JP4780943B2 - レーザ照射装置及び半導体装置の作製方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体膜の結晶化に用いることができるレーザ照射装置に関する。また該レーザ照射装置を用いたレーザ照射方法及び半導体装置の作製方法に関する。
多結晶半導体膜を用いた薄膜トランジスタ（多結晶ＴＦＴ）は、非晶質半導体膜を用いたＴＦＴに比べて移動度が２桁以上高く、半導体表示装置の画素部とその周辺の駆動回路を同一基板上に一体形成できるという利点を有している。
多結晶半導体膜は、レーザアニール法を用いることで、安価なガラス基板上に形成することができる。レーザはその発振方法により、パルス発振と連続発振の２種類に大別することができる。エキシマレーザに代表されるパルス発振のレーザは、連続発振のレーザと比べて、単位時間あたりのレーザ光の出力エネルギーが３〜６桁程度高い。よって、ビームスポット（被処理物の表面において実際にレーザ光が照射される照射領域）を数ｃｍ角の矩形状または楕円状や、長さ１００ｍｍ以上の線状となるように光学系にて成形することで、半導体膜へのレーザ光の照射を効率的に行ない、スループットを高めることができるというメリットを有している。
特に、半導体表示装置の画素部全体が収まるように成形された面状のビームスポットを用いることで、レーザ光の各パルス間で数％のエネルギーの揺らぎが生じても、該エネルギーの揺らぎにより半導体膜の結晶性がばらつくという事態を回避することができる。また、ビームスポットのエッジ部分によって形成される半導体膜の結晶性の劣っている部分が、画素部に形成されるのを防ぐことができる。従って、画素部全体が収まるような比較的広い範囲をカバーすることができるビームスポットを用いることで、結晶化を均一に行なうことができ、結晶化された多結晶半導体膜を活性層として用いるＴＦＴの特性、例えばオン電流、移動度等のばらつきを抑えることができる。
このように比較的広い範囲をカバーすることができる面状のビームスポットを用いることで、レーザ結晶化を均一に行なうことできると考えられるが、これはビームスポットの面内におけるエネルギーの分布が均一であることが前提である。例えばエキシマレーザの場合、ビームスポットの面内において、レーザ発振器に起因すると考えられるエネルギー分布が、Ｐ−Ｖ（Ｐｅａｋ ｔｏ Ｖａｌｌｅｙ）値１％〜５％程度、実際に生じており、上記エネルギー分布によって、半導体膜の結晶性にばらつきが生じてしまう。そしてこの面内におけるエネルギーの分布は、パルス間でほぼ同じため、結晶性をより高めることを目的として同じ領域に複数パルス照射して結晶化を行なう場合、面内のエネルギー分布に起因する結晶性のばらつきが増幅され、かえって結晶性の均一化が妨げられてしまう。
なお、複数のレンズを備えたレンズアレイ等を用いたビームホモジナイザをレーザ光の光路に設けることで、面内におけるエネルギーの分布をある程度均一化させることができる。しかし、上記ビームホモジナイザによるエネルギーの均一化にも限界があり、エネルギー分布を完全に均一化することは難しい。単位面積あたりのレンズの数を増やすことで、幾何学的にレーザービームのエネルギー分布を均一化させることは可能である。しかし、単位体積あたりのレンズの数を増やすことで、各レンズ同士の光の干渉に起因するレーザ光のエネルギー密度のばらつきが増幅され、周期性を有する干渉縞として出現する可能性も有る。さらに、レンズが小型化されるため、より高い精度を有するレンズが必要となり、光学系が高価となり好ましくない。
本発明は上述した問題に鑑み、ビームスポットの面内におけるエネルギー分布を抑えることができる、レーザ照射装置、レーザ照射方法及び前記レーザ照射方法を用いる半導体装置の作製方法の提供を課題とする。
本発明者らは、１パルスのビームスポットの、面内におけるエネルギー分布が存在していても、同一領域に照射される複数パルスのビームスポット間でエネルギー分布を変えることで、結晶性のばらつきを抑えることができるのではないかと考えた。面内におけるエネルギー分布を変えるために、本発明では、（イ）同一領域に照射される複数パルスのうち、少なくとも１つのパルスの空間的なエネルギー分布を変えるための光学系を用いるか、または（ロ）同一領域に照射される複数パルスのうち、少なくとも１つのパルスにおいて、ビームホモジナイザのレンズアレイに入射するレーザ光の位置を変えるか、いずれかの方法を用いる。なお、本明細書中でのエネルギー分布とは、照射面内に形成されるビームスポット内のエネルギー分布を示す。
具体的に（イ）のレーザ照射方法では、同一領域に照射される全パルスのレーザ光のうち、少なくとも１パルスの空間的なエネルギー分布を、光学系を用いて反転または回転させる。反転は、対称の中心となる直線が互いに交差するパルスどうしを組み合わせても良い。また、反転したパルスと回転したパルスとを組み合わせても良い。
また（イ）のレーザ照射方法を用いるレーザ照射装置は、パルス発振でレーザ光を出力するレーザ発振器と、複数の光学系を有するレンズアッセンブリと、前記レーザ光が有する複数のパルスに同期して前記レンズアッセンブリの位置を制御することで、前記複数の光学系から少なくとも２つを選択する位置制御手段とを有する。前記複数の光学系によって、前記複数のパルスから、空間的なエネルギー分布が互いに反転または回転した複数のパルスを形成することができる。さらに、前記エネルギー分布が互いに反転または回転した複数の各パルスの、前記エネルギー分布を均一化し、同一領域に照射するためのビームホモジナイザとを有していても良い。
具体的に（ロ）のレーザ照射方法では、レーザ光の面内のエネルギー分布が存在している場合、レンズアレイに入射する位置を変えることで、該レンズアレイに含まれる各レンズに入射するレーザ光のエネルギー分布が変化する。したがって、レンズアレイの入射位置を変える前と、変えた後とでは、ビームスポットの面内におけるエネルギー分布に変化が生じることになる。
