WO2020179056A1 - 半導体結晶薄膜の製造方法、及びレーザアニールシステム - Google Patents

半導体結晶薄膜の製造方法、及びレーザアニールシステム Download PDF

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要 妹川
良一 納富
若林　理
池上　浩
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Kyushu University NUC
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    • H10P14/3802—Crystallisation or recrystallisation of non-monocrystalline semiconductor materials, e.g. regrowth
    • H10P14/382—Scanning of a beam

Definitions

  • the present disclosure relates to a method for manufacturing a semiconductor crystal thin film and a laser annealing system.
  • a thin film transistor (TFT: Thin Film Transistor) is used as a driving element of a flat panel display using a glass substrate.
  • TFT Thin Film Transistor
  • Polycrystalline silicon, IGZO (Indium gallium zinc oxide), and the like are used for the semiconductor thin film which is the channel material of the TFT.
  • Polycrystalline silicon and IGZO have higher carrier mobility than amorphous silicon and are superior in on/off characteristics of transistors.
  • semiconductor thin films are also expected to be applied to 3D-ICs that realize more sophisticated devices.
  • the 3D-IC is realized by forming active elements such as a sensor, an amplifier circuit, and a CMOS circuit on the uppermost layer of the integrated circuit device. Therefore, a technique for manufacturing a higher quality semiconductor thin film is required.
  • a glass substrate used for a display is required to have a process temperature of 400° C.
  • an integrated circuit is required to have a process temperature of 400° C.
  • a plastic substrate PET is required to have a process temperature of 200° C. or lower.
  • Laser annealing is used as a technique to crystallize the underlying substrate of a semiconductor thin film without heat damage.
  • pulsed ultraviolet laser light absorbed by the upper semiconductor thin film is used in order to suppress damage to the substrate due to thermal diffusion.
  • the semiconductor thin film is silicon
  • a 351 nm wavelength XeF excimer laser, a 308 nm wavelength XeCl excimer laser, a 248 nm wavelength KrF excimer laser, etc. are used.
  • These gas lasers in the ultraviolet region have the characteristics that the coherence of laser light is lower than that of solid-state lasers, the energy uniformity on the laser light irradiation surface is excellent, and a wide region can be annealed uniformly with high pulse energy.
  • a method of manufacturing a semiconductor crystal thin film according to one aspect of the present disclosure includes irradiating an amorphous semiconductor with a first pulsed laser beam having a first pulse time width to polycrystallize the amorphous semiconductor.
  • the semiconductor crystal Reducing the height of the ridge of the.
  • a laser annealing system includes a first pulse laser beam having a first pulse time width and a second pulse laser having a second pulse time width shorter than the first pulse time width.
  • the laser annealing device includes a laser system that outputs light, and a laser annealing device that irradiates the irradiation target with the first pulsed laser light and the second pulsed laser light.
  • Optical system that guides the pulsed laser light to the object to be irradiated, a moving mechanism that relatively moves the irradiation positions of the first pulsed laser light and the second pulsed laser light to the object to be irradiated, and a first pulsed laser
  • the laser system is controlled so that the irradiation object is irradiated with the first pulsed laser light and then the second pulsed laser light is irradiated to a region of the irradiation object which is irradiated with the first pulsed laser light.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram of a pulse time width of laser light.
  • FIG. 2 schematically illustrates the configuration of an exemplary laser annealing system.
  • FIG. 3 is a plan view showing an example of the relationship between the mask pattern and the line beam that illuminates the mask.
  • FIG. 4 is a plan view showing an example of scan irradiation of a line beam on an object to be irradiated.
  • FIG. 5 is an enlarged view of a portion surrounded by a broken line circle in FIG.
  • FIG. 6 is a flowchart showing an example of the operation of the laser annealing system.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram of a pulse time width of laser light.
  • FIG. 2 schematically illustrates the configuration of an exemplary laser annealing system.
  • FIG. 3 is a plan view showing an example of the relationship between the mask pattern and the line beam that illuminates the mask.
  • FIG. 4 is a plan view showing an example of scan irradiation of a
  • FIG. 7 is a flowchart showing an example of a subroutine applied to step S12 of FIG.
  • FIG. 8 is a flowchart showing an example of a subroutine applied to step S14 of FIG.
  • FIG. 9 is a flowchart showing an example of a subroutine applied to step S20 of FIG.
  • FIG. 10 is a flowchart showing an example of a subroutine applied to step S22 of FIG.
  • FIG. 11 is a schematic diagram of a semiconductor crystal thin film manufacturing process by laser annealing.
  • FIG. 12 is a schematic view schematically showing a manufacturing process of the semiconductor crystal thin film according to the first embodiment.
  • FIG. 13 is a chart showing irradiation conditions of the laser beam applied at the time of the test.
  • FIG. 14 is a graph showing an example of a pulse waveform of laser light.
  • FIG. 15 shows a configuration example of the optical pulse stretcher system.
  • FIG. 16 shows an example of a mask pattern and crystal growth.
  • FIG. 17 schematically shows the configuration of the laser annealing system according to the first embodiment.
  • FIG. 18 is a plan view showing an example of beam scan irradiation during ridge flattening in the first embodiment.
  • FIG. 19 is a flowchart showing an example of the operation of the laser annealing system according to the first embodiment.
  • FIG. 20 is a flowchart showing an example of a subroutine applied to step S13 of FIG.
  • FIG. 21 is a flowchart showing an example of a subroutine applied to step S21 of FIG.
  • FIG. 20 is a flowchart showing an example of a subroutine applied to step S13 of FIG.
  • FIG. 21 is a flowchart showing an example of a subroutine applied to step S21 of FIG.
  • FIG. 22 is a flowchart showing an example of a subroutine applied to step S24 of FIG.
  • FIG. 23 is a flowchart showing an example of the subroutine applied to step S26 of FIG.
  • FIG. 24 is a flowchart showing an example of the subroutine applied to step S28 of FIG.
  • FIG. 25 schematically shows the configuration of the laser annealing system according to the second embodiment.
  • FIG. 26 schematically shows the configuration of the laser annealing system according to the third embodiment.
  • FIG. 27 is a plan view showing an example of the relationship between the mask pattern and the line beam that illuminates the mask.
  • FIG. 28 is a plan view showing an example of scan irradiation of a line beam on an object to be irradiated.
  • FIG. 29 schematically shows the configuration of the laser annealing system according to the fourth embodiment.
  • FIG. 30 schematically shows the configuration of the laser annealing system according to the fifth embodiment.
  • FIG. 31 schematically shows the configuration of the laser annealing system according to the sixth embodiment.
  • FIG. 32 shows an example of a mask and a beam irradiation region for the mask.
  • FIG. 33 is an enlarged view showing an example of a fine pattern formed in the pattern area of the mask.
  • FIG. 34 is an explanatory diagram of the operation of the laser annealing system according to the sixth embodiment.
  • FIG. 35 schematically shows the configuration of the laser annealing system according to the seventh embodiment.
  • FIG. 36 schematically shows the configuration of the laser annealing system according to the eighth embodiment.
  • Embodiment 5 8.1 Configuration 8.2 Operation 8.3 Action/Effect 8.4 Modification 9
  • Embodiment 6 9.1 Configuration 9.2 Operation 9.3 Action/Effect 9.4 Modified Example 10.
  • Embodiment 7 10.1 Configuration 10.2 Operation 10.3 Action/Effect 10.4 Modification 11.
  • Embodiment 8 11.1 Configuration 11.2 Operation 11.3 Action/Effect 11.4 Modified Example 12.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram of a pulse time width of laser light.
  • the vertical axis of FIG. 1 is the light intensity I [a. u. ]
  • the horizontal axis is time t [ns].
  • Light intensity I [a. u. ] Is a value normalized with the peak value (maximum light intensity value) of the light intensity waveform being 1.
  • the pulse time width ⁇ T 50% can be used as one of the indexes of the pulse time width of the laser light.
  • the pulse time width ⁇ T 50% refers to the full width of time at the 50% value of the maximum light intensity value, as shown in FIG.
  • TIS pulse time width ⁇ T TIS can be used as one of other indices of the pulse time width of the laser light.
  • the TIS pulse time width ⁇ T TIS is defined by the following equation (1).
  • I(t) is the light intensity at time t.
  • FIG. 2 schematically illustrates the configuration of an exemplary laser annealing system.
  • the laser annealing system 10 includes a laser device 20, an optical path tube 25, and a laser annealing device 100.
  • the optical path tube 25 is arranged on the optical path of the laser light between the laser light emitting port of the laser device 20 and the laser light incident port of the laser annealing device 100.
  • the laser device 20 is a laser device that outputs pulsed laser light of ultraviolet rays.
  • the laser device 20 may be a discharge excitation laser device using F 2 , ArF, XeCl, or XeF as a laser medium.
  • the laser device 20 includes a master oscillator (MO: Master Oscillator) 30, an optical pulse stretcher (OPS) system 32, a monitor module 34, a shutter 36, and a laser controller 38.
  • MO Master Oscillator
  • OPS optical pulse stretcher
  • the master oscillator 30 includes a chamber 40, an optical resonator 42, a charger 44, and a pulse power module (PPM) 46.
  • PPM pulse power module
  • the excimer laser gas may be a mixed gas containing a rare gas such as Ar, Kr, or Xe, a halogen gas such as F 2 or Cl 2, and a buffer gas such as He or Ne.
  • a rare gas such as Ar, Kr, or Xe
  • a halogen gas such as F 2 or Cl 2
  • a buffer gas such as He or Ne.
  • the chamber 40 includes a pair of electrodes 48a and 48b and windows 50 and 52.
  • the pair of electrodes 48a and 48b are arranged in the chamber 40.
  • the electrode 48a is supported by the insulating member 54.
  • the electrode 48 a is connected to the PPM 46 via the conductive portion 56 embedded in the feedthrough of the insulating member 54.
  • the electrode 48b is supported by a return plate (not shown), and the return plate is connected to the inner surface of the chamber 40 by using a wiring (not shown).
  • the PPM 46 includes a switch 47, a step-up transformer and a magnetic compression circuit, none of which are shown.
  • the PPM 46 is connected to the charger 44.
  • the charger 44 is a DC power supply device that charges a charging capacitor (not shown) in the PPM 46 with a predetermined voltage.
  • the optical resonator 42 includes a rear mirror 60 and an output coupling mirror 62.
  • the rear mirror 60 has a flat substrate coated with a highly reflective film.
  • the output coupling mirror 62 has a planar substrate coated with a partial reflection film.
  • the chamber 40 is arranged on the optical path of the optical resonator 42.
  • the OPS system 32 is arranged on the optical path between the master oscillator 30 and the monitor module 34.
  • the OPS system 32 includes an optical pulse stretcher (OPS) 33 that delays a portion of the incident light to stretch the time width of the pulsed laser light.
  • OPS optical pulse stretcher
  • the OPS 33 includes a beam splitter 70 and concave mirrors 71 to 74.
  • the beam splitter 70 is arranged on the optical path between the master oscillator 30 and the monitor module 34.
  • the beam splitter 70 is coated with a film that partially reflects a part of the incident pulsed laser light.
  • the concave mirrors 71 to 74 have the same focal length, and the beams of the pulsed laser light reflected from the beam splitter 70 are highly reflected by the four concave mirrors 71 to 74 and are incident on the beam splitter 70 again. Arranged so that the beam is transferred at.
  • the monitor module 34 includes a beam splitter 76 and an optical sensor 77.
  • the shutter 36 is arranged on the optical path of the pulsed laser light output from the monitor module 34.
  • the optical path of the pulsed laser light may be sealed by a casing (not shown) and the optical path tube 25, and may be purged with N 2 gas or the like.
  • the laser annealing apparatus 100 includes an irradiation optical system 110, a frame 170, an XYZ axis stage 172, a table 174, and a laser annealing controller 180.
  • the irradiated object 190 is fixed on the table 174.
  • the irradiation optical system 110 includes high-reflection mirrors 121 to 123, an attenuator 130, an illumination optical system 140, a mask 148, a projection optical system 150, a window 160, and a housing 164.
  • the high-reflection mirror 121 is arranged so that the laser light that has passed through the optical path tube 25 passes through the attenuator 130 and is incident on the high-reflection mirror 122.
  • the attenuator 130 is arranged on the optical path between the high reflection mirror 121 and the high reflection mirror 122.
  • the attenuator 130 includes two partial reflection mirrors 131 and 132, and rotating stages 135 and 136 that change the incident angle of the partial reflection mirrors 131 and 132, respectively.
  • the high-reflection mirror 122 is arranged so that the laser light passing through the attenuator 130 enters the high-reflection mirror 123.
  • the high-reflection mirror 123 is arranged so that the incident pulsed laser light is incident on the fly-eye lens 145 of the illumination optical system 140.
  • the illumination optical system 140 includes a fly-eye lens 145 and a condenser lens 146.
  • the illumination optical system 140 is an optical system for uniformly illuminating a predetermined illumination area on the mask 148, and is arranged so as to perform Koehler illumination on the mask 148 with a rectangular beam.
  • the beam width of the rectangular beam with which the mask 148 is irradiated in the X-axis direction is Bmx
  • the beam width in the Y-axis direction is Bmy.
  • a rectangular beam satisfying Bmx ⁇ Bmy that is, a rectangular beam having the Y-axis direction as the major axis direction.
  • a rectangular beam is referred to as a "line beam”.
  • the fly-eye lens 145 is arranged, for example, so that the focal plane of the fly-eye lens 145 and the front focal plane of the condenser lens 146 coincide with each other, and the condenser lens 146 is located at the rear focal plane of the condenser lens 146 and the mask 148. Are arranged so that and match.
  • the mask 148 is, for example, a mask in which a pattern of a metal or dielectric multilayer film is formed on a synthetic quartz substrate that transmits ultraviolet light. For example, a line-and-space pattern is formed on the mask 148 (see FIG. 3).
  • the projection optical system 150 is arranged so that the image of the mask 148 is formed on the surface of the irradiation target 190 via the window 160.
  • the projection optical system 150 is a combination lens of a plurality of lenses 152, and may be a reduction projection optical system.
  • the window 160 is arranged on the optical path between the projection optical system 150 and the irradiation target 190.
  • the window 160 is arranged in a hole provided in the housing 164 via an O-ring (not shown) or the like.
  • the window 160 is a CaF 2 crystal or synthetic quartz substrate that transmits excimer laser light, and both surfaces may be coated with an antireflection film.
  • the housing 164 is provided with an inlet 166 and an outlet 168 for nitrogen (N 2 ) gas.
  • the housing 164 may be sealed via an O-ring or the like (not shown) so as to suppress entry of outside air into the housing 164.
  • the N 2 gas inlet 166 is connected to an N 2 gas supply source (not shown).
  • the irradiation optical system 110 and the XYZ axis stage 172 are fixed to the frame 170.
  • the XYZ axis stage 172 is an electric stage that relatively moves the irradiation position of the pulsed laser light with respect to the irradiation object 190.
  • the table 174 is fixed on the XYZ axis stage 172.
  • the irradiation object 190 is fixed on the table 174.
  • the irradiated object 190 is, for example, a substrate in which amorphous silicon is coated on a glass substrate.
  • a silicon thin film will be described here as an example, the semiconductor thin film may be at least one of Si, Ge, SiGe, and GeSn.
  • FIG. 3 is a plan view showing an example of the relationship between the pattern of the mask 148 and the line beam LBm that illuminates the mask 148.
  • the pattern of the mask 148 is, for example, a line-and-space pattern in which line portions 148L that are light shielding portions and space portions 148S that are light passing portions (non-light shielding portions) are alternately arranged.
  • the short-axis direction (X-axis direction) of the line beam LBm that uniformly illuminates the mask 148 is parallel to the line direction of the line portion 148L, and a plurality of line portions 148L are formed in the long-axis direction (Y-axis direction) of the line beam LBm. Arranged at predetermined intervals.
  • the laser light applied to the irradiation object 190 via the mask 148 is a beam group including a pattern corresponding to the image of the pattern of the mask 148. Since the pattern of the laser light with which the irradiation target 190 is irradiated through the mask 148 is substantially rectangular as a whole including the light shielding portion by the mask 148, the laser beam with which the irradiation target 190 is irradiated is also referred to as “line beam”. Is called.
  • the line beam satisfies Bx ⁇ By here (see FIG. 4).
  • the laser annealing control unit 180 reads the irradiation condition parameters during laser annealing. Specifically, each data of the fluence Fa on the irradiated object 190 when performing laser annealing, the number of irradiation pulses Na, and the repetition frequency fa is read.
  • the various data and signals such as the target pulse energy Et are transmitted and received between the laser annealing control unit 180 and the laser control unit 38.
  • the laser annealing control unit 180 causes the laser device 20 to perform adjustment oscillation.
  • the laser control unit 38 receives the data of the target pulse energy Et from the laser annealing control unit 180.
  • the laser control unit 38 Upon receiving the data of the target pulse energy Et, the laser control unit 38 closes the shutter 78 and controls the charger 44 so that the target pulse energy Et is achieved.
  • the laser control unit 38 generates an internal trigger signal by an internal trigger generation unit (not shown), and the internal trigger signal is input to the switch 47 of the PPM 46. As a result, the master oscillator 30 spontaneously oscillates.
  • the pulse laser light output from the master oscillator 30 is stretched in the time width of the pulse laser light by the OPS system 32.
  • the pulsed laser light emitted from the OPS system 32 is sampled by the beam splitter 76 of the monitor module 34, and the pulse energy E is measured.
  • the laser control unit 38 controls the charging voltage of the charger 44 so that the difference ⁇ E between the pulse energy E and the target pulse energy Et approaches 0.
  • the laser control unit 38 transmits an external trigger OK signal to the laser annealing control unit 180 and opens the shutter 78.
  • the laser annealing control unit 180 receives an external trigger OK signal from the laser control unit 38.
  • the laser annealing control unit 180 controls the X axis and the Y axis of the XYZ axis stage 172 so that the position where the image of the mask 148 is transferred by the projection optical system 150 becomes the initial position.
  • the laser annealing control unit 180 controls the Z axis of the XYZ axis stage 172 so that the image of the mask 148 is imaged at the position of the surface of the irradiation object 190.
  • the laser annealing control unit 180 calculates the transmittance T of the attenuator 130 so that the fluence at the surface position of the irradiation object 190 (that is, the position of the image of the mask 148) becomes the target fluence Fa.
  • the laser annealing control unit 180 controls the incident angles of the two partial reflection mirrors 131 and 132 by the rotary stages 135 and 136 so that the transmittance of the attenuator 130 becomes T.
  • the laser annealing control unit 180 calculates the moving speed Vx of the XYZ axis stage 172 so that the irradiation pulse number is Na when the line beam width Bx on the irradiation object 190 is the repetition frequency fa.
  • the laser annealing control unit 180 controls the XYZ axis stage 172 so that the table 174 moves in a uniform linear motion at a speed of Vx in the X axis direction.
  • the line beam linearly moves on the surface of the irradiation object 190 in the direction opposite to the moving direction of the table 174 at a velocity of Vx.
  • the laser annealing control unit 180 transmits the light emission trigger signal Tr having the repetition frequency fa to the laser control unit 38.
  • the pulse laser light is output from the master oscillator 30 in synchronization with the light emission trigger signal Tr, and the pulse laser light transmitted through the beam splitter 76 of the monitor module 34 enters the laser annealing apparatus 100 via the optical path tube 25. To do.
  • the pulsed laser light incident on the laser annealing device 100 is reflected by the high reflection mirror 121, dimmed through the attenuator 130, and reflected by the high reflection mirror 122.
  • the pulsed laser light highly reflected by the high-reflection mirrors 122 and 123 is spatially equalized in light intensity by the illumination optical system 140, and is incident on the mask 148 as a line beam LBm.
  • the pulsed laser light transmitted through the mask 148 is projected by the projection optical system 150 onto the surface of the irradiation object 190.
  • the pulsed laser light passes through the projection optical system 150 and is applied to the irradiation object 190 in the area where the transferred image is formed.
  • the portion of the surface of the object to be irradiated 190 that has been irradiated with the pulsed laser beam is laser annealed.
  • FIG. 4 is a plan view showing an example of scan irradiation of a line beam on an object to be irradiated.
  • FIG. 5 is an enlarged view of a portion surrounded by a broken line circle in FIG.
  • the line beam LBa irradiated on the surface of the irradiation object 190 is the line-and-space image pattern of the mask 148 described in FIG. As shown in FIG. 4, the line beam LBa irradiated on the surface of the object to be irradiated 190 has a beam width in the X-axis direction of Bx and a beam width in the Y-axis direction of By.
  • the line beam LBa moves relative to the irradiation object 190 by the movement of the XYZ axis stage 172. By moving the XYZ axis stage 172 in the positive direction of the X axis, the line beam LB moves on the surface of the irradiation object 190 in the negative direction of the X axis (leftward in FIG. 4).
  • FIG. 4 shows a state of scan irradiation in which the line beam LBa is moved from the scan irradiation initial position SPini to the scan irradiation end position SPaend with respect to the irradiation target 190 to irradiate the surface of the irradiation target 190 with laser light.
  • the moving direction of the line beam LBa from the scan irradiation initial position Spaini to the scan irradiation end position Speak is called the "scan irradiation direction" at the time of laser annealing.
  • the amorphous silicon is melted and the silicon is polycrystallized by crystal growth 190p. It becomes.
  • the crystallization region 190p is a polysilicon film.
  • FIG. 5 An enlarged view of the part surrounded by the broken line circle in FIG. 4 is shown in FIG.
  • the fluence of the line portion MLI of the imaging pattern of the mask 148 in the line beam LBa irradiated by the irradiation object 190 is lower than that of the space portion MSI. Therefore, in the morphology of the laser-annealed crystal, as shown in FIG. 5, crystal nuclei are generated at positions corresponding to the line portions MLI on the surface of the irradiation object 190, and the space portions MSI between the line portions MLI are generated.
  • a large grain boundary 192 is generated at a substantially central portion in the Y-axis direction.
  • Scan irradiation is performed while the line beam LBa moves in the negative direction of the X-axis, and when the position of the line beam LBa with respect to the object to be irradiated reaches the scan irradiation end position Spaend (see FIG. 4), the XYZ-axis stage 172 Stop moving.
  • FIG. 6 is a flowchart showing an example of operation in the laser annealing system 10. The processes and operations shown in the flowchart of FIG. 6 are realized, for example, by a processor functioning as the laser annealing control unit 180 executing a program.
  • step S10 the irradiation target 190 is set on the table 174 of the XYZ axis stage 172.
  • the irradiation object 190 may be set on the table 174 by a work transfer robot (not shown) or another automatic transfer device.
  • step S12 the laser annealing control unit 180 reads (1) the laser irradiation condition parameters during laser annealing.
  • the laser irradiation condition parameter at the time of laser annealing is called "laser annealing condition parameter”.
  • step S14 the laser annealing control unit 180 causes the laser device 20 to perform adjustment oscillation.
  • the laser annealing control unit 180 causes the laser device 20 to oscillate with the repetition frequency f so as to have the target pulse energy Et.
  • step S16 the laser annealing control unit 180 controls the XYZ axis stage 172 in the X axis direction and the Y axis direction so that the position of the line beam LB on the irradiation object 190 becomes the initial position.
  • step S18 the laser annealing control unit 180 controls the XYZ axis stage 172 in the Z axis direction so that the image of the mask 148 is formed on the surface of the irradiation object 190.
  • the laser annealing control unit 180 calculates and sets (1) control parameters for laser annealing. Specifically, the laser annealing controller 180 calculates the transmittance Ta of the attenuator 130 and sets the transmittance Ta so that the fluence Fa is obtained in the case of the line beam width Bx in the short axis direction. In addition, the laser annealing control unit 180 calculates the moving speed Vx of the XYZ axis stage 172 and sets the moving speed Vx so that the irradiation pulse number Na is obtained in the case of the line beam width Bx in the short axis direction.
  • step S22 the laser annealing control unit 180 performs beam scan irradiation during laser annealing according to the control parameter settings in step S20.
  • pulse laser light is irradiated to the irradiation object 190 under the conditions of the set repetition frequency fa, fluence Fa, and irradiation pulse number Na.
  • step S22 the laser annealing control unit 180 ends the flowchart of FIG.
  • FIG. 7 is a flowchart showing an example of a subroutine applied to step S12 of FIG. That is, FIG. 7 shows an example of the contents of processing performed in the step (1) of reading parameters of laser irradiation conditions during laser annealing.
  • the laser annealing control unit 180 reads the parameters of laser annealing conditions. For example, the laser annealing control unit 180 reads each data of the fluence Fa on the irradiation object 190 when performing the laser annealing process, the irradiation pulse number Na, and the repetition frequency fa.
