(57)【要約】【課題】レーザを照射して薄膜トランジスタに用いる微結晶薄膜を形成する工程において、結晶性の周期的な劣化を回避し、安定して均一性能の微結晶膜を形成することができる平面表示装置の製造方法を提供する。【解決手段】連続発振レーザ光を非晶質シリコン膜表面に照射し、一定の速度でレーザを基板に対して相対的に走査しながら結晶化する際に、非晶質シリコン膜の一領域あたりへのレーザ照射時間が０．１ｍｓ以上となるように走査し、結晶化を行う。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜トランジスタ基板を製造する薄膜トランジスタ基板製造工程を備え、
前記薄膜トランジスタ基板製造工程は、
絶縁基板上に非晶質シリコン薄膜を形成する非晶質シリコン薄膜形成工程と、
前記非晶質シリコン薄膜に第１の連続発振レーザ光を照射して、微結晶シリコン膜を形成する微結晶シリコン膜形成工程と、
を有する、ことを特徴とする表示装置の製造方法。
【請求項２】
前記微結晶シリコン膜形成工程における前記連続発振レーザ光の一領域あたりの照射時間は１００マイクロ秒以上である、ことを特徴とする表示装置の製造方法。
【請求項３】
前記微結晶シリコン膜に第２の連続発振レーザ光を照射して、前記微結晶シリコン膜の結晶よりも粒径の大きい結晶のシリコン膜を形成する結晶シリコン膜形成工程を更に有する、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の表示装置の製造方法。
【請求項４】
前記結晶シリコン膜形成工程では、多結晶シリコン膜が形成され、
前記第２の連続発振レーザ光の強度は、前記第１の連続発振レーザ光の強度よりも大きく、
前記第２の連続発振レーザ光の走査速度は、前記第１の連続発振レーザ光の走査速度よりも速い、ことを特徴とする請求項３に記載の表示装置の製造方法。
【請求項５】
前記第２の連続発振レーザ光の走査速度は、前記第１の連続発振レーザ光走査速度の１０倍以上である、こと特徴とする請求項４に記載の表示装置の製造方法。
【請求項６】
前記微結晶シリコン膜を使用した薄膜トランジスタは、前記薄膜トランジスタ基板の表示領域内の薄膜トランジスタであり、前記粒径の大きい結晶のシリコン膜を使用したトランジスタは、前記薄膜トランジスタ基板の表示領域外の薄膜トランジスタである、ことを特徴とする請求項１に記載の表示装置の製造方法。
【請求項７】
薄膜トランジスタ基板を備える表示装置であって、
前記薄膜トランジスタ基板は、
微結晶シリコン膜により形成された表示領域内の第１薄膜トランジスタと、
前記微結晶シリコン膜の結晶より大きな結晶のシリコン膜により形成された表示領域外の第２薄膜トランジスタと、を有することを特徴とする表示装置。
【請求項８】
前記第１薄膜トランジスタは、画素のスイッチングに用いられ、前記第２薄膜トランジスタは、表示用の駆動回路の一部である、ことを特徴とする請求項７に記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は表示装置の製造方法及び表示装置に関し、より詳しくは薄膜トランジスタを利用した表示装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、液晶表示装置あるいは有機ＥＬ表示装置はガラスや溶融石英などの基板上の非晶質シリコン膜、あるいは多結晶シリコン膜で形成された薄膜トランジスタ（以下、「ＴＦＴ」という。）のスイッチングにより画像を表示している。
【０００３】
多結晶シリコンをトランジスタの能動層として用いた多結晶シリコンＴＦＴは、非晶質シリコンを用いた非晶質シリコンＴＦＴよりも移動度が高く、液晶表示装置、液晶プロジェクター、有機ＥＬ表示装置を用いた有機ＥＬ表示装置用のスイッチング素子、あるいはこれら表示装置の駆動用ドライバの回路素子として広く適用されている。多結晶シリコン膜の形成手法として、従来からエキシマレーザアニールを用いた方法が一般的に採用されている。この方法はガラスなどの絶縁基板上に形成された非晶質シリコン膜（移動度は０．１ｃｍ２／Ｖｓ以下程度）にエキシマレーザを照射して、非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に変化させることで、移動度を改善するものである。エキシマレーザの照射により得られた多結晶膜は、結晶粒径が数１００ｎｍ程度となる。
【０００４】
この多結晶膜を用いて形成したＴＦＴは、移動度が１００ｃｍ２／Ｖｓ程度であり、画素ＴＦＴを駆動するためには十分な性能を有するが、ＴＦＴ素子間のしきい値電圧バラつきが大きいという問題がある。即ち、ＴＦＴの数μｍ程度のゲート長に対し、結晶膜の結晶粒サイズが数百ｎｍ程度と大きく、ＴＦＴゲート中の電子の移動を阻害する結晶粒界の絶対数が素子間で異なることにより、移動度、しきい値電圧といったＴＦＴ電気特性に素子間のバラつきが生じる。
【０００５】
特に有機ＥＬ表示装置では、ＴＦＴをスイッチング素子として用いて画像表示を行っており、エキシマレーザで形成した多結晶シリコン膜で形成したＴＦＴ素子間のしきい値電圧のバラつきがそのまま画像表示ムラの主要因となるため、適用することができない。このため、このバラつきを極力低減することが要求されている。また、結晶粒界には数１０〜１００ｎｍの突起が形成され、トランジスタの耐圧を低下させる欠点もある。
【０００６】
一方、非晶質シリコン膜を用いたＴＦＴは、素子間のしきい値電圧のバラつきが小さいメリットがある一方で、絶対的に移動度が低いという課題を有する。これらの課題を解決する次世代薄膜として、微結晶シリコン薄膜が注目されている。微結晶シリコン膜を用いる、即ちトランジスタのゲート長に対する結晶粒の大きさを均一に小さくし、ＴＦＴゲートを横切る結晶粒界の影響を軽減することで、素子間の電気特性のバラつきが低減され、かつ、非晶質シリコン膜よりも優れた移動度を有するＴＦＴを実現することができる。
