JP2002141301A - レーザアニーリング用光学系とこれを用いたレーザアニーリング装置 - Google Patents
レーザアニーリング用光学系とこれを用いたレーザアニーリング装置Info
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- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
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- B23K26/073—Shaping the laser spot
- B23K26/0738—Shaping the laser spot into a linear shape
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
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- B23K2101/36—Electric or electronic devices
- B23K2101/40—Semiconductor devices
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- Mechanical Engineering (AREA)
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- Lasers (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 レーザ熱処理により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生産
性の高いレーザ光学系とそれを利用したレーザアニーリ
ング装置を提供する。 【解決手段】 複数のレーザ発振器から放射された各レ
ーザビームを、それぞれ、基板上に形成された非晶質ま
たは多結晶のケイ素膜上で線状のビーム形状を形成する
線状ビーム成形手段を備えたレーザ光学系であって、レ
ーザ発振器から線状ビーム成形手段までのレーザビーム
の光軸がほぼ同一平面上にあり、かつ、基板とほぼ垂直
に配置され、それぞれのビームを反射鏡により基板上に
形成された非晶質のケイ素膜上に照射する。複数レーザ
ビームを同時に基板に照射することにより、各照射レー
ザビームは必要な照射強度を保った状態で、照射面積を
大きくでき、生産性が向上できる。さらに、装置構成が
簡単になり、光学的に安定したレーザ照射光学系を得る
ことができる効果がある。
成するためのレーザ光照射プロファイルを制御する生産
性の高いレーザ光学系とそれを利用したレーザアニーリ
ング装置を提供する。 【解決手段】 複数のレーザ発振器から放射された各レ
ーザビームを、それぞれ、基板上に形成された非晶質ま
たは多結晶のケイ素膜上で線状のビーム形状を形成する
線状ビーム成形手段を備えたレーザ光学系であって、レ
ーザ発振器から線状ビーム成形手段までのレーザビーム
の光軸がほぼ同一平面上にあり、かつ、基板とほぼ垂直
に配置され、それぞれのビームを反射鏡により基板上に
形成された非晶質のケイ素膜上に照射する。複数レーザ
ビームを同時に基板に照射することにより、各照射レー
ザビームは必要な照射強度を保った状態で、照射面積を
大きくでき、生産性が向上できる。さらに、装置構成が
簡単になり、光学的に安定したレーザ照射光学系を得る
ことができる効果がある。
Description
【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。
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、ガラスまたは合
成石英の基板上に形成した非晶質または多結晶のケイ素
膜で作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。従来は、これら画素トランジ
スタを駆動するドライバ回路は、主として外部に独立し
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、これ
が可能となれば、液晶パネルの製造コスト・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。
成石英の基板上に形成した非晶質または多結晶のケイ素
膜で作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。従来は、これら画素トランジ
スタを駆動するドライバ回路は、主として外部に独立し
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、これ
が可能となれば、液晶パネルの製造コスト・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。
【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作製は困難であった。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。
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作製は困難であった。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
動度の関係は以下のように説明される。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。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。従って、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回数
を少なくすることが重要で、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。
動度の関係は以下のように説明される。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。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。従って、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回数
を少なくすることが重要で、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】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、特願平
１１−１７９２３３号において、レーザ熱処理用光学系
を提案しているが、これは、レーザ発振器からのレーザ
ビームを光学系により、ケイ素膜表面上で照射レーザビ
ーム形状を線状の分布させ、線状ビームをケイ素膜上に
相対的に線状ビームの直行方向に掃引するものである。
１１−１７９２３３号において、レーザ熱処理用光学系
を提案しているが、これは、レーザ発振器からのレーザ
ビームを光学系により、ケイ素膜表面上で照射レーザビ
ーム形状を線状の分布させ、線状ビームをケイ素膜上に
相対的に線状ビームの直行方向に掃引するものである。
【０００６】図７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３１とを通過し
て、基板上のケイ素膜に照射される。
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３１とを通過し
て、基板上のケイ素膜に照射される。
【０００７】レーザ発振器１から放出されたレーザビー
ム２は、通常、ガウス強度分布を示すが、強度分布成形
手段３０は、例えば、ビーム断面のｘ方向にはガウス状
の強度分布を保存しながらビーム断面のｙ方向の強度分
布のみを平滑化するものである。このようなトップハッ
ト分布のレーザ光は、ビーム形状成形手段３１によって
ｘ方向とｙ方向とのレーザビームの幅の倍率が調整され