  • the irradiation pulse number Na is an integer of 2 or more.
  • the laser annealing control unit 180 returns to the flowchart of FIG. 6 after step S31.
  • FIG. 8 is a flowchart showing an example of a subroutine applied to step S14 of FIG. That is, FIG. 8 shows an example of the processing content performed in the step of adjusting oscillation of the laser apparatus.
  • the laser annealing control unit 180 transmits the data of the target pulse energy Et and the repetition frequency fa to the laser control unit 38.
  • the target pulse energy Et and the repetition frequency fa are data of a rating with which the laser device 20 can operate stably.
  • the target pulse energy Et may be a value in the range of 30 mJ to 1000 mJ.
  • the repetition frequency fa may be a value in the range of 600 Hz to 6000 Hz.
  • the laser annealing control unit 180 may store the rated pulse energy of the laser device 20 as the target pulse energy Et in advance and use this value.
  • step S 42 the laser annealing control unit 180 determines whether or not the pulse energy OK signal has been received from the laser control unit 38.
  • the determination process in step S42 corresponds to, for example, determining whether or not the difference between the pulse energy E of the pulsed laser light output from the laser device 20 and the target pulse energy Et is within the permissible range.
  • the laser annealing control unit 180 repeats step S42 until the determination result of step S42 becomes Yes.
  • the laser annealing control unit 180 exits the subroutine of FIG. 8 and returns to the flowchart of FIG.
  • FIG. 9 is a flowchart showing an example of a subroutine applied to step S20 of FIG. That is, FIG. 9 shows an example of the processing contents performed in the step (1) of calculating and setting the control parameters during laser annealing.
  • step S50 of FIG. 9 the laser annealing control unit 180 calculates the transmittance Ta of the attenuator 130 that is the fluence Fa of the laser annealing condition.
  • the fluence on the surface of the irradiated object 190 is expressed by the following formula (2).
  • M in the equation represents the magnification of the projection optical system 150.
  • M may be a value in the range of 1 to 1/5, for example.
  • Tp in the formula represents the transmittance of the optical system until the pulsed laser light output from the laser device 20 when the attenuator 130 has the maximum transmittance reaches the irradiation object 190.
  • Ta (M 2 /Tp)(Fa/Et)(Bx ⁇ By) (3)
  • the laser annealing control unit 180 obtains the transmittance Ta of the attenuator 130 from the equation (3).
  • step S52 the laser annealing controller 180 sets the transmittance T of the attenuator 130 to Ta. That is, the laser annealing control unit 180 controls the angles of the partial reflection mirrors 131 and 132 so that the transmittance T of the attenuator 130 becomes Ta.
  • step S54 the laser annealing control unit 180 calculates the absolute value Vxa of the moving speed of the XYZ axis stage 172 in the X axis direction during laser annealing.
  • Vxa can be calculated from the following equation (4).
  • the irradiation pulse number Na during laser annealing is expressed by the following equation (5).
  • Na fa ⁇ Bx/Vxa (5)
  • Na is the number of pulses (Na ⁇ 2) with which the pulsed laser light is irradiated at the same position.
  • the absolute value Vxa of the moving speed can be obtained from the equation (4) obtained by modifying the equation (5).
  • step S54 the laser annealing control unit 180 ends the flowchart of FIG. 9 and returns to the flowchart of FIG.
  • FIG. 10 is a flowchart showing an example of a subroutine applied to step S22 of FIG. That is, FIG. 10 shows an example of the processing content performed in the step of beam scan irradiation at the time of laser annealing.
  • step S62 the laser annealing control unit 180 calculates the moving speed Vx of the XYZ-axis stage 172 in the X-axis direction.
  • Vx is determined according to the following equation (6).
  • step S64 the laser annealing control unit 180 sets the parameter Vx of the moving speed of the XYZ-axis stage 172 in the X-axis direction according to the calculation result of step S62.
  • the parameters are set so that acceleration, constant velocity linear motion, and deceleration are performed at predetermined times according to the moving distance of the beam scan.
  • Vxa the absolute value of the velocity during constant-velocity linear motion is Vxa.
  • step S66 the laser annealing control unit 180 transmits a movement start signal of the XYZ axis stage 172.
  • This movement start signal is a control signal that gives a command to start the movement of the XYZ axis stage 172.
  • the XYZ-axis stage 172 starts moving according to the movement start signal transmitted from the laser annealing control unit 180.
  • step S68 the laser annealing control unit 180 outputs the light emission trigger signal at the repetition frequency fa.
  • step S70 the laser annealing control unit 180 determines whether or not the movement of the XYZ-axis stage 172 in the X-axis direction has been completed. For example, the laser annealing control unit 180 determines whether or not the scan irradiation end position Spaend described with reference to FIG. 4 has been reached. If the determination result of step S70 is No, the laser annealing control unit 180 returns to step S68. Steps S68 to S70 are repeated until the movement of the XYZ-axis stage 172 in the X-axis direction is completed.
  • the laser annealing control unit 180 instructs the laser control unit 38 to emit a light emission trigger signal at the repetition frequency fa during the uniform linear motion of the XYZ axis stage 172 in the X axis direction. Is output. As a result, the pulsed laser light is applied to the scan irradiation area of the irradiation object 190 at the repetition frequency fa.
  • step S70 When the determination result of step S70 is Yes, that is, when the beam scan irradiation for one scan irradiation region is completed and the movement of the XYZ axis stage 172 in the X axis direction ends, the laser annealing control unit 180 causes the laser annealing controller 180 to perform step S72. And the output of the light emission trigger signal is stopped. As a result, the output of the pulsed laser light from the laser device 20 is stopped.
  • step S72 the laser annealing control unit 180 ends the flowchart of FIG. 10 and returns to the flowchart of FIG.
  • the imaging pattern of the mask 148 is guided to the irradiated object 190, and the imaging pattern of the mask 148 is scanned and irradiated on the surface of the irradiated object 190.
  • the method of performing laser annealing is shown by.
  • the irradiation method of the laser light when performing the laser annealing is not limited to this example.
  • the XYZ axis stage 172 is fixed, and when the irradiation pulse number Na is reached, the XYZ axis stage 172 is moved to be positioned at the next position and a pulse laser beam is irradiated to the step and repeat method. It may be.
  • FIG. 11 is a schematic view of a method of manufacturing a semiconductor crystal thin film by laser annealing.
  • an example of the irradiated object 190 in which the amorphous silicon film 202 is arranged on the glass substrate 200 is shown.
  • a polysilicon film 204 which is a semiconductor crystal thin film is obtained by melting and polycrystallizing silicon.
  • a protrusion (raised portion) of about 50 nm called a ridge 205 is generated on the surface in the process of melting and polycrystallizing silicon.
  • a ridge having a height of 50 nm to 70 nm may be generated on the surface of the polysilicon film 204 formed by laser annealing the amorphous silicon film 202 having a film thickness of 50 nm.
  • the ridge 205 Since the ridge 205 has a great influence on the characteristics of the semiconductor element formed by using the polysilicon film 204, it is desired to suppress the height of the ridge 205.
  • the problem of the ridge 205 is also described in paragraph 0052 of JP-A 2007-287866.
  • the threshold voltage of the thin film transistor formed by using the polysilicon film 204 varies due to the influence of the ridge 205, and it may be difficult to lower the power supply voltage.
  • a thin film transistor is applied to, for example, a liquid crystal display element, it is difficult to reduce power consumption.
  • FIG. 12 is a schematic view exemplifying the method for manufacturing a semiconductor crystal thin film according to the first embodiment.
  • the method for producing the semiconductor crystal thin film according to the first embodiment is to irradiate the amorphous silicon film 202 with the first pulsed laser beam to make the amorphous silicon polycrystalline (step 1), and to irradiate the amorphous silicon film 202 with the first pulsed laser beam.
  • the ridge 205 of the polycrystalline polysilicon film 204 generated by the above is irradiated with a second pulsed laser beam to flatten the ridge (step 2).
  • planearizing the ridge is meant reducing the height of the ridge.
  • Step 1 is the process of melting and polycrystallization by laser annealing.
  • Step 2 is a step of flattening the polycrystalline ridge produced in Step 1 by laser irradiation.
  • laser annealing the operation of step 1
  • ridge flattening the operation of step 2
  • the irradiation conditions of the laser beam at the time of laser annealing include fluence Fa, pulse time width ⁇ Ta, and irradiation pulse number Na.
  • the irradiation conditions of the laser beam at the time of ridge flattening include fluence Fr, pulse time width ⁇ Tr, and irradiation pulse number Nr.
  • the pulse time width ⁇ Tr of the second pulse laser light is shorter than the pulse time width ⁇ Ta of the first pulse laser light. That is, ⁇ Tr ⁇ Ta.
  • the electric field concentration due to the shape effect of the ridge causes the pulse energy of the laser given to the ridge to be compared with other regions. And grow bigger.
  • the crystalline state of the ridge can be improved and the height can be controlled by partially melting the ridge and its periphery without melting and solidifying the entire film.
  • the fluence Fr of the second pulse laser light is smaller than the fluence Fa of the first pulse laser light. That is, it is preferable that Fr ⁇ Fa.
  • the irradiation pulse number Nr of the second pulse laser light is set to be smaller than the irradiation pulse number Na of the first pulse laser light. That is, it is preferable that Nr ⁇ Na.
  • the laser irradiation condition for laser annealing in step 1 is set to a condition for completely melting the amorphous silicon
  • the laser irradiation condition for flattening the ridge in step 2 is the ridge of polysilicon generated by polycrystallization of laser annealing.
  • the condition is set to lower the part of.
  • FIG. 13 is a table showing examples of irradiation conditions applied in the test for producing the semiconductor crystal thin film. It was confirmed that by combining the irradiation conditions shown in FIG. 13, a semiconductor crystal thin film in which the height of the ridge was suppressed to less than 10 nm was obtained.
  • the time width is 8%.
  • the pulse time width of the full width at half maximum of the pulse laser light for flattening the ridge is preferably 40% or less of the pulse time width of the pulse laser light for laser annealing.
  • the TIS pulse time width of the pulsed laser beam for ridge flattening is preferably 60% or less of the pulse time width of the pulsed laser beam for laser annealing.
  • (Fa, Na) (50, 20), (100, 10) , (150,10), (200,1) and so on.
  • the unit of fluence Fa is millijoule per square centimeter [mJ/cm 2 ] as in FIG. 13.
  • FIG. 14 is a graph showing an example of the pulse waveform of the laser light used in the test.
  • the pulse waveform at the time of ridge flattening has a shorter pulse time width than the pulse waveform at the time of laser annealing.
  • the heads of both pulses are aligned and displayed in order to compare the pulse time widths.
  • the same position (irradiation region) of the object to be irradiated 190 is irradiated with the second pulse laser light after the irradiation of the first pulse laser light. Therefore, there is a time difference between the two pulses as the timing of irradiation of the first pulse laser light and the second pulse laser light with respect to the same position of the object to be irradiated 190.
  • irradiation of the second pulse laser beam to the same region is started after the silicon film is polycrystallized by the irradiation of the first pulse laser beam, that is, after the ridge 205 is formed.
  • the melting and polycrystallization times by the irradiation with the first pulsed laser light are approximately 200 ns. Therefore, for example, after 200 ns or more (that is, after crystallization) from the irradiation timing of the first pulse laser light that is the laser annealing pulse, the second pulse laser light that is the ridge flattening pulse is used as the first pulse laser light. It suffices to irradiate the same area (place) as the light irradiation area. As a result, the ridge 205 formed by polycrystallization can be partially melted and the ridge 205 can be flattened.
  • FIG. 15 shows a configuration example of an optical pulse stretcher (OPS) system for adjusting the pulse time width.
  • OPS optical pulse stretcher
  • the OPS system 220 shown in FIG. 15 includes a first OPS 221 and a second OPS 222.
  • Each of the first OPS 221 and the second OPS 222 may have the same configuration as the OPS system 32 described with reference to FIG.
  • the first OPS 221 includes a beam splitter 230 and concave mirrors 231 to 234.
  • the second OPS 222 includes a beam splitter 240 and concave mirrors 241 to 244.
  • the second OPS 222 is arranged so that the laser light transmitted through the beam splitter 230 of the first OPS 221 is incident on the beam splitter 240 of the second OPS 222.
  • the OPS system 220 is arranged on the optical path between the excimer laser device 210 and the laser annealing device 100.
  • the excimer laser device 210 may be, for example, the master oscillator 30 described with reference to FIG.
  • FIG. 16 shows an example of a mask pattern and crystal growth.
  • FIG. 16 shows an example of an image of a mask pattern and a state of crystals after laser annealing.
  • the left figure of FIG. 16 shows an image of a mask pattern projected on the surface of the irradiated object 190.
  • the right figure of FIG. 16 shows the state of the crystal after laser annealing at the position corresponding to the image of the mask pattern.
  • the right diagram of FIG. 16 shows a sample obtained by etching the ridge portion to remove the ridge portion (crystal grain boundary) by observing it with a scanning electron microscope (SEM). It is an example of the image of.
  • the lines that look like “cracks” are the grain boundaries.
  • a thick grain boundary is generated at a substantially intermediate position in the space portion of the mask pattern image.
  • irradiating the pulse for laser annealing for example, 200 ns or more, irradiate the pulse for flattening the ridge.
  • the ridge is partially melted and flattened.
  • “Flatness” implies that the ridge is suppressed to an acceptable height (eg, less than 10 nm), that is, the flatness is improved.
  • FIG. 17 schematically shows the configuration of the laser annealing system 11 according to the first embodiment. Differences between the configuration shown in FIG. 17 and FIG. 2 will be described.
  • the laser annealing system 11 shown in FIG. 17 differs from the configuration of FIG. 2 in that the beam splitter 70 of the OPS system 32 includes an optical element switching unit 82 that can replace the window 80.
  • the laser annealing control unit 180 arranges the beam splitter 70 on the optical path at the time of laser annealing and arranges the window 80 on the optical path instead of the beam splitter 70 at the time of flattening the ridge.
  • the optical element switching unit 82 is controlled.
  • FIG. 18 is a plan view showing an example of beam scan irradiation at the time of ridge flattening in the first embodiment.
  • the line beam LBr irradiated on the surface of the irradiation object 190 during the ridge flattening includes an image of the line and space pattern of the mask 148 described in FIG.
  • the line beam LBr with which the surface of the irradiation object 190 is irradiated has a beam width in the X-axis direction of Bx and a beam width in the Y-axis direction of By.
  • the line beam LBr moves relative to the irradiated object 190 due to the movement of the XYZ axis stage 172.
  • the line beam LBr moves on the surface of the irradiation object 190 in the positive direction of the X axis (rightward in FIG. 18).
  • FIG. 18 shows a state of scan irradiation in which the surface of the irradiation object 190 is irradiated with laser light by moving the line beam LBr from the scanning irradiation initial position SPrini to the irradiation object 190 to the scanning irradiation end position SPrend.
  • the moving direction of the line beam LBr from the scan irradiation initial position SPrini toward the scan irradiation end position SPrend is referred to as a "scan irradiation direction during ridge flattening".
  • the scan irradiation initial position SPrini at the time of ridge flattening may be the scan irradiation end position SPrind at the time of laser annealing described in FIG.
  • the scan irradiation end position SPrend during the ridge flattening shown in FIG. 18 may be the scan irradiation initial position SPaini during laser annealing described in FIG.
  • a region of the surface of the irradiation object 190 through which the line beam LBr passes that is, a region where scan irradiation for ridge flattening is performed becomes a ridge flattening region 190r in which the ridge is flattened.
  • the region through which the line beam LBr does not pass, that is, the region where the scan irradiation for ridge flattening is not performed is the crystallization region 190p in which the high ridge is still contained.
  • the entire crystallization region 190p can be changed to the ridge flattening region 190r.
  • FIG. 19 is a flowchart showing an example of operation in the laser annealing system 11 according to the first embodiment. The difference between FIG. 19 and FIG. 6 will be described.
  • the flowchart shown in FIG. 19 includes steps S13 and S21 in place of steps S12 and S20 of FIG. 6, and steps S24, S26, and S28 are added after step S22.
  • step S13 the laser annealing control unit 180 reads the laser irradiation condition parameter at the time of laser annealing (2). Steps S14 to S18 after step S13 are the same as in FIG.
  • step S21 the laser annealing control unit 180 calculates and sets (2) control parameters for laser annealing.
  • Step S22 after step S21 is the same as in FIG.
  • step S24 the laser annealing control unit 180 reads (1) the laser irradiation condition parameters for flattening the ridge.
  • step S26 the laser annealing control unit 180 calculates and sets (1) control parameters for flattening the ridge.
  • step S28 the laser annealing control unit 180 performs beam scan irradiation at the time of ridge flattening according to the setting of the control parameters in step S26.
  • the irradiation object 190 is irradiated with the pulsed laser light under the conditions of the set repetition frequency fr, fluence Fr, and irradiation pulse number Nr.
  • step S28 the laser annealing control unit 180 ends the flowchart of FIG.
  • FIG. 20 is a flowchart showing an example of a subroutine applied to step S13 of FIG. That is, FIG. 20 shows an example of the processing content carried out in the step (2) of reading the laser irradiation condition parameter at the time of laser annealing.
  • the laser annealing control unit 180 reads the parameters of the laser annealing conditions. For example, the laser annealing control unit 180 reads each data of the fluence Fa on the irradiation object 190 when performing the laser annealing process, the irradiation pulse number Na, the repetition frequency fa, and the pulse time width ⁇ Ta.
  • the irradiation pulse number Na is an integer of 2 or more.
  • the laser annealing control unit 180 returns to the flowchart of FIG. 19 after step S32.
  • FIG. 21 is a flowchart showing an example of a subroutine applied to step S21 of FIG. That is, FIG. 21 shows an example of processing contents performed in the step (2) of calculation and setting of control parameters during laser annealing. The differences between FIG. 21 and FIG. 9 will be described.
  • step S56 is added to steps S50 to S54 of FIG.
  • the laser annealing control unit 180 controls the OPS system 32 based on the pulse time width ⁇ Ta at the time of laser annealing.
  • the laser annealing control unit 180 controls the OPS system 32 so that the pulse time width of the pulsed laser light emitted from the OPS system 32 is close to the pulse time width ⁇ Ta required as a condition for laser annealing.
  • the laser annealing control unit 180 controls the optical element switching unit 82 so as to arrange the beam splitter 70 on the optical path.
  • step S56 the laser annealing control unit 180 ends the flowchart of FIG. 21 and returns to the flowchart of FIG.
  • FIG. 22 is a flowchart showing an example of a subroutine applied to step S24 of FIG. That is, FIG. 22 shows an example of the processing content performed in the step (1) of reading the laser irradiation condition parameter at the time of ridge flattening.
  • the laser irradiation condition parameters for flattening the ridge are referred to as “parameters for flattening the ridge”.
  • the laser annealing control unit 180 reads the parameters of the ridge flattening condition. For example, the laser annealing control unit 180 reads each data of the fluence Fr on the irradiated object 190 when performing the ridge flattening process, the number of irradiation pulses Nr, the repetition frequency fr, and the pulse time width ⁇ Tr. ..
  • the irradiation pulse number Nr is an integer of 1 or more.
  • the laser annealing controller 180 returns to the flowchart of FIG. 19 after step S80.
  • FIG. 23 is a flowchart showing an example of a subroutine applied to step S26 of FIG. That is, FIG. 23 shows an example of the processing content executed in the step of calculation and setting (1) of the control parameter at the time of ridge flattening.
  • the laser annealing control unit 180 calculates the transmittance Tr of the attenuator 130, which is the fluence Fr under the ridge flattening condition.
  • the transmittance Tr of the attenuator 130 can be obtained from the equation (2) to the following equation (7).
  • Tr (M 2 /Tp)(Fr/Et)(Bx ⁇ By) (7)
  • the laser annealing controller 180 sets the transmittance T of the attenuator 130 to Tr. That is, the laser annealing controller 180 controls the angles of the partial reflection mirrors 131 and 132 so that the transmittance T of the attenuator 130 becomes Tr.
  • step S94 the laser annealing control unit 180 calculates the absolute value Vxr of the speed at which the line beam LBr moves on the surface of the irradiation object 190 during flattening of the ridge. That is, the laser annealing control unit 180 calculates the absolute value Vxr of the moving speed of the XYZ-axis stage 172 in the X-axis direction at the time of ridge flattening. Vxr can be calculated from the following equation (8).
  • the laser annealing control unit 180 controls the OPS system 32 based on the pulse time width ⁇ Tr for flattening the ridge.
  • the laser annealing control unit 180 controls the OPS system 32 so that the pulse time width of the pulsed laser light emitted from the OPS system 32 is close to the pulse time width ⁇ Tr required as a condition for flattening the ridge.
  • the laser annealing control unit 180 controls the optical element switching unit 82 so that the window 80 is arranged on the optical path.
  • step S96 the laser annealing control unit 180 ends the flowchart of FIG. 23 and returns to the flowchart of FIG.
  • FIG. 24 is a flowchart showing an example of a subroutine applied to step S28 of FIG. That is, FIG. 24 shows an example of the processing content performed by the beam scan irradiation at the time of ridge flattening.
  • step S102 the laser annealing control unit 180 calculates the moving speed Vx of the XYZ-axis stage 172 in the X-axis direction.
  • Vx is determined according to the following equation (9).
  • step S104 the laser annealing control unit 180 sets the parameter Vx of the moving speed of the XYZ-axis stage 172 in the X-axis direction according to the calculation result of step S102.
  • the parameters are set so that acceleration, constant velocity linear motion, and deceleration are performed at predetermined times according to the moving distance of the beam scan.
  • Vxr the absolute value of the velocity during constant-velocity linear motion is illustrated.
  • step S106 the laser annealing control unit 180 transmits a movement start signal for the XYZ axis stage 172.
  • Vx determined from the equation (9) is negative
  • the XYZ-axis stage 172 is moved in the negative direction of the X-axis.
  • the line beam LBr moves in the positive direction of the X-axis relative to the irradiated object 190.
  • step S108 of FIG. 24 the laser annealing control unit 180 outputs a light emission trigger signal at the repetition frequency fr.
  • step S110 the laser annealing control unit 180 determines whether or not the movement of the XYZ-axis stage 172 in the X-axis direction has been completed.
  • the laser annealing control unit 180 determines whether or not the scanning irradiation end position SPrend shown in FIG. 18 has been reached. If the determination result in step S110 is No, the laser annealing control unit 180 returns to step S108. Steps S108 to S110 are repeated until the movement of the XYZ axis stage 172 in the X axis direction is completed.
  • the laser annealing controller 180 outputs a light emission trigger signal to the laser controller 38 at the repetition frequency fr during the uniform linear motion of the XYZ axis stage 172 in the X-axis direction.
  • the pulsed laser beam is applied to the scan irradiation region of the object to be irradiated 190 at the repetition frequency fr.
  • step S110 determines whether the beam scan irradiation for one scan irradiation region is completed and the movement of the XYZ axis stage 172 in the X axis direction is completed.
  • the laser annealing control unit 180 is set to step S112. To stop the output of the light emission trigger signal. As a result, the output of the pulsed laser light from the laser device 20 is stopped.
  • step S112 the laser annealing control unit 180 ends the flowchart of FIG. 24 and returns to the flowchart of FIG.
  • one laser device can output two types of pulse laser lights having different pulse time widths. Laser annealing and ridge flattening can be performed using these two types of pulsed laser beams.
  • the laser device 20 in the first embodiment is an example of the "laser system” in the present disclosure.
  • the master oscillator 30 is an example of the “laser oscillator” in the present disclosure.
  • the XYZ axis stage 172 is an example of the "moving mechanism” in the present disclosure.
  • the laser annealing control unit 180 is an example of the “control unit” in the present disclosure.
  • the optical system including the illumination optical system 140 and the projection optical system 150 of the irradiation optical system 110 is an example of the “irradiation optical system” in the present disclosure.
  • Each of the beam splitter 70 and the window 80 of the optical element switching unit 82 is an example of the “optical element” in the present disclosure.
  • the projection optical system 150 is an example of the “transfer optical system” in the present disclosure.
  • the amorphous silicon film 202 is an example of the “amorphous semiconductor” in the present disclosure.
  • the region irradiated with the line beam LBa for laser annealing and polycrystallized is an example of the “semiconductor crystal region” in the present disclosure.
  • the polysilicon film 204 is an example of the "semiconductor crystal" and the "semiconductor crystal thin film” in the present disclosure.
  • the line beam LBa irradiated to the irradiated object 190 is an example of the “first pulsed laser light illumination pattern” in the present disclosure
  • the line beam LBr irradiated to the irradiated object 190 is the “second pulse laser light illumination pattern” in the present disclosure. It is an example of the "illumination pattern of a pulsed laser beam.”
