JP6762356B2 - レーザアニール装置 - Google Patents

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Description

本開示は、レーザアニール装置に関する。
液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）には、基板上に薄膜トランジスタ(ＴＦＴ：Thin Film Transistor)が形成されたＴＦＴ基板が使用されている。液晶ディスプレイにおいて、ＴＦＴは、液晶セルで構成される画素を駆動するスイッチング素子として機能する。
ＴＦＴ基板としては、ガラス基板を使用するものが一般的であるが、樹脂製のフレキシブル基板を使用するものも開発されている。ＴＦＴ材料としては、アモルファスシリコン(ａ−Ｓｉ)や多結晶シリコン(ｐｏｌｙ−Ｓｉ)が使用されている。多結晶シリコンはアモルファスシリコンよりもキャリア移動度が２桁程高いため、多結晶シリコンを使用することで、ＴＦＴのスイッチング特性が大幅に向上することが知られている。
ＴＦＴ基板に使用されるガラス基板やフレキシブル基板は耐熱性が低いため、従来は成膜温度が低いプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により成膜が可能なアモルファスシリコンが用いられていた。これに対して、多結晶シリコンの成膜には、通常、成膜温度が高い熱ＣＶＤ法が必要となり、耐熱性の低い基板上に直接多結晶シリコンを成膜することはできない。このため、耐熱性の低い基板上に多結晶シリコンを成膜する方法として、基板上にプラズマＣＶＤ法により基板にアモルファスシリコンを形成した後、レーザアニール装置によってアモルファスシリコンを多結晶シリコンに改質する方法が用いられている（例えば、特許文献１から４参照）。
レーザアニール装置は、基板上に形成されたアモルファスシリコンに対して、エキシマパルスレーザ光などの紫外線領域の波長を有するパルスレーザ光を照射することにより、アモルファスシリコンを加熱するアニールを行う装置である。アモルファスシリコンは、アニールにより溶融した後、結晶化することによって多結晶シリコンとなる。
特開平６−０７７１５５号公報 ＷＯ２００７／０１５３８８号公報 特開２０００−１２４８４号公報 特開２００４−３４９６４３号公報
概要
本開示の１つの観点に係るレーザアニール装置は、基板上のアモルファスシリコンに対して、パルス発振によるパルスレーザ光を照射してアニールするレーザアニール装置において、ＣＷレーザ装置、パルスレーザ装置、光学システム及び制御部を備えている。ＣＷレーザ装置は、連続発振によるレーザ光あって、アモルファスシリコンを予熱するＣＷレーザ光を出力する。パルスレーザ装置は、予熱されたアモルファスシリコンに対してパルスレーザ光を出力する。光学システムは、ＣＷレーザ光及びパルスレーザ光をアモルファスシリコンに導光する。制御部は、アモルファスシリコンが融点未満の所定の目標温度に予熱されるようにＣＷレーザ光の照射エネルギ密度を制御し、かつ、予熱されたアモルファスシリコンが結晶化するようにパルスレーザ光のフルーエンスとパルス数の少なくとも一方を制御する。
本開示のいくつかの実施形態を、単なる例として、添付の図面を参照して以下に説明する。
図１は、比較例に係るレーザアニール装置の構成を概略的に示す。 図２Ａは、アモルファスシリコン膜にパルスレーザ光を照射している状態を示し、図２Ｂは、アモルファスシリコン膜が多結晶シリコン膜に改質された状態を示す。 図３は、比較例のアニール処理手順を示すフローチャートである。 図４は、第１実施形態のレーザアニール装置の構成を概略的に示す。 図５は、第１実施形態のアニール処理の手順を示すフローチャートである。 図６は、ＣＷレーザ光及びパルスレーザ光の出力状態とＣＷレーザ光のみによる被照射物の表面の温度の経時変化を示すタイミングチャートである。 図７Ａは、アモルファスシリコン膜を予熱するためにＣＷレーザ光を照射している状態を示す。図７Ｂは、アモルファスシリコン膜にＣＷレーザ光とパルスレーザ光を照射している状態を示す。図７Ｃは、アモルファスシリコン膜が多結晶シリコン膜に改質された状態を示す。 図８は、パルスレーザ光のフルーエンスと、アニールによって結晶化した粒径のサイズとの関係を示すグラフである。 図９は、第１実施形態の変形例２に係るタイミングチャートである。 図１０Ａは、多結晶シリコンの光吸収率の波長依存性を示すグラフである。図１０Ｂは、アモルファスシリコンの光吸収率の波長依存性を示すグラフである。 図１１Ａは、多結晶シリコンの光透過率の波長依存性を示すグラフである。図１１Ｂは、アモルファスシリコンの光透過率の波長依存性を示すグラフである。 図１２は、第２実施形態のレーザアニール装置の構成を概略的に示す。 図１３は、第２実施形態のアニール処理の手順を示すフローチャートである。 図１４は、ＣＷレーザ光及びパルスレーザ光の出力状態とＣＷレーザ光のみによる被照射物の表面の温度の経時変化を示すタイミングチャートである。 第３実施形態のレーザアニール装置の構成を概略的に示す。 図１６は、ＣＷレーザ光のラインビーム及びパルスレーザ光のラインビームの照射領域の重なりの説明図である。 図１７は、相対的に移動する被照射物とラインビームの関係を示す。 図１８Ａは、ラインビームの照射領域の拡大図であり、図１８Ｂは、図１８ＡのＢ−Ｂ断面におけるラインビームの光強度分布を示す。 図１９は第３実施形態のアニール処理の手順を示すフローチャートである。 図２０は、被照射物との相対移動により、ラインビームが被照射物３１上の点Ｐを通過する場合の点Ｐにおける温度の経時変化を説明する図である。 図２１Ａは、ラインビームの照射領域の拡大図であり、図２１Ｂは、図２１ＡのＢ−Ｂ断面におけるラインビームの光強度分布を示す。 図２２は、複数の半導体光源を備えたＣＷレーザ装置４１の変形例を示す。 図２３は、パルスレーザ装置の構成例を示す。 図２４は、フライアイレンズを示す。
実施形態
＜内容＞
１．概要
２．比較例に係るレーザアニール装置
２．１ レーザアニール装置の構成
２．２ レーザアニール装置の動作
２．３ 課題
３．第１実施形態のレーザアニール装置
３．１ 構成
３．２ 動作
３．３ 作用
３．４ 変形例１
３．５ 変形例２
３．６ ＣＷレーザ光の中心波長の好ましい範囲
３．７ パルスレーザ光の中心波長の好ましい範囲
４．第２実施形態のレーザアニール装置
４．１ 構成
４．２ 動作
４．３ 作用
４．４ 変形例
４．５ その他
５．第３実施形態のレーザアニール装置
５．１ 構成
５．２ 動作
５．３ 作用
５．４ 変形例１
５．５ 変形例２
５．６ 変形例３
６．パルスレーザ装置の詳細
７．フライアイレンズ
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。以下に説明される実施形態は、本開示のいくつかの例を示すものであって、本開示の内容を限定するものではない。また、各実施形態で説明される構成及び動作の全てが本開示の構成及び動作として必須であるとは限らない。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。
１．概要
本開示は、基板上のアモルファスシリコンに対して、パルス発振によるパルスレーザ光を照射してアニールするレーザアニール装置に関する。
２．比較例に係るレーザアニール装置
２．１ レーザアニール装置の構成
図１は、比較例に係るレーザアニール装置の構成を概略的に示す。レーザアニール装置は、パルスレーザ装置３と、アニール装置４とを備えている。パルスレーザ装置３とアニール装置４は光路管によって接続されている。
パルスレーザ装置３は、パルス発振によるパルスレーザ光を出力する装置である。パルスレーザ光のパルス時間幅は、例えば、約１０ｎｓ〜１００ｎｓの範囲である。パルスレーザ装置３は、本例では、紫外領域のパルスレーザ光を出力するエキシマパルスレーザ装置である。
エキシマパルスレーザ装置は、例えば、ＡｒＦ、ＫｒＦ、ＸｅＣｌ又はＸｅＦをレーザ媒質とするエキシマパルスレーザ装置である。ＡｒＦエキシマパルスレーザ装置の場合、パルスレーザ光の中心波長は約１９３．４ｎｍである。ＫｒＦエキシマパルスレーザ装置の場合、パルスレーザ光の中心波長は約２４８．４ｎｍである。ＸｅＣｌエキシマパルスレーザ装置の場合、パルスレーザ光の中心波長は約３０８ｎｍである。ＸｅＦエキシマパルスレーザ装置の場合、パルスレーザ光の中心波長は約３５１ｎｍである。
また、エキシマパルスレーザ装置に代えて、固体パルスレーザ装置を使用してもよい。固体パルスレーザ装置は、約１μｍ（１０６４ｎｍ）の波長のパルスレーザ光を出力する固体パルスレーザ装置と、パルスレーザ光に対して非線形結晶を用いた波長変換を行う波長変換装置との組み合わせである。波長変換装置は、約１μｍの波長のパルスレーザ光を、波長が３５５ｎｍの第３高調波や２２６ｎｍの第４高調波に変換する。約１μｍのパルスレーザ装置としては、ＹＡＧレーザ装置やＹｂファイバレーザ装置がある。
アニール装置４は、光学システム２１と、テーブル２７と、ＸＹＺステージ２８と、フレーム２９と、アニール制御部３２とを含んでいる。フレーム２９には、光学システム２１とＸＹＺステージ２８が固定される。
テーブル２７は、被照射物３１を支持する。被照射物３１は、パルスレーザ光が照射されてアニールが行われる対象であり、本例では、ＴＦＴ基板を製造するための中間生産物である。ＸＹＺステージ２８は、テーブル２７を支持している。ＸＹＺステージ２８は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に移動可能であり、テーブル２７の位置を調整することにより、被照射物３１の位置を調整可能である。ＸＹＺステージ２８は、被照射物３１に対して、光学システム２１から出射するパルスレーザ光が照射されるように被照射物３１の位置を調整する。
光学システム２１は、例えば、高反射ミラー３６ａ〜３６ｃと、マスク３７と、転写光学系３８と、モニタ装置３９とを備えている。高反射ミラー３６ａ〜３６ｃは、紫外領域のパルスレーザ光を高い反射率で反射する。高反射ミラー３６ａは、パルスレーザ装置３から入力されたパルスレーザ光をマスク３７に向けて反射する。高反射ミラー３６ｂは、マスク３７を通過したパルスレーザ光を、高反射ミラー３６ｃに向けて反射する。高反射ミラー３６ｃは、パルスレーザ光を転写光学系３８に向けて反射する。高反射ミラー３６ａ〜３６ｃは、例えば、合成石英やフッ化カルシウムで形成された透明基板の表面に、パルスレーザ光を高反射する反射膜がコートされている。
