JP2005217209A - レーザアニール方法およびレーザアニール装置 - Google Patents

レーザアニール方法およびレーザアニール装置 Download PDF

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剛史 野田
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Abstract

【課題】 細長い形状に整形されたレーザ光を走査して半導体膜のアニールを行うレーザアニール方法及びレーザアニール装置において、上記細長い形状のビームに整形するためのビーム整形器でのエネルギロスを低減し、またエネルギの変動の影響を受けずに安定で、かつ高スループットで横方向成長結晶が得られるビーム寸法と走査速度を選定する。
【解決手段】 変調器７により時間変調されたレーザ光３をビーム整形器１０で細長い形状のビームに整形される。この時、ビーム整形器１０により、細長い形状のビームの走査方向寸法を２〜１０ミクロン、より望ましくは２〜４ミクロンとし、走査速度を３００〜１０００ｍｍ／ｓ、より望ましくは５００〜１０００ｍｍ／ｓとすることで、エネルギ効率が良く、シリコン薄膜へのダメージが発生しにくく、高スループットで、基板上の所定の領域にレーザ光を走査・照射して横方向成長結晶（帯状結晶）領域を得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、絶縁基板上に形成された非晶質半導体膜あるいは多結晶半導体膜にレーザ光を照射して膜質の改善や結晶粒の拡大あるいは単結晶化を行うのに好適なレーザアニール方法およびレーザアニール装置に関する。
現在、液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置などの表示装置は、ガラスや溶融石英などの基板上の非晶質または多結晶シリコン膜で形成された画素トランジスタ（薄膜トランジスタ）のスイッチングにより画像を形成している。この基板上に画素トランジスタを駆動するドライバ回路を同時に形成することが可能になれば、飛躍的な製造コスト低減および信頼性の向上が期待できる。しかし、ドライバ回路を構成するトランジスタ（薄膜トランジスタ）の能動層を形成するシリコン膜が非晶質シリコンの場合、移動度に代表される薄膜トランジスタの性能が低く、高速・高機能が要求される回路の製作は困難である。
これら高速・高機能の回路を製作するためには、高移動度の薄膜トランジスタを必要とし、これを実現するためにシリコン薄膜の結晶性を改善する必要がある。この結晶性改善の手法として、従来からエキシマレーザアニールが注目を浴びている。この方法はガラスなどの絶縁基板上に形成された非晶質シリコン膜にエキシマレーザを照射して、非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に変化させることで、移動度を改善するものである。しかしながら、エキシマレーザの照射により得られる多結晶膜は、その結晶粒径が数１０〜数１００ｎｍ程度であり、液晶パネルを駆動するドライバ回路などに適用するには、まだ性能不足である。
この問題を解決する従来技術として、「特許文献１」には時間変調した連続発振レーザ光を線状に集光して高速に走査しながら照射することで、走査方向に結晶を横方向成長させ、いわゆる帯状結晶を形成する方法が開示されている。これは、基板全面をエキシマレーザアニールにより多結晶化させた後、駆動回路が形成される領域のみに、形成するトランジスタの電流経路（ドレイン−ソース方向）と一致した方向にレーザ光を走査して結晶粒を横方向成長させ、結果的に電流経路を横切る結晶粒界が存在しないようにすることで、移動度を大幅に向上するものである。これ以外にも関連する技術文献としては「特許文献２」が挙げられる。
特開２００３−１２４１３６号公報 特開２００３−８６５０５号公報
本発明は上記従来技術を改良するものである。即ち、上記従来技術では使用する連続発振ＹＡＧレーザ第二高調波などの固体レーザを細長い形状に整形するために、ホモジナイザ（ビーム整形器）として、構成の複雑なマルチレンズアレイやカライドスコープを、また可干渉性（コヒーレンシ）を低減するために回転拡散板を用いているため、エネルギの損失が大きいという問題があった。
さらに、レーザビームの短手方向を２０ミクロン程度の細長い形状に整形し、１００ｍｍ／ｓ程度の走査速度で所望の領域を照射していたが、良好な横方向成長結晶が得られるエネルギ条件範囲が狭く、エネルギ変動でシリコン膜にダメージが生じ易いという問題があった。
本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解決し、エネルギの損失を生じることなく高効率に細長い形状に整形し、エネルギ条件範囲の広い高移動度シリコン膜を形成するレーザアニール方法およびレーザアニール装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明のレーザアニール方法およびレーザアニール装置は、ホモジナイザ（ビーム整形器）として回折光学素子を使用するか、あるいはパウエルレンズとシリンドリカルレンズの組み合わせを使用する。また、整形したビーム形状を結像レンズにより縮小投影することで、短手方向寸法（あるいは走査方向寸法）が所望の寸法の細長い形状のビームを得ることができる。この時のビームの走査方向寸法としては２〜１０ミクロン、より望ましくは２〜４ミクロンが実現できる。走査速度は３００〜１０００ｍｍ／ｓが望ましく、５００〜１０００ｍｍ／ｓとすることがより望ましい。尚、本発明は以上の構成に限定されず、本発明の思想を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
本発明のレーザアニール方法およびレーザアニール装置によれば、ホモジナイザ（ビーム整形器）として単純な構成の回折光学素子を使用するか、あるいはパウエルレンズとシリンドリカルレンズの組み合わせを使用することで、小さなエネルギロスで細長い形状のビームに整形することができる。
また、整形したビーム形状を結像レンズにより縮小投影することで、短手方向寸法（あるいは走査方向寸法）が所望の寸法の細長い形状のビームを得ることができる。この時のビームの走査方向寸法としては２〜１０ミクロン、より望ましくは２〜４ミクロンが実現できる。走査速度は３００〜１０００ｍｍ／ｓ、より望ましくは５００〜１０００ｍｍ／ｓとすることで、レーザ照射領域に帯状結晶が形成できる良好なアニールを行うことができる。
