(57)【要約】【課題】より均質な強度分布を有するレーザビームを安定して照射可能な照射装置を提供する。【解決手段】レーザ光源１１と、レーザ光源１１からの射出レーザ光をＰ偏光（第１の直線偏光）とＳ偏光（第２の直線偏光）とに分離する偏光ビームスプリッタ１３（偏光分離手段）と、第１もしくは第２の直線偏光を複数の光束に分割するシリンドリカルレンズアレイ対１４（光束分割手段）と、光束を右旋回円偏光に変換する第１の１／４波長板１５Ａと、光束を左旋回円偏光に変換する第２の１／４波長板１５Ｂとが光軸Ｚと直交するＸ軸方向（第１の方向）において交互に配列されてなる１／４波長板アレイ１５と、右旋回円偏光および左旋回円偏光を集光し、表面３Ｓ（被照射面）へ向けて照射するコンデンサレンズ１６（投影光学系）とを備える。【選択図】図２
2011003666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、
前記レーザ光源から射出された射出レーザ光を互いに偏光方向の異なる第１の直線偏光と第２の直線偏光とに分離する偏光分離手段と、
前記第１もしくは第２の直線偏光を複数の光束に分割する光束分割手段と、
前記光束を右旋回円偏光に変換する第１の１／４波長板と、前記光束を左旋回円偏光に変換する第２の１／４波長板とが光軸と直交する第１の方向において交互に配列されてなる１／４波長板アレイと、
前記右旋回円偏光および左旋回円偏光を集光し、被照射面へ向けて照射する投影光学系と
を備えた照射装置。
【請求項２】
前記光束分割手段は、前記光軸および第１の方向の双方と直交する第２の方向に沿った軸を中心とした円柱面を有するシリンドリカルレンズが前記第１の方向にそれぞれ同数ずつ並列配置され、かつ、互いに対応する前記シリンドリカルレンズ同士が対向するように配置された一対のシリンドリカルレンズアレイからなる
請求項１記載の照射装置。
【請求項３】
前記一対のシリンドリカルレンズアレイにおける各シリンドリカルレンズは、前記１／４波長板アレイにおける第１および第２の１／４波長板の各々と対応して設けられている
請求項２記載の照射装置。
【請求項４】
前記第１および第２の１／４波長板は、前記第１の方向において全て同一の寸法を有する請求項１記載の照射装置。
【請求項５】
前記偏光分離手段および光束分割手段よりも前記レーザ光源の側に、前記射出レーザ光における前記第１の方向および光軸の双方と直交する第２の方向の成分を平行化する光束平行化手段を備えた請求項１記載の照射装置。
【請求項６】
前記光束分割手段は、それぞれ前記第１および第２の方向に沿ってレンズが複数配列された一対のレンズアレイからなり、
前記１／４波長板アレイは、前記第１の方向および光軸の双方と直交する第２の方向においても前記第１の１／４波長板と前記第２の１／４波長板とが交互に配列されたものである
請求項１記載の照射装置。
【請求項７】
前記第１および第２の１／４波長板は、進相軸および遅相軸の各々が互いに直交するフォトニック結晶からなる請求項１記載の照射装置。
【請求項８】
前記レーザ光源は、前記第１の方向において最大の空間コヒーレンスを有するブロードエリア型の半導体レーザからなる
請求項１記載の照射装置。
【請求項９】
基板上に非晶質半導体膜と光吸収層とを順に形成する工程と、
前記光吸収層に対しレーザ光を照射して発熱させることにより前記非晶質半導体膜を結晶化し、結晶質半導体膜を生成するアニール工程と
を含み、
前記アニール工程は、
レーザ光源から射出レーザ光を発振するステップと、
前記射出レーザ光を、互いに偏光方向の異なる第１の直線偏光と第２の直線偏光とに分離するステップと、
前記第１もしくは第２の直線偏光を複数の光束に分割するステップと、
前記光束を、光軸と直交する第１の方向において交互に配列される右旋回円偏光と左旋回円偏光とに変換するステップと、
前記右旋回円偏光および左旋回円偏光を集光し、前記光吸収層へ照射するステップと
を含む
半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体膜などの被照射物に対してレーザビームを照射することにより各種の処理を行う照射装置、およびそれを用いた半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液晶表示装置、有機ＥＬ(Electroluminescence) 表示素子の駆動回路素子、スイッチング素子などには、多結晶シリコン膜が用いられている。そのような多結晶シリコン膜は、例えばスパッタ法などにより形成した非晶質シリコン膜に対し、レーザビームを照射するなどのアニール処理を行うことによって生成される。このようなレーザビーム照射によるアニール処理を行うにあたっては、処理効率を向上させるためにレーザビームのスポット形状が線状であることが望まれる。さらに、そのような線状のスポット形状を有するレーザビーム（線状ビーム）を用いてより均質な（結晶化度の偏りの小さな）多結晶シリコン膜を生成するためには、スポット形状の長手方向における線状ビームの強度分布の偏りを緩和し、非晶質シリコン膜に対する照射むらを低減することが重要である。
