JPWO2009087784A1 - レーザアニール方法及び装置 - Google Patents

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Abstract

レンズアレイ方式のホモジナイザ光学系の場合、長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂを線状ビームの長軸方向に対応する方向（Ｘ方向）に往復動させながらレーザ照射を行うことにより、後段に設置された長軸用集光光学系を構成する大型レンズ（長軸用コンデンサレンズ２２）に入射するレーザ光１の入射角及び強度がショットごとに変化するので、縦縞が大幅に低減される。また、短軸用レンズアレイ２６ａ，２６ｂを線状ビームの短軸方向に対応する方向（Ｙ方向）に往復動させながらレーザ照射を行うことにより、後段に設置された短軸用集光光学系を構成する大型レンズ（投影レンズ３０）に入射するレーザ光１の入射角及び強度がショットごとに変化するので、横縞が大幅に低減される。

Description

発明の背景
発明の技術分野
本発明は、レーザ照射により被照射物の表面をアニール処理するレーザアニール方法及び装置に関する。
関連技術の説明
近年、ガラス等の絶縁基板上に形成された非晶質半導体膜や結晶性半導体膜に対し、レーザアニールを適用して高性能の薄膜トランジスタが作製されている。ガラス基板は、従来よく使用されてきた石英基板と比較し、安価で加工性に優れ、大面積化が可能であるというメリットを持っている。半導体膜の結晶化にレーザが使用されるのは、ガラス基板の融点は６００℃以下であるが、レーザを使用すればガラス基板を加熱せずに非晶質半導体膜を溶融、結晶化させることができるからである。
レーザアニールを適用して形成された結晶化シリコン膜は、高い移動度を有するため、薄膜トランジスタを形成し、一枚のガラス基板上に画素駆動用と駆動用回路のＴＦＴを形成でき、携帯用やデジタルスチルカメラなどの液晶ディスプレイに搭載され、商品として普及している。
現在、レーザアニール装置は、エキシマレーザや固体レーザ等のレーザ光源から発振したパルスレーザ光を例えば１００ｍｍ〜４００ｍｍ×０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの線状ビームに整形し、この線状ビームをガラス基板上の非晶質シリコン膜に照射し、シリコン膜を溶融及び凝固させることにより結晶化させるものである。ガラス基板を搬送させることで例えば７３０×９２０ｍｍのガラス基板上のシリコン膜の全面を非晶質シリコンから結晶化シリコンに改質させることができる。
上記線状ビームを用いたレーザアニール方法にはいくつかの問題点があり、そのなかで特に深刻なのは、目視で観察できる縞模様が、線状ビームの長軸方向に垂直な方向と、長軸方向に平行な方向に現れることである。以下、線状ビームの長軸方向に垂直な縞模様を「縦縞」、長軸方向と平行な縞模様を「横縞」と呼ぶ。また、縦縞、横縞を総称して「照射縞」と呼ぶ。
下記特許文献の図１（ａ）及び（ｂ）には、この照射縞の状態が示されている。このような照射縞が現れた状態で、アクティブマトリックス型の液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイを作製した場合、この照射縞と同じ縞模様が画面にそのまま出てしまうという不都合が生じている。特に、有機ＥＬディスプレイでは液晶ディスプレイより照射縞に対する感度が大きく、照射縞を低減するための有効な解決手段が望まれる。
下記特許文献１〜４では、照射縞を低減させるための方法について、いくつかの提案がなされている。しかしながら、照射縞の発生要因については、ビームの均一性によるものや干渉、レーザのショットのばらつき、レーザのプロファイルの変動などが言われているが確定してはいなかった。
特開平１０−２９４２８８号公報 特開２００１−６８４３０号公報 特開平１０−２４２０７３号公報 特公平５−４１００６号公報
本発明者らは照射縞の原因を明確にするべく、試行錯誤を繰り返した結果、その要因を特定するに至った。
本発明者らは、まず、線状ビームの長軸方向の光強度を均一化するためのホモジナイザにおけるレンズアレイの位置を線状ビームの長軸方向に対応する方向に１ｍｍずつシフトさせたときに縦縞のパターンがどうなるかを調べた。その結果、縦縞のパターンが変化した。この変化の理由として考えられるのは、
（ａ）レーザ光源からのレーザビーム自体の均一性が要因となって縦縞が現れる、あるいは、
（ｂ）ホモジナイザを構成するレンズ表面で発生する散乱光が要因となって縦縞が現れる、のいずれかである。
そこで、次に、上記のいずれが正しいかを特定すべく、同じホモジナイザ光学系に別々の２つのレーザを入射させ、縦縞がどうなるかを調べた。通常、レーザの光強度プロファイルは各レーザ装置に固有のものであるから、もし縦縞のパターンが異なれば、照射縞の要因はレーザビーム自体の均一性にあると判断できる。ところが、結果は、同じ縦縞のパターンが現れた。これにより、照射縞の要因はレンズ表面で発生する散乱光にあると判断された。すなわち、レンズ表面においてレーザ光の散乱が発生し、照射面での均一性を悪化させるために照射縞が現れると結論付けられた。
レンズの面精度は通常、λ／４やλ／１０であるが、レーザアニールで用いるレンズ、特に後段のレンズは１００ｍｍ以上の大型レンズとなるため、加工および面精度の計測が難しくなるため、面精度が著しく低下し、面精度がλ以上となることもある。現在の技術では大型レンズの加工精度に限界があり、これ以上の面精度を実現することは困難であり、そのほかの手法で解決せざるを得ない。
発明の要約
本発明は上記の問題に鑑みて創案されたものであり、レンズ表面で発生する散乱光による照射面でのビーム均一性の悪化に伴う照射縞の発生を大幅に低減できるレーザアニール方法及び装置を提供することを課題とする。