高反射ミラー３６ｃは、紫外領域の光を透過させるとともに、可視光を透過させるダイクロイックミラーである。マスク３７には、被照射物３１に照射されるパルスレーザ光の照射領域のサイズ及び形状を規定する開口が形成されている。
転写光学系３８は、マスク３７の開口によって形成される照射領域の像である開口像を、被照射物３１の表面に転写させる光学系であり、光強度が均一な開口像を転写する。転写光学系３８は、例えば、２枚のコンデンサ光学系３８ａ、３８ｂで構成される。転写光学系３８は、１枚の凸レンズで構成されていてもよいし、１つ又は複数の凸レンズと１つ又は複数の凹レンズとを含む光学系であってもよい。また、転写光学系３８は、可視域と紫外領域のパルスレーザ光の波長に対して、色収差補正をしたレンズであってもよい。
モニタ装置３９は、被照射物３１の位置を調整するために、被照射物３１の表面をモニタする。モニタ装置３９は、例えば、照明装置３９ａと、ハーフミラー３９ｂと、イメージセンサ３９ｃとを含む。照明装置３９ａは、可視光を発光する光源を有している。ハーフミラー３９ｂは、可視光を透過する基板に、可視光を約５０％反射し、約５０％透過する光学膜が形成されている。イメージセンサ３９ｃは、可視光に対して受光感度を持つ受光素子が２次元に配列された２次元イメージセンサであり、例えば、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサである。
ハーフミラー３９ｂは、照明装置３９ａから入射する可視光の約５０％を高反射ミラー３６ｃに向けて反射する位置に配置される。ハーフミラー３９ｂで反射した可視光は、高反射ミラー３６ｃを透過して、転写光学系３８に入射する。転写光学系３８は、可視光を被照射物３１の表面に照射する。これにより、被照射物３１の表面が可視光によって照明される。被照射物３１の表面で反射した可視光は、転写光学系３８及び高反射ミラー３６ｃを透過して、ハーフミラー３９ｂに入射する。ハーフミラー３９ｂは、入射した可視光の約５０％を透過する。
イメージセンサ３９ｃは、可視光によって照明された被照射物３１の表面の像が、転写光学系３８、高反射ミラー３６ｃ及びハーフミラー３９ｂを介して、結像する位置に配置されている。イメージセンサ３９ｃは、被照射物３１の表面の像を撮像する。イメージセンサ３９ｃは、撮像した像をモニタ像として、アニール制御部３２に出力する。
図２Ａに示すように、被照射物３１は、例えば、ガラス基板３１ａと、ガラス基板３１ａ上に形成された下地絶縁膜３１ｂ及び３１ｃと、下地絶縁膜３１ｂ及び３１ｃ上に形成されたアモルファスシリコン膜３１ｄとを含んでいる。下地絶縁膜３１ｂ及び３１ｃは、例えば、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）とシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）である。アモルファスシリコン膜３１ｄは、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）の薄膜であり、アニールが行われる対象である。
２．２ レーザアニール装置の動作
図３のフローチャートに示すように、アニールを行う場合には、まず、Ｓ１０において、被照射物３１がＸＹＺステージ２８にセットされる。Ｓ１１において、モニタ装置３９の照明装置３９ａが点灯する。
Ｓ１２において、アニール制御部３２は、被照射物３１を初期位置に移動する。初期位置は、例えば、最初のアニール位置である。ここで、アニール位置とは、被照射物３１における、アニールの対象領域であるアニール領域と、光学システム２１によってパルスレーザ光のマスク３７の開口像が結像する照射位置とが一致する位置である。被照射物３１に複数のアニール領域が有る場合には、１つ目のアニール領域と照射位置とが一致する位置が最初のアニール位置となる。
アニール制御部３２は、イメージセンサ３９ｃが出力するモニタ像に基づいて、被照射物３１のアニール領域を検出する。この検出結果に基づいて、アニール制御部３２は、ＸＹＺステージ２８を制御して、被照射物３１のＸ軸方向とＹ軸方向の位置を調整することにより、最初のアニール位置となる初期位置に被照射物３１を移動する。
また、アニール制御部３２は、モニタ像に基づいて、被照射物３１の表面に焦点が合うＺ軸方向の位置を探す。アニール制御部３２は、ＸＹＺステージ２８を制御して、被照射物３１のアニール領域が転写光学系３８の結像位置と一致するように、被照射物３１のＺ軸方向の位置を調整する。
次に、アニール制御部３２は、被照射物３１のアニール領域に対して照射されるパルスレーザ光のフルーエンスとパルス数とを制御する。ここで、フルーエンスは、パルスレーザ光に含まれる１パルス当たりの照射エネルギ密度（ｍＪ／ｃｍ2）を表すものとする。Ｓ１３において、アニール制御部３２は、被照射物３１の表面のアニール領域におけるフルーエンスが所定の値となるように、パルスレーザ光が出力する目標パルスエネルギＥｔのデータをパルスレーザ装置３に送信する。
パルス数は、同一のアニール領域に対して照射されるパルスレーザ光のパルス数である。Ｓ１４において、アニール制御部３２は、所定の繰り返し周波数で、予め設定されたＮ個のパルス数に応じた数の発光トリガ信号を送信する。ここで、Ｎは１以上の整数である。
パルスレーザ装置３は、受信した目標パルスエネルギＥｔ及び発光トリガ信号に基づいて、パルスレーザ光を出力する。パルスレーザ装置３が出力したパルスレーザ光は、アニール装置４に入力される。アニール装置４において、パルスレーザ光は、高反射ミラー３６ａ、マスク３７、高反射ミラー３６ｂ、及び高反射ミラー３６ｃを介して転写光学系３８に入射する。
転写光学系３８は、マスク３７によって形成されたパルスレーザ光のマスク像を被照射物３１の表面に転写する。これにより、図２Ａに示すように、アモルファスシリコン膜３１ｄに対して、マスク像に応じた照射領域にパルスレーザ光が照射される。パルスレーザ光の照射は、目標パルスエネルギＥｔに応じたフルーエンス、及び設定されたパルス数で行われる。アモルファスシリコン膜３１ｄに対してパルスレーザ光が照射されると、アモルファスシリコン膜３１ｄは融点Ｔｍ以上の温度に上昇して溶融する。アモルファスシリコン膜３１ｄは、溶融後、再び固化する際に結晶化する。これにより、図２Ｂに示すように、アモルファスシリコン膜３１ｄのうち、パルスレーザ光が照射されたアニール領域は、多結晶シリコン膜３１ｅに改質される。
１つのアニール領域に対するパルスレーザ光の照射が終了すると、Ｓ１５において、アニール制御部３２は、全てのアニール領域に対して照射が終了したか否かを判定する。アニール制御部３２は、未処理のアニール領域が有る場合には（Ｓ１５でＮ）、Ｓ１６に進む。Ｓ１６において、アニール制御部３２は、ＸＹＺステージ２８を制御して、被照射物３１を次のアニール位置に移動する。この後、上記Ｓ１３及びＳ１４の手順を繰り返す。Ｓ１５において、アニール制御部３２は、未処理のアニール領域が無く、被照射物３１の全てのアニール領域に対するパルスレーザ光の照射が終了したと判定した場合には（Ｓ１５でＹ）、被照射物３１に対するアニール処理を終了する。
２．３ 課題
多結晶シリコン膜３１ｅは、多数の結晶により構成されるが、各結晶の粒径が大きいことが好ましい。これは、例えば、多結晶シリコン膜３１ｅをＴＦＴのチャネルに用いる場合において、各結晶の粒径が大きい程、チャネル内における結晶間の界面の数が小さくなり、界面で生じるキャリアの散乱が減少するためである。すなわち、多結晶シリコン膜３１ｅの各結晶の粒径が大きい程、キャリア移動度が高く、ＴＦＴのスイッチング特性が向上する。このように、多結晶シリコンの結晶の粒径を大きくするには、アモルファスシリコンの溶融温度を高くして、固化時間を長くする必要がある。
上記比較例に係るレーザアニール装置では、多結晶シリコン膜３１ｅの各結晶の粒径を大きくするためには、アモルファスシリコン膜３１ｄに印加する、パルスレーザ光のパルスエネルギを高くする必要がある。
しかしながら、パルスレーザ光のパルスエネルギを高くするためには、レーザアニール装置に含まれるパルスレーザ装置として高出力のパルスレーザ装置を用いる必要がある。パルスエネルギを高くすることにより高出力を得るパルスレーザ装置は、大型で、製造コストが高く、かつ、消費電力も大きいという課題がある。例えば、エキシマパルスレーザ装置の場合、パルスエネルギを高くするためには、後述するレーザチャンバ７１（図２３参照）を大型化する必要があるため、サイズが大型化し、製造コストも高く、かつ消費電力も大きくなってしまう。
以下に説明される実施形態においては、この課題を解決するために、ＣＷレーザ装置４１とアニール制御部３２Ａとを備えている。ＣＷレーザ装置４１は、連続発振によるレーザ光であって、アモルファスシリコンを予熱するＣＷレーザ光を出力する。アニール制御部３２Ａは、アモルファスシリコンが融点未満の所定の目標温度Ｔｔに予熱されようにＣＷレーザ光の照射エネルギ密度を制御する。さらに、アニール制御部３２Ａは、予熱されたアモルファスシリコンが結晶化するようにパルスレーザ光のフルーエンスとパルス数の少なくとも一方を制御する。アニール制御部３２Ａは、請求項における制御部に相当する。
３．第１実施形態のレーザアニール装置
３．１ 構成
図４は、第１実施形態に係るレーザアニール装置の構成を概略的に示す。第１実施形態のレーザアニール装置は、図１を参照しながら説明した比較例のレーザアニール装置のアニール装置４に代えて、アニール装置４Ａを備えている。第１実施形態のアニール装置４Ａは、アニール装置４の構成に加えて、ＣＷレーザ装置４１を備えている。また、ＣＷレーザ装置４１を設けることに伴い、アニール装置４Ａは、アニール装置４のアニール制御部３２及び光学システム２１に代えて、アニール制御部３２Ａ及び光学システム２１Ａを備えている。
