(57)【要約】【課題】基板に含まれる複数の薄膜トランジスタの特性のばらつきを抑制可能なレーザアニール装置を提供すること。【解決手段】輝度分布が均一化された第１レーザ光Ｌ１としてのパルスレーザ光を照射するパルスレーザ発生部１２と、第２レーザ光Ｌ２としての連続発振レーザ光を発振する連続発振レーザ発生部１３と、１つの第１レーザ光Ｌ１から複数の第１レーザ光Ｌ１に分離させるとともに第２レーザ光Ｌ２を被処理基板１上に所定の照射形状で照射させるレーザビーム照射部２０と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に被着された非晶質シリコン薄膜の所定の領域をレーザアニールして結晶化シリコンとするレーザアニール装置であって、
前記所定の領域に第１レーザ光を照射してレーザアニールした後、前記所定の領域に連続発振レーザ光である第２レーザ光を照射してレーザアニールするレーザアニール装置。
【請求項２】
前記第１レーザ光は、パルスレーザ光である請求項１に記載のレーザアニール装置。
【請求項３】
前記第１レーザ光の照射形状を前記所定の領域の形状に合わせて整形する第１開口と、前記第２レーザ光の照射形状を前記所定の領域の形状に合わせて整形する第２開口と、を有するマスクパターンと、
前記第１開口を通過した前記第１レーザ光または前記第２開口を通過した前記第２レーザ光を前記非晶質シリコン薄膜上に縮小して合焦させる集光レンズと、を備える請求項１または請求項２に記載のレーザアニール装置。
【請求項４】
基板上に被着された非晶質シリコン薄膜のレーザアニールされた所定の領域を、レーザアニールして結晶化シリコンとするレーザアニール装置であって、
連続発振レーザ光を前記所定の領域に照射してレーザアニールするレーザアニール装置。
【請求項５】
基板上に被着された非晶質シリコン薄膜の所定の領域をレーザアニールして結晶化シリコンとするレーザアニール方法であって、
前記所定の領域に第１レーザ光を照射してレーザアニールする工程と、
前記所定の領域に連続発振レーザ光である第２レーザ光を照射してレーザアニールする工程と、を有するレーザアニール方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザアニール装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）、有機ＥＬディスプレイ（ＯＬＥＤ:Organic Electroluminescence Display）などの薄型ディスプレイ（ＦＰＤ：Flat Panel Display）をアクティブ駆動するためのスイッチング素子として用いられている。薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴともいう）の半導体層の材料としては、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：amorphous Silicon）や、多結晶シリコン（p−Ｓｉ：polycrystalline Silicon）などが用いられている。
【０００３】
逆スタガ構造のＴＦＴとして、非晶質シリコン薄膜をチャネル領域に使用したものが存在する。ただ、非晶質シリコン薄膜は電子移動度が小さいため、当該非晶質シリコン薄膜をチャネル領域に使用すると、ＴＦＴにおける電荷の移動度が小さくなるという難点があった。
【０００４】
そこで、非晶質シリコン薄膜の所定の領域をレーザ光により瞬間的に加熱することで多結晶化し、電子移動度の高い多結晶シリコン薄膜を形成して、当該多結晶シリコン薄膜をチャネル領域に使用する技術が存在する。
【０００５】
例えば、特許文献１には、基板に非晶質シリコン薄膜を形成し、その後、この非晶質シリコン薄膜にエキシマレーザ等のレーザ光を照射してレーザアニールすることにより、短時間での溶融凝固によって、多結晶シリコン薄膜に結晶化させる処理を行なうことが開示されている。
【０００６】
特許文献１には、当該処理を行うことにより、ＴＦＴのソースとドレイン間のチャネル領域を、電子移動度の高い多結晶シリコン薄膜とすることが可能となり、トランジスタ動作の高速化が可能になる旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１６−１００５３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載のＴＦＴでは、ソースとドレイン間のチャネル領域が、一か所の多結晶シリコン薄膜により形成されている。そのため、ＴＦＴの特性は、一か所の多結晶シリコン薄膜に依存することになる。