レーザ光のレンズ表面での散乱光による均一性の悪化を低減させる方法を鋭意検討した結果、照射面でのビームの状態を変化させることなく、レンズに入射するレーザ光の角度を時間変動させることを創案した。すなわち、レンズ表面に入射するレーザ光の角度を時間的に変化させることで、レンズ表面で発生する散乱光の発生状態を変化させ、散乱光による照射面でのビーム均一性に時間変動を与えることにより目視で見える縞をなくすという方法である。レーザ光は線状ビームの短軸方向に重複照射されるため、ショットごとに長軸方向又は短軸方向の均一性が変動することで、縞が分散される効果が生じ、目視では照射縞が低減される。したがって、例えばオーバーラップ率が９０％以上の場合には、目視では縞が見えないように照射されることになる。
具体的には、縦縞を低減するために以下の手段が適用される。
レンズアレイ方式のホモジナイザ光学系において、長軸用レンズアレイを線状ビームの長軸方向に対応する方向に往復動させながらレーザ照射を行うことにより、後段に設置された長軸用集光光学系を構成する大型レンズに入射するレーザ光の入射角及び強度がショットごとに変化する。したがって、被照射面における長軸方向のビーム均一性がショットごとに変動することで、レンズ表面での散乱光に起因する被照射面での縦縞が分散される効果が生じ、目視では縦縞が大幅に低減される。また、長軸用レンズアレイの往復動の移動幅をＳ、長軸用レンズアレイを往復動させることなくレーザアニールした場合に目視可能に現れる線状ビームの走査方向と平行な縞模様のピッチをＰ、長軸用レンズアレイを構成する各シリンドリカルレンズの幅をＷとしたとき、Ｐ／３≦Ｓ＜Ｗ、Ｐ／２≦Ｓ＜Ｗ、またはＰ≦Ｓ＜Ｗの関係を満たすようにすると、縦縞の原因となるエネルギー分布のムラが基板搬送方向と垂直な方向（図２の左右方向）に適度にずれるので、縦縞を適度に分散させ目視可能な縦縞の発生を効果的に低減できる。あるいは、１．０ｍｍ≦Ｓ＜Ｗ、１．５ｍｍ≦Ｓ＜Ｗ、または３．０ｍｍ≦Ｓ＜Ｗの関係を満たすようにするとよい。
また、レンズアレイ方式のホモジナイザ光学系において、長軸用集光光学系と被照射物の表面との光路上の距離を一定に保持したまま、長軸用集光光学系と長軸用レンズアレイとの光路上の相対距離を増減させながらレーザ照射を行うことによっても、後段に設置された長軸用集光光学系を構成する大型レンズに入射するレーザ光の入射角及び強度がショットごとに変化するので、縦縞が大幅に低減される。この場合、小型に構成される長軸用レンズアレイを光軸方向に往復動させることにより、長軸用集光光学系と長軸用レンズアレイとの光路上の相対距離の増減を容易に行うことができる。
また、導波路方式のホモジナイザ光学系の場合、長軸用導入レンズを線状ビームの長軸方向に対応する方向に往復動させながらレーザ照射を行うことにより、後段に設置された長軸用集光光学系を構成する大型レンズに入射するレーザ光の入射角及び強度がショットごとに変化するので、縦縞が大幅に低減される。
横縞を低減するために以下の手段が適用される。
レンズアレイ方式のホモジナイザ光学系において、短軸用レンズアレイを線状ビームの短軸方向に対応する方向に往復動させながらレーザ照射を行うことにより、後段に設置された短軸方向集光光学系を構成する大型レンズに入射するレーザ光の入射角及び強度がショットごとに変化する。したがって、被照射面における短軸方向のビーム均一性がショットごとに変動することで、レンズ表面での散乱光に起因する被照射面での横縞が分散される効果が生じ、目視では横縞が大幅に低減される。
また、レンズアレイ方式のホモジナイザ光学系の場合、短軸用レンズアレイの後段に設置された短軸用コンデンサレンズを線状ビームの短軸方向に対応する方向に往復動させながらレーザ照射を行うことによっても、後段に設置された大型の投影レンズに入射するレーザ光の入射角及び強度がショットごとに変化するので、横縞が大幅に低減される。
また、短軸用ホモジナイザより上流側の光路上に設置された反射ミラーを、線状ビームが短軸方向に往復動するように揺動させることによっても、後段に設置された大型レンズに入射するレーザ光の入射角及び強度がショットごとに変化するので、横縞が大幅に低減される。この場合、短軸用ホモジナイザは、レンズアレイ方式、導波路方式のいずれでもよい。
また、導波路方式のホモジナイザ光学系の場合、短軸用導入レンズを線状ビームの短軸方向に対応する方向に往復動させながらレーザ照射を行うことにより、後段に設置された集光光学系を構成する大型レンズに入射するレーザ光の入射角及び強度がショットごとに変化するので、横縞が大幅に低減される。
また、レーザ光の偏光方向は被照射物の表面に対してＳ偏光であるのが良い。Ｓ偏光のレーザ光により非晶質半導体膜をアニール処理した場合、Ｐ偏光で処理するよりも粒径が大きく（粗く）均一な結晶粒の多結晶半導体膜が得られる。このため、目視で観察される縞が低減する効果が得られる。
以上より、本発明のレーザアニール方法及び装置によれば、レンズ表面で発生する散乱光による照射面でのビーム均一性の悪化に伴う照射縞の発生を大幅に低減できるという優れた効果が得られる。
本発明の第１実施形態にかかるレーザアニール装置の概略構成を示す図である。 本発明の第１実施形態にかかるレーザアニール装置の概略構成を示す別の図である。 縦縞のピッチＰを説明する図である。 長軸用シリンドリカルレンズアレイの往復動の移動幅Ｓとシリンドリカルレンズの幅Ｗについて説明する図である。 長軸用シリンドリカルレンズアレイを往復動させることなくレーザアニールした半導体膜の写真を示す図である。 長軸用シリンドリカルレンズアレイを往復動させてレーザアニールした半導体膜の写真を示す図である。 偏光による結晶粒の違いを示すＳＥＭ写真である。 本発明の第２実施形態にかかるレーザアニール装置の概略構成を示す図である。 本発明の第２実施形態にかかるレーザアニール装置の概略構成を示す別の図である。 本発明の第３実施形態にかかるレーザアニール装置の概略構成を示す図である。 本発明の第３実施形態にかかるレーザアニール装置の概略構成を示す別の図である。 本発明の第４実施形態にかかるレーザアニール装置の概略構成を示す図である。 本発明の第４実施形態にかかるレーザアニール装置の概略構成を示す別の図である。
好ましい実施例の説明
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
［第１実施形態］
