JP2006134986A - Laser treatment equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はレーザ処理装置に関し、特には薄膜半導体装置の製造において半導体薄膜のアニール処理に好適に用いられるレーザ処理装置に関する。 The present invention relates to a laser processing apparatus, and more particularly to a laser processing apparatus suitably used for annealing a semiconductor thin film in the manufacture of a thin film semiconductor device.
液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置のようなフラット型表示装置においては、複数画素のアクティブマトリックス表示を行うためのスイッチング素子として、薄膜トランジスタ（thin film transistor：ＴＦＴ）が用いられている。薄膜トランジスタには、多結晶シリコン（poly-Si）あるいは微結晶シリコン（μc-Si）など活性領域に用いたＴＦＴ（多結晶シリコンＴＦＴ）と、非晶質シリコン（アモルファスＳｉ）を活性領域に用いたＴＦＴ（非晶質シリコンＴＦＴ）とがある。このうち、多結晶シリコンＴＦＴは、非晶質シリコンＴＦＴと比較してキャリアの移動度が１０倍から１００倍程度大きいという特徴があり、スイッチング素子の構成材料として非常に優れた特性を有している。したがって、上述したフラット型表示装置において、表示画像の高精細化とともに、システムオンパネルと呼ばれる様なディスプレイ基板上に様々な機能や回路を持たせて高機能化を図るためには、スイッチング素子として多結晶シリコンＴＦＴを用いることが必須の技術となっている。 In a flat display device such as a liquid crystal display device or an organic EL display device, a thin film transistor (TFT) is used as a switching element for performing an active matrix display of a plurality of pixels. For the thin film transistor, TFT (polycrystalline silicon TFT) used in the active region such as polycrystalline silicon (poly-Si) or microcrystalline silicon (μc-Si) and amorphous silicon (amorphous Si) were used in the active region. There is a TFT (amorphous silicon TFT). Among these, the polycrystalline silicon TFT has a feature that the carrier mobility is about 10 to 100 times larger than that of the amorphous silicon TFT, and has a very excellent characteristic as a constituent material of the switching element. Yes. Therefore, in the flat type display device described above, in order to achieve high functionality by providing various functions and circuits on a display substrate called a system-on-panel as well as high-definition of a display image, as a switching element The use of polycrystalline silicon TFTs has become an essential technology.
以上のような多結晶シリコンＴＦＴの製造技術として、おおむね６００℃以下の低温プロセスのみを用いる、いわゆる低温ポリシリコンプロセスが開発され、実用化されている。低温ポリシリコンプロセスを用いることにより、基板として石英、単結晶シリコンなどの高耐熱性ではあるが高価な基板を用いる必要がなくなり、抵コストで高精細なフラット型表示装置が実現されるのである。 As a manufacturing technique of the polycrystalline silicon TFT as described above, a so-called low-temperature polysilicon process using only a low-temperature process of approximately 600 ° C. or less has been developed and put into practical use. By using a low-temperature polysilicon process, it is not necessary to use a high heat-resistant but expensive substrate such as quartz or single crystal silicon, and a flat display device with high definition can be realized at low cost.
ここで、低温ポリシリコンプロセスにおいては、先ず、熱分解ではなくプラズマ分解のＣＶＤ法によって半導体薄膜を成膜する。このようにして成膜された半導体薄膜には水素が含有されるため、次の工程では４５０℃以上の温度での数時間の加熱により、半導体薄膜中に含有された水素を放出する脱水素アニールを行う。その後、半導体薄膜の結晶化のためにエキシマレーザ光の照射によるレーザアニールを行う。この際、大型の基板に対しては、長尺の線状に成形したレーザ光の照射領域をずらしながら、各照射位置に対して複数回のパルス照射を行うことにより、基板の全面において均一なエネルギーでのレーザ光の照射を行い結晶粒径の均一化を図っている（以上、下記特許文献１参照）。 Here, in the low-temperature polysilicon process, first, a semiconductor thin film is formed not by thermal decomposition but by plasma decomposition CVD. Since the semiconductor thin film thus formed contains hydrogen, in the next step, dehydrogenation annealing is performed in which hydrogen contained in the semiconductor thin film is released by heating at a temperature of 450 ° C. or higher for several hours. I do. Thereafter, laser annealing by excimer laser light irradiation is performed for crystallization of the semiconductor thin film. At this time, for a large substrate, the irradiation area of the laser beam formed into a long linear shape is shifted, and a plurality of pulse irradiations are performed on each irradiation position, so that the entire surface of the substrate is uniform. A laser beam is irradiated with energy to make the crystal grain size uniform (see Patent Document 1 below).
ところで、上述したレーザアニールに用いられるレーザ処理装置のレーザ光源として、従来用いられているエキシマレーザ光源は、出力安定性に欠け、非常に扱い難いデバイスである。そのため、出力安定性の観点から、レーザ光のエネルギーが安定であり、かつ寿命が長い、紫外光領域の固体レーザ光源や半導体レーザ光源を用いるのが望ましいと考えられる。 By the way, the excimer laser light source conventionally used as the laser light source of the laser processing apparatus used for the laser annealing described above is a device that lacks output stability and is very difficult to handle. Therefore, from the viewpoint of output stability, it is desirable to use a solid-state laser light source or a semiconductor laser light source in the ultraviolet region, in which the energy of the laser light is stable and has a long lifetime.
しかしながら、固体レーザ光源や半導体レーザ光源を用いたレーザ処理装置では、１つの光源のみでは充分なパワーを得ることが困難である。そこで、複数の光源から出射されたレーザ光を合成して、照射領域が広くかつ必要な照射エネルギー密度が得られるに足るレーザ光を生成することが考えられる。ただし、上述したポリシリコン膜を製造する場合には、光束径内の強度分布が均一となっているレーザ光によりレーザアニールをしなければ、結晶粒径にばらつきが生じ薄膜トランジスタの特性が悪化してしまう。そのため、複数の光源から出射されたレーザ光を合成する際には、照射領域内の強度分布を均一化する必要もある。これらの要請に応える装置例として、レーザ光を発する光源を２つ備える２ビーム構成のものが開示されている。そして、基板を載置したステージの駆動により、基板をＸ−Ｙ方向に移動させつつ、これに同期させて基板の表面にレーザ光をパルス照射する（下記特許文献２参照）。 However, in a laser processing apparatus using a solid laser light source or a semiconductor laser light source, it is difficult to obtain sufficient power with only one light source. In view of this, it is conceivable to combine laser beams emitted from a plurality of light sources to generate a laser beam that has a wide irradiation region and is capable of obtaining a necessary irradiation energy density. However, in the case of manufacturing the above-described polysilicon film, if laser annealing is not performed with laser light having a uniform intensity distribution within the beam diameter, the crystal grain size will vary and the characteristics of the thin film transistor will deteriorate. End up. For this reason, when combining laser beams emitted from a plurality of light sources, it is also necessary to make the intensity distribution in the irradiation region uniform. As an example of an apparatus that meets these demands, a two-beam configuration including two light sources that emit laser light is disclosed. Then, by driving the stage on which the substrate is mounted, the substrate is moved in the XY direction, and the surface of the substrate is pulsed with laser light in synchronization with this (see Patent Document 2 below).
