JP6378974B2 - レーザアニール装置及びレーザアニール方法 - Google Patents

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Description

本発明は、基板上の特定領域にレーザ光を照射してアニール処理するレーザアニール装置、及びこれを用いたレーザアニール方法に関するものである。
レーザアニールは、レーザ光の照射による熱作用で半導体や金属の結晶格子の移転を起こさせる処理技術であり、必要な部分だけを局所的に処理でき、また、高いエネルギー密度でのアニールによって処理時間の短縮化が可能になるなどの利点がある。このようなレーザアニールは、各種用途に適用されているが、高速化・大型化が進む液晶ディスプレイの製造工程においては必要不可欠な処理技術になっている。現在主流の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）方式液晶ディスプレイの高精細パネルには、低温ポリシリコン（ＬＴＰＳ）ＴＦＴが広く用いられているが、レーザアニールは、ＴＦＴ形成領域のアモルファスシリコン膜に局所的にレーザ光を照射してポリシリコン化する処理に用いられている（例えば、下記特許文献１参照）。
特開２０１０−２８３０７３号公報
レーザアニールの処理を伴う製造工程では、その処理が正規に行われたか否かを処理後に確認することが良品を安定供給する上で必要になる。特に、液晶ディスプレイ又は有機ＥＬディスプレイのＴＦＴ基板製造工程では、基板上に多数存在するＴＦＴ形成領域の全てにおいて結晶性の高いポリシリコンが均一に生成されていることが要求され、その均一性によって液晶ディスプレイ又は有機ＥＬディスプレイの動作性能が大きく影響することになるので、各ＴＦＴ形成領域においてレーザアニールの処理が適正に行われたか否かを確認する工程は、製造される液晶ディスプレイ又は有機ＥＬディスプレイの品質管理を行う上で重要な工程になっている。
このようなレーザアニール処理後の確認工程は、従来、薄膜トランジスタの電気特性を測定することで行われていたが、薄膜トランジスタとして動作させるためには、レーザアニール処理の後に複数工程を行う必要がある。したがって、複数工程を経た後でレーザアニール処理の不良品が検出されることになり、余計な時間や材料等の損失が生じる問題があった。
本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、レーザアニール処理が適正に行われたか否かの確認工程を最終工程を待たずにその場で行うことができること、これによってＴＦＴ基板の製造を効率的に行うこと、などが本発明の目的である。
このような目的を達成するために、本発明によるレーザアニール装置及びレーザアニール方法は、以下の構成を具備するものである。
レーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を処理対象基板の処理領域に照射するレーザ光照射光学系と、可視光域の照明光を出射する照明光源と、前記照明光源から出射した光を前記処理領域に照射する照明光学系と、前記レーザ光でアニール処理がなされた前記処理領域で反射した可視光域の光を検出してその分光特性を出力する分光検出部と、前記処理領域で反射した可視光域の光を前記分光検出部に導く検出光学系とを備え、前記レーザ光照射光学系は、複数の前記処理領域に同時且つ個別に前記レーザー光を集光するマイクロレンズアレイと、前記マイクロレンズアレイの各マイクロレンズに個別に光を入射させる開口を有するマスクとを備え、前記検出光学系は、前記マイクロレンズアレイと前記マスクを介して前記処理領域で反射した可視光域の光を前記分光検出部に導くことを特徴とするレーザアニール装置。
