JP5657874B2 - レーザ照射装置、レーザ照射方法、アモルファスシリコン膜を改質する方法、シリコン結晶化装置、シリコン結晶化方法 - Google Patents
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Description
ここで、線状レーザビームとは、照射面上に縦横比が相当大きい略長方形状、楕円形状又は長円形状のレーザスポットを形成するレーザビームのことをいう。
を持つ大型線状レーザスポットを形成させることができ、マザーガラス上に形成したシリコン膜全面を一括で効率よく改質できるといった特徴をもつ。このエキシマレーザによるシリコン改質では、TFTの性能に強く影響を与えるポリシリコンの結晶粒径が100nmから500nmと小さく、TFT性能の指標である電界効果移動度は150cm2/V・s程度に留まることができる。
特許文献1には、光源に半導体励起用の固体レーザを用いて連続発光(CW;Continuous Wave)しながらシリコン膜上に照射したレーザビームを走査させることにより、走査方向に細長い大型結晶粒をもつ良質なアモルファスシリコン膜を形成することや、高性能TFTが必要な箇所に予めアモルファスシリコンを線状(リボン状)又は島状(アイランド状)にパターニングしておくことにより、300cm2/V・s以上の電界効果移動度が得られ、高性能TFTを形成することが記載されている。
特許文献2には、半導体励起用連続発光固体レーザを用いて走査方向に細長い大型結晶粒を形成する方法として、シリコン膜上に形成した線状レーザスポットの走査方向幅と走査速度の関係を規定したものが記載されている。特許文献2に記載されている主な固体レーザは、波長が532nmのNd:YVO4レーザ又はYAGレーザの第二高調波固体レーザである。
前記制御用パルスは、発振周波数が0.1MHz〜5MHz、パルスデューティが10%〜90%、パルストップパワー値(Pt)とパルスボトムパワー値(Pb)との比率(Pb/Pt×100)が50%以下であることを第9の特徴とし、シリコン膜の照射面上に形成される線状レーザスポットを、照射面内において0°〜90°の角度範囲で回転させるスポット回転手段を有することを第10の特徴とする。
レーザ波長が390nm〜470nmのレーザ光を発光する複数のレーザ発光素子を配置したレーザ発光素子群と、
前記レーザ発光素子群から発光されるレーザ光を短手方向幅が1um〜30umの線状レーザスポットに集光する集光手段と、
前記集光手段から出射されたレーザ光をシリコン膜の照射面上に線状レーザスポットとして集光する対物レンズと、
前記線状レーザスポットの総照射パワー値が6W〜200Wとなるよう前記レーザ発光素子の発光量を調整するレーザ発光素子制御手段と、
前記シリコン膜から反射される戻り光を受光し、当該戻り光の光量に基づいてフォーカスエラーを検出し、フォーカスエラー信号を出力するフォーカスエラー検出手段と、
前記フォーカスエラー信号に基づいて、前記対物レンズの位置を照射面に対して近接又は離隔する方向に調整する焦点調整手段と、を有することを第23の特徴とする。
図1は、本発明の一実施形態にかかるレーザ照射装置の基本構成を説明するための図である。
図1において、本実施形態のレーザ照射装置は、複数の半導体レーザ素子1からなるレーザ発光素子群1Aと、各半導体レーザ素子1から出射されたレーザ光をガイドする複数の光ファイバ2と、各光ファイバ2を平行に整列させる直線バンドル3と、各光ファイバ2から出射されるレーザ光を補整する光補整器4と、光補整器4から出射されるレーザ光を集光する対物レンズ5とから構成されている。尚、単一の半導体レーザ素子1を用いてもよい。
図示しないが、各光ファイバ2は、レーザ光を絞り込むためのレセプタクルモジュール(コネクタ)を有している。レセプタクルモジュールは、半導体レーザ素子1の照射部近傍に取り付けられており、光ファイバ2にレーザ光を絞り込み、カップリング効率を高めるものが好ましい。
対物レンズ5は、光補整器4をから出射されるレーザ光7を照射対象物のシリコン膜面上に強く絞り込むものである。