【０００３】
このような理由から、レーザ光源と被照射物（非晶質シリコン薄膜）との間にレンズアレイを介在させることにより、光軸と直交する面内において均質化された強度を有するレーザビームを照射する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
ところが、レンズアレイによって一旦複数に分割された光束を、集光レンズによって再度重ね合わせて被照射物に照射すると、被照射物における被照射面上にレーザ光源の空間コヒーレンシーに応じた干渉縞が生じることとなる。このような干渉縞の発生は、照射むらを助長するものであり、好ましくない。この問題を解決するものとして、レンズアレイの被照射物側に一定間隔で１／２波長板を複数配置し、隣り合う光束同士が互いに直交する直線偏光となるようにした技術が開示されている（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２４４３９２号公報
【特許文献２】特許第３９４７０６５号公報
【０００６】
しかしながら、上記特許文献２の方法であっても、光源として半導体レーザ光源を用いた場合には、被照射物からの反射光がその半導体レーザ光源へ戻ってしまい、発振動作が不安定となったり、半導体レーザ光源の劣化を招いたりするおそれが生じる。さらに、１／２波長板を集光系において配置すると、１／２波長板に対し入射光が所定の入射角で入射する（垂直に入射するわけではない）ので、その１／２波長板の機能が十分に発揮されない場合がある。この場合、干渉縞の抑制効果が十分に得られないこととなる。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、レーザ光源への戻り光の入射を回避しつつ、より均質な強度分布を有するレーザビームを照射可能な照射装置を提供することにある。さらに、本発明の第２の目的は、より均質性の高い多結晶の半導体素子の製造方法を提供することにある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の照射装置は、レーザ光源と、このレーザ光源から射出された射出レーザ光を互いに偏光方向の異なる第１の直線偏光と第２の直線偏光とに分離する偏光分離手段と、第１もしくは第２の直線偏光を複数の光束に分割する光束分割手段と、それら複数の光束を右旋回円偏光に変換する第１の１／４波長板と、それら複数の光束を左旋回円偏光に変換する第２の１／４波長板とが光軸と直交する第１の方向において交互に配列されてなる１／４波長板アレイと、右旋回円偏光および左旋回円偏光を集光し、被照射面へ向けて照射する投影光学系とを備えるものである。
【０００９】
本発明の照射装置では、光束分割手段によってレーザ光源からの射出レーザ光を複数の光束に分割したのち被照射面へ向けて照射するようにしたので、より均質化された強度分布を有するレーザビームが得られる。さらに、分割された光束を、第１の方向において交互配列された第１および第２の１／４波長板により右旋回円偏光および左旋回円偏光に変換するようにしたので、右旋回円偏光と左旋回円偏光とが第１の方向において隣り合うように１／４波長板アレイから射出される。よって、第１の方向における干渉縞の発生が十分に抑制される。また、レーザ光源と１／４波長板アレイとの間に偏光分離手段を設けるようにしたので、１／４波長板アレイと偏光分離手段とによってアイソレータが構成され、被照射面からの反射光の、レーザ光源への入射が回避される。
【００１０】
本発明の半導体素子の製造方法は、基板上に非晶質半導体膜と光吸収層とを順に形成する工程と、光吸収層に対しレーザ光を照射して発熱させることにより非晶質半導体膜を結晶化し、結晶質半導体膜を生成するアニール工程とを含む。ここで、アニール工程は、レーザ光源から射出レーザ光を発振するステップと、その射出レーザ光を互いに偏光方向の異なる第１の直線偏光と第２の直線偏光とに分離するステップと、第１もしくは第２の直線偏光を複数の光束に分割するステップと、複数の光束を、光軸と直交する第１の方向において交互に配列される右旋回円偏光と左旋回円偏光とに変換するステップと、右旋回円偏光および左旋回円偏光を集光し、光吸収層へ照射するステップとを含むものである。