  • the pulse time width ⁇ Ta of the pulsed laser beam for laser annealing is an example of the “first pulse time width” in the present disclosure.
  • the pulse time width ⁇ Tr of the pulsed laser beam for ridge flattening is an example of the “second pulse time width” in the present disclosure.
  • the OPS system may include a plurality of optical pulse stretchers. Good.
  • an optical element switching unit similar to the optical element switching unit 82 may be arranged in each of the plurality of optical pulse stretchers arranged in the OPS system to control the switching of optical elements.
  • the OPS system 32 may be arranged in the optical path between the laser annealing apparatus 100 and the laser apparatus 20.
  • a method of performing laser annealing and ridge flattening by performing beam scan irradiation in which the imaging pattern of the mask 148 is moved on the object to be irradiated 190 is shown, but the present invention is not limited to this example. ..
  • laser irradiation may be performed by the step and repeat method under the irradiation conditions at the time of laser annealing, and then laser irradiation may be performed by the step and repeat method under the irradiation conditions at the time of ridge flattening at the time of ridge flattening.
  • FIG. 25 schematically shows the configuration of the laser annealing system 12 according to the second embodiment. Differences between the configuration shown in FIG. 25 and FIG. 17 will be described.
  • the laser annealing system 12 shown in FIG. 25 differs from the configuration of FIG. 17 in that a shutter 84 for opening and closing the delay optical path is arranged on the delay optical path of the OPS 33 instead of the optical element switching unit 82 of FIG. ..
  • Other configurations are the same as in FIG.
  • the laser annealing controller 180 controls the opening/closing operation of the shutter 84 via the laser controller 38.
  • the reflectance of the beam splitter 70 of the OPS 33 is preferably 55% to 65%, more preferably 60%.
  • the laser annealing controller 180 outputs a delayed optical path opening/closing control signal for operating the shutter 84.
  • the delayed optical path opening/closing control signal transmitted from the laser annealing control unit 180 is transmitted to the drive unit of the shutter 84 via the laser control unit 38.
  • a control signal for opening the shutter 84 is transmitted from the laser annealing control unit 180.
  • the pulse laser light pulse-stretched by the OPS 33 is applied to the irradiation object 190.
  • the pulsed laser light pulse-stretched by the OPS 33 is an example of the “first pulsed laser light” in the present disclosure.
  • a control signal for closing the shutter 84 is transmitted from the laser annealing control unit 180.
  • the shutter 84 is closed, the delayed optical path of the OPS 33 is blocked, so that the pulse laser light that has not been pulse stretched by the OPS 33 is applied to the irradiation target 190.
  • the pulse laser light that is not pulse stretched by the OPS 33 that is, the pulse laser light that has passed through the beam splitter 70 when the shutter 84 is in the closed state is an example of the “second pulse laser light” in the present disclosure.
  • the pulse laser light for laser annealing and the pulse laser light for flattening the ridge are switched and irradiated only by controlling the opening/closing operation of the shutter 84. can do.
  • FIG. 26 schematically shows the configuration of the laser annealing system 13 according to the third embodiment. Differences between the configuration shown in FIG. 26 and FIG. 17 will be described.
  • the laser annealing system 13 according to the third embodiment has a first laser device 21 that outputs a first pulsed laser beam for laser annealing and a second laser that outputs a second pulsed laser beam for ridge flattening.
  • a device 22, a first lightpath tube 26, and a second lightpath tube 27 are included.
  • the first laser device 21 and the first optical path tube 26 may have the same configuration as the laser device 20 and the optical path tube 25 described with reference to FIG.
  • the first optical path tube 26 is arranged on the optical path of the laser beam between the laser beam emitting port of the first laser device 21 and the first laser beam incident port of the laser annealing device 100.
  • the second laser device 22 outputs a second pulse laser light having a pulse time width shorter than the pulse time width of the first pulse laser light output from the first laser device 21.
  • the second laser device 22 may be a laser device having a configuration in which the OPS system 32 is deleted from the configuration of the first laser device 21.
  • the second optical path tube 27 is arranged on the optical path of the laser beam between the laser beam emitting port of the second laser device 22 and the second laser beam incident port of the laser annealing device 100.
  • the irradiation optical system 113 of the laser annealing system 13 has, in addition to the configuration of the irradiation optical system 110 described with reference to FIG. 17, a high reflection for irradiating the irradiation target 190 with the second pulsed laser light for flattening the ridge.
  • Mirrors 321 to 323, an attenuator 330, and an illumination optical system 340 are added.
  • the high-reflection mirror 321 is arranged so that the laser light that has passed through the second optical path tube 27 passes through the attenuator 330 and is incident on the high-reflection mirror 322.
  • the attenuator 330 is arranged on the optical path between the high reflection mirror 321 and the high reflection mirror 322.
  • the attenuator 330 includes two partial reflection mirrors 331 and 332, and rotating stages 335 and 336 that change the incident angle of the partial reflection mirrors 331 and 332, respectively.
  • the high-reflection mirror 322 is arranged so that the laser light passing through the attenuator 330 enters the high-reflection mirror 323.
  • the high-reflection mirror 323 is arranged so that the incident pulsed laser light is incident on the fly-eye lens 345 of the illumination optical system 340.
  • the illumination optical system 340 includes a fly-eye lens 345 and a condenser lens 346.
  • the illumination optical system 340 is an optical system for uniformly illuminating a predetermined illumination area on the mask 148, and is arranged so as to perform Koehler illumination on the mask 148 with a rectangular beam.
  • the fly-eye lens 345 is arranged so that, for example, the focal plane of the fly-eye lens 345 and the front focal plane of the condenser lens 346 coincide with each other, and the condenser lens 346 is positioned between the rear focal plane of the condenser lens 346 and the mask 148. Are arranged so that and match.
  • the line beam LBa for laser annealing that irradiates the surface of the irradiated object 190 via the illumination optical system 140 and the projection optical system 150 has a beam width in the Y-axis direction of Bya on the surface of the irradiated object 190.
  • the beam width in the X-axis direction is Bxa.
  • the line beam LBr for flattening the ridge that is irradiated onto the surface of the irradiation target 190 via the illumination optical system 340 and the projection optical system 150 has a beam width in the Y-axis direction on the surface of the irradiation target 190. It is assumed that it is Byr and the beam width in the X-axis direction is Bxr.
  • the number of irradiation pulses at the time of laser annealing is Na
  • the number of irradiation pulses at the time of ridge flattening is Nr.
  • 340 is configured.
  • the fly-eye lens 145 of the illumination optical system 140 and the fly-eye lens 345 of the illumination optical system 340 have the same pitch interval in the Y-axis direction, and the ratio of the pitch intervals in the X-axis direction is the same as the ratio of Na to Nr.
  • the focal lengths of the condenser lenses 146 and 346 of the illumination optical system 140 and the illumination optical system 340 may be the same.
  • the operation of performing laser annealing by irradiating the irradiated object 190 with the pulsed laser light output from the first laser device 21 is the same as that of the laser annealing system 10 described with reference to FIG.
  • the laser annealing control unit 180 transmits/receives various data such as target pulse energy and signals to/from a laser control unit (not shown) of the second laser device 22.
  • the laser annealing control unit 180 transmits the light emission trigger signal Tr2 to the second laser device 22 in synchronization with the light emission trigger Tr1 of the first laser device 21.
  • the pulsed laser light output from the second laser device 22 passes through the second optical path tube 27, is reflected by the high reflection mirror 321, and enters the attenuator 330.
  • the pulsed laser light transmitted through the attenuator 330 is incident on the illumination optical system 340 via the high reflection mirrors 322 and 323.
  • the pulsed laser light that has passed through the illumination optical system 340 is shaped into a line beam having a rectangular beam shape and a uniform light intensity, and is irradiated onto the mask 148.
  • FIG. 27 is a plan view showing an example of the relationship between the pattern of the mask 148 and the line beams LBam and LBrm that illuminate the mask 148. As shown in FIG. 27, the line beam LBam for laser annealing and the line beam LBrm for ridge flattening are irradiated on the mask 148, respectively.
  • the laser annealing control unit 180 controls the transmittance of the attenuator 130 so that the fluence of the laser annealing line beam LBa on the surface of the irradiation object 190 becomes Fa. Further, the laser annealing control unit 180 controls the transmittance of the attenuator 330 so that the fluence of the ridge flattening line beam LBr on the surface of the irradiation object 190 becomes Fr.
  • the moving speed Vxa of the XYZ axis stage 172 in the X axis direction at the time of laser annealing is obtained by the following equation (10).
  • Vxa fa ⁇ Bxa/Na (10)
  • the moving speed Vxr of the XYZ axis stage 172 in the X axis direction when the ridge is flattened is expressed by the following equation (11).
  • Vxr fr ⁇ Bxr/Nr (11)
  • fa fr
  • Vxa Vxr.
  • FIG. 28 is a plan view showing an example of scan irradiation of a line beam on the irradiated object 190.
  • Laser irradiation and ridge flattening are performed by scanning and irradiating the irradiation object 190 with two line beams, that is, a line beam LBa for laser annealing and a line beam LBr for flattening the ridge. can do.
  • the line beam LBa for laser annealing applied to the surface of the irradiation object 190 is the line-and-space image forming pattern of the mask 148 described with reference to FIG. As shown in FIG. 28, the line beam LBa for laser annealing irradiated on the surface of the object to be irradiated 190 has a beam width in the X-axis direction of Bxa and a beam width in the Y-axis direction of Bya.
  • the line beam LBr for ridge flattening irradiated on the surface of the object to be irradiated 190 has a beam width in the X-axis direction of Bxr and a beam width in the Y-axis direction of Byr.
  • Bya Byr.
  • the two line beams LBa and LBr move relative to the irradiated object 190 due to the movement of the XYZ axis stage 172.
  • the line beams LBa and LBr move the surface of the object to be irradiated 190 in the negative direction of the X-axis (leftward in FIG. 28).
  • the line beam LBa for laser annealing moves from the scan irradiation initial position SPani to the scan irradiation end position Buck with respect to the irradiated object 190.
  • the line beam LBr for ridge flattening follows the movement of the line beam LBa for laser annealing and moves from the scan irradiation initial position SPrini to the scan irradiation end position SPrend with respect to the irradiated object 190.
  • a region of the surface of the irradiation object 190 where the line beam LBa does not pass that is, a region where scan irradiation is not performed, is not yet irradiated with laser light and is amorphous (amorphous).
  • the amorphous region 190a remains in this state.
  • the region of the surface of the irradiated object 190 through which the line beam LBa has passed is a crystallization region 190p in which silicon is polycrystalline due to crystal growth.
  • the region of the surface of the irradiated object 190 through which the line beam LBr for ridge flattening has passed is the ridge flattening region 190r in which the ridge is flattened.
  • a region of the surface of the object to be irradiated 190 which is a region through which the laser annealing line beam LBa has passed and which does not pass through the ridge flattening line beam LBr, is a crystal containing a ridge. This is a converted region 190p.
  • the laser annealing system 13 according to the third embodiment has the following actions and effects as compared with the laser annealing system 11 according to the first embodiment.
  • the amount of dimming can be reduced. This improves the utilization efficiency of the pulsed laser light.
  • Laser annealing and ridge flattening can be performed by one scan irradiation operation in the X-axis direction of the XYZ-axis stage 172, and throughput is improved.
  • the combination of the first laser device 21 and the second laser device 22 in the third embodiment is an example of the “laser system” in the present disclosure.
  • FIG. 29 schematically shows the configuration of the laser annealing system 14 according to the fourth embodiment. Differences between the configuration shown in FIG. 29 and FIG. 26 will be described.
  • the laser annealing system 14 shown in FIG. 29 includes a laser device 23 and a branching system 250 in place of the first laser device 21 and the second laser device 22 in FIG. 26.
  • the laser device 23 is an excimer laser device that does not include an OPS system.
  • the laser device 23 may have, for example, a configuration in which the OPS system 32 is deleted from the laser device 20 described in FIG. 2, and includes the master oscillator 30, the monitor module 34, and the laser control unit 38.
  • a third optical path tube 28, a branching system 250, a first optical path tube 26 and a second optical path tube 27 are arranged on the optical path between the laser device 23 and the laser annealing device 100.
  • the third optical path tube 28 is arranged on the optical path of the laser light between the laser light emitting port of the laser device 23 and the laser light incident port of the branching system 250.
  • the branching system 250 includes a beam splitter 254, an OPS system 32, and a high reflection mirror 257.
  • the beam splitter 254 is arranged on the optical path of laser light between the laser device 23 and the OPS system 32.
  • the beam splitter 254 is coated with a partially reflective film.
  • the reflected light reflected by the beam splitter 245 is arranged so as to enter the high reflection mirror 321 of the laser annealing apparatus 100 via the high reflection mirror 257 and the second optical path tube 27.
  • the reflectance R4 of the beam splitter 254 is a value close to the reflectance calculated by the following formula (12).
  • the OPS system 32 is on the optical path of the transmitted light of the beam splitter 254 and is arranged between the high reflection mirror 121 of the laser annealing device 100 and the beam splitter 254.
  • the laser annealing control unit 180 transmits the light emission trigger signal Tr3 to the laser device 23.
  • the pulsed laser light output from the laser device 23 enters the branching system 250.
  • the pulsed laser light reflected by the beam splitter 254 is not pulse-stretched, passes through the high-reflection mirror 257 and the second optical path tube 27, and enters the high-reflection mirror 321.
  • the pulsed laser light highly reflected by the high-reflection mirror 321 is incident on the attenuator 330.
  • the pulsed laser light transmitted through the attenuator 330 enters the illumination optical system 340 via the high reflection mirrors 322 and 323.
  • the pulsed laser light transmitted through the illumination optical system 340 has a rectangular beam shape, is shaped into a line beam whose light intensity is spatially uniform, and irradiates the mask 148 as a line beam LBrm for ridge flattening. To be done.
  • the relationship between the line beam LBrm and the pattern of the mask 148 is the same as in FIG. 27.
  • the pulsed laser light transmitted through the beam splitter 254 of the branching system 250 is pulse-stretched by the OPS system 32 and incident on the illumination optical system 140 via the high-reflection mirror 121, the attenuator 130, the high-reflection mirror 122 and 123. ..
  • the pulsed laser light transmitted through the illumination optical system 140 has a rectangular beam shape, is shaped into a line beam having a spatially uniform light intensity, and is irradiated onto the mask 148 as a line beam LBam for laser annealing. It The relationship between the line beam LBam and the pattern of the mask 148 is the same as in FIG. 27.
  • the scanning irradiation operation for laser annealing and ridge flattening for the irradiation target 190 is the same as the scanning irradiation operation of the third embodiment described in FIG. 28.
  • the laser annealing system 14 according to the fourth embodiment can perform laser annealing and ridge flattening with one laser device 23 as compared with the configuration of the third embodiment shown in FIG.
  • the reflectance R4 of the beam splitter 254 is closer to the value of the equation (12) as compared with the first embodiment (17) and the second embodiment (25). By doing so, the utilization efficiency of the pulsed laser beam is improved.
  • the laser device 23 in the fourth embodiment is an example of the "third laser device” in the present disclosure.
  • the combination of the laser device 23 and the branching system 250 is an example of the "laser system” in the present disclosure.
  • the branching system 250 is arranged between the laser annealing device 100 and the laser device 23, but the branching system 250 is not limited to this example. May be arranged in the laser apparatus 23 or in the laser annealing apparatus 100.
  • the attenuator 330 does not have to be arranged as long as it is within the control range of the pulse energy of the pulse laser light of the laser device 23.
  • FIG. 30 schematically shows the configuration of the laser annealing system 15 according to the fifth embodiment. Differences between the configuration shown in FIG. 30 and FIG. 29 will be described.
  • the laser annealing system 15 shown in FIG. 30 includes a laser device 24 and a polarization branching system 251 instead of the laser device 23 and the branching system 250 in FIG.
  • the laser device 24 is an excimer laser device that does not include an OPS system, and is a laser device that outputs a linearly polarized pulsed laser light that is orthogonal to the XZ plane.
  • Two windows (not shown) in the optical resonator of the laser device 24 may be arranged at a brewer angle so that the polarized light orthogonal to the XZ plane becomes P-polarized light.
  • the polarization branching system 251 is arranged on the optical path between the laser device 24 and the laser annealing device 100.
  • the second optical path tube 27 shown in FIG. 29 is deleted.
  • the polarization branching system 251 includes a retarder 255 and an OPS system 32.
  • the retarder 255 is arranged on the optical path between the OPS system 32 and the laser device 24.
  • the retarder 255 is a ⁇ /2 plate, and the material of the retarder 255 is, for example, crystal, MgF 2 crystal, or sapphire crystal.
  • the retarder 255 further includes a rotary stage 256 that rotates an angle ⁇ formed by the optical axis of the retarder 255 and the polarization plane of the pulsed laser light incident on the retarder 255.
  • the OPS system 32 is arranged on the optical path of laser light between the laser device 24 and the laser annealing device 100.
  • the beam splitter 70P arranged in the OPS system 32 is coated with a film that partially reflects the S-polarized component and highly transmits the P-polarized component, and is arranged so that the polarized component orthogonal to the XZ plane becomes the S-polarized component.
  • the high reflection mirrors 121 and 321 of FIG. 29 have been deleted, and instead, a polarization beam splitter 324 and a high reflection mirror 325 have been added.
  • the polarization beam splitter 324 is arranged so that the pulsed laser light having a polarization plane orthogonal to the XZ plane becomes S-polarized light and enters the attenuator 130.
  • the polarization beam splitter 324 is coated with a film that highly reflects S-polarized light and highly transmits P-polarized light.
  • the high reflection mirror 325 reflects the transmitted light of the polarizing beam splitter 324, and is arranged so that the reflected light is incident on the attenuator 330.
  • the laser device 24 outputs pulsed laser light having a plane of polarization orthogonal to the XZ plane.
  • the pulsed laser light output from the laser device 24 enters the retarder 255.
  • the retarder 255 rotates the plane of polarization of the pulsed laser light by 2 ⁇ .
  • the pulsed laser light whose plane of polarization is rotated is incident on the beam splitter 70p.
  • a part of the pulsed laser light having a polarization component orthogonal to the XZ plane is reflected by the beam splitter 70p of the OPS system 32, and the other part is transmitted through the beam splitter 70p, and thus pulse-stretched by the OPS system 32. ..
  • the pulsed laser light of the polarization component including the XZ plane is highly transmitted through the beam splitter 70p and is not pulse stretched.
  • the pulsed laser light that has passed through the OPS system 32 enters the polarization beam splitter 324 of the irradiation optical system 114.
  • the polarization component orthogonal to the XZ plane pulse-stretched by the OPS system 32 is highly reflected by the polarization beam splitter 324, and enters the illumination optical system 140 via the attenuator 130 and the high-reflection mirrors 122 and 123.
  • the pulsed laser light that has passed through the illumination optical system 140 is shaped into a rectangular line beam having a uniform intensity distribution, and is irradiated onto the mask 148 for laser annealing.
  • the polarization component including the XZ plane not pulse-stretched by the OPS system 32 is highly transmitted by the polarization beam splitter 324, and is transmitted to the illumination optical system 340 via the high reflection mirror 325, the attenuator 330, and the high reflection mirrors 322 and 323. Incident.
  • the pulsed laser light that has passed through the illumination optical system 340 is shaped into a rectangular line beam having a uniform intensity distribution, and is irradiated onto the mask 148 for flattening the ridge.
  • the operation of irradiating the irradiated object 190 with the pulsed laser light for laser annealing and the pulsed laser light for ridge flattening that have passed through the mask 148 via the projection optical system 150 is the same as that of the fourth embodiment.
  • the laser annealing control unit 180 has a ratio Rab of the pulse energy Ea of the pulsed laser light of the polarized component orthogonal to the XZ plane of the pulsed laser light transmitted through the retarder 255 and the pulse energy Eb of the pulsed laser light of the polarized component including the XZ plane.
  • the retarder 255 is rotated so as to satisfy the relationship of the following expression (13).
  • the ratio of the pulsed laser light for laser annealing and the pulsed laser light for ridge flattening is adjusted by rotating the optical axis of the retarder 255 as compared with the third embodiment shown in FIG. By doing so, the utilization efficiency of the pulsed laser beam is improved.
  • the utilization efficiency of the pulsed laser light is adjusted by adjusting the ratio of the pulsed laser light for laser annealing and the pulsed laser light for ridge flattening. Can be optimized.
  • the combination of the laser device 24 and the polarization splitting system 251 according to the fifth embodiment is an example of the “laser system” in the present disclosure.
  • the laser device 24 is an example of the “fourth laser device” in the present disclosure.
  • the polarization component orthogonal to the XZ plane is an example of the "first polarization component” in the present disclosure.
  • the polarization component including the XZ plane is an example of the "second polarization component" in the present disclosure.
  • the polarization splitting system 251 is arranged between the laser annealing device 100 and the laser device 24.
  • the present invention is not limited to this example. It may be arranged in the apparatus 24 or in the laser annealing apparatus 100.
  • the attenuator 330 does not have to be arranged as long as it is within the control range of the pulse energy of the pulsed laser beam of the laser device 24.
  • FIG. 31 schematically shows the configuration of the laser annealing system 16 according to the sixth embodiment.
  • the projection optical system 151 is used to locally laser-anneal the region portion of the irradiated object 190 that forms the TFT. Differences between the configuration shown in FIG. 31 and FIG. 26 will be described.
  • the irradiation optical system 115 of the laser annealing system 16 shown in FIG. 31 includes illumination optical systems 141 and 341 in place of the illumination optical systems 140 and 340 of FIG. 26. Further, the laser annealing system 16 includes a mask 149 and a projection optical system 151 instead of the mask 148 and the projection optical system 150 in FIG. 26.
  • the first pulsed laser light for laser annealing output from the first laser device 21 enters the illumination optical system 141 via the high reflection mirror 121, the attenuator 130, and the high reflection mirrors 122 and 123.
  • the second pulsed laser beam for ridge flattening output from the second laser device 22 is incident on the illumination optical system 341 via the high reflection mirror 321 and the attenuator 330, and the high reflection mirrors 322 and 323.
  • Each of the illumination optical systems 141 and 341 is an optical system for uniformly illuminating a predetermined illumination area on the mask 148, and is arranged so that the mask 149 is Koehler-illuminated with a rectangular beam.
  • FIG. 32 shows an example of the irradiation region of the beam on the mask 149 and the mask 149.
  • the mask 149 includes a plurality of pattern regions 149pa for forming a plurality of TFTs and a shielding region 149sh. The same fine pattern that promotes crystal growth is formed in each of the plurality of pattern regions 149pa (see FIG. 33).
  • FIG. 32 shows a uniform illumination region LB1 m by the illumination optical system 141 and a uniform illumination region LB2 m by the illumination optical system 341.
  • the uniform illumination region LB1m is an illumination region of a uniform beam for laser annealing.
  • the uniform illumination region LB2m is an irradiation region of a uniform beam for ridge flattening.
  • the number of pattern areas 149pa in the X-axis direction within the uniform illumination area LB1m by the illumination optical system 141 is a number corresponding to the irradiation pulse number Na during laser annealing.
  • the number of pattern regions 149pa in the X-axis direction in the uniform illumination region LB2m by the illumination optical system 341 is the number corresponding to the irradiation pulse number Nr at the ridge flattening.
  • the number of pattern regions 149pa in the X-axis direction arranged on the mask 149 is set to 30, and the number of pattern regions 149pa in the X-axis direction is 30 in the X-axis direction within the uniform illumination region LB1m by the illumination optical system 141.
  • the number of pattern regions 149pa may be 20, and the number of pattern regions 149pa in the X-axis direction within the uniform illumination region LB2m by the illumination optical system 341 may be 20.
  • the number of the pattern region 149pa in the Y-axis direction in each of the uniform illumination region LB1m by the illumination optical system 141 and the uniform illumination region LB2m by the illumination optical system 341 is the same number.
  • the number of pattern regions 149pa in the Y-axis direction is five in FIG. 32, the number is not limited to this example and may be any number that can maintain the fluence during laser annealing.
  • FIG. 33 is an enlarged view showing an example of a fine pattern formed in the pattern area 149pa.
  • This fine pattern may be a line-and-space pattern in which line portions 149L and space portions 149S are alternately arranged as shown in FIG. 33.
  • the fine pattern formed in the pattern region 149pa may be a fine pattern in which crystal nuclei corresponding to the fine pattern are formed by laser annealing and crystals grow.
  • it may be a fine pattern in which dots arranged at the same pitch intervals in the X-axis direction and the Y-axis direction are formed.
