JP5540476B2 - レーザアニール装置 - Google Patents

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Description

本発明は、被処理体にレーザ光を照射することにより被処理体をアニール処理するレーザアニール装置に関する。
近年、半導体装置や液晶ディスプレイのスイッチング素子として、チャネル層にポリシリコン膜を用いた薄膜トランジスタ(TFT)が広く用いられている。薄膜トランジスタのチャネル層に用いられるポリシリコン膜は、いわゆる低温ポリシリコンとよばれるプロセスを用いて製造するのが一般的となっている。低温ポリシリコンは、ガラス基板上にアモルファスシリコンを成膜し、このアモルファスシリコン膜にレーザ光を照射して、ポリシリコン膜を製造するプロセスである。
このような低温ポリシリコンでは、レーザアニール装置を用いてアモルファスシリコン膜を加熱、溶融、再結晶化してポリシリコン膜を製作するが、アニールの雰囲気中に酸素が含まれていると、加熱時にシリコンが酸化してしまい、素子特性に悪影響を及ぼすといいう問題がある。このため、窒素などの不活性ガスを用いてシリコンの酸化を防止することが行われている。
特許文献1では、ガラス基板が載置されるステージを処理チャンバ内に設置して、処理チャンバ内に窒素ガスを供給することで、アニール処理中のシリコンの酸化を防止するようになっている。
特許文献2では、上下にスイングするスイングノズルの先端から窒素を噴出して、レーザ照射部分の近傍のみを窒素雰囲気とすることで、アニール処理中のシリコンの酸化を防止するようになっている。
特許文献3では、上部がガラスで密閉され下部が開放された円筒状のセルを基板に対して十分近接した位置に配置した状態で、セルの内部に窒素ガスを注入することで、アニール中のシリコンの酸化を防止するようになっている。
特許第3735394号公報 特許第3091904号公報 特開2004−87962号公報
上記のような窒素の供給を適用したレーザアニールの実施において、窒素ガス流量の違いや、季節の変化などに伴う外気温の変動などで、照射ムラが発生するなど、プロセスが不安定となるトラブルが発生している。本発明者は、このような照射ムラの発生要因を鋭意検討した結果、窒素ガスの温度のゆらぎ(変動)によるレーザ光の屈折現象がその要因であることを突き止めた。なお、特開平11−176730号公報には、レーザ干渉式測長器に関して、空気の屈折率変動が光学式センサの精度に影響を及ぼすことが言及されており、これは本発明者の上記見解を支持するものである。
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、不活性ガスの温度ゆらぎによるレーザ光の屈折現象に起因するレーザ光の照射ムラを低減することができるレーザアニール装置を提供することを課題とする。
上記の課題を解決するため、本発明のレーザアニール装置は、以下の技術的手段を採用する。
(1)被処理体にレーザ光を照射することにより被処理体をアニール処理するレーザアニール装置であって、少なくとも被照射体におけるレーザ照射領域に不活性ガスを供給するガス供給装置と、不活性ガスの温度を調整するガス温調装置と、を備え、該ガス温調装置は、不活性ガスの温度と、該不活性ガスの供給領域の外側であってレーザ光の光路を囲む空間の雰囲気温度との温度差が小さくなるように、レーザ照射領域に供給される前記不活性ガスの温度を調整する、ことを特徴とする。
上記の本発明の構成によれば、ガス温調装置により、レーザ照射領域に供給される不活性ガスの温度が、不活性ガスの供給領域の外側であってレーザ光の光路を囲む空間(部屋)の雰囲気温度に近づくように調整される。これにより、部屋と不活性ガスとの温度差が小さくなるので、レーザ光の屈折現象が低減されることで、照射ムラを低減することができる。なお、部屋と不活性ガスとの温度差は小さいほどよく、ゼロであるのが最も好ましい。
(2)前記ガス供給装置は、前記被処理体の表面に対向配置され内部に不活性ガスが導入されるパージボックスを備え、該パージボックスは、レーザ光を透過させて内部に導入する透過窓と、導入されたレーザ光を通過させかつ内部の不活性ガスを被処理体に向って吹き出す開口とを有し、前記ガス温調装置は、前記パージボックスより上流側の位置で不活性ガスの温度を調整する。
