JP4961897B2

JP4961897B2 - レーザー照射装置、レーザー照射方法、薄膜半導体装置の製造方法、及び表示装置の製造方法

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Publication number: JP4961897B2
Application number: JP2006231506A
Authority: JP
Inventors: 啓介尾本; 稔中島; 正利稲垣
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2006-08-29
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2026-08-29
Also published as: US8084707B2; JP2008060098A; US20120067856A1; KR20080020480A; US20080053969A1; TWI362694B; CN101185988B; TW200830384A; CN101185988A

Description

本発明は、ライン状のレーザー光を被照射体に照射するレーザー照射装置とレーザー照射方法に関し、さらにはライン状のレーザー光の照射によって半導体膜を結晶化する薄膜半導体装置の製造方法及び表示装置の製造方法に関する。

近年、多結晶シリコン膜に代表される結晶質半導体膜を用いた薄膜トランジスタ（以下、「ＴＦＴ」と記す）が、例えば液晶表示装置や有機ＥＬ(Electro Luminescence)表示装置などの表示装置において、画素のスイッチング素子や、画素を制御するための駆動回路を形成する素子として用いられている。

非晶質シリコン膜（アモルファスシリコン膜）などの非晶質半導体膜を結晶化させる方法として、レーザー光（レーザービーム）を用いた方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。この方法では、レーザー照射装置を用いてライン状のレーザー光を非晶質の半導体膜に照射することにより、半導体膜をレーザー光で加熱して結晶化させる。通常、結晶化に使用されるレーザー光はパルスレーザー光であり、このパルスレーザー光で半導体膜を瞬間的に加熱して結晶化することにより、結晶質の半導体膜を得ている。

図５は従来のレーザー照射装置の構成例を概略的に示すもので、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は平面図である。レーザー照射装置は、光学系５１と、一対の切り出し部材５２と、テーブル５３とを備えている。

光学系５１は、図示しないレーザー光源から出力されたレーザー光の断面（光軸に垂直な断面）をライン状に形成するものである。一対の切り出し部材５２は、光学系５１でライン状に形成されたレーザー光（線状ビーム）ＬＢを、当該レーザー光ＬＢのライン長手方向（図の左右方向）に沿うＸ方向で所定の長さに切り出すものである。

テーブル５３は、被照射体となる半導体膜が形成された基板５４を支持するものである。基板５４の主面（上面）には、レーザー照射前の段階で、非晶質の半導体膜５５が形成されている。また、テーブル５３は、図示しないテーブル移動機構によって移動可能に支持されている。

上記構成からなるレーザー照射装置を用いて、レーザー光照射対象領域５６内の半導体膜５５を結晶化させる場合は、被照射体となる半導体膜５５付きの基板５４をテーブル５３に載せて支持するとともに、図示しないレーザー光源から出射されたレーザー光の断面形状を光学系５１でライン状に変換することにより、光学系５１から基板５４に向けてライン状のレーザー光ＬＢを照射する。その際、ライン状のレーザー光ＬＢの一部（ライン長手方向の端部側）を一対の切り出し部材５２で遮光することにより、基板５４のレーザー光照射対象領域５６のサイズに合わせて、レーザー光ＬＢを所定の長さに切り出す。

また、基板５４上の広い面積にレーザー光を照射するために、レーザー光ＬＢを照射するタイミングに同期して、テーブル５４を一定のピッチでＹ方向に順に移動させる。その結果、レーザー光ＬＢの照射によって半導体膜５５が結晶化される。

特開２００１−１５６０１７号公報

しかしながら、上記従来のレーザー照射装置においては、一対の切り出し部材５２でレーザー光ＬＢを切り出すときに、各々の切り出し部材５２の表面（上面）でレーザー光が上方に反射し、この反射光が半導体膜の結晶化工程に悪い影響を及ぼすという問題があった。

