(57)【要約】【課題】レーザ光の長軸方向の継ぎ目部において結晶性の均一性を損なうことなく、継ぎ目部が目視で確認できないほど良好で均一性が高い結晶性半導体薄膜を基板全面に形成できるレーザアニール方法及び装置を提供する。【解決手段】線状ビームの照射中、レーザ光２の光路上に配置されたマスク１０により、線状ビームの端部に対応する部分を遮蔽し、遮蔽量が周期的に増減するようにマスク１０を動作させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を線状に整形した線状ビームを、被処理物に対して線状ビームの短軸方向に相対的に移動させながら照射して、被処理物にアニール処理を施すレーザアニール方法であって、
線状ビームの短軸方向の相対移動による照射を、ビーム長軸方向にずらして２列以上行い、この際に、隣接する列同士のビーム照射領域が一部重なるように照射し、
線状ビームの照射中、レーザ光の光路上に配置されたマスクにより、線状ビームの端部に対応する部分を遮蔽し、遮蔽量が周期的に増減するようにマスクを動作させる、ことを特徴とするレーザアニール方法。
【請求項２】
前記マスクを揺動させることで遮蔽量を周期的に増減する、請求項１記載のレーザアニール方法。
【請求項３】
ピエゾ素子を用いて前記マスクを揺動させる、請求項２記載のレーザアニール方法。
【請求項４】
レーザ光を線状に整形した線状ビームを、被処理物に対して線状ビームの短軸方向に相対的に移動させながら照射して、被処理物にアニール処理を施すレーザアニール装置であって、
レーザ光の光路上に配置され線状ビームの端部に対応する部分を遮蔽するマスクと、
前記マスクによる遮蔽量が周期的に増減するようにマスクを動作させるマスク駆動装置と、を備えることを特徴とするレーザアニール装置。
【請求項５】
前記マスク駆動装置は、前記マスクを揺動させることで遮蔽量を周期的に増減する、請求項４記載のレーザアニール装置。
【請求項６】
前記マスク駆動装置はピエゾ素子である請求項５記載のレーザアニール装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理体にレーザ光を照射することにより被処理体をアニール処理するレーザアニール方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高性能な液晶表示装置などのデバイスを実現するために、ガラス基板などの絶縁性基板上に高性能な薄膜トランジスタなどの半導体素子を形成する方法が開発されている。この半導体素子には、一般に、非晶質シリコンを熱処理により結晶化させた薄膜状の多結晶シリコンが用いられる。【０００３】
多結晶シリコン膜を製造する方法としては、非晶質シリコン膜を予め基板上に成膜しておき、レーザ光を照射して結晶化させる方法が一般的である。この方法によれば、半導体薄膜の溶融固化過程における結晶化現象を利用するため、比較的粒径が大きく、高品質な多結晶シリコン膜を得ることができる。【０００４】
現在最も一般的に利用されているレーザアニール方法として、パルスレーザ光、特にエキシマレーザを用いたものがある。近年では、固体レーザであるＹＡＧレーザやＹＬＦレーザを用いたものが開発されている。パルスレーザ光を用いる方法では、非晶質シリコン膜を局所的に溶融させて、その溶融させた領域を極めて短い時間だけ高温度にするものである。このため、高熱が基板に伝わらないことから、耐熱性に優れた高価な石英基板を用いるのではなく、安価なガラス基板を利用することができ、大面積エレクトロデバイスの低温プロセス化に最も適している。【０００５】
一般的なレーザアニール方法では、例えばエキシマレーザを用いた場合、レーザ光を光学系により、ビーム長が最大４６５ｍｍ、短軸方向が０．４〜５ｍｍの線状ビームに整形する。ＹＡＧレーザの場合、ビーム長が最大２００ｍｍ、短軸方向が４０〜５０μｍの線状ビームが得られる。この線状ビームの照射位置がビーム短軸方向に照射領域に対して部分的に重複するように、基板とレーザ光を相対的に移動させて、半導体膜の結晶化が行われる。一般的には、オーバーラップ率を約９５％に設定し、同一領域に約２０回照射する。【０００６】
