JP4588153B2 - Laser irradiation device - 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、レーザー光を大面積に均質に照射するための技術に関する。またその応用に関する。
【0002】
【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、非単結晶半導体膜に対し、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。
【0003】
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製できる利点がある。これが上記研究の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、ガラス基板の融点が低いからである。レーザーは基板の温度をあまり変えずに非単結晶膜にのみ高いエネルギーを与えることができる。
【0004】
レーザーアニールを施して形成された結晶性珪素膜は、高い移動度を有するため、この結晶性珪素膜を用いて薄膜トランジスタ(TFT)が作製されている。
例えば、一枚のガラス基板上に、画素駆動用と駆動回路用のTFTを作製する、モノリシック型の液晶電気光学装置等に盛んに利用されている。該結晶性珪素膜は多くの結晶粒からできているため、多結晶珪素膜、あるいは多結晶半導体膜と呼ばれる。
【0005】
また、出力の大きい、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角の矩形や、幅数mm×長さ10cm以上の線状となるように光学系にて加工し、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、量産性が良く、工業的に優れているため、好んで使用される。
【0006】
特に、線状レーザービームを用いると、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るため、高い量産性が得られる。線方向に直角な方向に走査するのは、それが最も効率のよい走査方向であるからである。この高い量産性により、現在レーザーアニールにはエキシマレーザービームを適当な光学系で加工した線状レーザービームを使用することが主流になりつつある。
【0007】
最近では、Arレーザー等の連続発振レーザーで、出力のより高いものが開発されてきている。半導体膜のアニールにArレーザーを使用し、よい結果がでたとの報告もある。この場合は、Arレーザーの出力が十分でないため照射面はスポット状である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
結晶化に広く用いられるレーザーには、気体レーザーとしてエキシマレーザーが知られ、固体レーザーとして、Nd:YAGレーザーや、Nd:YVO4レーザーやアルゴンレーザーが知られている。
【0009】
連続発振アルゴンレーザーは波長500nm前後に波長をもつため、アルゴンレーザーの珪素膜に対する吸収係数は、105/cm程度である。他方、エキシマレーザーは400nm以下の紫外光であるため、吸収係数が106/cm程度と、アルゴンレーザーに比べて1桁高い。このためアルゴンレーザーでは、珪素膜を100nm透過した時点で強度が1/e(eは自然対数。)に減衰し、エキシマレーザーでは、珪素膜を10nm透過した時点で強度が1/e に減衰した。
【0010】
一般に、TFTの分野では、多結晶珪素膜の厚さは50nm前後が適当とされている。珪素膜が50nmより厚いとオフ特性が悪くなる傾向にあり、薄いと信頼性に影響する。膜厚50nmの珪素膜にアルゴンレーザーを照射した場合、レーザー光の半分以上が珪素膜を透過し、ガラス基板に吸収されてしまい、ガラス基板を必要以上に加熱してしまう。実際、コーニング1737基板上に酸化珪素膜200nmと、珪素膜50nmとを順に成膜しアルゴンレーザーで結晶化を試みたが、珪素膜が十分結晶化しないうちにガラスが変形してしまった。
【0011】
一方、エキシマレーザーを照射した場合、50nmの珪素膜にエネルギーの殆どが吸収され、レーザー光の殆どを珪素膜の結晶化に使うことができる。このように、珪素膜の結晶化にエキシマレーザーを使用する利点は、珪素膜のエキシマレーザーに対する吸収係数の高さにある。
【0012】
図24(A)に示した図は、従来のパルス発振エキシマレーザーを走査させながら照射した珪素膜を、上から見た図である。パルス発振エキシマレーザーの走査方向に平行な断面(線分EFを含む珪素膜に垂直な面)で該珪素膜を切った断面図が、図24(B)であり、前記断面に垂直かつ珪素膜に垂直な面(線分GHを含む珪素膜に垂直な面)で該珪素膜を切った断面図が図24(C)である。
【0013】
図24(B)をみてわかるとおり、パルスレーザーの照射跡は珪素膜厚と同じオーダーの起伏を発生させる。一方、図24(C)が示す起伏は図24(B)の起伏と比較して非常に小さいが、周期的な起伏が現れている。これは、後述するように、ビームホモジナイザーによって、整形された線状ビームの干渉によるものである。
【0014】
線状ビーム内のエネルギー分布(光強度)を均質化する役割を果たす光学系をビームホモジナイザーと呼んでいる。図25にビームホモジナイザーの1例を示す。
【0015】
光路上には、エキシマレーザーの光源であるレーザー装置11の出射側から、シリンドリカルレンズ群(多シリンドリカルレンズやシリンドリカルレンズアレイともいう)12、13、シリンドリカルレンズ14、スリット15、シリンドリカルレンズ16、ミラ−17が順次に配置され、ミラ−17の反射方向の光路上には、シリンドリカルレンズ18が配置されている。
【0016】
シリンドリカルレンズ12は、ビームを複数に所定の一方向(側面図で紙面垂直な方向)に分割し、シリンドリカルレンズ16において、この方向に分割されたビームが合成される。他方、シリンドリカルレンズ群13もビームを所定の一方向(側面図において、紙面に平行な方向)に複数に分割し、シリンドリカルレンズ14において、シリンドリカルレンズ群13の分割方向に分かれたビームを合成する。
【0017】
よって、発振器を出射したレーザービームはシリンドリカルレンズ群12、13により、2次元的に分割され、シリンドリカルレンズ14に入射し、複数のビームに所定の方向(側面図で紙面垂直な方向)に合成され、一方向(紙面に平行な方向)に分割されてた複数のビームとなってスリット15を通過し、シリンドリカルレンズ16によって再び1本のビームになるように集光される。集光されたビームはミラ−17により反射され、シリンドリカルレンズ18により集光されて、線状ビーム19(側面図で紙面に垂直な方向に長手方向を持つ)として、照射される。
【0018】
図25のホモジナイザーでは、シリンドリカルレンズ群12、13ではビームを分割する方向が直交し、シリンドリカルレンズ14と16がビームを集光する方向は互いに直交している。シリンドリカルレンズ群12によるとシリンドリカルレンズ16の組合せにより、線状レーザービーム19の長手方向の強度分布が均一化され、シリンドリカルレンズ群13とシリンドリカルレンズ14との組み合わせにより、線状レーザービーム19の幅方向の強度分布が均一化されるすなわち、ビームを2次元的に分割し再び重ね合わせることで、線状ビームのエネルギーを均一にしている。
【0019】
よって、シリンドリカルレンズ群12や13でビームを分割する数が多くなるほど、エネルギーの分布が均一になるように思える。しかしながら、分割の細かさにかかわらず、珪素膜には線状レーザービームの照射跡であるしま模様ができてしまった。図24(A)に示すように、しま模様は、線状レーザービームの長手方向(または線状ビームの走査方向、GHの方向)に直交するように無数に現れ、図24(C)に示すように、珪素膜に周期的にピークが現れる。しま模様の原因は、ビームホモジナイザーに入射する前のビームか、ビームホモジナイザーの光学系のいずれかと予想される。
【0020】
そこで本発明人は、しま模様の原因を突き止めるべく簡単な実験を行った。ビームホモジナイザーに矩形状のレーザービームが入射する前に、レーザービームを回転させることにより上記縦しまがどう変化するかを調べた。しま模様は全く変化しないという結果であった。しま模様の原因はビームホモジナイザーに入射する前のビームではなく、ビームホモジナイザーにあることが判明した。ビームホモジナイザー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、当然位相は揃った光である。)を分割し再び重ね合わせることでエネルギーを均一にしているため、しま模様は光を重ね合わせたときの光の干渉じまであると説明できる。
【0021】
本発明は、上述したようなレーザー光のように位相の揃ったビームの干渉の問題を解消し、線状レーザー光の長手方向のエネルギー分布を均一することを目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】
[発明に至る過程] 図25のビームホモジナイザーによって形成される線状レーザービーム19の光干渉じまの様子を図26に模式的に示す。図26において、縦軸はレーザー強度Iを表している。図に示すように線状レーザービーム301には周期的にレーザー強度にピーク302が現れている。このピーク302が干渉じまである。
【0023】
ピーク302が発生するのは、ホモジナイザーのシリンドリカルレンズ群12及び13で分割されたビームがシリンドリカルレンズ14及び16で合成される時に、ビームが干渉し、ビーム内に定常波を形成することに起因する。すなわち、分割したレーザービームを被照射面の同一領域に重なるようにしているために、周期的に大きなピーク302が発生すると考えられる。
【0024】
図26に示すように、図25のホモジナイザーでは線状ビーム19の長手方向で1周期ごとに波が3個が形成される。波の数n(1周期の干渉じまの明線の数といってもよい)とシリンドリカルレンズ群12のレンズ数sとは、以下の関係式を満たす。
【0025】
n=(s−1)÷2 (sは奇数)
【0026】
n=s÷2 (sは偶数)
【0027】
図25のホモジナイザーでは、シリンドリカルレンズ群12のレンズ数は、s=7(奇数)であり、n=3となる。
【0028】
本発明人は、線状レーザービームのある時間における線状ビームの長手方向の波の形状と、レンズ数sとの関係をコンピュータで計算した。図27に計算結果を示す。図27(A)はs=7、n=3の場合であり、図27(B)はs=8、n=4の場合である。
【0029】
図27において、横軸は線状レーザービームの長手方向の位相(位置)を示し、縦軸は波の振幅を示す。振幅(縦軸の値)の2乗が光の強度(同位相の光が強め合う度合い)となる。dは波の1周期の長さであり、干渉じまの最も明るい明線間の間隔である。図27(A)の波を干渉させたものが図26に対応し、dは最も強度の高いピーク302の間隔となる。
【0030】
図27は、コンピューターシュミレーションの結果であり、実際の線状レーザービームではシュミレーションほど光強度の強弱が明確にはならない。これは、光学系の微妙なズレ、光学部材の材質、加工誤差、さらには半導体膜中で熱伝導によるエネルギーの分散等に起因するものと推測される。実際のレーザー光の強度の強弱は図24に示したとおりである。
【0031】
ところで、図25において、シリンドリカルレンズ16を破線20により2つに分割し、側面図において紙面に垂直な方向に光軸(主点)をずらすと、シリンドリカルレンズ16の上半分のシリンドリカルレンズ16aを通ったビームと、下半分のシリンドリカルレンズ16bを通ったビームが、照射面上で適当にずれて重なり合うために、干渉じまのパターンが変化する。即ち線状ビームの長手方向の強度(エネルギー)分布が変化する。この現象をうまく利用すると、波の重ね合わせの原理から、分割されたシリンドリカルレンズ16aと16bのずらす距離を最適化することにより、光強度を平均化することができる。
【0032】
本発明はこの現象を利用して、ビームホモジナイザーを設計した。そのため、ビームホモジナイザーのパラメータを変化させて、線状ビームの波形の変化をコンピュータでシュミレーションした。図28、図29にシュミレーション結果を示す。図28、図29のグラフは、図27と同様に、ある時間の線状レーザービームの長手方向の位相と光強度の関係を示す。図28は、図25のホモジナイザーのシリンドリカルレンズ群12のレンズ数sが7の場合であり、図29はレンズ数sが9の場合である。
【0033】
以下、図28を用いて、s=7の場合を考察する。s=7の場合に、長手方向の強度分布が平均化するには、波の位相が半周期(d/2)ずれた波を重ね合わせるとよいことが判った。
【0034】
図28(B)に示す波は図28(A)と位相が半周期ずれた波である。図28(A)の波と図28(B)の波を重ね合わさせると、図28(C)に示す波形となる。パターンが得られる。
【0035】
図28(C)の波は振幅の変動が平均化され、かつ波の周期d' が図28(A)の波の周期dよりも小さくなっている。図28(A)、図28(C)の波の振幅を二乗した値を比較すれば、図28(C)では長手方向の位置における光の強度変動が小さくなり、平均化されていることが理解できる。
【0036】
次に、図29を用いて、s=9の場合を考察する。s=9の場合には、線状ビームの長手方向の強度が最も平均化されるは、位相が1/3周期(d/3)ずれた3つの波を重ね合わせるとよいことが判った。
【0037】
図29(A)の波の位相を1/3周期ずつずらしたのが図29(B)、図29(C)の波である。これら図29(A)〜図29(C)に示す波を重ね合わせた合成波を図29(D)に示す。
【0038】
図28(C)の合成波と同様に、図29(D)の波は振幅の変動が平均化され、かつ波の周期d' が図29(A)の波の周期dよりも小さくなっている。図29(A)、図29(D)の波の振幅を二乗した値を比較すれば、図29(D)の波は長手方向の位置における光の強度変動が小さくなり、平均化されていることが理解できる。さらに、図29(D)の波は、図28(C)よりも長手方向のエネルギー分布が平均化されている。
【0039】
図28(C)、図29(D)のような波形を形成するには、ちょうど、図28(A)と図28(B)の関係のように、同時間で波の位相(位置)をd/M(dは周期、Mは自然数)でずらしたM本のビームを重ね合わせると良いことが分かる。
【0040】
図25に示した従来のビームホモジナイザーでは、シリンドリカルレンズ群12とシリンドリカルレンズ16の組み合わせを通ってできるレーザービームは、シリンドリカルレンズ群13によって分割される。
【0041】
よって、シリンドリカルレンズ群13によって分割されたそれぞれのレーザービームの位相をずらし、かつ同じ照射位置に重ね合わされるようにすれば、図28(C)や図29(D)に示すよう長手方向のエネルギー分布が均一な線状レーザービームを形成できる。
【0042】
図25において、シリンドリカルレンズ16を2分割したシリンドリカルレンズ16aを透過したビームと、シリンドリカルレンズ16bを透過したビームは、シリンドリカルレンズ16a、16bの位置を互いにずらすことで、ちょうど、図28(A)の波と図28(B)の波の関係と同じく、線状ビーム19の長手方向(側面図において紙面に垂直な方向)に位相をずらすことができる。従って位相のずれを最適化することにより、これらビームを重ね合わせたビームは、図28(C)の波と同様に、長手方向の強度分布が平均化することが可能になる。
【0043】
本明細書で開示する発明は、位相のずれを最適化するために、ビームホモジナイザーの最適な諸パラメータの組み合わせを提供するものである。
【0044】
本発明のビームホモジナイザーは、1本のビームを第1の方向に(2n+ 1)本のビームに分割する第1の分割用光学レンズと、1本のビームを前記第1の方向と垂直な第2の方向にN(n−1)本のビームに分割する第2の分割用光学レンズと、前記第2の方向に集光して、前記第2の方向に分割された複数のビームを合成する第1の合成用レンズと、前記第1の方向に集光して、前記第1の方向に分割された複数のビームを合成する第2の合成用レンズと、を含み、
前記第2の合成用レンズは、(n' −1)個のシリンドリカルレンズでなり、
前記(n' −1)個のシリンドリカルレンズのそれぞれの主点を前記第2の方向に直交する平面に正射影した像は、同一直線上にd/(n' −1)の間隔で並んだ(n' −1)個の点となり、
前記dは、前記前記第2の合成用レンズの1つのシリンドリカルレンズを透過したビームが照射面で形成する干渉じまのピークの間隔であり、
前記Nは自然数であり、前記nは3以上の整数であり、前記n' は3≦n' ≦nを満たす整数であることを特徴とする。
【0045】
図28、図29を用いて説明したように、複数の線状ビームの長手方向の位相を所定の大きさずらして、合成することで、線状ビームの被照射面での干渉じまの強度が均一にすることができる。
【0046】
本発明のビームホモジナイザーにおいてミラーを挿入すると、光路の方向が変わるため、シリンドリカルレンズが光ビームを分割する方向や、集光する方向も変更されるが、本発明ではミラーによる方向の変更は無視し、ミラーがない場合を想定している。
【0047】
本発明において、第2の合成用レンズにおいて、複数のビームの位相をずらし、かつ複数のビームが同じ領域に照射されるよう集光している。このため第2の合成用レンズにおいて、各シリンドリカルレンズの主点をd/(n' −1)づつ光軸に垂直な方向にずらしている。
【0048】
また、本発明の第1の分割用レンズは、互いに光軸が平行な(2n+1)個のシリンドリカルレンズを列状(アレイ状)に連結したシリンドリカルレンズ群で構成される。さらに、ここでは第1の分割用のシリンドリカルレンズ群において奇数(2n+1)本にビームを分割するようにしたが、偶数(2n)本に分割してもよい。この場合には、互いに光軸が平行な2n個のシリンドリカルレンズを列状に連結すればよい。
【0049】
また、本発明の第2の分割用レンズは、互いに光軸が平行なN(n−1)個のシリンドリカルレンズを列状に連結したシリンドリカルレンズ群で構成すればよい。第1の合成用レンズはシリンドリカルレンズを用いることができる。
【0050】
本発明のホモジナイザーはコヒーレントなビームを線状に整形した場合に顕著な効果を示し、線状ビームの長手方向の光強度を平均化することができる。コヒーレント光の光源としては気体レーザーや固体レーザーなどのレーザー装置が用いられる。連続発光型のアルゴンレーザー装置やパルス発振型のエキシマレーザー装置を用いることができる。
【0051】
気体レーザーとしてエキシマレーザーが挙げられる。エキシマレーザーはパルス発振型のレーザーとして広く認識されているが、最近、連続発光エキシマレーザー発振装置が開発された。連続発光させるために、マイクロ波を使用して発振ガスの励起を促進している。
【0052】
ギガヘルツオーダーのマイクロ波を発振ガスに照射することで、発振の律速となっている反応を促進させることで、エキシマレーザーを連続発光させることが可能となった。珪素膜への吸収係数の高いエキシマレーザーは、連続発光のものが実用化されるることで、ますます半導体膜の結晶化に重要なものとなる。連続発光のエキシマレーザーを使えば、パルスレーザーの照射跡をなくすことができるため、レーザー照射処理の効果が非常に均質化できる。
【0053】
エキシマレーザとして、例えばKrFレーザー(波長248nm)、XeClエキシマレーザー(波長308nm)、XeFレーザー(波長351nm、353nm)、ArFエキシマレーザー(波長193nm)、XeFレーザー(波長483nm)等を用いればよい。
【0054】
固体レーザーとしてパルス発振型のNd:YAGレーザーやNd:YVO4レーザーを使用することができる。特にレーザーダイオード励起方式のパルス発振型レーザー装置を使用すると高出力と高いパルス発振周波数が得られる。Nd:YAGレーザーやNd:YVO4レーザーの基本周波数は1064nmであるが、基本周波数だけでなく、その第2高調波(532nm)、第3高調波(354.7nm)、第4高調波(266nm)のいずれかを使用することができる。
【0055】
【実施形態】
図を用いて、以下に本発明の実施形態を説明する。
【0056】
図1、図2に、本実施形態のビームホモジナイザーの光学系を示す。本実施形態ではホモジナイザーの各レンズにシリンドリカルレンズを用いている。図1(A)は上面図であり、図1(B)は側面図であり、図2は斜視図である。
【0057】
レーザー発生手段201の出射側から、ビームを分割するためのシリンドリカルレンズ群202、203、分割されたビームを重ね合わせるためのシリドリカルレンズ204、シリンドリカルレンズ群206が順次配置されている。さらに、シリンドリカルレンズ204とシリンドリカルレンズ群206の間には、光路上にスリット205が配置され、合成用のシリンドリカルレンズ群206の透過側には、光路上にミラー207、シリンドリカルレンズ208が順次に配置されている。なお、説明の都合上、図2ではミラー207を省略した。
【0058】
シリンドリカルレンズ群202は、互いに光軸が平行な(2n+1)個のシリンドリカルレンズでなり、1本のビームを(2n+1)本のビームに分割する方向は、側面図で紙面に垂直な方向(第1の方向)とした。
【0059】
シリンドリカルレンズ群203はN(n−1)個のシリンドリカルレンズでなり、入射した1本のビームをN(n−1)本のビームに分割する方向は、上面図で紙面に垂直な方向(第2の方向)とした。
【0060】
合成用のシリンドリカルレンズ204は分割用のシリンドリカルレンズ群203と対になっており、上面図で紙面に垂直な方向に分割されたビームを集光するレンズである。シリンドリカルレンズ群203を構成するシリンドリカルレンズと、シリンドリカルレンズ204の母線は平行である。
【0061】
合成用のシリンドリカルレンズ群206は、光軸が互いに平行な(n' −1)個のシリンドリカルレンズでなり、シリンドリカルレンズ群202と対になっており、側面図で紙面に垂直な方向に分割されたビームを集光するためのレンズである。シリンドリカルレンズ群202と206を構成しているシリンドリカルレンズは互いに母線が平行になっている。
【0062】
なお、図1、図2には、N=2、n=3、n' =3とした場合の光学系が図示されている。シリンドリカルレンズ群202のレンズ数(2n+1)は7、シリンドリカルレンズ群203のレンズ数N(n−1)は4となり、シリンドリカルレンズ群206のレンズ数(n' −1)は2となる。
【0063】
シリンドリカルレンズ206群の構成を図3に示す。図3(A)は斜視図であり、図3(B)は上面図である。図3に示すように、シリンドリカルレンズ群206はシリンドリカルレンズ206aと206bでなり、レンズ206a、レンズ206bの主点が所定の長さ△D=d/2だけ互いにずらされている。
【0064】
より詳細には、図3(B)に示すように、各シリンドリカルレンズ206a、206bの主平面100aと100bは同一平面をなし、各レンズの主点101a、101bをこれら主平面がつくる平面(または各レンズの母線)と直交する平面に正射影した像が、同一直線上にあって、間隔△D並ぶ点になる。この正射影した像は紙面上の主点101a、101bにあたる。あるいは、シリンドリカルレンズ群206の構成は、各レンズの後焦点103a、103bを主平面がつくる平面(または各レンズの母線)と直交する平面に正射影した像が、同一直線上にあって、間隔△D並ぶ点になっている。あるいは、各レンズの光軸102a、102bが主平面がつくる平面と直交する平面に正射影した像が間隔△Dの平行線になっている。
【0065】
なお、図3では、シリンドリカルレンズ206a、206bとも主平面(主点)がレンズ内に1つしかないレンズとしたが、厳密には主平面が2つになるが、本明細書では、像側主平面、物体側主平面のいずれか一方を考慮するものと考えている。
【0066】
dは、図27〜図29で説明したように、長手方向の波の周期であり、シリンドリカルレンズ群206を構成するシリンドリカルレンズ(206aまたは206b)を透過したビームが、被照射面で形成する干渉じまの周期である。
【0067】
干渉じまの周期dを計測するには、シリンドリカルレンズ群206において、一つのシリンドリカルレンズ206aだけを残し、他のシリンドリカルレンズを206bに光が通らない状態で、線状レーザービームを直接観察して、周期を実測すればよい。また、その線状レーザービームによるアニール効果により、間接的に計測できる。例えば、図24を用いて説明したように、線状レーザを照射した珪素膜のには縦じまが現れ、この縦じまの間隔を計測してもよい。また、後に示すように簡単な計算式から求めることもできる。
【0068】
以下、シリンドリカルレンズ群206において、シリンドリカルレンズのずれ△Dの最適値を求める方法を説明する。
【0069】
本実施形態では、シリンドリカルレンズ群202のレンズ数が7(2n+1)個で、n=3なので、シリンドリカルレンズ群203のシリンドリカルレンズ数は(n−1)の整数倍(N(n−1))、すなわち偶数個あればよい。このとき△Dはd/ 2とすればよい。
【0070】
図2を用いて、本実施形態の効果を説明する。レーザー発生装置201からのレーザービームはシリンドリカルレンズ群202において、7本のビームに分割される。ここでは、簡単化のため1本のビームを追跡する。シリンドリカルレンズ群202を透過したビームはシリンドリカルレンズ群203で4つに分割される。4本のビームはシリンドリカルレンズ204において、1本のビームに合成されるように集光され、スリット205で線状に整形され、シリンドリカルレンズ群206に入射する。
【0071】
シリンドリカルレンズ群206において、スリット205の長手方向の位相が△D(d/2)ずらされた2本のビームとして出射し、シリンドリカルレンズ208で集光されて線状ビーム210として照射される。
【0072】
ここで、照射面に照射されるビームのうち、シリンドリカルレンズ206aを透過した線状ビームを211aとし、シリンドリカルレンズ206bを透過した線状ビームを211bとする。線状ビーム211a、211bの干渉じまを白黒の濃淡で模式的に示した。黒が明線である。このような強い干渉じまのある線状ビーム211aまたは211bを幅方向に走査しながら照射すると、図24に示したように、線状ビームの光強度の違いによるしま模様が現れる。
【0073】
そこで、本実施形態では、線状ビーム211aと211bを長手方向にd/2だけずらすことで、強度が高い部分(黒い部分)と低い部分(白い部分)とが互いに重なるようにすることにより、線状ビーム210のように干渉じまをなくす、あるいは不明瞭にしている。
【0074】
ここで、シリンドリカルレンズ群202のレンズ数が9である場合は、n=4なので、シリンドリカルレンズ群203が3(n−1に相当)の整数倍、例えば6個あれば、線状ビーム210の長手方向のエネルギー分布を均一にすることができる。この場合には、シリンドリカルレンズ群206のレンズ数は2よりも3のほうが、よりエネルギーを均一にすることできるため、シリンドリカルレンズ群206の代わりに、図4に示すような3つのシリンドリカルレンズでなるシリンドリカルレンズ群220を用いればよい。
