JP5030524B2 - レーザアニール方法及びレーザアニール装置 - Google Patents

Description

本発明は、矩形状ビームに整形したパルスレーザ光を非単結晶半導体膜に照射して、アニールするレーザアニール方法及びレーザアニール装置に関する。

半導体、液晶の分野では、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の製造工程において、キャリアの移動度を向上させるため、基板上に形成されたアモルファスシリコン膜（以下、ａ−Ｓｉ膜という）にレーザビームを照射し、溶融、固化させて再結晶化させることにより多結晶シリコンを形成するレーザアニールが行われている（例えば、下記特許文献１、２を参照）。

レーザアニールは、レーザ光源から出射されたパルスレーザ光を、光学系を用いて断面が細長い矩形状ビームに加工し、この矩形状ビームを基板上の被照射面（例えばａ−Ｓｉ膜）に対してビームの短軸方向に相対的に走査することにより行なう。一般的には、被照射面を移動させることにより、矩形状ビームの走査が行なわれる。また、この走査は、照射領域が部分的に重複するように実施される。

このようなレーザアニールに関し、本出願人は、特願２００６−１４８３３７（以下、先行出願１という）において、等方的かつ均一な結晶粒を製作することができるレーザアニール方法を提案した。
先行出願１の発明では、矩形状ビームの短軸方向のエネルギープロファイルを均一化し、これによりエネルギープロファイルをガウシアン形状からフラットトップ形状に変形する。このようにエネルギープロファイルを変形することにより、従来と同様の投入パワーであっても結晶粒の増大に寄与する「有効エネルギー領域」を増大させることができるので、ａ−Ｓｉ膜に照射される有効エネルギー範囲も広くなり、その分、基板の搬送速度を速めることができる。また、矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布が均一化されるため、結晶の一方向成長が起こらないので、等方的かつ均一な結晶粒を製作することができる。

ここで、図１０を参照し、パルスレーザ光の照射によって結晶粒が増大する原理を説明する。
（ａ）は比較的小さな結晶粒と大きな結晶粒が存在する組織を模式的に示している。（ｂ）に示すように、この組織に、あるエネルギー密度のパルスレーザ光を照射すると、小さな結晶粒が溶融してなくなり、大きな結晶粒が溶け残る。そして（ｃ）に示すように、パルスレーザ光の照射後には、溶融部分が固化し再結晶化することにより、結晶粒が成長する。以下、本明細書では、このような結晶粒の成長プロセスを「溶融・再結晶化プロセス」と定義する。

特許第３２０４３０７号公報 特許第３３０１０５４号公報

上述した溶融・再成長プロセスの様子を詳細に熱・凝固解析で模擬した結果、図１１に示すように、全く同じエネルギー密度の照射が繰り返されたとき、溶融・再結晶化プロセスがある結晶粒径で飽和することがわかった。フラットトップ形状のエネルギープロファイルをもつパルスレーザ光を照射する先行出願１の方法では、一定のエネルギー密度のパルスレーザ光が被照射面に繰り返し照射されるため、上述した溶融・再結晶化プロセスがある結晶粒径で飽和する。このため、パルスレーザ光の照射回数を増やしても所望の結晶粒径まで成長させることができないという問題があった。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされてものであり、溶融・再結晶化プロセスが結晶粒径に対して飽和することがなく、パルスレーザ光の照射回数に応じて所望の結晶粒径まで成長させることができるレーザアニール方法及びレーザアニール装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のレーザアニール方法およびレーザアニール装置は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明は、パルスレーザ光を非単結晶半導体膜の表面において矩形状ビームに集光し、該矩形状ビームを照射領域が部分的に重複するように非単結晶半導体膜に対して短軸方向に相対的に走査し、前記非単結晶半導体膜を改質するレーザアニール方法において、短軸方向に走査される矩形状ビームが重複して照射される各部分に対して、溶融及び再結晶化による粒径の増大が生じるエネルギー密度のレーザ光が照射されるように、前記矩形状ビームの短軸方向のエネルギープロファイルを調整する、ことを特徴とする。
また、本発明は、パルスレーザ光を出射するレーザ光源と、前記パルスレーザ光を整形して非単結晶半導体膜の表面において矩形状ビームに集光する光学系と、前記矩形状ビームをその照射領域が部分的に重複するように前記非単結晶半導体膜に対して短軸方向に相対的に走査する走査手段とを備え、前記非単結晶半導体膜を改質するレーザアニール装置において、前記光学系は、短軸方向に走査される矩形状ビームが重複して照射される各部分に対して、溶融及び再結晶化による粒径の増大が生じるエネルギー密度のレーザ光が照射されるように、前記矩形状ビームの短軸方向のエネルギープロファイルを調整する、ことを特徴とする。
なお、上記「矩形状ビーム」には、視覚的には線状のビームであっても、細長い矩形状ビームとして、これに含まれる。

