JP4947646B2 - レーザ処理装置のガス噴射手段 - Google Patents

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Description

この発明は、被処理体である非晶質半導体膜にレーザ照射することにより多結晶半導体膜を製造するなどのレーザ処理を行うレーザ処理装置に備えられるガス噴射手段に関するものである。
従来、レーザによるアモルファスシリコン膜の結晶化装置において、大気の影響を除去して結晶化に最適な雰囲気を制御するために、処理室を一度真空引きした後に処理用のガスを導入する代わりに照射雰囲気のみ制御する方法として、次に説明するものが知られている。
（イ）窒素ガスを噴射してレーザ照射部分近傍のみを窒素雰囲気とする窒素ガス噴射手段を具備し、該前記窒素ガス噴射手段は、前記レーザ光が通過するスリットと、そのスリットの周辺部に設けられた複数の窒素ガス噴出口と、それら複数の窒素ガス噴出口の周りに設けられたラビリンスシール部とを有する板状ノズルを含むことを特徴とするレーザアニール処理装置（特許文献１参照）。
（ロ）絶縁基板上に形成された非晶質の半導体膜をレーザアニール法によって結晶化する多結晶半導体膜の製造装置において、レーザビームを非晶質半導体膜に照射するときに、ビーム照射される基板の表面の雰囲気を制御できる局所シールドをレーザビーム周囲に備えていることを特徴とする多結晶半導体膜の製造装置（特許文献２参照）。
この製造装置の概略を図８に基づいて説明をすると、レーザ光源５から出力されるレーザ光６を光学系７を通してガス噴射筒５０に導入し、ガス噴射筒５０の下端に設けたガス噴射口５２を通して基板１上に形成された非晶質半導体膜２に照射する。ガス噴射筒５０には、ガス導入管５１を接続し、ガス導入管５１を通してガス噴射筒５０内に導入される窒素ガスを前記ガス噴射口５２より非晶質半導体膜２のレーザ光照射部分近傍に噴射する。
特開２０００−３４９０４１号公報 特開２００２−９３７３８号公報
従来のレーザアニール処理装置は以上のように構成されているので、窒素ガスの流れが噴射口の長手方向において不均一となりやすく、また、窒素ガス流速も不均一となるため、レーザー照射後の多結晶半導体膜が均一に形成できないという問題がある。
この発明は上記のような従来の課題を解決するためになされたもので、雰囲気ガスの流れを均すことでガス噴射口から均等にガスを噴射してレーザ光噴射部近傍の雰囲気を均等にしてレーザ処理を良好に行うことを可能にするレーザ処理装置のガス噴射手段を提供することを目的とする。
すなわち、本発明のレーザ処理装置のガス噴射手段のうち、第１の本発明は、被処理体にレーザ光を照射して前記被処理体の処理を行うレーザ処理装置に備えられて照射雰囲気を形成するガスを前記被処理体の前記レーザ光照射部分近傍に噴射するガス噴射手段であって、該噴射手段は、前記ガスの導入部と、前記ガスが前記被処理体に向けて噴射されるガス噴射口と、前記ガス導入部から前記ガス噴射口に至るガス流路を有しており、該ガス流路に、ガスの流れ方向に対面してガス流を乱すことでガスの流れ方向と交差する方向におけるガス流を均す均流面が設けられており、前記ガス導入部に前記ガス流路と区画する区画壁が設けられており、該区画壁に前記ガス流路内のガス流と交差する方向に沿って複数のガス通過部が間隔を置いて形成されており、前記ガス導入部に前記区画壁を一部室壁とするガス導入室が設けられており、前記ガス導入室に、前記ガス流路内のガス流と交差する方向に沿ってガス導入管が配置されており、該ガス導入管に長手方向に沿って通気スリットまたは間隔をおいて複数の通気孔が設けられているとともに、該ガス導入管内に外部からガスが導入されるように構成されていることを特徴とする。
