JP5907530B2 - レーザアニール方法およびレーザアニール装置 - Google Patents
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Description
この発明は、非単結晶半導体にラインビーム形状のパルスレーザを走査しつつ複数回のオーバーラップ照射をして非晶質膜の結晶化や結晶膜の改質を行うレーザアニール方法およびレーザアニール装置に関するものである。
一般的にＴＶやＰＣディスプレイで用いられている薄膜トランジスタは、アモルファス（非結晶）シリコン（以降ａ−シリコンという）により構成されているが、何らかの手段でシリコンを結晶化（以降ｐ−シリコンという）して利用することでＴＦＴとしての性能を格段に向上させることができる。現在は、低温度でのＳｉ結晶化プロセスとしてエキシマレーザアニール技術がすでに実用化されており、スマートフォン等の小型ディスプレイ向け用途で頻繁に利用されており、さらに大画面ディスプレイなどへの実用化がなされている。
このレーザアニール法では、高いパルスエネルギーを持つエキシマレーザを非単結晶半導体膜に照射することで、光エネルギーを吸収した半導体が溶融または半溶融状態になり、その後冷却され凝固する際に結晶化する仕組みである。この際には、広い領域を処理するために、ラインビーム形状に整形したパルスレーザを相対的に短軸方向に走査しながら照射する。通常は、非結晶半導体膜を設置した設置台を移動させることでパルスレーザの走査が行われる。
このレーザアニール処理では、光学系を通してレーザのビーム形状を所定形状に整形し、また、ビーム強度がビーム断面において一様（トップフラット：平坦部）になるようにしており、さらには必要に応じてビームを集光して被処理物に照射している。
このレーザアニール処理では、光学系を通してレーザのビーム形状を所定形状に整形し、また、ビーム強度がビーム断面において一様（トップフラット：平坦部）になるようにしており、さらには必要に応じてビームを集光して被処理物に照射している。
ビーム形状の一種としてビーム断面視で短軸幅と長軸幅を有するラインビーム形状が知られており、これを短軸方向に走査しつつ被処理物に照射することで、被処理物の広い面積を一括して効率よく処理することが可能になる。ただし、トップフラットにしたラインビーム形状でも、各種の光学部材などを経ることで、短軸方向および長軸方向の縁部にはエネルギー強度が外側に向かって減少する部分（スティープネス部ともいう）を有している。
特許文献１では、集光されたレーザ光の周辺部にガウス分布に従った強度の弱くなる領域が発生するため、線の端部のきれが明確でなくなることを課題として、１００μｍにまで集光した後、被加工面より離れた位置にマスクを配設し、このマスクのパターン形状により、例えば１００μｍ×３０ｃｍの巾に対し２０μｍ×３０ｃｍの極細の開溝パターンをその周辺部のエッジを明確にして作り得るとしている。
また、特許文献２では、ラインビームをスリットに通すことでライン幅が規定され、概ね鋭いエッジを有したフラットな性質を得るとしている（段落００１１）。
しかし、マスクやスリット、または各種光学系を用いてもスティープネス部を全くゼロにすることは困難である。このスティープネス部の低減は光学部材の設計などにより行うことも可能であるが、光学部材の設計などによって過度にスティープネス部を低減しようとすると、図８に示すように、パルスレーザ１５０のビーム強度プロファイルにおいて平坦部１５１の短軸方向端に強度が急激に増加する強度突部１５１ａが局所的に形成されてしまう。また、マスクやスリットを用いた場合にも回折現象によって、透過したレーザビームのビーム強度プロファイルにおいて平坦部１５１の短軸方向端に強度が急激に増加する強度突部１５１ａが同様に形成されてしまう。特許文献１は、透光性導電膜などの加工面に紫外線光により直線描画を行うものであり、上記した突部が格別な支障となるものではない。しかし、レーザアニールでは、平坦部端に形成される突部を有するパルスレーザを用いた場合、最適エネルギー密度範囲から外れるなどしてアニール処理に不具合が生じてしまう。
このため、従来のレーザアニールでは、マスクやスリットを使用することなく、スティープネス部の短軸方向幅をレーザ照射に際し比較的支障がないと考えられている７０〜１００μｍ程度にすることで、強度突部の出現を避け、かつ光学部材の設計を容易にしている。
このため、従来のレーザアニールでは、マスクやスリットを使用することなく、スティープネス部の短軸方向幅をレーザ照射に際し比較的支障がないと考えられている７０〜１００μｍ程度にすることで、強度突部の出現を避け、かつ光学部材の設計を容易にしている。
しかし、本発明者らの注意深い観察によれば、現状でもパルスレーザの照射によって結晶化された半導体には照射ムラが認められ、これが原因になってデバイスとした際に性能に影響が生じていることが分かっている。
