KR20180125464A - 레이저 어닐 장치 - Google Patents

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KR20180125464A
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light
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히로시 이께노우에
도모유끼 오꾸보
오사무 와까바야시
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고쿠리쓰다이가쿠호진 규슈다이가쿠
기가포톤 가부시키가이샤
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Abstract

레이저 어닐 장치는, 연속 발진에 의한 레이저광으로서, 아몰퍼스 실리콘을 예열하는 CW 레이저광을 출력하는 CW 레이저 장치와, 예열된 아몰퍼스 실리콘에 대하여 펄스 레이저광을 출력하는 펄스 레이저 장치와, CW 레이저광 및 펄스 레이저광을 아몰퍼스 실리콘으로 도광하는 광학 시스템과, 아몰퍼스 실리콘이 융점 미만의 소정의 목표 온도로 예열되도록 CW 레이저광의 조사 에너지 밀도를 제어하고, 또한, 예열된 아몰퍼스 실리콘이 결정화되도록 펄스 레이저광의 플루엔스와 펄스수 중 적어도 한쪽을 제어하는 제어부를 구비하고 있다.

Description

레이저 어닐 장치
본 개시는, 레이저 어닐 장치에 관한 것이다.
액정 디스플레이(LCD : Liquid Crystal Display)에는, 기판 상에 박막 트랜지스터(TFT : Thin Film Transistor)가 형성된 TFT 기판이 사용되고 있다. 액정 디스플레이에 있어서, TFT는 액정 셀을 포함하는 화소를 구동하는 스위칭 소자로서 기능한다.
TFT 기판으로서는, 유리 기판을 사용하는 것이 일반적이지만, 수지제의 플렉시블 기판을 사용하는 것도 개발되어 있다. TFT 재료로서는, 아몰퍼스 실리콘(a-Si)이나 다결정 실리콘(poly-Si)이 사용되고 있다. 다결정 실리콘은 아몰퍼스 실리콘보다도 캐리어 이동도가 2자릿수 정도 높기 때문에, 다결정 실리콘을 사용함으로써, TFT의 스위칭 특성이 대폭 향상되는 것이 알려져 있다.
TFT 기판에 사용되는 유리 기판이나 플렉시블 기판은 내열성이 낮기 때문에, 종래는 성막 온도가 낮은 플라스마 CVD(Chemical Vapor Deposition)법에 의해 성막이 가능한 아몰퍼스 실리콘이 사용되고 있었다. 이에 반해, 다결정 실리콘의 성막에는, 통상, 성막 온도가 높은 열 CVD법이 필요로 되어, 내열성이 낮은 기판 상에 직접 다결정 실리콘을 성막할 수는 없다. 이 때문에, 내열성이 낮은 기판 상에 다결정 실리콘을 성막하는 방법으로서, 기판 상에 플라스마 CVD법에 의해 기판에 아몰퍼스 실리콘을 형성한 후, 레이저 어닐 장치에 의해 아몰퍼스 실리콘을 다결정 실리콘으로 개질하는 방법이 사용되고 있다(예를 들어, 특허문헌 1 내지 4 참조).
레이저 어닐 장치는, 기판 상에 형성된 아몰퍼스 실리콘에 대하여, 엑시머 펄스 레이저광 등의 자외선 영역의 파장을 갖는 펄스 레이저광을 조사함으로써, 아몰퍼스 실리콘을 가열하는 어닐을 행하는 장치이다. 아몰퍼스 실리콘은, 어닐에 의해 용융된 후, 결정화됨으로써 다결정 실리콘으로 된다.
일본 특허 공개 평6-077155호 공보 WO2007/015388호 공보 일본 특허 공개 제2000-12484호 공보 일본 특허 공개 제2004-349643호 공보
본 개시의 일 관점에 따른 레이저 어닐 장치는, 기판 상의 아몰퍼스 실리콘에 대하여, 펄스 발진에 의한 펄스 레이저광을 조사하여 어닐하는 레이저 어닐 장치에 있어서, CW 레이저 장치, 펄스 레이저 장치, 광학 시스템 및 제어부를 구비하고 있다. CW 레이저 장치는, 연속 발진에 의한 레이저광으로서, 아몰퍼스 실리콘을 예열하는 CW 레이저광을 출력한다. 펄스 레이저 장치는, 예열된 아몰퍼스 실리콘에 대하여 펄스 레이저광을 출력한다. 광학 시스템은, CW 레이저광 및 펄스 레이저광을 아몰퍼스 실리콘으로 도광한다. 제어부는, 아몰퍼스 실리콘이 융점 미만의 소정의 목표 온도로 예열되도록 CW 레이저광의 조사 에너지 밀도를 제어하고, 또한, 예열된 아몰퍼스 실리콘이 결정화되도록 펄스 레이저광의 플루엔스와 펄스수 중 적어도 한쪽을 제어한다.
본 개시의 몇 가지의 실시 형태를, 단순한 예로서, 첨부의 도면을 참조하여 이하에 설명한다.
도 1은 비교예에 따른 레이저 어닐 장치의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 2의 (A)는 아몰퍼스 실리콘막에 펄스 레이저광을 조사하고 있는 상태를 도시하고, 도 2의 (B)는 아몰퍼스 실리콘막이 다결정 실리콘막으로 개질된 상태를 도시한다.
도 3은 비교예의 어닐 처리 수순을 나타내는 플로우차트이다.
도 4는 제1 실시 형태의 레이저 어닐 장치의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 5는 제1 실시 형태의 어닐 처리의 수순을 나타내는 플로우차트이다.
도 6은 CW 레이저광 및 펄스 레이저광의 출력 상태와 CW 레이저광만에 의한 피조사물의 표면의 온도의 경시 변화를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 7의 (A)는 아몰퍼스 실리콘막을 예열하기 위해 CW 레이저광을 조사하고 있는 상태를 도시한다. 도 7의 (B)는 아몰퍼스 실리콘막에 CW 레이저광과 펄스 레이저광을 조사하고 있는 상태를 도시한다. 도 7의 (C)는 아몰퍼스 실리콘막이 다결정 실리콘막으로 개질된 상태를 도시한다.
도 8은 펄스 레이저광의 플루엔스와, 어닐에 의해 결정화된 입경의 사이즈의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 제1 실시 형태의 변형예 2에 따른 타이밍 차트이다.
도 10의 (A)는 다결정 실리콘의 광 흡수율의 파장 의존성을 나타내는 그래프이다. 도 10의 (B)는 아몰퍼스 실리콘의 광 흡수율의 파장 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 11의 (A)는 다결정 실리콘의 광 투과율의 파장 의존성을 나타내는 그래프이다. 도 11의 (B)는 아몰퍼스 실리콘의 광 투과율의 파장 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 12는 제2 실시 형태의 레이저 어닐 장치의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 13은 제2 실시 형태의 어닐 처리의 수순을 나타내는 플로우차트이다.
도 14는 CW 레이저광 및 펄스 레이저광의 출력 상태와 CW 레이저광만에 의한 피조사물의 표면의 온도의 경시 변화를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 15는 제3 실시 형태의 레이저 어닐 장치의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 16은 CW 레이저광의 라인 빔 및 펄스 레이저광의 라인 빔의 조사 영역의 겹침의 설명도이다.
도 17은 상대적으로 이동하는 피조사물과 라인 빔의 관계를 도시한다.
도 18의 (A)는 라인 빔의 조사 영역의 확대도이고, 도 18의 (B)는 도 18의 (A)의 B-B 단면에 있어서의 라인 빔의 광 강도 분포를 도시한다.
도 19는 제3 실시 형태의 어닐 처리의 수순을 나타내는 플로우차트이다.
도 20은 피조사물과의 상대 이동에 의해, 라인 빔이 피조사물(31) 상의 점 P를 통과하는 경우의 점 P에 있어서의 온도의 경시 변화를 설명하는 도면이다.
도 21의 (A)는 라인 빔의 조사 영역의 확대도이고, 도 21의 (B)는 도 21의 (A)의 B-B 단면에 있어서의 라인 빔의 광 강도 분포를 도시한다.
도 22는 복수의 반도체 광원을 구비한 CW 레이저 장치(41)의 변형예를 도시한다.
도 23은 펄스 레이저 장치의 구성예를 도시한다.
도 24는 플라이아이 렌즈를 도시한다.
<내용>
1. 개요
2. 비교예에 따른 레이저 어닐 장치
2. 1 레이저 어닐 장치의 구성
2. 2 레이저 어닐 장치의 동작
2. 3 과제
3. 제1 실시 형태의 레이저 어닐 장치
3. 1 구성
3. 2 동작
3. 3 작용
3. 4 변형예 1
3. 5 변형예 2
3. 6 펄스 레이저광의 중심 파장의 바람직한 범위
4. 제2 실시 형태의 레이저 어닐 장치
4. 1 구성
4. 2 동작
4. 3 작용
4. 4 변형예
4. 5 기타
5. 제3 실시 형태의 레이저 어닐 장치
5. 1 구성
5. 2 동작
5. 3 작용
5. 4 변형예 1
5. 5 변형예 2
5. 6 변형예 3
6. 펄스 레이저 장치의 상세
7. 플라이아이 렌즈
이하, 본 개시의 실시 형태에 대하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 이하에 설명되는 실시 형태는, 본 개시의 몇 가지의 예를 나타내는 것으로서, 본 개시의 내용을 한정하는 것은 아니다. 또한, 각 실시 형태에서 설명되는 구성 및 동작 모두가 본 개시의 구성 및 동작으로서 필수라고는 할 수 없다. 또한, 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 붙이고, 중복되는 설명을 생략한다.
1. 개요
본 개시는, 기판 상의 아몰퍼스 실리콘에 대하여, 펄스 발진에 의한 펄스 레이저광을 조사하여 어닐하는 레이저 어닐 장치에 관한 것이다.
2. 비교예에 따른 레이저 어닐 장치
2. 1 레이저 어닐 장치의 구성
도 1은 비교예에 따른 레이저 어닐 장치의 구성을 개략적으로 도시한다. 레이저 어닐 장치는, 펄스 레이저 장치(3)와, 어닐 장치(4)를 구비하고 있다. 펄스 레이저 장치(3)와 어닐 장치(4)는 광로관에 의해 접속되어 있다.
펄스 레이저 장치(3)는 펄스 발진에 의한 펄스 레이저광을 출력하는 장치이다. 펄스 레이저광의 펄스 시간 폭은, 예를 들어 약 10㎱∼100㎱의 범위이다. 펄스 레이저 장치(3)는, 본 예에서는, 자외 영역의 펄스 레이저광을 출력하는 엑시머 펄스 레이저 장치이다.
엑시머 펄스 레이저 장치는, 예를 들어 ArF, KrF, XeCl 또는 XeF를 레이저 매질로 하는 엑시머 펄스 레이저 장치이다. ArF 엑시머 펄스 레이저 장치의 경우, 펄스 레이저광의 중심 파장은 약 193.4㎚이다. KrF 엑시머 펄스 레이저 장치의 경우, 펄스 레이저광의 중심 파장은 약 248.4㎚이다. XeCl 엑시머 펄스 레이저 장치의 경우, 펄스 레이저광의 중심 파장은 약 308㎚이다. XeF 엑시머 펄스 레이저 장치의 경우, 펄스 레이저광의 중심 파장은 약 351㎚이다.
또한, 엑시머 펄스 레이저 장치 대신에, 고체 펄스 레이저 장치를 사용해도 된다. 고체 펄스 레이저 장치는, 약 1㎛(1064㎚)의 파장의 펄스 레이저광을 출력하는 고체 펄스 레이저 장치와, 펄스 레이저광에 대하여 비선형 결정을 사용한 파장 변환을 행하는 파장 변환 장치의 조합이다. 파장 변환 장치는, 약 1㎛의 파장의 펄스 레이저광을, 파장이 355㎚인 제3 고조파나 226㎚인 제4 고조파로 변환한다. 약 1㎛의 펄스 레이저 장치로서는, YAG 레이저 장치나 Yb 파이버 레이저 장치가 있다.
어닐 장치(4)는 광학 시스템(21)과, 테이블(27)과, XYZ 스테이지(28)와, 프레임(29)과, 어닐 제어부(32)를 포함하고 있다. 프레임(29)에는, 광학 시스템(21)과 XYZ 스테이지(28)가 고정된다.
테이블(27)은 피조사물(31)을 지지한다. 피조사물(31)은 펄스 레이저광이 조사되어 어닐이 행해지는 대상이며, 본 예에서는, TFT 기판을 제조하기 위한 중간 생산물이다. XYZ 스테이지(28)는 테이블(27)을 지지하고 있다. XYZ 스테이지(28)는 X축 방향, Y축 방향, Z축 방향으로 이동 가능하고, 테이블(27)의 위치를 조정함으로써, 피조사물(31)의 위치를 조정 가능하다. XYZ 스테이지(28)는 피조사물(31)에 대하여, 광학 시스템(21)으로부터 출사되는 펄스 레이저광이 조사되도록 피조사물(31)의 위치를 조정한다.