このため、線状レーザスポット8の短手幅dは、1um〜30umとするのが好ましい。長手幅Lは、照射対象物である高機能回路等の幅に応じて設定すればよいが、近年の長方形マザーガラスの大型化により、実用的には0.2mm〜30mmとするのが好ましい。
図2は、本実施形態のレーザ照射装置において用いるフォーカス制御系を説明するための概略図である。
図2において、レーザ照射装置は、複数の半導体レーザ素子9からなるレーザ発光素子群9Aと、各半導体レーザ素子9から出射されたレーザ光をガイドする複数の光ファイバ10と、各光ファイバ10を平行に整列させる直線バンドル11と、各光ファイバ10から出射されるレーザ光を補整する光補整器12と、光補整器12から出射されるレーザ光を集光する対物レンズ13とから構成されている。これら構成部品は図1に示したレーザ照射装置のものと同様の構成及び機能を有する。
図2に示すレーザ照射装置において、光補整器12はレーザスポットを回転させるためのスポット回転器30を有している。図3は、このスポット回転器30によるスポット回転を説明するための模式図である。
図3に示すように、スポット回転器30を用いて照射対象物のシリコン膜面上に形成した線状レーザスポット32を90°回転させて線状レーザスポット33とすることができる。また、スポット回転器30は、線状レーザスポット32を0°から90°の範囲で任意の角度に回転させることができる。このスポット回転による作用効果については後述する。
図4において、レーザ照射装置は、複数の半導体レーザ素子34からなるレーザ発光素子群34Aと、各半導体レーザ素子34から出射されたレーザ光をガイドする複数の光ファイバ35と、各光ファイバ35を平行に整列させる直線バンドル36と、各光ファイバ35から出射されるレーザ光を補整する光補整器37と、光補整器37から出射されるレーザ光を集光する対物レンズ38とから構成されている。これら構成部品は図1に示したレーザ照射装置のものと同様の構成及び機能を有する。
また、レーザ照射装置は、レーザ強度分布検出手段及びレーザ出力制御手段として、ビームスプリッタ39と、集光レンズ40と、ラインセンサ41と、マイクロプロセッサ42とを備える。
図5は、図4に示すレーザ照射装置におけるレーザ強度分布制御方法の具体例を説明するための図である。図5に示すグラフは、ラインセンサ41において検出されるレーザ強度分布を示すものであり、横軸は線状レーザスポット長手方向位置を示し、縦軸はレーザ出力を示している。
図5の(a)は、シリコン膜面上に形成する線状レーザスポット強度分布が最良の場合を示し、(b)はシリコン膜面上に形成する線状レーザスポット強度分布が悪化した場合を示す。線状レーザスポット強度分布が最良とは強度分布のトップ部がフラットで広いことである。線状レーザスポット強度分布が最良状態であれば、シリコン膜に均一なレーザビームを照射でき、シリコンの改質斑を低減することができる。
本実施形態のレーザ照射装置におけるマイクロプロセッサ42は、半導体レーザ素子34によるレーザ光の出力値を時間的に継続して一定値に保つように出力制御を行うものである。しかしながら、本実施形態のレーザ照射装置におけるマイクロプロセッサ42は、各半導体レーザ素子34によるレーザ光の出力値を時間的に断続して出力するパルス出力制御機能を有してもよい。
このパルス出力制御機能を有するマイクロプロセッサ42は、レーザドライバ43が、発振周波数を0.1MHz〜5MHz、パルスデューティを10%〜90%、パルストップパワー(Pt)とパルスボトムパワー(Pb)の比率(Pb/Pt×100)を50%以下の条件においてパルス発光するように半導体レーザ素子34を駆動制御することが望ましい。
次いで、本実施形態のレーザ照射装置を用いて液晶ディスプレイのガラス基板上に形成したアモルファスシリコンをポリシリコンに改質することにより液晶ディスプレイを製造する工程におけるレーザ照射方法について説明する。図6は、このレーザ照射方法を説明するための図である。
図8において、システム・オン・ガラスディスプレイ上には、Xドライバ回路67、Yドライバ回路68の他に、コントロール回路69やインタフェース回路70、さらにはメモリ回路(図示せず)や演算回路71などの高機能集積回路が形成されている。このような高機能集積回路は高品質なポリシリコンが形成されていることが要求されるが、図7に示すXドライバ回路とYドライバ回路のレーザ照射によるシリコン改質方法と同様の方法を用いることにより、システム・オン・ガラスディスプレイ上に高品質のポリシリコンを形成することができる。