て、非晶質または多結晶のケイ素膜５上ではビーム形状
は長方形にされる。長方形のレーザビームの長手方向を
ｙ方向に採ると、ケイ素膜上面Ｃにおけるｘ方向の強度
分布ＸＣは強度分布成形手段３０の入射面Ａにおけるｘ
方向の強度分布ＸＡを縮小した形状になり発振レーザ光
２の指向性などの性質をなお保存しており、一方、ケイ
素膜上面Ｃにおけるｙ方向の強度分布ＹＣはほぼ均一な
分布になる。
ム２は、通常、ガウス強度分布を示すが、強度分布成形
手段３０は、例えば、ビーム断面のｘ方向にはガウス状
の強度分布を保存しながらビーム断面のｙ方向の強度分
布のみを平滑化するものである。このようなトップハッ
ト分布のレーザ光は、ビーム形状成形手段３１によって
ｘ方向とｙ方向とのレーザビームの幅の倍率が調整され
て、非晶質または多結晶のケイ素膜５上ではビーム形状
は長方形にされる。長方形のレーザビームの長手方向を
ｙ方向に採ると、ケイ素膜上面Ｃにおけるｘ方向の強度
分布ＸＣは強度分布成形手段３０の入射面Ａにおけるｘ
方向の強度分布ＸＡを縮小した形状になり発振レーザ光
２の指向性などの性質をなお保存しており、一方、ケイ
素膜上面Ｃにおけるｙ方向の強度分布ＹＣはほぼ均一な
分布になる。
【０００８】他方、レーザ照射の対象とケイ素膜は、ガ
ラスなどの基板７上に下地膜６として形成された酸化ケ
イ素膜上に、成膜されており、基板７は、走査ステージ
に固定されて、照射した長方形状のレーザビームをｘ方
向に移動させながら、レーザ照射してケイ素膜の加熱を
行う。
ラスなどの基板７上に下地膜６として形成された酸化ケ
イ素膜上に、成膜されており、基板７は、走査ステージ
に固定されて、照射した長方形状のレーザビームをｘ方
向に移動させながら、レーザ照射してケイ素膜の加熱を
行う。
【０００９】基板上に成膜されたケイ素膜５表面に、長
方形状のレーザ光をｘ方向に掃引しながら照射すると、
ケイ素膜５がレーザ光を吸収し加熱され、長方形状に溶
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、レーザ光２の強度分布が均一なため温度勾配
は生じないが、掃引方向であるｘ方向には冷却に伴う温
度勾配が生じる。溶融されたケイ素膜が冷却により結晶
化するとき、結晶は温度勾配に従って成長するから、基
板７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、結晶粒径が数μｍ程度の結晶粒が掃引方向
沿って形成される。
方形状のレーザ光をｘ方向に掃引しながら照射すると、
ケイ素膜５がレーザ光を吸収し加熱され、長方形状に溶
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、レーザ光２の強度分布が均一なため温度勾配
は生じないが、掃引方向であるｘ方向には冷却に伴う温
度勾配が生じる。溶融されたケイ素膜が冷却により結晶
化するとき、結晶は温度勾配に従って成長するから、基
板７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、結晶粒径が数μｍ程度の結晶粒が掃引方向
沿って形成される。
【００１０】このようなレーザ熱処理に長方形ビームを
用いると、レーザビームの幅方向の強度分布が再結晶成
長過程に大きく影響し、長手方向の分布が結晶を成長さ
せる領域を左右するので、特性の優れた薄膜トランジス
タを作製するには、適当なビームプロファイルと照射強
度を選択しなければならない。しかしながら、上記の長
方形状ビーム形成用の光学系では、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レーザビームの
長手方向の長さを短くする必要があり、生産性が低かっ
た。
用いると、レーザビームの幅方向の強度分布が再結晶成
長過程に大きく影響し、長手方向の分布が結晶を成長さ
せる領域を左右するので、特性の優れた薄膜トランジス
タを作製するには、適当なビームプロファイルと照射強
度を選択しなければならない。しかしながら、上記の長
方形状ビーム形成用の光学系では、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レーザビームの
長手方向の長さを短くする必要があり、生産性が低かっ
た。
【００１１】本発明は、このような問題を解消するため
になされたもので、レーザ熱処理により、格子欠陥の密
度の少ない高い結晶性を有するシリコン薄膜を形成する
ことができ、且つシリコン薄膜の生産性の高いレーザア
ニーリング装置を提供することを目的としている。
になされたもので、レーザ熱処理により、格子欠陥の密
度の少ない高い結晶性を有するシリコン薄膜を形成する
ことができ、且つシリコン薄膜の生産性の高いレーザア
ニーリング装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明のレーザアニーリ
ング用のレーザ光学系は、複数の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また
は多結晶の半導体膜の表面での照射レーザビームの形状
で線状に形成する複数の線状ビーム成形手段を含むレー
ザアニーリング用のレーザ光学系であるが、レーザ光学
系が、各レーザ発振器と対応の線状ビーム成形手段とが
そのレーザビームの光軸を基板とほぼ平行に且つ横方向
になるように配置されると共に、各レーザビームを反射
して基板上の該半導体膜表面にほぼ垂直に照射する反射
鏡を有するものである。
ング用のレーザ光学系は、複数の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また
は多結晶の半導体膜の表面での照射レーザビームの形状
で線状に形成する複数の線状ビーム成形手段を含むレー
ザアニーリング用のレーザ光学系であるが、レーザ光学
系が、各レーザ発振器と対応の線状ビーム成形手段とが
そのレーザビームの光軸を基板とほぼ平行に且つ横方向
になるように配置されると共に、各レーザビームを反射
して基板上の該半導体膜表面にほぼ垂直に照射する反射
鏡を有するものである。
【００１３】本発明において、上記反射鏡は、複数のレ
ーザビームの光軸に共通の単一の反射鏡とすることがで
きる。これにより光学部品数を低減して光学系を簡素化
できる。
ーザビームの光軸に共通の単一の反射鏡とすることがで
きる。これにより光学部品数を低減して光学系を簡素化
できる。
【００１４】また、線状ビーム成形手段は、レーザビー
ムの光軸と直交する方向に収束する円筒レンズを含み、
円筒レンズが複数のレーザビームに対して共通の単一の
円筒レンズとすることもでき、レーザ光学系を簡素化で
きる。
ムの光軸と直交する方向に収束する円筒レンズを含み、
円筒レンズが複数のレーザビームに対して共通の単一の
円筒レンズとすることもでき、レーザ光学系を簡素化で
きる。
【００１５】特に、本発明のレーザ光学系は、上記複数
のレーザビームの光軸を、基板表面に対して縦方向に配
列した構造とすることもでき、複数のレーザ発振器と線
状ビーム成形手段と反射鏡とは、それぞれ縦方向に積み
上げるような配置が利用できる。
のレーザビームの光軸を、基板表面に対して縦方向に配
列した構造とすることもでき、複数のレーザ発振器と線
状ビーム成形手段と反射鏡とは、それぞれ縦方向に積み
上げるような配置が利用できる。
【００１６】本発明のレーザ光学系は、基板上の半導体
膜表面に照射された線状の照射レーザビームを、ビーム
長手方向にほほ一直線に配列させることができる。別の
態様は、上記レーザ光学系が、基板上の半導体膜表面に
照射された各照射レーザビームを互いに重複することな
く近接させることもできる。これらの配置は、複数の照
射レーザビームを半導体膜上で合成したレーザビームを
均一な強度分布にするもので、合成したレーザビーム照
射領域を広げて、１回の走査パスで広い領域の結晶化が
可能になる。
膜表面に照射された線状の照射レーザビームを、ビーム
長手方向にほほ一直線に配列させることができる。別の
態様は、上記レーザ光学系が、基板上の半導体膜表面に
照射された各照射レーザビームを互いに重複することな
く近接させることもできる。これらの配置は、複数の照
射レーザビームを半導体膜上で合成したレーザビームを