【0075】
図4に示すように、シリンドリカルレンズ群220において、シリンドリカルレンズ220a、220b、220cの主点を正射影した点の間隔は△Dはd/ 3とすればよい。
【0076】
しかしながら、シリンドリカルレンズを3つ組み合わせるのは構造が複雑になるため高価になり、さらに光学系のアライメントがより困難になってくるので、2つのシリンドリカルレンズで構成してもよい。
【0077】
以上の考察及び計算から、シリンドリカルレンズ群202のシリンドリカルレンズ数が奇数である場合、シリンドリカルレンズ群206のレンズ数(n’- 1)とし、該(n’- 1)個のシリンドリカルレンズの主点を順次にd/ (n’- 1)ずらせばよいことが判る。ここで、n’は3≦n' ≦nを満たす整数であり、シリンドリカルレンズ群203のレンズ数はN(n’−1)個(Nは自然数)、即ちシリンドリカルレンズ群206のレンズ数の整数倍であるとよかった。
【0078】
このようにすることで、シリンドリカルレンズ群203で分割されるレーザービームのそれぞれの位相をずらして、重ね合わせることで、線状ビーム内での長手方向の光強度が均一化することができる。
【0079】
図1や図2に示したビームホモジナイザーの構成は、基本的なものであり、さらに他の光学系を配置してもよい。また光学部材の一部を同様な作用をする他の光学部材に置換してもよい。また、図示の光学系を全体の一部として利用してもよい。
【0080】
たとえば、図1に示すシリンドリカルレンズ群202、シリンドリカルレンズ群203は凸レンズでなるレンズアレイであるが、凹レンズ群もしくは、凹凸混合のレンズアレイを用いてもよい。例えば図7に示すような凹型凸型を複合したシリンドリカルレンズアレイを用いることができる。
【0081】
またシリンドリカルレンズ群203とシリンドリカルレンズ204を図8に示すマルチフェイズレンズ231に置き換えてもよい。図9に置き換えた場合の光学系を示す。図9において、図1と同じ符号は同じ部材を示す。
【0082】
ただし、凹凸混合レンズ群に代表されるような、互いに合同でないレンズ群を使用する場合は、それらのレンズで加工される平行光線の、加工後の拡がりの角度が同じであるレンズ群で構成されたほうがよい。
【0083】
さもなければ、分割したビームが再結合されるとき、個々のビームが異なる大きさや形で重なり合い、ビームの輪郭が不明瞭となる。
【0084】
本実施形態は、縦横比があまり大きくない、矩形状のレーザービームを縦横比が100以上あるような線状のレーザービームに加工する場合に特に有効なものとなる。
【0085】
また、シリンドリカルレンズ群202のレンズ数を偶数(2n)とすることもできる。他の条件は奇数(2n+1)の場合と同じでよい。だだしシリンドリカルレンズ群202のレンズ数が奇数であるほうが著しい効果が得られる。なお、シリンドリカルレンズ群202のレンズ数が偶数個であっても、シリンドリカルレンズ群203に奇数本のビームが入射していれば、シリンドリカルレンズ群202は奇数個のレンズで構成されていると考えてよいことは言うまでもない。
【0086】
シリンドリカルレンズ群202のレンズ数が奇数であると、照射面での線状ビームの長手方向の波形を図28(A)や図29(D)に示したような正弦波とすることが可能となり、長手方向のエネルギーをより均一化できる。
【0087】
シリンドリカルレンズ群202のレンズ数が2個または3個の場合は、図25に示すような従来のホモジナイザーでも、正弦波とすることができるが、ビームの分割数が小さいため、照射面でのエネルギーが均一なビームが得られにくい。よって、本発明では、シリンドリカルレンズレンズ群のレンズ数を少なくとも6以上とすることが好ましい。
【0088】
シリンドリカルレンズ群202のレンズ数が偶数個では奇数個の場合ほど光強度が分散されたビームは得られない。しかしながら、分割していないシリンドリカルレンズを用いた従来の光学系と比較すれば、エネルギーの平均化には格段の効果がある。
【0089】
ところで、dは図27で示したように、干渉じまの周期で定義されるため、上述したように、干渉じまの周期を実測することで値が得られるが、dを計算でも求めることもできる。
【0090】
レーザ装置201発生されるレーザー光の波長λと、シリンドリカルレンズ群206の1つのシリンドリカルレンズの焦点距離fと、シリンドリカルレンズ群202を構成するシリンドリカルレンズ幅Lを用いて、d=λf/Lの式で算出できる。
【0091】
また、上記の説明から明らかなように、干渉じまの周期dは線状レーザービーム中で一定である方が好ましい。即ち、図27に示すような一定の周期で干渉じまが線状ビームの長手方向に沿って現れるものであることが好ましい。
【0092】
しかしながら、図1のビームホモジナイザーにおいては、ある特別な場合を除いて、線状ビーム210の干渉じまの周期は一様にはならない。なぜならば、線状ビーム210は球面波を線状に合成しているからである。(図10(A)参照。球面波を直線で切ると、同位相同士の間隔は一定でない)もし、干渉のピーク間隔をほぼ一定にしたいならば、平面波を線状に合成すればよい。(平面波を斜めに直線で切ると、同位相同士の間隔は一定となるこのような光波を形成する光学系を図10(B)に示す。
【0093】
図10(B)が図10(A)と異なる点は、ビーム入射側のシリンドリカルレンズ群202が分割したレーザービームが、後続のシリンドリカルレンズ群206によりすべて平行光線に加工されるか否かである。
【0094】
図10(B)のような光学系は、前方の分割用のシリンドリカルレンズ群202と後方の合成用のシリンドリカルレンズ群206間の距離を適当に選ぶことにより簡単に得られる。図10(B)の様にすれば、シリンドリカルレンズ群で分割されたどのビームもシリンドリカルレンズ群206により平面波に加工される。本光学系により加工されたビームを使用すると該縦しまの間隔はほぼ一定となる。このような配置の光学系が本発明に最も適当である。
【0095】
しかしながら、球面波を合成した線状ビームであっても、球面波の曲率半径が十分大きいので、実質的には、平行光線と見なすことができるので、本発明を適用できる。ただし、球面波を合成する場合には、干渉じまの周期dは、線状ビーム全体の平均値で定義する。
【0096】
上述したように、本明細書で開示する発明を利用することで、線状レーザービームの長手方向のエネルギー分布は飛躍的に均質化される。特に、シリンドリカルレンズ群202を構成するレンズ数が奇数個である場合は、線状レーザービームの長手方向の波形を正弦波状(図28(C)、図29(D)参照)に整形することが可能となるため、本発明が最も効果的に作用する。
【0097】
しかしながら、長手方向のエネルギーの分布を完全に一定にすることは非常に困難である。レーザービームの照射条件により、エネルギー分布の変動がより強調される場合もある。
【0098】
このようなときはレーザービームの走査方向を微調整すると改善される。前記微調整は、該線状レーザービームを、該ビームの線方向と直交しかつ該線状レーザービームが形成する面を含む方向より該平面内で角度yだけずれた方向に走査させながらレーザー処理することで行う。この角度yは、|tan y |≦0.1 の範囲で見つけることができる。(但し、|tan y |≠0)
【0099】
本発の記載の光学系を介して半導体膜のレーザーアニールを行い、多結晶半導体膜とし、例えばTFT液晶ディスプレイのようなデバイスを作製すると、個々のTFTの特性のばらつきが抑えられて、高画質なものを得ることができる。また本発明のレーザーアニールは半導体結晶化だけでなく、半導体膜の導電型を制御するためにドーピングしたリン、ボロンなどの不純物を活性化させるために用いることができる。
【0100】
半導体集積回路の作製に際するレーザーアニールに本明細書で開示する発明を利用すると、同一基体上に形成される素子の特性をそろえることができ、高い性能を有する回路を得ることができる。
【0101】
【実施例】
図を用いて、本発明の実施例を説明する。
【0102】
〔実施例1〕
実施例の作製工程で、まず、レーザー照射される膜の作製方法を示す。レーザーが照射される膜は、本明細書中で3種類の非晶質珪素膜である。いずれの膜に対しても、本発明は効果的である。
【0103】
まず、3種類いずれの非晶質珪素膜も、基板として、127mm角のコーニング1737ガラス基板上に下地膜として200nmの厚の酸化珪素膜上にプラズマCVD法にて成膜された膜である。これら非晶質珪素膜の厚さは50nmとする。以降、この非晶質珪素膜を出発膜と呼ぶ。
【0104】
(膜Aの作製手順)
出発膜を、450℃の熱アニールに1時間さらす。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エネルギーに対して耐えきれないので本工程が必要とされる。膜内の水素の密度は1020atoms/cm3 オーダーが適当である。この膜を非単結晶珪素膜Aと呼ぶ。
【0105】
(膜Bの作製手順)
10ppm の酢酸ニッケル水溶液が、スピンコート法により、出発膜上に塗布され、酢酸ニッケル層が形成される。酢酸ニッケル水溶液には、界面活性剤を添加するとより好ましい。酢酸ニッケル層は極めて薄いので、膜状となっているとは限らないが、以後の工程において問題はない。
【0106】
次に、600℃で4時間の熱アニールを施す。すると、非晶質珪素膜が結晶化し、非単結晶珪素膜である結晶性珪素膜Bが形成されるこのとき、触媒元素であるニッケルが結晶成長の核の役割を果たし、結晶化が促進される。600℃、4時間という低温、短時間で結晶化を行うことができるのは、ニッケルの作用による。詳細については、特開平6−244104号に記載されている。
【0107】
触媒元素の濃度は1×1015〜1019原子/cm3 であると好ましい。1×1019原子/cm3 以上の高濃度では、結晶性珪素膜に金属的性質が現れ、半導体としての特性が失われる。本実施例において、結晶性珪素膜中の触媒元素の濃度は、膜中のおける最小値で、1×1017〜5×1018原子/cm3 である。これらの値は、2次イオン質量分析法(SIMS)により分析、測定したものである。
【0108】
(膜Cの作製手順)
出発膜の上に酸化珪素膜を70nmの厚さに成膜する。成膜方法はプラズマCVD法を用いる。
【0109】
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完全に開孔する。
【0110】
さらに、該開孔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孔部の濡れ性改善のために形成されるものである。
【0111】
次に100ppm の酢酸ニッケル水溶液が、スピンコート法により、該膜上に塗布され、酢酸ニッケルが上記開孔部分に入る。酢酸ニッケル水溶液には、界面活性剤を添加するとより好ましい。
【0112】
次に、600℃で8時間の熱アニールが施され、ニッケル導入部分から横方向に結晶が成長してゆく。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。今回の条件では結晶成長する距離は40μm 程度である。
【0113】
このようにして非晶質珪素膜が結晶化し、非単結晶珪素膜である結晶性珪素膜Cが形成される。その後、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】
このようにして得られる非単結晶珪素膜A、B、Cを結晶化させる。
【0115】
次に結晶性をさらに高めるために、エキシマレーザーを用いてレーザーアニールを行う。
【0116】
図5に、実施例におけるレーザー照射システムを示す。図5は、レーザー照射システムの概観である。
【0117】
図5において、レーザー照射システムは、レーザー装置201から照射され、2 対の反射ミラー901によりレーザーの進行方向を調整後、本発明が開示するビームホモジナイザー902により、断面形状が線状に加工されたパルスレーザービームを、ミラー207で反射させ、シリンドリカルレンズ208にて集光しつつ、被処理基板904に照射させる機能を有している。2 対の反射ミラー901の間には、レーザービームの広がり角を抑え、かつ、ビームの大きさを調整できるビームエキスパンダーを挿入してもよい。
【0118】
光学系902は図1に示すシリンドリカルレンズ群202からシリンドリカルレンズ群206に至る光路上の光学系であり、ミラー207及びシリンドリカルレンズ208も図1に示した構造に準じている。本発明で使用する線状レーザービームはすべて図1記載の光学系に準じたものを使用している。図1のようなタイプのレンズ群の役割を以下に記述する。
【0119】
本実施例で使用するビームホモジナイザーにおいて、シリンドリカルレンズ群202のレンズ数を本実施例では、7(2n+1にあたる。)個とするので、図1に示す構造においてシリンドリカルレンズ群206のレンズ数は2(n−1にあたる)となる。
【0120】
図3にシリンドリカルレンズ群206の構成図を示す。以下、シリンドリカルレンズ群206を構成するシリンドリカルレンズ206aと206bの主点間の間隔△Dを決定する方法を記載する。
【0121】
本実施例の場合、シリンドリカルレンズ群206中任意に選んだ1つのレンズ206aと、図1中のシリンドリカルレンズ群206以外のレンズとを介して形成される線状レーザービーム内に分布する光干渉じまの周期は0. 1mmであった。この値が発明で利用されるパラメータdにあたる。
【0122】
上述したように、式d/(n−1)から算出される距離をシリンドリカルレンズ206aと206bの主点をずらす距離とすることによって、線状ビームの長手方向のエネルギー分布を最も均一化することができる。
【0123】
ここで該式にd、nの値を代入する。本実施例ではn=3なので、求める距離は0. 05mmとなる。波の重ね合わせの原理により、前記距離は、0. 15mm、0. 25mm、0. 3mm、・・・と0. 1mm間隔で変えても効果は同様であることは、言うまでもないが、この間隔を広くとればとるほど線状ビームの長手方向の有効に使える長さは短くなることになる。
【0124】
すなわち、シリンドリカルレンズ206aと206bの主点を光軸に直交する方向に互いにずらし合うと、線状レーザービーム210の長手方向の両端はずらした距離分ぼけてしまう。(図2参照。両端が白い部分がぼけた部分を示している)線状レーザービームの長手方向の両端が照射される部分を素子領域とすることは容易であるため、多少のぼけは全く処理に影響しない。他方、幅方向の両端は全くぼけることがないため、素子領域にうたれても悪影響はない。
【0125】
本実施例ではn=3なので、これにより、レーザービームを縦方向(線状ビームの幅方向)に分割する数は(3−1)の倍数で決まる。本実施例の場合は、N=4とし、8分割とした。また、レーザービームを横方向(線状ビームの長手方向)に分割する数は(2×3+1)=7である。レーザ装置201から出射したビームを縦方向(線状レーザービームの幅方向)に8分割、横方向(線状レーザービームの長手方向)に7分割している。
【0126】
線状レーザービーム210は、56(7×8)分割されたビームを一つに合成したものとなっている。このようにすることにより、ビームのエネルギー分布を平均化している。
【0127】
ビームの縦横の長さの比はレンズ群の構造上、可変であるが、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。なお、本光学系においてビームの長辺の長さを変えることはできない。
【0128】
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。
【0129】
被処理基板904は、ステージ905上に配置される。ステージ905は移動機構903によって、一軸方向に移動可能とされている。実際の処理では、ステージ905を線状レーザービームの線幅方向に対して垂直方向(線状レーザービームを含む平面を含む。)に平行に移動する。
【0130】
図6は図5のレーザー照射装置を備えたレーザーアニール装置の構成図である。ロード/アンロード室915に、被処理基板904が多数枚、例えば20枚収納されたカセット913が配置される。ロボットアーム914により、カセット913から一枚の基板がアライメント室912に移動される。
【0131】
アライメント室912には、被処理基板904とロボットアーム914との位置関係を修正するための、アライメント機構が設けられている。アライメント室912は、ロード/アンロード室915と連結されている。
【0132】
基板は、ロボットアーム914によって基板搬送室911に運ばれ、さらにロボットアーム914によって、レーザー照射室916に移送される。
【0133】
図5において、被処理基板904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。
【0134】
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の範囲で、例えば300mJ/cm2とする。ステージ905を1. 2mm/sで一方向に移動させながら行うことで、線状レーザービームを走査させる。レーザーの発振周波数は30Hzとし、被照射物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ショットの範囲で適当に選ぶ。
【0135】
レーザー照射終了後、被処理基板904はロボットアーム914によって基板搬送室912に引き戻される。
【0136】
被処理基板904は、ロボットアーム914によって、ロード/アンロード室915に移送され、カセット913に収納される。
【0137】
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。
【0138】
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本発明が特徴とする効果がある。
【0139】
上記レーザーアニールされた半導体膜を活性層とするTFTを作製すると、Nチャネル型、Pチャネル型、いずれも作製できる。
【0140】
また、Nチャネル型とPチャネル型とを組み合わせた構造も得ることが可能である。また、多数のTFTを集積化して電子回路を構成することもできる。
【0141】
以上のことは、他の実施例で示した光学系を介してレーザーアニールされた半導体膜についてもいえる。本発明の光学系を介してレーザーアニールされた半導体膜を利用して、TFTで構成される液晶ディスプレイを作製した場合、個々のTFT特性のバラツキの少ない高画質なものが得られる。
【0142】
〔実施例2〕 実施例1にて、しま模様が上手く消えない場合は、光学系の配置が適当でない為であるか、線状レーザービームの重ね合わさり様が不適当かである。このときは、走査方向変更装置906により基板の走査方向を微調整し、干渉じまがより目立たない走査方向を選べばよい。
【0143】
即ち、線状レーザー光の幅方向に対して、少し角度をもたせて、レーザー光が走査されて照射されるようにするとよい。
【0144】
〔実施例3〕 実施例1にて、図1に記載の光学系の配置を採用したときの、干渉じまのピッチdは計算で容易に導出できる。本実施例ではその計算方法を図11、図12を用いて説明する。
【0145】
まず、シリンドリカルレンズ群206の分割されたレンズを互いにずらさない状態を想定する。便宜上、この状態にあるシリンドリカルレンズ群206をシリンドリカルレンズ1206と呼ぶことにする。
【0146】
図11に示す光学系は、図1に示すシリンドリカルレンズ群202とシリンドリカルレンズ1206の断面を示したものと考えて良い。
【0147】
図11の光学系の配置を採用した場合、シリンドリカルレンズ1206によって合成されるビームはそれぞれ平面波といってよい。
【0148】
この場合、シリンドリカルレンズ群202を構成するレンズ中、中央のレンズに隣接する2つのレンズ1201を介してシリンドリカルレンズ1206に入射したレーザー光の光束は、照射面1204に角度αで交差する。
【0149】
ここでレーザーの波面1205は直線であるから、該波面の波長λ間隔で引かれた直線は照射面1204を間隔βで切る。(図12参照。)
【0150】
前記角度αと間隔βとの関係式は波長λを使って表現できる。すなわち、β=λ/ sin αと表現できる。
【0151】
2つのレンズ1201は間隔βの定常波を照射面1204に形成する。また、2つのレンズ1202は間隔β/ 2の定常波を照射面1204に形成する。さらに、2つのレンズ1203は間隔β/ 3の定常波を照射面1204に形成する。これら定常波が、照射面1204で合成され、図28(C)や図29(D)に示したような定常波が形成される。よって、βは、図28、図29で示すように、長手方向の波の周期dに一致する。このことは簡単な計算により解る。
【0152】
また、シリンドリカルレンズ1206の位置を、シリンドリカルレンズ群202に対して、矢印1207で示すレンズ1206の主平面に平行な方向(光軸に垂直な方向)に沿って動かしても、周期dが変化しないことも、簡単な計算によりわかる。このことは、シリンドリカルレンズ1206をシリンドリカルレンズ群206の状態に戻すときに、分割したシリンドリカルレンズ1206それぞれを、矢印1207で示す方向に動かしても、本発明の本質に全く影響を及ぼさないことを示唆する。
【0153】
また、この場合、シリンドリカルレンズ1206の焦点距離f、シリンドリカルレンズ群202のレンズ1つ当たりの幅Lとすると、tan α=L/fが成立する。
【0154】
また、αの角度は十分に小さいから、tan α≒sin αが成立する。よって、β≒λf/Lが成立する。上述したように、一般に、β=dであるから、d≒λf/Lとなる。
【0155】
従って、シリンドリカルレンズ1206の焦点距離f、シリンドリカルレンズ群202のレンズ1つ当たりの幅L、レーザー光の波長λが判れば、線状レーザーの干渉じまの周期dを実測しなくても、計算で求めることができる。
【0156】
なお、図10(A)に示す配置の光学系を採用した場合、シリンドリカルレンズ群206を通過したビームは球面波となり、上述した数式は完全には成立しない。この場合は、計算機を用いた数値計算により、dを算出する。
【0157】
この場合でも、シリンドリカルレンズ群206の焦点距離fとシリンドリカルレンズ群202の焦点距離との和がシリンドリカルレンズ群206とシリンドリカルレンズ群202との間隔に近ければ、上述した数式により求めたdを利用することができる。
【0158】
〔実施例4〕 上述した実施例ではパルス発振型のエキシマレーザーを用いたが、本実施例では連続発光エキシマレーザーを用いる。連続発光型の場合はパルス発振型と比べて線状レーザーの走査速度が遅くなるため、基板にレーザ光の熱が伝わりやすくなる。そのため、歪み点温度が高い石英基板を基板に使用することが望まれる。石英基板は珪素膜の融点温度に加熱されても全く変形、変質しない。よって、ビームサイズを広げることができる。
【0159】
本実施例では、1000Wの連続発光エキシマレーザを線状ビーム(サイズ125mm×0.4mm)に加工し使用する例を示す。図13に本実施例のビームホモジナイザーの構成を示す。図13のビームホモジナイザーは図1においてスリット205を省略したものに相当する。シリンドリカルレンズ群407はシリンドリカルレンズ群202に、シリンドリカルレンズ群408はシリンドリカルレンズ群203に、シリンドリカルレンズ409はシリンドリカルレンズ204にシリンドリカルレンズ群410はシリンドリカルレンズ群206に対応する。
【0160】
上記の光学部材はすべて石英製である。石英は、エキシマレーザーの波長域の透過率が十分高いために使用された。また、使用するエキシマレーザーの波長(本明細書では2 48nm)にあわせ適当なコーティングを光学系表面に施した。これにより、レンズ単体で透過率99%以上が得られた。また、レンズの耐久性も増した。
【0161】
なお、上記レンズは全て幅方向に曲率を有し、すべて球面レンズであった。レンズの材質は合成石英で、透過光の波長248nmで透過率99%以上が得られるように、ARコート処理を施した。
【0162】
実施例1と同様に、シリンドリカルレンズ群407とシリンドリカルレンズ群410の組み合わせは、線状レーザービームの長手方向における強度分布を均一にする機能を有し、シリンドリカルレンズ群408とシリンドリカルレンズ409の組み合わせは、線状レーザービームの幅方向における強度分布を均一にする機能を有している。
【0163】
シリンドリカルレンズ群408とシリンドリカルレンズ409の組み合わせにより、いったんビーム幅wのビームが形成される。ミラー411を介して、さらに、ダブレットシリンドリカルレンズ412を配置することにより、より細い(ビーム幅wよりも細い)線状レーザービームを得ることができる。
【0164】
図13に示す装置は、レーザー装置406からの出射したレーザー光をシリンドリカルレンズ407、408、409、410、412で示す光学系を介して、線状ビーム405として照射する機能を有している。ステージ413は1方向に動作する1軸ステージである。これを走査させることで、ステージ413上に置かれた基板にレーザを照射する。
【0165】
なお、レーザー装置406から出射されるレーザービームのサイズは、もともと直径0.3mm円ビームであるが、これを図示しない2組のビームエキスパンダーを使って概略10×35mmの楕円に広げる。411はミラーである。
【0166】
図13の光学系で形成される線状レーザービームのエネルギー分布は、その幅方向の断面をみると、矩形状の分布を示した。すなわち、エネルギー密度について非常に均質性の高い線状レーザービームを得ることができた。
【0167】
このとき、シリンドリカルレンズ群407は、焦点距離41mm、幅5mm、長さ30mm、中心厚5mmのシリンドリカルレンズを7本使用した。シリンドリカルレンズ群408は焦点距離250mm、幅2mm、長さ60mm、中心厚5mmのシリンドリカルレンズを4本使用した。シリンドリカルレンズ409は、焦点距離200mm、、幅30mm、長さ120mm、中心厚10mmのシリンドリカルレンズを使用した。シリンドリカルレンズ群は410は、焦点距離1022mm、幅180mm、長さ20mm、中心厚35mmのシリンドリカルレンズ2つを使用した。
【0168】
ダブレットシリンドリカルレンズ412は幅90mm、長さ160mm、中心厚16mmのシリンドリカルレンズを2枚組にし、合成焦点距離を220mmとしたものを使用した。
【0169】
また、シリンドリカルレンズ群407は、光路に沿って、照射面から、2100mmレーザー装置寄りに配置した。シリンドリカルレンズ群408は、光路に沿って照射面から、1980mmレーザー装置406寄りに配置した。シリンドリカルレンズ409は光路に沿って照射面から、1580mmレーザー装置406寄りに配置した。
【0170】
シリンドリカルレンズ410は、レーザーの光路に沿って照射面から、1020mmレーザー装置406寄りに配置した。ダブレットシリンドリカルレンズ412は光路に沿って照射面から、275mmレーザー寄りに配置した。上記の数字はだいたいの目安であり、レンズの作成精度などによった。
