(57)【要約】【課題】アモルファスシリコン膜をレーザアニールして、低温ポリシリコン膜を形成する際に、ＹＡＧレーザのような低コストのレーザ光源装置を使用しても、アモルファスシリコン膜に対して、十分なエネルギを与えて効率的に相転移させることが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】ＹＡＧレーザ光源１１からの基本波を、波長変換器１２，１３で第２高調波及び第３高調波に変換し、第３高調波のレーザ光を被照射体１８に照射すると共に、基本波は、約３ｍの第３の光学系２１及び約６ｍの第４の光学系２２を経由させ、約１０ｎｓ及び約２０ｎｓ遅延させて、被照射体１８に照射する。これにより、第３高調波で溶融したアモルファスシリコン膜の溶融部は基本波がＰ波とＳ波とに分割されて照射されるので、アモルファスシリコン膜には吸収されないＹＡＧ基本波が溶融Ｓｉに吸収されてその加熱に有効に使用される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のパルスレーザ光と、前記第１のパルスレーザ光よりも高次の高調波の第２のパルスレーザ光とを出力するレーザ照射部を有し、前記第２のパルスレーザ光をアモルファスシリコン膜に照射し、前記第２のパルスレーザ光の照射により前記アモルファスシリコン膜が溶融する工程と、
その溶融部が凝固する前の時点で、前記第１のパルスレーザ光の一部を前記第２のパルスレーザ光の照射より第１の遅延時間だけ遅延させた後、前記アモルファスシリコン膜の前記溶融部に照射する工程と、
この溶融部が凝固する前の時点で、前記第１のパルスレーザ光の他の一部又は残部を前記第１のパルスレーザ光の前記一部の照射より第２の遅延時間だけ遅延させた後、前記アモルファスシリコン膜の前記溶融部に照射する工程と、
を有し、
アニール対象部に前記第２のパルスレーザ光のエネルギと、前記第１のパルスレーザ光の２又は複数に分割されたエネルギとを、順次付与することを特徴とするレーザアニール方法。
【請求項２】
前記第２のパルスレーザ光は、波長が５５０ｎｍ以下であり、前記第１のパルスレーザ光は、波長が５５０ｎｍを超えることを特徴とする請求項１に記載のレーザアニール方法。
【請求項３】
第１のパルスレーザ光を出力する第１の発振器と、前記第１のパルスレーザ光よりも高次の高調波の第２のパルスレーザ光を出力する第２の発振器と、前記第１のパルスレーザ光をアモルファスシリコン膜に照射する第１の光学系と、前記第２のパルスレーザ光を前記アモルファスシリコン膜に照射して溶融部を形成する第２の光学系と、を有し、
前記第１の光学系は、前記第２の光学系による前記第２のパルスレーザ光の照射よりも第１の遅延時間だけ遅延させて前記第１のパルスレーザ光の一部を前記アモルファスシリコン膜の前記溶融部に照射させる第３の光学系と、前記第３の光学系による前記第１のパルスレーザ光の一部の照射よりも第２の遅延時間だけ遅延させて前記第１のパルスレーザ光の他の一部又は残部を前記アモルファスシリコン膜の前記溶融部に照射させる第４の光学系とを有し、
前記第１の遅延時間は、前記第２のパルスレーザ光による照射により前記アモルファスシリコン膜が溶融した後、溶融部が凝固する前の時点で前記第１のパルスレーザ光の前記一部が照射されるものであり、
前記第２の遅延時間は、前記第１のパルスレーザ光の前記一部の照射により溶融が維持されている前記溶融部が凝固する前の時点で前記第１のパルスレーザ光の前記他の一部又は残部が照射されるものであることを特徴とするレーザアニール装置。
【請求項４】
前記第２のパルスレーザ光は、波長が５５０ｎｍ以下であり、前記第１のパルスレーザ光は、波長が５５０ｎｍを超えることを特徴とする請求項３に記載のレーザアニール装置。
【請求項５】
パルス発振のレーザ光の基本波を出力するレーザ光源と、前記基本波を１又は複数の高次の高調波に変換する１又は複数の波長変換器と、前記基本波又は低次の高調波の第１のパルスレーザ光を前記アモルファスシリコン膜に導光して照射する第１の光学系と、前記第１のパルスレーザ光よりも高次の高調波の第２のパルスレーザ光を前記アモルファスシリコン膜に導光して照射することにより溶融部を形成する第２の光学系と、を有し、