処理対象基板の処理領域にレーザ光を照射してアニール処理を施す処理工程と、前記処理領域に可視光域の照明光を照射し、前記アニール処理直後に前記処理領域で反射した可視光域の光を検出してその分光特性を出力し、前記処理領域のアニール処理が適正になされているか否かをその分光特性によって確認する確認工程とを有し、前記処理工程では、マイクロレンズアレイと前記マイクロレンズアレイの各マイクロレンズに個別に光を入射させる開口を有するマスクを介して、複数の前記処理領域に同時且つ個別に前記レーザー光を集光し、前記確認工程では、前記マイクロレンズアレイと前記マスクを介して、前記処理領域で反射した可視光域の光を検出することを特徴とするレーザアニール方法。
このような特徴を有するレーザアニール装置及びレーザアニール方法によると、処理領域をアニール処理した直後に処理領域で反射した可視光域の光の分光特性によってアニール処理が適正になされているか否かを確認することができる。これによって、処理対象基板全体に対してレーザアニールの処理を進めながら、同時進行でレーザアニールの処理が適正に行われたか否かの確認を行うことができ、この確認工程を短時間で効率的に行うことができる。また、このようなレーザアニール装置及びレーザアニール方法を用いてＴＦＴ基板の製造を行うことで、ＴＦＴ基板の生産性向上を図ることができる。
本発明の実施形態に係るレーザアニール装置及びレーザアニール方法の動作原理を説明する説明図である。 本発明の実施形態に係るレーザアニール装置の一例を示した説明図である。 本発明の実施形態に係るレーザアニール装置におけるレーザ光源の出力例を示した説明図である。 本発明の実施形態に係るレーザアニール装置の他の例を示した説明図である。
以下、本発明の実施形態を説明する。本発明の実施形態に係るレーザアニール装置及びレーザアニール方法は、レーザアニールの処理を行った直後にその処理領域が適正に処理されたか否かを確認するシステム或いは工程を備えるものであるが、そのシステム或いは工程は、処理済みの処理領域における観察画像の色味によって適正な処理がなされたか否かが判断できるという知見に基づいて創案されたものである。
例えば、基板上に成膜されたアモルファスシリコン膜の処理領域にレーザ光を照射して、局部的に結晶性の高いポリシリコンを生成するアニール処理では、アニール処理後の領域を可視光域の光源（例えば白色光源）下で観察すると、結晶性の度合いを色味の違いによって確認することができる。
そして、アニール処理後の領域を可視光域の光で照明して、その反射光の分光特性を計測すると、図１に示すように、結晶性が高く適正なアニール処理がなされている場合には、図示Ａで示すように、特定の波長域で高いスペクトル強度を示す分光特性が得られる。これに対して、結晶性が低く適正なアニール処理がなされていない場合には、図示Ｂで示すように、特定の波長域で高いスペクトル強度を示す分光特性が得られない。本発明の実施形態に係るレーザアニール装置及びレーザアニール方法は、この分光特性の違いを利用したものであり、可視光域の光で処理領域を照明した反射光の分光特性データを取得することで、適正なアニール処理がなされたか否かの確認を行っている。
また、本発明の実施形態に係るレーザアニール方法におけるアニール処理の対象は、レーザアニール処理による結晶化によって白色光の反射光に特定の波長域で高いスペクトル強度を示す材料であればよく、真空成膜や塗布によって形成された半導体膜（例えば、気相成長法で形成されたアモルファスシリコン、スパッタリング法で形成された金属酸化物半導体、塗布により形成されたシリコン微粒子からなる薄膜、塗布により形成された金属酸化物からなる薄膜など）などを例として挙げることができる（ここでの塗布は、粒子を溶媒に分散させた溶液の塗布を含む。）。