【0171】
上記サイズに加工された線状の連続発光エキシマレーザビームを、図14で示すような方法で走査させることで、珪素膜全面を結晶化させる。該線状レーザビームの長辺の長さは珪素膜短辺の長さ以上であるから、1度の走査で基板全面が結晶化できる。図14中、基板は401、ソースドライバー領域は402、ゲートドライバー領域は403、画素は404である。図14をみればわかるように、線状レーザビーム405を1方向に1度走査するだけで、珪素膜全体が結晶化される。
【0172】
走査のスピードは、実施者が適宜決めればよいが、目安は、0.5〜100mm/sの範囲で選ぶ。このとき走査スピードが所望のスピードに達するまで、照射前に1軸ステージ413を助走させる必要がある。
【0173】
〔実施例5〕 液晶パネルを量産する場合、1枚の基板上に複数のパネルを形成し工程終了後、基板を切断する方法が、一般に行われている。
本実施例では、このような多面取りの基板に対し、連続発光エキシマレーザ発振装置を光源とする、線状レーザビームを照射する例を示す。本実施例中、多面取り基板のサイズは、600mm×720mmとする。
【0174】
多面取りの基板に対し線状レーザを照射する方法は様々考えられるが、本実施例では、代表的なものを挙げて説明する。
【0175】
本実施例で用いる方法を図15に示す。連続発光エキシマレーザ発振装置1301から出射されたレーザ光は光学系1302、ミラ−1303を介することにより、照射面(基板1306)で線状レーザビーム1304となる。光学系1302には、先の実施例で示したもの、例えば、図13に示したものを使う。
【0176】
本実施例で、基板1306上には、5×6枚、つまり30枚の3.5インチ液晶パネルが形成される。多面取り基板のサイズは600mm×720mmであることから、1枚のパネルがしめる領域は120mm×120mmの正方形となる。図15は簡単のため4つの液晶パネルのみ図示する。その内の1つの、ソースドライバーとなる領域1307、ゲートドライバーとなる領域1308、画素となる領域1309を図示する。
【0177】
図13に示した光学系で形成される線状レーザビーム長さは、125mmであるので、1枚のパネルの占める領域(120mm角の正方形)1辺の長さよりも長い。よって、線状レーザビームを1方向に1回走査するだけで、パネル1列分の領域を処理できる。多面取り基板1306上には、パネルが6行5列でならんでいることから、5回の走査で基板全面をレーザ照射できる。基板の走査には、直交する2方向に移動自在なXYステージ1305を動かすことで行う。基板の走査方向は、例えば、図15中の点線の矢印で示す方向とする。
【0178】
〔実施例6〕 本実施例では、多面取りの基板に対し、連続発光エキシマレーザ発振装置を光源とする、線状レーザビームを照射する他の例を示す。本実施例中、多面取り基板のサイズは、600mm×720mmとする。
【0179】
本実施例で用いる方法を図16に示す。連続発光エキシマレーザ発振装置1401から出射されたレーザ光は光学系1402、ミラ−1403を介することにより、照射面(基板1406)で線状レーザビーム1404となる。光学系1402には、先の実施例で示したもの、例えば、図13に示したものを使う。
【0180】
本実施例で、基板1406上には、10×12枚、つまり120枚の2.6インチ液晶パネルが形成される。多面取り基板のサイズは600mm×720mmであることから、1枚のパネルがしめる領域は60mm×60mmの正方形となる。図16は簡単のため4つの液晶パネルのみ図示する。その内の1つの、ソースドライバーとなる領域1407、ゲートドライバーとなる領域1408、画素となる領域1409を図示する。
【0181】
図13に示した光学系で形成される線状レーザビーム長さは、125mmであるので、上記4枚のパネルを2行2列に並べたときの(120mm角の正方形)1辺の長さよりも長い。よって、線状レーザビームを1方向に1回走査するだけで、パネル2列分の領域を処理できる。
【0182】
多面取り基板1406上には、パネルが12行10列でならんでいることから、5回の走査で基板全面をレーザ照射できる。基板の走査には、直交する2方向に移動自在なXYステージ1405を動かすことで行う。基板の走査方向は、例えば、図16中の点線の矢印で示す方向とする。
【0183】
線状レーザビームの長さが長くなればなるほど、パネルが小さくなればなるほど、線状レーザビームの1回の走査でレーザ照射できるパネルの列の本数は増える。線状レーザビームの長さとパネルサイズによっては、パネル3列分、またはそれ以上を線状レーザビーム1回の走査でレーザ照射することができる。
【0184】
上記の実施例では、エキシマレーザーを用いた例を述べたが、パルス発振型のYAGレーザーやYVO4レーザーを使用することが可能であり、特にレーザーダイオード励起方式のレーザー装置を使用すると高出力と高いパルス発振周波数が得られる。
【0185】
〔実施例7〕 本実施例では、実施例1で得られた結晶性珪素膜を利用してTFT(薄膜トランジスタ)を作製する例を示す。本実施例の工程を図17〜図19に示す。
【0186】
まず、基板として石英基板701を用意する。石英基板を使用するのは、結晶化の手段として連続発光型のエキシマレーザーを用いるためである。その上に200nm厚の酸化珪素膜(下地膜とも呼ぶ)702と厚さ55nmの非晶質珪素膜703aとを大気解放しないまま連続的に成膜した。(図17(A))こうすることで非晶質珪素膜703aの下表面に大気中に含まれるボロン等の不純物が吸着することを防ぐことができる。
【0187】
なお、本実施例では非晶質半導体膜として、非晶質珪素(アモルファスシリコン)膜を用いたが、他の半導体膜であっても構わない。非晶質シリコンゲルマニウム膜でも良い。また、下地膜及び半導体膜の形成手段としては、PCVD法、LPCVD法またはスパッタ法等を用いることができる。この後、水素濃度が高い場合は水素濃度低減するための加熱処理を行うとよい。
【0188】
次に、非晶質珪素膜703aの結晶化を行う。実施例4で示したレーザー照射方法を用いてレーザー結晶化を行った。こうしてレーザー照射を行って結晶化させ、結晶質珪素(ポリシリコン)膜からなる領域704aを形成した。(図17(B))
【0189】
また、他の方法としてパルス発振型のYAGレーザーやYVO4レーザーを使用する方法がある。特にレーザーダイオード励起方式のレーザー装置を使用すると高出力と高いパルス発振周波数が得られる。結晶化のためのレーザーアニールにはこれら固体レーザのの第2高調波(532nm)、第3高調波(354.7nm)、第4高調波(266nm)のいずれかを使用し、例えばレーザーパルス発振周波数1〜20000Hz(好ましくは10〜10000Hz)、レーザーエネルギー密度を200〜600mJ/cm2(代表的には300〜500mJ/cm2)とする。そして、線状ビームを基板全面に渡って照射し、この時の線状ビームの重ね合わせ率(オーバーラップ率)を80〜90%として行う。第2高調波を使うと、半導体層の内部にも均一に熱が伝わり、照射エネルギー範囲が多少ばらついても結晶化が可能となる。それにより、加工マージンがとれるため結晶化のばらつきが少なくなる。また、パルス周波数が高いのでスループットが向上する。
【0190】
そして、形成された結晶質珪素(ポリシリコン)膜をパターニングして、TFTの半導体層704bを形成した。(図17(C))
【0191】
なお、半導体層704bを形成する前後に、結晶質珪素膜に対してTFTのしきい値電圧を制御するための不純物元素(リンまたはボロン)を添加しても良い。この工程はNTFTまたはPTFTのみに行っても良いし、双方に行っても良い。
【0192】
次に、スパッタ法またはプラズマCVD法により絶縁膜705を形成し、スパッタ法により第1の導電膜706a、第2の導電膜706bを積層形成する。(図17(D))
【0193】
この絶縁膜705は、TFTのゲート絶縁膜として機能することになる絶縁膜であり、膜厚は50〜200nmとする。本実施例では、シリコン酸化物をターゲットとして用いたスパッタ法により100nm厚の酸化珪素膜を形成した。また、酸化珪素膜のみでなく酸化珪素膜の上に窒化珪素膜を設けた積層構造とすることもできるし、酸化珪素膜に窒素を添加した酸化窒化珪素膜を形成してもよい。
【0194】
なお、本実施例では非晶質珪素膜のレーザ結晶化を行った後、パターニングを行いゲート絶縁膜を形成した例を示したが、特に工程順序は限定されず、非晶質珪素膜とゲート絶縁膜をスパッタ法にて連続成膜した後、レーザ結晶化を行いパターニングを施す工程としてもよい。スパッタ法にて連続成膜した場合、良好な界面特性が得られる。
【0195】
また、第1の導電膜706aは、Ta 、Ti、Mo、Wから選ばれた元素を主成分とする導電材料を用いる。第1の導電膜706aの厚さは5〜50nm、好ましくは10〜25nmで形成すれば良い。一方、第2の導電膜707aは、Al、Cu、Siを主成分とする導電材料を用いる。第2の導電膜707aは100〜1000nm、好ましくは200〜400nmで形成すれば良い。第2の導電膜707aは、ゲート配線またはゲートバスラインの配線抵抗を下げるために設けられている。
【0196】
次いで、パターニングによって第2の導電膜707aの不要な部分を除去して、配線部にゲートバスラインの一部となる電極707bを形成した後、レジストマスク708a〜dを形成する。レジストマスク708aはPTFTを覆い、レジストマスク708bはドライバー回路のNTFTのチャネル形成領域を覆うようにして形成する。また、レジストマスク708cは電極707bを覆い、レジストマスク708dは画素マトリクス回路のチャネル形成領域を覆うようにして形成する。その後、レジストマスク708a〜dをマスクとしてn型を付与する不純物元素の添加を行い、不純物領域710、711を形成した。(図18(A))
【0197】
本実施例ではn型を付与する不純物元素としてリンを用い、フォスフィン(PH3 )を用いたイオンドープ法で行った。この工程ではゲート絶縁膜705と第1の導電膜706aを通してその下の半導体層704bにリンを添加するために、加速電圧は80keVとして、高めに設定した。半導体層、704bに添加されるリンの濃度は、1×1016〜1×1019atoms/cm3 の範囲にするのが好ましく、ここでは1×1018atoms/cm3 とした。そして、半導体層にリンが添加された領域710、711が形成された。ここで形成されたリンが添加された領域の一部は、LDD領域として機能する。また、マスクで覆われてリンが添加されなかった領域(結晶質珪素膜からなる領域709、712)の一部は、チャネル形成領域として機能する。
【0198】
なお、リンの添加工程は、質量分離を行うイオンインプランテーション法を用いても良いし、質量分離を行わないプラズマドーピング法を用いても良い。また、加速電圧やドーズ量の条件等は実施者が最適値を設定すれば良い。
【0199】
次いで、レジストマスク708a〜dを除去した後、必要があれば活性化処理を行う。そして、第3の導電膜713aをスパッタ法により成膜形成した。(図18(B))第3の導電膜713aは、Ta 、Ti、Mo、Wから選ばれた元素を主成分とする導電材料を用いる。また、第3の導電膜713aの厚さは100〜1000nm、好ましくは200〜500nmとした。
【0200】
次いで、レジストマスク714a〜dを新たに形成してパターニングを行いPTFTのゲート電極706b、713bの形成、及び配線706c、713cの形成を行った後、マスク714a〜dをそのまま用いてp型を付与する不純物元素を添加してPTFTのソース領域、ドレイン領域を形成する。(図18(C))ここではボロンをその不純物元素として、ジボラン(B2 6 )を用いてイオンドープ法で添加した。ここでも加速電圧を80keVとして、2×1020atoms/cm3 の濃度にボロンを添加した。
【0201】
次いで、レジストマスク714a〜dを除去して、新たにレジストマスク718a〜eを形成した後、レジストマスク718a〜eをマスクとしてエッチングを行いNTFTのゲート配線706d、713d、画素マトリクス回路のTFTのゲート配線706e、713e、保持容量の上部配線706f、713fを形成する。(図18(D))
【0202】
次いで、レジストマスク718a〜eを除去し、新たにレジストマスク719を形成した後、NTFTのソース領域、ドレイン領域にn型を付与する不純物元素を添加して不純物領域720〜725を形成する。(図19(A))ここでは、フォスフィン(PH3 )を用いたイオンドープ法で行った。不純物領域720〜725に添加されたリンの濃度は、先のn型を付与する不純物元素を添加する工程と比較して高濃度であり、1×1019〜1×1021atoms/cm3 とするのが好ましく、ここでは1×1020atoms/cm3 とした。
【0203】
その後、レジストマスク719を除去した後、50nmの厚さの窒化珪素膜からなる保護膜727を形成して図19(B)の状態が得られる。
【0204】
次いで、添加されたn型またはp型を付与する不純物元素を活性化するための活性化処理を行う。この工程は、電気加熱炉を用いた熱アニール法や、前述のエキシマレーザやYAGレーザーやYVO4レーザーを用いたレーザアニール法や、ハロゲンランプを用いたラピットサーマルアニール法(RTA法)で行えば良い。加熱処理する場合は、300〜700℃、好ましくは350〜550℃、本実施例では窒素雰囲気において450℃、2時間の熱処理を行った。
【0205】
YAGレーザーやYVO4レーザーを用いる場合には、その基本波(1064nm)、第2高調波(532nm)、第3高調波(354.7nm)、第4高調波(266nm)のいずれかを使用し、例えばレーザーパルス発振周波数1〜20000Hz(好ましくは10〜10000Hz)、レーザーエネルギー密度を200〜600mJ/cm2(代表的には300〜500mJ/cm2)とする。そして、線状ビームを基板全面に渡って照射し、この時の線状ビームの重ね合わせ率(オーバーラップ率)を80〜90%として行う。また、パルス周波数が高いのでスループットが向上する。
【0206】
次いで、第1の層間絶縁膜730を形成した後、コンタクトホールを形成し、ソース電極及びドレイン電極731〜735等を公知の技術により形成する。
【0207】
その後、パッシベーション膜736を形成する。パッシベーション膜736としては、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、またはこれらの絶縁膜と酸化珪素膜との積層膜を用いることができる。本実施例では300nm厚の窒化珪素膜をパッシベーション膜として用いた。
【0208】
なお、本実施例では窒化珪素膜を形成する前処理として、アンモニアガスを用いたプラズマ処理を行い、そのままパッシベーション膜736を形成する。この前処理によりプラズマで活性化した(励起した)水素がパッシベーション膜736によって閉じこめられるため、TFTの活性層(半導体層)の水素終端を促進させることができる。
【0209】
さらに、水素を含むガスに加えて亜酸化窒素ガスを加えると、発生した水分によって被処理体の表面が洗浄され、特に大気中に含まれるボロン等による汚染を効果的に防ぐことができる。
【0210】
パッシベーション膜736を形成したら、第2層間絶縁膜737として1μm厚のアクリル膜を形成した後、パターニングしてコンタクトホールを形成し、ITO膜でなる画素電極738を形成した。こうして図19(C)に示すような構造のAM−LCDが完成する。
【0211】
以上の工程で、ドライバー回路のNTFTにはチャネル形成領域709、不純物領域720、721、LDD領域728が形成された。不純物領域720はソース領域として、不純物領域721はドレイン領域となった。また、画素マトリクス回路のNTFTには、チャネル形成領域712、不純物領域722〜725、LDD領域729が形成された。ここで、LDD領域728、729は、ゲート電極と重なる領域(GOLD領域)と、ゲート電極と重ならない領域(LDD領域)がそれぞれ形成された。
【0212】
一方、pチャネル型TFTは、チャネル形成領域717、不純物領域715、716が形成された。そして、不純物領域715はソース領域として、不純物領域716はドレイン領域となった。
【0213】
上記方法によって形成された半導体膜を用いて作製されたTFTを使って、例えば、液晶ディスプレイを作製した場合、従来と比較してレーザの加工あとが目立たないものができた。これは、本発明によりTFTの特性のバラツキ、特に移動度のバラツキが抑えられたことによる。
【0214】
図20(A)はアクティブマトリクス型液晶表示装置の回路構成の一例を示す。本実施例のアクティブマトリクス型液晶表示装置は、ソース信号線側ドライバー回路501、ゲート信号線側ドライバー回路(A)507、ゲート信号線側ドライバー回路(B)511、プリチャージ回路512、画素マトリクス回路506を有している。
【0215】
ソース信号線側ドライバー回路501はシフトレジスタ回路502、レベルシフタ回路503、バッファ回路504、サンプリング回路505を備えている。
【0216】
また、ゲート信号線側ドライバー回路(A)507は、シフトレジスタ回路508、レベルシフタ回路509、バッファ回路510を備えている。ゲート信号線側ドライバー回路(B)511も同様な構成である。
【0217】
また、本発明は、NTFTの駆動電圧を考慮して、LDD領域の長さを同一基板上で異ならしめることが容易であり、それぞれの回路を構成するTFTに対して、最適な形状を同一工程で作り込むこともできる。
【0218】
また、図20(B)は画素マトリクス回路の上面図を示し、TFT部分のA−A' 断面構造と配線部のB−B' 断面構造は、図19(C)と対応しているため、一部は同一の符号で示した。図20(B)中、601は半導体層、602はゲート電極、603は容量線を示している。本実施例において、ゲート電極とゲート配線は、第1の導電層と第3の導電層とから形成され、ゲートバスラインは、第1の導電層と第2の導電層と第3の導電層とから形成されたクラッド構造を有している。
【0219】
また、図21(A)は、ドライバー回路を構成する一部となるCMOS回路の上面図を示し、図19(C)と対応している。610はPTFTのソース電極、611はドレイン電極、612はNTFTのソース電極、613、614はゲート配線である。また、本実施例ではNTFTとPTFTの活性層が直接接し、ドレイン電極を共有しているが、特にこの構造に限定されず、図21(B)に示すような構造(活性層が完全に分離した構造)としてもよい。なお、図21中の620はPTFTのソース電極、621はドレイン電極、622はNTFTのソース電極、623、624はゲート配線である。
【0220】
本実施例でトップゲート型のTFTを作製する工程を説明したが、逆スタガー型のTFTを作製するのに、本発明のレーザー照射装置を用いることができるのはいうまでもない。
【0221】
本発明のレーザ照射装置は、珪素膜の結晶化や結晶性を向上するためのレーザーアニール処理、活性層に添加されてドーパントを活性化するためのレーザー活性化処理に用いることができる。
【0222】
〔実施例8〕 本発明は従来のMOSFET上に層間絶縁膜を形成し、その上にTFTを形成する際に用いることも可能である。即ち、半導体回路上に反射型AM−LCDが形成された三次元構造の半導体装置を実現することも可能である。
【0223】
また、前記半導体回路はSIMOX、Smart−Cut(SOITEC社の登録商標)、ELTRAN(キャノン株式会社の登録商標)などのSOI基板上に形成されたものであっても良い。
【0224】
なお、本実施例を実施するにあたって、実施例1〜7のいずれの構成を組み合わせても構わない。
【0225】
〔実施例9〕 本実施例では、実施例7に示した作製工程で基板上にTFTを形成し、実際にAM−LCDを作製した場合について説明する。
【0226】
図19(C)の状態が得られたら、画素電極738上に配向膜を80nmの厚さに形成する。次に、対向基板としてガラス基板上にカラーフィルタ、透明電極(対向電極)、配向膜を形成したものを準備し、それぞれの配向膜に対してラビング処理を行い、シール材(封止材)を用いてTFTが形成された基板と対向基板とを貼り合わせる。そして、その間に液晶材料を保持させる。このセル組み工程は公知の手段を用いれば良いので詳細な説明は省略する。
【0227】
液晶材料としては、例えばTN液晶、PDLC、強誘電性液晶、反強誘電性液晶、強誘電性液晶と反強誘電性液晶の混合物が挙げられる。例えば、1998, SID,“Characteristics and Driving Scheme of Polymer-Stabilized Monostable FLCD Exhibiting Fast Response Time and High Contrast Ratio with Gray-Scale Capability" by H. Furue et al. や、1997, SID DIGEST, 841,“A Full-Color Thresholdless Antiferroelectric LCD Exhibiting Wide Viewing Angle with Fast Response Time" by T. Yoshida et al.や、1996, J. Mater. Chem. 6(4), 671-673, "Thresholdless antiferroelectricity in liquid crystals and its application to displays" by S. Inui et al.や、米国特許第5594569 号に開示された液晶を用いることが可能である。
【0228】
ある温度域において反強誘電相を示す液晶を反強誘電性液晶という。反強誘電性液晶を有する混合液晶には、電場に対して透過率が連続的に変化する電気光学応答特性を示す、無しきい値反強誘電性混合液晶と呼ばれるものがある。この無しきい値反強誘電性混合液晶は、V字型の電気光学応答特性を示すものがあり、その駆動電圧が約±2.5V程度(セル厚約1μm〜2μm)のものも見出されている。
【0229】
ここで、V字型の電気光学応答を示す無しきい値反強誘電性混合液晶の印加電圧に対する光透過率の特性を示す例を図23に示す。図23に示すグラフの縦軸は透過率(任意単位)、横軸は印加電圧である。なお、液晶表示装置の入射側の偏光板の透過軸は、液晶表示装置のラビング方向にほぼ一致する無しきい値反強誘電性混合液晶のスメクティック層の法線方向とほぼ平行に設定されている。また、出射側の偏光板の透過軸は、入射側の偏光板の透過軸に対してほぼ直角(クロスニコル)に設定されている。
【0230】
図23に示されるように、このような無しきい値反強誘電性混合液晶を用いると、低電圧駆動かつ階調表示が可能となることがわかる。
【0231】
このような低電圧駆動の無しきい値反強誘電性混合液晶をアナログドライバを有する液晶表示装置に用いた場合には、画像信号のサンプリング回路の電源電圧を、例えば、5V〜8V程度に抑えることが可能となる。よって、ドライバの動作電源電圧を下げることができ、液晶表示装置の低消費電力化および高信頼性が実現できる。
【0232】
また、このような低電圧駆動の無しきい値反強誘電性混合液晶をデジタルドライバを有する液晶表示装置に用いた場合にも、D/A変換回路の出力電圧を下げることができるので、D/A変換回路の動作電源電圧を下げることができ、ドライバの動作電源電圧を低くすることができる。よって、液晶表示装置の低消費電力化および高信頼性が実現できる。
【0233】
よって、このような低電圧駆動の無しきい値反強誘電性混合液晶を用いることは、比較的LDD領域(低濃度不純物領域)の幅が小さなTFT(例えば0nm〜500nmまたは0nm〜200nm)を用いる場合においても有効である。
【0234】
また、一般に、無しきい値反強誘電性混合液晶は自発分極が大きく、液晶自体の誘電率が高い。このため、無しきい値反強誘電性混合液晶を液晶表示装置に用いる場合には、画素に比較的大きな保持容量が必要となってくる。よって、自発分極が小さな無しきい値反強誘電性混合液晶を用いるのが好ましい。また、液晶表示装置の駆動方法を線順次駆動とすることにより、画素への階調電圧の書き込み期間(ピクセルフィードピリオド)を長くし、保持容量が小くてもそれを補うようにしてもよい。
【0235】
なお、このような無しきい値反強誘電性混合液晶を用いることによって低電圧駆動が実現されるので、液晶表示装置の低消費電力が実現される。
【0236】
なお、図23に示すような電気光学特性を有する液晶であれば、いかなるものも本明細書に記載の液晶表示装置の表示媒体として用いることができる。
【0237】
次に、以上のようにして作製したAM−LCDの外観を図22に示す。図22に示すようにアクティブマトリクス基板と対向基板とが対向し、これらの基板間に液晶が挟まれている。アクティブマトリクス基板は基板630上に形成された画素マトリクス回路631、走査線駆動回路632、信号線駆動回路633を有する。
【0238】
走査線駆動回路632、信号線駆動回路633はそれぞれ走査線641、信号線642によって画素マトリクス回路631に接続されている。これら駆動回路632、633はCMOS回路で主に構成されている。
【0239】
画素マトリクス回路631の行ごとに走査線641が形成され、列ごとに信号線642が形成されている。走査線641、信号線642の交差部近傍には、画素マトリクス回路のTFT640が形成されている。画素マトリクス回路のTFT640のゲート電極は走査線641に接続され、ソースは信号線642に接続されている。さらに、ドレインには画素電極643、保持容量644が接続されている。
【0240】
対向基板650は基板全面にITO膜等の透明導電膜が形成されている。透明導電膜は画素マトリクス回路631の画素電極643に対する対向電極であり、画素電極、対向電極間に形成された電界によって液晶材料が駆動される。対向基板650には必要に応じて配向膜や、ブラックマスクや、カラーフィルターが形成されている。
【0241】
アクティブマトリクス基板側の基板にはFPC634を取り付ける面を利用してICチップ635、636が取り付けられている。これらのICチップ635、636はビデオ信号の処理回路、タイミングパルス発生回路、γ補正回路、メモリ回路、演算回路などの回路をシリコン基板上に形成して構成される。
【0242】
さらに、本実施例では液晶表示装置を例に挙げて説明しているが、アクティブマトリクス型の表示装置であればEL(エレクトロルミネッセンス)表示装置やEC(エレクトロクロミックス)表示装置に本願発明を適用することも可能である。
【0243】
〔実施例10〕
本実施例では、本願発明を用いてEL(エレクトロルミネッセンス)表示装置を作製した例について説明する。なお、図30(A)は本願発明のEL表示装置の上面図であり、図30(B)はその断面図である。
【0244】
