JP2002139697A

JP2002139697A - 複数レーザビームを用いたレーザ光学系とレーザアニーリング装置

Info

Publication number: JP2002139697A
Application number: JP2000335732A
Authority: JP
Inventors: Tatsuki Okamoto; 達樹岡本; Tetsuya Ogawa; 哲也小川; Yukio Sato; 行雄佐藤; Junichi Nishimae; 順一西前
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-11-02
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2002-05-17

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザ熱処理方法において高性能の薄膜トラ
ンジスタを製造するのに必要な結晶性に優れた薄膜を形
成するためのレーザ光照射プロファイルを制御する光学
系を提供する。【解決手段】レーザ発振器から放射されたレーザビー
ムの断面強度分布を成形し、非晶質若しくは多結晶のケ
イ素膜上で線状のビーム形状を形成する光学系におい
て、複数のレーザ発振器から放射される複数のレーザビ
ームを強度分布成形手段にて、長軸方向の強度分布を均
一にし、ビーム形状成形手段によって、基板上に形成さ
れた非晶質若しくは多結晶のケイ素膜上に線状のビーム
形状を照射するようにに構成としたもので、必要な照射
強度を保った状態で、照射面積を大きくでき、生産性が
向上できるとともに、装置構成が単純になり、光学部品
数を削減できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】高移動度の薄膜トランジスタ
を実現するために、結晶性に優れた多結晶の半導体膜を
形成するレーザ熱処理装置、およびその光学系に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】液晶パネルの画素部は、ガラスや石英の
基板上に形成した多結晶のケイ素膜を利用して、多結晶
のケイ素膜に製された薄膜トランジスタのスイッチング
により、画像を構成している。このような多結晶のケイ
素膜は、通常は、先に基板上に非晶質のケイ素膜を形成
し、これを加熱処理することにより多結晶化して、多結
晶のケイ素膜を基板として多数の画素トランジスタ回路
を形成している。

【０００３】しかしながら、トランジスタ能動層を構成
するケイ素膜の結晶性が悪いので、薄膜トランジスタ
は、移動度に代表されるように性能が低く、高速性と高
機能性が要求される集積回路の製造は困難であった。そ
こで、高移動度の薄膜トランジスタを実現するために、
ケイ素膜結晶性を改善する方法として、基板上に形成し
たケイ素膜にレーザを照射して、その結晶性を高めるレ
ーザ熱処理が行われている。

【０００４】ケイ素膜の結晶性と薄膜トランジスタの移
動度には以下のような関係がある。レーザ熱処理により
得られるケイ素膜は一般に多結晶であるが、多結晶の結
晶粒界は格子欠陥により構成され、これら欠陥が薄膜ト
ランジスタ能動層のキャリアを散乱させ、移動を阻害す
る。そこで、薄膜トランジスタの移動度を高くするに
は、キャリアの能動層を移動中に結晶粒界を横切る頻度
を少なくすることが重要となり、このため格子欠陥密度
を小さくする必要がある。レーザ熱処理の目的は、結晶
粒径が大きくかつ結晶粒界における格子欠陥が少ない多
結晶のケイ素膜の形成することである。

【０００５】従来のレーザ熱処理には、例えば、波長の
短いエキシマレーザを用いて、レーザビームを矩形状の
分布にして半導体膜に照射加熱する技術が知られてい
る。例えば、特開平１１−０１６８５１号や同１０−３
３３０７７号公報には、発振器からのレーザビームを、
光軸に垂直な面内で互いに交叉するシリンダアレイに通
して、その前方に収束レンズを通して、半導体膜表面に
収束させるものであった。この方法は、ガウス分布を採
るレーザビームを、２つのシリンダアレイにより、直交
する２方向で均一な強度分布にするものであり、半導体
膜表面での照射レーザビームは、半導体表面上で、直交
する２方向で異なった幅となっており、照射レーザビー
ムを２方向のいずれかの方向に掃引移動することによ
り、半導体膜上に一定幅の多結晶帯の成形するものであ
った。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】レーザを光源とした熱
処理において長方形の照射レーザビームを用いて掃引し
て熱処理を行う場合、掃引方向のプロファイルが再結晶
成長過程に大きく影響し、これに直交する方向の分布が
結晶を成長させる領域を左右するため、特性の優れた薄
膜トランジスタを製造するには、適当なプロファイルお
よび照射強度を選択しなければならない。しかしなが
ら、従来の長方形状ビーム形成用の光学系では、十分な
狭幅とすることができなかった。

