WO2010035348A1 - 半導体製造装置 - Google Patents

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WO2010035348A1
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laser
face
core
manufacturing apparatus
semiconductor manufacturing
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義明 荻野
克巳 木村
康弘 飯田
和弘 曽我
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日立コンピュータ機器株式会社
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    • H01L21/26—Bombardment with radiation
    • H01L21/263—Bombardment with radiation with high-energy radiation
    • H01L21/268—Bombardment with radiation with high-energy radiation using electromagnetic radiation, e.g. laser radiation

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor manufacturing apparatus for manufacturing a flat display such as a liquid crystal or an organic EL by changing a material property of an object by irradiation with a laser beam, and more particularly, amorphous silicon (
  • the present invention relates to a semiconductor manufacturing apparatus suitable for a flat display manufacturing system in which a material property of a silicon film is changed by irradiating laser light to amorphous or polysilicon (polycrystalline).
  • Recent display devices use liquid crystal elements as display elements.
  • the liquid crystal element (pixel element) and the driver circuit of the liquid crystal element are constituted by a thin film transistor (TFT).
  • TFT thin film transistor
  • This TFT requires a process of modifying amorphous silicon formed on a glass substrate into polysilicon in the manufacturing process.
  • “changing the material properties of the object” is called “modification”, and this modification is not limited to changing amorphous silicon to polysilicon, To change the physical properties of a substance.
  • the silicon film is modified by laser irradiation.
  • the silicon film modification step by laser irradiation is generally excimer laser annealing using an excimer laser.
  • the silicon film is irradiated with a XeCl excimer laser having a wavelength of 307 nm and a pulse width of several tens of ns with a high light absorption rate.
  • a polysilicon film is formed by injecting a relatively low energy of 160 mJ / cm 2 and heating the silicon film to the melting point all at once.
  • the excimer laser has a large output of several hundred watts, can form a large linear laser spot with a length of one side or more of a rectangular mother glass, and the entire silicon film formed on the mother glass is efficiently integrated. It has the feature that it can be well modified.
  • the silicon modification by the excimer laser has a field effect mobility of about 150 cm 2 / V ⁇ s, which is an index of TFT performance, because the crystal grain size of polysilicon, which strongly affects the TFT performance, is as small as 100 nm to 500 nm. Can be stopped.
  • system-on-glass In recent years, in addition to image elements and driver circuits on flat displays, system-on-glass has been proposed and partially realized, which is equipped with high-performance circuits such as control circuits, interface circuits, and arithmetic circuits.
  • This system-on-glass TFT is required to have high performance, and high-quality (large crystal grains) polysilicon modification is essential.
  • the following patent document 1 is cited as a document describing a technique relating to this high-quality polysilicon modification. This patent document 1 describes silicon while continuously emitting light (CW) using a solid-state laser for semiconductor excitation as a light source.
  • a high-quality amorphous silicon film having large crystal grains elongated in the scanning direction can be formed, or amorphous silicon is linearly formed (ribbon-shaped) in advance where high performance TFTs are required. ) Or island shape (island shape) to obtain a field effect mobility of 300 cm 2 / V ⁇ s or more, and to form a high-performance TFT.
  • the power density of the laser spot formed by irradiation on the silicon film surface is relatively large and the spatial laser intensity distribution is uniform.
  • the reason for this is that, in the modification process including the crystal of the silicon film, the energy required for modification within a short time (several tens to several tens of ⁇ s) before heat is transferred to the laminated film adjacent to the silicon film. This is because it is necessary to inject, and the unevenness of the spatial intensity of the laser intensity distribution directly affects the modified spots, thereby avoiding this.
  • Patent Document 2 As a method for shaping the intensity distribution of excimer laser light, a technique described in Patent Document 2 below has been proposed.
  • Patent Document 3 listed below is a document that describes a technique for collecting laser light emitted from a plurality of low-power solid-state lasers at one location with an optical fiber and irradiating the collected laser light on a silicon film through an optical waveguide portion.
  • laser light emitted from a plurality of laser light emitting elements is collected using an optical fiber body, and the collected laser light is branched into a plurality of branch paths using an optical waveguide portion. Irradiation is described.
  • JP 2003-86505 A JP-A-9-129573 JP 2007-88050 A
  • Patent Document 2 has a beam homogenizer composed of a large number of optical components such as a cylindrical lens, a fly-eye lens, a beam expander, and a slit, and is extremely complicated including the arrangement of each optical component. There is a problem that it is.
  • the technique disclosed in Patent Document 3 irradiates a silicon film with a plurality of laser beams emitted and diffused from the emission surface of the optical waveguide portion.
  • the control of the laser power density is not disclosed, and there is a problem that it is difficult to suitably control the laser spot shape / laser power density control for the object.
  • Patent Document 3 does not disclose a means for monitoring / maintaining the laser spot shape formed on the silicon film.
  • the present invention realizes a rectangular laser spot having a predetermined size, a relatively high density laser power density, and a top flat laser intensity distribution on a surface of an object with a relatively simplified configuration and arrangement.
  • An object of the present invention is to provide a semiconductor manufacturing apparatus that modifies an object surface by a spot.
  • the present invention comprises a laser light source that emits laser light, a control unit that controls the laser power of the laser light source, a core part that transmits the laser light, and a cladding part that covers the core part.
  • a semiconductor manufacturing apparatus for modifying an object surface by irradiating the object with a laser spot formed by the lens from the incident end face to the exit end face
  • the optical waveguide part has a core part having a rectangular cross section with a side length of 1 ⁇ m to 20 ⁇ m and a side length perpendicular to the side of 1 mm to 60 mm at the emission end face
  • the control unit sets the laser power of the laser light source to a value at which the power density of a laser spot emitted from the emission end face of the core unit is 0.1 mW / ⁇ m 2 or more.
  • the present invention also includes a laser light source that emits laser light, a control unit that controls laser power of the laser light source, a core part that transmits the laser light, and an optical waveguide part that includes a cladding part that covers the core part, A lens for forming laser light emitted from the emission end face of the optical waveguide portion into a laser spot having a predetermined shape, and the optical waveguide portion emits laser light from the incident end face due to a difference in refractive index between the core portion and the clad portion.
  • a semiconductor manufacturing apparatus for modifying an object surface by irradiating the object with a laser spot guided to an end surface and formed by the lens,
  • the optical waveguide portion has a core portion having an elliptical cross section with a short side width of 1 ⁇ m to 20 ⁇ m and a long side width of 1 mm to 60 mm at the emission end face;
  • the control unit sets the laser power of the laser light source to a value at which the power density of the laser spot emitted from the emission end face of the core unit is 0.1 mW / ⁇ m 2 or more.
  • the third feature is that the PV ratio calculated by (P ⁇ V) / P ⁇ 100% is 20% or less.
  • a variable aperture for narrowing a width of the laser beam emitted from the emission end face is provided between the emission end face of the optical waveguide portion and the lens. This is the fourth feature.
  • the semiconductor manufacturing apparatus having the fourth feature when the maximum intensity distribution value of the laser spot emitted from the emission end face of the core portion is P and the minimum value of the intensity distribution is V, (P
  • the fifth feature is that the PV ratio calculated by ⁇ V) / P ⁇ 100% is 20% or less.
  • the present invention provides a laser light source that emits laser light, a control unit that controls the laser power of the laser light source, a plurality of core parts that transmit the laser light, and a clad part that covers the core part. And a lens that forms laser light emitted from the emission end face of the optical waveguide part into a laser spot having a predetermined shape, and a focus control part that performs focus control of the laser spot, and the refraction of the core part and the clad part
  • a semiconductor manufacturing apparatus for modifying a surface of an object by guiding laser light from an incident end face to an exit end face due to a difference in rate, and irradiating the object while performing focus control on a laser spot formed by the lens,
  • the optical waveguide portion has a main core portion having a rectangular cross section with one side length of 1 ⁇ m to 20 ⁇ m and the other side length orthogonal to the one side of 1 mm to 60 mm, and a focus control laser disposed around the main core portion.
  • the control unit sets the laser power of the laser light source to a value at which the power density of the laser spot emitted from the main core unit is 0.1 mW / ⁇ m 2 or more,
  • a sixth feature is that the focus control unit performs focus control based on the reflected light of the laser beam emitted from the sub-core unit.
  • the present invention provides a laser light source that emits laser light, a control unit that controls the laser power of the laser light source, a plurality of core parts that transmit the laser light, and a clad part that covers the core part. And a lens that forms laser light emitted from the emission end face of the optical waveguide part into a laser spot having a predetermined shape, and a focus control part that performs focus control of the laser spot, and the refraction of the core part and the clad part
  • a semiconductor manufacturing apparatus for modifying a surface of an object by guiding laser light from an incident end face to an exit end face due to a difference in rate, and irradiating the object while performing focus control on a laser spot formed by the lens,
  • the optical waveguide portion has a main core portion having an elliptical cross section with a short side width of 1 ⁇ m to 20 ⁇ m and a long side width of 1 mm to 60 mm, and a focus control laser beam disposed around the main core portion.
  • the control unit sets the laser power of the laser light source to a value at which the power density of the laser spot emitted from the main core unit is 0.1 mW / ⁇ m 2 or more,
  • a seventh feature is that the focus control unit performs focus control based on the reflected light of the laser beam emitted from the sub-core unit.