【０００７】
上述のような特徴を有する微結晶膜の形成方法として、例えば特許文献１、特許文献２には、半導体薄膜上に光吸収層を形成した後にレーザ照射し、結晶化する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−５５０８号公報
【特許文献２】特開２００３−１６８６４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した従来技術では、非晶質シリコン膜上に成膜した光吸収層表面に対してレーザ光を照射し、光エネルギを吸収し過熱された吸収層からの熱が下層の半導体膜まで伝導し、半導体膜の温度が上昇することで結晶成長が促進される薄膜結晶化方法を開示している。しかしながら、これらの方法は、半導体膜上に光吸収層を成膜、結晶化が完了した後にこの光吸収層を除去する工程が必要となり、工程の複雑化、あるいは工程数増加による製造コスト増大、スループット低下が問題となっていた。
【００１０】
本出願人は、従来技術において、半導体薄膜上に光吸収層を形成工程がコスト増大、スループット低下の原因となっていることに着目し、半導体薄膜表面に直接レーザ光を照射し、微結晶を形成するプロセスの検討を実施した。微結晶膜は、結晶粒サイズの均一性を基板全面において保持することが重要な課題となる。パルス間エネルギのバラつきが大きいエキシマレーザを含むパルスレーザで照射した場合、基板全面に渡り、均一な加熱を行うことが困難であり、結晶粒のサイズを安定して適切な範囲内に保持することはできない。
【００１１】
また、パルスレーザ加熱の結晶化は、膜が一旦完全に溶融し、再凝固する際にランダムな位置に発生する核を基点として結晶が成長し、隣り合う結晶粒同士が衝突する際に結晶粒界に突起が発生するという特徴がある。突起の高さは、膜厚５０ｎｍの多結晶薄膜において５０ｎｍ以上となる。粒界突起は、ＴＦＴ耐圧低下の要因となるため、微結晶膜形成には適していない。そこで、連続発振レーザ（以下、「ＣＷレーザ」という。）を線状集光し、薄膜表面から照射し、一定速度で走査する方式の検討を進めた。
【００１２】
しかしながら、検討の結果、連続発振レーザを採用した方式において、以下の課題が明らかになった。図１８は、非晶質シリコン薄膜表面からＣＷレーザを照射し、一定速度で走査した結果形成された微結晶膜の電子顕微鏡（以下、「ＳＥＭ」という。）観察像を概略的に示したものである。照射条件は、レーザ走査速度を８００ｍｍ／ｓ、線状ビームの短軸幅を２．５μｍ、シリコン膜上での照射時間を３．１μｓ、照射パワー密度を３９３ｋＷ／ｃｍ２であり、観察像の左から右方向へ、レーザを走査して結晶化を行ったところ、形成された微結晶膜５０１の中に、レーザ走査方向と鉛直方向に０．４μｍピッチで、周期的に結晶性が劣化している部分５０２が形成されていることがわかった。この劣化部分５０２は、多結晶シリコン膜の結晶状態をＳＥＭ観察する際に、観察試料の前処理として一般的に用いられるＳＥＣＣＯエッチングで顕在化したものである。ＳＥＣＣＯエッチングは、シリコン結晶のダングリングボンド、結晶欠陥等、結晶性が良好でない部分のみを選択的に除去する効果があるため、ＳＥＣＣＯエッチングにより顕在化した領域は結晶性は良好でない為に除去された領域であることがわかる。即ちＳＥＭ観察像の劣化部分５０２は、周期的に結晶性が劣化する現象に対応する。この膜を用いてＴＦＴを形成した場合、ＴＦＴ電気特性（素子間のしきい値電圧バラつき、移動度）劣化の主要因となる。
【００１３】
本発明の目的は、微結晶膜を形成する工程において、工程を複雑化させることなく、より簡便な方法で、安定して微結晶膜を形成できる平面表示装置の製造方法を提供することにある。併せて、上記結晶性の周期的な劣化を回避し、安定して均一性能の微結晶膜を形成できる平面表示装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の製造方法は、薄膜トランジスタ基板を製造する薄膜トランジスタ基板製造工程を備え、前記薄膜トランジスタ基板製造工程は、絶縁基板上に非晶質シリコン薄膜を形成する非晶質シリコン薄膜形成工程と、前記非晶質シリコン薄膜に第１の連続発振レーザ光を照射して、微結晶シリコン膜を形成する微結晶シリコン膜形成工程と、を有する、ことを特徴とする表示装置の製造方法である。
【００１５】
また、本発明の製造方法は、前記微結晶シリコン膜形成工程における前記連続発振レーザ光の一領域あたりの照射時間は１００マイクロ秒以上である、とすることができる。
【００１６】
また、本発明の製造方法は、前記微結晶シリコン膜に第２の連続発振レーザ光を照射して、前記微結晶シリコン膜の結晶よりも粒径の大きい結晶のシリコン膜を形成する結晶シリコン膜形成工程を更に有する、とすることができる。
【００１７】
また、本発明の製造方法は、前記微結晶シリコン膜を使用した薄膜トランジスタは、前記薄膜トランジスタ基板の表示領域内の薄膜トランジスタであり、前記粒径の大きい結晶のシリコン膜を使用したトランジスタは、前記薄膜トランジスタ基板の表示領域外の薄膜トランジスタである、とすることができる。
【００１８】
本発明の表示装置は、薄膜トランジスタ基板を備える表示装置であって、前記薄膜トランジスタ基板は、微結晶シリコン膜により形成された表示領域内の第１薄膜トランジスタと、前記微結晶シリコン膜の結晶より大きな結晶のシリコン膜により形成された表示領域外の第２薄膜トランジスタと、を有することを特徴とする表示装置である。
【００１９】