ところが、上述した構成に代表されるレーザアニール用のレーザ処理装置のいずれも、より広い範囲に均等にレーザ光を照射することを目的とし、基板のステップ移動に同期させてレーザ光をパルス照射する構成である。そして、このような装置を用いたアニールでは、上述したように、長尺の線状に成形したレーザ光の照射領域をずらしながら、各照射位置に対して複数回のパルス照射を行う、と言った処理が行われる。したがって、例えば表示装置の駆動基板用に配列された素子の一部をアニールするようなプロセスにおいては、照射しているエネルギーの殆どは使用されない領域にエネルギーを費やしており無駄が多い。 However, any of the laser processing apparatuses for laser annealing typified by the above-described configuration aims to irradiate the laser beam uniformly over a wider range, and irradiates the laser beam in pulses in synchronization with the step movement of the substrate. It is a configuration. Then, in the annealing using such an apparatus, as described above, a plurality of pulse irradiations are performed on each irradiation position while shifting the irradiation region of the laser beam formed into a long linear shape. Processing is performed. Therefore, for example, in the process of annealing a part of the elements arranged for the drive substrate of the display device, most of the irradiating energy is expended in a region where it is not used, which is wasteful.
近年、フラット型表示装置の製造においては、ガラス基板にかえて、取り扱いが容易なプラスチック基板を用いるプロセスが検討されている。特に、フレキシブルに屈曲するプラスチック基板を用いることで、ロール・ツー・ロールでのプロセスが可能となるため、設備費用の削減において大きなメリットが期待できる。しかしながら、上述したような広範囲にレーザ光を照射する構成では、基板に対する熱的負荷が大きく、プラスチック基板を用いたプロセスへの適用に適しているとは言い難い。 In recent years, in the manufacture of flat display devices, a process using a plastic substrate that is easy to handle instead of a glass substrate has been studied. In particular, by using a plastic substrate that bends flexibly, a roll-to-roll process becomes possible, and a great merit can be expected in reducing equipment costs. However, the configuration in which laser light is irradiated over a wide range as described above has a large thermal load on the substrate, and is not suitable for application to a process using a plastic substrate.
そこで本発明は、基板への熱的負荷を小さく抑えた半導体薄膜のアニール処理に好適に用いることが可能なレーザ処理装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a laser processing apparatus that can be suitably used for annealing a semiconductor thin film with a small thermal load on the substrate.
このような目的を達成するための本発明のレーザ処理装置は、処理対象となる基板を載置するステージを備えている。そして、半導体レーザ発振器からなる光源部、この光源部から発振されたレーザ光のビーム径を整形するビーム整形部、さらにはビーム整形部で整形されたレーザ光を所定方向に走査させながらステージ上に載置された基板に対して照射する走査部を備えている。 In order to achieve such an object, a laser processing apparatus of the present invention includes a stage on which a substrate to be processed is placed. Then, a light source unit composed of a semiconductor laser oscillator, a beam shaping unit for shaping the beam diameter of the laser light oscillated from the light source unit, and further on the stage while scanning the laser light shaped by the beam shaping unit in a predetermined direction A scanning unit for irradiating the placed substrate is provided.
このような構成のレーザ処理装置では、ステージ上に載置された基板に対してレーザ光を走査させるための走査部を設けている。このため、ステージの駆動によってレーザ光の照射位置を走査させる場合と比較して、基板に対してレーザ光を高速度で走査することができる。これにより例えば、０．１ｍ／秒を越える高速で基板に対してレーザ光を走査させながら、当該基板に対してレーザ光の連続照射が行われるようになる。そして、基板に対するレーザ光の移動速度によって、当該基板に対する熱的負荷を軽減させると言ったアニール工程を行うことができる。また、このようなレーザ光の照射を基板に対する必要部分のみに選択的に行うことにより、さらに基板に対する熱的負荷が軽減される。 In the laser processing apparatus having such a configuration, a scanning unit is provided for scanning the laser beam on the substrate placed on the stage. For this reason, compared with the case where the irradiation position of a laser beam is scanned by the drive of a stage, a laser beam can be scanned with respect to a board | substrate at high speed. Thus, for example, the substrate is continuously irradiated with the laser beam while the substrate is scanned with the laser beam at a high speed exceeding 0.1 m / second. And the annealing process said to reduce the thermal load with respect to the said board | substrate with the moving speed of the laser beam with respect to a board | substrate can be performed. Moreover, the thermal load on the substrate is further reduced by selectively performing such laser light irradiation only on a necessary portion of the substrate.
また、半導体レーザ発振器からなる光源部を設けたことにより、光源部が小型されるため、光源部を有する処理ユニットを複数設けて基板の各位置に対してレーザ光を多点照射する構成とすることもできる。 In addition, since the light source unit including the semiconductor laser oscillator is provided to reduce the size of the light source unit, a plurality of processing units having the light source unit are provided to irradiate each position of the substrate with laser light at multiple points. You can also.
