JPH1126854A - レーザーアニール装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザーアニール装置の光学系を改善し、良
好なレーザーアニールを可能ならしめる。 【解決手段】 光学系のライトシールド3内に給気系の
通気管8を導入し、通気管8に設けれた複数の吹き出し口
9を各々のレンズ1やミラー2に近接配置する。供給ポン
プ5より送られた不活性ガスは吹き出し口9より各々のレ
ンズ1やミラー2に吹き付けられ、レンズ1、ミラー2の近
傍周辺を不活性化置換する。レーザー光が当たっても光
ＣＶＤ反応が起きず、レンズ1、ミラー2が汚染されて実
際に被処理物に照射されるレーザーエネルギーが変化す
ることが防がれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板上に半導体膜
を形成するためのレーザーアニール装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】基板上に半導体膜を作成する技術を用い
ることにより、集積回路の集積度を高めて大容量化を図
る、あるいは、液晶を間に挟持した一対の基板の一方
に、マトリクス表示部のスイッチング素子となる薄膜電
界効果型トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transisto
r）を作り込み、高精細の動画表示を可能とするアクテ
ィブマトリクス型の液晶表示装置（ＬＣＤ：Liquid Cry
stal Display）の量産を行う等の開発が行われている。

【０００３】特に、シリコン基板に作製されたＭＯＳＦ
ＥＴに近い特性を示し得るようなＴＦＴを絶縁基板上に
形成することができれば、ＬＣＤのマトリクス表示部の
スイッチング素子のみならず、周辺にＣＭＯＳを形成し
てマトリクス表示部に所望の駆動信号電圧を供給するた
めの周辺駆動回路を一体的に作り込むことも可能とな
り、いわゆるドライバー内蔵型ＬＣＤの量産を行うこと
ができるようになる。

【０００４】ドライバー内蔵型ＬＣＤは、液晶パネルに
ドライバー素子の外付けを行うことが不要となるため、
工程の削減、狭額縁化が可能となる。特に、狭額縁化
は、近年の携帯情報端末あるいはハンディビデオカメラ
のモニター等の用途においては、製品自体の小型化が図
られる。このようなドライバー内蔵型ＬＣＤの実用化に
おける重要な課題の一つとして、ガラス等の透明絶縁基
板上に、基板の耐熱限界範囲内の温度で良質な半導体膜
を作成することがある。従来、３００℃から４００℃程
度の比較的低温で、非晶質状の半導体層特にアモルファ
スシリコン（ａ−Ｓｉ）を作成することで、ガラス基板
上にＴＦＴを形成することが行われていた。しかし、こ
のようなａ−ＳｉＴＦＴは、オン抵抗が高く、マトリク
ス表示部のスイッチ素子には適用することはできても、
それよりも高速の動作が要求されるドライバー部を構成
することを可能とするまでには到らなかった。

【０００５】これに対して、数百Åから数千Åの粒径を
有した多数の単結晶粒（グレイン）が互いに接触した形
で存在する多結晶半導体をチャンネル層に用いること
で、ドライバー部にも適用できるＴＦＴを形成すること
ができる。特に多結晶シリコン即ちポリシリコン（ｐ−
Ｓｉ）は、移動度が数十から数百ｃｍ2／Ｖ・ｓ程度が
得られ、ａ−Ｓｉよりも２桁大きく、ＬＣＤのドライバ
ーを構成するには十分の速度を有したＣＭＯＳが形成さ
れる。

【０００６】このようなドライバー内蔵型ｐ−ＳｉＴＦ
ＴＬＣＤを作成するには、ガラス基板上に膜質の良好な
ｐ−Ｓｉを成膜することが最も大きな課題となってい
る。通常、ｐ−Ｓｉは、基板上に成膜されたａ−Ｓｉに
熱処理を施すことで結晶化を促す固相成長法（ＳＰ
Ｃ）、あるいは減圧ＣＶＤ等により直接に成膜するなど
の方法により形成される。これらの成膜方法は、いずれ
も７００℃から９００℃程度の高温での処理であり、こ
のような高温工程を含んだｐ−ＳｉＴＦＴＬＣＤの製造
プロセスは高温プロセスと呼ばれる。高温プロセスにお
いては、基板として耐熱性の高い石英ガラスなどの、高
価な基板が要され、コストが高かった。