【００１１】
本発明の半導体素子の製造方法では、レーザ光源からの射出レーザ光を複数の光束に分割したのち光吸収層へ向けて照射するようにしたので、より均質化された強度分布を有するレーザビームが得られる。さらに、分割された光束を、第１の方向において交互に配列される右旋回円偏光と左旋回円偏光とに変換するようにしたので、第１の方向における干渉縞の発生が十分に抑制される。また、射出レーザ光を、右旋回円偏光および左旋回円偏光に変換する前に互いに偏光方向の異なる第１の直線偏光と第２の直線偏光とに分離するようにしたので、光吸収層からの反射光の、レーザ光源への入射が回避される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の照射装置によれば、レーザ光源からの射出レーザ光を光束分割手段によって複数の光束に分割したのち、それらを１／４波長板アレイにより右旋回円偏光および左旋回円偏光に変換して交互に配列するようにしたので、第１の方向における干渉縞の発生を十分に低減しつつ、より均質化された強度分布のレーザビームを被照射面へ照射することができる。そのうえ、１／４波長板アレイと共にアイソレータを構成する偏光分離手段を、１／４波長板アレイよりもレーザ光源側に設けるようにしたので、レーザ光源へ入射する（戻る）反射光を十分に低減することができ、発振動作の安定化およびレーザ光源の長寿命化を実現することができる。
【００１３】
本発明の半導体素子の製造方法では、レーザ光源からの射出レーザ光を複数の光束に分割したのち、それらを１／４波長板アレイにより右旋回円偏光および左旋回円偏光に変換して交互に配列するようにしたので、第１の方向における干渉縞の発生を十分に低減しつつ、より均質化された強度分布のレーザビームを光吸収層へ向けて照射することができる。そのうえ、射出レーザ光を、右旋回円偏光および左旋回円偏光に変換する前に互いに偏光方向の異なる第１の直線偏光と第２の直線偏光とに分離するようにしたので、レーザ光源へ入射する（戻る）反射光を十分に低減することができ、発振動作の安定化およびレーザ光源の長寿命化を実現することができる。これにより、より均質に結晶化された多結晶半導体膜を有する良質な半導体素子を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施の形態としての照射装置の全体構成を表す斜視図である。
【図２】図１に示した照射光学系の構成を表す斜視図である。
【図３】図１に示した照射光学系の構成を表す断面図である。
【図４】図２に示した１／４波長板アレイを構成するフォトニック結晶の構造を表す斜視図である。
【図５】図４に示した１／４波長板アレイの構成を表す平面図である。
【図６】照射光学系によって形成される線状ビームの照射強度分布を表す概念図である。
【図７】図２に示した偏光ビームスプリッタに入射する光束の偏光方向を示す断面図である。
【図８】本発明の照射装置を用いた薄膜トランジスタ素子の製造方法における一工程を表す断面図である。
【図９】図８に続く一工程を表す断面図である。
【図１０】図９に続く一工程を表す断面図である。
【図１１】図１０に続く一工程を表す断面図である。
【図１２】図１１に続く一工程を表す断面図である。
【図１３】図１２に続く一工程を表す断面図である。
【図１４】図１３に続く一工程を表す断面図である。
【図１５】図１に示した照射光学系における光束分割手段および１／４波長板アレイの変形例を表す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態（以下、実施の形態という。）について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
（照射装置の構成）
まず、図１を参照して、本発明における一実施の形態としての照射装置について説明する。図１は、本実施の形態の照射装置の全体構成を表している。この照射装置は、複数の照射光学系１（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）と、ステージ２と、制御部４とを備えている。
【００１７】
照射光学系１Ａ，１Ｂ，１Ｃはそれぞれ、ステージ２に載置された照射対象物３に対し、制御部４からの制御に応じてレーザ光（Ｘ軸方向を長軸方向とする線状ビーム）をそれぞれ照射することにより、図１に示したような複数の加工処理部３０（３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ）をそれぞれ形成するものである。ステージ２は、前述のように照射対象物３を搭載し、照射対象物３をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動するものである。また、制御部４は、照射光学系１の駆動制御と、ステージ２のＸＹ平面内における走査制御とを行うものである。
