JPH0697102A

JPH0697102A - レーザアニールの方法及び色素レーザ装置

Info

Publication number: JPH0697102A
Application number: JP24298992A
Authority: JP
Inventors: Kiwamu Takehisa; 究武久; Koji Kuwabara; 皓二桑原; Makoto Yano; 眞矢野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-09-11
Filing date: 1992-09-11
Publication date: 1994-04-08

Abstract

(57)【要約】【構成】レーザアニールに用いられるキセノンフラッシ
ュランプ５ａ，５ｂを励起光源とする色素レーザ装置２
では、クーマリン系の色素溶液が用いられている。発振
するレーザ光９の出力はおよそ１００Ｊであり、パルス
幅は約５マイクロ秒である。レーザ光９はＳｉ基板１２
ｃに照射され、斜線で示され部分がアニールされる。【効果】レーザ光１パルスで、Ｓｉ基板全面をアニール
することができるため、アニール処理に要する時間が従
来に比べて桁違いに短縮され、単位時間当りのアニール
処理できるＳｉ基板の枚数が大幅に増加した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザアニールの方法、
及び色素レーザ装置に係り、特に、シリコンから成る膜
（以下Ｓｉ基板と示す。）にトランジスタ（一般にＴＦ
Ｔと呼ばれる。）を形成する場合に行うＳｉ基板のレー
ザアニールの方法、及びこの方法に用いる色素レーザ装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、アモルファスシリコン膜を再結
晶化させる一つの手段としてレーザアニールがある。こ
れによると、チャネル層となるＳｉ膜を非晶質状態でガ
ラス基板上に堆積した後、レーザ光を照射してこのＳｉ
膜を多結晶に改質することで、電子の移動度を高くする
ことができる。

【０００３】従来、この種のレーザアニールには、エキ
シマレーザ(例えば波長０.２４８μあるいは波長０.３
０８μ などがある。）やアルゴンイオンレーザ（おも
な発振波長は０.５１４μ である。）などの様に、レー
ザ光がシリコンに強く吸収される波長約０.５μ 以下に
おいて平均出力数Ｗ以上が得られる高出力レーザが用い
られてきた。

【０００４】エキシマレーザでアニールする場合、通
常、およそ０.２Ｊ／cm²の強度でレーザ光を照射する必
要がある。これに対して、一般に市販されている放電励
起のエキシマレーザでは、通常数Ｊ程度までのレーザ出
力が得られるため、パルス光１発の照射で、最大数cm角
の部分をアニールできる。そのため、数十cm四方の大き
さであるＳｉ基板の全面をアニールするためには、パル
スごとに照射位置を変えて、複数発レーザ光を照射する
必要があった。

【０００５】また、Ａｒレーザを用いる場合は、以下で
説明する二つの理由から、照射させるレーザ光の強度を
高くするために、レーザ光をレンズにより小さく集光さ
せる必要がある。つまり、Ａｒレーザから取り出される
レーザ光は、数Ｗ程度の連続出力（以下ＣＷと示す。）
であるため、数ＭＷ以上のピークパワーを有するエキシ
マレーザに比べてパワーが数桁も小さい。そこで、レー
ザ光を直径数十μ以下程度の小さなスポットに集光させ
てレーザ光強度を高め、レーザ光を照射させながら、レ
ーザ光あるいはＳｉ基板を動かすことで、Ｓｉ基板全面
が照射される様にしていた。

【０００６】尚、この種に関しては、１９９１年１０月
９日〜１２日に岡山大学で行なわれた「１９９１年秋季
第５２回応用物理学会学術講演会」の講演予稿集Ｎo.２
Ｐ８００、１１ａ−ＲＧ−７、及びＰ８０１、１１ａ
−ＲＧ−８に記載されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】基板上にパルス状のレ
ーザ光を複数発照射させる場合、レーザ光が全く照射さ
れない部分が生じない様にするために、パルス毎のレー
ザ光の照射領域が僅かに重なり合う様にする。その結
果、レーザ光が２度照射される部分が生じ、この部分で
はアニール処理後に電気的特性がばらつくことがあっ
た。