または、本発明の表示装置は、前記第２薄膜トランジスタは、表示用の駆動回路の一部である、とすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明により、現状の工程よりも簡略化した工程によって、歩留まり低下を回避し、高品質な平面表示装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態に係るレーザアニール装置について概略的に示す図である。
【図２】図１のレーザアニール装置を用いた液晶表示装置の製造工程について示すフローチャートである。
【図３】図２のレーザアニール工程について示すフローチャートである。
【図４】複数のパネルが基板に形成される様子を示す図である。
【図５】線状レーザ光照射により微結晶膜を形成する様子を示す図である。
【図６】駆動回路形成領域に線状レーザ光を照射し、膜質を改善させる様子を示す図である。
【図７】線状レーザ光照射により微結晶膜を形成する様子を示す図である。
【図８】レーザ光照射後の試料表面のＡＦＭ観察の結果を示す表である。
【図９】非晶質シリコン薄膜及び結晶シリコン薄膜の光吸収係数の波長依存性を表すグラフである。
【図１０】微結晶化マージンのレーザ照射時間依存性を表すグラフである。
【図１１】レーザ光照射後のＴＦＴ基板を概略的に示す図である。
【図１２】ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）パネルを概略的に示す図である。
【図１３】液晶表示装置を概略的に示す図である。
【図１４】ＬＣＤパネルの構造を示す断面図である。
【図１５】本発明の第２実施形態に係るレーザアニール装置について概略的に示す図である。
【図１６】有機ＥＬ表示装置の製造工程を示すフローチャートである。
【図１７】有機ＥＬ基板の構造を示す断面図である。
【図１８】微結晶膜の電子顕微鏡観察像を概略的に示した図である。
【図１９】微結晶膜の電子顕微鏡観察像を概略的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［第１実施形態］
図１は本発明の第１実施形態に係るレーザアニール装置１００について概略的に示す図である。レーザアニール装置１００は、レーザダイオードを積層して構成したレーザダイオードアレイ１０１、各レーザダイオードから射出したレーザ光を導光するファイバ１０２、レーザダイオードの光を集束し、長手方向に均一な強度分布を有する線状ビームを形成するカライドスコープ１０３、カライドスコープから射出した光の余分な成分をカットしたり、集光時の寸法を調整したりするための矩形スリット１０４、矩形スリット上で整形されたレーザ光をスリットの縮小投影像として、ステージ上の基板２００に照射するためのリレーレンズ１０５、対物レンズ１０６、ＸＹ方向に駆動するステージ１１２、ステージ位置を検出するためのリニアエンコーダ（図示せず）、リニアエンコーダが発するパルス信号をカウントし、予め設定したパルス数ごとにレーザダイオードをオンオフ駆動する為のドライバに制御信号を送る制御装置（図示せず）、試料面上でのビームプロファイルを観察する為のビームプロファイラ１１４、試料面上でのレーザパワーを計測するためのパワーメータ１１５及び統括制御ＰＣ１１９、並びに試料面の状態を観察するために必要な機能を有する駆動機構付ミラー１０７、リレーレンズ１１６、撮像装置および照明装置１１７及び画像データ処理装置１１８等から構成される。
【００２３】
レーザダイオードは、紫外、あるいは可視から近赤外までの波長のレーザ光を発振するものが好適であり、特に非晶質シリコン膜の光吸収特性、レーザ出力の大きさ等を鑑みて最適なものを選択することが可能である。対象物が非晶質シリコン膜の場合、膜の吸収特性として、紫外から可視光波長領域の光に対して吸収が大きく、波長４００ｎｍ〜６００ｎｍの波長範囲のレーザダイオードが選択する波長として好適である。レーザ出力調整は、レーザダイオードの出力自体を制御し調整することで行う。また、本実施形態では、光源としてレーザダイオードアレイを用いた場合を記載しているが、これに限らず、紫外、あるいは可視領域のＬＤ励起連続発振ＹＶＯ４レーザ、ＹＡＧレーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）、第３高調波（波長３５５ｎｍ）、第４高調波（波長２６６ｎｍ）などを用いても良い。各レーザダイオードのレーザ光は、レンズによりそれぞれ集光されファイバ１０２端部から入射し、導光される。ファイバ１０２の射出側端部は、一次元アレイ状に並べられて配置されている。
【００２４】
ファイバ端部から射出した光は、シリンドリカルレンズ等で集光されカライドスコープ１０３に入射し、中で多重反射を繰り返しながら集束し、射出口において、長手方向に均一な強度分布を有する線状レーザ光１２０として射出される。カライドスコープ１０３は、材質はクォーツで、入射部から射出部に向かいレーザを多重反射する光導波路部分の幅が段々と狭まっていく、いわゆるくさび型形状（テーパ形状）になっている。レーザを一軸方向に絞り、線状レーザ光１２０を形成する際には、この様な形状のカライドスコープ１０３が好適であるが、カライドスコープ１０３の形状は、これに限定されず、矩形等でもよい。カライドスコープ１０３から射出された線状に集光されたレーザ光は電動矩形開口スリット１０４で不要な部分のレーザ光を切り落とされて所望の長軸幅の矩形形状に成形され、リレーレンズ１０５、対物レンズ１０６を経て基板２００上に縮小投影される。
【００２５】
基板２００にレーザ光を照射するに当たって、ステージ１１２をＸＹ平面内で移動しながら所望の位置にレーザ光を照射するが、基板２００表面の凹凸、うねりなどによる焦点ズレが起きると、集光されたレーザ光のパワー密度変動、パワー密度不均一の発生、照射形状の劣化が起き、微結晶膜を安定して形成することができない。このため、必要に応じて、常に焦点位置で照射できるように、自動焦点光学系（図示せず）により焦点位置を検出し、焦点位置から外れた場合にはステージ１１２をＺ方向（高さ方向）駆動するか、あるいは光学系をＺ方向（高さ方向）駆動して、常に焦点位置（電動矩形開口スリット１０４面の投影位置）と基板２００表面が一致するように制御する。
