JP2005129889A - ビームホモジナイザ及びレーザ照射装置、並びに半導体装置の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
高い製作精度が要求される光学レンズを用いることなく、長辺方向のエネルギー分布が均一な長方形状のビームスポットを被照射面において形成することが可能なビームホモジナイザを提供する。また、長辺方向のエネルギー分布が均一な長方形状のビームスポットを有するレーザ光を照射することが可能なレーザ照射装置を提供する。さらには、基板面内の結晶性の均一性を向上させ、動作特性の高いＴＦＴを生産することが可能な半導体装置の作製方法を提供する。
【解決手段】
本発明の一つであるビームホモジナイザは、被照射面におけるビームスポットをアスペクト比が１０以上、好ましくは１００以上の長方形状とするものであって、前記長方形状の長辺方向のエネルギー分布を均一化する光導波路を有することを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は被照射面におけるビームスポットをある特定の領域で均一化するビームホモジナイザに関する。また、前記ビームスポットを前記被照射面に照射するレーザ照射装置に関する。さらには、前記レーザ照射装置を用いて形成した結晶性半導体膜を用いた半導体装置の作製方法に関する。

近年、ガラス等の絶縁基板上に形成された非晶質半導体膜や結晶性半導体膜（単結晶ではない、多結晶、微結晶等の結晶性を有する半導体膜）、すなわち、単結晶ではない半導体膜（非単結晶半導体膜と呼ぶ）に対し、レーザアニールを施して、結晶化及び結晶性を向上させる技術が、広く研究されている。上記半導体膜には、珪素膜がよく用いられる。

ガラス基板は、従来よく使用されてきた石英基板と比較し、安価で加工性に富んでおり、大面積基板を容易に作製できる利点を持っている。このため、上記研究が盛んに行われている。結晶化に好んでレーザが使用されるのは、ガラス基板の融点が低いからである。レーザは基板の温度をあまり変えずに非単結晶半導体膜にのみ高いエネルギーを与えることができる。

レーザアニールを施して形成された結晶性珪素膜は、高い移動度を有する。そのため、この結晶性珪素膜を用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が盛んに利用されている。例えば、一枚のガラス基板上に、画素用と駆動回路用のＴＦＴを作製する、モノリシック型の液晶電気光学装置等に盛んに利用されている。前記結晶性珪素膜は多数の結晶粒からできているため、多結晶珪素膜、あるいは多結晶半導体膜と呼ばれる。

また、エキシマレーザ等の、出力の大きいパルス発振式のレーザビームを、被照射面において、数ｃｍ角の四角いスポットや、長さ１０ｃｍ以上の線状となるように光学系にて整形することができる（例えば、特許文献１）。このようなビームスポットの照射位置を被照射面に対して相対的に走査させて、レーザアニールを行う方法が、量産性が良く、工業的に優れているため、好んで使用される。

特に、線状のビームスポットを用いると、前後左右の走査が必要な点状のビームスポットを用いた場合とは異なり、線状のビームスポットの長幅方向に直角な方向だけの走査で被照射面全体にレーザビームを照射することができるため、高い量産性が得られる。ここで線状のビームスポットとはアスペクト比が大きい長方形状のビームスポットとする。長幅方向に直角な方向に走査するのは、それが最も効率のよい走査方向であるからである。この高い量産性により、現在レーザアニールにはパルス発振のエキシマレーザのビームスポットを適当な光学系で整形した線状のビームスポットを使用することが主流になりつつある。

図６に、被照射面においてビームスポットの断面形状を線状に加工するための光学系の例を示す。図６中に示す光学系はきわめて一般的なものである。前記光学系は、ビームスポットの断面形状を線状に変換するだけでなく、同時に、被照射面におけるビームスポットのエネルギー均一化を果たすものである。一般にビームのエネルギーの均一化を行う光学系を、ビームホモジナイザと呼ぶ。図６に示した光学系もビームホモジナイザである。

まず、図６（ａ）の側面図について説明する。レーザ発振器１２０１から出たレーザビームは、シリンドリカルレンズアレイ１２０２ａと１２０２ｂにより、前記レーザビームのスポットを１方向に分割する。前記方向を、縦方向と呼ぶことにする。前記縦方向は、光学系の途中でミラーが入ったとき、前記ミラーが曲げた光の方向に曲がるものとする。この構成では、４分割となっている。これらの分割されたスポットは、シリンドリカルレンズ１２０４により、いったん１つのスポットにまとめられる。再び分離したスポットはミラー１２０７で反射され、その後、ダブレットシリンドリカルレンズ１２０８により、被照射面１２０９にて再び１つのスポットに集光される。ダブレットシリンドリカルレンズとは、２枚のシリンドリカルレンズで構成されているレンズのことをいう。これにより、線状に整形されたビームスポットの縦方向のエネルギー均一化がなされ、縦方向の長さが決定される。

次に、図６（ｂ）の平面図について説明する。レーザ発振器１２０１から出たレーザビームは、シリンドリカルレンズアレイ１２０３により、前記レーザビームのスポットを、前記縦方向に対し直角方向に分割する。前記直角方向を、横方向と呼ぶことにする。前記横方向は、光学系の途中でミラーが入ったとき、前記ミラーが曲げた光の方向に曲がるものとする。この構成では、７分割となっている。その後、シリンドリカルレンズ１２０５にて、７分割された前記スポットは被照射面１２０９にて１つに合成される。ミラー１２０７以降が破線で示されているが、前記破線は、ミラー１２０７を配置しなかった場合の正確な光路とレンズや被照射面の位置を示している。これにより、線状に整形されたビームスポットの横方向のエネルギー分布の均一化がなされ、横方向の長さが決定される。

上述したように、シリンドリカルレンズアレイ１２０２ａとシリンドリカルレンズアレイ１２０２ｂとシリンドリカルレンズアレイ１２０３とがレーザビームのスポットを分割するレンズとなる。これらの分割数により、得られる線状のビームスポットのエネルギー分布の均一性が決まる。