前記第１の光学系は、前記第２の光学系による前記第２のパルスレーザ光の照射よりも第１の遅延時間だけ遅延させて前記第１のパルスレーザ光の一部を前記アモルファスシリコン膜の前記溶融部に照射させる第３の光学系と、前記第３の光学系による前記第１のパルスレーザ光の一部の照射よりも第２の遅延時間だけ遅延させて前記第１のパルスレーザ光の他の一部又は残部を前記アモルファスシリコン膜の前記溶融部に照射させる第４の光学系とを有し、
前記第１の遅延時間は、前記第２のパルスレーザ光による照射により前記アモルファスシリコン膜が溶融した後、溶融部が凝固する前の時点で前記第１のパルスレーザ光の前記一部が照射されるものであり、
前記第２の遅延時間は、前記第１のパルスレーザ光の前記一部の照射により溶融が維持されている前記溶融部が凝固する前の時点で前記第１のパルスレーザ光の前記他の一部又は残部が照射されるものであることを特徴とするレーザアニール装置。
【請求項６】
前記レーザ光源は、基本波の波長が１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ光源であり、前記第１のパルスレーザ光は、前記基本波又は波長が５３３ｎｍの第２高調波であり、前記第２のパルスレーザ光は、波長が３５５ｎｍの第３高調波であることを特徴とする請求項５に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、薄膜トランジスタ液晶パネル等において、アモルファスシリコン膜をパルスレーザ光の照射によりアニールして低温ポリシリコン膜を形成するレーザアニール方法及び装置に関し、特に、マイクロレンズアレイを使用して、薄膜トランジスタを形成すべき領域のみをアニールすることができるレーザアニール方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶パネルにおいては、ガラス基板上にアモルファスシリコン膜を形成し、このアモルファスシリコン膜に対して、基板の一端から、線状のビーム形状を有する連続レーザ光を、前記ビームの長手方向に垂直の方向に走査することにより、低温ポリシリコン膜を形成している。この線状のレーザ光の走査により、アモルファスシリコン膜がレーザ光により加熱されて一旦溶融し、その後、レーザ光の通過により溶融シリコンが急冷され、凝固することにより結晶化して、低温ポリシリコン膜が形成される（特許文献１、２）。
【０００３】
しかし、この低温ポリシリコン膜の形成装置においては、アモファスシリコン膜の全体がレーザ光の照射を受けて高温になり、アモルファスシリコン膜の溶融凝固により全体が低温ポリシリコン膜となる。このため、薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴ）を形成すべき領域以外の領域もアニールされるため、処理効率が悪いという問題点がある。
【０００４】
そこで、マイクロレンズアレイを使用し、各マイクロレンズにより、アモルファスシリコン膜上で、微小な複数個の領域にパルスレーザ光を集光させ、各トランジスタに対応する微小領域に、同時に個別的にパルスレーザ光を照射してアニールする方法が提案されている（特許文献３）。この方法では、複数個のＴＦＴ形成予定領域のアモルファスシリコン膜のみをアニール処理するため、レーザ光の利用効率が高くなるという利点がある。
【０００５】
しかしながら、これらの従来のアモルファスシリコン膜のレーザアニール装置においては、アモルファスシリコン膜に対し、アモルファスシリコン膜に対する吸収率が高いＸｅＣｌガスのエキシマレーザを照射している。このエキシマレーザは基本波長が３０８ｎｍである。又は、ＹＡＧレーザを使用し、このＹＡＧレーザの基本波長が１０６４ｎｍであるため、これを３倍の高調波（波長が３５５ｎｍ）にして、アモルファスシリコン膜に対する吸収特性が良好なレーザ光にした後、レーザアニールに使用している。
【０００６】
このため、エキシマレーザを使用した場合は、そのエキシマレーザ装置の装置コストが高く、また、ＸｅＣｌガスを使用すると共にランプの寿命が短いために、ランニングコストも高いという問題点がある。
【０００７】
一方、ＹＡＧレーザに関しては、装置コスト及びランニングコストは低いのであるが、基本波長が１０６４ｎｍであり、このような長波長のレーザ光は、アモルファスシリコン膜で吸収されないため、波長が３５５ｎｍの第３高調波のレーザ光を使用する必要がある。この第３高調波は、基本波の出力の３０％程度しか利用できないため、十分な出力が得られないという難点がある。