具体的な影響としては、（１）切り出し部材５２からの反射光がレーザー光源まで戻り、レーザー光の出力が変動する、（２）切り出し部材５２からの反射光が光路に戻ってレーザー光と干渉することにより、レーザー光の強度が変動したり、レーザー光の局所的な強度不均一をもたらしたりする、（３）切り出し部材５２からの反射光によって光学系５１の光学素子が加熱され、これに伴う光学素子の熱膨張によってレーザー光の光路が変動したり、レーザー光の強度が変動したり、レーザー光の強度分布が不均一になったりする。

本発明に係るレーザー照射装置は、被照射体に照射されるレーザー光の断面をライン状に形成する光学系と、この光学系によってライン状に形成されたレーザー光をライン長手方向で所定の長さに切り出すとともに、この切り出しのための遮光部に、レーザー光を取り込んで吸収する複数のフィンが設けられた切り出し部材とを備えるものである。

また、本発明に係るレーザー照射方法は、レーザー光の断面をライン状に形成するとともに、ライン状のレーザー光をライン長手方向で所定の長さに切り出して被照射体に照射する際に、レーザー光の切り出しを行なう切り出し部材の遮光部に複数のフィンを設け、これらのフィンにレーザー光を取り込んで吸収させるものである。

本発明に係るレーザー照射装置及びレーザー照射方法においては、レーザー光の切り出しを行なう切り出し部材の遮光部に複数のフィンを設け、これらのフィンにレーザー光を取り込んで吸収させることにより、切り出しのために遮光されるレーザー光が、従来のように切り出し部材の表面で反射することがなくなる。

本発明によれば、切り出し部材の遮光部に照射されるレーザー光を複数のフィンに取り込んで吸収することにより、切り出しのために遮光されるレーザー光が切り出し部材の表面で反射しなくなるため、切り出し部材で反射したレーザー光による悪影響を防止することができる。

以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は本発明の実施形態に係るレーザー照射装置の構成例を概略的に示すもので、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は平面図である。レーザー照射装置は、光学系１と、一対の切り出し部材２と、テーブル３とを備えている。

光学系１は、図示しないレーザー光源から出力されたレーザー光の断面（光軸に垂直な断面）をライン状に形成するものである。レーザー光源は、例えばパルス発振型のエキシマレーザーを発振源として、パルスレーザーからなるレーザー光を出力するものである。光学系１は、例えば円筒型レンズなどの光学素子を用いて構成されるものである。この光学系１では、レーザー光源から出力されたレーザー光を、例えばラインの長さ（長手寸法）が３００ｍｍ、ラインの幅（短手寸法）が１００〜５００μｍといったライン状のレーザー光ＬＢに変換する。

一対の切り出し部材２は、光学系１でライン状に形成されたレーザー光（線状ビーム）ＬＢを、当該レーザー光ＬＢのライン長手方向（図の左右方向）に沿うＸ方向で所定の長さに切り出すものである。各々の切り出し部材２は、例えばアルミニウムなどの金属材料からなる板状の部材であって、例えば図示しないブラケット等の取り付け用部材を用いてテーブル３から所定の距離だけ上方に離間した位置に取り付けられている。また、一対の切り出し部材２は、Ｘ方向と平行な同一の直線上で所定の間隔をあけて対向する状態に配置されている。レーザー光ＬＢを切り出す長さは、一対の切り出し部材２の間隔（対向距離）によって決まる。このため、一対の切り出し部材２は、後述するレーザー光照射対象領域に合わせてレーザー光ＬＢの切り出し長さを調整できるように、レーザー光ＬＢのライン長手方向（Ｘ方向）で互いに接近離間する方向に移動可能に設けられている。

テーブル３は、被照射体となる半導体膜が形成された基板４を支持するものである。基板４としては、例えばガラス基板、半導体基板（シリコン基板等）、プラスチック基板などが用いられる。基板４の主面（上面）には、レーザー照射前の段階で、例えば非晶質シリコン膜からなる非晶質の半導体膜５が形成されている。また、テーブル３は、図示しないテーブル移動機構によって移動可能に支持されている。テーブル移動機構によるテーブル３の移動は、上記ライン長手方向に垂直なＹ方向でレーザー光の照射位置を固定したまま、基板４上に設定されたレーザー光照射対象領域６全体にレーザー光ＬＢを照射するために行なわれる。