上記の諸レンズは、XeCl エキシマレーザに対応するため合成石英製である。また、エキシマレーザをよく透過するように表面にコーティングを施してあり、これにより、レンズ１つあたりのエキシマレーザの透過率は９９％以上となる。

上記の構成で整形された線状のビームスポットをそのビームスポットの線幅方向に徐々にずらしながら重ねて照射する。そうすると、例えば非単結晶珪素膜全面に対しレーザアニールを施して結晶化及び結晶性を向上させることができる。

次に、レーザビームの照射対象となる半導体膜の典型的な作製方法を示す。まず基板として、厚さ0.7ｍｍ、５インチ角のガラス基板を用いる。基板にプラズマCVD装置を用いて、厚さ２００ｎｍ程度のSiO₂膜（酸化珪素膜）を成膜し、SiO₂膜表面に厚さ５０ｎｍ程度の非晶質珪素膜（以下、a-Si膜と表記する）を成膜する。基板を、温度５００℃の窒素雰囲気に１時間さらすと、膜中の水素濃度が低減される。これにより、膜の耐レーザ性が著しく向上する。

レーザ発振器は、XeCl エキシマレーザ（波長３０８ｎｍ、パルス幅３０ｎｓ）を使用する。レーザビームのスポットサイズは、レーザビームの出口で、１５×３５ｍｍ（共に半値幅）である。レーザビームの出口は、レーザ発振器からレーザビームが出た直後における、レーザビームの進行方向に垂直な平面で定義する。

エキシマレーザの発生するレーザビームの形状は一般的に長方形状であり、アスペクト比で表現すると、１〜５位の範囲に入る。レーザビームのスポットの強度は、レーザビームのスポットの中央ほど強い、ガウシアンの分布を示す。前記レーザビームのスポットサイズは、図６に示した光学系により、エネルギー分布が一様のスポット形状、例えば３００ｍｍ×０.４ｍｍの線状のビームスポットに変換される。

上述の半導体膜に対しレーザビームを照射する場合、重ね合わせのピッチは線状のビームスポットの短幅（半値幅）の１／１０前後が最も適当であった。これにより、前記半導体膜内における結晶性の均一性を向上させることができる。上記の例では、前記半値幅が０．４ｍｍであったので、エキシマレーザのパルス周波数を３００Ｈｚ、走査速度を１０ｍｍ／ｓとし、レーザビームを照射する。このとき、レーザビームの被照射面におけるエネルギー密度は４５０ｍＪ／ｃｍ²とする。これまで述べた方法は線状のビームスポットを使って半導体膜を結晶化するために用いられる極めて一般的なものである。

特開平９−２３４５７９号公報

上記、シリンドリカルレンズアレイの製作には、高い加工精度が要求される。

シリンドリカルレンズアレイはシリンドリカルレンズを曲率方向に並べたレンズである。ここで、曲率方向とはシリンドリカルレンズの円筒面の母線と垂直な方向とする。シリンドリカルレンズアレイには、構成するシリンドリカルレンズ間に接合部が必ず存在する。前記接合部はシリンドリカルレンズとしての曲面を有していないため、前記接合部に入射したレーザビームはシリンドリカルレンズの作用を受けずに透過する。前記作用を受けずに被照射面に到達するレーザビームは、被照射面における長方形状のビームスポットのエネルギー分布の不均一性の原因となりうる。

また、前記シリンドリカルレンズアレイを構成するシリンドリカルレンズはすべて同じ精度で製作されていなければならない。前記シリンドリカルレンズが異なる曲率を持っていれば、シリンドリカルレンズアレイによって分割されたレーザビームは集光レンズによっても、被照射面の同じ位置に重ね合わされない。つまり、被照射面における長方形状のビームスポットでエネルギーの減衰する領域が増加する。これは、エネルギーの利用効率の低下を招く。

被照射面におけるビームスポットのエネルギー分布の不均一性の原因は、光学系を構成するシリンドリカルレンズアレイの構造的な問題及び製作精度にある。つまり、不均一性の原因の一つは、前記シリンドリカルレンズアレイによって分割されたレーザビームがすべて同じ位置に重ね合わされていない点にある。

さらに、被照射面において長方形の長辺方向のエネルギー分布が不均一である長方形状のビームスポットを半導体膜に照射し走査させた場合、半導体膜上に前記不均一な分布を反映した結晶性の不均一性が生じる。前記結晶性の不均一性は半導体膜の電気移動度などの特性の不均一性と同期する。例えば前記半導体膜上を用いて形成されるＴＦＴの電気特性のばらつきとなって現われ、前記ＴＦＴを用いたパネル上に明暗の模様を表示する。

本発明では、上記問題を鑑みたものであり、高い製作精度が要求される光学レンズを用いることなく、長辺方向のエネルギー分布が均一な長方形状のビームスポットを被照射面において形成することが可能なビームホモジナイザを提供する。また、長辺方向のエネルギー分布が均一な長方形状のビームスポットを有するレーザ光を照射することが可能なレーザ照射装置を提供する。さらには、基板面内の結晶性の均一性を向上させ、動作特性の高いＴＦＴを生産することが可能な半導体装置の作製方法を提供する。

本発明は、上記の長方形状のビームスポットを形成する光学系において、被照射面における長方形状のビームスポットの長辺方向のエネルギー分布を均一化する光学系として、光導波路を用いるものである。光導波路とは、放射光を一定領域に閉じ込め、そのエネルギーの流れを経路の軸に平行に案内して伝送する能力を持つ回路である。

本明細書が開示するビームホモジナイザは、被照射面におけるビームスポットをアスペクト比が１０以上、好ましくは１００以上の長方形状にするためのビームホモジナイザであって、長方形状の長辺方向のエネルギー分布を均一化する光導波路を有することを特徴とするものである。

本発明において、ビームホモジナイザに光導波路を用いる理由は以下の通りである。光導波路にレーザビームを入射すると、光導波路内においてレーザビームは反射を繰り返し、射出面に至る。つまり光導波路に入射するレーザビームは、折りたたまれるように、同じ位置である射出面に重ね合わされることになる。よって、光導波路に入射されたレーザビームは分割され、分割されたレーザビームを同じ位置に重ね合わされることと同様の効果を受けることとなり、レーザビームが重ね合わされた位置である射出面においてレーザビームのエネルギー分布が均一化される。