【００２６】
図２は、上述したレーザアニール装置１００を用いた液晶表示装置３７０の製造工程について示す図である。この図２に示すように、まず、ガラス基板３０１上へに絶縁膜が形成され（ステップＳ１０１）、続いて、その上に非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）膜が形成され（ステップＳ１０２）。その後、ステップＳ１０３のレーザアニール工程が実施される。ステップＳ１０３のレーザアニール工程は図３に示すように、まず、ステップＳ２０１において基板２００がアニール室に搬送され、プリアライメント（ステップＳ２０２）の後、ステップＳ２０３におけるアライメントマークが形成される。アライメントマーク形成はアニール用のレーザで行っても良いし、インクジェットのような手段で行っても良い。予めフォトエッチングプロセスで形成することも可能であり、その場合には、ここでは省略することができる。
【００２７】
ステップＳ２０３で形成したアライメントマークでアライメントを行い（ステップＳ２０４）、画素部および必要に応じて周辺回路部に、所望の形状に整形したＣＷレーザ光を、必要に応じて時間変調しながら照射して、アニール工程（ステップＳ２０５及びステップＳ２０６）を実施し、それぞれ目的の結晶を成長させる。
【００２８】
ここでこのアニール工程（ステップＳ２０５及びステップＳ２０６）について、図４〜図６を参照しつつ説明する。対象となる基板２００は、厚さ０．３〜１．０ｍｍ程度のガラス基板３０１の１主面に絶縁体薄膜を介して膜厚３０〜１５０ｎｍの非晶質シリコン薄膜を形成したものである。ここで、絶縁体薄膜は、膜厚５０〜２００ｎｍのＳｉＯ２あるいはＳｉＮあるいはそれらの複合膜である。この基板２００には図４に破線で示すように、複数のパネル２０７が形成される。各パネル２０７は、図５に示すように、画素領域（表示領域）２０１と走査線駆動回路領域２０２、信号線駆動回路領域２０３、その他周辺回路領域２０４などのトランジスタ形成領域から構成され、線状、あるいは矩形状に整形、集光したレーザ光２０５を相対的に走査しながら、線状レーザ光２０５を必要に応じて時間変調し、基板２００内を全面に渡りアニールして行く。アニールは、基板２００上の所望の全領域が完了するまで続行する（ステップＳ２０５）。
【００２９】
ここで、膜質の改善によって得られる結晶膜とは、溶融再凝固過程を経て再結晶化した、結晶粒の大きさが数百ｎｍの多結晶膜、あるいは、レーザ走査方向（ラテラル方向）に数μｍ程度結晶成長した幅数百ｎｍ、長さ数μｍのラテラル成長結晶膜のことを指す。こうして、パネルの仕様によっては、微結晶膜、多結晶膜、ラテラル成長結晶膜など、数種類の異なる結晶性の多結晶膜が混載するパネルを形成しても良い。
【００３０】
ここで、アニール処理の詳細について、説明する。図７は、レーザ照射により微結晶膜を形成する工程を模式的に表した図である。基板２００の構成は、ガラス基板３０１の１主面に絶縁体薄膜３０２を介して非晶質シリコン薄膜３０３を形成したものである。照射するレーザ光２０５のビーム形状は線状、あるいは矩形が望ましく、レーザ走査方向に対して直行方向が線状、あるいは矩形レーザ光の長手方向となるように設定する。また、照射するレーザ光２０５の強度分布は、長手方向が均一な強度分布であることが望ましく、短手方向はガウス分布、あるいは矩形の強度分布であることが望ましい。レーザ光２０５を非晶質シリコン薄膜３０３上に照射し、基板２００に対して相対的に一定速度で走査すると、レーザのエネルギを非晶質シリコン薄膜３０３が吸収した際に生じる温度上昇により微結晶膜３０５へと改質する。このプロセスにより形成された適正な微結晶膜のＳＥＭ観察像の概略図を図１９に示す。このプロセスで得られる微結晶膜５０３の結晶粒径の適正値は５０ｎｍ以下、平均値で３０ｎｍ程度である。また、結晶膜表面は、１０ｎｍ以下とパルスレーザ照射により結晶化した多結晶膜と比べて、粒界突起が無く、平坦であるという特徴を有する。
【００３１】
また、図１８で示したように、レーザ照射条件によっては、微結晶膜の結晶性が周期的に劣化する現象が発生する。この結晶性の劣化とＴＦＴの電気特性には密接な相関があり、結晶性が周期的に劣化した微結晶膜を用いてＴＦＴを形成した場合、しきい値電圧の素子間バラつき、移動度のバラつきが発生するため、結晶性の劣化を回避し、均質な微結晶膜を安定して形成する条件を確立する必要がある。そこで、発明者は、微結晶膜の安定形成条件の規定を目的として検討を実施した。使用したレーザ光源は、波長４４５ｎｍのレーザダイオードをアレイ状に並べたダイオードアレイ、および波長５３２ｎｍの連続発振タイプのＬＤ励起Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ装置である。このレーザ光を、短軸幅が数μｍ〜数十μｍの線状ビームへと整形し照射を行う。線状レーザ光の短軸幅と走査速度、一領域辺りの照射時間、照射パワー密度をパラメータとして、照射条件を変えて結晶化を行った。ここで、結晶化実験は、線状レーザ光の短軸幅方向に一定速度で走査することとし、一領域辺りの照射時間とは、走査するレーザ光が一領域辺りを通過する時間、即ちレーザ光の短軸幅を走査速度で割った時間と規定する。
【００３２】