図１Ａ及びＢに、本発明の第１実施形態にかかるレーザアニール装置１０の概略構成を示す。図１Ａは平面図、図１Ｂは側面図である。また、図１Ａでは、線状ビームの短軸方向のみに作用する光学系は仮想線（破線）で示されている。図１Ｂでは、線状ビームの長軸方向のみに作用する光学系は仮想線で示されている。
このレーザアニール装置１０は、パルス発振されたレーザ光１を整形して被照射物３の表面において線状ビームに集光し、レーザ光１が重複照射されるように線状ビームを被照射物３に対して線状ビームの短軸方向に相対的に走査し、レーザ照射により被照射物３の表面をアニール処理するものである。なお、図１Ａでは、上下方向が線状ビームの長軸方向であり、図１Ｂでは被照射面における左右方向が線状ビームの短軸方向である。
以下、レーザアニール装置１０をより具体的に説明する。
レーザ光１は、レーザ光源１２から例えば２〜４ｋＨｚのパルス周波数で発振される。レーザ光源１２の種類は特に限定されず、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＶＯ４レーザ、ガラスレーザ、半導体レーザ、ＣＯ２レーザ等を適用することができる。特に、ＹＡＧレーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＶＯ４レーザなどの固体レーザは信頼性が高く、安定したレーザエネルギーの利用を高い効率で実現することができる。また、シリコン膜に対しては、３３０ｎｍ〜８００ｎｍの可視光領域において吸収係数が高いため、エキシマレーザの場合は基本波でよいが、上記のＹＡＧレーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＶＯ４レーザ、ガラスレーザの場合、第２又は第３高調波を用いるのがよい。
レーザ光源１２からパルス発振されたレーザ光１は、反射ミラー１１ａ，１１ｂにより順次反射された後、ビームエキスパンダ１４によりビーム径が拡大される。一構成例として示したビームエキスパンダ１４は、凸球面レンズ１５と、短軸方向に作用する短軸用シリンドリカルレンズ１６と、長軸方向に作用する長軸用シリンドリカルレンズ１７とからなる。この構成のビームエキスパンダ１４では、長軸方向と短軸方向の拡大率を別々に設定することができる。なお、ビームエキスパンダ１４は他の構成であってもよく、例えば、凹球面レンズと凸球面レンズとを組み合わせたものであってもよい。
ビームエキスパンダ１４によりビーム径が拡大されたレーザ光１は、長軸用ホモジナイザ１９により被照射面における線状ビームの長軸方向の光強度分布が均一化され、短軸用ホモジナイザ２５により被照射面における線状ビームの短軸方向の光強度分布が均一化される。
図１Ａに示すように、長軸用ホモジナイザ１９は、入射するレーザ光１を線状ビームの長軸方向に対応する方向に複数に分割する複数の長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂと、長軸方向に複数に分割されたレーザ光１を被照射物３の表面で長軸方向に重ね合わせる長軸用集光光学系としての長軸用コンデンサレンズ２２とからなる。
このように構成された長軸用ホモジナイザ１９において、ビームエキスパンダ１４により拡大されたレーザ光１は、長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂにより長軸方向に複数に分割される。長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂを通過し分割されたレーザ光１は、長軸用コンデンサレンズ２２により基板２上の被照射物３の表面において長軸方向に細長い矩形状ビームとして結像される。なお、長軸用コンデンサレンズ２２と基板２との間の光路には落射ミラー２４が配置されており、長軸用コンデンサレンズ２２からの出射光が基板２の方向へ反射されるようになっている。
基板２に照射される矩形状ビームの長軸方向の長さは、例えば数１０ｍｍとすることができる。
本実施形態では、２つの長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂが光軸方向に間隔をおいて配置されている。長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂの合成焦点距離は、各レンズアレイ２０ａ，２０ｂの焦点距離と光軸方向の距離によって決まる。また、線状ビームの長軸方向の寸法を決める要素には、長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂの合成焦点距離が含まれる。したがって、各レンズアレイ２０ａ，２０ｂの光軸方向の距離を変更できる構成としておけば、合成焦点距離を必要に応じて変えることにより線状ビームの長軸方向の寸法を変えることができる。ただし、本発明では長軸用レンズアレイが一つの構成であってもよい。
短軸用ホモジナイザ２５は、入射光を短軸方向に複数に分割する短軸用レンズアレイ２６ａ，２６ｂと、短軸用レンズアレイ２６ａ，２６ｂによって分割されたレーザ光１を被照射物３の表面で短軸方向に重ね合わせる短軸用集光光学系（２９，３０）とを有する。本実施形態における短軸用集光光学系は、短軸用レンズアレイ２６ａ，２６ｂによって分割されたレーザ光１を結像面Ｓで短軸方向に重ね合わせる短軸用コンデンサレンズ２９と、結像面Ｓの短軸像を所定倍率で被照射物３の表面に縮小投影する投影レンズ３０とからなる。
このように構成された短軸方向ホモジナイザ２５において、ビームエキスパンダ１４により拡大されたレーザ光１は、短軸用レンズアレイ２６ａ，２６ｂにより短軸方向に複数に分割される。短軸用レンズアレイ２６ａ，２６ｂを通過し分割されたレーザ光１は、短軸用コンデンサレンズ２９により短軸方向に集光され結像面Ｓで結像した後、落射ミラー２４で基板２の方向に反射されてから、投影レンズ３０によって結像面Ｓでの短軸像が基板２上の被照射物３の表面に短軸方向に所定倍率で縮小投影される。基板２に照射される矩形状ビームの短軸方向の長さは、例えば数１０μｍとすることができる。
