KR20130089145A - 레이저 어닐 방법 및 장치 - Google Patents

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브이 테크놀로지 씨오. 엘티디
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Abstract

아몰퍼스 실리콘막을 레이저 어닐하여, 저온 폴리실리콘막을 형성할 때에, YAG 레이저와 같은 저비용의 레이저 광원 장치를 사용해도, 아몰퍼스 실리콘막에 대하여, 충분한 에너지를 가하여 효율적으로 상 전이시킬 수 있는 레이저 어닐 방법 및 장치를 제공한다. YAG 레이저 광원(11)으로부터의 기본파를, 파장 변환기(12, 13)에서 제2 고조파 및 제3 고조파로 변환하고, 제3 고조파의 레이저광을 피조사체(18)에 조사함과 함께, 기본파는, 약 3m인 제3 광학계(21) 및 약 6m인 제4 광학계(22)를 경유시켜서, 약 10㎱ 및 약 20㎱ 지연시켜서, 피조사체(18)에 조사한다. 이에 의해, 제3 고조파로 용융된 아몰퍼스 실리콘막의 용융부는 기본파가 P파와 S파로 분할되어서 조사되므로, 아몰퍼스 실리콘막에는 흡수되지 않는 YAG 기본파가 용융 Si에 흡수되어서 그 가열에 유효하게 사용된다.

Description

레이저 어닐 방법 및 장치{LASER ANNEALING METHOD AND DEVICE}
본 발명은, 박막 트랜지스터 액정 패널 등에 있어서, 아몰퍼스 실리콘막을 펄스 레이저광의 조사에 의해 어닐해서 저온 폴리실리콘막을 형성하는 레이저 어닐 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 마이크로 렌즈 어레이를 사용하여, 박막 트랜지스터를 형성해야 할 영역만을 어닐할 수 있는 레이저 어닐 방법 및 장치에 관한 것이다.
액정 패널에서는, 유리 기판 상에 아몰퍼스 실리콘막을 형성하고, 이 아몰퍼스 실리콘막에 대하여, 기판의 일단부로부터, 선 형상의 빔 형상을 갖는 연속 레이저 광을, 상기 빔의 길이 방향에 수직한 방향으로 주사함으로써, 저온 폴리실리콘막을 형성하고 있다. 이 선 형상의 레이저광의 주사에 의해, 아몰퍼스 실리콘막이 레이저광에 의해 가열되어서 일단 용융되고, 그 후, 레이저광의 통과에 의해 용융 실리콘이 급냉되어, 응고함으로써 결정화되어, 저온 폴리실리콘막이 형성된다(특허문헌 1, 2).
그러나, 이 저온 폴리실리콘막의 형성 장치에서는, 아몰퍼스 실리콘막의 전체가 레이저광의 조사를 받아서 고온이 되고, 아몰퍼스 실리콘막의 용융 응고에 의해 전체가 저온 폴리실리콘막이 된다. 이로 인해, 박막 트랜지스터(이하, TFT)를 형성해야 할 영역 이외의 영역도 어닐되기 때문에, 처리 효율이 나쁘다고 하는 문제점이 있다.
따라서, 마이크로 렌즈 어레이를 사용하고, 각 마이크로 렌즈에 의해, 아몰퍼스 실리콘막 상에서, 미소한 복수개의 영역에 펄스 레이저광을 집광시켜서, 각 트랜지스터에 대응하는 미소 영역에, 동시에 개별적으로 펄스 레이저광을 조사해서 어닐하는 방법이 제안되어 있다(특허문헌 3). 이 방법에서는, 복수개의 TFT 형성 예정 영역의 아몰퍼스 실리콘막만을 어닐 처리하기 때문에, 레이저광의 이용 효율이 높아진다고 하는 이점이 있다.
그러나, 이들의 종래의 아몰퍼스 실리콘막의 레이저 어닐 장치에서는, 아몰퍼스 실리콘막에 대하여, 아몰퍼스 실리콘막에 대한 흡수율이 높은 XeCl 가스의 엑시머 레이저를 조사하고 있다. 이 엑시머 레이저는 기본 파장이 308㎚이다. 또는, YAG 레이저를 사용하고, 이 YAG 레이저의 기본 파장이 1064㎚이기 때문에, 이를 3배의 고조파(파장이 355㎚)로 하여, 아몰퍼스 실리콘막에 대한 흡수 특성이 양호한 레이저광으로 한 후, 레이저 어닐에 사용하고 있다.
이로 인해, 엑시머 레이저를 사용한 경우에는, 그 엑시머 레이저 장치의 장치 비용이 높고, 또한, XeCl 가스를 사용함과 함께 램프의 수명이 짧기 때문에, 운용 비용도 높다고 하는 문제점이 있다.
한편, YAG 레이저에 대해서는, 장치 비용 및 운용 비용은 낮지만, 기본 파장이 1064㎚이며, 이러한 장파장의 레이저광은, 아몰퍼스 실리콘막에서 흡수되지 않기 때문에, 파장이 355㎚인 제3 고조파의 레이저광을 사용할 필요가 있다. 이 제3 고조파는, 기본파의 출력의 30％ 정도 밖에 이용할 수 없기 때문에, 충분한 출력이 얻어지지 않는다고 하는 난점이 있다.