  • the projection optical system 150 shown in FIG. 31 is arranged so as to form an image of the fine pattern of each pattern region 149pa of the mask 149 on the formation region of the TFT on the amorphous silicon on the irradiation object 190. In this case, a fine pattern of the pattern region 149pa is projected on the irradiated object 190.
  • the laser annealing control unit 180 controls the first laser device 21 and the attenuator 130 so that the fluence of the pulsed laser light for laser annealing is Fa. Further, the laser annealing controller 180 controls the second laser device 22 and the attenuator 330 so that the fluence of the pulse laser light for flattening the ridge becomes Fr.
  • the laser annealing control unit 180 calculates the velocity Vx in the X-axis direction of the XYZ-axis stage 172 so that the following equation (14) holds.
  • Vx p ⁇ f (14)
  • p is the distance between the TFT formation regions on the irradiation object 190 in the X-axis direction (see FIG. 34).
  • f is the repetition frequency of the first laser device 21 and the second laser device 22.
  • the repetition frequencies of the first laser device 21 and the second laser device 22 are the same f.
  • the laser annealing control unit 180 sets the speed of the XYZ-axis stage 172 in the X-axis direction so that the XYZ-axis stage 172 performs a uniform linear motion at the speed Vx.
  • FIG. 34 is an explanatory diagram of the operation of the laser annealing system 16 according to the sixth embodiment.
  • the laser annealing control unit 180 synchronizes the light emission trigger signals Tr1 and Tr2 with each other so that the laser light is irradiated when each pattern transfer image reaches the TFT formation region on the surface of the irradiation target 190. It transmits to the 1st laser apparatus 21 and the 2nd laser apparatus 22.
  • the pulse-stretched pulsed laser light for laser annealing output from the first laser apparatus 21 is the respective TFTs on the surface of the object to be irradiated 190 under the irradiation conditions of fluence Fa, irradiation pulse number Na, and repetition frequency f.
  • the formation area is irradiated.
  • the amorphous silicon in the TFT forming region is laser-annealed, crystal grows, and a ridge is formed.
  • the pulsed laser light for ridge flattening (pulse laser light without pulse stretching) output from the second laser device 22 is applied to the TFT forming region of each crystallized polysilicon with fluence Fr and irradiation pulse.
  • the ridge is flattened by irradiation under irradiation conditions of several Nr and a repetition frequency f.
  • each of the 50 quadrangular regions arranged in an array of 5 rows and 10 columns indicates a TFT forming region in which the TFT is formed. From right to left in FIG. 34, the beam of the transfer pattern image for laser annealing and the beam of the transfer pattern image for ridge flattening are irradiated.
  • the laser annealing pulse irradiation unit is irradiated with the laser annealing pulse laser light, and amorphous silicon crystal grows to form a ridge.
  • Each square area in the first column from the left represents a TFT forming area in which pulse irradiation for laser annealing was performed only once.
  • Each square region in the second column from the left represents a TFT formation region in which pulse irradiation for laser annealing has been performed twice.
  • the third column shows the TFT formation region where the pulse irradiation is performed three times and the fourth column is performed four times.
  • the ridge flattening pulse irradiation portion is a region crystallized by the preceding pulse irradiation (irradiation pulse number Na) for laser annealing, and is irradiated with the ridge flattening pulse laser light to partially melt the ridge. Is flattened.
  • the TFT formation region in the fifth row is the region where the number of pulse irradiations of the pulsed laser beam for ridge flattening is the first.
  • the TFT formation region in the sixth column represents the TFT formation region in which the pulse irradiation for flattening the ridge was performed twice.
  • the TFT formation region in the seventh column represents the TFT formation region in which the pulse irradiation for flattening the ridge was performed three times.
  • pulse irradiation of the pulse laser light for flattening the ridge is performed three times on one (same) TFT formation region.
  • the region other than the TFT formation region is an amorphous portion which is not irradiated with laser light.
  • the sixth embodiment has the following actions and effects as compared with the first embodiment described in FIG. That is, the projection optical system 151 can reduce the mask pattern to the TFT forming region on the object to be irradiated 190 to form a transfer image, and irradiate the pulse laser light for laser annealing and the pulse laser light for ridge flattening. Use efficiency of light becomes high.
  • the first laser device 21 that outputs a pulse laser beam having a long pulse time width for laser annealing and the pulse laser beam that has a short pulse time width for flattening the ridge are output.
  • the present invention is not limited to this example.
  • the laser device 23 and the branching system 250 of FIG. 29 are arranged, or as shown in FIG. 30, the laser device 24 and the polarization branching are performed. It is also possible to adopt a configuration in which the system 251 is arranged and separately irradiate the pulsed laser light for laser annealing and the pulsed laser light for flattening the ridge.
  • the projection optical system 151 of the mask 149 a plurality of pattern regions 149pa are transferred and imaged on the TFT formation region by one projection optical system 151, but the present invention is not limited to this example.
  • the projection optical system may be a projection optical system that includes a plurality of projection optical systems and transfers and forms one image for one pattern region, or a projection optical system for laser annealing.
  • a projection optical system for flattening the ridge may be included.
  • FIG. 35 schematically shows the configuration of the laser annealing system 17 according to the seventh embodiment. Differences between the configuration of FIG. 35 and FIG. 26 will be described.
  • the laser annealing system 17 shown in FIG. 35 is different from that of FIG. 26 in that it does not have the projection optical system 150.
  • the irradiation optical system 116 of the laser annealing system 17 includes an illumination optical system 142 and an illumination optical system 342 instead of the illumination optical system 140 and the illumination optical system 340 of FIG.
  • the mask 148 shown in FIG. 35 is arranged close to the surface of the irradiation object 190.
  • the distance between the mask 148 and the irradiation object 190 may be, for example, a distance in the range of 0.2 mm to 0.5 mm.
  • the illumination optical system 142 uniformly illuminates the surface of the irradiation object 190 with a line beam through the mask 148.
  • the line beam irradiated to the irradiated object 190 by the illumination optical system 142 is used for laser annealing.
  • the illumination optical system 342 uniformly illuminates the surface of the irradiation object 190 with a line beam through the mask 148.
  • the line beam applied to the irradiation object 190 by the illumination optical system 342 is used for flattening the ridge.
  • the pulsed laser light for laser annealing and the pulsed laser light for ridge flattening pass through the mask 148 arranged close to the irradiated object 190, and a pattern close to the mask pattern is transmitted on the irradiated object 190. Of the pulsed laser light.
  • the projection optical system can be omitted, and the system configuration can be simplified as compared with the third embodiment.
  • the first laser device 21 that outputs a pulsed laser beam having a long pulse time width for laser annealing and the pulsed laser beam having a short pulse time width for ridge flattening are output.
  • the present invention is not limited to this example.
  • the laser device 23 and the branching system 250 in FIG. 29 are arranged, or as shown in FIG. 30, the laser device 24 and the polarization branching are performed.
  • a configuration in which the system 251 is arranged may be adopted, and the pulse laser light for laser annealing and the pulse laser light for flattening the ridge may be separately irradiated.
  • Embodiment 8 11.1 Configuration FIG. 36 schematically shows the configuration of the laser annealing system 18 according to the eighth embodiment. Differences between the configuration shown in FIG. 36 and FIG. 26 will be described.
  • the laser annealing system 18 shown in FIG. 36 includes an irradiation optical system 117 instead of the irradiation optical system 113 shown in FIG.
  • the illumination optical system 117 does not include the high reflection mirrors 123 and 323 and the illumination optical systems 140 and 340 in FIG. 26, and includes an illumination optical system system 360 instead of these optical systems.
  • the illumination optical system system 360 includes fly-eye lenses 361 and 362, high-reflection mirrors 365 and 366, and condenser lenses 368.
  • the fly-eye lens 361 and the high-reflection mirror 365 are arranged on the optical path of the pulsed laser light for laser annealing.
  • the fly-eye lens 361 is arranged so that the pulsed laser light for laser annealing emitted from the high-reflection mirror 122 is incident on the fly-eye lens 361.
  • the fly-eye lens 362 and the high-reflection mirror 366 are arranged on the optical path of the pulsed laser light for ridge flattening.
  • the fly-eye lens 362 is arranged so that the pulsed laser light for ridge flattening emitted from the high-reflection mirror 322 is incident on the fly-eye lens 362.
  • the high-reflection mirror 366 is arranged so that the central axis of the pulsed laser light transmitted through the fly-eye lens 362 is vertically incident on the condenser lens 368 as shown in the drawing.
  • the central axis of the pulsed laser light transmitted through the fly-eye lens 361 is obliquely incident on the condenser lens 368 as shown in the figure. Arranged to do so.
  • the reflection angle of the high-reflection mirror 365 is adjusted so that the ridge flattening line beam LBr is arranged near the laser annealing line beam LBa on the surface of the irradiation object 190.
  • Modification “1” For flattening the ridge on the surface of the irradiation object 190 by adjusting the angle of the high-reflection mirror 366 instead of or in addition to adjusting the angle of the high-reflection mirror 365.
  • the arrangement position of the line beam may be adjusted.
  • a tilt rotation stage that tilts the Y-axis as a center is attached to the high-reflection mirror 365, and the position of the line beam for laser annealing is controlled according to the moving direction of the XYZ-axis stage 172 in the X-axis direction. Good.
  • a laser device and a branching system or a polarization branching system may be arranged so that pulsed laser lights for laser annealing and ridge flattening are separately irradiated.
  • An electronic device including a semiconductor element represented by a TFT can be manufactured by using the semiconductor thin film manufactured by the method for manufacturing a semiconductor crystal thin film of the present disclosure.

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Abstract

本開示の一観点に係る半導体結晶薄膜の製造方法は、第１のパルス時間幅の第１のパルスレーザ光を非晶質半導体に照射することによって非晶質半導体を多結晶化することと、多結晶化した半導体結晶の領域に、第１のパルス時間幅よりも短い第２のパルス時間幅の第２のパルスレーザ光を照射することにより半導体結晶のリッジの高さを低減させることと、を含む。