上記の本発明の構成によれば、レーザ光の光路上にパージボックスが配置されるため、アニール処理中、レーザ光はパージボックス内の不活性ガスを通過するが、不活性ガスはパージボックスに導入される前にパージボックス外の雰囲気温度(部屋の温度)に近づくように温度調整される。したがって、パージボックス内におけるレーザ光の屈折現象が低減され、照射ムラを低減することができる。
(3)前記ガス供給装置は、前記被処理体の表面に平行な下面を有し、かつ該下面を形成する底部にレーザ光を透過させる透過窓を有する平行対向体と、
平行対向体の上流側側部に取り付けられ、平行対向体と被処理体の表面との間に被処理体の表面に沿って一方向に不活性ガスが供給されるように被処理体に向って不活性ガスを吹き付けるパージユニットとを備え、前記ガス温調装置は、パージユニットより上流側の位置で不活性ガスの温度を調整する。

上記の構成によれば、アニール処理中、パージユニットから被処理体に不活性ガスが吹き付けられ、レーザ光が不活性ガスを通過するが、不活性ガスは被処理体に吹き付けられる前にパージユニット外の雰囲気温度に近づくように温度調整される。したがって、不活性ガス供給領域におけるレーザ光の屈折現象が低減され、照射ムラを低減することができる。
本発明によれば、不活性ガスの温度ゆらぎによるレーザ光の屈折現象に起因するレーザ光の照射ムラを低減することができる。
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1は、本発明の実施形態にかかるレーザアニール装置1の全体構成を示す図である。レーザアニール装置1は、その基本構成要素として、レーザ光2を出射するレーザ光源と、レーザ光源3からのレーザ光2を所定のビーム形状に整形するビーム整形光学系4と、レーザ光2を被処理体7の方向に反射する反射ミラー5と、反射ミラー5からのレーザ光2を被処理体7の表面に集光する集光レンズ6と、被処理体7を載せてレーザ光2を横切る方向(図の矢印A方向)に移動させる移動ステージ9とを備える。
上記のレーザ光源3としては、例えば、エキシマレーザ、固体レーザあるいは半導体レーザを適用することが可能である。固体レーザとしては、YAG、YLF、YVO等がある。レーザ光2は、パルス発振、連続発振のいずれであってもよい。
ビーム整形光学系4は、例えば、レーザ光2を被処理体7表面において断面形状が線状あるいは長方形状のビームとなるように整形するものとして構成することが可能であり、この場合、ビームエキスパンダ、ホモジナイザ等を構成要素として含むことが可能である。
被処理体7は、基板7aとその上に形成された非晶質半導体膜7bからなる。基板7aは、ガラス基板や半導体基板である。非晶質半導体膜7bは、例えばアモルファスシリコン膜である。
上記のように構成されたレーザアニール装置1により、レーザ光源3からレーザ光2を出射させ、ビーム整形光学系4によるビーム整形4及び集光レンズ6による集光によりレーザ光2を線状あるいは長方形状のビームに集光して被処理体7に照射する。この状態で移動ステージ9により被処理体7をビームの短軸方向に移動させて、レーザ照射部分で被処理体7の非晶質半導体膜の全面を走査する。これにより、非晶質半導体膜7bの結晶化を行う。例えば、アモルファスシリコン膜をポリシリコン膜にする。
なお、被処理体7に照射されるレーザ光2のビーム形状は、線状あるいは長方形状のビームに限られないが、線状あるいは長方形状のビームに集光したレーザ光2をその短軸方向に走査することで、大面積の被処理体7を効率的にアニール処理することができる。
本発明のレーザアニール装置1は、さらに、少なくとも被処理体7におけるレーザ照射領域に不活性ガスGを供給するガス供給装置10と、不活性ガスGの温度を調整するガス温調装置15とを備える。
ガス供給装置10から供給される不活性ガスGとして、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン、ウンウンオクチウムなどを使用することが可能である。不活性ガスGは、通常、レーザアニール装置1が設置される部屋Rの外部に設置されたガスタンクあるいはガスボンベから、ガス配管14を介してガス供給装置10に導入される。このため、不活性ガスGの温度は、通常、部屋Rの温度とは異なっている。
ガス温調装置15は、レーザ照射領域に供給される不活性ガスGを、不活性ガスGの供給領域の外側であってレーザ光2の光路を囲む空間の雰囲気温度と不活性ガスGとの温度差が小さくなるように調整する。ガス温調装置15は、不活性ガスGに対する加熱と冷却の両方の機能を有することが好ましい。