以上説明したように本発明によれば、レーザ光の移動速度を高速で調整することによって、当該基板に対する熱的負荷を軽減させたアニール工程を行うことが可能になるため、例えば基板上の半導体薄膜を結晶化するためのアニール処理において、さらに耐熱性の低いプラスチック基板等を用いることが可能になる。この結果、例えば薄膜半導体装置の製造工程において、ロール・ツー・ロールでの設備費用を抑えた量産プロセスを実現することができる。また、半導体レーザ発振器からなる光源部とすることで、基板の各位置に対してレーザ光を多点照射する構成とすることも可能であることから、レーザ照射を行う工程の時間短縮による生産性の向上を図ることが可能になる。 As described above, according to the present invention, by adjusting the moving speed of the laser light at a high speed, it is possible to perform an annealing process that reduces the thermal load on the substrate. In the annealing process for crystallizing the thin film, it is possible to use a plastic substrate having lower heat resistance. As a result, for example, in the manufacturing process of the thin film semiconductor device, it is possible to realize a mass production process with reduced roll-to-roll facility costs. In addition, by using a light source unit consisting of a semiconductor laser oscillator, it is possible to irradiate laser light at multiple points on each position of the substrate, so productivity by shortening the time of the laser irradiation process Can be improved.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここで説明する実施形態のレーザ処理装置は、いわゆる半導体薄膜の結晶化活性化等の工程において、基板上に形成されたシリコンやゲルマニウム等の非晶質半導体膜を結晶化、活性化するために用いられる装置である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The laser processing apparatus of the embodiment described here is for crystallizing and activating an amorphous semiconductor film such as silicon or germanium formed on a substrate in a process such as crystallization activation of a semiconductor thin film. The device used.
＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態のレーザ処理装置を示す構成図である。この図に示すレーザ処理装置は、処理対象となる基板Ｗを載置するステージ１、レーザ光Ｌｈを発振する光源部３、レーザ光Ｌｈの照射形状を整形するビーム整形部５，レーザ光Ｌを走査させる走査部７、ステージ上に載置した基板表面に対するレーザ光Ｌｈの焦点位置を調整するフォーカス調整部９、さらには観察部１１を備えている。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a block diagram showing the laser processing apparatus of the first embodiment. The laser processing apparatus shown in this figure includes a stage 1 on which a substrate W to be processed is placed, a light source unit 3 that oscillates laser light Lh, a beam shaping unit 5 that shapes the irradiation shape of the laser light Lh, and laser light L. A scanning unit 7 for scanning, a focus adjusting unit 9 for adjusting the focal position of the laser beam Lh with respect to the substrate surface placed on the stage, and an
このうち、ステージ１は、当該ステージ１上に載置した基板Ｗを水平に保ち、その水平面内におけるＸ−Ｙ方向に基板Ｗを自在に移動・走査させることが可能なスライダを設けた構成となっている。ここで、このステージ１上に載置される基板Ｗが可とう性を有してフレキシブルに屈曲する場合、ステージ１はその端部にロール・ツー・ロールの基板巻き取り機構を設け、基板Ｗを走査させる一方向（例えば±Ｙ方向）に基板Ｗを巻き取り自在に構成されたものであっても良い。尚、図面上においては、Ｙ方向を図面上の奥行き方向としている。 Of these, the stage 1 is provided with a slider that can keep the substrate W placed on the stage 1 horizontal, and can move and scan the substrate W freely in the XY directions in the horizontal plane. It has become. Here, when the substrate W placed on the stage 1 has flexibility and bends flexibly, the stage 1 is provided with a roll-to-roll substrate winding mechanism at the end thereof, and the substrate W The substrate W may be configured to be wound up in one direction (for example, ± Y direction) for scanning the substrate. In the drawing, the Y direction is the depth direction on the drawing.
そして、光源部３は、半導体レーザ発振器で構成されていることとする。半導体レーザ発振器としては、このレーザ処理装置を用いてどのような処理を行うかによって適切な波長のレーザ光Ｌｈを発振するものが選択される。例えば、このレーザ処理装置を非晶質シリコンからなる半導体薄膜の結晶化および活性化に用いる場合、発振波長が３５０ｎｍ〜４７０ｎｍの波長を含む、ＧａおよびＮを含む化合物半導体レーザ発振器が用いられる。特に、結晶化及び活性化に必要なハイパワー（例えば連続照射で定格４０ｍＷ以上）のＧａＮ系化合物半導レーザ発振器が、光源部３として好適に用いられる。 The light source unit 3 is composed of a semiconductor laser oscillator. As the semiconductor laser oscillator, one that oscillates laser light Lh having an appropriate wavelength is selected depending on what kind of processing is performed using the laser processing apparatus. For example, when this laser processing apparatus is used for crystallization and activation of a semiconductor thin film made of amorphous silicon, a compound semiconductor laser including Ga and N having an oscillation wavelength of 350 nm to 470 nm is used. In particular, a GaN-based compound semiconductor laser oscillator having a high power necessary for crystallization and activation (for example, a rating of 40 mW or more by continuous irradiation) is suitably used as the light source unit 3.
また、ビーム整形部５は、光源部３から発振されたレーザ光Ｌｈのビーム径を整形するためのもので、光源部３から発信されたレーザ光Ｌｈの光路上に設けられている。このビーム整形部５は、レーザ光の照射形状を略円形かつ平行光とする複数のコリメートレンズ５ａ，５ａ、および楕円形ビームを円形ビームに変換するためのアナモルフィックプリズム５ｂを、レーザ光Ｌｈの光路上に設けてなる。これにより、レーザ光Ｌｈの照射径が１０μｍ以下の範囲の所定形状に整形可能としている。
The beam shaping unit 5 is for shaping the beam diameter of the laser light Lh oscillated from the light source unit 3, and is provided on the optical path of the laser light Lh emitted from the light source unit 3. The beam shaping unit 5 includes a plurality of collimating
さらに走査部７は、ビーム整形部５で整形されたレーザ光Ｌｈを所定方向に走査させながらステージ１上に載置された基板Ｗに対してレーザ光Ｌｈを照射するもので、ビーム整形部５を通過して整形されたレーザ光Ｌｈの光路上に配置されている。この走査部７は、例えば図２に示すようなポリゴンミラー７ａからなり、このポリゴンミラー７ａを回転操作することにより、ビーム調整部５側から入射したレーザ光ＬｈをＸ方向に偏向させて基板Ｗ上を走査させる。このポリゴンミラー７ａは、Ｘ方向に所定の走査範囲でレーザ光Ｌｈが走査されように、その形状および基板Ｗとの距離が設定され、さらにレーザ光Ｌｈが所定の走査速度となるように回転速度が設定されていることとする。
Further, the scanning unit 7 irradiates the laser beam Lh onto the substrate W placed on the stage 1 while scanning the laser beam Lh shaped by the beam shaping unit 5 in a predetermined direction. Is arranged on the optical path of the laser beam Lh shaped through the laser beam. The scanning unit 7 includes, for example, a
尚、この走査部７は、往復的に回動操作されるガルバノ・ミラー方式であっても良く、物質内での音波と光波の相互作用により光の変調や偏向をおこなうＡＯＤ(Acousto-Optic-Device)方式、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical System：微小電気機械システム）による走査を用いても良い。 The scanning unit 7 may be a galvano-mirror system that is reciprocally rotated. AOD (Acousto-Optic-) that modulates and deflects light by the interaction of sound waves and light waves in a substance. Device) scanning, MEMS (Micro Electro Mechanical System) scanning may be used.