【００１８】
（照射装置の動作）
この照射装置では、ステージ２上の照射対象物３に対し、各照射光学系１Ａ，１Ｂ，１Ｃからそれぞれ射出されたレーザ光が照射される。また、制御部４によってステージ２のＸ軸方向およびＹ軸方向への走査制御を行うことにより、レーザ光の光軸と照射対象物３とのＸＹ平面内における相対位置を任意に変化させることができる。
【００１９】
照射対象物３は、その表面３Ｓにレーザ光が照射される加工対象物であり、具体例としてアモルファスシリコンなどの非晶質半導体膜上に光吸収層が設けられたものが挙げられる。この光吸収層は、照射光学系１からのレーザ光を吸収し、あるいは酸化反応を生じることによって発熱する材料（例えばクロムやモリブデンなどの金属材料）からなる。また、そのような光吸収層に覆われた非晶質半導体膜は、光吸収層から供給される熱エネルギーにより結晶化され、例えば、液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置におけるＴＦＴ（Thin Film Transistor）素子の一部を構成する多結晶半導体膜に変化する。
【００２０】
（照射光学系の構成）
図２、図３（Ａ）および 図３（Ｂ）は、照射光学系１（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）の全体構成を表すものであり、図２は斜視構成を、図３（Ａ）は光軸ＺおよびＸ軸を含む面に沿った断面を、図３（Ｂ）は光軸ＺおよびＹ軸を含む面に沿った断面をそれぞれ表している。
【００２１】
照射光学系１は、レーザ光源１１と、コリメータレンズ１２と、偏光ビームスプリッタ１３と、シリンドリカルレンズアレイ対１４と、１／４波長板アレイ１５と、コンデンサレンズ１６とを有している。
【００２２】
レーザ光源１１は、例えばＸ軸方向を長手方向とする（すなわちＸ軸方向において最大の空間コヒーレンスを有する）ブロードエリア型の半導体レーザにより構成されている。レーザ光源１１としては、７００〜１０００ｎｍの波長を有するレーザ光を射出するものを用いることが好ましいが、特に、高出力の半導体レーザである波長が８００ｎｍ近傍のもの、または波長が９４０ｎｍ近傍のものを用いることがより好ましい。このようなレーザ光源１１は、比較的小型であるうえ、後述するように、射出レーザ光のビームスポットを線状に形成しやすいものである。
【００２３】
コリメータレンズ１２は、正のパワーを有するレンズであり、射出するレーザ光のＸ軸方向成分をシリンドリカルレンズアレイ対１４へ向けて集光する（ 図３（Ａ）参照）と共に、射出するレーザ光のＹ軸方向成分を平行化する（ 図３（Ｂ）参照）ものである。
【００２４】
偏光ビームスプリッタ１３は、光軸Ｚに対して傾斜角を有する偏光面１３Ｓを含むものであり、レーザ光源１１からコリメータレンズ１２を経由して到達したレーザ光を、互いに偏光方向の異なるＰ偏光とＳ偏光とに分離する偏光分離手段として機能する。具体的には、偏光面１３Ｓが、入射するレーザ光のうち、Ｘ軸に沿った偏光方向を有するＰ偏光を透過する一方、Ｙ軸に沿った偏光方向を有するＳ偏光を反射するようになっている。
【００２５】
シリンドリカルレンズアレイ対１４は、一対のシリンドリカルレンズアレイ１４１，１４２からなり、偏光ビームスプリッタ１３からのＰ偏光を複数の光束に分割し、光軸Ｚと直交する面内におけるＰ偏光の強度分布を均質化するものである。シリンドリカルレンズアレイ１４１，１４２は、それぞれ同数のシリンドリカルレンズ１４１Ａ〜１４１Ｅ，１４２Ａ〜１４２Ｅが、Ｘ軸方向に沿って並列配置されたものである（ 図２参照）。各シリンドリカルレンズ１４１Ａ〜１４１Ｅ，１４２Ａ〜１４２Ｅは、いずれもＹ軸に沿った軸を中心とする円柱面を有している。ここで、シリンドリカルレンズ１４１Ａ〜１４１Ｅと、シリンドリカルレンズ１４２Ａ〜１４２Ｅとが光軸Ｚに沿って各々対向する位置に配置されており、例えばシリンドリカルレンズ１４１Ａを透過したレーザ光はシリンドリカルレンズ１４２Ａに入射するように、互いに１対１の関係が成立している。
【００２６】