광학 시스템(21)은, 예를 들어 고반사 미러(36a∼36c)와, 마스크(37)와, 전사 광학계(38)와, 모니터 장치(39)를 구비하고 있다. 고반사 미러(36a∼36c)는 자외 영역의 펄스 레이저광을 높은 반사율로 반사한다. 고반사 미러(36a)는 펄스 레이저 장치(3)로부터 입력된 펄스 레이저광을 마스크(37)를 향하여 반사한다. 고반사 미러(36b)는 마스크(37)를 통과한 펄스 레이저광을, 고반사 미러(36c)를 향하여 반사한다. 고반사 미러(36c)는 펄스 레이저광을 전사 광학계(38)를 향하여 반사한다. 고반사 미러(36a∼36c)는, 예를 들어 합성 석영이나 불화칼슘으로 형성된 투명 기판의 표면에, 펄스 레이저광을 고반사하는 반사막이 코트되어 있다.
고반사 미러(36c)는 자외 영역의 광을 투과시킴과 함께, 가시광을 투과시키는 다이크로익 미러이다. 마스크(37)에는, 피조사물(31)에 조사되는 펄스 레이저광의 조사 영역의 사이즈 및 형상을 규정하는 개구가 형성되어 있다.
전사 광학계(38)는 마스크(37)의 개구에 의해 형성되는 조사 영역의 상인 개구상을, 피조사물(31)의 표면에 전사시키는 광학계이며, 광 강도가 균일한 개구상을 전사한다. 전사 광학계(38)는, 예를 들어 2매의 콘덴서 광학계(38a, 38b)를 포함한다. 전사 광학계(38)는 1매의 볼록 렌즈를 포함하고 있어도 되고, 1개 또는 복수의 볼록 렌즈와 1개 또는 복수의 오목 렌즈를 포함하는 광학계여도 된다. 또한, 전사 광학계(38)는 가시 영역과 자외 영역의 펄스 레이저광의 파장에 대하여, 색수차 보정을 한 렌즈여도 된다.
모니터 장치(39)는 피조사물(31)의 위치를 조정하기 위해, 피조사물(31)의 표면을 모니터한다. 모니터 장치(39)는, 예를 들어 조명 장치(39a)와, 하프 미러(39b)와, 이미지 센서(39c)를 포함한다. 조명 장치(39a)는 가시광을 발광하는 광원을 갖고 있다. 하프 미러(39b)는 가시광을 투과하는 기판에, 가시광을 약 50％ 반사하고, 약 50％ 투과하는 광학막이 형성되어 있다. 이미지 센서(39c)는 가시광에 대하여 수광 감도를 갖는 수광 소자가 2차원으로 배열된 2차원 이미지 센서이며, 예를 들어 CCD 이미지 센서나 CMOS 이미지 센서이다.
하프 미러(39b)는 조명 장치(39a)로부터 입사되는 가시광의 약 50％를 고반사 미러(36c)를 향하여 반사하는 위치에 배치된다. 하프 미러(39b)에 의해 반사된 가시광은, 고반사 미러(36c)를 투과하여, 전사 광학계(38)에 입사한다. 전사 광학계(38)는 가시광을 피조사물(31)의 표면에 조사한다. 이에 의해, 피조사물(31)의 표면이 가시광에 의해 조명된다. 피조사물(31)의 표면으로부터 반사된 가시광은, 전사 광학계(38) 및 고반사 미러(36c)를 투과하여, 하프 미러(39b)에 입사한다. 하프 미러(39b)는 입사한 가시광의 약 50％를 투과한다.
이미지 센서(39c)는 가시광에 의해 조명된 피조사물(31)의 표면의 상이, 전사 광학계(38), 고반사 미러(36c) 및 하프 미러(39b)를 통해, 결상되는 위치에 배치되어 있다. 이미지 센서(39c)는 피조사물(31)의 표면의 상을 촬상한다. 이미지 센서(39c)는 촬상한 상을 모니터상으로서, 어닐 제어부(32)에 출력한다.
도 2의 (A)에 도시한 바와 같이, 피조사물(31)은, 예를 들어 유리 기판(31a)과, 유리 기판(31a) 상에 형성된 하지 절연막(31b 및 31c)과, 하지 절연막(31b 및 31c) 상에 형성된 아몰퍼스 실리콘막(31d)을 포함하고 있다. 하지 절연막(31b 및 31c)은, 예를 들어 실리콘 질화막(SiN)과 실리콘 산화막(SiO2)이다. 아몰퍼스 실리콘막(31d)은 아몰퍼스 실리콘(a-Si)의 박막이며, 어닐이 행해지는 대상이다.
2. 2 레이저 어닐 장치의 동작
도 3의 플로우차트에 나타내는 바와 같이, 어닐을 행하는 경우에는, 먼저, S10에 있어서, 피조사물(31)이 XYZ 스테이지(28)에 세트된다. S11에 있어서, 모니터 장치(39)의 조명 장치(39a)가 점등된다.
S12에 있어서, 어닐 제어부(32)는 피조사물(31)을 초기 위치로 이동한다. 초기 위치는, 예를 들어 최초의 어닐 위치이다. 여기서, 어닐 위치란, 피조사물(31)에 있어서의, 어닐의 대상 영역인 어닐 영역과, 광학 시스템(21)에 의해 펄스 레이저광의 마스크(37)의 개구상이 결상되는 조사 위치가 일치하는 위치이다. 피조사물(31)에 복수의 어닐 영역이 있는 경우에는, 첫번째 어닐 영역과 조사 위치가 일치하는 위치가 최초의 어닐 위치로 된다.
어닐 제어부(32)는 이미지 센서(39c)가 출력하는 모니터상에 기초하여, 피조사물(31)의 어닐 영역을 검출한다. 이 검출 결과에 기초하여, 어닐 제어부(32)는 XYZ 스테이지(28)를 제어하여, 피조사물(31)의 X축 방향과 Y축 방향의 위치를 조정함으로써, 최초의 어닐 위치로 되는 초기 위치로 피조사물(31)을 이동한다.
또한, 어닐 제어부(32)는, 모니터상에 기초하여, 피조사물(31)의 표면에 초점이 맞는 Z축 방향의 위치를 찾는다. 어닐 제어부(32)는 XYZ 스테이지(28)를 제어하여, 피조사물(31)의 어닐 영역이 전사 광학계(38)의 결상 위치와 일치하도록, 피조사물(31)의 Z축 방향의 위치를 조정한다.
다음에, 어닐 제어부(32)는 피조사물(31)의 어닐 영역에 대하여 조사되는 펄스 레이저광의 플루엔스와 펄스수를 제어한다. 여기서, 플루엔스는, 펄스 레이저광에 포함되는 1펄스당의 조사 에너지 밀도(mJ/㎠)를 나타내는 것으로 한다. S13에 있어서, 어닐 제어부(32)는 피조사물(31)의 표면의 어닐 영역에서의 플루엔스가 소정의 값으로 되도록, 펄스 레이저광이 출력하는 목표 펄스 에너지 Et의 데이터를 펄스 레이저 장치(3)에 송신한다.
펄스수는, 동일한 어닐 영역에 대하여 조사되는 펄스 레이저광의 펄스수이다. S14에 있어서, 어닐 제어부(32)는 소정의 반복 주파수로, 미리 설정된 N개의 펄스수에 따른 수의 발광 트리거 신호를 송신한다. 여기서, N은 1 이상의 정수이다.
펄스 레이저 장치(3)는, 수신한 목표 펄스 에너지 Et 및 발광 트리거 신호에 기초하여, 펄스 레이저광을 출력한다. 펄스 레이저 장치(3)가 출력한 펄스 레이저광은, 어닐 장치(4)에 입력된다. 어닐 장치(4)에 있어서, 펄스 레이저광은, 고반사 미러(36a), 마스크(37), 고반사 미러(36b) 및 고반사 미러(36c)를 통해 전사 광학계(38)에 입사한다.
전사 광학계(38)는 마스크(37)에 의해 형성된 펄스 레이저광의 마스크상을 피조사물(31)의 표면에 전사한다. 이에 의해, 도 2의 (A)에 도시한 바와 같이, 아몰퍼스 실리콘막(31d)에 대하여, 마스크상에 따른 조사 영역에 펄스 레이저광이 조사된다. 펄스 레이저광의 조사는, 목표 펄스 에너지 Et에 따른 플루엔스 및 설정된 펄스수로 행해진다. 아몰퍼스 실리콘막(31d)에 대하여 펄스 레이저광이 조사되면, 아몰퍼스 실리콘막(31d)은 융점 Tm 이상의 온도로 상승하여 용융된다. 아몰퍼스 실리콘막(31d)은 용융 후, 다시 고화될 때에 결정화된다. 이에 의해, 도 2의 (B)에 도시한 바와 같이, 아몰퍼스 실리콘막(31d) 중, 펄스 레이저광이 조사된 어닐 영역은 다결정 실리콘막(31e)으로 개질된다.
1개의 어닐 영역에 대한 펄스 레이저광의 조사가 종료되면, S15에 있어서, 어닐 제어부(32)는 모든 어닐 영역에 대하여 조사가 종료되었는지 여부를 판정한다. 어닐 제어부(32)는 미처리의 어닐 영역이 있는 경우에는(S15에서 "아니오"), S16으로 진행한다. S16에 있어서, 어닐 제어부(32)는 XYZ 스테이지(28)를 제어하여, 피조사물(31)을 다음 어닐 위치로 이동한다. 이후, 상기 S13 및 S14의 수순을 반복한다. S15에 있어서, 어닐 제어부(32)는 미처리의 어닐 영역이 없고, 피조사물(31)의 모든 어닐 영역에 대한 펄스 레이저광의 조사가 종료되었다고 판정한 경우에는(S15에서 "예"), 피조사물(31)에 대한 어닐 처리를 종료한다.
2. 3 과제
다결정 실리콘막(31e)은 다수의 결정을 포함하지만, 각 결정의 입경이 큰 것이 바람직하다. 이것은, 예를 들어 다결정 실리콘막(31e)을 TFT의 채널에 사용하는 경우에 있어서, 각 결정의 입경이 클수록, 채널 내에 있어서의 결정간의 계면의 수가 작아져, 계면에서 발생하는 캐리어의 산란이 감소하기 때문이다. 즉, 다결정 실리콘막(31e)의 각 결정의 입경이 클수록, 캐리어 이동도가 높아, TFT의 스위칭 특성이 향상된다. 이와 같이, 다결정 실리콘의 결정의 입경을 크게 하기 위해서는, 아몰퍼스 실리콘의 용융 온도를 높게 하여, 고화 시간을 길게 할 필요가 있다.
상기 비교예에 따른 레이저 어닐 장치에서는, 다결정 실리콘막(31e)의 각 결정의 입경을 크게 하기 위해서는, 아몰퍼스 실리콘막(31d)에 인가하는, 펄스 레이저광의 펄스 에너지를 높게 할 필요가 있다.
그러나, 펄스 레이저광의 펄스 에너지를 높게 하기 위해서는, 레이저 어닐 장치에 포함되는 펄스 레이저 장치로서 고출력의 펄스 레이저 장치를 사용할 필요가 있다. 펄스 에너지를 높게 함으로써 고출력을 얻는 펄스 레이저 장치는, 대형이며, 제조 비용이 높고, 또한, 소비 전력도 크다는 과제가 있다. 예를 들어, 엑시머 펄스 레이저 장치의 경우, 펄스 에너지를 높게 하기 위해서는, 후술하는 레이저 챔버(71)(도 23 참조)를 대형화할 필요가 있기 때문에, 사이즈가 대형화되고, 제조 비용도 높고, 또한 소비 전력도 커져 버린다.
이하에 설명되는 실시 형태에 있어서는, 이 과제를 해결하기 위해, CW 레이저 장치(41)와 어닐 제어부(32A)를 구비하고 있다. CW 레이저 장치(41)는, 연속 발진에 의한 레이저광으로서, 아몰퍼스 실리콘을 예열하는 CW 레이저광을 출력한다. 어닐 제어부(32A)는, 아몰퍼스 실리콘이 융점 미만의 소정의 목표 온도 Tt로 예열되도록 CW 레이저광의 조사 에너지 밀도를 제어한다. 또한, 어닐 제어부(32A)는, 예열된 아몰퍼스 실리콘이 결정화되도록 펄스 레이저광의 플루엔스와 펄스수 중 적어도 한쪽을 제어한다. 어닐 제어부(32A)는, 청구항에 있어서의 제어부에 상당한다.
3. 제1 실시 형태의 레이저 어닐 장치
3. 1 구성
도 4는 제1 실시 형태에 따른 레이저 어닐 장치의 구성을 개략적으로 도시한다. 제1 실시 형태의 레이저 어닐 장치는, 도 1을 참조하면서 설명한 비교예의 레이저 어닐 장치의 어닐 장치(4) 대신에, 어닐 장치(4A)를 구비하고 있다. 제1 실시 형태의 어닐 장치(4A)는, 어닐 장치(4)의 구성에 더하여, CW 레이저 장치(41)를 구비하고 있다. 또한, CW 레이저 장치(41)를 설치하는 것에 수반하여, 어닐 장치(4A)는, 어닐 장치(4)의 어닐 제어부(32) 및 광학 시스템(21) 대신에, 어닐 제어부(32A) 및 광학 시스템(21A)을 구비하고 있다.
