JP5788855B2 - レーザ処理方法およびレーザ処理装置 - Google Patents
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Description
上記パルスレーザの走査においては、非単結晶半導体膜の同一位置にパルスレーザが複数回照射(オーバーラップ照射)されるように、所定の走査ピッチでパルスレーザを走査方向に移動させている。これにより、サイズの大きい半導体膜のレーザアニール処理を可能にしている。
しかし、本願発明者らの研究によれば、特許文献1で示されるような走査ピッチでは、レーザビームの走査方向後端部において強度が次第に低下する領域(以下、スティープネス部という)に起因して半導体としての性能に影響が生じていることが明らかになった。
前記半導体膜へのパルスレーザの照射によって、前記半導体膜上で照射されたパルスレーザビームの走査方向後端側に形成される盛り上がり部の底辺における走査方向長さをbとし、前記走査ピッチをpとして、
前記走査ピッチを下記式(1)を満たす範囲に設定して前記パルスレーザのオーバーラップ照射を行うことを特徴とするレーザ処理方法。
0.75b≧p≧0.25b …(1)
所定の繰り返し周波数でパルスレーザを出力するパルス発振レーザ光源と、
前記パルスレーザのビーム断面形状を整形して非単結晶半導体膜に導く光学系と、
前記パルスレーザのエネルギー密度を調整するアテニュエータと、
前記パルスレーザを前記非単結晶半導体膜に対し所定の走査速度で相対的に走査させる走査装置と、
前記レーザ光源、前記アテニュエータおよび前記走査装置を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、半導体膜へのパルスレーザの照射によって、前記半導体膜上で照射されたパルスレーザビームの走査方向後端側に形成される盛り上がり部の底辺における走査方向長さbを取得し、該走査方向長さに従って、前記パルスレーザの前記非単結晶半導体膜への照射に際しての走査ピッチpが下記式(1)を満たすように、前記レーザ光源における繰り返し周波数と前記走査装置の走査速度を決定することを特徴とする。
0.75b≧p≧0.25b …(1)
盛り上がり部の底辺をbとして、走査ピッチpを小さくすることで盛り上がり部間の高低差を小さくすることができる。pが0.75bよりも大きいと、高低差を小さくする効果が十分に得られない。また、pを0.25b未満にまで小さくすると、オーバーラップ回数が多くなって、生産効率が低下する。このため、走査ピッチpに関しては、0.75b以下、0.25b以上とする。なお、同様に理由で、0.7b未満、0.5b以上とするのがそれぞれ望ましい。
なお、走査ピッチpの絶対的な数値は限定されないが、例えば5〜20μmを例示することができる。
盛り上がり部は、レーザビームの走査方向後端部側の照射によって半導体膜の溶融部と半導体膜が溶融するのに十分な強度を有するレーザが照射されておらず固体のままである部分の境目を起点として、半導体膜の盛り上がり高さが最大となる位置を経由してその減少傾向が収まる地点までとする。なお、盛り上がり部高さの増減傾向は、盛上がり部高さの近似線(多項式近似線など)などを用いることで明確に現すことができる。
なお、走査速度は本発明としては特に限定されるものではないが、例えば、1〜100mm/秒を例示することができる。走査装置は、制御部による制御を受けて走査速度を設定することができる。
レーザ処理装置1は、処理室2を備えており、処理室2内にX−Y方向に移動可能な走査装置3を備え、その上部に基台4を備えている。基台4上には、ステージとして基板配置台5が設けられている。走査装置3は、図示しないモータなどによって駆動される。
また、処理室2には、外部からパルスレーザを導入する導入窓6が設けられている。
なお、本実施形態では、非晶質膜をレーザ処理により結晶化するレーザ処理に関するものとして説明するが、本発明としてはレーザ処理の内容がこれに限定されるものではなく、例えば、非単結晶の半導体膜を単結晶化したり、結晶半導体膜の改質を行うものであってよい。
制御部は、CPUやこれを動作させるプログラムを主構成とすることができ、その他に、不揮発メモリやRAMなどを備えることができる。