図２は、本発明の実施形態に係るレーザアニール装置の一構成例を示している。レーザアニール装置１は、レーザ光源２、レーザ光照射光学系３、照明光源４、照明光学系５、分光検出部６を備えている。レーザ光源２は、レーザアニールの処理を行うレーザ光を出射する光源であって、ここでは、波長λ１（＝５３２ｎｍ）のパルスレーザ光源２Ａと波長λ２（＝１０６４ｎｍ）のパルスレーザ光源２Ｂを備えている。レーザ光源２の出力は、ＴＦＴ基板のＴＦＴ形成領域におけるアモルファスシリコン膜をアニール処理する場合には、図３に示すようなパルス間隔及び強度で２つのパルスレーザ光源を同時出力する。この例では、一つの処理領域に対して１回のアニール処理を行う際に、波長λ１のパルスレーザ光源２Ａの出力を比較的短いパルス間隔（２０ｎｓ）にして比較的高強度で出力し、波長λ２のパルスレーザ光源２Ｂの出力を比較的長いパルス間（８０〜１３００ｎｓ）で比較的強度を下げて出力している。このレーザ光源２は、波長が３０８ｎｍ又は３５３ｎｍのレーザ光を一定の繰り返し周期で放射するエキシマレーザであってもよい。
レーザ光照射光学系３は、レーザ光源２から出射したレーザ光を処理対象基板（例えば、ＴＦＴ基板）Ｗの処理領域（例えば、ＴＦＴ形成領域）Ｓｎに照射する。図示の例では、２つのパルスレーザ光源２Ａ，２Ｂから出射したレーザ光をミラー３０とダイクロイックミラー３１で構成される合成光学系で合成してビームホモジナイザー３２に入射することで拡径され空間的に均一強度を有するレーザ光を得ており、このレーザ光をミラー３３で偏向してマスク３４とマイクロレンズアレイ３５を介して処理対象基板Ｗに照射している。ここでのマスク３４とマイクロレンズアレイ３５は、処理対象基板Ｗ上にドットマトリクス状に配列される複数の処理領域Ｓｎに対応して開口３４ａとマイクロレンズ３５ａが配列されており、開口３４ａとマイクロレンズ３５ａを透過したレーザ光は、処理対象基板Ｗ上の複数の処理領域Ｓｎに同時且つ個別に集光される。ここで、マスク３４の開口３４ａと処理領域Ｓｎは共役な関係（物体と像の関係）にあることが好ましい。
照明光源４は、可視光域の照明光を出射する光源であって、例えば、ハロゲンランプなどの白色光源を用いることができる。照明光学系５は、照明光源４から出射した光をレーザ光が照射される処理領域Ｓｎに照射する。ここでは、照明光源４から出射される光の光軸に対して傾斜配置されるハーフミラー５０と処理領域Ｓｎに照射されるレーザ光の光軸に対して傾斜配置されるハーフミラー５１によって照明光学系５が構成されている。
分光検出部６は、分光器６Ａと検出器６Ｂを備えており、レーザ光でアニール処理がなされた処理領域Ｓｎで反射した可視光域の光を検出してその分光特性を出力する。処理領域Ｓｎに照射されるレーザ光の光軸に対して傾斜配置されるハーフミラー５１が反射光を分光検出部６に導く検出光学系７を兼用している。
このような構成を備えるレーザアニール装置１は、レーザ光照射光学系３を介してレーザ光源２から出射したレーザ光を処理対象基板Ｗの処理領域Ｓｎに照射することで、処理領域Ｓｎにレーザアニールの処理を施す。図示のように、レーザ光照射光学系３が、ビームホモジナイザー３２，マスク３４，マイクロレンズアレイ３５を備えるものでは、処理対象基板Ｗの複数の処理領域Ｓｎに同時且つ個別にレーザ光が照射され、それぞれの処理領域Ｓｎでレーザアニールの処理がなされる。
これに対して、レーザ光が照射される処理領域Ｓｎには照明光源４から出射された照明光が照明光学系５を介して照射されている。そして、処理領域Ｓｎにレーザ光が照射されてレーザアニールの処理がなされた直後にその処理領域Ｓｎで反射した可視光域の光が検出光学系７を介して分光検出部６にて検出される。図示のように、レーザ光照射光学系３がマイクロレンズアレイ３５を備えるものでは、マイクロレンズアレイ３５を介してレーザ光が照射される全ての処理領域Ｓｎで反射した可視光域の光が分光検出部６にて検出されることになる。
このようなレーザアニール装置１を用いたレーザアニール方法によると、処理対象基板Ｗの処理領域Ｓｎにレーザ光を照射してアニール処理を施す処理工程の直後に、その処理領域Ｓｎで反射した可視光域の光を分光検出部６にて検出してその反射光の分光特性を出力することができる。これによって、処理領域Ｓｎにレーザ光を照射してアニール処理を施す処理工程の直後に、その処理領域Ｓｎのアニール処理が適正になされたか否かを反射光の分光特性によって確認する確認工程を実行することができる。
