JP4908269B2 - レーザ光照方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、マルチ横モードのレーザ光をそれぞれ射出する３つ以上の半導体レーザから射出されたレーザ光を所定面上へスポット状に集光させるレーザ光照方法および装置に関するものである。

従来より、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等の分野では、非晶質シリコン膜等の非晶質半導体膜上にレーザ光を小さな面積を有するスポット状（点状）の領域に集光させながら走査させて、上記半導体膜を多結晶化するレーザアニールの手法が知られている。

また、レーザアニールに用いるレーザ光源としては、メンテナンス性、取り扱い性等に優れ小型化可能である半導体レーザの採用が検討されている。上記レーザアニールでは大出力のレーザ光源が必要となるため、より大きな出力が得られるマルチ横モード半導体レーザの使用が検討されている。

半導体レーザを用いて大出力のレーザ光を上記点状の領域に、すなわちスポット状に集光させる手法としては、複数の半導体レーザから出力されて光軸が互に平行となるようにコリメートされた各レーザ光を集光レンズに通して集光させる方式が知られている。例えば、複数の半導体レーザから出力された各レーザ光を集光レンズに通して光ファイバ端面のコア部へ入射させ、この光ファイバ中で合波させることにより大出力のレーザ光を得る方式が知られている（特許文献１参照）。ここで、半導体レーザの数、すなわち集光レンズに通すレーザ光の数を多くするほど、この集光レンズでスポット状に集光させるレーザ光の光強度を大きくすることができる。

また、上記のようなレーザ光の照射においては、レーザ光の光強度分布を均一でムラの無いものとすることが重要である（引用文献２参照）。そのため、従来のエキシマレーザを用いた装置では、ビームホモジナイザ等のレーザ光の強度分布を均一化する光学部材を用いている。エキシマレーザのように多数の高次横モードが同時に発振され空間的コヒーレンスが比較的低いレーザ光の強度分布の均一化には、光路中に上記ビームホモジナイザ等を設けることが有効である。
特開昭５６−８８１７７号公報 米国特許２５６９８７５号明細書

ところで、上記のような複数の半導体レーザを用いて構成した出力の大きなレーザ光照射装置は小型化することが求められており、各レーザ光を集光させる集光レンズの口径も制限される。一方、上記のようなレーザ光照射装置の大出力化に応じてより多くのレーザ光を上記集光レンズに入射させるには、半導体レーザ、この半導体レーザから射出されたレーザ光をコリメートするコリメートレンズ、上記レーザ光の光路を偏向させる反射ミラー等の光学部材を配置するためのスペースの拡大が必要となる。

したがって、上記のように光軸が互に平行な複数のコリメートされたレーザ光を集光レンズへ入射させるときの上記レーザ光の最大数は、集光レンズの口径によって制限されてしまう。そのため、スポット状に集光させたレーザ光の光強度が要求される光強度に達しないことがあり、レーザ光源のサイズを大型化することなくより大きな出力が得られるようにしたいという要請がある。

また、マルチ横モード半導体レーザから射出されるマルチ横モードのレーザ光は、エキシマレーザから射出されるレーザ光に比して、同時に発振される高次横モード数が少なく空間的コヒーレンスが高い。そのため、このマルチ横モード半導体レーザから射出されたレーザ光を所定面上に集光させるときに、集光されたスポット中に光強度のムラが生じることがある。すなわち、マルチ横モード半導体レーザにおいて、同じ次数の高次横モード光には光軸に対して略対称方向に伝播する２つの波面成分があり、これら２つの波面成分の間の干渉によって上記光強度のムラが生じると考えられる。この光強度のムラは上記エキシマレーザで使用されるビームホモジナイザ等を適用しても低減できない。

なお、上記問題は、レーザアニールに用いるレーザ光源の限らず、３つ以上のマルチ横モード半導体レーザから出力されたレーザ光をスポット状に集光する場合に一般に生じる問題である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、装置サイズを増大させることなく、より大きな光強度を有し光強度のムラが低減されたレーザ光をスポット状に集光させることができるレーザ光照方法および装置を提供することを目的とするものである。

本発明のレーザ光照装置は、マルチ横モードのレーザ光をそれぞれ射出する３つ以上の半導体レーザと、前記半導体レーザから射出された各レーザ光をコリメートするコリメートレンズと、コリメートされた各レーザ光を所定面上へスポット状に集光させる集光光学系とを備えたレーザ光照射装置であって、コリメートレンズから集光光学系に至るまでの光路に配された、互に異なる光路を伝播する少なくとも２つの前記レーザ光を偏光合波して同一光路へ伝播させる偏光合波手段と、前記偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光を、全てのレーザ光の光軸が前記所定面において互に交わるように角度合波させる角度合波手段と、前記光路中に配された、前記レーザ光の光軸に対して対称な位置を伝播する２つの波面成分の所定面上での干渉性を低減させる干渉性低減手段とを備えたことを特徴とするものである。

前記レーザ光照装置は、偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光を、全てのレーザ光の光軸を互に平行にせしめた状態で、かつ、各レーザ光の光軸間の間隔を半導体レーザから射出されるときの各レーザ光の光軸間の間隔よりも小さくせしめた状態で前記集光光学系へ入射させるように、前記レーザ光の光路を変位させる光路変位手段を備えたものとすることができる。

前記偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光の角度合波はスロー軸方向に行なわれるものとすることが望ましい。

前記光路変位手段は、偏光合波手段により偏光合波された偏光合波レーザ光の光軸とこの偏光合波レーザ光とは異なる光路を伝播する他のレーザ光の光軸の全てを、互に平行にせしめた状態で、かつ、前記偏光合波レーザ光の光軸および他のレーザ光の光軸に関する互いの間隔を、これらの光軸に対応する前記偏光合波レーザ光を構成するレーザ光が半導体レーザから射出されるときの各レーザ光の光軸および他のレーザ光が半導体レーザから射出されるときの光軸に関する間隔よりも小さくせしめた状態で、前記偏光合波レーザ光と他のレーザ光とを共に集光光学系へ入射させるように、偏光合波レーザ光および他のレーザ光のうちの少なくとも１つ以上の光路を変位させるものとすることができる。

前記干渉性低減手段は、前記レーザ光のうちの1つ以上について、そのレーザ光の光軸に対して対称な位置を伝播する２つの波面成分の所定面上での干渉性を低減させるものとすることができる。

前記レーザ光照装置は半導体レーザを４つ備えることができ、偏光合波手段は、半導体レーザそれぞれから射出された４つのレーザ光のうちの２つのレーザ光を偏光合波させるとともに、他の２つのレーザ光をも偏光合波させるものとすることができ、光路変位手段は、２つの前記偏光合波されたレーザ光のうちの少なくともいずれか１つの光路を変位させるものとすることができる。

前記干渉性低減手段は、半導体レーザから射出されるレーザ光における遠視野像の形成位置近傍に配置されたものとすることができる。なお、干渉性低減手段は、遠視野像の形成位置において、レーザ光の波面成分をこのレーザ光の光軸に対して対称な位置を伝播する２つの波面成分に分離して所定面上での干渉性を低減させるものとすることができる。

前記干渉性低減手段は１／２波長位相差素子とすることができ、この１／２波長位相差素子は前記レーザ光の光軸に対して対称な位置を伝播する２つの波面成分のうちのいずれか一方の位相を変化させるように配置されたものとすることができる。

前記半導体レーザは気密封止されたものとすることができる。

前記コリメートレンズと前記集光光学系とは、半導体レーザから射出される各レーザ光の近視野像を所定面上に結像させる結像光学系形を構成するものであることが望ましい。

前記レーザ光照装置は、所定面を非晶質半導体膜上の領域とし、非晶質半導体膜を、この非晶質半導体膜中の結晶状態の違いに応じて前記レーザ光の照射を受けたときのこのレーザ光から吸収するエネルギの吸収率が変動するものとし、レーザ光を非晶質半導体膜上へ走査させるときに、非晶質半導体膜で吸収されるレーザ光のエネルギを非晶質半導体膜上の場所によらず一定とするように、前記レーザ光の光強度または走査速度を調節する吸収エネルギ調節手段を備えたものとすることができる。

前記吸収エネルギ調節手段は、レーザ光の波長の相違を用いて合波させる波長合波等により照射光強度を変化させる手段とすることができる。また、この吸収エネルギ調節手段を、レーザ光の光路中に配された逆フーリエ変換プロファイルの複素振幅分布を持つ空間変調素子としたり、前記レーザ光の波長を合波させる波長合波手段とすることもできる。

本発明のレーザ光照射方法は、マルチ横モードのレーザ光をそれぞれ射出する３つ以上の半導体レーザから射出されコリメートレンズによってコリメートされた各レーザ光を集光光学系により所定面上へスポット状に集光させるレーザ光照射方法であって、コリメートレンズから集光光学系に至るまでの互に異なる光路を伝播する少なくとも２つの前記レーザ光を偏光合波して同一光路へ伝播させ、前記偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光を、全てのレーザ光の光軸が前記所定面において互に交わるように角度合波させるとともに、前記コリメートレンズから集光光学系に至るまでの光路中において、前記レーザ光の光軸に対して対称な位置を伝播する２つの波面成分の前記所定面上での干渉性を低減させることを特徴とするものである。

前記偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光を、全てのレーザ光の光軸を互に平行にせしめた状態で、かつ、各レーザ光の光軸間の間隔を前記半導体レーザから射出されるときの各レーザ光の光軸間の間隔よりも小さくせしめた状態で前記集光光学系へ入射させるように、前記レーザ光の光路を変位させるようにすることができる。

前記所定面を非晶質半導体膜上の領域とし、非晶質半導体膜を、この非晶質半導体膜中の結晶状態の違いに応じて前記レーザ光の照射を受けたときの該レーザ光から吸収するエネルギの吸収率が変動するものとし、レーザ光を非晶質半導体膜上へ走査させるときに前記非晶質半導体膜で吸収されるレーザ光のエネルギをこの非晶質半導体膜上の場所によらず一定とするように、レーザ光の光強度または走査速度を調節するようにしてもよい。

前記２つの波面成分の所定面上での干渉性を低減させるレーザ光は、各半導体レーザから射出されたレーザ光のうちの１つ以上とすることができる。

なお、「偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光の両光軸間の間隔を半導体レーザから射出されるときの各レーザ光の光軸間の間隔よりも小さくせしめた状態」とは、偏光合波されたレーザ光に対応する各半導体レーザから射出される各レーザ光の光軸と他のレーザ光に対応する半導体レーザから射出されるレーザ光の光軸との間隔における最小間隔よりも、偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光の両光軸間の間隔の方が小さくなるようにした状態を意味する。

なお、上記所定面において互に交わるように角度合波させるとは、互に異なる光路を伝播する複数のレーザ光を、各レーザ光の光軸が前記所定面において互に交わるようにこの所定面上へ入射させることを意味するものである。

また、スロー軸方向に角度合波させるとは、前記所定面において互に交わるようにこの所定面へ入射せしめられる各レーザ光の光軸が同一平面上に位置するように、かつ、前記所定面へ入射せしめられる各レーザ光のスロー軸が前記平面上に位置するように、各レーザ光を所定面で交差させることを意味するものである。

本発明のレーザ光照方法および装置によれば、コリメートレンズから集光光学系に至るまでの互に異なる光路を伝播する少なくとも２つのレーザ光を偏光合波して同一光路へ伝播させ、この偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光を、全てのレーザ光の光軸が前記所定面において互に交わるように角度合波させるとともに、上記光路中において、レーザ光の光軸に対して対称な位置を伝播する２つの波面成分の所定面上での干渉性を低減させるようにしたので、装置サイズを大型化することなく、より大きな光強度を有し光強度のムラが低減されたレーザ光をスポット状に集光させることができる。

すなわち、上記偏光合波手段により、互いに異なる光路を通る２つのレーザ光の光路を一致させ、３つ以上のレーザ光の集光光学系への入射領域を、従来に比して、より小さな領域とすることができる。これにより、装置サイズを増大させることなく、より多くの半導体レーザから射出されたレーザ光を集光光学系に通すことができるので、より大きな光強度を有するレーザ光を所定面上のスポット状の領域に集光させることができる。

また、偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光を、全てのレーザ光の光軸を互に平行にせしめた状態で、かつ、各レーザ光の光軸間の間隔を半導体レーザから射出されるときの各レーザ光の光軸間の間隔よりも小さくせしめた状態で前記集光光学系へ入射させるように、前記レーザ光の光路を変位させる光路変位手段を備えたものとすれば、上記偏光合波されたレーザ光の光路と他のレーザ光の光路とをより近づけることができるので、３つ以上のレーザ光の集光光学系への入射領域を、さらに小さな領域とすることができる。これにより、上記と同様により大きな光強度を有するレーザ光を所定面上のスポット状の領域に集光させることができる。

また、半導体レーザを４つ備え、偏光合波手段を、半導体レーザそれぞれから射出された４つのレーザ光のうちの２つのレーザ光と他の２つのレーザ光とをそれぞれ偏光合波させるものとし、光路変位手段を、偏光合波されたレーザ光の光路のうちの少なくともいずれか１つを変位させるものとすれば、より確実により大きな光強度を有するレーザ光を所定面上のスポット状の領域へ集光させることができる。

また、上記レーザ光の２つの波面成分の所定面上での干渉性を低減させることにより、レーザ光が照射される所定面上のスポット状の領域における光強度のムラを低減させることができ、上記スポット状の領域をより均一な光強度で照射することができる。

また、干渉性低減手段を、半導体レーザから射出されたレーザ光における遠視野像の形成位置に配置されたものとすれば、上記スポット状の領域における光強度のムラをさらに確実に低減することができる。

ここで、干渉性低減手段を１／２波長位相差素子とし、この１／２波長位相差素子をレーザ光の光軸に対して対称な位置を伝播する２つの波面成分のうちのいずれか一方の位相を変化させるように配置すれば、上記スポット状の領域における光強度のムラをより確実に低減することができる。

