JP5645220B2 - 半導体膜のレーザアニール装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイの画素スイッチや駆動回路に用いられる薄膜トランジスタに用いられる多結晶あるいは単結晶半導体膜を製造する装置に関するものである。

液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイの画素スイッチや駆動回路に用いられる薄膜トランジスタでは、低温プロセスの製造方法の一環として、レーザ光を用いたレーザアニールが行われている。この方法は、基板上に成膜された非単結晶半導体膜にレーザ光を照射して局部的に加熱溶融した後、その冷却過程で半導体薄膜を多結晶あるいは単結晶に結晶化するものである。結晶化した半導体薄膜はキャリアの移動度が高くなるため薄膜トランジスタを高性能化できる。ところで、レーザ光の照射においては、半導体薄膜で均質な処理が行われる必要があり、照射されるレーザ光が安定した照射エネルギーを有するように、一般にレーザ光出力を一定にする制御がなされている。

しかし、レーザ発振器の発振条件が変化したり、レーザガスの劣化によりレーザ光出力が一定であってもパルス波形が変化したりして、一定な結晶化特性が得られない場合がある。図３は、レーザパルスエネルギーを変えた場合の、レーザパルス波形の変化を示したものであり、レーザパルスエネルギーの変動によってパルス波形のプロフィル自体が変化していることが分かる。
このため、従来、パワーメータやフォトダイオードを用いてレーザ光を検知し、レーザ光波形のエネルギー積分値が一定になるようにレーザ光出力などを制御する方法が一般に用いられている。
また、この他に、レーザ光のパルス波形における複数の極大値同士の比を求め、この比が所定値を上回ったときに、レーザガス封入容器内に注入する励起ガスの量あるいは上記電源から充放電回路に供給される電圧値の少なくとも一方を制御するパルスガスレーザ発振装置が提案されている（特許文献１参照）。

特開平１０−１２５４９号公報

従来の方法、装置は以上のように構成されているので、以下の問題点が生じる。
１．レーザガスとしてハロゲンガスを注入する際はレーザガス組成比が安定するまで、レーザ発振が不安定になる。
２．ハロゲンガス組成比が上がるとレーザパルスエネルギー安定性が低下する。
３．「極大値同士の比を所定の範囲に収める」には一定の時間を要する。
４．「極大値同士の比を所定の範囲に収める」こととレーザのエネルギー変動が少ない安定発振とは相反する。
５．ビームダイバージェンス等の影響により、レーザ発振器のオリジナルパルス波形と、被照射物に照射されるパルス波形は異なる。

この発明は上記のような従来のものの課題を解決するためになされたもので、結晶化に寄与するレーザ光エネルギーを安定に保ち、一定の結晶性を有する半導体薄膜を得ることができる半導体膜のレーザアニール装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明の半導体膜のレーザアニール装置のうち、第１の本発明は、パルスレーザ光を非単結晶半導体膜であるシリコン膜に照射して前記非単結晶半導体膜を結晶化する半導体膜のレーザアニール装置において、
ガスレーザ光であって、第１ピークに最大ピーク高さを有するパルスレーザ光を出力するレーザ発振器と、前記パルスレーザ光を前記非単結晶半導体膜に導く光学系と、前記非単結晶半導体膜に照射される前記パルスレーザ光のパルス波形における最大ピーク高さを測定する最大ピーク高さ測定部と、該最大ピーク高さ測定部の測定結果を受けて、前記レーザ発振器の発振条件の変化により変化するパルス波形において前記最大ピーク高さが、初期設定された結晶化に最適な照射エネルギー密度において得られるパルス波形の最大ピーク高さのみに応じて、所定範囲の最大ピーク高さとなるように、前記レーザ発振器から出力されるパルスレーザ光のレーザパルスエネルギーを制御する制御部とを備えることを特徴とする。

なお、上記制御部は、前記レーザ発振器におけるパルスレーザ光エネルギーと前記可変減衰器の減衰率の両方を制御するものであってもよい。

すなわち、第２の本発明の半導体膜のレーザアニール装置は、パルスレーザ光を非単結晶半導体膜であるシリコン膜に照射して前記非単結晶半導体膜を結晶化する半導体膜のレーザアニール装置において、
ガスレーザ光であって、第１ピークに最大ピーク高さを有するパルスレーザ光を出力するレーザ発振器と、前記パルスレーザ光の減衰率を調整する可変減衰器と、前記パルスレーザ光を非単結晶半導体膜に導く光学系と、前記非単結晶半導体膜に照射される前記パルスレーザ光のパルス波形における最大ピーク高さを測定する最大ピーク高さ測定部と、該最大ピーク高さ測定部の測定結果を受けて、前記レーザ発振器の発振条件の変化により変化するパルス波形において前記最大ピーク高さが、初期設定された結晶化に最適な照射エネルギー密度において得られるパルス波形の最大ピーク高さのみに応じて、所定範囲の最大ピーク高さとなるように、前記レーザ発振器から出力されるパルスレーザ光のレーザパルスエネルギーおよび前記可変減衰器の減衰率を制御する制御部とを備えることを特徴とする。