ここで、不活性ガスGの供給領域の外側であってレーザ光2の光路を囲む空間とは、通常、レーザアニール装置1が設置される部屋R(例えばクリーンルーム)であり、その温度とは、当該部屋Rの内部の温度である。部屋Rの温度は、部屋Rに設置された温度センサ17で検出される。
温度センサ17で検出された温度は、温度信号に変換されて制御装置16に送信され、制御装置16により、不活性ガスGの温度が部屋Rの温度に近づくようにガス温調装置15が制御される。
上記の本発明の構成によれば、ガス温調装置15により、レーザ照射領域に供給される不活性ガスGの温度が、不活性ガスGの供給領域の外側であってレーザ光2の光路を囲む空間(部屋R)の雰囲気温度に近づくように調整される。
例えば、夏季において、部屋Rの温度が空調装置によって相対的に低くなり、別の場所に設置されたガスタンクからの不活性ガスGの温度が相対的に高くなる場合、不活性ガスGはガス温調装置により冷却される。また、例えば、冬季において、部屋Rの温度が空調装置によって相対的に高くなり、別の場所に設置されたガスタンクからの不活性ガスGの温度が相対的に低くなる場合、不活性ガスGはガス温調装置により加熱される。
これにより、部屋Rと不活性ガスGとの温度差が小さくなるので、レーザ光2の屈折現象が低減されることで、照射ムラを低減することができる。なお、部屋Rと不活性ガスGとの温度差は小さいほどよく、ゼロであるのが最も好ましい。よって、ガス温調装置15により、不活性ガスGの温度が部屋Rの温度に一致するように調整するのがよい。
上記のガス供給装置10は、少なくとも被処理体7におけるレーザ照射領域に不活性ガスGを供給する機能を有する限りで、種々の形態を採用することができる。以下、ガス供給装置10について、いくつかの構成例を説明するが、本発明はこれらの構成例に限定されるものではない。
図2は、第1構成例のガス供給装置10Aを示す図である。図2において、ガス供給装置10Aは、被処理体7の表面に対向配置され内部に不活性ガスGが導入されるパージボックス11を備える。パージボックス11は、レーザ光2を透過させて内部に導入する透過窓12(例えばガラス窓)と、導入されたレーザ光2を通過させかつ内部の不活性ガスGを被処理体7に向って吹き出す開口13とを有する。
パージボックス11の下面と被処理体7との間に不活性ガスGによるパージ領域が形成される。このため、パージボックス11の下面は被処理体7の表面に平行な平面であるのがよく、パージボックス11の下面と被処理体7との距離は両者が接触しない範囲で十分に近接している(例えば5mm以内)のがよい。
ガス温調装置15は、パージボックス11より上流側の位置で不活性ガスGの温度を調整する。図2において、パージボックス11には不活性ガスGをパージボックス11に導入するためのガス配管14が接続されており、ガス温調装置15は、ガス配管14の途中部位に設置されている。
ガス温調装置15としては、例えば、ヒートポンプ式加熱冷却装置や、ペルチエ素子を用いた電子式加熱冷却装置を適用することが可能であり、加熱装置のみとして構成する場合には、リボンヒータや加熱炉で構成することも可能である。なお、この点は、後述する第2構成例および第3構成例においても同様である。
上記の第1構成例では、レーザ光2の光路上にパージボックス11が配置されるため、アニール処理中、レーザ光2はパージボックス11内の不活性ガスGを通過するが、不活性ガスGはパージボックス11に導入される前にパージボックス11外の雰囲気温度(部屋Rの温度)に近づくように温度調整される。したがって、パージボックス11内におけるレーザ光2の屈折現象が低減され、照射ムラを低減することができる。
図3は、第2構成例のガス供給装置10Bを示す図である。図3において、ガス供給装置10Bは、被処理体7の表面に平行に対向配置される平行対向体18と、平行対向体18と被処理体7の表面との間に不活性ガスGが供給されるように被処理体7に向って不活性ガスGを吹き付けるパージユニット22とを備える。
平行対向体18の下面と被処理体7との間に不活性ガスGによるパージ領域が形成される。このため、平行対向体18の下面は被処理体7の表面に平行な平面であるのがよく、平行対向体18の下面と被処理体7との距離は両者が接触しない範囲で十分に近接している(例えば5mm以内)のがよい。また図3の構成例において、平行対向体18は、被処理体7と対向する下面を形成する底部19に、レーザ光2を透過させる透過窓20(例えばガラス窓)を有する。
パージユニット22は、内部に不活性ガスGが導入される中空構造であり、不活性ガスGを被処理体7に向って吹き出すための噴出口23を下部に有する。図3の構成例では、パージユニット22は、平行対向体18の側部に取り付けられている。
