JP5326183B2 - レーザアニール方法 - Google Patents

Description

本発明はレーザアニール方法に関し、詳しくはレーザ光を被加工物に照射して該被加工物をアニーリングするレーザアニール方法に関する。

従来、被加工物の表面にレーザ光を照射して、該被加工物のアニーリングを行うレーザアニール方法が知られ、特に半導体のような被加工物に対してアニーリングを行う際には、レーザ光の照射される部分が酸化してしまうのを防止するため、以下のレーザアニール方法が用いられている。
第１のレーザアニール方法として、透明な容器内に半導体基体を載置するとともに、該容器内にシリコン酸化膜と屈折率の等しい液体を満たし、さらに半導体基体の上方から液体を通過させてレーザ光を照射する方法が知られている。（特許文献１）
また第２のレーザアニール方法として、真空にされたチャンバー内にアモルファスシリコン膜を表面に形成したガラス基板などの試料を載置し、この試料の表面に上記チャンバーに形成された窓を介してレーザ光を照射する方法が知られている。（特許文献２）
そして第３のレーザアニール方法として、真空状態にされた加工チャンバ内にアモルファスシリコン薄膜を表面に形成したプラスチック基板を載置し、このアモルファスシリコン薄膜の表面にパルスレーザ光を照射する方法が知られている。（特許文献３）
特公昭６２−８０１１号公報 特開２００１−４４１３２号公報 特開２００４−６３９２４号公報

しかしながら、上記特許文献１の場合、液体内に半導体基体を載置することで酸化膜が生成されるのを防止しているが、アニーリングを行うたびに液体の交換・補充を行う必要があり、作業が煩雑になるとともに、装置が複雑化するといった問題がある。
また特許文献２，３の場合も、真空中にアモルファスシリコン膜を形成した基板を載置することで酸化膜の生成を防止しているが、アニーリングを行う
たびにチャンバ内を真空にする作業を行わなければならず、作業が煩雑になるとともに、装置が複雑化するといった問題が生じていた。
このような問題に鑑み、煩雑な作業が不要なレーザアニール方法を提供するものである。

すなわち、請求項１におけるレーザアニール方法は、被加工物の表面にレーザ光を照射して、該被加工物のアニーリングを行うレーザアニール方法において、
上記被加工物に対して液体を噴射し、該液体により被加工物表面の所要部分を覆うとともに、噴射した液体内にレーザ光を導光して、該レーザ光を被加工物に照射することで、
上記レーザ光によって加熱した被加工物を冷却し、また上記液体によりレーザ光の照射される部分を覆って、大気に触れない状態を維持して酸化を防ぐことを特徴としている。

本発明によれば、噴射した液体がレーザ光の照射される位置を覆うため、当該部分が大気と触れることがなく、被加工物が酸化してしまうのを防止することができる。
このため、上記特許文献１のように容器の液体の交換・補充作業が不要となり、特許文献２、３のようなチャンバを真空にする作業が不要となるため、効率的にアニーリングをすることが可能となる。
また、上記特許文献１のように液体を貯溜する容器や、特許文献２、３のようなチャンバを真空にする負圧発生手段が不要となるため、簡易なアニーリング装置を得ることができる。

以下図示実施例について説明すると、図１には本発明にかかるレーザアニール装置１を示し、液体の噴射により形成した液柱Ｗにレーザ光Ｌを導光することで、被加工物２をアニーリングする装置となっている。
このレーザアニール装置１は、上記被加工物２を支持する加工テーブル３と、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器４と、高圧にした純水等の液体を供給する液体供給手段５と、被加工物２に向けて純水を液柱Ｗとして噴射するとともに、レーザ光Ｌを上記液柱Ｗに導光する加工ヘッド６とを備え、これらは図示しない制御手段によって制御されるようになっている。
上記加工テーブル３は従来公知であるので詳細な説明をしないが、上記被加工物２を加工ヘッド６に対して水平方向に移動させるようになっており、また上記加工ヘッド６は図示しない昇降手段によって垂直方向に移動するようになっている。

次に上記被加工物２は，ガラスや樹脂製の絶縁性の基板２ａと、該基板２ａの表面に積層された非晶質半導体膜としてのアモルファスシリコン膜２ｂとから構成されている。
上記アモルファスシリコン膜２ｂは非晶質のため電子の移動度が低く、短時間に大量の電子を流すことが出来ないという性質があった。
そこで、アモルファスシリコン膜２ｂにレーザ光Ｌを照射して瞬時に加熱溶融させその後冷却する、すなわちレーザ光によってアニーリングすることで、アモルファスシリコンを結晶化させて基板２ａ上に電子の移動度が高いポリシリコン膜を形成することができ、高性能な液晶ディスプレイ基板として利用することができる。

