JPH09260302A

JPH09260302A - レーザ照射装置

Info

Publication number: JPH09260302A
Application number: JP6339096A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Ando; 和徳安藤; Kiwa Kin; 祺和金; Toshikimi Takeuchi; 俊公竹内; Yoshihiro Yamashita; 義弘山下; Masao Shinno; 雅夫新野
Original assignee: Seiko Instruments Inc; Kowa Co Ltd
Current assignee: Seiko Instruments Inc; Kowa Co Ltd
Priority date: 1996-03-19
Filing date: 1996-03-19
Publication date: 1997-10-03

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】レーザビームの断面形状を調整して照射処理
の均一化を図る。【解決手段】ステージ７に処理対象となる基板６が搭
載され、ステージ７を一次元方向に移走し、レーザビー
ム１を幅方向に沿って部分的に重ねながら走査して基板
６に照射し所望の処理を行なう。この際、レーザビーム
１の幅方向に沿った断面エネルギー強度の分布（プロフ
ァイルＰＷ）を調整し、走査方向に関し先端側部分で断
面エネルギー強度が最大値の１３．５％から９０％レベ
ルに上昇するまで０．０４mm以上の傾斜幅ＷＦを設け中
央部分Ｈの断面エネルギー強度の分布が凸又は平に調整
され後端側部分で断面エネルギー強度が最大値の９０％
レベルから１３．５％レベルに下降するまで０．０４mm
以下の傾斜幅ＷＲを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザビームを照射
して表面処理を行なうレーザ照射装置に関する。例え
ば、ガラス基板に成膜された半導体薄膜にレーザビーム
を照射してその結晶化を行なうレーザ照射装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体薄膜の結晶化等に利用されるレー
ザ照射装置は、レーザビームを間欠的に放射するレーザ
光源と、このレーザビームを所定の幅のライン状あるい
は矩形状に整形するホモジェナイザと、このレーザビー
ムを幅方向に沿って部分的に重ねながら走査して基板に
照射し結晶化処理を行なうステージとを備えている。こ
の種の装置はレーザアニーリング装置と呼ばれており、
例えば非晶質シリコン膜にライン状あるいは矩形状に整
形されたエキシマレーザビームを照射する事でガラス基
板に損傷を与える事なく非晶質シリコン膜を多結晶シリ
コン膜に再結晶化させる事ができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この様なレーザアニー
リングでは基板全面に渡って半導体薄膜を均一に結晶化
する事が重要である。従来、レーザビームをライン状あ
るいは矩形状に整形して部分的に重ねながら走査し基板
に照射する事で結晶の均一化を図っている。この場合ラ
イン状あるいは矩形状レーザビームの幅方向に沿った断
面エネルギー強度の分布が結晶の均一性に大きな影響を
与える。特に、走査方向に関し先端側となる部分での断
面エネルギー強度が重要である。従来、この部分の断面
エネルギー強度変化を可能な限り急峻にする事で結晶性
の均一化を図っていた。しかしながら、実際にはレーザ
ビームの走査方向とは直交する方向に帯状の結晶ムラが
発生する場合が多く、レーザアニーリングの実用化に向
けて大きな障害になっていた。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題を解決する為以下の手段を講じた。即ち、本発明にか
かるレーザ照射装置は基本的な構成としてレーザビーム
を間欠的に放射するレーザ光源と、該レーザビームを所
定の幅のライン状あるいは矩形状に整形する整形手段
と、該レーザビームを幅方向に沿って部分的に重ねなが
ら走査して基板に照射し所望の処理を行なう走査手段と
を備えている。特徴事項として、該レーザビームの幅方
向に沿った断面エネルギー強度の分布を調整し、走査方
向に関し先端側となる部分で断面エネルギー強度が最大
値の１３．５％レベルから９０％レベルに上昇するまで
０．０４mm以上の傾斜幅を設ける。好ましくは、先端側
に続く中央部分の断面エネルギー強度の分布が凸又は平
に調整されている。又好ましくは、走査方向に関し後端
側となる部分で断面エネルギー強度が最大値の９０％レ
ベルから１３．５％レベルに下降するまで０．０４mm以
下の傾斜幅を設けている。