【０００８】これに対して、大きさが数十cm四方のＳｉ
基板の全面を１パルスのレーザ光でアニールさせるなら
ば、１００Ｊ程度のレーザ出力が要求される。ところ
が、この程度のレーザ出力を、一般に市販されている放
電励起のエキシマレーザから取り出すことは以下の理由
から困難である。つまり、放電励起のエキシマレーザで
は、レーザ出力を増すために、単に放電体積を増加させ
るだけでは、放電の不安定性や不均一性が生じるからで
ある。また、エキシマレーザでも電子ビームで励起させ
る方式のものでは、１００Ｊ以上のレーザ出力を取り出
すことができるが、装置が大型化し、しかも高価になる
などの問題点があった。

【０００９】また、Ａｒレーザを用いる方法では、以下
に説明する問題があった。

【００１０】直径数十μ程度に小さいスポット径で照射
させるため、１回のスキャンでは、数十μ程度に細い帯
状にアニールされるため、基板全面をアニールするに
は、数千回もスキャンする必要があり、スループットの
点が問題となっていた。

【００１１】また、エキシマレーザを用いる場合、通
常、取り出されるレーザ光のパルス幅は数十ノナ秒であ
り、この程度の短パルスでは、レーザ光の照射により、
Ｓｉ基板の表面が急激に温度上昇し、Ｓｉの蒸発などの
アブレーションが起こり、良質なアニールができないこ
とがあった。しかも、レーザ光が不均一な強度分布にな
ることがあり、その結果、良質なアニールが施されなく
なるめ、従来、レーザ光の強度分布を均一化するビーム
ホモジナイザなどが利用されていた。

【００１２】次に、従来の色素レーザにおける問題点の
一つを説明する。色素レーザでは、発振して取り出され
るレーザ光の強度分布は、色素セルの大きさや色素溶液
の濃度（以下色素濃度と示す。）などに左右されるが、
以下の理由から、均一な強度分布のレーザ光を効率良く
取り出すのが困難なこともあった。色素濃度が高すぎる
と、色素セル内部の中心部まで励起光が十分浸透できな
いため、この中心部ではレーザの利得が低くなる。その
結果、取り出されるレーザ光の強度分布において、中心
部が弱くなることがある。これに対して、色素濃度が低
すぎると、色素セル内部の中心部まで励起光が浸透でき
ても、色素セルを突き抜けて透過してしまう励起光の割
合が高くなっていき、その結果、レーザ動作に利用され
ない励起光が増して、レーザの効率が低下していくこと
があった。

【００１３】本発明の目的は以上に説明した問題を解決
することにあり、エキシマレーザを用いずに、数十cm四
方の大きさのＳｉ基板の全面に対して、レーザ光を１パ
ルス照射するだけで良質なアニールができる方法を提供
し、さらに均一な強度分布を有するレーザ光を効率良く
発生できる色素レーザを提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成させるた
めに、フラッシュランプ励起の色素レーザ装置を用い
て、アニールするものである。

【００１５】また、波長０.５μ 以下のレーザ光を取り
出すために、クーマリン系の色素を含んだ色素溶液をレ
ーザ媒質として、励起光源にはキセノンフラッシュラン
プを用いたものである。

【００１６】また、クーマリン系の色素をさらに効率良
く励起するために、波長０.５μ 以下のある波長帯にお
いて高い透過率を有し、かつ波長０.５μ 以上のある波
長帯において高い反射率を有するコーティングが施され
たチューブの中に、キセノンフラッシュランプを挿入し
たものである。

【００１７】また、均一な強度分布を有するレーザ光を
効率良く発生させるために、色素セルが互いに平行な２
枚の平面ガラスを含み、平面ガラスの外側面でレーザ光
がジグザグに全反射を繰り返して進ませたものである。

【００１８】

【作用】フラッシュランプ励起の色素レーザ装置では、
色素溶液の体積に比例させて、フラッシュランプの本数
を増やしたり、フラッシュランプに長いものを用いるだ
けで、色素溶液全体を励起できるため、レーザ出力を容
易に増加させることができる。