図30(A)において、3001は基板、3002は画素部、3003はソース側駆動回路、3004はゲート側駆動回路であり、それぞれの駆動回路は配線3005を経てFPC(フレキシブルプリントサーキット)3006に至り、外部機器へと接続される。
【0245】
このとき、画素部3002、ソース側駆動回路3003及びゲート側駆動回路3004を囲むようにして第1シール材3101、カバー材3102、充填材3103及び第2シール材3104が設けられている。
【0246】
また、図30(B)は図30(A)をA−A’で切断した断面図に相当し、基板3001の上にソース側駆動回路3003に含まれる駆動TFT(但し、ここではnチャネル型TFTとpチャネル型TFTを図示している。)3201及び画素部3002に含まれる画素TFT(但し、ここではEL素子への電流を制御するTFTを図示している。)3202が形成されている。
【0247】
駆動TFT3201及び画素TFT3202の上には樹脂材料でなる層間絶縁膜(平坦化膜)3301が形成され、その上に画素TFT3202のドレインと電気的に接続する画素電極(陰極)3302が形成される。画素電極3302としては遮光性を有する導電膜(代表的にはアルミニウム、銅もしくは銀を主成分とする導電膜またはそれらと他の導電膜との積層膜)を用いることができる。本実施例ではアルミニウム合金を画素電極として用いる。
【0248】
そして、画素電極3302の上には絶縁膜3303が形成され、絶縁膜3303は画素電極3302の上に開口部が形成されている。この開口部において、画素電極3302の上にはEL(エレクトロルミネッセンス)層3304が形成される。EL層3304は公知の有機EL材料または無機EL材料を用いることができる。また、有機EL材料には低分子系(モノマー系)材料と高分子系(ポリマー系)材料があるがどちらを用いても良い。
【0249】
EL層3304の形成方法は公知の技術を用いれば良い。また、EL層の構造は正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層または電子注入層を自由に組み合わせて積層構造または単層構造とすれば良い。
【0250】
EL層3304の上には透明導電膜からなる陽極3305が形成される。透明導電膜としては、酸化インジウムと酸化スズとの化合物または酸化インジウムと酸化亜鉛との化合物を用いることができる。また、陽極3305とEL層3304の界面に存在する水分や酸素は極力排除しておくことが望ましい。従って、真空中で両者を連続成膜するか、EL層3304を窒素または希ガス雰囲気で形成し、酸素や水分に触れさせないまま陽極3305を形成するといった工夫が必要である。本実施例ではマルチチャンバー方式(クラスターツール方式)の成膜装置を用いることで上述のような成膜を可能とする。
【0251】
そして陽極3305は3306で示される領域において配線3005に電気的に接続される。配線3005は陽極3305に所定の電圧を与えるための配線であり、導電性材料3307を介してFPC3006に電気的に接続される。
【0252】
以上のようにして、画素電極(陰極)3302、EL層3304及び陽極3305からなるEL素子が形成される。このEL素子は、第1シール材3101及び第1シール材3101によって基板3001に貼り合わされたカバー材3102で囲まれ、充填材3103により封入されている。
【0253】
カバー材3102としては、ガラス板、FRP(Fiberglass−Reinforced Plastics)板、PVF(ポリビニルフルオライド)フィルム、マイラーフィルム、ポリエステルフィルムまたはアクリルフィルムを用いることができる。本実施例の場合、EL素子からの光の放射方向がカバー材3102の方へ向かうため透光性材料を用いる。
【0254】
但し、EL素子からの光の放射方向がカバー材とは反対側に向かう場合には透光性材料を用いる必要はなく、金属板(代表的にはステンレス板)、セラミックス板、またはアルミニウムホイルをPVFフィルムやマイラーフィルムで挟んだ構造のシートを用いることができる。
【0255】
また、充填材3103としては紫外線硬化樹脂または熱硬化樹脂を用いることができ、PVC(ポリビニルクロライド)、アクリル、ポリイミド、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、PVB(ポリビニルブチラル)またはEVA(エチレンビニルアセテート)を用いることができる。この充填材3103の内部に吸湿性物質(好ましくは酸化バリウム)を設けておくとEL素子の劣化を抑制できる。なお、本実施例ではEL素子からの光が充填材3103を通過できるように、透明な材料を用いる。
【0256】
また、充填材3103の中にスペーサを含有させてもよい。このとき、スペーサを酸化バリウムで形成すればスペーサ自体に吸湿性をもたせることが可能である。また、スペーサを設けた場合、スペーサからの圧力を緩和するバッファ層として陽極3305上に樹脂膜を設けることも有効である。
【0257】
また、配線3005は導電性材料3307を介してFPC3006に電気的に接続される。配線3005は画素部3002、ソース側駆動回路3003及びゲート側駆動回路3004に送られる信号をFPC3006に伝え、FPC3006により外部機器と電気的に接続される。
【0258】
また、本実施例では第1シール材3101の露呈部及びFPC3006の一部を覆うように第2シール材3104を設け、EL素子を徹底的に外気から遮断する構造となっている。こうして図30(B)の断面構造を有するEL表示装置となる。
【0259】
〔実施例11〕
本実施例では、実施例10に示したEL表示装置の画素部に用いることができる画素構造の例を図31(A)〜(C)に示す。なお、本実施例において、3401はスイッチング用TFT3402のソース配線、3403はスイッチング用TFT3402のゲート配線、3404は電流制御用TFT、3405はコンデンサ、3406、3408は電流供給線、3407はEL素子とする。
【0260】
図31(A)は、二つの画素間で電流供給線3406を共通とした場合の例である。即ち、二つの画素が電流供給線3406を中心に線対称となるように形成されている点に特徴がある。この場合、電源供給線の本数を減らすことができるため、画素部をさらに高精細化することができる。
【0261】
また、図31(B)は、電流供給線3408をゲート配線3403と平行に設けた場合の例である。なお、図31(B)では電流供給線3408とゲート配線3403とが重ならないように設けた構造となっているが、両者が異なる層に形成される配線であれば、絶縁膜を介して重なるように設けることもできる。この場合、電源供給線3408とゲート配線3403とで専有面積を共有させることができるため、画素部をさらに高精細化することができる。
【0262】
また、図31(C)は、図31(B)の構造と同様に電流供給線3408をゲート配線3403と平行に設け、さらに、二つの画素を電流供給線3408を中心に線対称となるように形成する点に特徴がある。また、電流供給線3408をゲート配線3403a及び3403bのいずれか一方と重なるように設けることも有効である。この場合、電源供給線の本数を減らすことができるため、画素部をさらに高精細化することができる。
【0263】
〔実施例12〕 本願発明を実施して作製されたCMOS回路や画素マトリクス回路は様々な電気光学装置(アクティブマトリクス型液晶ディスプレイ、アクティブマトリクス型ELディスプレイ、アクティブマトリクス型ECディスプレイ)に用いることができる。即ち、それら電気光学装置を表示媒体として組み込んだ電子機器全ての作製工程に本願発明を実施できる。
【0264】
その様な電子機器としては、ビデオカメラ、デジタルカメラ、プロジェクター(リア型またはフロント型)、ヘッドマウントディスプレイ(ゴーグル型ディスプレイ)、カーナビゲーション、カーステレオ、パーソナルコンピュータ、携帯情報端末(モバイルコンピュータ、携帯電話または電子書籍等)などが挙げられる。それらの一例を図32、図33及び図34に示す。
【0265】
図32(A)はパーソナルコンピュータであり、本体2001、画像入力部2002、表示部2003、キーボード2004等を含む。本発明を画像入力部2002、表示部2003やその他の信号制御回路に適用することができる。
【0266】
図32(B)はビデオカメラであり、本体2101、表示部2102、音声入力部2103、操作スイッチ2104、バッテリー2105、受像部2106等を含む。本発明を表示部2102やその他の信号制御回路に適用することができる。
【0267】
図32(C)はモバイルコンピュータ(モービルコンピュータ)であり、本体2201、カメラ部2202、受像部2203、操作スイッチ2204、表示部2205等を含む。本発明は表示部2205やその他の信号制御回路に適用できる。
【0268】
図32(D)はゴーグル型ディスプレイであり、本体2301、表示部2302、アーム部2303等を含む。本発明は表示部2302やその他の信号制御回路に適用することができる。
【0269】
図32(E)はプログラムを記録した記録媒体(以下、記録媒体と呼ぶ)を用いるプレーヤーであり、本体2401、表示部2402、スピーカ部2403、記録媒体2404、操作スイッチ2405等を含む。なお、このプレーヤーは記録媒体としてDVD(Digtial Versatile Disc)、CD等を用い、音楽鑑賞や映画鑑賞やゲームやインターネットを行うことができる。
本発明は表示部2402やその他の信号制御回路に適用することができる。
【0270】
図32(F)はデジタルカメラであり、本体2501、表示部2502、接眼部2503、操作スイッチ2504、受像部(図示しない)等を含む。本願発明を表示部2502やその他の信号制御回路に適用することができる。
【0271】
図33(A)はフロント型プロジェクターであり、投射装置2601、スクリーン2602等を含む。本発明は投射装置2601の一部を構成する液晶表示装置2808やその他の信号制御回路に適用することができる。
【0272】
図33(B)はリア型プロジェクターであり、本体2701、投射装置2702、ミラー2703、スクリーン2704等を含む。本発明は投射装置2702の一部を構成する液晶表示装置2808やその他の信号制御回路に適用することができる。
【0273】
なお、図33(C)は、図33(A)及び図33(B)中における投射装置2601、2702の構造の一例を示した図である。投射装置2601、2702は、光源光学系2801、ミラー2802、2804〜2806、ダイクロイックミラー2803、プリズム2807、液晶表示装置2808、位相差板2809、投射光学系2810で構成される。投射光学系2810は、投射レンズを含む光学系で構成される。本実施例は三板式の例を示したが、特に限定されず、例えば単板式であってもよい。また、図33(C)中において矢印で示した光路に実施者が適宜、光学レンズや、偏光機能を有するフィルムや、位相差を調節するためのフィルム、IRフィルム等の光学系を設けてもよい。
【0274】
また、図33(D)は、図33(C)中における光源光学系2801の構造の一例を示した図である。本実施例では、光源光学系2801は、リフレクター2811、光源2812、レンズアレイ2813、2814、偏光変換素子2815、集光レンズ2816で構成される。なお、図33(D)に示した光源光学系は一例であって特に限定されない。例えば、光源光学系に実施者が適宜、光学レンズや、偏光機能を有するフィルムや、位相差を調節するフィルム、IRフィルム等の光学系を設けてもよい。
【0275】
ただし、図33に示したプロジェクターにおいては、透過型の電気光学装置を用いた場合を示しており、反射型の電気光学装置及びEL表示装置での適用例は図示していない。
【0276】
図34(A)は携帯電話であり、本体2901、音声出力部2902、音声入力部2903、表示部2904、操作スイッチ2905、アンテナ2906等を含む。本願発明を音声出力部2902、音声入力部2903、表示部2904やその他の信号制御回路に適用することができる。
【0277】
図34(B)は携帯書籍(電子書籍)であり、本体3001、表示部3002、3003、記憶媒体3004、操作スイッチ3005、アンテナ3006等を含む。本発明は表示部3002、3003やその他の信号回路に適用することができる。
【0278】
図34(C)はディスプレイであり、本体3101、支持台3102、表示部3103等を含む。本発明は表示部3103に適用することができる。本発明のディスプレイは特に大画面化した場合において有利であり、対角10インチ以上(特に30インチ以上)のディスプレイには有利である。
【0279】
【発明の効果】
本発明により、コヒーレントな光を線状ビームに加工するレーザー照射装置において、線状ビームの照射面での光強度が分散され、レーザービームによるレーザアニールの効果の面内均質性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のビームホモジナイザーの構成図。
【図2】 本発明のビームホモジナイザーの構成図。
【図3】 本発明のシリンドリカルレンズ群の構成図。
【図4】 本発明のシリンドリカルレンズ群の構成図。
【図5】 実施例1のレーザー照射システムを示す図。
【図6】 実施例1のレーザーアニール装置の上面図。
【図7】 本発明のシリンドリカルレンズ群の変形例。
【図8】 本発明のシリンドリカルレンズ群の変形例。
【図9】 本発明のマルチフェイズレンズを用いたビームホモジナイザーの構成図。
【図10】本発明の平面波をつくる光学系配置と球面波をつくる光学系配置の違いを示す図。
【図11】実施例3の干渉じまのピッチdを計算で求めるために必要なパラメータを示す図。
【図12】実施例3の干渉じまのピッチdを計算で求めるために必要なパラメータを示す図。
【図13】実施例4の線状レーザーを形成する光学系。
【図14】実施例4の線状レーザの走査方法を示す図。
【図15】実施例5の多面取り基板に対するレーザ照射の様子を示す図。
【図16】実施例6の多面取り基板に対するレーザ照射の様子を示す図。
【図17】実施例7のAM−LCDの作製工程を示す図。
【図18】実施例7のAM−LCDの作製工程を示す図。
【図19】実施例7のAM−LCDの作製工程を示す図。
【図20】実施例7の画素マトリクス回路の上面図および回路配置を示す図。
【図21】実施例7のCMOS回路の上面図を示す図。
【図22】実施例9のAM−LCDの外観を示す図。
【図23】実施例9のV字型の電気光学応答を示す無しきい値反強誘電性混合液晶の印加電圧に対する光透過率の特性図。
【図24】 従来の線状ビームを照射した珪素膜の模式図。
【図25】 ビームホモジナイザーの構成図。
【図26】 線状ビームの強度分布。
【図27】 線状ビームの長手方向の強度分布のシュミレーション結果。
【図28】 線状ビームの長手方向の強度分布のシュミレーション結果。
【図29】 線状ビームの長手方向の強度分布のシュミレーション結果。
【図30】 実施例10のEL表示装置の上面図(A)及び断面図(B)。
【図31】 実施例11のEL表示装置の画素部の等価回路図。
【図32】 実施例12の電子機器の説明図。
【図33】 実施例12のプロジェクターの説明図。
【図34】 実施例12の電子機器の説明図。
【符号の説明】
201 レーザー装置
202 シリンドリカルレンズ群
203 シリンドリカルレンズ群
204 シリンドリカルレンズ
205 スリット
206 シリンドリカルレンズ群
207 ミラー
208 シリンドリカルレンズ
210 線状レーザービーム
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The invention disclosed in this specification relates to a technique for uniformly irradiating a large area with laser light. It also relates to its application.
[0002]
[Prior art]
In recent years, an amorphous semiconductor film or a crystalline semiconductor film (a semiconductor film having crystallinity such as polycrystalline or microcrystalline) that is formed over an insulating substrate such as glass, that is, a non-single-crystal semiconductor film is used. On the other hand, a technique for performing laser annealing to crystallize or improve crystallinity has been widely studied. A silicon film is often used as the semiconductor film.
[0003]
The glass substrate is inexpensive and rich in workability as compared with a quartz substrate that has been often used conventionally, and has an advantage that a large-area substrate can be easily manufactured. This is the reason for the above research. In addition, the reason why laser is used for crystallization is that the melting point of the glass substrate is low. The laser can give high energy only to the non-single crystal film without changing the temperature of the substrate so much.
[0004]
Since a crystalline silicon film formed by laser annealing has high mobility, a thin film transistor (TFT) is manufactured using this crystalline silicon film.
For example, it is actively used for a monolithic liquid crystal electro-optical device or the like in which TFTs for driving pixels and driving circuits are formed on a single glass substrate. Since the crystalline silicon film is made of many crystal grains, it is called a polycrystalline silicon film or a polycrystalline semiconductor film.
[0005]
In addition, a high-power excimer laser or other pulsed laser beam is processed by an optical system so that the irradiated surface has a rectangular shape of several centimeters square or a linear shape with a width of several mm and a length of 10 cm or more. The method of performing laser annealing by scanning the beam (moving the laser beam irradiation position relative to the irradiated surface) is preferred because it is mass-productive and industrially superior. .
[0006]
In particular, when a linear laser beam is used, unlike the case of using a spot laser beam that requires front / rear / left / right scanning, the entire irradiated surface is scanned by scanning only in a direction perpendicular to the linear direction of the linear laser. Since irradiation can be performed, high mass productivity is obtained. The reason for scanning in the direction perpendicular to the line direction is that it is the most efficient scanning direction. Due to this high mass productivity, at present, it is becoming mainstream to use a linear laser beam obtained by processing an excimer laser beam with an appropriate optical system for laser annealing.
[0007]
Recently, a continuous wave laser such as an Ar laser having a higher output has been developed. There is also a report that an Ar laser was used for annealing the semiconductor film and a good result was obtained. In this case, the irradiation surface is spot-like because the output of the Ar laser is not sufficient.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As a laser widely used for crystallization, an excimer laser is known as a gas laser, and as a solid laser, an Nd: YAG laser or an Nd: YVO is used. Four Lasers and argon lasers are known.
[0009]
Since the continuous wave argon laser has a wavelength around 500 nm, the absorption coefficient of the argon laser with respect to the silicon film is 10 Five About / cm. On the other hand, since the excimer laser is ultraviolet light of 400 nm or less, the absorption coefficient is 10 6 / cm, about one digit higher than argon laser. For this reason, the argon laser attenuates the intensity to 1 / e (e is a natural logarithm) when it passes through the silicon film by 100 nm, and the excimer laser attenuates the intensity to 1 / e when it passes through the silicon film by 10 nm. .
[0010]
Generally, in the TFT field, the thickness of the polycrystalline silicon film is appropriately around 50 nm. If the silicon film is thicker than 50 nm, the off characteristics tend to deteriorate, and if it is thin, the reliability is affected. When a 50 nm thick silicon film is irradiated with an argon laser, more than half of the laser light passes through the silicon film and is absorbed by the glass substrate, heating the glass substrate more than necessary. Actually, a 200 nm silicon oxide film and a 50 nm silicon film were sequentially formed on a Corning 1737 substrate and crystallization was attempted with an argon laser. However, the glass was deformed before the silicon film was sufficiently crystallized.
[0011]
On the other hand, when the excimer laser is irradiated, most of the energy is absorbed by the 50 nm silicon film, and most of the laser light can be used for crystallization of the silicon film. Thus, the advantage of using the excimer laser for crystallization of the silicon film is the high absorption coefficient of the silicon film with respect to the excimer laser.