また、上述した一対の切り出し部材２には、それぞれ複数のフィン７が設けられている。各々のフィン７は、切り出し部材２の上面側においてレーザー光ＬＢの切り出しのための遮光部（被照射体への照射が不要なレーザー光ＬＢが照射される部分）に設けられている。

図２は図１におけるＣ部の拡大図である。図から分かるように、各々のフィン７は、レーザー光ＬＢの光軸に対して傾斜する状態で切り出し部材２の上面に取り付けられている。フィン７は、例えばアルミニウムなどの金属材料からなる薄板状の部材であって、内角が鈍角となるように折り曲げられている。この折り曲げ部を境にしてフィン７を第１の部分７Ａと第２の部分７Ｂに区分すると、第１の部分７Ａは、例えば図示しないネジ等の固定手段を用いて切り出し部材２に固定され、第２の部分７Ｂは、切り出し部材２の上面から斜めに起立するように配置されている。

フィン７の第２の部分７Ｂは、切り出しのための遮光部に入射するレーザー光ＬＢが第２の部分７Ｂの表面（傾斜面）で反射したときに、この反射したレーザー光の向きがライン長手方向（Ｘ方向）で外向きとなるように傾斜している。ここで記述する「外向き」とは、ライン長手方向でレーザー光ＬＢの長さの中心位置から遠ざかる方向をいう。このような向きでフィン７の第２の部分７Ｂを傾斜させることにより、第２の部分７Ｂで反射したレーザー光が、一対の切り出し部材２の間を通過するレーザー光（結晶化のためのレーザー光）ＬＢの光路に戻ることを確実に防止することができる。

また、フィン７の第２の部分７Ｂの傾斜角度θは、切り出し部材２の上面（フィン７の取り付け面）がレーザー光ＬＢの光軸と直角をなすものとすると、切り出し部材２の上面を基準にして、例えばθ＝４５°〜７５°の範囲内に設定されている。ちなみに、フィン７が傾斜する向きや角度は、一方の切り出し部材２に取り付けられたすべてのフィン７に共通したものとなっており、一対（左右）の切り出し部材２で比較すると、フィン７が傾斜する角度θは共通であるが、フィン７が傾斜する向きは逆向きになっている。また、フィン７の第１の部分７Ａは、表面及び裏面がサンドブラスト処理などによって粗面化処理されていることが望ましく、フィン７の第２の部分７Ｂは、表面及び裏面が研磨処理などによって鏡面仕上げされていることが望ましい。

また、複数のフィン７は、少なくともレーザー光ＬＢが照射される部分をすべてカバーするように、Ｘ方向（レーザー光のライン長手方向）に一列に並ぶように配列されている。このようにフィン７を配列することにより、Ｘ方向を広範囲にわたってフィン７で覆うことができる。こうしたフィン７の配列状態においては、レーザー光ＬＢの光軸方向（上方）から複数のフィン７を見たときに、フィン７の第１の部分７Ａが、これに隣り合うフィン７の第２の部分７Ｂで完全に隠れるように、例えば、フィン７の折り曲げ部を基点に、Ｘ方向における第２の部分７Ｂの端部までの長さＬ１と、Ｘ方向で隣り合うフィン７の第１の部分７Ａの端部までの長さＬ２の大小関係が、Ｌ１≧Ｌ２に設定されている。

さらに、一対の切り出し部材２の相対向する側の端部（レーザー光ＬＢの切り出し口の部分）２Ａは、鋭角（鋭利）なナイフエッジ形状に形成されるとともに、上記フィン７の第２の部分７Ｂと同様にレーザー光ＬＢの光軸に対してナイフエッジ部分を上向きにして傾斜し、この傾斜部２Ａがフィン配列の一部をなしている。切り出し部材２の端部２Ａを鋭角なナイフエッジ形状とした理由は、切り出し部材２の端部２Ａで反射したレーザー光ＬＢが上方（光学系１）に戻ることを防止するためである。