また（ロ）のレーザ照射方法を用いるレーザ照射装置は、パルス発振でレーザ光を出力するレーザ発振器と、レンズアレイを有するビームホモジナイザと、前記レーザ光が有する複数のパルスに同期して前記レンズアレイの位置を制御することで、前記レーザ光が前記レンズアレイに入射する位置を制御する位置制御手段とを有する。さらに、前記レンズアレイから射出したレーザ光を同一の領域に照射するための集光レンズ等の光学系とを有していても良い。
本発明では、上記（イ）または（ロ）の構成を用いることにより、同一領域に照射されるレーザ光の、トータルのエネルギー分布が平均化される。そしてさらに、上記（イ）または（ロ）の構成を互いに組み合わせることで、トータルのエネルギー分布をより平均化することができる。
なお、エネルギー分布は、１パルスごとに変化させることがトータルのエネルギー分布を平均化させるのに最も効果的である。しかし本発明はこの構成に限定されず、同一領域に照射される複数パルスのうち、少なくとも１つのパルスの空間的なエネルギー分布を変えればよい。
なお本発明の半導体装置の作製方法は、具体的には集積回路や半導体表示装置の作製方法に用いることができる。特に、液晶表示装置、有機発光素子に代表される発光素子を各画素に備えた発光装置、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ）、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）等の半導体表示装置の画素部に設けられたトランジスタ等の半導体素子に用いた場合、画素部において照射されたレーザ光のエネルギーの分布に起因する輝度むらが、視認されるのを抑えることができる。特にＴＦＴの場合、結晶化を均一に行なうことで、ＴＦＴの特性、例えばオン電流、移動度等のばらつきを抑えることができる。
なお本発明はエキシマレーザのみならず、ガラスレーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ4レーザ、ＧｄＶＯ4レーザや、その他のパルス発振型のレーザにも適用することができる。また発振方法もパルス発振だけに限定されず、連続発振のレーザ装置に適用しても良い。
本発明のレーザ照射装置は、パルス発振でレーザ光を出力するレーザ発振器と、複数の光学系を有するレンズアッセンブリと、パルス発振と同期してレンズアッセンブリの位置を制御する位置制御手段とを有することを特徴とする。
本発明のレーザ照射装置は、パルス発振でレーザ光を出力するレーザ発振器と、複数の光学系を有するレンズアッセンブリと、レンズアッセンブリの位置を制御することによって、複数の光学系から少なくとも２つの光学系を選択する位置制御手段とを有することを特徴とする。
本発明のレーザ照射装置は、パルス発振でレーザ光を出力するレーザ発振器と、複数の光学系を有するレンズアッセンブリと、パルス発振に同期してレンズアッセンブリの位置を制御することで、複数の光学系から少なくとも２つの光学系を選択する位置制御手段とを有し、選択された少なくとも２つの光学系は、第１の光学系および第２の光学系を含み、第１の光学系における空間的なエネルギー分布の反転または回転の軸と、第２の光学系における空間的なエネルギー分布の反転または回転の軸が、互いに交差することを特徴とする。
本発明のレーザ照射装置は、パルス発振でレーザ光を出力するレーザ発振器と、レンズアレイ及び光学系を有するビームホモジナイザと、レンズアレイの位置を制御する位置制御手段とを有することを特徴とする。
本発明のレーザ照射装置は、パルス発振でレーザ光を出力するレーザ発振器と、複数の光学系を有するレンズアッセンブリと、パルス発振に同期してレンズアッセンブリの位置を制御する第１の位置制御手段と、レンズアレイ及び光学系を有するビームホモジナイザと、レンズアレイの位置を制御する第２の位置制御手段を有することを特徴とする。
本発明のレーザ照射方法は、空間的なエネルギー分布の異なる複数のパルスを有するレーザ光を、同一領域に照射することを特徴とする。
本発明のレーザ照射方法は、パルス発振でレーザ光を出力するレーザ発振器と、複数の光学系を有するレンズアッセンブリと、パルス発振に同期してレンズアッセンブリの位置を制御する位置制御手段とを有するレーザ照射装置において、パルス発振に同期して、前記レンズアッセンブリの位置を制御することにより、レンズアッセンブリが有する複数の光学系のうち少なくとも２つの光学系が選択され、選択された少なくとも２つの光学系によって、レーザ光の空間的なエネルギー分布が互いに反転または回転することを特徴とする。
本発明のレーザ照射方法は、パルス発振でレーザ光を出力するレーザ発振器と、レンズアレイ及び光学系を有するビームホモジナイザと、レーザ光がレンズアレイの位置を制御する位置制御手段とを有するレーザ照射装置において、パルス発振に同期してレンズアレイの位置を制御することで、レーザ光がレンズアレイに入射する位置を制御し、レンズアレイから射出したレーザ光を光学系により同一領域に照射することを特徴とする。
本発明のレーザ照射方法は、パルス発振でレーザ光を出力するレーザ発振器と、レンズアレイ及び光学系を有するビームホモジナイザと、レーザ光がレンズアレイの位置を制御する位置制御手段とを有するレーザ照射装置において、パルス発振に同期してレンズアレイの位置を制御することで、レーザ光が前記レンズアレイに入射する位置を制御し、レンズアレイから射出したレーザ光を光学系により半導体膜の同一領域に照射することを特徴とする。