[0012]
The diagram shown in FIG. 24A is a top view of a silicon film irradiated while scanning with a conventional pulsed excimer laser. FIG. 24B is a cross-sectional view of the silicon film taken along a cross section parallel to the scanning direction of the pulsed excimer laser (a plane perpendicular to the silicon film including the line segment EF). FIG. 24C is a cross-sectional view of the silicon film cut along a plane perpendicular to the plane (plane perpendicular to the silicon film including the line segment GH).
[0013]
As can be seen from FIG. 24B, the pulse laser irradiation traces generate undulations of the same order as the silicon film thickness. On the other hand, the undulations shown in FIG. 24C are much smaller than those shown in FIG. 24B, but periodic undulations appear. As will be described later, this is due to interference of the linear beam shaped by the beam homogenizer.
[0014]
An optical system that plays a role in homogenizing the energy distribution (light intensity) in the linear beam is called a beam homogenizer. FIG. 25 shows an example of a beam homogenizer.
[0015]
On the optical path, cylindrical lens groups (also referred to as multi-cylindrical lenses or cylindrical lens arrays) 12 and 13, cylindrical lenses 14, slits 15, cylindrical lenses 16, mirrors are arranged on the optical path from the emission side of the laser device 11 which is a light source of excimer laser. 17 are arranged sequentially, and a cylindrical lens 18 is arranged on the optical path in the reflection direction of the mirror 17.
[0016]
The cylindrical lens 12 divides the beam into a plurality of predetermined directions (a direction perpendicular to the paper surface in the side view), and the cylindrical lens 16 combines the beams divided in this direction. On the other hand, the cylindrical lens group 13 also divides the beam into a plurality of predetermined directions (in the side view, the direction parallel to the paper surface), and the cylindrical lens 14 synthesizes the beams divided in the dividing direction of the cylindrical lens group 13.
[0017]
Therefore, the laser beam emitted from the oscillator is two-dimensionally divided by the cylindrical lens groups 12 and 13, enters the cylindrical lens 14, and is combined into a plurality of beams in a predetermined direction (a direction perpendicular to the paper in the side view). A plurality of beams divided in one direction (direction parallel to the paper surface) are passed through the slit 15 and condensed by the cylindrical lens 16 so as to become one beam again. The condensed beam is reflected by the mirror 17, collected by the cylindrical lens 18, and irradiated as a linear beam 19 (having a longitudinal direction in a direction perpendicular to the paper surface in a side view).
[0018]
In the homogenizer of FIG. 25, in the cylindrical lens groups 12 and 13, the beam splitting directions are orthogonal, and the cylindrical lenses 14 and 16 condense the beams are orthogonal to each other. According to the cylindrical lens group 12, the intensity distribution in the longitudinal direction of the linear laser beam 19 is made uniform by the combination of the cylindrical lens 16, and the width direction of the linear laser beam 19 is combined by the combination of the cylindrical lens group 13 and the cylindrical lens 14. In other words, the intensity distribution of the beam is made uniform, that is, the beams are two-dimensionally divided and overlapped again to make the energy of the linear beam uniform.
[0019]
Therefore, it seems that the energy distribution becomes more uniform as the number of beams divided by the cylindrical lens groups 12 and 13 increases. However, regardless of the fineness of the division, a stripe pattern, which is an irradiation trace of a linear laser beam, was formed on the silicon film. As shown in FIG. 24A, stripe patterns appear innumerably so as to be orthogonal to the longitudinal direction of the linear laser beam (or the scanning direction of the linear beam, the GH direction), and are shown in FIG. Thus, peaks appear periodically in the silicon film. The cause of the stripe pattern is expected to be either the beam before entering the beam homogenizer or the optical system of the beam homogenizer.
[0020]
Therefore, the present inventor conducted a simple experiment to find out the cause of the striped pattern. Before the rectangular laser beam was incident on the beam homogenizer, it was examined how the vertical stripes changed by rotating the laser beam. The result was that the striped pattern did not change at all. It was found that the stripe pattern was caused by the beam homogenizer, not the beam before entering the beam homogenizer. A beam homogenizer splits and re-superimposes the energy of a single-wavelength phase-matched beam (the laser is the light that has the same phase because the laser gains intensity by matching the phase). Therefore, it can be explained that the stripe pattern has interference of light when the light is superimposed.
[0021]
An object of the present invention is to eliminate the problem of interference of beams having the same phase as the laser light as described above, and to make the energy distribution in the longitudinal direction of the linear laser light uniform.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
[Process to Lead to Invention] FIG. 26 schematically shows a state of optical interference fringes of the linear laser beam 19 formed by the beam homogenizer of FIG. In FIG. 26, the vertical axis represents the laser intensity I. As shown in the figure, peaks 302 appear periodically in the laser intensity in the linear laser beam 301. This peak 302 is present until interference occurs.
[0023]
The occurrence of the peak 302 is caused when the beams divided by the cylindrical lens groups 12 and 13 of the homogenizer are combined by the cylindrical lenses 14 and 16, and the beams interfere to form a standing wave in the beam. That is, since the divided laser beams are overlapped with the same region of the irradiated surface, it is considered that a large peak 302 is periodically generated.
[0024]
As shown in FIG. 26, in the homogenizer of FIG. 25, three waves are formed for each period in the longitudinal direction of the linear beam 19. The number of waves n (which may be referred to as the number of bright lines for one period of interference) and the number of lenses s of the cylindrical lens group 12 satisfy the following relational expression.
[0025]
n = (s-1) / 2 (s is an odd number)
[0026]
n = s ÷ 2 (s is an even number)
[0027]
In the homogenizer of FIG. 25, the number of lenses of the cylindrical lens group 12 is s = 7 (odd number), and n = 3.
[0028]
The inventor calculated the relationship between the shape of the longitudinal wave of the linear beam at a certain time of the linear laser beam and the number of lenses s by a computer. FIG. 27 shows the calculation result. FIG. 27A shows the case where s = 7 and n = 3, and FIG. 27B shows the case where s = 8 and n = 4.
[0029]
In FIG. 27, the horizontal axis represents the phase (position) in the longitudinal direction of the linear laser beam, and the vertical axis represents the amplitude of the wave. The square of the amplitude (value on the vertical axis) is the light intensity (the degree to which in-phase light is intensified). d is the length of one period of the wave, and is the distance between the brightest bright lines of the interference fringe. FIG. 27A shows an interference wave corresponding to FIG. 26, and d is the interval between the peaks 302 having the highest intensity.
[0030]
FIG. 27 shows the result of computer simulation. In an actual linear laser beam, the intensity of light intensity is not as clear as in simulation. This is presumed to be caused by subtle misalignment of the optical system, material of the optical member, processing error, and energy dispersion due to heat conduction in the semiconductor film. The actual intensity of the laser beam is as shown in FIG.
[0031]
In FIG. 25, when the cylindrical lens 16 is divided into two by the broken line 20 and the optical axis (principal point) is shifted in the direction perpendicular to the paper surface in the side view, the cylindrical lens 16 passes through the upper half cylindrical lens 16a. Since the beam passing through the lower half cylindrical lens 16b overlaps with an appropriate deviation on the irradiation surface, the interference fringe pattern changes. That is, the intensity (energy) distribution in the longitudinal direction of the linear beam changes. By making good use of this phenomenon, the light intensity can be averaged by optimizing the distance that the divided cylindrical lenses 16a and 16b are displaced from the principle of wave superposition.
[0032]
The present invention utilizes this phenomenon to design a beam homogenizer. Therefore, the beam homogenizer parameters were changed, and the change in the waveform of the linear beam was simulated by a computer. 28 and 29 show the simulation results. The graphs of FIGS. 28 and 29 show the relationship between the phase in the longitudinal direction of a linear laser beam at a certain time and the light intensity, as in FIG. FIG. 28 shows a case where the number of lenses s of the cylindrical lens group 12 of the homogenizer of FIG. 25 is 7, and FIG. 29 shows a case where the number of lenses s is 9.
[0033]
Hereinafter, the case of s = 7 will be considered using FIG. In the case of s = 7, it has been found that in order to average the intensity distribution in the longitudinal direction, it is preferable to superimpose waves whose phases are shifted by a half cycle (d / 2).
[0034]
The wave shown in FIG. 28B is a wave whose phase is shifted by a half period from FIG. When the wave of FIG. 28 (A) and the wave of FIG. 28 (B) are superimposed, the waveform shown in FIG. 28 (C) is obtained. A pattern is obtained.
[0035]
In the wave of FIG. 28C, amplitude fluctuations are averaged, and the wave period d ′ is smaller than the wave period d of FIG. If the values obtained by squaring the amplitudes of the waves in FIGS. 28A and 28C are compared, in FIG. 28C, the light intensity fluctuation at the position in the longitudinal direction is reduced and averaged. Understandable.
[0036]
Next, the case of s = 9 will be considered using FIG. In the case of s = 9, it has been found that the intensity in the longitudinal direction of the linear beam is most averaged, and it is preferable to superimpose three waves whose phases are shifted by 1/3 period (d / 3).
[0037]
In FIG. 29B and FIG. 29C, the phase of the wave in FIG. 29A is shifted by 1/3 period. FIG. 29D shows a combined wave obtained by superimposing the waves shown in FIGS. 29A to 29C.
[0038]
Similarly to the composite wave of FIG. 28C, the amplitude fluctuation of the wave of FIG. 29D is averaged, and the wave period d ′ is smaller than the wave period d of FIG. 29A. Yes. Comparing the values obtained by squaring the amplitudes of the waves in FIGS. 29A and 29D, the waves in FIG. 29D are averaged because the light intensity fluctuations at the longitudinal positions are reduced. I understand that. Furthermore, the energy distribution in the longitudinal direction of the wave in FIG. 29D is averaged more than in FIG.
[0039]
In order to form the waveforms as shown in FIG. 28C and FIG. 29D, the phase (position) of the wave is set at the same time as in the relationship between FIG. 28A and FIG. It can be seen that M beams shifted by d / M (d is a period and M is a natural number) are superposed.
[0040]
In the conventional beam homogenizer shown in FIG. 25, the laser beam that is generated through the combination of the cylindrical lens group 12 and the cylindrical lens 16 is divided by the cylindrical lens group 13.
[0041]
Therefore, if the phases of the respective laser beams divided by the cylindrical lens group 13 are shifted and superimposed at the same irradiation position, the energy in the longitudinal direction as shown in FIGS. 28 (C) and 29 (D). A linear laser beam having a uniform distribution can be formed.
[0042]
In FIG. 25, the beam transmitted through the cylindrical lens 16a obtained by dividing the cylindrical lens 16 into two parts and the beam transmitted through the cylindrical lens 16b can be obtained by shifting the positions of the cylindrical lenses 16a and 16b from each other. Similarly to the relationship between the wave and the wave in FIG. 28B, the phase can be shifted in the longitudinal direction of the linear beam 19 (the direction perpendicular to the paper surface in the side view). Therefore, by optimizing the phase shift, it is possible to average the intensity distribution in the longitudinal direction of the beam obtained by superimposing these beams, similarly to the wave in FIG.
[0043]
The invention disclosed herein provides an optimal combination of parameters for a beam homogenizer in order to optimize the phase shift.
[0044]
The beam homogenizer according to the present invention includes a first splitting optical lens that splits one beam into (2n + 1) beams in a first direction, and one beam perpendicular to the first direction. A second splitting optical lens that splits N (n-1) beams in a second direction; and a plurality of beams that are focused in the second direction and split in the second direction. A first synthesizing lens to synthesize, and a second synthesizing lens that synthesizes the plurality of beams that are condensed in the first direction and divided in the first direction,
The second combining lens is composed of (n′−1) cylindrical lenses,
Images obtained by orthogonal projection of the principal points of the (n′−1) cylindrical lenses on a plane orthogonal to the second direction are arranged on the same straight line at an interval of d / (n′−1). (N'-1) points,
The d is an interval between peaks of interference fringes formed by a beam transmitted through one cylindrical lens of the second synthesizing lens on an irradiation surface,
The N is a natural number, the n is an integer of 3 or more, and the n ′ is an integer satisfying 3 ≦ n ′ ≦ n.
[0045]
As described with reference to FIGS. 28 and 29, the intensity of interference fringes on the irradiated surface of the linear beam is synthesized by shifting the longitudinal phases of the linear beams by a predetermined amount and combining them. Can be made uniform.
[0046]
When the mirror is inserted in the beam homogenizer of the present invention, the direction of the optical path changes, so the direction in which the cylindrical lens divides the light beam and the direction of light collection are also changed.However, in the present invention, the change in direction by the mirror is ignored. Suppose that there is no mirror.
[0047]
In the present invention, in the second combining lens, the phases of the plurality of beams are shifted, and the plurality of beams are condensed so that the same region is irradiated. Therefore, in the second synthesizing lens, the principal point of each cylindrical lens is shifted by d / (n′−1) in a direction perpendicular to the optical axis.
[0048]
The first splitting lens according to the present invention includes a cylindrical lens group in which (2n + 1) cylindrical lenses having parallel optical axes are connected in a row (array). Furthermore, although the beam is divided into odd (2n + 1) beams in the first split cylindrical lens group here, it may be divided into even (2n) beams. In this case, 2n cylindrical lenses whose optical axes are parallel to each other may be connected in a row.
[0049]
The second splitting lens of the present invention may be constituted by a cylindrical lens group in which N (n−1) cylindrical lenses whose optical axes are parallel to each other are connected in a row. A cylindrical lens can be used as the first lens for synthesis.
[0050]
The homogenizer of the present invention exhibits a remarkable effect when a coherent beam is shaped into a linear shape, and can average the light intensity in the longitudinal direction of the linear beam. A laser device such as a gas laser or a solid-state laser is used as a light source for the coherent light. A continuous light emission type argon laser apparatus or a pulse oscillation type excimer laser apparatus can be used.
[0051]
An excimer laser is an example of the gas laser. Excimer lasers are widely recognized as pulsed lasers, but recently, continuous emission excimer laser oscillators have been developed. In order to emit light continuously, excitation of the oscillation gas is promoted using a microwave.
[0052]
By irradiating the oscillation gas with gigahertz-order microwaves, the reaction that is the rate-determining factor of oscillation is promoted, so that the excimer laser can emit light continuously. An excimer laser having a high absorption coefficient in a silicon film becomes increasingly important for crystallization of a semiconductor film when a continuous emission laser is put into practical use. If a continuous emission excimer laser is used, the irradiation trace of the pulse laser can be eliminated, so that the effect of the laser irradiation treatment can be made very uniform.
[0053]
As the excimer laser, for example, KrF laser (wavelength 248 nm), XeCl excimer laser (wavelength 308 nm), XeF laser (wavelength 351 nm, 353 nm), ArF excimer laser (wavelength 193 nm), XeF laser (wavelength 483 nm), or the like may be used.
[0054]
Pulse oscillation type Nd: YAG laser or Nd: YVO as solid laser Four A laser can be used. In particular, when a pulsed laser device of a laser diode excitation type is used, a high output and a high pulse oscillation frequency can be obtained. Nd: YAG laser or Nd: YVO Four The fundamental frequency of the laser is 1064 nm, but not only the fundamental frequency but also any of the second harmonic (532 nm), the third harmonic (354.7 nm), and the fourth harmonic (266 nm) can be used. it can.
[0055]
Embodiment
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0056]
1 and 2 show an optical system of the beam homogenizer of this embodiment. In this embodiment, a cylindrical lens is used for each lens of the homogenizer. 1A is a top view, FIG. 1B is a side view, and FIG. 2 is a perspective view.
[0057]
From the emission side of the laser generating means 201, cylindrical lens groups 202 and 203 for dividing the beam, a cylindrical lens 204 for overlapping the divided beams, and a cylindrical lens group 206 are sequentially arranged. Further, a slit 205 is disposed on the optical path between the cylindrical lens 204 and the cylindrical lens group 206, and a mirror 207 and a cylindrical lens 208 are sequentially disposed on the optical path on the transmission side of the synthesizing cylindrical lens group 206. Has been. For convenience of explanation, the mirror 207 is omitted in FIG.
[0058]
The cylindrical lens group 202 is composed of (2n + 1) cylindrical lenses whose optical axes are parallel to each other, and the direction in which one beam is divided into (2n + 1) beams is a direction perpendicular to the paper surface in the side view (first view). Direction).
[0059]
The cylindrical lens group 203 is composed of N (n−1) cylindrical lenses, and the direction in which one incident beam is divided into N (n−1) beams is a direction perpendicular to the paper surface in the top view (first order). 2 direction).
[0060]
The synthesizing cylindrical lens 204 is paired with the dividing cylindrical lens group 203 and is a lens for condensing the beam divided in the direction perpendicular to the paper surface in the top view. The cylindrical lens constituting the cylindrical lens group 203 and the generatrix of the cylindrical lens 204 are parallel.
[0061]
The synthesizing cylindrical lens group 206 is composed of (n′−1) cylindrical lenses whose optical axes are parallel to each other, and is paired with the cylindrical lens group 202, and is divided in a direction perpendicular to the paper surface in a side view. It is a lens for condensing the focused beam. The cylindrical lenses constituting the cylindrical lens groups 202 and 206 have generatrices parallel to each other.
[0062]
1 and 2 show an optical system in the case where N = 2, n = 3, and n ′ = 3. The number of lenses (2n + 1) of the cylindrical lens group 202 is 7, the number of lenses N (n−1) of the cylindrical lens group 203 is 4, and the number of lenses (n′−1) of the cylindrical lens group 206 is 2.
[0063]
The configuration of the cylindrical lens 206 group is shown in FIG. 3A is a perspective view, and FIG. 3B is a top view. As shown in FIG. 3, the cylindrical lens group 206 includes cylindrical lenses 206a and 206b. The principal points of the lenses 206a and 206b are shifted from each other by a predetermined length ΔD = d / 2.
[0064]
More specifically, as shown in FIG. 3B, the principal planes 100a and 100b of the cylindrical lenses 206a and 206b are the same plane, and the principal points 101a and 101b of the lenses are planes formed by these principal planes (or The images orthogonally projected on a plane orthogonal to the generatrix of each lens are on the same straight line and are arranged at intervals ΔD. The orthogonally projected images correspond to principal points 101a and 101b on the paper surface. Alternatively, the cylindrical lens group 206 is configured such that images obtained by orthogonally projecting the rear focal points 103a and 103b of the respective lenses onto a plane perpendicular to the plane (or the generatrix of each lens) formed by the main plane are on the same straight line. ΔD is lined up. Alternatively, an image obtained by orthogonally projecting the optical axes 102a and 102b of the respective lenses onto a plane orthogonal to the plane formed by the main plane is a parallel line having a distance ΔD.
[0065]
In FIG. 3, although the cylindrical lenses 206a and 206b have only one principal plane (principal point) in the lens, strictly speaking, there are two principal planes. One of the main plane and the object side main plane is considered.
[0066]
As described with reference to FIGS. 27 to 29, d is the period of the wave in the longitudinal direction, and interference formed by the beam transmitted through the cylindrical lens (206a or 206b) constituting the cylindrical lens group 206 on the irradiated surface. It is a cycle of a stripe.
[0067]
In order to measure the period d of interference fringes, in the cylindrical lens group 206, only one cylindrical lens 206a is left, and the other cylindrical lens 206b is directly observed with the linear laser beam in a state where light does not pass through 206b. The period may be measured. Moreover, it can measure indirectly by the annealing effect by the linear laser beam. For example, as described with reference to FIG. 24, vertical stripes appear in the silicon film irradiated with the linear laser, and the interval between the vertical stripes may be measured. Moreover, it can also obtain | require from a simple calculation formula so that it may show later.
[0068]
Hereinafter, a method for obtaining the optimum value of the cylindrical lens shift ΔD in the cylindrical lens group 206 will be described.
[0069]
In the present embodiment, the number of cylindrical lenses 202 is 7 (2n + 1), and n = 3. Therefore, the number of cylindrical lenses in the cylindrical lens group 203 is an integral multiple of (n-1) (N (n-1)). That is, an even number is sufficient. At this time, ΔD may be d / 2.
[0070]
The effect of this embodiment is demonstrated using FIG. The laser beam from the laser generator 201 is divided into seven beams in the cylindrical lens group 202. Here, one beam is traced for simplicity. The beam transmitted through the cylindrical lens group 202 is divided into four by the cylindrical lens group 203. The four beams are collected by the cylindrical lens 204 so as to be combined into one beam, shaped into a linear shape by the slit 205, and incident on the cylindrical lens group 206.
[0071]
In the cylindrical lens group 206, the slit 205 emits two beams whose phase in the longitudinal direction is shifted by ΔD (d / 2), is condensed by the cylindrical lens 208, and is irradiated as a linear beam 210.
[0072]
Here, among the beams irradiated on the irradiation surface, a linear beam transmitted through the cylindrical lens 206a is denoted as 211a, and a linear beam transmitted through the cylindrical lens 206b is denoted as 211b. The interference fringes of the linear beams 211a and 211b are schematically shown in black and white shading. Black is the bright line. When the linear beam 211a or 211b having such a strong interference fringe is irradiated while scanning in the width direction, as shown in FIG. 24, a stripe pattern due to the difference in the light intensity of the linear beam appears.
[0073]
Therefore, in this embodiment, by shifting the linear beams 211a and 211b by d / 2 in the longitudinal direction, the high intensity portion (black portion) and the low portion (white portion) overlap each other, As with the linear beam 210, interference fringes are eliminated or obscured.
[0074]
Here, when the number of lenses of the cylindrical lens group 202 is 9, since n = 4, if the number of cylindrical lens groups 203 is an integral multiple of 3 (corresponding to n−1), for example, 6, the linear beam 210 The energy distribution in the longitudinal direction can be made uniform. In this case, the number of lenses of the cylindrical lens group 206 can be made more uniform when the number of lenses is 3, rather than 2, so that instead of the cylindrical lens group 206, three cylindrical lenses as shown in FIG. A cylindrical lens group 220 may be used.
[0075]
As shown in FIG. 4, in the cylindrical lens group 220, the interval between the orthogonal projections of the principal points of the cylindrical lenses 220a, 220b, and 220c may be set so that ΔD is d / 3.
[0076]
However, the combination of three cylindrical lenses becomes expensive because the structure is complicated, and the alignment of the optical system becomes more difficult, so it may be configured with two cylindrical lenses.
[0077]
From the above consideration and calculation, when the number of cylindrical lenses in the cylindrical lens group 202 is an odd number, the number of cylindrical lenses in the cylindrical lens group 206 is (n′−1), and the principal points of the (n′−1) cylindrical lenses. It is understood that it is only necessary to shift d / (n′−1) sequentially. Here, n ′ is an integer that satisfies 3 ≦ n ′ ≦ n, and the number of lenses of the cylindrical lens group 203 is N (n′−1) (N is a natural number), that is, an integer of the number of lenses of the cylindrical lens group 206. It was good to be double.
[0078]
By doing so, the light intensity in the longitudinal direction within the linear beam can be made uniform by shifting the phases of the laser beams divided by the cylindrical lens group 203 and superimposing them.
[0079]
The configuration of the beam homogenizer shown in FIGS. 1 and 2 is basic, and other optical systems may be arranged. Further, a part of the optical member may be replaced with another optical member having the same action. The illustrated optical system may be used as a part of the whole.
[0080]
For example, although the cylindrical lens group 202 and the cylindrical lens group 203 shown in FIG. 1 are lens arrays made of convex lenses, a concave lens group or a concave / convex mixed lens array may be used. For example, a cylindrical lens array in which concave convex shapes are combined as shown in FIG. 7 can be used.
[0081]
Further, the cylindrical lens group 203 and the cylindrical lens 204 may be replaced with a multi-phase lens 231 shown in FIG. FIG. 9 shows an optical system when replaced. 9, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same members.