本願発明者らの研究によれば、上記照射ムラは、ラインビームの走査方向端部のポリシリコン膜の盛り上がりがショット毎で不均一に形成されることが原因と考えられる。この部分はレーザ照射による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ず固体のままである部分の境目に相当する。この盛り上がりは、照射エネルギーの強度に比例して大きくなると考えられる。すなわち、照射エネルギーが大きくなるに従い半導体膜の膜厚方向に溶融が進み、また膜全体が溶融した後も液体となった半導体膜層の温度が増大する。この液相部分が温度低下に伴い結晶化する際に、より先行して温度が低下し始める固液界面すなわちラインビーム短軸エッジ部に液体が吸い寄せられつつ固化するため、盛り上がりが生じると考えられる。この盛り上がりが所定の間隔で同等の高さで形成されている限りは照射ムラは大きく目立つものではない。
本願発明者らの研究によれば、上記照射ムラは、ラインビームの走査方向端部のポリシリコン膜の盛り上がりがショット毎で不均一に形成されることが原因と考えられる。この部分はレーザ照射による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ず固体のままである部分の境目に相当する。この盛り上がりは、照射エネルギーの強度に比例して大きくなると考えられる。すなわち、照射エネルギーが大きくなるに従い半導体膜の膜厚方向に溶融が進み、また膜全体が溶融した後も液体となった半導体膜層の温度が増大する。この液相部分が温度低下に伴い結晶化する際に、より先行して温度が低下し始める固液界面すなわちラインビーム短軸エッジ部に液体が吸い寄せられつつ固化するため、盛り上がりが生じると考えられる。この盛り上がりが所定の間隔で同等の高さで形成されている限りは照射ムラは大きく目立つものではない。
しかし、レーザの出力エネルギーの変動が生じると、図９に示すようにスティープネス部の傾きも変動し、半導体膜のアニールに影響がある領域（例えば溶融閾値以上の領域）の短軸幅が変化してしまう。図９に示すビーム強度プロファイルでは、ビーム強度が＋１０％変動した場合、１００μｍのスティープネス部を有するビーム強度プロファイルでは、溶融閾値領域の短軸幅が両端でそれぞれ３％増大してしまう。これにより非単結晶半導体での溶融幅が変動するため前記盛り上がり部の高さや間隔の乱れが生じ照射ムラとなって現れる。
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、レーザの出力エネルギーの変動による影響を軽減することができるレーザアニール方法および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、本発明のレーザアニール方法のうち第１の本発明は、非単結晶半導体膜上に、ビーム断面形状をラインビームとしたパルスレーザを前記ラインビームの短軸方向に走査しつつ照射するレーザアニール方法において、
前記ラインビームが、ビーム強度プロファイルにおいて、短軸方向で、平坦部と、短軸方向端部に位置するスティープネス部を有し、前記スティープネス部が前記ビーム強度プロファイルにおける最大強度の１０％以上９０％以下の強度を有する領域であり、前記平坦部が前記非単結晶半導体膜の照射面上で、最大強度の９６％以上の領域の短軸方向幅が１００〜５００μｍであり、
前記スティープネス部のうち走査方向後方側に位置する前記スティープネス部の短軸方向幅が前記非単結晶半導体膜の照射面上で５０μｍ以下になるように、前記平坦部の短軸走査方向後方側で前記最大強度に対し７０〜９０％となる強度範囲の位置から短軸方向外側に遮蔽を行うことを特徴とする。
前記ラインビームが、ビーム強度プロファイルにおいて、短軸方向で、平坦部と、短軸方向端部に位置するスティープネス部を有し、前記スティープネス部が前記ビーム強度プロファイルにおける最大強度の１０％以上９０％以下の強度を有する領域であり、前記平坦部が前記非単結晶半導体膜の照射面上で、最大強度の９６％以上の領域の短軸方向幅が１００〜５００μｍであり、
前記スティープネス部のうち走査方向後方側に位置する前記スティープネス部の短軸方向幅が前記非単結晶半導体膜の照射面上で５０μｍ以下になるように、前記平坦部の短軸走査方向後方側で前記最大強度に対し７０〜９０％となる強度範囲の位置から短軸方向外側に遮蔽を行うことを特徴とする。
第２の本発明のレーザアニール方法は、前記第１の本発明において、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。
第３の本発明のレーザアニール方法は、前記第１または第２の本発明において、前記パルスレーザの照射面上におけるパルス半値幅が２００ｎｓ以下であることを特徴とする。
第４の本発明のレーザアニール方法は、前記第１〜第３の本発明のいずれかにおいて、前記パルスレーザは、照射面上において前記ビーム強度プロファイルにおける最大強度の値が２５０〜５００ｍＪ／ｃｍ２であることを特徴とする。
第５の本発明のレーザアニール方法は、前記第１〜第４の本発明のいずれかにおいて、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。