本発明のレーザ照射方法は、パルス発振でレーザ光を出力するレーザ発振器と、複数の光学系を有するレンズアッセンブリと、パルス発振に同期してレンズアッセンブリの位置を制御する位置制御手段とを有するレーザ照射装置において、パルス発振に同期して、レンズアッセンブリの位置を制御することにより、レンズアッセンブリが有する複数の光学系のうち少なくとも２つの光学系が選択され、選択された少なくとも２つの光学系によって、レーザ光の空間的なエネルギー分布が互いに反転または回転した複数のパルスが形成され、空間的なエネルギー分布が互いに反転または回転した複数のパルスを、同一領域に照射することを特徴とする。
本発明のレーザ照射方法は、パルス発振でレーザ光を出力するレーザ発振器と、複数の光学系を有するレンズアッセンブリと、パルス発振に同期してレンズアッセンブリの位置を制御する位置制御手段とを有するレーザ照射装置において、パルス発振に同期して、前記レンズアッセンブリの位置を制御することにより、レンズアッセンブリが有する複数の光学系のうち少なくとも第１の光学系および第２の光学系が選択され、第１の光学系により第１の直線を軸中心としてレーザ光の空間的なエネルギー分布が互いに反転したパルスが形成され、第２の光学系により第２の直線を軸中心としてレーザ光の空間的なエネルギー分布が互いに反転したパルスが形成され、第１の直線と第２の直線とは、互いに交差することを特徴とする。
本発明のレーザ照射方法は、パルス発振でレーザ光を出力するレーザ発振器と、複数の光学系を有するレンズアッセンブリと、パルス発振に同期してレンズアッセンブリの位置を制御する第１の位置制御手段と、レンズアレイ及び第１の光学系を有するビームホモジナイザと、レンズアレイの位置を制御する第２の位置制御手段を有するレーザ照射装置において、パルス発振に同期して、レンズアッセンブリの位置を制御することによって、レンズアッセンブリが有する複数の光学系のうち少なくとも第２の光学系及び第３の光学系が選択され、第２の光学系により第１の直線を軸中心としてレーザ光の空間的なエネルギー分布が互いに反転した第１のパルスが形成され、第３の光学系により第２の直線を軸中心としてレーザ光の空間的なエネルギー分布が互いに反転した第２のパルスが形成され、レンズアッセンブリの位置を制御することにより、少なくとも第１のパルスおよび前記第２のパルスを含む複数のパルスが形成され、空間的なエネルギー分布が互いに反転または回転した複数のパルスは、ビームホモジナイザによって前記空間的なエネルギー分布が均一化され、第１の光学系により同一領域に照射され、第１の直線と第２の直線とは、互いに交差することを特徴とする。
本発明のレーザ照射方法は、パルス発振でレーザ光を出力するレーザ発振器と、複数の光学系を有するレンズアッセンブリと、パルス発振に同期してレンズアッセンブリの位置を制御する第１の位置制御手段と、レンズアレイ及び第１の光学系を有するビームホモジナイザと、レンズアレイの位置を制御する第２の位置制御手段を有するレーザ照射装置において、パルス発振に同期して、レンズアッセンブリの位置を制御することにより、前記レンズアッセンブリが有する複数の光学系のうち少なくとも２つの光学系が選択され、選択された少なくとも２つの光学系によって、レーザ光の空間的なエネルギー分布が互いに反転または回転した複数のパルスが形成され、エネルギー分布が互いに反転または回転した複数のパルスは、ビームホモジナイザによって空間的なエネルギー分布が均一化され、第１の光学系により半導体膜の同一領域に照射されることを特徴とする。
本発明のレーザ照射方法は、パルス発振でレーザ光を出力するレーザ発振器と、複数の光学系を有するレンズアッセンブリと、パルス発振に同期してレンズアッセンブリの位置を制御する第１の位置制御手段と、レンズアレイ及び第１の光学系を有するビームホモジナイザと、レンズアレイの位置を制御する第２の位置制御手段を有するレーザ照射装置において、パルス発振に同期してレンズアッセンブリの位置を制御することによって、レンズアッセンブリが有する複数の光学系のうち少なくとも第２の光学系及び第３の光学系が選択され、第２の光学系により第１の直線を軸中心としてレーザ光の空間的なエネルギー分布が互いに反転した第１のパルスが形成され、第３の光学系により第２の直線を軸中心としてレーザ光の空間的なエネルギー分布が互いに反転した第２のパルスが形成され、レンズアッセンブリの位置を制御することにより、少なくとも第１のパルスおよび第２のパルスを含む複数のパルスが形成され、選択された少なくとも２つの光学系により形成された複数のパルスは、ビームホモジナイザによって前記空間的なエネルギー分布が均一化され、第１の光学系により半導体膜の同一領域に照射され、第１の直線と第２の直線とは、互いに交差することを特徴とする。
本発明は上記構成により、１パルスだけでみると面内のエネルギー分布が存在していたとしても、同一領域に照射されるレーザ光の、トータルのエネルギー分布が平均化されるため、均一なアニールを行なうことができる。そして上記方法を用いて半導体膜の結晶化を行なうことで、半導体膜の結晶性を均一化させることができる。
また、レーザ光の、レンズアレイに入射する位置を変えることで、レンズアレイに含まれる各レンズに入射するレーザ光のエネルギー分布を変化させることができるので、照射面におけるエネルギー分布を変化させることができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
図１を用いて、本発明のレーザ照射装置の構成について説明する。図１（Ａ）に示すレーザ照射装置は、パルス発振でレーザ光を出力することができるレーザ発振器１０１と、レーザ発振器１０１から発振されたレーザ光のうち、選択されたパルスの面内におけるエネルギー分布を反転または回転させることができる光学系（レンズアッセンブリ）１０２と、レンズアッセンブリ１０２から射出したレーザ光の光路の向きを変えたりすることができる光学系１０３と、被処理物（ここでは半導体膜が成膜された基板）１０５を載置するためのステージ１０４とが設けられている。