均一な強度分布にするもので、合成したレーザビーム照
射領域を広げて、１回の走査パスで広い領域の結晶化が
可能になる。
【００１７】本発明は、半導体膜として基板上に成膜さ
れたケイ素膜に適用でき、これにより、結晶性に優れた
薄膜トランジスタ用の多結晶ケイ素基板として利用する
ことができる。
れたケイ素膜に適用でき、これにより、結晶性に優れた
薄膜トランジスタ用の多結晶ケイ素基板として利用する
ことができる。
【００１８】レーザ発振器には、３３０〜８００ｎｍの
範囲の発振波長を有するパルスレーザ発振器が好まし
く、特に、固体レーザの高調波を利用するのがよい。こ
のような波長範囲のレーザ光は、特に、非晶質ケイ素膜
に対して厚み方向への均一加熱に有効である。
範囲の発振波長を有するパルスレーザ発振器が好まし
く、特に、固体レーザの高調波を利用するのがよい。こ
のような波長範囲のレーザ光は、特に、非晶質ケイ素膜
に対して厚み方向への均一加熱に有効である。
【００１９】さらに、上記のレーザ光学系は、ケイ素膜
を形成した該基板を載置するステージと組み合わせて、
レーザビームとステージとの相対的移動により、ケイ素
膜表面上で線状レーザビームをその幅方向に移動させ
て、ケイ素膜を溶融後結晶化させるレーザアニーリング
装置とされる。好ましくは、このステージに走査駆動装
置を備えて、ステージを走査させるのが好ましい。
を形成した該基板を載置するステージと組み合わせて、
レーザビームとステージとの相対的移動により、ケイ素
膜表面上で線状レーザビームをその幅方向に移動させ
て、ケイ素膜を溶融後結晶化させるレーザアニーリング
装置とされる。好ましくは、このステージに走査駆動装
置を備えて、ステージを走査させるのが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】実施の形態１．本発明のレーザ光
学系は、概していえば、複数のレーザ発振器からのレー
ザビームをそれぞれ線状のビーム形状に変換するための
線状ビーム成形手段と、線状ビーム成形手段からの各ビ
ームを反射させて基板上の半導体膜、例えば、ケイ素膜
の表面にそれぞれ照射する反射鏡とを含んでおり、線状
ビーム成形手段は、基板上のケイ素膜上に照射され各ビ
ーム断面は、線状分布にするものである。
学系は、概していえば、複数のレーザ発振器からのレー
ザビームをそれぞれ線状のビーム形状に変換するための
線状ビーム成形手段と、線状ビーム成形手段からの各ビ
ームを反射させて基板上の半導体膜、例えば、ケイ素膜
の表面にそれぞれ照射する反射鏡とを含んでおり、線状
ビーム成形手段は、基板上のケイ素膜上に照射され各ビ
ーム断面は、線状分布にするものである。
【００２１】このような線状の照射レーザビームは、処
理時には、ケイ素膜の表面を線状ビームの狭幅方向に移
動され、この移動過程では、ケイ素膜は、線状ビームの
照射による加熱と線状ビームの通過によるその部位の放
冷が生じる。この加熱時にケイ素膜が溶融しその直後の
冷却により結晶化が生じる。こうして、ケイ素膜には、
線状の照射レーザビームの１回の走査パスで結晶帯が形
成され、結晶帯は、移動した複数の線状ビームの合成さ
れた長さに対応した幅を有する帯状になり、線状ビーム
がビーム長手方向にわたってビーム強度を均一分布にす
るので、一方向成長した大きな結晶粒で形成されてい
る。
理時には、ケイ素膜の表面を線状ビームの狭幅方向に移
動され、この移動過程では、ケイ素膜は、線状ビームの
照射による加熱と線状ビームの通過によるその部位の放
冷が生じる。この加熱時にケイ素膜が溶融しその直後の
冷却により結晶化が生じる。こうして、ケイ素膜には、
線状の照射レーザビームの１回の走査パスで結晶帯が形
成され、結晶帯は、移動した複数の線状ビームの合成さ
れた長さに対応した幅を有する帯状になり、線状ビーム
がビーム長手方向にわたってビーム強度を均一分布にす
るので、一方向成長した大きな結晶粒で形成されてい
る。
【００２２】本発明の光学系は、複数のレーザ発振器に
対応する線状ビーム成形手段を使用するので、複数の照
射レーザビームの１回の走査パスで、そのレーザビーム
の数の結晶帯を平行に形成することができ、広い範囲の
結晶帯を得ることができる。本発明は、特に、ケイ素膜
表面上のレーザビームの移動方向において、複数の線状
ビーム間に隙間を設けずに、且つ重なり合わないように
配置するので、線状ビームの長手方向にも均一に加熱冷
却されるので、広い範囲に渡り一方向に成長したの大き
な結晶粒を形成することができる。走査パスごとに、複
数の結晶帯ごとに繰り返し走査させることにより、広範
囲の領域を効率よく結晶化させることができる。
対応する線状ビーム成形手段を使用するので、複数の照
射レーザビームの１回の走査パスで、そのレーザビーム
の数の結晶帯を平行に形成することができ、広い範囲の
結晶帯を得ることができる。本発明は、特に、ケイ素膜
表面上のレーザビームの移動方向において、複数の線状
ビーム間に隙間を設けずに、且つ重なり合わないように
配置するので、線状ビームの長手方向にも均一に加熱冷
却されるので、広い範囲に渡り一方向に成長したの大き
な結晶粒を形成することができる。走査パスごとに、複
数の結晶帯ごとに繰り返し走査させることにより、広範
囲の領域を効率よく結晶化させることができる。
【００２３】本発明においては、図１〜４を参照して、
レーザ発振器１（１ａ〜１ｃ）と線状ビーム成形手段３
（３ａ〜３ｃ）と各反射鏡４（４ａ〜４ｃ）とが、複数
組配置される。これらは、ほぼビーム光軸２（２ａ〜２
ｃ）が水平になるように配置され、各反射鏡４（４ａ〜
４ｃ）が、ステージ６上の基板５０上方に配置されてい
る。
レーザ発振器１（１ａ〜１ｃ）と線状ビーム成形手段３
（３ａ〜３ｃ）と各反射鏡４（４ａ〜４ｃ）とが、複数
組配置される。これらは、ほぼビーム光軸２（２ａ〜２
ｃ）が水平になるように配置され、各反射鏡４（４ａ〜
４ｃ）が、ステージ６上の基板５０上方に配置されてい
る。
【００２４】複数のレーザ発振器１ａ〜１ｃからはレー
ザビーム２ａ〜２ｃが各線状ビーム成形手段３ａ〜３ｃ
に向けて照射され、各線状ビーム成形手段３ａ〜３ｃに
おいてビームのプロフィルが調整されて、各線状ビーム
成形手段３ａ〜３ｃからのビームが各反射鏡４ａ〜４ｃ
により反射されて、ケイ素膜に垂直照射される。この例
では、各線状ビーム成形手段は、反射鏡４ａ〜４ｃによ
り反射されて、基板上のケイ素膜表面上に照射したレー
ザビームが線状ビームになるように成形するものであ
る。
ザビーム２ａ〜２ｃが各線状ビーム成形手段３ａ〜３ｃ
に向けて照射され、各線状ビーム成形手段３ａ〜３ｃに
おいてビームのプロフィルが調整されて、各線状ビーム
成形手段３ａ〜３ｃからのビームが各反射鏡４ａ〜４ｃ
により反射されて、ケイ素膜に垂直照射される。この例
では、各線状ビーム成形手段は、反射鏡４ａ〜４ｃによ
り反射されて、基板上のケイ素膜表面上に照射したレー
ザビームが線状ビームになるように成形するものであ
る。
【００２５】ケイ素膜表面上での線状ビームは、一定の
長さにおいてその長手方向において均一なレーザ強度分
布を有し、且つ幅方向には、狭幅で急峻なレーザ強度分
布を有するように制御される。このようなレーザ光学系
は、前述の特願平１１−１７９２３３号に開示のレーザ
熱処理用の光学系を使用することができる。図８に、本
発明のレーザ光学系に利用可能な線状ビーム成形手段３
を示すが、これは、強度分布成形手段３０とビーム形状
成形手段３１とから成り、強度分布成形手段３０に扁平
な導波路３２を使用し、ビーム形状成形手段３１には、
シリンドリカルレンズ３３を使用している。導波路３２
は、ｙ方向に対面する１対の反射面３２０、３２０がテ
ーパ状に配置され、反射面間が導光可能にされて形成さ
れ、レーザ発振器１からのレーザ光２は、強度分布成形
手段３０の導波路３２を透過する際にレーザ光２の周囲
の光成分が反射面３２０、３２０に交互にｙ方向に反射
されながら、しかし、ｘ方向には、反射されずに、透過
してビーム形状成形手段３１に放射される。ビーム形状
成形手段３１の入射側では、ｙ方向に広がりｘ方向には
狭幅のプロフィルとなる。
長さにおいてその長手方向において均一なレーザ強度分