CW 레이저 장치(41)는 연속 발진에 의한 레이저광인 CW(Continuous Wave) 레이저광을 출력하는 장치이며, 예를 들어 반도체 레이저 장치이다. CW 레이저광의 중심 파장은, 본 예에 있어서는 약 450㎚이다. CW 레이저 장치(41)는 CW 레이저광을 피조사물(31)에 조사함으로써, 피조사물(31)의 아몰퍼스 실리콘막(31d)을 아몰퍼스 실리콘의 융점 Tm 미만이며, 융점 Tm에 가까운 소정의 목표 온도 Tt로 되도록 예열한다. 아몰퍼스 실리콘의 융점 Tm은 1414℃이다. 목표 온도 Tt는 1300℃≤Tt<1414℃의 범위인 것이 바람직하다.
광학 시스템(21A)은, 도 1에 도시한 비교예의 광학 시스템(21)의 구성에 더하여, 셔터(42)와, 고반사 미러(44)를 구비하고 있다. 고반사 미러(44)는 중심 파장이 약 450㎚인 광을 높은 반사율로 전사 광학계(38)를 향하여 반사하고, 그 이외의 가시광을 높은 투과율로 투과하는 막이 코트된 다이크로익 미러이다. 전사 광학계(38)에는 펄스 레이저광도 입사한다.
고반사 미러(44)는 CW 레이저광을 전사 광학계(38)를 향하여 반사함으로써, CW 레이저광의 조사 광로와 가시광의 광로를 결합한다. 또한, 고반사 미러(36c)는 CW 레이저광의 조사 광로와 펄스 레이저광의 조사 광로를 결합한다. 고반사 미러(44)와 고반사 미러(36c)는 청구항에 있어서의 조사 광로를 결합하는 광학계에 상당한다. 여기서, 결합이란 2개 이상의 광로를 대략 동일한 광로에 중첩하는 것을 말한다. 광학 시스템(21A)은, 결합된 조사 광로를 통해 피조사물(31) 상의 아몰퍼스 실리콘막(31d)으로 CW 레이저광 및 펄스 레이저광을 도광한다. 또한, 광학 시스템(21A)은, 아몰퍼스 실리콘막(31d)에 있어서의 CW 레이저광의 조사 영역이, 펄스 레이저광의 조사 영역의 전체 영역을 모두 포함하도록 구성되어 있다.
셔터(42)는 CW 레이저 장치(41)와 고반사 미러(44) 사이의 CW 레이저광의 광로 상에 배치되어 있다. 셔터(42)는 액추에이터(42a)에 의해 구동되어, 개폐된다. 셔터(42)의 개폐에 의해, CW 레이저광의 조사와 비조사가 전환된다.
어닐 제어부(32A)는, 도 1에 도시한 어닐 제어부(32)의 기능에 더하여, CW 레이저 장치(41)와 셔터(42)를 제어한다.
3. 2 동작
도 5 및 도 6을 참조하면서 제1 실시 형태의 동작을 설명한다. 도 5는 제1 실시 형태의 어닐 처리의 수순을 나타내는 플로우차트이다. 도 6은 CW 레이저광 및 펄스 레이저광의 출력 상태와 CW 레이저광만에 의한 피조사물(31)의 표면의 온도의 경시 변화를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 제1 실시 형태에 있어서도, 피조사물(31)의 XYZ 스테이지(28)에의 세트(S100), 조명 장치(39a)의 점등(S101), 피조사물(31)의 초기 위치로의 이동(S102)까지의 수순은, 도 3에서 설명한 비교예의 플로우차트의 S10∼S12와 마찬가지이다.
S103에 있어서, 어닐 제어부(32A)는, CW 레이저 장치(41)에 대하여 목표 출력 Wt의 값과 함께, 목표 출력 Wt에서 CW 레이저광의 출력을 개시하도록 개시 지시를 송신한다. 개시 지시를 수신하면, CW 레이저 장치(41)는 목표 출력 Wt에서 CW 레이저광의 출력을 개시한다.
도 6의 타이밍 차트에 도시한 바와 같이, 초기 상태에서는, 셔터(42)가 폐쇄되어 있기 때문에, CW 레이저광의 출력이 온으로 되어도, 셔터(42)가 폐쇄되어 있는 동안은, CW 레이저광은 셔터(42)에 의해 차폐된다. 이 때문에, CW 레이저광은 고반사 미러(44)에 입사하지 않고, 피조사물(31)에 조사되지 않는다.
S104에 있어서, 어닐 제어부(32A)는, 펄스 레이저 장치(3)로 목표 펄스 에너지 Et를 송신한다. 이 단계에서는, 발광 트리거 신호가 송신되고 있지 않기 때문에, 펄스 레이저광의 출력은 개시되지 않는다.
S105에 있어서, 어닐 제어부(32A)는, 액추에이터(42a)에 대하여 셔터(42)를 개방하는 지시를 송신한다. 셔터(42)가 개방되면, CW 레이저광이 고반사 미러(44)를 통해 전사 광학계(38)에 입사하여, 피조사물(31)에의 조사가 개시된다. 도 7의 (A)에 도시한 바와 같이, CW 레이저광의 조사에 의해 아몰퍼스 실리콘막(31d)의 예열이 개시된다.
S106에 있어서, 어닐 제어부(32A)는, 셔터(42)가 개방되면, 타이머를 리셋하여, 스타트시킨다. 그리고, S107에 있어서, 어닐 제어부(32A)는, 타이머에 의해 경과한 시간 t를 계측하고, 계측한 시간 t가, 소정 시간 K에 도달하였는지 여부를 판정한다.
여기서, 소정 시간 K는, CW 레이저광을 목표 출력 Wt에서 피조사물(31)의 아몰퍼스 실리콘막(31d)에 조사한 경우에, 조사 개시로부터, 아몰퍼스 실리콘막(31d)의 온도 T가 목표 온도 Tt에 도달할 때까지의 시간이다. 소정 시간 K는, 미리 계측되고, 계측된 값이 어닐 제어부(32A)에 설정되어 있다.
또한, 후술하는 바와 같이, 본 예에서는, CW 레이저광의 조사는, 펄스 레이저광의 조사가 종료될 때까지 계속된다. 이 경우에는, 소정 시간 K를 다음과 같이 구해도 된다. 먼저, CW 레이저광의 조사 종료 시점에 있어서, 온도 T가 목표 온도 Tt보다 높고, 융점 Tm보다도 약간 낮은 온도로 되는 CW 레이저광의 조사 시간 K1을 구한다. 그리고, 조사 시간 K1로부터, 펄스 레이저광의 조사 시간 K2를 뺀 값, 즉, 「K1-K2」를 소정 시간 K라 한다.
도 6에 도시한 바와 같이, 셔터(42)가 개방되어 CW 레이저광의 조사가 개시되면, 아몰퍼스 실리콘막(31d)의 온도가 목표 온도 Tt를 향하여 상승을 개시한다. 시간 t가 소정 시간 K에 도달하면, 아몰퍼스 실리콘막(31d)의 온도 T는 목표 온도 Tt에 도달한다.
S107에 있어서, 시간 t가 소정 시간 K에 도달하였다고 판정된 경우에는(S107에서 "예"), 어닐 제어부(32A)는, S108로 진행하여, 펄스 레이저 장치(3)에 대하여 소정의 반복 주파수로 N개의 발광 트리거 신호를 송신한다. 이에 의해, 도 6에 도시한 바와 같이, 소정의 반복 주파수로, N개의 펄스를 포함하는 펄스 레이저광의 출력이 행해진다.
또한, 도 6의 타이밍 차트에 있어서, CW 레이저광의 조사 기간과 펄스 레이저광의 조사 기간의 비율은 편의적인 것이다. 실제로는, CW 레이저광의 조사 기간이 수초(s)의 오더인 것에 반해, 상술한 바와 같이, 펄스 레이저광의 펄스 시간 폭은 약 10㎱∼약 100㎱이며, CW 레이저광의 조사 기간에 비해, 펄스 레이저광의 조사 기간은 매우 짧다.
펄스 레이저광은, 목표 펄스 에너지 Et에 따른 플루엔스로 피조사물(31)의 아몰퍼스 실리콘막(31d)에 조사된다. 펄스 레이저광의 조사에 의해, 아몰퍼스 실리콘막(31d)이 융점 Tm 이상의 온도로 상승하여 용융된다. 도 6에 있어서, CW 레이저광만에 의한 온도 변화는, 펄스 레이저광이 조사되고 있는 동안에 있어서, 점선으로 나타내는 바와 같이 융점 Tm 미만으로 유지되어 있다. 도 6에 도시한 온도 변화는, 만약 CW 레이저광만을 조사한 경우에 있어서의 아몰퍼스 실리콘막(31d)의 온도 변화이며, 펄스 레이저광이 조사된 경우에는, 아몰퍼스 실리콘막(31d)의 온도 T는 당연히 융점 Tm을 초과한다.
S108에 있어서, 어닐 제어부(32A)는, 펄스 레이저광의 출력이 종료되면, S109로 진행하여, 액추에이터(42a)에 대하여 셔터(42)를 폐쇄하는 지시를 송신하고, 셔터(42)를 폐쇄한다. 도 6에 도시한 바와 같이, 셔터(42)가 폐쇄되면, CW 레이저광이 셔터에 의해 차폐되기 때문에, CW 레이저광의 조사가 종료된다.
펄스 레이저광의 조사가 종료되면, 아몰퍼스 실리콘막(31d)은 융점 Tm 미만의 온도로 하강하여, 다시 고화된다. 펄스 레이저광의 조사 종료에 이어서, CW 레이저광의 조사도 종료되면, 아몰퍼스 실리콘막(31d)의 온도 T는 더 하강하여 고화가 진행된다. 아몰퍼스 실리콘막(31d)은 용융 후 다시 고화되는 과정에서 결정화가 진행되어, 다결정 실리콘막(31e)으로 개질된다.
어닐 제어부(32A)는, S109 후, 도 3에서 설명한 비교예의 S15 및 S16과 마찬가지의 S110과 S111을 실행한다. S110에 있어서, 어닐 제어부(32A)는, 다음의 미처리의 어닐 영역이 있다고 판정한 경우에는(S110에서 "아니오"), S111로 진행하여, 피조사물(31)을 다음 어닐 위치로 이동한다. 그리고, 다음 어닐 위치에 있어서, S105부터 S109까지의 수순을 반복한다. 한편, 미처리의 어닐 영역이 없는 경우에는, 피조사물(31)의 모든 어닐 영역에 대한 펄스 레이저광의 조사가 종료되었다고 판정하고(S110에서 "예"), 피조사물(31)에 대한 어닐 처리를 종료한다. 어닐 처리가 종료된 경우에는, 어닐 제어부(32A)는, S112로 진행하여, CW 레이저 장치를 오프하고, CW 레이저광의 출력을 정지한다.
3. 3 작용
도 7은 제1 실시 형태에 있어서의 CW 레이저광과 펄스 레이저광의 조사 수순의 설명도이다. 제1 실시 형태에 있어서는, 도 7의 (A)에 도시한 바와 같이, 아몰퍼스 실리콘막(31d)에 대하여, 펄스 레이저광을 조사하기 전에, CW 레이저광이 조사된다. 이에 의해, 아몰퍼스 실리콘막(31d)의 온도 T가 목표 온도 Tt로 되도록 예열된다. 다음에, 도 7의 (B)에 도시한 바와 같이, 예열된 아몰퍼스 실리콘막(31d)에 대하여 펄스 레이저광이 조사된다. 펄스 레이저광이 조사되고 있는 동안도, CW 레이저광의 조사가 계속된다. 도 7의 (C)에 도시한 바와 같이, 아몰퍼스 실리콘막(31d) 중, 펄스 레이저광이 조사된 어닐 영역은 다결정 실리콘막(31e)으로 개질된다.
CW 레이저광의 조사에 의해, 아몰퍼스 실리콘막(31d)은 융점 Tm 미만이며, 또한, 융점 Tm에 가까운 목표 온도 Tt까지 예열되고, 예열된 상태에서 펄스 레이저광이 조사된다. 그 때문에, 제1 실시 형태에서는, CW 레이저광으로 예열하는 만큼, 비교예에 있어서의 펄스 레이저광의 단독 조사의 경우와 비교하여, 펄스 레이저광에 의해 아몰퍼스 실리콘막(31d)을 용융시키기 위해 필요한 최저 출력을 작게 할 수 있다. 이에 의해, 펄스 레이저 장치(3)의 출력의 상승을 억제할 수 있기 때문에, 펄스 레이저 장치(3)의 제조 비용의 상승이나 소비 전력의 상승도 억제된다.