【０００５】レーザビームを照射して半導体薄膜の結晶
化等の処理を行なう場合、均一性を確保する為ライン状
あるいは矩形状に整形されたレーザビームを部分的に重
ねながら走査して基板に照射する。この場合、走査方向
に関し先端側となるレーザビームの部分が最初に半導体
薄膜に照射され結晶化が始まる。その後、ライン状ある
いは矩形状のビームを走査しながら繰り返し照射する事
で結晶化が進行し、最終的に均一なものになる。この
際、レーザビームの先端部分による最初の結晶化が重要
であり、その後の結晶化の進行具合に大きく影響する。
そこで、本発明では先端部分の断面エネルギー強度が最
大値の１３．５％レベルから９０％レベルに上昇するま
で０．０４mm以上の傾斜幅を設け、比較的なだらかなプ
ロファイルとしている。これにより、レーザビームのワ
ンショット目の照射で生じる半導体薄膜の変化を比較的
なだらかなものとし、ムラが生じない様にしている。こ
れにより、基板全面に渡って均一な結晶化を行なう事が
できる。これに対し、レーザビームの先端部分のプロフ
ァイルを急峻にするとこの部分の照射を受けた半導体薄
膜の状態変化に大きなムラが生じ、これが後々まで影響
し結果的に結晶化された半導体薄膜の品質に大きなバラ
ツキやムラが生じる事になる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の最良
な実施形態を詳細に説明する。図１は本発明にかかるレ
ーザ照射装置の基本的な構成を示す模式図である。図示
する様に、本装置はレーザ光源０を含んでおり、レーザ
ビーム１を間欠的に放射する。このレーザ光源０は例え
ばＫｒＦを反応ガスに用いたエキシマレーザからなる。
このエキシマレーザは紫外線レーザビームのパルス光源
である。レーザ照射装置はさらに整形手段としてシリン
ドリカルインテグレータ２を備えており、レーザビーム
１を所定の寸法のライン状あるいは矩形状に整形する。
この整形されたレーザビーム１は反射鏡３，４を介して
光路が垂直に変更された後、集光機能を有するシリンド
リカルレンズ５により処理対象となる基板６に照射され
る。基板６は走査手段となるステージ７に搭載されてい
る。このステージ７は一次元方向に移動可能であり、ラ
イン状あるいは矩形状に整形されたレーザビーム１を幅
方向に沿って部分的に重ねながら相対的に走査して基板
６に照射し所望の処理を行なう。例えば、基板６はガラ
ス等からなりその表面に非晶質シリコン等の半導体薄膜
が予め成膜されている。レーザビーム１を照射する事に
よりこの非晶質シリコンは多結晶シリコンに転換され所
望の結晶化処理が行なわれる。

【０００７】特徴事項として本発明では、ライン状ある
いは矩形状に整形されたレーザビーム１の幅方向に沿っ
た断面エネルギー強度の分布を調整している。この調整
は例えばシリンドリカルレンズ５の曲率等のパラメータ
やシリンドリカルレンズ５と基板６の間の距離（ワーキ
ングディスタンス）を最適化する事で行なう。この様に
して調整されたレーザビーム１の幅方向に沿った断面エ
ネルギー強度の分布をプロファイルＰＷとして模式的に
表わしている。図示する様に、このプロファイルＰＷは
走査方向に関し先端側となる部分で断面エネルギー強度
が最大値の１３．５％レベルから９０％レベルに上昇す
るまで０．０４mm以上の傾斜幅ＷＦを有している。即
ち、本発明によればライン状あるいは矩形状レーザビー
ム１の先端側のエネルギー強度傾斜を比較的緩やかなも
のにしている。又好ましくは、先端側に続く中央部分Ｈ
の断面エネルギー強度分布が凸又は平に調整されてい
る。さらに好ましくは、走査方向に関し後端側となる部
分で断面エネルギー強度が最大値の９０％レベルから１
３．５％レベルに下降するまで０．０４mm以下の傾斜幅
ＷＲを設けている。従って、ライン状あるいは矩形状に
整形されたレーザビーム１の幅方向プロファイルＰＷは
比較的緩やかな先端側と比較的急峻な後端側とを備え、
非対称となっている。但し、本発明はこれに限られるも
のではない。基本的には、先端側が従来に比しなだらか
であれば良く、仮に後端側もなだらかであっても良い。
この場合にはプロファイルＰＷが先端と後端に関し対称
的な形状となる。又、先端側の傾斜及び後端側の傾斜は
曲線である必要はなく直線的であっても良い。この場合
には、プロファイルＰＷは略台形となる。

