(57)【要約】【課題】非結晶半導体膜を全面高結晶化することができ、非結晶半導体膜を略全面において、粒状結晶部分がほとんどなく、しかもつなぎ目のないラテラル結晶膜とすることも可能なレーザアニール技術を提供する。【解決手段】粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、ラテラル結晶部分が融解しない条件でレーザアニールを実施し、かつ、下記式（１）を充足するよう、粒状結晶部分におけるレーザ光照射時間を非結晶部分におけるレーザ光照射時間より長くして、レーザアニールを実施する。  ｜ＥＡ−ＥＰ｜＜｜ＥＡ−ＥＰｓ｜・・・（１）（ＥＡ：非結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギー。ＥＰｓ：非結晶部分と同一のレーザ光照射条件でレーザ光を照射したときの、粒状結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギー。ＥＰ：粒状結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの実際の吸収光エネルギー。）【選択図】図１０
2008091511.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非結晶半導体からなる被アニール半導体膜の一領域に対して、ラテラル結晶が成長する条件でレーザ光を照射するレーザアニールを実施してラテラル結晶を成長させ、
さらに、アニール領域をずらして、ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して、前記レーザアニールを再度実施して、該部分をラテラル結晶化させる操作を１回以上実施するレーザアニール方法において、
前記被アニール半導体膜の粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつ前記被アニール半導体膜のラテラル結晶部分が融解しない条件で、前記レーザアニールを実施し、
かつ、下記式（１）を充足するよう、前記粒状結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間を、前記非結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間より長くして、前記レーザアニールを実施することを特徴とするレーザアニール方法。
｜ＥＡ−ＥＰ｜＜｜ＥＡ−ＥＰｓ｜・・・（１）
（式（１）中、
ＥＡは、非結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギー、
ＥＰｓは、非結晶部分と同一のレーザ光照射条件でレーザ光を照射したときの、粒状結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギー、
ＥＰは、粒状結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの実際の吸収光エネルギーを、各々示す。）
【請求項２】
下記式（１Ａ）を充足するよう、前記粒状結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間を、前記非結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間より長くして、前記レーザアニールを実施す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。
ＥＰ≒ＥＡ・・・（１Ａ）
（式（１Ａ）中、ＥＰ及びＥＡは上記と同様。）
【請求項３】
前記ラテラル結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間を、前記非結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間と同等以下とすることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザアニール方法。
【請求項４】
前記被アニール半導体膜が非結晶シリコン膜であり、
下記式（３）及び（４）を充足する条件で、前記レーザアニールを実施することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザアニール方法。
０．８２≦ＥＰ／ＥＡ≦１．０・・・（３）、
ＥＬ／ＥＡ≦０．７０・・・（４）
（式（３）及び（４）中、ＥＡ及びＥＰは上記と同様である。
ＥＬは、ラテラル結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギーを示す。）
【請求項５】
前記ラテラル結晶部分における前記レーザ光の吸収率が、前記粒状結晶部分における前記レーザ光の吸収率より小さい条件で、前記レーザアニールを実施することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザアニール方法。
【請求項６】
前記被アニール半導体膜に対して、前記レーザ光を部分的に照射しつつ該レーザ光を相対走査して、前記レーザアニールを実施することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザアニール方法。
【請求項７】
前記レーザ光のビームパターンを、
前記ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して同時に照射可能であり、かつ、前記非結晶部分の相対走査方向の総照射幅に比して、前記粒状結晶部分の相対走査方向の総照射幅が広いビームパターンとすることを特徴とする請求項６に記載のレーザアニール方法。
【請求項８】
前記レーザ光として、
前記ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して同時に照射可能であり、かつ、前記レーザ光の相対走査方向に見て、前端側及び後端側が前記レーザ光の相対走査方向に対して略垂直な略直線形状である第１のビームパターンと、
前記レーザ光の相対走査方向に見て、前記第１のビームパターンの前側に位置し、前記粒状結晶部分を照射可能な第２のビームパターンとを合わせた形状のビームパターンを有し、
少なくとも前記第１のビームパターン部分の照射エネルギー分布が略均一であるレーザ光を用いることを特徴とする請求項７に記載のレーザアニール方法。
【請求項９】
前記レーザ光のビームパターンを、前記第１のビームパターンと前記第２のビームパターンとを接して合わせた形状のビームパターンとすることを特徴とする請求項８に記載のレーザアニール方法。
【請求項１０】
前記被アニール半導体膜が非結晶シリコン膜であり、
前記非結晶部分における前記レーザ光の吸収パワー密度Ｐ（ＭＷ/ｃｍ２）と前記レーザ光の相対走査速度ｖ（ｍ/ｓ）とが下記式（５）を充足する条件で、前記レーザアニールを実施することを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載のレーザアニール方法。
０．４４ｖ０．３４１４３≦Ｐ≦０．５６ｖ０．３４１４３・・・（５）
【請求項１１】
前記レーザ光として連続発振レーザ光を用いることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のレーザアニール方法。
【請求項１２】
前記レーザ光として半導体レーザ光を用いることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のレーザアニール方法。
【請求項１３】
前記被アニール半導体膜が非結晶シリコン膜であり、
前記レーザ光として、３５０〜６００ｎｍの波長域にあるレーザ光を用いることを特徴とする請求項１２に記載のレーザアニール方法。
【請求項１４】
前記被アニール半導体膜に対して、アニール領域をずらして前記レーザアニールを再度実施する際には、
前記被アニール半導体膜に対して、先に前記レーザ光が照射された領域と次に前記レーザ光が照射される領域とが部分的に重なるよう、前記レーザアニールを実施することを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のレーザアニール方法。
【請求項１５】
単数又は複数のレーザ光発振源を搭載したレーザヘッドを備え、
非結晶半導体からなる被アニール半導体膜の一領域に対して、ラテラル結晶が成長する条件でレーザ光を照射するレーザアニールを実施してラテラル結晶を成長させ、
さらに、アニール領域をずらして、ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して、前記レーザアニールを再度実施して、該部分をラテラル結晶化させる操作を１回以上実施するレーザアニール装置において、
前記被アニール半導体膜の粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつ前記被アニール半導体膜のラテラル結晶部分が融解しないレーザ光照射条件に設定されており、
かつ、下記式（１）を充足するよう、前記粒状結晶部分における単位面積あたりのレーザ光照射時間が、前記非結晶部分における単位面積あたりのレーザ光照射時間より長いレーザ光照射条件に設定されていることを特徴とするレーザアニール装置。
｜ＥＡ−ＥＰ｜＜｜ＥＡ−ＥＰｓ｜・・・（１）
（式（１）中、
ＥＡは、非結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギー、
ＥＰｓは、非結晶部分と同一のレーザ光照射条件でレーザ光を照射したときの、粒状結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギー、
ＥＰは、粒状結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの実際の吸収光エネルギーを、各々示す。）
【請求項１６】
下記式（１Ａ）を充足するよう、前記粒状結晶部分における単位面積あたりのレーザ光照射時間が、前記非結晶部分における単位面積あたりのレーザ光照射時間より長いレーザ光照射条件に設定されていることを特徴とする請求項１５に記載のレーザアニール装置。
ＥＰ≒ＥＡ・・・（１Ａ）
（式（１Ａ）中、ＥＰ及びＥＡは上記と同様。）
【請求項１７】
前記ラテラル結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間が、前記非結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間と同等以下となるように設定されていること特徴とする請求項１５又は１６に記載のレーザアニール装置。
【請求項１８】
前記被アニール半導体膜が非結晶シリコン膜であり、
下記式（３）及び（４）を充足するレーザ光照射条件に設定されていることを特徴とする請求項１５〜１７のいずれかに記載のレーザアニール装置。
０．８２≦ＥＰ／ＥＡ≦１．０・・・（３）、
ＥＬ／ＥＡ≦０．７０・・・（４）
（式（３）及び（４）中、ＥＡ及びＥＰは上記と同様である。
ＥＬは、ラテラル結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの実際の吸収光エネルギーを示す。）
【請求項１９】
前記ラテラル結晶部分における前記レーザ光の吸収率が、前記粒状結晶部分における前記レーザ光の吸収率より小さいレーザ光照射条件に設定されていることを特徴とする請求項１５〜１８のいずれかに記載のレーザアニール装置。
【請求項２０】
前記被アニール半導体膜に対して、前記レーザ光を部分的に照射しつつ該レーザ光を相対走査する相対走査手段を備えたことを特徴とする請求項１５〜１９のいずれかに記載のレーザアニール装置。
【請求項２１】
前記レーザ光は、
前記ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して同時に照射可能であり、かつ、前記非結晶部分の相対走査方向の総照射幅に比して、前記粒状結晶部分の相対走査方向の総照射幅が広いビームパターンを有していることを特徴とする請求項２０に記載のレーザアニール装置。