【０００７】このため、出願人は、以前より、コストを
下げるために、プロセスの温度を最高でも６００℃程度
以下とし、基板として、安価な無アルカリガラス基板等
の採用を可能とする方法を開発してきた。このような、
全プロセスを基板の耐熱性の限界温度以下に抑えたｐ−
ＳｉＴＦＴＬＣＤの製造プロセスは、低温プロセスと呼
ばれる。

【０００８】低温プロセスは、ａ−Ｓｉにエキシマレー
ザーを施すことで、結晶化を促してｐ−Ｓｉを作成する
エキシマレーザーアニール（ＥＬＡ）により可能となっ
た。エキシマレーザーは、励起状態にされたエキシマが
基底状態に戻る際に発生する紫外光であるが、ＥＬＡで
は、所定の光学系によりレーザービームの形状を加工し
て非処理膜に照射している。これにより、ａ−Ｓｉの表
面に特に熱エネルギーが与えられ、基板の耐熱限界温度
以下の温度で、結晶化が行われ、ｐ−Ｓｉが形成され
る。

【０００９】図５に、このようなＥＬＡ装置の構成を示
す。（１１）はレーザー発振源、（１２）はレンズ、ミ
ラー等からなる光学系、（１３）はレーザービームの最
終照射部、（１４）はレーザーアニール処理が実際にお
こなれるチャンバ、（１５）は被処理基板（１６）を支
持するための載置台である。レーザー発振源（１１）に
て生成されたレーザー光は、光学系（１２）にて所定の
被照射領域の形状を示すべく整形され、照射部（１３）
よりチャンバ（１４）の透明な窓を介してチャンバ（１
４）内に照射される。チャンバ（１４）はレーザーアニ
ール処理に最適な所定の圧力、温度に保たれる。チャン
バ（１４）内では、被処理基板（１６）を支持する載置
台（１５）が一定方向に移動してレーザー照射領域を通
過する形でスキャンが行われ、全面にわたってレーザー
アニールが施される。

【００１０】図６及び図７に光学系の構成を示す。図６
は上面図、図７は側面図である。（１）はレンズ、
（２）はミラー、（３）はこれらの光学部品を外光から
隔離するためのライトシールドである。レーザー光源
（１１）より送出されたレーザー光は、カバー（３）内
の第１のミラー（２）により反射される。そして、シリ
ンドリカルレンズ、コンデンサレンズ等の複数のレンズ
（１）により所定の光学整形が行われ、第２のミラー
（２）により反射されて、ライトシールド（３）外に送
出され、チャンバ（１４）内の被処理基板（１６）に照
射される。

【００１１】また、図６に示されているように、窒素等
の不活性ガスの供給ポンプ（５）とそのバルブ（４）か
らなる給気系、及び、ガスの排気ポンプ（７）とそのバ
ルブ（６）からなる排気系を装備し、ライトシールド
（３）内部の不活性ガスにより置換している。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ＥＬＡでは、その照射
レーザーエネルギーの最適設定が重要な課題となってい
る。図８に、照射レーザーエネルギーとｐ−Ｓｉの結晶
粒径（グレインサイズ）との関係を示す。図からわかる
ように、ある点までは、付与エネルギーが大きくなるに
つれて、グレインサイズも大きくなるが、ある点を越え
ると、グレインサイズが急激に小さくなり、微結晶化、
即ち、マイクロクリスタルとなる。従って、十分に大き
なグレインサイズ（ＧＭ）以上を得るためには、照射レ
ーザーエネルギーを下限Ｅdと上限Ｅuの間に最適に設定
しなければならず、図８の関係に基づいて、ＥＬＡエネ
ルギーを管理する必要がある。

【００１３】ところが、ＥＬＡ装置において、光学系
（１２）は、レーザー発振源（１１）から送出された不
定形のレーザー光をアニール処理に最適な形状に整形す
るために、複数のレンズからなり、全長が数メートルに
も及ぶ。この光学系（１２）は、多数のレンズ（１）や
ミラー（２）から構成されているが、これらのレンズ
（１）やミラー（２）が湿気、反応生成物等の付着等に
より汚染されると、レーザー発振源（１１）にて制御さ
れたレーザーエネルギーに対して、実際にチャンバ（１
４）内へ照射されるレーザービームの実効的エネルギー
を変化させる問題があった。特に、遠紫外光であるエキ
シマレーザーが光ＣＶＤ効果をもたらして、空気中の化
学物質の反応を促進することにより、レンズ（１）やミ
ラー（２）の表面に化学反応物を析出させることが要因
となっている。