第１の本発明によれば、ガス導入部から導入されてガス流路を流れる雰囲気ガスは、ガス流路に設けられた均流面に当たり、乱流を生じて流れ方向と交差する方向にも流れが生じ、この交差する方向でのガス流が均されてガス流量、ガス流速が均等化される。この均流面はガスの流れ方向において少なくとも２度以上繰り返し現れることでガス流速の均等化が図られる。例えば、ガスの流れがガス噴射口直前で向きを変えるような構造ではガス流の均流化作用を得ることは難しい。このガス流が最終的にガス噴射口から噴射されることで、ガスの流れが偏ることなくレーザ光照射部分付近で均等な照射雰囲気を形成することができる。なお、均流面が設けられているガス流路は流路断面積が小さいのが望ましく、従来のガス噴射筒では流路断面積が大きすぎて十分な作用を得ることが難しく、このガス噴射筒の上流側で流路断面積が小さいガス流路に均流面を設けるのが望ましい。
また、第１の発明によれば、ガス流路に区画壁のガス通過部を通してガスが導入されるので、前記ガス流と交差する方向で導入されるガスの流量、流速の均等化を図ることができる。
また、第１の発明によれば、ガス導入室に収容されたガスが前記ガス通過部を通してガス流路へと導入されるので、前記均等化が一層効果的になる。
また、第１の本発明によれば、ガス導入室にガス導入管を通して前記交差方向に均等にガスを導入することができ、前記均等化がより一層効果的になされる。なお、通気スリット、または通気孔のガス噴射方向は、前記ガス通過部に向いていないのが望ましく、さらにガス通過部と反対の側にガスを噴射するように構成されているのが一層望ましい。
第２のレーザ処理装置のガス噴射手段の本発明は、前記第１の本発明において、前記レーザ光がラインビーム形状を有しており、前記噴射口は、該レーザ光が通過する長尺な形状を有していることを特徴とする。
第３のレーザ処理装置のガス噴射手段の本発明は、前記第１または第２の本発明において、前記均流面は、前記ガス流路に設けた１または複数枚の邪魔板により形成されていることを特徴とする。
第４のレーザ処理装置のガス噴射手段の本発明は、前記第１〜第３のいずれかの本発明において、前記均流面は、ガス流路内の湾曲面または屈曲面によって形成されていることを特徴とする。
第４の本発明では、均流面としての作用を確実に得るために湾曲面は小さい曲率を有するのが望ましく、屈曲面も小さな角度が望ましい。
以上説明したように、本発明のレーザ処理装置のガス噴射手段によれば、被処理体にレーザ光を照射して前記被処理体の処理を行うレーザ処理装置に備えられて照射雰囲気を形成するガスを前記被処理体の前記レーザ光照射部分近傍に噴射するガス噴射手段であって、該噴射手段は、前記ガスの導入部と、前記ガスが前記被処理体に向けて噴射されるガス噴射口と、前記ガス導入部から前記ガス噴射口に至るガス流路を有しており、該ガス流路に、ガスの流れ方向に対面してガス流を乱すことでガスの流れ方向と交差する方向におけるガス流を均す均流面が設けられており、前記ガス導入部に前記ガス流路と区画する区画壁が設けられており、該区画壁に前記ガス流路内のガス流と交差する方向に沿って複数のガス通過部が間隔を置いて形成されており、前記ガス導入部に前記区画壁を一部室壁とするガス導入室が設けられており、前記ガス導入室に、前記ガス流路内のガス流と交差する方向に沿ってガス導入管が配置されており、該ガス導入管に長手方向に沿って通気スリットまたは間隔をおいて複数の通気孔が設けられているとともに、該ガス導入管内に外部からガスが導入されるように構成されているので、ガスの流れ方向と交差する方向でガスの流量、流速を均等化することができ、被処理体のレーザ光照射部付近に均等な照射雰囲気を形成することができ、レーザ光の照射による処理を均等かつ良質に行うことを可能にする。
（参考形態１）
以下に、本発明の一参考形態の噴射手段を備えるレーザアニール処理装置を図１、２に基づいて説明する。
