JP5171074B2

JP5171074B2 - Laser annealing method

Info

Publication number: JP5171074B2
Application number: JP2007062960A
Authority: JP
Inventors: 和彦空田; 明良常見
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-03-13
Filing date: 2007-03-13
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2027-03-13
Also published as: JP2008227122A

Description

本発明は、レーザアニール方法に関し、特にアモルファスシリコン（Ｓｉ）膜やグレインサイズの小さい多結晶Ｓｉ膜等の半導体膜を結晶化できるレーザアニール方法に関する。
The present invention relates to a laser annealing how relates particularly Relais Zaaniru how can crystallizing a semiconductor film such as a small polycrystalline Si film of amorphous silicon (Si) film or grain size.

液晶表示装置などにおいて、ガラス基板上に形成したアモルファスＳｉ膜にレーザ光を照射して多結晶化することが行なわれている。アモルファスＳｉ中の電子の移動度は高々１ｃｍ^２／Ｖｓであるが、例えばエキシマレーザで結晶化した多結晶Ｓｉ中の電子の移動度は１００ｃｍ^２／Ｖｓ〜２００ｃｍ^２／Ｖｓ程度にも達すると言われている。多結晶Ｓｉ膜中の電荷担体の移動度は、多結晶中のグレインの大きさに依存する。グレインサイズの小さな多結晶Ｓｉ膜にレーザアニールを行い、グレインサイズを大きくすると、電荷担体の移動度を向上できる。以下、制限的意味なく、アモルファスＳｉ膜のレーザアニールを主に説明する。 In a liquid crystal display device or the like, polycrystallization is performed by irradiating an amorphous Si film formed on a glass substrate with laser light. Word when the electron mobility in the amorphous Si is at most ^{1 cm} 2 / Vs, for example, the electron mobility in the polycrystalline Si crystallization in excimer laser also reaches about 100cm ^² / Vs~200cm ² / Vs It has been broken. The mobility of charge carriers in the polycrystalline Si film depends on the size of the grains in the polycrystal. When laser annealing is performed on a polycrystalline Si film having a small grain size and the grain size is increased, the mobility of charge carriers can be improved. Hereinafter, laser annealing of the amorphous Si film will be mainly described without limiting meaning.

パルス発振エキシマレーザの出力は、例えば３００Ｗ程度ある。エキシマレーザの出力光を、表示装置の寸法に合わせて、例えば長さ３２ｃｍ〜３７ｃｍ程度の長尺ビームに整形し、アモルファスＳｉ膜上に照射する。エキシマレーザ光を照射されたアモルファスＳｉ膜は溶融し、結晶化する。パルスレーザ光を次々に照射し、ビーム短尺方向に走査することにより、広い面積を結晶化できる。 The output of the pulsed excimer laser is about 300 W, for example. The output light of the excimer laser is shaped into a long beam having a length of about 32 cm to 37 cm, for example, in accordance with the dimensions of the display device, and irradiated onto the amorphous Si film. The amorphous Si film irradiated with the excimer laser beam melts and crystallizes. A wide area can be crystallized by irradiating pulsed laser light one after another and scanning in the beam short direction.

特表２０００−５０５２４１号は、開口パターンを形成したマスクを用いてアモルファスシリコン膜の細条状領域にエキシマレーザ光を照射し、照射領域内を完全に溶融させ、再凝固させると、細条状領域の両境界部から中央部に向けて２個の粒子列が爆発的に（ラテラル）成長する、粒子列の幅未満照射領域をシフトして、次のエキシマレーザ光を照射して結晶化した粒子列の一方を部分的に溶融すると、再凝固に際し、先に成長した結晶粒子列が一層長くなると報告する。 JP-T-2000-505241 discloses that a strip-shaped region of an amorphous silicon film is irradiated with an excimer laser beam using a mask having an opening pattern to completely melt and re-solidify the irradiated region. Two particle trains grow explosively (laterally) from both borders to the center of the region, shift the irradiation region below the width of the particle train, and crystallize by irradiating the next excimer laser light It is reported that when one of the grain rows is partially melted, the previously grown crystal grain rows become longer during re-solidification.

長尺状レーザビームを短尺方向に走査してストライプ状領域を結晶化しても、ストライプ状領域の幅（長尺レーザビームの長さ）には限界がある。広い面積を結晶化するには、ストライプ状領域の隣の領域をさらに結晶化する必要がある。 Even if the long laser beam is scanned in the short direction to crystallize the stripe region, the width of the stripe region (the length of the long laser beam) is limited. In order to crystallize a large area, it is necessary to further crystallize the region adjacent to the stripe region.

特開２００２−４３２４５号は、長尺状レーザビームは端部でエネルギが連続的に減少するスロープ部を形成する、１ショット目のスロープ部で結晶化された領域は２ショット目で中央部の高いエネルギを照射されても、１ショット目に高いエネルギで結晶化された領域より結晶性が悪く、キャリア移動度が小さくなると報告し、長尺状レーザビームの端部を遮光膜により遮光してスキャンアニールにより結晶化を行ない、その後遮光膜を除去し、未結晶化領域を結晶化する方法を提案する。 In Japanese Patent Laid-Open No. 2002-43245, a long laser beam forms a slope portion in which energy continuously decreases at an end portion, and a region crystallized in the slope portion of the first shot is the center portion in the second shot. Even when irradiated with high energy, it is reported that the crystallinity is worse than the region crystallized with high energy in the first shot and the carrier mobility is reduced, and the end of the long laser beam is shielded by a light shielding film. A method is proposed in which crystallization is performed by scan annealing, and then the light-shielding film is removed and the uncrystallized region is crystallized.

ラテラル成長のためにはレーザビームの縁部の強度変化が急峻である（スロープ部の幅が狭い）ことが好ましいと言われている。ビーム強度の変化が緩やかであると、微結晶が発生してラテラル成長を阻害する。 For lateral growth, it is said that it is preferable that the intensity change at the edge of the laser beam is steep (the width of the slope portion is narrow). If the change in beam intensity is slow, microcrystals are generated and lateral growth is hindered.