布を有し、且つ幅方向には、狭幅で急峻なレーザ強度分
布を有するように制御される。このようなレーザ光学系
は、前述の特願平１１−１７９２３３号に開示のレーザ
熱処理用の光学系を使用することができる。図８に、本
発明のレーザ光学系に利用可能な線状ビーム成形手段３
を示すが、これは、強度分布成形手段３０とビーム形状
成形手段３１とから成り、強度分布成形手段３０に扁平
な導波路３２を使用し、ビーム形状成形手段３１には、
シリンドリカルレンズ３３を使用している。導波路３２
は、ｙ方向に対面する１対の反射面３２０、３２０がテ
ーパ状に配置され、反射面間が導光可能にされて形成さ
れ、レーザ発振器１からのレーザ光２は、強度分布成形
手段３０の導波路３２を透過する際にレーザ光２の周囲
の光成分が反射面３２０、３２０に交互にｙ方向に反射
されながら、しかし、ｘ方向には、反射されずに、透過
してビーム形状成形手段３１に放射される。ビーム形状
成形手段３１の入射側では、ｙ方向に広がりｘ方向には
狭幅のプロフィルとなる。
【００２６】他方のビーム形状成形手段３１のシリンド
リカルレンズ３３は、図８において、ｘ方向にのみ収束
する凸状レンズで、これにより、ｘ方向には狭幅とされ
たビームは、さらに収束されて、この例では、投影され
たケイ素膜５上では、ｘ方向にほぼ焦点し、ｙ方向には
適度の広がりを持った線状ビームが形成される。この図
８は、反射鏡を省略しているが、ビーム形状成形手段３
１を水平に配置し、ビーム形状成形手段３１の後に挿入
して反射鏡４により反射したビームを水平なケイ素膜５
上に垂直に線状ビームとして結像するように配置され
る。
リカルレンズ３３は、図８において、ｘ方向にのみ収束
する凸状レンズで、これにより、ｘ方向には狭幅とされ
たビームは、さらに収束されて、この例では、投影され
たケイ素膜５上では、ｘ方向にほぼ焦点し、ｙ方向には
適度の広がりを持った線状ビームが形成される。この図
８は、反射鏡を省略しているが、ビーム形状成形手段３
１を水平に配置し、ビーム形状成形手段３１の後に挿入
して反射鏡４により反射したビームを水平なケイ素膜５
上に垂直に線状ビームとして結像するように配置され
る。
【００２７】他方、レーザ処理されるべきケイ素膜５
は、その寸法形状がその用途に対応して基板上に成膜さ
れる。基板５０には、特に、液晶ディスプレー用の多結
晶ケイ素に対しては、ガラス又はセラミックスの基板が
好ましく使用され、基板上には下地膜５１として、絶縁
層、例えば酸化ケイ素膜が形成される。酸化ケイ素膜５
１は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により
形成することができる。その厚みは、厚さ１００〜３０
０ｎｍの範囲、特に、２００ｎｍ程度にされる。
は、その寸法形状がその用途に対応して基板上に成膜さ
れる。基板５０には、特に、液晶ディスプレー用の多結
晶ケイ素に対しては、ガラス又はセラミックスの基板が
好ましく使用され、基板上には下地膜５１として、絶縁
層、例えば酸化ケイ素膜が形成される。酸化ケイ素膜５
１は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により
形成することができる。その厚みは、厚さ１００〜３０
０ｎｍの範囲、特に、２００ｎｍ程度にされる。
【００２８】処理されるべきケイ素膜５は、基板５０上
の下地の酸化ケイ素膜５１上に形成され、その用途に応
じて、例えば、ＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Va
porDeposition）法により成膜して、厚さ３０〜１５０
ｎｍの範囲に、特に、厚さ５０ｎｍ程度の非晶質のケイ
素膜が形成される。ケイ素膜は、結晶質であってもよ
く、例えば、非晶質ケイ素膜結晶質を予備アニーリング
により結晶粒を析出したものでもよい。このようなケイ
素膜を形成した基板５０は、ステージ６上に載置固定さ
れる。
の下地の酸化ケイ素膜５１上に形成され、その用途に応
じて、例えば、ＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Va
porDeposition）法により成膜して、厚さ３０〜１５０
ｎｍの範囲に、特に、厚さ５０ｎｍ程度の非晶質のケイ
素膜が形成される。ケイ素膜は、結晶質であってもよ
く、例えば、非晶質ケイ素膜結晶質を予備アニーリング
により結晶粒を析出したものでもよい。このようなケイ
素膜を形成した基板５０は、ステージ６上に載置固定さ
れる。
【００２９】ケイ素膜に対して、線状の照射レーザビー
ムは、その幅方向、即ち、ｘ方向に相対的に移動させな
がらレーザ照射を行う。照射レーザビームの相対移動
は、固定した光学系に対して、ステージをｘ方向または
ｘ方向を含む直交二方向に移動可能にして、ステージを
走査させる方法が採用できる。移動は、ステージを固定
して、上記のレーザ光学系を繰り返し走査する方法も使
用できる。また、この移動は、特に、光学系の例えば、
反射鏡を回動させて、レーザビームの照射角度を可変に
して走査することを含む。
ムは、その幅方向、即ち、ｘ方向に相対的に移動させな
がらレーザ照射を行う。照射レーザビームの相対移動
は、固定した光学系に対して、ステージをｘ方向または
ｘ方向を含む直交二方向に移動可能にして、ステージを
走査させる方法が採用できる。移動は、ステージを固定
して、上記のレーザ光学系を繰り返し走査する方法も使
用できる。また、この移動は、特に、光学系の例えば、
反射鏡を回動させて、レーザビームの照射角度を可変に
して走査することを含む。
【００３０】相対移動中のケイ素膜にレーザ光が照射さ
れると、ケイ素膜がレーザ光を吸収し加熱され、レーザ
ビームの形状に対応して長方形上に溶融される。溶融し
たケイ素膜には、移動方向のｘ方向にのみ温度勾配が生
じ、照射レーザビームの長手方向即ちｙ方向は、溶融し
たケイ素膜は、レーザビーム２の強度分布が均一なため
温度勾配は生じない。溶融ケイ素膜は、温度勾配に添っ
て結晶化し成長するので、基板７の移動方向即ちｘ方向
への１次元成長（一方向性成長）になり、結晶粒径は数
μｍ程度と大きな結晶粒が形成される。
れると、ケイ素膜がレーザ光を吸収し加熱され、レーザ
ビームの形状に対応して長方形上に溶融される。溶融し
たケイ素膜には、移動方向のｘ方向にのみ温度勾配が生
じ、照射レーザビームの長手方向即ちｙ方向は、溶融し
たケイ素膜は、レーザビーム２の強度分布が均一なため
温度勾配は生じない。溶融ケイ素膜は、温度勾配に添っ
て結晶化し成長するので、基板７の移動方向即ちｘ方向
への１次元成長（一方向性成長）になり、結晶粒径は数
μｍ程度と大きな結晶粒が形成される。
【００３１】照射による結晶成長の過程は、非晶質また
は多結晶のケイ素膜内においてｘ方向に形成された温度
分布に大きく影響される。すなわち、照射される長方形
ビームの幅方向の強度分布に大きく影響される。レーザ
光照射により非晶質または多結晶のケイ素膜内に導入さ
れた熱は、一様に基板へ散逸していく。すなわち、非晶
質または多結晶のケイ素膜内のｘ方向温度分布は一様に
低下していく。従って、溶融ケイ素膜は、先に温度が融
点を過ぎた部分から、後に温度が融点より低下する部分
へ向かって結晶成長していく。そしてこの成長中の結晶
は、温度低下の過程で自然核発生により成長した微結晶
によりその行く手を遮られて、ｘ方向結晶成長が止ま
る。すなわち、自然核発生が起こるまでの時間にできる
だけ結晶粒が長く成長していることが必要である。その
ためには、結晶成長速度が速いことが要求される。
は多結晶のケイ素膜内においてｘ方向に形成された温度
分布に大きく影響される。すなわち、照射される長方形
ビームの幅方向の強度分布に大きく影響される。レーザ
光照射により非晶質または多結晶のケイ素膜内に導入さ
れた熱は、一様に基板へ散逸していく。すなわち、非晶
質または多結晶のケイ素膜内のｘ方向温度分布は一様に
低下していく。従って、溶融ケイ素膜は、先に温度が融
点を過ぎた部分から、後に温度が融点より低下する部分
へ向かって結晶成長していく。そしてこの成長中の結晶
は、温度低下の過程で自然核発生により成長した微結晶
によりその行く手を遮られて、ｘ方向結晶成長が止ま
る。すなわち、自然核発生が起こるまでの時間にできる