このように、短軸方向に走査される矩形状ビームが重複して照射される各部分に対して、再結晶化による粒径の増大が生じるエネルギー密度のレーザ光が照射されるように、矩形状ビームの短軸方向のエネルギープロファイルを調整するので、溶融・再成長プロセスが結晶粒径に対して飽和することがない。したがって、パルスレーザ光の照射回数に応じて所望の結晶粒径まで成長させることができる。

また、本発明のレーザアニール方法及びレーザアニール装置において、前記エネルギープロファイルは、ガウシアン形状と比較して短軸方向に均一化され、エネルギー密度がビーム走査方向前方から後方に向って連続的又は段階的に増大する領域を有することを特徴とする。

このように、エネルギープロファイルが、ガウシアン形状と比較して短軸方向に均一化されるため、従来と同様の投入パワーであっても結晶粒径の増大に寄与する有効エネルギー領域を増大させることができる。したがって、非単結晶半導体膜に照射される有効エネルギー範囲が広くなり、その分、基板の搬送速度を速めることができる。また、矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布が均一化されるため、結晶の一方向成長が起こらないので、等方的かつ均一な結晶粒を製作することができる。
また、エネルギー密度がビーム走査方向前方から後方に向って連続的又は段階的に増大するので、被照射面における特定の位置に着目したとき、レーザ光が照射されてその位置の結晶粒が増大するにつれて照射されるレーザ光のエネルギー密度も増大する。後述するように、平均結晶粒径が大きくなるにつれて溶融・再成長プロセスが可能なエネルギー範囲が高くなるので、本発明のエネルギープロファイルによって、溶融・再結晶化プロセスが結晶粒径に対して飽和することがなく、パルスレーザ光の照射回数に応じて所望の結晶粒径まで成長させることができる。

また、本発明のレーザアニール方法において、前記非単結晶半導体膜はアモルファスシリコン膜又は多結晶シリコン膜であることを特徴とする。

このように、アモルファスシリコン膜をレーザアニールすることにより、等方的かつ均一な結晶粒をもつ多結晶シリコン膜を得ることができる。また、アモルファスシリコン膜を水素含有雰囲気などの還元雰囲気中で加熱処理することにより予め多結晶シリコン膜としておき、その後、多結晶シリコン膜をレーザアニールすることにより、結晶性を向上させ、等方的かつ均一な結晶粒をもつ多結晶シリコンを得ることができる。
したがって、キャリア移動度の高い良質な薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を製作することができる。

また、本発明のレーザアニール装置において、前記光学系は、前記パルスレーザ光を前記矩形状ビームの短軸方向に複数に分割するシリンドリカルレンズアレイと、該シリンドリカルレンズアレイからの出射光を前記非単結晶半導体膜の表面において矩形状ビームの短軸方向に集光する集光光学系とを有し、前記シリンドリカルレンズアレイに入射する前記パルスレーザ光の中心軸が、前記シリンドリカルレンズアレイ及び前記集光光学系の光軸から前記矩形状ビームの短軸方向に所定距離シフトしていることを特徴とする。