  • the semiconductor manufacturing apparatus having the sixth or seventh feature when the maximum intensity distribution value of the laser spot emitted from the emission end face of the core portion is P and the minimum value of the intensity distribution is V
  • the PV ratio calculated by (P ⁇ V) / P ⁇ 100% is 20% or less, which is an eighth feature.
  • a variable aperture for narrowing a width of the laser beam emitted from the emission end face is provided between the emission end face of the optical waveguide portion and the lens. This is the ninth feature.
  • a variable aperture for narrowing the width of the laser beam emitted from the emission end face is provided between the emission end face of the optical waveguide portion and the lens.
  • a tenth feature is provided.
  • the reflected laser spot of the sub core portion projected by the reflected light of the laser beam emitted from the sub core portion by the focus control unit is predetermined.
  • the eleventh feature is that the focus control is performed so as to obtain the size.
  • the reflected laser spot of the sub-core portion projected by the reflected light of the laser beam emitted from the sub-core portion has a predetermined size.
  • the twelfth feature is that the focus control is performed as described above.
  • the reflected laser spot of the sub-core portion projected by the reflected light of the laser beam emitted from the sub-core portion has a predetermined size.
  • the thirteenth feature is that the focus control is performed as described above.
  • the reflected laser spot of the sub-core portion projected by the reflected light of the laser beam emitted from the sub-core portion has a predetermined size.
  • the fourteenth feature is that the focus control is performed as described above.
  • a semiconductor manufacturing apparatus propagates a laser beam emitted from a laser light source using an optical waveguide portion comprising a core portion and a cladding portion covering the core portion, the core portion having a predetermined size, and a laser light source.
  • the semiconductor manufacturing apparatus can perform focus control with a simple structure by providing a sub-core portion that transmits laser light for focus control of a laser spot in the optical waveguide portion.
  • the block diagram of the semiconductor manufacturing apparatus by one Embodiment of this invention The figure for demonstrating the output end surface of the optical waveguide part by this embodiment.
  • the laser spot is formed in a desired spot shape by using a lens group of laser beams from a plurality of laser light emitting elements.
  • the PV ratio the uniformity of the spatial laser intensity distribution of this laser spot.
  • the maximum value of the laser intensity distribution is shown in FIG. Is defined as P
  • the minimum value of the laser intensity distribution is defined as V
  • PV ratio (P ⁇ V) / P ⁇ 100%.
  • a semiconductor manufacturing apparatus receives a plurality of laser light sources (not shown) that emit laser light and a plurality of laser lights emitted from the plurality of laser light sources.
  • the collimating lens 2 is configured to be incident and polarized into parallel laser light, and the objective lens 3 is used to narrow down the parallel laser light in order to focus the parallel laser light emitted from the collimating lens 2.
  • the optical waveguide portion 1 includes a core portion 10 having a predetermined refractive index and a clad portion 11 that covers the periphery of the core portion 10 and has a refractive index different from that of the core portion 10. For this reason, the optical waveguide unit 1 totally reflects the laser beam incident on the core unit 10 at the boundary surface with the cladding unit 11 having a different refractive index, confines the laser beam inside the core unit 10, and performs predetermined propagation. It leads in the direction.
  • the optical waveguide portion 1 also has a function of smoothing the laser light spatial intensity distribution on the surface orthogonal to the optical axis direction 14 by repeating the reflection of the laser light a plurality of times in the core portion 10.
  • the detailed structure of the optical waveguide portion 1 includes a rectangular frame cylindrical cladding portion 17 indicated by a hatched area, as shown in FIG. 2 when the emission end face 15 of the optical waveguide portion 1 is viewed from the optical axis direction 14 of FIG.
  • the core portion 16 has a refractive index different from that of the clad portion 17 and allows the laser light to pass through while being reflected by the boundary surface with the clad portion 17.
  • the core portion 16 has an elongated cross-sectional rectangular plate shape with a length L / width D, and when the longitudinal direction L of the core portion is the X direction, the X direction coincides with the X direction in FIG.
  • the laser beam path of the semiconductor manufacturing apparatus will be described with reference to FIG.
  • the laser beam 13 emitted from the laser light source is incident on the core portion 10 of the optical waveguide portion 1, and the laser beam 13 incident on the optical waveguide portion 1 is totally reflected at the boundary with the cladding portion 11 while absorbing loss.
  • the spatial laser intensity distribution in the plane orthogonal to the optical axis direction 14 is smoothed, and the laser beam is emitted from the emission end face 15.
  • this apparatus narrows the emitted laser light to a predetermined width using the variable apertures 6 and 7, polarizes this laser light into parallel light using the collimator lens 2, and uses this parallel light using the objective lens 3. Then, an image is formed on the surface of the object 4 so as to focus the laser spot 5 of a predetermined size at a predetermined magnification ratio.
  • the laser beam 13 incident on the core portion 10 of the optical waveguide portion 1 may be incident on the core portion 10 after being squeezed by a lens (not shown), and the laser beam installed at a location distant from the laser light source is used using an optical fiber. It may be transmitted and incident on the core unit 10. Further, there may be a plurality of laser light sources, and it is sufficient to install as many laser light sources as necessary. Further, a plurality of optical fibers are arranged in parallel, the emission portions of the plurality of optical fibers are directly connected to the core portion 10 of the optical waveguide portion 1, and the laser light emitted from the emission portions of the plurality of optical fibers is the core portion 10 of the optical waveguide portion 1. It may be directly incident on.
  • the length of the optical waveguide portion 1 in the optical axis direction 14 is determined so that the PV ratio is 20% or less at the emission end face 15 of the optical waveguide portion 1.
  • the laser beam that has exited the exit end face 15 of the optical waveguide section 1 is controlled in the X direction by the variable apertures 6 and 7.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the laser intensity distribution output from the emission end face 15 of the optical waveguide section 1.
  • both ends A and B of the laser intensity distribution 18 with the horizontal axis as X correspond to the positions A and B in FIG. 2, and both ends of the laser spot rise steeply and are somewhat uneven. There will be a top flat shape.
  • the size of the laser spot 5 formed on the object surface 4 by the semiconductor manufacturing apparatus according to the present embodiment is the objective of the size (length L ⁇ width D) of the emission end face 15 of the optical waveguide section 1. It is a size that is similarly reduced by the magnification of the lens.
  • the spatial intensity distribution of the laser spot 5 formed on the object surface 4 coincides with the laser intensity distribution 18 output from the emission end face 15 of the optical waveguide section 1. Therefore, the semiconductor manufacturing apparatus according to the present embodiment forms a laser spot having a rectangular irradiation surface by passing the laser beam through the optical waveguide portion 1 having a rectangular (rectangular) cross section, and uses the formed laser spot. Modification of the object can be performed.
  • the laser spot 5 in order to grow an object, for example, amorphous silicon having a thickness of about 50 nm on polysilicon, the laser spot 5 may be relatively scanned in the Y direction.
  • the width of the laser spot 5 in the scanning direction is preferably 20 ⁇ m or less, and the laser power density is preferably 0.1 mW / ⁇ m 2 or more.
  • the laser wavelength for modifying the object of the semiconductor manufacturing apparatus under these conditions is preferably, for example, 370 nm to 480 nm at which absorption by amorphous silicon is obtained.
  • the longitudinal direction of the laser spot 5 (X Direction) is preferably 20% or less. This is because when the PV ratio is 20% or more, unevenness in crystal size, local aggregation, and sublimation are likely to occur.
  • the short core width D of the optical waveguide portion 1 may be 20 ⁇ m or less, and the long core width L is preferably 1 mm or more.
  • the laser power density at the emission end face 15 of the optical waveguide portion 1 may be 0.1 mW / ⁇ m 2 or more.
  • the PV ratio in the laser intensity distribution on the emission end face 15 of the optical waveguide portion 1 may be 20% or less. If the magnification of the objective lens is increased, the laser spot condition on the object surface can be easily satisfied.
  • the collimator lens 2 and the objective lens 3 have been described as examples in which the exit end face 15 of the optical waveguide unit 1 is similarly reduced and condensed and projected onto the object.
  • the present invention is limited to this.
  • a laser spot 5 having an arbitrary aspect ratio may be formed on the surface of the object 4 using a lens in which the aspect ratio of the output end face of the optical waveguide portion is set to a predetermined magnification.
  • the optical waveguide portion according to the present invention may have a side length of 1 ⁇ m to 20 ⁇ m and a side length orthogonal to the side of 1 mm to 60 mm.
  • the semiconductor manufacturing apparatus is emitted from a laser light source (not shown) similar to that of the previous embodiment, the composite optical waveguide portion 19, the collimating lens 23, and the composite optical waveguide portion 19, which are features of this embodiment.
  • a beam splitter 24 that transmits laser light and reflects laser light reflected from the object 37 in a right angle direction, an objective lens 25, a condenser lens 28, and the laser light reflected by the beam splitter are received.
  • a focus detector 29 that converts the signal into an electrical signal, and arithmetic elements 30 to 32 that output focus error signals 33A to 33F based on the electrical signal output from the focus detector 29.