だけ結晶粒が長く成長していることが必要である。その
ためには、結晶成長速度が速いことが要求される。
【００３２】一般に、ある微小領域における結晶成長速
度ｖは、微小領域の幅Δｘに対する微小領域における温
度差ΔＴの比、即ち温度勾配に依存して、ｖ＝ｋΔＴ/
Δｘにより表される。ここで、ｋは速度定数である。
度ｖは、微小領域の幅Δｘに対する微小領域における温
度差ΔＴの比、即ち温度勾配に依存して、ｖ＝ｋΔＴ/
Δｘにより表される。ここで、ｋは速度定数である。
【００３３】ケイ素膜内のｘ方向に関して温度分布が存
在すると、融点以上の温度である領域の温度勾配が急峻
であれば、結晶成長速度を大きくでき、その結果、結晶
粒径の大きい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作製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。
在すると、融点以上の温度である領域の温度勾配が急峻
であれば、結晶成長速度を大きくでき、その結果、結晶
粒径の大きい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作製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。
【００３４】本実施の形態に示した装置は、複数のレー
ザ発振器１ａ〜１ｃから放射された複数のレーザビーム
２ａ〜２ｃが、同様、線状に変換され、ケイ素膜が成膜
された基板５０に線状ビームとして照射されて、複数条
の結晶帯を形成するので、各ビームは必要な照射強度を
保ったままで、所要の照射面積を大きくでき、生産性が
向上できる。
ザ発振器１ａ〜１ｃから放射された複数のレーザビーム
２ａ〜２ｃが、同様、線状に変換され、ケイ素膜が成膜
された基板５０に線状ビームとして照射されて、複数条
の結晶帯を形成するので、各ビームは必要な照射強度を
保ったままで、所要の照射面積を大きくでき、生産性が
向上できる。
【００３５】本発明におけるレーザ発振器は、特に、３
３０〜８００ｎｍの範囲の発振波長を有するレーザが好
ましい。この３３０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲の発振波長
光は、非晶質ケイ素に対する吸収係数が比較的小さく、
膜厚方向にレーザ光が浸透するため、膜厚方向に対して
はほぼ均一に加熱され、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または多結晶の
ケイ素膜のうち、照射レーザビームのある強度分布以上
の部分の照射部位が、深さ方向全体に溶融する。このよ
うな波長領域を利用することにより、非晶質または多結
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作製するの
に必要な結晶性に優れた薄膜が得られる
３０〜８００ｎｍの範囲の発振波長を有するレーザが好
ましい。この３３０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲の発振波長
光は、非晶質ケイ素に対する吸収係数が比較的小さく、
膜厚方向にレーザ光が浸透するため、膜厚方向に対して
はほぼ均一に加熱され、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または多結晶の
ケイ素膜のうち、照射レーザビームのある強度分布以上
の部分の照射部位が、深さ方向全体に溶融する。このよ
うな波長領域を利用することにより、非晶質または多結
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作製するの
に必要な結晶性に優れた薄膜が得られる
【００３６】この３３０〜８００ｎｍの間の発振波長を
有するレーザとして、例えば固体レーザの高調波発生源
が利用できる。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調
波（５３２ｎｍ）や第３高調波（３５５ｎｍ）、Ｎｄ：
ＹＬＦレーザの第２高調波（５２４ｎｍ）や第３高調波
（３４９ｎｍ）、Ｙｂ：ＹＡＧレーザの第２高調波（５
１５ｎｍ）や第３高調波（３４４ｎｍ）等を用いること
ができる。Ｔｉ：サファイアレーザの基本波または第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
ることで、３４０〜８００ｎｍの範囲の発振波長のレー
ザ光を、コンパクトな装置を利用して、効率よく得ら
れ、長時間安定した動作が可能になる。
有するレーザとして、例えば固体レーザの高調波発生源
が利用できる。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調
波（５３２ｎｍ）や第３高調波（３５５ｎｍ）、Ｎｄ：
ＹＬＦレーザの第２高調波（５２４ｎｍ）や第３高調波
（３４９ｎｍ）、Ｙｂ：ＹＡＧレーザの第２高調波（５
１５ｎｍ）や第３高調波（３４４ｎｍ）等を用いること
ができる。Ｔｉ：サファイアレーザの基本波または第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
ることで、３４０〜８００ｎｍの範囲の発振波長のレー
ザ光を、コンパクトな装置を利用して、効率よく得ら
れ、長時間安定した動作が可能になる。
【００３７】この実施の形態においては、上記のレーザ
光学系が、３組の線状ビーム成形手段３ａ〜３ｂと反射
鏡４ａ〜４ｃの組み合わせを利用しており、図１に示す
ように、各レーザ発振器１ａ〜１ｃから線状ビーム成形
手段３ａ〜３ｂを通過するレーザビーム２ａ〜２ｃの光
軸をほぼ基板表面と平行な平面内に配置してある。そし
て、線状ビーム成形手段から放射した各レーザビーム
を、それぞれの反射鏡４ａ〜４ｂにより反射して基板５
０上の該ケイ素膜５表面にほぼ垂直に且つ線状の照射レ
ーザビームとして照射する。照射レーザビームの配置
は、ケイ素膜５表面上の各線状の照射レーザビームを長
手方向に直線状に且つ互いに近接して配列しており、照
射レーザビームの走査１回のパスで、広幅の照射領域を
確保することができる。
光学系が、３組の線状ビーム成形手段３ａ〜３ｂと反射
鏡４ａ〜４ｃの組み合わせを利用しており、図１に示す
ように、各レーザ発振器１ａ〜１ｃから線状ビーム成形
手段３ａ〜３ｂを通過するレーザビーム２ａ〜２ｃの光
軸をほぼ基板表面と平行な平面内に配置してある。そし
て、線状ビーム成形手段から放射した各レーザビーム
を、それぞれの反射鏡４ａ〜４ｂにより反射して基板５
０上の該ケイ素膜５表面にほぼ垂直に且つ線状の照射レ
ーザビームとして照射する。照射レーザビームの配置
は、ケイ素膜５表面上の各線状の照射レーザビームを長
手方向に直線状に且つ互いに近接して配列しており、照
射レーザビームの走査１回のパスで、広幅の照射領域を
確保することができる。
【００３８】この例では、レーザ発振器１ａ〜１ｃにＮ
ｄ：ＹＡＧレーザを使用し、線状ビーム成形手段３ａ〜
３ｂには、対面する反射面を利用した上記導波路３１と
凸状のシリンドリカルレンズ３３との組み合わせを利用
して、反射鏡４ａ〜４ｃは、線状ビーム成形手段３ａ〜
３ｂごとに個別の平面鏡を使用している。
ｄ：ＹＡＧレーザを使用し、線状ビーム成形手段３ａ〜
３ｂには、対面する反射面を利用した上記導波路３１と
凸状のシリンドリカルレンズ３３との組み合わせを利用
して、反射鏡４ａ〜４ｃは、線状ビーム成形手段３ａ〜
３ｂごとに個別の平面鏡を使用している。
【００３９】このようなレーザ光学系を利用したレーザ
アニーリング装置は、図１において、レーザ光学系を固
定して、基板５０を載置固定するステージ６にｘ−ｙ方
向に走査可能な走査機構（不図示）を備えており、ステ
ージ６をｘ方向に移動することにより、ケイ素膜５表面
上を上記配列の照射レーザビーム８ａ〜８ｂを移動させ
て、３条の照射レーザビーム８ａ〜８ｂ幅の照射帯域８
５でケイ素膜５を溶融と冷却過程の凝固で溶融ケイ素を
結晶化させ、大きな結晶粒界の分布した結晶帯域が得ら
れる。１回目のパス後に、３条の照射レーザビーム８ａ
〜８ｂ幅だけｙ方向にずらした後にｘ方向を逆方向に移
