JP5030130B2 - 薄膜材料の結晶化装置 - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ光の照射による薄膜材料の結晶化装置に関するものであり、主に、フラットパネルに使用される薄膜トランジスターのための結晶化シリコンを製造するための結晶化装置に関するものである。
この種の従来の装置として、画素用と周辺回路用の薄膜トランジスターとを異なる照射条件として結晶化する方法が、例えば特許文献１に記載されている。これは、スイッチング素子となる薄膜トランジスターを備えた液晶表示装置の構造において、画素を表示する画素をスイッチングするための画素用の複数の薄膜トランジスターと、画素用の薄膜トランジスターを駆動するための回路を構成する周辺回路用の複数の薄膜トランジスターを同一の基板内に具備し、画素用及び周辺回路用の薄膜トランジスターの半導体層を多結晶シリコン層により構成し、かつ、画素用の薄膜トランジスターよりも周辺回路用の薄膜トランジスターの方がキャリア移動度が大であることを特徴とし、このような状態は、アモルファスシリコン層（ａ−Ｓｉ層）を堆積後、アモルファスシリコン層をレーザアニール法により多結晶シリコン層とする際、表示部のシリコン層よりも駆動回路部のシリコン層の方が照射するレーザエネルギー値（照射エネルギー密度）が高いものとすることにより形成することができる、としている。
一方、特許文献２に記載されるように、周辺回路用の薄膜トランジスターとしては、横方向成長した結晶が、特性が良く、好ましい。
特開平６−５９２７８号公報
特許第３２０４９８６号公報
特許文献１及び２に記載される方法及びその装置にあつては、次のような技術的課題が存在していた。
先ず、画素用の薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜は、結晶粒の大きさが薄膜トランジスターのチャネル長より十分に小さい結晶か、結晶粒の大きさが不揃いであるが均一に分散した結晶（以下、「均一ランダム結晶」という。）とする方が、表示したときの特性が局在することなく、見た目に均一であるように見える。
先ず、画素用の薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜は、結晶粒の大きさが薄膜トランジスターのチャネル長より十分に小さい結晶か、結晶粒の大きさが不揃いであるが均一に分散した結晶（以下、「均一ランダム結晶」という。）とする方が、表示したときの特性が局在することなく、見た目に均一であるように見える。
しかしながら、周辺回路用の薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜としての横方向成長した結晶と画素用の均一ランダム結晶とを生成する場合、周辺回路用の薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜の生成の照射エネルギー密度を画素用の照射エネルギー密度よりも高めるという単に照射エネルギー密度を変えるのみでは、両者を生成することはできない。
本発明は、このような従来の技術的課題に鑑みてなされたものであり、その構成は、次の通りである。
請求項１の発明は、レーザ発振器（１０１）より発したパルス状のレーザ（１０２）を１つの基板に形成した薄膜シリコン（１０６）に走査しながら照射することにより、
画素用及び周辺回路用の薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜が、各々異なる条件として結晶化される薄膜材料の結晶化装置において、
レーザ発振器（１０１）より発したレーザ（１０２）を、強度をＹ軸方向に均一化するホモジナイザー（１０３）と、ホモジナイザー（１０３）を透過するレーザ（１０２）をマスク（１０４）面にＸ軸方向に集光するシリンドリカルレンズ（１０８）と、マスク（１０４）面を透過するレーザ（１０２）のマスクパターンを薄膜シリコン（１０６）上に投影し、薄膜シリコン（１０６）を結晶化する投影レンズ（１０５）とを備え、
画素用の結晶化シリコン薄膜は、均一ランダム結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ１）で１０μｍより大きく、かつ、所定の画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成し、
周辺回路用の結晶化シリコン薄膜は、ラテラル結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ２）で１０μｍ以下、かつ、照射エネルギー密度（Ｅ２）を画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）よりも高めると共に、薄膜シリコン（１０６）に照射するレーザ（１０２）の送りピッチ２μｍ／ｐ以下として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成するものであり、
前記画素用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ１）と周辺回路用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ２）とを得るために、前記マスク（１０４）がレーザ（１０２）の遮蔽量を変更可能であることを特徴とする薄膜材料の結晶化装置である。
請求項２の発明は、レーザ発振器（１０１）より発したパルス状のレーザ（１０２）を１つの基板に形成した薄膜シリコン（１０６）に走査しながら照射することにより、
画素用及び周辺回路用の薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜が、各々異なる条件として結晶化される薄膜材料の結晶化装置において、
レーザ発振器（１０１）より発したレーザ（１０２）を、強度をＹ軸方向に均一化するホモジナイザー（１０３）と、ホモジナイザー（１０３）を透過するレーザ（１０２）をマスク（１０４）面にＸ軸方向に集光するシリンドリカルレンズ（１０８）と、マスク（１０４）面を透過するレーザ（１０２）のマスクパターンを薄膜シリコン（１０６）上に投影し、薄膜シリコン（１０６）を結晶化する投影レンズ（１０５）とを備え、
画素用の結晶化シリコン薄膜は、均一ランダム結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ１）で１０μｍより大きく、かつ、所定の画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成し、
周辺回路用の結晶化シリコン薄膜は、ラテラル結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ２）で１０μｍ以下、かつ、照射エネルギー密度（Ｅ２）を画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）よりも高めると共に、薄膜シリコン（１０６）に照射するレーザ（１０２）の送りピッチ２μｍ／ｐ以下として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成するものであり、
前記画素用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ１）と周辺回路用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ２）とを得るために、前記シリンドリカルレンズ（１０８）が光軸方向に移動可能であり、
シリンドリカルレンズ（１０８）を光軸方向に移動させて、マスク（１０４）上のレーザ（１０２）のビーム幅を変更可能であることを特徴とする薄膜材料の結晶化装置である。
請求項３の発明は、前記画素用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ１）と周辺回路用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ２）とを得るために、前記シリンドリカルレンズ（１０８）が光軸方向に移動可能であり、
シリンドリカルレンズ（１０８）を光軸方向に移動させて、マスク（１０４）上のレーザ（１０２）のビーム幅を変更可能であることを特徴とする請求項１記載の薄膜材料の結晶化装置である。
請求項４の発明は、レーザ発振器（１０１）より発したパルス状のレーザ（１０２）を１つの基板に形成した薄膜シリコン（１０６）に走査しながら照射することにより、
画素用及び周辺回路用の薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜が、各々異なる条件として結晶化される薄膜材料の結晶化装置において、
レーザ発振器（１０１）より発したレーザ（１０２）を、強度をＹ軸方向に均一化するホモジナイザー（１０３）と、ホモジナイザー（１０３）を透過するレーザ（１０２）をマスク（１０４）面にＸ軸方向に集光するシリンドリカルレンズ（１０８）と、マスク（１０４）面を透過するレーザ（１０２）のマスクパターンを薄膜シリコン（１０６）上に投影し、薄膜シリコン（１０６）を結晶化する投影レンズ（１０５）とを備え、