【００１９】また、色素レーザ装置では、色素の種類に
よって発振波長をコントロールすることができるため、
クーマリン系の色素を用いることで、波長０.５μ 以下
のレーザ光を効率良く取り出すことができる。

【００２０】また、キセノンフラッシュランプの発光ス
ペクトルには、波長０.２μから0.5μの紫外光を含むた
め、波長０.５μ 以下に吸収帯を有するクーマリン系の
色素を励起することができる。

【００２１】また、キセノンフラッシュランプから放射
される光は、チューブのコーティング面に入射するた
め、波長０.５μ 以下の光は色素溶液に達するが、それ
以上の波長の励起光はチューブで反射して、再びキセノ
ンフラッシュランプ内に戻され、フラッシュランプ内の
プラズマの加熱に寄与する。その結果、放射される全光
量が増加するため、波長０.５μ 以下の光の量も増し
て、クーマリン系の色素をより強く励起できる。

【００２２】また、一般に色素レーザでは、励起光が照
射されている間、レーザ動作できる場合が多く、レーザ
光のパルス幅は、励起光のパルス幅に比例する。これに
対して、通常キセノンフラッシュランプでは数マイクロ
秒以上の間発光するため、取り出されるレーザ光に対し
ても数マイクロ秒以上のパルス幅を持たせることができ
る。それにより、アブレーションを抑制できる。

【００２３】また、色素レーザにおいて、レーザ光が色
素セル内部で、ジグザグに全反射を繰り返しながら進ま
せることができるので、レーザ光の特性は、固体レーザ
の一種であるスラブレーザが有する特性と同様に、均一
な強度分布になる。つまり、色素溶液は、励起される際
に、色素セル内の色素溶液において励起光が入射される
壁面の近くが強く、中心部が弱い不均一な励起分布とな
る。ところがレーザ光は励起強度の強い部分と弱い部分
を交互に進むため、不均一な増幅特性が平均化され、取
り出されるレーザ光は、均一な光強度分布をもつ様にな
る。

【００２４】さらに、色素レーザ装置では、色素溶液を
冷却させながら循環させることができるため、色素溶液
中を通過するレーザ光が熱レンズ効果の影響を受なくな
り、スラブレーザとは異なり、ジグザグに全反射を繰り
返す方向と直交する方向にも、均一な強度分布になる。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。

【００２６】図１は、本発明の一実施例としてレーザア
ニールの一つの方法を示した斜視図である。

【００２７】この方法でレーザアニールの光源として用
いられている色素レーザ装置２は、本発明に基づくもの
であり、クーマリン系の色素がメタノールに溶解した色
素溶液が用いられている。色素溶液は、注入管４ａから
入り、色素セル３内を流れて、排出管４ｂから出る。励
起光源は多数のキセノンフラッシュランプ５ａ，５ｂが
用いられている。また、各キセノンフラッシュランプ５
ａ，５ｂは、外周面にコーティングが施されたチューブ
６ａ，６ｂの中に挿入されている。このコーティングの
特性は、０.２から０.４μの波長帯の垂直入射光に対し
て９５％以上の透過率を有し、かつ０.６μから０.９μ
の波長帯の垂直入射光に対して９０％以上の反射率を有
する特性となっている。これにより、キセノンフラッシ
ュランプ５ａ，５ｂから発光する励起光の内、０.２μ
から０.４μの波長帯の光のほとんどは、チューブ６
ａ，６ｂを透過して、色素セル３内の色素溶液に吸収さ
る。クーマリン系の色素は紫外光を吸収して励起される
と、波長０.４μ 前後でレーザ発振させることができ
る。また、キセノンフラッシュランプ５ａ，５ｂから発
光する励起光の内、０.６μから０.９μの波長帯の光の
ほとんどは、コーティングが施されたチューブ６ａ，６
ｂのコーティング面で反射するため、再びキセノンフラ
ッシュランプ５ａ，５ｂ中に戻され、内部のプラズマに
吸収される。その結果、プラズマの温度が上昇し、発光
スペクトルが短波長化するため、０.２ μから０.４μ
の波長帯の光の量が増す。それにより、色素溶液が一層
強く励起される。