Description

半導体結晶薄膜の製造方法、及びレーザアニールシステム
　本開示は、半導体結晶薄膜の製造方法、及びレーザアニールシステムに関する。
　ガラス基板を用いたフラットパネルディスプレイの駆動素子には薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）が用いられている。高精細ディスプレイの実現には、駆動力の高いＴＦＴの作製が必要となる。ＴＦＴのチャネル材である半導体薄膜には、多結晶シリコンやＩＧＺＯ（Indium gallium zinc oxide）などが用いられている。多結晶シリコンやＩＧＺＯは、アモルファスシリコンよりもキャリア移動度が高く、トランジスタのオン／オフ特性に優れている。
　また、半導体薄膜は、より高機能なデバイスを実現する３Ｄ－ＩＣへの適用も期待されている。３Ｄ－ＩＣは、集積回路デバイスの最上層にセンサや増幅回路、ＣＭＯＳ回路などの能動素子を形成することにより実現される。そのため、より高品質な半導体薄膜を製造する技術が求められている。
　さらに、情報端末機器の多様化にともない、小型・軽量で消費電力が少なく自由に折り曲げが可能なフレキシブルディスプレイやフレキシブルコンピュータに対する要求が高まりつつある。そのため、ＰＥＴ（Polyethylene terephthalate）などのプラスティック基板上に高品質な半導体薄膜を形成する技術の確立が求められている。
　ガラス基板上、集積回路上、あるいはプラスティック基板上に高品質な半導体薄膜を形成するためには、これらの基板に熱損傷を与えることなく半導体薄膜の結晶化を行う必要がある。ディスプレイに用いられるガラス基板では４００℃、集積回路では４００℃、プラスティック基板であるＰＥＴでは２００℃以下のプロセス温度が求められている。
　半導体薄膜の下地基板に熱損傷を与えることなく結晶化を行う技術としてレーザアニール法が用いられている。この方法では、熱拡散による基板への損傷を抑制するため、上層の半導体薄膜で吸収されるパルス紫外レーザ光が用いられる。
　半導体薄膜がシリコンである場合には、波長３５１ｎｍのＸｅＦエキシマレーザ、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザ、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザなどが用いられる。これら紫外領域のガスレーザは、固体レーザと比較してレーザ光の干渉性が低く、レーザ光照射面でのエネルギ均一性に優れ、高いパルスエネルギで広い領域を均一にアニールできるという特徴を有する。
米国特許出願公開第２００５／０２１１９８７号 特開２００７－２８７８６６号公報 米国特許第６１１７７５２号 米国特許出願公開第２０１８／００４０７１８号 国際公開第２０１８／０４７２２０号
概要
　本開示の１つの観点に係る半導体結晶薄膜の製造方法は、第１のパルス時間幅の第１のパルスレーザ光を非晶質半導体に照射することによって非晶質半導体を多結晶化することと、第１のパルスレーザ光が照射されて多結晶化した半導体結晶の領域に、第１のパルス時間幅よりも短い第２のパルス時間幅の第２のパルスレーザ光を照射することにより半導体結晶のリッジの高さを低減させることと、を含む。
　本開示の他の１つの観点に係るレーザアニールシステムは、第１のパルス時間幅の第１のパルスレーザ光と第１のパルス時間幅よりも短い第２のパルス時間幅の第２のパルスレーザ光を出力するレーザシステムと、第１のパルスレーザ光及び第２のパルスレーザ光を被照射物に照射するレーザアニール装置と、を含み、レーザアニール装置は、第１のパルスレーザ光及び第２のパルスレーザ光を被照射物に導く照射光学系と、被照射物に対する第１のパルスレーザ光及び第２のパルスレーザ光の照射位置を相対的に移動させる移動機構と、第１のパルスレーザ光を被照射物に照射し、第１のパルスレーザ光の照射後に、被照射物における第１のパルスレーザ光が照射された領域に第２のパルスレーザ光を照射するようにレーザシステムを制御する制御部と、を含む。
　本開示のいくつかの実施形態を、単なる例として、添付の図面を参照して以下に説明する。
図１は、レーザ光のパルス時間幅の説明図である。 図２は、例示的なレーザアニールシステムの構成を概略的に示す。 図３は、マスクのパターンとマスクを照明するラインビームとの関係の例を示す平面図である。 図４は、被照射物に対するラインビームのスキャン照射の例を示す平面図である。 図５は、図４中の破線円で囲んだ部分の拡大図である。 図６は、レーザアニールシステムにおける動作の例を示すフローチャートである。 図７は、図６のステップＳ１２に適用されるサブルーチンの例を示すフローチャートである。 図８は、図６のステップＳ１４に適用されるサブルーチンの例を示すフローチャートである。 図９は、図６のステップＳ２０に適用されるサブルーチンの例を示すフローチャートである。 図１０は、図６のステップＳ２２に適用されるサブルーチンの例を示すフローチャートである。 図１１は、レーザアニールによる半導体結晶薄膜の製造プロセスの模式図である。 図１２は、実施形態１に係る半導体結晶薄膜の製造プロセスを例示的に示す模式図である。 図１３は、試験の際に適用したレーザ光の照射条件を示す図表である。 図１４は、レーザ光のパルス波形の例を示すグラフである。 図１５は、光学パルスストレッチャシステムの構成例を示す。 図１６は、マスクパターンと結晶成長の例を示す。 図１７は、実施形態１に係るレーザアニールシステムの構成を概略的に示す。 図１８は、実施形態１におけるリッジ平坦化時のビームスキャン照射の例を示す平面図である。 図１９は、実施形態１に係るレーザアニールシステムにおける動作の例を示すフローチャートである。 図２０は、図１９のステップＳ１３に適用されるサブルーチンの例を示すフローチャートである。 図２１は、図１９のステップＳ２１に適用されるサブルーチンの例を示すフローチャートである。 図２２は、図１９のステップＳ２４に適用されるサブルーチンの例を示すフローチャートである。 図２３は、図１９のステップＳ２６に適用されるサブルーチンの例を示すフローチャートである。 図２４は、図１９のステップＳ２８に適用されるサブルーチンの例を示すフローチャートである。 図２５は、実施形態２に係るレーザアニールシステムの構成を概略的に示す。 図２６は、実施形態３に係るレーザアニールシステムの構成を概略的に示す。 図２７は、マスクのパターンとマスクを照明するラインビームの関係の例を示す平面図である。 図２８は、被照射物に対するラインビームのスキャン照射の例を示す平面図である。 図２９は、実施形態４に係るレーザアニールシステムの構成を概略的に示す。 図３０は、実施形態５に係るレーザアニールシステムの構成を概略的に示す。 図３１は、実施形態６に係るレーザアニールシステムの構成を概略的に示す。 図３２は、マスクとマスクに対するビームの照射領域の例を示す。 図３３は、マスクのパターン領域に形成されている微細パターンの例を示す拡大図である。 図３４は、実施形態６に係るレーザアニールシステムの動作の説明図である。 図３５は、実施形態７に係るレーザアニールシステムの構成を概略的に示す。 図３６は、実施形態８に係るレーザアニールシステムの構成を概略的に示す。
実施形態
　－目次－
１．用語の説明
２．レーザアニールシステムの全体説明
　２．１　構成
　２．２　動作
　２．３　動作の例
　２．４　その他
３．課題
４．実施形態１
　４．１　半導体結晶薄膜の製造方法の概要
　４．２　照射条件に関する実施例
　４．３　マスクパターンと結晶成長の例
　４．４　レーザアニールシステムの構成
　４．５　動作
　４．６　動作の例
　４．７　作用・効果
　４．８　変形例
５．実施形態２
　５．１　構成
　５．２　動作
　５．３　作用・効果
６．実施形態３
　６．１　構成
　６．２　動作
　６．３　作用・効果
７．実施形態４
　７．１　構成
　７．２　動作
　７．３　作用・効果
　７．４　変形例
８．実施形態５
　８．１　構成
　８．２　動作
　８．３　作用・効果
　８．４　変形例
９．実施形態６
　９．１　構成
　９．２　動作
　９．３　作用・効果
　９．４　変形例
１０．実施形態７
　１０．１　構成
　１０．２　動作
　１０．３　作用・効果
　１０．４　変形例
１１．実施形態８
　１１．１　構成
　１１．２　動作
　１１．３　作用・効果
　１１．４　変形例
１２．その他
　以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。以下に説明される実施形態は、本開示のいくつかの例を示すものであって、本開示の内容を限定するものではない。また、各実施形態で説明される構成及び動作の全てが本開示の構成及び動作として必須であるとは限らない。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。
　１．用語の説明
　図１は、レーザ光のパルス時間幅の説明図である。図１の縦軸は光強度Ｉ［ａ．ｕ．］であり、横軸は時間ｔ［ｎｓ］である。光強度Ｉ［ａ．ｕ．］は、光強度の波形のピーク値（最大光強度値）を１として規格化した値である。レーザ光のパルス時間幅の指標の１つとしてパルス時間幅ΔＴ５０％を用いることができる。パルス時間幅ΔＴ５０％は、図１に示されるように、最大光強度値の５０％値における時間の全幅をいう。
　また、レーザ光のパルス時間幅の他の指標の１つとしてＴＩＳパルス時間幅ΔＴＴＩＳを用いることができる。
　ＴＩＳパルス時間幅ΔＴＴＩＳは、以下の式（１）によって定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、ｔは時間である。Ｉ（ｔ）は時間ｔにおける光強度である。
　２．レーザアニールシステムの全体説明
　２．１　構成
　図２は、例示的なレーザアニールシステムの構成を概略的に示す。レーザアニールシステム１０は、レーザ装置２０と、光路管２５と、レーザアニール装置１００と、を含む。光路管２５は、レーザ装置２０のレーザ光出射口とレーザアニール装置１００のレーザ光入射口との間のレーザ光の光路上に配置される。
　レーザ装置２０は、紫外線のパルスレーザ光を出力するレーザ装置である。例えば、レーザ装置２０は、Ｆ２、ＡｒＦ、ＸｅＣｌ、又はＸｅＦをレーザ媒質とする放電励起式レーザ装置であってよい。レーザ装置２０は、マスターオシレータ（ＭＯ：Master Oscillator）３０と、光学パルスストレッチャ（ＯＰＳ：Optical Pulse Stretcher）システム３２と、モニタモジュール３４と、シャッタ３６と、レーザ制御部３８と、を含む。
　マスターオシレータ３０は、チャンバ４０と、光共振器４２と、充電器４４と、パルスパワーモジュール（ＰＰＭ）４６と、を含む。
　チャンバ４０の中には、レーザ媒質を含むエキシマレーザガスが封入される。エキシマレーザガスはＡｒ又はＫｒ又はＸｅ等の希ガスと、Ｆ２又はＣｌ２等のハロゲンガスと、Ｈｅ又はＮｅ等のバッファガスとを含む混合ガスであってよい。
　チャンバ４０は、１対の電極４８ａ及び４８ｂと、ウインドウ５０及び５２と、を含む。一対の電極４８ａ及び４８ｂは、チャンバ４０内に配置される。電極４８ａは絶縁部材５４に支持されている。電極４８ａは絶縁部材５４のフィードスルーに埋め込まれた導電部５６を介してＰＰＭ４６と接続される。電極４８ｂは図示しないリターンプレートに支持されており、リターンプレートは図示しない配線を用いてチャンバ４０の内面と接続されている。
　ＰＰＭ４６は、スイッチ４７と、いずれも図示しない昇圧トランス及び磁気圧縮回路と、を含む。ＰＰＭ４６は充電器４４と接続される。充電器４４は、ＰＰＭ４６の中の図示しない充電コンデンサを所定の電圧で充電する直流電源装置である。
　光共振器４２は、リアミラー６０と出力結合ミラー６２とを含んで構成される。リアミラー６０は、平面基板に高反射膜がコートされる。出力結合ミラー６２は、平面基板に部分反射膜がコートされる。チャンバ４０は、光共振器４２の光路上に配置される。
　ＯＰＳシステム３２は、マスターオシレータ３０とモニタモジュール３４の間の光路上に配置される。ＯＰＳシステム３２は、入射した光の一部を遅延させてパルスレーザ光の時間幅をストレッチする光学パルスストレッチャ（ＯＰＳ）３３を含む。
　ＯＰＳ３３は、ビームスプリッタ７０と、凹面ミラー７１～７４と、を含む。ビームスプリッタ７０は、マスターオシレータ３０とモニタモジュール３４の間の光路上に配置される。ビームスプリッタ７０は入射するパルスレーザ光の一部を部分反射する膜がコートされている。
　凹面ミラー７１～７４は、それぞれの焦点距離が同じであり、ビームスプリッタ７０から反射したパルスレーザ光のビームが４枚の凹面ミラー７１～７４を高反射して、再びビームスプリッタ７０に入射する位置でビームが転写されるように配置される。
　モニタモジュール３４は、ビームスプリッタ７６と、光センサ７７と、を含む。
　シャッタ３６は、モニタモジュール３４から出力されるパルスレーザ光の光路上に配置される。
　パルスレーザ光の光路は、図示しない筐体及び光路管２５によってシールされ、Ｎ２ガスなどを用いてパージされていてもよい。
　レーザアニール装置１００は、照射光学システム１１０と、フレーム１７０と、ＸＹＺ軸ステージ１７２と、テーブル１７４と、レーザアニール制御部１８０と、を含む。テーブル１７４上に被照射物１９０が固定される。
　照射光学システム１１０は、高反射ミラー１２１～１２３と、アッテネータ１３０と、照明光学系１４０と、マスク１４８と、投影光学系１５０と、ウインドウ１６０と、筐体１６４と、を含む。
　高反射ミラー１２１は、光路管２５を通過したレーザ光がアッテネータ１３０を通過して高反射ミラー１２２に入射するように配置される。
　アッテネータ１３０は、高反射ミラー１２１と高反射ミラー１２２の間の光路上に配置される。アッテネータ１３０は、２枚の部分反射ミラー１３１及び１３２と、それぞれの部分反射ミラー１３１、１３２の入射角度を可変する回転ステージ１３５及び１３６と、を含む。
　高反射ミラー１２２は、アッテネータ１３０を通過したレーザ光が高反射ミラー１２３に入射するように配置される。高反射ミラー１２３は、入射したパルスレーザ光が照明光学系１４０のフライアイレンズ１４５に入射するように配置される。
　照明光学系１４０は、フライアイレンズ１４５と、コンデンサレンズ１４６と、を含む。照明光学系１４０は、マスク１４８上における所定の照明領域を均一照明するための光学系であり、マスク１４８を矩形のビームでケーラ照明するように配置される。マスク１４８上に照射される矩形のビームのＸ軸方向のビーム幅をＢｍｘ、Ｙ軸方向のビーム幅をＢｍｙとする。ここではＢｍｘ＜Ｂｍｙを満たす矩形、すなわち、Ｙ軸方向を長軸方向とする矩形のビームとする。本明細書では矩形のビームを「ラインビーム」という。
　フライアイレンズ１４５は、例えば、フライアイレンズ１４５の焦点面とコンデンサレンズ１４６の前側焦点面とが一致するように配置され、コンデンサレンズ１４６は、コンデンサレンズ１４６の後側焦点面とマスク１４８の位置とが一致するように配置される。
　マスク１４８は、例えば、紫外光を透過する合成石英基板に、金属又は誘電体多層膜のパターンが形成されたマスクである。マスク１４８には、例えば、ラインアンドスペースのパターンが形成されている（図３参照）。
　投影光学系１５０は、ウインドウ１６０を介して、マスク１４８の像が被照射物１９０の表面で結像するように配置される。投影光学系１５０は、複数のレンズ１５２の組合せレンズであって、縮小投影光学系であってもよい。
　ウインドウ１６０は、投影光学系１５０と被照射物１９０の間の光路上に配置される。ウインドウ１６０は、筐体１６４に設けられた穴に、図示しないＯリング等を介して配置される。ウインドウ１６０は、エキシマレーザ光を透過するＣａＦ２結晶や合成石英基板であって、両面に反射抑制膜がコートされてもよい。
　筐体１６４には、窒素（Ｎ２）ガスの入口１６６と出口１６８とが配置されている。筐体１６４は、筐体１６４内に外気が混入するのを抑制するように図示しないＯリング等を介してシールされていてもよい。Ｎ２ガスの入口１６６は、図示しないＮ２ガス供給源と接続される。
　照射光学システム１１０とＸＹＺ軸ステージ１７２はフレーム１７０に固定される。ＸＹＺ軸ステージ１７２は、被照射物１９０に対するパルスレーザ光の照射位置を相対的に移動させる電動ステージである。テーブル１７４はＸＹＺ軸ステージ１７２の上に固定される。被照射物１９０はテーブル１７４の上に固定される。
　被照射物１９０は、例えば、ガラス基板上にアモルファスシリコンがコートされた基板である。ここではシリコン薄膜を例に説明するが、半導体薄膜は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、及びＧｅＳｎのうち少なくとも１つであってよい。
　図３は、マスク１４８のパターンとマスク１４８を照明するラインビームＬＢｍの関係の例を示す平面図である。マスク１４８のパターンは、例えば、遮光部であるライン部１４８Ｌと、光通過部（非遮光部）であるスペース部１４８Ｓと、が交互に並ぶラインアンドスペースのパターンである。マスク１４８を均一照明するラインビームＬＢｍの短軸方向（Ｘ軸方向）とライン部１４８Ｌのライン方向は平行であり、ラインビームＬＢｍの長軸方向（Ｙ軸方向）に複数本のライン部１４８Ｌが所定の間隔で配置される。
　マスク１４８を介して被照射物１９０に照射されるレーザ光は、マスク１４８のパターンの像に対応したパターンを含むビーム群である。マスク１４８を介して被照射物１９０に照射されるレーザ光のパターンは、マスク１４８による遮光部を含めた全体として概ね矩形であるため、被照射物１９０に照射されるレーザ光についても「ラインビーム」と呼ぶ。
　被照射物１９０上におけるラインビームのＸ軸方向のビーム幅をＢｘ、Ｙ軸方向のビーム幅をＢｙとすると、ここではＢｘ＜Ｂｙを満たすラインビームである（図４参照）。
　２．２　動作
　レーザアニール制御部１８０は、レーザアニール時の照射条件パラメータを読み込む。具体的には、レーザアニールを行う際の被照射物１９０上でのフルーエンスＦａと、照射パルス数Ｎａと、繰り返し周波数ｆａとの各データを読み込む。
　レーザアニール制御部１８０とレーザ制御部３８との間で目標パルスエネルギＥｔ等の各種データや信号の送受信が行われる。レーザアニール制御部１８０は、レーザ装置２０に調整発振をさせる。レーザ制御部３８は、目標パルスエネルギＥｔのデータをレーザアニール制御部１８０から受信する。
　レーザ制御部３８は、目標パルスエネルギＥｔのデータを受信すると、シャッタ７８を閉じ、目標パルスエネルギＥｔとなるように充電器４４を制御する。
　レーザ制御部３８は、図示しない内部トリガ生成部によって内部トリガ信号を生成し、ＰＰＭ４６のスイッチ４７に内部トリガ信号が入力される。その結果、マスターオシレータ３０は自然発振する。
　マスターオシレータ３０から出力されたパルスレーザ光はＯＰＳシステム３２によって、パルスレーザ光の時間幅がストレッチされる。ＯＰＳシステム３２から出射されたパルスレーザ光は、モニタモジュール３４のビームスプリッタ７６によってサンプルされ、パルスエネルギＥが計測される。
　レーザ制御部３８は、パルスエネルギＥと目標パルスエネルギＥｔとの差ΔＥが０に近づくように、充電器４４の充電電圧を制御する。
　レーザ制御部３８は、ΔＥが許容範囲となったら、レーザアニール制御部１８０に外部トリガＯＫ信号を送信し、シャッタ７８を開ける。
　レーザアニール制御部１８０は、レーザ制御部３８から外部トリガＯＫ信号を受信する。
　その後、レーザアニール制御部１８０は、投影光学系１５０によってマスク１４８の像が転写される位置が初期位置となるようにＸＹＺ軸ステージ１７２のＸ軸及びＹ軸を制御する。
　続いて、レーザアニール制御部１８０は、マスク１４８の像が被照射物１９０の表面の位置に結像するようにＸＹＺ軸ステージ１７２のＺ軸を制御する。
　レーザアニール制御部１８０は、被照射物１９０の表面位置（すなわち、マスク１４８の像の位置）でのフルーエンスが目標のフルーエンスＦａとなるように、アッテネータ１３０の透過率Ｔを計算する。
　続いて、レーザアニール制御部１８０は、アッテネータ１３０の透過率がＴとなるように、２つの部分反射ミラー１３１及び１３２の入射角度をそれぞれの回転ステージ１３５及び１３６によって制御する。
　続いて、レーザアニール制御部１８０は、繰り返し周波数ｆａで被照射物１９０上のラインビーム幅Ｂｘである場合の照射パルス数がＮａとなるようにＸＹＺ軸ステージ１７２の移動速度Ｖｘを計算する。
　レーザアニール制御部１８０は、Ｘ軸方向にＶｘの速度でテーブル１７４が等速直線運動で移動するようにＸＹＺ軸ステージ１７２を制御する。その結果、被照射物１９０の表面上をラインビームがテーブル１７４の移動方向と逆方向にＶｘの速度で等速直線運動する。
　この間、レーザアニール制御部１８０は、繰り返し周波数ｆａの発光トリガ信号Ｔｒをレーザ制御部３８に送信する。その結果、発光トリガ信号Ｔｒに同期して、マスターオシレータ３０からパルスレーザ光が出力され、モニタモジュール３４のビームスプリッタ７６を透過したパルスレーザ光は、光路管２５を介してレーザアニール装置１００に入射する。
　レーザアニール装置１００に入射したパルスレーザ光は、高反射ミラー１２１によって反射され、アッテネータ１３０を通過して減光され、高反射ミラー１２２によって反射される。
　高反射ミラー１２２及び１２３を高反射したパルスレーザ光は、照明光学系１４０によって光強度が空間的に均一化されて、ラインビームＬＢｍとしてマスク１４８に入射する。
　マスク１４８を透過したパルスレーザ光は、投影光学系１５０によって被照射物１９０の表面に投影される。こうして、パルスレーザ光は、投影光学系１５０を通過して、転写結像した領域の被照射物１９０に照射される。その結果、被照射物１９０の表面でパルスレーザ光が照射された部分がレーザアニールされる。
　図４は、被照射物に対するラインビームのスキャン照射の例を示す平面図である。図５は、図４中の破線円で囲んだ部分の拡大図である。
　被照射物１９０の表面に照射されるラインビームＬＢａは、図３で説明したマスク１４８のラインアンドスペースの像パターンである。図４に示すように、被照射物１９０の表面に照射されるラインビームＬＢａは、Ｘ軸方向のビーム幅がＢｘ、Ｙ軸方向のビーム幅がＢｙである。ラインビームＬＢａは、ＸＹＺ軸ステージ１７２の移動によって、被照射物１９０に対して相対的に移動する。ＸＹＺ軸ステージ１７２をＸ軸の正の方向に移動させることにより、ラインビームＬＢは被照射物１９０の表面をＸ軸の負の方向（図４において左方向）に移動する。
　図４には、被照射物１９０に対してスキャン照射初期位置ＳＰｉｎｉからスキャン照射終了位置ＳＰａｅｎｄまでラインビームＬＢａを移動させて被照射物１９０の表面にレーザ光を照射するスキャン照射の様子が示されている。スキャン照射初期位置ＳＰａｉｎｉからスキャン照射終了位置ＳＰａｅｎｄに向かうラインビームＬＢａの移動方向をレーザアニール時の「スキャン照射方向」という。
　図４において、被照射物１９０の表面のうちラインビームＬＢａが通過した領域、つまり、スキャン照射が行われた領域は、アモルファスシリコンが溶融し、結晶成長によりシリコンが多結晶化した結晶化領域１９０ｐとなる。結晶化領域１９０ｐはポリシリコン膜となる。被照射物１９０の表面のうちラインビームＬＢａが通過していない領域、つまり、スキャン照射が行われていない領域は、未だレーザ光が照射されておらず、アモルファス（非晶質）の状態のままのアモルファス領域１９０ａである。
　図４において破線円で囲んだ部分の拡大図を図５に示す。被照射物１９０の照射されるラインビームＬＢａにおけるマスク１４８の結像パターンのライン部ＭＬＩのフルーエンスは、スペース部ＭＳＩよりも低くなる。このため、レーザアニールされた結晶の形態は、図５に示すように、被照射物１９０表面のライン部ＭＬＩに対応する位置に結晶の核が生成され、各ライン部ＭＬＩの間のスペース部ＭＳＩのＹ軸方向の略中央部で大きな結晶粒界１９２が生成される。
　ラインビームＬＢａがＸ軸の負の方向に移動しながらスキャン照射が行われ、被照射物１９０に対するラインビームＬＢａの位置がスキャン照射終了位置ＳＰａｅｎｄ（図４参照）に到達したら、ＸＹＺ軸ステージ１７２の移動を停止させる。
　２．３　動作の例
　図６は、レーザアニールシステム１０における動作の例を示すフローチャートである。図６のフローチャートに示す処理及び動作は、例えば、レーザアニール制御部１８０として機能するプロセッサがプログラムを実行することによって実現される。
　ステップＳ１０において、被照射物１９０がＸＹＺ軸ステージ１７２のテーブル１７４上にセットされる。被照射物１９０は、図示しないワーク搬送ロボットやその他の自動搬送装置によってテーブル１７４上にセットされてよい。
　ステップＳ１２において、レーザアニール制御部１８０はレーザアニール時のレーザ照射条件パラメータの読み込み（１）を行う。レーザアニール時のレーザ照射条件パラメータを「レーザアニール条件のパラメータ」という。
　ステップＳ１４において、レーザアニール制御部１８０はレーザ装置２０に調整発振を実施させる。レーザアニール制御部１８０は、繰り返し周波数ｆで、レーザ装置２０が目標パルスエネルギＥｔとなるように調整発振させる。
　ステップＳ１６において、レーザアニール制御部１８０は被照射物１９０上でのラインビームＬＢの位置が初期位置となるようにＸＹＺ軸ステージ１７２をＸ軸方向及びＹ軸方向に制御する。
　ステップＳ１８において、レーザアニール制御部１８０はマスク１４８の像が被照射物１９０の表面に結像するようにＸＹＺ軸ステージ１７２をＺ軸方向に制御する。
　ステップＳ２０において、レーザアニール制御部１８０はレーザアニール時の制御パラメータの計算と設定（１）を行う。具体的には、レーザアニール制御部１８０は、短軸方向のラインビーム幅Ｂｘの場合に、フルーエンスＦａとなるように、アッテネータ１３０の透過率Ｔａの計算及び透過率Ｔａの設定を行う。また、レーザアニール制御部１８０は、短軸方向のラインビーム幅Ｂｘの場合に、照射パルス数Ｎａとなるように、ＸＹＺ軸ステージ１７２の移動速度Ｖｘを計算し、移動速度Ｖｘの設定を行う。
　ステップＳ２２において、レーザアニール制御部１８０はステップＳ２０における制御パラメータの設定に従い、レーザアニール時のビームスキャン照射を行う。このビームスキャン照射時には、設定された繰り返し周波数ｆａ、フルーエンスＦａ、及び照射パルス数Ｎａの条件で被照射物１９０に対してパルスレーザ光が照射される。
　ステップＳ２２の後、レーザアニール制御部１８０は図６のフローチャートを終了する。