【０００８】
一方、特許文献４には、波長が長い第１のレーザビームを波長が短い第２のレーザビームよりも遅延させて被加工物に導く光学系を備えた表面熱処理装置が開示されている。この装置は、ＹＡＧレーザから出力された基本波長のレーザ光（波長：１．０６μｍ）の光学路を、第２高調波のレーザ光（波長：０．５３μｍ）の光学路より長くして、出力が低い第２のレーザビームの照射の後、時間差をもって出力が高い第１のレーザビームを照射することにより、被加工物の表面を極めて浅く、能率良く熱処理するようにしたものである。
【０００９】
また、特許文献５には、被加工物の表面の第１層を第１の光パルスにより照射して加工し、その後、遅延して、第１の光パルスとは波長が異なる第２の光パルスにより照射して第１層より下層の第２層を加工するには超レーザ表面処理装置が開示されている。
【００１０】
更に、特許文献６には、冷却時の時定数を長くすることにより、グレインサイズを揃えることを目的として、同一波長のレーザビームを電力密度の高い順にビームスポット以上の距離を離して連動して走査しながら試料に照射するレーザ加熱方法が開示されている。先に照射されるレーザビームは、多結晶シリコン膜を溶融するのに十分なエネルギ密度を有し、次順に照射されるレーザビームは、波長は同一であるものの、多結晶シリコン膜を溶融しない程度に十分な加熱力をもつものである。
【００１１】
更にまた、特許文献７には、レーザアニールによる再結晶時の粒径を大きくするために、３つのレーザ装置を使用し、従来の１出力パルスに相当するエネルギを、ｎ＝３発の段階的に出力が異なるパルスに分割し、これを連続的に薄膜の表面に照射することにより、溶融して再結晶する時間を長くすることにより、最大２０００Åの粒径を得るレーザアニール装置が開示されている。
【００１２】
更にまた、特許文献８には、半導体材料を均一且つ良好に結晶化させることを目的として、波長が異なる複数種類の光エネルギの光を、同時に又は時間差をもって材料に照射する光源装置が開示されている。この場合、先ず、エネルギが小さい方の光を照射すると、照射された半導体層の全体が溶融し、その後、最表面から固化（結晶化）が始まる。その後、少し遅れてエネルギが高い光を照射すると、半導体層の固化し始めた最表面が再度溶融し、最終的に半導体層の全体にわたり、結晶粒がより均一なものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特許第３９４５８０５号公報
【特許文献２】特開２００４−２８２０６０号公報
【特許文献３】特開２００４−３１１９０６号公報
【特許文献４】特公昭６４−１０４５号公報
【特許文献５】特開昭５６−２９３２３号公報
【特許文献６】特公平４−２０２５４号公報
【特許文献７】特開平３−６００１５号公報
【特許文献８】特開平６−１６３４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上述の従来技術は、結晶粒径の均一化、結晶粒径の長大化等を目的として、同一波長又は複数の波長のレーザ光を時間差をおいて被照射体に照射するものであるが、ＹＡＧレーザのような低コストのレーザ光源装置を使用して、レーザ光源から出射されるレーザ光のエネルギを有効に使用できるものではなかった。
【００１５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、アモルファスシリコン膜をレーザアニールして、低温ポリシリコン膜を形成する際に、ＹＡＧレーザのような低コストのレーザ光源装置を使用しても、アモルファスシリコン膜に対して、十分なエネルギを与えて効率的に相転移させることができるレーザアニール方法及び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】
【００１６】
本発明に係るレーザアニール方法は、第１のパルスレーザ光と、前記第１のパルスレーザ光よりも高次の高調波の第２のパルスレーザ光とを出力するレーザ照射部を有し、前記第２のパルスレーザ光をアモルファスシリコン膜に照射し、前記第２のパルスレーザ光の照射により前記アモルファスシリコン膜が溶融する工程と、