また、半導体レーザを気密封止されたものとすれば、半導体レーザの変質を抑制し、かつ、アセンブリ時の半導体レーザ自体のハンドリングミスによる破損を防止することができ、さらに、半導体レーザの寿命を延ばすことができる。

なお、所定面を非晶質半導体膜上の領域とし、非晶質半導体膜を、この非晶質半導体膜中の結晶状態の違いに応じてレーザ光の照射を受けたときのこのレーザ光からのエネルギの吸収率が変動するものとし、レーザ光を非晶質半導体膜上へ走査させるときに、非晶質半導体膜で吸収されるレーザ光のエネルギが非晶質半導体膜上の場所によらず一定となるように、レーザ光の光強度または走査速度を調節するようにすれば、非晶質半導体膜中の結晶状態に場所による違いがあったとしても非晶質半導体膜上の領域を均一にアニール処理することができる
ここで、吸収エネルギ調節手段を、レーザ光の光路中に配された逆フーリエ変換プロファイルの複素振幅分布を持つ空間変調素子としたり、波長を合波する波長合波手段とすれば、非晶質半導体膜上の領域の均一なアニール処理をより確実に実施することができる

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。図１から図１７は、本発明の実施の形態によるレーザ光照射装置およびマルチビーム走査光学系を適用したレーザアニール装置およびこの装置を用いて実施するレーザアニールに関する図である。図１８は本発明のレーザ光照射装置を示す断面図、図１９（ａ），（ｂ）はマルチ横モード光が持つ干渉性を低減する構成を説明するための図である。

なお、上記図１から図１７に示すレーザアニール装置およびこの装置を用いて実施するレーザアニールについては後述する。

図１８に示すレーザ光照射装置２２１は、マルチ横モードのレーザ光をそれぞれ射出する４つのマルチ横モード半導体レーザ２２３Ａ〜２２３Ｄ（以後、単に、半導体レーザ２２３Ａ〜２２３Ｄ、あるいは、まとめて半導体レーザ２２３ともいう）と、半導体レーザ２２３Ａ〜２２３Ｄから射出された各レーザ光をコリメートするコリメートレンズ１２４Ａ〜１２４Ｄ（まとめてコリメートレンズ１２４ともいう）と、コリメートされた各レーザ光を所定面Ｈｐ上へスポット状（面積のある１点）に集光させる集光光学系である集光レンズ２３０とを備えている。

なお、レーザ光照射装置２２１において、４個の半導体レーザ２２３Ａ〜２２３Ｄは、図示Ｙ方向（図１８の紙面上下方向）に１列に配列されている。また、半導体レーザ２２３Ａ、２２３Ｂ、２２３Ｃ、２２３Ｄそれぞれからレーザ光Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｄ（以後、まとめてレーザ光ＬＬともいう）のそれぞれが射出される。なお、上記半導体レーザ２２３は気密封止されたものであってもよい。

また、上記コリメートレンズ１２４と集光レンズ２３０とで構成される結像光学系が、各レーザ光Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｄの近視野像を所定面Ｈｐ上へ結像させることにより上記スポット状の領域が形成される。すなわち、上記結像光学系が、半導体レーザ２２３のレーザ光ＬＬの射出面におけるこのレーザ光ＬＬの光強度分布を示す近視野像を所定面Ｈｐ上に結像させる。なお、必ずしも、上記コリメートレンズ１２４と集光レンズ２３０とで構成される結像光学系がレーザ光の近視野像を所定面Ｈｐ上へ結像させる必要はなく、単にレーザ光を所定面Ｈｐ上にスポット状に集光させるようにしてもよい。

さらに、上記レーザ光照射装置２２１は、コリメートレンズ１２４から集光レンズ２３０に至るまでの光路に配された、互に異なる光路を伝播する２つのレーザ光Ｌａ、Ｌｃを偏光合波して同一光路へ伝播させるとともに、互に異なる光路を伝播する２つのレーザ光Ｌｂ、Ｌｄを偏光合波して同一光路へ伝播させる後述する偏光合波手段と、上記偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光を、両レーザ光の光軸が所定面において互に交わるように角度合波させる角度合波手段と、上記レーザ光Ｌａ、Ｌｃを偏光合波させたレーザ光Ｌａｃと他のレーザ光Ｌｂ、Ｌｄを偏光合波させたレーザ光Ｌｂｄを、両レーザ光の光軸を互に平行にせしめた状態で、かつ、両光軸間の間隔を半導体レーザ２２３から射出されるときの各レーザ光の光軸間の間隔よりも小さくせしめた状態で集光レンズ２３０へ入射させるように、両レーザ光の光路を変位させる後述する光路変位手段と、コリメートレンズ１２４から集光レンズ２３０に至るまでの上記光路中に配された、レーザ光Ｌａｃの光軸に対して対称な位置を伝播する２つの波面成分の所定面Ｈｐ上での干渉性を低減させるとともに、他のレーザ光Ｌｂｄの光軸に対して対称な位置を伝播する２つの波面成分の所定面上での干渉性を低減させる後述する干渉性低減手段とを備えている。

なお、上記４個の半導体レーザ２２３、４個のコリメートレンズ１２４、偏光合波手段、光路変位手段、干渉性低減手段等が半導体レーザ光源部２２１Ｇを構成している。

すなわち、上記レーザ光照射装置２２１は、ここでは半導体レーザ光源部２２１Ｇと集光レンズ２３０とから構成されるものである。

上記集光レンズ２３０は角度合波手段を兼ねるものである。

上記偏光合波手段は、偏光ビームスプリッタであるＰＢＳ１２６Ａ，ＰＢＳ１２６Ｂ、および１／２波長位相差素子である１／２波長板１２７を組合わせたものである。上記ＰＢＳ１２６Ａ，ＰＢＳ１２６Ｂはいずれも、直角プリズムを２個接着してなるキューブ状の偏光ビームスプリッタである。なお、上記干渉性低減手段は、半導体レーザ２２３におけるレーザ光ＬＬの射出面から離れた遠方でのレーザ光ＬＬの光強度分布を示す遠視野像の形成位置近傍に配置されている。

ＰＢＳ１２６Ａに入射したレーザ光Ｌａ，Ｌｂが射出されるこのＰＢＳ１２６Ａの射出面と、このＰＢＳ１２６Ａの射出面から射出されたレーザ光Ｌａ，Ｌｂを入射させるＰＢＳ１２６Ｂの入射面とが接合または隣接配置されている。また、レーザ光Ｌｃ，Ｌｄを入射させるＰＢＳ１２６Ｂの入射面上には、レーザ光Ｌｃ，Ｌｄの偏光方向を９０°回転させる１／２波長板１２７が取り付けられている。

ＰＢＳ１２６Ａが、例えばＰ波成分を反射させＳ波成分を反射させる場合には、ＰＢＳ１２６Ａに入射したレーザ光Ｌａ，Ｌｂは、各々Ｓ波成分がＰＢＳ１２６Ａを透過し、Ｐ波成分がＰＢＳ１２６Ａ内で反射されてＰＢＳ１２６Ｂに入射するようになっている。なお、上記ＰＢＳ１２６Ａに入射するレーザ光Ｌａ，ＬｂはＰ波成分の多い偏光の向きとなっている。

また、ＰＢＳ１２６Ｂは、ＰＢＳ１２６Ａとは反対にＳ波成分を反射させＰ波成分を透過するようになっており、ＰＢＳ１２６Ａによって反射されたＰ波成分はそのままＰＢＳ１２６Ｂを透過する。

上記レーザ光Ｌｃ，Ｌｄは各々、１／２波長板１２７により偏光方向を９０°回転させてからＰＢＳ１２６Ｂへ入射させることにより、今度はＳ波成分の多い偏光の向きとなるので、従ってＳ波を反射するＰＢＳ１２６Ｂにおいては、光量の割合の少ないＰ波成分がＰＢＳ１２６Ｂを透過して、光量の割合の多いＳ波が反射される。

半導体レーザは、比較的光出力が小さく、単独では高速走査アニールするために必要な光パワー密度が得られないので、半導体レーザ光源部２２１Ｇは、複数（ここでは４個）の半導体レーザ２２３を備える構成としている。さらに、後述するレーザアニール装置１００のレーザヘッド１２０は半導体レーザ光源部２２１Ｇを複数（ここでは８個）備える構成となっている。

個々の半導体レーザ２２３から出射されたレーザ光を角度合波のみで合波すると、焦点深度が浅くなり、焦点ずれによる光強度ばらつきが大きくなる恐れがある。マルチ横モードの半導体レーザでは、ファスト軸方向の放射角度が４０°〜６０°であり、スロー軸方向の放射角度１５°〜２５°である。本実施形態では、複数の半導体レーザ２２３から出射されたレーザ光Ｌａ〜Ｌｄを、ファスト軸方向に偏光合波させ、上記ファスト軸方向と直交するスロー軸方向に角度合波させる構成とすることで、焦点ずれによる光強度ばらつきを抑制し、必要な光パワー密度を得ている。なお、上記角度合波させるスロー軸方向は、上記光路変位手段によりレーザ光の光路を変位させる方向とすることが望ましい。

半導体レーザ光源部２２１Ｇからレーザ光が射出される出口には、マルチ横モードの半導体レーザ２２３から出射される個々の次数の高次横モードのレーザ光の波面成分であって、光軸に対して略対称方向に伝播する２つの波面成分の干渉性を低減するために、後述する１／２波長位相差素子１２８が設けられている。１／２波長位相差素子１２８は、上記２つの波面成分のうち一方の波面成分の偏光方向を９０°回転させるものである。したがって、上記１／２波長位相差素子１２８は、上記レーザ光の光軸を通りこの光軸と直交する直線を間に挟んで互に対向する２つの光束のうちの片側の光束のみを通すように配置されている。

上記光路変位手段は、ここでは、反射ミラー１２５Ａ〜１２５Ｄ（以後、まとめて反射ミラー１２５ともいう）と１／２波長板１２７とＰＢＳ１２６ＡとＰＢＳ１２６Ｂとで構成されている。

上記光路変位手段は、各半導体レーザ２２３から射出され反射ミラー１２５で反射されて互いの光軸の間隔が狭くなったレーザ光Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｄのうちのレーザ光Ｌａ、Ｌｃを上記偏光合波手段に通して偏光合波させたレーザ光Ｌａｃと、レーザ光Ｌｂ、Ｌｄを上記偏光合波手段に通して偏光合波させたレーザ光Ｌｂｄとを得る。そして、レーザ光Ｌａｃとレーザ光Ｌｂｄとを、両レーザ光の光軸を互に平行にせしめた状態で、かつ、両光軸間の間隔を半導体レーザ２２３Ａ〜２２３Ｄから射出されるときの各レーザ光Ｌａ〜Ｌｄの光軸間の間隔よりも小さくせしめた状態で集光レンズ２３０へ入射させるように、両レーザ光の光路（レーザ光Ｌａｃの光路とレーザ光Ｌｂｄの光路）の一方、または両方を変位させる。

ここで、レーザ光Ｌａｃとレーザ光Ｌｂｄとを、両レーザ光の光軸を互に平行にせしめた状態で、かつ、両光軸間の間隔を半導体レーザ２２３Ａ〜２２３Ｄから射出されるときの各レーザ光Ｌ１〜Ｌ４の光軸間の間隔よりも小さくせしめた状態で集光光レンズ２３０へ入射させるとは、以下のような態様を意味するものである。

すなわち、レーザ光Ｌａｃを構成するレーザ光Ｌａ、Ｌｃが半導体レーザ２２３Ａ、２２３Ｃから射出されたときの光軸それぞれを光軸Ｊａ、Ｊｃ、レーザ光Ｌｂｄを構成するレーザ光Ｌｂ、Ｌｄが半導体レーザ２２３Ｂ、２２３Ｄから射出されたときの光軸それぞれを光軸Ｊｂ、Ｊｄ、レーザ光Ｌａｃ、Ｌｂｄそれぞれの光軸を光軸Ｊａｃ、光軸Ｌｂｄとする。このときに、光軸Ｊａ、Ｊｃのうちの１つの光軸と光軸Ｊｂ、Ｊｄのうちの１つの光軸との間の最小間隔よりも、光軸Ｊａｃと光軸Ｌｂｄとの間隔の方が小さくなるように、上記光路変位手段が両レーザ光Ｌａｃ、Ｌｂｄの光路を変位させ、かつ、両レーザ光Ｌａｃ、Ｌｂｄの光軸Ｊａｃ、Ｌｂｄを互に平行にせしめることを意味する。

ここでは、上記半導体レーザ２２３Ａ〜２２３Ｄから射出されるときの光軸Ｊａ、Ｊｃのうちの１つの光軸と光軸Ｊｂ、Ｊｄのうちの１つの光軸との間の最小間隔は、光軸Ｊａと光軸Ｊｂ、光軸Ｊｃと光軸Ｊｂ、光軸Ｊｃと光軸Ｊｄそれぞれの間隔はいずれも値Ｖｐで互に等しいので、上記最小間隔の値は値Ｖｐとなる。一方、光軸Ｊａｃと光軸Ｌｂｄとの間隔の値を値Ｖｑとすると、上記光路変位手段は、光軸Ｊａｃ、Ｌｂｄを互に平行にせしめた状態で、光軸Ｊａｃ、Ｌｂｄ間の間隔Ｖｑを上記最小間隔Ｖｐよりも小さくするように、すなわち、間隔Ｖｑ＜間隔Ｖｐの条件を満足するように、両レーザ光Ｌａｃ、Ｌｂｄの光路を変位させる。

また、上記干渉性低減手段は、上記コリメートレンズ１２４から集光レンズ２３０に至るまでの光路中に配された、合波されたレーザ光Ｌａｃの光軸に対して対称な位置を伝播する２つの波面成分の上記所定面Ｈｐ上での干渉性を低減させる干渉性低減手段である１／２波長位相差素子１２８Ａ（例えば１／２波長板）と、合波されたレーザ光Ｌｂｄの光軸に対して対称な位置を伝播する２つの波面成分の上記所定面Ｈｐ上での干渉性を低減させる干渉性低減手段である１／２波長位相差素子１２８Ｂ（例えば１／２波長板）とを有するものである。

