(57)【要約】【課題】基板への熱的負荷を小さく抑えた半導体薄膜のアニール処理に好適に用いることが可能なレーザ処理装置を提供する。【解決手段】処理対象となる基板Ｗを載置するステージ１と、半導体レーザ発振器からなる光源部３と、光源部３から発振されたレーザ光Ｌｈのビーム径を整形するビーム整形部５と、ビーム整形部５で整形されたレーザ光Ｌｈを所定方向に走査させながらステージ上に載置された基板Ｗに対してレーザ光Ｌｈを照射する走査部７とを備えた。【選択図】図１
2006134986.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理対象となる基板を載置するステージと、
半導体レーザ発振器からなる光源部と、
前記光源部から発振されたレーザ光のビーム径を整形するビーム整形部と、
前記ビーム整形部で整形されたレーザ光を所定方向に走査させながら前記ステージ上に載置された基板に対して当該レーザ光を照射する走査部とを備えた
ことを特徴とするレーザ処理装置。
【請求項２】
請求項１記載のレーザ処理装置において、
前記光源部、ビーム整形部、および走査部を備えた処理ユニットを複数備え、
前記ステージ上に載置された基板の各位置に対して前記複数の処理ユニットによって前記レーザ光が多点照射される
ことを特徴とするレーザ処理装置。
【請求項３】
請求項１記載のレーザ処理装置において、
前記ステージは、前記走査部による前記レーザ光の走査方向と異なる方向に前記基板を走査させる
ことを特徴とするレーザ処理装置。
【請求項４】
請求項３記載のレーザ処理装置において、
前記ステージは、前記基板を走査させる方向に当該基板を巻き取り自在に構成されている
ことを特徴とするレーザ処理装置。
【請求項５】
請求項１記載のレーザ処理装置において、
前記光源部は、ＧａおよびＮを含む化合物半導体レーザ発振器からなる
ことを特徴とするレーザ処理装置。
【請求項６】
請求項１記載のレーザ処理装置において、
前記ステージ上に載置した基板表面に対する前記レーザ光の焦点位置を調整するフォーカス調整部を備えている
ことを特徴とするレーザ処理装置。
【請求項７】
請求項６記載のレーザ処理装置において、
前記フォーカス調整部は、処理対象となる材料に対して吸収されない波長のフォーカス光を、前記光源部から発振させた前記レーザ光と共に前記走査部で走査させて前記ステージ上に載置された基板で反射させて検出することにより、前記レーザ光の焦点を調整する
ことを特徴とするレーザ処理装置。
【請求項８】
請求項１記載のレーザ処理装置において、
前記ビーム整形部で整形されたレーザ光を前記走査部に導光するための光ファイバーを設けた
ことを特徴とするレーザ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ処理装置に関し、特には薄膜半導体装置の製造において半導体薄膜のアニール処理に好適に用いられるレーザ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置のようなフラット型表示装置においては、複数画素のアクティブマトリックス表示を行うためのスイッチング素子として、薄膜トランジスタ（thin film transistor：ＴＦＴ）が用いられている。薄膜トランジスタには、多結晶シリコン（poly-Si）あるいは微結晶シリコン（μc-Si）など活性領域に用いたＴＦＴ（多結晶シリコンＴＦＴ）と、非晶質シリコン（アモルファスＳｉ）を活性領域に用いたＴＦＴ（非晶質シリコンＴＦＴ）とがある。このうち、多結晶シリコンＴＦＴは、非晶質シリコンＴＦＴと比較してキャリアの移動度が１０倍から１００倍程度大きいという特徴があり、スイッチング素子の構成材料として非常に優れた特性を有している。したがって、上述したフラット型表示装置において、表示画像の高精細化とともに、システムオンパネルと呼ばれる様なディスプレイ基板上に様々な機能や回路を持たせて高機能化を図るためには、スイッチング素子として多結晶シリコンＴＦＴを用いることが必須の技術となっている。