光吸収率の測定については、(株)日立ハイテクノロジーズ社製U−4100型分光光度計を用いて、300〜600nmの波長域を波長走査しながら単色光を照射し、シリコン膜面の反射率(Er)及び透過率(Et)を測定し、これらの測定値から光吸収率(Eabs=1−Er−Et)を求めた。
この表によれば、波長445nmの青色半導体レーザを用いることにより、レーザ照射
置において現在主流であるエキシマレーザ(波長308nm)と同等以上の光吸収率が得られることがわかる。また、固体グリーンレーザと比較すると、格段に高い光吸収性が得られることがわかる。さらには、波長445nmでは、結晶化前(アモルファス)に比べて結晶化後の光吸収率が低下していることがわかる。すなわち、波長445nmの青色半導体レーザを用いることにより、重ね照射による影響を低減でき、より均一なシリコン改質を行うことができることになる。
前記レーザ素子は、波長405nm付近の半導体レーザや、波長780nm以上の赤外半導体レーザと高調波発生素子との組み合わせ素子(例えば波長810nmの半導体レーザとSHG素子との組み合わせ)で、波長390nm〜470nmのものの、単一又は複数素子であってもよい。赤色半導体レーザは、ガスレーザや個体レーザと比較しても出力安定性高くパルス等出力制御性も優れている。更に近年、赤色半導体レーザの単位出力当りの単価が安価になり、基本波長として用いSHG素子を通し波長390nm〜470nmレーザ光を生成することによりコストパフォーマンス向上が達成できる。
Claims (25)
- 厚さが30nmから80nmのシリコン膜をレーザ照射により改質するレーザ照射装置であって、
レーザ波長が390nm〜470nmのレーザ光を発光する複数のレーザ発光素子を配置したレーザ発光素子群と、
前記レーザ発光素子群から発光されるレーザ光を短手方向幅が1um〜30umの線状レーザスポットに集光する集光手段と、
前記集光手段から出射されたレーザ光をシリコン膜の照射面上に線状レーザスポットとして集光する対物レンズと、
前記線状レーザスポットの総照射パワー値が6W〜200Wとなるよう前記レーザ発光素子の発光量を調整するレーザ発光素子制御手段と、
前記シリコン膜から反射される戻り光を受光し、当該戻り光の光量に基づいてフォーカスエラーを検出し、フォーカスエラー信号を出力するフォーカスエラー検出手段と、
前記フォーカスエラー信号に基づいて、前記対物レンズの位置を照射面に対して近接又は離隔する方向に調整する焦点調整手段と、を有することを特徴とするレーザ照射装置。 - 前記レーザ発光素子が、レーザ波長が445nmのレーザ光を発光することを特徴とする請求項1に記載のレーザ照射装置。
- 前記レーザ発光素子が、半導体レーザ又は固体レーザであることを特徴とする請求項1又は2に記載のレーザ照射装置。
- 前記レーザ発光素子が、波長780nm以上の赤外半導体レーザと高調波発生素子との組み合わせ素子であることを特徴とする請求項1に記載のレーザ照射装置。
- 前記集光手段が、レーザ発光素子の各々から発光されるレーザ光を導光する光ファイバと、当該光ファイバを平行に整列させて保持する直線バンドルと、前記光ファイバのレーザ発光素子群とは反対側の端から出射されるレーザ光を線状スポット光となるよう整形し、光強度分布を平滑化して出射する光補整器を含むことを特徴とする請求項1から4の何れかに記載のレーザ照射装置。
- 前記光補整器及び前記対物レンズは、短手方向幅が1um〜30um、長手方向幅が0.2mm〜30mmの寸法を有する線状レーザスポットがシリコン膜の照射面上に形成されるようレーザ光を整形及び集光することを特徴とする請求項5に記載のレーザ照射装置。
- 前記フォーカスエラー検出手段が、前記レーザ波長が390nm〜470nmのレーザ発光素子の発光波長とは異なる波長のレーザ光を発光するフォーカス用レーザ発光素子を有することを特徴とする請求項1から6の何れかに記載のレーザ照射装置。