このように構成された光学系により、レーザ光を矩形状ビームの短軸方向に対応する方向に分割し、非単結晶半導体膜の表面において矩形状ビームに集光するので、矩形状ビームの短軸方向のエネルギープロファイルをガウシアン形状と比較して均一化することができる。
また、シリンドリカルレンズアレイに入射するパルスレーザ光の中心軸が、シリンドリカルレンズアレイ及び集光光学系の光軸から矩形状ビームの短軸方向に所定距離シフトしているので、矩形状ビームのエネルギープロファイルを、エネルギー密度がビーム走査方向前方から後方に向って増大するように調整することができる。

また、本発明のレーザアニール装置において、前記光学系は回折光学素子を含むことを特徴とする。

回折光学素子を含む光学系により、矩形状ビームの短軸方向のエネルギー分布をガウシアン形状と比較して均一化し、矩形状ビームのエネルギープロファイルを、エネルギー密度がビーム走査方向前方から後方に向って増大する領域を含むように調整することができる。

また、本発明のレーザアニール装置において、前記レーザ光源は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザ、Ｎｄ：ガラスレーザ、Ｙｂ：ＹＡＧレーザ、Ｙｂ：ＹＬＦレーザ、Ｙｂ：ＹＶＯ_４レーザ、Ｙｂ：ガラスレーザのいずれかであることを特徴とする。

このように信頼性の高い固体レーザを使用することにより、安定したレーザエネルギーの利用を高い効率で実現することができる。また、固体レーザは、エキシマレーザなどのガスレーザよりもコスト面、メンテナンス面で有利である。

本発明によれば、溶融・再結晶化プロセスが結晶粒径に対して飽和することがなく、パルスレーザ光の照射回数に応じて所望の結晶粒径まで成長させることができるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１１に示したように、全く同じエネルギー密度の照射が繰り返されたとき、溶融・再成長プロセスがある結晶粒径で飽和する。図１を参照し、この溶融・再結晶化プロセスの飽和について更に説明する。
図１に示すように、ある結晶粒径に対して溶融・再結晶化プロセスを生じる閾値が決まっており、この閾値によって規定される溶融・再結晶化ラインよりも下側の領域では、レーザ光を照射しても結晶粒が全く溶融しないため、溶融・再結晶化プロセスが生じない。また、ある結晶粒径に対して全溶融する閾値が決まっており、この閾値によって規定される全溶融ラインよりも上側の領域では、レーザ光を照射すると相対的に大きな結晶粒も小さな結晶粒も全て溶融するため、溶融・再結晶化プロセスが生じない。
したがって、溶融・再結晶化ラインと全溶融ラインの間の領域で、結晶粒径が増大する溶融・再結晶化プロセスが生じる。以下、この領域を溶融・再結晶化領域と呼ぶ。

図１から、平均結晶粒径が大きくなるにつれて溶融・再結晶化プロセスが可能なエネルギー範囲が高くなることがわかる。したがって、平均結晶粒径２００ｎｍの組織に対して、エネルギー密度４００ｍＪ／ｃｍ^２のレーザ光を照射した場合、溶融・再結晶化領域の範囲内であるので、溶融・再結晶化プロセスが可能である。しかし、平均結晶粒径４００ｎｍの組織に対して、エネルギー密度４００ｍＪ／ｃｍ^２のレーザ光を照射しても、溶融・再結晶化領域の範囲外であるので、溶融・再結晶化プロセスが生じない。平均結晶粒径４００ｎｍの組織に対しては、４１０〜４５０ｍＪ／ｃｍ^２程度のエネルギー密度のレーザ光を照射することが必要である。

図２に、本発明の実施形態にかかるレーザアニール方法を示す。図２において（ｂ）は（ａ）の次の照射時のレーザ光のエネルギープロファイルを示している。
上述したように、レーザアニールでは、パルスレーザ光を非単結晶半導体膜の表面（被照射面）において矩形状ビームに集光し、矩形状ビームを照射領域が部分的に重複するように非単結晶半導体膜に対して短軸方向に相対的に走査する。本発明では、矩形状ビームの短軸方向のエネルギープロファイルを、図２に示すようなプロファイルに調整する。