長尺レーザビームを結像する光学系は、短尺方向に結像作用を有するシリンドリカルレンズを用いている。開口ないしスリットを有するマスクの像を幅方向に縮小露光する方式で、短尺方向のスロープ部の幅は２μｍ程度にすることができる。基板平面内にＸＹ軸を想定した場合、Ｘ方向に結像作用を有するシリンドリカルレンズはＹ方向には結像作用を有さない。たとえ開口を有するマスクを用いてもＹ方向の分解能は高くしにくい。レーザアニール領域を接続するためにはＹ（長さ）方向端部のスロープ部の幅を２μｍ程度以下にすることが望まれているが、長尺長さが長い時は、極めて高精度のレンズ系が要求される。 An optical system that forms an image of a long laser beam uses a cylindrical lens having an image forming action in the short direction. In this method, an image of a mask having openings or slits is reduced and exposed in the width direction, and the width of the slope portion in the short direction can be set to about 2 μm. When an XY axis is assumed in the substrate plane, a cylindrical lens having an imaging action in the X direction does not have an imaging action in the Y direction. Even if a mask having an opening is used, it is difficult to increase the resolution in the Y direction. In order to connect the laser annealing region, the width of the slope portion at the end in the Y (length) direction is desired to be about 2 μm or less, but when the long length is long, an extremely high precision lens A system is required.

特開２００５−３２２８４２号は、円形の連続発振レーザビームをシリンドリカルレンズで集光して楕円形レーザビームとし、短径方向に走査すると両側から中央部に向かう方向を走査方向に傾けた、走査方向に平行でも垂直でもない方向に結晶化が進み、往復走査すると、往きと帰りとで走査方向が逆になるので結晶化の進む方向が反転すること、連続発振レーザでアニールすると、エネルギが高くなり、過冷却度は小さくなることを説明し、オーバラップを１／２未満に小さくして往復走査して、結晶粒を伸ばせること、１／２以上オーバラップさせて同一方向に走査し結晶粒を伸ばすことを提案している。ビームの径は、４０μｍ、３００μｍが例示され、９０μｍ^２以上のグレインサイズ、１００ｃｍ^２／Ｖｓ以上の移動度が報告されている。 JP-A-2005-322842 discloses a scanning direction in which a circular continuous wave laser beam is condensed by a cylindrical lens into an elliptical laser beam, and when scanning in the minor axis direction, the direction from both sides toward the center is inclined in the scanning direction. Crystallization progresses in a direction that is neither parallel nor perpendicular to it, and reciprocating scanning reverses the scanning direction between going and returning, so that the direction of crystallization is reversed, and annealing with a continuous wave laser increases energy. Explain that the degree of supercooling is small, make the overlap less than 1/2 and reciprocate scan to extend the crystal grains, scan more than 1/2 overlap in the same direction and scan the crystal grains Propose to stretch. Examples of the beam diameter are 40 μm and 300 μm, and a grain size of 90 μm ² or more and a mobility of 100 cm ² / Vs or more have been reported.

特表２０００−５０５２４１号公報Special Table 2000-505241 特開２００２−４３２４５号公報JP 2002-43245 A 特開２００５−３２２８４２号公報JP 2005-322842 A

本発明の目的は、結像光学系にシリンドリカルレンズを用いないレーザアニール方法を提供することである。
An object of the present invention is to provide a laser annealing how using no cylindrical lens imaging optical system.

本発明の他の目的は、良質の半導体多結晶膜を得ることのできるレーザアニール方法を提供することである。
Another object of the present invention is to provide a laser annealing how capable of obtaining high-quality semiconductor polycrystal film.

本発明のさらに他の目的は、スロープ部の幅が狭いレーザビームを用いて、任意の面積を効率的にアニールできるレーザアニール方法を提供することである。
Still another object of the present invention, the width of the slope portion with a narrow laser beam, is to provide a laser annealing how to efficiently anneal to any area.

本発明の一観点によれば、
半導体膜上でスポット状の連続発振レーザビームを第１の方向に走査しつつ、前記第１の方向に交差する第２の方向に沿って前記連続発振レーザビームを一定振幅で繰返し、正弦波的に高速スイープして照射し、先にスイープした領域が完全に固化する前に第１の方向の位置を更新した新たなスイープが照射領域をオーバーラップして行なわれ、前記一定振幅に対応する固液界面が全体として前記第１の方向に移動し、半導体膜を結晶化する工程において、前記第２の方向に関して、高速スイープする範囲の中央部に、補助的レーザビームが照射されるレーザアニール方法が提供される。 According to one aspect of the present invention ,
While the spot-like continuous wave laser beam is scanned in the first direction on the semiconductor film, the continuous wave laser beam is repeated with a constant amplitude along a second direction intersecting the first direction, and is sinusoidal. A new sweep is performed in which the position in the first direction is updated before the previously swept area is completely solidified, and the irradiated area is overlapped. Laser annealing method in which the liquid interface moves as a whole in the first direction, and in the step of crystallizing the semiconductor film, an auxiliary laser beam is irradiated to the center of the high-speed sweep range in the second direction Is provided.

レーザビームを高速スイープすることで、スイープ方向に延長された固液界面を形成できる。高速スイープを繰り返しつつ、固液界面をスイープ方向と交差する方向に走査することにより、走査方向に結晶成長を生じさせることができる。スイープの振幅で固液界面の長さを決められるので、レーザビームは長尺にする必要がない。小さなレーザビームスポットでよいので、結像光学系にシリンドリカルレンズを用いる必要がなく、高分解能の結像光学系を用いることができる。 By sweeping the laser beam at a high speed, a solid-liquid interface extended in the sweep direction can be formed. By repeating the high-speed sweep and scanning the solid-liquid interface in the direction intersecting the sweep direction, crystal growth can be caused in the scanning direction. Since the length of the solid-liquid interface can be determined by the amplitude of the sweep, the laser beam does not need to be long. Since a small laser beam spot is sufficient, it is not necessary to use a cylindrical lens for the imaging optical system, and a high-resolution imaging optical system can be used.