【０００３】
以上のような多結晶シリコンＴＦＴの製造技術として、おおむね６００℃以下の低温プロセスのみを用いる、いわゆる低温ポリシリコンプロセスが開発され、実用化されている。低温ポリシリコンプロセスを用いることにより、基板として石英、単結晶シリコンなどの高耐熱性ではあるが高価な基板を用いる必要がなくなり、抵コストで高精細なフラット型表示装置が実現されるのである。
【０００４】
ここで、低温ポリシリコンプロセスにおいては、先ず、熱分解ではなくプラズマ分解のＣＶＤ法によって半導体薄膜を成膜する。このようにして成膜された半導体薄膜には水素が含有されるため、次の工程では４５０℃以上の温度での数時間の加熱により、半導体薄膜中に含有された水素を放出する脱水素アニールを行う。その後、半導体薄膜の結晶化のためにエキシマレーザ光の照射によるレーザアニールを行う。この際、大型の基板に対しては、長尺の線状に成形したレーザ光の照射領域をずらしながら、各照射位置に対して複数回のパルス照射を行うことにより、基板の全面において均一なエネルギーでのレーザ光の照射を行い結晶粒径の均一化を図っている（以上、下記特許文献１参照）。
【０００５】
ところで、上述したレーザアニールに用いられるレーザ処理装置のレーザ光源として、従来用いられているエキシマレーザ光源は、出力安定性に欠け、非常に扱い難いデバイスである。そのため、出力安定性の観点から、レーザ光のエネルギーが安定であり、かつ寿命が長い、紫外光領域の固体レーザ光源や半導体レーザ光源を用いるのが望ましいと考えられる。
【０００６】
しかしながら、固体レーザ光源や半導体レーザ光源を用いたレーザ処理装置では、１つの光源のみでは充分なパワーを得ることが困難である。そこで、複数の光源から出射されたレーザ光を合成して、照射領域が広くかつ必要な照射エネルギー密度が得られるに足るレーザ光を生成することが考えられる。ただし、上述したポリシリコン膜を製造する場合には、光束径内の強度分布が均一となっているレーザ光によりレーザアニールをしなければ、結晶粒径にばらつきが生じ薄膜トランジスタの特性が悪化してしまう。そのため、複数の光源から出射されたレーザ光を合成する際には、照射領域内の強度分布を均一化する必要もある。これらの要請に応える装置例として、レーザ光を発する光源を２つ備える２ビーム構成のものが開示されている。そして、基板を載置したステージの駆動により、基板をＸ−Ｙ方向に移動させつつ、これに同期させて基板の表面にレーザ光をパルス照射する（下記特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３４０５０６号公報（第２１段落参照）
【特許文献２】国際公開ＷＯ０３０４９１７５号公報（ｆｉｇ１５参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、上述した構成に代表されるレーザアニール用のレーザ処理装置のいずれも、より広い範囲に均等にレーザ光を照射することを目的とし、基板のステップ移動に同期させてレーザ光をパルス照射する構成である。そして、このような装置を用いたアニールでは、上述したように、長尺の線状に成形したレーザ光の照射領域をずらしながら、各照射位置に対して複数回のパルス照射を行う、と言った処理が行われる。したがって、例えば表示装置の駆動基板用に配列された素子の一部をアニールするようなプロセスにおいては、照射しているエネルギーの殆どは使用されない領域にエネルギーを費やしており無駄が多い。
【０００９】
