用いることができる。
また、ＰＥＴ、ＰＥＳ、ＰＥＮに代表されるプラスチックや、アクリル等の可撓性を有する合成樹脂からなる基板は、一般的に他の基板と比較して耐熱温度が低い傾向にあるが、作製工程における処理温度に耐え得るのであれば用いることができる。
下地膜７０１は、ガラス基板７００中に含まれるＮａなどのアルカリ金属やアルカリ土類金属が、半導体膜中に拡散し、半導体素子の特性に悪影響を及ぼすのを防ぐために設ける。
そのため、アルカリ金属やアルカリ土類金属の半導体膜中への拡散を抑えることができる酸化珪素や、窒化珪素、窒化酸化珪素などの絶縁膜を用いて形成する。
本実施例では、プラズマＣＶＤ法を用いて窒化酸化珪素膜を１０〜４００ｎｍの膜厚になるように成膜した。
ガラス基板又はプラスチック基板のようにアルカリ金属やアルカリ土類金属が多少なりとも含まれている基板を用いる場合、不純物の拡散を防ぐという観点から下地膜を設けることは有効であるが、石英基板など不純物の拡散がさして問題とならない場合には必ずしも設ける必要はない。
その下地膜上には、続いて非晶質半導体膜７０２を形成するが、その膜厚は２５〜１００ｎｍ（好ましくは３０〜６０ｎｍ）とする。
また、非晶質半導体膜は、珪素やシリコンゲルマニウムを用いることができるがここでは珪素を用いる。
シリコンゲルマニウムを用いる場合、ゲルマニウムの濃度は０．０１〜４．５ａｔｏｍｉｃ％程度であることが好ましい。
続いて、図７（Ｂ）に示すように、本発明のレーザ照射装置を用いて非晶質半導体膜７０２にレーザ光を照射し、結晶化を行う。
本実施例では、レーザ光として、３００Ｗのエキシマレーザを用いる。
そのレーザ光は、非晶質半導体膜７０２の表面において、図７（Ｂ）に示した矢印の方向に向かって走査する。
そのレーザ光の照射により非晶質半導体膜７０２は結晶性半導体膜７０３となる。
なお、希ガスや窒素などの不活性ガス雰囲気中でレーザ光を照射するようにしてもよく、これによりレーザ光照射による半導体表面の荒れを抑えることができ、界面準位密度のバラツキによって生ずる閾値のバラツキを抑えることができる。
その後、図７（Ｃ）に示すように結晶性半導体膜７０３をパターニングし、島状の半導体膜７０４〜７０７が形成され、島状の半導体膜７０４〜７０７を用いてＴＦＴに代表される各種の半導体素子が形成される。
さらに、その島状の半導体膜７０４〜７０７を覆うようにゲート絶縁膜７０８を形成する。
そのゲート絶縁膜７０８には、例えば酸化珪素、窒化珪素または窒化酸化珪素等を用いることができる。
その際の成膜方法には、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法などを用いることができる。 ここでは、スパッタ法を用いて、膜厚を３０ｎｍ〜２００ｎｍとして珪素を含む絶縁膜を形成する。
次に、図示しないが、ゲート絶縁膜上に導電膜を形成しパターニングすることでゲート電極を形成する。
その後、ゲート電極、又はレジストを形成しパターニングしたものをマスクとして用い、島状の半導体膜７０４〜７０７にｎ型またはｐ型の導電性を付与する不純物を選択的に添加し、ソース領域、ドレイン領域、さらにはＬＤＤ領域等を形成する。
上述の工程によって、Ｎチャネル型ＴＦＴ７１０、７１２と、Ｐチャネル型ＴＦＴ７１１、７１３を同一基板上に形成することができる（図７（Ｄ））。
続いて、それらの保護膜として絶縁膜７１４を形成する。
この絶縁膜７１４には、プラズマＣＶＤ法またはスパッタ法を用い、厚さを１００ｎｍ〜２００ｎｍとして珪素を含む絶縁膜を用いて、単層又は積層構造として形成する。本実施例では、プラズマＣＶＤ法により膜厚１００ｎｍの酸化窒化珪素膜を形成した。
次いで、絶縁膜７１４上に、有機絶縁膜７１５を形成する。
有機絶縁膜７１５としては、ＳＯＧ法によって塗布されたポリイミド、ポリアミド、ＢＣＢ、アクリル等の有機絶縁膜を用いる。
その絶縁膜７１５は、ガラス基板７００上に形成されたＴＦＴによる凹凸を緩和し、平坦化する意味合いが強いので、平坦性に優れた膜が好ましい。
さらに、フォトリソグラフィ法を用いて、絶縁膜７１４及び有機絶縁膜７１５をパターン加工して、不純物領域に達するコンタクトホールを形成する。
次に、導電性材料を用いて、導電膜を形成し、該導電膜をパターン加工して、配線７１６〜７２３を形成する。
その後、保護膜として絶縁膜７２４を形成すると、図７（Ｄ）に図示するような半導体装置が完成する。
なお、本発明のレーザ照射方法を用いた半導体装置の作製方法は、上述したＴＦＴの作製工程に限定されない。
本発明では、レーザ光の照射を用いて得られる結晶性半導体膜をＴＦＴの活性層として用いることを特徴とする。
その結果、素子間の移動度、閾値及びオン電流のばらつきを抑えることができる。