図１Ａと図１Ｂは、従来のレーザアニール方法の説明図である。図１Ａでは、基板３０に対してレーザ光３１をビーム短軸方向に相対移動させて照射している様子を示している。ビーム長より長いサイズの基板３０を処理する場合、図１Ａに示すように、まず１列目Ｒ１を照射する。１列目Ｒ１の照射が完了したら、レーザ光３１を長軸方向に相対的に移動させて２列目以降の照射を行う。図１Ｂは２列の照射により、基板全面を処理した例を示している。このとき、隣接する列同士（図１Ｂでは１列目Ｒ１と２列目Ｒ２）にはビームの継ぎ目部Ｗが発生する。【０００７】
通常のレーザアニールでは、隣接する列の線状ビームの端部を重ねて照射することで、継ぎ目部Ｗが発生する。この継ぎ目部Ｗではオーバーラップ（ビームの重複照射）が過剰となり結晶品質が他の部分と異なることにより、目視で継ぎ目部Ｗが見えるようになる。一方、隣接する列のビームの重なりが少ない、あるいは無い場合、ビーム端部ではオーバーラップが不十分となり、非晶質の部分が残り、やはり結晶性が他の部分と異なることになる。【０００８】
ビーム継ぎ目部Ｗは、隣接する列（例えば１列目Ｒ１と２列目Ｒ２）のビームの両方が照射された領域であるため、その領域の結晶性は他の部分とは異なる。エキシマレーザの場合、結晶性のばらつきが大きくなり、ＹＡＧレーザの第２高調波では、エキシマレーザに比べ、ばらつきは小さいものの、やはり結晶性がばらつく。【０００９】
結晶性が不均一な領域を用いて薄膜トランジスタを作製した場合、薄膜トランジスタの性能を均一化することができない。液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどの表示装置では、その表示品質が薄膜トランジスタの性能の均一性に左右され易いため、表示品質を維持するためには、レーザ光のビーム長に制限された領域内に表示パネルを作製しなければならなくなる。グリーンＹＡＧレーザの場合、ビーム長が短いため、２０インチを超える大型ディスプレイを作製することは困難である。【００１０】
上記のような、ビーム継ぎ目部Ｗの結晶性の不均一性を防止するための技術は、例えば特許文献１、２に開示されている。【００１１】
特許文献１の方法は、レーザ光の照射領域を重ね合わせて大面積の半導体薄膜を結晶化させる際に、レーザ光の幅寸法やエネルギー密度を調整することにより、レーザ光の重ね合わせ部と非重ね合わせ部とで結晶性を均一化させるというものである。【００１２】
特許文献２の方法は、継ぎ目部のビームプロファイルのスロープ部分がレーザ強度の２０％以上８０％以下の領域で互いに重ねるように設定することで、結晶性を均一化させるというものである。【００１３】
【特許文献１】特開２０００−３１５６５２号公報
【特許文献２】特開２００５−２４３７４７号公報
【００１４】
しかし、特許文献１の方法では、レーザ光の幅寸法やエネルギー密度を調整することは容易ではなく、装置の生産性が低下するという問題がある。
特許文献２の方法では、エネルギー密度の異なる条件でビームを重ねるため、特にエネルギー変動に対して結晶性が大きく変動するエキシマレーザの場合、結晶性が不均一となることが予想される。
【発明の開示】
【００１５】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、レーザ照射によりガラスなどの基板上に形成された半導体薄膜の結晶化を行う際に、レーザ光の長軸方向の継ぎ目部において結晶性の均一性を損なうことなく、継ぎ目部が目視で確認できないほど良好で均一性が高い結晶性半導体薄膜を基板全面に形成できるレーザアニール方法及び装置を提供することを課題とする。
【００１６】
上記の課題を解決するため、本発明のレーザアニール方法及び装置は、以下の技術的手段を採用する。
（１）本発明は、レーザ光を線状に整形した線状ビームを、被処理物に対して線状ビームの短軸方向に相対的に移動させながら照射して、被処理物にアニール処理を施すレーザアニール方法であって、線状ビームの短軸方向の相対移動による照射を、ビーム長軸方向にずらして２列以上行い、この際に、隣接する列同士のビーム照射領域が一部重なるように照射し、線状ビームの照射中、レーザ光の光路上に配置されたマスクにより、線状ビームの端部に対応する部分を遮蔽し、遮蔽量が周期的に増減するようにマスクを動作させる、ことを特徴とする。
【００１７】
（２）上記（１）のレーザアニール方法において、前記マスクを揺動させることで遮蔽量を周期的に増減する。