そして、このようなエネルギープロファイルをもつレーザ光を被照射面に対して短軸方向に所定のピッチＰで走査する。一般的には、被照射面を移動させることにより、矩形状ビームの走査が行なわれる。このピッチＰは、１照射毎にレーザ光が被照射面に対して相対的に移動する距離であり、１照射毎のレーザ光の照射領域が部分的に重複するように設定される。図２（ａ）では被照射面の特定の位置αに対して１回目のレーザ照射がなされ、図２（ｂ）では位置αに対して２回目のレーザ照射がなされる。したがって、位置αに着目した場合、レーザ光が位置αを通過するまでに位置αでは複数回のレーザ照射を受けることになる。

図２において、短軸方向のエネルギープロファイルは、短軸方向に走査される矩形状ビームが重複して照射される各部分に対して、溶融及び再結晶化による粒径の増大が生じるエネルギー密度のレーザ光が照射されるように調整されている。具体的には、エネルギープロファイルは、ガウシアン形状と比較して短軸方向に均一化され、エネルギー密度がビーム走査方向前方から後方に向って連続的又は段階的に増大する領域（以下、エネルギー漸増領域と呼ぶ）を有する。

このように、短軸方向のエネルギープロファイルをガウシアン形状と比較して短軸方向に均一化するので、従来と同様の投入パワーであっても結晶粒径の増大に寄与する有効エネルギー領域を拡大することができる。したがって、その分、基板の搬送速度を速めることができる。また、短軸方向のエネルギープロファイルの均一化により結晶の一方向成長が起こらないので、等方的かつ均一な結晶粒を製作することができる。

また、短軸方向のエネルギープロファイルは、エネルギー漸増領域を有するので、例えば、被照射面における特定の位置αに着目したとき、レーザ光が照射されてその位置αの結晶粒が増大するにつれて照射されるレーザ光のエネルギー密度も増大する。そして、そのエネルギー密度は、レーザ照射を受ける結晶粒の平均結晶粒径の変化に応じて溶融・再結晶化領域（図１参照）の範囲内となるように増大する。
したがって、本発明のエネルギープロファイルによって、溶融・再結晶化プロセスが結晶粒径に対して飽和することがなく、パルスレーザ光の照射回数に応じて所望の結晶粒径まで成長させることができる。

なお、図２に示したエネルギープロファイルのエネルギー漸増領域では、エネルギー密度がビーム走査方向前方から後方に向って連続的に増大しているが、エネルギー密度がビーム走査方向前方から後方に向って段階的に増大するようにしてもよい。

図３は、パルスレーザ光を１回照射したときの結晶粒径の増大とレーザ光のエネルギー密度との関係を示している。図３に示すように、各エネルギー密度について、それぞれ、結晶粒径を増大させることができる範囲が決まっている。このため、例えば、エネルギー密度３８０ｍＪ／ｃｍ^２のレーザ光を照射し続けても、ある一定回数で結晶粒径の増大（溶融・再結晶化プロセス）が飽和する。
これに対し、図３に示すように、照射回数の増大に応じてエネルギー密度を上げていけば、結晶粒径の増大が飽和せず、パルスレーザ光の照射回数に応じて所望の結晶粒径まで成長させることができる。なお、図３において、白丸印は、レーザ照射を行なう各ポイントであり、各白丸印に付記された数字は何回目の照射回数であるかを示している。図４は、その照射回数と平均結晶粒径の関係を示している。

このようにして所望の結晶粒径を得るために必要な、照射回数に応じたエネルギー密度の変化とその照射回数を決定することができる。そして、これらに基づき、図５に示すような短軸方向エネルギープロファイルを決定することができる。図５（ａ）〜（ｃ）では、パルス周波数２ｋＨｚのパルスレーザ光を照射する場合の短軸方向エネルギープロファイを基板搬送速度別に示している。この場合の基板搬送速度と短軸方向エネルギープロファイルの傾斜部のエネルギー勾配を表１に示す。