図１に示すように、平面方向軸（Ｘ及びＹ）を有する試料台３が図示左右方向に移動可能に設置されており、該試料台３の上方に長尺なガス噴射筒１０が配置されている。該ガス噴射筒１０の上方にガラスなどにより構成されるレーザ光導入窓１１が設けられて封止されている。該レーザ光導入窓１１には、レーザ光源５より出力されたレーザ光６が光学系７を経て入射され、ガス噴射筒１０の下端に形成された長尺なガス噴射口１５を通して下方に出射されるように構成されている。
ガス噴射筒１０は、側面にガス供給管１２が接続されており、該側面の内側にガス流路１３が確保されている。該ガス流路１３には、取付位置が交互に上下に変わり、他端側がレーザ照射筒１０の上面または下面と隙間を有する３枚の邪魔板１４ａ、１４ｂ、１４ｃが間隔を置いて垂直に取り付けられており、最下流の邪魔板１４ｃと他端側のガス噴射筒縦内面との間に確保された空間を前記レーザ光６が通過するとともに、ガス流路１３を流れたガスが流入して下方のガス噴射口１５へと導かれるように構成されている。
次に、上記レーザアニール処理装置の動作について説明する。
試料台３に被処理体として、基板１上に形成された非晶質半導体薄膜２を設置する。レーザ光源５からは、パルス状に発振されたレーザ光６（例えば波長３０８ｎｍ、パルス幅３０ｎｓのエキシマレーザ光）が光学系７を通過して線条となったビーム（ラインビーム）となり、レーザ光導入窓１１およびガス噴射口１５を通して非晶質半導体薄膜２の照射面に照射される。
また、これに先立ってガス供給管１２より雰囲気ガスとして窒素ガスがガス噴射筒１０内に導入され、ガス流路１３を流れる。この際に側方から横方向に流れるガス流に対し、邪魔板１４ａの外側面が対面するので、ガスが邪魔板１４ａに衝突し、乱流状態になってガス噴射筒１０の長手方向にガスの一部が流れてガス流が均される。すなわち邪魔板１４ａの外側面は均流面として作用する。邪魔板１４ａに衝突したガス流は邪魔板１４ａの外側面に沿って上昇し、ガス噴射筒１０の上側内面に衝突し、再度乱流状態になってガス噴射筒１０の長手方向にガスの一部が流れてガス流が均される。すなわちガス噴射筒１０の上側内面は均流面として作用する。ガス噴射筒１０の上側内面に衝突したガス流は、該上側内面にそって内側に移動し、さらに邪魔板１４ｂの外側面に衝突し、方向を変えてガス噴射筒１０の下側内面に衝突し、さらに方向を変えて邪魔板１４ｃの外側面に衝突し、方向を変えてガス噴射筒１０の上側内面に衝突し、その後、方向を変えて邪魔板１４ｃの内側の空間へと流れる。上記邪魔板１４ｂ、１４ｃ、ガス噴射筒１０の上側内面、下側内面との衝突においてもガス流は乱流状態になってガス噴射筒１０の長手方向にガスの一部が流れてガス流が均される。したがって、これら邪魔板１４ｂ、１４ｃ、ガス噴射筒１０の上側内面、下側内面も均流面として作用する。
上記のようにして繰り返し均流がなされたガス流は、邪魔板１４ｃの内側の空間を下降して、ガス噴射口１５より非晶質半導体薄膜２のレーザ光照射部分近傍に照射される。
このガス流は、上記均流によって前記長手方向においてガス流量、ガス流速が均等化されており、レーザ光照射部分近傍で均等な照射雰囲気を形成する。
非晶質半導体薄膜２は、前記レーザ光６のパルスに合わせて（１ヶ所あたり２０パルス照射）移動する試料台３によって設定した照射開始位置に移動させた後、一定の速度にて移動しながらレーザ光６を照射することによってレーザ光６が走査されて照射面が移動し、この移動する照射面によって非晶質半導体薄膜２の任意の領域が結晶化される。この際に、非晶質半導体薄膜２の照射面近傍は、上記のようにガスが噴射されており、酸素を効果的に除外して均等で良好なガス雰囲気が形成されている。このガス雰囲気によって酸素が十分に除外されていることによりレーザアニールを良好に行うことができる。
（参考形態２）
上記参考形態では、ガス流路に邪魔板を設置することで均流面を設けたが、均流面を設ける方法は特に限定をされるものではない。
図３は、ガス噴射筒１００のガス流路をガス噴射口１０５の長手方向に沿って扁平な流路断面積形状にするとともに、該ガス流路１０３を複数回屈曲させつつガス噴射口１０５の上方に伸張させたものである。なお、図中１０１はレーザ光導入窓、１０２はガス供給管を示すものである。