【００１４】反応生成物としては、硫酸アンモニウム
（ＮＨ4）2ＳＯ4や、二酸化珪素ＳｉＯ2、低分子シロキ
サン等が見つかっている。これらは、建材として使用さ
れるシリコンが気化したり、他のプロセスで用いられる
薬品からアンモニアや亜硫酸等が発生し、ここにレーザ
ー光が入射して光ＣＶＤ反応が起こることにより生じた
と考えられる。

【００１５】このような、レンズ（１）やミラー（２）
の汚染が僅かでもあると、レーザー光の回析や干渉の原
因となり、照射レーザービームのエネルギー分布のばら
つきを招いてしまう。従来では、図６に示すように、給
気系（４、５）を設けて、不活性化置換を行ってはいる
が、レンズ（１）やミラー（２）による影効果等によ
り、ライトシールド（３）の一部から導入された不活性
ガスの気流に偏りが生じる。このため、化学物質を完全
には除去しれず、依然として反応生成物が生じ、照射エ
ネルギーの分布が不均一となる問題があった。このよう
にエネルギー分布のばらつきがあると、照射領域のある
地点ではエネルギーが過剰で許容範囲の上限Ｅu以上と
なり、他のある地点ではエネルギーが不足で許容範囲の
下限Ｅd以下となる等、均一なアニールが行われず、形
成されたｐ−Ｓｉの結晶状態を悪化させていた。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、この課題を解
決するために成され、レーザー発振源と、複数の光学部
品からなり前記レーザー発振源から射出されたレーザー
光を整形し所定のレーザービームを形成する光学系と、
前記光学系から送出されたレーザービームの被照射位置
にて、レーザーアニールの対象物を支持する載置台とを
有するレーザーアニール装置において、前記光学系は、
光遮蔽室内に構成され、不活性気体の供給源に通じる通
気管が、前記光遮蔽室内にまで導入されて複数の吹き出
し口が、前記複数の光学部品の各々に近接配置された構
成である。

【００１７】また特に、前記吹き出し口は気流の拡散機
構を具備し、前記吹き出し口から送出された不活性気体
により、前記光学部品の周辺雰囲気の置換が行われる構
成である。これにより、光学部品の周辺が不活性化され
るので、レーザー光による光化学反応が起こらず、光学
部品が汚染されることが防がれる。

【００１８】特に、前記吹き出し口は、出口が単数また
は複数の角状、線状、輪状、あるいは点状とされている
構成である。これにより、吹き出し口から送出される不
活性気体が適当にばらされ、気流が光学部品表面を満遍
なく通過するようにされ、光学部品の周辺雰囲気が完全
に不活性化される。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１及び図２は、本発明の実施の
形態に係るＥＬＡ装置の光学系の構成図である。図１は
上面図、図２は側面図である。（１）はレンズ、（２）
はミラー、（３）はこれらの光学部品を外光から隔離す
るためのライトシールドである。レーザー光源（１１）
より送出されたレーザー光は、カバー（３）内の第１の
ミラー（２）により反射される。そして、シリンドリカ
ルレンズ、コンデンサレンズ等の複数のレンズ（１）に
より所定の光学整形が行われ、第２のミラー（２）によ
り反射されて、ライトシールド（３）外に送出され、チ
ャンバ（１４）内の被処理基板（１６）に照射される。

【００２０】本発明では、ライトシールド（３）に不活
性ガスの供給ポンプ（５）とそのバルブ（４）からなる
給気系、及び、ガスの排気ポンプ（７）とそのバルブ
（６）からなる排気系を装備し、特に、給気系の一部は
ライトシールド（３）内に、その通気管（８）を導入し
ている。通気管（８）は、レンズ（１）、ミラー（２）
の近傍を通過し、特に、各々のレンズ（１）やミラー
（２）に近接する最終吹き出し口（９）が設けられてい
る。

