(57)【要約】【課題】直線偏光のレーザ光を出射するレーザ発振器を用いても、多数の方向に結晶成長させて等方的な結晶粒を得る。【解決手段】直線偏光で出射されたパルスレーザ光１の偏光方向をパルス毎に変更して、異なる３方向以上の偏光方向をもつパルスレーザ光１を、単位領域あたりの照射回数が３回以上となるように半導体膜２に照射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体膜にパルスレーザ光を照射して前記半導体膜を結晶化させるレーザアニール装置であって、
直線偏光のパルスレーザ光を出射するレーザ発振器と、
該レーザ発振器からのパルスレーザ光の偏光方向をパルス毎に変更して、異なる３方向以上の偏光方向をもつパルスレーザ光を生成する偏光方向変更手段と、を備え、
３方向以上の偏光方向をもつ前記パルスレーザ光を、単位領域あたりの照射回数が３回以上となるように前記半導体膜に照射する、ことを特徴とするレーザアニール装置。
【請求項２】
前記偏光方向変更手段は、前記パルスレーザ光の光路上に配置された１／２波長板と、該１／２波長板を前記パルスレーザ光の光軸を中心に回転させる駆動部とを有する請求項１記載のレーザアニール装置。
【請求項３】
前記偏光方向変更手段は、前記パルスレーザ光の光路上に配置された磁気光学素子と、該磁気光学素子に磁場を印加する磁場発生器とを有する請求項１記載のレーザアニール装置。
【請求項４】
半導体膜にパルスレーザ光を照射して前記半導体膜を結晶化させるレーザアニール方法であって、
直線偏光のパルスレーザ光を出射し、該パルスレーザ光の偏光方向をパルス毎に変更して、異なる３方向以上の偏光方向をもつパルスレーザ光を生成し、異なる３方向以上の偏光方向をもつ前記パルスレーザ光を、単位領域あたりの照射回数が３回以上となるように前記半導体膜に照射する、ことを特徴とするレーザアニール方法。
【請求項５】
前記パルスレーザ光の光路上に１／２波長板を配置し、前記１／２波長板を前記パルスレーザ光の光軸を中心に回転させることにより、前記パルスレーザ光の偏光方向をパルス毎に変更する、請求項４記載のレーザアニール方法。
【請求項６】
前記パルスレーザ光の光路上に磁気光学素子を配置し、該磁気光学素子に磁場を印加することにより、前記パルスレーザ光の偏光方向をパルス毎に変更する、請求項４記載のレーザアニール方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体膜にパルスレーザ光を照射して半導体膜を結晶化させるレーザアニール装置及びレーザアニール方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザアニールは、低融点ガラス（通常、無アルカリガラス）からなる基板上に形成されたアモルファスシリコン膜（以下、ａ−Ｓｉ膜という）などの非晶質半導体膜にレーザ光を照射し、溶融及び凝固させて再結晶化させることにより多結晶半導体膜を形成する技術である。結晶化したシリコン膜は、ａ−Ｓｉ膜に比べ電気的特性に優れているため、携帯電話やデジタルスチルカメラなどの高精細な表示が要求される液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイを駆動する薄膜トランジスタ（：Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ）に採用されている。
このレーザアニールでは、通常、レーザ光源から出射されたパルスレーザ光を、光学系を用いて断面が線状のビーム（以下、線状ビームという）に加工し、この線状ビームを、ａ−Ｓｉ膜に対して線状ビームの短軸方向に走査する。
【０００３】
レーザアニールのレーザ光源として、従来は主にガスレーザであるエキシマレーザが用いられているが、近年、コスト面、メンテナンス面で有利であり安定したレーザ出力が得られるＹＡＧ、ＹＬＦ、ＹＶＯ４等の固体レーザの基本波を、ａ−Ｓｉ膜に対して吸収率の良い可視領域に波長変換して利用するレーザアニール装置が注目されている（例えば下記特許文献１）。
【０００４】