한편, 특허문헌 4에는, 파장이 긴 제1 레이저 빔을 파장이 짧은 제2 레이저 빔보다도 지연시켜서 피가공물로 유도하는 광학계를 구비한 표면 열처리 장치가 개시되어 있다. 이 장치는, YAG 레이저로부터 출력된 기본 파장의 레이저광(파장: 1.06㎛)의 광학로를, 제2 고조파의 레이저광(파장: 0.53㎛)의 광학로보다 길게 하여, 출력이 낮은 제2 레이저 빔의 조사 후, 시간 차를 두고 출력이 높은 제1 레이저 빔을 조사함으로써, 피가공물의 표면을 극히 얕고, 능률적으로 열처리하도록 한 것이다.
또한, 특허문헌 5에는, 피가공물의 표면의 제1 층을 제1 광 펄스에 의해 조사해서 가공하고, 그 후, 지연하여, 제1 광 펄스와는 파장이 상이한 제2 광 펄스에 의해 조사해서 제1 층보다 하층의 제2 층을 가공하는 초 레이저 표면 처리 장치가 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 6에는, 냉각 시의 시상수를 길게 함으로써, 그레인 크기를 일정하게 하는 것을 목적으로서, 동일 파장의 레이저 빔을 전력 밀도가 높은 순으로 빔 스폿 이상의 거리를 이격해서 연동해서 주사하면서 시료에 조사하는 레이저 가열 방법이 개시되어 있다. 먼저 조사되는 레이저 빔은, 다결정 실리콘막을 용융하기에 충분한 에너지 밀도를 갖고, 다음 순으로 조사되는 레이저 빔은, 파장은 동일하되, 다결정 실리콘막을 용융하지 않는 정도로 충분한 가열력을 갖는 것이다.
또한, 특허문헌 7에는, 레이저 어닐에 의한 재결정 시의 입경을 크게 하기 위해서, 3개의 레이저 장치를 사용하고, 종래의 1 출력 펄스에 상당하는 에너지를, n=3발의 단계적으로 출력이 상이한 펄스로 분할하고, 이것을 연속적으로 박막의 표면에 조사함으로써, 용융해서 재결정하는 시간을 길게 함으로써, 최대 2000Å의 입경을 얻는 레이저 어닐 장치가 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 8에는, 반도체 재료를 균일하면서 또한 양호하게 결정화시키는 것을 목적으로서, 파장이 상이한 복수 종류의 광 에너지의 광을, 동시에 또는 시간 차를 두고 재료에 조사하는 광원 장치가 개시되어 있다. 이 경우, 우선, 에너지가 작은 쪽의 광을 조사하면, 조사된 반도체층의 전체가 용융하고, 그 후, 최표면으로부터 고화(결정화)가 시작된다. 그 후, 조금 지연하여 에너지가 높은 광을 조사하면, 반도체층이 고화되기 시작한 최표면이 다시 용융하고, 최종적으로 반도체층의 전체에 걸쳐서, 결정립이 보다 균일한 것이 된다.
일본 특허 제3945805호 공보 일본 특허 공개 제2004-282060호 공보 일본 특허 공개 제2004-311906호 공보 일본 특허 공고 소64-1045호 공보 일본 특허 공개 소56-29323호 공보 일본 특허 공고 평4-20254호 공보 일본 특허 공개 평3-60015호 공보 일본 특허 공개 평6-163406호 공보
그러나, 전술한 종래 기술은, 결정립 직경의 균일화, 결정립 직경의 장대화 등을 목적으로서, 동일 파장 또는 복수의 파장의 레이저광을 시간 차를 두고 피조사체에 조사하는 것이지만, YAG 레이저와 같은 저비용의 레이저 광원 장치를 사용하여, 레이저 광원으로부터 출사되는 레이저광의 에너지를 유효하게 사용할 수 있는 것은 아니었다.
본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 아몰퍼스 실리콘막을 레이저 어닐하여, 저온 폴리실리콘막을 형성할 때에, YAG 레이저와 같은 저비용의 레이저 광원 장치를 사용해도, 아몰퍼스 실리콘막에 대하여, 충분한 에너지를 가하여 효율적으로 상 전이시킬 수 있는 레이저 어닐 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 레이저 어닐 방법은, 제1 펄스 레이저광과, 상기 제1 펄스 레이저광보다도 고차의 고조파인 제2 펄스 레이저광을 출력하는 레이저 조사부를 갖고, 상기 제2 펄스 레이저광을 아몰퍼스 실리콘막에 조사하고, 상기 제2 펄스 레이저광의 조사에 의해 상기 아몰퍼스 실리콘막이 용융하는 공정과,
그 용융부가 응고하기 전의 시점에서, 상기 제1 펄스 레이저광의 일부를 상기 제2 펄스 레이저광의 조사보다 제1 지연 시간만큼 지연시킨 후, 상기 아몰퍼스 실리콘막의 상기 용융부에 조사하는 공정과,
이 용융부가 응고하기 전의 시점에서, 상기 제1 펄스 레이저광의 다른 일부 또는 잔부(나머지 부분)를 상기 제1 펄스 레이저광의 상기 일부의 조사보다 제2 지연 시간만큼 지연시킨 후, 상기 아몰퍼스 실리콘막의 상기 용융부에 조사하는 공정을 갖고,
어닐 대상부에 상기 제2 펄스 레이저광의 에너지와, 상기 제1 펄스 레이저광의 2 또는 복수로 분할된 에너지를, 순차 부여하는 것을 특징으로 한다.
