JPH09270393A

JPH09270393A - レーザー光照射装置

Info

Publication number: JPH09270393A
Application number: JP7681396A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kuwabara; 隆桑原
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1996-03-29
Publication date: 1997-10-14

Abstract

(57)【要約】【課題】ラインビームを照射するレーザー光照射装置
において、ラインビームの照射光強度分布を平坦化し
て、低照射光強度領域における微結晶形成を防ぎ、結晶
粒の大きな非単結晶半導体層を得る。【解決手段】被処理基板に近接してスリット２０を設
けた。スリット２０はラインビームの光強度が低下する
照射ビームの両端領域を遮断するので、中央の光強度分
布が平坦になった領域の光のみが基板に照射される。照
射領域では再結晶化が均一にかつ十分に行われ、微結晶
粒が形成されて残り、結晶化が不十分になることが防が
れるので、ラインビーム複数回走査することで大面積の
結晶化アニールが良好に行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザー光の照射
装置に関し、特に、レンズ光学系の構成により、照射レ
ーザーを線状にして、これを走査することにより、大面
積の照射を可能にしたレーザー光照射装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、レーザー光を用いた微細加工技術
が半導体装置の製造にも適用され、量産性、低コストが
実現されている。また、画像表示装置として、液晶表示
装置（ＬＣＤ:liquid crystal display）は、小型、薄
型、低消費電力などの利点から、ＯＡ機器、ＡＶ機器等
の分野で実用化が進められており、特に、各画素に画像
情報の書き換えタイミングを制御するスイッチング素子
として、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：thin filmtransis
tor）を配置したアクティブマトリクス型は、大画面、
高精細の動画表示が可能となるため、各種テレビジョ
ン、パーソナルコンピュータなどのディスプレイに用い
られている。

【０００３】薄膜トランジスタは、絶縁性の基板上に金
属層とともに半導体層を形成することにより形成された
電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ：field effecttransi
stor）である。アクティブマトリクス型ＬＣＤにおいて
は、ＴＦＴは、液晶を挟んだ一対の基板間に形成され
た、液晶を駆動するため各キャパシタンスの一方の電極
に接続されている。ＬＣＤの分野でも、絶縁性基板上に
ＴＦＴを作り込む際の製造、あるいは、修正において、
レーザー加工技術が用いられている。

【０００４】特に、半導体層として、それまで多用され
てきた非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）に代わって、多結晶
シリコン（ｐ−Ｓｉ）を用いたＬＣＤが開発され、ｐ−
Ｓｉの結晶粒の形成あるいは成長のためにレーザー光を
用いたアニールが用いられている。一般に、ｐ−Ｓｉは
ａ−Ｓｉに比べて移動度が高く、ＴＦＴが小型化され、
高精細化が実現される。また、ゲートセルフアライン構
造による微細化、寄生容量の縮小による高速化が達成さ
れるため、ｎ−ｃｈＴＦＴとｐ−ｃｈＴＦＴの電気的相
補結線構造即ちＣＭＯＳを形成することにより、高速駆
動回路を構成することができる。このため、駆動回路部
を同一基板上に表示画素部と一体形成することにより、
製造コストの削減、ＬＣＤモジュールの小型化が実現さ
れる。

【０００５】絶縁性基板上へのｐ−Ｓｉの成膜方法とし
ては、低温で生成したａ−Ｓｉをアニールすることによ
る再結晶化、あるいは、高温状態での固相成長法等があ
るが、いずれの場合も、９００℃以上の高温での処理で
あるため、耐熱性の点で、絶縁性基板として安価なソー
ダガラス基板を使うことができず、高価な石英ガラス基
板が必要となり、コストがかかっていた。これに対し、
レーザーアニールを用いて、６００℃以下の比較的低温
でのシリコン再結晶化処理を行い、絶縁性基板として、
安価なソーダガラス基板を用いる方法が開発されてい
る。このような、ＴＦＴ基板製造の全工程において、温
度を６００℃以下にしたプロセスは、低温プロセスと呼
ばれ、低コストのＬＣＤの量産には必須のプロセスであ
る。