ＣＷレーザ装置４１は、連続発振によるレーザ光であるＣＷ（Continuous Wave）レーザ光を出力する装置であり、例えば、半導体レーザ装置である。ＣＷレーザ光の中心波長は、本例においては、約４５０ｎｍである。ＣＷレーザ装置４１は、ＣＷレーザ光を被照射物３１に照射することで、被照射物３１のアモルファスシリコン膜３１ｄを、アモルファスシリコンの融点Ｔｍ未満であって、融点Ｔｍに近い所定の目標温度Ｔｔになるように予熱する。アモルファスシリコンの融点Ｔｍは、１４１４℃である。目標温度Ｔｔは、１３００℃≦Ｔｔ＜１４１４℃の範囲であることが好ましい。
光学システム２１Ａは、図１に示した比較例の光学システム２１の構成に加えて、シャッタ４２と、高反射ミラー４４とを備えている。高反射ミラー４４は、中心波長が約４５０ｎｍの光を高い反射率で転写光学系３８に向けて反射し、それ以外の可視光を高い透過率で透過する膜がコートされたダイクロイックミラーである。転写光学系３８には、パルスレーザ光も入射する。
高反射ミラー４４は、ＣＷレーザ光を転写光学系３８に向けて反射することで、ＣＷレーザ光の照射光路と可視光の光路を結合する。さらに、高反射ミラー３６ｃは、ＣＷレーザ光の照射光路とパルスレーザ光の照射光路とを結合する。高反射ミラー４４と高反射ミラー３６ｃは、請求項における照射光路を結合する光学系に相当する。ここで、結合とは２つ以上の光路を略同一の光路に重ね合わせることをいう。光学システム２１Ａは、結合された照射光路を通じて被照射物３１上のアモルファスシリコン膜３１ｄにＣＷレーザ光及びパルスレーザ光を導光する。また、光学システム２１Ａは、アモルファスシリコン膜３１ｄにおけるＣＷレーザ光の照射領域が、パルスレーザ光の照射領域の全領域を全て含むように、構成されている。
シャッタ４２は、ＣＷレーザ装置４１と高反射ミラー４４の間のＣＷレーザ光の光路上に配置されている。シャッタ４２は、アクチュエータ４２ａで駆動されて、開閉する。シャッタ４２の開閉により、ＣＷレーザ光の照射と非照射とが切り替えられる。
アニール制御部３２Ａは、図１に示したアニール制御部３２の機能に加えて、ＣＷレーザ装置４１とシャッタ４２とを制御する。
３．２ 動作
図５及び図６を参照しながら第１実施形態の動作を説明する。図５は、第１実施形態のアニール処理の手順を示すフローチャートである。図６は、ＣＷレーザ光及びパルスレーザ光の出力状態とＣＷレーザ光のみによる被照射物３１の表面の温度の経時変化を示すタイミングチャートである。
図５に示すように、第１実施形態においても、被照射物３１のＸＹＺステージ２８へのセット（Ｓ１００）、照明装置３９ａの点灯（Ｓ１０１）、被照射物３１の初期位置への移動（Ｓ１０２）までの手順は、図３で示した比較例のフローチャートのＳ１０〜Ｓ１２と同様である。
Ｓ１０３において、アニール制御部３２Ａは、ＣＷレーザ装置４１に対して、目標出力Ｗｔの値とともに、目標出力ＷｔでＣＷレーザ光の出力の開始するように開始指示を送信する。開始指示を受信すると、ＣＷレーザ装置４１は、目標出力ＷｔでＣＷレーザ光の出力を開始する。
図６のタイミングチャートに示すように、初期状態では、シャッタ４２が閉じられているため、ＣＷレーザ光の出力がオンになっても、シャッタ４２が閉じられている間は、ＣＷレーザ光はシャッタ４２によって遮蔽される。このため、ＣＷレーザ光は高反射ミラー４４に入射せず、被照射物３１に照射されない。
Ｓ１０４において、アニール制御部３２Ａは、パルスレーザ装置３へ目標パルスエネルギＥｔを送信する。この段階では、発光トリガ信号が送信されていないため、パルスレーザ光の出力は開始されない。
Ｓ１０５において、アニール制御部３２Ａは、アクチュエータ４２ａに対してシャッタ４２を開く指示を送信する。シャッタ４２が開くと、ＣＷレーザ光が高反射ミラー４４を介して転写光学系３８に入射して、被照射物３１への照射が開始される。図７Ａに示すように、ＣＷレーザ光の照射によりアモルファスシリコン膜３１ｄの予熱が開始される。
Ｓ１０６において、アニール制御部３２Ａは、シャッタ４２が開くと、タイマをリセットして、スタートさせる。そして、Ｓ１０７において、アニール制御部３２Ａは、タイマで経過した時間ｔを計測して、計測した時間ｔが、所定時間Ｋに達したか否かを判定する。
ここで、所定時間Ｋは、ＣＷレーザ光を目標出力Ｗｔで被照射物３１のアモルファスシリコン膜３１ｄに照射した場合に、照射開始から、アモルファスシリコン膜３１ｄの温度Ｔが目標温度Ｔｔに到達するまでの時間である。所定時間Ｋは、予め計測され、計測された値がアニール制御部３２Ａに設定されている。
なお、後述するように、本例では、ＣＷレーザ光の照射は、パルスレーザ光の照射が終了するまで継続する。この場合には、所定時間Ｋを次のように求めてもよい。まず、ＣＷレーザ光の照射終了時点において、温度Ｔが目標温度Ｔｔより高く、融点Ｔｍよりも僅かに低い温度になるようなＣＷレーザ光の照射時間Ｋ１を求める。そして、照射時間Ｋ１から、パルスレーザ光の照射時間Ｋ２を引いた値、すなわち、「Ｋ１−Ｋ２」を所定時間Ｋとする。
図６に示すように、シャッタ４２が開いてＣＷレーザ光の照射が開始されると、アモルファスシリコン膜３１ｄの温度が目標温度Ｔｔに向けて上昇を開始する。時間ｔが所定時間Ｋに達すると、アモルファスシリコン膜３１ｄの温度Ｔは目標温度Ｔｔに到達する。
Ｓ１０７において、時間ｔが所定時間Ｋに達したと判定された場合には（Ｓ１０７でＹ）、アニール制御部３２Ａは、Ｓ１０８に進み、パルスレーザ装置３に対して、所定の繰り返し周波数でＮ個の発光トリガ信号を送信する。これにより、図６に示すように、所定の繰り返し周波数で、Ｎ個のパルスを含むパルスレーザ光の出力が行われる。
なお、図６のタイミングチャートにおいて、ＣＷレーザ光の照射期間とパルスレーザ光の照射期間との比率は便宜的なものである。実際には、ＣＷレーザ光の照射期間が数秒（ｓ）のオーダであるに対して、上述のとおり、パルスレーザ光のパルス時間幅は約１０ｎｓ〜約１００ｎｓであり、ＣＷレーザ光の照射期間に比べて、パルスレーザ光の照射期間は非常に短い。
パルスレーザ光は、目標パルスエネルギＥｔに応じたフルーエンスで被照射物３１のアモルファスシリコン膜３１ｄに照射される。パルスレーザ光の照射により、アモルファスシリコン膜３１ｄが融点Ｔｍ以上の温度に上昇して溶融される。図６において、ＣＷレーザ光のみによる温度変化は、パルスレーザ光が照射されている間において、点線で示すように融点Ｔｍ未満に維持されている。図６に示す温度変化は、仮にＣＷレーザ光のみを照射した場合におけるアモルファスシリコン膜３１ｄの温度変化であり、パルスレーザ光が照射された場合には、アモルファスシリコン膜３１ｄの温度Ｔは当然ながら融点Ｔｍを超える。
Ｓ１０８において、アニール制御部３２Ａは、パルスレーザ光の出力が終了すると、Ｓ１０９に進み、アクチュエータ４２ａに対してシャッタ４２を閉じる指示を送信し、シャッタ４２を閉じる。図６に示すように、シャッタ４２が閉じられると、ＣＷレーザ光がシャッタによって遮蔽されるため、ＣＷレーザ光の照射が終了する。
パルスレーザ光の照射が終了すると、アモルファスシリコン膜３１ｄは融点Ｔｍ未満の温度に下降し、再び固化する。パルスレーザ光の照射終了に続いて、ＣＷレーザ光の照射も終了すると、アモルファスシリコン膜３１ｄの温度Ｔはさらに下降して固化が進む。アモルファスシリコン膜３１ｄは、溶融後再び固化する過程で結晶化が進み、多結晶シリコン膜３１ｅに改質される。
アニール制御部３２Ａは、Ｓ１０９の後、図３で示した比較例のＳ１５及びＳ１６と同様のＳ１１０とＳ１１１を実行する。Ｓ１１０において、アニール制御部３２Ａは、次の未処理のアニール領域が有ると判定した場合は（Ｓ１１０でＮ）、Ｓ１１１に進み、被照射物３１を次のアニール位置に移動する。そして、次のアニール位置において、Ｓ１０５からＳ１０９までの手順を繰り返す。一方、未処理のアニール領域が無い場合には、被照射物３１の全てのアニール領域に対するパルスレーザ光の照射が終了したと判定し（Ｓ１１０でＹ）、被照射物３１に対するアニール処理を終了する。アニール処理が終了した場合には、アニール制御部３２Ａは、Ｓ１１２に進み、ＣＷレーザ装置をオフして、ＣＷレーザ光の出力を停止する。
３．３ 作用
図７は、第１実施形態におけるＣＷレーザ光とパルスレーザ光の照射手順の説明図である。第１実施形態においては、図７Ａに示すように、アモルファスシリコン膜３１ｄに対して、パルスレーザ光を照射する前に、ＣＷレーザ光が照射される。これにより、アモルファスシリコン膜３１ｄの温度Ｔが目標温度Ｔｔになるように予熱される。次に、図７Ｂに示すように、予熱されたアモルファスシリコン膜３１ｄに対してパルスレーザ光が照射される。パルスレーザ光が照射されている間も、ＣＷレーザ光の照射が継続される。図７Ｃに示すように、アモルファスシリコン膜３１ｄのうち、パルスレーザ光が照射されたアニール領域は、多結晶シリコン膜３１ｅに改質される。
ＣＷレーザ光の照射によって、アモルファスシリコン膜３１ｄは、融点Ｔｍ未満で、かつ、融点Ｔｍに近い目標温度Ｔｔまで予熱され、予熱された状態でパルスレーザ光が照射される。そのため、第１実施形態では、ＣＷレーザ光で予熱する分、比較例におけるパルスレーザ光の単独照射の場合と比較して、パルスレーザ光によってアモルファスシリコン膜３１ｄを溶融させるために必要な最低出力を小さくすることができる。これにより、パルスレーザ装置３の出力の上昇を抑えることができるため、パルスレーザ装置３の製造コストの上昇や消費電力の上昇も抑えられる。
また、パルスレーザ光のパルスエネルギが比較例と同じ場合でも、ＣＷレーザ光の予熱によって、アモルファスシリコン膜３１ｄの溶融温度が高くなり、固化時間を長くできる。そのため、多結晶シリコン膜３１ｅに改質した場合の結晶の粒径を大きくすることができる。
また、ＣＷレーザ光の照射領域は、パルスレーザ光の照射領域を全て含んでいるため、パルスレーザ光が照射されるアニール領域の全域に対して、予熱を行うことができる。また、光学システム２１Ａは、ＣＷレーザ光とパルスレーザ光の照射光路を結合する光学系を備えているため、光学システムの小型化や簡素化が可能となる。
図８に示すグラフは、パルスレーザ光のフルーエンス（ｍＪ／ｃｍ2）と、アニールによって結晶化した粒径（ｎｍ）のサイズとの関係を示すグラフである。粒径のサイズは、結晶化された複数の結晶の粒径の平均値である。菱形でプロットしたグラフは、パルスレーザ光のみの単独照射によってアニールを行った場合のグラフであり、比較例に対応する。丸印でプロットしたグラフは、ＣＷレーザ光で予熱を行い、その後パルスレーザ光とＣＷレーザ光を同時に照射してアニールを行った場合のグラフであり、第１実施形態に対応する。