画素用の結晶化シリコン薄膜は、均一ランダム結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ１）で１０μｍより大きく、かつ、所定の画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成し、
周辺回路用の結晶化シリコン薄膜は、ラテラル結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ２）で１０μｍ以下、かつ、照射エネルギー密度（Ｅ２）を画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）よりも高めると共に、薄膜シリコン（１０６）に照射するレーザ（１０２）の送りピッチ２μｍ／ｐ以下として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成するものであり、
前記画素用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ１）と周辺回路用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ２）とを得るために、前記シリンドリカルレンズ（１０８）に入射するレーザ（１０２）を、Ｘ軸方向にｍの倍率、かつ、Ｙ軸方向にｎの倍率で拡大するビームエキスパンダー（１０７）を設け、Ｘ軸方向の倍率ｍを変えることを特徴とする薄膜材料の結晶化装置である。
請求項５の発明は、前記画素用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ１）と周辺回路用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ２）とを得るために、前記シリンドリカルレンズ（１０８）に入射するレーザ（１０２）を、Ｘ軸方向にｍの倍率、かつ、Ｙ軸方向にｎの倍率で拡大するビームエキスパンダー（１０７）を設け、Ｘ軸方向の倍率ｍを変えることを特徴とする請求項１の薄膜材料の結晶化装置である。
請求項６の発明は、レーザ発振器（１０１）より発したパルス状のレーザ（１０２）を１つの基板に形成した薄膜シリコン（１０６）に走査しながら照射することにより、
画素用及び周辺回路用の薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜が、各々異なる条件として結晶化される薄膜材料の結晶化装置において、
レーザ発振器（１０１）より発したレーザ（１０２）を、強度をＹ軸方向に均一化するホモジナイザー（１０３）と、ホモジナイザー（１０３）を透過するレーザ（１０２）をマスク（１０４）面にＸ軸方向に集光するシリンドリカルレンズ（１０８）と、マスク（１０４）面を透過するレーザ（１０２）のマスクパターンを薄膜シリコン（１０６）上に投影し、薄膜シリコン（１０６）を結晶化する投影レンズ（１０５）とを備え、
画素用の結晶化シリコン薄膜は、均一ランダム結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ１）で１０μｍより大きく、かつ、所定の画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成し、
周辺回路用の結晶化シリコン薄膜は、ラテラル結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ２）で１０μｍ以下、かつ、照射エネルギー密度（Ｅ２）を画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）よりも高めると共に、薄膜シリコン（１０６）に照射するレーザ（１０２）の送りピッチ２μｍ／ｐ以下として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成するものであり、
前記画素用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ１）と周辺回路用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ２）とを得るために、前記シリンドリカルレンズ（１０８）が焦点距離（：ｆ）を増減調節することが可能であることを特徴とする薄膜材料の結晶化装置である。
請求項７の発明は、前記画素用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ１）と周辺回路用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ２）とを得るために、前記シリンドリカルレンズ（１０８）が焦点距離（：ｆ）を増減調節することが可能であることを特徴とする請求項１の薄膜材料の結晶化装置である。
請求項８の発明は、レーザ発振器（１０１）より発したパルス状のレーザ（１０２）を１つの基板に形成した薄膜シリコン（１０６）に走査しながら照射することにより、
画素用及び周辺回路用の薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜が、各々異なる条件として結晶化される薄膜材料の結晶化装置において、
レーザ発振器（１０１）より発したレーザ（１０２）を、強度をＹ軸方向に均一化するホモジナイザー（１０３）と、ホモジナイザー（１０３）を透過するレーザ（１０２）をマスク（１０４）面にＸ軸方向に集光するシリンドリカルレンズ（１０８）と、マスク（１０４）面を透過するレーザ（１０２）のマスクパターンを薄膜シリコン（１０６）上に投影し、薄膜シリコン（１０６）を結晶化する投影レンズ（１０５）とを備え、
画素用の結晶化シリコン薄膜は、均一ランダム結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ１）で１０μｍより大きく、かつ、所定の画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成し、
周辺回路用の結晶化シリコン薄膜は、ラテラル結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ２）で１０μｍ以下、かつ、照射エネルギー密度（Ｅ２）を画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）よりも高めると共に、薄膜シリコン（１０６）に照射するレーザ（１０２）の送りピッチ２μｍ／ｐ以下として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成するものであり、
前記レーザ発振器（１０１）をパルス状の固体レーザからなるレーザ（１０２）を発振する固体レーザ発振器とすると共に、前記半値幅（：Ｗ１，Ｗ２）毎の照射エネルギー密度（Ｅ１，Ｅ２）をそれぞれ所定の照射エネルギー密度とするために、前記固体レーザからなるレーザ（１０２）の繰返し周波数を変えてパルスエネルギーを調整することを特徴とする薄膜材料の結晶化装置である。
請求項９の発明は、前記画素用又は周辺回路用の結晶化シリコン薄膜を生成するとき、レーザ（１０２）の走査方向と直交する方向のマスク（１０４）の開口部長さ（１１１）を調整・変更し、マトリックス状に配置した薄膜トランジスター（３０１）の無いところにレーザ（１０２）の走査方向と直交する方向の端部を位置させることを特徴とする請求項８の薄膜材料の結晶化装置である。
請求項１０の発明は、前記画素用又は周辺回路用の結晶化シリコン薄膜を生成するとき、前記薄膜シリコン（１０６）に照射するレーザ（１０２）の走査方向と直交する方向の両端の強度分布の傾斜部（３０４）の幅が、強度５０〜９７％の範囲で１０μｍ以下であつて、該傾斜部（３０４）がマトリックス状に配置した薄膜トランジスターの存在しない箇所を走査するように位置制御することを特徴とする請求項８の薄膜材料の結晶化装置である。
請求項１の発明は、レーザ発振器（１０１）より発したパルス状のレーザ（１０２）を１つの基板に形成した薄膜シリコン（１０６）に走査しながら照射することにより、
画素用及び周辺回路用の薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜が、各々異なる条件として結晶化される薄膜材料の結晶化装置において、
レーザ発振器（１０１）より発したレーザ（１０２）を、強度をＹ軸方向に均一化するホモジナイザー（１０３）と、ホモジナイザー（１０３）を透過するレーザ（１０２）をマスク（１０４）面にＸ軸方向に集光するシリンドリカルレンズ（１０８）と、マスク（１０４）面を透過するレーザ（１０２）のマスクパターンを薄膜シリコン（１０６）上に投影し、薄膜シリコン（１０６）を結晶化する投影レンズ（１０５）とを備え、