【００１８】
（３）上記（２）のレーザアニール方法において、ピエゾ素子を用いて前記マスクを揺動させる。
【００１９】
（４）また本発明は、レーザ光を線状に整形した線状ビームを、被処理物に対して線状ビームの短軸方向に相対的に移動させながら照射して、被処理物にアニール処理を施すレーザアニール装置であって、レーザ光の光路上に配置され線状ビームの端部に対応する部分を遮蔽するマスクと、前記マスクによる遮蔽量が周期的に増減するようにマスクを動作させるマスク駆動装置と、を備えることを特徴とする。
【００２０】
（５）上記（４）のレーザアニール装置において、前記マスク駆動装置は、前記マスクを揺動させることで遮蔽量を周期的に増減する。
【００２１】
（６）上記（５）のレーザアニール装置において、前記マスク駆動装置はピエゾ素子である。
【００２２】
上記（１）の方法及び上記（３）の装置によれば、マスクにより線状ビームの端部に対応する部分を遮蔽し、遮蔽量が周期的に増減するようにマスクを動作させるので、遮蔽したビーム端部のオーバーラップ率が非遮蔽部分のそれよりも低下する。これにより、継ぎ目部のオーバーラップの過剰を抑制できるとともに、隣接する列同士でビームを重ねて照射することでオーバーラップの不足も防止することができる。したがって、継ぎ目部における結晶性の不均一性を低減でき、均一性の高い半導体薄膜を基板全面に形成できる。
【００２３】
上記（２）の方法及び上記（４）の装置によれば、マスクを揺動させることで、容易にオーバーラップ率を制御することができる。
上記（３）の方法及び上記（６）の装置によれば、ピエゾ素子は印加電圧の制御によって高い周波数の振動を発生させることができるので、マスクの高速揺動を容易に実現し、オーバーラップ率を容易に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】従来のレーザアニール方法による１列目の照射の説明図である。
【図１Ｂ】従来のレーザアニール方法による基板全面処理時の説明図である。
【図２】本発明の実施形態にかかるレーザアニール装置の全体構成を示す図である。
【図３Ａ】マスクとマスク駆動装置の一構成例を示す図である。
【図３Ｂ】ビーム端部の長軸方向のエネルギー分布を示す図である。
【図４】マスクの他の配置例を示す図である。
【図５】マスクの揺動周波数とビーム端部のオーバーラップ率との関係を示す図である。
【図６Ａ】本発明のレーザアニール装置による１列目の照射の説明図である。
【図６Ｂ】本発明のレーザアニール装置による基板全面処理時の説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。【００２６】
図２は、本発明の実施形態にかかるレーザアニール装置１の全体構成を示す図である。
レーザアニール装置１は、その基本構成要素として、レーザ光２を出射するレーザ光源３と、レーザ光源３からのレーザ光２を整形するビーム整形光学系４と、レーザ光２を被処理体７の方向に反射する反射ミラー５と、反射ミラー５からのレーザ光２を被処理体７の表面に集光する集光レンズ６と、被処理体７を載せて移動する移動ステージ９とを備える。
上記のレーザ光源３としては、例えば、エキシマレーザ、固体レーザあるいは半導体レーザを適用することが可能である。固体レーザとしては、ＹＡＧ、ＹＬＦ、ＹＶＯ４等がある。レーザ光２は、パルス発振、連続発振のいずれであってもよい。【００２７】
ビーム整形光学系４は、レーザ光２を被処理体７表面において線状ビームとなるように整形するものであり、ビームエキスパンダ、ホモジナイザ等を構成要素として含むことが可能である。【００２８】
被処理体７は、基板７ａとその上に形成された非晶質半導体膜７ｂからなる。基板７ａは、ガラス基板や半導体基板である。非晶質半導体膜７ｂは、例えばアモルファスシリコン膜である。【００２９】
移動ステージ９は、図中の矢印Ａ方向に移動可能に構成されている。したがって、レーザ光２を照射しながら移動ステージ９により被処理体７を線状ビームの短軸方向（Ａ方向）に移動させることで、被処理体７に対してレーザ光１の照射部分を短軸方向に相対的に移動させることができる。また、移動ステージ９は、線状ビームの長軸方向と同じ方向である、図２の紙面に垂直な方向に移動可能に構成されている。【００３０】