１／４波長板アレイ１５は、第１の１／４波長板１５Ａと第２の１／４波長板１５ＢとがＸ軸方向において交互に配列されたものであり、シリンドリカルレンズアレイ１４からの直線偏光を円偏光に変換するものである。より詳細には、第１の１／４波長板１５Ａ１，１５Ａ２，１５Ａ３はシリンドリカルレンズ１４２Ａ，１４２Ｃ，１４２Ｅの各々と対応する位置に配置され、入射するＰ偏光の光束を例えば右旋回円偏光の光束Ｌ５１，Ｌ５３，Ｌ５５に変換する（図３（Ａ）参照）。一方、第２の１／４波長板１５Ｂ１，１５Ｂ２はシリンドリカルレンズ１４２Ｂ，１４２Ｄの各々と対応する位置に配置され、入射するＰ偏光の光束を左旋回円偏光の光束Ｌ５２，Ｌ５４に変換する。ここで、全ての第１および第２の１／４波長板１５Ａ，１５Ｂは、Ｘ軸方向において互いに同一の寸法を有することが望ましい。隣り合う光束同士の干渉縞が極めて生じにくくなるからである。
【００２７】
第１および第２の１／４波長板１５Ａ，１５Ｂは、いずれも例えば図４に表したようなフォトニック結晶によって構成することができる。図４は、いわゆる自己クローニング法によって作製されるフォトニック結晶の一構成例を表す斜視図である。このフォトニック結晶は、例えば石英ガラスからなり一方向に延在する複数の溝４１１が並列配置された透明基板４１上に、互いに屈折率の異なる透明材料からなる２種類の光学薄膜（高屈折率層４２および低屈折率層４３）が交互に積層された多層構造を有する。高屈折率層４２および低屈折率層４３は、積層方向の断面において、溝４１１に応じた凹凸形状（凹部と凸部とが交互に並んだジグザグ形状）を有している。高屈折率層４２の構成材料としては、ケイ素（Ｓｉ）およびゲルマニウム（Ｇｅ）の半導体材料のほか、Ｔａ2 Ｏ5 ，ＴｉＯ2 ，Ｎｂ2 Ｏ5 ，ＨｆＯ2 ，Ａｌ2 Ｏ3 ，Ｓｉ3Ｎ4 ，などの酸化物や窒化物、あるいはそれらの混合物を用いるとよい。一方、低屈折率層４３は、例えばＳｉＯ2 によって構成するとよい。また、第１の１／４波長板１５Ａにおける溝４１１に対応した凸部４２１Ａの延在方向、および第２の１／４波長板１５Ｂにおける溝４１１に対応した凸部４２１Ｂの延在方向は、図５に表したように、互いに直交すると共にＸ軸方向およびＹ軸方向の双方に対して４５°の角度をなしている。これにより、第１の１／４波長板１５Ａと第２の１／４波長板１５Ｂとは進相軸（または遅相軸）が互いに直交するものとなり、それぞれを通過するＰ偏光が互いに逆方向に旋回する円偏光となる。
【００２８】
コンデンサレンズ１６は、球面光学系のレンズであり、第１および第２の１／４波長板１５Ａ，１５Ｂを透過した複数の光束Ｌ５１〜Ｌ５５の集光および重ね合わせを行うものである。具体的には、照射対象物３の表面３Ｓの位置に、光束Ｌ５１〜Ｌ５５のＹ軸方向成分をそれぞれ集光する（図３（Ｂ）参照）と共に、光束Ｌ５１〜Ｌ５５のＸ軸方向成分をそれぞれ重ね合わせて均一照射する（ 図３（Ａ）参照）ものである。表面３Ｓには、Ｘ軸方向において均質化された線状ビームの像が形成される。
【００２９】
（照射光学系の作用）
Ｘ軸方向においては、図３（Ａ）に示したように、レーザ光源１１から射出されたレーザ光は、コリメータレンズ１２を透過したのち、偏光ビームスプリッタ１３においてＰ偏光とＳ偏光とに分離される。そのうち、Ｐ偏光のみが偏光ビームスプリッタ１３を透過し、シリンドリカルレンズアレイ対１４において複数の光束に分割される。分割された各光束は、各シリンドリカルレンズに対応した第１の１／４波長板１５Ａまたは第２の１／４波長板１５Ｂに入射する。ここで、第１の１／４波長板１５Ａ１，１５Ａ２，１５Ａ３を透過した光束は右旋回円偏光の光束Ｌ５１，Ｌ５３，Ｌ５５に変換され、第２の１／４波長板１５Ｂ１，１５Ｂ２を透過した光束は左旋回円偏光の光束Ｌ５２，Ｌ５４に変換される。光束Ｌ５１〜Ｌ５５は、コンデンサレンズ１６によって照射対象物３の表面３Ｓ上に重ね合わされ、Ｘ軸方向における輝度が均質化された状態でＸ軸方向に延びる線状ビームとして表面３Ｓを照射することとなる。ここでは、右旋回円偏光の光束Ｌ５１，Ｌ５３，Ｌ５５と、左旋回円偏光の光束Ｌ５２，Ｌ５４とが隣り合うように１／４波長板アレイ１５から射出されるので、Ｘ軸方向における干渉縞の発生が十分に抑制される。特に、第１および第２の１／４波長板１５Ａ，１５ＢがＸ軸方向において全て同一の寸法を有する場合には、干渉縞が極めて生じにくくなる。
【００３０】
一方、Ｙ軸方向においては、図３（Ｂ）に示したように、レーザ光源１１から射出されたレーザ光は、コリメータレンズ１２によって平行化されたのち、偏光ビームスプリッタ１３、シリンドリカルレンズアレイ対１４、および１／４波長板アレイ１５を順次透過したのち、コンデンサレンズ１６によって照射対象物３の表面３Ｓ上に集光される。
【００３１】