本実施形態では、２つの短軸用レンズアレイ２６ａ，２６ｂは光軸方向に間隔をおいて配置されており、各レンズアレイ２６ａ，２６ｂの光軸方向の距離を変更できる構成としておけば、合成焦点距離を必要に応じて変えることにより線状ビームの短軸方向の寸法を変えることができる。ただし、本発明では短軸用レンズアレイが一つの構成であってもよい。
レーザ光１が照射される被照射物３は、非晶質半導体膜であり、基板２上に例えばＣＶＤ等の成膜法により成膜される。非晶質半導体膜としては、ａ−Ｓｉ膜や非晶質構造を有する化合物半導体膜（非晶質シリコンゲルマニウム膜など）などが例示される。
基板２は、基板ステージ４により保持され線状ビームの短軸方向に搬送される。基板ステージ４の移動により基板２上の被照射物３に対して線状ビームを短軸方向に相対的に走査することができる。基板ステージ４の移動速度は、被照射面の単位領域あたりの照射回数が複数回となるように、すなわち線状ビームが重複照射されるように制御される。例えば、オーバーラップ率が９０％以上となるように照射される。なお、オーバーラップ率とは、レーザショットが照射される毎に基板２が移動する距離の、線状ビームの短軸方向の光強度分布におけるフラットな領域（ガウシアン形状の場合は半値幅）に対する割合を示したものである。
本実施形態において基板ステージ４は、内部を真空又は非酸化性ガス雰囲気に制御可能な処理チャンバー４０内に設置されている。アニール処理中、処理チャンバー４０内が真空又は非酸化性ガス雰囲気に制御されることで、被照射物３の表面の酸化が防止される。非酸化性ガスとしては、水素や不活性ガス（窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、ネオンガスなど）を使用することができる。なお、処理チャンバー４０には、レーザ光１を透過させるための透過窓４１が設けられている。
なお、被照射物３が形成された基板２を処理チャンバー４０内で処理する上記構成例に代えて、処理チャンバー４０をなくし、線状ビームの照射部分にのみ不活性ガスを吹き付ける方式を採用してもよい。この点は、後述する第２〜第４の実施形態においても同様である。
図１Ａに示すように、レーザアニール装置１０は、さらに、レーザ照射中に長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂを線状ビームの長軸方向に対応する方向（図中のＸ方向）に往復動させる長軸用レンズアレイ移動装置３２を備える。長軸用レンズアレイ移動装置３２は、図示しない制御装置によって自動制御される。
このように、長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂを線状ビームの長軸方向に対応する方向に往復動させながらレーザ照射を行うことにより、後段の長軸用集光光学系を構成する大型レンズ（本実施形態では長軸用コンデンサレンズ２２）に入射するレーザ光１の入射角及び強度がショットごとに変化する。したがって、被照射面における長軸方向のビーム均一性がショットごとに変動することで、レンズ表面での散乱光に起因する被照射面での縦縞が分散される効果が生じ、目視では縦縞が大幅に低減される。したがって、例えばオーバーラップ率が９０％以上の場合には、目視では縞が見えないように照射されることになる。
次に、長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂの往復動の移動幅をＳ、長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂを往復動させることなくレーザアニールした場合に目視可能に現れる線状ビームの走査方向（本実施形態では基板２の搬送方向）と平行な縞模様（縦縞）のピッチをＰ、長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂを構成する各シリンドリカルレンズ２１の幅をＷとした場合の、移動幅Ｓとレンズ幅Ｗの好ましい条件について説明する。
図２は、縦縞のピッチＰを説明する模式図である。図２に示すように、縦縞は交互に現れる明部Ｌと暗部Ｄとからなる。図２は模式図であるため、明部Ｌと暗部Ｄとの境界が明確に示されているが、実際の縞では明部Ｌと暗部Ｄとがグラデーションとなって交互に現れる。明部Ｌの中心間の各間隔ＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３・・・にはばらつきがあり、暗部Ｄの中心間の各間隔ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３・・・にはばらつきがある。
本明細書において、縦縞のピッチＰとは、明部Ｌの中心間の各間隔ＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３・・・の平均値ＰＬＡ、暗部Ｄの中心間の各間隔ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３・・・の平均値ＰＤＡ、またはＰＬＡとＰＤＡを合算した平均値のいずれかを意味するものとする。
図３は、長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂの往復動の移動幅Ｓとシリンドリカルレンズ２１の幅Ｗについて説明する図である。
図３に示すように、長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂの往復動の移動幅Ｓは、シリンドリカルレンズアレイ２１のＸ方向の移動ストロークであり、シリンドリカルレンズ２１の幅Ｗは往復移動方向（Ｘ方向）の長さである。
縦縞の原因となるビーム長軸方向のエネルギー分布のムラを長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂの往復動によって分散させることを考慮すると、長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂの往復動の移動幅Ｓは、少なくともＰ／３以上であるのがよい。また長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂの移動ストロークがレンズ幅Ｗを超えないように移動幅Ｓはシリンドリカルレンズの幅Ｗよりも小さいことが好ましい。