図５は、結晶粒長とトランジスタ性能の関係を説明する図である。多結晶シリコンのトランジスタ性能は、電子が移動する領域（チャネル）内での結晶粒界の数で決まり、図５に示すように、結晶粒界の数が多いほど電子が移動しにくくなり、トランジスタ性能は低下する。したがって、結晶粒の長さが長い（すなわち結晶粒が大きい）ほど、トランジスタの性能は良くなる。一方、実際に作製されるトランジスタでは、チャネルの向き（電流が流れる方向）が、上述したビーム走査方向と同じ場合や、その垂直方向の場合がある。各トランジスタの性能を揃えるためには、どの向きにチャネルが作られても、同程度の数の結晶粒界をもつような多結晶シリコンを形成する必要がある。そのためには、多結晶シリコンの各結晶粒の長さを、ビーム走査方向とその垂直方向とで同程度とする必要がある。特に、画素間における動作性能、発光性能に対して高レベルの均一性が要求される液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイの画素形成用のトランジスタにおいては、どの方向に対しても均一な結晶粒長の結晶粒が必要となる。
【０００５】
上述したエキシマレーザを用いたレーザアニールでは、エキシマレーザから発振されるレーザ光の基本波長は３０８ｎｍ（ＸｅＣｌ）や２４８ｎｍ（ＫｒＦ）であるため、波長変換することなく利用でき、かつランダム偏光であるため、どの方向に対しても均一な結晶粒長の結晶粒を得ることができる。
一方、固体レーザを用いたレーザアニールでは、固体レーザの基本波を高調波に変換するために波長変換素子を用いることが必要であり、高出力に応じた一部の波長変換素子は特定の偏光方向をもつ光を選択的に通過させる性質を持つため、その波長変換素子を用いた場合、波長変換した高調波は必然的に直線偏光のレーザ光となる。結果的に、ａ−Ｓｉ膜には直線偏光のレーザ光が照射されるため、照射面において偏光方向にエネルギー分布が形成され、その分布の方向にシリコンが結晶成長する（下記非特許文献１参照）。この結果、偏光方向とその他の方向の結晶長が異なった結晶粒が形成される。このため、チャネルの向きによりトランジスタの性能が揃わないという問題がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３４２９５４号公報
【非特許文献１】ＩＥＥＥ  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＱＵＡＮＴＵＭ  ＥＬＥＣＴＯＮＩＣＳ，ＶＯＬ．ＱＥ−２２，ＮＯ．８，ＡＵＧＵＳＴ，１９８６，ｐｐ．１３８４−１４０３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上述した問題に鑑みてなされたものであり、直線偏光のレーザ光を出射するレーザ発振器を用いても、多数の方向に結晶成長させて等方的な結晶粒を得ることができるレーザアニール装置及びレーザアニール方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、本発明のレーザアニール装置及びレーザアニール方法は、以下の手段を採用する。
本発明は、半導体膜にパルスレーザ光を照射して前記半導体膜を結晶化させるレーザアニール装置であって、直線偏光のパルスレーザ光を出射するレーザ発振器と、該レーザ発振器からのパルスレーザ光の偏光方向をパルス毎に変更して、異なる３方向以上の偏光方向をもつパルスレーザ光を生成する偏光方向変更手段と、を備え、異なる３方向以上の偏光方向をもつ前記パルスレーザ光を、単位領域あたりの照射回数が３回以上となるように前記半導体膜に照射する、ことを特徴とする。
また、本発明は、半導体膜にパルスレーザ光を照射して前記半導体膜を結晶化させるレーザアニール方法であって、直線偏光のパルスレーザ光を出射し、該パルスレーザ光の偏光方向をパルス毎に変更して、異なる３方向以上の偏光方向をもつパルスレーザ光を生成し、異なる３方向以上の偏光方向をもつ前記パルスレーザ光を、単位領域あたりの照射回数が３回以上となるように前記半導体膜に照射する、ことを特徴とする。
【０００９】
上記の装置及び方法によれば、直線偏光で出射されたパルスレーザ光の偏光方向をパルス毎に変更して、異なる３方向以上の偏光方向をもつパルスレーザ光を、単位領域あたりの照射回数が３回以上となるように半導体膜に照射するので、照射面において、少なくとも３方向のエネルギー分布が形成される。異なる偏光方向の数を多くし且つ単位領域あたりの照射回数を多くすれば、より多くの方向に分散させたエネルギー分布を照射面において形成することができる。このため、単一の方向の直線偏光をもつパルスレーザ光を照射する場合と比べて、多数の方向に結晶成長が起こり、これにより等方的な結晶粒を得ることができ、トランジスタの性能を揃えることができる。
【００１０】