또한, 펄스 레이저광의 펄스 에너지가 비교예와 동일한 경우에도, CW 레이저광의 예열에 의해, 아몰퍼스 실리콘막(31d)의 용융 온도가 높아져, 고화 시간을 길게 할 수 있다. 그 때문에, 다결정 실리콘막(31e)으로 개질한 경우의 결정 입경을 크게 할 수 있다.
또한, CW 레이저광의 조사 영역은, 펄스 레이저광의 조사 영역을 모두 포함하고 있기 때문에, 펄스 레이저광이 조사되는 어닐 영역의 전역에 대하여 예열을 행할 수 있다. 또한, 광학 시스템(21A)은, CW 레이저광과 펄스 레이저광의 조사 광로를 결합하는 광학계를 구비하고 있기 때문에, 광학 시스템의 광형화나 간소화가 가능해진다.
도 8에 도시한 그래프는, 펄스 레이저광의 플루엔스(mJ/㎠)와, 어닐에 의해 결정화된 입경(㎚)의 사이즈의 관계를 나타내는 그래프이다. 입경의 사이즈는, 결정화된 복수의 결정의 입경의 평균값이다. 마름모형으로 플롯한 그래프는, 펄스 레이저광만의 단독 조사에 의해 어닐을 행한 경우의 그래프이며, 비교예에 대응한다. 동그라미표로 플롯한 그래프는, CW 레이저광으로 예열을 행하고, 그 후 펄스 레이저광과 CW 레이저광을 동시에 조사하여 어닐을 행한 경우의 그래프이며, 제1 실시 형태에 대응한다.
본 예에서는, 펄스 레이저광은, XeF 펄스 레이저광이며, CW 레이저광은, 중심 파장이 약 450㎚인 청색 CW 레이저광이다. CW 레이저광의 조사 시간은, 예열 시의 CW 레이저광의 단독 조사의 조사 기간과, 펄스 레이저광과의 동시 조사의 조사 기간을 포함하여, 약 10s이다.
그래프에 도시되어 있는 바와 같이, 펄스 레이저광의 플루엔스를 올려 가면, 어떤 값까지는 결정의 입경도 커진다. 펄스 레이저광의 단독 조사의 경우, 입경의 피크값은 약 500㎚이며, 이 경우의 펄스 레이저광의 플루엔스가 약 360mJ/㎠이다. 이에 반해, CW 레이저광의 조사로 예열을 행한 경우에는, 입경의 피크값은 약 800㎚로 되어, 단독 조사의 경우와 비교하여 크게 되어 있다. 또한, 입경이 피크값을 나타내는 경우의 펄스 레이저광의 플루엔스는 약 300mJ/㎠이며, 단독 조사와 비교하여, 플루엔스가 약 60mJ/㎠ 낮게 억제되어 있는 것을 알 수 있다.
또한, 이 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, CW 레이저광의 예열을 행하는 경우에 있어서, 펄스 레이저광의 단독 조사의 경우와 비교하여, 입경이 커진다는 효과가 현저하게 보이는 플루엔스의 범위는 240mJ/㎠∼300mJ/㎠이다. 그 때문에, 펄스 레이저광의 플루엔스의 범위는, 240mJ/㎠∼300mJ/㎠의 범위가 바람직하다.
한편, CW 레이저광의 조사 에너지 밀도(J/㎠)의 범위는, CW 레이저광의 조사에 의해, 펄스 레이저광을 어시스트하여 입경을 크게 하는 효과가 나타나는 범위인 것, 나아가, 아몰퍼스 실리콘막(31d)을 목표 온도 Tt까지 가열할 수 있는 범위인 것이 바람직하다. 구체적으로는, 아몰퍼스 실리콘막(31d) 상에 있어서의, CW 레이저광의 바람직한 조사 에너지 밀도의 범위는 318J/㎠∼6340J/㎠의 범위이다. 여기서, CW 레이저광의 조사 에너지 밀도란, 1개의 어닐 영역에 대하여 조사되는 CW 레이저광의 총 조사 에너지 밀도를 의미한다.
CW 레이저광의 조사 에너지 밀도(J/㎠)는 광 강도 밀도(W/㎠)와 조사 시간(s)의 곱이다. CW 레이저광의 조사 시간은, 상기 예에서는, 약 10s로 하고 있지만, 약 1s∼약 10s의 범위에서 조절되는 것이 바람직하다. 조사 시간의 범위가 약 1s∼10s의 범위에서 조절되는 경우에는, 상기 조사 에너지 밀도를 얻기 위해, CW 레이저광의 목표 출력 Wt인 광 강도 밀도(W/㎠)는, 약 318W/㎠∼634W/㎠의 범위에서 조절되는 것이 바람직하다.
어닐 제어부(32A)는, CW 레이저광의 조사에 의해 예열을 행하는 경우에 있어서, 광 강도 밀도와 조사 시간 중 적어도 한쪽을 제어함으로써, CW 레이저광의 조사 에너지 밀도를 제어한다.
또한, 도 6에 도시한 바와 같이, 본 예에서는, 펄스 레이저광의 조사가 개시된 후에도, 펄스 레이저광이 조사되고 있는 동안, CW 레이저광의 조사가 계속된다. 즉, 펄스 레이저광의 조사 기간의 전체 기간에 걸쳐, CW 레이저광의 조사 기간이 시간적으로 겹쳐 있어, 펄스 레이저광과 CW 레이저광이 동시에 조사되고 있다.
결정화는, 아몰퍼스 실리콘막(31d)이 용융된 후, 다시 고화되는 과정에서 진행된다. 펄스 레이저광의 조사를 개시한 후에도, CW 레이저광에 의한 가열을 계속하면, 아몰퍼스 실리콘막(31d)의 용융 후, 결정화가 진행되어, 다결정 실리콘막(31e)으로 개질되는 과정에 있어서, 다결정 실리콘막(31e)의 온도를 높게 유지할 수 있다. 이에 의해, 고화 시간이 길어져, 결정이 성장하는 시간을 충분히 확보할 수 있으므로, 결정이 보다 성장하여, 결정의 입경을 크게 하는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 본 예에서는, 펄스 레이저광의 조사 기간은, 전체 기간이 CW 레이저광의 조사 기간과 겹쳐 있는 예로 설명하고 있지만, 펄스 레이저광의 조사 기간과 CW 레이저광의 조사 기간이 부분적으로 겹쳐 있어도 된다.
3. 4 변형예 1
CW 레이저광의 조사의 종료 타이밍에 대하여, 도 6의 예에서는, 펄스 레이저광의 조사 종료와 거의 동시에 CW 레이저광의 조사를 종료하고 있지만, 펄스 레이저광의 조사 종료 후, CW 레이저광의 조사 종료까지의 지연 시간을 길게 해도 된다. 펄스 레이저광의 조사 종료 후에 있어서도, CW 레이저광의 조사를 계속하면, 도 6의 예보다도, 고화 시간이 더 길어지기 때문에, 결정의 입경을 더욱 크게 하는 효과를 기대할 수 있다. 어닐 제어부(32A)는, 셔터(42)를 폐쇄하는 시간을 제어함으로써, 지연 시간을 길게 할 수 있다.
3. 5 변형예 2
도 9는 제1 실시 형태의 변형예 2에 따른 타이밍 차트이다. 변형예 2에 있어서는, 도 6의 예와 달리, CW 레이저광의 조사에 의한 예열만을 행하고, 펄스 레이저광의 조사 개시와 동시에 CW 레이저광의 조사를 정지하고 있다. 변형예 2와 같이, CW 레이저광의 조사 기간과 펄스 레이저광의 조사 기간이 겹치지 않아도 된다.
이 경우에도, CW 레이저광의 조사에 의한 예열을 행함으로써, 아몰퍼스 실리콘막(31d)의 용융을 위해 필요한 펄스 레이저광의 최저 출력을 억제한다는 효과는 얻어진다. 또한, 본 예의 경우에도, 펄스 레이저광의 조사가 개시되는 시점에 있어서, 아몰퍼스 실리콘막(31d)의 온도 T는 융점 Tm 근방까지 상승되어 있다. 그 때문에, 도 6의 예나 변형예 1과 비교하면 적지만, 비교예보다도 고화 시간은 길어진다고 생각되므로, 입경을 크게 하는 효과도 기대할 수 있다. 물론, 상술한 도 6의 예나 변형예 1과 같이, CW 레이저광과 펄스 레이저광이 동시에 조사되는 기간을 설정한 쪽이, 입경을 크게 하는 효과에 대하여 보다 큰 효과를 기대할 수 있기 때문에, 바람직하다.
3. 6 CW 레이저광의 중심 파장의 바람직한 범위
도 10은 다결정 실리콘 및 아몰퍼스 실리콘의 광 흡수율의 파장 의존성을 나타내는 그래프이다. 도 10의 (A)는 다결정 실리콘의 그래프이며, 도 10의 (B)는 아몰퍼스 실리콘의 그래프이다. 광 흡수율이 클수록, 온도 상승의 효율이 좋다. 또한, 도 10의 (A) 및 도 10의 (B)의 각각에 있어서, 실선은 막 두께가 100㎚인 경우의 그래프이며, 일점쇄선은 막 두께가 50㎚인 경우의 그래프이고, 파선은 막 두께가 30㎚인 경우의 그래프이다. 막 두께 30㎚, 50㎚, 100㎚는, TFT 기판을 제조하는 경우의 전형적인 막 두께이다. 도 10의 (A)는 하지막으로서의 실리콘 산화막(SiO2) 상에 다결정 실리콘막을 형성한 조건에서 계산한 데이터이고, 도 10의 (B)는 하지막으로서의 실리콘 산화막(SiO2) 상에 아몰퍼스 실리콘막을 형성한 조건에서 계산한 데이터이다.
일반적으로, 효율적인 광 흡수 특성이라 할 수 있는 것은 광 흡수율의 값이 0.15 이상인 경우이며, 0.15 이상이면, CW 레이저광의 조사에 의해 가열 효과를 기대할 수 있다. 먼저, 막 두께가 100㎚인 경우에 있어서, 도 10의 (B)에 도시한 바와 같이, 파장이 약 650㎚인 적색 레이저광에 대해서는, 아몰퍼스 실리콘의 광 흡수율은 0.15 이상으로 된다. 그러나, 이 파장에 있어서의 다결정 실리콘의 광 흡수율은 0.05이며, 아몰퍼스 실리콘과 비교하여 낮다.
상술한 바와 같이, 펄스 레이저광의 조사가 개시된 후에도, CW 레이저광을 동시에 조사하면, 결정화의 과정에 있어서 다결정 실리콘의 온도를 높게 유지할 수 있기 때문에, 결정이 성장하는 시간을 충분히 확보할 수 있어, 입경을 크게 하는 효과를 기대할 수 있다. 이것은, CW 레이저광의 조사에 의해, 아몰퍼스 실리콘에 대해서뿐만 아니라, 다결정 실리콘에 대해서도, 온도가 상승하는 가열 효과가 있는 것이 전제로 된다. 파장이 약 650㎚인 적색 레이저광은, 아몰퍼스 실리콘에 대해서는 가열 효과가 비교적 크지만, 다결정 실리콘은 광 흡수율이 낮기 때문에, 다결정 실리콘에 대해서는 가열 효과가 적다. 그 때문에, 파장이 약 650㎚인 적색 레이저광을 사용해도, 입경을 크게 하는 효과를 기대할 수 없다.
또한, 도 10의 (A)에 도시한 바와 같이, 다결정 실리콘에 있어서, 파장이 500㎚를 상회하는 영역에서는, 어느 막 두께에서도 광 흡수율이 0.15에 미치지 못하기 때문에, 가열 효과가 적다. 그 때문에, 파장이 500㎚를 상회하는 CW 레이저광을 사용해도, 입경을 크게 하는 효과는 기대할 수 없다.
한편, 도 10의 (A)에 있어서, 막 두께가 50㎚, 100㎚인 경우에는, 파장이 500㎚ 이하에서는 광 흡수율은 0.15 이상으로 된다. 그 때문에, 결정화의 과정에서도 지속적으로 효율적으로 광을 흡수하여, 다결정 실리콘의 온도를 높은 온도로 유지할 수 있으므로, 입경을 크게 하는 효과를 기대할 수 있다. 따라서, 막 두께가 50㎚∼100㎚인 경우에는, CW 레이저광의 파장은 약 500㎚ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 막 두께가 50㎚∼100㎚인 경우에는, 파장이 약 450㎚ 부근에서는, 다결정 실리콘도 아몰퍼스 실리콘의 어느 쪽의 광 흡수율도 양호한 값을 나타낸다. 그 때문에, CW 레이저광의 파장은 약 450㎚ 부근인 것이 보다 바람직하다.
또한, 도 10의 (A)에 도시한 바와 같이, 다결정 실리콘에 있어서, 막 두께가 30㎚인 경우에는, 파장이 420㎚ 이하로 되지 않으면, 광 흡수율이 0.15 이상으로 되지 않는다. 그 때문에, 막 두께가 30㎚인 경우도 고려하면, CW 레이저광의 중심 파장은 약 420㎚ 이하인 것이 바람직하다.