【００２８】尚、キセノンフラッシュランプ５ａ，５ｂ
のランプ管とチューブ６ａ，６ｂは石英ガラスから成る
ため、それにより０.２μから０.４μの波長帯の光はほ
とんど吸収されない。

【００２９】レーザの共振器は凹面状をした全反射鏡７
と出力鏡８とで構成されており、キセノンフラッシュラ
ンプ５ａ，５ｂを発光させてレーザ動作させると、レー
ザ光９が取り出される。ここではレーザ光９の出力はお
よそ１００Ｊであり、パルス幅はキセノンフラッシュラ
ンプ５ａ，５ｂの発光時間に比例し、ここでは約５マイ
クロ秒である。

【００３０】レーザ光９はミラー１０で下方に向けら
れ、レンズ１１を通って拡げられ、Ｓｉ基板１２ｃの斜
線で示され部分に照射され、この部分がアニールされ
る。また、レーザ光９は長方形断面を有しているため、
断面形状を補正することなく、長方形状をしたＳｉ基板
１２ｃのほぼ全面に対応でき、レーザ光９の全てがアニ
ールに利用される。尚、Ｓｉ基板１２ａ，１２ｂ，１２
ｃはベルトコンベア１３に載せられており、常に移動し
ている。

【００３１】各Ｓｉ基板はレーザ光１パルスでアニール
されるが、レーザ光のパルス幅の間にＳｉ基板が移動す
る距離は０.０１mm 程度であるため、レーザ光を照射さ
せる度に、ベルトコンベア１３を停止させる必要が無
い。それにより、ベルトコンベア１３のスピードと色素
レーザ装置２の繰返し数を増やすことで、単位時間にア
ニール処理されるＳｉ基板の枚数をいくらでも増すこと
ができる。

【００３２】本実施例では、Ｓｉ基板の寸法は、縦２５
cm，横４０cmであるため、アニールに必要なレーザ出力
は約１００Ｊに達する。この程度の出力を、一般的な市
販の放電励起エキシマレーザから取り出すことは極めて
困難である。しかし、本方法では、フラッシュランプ励
起の色素レーザを用いているため、色素溶液が満される
色素セル３に大容積のものを用いて、かつ、内部の色素
溶液の全体が励起される様にしたことで、１００Ｊを越
すレーザ出力を取り出すことができる。それには、図１
に示された様に、色素セル３には図で左右方向に長いも
のを用いており、それに対応させてキセノンフラッシュ
ランプ５ａ，５ｂもそれぞれ５本ずつ用いている。ま
た、レーザ出力をさらに増加させるには、キセノンフラ
ッシュランプ５ａ，５ｂの本数を増したり、あるいは、
色素セル３をレーザ光９と直交する方向に長くして、そ
れに対応する様な長いキセノンフラッシュランプ５ａ，
５ｂを用いれば良い。

【００３３】次に、図２を用いて本発明の色素レーザ装
置一実施例を説明する。

【００３４】図２は図１に示された色素レーザ装置２の
断面図である。

【００３５】共振器内のレーザ光９′は、図２に示され
ている様に、色素セル３を構成する石英ガラス製のブリ
ュースタ窓３ａ，３ｂを通過して、色素セル３の内部に
進み、色素セル３を構成する互いに平行な２枚の平面状
の石英ガラス３ｃ，３ｄの外側面で、ジグザグに全反射
を繰り返しながら進ませることができる。これは、石英
ガラス３ｃ，３ｄの屈折率よりも、色素セル３の周囲の
空気の屈折率が低いために、これらの境界で全反射させ
ることができるからである。色素溶液４は、キセノンフ
ラッシュランプ５ａ，５ｂで励起される際に、色素セル
３の上下の壁面近くが強く励起され、中間部が弱くな
り、Ｘ方向に不均一な励起分布となる。ところがＸ方向
にジグザグにレーザ光が進むことで、レーザ光は励起強
度の強い部分と弱い部分とを交互に進むため、進む経路
に依らずに増幅特性はほぼ平均化され、取り出されるレ
ーザ光９はＸ方向に関して均一な光強度分布を有する様
になる。