【請求項２２】
前記レーザ光は、
前記ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して同時に照射可能であり、かつ、前記レーザ光の相対走査方向に見て、前端側及び後端側が前記レーザ光の相対走査方向に対して略垂直な略直線形状である第１のビームパターンと、
前記レーザ光の相対走査方向に見て、前記第１のビームパターンの前側に位置し、前記粒状結晶部分を照射可能な第２のビームパターンとを合わせた形状のビームパターンを有し、
少なくとも前記第１のビームパターン部分の照射エネルギー分布が略均一なものであることを特徴とする請求項２１に記載のレーザアニール装置。
【請求項２３】
前記レーザ光のビームパターンは、前記第１のビームパターンと前記第２のビームパターンとを接して合わせた形状のビームパターンであることを特徴とする請求項２２に記載のレーザアニール装置。
【請求項２４】
前記レーザヘッド自身に、又は前記レーザヘッドと前記被アニール半導体膜との間の光路上に、前記ビームパターンを形成する空間光変調素子が設けられていることを特徴とする請求項２１〜２３のいずれかに記載のレーザアニール装置。
【請求項２５】
前記空間光変調素子は、前記被アニール半導体膜の膜面上にて前記ビームパターンを形成する逆フーリエ変換プロファイルの複素振幅分布を有する素子であることを特徴とする請求項２４に記載のレーザアニール装置。
【請求項２６】
前記レーザヘッド自身に、又は前記レーザヘッドとは独立して、前記粒状結晶部分にレーザ光を選択的に照射して、前記第２のビームパターンを形成するレーザ光発振源が備えられていることを特徴とする請求項２１〜２３のいずれかに記載のレーザアニール装置。
【請求項２７】
前記被アニール半導体膜が非結晶シリコン膜であり、
前記レーザ光の照射条件と相対走査条件とは、前記非結晶部分における前記レーザ光の吸収パワー密度Ｐ（ＭＷ/ｃｍ２）と前記レーザ光の相対走査速度ｖ（ｍ/ｓ）とが下記式（５）を充足する条件に設定されていることを特徴とする請求項２０〜２６のいずれかに記載のレーザアニール装置。
０．４４ｖ０．３４１４３≦Ｐ≦０．５６ｖ０．３４１４３・・・（５）
【請求項２８】
前記レーザ光は連続発振レーザ光であることを特徴とする請求項１５〜２７のいずれかに記載のレーザアニール装置。
【請求項２９】
前記レーザ光発振源は半導体レーザであることを特徴とする請求項１５〜２８のいずれかに記載のレーザアニール装置。
【請求項３０】
前記レーザ光発振源は、発振波長が３５０〜６００ｎｍの波長域にある半導体レーザであることを特徴とする請求項２９に記載のレーザアニール装置。
【請求項３１】
前記レーザ光発振源は、ＧａＮ系半導体レーザ又はＺｎＯ系半導体レーザであることを特徴とする請求項３０に記載のレーザアニール装置。
【請求項３２】
前記被アニール半導体膜に対して、アニール領域をずらして前記レーザアニールを再度実施する際には、
先に前記レーザ光が照射された領域と次に前記レーザ光が照射される領域とが部分的に重なるよう、前記レーザアニールを実施するものであることを特徴とする請求項１５〜３１のいずれかに記載のレーザアニール装置。
【請求項３３】
非結晶半導体からなる被アニール半導体膜に対して、請求項１〜１４のいずれかに記載のレーザアニール方法を実施して製造されたものであることを特徴とする半導体膜。
【請求項３４】
前記被アニール半導体膜が非結晶シリコン膜であることを特徴とする請求項３３に記載の半導体膜。
【請求項３５】
略全面がラテラル結晶からなることを特徴とする請求項３３又は３４に記載の半導体膜。
【請求項３６】
基板上に形成されたパターニングされていない半導体膜において、
略全面がつなぎ目のないラテラル結晶膜であることを特徴とする半導体膜。
【請求項３７】
請求項３２〜３６のいずれかに記載の半導体膜を用いて得られた活性層を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項３８】
請求項３７に記載の半導体装置を備えたことを特徴とする電気光学装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非結晶半導体からなる被アニール半導体膜に対してレーザアニールを実施するレーザアニール方法及びレーザアニール装置に関するものである。  
本発明はまた、上記レーザアニール方法により製造された半導体膜、この半導体膜を用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等の半導体装置、及びこの半導体装置を用いた電気光学装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）装置や液晶装置等の電気光学装置では、アクティブマトリクス型の駆動方式が広く採用されている。アクティブマトリクス型では多数の画素電極がマトリクス状に配置され、これら画素電極は例えば各画素電極に対応して設けられた画素スイッチング用ＴＦＴを介して駆動される。
【０００３】
上記電気光学装置では、同じ基板上に、上記の画素電極と画素スイッチング用ＴＦＴとがマトリクス状に多数形成された画素部と、この画素部を駆動する、複数の駆動回路用ＴＦＴを用いて構成された駆動回路を備えた駆動部とが設けられる場合がある。
【０００４】
ＴＦＴの活性層には、非結晶又は多結晶のシリコン膜が広く使用されている。キャリア移動度等の素子特性を考慮すれば、活性層をなすシリコン膜は結晶性が高いことが好ましい。特に、駆動回路用ＴＦＴでは、活性層をなすシリコン膜は結晶性が高いことが好ましい。
【０００５】
ポリシリコンＴＦＴの製造においては例えば、はじめに非結晶シリコン（ａ−Ｓｉ）膜を成膜し、この膜にレーザ光を照射してアニールすることにより多結晶化するレーザアニールが行われている。現在、レーザ光としてはエキシマレーザ光が広く用いられている（ＥＬＡ法）。エキシマレーザ光は３０８ｎｍ以下の紫外域のパルス発振レーザ光であり、ＥＬＡ法により生成される多結晶は通常、結晶粒径の小さい粒状結晶である。これは、シリコン膜の結晶質によらず、シリコン膜に吸収されるエキシマレーザ光の吸収率が大きく、シリコン膜の表面でエネルギーが大きく吸収されて、膜厚方向に大きな温度分布が生じるため、膜厚方向に結晶が成長して横方向にはほとんど成長しないためと考えられている（特許文献２の段落０００５，００３６等）。
【０００６】
３５０ｎｍ以上の波長域の連続発振レーザ光を用いて、非結晶シリコン膜に対してレーザ光を相対走査しながら照射することで、相対走査方向に延びる結晶粒径の大きいラテラル結晶を成長させることができる（特許文献２の段落０００６等）。
【０００７】
発振波長３５０ｎｍ以上の現状の連続発振レーザ光を用いたレーザヘッドでは、ラテラル結晶成長が可能なアニールエネルギーを与えられるビームスポットの幅は、最大でも１０ｍｍ程度である。基板平面をｘｙ平面とし、レーザ光の主相対走査方向をｘ方向、副相対走査方向をｙ方向とする。基板上に形成された広面積の非結晶シリコン膜を全面アニールするには、あるｙ位置でｘ方向の相対走査を実施した後、ｙ位置を変えてｘ方向の相対走査を実施するという操作を繰り返す必要がある。通常は、ｙ位置をずらしてｘ方向のレーザ光の相対走査を行う際には、先にレーザ光が照射された領域と次にレーザ光が照射される領域とが部分的に重なるよう、レーザ光の相対走査が行われる。
【０００８】
ｙ位置を変えずにｘ方向のレーザ光の相対走査を１回だけ行った場合、ラテラル結晶の生成領域の外側に、結晶粒の小さい粒状結晶が生成される（本明細書の図１を参照）。これは、レーザ光のビームプロファイルをいかに制御しても、レーザ光の照射領域の周囲に熱が拡散するため、ラテラル結晶成長に必要な表面温度には達しないが、粒状結晶化するに足りる表面温度となる領域が生じるためである。レーザ光が直接照射される領域内の端部、及び／又はレーザ光は直接照射されないが熱が伝導する領域（＝レーザ光が直接照射される領域のすぐ外側の領域）に、粒状結晶（粒状ｐｏｌｙ−Ｓｉ）が生成される。
【０００９】
次にｙ位置をずらしてｘ方向のレーザ光の相対走査を行う際に、粒状結晶部分に重ねてレーザ光を照射することで、先に生成された粒状結晶をラテラル結晶化させることができると考えられる。しかしながら、３５０ｎｍ以上の波長域では、非結晶シリコン（ａ−Ｓｉ）と多結晶シリコンである粒状結晶（粒状ｐｏｌｙ−Ｓｉ）とはレーザ光の吸収率が異なるため、同じレーザ光照射条件では、粒状結晶の温度がラテラル結晶化に必要な温度に達しない恐れがある。また、粒状結晶を種結晶として、所望しない方向にラテラル結晶が成長し、ラテラル結晶の成長方向が不均一になる恐れもある。
【００１０】
粒状結晶を所望の成長方向のラテラル結晶とすることができたとしても、ラテラル結晶の生成領域の外側には、やはり結晶粒の小さい粒状結晶が生成されてしまい、粒状結晶をなくすことはできない。また、せっかく成長したラテラル結晶部分に対して再度レーザ光が照射されると、ラテラル結晶部分が再融解して、その結晶性が変化してしまう恐れもある。
【００１１】
粒状結晶部分は粒界が多く電流特性が良くないため、粒状結晶部分を避けて、ＴＦＴを形成する必要がある。そのため、現状では、ＴＦＴの形成位置の設計情報に基づいて、レーザ光のビーム端部とＴＦＴの素子形成領域とが重ならないようレーザ光を走査する、あるいはＴＦＴの素子形成領域にのみレーザ光を選択的に照射するなどの工夫が必要である。
【００１２】
特許文献１には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）あるいはＮｄ：ＹＶＯ４レーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）等を用いてラテラル結晶成長を行うことが記載されており、好適なラテラル結晶成長条件が記載されている。好適なラテラル結晶成長条件として、レーザ光ビーム径：走査方向に２〜１０μｍ、走査速度：３００〜１０００ｍｍ／ｓ、レーザ光ビーム径が３μｍのときの出射パワー密度：０.４〜２.４ＭＷ／ｃｍ２が記載されている（請求項４，８，段落００３７等）。特許文献１では、ＴＦＴの素子形成領域にのみレーザ光を選択的に照射するようにしている（図８等）。
【００１３】
特許文献２には、非結晶シリコン膜に対して、固体レーザであるＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）等の可視パルスレーザ光（波長３５０ｎｍ以上）と、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波よりも波長の短い高調波等の紫外パルスレーザ光（３５０ｎｍ未満）とを、これらの照射領域が部分的に重なるようにして、同時に照射及び走査するレーザアニール方法が記載されている（請求項１，３，段落００１１，００４５，図７等）。
【００１４】
特許文献２には、可視光パルスレーザの照射によりラテラル結晶の生成領域の外側に生成される粒状結晶を、紫外パルスレーザ光の照射により非結晶化することができ、位置をずらした可視パルスレーザ光の再照射により紫外パルスレーザ光の照射により非結晶化した部分をラテラル結晶化することができ、全体として結晶性の高いシリコン膜が得られることが記載されている（段落００６６，図２０等）。
【００１５】
特許文献３には、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの第２高調波（波長５２４または５２７ｎｍ）の非結晶シリコンの吸収率は結晶シリコンのそれより１桁以上大きく、かかる波長のレーザ光を用いることで、結晶シリコンより非結晶シリコンに優先的にレーザ光が吸収され、非結晶シリコンを優先的に融解させ結晶化させることができ、結晶性の高いシリコン膜が得られることが記載されている（段落００２０等）。
【００１６】