【０００６】図５は、このようなレーザーアニールを行
うためのレーザー光照射装置の構成を示す概念図であ
る。図中、（１）はレーザー発振源、（２，１１）はミ
ラー、（３，４，５，６）はシリンドリカルレンズ、
（７，８，９，１２，１３）は集光レンズ、（１０）は
線幅方向のスリット、（１４）は表面にａ−Ｓｉ等の非
単結晶半導体層が形成された被処理基板（２０）を支持
するステージである。レーザー発振源（１）から照射さ
れたレーザー光は、シリンドリカルレンズ（３，５）及
び（４，６）からなるコンデンサーレンズにより、各々
上下左右方向に対して強度の出力分布がフラットな平行
光に変形される。この平行光は、図６に示すように、レ
ンズ（８，９，１２，１３）により一方向に収束される
とともに、図７に示すように、レンズ（７）により他の
一方向に引き延ばされて線状にされ、被処理基板（２
０）に照射される。被処理基板（２０）を載置したステ
ージ（１４）は、照射ラインビームの線幅方向に走査さ
れ、大面積処理による高スループットでのレーザーアニ
ールが実現される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このラインビームの、
位置に対する照射光強度の分布は、図８に示すように、
ライン幅Ｗに対して、鋭いエッジを有したフラットな性
質をもつが、ライン長方向に対しては図９に示すよう
に、両端が低下した光強度分布となっており、ライン長
方向に関してビーム形状が悪いものとなっていた。即
ち、被処理基板のうち、図９の、ビーム線幅Ｌ1の範囲
にある領域では、十分な強度Ｉaで均一にレーザービー
ムが照射されるので、ａ−Ｓｉ膜の再結晶化が良好に行
われ、十分に大きな結晶粒径を有したｐ−Ｓｉ膜を形成
することができるが、照射ビームの両端において、光強
度の低下したＬ2領域内の、かつ、Ｌ1領域外において
は、強度Ｉaよりも低い強度Ｉbで十分に強いレーザー照
射が行われない。

【０００８】このような、ライン長方向での両端の強度
の低下は、コヒーレント光の共振により極めて大きなエ
ネルギーをもつレーザー光の周波数成分光のうち、より
波長の短い成分が大きく屈折した結果、このような強度
分布となったものと考えられる。このような、強度の不
足したレーザー照射領域では、再結晶化された粒径が十
分に大きくならず、微結晶状態で膜中に存在したものと
なる。この微結晶状態での膜は、再び、十分な強度Ｉa
をもってレーザー光照射を行っても、結晶化がそれ以上
には進まず、粒径を大きくすることができないので、微
結晶状態のままとなる。

【０００９】例えば、図５に示すレーザー光照射装置に
おいて、ラインビームのライン長は、８０〜１５０ｍｍ
程度が得られ、その両端５ｍｍは、図９における強度が
低下した領域となる。一方、被処理基板（２０）は、９
５×１３０ｍｍのＬＣＤパネル１枚分に相当する基板が
９枚含まれたマザーガラス基板であり、ラインビームを
複数回走査することにより、全体に満遍なくレーザー光
を照射するが、１度低強度での照射を受けた領域では、
シリコン層が微結晶シリコン層として形成されてしま
い、所定のオーバーラップをもって再度のレーザー光照
射を行ってもこの微結晶シリコンは、粒径を大きくする
ことなく、そのままで残ってしまう。即ち、１度のビー
ムラインの走査において、走査領域の端部に沿って微結
晶粒からなるシリコン層が帯状に形成される。

【００１０】このように、再結晶化が十分に行われず
に、移動度が低いｐ−ＳｉからなるＴＦＴは、十分なＯ
Ｎ電流が得られない。このため、レーザー光照射のライ
ンビームエッジ部が、画素部に当たる場合は、その領域
において、ＴＦＴのＯＮ電流が他の領域よりも低下し
て、コントラスト比が低下するなどの問題が生じる。ま
た、ラインビームのエッジ部が、画素部周辺の駆動回路
部に当たる場合は、ＴＦＴのＯＮ抵抗が増大して、動作
速度が低下し、誤動作などを招いてしまう。特に、大画
面、高精細のＬＣＤにおいては、画素数が多くなると、
画素への書き込み時間が短くなり、また、駆動回路部に
おけるパルス幅も短くなるので、ＯＮ電流の低下は、致
命的な欠陥となる。

【００１１】また、レンズ光学系の設計によって、ビー
ムライン幅と、マザーガラス基板に基板に含まれるＬＣ
Ｄパネルになる領域との寸法を合わせて、ビームライン
走査のエッジに当たる帯状領域をＬＣＤパネルになる領
域の間の、使用されない部分に合わせることで、上述の
問題は防がれる。しかし、これでは、高価なレーザー照
射装置に適用されるＬＣＤパネルのサイズが初めから決
定されたものとなるので、色々なサイズのＬＣＤパネル
には使用されず、コストの増大を招いていた。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明はこの課題を解決
するために成され、レーザー光の発振源と、この発振源
から照射されたレーザー光を複数のレンズの組み合わせ
からなる光学系より構成され、前記レーザー光を線状に
変形して目標物に照射するレーザー光照射装置におい
て、前記線状のレーザー光の線長方向の端部が前記目標
物に照射されないように遮断した構成である。