　図７は、図６のステップＳ１２に適用されるサブルーチンの例を示すフローチャートである。すなわち、図７は、レーザアニール時のレーザ照射条件パラメータの読み込み（１）のステップにて実施される処理内容の例を示す。
　図７のステップＳ３１において、レーザアニール制御部１８０はレーザアニール条件のパラメータの読み込みを行う。例えば、レーザアニール制御部１８０は、レーザアニール処理を行う際の被照射物１９０上でのフルーエンスＦａと、照射パルス数Ｎａと、繰り返し周波数ｆａと、の各データを読み込む。ここで照射パルス数Ｎａは２以上の整数とする。レーザアニール制御部１８０はステップＳ３１の後、図６のフローチャートに復帰する。
　図８は、図６のステップＳ１４に適用されるサブルーチンの例を示すフローチャートである。すなわち、図８は、レーザ装置の調整発振のステップにて実施される処理内容の例を示す。
　図８のステップＳ４０において、レーザアニール制御部１８０は目標パルスエネルギＥｔと繰り返し周波数ｆａのデータをレーザ制御部３８に送信する。この場合の目標パルスエネルギＥｔと繰り返し周波数ｆａは、レーザ装置２０が安定して動作し得る定格のデータであることが好ましい。例えば、目標パルスエネルギＥｔは３０ｍＪから１０００ｍＪの範囲内の値であってよい。また、繰り返し周波数ｆａは６００Ｈｚから６０００Ｈｚの範囲内の値であってよい。また、レーザアニール制御部１８０は、レーザ装置２０の定格のパルスエネルギを目標パルスエネルギＥｔとして予め記憶し、この値を用いてもよい。
　ステップＳ４２において、レーザアニール制御部１８０はレーザ制御部３８からパルスエネルギＯＫ信号を受信したか否かを判定する。ステップＳ４２の判定処理は、例えば、レーザ装置２０から出力されるパルスレーザ光のパルスエネルギＥと目標パルスエネルギＥｔとの差が許容範囲に収まっているか否かの判定に相当する。
　レーザアニール制御部１８０は、ステップＳ４２の判定結果がＹｅｓ判定となるまで、ステップＳ４２を繰り返す。ステップＳ４２の判定結果がＹｅｓ判定となった場合、レーザアニール制御部１８０は図８のサブルーチンを抜けて、図６のフローチャートに復帰する。
　図９は、図６のステップＳ２０に適用されるサブルーチンの例を示すフローチャートである。すなわち、図９は、レーザアニール時の制御パラメータの計算と設定（１）のステップにて実施される処理内容の例を示す。
　図９のステップＳ５０において、レーザアニール制御部１８０はレーザアニール条件のフルーエンスＦａとなるアッテネータ１３０の透過率Ｔａを計算する。
　被照射物１９０表面のフルーエンスは以下の式（２）で表される。
　Ｆ＝Ｍ－２（Ｔ・Ｔｐ・Ｅｔ）／（Ｂｘ・Ｂｙ）　　　　（２）
　式中のＭは、投影光学系１５０の倍率を表す。Ｍは、例えば１から１／５の範囲の値であってよい。
　式中のＴｐは、アッテネータ１３０が最大透過率時のレーザ装置２０から出力されたパルスレーザ光が、被照射物１９０に到達するまでの光学系の透過率を表す。
　式（２）からアッテネータ１３０の透過率Ｔａの計算式として次式（３）が得られる。
　Ｔａ＝（Ｍ２／Ｔｐ）（Ｆａ／Ｅｔ）（Ｂｘ・Ｂｙ）　　（３）
　レーザアニール制御部１８０は式（３）からアッテネータ１３０の透過率Ｔａを求める。
　ステップＳ５２において、レーザアニール制御部１８０はアッテネータ１３０の透過率ＴをＴａに設定する。すなわち、レーザアニール制御部１８０は、アッテネータ１３０の透過率ＴがＴａとなるように、部分反射ミラー１３１及び１３２の角度を制御する。
　次に、ステップＳ５４において、レーザアニール制御部１８０はレーザアニール時のＸＹＺ軸ステージ１７２のＸ軸方向の移動速度の絶対値Ｖｘａを計算する。Ｖｘａは次式（４）から計算できる。
　Ｖｘａ＝ｆａ・Ｂｘ／Ｎａ　　　　　　　　　　　　（４）
　式（４）の導出は次のとおりである。
　ＸＹＺ軸ステージ１７２のＸ軸方向の移動速度の絶対値をＶｘａとすると、レーザアニール時の照射パルス数Ｎａは、次式（５）で表される。
　Ｎａ＝ｆａ・Ｂｘ／Ｖｘａ　　　　　　　　　　　　（５）
　ここで、Ｎａは同じ位置でパルスレーザ光が照射されるパルス数（Ｎａ≧２）となる。
　よって、移動速度の絶対値Ｖｘａは、式（５）を変形した式（４）から求めることができる。
　ステップＳ５４の後、レーザアニール制御部１８０は図９のフローチャートを終了して、図６のフローチャートに復帰する。
　図１０は、図６のステップＳ２２に適用されるサブルーチンの例を示すフローチャートである。すなわち、図１０は、レーザアニール時のビームスキャン照射のステップにて実施される処理内容の例を示す。
　図１０のステップＳ６０において、レーザアニール制御部１８０はＸＹＺ軸ステージ１７２のＸ軸についての移動方向を規定するパラメータＸａの値を「Ｘａ＝１」に設定する。「Ｘａ＝１」はＸＹＺ軸ステージ１７２をＸ軸の「正の方向」に移動させることを表す。
　ステップＳ６２において、レーザアニール制御部１８０はＸＹＺ軸ステージ１７２のＸ軸方向の移動速度Ｖｘを計算する。Ｖｘは、次の式（６）に従って決定される。
　Ｖｘ＝Ｘａ・Ｖｘａ　　　　（６）
　ステップＳ６４において、レーザアニール制御部１８０はステップＳ６２の計算結果に従い、ＸＹＺ軸ステージ１７２のＸ軸方向の移動速度のパラメータＶｘをセットする。なお、実際には、ビームスキャンの移動距離に対応して、加速、等速直線運動、及び減速のそれぞれが所定の時間で行われるようにパラメータをセットする。ここでは、説明を簡単にするために、等速直線運動時の速度の絶対値がＶｘａである場合を例示する。
　式（６）から定まるＶｘが正の場合は、ＸＹＺ軸ステージ１７２をＸ軸の正の方向に移動させる。その結果、被照射物１９０の表面においてラインビームＬＢは被照射物１９０に対して相対的にＸ軸の負の方向に移動する。
　ステップＳ６６において、レーザアニール制御部１８０はＸＹＺ軸ステージ１７２の移動開始信号を送信する。この移動開始信号は、ＸＹＺ軸ステージ１７２の移動を開始させる指令を行う制御信号である。レーザアニール制御部１８０から送信された移動開始信号に従い、ＸＹＺ軸ステージ１７２が移動を開始する。
　ステップＳ６８において、レーザアニール制御部１８０は繰り返し周波数ｆａで発光トリガ信号を出力する。
　ステップＳ７０において、レーザアニール制御部１８０はＸＹＺ軸ステージ１７２のＸ軸方向の移動が終了したか否かの判定を行う。例えば、レーザアニール制御部１８０は図４で説明したスキャン照射終了位置ＳＰａｅｎｄに到達したか否かを判定する。ステップＳ７０の判定結果がＮｏ判定である場合、レーザアニール制御部１８０はステップＳ６８に戻る。ＸＹＺ軸ステージ１７２のＸ軸方向の移動が終了するまで、ステップＳ６８～Ｓ７０を繰り返す。ビームスキャンが開始されてから停止するまでの間は、レーザアニール制御部１８０からレーザ制御部３８に対し、ＸＹＺ軸ステージ１７２のＸ軸方向への等速直線運動中に繰り返し周波数ｆａで発光トリガ信号を出力する。これにより、パルスレーザ光は繰り返し周波数ｆａで被照射物１９０のスキャン照射領域に照射される。
　ステップＳ７０の判定結果がＹｅｓ判定である場合、すなわち、１つのスキャン照射領域に対するビームスキャン照射が完了して、ＸＹＺ軸ステージ１７２のＸ軸方向の移動が終了すると、レーザアニール制御部１８０はステップＳ７２に進み、発光トリガ信号の出力を停止する。これにより、レーザ装置２０からのパルスレーザ光の出力が停止される。
　ステップＳ７２の後、レーザアニール制御部１８０は図１０のフローチャートを終了し、図６のフローチャートに復帰する。
　２．４　その他
　図２から図１０を用いて説明した例では、マスク１４８の結像パターンを被照射物１９０に導き、被照射物１９０の表面上にマスク１４８の結像パターンをスキャン照射することによってレーザアニールを実施する方式を示した。しかし、レーザアニールを実施する際のレーザ光の照射方式はこの例に限定されない。例えば、スキャン照射方式でなく、ＸＹＺ軸ステージ１７２を固定して、照射パルス数Ｎａに到達したら、ＸＹＺ軸ステージ１７２を移動させて次の位置に位置決めしてパルスレーザ光を照射するステップアンドリピート方式であってもよい。
　３．課題
　図１１は、レーザアニールによる半導体結晶薄膜の製造方法の模式図である。ここではガラス基板２００の上にアモルファスシリコン膜２０２が配置された被照射物１９０の例が示されている。このアモルファスシリコン膜２０２にパルスレーザ光を照射してレーザアニールを実施すると、シリコンの溶融及び多結晶化により半導体結晶薄膜であるポリシリコン膜２０４が得られる。
　ところが、レーザアニールによって生成した結晶の表面には、シリコンを溶融及び多結晶化させる過程で表面におよそ５０ｎｍ程度のリッジ２０５と呼ばれる突起（隆起部分）が発生する。例えば、膜厚が５０ｎｍのアモルファスシリコン膜２０２をレーザアニールして形成されるポリシリコン膜２０４の表面に、高さ５０ｎｍ～７０ｎｍのリッジが発生する場合がある。
　このリッジ２０５は、ポリシリコン膜２０４を用いて形成される半導体素子の特性に大きな影響を与えるため、リッジ２０５の高さを抑制することが望まれる。リッジ２０５の問題については、特開２００７－２８７８６６号公報の段落００５２にも記載がある。例えば、ポリシリコン膜２０４を用いて形成される薄膜トランジスタの閾値電圧がリッジ２０５の影響によってばらつき、電源電圧を低くすることが困難になり得る。このような薄膜トランジスタを例えば液晶表示素子に適用した場合には消費電力の低減が困難である。
　４．実施形態１
　４．１　半導体結晶薄膜の製造方法の概要
　図１２は、実施形態１に係る半導体結晶薄膜の製造方法を例示的に示す模式図である。実施形態１に係る半導体結晶薄膜の製造方法は、アモルファスシリコン膜２０２に第１のパルスレーザ光を照射してアモルファスシリコンを多結晶化すること（ステップ１）と、第１のパルスレーザ光の照射によって生成された多結晶のポリシリコン膜２０４のリッジ２０５に対して第２のパルスレーザ光を照射してリッジを平坦化すること（ステップ２）と、を含む。「リッジを平坦化する」とは、リッジの高さを低減することを意味する。
　ステップ１はレーザアニールによる溶融及び多結晶化の工程である。ステップ２はステップ１で生成された多結晶のリッジをレーザ照射によって平坦化する工程である。ここでは説明の便宜上、ステップ１の動作を「レーザアニール」といい、ステップ２の動作を「リッジ平坦化」という。
　レーザアニール時のレーザ光の照射条件には、フルーエンスＦａ、パルス時間幅ΔＴａ、及び照射パルス数Ｎａが含まれる。
　リッジ平坦化時のレーザ光の照射条件には、フルーエンスＦｒ、パルス時間幅ΔＴｒ、及び照射パルス数Ｎｒが含まれる。
　レーザアニール時の照射条件とリッジ平坦化時の照射条件の関係として、第２のパルスレーザ光のパルス時間幅ΔＴｒは第１のパルスレーザ光のパルス時間幅ΔＴａよりも短いものとする。すなわち、ΔＴｒ＜ΔＴａである。
　パルスレーザ光をリッジが形成された多結晶Ｓｉ薄膜に適切なパルス幅及びフルーエンスで照射すると、リッジ部の形状効果による電界集中のため、リッジ部に与えられるレーザのパルスエネルギが他の領域と比較して大きくなる。その結果、膜全体を溶融固化させることなく、リッジ部及びその周辺を部分溶融させることでリッジ部の結晶状態が改善し高さが制御できると考えられる。
　好ましくは追加の条件として、第２のパルスレーザ光のフルーエンスＦｒは第１のパルスレーザ光のフルーエンスＦａよりも小さいものとする。すなわち、Ｆｒ＜Ｆａであることが好ましい。さらなる追加の条件として、第２のパルスレーザ光の照射パルス数Ｎｒは第１のパルスレーザ光の照射パルス数Ｎａよりも少ないものとする。すなわちＮｒ＜Ｎａであることが好ましい。
　つまり、ステップ１のレーザアニール用のレーザ照射条件はアモルファスシリコンを完全溶融させる条件に設定され、ステップ２のリッジ平坦化用のレーザ照射条件はレーザアニールの多結晶化によって生成されたポリシリコンのリッジの部分を低くさせる条件に設定される。ステップ２のレーザ照射を実施することにより、ステップ１の多結晶化で発生したリッジ２０５の高さを１０ｎｍ未満の高さに低減することができる。
　４．２　照射条件に関する実施例
　図１３は、半導体結晶薄膜を生成する試験の際に適用した照射条件の例を示す図表である。図１３に示される照射条件の組み合わせにより、リッジの高さが１０ｎｍ未満に抑制された半導体結晶薄膜が得られることが確認された。図１３に示されたリッジ平坦化用のパルスレーザ光の半値全幅のパルス時間幅ΔＴｒ５０％＝１４ｎｓは、レーザアニール用のパルスレーザ光の半値全幅のパルス時間幅ΔＴａ５０％＝３９ｎｓの３５．８％の時間幅となっている。リッジ平坦化用のパルスレーザ光の半値全幅のパルス時間幅は、レーザアニール用のパルスレーザ光のパルス時間幅の４０％以下の時間幅であることが好ましい。
　また、図１３に示されたリッジ平坦化用のパルスレーザ光のＴＩＳのパルス時間幅ΔＴｒＴＩＳ＝４７ｎｓは、レーザアニール用のパルスレーザ光のＴＩＳのパルス時間幅ΔＴａＴＩＳ＝８７ｎｓの５４．０％の時間幅となっている。リッジ平坦化用のパルスレーザ光のＴＩＳのパルス時間幅は、レーザアニール用のパルスレーザ光のパルス時間幅の６０％以下の時間幅であることが好ましい。
　また、図１３には示さないが、リッジ平坦化時の照射条件としてのフルーエンスＦａと照射パルス数Ｎａの組み合わせの好ましい例として、（Ｆａ，Ｎａ）＝（５０，２０），（１００，１０），（１５０，１０），（２００，１）などがある。なお、フルーエンスＦａの単位は、図１３と同様に、ミリジュール毎平方センチメートル［ｍＪ／ｃｍ２］である。
　図１４は、試験に用いたレーザ光のパルス波形の例を示すグラフである。図１４に示すように、リッジ平坦化時のパルス波形は、レーザアニール時のパルス波形よりもパルス時間幅が短いものである。なお、図１４ではパルス時間幅を比較するために、両パルスの先頭を揃えて表示している。実際は、被照射物１９０の同じ位置（照射領域）に対して、第１のパルスレーザ光の照射後に、第２のパルスレーザ光が照射される。したがって、被照射物１９０の同一位置に対する第１のパルスレーザ光と第２のパルスレーザ光の照射のタイミングとしては両パルスに時間差がある。
　すなわち、第２のパルスレーザ光は、第１のパルスレーザ光の照射によってシリコン膜が多結晶化した後に、つまりリッジ２０５が形成された後に、同領域への照射が開始される。第１のパルスレーザ光の照射による溶融及び多結晶化の時間は、概ね２００ｎｓである。したがって、例えば、レーザアニール用パルスである第１のパルスレーザ光の照射タイミングから２００ｎｓ以上後に（つまり結晶化後に）、リッジ平坦化用パルスである第２のパルスレーザ光を、第１のパルスレーザ光の照射領域と同一領域（場所）に照射すればよい。これにより、多結晶化によって形成されたリッジ２０５を部分溶融させ、リッジ２０５を平坦化することができる。
　図１５は、パルス時間幅を調整するための光学パルスストレッチャ（ＯＰＳ）システムの構成例を示す。図１４に示したレーザアニール時のパルス波形は、図１５のＯＰＳシステム２２０を用いて実現できる。また、図１４に示したリッジ平坦化時のパルス波形は、図１５のＯＰＳシステム２２０における遅延光路の部分を遮光することにより実現できる。
　図１５に示すＯＰＳシステム２２０は、第１のＯＰＳ２２１と第２のＯＰＳ２２２とを含む。第１のＯＰＳ２２１と第２のＯＰＳ２２２のそれぞれは、図２で説明したＯＰＳシステム３２と同様の構成であってよい。第１のＯＰＳ２２１は、ビームスプリッタ２３０と凹面ミラー２３１～２３４とを含む。第１のＯＰＳ２２１による遅延光路長Ｌ（１）は、例えばＬ（１）＝３ｍ（メートル）である。
　第２のＯＰＳ２２２は、ビームスプリッタ２４０と凹面ミラー２４１～２４４とを含む。第２のＯＰＳ２２２による遅延光路長Ｌ（２）は、例えばＬ（２）＝７ｍである。第２のＯＰＳ２２２は、第１のＯＰＳ２２１のビームスプリッタ２３０を透過したレーザ光が第２のＯＰＳ２２２のビームスプリッタ２４０に入射するように配置される。
　ＯＰＳシステム２２０は、エキシマレーザ装置２１０と、レーザアニール装置１００との間の光路上に配置される。エキシマレーザ装置２１０は、例えば、図２で説明したマスターオシレータ３０であってよい。
　４．３　マスクパターンと結晶成長の例
　図１６は、マスクパターンと結晶成長の例を示す。図１６は、マスクパターンの像とレーザアニール後の結晶の状態の例を示す。ここでは、被照射物１９０に照射されるマスクパターンの像がライン幅Ｌ＝０．１５μｍ、スペース幅Ｓ＝１μｍの場合のレーザアニール後の結晶の状態を示す。
　図１６の左図は、被照射物１９０の表面上に投影されるマスクパターンの像を示す。図１６の右図は、マスクパターンの像に対応する位置のレーザアニール後の結晶の状態を示す。なお、図１６の右図は、リッジの部分（結晶粒界）を観察しやすくするために、リッジの部分をエッチングによって除去したサンプルを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）で観察した際の画像の例である。図１６の右図において「ひび割れ」のように見える線が結晶粒界である。図１６に示すように、マスクパターン像のスペース部の略中間位置に太い結晶粒界が生成される。
　レーザアニール用のパルスを照射後、例えば２００ｎｓ以上後にリッジ平坦化用のパルスを照射する。これにより、リッジが部分溶融して平坦化される。「平坦化」は、リッジが許容範囲（例えば、１０ｎｍ未満）の高さに抑制されること、つまり、平坦性が改善されることを含意する。
　４．４　レーザアニールシステムの構成
　図１７は、実施形態１に係るレーザアニールシステム１１の構成を概略的に示す。図１７に示す構成について図２との相違点を説明する。図１７に示すレーザアニールシステム１１は、ＯＰＳシステム３２のビームスプリッタ７０がウインドウ８０と置換可能な光学素子切替ユニット８２を備えている点で図２の構成と異なる。
　４．５　動作
　レーザアニール時の動作は図２の例と同様である。リッジ平坦化時は、リッジ平坦化時の照射条件に変更して、ＸＹＺ軸ステージ１７２のＸ軸を負の方向に移動させて、スキャン照射を行う。ただし、レーザアニール時とリッジ平坦化時とでパルス波形を変更する際には、ＯＰＳシステム３２の光学素子切替ユニット８２を制御する。
　すなわち、レーザアニール制御部１８０は、レーザアニール時にビームスプリッタ７０を光路上に配置し、リッジ平坦化時にはビームスプリッタ７０に代えてウインドウ８０を光路上に配置するように、レーザ制御部３８を介して光学素子切替ユニット８２を制御する。
　図１８は、実施形態１におけるリッジ平坦化時のビームスキャン照射の例を示す平面図である。リッジ平坦化時に被照射物１９０の表面に照射されるラインビームＬＢｒは、図３で説明したマスク１４８のラインアンドスペースパターンの像を含む。図１８に示すように、被照射物１９０の表面に照射されるラインビームＬＢｒは、Ｘ軸方向のビーム幅がＢｘ、Ｙ軸方向のビーム幅がＢｙである。ラインビームＬＢｒは、ＸＹＺ軸ステージ１７２の移動によって、被照射物１９０に対して相対的に移動する。ここでは、ＸＹＺ軸ステージ１７２をＸ軸の負の方向に移動させることにより、ラインビームＬＢｒが被照射物１９０の表面をＸ軸の正の方向（図１８において右方向）に移動する。
　図１８には、被照射物１９０に対してスキャン照射初期位置ＳＰｒｉｎｉからスキャン照射終了位置ＳＰｒｅｎｄまでラインビームＬＢｒを移動させて被照射物１９０の表面にレーザ光を照射するスキャン照射の様子が示されている。スキャン照射初期位置ＳＰｒｉｎｉからスキャン照射終了位置ＳＰｒｅｎｄに向かうラインビームＬＢｒの移動方向を「リッジ平坦化時のスキャン照射方向」という。リッジ平坦化時のスキャン照射初期位置ＳＰｒｉｎｉは、図４で説明したレーザアニール時のスキャン照射終了位置ＳＰａｅｎｄであってよい。また、図１８に示すリッジ平坦化時のスキャン照射終了位置ＳＰｒｅｎｄは、図４で説明したレーザアニール時のスキャン照射初期位置ＳＰａｉｎｉであってよい。
　図１８において、被照射物１９０の表面のうちラインビームＬＢｒが通過した領域、つまり、リッジ平坦化用のスキャン照射が行われた領域は、リッジが平坦化されたリッジ平坦化領域１９０ｒとなる。ラインビームＬＢｒが通過していない領域、つまり、リッジ平坦化用のスキャン照射が行われていない領域は、高いリッジを含んだ状態のままの結晶化領域１９０ｐである。
　図１８に示す状態からさらにラインビームＬＢｒをスキャン照射終了位置ＳＰｒｅｎｄまで移動させることにより、結晶化領域１９０ｐの全域をリッジ平坦化領域１９０ｒに変えることができる。
　４．６　動作の例
　図１９は、実施形態１に係るレーザアニールシステム１１における動作の例を示すフローチャートである。図１９について図６との相違点を説明する。図１９に示すフローチャートは、図６のステップＳ１２及びステップＳ２０に代えて、ステップＳ１３及びステップＳ２１を含み、さらに、ステップＳ２２の後に、ステップＳ２４、ステップＳ２６、及びステップＳ２８が追加されている。
　ステップＳ１３において、レーザアニール制御部１８０はレーザアニール時のレーザ照射条件パラメータの読み込み（２）を行う。ステップＳ１３の後のステップＳ１４からステップＳ１８は図６と同様である。
　ステップＳ１８の後、ステップＳ２１において、レーザアニール制御部１８０はレーザアニール時の制御パラメータの計算と設定（２）を行う。ステップＳ２１の後のステップＳ２２は図６と同様である。
　ステップＳ２２の後、ステップＳ２４において、レーザアニール制御部１８０はリッジ平坦化時のレーザ照射条件パラメータの読み込み（１）を行う。
　ステップＳ２６において、レーザアニール制御部１８０はリッジ平坦化時の制御パラメータの計算と設定（１）を行う。
　ステップＳ２８において、レーザアニール制御部１８０はステップＳ２６における制御パラメータの設定に従い、リッジ平坦化時のビームスキャン照射を行う。このビームスキャン照射時には、設定された繰り返し周波数ｆｒ、フルーエンスＦｒ、及び照射パルス数Ｎｒの条件で被照射物１９０に対してパルスレーザ光が照射される。
　ステップＳ２８の後、レーザアニール制御部１８０は図１９のフローチャートを終了する。
　図２０は、図１９のステップＳ１３に適用されるサブルーチンの例を示すフローチャートである。すなわち、図２０は、レーザアニール時のレーザ照射条件パラメータの読み込み（２）のステップにて実施される処理内容の例を示す。
　図２０のステップＳ３２において、レーザアニール制御部１８０はレーザアニール条件のパラメータの読み込みを行う。例えば、レーザアニール制御部１８０は、レーザアニール処理を行う際の被照射物１９０上でのフルーエンスＦａと、照射パルス数Ｎａと、繰り返し周波数ｆａと、パルス時間幅ΔＴａとの各データを読み込む。照射パルス数Ｎａは２以上の整数とする。レーザアニール制御部１８０はステップＳ３２の後、図１９のフローチャートに復帰する。
　図２１は、図１９のステップＳ２１に適用されるサブルーチンの例を示すフローチャートである。すなわち、図２１は、レーザアニール時の制御パラメータの計算と設定（２）のステップにて実施される処理内容の例を示す。図２１について図９との相違点を説明する。図２１に示すフローチャートは、図９のステップＳ５０～Ｓ５４に、さらにステップＳ５６が追加されている。
　ステップＳ５６において、レーザアニール制御部１８０はレーザアニール時のパルス時間幅ΔＴａに基づいて、ＯＰＳシステム３２を制御する。レーザアニール制御部１８０は、ＯＰＳシステム３２から出射されるパルスレーザ光のパルス時間幅が、レーザアニール時の条件として要求されているパルス時間幅ΔＴａに近くなるようにＯＰＳシステム３２を制御する。図１７に示す構成の場合、レーザアニール制御部１８０は、光路上にビームスプリッタ７０を配置するように光学素子切替ユニット８２を制御する。
　ステップＳ５６の後、レーザアニール制御部１８０は図２１のフローチャートを終了し、図１９のフローチャートに復帰する。
　図２２は、図１９のステップＳ２４に適用されるサブルーチンの例を示すフローチャートである。すなわち、図２２は、リッジ平坦化時のレーザ照射条件パラメータの読み込み（１）のステップにて実施される処理内容の例を示す。リッジ平坦化時のレーザ照射条件パラメータを「リッジ平坦化条件のパラメータ」という。
　図２２のステップＳ８０において、レーザアニール制御部１８０はリッジ平坦化条件のパラメータの読み込みを行う。例えば、レーザアニール制御部１８０は、リッジ平坦化処理を行う際の被照射物１９０上でのフルーエンスＦｒと、照射パルス数Ｎｒと、繰り返し周波数ｆｒと、パルス時間幅ΔＴｒと、の各データを読み込む。ここで照射パルス数Ｎｒは１以上の整数とする。レーザアニール制御部１８０はステップＳ８０の後、図１９のフローチャートに復帰する。
　図２３は、図１９のステップＳ２６に適用されるサブルーチンの例を示すフローチャートである。すなわち、図２３は、リッジ平坦化時の制御パラメータの計算と設定（１）のステップにて実施される処理内容の例を示す。図２３のステップＳ９０において、レーザアニール制御部１８０はリッジ平坦化条件のフルーエンスＦｒとなるアッテネータ１３０の透過率Ｔｒを計算する。
　アッテネータ１３０の透過率Ｔｒは、式（２）から次式（７）によって求めることができる。
　Ｔｒ＝（Ｍ２／Ｔｐ）（Ｆｒ／Ｅｔ）（Ｂｘ・Ｂｙ）　（７）
　ステップＳ９２において、レーザアニール制御部１８０はアッテネータ１３０の透過率ＴをＴｒに設定する。すなわち、レーザアニール制御部１８０は、アッテネータ１３０の透過率ＴがＴｒとなるように、部分反射ミラー１３１及び１３２の角度を制御する。
　ステップＳ９４において、レーザアニール制御部１８０はリッジ平坦化時に被照射物１９０の表面をラインビームＬＢｒが移動する速度の絶対値Ｖｘｒを計算する。すなわち、レーザアニール制御部１８０はリッジ平坦化時のＸＹＺ軸ステージ１７２のＸ軸方向の移動速度の絶対値Ｖｘｒを計算する。Ｖｘｒは次式（８）から計算できる。
　Ｖｘｒ＝ｆｒ・Ｂｘ／Ｎｒ　　　　　　　　　　　　（８）
　ステップＳ９６において、レーザアニール制御部１８０はリッジ平坦化時のパルス時間幅ΔＴｒに基づいてＯＰＳシステム３２を制御する。レーザアニール制御部１８０は、ＯＰＳシステム３２から出射されるパルスレーザ光のパルス時間幅が、リッジ平坦化時の条件として要求されているパルス時間幅ΔＴｒに近くなるようにＯＰＳシステム３２を制御する。図１７に示す構成の場合、レーザアニール制御部１８０は、光路上にウインドウ８０を配置するように光学素子切替ユニット８２を制御する。
　ステップＳ９６の後、レーザアニール制御部１８０は図２３のフローチャートを終了し、図１９のフローチャートに復帰する。
　図２４は、図１９のステップＳ２８に適用されるサブルーチンの例を示すフローチャートである。すなわち、図２４は、リッジ平坦化時のビームスキャン照射にて実施される処理内容の例を示す。図２４のステップＳ１００において、レーザアニール制御部１８０はＸＹＺ軸ステージ１７２のＸ軸についての移動方向を規定するパラメータＸｒの値を「Ｘｒ＝－１」に設定する。「Ｘｒ＝－１」はＸＹＺ軸ステージ１７２をＸ軸の「負の方向」に移動させることを表す。