第６の本発明のレーザアニール方法は、前記第１〜第５の本発明のいずれかにおいて、前記パルスレーザは、前記最大強度は、前記平坦部における強度の平均値で与えられることを特徴とする。
第７の本発明のレーザアニール方法は、前記第１〜第６の本発明のいずれかにおいて、前記パルスレーザは、ビーム強度プロファイルにおいて、両端部のいずれか一方または両方に局所的に強度が上昇する強度突部を有する場合、前記強度突部を除いた範囲で前記最大強度が与えられることを特徴とする
第８の本発明のレーザアニール装置は、
パルスレーザを出力するレーザ光源と、
前記パルスレーザの透過率を調整するアテニュエータと、
前記パルスレーザのビーム断面形状を整形するとともに整形されたパルスレーザを非単結晶半導体膜の照射面上に導く光学系と、を有し、
前記光学系は、前記パルスレーザのビーム断面形状をビーム強度プロファイルにおいて所定の強度以上の高強度領域を有し、ビーム強度プロファイルにおいて、短軸方向で、平坦部と、短軸方向端部に位置するスティープネス部を有し、前記スティープネス部が前記ビーム強度プロファイルにおける最大強度の１０％以上９０％以下の強度を有する領域であり、前記平坦部が前記非単結晶半導体膜の照射面上で、最大強度の９６％以上の領域の短軸方向幅が１００〜５００μｍであるラインビームに整形する光学部材と、前記ラインビームの短軸方向端部に位置するスティープネス部のうち少なくとも走査方向後方側の短軸方向幅を前記非単結晶半導体膜の照射面上で５０μｍ以下になるように、前記パルスレーザの光路に配置され、前記パルスレーザのビーム断面に対し、前記平坦部の短軸走査方向後方側で前記最大強度に対し７０〜９０％となる強度範囲の位置から短軸方向外側に遮蔽を行う遮蔽部とを備えることを特徴とする。
パルスレーザを出力するレーザ光源と、
前記パルスレーザの透過率を調整するアテニュエータと、
前記パルスレーザのビーム断面形状を整形するとともに整形されたパルスレーザを非単結晶半導体膜の照射面上に導く光学系と、を有し、
前記光学系は、前記パルスレーザのビーム断面形状をビーム強度プロファイルにおいて所定の強度以上の高強度領域を有し、ビーム強度プロファイルにおいて、短軸方向で、平坦部と、短軸方向端部に位置するスティープネス部を有し、前記スティープネス部が前記ビーム強度プロファイルにおける最大強度の１０％以上９０％以下の強度を有する領域であり、前記平坦部が前記非単結晶半導体膜の照射面上で、最大強度の９６％以上の領域の短軸方向幅が１００〜５００μｍであるラインビームに整形する光学部材と、前記ラインビームの短軸方向端部に位置するスティープネス部のうち少なくとも走査方向後方側の短軸方向幅を前記非単結晶半導体膜の照射面上で５０μｍ以下になるように、前記パルスレーザの光路に配置され、前記パルスレーザのビーム断面に対し、前記平坦部の短軸走査方向後方側で前記最大強度に対し７０〜９０％となる強度範囲の位置から短軸方向外側に遮蔽を行う遮蔽部とを備えることを特徴とする。
第９の本発明のレーザアニール装置は、前記第８の本発明において、前記レーザ光源は、波長が４００ｎｍ以下の前記パルスレーザを出力するものであることを特徴とする。
第１０の本発明のレーザアニール装置は、前記第８または第９の本発明において、前記前記レーザ光源は、半値幅が２００ｎｓ以下の前記パルスレーザを出力するものであることを特徴とする。
第１１の本発明のレーザアニール装置は、前記第８〜第１０の本発明のいずれかにおいて、前記アテニュエータは、非単結晶半導体膜の照射面上における前記パルスレーザのビーム強度プロファイルにおける最大強度を２５０〜５００ｍＪ／ｃｍ２に調整することを特徴とする。
すなわち、本発明によれば、スティープネス部を急峻にすることで、パルスレーザの出力変動による照射ムラが軽減される。例えば、所定回数のオーバーラップ照射では、適正とされる照射エネルギー密度があるが、そのエネルギー密度にはある程度の許容範囲がある。しかし、スティープネス部の幅が従来のように大きい（例えば７０μｍ以上）と、適正な照射エネルギー密度幅内の変動であっても、照射ムラとして現れる。
なお、スティープネス部は、エネルギー強度が外側に向かって減少していく部分であって、短軸方向のビーム強度プロファイルにおける最大強度の１０％以上９０％以下の強度を有する領域をいう。
スティープネス部の幅を小さく（５０μｍ以下）した本願発明では、エネルギー変動による影響が大幅に小さくなり、その結果、照射ムラを小さくすることができる。
なお、スティープネス部の幅は、同様の理由でさらに４５μｍ以下とするのが望ましい。
なお、スティープネス部は、エネルギー強度が外側に向かって減少していく部分であって、短軸方向のビーム強度プロファイルにおける最大強度の１０％以上９０％以下の強度を有する領域をいう。
スティープネス部の幅を小さく（５０μｍ以下）した本願発明では、エネルギー変動による影響が大幅に小さくなり、その結果、照射ムラを小さくすることができる。
なお、スティープネス部の幅は、同様の理由でさらに４５μｍ以下とするのが望ましい。