本例では、パルスレーザ光は、ＸｅＦパルスレーザ光であり、ＣＷレーザ光は、中心波長が約４５０ｎｍの青色ＣＷレーザ光である。ＣＷレーザ光の照射時間は、予熱時のＣＷレーザ光の単独照射の照射期間と、パルスレーザ光との同時照射の照射期間を含めて、約１０ｓである。
グラフに示されているように、パルスレーザ光のフルーエンスを上げていくと、ある値までは、結晶の粒径も大きくなる。パルスレーザ光の単独照射の場合、粒径のピーク値は約５００ｎｍであり、この場合のパルスレーザ光のフルーエンスが約３６０ｍＪ／ｃｍ2である。これに対して、ＣＷレーザ光の照射で予熱を行った場合には、粒径のピーク値は約８００ｎｍとなり、単独照射の場合と比較して大きくなっている。また、粒径がピーク値を示す場合のパルスレーザ光のフルーエンスは約３００ｍＪ／ｃｍ2であり、単独照射と比較して、フルーエンスが約６０ｍＪ／ｃｍ2低く抑えられていることがわかる。
また、このグラフから分かるように、ＣＷレーザ光の予熱を行う場合において、パルスレーザ光の単独照射の場合と比較して、粒径が大きくなるという効果が顕著に見られるフルーエンスの範囲は、２４０ｍＪ／ｃｍ2〜３００ｍＪ／ｃｍ2である。そのため、パルスレーザ光のフルーエンスの範囲は、２４０ｍＪ／ｃｍ2〜３００ｍＪ／ｃｍ2の範囲が好ましい。
一方、ＣＷレーザ光の照射エネルギ密度（Ｊ／ｃｍ2）の範囲は、ＣＷレーザ光の照射により、パルスレーザ光をアシストして粒径を大きくする効果が現れる範囲であること、さらには、アモルファスシリコン膜３１ｄを目標温度Ｔｔまで加熱できる範囲であることが好ましい。具体的には、アモルファスシリコン膜３１ｄ上における、ＣＷレーザ光の好ましい照射エネルギ密度の範囲は、３１８Ｊ／ｃｍ2〜６３４０Ｊ／ｃｍ2の範囲である。ここで、ＣＷレーザ光の照射エネルギ密度とは、１つのアニール領域に対して照射されるＣＷレーザ光の総照射エネルギ密度を意味する。
ＣＷレーザ光の照射エネルギ密度（Ｊ／ｃｍ2）は、光強度密度（Ｗ／ｃｍ2）と照射時間（ｓ）の積である。ＣＷレーザ光の照射時間は、上記例では、約１０ｓとしているが、約１ｓ〜約１０ｓの範囲で調節されることが好ましい。照射時間の範囲が約１ｓ〜１０ｓの範囲で調節される場合は、上記照射エネルギ密度を得るために、ＣＷレーザ光の目標出力Ｗｔである光強度密度（Ｗ／ｃｍ2）は、約３１８Ｗ／ｃｍ2〜６３４Ｗ／ｃｍ2の範囲で調節されることが好ましい。
アニール制御部３２Ａは、ＣＷレーザ光の照射によって予熱を行う場合において、光強度密度と照射時間の少なくとも一方を制御することにより、ＣＷレーザ光の照射エネルギ密度を制御する。
また、図６に示すように、本例では、パルスレーザ光の照射が開始された後も、パルスレーザ光が照射されている間、ＣＷレーザ光の照射が継続する。つまり、パルスレーザ光の照射期間の全期間に渡って、ＣＷレーザ光の照射期間が時間的に重なっており、パルスレーザ光とＣＷレーザ光が同時に照射されている。
結晶化は、アモルファスシリコン膜３１ｄが溶融された後、再び固化する過程で進む。パルスレーザ光の照射を開始した後も、ＣＷレーザ光による加熱を継続すると、アモルファスシリコン膜３１ｄの溶融後、結晶化が進み、多結晶シリコン膜３１ｅに改質される過程において、多結晶シリコン膜３１ｅの温度を高く維持することができる。これにより、固化時間が長くなり、結晶が成長する時間を十分に確保できるので、結晶がより成長して、結晶の粒径を大きくする効果が期待できる。
なお、本例では、パルスレーザ光の照射期間は、全期間がＣＷレーザ光の照射期間と重なっている例で説明しているが、パルスレーザ光の照射期間とＣＷレーザ光の照射期間が、部分的に重なっていてもよい。
３．４ 変形例１
ＣＷレーザ光の照射の終了タイミングについて、図６の例では、パルスレーザ光の照射終了とほぼ同時にＣＷレーザ光の照射を終了しているが、パルスレーザ光の照射終了後、ＣＷレーザ光の照射終了までの遅延時間を長くしてもよい。パルスレーザ光の照射終了後においても、ＣＷレーザ光の照射を継続すると、図６の例よりも、固化時間がさらに長くなるため、結晶の粒径をさらに大きくする効果を期待できる。アニール制御部３２Ａは、シャッタ４２を閉じる時間を制御することにより、遅延時間を長くすることができる。
３．５ 変形例２
図９は、第１実施形態の変形例２に係るタイミングチャートである。変形例２においては、図６の例と異なり、ＣＷレーザ光の照射による予熱のみを行って、パルスレーザ光の照射開始と同時にＣＷレーザ光の照射を停止している。変形例２のように、ＣＷレーザ光の照射期間とパルスレーザ光の照射期間が重ならなくてもよい。
この場合でも、ＣＷレーザ光の照射による予熱を行うことによって、アモルファスシリコン膜３１ｄの溶融のために必要なパルスレーザ光の最低出力を抑えるという効果は得られる。また、本例の場合でも、パルスレーザ光の照射が開始される時点において、アモルファスシリコン膜３１ｄの温度Ｔは、融点Ｔｍ近くまで上昇している。そのため、図６の例や変形例１と比較すれば少ないが、比較例よりも固化時間は長くなると考えられるので、粒径を大きくする効果も期待できる。もちろん、上述した図６の例や変形例１のように、ＣＷレーザ光とパルスレーザ光が同時に照射される期間を設けた方が、粒径を大きくする効果についてより大きな効果が期待できるため、好ましい。
３．６ ＣＷレーザ光の中心波長の好ましい範囲
図１０は、多結晶シリコン及びアモルファスシリコンの光吸収率の波長依存性を示すグラフである。図１０Ａは、多結晶シリコンのグラフであり、図１０Ｂは、アモルファスシリコンのグラフである。光吸収率が大きいほど、温度上昇の効率がよい。また、図１０Ａ及び１０Ｂのそれぞれにおいて、実線は膜厚が１００ｎｍの場合のグラフであり、一点鎖線は膜厚が５０ｎｍの場合のグラフであり、波線は膜厚が３０ｎｍの場合のグラフである。膜厚３０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍは、ＴＦＴ基板を製造する場合の典型的な膜厚である。図１０Ａは、下地膜としてのシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）上に多結晶シリコン膜を形成した条件で計算したデータであり、図１０Ｂは、下地膜としてのシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）上にアモルファスシリコン膜を形成した条件で計算したデータである。
一般に、効率的な光吸収特性と言えるのは光吸収率の値が０．１５以上の場合であり、０．１５以上であれば、ＣＷレーザ光の照射で加熱効果が期待できる。まず、膜厚が１００ｎｍの場合において、図１０Ｂに示すように、波長が約６５０ｎｍの赤色レーザ光に対しては、アモルファスシリコンの光吸収率は０．１５以上となる。しかし、この波長における多結晶シリコンの光吸収率は０．０５であり、アモルファスシリコンと比較して低い。
上述のとおり、パルスレーザ光の照射が開始された後も、ＣＷレーザ光を同時に照射すると、結晶化の過程において多結晶シリコンの温度を高く維持できるため、結晶が成長する時間を十分に確保でき、粒径を大きくする効果が期待できる。これは、ＣＷレーザ光の照射によって、アモルファスシリコンに対してだけでなく、多結晶シリコンに対しても、温度が上昇する加熱効果があることが前提となる。波長が約６５０ｎｍの赤色レーザ光は、アモルファスシリコンに対しては加熱効果が比較的大きいが、多結晶シリコンは光吸収率が低いため、多結晶シリコンに対しては加熱効果が少ない。そのため、波長が約６５０ｎｍの赤色レーザ光を使用しても、粒径を大きくする効果が期待できない。
また、図１０Ａに示すように、多結晶シリコンにおいて、波長が５００ｎｍを上回る領域では、いずれの膜厚でも光吸収率が０．１５に満たないため、加熱効果が少ない。そのため、波長が５００ｎｍを上回るＣＷレーザ光を使用しても、粒径を大きくする効果は期待できない。
一方、図１０Ａにおいて、膜厚が５０ｎｍ、１００ｎｍの場合には、波長が５００ｎｍ以下では光吸収率は０．１５以上となる。そのため、結晶化の過程でも持続的に効率的に光を吸収し、多結晶シリコンの温度を高い温度に維持できるので、粒径を大きくする効果が期待できる。したがって、膜厚が５０ｎｍ〜１００ｎｍの場合には、ＣＷレーザ光の波長は約５００ｎｍ以下であることが好ましい。また、膜厚が５０ｎｍ〜１００ｎｍの場合には、波長が約４５０付近では、多結晶シリコンもアモルファスシリコンのどちらの光吸収率も良好な値を示す。そのため、ＣＷレーザ光の波長は約４５０ｎｍ付近であることがより好ましい。
また、図１０Ａに示すように、多結晶シリコンにおいて、膜厚が３０ｎｍの場合には、波長が４２０ｎｍ以下にならないと、光吸収率が０．１５以上とならない。そのため、膜厚が３０ｎｍの場合も考慮すると、ＣＷレーザ光の中心波長は約４２０ｎｍ以下であることが好ましい。
波長が４２０ｎｍ以下のＣＷレーザ光としては、例えば、ＧａＮ系半導体レーザが出力するＣＷレーザ光や、連続発振のＹＡＧレーザやファイバレーザの第３高調波光や、ＡｌＧａＮ系半導体レーザがある。ＧａＮ系半導体レーザのＣＷレーザ光は、中心波長が４０５ｎｍや４５０ｎｍである。第３高調波光は中心波長が３５５ｎｍである。ＡｌＧａＮ系半導体レーザは中心波長が３３０ｎｍである。また、波長が５００ｎｍ以下のＣＷレーザ光としては、上記に加えて、中心波長が４８８ｎｍのＡｒイオンレーザや、中心波長が４５０ｎｍの半導体レーザなどがある。
３．７ パルスレーザ光の中心波長の好ましい範囲
図１１は、多結晶シリコン及びアモルファスシリコンの光透過率の波長依存性を示すグラフである。図１１Ａは、多結晶シリコンのグラフであり、図１１Ｂは、アモルファスシリコンのグラフである。また、図１０と同様に、図１１Ａ及び１１Ｂのそれぞれにおいて、実線は膜厚が１００ｎｍの場合のグラフであり、一点鎖線は膜厚が５０ｎｍの場合のグラフであり、波線は膜厚が３０ｎｍの場合のグラフである。図１１Ａは、下地膜としてのシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）上に多結晶シリコン膜を形成した条件で計算したデータであり、図１１Ｂは、下地膜としてのシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）上にアモルファスシリコン膜を形成した条件で計算したデータである。