尚、このような走査部７によるレーザ光Ｌｈの走査は、例えばＸ方向に行われることとする。 Note that the scanning of the laser beam Lh by the scanning unit 7 is performed in the X direction, for example.
また、以上の走査部７によって走査されたレーザ光Ｌｈは、ｆθレンズ１３を経て、ここでの図示を省略した集光レンズにより、基板Ｗ上に結像されつつ基板Ｗ上をＸ方向に走査される構成となっている。
The laser light Lh scanned by the scanning unit 7 passes through the
さらに、上述した構成において、ビーム整形部３−走査部７間には、レーザ光Ｌｈの進行方向を変えるためのミラーを必要に応じて設けることで、光源部３から発振されたレーザ光Ｌｈがビーム整形部５、走査部７に所定方向から入射されるようにする。図示した例では、ビーム整形部５−走査部７の間に２枚のハーフミラー１５ａ，１５ｂを配置することで、ビーム整形部５−走査部７をコンパクトに配置しつつビーム整形部５を通過したレーザ光Ｌｈが走査部７に所定方向から入射されるようにしている。
Further, in the above-described configuration, a laser beam Lh oscillated from the light source unit 3 is provided between the beam shaping unit 3 and the scanning unit 7 as necessary to change a traveling direction of the laser beam Lh. It is made to enter into the beam shaping part 5 and the scanning part 7 from a predetermined direction. In the illustrated example, two
また、フォーカス調整部９は、ステージ１上に載置した基板Ｗの表面に対するレーザ光Ｌｈの焦点位置を調整する部分である。このフォーカス調整部９は、処理対象となる材料（すなわち基板Ｗの表面層を構成する材料）に対して、吸収による影響が少ない波長のフォーカス光Ｌｈ’を、レーザ光Ｌｈと共に走査部７で走査させ、ステージ１上に載置された基板Ｗで反射させて検出することにより、レーザ光Ｌｈの焦点を調整する。このため、例えば非晶質シリコンからなる半導体薄膜の結晶化および活性化にレーザ処理装置を用いる場合には、シリコン系半導体膜での吸収がわずかになる６５０ｎｍ以上の波長、好ましくは波長８３０ｎｍのレーザ光をフォーカス光Ｌｈ’として用いる。これにより、フォーカス光Ｌｈ’照射による基板Ｗ表面への影響を防止する。 The focus adjustment unit 9 is a part that adjusts the focal position of the laser beam Lh with respect to the surface of the substrate W placed on the stage 1. The focus adjusting unit 9 scans the focus light Lh ′ having a wavelength that is less affected by absorption with the laser light Lh by the scanning unit 7 with respect to the material to be processed (that is, the material constituting the surface layer of the substrate W). Then, the focal point of the laser beam Lh is adjusted by detecting the light reflected on the substrate W placed on the stage 1. For this reason, for example, when a laser processing apparatus is used for crystallization and activation of a semiconductor thin film made of amorphous silicon, a laser having a wavelength of 650 nm or more, preferably a wavelength of 830 nm, in which absorption in the silicon-based semiconductor film becomes small. Light is used as the focus light Lh ′. Thereby, the influence on the surface of the substrate W by the irradiation of the focus light Lh ′ is prevented.
このようなフォーカス調整部９は、フォーカス光Ｌｈ’を発振する光源部９ａ、フォーカス光Ｌｈ’の照射形状を整形するビーム整形部９ｂ、ビーム整形部９ｂで整形したフォーカス光Ｌｈ’をレーザ光Ｌｈと同一光路で走査部７に導くためのハーフミラー９ｃ、さらには基板Ｗで反射させたフォーカス光Ｌｈ’の光路上に設けたオートフォーカスセンサ９ｄで構成されている。そして、基板Ｗで反射されて戻ってくるフォーカス光Ｌｈ’がオートフォーカスセンサ９ｄに導かれてレーザ光Ｌｈのフォーカスサーボを可能としている。これにより、レーザ光Ｌｈがデフォーカス無く基板Ｗの表面に対して照射される構成となっている。
Such a focus adjustment unit 9 includes a
またさらに、観察部１１は、基板Ｗの表面におけるレーザＬｈの照射部部分をモニターするための部分である。この観察部１１は、照明光Ｈを照射する照明光源１１ａ、照明光源１１ａから照射された照明光Ｈを整形する整形部１１ｂ、整形部１１ｂで整形した照明光Ｈをレーザ光Ｌｈと同一光路で走査部７に導くためのハーフミラー１１ｃ、基板Ｗの表面で反射した照明光Ｈを整形する整形部１１ｄ、整形部１１ｄで整形された照明光Ｈを受光する撮像部１１ｅ、撮像部１１ｅで検出された像を映し出すためのモニター１１ｆで構成されている。
Furthermore, the
そして以上のような構成のうち、光源部３、ビーム整形部５、および走査部７、さらにはｆθレンズ１３で、処理ユニット２０が構成され、１つのレーザ処理装置に複数の処理ユニット２０が設けられていることとする。
Of the above configurations, the light source unit 3, the beam shaping unit 5, the scanning unit 7, and the
ここでは、例えば図３には、ステージ上に載置された基板Ｗと平行な一方向に、４つの処理ユニット２０が配列された例を図示している。しかしながら、処理ユニット２０の配列はこれに限定されることはなく、さらに５つ以上の処理ユニット２０を設けても良く、複数の処理ユニット２０を複数列に配列しても良い。
For example, FIG. 3 shows an example in which four
以上のような構成のレーザ処理装置では、走査部７によるＸ方向へのレーザ光Ｌｈの走査を、ステージ１の駆動によって当該ステージ１上の基板ＷをＹ方向に移動させつつ繰り返して行う。また、ステージ１のＸ−Ｙ方向への駆動により、基板Ｗ板上のＸＹ二次元の任意の位置に対してレーザ光Ｌｈを照射した処理を行うことができる。 In the laser processing apparatus configured as described above, the scanning unit 7 repeatedly scans the laser beam Lh in the X direction while moving the substrate W on the stage 1 in the Y direction by driving the stage 1. Moreover, the process which irradiated the laser beam Lh with respect to the XY two-dimensional arbitrary positions on the board | substrate W board by the drive to the XY direction of the stage 1 can be performed.