  • the composite optical waveguide portion 19 includes a common clad portion 38 (hatched portion) having a rectangular cross section and the clad portion as shown in FIG. 5 when the emission end face 22 of the composite optical waveguide portion 19 of FIG. 4 is viewed from the optical axis 36A.
  • a plurality of core portions that reflect the laser beam due to the difference in refractive index from the clad portion 38 are disposed inside 38.
  • This core part has a central rectangular core part 39 (corresponding to the main core part) and three small small core parts 41A to 41F (corresponding to the sub-core part) symmetrically arranged around the rectangular core part 39. is doing.
  • the cladding part and the seven core parts have a depth direction cut along the direction of the optical axis 36A, and the laser light incident surface has the same size and shape as described above.
  • the composite optical waveguide portion 19 according to the present embodiment totally reflects the laser light incident on the core portion at the boundary with the cladding portion, transmits the laser light without absorption loss, and transmits the laser light through each core portion. Light is allowed to pass through each core without mutual interference.
  • the exit end face of each core is perpendicular to the optical axis 36A, and the exit end face of each core is aligned with the same plane with high precision.
  • the apparatus uses laser light that passes through the core portion 39 as laser light for modifying the object 37 and laser light that passes through the small core portions 41A to 41F as the size of the laser spot 27. It is used as a laser beam for detecting.
  • laser beams 34 to 36 emitted from a plurality of laser light sources are incident on a plurality of core sections 39 and small core sections 41A to 41F of the optical waveguide section 19, and the optical waveguide into which the laser beams 34 to 36 are incident.
  • the part 1 transmits the laser beams 34 to 36 through the core part 39 and the plurality of small core parts 41A to 41F without causing absorption loss.
  • the passed laser light is emitted from the emission end face 22 by smoothing the spatial laser intensity distribution in a plane orthogonal to the optical axis direction 36A.
  • the emitted laser light passes through the collimating lens 23 and the beam splitter 24, enters the objective lens 25, and the laser light focused more strongly than the objective lens 25 is applied to the target surface 26 of the target object 37 on the output end surface 22.
  • An image is formed so as to focus the laser spot 27 of a predetermined size on the top.
  • the semiconductor manufacturing apparatus reflects the reflected light of the laser spot 27 imaged on the object surface 26 of the object 37 at a right angle by the beam splitter 24, and this reflected light is reflected by the focus detector 29 through the lens 28.
  • the focus detector 29 generates focus error signals 33A to 33F corresponding to the respective laser spots, and performs feedback control so that the focus error signals 33A to 33F become zero.
  • the laser beam is controlled to be in the most focused state (focused state) on the target surface 26.
  • the composite optical waveguide unit 19 uses the characteristic that the laser spot size is larger when the laser spot 27 is out of focus on the target surface 26 of the target object 37 than when it is focused.
  • the change in the laser spot size is detected at the level of the focus error signal. That is, the objective lens 25 is controlled to move in the optical axis direction (Z direction) by using one or a plurality of focus error signals based on the reflected light of the laser light passing through the six small core portions 41A to 41F.
  • Autofocus control can be performed, and by performing this autofocus control, it is possible to maintain a stable spot size against fluctuations in the object (Z direction) due to disturbance.
  • the core used for autofocus control is preferably a small core portion 41B or 41E located at the center in the longitudinal direction of the core portion 39 of the waveguide through which the laser for modification is passed.
  • FIG. 6 is a relationship diagram between the voltage of the focus error signal and the inclination of the object surface.
  • the object surface 26 is not in a plane orthogonal to the optical axis 36 ⁇ / b> A, and particularly the object surface 26 is inclined in the longitudinal direction (X direction) of the laser spot 27.
  • the focus error signals 43A to 43C generated by the laser beams emitted from the small core portions 41A to 41C are zero in the focus error signal (voltage) 43B from the core portion 41B in the middle of FIG.
  • the focus error signal (voltage) 43A by the portion 41A becomes negative, and the focus error signal (voltage) 43C by the core portion 41C in the lower part of FIG. 6 becomes positive.
  • the focal positions 44A, 44B, 44C of each laser spot are Z Detected with a shift relative to the axis.
  • the laser spot that modifies the object has a shape elongated in the X direction (corresponding to the shape of the common clad portion 38), and by detecting a focus shift at both ends of the laser spot, A change in the width of the laser spot in the short direction (Y direction) can be detected.
  • the focus error signals 43A to 43C generated by the laser beams emitted from the small core portions 41A to 41C are shown. However, the same applies to the case where the small core portions 41D to 41F are used.
  • the focus error signal can be obtained.
  • the inclination of the object in the Y direction can also be detected. You can also.
  • the modification of the object is performed by scanning the laser spot formed on the object surface in the Y direction, and in order to perform stable and uniform modification, the laser spot formed on the object surface is changed. It is desirable to use a rectangular shape, and the laser spot width in the scanning direction is constant.
  • the semiconductor manufacturing apparatus according to the present embodiment can reliably perform tilt correction by performing adjustment while detecting the focus signals at both ends of the laser spot in the initial tilt adjusting step of the object.
  • the tilt correction can be performed during the initial adjustment by adjusting the tilt so that the in-focus line 45 (dotted line) shown in FIG.
  • the apparatus according to the present embodiment can detect and correct the defocus during the reforming operation in real time by monitoring the focus error signals (for example, signals 43A and 43C) at both ends of the laser spot during the reforming operation. . Furthermore, the apparatus of this embodiment can also stabilize the focus control during the reforming operation. This will be specifically described. In general, the reflectance of the object changes before and after the modification, and this reflectance fluctuation deteriorates the stability of the focus control. In order to avoid this, whether the reflected light before modification or the reflectance after modification is selected as the autofocus signal is determined in advance, and scanning is performed according to the scanning direction of the modified laser spot 27.
  • the focus error signals for example, signals 43A and 43C
  • a preceding focus spot for example, a laser spot irradiated by the small core portions 41A, 41B, and 41C
  • a subsequent focus spot for example, a small focus spot irradiated by the scanning
  • the laser spot irradiated by the core portions 41D, 41E, and 41F By selecting the laser spot irradiated by the core portions 41D, 41E, and 41F and using it as a focus error signal, a stable return light amount is always obtained, and a stable focus signal is obtained. As a result, it is possible to stabilize the autofocus control.
  • a similar focus error signal can be generated by the modified laser spot and used for autofocus control, the focus error signal generated from the modified laser spot being modified is easily disturbed. It is preferable to perform autofocus control using a focus error signal generated at the laser spot.
  • the example in which the small core portion that passes the six laser beams is arranged around the core portion of the optical waveguide portion that transmits the laser beam for the purpose of modifying the object.
  • the number of small core parts is not limited to this, and any number may be used, and the quantity and arrangement position may be determined as necessary.
  • the present apparatus may allow only the core portion at a required position to pass the laser beam without passing the laser through all the six small core portions.
  • the present apparatus is not limited to passing laser beams having the same wavelength through all six small core portions, and may pass laser beams having different laser wavelengths.
  • the shape of the six small core portions is not limited to a rectangle, and may be, for example, a circle or an ellipse. In this case, it is preferable that the main core portion of the optical waveguide portion has an elliptical cross-sectional shape with a short side width of 1 ⁇ m to 20 ⁇ m and a long side width of 1 mm to 60 mm.
  • the present invention is not limited to this and may be different.
  • the core size on the incident end face side may be large and the interval between the cores may be wide, and any desired core size and core interval may be used on the exit end face.
  • an insulating substrate 80 on which a silicon film is formed is mounted on an XY stage 47 that can be moved to an arbitrary position in the X direction and the Y direction at an arbitrary speed.
  • the laser beam is irradiated using the semiconductor manufacturing apparatus 48 of any of the embodiments, and the XY stage 47 is moved so that the linear laser spot 50 scans at a predetermined scanning speed in the short direction of the linear laser spot 50.
  • the silicon film of the insulating substrate 80 can be modified by emitting the linear laser spot 50 on the silicon film surface.
  • the linear laser spot 50 is scanned in the direction of the arrow 51 by moving on the side of the insulating substrate 80 on which the silicon film is formed.
  • the linear laser spot 50 may be scanned relatively by moving in the direction and the Y direction.
  • the laser light source is independently fixedly installed at a remote location, and the laser light from the laser light source is used as the core of the semiconductor manufacturing apparatus using an optical fiber. It is also possible to transmit only the semiconductor manufacturing apparatus, and this can be easily realized because the optical fiber is generally flexible.
  • the linear laser spot 50 may be scanned relatively by moving both the semiconductor manufacturing apparatus (laser irradiation apparatus) 48 and the insulating substrate 80 on which the silicon film is formed.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the relationship between the laser scanning positions on the liquid crystal display 53 and the mother glass 52.
  • FIG. 8A shows the entire configuration of the display 53
  • FIG. 8B shows the mother glass. It is assumed that a plurality of displays 53 are formed on the mother glass 52.
  • the display 53 targeted by the present embodiment includes a large number of pixel units 53A for displaying an image on one display 53, an X driver circuit 55 that drives (liquid crystal) pixels in the X direction, and a (liquid crystal) in the Y direction. ) It is composed of a Y driver circuit 56 for driving a pixel, and the X driver circuit 55 and the Y driver circuit 56 need to be composed of high performance TFTs in the liquid crystal display device as described above. Is required.