パルスレーザ光は、ＣＷレーザ光と比較して、光強度が高いため、多結晶シリコン膜やアモルファスシリコン膜などのシリコン膜を透過すると、ガラス基板や樹脂基板に損傷を与えるおそれがある。特に、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＩ（ポリイミド）などの樹脂基板を用いた場合は、ガラス基板よりも損傷が生じやすい。
図１１に示すように、多結晶シリコン及びアモルファスシリコンのどちらにおいても、波長が３６５ｎｍ以下においては、光透過率は著しく低下する。そのため、パルスレーザ光の波長は３６５ｎｍ以下であることが好ましい。こうした波長のパルスレーザ光を出力するパルスレーザ装置としては、上述したエキシマパルスレーザ装置や固体パルスレーザ装置を使用することができる。
４．第２実施形態のレーザアニール装置
４．１ 構成
図１２は、第２実施形態のレーザアニール装置の構成を概略的に示す。第２実施形態のレーザアニール装置は、第１実施形態のアニール装置４Ａに代えて、アニール装置４Ｂを備えている。パルスレーザ装置３は、第１実施形態と同様である。
アニール装置４Ｂは、図４に示す第１実施形態に係るアニール装置４Ａの構成に加えて、放射温度計５１を備えている点が相違する。放射温度計５１は、フレーム２９にホルダ５２を介して固定される。放射温度計５１は、被照射物３１の表面から放出される赤外線を検出して、被照射物３１の表面にあるアモルファスシリコン膜３１ｄの温度を計測する。放射温度計５１は、計測した温度を計測結果としてアニール制御部３２Ｂに出力する。
また、アニール装置４Ｂは、第１実施形態に係るアニール制御部３２Ａに代えて、アニール制御部３２Ｂを備えている。アニール制御部３２Ｂは、放射温度計５１の計測結果に基づいてパルスレーザ光の照射開始タイミングを制御する機能を備えている。この点で、アニール制御部３２Ａと相違する。他の構成は、第１実施形態に係るアニール装置４Ａと同様である。
４．２ 動作
図１３及び図１４を参照しながら第２実施形態の動作を説明する。図１３は、第２実施形態のアニール処理の手順を示すフローチャートである。図１４は、ＣＷレーザ光及びパルスレーザ光の出力状態とＣＷレーザ光のみによる被照射物３１の表面の温度の経時変化を示すタイミングチャートである。
図１３に示すように、Ｓ２００〜Ｓ２０５までの処理ステップは、図５で示したＳ１００〜Ｓ１０５までの処理ステップと同様である。アニール制御部３２Ｂは、Ｓ２０５においてシャッタを開いて、ＣＷレーザ光の照射を開始する。アニール制御部３２Ｂは、ＣＷレーザ光の照射を開始すると、Ｓ２０６において、放射温度計５１による温度Ｔの計測を開始する。
Ｓ２０７において、アニール制御部３２Ｂは、放射温度計５１から入力される計測結果に基づいて、被照射物３１のアモルファスシリコン膜３１ｄの温度Ｔが、所定温度Ｔａ以上で所定温度Ｔｂ以下の範囲に入ったか否かを判定する。アニール制御部３２Ｂは、温度Ｔが上記範囲に達していない場合は（Ｓ２０７でＮ）、Ｓ２０６に戻る。そして、温度Ｔが上記範囲に入った場合には（Ｓ２０７でＹ）、Ｓ２０８に進み、Ｎ個のパルスの発光トリガ信号を送信して、パルスレーザ光を照射する。Ｓ２０８〜Ｓ２１２の処理ステップは、第１実施形態のＳ１０８〜Ｓ１１２の処理ステップと同様である。
ここで、所定温度Ｔａと所定温度Ｔｂで規定される範囲は、目標温度Ｔｔの範囲内である。上述したとおり、目標温度Ｔｔの範囲は、１３００℃≦Ｔｔ＜１４１４℃の範囲である。例えば、所定温度Ｔａは１４００℃であり、所定温度Ｔｂは１４１３℃である。
４．３ 作用
第２実施形態では、アモルファスシリコン膜３１ｄの温度Ｔを放射温度計５１で計測して、温度Ｔが所定温度ＴａとＴｂの範囲内であることを確認した後、パルスレーザ光の照射を開始している。そのため、タイマで照射開始タイミングを制御する第１実施形態と比較して、以下のメリットがある。
まず、パルスレーザ光の照射を開始する直前の温度Ｔが安定する。パルスレーザ光の出力は予め設定されているので、開始直前の温度Ｔが安定することで、パルスレーザ光を照射中の温度Ｔも安定する可能性がある。パルスレーザ光の照射中の温度Ｔが安定すると、多結晶シリコン膜３１ｅの結晶の粒径が均一化するという効果がある。
また、被照射物３１の種類によって、ガラス基板や樹脂基板などの基板材料が違ったり、アモルファスシリコン膜３１ｄの膜厚が異なる場合がある。基板材料や膜厚が異なると、ＣＷレーザ光の出力が同じでも、アモルファスシリコン膜３１ｄの温度Ｔの上昇率が異なる。このような場合でも、温度Ｔを実測するため、基板材料や膜厚に応じた設定をすることなく、パルスレーザ光の照射を開始する直前の温度Ｔを安定させることができる。
４．４ 変形例
また、アニール制御部３２Ｂは、放射温度計５１の計測結果に基づいて、ＣＷレーザ装置４１の出力をフィードバック制御してもよい。具体的には、アニール制御部３２Ｂは、アモルファスシリコン膜３１ｄの温度Ｔが、所定温度Ｔａよりも低い場合は、ＣＷレーザ装置４１のＣＷレーザ光の出力を上げる。一方、温度Ｔが所定温度Ｔｂを超えた場合には、ＣＷレーザ光の出力を下げる。
４．５ その他
また、このようにＣＷレーザ装置４１のＣＷレーザ光の出力自体を制御できる場合には、ＣＷレーザ装置４１の出力を制御することにより、ＣＷレーザ光の照射の開始と終了を制御してもよい。この場合には、シャッタ４２は設けなくてもよい。
温度Ｔを計測する放射温度計５１としては、例えば、下記文献に記載されているような２色温度計を用いてもよい（文献：精密工学会誌Vol.61,No2(1995)278-282：“レーザ照射部のフラッシュ温度測定”）。この文献に記載の２色温度計は、可視光から赤外線の領域のうち、選択された２波長の光強度を測定し、強度比を算出することで温度を計測する。２色温度計は、例えば、熱輻射光の２色強度測定器として、Ｇｅ素子とｌｎＳｂ素子を有している。そして、各素子から電圧として出力される光強度の信号に基づいて強度比を測定することにより温度を計測する。この２色温度計は、アモルファスシリコンや多結晶シリコンの微小加工領域で高速で変化する温度を測定するのに適している。
５．第３実施形態のレーザアニール装置
５．１ 構成
図１５は、第３実施形態のレーザアニール装置の構成を概略的に示す。図４に示す第１実施形態及び図１２に示す第２実施形態の各レーザアニール装置は、被照射物３１を停止させた状態でＣＷレーザ光及びパルスレーザ光を照射する。対して、第３実施形態のレーザアニール装置は、被照射物３１を所定方向に移動させながら、被照射物３１に対してＣＷレーザ光及びパルスレーザ光を照射する。第３実施形態のレーザアニール装置は、アニール装置４Ｃと光学システム２１Ｃを備えている。パルスレーザ装置３は、第１実施形態及び第２実施形態と同様である。
第３実施形態において、被照射物３１は、例えば、大画面ディスプレイ用の基板であり、アモルファスシリコン膜３１ｄが形成された全面がアニール領域になっている。アニール装置４Ｃは、光学システム２１Ｃから出射されるＣＷレーザ光及びパルスレーザ光の照射位置に対して、ＸＹＺステージ２８により被照射物３１をＹ軸方向に等速移動させる。ＣＷレーザ光及びパルスレーザ光は、等速移動により照射位置を通過する被照射物３１に対して照射される。
光学システム２１Ｃは、パルスレーザ光用の第１ビームホモジナイザ５６とＣＷレーザ光用の第２ビームホモジナイザ５７を備えている。第１ビームホモジナイザ５６は、高反射ミラー３６ａとマスク３７の間の光路上に配置されている。第１ビームホモジナイザ５６は、フライアイレンズ５６ａとコンデンサ光学系５６ｂとを有している。
マスク３７は、ライン形状の開口を有している。パルスレーザ光がマスク３７の開口を通過すると、ビームの断面形状がライン形状に整形される。ここで、マスク３７において、断面形状がライン形状に整形され、マスク３７の開口像が転写光学系３８によってライン形状に転写結像されたパルスレーザ光をラインビームＰＬＢと呼ぶ。
第１ビームホモジナイザ５６において、コンデンサ光学系５６ｂは、フライアイレンズ５６ａの焦点と、コンデンサ光学系５６ｂの前側焦点が一致するように配置されている。マスク３７は、コンデンサ光学系５６ｂの後側焦点と一致するように配置されている。
また、第２ビームホモジナイザ５７は、ＣＷレーザ装置４１と高反射ミラー４４の間の光路上に配置されている。第２ビームホモジナイザ５７は、第１ビームホモジナイザ５６と同様に、フライアイレンズ５７ａとコンデンサ光学系５７ｂとを有している。また、第２ビームホモジナイザ５７と高反射ミラー４４の間の光路上には、マスク５８と高反射ミラー５９とが配置されている。
マスク５８は、ライン形状の開口を有している。ＣＷレーザ光がマスク５８の開口を通過すると、ビームの断面形状がライン形状に整形される。ここで、マスク５８において、断面形状がライン形状に整形され、マスク５８の開口像が転写光学系３８によってライン形状に転写結像されたＣＷレーザ光をラインビームＣＷＢと呼ぶ。
第２ビームホモジナイザ５７において、コンデンサ光学系５７ｂは、フライアイレンズ５７ａの焦点と、コンデンサ光学系５７ｂの前側焦点が一致するように配置されている。マスク５８は、コンデンサ光学系５７ｂの後側焦点と一致するように配置されている。
高反射ミラー５９は、マスク５８の開口を透過したラインビームＣＷＢを高反射ミラー４４に向けて反射する位置に配置されている。高反射ミラー４４は、ラインビームＣＷＢを、高反射ミラー３６ｃを介して転写光学系３８に向けて反射するように配置されている。これにより、高反射ミラー４４と高反射ミラー３６ｃは、ラインビームＣＷＢの光路とラインビームＰＬＢの光路を結合する。転写光学系３８は、ラインビームＣＷＢとラインビームＰＬＢを照射位置に転写する。
図１６は、ラインビームＣＷＢ及びＰＬＢの照射領域の重なりの説明図である。図１７は、相対的に移動する被照射物３１とラインビームＣＷＢ及びＰＬＢの関係を示す。図１６及び図１７に示すように、ラインビームＣＷＢとラインビームＰＬＢは、それぞれの照射領域が、被照射物３１の移動方向（Ｙ軸方向）と直交する幅方向（Ｘ軸方向）に延びるライン形状をしている。ラインビームＣＷＢとラインビームＰＬＢのＸ軸方向のそれぞれの長さＬCW及びＬPLは、例えば、被照射物３１のＸ軸方向の幅Ｗよりも長い。
そのため、図１７に示すように、被照射物３１をＹ軸方向の一方向に移動するだけで、被照射物３１に対してラインビームＣＷＢ及びＰＬＢが初期位置から最終位置まで相対的に移動する。これにより、被照射物３１の全面に対してラインビームＣＷＢ及びラインビームＰＬＢを照射することができる。