이 레이저 어닐 방법에서, 예를 들어, 상기 제2 펄스 레이저광은, 파장이 550㎚ 이하이며, 상기 제1 펄스 레이저광은, 파장이 550㎚를 초과하는 것이다.
본 발명에 따른 제1 레이저 어닐 장치는, 제1 펄스 레이저광을 출력하는 제1 발진기와, 상기 제1 펄스 레이저광보다도 고차의 고조파인 제2 펄스 레이저광을 출력하는 제2 발진기와, 상기 제1 펄스 레이저광을 아몰퍼스 실리콘막에 조사하는 제1 광학계와, 상기 제2 펄스 레이저광을 상기 아몰퍼스 실리콘막에 조사해서 용융부를 형성하는 제2 광학계를 갖고,
상기 제1 광학계는, 상기 제2 광학계에 의한 상기 제2 펄스 레이저광의 조사보다도 제1 지연 시간만큼 지연시켜서 상기 제1 펄스 레이저광의 일부를 상기 아몰퍼스 실리콘막의 상기 용융부에 조사시키는 제3 광학계와, 상기 제3 광학계에 의한 상기 제1 펄스 레이저광의 일부의 조사보다도 제2 지연 시간만큼 지연시켜서 상기 제1 펄스 레이저광의 다른 일부 또는 잔부를 상기 아몰퍼스 실리콘막의 상기 용융부에 조사시키는 제4 광학계를 갖고,
상기 제1 지연 시간은, 상기 제2 펄스 레이저광에 의한 조사에 의해 상기 아몰퍼스 실리콘막이 용융된 후, 용융부가 응고하기 전의 시점에서 상기 제1 펄스 레이저광의 상기 일부가 조사되는 것이며,
상기 제2 지연 시간은, 상기 제1 펄스 레이저광의 상기 일부의 조사에 의해 용융이 유지되고 있는 상기 용융부가 응고하기 전의 시점에서 상기 제1 펄스 레이저광의 상기 다른 일부 또는 잔부가 조사되는 것인 것을 특징으로 한다.
이 제1 레이저 어닐 장치에서, 상기 제2 펄스 레이저광은, 파장이 550㎚ 이하이며, 상기 제1 펄스 레이저광은, 파장이 550㎚를 초과하는 것이다.
본 발명에 따른 제2 레이저 어닐 장치는, 펄스 발진의 레이저광의 기본파를 출력하는 레이저 광원과, 상기 기본파를 1 또는 복수의 고차의 고조파로 변환하는 파장 변환기와, 상기 기본파 또는 저차의 고조파인 제1 펄스 레이저광을 상기 아몰퍼스 실리콘막으로 도광해서 조사하는 제1 광학계와, 상기 제1 펄스 레이저광보다도 고차의 고조파인 제2 펄스 레이저광을 상기 아몰퍼스 실리콘막으로 도광하여 조사함으로써 용융부를 형성하는 제2 광학계를 갖고,
상기 제1 광학계는, 상기 제2 광학계에 의한 상기 제2 펄스 레이저광의 조사보다도 제1 지연 시간만큼 지연시켜서 상기 제1 펄스 레이저광의 일부를 상기 아몰퍼스 실리콘막의 상기 용융부에 조사시키는 제3 광학계와, 상기 제3 광학계에 의한 상기 제1 펄스 레이저광의 일부의 조사보다도 제2 지연 시간만큼 지연시켜서 상기 제1 펄스 레이저광의 다른 일부 또는 잔부를 상기 아몰퍼스 실리콘막의 상기 용융부에 조사시키는 제4 광학계를 갖고,
상기 제1 지연 시간은, 상기 제2 펄스 레이저광에 의한 조사에 의해 상기 아몰퍼스 실리콘막이 용융된 후, 용융부가 응고하기 전의 시점에서 상기 제1 펄스 레이저광의 상기 일부가 조사되는 것이며,
상기 제2 지연 시간은, 상기 제1 펄스 레이저광의 상기 일부의 조사에 의해 용융이 유지되고 있는 상기 용융부가 응고하기 전의 시점에서 상기 제1 펄스 레이저광의 상기 다른 일부 또는 잔부가 조사되는 것인 것을 특징으로 한다.
이 제2 레이저 어닐 장치에서, 예를 들어, 상기 레이저 광원은, 기본파의 파장이 1064㎚인 YAG 레이저 광원이며, 상기 제1 펄스 레이저광은, 상기 기본파 또는 파장이 533㎚인 제2 고조파이며, 상기 제2 펄스 레이저광은, 파장이 355㎚인 제3 고조파이다.