続いて、本発明に係るレーザー照射方法、薄膜半導体装置の製造方法、表示装置の製造方法について説明する。まず、本発明に係るレーザー放射方法は、レーザー光の断面をライン状に形成するとともに、このライン状のレーザー光をライン長手方向で所定の長さに切り出して被照射体に照射する際に、上述のようにレーザー光ＬＢの切り出しを行なう切り出し部材２の遮光部に複数のフィン７を設け、これらのフィン７にレーザー光ＬＢを取り込んで吸収させるものである。

また、本発明に係る薄膜半導体装置の製造方法は、レーザー光の断面をライン状に形成するとともに、このライン状のレーザー光をライン長手方向で所定の長さに切り出して半導体膜に照射することにより、半導体膜を結晶化する工程を有し、この結晶化工程に上記のレーザー照射方法、すなわちレーザー光ＬＢの切り出しを行なう切り出し部材２の遮光部に複数のフィン７を設け、これらのフィン７にレーザー光ＬＢを取り込んで吸収させる方法を適用したものである。この薄膜半導体装置の製造方法は、例えば、ガラス基板を用いたＴＦＴアレイの製造方法として適用可能である。

また、本発明に係る表示装置の製造方法は、レーザー光の断面をライン状に形成するとともに、このライン状のレーザー光をライン長手方向で所定の長さに切り出して半導体膜に照射することにより、半導体膜を結晶化する工程を有し、この結晶化工程に上記のレーザー照射方法、すなわちレーザー光ＬＢの切り出しを行なう切り出し部材２の遮光部に複数のフィン７を設け、これらのフィン７にレーザー光ＬＢを取り込んで吸収させる方法を適用したものである。この表示装置の製造方法は、例えば、画素のスイッチング素子や、画素を制御するための駆動回路を形成する素子にＴＦＴを用いた液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置の製造方法として適用可能である。

以下に、レーザー照射方法の詳細を説明する。まず、上記構成からなるレーザー照射装置を用いて、レーザー光照射対象領域６内の半導体膜５を結晶化させる場合は、被照射体となる半導体膜５付きの基板４をテーブル３に載せて支持するとともに、図示しないレーザー光源から出射されたレーザー光（パルスレーザー等）の断面形状を光学系２でライン状に変換することにより、光学系１から基板４に向けてライン状のレーザー光ＬＢを照射する。

その際、ライン状のレーザー光ＬＢの一部（ライン長手方向の端部側）を一対の切り出し部材２で遮光することにより、基板４のレーザー光照射対象領域６のサイズに合わせて、レーザー光ＬＢを所定の長さに切り出す。一般に、半導体膜の結晶化に使用されるライン状のレーザー光は平行光であるため、一対の切り出し部材２によるレーザー光ＬＢの切り出し長さ（Ｘ方向のレーザー光ＬＢの長さ）は、基板４のレーザー光照射対象領域６の長さ（Ｘ方向のレーザー光照射対象領域６の長さ）に合わせて、レーザー照射前に調整される。

また、基板４上の広い面積にレーザー光を照射するために、レーザー光ＬＢを照射するタイミングに同期して、テーブル４を一定のピッチでＹ方向に順に移動させる。より具体的に記述すると、ライン状に形成したレーザー光ＬＢの幅（Ｙ方向の寸法）よりも狭いピッチ刻みでテーブル３をＹ方向に順に移動させながら、各々の移動位置で基板４上の半導体膜５にレーザー光ＬＢを照射することにより、レーザー光照射対象領域６内の半導体膜５に対して複数回ずつレーザー光ＬＢを照射する。その結果、レーザー光ＬＢの照射によって半導体膜５は瞬間的に加熱されて溶解し、冷却固化する際に結晶化される。ここではテーブル３をＹ方向に移動させるものとしたが、これに代えてレーザー光ＬＢをＹ方向に走査させてもよい。