なお、レーザ光は、本実施例で示した照射条件に限定されない。
また、レーザ光による結晶化の前に、触媒元素を用いた結晶化工程を設けてもよい。
その触媒元素としては、ニッケル（Ｎｉ）を用いているが、その以外にもゲルマニウム（Ｇｅ）、鉄（Ｆｅ）、パラジウム（Ｐｄ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）といった元素を用いることができる。
触媒元素を用いた結晶化工程の後に、レーザ光による結晶化工程を行うと、触媒元素による結晶化の際に形成された結晶が、レーザ光の照射により溶融されずに残存し、この結晶を結晶核として結晶化が進む。
そのため、レーザ光による結晶化工程のみの場合に比べて、より半導体膜の結晶性を高めることができ、レーザ光による結晶化後の半導体膜表面の荒れが抑えられることもできる。
よって、後に形成される半導体素子、代表的にはＴＦＴの特性のばらつきがより抑えられ、オフ電流を抑えることができる。
なお、触媒元素を添加してから加熱処理を行って結晶化を促進してから、レーザ光の照射により結晶性をより高めていてもよいし、加熱処理の工程を省略してもよい。
具体的には、触媒元素を添加してから加熱処理の代わりにレーザ光を照射し、結晶性を高めるようにしてもよい。
本実施例では、半導体膜の結晶化に本発明のレーザ照射方法を用いた例を示したが、半導体膜にドーピングした不純物元素の活性化を行うために用いてもよい。
また、本発明を用いた半導体装置の作製方法は、集積回路や半導体表示装置の作製方法にも用いることができる。
ドライバやＣＰＵなどの機能回路を用途としたトランジスタは、ＬＤＤ構造又はＬＤＤがゲート電極とオーバーラップする構造が好適であり、高速化のためには、トランジスタの微細化を図ることが好ましい。
本実施例により完成されるトランジスタ７１０〜７１３は、ＬＤＤ構造を有するため、高速動作が必要な駆動回路に用いることが好適である。
そして、本発明を用いることにより図７で示した薄膜トランジスタを用いて様々な電子機器を完成させることができる。
その具体例について、図８を用いて説明する。
図８（Ａ）は表示装置であり、筐体２００１、支持台２００２、表示部２００３、スピーカー部２００４、ビデオ入力端子２００５等を含む。
この表示装置は、図７に示した作製方法により形成した薄膜トランジスタをその表示部２００３に用いることにより作製される。
なお、表示装置には、液晶表示装置や発光装置などがあり、具体的には、コンピュータ用、ＴＶ放送受信用、広告表示用などの全ての情報表示用表示装置が含まれる。
図８（Ｂ）は、コンピュータであり、筐体２２００、表示部２２０１、キーボード２２０３、外部接続ポート２２０４、ポインティングマウス２２０５等を含む。
図７に示した作製方法を用いることにより、表示部２２０１やその他の回路への適用が可能である。
さらに、本発明は本体内部のＣＰＵ，メモリなどの半導体装置にも適用が可能である。
図８（Ｃ）は携帯端末のうちの携帯電話、筐体２３０１、表示部２３０２等を含む。
上記携帯電話を始めとするＰＤＡやデジタルカメラなどの電子機器は携帯端末であるため、表示画面が小さい。
従って、図７で示したような微細なトランジスタを用いてＣＰＵ等の機能回路を形成することによって、小型・軽量化を図ることができる。
また、本実施例で作製した薄膜トランジスタはＩＤチップとして利用ですることができる。
例えば、図７に示した作製方法を用いることにより、ＩＤチップ内の集積回路やメモリとしての適用が可能である。
メモリとして用いた場合、商品の流通のプロセスを記録することができる。
さらに、商品の生産段階におけるプロセスを記録しておくことで、卸売業者、小売業者、消費者が、産地、生産者、製造年月日、加工方法などを把握することが容易になる。
以上の様に、本発明により作製された半導体装置の適用範囲は極めて広く、本発明により作製された半導体装置をあらゆる分野の電子機器に適用することが可能である。
凹型シリンドリカルレンズアレイで線状ビームの長手方向を形成した場合のレーザ光のエネルギー強度分布を図示する。 凸型シリンドリカルレンズアレイで線状ビームの長手方向を形成した場合のレーザ光のエネルギー強度分布を図示する。 照射面におけるエネルギー強度分布を均一化するために使用する凸型シリンドリカルレンズアレイと凹型シリンドリカルレンズの組み合わせ態様を示す。 図３(ａ)のレンズの組み合わせを用いた本発明のレーザ照射装置の第１態様を図示する。 図４に図示した本発明の第１態様のレーザ照射装置の場合、及び図２に図示した場合と同様に凸型シリンドリカルレンズのみを用いた比較態様の場合に関し、光学設計ソフトでシミレーションした結果のエネルギー強度分布を図示する。 図３(ｂ)のレンズの組み合わせを用いた本発明のレーザ照射装置の第２態様を図示する。 本発明によるレーザ照射装置を用いて、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作製する工程を図示する。 本発明のレーザ照射方法により作製することができる各種表示装置。