【０００８】次に図２を参照して、本発明にかかるレー
ザ照射装置の光学系を詳細に説明する。（Ａ）はライン
状に整形されるレーザビームの長手方向に沿った光路を
表わしている。レーザ光源（図示せず）側から入射した
レーザビーム１はシリンドリカルインテグレータ２によ
り長手方向に拡散される。このシリンドリカルインテグ
レータ２は例えば５個のシリンドリカルレンズを長手方
向に沿って配列したものであり、個々のシリンドリカル
レンズは曲面２ａと焦点Ｆ２を有している。入射した平
行レーザビーム１は個々のシリンドリカルレンズにより
５分割され各々拡散出射されて重ね合わされる。この様
にして、レーザビーム１はライン状に整形される。ライ
ン状に整形されたレーザビーム１はシリンドリカルレン
ズ５を通過して基板６の表面に照射される。シリンドリ
カルレンズ５は母線５ｂを有し、レーザビーム１は長手
方向（母線５ｂの方向）に関し何ら集光作用を受けず基
板６に照射される。このレーザビーム１の長手方向プロ
ファイルＰＬが示す様に、レーザビームはライン状に整
形されている。

【０００９】一方（Ｂ）は幅方向に沿ったラインビーム
１の光路を表わしている。シリンドリカルインテグレー
タ２は母線２ｂを有しこの方向には集光作用を持たない
為、レーザビーム１はそのまま通過する。一方、シリン
ドリカルレンズ５は曲面を有しており、ライン状に整形
されたレーザビーム１は幅方向に収束され焦点Ｆ５に位
置する基板６の表面に照射される。そのプロファイルＰ
Ｗは前述した様に少なくとも先端側がなだらかになって
いる。本例ではプロファイルＰＷはなだらかなスロープ
を有するガウス分布となっている。このプロファイルＰ
Ｗの傾斜度を最適に調整する為には例えばワーキングデ
ィスタンスＤを調節すれば良い。あるいは、シリンドリ
カルレンズ５の曲率パラメータ等を最適化しても良い。

【００１０】次に図３を参照して本発明にかかるレーザ
照射装置の動作を詳細に説明する。図示する様に、レー
ザビームの各パルスＰ１〜Ｐ６は台形の幅方向プロファ
イルを有している。即ち、このプロファイルはなだらか
な先端側のテーパ部ＴＦと中央の平な頂部Ｈと後端側の
テーパＴＲとを有している。各パルスは幅方向に沿って
部分的に重なりながら走査され基板６の表面を照射す
る。図示の例では走査方向に沿って順にパルスＰ１，Ｐ
２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６，…が照射される。実際に
は、各パルスの照射位置を固定する一方基板６を走査方
向とは逆に一次元移走すれば良い。今、基板６の１領域
（セクション）Ｓに注目すると、先ず第１パルスＰ１の
先端側テーパＴＦと重なり、次に第２パルスＰ２の同じ
く先端側テーパＴＦと重なり、さらに第３パルスＰ３の
頂部Ｈと重なり、この後第４パルスＰ４の後端側テーパ
ＴＲと重なり、最後に第５パルスＰ５の後端側テーパＴ
Ｒに重なる。この様にして１個所の領域Ｓに着目する
と、レーザビームのパルスが５回照射され、結晶化等の
処理が行なわれる。