本発明の構成は、被照射面におけるビームスポットをアスペクト比が１０以上、好ましくは１００以上の長方形状に形成するためのビームホモジナイザであって、長方形状の長辺方向のエネルギー分布を均一化する光導波路と、被照射面において、光導波路から射出される光を長方形状の長辺方向に集光させる一つもしくは複数のシリンドリカルレンズを有することを特徴とするビームホモジナイザである。

本発明の他の構成は、被照射面におけるビームスポットをアスペクト比が１０以上、好ましくは１００以上の長方形状に形成するためのビームホモジナイザであって、長方形状の短辺方向のエネルギー分布を被照射面において均一化する手段と、長方形状の長辺方向のエネルギー分布を均一化する光導波路とを有し、手段は少なくともシリンドリカルレンズアレイを有することを特徴とするビームホモジナイザである。

本発明の他の構成は、被照射面におけるビームスポットをアスペクト比が１０以上、好ましくは１００以上の長方形状に形成するためのビームホモジナイザであって、長方形状の長辺方向のエネルギー分布を均一化する光導波路と、長方形状の短辺方向のエネルギー分布を均一化する光導波路とを有することを特徴とするビームホモジナイザである。

上記のビームホモジナイザの発明の構成において、光導波路は向い合う２つの反射面を有することを特徴としている。

なお、上記光導波路として、ライトパイプを用いることができる。ライトパイプとは、通常、反射によって一端から他端に光を送るためのものであり、円錐形、ピラミッド形、円柱形、角柱形などの形状である。なお、光伝送にはミラーによる反射を用いてもよく、向い合う２つの反射面を有するものなどが考えられる。

本明細書が開示するレーザ照射装置は、被照射面におけるビームスポットのアスペクト比が１０以上、好ましくは１００以上の長方形状であるレーザ照射装置であって、レーザ発振器と、ビームホモジナイザとを有し、ビームホモジナイザは、長方形状の長辺方向のエネルギー分布を均一化する光導波路を有することを特徴とするレーザ照射装置である。

本発明の他の構成は、被照射面におけるビームスポットのアスペクト比が１０以上、好ましくは１００以上の長方形状であるレーザ照射装置であって、レーザ発振器と、ビームホモジナイザとを有し、ビームホモジナイザは、長方形状の長辺方向のエネルギー分布を均一化する光導波路と、長方形状の短辺方向のエネルギー分布を均一化する光導波路とを有することを特徴とするレーザ照射装置である。

上記のレーザ照射装置の発明の構成において、光導波路は向い合う２つの反射面を有する。

なお、上記光導波路として、ライトパイプを用いることができる。

上記のレーザ照射装置の発明の構成において、レーザ発振器は、エキシマレーザ、YAGレーザ、ガラスレーザ、YVO₄レーザ、GdVO₄レーザ、YLFレーザ、Arレーザのいずれかであることを特徴としている。

上記のレーザ照射装置の発明の構成において、レーザ照射装置は、ビームスポットの被照射体をビームスポットに対し相対的に移動させる移動ステージを有することを特徴とし、また、被照射体をステージに運搬する搬送装置を有することを特徴とする。

本発明が開示する半導体装置の作製方法は、基板上に非単結晶半導体膜を形成する工程と、レーザ発振器で発生させたレーザビームを、非単結晶半導体膜を被照射面として、シリンドリカルレンズアレイ及び光導波路を用いて、被照射面におけるアスペクト比が１０以上、好ましくは１００以上である長方形状のエネルギー分布の均一なビームスポットに整形し、ビームスポットの位置を非単結晶半導体膜に対して相対的に移動させながら、非単結晶半導体膜をレーザアニールする工程とを有し、シリンドリカルレンズアレイは長方形状のビームスポットの短辺方向に作用し、光導波路は長方形状のビームスポットの長辺方向に作用することを特徴としている。

本発明の他の構成は、基板上に非単結晶半導体膜を形成する工程と、レーザ発振器で発生させたレーザビームを、非単結晶半導体膜を被照射面として、複数の光導波路を用いて被照射面におけるアスペクト比が１０以上、好ましくは１００以上である長方形状のエネルギー分布の均一なビームスポットに整形し、ビームスポットの位置を非単結晶半導体膜に対して相対的に移動させながら、非単結晶半導体膜をレーザアニールする工程とを有し、複数の光導波路の内、少なくともひとつの光導波路は長方形状のビームスポットの長辺方向に作用し、少なくともひとつの光導波路は長方形状のビームスポットの短辺方向に作用することを特徴としている。

なお、上記光導波路として、ライトパイプを用いることができる。

上記の半導体装置の作製方法の発明の構成において、レーザ発振器は、エキシマレーザ、YAGレーザ、ガラスレーザ、YVO₄レーザ、GdVO₄レーザ、YLFレーザ、Arレーザのいずれかであることを特徴としている。

本発明が開示するレーザ照射装置は、光導波路を具備したビームホモジナイザ有することを特徴とする。光導波路は、向い合う２つの反射面を有し、長方形状の長辺方向のエネルギー分布を被照射面において均一化することができる。

本発明が開示する光導波路を用いた長方形状のビームスポットを形成するビームホモジナイザを用いれば、高い製作精度が要求される光学レンズを用いることなく、長辺方向のエネルギー分布が均一な長方形状のビームスポットを被照射面において形成することが可能となる。また、光導波路は、長方形状の短辺方向に作用し、その方向におけるエネルギー分布も被照射面において均一化することができるので、より好ましい。このビームホモジナイザを用いたレーザ照射装置から射出される長方形状のビームスポットを、半導体膜に長方形状の短辺方向に走査すると、ビームスポットのエネルギー分布の不均一性に起因する結晶性不均一性を抑制することができ、半導体膜面内の結晶性の均一性を向上させることができる。また本発明を、低温ポリシリコンＴＦＴの量産ラインに適用すれば、動作特性の高い特性の揃ったＴＦＴを効率良く生産することができる。さらに、低温ポリシリコンを、液晶表示装置や、有機ＥＬ素子に代表される発光素子を用いた発光装置に適用すると、表示むらの極めて少ない表示装置を作製することが可能となる。