そして、このレーザ処理装置によれば、ステージ１上に載置された基板Ｗに対してレーザ光Ｌｈを走査させるための走査部７を設けている。このため、ステージ１の駆動によってレーザ光Ｌｈの照射位置を走査させる場合と比較して、基板Ｗに対してレーザ光Ｌｈを高速度で走査することができる。これにより例えば、０．１ｍ／秒を越える高速で基板Ｗに対してレーザ光Ｌｈを走査させながら、当該基板Ｗに対してレーザ光Ｌｈの連続照射が行われるようになる。そして、基板Ｗに対するレーザ光Ｌｈの移動速度によって、基板Ｗに対する熱的負荷を軽減させると言ったアニール工程を行うことができる。また、このようなレーザ光Ｌｈの照射を基板Ｗに対する必要部分のみに選択的に行うことにより、さらに基板Ｗに対する熱的負荷が軽減される。 According to this laser processing apparatus, the scanning unit 7 for scanning the laser beam Lh on the substrate W placed on the stage 1 is provided. For this reason, compared with the case where the irradiation position of the laser beam Lh is scanned by driving the stage 1, the laser beam Lh can be scanned with respect to the substrate W at a higher speed. Accordingly, for example, the substrate W is continuously irradiated with the laser light Lh while the substrate W is scanned with the laser light Lh at a high speed exceeding 0.1 m / second. And the annealing process of reducing the thermal load with respect to the board | substrate W by the moving speed of the laser beam Lh with respect to the board | substrate W can be performed. Further, by selectively performing such irradiation of the laser light Lh only on a necessary portion with respect to the substrate W, the thermal load on the substrate W is further reduced.
この結果、レーザ光Ｌｈの移動速度を高速で調整することによって、基板Ｗに対する熱的負荷を軽減させたアニール工程を行うことが可能になるため、例えば基板Ｗ上の半導体薄膜を結晶化するためのアニール処理において、さらに耐熱性の低いプラスチック基板等を用いることが可能になる。この結果、例えば薄膜半導体装置の製造工程において、ロール・ツー・ロールでの設備費用を抑えた量産プロセスを実現することができる。 As a result, by adjusting the moving speed of the laser beam Lh at a high speed, it is possible to perform an annealing process that reduces the thermal load on the substrate W. For example, to crystallize a semiconductor thin film on the substrate W In this annealing process, it is possible to use a plastic substrate or the like having lower heat resistance. As a result, for example, in a manufacturing process of a thin film semiconductor device, it is possible to realize a mass production process with reduced roll-to-roll facility costs.
また光源部３から発振させるレーザ光Ｌｈの出力調整によってレーザ光Ｌｈの強度変調行うことおよびＡＣ駆動の場合ではＤｕｔｙを変えることで、該基板上のＸＹ二次元の領域内に任意のレーザ強度分布パターンを形成することも可能となる。 Further, by adjusting the intensity of the laser light Lh by adjusting the output of the laser light Lh oscillated from the light source unit 3 and changing the duty in the case of AC driving, an arbitrary laser intensity distribution in the XY two-dimensional region on the substrate. It is also possible to form a pattern.
しかも、半導体レーザ発振器からなる光源部３を設けたことにより、エキシマレーザー装置やＹＡＧレーザーに比べて、光源部３を小型化して装置全体の小型化を図ることが可能となる。また、光源部３が小型されるため、光源部３を備えた処理ユニット２０を複数設けて基板Ｗの各位置に対してレーザ光を多点照射する構成とすることもできる。これにより、レーザ照射を行う工程を短縮して生産性の向上を図ることが可能になる。
In addition, by providing the light source unit 3 composed of a semiconductor laser oscillator, the light source unit 3 can be downsized and the entire apparatus can be downsized as compared with the excimer laser device and the YAG laser. Further, since the light source unit 3 is downsized, a plurality of
尚、処理対処となる基板Ｗには、基板Ｗ上の二次元平面内において同一の基準点となるアライメント・マークをパターン形成しておくこととする。 Note that an alignment mark serving as the same reference point in a two-dimensional plane on the substrate W is formed in a pattern on the substrate W to be processed.