【００１１】図４は上述した領域Ｓにおける表面状態の
変化を示す模式図である。先ず第１パルスＰ１が照射さ
れ、領域Ｓには先端側テーパＴＦが重なる。これによ
り、この領域Ｓの部分はある程度結晶化される。一般
に、照射エネルギー強度が高い程結晶化度合いが進む。
結晶化が進むとその部分は非晶質から多結晶に転換され
る為反射率が高くなる。この結果、次のレーザビームに
対する吸収率に影響を与える。一般に反射率が高くなる
とこれに応じて吸収率が低くなる。そこで、１発目のパ
ルスＰ１の照射を受けた領域Ｓでは吸収率が右肩上がり
の様に分布する。この後第２のパルスＰ２が照射され
る。前述した様に各パルスは比較的なだらかな先端側の
テーパＴＦを有している為、この２発目のパルスＰ２の
照射でも領域ＳにはテーパＴＦが重なる。この時、領域
ＳではＴＦに沿ったエネルギー強度の変化と吸収率の変
化が互いに補い合う様に作用し、結果として変化が相殺
される。即ち、領域Ｓ内で吸収率の低い部分には比較的
高いエネルギー強度が与えられ、吸収率の高い部分には
比較的低いエネルギー強度が与えられる。これにより、
領域Ｓ内では略均一な結晶化程度が得られる。この後、
３発目のパルスＰ３が照射されるが、この時にはその頂
部Ｈが領域Ｓに重なる。従って、一旦均一化された結晶
はさらに均一になる。その後、第４及び第５番目のパル
スが照射されるが、この時には後端側のテーパＴＲと重
なる事になる。一旦均一に結晶化された領域Ｓは後端側
のテーパＴＲの影響は余り受けず、略均一な結晶性がそ
のまま維持される。この様に、幅方向後端側のエネルギ
ー強度分布は結晶性に大きな影響を与えないので、この
部分のエネルギー密度を先端側に移した方が効率的にな
る。そこで、本発明の好ましい態様ではレーザビームの
プロファイルを非対称化して、先端側の傾斜をなだらか
にし、後端側の傾斜を急峻にしてこの部分のエネルギー
強度分布を削っている。又、中央部は先端側によって形
成された結晶の均一性を維持する為平であるかあるいは
凸形状を有している事が好ましい。以上説明した様に、
本発明ではレーザビームの幅方向プロファイルの先端側
傾斜を比較的なだらかにする事で、より均一な結晶化を
実現している。具体的には、走査方向に関し先端側とな
る部分で断面エネルギー強度が最大値の１３．５％レベ
ルから９０％レベルに上昇するまで０．０４mm以上の傾
斜幅を設けている。これ以下であると、レーザアニール
により得られる結晶の均一性が悪くなり、走査方向と直
交する帯状のムラ等が生じる。

【００１２】図５は、参考の為先端側のテーパＴＦが急
峻なパルスを照射した場合の状態変化を示す。先ず、１
番目のパルスＰ１が照射されると、領域Ｓには急峻なテ
ーパＴＦが重なる。これにより、領域Ｓの吸収率は右肩
上がりに大きく変化する。この後２番目のパルスＰ２が
照射されるが、この時にはＴＦが急峻である為これを通
り過ぎて頂部Ｈが領域Ｓに重なる事になる。吸収率が大
きく変化しているのに対しパルスＰ２の頂部におけるエ
ネルギー強度は略平である為、吸収率の影響がそのまま
残され不均一な結晶化状態になる。これが最後まである
程度保存されるので、結局結晶にムラが現われる事にな
る。

【００１３】図６は、元々ガウス分布等の対称的なエネ
ルギー強度分布を有するレーザビーム１を本発明に従っ
て先端側がなだらかな非対称分布に変換する光学系の一
例を示している。レーザ光源（図示せず）から入射した
レーザビーム１は反射鏡４を介してシリンドリカルレン
ズ５を通過し基板６に照射される。この時、レーザビー
ム１の中心線から離間してシリンドリカルレンズ５の光
軸を配置する事により、結果的にレーザビーム１の幅方
向プロファイルＰＷが図示の様に非対称となる。