また、上記のレーザアニール装置において、前記偏光方向変更手段は、前記パルスレーザ光の光路上に配置された１／２波長板と、該１／２波長板を前記パルスレーザ光の光軸を中心に回転させる駆動部とを有する。
また、上記のレーザアニール方法において、前記パルスレーザ光の光路上に１／２波長板を配置し、前記１／２波長板を前記パルスレーザ光の光軸を中心に回転させることにより、前記パルスレーザ光の偏光方向をパルス毎に変更する。
【００１１】
１／２波長板は、直線偏光の向きを、その光学軸とのなす角の２倍だけ回転させる機能をもつので、回転させようとする角度に応じて、パルスレーザ光の各パルスが通過するときの光学軸の角度を設定することにより、容易に各パルスの偏光方向を変更することができる。また、パルス毎に光学軸とのなす角が変化するように１／２波長板を回転させることにより、パルス毎に偏光方向を容易に変更することができる。
【００１２】
また、上記のレーザアニール装置において、前記偏光方向変更手段は、前記パルスレーザ光の光路上に配置された磁気光学素子と、該磁気光学素子に磁場を印加する磁場発生器とを有する。
また、上記のレーザアニール方法において、前記パルスレーザ光の光路上に磁気光学素子を配置し、該磁気光学素子に磁場を印加することにより、前記パルスレーザ光の偏光方向をパルス毎に変更する。
【００１３】
磁気光学素子は、素子の厚さと加える磁場の大きさに比例した回転角度で直線偏光の向きを回転させる機能を有するので、回転させようとする角度に応じて、各パルスが通過するときの磁場の大きさを設定することにより、各パルスの偏光方向を任意の方向に容易に変更することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、直線偏光のレーザ光を出射するレーザ発振器を用いても、多数の方向に結晶成長させて等方的な結晶粒を得ることができるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態にかかるレーザアニール装置１０の概略構成を示す図である。
このレーザアニール装置１０は、半導体膜２にパルスレーザ光１を照射して半導体膜２を結晶化させる装置である。このレーザアニール装置１０もそうであるが、レーザアニールでは、通常、線状ビームに整形したパルスレーザ光１を、半導体膜２に対してビーム短軸方向に走査し、半導体膜２を溶融及び凝固させることにより結晶化させる。
上記の半導体膜２は、非晶質半導体膜（例えばａ−Ｓｉ膜）である。半導体膜２は基板３（例えば無アルカリガラス）上に成膜される。この成膜は、例えばＰＶＤ（物理的気相成長法）やＣＶＤ（化学的気相成長法）などを用いて行なうことができる。
【００１７】
図１に示すように、このレーザアニール装置１０は、レーザ発振器１２と、偏光方向変更手段１４と、ビームホモジナイザ１６と、集光レンズ１８と、制御装置２０と、基板ステージ５とを備える。以下、各構成要素について説明する。
【００１８】
上記のレーザ発振器１２は、固体レーザ素子１２ａからパルスレーザ光１を発振する固体レーザ装置である。レーザ発振器１２は、制御装置２０によってそのパルスタイミングが制御される。
固体レーザ素子１２ａはＹＡＧ結晶、ＹＬＦ結晶、ＹＶＯ４結晶等を適用することができる。また、レーザ発振器１２は、半導体膜２に対するレーザ光の吸収率をよくするために、固体レーザ素子１２ａからのレーザ光を基本波から高調波（第２又は第３高調波）に変換する波長変換素子１２ｂを有している。ＹＡＧレーザ及びＹＶＯ４レーザの第２高調波の波長は５３２ｎｍであり、第３高調波の波長は３５５ｎｍである。ＹＬＦの第２高調波の波長は５２７ｎｍであり、第３高調波の波長は３５１ｎｍである。
【００１９】
上述したように、波長変換素子１２ｂを通過したレーザ光は直線偏光となるため、レーザ発振器１２から出射されるパルスレーザ光１は直線偏光となる。図１におけるパルスレーザ光１の光路上の双方向矢印は、その位置における偏光方向を模式的に示したものである。
【００２０】