画素用の結晶化シリコン薄膜は、均一ランダム結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ１）で１０μｍより大きく、かつ、所定の画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成し、
周辺回路用の結晶化シリコン薄膜は、ラテラル結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ２）で１０μｍ以下、かつ、照射エネルギー密度（Ｅ２）を画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）よりも高めると共に、薄膜シリコン（１０６）に照射するレーザ（１０２）の送りピッチ２μｍ／ｐ以下として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成するものであり、
前記画素用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ１）と周辺回路用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ２）とを得るために、前記マスク（１０４）がレーザ（１０２）の遮蔽量を変更可能であることを特徴とする薄膜材料の結晶化装置である。
請求項２の発明は、レーザ発振器（１０１）より発したパルス状のレーザ（１０２）を１つの基板に形成した薄膜シリコン（１０６）に走査しながら照射することにより、
画素用及び周辺回路用の薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜が、各々異なる条件として結晶化される薄膜材料の結晶化装置において、
レーザ発振器（１０１）より発したレーザ（１０２）を、強度をＹ軸方向に均一化するホモジナイザー（１０３）と、ホモジナイザー（１０３）を透過するレーザ（１０２）をマスク（１０４）面にＸ軸方向に集光するシリンドリカルレンズ（１０８）と、マスク（１０４）面を透過するレーザ（１０２）のマスクパターンを薄膜シリコン（１０６）上に投影し、薄膜シリコン（１０６）を結晶化する投影レンズ（１０５）とを備え、
画素用の結晶化シリコン薄膜は、均一ランダム結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ１）で１０μｍより大きく、かつ、所定の画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成し、
周辺回路用の結晶化シリコン薄膜は、ラテラル結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ２）で１０μｍ以下、かつ、照射エネルギー密度（Ｅ２）を画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）よりも高めると共に、薄膜シリコン（１０６）に照射するレーザ（１０２）の送りピッチ２μｍ／ｐ以下として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成するものであり、
前記画素用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ１）と周辺回路用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ２）とを得るために、前記シリンドリカルレンズ（１０８）が光軸方向に移動可能であり、
シリンドリカルレンズ（１０８）を光軸方向に移動させて、マスク（１０４）上のレーザ（１０２）のビーム幅を変更可能であることを特徴とする薄膜材料の結晶化装置である。
請求項３の発明は、前記画素用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ１）と周辺回路用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ２）とを得るために、前記シリンドリカルレンズ（１０８）が光軸方向に移動可能であり、
シリンドリカルレンズ（１０８）を光軸方向に移動させて、マスク（１０４）上のレーザ（１０２）のビーム幅を変更可能であることを特徴とする請求項１記載の薄膜材料の結晶化装置である。
請求項４の発明は、レーザ発振器（１０１）より発したパルス状のレーザ（１０２）を１つの基板に形成した薄膜シリコン（１０６）に走査しながら照射することにより、
画素用及び周辺回路用の薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜が、各々異なる条件として結晶化される薄膜材料の結晶化装置において、
レーザ発振器（１０１）より発したレーザ（１０２）を、強度をＹ軸方向に均一化するホモジナイザー（１０３）と、ホモジナイザー（１０３）を透過するレーザ（１０２）をマスク（１０４）面にＸ軸方向に集光するシリンドリカルレンズ（１０８）と、マスク（１０４）面を透過するレーザ（１０２）のマスクパターンを薄膜シリコン（１０６）上に投影し、薄膜シリコン（１０６）を結晶化する投影レンズ（１０５）とを備え、
画素用の結晶化シリコン薄膜は、均一ランダム結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ１）で１０μｍより大きく、かつ、所定の画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成し、
周辺回路用の結晶化シリコン薄膜は、ラテラル結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ２）で１０μｍ以下、かつ、照射エネルギー密度（Ｅ２）を画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）よりも高めると共に、薄膜シリコン（１０６）に照射するレーザ（１０２）の送りピッチ２μｍ／ｐ以下として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成するものであり、
前記画素用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ１）と周辺回路用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ２）とを得るために、前記シリンドリカルレンズ（１０８）に入射するレーザ（１０２）を、Ｘ軸方向にｍの倍率、かつ、Ｙ軸方向にｎの倍率で拡大するビームエキスパンダー（１０７）を設け、Ｘ軸方向の倍率ｍを変えることを特徴とする薄膜材料の結晶化装置である。
請求項５の発明は、前記画素用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ１）と周辺回路用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ２）とを得るために、前記シリンドリカルレンズ（１０８）に入射するレーザ（１０２）を、Ｘ軸方向にｍの倍率、かつ、Ｙ軸方向にｎの倍率で拡大するビームエキスパンダー（１０７）を設け、Ｘ軸方向の倍率ｍを変えることを特徴とする請求項１の薄膜材料の結晶化装置である。
請求項６の発明は、レーザ発振器（１０１）より発したパルス状のレーザ（１０２）を１つの基板に形成した薄膜シリコン（１０６）に走査しながら照射することにより、
画素用及び周辺回路用の薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜が、各々異なる条件として結晶化される薄膜材料の結晶化装置において、
レーザ発振器（１０１）より発したレーザ（１０２）を、強度をＹ軸方向に均一化するホモジナイザー（１０３）と、ホモジナイザー（１０３）を透過するレーザ（１０２）をマスク（１０４）面にＸ軸方向に集光するシリンドリカルレンズ（１０８）と、マスク（１０４）面を透過するレーザ（１０２）のマスクパターンを薄膜シリコン（１０６）上に投影し、薄膜シリコン（１０６）を結晶化する投影レンズ（１０５）とを備え、
画素用の結晶化シリコン薄膜は、均一ランダム結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ１）で１０μｍより大きく、かつ、所定の画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成し、
周辺回路用の結晶化シリコン薄膜は、ラテラル結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ２）で１０μｍ以下、かつ、照射エネルギー密度（Ｅ２）を画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）よりも高めると共に、薄膜シリコン（１０６）に照射するレーザ（１０２）の送りピッチ２μｍ／ｐ以下として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成するものであり、