【００１４】図７は非対称光学系の他の例を示す模式図
である。この例ではシリンドリカルレンズ５の光軸がレ
ーザビーム１の中心線に対して傾いている。この結果、
基板６に照射されたレーザビーム１の幅方向プロファイ
ルＰＷが非対称になっている。

【００１５】図８は非対称光学系の別の例を示す模式図
である。本例ではレーザビーム１の中心線とシリンドリ
カルレンズ５の光軸が一致している一方、これらが基板
６に対してθの角度で傾斜している。この結果、基板６
に照射されたレーザビーム１の幅方向プロファイルＰＷ
は非対称となっている。

【００１６】図９は非対称光学系のさらに別の例を示す
模式図である。ここではレーザ光源（図示せず）から放
射したレーザビーム１は幅方向プロファイルが台形にな
っている。このレーザビーム１はミラーＭ１〜Ｍ４によ
り２分割される。即ちレーザビーム１の半分ＰＡはＭ
１，Ｍ２及びＭ３により反射されシリンドリカルレンズ
５に入射する。他方の半分ＰＢはＭ１及びＭ４により反
射され同じくシリンドリカルレンズ５に入射する。この
時ＰＡ，ＰＢはシリンドリカルレンズ５の上半分を通過
する様になっており、基板６の表面には略ＰＡ及びＰＢ
が重ねられて照射される。この結果、最終的なレーザビ
ーム１の幅方向プロファイルＰＡ＋ＰＢは先端側になだ
らかなテーパが付され後端側に急峻なテーパが残される
事になる。

【００１７】図１０はさらに別の非対称光学系を示す模
式図である。本例ではシリンドリカルレンズ５の光軸よ
り上方を通過するレーザビーム１の一対の成分ＰＡ，Ｐ
Ｂが基板６の表面に照射される。光軸に近い方の成分Ｐ
Ｂは基板６上で光軸に近い方に収束され、光軸から離れ
た成分ＰＡは同じく基板６上で光軸から離れた部分に収
束される。この結果、最終的なレーザビーム１の幅方向
プロファイルＰＡ＋ＰＢは先端側になだらかなテーパが
付された形状となる。

【００１８】図１１は本発明にかかるレーザ照射装置の
具体的な構成例を示す模式図である。本レーザ照射装置
はエキシマレーザ等からなる２台のレーザ光源０Ｕ，０
Ｖを備えている。両光源０Ｕ，０Ｖから放射されたレー
ザビーム１Ｕ，１Ｖはミラー１１を介して光学系１２に
入射される。この光学系１２には各光源０Ｕ，０Ｖに対
応して一対のシリンドリカルインテグレータ２Ｕ，２Ｖ
が装備されている。各シリンドリカルインテグレータ２
Ｕ，２Ｖから出射したレーザビームは反射鏡３，４及び
シリンドリカルレンズ５を通過した後、ライン状のレー
ザビームＰＵ，ＰＶに整形され、基板に照射される。

【００１９】図１２ではライン状レーザビームＰＵ，Ｐ
Ｖが互いに重なりながら交互に基板６を照射し、その表
面処理を行なっている。この場合、例えば各レーザビー
ムＰＵ，ＰＶの長手寸法は３６０mmに設定され、幅寸法
は０．１５mm（半値幅）に設定される。対応するガラス
基板６の寸法は最大で例えば３８０×４８０mm² であ
る。

【００２０】図１３は一対のレーザビームＰＵ，ＰＶの
照射タイミングを示すタイミングチャートである。レー
ザ光源０Ｕ，０Ｖは交互に発振動作し、この結果ライン
状レーザビームＰＵ，ＰＶは交互に基板６に照射され
る。各レーザビームＰＵ，ＰＶの周波数は例えば２００
Hz程度である。

【００２１】図１４は本発明にかかるレーザ照射装置の
他の具体的な構成例を示す模式図である。図１１と対応
する部分には対応する参照番号を付して理解を容易にし
ている。本例でも２台のレーザ光源０Ｕ，０Ｖを用いて
一対のレーザビーム１Ｕ，１Ｖを放射している。図１１
に示した実施例と異なる点は、レーザビームＰＵ，ＰＶ
が夫々半分の長手寸法を有し、両者が並んで１本のライ
ン状レーザビームを構成している事である。