なお、レーザ光の光路の向きを変えることができる光学系１０３として、図１（Ａ）ではミラーを例示しているが、ミラー以外の光学系を用いていても良い。
また図１（Ａ）には図示していないが、ステージ１０４の位置を制御するための手段が、本発明のレーザ照射装置に備えられている。なお図１に示すレーザ照射装置は、レーザ光の照射位置を固定して基板１０５を移動させる被処理物移動型に相当するが、本発明はこの構成に限定されない。被処理物である基板１０５を固定してレーザ光の照射位置を移動させる照射系移動型であっても良いし、上記２つの方法を組み合わせていても良い。
レンズアッセンブリ１０２には、レーザ光のエネルギー分布を反転または回転させるための、複数の光学系が設けられている。図１（Ｂ）に、レンズアッセンブリ１０２の拡大図を示す。レンズアッセンブリ１０２は、パルス間でエネルギー分布を変えるための光学系が、複数組設けられている。具体的に図１（Ｂ）では、４組の光学系１１０〜１１３が設けられている。
光学系１１０は、入射したレーザ光のエネルギー分布に変化を加えず、そのまま射出することができる。光学系１１１は、入射したレーザ光のエネルギー分布を、破線１２１を軸として反転させ、射出することができる。光学系１１２は、光学系１１１と同様に、入射したレーザ光のエネルギー分布を、破線１２２を軸として反転させ、射出することができる。ただし光学系１１１と光学系１１２は、反転の軸が互いに交差している。光学系１１３は、入射したレーザ光のエネルギー分布を１８０度回転させ、射出することができる。
そして図１では、パルス発振と同期してレンズアッセンブリ１０２を回転させることで、入射するレーザ光の位置を制御し、光学系１１０〜１１３のいずれか１組を選択する。図１（Ａ）には図示していないが、本発明のレーザ照射装置は、パルス発振に同期してレンズアッセンブリ１０２に入射するレーザ光の位置を制御する位置制御手段を備えている。レンズアッセンブリ１０２から選択された光学系が、レーザ光の照射面におけるエネルギー分布を制御する。
なお、図１（Ａ）ではレンズアッセンブリ１０２に入射するレーザ光の位置を、レンズアッセンブリ１０２を回転させることで制御しているが、本発明はこの構成に限定されない。レーザ光の周波数に同期して、光学系１１０〜１１３を選択することができれば良い。例えば、レーザ発振器１０１の位置を制御する位置制御装置を備えていても良い。
また図１（Ｂ）では、４組の光学系１１０〜１１３を用いているが、エネルギー分布を制御するための光学系の数はこれに限定されない。レーザ光の面内における相対的なエネルギーのばらつきを、互いに異ならせることができる、少なくとも２組の光学系を用いていれば良い。無論、３組の光学系を用いていても良いし、５組以上の光学系を用いていても良い。
次に、エネルギー分布を反転または回転させることができる、３つの光学系１１１〜１１３の、より具体的な構成について説明する。図２（Ａ）に、光学系１１１の一形態を示す。図２（Ａ）に示す光学系１１１は、２つのシリンドリカルレンズ２０１、２０２を用いている。シリンドリカルレンズ２０１、２０２は、実線で示すように、母線の方向が一致している。そしてシリンドリカルレンズ２０１、２０２は、破線の矢印で示す入射したレーザ光が、該２つのレンズ間で焦点を結ぶように、配置されている。上記構成により、射出したレーザ光のエネルギー分布が、母線に平行な直線を軸として反転する（図示していない）。また、図示していないが、入射したレーザ光は、該２つのレンズ間の母線に平行な直線上のおのおのの点で焦点を結んでいる。でなお、本発明で記載される母線とは、シリンドリカルレンズの平面部から最も遠い距離にある母線を意味する。
図２（Ｂ）に、光学系１１２の一形態を示す。図２（Ｂ）に示す光学系１１２は、図２（Ａ）と同様に、２つのシリンドリカルレンズ２０３、２０４を用いている。シリンドリカルレンズ２０３、２０４は、実線で示すように、母線の方向が一致している。そしてシリンドリカルレンズ２０３、２０４は、破線の矢印で示す入射したレーザ光が、該２つのレンズ間で焦点を１つ結ぶように、配置されている。上記構成により、射出したレーザ光のエネルギー分布が、母線に平行な直線を軸として反転する。ただし、図２（Ｂ）に示す光学系１１２の母線の向きは、図２（Ａ）に示す光学系１１１の母線の向きと異なる。具体的にはより９０度に近い角度で交差している方が、エネルギー分布を大きく変えることができるため最も望ましい。
図２（Ｃ）に、光学系１１３の一形態を示す。図２（Ｃ）に示す光学系１１３は、２つの平凸球面レンズ２０５、２０６を用いている。平凸球面レンズ２０５、２０６は、破線の矢印で示す入射したレーザ光が、該２つのレンズ間で焦点を１つ結ぶように配置されている。上記構成により、射出したレーザ光のエネルギー分布が、焦点を中心として１８０度回転する。
図４（Ａ）〜図４（Ｄ）に、図１（Ｂ）に示すレンズアッセンブリ１０２を用いた場合、各光学系１１０〜１１３からレーザ光のエネルギー分布を、模式的に示す。光学系１１０から射出したレーザ光が、図４（Ａ）に示したエネルギー分布を有すると仮定する。この場合、光学系１１１から射出されるレーザ光は、エネルギー分布が図４（Ａ）に示すエネルギー分布と破線に平行な直線を軸として反転する（図４（Ｂ））。また、光学系１１２から射出されるレーザ光は、エネルギー分布が図４（Ａ）に示すエネルギー分布と破線に平行な直線を軸として、なおかつ反転の中心となる破線に平行な直線が図４（Ｂ）と交差するように、そのエネルギー分布が反転する（図４（Ｃ））。また、光学系１１３から射出されるレーザ光のエネルギー分布は、図４（Ａ）に示すエネルギー分布に対して１８０度回転する（図４（Ｃ））。