その溶融部が凝固する前の時点で、前記第１のパルスレーザ光の一部を前記第２のパルスレーザ光の照射より第１の遅延時間だけ遅延させた後、前記アモルファスシリコン膜の前記溶融部に照射する工程と、
この溶融部が凝固する前の時点で、前記第１のパルスレーザ光の他の一部又は残部を前記第１のパルスレーザ光の前記一部の照射より第２の遅延時間だけ遅延させた後、前記アモルファスシリコン膜の前記溶融部に照射する工程と、
を有し、
アニール対象部に前記第２のパルスレーザ光のエネルギと、前記第１のパルスレーザ光の２又は複数に分割されたエネルギとを、順次付与することを特徴とする。
【００１７】
このレーザアニール方法において、例えば、前記第２のパルスレーザ光は、波長が５５０ｎｍ以下であり、前記第１のパルスレーザ光は、波長が５５０ｎｍを超えるものである。
【００１８】
本発明に係る第１のレーザアニール装置は、第１のパルスレーザ光を出力する第１の発振器と、前記第１のパルスレーザ光よりも高次の高調波の第２のパルスレーザ光を出力する第２の発振器と、前記第１のパルスレーザ光をアモルファスシリコン膜に照射する第１の光学系と、前記第２のパルスレーザ光を前記アモルファスシリコン膜に照射して溶融部を形成する第２の光学系と、を有し、
前記第１の光学系は、前記第２の光学系による前記第２のパルスレーザ光の照射よりも第１の遅延時間だけ遅延させて前記第１のパルスレーザ光の一部を前記アモルファスシリコン膜の前記溶融部に照射させる第３の光学系と、前記第３の光学系による前記第１のパルスレーザ光の一部の照射よりも第２の遅延時間だけ遅延させて前記第１のパルスレーザ光の他の一部又は残部を前記アモルファスシリコン膜の前記溶融部に照射させる第４の光学系とを有し、
前記第１の遅延時間は、前記第２のパルスレーザ光による照射により前記アモルファスシリコン膜が溶融した後、溶融部が凝固する前の時点で前記第１のパルスレーザ光の前記一部が照射されるものであり、
前記第２の遅延時間は、前記第１のパルスレーザ光の前記一部の照射により溶融が維持されている前記溶融部が凝固する前の時点で前記第１のパルスレーザ光の前記他の一部又は残部が照射されるものであることを特徴とする。
【００１９】
この第１のレーザアニール装置において、前記第２のパルスレーザ光は、波長が５５０ｎｍ以下であり、前記第１のパルスレーザ光は、波長が５５０ｎｍを超えるものである。
【００２０】
本発明に係る第２のレーザアニール装置は、パルス発振のレーザ光の基本波を出力するレーザ光源と、前記基本波を１又は複数の高次の高調波に変換する波長変換器と、前記基本波又は低次の高調波の第１のパルスレーザ光を前記アモルファスシリコン膜に導光して照射する第１の光学系と、前記第１のパルスレーザ光よりも高次の高調波の第２のパルスレーザ光を前記アモルファスシリコン膜に導光して照射することにより溶融部を形成する第２の光学系と、を有し、
前記第１の光学系は、前記第２の光学系による前記第２のパルスレーザ光の照射よりも第１の遅延時間だけ遅延させて前記第１のパルスレーザ光の一部を前記アモルファスシリコン膜の前記溶融部に照射させる第３の光学系と、前記第３の光学系による前記第１のパルスレーザ光の一部の照射よりも第２の遅延時間だけ遅延させて前記第１のパルスレーザ光の他の一部又は残部を前記アモルファスシリコン膜の前記溶融部に照射させる第４の光学系とを有し、
前記第１の遅延時間は、前記第２のパルスレーザ光による照射により前記アモルファスシリコン膜が溶融した後、溶融部が凝固する前の時点で前記第１のパルスレーザ光の前記一部が照射されるものであり、
前記第２の遅延時間は、前記第１のパルスレーザ光の前記一部の照射により溶融が維持されている前記溶融部が凝固する前の時点で前記第１のパルスレーザ光の前記他の一部又は残部が照射されるものであることを特徴とする。
【００２１】