アモルファスシリコン膜や多結晶シリコン膜を、結晶化する場合、最終的に利用するのはごく限られた領域であることが多い。液晶表示装置のアクティブマトリックスにおいては、各画素領域の大部分からはシリコン膜が除去される。半導体膜を全面結晶化すれば、どこにトランジスタを作成するかは自由であるが、トランジスタを作成する場所が決まっていれば、その領域のみを結晶化してもよい。 When an amorphous silicon film or a polycrystalline silicon film is crystallized, the final use is often limited to a limited area. In the active matrix of the liquid crystal display device, the silicon film is removed from most of each pixel region. If the entire surface of the semiconductor film is crystallized, the transistor is freely created where it is, but if the location where the transistor is to be created is determined, only that region may be crystallized.

特表２０００−５０５２４１号等の長尺状パルス発振レーザビームを短尺方向に走査するレーザアニールにおいては、対向する長尺辺から中央に向かって結晶化が進行する。特開２００５−３２２８４２号等のスポット状連続発振レーザビームを用いたレーザアニールにおいては、レーザビームの後縁を追いかけるように結晶化が進行する。いずれの場合も、結晶化の生じる固液界面はレーザビームの移動方向に沿って移動する。 In laser annealing in which a long pulse oscillation laser beam such as JP 2000-505241 A is scanned in the short direction, crystallization proceeds from the opposed long sides toward the center. In laser annealing using a spot-like continuous wave laser beam as disclosed in JP-A-2005-322842, crystallization proceeds so as to follow the trailing edge of the laser beam. In either case, the solid-liquid interface where crystallization occurs moves along the moving direction of the laser beam.

本発明者は、スポット状連続発振レーザビームをスイープ（掃引）してスイープ方向に沿って固液界面を形成することを考えた。繰返しスイープを行いつつ、スイープ方向と交差ないし直交する方向に半導体膜上の照射位置を走査することにより、固液界面は走査方向に移動するであろう。即ち、固液界面は、レーザビームのスイープ方向と交差する、典型的には全体的に略直交する方向に移動する。固液界面をなるべくフラットな形状にするには矩形状のレーザビームを用いるのが好ましいであろう。但し、レーザビームのサイズが小さく、スイープの振幅を大きくする場合はレーザビームのスポット形状は、矩形に限らないであろう。例えば、円形でも楕円形でもよいであろう。 The present inventor considered that a spot-like continuous wave laser beam was swept (swept) to form a solid-liquid interface along the sweep direction. The solid-liquid interface will move in the scanning direction by scanning the irradiation position on the semiconductor film in a direction intersecting or orthogonal to the sweep direction while performing repeated sweeps. In other words, the solid-liquid interface moves in a direction that intersects the sweep direction of the laser beam, typically, generally orthogonally. In order to make the solid-liquid interface as flat as possible, it is preferable to use a rectangular laser beam. However, when the size of the laser beam is small and the sweep amplitude is increased, the spot shape of the laser beam will not be limited to a rectangle. For example, it may be circular or elliptical.

固液界面の長さより小さい寸法のレーザビームを利用できるので、シリンドリカルレンズを用いない結像光学系を利用できる。例えば、球面レンズを用いた高分解能縮小投影光学系で結像光学系を構成できる。なお、球面レンズの用語は、１方向にのみ焦合作用を有するシリンドリカルレンズとの対比で用いたもので、面内全方向に焦合作用を有するものであればよく、非球面レンズを除外するものではない。ビーム強度が強い均一強度部の周囲のエネルギが減少するスロープ部の幅を小さくすることが容易になる。良質の結晶を形成することが容易になろう。小さいビームサイズのレーザビームを用いても、繰返し高速スイープすることにより、ビーム寸法より格段に長い固液界面を形成できる。 Since a laser beam having a size smaller than the length of the solid-liquid interface can be used, an imaging optical system that does not use a cylindrical lens can be used. For example, the imaging optical system can be configured by a high resolution reduction projection optical system using a spherical lens. The term spherical lens is used in contrast to a cylindrical lens having a focusing action only in one direction, and any lens having a focusing action in all in-plane directions is excluded, and an aspheric lens is excluded. It is not a thing. It becomes easy to reduce the width of the slope portion where the energy around the uniform intensity portion where the beam intensity is strong decreases. It will be easier to form good quality crystals. Even when a laser beam with a small beam size is used, a solid-liquid interface that is much longer than the beam size can be formed by repeated high-speed sweeping.

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図１Ａ，１Ｂ，１Ｃ、１Ｄ，１Ｅは、第１の実施例によるレーザアニール装置のブロック図、半導体膜上のレーザビームの掃引、走査の軌跡を概略的に示す平面図、レーザビームの振動と走査による、照射領域の移動を概略的に示す平面図、２種類の掃引・走査の軌跡を概略的に示す平面図である。 1A, 1B, 1C, 1D, and 1E are block diagrams of the laser annealing apparatus according to the first embodiment, a laser beam sweep on the semiconductor film, a plan view schematically showing a scanning locus, and a vibration of the laser beam. It is a top view which shows roughly the movement of the irradiation area | region by scanning, and is a top view which shows roughly the locus | trajectory of two types of sweep and scanning.