第３の本発明の半導体膜のレーザアニール装置は、前記第１または第２の本発明において、前記最大ピーク高さ測定部は、前記パルスレーザ光の光路に配置されたビームスプリッタと、該ビームスプリッタによって取り出された一部のパルスレーザ光の波形を検出するパルス波形検出部と、該パルス波形検出部で検出されたパルス波形から最大ピーク高さを判定する最大ピーク高さ判定部を備えることを特徴とする。

本発明によれば、レーザ光波形の最大ピーク高さを、初期設定された結晶化に最適な照射エネルギー密度において得られるパルス波形の最大ピーク高さからなる所定の高さに維持することでレーザ光が照射される半導体膜の結晶特性が一定になる。なお、上記パルス波形におけるパルス幅は通常は１０００ｎ秒以下であり、好適には５００ｎ秒以下である。但し、本発明としてはパルス幅が特定のものに限定されるものではない。また、前記パルス波形における所定の高さとしては、適宜選定が可能であるが、結晶特性が一定かつ良質となるように設定する。通常は、所定の高さとして範囲を定め、この範囲内にパルス波形の最大ピーク高さが収まるように制御を行う。

図４は、レーザパルスエネルギーに対する、レーザ照射位置における結晶化に最適な最大ピーク高さおよび結晶化に最適なエネルギー密度（レーザパワーメータ計測による）を示したものである。図から明らかなように、レーザパルスエネルギーが異なることによって、最適なエネルギー密度も異なっており、パルス波形積分値を一定にするように制御しても、レーザパルスエネルギーが変動すると、結晶化に最適な条件に維持できないことが分かる。一方、最大ピーク高さでは、レーザパルスエネルギーが異なっても最適な最大ピーク高さは略一定になっており、波形の最大ピーク高さを一定にすることによって、レーザパルスエネルギーが変動しても結晶化に最適な状態を維持することができる。なお、結晶化に最適であるかどうかは、例えば、結晶粒径の電子顕微鏡観察等によって判定することができる。

また、図５は、レーザパルスエネルギー（パワーメーターまたはエネルギーメーターによる計測値）と、パルスエリア（パルス波形積分値）、最大ピーク高さとの関係を示したものである。図から明らかなように、レーザパルスエネルギーと最大ピーク高さとは比例関係にはなく、照射されるレーザ光のレーザパルスエネルギーを一定にしても、結晶化に最適な状態に維持できないことが分かる。

本発明によれば、最大ピーク高さを測定しつつ、レーザ発振器から出力されるパルスレーザ光のレーザパルスエネルギーやレーザ光のエネルギーを調整することで、パルス波形の最大ピーク高さを所定高さに的確に維持することができる。出力エネルギーの調整方法としては、レーザ発振器における注入励起ガスの量の調整、レーザ発振器での放電電圧値の調整などにより行うことができる。また、出力後のパルスレーザ光のエネルギー調整は、レーザ発振器から出力されたパルスレーザ光の減衰率を調整可能な可変減衰器などを用いて行うこともできる。可変減衰器は、レーザ光に対する減衰率を適宜変更できるものであればよく、本発明としては特定のものに限定されない。

なお、半導体膜のレーザアニール方法として、非単結晶半導体膜上にパルスレーザ光を照射してアニール処理を行うレーザアニール処理方法において、前記レーザ光のパルス波形の最大ピーク高さが所定の高さとなるように、前記パルスレーザ光のエネルギー制御を行うことができる。
さらに半導体膜のレーザアニール方法として、前記レーザ光のパルス波形の最大ピーク高さを測定し、該最大ピーク高さが所定の高さとなるように、前記パルスレーザ光の出力エネルギーまたは／および出力後の前記パルスレーザ光のエネルギー調整を行うことができる。

以上説明したように、本発明によれば、以下の効果がある。
１．結晶特性と相関性が高いパルス波形の最大ピーク高さにより、レーザ照射エネルギー密度を制御するので、常に一定の結晶化特性が得られる。
２．レーザ発振器の発振条件の変化により、パルス波形が変化しても、常に一定の結晶化特性が得られる。
３．レーザガスの劣化により、出力（Ｗ）が一定であっても、パルス波形が変化する場合に、結晶特性と相関性が高いパルス波形の最大ピーク高さにより、レーザ照射エネルギー密度を制御するので、常に一定の結晶化特性が得られる。