また、ラインビームＣＷＢのＹ軸方向のビーム幅ＤCWは、ラインビームＰＬＢのＹ軸方向のビーム幅ＤPLよりも広い。そして、ラインビームＣＷＢの照射領域と、ラインビームＰＬＢの照射領域は、被照射物３１の移動方向であるＹ軸方向において重なっている。本例では、ラインビームＰＬＢの照射領域の全範囲がラインビームＣＷＢの照射領域に重なっている。すなわち、ラインビームＣＷＢの照射領域は、ラインビームＰＬＢの照射領域をすべて含んでいる。ラインビームＰＬＢのサイズは、例えば、長さＬPLが１５００ｍｍで、ビーム幅ＤPLは４００μｍである。
また、照射位置を通過する被照射物３１に対して、ラインビームＰＬＢが照射される前にラインビームＣＷＢが照射されるように、ラインビームＣＷＢの照射領域は、ラインビームＰＬＢの照射領域に対して先行する先行領域ＡＰを有している。
すなわち、図１７に示すように、Ｙ軸方向において、被照射物３１の移動方向をＹＳ方向とすると、被照射物３１と照射位置は相対的に移動するため、ラインビームＣＷＢ及びＰＬＢの照射領域は、被照射物３１に対してＹＢ方向に進む。ＹＢ方向に進むラインビームＣＷＢにおいて、前方には先行領域ＡＰが存在し、後方にラインビームＰＬＢの照射領域が位置する。これにより、ラインビームＣＷＢの先行領域ＡＰの照射によって予熱することができる。
こうしたラインビームＣＷＢ及びＰＬＢの照射領域の形状、サイズ、及び各照射領域の重なり具合は、マスク５８及びマスク３７の開口の形状、サイズ、及び配置位置によって決められる。
図１８において、図１８Ａは、ラインビームＣＷＢ及びＰＬＢの照射領域の拡大図であり、図１８Ｂは、Ｂ−Ｂ断面における、ラインビームＣＷＢ及びＰＬＢの光強度分布を示す。ラインビームＣＷＢよりもラインビームＰＬＢの方が光強度は高いため、光強度は先行領域ＡＰにおいて相対的に低く、ラインビームＰＬＢが位置する領域で高くなる。
放射温度計５１は、ラインビームＣＷＢの先行領域ＡＰの照射位置を通過する被照射物３１の温度であって、より具体的には、ラインビームＰＬＢの照射位置を通過する直前のアモルファスシリコン膜３１ｄの温度Ｔを計測できるように配置されている。
５．２ 動作
図１９及び図２０を参照しながら第３実施形態の動作を説明する。図１９は第３実施形態のアニール処理の手順を示すフローチャートである。図２０は、被照射物３１との相対移動により、ラインビームＣＷＢが被照射物３１上の点Ｐを通過する場合の点Ｐにおける温度の経時変化を説明する図である。
図１９に示すように、Ｓ３００において、大画面ディスプレイ用の被照射物３１がＸＹＺステージ２８にセットされる。Ｓ３０１において、アニール制御部３２Ｃは、被照射物３１を初期位置に移動する。
アニール制御部３２Ｃは、Ｓ３０２において、ＣＷレーザ装置４１に対して目標出力Ｗｔの初期値Ｗｔ０を送信する。これにより、ＣＷレーザ装置４１が初期値Ｗｔ０で出力を開始する。また、Ｓ３０３において、アニール制御部３２Ｃは、パルスレーザ装置３に対して目標パルスエネルギＥｔを送信する。さらに、Ｓ３０４において、所定の繰り返し周波数で発光トリガ信号の送信を開始する。これにより、ラインビームＣＷＢ及びＰＬＢの照射が開始される。図１７に示すように、ラインビームＣＷＢ及びＰＬＢの照射領域は、照射位置において重なり合い、ラインビームＣＷＢの照射領域は先行領域ＡＰを有する。
Ｓ３０５において、アニール制御部３２Ｃは、ＸＹＺステージ２８のＹ軸方向の移動を開始させて、ＸＹＺステージ２８を加速する。アニール制御部３２Ｃは、ラインビームＣＷＢが被照射物３１に到達する時点で所定の速度の等速移動となるようにＸＹＺステージ２８の速度を制御する。これにより、被照射物３１がＹ軸方向に所定の速度で等速移動する。この間、アニール制御部３２Ｃは、放射温度計５１の計測結果に基づいて、ＣＷレーザ装置４１の出力をフィードバック制御する。Ｓ３０６において、アニール制御部３２Ｃは、放射温度計５１で、照射位置を通過する直前のアモルファスシリコン膜３１ｄの温度Ｔを計測する。そして、Ｓ３０７において、温度Ｔと目標温度Ｔｔとの温度差ΔＴ（＝Ｔ−Ｔｔ）を計算する。Ｓ３０８において、温度差ΔＴがある場合には、アニール制御部３２Ｃは、温度差ΔＴが０に近づくようにＣＷレーザ装置４１の目標出力Ｗｔを変更する。
Ｓ３０９において、アニール制御部３２Ｃは、被照射物３１の全面の照射が終了したか否かを判定する。全面の照射が終了していない場合には（Ｓ３０９でＮ）、Ｓ３０６に戻り、Ｓ３０６からＳ３０８の処理ステップを繰り返す。全面の照射が終了した場合には（Ｓ３０９でＹ）、アニール制御部３２Ｃは、発光トリガ信号の送信を停止し、ラインビームＰＬＢの出力を停止する。そして、Ｓ３１１において、ＣＷレーザ装置４１を停止してラインビームＣＷＢの出力を停止する。さらに、Ｓ３１２においてＸＹＺステージ２８の移動を停止する。
５．３ 作用
被照射物３１が照射位置を通過する場合において、被照射物３１上の点Ｐにおける温度変化は、図２０のようになる。ここで、第１実施形態及び第２実施形態と同様に、温度変化は、ＣＷレーザ光のラインビームＣＷＢのみによる温度変化を表す。
まず、時刻ｔ１において、ラインビームＣＷＢの先行領域ＡＰが点Ｐに到達すると、点Ｐに対してラインビームＣＷＢの照射が開始されて、ＣＷレーザ光による予熱が開始される。ラインビームＣＷＢの照射により点Ｐの温度Ｔは上昇を開始し、時刻ｔ２において、先行領域ＡＰがＹＢ方向に進むと、点Ｐの温度Ｔはさらに上昇する。そして、パルスレーザ光のラインビームＰＬＢが照射される直前、すなわち、ラインビームＰＬＢの照射領域が点Ｐに到達する直前の時刻ｔ３において、点Ｐの温度Ｔが目標温度Ｔｔに到達することが好ましい。
アニール制御部３２Ｃは、図１９のＳ３０６〜Ｓ３０８の処理ステップを繰り返すことにより、ＣＷレーザ装置４１の出力をフィードバック制御して、温度Ｔが目標温度Ｔｔに到達するように制御する。これにより、ラインビームＰＬＢの照射が開始される前に、ラインビームＣＷＢの先行領域ＡＰの照射によって、アモルファスシリコン膜３１ｄの温度Ｔが目標温度Ｔｔになるように予熱される。
図２０において、時刻ｔ３を過ぎると、点Ｐにおいて、ラインビームＰＬＢの照射が開始される。この時点で、温度Ｔは目標温度Ｔｔになるように予熱されているので、予熱された状態で、ラインビームＰＬＢを照射することができる。このため、第１実施形態及び第２実施形態と同様に、ＣＷレーザ光のラインビームＣＷＢの照射によって予熱される分、パルスレーザ光のラインビームＰＬＢの出力を抑えることができる。
また、ラインビームＰＬＢが照射されている間、ラインビームＣＷＢが同時に照射される。このため、第１実施形態で説明したとおり、アモルファスシリコン膜３１ｄから多結晶シリコン膜３１ｅに改質される過程において、多結晶シリコン膜３１ｅの温度を高く維持することができる。多結晶シリコン膜３１ｅの温度を高く維持すると、固化時間が長くなるため、結晶の粒径を大きくする効果が期待できる。
第３実施形態は、被照射物３１を移動させながら。ＣＷレーザ光及びパルスレーザ光の照射を行うため、第１実施形態及び第２実施形態と比べて、アニールのスループットが向上する。そのため、大画面ディスプレイ用の被照射物３１を処理する場合に有利である。大画面ディスプレイ用の被照射物３１の寸法としては、例えば、２８８０ｍｍ×３１３０ｍｍや、３０００ｍｍ×３３２０ｍｍに達するものもある。このようなサイズの被照射物３１に対しては特に有効である。
また、第３実施形態では、被照射物３１を移動させながら連続的にアニールが行われるため、大きなアニール領域を均一にアニールすることができる。仮に、第１実施形態または第２実施形態のレーザアニール装置で、大きなアニール領域をアニールする場合には、ＣＷレーザ光及びパルスレーザ光の照射領域を変更しながら複数回のアニールを行う必要がある。この場合には、照射領域が互いに重なる部分と重ならない部分とが生じ、結晶の粒径の均一性が低下し得る。第３実施形態では、大きなアニール領域を均一にアニールすることができるので、結晶の粒径が均一化する。
また、第３実施形態では、温度Ｔを実測するため、基板材料や膜厚に応じた設定をすることなく、パルスレーザ光の照射を開始する直前の温度Ｔを安定させることができる。
なお、計測した温度Ｔに基づいて、ＣＷレーザ装置４１の出力をフィードバック制御する例で説明したが、フィードバック制御をしなくてもよい。この場合には、目標温度ＴｔになるようなＣＷレーザ光の出力を予め設定して、設定した出力をＣＷレーザ装置４１に送信する。設定値は、レーザアニール装置の内蔵ストレージに格納しておくか、あるいは、外部装置から読み出してもよい。
５．４ 変形例１
また、照射位置を通過する、被照射物３１上の点Ｐにおいて、ラインビームＰＬＢの照射終了と同時にラインビームＣＷＢの照射が終了されるようにしてもよい。また、ラインビームＰＬＢの照射終了後においても、ラインビームＣＷＢの照射が継続されるようにしてもよい。上述のとおり、ラインビームＰＬＢの照射終了後も、ラインビームＣＷＢの照射を継続すると、粒径を大きくする効果が期待できる。ラインビームＣＷＢの照射終了タイミングは、ラインビームＣＷＢの照射領域のサイズを規定するマスク５８の開口のサイズによって調節される。
また、本例では、被照射物３１の移動方向であるＹ軸方向において、ラインビームＰＬＢの照射領域の全範囲がラインビームＣＷＢの照射領域と重なっている例で説明したが、一部が重なり合っていてもよい。
５．５ 変形例２
図２１に示すように、ラインビームＣＷＢの照射領域とラインビームＰＬＢの照射領域は重なっていなくてもよい。この場合には、ラインビームＣＷＢによって予熱のみが行われる。図２１Ａは、図１８Ａと同様のラインビームＣＷＢ及びＰＬＢの拡大図であり、図２１Ｂは、Ｂ−Ｂ断面におけるラインビームＣＷＢ及びＰＬＢの光強度分布である。
５．６ 変形例３
図２２は、ＣＷレーザ装置４１の変形例を示す。図２２に示すように、ＣＷレーザ装置４１は、複数の半導体光源４１ａと、複数のコリメータレンズ４１ｂとを有する光源ユニットを備えていてもよい。複数の半導体光源４１ａは、それぞれＣＷレーザ光を出力する。各半導体光源４１ａは、例えば、ライン状に並べて配列されている。複数のコリメータレンズ４１ｂは、各半導体光源４１ａに対応して設けられている。各コリメータレンズ４１ｂは、その前側焦点と各半導体光源４１ａの出射位置とが一致するように配置されている。