最初に、図１を用いて、光導波路によるビームスポットのエネルギー分布を均一化の方法を説明する。まず、図１（ａ）の平面図について説明する。向い合う２つの反射面１０２ａ、１０２ｂを有する光導波路１０２、被照射面１０３を用意し、レーザビームを紙面左側から入射させる。前記レーザビームは、光導波路１０２が存在するときのレーザビームを実線１０１ａで、光導波路１０２が存在しないときのレーザビームを破線１０１ｂで示す。光導波路１０２が存在しないとき紙面左側から入射するレーザビームは、破線１０１ｂで示したように、被照射面１０３ａ、１０３ｂ及び１０３ｃの領域に到達する。

一方、光導波路１０２が存在するときには、レーザビーム１０１ａで示したように、レーザビームは光導波路１０２の反射面によって反射され、すべてのレーザビームが被照射面１０３ｂの領域に到達する。つまり、光導波路１０２が存在するときには、光導波路１０２が存在しないときに被照射面１０３ａ及び１０３ｃの領域に到達するレーザビームが、すべて被照射面１０３ｂの領域に到達する。従って、光導波路１０２にレーザビームを入射すると、前記光導波路内において反射を繰り返し、射出口に至る。つまり入射するレーザビームが折りたたまれるように、同じ位置である被照射面１０３ｂに重ね合わされることになる。この例において、光導波路がない場合の被照射面１０３での光の拡がり１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃをあわせた長さをＡとし、光導波路がある場合の被照射面１０３での光の拡がり１０３ｂの長さをＢとしたとき、Ａ／Ｂが従来技術で述べたホモジナイザの分割数に相当する。このように、入射するレーザビームを分割し、分割されるレーザビームを同じ位置に重ね合わせることで、重ね合わされた位置におけるレーザビームのエネルギー分布は均一化される。

ホモジナイザは一般的にレーザビームの分割数が多くなるほど、分割されたレーザビームが重ね合わされた位置でのエネルギー分布の均一性は高くなる。上記光導波路１０２において、レーザビームの分割数を多くするには、上記光導波路１０２内での反射回数を多くすることで可能となる。つまり、光導波路が有する２つの反射面のレーザビーム入射方向における長さを長くするとよい。また、向い合う反射面の間隔を小さくすることでも分割数を大きくすることができる。あるいは、入射するレーザビームのＮＡ（開口数）を大きくすることによっても分割数を大きくすることができる。

本発明で開示するビームホモジナイザを用いた長方形状のビームスポット形成光学系を、図２を用いて説明する。図２（ａ）の平面図において、紙面に対して垂直な方向が長方形状のビームスポットの短辺方向である。以下、光導波路としては、ライトパイプを用いることができる。

まず、図２（ａ）の平面図について説明する。レーザ発振器２０１から射出されたレーザビームは図２中、矢印の方向に伝播され、シリンドリカルレンズ２０２に入射する。レーザビームはシリンドリカルレンズ２０２によって、長方形状の長辺方向に絞られ、向い合う２つの反射面２０３ａ及び２０３ｂを有する光導波路２０３に入射する。光導波路２０３に入射したレーザビームは、光導波路２０３内において反射を繰り返し、射出口に至る。光導波路２０３の射出口には、長方形状ビームスポットの長辺方向においてエネルギー分布の均一な面が形成される。光導波路２０３の形状としては、レーザビームの入射方向に長さ３００ｍｍ、反射面間の距離が２ｍｍのものなどが考えられる。

光導波路２０３の入射方向への長さが長ければ長いほど、また、シリンドリカルレンズ２０２の焦点距離が短ければ短いほどエネルギー分布の均一化は進む。しかしながら、光学系の大きさを考えて実際の系は作製されなければならないため、前記光導波路の長さや、前記焦点距離は系の大きさに合わせて実際的なものとしなくてはならない。

光導波路２０３の射出口に形成された長方形状ビームスポットの長辺方向にエネルギー分布が均一な面は、シリンドリカルレンズ２０４によって、被照射面２０８に投影される。すなわち、前記均一な面と、被照射面２０８とは、シリンドリカルレンズ２０４に対して共役な位置にある。これにより、長方形状ビームスポットの長辺方向のエネルギー分布が均一化され、長辺方向の長さが決定される。

光導波路２０３を有する本発明は、従来の光学系で被照射面における長方形状のビームスポットのエネルギー分布の不均一性の原因となった、シリンドリカルレンズアレイの構造的問題及び製作精度、分割したレーザビームの集光レンズであるシリンドリカルレンズの製作精度の問題を改善することができる。

次に、図２（ｂ）の側面図について説明する。レーザ発振器２０１から射出されたレーザビームは、シリンドリカルレンズアレイ２０５ａ及び２０５ｂにより、長方形状ビームスポットの短辺方向に分割される。前記シリンドリカルレンズアレイ２０５ａ及び２０５ｂによって分割されたレーザビームは、シリンドリカルレンズ２０６により同じ面で重ね合わせられ、長方形状ビームスポットの短辺方向のエネルギー分布が均一化される。

前記シリンドリカルレンズ２０６によって形成された、長方形状ビームスポットの短辺方向にエネルギー分布が均一な面は、シリンドリカルレンズ２０７ａ及び２０７ｂからなるダブレットシリンドリカルレンズにより、被照射面２０８に投影される。これにより、被照射面２０８において、長方形状ビームスポットの短辺方向にエネルギー分布の均一化がなされ、短辺方向の長さが決定される。前記ダブレットシリンドリカルレンズは使用しなくとも構わないが、前記ダブレットシリンドリカルレンズを用いることにより、光学系と照射面との間に距離がとれるため、空間的な余裕ができる。なお、被照射面においてビームスポットの均一性をあまり要求しない場合、あるいはダブレットシリンドリカルレンズのＦ値（焦点距離／開口率）が非常に大きい場合は、シングレットシリンドリカルレンズを用いても良い。