【０００９】
ここで、エキシマレーザ等のレーザ光のエネルギ密度は、その照射（ショット）ごとにばらつきが生じるため、多結晶シリコン薄膜に結晶ムラが生じて当該レーザ光を用いて形成される多結晶シリコン薄膜の電子移動度にもばらつきが生じる。そのため、当該多結晶シリコン薄膜を用いて形成されるＴＦＴの特性も、レーザ光のエネルギ密度のばらつきに依存してしまう。
【００１０】
その結果、基板に含まれる複数のＴＦＴの特性には、ばらつきが生じてしまう可能性がある。
【００１１】
そこで、本発明は、基板に含まれる複数の薄膜トランジスタの特性のばらつきを抑制可能なレーザアニール装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のレーザアニール装置は、基板上に被着された非晶質シリコン薄膜の所定の領域をレーザアニールして結晶化シリコンとするレーザアニール装置であって、前記所定の領域に第１レーザ光を照射してレーザアニールした後、前記所定の領域に連続発振レーザ光である第２レーザ光を照射してレーザアニールするものである。
【００１３】
また、本発明のレーザアニール装置において、前記第１レーザ光は、パルスレーザ光であるものである。
【００１４】
また、本発明のレーザアニール装置において、前記第１レーザ光の照射形状を前記所定領域の形状に合わせて整形する第１開口と、前記第２レーザ光の照射形状を前記所定領域の形状に合わせて整形する第２開口と、を有するマスクパターンと、前記第１開口を通過した前記第１レーザ光または前記第２開口を通過した前記第２レーザ光を前記非晶質シリコン薄膜上に縮小して合焦させる集光レンズと、を備えるものである。
【００１５】
本発明のレーザアニール装置は、基板上に被着された非晶質シリコン薄膜のレーザアニールされた所定の領域を、レーザアニールして結晶化シリコンとするレーザアニール装置であって、連続発振レーザ光を前記所定の領域に照射してレーザアニールするものである。
【００１６】
本発明のレーザアニール方法は、基板上に被着された非晶質シリコン薄膜の所定の領域をレーザアニールして結晶化シリコンとするレーザアニール方法であって、前記所定の領域に第１レーザ光を照射してレーザアニールする工程と、前記所定の領域に連続発振レーザ光である第２レーザ光を照射してレーザアニールする工程と、を有するものである。
ものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、基板に含まれる複数の薄膜トランジスタの特性のばらつきを抑制可能なレーザアニール装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るレーザアニール装置の概略構成図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係るレーザアニール装置のレーザ光の照射方法を示す図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係るレーザアニール装置のマスクパターンの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るレーザアニール装置について詳細に説明する。但し、図面は模式的なものであり、各部材の数、各部材の寸法、寸法の比率、形状などは現実のものと異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率や形状が異なる部分が含まれている。
【００２０】
図１において、本発明の一実施形態に係るレーザアニール装置１０は、ＴＦＴを備える半導体装置の製造工程において、例えば、チャネル領域形成予定領域にレーザ光を照射してアニール処理し、当該チャネル領域形成予定領域を結晶化するための装置である。
【００２１】
レーザアニール装置１０は、例えば、液晶表示装置の画素のＴＦＴを形成する際に用いられる。このようなＴＦＴを形成する場合、図２に示すように、まず、被処理基板１のガラス基板２上にＡｌ等の金属膜からなるゲート電極３をパターン形成する。
【００２２】
そして、低温プラズマＣＶＤ法により、ガラス基板２上の全面にＳｉＮ膜からなる図示しないゲート絶縁膜を形成する。その後、ゲート絶縁膜上に、例えば、プラズマＣＶＤ法により非晶質シリコン薄膜４を形成する。すなわち、ガラス基板２の全面に非晶質シリコン薄膜４が形成（被着）される。最後に、非晶質シリコン薄膜４上に図示しない二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）膜を形成する。