また、レーザ光照射光学系３と検出光学系７でマスク３４とマイクロレンズアレイ３５を共用することで、確認工程の対象となる領域がレーザ光の処理領域Ｓｎと同一になることから、レーザ光が照射されない（結晶化されない）領域からの反射光が分光検出部に入射しない。従って、分光検出部で特別の処理を行わなくても分光特性へのノイズの混入を防ぐことができ、装置の構成を簡素化することができる。さらに、アニール装置と検査装置の一体化による省スペース化が可能となる。
図２に示した例は、マイクロレンズアレイ３５を介して複数の処理領域Ｓｎを同時且つ個別にアニール処理する場合には、複数の処理領域Ｓｎを一括してアニール処理した直後にこの複数の処理領域Ｓｎにて適正な処理が行われたか否かを一括して分光検出部６の出力で確認することができる。この際の分光検出部６の出力は、一括してアニール処理された複数の処理領域Ｓｎ全体の分光特性であって、その中の個々の処理領域Ｓｎに対しての確認を行うものではない。
レーザアニール装置１は、処理対象基板Ｗ上の処理領域Ｓｎの位置を走査する処理領域走査部８を備えている。図示の例では、処理領域走査部８は処理対象基板Ｗを処理領域Ｓｎに照射されるレーザ光の光軸に交差する２次元平面内で移動させているが、これに限らず、処理対象基板Ｗを固定してレーザ光照射光学系３及び照明光学系５を移動させて処理領域Ｓｎに照射されるレーザ光及び照明光を処理対象基板Ｗに対して走査するものであってもよい。また、処理領域走査部８の走査は連続的な走査であってもよいし、処理対象基板Ｗ上の処理領域Ｓｎの位置を一回のアニール処理毎にシフトさせる間欠的な走査であってもよい。処理領域走査部８の走査によって処理対象基板Ｗの全体に配置される処理領域Ｓｎが随時アニール処理されることになる。
図４は、本発明の他の実施形態に係るレーザアニール装置を示している。図２に示した例と共通する部位には同一符号を付して重複説明を省略する。この実施形態に係るレーザアニール装置１Ａは、検出光学系７において結像光学系７０と選択光透過部（ブラインド）７１を備えている。結像光学系７０は、マイクロレンズアレイ３５と協働して処理対象基板Ｗの処理領域Ｓｎの像を選択光透過部７１が配置される分光検出部６の前方位置に結像している。また、選択光透過部７１は、ここに結像される複数の処理領域Ｓｎの像のうち特定の処理領域Ｓｎのみの像に対応した開口部を設けて選択的に反射光を透過させている。
このようなレーザアニール装置１Ａによると、図２に示した例と同様に、レーザ光源２から出射したレーザ光を処理対象基板Ｗの処理領域Ｓｎに照射することで、処理領域Ｓｎにレーザアニールの処理を施し、その処理領域Ｓｎに照明光源４から出射された照明光を照射して、レーザアニールの処理がなされた直後にその処理領域Ｓｎで反射した可視光域の光を分光検出部６にて検出することで、アニール処理が適正に行われているか否かの確認を行う。
その際に、図４に示したレーザアニール装置１Ａでは、分光検出部６が、マイクロレンズアレイ３５を介してレーザ光が照射される全ての処理領域Ｓｎで反射した可視光域の光から、特定の処理領域Ｓｎで反射した光を選択的に検出する。これによって、マイクロレンズアレイ３５を介して複数の処理領域Ｓｎを一括してアニール処理する場合にも、個々の処理領域Ｓｎのアニール処理が適正に行われているか否かを個別に確認することが可能になる。
以上説明したように、本発明の実施形態に係るレーザアニール装置１，１Ａ及びレーザアニール方法によると、処理領域Ｓｎをアニール処理した直後に処理領域Ｓｎで反射した可視光域の光の分光特性によってアニール処理が適正になされているか否かを確認することができる。これによって、処理対象基板Ｗ全体に対してレーザアニールの処理を進めながら、同時進行でレーザアニールの処理が適正に行われたか否かの確認を行うことができ、この確認工程を短時間で効率的に行うことができる。また、このようなレーザアニール装置１，１Ａ及びレーザアニール方法を用いてＴＦＴ基板の製造を行うことで、ＴＦＴ基板の生産性向上を図ることができる。
以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。