図４（Ａ）〜図４（Ｄ）に示す空間的なエネルギー分布を有する４つのパルスを、同一領域に照射することで、エネルギー分布が平均化され、均一なアニールを行なうことができる。なお、レンズアッセンブリによって得られる、エネルギー分布が互いに異なるパルスは、全て同一領域に照射する必要はない。例えば、ある領域には、上記４つのパルスのうち図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に示す３つのパルスを、また別の領域には、上記４つのパルスのうち図４（Ｂ）〜図４（Ｄ）に示す３つのパルスを照射するようにしても良い。
また同一領域に連続してパルスを照射しても良いし、他の領域への照射が済んでから再び同じ領域にパルスを照射するようにしても良い。
なお、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）で示す光学系は、エネルギー分布を反転または回転させることができる光学系の、一形態を示したものであり、本発明は図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に示す光学系に限定されない。
また、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に示す光学系は、それぞれレンズを２つずつ用いているが、レンズの数もこれに限定されない。エネルギー分布が反転するように、結ばれる焦点の数が奇数にすればよい。図３（Ａ）に、２つの凸レンズ３０１、３０２の断面図と、凸レンズ３０１、３０２によって結ばれる像とを示す。図３（Ａ）に示すように、凸レンズ３０１、３０２の間に焦点が１つ結ばれている場合、反転された像が形成される。
図３（Ｂ）に、６つの凸レンズ３０３〜３０８の断面図と、凸レンズ３０３〜３０８によって結ばれる像とを示す。図３（Ｂ）に示すように、凸レンズ３０３、３０４の間と、凸レンズ３０５、３０６の間と、凸レンズ３０７、３０８の間とに、それぞれ焦点が１つづつ結ばれている場合も、焦点の数が３つと奇数であるので、反転された像が形成される。
なお、エネルギー分布を反転または回転させるために用いる光学系は、必ずしもシリンドリカルレンズや平凸球面レンズに代表される凸レンズのみを用いる形態に限定されない。その他、プリズム、フレネルレンズなどを組み合わせていても良い。
次に図５を用いて、本発明のレーザ照射装置の、図１（Ａ）とは異なる構成について説明する。図５に示すレーザ照射装置は、パルス発振でレーザ光を出力することができるレーザ発振器４０１と、レーザ発振器４０１から発振されたレーザ光が入射するビームホモジナイザ４０２と、ビームホモジナイザ４０２から射出したレーザ光を成形したり、光路の向きを変えたりすることができる光学系４０３と、被処理物（ここでは半導体膜が成膜された基板）４０５を載置するためのステージ４０４とが設けられている。
なお、レーザ光を形成したり、光路の向きを変えたりすることができる光学系４０３として、図５ではミラーを例示しているが、ミラー以外の光学系を用いていても良い。
また図５には図示していないが、ステージ４０４の位置を制御するための手段が、本発明のレーザ照射装置に備えられている。なお図５に示すレーザ照射装置は、レーザ光の照射位置を固定して基板４０５を移動させる被処理物移動型に相当するが、本発明はこの構成に限定されない。被処理物である基板４０５を固定してレーザ光の照射位置を移動させる照射系移動型であっても良いし、上記２つの方法を組み合わせていても良い。
ビームホモジナイザ４０２は、複数の凸レンズを有するレンズアレイ４０６と、レンズアレイ４０６の各凸レンズから射出したレーザ光を成形するための集光レンズ４０７とを有している。なお図５では集光レンズ４０７を１つだけ用いているが、集光レンズ４０７を複数用いていても良い。そして図５には図示してはいないが、本発明のレーザ照射装置はレンズアレイ４０６の位置を制御する位置制御手段を有している。レンズアレイ４０６の位置を制御することで、レンズアレイ４０６におけるレーザ光の入射位置を、制御することができる。
なお図５では、レンズアレイ４０６を、レーザ光の入射方向と垂直な面に対して、上下左右で平行移動させることで、レンズアレイ４０６に入射するレーザ光の位置を制御しているが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、レーザ光の入射方向と平行な軸の方向にレンズアレイ４０６を前後させても良い。また、レーザ発振器４０１を平行移動する位置制御装置を備えていてもよい。
図６（Ａ）、図６（Ｂ）に、レンズアレイ４０６とレーザ光の入射位置の関係と、各入射位置に対するエリア４１０でのエネルギー分布を示す。
図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示すように、レンズアレイ４０６に入射したレーザ光は、レンズアレイ４０６が有する複数のレンズによって分割された後、集光レンズ４０７によってエリア４１０に集光される。そして、レンズアレイ４０６が有する任意のレンズ４０８に注目すると、任意のレンズ４０８に入射するレーザ光は、レンズアレイ４０６の位置を図６（Ａ）から図６（Ｂ）に移動させることで変化する。よって、レンズアレイ４０６に入射するレーザ光にエネルギー分布が存在している場合、レンズアレイ４０６の位置を図６（Ａ）から図６（Ｂ）に移動させることで、エリア４１０に集光されたレーザ光のエネルギー分布に変化が生じる。