したがって、Ｐ／３≦Ｓ＜Ｗの条件を満たすように、移動幅Ｓとレンズ幅Ｗを設定することが好ましい。これにより、縦縞の原因となるエネルギー分布のムラが縞ピッチＰの少なくとも１／３に相当する距離だけ基板搬送方向と垂直な方向（図２の左右方向）にずれるので、縦縞を適度に分散させ目視可能な縦縞の発生を効果的に低減できる。また、上記の条件をＰ／２≦Ｓ＜ＷあるいはＰ≦Ｓ＜Ｗとすれば、分散の効果をより大きくすることができ、より大きな縞低減効果を得ることができる。
また縦縞のピッチＰは約３〜４ｍｍ程度であることが確認されている。したがって、具体的には、移動幅Ｓは、１．０ｍｍ以上であるのが好ましく、１．５ｍｍ以上であるのがより好ましく、３．０ｍｍ以上であるのが更により好ましい。この場合もＳ＜Ｗであるのが好ましい。
また、長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂの往復動の周波数Ｆは、５Ｈｚ以上であるのが好ましい。図４Ａは、長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂ往復動させることなくレーザアニールした半導体膜の写真を示す図である。図４Ｂは、長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂを７．５Ｈｚの周波数で往復動させてレーザアニールした半導体膜の写真を示す図である。図４Ｂから、周波数Ｆを高速化することで、長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂの往復動のみで、縦縞だけでなく横縞も低減されること分かる。この理由は、長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂの往復動によって、後段に設置された大型レンズ（投影レンズ３０）に入射するレーザ光１の短軸方向のエネルギー分布が変動する作用があり、上述した移動幅Ｓとレンズ幅Ｗの好ましい条件設定、及び周波数Ｆの高速化によって前記の作用がより大きくなったことで、横縞についても低減効果が生じたものと推測される。
また、レーザ光１の偏光方向は非晶質半導体膜３の表面に対してＳ偏光であるのが良い。Ｓ偏光とは、入射面（本発明の場合、非晶質半導体膜３の表面）に対して水平な偏光方向をいい、Ｐ偏光とは、入射面に対して垂直な偏光方向をいう。
図５はＰ偏光で処理した場合とＳ偏光で処理した場合の結晶粒のＳＥＭ写真である。Ｓ偏光のレーザ光により非晶質半導体膜をアニール処理した場合、図５に示すように、Ｐ偏光で処理するよりも粒径が大きく（粗く）均一な結晶粒の多結晶半導体膜が得られる。このため、目視で観察される縞が低減する効果が得られる。
目視縞の低減効果は、Ｐ偏光成分が少ないほどよいので、Ｓ偏光が最もよく、次にＰ偏光とＳ偏光の交互照射、ランダム偏光、最後にＰ偏光の順番である。またこのような偏光方向の影響の観点から、レーザ光源１２としては直線偏光のレーザ光を発振する固体レーザ装置であるのがよい。なお、レーザ光１の偏光方向はＳ偏光が好ましいことについては、後述する第２〜第４実施形態においても同様である。
図１Ｂに示すように、レーザアニール装置１０は、さらに、レーザ照射中に短軸用レンズアレイ２６ａ，２６ｂを線状ビームの短軸方向に対応する方向（図中のＹ方向）に往復動させる短軸用レンズアレイ移動装置３３を備える。短軸用レンズアレイ移動装置３３は、図示しない制御装置によって自動制御される。
このように、短軸用レンズアレイ２６ａ，２６ｂを線状ビームの短軸方向に対応する方向に往復動させながらレーザ照射を行うことにより、後段の短軸用集光光学系を構成する大型レンズ（本実施形態では投影レンズ３０）に入射するレーザ光１の入射角及び強度がショットごとに変化する。したがって、被照射面における短軸方向のビーム均一性がショットごとに変動することで、レンズ表面での散乱光に起因する被照射面での横縞が分散される効果が生じ、目視では横縞が大幅に低減される。
なお、長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂを往復動させることで縦縞のみならず横縞についても低減されることは上述したとおりである。したがって、短軸用レンズアレイ２６ａ，２６ｂを往復動させず長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂのみを往復動させる構成とし、これにより縦縞と横縞の両方を低減するようにしてもよい。
なお、本実施形態において、レンズアレイ２０ａ，２０ｂ，２６ａ，２６ｂを往復動させても、被照射面でのビーム位置などは変化しない。
［第２実施形態］
図６Ａ及び図６Ｂに、本発明の第２実施形態にかかるレーザアニール装置１０の概略構成を示す。
図６Ａに示すように、本実施形態のレーザアニール装置１０は、第１実施形態における長軸用レンズアレイ移動装置３２に代えて、レーザ照射中に長軸用集光光学系（本実施形態では長軸用コンデンサレンズ２２）と被照射物３の表面との光路上の距離を一定に保持したまま、長軸用集光光学系と長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂとの光路上の相対距離を増減させるための手段として、レーザ照射中に長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂを光軸方向（図中のＺ方向）に往復動させる長軸用レンズアレイ往復動装置３４を備える。長軸用レンズアレイ往復動装置３４は、図示しない制御装置によって自動制御される。