【００２３】
そして、図１に例示するレーザアニール装置１０により、非晶質シリコン薄膜４のゲート電極３上の所定の領域（ＴＦＴにおいてチャネル領域となる領域）にレーザ光を照射してアニール処理し、当該所定の領域を結晶化して結晶化シリコンとする。なお、ガラス基板２は、必ずしもガラス基板である必要はなく、樹脂などの素材で形成された樹脂基板など、どのような素材の基板であってもよい。また、結晶化シリコンは、多結晶シリコンと単結晶シリコンのいずれでもよい。
【００２４】
（レーザアニール装置の概略構成）
以下、図１及び図２を用いて、本実施の形態に係るレーザアニール装置１０の概略構成を説明する。図１に示すように、レーザアニール装置１０は、基台１１と、パルスレーザ発生部１２と、連続発振レーザ発生部１３と、制御部１４と、レーザビーム照射部２０と、を備える。
【００２５】
基台１１は、図示しない基板搬送手段を備えている。このレーザアニール装置１０においては、被処理基板１を基台１１の上に配置した状態で、図示しない基板搬送手段によって、図中矢印で示す搬送方向（基板スキャン方向）に向けて搬送する。この搬送方向は、ゲート電極３の延在方向と同一方向である。すなわち、本実施の形態では、アニール処理時にはレーザビーム照射部２０は移動せず、被処理基板１を移動させるようになっている。
【００２６】
パルスレーザ発生部１２は、図示しないレーザ光源と、図示しないカップリング光学系とを備えている。レーザ光源から出射されたレーザ光は、カップリング光学系により拡張され、輝度分布が均一化されて第１レーザ光Ｌ１として照射される。レーザ光源は、例えば、波長が３０８ｎｍや２４８ｎｍなどのレーザ光を、所定の繰り返し周期で放射するエキシマレーザである。
【００２７】
第１レーザ光Ｌ１は、ミラー１５により反射され、レーザビーム照射部２０に照射される。
【００２８】
連続発振レーザ発生部１３は、図示しないレーザ光源を備えている。レーザ光源から出射されたレーザ光は、第２レーザ光Ｌ２としてミラー１６に照射される。レーザ光源は、例えば、連続発振（ＣＷ：Continuous Wave）レーザ光を発振する。
【００２９】
ここで、連続発振レーザ光（ＣＷレーザ光）とは、目的領域に対して連続してレーザ光を照射する所謂疑似連続発振も含む概念である。つまり、レーザ光がパルスレーザであっても、パルス間隔が加熱後のシリコン薄膜の冷却時間よりも短い（固まる前に次のパルスで照射する）疑似連続発振レーザであってもよい。
【００３０】
第２レーザ光Ｌ２は、ミラー１６により反射され、ポリゴンミラー１７に照射される。ポリゴンミラー１７は、所定の速度で回転し、ミラー１６により反射された第２レーザ光Ｌ２をＦθレンズ１８に等角速度でスキャンさせる。
【００３１】
Ｆθレンズ１８は、等角速度でスキャンされた第２レーザ光Ｌ２を等直線速度に変換してミラー１９にスキャンさせる。第２レーザ光Ｌ２は、ミラー１９により反射され、レーザビーム照射部２０にスキャンされる。
【００３２】
レーザビーム照射部２０は、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を被処理基板１上の予め定められた所定位置に照射させるものであり、図２に示すように、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の進行方向上流側から下流側に向かって順に、マスクパターン２１と、マイクロレンズアレイ２２と、を備えている。
【００３３】
マスクパターン２１は、１つの第１レーザ光Ｌ１から複数の第１レーザ光Ｌ１に分離させるものである。また、マスクパターン２１は、第２レーザ光Ｌ２を被処理基板１上に所定の照射形状で照射させる。
【００３４】
マスクパターン２１は、例えば、透明な石英基板上にクロム（ｃｒ）やアルミニウム（Ａｌ）等の遮光膜が成膜される。遮光膜には、図３に示すように、被処理基板１上に照射される第１レーザ光Ｌ１の照射形状に合わせて整形するための複数の第１開口２３と、被処理基板１上に照射される第２レーザ光Ｌ２の照射形状に合わせて整形するための複数の第２開口２４とが設けられる。
【００３５】
第１開口２３は、第１レーザ光Ｌ１の照射形状と相似形に形成される。第２開口２４は、第２レーザ光Ｌ２の照射形状と相似形に形成される。
【００３６】