この第２のレーザアニール装置において、例えば、前記レーザ光源は、基本波の波長が１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ光源であり、前記第１のパルスレーザ光は、前記基本波又は波長が５３３ｎｍの第２高調波であり、前記第２のパルスレーザ光は、波長が３５５ｎｍの第３高調波である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、高次の高調波（例えば、波長が５５０ｎｍ以下）である第２のパルスレーザ光による照射によりアモルファスシリコン膜が溶融した後、溶融部が凝固する前に、第１の遅延時間だけ遅延して、波長が例えば５５０ｎｍを超える第１のパルスレーザ光の一部による照射が行われる。これにより、第２のパルスレーザ光により溶融した領域が溶融した状態のまま、第１のパルスレーザ光の一部による照射を受けるので、固体のアモルファスシリコン膜には吸収されない第１のパルスレーザ光であっても、溶融して金属Ｓｉとなった溶融部においては、十分に吸収され、第１のパルスレーザ光のエネルギが溶融部に付与される。そして、その後、第１のパルスレーザ光の残部又は他の一部が、第２の遅延時間だけ遅延して、溶融状態が維持されている溶融部に照射される。これにより、ＹＡＧレーザのように波長が長いレーザ光源を使用しても、アモルファスシリコン膜を溶融させることができると共に、十分に大きなエネルギを付与することができる。そして、本発明においては、エネルギが高い（ビーム強度が高い）基本波又は低次の高調波である第１のパルスレーザ光は、２つ又はそれ以上に分割し、第１のパルスレーザ光の一部及び第１のパルスレーザ光の残部として、又は第１のパルスレーザ光の一部及び第１のパルスレーザ光の他の一部（以降、第１のパルスレーザ光の更に他の一部又は残部）として、分割された後、相互間に第２の遅延時間だけおいて、溶融部に照射される。このため、エネルギが低い（ビーム強度が低い）高調波である第２のパルスレーザ光と、エネルギが高いが分割された第１のパルスレーザ光の一部と、同様の第１のパルスレーザ光の他の一部とが、相互間に第１の遅延時間及び第２の遅延時間をおいて照射されるので、基本波と高次の高調波との２個の波の場合に比して、より長時間、ほぼ一定の強度でレーザ光が照射され、より高効率でレーザ光のエネルギをアモルファスシリコン膜に吸収させることができる。
【００２３】
なお、本発明の第１のレーザアニール装置において、前記第２の発振器から出力される第２のパルスレーザ光は、基本波長ではなく、２次又は３次等の高調波を使用すればよいので、この第２のレーザアニール装置も、低コストにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】レーザアニール装置を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るレーザアニール装置の光源の部分を示す模式図である。
【図３】本実施形態の動作を示すレーザ光の照射タイミングのグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、マイクロレンズを使用したレーザアニール装置を示す図である。図１に示すレーザアニール装置は、逆スタガ構造の薄膜トランジスタのような半導体装置の製造工程において、例えば、そのチャネル領域形成予定領域のみにレーザ光を照射してアニールし、このチャネル領域形成予定領域を多結晶化して、ポリシリコン膜を形成するための装置である。このマイクロレンズを使用したレーザアニール装置は、発振器１から出射されたレーザ光を、レンズ群２により平行ビームに整形し、多数のマイクロレンズ５からなるマイクロレンズアレイを介して被照射体６に照射する。レーザ発振器１は、図２にて後述するように、例えば、ＹＡＧレーザを光源とするものであり、波長が３５５ｎｍ及び１０６４ｎｍの２つのレーザ光を両者間に遅延時間を設けて出射するものである。マイクロレンズアレイは、透明基板４に多数のマイクロレンズ５が配置されたものであり、レーザ光を被照射体６としての薄膜トランジスタ基板に設定された薄膜トランジスタ形成予定領域に集光させるものである。透明基板４は被照射体６に平行に配置され、マイクロレンズ５は、トランジスタ形成予定領域の配列ピッチの例えば２以上の整数倍（例えば２）のピッチで配置されている。本実施形態の被照射体６は、例えば、薄膜トランジスタであり、そのａ−Ｓｉ膜のチャネル領域形成予定領域にレーザ光を照射して、ポリシリコンチャネル領域を形成する。マイクロレンズ5の上方には、マイクロレンズ５により、チャネル形成予定領域のみにレーザ光を照射するためのマスク３が配置されており、このマスク３により、被照射体６においてチャネル領域が画定される。
【００２６】