これにより、以上のような基板Ｗに対して、上記構成のレーザ処理装置を用いた処理を行う場合には、先ず、基板Ｗに形成した基板Ｗに一個もしくは複数個配置されたアライメント・マークの位置や形状を検出、認識することで、基板Ｗの平面内での回転調整及びＸＹ方向の位置調整を行い、レーザ処理装置を用いたアニール処理のための基準点を求める。そして、この基準点に基づいて、レーザ処理装置における基板Ｗの配置状態を所定状態にする。つまり、基板Ｗの表面においてアニール処理を施したい部分が、レーザ光Ｌｈの照射位置となるように、ステージ１の駆動によってレーザ処理装置の処理ユニット２０に対して基板Ｗを移動させる。
Thus, when processing the above-described substrate W using the laser processing apparatus having the above configuration, first, one or more alignment marks arranged on the substrate W formed on the substrate W are arranged. By detecting and recognizing the position and shape, rotation adjustment in the plane of the substrate W and position adjustment in the XY direction are performed, and a reference point for annealing treatment using a laser processing apparatus is obtained. Based on the reference point, the arrangement state of the substrate W in the laser processing apparatus is set to a predetermined state. That is, the substrate W is moved with respect to the
尚、このレーザ処理装置を非晶質シリコンからなる半導体薄膜の結晶化および活性化に用いる場合においては、基板Ｗに対するレーザ光Ｌｈの連続照射とは、レーザ光Ｌｈの移動に際して休止無く完全に連続である場合と共に、レーザ光Ｌｈの照射によって溶融した半導体薄膜部分の凝固が完全に完了しない程度の休止が入る場合を含むこととする。このため、このような条件を満たせば、照射時間よりも短い休止時間が入る場合も連続照射に含まれ、一例として半導体薄膜部分への１００ｎｓの照射時間に対して１０〜２０ｎｓ程度の休止が入る場合も連続照射に含むこととする。尚、照射時間に対する休止時間は、半導体薄膜の材質および膜厚、レーザ光Ｌｈのエネルギー密度、等によって適宜設計される。このような休止時間を入れることにより、レーザ光Ｌｈ照射による基板Ｗへの熱的影響を抑えることができる。尚、エキシマレーザ光は完全なパルス波であり、３００Ｈｚ程度のパルス波であれば、２５ｎｓの照射時間に対して３３００ｎｓ程度の休止が入ることになる。このため、エキシマレーザ光では、レーザ光Ｌｈの照射によって溶融した半導体薄膜５部分の凝固が完全した状態で次のパルス照射が行われることになるため、上述したいわゆる「連続照射」を行うことはできない。 When this laser processing apparatus is used for crystallization and activation of a semiconductor thin film made of amorphous silicon, the continuous irradiation of the laser beam Lh onto the substrate W is completely continuous without any interruption during the movement of the laser beam Lh. And a case where there is a pause that does not completely complete solidification of the melted semiconductor thin film portion by irradiation with the laser beam Lh. For this reason, if such a condition is satisfied, the case where a pause time shorter than the irradiation time is included is included in the continuous irradiation. As an example, a pause of about 10 to 20 ns is included with respect to the irradiation time of 100 ns to the semiconductor thin film portion. In some cases, it is included in continuous irradiation. Note that the pause time with respect to the irradiation time is appropriately designed according to the material and thickness of the semiconductor thin film, the energy density of the laser light Lh, and the like. By providing such a pause time, the thermal influence on the substrate W due to the laser light Lh irradiation can be suppressed. The excimer laser light is a complete pulse wave, and if it is a pulse wave of about 300 Hz, a pause of about 3300 ns will occur for an irradiation time of 25 ns. For this reason, in the excimer laser light, the next pulse irradiation is performed in a state where the solidification of the melted semiconductor thin film 5 portion by the irradiation of the laser light Lh is completed. Can not.
次に、上述したレーザ処理装置を用いたアニール処理の一例として、基板Ｗの表面を覆う非晶質シリコンからなる半導体薄膜を結晶化するためのアニール処理を説明する。ここでは、基板Ｗとして、例えばプラスチック基板上に断熱用のバッファ層を介しての非晶質シリコンからなる半導体薄膜が形成されたものを用いる。この半導体薄膜は、成膜温度を低く抑えることが可能なＰＥ−ＣＶＤ（plasma enhancement-chemical vapor deposition）法によって５０ｎｍの膜厚で成膜されていることとする。このようにして成膜された半導体薄膜は、多量の水素が含有されたいわゆる水素化非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）からなる。 Next, as an example of the annealing process using the laser processing apparatus described above, an annealing process for crystallizing a semiconductor thin film made of amorphous silicon covering the surface of the substrate W will be described. Here, as the substrate W, for example, a plastic substrate is used in which a semiconductor thin film made of amorphous silicon is formed through a heat insulating buffer layer. This semiconductor thin film is formed with a film thickness of 50 nm by PE-CVD (plasma enhancement-chemical vapor deposition) which can keep the film formation temperature low. The semiconductor thin film thus formed is made of so-called hydrogenated amorphous silicon (a-Si: H) containing a large amount of hydrogen.
以上のような半導体薄膜に対しては、通常、熱処理炉内での脱水素アニール処理により水素抜きを行った後に、結晶化のためのレーザアニール処理を行う。これにより、レーザアニール処理の際に、水素イオンがガス化して膨張し膜を破壊する、いわゆるアブレーションを防止するのである。 The semiconductor thin film as described above is usually subjected to laser annealing for crystallization after hydrogen removal by dehydrogenation annealing in a heat treatment furnace. This prevents so-called ablation, in which hydrogen ions are gasified and expand to break the film during laser annealing.
しかしながらここでは、上記のレーザ処理装置を用いることで、４５０℃以上の温度で数時間の脱水素アニールを前処理として行うことなく、次のようなレーザアニール処理のみでの結晶化を行うことが可能になる。すなわち、上記レーザ処理装置を用い、半導体薄膜に対して所定速度で照射位置を移動させながら、ＧａＮ系化合物半導体レーザ発振器からの３５０ｎｍ〜４７０ｎｍの波長のレーザ光Ｌｈを照射する。この際、レーザ光の照射は連続照射とする。これにより、半導体薄膜の結晶化と共に、当該半導体薄膜中において水素イオンをガス化して膨張させることなくレーザ光Ｌｈの照射部から余剰水素を除去するのである。 However, here, by using the above laser processing apparatus, crystallization can be performed only by the following laser annealing treatment without performing dehydrogenation annealing at a temperature of 450 ° C. or higher for several hours as a pretreatment. It becomes possible. That is, the laser processing apparatus is used to irradiate the semiconductor thin film with laser light Lh having a wavelength of 350 nm to 470 nm while moving the irradiation position at a predetermined speed. At this time, the laser beam irradiation is continuous irradiation. Thereby, together with crystallization of the semiconductor thin film, excess hydrogen is removed from the irradiated portion of the laser light Lh without gasifying and expanding hydrogen ions in the semiconductor thin film.
これにより、レーザ光Ｌｈの照射部のみを結晶化し、さらにはこの部分の活性化を行うことが可能となっている Thereby, it is possible to crystallize only the irradiated part of the laser beam Lh and to activate this part.