본 발명에 따르면, 고차의 고조파(예를 들어, 파장이 550㎚ 이하)인 제2 펄스 레이저광에 의한 조사에 의해 아몰퍼스 실리콘막이 용융된 후, 용융부가 응고하기 전에, 제1 지연 시간만큼 지연하여, 파장이 예를 들어, 550㎚를 초과하는 제1 펄스 레이저광의 일부에 의한 조사가 행하여진다. 이에 의해, 제2 펄스 레이저광에 의해 용융된 영역이 용융된 상태 그대로, 제1 펄스 레이저광의 일부에 의한 조사를 받으므로, 고체의 아몰퍼스 실리콘막에는 흡수되지 않는 제1 펄스 레이저광이더라도, 용융되어서 금속 Si로 된 용융부에서는, 충분히 흡수되어, 제1 펄스 레이저광의 에너지가 용융부에 부여된다. 그리고, 그 후, 제1 펄스 레이저광의 잔부(나머지 부분) 또는 다른 일부가, 제2 지연 시간만큼 지연하여, 용융 상태가 유지되고 있는 용융부에 조사된다. 이에 의해, YAG 레이저와 같이 파장이 긴 레이저 광원을 사용하더라도, 아몰퍼스 실리콘막을 용융시킬 수 있음과 함께, 충분히 큰 에너지를 가할 수 있다. 그리고, 본 발명에서는, 에너지가 높은(빔 강도가 높은) 기본파 또는 저차의 고조파인 제1 펄스 레이저광은, 2개 또는 그 이상으로 분할되어, 제1 펄스 레이저광의 일부 및 제1 펄스 레이저광의 잔부로서, 또는 제1 펄스 레이저광의 일부 및 제1 펄스 레이저광의 다른 일부(이후, 제1 펄스 레이저광의 또 다른 일부 또는 잔부)로서 분할된 후, 상호간에 제2 지연 시간만큼을 두고, 용융부에 조사된다. 이로 인해, 에너지가 낮은(빔 강도가 낮은) 고조파인 제2 펄스 레이저광과, 에너지가 높지만 분할된 제1 펄스 레이저광의 일부와, 마찬가지의 제1 펄스 레이저광의 다른 일부가, 상호간에 제1 지연 시간 및 제2 지연 시간을 두고 조사되므로, 기본파와 고차의 고조파와의 2개의 파의 경우에 비하여, 보다 장시간, 거의 일정한 강도로 레이저광이 조사되어, 보다 고효율로 레이저광의 에너지를 아몰퍼스 실리콘막에 흡수시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 레이저 어닐 장치에서, 상기 제2 발진기로부터 출력되는 제2 펄스 레이저광은, 기본 파장이 아니라, 2차 또는 3차 등의 고조파를 사용하면 되므로, 이 제2 레이저 어닐 장치도, 저비용으로 할 수 있다.
도 1은 레이저 어닐 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 따른 레이저 어닐 장치의 광원의 부분을 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 실시 형태의 동작을 나타내는 레이저광의 조사 타이밍의 그래프도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서, 첨부의 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다. 도 1은, 마이크로 렌즈를 사용한 레이저 어닐 장치를 나타내는 도면이다. 도 1에 나타내는 레이저 어닐 장치는, 역 스태거 구조의 박막 트랜지스터와 같은 반도체 장치의 제조 공정에서, 예를 들어, 그 채널 영역 형성 예정 영역에만 레이저광을 조사하여 어닐하고, 이 채널 영역 형성 예정 영역을 다결정화하여, 폴리실리콘막을 형성하기 위한 장치이다. 이 마이크로 렌즈를 사용한 레이저 어닐 장치는, 발진기(1)로부터 출사된 레이저광을, 렌즈군(2)에 의해 평행 빔으로 정형하고, 다수의 마이크로 렌즈(5)로 이루어지는 마이크로 렌즈 어레이를 개재해서 피조사체(6)에 조사한다. 레이저 발진기(1)는, 도 2에서 후술하는 바와 같이, 예를 들어, YAG 레이저를 광원으로 하는 것으로, 파장이 355㎚ 및 1064㎚인 2개의 레이저광을 양자간에 지연 시간을 두고 출사하는 것이다. 마이크로 렌즈 어레이는, 투명 기판(4)에 다수의 마이크로 렌즈(5)가 배치된 것으로, 레이저광을 피조사체(6)로서의 박막 트랜지스터 기판에 설정된 박막 트랜지스터 형성 예정 영역에 집광시키는 것이다. 투명 기판(4)은 피조사체(6)에 평행하게 배치되고, 마이크로 렌즈(5)는, 트랜지스터 형성 예정 영역의 배열 피치의 예를 들어, 2 이상의 정수배(예를 들어 2)의 피치로 배치되어 있다. 본 실시 형태의 피조사체(6)는, 예를 들어, 박막 트랜지스터이며, 그 a-Si막의 채널 영역 형성 예정 영역에 레이저광을 조사하여, 폴리실리콘 채널 영역을 형성한다. 마이크로 렌즈(5)의 상방에는, 마이크로 렌즈(5)에 의해, 채널 형성 예정 영역에만 레이저광을 조사하기 위한 마스크(3)가 배치되어 있으며, 이 마스크(3)에 의해, 피조사체(6)에서 채널 영역이 획정된다.
본 실시 형태의 레이저 발진기(1)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 기본파의 파장이 1064㎚인 YAG 레이저 광원(11)과, 이 기본파를 2차의 고조파로 변환하는 제1 파장 변환기(12)와, 3차의 고조파로 변환하는 제2 파장 변환기(13)를 갖는다. 제1 파장 변환기(12)는 레이저 광원(11)으로부터의 기본파를, 파장이 533㎚인 제2 고조파(SHG)로 변환하여, 기본파와 제2 고조파를 출력한다. 제2 파장 변환기(13)는, 이 제2 고조파와 기본파를 합성해서 제3 고조파(THG)를 생성하여, 파장이 355㎚인 제3 고조파와, 제2 고조파 및 기본파를 출력한다. 또한, 도 2에서, 미러(24)와 미러(25) 사이의 거리 및 미러(15)와 미러(16) 사이의 거리는, 미러(23)와 미러(24) 사이의 거리 및 미러(15)와 미러(14) 사이의 거리에 비하여, 극히 큰 것이지만, 도시 상태는, 이해의 용이를 위해서 세로와 가로의 종횡비가, 실제의 물리적 치수에 비하여, 현저하게 크게 묘화되어 있다.
