JP2002141302A - レーザアニーリング用レーザ光学系とこれを用いたレーザアニーリング装置 - Google Patents

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】 ケイ素膜上に長方形のビームを照射する
光学系において、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する強度分布成形手段と非晶
質または多結晶のケイ素膜上で長方形のビーム形状を形
成する強度分布成形手段として、短手方向について、集
光レンズにより非晶質または多結晶のケイ素膜上でレー
ザビームを集光し、長手方向について、レーザビームの
一部を複数回反射させた後、重ね合わせ、非晶質または
多結晶のケイ素膜上に直接照射する。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、光学部品数を削減でき、小型化と低コ
スト化が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板上に皮膜形成
された非晶質ケイ素膜を、結晶性に優れた多結晶のケイ
素膜に形成するレーザ熱処理用の光学系とこれを用いた
装置に関する。

【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。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、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が、多結晶
の結晶粒界は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、このため結晶欠陥密度を小
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結晶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をそのビームに直交する方向に掃引
するもので、線状ビームの移動過程では、ケイ素膜のビ
ーム照射部位が線状に一旦溶融され、溶融した部位はビ
ーム照射部位が遠ざかるにつれて、冷却されて、ケイ素
膜を粗大粒に結晶化するものである。

【０００６】図６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。

【０００７】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。

【０００８】ここで、ｙ方向をケイ素膜上面Ｃで長方形
又は線状にした照射レーザビームの長手方向に採り、ｘ
方向を照射レーザビームの狭幅方向に採るが、Ｃ面にお
けるｘ方向の強度分布ＸＣは、Ａ面における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
性等の性質を保存しており、一方、Ｃ面におけるｙ方向
の強度分布ＹＣはほぼ均一な分布になる。

【０００９】レーザが照射される対象は、ガラス等の基
板５０上に下地膜５１として酸化ケイ素膜を被着し、そ
の上に成膜された非晶質ケイ素膜である。基板５０は移
動ステージに載置して固定されており、線状の照射レー
ザビームの狭幅方向、即ちｘ方向に移動させながらレー
ザ照射を行う。非晶質または多結晶のケイ素膜５にレー
ザ光が照射されると、非晶質または多結晶のケイ素膜５
がレーザ光を吸収し加熱され、長方形上に溶融される。
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ず、
ｘ方向のみ温度勾配が生じる。溶融部が結晶化すると
き、結晶は温度勾配に従って成長するため、基板５０の
移動方向即ちｘ方向への一方向成長になり、結晶粒径が
数μm程度である大きな結晶粒が形成される。

【００１０】レーザを光源とした熱処理において長方形
ビームを用いて熱処理を行う場合、幅方向のプロファイ
ル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を
選択しなければならない。しかしながら、従来の線状ビ
ーム形成用の光学系では、ビームの強度分布を成型した
後、転写光学系等を用いて照射レーザビームの形状を成
型していたため、光学部品が多く必要でかつ、設置面積
が大きくなった。

【００１１】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、レーザ熱処理方法において結晶性に
優れた薄膜を形成するためにレーザ光照射プロファイル
を制御できるレーザ光学系を提供し、さらにも小型で高
性能なレーザアニーリング装置を提供しようとするもの
である。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザ光学系
は、レーザビームを半導体膜上面に照射レーザビームの
形状を長方形にして照射するために、強度分布成形手段
が、レーザビーム光軸に垂直面内の一方向に該半導体膜
上でレーザビームの集光させる集光レンズと、該垂直面
内の当該一方向に直交する直交方向にはレーザビームの
一部を複数回反射させた後重ね合わせて半導体膜上に直
接照射する導波路、とから構成するもので、半導体膜表
面に照射レーザビームを当該一方向に走査することによ
り半導体膜を加熱溶融して多結晶化する。

【００１３】強度分布成形手段は、上記の一方向、即ち
ｘ方向に集光する円筒レンズと、円筒レンズからのレー
ザビームを上記の直交方向、即ちｙ方向についてのみ反
射を繰り返す反射面を有する導波路と、を一体にしたも
のが利用できる。

【００１４】このような強度分布成形手段を複数配置し
て、複数の長方形又は線状の照射レーザビームをその長
手方向に配列して１回のパスでの照射面積を広くするこ
ともできる。本発明においては、レーザ発振器と複数の
レーザビームのそれぞれに強度分布成形手段を備え、複
数の照射レーザビームを基板ないしは半導体膜上面に配
列する。