図１Ａに示すように、連続発振するレーザ光源１から出射したレーザビームは、ビームエキスパンダ２で広げられ、ホモジナイザ３でビーム断面内強度を均一化する。ビームエキスパンダは、例えばズームレンズを用いた公知の構成である。ホモジナイザは、例えばビーム進行方向に直交する面内の２方向につきそれぞれシリンドリカルレンズアレイ対を用いた公知の構成である。強度を均一化されたレーザビームはコンデンサレンズ４により矩形開口を有するマスク５を照明する。マスク５の下流にミラー６１が配置され、レーザビームの進行方向を変更し、高分解能の結像光学系７によってマスク５の開口の像が半導体膜１０上に縮小投影される。 As shown in FIG. 1A, the laser beam emitted from the continuously oscillating laser light source 1 is expanded by the beam expander 2 and the homogenizer 3 equalizes the intensity in the beam cross section. The beam expander has a known configuration using, for example, a zoom lens. The homogenizer has a known configuration using, for example, a cylindrical lens array pair in each of two directions in a plane orthogonal to the beam traveling direction. The laser beam having a uniform intensity illuminates a mask 5 having a rectangular opening by a condenser lens 4. A mirror 61 is disposed downstream of the mask 5 to change the traveling direction of the laser beam, and an image of the opening of the mask 5 is reduced and projected onto the semiconductor film 10 by the high-resolution imaging optical system 7.

ミラー６１は、ピエゾ素子を組み込んだピエゾ駆動機構６２に保持され、ピエゾ素子を駆動することにより、ミラー６１が枢動駆動される。例えば、ミラー面上の回転軸を中心に枢動駆動される。即ち、ミラー６１とピエゾ駆動機構６２とがスイープないし振動機構６を構成する。ピエゾ素子に印加する電圧により、ミラー角度を選択できる。交流駆動すると、ミラーは振動する。可動部の構成を軽量にし、固有振動数で駆動すれば、安定な高速動作を実現できる。最高１００ＭＨｚの動作も可能であろう。振動数はｋＨｚオーダ〜十ＭＨｚオーダが好ましいであろう。高速でスイープすることにより、固化前に次の照射が生じるようにし、スイープ方向に沿った固液界面を形成できる。 The mirror 61 is held by a piezo drive mechanism 62 incorporating a piezo element, and the mirror 61 is pivotally driven by driving the piezo element. For example, it is pivotally driven around the rotation axis on the mirror surface. That is, the mirror 61 and the piezo drive mechanism 62 constitute a sweep or vibration mechanism 6. The mirror angle can be selected by the voltage applied to the piezo element. When AC driving, the mirror vibrates. A stable high-speed operation can be realized by reducing the weight of the movable part and driving it at the natural frequency. Operation up to 100MHz may be possible. The frequency will preferably be in the order of kHz to 10 MHz. By sweeping at a high speed, the next irradiation occurs before solidification, and a solid-liquid interface along the sweep direction can be formed.

半導体膜１０は、ガラスなどの基板９上に形成されたアモルファスシリコン膜、粒径の小さい多結晶シリコン膜等である。基板９はＸＹテーブル８に載置されて、並進駆動される。ＸＹテーブル８をスイープ方向と交差する方向、例えば直交する方向に駆動する。スイープ照射領域は走査方向に徐々に移動する。走査と共に、スイープ方向に沿った固液界面も走査方向に移動し、結晶化が行なわれる。 The semiconductor film 10 is an amorphous silicon film formed on a substrate 9 such as glass, a polycrystalline silicon film having a small grain size, or the like. The substrate 9 is placed on the XY table 8 and driven to translate. The XY table 8 is driven in a direction crossing the sweep direction, for example, a direction orthogonal to the sweep direction. The sweep irradiation area moves gradually in the scanning direction. Along with scanning, the solid-liquid interface along the sweep direction also moves in the scanning direction, and crystallization is performed.

例えば、半導体膜上で１μｍ平方のレーザビームを１０μｍ往復振動させる。１／５縮小投影の場合、マスク５の開口は５μｍ平方となる。 For example, a 1 μm square laser beam is reciprocated by 10 μm on the semiconductor film. In the case of 1/5 reduction projection, the opening of the mask 5 is 5 μm square.

半導体膜上の矩形レーザビームの寸法は１辺１μｍ〜１０μｍが好ましいであろう。広い面積を結晶化する場合、ビームサイズ１μｍ以下では走査速度が低くなり、アニールに要する時間が長くなり易い。生産効率を上げにくいであろう。但し、ビーム径の小さい低出力の光源と光学系を用いることができる。これらを多段化し、同時照射すれば、基板当たりの処理速度を向上させることが可能である。 The size of the rectangular laser beam on the semiconductor film is preferably 1 μm to 10 μm per side. When a large area is crystallized, the scanning speed is low when the beam size is 1 μm or less, and the time required for annealing tends to be long. It will be difficult to increase production efficiency. However, a low output light source and an optical system having a small beam diameter can be used. If these are multistaged and irradiated simultaneously, the processing speed per substrate can be improved.

スイープ幅はレーザビームのスイープ方向寸法の５倍〜５０倍が好ましいであろう。５倍未満ではスイープ振幅によって決定される固液界面の長さを十分長くできない。５０倍を越えるとスイープ方向に沿った固液界面を形成するのが容易でなくなる可能性がある。ビームサイズが１０μｍで、スイープ振幅がビームサイズの５０倍の時、スイープ振幅は５００μｍになる。ビームサイズ１０μｍを加えて照射領域の幅は５１０μｍになる。例えば、１／５縮小投影するとして、結像光学系入射側で高々約２．５ｍｍの寸法である。スイープ振幅を約２００μｍ以下としたときは、結像レンズ系入射側の物サイズは約１ｍｍとなる。このような寸法であれば、結像レンズ系の分解能を上げるのが容易であろう。スロープ部の幅を容易に２μｍ以下にできよう。固定配置した結像光学系７でレーザビームを半導体膜１０上に縮小投影できよう。レーザビームを移動させるミラー６１の回転角も小さい。 The sweep width is preferably 5 to 50 times the dimension of the laser beam in the sweep direction. If it is less than 5 times, the length of the solid-liquid interface determined by the sweep amplitude cannot be made sufficiently long. If it exceeds 50 times, it may become difficult to form a solid-liquid interface along the sweep direction. When the beam size is 10 μm and the sweep amplitude is 50 times the beam size, the sweep amplitude is 500 μm. By adding a beam size of 10 μm, the width of the irradiated region becomes 510 μm. For example, assuming a 1/5 reduction projection, the dimension is at most about 2.5 mm on the incident side of the imaging optical system. When the sweep amplitude is about 200 μm or less, the object size on the incident side of the imaging lens system is about 1 mm. With such dimensions, it will be easy to increase the resolution of the imaging lens system. The width of the slope part can be easily reduced to 2 μm or less. A laser beam can be reduced and projected onto the semiconductor film 10 by the imaging optical system 7 fixedly arranged. The rotation angle of the mirror 61 that moves the laser beam is also small.