動させると二回目のパス後は、前の１回目のパスの結晶
帯域に隣接した結晶帯域が得られる。このような走査に
より、所望の領域８５を粗大結晶粒の結晶帯域にするこ
とかできる。
アニーリング装置は、図１において、レーザ光学系を固
定して、基板５０を載置固定するステージ６にｘ−ｙ方
向に走査可能な走査機構（不図示）を備えており、ステ
ージ６をｘ方向に移動することにより、ケイ素膜５表面
上を上記配列の照射レーザビーム８ａ〜８ｂを移動させ
て、３条の照射レーザビーム８ａ〜８ｂ幅の照射帯域８
５でケイ素膜５を溶融と冷却過程の凝固で溶融ケイ素を
結晶化させ、大きな結晶粒界の分布した結晶帯域が得ら
れる。１回目のパス後に、３条の照射レーザビーム８ａ
〜８ｂ幅だけｙ方向にずらした後にｘ方向を逆方向に移
動させると二回目のパス後は、前の１回目のパスの結晶
帯域に隣接した結晶帯域が得られる。このような走査に
より、所望の領域８５を粗大結晶粒の結晶帯域にするこ
とかできる。
【００４０】この実施形態では、反射鏡４ａ〜４ｃは、
各線状ビーム成形手段３ａ〜３ｂに対応して個別に配置
したが、変形例として、線状ビーム成形手段３ａ〜３ｂ
のビームを反射して基板５０の表面に向けて反射させれ
ば、１個の反射鏡を利用することもできる。図２は、３
組の線状ビーム成形手段３ａ〜３ｂに対して単一の反射
鏡４を使用している。光学系の他の構成は、この実施の
形態と同様である。単一の反射鏡とすることにより、装
置を簡素化でき、小型と低コスト化が可能になるととも
に、光学系の干渉も防げる。
各線状ビーム成形手段３ａ〜３ｂに対応して個別に配置
したが、変形例として、線状ビーム成形手段３ａ〜３ｂ
のビームを反射して基板５０の表面に向けて反射させれ
ば、１個の反射鏡を利用することもできる。図２は、３
組の線状ビーム成形手段３ａ〜３ｂに対して単一の反射
鏡４を使用している。光学系の他の構成は、この実施の
形態と同様である。単一の反射鏡とすることにより、装
置を簡素化でき、小型と低コスト化が可能になるととも
に、光学系の干渉も防げる。
【００４１】さらに、各線状ビーム成形手段３は、ビー
ム形状成形手段３１としてシリンドリカルレンズ（円筒
レンズ）３３を個別に使用して、各照射レーザビームを
ｘ方向に収束するものであるが、図３に示す変形例は、
各線状ビーム成形手段３ａ〜３ｂについて単一のシリン
ドリカルレンズ（円筒レンズ）９を使用して、各照射レ
ーザビームを同様に線状ビームにしている。シリンドリ
カルレンズ９は、図８の円筒レンズ３３と同じ機能を有
するが、これを３組のビーム形状成形手段３１に付いて
１個のシリンドリカルレンズ９を共有することにより、
レーザ光学系の部品数を削減でき、小型と低コストにす
ることができ、光学系の干渉も防げる。
ム形状成形手段３１としてシリンドリカルレンズ（円筒
レンズ）３３を個別に使用して、各照射レーザビームを
ｘ方向に収束するものであるが、図３に示す変形例は、
各線状ビーム成形手段３ａ〜３ｂについて単一のシリン
ドリカルレンズ（円筒レンズ）９を使用して、各照射レ
ーザビームを同様に線状ビームにしている。シリンドリ
カルレンズ９は、図８の円筒レンズ３３と同じ機能を有
するが、これを３組のビーム形状成形手段３１に付いて
１個のシリンドリカルレンズ９を共有することにより、
レーザ光学系の部品数を削減でき、小型と低コストにす
ることができ、光学系の干渉も防げる。
【００４２】さらに、上記実施の形態の変形として、円
筒レンズ９を光軸上で反射鏡４ａ、４ｂ、４ｃの後方に
配置すること、即ち、反射鏡４ａ、４ｂ、４ｃの下方に
配置することができる。さらに、一種類の円筒レンズを
共有する構成を示したが、レーザビームの光軸からなる
平面に垂直な方向に作用する円筒レンズであれば共有化
が可能である。
筒レンズ９を光軸上で反射鏡４ａ、４ｂ、４ｃの後方に
配置すること、即ち、反射鏡４ａ、４ｂ、４ｃの下方に
配置することができる。さらに、一種類の円筒レンズを
共有する構成を示したが、レーザビームの光軸からなる
平面に垂直な方向に作用する円筒レンズであれば共有化
が可能である。
【００４３】実施の形態２．本発明のレーザ光学系は、
各レーザ発振器と線状ビーム成形手段とを通過するレー
ザ光軸を基板に対して平行で且つほぼ基板に垂直な平面
内にあるように配置することもできる。この実施形態
を、図４に示すが、レーザ発振器とそれに対応する線状
ビーム成形手段の光軸が基板５０に平行になり、３組の
レーザ発振器１ａ〜１ｂ、及び線状ビーム成形手段３ａ
〜３ｃは、基板５０上方に、上下に重なるように配置さ
ている。各組の線状ビーム成形手段に対応する反射鏡４
ａ〜４ｂは傾斜して、線状ビーム成形手段３ａ〜３ｃか
らの照射レーザビーム８ａ〜８ｃを反射して基板５０上
にほぼ垂直に照射している。
各レーザ発振器と線状ビーム成形手段とを通過するレー
ザ光軸を基板に対して平行で且つほぼ基板に垂直な平面
内にあるように配置することもできる。この実施形態
を、図４に示すが、レーザ発振器とそれに対応する線状
ビーム成形手段の光軸が基板５０に平行になり、３組の
レーザ発振器１ａ〜１ｂ、及び線状ビーム成形手段３ａ
〜３ｃは、基板５０上方に、上下に重なるように配置さ
ている。各組の線状ビーム成形手段に対応する反射鏡４
ａ〜４ｂは傾斜して、線状ビーム成形手段３ａ〜３ｃか
らの照射レーザビーム８ａ〜８ｃを反射して基板５０上
にほぼ垂直に照射している。
【００４４】この例で、基板５０上のケイ素膜表面での
照射レーザビームは、３組線状ビーム成形手段３ａ〜３
ｃからの基板上５０の三つの線状の照射レーザビーム８
ａ〜８ｃの長手方向が、各レーザ発振器と線状ビーム成
形手段とを通過するレーザ光軸方向に平行に配列されて
いる。
照射レーザビームは、３組線状ビーム成形手段３ａ〜３
ｃからの基板上５０の三つの線状の照射レーザビーム８
ａ〜８ｃの長手方向が、各レーザ発振器と線状ビーム成
形手段とを通過するレーザ光軸方向に平行に配列されて
いる。
【００４５】この光学系を使用するレーザアニーリング
装置においては、実施の形態１と同様に、三つの線状の
照射レーザビーム８ａの狭幅の方向（ｘ方向）に走査す
ることにより、同様に、３つの照射レーザビーム８ａ〜
８ｃの長さの和に対応する広幅の結晶帯が得られる。
装置においては、実施の形態１と同様に、三つの線状の
照射レーザビーム８ａの狭幅の方向（ｘ方向）に走査す
ることにより、同様に、３つの照射レーザビーム８ａ〜
８ｃの長さの和に対応する広幅の結晶帯が得られる。
【００４６】実施の形態３．本発明のレーザ光学系にお
いては、基板５０上に照射された複数の照射レーザビー
ム８ａ〜８ｃは線状プロフイルを持ち複数の照射レーザ
ビーム８ａ〜８ｃをその長手方向、即ち、ｙ方向に直線
状に直列するように配置される。図５は、３つのレーザ
発振器１ａ〜１ｃからそれぞれ線状ビーム成形手段３ａ
〜３ｃを経てケイ素膜５上に照射された照射レーザビー
ム８ａ〜８ｃのｘ方向及びｙ方向の強度分布Ｐｙａ〜Ｐ
ｙｃを示している。
いては、基板５０上に照射された複数の照射レーザビー
ム８ａ〜８ｃは線状プロフイルを持ち複数の照射レーザ
ビーム８ａ〜８ｃをその長手方向、即ち、ｙ方向に直線
状に直列するように配置される。図５は、３つのレーザ
発振器１ａ〜１ｃからそれぞれ線状ビーム成形手段３ａ
〜３ｃを経てケイ素膜５上に照射された照射レーザビー
ム８ａ〜８ｃのｘ方向及びｙ方向の強度分布Ｐｙａ〜Ｐ
ｙｃを示している。
【００４７】線状ビーム成形手段３ａ〜３ｃは、ｙ方向
の強度分布が、周辺部で急峻で完全な矩形の分布を作り
出すのは困難なので、照射レーザビーム８ａ〜８ｃのｙ
方向の強度分布は周辺部がなだらかになる。そこで図５
に示すように、例えば、線状の照射レーザビーム８ｂの
ｙ方向の強度分布の周辺部を他のレーザ発振器からの隣
接した照射レーザビーム８ａ、８ｃの周辺部に適当に重
ねる。これにより、複数のレーザ発振器から放出された
照射レーザビーム８ａ〜８ｃのｙ方向に合成した強度分
布Ｐｙは、図５に示すように、基板５０上のケイ素膜表
面でほぼ均一にすることができ、これにより、走査され
たケイ素膜表面は、１回のパスで、合成された強度分布
長さを幅とする広幅の結晶化帯を形成することができ
る。このようにして、ｙ方向でほぼ均一な照射光強度が