  • the laser irradiation apparatus and laser irradiation method according to the present embodiment perform silicon modification of the X driver circuit 55 and the Y driver circuit 56.
  • the linear laser spots 57 and 58 are changed to the X driver circuit 55 and
  • the semiconductor manufacturing apparatus is scanned in the directions of arrows 59 and 60 while irradiating a laser spot, thereby operating the driver circuit to be modified.
  • one driver circuit forming unit in the present embodiment may be scanned several times as necessary. It is preferable to perform the silicon modification treatment by scanning the linear laser spot in the directions of arrows 62 to 65 on the mother glass 52 before cutting out the display 53.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the system-on-glass display.
  • a high function integrated circuit such as a control circuit 69, an interface circuit 70, a memory circuit (not shown), and an arithmetic circuit 71 are provided. It is formed by the same configuration and method as in FIG.
  • high-quality polysilicon is required for high-function circuits, and high-quality polysilicon can be formed by using a method similar to the silicon modification method for the X driver circuit and Y driver circuit described in FIG. .
  • quartz glass or non-alkali glass is exemplified as the insulating substrate.
  • the present invention is not limited to this, and a plastic substrate or a bendable plastic sheet may be used.
  • the liquid crystal display was used as a modification
  • the semiconductor manufacturing apparatus has a configuration in which a rectangular laser spot of a predetermined size, a relatively high density laser power density, and a top flat laser intensity distribution are relatively simplified on the surface of an object.
  • the object surface can be uniformly modified by the laser spot.
  • this embodiment can scan the linear laser spot in a desired position on the mother glass, a desired scanning speed, and a desired direction with a desired laser output, and a high-quality silicon film is relatively inexpensive. Obtainable.

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Abstract

被対象物面上に所定サイズ且つ高密度なレーザパワー密度の矩形レーザスポットを提供する。 本発明の半導体製造装置は、レーザ光を発光するレーザ光源のレーザパワーを制御する制御部と、レーザ光を透過するコア部（１０）及び該コア部（１０）を覆うクラッド部（１１）から成る光導波路部（１）と、該光導波路部（１）の出射端面（１５）から出射したレーザ光を所定形状のレーザスポットに形成するレンズ（３）とを備える。前記光導波路部（１）の出射端面（１５）は、一辺長を１μm～２０μm、該一辺と直交する他辺長を１ｍｍ～６０ｍｍとした断面矩形形状のコア部（１０）を有する。レーザ光源のレーザパワーは、前記コア部（１０）から出射するレーザスポットのパワー密度を０．１ｍＷ／μm２以上となる値に設定する。

Description

半導体製造装置
　本発明は、レーザ光の照射によって被対象物の物質的性質を変化させることにより、液晶や有機ＥＬ等のフラットディスプレイの製造を行う半導体製造装置に係り、特に絶縁基板上に形成したアモルファスシリコン（非結晶質）やポリシリコン（多結晶質）にレーザ光を照射してシリコン膜の物質的性質を変化させるフラットディスプレイの製造システムに好適な半導体製造装置に関する。
　近年のディスプレイ装置は、表示素子として液晶素子を使用する。この液晶素子（画素素子）や該液晶素子のドライバー回路は、薄膜トランジスター（ＴＦＴ［Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ］、以下、ＴＦＴと呼ぶ）により構成されている。このＴＦＴは、製造過程においてガラス基板上に形成したアモルファスシリコンをポリシリコンに改質する工程が必要である。尚、本明細書においては「被対象物の物質的性質を変化させること」を「改質」と呼び、この改質は、アモルファスシリコンをポリシリコンに変化させることに限られるものではなく、ある物質の物質的特性を変化させることを言う。
　この改質工程は、レーザ照射によるシリコン膜の改質を行うものであり、図１０に示す如く、石英ガラスや無アルカリガラスの絶縁基板上７２に絶縁基板７２からの不純物の混入を阻止するアンダーコート膜（ＳｉＯ２）７３を形成する工程と、該アンダーコート膜７３上にアモルファスシリコン膜面７４を形成する工程と、高出力レーザを光源とし、アモルファスシリコン膜面７４に線状レーザビーム７５を照射する工程と、線状レーザビーム７５の短手方向７４Ａに走査することによりポリシリコン７４Ｂに改質する工程と、ＴＦＴを構成する位置のみポリシリコンを切り出す工程と、その上にゲート酸化膜（ＳｉＯ２）を形成して最上部にゲート電極を取り付ける工程と、酸化膜（ＳｉＯ２）に所定の不純物イオンを注入してソース／ドレインを形成する工程と、ソース／ドレインにアルミ電極を立て全体を保護膜で被いＴＦＴを造る工程から成る。尚、前記絶縁基板７２とアンダーコート膜７３の間にＳｉＮまたはＳｉＯＮを挟み込んでも良い。
　前記レーザ照射によるシリコン膜の改質工程は、エキシマレーザを用いるエキシマレーザアニールが一般的であり、シリコン膜に光吸収率の高い波長３０７ｎｍ且つパルス幅が数十ｎsのＸｅＣｌエキシマレーザを照射し、１６０ｍＪ／ｃｍ２の比較的低いエネルギーを注入してシリコン膜を一気に融点まで加熱することによりポリシリコン膜を形成している。前記エキシマレーザは、数百Ｗの大出力を持ち、長方形マザーガラスの一辺以上の長さを持つ大型線状レーザスポットを形成させることができ、マザーガラス上に形成したシリコン膜全面を一括で効率よく改質できるといった特徴をもつ。このエキシマレーザによるシリコンの改質は、ＴＦＴの性能に強く影響を与えるポリシリコンの結晶粒径が１００ｎｍから５００ｎｍと小さいため、ＴＦＴ性能の指標である電界効果移動度を１５０ｃｍ２／Ｖ・ｓ程度に留めることができる。
　近年、フラットディスプレイ上の画素子やドライバー回路以外に、コントロール回路やインタフェース回路、更には演算回路など高機能回路を搭載するシステム・オン・ガラスが提案され、一部実現している。このシステム・オン・ガラスのＴＦＴは、高性能なものが要求され、良質（大型結晶粒）なポリシリコン改質が必須である。この良質なポリシリコン改質に関する技術が記載された文献としては下記特許文献１が挙げられ、この特許文献１には、光源に半導体励起用の固体レーザを用いて連続発光（ＣＷ）しながらシリコン膜上に照射したレーザビームを走査させることにより、走査方向に細長い大型結晶粒をもつ良質なアモルファスシリコン膜を形成することや、高性能ＴＦＴが必要な箇所に予めアモルファスシリコンを線状（リボン状）または島状（アイランド状）にパターニングしておくことにより、３００ｃｍ２／Ｖ・ｓ以上の電界効果移動度が得られ、高性能なＴＦＴを形成することが記載されている。