以上の構成からなる光学系を用いることにより、被照射面上に、長辺方向及び短辺方向ともにエネルギー分布が均一化された長方形状のビームスポットを形成することが可能となる。

本発明が開示するビームホモジナイザを用いた長方形状のビームスポット形成用光学系と組み合わせるレーザ発振器は、大出力でかつ半導体膜によく吸収される波長域が好ましい。半導体膜として珪素膜を用いた場合、吸収率を考慮し、用いるレーザ発振器の出すレーザビームの波長は６００ｎｍ以下であることが好ましい。このようなレーザビームを出すレーザ発振器には、例えば、エキシマレーザ、YAGレーザ（高調波）、ガラスレーザ（高調波）がある。

また、現在の技術ではまだ大出力は得られていないが、珪素膜の結晶化に適当な波長のレーザビームを発振するレーザ発振器として、例えば、YVO₄レーザ（高調波）、GdVO₄レーザ（高調波）、YLFレーザ（高調波）、Arレーザがある。

以下、本発明のビームホモジナイザ及びレーザ照射装置を用いた本発明の半導体装置の作製方法について説明する。まず、基板として、例えば６００×７２０×０.７ｍｍの基板を用意する。この基板は６００℃までの温度であれば充分な耐久性があり、代表的にはアルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノシリケートガラスなどの無アルカリガラス基板が使用できる。前記ガラス基板上に下地膜として酸化珪素膜を２００ｎｍ成膜する。さらに、その上から非晶質珪素膜を５５ｎｍの厚さに成膜する。成膜は、共にスパッタ法にて行う。あるいはプラズマCVD法にて成膜してもよい。

上記成膜済の基板を、４５０〜５００℃の窒素雰囲気中に１〜３時間おく。本工程は非晶質珪素膜中の水素濃度を減らすための工程である。半導体膜中の水素が多すぎると膜がレーザエネルギーに対して耐えきれないので本工程をいれる。 前記膜内の水素の濃度は１０²⁰/cm³オーダーが適当である。ここで、１０²⁰/ｃｍ³とは、１ｃｍ³あたりに水素原子が１０²⁰個存在するという意味である。

本発明の実施の形態では、レーザ発振器として、例えば、XeCl エキシマレーザを使う。本実施例では、ラムダ社製の XeCl エキシマレーザ（波長３０８ｎｍ、パルス幅３０ｎｓ）ＳＴＥＥＬ１０００を使用する。前記エキシマレーザは、パルスレーザである。前記エキシマレーザの最大エネルギーは、１パルスあたり１０００ｍＪ、発振波長は３０８ｎｍ、最大周波数は３００Ｈｚである。基板１枚をレーザ処理する間、該パルスレーザの１パルスごとのエネルギー変動は、±１０％以内、好ましくは±５％以内に収まっていると、均一な結晶化が行える。

ここで述べているレーザエネルギーの変動は、以下のように定義する。すなわち、基板１枚を照射している期間のレーザエネルギーの平均値を基準とし、その期間の最小エネルギーまたは最大エネルギーと前記平均値との差を％で表したものである。

またレーザ発振器として、例えば、ソプラ社製の XeCl エキシマレーザ（発振波長３０８ｎｍ、パルス幅１７０ｎｓ）ＶＥＬ１５２０を使用しても良い。前記エキシマレーザの最大エネルギーは、１パルスあたり１５Ｊ、周波数は２０Ｈｚである。前記エキシマレーザを用いた場合、基板１枚をレーザ処理する間、１パルスごとのエネルギー変動を±２．５％以内に収めることができ、より均一な結晶化が行える。また、本発明の光導波路を使った光学系を用いると、被照射面におけるビームスポットの位置がレーザビームの変動に全く影響を受けないので、光導波路とＶＥＬ１５２０のような極めて出力安定性の高いレーザとを組み合わせると、非常に均一なレーザアニールを行なうことが可能となる。

レーザビームの照射は例えば、図２に示した被照射面２０８をのせたステージを長方形状ビームスポットの短辺方向に走査させながら行う。このとき、被照射面におけるビームスポットのエネルギー密度や、走査のスピードは、実施者が適宜決めればよい。だいたいの目安は、エネルギー密度２００ｍＪ/ｃｍ²〜１０００ｍＪ/ｃｍ²の範囲である。走査のスピードは、長方形状のビームスポットの短辺方向の幅が９０％程度もしくはそれ以上で互いに重なり合う範囲で適当なものを選ぶと、均一なレーザアニールを行える可能性が高い。最適な走査スピードは、レーザ発振器の周波数に依存し、前記周波数に比例すると考えてよい。

こうして、レーザアニール工程が終了する。上記工程を繰り返すことにより、多数の基板を処理できる。また、複数の基板を収納することができる基板ホルダーと、前記基板を前記基板ホルダーと前記ステージの間を自動運搬する搬送装置を用意することで、より効率的に基板を処理することが可能となる。前記基板を利用して例えばアクティブマトリクス型の液晶表示装置を公知の方法に従って作製することができる。

上記の例ではレーザ発振器にエキシマレーザを用いた。エキシマレーザはコヒーレント長が数μｍと非常に小さいため、上記例の光学系に適している。以下に示すレーザにはコヒーレント長が長いものもあるが、そのようなレーザを用いるときは、分割されたレーザビームを合成する前に、互いに光路差をつけて合成するようにすると干渉の発生を抑制できる。あるいは、光学系を通す前に、光ファイバーなどを通し、作為的にコヒーレント長を変えてからホモジナイザに導入して用いればよい。YAGレーザの高調波やガラスレーザの高調波を用いても同様な大出力が得られ、かつ珪素膜にレーザビームのエネルギーが良く吸収されるので好ましい。珪素膜の結晶化に適当な他のレーザ発振器として、YVO₄レーザ（高調波）、GdVO₄レーザ（高調波）、YLFレーザ（高調波）、Arレーザなどがある。これらのレーザビームの波長域は珪素膜によく吸収される。