１，１Ａ：レーザアニール装置，
２：レーザ光源，２Ａ，２Ｂ：パルスレーザ光源，
３：レーザ光照射光学系，
３０，３３：ミラー，３１：ダイクロイックミラー，
３２：ビームホモジナイザー，３４：マスク，３５：マイクロレンズアレイ，
４：照明光源（白色光源），
５：照明光学系，５０，５１：ハーフミラー，
６：分光検出部，６Ａ：分光器，６Ｂ：検出器，
７：検出光学系，７０：結像光学系，７１：選択光透過部（ブラインド），
８：処理領域走査部，
Ｗ：処理対象基板，Ｓｎ：処理領域

Claims (11)

  1. レーザ光源と、
    前記レーザ光源から出射されたレーザ光を処理対象基板の処理領域に照射するレーザ光照射光学系と、
    可視光域の照明光を出射する照明光源と、
    前記照明光源から出射した光を前記処理領域に照射する照明光学系と、
    前記レーザ光でアニール処理がなされた前記処理領域で反射した可視光域の光を検出してその分光特性を出力する分光検出部と、
    前記処理領域で反射した可視光域の光を前記分光検出部に導く検出光学系とを備え、
    前記レーザ光照射光学系は、複数の前記処理領域に同時且つ個別に前記レーザー光を集光するマイクロレンズアレイと、前記マイクロレンズアレイの各マイクロレンズに個別に光を入射させる開口を有するマスクとを備え、
    前記検出光学系は、前記マイクロレンズアレイと前記マスクを介して前記処理領域で反射した可視光域の光を前記分光検出部に導くことを特徴とするレーザアニール装置。
  2. 前記分光検出部は、前記マイクロレンズアレイを介して前記レーザ光が照射される全ての前記処理領域で反射した可視光域の光から特定の処理領域で反射した光を選択的に検出することを特徴とする請求項１記載のレーザアニール装置。
  3. 前記分光検出部の前方には、前記分光検出部の前方位置に前記処理領域の像を結像する結像光学系と、前記前方位置で前記特定の処理領域で反射した光のみを透過させる選択光透過部を設けたことを特徴とする請求項２記載のレーザアニール装置。
  4. 前記処理対象基板上の前記処理領域の位置を走査する処理領域走査部を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のレーザアニール装置。
  5. 処理対象基板の処理領域にレーザ光を照射してアニール処理を施す処理工程と、
    前記処理領域に可視光域の照明光を照射し、前記アニール処理直後に前記処理領域で反射した可視光域の光を検出してその分光特性を出力し、前記処理領域のアニール処理が適正になされているか否かをその分光特性によって確認する確認工程とを有し、
    前記処理工程では、マイクロレンズアレイと前記マイクロレンズアレイの各マイクロレンズに個別に光を入射させる開口を有するマスクを介して、複数の前記処理領域に同時且つ個別に前記レーザー光を集光し、
    前記確認工程では、前記マイクロレンズアレイと前記マスクを介して、前記処理領域で反射した可視光域の光を検出することを特徴とするレーザアニール方法。
  6. アニール処理の対象が真空成膜により形成された半導体膜であることを特徴とする請求項５のレーザアニール方法。
  7. 前記半導体膜が気相成長法で形成されたアモルファスシリコンであることを特徴とする請求項６のレーザアニール方法。
  8. 前記半導体膜がスパッタリング法で形成された金属酸化物半導体であることを特徴とする請求項６のレーザアニール方法。
  9. アニール処理の対象が塗布により形成された半導体膜であることを特徴とする請求項５のレーザアニール方法。
  10. レーザアニールの対象が塗布により形成されたシリコン微粒子からなる薄膜であることを特徴とする請求項９のレーザアニール方法。
  11. レーザアニールの対象が塗布により形成された金属酸化物からなる薄膜であることを特徴とする請求項９のレーザアニール方法。
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