特許文献４には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）等の３９０〜６４０ｎｍの波長域のレーザ光を用いる場合には、多結晶シリコンにおける吸収率が非結晶シリコンの吸収率よりも小さいため、非結晶シリコン膜にレーザ光が照射されて生成された多結晶シリコンにレーザ光を再度照射しても、生成された多結晶シリコンは融解することはなく、その特性はレーザ光の再照射によってあまり大きくは変化しないことが記載されている（段落００１０）。しかしながら、従来の課題として、多結晶シリコンである結晶粒の小さい粒状結晶におけるレーザ光の吸収率も低下するため、結晶粒の小さい粒状結晶の結晶性を向上させることはできず、人の目には微妙に重ね領域が認識されることが記載されている（段落００４２）。
【００１７】
そこで、特許文献４では、３９０〜６４０ｎｍの波長域のレーザ光を用いるレーザアニールにおいて、下記（１）〜（５）のいずれかの構成を採ることが提案されている。
【００１８】
（１）特許文献４では、ＴＦＴとして充分なキャリア移動度が得られる範囲内で、照射エネルギー密度を極力低い範囲に設定することが提案されている（段落００４３）。具体的には、キャリア移動度とレーザ出力との関係において、最大のキャリア移動度をもたらすレーザ出力に対して８０％以上の移動度が得られるレーザ出力の下限の値をＥlow、上限の値をＥhighとして、Ｅlow≦Ｅ≦（Ｅhigh＋Ｅlow）／２を満足するレーザ出力Ｅとすることが提案されている（請求項１）。
【００１９】
特許文献４には、ＴＦＴとして充分なキャリア移動度が得られる範囲内で、最大のキャリア移動度をもたらすレーザ出力よりも敢えてレーザ出力を落とすことにより、第１スキャンの端の領域に生成される多結晶シリコン、すなわち粒状結晶の結晶粒径を小さくでき、第２スキャンにおいて、粒状結晶を容易に再融解し、結晶性を向上させることができることが記載されている（段落００４８）。
【００２０】
（２）特許文献４では、光ビーム端の傾斜領域の長さＬを短く設定し、好ましくは３ｍｍ以下とすることが提案されている（請求項３、段落００４３）。特許文献４には、かかる構成によって、第１スキャンの傾斜領域内の多結晶化領域、すなわち粒状結晶の生成領域を小さくすることができ、重ね領域の特性劣化を目立たなくすることができることが記載されている（段落００５０）。
【００２１】
（３）特許文献４では、光ビーム端の傾斜領域における第２スキャンのレーザ光強度を第１スキャンに比べ増大させることが提案されている（請求項５、段落００４３）。かかる構成では、第１スキャンの端の領域に対し、第２スキャンではより光強度の高いビームが照射されるので、粒状結晶を容易に再融解し、結晶性を向上させることができることが記載されている（段落００５２）。
【００２２】
また、（３）の構成において、基板ステージの所定領域に反射膜を形成し、基板ステージからレーザ光の重ね合わせ領域にレーザ光を反射させることで、第１スキャンの端の領域に対して第２スキャンでより光強度の高いビームを照射する態様が記載されている（請求項９，１０、段落００５４，００５６、図１５，１７）。
【００２３】
特許文献５には、非結晶シリコンに対して、非結晶シリコンの吸収係数が５×１０３/ｃｍ以上である波長の第１のレーザ光と、非結晶シリコンの吸収係数が５×１０２/ｃｍ以下であり、かつ融解状態の非結晶シリコンの吸収係数が５×１０３/ｃｍ以上である波長の第２のレーザ光とを同時に重ねて照射することが提案されている（請求項１）。例えば、第１のレーザ光としてＹＡＧレーザ等の固体レーザの第２高調波を用い、第２のレーザ光として同固体レーザの基本波を用いることが記載されている（段落００４４，００８４）。かかる構成では、第２のレーザ光は通常のシリコンには吸収されないが、第１のレーザ光の照射により融解した部分にはよく吸収されるので、ビームプロファイルを平らにすることができ、粒状結晶の生成領域を小さくし、ラテラル結晶領域を大きくできることが記載されている（段落００１５，００１６，００８４，図１（ｂ））。
【特許文献１】特開2005-217209号公報
【特許文献２】特開2005-72183号公報
【特許文献３】特開2004-152978号公報
【特許文献４】特開2005-259809号公報
【特許文献５】特開2004-297055号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
特許文献２〜５に記載のレーザアニール技術ではいずれも、非結晶シリコンのレーザ光の波長に対する吸収特性と、多結晶シリコンのレーザ光の波長に対する吸収特性とが異なることに着目して、種々の工夫を行っている。
【００２５】
例えば、特許文献５の図５（ａ），（ｂ）（顕微鏡写真）には、特許文献５に記載のレーザアニール方法を採用することで、ラテラル結晶の領域を広くできることが示されている。しかしながら、特許文献５の図５（ａ），（ｂ）には、依然としてラテラル結晶の外側に粒径の小さい粒状結晶が生成されていることが示されている。
【００２６】
特許文献２の段落０００９には、略全面ラテラル結晶化が可能であると記載されている。しかしながら、特許文献２の図８、図１３、及び図１４等を参照すれば、大目に見ても、この方式から主走査方向に対してラテラル結晶化させることができるが、副走査方向には必ず粒状結晶領域若しくは非結晶領域が発生すると考えられる。
【００２７】
この方式では、矩形状ビームをパルス照射していくため、矩形状ビームを重ねながら不連続に照射することになる。そのため、矩形状ビームの周囲に沿って、主走査方向及び副走査方向の双方にラテラル結晶にならない粒状結晶領域若しくは非結晶領域が形成されると考えられる。そして、矩形状ビームの周囲に沿って、主走査方向及び副走査方向の双方に形成された粒状結晶領域若しくは非結晶領域は、位置をずらしたレーザアニールを実施しても、そのすべてを再アニールすることはできず、副走査方向には必ず粒状結晶領域若しくは非結晶領域が発生することとなる。
【００２８】
また、特許文献２では、粒状結晶部分をアモルファス化するため、図１３に示されているように、高い照射エネルギーが必要である。かかる高エネルギー照射では、ラテラル結晶も再融解して、粒状結晶化するなどの不都合が生じると考えられる。
【００２９】
すなわち、従来技術では、主走査方向にはラテラル結晶化ができても、副走査方向に見れば、つなぎ目に粒状結晶部分等が残ることを回避することはできなかった。また、仮につなぎ目に粒状結晶部分等を残さないことを実現できたとしても、つなぎ目をなくすことは到底不可能であった。
【００３０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、非結晶半導体膜を略全面高結晶化することができ、非結晶半導体膜を、略全面において、粒状結晶部分がほとんどなく、しかもつなぎ目のないラテラル結晶膜とすることも可能なレーザアニール技術を提供することを目的とするものである。  
本発明はまた、上記レーザアニール技術を用いることにより、結晶性が高く、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の活性層等として好適な半導体膜、これを用いたＴＦＴ等の半導体装置及び電気光学装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
本発明のレーザアニール方法は、非結晶半導体からなる被アニール半導体膜の一領域に対して、ラテラル結晶が成長する条件でレーザ光を照射するレーザアニールを実施してラテラル結晶を成長させ、
さらに、アニール領域をずらして、ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して、前記レーザアニールを再度実施して、該部分をラテラル結晶化させる操作を１回以上実施するレーザアニール方法において、
前記被アニール半導体膜の粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつ前記被アニール半導体膜のラテラル結晶部分が融解しない条件で、前記レーザアニールを実施し、
かつ、下記式（１）を充足するよう、前記粒状結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間を、前記非結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間より長くして、前記レーザアニールを実施することを特徴とするものである。
【００３２】
本発明のレーザアニール装置は、単数又は複数のレーザ光発振源を搭載したレーザヘッドを備え、
非結晶半導体からなる被アニール半導体膜の一領域に対して、ラテラル結晶が成長する条件でレーザ光を照射するレーザアニールを実施してラテラル結晶を成長させ、
さらに、アニール領域をずらして、ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して、前記レーザアニールを再度実施して、該部分をラテラル結晶化させる操作を１回以上実施するレーザアニール装置において、
前記被アニール半導体膜の粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつ前記被アニール半導体膜のラテラル結晶部分が融解しないレーザ光照射条件に設定されており、
かつ、下記式（１）を充足するよう、前記粒状結晶部分における単位面積あたりのレーザ光照射時間が、前記非結晶部分における単位面積あたりのレーザ光照射時間より長いレーザ光照射条件に設定されていることを特徴とするものである。
｜ＥＡ−ＥＰ｜＜｜ＥＡ−ＥＰｓ｜・・・（１）
（式（１）中、
ＥＡは、非結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギー、
ＥＰｓは、非結晶部分と同一のレーザ光照射条件でレーザ光を照射したときの、粒状結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギー、
ＥＰは、粒状結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの実際の吸収光エネルギーを、各々示す。）
【００３３】
粒状結晶は、レーザ光が直接照射される領域内の端部に生成される場合と、レーザ光は直接照射されないが熱が伝導する領域（＝レーザ光が直接照射される領域のすぐ外側の領域）に生成される場合と、これらの領域の双方に生成される場合とがある。  
本明細書において、「レーザアニール」には、レーザ光が直接照射される領域のアニールと、レーザ光は直接照射されないが熱が伝導して結晶状態が変化する領域のアニールとが含まれるものとする。
【００３４】
本発明のレーザアニール装置において、下記式（１Ａ）を充足するよう、前記粒状結晶部分における単位面積あたりのレーザ光照射時間が、前記非結晶部分における単位面積あたりのレーザ光照射時間より長いレーザ光照射条件に設定されていることが好ましい。  
ＥＰ≒ＥＡ・・・（１Ａ）
（式（１Ａ）中、ＥＰ及びＥＡは上記と同様。）
【００３５】
本明細書において、「ＥＰ≒ＥＡ」は、ＥＰ／ＥＡ又はＥＡ／ＥＰが０．９５〜１．０５の範囲内にあることと定義する。
【００３６】
本発明のレーザアニール装置において、前記ラテラル結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間が、前記非結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間と同等以下となるように設定されていることが好ましい。
【００３７】
前記被アニール半導体膜が非結晶シリコン膜である場合、下記式（３）及び（４）を充足するレーザ光照射条件に設定されていることが好ましい。  
０．８２≦ＥＰ／ＥＡ≦１．０・・・（３）、
ＥＬ／ＥＡ≦０．７０・・・（４）
【００３８】
「シリコン膜」はシリコンを主成分とする膜である。本明細書において、「主成分」は含量５０質量％以上の成分と定義する。ＴＦＴ用のシリコン膜ではシリコン含量９０質量％以上が好ましい。
【００３９】