連続発振するレーザ光源１は、例えばレーザダイオード励起のＮｄ：ＹＡＧ，Ｎｄ：ＹＶＯ_４等の２次高調波（２ω）、波長５２７ｎｍ〜５３２ｎｍの固体レーザ、紫外光や青色光を出射する半導体レーザで構成できる。ビームサイズが１μｍ四方のように小さい場合は、半導体レーザを用いても十分なエネルギ密度を提供することができる。複数の半導体レーザを用いて１つのレーザビームを形成してもよい。固体レーザを用いる場合は、ビーム寸法を１０μｍ四方とし、スイープ振幅を２００μｍとしても、エネルギは十分であり、１つの固体レーザから複数のレーザビームを形成してもよい。 The laser light source 1 that continuously oscillates is, for example, a laser diode-excited second harmonic (2ω) such as Nd: YAG, Nd: YVO ₄ , a solid-state laser having a wavelength of 527 nm to 532 nm, or a semiconductor laser that emits ultraviolet light or blue light. Can be configured. When the beam size is as small as 1 μm square, a sufficient energy density can be provided even if a semiconductor laser is used. One laser beam may be formed using a plurality of semiconductor lasers. When a solid laser is used, even if the beam size is 10 μm square and the sweep amplitude is 200 μm, the energy is sufficient, and a plurality of laser beams may be formed from one solid laser.

ミラー６１が枢動振動する時、半導体膜１０上のレーザビームは正弦波的に照射位置を変えるであろう。 When the mirror 61 pivots, the laser beam on the semiconductor film 10 will change the irradiation position sinusoidally.

図１Ｂは、半導体膜上のレーザビームＬＢの軌跡を概略的に示す。判りやすくするため、図中縦方向を引き伸ばしている。矩形レーザビームＬＢはミラー６１の枢動と共に横方向に振動しつつ、テーブル８の走査と共に縦方向に並進する。 FIG. 1B schematically shows the locus of the laser beam LB on the semiconductor film. To make it easier to understand, the vertical direction in the figure is enlarged. The rectangular laser beam LB translates in the vertical direction as the table 8 is scanned while oscillating in the horizontal direction as the mirror 61 pivots.

図１Ｄと１Ｅは、矩形レーザビームＬＢの掃引の２つのタイプを示す。図１Ｄはジグザグ型の掃引であり、基本的に斜めの掃引を折り返し接続するものである。ｘ方向の繰返し振動とｙ方向の走査を組み合わせることにより実現できる。単純な駆動の組み合わせであり、実現が容易である。図１Ｅは矩形型の掃引であり、例えば＋ｘ方向に掃引し、ｙ方向に移動して逆方向の−ｘ方向に掃引し、ｙ方向に移動してｘ方向に掃引するように行なう。掃印間の距離を一定にできるので結晶性の向上が期待できる。ｘ方向、ｙ方向の駆動が断続的になるので制御は複雑になる。 1D and 1E show two types of sweeping of the rectangular laser beam LB. FIG. 1D shows a zigzag type sweep, which basically connects an oblique sweep. This can be realized by combining repetitive vibration in the x direction and scanning in the y direction. It is a simple drive combination and is easy to implement. FIG. 1E shows a rectangular sweep, for example, sweeping in the + x direction, moving in the y direction, sweeping in the opposite -x direction, moving in the y direction, and sweeping in the x direction. Since the distance between sweeps can be made constant, an improvement in crystallinity can be expected. Since the driving in the x direction and the y direction becomes intermittent, the control becomes complicated.

図１Ｃは、ｙ方向の固定低速走査とｘ方向の折り返し振動とを組み合わせたジグザグ型掃引の１例の、振動を正弦波的振動とした場合の矩形レーザビームＬＢの動きをより詳細に示す。レーザビームＬＢの右上の頂点の軌跡をＵＥで示し、右下の頂点の軌跡をＬＥで示す。２往復でレーザビームの走査方向サイズを移動する場合を示している。矩形開口を使用すると、照射流域の角部の丸め込みを低減できよう。半導体膜上の照射領域の各点は、４回レーザビームの照射を受け、オーバラップ率は全体的に７５％である。なお、オーバラップ率の選択は、任意であり、実験に基づいて決定することが好ましい。 FIG. 1C shows in more detail the movement of the rectangular laser beam LB when the vibration is a sinusoidal vibration in one example of a zigzag sweep combining a fixed low-speed scan in the y direction and a folded vibration in the x direction. The locus of the upper right vertex of the laser beam LB is indicated by UE, and the locus of the lower right vertex is indicated by LE. The case where the scanning direction size of the laser beam is moved in two reciprocations is shown. Using a rectangular aperture will reduce the rounding of the corners of the irradiated basin. Each point of the irradiation region on the semiconductor film is irradiated with the laser beam four times, and the overall overlap rate is 75%. Note that the selection of the overlap rate is arbitrary and is preferably determined based on experiments.

スイープ方向のレーザビームの移動が正弦波的であると、スイープ方向に沿って単位面積当たりのレーザ照射エネルギは、中央部で最も低く、スイープ方向両端で最も高くなる。 When the movement of the laser beam in the sweep direction is sinusoidal, the laser irradiation energy per unit area along the sweep direction is the lowest at the center and the highest at both ends in the sweep direction.