前記画素用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ１）と周辺回路用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ２）とを得るために、前記シリンドリカルレンズ（１０８）が焦点距離（：ｆ）を増減調節することが可能であることを特徴とする薄膜材料の結晶化装置である。
請求項７の発明は、前記画素用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ１）と周辺回路用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ２）とを得るために、前記シリンドリカルレンズ（１０８）が焦点距離（：ｆ）を増減調節することが可能であることを特徴とする請求項１の薄膜材料の結晶化装置である。
請求項８の発明は、レーザ発振器（１０１）より発したパルス状のレーザ（１０２）を１つの基板に形成した薄膜シリコン（１０６）に走査しながら照射することにより、
画素用及び周辺回路用の薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜が、各々異なる条件として結晶化される薄膜材料の結晶化装置において、
レーザ発振器（１０１）より発したレーザ（１０２）を、強度をＹ軸方向に均一化するホモジナイザー（１０３）と、ホモジナイザー（１０３）を透過するレーザ（１０２）をマスク（１０４）面にＸ軸方向に集光するシリンドリカルレンズ（１０８）と、マスク（１０４）面を透過するレーザ（１０２）のマスクパターンを薄膜シリコン（１０６）上に投影し、薄膜シリコン（１０６）を結晶化する投影レンズ（１０５）とを備え、
画素用の結晶化シリコン薄膜は、均一ランダム結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ１）で１０μｍより大きく、かつ、所定の画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成し、
周辺回路用の結晶化シリコン薄膜は、ラテラル結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ２）で１０μｍ以下、かつ、照射エネルギー密度（Ｅ２）を画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）よりも高めると共に、薄膜シリコン（１０６）に照射するレーザ（１０２）の送りピッチ２μｍ／ｐ以下として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成するものであり、
前記レーザ発振器（１０１）をパルス状の固体レーザからなるレーザ（１０２）を発振する固体レーザ発振器とすると共に、前記半値幅（：Ｗ１，Ｗ２）毎の照射エネルギー密度（Ｅ１，Ｅ２）をそれぞれ所定の照射エネルギー密度とするために、前記固体レーザからなるレーザ（１０２）の繰返し周波数を変えてパルスエネルギーを調整することを特徴とする薄膜材料の結晶化装置である。
請求項９の発明は、前記画素用又は周辺回路用の結晶化シリコン薄膜を生成するとき、レーザ（１０２）の走査方向と直交する方向のマスク（１０４）の開口部長さ（１１１）を調整・変更し、マトリックス状に配置した薄膜トランジスター（３０１）の無いところにレーザ（１０２）の走査方向と直交する方向の端部を位置させることを特徴とする請求項８の薄膜材料の結晶化装置である。
請求項１０の発明は、前記画素用又は周辺回路用の結晶化シリコン薄膜を生成するとき、前記薄膜シリコン（１０６）に照射するレーザ（１０２）の走査方向と直交する方向の両端の強度分布の傾斜部（３０４）の幅が、強度５０〜９７％の範囲で１０μｍ以下であつて、該傾斜部（３０４）がマトリックス状に配置した薄膜トランジスターの存在しない箇所を走査するように位置制御することを特徴とする請求項８の薄膜材料の結晶化装置である。
本発明に係る薄膜材料の結晶化装置によれば、周辺回路用の照射エネルギー密度：Ｅ２を画素用の照射エネルギー密度よりも高めるのみならず、周辺回路用の薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜としての横方向成長した結晶と画素用の均一ランダム結晶とを生成する。この薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜の生成に際し、画素用の薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜は、レーザ発振器１０１より発したレーザ１０２の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ１）で１０μｍより大きく、かつ、所定の画素用の照射エネルギー密度Ｅ１として薄膜シリコン１０６に照射し、結晶化シリコン薄膜となし、周辺回路用の薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜は、レーザ１０２の走査方向のビーム幅が半値幅Ｗ２で１０μｍ以下、かつ、薄膜シリコン１０６に照射するレーザ１０２の送りピッチ２μｍ／ｐ以下として薄膜シリコン１０６に照射し、結晶化シリコン薄膜となす。
これにより、周辺回路用の薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜としての横方向成長した結晶と画素用の均一ランダム結晶とを生成することができ、特性の良いフラットパネルに使用される薄膜トランジスターのための結晶化シリコンを製造することが可能になる。すなわち、画素用の薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜として、結晶粒の大きさが不揃いであるが均一に分散した結晶、つまり均一ランダム結晶として、表示したときの特性が局在することなく、見た目に均一であるように見えるものを生成することができる。周辺回路用の薄膜トランジスターとしては、横方向成長した結晶が、特性が良く、好ましい。
請求項１に係る発明によれば、マスク１０４がレーザ１０２の遮蔽量を変更可能であるから、マスクによつてレーザ１０２の遮蔽量を変更して、画素用のレーザ１０２の半値幅Ｗ１と周辺回路用のレーザ１０２の半値幅Ｗ２とを得ることができる。
請求項２、３に係る発明によれば、シリンドリカルレンズ１０８が光軸方向に移動可能であり、シリンドリカルレンズ１０８を光軸方向に移動させて、マスク１０４上のレーザ１０２のビーム幅を変更可能であるから、マスク１０４上のレーザ１０２のビーム幅を変更して、画素用のレーザ１０２の半値幅Ｗ１と周辺回路用のレーザ１０２の半値幅Ｗ２とを得ることができる。
集光サイズが小さい半値幅：Ｗ２のときは、マスク上に集光点があるようにし、集光サイズが大きい半値幅：Ｗ１のときに、集光点をマスクから移動することでビームサイズを大きくする。これにより、薄膜シリコン１０６に照射するレーザ１０２の半値幅Ｗ１，Ｗ２を可変とする。
請求項４、５に係る発明によれば、シリンドリカルレンズ１０８に入射するレーザ１０２を、Ｘ軸方向にｍの倍率、かつ、Ｙ軸方向にｎの倍率で拡大するビームエキスパンダー１０７を設けるので、Ｘ軸方向の倍率ｍを変えることにより、画素用のレーザ１０２の半値幅Ｗ１と周辺回路用のレーザ１０２の半値幅Ｗ２とを得ることができる。
請求項６、７に係る発明によれば、シリンドリカルレンズ１０８が焦点距離：ｆを増減調節することが可能であるから、焦点距離：ｆを増減調節して画素用のレーザ１０２の半値幅Ｗ１と周辺回路用のレーザ１０２の半値幅Ｗ２とを得ることができる。
請求項８に係る発明によれば、固体レーザ発振器を使用する場合において、繰返し周波数を変えてパルスエネルギーを調整することにより、レーザ発振器の出力を大きく低下させることがなく、効果的である。
請求項９に係る発明によれば、マトリックス状に配置した薄膜からなるトランジスターの存在し無いところでレーザの走査方向と直交する方向の端部位置が重なるように制御することになり、パルスエネルギーが小さい固体レーザの照射回数が多くなるために膜厚が薄くなることに起因してトランジスター特性が異なるものとなる不具合を抑制することができる。
請求項１０に係る発明によれば、薄膜シリコン１０６に照射するレーザ１０２の走査方向と直交する方向の強度分布の両端の傾斜部３０４の幅が、強度５０〜９７％の範囲で１０μｍであつて、該傾斜部がマトリックス状に配置した画素用の薄膜トランジスターの存在しない箇所を走査するように位置制御する。
これにより、強度分布の両端の高強度の傾斜部が画素用の薄膜トランジスターの存在しない箇所を走査するようにレーザを位置制御することが容易になり、請求項８に係る発明の効果と同様の効果を奏することができる。