파장이 420㎚ 이하인 CW 레이저광으로서는, 예를 들어 GaN계 반도체 레이저가 출력하는 CW 레이저광이나, 연속 발진의 YAG 레이저나 파이버 레이저의 제3 고조파광이나, AlGaN계 반도체 레이저가 있다. GaN계 반도체 레이저의 CW 레이저광은, 중심 파장이 405㎚나 450㎚이다. 제3 고조파광은 중심 파장이 355㎚이다. AlGaN계 반도체 레이저는 중심 파장이 330㎚이다. 또한, 파장이 500㎚ 이하인 CW 레이저광으로서는, 상기에 더하여, 중심 파장이 488㎚인 Ar 이온 레이저나, 중심 파장이 450㎚인 반도체 레이저 등이 있다.
3. 6 펄스 레이저광의 중심 파장의 바람직한 범위
도 11은 다결정 실리콘 및 아몰퍼스 실리콘의 광 투과율의 파장 의존성을 나타내는 그래프이다. 도 11의 (A)는 다결정 실리콘의 그래프이며, 도 11의 (B)는 아몰퍼스 실리콘의 그래프이다. 또한, 도 10과 마찬가지로, 도 11의 (A) 및 도 11의 (B)의 각각에 있어서, 실선은 막 두께가 100㎚인 경우의 그래프이며, 일점쇄선은 막 두께가 50㎚인 경우의 그래프이고, 파선은 막 두께가 30㎚인 경우의 그래프이다. 도 11의 (A)는 하지막으로서의 실리콘 산화막(SiO2) 상에 다결정 실리콘막을 형성한 조건에서 계산한 데이터이고, 도 11의 (B)는 하지막으로서의 실리콘 산화막(SiO2) 상에 아몰퍼스 실리콘막을 형성한 조건에서 계산한 데이터이다.
펄스 레이저광은, CW 레이저광과 비교하여, 광 강도가 높기 때문에, 다결정 실리콘막이나 아몰퍼스 실리콘막 등의 실리콘막을 투과하면, 유리 기판이나 수지 기판에 손상을 줄 우려가 있다. 특히, PET(폴리에틸렌테레프탈레이트), PEN(폴리에틸렌나프탈레이트), PI(폴리이미드) 등의 수지 기판을 사용한 경우에는, 유리 기판보다도 손상이 발생하기 쉽다.
도 11에 도시한 바와 같이, 다결정 실리콘 및 아몰퍼스 실리콘 중 어느 쪽에 있어서도, 파장이 365㎚ 이하에 있어서는, 광 투과율은 현저하게 저하된다. 그 때문에, 펄스 레이저광의 파장은 365㎚ 이하인 것이 바람직하다. 이러한 파장의 펄스 레이저광을 출력하는 펄스 레이저 장치로서는, 상술한 엑시머 펄스 레이저 장치나 고체 펄스 레이저 장치를 사용할 수 있다.
4. 제2 실시 형태의 레이저 어닐 장치
4. 1 구성
도 12는 제2 실시 형태의 레이저 어닐 장치의 구성을 개략적으로 도시한다. 제2 실시 형태의 레이저 어닐 장치는, 제1 실시 형태의 어닐 장치(4A) 대신에, 어닐 장치(4B)를 구비하고 있다. 펄스 레이저 장치(3)는 제1 실시 형태와 마찬가지이다.
어닐 장치(4B)는, 도 4에 도시한 제1 실시 형태에 따른 어닐 장치(4A)의 구성에 더하여, 방사 온도계(51)를 구비하고 있는 점이 상이하다. 방사 온도계(51)는 프레임(29)에 홀더(52)를 통해 고정된다. 방사 온도계(51)는 피조사물(31)의 표면으로부터 방출되는 적외선을 검출하여, 피조사물(31)의 표면에 있는 아몰퍼스 실리콘막(31d)의 온도를 계측한다. 방사 온도계(51)는 계측한 온도를 계측 결과로서 어닐 제어부(32B)에 출력한다.
또한, 어닐 장치(4B)는, 제1 실시 형태에 따른 어닐 제어부(32A) 대신에, 어닐 제어부(32B)를 구비하고 있다. 어닐 제어부(32B)는, 방사 온도계(51)의 계측 결과에 기초하여 펄스 레이저광의 조사 개시 타이밍을 제어하는 기능을 구비하고 있다. 이 점에서, 어닐 제어부(32A)와 상이하다. 다른 구성은, 제1 실시 형태에 따른 어닐 장치(4A)와 마찬가지이다.
4. 2 동작
도 13 및 도 14를 참조하면서 제2 실시 형태의 동작을 설명한다. 도 13은 제2 실시 형태의 어닐 처리의 수순을 나타내는 플로우차트이다. 도 14는 CW 레이저광 및 펄스 레이저광의 출력 상태와 CW 레이저광만에 의한 피조사물(31)의 표면의 온도의 경시 변화를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 13에 도시한 바와 같이, S200∼S205까지의 처리 스텝은, 도 5에서 설명한 S100∼S105까지의 처리 스텝과 마찬가지이다. 어닐 제어부(32B)는, S205에 있어서 셔터를 개방하여, CW 레이저광의 조사를 개시한다. 어닐 제어부(32B)는, CW 레이저광의 조사를 개시하면, S206에 있어서, 방사 온도계(51)에 의한 온도 T의 계측을 개시한다.
S207에 있어서, 어닐 제어부(32B)는, 방사 온도계(51)로부터 입력되는 계측 결과에 기초하여, 피조사물(31)의 아몰퍼스 실리콘막(31d)의 온도 T가, 소정 온도 Ta 이상이며 소정 온도 Tb 이하의 범위에 들어갔는지 여부를 판정한다. 어닐 제어부(32B)는, 온도 T가 상기 범위에 도달하지 않은 경우에는(S207에서 "아니오"), S206으로 되돌아간다. 그리고, 온도 T가 상기 범위에 들어간 경우에는(S207에서 "예"), S208로 진행하여, N개의 펄스의 발광 트리거 신호를 송신하여, 펄스 레이저광을 조사한다. S208∼S212의 처리 스텝은, 제1 실시 형태의 S108∼S112의 처리 스텝과 마찬가지이다.
여기서, 소정 온도 Ta와 소정 온도 Tb에 의해 규정되는 범위는, 목표 온도 Tt의 범위 내이다. 전술한 바와 같이, 목표 온도 Tt의 범위는 1300℃≤Tt<1414℃의 범위이다. 예를 들어, 소정 온도 Ta는 1400℃이고, 소정 온도 Tb는 1413℃이다.
4. 3 작용
제2 실시 형태에서는, 아몰퍼스 실리콘막(31d)의 온도 T를 방사 온도계(51)로 계측하여, 온도 T가 소정 온도 Ta와 Tb의 범위 내인 것을 확인한 후, 펄스 레이저광의 조사를 개시하고 있다. 그 때문에, 타이머에 의해 조사 개시 타이밍을 제어하는 제1 실시 형태와 비교하여, 이하의 장점이 있다.
먼저, 펄스 레이저광의 조사를 개시하기 직전의 온도 T가 안정된다. 펄스 레이저광의 출력은 미리 설정되어 있으므로, 개시 직전의 온도 T가 안정됨으로써, 펄스 레이저광을 조사 중인 온도 T도 안정될 가능성이 있다. 펄스 레이저광의 조사 중인 온도 T가 안정되면, 다결정 실리콘막(31e)의 결정의 입경이 균일화된다는 효과가 있다.
또한, 피조사물(31)의 종류에 따라서, 유리 기판이나 수지 기판 등의 기판 재료가 다르거나, 아몰퍼스 실리콘막(31d)의 막 두께가 상이한 경우가 있다. 기판 재료나 막 두께가 상이하면, CW 레이저광의 출력이 동일해도, 아몰퍼스 실리콘막(31d)의 온도 T의 상승률이 상이하다. 이와 같은 경우에도, 온도 T를 실측하기 위해, 기판 재료나 막 두께에 따른 설정을 하지 않고, 펄스 레이저광의 조사를 개시하기 직전의 온도 T를 안정시킬 수 있다.
4. 4 변형예
또한, 어닐 제어부(32B)는, 방사 온도계(51)의 계측 결과에 기초하여, CW 레이저 장치(41)의 출력을 피드백 제어해도 된다. 구체적으로는, 어닐 제어부(32B)는, 아몰퍼스 실리콘막(31d)의 온도 T가, 소정 온도 Ta보다도 낮은 경우에는, CW 레이저 장치(41)의 CW 레이저광의 출력을 올린다. 한편, 온도 T가 소정 온도 Tb를 초과한 경우에는, CW 레이저광의 출력을 내린다.
4. 5 기타
또한, 이와 같이 CW 레이저 장치(41)의 CW 레이저광의 출력 자체를 제어할 수 있는 경우에는, CW 레이저 장치(41)의 출력을 제어함으로써, CW 레이저광의 조사 개시와 종료를 제어해도 된다. 이 경우에는, 셔터(42)는 설치하지 않아도 된다.
온도 T를 계측하는 방사 온도계(51)로서는, 예를 들어 하기 문헌에 기재되어 있는 바와 같은 2색 온도계를 사용해도 된다(문헌 : 정밀공학회지 Vol.61, No2(1995) 278-282 : "레이저 조사부의 플래시 온도 측정"). 이 문헌에 기재된 2색 온도계는, 가시광으로부터 적외선의 영역 중, 선택된 2파장의 광 강도를 측정하고, 강도비를 산출함으로써 온도를 계측한다. 2색 온도계는, 예를 들어 열 복사광의 2색 강도 측정기로서, Ge 소자와 InSb 소자를 갖고 있다. 그리고, 각 소자로부터 전압으로서 출력되는 광 강도의 신호에 기초하여 강도비를 측정함으로써 온도를 계측한다. 이 2색 온도계는, 아몰퍼스 실리콘이나 다결정 실리콘의 미소 가공 영역에서 고속으로 변화되는 온도를 측정하는 데 적합하다.
5. 제3 실시 형태의 레이저 어닐 장치
5. 1 구성
도 15는 제3 실시 형태의 레이저 어닐 장치의 구성을 개략적으로 도시한다. 도 4에 도시한 제1 실시 형태 및 도 12에 도시한 제2 실시 형태의 각 레이저 어닐 장치는, 피조사물(31)을 정지시킨 상태에서 CW 레이저광 및 펄스 레이저광을 조사한다. 이에 반해, 제3 실시 형태의 레이저 어닐 장치는, 피조사물(31)을 소정 방향으로 이동하면서, 피조사물(31)에 대하여 CW 레이저광 및 펄스 레이저광을 조사한다. 제3 실시 형태의 레이저 어닐 장치는, 어닐 장치(4C)와 광학 시스템(21C)을 구비하고 있다. 펄스 레이저 장치(3)는 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태와 마찬가지이다.
제3 실시 형태에 있어서, 피조사물(31)은, 예를 들어 대화면 디스플레이용의 기판이며, 아몰퍼스 실리콘막(31d)이 형성된 전체면이 어닐 영역으로 되어 있다. 어닐 장치(4C)는, 광학 시스템(21C)으로부터 출사되는 CW 레이저광 및 펄스 레이저광의 조사 위치에 대하여, XYZ 스테이지(28)에 의해 피조사물(31)을 Y축 방향으로 등속 이동시킨다. CW 레이저광 및 펄스 레이저광은, 등속 이동에 의해 조사 위치를 통과하는 피조사물(31)에 대하여 조사된다.
광학 시스템(21C)은, 펄스 레이저광용의 제1 빔 호모지나이저(56)와 CW 레이저광용의 제2 빔 호모지나이저(57)를 구비하고 있다. 제1 빔 호모지나이저(56)는 고반사 미러(36a)와 마스크(37) 사이의 광로 상에 배치되어 있다. 제1 빔 호모지나이저(56)는 플라이아이 렌즈(56a)와 콘덴서 광학계(56b)를 갖고 있다.
마스크(37)는 라인 형상의 개구를 갖고 있다. 펄스 레이저광이 마스크(37)의 개구를 통과하면, 빔의 단면 형상이 라인 형상으로 정형된다. 여기서, 마스크(37)에 있어서, 단면 형상이 라인 형상으로 정형되고, 마스크(37)의 개구상이 전사 광학계(39)에 의해 라인 형상으로 전사 결상된 펄스 레이저광을 라인 빔 PLB라 칭한다.
제1 빔 호모지나이저(56)에 있어서, 콘덴서 광학계(56b)는 플라이아이 렌즈(56a)의 초점과, 콘덴서 광학계(56b)의 전방측 초점이 일치하도록 배치되어 있다. 마스크(37)는 콘덴서 광학계(56b)의 후방측 초점과 일치하도록 배치되어 있다.
또한, 제2 빔 호모지나이저(57)는 CW 레이저 장치(41)와 고반사 미러(44) 사이의 광로 상에 배치되어 있다. 제2 빔 호모지나이저(57)는 제1 빔 호모지나이저(56)와 마찬가지로, 플라이아이 렌즈(57a)와 콘덴서 광학계(57b)를 갖고 있다. 또한, 제2 빔 호모지나이저(57)와 고반사 미러(44) 사이의 광로 상에는, 마스크(58)와 고반사 미러(59)가 배치되어 있다.