図１９に示すように、上記半導体レーザ２２３等のマルチ横モードの半導体レーザＬＤは、次数の異なる複数の高次横モードが同時に発振される。図１９（ａ）に示す如く、任意の１つの次数ｍの高次横モード光の近視野像ＮＦＰ（ｍ）は、次数に応じて複数のピークを持つ強度分布を有し、隣接するピーク間の位相が反転した像である。図１９（ｂ）に模式的に示す如く、半導体レーザＬＤの光導波路Ｒには、光軸Ａに対して平行な２つの壁面Ｅ１、Ｅ２がある。ある１つの次数の高次横モード光は、これら２つの壁面Ｅ１、Ｅ２間で反射を繰り返して出射されるので、ある１つの次数の高次横モード光は概略、光軸Ａに対して略対称方向に伝播する２つの波面成分Ｗ１とＷ２とが複数重ね合わされたものとなる。

２つの波面成分Ｗ１とＷ２とは概略、波面成分Ｗ１が壁面Ｅ１で反射されるときに波面成分Ｗ２が壁面Ｅ２で反射され、波面成分Ｗ１が壁面Ｅ２で反射されるとき波面成分Ｗ２が壁面Ｅ１で反射される関係にある。これら２つの波面成分Ｗ１とＷ２との干渉により、上記の強度分布と位相分布を有する近視野像ＮＦＰ（ｍ）が形成されると考えられる。

実際には次数の異なる複数の高次横モードが同時に発振されるので、実際の近視野像ＮＦＰは、次数の異なる複数の高次横モードの近視野像ＮＦＰ（ｍ）が重なったものとなる。

任意の１つの次数ｍの高次横モード光に着目すれば、上記２つの波面成分Ｗ１とＷ２は光軸Ａに対して略対称方向に伝播し、光軸Ａに対して略対称な双峰性の強度分布Ｐ１、Ｐ２を有する遠視野像ＦＦＰ（ｍ）を形成することになる。

高次横モード光は次数が異なっても、光軸Ａに対して略対称方向に伝播する上記２つの波面成分Ｗ１とＷ２とが複数重ね合わされて構成される。ただし、双峰性の光強度分布Ｐ１、Ｐ２のピーク分離角θは、半導体レーザの光導波路Ｒのストライプ幅及び屈折率分布、発振波長、高次横モードの次数等により決定され、次数が高くなる程ピーク分離角θが大きくなる傾向にある。

この図では、双峰性の光強度分布Ｐ１、Ｐ２のピーク分離角θが最も大きい高次横モード光の遠視野像ＦＦＰ（ｍ）を実線で示し、その他の次数の高次横モード光の遠視野像ＦＦＰ（ｍ）を破線で示してある。

互に異なる次数の高次横モード光の間の干渉性は小さいが、同一次数の高次横モード光を構成する上記２つの波面成分Ｗ１とＷ２の間の干渉性は大きい。そこで、本実施形態では、２つの波面成分Ｗ１とＷ２のうち一方の波面成分Ｗ２の偏光方向を９０°回転させる１／２波長位相差素子１２８を設けて、これら２つの波面成分Ｗ１とＷ２との干渉性を低減し、半導体レーザＬＤからの出射光の強度分布が均一になるように構成されている。

上記のように構成されたレーザ光照射装置２２１では、各半導体レーザ２２３から射出された各レーザ光Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｄを、コリメートレンズ１２４および反射ミラー１２５へ通し、さらに、１／２波長板１２７、ＰＢＳ１２６Ａ、１２６Ｂ等へ通して偏光合波および光路変位させた互に平行な光軸を有する２つのレーザ光Ｌａｃ，Ｌｂｄを得る。そして、上記レーザ光照射装置２２１は、これらのコリメートされた互に光軸が平行なレーザ光Ｌａｃ，Ｌｂｄを集光レンズ２３０へ入射させ、集光レンズ２３０の作用により、２つレーザ光Ｌａｃ，Ｌｂｄの各光軸Ｊａｃ、Ｊｂｄを所定面Ｈｐ上で交差させるようにして上記各レーザ光の光束を集光させて、上記２つレーザ光Ｌａｃ，Ｌｂｄそれぞれを所定面Ｈｐ上のスポット状の領域に集光させる。

なお、上記態様は、４つの各半導体レーザ２２３から射出された４つの各レーザ光Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｄをスポット状の１点に集光させる場合について説明したが、このような場合に限らない。

本願発明のレーザ光照射方法および装置は、例えば、３つの各半導体レーザから射出された３つの各レーザ光をスポット状の１点に集光させたり、５つ以上の各半導体レーザから射出された５つ以上の各レーザ光をスポット状の１点に集光させたりしてもよい。

例えば、３つの各半導体レーザから射出された３つの各レーザ光をスポット状の１点に集光させる場合には、偏光合波手段により、第１および第２の半導体レーザから射出されコリメートされた第１および第２のレーザ光を偏光合波させ光軸を一致させて１つのレーザ光にまとめるとともに、光路変位手段により上記まとめられたレーザ光と第３の半導体レーザから射出されコリメートされた第３のレーザ光との互いの光軸を平行にし、かつ、半導体レーザから射出されたときよりも互いの光軸を接近させて上記第１〜第３のレーザ光を集光レンズに入射させることにより、上記と同様の効果を得ることができる。

ここで、半導体レーザから射出されたときよりも互いの光軸を接近させるとは、第３の半導体レーザから射出されるときの第３のレーザ光の光軸と第１の半導体レーザから射出されるときの第１のレーザ光の光軸との間隔、および上記第３のレーザ光の光軸と第２の半導体レーザから射出されるときの第２のレーザ光の光軸との間隔のうちのいずれか小さい方の間隔よりも、上記偏光合波でまとめられたレーザ光の光軸と第３のレーザ光の光軸との間隔を小さくすることを意味する。

すなわち、例えば、上記図１８に示すレーザ光照射装置において、半導体レーザ２２３Ｄを除いた３つの半導体レーザ２２３Ａ、２２３Ｂ、２２３Ｃのみを用いて、所定面Ｈｃ上へ３つのレーザ光Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃをスポット状に集光させるようにしても上記と同様の効果を得ることができる。

次に、上記レーザ光照射装置２２１を複数適用して構成した、本発明の他の態様のレーザ光照射装置であるマルチビーム走査光学系２００について説明する。

図２０は本発明のレーザ光照射装置を採用したマルチビーム走査光学系の概略構成を示す概念図、図２１は上記マルチビーム走査光学系をレーザ光が並ぶ方向（図中Ｘ方向）から見た様子を示す概念図、図２２は上記マルチビーム走査光学系をレーザ光の伝播方向（図中Ｚ方向）から見た様子を示す概念図である。

なお、上記レーザ光照射装置２２１の構成要素と同等の構成要素には同じ参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

ここでは、マルチビーム走査光学系２００は、上記レーザ光照射装置２２１を構成する半導体レーザ光源部２２１Ｇと同等の合波半導体レーザ光源を８個備えており、各合波半導体レーザ光源２１０a、ｂ、・・から射出されたレーザ光は１つの集光レンズによって所定面Ｈｐ上の１方向（図中矢印Ｘ方向）に並ぶ８つの領域それぞれにスポット状に集光される。

図２０、２１、２２に示すマルチビーム走査光学系２００は、同一平面Ｈａ上に並べて配設された複数の合波半導体レーザ光源２１０ａ、２１０ｂ、・・・（以後、まとめて合波半導体レーザ光源２１０ともいう）と、各合波半導体レーザ光源２１０ａ、２１０ｂ、・・・から射出された各レーザ光Ｌａ、Ｌｂ・・・（以後、まとめてレーザ光Ｌともいう）についての近視野像を非晶質半導体膜２４９上の領域である所定面Ｈｐ上に結像させる１つの集光レンズ２３０と、コリメートされた各レーザ光Ｌａ、Ｌｂ、・・・が、集光レンズ２３０の入射瞳Ｉｒを通過してこの集光レンズ２３０に入射するように各レーザ光Ｌａ、Ｌｂ・・・を偏光させる偏向光素子であるプリズム２４０ａ、２４０ｂ、・・・（まとめてプリズム２４０ともいう）とを備えている。

上記非晶質半導体膜２４９は、この非晶質半導体膜２４９中の結晶状態の違い（場所による結晶状態の違い）に応じてレーザ光Ｌの照射を受けたときの上記レーザ光Ｌから吸収するエネルギの吸収率が変動するものである。

上記マルチビーム走査光学系２００は、レーザ光Ｌを非晶質半導体膜２４９上の領域である上記所定面Ｈｐへ走査させるときに、非晶質半導体膜２４９で吸収されるレーザ光Ｌのエネルギがこの非晶質半導体膜２４９上の場所によらず一定となるように、レーザ光Ｌの光強度または走査速度を調節する吸収エネルギ調節手段である後述の空間変調素子２４５および後述の動的偏向手段を制御する走査速度制御部２５５を備えている。なお、上記空間変調素子２４５はレーザ光Ｌの光強度を調節するものであり、速度制御部２５５はレーザ光Ｌの走査速度を調節するものである。

上記動的偏向手段としては、所定面Ｈｐ上における８つの各レーザ光Ｌａ、Ｌｂ、・・・の集光点であるスポット状の８つの結像点Ｐａ、Ｐｂ・・・（以後、まとめて結像点Ｐともいう）を走査させるガルバノメータ２５０を採用することができ、上記走査速度制御部２５５はこのガルバノメータ２５０の走査速度を制御するものである。

上記空間変調素子２４５は、レーザ光Ｌの光路中に配された逆フーリエ変換プロファイルの複素振幅分布を持つ空間変調素子である。なお、吸収エネルギ調節手段としては、レーザ光Ｌの波長を合波させる波長合波素子２４６等を採用してもよい。

ここで、上記合波半導体レーザ光源２１０ａから射出されるレーザ光Ｌａは、互に光軸が平行で異なる光路を通る２つのコリメートされたレーザ光からなるものである。他の合波半導体レーザ光源２１０ｂ、２１０ｃ・・・から射出されるレーザ光Ｌｂ、Ｌｃ・・・のそれぞれも、互に光軸が平行で異なる光路を通る２つのコリメートされたレーザ光からなるものである。また、合波半導体レーザ光源２１０ａ、２１０ｂ・・・から射出される各レーザ光Ｌａ、Ｌｂ・・・も互に光軸が平行となるように調節されている。

なお、上記偏向光素子の代わりに回折光学素子等を採用することができる。

また、上記偏向光素子であるプリズム２４０は、個別の部材で構成されたものとしたり、アレイ状に一体化されたものとすることができる。

また、各プリズム２４０ａ、２４０ｂ、・・・は、各レーザ光Ｌａ、Ｌｂ、・・・が集光レンズ２３０の後側焦点ｆｂの近傍を通るように各レーザ光Ｌａ、Ｌｂ、・・・の光路を偏向させる。上記各レーザ光Ｌを集光レンズ２３０の後側焦点ｆｂに通すことにより各レーザ光Ｌを所定面Ｈｐ上の各領域に正確に結像させることができる。しかしながら、必ずしも各レーザ光Ｌａ、Ｌｂ、・・・が上記後側焦点ｆｂを通らなくても、各レーザ光Ｌを上記集光レンズ２３０の入射瞳Ｉｒに通せば、実質的に各レーザ光Ｌを所定面Ｈｐ上に結像させることができる。

なお、上記集光レンズ２３０は像側テレセントリックな結像光学系であるが、集光レンズ２３０としては必ずしも像側テレセントリックな結像光学系を採用する場合に限らない。

上記マルチビーム走査光学系２００は、さらに、各レーザ光Ｌａ、Ｌｂ、・・・それぞれの結像点Ｐａ、Ｐｂ・・・（以後、まとめて結像点Ｐともいう）が所定面Ｈｐ上で並ぶ方向（図中矢印Ｘ方向）と交差する方向に、結像点Ｐａ，Ｐｂ、・・・が移動するように、コリメートされた各レーザ光Ｌａ、Ｌｂ、・・・を動的に偏向させる動的偏向手段であるガルバノメータ２５０を備えている。なお、上記動的偏向手段としてはポリゴンミラーを採用することもできる。

なお、所定面Ｈｐ上に結像された各レーザ光Ｌａ、Ｌｂ、・・・の結像点Ｐａ、Ｐｂ・・・が所定面Ｈｐ上で走査される方向（図中矢印Ｚ方向）に対して直交する方向（図中矢印Ｘ方向）と各レーザ光Ｌａ、Ｌｂ、・・・のスロー軸の方向とを互に一致させることが望ましい。

上記ガルバノメータ２５０は、上記レーザ光Ｌを反射させるガルバノミラー２５１と、ガルバノミラー２５１を回動可能に支持する回転軸２５２と、上記回転軸２５２を回動させて上記ガルバノミラー２５１を往復回動させる駆動モータ２５３とを有している。

上記回転軸２５２の回転軸線２５２Ｊが、上記後側焦点ｆｂおよび各レーザ光Ｌを反射させるガルバノミラー２５１の反射面Ｍｈを通るように、上記ガルバノメータ２５０の位置が定められている。

なお、マルチビーム走査光学系２００は、上記複数の合波半導体レーザ光源２１０ａ、２１０ｂ、・・・を冷却するための冷却部２８２を備えている。上記８個の合波半導体レーザ光源２１０ａ、２１０ｂ、・・・は、上記冷却部２８２上にマウントされている。

上記冷却部２８２は、合波半導体レーザ光源２１０の側に上記平面Ｈａと平行な冷却面２８２ｍを有している。この冷却面２８２ｍは、上記平面Ｈａと平行であって上記合波半導体レーザ光源２１０の上記冷却部２８２の側の面である被冷却面２８２ｒに接触せしめられて、上記合波半導体レーザ光源２１０ａ、２１０ｂ、・・・が冷却される。すなわち、各合波半導体レーザ光源２１０は冷却部２８２によって冷却される。