近年、フラット型表示装置の製造においては、ガラス基板にかえて、取り扱いが容易なプラスチック基板を用いるプロセスが検討されている。特に、フレキシブルに屈曲するプラスチック基板を用いることで、ロール・ツー・ロールでのプロセスが可能となるため、設備費用の削減において大きなメリットが期待できる。しかしながら、上述したような広範囲にレーザ光を照射する構成では、基板に対する熱的負荷が大きく、プラスチック基板を用いたプロセスへの適用に適しているとは言い難い。
【００１０】
そこで本発明は、基板への熱的負荷を小さく抑えた半導体薄膜のアニール処理に好適に用いることが可能なレーザ処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような目的を達成するための本発明のレーザ処理装置は、処理対象となる基板を載置するステージを備えている。そして、半導体レーザ発振器からなる光源部、この光源部から発振されたレーザ光のビーム径を整形するビーム整形部、さらにはビーム整形部で整形されたレーザ光を所定方向に走査させながらステージ上に載置された基板に対して照射する走査部を備えている。
【００１２】
このような構成のレーザ処理装置では、ステージ上に載置された基板に対してレーザ光を走査させるための走査部を設けている。このため、ステージの駆動によってレーザ光の照射位置を走査させる場合と比較して、基板に対してレーザ光を高速度で走査することができる。これにより例えば、０．１ｍ／秒を越える高速で基板に対してレーザ光を走査させながら、当該基板に対してレーザ光の連続照射が行われるようになる。そして、基板に対するレーザ光の移動速度によって、当該基板に対する熱的負荷を軽減させると言ったアニール工程を行うことができる。また、このようなレーザ光の照射を基板に対する必要部分のみに選択的に行うことにより、さらに基板に対する熱的負荷が軽減される。
【００１３】
また、半導体レーザ発振器からなる光源部を設けたことにより、光源部が小型されるため、光源部を有する処理ユニットを複数設けて基板の各位置に対してレーザ光を多点照射する構成とすることもできる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように本発明によれば、レーザ光の移動速度を高速で調整することによって、当該基板に対する熱的負荷を軽減させたアニール工程を行うことが可能になるため、例えば基板上の半導体薄膜を結晶化するためのアニール処理において、さらに耐熱性の低いプラスチック基板等を用いることが可能になる。この結果、例えば薄膜半導体装置の製造工程において、ロール・ツー・ロールでの設備費用を抑えた量産プロセスを実現することができる。また、半導体レーザ発振器からなる光源部とすることで、基板の各位置に対してレーザ光を多点照射する構成とすることも可能であることから、レーザ照射を行う工程の時間短縮による生産性の向上を図ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここで説明する実施形態のレーザ処理装置は、いわゆる半導体薄膜の結晶化活性化等の工程において、基板上に形成されたシリコンやゲルマニウム等の非晶質半導体膜を結晶化、活性化するために用いられる装置である。
【００１６】
＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態のレーザ処理装置を示す構成図である。この図に示すレーザ処理装置は、処理対象となる基板Ｗを載置するステージ１、レーザ光Ｌｈを発振する光源部３、レーザ光Ｌｈの照射形状を整形するビーム整形部５，レーザ光Ｌを走査させる走査部７、ステージ上に載置した基板表面に対するレーザ光Ｌｈの焦点位置を調整するフォーカス調整部９、さらには観察部１１を備えている。