本発明のアニール処理は、非単結晶半導体を対象として、非晶質のものを結晶化したり、結晶質のものを改質したりする。改質には、多結晶のものを単結晶化したり、結晶性の改善を図るものが含まれる。非単結晶半導体としては、代表的にはシリコンが挙げられるが、本発明としてはこれに限定されるものではない。
パルスレーザは、本発明としては特定のものに限定されないが、例えば、波長４００ｎｍ以下、半値幅２００ｎｓ以下のものが例示される。またパルスレーザの種類も特に限定されないが、例えばエキシマレーザが挙げられる。
パルスレーザは、シリンドリカルレンズなどの各種光学部材を用いてラインビームに整形される。ラインビームの形状は特定のものに限定されるものではなく、短軸に対し、長軸が大きい比率を有するものであればよい。例えば、その比が１０以上のものが挙げられる。長軸側の長さ、短軸側の長さは本発明としては特定のものに限定されないが、例えば、長軸側の長さが３７０〜１３００ｍｍ、短軸側の長さが１００μｍ〜５００μｍのものが挙げられる。また、パルスレーザは、ホモジナイザ、シリンドリカルレンズなどの光学部材によって、ビーム強度プロファイルにおいて、例えば最大強度の９６％以上の強度を有する高強度領域（好適には平坦部を主とする）を主とし、端部に位置する最大強度の１０〜９０％のスティープネス部を有するプロファイルとすることができる。高強度領域とスティープネス部間は、強度が変化する遷移部分となっており、その幅は僅かである。
なお、高強度領域は、前記した平坦部の他、短軸方向で強度が傾斜傾向を有するものや強度が曲線状分布となるものなどが挙げられ、その間に最大強度を有している。
なお、高強度領域は、前記した平坦部の他、短軸方向で強度が傾斜傾向を有するものや強度が曲線状分布となるものなどが挙げられ、その間に最大強度を有している。
スティープネス部の急峻化（走査方向後方側において幅５０μｍ以下）は、例えばビームの端部を遮蔽可能な遮蔽部を用いて行うことができる。遮蔽はビーム透過を遮断するものや透過率を小さくすることによって行うことができる。遮蔽部は、非単結晶半導体膜に近い位置に配置することでスティープネス部の幅を小さくすることができ、この場合、より耐熱性の高い材料を使用することができる。また、遮蔽部を光路に沿って多段に配置することで、遮蔽部へのダメージを小さくした上でスティープネス部の短軸方向幅を小さくすることができる。
この遮蔽部は、前記高強度領域の短軸方向端よりも外側で前記パルスレーザのビーム断面の一部を遮蔽するのが望ましい。パルスレーザビームの一部を遮蔽した場合、回折現象により透過部分の端部で強度が高まり、強度突部が形成されるのは前記したとおりである。この現象を利用して高強度領域の外側で強度が低下し始めている部分で遮蔽を行うと、強度突部が生じないか、ごく小さいものにすることができる。ただ、あまりに外側で遮蔽すると、高強度領域の外側で強度が一旦低下し、その外側で強度が上昇する強度プロファイルになるので、適宜強度の位置で遮蔽を行うのが望ましい。例えば、最大強度に対し７０〜９０％となる強度範囲の位置で遮蔽を行うのが望ましい。
この遮蔽部は、前記高強度領域の短軸方向端よりも外側で前記パルスレーザのビーム断面の一部を遮蔽するのが望ましい。パルスレーザビームの一部を遮蔽した場合、回折現象により透過部分の端部で強度が高まり、強度突部が形成されるのは前記したとおりである。この現象を利用して高強度領域の外側で強度が低下し始めている部分で遮蔽を行うと、強度突部が生じないか、ごく小さいものにすることができる。ただ、あまりに外側で遮蔽すると、高強度領域の外側で強度が一旦低下し、その外側で強度が上昇する強度プロファイルになるので、適宜強度の位置で遮蔽を行うのが望ましい。例えば、最大強度に対し７０〜９０％となる強度範囲の位置で遮蔽を行うのが望ましい。
また、スティープネス部の急峻化（幅５０μｍ以下）は、例えば光学部材の調整などによって行うことができる。例えば、シリンドリカルレンズによる結像位置に対するシリコン膜位置の調整や、シリンドリカルレンズとして、より結像性能の良い組レンズを使用することなどにより実現できる。
パルスレーザは、オーバーラップ回数によっても異なるが、例えば２５０〜５００ｍＪ／ｃｍ２のエネルギー密度で非単結晶半導体に照射するものが挙げられる。オーバーラップ回数としては、８〜５０回を例示することができ、この際に走査速度としては１〜１００ｍｍ／秒を挙げることができる。
すなわち、本発明によれば、スティープネス部が急峻化され、エネルギー出力が変動した際の影響を軽減して照射ムラを小さくすることができ、結果として高品質の半導体デバイスを提供することができる。
以下に、本発明のレーザアニール装置１を添付図面に基づいて説明する。
レーザアニール装置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。
レーザアニール装置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。