代表的な結果を図８の表に示す。これらは、レーザ照射完了後の試料表面のＡＦＭ観察により導かれた数値である。測定領域は５μｍ角、レーザ照射条件（ビーム短軸幅、照射時間、レーザパワー密度）は表中に示すとおりである。照射時間が０．０２ｍｓから０．０８７５ｍｓでレーザ照射を行った条件において、微結晶が形成されているのと同時に、結晶性劣化に相当する試料表面の周期的な凹凸（劣化部分）も観察された。しかしながら、照射時間を０．１ｍｓ以上まで延長すると、周期的な結晶表面凹凸（劣化部分）の無い、均質な微結晶膜が形成されることがわかった。また、この時の表面粗さは、測定領域内で１０ｎｍ以下と極めて平坦であることがわかった。
【００３３】
周期的な結晶劣化が発生する現象は、定性的に次のように理解することができる。レーザ照射により膜の温度が上昇し、ある一定時間以上保持されることで、非晶質膜は微結晶化される。この際に、図９に示すように、実験に使用したレーザの波長５３２ｎｍにおいては、多結晶シリコン膜の吸収係数αは、非晶質シリコン膜のそれと比較して、１／６と小さい為（多結晶シリコン膜：２．５×１０４ｃｍ−１、非晶質シリコン膜：１．５×１０５ｃｍ−１）、同じ厚さの膜に、同じ強度のレーザ光を照射した場合、多結晶シリコン膜においては非晶質シリコン膜と比較して、相対的に膜中に吸収されるエネルギ成分が減少する。即ち、相対的に温度が上昇しない。本実験では、線状レーザ光を短軸方向に対して、一定速度で照射しながら走査することで微結晶化を行う。レーザ照射され微結晶化が進行している状態においては、レーザ照射領域周辺にも伝熱による温度上昇が発生する。レーザ光進行方向にも伝熱による温度上昇は発生し、レーザ照射領域に隣接して不完全に結晶化される領域が形成される。レーザ光が進行し、その部分にレーザが照射される段階では、不完全ながら結晶化が進行した状態の膜にレーザが照射される状態となるため、その領域では光吸収率は減少し（エネルギ透過成分が増加し）、微結晶化が進行するのに十分な温度上昇を誘起するのに必要なエネルギが膜中に吸収されず、温度が上昇しない。従って、正常な微結晶が形成されない領域として残ってしまうこととなる。レーザが走査され、この領域を超えると、再び非晶質シリコン膜にレーザ照射される状態に戻り、正常な微結晶化が起こり、再びレーザ進行方向に、伝熱による不完全な結晶化が進行する。この現象の繰り返しにより、周期的に結晶性の劣化した微結晶膜が形成されることとなる。この現象を回避するためにはレーザ照射時間を延長することが有効である。即ち、伝熱による不完全な結晶化を抑制し、かつ一領域辺りのレーザ照射時間を延長することで、不必要な温度上昇を避けることができ、均質な微結晶が形成されることとなる。
【００３４】
また、微結晶膜が形成されるレーザパワー密度には上限と下限が存在する。照射時間が一定のとき、微結晶膜が形成されるよりも低いレーザパワー密度で非晶質シリコン膜へのレーザ照射を行うと、膜は非晶質のまま改質することはない。一方、微結晶膜が形成されるよりも高いパワー密度で照射を行うと、膜が完全溶融する条件となり、溶融再凝固過程を経て再結晶化が進み、結晶粒拡大と結晶粒界同士の衝突による粒界突起を特徴とする、パルスレーザ結晶化で形成した膜と同質の多結晶膜が形成される。安定して、再現性良く微結晶膜を形成する、即ち微結晶膜形成条件範囲の拡大は、量産時の歩留まり低下を抑制する観点から、極めて重要である。
【００３５】
図１０に、レーザ照射条件（照射時間、レーザパワー密度）をパラメータとして、非晶質シリコン膜にレーザ照射を行い、レーザ照射条件の上限と下限を求め、纏めた結果を示す。図の横軸はレーザ照射時間、縦軸は各照射時間における微結晶膜が形成されるパワー密度の上限値を下限値で除したものにあたり、微結晶化におけるレーザパワー密度の条件範囲を示す指標である。即ち、パワー密度の条件範囲（マージン）を、下限パワー密度を基準とした相対値として表した数値である。以下、この指標を微結晶化マージンと呼ぶ。この微結晶化マージンが大きい程、プロセス安定性が確保される。０．１ｍｓよりも短い照射時間においては、微結晶化マージンが狭く、なおかつマージン内で形成される全ての微結晶膜は、周期的結晶性劣化を伴うことがわかった。一方、０．１ｍｓよりもレーザ照射時間を長く設定した際には、照射時間の延長に伴い、パワー密度範囲が拡大する傾向が確認された。同時に、周期的結晶性劣化が発生せず、均質な微結晶が安定して形成されることがわかった。即ち、０．１ｍｓをしきい値としてそれよりも長いレーザ照射時間を設定し、照射を実施することで、再現性良く、均質な微結晶膜を形成することができることが明らかになった。
【００３６】
ところで、信号線駆動回路領域２０３に形成する駆動回路は、画像信号の処理を行うために高速駆動する必要があり、駆動回路に用いられるＴＦＴにも、優れた電気特性が求められる。パネルの要求仕様によっては、微結晶膜で形成したＴＦＴでは、所望の駆動回路を形成するに十分でないことがある。このため図６に示すように、必要に応じて、基板全面の微結晶化工程が完了した基板２００内の信号線駆動回路を形成する領域２０３、あるいはそれ以外でも高速駆動回路を形成する必要のある所望の領域２０４にのみ（画素スイッチングＴＦＴが存在する画素領域２０１は除く）、短軸幅数μｍまでの絞った線状レーザ光２０６を、微結晶膜が完全に溶融するパワー密度に設定した後に、必要に応じて時間変調しながら走査、照射し、膜質の改善を行う工程を追加して行ってもよい（ステップＳ２０６）。
【００３７】
ここで、駆動回路に用いられるＴＦＴには、画素スイッチングを行なうＴＦＴよりも電気特性劣化の影響が小さいので、信号駆動回路を形成する領域２０３では、多結晶膜を形成してもよい。このときには、微結晶膜形成時のように結晶の周期的劣化の問題は発生しないので、スループプット向上のためにレーザ光の操作速度を速くすることができる。例えば、レーザ照射時間は、微結晶シリコン膜形成時は一領域あたり０．１ｍｓ以上であるのに対し、多結晶シリコン膜（ラテラル成長結晶）形成時には０．０１ｍｓ以下でよく、レーザ光の走査速度を１０倍以上に速くすることができる。なお、レーザ光のパワー密度は、微結晶シリコン膜形成時では５０ｋｗ／ｃｍ２であるのに対し、多結晶シリコン膜形成時には、１００ｋｗ／ｃｍ２以上と、２倍以上になる。