各半導体光源４１ａから出力されたＣＷレーザ光は、各コリメータレンズ４１ｂによってコリメートされる。各コリメータレンズ４１ｂが出射するそれぞれのコリメート光は、第２ビームホモジナイザ５７のフライアイレンズ５７ａに入射して、コンデンサ光学系５７ｂの後側焦点に配置されたマスク５８に照射される。マスク５８に照射されるコリメート光は、第２ビームホモジナイザ５７によって、光軸と直交する断面方向において光強度分布が均一化したケーラ照明となる。
ＣＷレーザ装置４１は、ライン状に配列された複数の半導体光源４１ａとコリメータレンズ４１ｂとを有しており、各々のコリメータレンズ４１ｂからは、互いにインコヒーレントなＣＷレーザ光を出射する。そのため、スペックルが低減されたＣＷレーザ光を出力することができる。
本例では、複数の半導体光源４１ａをライン状に配列しているが、複数の半導体光源４１ａを二次元に配列して、面光源を構成してもよい。
６．パルスレーザ装置の詳細
図２３は、上記各実施形態において用いることのできるパルスレーザ装置３の構成例を示す。パルスレーザ装置３は、上記各実施形態のレーザアニール装置のうち、組み合わせて使用されるレーザアニール装置に応じて、図４に示すアニール制御部３２Ａ、図１２に示すアニール制御部３２Ｂ、図１５に示すアニール制御部３２Ｃのいずれかと接続される。本例では、図４に示すアニール制御部３２Ａと接続された例で説明する。
パルスレーザ装置３は、例えば、マスターオシレータＭＯと、増幅器ＰＡと、アッテネータ６１と、パルスストレッチャー６２と、パルスエネルギ計測部６３と、シャッタ６４と、パルスレーザ制御部６６とを含んでいる。
マスターオシレータＭＯは、例えば、レーザチャンバ７１と、一対の電極７２ａ及び７２ｂと、充電器７３と、パルスパワーモジュール（ＰＰＭ）７４とを含んでいる。マスターオシレータＭＯは、さらに、高反射ミラー７６と、出力結合ミラー７７とを含んでいる。図２３においては、レーザ光の進行方向に略垂直な方向からみたレーザチャンバ７１の内部構成が示されている。
レーザチャンバ７１は、例えばレアガスとしてアルゴンまたはクリプトンまたはキセノン、バッファガスとしてネオンまたはヘリューム、ハロゲンガスとして、塩素またはフッ素等を含むレーザ媒質としてのレーザガスが封入されるチャンバである。一対の電極７２ａ及び７２ｂは、レーザ媒質を放電により励起するための電極として、レーザチャンバ７１内に配置されている。レーザチャンバ７１には開口が形成され、この開口を電気絶縁部７８が塞いでいる。電極７２ａは電気絶縁部７８に支持され、電極７２ｂはリターンプレート７１ｄに支持されている。このリターンプレート７１ｄは図示しない配線でレーザチャンバ７１の内面と接続されている。電気絶縁部７８には、導電部７８ａが埋め込まれている。導電部７８ａは、パルスパワーモジュール７４から供給される高電圧を電極７２ａに印加する。
充電器７３は、パルスパワーモジュール７４の中の図示しない充電コンデンサに所定の電圧で充電する直流電源装置であってもよい。パルスパワーモジュール７４は、例えば、パルスレーザ制御部６６によって制御されるスイッチ７４ａを含んでいる。スイッチ７４ａがＯＦＦからＯＮになると、パルスパワーモジュール７４は、充電器７３に保持されていた電気エネルギからパルス状の高電圧を生成し、この高電圧を一対の電極７２ａ及び７２ｂ間に印加する。
一対の電極７２ａ及び７２ｂ間に高電圧が印加されると、一対の電極７２ａ及び７２ｂ間が絶縁破壊され、放電が起こる。この放電のエネルギにより、レーザチャンバ７１内のレーザ媒質が励起されて高エネルギ準位に移行する。励起されたレーザ媒質が、その後低エネルギ準位に移行するとき、そのエネルギ準位差に応じた光を放出する。
レーザチャンバ７１の両端にはウインドウ７１ａ及び７１ｂが設けられている。レーザチャンバ７１内で発生した光は、ウインドウ７１ａ及び７１ｂを介してレーザチャンバ７１の外部に出射する。
高反射ミラー７６は、レーザチャンバ７１のウインドウ７１ａから出射された光を高い反射率で反射してレーザチャンバ７１に戻す。出力結合ミラー７７は、レーザチャンバ７１のウインドウ７１ｂから出力される光のうちの一部を透過させて出力し、他の一部を反射させてレーザチャンバ７１内に戻す。
従って、高反射ミラー７６と出力結合ミラー７７とで、光共振器が構成される。レーザチャンバ７１から出射した光は、高反射ミラー７６と出力結合ミラー７７との間で往復し、電極７２ａと電極７２ｂとの間のレーザゲイン空間を通過する度に増幅される。増幅された光の一部が、出力結合ミラー７７を介して、パルスレーザ光として出力され得る。
増幅器ＰＡは、マスターオシレータＭＯの出力結合ミラー７７から出力されたパルスレーザ光の光路に配置されている。増幅器ＰＡは、マスターオシレータＭＯと同様に、レーザチャンバ７１と、一対の電極７２ａ及び７２ｂと、充電器７３と、パルスパワーモジュール（ＰＰＭ）７４と、を含んでいる。これらの構成は、マスターオシレータに含まれているものと同様でよい。増幅器ＰＡは、高反射ミラー７６又は出力結合ミラー７７を含まなくてもよい。増幅器ＰＡのウインドウ７１ａに入射したパルスレーザ光は、電極７２ａと電極７２ｂとの間のレーザゲイン空間を１回通過して、ウインドウ７１ｂから出力される。
アッテネータ６１は、増幅器ＰＡから出力されるパルスレーザ光の光路に配置されており、例えば、２枚の部分反射ミラー６１ａ及び６１ｂと、これらの部分反射ミラーの回転ステージ６１ｃ及び６１ｄとを含んでいる。２枚の部分反射ミラー６１ａ及び６１ｂは、パルスレーザ光の入射角度によって、透過率が変化する光学素子である。部分反射ミラー６１ａ及び部分反射ミラー６１ｂは、パルスレーザ光の入射角度が互いに一致し、且つ所望の透過率となるように、回転ステージ６１ｃ及び回転ステージ６１ｄによって傾斜角度が調整されてもよい。これにより、パルスレーザ光は、所望のパルスエネルギに減光されてアッテネータ６１を通過する。ここで、アッテネータ６１は、パルスレーザ制御部６６の制御信号に基づいて透過率を制御してもよい。
パルスストレッチャー６２は、アッテネータ６１から出力されたパルスレーザ光の光路に配置されている。パルスストレッチャー６２は、例えば、ビームスプリッタ６２ｙと、第１〜第４の凹面ミラー６２ａ〜６２ｄとを含んでいる。
アッテネータ６１から出力されたパルスレーザ光は、ビームスプリッタ６２ｙの第１の面に図中右側から入射する。ここで、ビームスプリッタ６２ｙは、例えば、パルスレーザ光に対して高透過するＣａＦ2基板であって、第１の面にはパルスレーザ光が高透過する膜、第１の面と反対側の第２の面にはパルスレーザ光が部分反射する膜がコートされている。ビームスプリッタ６２ｙに図中右側から入射したパルスレーザ光の一部はビームスプリッタ６２ｙを透過し、他の一部はビームスプリッタ６２ｙの第２の面によって反射されて、第１の面から出射する。
第１〜第４の凹面ミラー６２ａ〜６２ｄは、ビームスプリッタ６２ｙによって反射されたパルスレーザ光を順次反射して、ビームスプリッタ６２ｙの第２の面に図中上側から入射させる。ビームスプリッタ６２ｙは、図中上側から入射したパルスレーザ光の少なくとも一部を反射する。これにより、ビームスプリッタ６２ｙに図中右側から入射して透過したパルスレーザ光と、図中上側から入射して反射されたパルスレーザ光が重ね合わされる。なお、第１〜第４の凹面ミラー６２ａ〜６２ｄは焦点距離が略同一であって、第１〜第４の凹面ミラー６２ａ〜６２ｄによって、ビームスプリッタ６２ｙにおけるビームの像を１：１で結像するように配置されている。
ビームスプリッタ６２ｙに図中右側から入射して透過したパルスレーザ光と、図中上側から入射して反射されたパルスレーザ光との間には、第１〜第４の凹面ミラー６２ａ〜６２ｄによって形成される迂回光路の光路長に応じた時間差が生じる。これにより、パルスストレッチャー６２は、パルスレーザ光のパルス幅を伸張する。
パルスエネルギ計測部６３は、パルスストレッチャー６２を通過したパルスレーザ光の光路に配置されている。パルスエネルギ計測部６３は、例えば、ビームスプリッタ６３ａと、集光光学系６３ｂと、光センサ６３ｃとを含んでいる。
ビームスプリッタ６３ａは、パルスストレッチャー６２を通過したパルスレーザ光を高い透過率でシャッタ６４に向けて透過させるとともに、パルスレーザ光の一部を集光光学系６３ｂに向けて反射する。集光光学系６３ｂは、ビームスプリッタ６３ａによって反射された光を光センサ６３ｃの受光面に集光する。光センサ６３ｃは、受光面に集光されたパルスレーザ光のパルスエネルギを検出し、検出されたパルスエネルギのデータをパルスレーザ制御部６６に出力する。
パルスレーザ制御部６６は、アニール制御部３２Ａとの間で各種信号を送受信する。例えば、パルスレーザ制御部６６は、アニール制御部３２Ａから、発光トリガ信号、目標パルスエネルギＥｔのデータ等を受信する。また、パルスレーザ制御部６６は、充電器７３に対して充電電圧の設定信号を送信したり、パルスパワーモジュール７４に対してスイッチＯＮ又はＯＦＦの指令信号を送信したりする。
パルスレーザ制御部６６は、パルスエネルギ計測部６３からパルスエネルギのデータを受信してもよく、このパルスエネルギのデータを参照して充電器７３の充電電圧を制御してもよい。充電器７３の充電電圧を制御することにより、パルスレーザ光のパルスエネルギが制御されてもよい。さらに、パルスレーザ制御部６６は、発光トリガ信号に対して所定の一定の時間で放電させるように、設定された充電電圧値に応じて、発光トリガ信号のタイミングを補正してもよい。
シャッタ６４は、パルスエネルギ計測部６３のビームスプリッタ６３ａを透過したパルスレーザ光の光路に配置されてもよい。パルスレーザ制御部６６は、レーザ発振の開始後、パルスエネルギ計測部６３から受信するパルスエネルギと目標パルスエネルギＥｔとの差が許容範囲内となるまでの間は、シャッタ６４を閉じるように制御してもよい。パルスレーザ制御部６６は、パルスエネルギ計測部６３から受信するパルスエネルギと目標パルスエネルギＥｔとの差が許容範囲内となったら、シャッタ６４を開くように制御してもよい。パルスレーザ制御部６６は、シャッタ６４の開閉信号と同期して、パルスレーザ光の発光トリガ信号の受け付けが可能となったことを表す信号を、アニール制御部３２Ａに送信してもよい。