　前述エキシマレーザアニール及び固体レーザアニールにおいて、シリコン膜面上に照射し形成したレーザスポットのパワー密度は、比較的大きくかつ、空間的なレーザ強度分布は均一であることが望まれる。この理由としては、シリコン膜の結晶を含む改質過程において、シリコン膜に隣接した積層膜に熱が転写する前の短時間内（数十ｎｓ～数十μｓ）に改質するだけのエネルギーを注入することが必要なためと、レーザ強度分布の空間強度むらが改質斑に直接的影響を与え、これを回避するためである。
　エキシマレーザ光の強度分布を整形する方法として、下記特許文献２記載技術が提案されている。この特許文献２に記載されたビームホモジナイザー（beam
homogenizer：レーザ光のプロファイルを照射面において均一化するための光学モジュール）は、エキシマレーザ出射後段にシリンドリカルレンズ、フライアイレンズなどで構成されているレンズ群を配置し、最終的にシリコン膜面上にて所望のスポット形状とレーザ強度分布が得られる。
　また、複数の低出力固体レーザより出射したレーザ光を光ファイバーにて一箇所に集め、この集めたレーザ光を光導波路部を通してシリコン膜に照射する技術が記載された文献としては下記特許文献３が挙げられ、この特許文献３には、複数のレーザ発光素子から照射されたレーザ光を光ファイバ体を用いて集め、この集めたレーザ光を光導波路部を用いて複数の分岐路に分岐して照射することが記載されている。
特開２００３－８６５０５号公報 特開平９－１２９５７３号公報 特開２００７－８８０５０号公報
　前記した特許文献２に開示されている技術は、シリンドリカルレンズやフライアイレンズ、ビームエキスパンダやスリットなどの多数の光学部品によりビームホモジナイザーを構成しており、各光学部品の配置も含め非常に複雑であると言う不具合がある。また、特許文献３に開示されている技術は、光導波路部の出射面より複数に出射拡散したレーザ光をシリコン膜に照射するものであり、シリコン膜に形成するレーザスポット形状、レーザ強度分布、レーザパワー密度の制御については開示されておらず、被対象物に対するレーザスポットの形状／レーザパワー密度制御を好適に制御することが困難であると言う不具合があった。更に特許文献３には、シリコン膜に形成したレーザスポット形状を監視・維持手段についても開示されていない。
　本発明は、被対象物面上に所定サイズ、比較的高密度なレーザパワー密度、トップフラットなレーザ強度分布をもつ矩形レーザスポットを比較的簡素化された構成及び配置にて実現し、該レーザスポットにより被対象物面を改質する半導体製造装置を提供することを目的とする。
　前記目的を達成するため本発明は、レーザ光を発光するレーザ光源と、該レーザ光源のレーザパワーを制御する制御部と、前記レーザ光を透過するコア部及び該コア部を覆うクラッド部から成る光導波路部と、該光導波路部の出射端面から出射したレーザ光を所定形状のレーザスポットに形成するレンズとを備え、前記光導波路部がコア部とクラッド部との屈折率の相違によりレーザ光を入射端面から出射端面に導き、前記レンズが形成したレーザスポットを被対象物に照射することにより被対象物表面を改質する半導体製造装置であって、
　前記光導波路部が、一辺長を１μm～２０μm、該一辺と直交する他辺長を１ｍｍ～６０ｍｍとした断面矩形形状のコア部を出射端面に有し、
　前記制御部が、レーザ光源のレーザパワーを、前記コア部の出射端面から出射するレーザスポットのパワー密度が０．１ｍＷ／μm２以上となる値に設定することを第１の特徴とする。
　また本発明は、レーザ光を発光するレーザ光源と、該レーザ光源のレーザパワーを制御する制御部と、前記レーザ光を透過するコア部及び該コア部を覆うクラッド部から成る光導波路部と、該光導波路部の出射端面から出射したレーザ光を所定形状のレーザスポットに形成するレンズとを備え、前記光導波路部がコア部とクラッド部との屈折率の相違によりレーザ光を入射端面から出射端面に導き、前記レンズが形成したレーザスポットを被対象物に照射することにより被対象物表面を改質する半導体製造装置であって、
　前記光導波路部が、短手方向幅を１μm～２０μm、長手方向幅を１ｍｍ～６０ｍｍとした断面長楕円形状のコア部を出射端面に有し、
　前記制御部が、レーザ光源のレーザパワーを、前記コア部の出射端面から出射するレーザスポットのパワー密度が０．１ｍＷ／μm２以上となる値に設定することを第２の特徴とする。
　　また本発明は、前記第１又は第２の特徴を有する半導体装置において、前記コア部の出射端面から出射するレーザスポットの強度分布最大値をＰ、該強度分布の最小値をＶとしたとき、（Ｐ－Ｖ）／Ｐ×１００％で算出されるＰＶ率を、２０％以下とすることを第３の特徴とする。
　また本発明は、前記第１又は第２の特徴を有する半導体製造装置において、前記光導波路部の出射端面とレンズとの間に、前記出射端面から出射したレーザ光の幅を絞り込む可変アパーチャを設けたことを第４の特徴とする。
　また本発明は、前記第４の特徴を有する半導体製造装置において、前記コア部の出射端面から出射するレーザスポットの強度分布最大値をＰ、該強度分布の最小値をＶとしたとき、（Ｐ－Ｖ）／Ｐ×１００％で算出されるＰＶ率を、２０％以下とすることを第５の特徴とする。
　更に本発明は、レーザ光を発光するレーザ光源と、該レーザ光源のレーザパワーを制御する制御部と、前記レーザ光を透過する複数のコア部及び該コア部を覆うクラッド部から成る光導波路部と、該光導波路部の出射端面から出射したレーザ光を所定形状のレーザスポットに形成するレンズと、前記レーザスポットのフォーカス制御を行うフォーカス制御部とを備え、前記コア部とクラッド部との屈折率の相違によりレーザ光を入射端面から出射端面に導き、前記レンズが形成したレーザスポットをフォーカス制御しながら被対象物に照射することにより被対象物表面を改質する半導体製造装置であって、
　前記光導波路部が、一辺長を１μm～２０μm、該一辺と直交する他辺長を１ｍｍ～６０ｍｍとした断面矩形形状の主コア部と、該主コア部の周囲に配置されたフォーカス制御用レーザ光を出射する出射端面の複数の副コア部とを出射端面に有し、
　前記制御部が、レーザ光源のレーザパワーを、前記主コア部から出射するレーザスポットのパワー密度が０．１ｍＷ／μm２以上となる値に設定し、
　前記フォーカス制御部が、前記副コア部から出射したレーザ光の反射光を基にフォーカス制御を行うことを第６の特徴とする。
　更に本発明は、レーザ光を発光するレーザ光源と、該レーザ光源のレーザパワーを制御する制御部と、前記レーザ光を透過する複数のコア部及び該コア部を覆うクラッド部から成る光導波路部と、該光導波路部の出射端面から出射したレーザ光を所定形状のレーザスポットに形成するレンズと、前記レーザスポットのフォーカス制御を行うフォーカス制御部とを備え、前記コア部とクラッド部との屈折率の相違によりレーザ光を入射端面から出射端面に導き、前記レンズが形成したレーザスポットをフォーカス制御しながら被対象物に照射することにより被対象物表面を改質する半導体製造装置であって、
　前記光導波路部が、短手方向幅を１μm～２０μm、長手方向幅を１ｍｍ～６０ｍｍとした断面長楕円形状の主コア部と、該主コア部の周囲に配置されたフォーカス制御用レーザ光を出射する出射端面の複数の副コア部とを出射端面に有し、
　前記制御部が、レーザ光源のレーザパワーを、前記主コア部から出射するレーザスポットのパワー密度が０．１ｍＷ／μm２以上となる値に設定し、
　前記フォーカス制御部が、前記副コア部から出射したレーザ光の反射光を基にフォーカス制御を行うことを第７の特徴とする。
　また本発明は、前記第６又は第７の特徴を有する半導体製造装置において、前記コア部の出射端面から出射するレーザスポットの強度分布最大値をＰ、該強度分布の最小値をＶとしたとき、（Ｐ－Ｖ）／Ｐ×１００％で算出されるＰＶ率を、２０％以下とすることを第８の特徴とする。
　また本発明は、前記第６又は第７の特徴を有する半導体製造装置において、前記光導波路部の出射端面とレンズとの間に、前記出射端面から出射したレーザ光の幅を絞り込む可変アパーチャを設けたことを第９の特徴とする。
　また本発明は、前記第８の特徴を有する半導体製造装置において、前記光導波路部の出射端面とレンズとの間に、前記出射端面から出射したレーザ光の幅を絞り込む可変アパーチャを設けたことを第１０の特徴とする。
　また本発明は、前記第６又は７の特徴を有する半導体製造装置において、前記フォーカス制御部が、前記副コア部から出射したレーザ光の反射光により投影される副コア部の反射レーザスポットが所定サイズになるようにフォーカス制御を行うことを第１１の特徴とする。
　また本発明は、前記第８の特徴を有する半導体製造装置において、前記フォーカス制御部が、前記副コア部から出射したレーザ光の反射光により投影される副コア部の反射レーザスポットが所定サイズになるようにフォーカス制御を行うことを第１２の特徴とする。
　また本発明は、前記第９の特徴を有する半導体製造装置において、前記フォーカス制御部が、前記副コア部から出射したレーザ光の反射光により投影される副コア部の反射レーザスポットが所定サイズになるようにフォーカス制御を行うことを第１３の特徴とする。