このように、長軸用集光光学系と被照射物３の表面との光路上の距離を一定に保持したまま、長軸用集光光学系と長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂとの光路上の相対距離を増減させながらレーザ照射を行うことにより、後段の長軸用集光光学系を構成する大型レンズ（長軸用コンデンサレンズ２２）に入射するレーザ光１の入射角及び強度がショットごとに変化し、レンズ表面での散乱光に起因する被照射面での縦縞が分散される効果が生じるので、縦縞が大幅に低減される。また、本実施形態のように、小型に構成される長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂを光軸方向に往復動させることにより、長軸用集光光学系と長軸用レンズアレイ２０ａ，２０ｂとの光路上の相対距離の増減を容易に行うことができる。
また、図６Ｂに示すように、本実施形態のレーザアニール装置１０は、第１実施形態における短軸用レンズアレイ移動装置に代えて、レーザ照射中に短軸用コンデンサレンズを線状ビームの短軸方向に対応する方向（図中のＹ方向）に往復動させる短軸用コンデンサレンズ移動装置３５を備える。短軸用コンデンサレンズ移動装置３５は、図示しない制御装置によって自動制御される。
短軸用レンズアレイ２６ａ，２６ｂの後段に設置された短軸用コンデンサレンズ２９を線状ビームの短軸方向に対応する方向に往復動させながらレーザ照射を行うことによっても、後段の投影レンズ３０に入射するレーザ光１の入射角及び強度がショットごとに変化し、レンズ表面での散乱光に起因する被照射面での横縞が分散される効果が生じるので、横縞が大幅に低減される。
本実施形態のその他の構成は、第１実施形態と同様である。
［第３実施形態］
図７Ａ及び図７Ｂに、本発明の第３実施形態にかかるレーザアニール装置１０の概略構成を示す。
図７Ａに示すように、本実施形態のレーザアニール装置１０では、長軸用ホモジナイザ１９が導波路３９を用いた導波路形式として構成されている。すなわち、本実施形態において長軸用ホモジナイザ１９は、レーザ光１を線状ビームの長軸方向に対応する方向に複数に分割する長軸用導波路３９と、この長軸用導波路３９にレーザ光１を導く長軸用導入レンズ３８と、長軸用導波路３９によって分割されたレーザ光１を被照射物３の表面で長軸方向に重ね合わせる長軸用集光光学系としての長軸用端面転写光学系２３とからなる。本実施形態において長軸用端面転写光学系２３は、２つのシリンドリカルレンズ２３ａ，２３ｂからなり、長軸用導波路３９の出射面における長軸像を所定倍率で拡大して被照射面に投影する。
また、図７Ａに示すように、本実施形態のレーザアニール装置１０は、レーザ照射中に長軸用導入レンズ３８を線状ビームの長軸方向に対応する方向（図中のＸ方向）に往復動させる長軸用導入レンズ移動装置３６を備える。長軸用導入レンズ移動装置３６は、図示しない制御装置によって自動制御される。
このように、長軸用導入レンズ３８を線状ビームの長軸方向に対応する方向に往復動させながらレーザ照射を行うことにより、後段の長軸用集光光学系（本実施形態では長軸用端面転写光学系２３）を構成する大型レンズ（本実施形態ではシリンドリカルレンズ２３ａ，２３ｂ）に入射するレーザ光１の入射角及び強度がショットごとに変化し、レンズ表面での散乱光に起因する被照射面での縦縞が分散される効果が生じるので、縦縞が大幅に低減される。
図７Ｂに示すように、本実施形態のレーザアニール装置１０では、第１実施形態における短軸用レンズアレイ移動装置３３に代えて、レーザ照射中に線状ビームが短軸方向に往復動するように反射ミラー１１ｂを揺動させるミラー揺動装置３７を備える。ミラー揺動装置３７は、図示しない制御装置によって自動制御される。
このように、短軸用ホモジナイザ２５より上流側の光路上に設置された反射ミラー１１ａを、線状ビームが短軸方向に往復動するように揺動させることにより、後段の大型レンズ（本実施形態では投影レンズ３０及びシリンドリカルレンズ２３ａ，２３ｂ）に入射するレーザ光１の入射角及び強度がショットごとに変化し、レンズ表面での散乱光に起因する被照射面での横縞が分散される効果が生じるので、横縞が大幅に低減される。この場合、短軸用ホモジナイザ２５は、レンズアレイ方式、導波路方式のいずれでもよい。また、揺動させる反射ミラーは、短軸用ホモジナイザ２５より上流側の光路上に設置された反射ミラーであれば、どれでもよく、反射ミラー１１ｂの代わりに反射ミラー１１ａを揺動させてもよい。
本実施形態のその他の構成は、第１実施形態と同様である。
［第４実施形態］
図８Ａ及び図８Ｂに、本発明の第４実施形態にかかるレーザアニール装置１０の概略構成を示す。
図８Ｂに示すように、本実施形態のレーザアニール装置１０では、短軸用ホモジナイザ２５が導波路４４を用いた導波路形式として構成されている。すなわち、本実施形態において短軸用ホモジナイザ２５は、レーザ光１を線状ビームの短軸方向に対応する方向に複数に分割する短軸用導波路４４と、この短軸用導波路４４にレーザ光１を導く短軸用導入レンズ４３と、短軸用導波路４４によって分割されたレーザ光１を被照射物３の表面で短軸方向に重ね合わせる短軸用集光光学系としての短軸用端面転写光学系（３１ａ，３１ｂ）とからなる。本実施形態において短軸用端面転写光学系は、２つのシリンドリカルレンズ３１ａ，３１ｂからなり、短軸用導波路４４の出射面における短軸像を所定倍率で縮小して被照射面に投影する。
また、図８Ｂに示すように、本実施形態のレーザアニール装置１０は、レーザ照射中に短軸用導入レンズ４３を線状ビームの短軸方向に対応する方向（図中のＹ方向）に往復動させる短軸用導入レンズ移動装置４５を備える。
このように、短軸用導入レンズ４３を線状ビームの短軸方向に対応する方向に往復動させながらレーザ照射を行うことにより、後段の短軸用集光光学系を構成する大型レンズ（本実施形態ではシリンドリカルレンズ３１ｂ，長軸用コンデンサレンズ２２）に入射するレーザ光１の入射角及び強度がショットごとに変化し、レンズ表面での散乱光に起因する被照射面での横縞が分散される効果が生じるので、横縞が大幅に低減される。
なお、縦縞を低減するための構成と、横縞を低減するための構成との組み合わせは、上述した各実施形態で説明したものに限られず、各実施形態間で、縦縞を低減するための構成と、横縞を低減するための構成とを自由に入れ替えて組み合わせてもよい。
上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

Claims (21)