本発明のレーザアニール装置において、前記ラテラル結晶部分における前記レーザ光の吸収率が、前記粒状結晶部分における前記レーザ光の吸収率より小さいレーザ光照射条件に設定されていることが好ましい。
【００４０】
本発明のレーザアニール装置において、前記被アニール半導体膜に対して、前記レーザ光を部分的に照射しつつ該レーザ光を相対走査する相対走査手段を備えられていることが好ましい。
【００４１】
上記相対走査手段を備えた本発明のレーザアニール装置において、前記レーザ光は、前記ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して同時に照射可能であり、かつ、前記非結晶部分の相対走査方向の総照射幅に比して、前記粒状結晶部分の相対走査方向の総照射幅が広いビームパターンを有していることが好ましい。  
ビームパターンは、レーザ光の相対走査方向に離間した複数のパターンからなるものでもよい。この場合、「相対走査方向の総照射幅」とは、レーザ光の相対走査方向に離間した複数のパターンの照射幅の合計と定義する。
【００４２】
前記レーザ光としては、前記ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して同時に照射可能であり、かつ、前記レーザ光の相対走査方向に見て、前端側及び後端側が前記レーザ光の相対走査方向に対して略垂直な略直線形状である第１のビームパターンと、前記レーザ光の相対走査方向に見て、前記第１のビームパターンの前側に位置し、前記粒状結晶部分を照射可能な第２のビームパターンとを合わせた形状を有し、少なくとも前記第１のビームパターン部分の照射エネルギー分布が略均一であることが好ましい。
【００４３】
ここでは、第１のビームパターンと第２のビームパターンとを合わせた形状のビームパターンであることを言っており、１つのビームで第１のビームパターンと第２のビームパターンとを合わせた形状のビームパターンを形成してもよいし、複数のビームで第１のビームパターンと第２のビームパターンとを合わせた形状のビームパターンを形成してもよい。また、第１のビームパターンと第２のビームパターンとが接したビームパターンでもよいし、これらが離間したビームパターンでもよい。
【００４４】
本発明のレーザアニール装置において、前記レーザ光は連続発振レーザ光であることが好ましい。  
本発明のレーザアニール装置において、前記レーザ光発振源は半導体レーザであることが好ましい。前記レーザ光発振源は、発振波長が３５０〜６００ｎｍの波長域にある半導体レーザであることが好ましく、発振波長が３５０〜５００ｎｍの波長域にある半導体レーザであることがより好ましい。前記レーザ光発振源は、ＧａＮ系半導体レーザ又はＺｎＯ系半導体レーザであることが好ましい。
【００４５】
本発明のレーザアニール装置は、前記被アニール半導体膜に対して、アニール領域をずらして前記レーザアニールを再度実施する際には、先に前記レーザ光が照射された領域と次に前記レーザ光が照射される領域とが部分的に重なるよう、前記レーザアニールを実施するものであることが好ましい。
【００４６】
本発明の第１の半導体膜は、パターニングされる前のものでもパターニングされた後のものでもよい。本発明の第１の半導体膜によれば、略全面がラテラル結晶からなる半導体膜を提供することができる。  
本発明の第２の半導体膜は、基板上に形成されたパターニングされていない半導体膜において、略全面がつなぎ目のないラテラル結晶膜であることを特徴とするものである。
【００４７】
本発明のレーザアニール方法によれば、基本的には粒状結晶部分のない全面ラテラル結晶化が可能であるが、レーザアニール開始時と終了時に生成される粒状結晶に対しては、再度のレーザアニールが実施されない部分が生じるため、この部分の粒状結晶は残ってしまう。基板全体から見ればこの粒状結晶の量は僅かである。  
「半導体膜が略全面ラテラル結晶からなる」とは、レーザアニール開始時と終了時に生成され、再度のレーザアニールが実施されずに残る粒状結晶を除いた部分がすべて、ラテラル結晶からなることを意味する。
【００４８】
本発明の半導体装置は、上記の本発明の半導体膜を用いて得られた活性層を備えたことを特徴とするものである。本発明の半導体装置としては、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等が挙げられる。  
本発明の電気光学装置は、上記の本発明の半導体装置を備えたことを特徴とするものである。電気光学装置としては、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）装置、液晶装置、電気泳動方式表示装置、及びこれらを備えたシートコンピュータ等が挙げられる。
【発明の効果】
【００４９】
本発明のレーザアニール方法は、非結晶半導体からなる被アニール半導体膜の粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつ被アニール半導体膜のラテラル結晶部分が融解しない条件で、レーザアニールを実施する構成としている。
【００５０】
さらに、本発明のレーザアニール方法では、下記式（１）、好ましくは下記式（１Ａ）を充足するよう、前記粒状結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間を、前記非結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間より長くして、レーザアニールを実施する構成としている。  
｜ＥＡ−ＥＰ｜＜｜ＥＡ−ＥＰｓ｜・・・（１）、
ＥＰ≒ＥＡ・・・（１Ａ）
（式（１）及び（１Ａ）中、
ＥＡは、非結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギー、
ＥＰｓは、非結晶部分と同一のレーザ光照射条件でレーザ光を照射したときの、粒状結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギー、
ＥＰは、粒状結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの実際の吸収光エネルギーを、各々示す。）
【００５１】
本発明のレーザアニール方法によれば、粒状結晶部分及び非結晶部分を選択的に融解させ、高結晶化することができる。また、いったん生成されたラテラル結晶部分は融解しない条件としているので、せっかく成長したラテラル結晶部分が再融解して、その結晶性が変化してしまう恐れもない。
【００５２】
また、被アニール半導体膜の粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつ被アニール半導体膜のラテラル結晶部分が融解しない条件では、粒状結晶部分と非結晶部分とにおけるレーザ光の吸収率には多少なりとも差があり、同一のレーザ光照射条件では、粒状結晶部分と非結晶部分とにおける単位面積当たりの吸収光エネルギーに多少なりとも差が生じる。本発明では、粒状結晶部分と非結晶部分とにおけるレーザ光照射時間を変えて、粒状結晶部分と非結晶部分とにおける単位面積当たりの吸収光エネルギーの差が小さくなるように構成している。したがって、粒状結晶部分と非結晶部分とを同一のレーザ光照射時間で処理する場合に比して、粒状結晶部分と非結晶部分との間の温度勾配を小さくして、膜全面により均一にラテラル結晶を成長させることができる。
【００５３】
したがって、本発明のレーザアニール方法によれば、非結晶半導体膜を略全面高結晶化することができ、非結晶半導体膜を略全面において、粒状結晶部分がほとんどなく、しかもつなぎ目のないラテラル結晶膜とすることも可能である。本発明者は、略全面がつなぎ目のないラテラル結晶膜を実際に実現している（後記実施例１のＳＥＭ・ＴＥＭ表面写真（図１８）を参照）。
【００５４】
本発明のレーザアニール方法を用いることにより、結晶性及び均一性が高く、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の活性層等として好適な半導体膜を低コストに製造することができる。この半導体膜を用いることにより、素子特性（キャリア移動度等）や素子均一性に優れたＴＦＴ等の半導体装置を製造することができる。
【００５５】
本発明では、略全面において、粒状結晶部分がほとんどなく、しかもつなぎ目のないラテラル結晶膜を製造できるので、ＴＦＴ等の半導体装置の形成位置の設計情報に基づいて、レーザ光のビーム端部とＴＦＴ等の半導体装置の素子形成領域とが重ならないようレーザ光を走査する、あるいはＴＦＴ等の半導体装置の素子形成領域にのみレーザ光を選択的に照射するなどの工夫が不要であり、素子特性（キャリア移動度等）及び素子均一性に優れたＴＦＴ等の半導体装置を低コストに安定的に製造することができる。かかるＴＦＴ等の半導体装置を備えた電気光学装置は、表示品質等の性能に優れたものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
「レーザアニール方法」
従来より、非結晶シリコン（ａ−Ｓｉ）と多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）とは、レーザ光の波長に対する吸収特性が異なることは知られていた。しかしながら、従来は、粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとはいずれも多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）であり、これらのレーザ光の吸収特性に違いがあるとは考えられていなかった。
【００５７】
本発明者は、粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとについて、レーザ光の波長に対する吸収特性について評価を実施し、これらの吸収特性に差があることを見出した。そして、これらの吸収特性に着目することで、粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつラテラル結晶部分が融解しない条件でレーザアニールを実施できることを見出した。本発明者は、かかる条件でレーザアニールを行うことにより、いったん生成されたラテラル結晶は再融解せず、その結晶性が変化することなく、粒状結晶部分及び非結晶部分のみを選択的に融解させて、これらをラテラル結晶化することができ、略全面ラテラル結晶とすることができることを見出した。以下、本発明者が行った評価について説明する。
【００５８】
ＧａＮ系半導体レーザ（発振波長４０５ｎｍ）を用い、非結晶シリコン（ａ−Ｓｉ）膜に対して細長い矩形状のレーザ光Ｌを相対走査しながら連続照射して、レーザアニールを行った。基板平面をｘｙ平面とし、レーザ光の主相対走査方向をｘ方向、副相対走査方向をｙ方向とする。
【００５９】
図１（ａ）に示すように、あるｙ位置でレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を１回実施すると、レーザ光Ｌの主相対走査方向ｘに延びる横方向成長のラテラル結晶が生成し、ラテラル結晶の生成領域の外側に、結晶粒の小さい粒状結晶（粒状ｐｏｌｙ−Ｓｉ）が生成される。この１回だけのレーザ光Ｌの相対走査後には、帯状に延びるラテラル結晶成長の領域を挟んで両側に、粒状結晶が生成される。
【００６０】
ここでは、レーザ光Ｌが直接照射される領域内の端部に、粒状結晶が生成された場合について、図示してある。レーザアニール条件によっては、レーザ光Ｌが直接照射される領域内の端部、及び／又はレーザ光Ｌは直接照射されないが熱が伝導する領域（＝レーザ光Ｌが直接照射される領域のすぐ外側の領域）に、粒状結晶が生成される。
【００６１】
なお、本明細書において、レーザ光の相対走査を実施してラテラル結晶を成長させる場合、あるｙ位置でレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を１回実施したときにアニールされる領域を、「１回のレーザアニールのアニール領域」と言う。
【００６２】