アニール処理時には、該基板配置台５上に非単結晶半導体の半導体膜として非晶質のシリコン膜１００などが設置される。シリコン膜１００は、図示しない基板上に、例えば４０〜１００ｎｍ厚（具体的には例えば５０ｎｍ厚）で形成されている。該形成は常法により行うことができ、本発明としては半導体膜の形成方法が特に限定されるものではない。
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。
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。
処理室２の外部には、パルス発振レーザ光源１０が設置されている。該パルス発振レーザ光源１０は、エキシマレーザ発振器で構成されており、波長４００ｎｍ以下、繰り返し発振周波数１〜１２００Ｈｚのパルスレーザを出力可能になっており、該パルス発振レーザ光源１０では、フィードバック制御によってパルスレーザの出力を所定範囲内に維持するように制御することができる。
該パルス発振レーザ光源１０でパルス発振されて出力されるパルスレーザ１５は、アテニュエータ１１でエネルギー密度が調整され、ホモジナイザー１２ａ、反射ミラー１２ｂ、シリンドリカルレンズ１２ｃなどの光学部材によって構成される光学系１２でラインビーム形状への整形や偏向、平坦部とスティープネス部とを有するビーム強度プロファイル形状への強度分布調整などがなされ、パルスレーザ１５０として、処理室２に設けた導入窓６を通して処理室２内の非晶質シリコン膜１００に照射される。なお、光学系１２を構成する光学部材は上記に限定されるものではなく、各種レンズ（ホモジナイザー、シリンドリカルレンズなど）、ミラー、導波部などを備えることができる。
また、処理室２内には遮蔽部２０が配置されている。遮蔽部２０は、パルスレーザ１５０の相対的なビーム走査方向に対する短軸方向後端部を遮蔽可能な位置に配置される。なお、遮蔽部では、対となる２つの遮蔽板を互いの間隙量を設けて配置し、パルスレーザの走査方向両端部を遮蔽するように配置してもよい。
次に、上記レーザアニール装置１の動作について説明する。
パルス発振レーザ光源１０においてパルス発振されて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２００ｎｓ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、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１００への照射面上で所定の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１００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１５０〜５００ｍＪ／ｃｍ２望ましくは、２５０〜５００ｍＪ／ｃｍ２となるように調整することができる。
パルス発振レーザ光源１０においてパルス発振されて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２００ｎｓ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、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１００への照射面上で所定の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１００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１５０〜５００ｍＪ／ｃｍ２望ましくは、２５０〜５００ｍＪ／ｃｍ２となるように調整することができる。
アテニュエータ１１を透過したパルスレーザ１５は、光学系１２でラインビーム形状に整形され、さらに光学系１２のシリンドリカルレンズ１２ｃを経て短軸幅を集光して、処理室２に設けた導入窓６に導入される。
パルスレーザ１５０は、図３に示すように、最大エネルギー強度に対し平坦部１５１を含む９６％以上となる高強度領域と、長軸方向の両端部に位置し、前記平坦部１５１よりも小さいエネルギー強度を有し、外側に向けて次第にエネルギー強度が低下するスティープネス部１５２とを有している。スティープネス部は、最大強度の１０％〜９０％の範囲の領域である。
パルスレーザ１５０は、図３に示すように、最大エネルギー強度に対し平坦部１５１を含む９６％以上となる高強度領域と、長軸方向の両端部に位置し、前記平坦部１５１よりも小さいエネルギー強度を有し、外側に向けて次第にエネルギー強度が低下するスティープネス部１５２とを有している。スティープネス部は、最大強度の１０％〜９０％の範囲の領域である。
パルスレーザ１５０は導入窓６を透過して処理室２内に導入され、さらに進行して遮蔽部２０に至る。遮蔽部２０は、パルスレーザ１５０に対し、短軸方向両端のスティープネス部１５２を遮蔽するように、ビーム強度プロファイルにおける最大強度の７０〜９０％の位置に配置されている。これにより、遮蔽部２０を透過した際に高強度領域の端に形成される強度突部の大きさが小さくなる、または消滅するようにコントロールすることができる。