  1. パルス発振されたレーザ光を整形して被照射物の表面において線状ビームに集光し、レーザ光が重複照射されるように線状ビームを被照射物に対して線状ビームの短軸方向に相対的に走査し、レーザ照射により被照射物の表面をアニール処理するレーザアニール方法において、
    長軸用レンズアレイにより、レーザ光を線状ビームの長軸方向に対応する方向に複数に分割し、
    長軸用集光光学系により、前記長軸用レンズアレイによって分割されたレーザ光を被照射物の表面で長軸方向に重ね合わせ、
    レーザ照射中に、前記長軸用レンズアレイを線状ビームの長軸方向に対応する方向に往復動させる、ことを特徴とするレーザアニール方法。
  2. 前記長軸用レンズアレイの往復動の移動幅をＳ、前記長軸用レンズアレイを往復動させることなくレーザアニールした場合に目視可能に現れる前記線状ビームの走査方向と平行な縞模様のピッチをＰ、前記長軸用レンズアレイを構成する各シリンドリカルレンズの幅をＷとしたとき、Ｐ／３≦Ｓ＜Ｗ、Ｐ／２≦Ｓ＜Ｗ、またはＰ≦Ｓ＜Ｗの関係を満たす、請求項１記載のレーザアニール方法。
  3. 前記長軸用レンズアレイの往復動の移動幅をＳ、前記長軸用レンズアレイを構成する各シリンドリカルレンズの幅をＷとしたとき、１．０ｍｍ≦Ｓ＜Ｗ、１．５ｍｍ≦Ｓ＜Ｗ、または３．０ｍｍ≦Ｓ＜Ｗの関係を満たす、請求項１記載のレーザアニール方法。
  4. パルス発振されたレーザ光を整形して被照射物の表面において線状ビームに集光し、レーザ光が重複照射されるように線状ビームを被照射物に対して線状ビームの短軸方向に相対的に走査し、レーザ照射により被照射物の表面をアニール処理するレーザアニール方法において、
    長軸用レンズアレイにより、レーザ光を線状ビームの長軸方向に対応する方向に複数に分割し、
    長軸用集光光学系により、前記長軸用レンズアレイによって分割されたレーザ光を被照射物の表面で長軸方向に重ね合わせ、
    レーザ照射中に、前記集光光学系と被照射物の表面との光路上の距離を一定に保持したまま、前記長軸用集光光学系と前記長軸用レンズアレイとの光路上の相対距離を増減させる、ことを特徴とするレーザアニール方法。
  5. 前記長軸用レンズアレイを光軸方向に往復動させることにより、前記長軸用集光光学系と前記長軸用レンズアレイとの光路上の相対距離を増減させる、ことを特徴とする請求項４記載のレーザアニール方法。
  6. パルス発振されたレーザ光を整形して被照射物の表面において線状ビームに集光し、レーザ光が重複照射されるように線状ビームを被照射物に対して線状ビームの短軸方向に相対的に走査し、レーザ照射により被照射物の表面をアニール処理するレーザアニール方法において、
    長軸用導入レンズにより長軸用導波路にレーザ光を導入し、
    前記長軸用導波路により、レーザ光を線状ビームの長軸方向に対応する方向に複数に分割し、
    長軸用集光光学系により、前記長軸用導波路によって分割されたレーザ光を被照射物の表面で長軸方向に重ね合わせ、
    レーザ照射中に、前記長軸用導入レンズを線状ビームの長軸方向に対応する方向に往復動させる、ことを特徴とするレーザアニール方法。
  7. パルス発振されたレーザ光を整形して被照射物の表面において線状ビームに集光し、レーザ光が重複照射されるように線状ビームを被照射物に対して線状ビームの短軸方向に相対的に走査し、レーザ照射により被照射物の表面をアニール処理するレーザアニール装置において、
    レーザ光を線状ビームの長軸方向に対応する方向に複数に分割する長軸用レンズアレイと、
    該長軸用レンズアレイによって分割されたレーザ光を被照射物の表面で長軸方向に重ね合わせる長軸用集光光学系と、
    レーザ照射中に前記長軸用レンズアレイを線状ビームの長軸方向に対応する方向に往復動させる長軸用レンズアレイ移動装置と、を備える、ことを特徴とするレーザアニール装置。
  8. 前記長軸用レンズアレイの往復動の移動幅をＳ、前記長軸用レンズアレイを往復動させることなくレーザアニールした場合に目視可能に現れる前記線状ビームの走査方向と平行な縞模様のピッチをＰ、前記長軸用レンズアレイを構成する各シリンドリカルレンズの幅をＷとしたとき、Ｐ／３≦Ｓ＜Ｗ、Ｐ／２≦Ｓ＜Ｗ、またはＰ≦Ｓ＜Ｗの関係を満たす、請求項７記載のレーザアニール装置。
  9. 前記長軸用レンズアレイの往復動の移動幅をＳ、前記長軸用レンズアレイを構成する各シリンドリカルレンズの幅をＷとしたとき、１．０ｍｍ≦Ｓ＜Ｗ、１．５ｍｍ≦Ｓ＜Ｗ、または３．０ｍｍ≦Ｓ＜Ｗの関係を満たす、請求項７記載のレーザアニール装置。
  10. パルス発振されたレーザ光を整形して被照射物の表面において線状ビームに集光し、レーザ光が重複照射されるように線状ビームを被照射物に対して線状ビームの短軸方向に相対的に走査し、レーザ照射により被照射物の表面をアニール処理するレーザアニール装置において、
    レーザ光を線状ビームの長軸方向に対応する方向に複数に分割する長軸用レンズアレイと、
    該長軸用レンズアレイによって分割されたレーザ光を被照射物の表面で長軸方向に重ね合わせる長軸用集光光学系と、
    レーザ照射中に前記長軸用レンズアレイを光軸方向に往復動させる長軸用レンズアレイ往復動装置と、を備える、ことを特徴とするレーザアニール装置。
  11. パルス発振されたレーザ光を整形して被照射物の表面において線状ビームに集光し、レーザ光が重複照射されるように線状ビームを被照射物に対して線状ビームの短軸方向に相対的に走査し、レーザ照射により被照射物の表面をアニール処理するレーザアニール装置において、
    レーザ光を線状ビームの長軸方向に対応する方向に複数に分割する長軸用導波路と、
    該長軸用導波路にレーザ光を導く長軸用導入レンズと、
    前記長軸用導波路によって分割されたレーザ光を被照射物の表面で長軸方向に重ね合わせる長軸用集光光学系と、
    レーザ照射中に前記長軸用導入レンズを線状ビームの長軸方向に対応する方向に往復動させる長軸用導入レンズ移動装置と、を備える、ことを特徴とするレーザアニール装置。