[0082]
However, when using lens groups that are not congruent as represented by the concave-convex mixed lens group, the parallel light beams processed by these lenses are composed of lens groups having the same spread angle after processing. Better.
[0083]
Otherwise, when the split beams are recombined, the individual beams overlap in different sizes and shapes and the beam contours are unclear.
[0084]
The present embodiment is particularly effective when processing a rectangular laser beam having an aspect ratio of 100 or more into a linear laser beam having an aspect ratio that is not so large.
[0085]
Moreover, the number of lenses of the cylindrical lens group 202 can be an even number (2n). Other conditions may be the same as in the case of an odd number (2n + 1). However, a remarkable effect is obtained when the number of lenses of the cylindrical lens group 202 is an odd number. Even if the number of lenses of the cylindrical lens group 202 is an even number, if an odd number of beams are incident on the cylindrical lens group 203, the cylindrical lens group 202 is considered to be configured by an odd number of lenses. Needless to say, it is good.
[0086]
When the number of lenses of the cylindrical lens group 202 is an odd number, the longitudinal waveform of the linear beam on the irradiation surface can be a sine wave as shown in FIG. 28 (A) or FIG. 29 (D). The energy in the longitudinal direction can be made more uniform.
[0087]
When the number of lenses of the cylindrical lens group 202 is two or three, even a conventional homogenizer as shown in FIG. 25 can be a sine wave. However, since the number of beam divisions is small, the energy on the irradiation surface is small. However, it is difficult to obtain a uniform beam. Therefore, in the present invention, it is preferable that the number of lenses of the cylindrical lens group is at least six.
[0088]
When the number of lenses of the cylindrical lens group 202 is an even number, a beam in which the light intensity is dispersed cannot be obtained as in the case of an odd number. However, compared with a conventional optical system using a non-divided cylindrical lens, energy averaging has a significant effect.
[0089]
By the way, as shown in FIG. 27, since d is defined by the period of interference fringe, as described above, a value can be obtained by actually measuring the period of interference fringe. You can also.
[0090]
Using the wavelength λ of the laser light generated by the laser device 201, the focal length f of one cylindrical lens of the cylindrical lens group 206, and the width L of the cylindrical lens constituting the cylindrical lens group 202, the formula d = λf / L It can be calculated by
[0091]
Further, as apparent from the above description, it is preferable that the interference fringe period d is constant in the linear laser beam. That is, it is preferable that interference fringes appear along the longitudinal direction of the linear beam at a constant period as shown in FIG.
[0092]
However, in the beam homogenizer of FIG. 1, the interference fringe period of the linear beam 210 is not uniform except in a special case. This is because the linear beam 210 combines spherical waves into a linear shape. (See FIG. 10A. When spherical waves are cut in a straight line, the intervals between the same phases are not constant.) If it is desired to make the interference peak interval substantially constant, the plane wave may be synthesized into a linear shape. (FIG. 10B shows an optical system that forms such a light wave in which the interval between the same phases is constant when the plane wave is cut obliquely by a straight line.
[0093]
10B is different from FIG. 10A in whether the laser beam divided by the cylindrical lens group 202 on the beam incident side is all processed into parallel rays by the subsequent cylindrical lens group 206 or not. .
[0094]
The optical system as shown in FIG. 10B can be easily obtained by appropriately selecting the distance between the front cylindrical lens group 202 for division and the rear cylindrical lens group 206 for synthesis. 10B, any beam divided by the cylindrical lens group is processed into a plane wave by the cylindrical lens group 206. FIG. When a beam processed by the present optical system is used, the distance between the vertical stripes becomes substantially constant. An optical system having such an arrangement is most suitable for the present invention.
[0095]
However, even a linear beam obtained by synthesizing a spherical wave has a sufficiently large radius of curvature of the spherical wave, and can be regarded as a parallel light beam, so that the present invention can be applied. However, when a spherical wave is synthesized, the interference fringe period d is defined by the average value of the entire linear beam.
[0096]
As described above, by utilizing the invention disclosed in this specification, the energy distribution in the longitudinal direction of the linear laser beam is dramatically homogenized. In particular, when the number of lenses constituting the cylindrical lens group 202 is an odd number, the waveform in the longitudinal direction of the linear laser beam can be shaped into a sine wave (see FIGS. 28C and 29D). Since this is possible, the present invention works most effectively.
[0097]
However, it is very difficult to make the longitudinal energy distribution completely constant. Depending on the irradiation condition of the laser beam, the fluctuation of the energy distribution may be more emphasized.
[0098]
In such a case, it can be improved by finely adjusting the scanning direction of the laser beam. In the fine adjustment, laser processing is performed while the linear laser beam is scanned in a direction perpendicular to the linear direction of the beam and shifted from the direction including the surface formed by the linear laser beam by an angle y in the plane. To do. This angle y can be found in the range of | tan y | ≦ 0.1. (However, | tan y | ≠ 0)
[0099]
Laser annealing of the semiconductor film through the optical system described in the present invention to form a polycrystalline semiconductor film, for example, a device such as a TFT liquid crystal display, can suppress variations in characteristics of individual TFTs, resulting in high image quality. You can get something. The laser annealing of the present invention can be used not only for crystallizing a semiconductor but also for activating impurities such as phosphorus and boron doped to control the conductivity type of the semiconductor film.
[0100]
When the invention disclosed in this specification is used for laser annealing in manufacturing a semiconductor integrated circuit, characteristics of elements formed on the same substrate can be aligned, and a circuit having high performance can be obtained.
[0101]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0102]
[Example 1]
In the manufacturing process of the example, first, a manufacturing method of a film irradiated with a laser will be described. The films irradiated with the laser are three kinds of amorphous silicon films in this specification. The present invention is effective for any film.
[0103]
First, all three types of amorphous silicon films are films formed by plasma CVD on a 127 nm square Corning 1737 glass substrate and a 200 nm thick silicon oxide film as a base film. The thickness of these amorphous silicon films is 50 nm. Hereinafter, this amorphous silicon film is referred to as a starting film.
[0104]
(Procedure for Membrane A)
The starting film is subjected to a thermal anneal at 450 ° C. for 1 hour. This step is a step for reducing the hydrogen concentration in the amorphous silicon film. This process is necessary because the film cannot withstand the laser energy if there is too much hydrogen in the film. The density of hydrogen in the film is 10 20 atoms / cm Three The order is appropriate. This film is called a non-single crystal silicon film A.
[0105]
(Producing procedure of membrane B)
A 10 ppm nickel acetate aqueous solution is applied onto the starting film by a spin coating method to form a nickel acetate layer. It is more preferable to add a surfactant to the aqueous nickel acetate solution. Since the nickel acetate layer is extremely thin, it is not always a film, but there is no problem in the subsequent steps.
[0106]
Next, thermal annealing is performed at 600 ° C. for 4 hours. Then, the amorphous silicon film is crystallized to form a crystalline silicon film B which is a non-single-crystal silicon film. At this time, nickel as a catalytic element plays a role of crystal growth nucleus, and crystallization is promoted. The Nickel can be crystallized at 600 ° C for 4 hours at a low temperature. Action by. Details are described in JP-A-6-244104.
[0107]
The concentration of the catalytic element is 1 × 10 15 -10 19 Atom / cm Three Is preferable. 1 × 10 19 Atom / cm Three At the above high concentration, metallic properties appear in the crystalline silicon film and the characteristics as a semiconductor are lost. In this embodiment, the concentration of the catalytic element in the crystalline silicon film is the minimum value in the film and is 1 × 10. 17 ~ 5x10 18 Atom / cm Three It is. These values are analyzed and measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS).
[0108]
(Producing procedure of membrane C)
A silicon oxide film is formed to a thickness of 70 nm on the starting film. A plasma CVD method is used as a film forming method.
[0109]
Next, a part of the silicon oxide film is completely opened by a photolithography patterning process.
[0110]
Further, UV light is irradiated for 5 minutes in an oxygen atmosphere in order to form a thin oxide film in the opening. This thin oxide film is formed in order to improve the wettability of the opening portion with respect to the nickel aqueous solution to be introduced later.
[0111]
Next, a 100 ppm nickel acetate aqueous solution is applied onto the film by a spin coating method, and nickel acetate enters the hole portion. It is more preferable to add a surfactant to the aqueous nickel acetate solution.
[0112]
Next, thermal annealing is performed at 600 ° C. for 8 hours, and crystals grow laterally from the nickel-introduced portion. At this time, the role played by nickel is the same as that of the film B. Under these conditions, the crystal growth distance is about 40 μm.
[0113]
In this way, the amorphous silicon film is crystallized to form a crystalline silicon film C which is a non-single crystal silicon film. Thereafter, the silicon oxide film on the crystalline silicon film is peeled and removed using buffer hydrofluoric acid.
[0114]
The non-single crystal silicon films A, B, and C thus obtained are crystallized.
[0115]
Next, in order to further enhance the crystallinity, laser annealing is performed using an excimer laser.
[0116]
FIG. 5 shows a laser irradiation system in the embodiment. FIG. 5 is an overview of the laser irradiation system.
[0117]
In FIG. 5, the laser irradiation system is irradiated from a laser device 201, and after adjusting the laser traveling direction by two pairs of reflecting mirrors 901, the cross-sectional shape is processed into a linear shape by a beam homogenizer 902 disclosed in the present invention. The pulsed laser beam has a function of irradiating the substrate 904 to be processed while being reflected by the mirror 207 and condensed by the cylindrical lens 208. A beam expander that can suppress the spread angle of the laser beam and adjust the beam size may be inserted between the two pairs of reflection mirrors 901.
[0118]
The optical system 902 is an optical system on the optical path from the cylindrical lens group 202 to the cylindrical lens group 206 shown in FIG. 1, and the mirror 207 and the cylindrical lens 208 also conform to the structure shown in FIG. All the linear laser beams used in the present invention conform to the optical system shown in FIG. The role of the lens group of the type shown in FIG. 1 will be described below.
[0119]
In the beam homogenizer used in this embodiment, the number of cylindrical lens groups 202 is 7 (2n + 1) in this embodiment, so the number of lenses in the cylindrical lens group 206 in the structure shown in FIG. n-1).
[0120]
FIG. 3 shows a configuration diagram of the cylindrical lens group 206. Hereinafter, a method for determining the distance ΔD between the principal points of the cylindrical lenses 206a and 206b constituting the cylindrical lens group 206 will be described.
[0121]
In the case of the present embodiment, optical interference distributed in a linear laser beam formed through one lens 206a arbitrarily selected from the cylindrical lens group 206 and a lens other than the cylindrical lens group 206 in FIG. The period was 0.1 mm. This value corresponds to the parameter d used in the invention.
[0122]
As described above, the distance calculated from the formula d / (n-1) is set to a distance that shifts the principal points of the cylindrical lenses 206a and 206b, thereby making the energy distribution in the longitudinal direction of the linear beam most uniform. Can do.
[0123]
Here, the values of d and n are substituted into the equation. In this embodiment, since n = 3, the distance to be obtained is 0.05 mm. Needless to say, the effect is the same even if the distance is changed to 0.15 mm, 0.25 mm, 0.3 mm,... The wider the length, the shorter the effective length of the linear beam in the longitudinal direction.
[0124]
That is, if the principal points of the cylindrical lenses 206a and 206b are shifted from each other in the direction orthogonal to the optical axis, both ends in the longitudinal direction of the linear laser beam 210 are blurred by the shifted distance. (Refer to FIG. 2. The white portions at both ends indicate a blurred portion.) Since it is easy to set the portion irradiated with both ends in the longitudinal direction of the linear laser beam as an element region, some blurring is not treated at all. Does not affect. On the other hand, since both ends in the width direction are not blurred at all, there is no adverse effect even if they are struck by the element region.
[0125]
In this embodiment, since n = 3, the number of dividing the laser beam in the vertical direction (width direction of the linear beam) is determined by a multiple of (3-1). In the case of this example, N = 4 and eight divisions. Further, the number of dividing the laser beam in the horizontal direction (longitudinal direction of the linear beam) is (2 × 3 + 1) = 7. The beam emitted from the laser device 201 is divided into eight parts in the vertical direction (width direction of the linear laser beam) and seven parts in the horizontal direction (longitudinal direction of the linear laser beam).
[0126]
The linear laser beam 210 is a combination of 56 (7 × 8) divided beams. By doing so, the energy distribution of the beam is averaged.
[0127]
The ratio of the vertical and horizontal lengths of the beam is variable due to the structure of the lens group, but the easy-to-create beam shape is limited by the combination of the lens size and focal length. In this optical system, the length of the long side of the beam cannot be changed.
[0128]
Here, the laser oscillation device 201 uses a device that oscillates a XeCl excimer laser (wavelength 308 nm). In addition, a KrF excimer laser (wavelength 248 nm) or the like may be used.
[0129]
The substrate to be processed 904 is disposed on the stage 905. The stage 905 can be moved in one axis direction by a moving mechanism 903. In actual processing, the stage 905 is moved in parallel to the direction perpendicular to the line width direction of the linear laser beam (including a plane including the linear laser beam).
[0130]
FIG. 6 is a configuration diagram of a laser annealing apparatus provided with the laser irradiation apparatus of FIG. In the load / unload chamber 915, a cassette 913 containing a large number of substrates to be processed 904, for example, 20 sheets, is disposed. One substrate is moved from the cassette 913 to the alignment chamber 912 by the robot arm 914.
[0131]
The alignment chamber 912 is provided with an alignment mechanism for correcting the positional relationship between the substrate to be processed 904 and the robot arm 914. The alignment chamber 912 is connected to the load / unload chamber 915.
[0132]
The substrate is transferred to the substrate transfer chamber 911 by the robot arm 914 and further transferred to the laser irradiation chamber 916 by the robot arm 914.
[0133]
In FIG. 5, the linear laser beam irradiated onto the substrate to be processed 904 is 0.4 mm wide × 135 mm long.
[0134]
The energy density of the laser beam on the irradiated surface is 100 mJ / cm 2 ~ 500mJ / cm 2 For example, 300 mJ / cm 2 And A linear laser beam is scanned by moving the stage 905 in one direction at 1.2 mm / s. When the laser oscillation frequency is 30 Hz and attention is paid to one point of the irradiated object, a 10-shot laser beam is irradiated. The number of shots is appropriately selected in the range of 5 shots to 50 shots.
[0135]
After the laser irradiation is completed, the substrate 904 to be processed is pulled back to the substrate transfer chamber 912 by the robot arm 914.
[0136]
The substrate 904 to be processed is transferred to the load / unload chamber 915 by the robot arm 914 and stored in the cassette 913.
[0137]
Thus, the laser annealing process is completed. In this way, by repeating the above steps, a large number of substrates can be successively processed one by one.
[0138]
In this embodiment, a linear laser is used. However, any beam shape ranging from a linear shape to a square shape can be used in the present invention.
[0139]
When a TFT using the semiconductor film subjected to laser annealing as an active layer is manufactured, both an N channel type and a P channel type can be manufactured.
[0140]
It is also possible to obtain a structure in which an N channel type and a P channel type are combined. In addition, an electronic circuit can be configured by integrating a large number of TFTs.
[0141]
The above is also true for a semiconductor film that has been laser-annealed through the optical system shown in the other embodiments. When a liquid crystal display composed of TFTs is manufactured using a semiconductor film that has been laser-annealed through the optical system of the present invention, a high-quality display with little variation in individual TFT characteristics can be obtained.
[0142]
[Example 2] In Example 1, when the stripe pattern does not disappear well, it is because the arrangement of the optical system is not appropriate, or the superposition of the linear laser beams is inappropriate. In this case, the scanning direction changing device 906 finely adjusts the scanning direction of the substrate, and a scanning direction in which interference fringes are less noticeable may be selected.
[0143]
That is, it is preferable that the laser beam is scanned and irradiated with a slight angle with respect to the width direction of the linear laser beam.
[0144]
Example 3 In Example 1, the pitch d of the interference fringe when the arrangement of the optical system shown in FIG. 1 is adopted can be easily derived by calculation. In this embodiment, the calculation method will be described with reference to FIGS.
[0145]
First, it is assumed that the divided lenses of the cylindrical lens group 206 are not shifted from each other. For convenience, the cylindrical lens group 206 in this state is referred to as a cylindrical lens 1206.
[0146]
The optical system shown in FIG. 11 may be considered to show a cross section of the cylindrical lens group 202 and the cylindrical lens 1206 shown in FIG.
[0147]
When the arrangement of the optical system in FIG. 11 is employed, the beams synthesized by the cylindrical lens 1206 may be referred to as plane waves.
[0148]
In this case, among the lenses constituting the cylindrical lens group 202, the laser light beam incident on the cylindrical lens 1206 via the two lenses 1201 adjacent to the central lens intersects the irradiation surface 1204 at an angle α.
[0149]
Here, since the wavefront 1205 of the laser is a straight line, a straight line drawn at intervals of the wavelength λ of the wavefront cuts the irradiation surface 1204 at an interval β. (See FIG. 12.)
[0150]
The relational expression between the angle α and the interval β can be expressed using the wavelength λ. That is, it can be expressed as β = λ / sin α.
[0151]
The two lenses 1201 form a standing wave with an interval β on the irradiation surface 1204. Further, the two lenses 1202 form a standing wave with an interval β / 2 on the irradiation surface 1204. Further, the two lenses 1203 form a standing wave with an interval β / 3 on the irradiation surface 1204. These standing waves are synthesized at the irradiation surface 1204 to form standing waves as shown in FIGS. 28C and 29D. Therefore, β coincides with the wave period d in the longitudinal direction, as shown in FIGS. This can be understood by a simple calculation.
[0152]
Further, even if the position of the cylindrical lens 1206 is moved with respect to the cylindrical lens group 202 along a direction parallel to the main plane of the lens 1206 indicated by an arrow 1207 (direction perpendicular to the optical axis), the period d does not change. This can be understood by simple calculation. This suggests that when the cylindrical lens 1206 is returned to the state of the cylindrical lens group 206, even if each of the divided cylindrical lenses 1206 is moved in the direction indicated by the arrow 1207, the essence of the present invention is not affected at all. To do.
[0153]
In this case, if the focal length f of the cylindrical lens 1206 and the width L per lens of the cylindrical lens group 202 are set, tan α = L / f is established.
[0154]
Since the angle α is sufficiently small, tan α≈sin α is established. Therefore, β≈λf / L is established. As described above, since β = d in general, d≈λf / L.
[0155]
Therefore, if the focal length f of the cylindrical lens 1206, the width L per lens of the cylindrical lens group 202, and the wavelength λ of the laser light are known, the calculation can be performed without actually measuring the period d of the interference fringe of the linear laser. Can be obtained.
[0156]
When the optical system having the arrangement shown in FIG. 10A is adopted, the beam that has passed through the cylindrical lens group 206 becomes a spherical wave, and the above-described mathematical formula is not completely established. In this case, d is calculated by numerical calculation using a computer.
[0157]
Even in this case, if the sum of the focal length f of the cylindrical lens group 206 and the focal length of the cylindrical lens group 202 is close to the interval between the cylindrical lens group 206 and the cylindrical lens group 202, d obtained by the above formula is used. be able to.
[0158]
[Embodiment 4] In the above-described embodiment, a pulsed excimer laser is used. However, in this embodiment, a continuous emission excimer laser is used. In the case of the continuous emission type, since the scanning speed of the linear laser is slower than that of the pulse oscillation type, the heat of the laser light is easily transmitted to the substrate. Therefore, it is desired to use a quartz substrate having a high strain point temperature for the substrate. Even if the quartz substrate is heated to the melting temperature of the silicon film, it is not deformed or altered at all. Therefore, the beam size can be expanded.
[0159]
In this embodiment, an example in which a 1000 W continuous light emitting excimer laser is processed into a linear beam (size: 125 mm × 0.4 mm) is shown. FIG. 13 shows the configuration of the beam homogenizer of this embodiment. The beam homogenizer in FIG. 13 corresponds to the one in which the slit 205 is omitted in FIG. The cylindrical lens group 407 corresponds to the cylindrical lens group 202, the cylindrical lens group 408 corresponds to the cylindrical lens group 203, the cylindrical lens 409 corresponds to the cylindrical lens 204, and the cylindrical lens group 410 corresponds to the cylindrical lens group 206.
[0160]
All the above optical members are made of quartz. Quartz was used because the excimer laser has a sufficiently high transmittance in the wavelength region. Further, an appropriate coating was applied to the surface of the optical system in accordance with the wavelength of the excimer laser to be used (in this specification, 248 nm). As a result, a transmittance of 99% or more was obtained with the lens alone. The durability of the lens has also increased.
[0161]
All the lenses had a curvature in the width direction, and all were spherical lenses. The lens material was synthetic quartz, and AR coating was applied so that a transmittance of 99% or more was obtained at a transmitted light wavelength of 248 nm.
[0162]
Similar to the first embodiment, the combination of the cylindrical lens group 407 and the cylindrical lens group 410 has a function of making the intensity distribution in the longitudinal direction of the linear laser beam uniform, and the combination of the cylindrical lens group 408 and the cylindrical lens 409 is as follows. And has a function of making the intensity distribution in the width direction of the linear laser beam uniform.
[0163]
A combination of the cylindrical lens group 408 and the cylindrical lens 409 forms a beam having a beam width w once. By arranging a doublet cylindrical lens 412 further via the mirror 411, a thinner linear laser beam (thinner than the beam width w) can be obtained.
[0164]
The apparatus shown in FIG. 13 has a function of irradiating a laser beam emitted from the laser apparatus 406 as a linear beam 405 through an optical system indicated by cylindrical lenses 407, 408, 409, 410, and 412. The stage 413 is a single axis stage that operates in one direction. By scanning this, the substrate placed on the stage 413 is irradiated with laser.
[0165]
The size of the laser beam emitted from the laser device 406 is originally a 0.3 mm diameter circular beam, but this is expanded into an ellipse of approximately 10 × 35 mm using two sets of beam expanders (not shown). Reference numeral 411 denotes a mirror.
[0166]
The energy distribution of the linear laser beam formed by the optical system in FIG. 13 showed a rectangular distribution when viewed in the cross section in the width direction. That is, it was possible to obtain a linear laser beam with very high energy density.
[0167]
At this time, the cylindrical lens group 407 used seven cylindrical lenses having a focal length of 41 mm, a width of 5 mm, a length of 30 mm, and a center thickness of 5 mm. The cylindrical lens group 408 used four cylindrical lenses having a focal length of 250 mm, a width of 2 mm, a length of 60 mm, and a center thickness of 5 mm. As the cylindrical lens 409, a cylindrical lens having a focal length of 200 mm, a width of 30 mm, a length of 120 mm, and a center thickness of 10 mm was used. The cylindrical lens group 410 uses two cylindrical lenses having a focal length of 1022 mm, a width of 180 mm, a length of 20 mm, and a center thickness of 35 mm.
[0168]
The doublet cylindrical lens 412 used was a set of two cylindrical lenses having a width of 90 mm, a length of 160 mm, and a center thickness of 16 mm, and a combined focal length of 220 mm.
[0169]
In addition, the cylindrical lens group 407 was disposed near the 2100 mm laser device from the irradiation surface along the optical path. The cylindrical lens group 408 was disposed near the 1980 mm laser device 406 from the irradiation surface along the optical path. The cylindrical lens 409 was disposed near the 1580 mm laser device 406 from the irradiation surface along the optical path.
[0170]
The cylindrical lens 410 was disposed near the 1020 mm laser device 406 from the irradiation surface along the laser optical path. The doublet cylindrical lens 412 was disposed near the 275 mm laser from the irradiation surface along the optical path. The above numbers are approximate, and depend on the accuracy of lens creation.