次に上記マルチビーム走査光学系２００の作用について説明する。

合波半導体レーザ光源２１０ａ、２１０ｂ、・・・を駆動し、各合波半導体レーザ光源２１０から各レーザ光Ｌを所定の出力で射出させるとともに、冷却部２８２による各合波半導体レーザ光源２１０の冷却を開始する。

合波半導体レーザ光源２１０はレーザ光Ｌの出力にともない発熱するが、冷却部２８２の冷却により上記合波半導体レーザ光源２１０の温度は所定の一定温度に保たれる。

上記合波半導体レーザ光源２１０からコリメートされて射出された互に平行な各レーザ光Ｌは、プリズム２４０に入射する。各プリズム２４０は、上記入射した各レーザ光Ｌを、これらのレーザ光Ｌが集光レンズ２３０における入射瞳Ｉｒおよび後側焦点ｆｂを通るように偏向させる。

上記入射瞳Ｉｒおよび後側焦点ｆｂに向かって伝播する各レーザ光Ｌは、上記入射瞳Ｉｒおよび後側焦点ｆｂを通るとともに、ガルバノミラー２５１の反射面Ｍｈで反射されて集光レンズ２３０に入射する。

上記集光レンズ２３０に入射した各レーザ光Ｌは、この集光レンズ２３０で集光され所定面Ｈｐ上に結像される。

上記所定面Ｈｐ上に結像された各レーザ光Ｌの結像点Ｐａ、Ｐｂ・・・は、ガルバノミラー２５１の往復回動に応じて、各結像点Ｐａ、Ｐｂ・・・が上記所定面Ｈｐ上すなわち非晶質半導体膜２４９上で並ぶ方向と交差する方向（図中矢印Ｚ方向）に移動せしめられる。

ここで、非晶質半導体膜２４９上に照射されるレーザ光の光強度は、上記空間変調素子２４５により静的に調節されるとともに、速度制御部２５５により動的に調節される。これにより、非晶質半導体膜２４９中の結晶状態の違いに応じたレーザ光のエネルギの吸収率の変動を相殺するように上記レーザ光Ｌを非晶質半導体膜上に照射することができ、この非晶質半導体膜で吸収されるレーザ光Ｌのエネルギを上記非晶質半導体膜上のいずれの領域においても一定とすることができる。

なお、本発明のレーザ光照射装置は、必ずしも上記干渉性低減手段を備える場合に限らず、上記干渉性低減手段を備えなくても上記と同様の効果を得ることができる。

以下、上記マルチビーム走査光学系を適用可能なレーザアニール装置およびこの装置を用いて実施するレーザアニールについて図１から１８を参照して説明する。

なお、上記レーザ光照射装置２２１あるはマルチビーム走査光学系２００の構成要素と同等の構成要素には同じ参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

ここで、上記レーザアニール装置を構成するための、後述する被アニール半導体膜を載置する基板ステージ１１０、レーザ光を出射するレーザヘッド１２０、およびレーザヘッド１２０から出射されたレーザ光を走査する走査光学系１４０のうちの、レーザヘッド１２０および走査光学系１４０からなる構成要素に対して上記マルチビーム走査光学系２００を適用することができる。

「レーザアニール方法」
従来より、非結晶シリコン（ａ−Ｓｉ）と多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）とは、レーザ光の波長に対するエネルギの吸収特性が異なることは知られていた。しかしながら、従来は、粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとはいずれも多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）であり、これらのレーザ光に対するエネルギの吸収特性に違いがあるとは考えられていなかった。

本発明者は、粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとについて、レーザ光の波長に対する吸収特性について評価を実施し、これらの吸収特性に差があることを見出した。そして、粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつラテラル結晶部分が融解しないレーザ光の照射条件が存在することを見出した。本発明者は、かかるレーザ光の照射条件でレーザアニールを行うことにより、いったん生成されたラテラル結晶は再融解せず、その結晶性が変化することなく、粒状結晶部分及び非結晶部分のみを選択的に融解させて、これらをラテラル結晶化することができ、略全面ラテラル結晶とすることができることを見出した。以下、本発明者が行った評価について説明する。

ＧａＮ系半導体レーザ（発振波長４０５ｎｍ）を用い、非結晶シリコン（ａ−Ｓｉ）膜に対して細長い矩形状のレーザ光Ｌを相対走査しながら連続照射して、レーザアニールを行った。基板平面をｘｙ平面とし、レーザ光の主相対走査方向をｘ方向、副相対走査方向をｙ方向とする。

図１（ａ）に示すように、あるｙ位置でレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を１回実施すると、レーザ光Ｌの主相対走査方向ｘに延びる横方向成長のラテラル結晶が生成し、ラテラル結晶の生成領域の外側に、結晶粒の小さい粒状結晶（粒状ｐｏｌｙ−Ｓｉ）が生成される。この１回だけのレーザ光Ｌの相対走査後には、帯状に延びるラテラル結晶成長の領域を挟んで両側に、粒状結晶が生成される。

ここでは、レーザ光Ｌが直接照射される領域内の端部に、粒状結晶が生成された場合について、図示してある。レーザアニール条件によっては、レーザ光Ｌが直接照射される領域内の端部、及び／又はレーザ光Ｌは直接照射されないが熱が伝導する領域（＝レーザ光Ｌが直接照射される領域のすぐ外側の領域）に、粒状結晶が生成される。

なお、本明細書において、レーザ光の相対走査を実施してラテラル結晶を成長させる場合、あるｙ位置でレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を１回実施したときにアニールされる領域を、「１回のレーザアニールのアニール領域」と言う。

膜全面を処理するために、図１（ｂ）に示すように、ｙ位置を変えてレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を繰り返し実施する。ｙ位置を変えてレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を実施する際には、ｙ位置を変える前にラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して、レーザアニールを実施する。このとき、先に生成されたラテラル結晶に重ねてレーザ光Ｌを照射してもよい。

図示するように、ｙ位置を変えてレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を実施する際（アニール領域を変える際）には、被アニール半導体膜に対して、先にレーザ光Ｌが照射された領域と次にレーザ光Ｌが照射される領域とが部分的に重なるよう、レーザアニールを実施することが好ましい。

図１（ａ）中、被アニール半導体膜に符号２０を付し、基板ステージに符号１１０を付し、レーザヘッドに符号１２０を付してある。図１（ａ）は、あるｙ位置でレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を１回実施している途中の図である。ここでは、視認しやすくするため、膜に対してレーザヘッドの大きさを大きく図示してある。

図１（ｂ）はｙ位置を変えてレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を繰り返し実施したときの結晶化のイメージ平面図である。図中、レーザ光Ｌが照射された領域のうち特にハッチングを付けていない領域がラテラル結晶の生成領域である。

ラテラル結晶部分（ラテラルｐｏｌｙ−Ｓｉ）、粒状結晶部分（粒状ｐｏｌｙ−Ｓｉ）、及び非結晶部分（ａ−Ｓｉ）について各々、測定光の波長を変えて、エリプソメータにて複素屈折率ｎ＋ｉｋ（ｋは消衰係数であり、ｉｋは虚数部を示す。）を測定した。各結晶状態における波長と屈折率ｎとの関係を図２に示す。また、下記式に基づいて、各結晶状態における波長と吸収係数αとの関係を求めた。結果を図３に示す。いずれの結晶状態においても、４００ｎｍ付近で吸収係数が大きく低下する傾向にあることが明らかとなった。
吸収係数α=ｋ／４πλ
（式中、ｋは消衰係数、λは波長である。）

次に、ラテラル結晶シリコン、粒状結晶シリコン、及び非結晶シリコンについて各々、各波長におけるシリコン膜の吸収率を求めた。

レーザヘッドからの出射エネルギーは、レーザアニール装置に組み込まれた各種光学系を透過する間に生じる損失、及び膜表面でのフレネル反射による損失によって減衰して、膜に吸収される。膜に吸収される光エネルギーは下記式で表される。
（膜に吸収される光エネルギー）＝（膜に照射される光エネルギー）×（表面反射せずに膜に入射する光量の割合）×（膜に吸収される光量の割合）

上記式中の（表面反射せずに膜に入射する光量の割合）×（膜に吸収される光量の割合）が吸収率である。吸収率は、膜に照射されたレーザ光の光量に対して膜に吸収される光量の割合であり、吸収率＝ａ×ｂで表される。

上記式中、ａは膜に吸収される光量の割合であり、下記式から求められる。膜厚ｔは、レーザアニールにより結晶化を行ってポリシリコンＴＦＴを形成する場合に一般的な５０ｎｍとした。
ａ＝ｅｘｐ^−αｔ
（式中、αは吸収係数、ｔは膜厚）

上記式中、ｂは表面反射せずに膜に入射する光量の割合であり、下記式から求められる。ｂはレーザヘッドから出射されたレーザ光の光量からフレネル反射による膜表面での損失分を差し引いて求められる量である。
ｂ＝１−（（１−ｎ）／（１＋ｎ））^２
（式中、ｎは屈折率である。）

さらに、各波長において、非結晶シリコンの吸収率に対する粒状結晶シリコンの吸収率比（＝粒状ｐｏｌｙ−Ｓｉの吸収率／ａ−Ｓｉの吸収率）、及び非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比（＝ラテラルｐｏｌｙ−Ｓｉの吸収率／ａ−Ｓｉの吸収率）を求めた。これらの吸収率比は、非結晶シリコンの吸収率を１としたときの、粒状結晶シリコンの相対吸収率及びラテラル結晶シリコンの相対吸収率である。結果を図４に示す。

粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとはいずれも多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）であるが、図４には、レーザ光の波長に対するこれらのレーザ光の吸収特性が大きく異なることが示されている。

図２〜図４に示すように、粒径の小さい粒状結晶シリコン（粒状ｐｏｌｙ−Ｓｉ）は、非結晶シリコン（ａ−Ｓｉ）とラテラル結晶シリコン（ラテラルｐｏｌｙ−Ｓｉ）との中間的な特性を示すことが明らかとなった。このように、ラテラル結晶シリコンと粒状結晶シリコンとを分けて、吸収特性を評価した例は、過去には見当たらない。

図４に示すように、３５０ｎｍ未満の波長域では、粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとの吸収特性に大きな差はなく、いずれも、非結晶シリコンの吸収率の０．７〜０．９倍程度の高い吸収率を示すことが明らかとなった。これに対して、３５０ｎｍ以上の波長域では、粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとはいずれも、長波長になるにつれて非結晶シリコンに対する吸収率比が低下する傾向にあるが、ラテラル結晶シリコンの方が、非結晶シリコンに対する吸収率比の低下のレベルがより大きく、しかもその低下がより短波長側で起こることが明らかとなった。３５０〜６５０ｎｍの波長域では、非結晶シリコンに対する粒状結晶シリコンの吸収率比と、非結晶シリコンに対するラテラル結晶シリコンの吸収率比との差が大きくなっている。

図４は非結晶シリコン（ａ−Ｓｉ）の吸収率を基準とした相対的な吸収率比を示すものであるが、図３に示すように、絶対的な吸収率の値で見れば、５００ｎｍ以上の波長域においては、ラテラル結晶シリコン、粒状結晶シリコン、及び非結晶シリコンのすべての吸収率が著しく小さくなる。したがって、ラテラル結晶シリコンの吸収率と粒状結晶シリコンの吸収率との差が大きく、かつ、粒状結晶シリコン及び非結晶シリコンの吸収率がある程度高い範囲内で、用いるレーザ光の波長を決定することが好ましい。

すなわち、膜厚ｔ＝５０ｎｍの条件では、３５０〜５００ｎｍ、好ましくは３５０〜４５０ｎｍの波長域にあるレーザ光を用いることで、粒状結晶部分及び非結晶部分を融解させてラテラル結晶化することができ、かつ既に生成されたラテラル結晶部分は融解させないレーザアニールを実施することができる。

現在レーザアニールに一般に使用されているエキシマレーザ光は波長３００ｎｍ以下の紫外レーザ光であるので、ラテラル結晶部分と粒状結晶部分と非結晶部分とはいずれも吸収率が高く、吸収特性に大きな差はない。

また、「背景技術」の項で挙げた特許文献１〜５で用いられている可視レーザ光は、固体レーザの第２高調波等の５００〜５５０ｎｍの波長域のレーザ光である。かかる波長域では、図４ではラテラル結晶部分と粒状結晶部分との吸収特性に大きな差があるように見えるが、図３に示すように、非結晶部分の吸収率自体が小さいため、実際にはラテラル結晶部分と粒状結晶部分との吸収特性に大きな差はない。

すなわち、従来は、ラテラル結晶部分と粒状結晶部分との吸収特性に大きな差のない３００ｎｍ以下の波長域、あるいは５００〜５５０ｎｍの波長域のレーザ光が用いられていた。そして、ラテラル結晶部分と粒状結晶部分とはいずれも多結晶シリコンであるから、吸収特性に大きな差はないと考えられていた。本発明者は、ラテラル結晶部分と粒状結晶部分との吸収特性に大きな差が現れる波長域が存在することをはじめて明らかにした。

特開2004-64066号公報には、ＧａＮ系半導体レーザ（波長３５０〜４５０ｎｍ）を用いたレーザアニール装置が開示されている。照射条件としては、走査速度３０００ｍｍ／ｓ、非結晶シリコン膜面上における光パワー密度６００ｍＪ／ｃｍ^２が挙げられている（段落０１２７）。しかしながら、この文献では、結晶状態と吸収率の関係などについては、検討されていない。

単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）の融点は約１４００℃であり、非結晶シリコン（ａ−Ｓｉ）の融点は約１２００℃である。したがって、粒状結晶部分及び非結晶部分を融解させるには、粒状結晶部分及び非結晶部分におけるレーザ光の表面到達温度が約１４００℃以上であることが好ましい。