【００１７】
このうち、ステージ１は、当該ステージ１上に載置した基板Ｗを水平に保ち、その水平面内におけるＸ−Ｙ方向に基板Ｗを自在に移動・走査させることが可能なスライダを設けた構成となっている。ここで、このステージ１上に載置される基板Ｗが可とう性を有してフレキシブルに屈曲する場合、ステージ１はその端部にロール・ツー・ロールの基板巻き取り機構を設け、基板Ｗを走査させる一方向（例えば±Ｙ方向）に基板Ｗを巻き取り自在に構成されたものであっても良い。尚、図面上においては、Ｙ方向を図面上の奥行き方向としている。
【００１８】
そして、光源部３は、半導体レーザ発振器で構成されていることとする。半導体レーザ発振器としては、このレーザ処理装置を用いてどのような処理を行うかによって適切な波長のレーザ光Ｌｈを発振するものが選択される。例えば、このレーザ処理装置を非晶質シリコンからなる半導体薄膜の結晶化および活性化に用いる場合、発振波長が３５０ｎｍ〜４７０ｎｍの波長を含む、ＧａおよびＮを含む化合物半導体レーザ発振器が用いられる。特に、結晶化及び活性化に必要なハイパワー（例えば連続照射で定格４０ｍＷ以上）のＧａＮ系化合物半導レーザ発振器が、光源部３として好適に用いられる。
【００１９】
また、ビーム整形部５は、光源部３から発振されたレーザ光Ｌｈのビーム径を整形するためのもので、光源部３から発信されたレーザ光Ｌｈの光路上に設けられている。このビーム整形部５は、レーザ光の照射形状を略円形かつ平行光とする複数のコリメートレンズ５ａ，５ａ、および楕円形ビームを円形ビームに変換するためのアナモルフィックプリズム５ｂを、レーザ光Ｌｈの光路上に設けてなる。これにより、レーザ光Ｌｈの照射径が１０μｍ以下の範囲の所定形状に整形可能としている。
【００２０】
さらに走査部７は、ビーム整形部５で整形されたレーザ光Ｌｈを所定方向に走査させながらステージ１上に載置された基板Ｗに対してレーザ光Ｌｈを照射するもので、ビーム整形部５を通過して整形されたレーザ光Ｌｈの光路上に配置されている。この走査部７は、例えば図２に示すようなポリゴンミラー７ａからなり、このポリゴンミラー７ａを回転操作することにより、ビーム調整部５側から入射したレーザ光ＬｈをＸ方向に偏向させて基板Ｗ上を走査させる。このポリゴンミラー７ａは、Ｘ方向に所定の走査範囲でレーザ光Ｌｈが走査されように、その形状および基板Ｗとの距離が設定され、さらにレーザ光Ｌｈが所定の走査速度となるように回転速度が設定されていることとする。
【００２１】
尚、この走査部７は、往復的に回動操作されるガルバノ・ミラー方式であっても良く、物質内での音波と光波の相互作用により光の変調や偏向をおこなうＡＯＤ(Acousto-Optic-Device)方式、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical System：微小電気機械システム）による走査を用いても良い。
【００２２】
尚、このような走査部７によるレーザ光Ｌｈの走査は、例えばＸ方向に行われることとする。
【００２３】
また、以上の走査部７によって走査されたレーザ光Ｌｈは、ｆθレンズ１３を経て、ここでの図示を省略した集光レンズにより、基板Ｗ上に結像されつつ基板Ｗ上をＸ方向に走査される構成となっている。
【００２４】
さらに、上述した構成において、ビーム整形部３−走査部７間には、レーザ光Ｌｈの進行方向を変えるためのミラーを必要に応じて設けることで、光源部３から発振されたレーザ光Ｌｈがビーム整形部５、走査部７に所定方向から入射されるようにする。図示した例では、ビーム整形部５−走査部７の間に２枚のハーフミラー１５ａ，１５ｂを配置することで、ビーム整形部５−走査部７をコンパクトに配置しつつビーム整形部５を通過したレーザ光Ｌｈが走査部７に所定方向から入射されるようにしている。