ＸＹテーブルを並進駆動して走査を行う場合を説明したが、走査の距離が短い場合はレーザビームのみで走査と掃引を行うこともできる。ピエゾ枢動機構６２を２重構造にし、高速枢動機構を低速枢動機構で支持するようにし、例えばレーザビームをｘ方向に高速振動させながら、ｙ方向にゆっくり移動させることもできる。すなわち、高速掃引はレーザビームのスイープで行なうが、低速の走査はテーブルの並進で行ってもレーザビームのスイープで行なってもよい。 Although the case where scanning is performed by driving the XY table in translation has been described, scanning and sweeping can be performed using only the laser beam when the scanning distance is short. The piezo pivot mechanism 62 may have a double structure, and the high speed pivot mechanism may be supported by the low speed pivot mechanism. For example, the laser beam may be moved slowly in the y direction while being vibrated at high speed in the x direction. That is, the high-speed sweep is performed by sweeping the laser beam, but the low-speed scanning may be performed by translation of the table or by sweeping the laser beam.

図１Ｆは、スイープないし枢動機構６の変形例を示す。マスク５の下流にミラーＭが配置され、レーザビームの進行方向を変更し、高分解能の結像光学系７によってマスク５の開口の像が半導体膜１０上に縮小投影される。結像光学系７の例えば最終段レンズ７１にピエゾ駆動機構７２，７３が結合され、レンズ７１を光軸に直交する面内で駆動することができる。ビームのレンズ上の入射位置が光軸から軸外しされると、像は光軸の逆側に移動する。例えば、ピエゾ駆動機構７２で高速にｘ方向の繰返し振動を行い、ピエゾ駆動機構７３で低速のｙ方向移動を行うことができる。 FIG. 1F shows a variation of the sweep or pivot mechanism 6. A mirror M is disposed downstream of the mask 5 to change the traveling direction of the laser beam, and an image of the opening of the mask 5 is reduced and projected onto the semiconductor film 10 by the high-resolution imaging optical system 7. Piezo drive mechanisms 72 and 73 are coupled to, for example, the final stage lens 71 of the imaging optical system 7 so that the lens 71 can be driven in a plane orthogonal to the optical axis. When the incident position of the beam on the lens is off-axis from the optical axis, the image moves to the opposite side of the optical axis. For example, the piezo drive mechanism 72 can repeatedly vibrate in the x direction at high speed, and the piezo drive mechanism 73 can perform low speed y direction movement.

図２Ａは、高速掃引を正弦波的に行なった場合、スイープ方向に沿った単位面積当たりのビーム滞在時間を算出した結果を示すグラフである。中央部の８割程度と比べ、両側の各１割程度で、滞在時間が急激に増大し、照射エネルギが急激に増大することを示している。両端部は冷却し易いので、両端部でエネルギ密度が高くなることは好ましい点を持つ。但し場所的にエネルギ密度の変化が大きすぎて、好ましくない結果を生じる場合は、中央部に補助照射を行ってもよい。 FIG. 2A is a graph showing the result of calculating the beam residence time per unit area along the sweep direction when high-speed sweep is performed in a sine wave manner. Compared to about 80% of the central part, the stay time increases rapidly and the irradiation energy increases rapidly in about 10% of both sides. Since both ends are easy to cool, it is preferable that the energy density be high at both ends. However, if the change in the energy density is too large in the place and produces an unfavorable result, auxiliary irradiation may be performed on the central portion.

図２Ｂは、補助照射を行なう変形例を概略的に示す平面図である。レーザビームＬＢが通過する中央部に、補助的レーザビームＳＬＢを照射する。同一の結像レンズ系を透過させても、可能であれば斜め照射してもよい。 FIG. 2B is a plan view schematically showing a modification in which auxiliary irradiation is performed. The auxiliary laser beam SLB is irradiated to the central portion through which the laser beam LB passes. Even if it is transmitted through the same imaging lens system, it may be irradiated obliquely if possible.

図３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、第２の実施例によるレーザアニール装置、その変形例、第２の実施例によるレーザアニールを概略的に示す平面図である。 3A, 3B, and 3C are plan views schematically showing a laser annealing apparatus according to the second embodiment, a modified example thereof, and laser annealing according to the second embodiment.

図３Ａに示すように、図１Ａのレーザ光源１が固体レーザである場合等、ホモジナイザ３の下流で、レーザビームを分波してもよい。ホモジナイザ３の出力ビーム３１を部分反射ミラーＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３，ＰＭ４，反射ミラーＭ５で５つのレーザビーム３２，３３，３４，３５，３６に分割する場合を示している。バリアブルアッテネータＶＡ１，ＶＡ２，ＶＡ３，ＶＡ４，ＶＡ５で各ビームのエネルギ量を調整できるようにしてもよい。バリアブルアッテネータ下流に、各ビームに対して、図１Ａ同様のコンデンサレンズ４、マスク５、スイープないし振動機構６を配置する。 As shown in FIG. 3A, the laser beam may be demultiplexed downstream of the homogenizer 3, such as when the laser light source 1 of FIG. 1A is a solid-state laser. The case where the output beam 31 of the homogenizer 3 is divided into five laser beams 32, 33, 34, 35 and 36 by the partial reflection mirrors PM1, PM2, PM3, PM4 and the reflection mirror M5 is shown. The amount of energy of each beam may be adjusted by the variable attenuators VA1, VA2, VA3, VA4, and VA5. A condenser lens 4, a mask 5, and a sweep or vibration mechanism 6 similar to those in FIG. 1A are arranged for each beam downstream of the variable attenuator.

スイープ振幅距離がビームサイズに対してある程度以上、例えば２０倍以上、ある場合、レーザビームの断面は、矩形でなくても十分フラットな固液界面を形成できよう。この場合、マスク５の開口形状を円形、楕円形等にしてもよい。上述のビームサイズは、ビーム直径となる。 If the sweep amplitude distance is a certain amount or more, for example, 20 times or more with respect to the beam size, the cross section of the laser beam can form a sufficiently flat solid-liquid interface even if it is not rectangular. In this case, the opening shape of the mask 5 may be circular, elliptical, or the like. The above beam size is the beam diameter.