膜全面を処理するために、図１（ｂ）に示すように、ｙ位置を変えてレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を繰り返し実施する。ｙ位置を変えてレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を実施する際には、ｙ位置を変える前にラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して、レーザアニールを実施する。このとき、先に生成されたラテラル結晶に重ねてレーザ光Ｌを照射してもよい。
【００６３】
図示するように、ｙ位置を変えてレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を実施する際（アニール領域を変える際）には、被アニール半導体膜に対して、先にレーザ光Ｌが照射された領域と次にレーザ光Ｌが照射される領域とが部分的に重なるよう、レーザアニールを実施することが好ましい。
【００６４】
図１（ａ）中、被アニール半導体膜に符号２０を付し、基板ステージに符号１１０を付し、レーザヘッドに符号１２０を付してある。図１（ａ）は、あるｙ位置でレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を１回実施している途中の図である。ここでは、視認しやすくするため、膜に対してレーザヘッドの大きさを大きく図示してある。
【００６５】
図１（ｂ）はｙ位置を変えてレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を繰り返し実施したときの結晶化のイメージ平面図である。図中、レーザ光Ｌが照射された領域のうち特にハッチングを付けていない領域がラテラル結晶の生成領域である。
【００６６】
ラテラル結晶部分（ラテラルｐｏｌｙ−Ｓｉ）、粒状結晶部分（粒状ｐｏｌｙ−Ｓｉ）、及び非結晶部分（ａ−Ｓｉ）について各々、測定光の波長を変えて、エリプソメータにて複素屈折率ｎ＋ｉｋ（ｋは消衰係数であり、ｉｋは虚数部を示す。）を測定した。各結晶状態における波長と屈折率ｎとの関係を図２に示す。また、下記式に基づいて、各結晶状態における波長と吸収係数αとの関係を求めた。結果を図３に示す。いずれの結晶状態においても、４００ｎｍ付近で吸収係数が大きく低下する傾向にあることが明らかとなった。  
吸収係数α=ｋ／４πλ
（式中、ｋは消衰係数、λは波長である。）
【００６７】
次に、ラテラル結晶シリコン、粒状結晶シリコン、及び非結晶シリコンについて各々、各波長におけるシリコン膜の吸収率を求めた。
【００６８】
レーザヘッドからの出射エネルギーは、レーザアニール装置に組み込まれた各種光学系を透過する間に生じる損失、及び膜表面でのフレネル反射による損失によって減衰して、膜に吸収される。膜に吸収される光エネルギーは下記式で表される。  
（膜に吸収される光エネルギー）＝（膜に照射される光エネルギー）×（表面反射せずに膜に入射する光量の割合）×（膜に吸収される光量の割合）
【００６９】
上記式中の（表面反射せずに膜に入射する光量の割合）×（膜に吸収される光量の割合）が吸収率である。吸収率は、膜に照射されたレーザ光の光量に対して膜に吸収される光量の割合であり、吸収率＝ａ×ｂで表される。
【００７０】
上記式中、ａは膜に吸収される光量の割合であり、下記式から求められる。膜厚ｔは、レーザアニールにより結晶化を行ってポリシリコンＴＦＴを形成する場合に一般的な５０ｎｍとした。  
ａ＝ｅｘｐ−αｔ
（式中、αは吸収係数、ｔは膜厚）
【００７１】
上記式中、ｂは表面反射せずに膜に入射する光量の割合であり、下記式から求められる。ｂはレーザヘッドから出射されたレーザ光の光量からフレネル反射による膜表面での損失分を差し引いて求められる量である。  
ｂ＝１−（（１−ｎ）／（１＋ｎ））２
（式中、ｎは屈折率である。）
【００７２】
さらに、各波長において、非結晶シリコンの吸収率に対する粒状結晶シリコンの吸収率比（＝粒状ｐｏｌｙ−Ｓｉの吸収率／ａ−Ｓｉの吸収率）、及び非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比（＝ラテラルｐｏｌｙ−Ｓｉの吸収率／ａ−Ｓｉの吸収率）を求めた。これらの吸収率比は、非結晶シリコンの吸収率を１としたときの、粒状結晶シリコンの相対吸収率及びラテラル結晶シリコンの相対吸収率である。結果を図４に示す。
【００７３】
粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとはいずれも多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）であるが、図４には、レーザ光の波長に対するこれらのレーザ光の吸収特性が大きく異なることが示されている。
【００７４】
図２〜図４に示すように、粒径の小さい粒状結晶シリコン（粒状ｐｏｌｙ−Ｓｉ）は、非結晶シリコン（ａ−Ｓｉ）とラテラル結晶シリコン（ラテラルｐｏｌｙ−Ｓｉ）との中間的な特性を示すことが明らかとなった。このように、ラテラル結晶シリコンと粒状結晶シリコンとを分けて、吸収特性を評価した例は、過去には見当たらない。
【００７５】
図４に示すように、３５０ｎｍ未満の波長域では、粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとの吸収特性に大きな差はなく、いずれも、非結晶シリコンの吸収率の０．７〜０．９倍程度の高い吸収率を示すことが明らかとなった。これに対して、３５０ｎｍ以上の波長域では、粒状結晶シリコンとラテラル結晶シリコンとはいずれも、長波長になるにつれて非結晶シリコンに対する吸収率比が低下する傾向にあるが、ラテラル結晶シリコンの方が、非結晶シリコンに対する吸収率比の低下のレベルがより大きく、しかもその低下がより短波長側で起こることが明らかとなった。３５０〜６５０ｎｍの波長域では、非結晶シリコンに対する粒状結晶シリコンの吸収率比と、非結晶シリコンに対するラテラル結晶シリコンの吸収率比との差が大きくなっている。
【００７６】
図４は非結晶シリコン（ａ−Ｓｉ）の吸収率を基準とした相対的な吸収率比を示すものであるが、図３に示すように、絶対的な吸収率の値で見れば、５００ｎｍ以上の波長域においては、ラテラル結晶シリコン、粒状結晶シリコン、及び非結晶シリコンのすべての吸収率が著しく小さくなる。したがって、ラテラル結晶シリコンの吸収率と粒状結晶シリコンの吸収率との差が大きく、かつ、粒状結晶シリコン及び非結晶シリコンの吸収率がある程度高い範囲内で、用いるレーザ光の波長を決定することが好ましい。
【００７７】
レーザ光の吸収率は、シリコン膜の膜厚ｔによって変化する。膜厚ｔ（ｎｍ）＝５０，１００，２００としたときの、レーザ光の波長と、非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比（＝ラテラルｐｏｌｙ−Ｓｉの吸収率／ａ−Ｓｉの吸収率）との関係を求めた。結果を図５に示す。同様に、非結晶シリコンの吸収率に対する粒状結晶シリコンの吸収率比（＝粒状ｐｏｌｙ−Ｓｉの吸収率／ａ−Ｓｉの吸収率）も、膜厚によって変わる（図示略）。
【００７８】
レーザアニールにより結晶化を行ってポリシリコンＴＦＴを形成する場合、膜厚ｔ（ｎｍ）＞１２０では、ＴＦＴの素子形成が難しくなると共にリーク電流も多くなり、膜厚ｔ（ｎｍ）＜４０では、活性層の膜厚が薄くなりすぎて素子の信頼性が低下する。したがって、ＴＦＴ用では４０≦膜厚ｔ（ｎｍ）≦１２０ｎｍが好ましい。レーザアニールにより結晶化を行ってポリシリコンＴＦＴを形成する場合の非結晶シリコン膜の膜厚ｔは５０ｎｍ程度が最も一般的である。
【００７９】
４０≦膜厚ｔ（ｎｍ）≦１２０ｎｍの条件では、ラテラル結晶シリコンの吸収率と粒状結晶シリコンの吸収率との差を大きくし、かつ、粒状結晶シリコン及び非結晶シリコンの吸収率をある程度高くするには、３５０〜６００ｎｍの波長域のレーザ光を用いることが好ましく、３５０〜５００ｎｍの波長域のレーザ光を用いることがより好ましい。
【００８０】
現在レーザアニールに一般に使用されているエキシマレーザ光は波長３００ｎｍ以下の紫外レーザ光であるので、ラテラル結晶部分と粒状結晶部分と非結晶部分とはいずれも吸収率が高く、吸収特性に大きな差はない。
【００８１】
また、「背景技術」の項で挙げた特許文献１〜５で用いられている可視レーザ光は、固体レーザの第２高調波等の５００〜５５０ｎｍの波長域のレーザ光である。かかる波長域では、図４ではラテラル結晶部分と粒状結晶部分との吸収特性に大きな差があるように見えるが、図３に示すように、非結晶部分の吸収率自体が小さいため、実際にはラテラル結晶部分と粒状結晶部分との吸収特性に大きな差はない。
【００８２】
すなわち、従来は、ラテラル結晶部分と粒状結晶部分との吸収特性に大きな差のない３００ｎｍ以下の波長域、あるいは５００〜５５０ｎｍの波長域のレーザ光が用いられていた。そして、ラテラル結晶部分と粒状結晶部分とはいずれも多結晶シリコンであるから、吸収特性に大きな差はないと考えられていた。本発明者は、ラテラル結晶部分と粒状結晶部分との吸収特性に大きな差が現れる波長域が存在することをはじめて明らかにした。
【００８３】
特開2004-64066号公報には、ＧａＮ系半導体レーザ（波長３５０〜４５０ｎｍ）を用いたレーザアニール装置が開示されている。照射条件としては、走査速度３０００ｍｍ／ｓ、非結晶シリコン膜面上における光パワー密度６００ｍＪ／ｃｍ２が挙げられている（段落０１２７）。しかしながら、この文献では、結晶状態と吸収率の関係などについては、検討されていない。
【００８４】
単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）の融点は約１４００℃であり、非結晶シリコン（ａ−Ｓｉ）の融点は約１２００℃である。したがって、粒状結晶部分及び非結晶部分を融解させるには、粒状結晶部分及び非結晶部分におけるレーザ光の表面到達温度が約１４００℃以上であることが好ましい。
【００８５】
本発明者が、ＧａＮ系半導体レーザ（発振波長４０５ｎｍ）を用い、非結晶シリコン膜に対して、レーザ光の相対走査速度０.０１ｍ／ｓ以上の条件で、レーザヘッドからの出射光量を変えてレーザアニールを行い、レーザビームの中央部分において実際にラテラル結晶が成長するのか否かをＳＥＭ及びＴＥＭにより観察し、ラテラル結晶成長に必要なレーザ光の表面到達温度を求めたところ、約１７００℃であった。また、実際の実験から、レーザ光の表面到達温度が約２２００℃以上では、アブレーションにより膜の部分的な剥離が生じる場合があることが分かった。すなわち、粒状結晶部分及び非結晶部分をラテラル結晶化するには、これらの部分におけるレーザ光の表面到達温度が約１７００〜２２００℃であることが好ましい。レーザ光の表面到達温度は、レーザ光が照射されたときの瞬間的な膜表面温度である。
【００８６】
表面到達温度は、シリコン膜に入射する光量（この光量は、レーザヘッドからの出射光量から、レーザアニール装置に組み込まれた各種光学系を透過する間に生じる光量損失、及び膜表面におけるフレネル反射による光量損失を差し引いて求められる。）、及びシリコン膜の吸収率から、理論的に求められる。
【００８７】
レーザ光の表面到達温度を所望の温度とするのに、必要な照射エネルギーは下記式で概念的に表される。なお、各エネルギーは、時間変化及び温度変化するため、単純には表記できないが、ここでは概念的に示してある。式中、融解エネルギーＥ２は、融点にて必要なエネルギーである。  
（照射エネルギーＥ１）＝（融解エネルギーＥ２）＋（所望の温度に上昇させるために必要なエネルギーＥ３）＋（放熱エネルギーＥ４）
【００８８】
参考のために、１μｍ×１μｍ×５０ｎｍの直方体を加熱したときの断熱モデルでの計算例を示す。ここでは、所望の温度が１４００℃の条件で計算してある。
【００８９】
１μｍ×１μｍ×５０ｎｍの体積中に含まれるＳｉを融解させるために必要な融解エネルギーＥ２は、以下のように算出される。  
Ｅ２＝（単位融解エネルギー）×（1μm×1μm×50nmの体積中に含まれるＳｉのモル数）＝46×103×((2.32 g/cm3)×(10-6×10-6×50×10-9 m3)/28)＝1.9×10-10 J