【００２５】
また、フォーカス調整部９は、ステージ１上に載置した基板Ｗの表面に対するレーザ光Ｌｈの焦点位置を調整する部分である。このフォーカス調整部９は、処理対象となる材料（すなわち基板Ｗの表面層を構成する材料）に対して、吸収による影響が少ない波長のフォーカス光Ｌｈ’を、レーザ光Ｌｈと共に走査部７で走査させ、ステージ１上に載置された基板Ｗで反射させて検出することにより、レーザ光Ｌｈの焦点を調整する。このため、例えば非晶質シリコンからなる半導体薄膜の結晶化および活性化にレーザ処理装置を用いる場合には、シリコン系半導体膜での吸収がわずかになる６５０ｎｍ以上の波長、好ましくは波長８３０ｎｍのレーザ光をフォーカス光Ｌｈ’として用いる。これにより、フォーカス光Ｌｈ’照射による基板Ｗ表面への影響を防止する。
【００２６】
このようなフォーカス調整部９は、フォーカス光Ｌｈ’を発振する光源部９ａ、フォーカス光Ｌｈ’の照射形状を整形するビーム整形部９ｂ、ビーム整形部９ｂで整形したフォーカス光Ｌｈ’をレーザ光Ｌｈと同一光路で走査部７に導くためのハーフミラー９ｃ、さらには基板Ｗで反射させたフォーカス光Ｌｈ’の光路上に設けたオートフォーカスセンサ９ｄで構成されている。そして、基板Ｗで反射されて戻ってくるフォーカス光Ｌｈ’がオートフォーカスセンサ９ｄに導かれてレーザ光Ｌｈのフォーカスサーボを可能としている。これにより、レーザ光Ｌｈがデフォーカス無く基板Ｗの表面に対して照射される構成となっている。
【００２７】
またさらに、観察部１１は、基板Ｗの表面におけるレーザＬｈの照射部部分をモニターするための部分である。この観察部１１は、照明光Ｈを照射する照明光源１１ａ、照明光源１１ａから照射された照明光Ｈを整形する整形部１１ｂ、整形部１１ｂで整形した照明光Ｈをレーザ光Ｌｈと同一光路で走査部７に導くためのハーフミラー１１ｃ、基板Ｗの表面で反射した照明光Ｈを整形する整形部１１ｄ、整形部１１ｄで整形された照明光Ｈを受光する撮像部１１ｅ、撮像部１１ｅで検出された像を映し出すためのモニター１１ｆで構成されている。
【００２８】
そして以上のような構成のうち、光源部３、ビーム整形部５、および走査部７、さらにはｆθレンズ１３で、処理ユニット２０が構成され、１つのレーザ処理装置に複数の処理ユニット２０が設けられていることとする。
【００２９】
ここでは、例えば図３には、ステージ上に載置された基板Ｗと平行な一方向に、４つの処理ユニット２０が配列された例を図示している。しかしながら、処理ユニット２０の配列はこれに限定されることはなく、さらに５つ以上の処理ユニット２０を設けても良く、複数の処理ユニット２０を複数列に配列しても良い。
【００３０】
以上のような構成のレーザ処理装置では、走査部７によるＸ方向へのレーザ光Ｌｈの走査を、ステージ１の駆動によって当該ステージ１上の基板ＷをＹ方向に移動させつつ繰り返して行う。また、ステージ１のＸ−Ｙ方向への駆動により、基板Ｗ板上のＸＹ二次元の任意の位置に対してレーザ光Ｌｈを照射した処理を行うことができる。
【００３１】
そして、このレーザ処理装置によれば、ステージ１上に載置された基板Ｗに対してレーザ光Ｌｈを走査させるための走査部７を設けている。このため、ステージ１の駆動によってレーザ光Ｌｈの照射位置を走査させる場合と比較して、基板Ｗに対してレーザ光Ｌｈを高速度で走査することができる。これにより例えば、０．１ｍ／秒を越える高速で基板Ｗに対してレーザ光Ｌｈを走査させながら、当該基板Ｗに対してレーザ光Ｌｈの連続照射が行われるようになる。そして、基板Ｗに対するレーザ光Ｌｈの移動速度によって、基板Ｗに対する熱的負荷を軽減させると言ったアニール工程を行うことができる。また、このようなレーザ光Ｌｈの照射を基板Ｗに対する必要部分のみに選択的に行うことにより、さらに基板Ｗに対する熱的負荷が軽減される。