パルス発振レーザ光源10において、制御部7の制御によって所定の繰り返し周波数でパルス発振されて、所定出力でパルスレーザ15が出力される。パルスレーザ15は、例えば、波長400nm以下、パルス半値幅が200n秒以下のものとされる。ただし、本発明としてはこれらに限定されるものではない。
パルスレーザ15は、制御部7により制御されるアテニュエータ11でパルスエネルギー密度が調整される。アテニュエータ11は所定の減衰率に設定されており、シリコン膜101への照射面上で結晶化に最適な照射パルスエネルギー密度が得られるように、減衰率が調整される。例えば非晶質のシリコン膜101を結晶化するなどの場合、その照射面上において、エネルギー密度が250〜500mJ/cm2となるように調整することができる。
ラインビームは、例えば、長軸側の長さが370〜1300mm、短軸側の長さが100μm〜500μmのものに整形される。
ラインビーム150のシリコン膜101上でのスティープネス部152の幅は、例えば、40〜100μmになっている。
なお、走査速度および繰り返し周波数の決定に際しては、図3に示されるように、パルスレーザ15の照射によってシリコン膜101上に形成される盛り上がり部102の底辺の走査方向長さをbとして、走査ピッチpが下記式を満たすようにする。
0.75b≧p≧0.25b …(1)
なお、盛り上がり部102の底辺の走査方向長さは、制御部7において予め取得しておくことで、走査ピッチを決定することができる。
予め測定する際には、パルスレーザをワンショットすることでも走査方向長さとして測定を行うことができる。盛り上がり部の底辺長さが得られると、走査ピッチを決定することができるが、走査ピッチの決定によって所定のビーム形状では照射回数が定まる。この照射回数における最適なエネルギー密度が盛り上がり部102の底辺長さを測定した際のエネルギー密度と異なることがある。この場合、照射回数の変更によって最適なエネルギー密度が変われば、変更された最適なエネルギー密度において、盛り上がり部102の底辺の走査方向長さを測定し、その結果に応じて走査ピッチを決定することができる。
a−Si(非単結晶半導体) 膜厚:50nm
パルス発振レーザ光源 LSX315C(コヒーレント社製)
/波長308nm、繰り返し周波数300Hz
ビームサイズ 370mm×0.4mm
レーザパルス半値幅 50ns
照射エネルギー密度 結晶化最適エネルギー密度:370mJ/cm2
(半導体膜上)
盛り上がり部底辺長さb 18μm(ワンショット測定)
走査ピッチp 15μm、10μm、5μm(15μmは比較例)
盛り上がり部底辺長さ測定装置 エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製 走査型プローブ顕微鏡ユニット商品名「S-image(エスイメージ)」
結晶シリコン膜に検査光を複数地点に照射し、それぞれ反射光を受光してカラー画像を取得し、カラー画像の色成分を検出し、検出された色成分に基づいてカラー画像をモノクロ化した。次いで、モノクロ化された画像のデータをコンボリューションして画像濃淡を強調した画像データを取得し、画像濃淡を強調した画像データを射影変換し、射影変換がされた画像データに基づいて表面ムラを評価した。モノクロ化は、検出がされた色成分のうち、主となる色成分を用いて行うことができ、主となる色成分は、光分布が他の色成分よりも相対的に大きい色成分とすることができる。
モノクロ化した画像データは、レーザのビーム方向を行、レーザの走査方向を列とする行列データで示し、コンボリューションでは、所定係数の行列をモノクロ化された画像のデータの行列に掛け合わせることによって行った。
所定係数の行列は、ビーム方向を強調するものと、スキャン方向を強調するものとをそれぞれ用いてビーム方向の画像濃淡を強調した画像データとスキャン方向の画像濃淡を強調した画像データとをそれぞれ取得した。
具体的には、以下のコンボリューションを行った。なお、所定係数の行列が下記に限定されるものではない。
具体的には下記に示す式によってショット方向、スキャン方向にそれぞれ射影変換する。
ショット方向=(Max(Σf(x)/Nx)-Min(Σf(x)/Nx))/平均