このようにして、照射対象物３の表面３Ｓ上には、例えば図６（Ａ），（Ｂ）にそれぞれ表したような照射強度分布Ｇ１，Ｇ２を有する線状ビームが照射される。図６（Ａ）は、線状ビームの、レーザ光源１１のブロードバンドエリア方向に対応したＸ軸方向における照射強度分布Ｇ１を示し、図６（Ｂ）は、線状ビームの、レーザ光源１１の短軸方向（Ｙ軸方向）における照射強度分布Ｇ２を示す。図６（Ａ），（Ｂ）に示したように、表面３Ｓ上に照射される線状ビームは、Ｙ軸方向において極めて急峻な照射強度分布を有する一方、Ｘ軸方向においては平坦な照射強度分布を有する。
【００３２】
また、偏光ビームスプリッタ１３および１／４波長板アレイ１５は、いわゆるアイソレータとして機能し、照射対象物３の表面３Ｓでの反射光がレーザ光源１１へ戻るのを防ぎ、レーザ光源１１の損傷を防止する。具体的には、図７に示したように、偏光ビームスプリッタ１３を選択透過したＰ偏光は、第１の１／４波長板１５Ａを透過することによりその位相が９０度変化し、右旋回円偏光となる。右旋回円偏光は照射対象物３の表面３Ｓにおいて反射され、左旋回円偏光のレーザ光（戻り光）として再び第１の１／４波長板１５Ａに入射する。左旋回円偏光は１／４波長板１５Ａを透過することにより再びその位相が９０度変化するので、Ｓ偏光となる。偏光ビームスプリッタ１３に入射するＳ偏光は偏光面１３Ｓにおいて反射されるので、戻り光がレーザ光源１１に到達するのを回避することができる。なお、図７では、シリンドリカルレンズアレイ対１４の図示を省略している。
【００３３】
以上説明したように、本実施の形態の照射装置では、レーザ光源１１からの射出レーザ光を複数の光束に分割したのち、それらを右旋回円偏光と左旋回円偏光とに変換し、それらがＸ軸方向において交互に配列された状態で進行するようにした。これにより、Ｘ軸方向において隣り合う光束同士の干渉が回避される。したがって、Ｘ軸方向における干渉縞の発生を十分に低減しつつ、より均質化された照射強度分布を有する線状ビームを照射対象物３の表面３Ｓへ向けて照射することができる。そのうえ、１／４波長板アレイ１５と共にアイソレータを構成する偏光ビームスプリッタ１３を、１／４波長板アレイ１５よりもレーザ光源１１側に設けるようにしたので、レーザ光源１１へ入射する（戻る）反射光が十分に低減される。よって、発振動作の安定化およびレーザ光源の長寿命化を図ることができる。
【００３４】
（照射装置を用いた半導体素子の製造方法）
次に、図８〜図１４を参照して上記の照射装置を使用した薄膜トランジスタ素子の製造方法を説明する。図８〜図１４は、薄膜トランジスタ素子の製造方法における各工程を表す断面図である。
【００３５】
まず、図８に示したように、ガラス基板やプラスチック基板などの絶縁性の基板６１を用意する。基板６１は、表面側の絶縁性が確保されている基板であればよい。例えば半導体基板の表面に絶縁層を設けた基板などでもよい。
【００３６】
次に、基板６１上に、ゲート電極６２を選択的に形成する。このゲート電極６２は、例えばモリブデン（Ｍｏ）などの良好な導電性を有する材料を用いて形成する。
【００３７】
次に、基板６１およびゲート電極６２を覆うように、例えば窒化ケイ素や、酸化ケイ素、あるいは金属酸化物などからなるゲート絶縁膜６３を、スパッタ法やＣＶＤ法などによって成膜する。
【００３８】
さらに、ゲート絶縁膜６３上に、半導体薄膜としての非晶質シリコン膜６４を、ＣＶＤ法やスパッタ法などにより堆積させて形成する。非晶質シリコン膜６４は、例えば１０〜５０ｎｍの膜厚で成膜する。なお、のちの工程において、レーザ光の照射による非晶質シリコン膜６４の結晶化処理を行う場合には、膜厚を２０ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００３９】
次に、図９に示したように、非晶質シリコン膜６４上に、バッファ層６５を介して光吸収層６６を成膜する。バッファ層６５は、のちの非晶質シリコン膜６４の結晶化処理（光吸収層６６へのレーザ光照射）の際、主に光吸収層６６を構成する金属材料が非晶質シリコン膜６４へ拡散することを防止し、かつ、金属材料とケイ素との熱反応を防止するように機能する。このようなバッファ層６５は、例えば酸化ケイ素からなり５〜５０ｎｍの膜厚を有する。光吸収層６６は、のちのレーザ光照射の際に、そのレーザ光を吸収して熱に変換できる材料によって構成される。このような光吸収層６６には、例えば、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）などの金属材料、またはＷＳｉ、ＭｏＳｉ、ＴｉＳｉ、ＴａＳｉ、ＣｏＳｉなどのシリサイドが用いられる。ここで例えばモリブデンを用いて光吸収層６６を形成する場合には、例えば５０〜３００ｎｍの膜厚とすることが望ましい。
【００４０】