任意のレンズ４０８に入射するレーザ光の変化を分かりやすくするために、図７（Ａ）、図７（Ｂ）に、レーザ光の入射方向から見た、レンズアレイ４０６とレーザ光の入射位置４０９との関係を示す。なお図７（Ａ）と図７（Ｂ）とでは、レンズアレイ４０６におけるレーザ光の入射位置４０９が異なっている。図７（Ａ）、図７（Ｂ）に示すように、レーザ光の入射位置４０９におけるレーザ光にエネルギー分布が存在していると仮定する。この場合、任意のレンズ４０８に注目すると、図７（Ａ）と図７（Ｂ）とでは、レンズ４０８に入射するレーザ光のエネルギー分布が異なっていることがわかる。よって、図７（Ａ）と図７（Ｂ）とでは、ビームホモジナイザから射出されるレーザ光の、エネルギー分布が異なることになる。
従って、空間的なエネルギー分布が異なるパルスを、同一領域に重ねて照射することで、エネルギー分布を均一化させることができ、均一なレーザアニールを行なうことが可能になる。
なお本発明のレーザ照射装置は、図１（Ａ）に示したレーザ照射装置にさらにビームホモジナイザを設けていても良い。そして該ビームホモジナイザは、図５に示した構成を有していても良い。図１１に、図１（Ａ）に示した構成と、図５に示した構成を組み合わせた、本発明のレーザ照射装置の構成を示す。
図１１に示すレーザ照射装置は、パルス発振でレーザ光を出力することができるレーザ発振器６０１と、レーザ発振器６０１から発振されたレーザ光のうち、選択されたパルスの面内における空間的なエネルギー分布を反転または回転させることができる光学系（レンズアッセンブリ）６０２と、レンズアッセンブリ６０２から射出したレーザ光が入射するビームホモジナイザ６０３と、ビームホモジナイザ６０３から射出したレーザ光を成形したり、光路の向きを変えたりすることができる光学系（ここではミラーを例示）６０４と、被処理物（ここでは半導体膜が成膜された基板）６０６を載置するためのステージ６０５とが設けられている。
また図１１には図示していないが、ステージ６０５の位置を制御するための手段が、本発明のレーザ照射装置に備えられている。なお図１１に示すレーザ照射装置は、レーザ光の照射位置を固定して基板６０６を移動させる被処理物移動型に相当するが、本発明はこの構成に限定されない。被処理物である基板６０６を固定してレーザ光の照射位置を移動させる照射系移動型であっても良いし、上記２つの方法を組み合わせていても良い。
図１（Ａ）と同様に、レンズアッセンブリ６０２には、レーザ光のエネルギー分布を反転または回転させるための、複数の光学系が設けられている。レンズアッセンブリ６０２を回転させることで、入射するレーザ光の位置を制御し、複数の光学系のいずれか１組を選択する。図１１には図示していないが、本発明のレーザ照射装置は、レンズアッセンブリ６０２に入射するレーザ光の位置を制御する位置制御手段を備えている。レンズアッセンブリ６０２から選択された光学系が、レーザ光の照射面におけるエネルギー分布を制御する。
なお、図１１ではレンズアッセンブリ６０２に入射するレーザ光の位置を、レンズアッセンブリ６０２を回転させることで制御しているが、本発明はこの構成に限定されない。レーザ光の周波数に同期して、複数の光学系を選択することができれば良い。例えば、レーザ発振器６０１を平行移動する位置制御装置を備えていてもよい。
ビームホモジナイザ６０３は、複数の凸レンズを有するレンズアレイ６０７と、レンズアレイ６０７の各凸レンズから射出したレーザ光を同一領域に照射するための集光レンズ６０８とを有している。なお図１１では集光レンズ６０８を１つだけ用いているが、集光レンズ６０８を複数用いていても良い。そして図１１には図示してはいないが、本発明のレーザ照射装置はレンズアレイ６０７の位置を制御する位置制御手段を有している。レンズアレイ６０７の位置を制御することで、レンズアレイ６０７におけるレーザ光の入射位置を、制御することができる。
なお図１１では、レンズアレイ６０７を、レーザ光の入射方向と垂直な面に対して、上下左右で平行移動させることで、レンズアレイ６０７に入射するレーザ光の位置を制御しているが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、レーザ光の入射方向と平行な軸の方向にレンズアレイ６０７を前後させても良い。また、レーザ発振器６０１の位置を制御する位置制御装置を備えていても良い。
図１１に示すように、図１（Ａ）と図５の構成を組み合わせることで、同一領域に照射されるレーザ光のトータルのエネルギー分布を、より平均化することができる。
本実施例では、本発明のレーザ照射装置を用いた半導体膜の作製方法について、具体的に説明する。
まず図８（Ａ）に示すように、基板５００上に下地膜５０１を成膜する。基板５００には、例えばバリウムホウケイ酸ガラスや、アルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、石英基板、ＳＵＳ基板等を用いることができる。また、プラスチック等の可撓性を有する合成樹脂からなる基板は、一般的に上記基板と比較して耐熱温度が低い傾向にあるが、作製工程における処理温度に耐え得るのであれば用いることが可能である。
下地膜５０１は基板５００中に含まれるＮａなどのアルカリ金属やアルカリ土類金属が、半導体膜中に拡散し、半導体素子の特性に悪影響を及ぼすのを防ぐために設ける。よってアルカリ金属やアルカリ土類金属の半導体膜への拡散を抑えることができる酸化珪素や、窒化珪素、窒化酸化珪素などの絶縁膜を用いて形成する。本実施例では、プラズマＣＶＤ法を用いて窒化酸化珪素膜を１０〜４００ｎｍ（好ましくは５０〜３００ｎｍ）の膜厚になるように成膜する。
なお下地膜５０１は単層であっても複数の絶縁膜を積層したものであっても良い。またガラス基板、ＳＵＳ基板またはプラスチック基板のように、アルカリ金属やアルカリ土類金属が多少なりとも含まれている基板を用いる場合、不純物の拡散を防ぐという観点から下地膜を設けることは有効であるが、石英基板など不純物の拡散がさして問題とならない場合は、必ずしも設ける必要はない。