第１開口２３は、例えば、基板スキャン方向に延在するゲート電極３上に第１レーザ光Ｌ１を照射させるように、基板スキャン方向に第１レーザ光Ｌ１の照射回数分（図では１０回分）設けられている。第１開口２３は、例えば、基板スキャン方向と直行する方向に直線上にゲート電極３の間隔に合わせて複数（図では１０個）設けられている。これは、被処理基板１上に格子状にアニール処理を行なうためであり、被処理基板１上のアニール処理を行ないたい位置により適宜変更してもよい。
【００３７】
第２開口２４は、例えば、基板スキャン方向に延在するゲート電極３上に第２レーザ光Ｌ２を１回照射させるように１個設けられている。第２開口２４は、例えば、基板スキャン方向と直行する方向にゲート電極３の間隔に合わせて複数（図では１０個）設けられている。基板スキャン方向と直行する方向に隣接する第２開口２４は、基板スキャン方向に距離Ｗだけ離れて設けられている。距離Ｗは、被処理基板１の搬送速度と、第２レーザ光Ｌ２の基板スキャン方向と直行する方向のスキャン速度によって決められる。第２レーザ光Ｌ２のスキャン方向は、図３の左から右への方向である。
【００３８】
すなわち、第２レーザ光Ｌ２が第２開口２４から隣接する第２開口２４の基板スキャン方向の位置に到達したときに、隣接する第２開口２４が第２レーザ光Ｌ２の照射位置に来るように設定される。これにより、第２レーザ光Ｌ２がスキャン方向に１回スキャンすることで、基板スキャン方向と直行する方向に並んだ領域に第２レーザ光Ｌ２を照射することができる。
【００３９】
マイクロレンズアレイ２２は、第１開口２３を通過する第１レーザ光Ｌ１をゲート電極３上に縮小投影する。マイクロレンズアレイ２２は、第２開口２４を通過する第２レーザ光Ｌ２をゲート電極３上に縮小投影する。
【００４０】
マイクロレンズアレイ２２は、図２に示すように、第１開口２３及び第２開口２４の各開口の中心に光軸中心を合致させて複数の集光レンズとしてのマイクロレンズを配置している。各マイクロレンズの縮小倍率は、第１開口２３及び第２開口２４の像をゲート電極３上の非晶質シリコン薄膜４上に合焦させるように設定されている。
【００４１】
制御部１４は、基台１１に設けられた図示しない基板搬送手段と、パルスレーザ発生部１２と、連続発振レーザ発生部１３と、の制御を行う。具体的には、制御部１４は、図示しない基板搬送手段を駆動制御して被処理基板１を基板スキャン方向へ向けて所定の速度で移動させるように設定されている。また、制御部１４は、図示しない位置検出手段から被処理基板１におけるアニール処理を行なう改質予定領域の位置情報が入力されるように設定されている。
【００４２】
また、制御部１４は、パルスレーザ発生部１２と、連続発振レーザ発生部１３と、を駆動制御して、被処理基板１に対して第１照射と第２照射とを行わせるように設定されている。
【００４３】
第１照射に際して、制御部１４は、パルスレーザ発生部１２から第１レーザ光Ｌ１としてのパルスレーザ光を出射させる。
【００４４】
第２照射に際しては、制御部１４は、連続発振レーザ発生部１３から第２レーザ光Ｌ２としてのＣＷレーザ光を連続して出射させる。
【００４５】
制御部１４は、改質予定領域の上記位置情報データに基づいて、改質予定領域が基台１１に対して所定の位置に到達したときに、パルスレーザ発生部１２へ駆動信号を出力するように設定されている。
【００４６】
制御部１４は、改質予定領域の上記位置情報データに基づいて、改質予定領域が基台１１に対して所定の位置に到達したときに、連続発振レーザ発生部１３へ駆動信号を出力するように設定されている。
【００４７】
（レーザアニール方法）
本実施形態に係るレーザアニール装置１０を用いたレーザアニール方法ついて説明する。
【００４８】
制御部１４は、基板搬送手段により基台１１を移動させることにより、被処理基板１を基板スキャン方向に沿って所定のスキャン速度で走行させる。
【００４９】
制御部１４は、改質予定領域の位置情報に基づいて改質予定領域が所定の位置に到達したときに、パルスレーザ発生部１２へ駆動信号を出力する。
【００５０】
制御部１４は、基板スキャン方向の先頭の改質予定領域（図２において最も右に位置する改質予定領域）がマスクパターン２１の基板スキャン方向の最上流の第１開口２３（図３における最も上に位置する第１開口２３）の下に到達したときにパルスレーザ発生部１２へ駆動信号を出力し、その後、被処理基板１が基板スキャン方向に移動して、改質予定領域が基板スキャン方向に隣接する次の第１開口２３の下に到達したときにパルスレーザ発生部１２へ駆動信号を出力する。