【００３２】
この結果、レーザ光Ｌｈの移動速度を高速で調整することによって、基板Ｗに対する熱的負荷を軽減させたアニール工程を行うことが可能になるため、例えば基板Ｗ上の半導体薄膜を結晶化するためのアニール処理において、さらに耐熱性の低いプラスチック基板等を用いることが可能になる。この結果、例えば薄膜半導体装置の製造工程において、ロール・ツー・ロールでの設備費用を抑えた量産プロセスを実現することができる。
【００３３】
また光源部３から発振させるレーザ光Ｌｈの出力調整によってレーザ光Ｌｈの強度変調行うことおよびＡＣ駆動の場合ではＤｕｔｙを変えることで、該基板上のＸＹ二次元の領域内に任意のレーザ強度分布パターンを形成することも可能となる。
【００３４】
しかも、半導体レーザ発振器からなる光源部３を設けたことにより、エキシマレーザー装置やＹＡＧレーザーに比べて、光源部３を小型化して装置全体の小型化を図ることが可能となる。また、光源部３が小型されるため、光源部３を備えた処理ユニット２０を複数設けて基板Ｗの各位置に対してレーザ光を多点照射する構成とすることもできる。これにより、レーザ照射を行う工程を短縮して生産性の向上を図ることが可能になる。
【００３５】
尚、処理対処となる基板Ｗには、基板Ｗ上の二次元平面内において同一の基準点となるアライメント・マークをパターン形成しておくこととする。
【００３６】
これにより、以上のような基板Ｗに対して、上記構成のレーザ処理装置を用いた処理を行う場合には、先ず、基板Ｗに形成した基板Ｗに一個もしくは複数個配置されたアライメント・マークの位置や形状を検出、認識することで、基板Ｗの平面内での回転調整及びＸＹ方向の位置調整を行い、レーザ処理装置を用いたアニール処理のための基準点を求める。そして、この基準点に基づいて、レーザ処理装置における基板Ｗの配置状態を所定状態にする。つまり、基板Ｗの表面においてアニール処理を施したい部分が、レーザ光Ｌｈの照射位置となるように、ステージ１の駆動によってレーザ処理装置の処理ユニット２０に対して基板Ｗを移動させる。
【００３７】
尚、このレーザ処理装置を非晶質シリコンからなる半導体薄膜の結晶化および活性化に用いる場合においては、基板Ｗに対するレーザ光Ｌｈの連続照射とは、レーザ光Ｌｈの移動に際して休止無く完全に連続である場合と共に、レーザ光Ｌｈの照射によって溶融した半導体薄膜部分の凝固が完全に完了しない程度の休止が入る場合を含むこととする。このため、このような条件を満たせば、照射時間よりも短い休止時間が入る場合も連続照射に含まれ、一例として半導体薄膜部分への１００ｎｓの照射時間に対して１０〜２０ｎｓ程度の休止が入る場合も連続照射に含むこととする。尚、照射時間に対する休止時間は、半導体薄膜の材質および膜厚、レーザ光Ｌｈのエネルギー密度、等によって適宜設計される。このような休止時間を入れることにより、レーザ光Ｌｈ照射による基板Ｗへの熱的影響を抑えることができる。尚、エキシマレーザ光は完全なパルス波であり、３００Ｈｚ程度のパルス波であれば、２５ｎｓの照射時間に対して３３００ｎｓ程度の休止が入ることになる。このため、エキシマレーザ光では、レーザ光Ｌｈの照射によって溶融した半導体薄膜５部分の凝固が完全した状態で次のパルス照射が行われることになるため、上述したいわゆる「連続照射」を行うことはできない。
【００３８】