次に下地膜上に半導体膜５０２を形成する。半導体膜５０２の膜厚は２５〜１００ｎｍ（好ましくは３０〜６０ｎｍ）とする。なお半導体膜５０２は、非晶質半導体であっても良いし、多結晶半導体であっても良い。また半導体は珪素だけではなくシリコンゲルマニウムも用いることができる。シリコンゲルマニウムを用いる場合、ゲルマニウムの濃度は０．０１〜４．５ａｔｏｍｉｃ％程度であることが好ましい。
次に図８（Ｂ）に示すように、半導体膜５０２を本発明のレーザ照射装置を用いて結晶化する。本発明において、レーザは、公知のパルス発振の気体レーザもしくは固体レーザを用いることができる。例えば、Ｃｒ、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｔｉ又はＴｍがドーピングされたＹＡＧレーザ、ＹＶＯ4レーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＡｌＯ3レーザ、ＧｄＶＯ4レーザ、ガラスレーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライドレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザなどがある。当該レーザの基本波はドーピングする材料によって異なるが、１μｍ前後の基本波を有するレーザ光が得られる。基本波に対する第２高調波、第３高調波および第４高調波は、非線形光学素子を用いることで得ることができる。
本実施例では、波長３０８ｎｍのレーザ光を、１パルスで数ｃｍ2〜数十ｃｍ2（本実施例では例えば３×５ｃｍ2）の領域に照射することができるエキシマレーザ（ソプラ社製）を用いる。そして、該ビームスポットにおけるエネルギー密度を４００〜９００ｍＪ／ｃｍ2（本実施例では６００ｍＪ／ｃｍ2）、パルス幅１７０ｎｓ、発振周波数１〜３０Ｈｚ（本実施例では２０Ｈｚ）とし、任意の領域に数パルス（本実施例では４パルス）ずつレーザ光を照射する。
また本発明では、任意の領域に照射される複数のパルスのうち、少なくとも１つのパルスが、他のパルスとエネルギー分布が異なるようにする。上記構成により、トータルのエネルギー分布が均一化され、半導体膜の結晶性をより均一化させることができる。
上述した半導体膜５０２へのレーザ光の照射により、結晶性がより高められた半導体膜５０３が形成される。
次に、図８（Ｃ）に示すように半導体膜５０３をパターニングし、島状の半導体膜５０４〜５０６が形成される。そして、該島状の半導体膜５０４〜５０６を用いて、図８（Ｄ）に示すようにＴＦＴ５０７〜５０９を形成することで、ＴＦＴの特性、例えばオン電流、移動度等のばらつきを抑えることができる。
また、半導体表示装置の画素部全体をカバーできる程度にビームスポットのサイズを広げることで、レーザ光の各パルス間で生じる数％のエネルギーの揺らぎに起因する輝度むらが、視認されるのを抑えることができる。
本実施例では、互いにエネルギー分布が異なる複数のパルスを、被処理物に照射する順番について説明する。
まず図９（Ａ）に示すように、被処理物の各領域に、１パルス目のレーザ光が矢印の順に照射されると仮定する。次に図９（Ｂ）に示すように、被処理物の各領域に、２パルス目のレーザ光が矢印の順に照射される。そして図９（Ｃ）に示すように、被処理物の各領域に、３パルス目のレーザ光が矢印の順に照射され、次に、図９（Ｄ）に示すように、被処理物の各領域に、４パルス目のレーザ光が矢印の順に照射される。
そして、２パルス目から４パルス目のレーザ光の照射も、１パルス目と同様に、隣り合うエリアに対応するパルスが、互いに異なるエネルギー分布を有するようにする。
なお本実施例では、各領域に４パルスのレーザ光を照射する例を示しているが、同一領域に照射するパルスの数はこれに限定されず、複数であれば良い。
本実施例では、互いにエネルギー分布が異なる複数のパルスを、被処理物に照射する順番について説明する。
まず図１０（Ａ）に示すように、被処理物の各領域に、１パルス目のレーザ光が矢印の順に照射されると仮定する。なお図１０（Ａ）では、隣り合うエリアに対応するパルスは、互いにエネルギー分布が同じである。
次に図１０（Ｂ）に示すように、被処理物の各領域に、２パルス目のレーザ光が矢印の順に照射される。そして図１０（Ｃ）に示すように、被処理物の各領域に、３パルス目のレーザ光が矢印の順に照射され、次に、図１０（Ｄ）に示すように、被処理物の各領域に、４パルス目のレーザ光が矢印の順に照射される。
なお本実施例では、各領域に４パルスのレーザ光を照射する例を示しているが、同一領域に照射するパルスの数はこれに限定されず、複数であれば良い。
本実施例では図１０（Ａ）〜図１０（Ｄ）に示すように、各領域に照射される複数のパルスは、互いにそのエネルギー分布が異なっている。そして本実施例では、同一の領域に連続して全てのパルスを照射するのではなく、１つのパルスが照射された後、他のエリアへのパルスの照射を行ない、再び次のパルスを照射している。本実施例に示す順番でレーザ光を照射することで、レンズアッセンブリの位置を制御する手段やレンズアレイの位置を制御するための手段の動作周波数を、実施例２の場合に比べて抑えることができるというメリットが得られる。
１０１ レーザ発振器
１０２ レンズアッセンブリ
１０３ 光学系
１０４ ステージ
１０５ 基板
１１０ 光学系
１１１ 光学系
１１２ 光学系
１１３ 光学系
２０１ シリンドリカルレンズ
２０２ シリンドリカルレンズ
２０３ シリンドリカルレンズ
２０４ シリンドリカルレンズ
２０５ 平凸球面レンズ
２０６ 平凸球面レンズ
３０１ 凸レンズ
３０２ 凸レンズ
３０３ 凸レンズ
３０４ 凸レンズ
３０５ 凸レンズ
３０６ 凸レンズ
３０７ 凸レンズ
３０８ 凸レンズ