上記レーザ発振器４はＹＡＧレーザ発振器４であり、加工に応じてＣＷ発振又はパルス発振が可能であり、またその出力やパルスの発振周期等の加工条件を適宜調整できるようになっている。
また、ＹＡＧレーザ光Ｌの基本波の波長（１０６４ｎｍ）が上記アモルファスシリコンへの吸収率が低いので、本実施例のレーザ発振器４には上記基本波を第２高調波（５３２ｎｍ）や第３高調波（３５５ｎｍ）に変換する、図示しない波長変換手段が設けられている。
レーザ発振器４と加工ヘッド６との間には、レーザ光Ｌを遮断するシャッタ手段１１と、レーザ光Ｌを加工ヘッド６に向けて反射させる反射ミラー１２と、照射されたレーザ光Ｌを集光する集光レンズ１３とが設けられている。
上記シャッタ手段１１は上記制御手段によって制御され、図示しない駆動手段によりレーザ光Ｌの光路上と光路外とを往復動する反射ミラー１１ａと、当該反射ミラー１１ａによって反射したレーザ光Ｌのエネルギーを吸収するダンパ１１ｂとを備えている。
上記反射ミラー１１ａをレーザ光Ｌの光路上に位置させると、レーザ光Ｌは当該反射ミラー１１ａに反射し、当該レーザ光Ｌのエネルギーが上記ダンパ１１ｂに吸収される。
一方、反射ミラー１１ａをレーザ光Ｌの光路外に移動させると、レーザ光Ｌは上記反射ミラー１２で反射した後、集光レンズ１３を介して上記加工ヘッド６へと照射される。

次に、液体供給手段５は、純水を貯溜する貯水タンク２１と、貯水タンク２１に貯溜された純水を加工ヘッド６に向けて送液するポンプ２２とを備え、これらは導管２３によって相互に接続されている。
上記貯水タンク２１は給水源２４に接続されており、給水源２４と貯水タンク２１とを接続する導管２３には、給水源２４からの純水の供給を制御する開閉弁２５と、給水源２４から供給される純水に含有される異物を除去する余水フィルタ２６とを備えている。
上記ポンプ２２と加工ヘッド６との間には、上流側のポンプ２２側から順に、ポンプ２２への純水の逆流を防止する逆止弁２７、上記制御装置によって開閉作動を制御される電磁開閉弁２８、ポンプ２２から送液される純水を貯溜するとともにポンプ２２からの圧力を蓄圧するアキュムレータ２９、純水内の異物を除去するフィルタ３０が設けられている。
従来公知のとおり、上記アキュムレータ２９は、その内部に封入しているガス圧を変更することで蓄圧力を調整するものとなっている。
また、給水源２４から貯水タンク２１までの導管２３と、ポンプ２２から加工ヘッド６までの導管２３とは、平行する２本の導管２３によって接続されており、一方の導管２３には逆止弁３１が、他方の導管２３には圧力調整弁３２が設けられている。
上記逆止弁３１により、上記電磁開閉弁２８が閉鎖されたときなどにポンプ２２から吐出される高圧水を貯水タンク２４に戻すようになっており、圧力調整弁３２はポンプ２２から加工ヘッド６までの導管２３内部の高圧水の圧力を一定に保つために設けられている。

図２は加工ヘッド６の拡大図を示しており、該加工ヘッド６は、上記移動手段によって移動するハウジング４１と、ハウジング４１の下部に設けられた噴射ノズル４２と、噴射ノズル４２と上記集光レンズ１３との間に設けられた透明なガラス板４３とを備えている。
上記ハウジング４１の側面には、上記ガラス板４３および噴射ノズル４２との間に形成された液体通路４５に連通すると共に、上記導管２３に接続される接続口４１ａが設けられており、上記液体供給手段５から供給された純水は接続口４１ａから液体通路４５内に流入した後、上記噴射ノズル４２から液柱Ｗとなって噴射されることとなる。
上記噴射ノズル４２は、ハウジング４１の下端部に嵌合するステー４６の中央に固定されており、このステー４６は上記ハウジング４１の下面にリング状の固定部材４７によって固定されている。
この噴射ノズル４２の中央には噴射孔４８が形成され、この噴射孔４８は集光レンズ１３側に形成されて加工テーブル３側に向けて縮径する第１傾斜面４８ａと、この第１傾斜面４８ａの最小径部４８ｂより加工テーブル３側に向けて拡径する第２傾斜面４８ｃとから構成されている。
そして、上記噴射ノズル４２の下方には上記ステー４６および固定部材４７を貫通する貫通孔４６ａ、４７ａが形成され、この貫通孔４６ａ、４７ａの径は噴射ノズル４２の外径よりも小径で、かつ上記第２傾斜面４８ｃの下端部の径よりも大径に設定されている。
上記ガラス板４３は上記噴射ノズル４２と集光レンズ１３との間に位置し、上記ハウジング４１にナット４９を用いて固定されており、上記液体通路４５の純水が該ガラス板４３よりも上方の空間に漏出するのを防止し、また集光レンズ１３によって集光されたレーザ光Ｌが透過するようになっている。
ここで、本実施例における噴射孔４８の上記最小径部４８ｂの直径は、噴射される液柱Ｗの径が大きくなるほどアニーリングできる範囲が大きくなる一方、純水の消費量が増大してレーザ発振器４によるレーザ光Ｌの出力も向上させなければならないことから、１００〜２００μｍとするのが望ましい。