また、一対の切り出し部材２でレーザー光ＬＢを切り出す場合、上述のように一対の遮光部２に対して、それぞれレーザー光ＬＢの切り出しのための遮光部にフィン７を設けておく。これにより、被照射体となる半導体膜５付きの基板４に照射されずに切り出し部材２で遮られるレーザー光ＬＢは、切り出し部材２の上面側で切り出しのための遮光部に入射する。この遮光部（基板４への照射が不要なレーザー光ＬＢが照射される部分）には、上述のように複数のフィン７が設けられている。このため、遮光部に入射したレーザー光ＬＢは、上記図２に示すように、Ｘ方向で隣り合うフィン７の間に取り込まれる。

こうして取り込まれたレーザー光ＬＢは、Ｘ方向で隣り合うフィン７の間で、互いに向かい合う第２の部分７Ｂの表裏面（鏡面）を反射面として何度も反射を繰り返しながら、徐々にフィン７の奥側（第１の部分７Ａに近づく方向）へと進む。そして、フィン７の間で反射を繰り返す間にレーザー光ＬＢが減衰していき、最終的にはフィン７の内部（Ｘ方向で隣り合うフィン７の間）でレーザー光ＬＢが吸収される。このため、切り出し部材２でレーザー光ＬＢを切り出す場合に、従来のように切り出し部材の表面（上面）でレーザー光が上方に反射することがなくなる。したがって、切り出し部材２で反射したレーザー光ＬＢによる悪影響を防止することができる。

具体的には、切り出し部材２からの反射光がレーザー光源まで戻ることがないため、レーザー光の出力変動を防止することができる。また、切り出し部材２からの反射光が光路に戻ってレーザー光と干渉することがないため、レーザー光の強度変動や、レーザー光の局所的な強度不均一を解消することができる。また、切り出し部材２からの反射光によって光学系１の光学素子が加熱されることがないため、光学素子の温度変化に伴うレーザー光の光路変動や強度変動、さらには強度分布を不均一を解消することができる。このため、基板４上に設定されたレーザー光照射対象領域６全体に均一にレーザー光ＬＢを照射することができる。

また、薄膜半導体装置の製造方法に本発明のレーザー照射方法を適用すれば、安定したレーザー出力で、狙いとする位置に的確にレーザー光を照射することができるため、基板４上の半導体膜５を均一に結晶化することができる。このため、ＴＦＴの特性バラツキを低減することができる。

また、表示装置のなかでも、特に、有機ＥＬ表示装置の場合は、レーザー光の照射による半導体膜の結晶化工程において、レーザー光の出力変動や光路変動、出力プロファイル変化の影響で結晶性が不均一になると、その影響が表示画面の輝度のバラツキとなって顕在化しやすい。このため、有機ＥＬ表示装置の製造方法に本発明のレーザー照射方法を適用すれば、輝度のバラツキを抑えて画質を向上させることができる。

また、上述のようにレーザー光ＬＢをフィン７に取り込んで吸収すると、この吸収によってフィン７が発熱することも考えられるが、フィン７は、もともとアルミニウムなどの高い熱伝導性の材料（金属材料等）で形成され、構造的にも熱を放出しやすいものとなっている。このため、レーザー光ＬＢの吸収によって発生した熱をフィン７から効率良く逃がすことができる。この結果、金属板からなるフィン７の熱変形や切り出し部材２の熱変形を有効に防止することができる。

図３は１パルスあたりのレーザー出力の変動を調べた実験結果を示す図である。図中、グラフの縦軸はレーザー出力（強度）、横軸は時間を示している。図から分かるように、フィン７を設けた場合（フィン有り）と設けない場合（フィン無し）で比較すると、前者の方が後者よりも高いレーザー出力が得られている。このレーザー出力の差は、切り出し部材の表面で上方に反射したレーザー光が、戻り光となってレーザー光源に到達し、その影響でレーザー出力に変動（出力の損失）が生じていることを示している。