제2 파장 변환기(13)로부터 출력된 제3 고조파(파장: 355㎚)는, 렌즈(17)를 포함하는 제2 광학계(20)에 의해, 아몰퍼스 실리콘막이 형성된 피조사체(18)에 조사된다. 한편, 제2 파장 변환기(13)로부터 출력된 기본파(파장: 1064㎚)는, 그 일부가, 미러(14), 미러(15), 미러(16) 등을 포함하는 제3 광학계(21)를 경유하여, 렌즈(17)에 의해 피조사체(18)에 조사된다. 또한, 기본파의 잔부는, 미러(14)를 투과하고, 미러(23), 미러(24), 미러(25)에서 반사하고, 미러(16)를 투과해서 렌즈(17)에 의해 피조사체(18)에 조사되고, 미러(23, 24, 25)는, 제4 광학계(22)를 구성한다. 그리고, 이 제3 광학계(21) 및 제4 광학계(22)에 의해, 기본파를 도광하는 제1 광학계(19)가 구성된다. 또한, 제2 파장 변환기(13)로부터 출력된 제2 고조파(파장: 533㎚)도, 제3 고조파(파장: 355㎚)로 지연시켜서, 또는 지연시키지 않고, 아몰퍼스 실리콘막의 조사에 사용해도 좋다.
제2 파장 변환기(13)로부터 출력된 기본파는, 그 일부가 미러(14)에서 반사되고, 잔부(나머지 부분)가 미러(14)를 투과한다. 이 반사량 및 투과량은, 예를 들어, 각각 50％이다. 이 미러(14)에서 반사되는 기본파를 P파라고 하고, 미러(14)를 투과하는 기본파를 S파라고 한다. 이 기본파의 P파가 도광되는 제3 광학계(21)의 광로는, 제2 파장 변환기(13)로부터, 미러(14, 15, 16)를 거쳐서, 렌즈(17)로부터 피조사체(18)에 이르는 것이며, 이 광로 길이는, 예를 들어, 3m이다. 예를 들어, 미러(14, 15)와, 미러(16)와의 사이의 물리적 거리를 약 1.5m로 하면, 제2 파장 변환기(13)로부터 출력된 기본파는, 미러(14, 15)에서 반환되므로, 3m의 광로 길이를 확보할 수 있다. 따라서, 기본파 중 50％의 P파는, 제3 광학계(21)로 도광되고, 제3 고조파는 제2 광학계를 거쳐서 피조사체(18)에 조사되므로, 양자의 광로 길이에는, 약 3m의 차가 있고, 이 광로 길이의 차에 의해, 기본파의 P파는, 제3 고조파에 대하여, 약 10㎱ 지연하여, 아몰퍼스 실리콘막에 조사된다.
또한, 미러(14)를 투과해서 미러(23, 24, 25)에 의해 반사된 기본파 중 S파는, 제4 광학계(22)로 도광되어서 피조사체(18)에 조사된다. 이 제4 광학계(22)는, 제2 파장 변환기(13)로부터, 미러(14, 23, 24, 25, 16)를 거쳐서, 렌즈(17)로부터 피조사체(18)에 이르는 것이며, 이 광로 길이는, 예를 들어, 6m이다. 예를 들어, 미러(23, 24)와, 미러(25)와의 사이의 물리적 거리를 약 3m로 하면, 제2 파장 변환기(13)로부터 출력된 기본파는, 미러(23, 24)에서 반환되므로, 6m의 광로 길이를 확보할 수 있다. 따라서, 기본파 중 50％의 S파는, 제4 광학계(22)로 도광되고, 기본파 중 50％의 P파는, 제3 광학계(21)로 도광되므로, 양자의 광로 길이에는, 약 3m의 차가 있고, 이 광로 길이의 차에 의해, 기본파의 S파는, 기본파의 S파에 대하여, 약 10㎱ 지연하여, 아몰퍼스 실리콘막에 조사된다. 따라서, 제3 고조파와, P파와, S파는, 그들 사이에 약 10㎱의 지연 시간을 두고, 피조사체(18)의 용융부에 조사된다. 또한, 제3 광학계(21)의 미러(16)와 렌즈(17) 사이에는, 제3 광학계(21) 및 제4 광학계(22)로 도광되는 레이저광의 강도를 조정하는 어테뉴에이터(26)가 배치되어 있다.
이어서, 전술한 바와 같이 구성된 본 실시 형태의 레이저 어닐 장치의 동작에 대해서 설명한다. YAG 레이저의 기본파의 경우에는, 아몰퍼스 실리콘막에 조사되어도, 이 아몰퍼스 실리콘막에서는 흡수되기 어렵고, YAG 레이저 기본파는, 아몰퍼스 실리콘막을 용융시킬 수 없는 동시에, 아몰퍼스 실리콘막을 투과하여, 그 바탕의 유리 기판에 도달하여, 유리 기판을 손상시킨다. 이로 인해, 종래, YAG 레이저의 경우에는, 제3 고조파(파장이 355㎚)를 사용하여, 레이저 어닐이 행하여지고 있다.