以下、このような構成を有するレーザアニール装置１の動作について説明する。
本実施例では、噴射ノズル６の上記最小径部４８ｂをφ１５０μｍ、噴射される液柱Ｗの水圧を５〜３０ＭＰａとし、レーザ発振器４のレーザ強度を５０〜２００ｍＪ／パルス、パルス幅を１０〜１００ｎｓとし、加工テーブル３と加工ヘッド６との相対移動速度を１００ｍｍ／ｓと設定した。
この状態からレーザアニール装置１を始動させると、制御手段は液体供給手段５を制御し、上記ポンプ２２によって貯水タンク２１内の純水を加工ヘッド６に向けて送液を開始する。なお、貯水タンク２１には予め給水源２４より十分な量の純水が供給されている。
そして、上記ポンプ２２によってアキュムレータ２９内や加工ヘッド６までの導管２３を介して加工ヘッド６内の液体通路４５内に純水が充満すると、純水は上記噴射ノズル４２の噴射孔４８から噴射され、噴射された純水は液柱Ｗとなって被加工物２表面のアモルファスシリコン膜２ｂに到達する。
そしてアモルファスシリコン膜２ｂに到達した純水は、そこでアモルファスシリコン膜２ｂ表面に沿って広がり、レーザアニールの行われる部分が純水によって覆われることとなる。

これと並行して、制御手段はレーザ発振器４を制御し、レーザ発振器４はレーザ光Ｌの発振を開始する。このとき、上記シャッタ手段１１の反射ミラー１１ａは発振されたレーザ光Ｌの光路上に位置しており、レーザ光Ｌは反射ミラー１１ａによってダンパ１１ｂに案内され、レーザ光Ｌのエネルギーは吸収される。
電磁開閉弁２８を閉鎖した後、噴射孔４８より噴射される液柱Ｗが安定した状態となると、制御手段は直ちにシャッタ手段１１を制御して反射ミラー１１ａをレーザ光Ｌの光路外に移動させ、これによりレーザ光Ｌは反射ミラー１２に反射した後、集光レンズ１３によって集光される。
集光されたレーザ光Ｌはガラス板４３および液体通路４５内の純水を通過し、さらに噴射孔４８の第１傾斜面４８ａで反射して液柱Ｗに形成された純水内に導光され、その後液柱Ｗ内で反射を繰り返しながら、アモルファスシリコン膜２ｂに照射される。

このようにしてレーザ光Ｌがアモルファスシリコン膜２ｂに照射されると、レーザ光Ｌの照射された部分が加熱され、それと同時に液柱Ｗの純水によって急激に冷却されることとなる。
その結果、アモルファスシリコン膜２ｂはアニーリングされ、結晶化してポリシリコン膜となる。このとき形成されるポリシリコン膜は、噴射ノズル４２より供給される純水により急激に冷却されるので、真空中でのレーザアニールに比較して結晶粒が大きくなり、電子の移動度の高いポリシリコン膜を得ることができる。
また、レーザ光Ｌの照射される部分は液柱Ｗの純水によって覆われるので、当該部分が大気に触れない状態を維持することができ、ポリシリコン膜の酸化を防止することができる。
さらに、レーザ光Ｌは液柱Ｗ内で反射を繰り返しながらアモルファスシリコン膜２ｂに照射されるようになっているので、ビームホモジナイザ等を用いなくとも、レーザ光Ｌの強度を均一化でき、またレーザ光の焦点距離を精密に合わせる必要もない。

これに対し、上記特許文献１の場合、容器中に液体を通過させてレーザ光を照射していることから、レーザアニールを行うたびに液体の交換・補充を行わなければならず、また液体を貯溜する容器等が必要であった。
さらに特許文献１の場合、基板が液中に位置しているので、アモルファスシリコン膜が大気に触れることはないが、液体が流れているわけではないので、レーザ光の照射によりその周囲の水温が高くなってしまう。
水温が高くなると、急激な冷却効果が得られずにポリシリコン膜の結晶粒を大きくすることができず、また液体中に温度の境界層が形成されるので、該境界層でレーザ光が屈折してしまうといった問題も生じてしまう。
そして、上記特許文献２、３の場合、レーザアニールを行うたびにチャンバ内を真空にしなければならず、負圧発生手段等の設備が必要となっていた。
また、特許文献２、３ではレーザ光の照射された位置の急激な冷却を行うことはできなかった。