【００９０】
１μｍ×１μｍ×５０ｎｍの体積中に含まれるＳｉを所望の温度（この計算例では１４００℃＝融点）に上昇させるために必要なエネルギーＥ３は、以下のように算出される。
Ｅ３＝（比熱）×（1μm×1μm×50nmの体積中に含まれるＳｉの質量）×（所望の温度）＝770J/kg K×(2.32g/cm3×(10-6×10-6×50×10-9 m3))×1400℃＝1.3×10-10 J
【００９１】
レーザ光の表面到達温度が２２００℃となる吸収光エネルギーに対するエネルギー比と、レーザ光の表面到達温度との関係を図６に示す。非結晶シリコンは約１２００℃以上で融解するが、この図では、ラテラル結晶及び粒状結晶が融解しない表面到達温度約１４００℃以下の領域を「非融解」として図示してある。また、ラテラル結晶が成長するレーザ光の表面到達温度約１７００〜２２００℃の領域、及びアブレーションにより膜の部分的な剥離が生じるレーザ光の表面到達温度約２２００℃以上の領域を図示してある。
【００９２】
被アニール半導体膜２０に均一な光エネルギー分布の光を照射した場合、結晶状態によって吸収される光エネルギー量は変化するので、各結晶状態におけるレーザ光の表面到達温度が変化する。図６には、レーザ光の表面到達温度が２２００℃となる吸収光エネルギーに対するエネルギー比が０．８２以上の条件でラテラル結晶成長が可能であり、同エネルギー比が０．７０以下の条件では粒状結晶が融解しないことが示されている。
【００９３】
粒状結晶部分及び非結晶部分を融解させてラテラル結晶化することができ、かつ既に生成されたラテラル結晶部分は融解させないためには、粒状結晶部分及び非結晶部分についてはレーザ光の表面到達温度が約１７００〜２２００℃となる吸収光エネルギーを与え、ラテラル結晶部分についてはレーザ光の表面到達温度が約１４００℃以下となる吸収光エネルギーを与えればよい。すなわち、被アニール半導体膜が非結晶シリコン膜である場合には、下記式（３）及び（４）を充足する条件で、レーザアニールを実施すればよい。  
０．８２≦ＥＰ／ＥＡ≦１．０・・・（３）、
ＥＬ／ＥＡ≦０．７０・・・（４）
（式（３）及び（４）中、
ＥＡは、非結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギー、
ＥＰは、粒状結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギー、
ＥＬは、ラテラル結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギーを、各々示す。）
【００９４】
粒状結晶部分及び非結晶部分がラテラル結晶化し、ラテラル結晶が融解しないレーザアニールを安定的に実施するには、下記式（３Ａ）及び（４）を充足する条件で、レーザアニールを実施することがより好ましい。  
０．８５≦ＥＰ／ＥＡ≦１．０・・・（３Ａ）、
ＥＬ／ＥＡ≦０．７０・・・（４）
【００９５】
粒状結晶部分及び非結晶部分をラテラル結晶化するには、これらの部分におけるレーザ光の表面到達温度が約１７００〜２２００℃であることが必要であることを述べた。本発明者が上記表面到達温度の範囲内で条件を変えてレーザアニールを行ったところ、粒状結晶部分では、上記範囲内でも比較的低い表面到達温度条件において、粒状結晶が核となってレーザ光の主相対走査方向に対して非平行方向（例えばレーザ光の主相対走査方向に対して５〜４５°の角度方向）にラテラル結晶が成長しようとし、かつ、同時に主相対走査方向に揃うようにラテラル結晶が成長しようともするので、湾曲したラテラル結晶が生成することがあった。ＴＦＴの素子特性のばらつきを抑制するには、膜の略全面でラテラル結晶方向が概ね揃っていることが好ましい。
【００９６】
本発明者は、粒状結晶部分及び非結晶部分におけるレーザ光の表面到達温度が約２０００±２００℃となる条件でレーザアニールを行うことで、粒状結晶が瞬間的に融解して、粒状結晶を核とするラテラル結晶成長が抑制されて、膜の略全面でラテラル結晶方向を揃えることができることを見出した。本発明者は、かかる条件でレーザアニールを行うことにより、膜の略全面でレーザ光の主相対走査方向とラテラル結晶成長方向となす角度を５°以下に揃えることができることを見出している。
【００９７】
図７に、レーザ光の相対走査速度に対して、非結晶部分における表面到達温度が約２０００±２００℃となる吸収パワー密度の範囲を示す。この図に示されるように、非結晶部分におけるレーザ光の吸収パワー密度Ｐ（ＭＷ/ｃｍ２）とレーザ光の相対走査速度ｖ（ｍ/ｓ）とが下記式（５）を充足する条件で、レーザアニールを実施することが好ましい。  
０．４４ｖ０．３４１４３≦Ｐ≦０．５６ｖ０．３４１４３・・・（５）
【００９８】
従来、ＳＯＩの分野における研究において、１ｃｍ／ｓ以下のＳｉの結晶成長速度が下記式で表されることが報告されている。  
Ｖ＝Ｖ０×ｅｘｐ（−Ｅａ／ｋＴ）
（式中、Ｖはａ−ＳｉからＰｏｌｙ−Ｓｉへの固相成長速度（ｃｍ／ｓ）である。Ｔはアニール温度（Ｋ）である。Ｖ０は係数であり、Ｖ０＝２.３〜３.１×１０８ ｃｍ／ｓである。Ｅａは活性化エネルギー（＝ｃ−Ｓｉ中での空孔形成エネルギーに等しい）であり、Ｅａ＝２.６８〜２.７１ｅＶである。）
【００９９】
本発明者は、本発明のレーザアニールにおけるラテラル結晶成長速度も、上記関係式で表されることを確認している。先に述べたように、非結晶部分におけるアニール温度は約２２００℃が上限であるので、ラテラル結晶成長速度の上限は８ｍ／ｓとなる。
【０１００】
図４を参照して、３５０ｎｍ以上の波長域では、ラテラル結晶と粒状結晶との間に吸収特性に大きな差があることを述べた。図４には、３５０ｎｍ以上の波長域では、粒状結晶と非結晶との間にも吸収特性に差があることが示されている。したがって、いずれも融解させたい粒状結晶部分と非結晶部分とに同一条件でレーザ光を照射した場合、結晶状態によって吸収される光エネルギー量は変化するので、粒状結晶部分と非結晶部分とにおけるレーザ光の表面到達温度が変化する。この様子を図８に示す。
【０１０１】
図８は、ラテラル結晶部分、粒状結晶部分、及び非結晶部分に対して、同一照射条件で４０５ｎｍのレーザ光を照射し、粒状結晶部分及び非結晶部分の表面到達温度が約１７００〜２２００℃となり、かつ、ラテラル結晶部分の表面到達温度が約１４００℃以下となるようにレーザアニールを行ったときの、非結晶部分、粒状結晶部分、及びラテラル結晶部分における、吸収率分布、膜面上の単位面積当たりのレーザ光照射強度の分布、レーザ光の単位面積当たりの吸収エネルギーの分布、及び温度分布のイメージ図である。
【０１０２】
この図では、レーザ光の表面到達温度ではなく、膜の温度分布を示してある。この図には、レーザアニールを実施している際中の、被アニール半導体膜の表面と、該表面におけるレーザビーム位置及びレーザビームの相対走査方向とを図示してある。
【０１０３】
非結晶部分、粒状結晶部分、及びラテラル結晶部分における、膜面のレーザ光の照射光強度分布は均一であるが、各々の吸収率が異なっているので、各部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギーが異なっている。
【０１０４】
上記条件では、粒状結晶部分及び非結晶部分は融解する温度になるが、いったん生成されたラテラル結晶部分は重ねてレーザ光を照射しても再融解しない温度に抑えられている。
【０１０５】
ここで、いずれも融解させる粒状結晶部分と非結晶部分とに着目すると、これらの部分におけるレーザ光の吸収率には多少なりとも差があるので、同一のレーザ光照射条件では、粒状結晶部分と非結晶部分とにおける単位面積当たりの吸収光エネルギーに多少なりとも差が生じる。その結果、粒状結晶部分と非結晶部分との間に多少なりとも温度差が生じる。また、粒状結晶部分と非結晶部分との境界及びその近傍には、この温度差に起因する温度勾配が生じる。
【０１０６】
粒状結晶部分と非結晶部分との温度差は、ラテラル結晶部分と粒状結晶部分との温度差に比較すればはるかに小さい。しかしながら、粒状結晶部分と非結晶部分との間の温度勾配（この温度勾配はｙ方向（副相対走査方向）の温度勾配である。）が、横方向（ｘ方向、主相対走査方向）のラテラル結晶成長に僅かながらも影響を及ぼす恐れがある。粒状結晶部分と非結晶部分との間に温度勾配がない方が、膜全面により均一にラテラル結晶を成長させることができ、好ましい。
【０１０７】
そこで、本発明では、下記式（１）、好ましくは下記式（１Ａ）を充足するよう、粒状結晶部分におけるレーザ光照射時間を、非結晶部分におけるレーザ光照射時間より長くして、レーザアニールを実施する。  
｜ＥＡ−ＥＰ｜＜｜ＥＡ−ＥＰｓ｜・・・（１）、
ＥＰ≒ＥＡ・・・（１Ａ）
（式（１）及び（１Ａ）中、
ＥＡは、非結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギー、
ＥＰｓは、非結晶部分と同一のレーザ光照射条件でレーザ光を照射したときの、粒状結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギー、
ＥＰは、粒状結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの実際の吸収光エネルギーを、各々示す。）
【０１０８】
すなわち、本発明では、粒状結晶部分と非結晶部分とにおけるレーザ光照射時間を変えて、粒状結晶部分と非結晶部分とにおける単位面積当たりの吸収光エネルギーの差が小さくなるように、レーザアニールを実施する。かかる構成では、粒状結晶部分と非結晶部分とを同一のレーザ光照射条件で処理する場合に比して、粒状結晶部分と非結晶部分との間の温度勾配を小さくして、膜全面により均一にラテラル結晶を成長させることができる。
【０１０９】
ラテラル結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの照射光エネルギーは、下記式（２Ａ）又は（２Ｂ）を充足することが好ましい。単位面積当たりの照射光エネルギーが同等であっても、本発明ではラテラル結晶部分は非結晶部分に比して吸収率が小さいので、単位面積当たりの吸収エネルギーは小さくなる。  
ＩＬ≒ＩＡ・・・（２Ａ）、
ＩＬ＜ＩＡ・・・（２Ｂ）
（式（２Ａ）及び（２Ｂ）中、ＩＡは非結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの照射光エネルギー。  
ＩＬは、ラテラル結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの照射光エネルギーを示す。）
上記（２Ａ）又は（２Ｂ）を充足する単位面積当たりの照射光エネルギーとするには、ラテラル結晶部分における単位面積当たりのレーザ光の照射時間は、非結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間と同等以下とすることが好ましい。
【０１１０】
図４から、粒状結晶部分と非結晶部分との吸収率の差が分かるので、上記式（１）を充足するには、この吸収率差に応じて、粒状結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間を長くすればよい。例えば、非結晶部分の吸収率：粒状結晶部分の吸収率＝１００：９０の条件、すなわち粒状結晶部分の吸収率が非結晶部分の吸収率より１０％低い条件であれば、粒状結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間を、非結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間の１０％分量上げれば、ＥＰ≒ＥＡ・・・（１Ａ）を充足させることができる。
【０１１１】