上記の偏光方向変更手段１４は、レーザ発振器１２からのパルスレーザ光１の偏光方向をパルス毎に変更して、異なる３方向以上の偏光方向をもつパルスレーザ光１を生成する。この偏光方向変更手段１４の動作は、制御装置２０によって制御される。ここで、上記の「３方向」は最低限度の方向数であり、異なる偏光方向の数は多いほど好ましい。このため、４方向以上は勿論のこと、５方向以上、１０方向以上、１５方向以上、あるいはそれ以上とするのが好ましく、さらに、このようにパルス毎に偏光方向が異なるパルスレーザ光１を半導体膜２に複数回（例えば、１０回、２０回、あるいはそれ以上）重ねて照射するのが好ましい。別の言い方をすれば、入射した各パルスの偏光方向の各角度間隔が全て０を超え且つ４５度以下となるように、パルスレーザ光１を半導体膜２に照射するのが好ましい。また、上記の各角度間隔は、全て０を超え且つ３０度以下であるのがより好ましく、全て０を超え且つ１５度以下であるのが更に好ましい。このような条件となるようにパルスレーザ光１を照射することにより、半導体膜２に実質的にランダム偏光のパルスレーザ光が照射されたのと同様の効果が得られる。なお、偏光方向変更手段１４の具体的な構成例については後述する。
【００２１】
上記のビームホモジナイザ１６は、入射するパルスレーザ光１を線状ビームに整形する機能を有する。このような機能を有するビームホモジナイザ１６は従来周知であるため詳細な説明は省略するが、ビームエキスパンダ、シリンドリカルレンズ、シリンドリカルレンズアレイ等で構成されるのが好ましい。
上記の集光レンズ１８は、ビームホモジナイザ１６からのパルスレーザ光１を半導体膜２の表面に集光する。
【００２２】
上記の基板ステージ５は、基板３を裏面側から支持する。基板ステージ５は所定の送り方向に移動可能に構成されている。上記の線状ビームの短軸方向が例えば図１の上下方向の場合、基板ステージ５は、図１の上下方向に移動する。この基板ステージ５の移動により、パルスレーザ光１を基板３の面方向に走査することができる。基板ステージ５の動作（位置及び速度）は、制御装置２０により制御される。
なお、基板ステージ５の位置を固定し、パルスレーザ光１の照射位置を移動させることにより、パルスレーザ光１を基板３の面方向に走査するようにしてもよい。
【００２３】
上記のように構成されたレーザアニール装置１０は、レーザ発振器１２により直線偏光のパルスレーザ光１を出射し、偏光方向変更手段１４によりパルスレーザ光１の偏光方向をパルス毎に変更して、異なる３方向以上の偏光方向をもつパルスレーザ光１を生成する。そして、異なる３方向以上の偏光方向をもつパルスレーザ光１を、単位領域あたりの照射回数が３回以上となるように半導体膜２に照射する。この場合のレーザ発振器１２からのパルスレーザの発振タイミング、偏光方向変更手段１４によるパルス毎の偏光方向の変更及び基板ステージ５の移動速度は、制御装置２０によって制御される。
【００２４】
上述した本実施形態によれば、直線偏光で出射されたパルスレーザ光１の偏光方向をパルス毎に変更して、異なる３方向以上の偏光方向をもつパルスレーザ光１を、単位領域あたりの照射回数が３回以上となるように半導体膜２に照射するので、照射面において、少なくとも３方向のエネルギー分布が形成される。異なる偏光方向の数を多くし且つ単位領域あたりの照射回数を多くすれば、より多くの方向に分散させたエネルギー分布を照射面において形成することができる。このため、単一の方向の直線偏光をもつパルスレーザ光１を照射する場合と比べて、多数の方向に結晶成長が起こり、これにより等方的な結晶粒を得ることができ、トランジスタの性能を揃えることができる。
【００２５】
図２は、偏光方向変更手段１４の第１構成例を示す図である。第１構成例の偏光方向変更手段１４は、パルスレーザ光１の光路上に配置された１／２波長板２２と、１／２波長板２２をパルスレーザ光１の光軸を中心に回転させる駆動部２３とを有する。
１／２波長板２２は、直線偏光の向きを、その光学軸とのなす角の２倍だけ回転させる機能をもつ。例えば、光学軸とのなす角が１０度の直線偏光が１／２波長板２２に入射すると、その直線偏光は２０度回転させられる。
駆動部２３は、例えば駆動モータであり、上記の制御装置２０により、その回転速度が制御される。
【００２６】
上記のように構成された第１構成例によれば、回転させようとする角度に応じて、パルスレーザ光１の各パルスが通過するときの光学軸の角度を設定することにより、容易に各パルスの偏光方向を変更することができる。また、パルス毎に光学軸とのなす角が変化するように１／２波長板２２を駆動部２３により回転させることにより、パルス毎に偏光方向を容易に変更することができる。
【００２７】
図３は、偏光方向変更手段１４の第２構成例を示す図である。第２構成例の偏光方向変更手段１４は、パルスレーザ光１の光路上に配置された磁気光学素子２５と、磁気光学素子２５に磁場を印加する磁場発生器２６とを有する。
透明非磁性体に磁場をかけ、それと平行な方向に直線偏光を透過させたときに偏光面が回転する現象のことファラデー効果という。上記の透明非磁性体のことを磁気光学素子という。本構成例は、このファラデー効果を利用したものである。