【００５１】
このようにして、被処理基板１の改質予定領域には、基板スキャン方向に設けられた第１開口２３の数分（図３のマスクパターン２１では１０回）パルスレーザ発生部１２により第１レーザ光Ｌ１が照射され、改質予定領域の非晶質シリコン薄膜４が結晶化された領域Ａ（図２を参照）となる。
【００５２】
このように、第１レーザ光Ｌ１であるパルスレーザ光により非晶質シリコン薄膜４のアニール処理を行なった場合、第１レーザ光Ｌ１はパルスレーザ発生部１２により均一化されて照射されるが、完全に均一化されることは難しく、数％のばらつきが発生する。このばらつきは、マイクロレンズアレイ２２のマイクロレンズを透過した第１レーザ光Ｌ１も影響を受け、照射面でムラが発生することがある。
【００５３】
このため、本実施例においては、第１レーザ光Ｌ１を１０ショット照射して非晶質シリコン薄膜４にアニール処理を行なった後に、連続発振レーザ発生部１３による第２レーザ光Ｌ２を照射して、再度アニール処理を第２レーザ光Ｌ２である連続発振レーザ光で行なって、第１レーザ光Ｌ１によりアニールされた結晶化シリコンの結晶ムラを照射面内で均一化する。
【００５４】
制御部１４は、第２レーザ光Ｌ２のスキャン方向の最上流に位置する第１レーザ光Ｌ１により結晶化された領域Ａがマスクパターン２１の第２レーザ光Ｌ２のスキャン方向の最上流の第２開口２４（図３における最も左に位置する第２開口２４）の下に到達したときに連続発振レーザ発生部１３へ駆動信号を出力する。
【００５５】
連続発振レーザ発生部１３から照射された第２レーザ光Ｌ２は、ポリゴンミラー１７に照射され、Ｆθレンズ１８を通してミラー１９にスキャンされ、レーザビーム照射部２０にスキャンされる。
【００５６】
第２開口２４は、基板スキャン速度と第２レーザ光Ｌ２のスキャン速度に基づいて、基板スキャン方向と直行する方向に隣接する第２開口２４の距離Ｗが設定されていて、被処理基板１を基板スキャン方向に移動させながら第２レーザ光Ｌ２をスキャンさせることで、基板スキャン方向と直行する方向に隣接する結晶化された領域Ａに順次第２レーザ光Ｌ２が照射され、アニール処理が行なわれる。すなわち、第２レーザ光Ｌ２がスキャン方向に１回スキャンすることで、基板スキャン方向と直行する方向に隣接する一列の領域Ａに順次第２レーザ光Ｌ２が照射され、次の第２レーザ光Ｌ２のスキャンでは、基板スキャン方向の次の領域Ａの列に第２レーザ光Ｌ２が照射される。
【００５７】
このように、本実施形態においては、基板上に被着された非晶質シリコン薄膜４の所定の領域に第１レーザ光が照射されてレーザアニールされた後、その領域に連続発振レーザ光が照射されてレーザアニールされる。このため、第１レーザ光によるレーザアニールにより基板に含まれる複数の薄膜トランジスタの特性にばらつきが生じてしまっても、連続発振レーザ光によるレーザアニールにより複数の薄膜トランジスタの特性のばらつきを抑制することができる。
【００５８】
なお、本実施形態においては、レーザビーム照射部２０を第１レーザ光Ｌ１の照射領域と第２レーザ光Ｌ２の照射領域とが一体となる構成としたが、第１レーザ光Ｌ１の照射領域と第２レーザ光Ｌ２の照射領域とを別体に構成してもよい。また、第２レーザ光Ｌ２の照射領域では、マイクロレンズアレイ２２を省略した構成としてもよい。
【００５９】
また、本実施形態においては、第１レーザ光Ｌ１による第１照射に連続して第２レーザ光Ｌ２による第２照射を行なう場合を示したが、第１照射と第２照射を別に行なってもよい。この場合、第１照射を行なう装置と、第２照射を行う装置を別の装置にしてもよい。
【００６０】
また、本実施形態においては、マスクパターン２１に形成した第１開口２３及び第２開口２４は、長方形としたが、第１レーザ光Ｌ１または第２レーザ光Ｌ２の照射領域に応じて変更してもかまわない。
【００６１】
本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。
【符号の説明】
【００６２】
１  被処理基板
４  非晶質シリコン薄膜
１０  レーザアニール装置
１２  パルスレーザ発生部
１３  連続発振レーザ発生部
１４  制御部
２０  レーザビーム照射部
２１  マスクパターン
２２  マイクロレンズアレイ
２３  第１開口
２４  第２開口
【図１】
2020145363.tif 000003
【図２】
2020145363.tif 000004
【図３】
2020145363.tif 000005