【００２１】ライトシールド（３）は、整形されるレー
ザービームが外光の影響を受けて変形しないように、光
遮蔽はほぼ完全に達成されているが、外気との隔離は行
われてはいない。従って、ライトシールド（３）内には
湿気や大気中の化学物質が侵入し、整形すべきレーザー
光により光化学反応が生じ、反応生成物がレンズ（１）
やミラー（２）の表面に付着する問題があった。このよ
うな、レンズ（１）、ミラー（２）の汚染は、実際に被
処理基板（１６）に照射されるエネルギーを低下させた
り、回析や干渉により照射されるレーザーエネルギーの
ばらつきを招き、良好なレーザーアニールを妨げてい
た。

【００２２】このため本発明では、給気系（４、５）を
備えて、ライトシールド（３）内の雰囲気を不活性化置
換を行っている。供給ポンプ（５）は窒素ガス等の不活
性ガスの供給を行う。供給ポンプ（５）から供給された
不活性ガスは通気管（８）内に送られて、吹き出し口
（９）から各々のレンズ（１）やミラー（２）に吹き付
けられる。このため、ライトシールド（３）は気密室で
なくても、レンズ（１）、ミラー（２）の近傍周辺が不
活性雰囲気への置換が継続される。従って、レンズ
（１）、ミラー（２）の表面での光化学反応が防がれ、
反応生成物の付着が防止される。

【００２３】また、本発明では特に、吹き出し口（９）
に気流の拡散機構を具備することで、光学部品への不活
性ガスの気流を調整し、雰囲気の置換が均一に行われる
ようにしている。図３及び図４に、このような吹き出し
口（９）の近傍の構成を示す。吹き出し口（９）が、レ
ンズ（１）あるいはミラー（２）の側方より近接配置さ
れている。吹き出し口（９）の出口（１０）は、気流を
拡散するための遮蔽物により所定の形状に加工され、不
活性ガスが均一にばらされた状態で吹き出され、満遍な
くレンズ（１）、ミラー（２）の表面を流れるようにさ
れている。このように吹き出し口（９）は、遮蔽物によ
り形成された出口（１０）が、単数または複数の角状、
線状、輪状、あるいは点状とされている。これにより、
吹き出された不活性ガスの気流が偏って、局所的に不活
性化置換が不十分となることが防がれる。

【００２４】

【発明の効果】以上の説明から明らかな如く、レーザー
アニール装置において、光化学反応による反応生成物に
よる光学系の汚染が防がれ、良好なレーザーアニールを
行うことが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態にかかるＥＬＡ装置の光学
系の上面図である。

【図２】本発明の実施の形態にかかるＥＬＡ装置の光学
系の側面図である。

【図３】本発明の実施の形態にかかるＥＬＡ装置の光学
系の一例を示す一部構成図である。

【図４】本発明の実施の形態にかかるＥＬＡ装置の光学
系の他の一例を示す一部構成図である。

【図５】ＥＬＡ装置の構成図である。

【図６】従来のＥＬＡ装置の光学系の上面図である。

【図７】従来のＥＬＡ装置の光学系の側面図である。

【図８】照射レーザーエネルギーとグレインサイズとの
関係図である。

【符号の説明】

１ レンズ ２ ミラー ３ ライトシールド ４ 給気バルブ ５ 給気ポンプ ８ 通気管 ９ 吹き出し口 １０ 出口 １１ レーザー発振源 １２ 光学系 １３ 照射部 １４ チャンバ １５ 載置台 １６ 被処理基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 米田 清 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザー発振源と、複数の光学部品から
   なり前記レーザー発振源から射出されたレーザー光を整
   形し所定のレーザービームを形成する光学系と、前記光
   学系から送出されたレーザービームの被照射位置にて、
   レーザーアニールの対象物を支持する載置台とを有する
   レーザーアニール装置において、 前記光学系は、光遮蔽室内に構成され、この光遮蔽室の
   内部には不活性気体の供給源に通ずる通気管が導入さ
   れ、複数の吹き出し口が前記複数の光学部品の各々に近
   接配置されていることを特徴とするレーザーアニール装
   置。
2. 【請求項２】 前記吹き出し口は気流の拡散機構を具備
   し、前記吹き出し口から送出された不活性気体により、
   前記光学部品の周辺雰囲気の置換が行われることを特徴
   とする請求項１記載のレーザーアニール装置。
3. 【請求項３】 前記吹き出し口は、出口が単数または複
   数の角状、線状、輪状、あるいは点状とされていること
   を特徴とする請求項２記載のレーザーアニール装置。