【００２２】図１５は図１４に示した装置により出力さ
れるレーザビームＰＵ，ＰＶを基板６に照射する方法を
示した模式図である。本例では、大型のガラス基板６に
４個のデバイス領域が設けられており、これらに対して
ＰＵ，ＰＶが別々に照射される。

【００２３】図１６は図１４に示した装置から出力され
るレーザビームＰＵ，ＰＶのタイミングを表わしてい
る。この例ではＰＵとＰＶは互いに位相がずれて照射さ
れているが、両方を同一タイミングで照射する様にして
も良い事は勿論である。

【００２４】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、レ
ーザビームの幅方向に沿った断面エネルギー強度の分布
を調整し、走査方向に関し先端側となる部分で断面エネ
ルギー強度が最大値の１３．５％レベルから９０％レベ
ルに上昇するまで０．０４mm以上の傾斜幅を設けてい
る。換言すると、ライン状レーザビームの幅方向プロフ
ァイルの先端側をなだらかにする事で、基板処理を均一
化し、走査方向と直交する方向に現われる帯状のムラを
抑制している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるレーザ照射装置の基本的な構成
を示す模式図である。

【図２】図１に示したレーザ照射装置の光学構成を示す
模式図である。

【図３】本発明にかかるレーザ照射装置の動作を示す説
明図である。

【図４】本発明にかかるレーザ照射装置によって照射さ
れた基板の表面状態変化を示す説明図である。

【図５】従来のレーザ照射装置により照射処理された基
板の表面状態変化を示す参考図である。

【図６】本発明にかかるレーザ照射装置に組み込まれる
非対称光学系の一例を示す模式図である。

【図７】同じく非対称光学系の他の例を示す模式図であ
る。

【図８】同じく非対称光学系の別の例を示す模式図であ
る。

【図９】同じく非対称光学系のさらに別の例を示す模式
図である。

【図１０】同じく非対称光学系のさらに別の例を示す模
式図である。

【図１１】本発明にかかるレーザ照射装置の具体的な構
成例を示すブロック図である。

【図１２】図１１に示したレーザ照射装置の動作説明に
供する模式図である。

【図１３】同じく動作説明に供するタイミングチャート
である。

【図１４】本発明にかかるレーザ照射装置の他の具体例
を示すブロック図である。

【図１５】図１４に示したレーザ照射装置の動作説明に
供する模式図である。

【図１６】同じく動作説明に供するタイミングチャート
である。

【符号の説明】

０レーザ光源１レーザビーム２シリンドリカルインテグレータ３反射鏡４反射鏡５シリンドリカルレンズ６基板７ステージ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者竹内俊公千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地セイコー電子工業株式会社内 (72)発明者山下義弘千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地セイコー電子工業株式会社内 (72)発明者新野雅夫名古屋市中区錦３丁目６番29号興和株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザビームを間欠的に放射するレーザ
光源と、該レーザビームを所定の幅のライン状あるいは
矩形状に整形する整形手段と、該レーザビームを幅方向
に沿って部分的に重ねながら走査して基板に照射し所望
の処理を行なう走査手段とを備えたレーザ照射装置にお
いて、該レーザビームの幅方向に沿った断面エネルギー強度の
分布を調整し、走査方向に関し先端側となる部分で断面
エネルギー強度が最大値の１３．５％レベルから９０％
レベルに上昇するまで０．０４mm以上の傾斜幅を設けた
事を特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２】先端側に続く中央部分の断面エネルギー
強度の分布が凸又は平に調整されている事を特徴とする
請求項１記載のレーザ照射装置。
【請求項３】走査方向に関し後端側となる部分で断面
エネルギー強度が最大値の９０％レベルから１３．５％
レベルに下降するまで０．０４mm以下の傾斜幅を設けた
事を特徴とする請求項１又は２記載のレーザ照射装置。