図１〜図４は、本発明に係る薄膜材料の結晶化装置の１実施の形態を示す。図１（イ），図１（ロ）を参照して薄膜シリコン１０６を結晶化する薄膜材料の結晶化装置の概略について説明する。図１（イ），（ロ）中において符号１は結晶化装置を示し、レーザ発振器１０１より発したパルス状のレーザ１０２を、強度をＹ軸方向に均一化するホモジナイザー１０３と、ホモジナイザー１０３を透過するレーザ１０２をＸ軸方向に集光し、マスク１０４面にＸ軸方向に集光し、Ｙ軸方向に均一な強度分布を有するレーザ強度分布を得るシリンドリカルレンズ１０８と、シリンドリカルレンズ１０８を透過するレーザ１０２を透過させてマスク１０４面に形成されるマスクパターンを薄膜シリコン１０６上に投影し、ａ−Ｓｉからなる薄膜シリコン１０６を結晶化してｐ−Ｓｉ（ポリシリコン）にする投影レンズ１０５とを備える。符号１０７は、必要に応じ、レーザ発振器１０１とホモジナイザー１０３との間に設けるビームエキスパンダーであり、レーザ発振器１０１から発したレーザ１０２を、Ｘ軸方向に自然数ｍの倍率、Ｙ軸方向に自然数ｎの倍率で拡大し、シリンドリカルレンズ１０８に入射させる。
１枚の基板上に形成した薄膜シリコン１０６の結晶化に際しては、上述したように、画素用及び周辺回路用の薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜（１０６）を、各々異なる条件として結晶化させるものであり、信号側の内蔵回路及び走査側の内蔵回路となる周辺回路としては、横方向成長（連続ラテラル成長）した結晶とし、特性の良い薄膜トランジスターを得ると共に、表示部となる画素用としては、結晶粒の大きさが不揃いであるが均一に分散した均一ランダム結晶とし、特性の良い薄膜トランジスターを得る。この画素用の複数の薄膜トランジスターと画素用の複数の薄膜トランジスターを駆動するための回路を構成する周辺回路用の複数の薄膜トランジスターとにより、周辺回路内蔵表示装置を構成する。
このため、周辺回路の形成は、特許文献２に記載される方法を適用し、連続的に横方向成長した結晶とすれば良く、周辺回路用の薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜は、薄膜シリコン１０６に照射するレーザ１０２の送りピッチ２μｍ／ｐ（ｐはレーザ１０２のパルスを示す）以下、かつ、後述するところから走査方向（Ｘ軸方向）のビームサイズが半値幅Ｗ２で１０μｍ以下、照射エネルギー密度：Ｅ２（＞Ｅ）ｍＪ／ｃｍ２として結晶化し、ラテラル結晶からなる結晶化シリコン薄膜を生成する。
次に、画素用に好適の均一ランダム結晶は、次のようにして形成することができる。
画素用の薄膜トランジスターの結晶化シリコンは、薄膜シリコン１０６に照射するレーザ１０２の走査方向のビームサイズが半値幅Ｗ１で１０μｍより大きく、照射エネルギー密度：Ｅ１＝ＥｍＪ／ｃｍ２で結晶化し、均一ランダム結晶からなる結晶化シリコン薄膜を生成する。
画素用の薄膜トランジスターの結晶化シリコンは、薄膜シリコン１０６に照射するレーザ１０２の走査方向のビームサイズが半値幅Ｗ１で１０μｍより大きく、照射エネルギー密度：Ｅ１＝ＥｍＪ／ｃｍ２で結晶化し、均一ランダム結晶からなる結晶化シリコン薄膜を生成する。
ランダム結晶、均一ランダム結晶、ラテラル結晶を図３（イ），（ロ），（ハ）に模式的に示す。ランダム結晶とは、図３（イ）に示すように、結晶（黒塗りで示す）の大きさが不揃いであるが、大きさの異なる結晶がほぼ直線状（ライン）に局在しているものであり、均一ランダム結晶とは、図３（ロ）に示すように、結晶の大きさが不揃いでほぼ均一に分散しているものであり、ラテラル結晶とは、図３（ハ）に示すように、結晶粒が一方向（横方向（Ｘ軸方向））に大きく連続的に成長して結晶しているものである。
実際に、レーザ１０２の走査方向のビームサイズの半値幅を５μｍ、１０μｍ又は１０μｍ超、１４μｍ及び２０μｍに変化させると共に、レーザ１０２のエネルギー密度を１０００ｍＪ／ｃｍ２、９５０ｍＪ／ｃｍ２、９００ｍＪ／ｃｍ２、８５０ｍＪ／ｃｍ２、８００ｍＪ／ｃｍ２、７５０ｍＪ／ｃｍ２及び７００ｍＪ／ｃｍ２に変化させて結晶化したシリコン薄膜を得、各結晶化シリコン薄膜の結晶状態について観察した。
観察結果を表１に示す。但し、薄膜シリコン１０６上でのレーザ１０２の送りピッチは２μｍ／ｐ、エネルギー密度は半値幅で除した値である。また、表１に記載するアグロメ及びアグは、穴を生成する程度のアグロメーションが生じたアグロメーション結晶状態であることを示し、画素用及び周辺回路用のいずれにも不適当であり、また、表１に記載するラテラル及びラテは、横方向成長した連続ラテラル結晶状態であることを示し、周辺回路用に適し、更に、表１に記載する均一ランダム及び均一ランは、均一ランダム結晶状態であることを示し、画素用に適する。
表１に記載するように、画素用に適する均一ランダム結晶（結晶粒の大きさが不揃いであるが均一に分散した結晶）を生成するには、半値幅が１０μｍを超えて大きく、照射エネルギー密度が８００ｍＪ／ｃｍ２以下の破線Ａで囲む範囲でなければならない。また、連続ラテラル結晶を生成するには、半値幅が１０μｍ以下、照射エネルギー密度が８５０ｍＪ／ｃｍ２以上で９５０ｍＪ／ｃｍ２以下の一点鎖線Ｂで囲む範囲でなければならない。
なお、アグロメーションな連続ラテラル結晶を形成するのは、半値幅が１０μｍ以下、照射エネルギー密度が８５０ｍＪ／ｃｍ２以上である。アグロメーションは、薄膜シリコンの溶融時間が長いほど発生し易く、照射エネルギー密度が高く、照射回数が多いほど発生し易い。送りピッチが同じであれば、ビーム幅が狭いほど照射回数が少なくなるので、アグロメーションが発生しにくい。
送りピッチは、１パルスのレーザ１０２の照射に伴うラテラル成長長さ：Ｌより僅かに小さいのが良く、薄膜トランジスターに使用される膜厚５０ｎｍ程度の薄膜シリコンではＬ＝２〜３μｍであるので、送りピッチは２μｍ／ｐ程度が良い。特に、ラテラル結晶を得る際の送りピッチは、同様の理由から２μｍ／ｐ以下が良い。なお、ラテラル成長長さ：Ｌは、薄膜シリコン１０６上に投影される１パルスのレーザ１０２のＸ軸方向長さのほぼ半分以下である。
以上から、画素用の薄膜トランジスターの結晶化シリコンは、薄膜シリコン１０６に照射するレーザ１０２の送りピッチ２μｍ／ｐ以下とし、かつ、薄膜シリコン１０６に照射するレーザ１０２の走査方向のビームサイズが半値幅Ｗ１で１０μｍ以上特に１０μｍより大きく、画素用の照射エネルギー密度：Ｅ１＝ＥｍＪ／ｃｍ２（８００ｍＪ／ｃｍ２以下）として薄膜シリコン１０６を結晶化する。
また、周辺回路用の薄膜トランジスターの結晶化シリコンは、薄膜シリコン１０６に照射するレーザ１０２の送りピッチ２μｍ／ｐ以下とし、かつ、薄膜シリコン１０６に照射するレーザ１０２の走査方向のビームサイズが半値幅Ｗ２で１０μｍ以下、照射エネルギー密度：Ｅ２（一点鎖線Ｂの範囲）＞ＥｍＪ／ｃｍ２（８５０ｍＪ／ｃｍ２以上）を画素用の照射エネルギー密度Ｅ１よりも高めて薄膜シリコン１０６を結晶化する。
画素用の薄膜トランジスターの結晶化シリコンと周辺回路用の薄膜トランジスターの結晶化シリコンとを、主として同一のレーザ発振器１０１及び光学系１０３，１０４，１０５，１０８を使用して、照射条件を表１のように変えながら薄膜シリコン１０６上に照射する具体的な方法として、下記（１）〜（５）の手段を採ることができる。
（１）レーザ１０２のビームサイズの半値幅Ｗ１，Ｗ２を変化させれば、結晶化シリコンの結晶状態が変わる。このため、薄膜シリコン１０６上に投影されるパルスのレーザ１０２のビームサイズの半値幅Ｗ１，Ｗ２を可変として異なる半値幅Ｗ１，Ｗ２を得るために、図２に示すマスク１０４面における開口部１１０のＸ軸方向の幅１１２を変える。
具体的には、レーザ１０２の半値幅Ｗ１，Ｗ２を可変とするために、レーザ１０２の一部をマスク１０４にて任意に遮蔽可能として、投影レンズ１０５によりマスク１０４の開口部１１０の幅１１２にて規制されるマスクパターンを薄膜シリコン１０６に投影し、集光サイズが大きい半値幅：Ｗ１と集光サイズが小さい半値幅：Ｗ２とからなる異なる半値幅Ｗ１，Ｗ２によつて薄膜シリコン１０６を結晶化する。
（２）マスク１０４上のレーザ１０２のビームサイズの半値幅：Ｗ１，２を、集光サイズが小さい半値幅：Ｗ２とするときは、マスク１０４上にシリンドリカルレンズ１０８の集光点が位置するようにし、集光サイズが大きい半値幅：Ｗ１のときには、シリンドリカルレンズ１０８の集光点を集光位置から光軸方向へ移動し、マスク１０４上に集光するビームサイズｄを大きくする。
マスク１０４の開口部１１０の幅１１２（Ｘ軸方向長さ）が同じであつても、Ｘ軸方向に集光するシリンドリカルレンズ１０８を光軸方向の正逆いずれかに移動し、マスク１０４上のビームサイズｄを可変とすれば、集光のビームサイズｄを変化させて、半値幅：Ｗ１，Ｗ２を変化させる作用が得られる。１０μｍが得られる場合には、マスク１０４の幅を集光のビームサイズｄより十分に広くして、マスク１０４による遮蔽を無しとしても良い。
すなわち、画素用のレーザ１０２の半値幅Ｗ１と周辺回路用のレーザ１０２の半値幅Ｗ２とを得るために、前記シリンドリカルレンズ１０８が光軸方向に移動可能であり、シリンドリカルレンズ１０８を光軸方向に移動させて、マスク１０４上のレーザ１０２のビーム幅を変更可能である。
（３）使用するレーザ発振器１０１を、パルス状の固体レーザからなるレーザ１０２を発振する固体レーザ発振器とし、照射エネルギー密度Ｅ１，Ｅ２が所定の照射エネルギー密度となるように調整する。照射エネルギー密度の調整の方法には、次のものがある。