ガス供給管１０２からガス流路１０３に導入されたガスは、ガス流路が屈曲する屈曲部１０３ａ〜１０３ｄに至る毎に、屈曲部の屈曲面に衝突して乱流を生じ、前記したガスの均流がなされる。すなわち、ガス流路１０３の屈曲部１０３ａ〜１０３ｄの下流近傍のガス流路内面が均流面として作用している。
（参考形態３）
また、均流面は、ガス流路に湾曲部を設けて蛇行させることで、湾曲部内面を均流面にしてガスの均流を図ることも可能である。
図４は、ガス噴射筒１１０のガス流路をガス噴射口１１５の長手方向に沿って扁平な流路断面積形状にするとともに、該ガス流路１１３を蛇行させて小さな曲率の湾曲部１１３ａ〜１１３ｄを複数設けたものである。なお、図中１１１はレーザ光導入窓、１１２はガス供給管を示すものである。
ガス流路１１３を流れるガス流は、湾曲部１１３ａ〜１１３ｄに至る毎に湾曲部内面に衝突し、前記した均流作用を受ける。すなわち、ガス流路１１３の湾曲部１１３ａ〜１１３ｄの内面が均流面として作用している。
（参考形態４）
上記各参考形態では、均流面について詳細に説明をしたが、ガス導入部の構造を工夫することでさらに均流作用を増大させることができる。なお、以下の参考形態および実施形態では、均流面を有するガス流路の説明については省略をして、ガス導入部を詳細に説明する。
図５では、ガス噴射口１２５を有するガス噴射筒１２０に、ガス導入部側においてガス流路と区画する区画壁２０が設けられ、該区画壁２０にガス噴射口１２５の長手方向において、間隔を有するようにガス通過部としてガス通過孔２０ａ…２０ａが複数形成されており、該区画壁２０を室壁の一部にしてガスの導入側がガス導入室２１とされている。
この参考形態では、ガス導入室２１に導入されたガスが導入室内で拡散し、それぞれのガス通過孔２０ａ…２０ａを通してガス流路へ送られる。このガスの流れによって、ガス流路に送られるガス流は、ガス噴射口１２５の長手方向においてガス流量、ガス流速の均等化が図られており、さらにガス流路において前記した均流面による作用を得ることでガス流の均等化を一層図ることが可能になる。
（参考形態５）
上記参考形態では、区画壁の上流側にガス導入室を設けてガス流の均等化を図ったが、図６に示すように、ガス噴射口１３５を有するガス噴射筒１３０に区画壁２３を設け、該区画壁２３にガス通過部として設けたガス通過孔２３ａ〜２３ｆにそれぞれガス供給管を接続する。各ガス供給管にそれぞれ流量制御弁２２ａ〜２２ｆを設けて各ガス供給管を流れるガスの流量を均一に制御することで、ガス流路に前記長手方向に沿ってガスを均等に送り出すことができる。また、ガス流路に送り出されたガス流が前記長手方向で偏りが生じやすい場合には、各流量制御弁２２ａ〜２２ｆを個別に調整することで各ガス供給管の流量を同一に調整するのではなく、ガス流路における流れを偏りのないものにしてガス流の均等化を図るようにしてもよい。
（実施形態）
次に、本発明の一実施形態の噴射手段を図７に基づいて説明する。
図７に示すように、ガス噴射口１４５を有するガス噴射筒１４０に前記参考形態で説明したガス導入室２１を設け、このガス導入室２１に、ガス供給管２４を配置し、このガス供給管２４に前記長手方向に沿ってガスが流出するようにガス通気孔２４ａ…２４ａを間隔を置いて形成する。なお、ガス通気孔に変えて前記長手方向に沿ったスリットを設けることも可能である。
なお、ガス通気孔２４ａ…２４ａやスリットでは、送り出されるガスが直接に前記ガス通過孔２０ａ…２０ａに向けて移動しないように、前記ガス通過孔２０ａ…２０ａに向かないように前記ガス通気孔２４ａやスリットを形成し、好適にはガス通過孔２０ａ…２０ａに背を向けるように通気孔またはスリットを形成する。これによりガス供給管２４から送り出されるガスは、ガス導入室２１内で前記長手方向に拡散した後、前記ガス通過孔２０ａ…２０ａを通過してガス流路に送出されるので、前記長手方向におけるガス流の均等化が一層なされる。