図３Ｂは、光ファイバを用いたマルチビームの変形例を示す。それぞれ紫外光ないし青色光を出射する半導体レーザＳＬを結合したファイバＦ１〜Ｆ８がスイープ方向に併設され、結像レンズＩＬ１〜ＩＬ８によりファイバ出力ビームが半導体膜１０上に、例えば径１μｍ以下の円形ないし楕円形に結像する。ピエゾ機構等を備えた掃引機構１６によりレーザビームの高速掃引を行なう。半導体膜１０はステージによって掃引方向と直交する方向に走査する。光ファイバＦを例えば液晶表示装置の画素ピッチで配置すれば、各画素のスイッチングトランジスタ領域をレーザアニールすることができる。ｎ個置きのスイッチングトランジスタ領域をレーザアニールし、隣の領域に移動することもできる。図３Ａ，３Ｂに示すレーザアニール装置は複数領域のレーザアニールを同時に行うことができる。 FIG. 3B shows a modification of multi-beam using an optical fiber. Fibers F1 to F8 coupled with a semiconductor laser SL for emitting ultraviolet light or blue light are respectively provided in the sweep direction, and a fiber output beam is formed on the semiconductor film 10 by the imaging lenses IL1 to IL8. It forms an ellipse. A laser beam is scanned at high speed by a sweep mechanism 16 having a piezo mechanism or the like. The semiconductor film 10 is scanned by a stage in a direction perpendicular to the sweep direction. For example, if the optical fibers F are arranged at the pixel pitch of the liquid crystal display device, the switching transistor region of each pixel can be laser-annealed. It is also possible to perform laser annealing on every n switching transistor regions and move them to adjacent regions. The laser annealing apparatus shown in FIGS. 3A and 3B can simultaneously perform laser annealing in a plurality of regions.

図３Ｃは、複数のレーザビームによる同時レーザアニールの様子を概略的に示す平面図である。各レーザビームはスイープ方向に振動する。半導体膜はスイープ方向に直交する走査方向に移動する。各レーザビームによるレーザアニールは基本的に、図１Ａ〜１Ｃに示したものと同様である。 FIG. 3C is a plan view schematically showing a state of simultaneous laser annealing using a plurality of laser beams. Each laser beam oscillates in the sweep direction. The semiconductor film moves in the scanning direction orthogonal to the sweep direction. Laser annealing with each laser beam is basically the same as that shown in FIGS.

図４は、ピエゾ振動ミラーの代わりに用いることのできるガルバノミラー６３を示す。反射するレーザビームが振動する点で、同様の機能を果たす。２つのガルバノミラーを組み合わせて、掃引と走査とを行なってもよい。 FIG. 4 shows a galvanometer mirror 63 that can be used in place of the piezo oscillating mirror. It performs the same function in that the reflected laser beam oscillates. Two galvanometer mirrors may be combined to perform sweeping and scanning.

図５Ａ，５Ｂは、第３の実施例によるレーザアニールに用いるスイープ機構の側面図と、照射領域の平面図である。 5A and 5B are a side view of a sweep mechanism used for laser annealing according to the third embodiment and a plan view of an irradiation region.

図５Ａに示すように、スイープ機構をポリゴンミラー６５で構成することもできる。モータ等で駆動することにより、ポリゴンミラー６５を回転させる。レーザビームを受けているミラー面の角度が変化し、反射ビームの進行方向が変わる。８面のポリゴンミラーを示したが、面数は任意に選択できる。 As shown in FIG. 5A, the sweep mechanism can be configured with a polygon mirror 65. The polygon mirror 65 is rotated by being driven by a motor or the like. The angle of the mirror surface receiving the laser beam changes, and the traveling direction of the reflected beam changes. Although eight polygon mirrors are shown, the number of faces can be arbitrarily selected.

図５Ｂは、ポリゴンミラーの回転によって生じるスイープの軌跡を概略的に示す。同一方向にレーザビームがスイープし、半導体膜の走査により照射位置が移動する。振動の場合と異なり、スイープ位置による滞在時間の変化は少ない。ポリゴンの配置が決まると、スイープの振幅も決まってしまう。微小距離のスイープを行なう場合、遮光機構を設けることもできる。 FIG. 5B schematically shows the trajectory of the sweep caused by the rotation of the polygon mirror. The laser beam sweeps in the same direction, and the irradiation position moves by scanning the semiconductor film. Unlike the case of vibration, there is little change in the staying time due to the sweep position. When the polygon arrangement is determined, the amplitude of the sweep is also determined. When performing a minute distance sweep, a light shielding mechanism may be provided.

以上、実施例に沿って、本発明を説明したが、これらは制限的なものではない。例えば、種々の変形、改良、置換、組み合わせ等が可能なことは、当業者に自明であろう。 As mentioned above, although this invention was demonstrated along the Example, these are not restrictive. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, substitutions, combinations, and the like can be made.

／/ 図１Ａ，１Ｂ，１Ｃ、１Ｄ，１Ｅは、第１の実施例によるレーザアニール装置のブロック図、半導体膜上のレーザビームの走査の軌跡を概略的に示す平面図、レーザビームの振動と走査による、照射面の移動を概略的に示す平面図、２種類の掃引・走査の軌跡を概略的に示す平面図、図１Ｆは変形例を示す側面図である。1A, 1B, 1C, 1D, and 1E are block diagrams of a laser annealing apparatus according to a first embodiment, a plan view schematically showing a scanning locus of a laser beam on a semiconductor film, and vibration and scanning of the laser beam. FIG. 1F is a plan view schematically showing movement of an irradiation surface, two plan views schematically showing trajectories of two types of sweep / scanning, and FIG. 1F is a side view showing a modification. 図２Ａは、算出したスイープ方向に沿った単位面積当たりのビーム滞在時間を示すグラフ、図２Ｂは、変形例による補助照射を概略的に示す平面図である。FIG. 2A is a graph showing the beam stay time per unit area along the calculated sweep direction, and FIG. 2B is a plan view schematically showing auxiliary irradiation according to a modification. 図３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、第２の実施例によるレーザアニール装置、その変形例、第２の実施例によるレーザアニールを概略的に示す平面図である。3A, 3B, and 3C are plan views schematically showing a laser annealing apparatus according to the second embodiment, a modified example thereof, and laser annealing according to the second embodiment. 図４は、ピエゾ振動ミラーの代わりに用いることのできるガルバノミラーの側面図である。FIG. 4 is a side view of a galvanometer mirror that can be used in place of the piezo vibrating mirror. 図５Ａ，５Ｂは、第３の実施例によるレーザアニールに用いるスイープ機構の側面図と、照射領域の平面図である。5A and 5B are a side view of a sweep mechanism used for laser annealing according to the third embodiment and a plan view of an irradiation region.