　ステップＳ１０２において、レーザアニール制御部１８０はＸＹＺ軸ステージ１７２のＸ軸方向の移動速度Ｖｘを計算する。Ｖｘは次の式（９）に従って決定される。
　Ｖｘ＝Ｘｒ・Ｖｘｒ　　　　（９）
　ステップＳ１０４において、レーザアニール制御部１８０はステップＳ１０２の計算結果に従い、ＸＹＺ軸ステージ１７２のＸ軸方向の移動速度のパラメータＶｘをセットする。なお、実際には、ビームスキャンの移動距離に対応して、加速、等速直線運動、及び減速のそれぞれが所定の時間で行われるようにパラメータをセットする。ここでは、説明を簡単にするために、等速直線運動時の速度の絶対値がＶｘｒである場合を例示する。
　ステップＳ１０６において、レーザアニール制御部１８０はＸＹＺ軸ステージ１７２の移動開始信号を送信する。式（９）から定まるＶｘが負の場合は、ＸＹＺ軸ステージ１７２をＸ軸の負の方向に移動させる。その結果、被照射物１９０の表面においてラインビームＬＢｒは被照射物１９０に対して相対的にＸ軸の正の方向に移動する。
　図２４のステップＳ１０８において、レーザアニール制御部１８０は繰り返し周波数ｆｒで発光トリガ信号を出力する。
　ステップＳ１１０において、レーザアニール制御部１８０はＸＹＺ軸ステージ１７２のＸ軸方向の移動が終了したか否かの判定を行う。レーザアニール制御部１８０は、図１８に示すスキャン照射終了位置ＳＰｒｅｎｄに到達したか否かを判定する。ステップＳ１１０の判定結果がＮｏ判定である場合、レーザアニール制御部１８０はステップＳ１０８に戻る。ＸＹＺ軸ステージ１７２のＸ軸方向の移動が終了するまで、ステップＳ１０８～Ｓ１１０を繰り返す。レーザアニール制御部１８０からレーザ制御部３８に対し、ＸＹＺ軸ステージ１７２のＸ軸方向への等速直線運動中に繰り返し周波数ｆｒで発光トリガ信号が出力される。これにより、パルスレーザ光は繰り返し周波数ｆｒで被照射物１９０のスキャン照射領域に照射される。
　ステップＳ１１０の判定結果がＹｅｓ判定である場合、すなわち、１つのスキャン照射領域に対するビームスキャン照射が完了して、ＸＹＺ軸ステージ１７２のＸ軸方向の移動が終了すると、レーザアニール制御部１８０はステップＳ１１２に進み、発光トリガ信号の出力を停止する。これにより、レーザ装置２０からのパルスレーザ光の出力が停止される。
　ステップＳ１１２の後、レーザアニール制御部１８０は図２４のフローチャートを終了し、図１９のフローチャートに復帰する。
　４．７　作用・効果
　実施形態１に係るレーザアニールシステム１１によれば、ＯＰＳシステム３２を制御することによってレーザ装置１台でパルス時間幅の異なる２種類のパルスレーザ光を出力することができ、これら２種類のパルスレーザ光を用いてレーザアニールとリッジ平坦化を行うことが可能である。
　実施形態１におけるレーザ装置２０は本開示における「レーザシステム」の一例である。マスターオシレータ３０は本開示における「レーザ発振器」の一例である。ＸＹＺ軸ステージ１７２は本開示における「移動機構」の一例である。レーザアニール制御部１８０は本開示における「制御部」の一例である。照射光学システム１１０の照明光学系１４０と投影光学系１５０とを含む光学系は本開示における「照射光学系」の一例である。光学素子切替ユニット８２のビームスプリッタ７０とウインドウ８０の各々は本開示における「光学素子」の一例である。投影光学系１５０は本開示における「転写光学系」の一例である。アモルファスシリコン膜２０２は本開示における「非晶質半導体」の一例である。レーザアニール用のラインビームＬＢａが照射されて多結晶化した領域は本開示における「半導体結晶の領域」の一例である。ポリシリコン膜２０４は本開示における「半導体結晶」及び「半導体結晶薄膜」の一例である。被照射物１９０に照射されるラインビームＬＢａは本開示における「第１のパルスレーザ光の照明パターン」の一例であり、被照射物１９０に照射されるラインビームＬＢｒは本開示における「第２のパルスレーザ光の照明パターン」の一例である。レーザアニール用のパルスレーザ光のパルス時間幅ΔＴａは本開示における「第１のパルス時間幅」の一例である。リッジ平坦化用のパルスレーザ光のパルス時間幅ΔＴｒは本開示における「第２のパルス時間幅」の一例である。
　４．８　変形例
　（１）実施形態１ではＯＰＳシステム３２にＯＰＳ３３を１台のみ用いる場合を示したが、図５のように、ＯＰＳシステムは複数台の光学パルスストレッチャを含む構成であってもよい。この場合、ＯＰＳシステムに配置された複数台の光学パルスストレッチャのそれぞれに、光学素子切替ユニット８２と同様の光学素子切替ユニットを配置して光学素子の切替を制御してもよい。
　（２）実施形態１ではＯＰＳシステム３２をレーザ装置２０内に配置した例を示したが、ＯＰＳシステム３２はレーザアニール装置１００とレーザ装置２０の間の光路上に配置してもよい。
　（３）実施形態１ではマスク１４８の結像パターンを被照射物１９０上で移動させるビームスキャン照射を行うことによって、レーザアニールとリッジ平坦化を実施する方式を示したが、この例に限定されない。例えば、レーザアニール時に、レーザアニール時の照射条件でステップアンドリピート方式によってレーザ照射を行い、その後、リッジ平坦化時にリッジ平坦化時の照射条件でステップアンドリピート方式によりレーザ照射を行ってもよい。
　５．実施形態２
　５．１　構成
　図２５は、実施形態２に係るレーザアニールシステム１２の構成を概略的に示す。図２５に示す構成について図１７との相違点を説明する。図２５に示すレーザアニールシステム１２は、図１７の光学素子切替ユニット８２に代えて、ＯＰＳ３３の遅延光路上に遅延光路を開閉するためのシャッタ８４が配置されている点で図１７の構成と異なる。他の構成は、図１７と同様である。レーザアニール制御部１８０は、レーザ制御部３８を介してシャッタ８４の開閉動作を制御する。
　ＯＰＳ３３のビームスプリッタ７０の反射率は５５％～６５％が好ましく、さらに好ましくは６０％である。
　５．２　動作
　レーザアニール制御部１８０は、シャッタ８４を動作させるための遅延光路開閉制御信号を出力する。レーザアニール制御部１８０から送信された遅延光路開閉制御信号は、レーザ制御部３８を介してシャッタ８４の駆動部に送られる。
　レーザアニール時は、レーザアニール制御部１８０からシャッタ８４を開状態にする制御信号が送信される。シャッタ８４を開状態にすると、ＯＰＳ３３によりパルスストレッチされたパルスレーザ光が被照射物１９０に照射される。ＯＰＳ３３によりパルスストレッチされたパルスレーザ光は本開示における「第１のパルスレーザ光」の一例である。
　リッジ平坦化時は、レーザアニール制御部１８０からシャッタ８４を閉状態にする制御信号が送信される。シャッタ８４を閉状態にすると、ＯＰＳ３３の遅延光路が遮光されるため、ＯＰＳ３３によりパルスストレッチされていないパルスレーザ光が被照射物１９０に照射される。ＯＰＳ３３によりパルスストレッチされていないパルスレーザ光、すなわち、シャッタ８４が閉状態である場合にビームスプリッタ７０を透過したパルスレーザ光は本開示における「第２のパルスレーザ光」の一例である。
　５．３　作用・効果
　実施形態２に係るレーザアニールシステム１２によれば、シャッタ８４の開閉動作のみの制御で、レーザアニール用のパルスレーザ光とリッジ平坦化用のパルスレーザ光とを切り替えて照射することができる。
　なお、リッジ平坦化時のフルーエンスＦｒは、レーザアニール時のフルーエンスＦａよりも小さいので（Ｆｒ＜Ｆａ）、シャッタ８４を閉じてもリッジ平坦化時の所望のフルーエンスＦｒで照射することができる。
　６．実施形態３
　６．１　構成
　図２６は、実施形態３に係るレーザアニールシステム１３の構成を概略的に示す。図２６に示す構成について図１７との相違点を説明する。実施形態３に係るレーザアニールシステム１３は、レーザアニール用の第１のパルスレーザ光を出力する第１のレーザ装置２１と、リッジ平坦化用の第２のパルスレーザ光を出力する第２のレーザ装置２２と、第１の光路管２６と、第２の光路管２７と、を含む。第１のレーザ装置２１及び第１の光路管２６は、図１７で説明したレーザ装置２０及び光路管２５と同様の構成であってよい。第１の光路管２６は、第１のレーザ装置２１のレーザ光出射口とレーザアニール装置１００の第１のレーザ光入射口との間のレーザ光の光路上に配置される。
　第２のレーザ装置２２は、第１のレーザ装置２１から出力される第１のパルスレーザ光のパルス時間幅よりも短いパルス時間幅の第２のパルスレーザ光を出力する。第２のレーザ装置２２は、第１のレーザ装置２１の構成からＯＰＳシステム３２を削除した構成のレーザ装置であってよい。
　第２の光路管２７は、第２のレーザ装置２２のレーザ光出射口とレーザアニール装置１００の第２のレーザ光入射口との間のレーザ光の光路上に配置される。
　レーザアニールシステム１３の照射光学システム１１３は、図１７で説明した照射光学システム１１０の構成に加えて、リッジ平坦化用の第２のパルスレーザ光を被照射物１９０に照射するために、高反射ミラー３２１～３２３と、アッテネータ３３０と、照明光学系３４０と、が追加されている。
　高反射ミラー３２１は、第２の光路管２７を通過したレーザ光がアッテネータ３３０を通過して高反射ミラー３２２に入射するように配置される。
　アッテネータ３３０は、高反射ミラー３２１と高反射ミラー３２２の間の光路上に配置される。アッテネータ３３０は、２枚の部分反射ミラー３３１及び３３２と、それぞれの部分反射ミラー３３１、３３２の入射角度を可変する回転ステージ３３５及び３３６と、を含む。
　高反射ミラー３２２は、アッテネータ３３０を通過したレーザ光が高反射ミラー３２３に入射するように配置される。高反射ミラー３２３は、入射したパルスレーザ光を照明光学系３４０のフライアイレンズ３４５に入射するように配置される。
　照明光学系３４０は、フライアイレンズ３４５と、コンデンサレンズ３４６と、を含む。照明光学系３４０は、マスク１４８上における所定の照明領域を均一照明するための光学系であり、マスク１４８を矩形のビームでケーラ照明するように配置される。
　フライアイレンズ３４５は、例えば、フライアイレンズ３４５の焦点面とコンデンサレンズ３４６の前側焦点面とが一致するように配置され、コンデンサレンズ３４６は、コンデンサレンズ３４６の後側焦点面とマスク１４８の位置とが一致するように配置される。
　照明光学系１４０、及び投影光学系１５０を介して被照射物１９０の表面に照射されるレーザアニール用のラインビームＬＢａは、被照射物１９０の表面上においてＹ軸方向のビーム幅がＢｙａであり、Ｘ軸方向のビーム幅がＢｘａであるとする。また、照明光学系３４０、及び投影光学系１５０を介して被照射物１９０の表面に照射されるリッジ平坦化用のラインビームＬＢｒは、被照射物１９０の表面上におけるＹ軸方向のビーム幅がＢｙｒであり、Ｘ軸方向のビーム幅がＢｘｒであるとする。そして、レーザアニール時の照射パルス数をＮａ、リッジ平坦化時の照射パルス数をＮｒとする。実施形態３の場合、ＢｙａとＢｙｒが同じであり（Ｂｙａ＝Ｂｙｒ）、ＢｘａとＢｘｒはＮａとＮｒの比となるように（Ｂｘａ：Ｂｘｒ＝Ｎａ：Ｎｒ）、照明光学系１４０と照明光学系３４０が構成されている。
　例えば、照明光学系１４０のフライアイレンズ１４５と照明光学系３４０のフライアイレンズ３４５のＹ軸方向のピッチ間隔は同じであって、Ｘ軸方向のピッチ間隔の比がＮａとＮｒの比と同じ構成とする。そして、照明光学系１４０及び照明光学系３４０のそれぞれのコンデンサレンズ１４６、３４６の焦点距離が同じであってもよい。
　６．２　動作
　第１のレーザ装置２１から出力されたパルスレーザ光を被照射物１９０に照射することによってレーザアニールを行う動作については図２で説明したレーザアニールシステム１０と同様である。レーザアニール制御部１８０は第２のレーザ装置２２の図示しないレーザ制御部との間で目標パルスエネルギ等の各種データや信号の送受信を行う。レーザアニール制御部１８０は第２のレーザ装置２２に発光トリガ信号Ｔｒ２を第１のレーザ装置２１の発光トリガＴｒ１と同期して送信する。
　第２のレーザ装置２２ら出力されたパルスレーザ光は、第２の光路管２７を通過して高反射ミラー３２１で反射され、アッテネータ３３０に入射する。
　アッテネータ３３０を透過したパルスレーザ光は、高反射ミラー３２２及び３２３を介して照明光学系３４０に入射する。
　照明光学系３４０を透過したパルスレーザ光は、矩形のビーム形状であって光強度が均一化されたラインビームに整形されて、マスク１４８上に照射される。
　図２７は、マスク１４８のパターンとマスク１４８を照明するラインビームＬＢａｍ、ＬＢｒｍの関係の例を示す平面図である。図２７に示すように、レーザアニール用のラインビームＬＢａｍと、リッジ平坦化用のラインビームＬＢｒｍとがそれぞれマスク１４８上に照射される。
　レーザアニール制御部１８０は、被照射物１９０の表面上でのレーザアニール用のラインビームＬＢａのフルーエンスがＦａとなるように、アッテネータ１３０の透過率を制御する。また、レーザアニール制御部１８０は、被照射物１９０の表面上でのリッジ平坦化用のラインビームＬＢｒのフルーエンスがＦｒとなるようにアッテネータ３３０の透過率を制御する。
　レーザアニール時のＸＹＺ軸ステージ１７２のＸ軸方向への移動速度Ｖｘａは以下の式（１０）で求められる。
　Ｖｘａ＝ｆａ・Ｂｘａ／Ｎａ　　　（１０）
　リッジ平坦化時のＸＹＺ軸ステージ１７２のＸ軸方向への移動速度Ｖｘｒは次式（１１）で表される。
　Ｖｘｒ＝ｆｒ・Ｂｘｒ／Ｎｒ　　　　（１１）
　ここで、繰り返し周波数ｆａ＝ｆｒ、Ｒ＝Ｂｘａ／Ｂｘｒ＝Ｎａ／Ｎｒに設定することによって、Ｖｘａ＝Ｖｘｒとなる。
　図２８は、被照射物１９０に対するラインビームのスキャン照射の例を示す平面図である。被照射物１９０に対してレーザアニール用のラインビームＬＢａとリッジ平坦化用のラインビームＬＢｒの２つのラインビームを、図２８に示すようにスキャン照射することによってレーザアニールとリッジ平坦化とを実施することができる。
　被照射物１９０の表面に照射されるレーザアニール用のラインビームＬＢａは、図２７で説明したマスク１４８のラインアンドスペースの結像パターンである。図２８に示すように、被照射物１９０の表面に照射されるレーザアニール用のラインビームＬＢａは、Ｘ軸方向のビーム幅がＢｘａ、Ｙ軸方向のビーム幅がＢｙａである。被照射物１９０の表面に照射されるリッジ平坦化用のラインビームＬＢｒは、Ｘ軸方向のビーム幅がＢｘｒ、Ｙ軸方向のビーム幅がＢｙｒである。ここではＢｙａ＝Ｂｙｒである。
　２つのラインビームＬＢａ、ＬＢｒは、ＸＹＺ軸ステージ１７２の移動によって、被照射物１９０に対して相対的に移動する。ＸＹＺ軸ステージ１７２をＸ軸の正の方向に移動させることにより、ラインビームＬＢａ及びＬＢｒは、被照射物１９０の表面をＸ軸の負の方向（図２８において左方向）に移動する。レーザアニール用のラインビームＬＢａは、被照射物１９０に対してスキャン照射初期位置ＳＰａｉｎｉからスキャン照射終了位置ＳＰａｅｎｄまで移動する。リッジ平坦化用のラインビームＬＢｒは、レーザアニール用のラインビームＬＢａの移動の動きを追って、被照射物１９０に対してスキャン照射初期位置ＳＰｒｉｎｉからスキャン照射終了位置ＳＰｒｅｎｄまで移動する。
　図２８において、被照射物１９０の表面のうちラインビームＬＢａが通過していない領域、つまり、スキャン照射が行われていない領域は、未だレーザ光が照射されておらず、アモルファス（非晶質）の状態のままのアモルファス領域１９０ａである。被照射物１９０の表面のうちラインビームＬＢａが通過した領域は、結晶成長によりシリコンが多結晶化した結晶化領域１９０ｐとなる。被照射物１９０の表面のうちリッジ平坦化用のラインビームＬＢｒが通過した領域は、リッジが平坦化されたリッジ平坦化領域１９０ｒとなる。被照射物１９０の表面のうちレーザアニール用のラインビームＬＢａが通過した領域であって、かつ、リッジ平坦化用のラインビームＬＢｒが通過していない領域は、リッジを含んだ状態のままの結晶化領域１９０ｐである。
　被照射物１９０に対するリッジ平坦化用のラインビームＬＢｒの位置がスキャン照射終了位置ＳＰｒｅｎｄ（図２８参照）に到達したら、ＸＹＺ軸ステージ１７２の移動を停止させる。
　６．３　作用・効果
　実施形態３に係るレーザアニールシステム１３は、実施形態１に係るレーザアニールシステム１１と比較して、以下の作用効果がある。
　［１］レーザアニール用とリッジ平坦化用の２つのラインビームをそれぞれ照明光学系１４０及び３４０によって整形し、Ｒ＝Ｂｘａ／Ｂｘｒ＝Ｎａ／Ｎｒに設定することによって、リッジ平坦化時のアッテネータ３３０の減光量を減らすことができる。これにより、パルスレーザ光の利用効率が改善される。
　［２］ＸＹＺ軸ステージ１７２のＸ軸方向について１回のスキャン照射の動作で、レーザアニールとリッジ平坦化とが可能となり、スループットが改善される。
　実施形態３における第１のレーザ装置２１と第２のレーザ装置２２の組み合わせは本開示における「レーザシステム」の一例である。
　７．実施形態４
　７．１　構成
　図２９は、実施形態４に係るレーザアニールシステム１４の構成を概略的に示す。図２９に示す構成について図２６との相違点を説明する。図２９に示すレーザアニールシステム１４は、図２６における第１のレーザ装置２１及び第２のレーザ装置２２に代えて、レーザ装置２３と分岐システム２５０とを含む。
　レーザ装置２３は、ＯＰＳシステムを含んでいないエキシマレーザ装置である。レーザ装置２３は、例えば、図２で説明したレーザ装置２０からＯＰＳシステム３２を削除した構成であってよく、マスターオシレータ３０とモニタモジュール３４とレーザ制御部３８とを備える。
　レーザ装置２３とレーザアニール装置１００の間の光路上に第３の光路管２８と分岐システム２５０と第１の光路管２６及び第２の光路管２７と、が配置される。第３の光路管２８は、レーザ装置２３のレーザ光出射口と分岐システム２５０のレーザ光入射口との間のレーザ光の光路上に配置される。
　分岐システム２５０は、ビームスプリッタ２５４と、ＯＰＳシステム３２と、高反射ミラー２５７と、を含む。
　ビームスプリッタ２５４は、レーザ装置２３とＯＰＳシステム３２との間のレーザ光の光路上に配置される。ビームスプリッタ２５４は、部分反射膜がコートされている。ビームスプリッタ２４５で反射された反射光は、高反射ミラー２５７と第２の光路管２７を介して、レーザアニール装置１００の高反射ミラー３２１に入射するように配置される。
　ビームスプリッタ２５４の反射率Ｒ４は、以下の式（１２）で計算される反射率に近い値である。
　Ｒ４＝Ｂｙ・Ｂｘａ・Ｆａ／（Ｂｙ・Ｂｘｒ・Ｆｒ）
　　　＝（Ｂｘａ・Ｆａ）／（Ｂｘｒ・Ｆｒ）　　　　　（１２）
　ＯＰＳシステム３２は、ビームスプリッタ２５４の透過光の光路上であって、レーザアニール装置１００の高反射ミラー１２１とビームスプリッタ２５４との間に配置される。
　７．２　動作
　レーザアニール制御部１８０はレーザ装置２３に発光トリガ信号Ｔｒ３を送信する。レーザ装置２３から出力されたパルスレーザ光は分岐システム２５０に入射する。
　ビームスプリッタ２５４によって反射されたパルスレーザ光はパルスストレッチされずに、高反射ミラー２５７と第２の光路管２７を通過して高反射ミラー３２１に入射する。高反射ミラー３２１で高反射されたパルスレーザ光はアッテネータ３３０に入射する。
　アッテネータ３３０を透過したパルスレーザ光は、高反射ミラー３２２及び３２３を介して照明光学系３４０に入射する。
　照明光学系３４０を透過したパルスレーザ光は、矩形のビーム形状であり、光強度が空間的に均一化されたラインビームに整形されて、リッジ平坦化用のラインビームＬＢｒｍとしてマスク１４８上に照射される。ラインビームＬＢｒｍとマスク１４８のパターンとの関係は図２７と同様である。
　一方、分岐システム２５０のビームスプリッタ２５４を透過したパルスレーザ光は、ＯＰＳシステム３２によってパルスストレッチされ、高反射ミラー１２１、アッテネータ１３０、高反射ミラー１２２及び１２３を介して、照明光学系１４０に入射する。
　照明光学系１４０を透過したパルスレーザ光は、矩形のビーム形状であり、光強度が空間的に均一化されたラインビームに整形されて、レーザアニール用のラインビームＬＢａｍとしてマスク１４８上に照射される。ラインビームＬＢａｍとマスク１４８のパターンとの関係は図２７と同様である。
　レーザアニールシステム１４において被照射物１９０に対するレーザアニール用及びリッジ平坦化用のスキャン照射の動作については、図２８で説明した実施形態３のスキャン照射の動作と同様である。
　７．３　作用・効果
　実施形態４に係るレーザアニールシステム１４は、図２６の実施形態３の構成に比べて、１台のレーザ装置２３で、レーザアニールとリッジ平坦化とが可能である。
　また、実施形態４に係るレーザアニールシステム１４は、実施形態１（図１７）及び実施形態２（図２５）と比べて、ビームスプリッタ２５４の反射率Ｒ４を式（１２）の値に近い反射率とすることで、パルスレーザ光の利用効率が改善される。
　実施形態４におけるレーザ装置２３は本開示における「第３のレーザ装置」の一例である。レーザ装置２３と分岐システム２５０の組み合わせは本開示における「レーザシステム」の一例である。
　７．４　変形例
　（１）図２９に示す実施形態４では、分岐システム２５０をレーザアニール装置１００とレーザ装置２３の間に配置したが、この例に限定されることなく、例えば、分岐システム２５０を、レーザ装置２３内又はレーザアニール装置１００内に配置してもよい。
　（２）レーザ装置２３のパルスレーザ光のパルスエネルギの制御範囲内であればアッテネータ３３０を配置しなくてもよい。
　８．実施形態５
　８．１　構成
　図３０は、実施形態５に係るレーザアニールシステム１５の構成を概略的に示す。図３０に示す構成について図２９との相違点を説明する。図３０に示すレーザアニールシステム１５は、図２９におけるレーザ装置２３及び分岐システム２５０に代えて、レーザ装置２４及び偏光分岐システム２５１を含む。
　レーザ装置２４は、ＯＰＳシステムを含んでいないエキシマレーザ装置であって、ＸＺ平面に対して直交する直線偏光のパルスレーザ光を出力するレーザ装置である。
　レーザ装置２４の光共振器中の図示しない２枚のウインドウをブリュースタ角で配置し、ＸＺ平面に対して直交する偏光がＰ偏光となるように配置してもよい。
　レーザ装置２４とレーザアニール装置１００の間の光路上に偏光分岐システム２５１が配置される。なお、図３０に示すレーザアニールシステム１５では、図２９に示した第２の光路管２７は削除されている。
　偏光分岐システム２５１は、リターダ２５５と、ＯＰＳシステム３２と、を含む。リターダ２５５は、ＯＰＳシステム３２とレーザ装置２４の間の光路上に配置される。
　リターダ２５５はλ／２板であって、リターダ２５５の材料は例えば水晶、ＭｇＦ２結晶又はサファイヤ結晶である。リターダ２５５は、リターダ２５５の光学軸とリターダ２５５に入射するパルスレーザ光の偏光面とのなす角度θを回転させる回転ステージ２５６をさらに含む。
　ＯＰＳシステム３２は、レーザ装置２４とレーザアニール装置１００との間のレーザ光の光路上に配置される。ＯＰＳシステム３２に配置されるビームスプリッタ７０Ｐは、Ｓ偏光成分が部分反射し、Ｐ偏光成分が高透過する膜がコートされ、ＸＺ平面と直交する偏光成分がＳ偏光となるように配置される。
　照射光学システム１１４は、図２９の高反射ミラー１２１及び３２１が削除され、代わりに、偏光ビームスプリッタ３２４と、高反射ミラー３２５とが追加されている。
　偏光ビームスプリッタ３２４は、ＸＺ平面に対して直交する偏光面のパルスレーザ光がＳ偏光となり、アッテネータ１３０に入射するように配置される。偏光ビームスプリッタ３２４は、Ｓ偏光を高反射し、Ｐ偏光を高透過する膜がコートされている。
　高反射ミラー３２５は、偏光ビームスプリッタ３２４の透過光を反射して、この反射光がアッテネータ３３０に入射するように配置される。
　８．２　動作
　レーザ装置２４からＸＺ平面に対して直交する偏光面のパルスレーザ光が出力される。レーザ装置２４から出力されたパルスレーザ光はリターダ２５５に入射する。
　リターダ２５５によって、パルスレーザ光の偏光面は２θ回転する。偏光面が回転したパルスレーザ光はビームスプリッタ７０ｐに入射する。
　ＸＺ平面に対して直交する偏光成分のパルスレーザ光の一部は、ＯＰＳシステム３２のビームスプリッタ７０ｐで反射し、他の一部はビームスプリッタ７０ｐを透過するため、ＯＰＳシステム３２によってパルスストレッチされる。
　一方、ＸＺ平面を含む偏光成分のパルスレーザ光は、ビームスプリッタ７０ｐを高透過し、パルスストレッチされない。
　ＯＰＳシステム３２を通過したパルスレーザ光は、照射光学システム１１４の偏光ビームスプリッタ３２４に入射する。ＯＰＳシステム３２によってパルスストレッチされたＸＺ平面に対して直交する偏光成分は、偏光ビームスプリッタ３２４によって高反射され、アッテネータ１３０、高反射ミラー１２２及び１２３を介して照明光学系１４０に入射する。
　照明光学系１４０を透過したパルスレーザ光は、矩形で強度分布が均一化されたラインビームに整形されて、レーザアニール用としてマスク１４８上に照射される。
　一方、ＯＰＳシステム３２によってパルスストレッチされなかったＸＺ平面を含む偏光成分は、偏光ビームスプリッタ３２４によって高透過され、高反射ミラー３２５、アッテネータ３３０、高反射ミラー３２２及び３２３を介して照明光学系３４０に入射する。
　照明光学系３４０を透過したパルスレーザ光は、矩形で強度分布が均一化されたラインビームに整形されて、リッジ平坦化用としてマスク１４８上に照射される。
　マスク１４８を透過したレーザアニール用のパルスレーザ光とリッジ平坦化用のパルスレーザ光とを投影光学系１５０を介して被照射物１９０に照射させる動作は、実施形態４と同様である。
　レーザアニール制御部１８０は、リターダ２５５を透過したパルスレーザ光のＸＺ平面に直交する偏光成分のパルスレーザ光のパルスエネルギＥａとＸＺ平面を含む偏光成分のパルスレーザ光のパルスエネルギＥｂの比Ｒａｂが次式（１３）の関係となるように、リターダ２５５を回転させる。
　Ｒａｂ＝Ｅａ／Ｅｂ＝Ｂｙ・Ｂｘａ・Ｆａ／（Ｂｙ・Ｂｘｒ・Ｆr）
　　　＝（Ｂｘａ・Ｆａ）／（Ｂｘｒ・Ｆｒ）　　　　　　　（１３）
　８．３　作用・効果
　図３０に示す実施形態５は、図２６の実施形態３に比べて、１台のレーザ装置でレーザアニールとリッジ平坦化が可能である。
　図３０に示す実施形態５は、図２６の実施形態３に比べて、リターダ２５５の光学軸を回転させることによって、レーザアニール用のパルスレーザ光とリッジ平坦化用のパルスレーザ光の割合を調節することにより、パルスレーザ光の利用効率が改善される。