마스크(58)는 라인 형상의 개구를 갖고 있다. CW 레이저광이 마스크(58)의 개구를 통과하면, 빔의 단면 형상이 라인 형상으로 정형된다. 여기서, 마스크(58)에 있어서, 단면 형상이 라인 형상으로 정형되고, 마스크(58)의 개구상이 전사 광학계(38)에 의해 라인 형상으로 전사 결상된 CW 레이저광을 라인 빔 CWB라 칭한다.
제2 빔 호모지나이저(57)에 있어서, 콘덴서 광학계(57b)는 플라이아이 렌즈(57a)의 초점과, 콘덴서 광학계(57b)의 전방측 초점이 일치하도록 배치되어 있다. 마스크(58)는 콘덴서 광학계(57b)의 후방측 초점과 일치하도록 배치되어 있다.
고반사 미러(59)는 마스크(58)의 개구를 투과한 라인 빔 CWB를 고반사 미러(44)를 향하여 반사하는 위치에 배치되어 있다. 고반사 미러(44)는 라인 빔 CWB를, 고반사 미러(36c)를 통해 전사 광학계(38)를 향하여 반사하도록 배치되어 있다. 이에 의해, 고반사 미러(44)와 고반사 미러(36c)는 라인 빔 CWB의 광로와 라인 빔 PLB의 광로를 결합한다. 전사 광학계(38)는 라인 빔 CWB와 라인 빔 PLB를 조사 위치에 전사한다.
도 16은 라인 빔 CWB 및 PLB의 조사 영역의 겹침의 설명도이다. 도 17은 상대적으로 이동하는 피조사물(31)과 라인 빔 CWB 및 PLB의 관계를 도시한다. 도 16 및 도 17에 도시한 바와 같이, 라인 빔 CWB와 라인 빔 PLB는, 각각의 조사 영역이, 피조사물(31)의 이동 방향(Y축 방향)과 직교하는 폭 방향(X축 방향)으로 연장되는 라인 형상을 하고 있다. 라인 빔 CWB와 라인 빔 PLB의 X축 방향의 각각의 길이 LCW 및 LPL은, 예를 들어 피조사물(31)의 X축 방향의 폭 W보다도 길다.
그 때문에, 도 17에 도시한 바와 같이, 피조사물(31)을 Y축 방향의 일방향으로 이동하는 것만으로, 피조사물(31)에 대하여 라인 빔 CWB 및 PLB가 초기 위치로부터 최종 위치까지 상대적으로 이동한다. 이에 의해, 피조사물(31)의 전체면에 대하여 라인 빔 CWB 및 라인 빔 PLB를 조사할 수 있다.
또한, 라인 빔 CWB의 Y축 방향의 빔 폭 DCW는, 라인 빔 PLB의 Y축 방향의 빔 폭 DPL보다도 넓다. 그리고, 라인 빔 CWB의 조사 영역과, 라인 빔 PLB의 조사 영역은, 피조사물(31)의 이동 방향인 Y축 방향에 있어서 겹쳐 있다. 본 예에서는, 라인 빔 PLB의 조사 영역의 전체 범위가 라인 빔 CWB의 조사 영역에 겹쳐 있다. 즉, 라인 빔 CWB의 조사 영역은, 라인 빔 PLB의 조사 영역을 모두 포함하고 있다. 라인 빔 PLB의 사이즈는, 예를 들어 길이 LPL이 1500㎜이고, 빔 폭 DPL은 400㎛이다.
또한, 조사 위치를 통과하는 피조사물(31)에 대하여, 라인 빔 PLB가 조사되기 전에 라인 빔 CWB가 조사되도록, 라인 빔 CWB의 조사 영역은, 라인 빔 PLB의 조사 영역에 대하여 선행하는 선행 영역 AP를 갖고 있다.
즉, 도 17에 도시한 바와 같이, Y축 방향에 있어서, 피조사물(31)의 이동 방향을 YS 방향이라 하면, 피조사물(31)과 조사 위치는 상대적으로 이동하기 때문에, 라인 빔 CWB 및 PLB의 조사 영역은, 피조사물(31)에 대하여 YB 방향으로 진행한다. YB 방향으로 진행하는 라인 빔 CWB에 있어서, 전방에는 선행 영역 AP가 존재하고, 후방에 라인 빔 PLB의 조사 영역이 위치한다. 이에 의해, 라인 빔 CWB의 선행 영역 AP의 조사에 의해 예열할 수 있다.
이러한 라인 빔 CWB 및 PLB의 조사 영역의 형상, 사이즈 및 각 조사 영역의 겹침 상태는, 마스크(58) 및 마스크(37)의 개구의 형상, 사이즈 및 배치 위치에 의해 결정된다.
도 18에 있어서, 도 18의 (A)는 라인 빔 CWB 및 PLB의 조사 영역의 확대도이며, 도 18의 (B)는 B-B 단면에 있어서의, 라인 빔 CWB 및 PLB의 광 강도 분포를 도시한다. 라인 빔 CWB보다도 라인 빔 PLB쪽이 광 강도는 높기 때문에, 광 강도는 선행 영역 AP에 있어서 상대적으로 낮고, 라인 빔 PLB가 위치하는 영역에서 높아진다.
방사 온도계(51)는 라인 빔 CWB의 선행 영역 AP의 조사 위치를 통과하는 피조사물(31)의 온도이며, 보다 구체적으로는, 라인 빔 PLB의 조사 위치를 통과하기 직전의 아몰퍼스 실리콘막(31d)의 온도 T를 계측할 수 있도록 배치되어 있다.
5. 2 동작
도 19 및 도 20을 참조하면서 제3 실시 형태의 동작을 설명한다. 도 19는 제3 실시 형태의 어닐 처리의 수순을 나타내는 플로우차트이다. 도 20은 피조사물(31)과의 상대 이동에 의해, 라인 빔 CWB가 피조사물(31) 상의 점 P를 통과하는 경우의 점 P에 있어서의 온도의 경시 변화를 설명하는 도면이다.
도 19에 도시한 바와 같이, S300에 있어서, 대화면 디스플레이용의 피조사물(31)이 XYZ 스테이지(28)에 세트된다. S301에 있어서, 어닐 제어부(32C)는 피조사물(31)을 초기 위치로 이동한다.
어닐 제어부(32C)는, S302에 있어서, CW 레이저 장치(41)에 대하여 목표 출력 Wt의 초기값 Wt0을 송신한다. 이에 의해, CW 레이저 장치(41)가 초기값 Wt0에서 출력을 개시한다. 또한, S303에 있어서, 어닐 제어부(32C)는, 펄스 레이저 장치(3)에 대하여 목표 펄스 에너지 Et를 송신한다. 또한, S304에 있어서, 소정의 반복 주파수에서 발광 트리거 신호의 송신을 개시한다. 이에 의해, 라인 빔 CWB 및 PLB의 조사가 개시된다. 도 17에 도시한 바와 같이, 라인 빔 CWB 및 PLB의 조사 영역은, 조사 위치에 있어서 중첩되고, 라인 빔 CWB의 조사 영역은 선행 영역 AP를 갖는다.
S305에 있어서, 어닐 제어부(32C)는, XYZ 스테이지(28)의 Y축 방향의 이동을 개시시켜, XYZ 스테이지(28)를 가속한다. 어닐 제어부(32C)는, 라인 빔 CWB가 피조사물(31)에 도달하는 시점에서 소정 속도의 등속 이동으로 되도록 XYZ 스테이지(28)의 속도를 제어한다. 이에 의해, 피조사물(31)이 Y축 방향으로 소정 속도로 등속 이동한다. 이 동안, 어닐 제어부(32C)는, 방사 온도계(51)의 계측 결과에 기초하여, CW 레이저 장치(41)의 출력을 피드백 제어한다. S306에 있어서, 어닐 제어부(32C)는, 방사 온도계(51)에 의해, 조사 위치를 통과하기 직전의 아몰퍼스 실리콘막(31d)의 온도 T를 계측한다. 그리고, S307에 있어서, 온도 T와 목표 온도 Tt의 온도차 ΔT(=T-Tt)를 계산한다. S308에 있어서, 온도차 ΔT가 있는 경우에는, 어닐 제어부(32C)는, 온도차 ΔT가 0에 근접하도록 CW 레이저 장치(41)의 목표 출력 Wt를 변경한다.
S309에 있어서, 어닐 제어부(32C)는, 피조사물(31)의 전체면의 조사가 종료되었는지 여부를 판정한다. 전체면의 조사가 종료되지 않은 경우에는(S309에서 "아니오"), S306으로 되돌아가, S306 내지 S308의 처리 스텝을 반복한다. 전체면의 조사가 종료된 경우에는(S309에서 "예"), 어닐 제어부(32C)는, 발광 트리거 신호의 송신을 정지하고, 라인 빔 PLB의 출력을 정지한다. 그리고, S311에 있어서, CW 레이저 장치(41)를 정지하여 라인 빔 CWB의 출력을 정지한다. 또한, S312에 있어서 XYZ 스테이지(28)의 이동을 정지한다.
5. 3 작용
피조사물(31)이 조사 위치를 통과하는 경우에 있어서, 피조사물(31) 상의 점 P에 있어서의 온도 변화는 도 20과 같이 된다. 여기서, 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태와 마찬가지로, 온도 변화는 CW 레이저광의 라인 빔 CWB만에 의한 온도 변화를 나타낸다.
먼저, 시각 t1에 있어서, 라인 빔 CWB의 선행 영역 AP가 점 P에 도달하면, 점 P에 대하여 라인 빔 CWB의 조사가 개시되어, CW 레이저광에 의한 예열이 개시된다. 라인 빔 CWB의 조사에 의해 점 P의 온도 T는 상승을 개시하고, 시각 t2에 있어서, 선행 영역 AP가 YB 방향으로 진행하면, 점 P의 온도 T는 더 상승한다. 그리고, 펄스 레이저광의 라인 빔 PLB가 조사되기 직전, 즉, 라인 빔 PLB의 조사 영역이 점 P에 도달하기 직전의 시각 t3에 있어서, 점 P의 온도 T가 목표 온도 Tt에 도달하는 것이 바람직하다.
어닐 제어부(3C)는, 도 19의 S306∼S308의 처리 스텝을 반복함으로써, CW 레이저 장치(41)의 출력을 피드백 제어하여, 온도 T가 목표 온도 Tt에 도달하도록 제어한다. 이에 의해, 라인 빔 PLB의 조사가 개시되기 전에, 라인 빔 CWB의 선행 영역 AP의 조사에 의해, 아몰퍼스 실리콘막(31d)의 온도 T가 목표 온도 Tt로 되도록 예열된다.
도 20에 있어서, 시각 t3을 지나면, 점 P에 있어서, 라인 빔 PLB의 조사가 개시된다. 이 시점에서, 온도 T는 목표 온도 Tt로 되도록 예열되어 있으므로, 예열된 상태에서, 라인 빔 PLB를 조사할 수 있다. 이 때문에, 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태와 마찬가지로, CW 레이저광의 라인 빔 CWB의 조사에 의해 예열되는 만큼, 펄스 레이저광의 라인 빔 PLB의 출력을 억제할 수 있다.
또한, 라인 빔 PLB가 조사되고 있는 동안, 라인 빔 CWB가 동시에 조사된다. 이 때문에, 제1 실시 형태에서 설명한 대로, 아몰퍼스 실리콘막(31d)으로부터 다결정 실리콘막(31e)으로 개질되는 과정에 있어서, 다결정 실리콘막(31e)의 온도를 높게 유지할 수 있다. 다결정 실리콘막(31e)의 온도를 높게 유지하면, 고화 시간이 길어지기 때문에, 결정의 입경을 크게 하는 효과를 기대할 수 있다.
제3 실시 형태는, 피조사물(31)을 이동시키면서, CW 레이저광 및 펄스 레이저광의 조사를 행하기 때문에, 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태와 비교하여, 어닐의 스루풋이 향상된다. 그 때문에, 대화면 디스플레이용의 피조사물(31)을 처리하는 경우에 유리하다. 대화면 디스플레이용의 피조사물(31)의 치수로서는, 예를 들어 2880㎜×3130㎜나, 3000㎜×3320㎜에 도달하는 것도 있다. 이와 같은 사이즈의 피조사물(31)에 대해서는 특히 유효하다.
또한, 제3 실시 형태에서는, 피조사물(31)을 이동시키면서 연속적으로 어닐이 행해지기 때문에, 큰 어닐 영역을 균일하게 어닐할 수 있다. 만약, 제1 실시 형태 또는 제2 실시 형태의 레이저 어닐 장치에서, 큰 어닐 영역을 어닐하는 경우에는, CW 레이저광 및 펄스 레이저광의 조사 영역을 변경하면서 복수회의 어닐을 행할 필요가 있다. 이 경우에는, 조사 영역이 서로 겹치는 부분과 겹치지 않는 부분이 발생하여, 결정의 입경의 균일성이 저하될 수 있다. 제3 실시 형태에서는, 큰 어닐 영역을 균일하게 어닐할 수 있으므로, 결정의 입경이 균일화된다.