그러나, 본 실시 형태에서는, YAG 레이저 광원(11)으로부터, 기본파(파장이 1064㎚)인 레이저광을 1샷만, 펄스 출력한다. 그렇게 하면, 이 레이저광은 제1 파장 변환기(12)에서 제2 고조파(SHG)로 변환되고, 제2 고조파와 기본파가 입력된 제2 파장 변환기(13)에서 제3 고조파(THG)로 변환된다. 그리고, 이 제3 고조파는 렌즈(17)를 개재하여, 피조사체(18)에 조사되어, 피조사체(18)를 국부적으로 용융시킨다. 한편, 기본파 중 P파는, 미러(14, 15, 16)를 포함하는 제3 광학계(21)를 경유해서 지연되고, 예를 들어, 제3 고조파에 대하여 10㎱ 지연하여, 피조사체(18)의 용융부에 조사된다. 또한, 기본파 중 S파는, 미러(23, 24, 25)를 포함하는 제4 광학계(22)를 경유해서 지연되고, 예를 들어, P파에 대하여 10㎱ 지연하여, 피조사체(18)의 용융부에 조사된다.
도 3의 (a)는, 제3 고조파가 조사된 후, 기본파의 P파가 예를 들어, 10㎱ 지연해서 조사되고, 또한 기본파의 S파가 예를 들어, 10㎱ 지연해서 조사된 것을 나타낸다. 그리고, 이 제3 고조파가 조사되면, 제3 고조파의 파장은 355㎚이므로, 아몰퍼스 실리콘막이 용융한다. 가령, 이 제3 고조파의 조사 뿐인 경우에는, 아몰퍼스 실리콘막의 응고가 약 50㎱ 후에 개시된다. 따라서, 제3 고조파의 조사 후, 10㎱ 지연해서 기본파의 P파가 조사된 경우에는, 이 기본파의 P파는, 용융 상태의 금속 Si에 조사되므로, 고체 아몰퍼스 실리콘막에 조사된 경우와 상이하며, 기본파의 파장에서도, 용융부에 충분히 흡수되어, 이 용융부에 큰 열원을 부여한다. 또한, 기본파의 P파가 용융 상태의 금속 Si에 조사된 후, 10㎱ 지연해서 기본파의 S파가 조사된 경우에는, 이 기본파의 S파는, 용융 상태의 금속 Si에는 충분히 흡수되어, 이 용융부에 큰 열원을 부여한다. 그리고, 기본파는, 고조파보다도 에너지가 크고, 레이저광의 강도가 높아지지만, 본 실시 형태에서는, 기본파는, 그 에너지가 50％씩에 분할되어, 강도가 약 절반의 P파 및 S파가 약 10㎱의 지연 시간으로 지연하여 용융부에 조사되므로, 에너지 및 레이저광 강도가 거의 일정해진 3개의 펄스 레이저광이, 상호간에 약 10㎱의 지연 시간으로 지연하여 아몰퍼스 실리콘막에 국부적으로 조사된다. 이에 의해, 제3 고조파와, 기본파의 P파와, 기본파의 S파와의 3파의 모두로부터 열이 부여되어서, 아몰퍼스 실리콘막에는 전체로 도 3의 (b)에 나타내는 열이 부여된다.
이에 의해, 아몰퍼스 실리콘막에는 극히 큰 열이 부여된다. YAG 레이저의 제3 고조파의 경우에는, 그 열량이 기본파의 경우의 30％ 정도 밖에 없다. 예를 들어, YAG 레이저의 경우, 기본파의 1064㎚의 파장의 레이저광의 에너지를 10이라고 하면, 제2 고조파의 533㎚의 파장의 레이저광의 에너지는 5, 제3 고조파의 355㎚의 파장의 레이저광의 에너지는 3이다. 이로 인해, 제3 고조파를 단독으로 조사한 경우에는, 아몰퍼스 실리콘막에 부여되는 열량은 적다. 이로 인해, 아몰퍼스 실리콘막에 충분한 열을 가하여 어닐하고자 하면, YAG 레이저의 출력을 극히 크게 할 필요가 있으며, 종래는, 그 출력의 손실이 극히 큰 것이었다.
이에 반해, 본 실시 형태에서는, 제3 고조파의 조사에 의해 아몰퍼스 실리콘막에 부여되는 열량은 적더라도, 용융한 실리콘이 응고하기 전에, 즉, 제3 고조파의 조사 후 50㎱ 이내에, 기본파를 2회로 나누어서 순차 조사하므로, 이 기본파로부터 큰 열량이 용융부에 부여된다. 이에 의해, YAG 레이저 광원(11)으로부터 발하여진 레이저광의 에너지를 낭비없이, 고효율로 아몰퍼스 실리콘막의 가열에 사용할 수 있다. 게다가, 이 YAG 레이저 광원(11)은, 장치 비용이 낮고, 운용 비용도 낮다고 하는 이점이 있다. 기본파는 에너지가 높으므로, 제3 고조파와 기본파와의 2개 뿐인 경우에는, 기본파는 한번에 고에너지 밀도의 파로서 조사된다. 이에 반해, 본 실시 형태의 경우에는, 기본파는, 제3 고조파와 에너지 밀도가 동일한 정도의 P파 및 S파로서, 2개로 분할되어서, 소정의 지연 시간만큼 지연하여, 아몰퍼스 실리콘막의 용융부에 조사된다. 따라서, 본 실시 형태의 경우에는, 기본파와 제3 고조파와의 2개의 파의 경우에 비하여, 보다 장시간, 거의 일정한 강도로 레이저광이 조사되어, 보다 고효율로 레이저광의 에너지가 아몰퍼스 실리콘막에 흡수된다.