[0171]
The entire surface of the silicon film is crystallized by scanning a linear continuous light emitting excimer laser beam processed to the above size by a method as shown in FIG. Since the length of the long side of the linear laser beam is equal to or longer than the length of the short side of the silicon film, the entire surface of the substrate can be crystallized by one scan. In FIG. 14, 401 is a substrate, 402 is a source driver region, 403 is a gate driver region, and 404 is a pixel. As can be seen from FIG. 14, the entire silicon film is crystallized only by scanning the linear laser beam 405 once in one direction.
[0172]
The practitioner may determine the scanning speed as appropriate, but the standard is selected in the range of 0.5 to 100 mm / s. At this time, it is necessary to run the uniaxial stage 413 before irradiation until the scanning speed reaches a desired speed.
[0173]
[Example 5] When mass-producing liquid crystal panels, a method of forming a plurality of panels on one substrate and cutting the substrate after the process is generally performed.
In this embodiment, an example in which a linear laser beam is irradiated on such a multi-planar substrate using a continuous light emitting excimer laser oscillation device as a light source is shown. In this embodiment, the size of the multi-sided substrate is 600 mm × 720 mm.
[0174]
Various methods of irradiating a multi-sided substrate with a linear laser are conceivable. In this embodiment, a representative one will be described.
[0175]
The method used in this example is shown in FIG. The laser light emitted from the continuous emission excimer laser oscillation device 1301 is converted into a linear laser beam 1304 on the irradiation surface (substrate 1306) through the optical system 1302 and Mira-1303. As the optical system 1302, the one shown in the previous embodiment, for example, the one shown in FIG. 13 is used.
[0176]
In this embodiment, 5 × 6, that is, 30 3.5 inch liquid crystal panels are formed on the substrate 1306. Since the size of the multi-sided substrate is 600 mm × 720 mm, the area that one panel can hold is a square of 120 mm × 120 mm. FIG. 15 shows only four liquid crystal panels for simplicity. Of these, a region 1307 to be a source driver, a region 1308 to be a gate driver, and a region 1309 to be a pixel are illustrated.
[0177]
Since the length of the linear laser beam formed by the optical system shown in FIG. 13 is 125 mm, it is longer than the length of one side of the area occupied by one panel (120 mm square). Therefore, it is possible to process an area for one column of the panel only by scanning the linear laser beam once in one direction. Since the panels are arranged in 6 rows and 5 columns on the multi-sided substrate 1306, the entire surface of the substrate can be irradiated with laser by five scans. Substrate scanning is performed by moving an XY stage 1305 that is movable in two orthogonal directions. The scanning direction of the substrate is, for example, a direction indicated by a dotted arrow in FIG.
[0178]
[Embodiment 6] In this embodiment, another example of irradiating a multi-chamfer substrate with a linear laser beam using a continuous emission excimer laser oscillation device as a light source will be described. In this embodiment, the size of the multi-sided substrate is 600 mm × 720 mm.
[0179]
The method used in this example is shown in FIG. The laser light emitted from the continuous emission excimer laser oscillation device 1401 becomes a linear laser beam 1404 on the irradiation surface (substrate 1406) through the optical system 1402 and Mira-1403. As the optical system 1402, the one shown in the previous embodiment, for example, the one shown in FIG. 13 is used.
[0180]
In this embodiment, 10 × 12, that is, 120 2.6-inch liquid crystal panels are formed on the substrate 1406. Since the size of the multi-sided substrate is 600 mm × 720 mm, the area that one panel can hold is a square of 60 mm × 60 mm. FIG. 16 shows only four liquid crystal panels for simplicity. Of these, an area 1407 to be a source driver, an area 1408 to be a gate driver, and an area 1409 to be a pixel are illustrated.
[0181]
Since the length of the linear laser beam formed by the optical system shown in FIG. 13 is 125 mm, from the length of one side when the above four panels are arranged in 2 rows and 2 columns (120 mm square). Also long. Therefore, it is possible to process a region corresponding to two rows of panels only by scanning the linear laser beam once in one direction.
[0182]
Since the panel is arranged in 12 rows and 10 columns on the multi-sided substrate 1406, the entire surface of the substrate can be irradiated with laser by five scans. The substrate is scanned by moving an XY stage 1405 that is movable in two orthogonal directions. The scanning direction of the substrate is, for example, a direction indicated by a dotted arrow in FIG.
[0183]
As the length of the linear laser beam becomes longer and the panel becomes smaller, the number of columns of the panel that can be irradiated with laser by one scanning of the linear laser beam increases. Depending on the length of the linear laser beam and the panel size, it is possible to irradiate the laser for three rows of panels or more by one scanning of the linear laser beam.
[0184]
In the above embodiment, an example using an excimer laser is described, but a pulse oscillation type YAG laser or YVO is used. Four A laser can be used, and in particular, when a laser device of a laser diode excitation type is used, a high output and a high pulse oscillation frequency can be obtained.
[0185]
[Example 7] In this example, an example in which a TFT (thin film transistor) is manufactured using the crystalline silicon film obtained in Example 1 is shown. The steps of this example are shown in FIGS.
[0186]
First, a quartz substrate 701 is prepared as a substrate. The reason why the quartz substrate is used is that a continuous emission excimer laser is used as a crystallization means. A 200-nm-thick silicon oxide film (also referred to as a base film) 702 and a 55-nm-thick amorphous silicon film 703a were continuously formed thereon without being released to the atmosphere. (FIG. 17A) This can prevent impurities such as boron contained in the atmosphere from adsorbing on the lower surface of the amorphous silicon film 703a.
[0187]
In this embodiment, an amorphous silicon film is used as the amorphous semiconductor film, but other semiconductor films may be used. An amorphous silicon germanium film may be used. Further, as a method for forming the base film and the semiconductor film, a PCVD method, an LPCVD method, a sputtering method, or the like can be used. After that, when the hydrogen concentration is high, heat treatment for reducing the hydrogen concentration may be performed.
[0188]
Next, the amorphous silicon film 703a is crystallized. Laser crystallization was performed using the laser irradiation method shown in Example 4. In this way, laser irradiation was performed for crystallization to form a region 704a made of a crystalline silicon (polysilicon) film. (Fig. 17 (B))
[0189]
Other methods include pulse oscillation type YAG laser and YVO. Four There is a method using a laser. In particular, when a laser diode excitation type laser device is used, a high output and a high pulse oscillation frequency can be obtained. Laser annealing for crystallization uses one of the second harmonic (532 nm), third harmonic (354.7 nm), and fourth harmonic (266 nm) of these solid-state lasers. For example, laser pulse oscillation Frequency 1 to 20000 Hz (preferably 10 to 10000 Hz), laser energy density 200 to 600 mJ / cm 2 (Typically 300-500mJ / cm 2 ). Then, the linear beam is irradiated over the entire surface of the substrate, and the linear beam superposition ratio (overlap ratio) at this time is set to 80 to 90%. When the second harmonic is used, heat is uniformly transferred to the inside of the semiconductor layer, and crystallization is possible even if the irradiation energy range varies somewhat. As a result, a processing margin can be obtained, and variations in crystallization are reduced. Further, since the pulse frequency is high, the throughput is improved.
[0190]
The formed crystalline silicon (polysilicon) film was patterned to form a TFT semiconductor layer 704b. (Fig. 17 (C))
[0191]
Note that an impurity element (phosphorus or boron) for controlling the threshold voltage of the TFT may be added to the crystalline silicon film before and after the formation of the semiconductor layer 704b. This process may be performed only for NTFT or PTFT, or for both.
[0192]
Next, an insulating film 705 is formed by a sputtering method or a plasma CVD method, and a first conductive film 706a and a second conductive film 706b are stacked by a sputtering method. (Fig. 17 (D))
[0193]
This insulating film 705 is an insulating film that functions as a gate insulating film of the TFT, and has a thickness of 50 to 200 nm. In this example, a silicon oxide film having a thickness of 100 nm was formed by sputtering using silicon oxide as a target. Further, not only the silicon oxide film but also a stacked structure in which a silicon nitride film is provided over the silicon oxide film, or a silicon oxynitride film in which nitrogen is added to the silicon oxide film may be formed.
[0194]
In this embodiment, the amorphous silicon film is laser-crystallized and then patterned to form a gate insulating film. However, the process order is not particularly limited, and the amorphous silicon film and the gate are formed. An insulating film may be continuously formed by sputtering, followed by laser crystallization and patterning. When the film is continuously formed by sputtering, good interface characteristics can be obtained.
[0195]
The first conductive film 706a is formed using a conductive material containing an element selected from Ta, Ti, Mo, and W as a main component. The thickness of the first conductive film 706a may be 5 to 50 nm, preferably 10 to 25 nm. On the other hand, the second conductive film 707a is formed using a conductive material containing Al, Cu, or Si as a main component. The second conductive film 707a may be formed with a thickness of 100 to 1000 nm, preferably 200 to 400 nm. The second conductive film 707a is provided to reduce the wiring resistance of the gate wiring or the gate bus line.
[0196]
Next, unnecessary portions of the second conductive film 707a are removed by patterning to form an electrode 707b to be a part of the gate bus line in the wiring portion, and then resist masks 708a to 708d are formed. The resist mask 708a covers the PTFT, and the resist mask 708b is formed so as to cover the channel formation region of the NTFT of the driver circuit. The resist mask 708c covers the electrode 707b, and the resist mask 708d is formed to cover the channel formation region of the pixel matrix circuit. Thereafter, an impurity element imparting n-type conductivity is added using the resist masks 708a to 708d as masks, so that impurity regions 710 and 711 are formed. (FIG. 18 (A))
[0197]
In this embodiment, phosphorus is used as an impurity element imparting n-type, and phosphine (PH Three ) Using an ion doping method. In this step, in order to add phosphorus to the semiconductor layer 704b thereunder through the gate insulating film 705 and the first conductive film 706a, the acceleration voltage was set to 80 keV and high. The concentration of phosphorus added to the semiconductor layer 704b is 1 × 10 16 ~ 1x10 19 atoms / cm Three In the range of 1 × 10 18 atoms / cm Three It was. Then, regions 710 and 711 in which phosphorus was added to the semiconductor layer were formed. Part of the region added with phosphorus formed here functions as an LDD region. In addition, a part of the region covered with the mask and not doped with phosphorus (regions 709 and 712 made of a crystalline silicon film) functions as a channel formation region.
[0198]
Note that in the phosphorus addition step, an ion implantation method in which mass separation is performed may be used, or a plasma doping method in which mass separation is not performed may be used. The practitioner may set optimum values for the acceleration voltage, the dose amount, and the like.
[0199]
Next, after removing the resist masks 708a to 708d, an activation process is performed if necessary. Then, a third conductive film 713a was formed by a sputtering method. (FIG. 18B) The third conductive film 713a is formed using a conductive material containing an element selected from Ta, Ti, Mo, and W as a main component. The thickness of the third conductive film 713a is 100 to 1000 nm, preferably 200 to 500 nm.
[0200]
Next, resist masks 714a to 714d are newly formed and patterned to form the gate electrodes 706b and 713b of the PTFT and the wirings 706c and 713c. Then, p-type is imparted using the masks 714a to 714d as they are. An impurity element to be added is added to form a source region and a drain region of the PTFT. (FIG. 18C) Here, boron is used as the impurity element, and diborane (B 2 H 6 ) Using an ion doping method. Again, the acceleration voltage is 80 keV and 2 × 10 20 atoms / cm Three Boron was added to a concentration of.
[0201]
Next, the resist masks 714a to 714d are removed, and new resist masks 718a to 718e are formed. Then, etching is performed using the resist masks 718a to 718e as a mask, and the gate wirings 706d and 713d of the NTFT and the gates of the TFTs of the pixel matrix circuit are performed. Wirings 706e and 713e and storage capacitor upper wirings 706f and 713f are formed. (Figure 18 (D))
[0202]
Next, after removing the resist masks 718a to 718e and newly forming a resist mask 719, an impurity element imparting n-type conductivity is added to the source region and drain region of the NTFT to form impurity regions 720 to 725. (FIG. 19A) Here, the phosphine (PH Three ) Using an ion doping method. The concentration of phosphorus added to the impurity regions 720 to 725 is higher than that of the step of adding the impurity element imparting n-type, and is 1 × 10 6. 19 ~ 1x10 twenty one atoms / cm Three Is preferred, here 1 × 10 20 atoms / cm Three It was.
[0203]
Thereafter, after removing the resist mask 719, a protective film 727 made of a silicon nitride film with a thickness of 50 nm is formed, and the state of FIG. 19B is obtained.
[0204]
Next, activation processing for activating the added impurity element imparting n-type or p-type is performed. This process includes thermal annealing using an electric heating furnace, the excimer laser, YAG laser, and YVO described above. Four A laser annealing method using a laser or a rapid thermal annealing method (RTA method) using a halogen lamp may be used. In the case of heat treatment, heat treatment was performed at 300 to 700 ° C., preferably 350 to 550 ° C., and in this embodiment, 450 ° C. in a nitrogen atmosphere for 2 hours.
[0205]
YAG laser and YVO Four When using a laser, one of its fundamental wave (1064 nm), second harmonic (532 nm), third harmonic (354.7 nm), or fourth harmonic (266 nm) is used, for example, laser pulse oscillation Frequency 1 to 20000 Hz (preferably 10 to 10000 Hz), laser energy density 200 to 600 mJ / cm 2 (Typically 300-500mJ / cm 2 ). Then, the linear beam is irradiated over the entire surface of the substrate, and the linear beam superposition ratio (overlap ratio) at this time is set to 80 to 90%. Further, since the pulse frequency is high, the throughput is improved.
[0206]
Next, after forming the first interlayer insulating film 730, contact holes are formed, and source and drain electrodes 731 to 735 and the like are formed by a known technique.
[0207]
Thereafter, a passivation film 736 is formed. As the passivation film 736, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, a silicon nitride oxide film, or a stacked film of these insulating films and a silicon oxide film can be used. In this embodiment, a silicon nitride film having a thickness of 300 nm is used as a passivation film.
[0208]
In this embodiment, plasma treatment using ammonia gas is performed as a pretreatment for forming the silicon nitride film, and the passivation film 736 is formed as it is. Since hydrogen activated (excited) by plasma by this pretreatment is confined by the passivation film 736, hydrogen termination of the active layer (semiconductor layer) of the TFT can be promoted.
[0209]
Further, when a nitrous oxide gas is added in addition to a gas containing hydrogen, the surface of the object to be processed is cleaned by the generated moisture, and contamination by boron or the like contained in the atmosphere can be effectively prevented.
[0210]
After the passivation film 736 was formed, an acrylic film having a thickness of 1 μm was formed as the second interlayer insulating film 737, and then patterned to form a contact hole, thereby forming a pixel electrode 738 made of an ITO film. Thus, an AM-LCD having a structure as shown in FIG. 19C is completed.
[0211]
Through the above steps, a channel formation region 709, impurity regions 720 and 721, and an LDD region 728 are formed in the NTFT of the driver circuit. The impurity region 720 is a source region, and the impurity region 721 is a drain region. In addition, a channel formation region 712, impurity regions 722 to 725, and an LDD region 729 are formed in the NTFT of the pixel matrix circuit. Here, in the LDD regions 728 and 729, a region overlapping with the gate electrode (GOLD region) and a region not overlapping with the gate electrode (LDD region) were formed.
[0212]
On the other hand, a channel formation region 717 and impurity regions 715 and 716 are formed in the p-channel TFT. The impurity region 715 is a source region, and the impurity region 716 is a drain region.
[0213]
For example, when a liquid crystal display is manufactured using a TFT manufactured using a semiconductor film formed by the above method, a laser processing after the laser processing is not conspicuous compared to the conventional case. This is because variation in TFT characteristics, particularly mobility variation, is suppressed by the present invention.
[0214]
FIG. 20A illustrates an example of a circuit configuration of an active matrix liquid crystal display device. The active matrix liquid crystal display device of this embodiment includes a source signal line side driver circuit 501, a gate signal line side driver circuit (A) 507, a gate signal line side driver circuit (B) 511, a precharge circuit 512, and a pixel matrix circuit. 506.
[0215]
The source signal line side driver circuit 501 includes a shift register circuit 502, a level shifter circuit 503, a buffer circuit 504, and a sampling circuit 505.
[0216]
The gate signal line driver circuit (A) 507 includes a shift register circuit 508, a level shifter circuit 509, and a buffer circuit 510. The gate signal line side driver circuit (B) 511 has a similar configuration.
[0217]
Further, in the present invention, it is easy to make the length of the LDD region different on the same substrate in consideration of the driving voltage of the NTFT, and the optimum shape is set for the TFTs constituting each circuit in the same process. It can also be built in.
[0218]
FIG. 20B is a top view of the pixel matrix circuit, and the AA ′ cross-sectional structure of the TFT portion and the BB ′ cross-sectional structure of the wiring portion correspond to FIG. 19C. A part is shown with the same code | symbol. In FIG. 20B, reference numeral 601 denotes a semiconductor layer, 602 denotes a gate electrode, and 603 denotes a capacitor line. In this embodiment, the gate electrode and the gate wiring are formed of a first conductive layer and a third conductive layer, and the gate bus line is formed of the first conductive layer, the second conductive layer, and the third conductive layer. And a clad structure formed of
[0219]
FIG. 21A shows a top view of a CMOS circuit which is a part of the driver circuit and corresponds to FIG. 19C. 610 is a source electrode of PTFT, 611 is a drain electrode, 612 is a source electrode of NTFT, and 613 and 614 are gate wirings. Further, in this embodiment, the NTFT and PTFT active layers are in direct contact with each other and share the drain electrode. However, the present invention is not particularly limited to this structure, and the structure (active layer is completely separated) as shown in FIG. Structure). In FIG. 21, reference numeral 620 denotes a PTFT source electrode, 621 denotes a drain electrode, 622 denotes an NTFT source electrode, and 623 and 624 denote gate wirings.
[0220]
Although the process for manufacturing a top gate type TFT has been described in this embodiment, it is needless to say that the laser irradiation apparatus of the present invention can be used to manufacture an inverted stagger type TFT.
[0221]
The laser irradiation apparatus of the present invention can be used for laser annealing for improving crystallization and crystallinity of a silicon film, and for laser activation for adding a dopant to activate a dopant.
[0222]
[Embodiment 8] The present invention can also be used when an interlayer insulating film is formed on a conventional MOSFET and a TFT is formed thereon. That is, it is also possible to realize a three-dimensional semiconductor device in which a reflective AM-LCD is formed on a semiconductor circuit.
[0223]
The semiconductor circuit may be formed on an SOI substrate such as SIMOX, Smart-Cut (registered trademark of SOITEC), ELTRAN (registered trademark of Canon Inc.), or the like.
[0224]
In addition, when implementing a present Example, you may combine any structure of Examples 1-7.
[0225]
[Embodiment 9] In this embodiment, a case will be described in which a TFT is formed on a substrate in the manufacturing process shown in Embodiment 7 and an AM-LCD is actually manufactured.
[0226]
When the state of FIG. 19C is obtained, an alignment film is formed to a thickness of 80 nm on the pixel electrode 738. Next, a glass substrate with a color filter, a transparent electrode (counter electrode), and an alignment film formed thereon is prepared as a counter substrate, and each alignment film is rubbed and a sealing material (sealing material) is used. The substrate on which the TFT is formed is bonded to the counter substrate. In the meantime, the liquid crystal material is held. Since this cell assembling process may use a known means, a detailed description thereof will be omitted.
[0227]
Examples of the liquid crystal material include TN liquid crystal, PDLC, ferroelectric liquid crystal, antiferroelectric liquid crystal, and a mixture of ferroelectric liquid crystal and antiferroelectric liquid crystal. For example, 1998, SID, “Characteristics and Driving Scheme of Polymer-Stabilized Monostable FLCD Exhibiting Fast Response Time and High Contrast Ratio with Gray-Scale Capability” by H. Furue et al., 1997, SID DIGEST, 841, “A Full -Color Thresholdless Antiferroelectric LCD Exhibiting Wide Viewing Angle with Fast Response Time "by T. Yoshida et al., 1996, J. Mater. Chem. 6 (4), 671-673," Thresholdless antiferroelectricity in liquid crystals and its application to The liquid crystal disclosed in "displays" by S. Inui et al. or US Pat. No. 5,945,569 can be used.
[0228]
A liquid crystal exhibiting an antiferroelectric phase in a certain temperature range is called an antiferroelectric liquid crystal. Among mixed liquid crystals having antiferroelectric liquid crystals, there is a so-called thresholdless antiferroelectric mixed liquid crystal that exhibits electro-optic response characteristics in which transmittance continuously changes with respect to an electric field. This thresholdless antiferroelectric mixed liquid crystal has a V-shaped electro-optic response characteristic, and a drive voltage of about ± 2.5 V (cell thickness of about 1 μm to 2 μm) is also found. ing.
[0229]
Here, FIG. 23 shows an example of the light transmittance characteristics of the thresholdless antiferroelectric mixed liquid crystal exhibiting a V-shaped electro-optic response with respect to the applied voltage. The vertical axis of the graph shown in FIG. 23 is the transmittance (arbitrary unit), and the horizontal axis is the applied voltage. The transmission axis of the polarizing plate on the incident side of the liquid crystal display device is set to be substantially parallel to the normal direction of the smectic layer of the thresholdless antiferroelectric mixed liquid crystal that substantially coincides with the rubbing direction of the liquid crystal display device. . Further, the transmission axis of the output-side polarizing plate is set to be substantially perpendicular (crossed Nicols) to the transmission axis of the incident-side polarizing plate.
[0230]
As shown in FIG. 23, it can be seen that when such a thresholdless antiferroelectric mixed liquid crystal is used, low voltage driving and gradation display are possible.
[0231]
When such a low-voltage thresholdless antiferroelectric mixed liquid crystal is used in a liquid crystal display device having an analog driver, the power supply voltage of the image signal sampling circuit is suppressed to about 5V to 8V, for example. Is possible. Therefore, the operating power supply voltage of the driver can be lowered, and low power consumption and high reliability of the liquid crystal display device can be realized.
[0232]
Further, even when such a low-voltage thresholdless antiferroelectric mixed liquid crystal is used in a liquid crystal display device having a digital driver, the output voltage of the D / A conversion circuit can be lowered. The operating power supply voltage of the A conversion circuit can be lowered, and the operating power supply voltage of the driver can be lowered. Therefore, low power consumption and high reliability of the liquid crystal display device can be realized.
[0233]
Therefore, using such a thresholdless antiferroelectric mixed liquid crystal driven by a low voltage uses a TFT (for example, 0 nm to 500 nm or 0 nm to 200 nm) having a relatively small LDD region (low concentration impurity region). It is also effective in some cases.
[0234]
In general, the thresholdless antiferroelectric mixed liquid crystal has a large spontaneous polarization, and the dielectric constant of the liquid crystal itself is high. For this reason, when a thresholdless antiferroelectric mixed liquid crystal is used in a liquid crystal display device, a relatively large storage capacitor is required for the pixel. Therefore, it is preferable to use a thresholdless antiferroelectric mixed liquid crystal having a small spontaneous polarization. Further, the driving method of the liquid crystal display device may be line-sequential driving, so that the period of writing the gradation voltage to the pixel (pixel feed period) may be lengthened to compensate for the small storage capacity. .
[0235]
In addition, since low voltage drive is implement | achieved by using such a thresholdless antiferroelectric mixed liquid crystal, the low power consumption of a liquid crystal display device is implement | achieved.