次に、上記のレーザアニール方法を実施するためのレーザアニール装置の実施形態について説明する。但し、本発明の範囲は、以下の実施形態の構成に限定されない。

図６、図７は、本発明の第１実施形態にかかるレーザアニール装置１０の概略構成を示す図である。図６はパルスレーザ光１の光軸に垂直な一方向（これをＸ方向とする）についての構成図である。図７はパルスレーザ光１の光軸及び上記のＸ方向に垂直な方向（これをＹ方向とする）についての構成図である。なお、理解を容易にするため、図６においてＹ方向のみに影響する光学素子については想像線（破線）で示しており、図７においてＸ方向のみに影響する光学素子については想像線で示している。

このレーザアニール装置１０は、パルスレーザ光１を出射するレーザ光源１２と、パルスレーザ光１を整形して非単結晶半導体膜の表面において矩形状ビームに集光する光学系１３と、矩形状ビームをその照射領域が部分的に重複するように非単結晶半導体膜に対して短軸方向に相対的に走査する走査手段４とを備える。

本実施形態において、基板３はガラス基板であり、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法などの成膜法により上記ガラス基板３上にＳｉＯ_２膜が例えば２００ｎｍ成膜され、その上に非単結晶半導体膜としてａ−Ｓｉ膜が例えば５０ｎｍ成膜される。

レーザ光源１２は、固体レーザ光源であるのが好ましく、例えば、例えば２〜４ｋＨｚのパルス周波数でパルスレーザ光１を出力する。固体レーザ光源の種類は特に限定されないが、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザ、Ｎｄ：ガラスレーザ、Ｙｂ：ＹＡＧレーザ、Ｙｂ：ＹＬＦレーザ、Ｙｂ：ＹＶＯ_４レーザ、Ｙｂ：ガラスレーザのいずれかを用いるのが良い。これらの固体レーザは信頼性が高く、安定したレーザエネルギーの利用を高い効率で実現することができる。また、シリコン膜に対しては、３３０ｎｍ〜８００ｎｍの可視光領域において吸収係数が高いため、レーザ光源１２としては、上記のＹＡＧレーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＶＯ_４レーザ、ガラスレーザの第２又は第３高調波のパルスレーザ光１を出射するものが好適である。

光学系１３は、レーザ光源１２からのレーザ光１をＸ方向及びＹ方向に拡大するビームエキスパンダ１４、レーザ光１のＸ方向の干渉作用を低減するＸ方向干渉低減光学系１８、レーザ光１をＸ方向に複数に分割するＸ方向シリンドリカルレンズアレイ２０、Ｘ方向に複数に分割されたレーザ光１を被照射面で集光するＸ方向集光レンズ２２、レーザ光１のＹ方向の干渉作用を低減するＹ方向干渉低減光学系２４、レーザ光１をＹ方向に複数に分割するＹ方向シリンドリカルレンズアレイ２６、Ｙ方向に複数に分割されたレーザ光１を被照射面で集光する集光光学系であるＹ方向集光レンズ２８を備えている。

ビームエキスパンダ１４は、凹球面レンズ１５と凸球面レンズ１６とからなり、レーザ光源１２から出射されたレーザ光１を凹球面レンズ１５で拡径して凸球面レンズ１６で平行光にする。

以下、Ｘ方向とＹ方向に分けて説明する。まず、図６を参照して、レーザ光１のＸ方向の加工について説明する。
Ｘ方向干渉低減光学系１８は、複数の透明ガラス板１８ａからなる。各透明ガラス板の幅（Ｘ方向寸法）はＸ方向シリンドリカルレンズアレイ２０の個々のレンズ幅（Ｘ方向寸法）と同一であり、各透明ガラス板１８ａはレーザ光１のコヒーレント長よりも長い所定の長さだけ光軸方向の長さが異なるものがＸ方向に配列されている。このＸ方向干渉低減光学系１８により、各透明ガラス板１８ａを通過したレーザ光１の光路はガラスの長さ分だけ長くなるため、それぞれのレーザ光１はコヒーレント長より長い距離の光路差が生じ、コヒーレント性の影響がなくなり、互いに干渉しなくなる。