본 발명은, 상기 실시 형태에 한정되지 않고, 다양한 변형이 가능하다. 레이저 광원은, YAG 레이저에 한정되지 않고, 다양한 레이저를 사용할 수 있다. 아몰퍼스 실리콘막은 단파장의 레이저광을 흡수하지만, 장파장의 레이저광은 흡수하지 않기 때문에, 우선, 에너지는 작되 흡수 효율이 좋은 단파장의 레이저광을 조사해서 아몰퍼스 실리콘막을 용융시킨 후, 일정한 지연 시간 후, 금속 상태의 용융 실리콘에, 장파장이며 에너지가 큰 레이저광을 분할해서 조사하는 것에 본 발명의 특징이 있다. 따라서, 이러한 3단계의 레이저광의 조사가 가능하면, 다양한 레이저 광원을 사용할 수 있다. 또한, 광 에너지의 레이저광은, 상기 실시 형태와 같이 2개로 분할하는 것이 아니라, 3개 이상으로 분할하여, 각각, 소정의 지연 시간으로 지연시켜도 좋다. 또한, 분할의 정도는, 상기 실시 형태와 같이, 50％에 한정되지 않고, 예를 들어, 40％와 60％와 같이, 분할 비율을 바꾸어도 좋다.
예를 들어, 상기 실시 형태에서는, YAG 레이저의 동일한 광원을 사용하고, 제1 광학계(19)를 사용하고, 기본파를 제3 고조파보다도 지연시켜서 2단계의 레이저광의 조사를 행하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 다른 레이저 광원을 사용해서, 단파장의 조사와 이에 이어지는 장파장의 조사를 행하여도 좋다. 이 경우에는, 제1 발진기가, 장파장의 제1 펄스 레이저광을 출력하는 타이밍을, 제2 발진기가, 단파장의 제2 펄스 레이저광을 출력하는 타이밍보다도, 소정의 지연 시간만큼 늦추도록, 펄스의 타이밍을 제어하면 된다.
이 경우에, 먼저 조사되는 제2 펄스 레이저광은, 파장이 550㎚ 이하의 단파장으로 하는 것이 바람직하다. 이 550㎚ 이하이면, 제2 펄스 레이저광은, 아몰퍼스 실리콘막에서 흡수되어, 아몰퍼스 실리콘막을 충분히 가열해서 용융시킬 수 있다. 따라서, 에너지가 큰 후발의 제1 펄스 레이저광은, 파장이 550㎚를 초과하는 것이다. 이 파장이 550㎚를 초과하는 장파장은, 아몰퍼스 실리콘막에 대하여 흡수되기 어렵고, 이것을 용융시키기에는 이르지 않지만, 용융 금속 Si에 대하여 큰 에너지를 가할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 장파장의 제1 펄스 레이저광으로서, 기본 파장을 사용하였지만, 기본 파장 대신에, 제2 고조파의 533㎚인 레이저광을 사용해도 좋다. 이 533㎚인 제2 고조파는, 기본 파장에 비하면 에너지가 작지만, 아몰퍼스 실리콘막에 부여해야 할 전체의 에너지의 크기에 따라서, 제2 고조파도 사용할 수 있다.
또한, 예를 들어, 제4 고조파 및 제5 고조파 등도 사용할 수 있다. 또한, 제2, 제3 고조파 발생 소자로서는, LBO 결정(LiB3O5) 또는 KTP 결정(KTiOPO4)을 사용할 수 있는 것이 주지이다. 또한, 제4 고조파 발생 소자로서는, BBO 결정(β-BaB2O4)을 사용할 수 있는 것이 주지이다.
또한, 제3 고조파, 제2 고조파, 기본 파장의 레이저광을, 순차, 지연시키면서, 아몰퍼스 실리콘막에 조사해도 좋다.
<산업상 이용가능성>
본 발명에 따르면, 저비용의 레이저 광원을 사용하여, 아몰퍼스 실리콘막을 레이저 어닐할 수 있으므로, 레이저광을 사용한 어닐 기술에 극히 유용하다.