得られるので、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作製するのに必要な
結晶性に優れた薄膜を形成することができる。
の強度分布が、周辺部で急峻で完全な矩形の分布を作り
出すのは困難なので、照射レーザビーム８ａ〜８ｃのｙ
方向の強度分布は周辺部がなだらかになる。そこで図５
に示すように、例えば、線状の照射レーザビーム８ｂの
ｙ方向の強度分布の周辺部を他のレーザ発振器からの隣
接した照射レーザビーム８ａ、８ｃの周辺部に適当に重
ねる。これにより、複数のレーザ発振器から放出された
照射レーザビーム８ａ〜８ｃのｙ方向に合成した強度分
布Ｐｙは、図５に示すように、基板５０上のケイ素膜表
面でほぼ均一にすることができ、これにより、走査され
たケイ素膜表面は、１回のパスで、合成された強度分布
長さを幅とする広幅の結晶化帯を形成することができ
る。このようにして、ｙ方向でほぼ均一な照射光強度が
得られるので、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作製するのに必要な
結晶性に優れた薄膜を形成することができる。
【００４８】図６は、照射レーザビーム８ａ〜８ｃの配
置の別の変形例を示すが、この例は、基板５０上での照
射レーザビーム８ａ，８ｂ，８ｃを互いに重ならないよ
うに近接して配置し、互いに隣接する照射レーザビーム
８ａ，８ｂ，８ｃは、照射レーザビームが走査されたケ
イ素膜上で照射ビームのｙ方向の均一な強度分布の領域
８１がｙ方向に重複するように配置されている。このよ
うな、照射レーザビーム８ａ，８ｂ，８ｃの配置は、レ
ーザビーム２ａ，２ｂ，２ｃをｘ方向でわずかに角度を
平行からずらすことにより、実現できる。或いは、互い
に隣接する反射鏡４ａ〜４ｂの角度をわずかにｘ方向に
ずらすことにより調整してもよい。
置の別の変形例を示すが、この例は、基板５０上での照
射レーザビーム８ａ，８ｂ，８ｃを互いに重ならないよ
うに近接して配置し、互いに隣接する照射レーザビーム
８ａ，８ｂ，８ｃは、照射レーザビームが走査されたケ
イ素膜上で照射ビームのｙ方向の均一な強度分布の領域
８１がｙ方向に重複するように配置されている。このよ
うな、照射レーザビーム８ａ，８ｂ，８ｃの配置は、レ
ーザビーム２ａ，２ｂ，２ｃをｘ方向でわずかに角度を
平行からずらすことにより、実現できる。或いは、互い
に隣接する反射鏡４ａ〜４ｂの角度をわずかにｘ方向に
ずらすことにより調整してもよい。
【００４９】このように照射レーザビームの配置は、照
射強度の局部的に高い部分が生じないので、局部的な高
いレーザ強度により非晶質または多結晶のケイ素膜の損
傷や、不均一な温度分布に起因する生成結晶粒の微細化
を防ぐことができる。
射強度の局部的に高い部分が生じないので、局部的な高
いレーザ強度により非晶質または多結晶のケイ素膜の損
傷や、不均一な温度分布に起因する生成結晶粒の微細化
を防ぐことができる。
【００５０】
【発明の効果】本発明のレーザ光学系は、複数のレーザ
発振器と対応する線状ビーム成形手段と反射鏡を備え
て、レーザ発振器から線状ビーム成形手段までのレーザ
ビームの光軸が基板に平行なほぼ同一平面上にありそれ
ぞれのレーザビームが反射鏡により基板上に形成された
非晶質または多結晶の半導体膜上に照射するようにした
ので、各照射レーザビームが必要な照射強度を保った状
態で、複数のビームを合成した長を幅とする照射領域を
大きくでき、格子欠陥密度の小さい、大きな結晶粒を有
する多結晶半導体膜が、量産的に製造で、その、生産性
を向上できるとともに、光学的に安定したレーザ照射光
学系を得ることができる効果がある。
発振器と対応する線状ビーム成形手段と反射鏡を備え
て、レーザ発振器から線状ビーム成形手段までのレーザ
ビームの光軸が基板に平行なほぼ同一平面上にありそれ
ぞれのレーザビームが反射鏡により基板上に形成された
非晶質または多結晶の半導体膜上に照射するようにした
ので、各照射レーザビームが必要な照射強度を保った状
態で、複数のビームを合成した長を幅とする照射領域を
大きくでき、格子欠陥密度の小さい、大きな結晶粒を有
する多結晶半導体膜が、量産的に製造で、その、生産性
を向上できるとともに、光学的に安定したレーザ照射光
学系を得ることができる効果がある。
【００５１】本発明は、反射鏡を複数のレーザビームに
対して共通の単一の反射鏡とすれば、光学部品数を削減
でき、小型で低コストの光学系とすることができ、光学
系の干渉も防げる効果がある。
対して共通の単一の反射鏡とすれば、光学部品数を削減
でき、小型で低コストの光学系とすることができ、光学
系の干渉も防げる効果がある。
【００５２】複数の線状ビーム成形手段に、共通の単一
の円筒レンズを使用すれば、光学部品数を削減でき、小
型、低コスト化が可能になるとともに、光学系の干渉も
防げる効果がある。
の円筒レンズを使用すれば、光学部品数を削減でき、小
型、低コスト化が可能になるとともに、光学系の干渉も
防げる効果がある。
【００５３】本発明のレーザ光学系が、レーザ発振器か
ら線状ビーム成形手段までのレーザビームの光軸を、基
板表面にほぼ垂直方向に配列するようにすれば、レーザ
発振器及び線状ビーム成形手段は、水平方向に並べるこ
となく、垂直方向に間隔を設けて積み重ねる配置をとる
ことができ、部品間の相互の干渉なくして容易に構成す
ることがてきる。
ら線状ビーム成形手段までのレーザビームの光軸を、基
板表面にほぼ垂直方向に配列するようにすれば、レーザ
発振器及び線状ビーム成形手段は、水平方向に並べるこ
となく、垂直方向に間隔を設けて積み重ねる配置をとる
ことができ、部品間の相互の干渉なくして容易に構成す
ることがてきる。
【００５４】複数の強度分布成形手段により、成形され
た線状の照射レーザビームがその長手方向にほぼ一直線
に並ぶように配すれば、合成された照射レーザビーム
は、その長手方向に均一な照射強度が得られるので、均
一な多結晶の半導体膜の形成が可能となり、高性能の薄
膜トランジスタを作製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。
た線状の照射レーザビームがその長手方向にほぼ一直線
に並ぶように配すれば、合成された照射レーザビーム
は、その長手方向に均一な照射強度が得られるので、均
一な多結晶の半導体膜の形成が可能となり、高性能の薄
膜トランジスタを作製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。
【００５５】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重ならない配置にすることにより、
照射レーザビームが他の照射レーザビームと重ならない
ので、局部的に照射強度の高い部分が生じず、高いレー
ザ強度により半導体膜を損傷させることを防ぐことがで
きる。
照射レーザビームが重ならない配置にすることにより、
照射レーザビームが他の照射レーザビームと重ならない
ので、局部的に照射強度の高い部分が生じず、高いレー
ザ強度により半導体膜を損傷させることを防ぐことがで
きる。
【００５６】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、格子欠陥密度の小さい、大
きな結晶粒を有する多結晶ケイ素膜が、量産的に製造
で、その、生産性を向上できるとともに、液晶ディスプ
レイ用の高速薄膜トランジスタを形成するためのケイ素
基板として利用できる。
て、ケイ素膜に適用すれば、格子欠陥密度の小さい、大
きな結晶粒を有する多結晶ケイ素膜が、量産的に製造
で、その、生産性を向上できるとともに、液晶ディスプ
レイ用の高速薄膜トランジスタを形成するためのケイ素
基板として利用できる。
【００５７】レーザ発振器に３２０〜８００ｎｍの範囲
の発振波長光を利用すれば、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作製するのに
必要な結晶性に優れた薄膜が得られる。
の発振波長光を利用すれば、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作製するのに
必要な結晶性に優れた薄膜が得られる。