図４はレーザー照射前後におけるレーザー光の位置変動を調べた実験結果を示すもので、（Ａ）はフィン無しの場合、（Ｂ）はフィン有りの場合である。図中、グラフの縦軸はレーザー出力、横軸はレーザー光のライン短手方向（幅方向）の位置を示している。図から分かるように、フィン無しの場合は、レーザー照射前とレーザー照射後で、レーザー光の位置にずれ（光路変動）が生じ、レーザー出力のプロファイル（トップハット型の形状）にも若干の変化が認められた。これに対して、フィン有りの場合は、レーザー照射前とレーザー照射後で、レーザー光の位置にずれが発生せず、レーザー出力のプロファイルにもまったく変化が認められなかった。

なお、一対の切り出し部材２に設けられるフィン７は、上記実施形態とは逆の向きで傾斜させても、フィン７を設けない場合に比較すれば格段の効果が期待できる。また、フィン７の構成としては、第１の部分７Ａから一旦垂直に第２の部分７Ｂを立ち上げ、第２の部分７Ｂの上側だけを傾斜させたものでもよい。

本発明の実施形態に係るレーザー照射装置の構成例を示す図である。図１におけるＣ部の拡大図である。レーザー出力の変動を調べた実験結果を示す図である。レーザー光の位置変動を調べた実験結果を示す図である。従来のレーザー照射装置の構成例を示す図である。

符号の説明

１…光学系、２…切り出し部材、３…テーブル、４…基板、５…半導体膜、７…フィン、ＬＢ…レーザー光

Claims

被照射体に照射されるレーザー光の断面をライン状に形成する光学系と、
前記光学系によってライン状に形成されたレーザー光をライン長手方向で所定の長さに切り出すとともに、前記切り出しのための遮光部に、前記レーザー光を取り込んで吸収する複数のフィンが設けられた切り出し部材と
を備え、
前記複数のフィンは、当該フィンの傾斜部で反射したレーザー光の向きが前記ライン長手方向で外向きとなるように傾斜しているレーザー照射装置。
前記複数のフィンは、前記レーザー光の光軸に対して傾斜する状態で、前記ライン長手方向に配列されている請求項１に記載のレーザー照射装置。
前記切り出し部材は、その端部が鋭角なナイフエッジ形状に形成されるとともに、前記レーザー光の光軸に対してナイフエッジを上向きにして傾斜し、フィン配列の一部をなしている請求項１または請求項２に記載のレーザー照射装置。
レーザー光の断面をライン状に形成するとともに、前記ライン状のレーザー光をライン長手方向で所定の長さに切り出して被照射体に照射する際に、
前記レーザー光の切り出しを行なう切り出し部材の遮光部に複数のフィンを、当該フィンの傾斜部で反射したレーザー光の向きが前記ライン長手方向で外向きとなるように傾斜させて設け、前記複数のフィンにレーザー光を取り込んで吸収させるレーザー照射方法。
レーザー光の断面をライン状に形成するとともに、前記ライン状のレーザー光をライン長手方向で所定の長さに切り出して基板上の半導体膜に照射することにより、前記半導体膜を結晶化する工程を有する薄膜半導体装置の製造に当たって、
前記レーザー光の切り出しを行なう切り出し部材の遮光部に複数のフィンを、当該フィンの傾斜部で反射したレーザー光の向きが前記ライン長手方向で外向きとなるように傾斜させて設け、前記複数のフィンにレーザー光を取り込んで吸収させる薄膜半導体装置の製造方法。
レーザー光の断面をライン状に形成するとともに、前記ライン状のレーザー光をライン長手方向で所定の長さに切り出して基板上の半導体膜に照射することにより、前記半導体膜を結晶化する工程を有する表示装置の製造に当たって、
前記レーザー光の切り出しを行なう切り出し部材の遮光部に複数のフィンを、当該フィンの傾斜部で反射したレーザー光の向きが前記ライン長手方向で外向きとなるように傾斜させて設け、前記複数のフィンにレーザー光を取り込んで吸収させる表示装置の製造方法。