次に、上述したレーザ処理装置を用いたアニール処理の一例として、基板Ｗの表面を覆う非晶質シリコンからなる半導体薄膜を結晶化するためのアニール処理を説明する。ここでは、基板Ｗとして、例えばプラスチック基板上に断熱用のバッファ層を介しての非晶質シリコンからなる半導体薄膜が形成されたものを用いる。この半導体薄膜は、成膜温度を低く抑えることが可能なＰＥ−ＣＶＤ（plasma enhancement-chemical vapor deposition）法によって５０ｎｍの膜厚で成膜されていることとする。このようにして成膜された半導体薄膜は、多量の水素が含有されたいわゆる水素化非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）からなる。
【００３９】
以上のような半導体薄膜に対しては、通常、熱処理炉内での脱水素アニール処理により水素抜きを行った後に、結晶化のためのレーザアニール処理を行う。これにより、レーザアニール処理の際に、水素イオンがガス化して膨張し膜を破壊する、いわゆるアブレーションを防止するのである。
【００４０】
しかしながらここでは、上記のレーザ処理装置を用いることで、４５０℃以上の温度で数時間の脱水素アニールを前処理として行うことなく、次のようなレーザアニール処理のみでの結晶化を行うことが可能になる。すなわち、上記レーザ処理装置を用い、半導体薄膜に対して所定速度で照射位置を移動させながら、ＧａＮ系化合物半導体レーザ発振器からの３５０ｎｍ〜４７０ｎｍの波長のレーザ光Ｌｈを照射する。この際、レーザ光の照射は連続照射とする。これにより、半導体薄膜の結晶化と共に、当該半導体薄膜中において水素イオンをガス化して膨張させることなくレーザ光Ｌｈの照射部から余剰水素を除去するのである。
【００４１】
これにより、レーザ光Ｌｈの照射部のみを結晶化し、さらにはこの部分の活性化を行うことが可能となっている
【００４２】
このようなレーザアニール処理では、上記レーザ処理装置を用いたことにより、半導体薄膜に対するレーザ光の照射位置を高速の所定速度で移動させることが可能であり、レーザ光の照射による半導体薄膜の発熱が基板にまで影響することを防止している。さらに、このアニール工程においては、半導体薄膜に対してレーザ光を連続照射しながら移動させる構成としている。これにより、レーザ光の照射部における余剰水素がレーザ光の移動に伴って半導体薄膜中を移動し続けることになるため、結晶化領域中から余剰水素が除去される。したがって、４５０℃以上の温度で数時間の脱水素アニール処理を、別工程で行う必要はない。しかも、レーザ光の照射部からは余剰水素が除去されるものの、適量の水素が残存した状態となる。したがって、本レーザアニール処理により、半導体薄膜における結晶化領域中の脱水素と水素化処理とが同時に行われる。
【００４３】
そしてこれにより、レーザ光の照射による半導体薄膜の発熱が基板にまで影響することを防止しつつも、４５０℃以上の温度で数時間の脱水素アニール処理を別工程で行うことなく、半導体薄膜の結晶化のためのアニール工程において脱水素を同時に行うことが可能になる。これにより、結晶化した半導体薄膜を用いた高機能な薄膜半導体装置の基板として、さらに耐熱性の低い材料を用いることが可能になる。この結果、プラスチック基板を用いることが可能になり、例えばロール・ツー・ロールでの設備費用を抑えた量産プロセスを実現することができる。また、上述した半導体薄膜の結晶化および脱水素と共に、水素化処理も同時に行われるため、結晶化した半導体薄膜を用いた薄膜半導体装置の製造プロセスの簡略化とこれにより生産性の向上を図ることが可能になる。
【００４４】
尚、上述した構成のレーザ処理装置において、対物レンズの実効的なＮａを例えば０．４とし、さらに実質的な光学効率を０．２５とした場合、平均で２．６ｍＷ／ｃｍ２のエネルギー密度が可能となり、走査速度を１．２ｍ／ｓ程度に調整すると、膜上の一点を通過するビーム径の通過時間は約１００ｎｓとなり、最大２．６Ｊ／ｃｍ２相当のエネルギーを照射可能であることがわかる。
【００４５】