또한, 제3 실시 형태에서는, 온도 T를 실측하기 위해, 기판 재료나 막 두께에 따른 설정을 하지 않고, 펄스 레이저광의 조사를 개시하기 직전의 온도 T를 안정시킬 수 있다.
또한, 계측한 온도 T에 기초하여, CW 레이저 장치(41)의 출력을 피드백 제어하는 예로 설명하였지만, 피드백 제어를 하지 않아도 된다. 이 경우에는, 목표 온도 Tt로 되는 CW 레이저광의 출력을 미리 설정하고, 설정한 출력을 CW 레이저 장치(41)에 송신한다. 설정값은, 레이저 어닐 장치의 내장 스토리지에 저장해 두거나, 혹은, 외부 장치로부터 판독해도 된다.
5. 4 변형예 1
또한, 조사 위치를 통과하는, 피조사물(31) 상의 점 P에 있어서, 라인 빔 PLB의 조사 종료와 동시에 라인 빔 CWB의 조사가 종료되도록 해도 된다. 또한, 라인 빔 PLB의 조사 종료 후에 있어서도, 라인 빔 CWB의 조사가 계속되도록 해도 된다. 상술한 바와 같이, 라인 빔 PLB의 조사 종료 후에도, 라인 빔 CWB의 조사를 계속하면, 입경을 크게 하는 효과를 기대할 수 있다. 라인 빔 CWB의 조사 종료 타이밍은, 라인 빔 CWB의 조사 영역의 사이즈를 규정하는 마스크(58)의 개구의 사이즈에 의해 조절된다.
또한, 본 예에서는, 피조사물(31)의 이동 방향인 Y축 방향에 있어서, 라인 빔 PLB의 조사 영역의 전체 범위가 라인 빔 CWB의 조사 영역과 겹쳐 있는 예로 설명하였지만, 일부가 중첩되어 있어도 된다.
5. 5 변형예 2
도 21에 도시한 바와 같이, 라인 빔 CWB의 조사 영역과 라인 빔 PLB의 조사 영역은 겹쳐 있지 않아도 된다. 이 경우에는, 라인 빔 CWB에 의해 예열만이 행해진다. 도 21의 (A)는 도 18의 (A)와 마찬가지의 라인 빔 CWB 및 PLB의 확대도이며, 도 21의 (B)는 B-B 단면에 있어서의 라인 빔 CWB 및 PLB의 광 강도 분포이다.
5. 6 변형예 3
도 22는 CW 레이저 장치(41)의 변형예를 도시한다. 도 22에 도시한 바와 같이, CW 레이저 장치(41)는 복수의 반도체 광원(41a)과, 복수의 콜리메이터 렌즈(41b)를 갖는 광원 유닛을 구비하고 있어도 된다. 복수의 반도체 광원(41a)은 각각 CW 레이저광을 출력한다. 각 반도체 광원(41a)은, 예를 들어 라인 형상으로 나란히 배열되어 있다. 복수의 콜리메이터 렌즈(41b)는, 각 반도체 광원(41a)에 대응하여 설치되어 있다. 각 콜리메이터 렌즈(41b)는, 그 전방측 초점과 각 반도체 광원(41a)의 출사 위치가 일치하도록 배치되어 있다.
각 반도체 광원(41a)으로부터 출력된 CW 레이저광은, 각 콜리메이터 렌즈(41b)에 의해 콜리메이트된다. 각 콜리메이터 렌즈(41b)가 출사하는 각각의 콜리메이트광은, 제2 빔 호모지나이저(57)의 플라이아이 렌즈(57a)에 입사하여, 콘덴서 광학계(57b)의 후방측 초점에 배치된 마스크(58)에 조사된다. 마스크(58)에 조사되는 콜리메이트광은, 제2 빔 호모지나이저(57)에 의해, 광축과 직교하는 단면 방향에 있어서 광 강도 분포가 균일화된 쾰러 조명으로 된다.
CW 레이저 장치(41)는 라인 형상으로 배열된 복수의 반도체 광원(41a)과 콜리메이터 렌즈(41b)를 갖고 있으며, 각각의 콜리메이터 렌즈(41b)로부터는, 서로 인코히런트한 CW 레이저광을 출사한다. 그 때문에, 스페클이 저감된 CW 레이저광을 출력할 수 있다.
본 예에서는, 복수의 반도체 광원(41a)을 라인 형상으로 배열하고 있지만, 복수의 반도체 광원(41a)을 2차원으로 배열하여, 면 광원을 구성해도 된다.
6. 펄스 레이저 장치의 상세
도 23은 상기 각 실시 형태에 있어서 사용할 수 있는 펄스 레이저 장치(3)의 구성예를 도시한다. 펄스 레이저 장치(3)는 상기 각 실시 형태의 레이저 어닐 장치 중, 조합하여 사용되는 레이저 어닐 장치에 따라서, 도 4에 도시한 어닐 제어부(32A), 도 12에 도시한 어닐 제어부(32B), 도 15에 도시한 어닐 제어부(32C) 중 어느 것과 접속된다. 본 예에서는, 도 4에 도시한 어닐 제어부(32A)와 접속된 예로 설명한다.
펄스 레이저 장치(3)는, 예를 들어 마스터 오실레이터 MO와, 증폭기 PA와, 어테뉴에이터(61)와, 펄스 스트레처(62)와, 펄스 에너지 계측부(63)와, 셔터(64)와, 펄스 레이저 제어부(66)를 포함하고 있다.
마스터 오실레이터 MO는, 예를 들어 레이저 챔버(71)와, 한 쌍의 전극(72a 및 72b)과, 충전기(73)와, 펄스 파워 모듈(PPM)(74)을 포함하고 있다. 마스터 오실레이터 MO는 고반사 미러(76)와, 출력 결합 미러(77)를 더 포함하고 있다. 도 23에 있어서는, 레이저광의 진행 방향에 대략 수직인 방향으로부터 본 레이저 챔버(71)의 내부 구성이 도시되어 있다.
레이저 챔버(71)는, 예를 들어 레어 가스로서 아르곤 또는 크립톤 또는 크세논, 버퍼 가스로서 네온 또는 헬륨, 할로겐 가스로서, 염소 또는 불소 등을 포함하는 레이저 매질로서의 레이저 가스가 봉입되는 챔버이다. 한 쌍의 전극(72a 및 72b)은 레이저 매질을 방전에 의해 여기하기 위한 전극으로서, 레이저 챔버(71) 내에 배치되어 있다. 레이저 챔버(71)에는 개구가 형성되고, 이 개구를 전기 절연부(78)가 폐색하고 있다. 전극(72a)은 전기 절연부(78)에 지지되고, 전극(72b)은 리턴 플레이트(71d)에 지지되어 있다. 이 리턴 플레이트(71d)는 도시하지 않은 배선에 의해 레이저 챔버(71)의 내면과 접속되어 있다. 전기 절연부(78)에는, 도전부(78a)가 매립되어 있다. 도전부(78a)는 펄스 파워 모듈(74)로부터 공급되는 고전압을 전극(72a)에 인가한다.
충전기(73)는 펄스 파워 모듈(74) 중의 도시하지 않은 충전 콘덴서에 소정의 전압으로 충전하는 직류 전원 장치여도 된다. 펄스 파워 모듈(74)은, 예를 들어 펄스 레이저 제어부(66)에 의해 제어되는 스위치(74a)를 포함하고 있다. 스위치(74a)가 OFF로부터 ON으로 되면, 펄스 파워 모듈(74)은 충전기(73)에 유지되어 있던 전기 에너지로부터 펄스 형상의 고전압을 생성하고, 이 고전압을 한 쌍의 전극(72a 및 72b) 간에 인가한다.
한 쌍의 전극(72a 및 72b) 간에 고전압이 인가되면, 한 쌍의 전극(72a 및 72b) 간이 절연 파괴되어, 방전이 일어난다. 이 방전의 에너지에 의해, 레이저 챔버(71) 내의 레이저 매질이 여기되어 고에너지 준위로 이행한다. 여기된 레이저 매질이, 그 후 저에너지 준위로 이행할 때, 그 에너지 준위차에 따른 광을 방출한다.
레이저 챔버(71)의 양단에는 윈도우(71a 및 71b)가 설치되어 있다. 레이저 챔버(71) 내에서 발생한 광은, 윈도우(71a 및 71b)를 통해 레이저 챔버(171)의 외부로 출사된다.
고반사 미러(76)는 레이저 챔버(71)의 윈도우(71a)로부터 출사된 광을 높은 반사율로 반사하여 레이저 챔버(71)로 되돌린다. 출력 결합 미러(77)는 레이저 챔버(71)의 윈도우(71b)로부터 출력되는 광 중의 일부를 투과시켜 출력하고, 다른 일부를 반사시켜 레이저 챔버(71) 내로 되돌린다.
따라서, 고반사 미러(76)와 출력 결합 미러(77)에 의해, 광 공진기가 구성된다. 레이저 챔버(71)로부터 출사된 광은, 고반사 미러(76)와 출력 결합 미러(77) 사이에서 왕복하고, 전극(72a)과 전극(72b) 사이의 레이저 게인 공간을 통과할 때마다 증폭된다. 증폭된 광의 일부가, 출력 결합 미러(77)를 통해, 펄스 레이저광으로서 출력될 수 있다.
증폭기 PA는, 마스터 오실레이터 MO의 출력 결합 미러(77)로부터 출력된 펄스 레이저광의 광로에 배치되어 있다. 증폭기 PA는 마스터 오실레이터 MO와 마찬가지로, 레이저 챔버(71)와, 한 쌍의 전극(72a 및 72b)과, 충전기(73)와, 펄스 파워 모듈(PPM)(74)을 포함하고 있다. 이들 구성은, 마스터 오실레이터에 포함되어 있는 것과 마찬가지여도 된다. 증폭기 PA는, 고반사 미러(76) 또는 출력 결합 미러(77)를 포함하지 않아도 된다. 증폭기 PA의 윈도우(71a)에 입사한 펄스 레이저광은, 전극(72a)과 전극(72b) 사이의 레이저 게인 공간을 1회 통과하여, 윈도우(71b)로부터 출력된다.
어테뉴에이터(61)는 증폭기 PA로부터 출력되는 펄스 레이저광의 광로에 배치되어 있고, 예를 들어 2매의 부분 반사 미러(61a 및 61b)와, 이들 부분 반사 미러의 회전 스테이지(61c 및 61d)를 포함하고 있다. 2매의 부분 반사 미러(61a 및 61b)는, 펄스 레이저광의 입사 각도에 따라서, 투과율이 변화되는 광학 소자이다. 부분 반사 미러(61a) 및 부분 반사 미러(61b)는, 펄스 레이저광의 입사 각도가 서로 일치하고, 또한 원하는 투과율로 되도록, 회전 스테이지(61c) 및 회전 스테이지(61d)에 의해 경사 각도가 조정되어도 된다. 이에 의해, 펄스 레이저광은, 원하는 펄스 에너지로 감광되어 어테뉴에이터(61)를 통과한다. 여기서, 어테뉴에이터(61)는 펄스 레이저 제어부(66)의 제어 신호에 기초하여 투과율을 제어해도 된다.
펄스 스트레처(62)는 어테뉴에이터(61)로부터 출력된 펄스 레이저광의 광로에 배치되어 있다. 펄스 스트레처(62)는, 예를 들어 빔 스플리터(62y)와, 제1∼제4 오목면 미러(62a∼62d)를 포함하고 있다.
어테뉴에이터(61)로부터 출력된 펄스 레이저광은, 빔 스플리터(62y)의 제1 면에 도면 중 우측으로부터 입사한다. 여기서, 빔 스플리터(62y)는, 예를 들어 펄스 레이저광에 대하여 고투과하는 CaF2 기판이며, 제1 면에는 펄스 레이저광이 고투과하는 막, 제1 면과 반대측의 제2 면에는 펄스 레이저광이 부분 반사되는 막이 코트되어 있다. 빔 스플리터(62y)에 도면 중 우측으로부터 입사한 펄스 레이저광의 일부는 빔 스플리터(62y)를 투과하고, 다른 일부는 빔 스플리터(62y)의 제2 면에 의해 반사되어, 제1 면으로부터 출사된다.
제1∼제4 오목면 미러(62a∼62d)는 빔 스플리터(62y)에 의해 반사된 펄스 레이저광을 순차적으로 반사하여, 빔 스플리터(62y)의 제2 면에 도면 중 상측으로부터 입사시킨다. 빔 스플리터(62y)는 도면 중 상측으로부터 입사한 펄스 레이저광의 적어도 일부를 반사한다. 이에 의해, 빔 스플리터(62y)에 도면 중 우측으로부터 입사하여 투과한 펄스 레이저광과, 도면 중 상측으로부터 입사하여 반사된 펄스 레이저광이 중첩된다. 또한, 제1∼제4 오목면 미러(62a∼62d)는 초점 거리가 대략 동일하며, 제1∼제4 오목면 미러(62a∼62d)에 의해, 빔 스플리터(62y)에 있어서의 빔의 상을 1 : 1로 결상하도록 배치되어 있다.