【０００７】さらに、従来の液晶パネルでは、これら画
素トランジスタを駆動するドライバ回路を、外部に独立
して配置してあるが、ドライバ回路を、画素トランジス
タに近接して同時に構成することが期待されている、結
晶性を高めることにより、可能となれば、液晶パネルの
製造コストと信頼性などの面で飛躍的なメリットが生じ
ることになる。

【０００８】発明者は、特願平１１−１７９２３３号に
おいて、線状照射レーザビームを成形するための光学系
を提案している。図５は、この光学系の模式図を示す
が、レーザ発振器１から放出されたレーザビーム２は、
強度分布成形手段３０とビーム形状成形手段４０とを通
過して、基板５０上のケイ素膜５に照射される。

【０００９】この光学系では、レーザ発振器１から放出
されたレーザビーム２は、強度分布成形手段３０の入口
面Ａで、例えば、図６（Ｃ）に示すように、Ａ面におけ
るビーム形状ＰＡが円形で、Ａ面におけるｘ方向の強度
分布ＸＡおよびＡ面におけるｙ方向の強度分布ＹＡがほ
ぼガウス状である。強度分布成形手段３０は、例えば、
ｘ方向の強度分布をガウス分布のまま保存し、ｙ方向の
強度分布のみを平滑化する。このため、強度分布成形手
段３０の出口面Ｂでのレーザ光のビーム形状ＰＢはほぼ
長方形に変換され、Ｂ面におけるｘ方向の強度分布ＸＢ
はＡ面におけるｘ方向の強度分布ＸＡが維持され、Ｂ面
におけるｙ方向の強度分布ＹＢはほぼトップハット分布
に成形される。このレーザ光は、ビーム形状成形手段４
０によってｘ方向とｙ方向との倍率が調整され、長方形
のビーム形状でケイ素膜５に照射して加熱される。しか
しながら、このような単一のレーザビームでは、発振器
の能力から、レーザ出力に限界があり、必要な照射強度
を得るために照射光の長手方向の長さを短くする必要が
あり、生産性が低いという難点を残していた。

【００１０】本発明はこのような問題点を解消するため
になされたもので、一般に基板上に形成した半導体膜を
レーザ熱処理により結晶化の速度が高くかつ、多結晶中
の格子欠陥の少ない多結晶半導体膜、特に、ケイ素膜を
製造するためのレーザ光学系とこれを用いた生産性の高
いレーザアニーリング装置を提供するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザ光学系
は、レーザ発振器から放射されたレーザビームを、基板
上に形成された非晶質若しくは多結晶の半導体膜表面に
照射させる強度分布成形手段を含むレーザアニーリング
用レーザ光学系であるが、上記の強度分布成形手段は、
複数のレーザ発振器からの複数のレーザビームが入射さ
れて、半導体膜表面に照射される各照射レーザビームの
強度分布をレーザビームの光軸に垂直な断面内の一方向
については均一にし且つ該断面内の該一方向の直交方向
には急峻な狭幅にして、該照射レーザビームにより上記
の半導体膜を溶融し多結晶化する。

【００１２】強度分布成形手段には、複数のレーザ発振
器から入射した複数のレーザビームを上記一方向につい
て交互に反射する１対の対向した反射面を有する単一の
導波路を使用することができる。導波路は、照射ビーム
の長手方向の強度分布を均一にするもので、半導体膜上
の照射レーザビームは、複数のレーザビームの合成光と
なって強度分布を大きくできるので、照射レーザビーム
の走査速度を高めることができる。

【００１３】また、強度分布成形手段が、複数のレーザ
発振器からの各レーザビームに対応して上記一方向につ
いて反射する１対の対向した反射面を有する複数の導波
路も利用できる。このような複数の導波路によって半導
体被膜上に成形された照射レーザビームは、上記一方向
に、即ち、照射レーザビームの長手方向に、ほぼ一直線
に配列するのが好ましい。このような複数の導波路を使
用して、それぞれのレーザビームを狭幅の線状のの照射
レーザビームを配列するので、各照射レーザビームの照
射強度を低下することなく長手方向に延長することがで
き、複数の照射レーザビームを一体にして直交方向に掃
引すれば、１回の走査パスの照射領域を広幅に拡大する
ことができる。