本実施形態のレーザ発振器１は、図２に示すように、基本波の波長が１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ光源１１と、この基本波を２次の高調波に変換する第１の波長変換器１２と、３次の高調波に変換する第２の波長変換器１３とを有する。第１の波長変換器１２はレーザ光源１１からの基本波を、波長が５３３ｎｍの第２高調波（ＳＨＧ）に変換して、基本波と第２高調波を出力する。第２の波長変換器１３は、この第２高調波と基本波を合成して第３高調波（ＴＨＧ）を生成し、波長が３５５ｎｍの第３高調波と、第２高調波及び基本波とを出力する。なお、図２において、ミラー２４とミラー２５との間の距離及びミラー１５とミラー１６との間の距離は、ミラー２３とミラー２４との間の距離及びミラー１５とミラー１４との間の距離に比べて、極めて大きいものであるが、図示上は、理解の容易のために縦と横との縦横比が、実際の物理的寸法に比して、著しく大きくなるように描画している。
【００２７】
第２の波長変換器１３から出力された第３高調波（波長：３５５ｎｍ）は、レンズ１７を含む第２の光学系２０により、アモルファスシリコン膜が形成された被照射体１８に照射される。一方、第２の波長変換器１３から出力された基本波（波長：１０６４ｎｍ）は、その一部が、ミラー１４，ミラー１５，ミラー１６等を含む第３の光学系２１を経由して、レンズ１７により被照射体１８に照射される。また、基本波の残部は、ミラー１４を透過し、ミラー２３、ミラー２４、ミラー２５で反射し、ミラー１６を透過してレンズ１７により被照射体１８に照射され、ミラー２３，２４，２５は、第４の光学系２２を構成する。そして、この第３の光学系２１及び第４の光学系２２により、基本波を導光する第１の光学系１９が構成される。なお、第２の波長変換器１３から出力された第２高調波（波長：５３３ｎｍ）も、第３高調波（波長：３５５ｎｍ）に遅延させて、又は遅延させずに、アモルファスシリコン膜の照射に使用しても良い。
【００２８】
第２の波長変換器１３から出力された基本波は、その一部がミラー１４で反射し、残部がミラー１４を透過する。この反射量及び透過量は、例えば、夫々５０％である。このミラー１４で反射する基本波をＰ波といい、ミラー１４を透過する基本波をＳ波という。この基本波のＰ波が導光される第３の光学系２１の光路は、第２の波長変換器１３から、ミラー１４，１５，１６を経て、レンズ１７から被照射体１８に至るものであり、この光路長は、例えば、３ｍである。例えば、ミラー１４，１５と、ミラー１６との間の物理的距離を約１．５ｍにすれば、第２の波長変換器１３から出力された基本波は、ミラー１４，１５で折り返されるので、３ｍの光路長を確保することができる。従って、基本波のうちの５０％のＰ波は、第３の光学系２１を導光され、第３高調波は第２の光学系を経て被照射体１８に照射されるので、両者の光路長には、約３ｍの差があり、この光路長の差により、基本波のＰ波は、第３高調波に対して、約１０ｎｓ遅延して、アモルファスシリコン膜に照射される。
【００２９】
また、ミラー１４を透過してミラー２３，２４，２５により反射した基本波のうちのＳ波は、第４の光学系２２を導光されて被照射体１８に照射される。この第４の光学系２２は、第２の波長変換器１３から、ミラー１４、２３，２４，２５，１６を経て、レンズ１７から被照射体１８に至るものであり、この光路長は、例えば、６ｍである。例えば、ミラー２３，２４と、ミラー２５との間の物理的距離を約３ｍにすれば、第２の波長変換器１３から出力された基本波は、ミラー２３，２４で折り返されるので、６ｍの光路長を確保することができる。従って、基本波のうちの５０％のＳ波は、第４の光学系２２を導光され、基本波のうちの５０％のＰ波は、第３の光学系２１を導光されるので、両者の光路長には、約３ｍの差があり、この光路長の差により、基本波のＳ波は、基本波のＳ波に対して、約１０ｎｓ遅延して、アモルファスシリコン膜に照射される。よって、第３高調波と、Ｐ波と、Ｓ波とは、それらの間に約１０ｎｓの遅延時間をおいて、被照射体１８の溶融部に照射される。なお、第３の光学系２１のミラー１６とレンズ１７との間には、第３の光学系２１及び第４の光学系２２を導光されるレーザ光の強度を調整するアッテネータ２６が配置されている。
【００３０】