　また本発明は、前記第１０の特徴を有する半導体製造装置において、前記フォーカス制御部が、前記副コア部から出射したレーザ光の反射光により投影される副コア部の反射レーザスポットが所定サイズになるようにフォーカス制御を行うことを第１４の特徴とする。
　本発明による半導体製造装置は、レーザ光源から出射したレーザ光をコア部及び該コア部を覆うクラッド部から成る光導波路部を用いて伝搬し、前記コア部のサイズを所定の寸法とし且つレーザ光源のレーザパワーを制御することによって、被対象物面上に所定サイズ且つ高密度なレーザパワー密度をもつ断面矩形状又は長楕円形状のレーザスポットを被対象物の表面に簡素な構造で照射することができる。更に本発明による半導体製造装置は、前記光導波路部にレーザスポットのフォーカス制御用のレーザ光を透過する副コア部を設けたことによって、簡素な構造でフォーカス制御を行うことができる。
本発明の一実施形態による半導体製造装置の構成図。 本実施形態による光導波路部の出射端面を説明するための図。 光導波路部の出射端面から出力するレーザ強度分布を説明するための図。 本発明の他の実施形態による半導体製造装置の構成図。 他の実施形態による複合光導波路部の出射端面を説明するための図。 フォーカスエラー信号と被対象物面傾斜の関係図。 本実施形態による半導体製造装置の動作を説明するための図。 ディスプレイとレーザ走査位置の関係を説明するための図。 システム・オン・ガラスディスプレイを説明するための図。 一般的な基板上構成とレーザ照射によるシリコン膜の改質を示す図。
　以下、本発明の実施形態による半導体製造装置を、図面を参照して詳細に説明する。
　尚、本願明細書に添付した図面に用いる図の座標Ｘ、Ｙ、Ｚは全て共通とし、レーザスポットは、複数のレーザ発光素子からのレーザ光をレンズ群を用いて所望のスポット形状に形成されるものであって、例えばＸ方向に延びる長方楕円形状に形成され、このレーザスポットの空間的なレーザ強度分布の均一度をＰＶ率と呼び、図３に示す如く、レーザ強度分布の最大値をＰ、レーザ強度分布の最小値をＶとしたとき、ＰＶ率＝（Ｐ－Ｖ）／Ｐ×１００％と定義する。
＜第１実施形態＞
　本発明の一実施形態による半導体製造装置は、図１に示す如く、レーザ光を照射する複数のレーザ光源（図示なし）と、該複数のレーザ光源から照射された複数のレーザ光を入射して出射する光導波路部１と、該光導波路部１から出射したレーザ光の幅を絞り込むために矢印８及び９の方向へ移動する可変アパーチャ６及び７と、この可変アパーチャ６及び７を通過したレーザ光を入射して平行レーザ光に偏光するコリメートレンズ２と、該コリメートレンズ２から出射した平行レーザ光の焦点合わせを行うために平行レーザ光を絞り込む対物レンズ３とから構成されている。
　前記光導波路部１は、所定の屈折率のコア部１０と、該コア部１０の周囲を覆い且つ前記コア部１０と異なる屈折率のクラッド部１１により構成される。このため前記光導波路部１は、該コア部１０に入射したレーザ光を、屈折率の異なるクラッド部１１との境界面で全反射し、コア部１０の内部にレーザ光を閉じ込め、所定の伝搬方向に導くものである。この光導波路部１には、レーザ光をコア部１０内において複数回の反射を繰り返すことによって、光軸方向１４と直交する面のレーザ光空間強度分布を平滑化する機能も有る。
　この光導波路部１の詳細構造は、図１の光軸方向１４から光導波路部１の出射端面１５を見た図２に示す如く、斜線領域にて示した四角枠筒形状のクラッド部１７と、該クラッド部１７と屈折率が異なり、レーザ光をクラッド部１７との境界面で反射させながら通させるコア部１６とから構成される。このコア部１６は、長さＬ／幅Ｄの細長い断面矩形板状であり、コア部長手方向ＬをＸ方向としたとき、このＸ方向は図１のＸ方向と一致している。
　次に本実施形態による半導体製造装置によるレーザ光路を図１を参照して説明する。本装置は、レーザ光源から出射したレーザ光１３を光導波路部１のコア部１０に入射させ、光導波路部１が入射したレーザ光１３をクラッド部１１との境界にて全反射しながら吸収損失を生じることなくコア部１０の内部を透過させることにより、光軸方向１４と直交する面内の空間的レーザ強度分布を平滑化して出射端面１５からレーザ光を出射する。更に本装置は、前記出射したレーザ光を可変アパーチャ６及び７を用いて所定の幅に絞り込み、このレーザ光をコリメートレンズ２を用いて平行光に偏光し、この平行光を対物レンズ３を用いて所定の倍率比により被対象物４表面に所定サイズのレーザスポット５の焦点合わせを行うように結像する。
　前記光導波路部１のコア部１０に入射させるレーザ光１３は、図示しないレンズにより絞った後にコア部１０に入射させても良く、レーザ光源から離れた箇所に設置したレーザ光を光ファイバーを用いて伝送させてコア部１０に入射しても良い。更にレーザ光源は複数あっても良く、必要に応じた数のレーザ光源を設置すれば良い。また、複数の光ファイバーを並列的に並べ、この複数の光ファイバーの出射部を光導波路部１のコア部１０に直結させ、複数光ファイバーの出射部から出射したレーザ光を光導波路部１のコア部１０に直接入射させても良い。
　また前記光導波路部１の光軸方向１４の長さは、光導波路部１の出射端面１５にてＰＶ率が２０％以下になるように決められている。光導波路部１の出射端面１５を抜け出たレーザ光は、可変アパーチャ６及び７にてＸ方向の出射幅が制御される。
　図３は、光導波路部１の出射端面１５から出力するレーザ強度分布を説明するための図である。この図を参照すれば明らかな如く、横軸をＸとしたレーザ強度分布１８の両端ＡとＢは、図２のＡとＢの位置に相当し、レーザスポットの両端は急峻に立ち上がり、多少凸凹が存在するトップフラットな形状となる。
　以上説明したように、本実施形態による半導体製造装置により被対象物面４に形成されるレーザスポット５のサイズは、光導波路部１の出射端面１５のサイズ（長さＬ×幅Ｄ）を対物レンズの倍率にて相似的に縮小したサイズである。被対象物面４に形成されるレーザスポット５の空間的強度分布は、光導波路部１の出射端面１５から出力するレーザ強度分布１８と一致する。従って本実施形態による半導体製造装置は、レーザ光を断面が矩形（長方形）状の光導波路部１を通すことによって、照射面が長方形状のレーザスポットを成形し、この成形したレーザスポットを用いて被対象物の改質を行うことができる。
　本実施形態による半導体製造装置は、被対象物、例えば厚さ５０ｎｍ程度のアモルファスシリコンをポリシリコンに成長させるため、レーザスポット５を相対的にＹ方向に走査させれば良く、実用的な走査速度１００ｍｍ／ｓ以上においては、レーザスポット５の走査方向の幅は２０μm以下が好適であり、レーザパワー密度は０．１ｍＷ／μm２以上が望ましい。この条件における半導体製造装置の被対象物の改質を行うレーザ波長は、例えばアモルファスシリコンによる吸収が得られる３７０ｎｍ～４８０ｎｍが好ましく、均一なポリシリコンを得るには、レーザスポット５の長手方向（Ｘ方向）のレーザ強度分布のＰＶ率は２０％以下が望ましい。この理由は、ＰＶ率が２０％以上になると結晶サイズの斑や局所的な凝集、昇華が発生しやすくなるためである。
　また、本装置において対物レンズ３の倍率が１倍のとき、光導波路部１の短手コア幅Ｄは２０μm以下であれば良く、長手コア幅Ｌは１ｍｍ以上が良い。また、光導波路部１の出射端面１５におけるレーザパワー密度は、０．１ｍＷ／μm２以上であれば良い。更には、光導波路部１の出射端面１５のレーザ強度分布におけるＰＶ率は２０％以下であれば良い。この対物レンズの倍率を上げれば、上記被対象物面上のレーザスポット条件を容易に満たすことができる。
　前記実施形態においては、コリメートレンズ２および対物レンズ３が光導波路部１の出射端面１５を相似的に縮小して被対象物に集光投影する例を説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、光導波路部の出射端面の縦横比を所定倍率に設定したレンズを用い、被対象物４面上に任意の縦横比を持つレーザスポット５を形成しても良い。例えば、本発明による光導波路部は、一辺長を１μm～２０μm、該一辺と直交する他辺長を１ｍｍ～６０ｍｍとしても良い。
＜第２実施形態＞
　次に本発明の他の実施形態による複合光導波路部を用いた半導体製造装置の構成を図４を参照して説明する。この実施形態による半導体製造装置は、前記実施形態同様のレーザ光源（図示なし）と、本実施形態の特徴である複合光導波路部１９と、コリメートレンズ２３と、複合光導波路部１９から出射されたレーザ光を透過し、被対象物３７から反射されたレーザ光を直角方向に反射するビームスプリッタ２４と、対物レンズ２５と、集光レンズ２８と、前記ビームスプリッタにより反射されたレーザ光を受光して電気信号に変換するフォーカスディテクタ２９と、該フォーカスディテクタ２９から出力された電気信号を基にフォーカスエラー信号３３Ａ～３３Ｆを出力する演算素子３０～３２とから構成される。
　前記複合光導波路部１９は、図４の複合光導波路部１９の出射端面２２を光軸３６Ａから見た図５に示す如く、断面長方形状の共通クラッド部３８（斜線部）と、該クラッド部３８の内部に該クラッド部３８との屈折率の差異によりレーザ光を反射する複数のコア部を配置している。このコア部は、中央の長方形のコア部３９（主コア部に相当）と、該長方形コア部３９の周りに対称的に３つの小さな小コア部４１Ａ～４１Ｆ（副コア部に相当）を配置している。これらクラッド部及び７つのコア部は、深さ方向が光軸３６Ａ方向に沿って削られ、レーザ光入射面においても前述と同様のサイズ及び形状となっている。このような構造により本実施形態による複合光導波路部１９は、コア部に入射したレーザ光をクラッド部との境界にて全反射し、吸収損失することなく透過させ、各コア部を透過したレーザ光を相互干渉することなく各コア内を通過させる。また各コア部の出射端面は光軸３６Ａと直角になっており、各コアの出射端面は同一面に精度よく揃えられている。