【００１４】光学系は、さらに、強度分布成形手段から
の放射ビームを当該直交方向につき収束するビーム形状
成形手段を含んでもよく、ビーム形状成形手段には、シ
リンドリカルレンズがしようできる。シリンドリカルレ
ンズは、上記強度分布成形手段からビームを照射レーザ
ビームが該直交方向に狭幅の線状ビームになるように成
形するものであり、これにより、半導体膜上には、線状
照射レーザビームが得られる。

【００１５】さらに、上記の複数の導波路からの半導体
被膜上に成形された照射レーザビームは、上記の一方向
に向けて但し一直線でなく交互に配列され且つ相隣接す
る照射レーザビーム同士が重ならないように配列されて
もよい。この場合も、このような配列の複数の照射レー
ザビームを直交方向に掃引すれば、同様に１回の走査パ
スの照射領域を広幅にするこができる。

【００１６】本発明のレーザ光学系は、半導体膜として
ケイ素膜に適用することができ、特に、液晶ディスプレ
イの画素部の薄膜トランジスタのケイ素基板として利用
することができる。上記レーザビームには、３２０〜８
００ｎｍの範囲の発振波長を有するパルスレーザを使用
することができる。この波長域のレーザ光は、特に、ケ
イ素膜に対して適度の透過率を有するので、膜厚み方向
への均一加熱が得られる。このようなレーザビームに
は、固体発振レーザの高調波を利用することができる。

【００１７】本発明のレーザアニーリング装置は、上記
のレーザ光学系を使用し、レーザ光学系にレーザビーム
を放射するレーザ発振器と、基板を載置固定するステー
ジと、上記の光学系若しくはステージに備えて照射レー
ザビームを半導体被膜上で上記直交方向に走査させる走
査機構とを備えて構成される。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明のレーザ光学系の１つの形
態は、複数のレーザ光源からの複数のレーザビームを単
一系列の強度分布成形手段とビーム形状成形手段とによ
り入射光を合成して、半導体膜表面に照射し、その照射
レーザビームを、一方向に伸びて一様均一な強度分布と
し他方の直交方向には狭幅の線状の形状に調節するもの
である。

【００１９】本発明においては、単一系列の強度分布成
形手段とビーム形状成形手段とをそれぞれ、ビーム光軸
に垂直な面内の一方向（以下、ｙ方向とする）に対向す
る一対の反射面を有する導波路と、該一方向に直交する
直交方向（以下、ｘ方向とする）に収束するシリンドリ
カルレンズ、例えば、円筒レンズを利用して、複数のレ
ーザ発振器からの複数のレーザビームを、単一系列の強
度分布成形手段で合成して、高エネルギーの照射ビーム
を半導体膜表面に照射するものである。

【００２０】別の形態は、単一系列の強度分布成形手段
とビーム形状成形手段とを、それぞれ、複数のレーザビ
ームに対応するｙ方向に対向する一対の反射面を有す複
数の導波路と、これら導波路からの放射ビームをｘ方向
に収束する単一のシリンドリカルレンズ、例えば、円筒
レンズを利用して、複数のレーザ発振器からの複数のレ
ーザビームをそれぞれ照射レーザビームとして半導体膜
表面に照射するものである。

【００２１】ここで、本発明のレーザ照射の対象は、比
較的大きな面積を有する半導体被膜であるが、半導体被
膜は、適当な基板上に、例えば、気相から蒸着法などの
方法により、被着形成した非晶質の薄膜が使用され、或
いは、この非晶質被膜を、予備的にアニーリングして、
部分的ないし全面的に結晶化された半導体膜が利用でき
る。

【００２２】半導体膜の例には、ケイ素膜が挙げられ
る。ケイ素膜は、上記の液晶パネルの画素部を構成する
薄膜トランジスタ素子に半導体基板として利用される。
基板上に成膜した非晶質ケイ素膜が利用され、レーザビ
ームが照射により、多結晶化される。