本発明者が、ＧａＮ系半導体レーザ（発振波長４０５ｎｍ）を用い、非結晶シリコン膜に対して、レーザ光の相対走査速度０.０１ｍ／ｓ以上の条件で、レーザヘッドからの出射光量を変えてレーザアニールを行い、レーザビームの中央部分において実際にラテラル結晶が成長するのか否かをＳＥＭ及びＴＥＭにより観察し、ラテラル結晶成長に必要なレーザ光の表面到達温度を求めたところ、約１７００℃であった。また、実際の実験から、レーザ光の表面到達温度が約２２００℃以上では、アブレーションにより膜の部分的な剥離が生じる場合があることが分かった。すなわち、粒状結晶部分及び非結晶部分をラテラル結晶化するには、これらの部分におけるレーザ光の表面到達温度が約１７００〜２２００℃であることが好ましい。レーザ光の表面到達温度は、レーザ光が照射されたときの瞬間的な膜表面温度である。

表面到達温度は、シリコン膜に入射する光量（この光量は、レーザヘッドからの出射光量から、レーザアニール装置に組み込まれた各種光学系を透過する間に生じる光量損失、及び膜表面におけるフレネル反射による光量損失を差し引いて求められる。）、及びシリコン膜の吸収率から、理論的に求められる。

レーザ光の表面到達温度を所望の温度とするのに、必要な照射エネルギーは下記式で概念的に表される。なお、各エネルギーは、時間変化及び温度変化するため、単純には表記できないが、ここでは概念的に示してある。式中、融解エネルギーＥ２は、融点にて必要なエネルギーである。
（照射エネルギーＥ１）＝（融解エネルギーＥ２）＋（所望の温度に上昇させるために必要なエネルギーＥ３）＋（放熱エネルギーＥ４）

参考のために、１μｍ×１μｍ×５０ｎｍの直方体を加熱したときの断熱モデルでの計算例を示す。ここでは、所望の温度が１４００℃の条件で計算してある。

１μｍ×１μｍ×５０ｎｍの体積中に含まれるＳｉを融解させるために必要な融解エネルギーＥ２は、以下のように算出される。
Ｅ２＝（単位融解エネルギー）×（1μm×1μm×50nmの体積中に含まれるＳｉのモル数）＝46×10³×((2.32 g/cm³)×(10^-6×10^-6×50×10^-9 m³)/28)＝1.9×10^-10 J

１μｍ×１μｍ×５０ｎｍの体積中に含まれるＳｉを所望の温度（この計算例では１４００℃＝融点）に上昇させるために必要なエネルギーＥ３は、以下のように算出される。
Ｅ３＝（比熱）×（1μm×1μm×50nmの体積中に含まれるＳｉの質量）×（所望の温度）＝770J/kg K×(2.32g/cm³×(10^-6×10^-6×50×10^-9 m³))×1400℃＝1.3×10^-10 J

レーザ光の表面到達温度が２２００℃となる吸収光エネルギーに対するエネルギー比と、レーザ光の表面到達温度との関係を図５に示す。非結晶シリコンは約１２００℃以上で融解するが、この図では、ラテラル結晶及び粒状結晶が融解しない表面到達温度約１４００℃以下の領域を「非融解」として図示してある。また、ラテラル結晶が成長するレーザ光の表面到達温度約１７００〜２２００℃の領域、及びアブレーションにより膜の部分的な剥離が生じるレーザ光の表面到達温度約２２００℃以上の領域を図示してある。

被アニール半導体膜２０に均一な光エネルギー分布の光を照射しても、結晶状態によって吸収される光エネルギー量は変化するので、各結晶状態におけるレーザ光の表面到達温度が変化する。図５には、レーザ光の表面到達温度が２２００℃となる吸収光エネルギーに対するエネルギー比が０．８２以上の条件でラテラル結晶成長が可能であり、同エネルギー比が０．７０以下の条件では粒状結晶が融解しないことが示されている。

粒状結晶部分及び非結晶部分を融解させてラテラル結晶化することができ、かつ既に生成されたラテラル結晶部分は融解させないためには、粒状結晶部分及び非結晶部分についてはレーザ光の表面到達温度が約１７００〜２２００℃となる吸収光エネルギーを与え、ラテラル結晶部分についてはレーザ光の表面到達温度が約１４００℃以下となる吸収光エネルギーを与えればよい。

ラテラル結晶部分、粒状結晶部分、及び非結晶部分に対して、同一照射条件でレーザ光を照射する場合には、非結晶シリコンの吸収率に対する粒状結晶シリコンの吸収率比（＝粒状ｐｏｌｙ−Ｓｉの吸収率／ａ−Ｓｉの吸収率）が０．８２以上であり、非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比（＝ラテラルｐｏｌｙ−Ｓｉの吸収率／ａ−Ｓｉの吸収率）が０．７０以下となる波長を選択することで、ラテラル結晶部分、粒状結晶部分、及び非結晶部分に吸収されるエネルギー比を、０．７０以下：０．８２〜１．０：１．０とすることができる。

すなわち、被アニール半導体膜２０が非結晶シリコン膜である場合、ラテラル結晶部分、粒状結晶部分、及び非結晶部分におけるレーザ光の吸収率が、下記式（１）及び（２）の関係を充足する条件で、レーザアニールを実施することが好ましい。
０．８２≦粒状結晶部分の吸収率／非結晶部分の吸収率≦１．０・・・（１）、
ラテラル結晶部分の吸収率／非結晶部分の吸収率≦０．７０・・・（２）

粒状結晶部分及び非結晶部分がラテラル結晶化し、ラテラル結晶が融解しないレーザアニールを安定的に実施するには、下記式（１Ａ）及び（２）を充足する条件で、レーザアニールを実施することがより好ましい。
０．８５≦粒状結晶部分の吸収率／非結晶部分の吸収率≦１．０・・・（１Ａ）、
ラテラル結晶部分の吸収率／非結晶部分の吸収率≦０．７０・・・（２）

図４には、吸収率比＝０．７及び吸収率比＝０．８２のラインを記載してある。非結晶シリコンの吸収率に対する粒状結晶シリコンの吸収率比（＝粒状ｐｏｌｙ−Ｓｉの吸収率／ａ−Ｓｉの吸収率）が０．８２以上であり、非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比（＝ラテラルｐｏｌｙ−Ｓｉの吸収率／ａ−Ｓｉの吸収率）が０．７０以下となる波長は、シリコン膜の膜厚ｔ＝５０ｎｍの条件では、３６０〜４５０ｎｍの波長である。

レーザ光の吸収率は、シリコン膜の膜厚ｔによって変化する。膜厚ｔ（ｎｍ）＝５０，１００，２００としたときの、レーザ光の波長と、非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比（＝ラテラルｐｏｌｙ−Ｓｉの吸収率／ａ−Ｓｉの吸収率）との関係を求めた。結果を図６に示す。

図６には、非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比（＝ラテラルｐｏｌｙ−Ｓｉの吸収率／ａ−Ｓｉの吸収率）が０．７以下となる波長は、膜厚によって変わることが示されている。同様に、非結晶シリコンの吸収率に対する粒状結晶シリコンの吸収率比（＝粒状ｐｏｌｙ−Ｓｉの吸収率／ａ−Ｓｉの吸収率）が０．８２以上となる波長も、膜厚によって変わる（図示略）。

レーザアニールにより結晶化を行ってポリシリコンＴＦＴを形成する場合、膜厚ｔ（ｎｍ）＞１２０では、ＴＦＴの素子形成が難しくなると共にリーク電流も多くなり、膜厚ｔ（ｎｍ）＜４０では、活性層の膜厚が薄くなりすぎて素子の信頼性が低下する。したがって、ＴＦＴ用では４０≦膜厚ｔ（ｎｍ）≦１２０ｎｍ（式（４））が好ましい。レーザアニールにより結晶化を行ってポリシリコンＴＦＴを形成する場合の非結晶シリコン膜の膜厚ｔは５０ｎｍ程度が最も一般的である。

図７に、膜厚ｔに対して、粒状結晶部分及び非結晶部分の表面到達温度が約１７００〜２２００℃となり、かつ、ラテラル結晶部分の表面到達温度が約１４００℃以下となるレーザ光の波長の範囲を示す。

非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比（＝ラテラルｐｏｌｙ−Ｓｉの吸収率／ａ−Ｓｉの吸収率）が０．７以下となる波長は膜厚によって変わるが、膜厚ｔ（ｎｍ）とレーザ光の波長λ（ｎｍ）とが下記式（３）を充足する条件で、レーザアニールを実施すればよい。
０．８ｔ＋３２０≦λ≦０．８ｔ＋４００・・（３）

４０≦膜厚ｔ（ｎｍ）≦１２０であれば、３５０〜５００ｎｍ、好ましくは３５０〜４９０ｎｍの波長域にあるレーザ光を用いることで、粒状結晶部分及び非結晶部分を融解させてラテラル結晶化することができ、かつ既に生成されたラテラル結晶部分は融解させないレーザアニールを実施することができる。

粒状結晶部分及び非結晶部分をラテラル結晶化するには、これらの部分におけるレーザ光の表面到達温度が約１７００〜２２００℃であることが必要であることを述べた。本発明者が上記表面到達温度の範囲内で条件を変えてレーザアニールを行ったところ、粒状結晶部分では、上記範囲内でも比較的低い表面到達温度条件において、粒状結晶が核となってレーザ光の主相対走査方向に対して非平行方向（例えばレーザ光の主相対走査方向に対して５〜４５°の角度方向）にラテラル結晶が成長しようとし、かつ、同時に主相対走査方向に揃うようにラテラル結晶が成長しようともするので、湾曲したラテラル結晶が生成することがあった。ＴＦＴの素子特性のばらつきを抑制するには、膜の略全面でラテラル結晶方向が概ね揃っていることが好ましい。

本発明者は、粒状結晶部分及び非結晶部分におけるレーザ光の表面到達温度が約２０００±２００℃となる条件でレーザアニールを行うことで、粒状結晶が瞬間的に融解して、粒状結晶を核とするラテラル結晶成長が抑制されて、膜の略全面でラテラル結晶方向を揃えることができることを見出した。本発明者は、かかる条件でレーザアニールを行うことにより、膜の略全面でレーザ光の主相対走査方向とラテラル結晶成長方向となす角度を５°以下に揃えることができることを見出している。

図８に、レーザ光の相対走査速度に対して、非結晶部分における表面到達温度が約２０００±２００℃となる吸収パワー密度の範囲を示す。この図に示されるように、非結晶部分におけるレーザ光の吸収パワー密度Ｐ（ＭＷ/ｃｍ^２）とレーザ光の相対走査速度ｖ（ｍ/ｓ）とが下記式（５）を充足する条件で、レーザアニールを実施することが好ましい。
０．４４ｖ^{０．３４１４３}≦Ｐ≦０．５６ｖ^{０．３４１４３}・・・（５）

従来、ＳＯＩの分野における研究において、１ｃｍ／ｓ以下のＳｉの結晶成長速度が下記式で表されることが報告されている。
Ｖ＝Ｖ０×ｅｘｐ（−Ｅａ／ｋＴ）
（式中、Ｖはａ−ＳｉからＰｏｌｙ−Ｓｉへの固相成長速度（ｃｍ／ｓ）である。ｋはボルツマン定数である。Ｔはアニール温度（Ｋ）である。Ｖ０は係数であり、Ｖ０＝２.３〜３.１×１０^８ ｃｍ／ｓである。Ｅａは活性化エネルギー（＝ｃ−Ｓｉ中での空孔形成エネルギーに等しい）であり、Ｅａ＝２.６８〜２.７１ｅＶである。）

本発明者は、上記レーザアニールにおけるラテラル結晶成長速度も、上記関係式で表されることを確認している。先に述べたように、非結晶部分におけるアニール温度は約２２００℃が上限であるので、ラテラル結晶成長速度の上限は８ｍ／ｓとなる。

ラテラル結晶部分、粒状結晶部分、及び非結晶部分に対して、同一照射条件でレーザ光を照射する場合、
非結晶シリコンの吸収率に対する粒状結晶シリコンの吸収率比が０．８２以上であり、非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比が０．７０以下となる波長を選択し、
粒状結晶部分及び非結晶部分の表面到達温度が約１７００〜２２００℃となり、かつ、ラテラル結晶部分の表面到達温度が約１４００℃以下となるようにレーザアニールを行ったときの、
非結晶部分、粒状結晶部分、及びラテラル結晶部分における、吸収率分布、膜面上のレーザ光の照射光強度分布、レーザ光の吸収エネルギー分布、及び温度分布のイメージ図を図９に示す。

この図では、レーザ光の表面到達温度ではなく、膜の温度分布を示してある。また、この図には、レーザアニールを実施している際中の、被アニール半導体膜の表面と、該表面におけるレーザビーム位置及びレーザビームの相対走査方向とを図示してある。

非結晶部分、粒状結晶部分、及びラテラル結晶部分における、膜面のレーザ光の照射光強度分布は均一であるが、各々の吸収率が異なっているので、各部分におけるレーザ光の吸収エネルギーが異なっている。そして、粒状結晶部分及び非結晶部分は融解する温度になるが、いったん生成されたラテラル結晶部分は重ねてレーザ光を照射しても再融解しない温度に抑えられている。

図１（ａ）に示したように、あるｙ位置でレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を１回だけ実施した場合、帯状に延びるラテラル結晶成長の領域を挟んで両側に、粒状結晶が生成される。従来の方法では、ｙ位置をずらして２回目のレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を実施する際にも、１回目と同様に、帯状に延びるラテラル結晶成長の領域を挟んで両側に、粒状結晶が生成される。

しかしながら、上記方法では、ラテラル結晶部分に重ねてレーザ光を照射しても、ラテラル結晶部分が再融解せず、該部分の温度が粒状結晶の生成温度に満たないので、図９に示すように、ｙ位置をずらして２回目のレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を実施する際には、帯状に延びるラテラル結晶成長の領域の片側だけ、非結晶シリコン側にのみ、粒状結晶が生成されることになる。すなわち、上記方法では、２回目のレーザアニールによって、１回目に帯状に延びるラテラル結晶成長の領域を挟んで両側に生成された粒状結晶のうち、片方の側に生成された粒状結晶をラテラル結晶化させることができ、しかも先にレーザアニールを実施した側には、２回目のレーザアニールによって、不要な粒状結晶が新たに生成することがない。ｙ位置を変えて、同様の操作を繰り返し行うことによって、略全面をつなぎ目なくラテラル結晶化することができる。