- 前記レーザ発光素子群から発光されるレーザ光がシリコン膜に到達するまでの光路上に前記レーザ発光素子の各々の光強度分布を検出するレーザ光強度分布検出手段を有し、
前記レーザ発光素子制御手段が、前記レーザ光強度分布検出手段の検出結果に基づいて、前記レーザ発光素子の各々の発光量を制御することにより、前記レーザ発光素子群から発光されるレーザ光のレーザ光強度分布が所定の範囲内に収まるように調整することを特徴とする請求項1から7の何れかに記載のレーザ照射装置。 - 前記レーザ発光素子制御手段は、前記レーザ発光素子の各々に対して断続的に制御用パルスを出力することにより、前記レーザ発光素子の各々の発光量を制御するものであり、
前記制御用パルスは、発振周波数が0.1MHz〜5MHz、パルスデューティが10%〜90%、パルストップパワー値(Pt)とパルスボトムパワー値(Pb)との比率(Pb/Pt×100)が50%以下であることを特徴とする請求項8に記載のレーザ照射装置。 - シリコン膜の照射面上に形成される線状レーザスポットを、照射面内において0°〜90°の角度範囲で回転させるスポット回転手段を有することを特徴とする請求項1から9何れかに記載のレーザ照射装置。
- レーザ波長が390nm〜470nmのレーザ光を発光する複数のレーザ発光素子を配置したレーザ発光素子群と、前記レーザ発光素子群から発光されるレーザ光を短手方向幅が1um〜30umの線状レーザスポットに集光する集光手段と、前記集光手段から出射されたレーザ光をシリコン膜の照射面上に線状レーザスポットとして集光する対物レンズと、前記線状レーザスポットの総照射パワー値が6W〜200Wとなるよう前記レーザ発光素子の発光量を調整するレーザ発光素子制御手段と、前記シリコン膜から反射される戻り光を受光し、当該戻り光の光量に基づいてフォーカスエラーを検出し、フォーカスエラー信号を出力するフォーカスエラー検出手段と、前記フォーカスエラー信号に基づいて、前記対物レンズの位置を照射面に対して近接又は離隔する方向に調整する焦点調整手段とを有するレーザ照射装置を用い、シリコン膜をレーザ照射により改質するレーザ照射方法であって、
前記集光手段により集光された線状レーザスポットの総照射パワー値が6W〜200Wとなるよう前記レーザ発光素子の各々の発光量を調整しながら厚さが30nmから80nmのシリコン膜にレーザ照射を行うことを特徴とするレーザ照射方法。 - レーザ波長が445nmのレーザ光を用いてシリコン膜にレーザ照射を行うことを特徴とする請求項11に記載のレーザ照射方法。
- 前記レーザ発光素子が、半導体レーザ又は固体レーザであることを特徴とする請求項11又は12に記載のレーザ照射方法。
- 前記レーザ発光素子が、波長780nm以上の赤外半導体レーザと高調波発生素子との組み合わせ素子であることを特徴とする請求項1に記載のレーザ照射装置。
- 前記集光手段が、レーザ発光素子の各々から発光されるレーザ光を導光する光ファイバと、当該光ファイバを平行に整列させて保持する直線バンドルと、前記光ファイバのレーザ発光素子群とは反対側の端から出射されるレーザ光を線状スポット光となるよう整形し、光強度分布を平滑化して出射する光補整器を含むことを特徴とする請求項11から14何れかに記載のレーザ照射方法。
- 前記光補整器及び前記対物レンズは、短手方向幅が1um〜30um、長手方向幅が0.2mm〜30mmの寸法を有する線状レーザスポットがシリコン膜の照射面上に形成されるようレーザ光を整形及び集光することを特徴とする請求項15に記載のレーザ照射方法。
- 前記フォーカスエラー検出手段が、前記レーザ波長が390nm〜470nmのレーザ発光素子の発光波長とは異なる波長のレーザ光を発光するフォーカス用レーザ発光素子を有することを特徴とする請求項11から16何れかに記載のレーザ照射方法。
- 前記レーザ照射装置は、前記レーザ発光素子群から発光されるレーザ光がシリコン膜に到達するまでの光路上に前記レーザ発光素子の各々の光強度分布を検出するレーザ光強度分布検出手段を有し、
前記レーザ発光素子制御手段が、前記レーザ光強度分布検出手段の検出結果に基づいて、前記レーザ発光素子の各々の発光量を制御することにより、前記レーザ発光素子群から発光されるレーザ光のレーザ光強度分布が所定の範囲内に収まるように調整することを特徴とする請求項11から17の何れかに記載のレーザ照射装置。 - 前記レーザ発光素子制御手段は、前記レーザ発光素子の各々に対して断続的に制御用パルスを出力することにより、前記レーザ発光素子の各々の発光量を制御するものであり、