ビームエキスパンダ１４により拡大されＸ方向干渉低減光学系１８を通過したレーザ光１は、Ｘ方向シリンドリカルレンズアレイ２０によりＸ方向に複数に分割される。Ｘ方向シリンドリカルレンズアレイ２０を通過し分割されたレーザ光１は、それぞれ一度焦点を結んだ後再び拡大して、シリンドリカルレンズからなるＸ方向集光レンズ２２により基板３上の被照射面においてＸ方向に細長い矩形状ビームとして結像される。このときの矩形状ビームの長軸方向の長さは、例えば数１０ｍｍとすることができる。
この矩形状ビームは、上記のＸ方向シリンドリカルレンズアレイ２０及びＸ方向集光レンズ２２を通過することにより長軸方向のエネルギー分布が均一化される。

次に、図７を参照して、レーザ光１のＹ方向の加工について説明する。Ｙ方向干渉低減光学系２４は、複数の透明ガラス板２４ａからなる。各透明ガラス板２４ａの幅（Ｙ方向寸法）はＹ方向シリンドリカルレンズアレイ２６の個々のレンズ幅（Ｙ方向寸法）と同一であり、各透明ガラス板２４ａはレーザ光１のコヒーレント長よりも長い所定の長さだけ光軸方向の長さが異なるものがＹ方向に配列されている。このＹ方向干渉低減光学系２４により、各透明ガラス板２４ａを通過したレーザ光１の光路はガラスの長さ分だけ長くなるため、それぞれのレーザ光１はコヒーレント長より長い距離の光路差が生じ、コヒーレント性の影響がなくなり、互いに干渉しなくなる。

ビームエキスパンダ１４により拡大されＹ方向干渉低減光学系２４を通過したレーザ光１は、Ｙ方向シリンドリカルレンズアレイ２６によりＹ方向に複数に分割される。Ｙ方向シリンドリカルレンズアレイ２６を通過し分割されたレーザ光１は、それぞれ一度焦点を結んだ後再び拡大して、２つのシリンドリカルレンズ２９、３０からなるＹ方向集光レンズ２８により基板３上の被照射面においてＹ方向に狭幅の矩形状ビームに集光される。

このように集光された矩形状ビームは、上記のＹ方向シリンドリカルレンズアレイ２６及びＹ方向集光レンズ２８を通過することにより、ガウシアン形状と比較して短軸方向のエネルギープロファイルが均一化される。このときの矩形状ビームの短軸方向の長さは、例えば数１０μｍとすることができる。

図８は、図７の観察面におけるＹ方向のエネルギープロファイルである。通常は、図９に示すように、Ｙ方向シリンドリカルレンズアレイ２６に入射するパルスレーザ光１の中心軸が、Ｙ方向シリンドリカルレンズアレイ２６及び集光光学系としてのＹ方向集光レンズ２８の光軸と一致しているが、図８に示すように、本発明では、Ｙ方向シリンドリカルレンズアレイ２６に入射するパルスレーザ光１の中心軸が、Ｙ方向シリンドリカルレンズアレイ２６及び集光光学系としてのＹ方向集光レンズ２８の光軸から矩形状ビームの短軸方向に所定距離シフトしている。なお、図８及び図９に示された一次結像面は、図７におけるＸ方向集光レンズ２２付近に位置する。
このようにシフトさせることで、矩形状ビームの短軸方向のエネルギープロファイルを、図２に示したように、エネルギー密度がビーム走査方向前方から後方に向って増大する領域を含むように調整することができる。
なお、図８に示すように、Ｙ方向シリンドリカルレンズアレイ２６に入射するパルスレーザ光１の中心軸からのシフト方向に対して、エネルギー密度の増大方向は矩形状ビームの短軸方向に対して逆方向に現われる。

なお、上記のように調整するときの、Ｙ方向シリンドリカルレンズアレイ２６に入射するパルスレーザ光１の中心軸のシフト方向は、Ｙ方向シリンドリカルレンズ２６と集光光学系の構成に対応して決定される。また、シフト量を調整することにより、短軸方向エネルギープロファイルの傾斜部のエネルギー勾配を制御することができる。