以上説明したように、上記方法では、略全面ラテラル結晶膜が得られる。「ラテラル結晶膜」とは、横方向（＝レーザ光を相対走査する場合は、その相対走査方向）に延びる帯状の結晶粒で構成される多結晶膜であり、この多結晶膜は実効的にほぼ単結晶膜（擬似単結晶膜）と見なすことができる。本発明者は、レーザ光の相対走査方向の長さが５μｍ程度以上であり、幅が０．２〜２μｍである結晶粒からなる略全面ラテラル結晶膜を実現している（後記実施例１のＳＥＭ・ＴＥＭ表面写真（図１４）を参照）。

上記評価は被アニール半導体膜２０がシリコン膜の場合の評価であるが、被アニール半導体膜２０の構成材料に関係なく、粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつラテラル結晶部分が融解しないレーザ光の照射条件でレーザアニールを行うことにより、いったん生成されたラテラル結晶は再融解せず、その結晶性が変化することなく、粒状結晶部分及び非結晶部分をラテラル結晶化することができ、略全面ラテラル結晶とすることが可能である。

すなわち、上記レーザアニール方法は、非結晶半導体からなる被アニール半導体膜の一領域に対して、ラテラル結晶が成長する条件でレーザ光を照射するレーザアニールを実施してラテラル結晶を成長させ、
さらに、アニール領域をずらして、ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して、レーザアニールを再度実施して、該部分をラテラル結晶化させる操作を１回以上実施するレーザアニール方法において、
被アニール半導体膜の粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、被アニール半導体膜のラテラル結晶部分が融解しない条件で、レーザアニールを実施することを特徴とするものである。

被アニール半導体膜の構成材料は特に制限なく、シリコン、ゲルマニウム、及びシリコン／ゲルマニウム等が挙げられる。

上記レーザアニール方法において、図１（ｂ）に示したように、被アニール半導体膜に対して、先にレーザ光が照射された領域と次にレーザ光が照射される領域とが部分的に重なるよう、レーザアニールを実施することが好ましい。

レーザ光の照射領域の部分的な重ね方については特に制限されない。後からレーザ光を照射される領域が、先のレーザ光照射により形成された粒状結晶部分を１００％カバーしていれば、粒状結晶部分が全てラテラル結晶化され、先の照射で形成されたラテラル結晶領域との間に粒状結晶領域なく、次のラテラル結晶領域を形成することができる。

被アニール半導体膜の用途によっては、ラテラル結晶領域間に粒状結晶領域が残っていてもよい場合がある。その場合でも、後からレーザ光が照射される領域と粒状結晶領域との重なりが１％以上あれば粒状結晶領域が部分的にラテラル結晶化されるので、ラテラル結晶領域を広くすることができる。後からレーザ光が照射される領域と粒状結晶領域との重なりの割合が大きくなる程、ラテラル結晶領域が広くなり、好ましい。後からレーザ光が照射される領域と粒状結晶領域との重なりの割合は、５０％以上が好ましい。

レーザアニール条件によっては、レーザ光が直接照射される領域内の端部、及び／又はレーザ光は直接照射されないが熱が伝導する領域（＝レーザ光が直接照射される領域のすぐ外側の領域）に、粒状結晶が生成される。

１回目のｘ方向の相対走査では、レーザ光は直接照射されないが熱が伝導する領域（＝レーザ光が直接照射される領域のすぐ外側の領域）に粒状結晶が生成し、ｙ位置を変えた次のｘ方向の相対走査で粒状結晶に対してレーザ光を直接照射するような場合には、先にレーザ光が照射された領域と次にレーザ光が照射される領域とが部分的に重ならなくても、粒状結晶をラテラル結晶化させることができる。ただし、粒状結晶の生成領域とレーザ光の照射位置との位置ずれを考慮すれば、被アニール半導体膜に対して、アニール領域をずらしてレーザアニールを再度実施する際には、先にレーザ光が照射された領域と次にレーザ光が照射される領域とが部分的に重なるよう、レーザアニールを実施することが好ましい。

上記レーザアニール方法において、レーザ光として連続発振レーザ光を用いることが好ましい。パルスレーザ光では、レーザヘッドをオンにしている間にもレーザ光が照射されない時間が周期的に訪れる。連続発振レーザ光を用いる場合には、レーザヘッドをオンにしている間は常に被アニール半導体膜に対してレーザ光が連続的に照射されるので、緻密で均一な膜処理ができ、より粒径の大きいラテラル結晶を成長させることができ、好ましい。上記レーザアニールを実施する際に用いて好適な波長域を考慮すれば、レーザ光として半導体レーザ光を用いることが好ましい。

被アニール半導体膜に対してレーザ光を相対走査する場合について説明したが、上記方法は、レーザ光を相対走査しなくても、ラテラル結晶が成長する条件でレーザアニールを行う場合に適用可能である。

例えば、はじめにある領域に対して矩形状にレーザ光を照射し、同じ領域に対して照射中心線は変えずに一方向の照射幅を小さくしながら、レーザ光を複数回繰り返し照射することで、はじめにレーザ光を照射した領域の外側から温度が冷えていき、照射中心線と外側との間に温度勾配が発生して照射中心線から外側に延びるラテラル結晶を成長させることができる。このとき、ラテラル結晶の生成領域の外側に粒状結晶が生成されることは、相対走査によりラテラル結晶を成長させる場合と同様である。この場合には、同じ領域に対して上記条件でレーザ光が複数回照射されてアニールされる領域が、１回のレーザアニールのアニール領域になる。ただし、かかる方法では、１つのアニール領域に対して、フォトマスク等を用いて照射面積を変えて複数回レーザ光を照射する必要があるので、連続的な膜処理ができず非効率的であり、略全面を均一に処理することも難しい。

したがって、上記レーザアニール方法において、被アニール半導体膜に対して、レーザ光を部分的に照射しつつレーザ光を相対走査して、レーザアニールを実施することが好ましい。かかる構成では、レーザ光の相対走査方向に結晶が成長するので、ラテラル結晶を連続的に成長させることができ、膜面全体を効率よく処理することができる。また、膜面全体を連続的に緻密に処理できるので、均一性に優れた略全面ラテラル結晶膜が得られる。

上記レーザアニール方法を用いることにより、結晶性及び均一性が高く、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の活性層等として好適な半導体膜を低コストに製造することができる。この半導体膜を用いることにより、素子特性（キャリア移動度等）や素子均一性に優れたＴＦＴ等の半導体装置を製造することができる。

このレーザアニール方法では、略全面において、粒状結晶部分がほとんどなく、しかもつなぎ目のないラテラル結晶膜を製造できるので、ＴＦＴ等の半導体装置の形成位置の設計情報に基づいて、レーザ光のビーム端部とＴＦＴ等の半導体装置の素子形成領域とが重ならないようレーザ光を走査する、あるいはＴＦＴ等の半導体装置の素子形成領域にのみレーザ光を選択的に照射するなどの工夫が不要であり、素子特性（キャリア移動度等）及び素子均一性に優れたＴＦＴ等の半導体装置を低コストに安定的に製造することができる。かかるＴＦＴ等の半導体装置を備えた電気光学装置は、表示品質等の性能に優れたものとなる。

「レーザアニール装置」
図面を参照して、上記レーザアニール方法に係る実施形態のレーザアニール装置の構成について、説明する。図１０はレーザアニール装置の全体構成図、図１１は１個の合波半導体レーザ光源１２１の内部構成を示す図である。

本実施形態のレーザアニール装置１００は、非結晶シリコン膜等の被アニール半導体膜２０を載置する基板ステージ１１０と、レーザ光Ｌを出射するレーザヘッド１２０と、レーザヘッド１２０からの出射レーザ光Ｌを走査する走査光学系１４０とを備えている。

本実施形態では、レーザヘッド１２０から出射されたレーザ光Ｌは、走査光学系１４０により図示ｘ方向（主相対走査方向）に走査されるようになっている。また、基板ステージ１１０がステージ移動手段（図示略）により図示ｙ方向に移動可能とされており、これにより、レーザ光Ｌが図示ｙ方向（副相対走査方向）に相対走査されるようになっている。本実施形態では、基板ステージ１１０及び走査光学系１４０により、レーザ光Ｌを被アニール半導体膜２０に対して相対走査する相対走査手段が構成されている。

レーザヘッド１２０は、水冷ヒートシンク１３１上に隙間なく配置された複数の合波半導体レーザ光源１２１により概略構成されている。

ここで、上述したように、レーザヘッド１２０および走査光学系１４０からなる構成要素に対して上記マルチビーム走査光学系２００を適用することができる。図１１に示す如く、個々の合波半導体レーザ光源１２１には、レーザ光発振源として連続波出力の１個のマルチ横モードの半導体レーザＬＤ（ブロードエリア半導体レーザ、図示略）がそれぞれ内蔵され気密封止された４個のＬＤパッケージ１２３（１２３Ａ〜１２３Ｄ）と、これら４個のＬＤパッケージ１２３から出射されたレーザ光Ｌ１〜Ｌ４を各々コリーメートする、ＬＤパッケージ１２３と同数のコリーメートレンズ１２４（１２４Ａ〜１２４Ｄ）とが組み込まれたＬＤユニット１２２が備えられている。

合波半導体レーザ光源１２１それぞれにはさらに、レーザ光Ｌ１〜Ｌ４を各々反射するＬＤパッケージ１２３と同数の反射ミラー１２５（１２５Ａ〜１２５Ｄ）と、反射ミラー１２５Ａ，１２５Ｂにより反射されたレーザ光Ｌ１，Ｌ２が入射する偏光ビームスプリッタ１２６Ａと、反射ミラー１２５Ｃ，１２５Ｄにより反射されたレーザ光Ｌ３，Ｌ４が入射する偏光ビームスプリッタ１２６Ｂとが備えられている。

偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳとする）１２６Ａ，１２６Ｂはいずれも、直角プリズムを２個接着した構成のキューブ状のＰＢＳであり、ＰＢＳ１２６Ｂの光入射面には、レーザ光Ｌ３，Ｌ４の偏光方向を９０°ずらす１／２波長位相差素子１２７が取り付けられている。

ＰＢＳ１２６ＡがたとえばＰ波成分を反射する場合は、ＰＢＳ１２６Ａに入射したレーザ光Ｌ１，Ｌ２は各々、光出力検出用にＳ波成分がＰＢＳ１２６Ａを透過してフォトダイオード１２９Ａ，１２９Ｂに入射し、Ｐ波成分がＰＢＳ１２６Ａ内で反射されてＰＢＳ１２６Ｂに入射するようになっている。レーザ光Ｌ１、Ｌ２の偏光の向きを調整することにより、Ｐ波成分とＳ波成分の割合を変えることができるので、この場合はＰ波成分が多くなる向きに調整することにより、より多くの光を有効に使うことができる。

ＰＢＳ１２６Ｂを、ＰＢＳ１２６Ａとは反対の成分を反射する（あるいは透過する）特性のものとすることにより、すなわち、この場合はＳ波を反射するものとすることにより、ＰＢＳ１２６Ａによって反射されたＰ波はそのまま透過させることができる。一方、レーザ光Ｌ３，Ｌ４は各々、１／２波長位相差素子１２７により偏光方向を９０°ずらしてからＰＢＳ１２６Ｂに入射させることにより、今度はＳ波成分の多い偏光の向きとなるので、従ってＳ波を反射するＰＢＳ１２６Ｂにおいては、光出力検出用に光量の割合の少ないＰ波成分がＰＢＳ１２６Ｂを透過してフォトダイオード１２９Ｃ，１２９Ｄに入射し、光量の割合の多いＳ波が反射される。

従って、合波半導体レーザ光源１２１では、ＰＢＳ１２６Ｂ内で、偏光成分の異なるレーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ３、及び、レーザ光Ｌ２とレーザ光Ｌ４とがファスト軸方向に偏光合波され、さらに偏光合波されたレーザ光Ｌ１，Ｌ３と偏光合波されたレーザ光Ｌ２，Ｌ４とをスロー軸方向に角度合波するようにしている。

半導体レーザＬＤは比較的光出力が小さく、単独では高速走査アニールするために必要な光パワー密度が得られないので、レーザヘッド１２０は、複数のＬＤパッケージ１２３を備えた合波半導体レーザ光源１２１を複数（ここでは８個）備える構成としている。個々の合波半導体レーザ光源１２１において、複数のＬＤパッケージ１２３からの出射光を角度合波のみで合波すると、焦点深度が浅くなり、焦点ずれによる光強度ばらつきが大きくなる恐れがある。マルチ横モードの半導体レーザＬＤでは、ファスト軸方向の放射角度４０〜６０°であり、スロー軸方向の放射角度１５〜２５°である。本実施形態では、複数のＬＤパッケージ１２３から出射されたレーザ光Ｌ１〜Ｌ４を、ファスト軸方向に偏光合波し、スロー軸方向に角度合波する構成とすることで、焦点ずれによる光強度ばらつきを抑制し、必要な光パワー密度を得ている。

合波半導体レーザ光源１２１では、コリーメートレンズ１２４、反射ミラー１２５、ビームスプリッタ１２６Ａ，１２６Ｂ、１／２波長板１２７，及び１／２波長位相差素子１２８Ａ，Ｂ等により、４個のＬＤパッケージ１２３からのレーザ光Ｌ１〜Ｌ４をまとめて射出する光学系が構成されている。

図１０に示す如く、複数の合波半導体レーザ光源１２１を備えたレーザヘッド１２０の光出射面には、複数の合波半導体レーザ光源１２１の形成位置に合わせて偏向角度を設定した複数のプリズム１３２ａからなるプリズムアレイ（偏向素子）１３２が取り付けられている。

走査光学系１４０は、ガルバノミラー等の光走査ミラー（動的偏向素子）１４１と各レーザ光を集光させる集光レンズ１４２とから構成されている。

レーザヘッド１２０に搭載された複数の合波半導体レーザ光源１２１から出射されたレーザ光Ｌは、上記吸収エネルギ調節手段である空間変調素子１３３を通りプリズムアレイ１３２によって偏向されて、光走査ミラー１４１に入射して、図１０中の矢印ｘ方向に走査される。