次に、上述のごとく構成された本実施形態のレーザアニール装置の動作について説明する。ＹＡＧレーザの基本波の場合は、アモルファスシリコン膜に照射されても、このアモルファスシリコン膜では吸収されにくく、ＹＡＧレーザ基本波は、アモルファスシリコン膜を溶融させることができないと共に、アモルファスシリコン膜を透過して、その下地のガラス基板に到達し、ガラス基板を損傷させる。このため、従来、ＹＡＧレーザの場合は、第３高調波（波長が３５５ｎｍ）を使用して、レーザアニールが行われている。
【００３１】
しかし、本実施形態においては、ＹＡＧレーザ光源１１から、基本波（波長が１０６４ｎｍ）のレーザ光を１ショットだけ、パルス出力する。そうすると、このレーザ光は第１波長変換器１２で第２高調波（ＳＨＧ）に変換され、第２高調波と基本波が入力された第２波長変換器１３で第３高調波（ＴＨＧ）に変換される。そして、この第３高調波はレンズ１７を介して、被照射体１８に照射され、被照射体１８を局部的に溶融させる。一方，基本波のうちのＰ波は、ミラー１４，１５，１６を含む第３光学系２１を経由して遅延され、例えば、第３高調波に対して１０ｎｓ遅延して、被照射体１８の溶融部に照射される。更に、基本波のうちのＳ波は、ミラー２３，２４，２５を含む第４光学系２２を経由して遅延され、例えば、Ｐ波に対して１０ｎｓ遅延して、被照射体１８の溶融部に照射される。
【００３２】
図３（ａ）は、第３高調波が照射された後、基本波のＰ波が例えば１０ｎｓ遅延して照射され、更に基本波のＳ波が例えば１０ｎｓ遅延して照射されたことを示す。そして、この第３高調波が照射されると、第３高調波の波長は３５５ｎｍであるので、アモルファスシリコン膜が溶融する。仮に、この第３高調波の照射のみの場合には、アモルファスシリコン膜の凝固が約５０ｎｓ後に開始される。そこで、第３高調波の照射後、１０ｎｓ遅延して基本波のＰ波が照射された場合には、この基本波のＰ波は、溶融状態の金属Ｓｉに照射されるので、固体アモルファスシリコン膜に照射された場合と異なり、基本波の波長でも、溶融部に十分吸収され、この溶融部に大きな熱源を付与する。また、基本波のＰ波が溶融状態の金属Ｓｉに照射された後、１０ｎｓ遅延して基本波のＳ波が照射された場合には、この基本波のＳ波は、溶融状態の金属Ｓｉには十分に吸収され、この溶融部に大きな熱源を与える。そして、基本波は、高調波よりもエネルギが大きく、レーザ光の強度が高くなるが、本実施形態では、基本波は、そのエネルギが５０％ずつに分割され、強度が約半分のＰ波及びＳ波が約１０ｎｓの遅延時間で遅延して溶融部に照射されるので、エネルギ及びレーザ光強度がほぼそろった３つのパルスレーザ光が、相互間に約１０ｎｓの遅延時間で遅延してアモルファスシリコン膜に局部的に照射される。これにより、第３高調波と、基本波のＰ波と、基本波のＳ波との３波の全てから熱を付与されて、アモルファスシリコン膜には全体で図３（ｂ）に示す熱が付与される。
【００３３】
これにより、アモルファスシリコン膜には極めて大きな熱が付与される。ＹＡＧレーザの第３高調波の場合は、その熱量が基本波の場合の３０％程度しかない。例えば、ＹＡＧレーザの場合、基本波の１０６４ｎｍの波長のレーザ光のエネルギが１０であるとすると、第２高調波の５３３ｎｍの波長のレーザ光のエネルギは５、第３高調波の３５５ｎｍの波長のレーザ光のエネルギは３である。このため、第３高調波を単独で照射した場合は、アモルファスシリコン膜に付与される熱量は少ない。このため、アモルファスシリコン膜に十分な熱を与えてアニールしようとすると、ＹＡＧレーザの出力を極めて大きくする必要があり、従来は、その出力の損失が極めて大きいものであった。
【００３４】
これに対し、本実施形態においては、第３高調波の照射によりアモルファスシリコン膜に付与される熱量は少なくても、溶融したシリコンが凝固する前に、即ち、第３高調波の照射後５０ｎｓ以内に、基本波を２回に分けて順次照射するので、この基本波から大きな熱量が溶融部に付与される。これにより、ＹＡＧレーザ光源１１から発せられたレーザ光のエネルギを無駄にすることなく、高効率でアモルファスシリコン膜の加熱に使用することができる。しかも、このＹＡＧレーザ光源１１は、装置コストが低く、ランニングコストも低いという利点がある。基本波はエネルギが高いので、第３高調波と基本波との２つのみの場合は、基本波は一度に高エネルギ密度の波として照射される。これに対し、本実施形態の場合は、基本波は、第３高調波とエネルギ密度が同程度のＰ波及びＳ波として、２個に分割されて、所定の遅延時間だけ遅延して、アモルファスシリコン膜の溶融部に照射される。従って、本実施形態の場合は、基本波と第３高調波との２個の波の場合に比して、より長時間、ほぼ一定の強度でレーザ光が照射され、より高効率でレーザ光のエネルギがアモルファスシリコン膜に吸収される。