本発明により高移動度シリコン膜が安定に得られこととなり、性能の良い薄膜半導体装置基板を得ることができる。また、液晶表示装置あるいは有機ＥＬ表示装置に代表される表示装置の製造に適用することで、いわゆるシステムインを実現することができる。
以下、実施例の図に従って本発明を詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例であるレーザアニール装置の光学系構成を示す図である。励起用ＬＤ（レーザダイオード）１とファイバ２で結合された連続発振レーザ光３を発生するレーザ発振器４、レーザ光３のＯＮ／ＯＦＦを行うシャッタ５、レーザ光３のエネルギを調整するための透過率連続可変ＮＤフィルタ６、レーザ発振器４から出力されたレーザ光３を時間変調してパルス化およびエネルギの時間的な変調を実現するための変調器７、レーザ光３のビーム径を調整するためのビームエキスパンダ（ビームリデューサ）９、レーザ光３を細長い形状、例えば線状、矩形状、楕円状、長円状のようなビームに整形するビーム整形器１０、整形されたレーザ光３の長手方向を所定の寸法に調整するための矩形スリット１１、ビーム整形器１０で細長い形状に整形されたレーザビーム像をＸＹステージ１２上に載置された基板１３上に縮小投影する結像レンズ１４から構成されている。
ここでは、変調器７として、電気光学モジュレータ（以後、ＥＯモジュレータと称す）７ａと偏光ビームスプリッタ８を用いた例を用いて説明するが、これに限られるものではない。
次に、各部の動作・機能について詳細に説明する。連続発振レーザ光３はアニール対象である非晶質あるいは多結晶シリコン薄膜に対して吸収のある波長、即ち紫外波長から可視波長が望ましく、より具体的にはＡｒレーザあるいはＫｒレーザとその第二高調波、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの第二高調波及び第三高調波などが適用可能である。これらの中で、出力の大きさ及び安定性を考慮すると、ＬＤ（レーザダイオード）励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第二高調波（波長５３２ｎｍ）あるいはＮｄ：ＹＶＯ４レーザの第二高調波（波長５３２ｎｍ）が最も望ましい。以後の説明ではＬＤ励起Ｎｄ：ＹＶＯ4レーザの第二高調波を使用した場合について説明する。
レーザ発振器４から発振されたレーザ光３はシャッタ５によりオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）される。即ち、レーザ発振器４は常に一定出力でレーザ光３を発振した状態におかれ、シャッタ５は通常にはＯＦＦ状態として、レーザ光３はシャッタ５で遮られている。レーザ光３を照射する場合のみ、このシャッタ５を開き（ＯＮ状態に）することで、レーザ光３を出力させる。励起用レーザダイオード１をＯＮ／ＯＦＦすることで、レーザ光３のＯＮ／ＯＦＦを行うことは可能だが、レーザ出力の安定性を確保するためには望ましくない。このほか、安全上の観点から緊急にレーザ光３の照射を停止したい場合にも、シャッタ５を閉じればよい。
シャッタ５を通過したレーザ光３は出力調整に使用する透過率連続可変ＮＤフィルタ６を透過して変調器７に入射される。透過率連続可変ＮＤフィルタ６としてはレーザ光が透過することで偏光方向が回転しないものが望ましい。ただし、後述するように変調器７として偏光方向の影響を受けないＡＯモジュレータを採用する場合には、その限りではない。ＥＯモジュレータ７ａはドライバ（図示せず）を介してポッケルス・セル（結晶）（図ではこれを符号７ａとして図示した）に電圧を印加することで、結晶を透過するレーザ光３の偏光方向を回転させ、結晶の後方に置いた偏光ビームスプリッタ８でＰ偏光成分のみを通過、Ｓ偏光成分を９０度偏向させることでレーザ光３のＯＮ／ＯＦＦおよび出力の調整を行うことができる。ただし、ＥＯモジュレータ７ａによる出力の調整は、本実施例における必須機能ではなく、単にレーザ光３のＯＮ／ＯＦＦを行えれば十分である。
偏光ビームスプリッタ８に対してＰ偏光で入射するようにレーザ光３の偏光方向を回転させるための電圧Ｖ１と、Ｓ偏光で入射するようにレーザ光３の偏光方向を回転させるための電圧Ｖ２を交互に、あるいはＶ１とＶ２の間の任意に変化する電圧を印加することでレーザ光３を時間変調する。なお、図１ではＥＯモジュレータ７ａとして、ポッケルス・セルと偏光ビームスプリッタ８を組み合わせることで説明したが、偏光ビームスプリッタの代替として各種偏光素子を用いることができる。また、図１ではポッケルス・セルの部分までをＥＯモジュレータ７ａとして説明しているが、各種偏光素子まで含めた状態でＥＯモジュレータとして市販されている場合もあるので、ポッケルス・セルと偏光ビームスプリッタ８（または各種偏光素子）を組み合わせたもの全体をＥＯモジュレータと称する場合もある。
また、変調器７の他の実施例として、ＡＯ（音響光学）モジュレータを使用することができる。一般的に、ＡＯモジュレータはＥＯモジュレータと比較して、駆動周波数が低く、また回折効率も７０〜９０％とＥＯモジュレータと比較して効率が悪いが、レーザ光が直線偏光でない場合でもＯＮ／ＯＦＦを行える特徴があり、透過率連続可変ＮＤフィルタ６として透過レーザ光の偏光方向が回転するものを使用した場合でも問題は生じない。このようにＥＯモジュレータ７ａ（及び偏光ビームスプリッタ８）あるいはＡＯモジュレータなどの変調器７を用いることにより、連続発振レーザ光から任意のタイミングで任意の波形（時間的なエネルギ変化）を有するレーザ光を得ることができる。即ち、所望の時間変調を行うことができる。
時間変調されたレーザ光３は、ビーム径を調整するためのビームエキスパンダ（あるいはビームリデューサ）９でビーム径を調整されてビーム整形器１０に入射する。ビーム整形器１０はレーザ光３を細長い形状のビームに整形するための光学素子である。通常、ガスレーザや固体レーザは、ガウス形のエネルギ分布を持っているため、そのままでは本発明のレーザアニールに使用することはできない。発振器出力が十分に大きければ、ビーム径を十分に広げ、中心部分の比較的均一な部分のみを切り出すことで、ほぼ均一なエネルギ分布を得ることができるが、ビームの周辺部分を捨てることになり、エネルギの大部分が無駄になる。この欠点を解決して、ガウス形の分布を均一な分布（トップフラット）に変換するために、ビーム整形器１０を用いる。