（ａ）レーザ１０２のパルスエネルギーを励起用ダイオードの電流値で変える。
（ｂ）レーザ１０２を発した後に、アッテネータ（図示せず）を透過させ、強度を調整する。アッテネータ（図示せず）の有無又はアッテネータ（図示せず）による減衰力を変化させることで対応する。
（ｃ）レーザ１０２の繰返し周波数を変えて、パルスエネルギーを調整する。固体レーザ発振器は、出力Ｐ、パルスエネルギーＥ、繰返し周波数Ｒのとき、ほぼＰ＝Ｅ・Ｒの関係があり、結晶化の速度は出力Ｐに比例するので、出力Ｐを同じに維持したまま繰返し周波数Ｒを変えてパルスエネルギーＥを調整する方法が、レーザ発振器の出力を大きく低下させることがなく、有効である。画素用には繰返し周波数Ｒを大きくし、パルスエネルギーＥを小さくする。
すなわち、レーザ発振器１０１をパルス状の固体レーザからなるレーザ１０２を発振する固体レーザ発振器とすると共に、前記半値幅：Ｗ１，Ｗ２毎の照射エネルギー密度Ｅ１，Ｅ２をそれぞれ所定の照射エネルギー密度とするために、固体レーザからなるレーザ１０２の繰返し周波数を変えてパルスエネルギーを調整する。
（４）レーザ１０２の集光ビームサイズｄは、
ｄ＝４ｆλＭ2 ／（πＤ）・・・・式（１）
という関係がある。ここで、ｆは集光レンズであるシリンドリカルレンズ１０８の焦点距離、λはレーザの波長、Ｍ2 はレーザ１０２のビーム質を示す指標、Ｄはシリンドリカルレンズ１０８に入射するＸ軸方向のビーム幅（サイズ）である。従つて、シリンドリカルレンズ１０８に入射するビーム幅Ｄをビームエキスパンダー１０７によつて可変とすることで、マスク１０４上に集光する集光ビームサイズｄを変えて、半値幅Ｗ１，Ｗ２を変化させることができる。
ｄ＝４ｆλＭ2 ／（πＤ）・・・・式（１）
という関係がある。ここで、ｆは集光レンズであるシリンドリカルレンズ１０８の焦点距離、λはレーザの波長、Ｍ2 はレーザ１０２のビーム質を示す指標、Ｄはシリンドリカルレンズ１０８に入射するＸ軸方向のビーム幅（サイズ）である。従つて、シリンドリカルレンズ１０８に入射するビーム幅Ｄをビームエキスパンダー１０７によつて可変とすることで、マスク１０４上に集光する集光ビームサイズｄを変えて、半値幅Ｗ１，Ｗ２を変化させることができる。
このため、レーザ発振器１０１から発したレーザ１０２を、ビームエキスパンダー１０７でＸ軸方向に倍率ｍ、Ｙ軸方向に倍率ｎで拡大し、Ｙ軸方向に強度を均一化するホモジナイザー１０３を透過させ、Ｘ軸方向に集光するシリンドリカルレンズ１０８を透過させてマスク１０４面にてＸ軸方向に集光し、Ｙ軸方向に均一な強度分布を有するレーザ強度分布を得て、投影レンズ１０５で薄膜シリコン１０６上に投影し、薄膜シリコン１０６を結晶化するとき、倍率ｍを異なる数値に切り換えれば、半値幅Ｗ１，Ｗ２を変化させることができる。つまり、半値幅Ｗ１，Ｗ２を可変とするために、ビームエキスパンダー１０７によるＸ軸方向の倍率ｍを増減調節する。
すなわち、画素用のレーザ１０２の半値幅Ｗ１と周辺回路用のレーザ１０２の半値幅Ｗ２とを得るために、シリンドリカルレンズ１０８に入射するレーザ１０２を、Ｘ軸方向にｍの倍率、かつ、Ｙ軸方向にｎの倍率で拡大するビームエキスパンダー１０７を設け、Ｘ軸方向の倍率ｍを変える。
（５）前記式（１）より、集光レンズであるシリンドリカルレンズ１０８の焦点距離ｆを切り換えて、半値幅Ｗ１，Ｗ２を可変とする。
すなわち、レーザ発振器１０１から発したレーザ１０２を、Ｙ軸方向に強度を均一化するホモジナイザー１０３を透過させ、Ｘ軸方向に集光する焦点距離：ｆのシリンドリカルレンズ１０８を透過させてマスク１０４面にてＸ軸方向に集光し、Ｙ軸方向に均一な強度分布を有するレーザ強度分布を得て、投影レンズ１０５で薄膜シリコン１０６上に投影し、薄膜シリコンを結晶化するとき、焦点距離：ｆを増減調節することのできるシリンドリカルレンズ１０８を使用し、半値幅：Ｗ１と半値幅：Ｗ２とを得る。
更に、上記（３）のように使用するレーザ発振器１０１を固体レーザ発振器とするときは、固体レーザは、パルスエネルギーが小さいために、ビームサイズ（半径）は数十ｍｍ以下になり、画素部を全面結晶するとレーザ１０２のビームの重ね部の照射回数が他の領域より多くなるために膜厚が薄くなり、トランジスター特性が異なるものとなる。
これを避けるためには、投影レンズ１０５を透過して薄膜シリコン１０６上に照射されるレーザ１０２のビーム３０２（図４（イ），（ロ）に示す）が、マトリックス状に配置した薄膜からなるトランジスター３０１の存在し無いところで重なるように位置制御することが望ましい。このため、図４（ハ）に示すマトリックス状に配置した多数のトランジスター３０１の存在し無いところに図４（ロ）に示すビーム３０２のＹ方向の端部を位置させて走査するように、マスク１０４のレーザ１０２の走査方向（Ｘ方向）と直交する方向（Ｙ方向）のマスク１０４の幅１１１（図２に示す開口部１１０の長さ）ひいてはレーザ１０２のマスクパターンの幅を調整する。
すなわち、画素用又は周辺回路用の結晶化シリコン薄膜を生成するとき、レーザ１０２の走査方向と直交する方向のマスク１０４の開口部長さ１１１を調整・変更し、マトリックス状に配置した薄膜トランジスター３０１の無いところにレーザ１０２の走査方向と直交する方向の端部を位置させる。
特に、図４（イ）に強度分布を示すように、薄膜シリコン１０６に照射するレーザ１０２のビーム３０２の走査方向と直交する方向（Ｙ方向）の強度分布３０３の両端の傾斜部３０４の各幅を、強度５０〜９７％の範囲で１０μｍ以下に設定すると共に、各傾斜部３０４が画素用のマトリックス状に配置したトランジスター３０１の存在しない箇所を走査するように位置制御することで、表示装置におけるこの重ね部による薄膜トランジスター３０１の特性のばらつきを無くすことができる。この重ね部の位置調整は、マスク１０４の開口部長さ１１１でビームサイズを調整することで可能である。
すなわち、画素用又は周辺回路用の結晶化シリコン薄膜を生成するとき、薄膜シリコン１０６に照射するレーザ１０２の走査方向と直交する方向の両端の強度分布の傾斜部３０４の幅が、強度５０〜９７％の範囲で１０μｍ以下であつて、傾斜部３０４がマトリックス状に配置した薄膜トランジスター３０１の存在しない箇所を走査するように位置制御する。
マトリックス状に配置するトランジスター３０１のピッチは、製造するパネルサイズによつて異なるため、薄膜トランジスター３０１の存在しないところにレーザ１０２のビームの重ね部を位置させて照射されるようにするためには、ビーム照射位置を基板（１０６）に設けるアライメントマーク（図示せず）より位置制御すると同時に、マスク１０４の開口部長さ１１１の調節によつてビームサイズも調整すればよい。
また、投影レンズ１０５の焦点距離が、周辺環境等によつて、投影レンズ１０５を構成する各レンズ間隔が変わるなどにより変化した場合、マスク１０４のパターンを基板上に投影する縮小倍率も変わる。これに対しては、マスク１０４の開口部長さ１１１の調節によつてビームサイズを変えることにより、前記重ね部の照射位置を制御する方法を採ればよい。
すなわち、画素用又は周辺回路用の結晶化シリコン薄膜を生成するとき、レーザ１０２の走査方向と直交する方向のマスク１０４の開口部長さ１１１を増減調整・変更し、マトリックス状に配置した薄膜トランジスター３０１の無いところにレーザ１０２の走査方向と直交する方向の端部を位置させる。
前述した表１から判るように、周辺回路用の薄膜トランジスターの結晶化シリコンを一点鎖線Ｂで囲む範囲で連続ラテラル成長させて結晶化し、また、画素用の薄膜トランジスターの結晶化シリコンを破線Ａで囲む範囲で均一ランダム結晶とすることは好ましい。
しかしながら、画素用の薄膜トランジスターの結晶化シリコンについても、連続ラテラル成長させて結晶化し、かつ、薄膜トランジスターのチャネル方向を所定方向として、画素用の薄膜トランジスターの結晶化シリコンを形成することができる。このとき、画素用の薄膜トランジスターのチャネル方向がラテラル成長方向と直交し、周辺回路のチャネル方向がラテラル成長方向と平行となるように結晶化する。
画素部に、連続ラテラル成長した結晶を用い、薄膜トランジスターのチャンネル方向がラテラル成長方向と直交する方向にすることで、薄膜トランジスターの特性が均一にばらつき、均一ランダム結晶を生成した場合と同様に見た目に均一な画像となるパネルを製造することができる。
すなわち、画素用の結晶化シリコン薄膜は、レーザ１０２の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ１）で１０μｍ未満、かつ、送りピッチ２μｍ／ｐ以下として、チャネル方向がラテラル成長方向と直交する状態で連続ラテラル成長させて結晶化して生成し、周辺回路用の結晶化シリコン薄膜は、レーザ１０２の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ２）で１０μｍ未満、かつ、送りピッチ２μｍ／ｐ以下として、チャネル方向がラテラル成長方向と平行となる状態で連続ラテラル成長させて結晶化して生成する。