本発明の一実施形態におけるレーザアニール装置の概略を示す図である。 同じく、結晶化に最適な状態を維持するための手順を示すフロー図である。 レーザパルスエネルギーを変えた場合の、レーザパルス波形の変化を示すグラフである。 レーザパルスエネルギーに対する、結晶化に最適なエネルギー密度と最大ピーク高さとを示すグラフである。 レーザパルスエネルギーに対するパルスエネルギー密度と最大ピーク高さとの関係を示す図である。

以下に、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
レーザニール処理装置は、ガスレーザ光を出力するレーザ発振器１を備えており、該レーザ発振器１では、注入ガス量や放電電圧を調整することでレーザ光出力を調整することが可能になっている。該レーザ発振器１としては、例えば、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ社のエキシマレーザ発振器ＬＳＸ３１５Ｃ（波長３０８ｎｍ、繰り返し発振数３００Ｈｚ）を用いることができる。

レーザ発振器１から出力されたレーザ光１０が出射される光路には、可変減衰器２が配置されている。該可変減衰器２は、レーザ光の入射角度に応じて透過率が変化するアテニュエータ光学素子により構成されており、可変減衰器２を通過するレーザ光の減衰率の調整が可能になっている。該可変減衰器２における減衰率の調整は可変減衰器制御部３によって行うことができ、該可変減衰器制御部３は、例えば、ＣＰＵとこれを動作させるプログラムなどによって構成することができる。

可変減衰器２の出射側光路には、ホモジナイザー等の光学部材を配した光学系４が設けられており、該光学系４によってレーザ光１０を、例えば長さ４６５ｍｍ、幅０．４ｍｍのラインビームに整形する。
光学系４によって導かれるレーザ光１０は、ビームスプリッタ５によってレーザ光の一部が取り出され、大部分はビームスプリッタ５を透過して被処理体６に照射される。被処理体６としては、例えば厚さ５０ｎｍのａ−Ｓｉ膜が対象とされる。

ビームスプリッタ５から取り出されたレーザ光１０ａは、パルス波形検出手段７に入力される。パルス波形検出手段７は、レーザ光１０ａのパルス波形を検出するものであり、本発明のパルス波形検出部に相当する。例えば、パルス波形検出手段７としては浜松フォトニクス製バイプラナー光電管（タイプＲｌ１９３Ｕ−５２）を用いる。
パルス波形検出手段７によって検出された結果は、制御部８に出力される。制御部８は、ＣＰＵとこれを動作させるプログラム、パルス波形の所定最大ピーク高さに関するデータを不揮発に記憶した記憶部などにより構成される。制御部８では、パルス波形検出手段７における検出結果から、波形の最大ピーク高さを判定する。したがって、制御部８は、最大ピーク高さ判定部としての機能を有しており、前記パルス波形検出手段７と協働して本発明の最大ピーク高さ測定部を構成する。該制御部８は、レーザ発振器１の出力制御が可能になっているとともに、可変減衰器制御部３に制御指令を発行することができる。

次に、上記レーザアニール装置の動作について説明する。
初期設定された出力によって、レーザ発振器１よりレーザ光１０が出力される。レーザ発振器１は、内蔵のエネルギーメータにより、その発振エネルギーが制御されている。エネルギーメータの値は、パルス波形の積分値に比例している。

該レーザ光１０は、可変減衰器２に至る。該可変減衰器２では、可変減衰器制御部３で初期設定された減衰率でレーザ光１０が通過するように制御されている。可変減衰器２により被処理体６を結晶化させるのに最適な照射エネルギー密度が設定される。
所定の減衰率で減衰したレーザ光は、光学系４によって帯状に整形され、ビームスプリッタ５に至る。ビームスプリッタ５を通過するレーザ光は、被処理体６に照射されてレーザアニール処理がなされる。ビームスプリッタ５で取り出されるレーザ光１０ａは、パルス波形検出手段７に至り、検出されたパルス波形に関する情報が制御部８に出力される。

以下に、制御部８における制御手順を図２に基づいて説明する。
先ず、ステップ１では、上記のようにパルス波形が検出され、検出結果が制御部８に出力される（ステップｓ１）。
制御部８では、検出パルス波形から、該波形における最大ピーク高さを判定する（ステップｓ２）。なお、通常は、図３に示すように、波形における第１ピークが最大ピークとなるため、この第１ピーク高さを判定することで最大ピーク高さとみなすことができる。