スティープネス部１５２を低減したパルスレーザ１５０は、図３、４に示すように、遮蔽部２０を通過することで、回折などによってビーム走査方向における短軸方向後端部にスティープネス部１５３が形成される。但し、遮蔽部２０を経たスティープネス部１５３は、遮蔽部２０通過前のスティープネス部１５２を遮蔽して形成されるものであるため、遮蔽部２０を透過する前のスティープネス部１５２に比べて拡がり幅は相当に小さくなっている。なお、ビーム走査方向における短軸方向前端部のスティープネス部１５２は、そのままでも支障はない。なお、図３、４では、ビームの相対的な走査方向を示している（以降の図５も図示）。
また、遮蔽部２０は、平坦部の強度よりも低い強度位置でパルスレーザ１５０を遮蔽するため、平坦部を遮蔽する場合よりもシリコン膜１００に近い位置に設置しても遮蔽部に対するダメージが少ない。シリコン膜１００に近い位置に設置することでスティープネス部１５３の拡がりをより少なくすることができ、その短軸幅を照射面上で５０μｍ以下にすることができる。この点で、平坦部において遮蔽を行う従来のマスクやスリットに対し、特異性を有している。
また、遮蔽部２０は、平坦部の強度よりも低い強度位置でパルスレーザ１５０を遮蔽するため、平坦部を遮蔽する場合よりもシリコン膜１００に近い位置に設置しても遮蔽部に対するダメージが少ない。シリコン膜１００に近い位置に設置することでスティープネス部１５３の拡がりをより少なくすることができ、その短軸幅を照射面上で５０μｍ以下にすることができる。この点で、平坦部において遮蔽を行う従来のマスクやスリットに対し、特異性を有している。
遮蔽部２０を通過したパルスレーザ１５０では、図３、４に示すように、拡がりが小さくなったスティープネス部１５３が得られ、該スティープネス部の幅が照射面上で５０μｍ以下、さらに望ましくは４５μｍ以下に低減される。
走査装置３でシリコン膜１００を移動させることでパルスレーザ１５０をシリコン膜１００に対し相対的に走査しつつシリコン膜１００に照射する。なお、本発明としては前記走査の速度が特定のものに限定されるものではない。照射ピッチは５〜６５μｍとすることができる。
パルスレーザ１５０は、上記のようにスティープネス部１５３の幅が５０μｍ以下に小さくなっており、仮に、パルスレーザ１５の出力が変動した場合でも、溶融閾値以上の領域の幅の大きさの変動率を小さく抑えることができる。例えば、図５に示すように、出力エネルギーが１０％増加した場合でもスティープネス部１５３の幅が５０μｍ以下の場合、溶融閾値以上の領域の幅の変動を０．９５％以下に抑えることができる。
パルスレーザ１５０は、上記のようにスティープネス部１５３の幅が５０μｍ以下に小さくなっており、仮に、パルスレーザ１５の出力が変動した場合でも、溶融閾値以上の領域の幅の大きさの変動率を小さく抑えることができる。例えば、図５に示すように、出力エネルギーが１０％増加した場合でもスティープネス部１５３の幅が５０μｍ以下の場合、溶融閾値以上の領域の幅の変動を０．９５％以下に抑えることができる。
図６は、他の実施形態のレーザアニール装置１ａを示すものであり、遮蔽部を多段（この例では２段）に設置したものである。なお、前記実施形態と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略または簡略化している。
集光レンズであるシリンドリカルレンズ１２ｃと導入窓６との間には、第１の遮蔽部に相当する第１遮蔽部２１が配置されており、処理室２内には第２の遮蔽部に相当する第２遮蔽部２２が配置されている。図６に示すように、第１遮蔽部２１は、パルスレーザ１５０のビーム走査方向における短軸方向後端部を遮蔽可能な位置に配置される。また、第２遮蔽部２２も同様に、パルスレーザ１５０のビーム走査方向における短軸方向後端部を遮蔽可能な位置に配置される。
なお、第１遮蔽部２１、第２遮蔽部２２では、対となる２つの遮蔽板を互いの間隙量を設けて配置し、パルスレーザの走査方向両端部を遮蔽するように配置してもよい。
なお、第１遮蔽部２１、第２遮蔽部２２では、対となる２つの遮蔽板を互いの間隙量を設けて配置し、パルスレーザの走査方向両端部を遮蔽するように配置してもよい。
第１遮蔽部２１でスティープネス部１５２を低減したパルスレーザ１５０は、第１遮蔽部２１を通過することで、回折などによって走査方向における短軸方向後端部にスティープネス部１５３が形成される。但し、スティープネス部１５３は、スティープネス部１５２を遮蔽して形成されるため、スティープネス部１５２に比べて拡がり幅は相当に小さくなっている。
この第１遮蔽部２１では、高強度領域の短軸方向端よりも外側で前記パルスレーザのビーム断面の一部を遮蔽するのが望ましく、さらにビーム強度プロファイルにおける最大強度の７０〜９０％の位置に配置されているのが望ましい。
この第１遮蔽部２１では、高強度領域の短軸方向端よりも外側で前記パルスレーザのビーム断面の一部を遮蔽するのが望ましく、さらにビーム強度プロファイルにおける最大強度の７０〜９０％の位置に配置されているのが望ましい。