【００２３】非晶質ケイ素膜の例として、セラミクスま
たはガラスの基板５０上に、下地膜５１として例えば厚
さ２００ｎｍ程度の酸化ケイ素膜をＣＶＤ（Chemical V
aporDeposition）法により形成し、その上に、厚さ５０
ｎｍ程度の非晶質ケイ素膜等を低圧ＣＶＤ（Low Pressu
re Chemical Vapor Deposition）により成膜したもので
ある。このように作った非晶質ケイ素膜は、予備的アニ
ーリングにより一部若しくは全面を多結晶にしてもよ
い。

【００２４】以下ケイ素膜を例に採ると、非晶質の又は
結晶にしたケイ素膜の表面上には、上記の光学系により
照射レーザビームが線状になるようにレーザ光が照射さ
れ、照射レーザビームは、その幅方向に（ｘ方向に）に
走査される。ケイ素膜は、照射部位で、線状に照射され
たレーザ光を吸収し加熱され、照射レーザビームの線状
形状に沿った線状ないしは長方形状に局部的に溶融され
る。このとき、照射レーザビームの長手方向即ちｙ方向
は、レーザビーム２の強度分布が均一なため温度勾配は
生じず、ｘ方向のみ温度勾配が生じる。そして、照射レ
ーザビームの移動に伴って、この溶融部が冷却するとき
は、結晶は温度勾配に従って成長するので、基板５０の
移動方向即ちｘ方向への１次元成長（一方向成長）にな
り、結晶粒径は、数μm程度と大きな結晶粒が形成さ
れ、大きな結晶粒は、その格子欠陥密度を相対的に低
い。この実施の形態は、複数個のレーザ発振器、例え
ば、以下の例のように、３個のレーザ発振器からのレー
ザビームを単一の強度分布成形手段で合成するので、合
成した１つの照射レーザビームは、エネルギー密度が高
く、従って、ケイ素膜の溶融のための走査速度を高くす
ることができ、単位時間当たりの結晶化面積を高めるこ
とができる。

【００２５】本発明におけるレーザ発振器は、非晶質若
しくは多結晶のケイ素膜の結晶化には、３２０ｎｍ〜８
００ｎｍの間に発振波長を有するレーザがより効果的で
ある。すなわち、３２０ｎｍ〜８００ｎｍの間に発振波
長光は、非晶質ケイ素に対する吸収係数が比較的小さ
く、そのレーザ光は、膜厚方向によく浸透するため、ケ
イ素膜を膜厚方向にほぼ均一に加熱し、従って、レーザ
照射によって発生するケイ素膜内の横方向温度分布は、
ｘ方向にのみ形成される。従って、基板上膜材料である
非晶質若しくは多結晶のケイ素膜の、ある強度以上のビ
ームの部分が、深さ方向全体に溶融する。

【００２６】以上のような波長域のレーザを使用する光
学系は、非晶質又は多結晶のケイ素膜の厚さ方向を均一
に加熱でき、レーザ熱処理方法において高性能の薄膜ト
ランジスタを製造するのに必要な結晶性に優れた薄膜が
得られる

【００２７】３４０ｎｍ〜８００ｎｍの間に発振波長を
有するレーザとして、例えば固体レーザ高調波発生源が
好ましい。すなわち、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波
（５３２ｎｍ）や第３高調波（３５５ｎｍ）、Ｎｄ：Ｙ
ＬＦレーザの第２高調波（５２４ｎｍ）や第３高調波
（３４９ｎｍ）、あるいはＹｂ：ＹＡＧレーザの第２高
調波（５１５ｎｍ）や第３高調波（３４４ｎｍ）等を用
いる。また、Ｔｉ：サファイアの基本波または第２高調
波を用いてもよい。固体レーザ高調波発生源を用いるこ
とにより、３４０ｎｍ〜８００ｎｍの間に発振波長のレ
ーザ光をコンパクトな装置でを効率よく得られ、長時間
安定した動作が可能になる。ケイ素膜は、厚さ方向を均
一に加熱溶融できるので、レーザ熱処理方法において高
性能の薄膜トランジスタを製造するのに必要な結晶性に
優れた薄膜が得られる。