前記制御用パルスは、発振周波数が0.1MHz〜5MHz、パルスデューティが10%〜90%、パルストップパワー値(Pt)とパルスボトムパワー値(Pb)との比率(Pb/Pt×100)が50%以下であることを特徴とする請求項18に記載のレーザ照射方法。 - 前記レーザ発光素子制御手段は、シリコン膜の照射面上に形成される線状レーザスポットを回転させるスポット回転手段を有しており、
線状レーザスポットを照射面内において0°〜90°の角度範囲で回転させることを特徴とする請求項11から19の何れかに記載のレーザ照射方法。
- 請求項1から10の何れかに記載のレーザ照射装置を用いて、アモルファスシリン膜を改質する方法であって、
厚さ30nm〜80nmのアモルファスシリコン膜に対して、当該アモルファスシリコン膜の膜厚と同一の光侵入長又は当該膜厚の50%〜150%の光侵入長を有するレーザ波長のレーザ光を照射することによりアモルファスシリコン膜を改質する方法。 - 請求項11から20の何れかに記載のレーザ照射方法を用いて、アモルファスシリコン膜を改質する方法であって、
厚さ30nm〜80nmのアモルファスシリコン膜に対して、当該アモルファスシリコン膜の膜厚と同一の光侵入長又は当該膜厚の50%〜150%の光侵入長を有するレーザ波長のレーザ光を照射することによりアモルファスシリコン膜を改質する方法。 - 厚さが30nmから80nmのシリコン膜をレーザ照射により結晶化するシリコン結晶化装置であって、
レーザ波長が390nm〜470nmのレーザ光を発光する複数のレーザ発光素子を配置したレーザ発光素子群と、
前記レーザ発光素子群から発光されるレーザ光を短手方向幅が1um〜30umの線状レーザスポットに集光する集光手段と、
前記集光手段から出射されたレーザ光をシリコン膜の照射面上に線状レーザスポットとして集光する対物レンズと、
前記線状レーザスポットの総照射パワー値が6W〜200Wとなるよう前記レーザ発光素子の発光量を調整するレーザ発光素子制御手段と、
前記シリコン膜から反射される戻り光を受光し、当該戻り光の光量に基づいてフォーカスエラーを検出し、フォーカスエラー信号を出力するフォーカスエラー検出手段と、
前記フォーカスエラー信号に基づいて、前記対物レンズの位置を照射面に対して近接又は離隔する方向に調整する焦点調整手段と、を有することを特徴とするシリコン結晶化装置。 - 前記レーザ発光素子群と、前記集光手段を含む光ヘッド部とを分離して配置し、前記レーザ発光素子群の各レーザ発光素子から発光されるレーザ光を前記光ヘッド部に導光する屈曲性を有する光ファイバ有していることを特徴とする請求項23に記載のシリコン結晶化装置。
- レーザ波長が390nm〜470nmのレーザ光を発光する複数のレーザ発光素子を配置したレーザ発光素子群と、前記レーザ発光素子群から発光されるレーザ光を短手方向幅が1um〜30umの線状レーザスポットに集光する集光手段と、前記集光手段から出射されたレーザ光をシリコン膜の照射面上に線状レーザスポットとして集光する対物レンズと、前記線状レーザスポットの総照射パワー値が6W〜200Wとなるよう前記レーザ発光素子の発光量を調整するレーザ発光素子制御手段と、前記シリコン膜から反射される戻り光を受光し、当該戻り光の光量に基づいてフォーカスエラーを検出し、フォーカスエラー信号を出力するフォーカスエラー検出手段と、前記フォーカスエラー信号に基づいて、前記対物レンズの位置を照射面に対して近接又は離隔する方向に調整する焦点調整手段とを有するレーザ照射装置を用い、非結晶質又は多結晶質のシリコンをレーザ照射により結晶化するシリコン結晶化方法であって、
前記集光手段により集光された線状レーザスポットの総照射パワー値が6W〜200Wとなるよう前記レーザ発光素子の各々の発光量を調整しながら厚さが30nmから80nmのシリコン膜にレーザ照射を行うことを特徴とするシリコン結晶化方法。
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