光吸収層６６を成膜したのち、図１０に示したように、光吸収層６６に対して、エネルギー線としてレーザ光Ｌｈを照射する。ここでは、上記の照射装置（図１）を使用して、酸素を含む雰囲気中において、光吸収層６６で吸収される波長のレーザ光Ｌｈを用いる。具体的には、まず、照射対象物３として、基板６１上にゲート電極６２、ゲート絶縁膜６３、非晶質シリコン膜６４、バッファ層６５および光吸収層６６が順に形成されたものをステージ２に載置する。次いで、制御部４によってステージ２をＸＹ平面内において移動させ、照射光学系１の光軸Ｚと、照射対象物３の表面３Ｓとの初期位置あわせを行う。次に、制御部４によってレーザ光源１１から所定の波長および強度を有するレーザ光を発振し、光吸収層６６にレーザ光Ｌｈを照射する。酸素を含む雰囲気中に晒された光吸収層６６にレーザ光Ｌｈを吸収させて発熱させることにより、光吸収層６６の表面近傍のみを酸化させて酸化層６６Ａとする。ここでは、光吸収層６６の表面近傍におけるレーザ光Ｌｈの吸収による発熱と、酸化層６６Ａが形成される際の反応熱との双方の熱エネルギーにより、下層に位置する非晶質シリコン膜６４を結晶化する（アニール処理を行う）こととする。光吸収層６６にレーザ光Ｌｈを照射しつつステージ２を移動させることにより、所定領域の光吸収層６６を酸化層６６Ａに順次変換し、対応する領域の非晶質シリコン膜６４を順次結晶化させる。
【００４１】
ここでは、非晶質シリコン膜６４の結晶化により微結晶シリコン膜６４Ａを形成する。なお、多結晶シリコン膜を形成するようにしてもよいが、薄膜トランジスタ素子としての性能をより高めるためには、非晶質シリコン膜６４を非溶融モードで微結晶化させることが望ましい。これにより、例えば多結晶シリコン膜をチャネル領域に用いた薄膜トランジスタ素子と比較した場合、素子間における特性のばらつきをより小さく抑えることができる。この場合、非晶質シリコン膜６４の膜厚を上述したように２０ｎｍ以下とすることにより、粒径が大きく成長せずさらに安定した径で微結晶化されるので、素子間の特性変動をいっそう小さく抑えることができる。さらに、非溶融モードでの微結晶化を行うことにより、非晶質シリコン膜６４が溶融する温度まで達しないので、耐熱性の低いガラス基板やプラスチック基板を用いた場合であっても、基板６１の損傷を防止することができる。また、このようなこの結晶化の状態はラマンスペクトルにより確認することが可能である。微結晶シリコン膜と多結晶シリコン膜とでは、ラマンスペクトルのピーク形状が異なる。例えば、微結晶シリコン膜においては波数４８０〜５２０ｃｍ-1にブロードなピークが特徴的に現れる。一方、多結晶シリコン膜においては波数４８０〜５２０ｃｍ-1にはそのようなピークは現れない。
【００４２】
以上のような光吸収層６６の表面側のみ酸化させるアニール処理は、レーザ光Ｌｈの照射エネルギーを制御することによって実施可能である。
【００４３】
以上のように非晶質シリコン膜６４を微結晶化させ、微結晶シリコン膜６４Ａとしたのち、光吸収層６６およびバッファ層６５をエッチングにより順次除去する。なお、バッファ層６５として、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘ、ＳｉＯＮなどのシリコン系の絶縁膜を用いた場合には、バッファ層６５を除去せずにそのまま下記のエッチングストップ層やその一部として用いてもよい。
【００４４】
続いて、図１１に示したように、微結晶シリコン膜６４Ａ上の、ゲート電極６３に対応する領域にエッチングストップ層６７をパターン形成する。エッチングストップ層６７は、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘ、ＳｉＯＮなどのシリコン系の絶縁膜を形成したのち、裏面露光によって形成したレジストパターンをマスクに用いてその絶縁膜をパターンエッチングすることにより形成する。このようなエッチングストップ層６７は、例えば５０〜５００ｎｍ程度の膜厚とする。
【００４５】
こののち、図１２に示したように、エッチングストップ層６７および微結晶シリコン膜６４Ａを覆うように、ｎ+非晶質シリコン膜６８をＣＶＤ法などによって成膜したのち、ｎ+非晶質シリコン膜６８および微結晶シリコン膜６４Ａを、一括してパターニングする。ｎ+非晶質シリコン膜６８は、例えば１０〜３００ｎｍの膜厚で成膜される。
【００４６】