【００３８】
図３に戻り、必要なアニール処理が終了すると、基板２００をレーザアニール装置から搬出し次工程へ送られる（ステップＳ２０７）。図２に戻り、レーザアニール後、フォトエッチング工程によりトランジスタ形成に必要なシリコン膜のみを残し、ゲート絶縁膜形成、ゲート電極形成、不純物拡散、活性化、相関絶縁膜形成、ソース・ドレイン電極形成、保護膜（パシベーション膜）形成を経て、図１１に示すようなＴＦＴ基板３５０が完成する（ステップＳ１０４〜ステップＳ１１１）。この後、ＴＦＴ基板３５０に配向膜を形成し、ラビング工程を経た後、ステップＳ１１２のＬＣＤパネル工程において、カラーフィルタ基板３５１を重ね、ＴＦＴ基板３５０との間に液晶を封入し、図１２に示すＬＣＤパネル３６０を製造し、信号及び電源の端子３５２を接続後、ステップＳ１１３において、バックライト（図示せず）などと一緒にシャーシ３５３に組み込むモジュール工程を経て、高速駆動回路および必要に応じてインタフェース回路などの高速回路を基板上に形成した液晶表示装置３７０を製造する。
【００３９】
図１４には、ＬＣＤパネル３６０の断面図が示されている。即ち、ガラス基板３０１上にＳｉＮ膜２２２とＳｉＯ２膜２２３から構成される絶縁膜を介して、本発明のレーザアニールを行ったシリコン膜２２４でトランジスタの能動層が形成されている。ゲート絶縁膜２２５を介してゲート電極２２６が形成され、シリコン膜２２４とオーミックな接続を有するソース電極２２７、ドレイン電極２２８がスルーホールを介して層間絶縁膜２２９上に形成されている。また、透明画素電極２３１が保護膜（パシベーション膜）２３０上にスルーホールを介してソース電極２２７に接続して形成され、その上に全面を覆う配向膜２３２が形成されている。
【００４０】
一方、カラーフィルタ基板３５１はガラス基板２５１上にＲ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）３色からなるカラーフィルタ層２５２が形成され、保護膜２５３を介して透明電極２５４、そして配向膜２５５が形成されている。必要に応じてカラーフィルタ層２５２にはＲＧＢ各色の境界部に黒色の層（ブラックマトリクス層２５６）を設ける場合がある。あるいは、ブラックマトリクス層はカラーフィルタ層２５２とガラス基板２５１との間に設けられる場合もある。
【００４１】
これら、ＴＦＴ基板３５０とカラーフィルタ基板３５１の間に、液晶２５７が、ビーズ２５８により一定の間隙を保って封入されている。ビーズ２５８の代わりにカラムスペーサをＴＦＴ基板側あるいはカラーフィルタ基板側に形成する場合もある。カラーフィルタ基板３５１の外側には偏光板２５９が貼り付けられている。
【００４２】
［第２実施形態］
図１５は本発明の製造方法の第２実施形態に係る製造装置であるレーザアニール装置６００について概略的に示す図である。レーザ源はレーザダイオード電源６０１内に設置されたレーザダイオードから発生する赤外光を光ファイバ６０２で発振器内に導いて励起するＬＤ励起連続発振固体レーザ６０３を用い、発振した連続発振レーザ光６０４の出力を調整するためのＮＤフィルタ６０５、時間変調するためのＥＯモジュレータ６０６、長手方向に均一なエネルギ分布の線状ビームに整形するためのホモジナイザ６０７、余分なレーザ光をカットしたり集光寸法を調整したりするための電動矩形開口スリット６０８、電動矩形開口スリット６０８を通過したレーザ光をスリットの投影像としてステージ６０９上に載置された基板６１０に照射するための対物レンズ６１１、ステージ６０９位置を検出するためのリニアエンコーダ６１２、リニアエンコーダ６１２が発生するパルス信号をカウントし、予め設定されたパルス数ごとにＥＯモジュレータ６０６を駆動するためのドライバ６１５に制御信号を送る制御装置６１６、および照明光源６１７及び６１８、ＴＶカメラ６１９などから構成されている。
【００４３】
レーザ発振器６０３は紫外あるいは可視波長の連続発振光を発生するものが用いられ、特に出力の大きさ、出力の安定性等からレーザダイオード励起ＹＶＯ４レーザあるいはレーザダイオード励起ＹＡＧレーザの第二高調波（波長：５３２ｎｍ）が最適である。しかし、これに限定されることなく、アルゴンレーザ、ＹＶＯ４あるいはＹＡＧレーザの第３あるいは第４高調波、ファイバで結合した複数の半導体レーザ等を使用することが可能である。
【００４４】
レーザ発振器６０３で発振された連続発振レーザ光６０４は出力を調整するための透過率可変ＮＤフィルタ６０５を透過し、ＥＯモジュレータ６０６に入射される。この時、ＥＯモジュレータ６０６の耐パワー性を考慮して、ＥＯモジュレータ６０６の有効径に近い大きさまで、ビームエキスパンダ（図示せず）でビーム径を拡大してもよい。ＥＯモジュレータ６０６は、ポッケルス・セル（以下、結晶と称する）と偏光ビームスプリッタを組み合わせて使用する。レーザ光６０４が直線偏光の場合、ＥＯモジュレータドライバ６１５を介して結晶に電圧Ｖ１（通常は電圧０Ｖ）を印加することにより、結晶を透過するレーザ光６０４の偏光方向は回転せずにそのまま保存され、偏光ビームスプリッタにＳ偏光として入射して、９０度偏向されるように設定する。即ちこの状態では、レーザ光６０４は９０度偏向して出力してしまうため、以後の光学系には入射せず、基板６１０上ではレーザ光６０４はＯＦＦ状態となる。
【００４５】