ビーム整形器１０として回折光学素子２２を使用することができる。回折光学素子２２は石英などの基板にフォトエッチング工程により微細な段差を形成し、それぞれの段差部分を透過するレーザ光が形成する回折パターンを結像面（矩形開口スリット１１面）で合成し、結果的に結像面（矩形開口スリット１１面）上で所望のエネルギ分布が得られるように作成されている。
図２は本発明の一実施例であるレーザアニール装置に採用可能な回折光学素子方式のホモジナイザを説明する図である。ここで用いる回折光学素子２２は図２に示すようにガウス分布のパワー密度を有するレーザ光２１を入射することで、一方向（図２（ａ）に示すｘ方向）に均一な分布で、かつその直角方向（図２（ｂ）に示すｙ方向）にはガウス分布に集光されるように設計・製作されている。回折光学素子２２を使用した場合の長手方向の強度分布は±３％程度の均一な分布が得られる。
図３は本発明の一実施例であるレーザアニール装置に採用可能なパウエルレンズ方式のホモジナイザを説明する図である。ビーム整形器１０として回折光学素子２２の代りに、図３に示すパウエルレンズ２３とシリンドリカルレンズ２４の組み合わせを用いることができる。パウエルレンズ２３はシリンドリカルレンズの一種で、図３（ａ）に示すように、ガウス分布のレーザ光２１を入射させた場合に、中心部分のエネルギ密度が高い部分は疎になるように、周辺部分のエネルギ密度が低い部分は密になるように投影面（図１では矩形開口スリット１１面）上に結像させる。図３（ａ）に示した面と直角方向、すなわち紙面に垂直な方向に対しては、パウエルレンズ２３単体ではエネルギ分布の変化がないままなので、図３（ｂ）に示すように、シリンドリカルレンズ２４で集光する。
結果として、長手方向（図３（ａ）に示した方向）には均一なエネルギ分布を有し、短手方向（図３（ｂ）に示した方向）にはガウス分布を有する細長い形状のビームが矩形開口スリット１１面上に形成されたことになる。パウエルレンズ２３を使用した場合の長手方向の強度分布は±５％程度の均一な分布が得られている。
また、必要に応じて、長手方向のビーム周辺部のエネルギ密度変化が大きい部分、あるいは裾野部分（回折光学素子の場合には高次回折光）は矩形開口スリット１１により遮光することで、立ち上がりの急なエネルギ分布が得られる。
ここで、時間変調され、細長いビーム形状に整形された連続発振レーザ光を走査させながら照射した場合の、非晶質シリコン薄膜の挙動を、図８に従って説明する。
図８は整形ビームを照射して非晶質シリコン膜基板に帯状結晶が形成される様子を説明する図である。前述したように、本実施例では、ガラス基板上に非晶質シリコン薄膜が形成された基板２００をアニール対象に用いている。図８（ａ）に示すように、細長い形状に集光したレーザ光２０１を非晶質シリコン膜２００上に走査して、領域２０２に照射する。適切なパワー密度で照射した場合、レーザ照射領域２０２以外の非晶質膜２００はそのまま残るが、レーザ照射領域２０２内の非晶質シリコンは溶融する。
その後、レーザ光２０１が通過することにより急速に凝固・結晶化する。この時、図８（ｂ）に示すように、最初に溶融した領域のシリコンから冷却・凝固が始まり、ランダムな結晶方位を有する微結晶２０４が形成される。各微結晶はレーザ光の走査方向に成長を続けるが、その成長速度は結晶の方位によって異なるため、最終的には最も成長速度の早い結晶方位を持つ結晶粒だけが結晶成長を続ける。即ち、図８（ｂ）に示すように、成長速度の遅い結晶方位をもつ結晶粒２０５は、周囲の成長速度の早い結晶方位をもつ結晶粒２０６、２０７の成長に抑えられ、結晶成長が止まる。
また、成長速度が中程度の結晶方位を持つ結晶粒２０６は成長を続けるが、さらに成長速度の大きい結晶粒２０７、２０８の成長に抑えられ、やがて成長が停止する。最終的には成長速度の最も大きな結晶方位を持つ結晶粒２０７、２０８は成長を続ける。ただし、無限に成長するのではなく、５〜５０ミクロン程度の長さに成長すると、やがて新たに成長を開始した結晶粒に抑えられ、結果的に幅が０．２〜２ミクロン、長さ５〜５０ミクロンの結晶粒が得られる。
これら、最後まで結晶成長が続いた結晶粒２０７、２０８、２０９、２１０、２１１、２１２は、厳密な意味では独立した結晶粒であるが、ほとんど同じ結晶方位を有しており、溶融再結晶した部分はシリコン結晶が横方向成長し、帯状の結晶粒で構成される多結晶膜となる。この多結晶膜は実効的にほぼ単結晶（擬似単結晶）と見なすことができる。しかも、このレーザアニール後における表面の凹凸は１０ｎｍ以下であり、極めて平坦な状態である。
レーザ光２０１を上記したように非晶質シリコン薄膜に照射することにより、レーザ光を照射した領域が島状（タイル状）にアニールされ、特定の結晶方位を有する結晶粒のみが成長して、厳密な意味では多結晶状態であるが、ほぼ単結晶に近い性質を有する領域が形成されたことになる。特に、結晶粒界を横切らない方向においては、実質的に単結晶と考えて良い。この時のシリコン膜の移動度として、４００ｃｍ2／Ｖｓ以上、典型的には４５０ｃｍ2／Ｖｓが得られる。
ガラス基板上に多結晶膜が形成されていた場合も、同様の結果が得られる。レーザ照射開始部には多結晶が存在するため、それらの結晶粒各々が種結晶となり、非晶質の場合と同様にレーザ光の走査方向に結晶が横方向成長する。これら横方向成長した帯状結晶は、非晶質状態から形成した場合と差はない。
ここで、ガラス基板上に絶縁膜を介して５０ｎｍの膜厚で形成した非晶質あるいは多結晶シリコン薄膜に、整形ビームの短手方向の寸法および走査速度を変化させてアニール実験を行った結果について説明する。まず、走査速度を３００ｍｍ／ｓ一定とし、細長い形状に整形したレーザ光の短手方向寸法を変化させた場合に、非晶質シリコン膜を良好な帯状結晶に形成できるパワー密度範囲を図４に示す。
図４は整形ビーム短手方向の寸法を変化させた場合の良好なアニールが実施できるパワー密度範囲を示すグラフである。図４において、横軸は細長い形状に整形したレーザ光の短手方向（幅）寸法をミクロン単位で、縦軸は細長い形状に整形したレーザ光の最大パワー密度をＭＷ／ｃｍ2単位で示している。ここで示す最大パワー密度は短手方向の中心におけるパワー密度であり、短手方向がガウス分布であることから、平均パワー密度を２倍した値で示してある。