スキャン方向=(Max(Σf(y)/Ny)-Min(Σf(y)/Ny))/平均
ただし、xはショット方向の画像の位置、yはスキャン方向の画像の位置、f(x)はx位置における画像データ、f(y)はy位置における画像データ、Nxはショット方向の画像の数、Nyはスキャン方向の画像の数を示す。
比較例では、照射ムラの程度は0.22〜0.27という指標となった。
一方、走査ピッチ10μm、5μmは、本発明の条件式(1)を満たしており、走査ピッチ10μmではショットムラは0.13〜0.18、5μmではショットムラは0.081〜0.11という指標となり、照射ムラが著しく緩和された。
2 処理室
3 走査装置
5 基板配置台
6 導入窓
7 制御部
10 パルス発振レーザ光源
11 アテニュエータ
12 光学系
20 膜面形状計測装置
100 基板
101 シリコン膜
102 盛り上がり部
Claims (9)
- 非単結晶半導体膜上に所定のビーム断面形状を有するパルスレーザを走査しつつ所定の走査ピッチでオーバーラップ照射して結晶半導体膜とするレーザ処理方法において、
前記半導体膜へのパルスレーザの照射によって、前記半導体膜上で照射されたパルスレーザビームの走査方向後端側に形成される盛り上がり部の底辺における走査方向長さをbとし、前記走査ピッチをpとして、
前記走査ピッチを下記式(1)を満たす範囲に設定して前記パルスレーザのオーバーラップ照射を行うことを特徴とするレーザ処理方法。
0.75b≧p≧0.25b …(1) - 前記半導体膜へのパルスレーザの照射は、前記半導体膜上において結晶化に最適な照射エネルギー密度で行われることを特徴とする請求項1記載のレーザ処理方法。
- 前記パルスレーザの波長が400nm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のレーザ処理方法。
- 前記パルスレーザのパルス半値幅が200ns以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のレーザ処理方法。
- 前記非単結晶半導体がシリコンであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のレーザ処理方法。
- 前記走査ピッチが、5〜20μmであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のレーザ処理方法。
- 前記半導体膜へのパルスレーザの照射によって、前記半導体膜上で照射されたパルスレーザビームの走査方向後端側に形成される盛り上がり部の底辺における走査方向長さを測定し、該測定結果に基づいて前記走査ピッチを決定することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のレーザ処理方法。
- 所定の繰り返し周波数でパルスレーザを出力するパルス発振レーザ光源と、
前記パルスレーザのビーム断面形状を整形して非単結晶半導体膜に導く光学系と、
前記パルスレーザのエネルギー密度を調整するアテニュエータと、
前記パルスレーザを前記非単結晶半導体膜に対し所定の走査速度で相対的に走査させる走査装置と、
前記レーザ光源、前記アテニュエータおよび前記走査装置を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、半導体膜へのパルスレーザの照射によって、前記半導体膜上で照射されたパルスレーザビームの走査方向後端側に形成される盛り上がり部の底辺における走査方向長さbを取得し、該走査方向長さに従って、前記パルスレーザの前記非単結晶半導体膜への照射に際しての走査ピッチpが下記式(1)を満たすように、前記レーザ光源における繰り返し周波数と前記走査装置の走査速度を決定することを特徴とするレーザ処理装置。
0.75b≧p≧0.25b …(1) - 半導体膜へのパルスレーザの照射によって、前記半導体膜上で照射されたパルスレーザビームの走査方向後端側に形成される盛り上がり部の底辺における走査方向長さbを計測する膜表面形状計測装置を備えることを特徴とする請求項8記載のレーザ処理装置。
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