　特に本実施形態による装置は、コア部３９を通過するレーザ光を、被対象物３７を改質するためのレーザ光とし、小コア部４１Ａ～４１Ｆを通過するレーザ光を、レーザスポット２７のサイズを検出するためのレーザ光として利用する。
　次に本実施形態による半導体製造装置によるレーザ光路を説明する。本装置は、複数のレーザ光源から出射したレーザ光３４～３６を、光導波路部１９の複数のコア部３９と小コア部４１Ａ～４１Ｆに入射させ、このレーザ光３４～３６を入射した光導波路部１が、レーザ光３４～３６を前記コア部３９と複数の小コア部４１Ａ～４１Ｆの内部を吸収損失を生じることなく透過させる。この通過したレーザ光は、光軸方向３６Ａと直交する面内の空間的レーザ強度分布を平滑化して出射端面２２から出射される。この出射したレーザ光が、コリメートレンズ２３及びビームスプリッタ２４を通り抜け、対物レンズ２５に入り、この対物レンズ２５より強く集光されたレーザ光が、出射端面２２に被対象物３７の被対象面２６上に所定サイズのレーザスポット２７の焦点合わせを行うように結像する。
　次いで本半導体製造装置は、前記被対象物３７の被対象面２６上に結像されたレーザスポット２７の反射光をビームスプリッタ２４により直角に反射させ、この反射光をレンズ２８を通してフォーカスディテクタ２９により受光し、該フォーカスディテクタ２９が各々の該レーザスポットに対応したフォーカスエラー信号３３Ａ～３３Ｆを生成し、このフォーカスエラー信号３３Ａ～３３Ｆがゼロに成るようにフィードバック制御を行うことにより、被対象物３７の被対象面２６上にてレーザ光が最も絞られた状態（合焦点状態）に制御する。
　本実施形態による半導体製造装置は、複合光導波路部１９が、レーザスポット２７が被対象物３７の被対象面２６上にて合焦点時に比べた焦点ボケ時にレーザスポットサイズが大きくなる特性を利用し、レーザスポットサイズの変化をフォーカスエラー信号のレベルにて検出する。即ち、前述６つの小コア部４１Ａ～４１Ｆを通過するレーザ光の反射光を基にしたフォーカスエラー信号の一つ又は複数を用いることにより、対物レンズ２５を光軸方向（Ｚ方向）に移動制御するオートフォーカス制御が可能となり、このオートフォーカス制御を行うことにより、外乱による被対象物の変動（Ｚ方向）に対し、安定したスポットサイズを保持することができる。オートフォーカス制御に用いるコアは、改質するためのレーザを通す導波路のコア部３９の長手方向の中心部に位置する小コア部４１Ｂまたは４１Ｅが望ましい。
　図６は、フォーカスエラー信号の電圧と被対象物面傾斜の関係図である。図６を参照すれば明らかな如く、被対象物面２６が光軸３６Ａと直交する面になく、特に被対象物面２６がレーザスポット２７の長手方向（Ｘ方向）に傾斜している場合の小コア部４１Ａ～４１Ｃから出射したレーザ光が生成するフォーカスエラー信号４３Ａ～４３Ｃは、図６中段のコア部４１Ｂによるフォーカスエラー信号（電圧）４３Ｂがゼロであるのに対し、図６上段のコア部４１Ａによるフォーカスエラー信号（電圧）４３Ａがマイナスとなり、図６下段のコア部４１Ｃによるフォーカスエラー信号（電圧）４３Ｃがプラスとなり、このように各レーザスポットの合焦点位置４４Ａ、４４Ｂ、４４ＣはＺ軸に対し相対的にシフトした状態で検出される。
　図３にて説明した如く、被対象物を改質するレーザスポットは、Ｘ方向に細長い形状（共通クラッド部３８形状に相当）をしており、レーザスポット両端のフォーカスずれを検出することによって、レーザスポット短手方向（Ｙ方向）幅の変化を検出することができる。尚、本例においては、小コア部４１Ａ～４１Ｃから出射したレーザ光にて生成されたフォーカスエラー信号４３Ａ～４３Ｃを用いる例を示したが、小コア部４１Ｄ～コア部４１Ｆを用いても同様のフォーカスエラー信号を得ることができる。また、Ｙ方向の両対の小コア部（［４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ］と［４１Ｄ、４１Ｅ、４１Ｆ］）のフォーカスエラー信号を検出することにより、被対象物のＹ方向の傾斜も検出することもできる。
　一般に被対象物の改質は、被対象物面上に形成したレーザスポットをＹ方向に走査して行ない、安定かつ均一な改質を行なうには、被対象物面上に形成したレーザスポットを矩形とし、走査方向のレーザスポット幅が一定であることが望ましい。本実施形態による半導体製造装置は、被対象物の初期傾き調整工程において、前述レーザスポット両端のフォーカス信号を検出しながら調整することにより、確実に傾き補正を行うことができる。例えば、図６に示した合焦点ライン４５（点線）を平行ライン４６上に合致するように傾き調整することにより初期調整時に傾き補正を行うことができる。
　更に本実施形態装置は、改質動作中にレーザスポット両端のフォーカスエラー信号（例えば信号４３Ａ、４３Ｃ）を監視することにより、改質動作中の焦点ずれをリアルタイムで検出して補正することもできる。
　更に本実施形態装置は、改質動作中のフォーカス制御の安定化をはかることも可能である。これを具体的に説明する。改質前と改質後において被対象物の反射率が変化するのが一般的であり、この反射率変動がフォーカス制御の安定性を悪化させる。これを回避するため、オートフォーカス信号として改質前の反射光を選定するか又は改質後の反射率を選定するかを予め決定しておき、改質レーザスポット２７の走査方向に従い、走査により先行して照射される改質レーザスポット２７の先行フォーカススポット（例えば、小コア部４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃにより照射されるレーザスポット）か、走査により遅れて照射される後行フォーカススポット（例えば、小コア部４１Ｄ、４１Ｅ、４１Ｆによる照射されるレーザスポット）かを選択してフォーカスエラー信号として使用することにより、常時安定した戻光量が得られ、安定したフォーカス信号が得られる。結果としてオートフォーカス制御の安定化を図ることができる。尚、改質レーザスポットにより同様のフォーカスエラー信号を生成し、オートフォーカス制御にも用いることもできるが、改質中の改質レーザスポットより生成したフォーカスエラー信号は乱れ易いため、前述の如く別レーザスポットにて生成したフォーカスエラー信号を用いオートフォーカス制御を行うのが好ましい。
　また、前述の実施形態においては、被対象物の改質を目的としたレーザ光を通す光導波路部のコア部の周りに６個のレーザ光を通す小コア部を配置する例を説明したが、小コア部の数はこれに限ることなく数量はいくつであっても良く、必要に応じ数量と配置位置を決めれば良い。また本装置は、６個の小コア部全てにレーザを通すことなく、必要な位置のコア部のみレーザ光を通しても良い。更に本装置は、６個の小コア部全てに同一波長のレーザ光を通すことに限らず、各々異なったレーザ波長のレーザ光を通しても良い。更に６個の小コア部の形状は矩形に限られるものではなく、例えば円形や長楕円形であっても良い。この場合の光導波路部の主コア部は、短手方向幅を１μm～２０μm、長手方向幅を１ｍｍ～６０ｍｍとした断面長楕円形状にするのが好ましい。
　更に前述の実施形態においては、コア部サイズとコア位置を入射端面と出射端面にて同一にした例を説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、異なっていても良い。例えば、入射端面側のコアサイズが大きく、コア間の間隔が広くても良く、出射端面において所望のコアサイズ及びコア間隔であれば良い。
［応用例］
　次に本実施形態による半導体製造装置を用いて液晶ディスプレイのガラス基板上に形成したアモルファスシリコンをポリシリコンにする改質方法を、図７を参照して説明する。
　この改質方法は、まず、シリコン膜を形成した絶縁基板８０を、Ｘ方向およびＹ方向の任意の位置へ任意速度で位置決め移動が可能なＸ－Ｙステージ４７上に搭載し、次いで、前述した実施形態いずれかの半導体製造装置４８を用いてレーザ光を照射し、線状レーザスポット５０の短手方向に線状レーザスポット５０が所定走査速度で走査するようにＸ－Ｙステージ４７を移動しながら、シリコン膜面上に線状レーザスポット５０を出射することにより、絶縁基板８０のシリコン膜を改質することができる。
　尚、本例は、シリコン膜が形成してある絶縁基板８０側を移動することにより線状レーザスポット５０を矢印５１方向に走査しているが、これに限ることなく半導体製造装置４８側をＸ方向及びＹ方向に移動させて相対的に線状レーザスポット５０を走査しても良い。この場合、前記図１乃至図５のいずれかの半導体製造装置４８において、レーザ光源を離れた場所に独立に固定設置し、該レーザ光源からのレーザ光を光ファイバーを用いて本半導体製造装置のコア部に伝送させ、本半導体製造装置のみを移動させても良く、これは前記光ファイバーが一般に屈曲性を持つため容易に実現することができる。更に本発明は、半導体製造装置（レーザ照射装置）４８とシリコン膜が形成してある絶縁基板８０の両方を移動させ相対的に線状レーザスポット５０を走査しても良い。