ガウス分布のプロファイルを有するレーザ光において、平均パワー密度とは最大パワー密度（中心のパワー密度）を１とした時に１３．５％の部分までをビーム径（ここでは短手方向ビーム幅）として、全パワーをこのビーム径（ビーム幅）内で平均化した値である。ガウス分布の場合、最大パワー密度の１／２が平均パワー密度である。また、ここで良好という意味は、レーザ光を照射されたシリコン膜が溶融し再凝固する際に、結晶がレーザ光を走査する方向に横方向成長し、大きな結晶粒が帯状に形成されることを意味する。
図４において、ハッチングした領域が、帯状結晶が実現できた範囲である。ハッチング領域より下の条件では、レーザ光が照射されたシリコン膜が非晶質の場合、多結晶化はするが横方向成長するに至らず、結晶粒の小さい、いわゆる微結晶状態である。また、レーザ光が照射されたシリコン膜がエキシマレーザあるいは固体パルスレーザなどの照射により形成された多結晶膜の場合、帯状結晶が形成される最大パワー密度の下限値は５〜１０％高パワー密度側にシフトする。この場合、パワー密度が低い条件ではシリコン膜が完全に溶融するに至らないため、結晶成長がほとんど起きない。一方、ハッチング領域より上の条件では、レーザ光が照射されるシリコン膜の種類によらず、溶融したシリコンが表面張力により凝集し、もはや均一なシリコン膜ではない状態となる。
図４から明らかなように、短手方向の寸法が減少するに従い、必要とするパワー密度は増加するが、パワー密度範囲が急激に広くなっていることがわかる。図４において、整形したビームの短手方向の寸法が３．０ミクロンの場合、良好なアニールが実現できるビーム中心の最大パワー密度の下限値は０．４５ＭＷ／ｃｍ2であり、最大パワー密度の上限値は１．０４ＭＷ／ｃｍ2である。ここで、細長い形状に整形したビームの短手方向の寸法を３．０ミクロンとした場合、レーザ発振器４として出力１０Ｗの発振器を使用すると、途中の光学系素子表面での反射ロスを考慮しても、長手方向の寸法を５００ミクロン程度とすることが可能である。
次に、細長い形状に整形したレーザ光の短手方向寸法を３．０ミクロン一定とし、走査速度を変化させた場合に、非晶質シリコン膜を良好な帯状結晶に形成できるパワー密度範囲を図５に示す。
図５は整形ビームの走査速度を変化させた場合の良好なアニールが実施できるパワー密度範囲を示すグラフである。図５において、横軸はレーザ光の走査速度をｍｍ／ｓ単位で、縦軸はパワー密度をＭＷ／ｃｍ2単位で示している。ここで示すパワー密度は図４と同様に、短手方向の中心におけるパワー密度であり、短手方向がガウス分布であることから、平均パワー密度の２倍の値、即ち最大パワー密度である。ここで、良好というのは、図４における説明と同様に、レーザ光を照射されたシリコン膜が溶融し再凝固する際に、結晶がレーザ光を走査する方向に横方向成長し、大きな結晶粒、即ち帯状結晶が形成されることを意味する。
図５において、ハッチングした領域が、良好なアニールの実現できた範囲である。ハッチング領域より下の条件では、レーザ光が照射されるシリコン膜が非晶質の場合、多結晶化はするが、結晶粒の小さい、いわゆる微結晶状態である。さらにパワー密度が小さい条件では、シリコン膜は溶融せず、非晶質のままである。実験を行った範囲では、良好なアニールが行えるパワー密度の下限値は、走査速度の増加とともに微増しているが、大きな変化はない。
一方、ハッチング領域の上より条件では、レーザ光が照射されるシリコン膜の種類によらず溶融し、シリコンが表面張力により凝集して、もはや均一なシリコン膜としては存在しない状態となる。図５からもわかるように、走査速度が増加するに従い、必要とするパワー密度はわずかに増加するだけだが、凝集を起こすパワー密度は急激に増加する。このため、結果的に走査速度の増加とともに、良好なアニールが行えるパワー密度範囲が急激に広くなっていることがわかる。図５に示したように、高速に走査することで、良好なパワー密度の上限値が急激に増加しているが、これは高速に走査することでシリコンが溶融している時間が短縮され、シリコン膜の凝集が発生しにくくなるためである。
次に、細長い形状に整形したレーザ光の短手方向寸法を変化させた時の、良好なアニール、即ちシリコン膜が溶融し再凝固する際に、結晶がレーザ光を走査する方向に横方向成長し、帯状の結晶粒を形成することが可能な平均エネルギ密度の下限値を、走査速度をパラメータにして図６に示す。
図６は整形ビームの短手方向の寸法を変化させた場合の良好なアニールが実施できる平均エネルギ密度の下限値を示すグラフである。図６では、上から順に走査速度ｖ＝５０ｍｍ／ｓ、１５０ｍｍ／ｓ、３００ｍｍ／ｓ、５００ｍｍ／ｓの４本のグラフを図示してある。図６において、横軸は細長い形状に整形したレーザ光の短手方向（幅）寸法をミクロン単位で、縦軸はアニールに必要な平均エネルギ密度の下限値をＪ／ｃｍ2単位で示している。
ここで平均エネルギ密度は、ビームの平均パワー密度、即ち図４及び図５に示した最大パワー密度の１／２の値と、短手方向の寸法、即ち中心のパワー密度の１３．５％となる部分を短手方向の寸法として、その部分が通過するに要する時間から算出して示している。即ち、照射されるエネルギ密度は照射するレーザ光の最大パワー密度の１／２と通過する時間（短手方向寸法／走査速度）の積として算出してある。単純に考えると（ガラス基板などへの熱の拡散を無視すると）、短手方向の寸法を半分にして（レーザ光が通過する時間が半分になる）、パワー密度を倍にすることで、照射されるエネルギ密度は一定である。そのように考えた場合、図６において走査速度が一定の場合は、アニール可能なエネルギ密度の下限値は短手方向の寸法に関係なく一定、即ちグラフはＸ軸に平行になるはずである。
しかし、図６に示した結果では、短手方向の寸法を小さくするに従い、必要なエネルギ密度が減少していることがわかる。同様に図６から、高速に走査した方が、必要なエネルギ密度が小さいことがわかる。このことは、短手方向の寸法を小さくするか、走査速度を大きくするか、あるいは同時に両方を行うことで、基板への熱の拡散が減少していることを示唆している。即ち、短手方向の寸法を小さくするほど、あるいは高速に走査するほど、エネルギ効率がよいことを示している。
このことは、短手方向の寸法を小さくすることで長手方向の寸法を大きくできることを意味している。即ち、短手方向の寸法を半分にしてもパワー密度を２倍にする必要がないため、余ったパワーで長手方向の寸法を拡大できることを意味する。ここでの長手方向寸法はレーザ光を走査したときにアニールできる幅に相当する。即ち、１回の走査でアニールできる幅を拡大できることを意味しており、スループットを向上させることができる。また、走査速度を大きくすることも、スループットを向上させるのに有効である事は明らかである。