そこで、ＰＥ−ＣＶＤ法で成膜した膜厚５０ｎｍの半導体薄膜５ａ（ａ−Ｓｉ：Ｈ）に対して、移動速度ｖｔ＝８．２ｍ／秒で１Ｊ／ｃｍ2相当のエネルギーでレーザ光Ｌｈを照射したところ、図４に示すように、図中矢印で示すレーザ光Ｌｈの移動方向に凸となる三日月形の結晶粒ａが、レーザ光Ｌｈの移動方向（矢印方向）に沿って配列されることが確認された。結晶粒ａは、幅８００ｎｍ×移動方向長さ１００ｎｍ程度であった。またレーザ光の照射終了端には、半導体薄膜５ａの結晶領域Ａの端部に余剰水素ｂがボイド状に析出した欠陥が見られた。またレーザ光Ｌｈの照射開始端にもレーザ光の移動と反対方向に凝固が進んだ領域に部分的に同様の欠陥が見られた。
【００４６】
また、ここで、対物レンズの実効的なＮａを例えば０．６として設計した定格６０ｍＷのＧａＮレーザ発振器を用いたレーザ装置において、さらに実質的な光学効率が０．５の場合、平均で１７．７ＭＷ／ｃｍ２のエネルギー密度が可能となる。したがって、レーザ光の走査速度を８．２ｍ／Ｓ程度まで上げられるとすると、半導体薄膜の一点を通過するレーザ光の通過時間（すなわち照射時間）は約１００ｎｓとなり、最大１．７７Ｊ／ｃｍ２相当のエネルギーを照射可能であることがわかる。この場合でも、ＣＶＤ法によって成膜した膜厚５０ｎｍの非晶質シリコンからなる半導体薄膜に対して、この装置を用いて１Ｊ／ｃｍ２相当のエネルギーを投入したところ、結晶化が可能であることが確認された。
【００４７】
＜第２実施形態＞
図５は、第２実施形態のレーザ処理装置を示す構成図である。この図に示すレーザ処理装置と図１を用いて説明した第１実施形態のレーザ処理装置との異なるところは、ビーム整形部５と走査部７との間に光ファイバー２３を設けたこところにあり、他の構成は同様であることとする。
【００４８】
すなわち、ビーム整形部５で整形されたレーザ光Ｌｈが、光ファイバー２３によって走査部７に導かれる構成としたことにより、レーザ光Ｌｈの光路において走査部７よりも後段の部分をレーザ処理装置の本体から独立させた構成となっている。尚、フォーカス調整部９で用いるフォーカス光Ｌｈ’および観察部１１で用いる照明光Ｈも、光ファイバー２３により走査部７に導かれる構成となっている。また、フォーカス調整部９のオートフォーカスセンサ９ｄも走査部７側に設けられ、オートフォーカスセンサ９ａにフォーカス光Ｌｈ’を取り込んでレーザ光Ｌｈのフォーカスサーボを可能としている。
【００４９】
以上のような構成としたことにより、処理ユニット２０のうちの必要分部のみをステージ１上に配置される構成となり、ステージ１上に配置される処理ユニット部分の光型化を図ることが可能になる。したがって、ステージＷ上における処理ユニット部分の配置状態を密にしてレーザ光の多点照射における照射間隔を小さくすることができる。この結果、第１実施形態と比較して、さらに多数の処理ユニットを設けたレーザ処理装置を構成することが可能になるため、さらなる生産性の向上を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】第１実施形態のレーザ処理装置の構成図である。
【図２】ポリゴンミラーによるレーザ光の走査を説明する図である。
【図３】処理ユニットの配置状態の一例を示す図である。
【図４】本発明装置を用いたレーザアニール工程で得られる結晶粒を説明する平面図である。
【図５】第２実施形態のレーザ処理装置の構成図である。
【符号の説明】
【００５１】
１…ステージ、３…光源部、５…ビーム整形部、７…走査部、９…フォーカス調整部、２０…処理ユニット、２３…光ファイバー、Ｌｈ…レーザ光、Ｌｈ’…フォーカス光、Ｗ…基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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