このようなレーザアニール処理では、上記レーザ処理装置を用いたことにより、半導体薄膜に対するレーザ光の照射位置を高速の所定速度で移動させることが可能であり、レーザ光の照射による半導体薄膜の発熱が基板にまで影響することを防止している。さらに、このアニール工程においては、半導体薄膜に対してレーザ光を連続照射しながら移動させる構成としている。これにより、レーザ光の照射部における余剰水素がレーザ光の移動に伴って半導体薄膜中を移動し続けることになるため、結晶化領域中から余剰水素が除去される。したがって、４５０℃以上の温度で数時間の脱水素アニール処理を、別工程で行う必要はない。しかも、レーザ光の照射部からは余剰水素が除去されるものの、適量の水素が残存した状態となる。したがって、本レーザアニール処理により、半導体薄膜における結晶化領域中の脱水素と水素化処理とが同時に行われる。 In such laser annealing treatment, by using the laser processing apparatus, it is possible to move the irradiation position of the laser beam on the semiconductor thin film at a predetermined high speed, and the semiconductor thin film is heated by the laser beam irradiation. This prevents the substrate from being affected. Further, in this annealing step, the semiconductor thin film is moved while being continuously irradiated with laser light. As a result, surplus hydrogen in the laser light irradiation portion continues to move in the semiconductor thin film as the laser light moves, so that surplus hydrogen is removed from the crystallization region. Therefore, it is not necessary to perform dehydrogenation annealing for several hours at a temperature of 450 ° C. or higher in a separate process. In addition, although excess hydrogen is removed from the laser beam irradiation portion, an appropriate amount of hydrogen remains. Therefore, by this laser annealing treatment, dehydrogenation and hydrogenation treatment in the crystallization region in the semiconductor thin film are simultaneously performed.
そしてこれにより、レーザ光の照射による半導体薄膜の発熱が基板にまで影響することを防止しつつも、４５０℃以上の温度で数時間の脱水素アニール処理を別工程で行うことなく、半導体薄膜の結晶化のためのアニール工程において脱水素を同時に行うことが可能になる。これにより、結晶化した半導体薄膜を用いた高機能な薄膜半導体装置の基板として、さらに耐熱性の低い材料を用いることが可能になる。この結果、プラスチック基板を用いることが可能になり、例えばロール・ツー・ロールでの設備費用を抑えた量産プロセスを実現することができる。また、上述した半導体薄膜の結晶化および脱水素と共に、水素化処理も同時に行われるため、結晶化した半導体薄膜を用いた薄膜半導体装置の製造プロセスの簡略化とこれにより生産性の向上を図ることが可能になる。 As a result, the heat generation of the semiconductor thin film due to the laser light irradiation is prevented from affecting the substrate, and the dehydrogenation annealing process for several hours at a temperature of 450 ° C. or higher is not performed in a separate process. Dehydrogenation can be performed simultaneously in the annealing step for crystallization. As a result, it is possible to use a material having lower heat resistance as a substrate of a highly functional thin film semiconductor device using a crystallized semiconductor thin film. As a result, it becomes possible to use a plastic substrate, and for example, it is possible to realize a mass production process with reduced equipment costs in roll-to-roll. In addition, since the hydrogenation process is performed at the same time as the crystallization and dehydrogenation of the semiconductor thin film, the manufacturing process of the thin film semiconductor device using the crystallized semiconductor thin film is simplified and the productivity is thereby improved. Is possible.
尚、上述した構成のレーザ処理装置において、対物レンズの実効的なＮａを例えば０．４とし、さらに実質的な光学効率を０．２５とした場合、平均で２．６ｍＷ／ｃｍ２のエネルギー密度が可能となり、走査速度を１．２ｍ／ｓ程度に調整すると、膜上の一点を通過するビーム径の通過時間は約１００ｎｓとなり、最大２．６Ｊ／ｃｍ２相当のエネルギーを照射可能であることがわかる。 In the laser processing apparatus having the above-described configuration, when the effective Na of the objective lens is 0.4, for example, and the substantial optical efficiency is 0.25, the average energy density is 2.6 mW / cm 2. When the scanning speed is adjusted to about 1.2 m / s, the passing time of the beam diameter passing through one point on the film is about 100 ns, and it can be seen that energy equivalent to a maximum of 2.6 J / cm 2 can be irradiated. .
そこで、ＰＥ−ＣＶＤ法で成膜した膜厚５０ｎｍの半導体薄膜５ａ（ａ−Ｓｉ：Ｈ）に対して、移動速度ｖｔ＝８．２ｍ／秒で１Ｊ／ｃｍ2相当のエネルギーでレーザ光Ｌｈを照射したところ、図４に示すように、図中矢印で示すレーザ光Ｌｈの移動方向に凸となる三日月形の結晶粒ａが、レーザ光Ｌｈの移動方向（矢印方向）に沿って配列されることが確認された。結晶粒ａは、幅８００ｎｍ×移動方向長さ１００ｎｍ程度であった。またレーザ光の照射終了端には、半導体薄膜５ａの結晶領域Ａの端部に余剰水素ｂがボイド状に析出した欠陥が見られた。またレーザ光Ｌｈの照射開始端にもレーザ光の移動と反対方向に凝固が進んだ領域に部分的に同様の欠陥が見られた。
Therefore, the laser beam Lh is applied to the semiconductor
また、ここで、対物レンズの実効的なＮａを例えば０．６として設計した定格６０ｍＷのＧａＮレーザ発振器を用いたレーザ装置において、さらに実質的な光学効率が０．５の場合、平均で１７．７ＭＷ／ｃｍ２のエネルギー密度が可能となる。したがって、レーザ光の走査速度を８．２ｍ／Ｓ程度まで上げられるとすると、半導体薄膜の一点を通過するレーザ光の通過時間（すなわち照射時間）は約１００ｎｓとなり、最大１．７７Ｊ／ｃｍ２相当のエネルギーを照射可能であることがわかる。この場合でも、ＣＶＤ法によって成膜した膜厚５０ｎｍの非晶質シリコンからなる半導体薄膜に対して、この装置を用いて１Ｊ／ｃｍ２相当のエネルギーを投入したところ、結晶化が可能であることが確認された。 Here, in a laser apparatus using a GaN laser oscillator having a rating of 60 mW designed with an effective Na of the objective lens set to 0.6, for example, when the substantial optical efficiency is 0.5, an average of 17. An energy density of 7 MW / cm 2 is possible. Therefore, if the scanning speed of the laser beam can be increased to about 8.2 m / S, the passing time (that is, the irradiation time) of the laser beam passing through one point of the semiconductor thin film is about 100 ns, which corresponds to a maximum of 1.77 J / cm 2. It can be seen that energy can be irradiated. Even in this case, when an energy equivalent to 1 J / cm 2 is applied to a semiconductor thin film made of amorphous silicon having a thickness of 50 nm formed by a CVD method using this apparatus, crystallization may be possible. confirmed.