【００５８】レーザ発振器には、固体レーザの高調波が
利用できるので、レーザ発振器をコンパクトにできると
ともに、ケイ素膜の厚さ方向を均一に加熱できる。
利用できるので、レーザ発振器をコンパクトにできると
ともに、ケイ素膜の厚さ方向を均一に加熱できる。
【００５９】本発明のレーザアニーリング装置は、上記
のレーザ光学系と共に、基板を載置固定するステージと
を含み、照射レーザビームと基板上のケイ素膜との相対
移動により、ケイ素膜に粗粒化した結晶が、高い生産性
を持って得られる。
のレーザ光学系と共に、基板を載置固定するステージと
を含み、照射レーザビームと基板上のケイ素膜との相対
移動により、ケイ素膜に粗粒化した結晶が、高い生産性
を持って得られる。
【００６０】特に、ステージに走査機能を有して、ステ
ージ側を走査するようにすれば、レーザ光学系を固定で
き、照射レーザビームの正確な位置付けと移動とが可能
となり、精度の高い結晶化処理が容易となる。
ージ側を走査するようにすれば、レーザ光学系を固定で
き、照射レーザビームの正確な位置付けと移動とが可能
となり、精度の高い結晶化処理が容易となる。
【図１】 この発明の実施の形態に係るレーザ光学系を
使用したレーザアニーリング装置の模式的斜視図であ
る。
使用したレーザアニーリング装置の模式的斜視図であ
る。
【図２】 この発明の実施の形態に係る同様のレーザア
ニーリング装置の配置を示す模式的斜視図である。
ニーリング装置の配置を示す模式的斜視図である。
【図３】 この発明の別の実施の形態に係る同様のレー
ザアニーリング装置の配置を示す模式的斜視図である。
ザアニーリング装置の配置を示す模式的斜視図である。
【図４】 この発明の別の実施の形態に係るレーザ光学
系を使用したレーザアニーリング装置の模式的斜視図で
ある。
系を使用したレーザアニーリング装置の模式的斜視図で
ある。
【図５】 この発明の実施の形態に係るレーザ光学系に
よるケイ素膜上で合成した照射レーザビームの強度分布
を示す図である。
よるケイ素膜上で合成した照射レーザビームの強度分布
を示す図である。
【図６】 この発明の実施の形態に係るレーザ光学系に
よるケイ素膜上で合成した照射レーザビームの強度分布
を示す図五同様図である。
よるケイ素膜上で合成した照射レーザビームの強度分布
を示す図五同様図である。
【図７】 レーザアニーリング装置の基礎を成す単一の
レーザ光学系を示す。
レーザ光学系を示す。
【図８】 レーザ光学系の詳細な構成を示す図である。
１ レーザ発振器、２ レーザビーム、３ 線状ビーム
形成手段、５ ケイ素膜、５０ 基板、６ ステージ。
形成手段、５ ケイ素膜、５０ 基板、６ ステージ。
───────────────────────────────────────────────────── 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 AA02 BA07 BA14 BA18 BB02 BB03 CA07 DA02 DB02 5F072 AB02 AB15 KK05 KK30 QQ02 YY08
Claims (11)
- 【請求項１】 複数の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または多結晶の
半導体膜の表面での照射レーザビームの形状で線状に形
成する複数の線状ビーム成形手段を含むレーザアニーリ
ング用のレーザ光学系であって、該レーザ光学系が、各
レーザ発振器と対応の線状ビーム成形手段とがそのレー
ザビームの光軸を基板とほぼ平行に且つ横方向に成るよ
うに配置されると共に、各レーザビームを反射して基板
上の該半導体膜表面にほぼ垂直に照射する反射鏡を有す
るレーザアニーリング用のレーザ光学系。 - 【請求項２】 上記反射鏡が複数のレーザビームの光軸
に共通の単一の反射鏡である請求項１に記載のレーザ光
学系。 - 【請求項３】 線状ビーム成形手段が、レーザビームの
光軸と直交する方向に収束する円筒レンズを含み、円筒
レンズが複数のレーザビームに対して共通の単一の円筒
レンズである請求項１又は２に記載のレーザ光学系。 - 【請求項４】 各レーザ発振器と対応の線状ビーム成形
手段とがそのレーザビームの光軸を、基板と平行で且つ
基板表面に対して縦に配列した請求項１のレーザ光学
系。 - 【請求項５】 上記レーザ光学系が、基板上の半導体膜
表面に照射された線状の照射レーザビームを、ビーム長
手方向にほほ一直線に配列させるようにした請求項１な
いし４のいずれかに記載のレーザ光学系。 - 【請求項６】 上記レーザ光学系が、基板上の半導体膜
表面に照射された各照射レーザビームを互いに重複する
ことなく近接させた請求項１ないし５のいずれかに記載
のレーザ光学系。 - 【請求項７】 半導体膜が、基板上に成膜されたケイ素
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】 レーザ発振器が、３３０〜８００ｎｍの
範囲の発振波長を有するパルスレーザ発振器である請求
項１ないし７のいずれかに記載のレーザ光学系を備えた
レーザ光学系。 - 【請求項９】 レーザ発振器が、固体レーザの高調波を
利用する請求項８に記載のレーザ光学系。 - 【請求項１０】 請求項１ないし９に記載のレーザ光学
系と上記レーザ発振器と、半導体膜を形成した該基板を
載置するステージとを含み、レーザビームとステージと
の相対的移動により、半導体膜表面上で線状レーザビー
ムをその幅方向に移動させて、半導体膜を溶融後結晶化
させるレーザアニーリング装置。 - 【請求項１１】 上記ステージに走査駆動装置を備え
て、ステージを走査させるようにした請求項１０に記載
のレーザアニーリング装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000335722A JP2002141301A (ja) | 2000-11-02 | 2000-11-02 | レーザアニーリング用光学系とこれを用いたレーザアニーリング装置 |
| US10/305,168 US6717105B1 (en) | 2000-11-02 | 2002-11-27 | Laser annealing optical system and laser annealing apparatus using the same |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000335722A JP2002141301A (ja) | 2000-11-02 | 2000-11-02 | レーザアニーリング用光学系とこれを用いたレーザアニーリング装置 |
| US10/305,168 US6717105B1 (en) | 2000-11-02 | 2002-11-27 | Laser annealing optical system and laser annealing apparatus using the same |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002141301A true JP2002141301A (ja) | 2002-05-17 |
| JP2002141301A5 JP2002141301A5 (ja) | 2005-04-14 |
Family
ID=32715421
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000335722A Pending JP2002141301A (ja) | 2000-11-02 | 2000-11-02 | レーザアニーリング用光学系とこれを用いたレーザアニーリング装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
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| US (1) | US6717105B1 (ja) |
| JP (1) | JP2002141301A (ja) |
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