【００２８】実施の形態１．この実施形態のレーサ光学
系は、図１においては、複数のレーザ発振器１ａ〜１ｃ
から放出された各レーザビーム２ａ〜２ｃは、強度分布
成形手段３０に入射するが、レーザビームの光軸に垂直
な断面内のｙ方向について、強度分布成形手段は、レー
ザビームの強度分布を均一にし、ｙ方向に直交するｘ方
向については発散して、ビーム形状成形手段４０に入射
する。ビーム形状成形手段４０は、ｙ方向には、ほぼ発
散して、半導体膜５の表面上では一定の長さで一様な強
度分布にすると共に、ｘ方向には収束して、照射レーザ
ビームのｘ方向強度分布を急峻な狭幅にする。このよう
な線状の照射レーザビームが、非晶質若しくは多結晶の
半導体膜に照射される。

【００２９】より詳しくは、この例の光学系は、図１
（Ａ、Ｂ）において、３つのレーザ発振器１ａ〜１ｃに
対して、単一の集光レンズ３２と、強度分布成形手段３
０としてこれに続く単一の導波路３３と、この導波路３
３に続くビーム形状成形手段４０として、シリンドリカ
ルレンズ、即ち、円筒レンズから成っている。

【００３０】導波路３３は、ｙ方向に対面する１対の反
射面（反射面は、ｘ方向には平行であるか又は先細にテ
ーパ状にされている）を備えて、光はｙ方向に交互に反
射可能で反射面間は透光可能ある。導波路は、このよう
な対向する反射面を有する透明体のブロック、例えば、
光学ガラスブロック、が利用できる。導波路には、ま
た、ｙ方向に対面する１対の反射面の間を空間とした１
対の反射鏡も含む。図１に示す例は、導波路３３がｙ方
向に対面して離間した１対の反射鏡であることを示して
いる。

【００３１】集光レンズ３２は、図１（Ａ、Ｂ）に示す
ように、複数のレーザ発振器１ａ〜１ｃから放出された
各レーザビーム２ａ〜２ｃが、単一の集光レンズ３２に
より、集光されて、１対の反射鏡の間に入射するように
配置され、集光された各レーザビーム２ａ〜２ｃ一部
が、光軸に向ってｙ方向に反射面間で反射しながら進行
し、ｘ方向には焦点位置から放散するように進行し、導
波路３３の照射側から放射されて、レーザビーム２ａ〜
２ｃが合成される。

【００３２】導波路３３から放射された光は、ビーム形
状成形手段４０に入射されるが、ビーム形状成形手段４
０には、円筒レンズを使用して、入射光のｘ方向だけが
ビーム形状成形手段４０により収束されて、基板上の半
導体膜状に線状に集光する。この入射光のｙ方向は、ほ
ぼ直進するので、基板上の半導体膜では長くなり、且
つ、ｙ方向の強度分布は、一様になる。

【００３３】この例は、並列した三つのレーザビーム２
ａ、２b、２ｃを使用して、両側のレーザビーム２ａと
２ｃとは、それぞれ、一の組の反射鏡Ｍ１とＭ２、他の
組の反射鏡Ｍ３、Ｍ４により反射させて、レーザビーム
２ａ〜２ｃの間隔を狭めており、反射鏡Ｍにより、３本
の平行なビームが単一の集光レンズ３２を通って、導波
路３３の反射面間に供給されるようにしている。この例
で示すように、複数のレーザビームを単一の導波路３３
内に入射できるので、複数のレーザ発振器１ａないし１
ｃは適当に間隔を設けて配置でき、それらのレーザビー
ム２ａ〜２ｃには、適当な間隔を設けることができる。

【００３４】この実施の形態の変形例として、強度分布
成形手段の導波路として対向する両面に反射面をそなえ
た透明体ブロックを利用することもでき、図１に示した
中空の反射鏡３４ａ，３４ｂの導波路を、対面する反射
面をそなえた透明体ブロックに代替する。

【００３５】実施の形態２．この実施形態は、図２に示
すように、複数のレーザ発振器１ａ〜１ｃに対して、１
個の強度分布成形手段３０を設け、強度分布成形手段３
０からのレーザビームを単一のビーム形状成形手段４０
により、半導体膜表面５上に単一の線状の照射レーザビ
ームを成形するものであるが、強度分布成形手段３０
は、複数のレーザ発振器１ａ〜１ｃに対応して複数の組
の集光レンズ３２と強度分布成形手段として複数の導波
路３３ａ〜３３ｂを並列的配置で一体化されている。