レンズ１４２は、光走査ミラー１４１による光走査に合わせて走査されるようになっており、光走査ミラー１４１により偏向されたレーザ光Ｌがレンズ１４２に入射して互いの光軸が平行となる。

本実施形態では、上記構成により、図１０中の矢印ｙ方向を長手方向とする細長いレーザビームが形成され、このレーザビームが被アニール半導体膜２０に照射されつつ走査される。本発明者は例えば、被アニール半導体膜２０の膜面における照射光パワー密度が０．５〜２．７Ｗ／ｃｍ^２である、２０μｍ×４μｍ〜４０μｍ×８μｍの形状のレーザビームを実現した。

本実施形態のレーザアニール装置１００において、レーザ光Ｌの照射条件は、被アニール半導体膜２０の粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつ被アニール半導体膜２０のラテラル結晶部分が融解しない条件に設定されている。

被アニール半導体膜２０が非結晶シリコン膜である場合、レーザ光Ｌの照射条件は、ラテラル結晶部分、粒状結晶部分、及び非結晶部分におけるレーザ光の吸収率が、下記式（１）及び（２）の関係を充足する条件に設定されていることが好ましい。
０．８２≦粒状結晶部分の吸収率／非結晶部分の吸収率≦１．０・・・（１）、
ラテラル結晶部分の吸収率／非結晶部分の吸収率≦０．７０・・・（２）

被アニール半導体膜２０が非結晶シリコン膜である場合、レーザ光Ｌの照射条件は、被アニール半導体膜２０の膜厚ｔ（ｎｍ）とレーザ光Ｌの波長λ（ｎｍ）とが下記式（３）を充足する条件に設定されていることが好ましい。
０．８ｔ＋３２０≦λ≦０．８ｔ＋４００・・（３）

被アニール半導体膜２０が非結晶シリコン膜である場合、レーザヘッド１２０に搭載された半導体レーザ（レーザ光発振源）ＬＤは、発振波長が３５０〜５００ｎｍの波長域にある半導体レーザであることが好ましい。３５０〜５００ｎｍの波長域にあるレーザ光を発振するレーザとしては、ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＩｎＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮＡｓ，ＧａＮＡｓ等の含窒素半導体化合物を１種又は２種以上含む活性層を備えたＧａＮ系半導体レーザ、及びＺｎＯ系やＺｎＳｅ系等のII-VI族化合物系半導体レーザ等が挙げられる。

本実施形態のレーザアニール装置１００において、被アニール半導体膜２０が非結晶シリコン膜である場合、レーザ光Ｌの照射条件と相対走査条件とは、非結晶部分におけるレーザ光の吸収パワー密度Ｐ（ＭＷ/ｃｍ^２）とレーザ光Ｌの相対走査速度ｖ（ｍ/ｓ）とが下記式（５）を充足する条件に設定されていることが好ましい。
０．４４ｖ^{０．３４１４３}≦Ｐ≦０．５６ｖ^{０．３４１４３}・・・（５）

本実施形態のレーザアニール装置１００は、被アニール半導体膜２０に対して、ｙ位置を変えてレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を実施する際（アニール領域を変える際）には、先にレーザ光Ｌが照射された領域と次にレーザ光Ｌが照射される領域とが部分的に重なるよう、レーザアニールを実施するものであることが好ましい。

以上の構成の本実施形態のレーザアニール装置１００を用いることで、上記の上記レーザニール方法を実施することができる。

本実施形態のレーザアニール装置１００は上記構成に限らず、適宜設計変更可能である。基板ステージ１１０の移動と走査光学系１４０による光走査とにより、被アニール半導体膜２０に対するレーザ光Ｌの相対走査を実施する構成としたが、被アニール半導体膜２０に対するレーザ光Ｌの相対走査は、レーザヘッド１２０の図示ｘ方向及びｙ方向の機械的走査、基板ステージ１１０の図示ｘ方向及びｙ方向の機械的走査、あるいはレーザ光Ｌの図示ｘ方向及びｙ方向の光走査等によっても実施することができる。

本実施形態で挙げたように、高出力が得られ、細長いレーザビーム形状が得られることから、レーザヘッド１２０は、マルチ横モードの半導体レーザＬＤを複数備えた合波半導体レーザ光源１２１を複数搭載したものであることが好ましい。個々の合波半導体レーザ光源１２１に搭載されるＬＤ数が４個の場合について説明したが、その数は適宜設計できる。レーザヘッド１２０は、単数の合波半導体レーザ光源１２１のみを備えたものであってもよい。レーザヘッド１２０は、単数の半導体レーザＬＤのみを備えたものであってもよい。

「半導体膜、半導体装置、アクティブマトリクス基板」
図面を参照して、上記レーザアニールに係る実施形態の半導体膜、これを用いた半導体装置、及びこれを備えたアクティブマトリクス基板の製造方法と構成について説明する。本実施形態では、トップゲート型の画素スイッチング用薄膜トランジスタ（画素スイッチング用ＴＦＴ）と、これを備えたアクティブマトリクス基板を例として説明する。図１２は、工程図（基板の厚み方向の断面図）である。

はじめに、図１２（ａ）に示す如く、基板１０を用意し、基板１０の表面全体に、非結晶半導体からなる被アニール半導体膜２０を成膜する。ここでは、被アニール半導体膜２０が非結晶シリコン（ａ−Ｓｉ）膜である場合について図示してある。

基板１０としては特に制限なく、ガラス基板（石英ガラス基板、バリウムホウケイ酸ガラス基板、アルミノホウケイ酸ガラス基板等）、本実施形態のＴＦＴプロセス及びＴＦＴプロセスの後工程における熱処理に耐え得る耐熱性を有し、かつガラス同等以上の断熱性を有するプラスチック基板、シリコン基板、及び金属基板（ステンレス基板等）の表面に絶縁膜を形成してガラス同等以上の断熱性を付与した基板等が挙げられる。

被アニール半導体膜２０は基板１０上に直接形成するのではなく、基板１０上に酸化シリコンや窒化シリコン等の下地膜（図示略）を成膜してから、その上に、被アニール半導体膜２０を成膜してもよい。下地膜及び被アニール半導体膜２０の成膜方法としては特に制限なく、プラズマＣＶＤ法、ＬＰＣＶＤ法、及びスパッタ法等の気相成長法が挙げられる。

下地膜の膜厚は特に制限なく、例えば２００ｎｍ程度が好ましい。被アニール半導体膜２０の膜厚は特に制限なく、４０〜１２０ｎｍが好ましい。被アニール半導体膜２０の膜厚は、例えば５０ｎｍ程度が好ましい。

プラズマＣＶＤ法等により成膜された被アニール半導体膜２０には、通常水素が多く含まれる。水素が多く含まれたままレーザアニールによる結晶化を行うと、水素が突沸して膜表面が荒れる、水素の突沸により膜が部分的に剥離するなどの問題が生じる恐れがある。したがって、レーザアニールに先立ち、脱水素処理を行うことが好ましい。脱水素処理方法としては特に制限なく、熱アニール処理（例えば約５００℃・約１０分間）等が挙げられる。

次に、図１２（ｂ）に示す如く、被アニール半導体膜２０に対して、上記レーザアニールを実施して、被アニール半導体膜２０の全面を結晶化する。本実施形態では、略全面ラテラル結晶化が可能である。
次に、図１２（ｃ）に示す如く、フォトリソグラフィ法により、レーザアニール後の半導体膜２１をパターニングして、ＴＦＴの素子形成領域以外の領域を除去する。パターニング後の半導体膜に符号２２を付してある。

次に、図１２（ｄ）に示す如く、ＣＶＤ法やスパッタリング法等により、ＳｉＯ_２等からなるゲート絶縁膜２４を形成する。ゲート絶縁膜２４の膜厚は特に制限なく、例えば１００ｎｍ程度が好ましい。
次に、図１２（ｅ）に示す如く、電極材料を成膜し、フォトリソグラフィ法によるパターニングを実施することにより、ゲート絶縁膜２４上に、ゲート電極２５を形成する。

次に、図１２（ｆ）に示す如く、ゲート電極２５をマスクとして、半導体膜２２にＰ，Ｂ等のドーパントをドープし、活性領域であるソース領域２３ａとドレイン領域２３ｂとを有する活性層２３を形成する。ドーパントがＰの場合について図示してある。活性層２３において、ソース領域２３ａとドレイン領域２３ｂとの間の領域がチャネル領域２３ｃとなる。ドープ量は、例えば３．０×１０^１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２程度が好ましい。この工程により、ＴＦＴの活性層をなす半導体膜２３が形成される。

次に、図１２（ｇ）に示す如く、ＳｉＯ_２やＳｉＮ等からなる層間絶縁膜２６を成膜し、さらに、ドライエッチングやウエットエッチング等のエッチングを実施して、層間絶縁膜２６に、半導体膜２３のソース領域２３ａに通じるコンタクトホール２７ａと、ドレイン領域２３ｂに通じるコンタクトホール２７ｂとを開孔する。

さらに、層間絶縁膜２６上の所定の領域に、ソース電極２８ａとドレイン電極２８ｂとを形成する。ソース電極２８ａは、コンタクトホール２７ａを介して半導体膜２３のソース領域２３ａに導通され、ドレイン電極２８ｂはコンタクトホール２７ｂを介して半導体膜２３のドレイン領域２３ｂに導通される。

本実施形態では、レーザアニール後パターニング前の半導体膜２１、パターニング後不純物注入前の半導体膜２２、及び不純物注入後の半導体膜２３のいずれも、上記レーザアニール技術を用いて製造された半導体膜である。
以上の工程により、本実施形態の画素スイッチング用ＴＦＴ３０が製造される。

次に、図１２（ｈ）に示す如く、ＳｉＯ_２やＳｉＮ等からなる層間絶縁膜３１を成膜し、ドライエッチングやウエットエッチング等のエッチングを実施して、層間絶縁膜３１にソース電極２８ａに通じるコンタクトホール３２を開孔する。

さらに、層間絶縁膜３１上の所定の領域に、画素電極３３を形成する。画素電極３３は、コンタクトホール３２を介してＴＦＴ３０のソース電極２８ａに導通される。

一対の画素電極３３とＴＦＴ３０のみを図示してあるが、実際には、１個の基板１０に対して、画素電極３３はマトリクス状に多数形成され、各画素電極３３に対応して画素スイッチング用ＴＦＴ３０が形成される。

通常、液晶装置用では、１つのドットに対して１個の画素電極３３と１個の画素スイッチング用ＴＦＴ３０とが形成され、ＥＬ装置用では、１つのドットに対して１個の画素電極３３と２個の画素スイッチング用ＴＦＴ３０とが形成される。

以上の工程により、本実施形態のアクティブマトリクス基板４０が製造される。
アクティブマトリクス基板４０の製造にあたっては、走査線や信号線等の配線が形成される。ゲート電極２５が走査線を兼ねる場合と、ゲート電極２５とは別に走査線を形成する場合がある。ドレイン電極２８ｂが信号線を兼ねる場合と、ドレイン電極２８ｂとは別に信号線を形成する場合がある。

本実施形態では、上記レーザアニール技術を用いているので、結晶性が高く、ＴＦＴの活性層として好適な半導体膜２１〜２３を製造することができる。これらの半導体膜２１〜２３を用いて製造された本実施形態の画素スイッチング用ＴＦＴ３０は、素子特性（キャリア移動度等）や素子均一性に優れたものとなる。この画素スイッチング用ＴＦＴ３０を備えた本実施形態のアクティブマトリクス基板４０は、電気光学装置用として高性能なものとなる。

液晶装置やＥＬ装置等の電気光学装置では、同じ基板上に、画素電極と画素スイッチング用ＴＦＴとがマトリクス状に多数形成された画素部と、この画素部を駆動する、複数の駆動回路用ＴＦＴを用いて構成された駆動回路を備えた駆動部とが設けられる場合がある。駆動回路は、通常、Ｎ型ＴＦＴとＰ型ＴＦＴとのＣＭＯＳ構造を有する。

上記レーザアニール技術では、被アニール半導体膜２０を略全面ラテラル結晶化することができるので、画素スイッチング用ＴＦＴの活性層と駆動回路用ＴＦＴの活性層とを同時に形成することができる。上記レーザアニール技術では、キャリア移動度等の素子特性に優れた駆動回路用ＴＦＴを製造することができる。

「電気光学装置」
図面を参照して、上記レーザアニールに係る実施形態の電気光学装置の構成について説明する。このレーザアニール、ＥＬ装置や液晶装置等に適用可能であり、有機ＥＬ装置を例として説明する。図１３は有機ＥＬ装置の分解斜視図である。

本実施形態の有機ＥＬ装置（電気光学装置）５０は、上記実施形態のアクティブマトリクス基板４０の上に、電流印加により赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）を各々発光する発光層４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂが所定のパターンで形成され、その上に、共通電極４２と封止膜４３とが順次積層されたものである。

封止膜４３を用いる代わりに、金属缶もしくはガラス基板等の封止部材で封止を行ってもよい。この場合には、酸化カルシウム等の乾燥剤を内包させてもよい。

発光層４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂは、画素電極３３に対応したパターンで形成され、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）を発光する３ドットで一画素が構成されている。共通電極４２と封止膜４３とは、アクティブマトリクス基板４０の略全面に形成されている。

有機ＥＬ装置５０では、画素電極３３と共通電極４２のうち、一方が陽極、他方が陰極として機能し、発光層４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂは、陽極から注入される正孔と陰極から注入される電子の再結合エネルギーによって発光する。

発光効率を向上するために、発光層４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂと陽極との間には、正孔注入層及び／又は正孔輸送層を設けることができる。発光効率を向上するために、発光層４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂと陰極との間には、電子注入層及び／又は電子輸送層を設けることができる。

本実施形態の有機ＥＬ装置（電気光学装置）５０は、上記実施形態のアクティブマトリクス基板４０を用いて構成されたものであるので、ＴＦＴ３０の素子特性（キャリア移動度等）や素子均一性に優れており、表示品質等の電気光学特性が優れたものとなる。