本発明のレーザアニール装置１は、さらに、レーザ光２の光路上に配置され線状ビームの端部に対応する部分を遮蔽するマスク１０と、マスク１０による遮蔽量が周期的に増減するようにマスク１０を動作させるマスク駆動装置１２と、を備える。【００３１】
図３Ａは、マスク１０とマスク駆動装置１２の一構成例を示す図であり、この図では左右方向がレーザ光２のビーム長軸方向である。この例において、マスク１０は基板の直上の位置に配置され、この位置においてレーザ光２を遮蔽する。またこの例においてマスク１０は、レーザ光２の長軸方向の両端部に配置されている。図３Ｂに、ビーム端部（図で左側のみ）の長軸方向のエネルギー分布を示す。このようにマスク１０により遮蔽した場合、エネルギー分布Ａにおけるビーム端部の位置に回折光２ａによる勾配部分ができる。
マスク１０は、例えば、金属板や、ガラス板に金属メッキを施したものや、単結晶シリコンで構成することが可能である。【００３２】
マスク駆動装置１２は、マスク１０を揺動させることで遮蔽量を周期的に増減するものとして構成されてよい。図３の構成例では、マスク駆動装置１２はマスク１０をビーム長軸方向に揺動させる。マスク１０を揺動させることで、後述するオーバーラップ率の制御を容易に行うことができる。【００３３】
マスク１０を揺動させるマスク駆動装置１２は、ピエゾ素子で構成することが可能である。ピエゾ素子は印加電圧の制御によって高い周波数の振動を発生させることができるので、マスク１０の高速揺動を容易に実現できる。また、マスク駆動装置１２は、モータとモータの回転運動を往復運動に変換する機構とで構成することもできる。【００３４】
マスク１０の動作態様は、揺動だけでなく、回転であってもよい。例えば、マスク１０をマスクの揺動幅に相当する切掻きのついた回転板（金属でもセラミックスでももしくはガラスにクロム膜などの遮光膜を塗布したものでも良い）でも同様の効果を得ることができる。例えば、パルス周波数が２ｋＨｚのパルスレーザで、オーバーラップ率を９５％（例えばビーム幅１００μｍで搬送速度５μｍ／パルスで照射するケース：同じエリアにレーザが２０回照射される）で設定した場合、回転板の回転数を２ｋＨｚとして、切掻き部にレーザが透過するように同期させた場合、オーバーラップ率は９５％のままである。一方、回転板の回転数を１ｋＨｚとした場合、レーザは回転板に２周に１回、遮蔽されるため、ビーム端部には２０回から１０回しか照射されなくなり、見かけのパルスあたりの搬送速度は２倍になるため、オーバーラップ率は９０％に減少する。さらに同期する回転数を小さくすることで、さらにオーバーラップ率を低下させることができる。
なお、オーバーラップ率ＯＲは、以下の式により定義される。
ＯＲ＝（１−Ｖ／Ｗ）×１００    Ｗ：ビーム幅    Ｖ：搬送速度（１パルスあたり）【００３５】
またマスク１０の配置位置の別の例として、図４に示すように、一旦形成した像の端部をマスク１０で遮蔽し、その像を光学系１４により照射面に結像させる構成としてもよい。この場合、図３と同様に、レーザ光２の長軸方向の両端にマスク１０を配置してもよい。【００３６】
図５は、パルス周波数が２ｋＨｚのパルスレーザで、オーバーラップ率を９５％（例えばビーム幅１００μｍで搬送速度５μｍ／パルスで照射するケース：同じエリアにレーザが２０回照射される）で設定した場合に、マスク１０の揺動周波数によってビーム端部に照射されるオーバーラップ率がどのように変化するかを示している。
揺動周波数が１ｋＨｚとした場合、ビームエッジには１０回しか照射されなくなるため、見かけのパルスあたりの搬送速度は２倍になり、オーバーラップ率は、９５％から９０％に変化する。５００Ｈｚに変化させると、図５から、ビームエッジには５回しか照射されなくなるため、オーバーラップ率は８０％に低減できる。
以上のように、揺動周波数をより低く制御することで、ビーム端部のオーバーラップ率を下げることができる。
なお、オーバーラップ率ＯＲは、以下の式により定義される。
ＯＲ＝（１−Ｖ／Ｗ）×１００    Ｗ：ビーム幅    Ｖ：搬送速度（１パルスあたり）  【００３７】
次に、上記のように構成されたレーザアニール装置１の動作を説明する。