【００１５】好ましくは、複数の強度分布成形手段によ
り、成型された照射レーザビームが長手方向にほぼ一直
線に並べられる。上記の複数の照射レーザビームが、相
隣接する照射レーザビーム同士で重なり合わない配列と
することもできる。

【００１６】本発明のレーザ光学系は、半導体膜とし
て、ケイ素膜に適用され、これにより、液晶テ゛イスプレ
ーの画素部などに利用される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することができる。

【００１７】レーザ発振器には、３５０ｎｍ〜８００ｎ
ｍの間の発振波長のレーザ光を放射するものが、ケイ素
膜の膜厚方向への均一加熱のために、好ましい。このよ
うな波長のレーザ光の発振器には、固体レーザの高調波
が利用される。

【００１８】

【発明の実施の形態】実施の形態１．この実施形態は、
強度分布成形手段３０に、レーザ発振器１から放射され
たレーザビームを集光レンズとして円筒レンズ３２と、
この円筒レンズ３２の先側にに配置した導波路３３とか
ら成り、レーザ発振器１との組合せて、レーザ光学系を
構成している。レーザ光学系は、加熱処理の使用時に
は、強度分布成形手段３０の導波路３３の先側に、処理
すべきケイ素膜を予め被膜形成した基板５０とが配置さ
れ、基板５０は、通常は、ステージ（不図示）上に載置
固定され、ステージ又はこのレーザ光学系のいずれかを
走査機構により相対的に走査移動可能として、レーザア
ニーリング装置される。

【００１９】強度分布成形手段３０について、図１に示
すが、集光レンズ３２には、円筒レンズを使用するが円
筒レンズは、光軸側に集光可能で且つｙ方向に平行な軸
（ｙ軸）廻りの円筒面にした凸面を片面に形成してあ
る。円筒レンズは、ｘ方向にのみ集光する。円筒レンズ
は、導波路の入射側に配置され、この例は、密接されて
いる。

【００２０】他方の導波路３３は、ｙ方向に対面する反
射面を平行に又はテーパ状に備えた透明の中実なブロッ
クが利用でき、ブロックは、例えば、透明なガラスで形
成され、反射面は、透明体の全反射面とするか、鏡面と
される。ブロックに代えて、導波路３３は、空間に１対
の反射鏡をｙ方向に平行に、又は、１対の反射鏡を傾斜
状ないしテーパ状に対向させた中空体も利用できる。

【００２１】さらに、この例は、強度分布成形手段３０
に、レーザ発振器１からのビームを発散させて、集光レ
ンズ３２のレンズ面域に拡大する発散レンズ３４（この
例は、凹レンズ）が、発散レンズ３４の背後（入射側）
に配置されている。

【００２２】このような強度分布成形手段において、図
１に示すように、レーザ発振器１からのレーザビーム２
が発散レンズ３４を透過した光は、集光レンズ３２に向
けて発散され、集光レンズ３２である円筒レンズに入射
したレーザ光は、ｘ方向には、湾曲した円筒面により屈
折されて、図１（Ａ）において、ｘ方向には収束して、
導波路３３の内部の空間又はブロック透明体を通過し、
この例は、ケイ素膜５表面にほぼ集光する。しかし、他
方のｙ方向には、図１（Ｂ）に示すように、発散レンズ
３４からの発散して入射したレーザ光は、集光レンズ３
２の円筒レンズでは、それほど屈折せずに、導波路３３
に入射し、入射光の一部が導波路３３の反射面の間で、
反射を繰り返しながら合成されて、導波路３３からのｙ
方向成分は、強度分布は一様で且つ長く伸びている。こ
のようにして、ケイ素膜５表面に投射された照射レーザ
ビームは、図１（Ｄ）に示すように、ケイ素膜照射面Ｃ
上で、照射レーザビーム形状が長方形状又は線状であ
り、ｙ方向に一様な強度分布ＹＣを示し、ｘ方向には、
急峻なピーク状の強度分布ＸＣを示している。

【００２３】本発明の光学系は、非晶質又は結晶質のケ
イ素膜に照射して、粗大で健全な結晶化を図るものであ
るが、このようなケイ素膜は、好ましくは、基板上に被
膜形成した非晶質ケイ素の被膜が利用できる。ケイ素膜
には、例えば、ＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Va
por Deposition）法により成膜することができる。この
ようなケイ素膜は、石英ガラスの基板５０上に予め下地
膜５１として例えば厚さ２００ｎｍ程度の酸化ケイ素膜
がＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成
され、この下地層の上に厚さ５０ｎｍ程度に成形され
る。