なお、図２３にはパルスレーザ装置３が増幅器ＰＡ、アッテネータ６１、及びパルスストレッチャー６２を含む場合を示したが、これに限らず、増幅器ＰＡ、アッテネータ６１、及びパルスストレッチャー６２の少なくとも１つがなくてもよい。また、上述の通り、パルスレーザ装置３は、エキシマパルスレーザ装置に限られず、固体パルスレーザ装置であってもよい。
７．フライアイレンズ
図２４は、第３実施形態に使用されるフライアイレンズ５６ａの例を示す。フライアイレンズ５６ａは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の二次元平面内に配列された複数の小レンズを有している。フライアイレンズ５６ａにおいて、紫外領域の光を高い透過率で透過させる基板の第１の面に、凹面で形成される複数のシリンドリカル面５６１がＹ方向に配列されている。当該基板の第１の面と反対側の第２の面に、凹面で形成される複数のシリンドリカル面５６２がＸ方向に配列されている。シリンドリカル面５６１の前側焦点面の位置と、シリンドリカル面５６２の前側焦点面の位置とは略一致する。対向する１対のシリンドリカル面５６１及び５６２は、１つの小レンズを構成する。フライアイレンズ５６ａの材料は、例えば、合成石英やＣａＦ2結晶である。
フライアイレンズ５６ａの各小レンズは、例えば、Ｘ軸方向に長い長方形状であり、各小レンズのそれぞれが矩形状のビームを出射する。フライアイレンズ５６ａは、図１５に示すように、コンデンサ光学系５６ｂと組み合わせて使用する場合には、コンデンサ光学系５６ｂに対して、複数の矩形ビームが二次元平面内で複数配列された面光源として機能する。フライアイレンズ５６ａの各小レンズが出射するビームは、コンデンサ光学系５６ｂに入射すると、各小レンズのビームと相似形でサイズが大きな矩形状のビームに変換される。
フライアイレンズ５６ａの矩形ビームの形状を、Ｘ軸方向に長い長方形状として説明したが、正方形でもよいし、Ｙ軸方向に長い長方形状でもよい。さらに、よりラインに近い形状の帯状としてもよい。矩形ビームの形状は、被照射物３１に照射するパルスレーザ光の照射領域の形状等に応じて適宜決定される。矩形ビームの形状は、フライアイレンズ５６ａの形状を変更することにより変更することができる。
なお、本例のフライアイレンズ５６ａは、１枚の基板の第１の面及び第２の面にシリンドリカル面を形成しているが、１面にシリンドリカル面が形成された２枚の基板を組み合わせたフライアイレンズを使用してもよい。また、シリンドリカル面は、凹面でなくてもよく、凸面でもよい。また、シリンドリカル面と同じ機能を果たすフレネルレンズを基板に形成してもよい。
図２４において、パルスレーザ光に用いられるフライアイレンズ５６ａを説明したが、図１５及び図２２に示す、ＣＷレーザ光に用いられるフライアイレンズ５７ａも、フライアイレンズ５６ａと同様である。
上記の説明は、制限ではなく単なる例示を意図したものである。従って、添付の特許請求の範囲を逸脱することなく本開示の各実施形態に変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。
本明細書及び添付の特許請求の範囲全体で使用される用語は、「限定的でない」用語と解釈されるべきである。例えば、「含む」又は「含まれる」という用語は、「含まれるものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。「有する」という用語は、「有するものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。また、本明細書及び添付の特許請求の範囲に記載される修飾句「１つの」は、「少なくとも１つ」又は「１又はそれ以上」を意味すると解釈されるべきである。

Claims (20)

  1. 基板上にアモルファスシリコンが形成された被照射物に対して、パルス発振によるパルスレーザ光を照射してアニールするレーザアニール装置において、
    連続発振によるレーザ光であって、前記アモルファスシリコンを予熱するＣＷレーザ光を出力するＣＷレーザ装置と、
    前記ＣＷレーザ光を高い反射率で前記アモルファスシリコンに導光し、それ以外の可視光を高い透過率で透過する第１の高反射ミラーと、
    予熱された前記アモルファスシリコンに対して前記パルスレーザ光を出力するパルスレーザ装置と、
    前記パルスレーザ光を高い反射率で前記アモルファスシリコンに導光するとともに可視光を高い透過率で透過し、前記ＣＷレーザ光の照射光路と前記パルスレーザ光の照射光路とを結合する第２の高反射ミラーと、
    前記アモルファスシリコンが融点未満の所定の目標温度に予熱されるように前記ＣＷレーザ光の照射エネルギ密度を制御した後に、予熱された前記アモルファスシリコンが結晶化するように前記パルスレーザ光のフルーエンスとパルス数の少なくとも一方を制御する制御部とを、備えているレーザアニール装置。
  2. 前記制御部は、前記ＣＷレーザ光の光強度密度と照射時間の少なくとも一方を制御することにより、前記照射エネルギ密度を制御する請求項１に記載のレーザアニール装置。
  3. 前記ＣＷレーザ光の中心波長は、５００ｎｍ以下である請求項１に記載のレーザアニール装置。
  4. 前記ＣＷレーザ光の中心波長は、４２０ｎｍ以下である請求項３に記載のレーザアニール装置。
  5. 前記アモルファスシリコン上における前記ＣＷレーザ光の照射エネルギ密度は、３１８Ｊ／ｃｍ２〜６３４０Ｊ／ｃｍ２の範囲である請求項１に記載のレーザアニール装置。
  6. 前記ＣＷレーザ光の照射時間は、１ｓ〜１０ｓの範囲である請求項５に記載のレーザアニール装置。
  7. 前記ＣＷレーザ光の光強度密度は、３１８Ｗ／ｃｍ２〜６３４Ｗ／ｃｍ２の範囲である請求項６に記載のレーザアニール装置。
  8. 前記パルスレーザ光の中心波長は、３６５ｎｍ以下である請求項１に記載のレーザアニール装置。
  9. 前記目標温度は、１３００℃≦Ｔｔ＜１４１４℃の範囲である請求項１に記載のレーザアニール装置。
  10. 前記パルスレーザ光が照射されている間、前記ＣＷレーザ光の照射が継続する請求項１に記載のレーザアニール装置。
  11. 前記ＣＷレーザ光及び前記パルスレーザ光の照射位置に対して、前記被照射物を等速移動させるステージを有しており、
    前記ＣＷレーザ光及び前記パルスレーザ光は、前記等速移動により前記照射位置を通過する前記被照射物に対して照射され、
    前記照射位置を通過する前記被照射物に対して、前記パルスレーザ光が照射される前に前記ＣＷレーザ光が照射されるように、前記ＣＷレーザ光の照射領域は、前記パルスレーザ光の照射領域に対して先行する先行領域を有している請求項１に記載のレーザアニール装置。
  12. 前記パルスレーザ光の照射領域は、前記ＣＷレーザ光の照射領域に対して、前記被照射物の移動方向において全部又は一部が重なる請求項１１に記載のレーザアニール装置。
  13. 前記第１の高反射ミラー及び前記第２の高反射ミラーは、それぞれ前記ＣＷレーザ光及び前記パルスレーザ光の光軸と直交する断面形状を、前記被照射物の移動方向と直交する幅方向に延びるライン形状となるように整形する請求項１２に記載のレーザアニール装置。
  14. 前記ＣＷレーザ装置は、前記ＣＷレーザ光を出力する光源が複数配列された光源ユニットを備えている請求項１に記載のレーザアニール装置。
  15. 前記アモルファスシリコンの温度を計測し前記制御部に計測結果を出力する温度計を備えている請求項１に記載のレーザアニール装置。
  16. 前記ＣＷレーザ装置は、半導体レーザ装置である請求項１に記載のレーザアニール装置。
  17. 前記ＣＷレーザ装置と前記第１の高反射ミラーの間の前記ＣＷレーザ光の光路上に配置され、前記ＣＷレーザ光の照射と非照射を切替えるシャッタを備えている請求項１に記載のレーザアニール装置。
  18. 基板上にアモルファスシリコンが形成された被照射物に対して、パルス発振によるパルスレーザ光を照射してアニールするレーザアニール装置において、
    連続発振によるレーザ光であって、前記アモルファスシリコンを予熱するＣＷレーザ光を出力するＣＷレーザ装置と、
    前記ＣＷレーザ光を高い反射率で前記アモルファスシリコンに導光し、それ以外の可視光を高い透過率で透過する第１の高反射ミラーと、
    予熱された前記アモルファスシリコンに対して前記パルスレーザ光を出力するパルスレーザ装置と、
    前記パルスレーザ光を高い反射率で前記アモルファスシリコンに導光するとともに可視光を高い透過率で透過し、前記ＣＷレーザ光の照射光路と前記パルスレーザ光の照射光路とを結合する第２の高反射ミラーと、
    前記アモルファスシリコンの温度を計測し計測結果を出力する温度計と、
    前記アモルファスシリコンが融点未満の所定の目標温度に予熱されるように前記温度計の計測結果に基づいて前記パルスレーザ光の照射エネルギ密度を制御した後に、予熱された前記アモルファスシリコンが結晶化するように前記パルスレーザ光のフルーエンスとパルス数の少なくとも一方を制御する制御部とを、備えているレーザアニール装置。
  19. 前記温度計は、放射温度計である請求項１５又は１８に記載のレーザアニール装置。
  20. 基板上にアモルファスシリコンが形成された被照射物に対して、パルス発振によるパルスレーザ光を照射してアニールするレーザアニール装置において、
    連続発振によるレーザ光であって、前記アモルファスシリコンを予熱するＣＷレーザ光を出力するＣＷレーザ装置と、
    前記ＣＷレーザ光を高い反射率で前記アモルファスシリコンに導光し、それ以外の可視光を高い透過率で透過する第１の高反射ミラーと、
    予熱された前記アモルファスシリコンに対して前記パルスレーザ光を出力するパルスレーザ装置と、
    前記パルスレーザ光を高い反射率で前記アモルファスシリコンに導光するとともに可視光を高い透過率で透過し、前記ＣＷレーザ光の照射光路と前記パルスレーザ光の照射光路とを結合する第２の高反射ミラーと、
    前記アモルファスシリコンが融点未満の所定の目標温度に予熱されるように前記ＣＷレーザ光の照射エネルギ密度を制御した後に、前記ＣＷレーザ光の照射を停止して、予熱された前記アモルファスシリコンが結晶化するように前記パルスレーザ光のフルーエンスとパルス数の少なくとも一方を制御する制御部とを、備えているレーザアニール装置。
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