【００３６】上記の導波路３３ａ〜３３ｂは、ｙ方向に
対面する１対の反射面を備えた透明ブロックが利用され
ており、これら複数の透明ブロックは、その間に空気、
不透明体又は透明ブロックより屈折率の小さい透明体を
介在させて、一体化され、各集光レンズは、各透明ブロ
ックの入射側に配置されて、レーザ発振器１ａ〜１ｃか
らのレーザビームを、各透明ブロックの反射面間に羅入
射するものである。

【００３７】この例においても、適当に離間した複数の
レーザ発振器１ａ〜１ｃのうち外側の複数のレーザ発振
器１ａ、１ｃからのレーザビーム２ａ、２ｂは、上記の
実施形態と同様に、反射鏡Ｍを介して、相互に狭い間隔
の平行なレーザビームに調整して、各集光レンズ３２に
入射している。

【００３８】この実施形態は、複数の導波路３３ａ〜３
３ｂからの放射したレーザビームは、完全に合成一体化
することなく、互いに光軸に間隔を設けて平行に配置さ
れているので、ビーム形状成形手段４０として円筒レン
ズを使用して、ｙ方向には長く且つ強度分布均一で、ｘ
方向には線状に収束した線状照射ビームを半導体膜表面
上に得られる。

【００３９】この実施形態によれば、複数の導波路に入
射する各レーザビームの絞り角を小さくできるので、強
度分布成形手段３０から出射されるビームの広がり角も
小さくでき、実施の形態１、２に比べ、開口数ＮＡの小
さなビーム形状成形手段４０を用いることができ、光学
部品数の小型、低コスト化が可能になる。

【００４０】実施の形態３．上記実施形態２に示した強
度分布成形手段３０の放射側において、複数の導波路３
３ａ、３３ｂ、３３ｃからの出射されるレーザビームの
ｘ方向の光軸が一致した場合において、ビーム形状成形
手段４０からの半導体膜５上での照射レーザビーム８
ａ，８ｂ，８ｃを、ｙ方向に直線状に配列した例を、図
３に示す。

【００４１】強度分布成形手段３０では、ｙ方向の形強
度分布を完全に矩形とするのは困難なので、各照射レー
ザビーム８ａ，８ｂ，８ｃのｙ方向の強度分布Ｐｙａ，
Ｐｙｂ，Ｐｙｃは強度分布プロフィルの周辺部がなだら
かになる。そこで、図３に示すように、照射レーザビー
ム（例えば、８ａ）の周辺部を、これに隣接する照射レ
ーザビーム（例えば）８ｂの周辺部と適当に重ねるよう
に、図２に示すような導波路３３ａ、３３ｂの間隔を調
節することにより、複数のレーザ発振器から放出された
レーザ光を半導体膜上で、ｙ方向にほぼ均一に合成し
て、一様均一な合成強度分布Ｐｙにすることができ、ｘ
方向には急峻な狭幅の強度分布Ｐｘをえることができ
る。

【００４２】この実施形態では、ｙ方向でその長さ方向
にほぼ均一な照射光強度が得られるので、大きな結晶粒
で均一な多結晶の半導体膜、例えば、ケイ素膜の形成が
可能となり、ケイ素膜を利用して高性能の薄膜トランジ
スタを製造するのに必要な結晶性に優れた薄膜を形成す
ることができる。

【００４３】実施の形態４．図４は、別の例として、実
施の形態２において示したように、強度分布成形手段３
０の出射側において、複数の導波路３３ａ３３ｂ、３３
ｃから放射されたレーザビームのｘ方向の光軸を一致さ
せない場合で、ケイ素膜表面上での照射レーザビーム８
ａ，８ｂ，８ｃをｙ方向に重ならないように、且つ、一
直線でなく交互に配列され、走査方向から見て、図４に
示すように、照射レーザビーム（例えば、８ａ）の周辺
部８２を、これに隣接する照射レーザビーム（例えば）
８ｂの均一照射強度の領域８１と適当に重ねるように、
図２に示すような導波路３３ａ、３３ｂの間隔を調節す
る。これにより、複数のレーザ発振器から放出された複
数のレーザ光を半導体膜上の走査の過程で、照射レーザ
ビームのｙ方向の均一な強度分布Ｐｙの領域８１、８１
が互いに重複するようにでき、しかも、ｘ方向には急峻
な狭幅の強度分布Ｐｘを得ることができる。この例は、
照射レーザビームが他の照射レーザビームと重複しない
ので、局部的に照射強度の高い部分が生じず、高いレー
ザ強度によりケイ素膜を損傷させることを防ぐことがで
きる。