また、画素用の薄膜トランジスターを固体レーザを使用せずにエキシマレーザを使用して生成する方法として、エキシマレーザのガウス状強度分布のビームでもつて、ラテラル成長する照射エネルギー密度より低い条件で照射した結晶粒径が１００ｎｍ以下の結晶化シリコンを使用する方法を採ることもできる。これによる画素用の薄膜トランジスターは、薄膜トランジスターの特性が均一にばらつき、均一ランダム結晶を生成した場合と同様に見た目に均一な画像となるパネルを製造することができる。
その場合、周辺回路としては、横方向成長（連続ラテラル成長）した結晶とし、特性の良い薄膜トランジスターを得るために、画素用と周辺回路用の薄膜トランジスターとで異なる装置を用いる必要があるが、エキシマレーザはパルスエネルギーが高くレーザのビーム長を長くすることができるので、前記重ね部の生成のための位置制御をすることなく、基板上の薄膜シリコン１０６にレーザ１０２のビームをＹ軸方向に全面照射することができる利点がある。エキシマレーザにより基板全面を照射した後、固体レーザで連続ラテラル成長した結晶を周辺回路用に使用する。周辺回路の薄膜トランジスターの結晶化シリコンは、スキャン方向の幅が、１０μｍ未満、送りピッチ２μｍ／ｐ以下でもつて結晶化する。
すなわち、画素用の結晶化シリコンは、エキシマレーザのガウス状強度分布のビームを用いて、ラテラル成長する照射エネルギー密度より低い条件で照射させた結晶粒径が、１００ｎｍ以下の結晶化シリコンとして生成し、周辺回路用の結晶化シリコン薄膜は、レーザ１０２の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ２）が１０μｍ未満、かつ、送りピッチ２μｍ／ｐ以下として生成する。
実施例として、レーザ発振器１０１を固体レーザを発するＹＡＧレーザ発振器とし、ＹＡＧレーザ発振器からの第２高調波５３２ｎｍ、パルスエネルギー：２ｍＪ、パルス幅：３００ｎｓ、繰返し周波数：１００ｋＨｚのレーザ１０２を発生し、ホモジナイザー１０３によつてＹ軸方向に５０ｍｍ長さの均一強度に整形し、これと直交する方向には、エキスパンダー１０７によつてビーム幅Ｄを１０ｍｍに拡大した後、ｆ：１００ｍｍのシリンドリカルレンズ１０８によつてＸ軸方向に集光し、マスク１０４上にビームサイズ（幅）で５０μｍのガウス形状の集光ビームにし、マスク１０４で５０ｍｍ×３０μｍに遮蔽し、これを０．２倍の投影レンズ１０５で基板上の薄膜シリコン１０６に縮小投影し、長軸：１０ｍｍ×短軸：６μｍのラインビーム３０２を３００×４００ｍｍの基板であるガラス上に形成したａ−Ｓｉ膜（薄膜シリコン１０６）に露光した。このとき、１パルスの露光により、横方向長さは２．５μｍのラテラル結晶が得られた。
先ず、周辺回路用の結晶化シリコン薄膜を得るために、前記長軸：１０ｍｍ×短軸：６μｍのラインビーム３０２（マスク幅３０μｍ）を、長軸：１０ｍｍと直交する方向に２μｍ／ｐ×１００ｋＨｚ／ｓ＝２００ｍｍ／ｓでスキャンした。
周辺回路用の結晶化シリコン薄膜を生成後、画素用の結晶化シリコン薄膜を生成するために、ビームをスキャン方向（Ｘ軸方向）と直交する方向へ１０ｍｍ±１０μｍの精度で移動すると共に、シリンドリカルレンズ１０８を光軸と平行にマスク１０４に近付く方向へ２ｍｍ移動してマスク１０４上の集光のビームサイズ（幅）を前記５０μｍの２倍の１００μｍとし、この方向のマスク１０４を除去し、レーザ１０２の繰返し周波数を１００ｋＨｚから１１２ｋＨｚに上げて、画素用の結晶化シリコン薄膜を生成した。すなわち、同様に２μｍ／ｐ×１１２ｋＨｚ＝２２４ｍｍ／ｓでスキャンした。これを順次繰返し、長さ４０ｍｍの画素に使う薄膜シリコン１０６を結晶化した。かくして、画素用及び周辺回路用の薄膜トランジスターを備える周辺回路内蔵液晶表示装置を形成した。
１：結晶化装置
１０１：レーザ発振器
１０２：レーザ
１０３：ホモジナイザー
１０４：マスク
１０５：投影レンズ
１０６：薄膜シリコン
１０８：シリンドリカルレンズ
１１０：マスクの開口部
１１１：開口部の長さ（開口部長さ）
１１２：開口部の幅
３０１：薄膜トランジスター
３０４：傾斜部
Ｗ１，Ｗ２：半値幅
Ｅ１，Ｅ２：照射エネルギー密度
ｍ：Ｘ軸方向の倍率
ｎ：Ｙ軸方向の倍率
ｆ：シリンドリカルレンズの焦点距離
１０１：レーザ発振器
１０２：レーザ
１０３：ホモジナイザー
１０４：マスク
１０５：投影レンズ
１０６：薄膜シリコン
１０８：シリンドリカルレンズ
１１０：マスクの開口部
１１１：開口部の長さ（開口部長さ）
１１２：開口部の幅
３０１：薄膜トランジスター
３０４：傾斜部
Ｗ１，Ｗ２：半値幅
Ｅ１，Ｅ２：照射エネルギー密度
ｍ：Ｘ軸方向の倍率
ｎ：Ｙ軸方向の倍率
ｆ：シリンドリカルレンズの焦点距離
Claims (10)
- レーザ発振器（１０１）より発したパルス状のレーザ（１０２）を１つの基板に形成した薄膜シリコン（１０６）に走査しながら照射することにより、
画素用及び周辺回路用の薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜が、各々異なる条件として結晶化される薄膜材料の結晶化装置において、
レーザ発振器（１０１）より発したレーザ（１０２）を、強度をＹ軸方向に均一化するホモジナイザー（１０３）と、ホモジナイザー（１０３）を透過するレーザ（１０２）をマスク（１０４）面にＸ軸方向に集光するシリンドリカルレンズ（１０８）と、マスク（１０４）面を透過するレーザ（１０２）のマスクパターンを薄膜シリコン（１０６）上に投影し、薄膜シリコン（１０６）を結晶化する投影レンズ（１０５）とを備え、
画素用の結晶化シリコン薄膜は、均一ランダム結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ１）で１０μｍより大きく、かつ、所定の画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成し、
周辺回路用の結晶化シリコン薄膜は、ラテラル結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ２）で１０μｍ以下、かつ、照射エネルギー密度（Ｅ２）を画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）よりも高めると共に、薄膜シリコン（１０６）に照射するレーザ（１０２）の送りピッチ２μｍ／ｐ以下として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成するものであり、
前記画素用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ１）と周辺回路用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ２）とを得るために、前記マスク（１０４）がレーザ（１０２）の遮蔽量を変更可能であることを特徴とする薄膜材料の結晶化装置。 - レーザ発振器（１０１）より発したパルス状のレーザ（１０２）を１つの基板に形成した薄膜シリコン（１０６）に走査しながら照射することにより、
画素用及び周辺回路用の薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜が、各々異なる条件として結晶化される薄膜材料の結晶化装置において、
レーザ発振器（１０１）より発したレーザ（１０２）を、強度をＹ軸方向に均一化するホモジナイザー（１０３）と、ホモジナイザー（１０３）を透過するレーザ（１０２）をマスク（１０４）面にＸ軸方向に集光するシリンドリカルレンズ（１０８）と、マスク（１０４）面を透過するレーザ（１０２）のマスクパターンを薄膜シリコン（１０６）上に投影し、薄膜シリコン（１０６）を結晶化する投影レンズ（１０５）とを備え、
画素用の結晶化シリコン薄膜は、均一ランダム結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ１）で１０μｍより大きく、かつ、所定の画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成し、
周辺回路用の結晶化シリコン薄膜は、ラテラル結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ２）で１０μｍ以下、かつ、照射エネルギー密度（Ｅ２）を画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）よりも高めると共に、薄膜シリコン（１０６）に照射するレーザ（１０２）の送りピッチ２μｍ／ｐ以下として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成するものであり、
前記画素用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ１）と周辺回路用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ２）とを得るために、前記シリンドリカルレンズ（１０８）が光軸方向に移動可能であり、