【００１３】これにより、強度の低下した、レーザー光
が目標物に照射されることがなくなり、十分な再結晶化
が行われずに微結晶が形成されて、この微結晶粒を大き
くすることができずに、移動度が低下してしまうといっ
た問題が防がれる。特に、前記レーザー光の線長方向の
端部の遮断は、前記目標物に近接して設けられたスリッ
トにより行われている構成である。

【００１４】これにより、スリットを通り抜けた光は、
全ての領域において、均一にかつ十分な強度を有し、照
射領域と非照射領域との境の明確な線状光線となるの
で、照射領域においても強度が不足して、結晶粒の小さ
な微結晶が形成されてしまうといったことが防がれる。
また、前記スリットは、その開口部の大きさを可変とし
た構成である。

【００１５】これにより、レーザー光照射装置が使用で
きる被処理基板のサイズによる制約がなくなり、汎用性
が高まり、ランニングコストを下げることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施形態にかか
るレーザー光照射装置の構成を示す概念図である。図
中、（１）はレーザー発振源、（２，１１）はミラー、
（３，４，５，６）はシリンドリカルレンズ、（７，
８，９，１２，１３）はレンズ、（１０）は線幅方向の
スリット、（１４）は被処理基板（２０）を支持するス
テージである。また、ステージ（１４）に近接された位
置には、線長方向のスリット（３０）が設けられてい
る。

【００１７】この構成で、レーザー発振源（１）から照
射されたレーザー光は、シリンドリカルレンズ（３，
５）及び（４，６）からなるコンデンサーレンズによ
り、各々上下左右方向に対して強度の出力分布がフラッ
トな平行光に変形される。この平行光は、一方向につい
て、従来と同様、図５に示すように、レンズ（８，９，
１２，１３）に収束されて、ライン状にされる。また、
これに直交する他の一方向については、図２に示すよう
に、レンズ（７）により一方向に引き延ばされ、かつ、
スリット（３０）により、その両端部が遮断されて、被
処理基板（２０）へと照射される。このように、一方向
については、収束され、他の一方向については引き延ば
されて線状にされたラインビームは被処理基板（２０）
に照射され、これと同時に、被処理基板（２０）を載置
したステージ（１４）は、照射ラインビームの線幅方向
に移動する。こうした、ラインビームの走査により、大
面積処理が可能となり、高スループットでのレーザーア
ニールが実現される。

【００１８】本発明では、図１に示すように、スリット
（３０）を、被処理基板（２０）に近接配置している。
このスリット（３０）は、図２に示すように、レンズ
（７）によりレーザー光が引き延ばされたラインビーム
の両端の所定の線幅分を遮断するものである。この時、
スリット（３０）を通過して、被処理基板（２０）に照
射されるラインビームの線長Ｌoは、図９に示す、照射
強度分布のフラットな部分の線長Ｌ1以下に設定され、
被処理基板（２０）へは、ラインビーム強度分布のフラ
ットな部分のみが照射されるようになっている。即ち、
レーザー光が被処理基板へ照射される光強度分布は、図
３のように、線長Ｌoの範囲で、鋭いエッジを有したフ
ラットなものとなり、かつ、その強度はＩaで十分に大
きくなっている。

【００１９】このため、被処理基板（２０）に照射され
るラインビームは、その照射領域と非照射領域との境が
明確になり、照射領域において、基板（２０）上に形成
されたａ−Ｓｉは、十分なアニールを受けて再結晶化
し、十分に大きなシリコン結晶粒からなる、移動度の高
いｐ−Ｓｉに形成される。このため、僅かのオーバーラ
ップをもって、基板上を順次に走査していくことによ
り、全領域にわたって満遍なく再結晶化される。

【００２０】従って、被処理基板（２０）であるマザー
ガラス基板上に形成されたｐ−Ｓｉ膜が、全ての領域に
おいて十分に高い移動度をもって形成されるので、この
ｐ−ＳｉからなるＴＦＴは、画素部にあっては、十分な
ＯＮ電流が得られ、高精細、大画面ディスプレイにおい
て、画素数が増加して画素への書き込み時間が短くなっ
ても、十分な電荷供給が行われるので、コントラスト比
が向上される。また駆動回路部においても、レスポンス
が高く、高速動作が行えるので、大画面、高精細に対応
したパルス幅の短い駆動も可能となる。