図3の構成例において、ガス温調装置15は、パージユニット22より上流側の位置で不活性ガスGの温度を調整する。不活性ガスGをパージユニット22に導入するためのガス配管14がパージユニット22に接続されており、ガス温調装置15は、ガス配管14の途中部位に設置されている。あるいはこの構成に代えて、パージユニット22の内部にガス温調装置を設け、パージユニット22の内部で不活性ガスGを加熱又は冷却するように構成することも可能である。
上記の第2構成例では、アニール処理中、パージユニット22から被処理体7に不活性ガスGが吹き付けられ、レーザ光が不活性ガスGを通過するが、不活性ガスGは被処理体7に吹き付けられる前にパージユニット22外の空間(部屋R)の雰囲気温度に近づくように温度調整される。したがって、不活性ガスG供給領域におけるレーザ光2の屈折現象が低減され、照射ムラを低減することができる。
図4は、第3構成例のガス供給装置10Cを示す図である。図4において、ガス供給装置10Cは、被処理体7を収容し内部に不活性ガスGが導入される処理チャンバ25を備える。処理チャンバ25には内部のガスを排気するための図示しない排気装置が接続されている。
処理チャンバ25において、内部には移動ステージ9が設置されており、上部にはレーザ光2を透過させるための透過窓26(例えばガラス窓)が設けられており、透過窓26からレーザ光2を処理チャンバ25内に導入して、被処理体7に照射できるようになっている。
ガス温調装置15は、処理チャンバ25より上流側の位置で不活性ガスGの温度を調整する。不活性ガスGを処理チャンバ25に導入するためのガス配管14が処理チャンバ25に接続されており、ガス温調装置15は、ガス配管14の途中部位に設置されている。
上記の第3構成例では、処理チャンバ25内の空気を排気するとともに、処理チャンバ25内に不活性ガスGを導入することで、処理チャンバ25内が不活性ガスGで満たされる。アニール処理中、レーザ光2は処理チャンバ25内の不活性ガスGを通過するが、不活性ガスGは処理チャンバ25に導入される前に処理チャンバ25外の空間(部屋R)の雰囲気温度に近づくように温度調整される。したがって、処理チャンバ25内におけるレーザ光2の屈折現象が低減され、照射ムラを低減することができる。
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。
本発明の実施形態にかかるレーザアニール装置の全体構成を示す図である。 本発明の実施形態にかかるレーザアニール装置における、第1構成例のガス供給装置を示す図である。 本発明の実施形態にかかるレーザアニール装置における、第2構成例のガス供給装置を示す図である。 本発明の実施形態にかかるレーザアニール装置における、第3構成例のガス供給装置を示す図である。
符号の説明
1 レーザアニール装置
2 レーザ光
3 レーザ光源
4 ビーム整形光学系
5 反射ミラー
6 集光レンズ
7 被処理体
7a 基板
7b 非晶質半導体膜
9 移動ステージ
10、10A、10B、10C ガス供給装置
11 パージボックス
12、20、26 透過窓
13 開口
14 ガス配管
15 ガス調温装置
16 制御装置
17 温度センサ
G 不活性ガス
R 部屋

Claims (1)

  1. 被処理体にレーザ光を照射することにより被処理体をアニール処理するレーザアニール装置であって、
    少なくとも被照射体におけるレーザ照射領域に不活性ガスを供給するガス供給装置と、
    不活性ガスの温度を調整するガス温調装置と、を備え、
    前記ガス供給装置は、前記被処理体の表面に平行な下面を有し、かつ該下面を形成する底部にレーザ光を透過させる透過窓を有する平行対向体と、
    該平行対向体の上流側側部に取り付けられ、平行対向体と被処理体の表面との間に被処理体の表面に沿って一方向に不活性ガスが供給されるように被処理体に向って不活性ガスを吹き付けるパージユニットとを有し、
    前記ガス温調装置は、不活性ガスの温度と該不活性ガスの供給領域の外側であってレーザ光の光路を囲む空間の雰囲気温度との温度差が小さくなるように、前記パージユニットより上流側の位置で、レーザ照射領域に供給される前記不活性ガスの温度を調整する、ことを特徴とするレーザアニール装置。
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