本実施形態において、レーザ走査手段４は、基板を載置して矩形状ビームの短軸方向に移動する基板ステージ５である。基板ステージ５の移動により基板３上の非単結晶半導体膜に対して矩形状ビームを短軸方向に相対的に走査することができる。

上記のように構成されたレーザアニール装置１０では、レーザ光源１２からパルスレーザ光１を出射し、そのレーザ光１を光学系１３により基板３上に形成された非単結晶半導体膜としてのａ−Ｓｉ膜の表面において矩形状ビームに集光し、レーザ走査手段４により各レーザパルスショットによる照射範囲が部分的に重複する速度で矩形状ビームの短軸方向に基板３を搬送することによりａ−Ｓｉ膜に対してレーザ光１を照射し、ａ−Ｓｉ膜を多結晶化する。

本発明の実施形態にかかるレーザアニール装置１０によれば、短軸方向のエネルギープロファイルをガウシアン形状と比較して短軸方向に均一化するので、上述したように、基板の搬送速度を速めることができる。また、等方的かつ均一な結晶粒を製作することができる。
また、矩形状ビームのエネルギープロファイルは、エネルギー密度がビーム走査方向前方から後方に向って増大する領域を含むので、溶融・再結晶化プロセスが結晶粒径に対して飽和すことがなく、パルスレーザ光の照射回数に応じて所望の結晶粒径まで成長させることができる。

上記の実施形態では、Ｘ方向シリンドリカルレンズアレイ２０とＹ方向シリンドリカルレンズアレイ２６は別々の構成であったが、これらの両者の機能を兼ね備えた一体のレンズアレイとしてもよい。
また、Ｘ方向干渉低減光学系１８及びＹ方向干渉低減光学系２４は、本発明の実施に際し必須の構成ではないが、このような干渉低減光学系を用いることにより、コヒーレント性の高い固体レーザ光１を用いる場合でも干渉作用を低減して均一に照射することができる。また、Ｘ方向干渉低減光学系１８及びＹ方向干渉低減光学系２４は、他の公知の構成を採用してもよく、たとえば、特開２００２−３２１０８１号公報に記載された構成や、特開２００４−３４１２９９号公報の図４に記載された構成を採用してもよい。

短軸方向のエネルギープロファイルを図２に示したように調整する手段としては、上述した実施形態の構成に限られず、その他周知の光学系を用いた構成であってもよい。例えば、回折光学素子を含む光学系を用いて、図２に示したように短軸方向のエネルギープロファイルを調整してもよい。回折光学素子についての詳細な説明は省略するが、例えば、特開２００５−２１７２０９号公報などに開示されている。回折光学素子は、石英などの基板にフォトエッチング工程などにより微細な段差を形成し、それぞれの段差部分を透過するレーザ光が形成する回折パターンを結像面（基板表面）で所望のエネルギープロファイルが得られるように作製する。

上記の実施形態では非単結晶半導体膜としてａ−Ｓｉ膜を対象としたが、アモルファスシリコン膜を水素含有雰囲気などの還元雰囲気中で加熱処理することにより作製した多結晶シリコン膜を対象としてもよい。多結晶シリコン膜をレーザアニールすることにより、結晶性を向上させ、等方的かつ均一な結晶粒をもつ多結晶シリコンを得ることができる。
また、他の非単結晶半導体膜（例えば、非晶質シリコンゲルマニウム膜などの非晶質構造を有する化合物半導体膜）を対象としてもよい。

なお、上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

溶融・再結晶化プロセスの飽和について説明する図である。 本発明の実施形態にかかるレーザアニール方法を示す図である。 本発明に関する図であって、パルスレーザ光を１回照射したときの結晶粒径の増大とレーザ光のエネルギー密度との関係を示す図である。 本発明に関する図であって、パルスレーザ光の照射回数と平均結晶粒径の関係を示す図である。 本発明に関する図であって、パルス周波数２ｋＨｚのパルスレーザ光を照射する場合の短軸方向エネルギープロファイルを基板搬送速度別に示した図である。 本発明の実施形態にかかるレーザアニール装置のＸ方向（矩形状ビームの長軸方向）についての概略構成図である。 本発明の実施形態にかかるレーザアニール装置のＹ方向（矩形状ビームの短軸方向）についての概略構成図である。 図７の観察面におけるＹ方向のエネルギープロファイルを示す図である。 図７の観察面相当位置における通常の場合のＹ方向のエネルギープロファイルを示す図である。 パルスレーザ光の照射によって結晶粒が増大する原理を説明する図である。 溶融・再結晶化プロセスの飽和について説明する図である。