　また、レーザアニール時とリッジ平坦化時の照射条件が変更される場合にも、レーザアニール用のパルスレーザ光とリッジ平坦化用のパルスレーザ光の割合を調節することによってパルスレーザ光の利用効率の最適化を行うことができる。
　実施形態５におけるレーザ装置２４と偏光分岐システム２５１の組み合わせは本開示における「レーザシステム」の一例である。レーザ装置２４は本開示における「第４のレーザ装置」の一例である。ＸＺ平面に対して直交する偏光成分は本開示における「第１の偏光成分」の一例である。ＸＺ平面を含む偏光成分は本開示における「第２の偏光成分」の一例である。
　８．４　変形例
　［１］実施形態５では、偏光分岐システム２５１をレーザアニール装置１００とレーザ装置２４の間に配置したが、この例に限定されることなく、例えば、偏光分岐システム２５１をレーザ装置２４内又はレーザアニール装置１００内に配置してもよい。
　［２］レーザ装置２４のパルスレーザ光のパルスエネルギの制御範囲内であればアッテネータ３３０を配置しなくてもよい。
　［３］リターダ２５５の回転角度を調節することによって、パルスレーザ光のＸＺ平面に直交する偏光成分のパルスレーザ光のパルスエネルギＥａとＸＺ平面を含む偏光成分のパルスレーザ光のパルスエネルギＥｂの比Ｒａｂを調整できるため、アッテネータ１３０、３３０のうちの少なくとも一方を省略する構成も可能である。
　９．実施形態６
　９．１　構成
　図３１は、実施形態６に係るレーザアニールシステム１６の構成を概略的に示す。実施形態６では、投影光学系１５１を用いて、被照射物１９０上のＴＦＴを形成する領域部分を局所的にレーザアニールする場合の例を示す。図３１に示す構成について図２６との相違点を説明する。
　図３１に示すレーザアニールシステム１６の照射光学システム１１５は、図２６の照明光学系１４０、３４０に代えて、照明光学系１４１、３４１を含む。また、レーザアニールシステム１６は、図２６のマスク１４８及び投影光学系１５０に代えて、マスク１４９及び投影光学系１５１を含む。
　第１のレーザ装置２１から出力されるレーザアニール用の第１のパルスレーザ光は、高反射ミラー１２１、アッテネータ１３０、高反射ミラー１２２及び１２３を介して照明光学系１４１に入射する。
　第２のレーザ装置２２から出力されるリッジ平坦化用の第２のパルスレーザ光は、高反射ミラー３２１、アッテネータ３３０、高反射ミラー３２２及び３２３を介して照明光学系３４１に入射する。
　照明光学系１４１、３４１の各々は、マスク１４８上における所定の照明領域を均一照明するための光学系であり、マスク１４９を矩形のビームでケーラ照明するように配置される。
　図３２は、マスク１４９とマスク１４９に対するビームの照射領域の例を示す。図３２に示すように、マスク１４９は、複数のＴＦＴを形成するための複数のパターン領域１４９ｐａと、遮蔽領域１４９ｓｈと、を含む。複数のパターン領域１４９ｐａの各々は、結晶成長を促進する同じ微細パターンが形成されている（図３３参照）。
　図３２には、照明光学系１４１による均一照明領域ＬＢ１ｍと、照明光学系３４１による均一照明領域ＬＢ２ｍとが示されている。均一照明領域ＬＢ１ｍは、レーザアニール用の均一ビームの照明領域である。均一照明領域ＬＢ２ｍは、リッジ平坦化用の均一ビームの照射領域である。
　照明光学系１４１による均一照明領域ＬＢ１ｍ内のＸ軸方向のパターン領域１４９ｐａの数は、レーザアニール時の照射パルス数Ｎａに対応する数である。照明光学系３４１による均一照明領域ＬＢ２ｍ内のＸ軸方向のパターン領域１４９ｐａの数は、リッジ平坦化時の照射パルス数Ｎｒに対応する数である。
　図３２では簡単のために、Ｎａ＝４、Ｎｒ＝３の場合の例を示す。なお、例えば、Ｎａ＝２０、Ｎｒ＝１０の場合は、マスク１４９に配列されるＸ軸方向のパターン領域１４９ｐａの数を３０個として、照明光学系１４１による均一照明領域ＬＢ１ｍ内のＸ軸方向のパターン領域１４９ｐａの数を２０個、照明光学系３４１による均一照明領域ＬＢ２ｍ内のＸ軸方向のパターン領域１４９ｐａの数を２０個とすればよい。
　なお、照明光学系１４１による均一照明領域ＬＢ１ｍと、照明光学系３４１による均一照明領域ＬＢ２ｍのそれぞれの領域内におけるＹ軸方向のパターン領域１４９ｐａの数は同じ数である。図３２では、Ｙ軸方向のパターン領域１４９ｐａの数が５個の場合を示すが、この例に限定されることなく、レーザアニール時のフルーエンスが維持可能な数であればよい。
　図３３は、パターン領域１４９ｐａに形成されている微細パターンの例を示す拡大図である。この微細パターンは、図３３に示すようなライン部１４９Ｌとスペース部１４９Ｓとが交互に並ぶラインアンドスペースパターンであってもよい。
　パターン領域１４９ｐａに形成されている微細パターンは、レーザアニールによって微細パターンに応じた結晶核を形成し、結晶が成長する微細パターンであればよい。例えば、Ｘ軸方向とＹ軸方向にそれぞれ同じピッチ間隔で配列されたドットが形成された微細パターンであってもよい。
　図３１に示す投影光学系１５０は、マスク１４９の各パターン領域１４９ｐａの微細パターンを被照射物１９０上のアモルファスシリコン上のＴＦＴの形成領域に結像させるように配置される。この場合、パターン領域１４９ｐａの微細パターンが被照射物１９０上に投影される。
　９．２　動作
　レーザアニール制御部１８０は、レーザアニール用のパルスレーザ光のフルーエンスがＦａとなるように、第１のレーザ装置２１とアッテネータ１３０を制御する。また、レーザアニール制御部１８０は、リッジ平坦化用のパルスレーザ光のフルーエンスがＦｒとなるように、第２のレーザ装置２２とアッテネータ３３０を制御する。
　レーザアニール制御部１８０は、以下の式（１４）が成立するように、ＸＹＺ軸ステージ１７２のＸ軸方向の速度Ｖｘを計算する。
　　Ｖｘ＝ｐ・ｆ　　　（１４）
　ここで、ｐは被照射物１９０上におけるＴＦＴ形成領域のＸ軸方向の間隔である（図３４参照）。ｆは第１のレーザ装置２１及び第２のレーザ装置２２の繰り返し周波数である。ここでは、第１のレーザ装置２１及び第２のレーザ装置２２の繰り返し周波数をそれぞれ同じｆとする。
　レーザアニール制御部１８０は、ＸＹＺ軸ステージ１７２が速度Ｖｘで等速直線運動をするようにＸＹＺ軸ステージ１７２のＸ軸方向の速度を設定する。
　図３４は、実施形態６に係るレーザアニールシステム１６の動作の説明図である。レーザアニール制御部１８０は、被照射物１９０の表面上のＴＦＴ形成領域に各パターン転写像が到達した時にレーザ光が照射されるように、発光トリガ信号Ｔｒ１及びＴｒ２を同期させて、それぞれの第１のレーザ装置２１及び第２のレーザ装置２２に送信する。
　第１のレーザ装置２１から出力されたレーザアニール用のパルスストレッチされたパルスレーザ光が、フルーエンスＦａ、照射パルス数Ｎａ、及び繰り返し周波数ｆの照射条件で、被照射物１９０表面上のそれぞれのＴＦＴ形成領域に照射される。その結果、ＴＦＴ形成領域のアモルファスシリコンがレーザアニールされ、結晶成長し、リッジが形成される。
　その後、それぞれの結晶化したポリシリコンのＴＦＴ形成領域に対して、第２のレーザ装置２２から出力されたリッジ平坦化用のパルスレーザ光（パルスストレッチされないパルスレーザ光）が、フルーエンスＦｒ、照射パルス数Ｎｒ、及び繰り返し周波数ｆの照射条件で照射され、リッジが平坦化される。
　図３４において、５行１０列の配列によって並ぶ５０個の四角形領域の各々は、ＴＦＴが形成されるＴＦＴ形成領域を示している。図３４の右から左に向かってレーザアニール用の転写パターン像のビームと、リッジ平坦化用の転写パターン像のビームとが照射される。
　図３４における左から４列分の５×４＝２０個の四角形領域の各々はレーザアニール用パルス照射部を表す。レーザアニール用パルス照射部は、レーザアニール用のパルスレーザ光が照射され、アモルファスシリコンが結晶成長してリッジが形成される。左から第１列目の各四角形領域はレーザアニール用のパルス照射が１回だけ行われたＴＦＴ形成領域を表す。左から第２列目の各四角形領域はレーザアニール用のパルス照射が２回行われたＴＦＴ形成領域を表す。第３列目は３回、第４列目は４回のパルス照射が行われたＴＦＴ形成領域を表す。
　レーザアニール時の照射パルス数ＮａがＮａ＝４に設定される場合、１つの（同じ）ＴＦＴ形成領域に対してレーザアニール用のパルスレーザ光のパルス照射が４回実施される。
　図３４における左から第５列、第６列及び第７列の３列分の５×３＝１５個の四角形領域は、リッジ平坦化用パルス照射部を表す。リッジ平坦化用パルス照射部は、先行するレーザアニール用のパルス照射（照射パルス数Ｎａ）によって結晶化した領域であり、リッジ平坦化用のパルスレーザ光が照射され、リッジが部分溶融してリッジが平坦化される。
　第５列目のＴＦＴ形成領域は、リッジ平坦化用のパルスレーザ光のパルス照射の回数が１回目の領域である。第６列目のＴＦＴ形成領域はリッジ平坦化用のパルス照射が２回行われたＴＦＴ形成領域を表す。第７列目のＴＦＴ形成領域はリッジ平坦化用のパルス照射が３回行われたＴＦＴ形成領域を表す。リッジ平坦化時の照射パルス数ＮｒがＮｒ＝３である場合、１つの（同じ）ＴＦＴ形成領域に対してリッジ平坦化用のパルスレーザ光のパルス照射が３回実施される。
　図３４における右から３列分の５×３＝１５個のＴＦＴ形成領域は、レーザアニール用のパルス照射をＮａ回実施した後にリッジ平坦化用のパルス照射をＮｒ回実施済みのＴＦＴ形成領域を表す。
　なお、図３４においてＴＦＴ形成領域以外の領域は、レーザ光が照射されないアモルファス部である。
　９．３　作用・効果
　実施形態６は、図１７で説明した実施形態１に比べて次の作用効果がある。すなわち、投影光学系１５１によって被照射物１９０上のＴＦＴ形成領域にマスクパターンを縮小して転写結像させて、レーザアニール用パルスレーザ光とリッジ平坦化用パルスレーザ光を照射できるので、パルスレーザ光の利用効率が高くなる。
　９．４　変形例
　［１］実施形態６では、レーザアニール用のパルス時間幅が長いパルスレーザ光を出力する第１のレーザ装置２１とリッジ平坦化用のパルス時間幅が短いパルスレーザ光を出力する第２のレーザ装置２２の２台を使用する構成を示しているが、この例に限定されない。例えば、図３１の第１のレーザ装置２１及び第２のレーザ装置２２に代えて、図２９のレーザ装置２３と分岐システム２５０を配置する構成、又は図３０のように、レーザ装置２４と偏光分岐システム２５１を配置する構成を採用して、レーザアニール用のパルスレーザ光とリッジ平坦化用のパルスレーザ光とに分けて照射してもよい。
　［２］実施形態６ではマスク１４９の投影光学系１５１として、１つの投影光学系１５１で複数のパターン領域１４９ｐａをＴＦＴ形成領域に転写結像させたが、この例に限定されない。例えば、投影光学系は、複数の投影光学系を含み、１つのパターン領域に対して、１つの像をそれぞれ転写結像させる投影光学系であってもよいし、レーザアニール用の投影光学系とリッジ平坦化用の投影光学系とを含んでもよい。
　１０．実施形態７
　１０．１　構成
　図３５は、実施形態７に係るレーザアニールシステム１７の構成を概略的に示す。図３５の構成について図２６との相違点を説明する。図３５に示すレーザアニールシステム１７は、投影光学系１５０を有していない点で図２６の形態と相違する。また、レーザアニールシステム１７の照射光学システム１１６は、図２６の照明光学系１４０及び照明光学系３４０に代えて、照明光学系１４２及び照明光学系３４２を含む。図３５に示すマスク１４８は、被照射物１９０の表面に近接配置される。マスク１４８と被照射物１９０との間の距離は、例えば、０．２ｍｍ～０．５ｍｍの範囲の距離であってよい。
　照明光学系１４２は、マスク１４８を介して被照射物１９０の表面上をラインビームで均一照明する。照明光学系１４２によって被照射物１９０に照射されるラインビームは、レーザアニール用として使用される。
　照明光学系３４２は、マスク１４８を介して被照射物１９０の表面上をラインビームで均一照明する。照明光学系３４２によって被照射物１９０に照射されるラインビームは、リッジ平坦化用として使用される。
　１０．２　動作
　レーザアニール用のパルスレーザ光とリッジ平坦化用のパルスレーザ光は、被照射物１９０に対して近接配置されたマスク１４８を透過し、被照射物１９０上にマスクパターンに近いパターンのパルスレーザ光が照射される。
　１０．３　作用・効果
　実施形態７によれば、投影光学系を省略することができ、実施形態３と比較して、システム構成を簡略化できる。
　１０．４　変形例
　［１］実施形態７では、レーザアニール用のパルス時間幅が長いパルスレーザ光を出力する第１のレーザ装置２１とリッジ平坦化用のパルス時間幅が短いパルスレーザ光を出力する第２のレーザ装置２２の２台を使用する構成を示しているが、この例に限定されない。例えば、図３５の第１のレーザ装置２１及び第２のレーザ装置２２に代えて、図２９のレーザ装置２３と分岐システム２５０を配置する構成、又は図３０のように、レーザ装置２４と偏光分岐システム２５１を配置する構成を採用して、レーザアニール用のパルスレーザ光とリッジ平坦化用のパルスレーザ光とに分けて照射してもよい。
　１１．実施形態８
　１１．１　構成
　図３６は、実施形態８に係るレーザアニールシステム１８の構成を概略的に示す。図３６に示す構成について図２６との相違点を説明する。
　図３６に示すレーザアニールシステム１８は、図２６の照射光学システム１１３に代えて照射光学システム１１７を含む。照射光学システム１１７は、図２６における高反射ミラー１２３及び３２３、照明光学系１４０及び３４０が削除されており、これら光学系の代わりに、照明光学系システム３６０を含む。
　照明光学系システム３６０は、フライアイレンズ３６１及び３６２と、高反射ミラー３６５及び３６６と、コンデンサレンズ３６８と、を含む。
　フライアイレンズ３６１と高反射ミラー３６５は、レーザアニール用のパルスレーザ光の光路上に配置される。フライアイレンズ３６１は、高反射ミラー１２２から出射されたレーザアニール用のパルスレーザ光がフライアイレンズ３６１に入射するように配置される。
　フライアイレンズ３６２と高反射ミラー３６６は、リッジ平坦化用のパルスレーザ光の光路上に配置される。フライアイレンズ３６２は、高反射ミラー３２２から出射されたリッジ平坦化用のパルスレーザ光がフライアイレンズ３６２に入射するように配置される。高反射ミラー３６６は、フライアイレンズ３６２を透過したパルスレーザ光の中心軸が、コンデンサレンズ３６８に対して、図示のように垂直に入射するように配置される。
　一方、レーザアニール用のパルスレーザ光の光路に配置される高反射ミラー３６５は、フライアイレンズ３６１を透過したパルスレーザ光の中心軸が、コンデンサレンズ３６８に対して、図示のように斜めに入射するように配置される。
　１１．２　動作
　高反射ミラー３６５の反射角度を調節することにより、被照射物１９０の表面上においてレーザアニール用のラインビームＬＢａが照射される位置を調節することができる。すなわち、高反射ミラー３６５の反射角度の調節によって、被照射物１９０の表面上におけるレーザアニール用のラインビームＬＢａとリッジ平坦化用のラインビームＬＢｒの相対的な位置関係を調節することができる。
　高反射ミラー３６５の反射角度は、被照射物１９０の表面上においてレーザアニール用のラインビームＬＢａの近傍にリッジ平坦化用のラインビームＬＢｒが配置されるように調節される。
　１１．３　作用・効果
　高反射ミラー３６５の角度を調節することによって、レーザアニール用のラインビームの隣にリッジ平坦化用のラインビームを近接配置することができる。その結果、Ｘ軸方向の移動距離を短くでき、スループットが改善される。
　１１．４　変形例
　「１」高反射ミラー３６５の角度の調節に代えて、又はこれに加えて、高反射ミラー３６６の角度を調節することによって、被照射物１９０の表面上におけるリッジ平坦化用のラインビームの配置位置を調節してもよい。
　［２］高反射ミラー３６５に、Ｙ軸を中心にチルト回転させるチルト回転ステージを付けて、ＸＹＺ軸ステージ１７２のＸ軸方向の移動方向に応じてレーザアニール用のラインビームの位置を制御してもよい。
　［３］図２９及び図３０のように、レーザ装置と分岐システム又は偏光分岐システムを配置して、レーザアニール用とリッジ平坦化用のパルスレーザ光に分けて照射してもよい。
　１２．その他
　上述した各実施形態及び変形例で説明した技術事項は、可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。
　本開示の半導体結晶薄膜の製造方法により製造される半導体薄膜を用いて、ＴＦＴに代表される半導体素子を含む電子デバイスを製造することができる。
　上記の説明は、制限ではなく単なる例示を意図している。したがって、特許請求の範囲を逸脱することなく本開示の実施形態に変更を加えることができることは、当業者には明らかである。また、本開示の実施形態を組み合わせて使用することも当業者には明らかである。
　本明細書及び特許請求の範囲全体で使用される用語は、明記が無い限り「限定的でない」用語と解釈されるべきである。例えば、「含む」又は「含まれる」という用語は、「含まれるものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。「有する」という用語は、「有するものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。また、不定冠詞「１つの」は、「少なくとも１つ」又は「１又はそれ以上」を意味すると解釈されるべきである。また、「Ａ、Ｂ及びＣの少なくとも１つ」という用語は、「Ａ」「Ｂ」「Ｃ」「Ａ＋Ｂ」「Ａ＋Ｃ」「Ｂ＋Ｃ」又は「Ａ＋Ｂ＋Ｃ」と解釈されるべきである。さらに、それらと「Ａ」「Ｂ」「Ｃ」以外のものとの組み合わせも含むと解釈されるべきである。

Claims (20)

  1. 　半導体結晶薄膜の製造方法であって、
    　第１のパルス時間幅の第１のパルスレーザ光を非晶質半導体に照射することによって前記非晶質半導体を多結晶化することと、
    　前記多結晶化した半導体結晶の領域に、前記第１のパルス時間幅よりも短い第２のパルス時間幅の第２のパルスレーザ光を照射することにより前記半導体結晶のリッジの高さを低減させることと、
    　を含む半導体結晶薄膜の製造方法。
  2. 　請求項１に記載の半導体結晶薄膜の製造方法であって、
    　前記第１のパルスレーザ光のフルーエンスをＦａ、前記第２のパルスレーザ光のフルーエンスをＦｒとする場合に、Ｆｒ＜Ｆａの関係を満たす、
    半導体結晶薄膜の製造方法。
  3. 　請求項１に記載の半導体結晶薄膜の製造方法であって、
    　前記非晶質半導体を含む被照射物上の同一領域に照射する前記第１のパルスレーザ光の照射パルス数をＮａ、前記同一領域に照射する前記第２のパルスレーザ光の照射パルス数をＮｒとする場合に、Ｎｒ＜Ｎａの関係を満たす、
    半導体結晶薄膜の製造方法。
  4. 　請求項１に記載の半導体結晶薄膜の製造方法であって、
    　前記第２のパルス時間幅は、前記第１のパルス時間幅の６０％以下である、
    半導体結晶薄膜の製造方法。
  5. 　請求項１に記載の半導体結晶薄膜の製造方法であって、
    　前記被照射物上における前記第１のパルスレーザ光の照射領域に対し、前記第１のパルスレーザ光を照射してから２００ナノ秒以上後に、前記第２のパルスレーザ光の照射を開始する、
    半導体結晶薄膜の製造方法。
  6. 　請求項１に記載の半導体結晶薄膜の製造方法であって、
    　前記非晶質半導体は、アモルファスシリコンである、
    半導体結晶薄膜の製造方法。
  7. 　請求項１に記載の半導体結晶薄膜の製造方法であって、
    　所定のマスクパターンを有するマスクを用いて、前記第１のパルスレーザ光及び前記第２のパルスレーザ光の照明パターンを形成することを含み、
    　前記マスクパターンに応じた前記第１のパルスレーザ光の照明パターンを前記非晶質半導体に照射し、
    　前記マスクパターンに応じた前記第２のパルスレーザ光の照明パターンを前記多結晶化した前記半導体結晶の領域に照射する、
    半導体結晶薄膜の製造方法。
  8. 　請求項７に記載の半導体結晶薄膜の製造方法であって、
    　前記マスクパターンは、遮光部としてのライン部と光通過部としてのスペース部とが交互に並ぶラインアンドスペースパターンを含む、
    半導体結晶薄膜の製造方法。
  9. 　第１のパルス時間幅の第１のパルスレーザ光と前記第１のパルス時間幅よりも短い第２のパルス時間幅の第２のパルスレーザ光を出力するレーザシステムと、
    　前記第１のパルスレーザ光及び前記第２のパルスレーザ光を被照射物に照射するレーザアニール装置と、を含み、
    　前記レーザアニール装置は、
    　前記第１のパルスレーザ光及び前記第２のパルスレーザ光を前記被照射物に導く照射光学系と、
    　前記被照射物に対する前記第１のパルスレーザ光及び前記第２のパルスレーザ光の照射位置を相対的に移動させる移動機構と、
    　前記第１のパルスレーザ光を前記被照射物に照射し、前記第１のパルスレーザ光の照射後に、前記被照射物における前記第１のパルスレーザ光が照射された領域に前記第２のパルスレーザ光を照射するように前記レーザシステムを制御する制御部と、
    　を含むレーザアニールシステム。
  10. 　請求項９に記載のレーザアニールシステムであって、
    　前記第１のパルスレーザ光が照射される前記被照射物は非晶質半導体であり、
    　前記制御部は、前記第１のパルスレーザ光を前記非晶質半導体に照射することによって前記非晶質半導体を多結晶化し、前記多結晶化した半導体結晶の領域に、第２のパルスレーザ光を照射することにより前記半導体結晶のリッジの高さを低減させるように前記レーザシステム及び前記移動機構を制御する、
    レーザアニールシステム。
  11. 　請求項１０に記載のレーザアニールシステムであって、
    　前記第１のパルスレーザ光のフルーエンスと前記第１のパルス時間幅は、前記非晶質半導体を完全溶融させる条件に設定され、
    　前記第２のパルスレーザ光のフルーエンスと前記第２のパルス時間幅は、前記多結晶化によって生成された前記半導体結晶の前記リッジの部分を低くさせる条件に設定される、
    レーザアニールシステム。
  12. 　請求項９に記載のレーザアニールシステムであって、
    　前記照射光学系は、所定のマスクパターンを有するマスクを含み、
    　前記マスクパターンに応じた前記第１のパルスレーザ光及び前記第２のパルスレーザ光の照明パターンが前記被照射物に照射される、
    レーザアニールシステム。
  13. 　請求項１２に記載のレーザアニールシステムであって、
    　前記照射光学系は、前記マスクの前記マスクパターンを前記被照射物上に転写結像させる転写光学系を含む、
    レーザアニールシステム。
  14. 　請求項１３に記載のレーザアニールシステムであって、
    　前記転写光学系は、前記被照射物上において薄膜トランジスタを形成する複数の領域の各々に、前記マスクパターンを結像させる投影光学系である、
    レーザアニールシステム。
  15. 　請求項９に記載のレーザアニールシステムであって、
    　前記レーザシステムは、
    　パルスレーザ光を出力するレーザ発振器と、
    　前記レーザ発振器から出力されたパルスレーザ光をパルスストレッチする光学パルスストレッチャと、
    　前記光学パルスストレッチャの光路を切り替えるように前記光路上に配置する光学素子を切り替える光学素子切替ユニットと、を含み、
    　前記制御部は、前記光学素子切替ユニットを制御して前記光路上の前記光学素子の切り替えを行うことにより、前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光の出力を制御する、
    レーザアニールシステム。
  16. 　請求項９に記載のレーザアニールシステムであって、
    　前記レーザシステムは、
    　パルスレーザ光を出力するレーザ発振器と、
    　前記レーザ発振器から出力されたパルスレーザ光をパルスストレッチする光学パルスストレッチャと、
    　前記光学パルスストレッチャの遅延光路に配置されるシャッタと、を含み、
    　前記制御部は、前記シャッタの開閉を制御することにより、前記第１のパルスレーザ光と前記第２のパルスレーザ光の出力を制御する、
    レーザアニールシステム。
  17. 　請求項９に記載のレーザアニールシステムであって、
    　前記レーザシステムは、
    　前記第１のパルスレーザ光を出力する第１のレーザ装置と、
    　前記第２のパルスレーザ光を出力する第２のレーザ装置と、
    　を含む、
    レーザアニールシステム。
  18. 　請求項１７に記載のレーザアニールシステムであって、
    　前記第１のレーザ装置は、
    　パルスレーザ光を出力するレーザ発振器と、
    　前記レーザ発振器から出力されたパルスレーザ光をパルスストレッチする光学パルスストレッチャと、を含む、
    レーザアニールシステム。
  19. 　請求項９に記載のレーザアニールシステムであって、
    　前記レーザシステムは、
    　パルスレーザ光を出力する第３のレーザ装置と、
    　前記第３のレーザ装置から出力された前記パルスレーザ光をパルスストレッチする光学パルスストレッチャと、
    　前記第３のレーザ装置と前記光学パルスストレッチャとの間の光路に配置されたビームスプリッタと、を含み、
    　前記光学パルスストレッチャによってパルスストレッチされたレーザ光である前記第１のパルスレーザ光が出力され、
    　前記ビームスプリッタによって分岐されたレーザ光である前記第２のパルスレーザ光が出力される、
    　レーザアニールシステム。
  20. 　請求項９に記載のレーザアニールシステムであって、
    　前記レーザシステムは、
    　パルスレーザ光を出力する第４のレーザ装置と、
    　前記第４のレーザ装置から出力された前記パルスレーザ光をパルスストレッチする光学パルスストレッチャと、
    　前記第４のレーザ装置と前記光学パルスストレッチャとの間の光路に配置されたリターダと、を含み、
    　前記光学パルスストレッチャによってパルスストレッチされた第１の偏光成分のレーザ光である前記第１のパルスレーザ光が出力され、
    　前記光学パルスストレッチャによってパルスストレッチされない第２の偏光成分のレーザ光である前記第２のパルスレーザ光が出力される、
    レーザアニールシステム。
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