＜＜実施例＞＞
上記レーザアニールに係る実施例及び比較例について説明する。

（実施例１）
ガラス基板上に、プラズマＣＶＤ法にて、酸化シリコンからなる下地膜（２００ｎｍ厚）と、非結晶シリコン膜（ａ−Ｓｉ、５０ｎｍ厚）とを順次成膜した。その後、約５００℃・約１０分の熱アニールを実施して、非結晶シリコン膜の脱水素処理を実施した。

この非結晶シリコン膜に対して、上記実施形態のレーザアニール装置１００（図１０及び図１１を参照）を用いて、レーザアニールを実施した。レーザ光発振源としては、ＧａＮ系半導体レーザ（発振波長４０５ｎｍ）を用いた。非結晶シリコン膜面上におけるレーザビームの形状は、２０×３μｍの細長い矩形状とした。

下記条件で、略全面レーザアニールを実施した。
＜条件１＞
レーザ光の相対走査速度０.０１ｍ／ｓ、非結晶部分における吸収パワー密度０.１ＭＷ／ｃｍ^２、重ね量７５％。

重ね量が７５％とは、あるｙ位置においてレーザ光のｘ方向相対走査を実施した後、ｙ位置を変えてレーザ光のｘ方向相対走査を実施する際には、ｙ位置を５μｍだけずらして、先にレーザ光が照射された２０μｍ幅の領域に対して、照射領域が１５μｍ重なるように、レーザアニールを実施したことを意味する。

略全面レーザアニール後の膜表面のＳＥＭ写真及びＴＥＭ写真を図１４（ａ），（ｂ）に示す。図示するように、本実施例の条件では、粒状結晶部分及び非結晶部分は融解するが、いったん生成されたラテラル結晶部分は重ねてレーザ光を照射しても再融解せず、略全面において、粒状結晶部分がほとんどなく、しかもつなぎ目のないラテラル結晶膜が得られた。しかも、膜の略全面でレーザ光の主相対走査方向とラテラル結晶成長方向となす角度を５°以下に揃えることができた。

レーザアニール条件を下記条件に変えて、同様にレーザアニールを実施しても、略全面において、粒状結晶部分がほとんどなく、しかもつなぎ目のないラテラル結晶膜が得られた。
＜条件２＞
レーザ光の相対走査速度１．０ｍ／ｓ、非結晶部分における吸収パワー密度０.５ＭＷ／ｃｍ^２、重ね量７５％。
＜条件３＞
レーザ光の相対走査速度０．１ｍ／ｓ、非結晶部分における吸収パワー密度０．１５ＭＷ／ｃｍ^２、重ね量７５％。
＜条件４＞
レーザ光の相対走査速度０．０１ｍ／ｓ、非結晶部分における吸収パワー密度０．１ＭＷ／ｃｍ^２、重ね量２５％。

レーザ光の相対走査速度が遅い程、周囲に熱が伝導しやすく、粒状結晶が生成されやすい傾向にあるが、上記レーザアニール方法によれば、レーザ光の相対走査速度０．０１ｍ／ｓの条件においても、粒状結晶部分及び非結晶部分は融解するが、いったん生成されたラテラル結晶部分は重ねてレーザ光を照射しても再融解せず、略全面において、粒状結晶部分がほとんどなく、しかもつなぎ目のないラテラル結晶膜が得られた。

（比較例１）
下記条件でレーザアニールを実施した以外は、実施例１と同様にレーザアニールを実施した。
＜条件５＞
レーザ光の相対走査速度０．０１ｍ／ｓ、非結晶部分における吸収パワー密度０．０９ＭＷ／ｃｍ^２、重ね量７０％。
略全面レーザアニール後の膜表面のＳＥＭ写真及びＴＥＭ写真を図１５（ａ），（ｂ）に示す。図示するように、本比較例の条件では、粒状結晶部分とラテラル結晶部分がいずれも重ねてレーザ光を照射しても再融解しなかった。そのため、重ねてレーザ光を照射しても粒状結晶部分はラテラル結晶化しなかった。また、粒状結晶が核となってレーザ光の主相対走査方向に対して非平行方向（レーザ光の走査方向に対して５〜４５°の角度方向）にラテラル結晶が成長しようとし、かつ、同時に主相対走査方向に揃うようにラテラル結晶が成長しようともするので、湾曲したラテラル結晶が生成した。膜面積に対して、粒状結晶の占める割合は３０％以上であった。

（比較例２）
下記条件でレーザアニールを実施した以外は、実施例１と同様にレーザアニールを実施した。
＜条件６＞
レーザ光の相対走査速度０．０１ｍ／ｓ、非結晶部分における吸収パワー密度０．０８ＭＷ／ｃｍ^２、重ね量７０％。

略全面レーザアニール後の膜表面のＴＥＭ写真を図１６に示す。比較例１よりも吸収パワー密度を落とした本比較例では、非結晶部分もラテラル結晶化せず、得られた膜は略全面が粒状結晶からなるシリコン膜であった。

（Ｖｇ−Ｉｄ特性の評価）
実施例１の＜条件１＞のレーザアニールにより得られたシリコン膜を用いてＴＦＴを製造し、得られたＴＦＴのＶｇ−Ｉｄ特性（ゲート電圧Ｖｇとドレイン電流Ｉｄとの関係）を評価した。
同様に、比較例１のレーザアニールにより得られたシリコン膜を用いてＴＦＴを製造し、そのＶｇ−Ｉｄ特性を評価した。比較例１については、２個のＴＦＴ（比較例１−Ａ、比較例１−Ｂ）について、評価を実施した。
結果を図１７に示す。図１７において、左右の縦軸はいずれも同じＩｄ値を示しているが、右の縦軸は通常表示、左の縦軸は対数表示になっている。図示するように、実施例１で得られたＴＦＴは、比較例１で得られたＴＦＴよりも、キャリア移動度が高く、素子電流特性が良好であった。

上記レーザアニール装置は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）及びこれを備えた電気光学装置の製造等に好ましく適用することができる。

（ａ）あるｙ位置でレーザ光のｘ方向相対走査を１回実施したときのラテラル結晶と粒状結晶の生成の様子を示す斜視図、（ｂ）はｙ位置を変えたレーザ光のｘ方向相対走査を繰り返し実施したときの結晶化のイメージ平面図 シリコン膜のラテラル結晶部分と粒状結晶部分と非結晶部分とにおける、波長と屈折率ｎとの関係を示す図 シリコン膜のラテラル結晶部分と粒状結晶部分と非結晶部分とにおける、波長と吸収係数との関係を示す図 レーザ光の波長と、非結晶シリコンの吸収率に対する粒状結晶シリコンの吸収率比及び非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比との関係を示す図 レーザ光の表面到達温度が２２００℃となる吸収光エネルギーに対するエネルギー比と、レーザ光の表面到達温度と、生成する結晶状態との関係を示す図 膜厚ｔ（ｎｍ）＝５０，１００，２００としたときの、レーザ光の波長と、非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比との関係を示す図 シリコン膜の膜厚ｔに対して、粒状結晶部分及び非結晶部分の表面到達温度が約１７００〜２２００℃となり、かつ、ラテラル結晶部分の表面到達温度が約１４００℃以下となる波長の範囲を示す図 レーザ光の相対走査速度に対して、非結晶部分における表面到達温度が約２０００±２００℃となる吸収パワー密度の範囲を示す図 非結晶部分、粒状結晶部分、及びラテラル結晶部分における、吸収率分布、膜面上のレーザ光の照射光強度分布、レーザ光の吸収エネルギー分布、及び温度分布のイメージ図 レーザアニール装置の全体構成図 図１０のレーザアニール装置に備えられた１個の合波半導体レーザ光源の内部構成を示す図 （ａ）〜（ｈ）は、レーザアニールに係る実施形態の半導体膜、これを用いた半導体装置、及びこれを備えたアクティブマトリクス基板の製造方法を示す工程図 レーザアニールに係る実施形態の有機ＥＬ装置（電気光学装置）の構成を示す図 （ａ）は実施例１において条件１でレーザアニールを実施したときのレーザアニール後のＳＥＭ表面写真、（ｂ）は同ＴＥＭ表面写真 （ａ）は比較例１のレーザアニール後のＳＥＭ表面写真、（ｂ）は同ＴＥＭ表面写真 比較例２のレーザアニール後のＴＥＭ表面写真 実施例１と比較例１において得られたＴＦＴのＶｇ−Ｉｄ特性の評価結果を示す図 本発明の実施の形態によるレーザ光照装置の概略構成を示す断面図 （ａ），（ｂ）は、マルチ横モード光が持つ干渉性を低減する様子を説明する図 レーザ光照装置を適用したマルチビーム走査光学系の概略構成を示す平面図 マルチビーム走査光学系を半導体レーザから射出されコリメートされたレーザ光が並ぶ方向から見た様子を示す側面図 マルチビーム走査光学系を半導体レーザから射出されコリメートされたレーザ光の伝播方向から見た様子を示す正面図

符号の説明

１２４ コリメートレンズ
１２８Ａ、Ｂ １／２波長位相差素子
２２１ レーザ光照射装置
２２３ マルチ横モード半導体レーザ
２３０ 集光レンズ
Ｈｐ 所定面
ＬＬ レーザ光
Ｌａｃ、Ｌｂｄ 偏光合波レーザ光

Claims (12)

1. マルチ横モードのレーザ光をそれぞれ射出する３つ以上の半導体レーザと、前記半導体レーザから射出された各レーザ光をコリメートするコリメートレンズと、前記コリメートされた各レーザ光を所定面上へスポット状に集光させる集光光学系とを備えたレーザ光照射装置であって、
   前記コリメートレンズから前記集光光学系に至るまでの光路に配された、互に異なる光路を伝播する少なくとも２つの前記レーザ光を偏光合波して同一光路へ伝播させる偏光合波手段と、
   前記偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光を、全てのレーザ光の光軸が前記所定面において互に交わるように角度合波させる角度合波手段と、
   前記光路中に配された、前記レーザ光の各光軸に対して対称な位置を伝播する２つの波面成分の前記所定面上での干渉性を低減させる干渉性低減手段とを備えたことを特徴とするレーザ光照射装置。
2. 前記偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光を、全てのレーザ光の光軸を互に平行にせしめた状態で、かつ、各レーザ光の光軸間の間隔を前記半導体レーザから射出されるときの各レーザ光の光軸間の間隔よりも小さくせしめた状態で前記集光光学系へ入射させるように、前記レーザ光の光路を変位させる光路変位手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のレーザ光照射装置。
3. 前記半導体レーザを４つ備え、前記偏光合波手段が、前記半導体レーザそれぞれから射出された４つのレーザ光のうちの２つのレーザ光を偏光合波させるとともに、他の２つのレーザ光をも偏光合波させるものであることを特徴とする請求項１または２記載のレーザ光照射装置。
4. 前記干渉性低減手段が、前記半導体レーザから射出されるレーザ光における遠視野像の形成位置に配置されたものであることを特徴とする請求項１または３記載のレーザ光照射装置。
5. 前記干渉性低減手段が１／２波長位相差素子であり、該１／２波長位相差素子が前記レーザ光の光軸に対して対称な位置を伝播する２つの波面成分のうちのいずれか一方の位相を変化させるように配置されたものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のレーザ光照射装置。
6. 前記半導体レーザが気密封止されたものであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載のレーザ光照射装置。
7. 前記所定面が非晶質半導体膜上の領域であり、前記非晶質半導体膜が、該非晶質半導体膜中の結晶状態の違いに応じて前記レーザ光の照射を受けたときの該レーザ光からのエネルギの吸収率が変動するものであり、
   前記レーザ光を前記非晶質半導体膜上へ走査させるときに、前記非晶質半導体膜で吸収される前記レーザ光のエネルギが該非晶質半導体膜上の場所によらず一定となるように、前記レーザ光の光強度または走査速度を調節する吸収エネルギ調節手段を備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載のレーザ光照射装置。
8. 前記吸収エネルギ調節手段が、前記レーザ光の光路中に配された逆フーリエ変換プロファイルの複素振幅分布を持つ空間変調素子であることを特徴とする請求項７記載のレーザ光照射装置。
9. 前記吸収エネルギ調節手段が、前記レーザ光の波長を合波させる波長合波手段であることを特徴とする請求項７記載のレーザ光照射装置。
10. マルチ横モードのレーザ光をそれぞれ射出する３つ以上の半導体レーザから射出されコリメートレンズによってコリメートされた各レーザ光を集光光学系により所定面上へスポット状に集光させるレーザ光照射方法であって、
    前記コリメートレンズから前記集光光学系に至るまでの互に異なる光路を伝播する少なくとも２つの前記レーザ光を偏光合波して同一光路へ伝播させ、前記偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光を、全てのレーザ光の光軸が前記所定面において互に交わるように角度合波させるとともに、前記光路中において前記レーザ光の各光軸に対して対称な位置を伝播する２つの波面成分の前記所定面上での干渉性を低減させることを特徴とするレーザ光照射方法。
11. 前記偏光合波されたレーザ光と他のレーザ光を、全てのレーザ光の光軸を互に平行にせしめた状態で、かつ、各レーザ光の光軸間の間隔を前記半導体レーザから射出されるときの各レーザ光の光軸間の間隔よりも小さくせしめた状態で前記集光光学系へ入射させるように、前記レーザ光の光路を変位させることを特徴とする請求項１０記載のレーザ光照射方法。
12. 前記所定面が非晶質半導体膜上の領域であり、前記非晶質半導体膜が、該非晶質半導体膜中の結晶状態の違いに応じて前記レーザ光の照射を受けたときの該レーザ光からのエネルギの吸収率が変動するものであり、
    前記レーザ光を前記非晶質半導体膜上へ走査させるときに、前記非晶質半導体膜で吸収される前記レーザ光のエネルギが該非晶質半導体膜上の場所によらず一定となるように、前記レーザ光の光強度または走査速度を調節することを特徴とする請求項１０または１１記載のレーザ光照射方法。