上記の例では、非単結晶半導体膜には非晶質珪素膜を使ったが、本発明は他の非単結晶半導体にも適用できることが容易に推測できる。例えば、非単結晶半導体膜に非晶質珪素ゲルマニウム膜などの非晶質構造を有する化合物半導体膜を使用しても良い。あるいは、非単結晶半導体膜に多結晶珪素膜を使用してもよい。

図３に本実施例で説明する光導波路を用いた光学系の例を示す。光導波路としては、ライトパイプを用いることができる。まず、図３（ａ）の平面図について説明する。レーザ発振器３０１から射出されたレーザビームは図３中、矢印の方向に伝搬される。図３（ａ）の平面図において、紙面に対して垂直な方向が長方形状のビームスポットの短辺方向である。

まず、レーザビームは球面レンズ３０２ａ及び３０２ｂにより拡大される。この構成は、レーザ発振器３０１から出るビームスポットが十分に大きい場合には必要ない。なお、前記球面レンズ３０２ａ及び３０２ｂのように、ビームスポットの形状を拡大する光学系一般的にビームエキスパンダーと呼ぶ。

前記ビームエキスパンダーによって拡大されたレーザビームを、第１面が曲率半径１９４．２５ｍｍ、第２面が平面、厚さ２０ｍｍのシリンドリカルレンズ３０３により、長方形状ビームスポットの長辺方向に絞る。曲率半径の符号は、曲率中心がレンズ面に対してレーザビームの射出側にある時が正、曲率中心がレンズ面に対して入射側にある時を負とする。また、レンズ面はレーザビームが入射する面を第１面、射出する面を第２面とする。

向い合う２つの反射面３０４ａ及び３０４ｂからなる光導波路３０４を、光導波路３０４の入射口位置がシリンドリカルレンズ３０３の焦点位置になるように配置する。光導波路３０４に入射したレーザビームは、光導波路３０４内において反射を繰り返しエネルギー分布が均一化され、射出口に至る。光導波路３０４の射出口には、長方形状ビームスポットの長辺方向のエネルギー分布が均一な面が形成される。光導波路３０４はレーザビームの進行方向の長さが２００ｍｍで、反射面間の距離を２ｍｍとする。

光導波路３０４の射出口から２０ｍｍの位置に配置する第１面の曲率半径が９．７ｍｍ、第２面が平面、厚さ５ｍｍのシリンドリカルレンズ３０５により、光導波路３０４の射出口に形成された長方形状ビームスポットの長辺方向のエネルギー分布が均一な面をシリンドリカルレンズ３０５の後方３６００ｍｍの位置に配置する被照射面３０９に投影する。すなわち、前記均一な面と、被照射面３０９とは、シリンドリカルレンズ３０５に対して共役な位置にある。これにより、長方形状ビームスポットの長辺方向のエネルギー分布が均一化され、長辺方向の長さが決定される。本実施例においては、光導波路３０４から射出するレーザビームを被照射面３０９に投影するレンズに、シリンドリカルレンズ３０５を用いたが、収差をより少なくするためにダブレットシリンドリカルレンズを用いてもよい。ダブレットシリンドリカルレンズとは、２枚のシリンドリカルレンズで構成されているレンズのことをいう。あるいは、３枚以上のレンズで構成されるレンズを用いても良い。それは設計する系や要求される仕様により決定すればよい。

次に、図３（ｂ）の側面図について説明する。レーザ発振器３０１から射出されたレーザビームは、球面レンズ３０２ａ及び３０２ｂからなるビームエキスパンダーによって拡大される。前記ビームエキスパンダーによって拡大されたレーザビームを、シリンドリカルレンズ３０５の後方７７３．２ｍｍに配置された、第１面が曲率半径４８６ｍｍ、第２面が平面、厚さ２０ｍｍのシリンドリカルレンズ３０６により、長方形の短辺方向にビームスポットを絞る。

向い合う２つの反射面３０７ａ及び３０７ｂからなる光導波路３０７を、光導波路３０７の入射口位置がシリンドリカルレンズ３０６の焦点位置になるように配置する。光導波路３０７に入射したレーザビームは、光導波路３０７内において反射を繰り返しエネルギー分布が均一化され、射出口に至る。光導波路３０７の射出口には、長方形状ビームスポットの短辺方向のエネルギー分布が均一な面が形成される。光導波路３０７はレーザビームの進行方向の長さが２５０ｍｍで、反射面間の距離を２ｍｍとする。

光導波路３０７の射出口から１２５０ｍｍ後方に配置したダブレットシリンドリカルレンズ３０８ａ及び３０８ｂにより、前記ダブレットシリンドリカルレンズの後方２３７ｍｍに配置した被照射面３０９に、光導波路３０４の射出口に形成された長方形状ビームスポットの短辺方向のエネルギー分布が均一な面を投影する。

前記ダブレットシリンドリカルレンズを構成する２枚のシリンドリカルレンズは、１枚は第1面の曲率半径が１２５ｍｍ、第２面の曲率半径が７７ｍｍ、厚さ１０ｍｍのシリンドリカルレンズであり、もう１枚は第１面の曲率半径が９７ｍｍ、第２面の曲率半径が−２００ｍｍ、厚さ２０ｍｍのシリンドリカルレンズであり、２枚のシリンドリカルレンズの間隔は５．５ｍｍである。これにより、長方形状のビームスポットの短辺方向のエネルギー分布の均一化がなされ、短辺方向の長さが決定される。前記ダブレットシリンドリカルレンズを用いないで、光導波路３０７の直後に照射面を配置しても構わないが、前記ダブレットシリンドリカルレンズを用いることにより、光学系と照射面との間に距離がとれるため、空間的な余裕ができる。