レーザ光を相対走査してレーザアニールを行う場合は、レーザ光Ｌのビームパターンによって各結晶領域の単位面積当たりのレーザ光照射時間を調整することができる。上記のように、粒状結晶部分におけるレーザ光照射時間を、非結晶部分におけるレーザ光照射時間より長くしてレーザアニールを実施するには、レーザ光Ｌのビームパターンを、ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して同時に照射可能であり、かつ、非結晶部分の相対走査方向の総照射幅Ｄａに比して、粒状結晶部分の相対走査方向の総照射幅Ｄｐが広いビームパターンとすることが好ましい（図９（ａ）及び（ｂ）参照）。
【０１１２】
上記のようなビームパターンとするには、レーザ光Ｌとして、ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して同時に照射可能であり、かつ、レーザ光Ｌの相対走査方向に見て、前端側及び後端側がレーザ光Ｌの相対走査方向に対して略垂直な略直線形状である第１のビームパターンＬｐ１と、レーザ光の相対走査方向に見て、第１のビームパターンＬｐ１の前側に位置し、粒状結晶部分を照射可能な第２のビームパターンＬｐ２とを合わせた形状のビームパターンを有し、少なくとも第１のビームパターンＬｐ１部分の照射エネルギー分布が略均一であるレーザ光Ｌを用いることが好ましい。
【０１１３】
図示するように、第２のビームパターンＬｐ２は、粒状結晶部分のみを照射可能なパターンであることが好ましい。ただし、第２のビームパターンＬｐ２は、粒状結晶部分と非結晶部分との間の温度勾配の改善効果が得られる範囲内で、粒状結晶部分のみならず、その周囲に対して照射可能なパターンであっても構わない。
【０１１４】
上記構成では、まず第２のビームパターンＬｐ２のみにより粒状結晶部分が先にアニールされ、次いで照射エネルギー分布及びビーム幅が略均一であり、かつ後端側が相対走査方向に対して略垂直な略直線である第1のビームパターンＬｐ１により同時に照射される領域全体がアニールされるので、どの結晶領域においてもレーザ光照射終了時を略同一とすることができる。レーザ光照射終了時が領域毎に異なると、照射終了と略同時に始まる冷却によりその両側の領域のアニールへ少なからず影響を及ぼす。より良質かつ均一なラテラル結晶を得るためには、上記のようにレーザ光照射領域において、同時にレーザ光照射が終了することが好ましい。
【０１１５】
上記ビームパターンにおいて、図９（ａ）及び（ｂ）に示されるように、第1のビームパターンＬｐ１と第２のビームパターンＬｐ２とは接していても離間していてもよいが、離間している部分が通過する間は少なからず冷却されることになるので離間距離は短い方がよく、従って第1のビームパターンＬｐ１と第２のビームパターンＬｐ２とは接して合わせた形状であることが好ましい（図９（ａ））。
【０１１６】
図１０は、粒状結晶部分と非結晶部分とにおける単位面積当たりのレーザ光照射時間を、図９（ａ）に示されるようなレーザビームパターンによって調整して、ＥＰ≒ＥＡ・・・（１Ａ）を充足するようにしたときのイメージ図である。この例は、ラテラル結晶部分と非結晶部分とにおける単位面積当たりのレーザ光照射時間は略同一にして、ＩＬ≒ＩＡとしたときの例である。
【０１１７】
ここでは、粒状結晶部分の単位面積当たりのレーザ光照射時間を、非結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間より少し長くすることで、上記式（１Ａ）を充足させているが、逆に非結晶部分側の単位面積当たりのレーザ光照射時間を少し短くする構成としても、上記式（１Ａ）を充足させることができる。ただし、非結晶部分側のレーザ光照射時間を短くしすぎると、非結晶部分がラテラル結晶化するのに充分な光吸収エネルギーが得られなくなるため、粒状結晶部分側の単位面積当たりのレーザ光照射時間を少し長くする構成の方が好ましい。
【０１１８】
図１１は、同様に、粒状結晶部分と非結晶部分とにおける単位面積当たりのレーザ光照射時間を、図９（ａ）に示されるようなレーザビームパターンによって調整して、ＥＰ≒ＥＡ・・・（１Ａ）を充足するようにしたときのイメージ図である。この例は、ラテラル結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間も変えて、ＩＬ＜ＩＡとしたときの例である。ただし照射するレーザ光として、ラテラル結晶部分と非結晶部分の吸収率の差の大きい波長のものを選択し、ラテラル結晶部分と非結晶部分とにおける単位面積あたりの照射時間を同一とする方が、構成が簡単であり好ましい。
【０１１９】
従来のレーザアニールでは、一度にアニールされる被アニール半導体膜の領域に照射されるレーザ光のビームパターンは矩形状が一般的であるので、粒状結晶部分の単位面積当たりのレーザ光照射時間を非結晶部分より長くするには、粒状結晶部分のみに照射可能なレーザ光によるアニール工程が別途必要であり、すなわち工程数も増加する。上記のように、本発明によれば、ビームパターンにより単位面積当たりのレーザ光照射時間を変えることができ、従って、工程数を増加させることなく、粒状結晶部分の単位面積当たりのレーザ光照射時間を長くすることができる。
【０１２０】
図１（ａ）に示したように、あるｙ位置でレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を１回だけ実施した場合、帯状に延びるラテラル結晶成長の領域を挟んで両側に、粒状結晶が生成される。従来の方法では、ｙ位置をずらして２回目のレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を実施する際にも、１回目と同様に、帯状に延びるラテラル結晶成長の領域を挟んで両側に、粒状結晶が生成される。
【０１２１】
しかしながら、本発明の方法では、ラテラル結晶部分に重ねてレーザ光を照射しても、ラテラル結晶部分が再融解せず、該部分の温度が粒状結晶の生成温度に満たないので、図１０及び図１１に示すように、ｙ位置をずらして２回目のレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を実施する際には、帯状に延びるラテラル結晶成長の領域の片側だけ、非結晶シリコン側にのみ、粒状結晶が生成されることになる。すなわち、本発明の方法では、２回目のレーザアニールによって、１回目に帯状に延びるラテラル結晶成長の領域を挟んで両側に生成された粒状結晶のうち、片方の側に生成された粒状結晶をラテラル結晶化させることができ、しかも先にレーザアニールを実施した側には、２回目のレーザアニールによって、不要な粒状結晶が新たに生成することがない。ｙ位置を変えて、同様の操作を繰り返し行うことによって、略全面をつなぎ目なくラテラル結晶化することができる。
【０１２２】
上記評価は被アニール半導体膜２０がシリコン膜の場合の評価であるが、被アニール半導体膜２０の構成材料に関係なく、適用可能である。
【０１２３】
すなわち、本発明のレーザアニール方法は、非結晶半導体からなる被アニール半導体膜の一領域に対して、ラテラル結晶が成長する条件でレーザ光を照射するレーザアニールを実施してラテラル結晶を成長させ、
さらに、アニール領域をずらして、ラテラル結晶の外側に生成された粒状結晶の少なくとも一部及び結晶化されずに残っている非結晶の少なくとも一部を含む領域に対して、レーザアニールを再度実施して、該部分をラテラル結晶化させる操作を１回以上実施するレーザアニール方法において、
被アニール半導体膜の粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつ被アニール半導体膜のラテラル結晶部分が融解しない条件で、レーザアニールを実施し、
かつ、下記式（１）、好ましくは下記式（１Ａ）を充足するよう、粒状結晶部分におけるレーザ光照射時間を、非結晶部分におけるレーザ光照射時間より長くして、レーザアニールを実施することを特徴とするものである。  
｜ＥＡ−ＥＰ｜＜｜ＥＡ−ＥＰｓ｜・・・（１）、
ＥＰ≒ＥＡ・・・（１Ａ）
（式（１）及び（１Ａ）中、
ＥＡは、非結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギー、
ＥＰｓは、非結晶部分と同一のレーザ光照射条件でレーザ光を照射したときの、粒状結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギー、
ＥＰは、粒状結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの実際の吸収光エネルギーを、各々示す。）
【０１２４】
本発明のレーザアニール方法において、ラテラル結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間を、非結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間と同等以下として、レーザアニールを実施することが好ましい。
【０１２５】
被アニール半導体膜の構成材料は特に制限なく、シリコン、ゲルマニウム、及びシリコン／ゲルマニウム等が挙げられる。
【０１２６】
本発明のレーザアニール方法によれば、粒状結晶部分及び非結晶部分を選択的に融解させ、高結晶化することができる。また、いったん生成されたラテラル結晶部分は融解しない条件としているので、せっかく成長したラテラル結晶部分が再融解して、その結晶性が変化してしまう恐れもない。
【０１２７】
被アニール半導体膜の粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつ被アニール半導体膜のラテラル結晶部分が融解しない条件では、粒状結晶部分と非結晶部分とにおけるレーザ光の吸収率には多少なりとも差があり、同一のレーザ光照射条件では、粒状結晶部分と非結晶部分とにおける単位面積当たりの吸収光エネルギーに多少なりとも差が生じる。本発明では、粒状結晶部分と非結晶部分とにおけるレーザ光照射時間を変えて、粒状結晶部分と非結晶部分とにおける単位面積当たりの吸収光エネルギーの差が小さくなるように構成している。したがって、粒状結晶部分と非結晶部分とを同一のレーザ光照射時間で処理する場合に比して、粒状結晶部分と非結晶部分との間の温度勾配を小さくして、膜全面により均一にラテラル結晶を成長させることができる。
【０１２８】
本発明のレーザアニール方法では、ラテラル結晶部分、粒状結晶部分、及び非結晶部分における単位面積当たりの吸収光エネルギーの関係を規定することで、粒状結晶部分及び非結晶部分を選択的に融解させ、かつ、いったん生成されたラテラル結晶部分は融解しない条件としている。したがって、本発明のレーザアニール方法は、かかる条件さえ充足できれば、用いるレーザ光の波長の制約なく、任意の膜厚の被アニール半導体膜に対して、適用可能である。
【０１２９】
ただし、ラテラル結晶部分におけるレーザ光の吸収率が、粒状結晶部分におけるレーザ光の吸収率より小さい条件で、レーザアニールを実施することが好ましい。図１０及び図１１にイメージ図を示したように、粒状結晶部分及び非結晶部分における吸収率とラテラル結晶部分の吸収率との差が比較的に大きい条件でレーザアニールを行い、さらに、粒状結晶部分と非結晶部分における単位面積当たりの吸収光エネルギーの差を微調整するようにレーザアニールを行うことが好ましい。かかる構成では、粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、ラテラル結晶部分が融解せず、しかも、粒状結晶部分と非結晶部分とにおける単位面積当たりの吸収光エネルギーの差を同一のレーザ光照射条件とした場合より小さくするという条件に調整しやすく、好適である。被アニール半導体膜が非結晶シリコン膜である場合、ラテラル結晶部分におけるレーザ光の吸収率と粒状結晶部分におけるレーザ光の吸収率との差が比較的大きい３５０〜６００ｎｍのレーザ光を用いてレーザアニールを実施することが好ましく、３５０〜５００ｎｍのレーザ光を用いてレーザアニールを実施することがより好ましい。
【０１３０】