符号の説明

１ レーザ光
３ 基板
４ 走査手段
５ 基板ステージ
１０ レーザアニール装置
１２ レーザ光源
１３ 光学系
１４ ビームエキスパンダ
１５ 凹球面レンズ
１６ 凸球面レンズ
１８ Ｘ方向干渉低減光学系
２０ Ｘ方向シリンドリカルレンズアレイ
２２ Ｘ方向集光レンズ
２４ Ｙ方向干渉低減光学系
２６ Ｙ方向シリンドリカルレンズアレイ
２８ Ｙ方向集光レンズ（集光光学系）

Claims (5)

1. パルスレーザ光を非単結晶半導体膜の表面において矩形状ビームに集光し、該矩形状ビームを照射領域が部分的に重複するように前記非単結晶半導体膜に対して短軸方向に相対的に走査し、前記非単結晶半導体膜を改質するレーザアニール方法であって、
   短軸方向に走査される前記矩形状ビームが重複して照射される各部分に対して、溶融・再結晶化プロセスによる粒径の増大が生じるエネルギー密度のレーザ光が照射されるように、前記矩形状ビームの短軸方向のエネルギープロファイルをガウシアン形状と比較して短軸方向に均一化し、前記エネルギープロファイルの上面は、エネルギー密度がビーム走査方向前方から後方に向かってレーザ照射を受ける結晶粒の平均結晶粒径の変化に応じて溶融・再結晶化領域の範囲内となるように連続的に増大するように調整することを特徴とするレーザアニール方法。
2. 前記非単結晶半導体膜はアモルファスシリコン膜又は多結晶シリコン膜であることを特徴とする請求項１記載のレーザアニール方法。
3. パルスレーザ光を出射するレーザ光源と、前記パルスレーザ光を整形して非単結晶半導体膜の表面において矩形状ビームに集光する光学系と、前記矩形状ビームをその照射領域が部分的に重複するように前記非単結晶半導体膜に対して短軸方向に相対的に走査する走査手段とを備え、前記非単結晶半導体膜を改質するレーザアニール装置であって、
   前記光学系は、短軸方向に走査される前記矩形状ビームが重複して照射される各部分に対して、溶融・再結晶化プロセスによる粒径の増大が生じるエネルギー密度のレーザ光が照射されるように、前記矩形状ビームの短軸方向のエネルギープロファイルをガウシアン形状と比較して短軸方向に均一化し、前記エネルギープロファイルの上面は、エネルギー密度がビーム走査方向前方から後方に向かってレーザ照射を受ける結晶粒の平均結晶粒径の変化に応じて溶融・再結晶化領域の範囲内となるように連続的に増大するように調整することを特徴とするレーザアニール装置。
4. 前記光学系は、前記パルスレーザ光を前記矩形状ビームの短軸方向に複数に分割するシリンドリカルレンズアレイと、該シリンドリカルレンズアレイからの出射光を前記非単結晶半導体膜の表面において矩形状ビームの短軸方向に集光する集光光学系とを有し、
   前記シリンドリカルレンズアレイに入射する前記パルスレーザ光の中心軸が、前記シリンドリカルレンズアレイ及び前記集光光学系の光軸から前記矩形状ビームの短軸方向に所定距離シフトしていることを特徴とする請求項３記載のレーザアニール装置。
5. 前記レーザ光源は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザ、Ｎｄ：ガラスレーザ、Ｙｂ：ＹＡＧレーザ、Ｙｂ：ＹＬＦレーザ、Ｙｂ：ＹＶＯ_４レーザ、Ｙｂ：ガラスレーザのいずれかである、ことを特徴とする請求項３または４に記載のレーザアニール装置。

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