【００２４】基板５０は、ステージに載置固定されてお
り、ステージには、走査可能な走査機構を備えて一方向
または直交二方向に移動可能にされている。レーザ照射
は、照射レーザビームをその狭幅方向、即ち、ｘ方向に
基板上のケイ素膜上を移動させながら行う。

【００２５】本発明の光学系の利用においては、非晶質
または多結晶のケイ素膜５にレーザ光が照射されると、
このケイ素膜５は、レーザ光を吸収して照射部位が照射
レーザビームの長方形状に対応して加熱され、温度が一
旦融点を越えると溶融される。

【００２６】本発明においては、照射レーザビーム形状
が長方形ないし線状の強度分布を有する照射レーザビー
ムをケイ素膜上に照射するので溶融部位が形成され、つ
いで照射レーザビームは狭幅方向に（ｘ方向に）移動し
て、加熱溶融部位のケイ素膜は、照射レーザビームが遠
ざかるにつれて順次冷却され、こうして溶融部位は走査
方向に温度勾配を生じる。このとき照射レーザビーム
は、その長手方向即ちｙ方向には強度分布が均一である
のでｙ方向には、実質的には温度勾配は生じないから、
ｘ方向のみ温度勾配が生じる。この溶融部位が結晶化す
るとき、結晶はこの温度勾配をに従って成長し、従っ
て、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る。

【００２７】このｘ方向への優先成長の過程は、非晶質
または多結晶であるケイ素膜５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、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。レーザビーム照射によりケイ素膜５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５内のｘ方向温度分布は一様に低
下していく。従って、先に温度が融点より下がった部位
から、後に温度が融点より下がる部位へ向かって横方向
に結晶が成長していく。そしてこの結晶成長は、温度が
低下する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れば良い訳であるが、そのために
は結晶成長速度が速いことが要求される。一般に、ある
微小領域における結晶成長速度ｖはｖ＝ｋΔＴ/Δｘに
より表される。ここで、ｋは速度定数、ΔＴは微小領域
における温度差、Δｘは微小領域の幅である。すなわ
ち、ケイ素膜内のｘ方向について、融点以上の温度であ
る領域の温度分布が急峻な勾配であれば、結晶成長速度
が大きく、その結果、ケイ素膜は、結晶粒径の大きい多
結晶が生成し、結晶性に優れた薄膜を形成することがで
き、高性能の薄膜トランジスタ用のケイ素基板に利用す
ることができる。

【００２８】この実施の形態に示した光学系では、照射
レーザビームの狭幅方向のビーム強度分布が発振レーザ
光２の指向性等の性質を保存しているので、照射レーザ
ビームは、発振レーザ光２の性質で制限される限界まで
集光でき、ケイ素膜５上で最大限の強度勾配が得るとと
もに、最大限の強度勾配以下の任意の強度分布を得るこ
とができ、ケイ素膜５内にｘ方向温度分布のコントロー
ルが可能となる。

【００２９】本発明におけるレーザ発振器は３２０ｎｍ
〜８００ｎｍの間に発振波長を有するレーザが使用され
る。３２０ｎｍ〜８００ｎｍの波長のレーザ光は、特
に、非晶質珪素に対する吸収係数が比較的小さく、従っ
て、ケイ素膜は、膜厚方向にレーザ光が浸透して内部ま
で膜厚方向に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５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。上記波長範囲のレーザ光
をしようして、ケイ素膜の厚さ方向を均一に加熱でき、
結晶性に優れた薄膜が得られる。

【００３０】この波長範囲のレーザとして、固体レーザ
高調波発生源が利用できる。これには、Ｎｄ：ＹＡＧレ
ーザの第２高調波（５３２ｎｍ）や第３高調波（３５５
ｎｍ）、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの第２高調波（５２４ｎ
ｍ）や第３高調波（３４９ｎｍ）、あるいはＹｂ：ＹＡ
Ｇレーザの第２高調波（５１５ｎｍ）や第３高調波（３
４４ｎｍ）を用いられる。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。固体レーザを用
いることで、３２０ｎｍ〜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ると共
に、長時間安定した動作が可能になる。