빔 스플리터(62y)에 도면 중 우측으로부터 입사하여 투과한 펄스 레이저광과, 도면 중 상측으로부터 입사하여 반사된 펄스 레이저광 사이에는, 제1∼제4 오목면 미러(62a∼62d)에 의해 형성되는 우회 광로의 광로 길이에 따른 시간차가 발생한다. 이에 의해, 펄스 스트레처(62)는 펄스 레이저광의 펄스 폭을 신장한다.
펄스 에너지 계측부(63)는 펄스 스트레처(62)를 통과한 펄스 레이저광의 광로에 배치되어 있다. 펄스 에너지 계측부(63)는, 예를 들어 빔 스플리터(63a)와, 집광 광학계(63b)와, 광 센서(63c)를 포함하고 있다.
빔 스플리터(63a)는 펄스 스트레처(62)를 통과한 펄스 레이저광을 높은 투과율로 셔터(64)를 향하여 투과시킴과 함께, 펄스 레이저광의 일부를 집광 광학계(63b)를 향하여 반사한다. 집광 광학계(63b)는 빔 스플리터(63a)에 의해 반사된 광을 광 센서(63c)의 수광면에 집광한다. 광 센서(63c)는 수광면에 집광된 펄스 레이저광의 펄스 에너지를 검출하고, 검출된 펄스 에너지의 데이터를 펄스 레이저 제어부(66)에 출력한다.
펄스 레이저 제어부(66)는 어닐 제어부(32A)와의 사이에서 각종 신호를 송수신한다. 예를 들어, 펄스 레이저 제어부(66)는 어닐 제어부(32A)로부터, 발광 트리거 신호, 목표 펄스 에너지 Et의 데이터 등을 수신한다. 또한, 펄스 레이저 제어부(66)는 충전기(73)에 대하여 충전 전압의 설정 신호를 송신하거나, 펄스 파워 모듈(74)에 대하여 스위치 ON 또는 OFF의 명령 신호를 송신하거나 한다.
펄스 레이저 제어부(66)는 펄스 에너지 계측부(63)로부터 펄스 에너지의 데이터를 수신해도 되고, 이 펄스 에너지의 데이터를 참조하여 충전기(73)의 충전 전압을 제어해도 된다. 충전기(73)의 충전 전압을 제어함으로써, 펄스 레이저광의 펄스 에너지가 제어되어도 된다. 또한, 펄스 레이저 제어부(66)는 발광 트리거 신호에 대하여 소정의 일정한 시간에서 방전시키도록, 설정된 충전 전압값에 따라서, 발광 트리거 신호의 타이밍을 보정해도 된다.
셔터(64)는 펄스 에너지 계측부(63)의 빔 스플리터(63a)를 투과한 펄스 레이저광의 광로에 배치되어도 된다. 펄스 레이저 제어부(66)는 레이저 발진의 개시 후, 펄스 에너지 계측부(63)로부터 수신하는 펄스 에너지와 목표 펄스 에너지 Et의 차가 허용 범위 내로 될 때까지의 동안은, 셔터(64)를 폐쇄하도록 제어해도 된다. 펄스 레이저 제어부(66)는 펄스 에너지 계측부(63)로부터 수신하는 펄스 에너지와 목표 펄스 에너지 Et의 차가 허용 범위 내로 되면, 셔터(64)를 개방하도록 제어해도 된다. 펄스 레이저 제어부(66)는 셔터(64)의 개폐 신호와 동기하여, 펄스 레이저광의 발광 트리거 신호의 접수가 가능해진 것을 나타내는 신호를, 어닐 제어부(32A)에 송신해도 된다.
또한, 도 23에는 펄스 레이저 장치(3)가 증폭기 PA, 어테뉴에이터(61) 및 펄스 스트레처(62)를 포함하는 경우를 도시하였지만, 이것에 한하지 않고, 증폭기 PA, 어테뉴에이터(61) 및 펄스 스트레처(62) 중 적어도 하나가 없어도 된다. 또한, 상술한 바와 같이, 펄스 레이저 장치(3)는 엑시머 펄스 레이저 장치에 한정되지 않고, 고체 펄스 레이저 장치여도 된다.
7. 플라이아이 렌즈
도 24는 제3 실시 형태에 사용되는 플라이아이 렌즈(56a)의 예를 도시한다. 플라이아이 렌즈(56a)는 X축 방향 및 Y축 방향의 이차원 평면 내에 배열된 복수의 소렌즈를 갖고 있다. 플라이아이 렌즈(56a)에 있어서, 자외 영역의 광을 높은 투과율로 투과시키는 기판의 제1 면에, 오목면으로 형성되는 복수의 실린드리컬면(561)이 Y 방향으로 배열되어 있다. 당해 기판의 제1 면과 반대측의 제2 면에, 오목면으로 형성되는 복수의 실린드리컬면(562)이 X 방향으로 배열되어 있다. 실린드리컬면(561)의 전방측 초점면의 위치와, 실린드리컬면(562)의 전방측 초점면의 위치는 대략 일치한다. 대향하는 1쌍의 실린드리컬면(561 및 562)은 1개의 소렌즈를 구성한다. 플라이아이 렌즈(56a)의 재료는, 예를 들어 합성 석영이나 CaF2 결정이다.
플라이아이 렌즈(56a)의 각 소렌즈는, 예를 들어 X축 방향으로 긴 직사각형이며, 각 소렌즈의 각각이 직사각형의 빔을 출사한다. 플라이아이 렌즈(56a)는, 도 15에 도시한 바와 같이, 콘덴서 광학계(56b)와 조합하여 사용하는 경우에는, 콘덴서 광학계(56b)에 대하여, 복수의 직사각형 빔이 이차원 평면 내에서 복수 배열된 면 광원으로서 기능한다. 플라이아이 렌즈(56a)의 각 소렌즈가 출사하는 빔은, 콘덴서 광학계(56b)에 입사하면, 각 소렌즈의 빔과 상사형이며 사이즈가 큰 직사각형의 빔으로 변환된다.
플라이아이 렌즈(56a)의 직사각형 빔의 형상을, X축 방향으로 긴 직사각형으로서 설명하였지만, 정사각형이어도 되고, Y축 방향으로 긴 직사각형이어도 된다. 또한, 보다 라인에 가까운 형상인 띠 형상으로 해도 된다. 직사각형 빔의 형상은, 피조사물(31)에 조사하는 펄스 레이저광의 조사 영역의 형상 등에 따라서 적절히 결정된다. 직사각형 빔의 형상은, 플라이아이 렌즈(56a)의 형상을 변경함으로써 변경할 수 있다.
또한, 본 예의 플라이아이 렌즈(56a)는 1매의 기판의 제1 면 및 제2 면에 실린드리컬면을 형성하고 있지만, 1면에 실린드리컬면이 형성된 2매의 기판을 조합한 플라이아이 렌즈를 사용해도 된다. 또한, 실린드리컬면은, 오목면이 아니어도 되고, 볼록면이어도 된다. 또한, 실린드리컬면과 동일한 기능을 하는 프레넬 렌즈를 기판에 형성해도 된다.
도 24에 있어서, 펄스 레이저광에 사용되는 플라이아이 렌즈(56a)를 설명하였지만, 도 15 및 도 22에 도시한, CW 레이저광에 사용되는 플라이아이 렌즈(57a)도, 플라이아이 렌즈(56a)와 마찬가지이다.
상기의 설명은 제한이 아니라 단순한 예시를 의도한 것이다. 따라서, 첨부된 특허 청구 범위를 일탈하지 않고 본 개시의 각 실시 형태에 변경을 가할 수 있는 것은, 당업자에게는 명확할 것이다.
본 명세서 및 첨부의 특허 청구 범위 전체에서 사용되는 용어는, 「한정적이지 않은」 용어로 해석되어야 한다. 예를 들어, 「포함한다」 또는 「포함된다」라는 용어는, 「포함되는 것으로서 기재된 것에 한정되지 않는다」고 해석되어야 한다. 「갖는다」라는 용어는, 「갖는 것으로서 기재된 것에 한정되지 않는다」고 해석되어야 한다. 또한, 본 명세서 및 첨부된 특허 청구 범위에 기재되는 수식구 「1개의」는, 「적어도 하나」 또는 「1 또는 그 이상」을 의미한다고 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 기판 상에 아몰퍼스 실리콘이 형성된 피조사물에 대하여, 펄스 발진에 의한 펄스 레이저광을 조사하여 어닐하는 레이저 어닐 장치에 있어서,
    연속 발진에 의한 레이저광으로서, 상기 아몰퍼스 실리콘을 예열하는 CW 레이저광을 출력하는 CW 레이저 장치와,
    예열된 상기 아몰퍼스 실리콘에 대하여 상기 펄스 레이저광을 출력하는 펄스 레이저 장치와,
    상기 CW 레이저광 및 상기 펄스 레이저광을 상기 아몰퍼스 실리콘으로 도광하는 광학 시스템과,
    상기 아몰퍼스 실리콘이 융점 미만의 소정의 목표 온도로 예열되도록 상기 CW 레이저광의 조사 에너지 밀도를 제어하고, 또한, 예열된 상기 아몰퍼스 실리콘이 결정화되도록 상기 펄스 레이저광의 플루엔스와 펄스수 중 적어도 한쪽을 제어하는 제어부
    를 구비하고 있는, 레이저 어닐 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 CW 레이저광의 광 강도 밀도와 조사 시간 중 적어도 한쪽을 제어함으로써, 상기 조사 에너지 밀도를 제어하는, 레이저 어닐 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 CW 레이저광의 중심 파장은 약 500㎚ 이하인, 레이저 어닐 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 CW 레이저광의 중심 파장은 약 450㎚ 부근인, 레이저 어닐 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 CW 레이저광의 중심 파장은 약 420㎚ 이하인, 레이저 어닐 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 아몰퍼스 실리콘 상에 있어서의 상기 CW 레이저광의 조사 에너지 밀도는 318J/㎠∼6340J/㎠의 범위인, 레이저 어닐 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 CW 레이저광의 조사 시간은 1s∼10s의 범위인, 레이저 어닐 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 CW 레이저광의 광 강도 밀도는 318W/㎠∼634W/㎠의 범위인, 레이저 어닐 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 레이저광의 중심 파장은 약 365㎚ 이하인, 레이저 어닐 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 아몰퍼스 실리콘 상에 있어서의 상기 펄스 레이저광의 플루엔스는 240mJ/㎠∼320mJ/㎠의 범위인, 레이저 어닐 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 목표 온도는 1300℃≤Tt<1414℃의 범위인, 레이저 어닐 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 CW 레이저광 및 상기 펄스 레이저광의 각각의 조사 기간은, 적어도 부분적으로 겹치는, 레이저 어닐 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 펄스 레이저광이 조사되고 있는 동안, 상기 CW 레이저광의 조사가 계속되는, 레이저 어닐 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 아몰퍼스 실리콘 상에 있어서, 상기 CW 레이저광의 조사 영역은, 상기 펄스 레이저광의 조사 영역을 모두 포함하는, 레이저 어닐 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 광학 시스템으로부터 출사되는 상기 CW 레이저광 및 상기 펄스 레이저광의 조사 위치에 대하여, 상기 피조사물을 등속 이동시키는 스테이지를 갖고 있고,
    상기 CW 레이저광 및 상기 펄스 레이저광은, 상기 등속 이동에 의해 상기 조사 위치를 통과하는 상기 피조사물에 대하여 조사되고,
    상기 조사 위치를 통과하는 상기 피조사물에 대하여, 상기 펄스 레이저광이 조사되기 전에 상기 CW 레이저광이 조사되도록, 상기 CW 레이저광의 조사 영역은, 상기 펄스 레이저광의 조사 영역에 대하여 선행하는 선행 영역을 갖고 있는, 레이저 어닐 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 펄스 레이저광의 조사 영역은, 상기 CW 레이저광의 조사 영역에 대하여, 상기 피조사물의 이동 방향에 있어서 전부 또는 일부가 겹치는, 레이저 어닐 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 광학 시스템은, 상기 CW 레이저광 및 상기 펄스 레이저광의 광축과 직교하는 단면 형상을, 상기 피조사물의 이동 방향과 직교하는 폭 방향으로 연장되는 라인 형상으로 되도록 정형하는, 레이저 어닐 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 CW 레이저 장치는, 상기 CW 레이저광을 출력하는 광원이 복수 배열된 광원 유닛을 구비하고 있는, 레이저 어닐 장치.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 광학 시스템은, 상기 CW 레이저광의 조사 광로와 상기 펄스 레이저광의 조사 광로를 결합하는 광학계를 구비하고 있는, 레이저 어닐 장치.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 아몰퍼스 실리콘의 온도를 계측하는 온도계를 구비하고 있는, 레이저 어닐 장치.
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