[0236]
Note that any liquid crystal having electro-optical characteristics as shown in FIG. 23 can be used as the display medium of the liquid crystal display device described in this specification.
[0237]
Next, the external appearance of the AM-LCD manufactured as described above is shown in FIG. As shown in FIG. 22, the active matrix substrate and the counter substrate face each other, and liquid crystal is sandwiched between these substrates. The active matrix substrate includes a pixel matrix circuit 631, a scanning line driver circuit 632, and a signal line driver circuit 633 formed on the substrate 630.
[0238]
The scanning line driving circuit 632 and the signal line driving circuit 633 are connected to the pixel matrix circuit 631 by scanning lines 641 and signal lines 642, respectively. These drive circuits 632 and 633 are mainly composed of CMOS circuits.
[0239]
A scanning line 641 is formed for each row of the pixel matrix circuit 631, and a signal line 642 is formed for each column. A TFT 640 of a pixel matrix circuit is formed in the vicinity of the intersection of the scanning line 641 and the signal line 642. The gate electrode of the TFT 640 of the pixel matrix circuit is connected to the scanning line 641 and the source is connected to the signal line 642. Further, a pixel electrode 643 and a storage capacitor 644 are connected to the drain.
[0240]
The counter substrate 650 has a transparent conductive film such as an ITO film formed on the entire surface of the substrate. The transparent conductive film is a counter electrode for the pixel electrode 643 of the pixel matrix circuit 631, and the liquid crystal material is driven by an electric field formed between the pixel electrode and the counter electrode. On the counter substrate 650, an alignment film, a black mask, and a color filter are formed as necessary.
[0241]
IC chips 635 and 636 are attached to the substrate on the active matrix substrate side using the surface to which the FPC 634 is attached. These IC chips 635 and 636 are configured by forming circuits such as a video signal processing circuit, a timing pulse generation circuit, a γ correction circuit, a memory circuit, and an arithmetic circuit on a silicon substrate.
[0242]
Further, in this embodiment, the liquid crystal display device is described as an example, but the present invention is applied to an EL (electroluminescence) display device and an EC (electrochromic) display device as long as it is an active matrix display device. It is also possible to do.
[0243]
Example 10
In this example, an example in which an EL (electroluminescence) display device is manufactured using the present invention will be described. 30A is a top view of the EL display device of the present invention, and FIG. 30B is a cross-sectional view thereof.
[0244]
In FIG. 30A, reference numeral 3001 denotes a substrate, 3002 denotes a pixel portion, 3003 denotes a source side driver circuit, 3004 denotes a gate side driver circuit, and each driver circuit reaches an FPC (flexible printed circuit) 3006 through a wiring 3005. Connected to an external device.
[0245]
At this time, the first sealant 3101, the cover material 3102, the filler 3103, and the second sealant 3104 are provided so as to surround the pixel portion 3002, the source side driver circuit 3003, and the gate side driver circuit 3004.
[0246]
FIG. 30B corresponds to a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 30A. A driving TFT included in the source side driver circuit 3003 on the substrate 3001 (here, an n-channel type is used here). TFTs and p-channel TFTs are shown.) 3201 and pixel TFTs included in the pixel portion 3002 (however, here, TFTs for controlling current to EL elements are shown) 3202 are formed. .
[0247]
An interlayer insulating film (planarization film) 3301 made of a resin material is formed on the driving TFT 3201 and the pixel TFT 3202, and a pixel electrode (cathode) 3302 electrically connected to the drain of the pixel TFT 3202 is formed thereon. As the pixel electrode 3302, a conductive film having a light-blocking property (typically, a conductive film containing aluminum, copper, or silver as its main component or a stacked film of such a conductive film and another conductive film) can be used. In this embodiment, an aluminum alloy is used as the pixel electrode.
[0248]
An insulating film 3303 is formed over the pixel electrode 3302, and an opening is formed over the pixel electrode 3302 in the insulating film 3303. In this opening, an EL (electroluminescence) layer 3304 is formed on the pixel electrode 3302. A known organic EL material or inorganic EL material can be used for the EL layer 3304. The organic EL material includes a low molecular (monomer) material and a high molecular (polymer) material, either of which may be used.
[0249]
A known technique may be used for forming the EL layer 3304. The EL layer may have a stacked structure or a single layer structure by freely combining a hole injection layer, a hole transport layer, a light emitting layer, an electron transport layer, or an electron injection layer.
[0250]
An anode 3305 made of a transparent conductive film is formed on the EL layer 3304. As the transparent conductive film, a compound of indium oxide and tin oxide or a compound of indium oxide and zinc oxide can be used. In addition, it is desirable to remove moisture and oxygen present at the interface between the anode 3305 and the EL layer 3304 as much as possible. Therefore, it is necessary to devise such that the both are continuously formed in a vacuum, or the EL layer 3304 is formed in a nitrogen or rare gas atmosphere, and the anode 3305 is formed without being exposed to oxygen or moisture. In this embodiment, the above-described film formation is possible by using a multi-chamber type (cluster tool type) film formation apparatus.
[0251]
The anode 3305 is electrically connected to the wiring 3005 in a region indicated by 3306. A wiring 3005 is a wiring for applying a predetermined voltage to the anode 3305 and is electrically connected to the FPC 3006 through a conductive material 3307.
[0252]
As described above, an EL element including the pixel electrode (cathode) 3302, the EL layer 3304, and the anode 3305 is formed. This EL element is surrounded by a first sealing material 3101 and a cover material 3102 bonded to the substrate 3001 by the first sealing material 3101 and enclosed by a filler 3103.
[0253]
As the cover material 3102, a glass plate, an FRP (Fiberglass-Reinforced Plastics) plate, a PVF (polyvinyl fluoride) film, a mylar film, a polyester film, or an acrylic film can be used. In the case of this embodiment, a light-transmitting material is used because the radiation direction of light from the EL element is directed toward the cover material 3102.
[0254]
However, it is not necessary to use a light-transmitting material when the light emission direction from the EL element is opposite to the cover material, and a metal plate (typically a stainless steel plate), a ceramic plate, or an aluminum foil is used. A sheet having a structure sandwiched between PVF films or mylar films can be used.
[0255]
As the filler 3103, an ultraviolet curable resin or a thermosetting resin can be used, and PVC (polyvinyl chloride), acrylic, polyimide, epoxy resin, silicone resin, PVB (polyvinyl butyral), or EVA (ethylene vinyl acetate) is used. Can be used. When a hygroscopic substance (preferably barium oxide) is provided inside the filler 3103, deterioration of the EL element can be suppressed. In this embodiment, a transparent material is used so that light from the EL element can pass through the filler 3103.
[0256]
Further, a spacer may be contained in the filler 3103. At this time, if the spacer is formed of barium oxide, the spacer itself can be hygroscopic. In the case where a spacer is provided, it is also effective to provide a resin film on the anode 3305 as a buffer layer that relieves pressure from the spacer.
[0257]
The wiring 3005 is electrically connected to the FPC 3006 through a conductive material 3307. The wiring 3005 transmits a signal transmitted to the pixel portion 3002, the source side driver circuit 3003, and the gate side driver circuit 3004 to the FPC 3006, and is electrically connected to an external device by the FPC 3006.
[0258]
In this embodiment, the second sealing material 3104 is provided so as to cover the exposed portion of the first sealing material 3101 and a part of the FPC 3006, and the EL element is thoroughly shielded from the outside air. Thus, an EL display device having the cross-sectional structure of FIG.
[0259]
Example 11
In this example, examples of a pixel structure that can be used for the pixel portion of the EL display device shown in Example 10 are shown in FIGS. In this embodiment, 3401 is a source wiring of the switching TFT 3402, 3403 is a gate wiring of the switching TFT 3402, 3404 is a current control TFT, 3405 is a capacitor, 3406 and 3408 are current supply lines, and 3407 is an EL element. .
[0260]
FIG. 31A shows an example in which the current supply line 3406 is shared between two pixels. That is, there is a feature in that the two pixels are formed so as to be symmetrical with respect to the current supply line 3406. In this case, since the number of power supply lines can be reduced, the pixel portion can be further refined.
[0261]
FIG. 31B illustrates an example in which the current supply line 3408 is provided in parallel with the gate wiring 3403. In FIG. 31B, the current supply line 3408 and the gate wiring 3403 are provided so as not to overlap with each other. However, if the wirings are formed in different layers, they overlap with each other through an insulating film. It can also be provided. In this case, since the exclusive area can be shared by the power supply line 3408 and the gate wiring 3403, the pixel portion can be further refined.
[0262]
In FIG. 31C, a current supply line 3408 is provided in parallel with the gate wiring 3403 in the same manner as the structure of FIG. 31B, and two pixels are symmetrical with respect to the current supply line 3408. It is characterized in that it is formed. It is also effective to provide the current supply line 3408 so as to overlap one of the gate wirings 3403a and 3403b. In this case, since the number of power supply lines can be reduced, the pixel portion can be further refined.
[0263]
[Embodiment 12] A CMOS circuit and a pixel matrix circuit manufactured by implementing the present invention can be used for various electro-optical devices (active matrix liquid crystal display, active matrix EL display, active matrix EC display). . That is, the present invention can be implemented in the manufacturing steps of all electronic devices in which these electro-optical devices are incorporated as display media.
[0264]
Such electronic devices include video cameras, digital cameras, projectors (rear or front type), head mounted displays (goggles type displays), car navigation systems, car stereos, personal computers, personal digital assistants (mobile computers, mobile phones) Or an electronic book). Examples of these are shown in FIGS. 32, 33 and 34. FIG.
[0265]
FIG. 32A shows a personal computer, which includes a main body 2001, an image input portion 2002, a display portion 2003, a keyboard 2004, and the like. The present invention can be applied to the image input unit 2002, the display unit 2003, and other signal control circuits.
[0266]
FIG. 32B shows a video camera, which includes a main body 2101, a display portion 2102, an audio input portion 2103, operation switches 2104, a battery 2105, an image receiving portion 2106, and the like. The present invention can be applied to the display portion 2102 and other signal control circuits.
[0267]
FIG. 32C illustrates a mobile computer, which includes a main body 2201, a camera unit 2202, an image receiving unit 2203, operation switches 2204, a display unit 2205, and the like. The present invention can be applied to the display portion 2205 and other signal control circuits.
[0268]
FIG. 32D shows a goggle type display, which includes a main body 2301, a display portion 2302, an arm portion 2303, and the like. The present invention can be applied to the display portion 2302 and other signal control circuits.
[0269]
FIG. 32E shows a player using a recording medium (hereinafter referred to as a recording medium) on which a program is recorded, and includes a main body 2401, a display portion 2402, a speaker portion 2403, a recording medium 2404, an operation switch 2405, and the like. This player uses a DVD (Digital Versatile Disc), CD, or the like as a recording medium, and can perform music appreciation, movie appreciation, games, and the Internet.
The present invention can be applied to the display portion 2402 and other signal control circuits.
[0270]
FIG. 32F illustrates a digital camera, which includes a main body 2501, a display portion 2502, an eyepiece portion 2503, operation switches 2504, an image receiving portion (not shown), and the like. The present invention can be applied to the display portion 2502 and other signal control circuits.
[0271]
FIG. 33A illustrates a front type projector, which includes a projection device 2601, a screen 2602, and the like. The present invention can be applied to the liquid crystal display device 2808 constituting a part of the projection device 2601 and other signal control circuits.
[0272]
FIG. 33B shows a rear projector, which includes a main body 2701, a projection device 2702, a mirror 2703, a screen 2704, and the like. The present invention can be applied to the liquid crystal display device 2808 constituting a part of the projection device 2702 and other signal control circuits.
[0273]
Note that FIG. 33C is a diagram illustrating an example of the structure of the projection devices 2601 and 2702 in FIGS. 33A and 33B. The projection devices 2601 and 2702 include a light source optical system 2801, mirrors 2802, 2804 to 2806, a dichroic mirror 2803, a prism 2807, a liquid crystal display device 2808, a phase difference plate 2809, and a projection optical system 2810. Projection optical system 2810 includes an optical system including a projection lens. Although the present embodiment shows a three-plate type example, it is not particularly limited, and for example, a single-plate type may be used. Further, the practitioner may appropriately provide an optical system such as an optical lens, a film having a polarization function, a film for adjusting a phase difference, or an IR film in the optical path indicated by an arrow in FIG. Good.
[0274]
FIG. 33D illustrates an example of the structure of the light source optical system 2801 in FIG. In this embodiment, the light source optical system 2801 includes a reflector 2811, a light source 2812, lens arrays 2813 and 2814, a polarization conversion element 2815, and a condenser lens 2816. Note that the light source optical system illustrated in FIG. 33D is an example and is not particularly limited. For example, the practitioner may appropriately provide an optical system such as an optical lens, a film having a polarization function, a film for adjusting a phase difference, or an IR film in the light source optical system.
[0275]
However, the projector shown in FIG. 33 shows a case where a transmissive electro-optical device is used, and an application example in a reflective electro-optical device and an EL display device is not shown.
[0276]
FIG. 34A shows a cellular phone, which includes a main body 2901, an audio output portion 2902, an audio input portion 2903, a display portion 2904, operation switches 2905, an antenna 2906, and the like. The present invention can be applied to the audio output unit 2902, the audio input unit 2903, the display unit 2904, and other signal control circuits.
[0277]
FIG. 34B illustrates a portable book (electronic book), which includes a main body 3001, display portions 3002 and 3003, a storage medium 3004, operation switches 3005, an antenna 3006, and the like. The present invention can be applied to the display portions 3002 and 3003 and other signal circuits.
[0278]
FIG. 34C illustrates a display, which includes a main body 3101, a support base 3102, a display portion 3103, and the like. The present invention can be applied to the display portion 3103. The display of the present invention is particularly advantageous when the screen is enlarged, and is advantageous for displays having a diagonal of 10 inches or more (particularly 30 inches or more).
[0279]
【The invention's effect】
According to the present invention, in a laser irradiation apparatus that processes coherent light into a linear beam, the light intensity on the irradiation surface of the linear beam is dispersed, and the in-plane homogeneity of the laser annealing effect by the laser beam can be improved. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a beam homogenizer of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a beam homogenizer according to the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram of a cylindrical lens group of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of a cylindrical lens group of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a laser irradiation system of Example 1.
6 is a top view of the laser annealing apparatus of Example 1. FIG.
FIG. 7 shows a modification of the cylindrical lens group of the present invention.
FIG. 8 shows a modification of the cylindrical lens group of the present invention.
FIG. 9 is a configuration diagram of a beam homogenizer using the multi-phase lens of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing a difference between an optical system arrangement for producing a plane wave and an optical system arrangement for producing a spherical wave according to the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing parameters necessary for obtaining the interference fringe pitch d of Example 3 by calculation;
FIG. 12 is a diagram showing parameters necessary for obtaining the interference fringe pitch d of Example 3 by calculation;
13 is an optical system for forming the linear laser of Example 4. FIG.
14 is a diagram illustrating a scanning method of a linear laser according to Embodiment 4. FIG.
15 is a diagram showing a state of laser irradiation on the multi-sided substrate of Example 5. FIG.
16 is a view showing a state of laser irradiation on a multi-sided substrate of Example 6. FIG.
FIG. 17 shows a manufacturing process of the AM-LCD of Example 7.
18 is a view showing a manufacturing process of an AM-LCD of Example 7. FIG.
19 is a diagram showing manufacturing steps of an AM-LCD according to Example 7. FIG.
20 is a top view of a pixel matrix circuit and a circuit arrangement according to Embodiment 7. FIG.
FIG. 21 is a top view of the CMOS circuit according to the seventh embodiment.
FIG. 22 is a diagram showing an external appearance of an AM-LCD according to Example 9.
23 is a characteristic diagram of light transmittance with respect to applied voltage of a thresholdless antiferroelectric mixed liquid crystal showing a V-shaped electro-optic response of Example 9. FIG.
FIG. 24 is a schematic view of a silicon film irradiated with a conventional linear beam.
FIG. 25 is a configuration diagram of a beam homogenizer.
FIG. 26 shows the intensity distribution of a linear beam.
FIG. 27 shows the simulation result of the intensity distribution in the longitudinal direction of the linear beam.
FIG. 28 shows the simulation result of the intensity distribution in the longitudinal direction of the linear beam.
FIG. 29 shows the simulation result of the intensity distribution in the longitudinal direction of the linear beam.
30A is a top view and FIG. 30B is a cross-sectional view of an EL display device according to Example 10;
31 is an equivalent circuit diagram of a pixel portion of an EL display device according to Example 11. FIG.
FIG. 32 is an explanatory diagram of an electronic apparatus according to a twelfth embodiment.
FIG. 33 is an explanatory diagram of a projector according to a twelfth embodiment.
FIG. 34 is an explanatory diagram of an electronic apparatus according to a twelfth embodiment.
[Explanation of symbols]
201 Laser equipment
202 Cylindrical lens group
203 Cylindrical lens group
204 Cylindrical lens
205 slit
206 Cylindrical lens group
207 Mirror
208 Cylindrical lens
210 Linear laser beam

Claims (3)

レーザービームを発生するレーザー発生装置と、
ビームホモジナイザーと、
一方向に移動可能なステージと、を有するレーザー照射装置であって、
前記ビームホモジナイザーは、
(2n+1)個の第1のシリンドリカルレンズでなる第1のシリンドリカルレンズ群と、
N(n−1)個の第2のシリンドリカルレンズでなる第2のシリンドリカルレンズ群と、
第3のシリンドリカルレンズと、
(n’−1)個の第4のシリンドリカルレンズでなる第3のシリンドリカルレンズ群と、が光路上に前記レーザー装置の出射側から順次に配置され、
前記第3のシリンドリカルレンズ群において、
前記(n’−1)個の第4のシリンドリカルレンズそれぞれの主点はd/(n’−1)の間隔でずれており、
前記(n’−1)個の第4のシリンドリカルレンズの主平面は、同一の平面を形成し、
前記(n’−1)個の第4のシリンドリカルレンズそれぞれの主点を前記平面に垂直な平面に正射影した像は、同一直線上にd/(n’−1)の間隔で並ぶ(n’−1)個の点であり、
前記(n’−1)個の第4のシリンドリカルレンズを通過したレーザービームはそれぞれ位相がずれており、
前記位相がずれたレーザービームを合成することにより、被照射面における干渉じまの強度を均一にし、
λを前記レーザービームの波長とし、fを前記第3のシリンドリカルレンズ群を構成する1つのシリンドリカルレンズの焦点距離とし、Lを前記第1のシリンドリカルレンズ群を構成する1つのシリンドリカルレンズの幅とした場合、前記dはd=λf/Lで示され、
前記Nは自然数であり、前記nは3以上の整数であり、前記n’は3≦n’≦nを満たす整数であることを特徴とするレーザー照射装置。
A laser generator for generating a laser beam;
A beam homogenizer,
A laser irradiation apparatus having a stage movable in one direction,
The beam homogenizer is
A first cylindrical lens group comprising (2n + 1) first cylindrical lenses;
A second cylindrical lens group composed of N (n-1) second cylindrical lenses;
A third cylindrical lens;
A third cylindrical lens group composed of (n′−1) fourth cylindrical lenses, and sequentially arranged on the optical path from the emission side of the laser device,
In the third cylindrical lens group,
The principal points of the (n′−1) fourth cylindrical lenses are shifted by an interval of d / (n′−1),
The principal planes of the (n′−1) fourth cylindrical lenses form the same plane,
Images obtained by orthogonal projection of principal points of the (n′−1) fourth cylindrical lenses on a plane perpendicular to the plane are arranged on the same straight line at an interval of d / (n′−1) (n '-1) points,
The laser beams that have passed through the (n′−1) fourth cylindrical lenses are out of phase with each other,
By synthesizing the laser beams out of phase, the intensity of interference fringes on the irradiated surface is made uniform,
The λ the wavelength of the laser beam, the focal length of one cylindrical lens constituting the third cylindrical lens group and f, and the width of one cylindrical lens constituting the first cylindrical lens group and L The d is denoted by d = λf / L,
N is a natural number, n is an integer of 3 or more, and n ′ is an integer satisfying 3 ≦ n ′ ≦ n.
レーザービームを発生するレーザー発生装置と、
ビームホモジナイザーと、
一方向に移動可能なステージと、を有するレーザー照射装置であって、
前記ビームホモジナイザーは、
(2n)個の第1のシリンドリカルレンズでなる第1のシリンドリカルレンズ群と、
N(n−1)個の第2のシリンドリカルレンズでなる第2のシリンドリカルレンズ群と、
第3のシリンドリカルレンズと、
(n’−1)個の第4のシリンドリカルレンズでなる第3のシリンドリカルレンズ群と、
が光路上に前記レーザー装置の出射側から順次に配置され、
前記第3のシリンドリカルレンズ群において、
前記(n’−1)個の第4のシリンドリカルレンズそれぞれの主点はd/(n’−1)の間隔でずれており、
前記(n’−1)個の第4のシリンドリカルレンズの主平面は、同一の平面を形成し、
前記(n’−1)個の第4のシリンドリカルレンズそれぞれの主点を前記平面に垂直な平面に正射影した像は、同一直線上にd/(n’−1)の間隔で並ぶ(n’−1)個の点であり、
前記(n’−1)個の第4のシリンドリカルレンズを通過したレーザービームはそれぞれ位相がずれており、
前記位相がずれたレーザービームを合成することにより、被照射面における干渉じまの強度を均一にし、
λを前記レーザービームの波長とし、fを前記第3のシリンドリカルレンズ群を構成する1つのシリンドリカルレンズの焦点距離とし、Lを前記第1のシリンドリカルレンズ群を構成する1つのシリンドリカルレンズの幅とした場合、前記dはd=λf/Lで示され、
前記Nは自然数であり、前記nは3以上の整数であり、前記n’は3≦n’≦nを満たす整数であることを特徴とするレーザー照射装置。
A laser generator for generating a laser beam;
A beam homogenizer,
A laser irradiation apparatus having a stage movable in one direction,
The beam homogenizer is
A first cylindrical lens group comprising (2n) first cylindrical lenses;
A second cylindrical lens group composed of N (n-1) second cylindrical lenses;
A third cylindrical lens;
A third cylindrical lens group composed of (n′−1) fourth cylindrical lenses;
Are sequentially arranged on the optical path from the emission side of the laser device,
In the third cylindrical lens group,
The principal points of the (n′−1) fourth cylindrical lenses are shifted by an interval of d / (n′−1),
The principal planes of the (n′−1) fourth cylindrical lenses form the same plane,
Images obtained by orthogonal projection of principal points of the (n′−1) fourth cylindrical lenses on a plane perpendicular to the plane are arranged on the same straight line at an interval of d / (n′−1) (n '-1) points,
The laser beams that have passed through the (n′−1) fourth cylindrical lenses are out of phase with each other,
By synthesizing the laser beams out of phase, the intensity of interference fringes on the irradiated surface is made uniform,
The λ the wavelength of the laser beam, the focal length of one cylindrical lens constituting the third cylindrical lens group and f, and the width of one cylindrical lens constituting the first cylindrical lens group and L The d is denoted by d = λf / L,
N is a natural number, n is an integer of 3 or more, and n ′ is an integer satisfying 3 ≦ n ′ ≦ n.
請求項1または2において、In claim 1 or 2,
前記レーザー発生装置はNd:YAGレーザービームまたはNd:YVOThe laser generator is Nd: YAG laser beam or Nd: YVO 4 レーザービームを発生することを特徴とするレーザー照射装置。A laser irradiation apparatus characterized by generating a laser beam.
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