【００３１】実施の形態２．図２は、強度分布成形手段
３０を、実施の形態１に示した集光レンズ３２と導波路
３３を一体部品で形成した例を示している。この例は、
強度分布成形手段３０には、透明ブロックを使用して、
入射側の端面３５が、ｙ軸廻りの部分円筒面で形成さ
れ、側部は、ｙ方向に対面する平行ないしテーパ状にさ
れた１対の反射面３４、３４を備え、照射端面３６は、
平面としている。この例では、強度分布成形手段３０
が、基板上のケイ素膜に照射端面が近接して配置されて
いる。

【００３２】この光学系は、強度分布成形手段３０を一
体化することを除いて、実施の形態１．て゜述べたのと
同様であり、照射レーザビームの非晶質または多結晶の
ケイ素膜５に対する作用は、実施の形態１に述べたのと
同様であるが、このように強度分布成形手段３０を一体
化することにより、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、光学系の調整も容易にな
る。

【００３３】実施の形態３．実施の形態１で述べた光学
系のレーザ発振器１と強度分布成形手段３０とから成る
レーザ光学系を１組として、複数組のレーザ光学系を並
列してレーザ光学系を構成することができる。これによ
り、長方形状の照射レーザの照射エネルギー密度を変え
ないで、その強度分布を伸ばして照射レーザビームの長
さを延長することができる。

【００３４】図３は、このレーザ光学系を示すが、この
例では３組のレーザ光学光学系を使用して、レーザ発振
器１ａ、１ｂ、１ｃから放射されたそれぞれのレーザビ
ーム２ａ，２ｂ，２ｃは、それぞれ、発散光学系３４
ａ，３４ｂ，３４ｃ、強度分布成形手段３０ａ，３０
ｂ，３０ｃを通過し、非晶質または多結晶のケイ素膜５
上に照射される。各照射レーザビームの非晶質または多
結晶のケイ素膜５に対する作用は、実施の形態１に述べ
たのと同様であるが、この実施形態においては、各照射
レーザビーム形状が長方形ないし線状の強度分布を有
し、複数の照射レーザビームをビーム長手方向に配列し
てケイ素膜上に照射することができるので、ケイ素膜に
は、単一の照射レーザビームに対して数倍長手方向に拡
張された長さの溶融部位が形成される。この溶融部位
は、照射レーザビームが、狭幅方向に（ｘ方向に）移動
して遠ざかるにつれて次第に冷却され凝固するが、こう
して溶融部位は、走査方向に向って温度勾配を生じる。
このとき、複数の長手方向に配列した照射レーザビーム
は、その長手方向即ちｙ方向には強度分布を均一にする
ことができ、従って、ｙ方向には、実質的には温度勾配
は生じないから、ｘ方向のみ温度勾配が生じる。この溶
融部位が結晶化するとき、結晶はこの温度勾配をに従っ
て成長し、従って、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ないし十数μｍ程度と大きな結晶粒が形成される。

【００３５】このように複数組の光学系の並列により基
板５０上には、１回のパスで大きな面積のレーザ光照射
が可能となるので、生産性が向上できる利点がある。。

【００３６】実施の形態４．図４及び図５は、実施の形
態４の示した複数の光学系の並列により構成したレーザ
光学系による非晶質または多結晶のケイ素膜５上の照射
レーザビームの配置を示している。

【００３７】上記の実施の形態３の図３に示したよう
に、複数組の光学系を使用して、強度分布成形手段３０
ａ〜３０ｃからの基板５０上での照射レーザビーム８ａ
〜８ｃを、ビーム長手方向（ｙ方向）に直線状に並ぶよ
うに配列されている。この本実施の形態で用いる強度分
布成形手段３０は、導波路３３の照射端面３６が、非晶
質または多結晶のケイ素膜５に密着できずに離間してい
るので、照射レーザビームのｙ方向の強度分布の周辺部
がなだらかになる。そこで、照射レーザビーム（例え
ば、８ａ）の周辺部を、隣接する他の強度分布成形手段
からの照射レーザビーム（例えば、８ｂ）の周辺部と適
当に重ねるように配置して、複数の強度分布成形手段３
０ａ〜３０ｃから放出されたレーザ光を非晶質または多
結晶のケイ素膜５上でｙ方向にほぼ均一に合成すること
ができる。