図３は本発明にかかる第２の実施例のレーザアニール装置１を示したものであり、本実施例の場合、上記第１の実施例における加工ヘッド６以外、同様の構成を有している。
本実施例の加工ヘッド１０６は、上記昇降手段によって垂直方向に移動するハウジング１４１と、ハウジング１４１の下部に設けられた噴射ノズル１４２とから構成されている。
上記ハウジング１４１の内部には液体通路１４５が形成されて上記液体供給手段５の導管２３に接続されており、該ハウジング１４１の上面中央にはレーザ光Ｌを透過させるガラス板１４３がはめ込まれている。
上記噴射ノズル１４２の内部には上記液体通路１４５に連通するとともに、下方に向けて縮径する円錐状部１４２ａと、該円錐状部１４２ａの下方に位置する円柱状部１４２ｂとが形成されている。
そして、上記噴射ノズル１４２の下端部１４２ｃと被加工物としてのアモルファスシリコン膜２ｂ上面との間隔は１ｍｍ程度となっており、上記液体供給手段５から供給された純水は液体通路１４５内に流入した後、上記噴射ノズル１４２の円柱状部１４２ｂから噴射される。
なお、加工ヘッド１０６に対して加工テーブル３が水平方向に移動する際には、噴射ノズル１４２の下端部１４２ｃとアモルファスシリコン膜２ｂ上面との間隔が一定に保たれるようになっている。

そして本実施例のレーザアニール装置１を作動させると、上記液体通路１４５、円錐状部１４２ａ、円柱状部１４２ｂを介して噴射された純水は噴射ノズル１４２の下端部１４２ｃとアモルファスシリコン膜２ｂとの間から該アモルファスシリコン膜２ｂの表面に沿って広がって行く。
その状態でレーザ発振器４よりレーザ光Ｌを照射すると、レーザ光Ｌは上記ガラス板１４３を通過した後、噴射ノズル１４２の円錐状部１４２ａで反射した後、さらに円柱状部１４２ｂ内で反射を繰り返し、噴射ノズルの下端部１４２ｃの位置から照射される。
このとき下端部１４２ｃとアモルファスシリコン膜２ｂとの間隔が狭くなっているため、レーザ光は直ちにアモルファスシリコン膜２ｂに照射され、その結果レーザアニールが行われてポリシリコン膜が得られるようになる。
本実施例の場合も、噴射ノズル１４２から噴射された純水がレーザ光Ｌの照射される位置を覆うように広がるので、上記第１の実施例と同様の効果を得ることができ、純水は順次供給されるのでレーザ光Ｌの照射された位置を急激に冷却することもできる。
上記第１の実施例に対しては、液柱Ｗがアモルファスシリコン膜２ｂに到達する前に拡散することがないといった効果が得られる。

なお、上記実施例ではアモルファスシリコン膜２ｂのアニーリングを行ったが、この他にもレーザ光Ｌの照射部分が酸化するのを避けたい素材や、レーザ光Ｌの照射部分を急激に冷却しなければならない素材に対してもアニーリングをすることが可能である。

本実施例にかかるレーザアニール装置の構成図。 加工ヘッドについての断面図。 第２の実施例を示す加工ヘッドについての断面図。

符号の説明

１ レーザアニール装置 ２ 被加工物
２ｂ アモルファスシリコン膜 ４ レーザ発振器
６、１０６ 加工ヘッド ４２、１４２ 噴射ノズル
Ｌ レーザ光 Ｗ 液柱

Claims (4)

1. 被加工物の表面にレーザ光を照射して、該被加工物のアニーリングを行うレーザアニール方法において、
   上記被加工物に対して液体を噴射し、該液体により被加工物表面の所要部分を覆うとともに、噴射した液体内にレーザ光を導光して、該レーザ光を被加工物に照射することで、
   上記レーザ光によって加熱した被加工物を冷却し、また上記液体によりレーザ光の照射される部分を覆って、大気に触れない状態を維持して酸化を防ぐことを特徴とするレーザアニール方法。
   
2. 上記被加工物は、基板と、該基板上に形成された非晶質半導体膜とからなり、上記非晶質半導体膜にレーザ光を照射して結晶化することを特徴とする請求項１に記載のレーザアニール方法。
3. 上記液体を液柱の状態にして噴射し、レーザ光を該液柱内に導光することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のレーザアニール方法。
4. 上記レーザ光を、ＹＡＧレーザの高調波とすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のレーザアニール方法。

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