さらに、図１３に示したように、全体を被うようにアルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）またはこれらの積層体からなる金属層６９をスパッタ法などにより形成したのち、所定形状にパターニングする。ここでは、レジストパターン（図示せず）をマスクに用いたエッチングなどにより、金属層６９およびｎ+非晶質シリコン膜６８を、ゲート電極６２の上方で分断するようにパターニングする。これにより、金属層６９がソース電極６９Ｓとドレイン電極６９Ｄとに分断され、ｎ+非晶質シリコン膜６８がソース６８Ｓとドレイン６８Ｄとに分断される。
【００４７】
以上により、微結晶シリコン膜６４Ａがチャネル領域として機能するボトムゲート型の薄膜トランジスタ素子Ｔｒが完成する。なお、こののち、図１４に示したように、ソース電極６９Ｓおよびドレイン電極６９Ｄを覆うように、例えば窒化シリコンからなるパッシベーション膜７０をＣＶＤ法などにより形成してもよい。
【００４８】
このように、本実施の形態の薄膜トランジスタ素子の製造方法によれば、上述した照射装置を使用するようにしたので、干渉縞の発生が十分に低減され、より均質化された強度分布のレーザ光Ｌｈを非晶質シリコン膜６４へ向けて照射することができる。そのうえ、レーザ光源１１からの射出レーザ光を、右旋回円偏光および左旋回円偏光に変換する前にＰ偏光とＳ偏光とに分離するようにしたので、レーザ光源１１へ戻る反射光を十分に低減し、発振動作の安定化およびレーザ光源１１の長寿命化を実現することができる。これにより、より均質に結晶化された微結晶シリコン膜６４Ａを形成することができ、優れた性能を有する薄膜トランジスタ素子Ｔｒを製造することができる。
【００４９】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、光束平行化手段として単一のコリメータレンズ１２を挙げ、投影光学系として単一のコンデンサレンズ１６を挙げて各々説明するようにしたが、本発明はこれに限定されるものではない。各々複数のレンズあるいは光学部材を用いて構成することも可能である。
【００５０】
また、上記実施の形態では、レーザ光源からのレーザ光を偏光分離したのち複数の光束に分割するようにしたが、それらの操作の順序を入れ替えることも可能である。すなわち、レーザ光源からのレーザ光を複数の光束に分割したのち、分割された各光束を偏光分離するようにしてもよい。具体的には、例えば図１における偏光ビームスプリッタ３と、シリンドリカルレンズアレイ４との位置を入れ替え、レーザ光源１１の側からシリンドリカルレンズアレイ４と、偏光ビームスプリッタ３とを順に配置することにより実現可能である。
【００５１】
さらに、上記実施の形態では、照射装置における光束分割手段としてシリンドリカルレンズがＸ軸方向に並列配置されたシリンドリカルレンズアレイを用いるようにしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば図１５に示したように、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の双方に沿ってレンズが複数配列されたレンズアレイを２つ組み合わせたレンズアレイ対２４を用いることも可能である。その場合、図１５に併せて示したように、レンズアレイ対２４の各レンズと対応するように、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の双方において第１の１／４波長板２５Ａと第２の１／４波長板２５Ｂとが交互に配列された１／４波長板アレイ２５を用いることが望ましい。このような構成とすることにより、Ｙ軸方向における干渉を回避し、照射光の強度分布をより均質化することができる。
【００５２】
また、上記実施の形態の薄膜トランジスタ素子の製造方法では、非晶質シリコン膜６４の上にバッファ層６５を介して成膜された光吸収層６６に対してレーザ光を照射し、その際に発生する熱エネルギーを利用して非晶質シリコン膜６４の結晶化を行うようにした。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、非晶質シリコン膜６４に対して直接、レーザ光を照射し、その結晶化を行うようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１…照射光学系、２…ステージ、３…照射対象物、４…制御部、１１…レーザ光源、１２…コリメータレンズ、１３…偏光ビームスプリッタ、１４…シリンドリカルレンズアレイ対、１５…１／４波長板アレイ、１５Ａ，１５Ｂ…第１および第２の１／４波長板、１６…コンデンサレンズ。
【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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