４０１ レーザ発振器
４０２ ビームホモジナイザ
４０３ 光学系
４０４ ステージ
４０５ 基板
４０６ レンズアレイ
４０７ 集光レンズ
４０８ レンズ
４０９ 入射位置
４１０ エリア
５００ 基板
５０１ 下地膜
５０２ 半導体膜
５０３ 半導体膜
５０４ 島状の半導体膜
５０５ 島状の半導体膜
５０６ 島状の半導体膜
５０７ ＴＦＴ
５０８ ＴＦＴ
５０９ ＴＦＴ
６０１ レーザ発振器
６０２ レンズアッセンブリ
６０３ ビームホモジナイザ
６０４ ミラー
６０５ ステージ
６０６ 基板
６０７ レンズアレイ
６０８ 集光レンズ
１０２ レンズアッセンブリ
１０３ 光学系
１０４ ステージ
１０５ 基板
１１０ 光学系
１１１ 光学系
１１２ 光学系
１１３ 光学系
２０１ シリンドリカルレンズ
２０２ シリンドリカルレンズ
２０３ シリンドリカルレンズ
２０４ シリンドリカルレンズ
２０５ 平凸球面レンズ
２０６ 平凸球面レンズ
３０１ 凸レンズ
３０２ 凸レンズ
３０３ 凸レンズ
３０４ 凸レンズ
３０５ 凸レンズ
３０６ 凸レンズ
３０７ 凸レンズ
３０８ 凸レンズ
４０１ レーザ発振器
４０２ ビームホモジナイザ
４０３ 光学系
４０４ ステージ
４０５ 基板
４０６ レンズアレイ
４０７ 集光レンズ
４０８ レンズ
４０９ 入射位置
４１０ エリア
５００ 基板
５０１ 下地膜
５０２ 半導体膜
５０３ 半導体膜
５０４ 島状の半導体膜
５０５ 島状の半導体膜
５０６ 島状の半導体膜
５０７ ＴＦＴ
５０８ ＴＦＴ
５０９ ＴＦＴ
６０１ レーザ発振器
６０２ レンズアッセンブリ
６０３ ビームホモジナイザ
６０４ ミラー
６０５ ステージ
６０６ 基板
６０７ レンズアレイ
６０８ 集光レンズ
Claims (5)
- パルス発振でレーザ光を出力するレーザ発振器と、
複数の光学系を有するレンズアッセンブリと、
前記パルス発振と同期して前記レンズアッセンブリの位置を制御することによって、前記複数の光学系から少なくとも第１の光学系又は第２の光学系を選択する位置制御手段とを有し、
前記第１の光学系における前記レーザ光の空間的なエネルギー分布の反転の軸と、前記第２の光学系における前記レーザ光の空間的なエネルギー分布の反転の軸が、互いに交差することを特徴とするレーザ照射装置。 - パルス発振でレーザ光を出力するレーザ発振器と、
複数の光学系を有するレンズアッセンブリと、
前記パルス発振と同期して前記レンズアッセンブリの位置を制御することによって、前記複数の光学系から少なくとも第１の光学系又は第２の光学系を選択する第１の位置制御手段と、
レンズアレイ及び集光レンズを有するビームホモジナイザと、
前記レンズアレイの位置を前記レーザ光の入射方向に垂直な平面上で、又は前記レーザ光の入射方向と平行な軸上で平行移動するように制御する第２の位置制御手段とを有し、
前記第１の光学系における前記レーザ光の空間的なエネルギー分布の反転の軸と、前記第２の光学系における前記レーザ光の空間的なエネルギー分布の反転の軸が、互いに交差することを特徴とするレーザ照射装置。 - パルス発振でレーザ光を出力し、
前記パルス発振に同期して、複数の光学系を有するレンズアッセンブリの位置を制御することによって、前記複数の光学系のうち少なくとも２つの光学系が選択され、
前記選択された少なくとも２つの光学系によって、レーザ光の空間的なエネルギー分布が互いに反転した複数のパルスを形成し、
前記複数のパルスを、半導体膜の同一領域に照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。 - パルス発振でレーザ光を出力し、
前記パルス発振に同期して、複数の光学系を有するレンズアッセンブリの位置を制御することによって、前記複数の光学系のうち少なくとも第１の光学系及び第２の光学系が選択され、
前記第１の光学系により第１の直線を軸としてレーザ光の空間的なエネルギー分布が互いに反転した第１のパルスを形成し、
前記第２の光学系により前記第１の直線と交差する第２の直線を軸としてレーザ光の空間的なエネルギー分布が互いに反転した第２のパルスを形成し、
前記第１のパルスと前記第２のパルスを含む複数のパルスを、半導体膜の同一領域に照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。 - パルス発振でレーザ光を出力し、
前記パルス発振に同期して、複数の光学系を有するレンズアッセンブリの位置を制御することによって、前記複数の光学系のうち少なくとも第１の光学系及び第２の光学系が選択され、
前記第１の光学系により第１の直線を軸としてレーザ光の空間的なエネルギー分布が互いに反転した第１のパルスを形成し、
前記第２の光学系により前記第１の直線と交差する第２の直線を軸としてレーザ光の空間的なエネルギー分布が互いに反転した第２のパルスを形成し、
前記パルス発振に同期してビームホモジナイザが有するレンズアレイの位置を前記レーザ光の入射方向に垂直な平面上で、又は前記レーザ光の入射方向と平行な軸上で平行移動させて制御することによって、前記第１のパルス又は前記第２のパルスが前記レンズアレイに入射する位置が選択され、
前記第１のパルスが前記レンズアレイに入射する位置によってレーザ光の空間的なエネルギー分布が互いに異なる、第３のパルスを前記ビームホモジナイザで形成し、
前記第２のパルスが前記レンズアレイに入射する位置によってレーザ光の空間的なエネルギー分布が互いに異なる、第４のパルスを前記ビームホモジナイザで形成し、
前記第３のパルス及び前記第４のパルスを含む複数のパルスを、半導体膜の同一領域に照射することを特徴とする半導体装置の作製方法。
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