また、結晶を透過するレーザ光６０４の偏光方向を９０度回転させることのできる電圧Ｖ２を印加することにより、結晶を透過するレーザ光６０４の偏光方向は９０度回転し、偏光ビームスプリッタにＰ偏光として入射する。この時、レーザ光６０４は偏光ビームスプリッタを透過・直進する。即ち、この状態では、レーザ光６０４は直進して以後の光学系に入射するので、基板６１０上ではレーザ光６０４はＯＮ状態となる。
【００４６】
さらに、結晶に印加する電圧をＶ１（通常は０Ｖ）とＶ２の間で変化させることにより、ＥＯモジュレータ６０６を透過するレーザ光６０４の透過率をＴ１（通常は０）とＴ２（ここでは最大透過率、即ち１）の間で任意に設定することができる。即ち、ＥＯモジュレータ６０６を透過するレーザ光６０４の透過率を０から１の間で任意に設定することができる。ただし、これは結晶や偏光ビームスプリッタ表面での反射や吸収はないものとして考えた場合である。
【００４７】
これらのことから、ＥＯモジュレータ６０６に入射するレーザ光６０４の出力（ＥＯモジュレータ６０６への入力）をＰ０一定とし、結晶への印加電圧をＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４と変化させることにより、ＥＯモジュレータ６０６からのレーザ出力として、出力Ｐ１(ここでは０Ｖ)、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４の階段状のパルス出力が得られる。ここで出力Ｐ２はＥＯモジュレータ６０６への入力Ｐ０と電圧Ｖ２を印加したときの透過率Ｔ２との積で求められ、Ｐ３はＰ０と電圧Ｖ３を印加したときの透過率Ｔ３との積で、Ｐ４はＰ０とＶ４を印加した時の透過率Ｔ４の積で求められる。当然、結晶に印加する電圧を連続的に変化させることにより、透過するレーザ光６０４の出力を連続的に変化させることができ、結果的に任意の時間変化を有するレーザ光６０４を得ることができることになる。
【００４８】
ここではＥＯモジュレータ６０６として、ポッケルス・セルと偏光ビームスプリッタを組み合わせることで説明したが、偏光ビームスプリッタの代わりに各種偏光板を用いることができる。尚、以後の説明では結晶と偏光ビームスプリッタ（または偏光板）の組み合わせをＥＯモジュレータ６０６と称する。
【００４９】
ＥＯモジュレータ６０６の他に、ＡＯ（音響光学）モジュレータを使用することができる。ただし、一般的にＡＯモジュレータはＥＯモジュレータと比較して、駆動周波数が低く、回折効率が７０〜８０％とやや低い欠点があるが、使用することができる。このようにＥＯモジュレータ６０６あるいはＡＯモジュレータなどの変調器を用いることにより、レーザ発振器からは常にレーザ光を出力した状態で、被照射部に任意の時点（あるいは位置）で照射を開始し、任意出力変化を経て任意の時点で照射を終了することができる。即ち、任意の時間変調をかけることが可能である。
【００５０】
ＥＯモジュレータ６０６によりＯＮ状態になったレーザ光６０４はビームホモジナイザ６０７で線状（あるいは矩形）のビームに成形する。通常、ガスレーザ発振器や固体レーザ発振器からの出力ビームは、円形且つガウス形のエネルギ分布を持っているため、そのままでは本発明のレーザアニールに使用することはできない。この欠点を解決して、ガウス形の分布を均一な分布に変換するために、ビームホモジナイザ６０７を用いる。
【００５１】
ビームホモジナイザ６０７にはマルチレンズアレイを用いたもの、パウエルレンズとシリンドリカルレンズを組み合わせたもの、回折形光学素子を用いたもの等、種々の形式のものがあるが、線状、あるいは矩形に集光でき、かつ長手方向に均一なエネルギ分布が実現できるものであれば、どのような手段を用いてもよい。幅（短手）方向の分布は均一でもガウス分布のままでもよい。
【００５２】
ビームホモジナイザ６０７で線状に集光されたレーザ光６０４を電動矩形開口スリット６０８で不要な部分のレーザ光を切り落して所望の矩形形状に成形し、対物レンズ６１１で縮小投影した像をガラス基板上に成膜されたシリコン薄膜に照射する。
【００５３】
基板６１０にレーザ光６０４を照射するに当たって、ステージ６０９をＸＹ平面内で移動しながら所望の位置にレーザ光６０４を照射するが、基板６１０表面の凹凸、うねりなどによる焦点はずれが起きると、集光されたレーザ光６０４のパワー密度変動、パワー密度不均一の発生、照射形状の劣化が起き、所期の目的を達成することができない。このため、必要に応じて、常に焦点位置で照射できるように、自動焦点光学系（図示せず）により焦点位置を検出し、焦点位置から外れた場合にはステージ６０９をＺ方向（高さ方向）駆動するか、あるいは光学系をＺ方向（高さ方向）駆動して、常に焦点位置（電動矩形開口スリット６０８面の投影位置）と基板６１０表面が一致するように制御する。
【００５４】
次に、有機エレクトロルミネセンス（ＥＬ）素子を用いた表示装置の製造工程について説明する。図１６は有機ＥＬ表示装置の製造工程を示すフロー図であり、図１７は完成した有機ＥＬ基板の構造を示す断面図である。図１６に示すように、ガラス基板４０１上にバリア膜として機能するＳｉＮ膜４０２およびＳｉＯ膜４０３をＣＶＤ等の手段により薄く堆積し（ステップＳ３０１）、その上にアモルファスシリコン膜４０４を５０ｎｍ程度の厚さにＣＶＤ法で堆積する（ステップＳ３０２）。ここで記載した、バリア膜の層構成、膜厚およびシリコン膜の膜厚等については一例であり、かかる記載が本発明を制限するものではないことは強調されるべきである。
【００５５】
その後、ステップＳ１０３のレーザアニール工程において、レーザダイオードもしくは固体レーザから発振するＣＷレーザ光を照射して非晶質シリコン膜を全面、あるいは、必要に応じて画素回路を形成すべき部分、および駆動回路を形成すべき部分を選択的に微結晶膜、あるいは多結晶膜４０５に改質する。このレーザアニール工程は、上述した図３のレーザアニール工程と同じである。
【００５６】