＜第２実施形態＞
図５は、第２実施形態のレーザ処理装置を示す構成図である。この図に示すレーザ処理装置と図１を用いて説明した第１実施形態のレーザ処理装置との異なるところは、ビーム整形部５と走査部７との間に光ファイバー２３を設けたこところにあり、他の構成は同様であることとする。
Second Embodiment
FIG. 5 is a configuration diagram illustrating a laser processing apparatus according to the second embodiment. The difference between the laser processing apparatus shown in this figure and the laser processing apparatus according to the first embodiment described with reference to FIG. 1 is that an optical fiber 23 is provided between the beam shaping section 5 and the scanning section 7, The other configurations are the same.
すなわち、ビーム整形部５で整形されたレーザ光Ｌｈが、光ファイバー２３によって走査部７に導かれる構成としたことにより、レーザ光Ｌｈの光路において走査部７よりも後段の部分をレーザ処理装置の本体から独立させた構成となっている。尚、フォーカス調整部９で用いるフォーカス光Ｌｈ’および観察部１１で用いる照明光Ｈも、光ファイバー２３により走査部７に導かれる構成となっている。また、フォーカス調整部９のオートフォーカスセンサ９ｄも走査部７側に設けられ、オートフォーカスセンサ９ａにフォーカス光Ｌｈ’を取り込んでレーザ光Ｌｈのフォーカスサーボを可能としている。
That is, the laser beam Lh shaped by the beam shaping unit 5 is guided to the scanning unit 7 by the optical fiber 23, so that the portion subsequent to the scanning unit 7 in the optical path of the laser beam Lh is the main body of the laser processing apparatus. It has become the composition made independent from. The focus light Lh ′ used in the focus adjustment unit 9 and the illumination light H used in the
以上のような構成としたことにより、処理ユニット２０のうちの必要分部のみをステージ１上に配置される構成となり、ステージ１上に配置される処理ユニット部分の光型化を図ることが可能になる。したがって、ステージＷ上における処理ユニット部分の配置状態を密にしてレーザ光の多点照射における照射間隔を小さくすることができる。この結果、第１実施形態と比較して、さらに多数の処理ユニットを設けたレーザ処理装置を構成することが可能になるため、さらなる生産性の向上を図ることが可能になる。
With the above-described configuration, only a necessary portion of the
１…ステージ、３…光源部、５…ビーム整形部、７…走査部、９…フォーカス調整部、２０…処理ユニット、２３…光ファイバー、Ｌｈ…レーザ光、Ｌｈ’…フォーカス光、Ｗ…基板 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Stage, 3 ... Light source part, 5 ... Beam shaping part, 7 ... Scanning part, 9 ... Focus adjustment part, 20 ... Processing unit, 23 ... Optical fiber, Lh ... Laser beam, Lh '... Focus light, W ... Substrate
Claims (8)
半導体レーザ発振器からなる光源部と、
前記光源部から発振されたレーザ光のビーム径を整形するビーム整形部と、
前記ビーム整形部で整形されたレーザ光を所定方向に走査させながら前記ステージ上に載置された基板に対して当該レーザ光を照射する走査部とを備えた
ことを特徴とするレーザ処理装置。 A stage on which a substrate to be processed is placed;
A light source unit comprising a semiconductor laser oscillator;
A beam shaping unit that shapes the beam diameter of the laser light oscillated from the light source unit;
A laser processing apparatus, comprising: a scanning unit configured to irradiate the substrate placed on the stage while scanning the laser beam shaped by the beam shaping unit in a predetermined direction.
前記光源部、ビーム整形部、および走査部を備えた処理ユニットを複数備え、
前記ステージ上に載置された基板の各位置に対して前記複数の処理ユニットによって前記レーザ光が多点照射される
ことを特徴とするレーザ処理装置。 The laser processing apparatus according to claim 1,
A plurality of processing units including the light source unit, the beam shaping unit, and the scanning unit,
The laser processing apparatus, wherein the plurality of processing units irradiate the laser light at multiple points to each position of the substrate placed on the stage.
前記ステージは、前記走査部による前記レーザ光の走査方向と異なる方向に前記基板を走査させる
ことを特徴とするレーザ処理装置。 The laser processing apparatus according to claim 1,
The stage scans the substrate in a direction different from a scanning direction of the laser light by the scanning unit.
前記ステージは、前記基板を走査させる方向に当該基板を巻き取り自在に構成されている
ことを特徴とするレーザ処理装置。 The laser processing apparatus according to claim 3, wherein
The stage is configured to be able to wind up the substrate in a direction in which the substrate is scanned.
前記光源部は、ＧａおよびＮを含む化合物半導体レーザ発振器からなる
ことを特徴とするレーザ処理装置。 The laser processing apparatus according to claim 1,
The said light source part consists of a compound semiconductor laser oscillator containing Ga and N. The laser processing apparatus characterized by the above-mentioned.
前記ステージ上に載置した基板表面に対する前記レーザ光の焦点位置を調整するフォーカス調整部を備えている
ことを特徴とするレーザ処理装置。 The laser processing apparatus according to claim 1,
A laser processing apparatus, comprising: a focus adjustment unit that adjusts a focal position of the laser beam with respect to a substrate surface placed on the stage.
前記フォーカス調整部は、処理対象となる材料に対して吸収されない波長のフォーカス光を、前記光源部から発振させた前記レーザ光と共に前記走査部で走査させて前記ステージ上に載置された基板で反射させて検出することにより、前記レーザ光の焦点を調整する
ことを特徴とするレーザ処理装置。 The laser processing apparatus according to claim 6, wherein
The focus adjustment unit is a substrate placed on the stage by causing the scanning unit to scan focus light having a wavelength that is not absorbed by the material to be processed together with the laser light oscillated from the light source unit. The laser processing apparatus characterized by adjusting the focal point of the laser beam by reflecting and detecting.
前記ビーム整形部で整形されたレーザ光を前記走査部に導光するための光ファイバーを設けた
ことを特徴とするレーザ処理装置。
The laser processing apparatus according to claim 1,
An optical fiber for guiding the laser beam shaped by the beam shaping unit to the scanning unit is provided.
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