【００４４】

【発明の効果】本発明のレーザアニーリング用レーザ光
学系は、レーザ発振器から放射されたレーザビームを、
基板上に形成された非晶質若しくは多結晶の半導体膜表
面に照射し且つ該半導体膜表面上の照射レーザビームを
線状形状にする強度分布成形手段を含み、レーザ光学系
が、複数のレーザ発振器からの複数のレーザビームを上
記の強度分布成形手段に入射させて、強度分布成形手段
が、各照射レーザビームの強度分布を、一方向について
は均一に長くし直交方向には急峻な狭幅にすることがで
きるので、照射レーザビームは、必要な照射強度を保っ
た状態で、照射領域を大きくでき、これにより多結晶半
導体膜の生産性が向上できる、光学系が単純になり、光
学部品数を削減できる。

【００４５】レーザ光学系は、強度分布成形手段が、複
数のレーザ発振器に対して単一の導波路としたので、照
射レーザビームは、必要な照射強度を保持し、照射面積
を大きくでき、生産性が向上できるとともに、光学部品
数を削減でき、小型、低コスト化が可能になる。

【００４６】本発明のレーザ光学系は、強度分布成形手
段が、複数のレーザ発振器に対応して複数の導波路を使
用すれば、導波路に入射するレーザビームの絞り角を小
さくできるので、強度分布成形手段から出射されるビー
ムの広がり角も小さくでき、開口比のの小さなビーム形
状成形手段を用いることができ、光学部品数の小型、低
コスト化が可能になる。

【００４７】本発明のレーザ光学系は、ビーム形状成形
手段としてシリンドリカルレンズを使用すれば、簡単な
光学部品で、狭幅の照射レーザビームを半導体膜上に形
成できて半導体膜には、照射後凝固過程を一方向凝固に
して上記の広い照射領域に亘る大き結晶粒を形成するこ
とができる。

【００４８】レーザ光学系は、複数の強度分布成形手段
により、成形された照射レーザビームがその長手方向に
ほぼ一直線に配列すれば、照射レーザビームは長手方向
にほぼ均一な照射光強度が得られ、均一な多結晶のケイ
素膜の形成が可能となり、高性能の薄膜トランジスタを
製造するのに必要な結晶性に優れた薄膜を形成すること
ができる。

【００４９】レーザ光学系は、複数の強度分布成形手段
により成形された各照射レーザビームが重ならないよう
に配列すれば、局部的に照射強度の高い部分が生じず、
高いレーザ強度により非晶質若しくは多結晶のケイ素膜
を損傷させることを防ぐことができる。

【００５０】本発明のレーザ光学系を、半導体膜とし
て、ケイ素膜に適用すれば、高速で高性能の薄膜トラン
ジスタの形成が可能であり、高性能な液晶ディスプレー
の画素部として利用できる。

【００５１】本発明のレーザ光学系は、レーザ発振器
が、３２０ｎｍ〜８００ｎｍの間の発振波長を有するも
のを使用すれば、特に、非晶質若しくは多結晶のケイ素
膜の厚さ方向を均一に加熱でき、レーザ熱処理方法にお
いて高性能の薄膜トランジスタを製造するのに必要な結
晶性に優れた薄膜が得られる。

【００５２】本発明のレーザ光学系は、レーザ発振器
が、固体レーザの高調波を利用すれば、レーザ発振器を
コンパクトにでき、高調波を上記の波長範囲にすれば、
非晶質若しくは多結晶のケイ素膜の厚さ方向を均一に加
熱でき、高性能の薄膜トランジスタを製造するのに必要
な結晶性に優れた薄膜が得られる。