さらに、スティープネス部１５３を有するパルスレーザ１５０は、導入窓６を透過して処理室２内に導入され、さらに進行して、第２遮蔽部２２に至る。第２遮蔽部２２では、第１遮蔽部２１で低減されたスティープネス部１５３が位置する。このため、第２遮蔽部２２では、短軸方向内側のスティープネス部の一部を除いて残部のスティープネス部が遮蔽される。第２遮蔽部２２を通過したパルスレーザ１５０では、回折などによってスティープネス部が形成されるものの、第２透過部２２を至る前のスティープネス部に比べて拡がり幅はさらに小さくなっており、スティープネス部がより低減される。
この第２遮蔽部２２では、高強度領域の短軸方向端よりも外側で前記パルスレーザのビーム断面の一部を遮蔽するのが望ましく、第１遮蔽部２１を通過後のビーム強度プロファイルにおける最大強度の７０〜９０％の位置に配置されているのが望ましい。
この第２遮蔽部２２では、高強度領域の短軸方向端よりも外側で前記パルスレーザのビーム断面の一部を遮蔽するのが望ましく、第１遮蔽部２１を通過後のビーム強度プロファイルにおける最大強度の７０〜９０％の位置に配置されているのが望ましい。
なお、上記各実施形態では、光路上に遮蔽部を配置することで、走査方向における短軸方向後端のスティープネス部幅を低減したが、例えば、シリンドリカルレンズ１２ｃによる結像位置に対するシリコン膜位置の調整や、シリンドリカルレンズ１２ｃとして、より結像性能の良い組レンズを使用することなどによってもスティープネス部幅低減を実現でき、遮蔽部と組み合わせて行うこともできる。
次に、本発明の実施例について説明する。
５０ｎｍ厚のアモルファスシリコン膜が形成された基板を用意し、図１の実施形態のレーザ処理装置において、パルス発振レーザ光源をエキシマレーザ発振器（商品名：ＬＳＸ５４０Ｃ）とし、波長３０８ｎｍのパルスレーザをパルス周波数３００Ｈｚで出力するものとした。
光学系によってビームサイズを３７０ｍｍ×０．４ｍｍのラインビームに整形し、マスクによってビーム走査方向における短軸方向後端部のスティープネス部の幅を４０μｍとした。また、比較のため、マスクをアモルファスシリコン膜に対し高位置に配置し、短軸方向のスティープネス部の幅を７０μｍとしたものを用意した。
５０ｎｍ厚のアモルファスシリコン膜が形成された基板を用意し、図１の実施形態のレーザ処理装置において、パルス発振レーザ光源をエキシマレーザ発振器（商品名：ＬＳＸ５４０Ｃ）とし、波長３０８ｎｍのパルスレーザをパルス周波数３００Ｈｚで出力するものとした。
光学系によってビームサイズを３７０ｍｍ×０．４ｍｍのラインビームに整形し、マスクによってビーム走査方向における短軸方向後端部のスティープネス部の幅を４０μｍとした。また、比較のため、マスクをアモルファスシリコン膜に対し高位置に配置し、短軸方向のスティープネス部の幅を７０μｍとしたものを用意した。
オーバラップ回数は２０回とした。この条件で、結晶化に最適な照射エネルギー密度は３１０〜３３０ｍＪ／ｃｍ２の範囲となる。なお、この条件において走査ピッチは２０μｍになる。
さらに、アテニュエータの調整によって照射エネルギー密度を３１０、３２０、３３０、３４０、３５０、３６０、３７０ｍＪ／ｃｍ２で変更した照射試験を行い、結晶性を評価した。この例の結晶化に際しての最適エネルギー密度範囲（ＯＥＤ）は３１０〜３４０ｍＪ／ｃｍ２であったが、エネルギー密度の変動による影響をより顕著にするため、３５０ｍＪ／ｃｍ２の試験例について、光学顕微鏡により表面観察を行い、暗視野観察で得られた表面像を図７に示した。
その結果、発明例では、ショット毎の短軸方向溶融領域端部の盛り上がりの間隔が一定の値すなわち２０μｍとなっているため照射ムラとして認識されなかった。
比較例では、レーザショット毎のシリコン膜の機械的移動量が２０μｍであるにも拘らず、実際の溶融幅が広くなって短軸方向溶融領域端部の盛り上がりが大きくなっている部分が生じていた。この部分を照射した際のレーザのパルスエネルギーが相対的に高い値で推移していたことが原因であり、照射ムラとして認識された。
さらに、アテニュエータの調整によって照射エネルギー密度を３１０、３２０、３３０、３４０、３５０、３６０、３７０ｍＪ／ｃｍ２で変更した照射試験を行い、結晶性を評価した。この例の結晶化に際しての最適エネルギー密度範囲（ＯＥＤ）は３１０〜３４０ｍＪ／ｃｍ２であったが、エネルギー密度の変動による影響をより顕著にするため、３５０ｍＪ／ｃｍ２の試験例について、光学顕微鏡により表面観察を行い、暗視野観察で得られた表面像を図７に示した。
その結果、発明例では、ショット毎の短軸方向溶融領域端部の盛り上がりの間隔が一定の値すなわち２０μｍとなっているため照射ムラとして認識されなかった。
比較例では、レーザショット毎のシリコン膜の機械的移動量が２０μｍであるにも拘らず、実際の溶融幅が広くなって短軸方向溶融領域端部の盛り上がりが大きくなっている部分が生じていた。この部分を照射した際のレーザのパルスエネルギーが相対的に高い値で推移していたことが原因であり、照射ムラとして認識された。