　図８は、液晶ディスプレイ５３とマザーガラス５２へのレーザ走査位置の関係を説明するための図であり、図８（ａ）にディスプレイ５３の全体構成を示し、図８（ｂ）にマザーガラスを示し、前記マザーガラス５２には複数のディプレイ５３が形成されるものとする。本実施形態の対象となるディスプレイ５３は、１つのディスプレイ５３に画像表示を行うための多数の画素部５３Ａと、Ｘ方向の（液晶）画素を駆動するＸドライバー回路５５と、Ｙ方向の（液晶）画素を駆動するＹドライバー回路５６とにより構成され、前記Ｘドライバー回路５５とＹドライバー回路５６は、前述したように液晶ディスプレイ装置においては高性能ＴＦＴにより構成する必要があり、高品質なポリシリコンが要求される。
　本実施形態によるレーザ照射装置およびレーザ照射方法は、前記Ｘドライバー回路５５とＹドライバー回路５６のシリコン改質を行うものであって、まず、線状レーザスポット５７と５８を、Ｘドライバー回路５５及びＹドライバー回路５６を形成する位置にあわせた後、レーザスポットを照射しながら矢印５９及び６０方向に半導体製造装置を走査させることにより、ドライバー回路の改質を行うように動作する。尚、本実施形態における１つのドライバー回路形成部に対し、必要に応じ数回に分けて走査を行っても良い。ディスプレイ５３を切り出す前のマザーガラス５２にて、線状レーザスポットを矢印６２～６５方向に走査を行うことにより、シリコン改質処理を行うのが好ましい。
　図９はシステム・オン・ガラスディスプレイを説明するための図である。このシステム・オン・ガラスディスプレイは、Ｘドライバー回路６７、Ｙドライバー回路６８の他に、コントロール回路６９やインタフェース回路７０、更にはメモリー回路（図示なし）や演算回路７１などの高機能集積回路が前記図９と同等の構成及び方法にて形成される。当然ながら高機能回路は高品質なポリシリコンが要求され、前記図７にて説明したＸドライバー回路とＹドライバー回路のシリコン改質方法と同様の方法を用いることにより、高品質ポリシリコンを形成できる。
　尚、前述の実施形態においては絶縁基板として石英ガラスや無アルカリガラスを例に挙げたが、本発明はこれに限られるものではなく、プラスチック基板や屈曲可能なプラスチックシートであっても良い。また、前記実施形態では、改質対象物として液晶ディスプレイを用いたが、これに限られるものではなく、有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕmｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイにも適用することができる。
　以上述べた如く本実施形態による半導体製造装置は、被対象物面上に所定サイズの矩形レーザスポットと比較的高密度なレーザパワー密度および、トップフラットなレーザ強度分布を比較的簡素化された構成及び配置にて実現でき、該レーザスポットにて被対象物面を均一に改質することができる。
　更に本実施形態は、マザーガラス上の所望の位置、所望の走査速度、所望の方向に前記線状レーザスポットを所望のレーザ出力にて走査させることができ、良質なシリコン膜が比較的安価で得ることができる。

Claims (14)

  1. 　レーザ光を発光するレーザ光源と、該レーザ光源のレーザパワーを制御する制御部と、前記レーザ光を透過するコア部及び該コア部を覆うクラッド部から成る光導波路部と、該光導波路部の出射端面から出射したレーザ光を所定形状のレーザスポットに形成するレンズとを備え、前記光導波路部がコア部とクラッド部との屈折率の相違によりレーザ光を入射端面から出射端面に導き、前記レンズが形成したレーザスポットを被対象物に照射することにより被対象物表面を改質する半導体製造装置であって、
    　前記光導波路部が、一辺長を１μm～２０μm、該一辺と直交する他辺長を１ｍｍ～６０ｍｍとした断面矩形形状のコア部を出射端面に有し、
    　前記制御部が、レーザ光源のレーザパワーを、前記コア部の出射端面から出射するレーザスポットのパワー密度が０．１ｍＷ／μm２以上となる値に設定する半導体製造装置。
  2. 　レーザ光を発光するレーザ光源と、該レーザ光源のレーザパワーを制御する制御部と、前記レーザ光を透過するコア部及び該コア部を覆うクラッド部から成る光導波路部と、該光導波路部の出射端面から出射したレーザ光を所定形状のレーザスポットに形成するレンズとを備え、前記光導波路部がコア部とクラッド部との屈折率の相違によりレーザ光を入射端面から出射端面に導き、前記レンズが形成したレーザスポットを被対象物に照射することにより被対象物表面を改質する半導体製造装置であって、
    　前記光導波路部が、短手方向幅を１μm～２０μm、長手方向幅を１ｍｍ～６０ｍｍとした断面長楕円形状のコア部を出射端面に有し、
    　前記制御部が、レーザ光源のレーザパワーを、前記コア部の出射端面から出射するレーザスポットのパワー密度が０．１ｍＷ／μm２以上となる値に設定する半導体製造装置。
  3. 　前記コア部の出射端面から出射するレーザスポットの強度分布最大値をＰ、該強度分布の最小値をＶとしたとき、（Ｐ－Ｖ）／Ｐ×１００％で算出されるＰＶ率を、２０％以下とする請求項１又は２記載の半導体製造装置。
  4. 　前記光導波路部の出射端面とレンズとの間に、前記出射端面から出射したレーザ光の幅を絞り込む可変アパーチャを設けた請求項１又は２記載の半導体製造装置。
  5. 　前記コア部の出射端面から出射するレーザスポットの強度分布最大値をＰ、該強度分布の最小値をＶとしたとき、（Ｐ－Ｖ）／Ｐ×１００％で算出されるＰＶ率を、２０％以下とする請求項４記載の半導体製造装置。
  6. 　レーザ光を発光するレーザ光源と、該レーザ光源のレーザパワーを制御する制御部と、前記レーザ光を透過する複数のコア部及び該コア部を覆うクラッド部から成る光導波路部と、該光導波路部の出射端面から出射したレーザ光を所定形状のレーザスポットに形成するレンズと、前記レーザスポットのフォーカス制御を行うフォーカス制御部とを備え、前記コア部とクラッド部との屈折率の相違によりレーザ光を入射端面から出射端面に導き、前記レンズが形成したレーザスポットをフォーカス制御しながら被対象物に照射することにより被対象物表面を改質する半導体製造装置であって、
    　前記光導波路部が、一辺長を１μm～２０μm、該一辺と直交する他辺長を１ｍｍ～６０ｍｍとした断面矩形形状の主コア部と、該主コア部の周囲に配置されたフォーカス制御用レーザ光を出射する出射端面の複数の副コア部とを出射端面に有し、
    　前記制御部が、レーザ光源のレーザパワーを、前記主コア部から出射するレーザスポットのパワー密度が０．１ｍＷ／μm２以上となる値に設定し、
    　前記フォーカス制御部が、前記副コア部から出射したレーザ光の反射光を基にフォーカス制御を行う半導体製造装置。
  7. 　レーザ光を発光するレーザ光源と、該レーザ光源のレーザパワーを制御する制御部と、前記レーザ光を透過する複数のコア部及び該コア部を覆うクラッド部から成る光導波路部と、該光導波路部の出射端面から出射したレーザ光を所定形状のレーザスポットに形成するレンズと、前記レーザスポットのフォーカス制御を行うフォーカス制御部とを備え、前記コア部とクラッド部との屈折率の相違によりレーザ光を入射端面から出射端面に導き、前記レンズが形成したレーザスポットをフォーカス制御しながら被対象物に照射することにより被対象物表面を改質する半導体製造装置であって、
    　前記光導波路部が、短手方向幅を１μm～２０μm、長手方向幅を１ｍｍ～６０ｍｍとした断面長楕円形状の主コア部と、該主コア部の周囲に配置されたフォーカス制御用レーザ光を出射する出射端面の複数の副コア部とを出射端面に有し、
    　前記制御部が、レーザ光源のレーザパワーを、前記主コア部から出射するレーザスポットのパワー密度が０．１ｍＷ／μm２以上となる値に設定し、
    　前記フォーカス制御部が、前記副コア部から出射したレーザ光の反射光を基にフォーカス制御を行う半導体製造装置。
  8. 　前記コア部の出射端面から出射するレーザスポットの強度分布最大値をＰ、該強度分布の最小値をＶとしたとき、（Ｐ－Ｖ）／Ｐ×１００％で算出されるＰＶ率を、２０％以下とする請求項６又は７記載の半導体製造装置。
  9. 　前記光導波路部の出射端面とレンズとの間に、前記出射端面から出射したレーザ光の幅を絞り込む可変アパーチャを設けた請求項６又は７記載の半導体製造装置。
  10. 　前記光導波路部の出射端面とレンズとの間に、前記出射端面から出射したレーザ光の幅を絞り込む可変アパーチャを設けた請求項８記載の半導体製造装置。
  11. 　前記フォーカス制御部が、前記副コア部から出射したレーザ光の反射光により投影される副コア部の反射レーザスポットが所定サイズになるようにフォーカス制御を行う請求項６又は７記載の半導体製造装置。
  12. 　前記フォーカス制御部が、前記副コア部から出射したレーザ光の反射光により投影される副コア部の反射レーザスポットが所定サイズになるようにフォーカス制御を行う請求項８記載の半導体製造装置。
  13. 　前記フォーカス制御部が、前記副コア部から出射したレーザ光の反射光により投影される副コア部の反射レーザスポットが所定サイズになるようにフォーカス制御を行う請求項９記載の半導体製造装置。
  14. 　前記フォーカス制御部が、前記副コア部から出射したレーザ光の反射光により投影される副コア部の反射レーザスポットが所定サイズになるようにフォーカス制御を行う請求項１０記載の半導体製造装置。
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