【００３５】
本発明は、上記実施形態に限らず、種々の変形が可能である。レーザ光源は、ＹＡＧレーザに限らず、種々のレーザを使用することができる。アモルファスシリコン膜は短波長のレーザ光を吸収するが、長波長のレーザ光は吸収しないため、先ず、エネルギは小さいものの吸収効率が良い短波長のレーザ光を照射してアモルファスシリコン膜を溶融させた後、一定の遅延時間の後、金属状態の溶融シリコンに、長波長でエネルギが大きなレーザ光を分割して照射することに本発明の特徴がある。そこで、このような３段階のレーザ光の照射が可能であれば、種々のレーザ光源を使用することができる。また、光エネルギのレーザ光は、上記実施形態のように２個に分割するのではなく、３個以上に分割して、夫々、所定の遅延時間で遅延させてもよい。更に、分割の程度は、上記実施形態のように、５０％に限らず、例えば、４０％と６０％というように、分割割合を変えてもよい。
【００３６】
例えば、上記実施形態では、ＹＡＧレーザの同一の光源を使用し、第１の光学系１９を使用して、基本波を第３高調波よりも遅延させて２段階のレーザ光の照射を行っているが、これに限らず、別のレーザ光源を使用して、短波長の照射とこれに続く長波長の照射とを行ってもよい。この場合は、第１の発振器が、長波長の第１のパルスレーザ光を出力するタイミングを、第２の発振器が、短波長の第２のパルスレーザ光を出力するタイミングよりも、所定の遅延時間だけ遅らせるように、パルスのタイミングを制御すればよい。
【００３７】
この場合に、先に照射される第２のパルスレーザ光は、波長が５５０ｎｍ以下の短波長とすることが好ましい。この５５０ｎｍ以下であれば、第２のパルスレーザ光は、アモルファスシリコン膜で吸収され、アモルファスシリコン膜を十分に加熱して溶融させることができる。従って、エネルギが大きな後発の第１のパルスレーザ光は、波長が５５０ｎｍを超えるものである。この波長が５５０ｎｍを超える長波長は、アモルファスシリコン膜に対して吸収されにくく、これを溶融させるには至らないが、溶融金属Ｓｉに対して大きなエネルギを与えることができる。
【００３８】
また、上記実施形態においては、長波長の第１のパルスレーザ光として、基本波長を使用したが、基本波長の代わりに、第２高調波の５３３ｎｍのレーザ光を使用してもよい。この５３３ｎｍの第２高調波は、基本波長に比べればエネルギが小さいが、アモルファスシリコン膜に与えるべき全体のエネルギの大きさに応じて、第２高調波も使用することができる。
【００３９】
更に、例えば、第４高調波、及び第５高調波等も使用することができる。なお、第２、第３高調波発生素子としては、ＬＢＯ結晶（ＬｉＢ３Ｏ５）又はＫＴＰ結晶（ＫＴｉＯＰＯ４）を使用できることが周知である。また、第４高調波発生素子としては、ＢＢＯ結晶（β−ＢａＢ２Ｏ４）を使用できることが周知である。
【００４０】
更にまた、第３高調波、第２高調波、基本波長のレーザ光を、順次、遅延させながら、アモルファスシリコン膜に照射してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明によれば、低コストのレーザ光源を使用して、アモルファスシリコン膜をレーザアニールすることができるので、レーザ光を使用したアニール技術に極めて有用である。
【符号の説明】
【００４２】
１：レーザ光源
２：レンズ群
３：マスク
４：透明基板
５：マイクロレンズ
６：被照射体
７：遮光板
１１：ＹＡＧレーザ光源
１２：第１波長変換器
１３：第２波長変換器
１４，１５，１６、２３，２４，２５：ミラー
１７：レンズ
１８：被照射体
１９：第１光学系
２０：第２光学系
２１：第３光学系
２２：第４光学系
【図１】
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【図２】
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【図３】
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