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 レーザアニール装置
１ａ レーザアニール装置
２ 処理室
３ 走査装置
５ 基板配置台
６ 導入窓
１０ パルス発振レーザ光源
１１ アテニュエータ
１２ 光学系
１２ｃ シリンドリカルレンズ
２０ 遮蔽部
２１ 第１遮蔽部
２２ 第２遮蔽部
１００ シリコン膜
１ａ レーザアニール装置
２ 処理室
３ 走査装置
５ 基板配置台
６ 導入窓
１０ パルス発振レーザ光源
１１ アテニュエータ
１２ 光学系
１２ｃ シリンドリカルレンズ
２０ 遮蔽部
２１ 第１遮蔽部
２２ 第２遮蔽部
１００ シリコン膜
Claims (11)
- 非単結晶半導体膜上に、ビーム断面形状をラインビームとしたパルスレーザを前記ラインビームの短軸方向に走査しつつ照射するレーザアニール方法において、
前記ラインビームが、ビーム強度プロファイルにおいて、短軸方向で、平坦部と、短軸方向端部に位置するスティープネス部を有し、前記スティープネス部が前記ビーム強度プロファイルにおける最大強度の１０％以上９０％以下の強度を有する領域であり、前記平坦部が前記非単結晶半導体膜の照射面上で、最大強度の９６％以上の領域の短軸方向幅が１００〜５００μｍであり、
前記スティープネス部のうち走査方向後方側に位置する前記スティープネス部の短軸方向幅が前記非単結晶半導体膜の照射面上で５０μｍ以下になるように、前記平坦部の短軸走査方向後方側で前記最大強度に対し７０〜９０％となる強度範囲の位置から短軸方向外側に遮蔽を行うことを特徴とするレーザアニール方法。 - 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記載のレーザアニール方法。
- 前記パルスレーザの照射面上におけるパルス半値幅が２００ｎｓ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザアニール方法。
- 前記パルスレーザは、照射面上において前記ビーム強度プロファイルにおける最大強度の値が２５０〜５００ｍＪ／ｃｍ２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アニール方法。
- 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アニール方法。
- 前記最大強度は、前記平坦部における強度の平均値で与えられ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アニール方法。
- 前記パルスレーザは、ビーム強度プロファイルにおいて、両端部のいずれか一方または両方に局所的に強度が上昇する強度突部を有する場合、前記強度突部を除いた範囲で前記最大強度が与えられ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アニール方法。
- パルスレーザを出力するレーザ光源と、
前記パルスレーザの透過率を調整するアテニュエータと、
前記パルスレーザのビーム断面形状を整形するとともに整形されたパルスレーザを非単結晶半導体膜の照射面上に導く光学系と、を有し、
前記光学系は、前記パルスレーザのビーム断面形状をビーム強度プロファイルにおいて所定の強度以上の高強度領域を有し、ビーム強度プロファイルにおいて、短軸方向で、平坦部と、短軸方向端部に位置するスティープネス部を有し、前記スティープネス部が前記ビーム強度プロファイルにおける最大強度の１０％以上９０％以下の強度を有する領域であり、前記平坦部が前記非単結晶半導体膜の照射面上で、最大強度の９６％以上の領域の短軸方向幅が１００〜５００μｍであるラインビームに整形する光学部材と、前記ラインビームの短軸方向端部に位置するスティープネス部のうち少なくとも走査方向後方側の短軸方向幅を前記非単結晶半導体膜の照射面上で５０μｍ以下になるように、前記パルスレーザの光路に配置され、前記パルスレーザのビーム断面に対し、前記平坦部の短軸走査方向後方側で前記最大強度に対し７０〜９０％となる強度範囲の位置から短軸方向外側に遮蔽を行う遮蔽部とを備えることを特徴とするレーザアニール装置。 - 前記レーザ光源は、波長が４００ｎｍ以下の前記パルスレーザを出力するものであることを特徴とする請求項８に記載のレーザアニール装置。
- 前記前記レーザ光源は、半値幅が２００ｎｓ以下の前記パルスレーザを出力するものであることを特徴とする請求項８または９に記載のレーザアニール装置。
- 前記アテニュエータは、非単結晶半導体膜の照射面上における前記パルスレーザのビーム強度プロファイルにおける最大強度を２５０〜５００ｍＪ／ｃｍ２に調整することを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載のレーザアニール装置。
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