【００２１】また、スリット（３０）は、被処理基板
（２０）に十分に近接された位置に設置されている。こ
れは、スリット（３０）が、被処理基板（２０）から離
れれば離れるほど、レーザー光の回折が顕著になり、こ
の回折光成分により、ラインビームの線長方向の端部で
再び低強度光成分が生じるのを防ぐためである。本実施
形態においては、スリット（３０）は、被処理基板（２
０）から３０ｃｍ程度の距離をもって近接している。

【００２２】更に、スリット（３０）として、その開口
部の大きさを可変としたスリットを用いることで、ライ
ンビームの照射線長を自在に調整することができる。こ
れにより、被処理基板（２０）であるマザーガラス基板
の寸法や、マザーガラス基板に含まれるＬＣＤパネルに
使用される領域のサイズが変わっても、その時々に応じ
て、スリット（３０）の開口部の大きさを変えることで
対応することができる。即ち、同一のレーザー光照射装
置で、複数のサイズのＬＣＤパネルの製造に適用される
ので、高価なレーザー光照射装置を効率的に使用するこ
とができ、その量産性と製造品質の高さから、かえって
コストの低下がなされる。

【００２３】図４は、本発明の他の実施形態にかかるレ
ーザー光照射装置の要部構成図である。本実施形態で
は、図１及び図２において、レーザー光をライン長方向
に引き延ばす凸レンズ（７）を、凹レンズ（４０）に置
き換えたものである。この場合も、図２と同様、その光
強度分布の、両端の所定の線長分を遮断するスリット
（３０）を設けることにより、図３の如く、鋭いエッジ
を有したフラットな光強度分布を得ることができる。な
お、凸レンズ（７）を用いた場合とは、焦点位置が変わ
るため、スリット（３０）の位置及びその開口部の大き
さは、若干の設計変更が必要であるが、スリット（４
０）を抜けるラインビームの線長Ｌoが、ラインビーム
の光強度分布のフラットな部分の線長Ｌ1以下に設定す
ることは同じである。

【００２４】

【発明の効果】以上の説明から明らかな如く、本発明に
より、ラインビーム状のレーザー光照射装置において、
ラインビームの線長方向の端部の照射光強度の低い領域
を遮断したことにより、照射領域と非照射領域との照射
光有無が明確になり、照射領域全域において均一な照射
光強度分布が得られ、十分なアニールが行われる。これ
により、非単結晶半導体層の結晶粒径を十分に大きくす
ることができるとともに、非照射領域においては、アニ
ールは完全に防がれるので、不十分なアニールによる微
結晶の形成が免れる。このため、不十分なアニールによ
り一度形成された微結晶粒が、続くラインビームの走査
時のオーバーラップ部分においても結晶化が進まずに、
微結晶のまま残って、その領域の結晶粒が小さく、移動
度が上がらないといったことが防がれ、大面積のアニー
ルを良好に行うことができる。

【００２５】また、低照射光強度領域の遮断として、開
口部の大きさを可変にできるスリットを用いることで、
ラインビームの線長が、被処理基板のサイズに合わせて
自在に制御して走査幅を調整することができるので、各
種サイズのパネルの製造に適用され、汎用性が高まり、
ランニングコストが下がる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態にかかるレーザー光照射装置
の概念図である。

【図２】本発明の実施形態にかかるレーザー光照射装置
の光学系の構成図である。

【図３】本発明の実施形態にかかるレーザー光照射装置
の光強度分布図である。

【図４】本発明の他の実施形態にかかるレーザー光照射
装置の光学系の構成図である。

【図５】従来のレーザー光照射装置の概念図である。

【図６】レーザー光照射装置の光学系の構成図である。

【図７】レーザー光照射装置の光学系の構成図である。

【図８】レーザー光照射装置の光強度分布図である。

【図９】従来のレーザー光照射装置の光強度分布図であ
る。

【符号の説明】１レーザー光発振源２，７ミラー３，４，５，６シリンドリカルレンズ７，８，９，１２，１３レンズ１０，３０スリット１４ステージ２０被処理基板４０凹レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザー光の発振源と、この発振源から
照射されたレーザー光を複数のレンズの組み合わせから
なる光学系より構成され、前記レーザー光を線状に変形
して目標物に照射するレーザー光照射装置において、前記線状のレーザー光の線長方向の端部が前記目標物に
照射されないように遮断したことを特徴とするレーザー
光照射装置。
【請求項２】前記レーザー光の線長方向の端部の遮断
は、前記目標物に近接して設けられたスリットにより行
われていることを特徴とする請求項１記載のレーザー光
照射装置。
【請求項３】前記スリットは、その開口部の大きさが
可変であることを特徴とする請求項２記載のレーザー光
照射装置。