図２において、レーザ光源３からレーザ光２を出射させ、ビーム整形光学系４によるビーム整形４及び集光レンズ６による集光によりレーザ光２を線状ビームに集光して被処理体７に照射する。【００３８】
この状態で移動ステージ９の移動により、図６Ａに示すように、被処理体７に対して線状ビーム（の照射部分Ｂ）を短軸方向に相対的に移動させて、レーザ照射部分Ｂで非晶質半導体膜の結晶化を行う。例えば、アモルファスシリコン膜をポリシリコン膜にする。【００３９】
線状ビームの長軸方向の長さより大きい基板を処理する場合、１列目の照射が完了した後、移動ステージの移動によりレーザ光２を長軸方向に相対的に移動させて２列目以降の照射を行い、この際に、隣接する列同士のビーム照射領域が一部重なるように照射する。これにより、基板の全面を照射する。図６Ｂでは、２列の照射により被処理体７を処理した例を示しており、Ｒ１が１列目、Ｒ２が２列目である。また、Ｗは１列目と２列目の重なり部分（継ぎ目部）である。【００４０】
本発明では、線状ビームの照射中、レーザ光２の光路上に配置されたマスク１０により、線状ビームの端部に対応する部分を遮蔽し、遮蔽量が周期的に増減するようにマスク１０を動作させ、ビーム端部のオーバーラップ率を低下させる。従来のようにオーバーラップ率を制御しない場合、継ぎ目部Ｗには２列分の照射が行われるが、本発明のようにビーム端部のオーバーラップ率を下げることで、継ぎ目部Ｗでの照射量を減らし、これによりオーバーラップ率の過剰を防止することができる。
また、隣接する列同士でビームを重ねて照射することでオーバーラップの不足も防止することができる。【００４１】
ここで、マスク１０によるビーム端部のオーバーラップ率の制御は、隣接する２つの列の少なくとも一方を照射するときに、継ぎ目部Ｗとなる側のビーム端部について行えばよい。例えば、１列目はマスク１０による遮蔽なしで照射し、２列目の照射でビーム端部のオーバーラップ率の制御を行ってもよく、逆に、１列目Ｒ１の照射でビーム端部のオーバーラップ率の制御を行い、２列目はマスク１０による遮蔽なしで照射するようにしてもよい。この場合、ビーム端部のオーバーラップ率の制御は、片側の端部のみでよいので、配置されるマスク１０もレーザ光２の片側のみでよい。【００４２】
あるいは、継ぎ目部Ｗとなる側のビーム端部についてのオーバーラップ率の制御を、隣接する２つの列を照射するときの両方において行ってもよい。
この場合、ビーム端部のオーバーラップ率の制御は、両端部において行う必要があるため、図３の構成例のようにレーザ光２の長軸方向の両側にマスク１０が配置される必要がある。【００４３】
マスク１０の振動幅は、継ぎ目部Ｗの重なり幅に応じて設定するのがよい。例えば、マスク駆動装置１２としてピエゾ素子を用いる場合、ピエゾ素子の振動幅は通常１００μｍ以下なので、この範囲内で設定するのが望ましい。【００４４】
マスク１０による遮蔽が無い状態で照射したときには隣接する列の継ぎ目部が重ならないような位置関係で被処理体７にビームを照射する場合でも、マスク１０による遮蔽がある状態ではマスク１０による回折光２ａにより継ぎ目部Ｗが重なる状態となるのであれば、そのような照射態様も可能である。【００４５】
マスク１０の揺動周波数は、パルスレーザのパルス周波数と、必要なオーバーラップ率により決定する。マスク１０の揺動周波数とビーム端部のオーバーラップ率との関係は、上述したとおりである（図５を参照）。【００４６】
なお、マスク１０での回折光２ａによりビーム端部のエネルギー強度が大きくならないように、マスク１０を単結晶シリコンなどで構成し、ビーム長軸方向のエネルギー分布をプロファイルモニタで監視しながら調整することが望ましい。【００４７】
上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2009157373.tif 000004
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
2009157373.tif 000008
【図５】
2009157373.tif 000009
【図６Ａ】
2009157373.tif 000010
【図６Ｂ】
2009157373.tif 000011
【国際調査報告】
2009157373.tif 000012
2009157373.tif 000013