引き続き制御部８では、記憶部に記憶させた所定範囲の最大ピーク高さデータを読み出し、前記で判定（検知した）した最大ピーク高さと比較する（ステップｓ３）。なお、所定範囲の最大ピーク高さは、予め記憶部に記憶させておく。この所定範囲の最大ピーク高さは、被処理体６の種類などによって異なるデータを設定したものであってもよい。
上記比較で、検知した最大ピーク高さが、所定範囲の最大ピーク高さ以内にある場合（ステップｓ３、ＹＥＳ）、現在のレーザ光１０は、結晶化に最適な最大ピーク高を有しているものとして、引き続きレザー光波形の検出を行う（ステップｓ１へ）。繰り返し行うレーザ波形の検出は、連続的に行っても良く、また、所定の間隔をおいて行うようにしてもよい。

検出した最大ピーク高さが所定の範囲内にない場合（ステップｓ３、ＮＯ）レーザ出力調整を行う。
レーザ発振器１での出力調整は、放電電圧によって調整する。該制御部８では、検出した最大ピーク高さが所定範囲よりも高い場合、出力を小さくして最大ピーク高さが所定範囲内となるようにレーザ発振器１の放電電圧を調整し、一方、検出した最大ピーク高さが所定範囲よりも低い場合、出力が大きくして最大ピーク高さが所定範囲内となるようにレーザ発振器１を調整する。調整量は、検出した最大ピーク高さが所定範囲から外れている量に基づいて決定することができる。
上記調整後は、レーザ照射処理が終了する（ステップｓ５、ＹＥＳ）まで、引き続きレザー光波形の検出を行う（ステップｓ１へ）。

上記により、レーザ光の出力が変動した際にも、パルス波形の最大ピーク高さを所定値に維持することで、パルス波形の形にかかわらず、結晶化に最適な状態にしてレーザアニール処理を行うことができ、常に一定の結晶が得られる。
なお、上記制御ステップでは、パルス波形の最大ピーク高さに調整するために、レーザ発振器１での出力調整により行うものとして説明したが、前記可変減衰器２における減衰率を調整することによってパルス波形の最大ピーク高さを調整しても良く、また、レーザ発振器１での出力調整と可変減衰器２における減衰率の調整の両方によってパルス波形の最大ピーク高さを調整するようにしてもよい。
以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明は上記説明の内容に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは適宜の変更が可能である。

１ レーザ発振器
２ 可変減衰器
３ 可変減衰器制御部
４ 光学系
５ ビームスプリッター
６ 被処理体
７ パルス波形検出手段
８ 制御部

Claims (3)

1. パルスレーザ光を非単結晶半導体膜であるシリコン膜に照射して前記非単結晶半導体膜を結晶化する半導体膜のレーザアニール装置において、
   ガスレーザ光であって、第１ピークに最大ピーク高さを有するパルスレーザ光を出力するレーザ発振器と、前記パルスレーザ光を前記非単結晶半導体膜に導く光学系と、前記非単結晶半導体膜に照射される前記パルスレーザ光のパルス波形における最大ピーク高さを測定する最大ピーク高さ測定部と、該最大ピーク高さ測定部の測定結果を受けて、前記レーザ発振器の発振条件の変化により変化するパルス波形において前記最大ピーク高さが、初期設定された結晶化に最適な照射エネルギー密度において得られるパルス波形の最大ピーク高さのみに応じて、所定範囲の最大ピーク高さとなるように、前記レーザ発振器から出力されるパルスレーザ光のレーザパルスエネルギーを制御する制御部とを備えることを特徴とする半導体膜のレーザアニール装置。
2. パルスレーザ光を非単結晶半導体膜であるシリコン膜に照射して前記非単結晶半導体膜を結晶化する半導体膜のレーザアニール装置において、
   ガスレーザ光であって、第１ピークに最大ピーク高さを有するパルスレーザ光を出力するレーザ発振器と、前記パルスレーザ光の減衰率を調整する可変減衰器と、前記パルスレーザ光を非単結晶半導体膜に導く光学系と、前記非単結晶半導体膜に照射される前記パルスレーザ光のパルス波形における最大ピーク高さを測定する最大ピーク高さ測定部と、該最大ピーク高さ測定部の測定結果を受けて、前記レーザ発振器の発振条件の変化により変化するパルス波形において前記最大ピーク高さが、初期設定された結晶化に最適な照射エネルギー密度において得られるパルス波形の最大ピーク高さのみに応じて、所定範囲の最大ピーク高さとなるように、前記レーザ発振器から出力されるパルスレーザ光のレーザパルスエネルギーおよび前記可変減衰器の減衰率を制御する制御部とを備えることを特徴とする半導体膜のレーザアニール装置。
3. 前記最大ピーク高さ測定部は、前記パルスレーザ光の光路に配置されたビームスプリッタと、該ビームスプリッタによって取り出された一部のパルスレーザ光の波形を検出するパルス波形検出部と、該パルス波形検出部で検出されたパルス波形から最大ピーク高さを判定する最大ピーク高さ判定部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体膜のレーザアニール装置。

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