シリンドリカルレンズ（１０８）を光軸方向に移動させて、マスク（１０４）上のレーザ（１０２）のビーム幅を変更可能であることを特徴とする薄膜材料の結晶化装置。 - 前記画素用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ１）と周辺回路用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ２）とを得るために、前記シリンドリカルレンズ（１０８）が光軸方向に移動可能であり、
シリンドリカルレンズ（１０８）を光軸方向に移動させて、マスク（１０４）上のレーザ（１０２）のビーム幅を変更可能であることを特徴とする請求項１記載の薄膜材料の結晶化装置。 - レーザ発振器（１０１）より発したパルス状のレーザ（１０２）を１つの基板に形成した薄膜シリコン（１０６）に走査しながら照射することにより、
画素用及び周辺回路用の薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜が、各々異なる条件として結晶化される薄膜材料の結晶化装置において、
レーザ発振器（１０１）より発したレーザ（１０２）を、強度をＹ軸方向に均一化するホモジナイザー（１０３）と、ホモジナイザー（１０３）を透過するレーザ（１０２）をマスク（１０４）面にＸ軸方向に集光するシリンドリカルレンズ（１０８）と、マスク（１０４）面を透過するレーザ（１０２）のマスクパターンを薄膜シリコン（１０６）上に投影し、薄膜シリコン（１０６）を結晶化する投影レンズ（１０５）とを備え、
画素用の結晶化シリコン薄膜は、均一ランダム結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ１）で１０μｍより大きく、かつ、所定の画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成し、
周辺回路用の結晶化シリコン薄膜は、ラテラル結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ２）で１０μｍ以下、かつ、照射エネルギー密度（Ｅ２）を画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）よりも高めると共に、薄膜シリコン（１０６）に照射するレーザ（１０２）の送りピッチ２μｍ／ｐ以下として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成するものであり、
前記画素用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ１）と周辺回路用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ２）とを得るために、前記シリンドリカルレンズ（１０８）に入射するレーザ（１０２）を、Ｘ軸方向にｍの倍率、かつ、Ｙ軸方向にｎの倍率で拡大するビームエキスパンダー（１０７）を設け、Ｘ軸方向の倍率ｍを変えることを特徴とする薄膜材料の結晶化装置。 - 前記画素用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ１）と周辺回路用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ２）とを得るために、前記シリンドリカルレンズ（１０８）に入射するレーザ（１０２）を、Ｘ軸方向にｍの倍率、かつ、Ｙ軸方向にｎの倍率で拡大するビームエキスパンダー（１０７）を設け、Ｘ軸方向の倍率ｍを変えることを特徴とする請求項１の薄膜材料の結晶化装置。
- レーザ発振器（１０１）より発したパルス状のレーザ（１０２）を１つの基板に形成した薄膜シリコン（１０６）に走査しながら照射することにより、
画素用及び周辺回路用の薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜が、各々異なる条件として結晶化される薄膜材料の結晶化装置において、
レーザ発振器（１０１）より発したレーザ（１０２）を、強度をＹ軸方向に均一化するホモジナイザー（１０３）と、ホモジナイザー（１０３）を透過するレーザ（１０２）をマスク（１０４）面にＸ軸方向に集光するシリンドリカルレンズ（１０８）と、マスク（１０４）面を透過するレーザ（１０２）のマスクパターンを薄膜シリコン（１０６）上に投影し、薄膜シリコン（１０６）を結晶化する投影レンズ（１０５）とを備え、
画素用の結晶化シリコン薄膜は、均一ランダム結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ１）で１０μｍより大きく、かつ、所定の画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成し、
周辺回路用の結晶化シリコン薄膜は、ラテラル結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ２）で１０μｍ以下、かつ、照射エネルギー密度（Ｅ２）を画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）よりも高めると共に、薄膜シリコン（１０６）に照射するレーザ（１０２）の送りピッチ２μｍ／ｐ以下として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成するものであり、
前記画素用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ１）と周辺回路用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ２）とを得るために、前記シリンドリカルレンズ（１０８）が焦点距離（：ｆ）を増減調節することが可能であることを特徴とする薄膜材料の結晶化装置。 - 前記画素用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ１）と周辺回路用のレーザ（１０２）の半値幅（Ｗ２）とを得るために、前記シリンドリカルレンズ（１０８）が焦点距離（：ｆ）を増減調節することが可能であることを特徴とする請求項１の薄膜材料の結晶化装置。
- レーザ発振器（１０１）より発したパルス状のレーザ（１０２）を１つの基板に形成した薄膜シリコン（１０６）に走査しながら照射することにより、
画素用及び周辺回路用の薄膜トランジスターの結晶化シリコン薄膜が、各々異なる条件として結晶化される薄膜材料の結晶化装置において、
レーザ発振器（１０１）より発したレーザ（１０２）を、強度をＹ軸方向に均一化するホモジナイザー（１０３）と、ホモジナイザー（１０３）を透過するレーザ（１０２）をマスク（１０４）面にＸ軸方向に集光するシリンドリカルレンズ（１０８）と、マスク（１０４）面を透過するレーザ（１０２）のマスクパターンを薄膜シリコン（１０６）上に投影し、薄膜シリコン（１０６）を結晶化する投影レンズ（１０５）とを備え、
画素用の結晶化シリコン薄膜は、均一ランダム結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ１）で１０μｍより大きく、かつ、所定の画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成し、
周辺回路用の結晶化シリコン薄膜は、ラテラル結晶を得るべく、レーザ（１０２）の走査方向のビーム幅が半値幅（Ｗ２）で１０μｍ以下、かつ、照射エネルギー密度（Ｅ２）を画素用の照射エネルギー密度（Ｅ１）よりも高めると共に、薄膜シリコン（１０６）に照射するレーザ（１０２）の送りピッチ２μｍ／ｐ以下として薄膜シリコン（１０６）に照射して生成するものであり、
前記レーザ発振器（１０１）をパルス状の固体レーザからなるレーザ（１０２）を発振する固体レーザ発振器とすると共に、前記半値幅（：Ｗ１，Ｗ２）毎の照射エネルギー密度（Ｅ１，Ｅ２）をそれぞれ所定の照射エネルギー密度とするために、前記固体レーザからなるレーザ（１０２）の繰返し周波数を変えてパルスエネルギーを調整することを特徴とする薄膜材料の結晶化装置。 - 前記画素用又は周辺回路用の結晶化シリコン薄膜を生成するとき、レーザ（１０２）の走査方向と直交する方向のマスク（１０４）の開口部長さ（１１１）を調整・変更し、マトリックス状に配置した薄膜トランジスター（３０１）の無いところにレーザ（１０２）の走査方向と直交する方向の端部を位置させることを特徴とする請求項８の薄膜材料の結晶化装置。
- 前記画素用又は周辺回路用の結晶化シリコン薄膜を生成するとき、前記薄膜シリコン（１０６）に照射するレーザ（１０２）の走査方向と直交する方向の両端の強度分布の傾斜部（３０４）の幅が、強度５０〜９７％の範囲で１０μｍ以下であつて、該傾斜部（３０４）がマトリックス状に配置した薄膜トランジスターの存在しない箇所を走査するように位置制御することを特徴とする請求項８の薄膜材料の結晶化装置。
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