【００２８】
ファラデー効果による直線偏光の回転角αは、磁場の強さをＨ、偏光が通過する磁気光学素子２５の長さをＬとして、α＝Ｖ・Ｈ・Ｌで表される。Ｖは、磁気光学素子２５を構成する物質の種類と偏光の波長、温度に依存する定数でありベルデ定数と呼ばれる。このように磁気光学素子２５は、素子の厚さ（光の透過方向の寸法）と加える磁場の大きさに比例した回転角度で直線偏光の向きを回転させる機能を有する。
磁場発生器２６は、例えば、コイルと、コイルに電流を流す電源とからなり、上記の制御装置２０により、コイルに流す電流量が制御されることにより磁気光学素子２５に印加する磁場の強さが制御される。
【００２９】
上記のように構成された第２構成例によれば、回転させようとする角度に応じて、各パルスが通過するときに、磁気光学素子２５に印加する磁場の大きさを変化させることにより、各パルスの偏光方向を任意の方向に容易に変更することができる。
【００３０】
図４は、偏光方向変更手段１４の第３構成例を示す図である。第３構成例の偏光方向変更手段１４は、パルスレーザ光１の光路上に対向して配置された偏光解消素子２８及びガラス板２９と、これらをパルスレーザ光１の光軸を中心に回転させる駆動部３０，３１とを備える。
偏光解消素子２８は、通過する光の光路長に比例して偏光方向を回転させる機能を有する。偏光解消素子２８の一方面は光軸に垂直な面に対して傾斜したテーパ面となっており、この傾斜により、入射する光の位置によって素子を通過する光路長に差が生じるため、偏光解消素子２８を通過した光は、位置によって偏光方向が異なる光となる。本構成例は、この偏光解消素子２８の機能を利用したものである。
このような本構成例によれば、偏光解消素子２８を駆動部３０により回転させることにより、パルス毎に偏光方向を変更することができる。
【００３１】
ただし、偏光解消素子２８からの出射光は入射角に対して所定の屈折角が生じるため、偏光解消素子２８のみでは、パルスレーザ光１の進行方向が変ってしまう。そこで、偏光解消素子２８のテーパ面と平行なテーパ面をもつガラス板２９を、偏光解消素子２８に対向させて配置し、あらかじめパルスレーザ光１の進行方向をガラス板２９で屈折させておく。また、ガラス板２９は偏光解消素子２８と同期して駆動部３１により回転させる。これにより偏光解消素子２８を通過したパルスレーザ光１の進行方向をガラス板２９により屈折させる前の進行方向に戻す。この結果、ガラス板２９に入射する前と偏光解消素子２８を透過した後とで、パルスレーザ光１の進行方向を一致させることができる。この場合、両者の光軸は一致しないが、平行となる。
なお、上記の駆動部３０，３１は、例えば駆動モータであり、上記の制御装置２０により、その回転速度が制御される。
【００３２】
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。例えば、上記の実施形態では非晶質半導体膜としてａ−Ｓｉ膜を対象としたが、他の非晶質半導体膜（例えば非晶質シリコンゲルマニウム膜などの非晶質構造を有する化合物半導体膜）を対象としてもよい。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。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態にかかるレーザアニール装置の概略構成を示す図である
【図２】偏光方向変更手段の第１構成例を示す図である。
【図３】偏光方向変更手段の第２構成例を示す図である。
【図４】偏光方向変更手段の第３構成例を示す図である。
【図５】結晶粒長とトランジスタ性能の関係を説明する図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  パルスレーザ光
２  半導体膜
３  基板
５  基板ステージ
１０  レーザアニール装置
１２  レーザ発振器
１２ａ  固体レーザ素子
１２ｂ  波長変換素子
１４  偏光方向変更手段
１６  ビームホモジナイザ
１８  集光レンズ
２０  制御装置
２２  １／２波長板
２３，３０，３１  駆動部
２５  磁気光学素子
２６  磁場発生器
２８  偏光解消素子
２９  ガラス板
【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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