符号の説明
１０１ 凹型シリンドリカルレンズアレイ
２０１ 凸型シリンドリカルレンズアレイ
１０５ 凹型シリンドリカルレンズアレイを通過したレーザ光のエネルギー分布
２０５ 凸型シリンドリカルレンズアレイを通過したレーザ光のエネルギー分布
４０１ レーザ発振器
４０２ 球面レンズ
４０３ 短手方向形成用（分割用）シリンドリカルレンズアレイ
４０４ 長手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ
４０５ 長手方向集光用シリンドリカルレンズ
４０６ 短手方向集光用シリンドリカルレンズ
４０７ ダブレットシリンドリカルレンズ
４０８ 被照射面

Claims (8)

  1. レーザ発振器から射出されたレーザ光を長手方向に複数に分割し、通過後のエネルギー強度分布が長手方向に反転した形態となる２種のシリンドリカルレンズアレイを通過させ、更にその通過により形成されたエネルギー強度分布が反転した２種のレーザ光を長手方向集光用レンズを通過させて２種の線状レーザ光を形成し、その２種の線状レーザ光を短手方向で重ね合わせて投影することを特徴とする照射面上に均一強度の線状ビームを投影するレーザ照射方法。
  2. レーザ発振器から射出されたレーザ光をシリンドリカルレンズにて短手方向に複数に分割する請求項１に記載のレーザ照射方法。
  3. ２種のシリンドリカルレンズアレイは、凹型シリンドリカルレンズアレイと凸型シリンドリカルレンズアレイであり、両アレイはそれぞれの母線の方向で連結されている請求項１又は２に記載のレーザ照射方法。
  4. ２種のシリンドリカルレンズアレイは、凸型シリンドリカルレンズと凹型シリンドリカルレンズとが曲率方向で交互に配置された第１の組合せシリンドリカルレンズアレイと、その第１の組合せシリンドリカルレンズアレイと同様に凸型及び凹型シリンドリカルレンズとが曲率方向で交互に配置されており、かつ凸型シリンドリカルレンズと凹型シリンドリカルレンズとの配置が第１の組合せシリンドリカルレンズアレイとは逆になっている第２の組合せシリンドリカルレンズアレイとが、第１の組合せシリンドリカルレンズアレイの凹型シリンドリカルレンズと、第２の組合せシリンドリカルレンズアレイの凸型シリンドリカルレンズとが、それぞれの母線の方向で連結されている請求項１又は２に記載のレーザ照射方法。
  5. レーザ発振器、レーザ発振器から射出されたレーザ光を長手方向に複数に分割して通過させ、通過後のエネルギー強度分布が長手方向に反転した形態となる２種のシリンドリカルレンズアレイ、２種のシリンドリカルレンズアレイを通過した複数に分割されたレーザ光を通過させ線状レーザ光を形成する長手方向集光用レンズ、その線状レーザ光を短手方向で重ね合わせる短手方向集光レンズ、その短手方向集光レンズを通過したレーザを投影させる照射面を設置するステージを備えたことを特徴とする照射面上に均一強度の線状ビームを投影するレーザ照射装置。
  6. レーザ発振器から射出されたレーザ光を短手方向に複数に分割するシリンドリカルレンズアレイを、レーザ発振器と２種のシリンドリカルレンズアレイとの間に更に備えた請求項５に記載のレーザ照射装置。
  7. ２種のシリンドリカルレンズアレイは、凹型シリンドリカルレンズアレイと凸型シリンドリカルレンズアレイとがそれぞれの母線の方向で連結されている請求項５又は６に記載のレーザ照射装置。
  8. ２種のシリンドリカルレンズアレイは、凸型シリンドリカルレンズと凹型シリンドリカルレンズとが曲率方向で交互に配置された第１の組合せシリンドリカルレンズアレイと、その第１の組合せシリンドリカルレンズアレイと同様に凸型及び凹型シリンドリカルレンズとが曲率方向で交互に配置されており、かつ凸型シリンドリカルレンズと凹型シリンドリカルレンズとの配置が第１の組合せシリンドリカルレンズアレイとは逆になっている第２の組合せシリンドリカルレンズアレイとが、第１の組合せシリンドリカルレンズアレイの凹型シリンドリカルレンズと、第２の組合せシリンドリカルレンズアレイの凸型シリンドリカルレンズとが、それぞれの母線の方向で連結されている請求項５又は６に記載のレーザ照射装置。
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