  12. パルス発振されたレーザ光を整形して被照射物の表面において線状ビームに集光し、レーザ光が重複照射されるように線状ビームを被照射物に対して線状ビームの短軸方向に相対的に走査し、レーザ照射により被照射物の表面をアニール処理するレーザアニール方法において、
    短軸用レンズアレイにより、レーザ光を線状ビームの短軸方向に対応する方向に複数に分割し、
    短軸用集光光学系により、前記短軸用レンズアレイによって分割されたレーザ光を被照射物の表面で短軸方向に重ね合わせ、
    レーザ照射中に、前記短軸用レンズアレイを線状ビームの短軸方向に対応する方向に往復動させる、ことを特徴とするレーザアニール方法。
  13. パルス発振されたレーザ光を整形して被照射物の表面において線状ビームに集光し、レーザ光が重複照射されるように線状ビームを被照射物に対して線状ビームの短軸方向に相対的に走査し、レーザ照射により被照射物の表面をアニール処理するレーザアニール方法において、
    短軸用レンズアレイにより、レーザ光を線状ビームの短軸方向に対応する方向に複数に分割し、
    短軸用コンデンサレンズにより、前記短軸用レンズアレイによって分割されたレーザ光を結像面で短軸方向に重ね合わせ、
    投影レンズにより、結像面の短軸像を所定倍率で被照射物の表面に縮小投影し、
    レーザ照射中に、前記短軸用コンデンサレンズを線状ビームの短軸方向に対応する方向に往復動させる、ことを特徴とするレーザアニール方法。
  14. パルス発振されたレーザ光を整形して被照射物の表面において線状ビームに集光し、レーザ光が重複照射されるように線状ビームを被照射物に対して線状ビームの短軸方向に相対的に走査し、レーザ照射により被照射物の表面をアニール処理するレーザアニール方法において、
    短軸用ホモジナイザにより線状ビームの短軸方向の光強度分布を均一化し、
    レーザ照射中に、短軸用ホモジナイザより上流側の光路上に設置された反射ミラーを、線状ビームが短軸方向に往復動するように揺動させる、ことを特徴とするレーザアニール方法。
  15. パルス発振されたレーザ光を整形して被照射物の表面において線状ビームに集光し、レーザ光が重複照射されるように線状ビームを被照射物に対して線状ビームの短軸方向に相対的に走査し、レーザ照射により被照射物の表面をアニール処理するレーザアニール方法において、
    短軸用導入レンズにより短軸用導波路にレーザ光を導き、
    前記短軸用導波路により、レーザ光を線状ビームの短軸方向に対応する方向に複数に分割し、
    短軸用集光光学系により、前記短軸用導波路によって分割されたレーザ光を被照射物の表面で短軸方向に重ね合わせ、
    レーザ照射中に、前記短軸用導入レンズを線状ビームの短軸方向に対応する方向に往復動させる、ことを特徴とするレーザアニール方法。
  16. パルス発振されたレーザ光を整形して被照射物の表面において線状ビームに集光し、レーザ光が重複照射されるように線状ビームを被照射物に対して線状ビームの短軸方向に相対的に走査し、レーザ照射により被照射物の表面をアニール処理するレーザアニール装置において、
    レーザ光を線状ビームの短軸方向に対応する方向に複数に分割する短軸用レンズアレイと、
    前記短軸用レンズアレイによって分割されたレーザ光を被照射物の表面で短軸方向に重ね合わせる短軸用集光光学系と、
    レーザ照射中に前記短軸用レンズアレイを線状ビームの短軸方向に対応する方向に往復動させる短軸用レンズアレイ移動装置と、を備える、ことを特徴とするレーザアニール装置。
  17. パルス発振されたレーザ光を整形して被照射物の表面において線状ビームに集光し、レーザ光が重複照射されるように線状ビームを被照射物に対して線状ビームの短軸方向に相対的に走査し、レーザ照射により被照射物の表面をアニール処理するレーザアニール装置において、
    レーザ光を線状ビームの短軸方向に対応する方向に複数に分割する短軸用レンズアレイと、
    前記短軸用レンズアレイによって分割されたレーザ光を結像面で短軸方向に重ね合わせる短軸用コンデンサレンズと、
    結像面の短軸像を所定倍率で被照射物の表面に縮小投影する投影レンズと、
    レーザ照射中に前記短軸用コンデンサレンズを線状ビームの短軸方向に対応する方向に往復動させる短軸用コンデンサレンズ移動装置と、を備える、ことを特徴とするレーザアニール装置。
  18. パルス発振されたレーザ光を整形して被照射物の表面において線状ビームに集光し、レーザ光が重複照射されるように線状ビームを被照射物に対して線状ビームの短軸方向に相対的に走査し、レーザ照射により被照射物の表面をアニール処理するレーザアニール装置において、
    線状ビームの短軸方向の光強度分布を均一化する短軸用ホモジナイザと、
    該短軸用ホモジナイザより上流側の光路上に設置された反射ミラーと、
    レーザ照射中に線状ビームが短軸方向に往復動するように前記反射ミラーを揺動させるミラー揺動装置と、を備える、ことを特徴とするレーザアニール装置。
  19. パルス発振されたレーザ光を整形して被照射物の表面において線状ビームに集光し、レーザ光が重複照射されるように線状ビームを被照射物に対して線状ビームの短軸方向に相対的に走査し、レーザ照射により被照射物の表面をアニール処理するレーザアニール装置において、
    レーザ光を線状ビームの短軸方向に対応する方向に複数に分割する短軸用導波路と、
    該短軸用導波路にレーザ光を導く短軸用導入レンズと、
    前記短軸用導波路によって分割されたレーザ光を被照射物の表面で短軸方向に重ね合わせる短軸用集光光学系と、
    レーザ照射中に前記短軸用導入レンズを線状ビームの短軸方向に対応する方向に往復動させる短軸用導入レンズ移動装置と、を備える、ことを特徴とするレーザアニール装置。
  20. 前記レーザ光の偏光方向は被照射物の表面に対してＳ偏光である、請求項１乃至６、１２乃至１５のいずれか一項に記載のレーザアニール方法。
  21. 前記レーザ光の偏光方向は被照射物の表面に対してＳ偏光である、請求項７乃至１１、１６乃至１９のいずれか一項に記載のレーザアニール装置。
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