図３に示した光導波路を用いた光学系により、長辺方向の長さが３００ｍｍ、短辺方向の長さ０．４ｍｍのエネルギー分布が均一な長方形状のビームスポットを形成することができる。図４（ａ）〜（ｃ）に光学設計ソフトにおいて行ったシミュレーション結果を示す。図４（ａ）は、長方形状のビームスポットの中心から長辺方向に±２００ｍｍ、短辺方向に±０．３ｍｍの平面に形成されたビームスポットのエネルギー分布を示した図である。図４（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、図４（ａ）で示した線Ａ、Ｂにおけるエネルギー分布の断面図で、縦軸が、レーザ強度（A.U.）、横軸が長さ（ｍｍ）である。図４（ａ）の結果より、ビームスポットの形状が極めて長方形状に近く、ビームスポットの線幅が長さ３００ｍｍに渡って一様であるので、一様なアニールが期待できる。

本実施例で示した光導波路を用いた光学系を利用して、例えば実施の形態に従った方法にて、半導体膜のレーザアニールを行う。前記半導体膜を利用して例えばアクティブマトリクス型の液晶表示装置を作製することができる。前記作製は、実施者が公知の方法に従って行えばよい。

本実施例では、実施の形態に記載した光学系とは別の光学系の例を挙げる。図５に本実施例で説明する光学系の例を示す。なお、光導波路としては、ライトパイプを用いることができる。

図５中レーザビームは、光導波路５０４及び光導波路５０７以外は、図３に示した光学系と全く同じ光路を通る。光導波路５０４及び５０７は、光導波路３０４と同様に向い合う２つの反射面を有する。光導波路３０４は向い合う２つの反射面間の空間が中空である一方で、光導波路５０４及び５０７の向い合う２つの反射面間の空間は屈折率ｎ（＞１）の媒質で満たされている。この点で両者は異なる。光ファイバーと同様の原理により、レーザビームが臨界角以上の角度で前記光導波路５０４及び５０７に入射すると、反射面においてレーザビームは全反射する。例えば、材質が石英（屈折率１.５程度）である光導波路を空気中に配置することで光導波路と空気との界面において全反射面を有する光導波路が実現可能となる。上記のような光導波路を用いた場合、レーザビームの透過率は全反射しない場合と比べて非常に高くなる。従って、より高効率でレーザ発振器３０１からのレーザビームを被照射面３０９に伝播することができる。

なお、図５の光導波路５０４及び５０７の代わりに、多層構造の光導波路を用いてもよい。代表的には、図７（Ａ）で示されるような、２つの材質からなり、外側の材質７０１（例えば、石英）の屈折率よりも内側の材質７０２（例えば、ゲルマニウムを含む石英）の屈折率の方が高い光導波路を用いることもできる。

図７（Ｂ）に、図７（Ａ）で示される光導波路の（ア）―（ア‘）における断面図を示す。また、図７（Ｃ）に、図７（Ｂ）の反射面での拡大図を示す。レーザビーム７０３の入射角度θが臨界角θ₀以上の角度で前記光導波路に入射すると、向い合う２つの反射面間で入射光は全反射される。

なお、光導波路５０４及び５０７にレーザビームを入射する際に、前記光導波路の入射面におけるレーザビームの反射率を抑えるために、前記入射面に反射率を抑えるコーティングを適時施してもよい。

図５に示した光学系により、長辺方向の長さが３００ｍｍ、短辺方向の長さが０．４ｍｍのエネルギー分布が均一な長方形状ビームスポットを形成することができる。

本実施例で示した光学系を利用して、例えば発明実施の形態に従った方法にて、半導体膜のレーザアニールを行う。前記半導体膜を利用して例えばアクティブマトリクス型の液晶表示装置や発光装置を作製することができる。前記作製は、実施者が公知の方法に従って行えばよい。

光導波路によるビームスポットのエネルギー分布の均一化を説明する図。 本発明が開示する光導波路を用いたビームホモジナイザの例を示す図。 本発明が開示する光導波路を用いたビームホモジナイザの例を示す図。 図３が提示するビームホモジナイザによる長方形状のビームスポットのエネルギー分布。 本発明が開示する光導波路を用いたビームホモジナイザの例を示す図。 従来のビームホモジナイザを示す図。 本発明が開示する光導波路の例を示す図。

Claims (24)