ビーム整形器１０単体で所望の寸法、形状に整形できる場合には、そのまま基板上に照射してアニールを行うことができる。しかしながら、ビーム整形器１０として回折光学素子を使用した場合、現状のフォトエッチング技術で数ミクロンのビーム径（本実施例においては短手方向のビーム幅に相当）に集光可能な回折光学素子を製作するには困難が伴う。即ち、エッチング精度およびエッチングで形成する段差数に制限があるため、波長の２〜３倍程度、即ちここで使用している５３２ｎｍの波長に対しては１ミクロン程度のスポット径に集光すること、あるいは本発明における整形ビームの短手方向寸法を１ミクロン程度に集光することは、相当に難しい。
このことは、先に説明したように、レーザアニールに最適である短手方向の寸法に限界があることを意味する。そのため、図１に示す様に、まずビーム整形器１０で入射するガウス分布のレーザ光を、必要とする短手方向の寸法の数倍〜数１０倍の大きさの細長い形状のビームに整形する。その後、結像レンズ１４を用いて縮小投影する。必要に応じて細長い形状のビームの結像位置に矩形開口スリット１１を設置して裾野部分を遮蔽し、ビーム形状を整えても良い。
矩形開口スリット１１を通過したレーザ光は結像レンズ１４で、ステージ１２上に載置された基板１３表面に、数分の１あるいは数１０分の１に縮小投影される。たとえば、ビーム整形器１０で矩形開口スリット１１面上に、短手方向の寸法が１５ミクロンになるように整形し、５倍の結像レンズ１４を使用して１／５に縮小することで、あるいはビーム整形器１０で短手方向の寸法が６０ミクロンになるように整形し、２０倍の結像レンズ１４を使用して１／２０に縮小することで、基板１３表面上に短手方向の寸法が３ミクロンの細長い形状のレーザ光を照射することができる。これにより、基板１３を載置したステージ１２を移動させながら、前記した条件でレーザ光を照射することで、シリコン結晶をレーザ光の走査方向に横方向成長させ、帯状の結晶粒を形成することができる。
走査速度に関しては、結晶成長速度（数ｍ／ｓ）より早い速度で走査しても、結晶は成長できない。このことから、結晶の成長速度が走査速度の上限となる。更に、１ｍ角以上の大形ガラス基板を高速に長時間（長期間）にわたって走査すること考えると、現状の技術では１ｍ／ｓ（１０００ｍｍ／ｓ）程度が限界である。
以上のことから、短手方向の寸法を２〜１０ミクロン、より望ましくは図６から明らかな様により小さなエネルギ密度でアニールが可能な２〜４ミクロンとし、走査速度を３００〜１０００ｍｍ／ｓ、より望ましくは図５から明らかなように良好なアニールが可能なパワー密度範囲を大きくとることができる５００〜１０００ｍｍ／ｓとした条件が、膜厚４０〜２００ｎｍのシリコン薄膜のアニールを行うのに最適であることがわかった。
尚、基板上に照射されるレーザ光の長手方向の寸法は、照射対象である半導体薄膜の幅よりも小さいことが望ましい。仮に、半導体薄膜を予めパターニングするなどして幅を狭くしておき、半導体薄膜からレーザ光の長手方向がはみ出るようにレーザ光を照射した場合、半導体薄膜の端部において凝集が発生しやすくなったり、結晶方向の乱れる領域が大きくなるからである。これに対して、基板上に照射されるレーザ光の長手方向の寸法を、照射対象である半導体薄膜の幅よりも小さくしておくことにより、照射領域内では半導体薄膜の端部がなくなるため、熱を照射領域外に逃がすことができ、凝集が発生しにくくなり、また結晶方向の乱れる領域の拡大を抑制することができる。
尚、良好なアニールを実現する観点から、基板１３の主面に垂直な方向（Ｚ方向）への基板１３の表面位置の変動を小さく保つことが望ましい。例えば、基板１３のそりや、基板厚の変動や、基板１３上に形成された膜の凹凸などによってこのような変動が発生する。このため自動焦点機構を設けてもよいが、上記のように高速で基板１３を走査する場合には、光学系あるいはステージ１２を高速にＺ方向に移動させることには困難が伴う。このため、例えば基板のそりや基板厚の変動の小さい基板を用いるなどして、Ｚ方向への変動によって基板１３表面に投影されたレーザ光の短手方向の幅の変化が１０％以内、即ち平均エネルギ密度の変化が１０％以内となるように保つことが望ましい。
次に、前述したレーザアニール装置を用いて実施する、本発明の一実施例であるレーザアニール方法について、図７に従って説明する。
図７は本発明の一実施例であるレーザアニール方法を説明する図である。ここで使用する基板１３として、ガラス基板１０１の１主面に絶縁体薄膜（図示せず）を介して膜厚４０〜２００ｎｍの非晶質シリコン薄膜を形成し、エキシマレーザ光あるいは固体パルスレーザ光を全面走査することで多結晶シリコン薄膜１０２に結晶化させた多結晶シリコン薄膜基板が最も一般的に用いられる。ここで、絶縁体薄膜はＳｉＯ2あるいはＳｉＮあるいはそれらの複合膜である。このエキシマレーザあるいは固体パルスレーザによるアニールで得られた多結晶シリコン薄膜１０２を画素のスイッチング用トランジスタとして使用する。しかし、画素部の多結晶化を後で実施するならば、非晶質シリコン膜が形成された基板に対して本発明を実施してもよい。
多結晶シリコン薄膜１０２が形成された基板１３を搬送ロボット（図示せず）などでＸＹステージ１２上に載置・固定する。この多結晶シリコン薄膜基板１３の複数箇所にレーザによりアライメントマークを形成し、形成したアライメントマークを検出して、アライメントを行う。アライメントマークは予めフォトエッチング工程で形成しても良いし、インクジェットなどの手法で形成しても良い。あるいは、基板１３がステージ１２上に載置・固定された段階でアニール用のレーザ、あるいは別途設置したアライメントマーク形成用レーザで形成しても良い。
また、アライメントマークが形成されていない多結晶シリコン基板を使用する場合には、基板１３の端面をＸＹステージ１２に設置したピン（図示せず）などに押し当ててアライメントを行ってもよい。また、基板１３の端面をステージに設置したピン（図示せず）などに押し当ててアライメントを行い、所定の領域のレーザアニールがすべて完了した後で、アニール領域と一定関係にある位置にアライメントマークをレーザ光で形成してもよいし、アニール領域自体をアライメントマークの代りに用いても良い。