以上、本発明について上記各参考形態および実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明は、上記参考形態および実施形態の説明に限定をされるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で当然に適宜の変更が可能である。
本発明の一参考形態の噴射手段を備えるレーザアニール処理装置を示す概略図である。 同じく、噴射手段を示す一部を断面した斜視図である。 本発明の他の参考形態の噴射手段を備えるレーザ処理装置を示す概略図である。 本発明のさらに他の参考形態の噴射手段を備えるレーザ処理装置を示す概略図である。 本発明の他の参考形態の噴射手段を示す断面図である。 同じく、さらに他の参考形態の噴射手段を示す断面図である。 本発明の一実施形態の噴射手段を示す断面図である。 従来の噴射手段を備えるレーザアニール処理装置を示す概略図である。
符号の説明
１ 基板
２ 非晶質半導体薄膜
３ 試料台
５ レーザ光源
６ レーザ光
１０ ガス噴射筒
１２ ガス供給管
１３ ガス流路
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 邪魔板
１５ ガス噴射口
２０ 区画壁
２０ａ ガス通過孔
２１ ガス導入室
２２ａ…２２ｆ 流量制御弁
２３ａ…２３ｆ ガス通過孔
２４ ガス供給管
２４ａ ガス通気孔
１００、１１０、１２０、１３０、１４０ ガス噴射筒
１０２、１１２ ガス供給管
１０３、１１３ ガス流路
１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ 屈曲部
１０５、１１５ ガス噴射口
１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ、１１３ｄ 湾曲部

Claims (4)

  1. 被処理体にレーザ光を照射して前記被処理体の処理を行うレーザ処理装置に備えられて照射雰囲気を形成するガスを前記被処理体の前記レーザ光照射部分近傍に噴射するガス噴射手段であって、該噴射手段は、前記ガスの導入部と、前記ガスが前記被処理体に向けて噴射されるガス噴射口と、前記ガス導入部から前記ガス噴射口に至るガス流路を有しており、該ガス流路に、ガスの流れ方向に対面してガス流を乱すことでガスの流れ方向と交差する方向におけるガス流を均す均流面が設けられており、
    前記ガス導入部に前記ガス流路と区画する区画壁が設けられており、該区画壁に前記ガス流路内のガス流と交差する方向に沿って複数のガス通過部が間隔を置いて形成されており、
    前記ガス導入部に前記区画壁を一部室壁とするガス導入室が設けられており、
    前記ガス導入室に、前記ガス流路内のガス流と交差する方向に沿ってガス導入管が配置されており、該ガス導入管に長手方向に沿って通気スリットまたは間隔をおいて複数の通気孔が設けられているとともに、該ガス導入管内に外部からガスが導入されるように構成されていることを特徴とするレーザ処理装置のガス噴射手段。
  2. 前記レーザ光がラインビーム形状を有しており、前記噴射口は、該レーザ光が通過する長尺な形状を有していることを特徴とする請求項１記載のレーザ処理装置のガス噴射手段。
  3. 前記均流面は、前記ガス流路に設けた１または複数枚の邪魔板により形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ処理装置のガス噴射手段。
  4. 前記均流面は、ガス流路内の湾曲面または屈曲面によって形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ処理装置のガス噴射手段。
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