1: 레이저 광원
2: 렌즈군
3: 마스크
4: 투명 기판
5: 마이크로 렌즈
6: 피조사체
7: 차광판
11: YAG 레이저 광원
12: 제1 파장 변환기
13: 제2 파장 변환기
14, 15, 16, 23, 24, 25: 미러
17: 렌즈
18: 피조사체
19: 제1 광학계
20: 제2 광학계
21: 제3 광학계
22: 제4 광학계

Claims (6)

  1. 제1 펄스 레이저광과, 상기 제1 펄스 레이저광보다도 고차의 고조파인 제2 펄스 레이저광을 출력하는 레이저 조사부를 갖고, 상기 제2 펄스 레이저광을 아몰퍼스 실리콘막에 조사하고, 상기 제2 펄스 레이저광의 조사에 의해 상기 아몰퍼스 실리콘막이 용융하는 공정과,
    그 용융부가 응고하기 전의 시점에서, 상기 제1 펄스 레이저광의 일부를 상기 제2 펄스 레이저광의 조사보다 제1 지연 시간만큼 지연시킨 후, 상기 아몰퍼스 실리콘막의 상기 용융부에 조사하는 공정과,
    이 용융부가 응고하기 전의 시점에서, 상기 제1 펄스 레이저광의 다른 일부 또는 잔부를 상기 제1 펄스 레이저광의 상기 일부의 조사보다 제2 지연 시간만큼 지연시킨 후, 상기 아몰퍼스 실리콘막의 상기 용융부에 조사하는 공정
    을 갖고,
    어닐 대상부에 상기 제2 펄스 레이저광의 에너지와, 상기 제1 펄스 레이저광의 2 또는 복수로 분할된 에너지를, 순차 부여하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 펄스 레이저광은, 파장이 550㎚ 이하이고, 상기 제1 펄스 레이저광은, 파장이 550㎚를 초과하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐 방법.
  3. 제1 펄스 레이저광을 출력하는 제1 발진기와, 상기 제1 펄스 레이저광보다도 고차의 고조파인 제2 펄스 레이저광을 출력하는 제2 발진기와, 상기 제1 펄스 레이저광을 아몰퍼스 실리콘막에 조사하는 제1 광학계와, 상기 제2 펄스 레이저광을 상기 아몰퍼스 실리콘막에 조사해서 용융부를 형성하는 제2 광학계를 갖고,
    상기 제1 광학계는, 상기 제2 광학계에 의한 상기 제2 펄스 레이저광의 조사보다도 제1 지연 시간만큼 지연시켜서 상기 제1 펄스 레이저광의 일부를 상기 아몰퍼스 실리콘막의 상기 용융부에 조사시키는 제3 광학계와, 상기 제3 광학계에 의한 상기 제1 펄스 레이저광의 일부의 조사보다도 제2 지연 시간만큼 지연시켜서 상기 제1 펄스 레이저광의 다른 일부 또는 잔부를 상기 아몰퍼스 실리콘막의 상기 용융부에 조사시키는 제4 광학계를 갖고,
    상기 제1 지연 시간은, 상기 제2 펄스 레이저광에 의한 조사에 의해 상기 아몰퍼스 실리콘막이 용융된 후, 용융부가 응고하기 전의 시점에서 상기 제1 펄스 레이저광의 상기 일부가 조사되는 것이며,
    상기 제2 지연 시간은, 상기 제1 펄스 레이저광의 상기 일부의 조사에 의해 용융이 유지되고 있는 상기 용융부가 응고하기 전의 시점에서 상기 제1 펄스 레이저광의 상기 다른 일부 또는 잔부가 조사되는 것인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2 펄스 레이저광은, 파장이 550㎚ 이하이고, 상기 제1 펄스 레이저광은, 파장이 550㎚를 초과하는 것을 특징으로 하는 레이저 어닐 장치.
  5. 펄스 발진의 레이저광의 기본파를 출력하는 레이저 광원과, 상기 기본파를 1 또는 복수의 고차의 고조파로 변환하는 1 또는 복수의 파장 변환기와, 상기 기본파 또는 저차의 고조파인 제1 펄스 레이저광을 상기 아몰퍼스 실리콘막으로 도광하여 조사하는 제1 광학계와, 상기 제1 펄스 레이저광보다도 고차의 고조파인 제2 펄스 레이저광을 상기 아몰퍼스 실리콘막으로 도광하여 조사함으로써 용융부를 형성하는 제2 광학계를 갖고,
    상기 제1 광학계는, 상기 제2 광학계에 의한 상기 제2 펄스 레이저광의 조사보다도 제1 지연 시간만큼 지연시켜서 상기 제1 펄스 레이저광의 일부를 상기 아몰퍼스 실리콘막의 상기 용융부에 조사시키는 제3 광학계와, 상기 제3 광학계에 의한 상기 제1 펄스 레이저광의 일부의 조사보다도 제2 지연 시간만큼 지연시켜서 상기 제1 펄스 레이저광의 다른 일부 또는 잔부를 상기 아몰퍼스 실리콘막의 상기 용융부에 조사시키는 제4 광학계를 갖고,
    상기 제1 지연 시간은, 상기 제2 펄스 레이저광에 의한 조사에 의해 상기 아몰퍼스 실리콘막이 용융된 후, 용융부가 응고하기 전의 시점에서 상기 제1 펄스 레이저광의 상기 일부가 조사되는 것이며,
    상기 제2 지연 시간은, 상기 제1 펄스 레이저광의 상기 일부의 조사에 의해 용융이 유지되고 있는 상기 용융부가 응고하기 전의 시점에서 상기 제1 펄스 레이저광의 상기 다른 일부 또는 잔부가 조사되는 것인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 레이저 광원은, 기본파의 파장이 1064㎚인 YAG 레이저 광원이고, 상기 제1 펄스 레이저광은, 상기 기본파 또는 파장이 533㎚인 제2 고조파이며, 상기 제2 펄스 레이저광은, 파장이 355㎚인 제3 고조파인 것을 특징으로 하는 레이저 어닐 장치.
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