【００５３】レーザアニーリング装置は、上記のレーザ
光学系と、レーザ光学系にレーザビームを放射するレー
ザ発振器と、基板を載置固定するステージと、上記の光
学系若しくはステージに備えて照射レーザビームを半導
体被膜上で上記直交方向に走査させる走査機構と、を備
えるので、必要な照射強度を保った状態で、照射面積を
大きくでき、生産性が向上でき、高性能の薄膜トランジ
スタを製造するのに必要な結晶性に優れた薄膜が得られ
るとともに、装置構成が簡素化され、光学部品数を削減
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るレーザ光学系の側
面図である（Ａ，Ｂ）。

【図２】本発明の他の実施の形態を示すレーザ光学系
の側面図である（Ａ，Ｂ）。

【図３】本発明の実施の形態における半導体膜上の照
射レーザビームの強度分布を示す。

【図４】本発明の他の実施の形態における半導体膜上
の照射レーザビームの強度分布を示す。

【図５】レーザ熱処理装置を示す構成図（Ａ，Ｂ）と
強度分布を（Ｃ〜Ｅ）示す。

【符号の説明】

１レーザ発振器、２レーザビーム、３０強度分布
成形手段、５ケイ素膜、６基板、３２レンズ、３
３導波路、４０ビーム形状成形手段、８ａ、８ｂ、
８ｃ照射レーザビーム。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤行雄東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者西前順一東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内Ｆターム(参考） 5F052 BA01 BA04 BA07 BA14 BA15 BB02 BB07 CA07 CA10 DA01 DB02 JA01 5F110 AA16 AA30 DD01 DD02 DD13 GG02 GG15 GG25 GG47 PP03 PP04 PP05 PP06 PP07 PP29

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ発振器から放射されたレーザビー
ムを、基板上に形成された非晶質若しくは多結晶の半導
体膜表面に照射させる強度分布成形手段とビーム形状成
形手段を含むレーザアニーリング用レーザ光学系であっ
て、上記の強度分布成形手段が、複数のレーザ発振器からの
複数のレーザビームが入射されて、半導体膜表面に照射
される各照射レーザビームの強度分布をレーザビームの
光軸に垂直な断面内の一方向については均一にし、上記
ビーム形状成形手段が、各照射レーザビームの強度分布
を該一方向の直交方向には急峻な狭幅にして、線状照射
レーザビームにより上記の半導体膜を溶融し多結晶化す
るレーザ光学系。
【請求項２】強度分布成形手段が、複数のレーザ発振
器から入射した複数のレーザビームを上記一方向につい
て交互に反射する１対の対向した反射面を有する単一の
導波路を含む請求項１に記載のレーザ光学系。
【請求項３】強度分布成形手段が、複数のレーザ発振
器からの各レーザビームに対応して上記一方向について
反射する１対の対向した反射面を有する複数の導波路を
含む請求項１に記載のレーザ光学系。
【請求項４】上記ビーム形状成形手段が、強度分布成
形手段からのレーザビームを当該直交方向につき収束し
て照射レーザビームを狭幅の線状ビームとするシリンド
リカルレンズを含む請求項１ないし３に記載のレーザ光
学系。
【請求項５】複数の導波路を設けて半導体被膜上に成
形された複数の照射レーザビームが上記一方向にほぼ一
直線に配列した請求項３又は４に記載のレーザ光学系。
【請求項６】上記の複数の導波路により半導体被膜上
に成形された照射レーザビームが上記の一方向に向けて
交互に配列され且つ相隣接する照射レーザビーム同士が
重ならないことを特徴とする請求３又は４に記載のレー
ザ光学系。
【請求項７】上記の半導体膜が、ケイ素膜である請求
項１ないし６いずれかに記載のレーザ光学系。
【請求項８】上記レーザビームが、３２０〜８００ｎ
ｍの範囲の発振波長を有するパルスレーザである請求項
１ないし７いずれかに記載のレーザ光学系。
【請求項９】上記レーザビームが、固体レーザの高調
波である請求項８に記載のレーザ光学系。
【請求項１０】上記請求項１ないし９いずれか記載の
レーザ光学系と、レーザ光学系にレーザビームを放射す
るレーザ発振器と、基板を載置固定するステージと、上
記の光学系若しくはステージに備えて照射レーザビーム
を半導体被膜上で上記直交方向に走査させる走査機構
と、を備えたレーザアニーリング装置。