【００３８】図５は、基板５０上のケイ素膜上での照射
レーザビーム８ａ〜８ｃを重ならないように互い違いに
配列することもできる。即ち、照射レーザビームをｘ方
向に移動させたケイ素膜上の照射範囲において、照射レ
ーザビーム（例えば、８ｂ）の周辺部８２の強度分布
と、これと隣接する照射レーザビーム８ａ、８ｃの均一
な強度分布の領域８１とが適当に重ねるように配置し
て、ｘ方向への照射経路上において照射ビームのｙ方向
の均一な強度分布の領域８１を重複させるのである。こ
の条件のもとで、互いに隣接する照射レーザビームを重
ならないで且つ近接するようにすれば、ケイ素膜５に対
する入熱をｙ方向に実質的に均一化できて、ｘ方向への
一方向性結晶成長を確保することができ、これにより、
１回のパスで照射レーザビーム幅に対応する広幅の結晶
化帯が得られる。さらに、レーザビームの重なり合いに
よる高いレーザ強度に起因して生じるケイ素膜５の損傷
を予防することができる。

【００３９】このような照射レーザビーム８ａ〜８ｃの
互い違いに配列することは、図３において、例えば、レ
ーザビーム２ａ〜２ｃ光軸の角度を、ｘ方向に互いにわ
ずかにずらすことによって実現できる。

【００４０】実施の形態５．レーザアニーリング装置
は、上記のレーザ光学系にケイ素膜を形成した基板を固
定載置するためのステージと、レーザ光学系又はステー
ジを走査するための走査機構を備えて構成される。走査
機構は、ステージをｘ−ｙ二方向に走査させるのが好ま
しく、固定されたレーザ光学系から走査ステージ上に載
置した基板のケイ素膜に長方形上のレーザビームを照射
し、走査ステージによりケイ素膜を走査させる。走査
は、照射レーザビームのｘ方向に移動して、照射レーザ
ビームの長さを幅とするケイ素膜の結晶化帯を形成し、
幅間隔で、照射レーザビームをケイ素膜の所要の面域全
面を掃引して、大きな結晶粒を備えた多結晶ケイ素膜に
調製するのである。

【００４１】

【発明の効果】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の断面強度分布を成形して
基板上の半導体膜上に照射された照射レーザビーム形状
を長方形に形成する強度分布成形手段を含むレーザ光学
系を備え、強度分布成形手段が、レーザビーム光軸に垂
直面内の一方向に該半導体膜上でレーザビームの集光さ
せる集光レンズと、該垂直面内の当該一方向に直交する
直交方向にはレーザビームの一部を複数回反射させた後
重ね合わせて半導体膜上に直接照射する導波路、とから
構成したので、長手方向に均一な強度分布を有する照射
レーザビームが、少ない光学部品数で実現でき、レーザ
光学系の小型化とコスト低減に有効である。

【００４２】レーザアニーリング光学を、強度分布成形
手段が円筒レンズと導波路とにより一体に構成すれば、
光学部品を削減でき、小型、低コスト化が一層可能にな
る。

【００４３】レーザ光学系を複数のレーザ発振器に対応
する同数の強度分布成形手段により構成すれば、強度分
布成形手段を長手方向に配列して、１回の走査パスで、
大きな面積のレーザ光照射が可能となり、生産性を向上
できる。

【００４４】さらに、複数の強度分布成形手段により、
複数の照射レーザビームが長手方向にほぼ一直線に配列
させれば、１回の走査パスで、大きな面積のレーザ光照
射が可能となり、広幅の照射レーザビームを長手方向で
均一な照射光強度が得られ、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。

【００４５】さらに、複数の強度分布成形手段からの照
射レーザビームが重ならないように構成としたので、１
回の走査パスで、大きな面積のレーザ光照射が可能とな
り、広生産性が向上できるとともに、広幅の照射レーザ
ビームをｙ方向でほぼ均一な照射光強度が得られ、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。

【００４６】レーザ光学系は、半導体膜として、ケイ素
膜に適用され、これにより、液晶ディスプレーの画素部
などに利用される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することができる。

【００４７】さらに、レーザ発振器の発振波長を、３５
０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲にすれば、特に、非晶質のケ
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。

【００４８】レーザ発振器に、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るととも
に、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
ンジスタを製造するのに必要な結晶性に優れた薄膜が得
られる。