このアライメントマークあるいはアニール領域自体は、レーザアニール工程後の最初のフォトレジスト工程（通常はシリコン薄膜のエッチング工程）における露光用フォトマスクの位置決めに使用できればよい。それ以後のフォトレジスト工程においては、この最初のフォトレジスト工程（エッチング工程）で新たにアライメントマークを形成して使用することができる。
アライメント終了後、検出されたアライメントマーク位置（あるいは基板端面）を基準に設計上の座標に従って、まず、図７（ａ）に示すように、ドレイン線（信号線）駆動回路部１０４にレーザ光１０３を走査・照射する。レーザ光３は変調器７により任意の照射時間幅で切り出し、ビーム整形器１０により細長い形状のビームに整形し、矩形開口スリット１１面上に結像される。結像されたレーザ光は結像レンズ１４により基板表面に結像レンズ倍率の逆数の大きさに縮小投影される。即ち、結像レンズとして、５倍レンズを使用した場合１／５の大きさに、２０倍レンズを使用した場合１／２０に縮小されることになる。
結像レンズ１４により細長い形状のビームとして投影されたレーザ光１０３を多結晶シリコン薄膜１０２表面に照射しつつ、ＸＹステージ１２を高速に移動することで、細長い形状のビームをビームの長手方向と直交する方向（短手方向）へ走査し、アニールを必要とする領域にレーザ光を照射することができる。この時、細長い形状のビームは短手方向（幅方向）が１０μｍ以下に、望ましくは２〜４μｍに、長手方向はレーザ発振器出力に依存するが、発振器出力が１０Ｗの場合で数１００μｍ〜１ｍｍに整形される。走査速度はシリコン膜厚、あるいは線状ビームの短手方向寸法にもよるが、短手方向寸法が２〜４ミクロンの場合、走査速度として３００〜１０００ｍｍ／ｓの範囲、より望ましくは５００〜１０００ｍｍ／ｓの範囲が適している。
尚、本実施例や、図４〜図６での説明は、レーザ光の長手方向に直交する方向（短手方向）にレーザ光を走査する場合を想定して説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、レーザ光の走査方向をレーザ光の長手方向に交差（直交するものに限られない）する方向とした場合は、図４〜図６で説明した短手方向の寸法はレーザ光の走査方向に測った寸法と置き換えて考えることができる。レーザ光の走査方向がレーザ光の長手方向に直交する場合は、レーザ光の走査方向に測った寸法は短手方向の寸法と等しくなる。
ここで、時間変調され、細長いビーム形状に整形された連続発振レーザ光を走査しながら照射した場合の、多結晶シリコン薄膜の挙動を、図９に従って説明する。
図９は整形ビームを照射して多結晶シリコン膜基板に帯状結晶を形成する工程を説明する図である。図９（ａ）に示すように、細長い形状に集光したレーザ光３０１を多結晶シリコン膜３００上に走査しながら、領域３０２に照射する。適切なパワー密度で照射した場合、レーザ照射領域３０２以外の多結晶シリコン膜３００はそのまま残るが、レーザ照射領域３０２内の多結晶シリコン膜は溶融する。その後、レーザ光３０１が通過することにより急速に凝固・結晶化する。この時、図９（ｂ）に示すように、照射開始部で最初に溶融した領域のシリコンから冷却・凝固が始まるが、レーザ照射領域３０２に接している結晶粒たとえば３０４が種結晶となって、レーザ光の走査方向に結晶成長する。
しかし、その成長速度は結晶の方位によって異なるため、最終的には最も成長速度の早い結晶方位を持つ結晶粒だけが結晶成長を続ける。即ち、図９（ｂ）に示すように、成長速度の遅い結晶方位をもつ結晶粒３０５は、周囲の成長速度の早い結晶方位をもつ結晶粒３０６、３０７の成長に抑えられ、結晶成長が止まる。また、成長速度が中程度の結晶方位を持つ結晶粒３０６は成長を続けるが、さらに成長速度の大きい結晶粒３０７、３０８の成長に抑えられ、やがて結晶成長が停止する。最終的には結晶成長速度の最も大きな結晶方位を持つ結晶粒３０７、３０８が成長を続ける。ただし、無限に成長するのではなく、５〜５０ミクロン程度の長さに成長すると、やがて新たに成長を開始した結晶粒に抑えられたり、複数の結晶粒に分割されたりするため、結果的に幅が０．２〜２ミクロン、長さ５〜５０ミクロンの結晶粒が得られる。
これら、最後まで結晶成長が続いた結晶粒３０７、３０８、３０９、３１０、３１１、３１２は、厳密な意味では独立した結晶粒であるが、ほとんど同じ結晶方位を有しており、溶融再結晶した部分はシリコン結晶が横方向成長し、帯状の結晶粒で構成される多結晶膜となる。この多結晶膜は実効的にほぼ単結晶（擬似単結晶）と見なすことができる。しかも、このレーザアニール後における表面の凹凸は１０ｎｍ以下であり、極めて平坦な表面状態である。
図１０は図９で形成した帯状結晶で薄膜トランジスタを形成する工程を説明する図である。図９で説明したように、レーザ光３０１を多結晶シリコン薄膜３００に照射することにより、レーザ光３０１を照射した領域３０２が島状（タイル状）にアニールされ、特定の結晶方位を有する結晶粒のみが成長して、厳密な意味では多結晶状態であるが、ほぼ単結晶に近い性質を有する領域が形成されたことになる。図１０（ａ）に示す様に、アニールの後で実施されるフォトエッチング工程により島状のシリコン薄膜領域３５０、３５１を形成し、所定領域に不純物拡散、ゲート絶縁膜形成などの工程を経て、図１０（ｂ）に示す様にゲート電極３５３、ソース電極３５４、ドレイン電極３５５を形成して薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が完成する。
図１０（ｂ）に示したように、帯状結晶粒の粒界方向（結晶の成長方向）を電流の流れる方向と一致させることで、電流は結晶粒界を横切ることがないため、実質的に単結晶と考えて良い。この時のシリコン膜の移動度として、４００ｃｍ2／Ｖｓ以上、典型的には４５０ｃｍ2／Ｖｓが得られる。
ガラス基板上に非晶質シリコン膜が形成されている場合は、図８で説明したとおりであり、同様の結果が得られる。レーザ照射開始部に発生した微結晶が種結晶となり、多結晶シリコン膜の場合と同様にレーザ光の走査方向に結晶が横方向成長する。これら横方向成長した帯状結晶は、非晶質状態から形成した場合と多結晶状態から形成した場合で、差は認められなかった。
図７（ａ）に示すように、ドレイン線（信号線）駆動回路部１０４にレーザ光１０３を走査・照射すると、照射された部分の多結晶シリコン薄膜（あるいは非晶質シリコン薄膜）１０２は溶融し、レーザ光１０３が通過した後、再凝固することで、照射開始部に残留している多結晶膜結晶を種結晶として、レーザ光１０３の走査方向に結晶粒が横方向成長し、帯状の結晶粒の集合体、いわゆる擬似単結晶が成長する。この擬似単結晶は厳密な意味では独立した結晶粒の集合体であるが、結晶方位はほとんどそろっており、溶融再結晶した部分は実効的にほぼ単結晶と見なすことができる。