符号の説明Explanation of symbols

１（連続発振）レーザ光源、
２ビームエキスパンダ、
３ホモジナイザ、
４コンデンサレンズ、
５マスク、
６，１６スイープないし振動機構、
７結像光学系、
８（ＸＹ）テーブル、
９基板、
１０半導体膜、
ＬＢレーザビーム、
ＳＣ走査、
ＣＧ結晶成長。 1 (continuous oscillation) laser light source,
2 beam expanders,
3 Homogenizer,
4 condenser lenses,
5 mask,
6,16 Sweep or vibration mechanism,
7 Imaging optics,
8 (XY) table,
9 substrate,
10 Semiconductor film,
LB laser beam,
SC scan,
CG crystal growth.

Claims

半導体膜上でスポット状の連続発振レーザビームを第１の方向に走査しつつ、前記第１の方向に交差する第２の方向に沿って前記連続発振レーザビームを一定振幅で繰返し、正弦波的に高速スイープして照射し、先にスイープした領域が完全に固化する前に第１の方向の位置を更新した新たなスイープが照射領域をオーバーラップして行なわれ、前記一定振幅に対応する固液界面が全体として前記第１の方向に移動し、半導体膜を結晶化する工程において、前記第２の方向に関して、高速スイープする範囲の中央部に、補助的レーザビームが照射されるレーザアニール方法。 While the spot-like continuous wave laser beam is scanned in the first direction on the semiconductor film, the continuous wave laser beam is repeated with a constant amplitude along a second direction intersecting the first direction, and is sinusoidal. A new sweep is performed in which the position in the first direction is updated before the previously swept area is completely solidified, and the irradiated area is overlapped. Laser annealing method in which the liquid interface moves as a whole in the first direction, and in the step of crystallizing the semiconductor film, an auxiliary laser beam is irradiated to the center of the high-speed sweep range in the second direction .

前記連続発振レーザビームの第１の方向の走査は、前記半導体膜を前記第１の方向に沿って逆方向に走査することで行われる請求項１記載のレーザアニール方法。 The laser annealing method according to claim 1, wherein the scanning in the first direction of the continuous wave laser beam is performed by scanning the semiconductor film in the reverse direction along the first direction.

前記連続発振レーザビームの第１の方向の走査および第２の方向の高速スイープは、共にレーザビームを移動することで行なわれる請求項１記載のレーザアニール方法。 2. The laser annealing method according to claim 1, wherein the scanning of the continuous wave laser beam in the first direction and the high speed sweep in the second direction are both performed by moving the laser beam.

前記スポット状の連続発振レーザビームが矩形断面を有する請求項１〜３のいずれか１項記載のレーザアニール方法。 The laser annealing method according to claim 1, wherein the spot-like continuous wave laser beam has a rectangular cross section.

前記連続発振レーザビームが、半導体膜上で１μｍ〜１０μｍの長さの辺または径を有する請求項１〜４のいずれか１項記載のレーザアニール方法。 The laser annealing method according to claim 1, wherein the continuous wave laser beam has a side or a diameter of 1 μm to 10 μm on the semiconductor film.

前記連続発振レーザビームが、紫外光ないし青色光の半導体レーザビームである請求項１〜５のいずれか１項記載のレーザアニール方法。 6. The laser annealing method according to claim 1, wherein the continuous wave laser beam is an ultraviolet light or blue light semiconductor laser beam.

前記高速スイープが、連続した往復スイープである請求項１〜６のいずれか１項記載のレーザアニール方法。 The laser annealing method according to claim 1, wherein the high-speed sweep is a continuous reciprocating sweep.

前記一定振幅が、前記レーザビームの第２の方向に沿うビームサイズの５倍〜５０倍である請求項１〜７のいずれか１項記載のレーザアニール方法。 The laser annealing method according to claim 1, wherein the constant amplitude is 5 to 50 times a beam size along a second direction of the laser beam.

前記スポット状の連続発振レーザビームが、複数個前記第２の方向に並べられ、同時に前記第２の方向に沿って一定振幅で高速スイープする請求項１〜８のいずれか１項記載のレーザアニール方法。 The laser annealing according to any one of claims 1 to 8, wherein a plurality of the spot-like continuous wave laser beams are arranged in the second direction and simultaneously sweep at a constant amplitude along the second direction. Method.

前記連続発振レーザビームの高速スイープは、ピエゾ素子を組み込んだピエゾ駆動機構でミラーを枢動駆動することにより行う請求項１〜９のいずれか１項に記載のレーザアニール方法。 The laser annealing method according to any one of claims 1 to 9, wherein the high-speed sweep of the continuous wave laser beam is performed by pivotally driving a mirror with a piezo drive mechanism incorporating a piezo element.

前記連続発振レーザビームの高速スイープは、レンズを光軸に直交する方向に、ピエゾ素子を組み込んだピエゾ駆動機構で繰返し振動させて、前記レーザビームを前記レンズに対して軸外しとすることにより行う請求項１〜９のいずれか１項に記載のレーザアニール方法。
The high-speed sweep of the continuous wave laser beam is performed by repeatedly vibrating the lens in a direction perpendicular to the optical axis by a piezo drive mechanism incorporating a piezo element so that the laser beam is off-axis with respect to the lens. The laser annealing method according to claim 1.