【００４９】本発明のレーザアニーリング装置は、上記
レーザ光学系を、レーザ発振器と共に、基板を載置固定
するステージと組み合わせて、ステージ又は光学系の相
対移動により、該照射レーザビームを基板上のケイ素膜
表面に照射レーザビームを一方向に走査して上記のケイ
素膜を多結晶化するようにしたので、大きな結晶粒を備
えて且つ格子欠陥密度の少ない多結晶化ケイ素膜が得ら
れ、薄膜トランジスタを製造する利用でき、しかも、装
置は、光学系の少ない光学部品数で実現でき、装置の小
型と低コスト化が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態に掛かるレーザ光学系の
模式的な断面図（Ａ、Ｂ）と、レーザ発振器からのレー
ザビームの強度分布（Ｃ）とケイ素膜上の照射レーザビ
ームの強度分布（Ｄ）を示す。

【図２】 本発明の別の実施の形態に係るレーザ光学系
の図１同様図。

【図３】 本発明の別の実施の形態のレーザ光学系の断
面図を示す。

【図４】 本発明の実施形態に係るレーザ光学系による
ケイ素膜上の照射レーザビームの強度分布を示す。

【図５】本発明の別の実施形態に係るレーザ光学系によ
るケイ素膜上の照射レーザビームの強度分布を示す。

【図６】 レーザ光学系の模式的な断面図（Ａ）、その
部分断面図（Ｂ）、レーザ発振器からのレーザビームの
強度分布（Ｃ）、強度分布成形手段出口での同分布強度
（Ｄ）及びケイ素膜上の照射レーザビームの強度分布
（Ｅ）を示す。

【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、３２ 集光レンズ、３３ 導波路、３４ 発
散光学系、５ ケイ素膜、５０ 基板。

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 BA01 BA07 BA18 BB02 BB07 CA07 DA02 DB02 5F072 AB01 AB20 KK12 QQ02 RR03 SS06 YY08 5F110 AA01 AA30 BB02 DD03 DD13 GG02 GG13 GG25 GG47 PP03 PP04 PP05 PP06 PP07 PP23

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ発振器から放射されたレーザビー
   ムの強度分布を成形して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された照射レーザビーム形
   状を長方形に形成する強度分布成形手段を含むレーザ光
   学系を備え、 強度分布成形手段が、レーザビーム光軸に垂直面内の一
   方向に該半導体膜上でレーザビームの集光させる集光レ
   ンズと、該垂直面内の当該一方向に直交する直交方向に
   はレーザビームの一部を複数回反射させた後重ね合わせ
   て半導体膜上に直接照射する導波路、とから成り、半導
   体膜表面に照射レーザビームを当該一方向に走査するこ
   とにより半導体膜を多結晶化するようにしたレーザアニ
   ーリング用レーザ光学系。
2. 【請求項２】 強度分布成形手段が、集光レンズとして
   円筒レンズを含み、導波路が円筒レンズと一体にした請
   求項１に記載のレーザ光学系。
3. 【請求項３】 上記光学系が、複数のレーザ発振器と、
   該レーザ発振器に対応する複数の強度分布成形手段と、
   を有し、該複数の強度分布成形手段からの長方形状の各
   複数の照射レーザビームが照射レーザビーム長手方向に
   配列されている請求項１又は２に記載のレーザ光学系。
4. 【請求項４】 上記の複数の照射レーザビームが該長手
   方向にほぼ一列に配列された請求項３に記載のレーザ光
   学系。
5. 【請求項５】 上記の複数の照射レーザビームが、相隣
   接する照射レーザビーム同士で重なり合わない配列とし
   た請求３に記載のレーザ光学系。
6. 【請求項６】 半導体膜がケイ素膜である請求項１ない
   し５いずれかに記載のレーザ光学系。
7. 【請求項７】 レーザ発振器が、３３０ｎｍ〜８００ｎ
   ｍの間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６いずれかに記載のレーザ光学系を備えた
   レーザ光学系。
8. 【請求項８】 レーザ発振器が、固体レーザの高調波で
   ある請求項７に記載のレーザ光学系
9. 【請求項９】 請求項１ないし８にいずれかに記載した
   レーザ光学系及びレーザ発振器と、上記基板を載置固定
   するステージとを備え、ステージ又は光学系の相対移動
   により、該照射レーザビームを基板上のケイ素膜表面に
   照射レーザビームを当該一方向に走査して上記のケイ素
   膜を多結晶化するようにしたレーザアニーリング装置。