続いて、形成した改質されたシリコン膜４０５を所定の回路になるようにアイランド形状にエッチングし（ステップＳ３０３）、ゲート絶縁膜（図示せず）、ゲート配線４０６を形成後、イオン打ち込みによる不純物拡散、および不純物拡散領域の活性化アニールを行い、ソース、ドレイン配線４０７、層間絶縁膜４０８、パシベーション膜４０９、透明電極４１０を順次、形成することで（ステップＳ３０４〜ステップＳ３１１）、トランジスタ回路を画素部に配置したアクティブマトリクス基板が形成できる。
【００５７】
有機ＥＬ素子を駆動するために必要となる画素あたりのトランジスタ数は２乃至５が選択され、トランジスタを組み合わせた最適な回路構成を用いれば良い。かかる回路にはＣＭＯＳ回路で形成した低電流駆動回路が一例として推奨される。かかる回路、電極形成にかかわる加工技術の詳細は当該業者には周知である。またトランジスタ回路の製造工程の途中にイオン打ち込み、活性化アニール等の工程の追加が必要であることも周知である。
【００５８】
次に、アクティブマトリクス基板上の透明電極４１０の周辺部に素子分離帯４１１を形成する（ステップＳ３１２）。かかる素子分離帯４１１には絶縁性が求められ、ポリイミド等の有機材料を用いることもできるし、ＳｉＯ２、ＳｉＮなどの無機材料を用いてもよい。かかる素子分離帯４１１の成膜およびパターン形成法についても当該業者に周知である。
【００５９】
ついで透明電極４１０上に有機ＥＬ材料の正孔輸送層４１２、発光兼電子輸送層４１３、陰極４１４を順次形成する（ステップＳ３１３〜ステップＳ３１５）。かかる形成の際には発光色の異なる発光兼電子輸送層４１３を、蒸着マスクを用いて特定の透明電極４１０上にのみ形成することで多色のディスプレイが形成できることは周知である。
【００６０】
画素エリアにのみスクリーン印刷などの手段で充填材４１５を塗布し（ステップＳ３１６）、該充填材４１６上に封止板（図示せず）を積層して封止が完了する（ステップＳ３１７）。この後、必要に応じて筐体に格納するモジュール工程（ステップＳ３１８）を経て有機ＥＬ表示装置が完成する。
【００６１】
本発明は上記で説明した有機層を真空蒸着で形成する、いわゆる低分子型のディスプレイにのみ有効なわけではなく、いわゆる高分子型と称される有機ＥＬディスプレイにも有効である。さらに本発明は、前述したようなガラス基板上に透明電極と有機層と陰極を順次に積層してＥＬ発光をガラス基板側に取り出す、いわゆるボトムエミッション型の有機ＥＬの製造にのみ有効なわけではなく、ガラス基板上に陰極と有機層と透明電極を順次に積層してＥＬ発光を封止基板側に取り出す、いわゆるトップエミッション型の有機ＥＬの製造にも有効である。
【００６２】
以上説明したように、上述の実施形態によれば、半導体薄膜上に光吸収層等を形成する事無く、即ち工程を複雑化させること無く、また結晶性の周期的劣化を回避して安定して均質な微結晶膜を形成することができるため、製造歩留まりを向上させると共に、耐圧低下の原因である粒界突起の発生しない微結晶膜を回路に必要な性能に応じて形成することができる。
【００６３】
なお、上述の実施形態においては、液晶表示装置及び有機ＥＬ表示装置の実施形態としたが薄膜トランジスタ基板を用いるその他の表示装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【００６４】
１００  レーザアニール装置、１０１  レーザダイオードアレイ、１０２  ファイバ、１０３  カライドスコープ、１０４  矩形スリット、１０５  リレーレンズ、１０６  対物レンズ、１０７  駆動機構付ミラー、１１２  ステージ、１１４  ビームプロファイラ、１１５  パワーメータ、１１６  リレーレンズ、１１７  照明装置、１１８  画像データ処理装置、１２０  線状レーザ光、２００  基板、２０２  走査線駆動回路領域、２０３  信号線駆動回路領域、２０４  周辺回路領域、２０５  線状レーザ光、２０６  線状レーザ光、２０７  パネル、２２２  ＳｉＮ膜、２２３  ＳｉＯ２膜、２２４  シリコン膜、２２５  ゲート絶縁膜、２２６  ゲート電極、２２７  ソース電極、２２８  ドレイン電極、２２９  層間絶縁膜、２３１  透明画素電極、２３２  配向膜、２５１  ガラス基板、２５２  カラーフィルタ層、２５３  保護膜、２５４  透明電極、２５５  配向膜、２５６  ブラックマトリクス層、２５７  液晶、２５８  ビーズ、２５９  偏光板、３０１  ガラス基板、３０２  絶縁体薄膜、３０３  非晶質シリコン薄膜、３０５  微結晶膜、３５０  基板、３５１  カラーフィルタ基板、３５２  端子、３５３  シャーシ、３６０  パネル、３７０  液晶表示装置、４０１  ガラス基板、４０２  ＳｉＮ膜、４０３  ＳｉＯ膜、４０４  アモルファスシリコン膜、４０５  シリコン膜、４０６  ゲート配線、４０７  ドレイン配線、４０８  層間絶縁膜、４０９  パシベーション膜、４１０  透明電極、４１１  素子分離帯、４１２  正孔輸送層、４１３  発光兼電子輸送層、４１４  陰極、４１５  充填材、４１６  充填材、５０１  微結晶膜、５０２  劣化部分、６００  レーザアニール装置、６０１  レーザダイオード電源、６０２  光ファイバ、６０３  レーザ発振器、６０４  レーザ光、６０５  フィルタ、６０６  ＥＯモジュレータ、６０７  ビームホモジナイザ、６０８  電動矩形開口スリット、６０９  ステージ、６１０  基板、６１１  対物レンズ、６１２  リニアエンコーダ、６１５  ドライバ、６１６  制御装置、６１７  照明光源、６１９  カメラ。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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