1. 被照射面に形成されるビームスポットの一方向におけるエネルギー分布を均一化する光学系を有し、
   前記ビームスポットは長方形状であり、
   前記一方向は、前記長方形状の長辺方向であり、
   前記光学系は、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する、向かい合う２つの反射面を具備する光導波路を有することを特徴とするビームホモジナイザ。
2. 被照射面に形成されるビームスポットの一方向におけるエネルギー分布を均一化する光学系を有し、
   前記ビームスポットは長方形状であり、
   前記一方向は、前記長方形状の長辺方向であり、
   前記光学系は、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する、向かい合う２つの反射面を具備する光導波路と、前記光導波路により形成されるエネルギー分布の均一な面を、前記被照射面において、前記長方形状の長辺方向に拡大し投影する一つまたは複数のシリンドリカルレンズを有することを特徴とするビームホモジナイザ。
3. 被照射面に形成されるビームスポットの第１の方向におけるエネルギー分布を均一化する第１の光学系と、
   前記ビームスポットの前記第１の方向と直交する第２の方向におけるエネルギー分布を均一化する第２の光学系とを有し、
   前記ビームスポットは長方形状であり、
   前記第１の方向は、前記長方形状の長辺方向であり、
   前記第２の方向は、前記長方形状の短辺方向であり、
   前記第１の光学系は、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する、向かい合う２つの反射面を具備する光導波路を有し、
   前記第２の光学系は、シリンドリカルレンズアレイを有することを特徴とするビームホモジナイザ。
4. 被照射面に形成されるビームスポットの第１の方向におけるエネルギー分布を均一化する第１の光学系と、
   前記ビームスポットの前記第１の方向と直交する第２の方向におけるエネルギー分布を均一化する第２の光学系とを有し、
   前記ビームスポットは長方形状であり、
   前記第１の方向は、前記長方形状の長辺方向であり、
   前記第２の方向は、前記長方形状の短辺方向であり、
   前記第１の光学系および前記第２の光学系は、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する、向かい合う２つの反射面を具備する光導波路を有することを特徴とするビームホモジナイザ。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項において、
   前記光導波路は、ライトパイプであることを特徴とするビームホモジナイザ。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項において、
   前記ビームスポットのアスペクト比が、１０以上であることを特徴とするビームホモジナイザ。
7. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項において、
   前記ビームスポットのアスペクト比が、１００以上であることを特徴とするビームホモジナイザ。
8. レーザ発振器と、
   ビームホモジナイザとを有し、
   前記ビームホモジナイザは、被照射面に形成されるビームスポットの少なくとも一方向におけるエネルギー分布を均一化し、
   前記ビームスポットは長方形状であり、
   前記一方向は、前記長方形状の長辺方向であり、
   前記ビームホモジナイザは、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する、向かい合う２つの反射面を具備する光導波路を有することを特徴とするレーザ照射装置。
9. レーザ発振器と、
   ビームホモジナイザとを有し、
   前記ビームホモジナイザは、被照射面に形成されるビームスポットの第１の方向におけるエネルギー分布を均一化する第１の光学系と、
   前記ビームスポットの前記第１の方向と直交する第２の方向におけるエネルギー分布を均一化する第２の光学系とを有し、
   前記ビームスポットは長方形状であり、
   前記第１の方向は、前記長方形状の長辺方向であり、
   前記第２の方向は、前記長方形状の短辺方向であり、
   前記第１の光学系は、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する、向かい合う２つの反射面を具備する光導波路を有し、
   前記第２の光学系は、シリンドリカルレンズアレイを有することを特徴とするレーザ照射装置。
10. レーザ発振器と、
    ビームホモジナイザとを有し、
    前記ビームホモジナイザは、被照射面に形成されるビームスポットの第１の方向におけるエネルギー分布を均一化する第１の光学系と、
    前記ビームスポットの前記第１の方向と直交する第２の方向におけるエネルギー分布を均一化する第２の光学系とを有し、
    前記ビームスポットは長方形状であり、
    前記第１の方向は、前記長方形状の長辺方向であり、
    前記第２の方向は、前記長方形状の短辺方向であり、
    前記第１の光学系および前記第２の光学系は、一方の端面からレーザビームを入射させ、他方の端面から前記レーザビームを射出する、向かい合う２つの反射面を具備する光導波路を有することを特徴とするレーザ照射装置。
11. 請求項８乃至請求項１０のいずれか一項において、
    前記光導波路は、ライトパイプであることを特徴とするレーザ照射装置。
12. 請求項８乃至請求項１１のいずれか一項において、
    前記レーザ発振器はエキシマレーザ、YAGレーザ、ガラスレーザのいずれかであることを特徴とするレーザ照射装置。
13. 請求項８乃至請求項１１のいずれか一項において、
    前記レーザ発振器は、YVO₄レーザ、GdVO₄レーザ、YLFレーザ、Arレーザのいずれかであることを特徴とするレーザ照射装置。
14. 請求項８乃至請求項１３のいずれか一項において、
    前記ビームスポットのアスペクト比が、１０以上であることを特徴とするビームホモジナイザ。
15. 請求項８乃至請求項１３のいずれか一項において、
    前記ビームスポットのアスペクト比が、１００以上であることを特徴とするビームホモジナイザ。
16. 請求項８乃至請求項１５のいずれか一項において、
    前記レーザ照射装置は、前記被照射面を有する被照射体を前記ビームスポットに対し相対的に移動させる移動ステージを有することを特徴とするレーザ照射装置。
17. 請求項１６において、
    レーザ照射装置は、前記被照射面を有する被照射体を前記移動ステージに運搬する搬送装置を有することを特徴とするレーザ照射装置。
18. 基板上に非単結晶半導体膜を形成し、
    レーザ発振器で発生させたレーザビームを、前記被単結晶半導体を被照射面として、シリンドリカルレンズアレイおよび光導波路を有する光学系を用いて、被照射面におけるビームスポットを長方形状に整形し、前記ビームスポットの位置を前記非単結晶半導体膜に対して相対的に移動させながら、前記非単結晶半導体膜をレーザアニールする工程とを有し
    前記シリンドリカルレンズアレイは前記長方形状のビームスポットの短辺方向に作用し、前記光導波路は前記長方形状のビームスポットの長辺方向に作用することを特徴とする半導体装置の作製方法。
19. 基板上に非単結晶半導体膜を形成し、
    レーザ発振器で発生させたレーザビームを、前記被単結晶半導体を被照射面として、シリンドリカルレンズアレイおよび複数の光導波路を有する光学系を用いて、被照射面におけるビームスポットを長方形状に整形し、前記ビームスポットの位置を前記非単結晶半導体膜に対して相対的に移動させながら、前記非単結晶半導体膜をレーザアニールする工程とを有し
    前記複数の光導波路の内、少なくともひとつの光導波路は前記長方形状のビームスポットの長辺方向に作用し、少なくともひとつの光導波路は前記長方形状のビームスポットの短辺方向に作用することを特徴とする半導体装置の作製方法。
20. 請求項１８または請求項１９において
    前記光導波路は、ライトパイプを用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。
21. 請求項１８乃至請求項２０のいずれか一項において、
    前記レーザ発振器は、エキシマレーザ、YAGレーザ、ガラスレーザのいずれかを用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。
22. 請求項１８乃至請求項２０のいずれか一項において、
    前記レーザ発振器は、YVO₄レーザ、GdVO₄レーザ、YLFレーザ、Arレーザのいずれかを用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。
23. 請求項１８乃至請求項２２のいずれか一項において、
    前記ビームスポットのアスペクト比は、１０以上に整形することを特徴とする半導体装置の作製方法。
24. 請求項１８乃至請求項２２のいずれか一項において、
    前記ビームスポットのアスペクト比は、１００以上に整形することを特徴とする半導体装置の作製方法。