図１１は複数のパネルで構成された基板を説明する図である。図７ではガラス基板として１パネル分のみ示しているが、実際には図１１に示す様に基板４０１内に多数のパネル４０２が形成される。一枚のパネル部分を拡大した図に示したように、パネル４０２内部は画素領域４０３、信号線駆動回路領域４０４、走査線駆動回路領域４０５、その他周辺回路領域４０６などが形成される。信号線駆動回路領域４０４に着目した場合、図７（ａ）では１パネル内を連続してレーザ光１０３を照射するように示しているが、変調器７によりレーザ光１０３のＯＮ／ＯＦＦを繰り返して、複数のブロックに分割された帯状結晶領域を形成してもよい。
図１２は一枚のパネル内の信号線駆動回路を例に帯状結晶領域の各種配置を説明する図である。図１２（ａ）に示す様に、信号線駆動回路領域１０４をひとつの帯状結晶領域４２１としても良い。通常は帯状結晶領域４２１を信号線駆動回路領域４２０よりも１〜５０ミクロン（望ましくは１０〜５０ミクロン）程度広くする。これは帯状結晶領域４２１の最外縁部の結晶状態が乱れる領域の幅、アニール装置の照射位置精度、さらには後の工程であるフォトエッチング工程における露光位置精度によって決まる。
また、図１２（ｂ）に示す様に複数回の走査（図１２（ｂ）では３回あるいは１往復半）で帯状結晶領域４３１、４３２、４３３に分割して形成しても良い。この時、１回目と２回目、２回目と３回目の走査領域を完全に接するように設定しても良いし、１〜１０ミクロンの間隔を設けても良いし、１〜１０ミクロンの重畳部を設けても良い。
また、図１２（ｃ）に示す様に、変調器７による変調を行い、１回の走査で１〜１０ミクロンの間隔を設定して複数の帯状結晶領域４４１に分割してアニールを行っても良いし、２回の走査（１往復）で１箇所おきにアニールして、帯状結晶領域４４１、４４２が接するように、あるいは１〜１０ミクロンの重畳部を設けるようにしても良い。
また、図１２（ｄ）に示す様に、複数回の走査（図１２（ｄ）では３回あるいは１往復半）で分割し、さらに各走査で変調器７による変調を行い、１回の走査で１〜１０ミクロンの間隔を設定して複数の帯状結晶領域４５１、４５２などを形成しても良いし、１列を２回の走査（１往復）で１箇所おきにアニールして、帯状結晶領域４５１、４５２が接するように、あるいは１〜１０ミクロンの重畳部を設けるようにしても良い。
さらに帯状結晶領域４６１および４７１の列をアニールする場合にも、各列が間隔を設定しても、接するようにしても、重畳させても良い。いずれの方法を用いても、少なくとも、パネルとパネルの隙間部分では結晶成長を更新するために、レーザ光がＯＦＦ状態、あるいは横方向成長が停止するエネルギ密度となることが必要である。また、それぞれの帯状結晶領域の外縁部１〜１０ミクロン、あるいは帯状結晶領域の重畳部、あるいは帯状結晶領域間の間隙は帯状結晶とは異なる結晶状態となるため、その領域にトランジスタが形成されないように設計・レイアウトする必要がある。
ドレイン線（信号線）駆動回路部１０４へのレーザ照射が終了すると、ビーム整形器の後に設置したイメージローテータ（図示せず）を格納した容器を回転させて細長い形状に整形したビームを光軸の周りに９０度回転させ且つステージの走査方向を９０度変えることにより、あるいはビーム整形器を光軸の周りに９０度回転させて走査方向も９０度変えることで、細長い形状に整形したビームを図７（ｂ）に示すようにドレイン線（信号線）駆動回路部１０４への照射と同じ要領でゲート線（走査線）駆動回路部１０６にレーザ光１０３を走査しながら照射することができる。基板を回転させた後には、アライメントマークによる再アライメントが必要な事は言うまでもない。
あるいは、細長い形状に整形したビームを回転させることなく、基板を９０度回転させ、ステージを同一方向に移動させても良い。要は走査方向を相対的に９０度回転させればよい。また、高移動度のシリコン膜が信号線駆動回路部のみで必要な場合には、後述の走査線駆動回路領域およびその他周辺回路部への本発明の適用は行わなくても良い。この場合は、走査線駆動回路領域およびその他周辺回路部はエキシマレーザあるいは固体パルスレーザでアニールした状態のシリコン膜で形成することになる。
図７（ｂ）では１パネル内を連続したレーザ光１０３を照射したが、信号線駆動回路部をアニールした場合と同様に、変調器７によりレーザ光１０３のＯＮ／ＯＦＦを繰り返して、複数のブロックに分割された帯状結晶領域を形成してもよい。ただし、少なくとも、パネルとパネルの隙間部分では、結晶成長を更新するために、レーザ光がＯＦＦ状態あるいは横方向成長が停止するエネルギ密度とする。また、図７（ｂ）では１回の走査でゲート線（走査線）駆動回路部１０６へのレーザ照射を完了させたが、１回の走査での照射幅（線状に整形したビームの長手方向寸法）はレーザ１０３の出力に依存しており、１回の走査で所定の領域全体をアニールできない場合には、必要に応じて複数回の走査を行ってもよい。これらも信号線駆動回路領域をアニールした場合と同様である。
次に、必要に応じて図７（ｃ）に示したように、インタフェイス回路部などの周辺回路部１０７に、ドレイン線（信号線）駆動回路部１０４およびゲート線（走査線）駆動回路部１０６にレーザ光を走査したのと同じ要領で、レーザ光１０３を照射しながらステージを走査して、基板１３に対するレーザアニール処理が完了する。処理が完了した基板１３は搬送ロボット（図示せず）などにより搬出し、次いで新たな基板を搬入してアニール処理を継続する。
上記方法により、ガラス基板上に形成された非晶質あるいは多結晶シリコン膜のドレイン線（信号線）駆動回路領域１０４、ゲート線（走査線）駆動回路領域１０６および必要に応じてその他周辺回路領域１０７に、時間変調をかけた連続発振レーザ光を細長い形状に整形して照射することができる。この照射により、シリコン膜は溶融してレーザ光の通過とともに再凝固し、レーザ光の走査方向に結晶粒が横方向成長し、帯状結晶領域が形成される。このとき形成される結晶粒の大きさは、シリコン膜厚およびレーザ照射条件によっても異なるが、一般的にはレーザ光の走査方向に対して５〜５０ミクロン、レーザ光の走査方向に対して直角方向には０．２〜２ミクロン程度である。ガラス基板上に形成するＴＦＴ（薄膜トランジスタ）のソース・ドレイン方向を結晶の成長方向（レーザ光の走査方向）と一致させることにより、高性能のトランジスタを形成することができる。これにより、本発明のレーザアニール方法及びレーザアニール装置はＴＦＴを用いた液晶表示装置あるいは有機ＥＬ表示装置を代表とする様々な表示装置の製造に適用することができる。