【００３６】また、図２でＸ方向とＺ方向の両方に直交
するＹ方向（図示せず）に関しても、以下で説明するこ
とから均一な強度分布になる。

【００３７】色素レーザ装置２では、色素溶液４が常に
流れているため、キセノンフラッシュランプ５ａ，５ｂ
からの励起光が色素溶液に照射されても、色素溶液自体
の温度上昇を数度以内に抑制することができる。それに
は、色素溶液４を色素セル３の外部で冷却させることが
できるからである。その結果、色素溶液中を通過するレ
ーザ光が熱レンズ効果の影響を受なくなり、以下に説明
する様に、一般的なスラブレーザに生じる問題は起こら
ない。

【００３８】スラブレーザでは、スラブ状の固体レーザ
媒質が励起光の照射により加熱されるため、一般に、ス
ラブの側面に冷却水が接触する様に冷却する。しかし、
スラブ内部の温度は、冷却水が接触している側面付近で
低く、スラブ内部の中心に近づくにつれて高くなり、不
均一な温度分布が生じ易い。それにより、熱レンズ効果
が生じて、レーザ光がスラブ内部でジグザグに進む方向
と直交する方向に関しては、レーザ光の強度分布が不均
一になってしまうことがあった。

【００３９】これに対して、色素レーザ装置２では、上
述した様に、Ｘ方向にもＹ方向にも均一な強度分布にな
る。

【００４０】

【発明の効果】本発明のアニール方法によると、レーザ
光１パルスでＳｉ基板全面をアニールすることができる
ため、アニール処理に要する時間が従来に比べて短縮さ
れ、単位時間当りのアニール処理できるＳｉ基板の枚数
が増加した。

【００４１】また、エキシマレーザに比べて１から２桁
程度長いパルス幅のレーザ光が取り出せるため、Ｓｉの
膜をアブレーションさせずに良質なアニールができる様
になった。

【００４２】また、本発明の色素レーザ装置では、全面
が均一な強度分布で長方形断面のレーザ光を発生できる
様になった。それにより、ビームホモジナイザなどを用
いなくても、良質なアニールができ、しかも、ビームの
断面形状を整形する装置などに通さずとも、取り出され
るレーザ光の全てを過不足無くアニールに利用すること
ができる様になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザアニールの方法を示した斜視
図。

【図２】本発明の色素レーザ装置の断面図。

【符号の説明】

２…色素レーザ装置、３…色素セル、４ａ…注入管、４
ｂ…排出管、４ａ′，４ｂ′…色素溶液の流れを示す矢
印、５ａ，５ｂ…キセノンフラッシュランプ、６ａ，６
ｂ…コーティングが施されたチューブ、７…全反射鏡、
８…出力鏡、９…レーザ光、１０…ミラー、１１…レン
ズ、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ…Ｓｉ基板、１３…ベルト
コンベア。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】フラッシュランプ励起の色素レーザを用い
て、シリコンから成る膜をアニールすることを特徴とす
るレーザアニールの方法。
【請求項２】請求項１において、クーマリン系の色素を
含んだ色素溶液をレーザ媒質とし、キセノンフラッシュ
ランプを励起光源とするレーザアニールの方法。
【請求項３】請求項１において、波長０.５μ 以下の波
長帯において高い透過率、かつ波長０.５μ 以上の波長
帯において高い反射率を有するコーティングが施された
チューブの中に前記キセノンフラッシュランプが挿入さ
れるレーザアニールの方法。
【請求項４】色素セルが互いに平行な２枚の平面ガラス
を含み、前記平面ガラスの外側面でレーザ光がジグザグ
に全反射を繰り返して進むことを特徴とする色素レーザ
装置。
【請求項５】請求項４の前記色素レーザ装置を用いる請
求項１のレーザアニールの方法。