尚、これまで説明してきた実施例において、レーザ光３としては連続発振レーザ光を用いているが、本発明を、パルス発振のレーザ光を用いるものに適用しても良い。
本発明の一実施例であるレーザアニール装置の構成を示す図である。 本発明の一実施例であるレーザアニール装置に適用可能な回折光学素子方式のホモジナイザを説明する図である。 本発明の一実施例であるレーザアニール装置に適用可能なパウエルレンズ方式のホモジナイザを説明する図である。 整形ビーム短手方向の寸法を変化させた場合の良好なアニールが実施できるパワー密度範囲を示すグラフである。 整形ビームの走査速度を変化させた場合の、良好なアニールが実施できるパワー密度範囲を示すグラフである。 整形ビーム短手方向の寸法を変化させた場合の良好なアニールが実施できる平均エネルギ密度の下限値を示すグラフである。 本発明の一実施例であるレーザアニール方法を説明する図である。 整形ビームを照射して非晶質シリコン膜基板に帯状結晶が形成される様子を説明する図である。 整形ビームを照射して多結晶シリコン膜基板に帯状結晶を形成する工程を説明する図である。 図９で形成した帯状結晶で薄膜トランジスタを形成する工程を説明する図である。 複数のパネルで構成された基板を説明する図である。 一枚のパネル内の信号線駆動回路を例に帯状結晶領域の各種配置を説明する図である。
符号の説明
１…………レーザダイオード、２…………光ファイバ、３…………レーザ光、４…………レーザ発振器、６…………透過率連続可変フィルタ、７…………変調器、１０…………ビーム整形器、１１…………電動矩形スリット、 １２…………ステージ、１３…………基板、１４…………結像レンズ、２２…………回折光学素子、２３…………パウエルレンズ、２４…………シリンドリカルレンズ、１０４…………ドレイン線駆動回路部、１０６…………ゲート線駆動回路部、１０７…………周辺回路部、２０５，３０５…………横方向成長速度が遅い結晶粒、２０６，３０６…………横方向成長速度が中程度の結晶粒、２０７、２０８、２０９…………横方向成長速度が速い結晶粒、４０３…………画素領域、４０４…………信号線駆動回路領域、４０５…………走査線駆動回路領域、４０６…………その他周辺回路領域、４２１…………帯状結晶領域。

Claims (10)

  1. レーザ光を発生させるレーザ発振器と、発振されたレーザ光を細長い形状に整形するビーム整形器と、細長い形状に整形されたレーザ光を照射すべき基板を載置・移動するためのステージとを備えたレーザアニール装置であって、
    前記ビーム整形器が回折光学素子で構成されるか、あるいはパウエルレンズとシリンドリカルレンズの組み合わせで構成されるかのいずれかであり、
    前記ビーム整形器により細長い形状に整形されたレーザ光を、前記基板上に照射されたときに短手方向の寸法が２〜１０ミクロンとなるように前記基板上に縮小投影する結像レンズを備えたことを特徴とするレーザアニール装置。
  2. 前記レーザ発振器は、連続発振レーザ光を発生させるレーザ発振器であることを特徴とする請求項１に記載のレーザアニール装置。
  3. 連続発振レーザ光を発生させる固体レーザ発振器と、発振されたレーザ光を時間変調する変調器と、前記レーザ光を細長い形状に整形するビーム整形器と、時間変調されかつ細長い形状に整形されたレーザ光を照射すべき基板を載置・移動するためのステージとを備えたレーザアニール装置であって、
    前記ビーム整形器が回折光学素子で構成されるか、あるいはパウエルレンズとシリンドリカルレンズの組み合わせで構成されるかのいずれかであり、
    前記ビーム整形器により細長い形状に整形されたレーザ光を、前記基板上に照射されたときに短手方向の寸法が２〜１０ミクロンとなるように前記基板上に縮小投影する結像レンズを備えたことを特徴とするレーザアニール装置。
  4. １主面に非晶質シリコン膜あるいは多結晶シリコン膜が形成された基板をステージ上に載置し、前記基板上の非晶質シリコン膜あるいは多結晶シリコン膜の所望の領域に、細長い形状に整形されたレーザ光を、前記細長い形状に整形されたレーザ光の長手方向に交差する方向に走査しながら照射するレーザアニール方法であって、
    前記基板上に照射される細長い形状に整形されたレーザ光の長手方向が前記基板上に形成された非晶質シリコン膜あるいは多結晶シリコン膜の幅より小さく、かつ、前記レーザ光の走査方向に測った寸法が２〜１０ミクロンの範囲であることを特徴とするレーザアニール方法。
  5. 前記レーザ光は連続発振レーザ光であることを特徴とする請求項４に記載のレーザアニール方法。
  6. １主面に非晶質シリコン膜あるいは多結晶シリコン膜が形成された基板をステージ上に載置し、前記基板上の非晶質シリコン膜あるいは多結晶シリコン膜の所望の領域に、時間変調され、細長い形状に整形された連続発振レーザ光を、前記細長い形状に整形されたレーザ光の長手方向に交差する方向に走査しながら照射するレーザアニール方法であって、
    前記基板上に照射される細長い形状に整形されたレーザ光の長手方向が前記基板上に形成された非晶質シリコン膜あるいは多結晶シリコン膜の幅より小さく、かつ、前記レーザ光の走査方向に測った寸法が２〜１０ミクロンの範囲であることを特徴とするレーザアニール方法。
  7. 前記基板上に照射される細長い形状に整形されたレーザ光の走査方向に測った寸法が２〜４ミクロンの範囲であることを特徴とする請求項４から６の何れかに記載のレーザアニール方法。
  8. 前記レーザ光の走査速度が、３００〜１０００ｍｍ／ｓの範囲であることを特徴とする請求項４から７の何れかに記載のレーザアニール方法。
  9. 前記レーザ光の走査速度が、５００〜１０００ｍｍ／ｓの範囲であることを特徴とする請求項８に記載のレーザアニール方法。
  10. 前記レーザ光を前記基板上に照射しながら走査することにより、前記基板表面に形成されている非晶質シリコン膜あるいは多結晶シリコン膜が前記レーザ光の走査方向に帯状に横方向成長した多結晶シリコン膜に変換されることを特徴とする請求項４から９の何れかに記載のレーザアニール方法。

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