本発明のレーザアニール方法において、レーザ光として連続発振レーザ光を用いることが好ましい。パルスレーザ光では、レーザヘッドをオンにしている間にもレーザ光が照射されない時間が周期的に訪れる。連続発振レーザ光を用いる場合には、レーザヘッドをオンにしている間は常に被アニール半導体膜に対してレーザ光が連続的に照射されるので、緻密で均一な膜処理ができ、より粒径の大きいラテラル結晶を成長させることができ、好ましい。本発明のレーザアニールを実施する際に用いて好適な波長域を考慮すれば、レーザ光として半導体レーザ光を用いることが好ましい。
【０１３１】
本発明のレーザアニール方法において、図１（ｂ）に示したように、被アニール半導体膜に対して、先にレーザ光が照射された領域と次にレーザ光が照射される領域とが部分的に重なるよう、レーザアニールを実施することが好ましい。
【０１３２】
レーザ光の照射領域の部分的な重ね方については特に制限されない。後からレーザ光を照射される領域が、先のレーザ光照射により形成された粒状結晶部分を１００％カバーしていれば、粒状結晶部分が全てラテラル結晶化され、先の照射で形成されたラテラル結晶領域との間に粒状結晶領域なく、次のラテラル結晶領域を形成することができる。
【０１３３】
被アニール半導体膜の用途によっては、ラテラル結晶領域間に粒状結晶領域が残っていてもよい場合がある。その場合でも、後からレーザ光が照射される領域と粒状結晶領域との重なりが１％以上あれば粒状結晶領域が部分的にラテラル結晶化されるので、ラテラル結晶領域を広くすることができる。後からレーザ光が照射される領域と粒状結晶領域との重なりの割合が大きくなる程、ラテラル結晶領域が広くなり、好ましい。後からレーザ光が照射される領域と粒状結晶領域との重なりの割合は、５０％以上が好ましい。
【０１３４】
レーザアニール条件によっては、レーザ光が直接照射される領域内の端部、及び／又はレーザ光は直接照射されないが熱が伝導する領域（＝レーザ光が直接照射される領域のすぐ外側の領域）に、粒状結晶が生成される。
【０１３５】
１回目のｘ方向の相対走査では、レーザ光は直接照射されないが熱が伝導する領域（＝レーザ光が直接照射される領域のすぐ外側の領域）に粒状結晶が生成し、ｙ位置を変えた次のｘ方向の相対走査で粒状結晶に対してレーザ光を直接照射するような場合には、先にレーザ光が照射された領域と次にレーザ光が照射される領域とが部分的に重ならなくても、粒状結晶をラテラル結晶化させることができる。ただし、粒状結晶の生成領域とレーザ光の照射位置との位置ずれを考慮すれば、被アニール半導体膜に対して、アニール領域をずらしてレーザアニールを再度実施する際には、先にレーザ光が照射された領域と次にレーザ光が照射される領域とが部分的に重なるよう、レーザアニールを実施することが好ましい。
【０１３６】
被アニール半導体膜に対してレーザ光を相対走査する場合について説明したが、本発明の方法は、レーザ光を相対走査しなくても、ラテラル結晶が成長する条件でレーザアニールを行う場合に適用可能である。
【０１３７】
例えば、はじめにある領域に対して矩形状にレーザ光を照射し、同じ領域に対して照射中心線は変えずに一方向の照射幅を小さくしながら、レーザ光を複数回繰り返し照射することで、はじめにレーザ光を照射した領域の外側から温度が冷えていき、照射中心線と外側との間に温度勾配が発生して照射中心線から外側に延びるラテラル結晶を成長させることができる。このとき、ラテラル結晶の生成領域の外側に粒状結晶が生成されることは、相対走査によりラテラル結晶を成長させる場合と同様である。この場合には、同じ領域に対して上記条件でレーザ光が複数回照射されてアニールされる領域が、１回のレーザアニールのアニール領域になる。ただし、かかる方法では、１つのアニール領域に対して、フォトマスク等を用いて照射面積を変えて複数回レーザ光を照射する必要があるので、連続的な膜処理ができず非効率的であり、略全面を均一に処理することも難しい。
【０１３８】
したがって、本発明のレーザアニール方法において、被アニール半導体膜に対して、レーザ光を部分的に照射しつつレーザ光を相対走査して、レーザアニールを実施することが好ましい。かかる構成では、レーザ光の相対走査方向に結晶が成長するので、ラテラル結晶を連続的に成長させることができ、膜面全体を効率よく処理することができる。また、膜面全体を連続的に緻密に処理できるので、均一性に優れた略全面ラテラル結晶膜が得られる。
【０１３９】
本発明のレーザアニール方法を用いることにより、結晶性及び均一性が高く、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の活性層等として好適な半導体膜を低コストに製造することができる。この半導体膜を用いることにより、素子特性（キャリア移動度等）や素子均一性に優れたＴＦＴ等の半導体装置を製造することができる。
【０１４０】
本発明者は、被アニール半導体膜が非結晶シリコン膜である場合、上記式（１Ａ）を充足する条件でレーザアニールを実施し、得られたシリコン膜を用いてＴＦＴを製造した場合、基板全面において、単結晶シリコンに近いキャリア移動度、具体的にはキャリア移動度５００〜６００ｃｍ２／Ｖｓを実現できることを見出している。
【０１４１】
本発明では、略全面において、粒状結晶部分がほとんどなく、しかもつなぎ目のないラテラル結晶膜を製造できるので、ＴＦＴ等の半導体装置の形成位置の設計情報に基づいて、レーザ光のビーム端部とＴＦＴ等の半導体装置の素子形成領域とが重ならないようレーザ光を走査する、あるいはＴＦＴ等の半導体装置の素子形成領域にのみレーザ光を選択的に照射するなどの工夫が不要であり、素子特性（キャリア移動度等）及び素子均一性に優れたＴＦＴ等の半導体装置を低コストに安定的に製造することができる。かかるＴＦＴ等の半導体装置を備えた電気光学装置は、表示品質等の性能に優れたものとなる。
【０１４２】
「レーザアニール装置」
図面を参照して、本発明に係る実施形態のレーザアニール装置の構成について、説明する。図１２はレーザアニール装置の全体構成図、図１３は１個の合波半導体レーザ光源１２１の内部構成を示す図である。
【０１４３】
本実施形態のレーザアニール装置１００は、非結晶シリコン膜等の被アニール半導体膜２０を載置する基板ステージ１１０と、レーザ光Ｌを出射するレーザヘッド１２０と、レーザヘッド１２０からの出射レーザ光Ｌを走査する走査光学系１４０とを備えている。
【０１４４】
本実施形態では、レーザヘッド１２０から出射されたレーザ光Ｌは、走査光学系１４０により図示ｘ方向（主相対走査方向）に走査されるようになっている。また、基板ステージ１１０がステージ移動手段（図示略）により図示ｙ方向に移動可能とされており、これにより、レーザ光Ｌが図示ｙ方向（副相対走査方向）に相対走査されるようになっている。本実施形態では、基板ステージ１１０及び走査光学系１４０により、レーザ光Ｌを被アニール半導体膜２０に対して相対走査する相対走査手段が構成されている。
【０１４５】
レーザヘッド１２０は、水冷ヒートシンク１３１上に隙間なく配置された複数の合波半導体レーザ光源１２１により概略構成されている。
【０１４６】
図１３に示す如く、個々の合波半導体レーザ光源１２１には、レーザ光発振源として連続波出力の１個のマルチ横モードの半導体レーザＬＤ（ブロードエリア半導体レーザ、図示略）が内蔵された４個のＬＤパッケージ１２３（１２３Ａ〜１２３Ｄ）と、これら４個のＬＤパッケージ１２３から出射されたレーザ光Ｌ１〜Ｌ４を各々平行光束化する、ＬＤパッケージ１２３と同数のコリーメータレンズ１２４（１２４Ａ〜１２４Ｄ）とが組み込まれたＬＤユニット１２２が備えられている。
【０１４７】
合波半導体レーザ光源１２１内において、４個のＬＤパッケージ１２３（１２３Ａ〜１２３Ｄ）は、図示ｘ方向（図１２の図示奥行き方向）に配列されている。
【０１４８】
合波半導体レーザ光源１２１にはさらに、レーザ光Ｌ１〜Ｌ４を各々反射するＬＤパッケージ１２３と同数の反射ミラー１２５（１２５Ａ〜１２５Ｄ）と、
反射ミラー１２５Ａ，１２５Ｂにより反射されたレーザ光Ｌ１，Ｌ２が入射する偏光ビームスプリッタ１２６Ａと、
反射ミラー１２５Ｃ，１２５Ｄにより反射されたレーザ光Ｌ３，Ｌ４が入射する偏光ビームスプリッタ１２６Ｂとが備えられている。
【０１４９】
偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳとする）１２６Ａ，１２６Ｂはいずれも、直角プリズムを２個接着した構成のキューブ状のＰＢＳであり、ＰＢＳ１２６Ｂの光入射面には、レーザ光Ｌ３，Ｌ４の偏光方向を９０°ずらす１／２波長位相差素子１２７が取り付けられている。
【０１５０】
ＰＢＳ１２６ＡがたとえばＰ波を反射する場合は、ＰＢＳ１２６Ａに入射したレーザ光Ｌ１，Ｌ２は各々、光出力検出用にＳ波成分がＰＢＳ１２６Ａを透過してフォトダイオード１２９Ａ，１２９Ｂに入射し、Ｐ波成分がＰＢＳ１２６Ａ内で反射されてＰＢＳ１２６Ｂに入射するようになっている。レーザ光Ｌ１、Ｌ２の偏光の向きの調整等により、Ｐ波成分とＳ波成分の割合を変えることができるので、この場合はＰ波成分が多くなる向きに調整することにより、より多くの光を有効に使うことができる。
【０１５１】
ＰＢＳ１２６Ｂを、ＰＢＳ１２６Ａとは反対の成分を反射する（あるいは透過する）特性のものとすることにより、すなわち、この場合はＳ波を反射するものとすることにより、ＰＢＳ１２６Ａによって反射されたＰ波はそのまま透過させることができる。一方、レーザ光Ｌ３，Ｌ４は各々、１／２波長位相差素子１２７により偏光方向を９０°ずらしてからＰＢＳ１２６Ｂに入射させることにより、今度はＳ波成分の多い偏光の向きとなるので、従ってＳ波を反射するＰＢＳ１２６Ｂにおいては、光出力検出用に光量の割合の少ないＰ波成分がＰＢＳ１２６Ｂを透過してフォトダイオード１２９Ｃ，１２９Ｄに入射し、光量の割合の多いＳ波が反射される。
【０１５２】
従って、合波半導体レーザ光源１２１では、ＰＢＳ１２６Ｂ内で、偏光成分の異なるレーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ３、及び、レーザ光Ｌ２とレーザ光Ｌ４とがファスト軸方向に偏光合波され、さらに偏光合波されたレーザ光Ｌ１，Ｌ３と偏光合波されたレーザ光Ｌ２，Ｌ４とをスロー軸方向に角度合波するようにしている。
【０１５３】
半導体レーザＬＤは比較的光出力が小さく、単独では高速走査アニールするために必要な光パワー密度が得られないので、レーザヘッド１２０は、複数のＬＤパッケージ１２３を備えた合波半導体レーザ光源１２１を複数備える構成としている。個々の合波半導体レーザ光源１２１において、複数のＬＤパッケージ１２３からの出射光を角度合波のみで合波すると、焦点深度が浅くなり、焦点ずれによる光強度ばらつきが大きくなる恐れがある。マルチ横モードの半導体レーザＬＤでは、ファスト軸方向の放射角度４０〜６０°であり、スロー軸方向の放射角度１５〜２５°である。本実施形態では、複数のＬＤパッケージ１２３から出射されたレーザ光Ｌ１〜Ｌ４を、ファスト軸方向に偏光合波し、スロー軸方向に角度合波する構成とすることで、焦点ずれによる光強度ばらつきを抑制し、必要な光パワー密度を得ている。
【０１５４】
合波半導体レーザ光源１２１の光出射口には、マルチ横モードの半導体レーザＬＤから出射される個々の次数の高次横モード光に含まれる、光軸に対して略対称方向に伝播する２つの波面成分の干渉性を低減するために、この２つの波面成分のうち一方の波面成分の偏光方向を９０°ずらす１／２波長位相差素子１２８が設けられている。このことを図１４を参照して、説明する。
【０１５５】
マルチ横モードの半導体レーザＬＤでは、次数の異なる複数の高次横モードが同時に発振される。図１４（ａ）に示す如く、任意の１つの次数ｍの高次横モード光の近視野像ＮＦＰ（ｍ）は、次数に応じて複数のピークを持つ強度分布を有し、隣接するピーク間の位相が反転した像である。図１４（ｂ）に模式的に示す如く、半導体レーザＬＤの光導波路Ｒには、光軸Ａに対して平行な２つの端面Ｅ１、Ｅ２がある。ある１つの次数の高次横モード光は、これら２つの端面Ｅ１、Ｅ２間で反射を繰り返して出射されるので、ある１つの次数の高次横モード光は概略、光軸Ａに対して略対称方向に伝播する２つの波面成分Ｗ１とＷ２とが複数重ね合わされたものとなる。
【０１５６】
２つの波面成分Ｗ１とＷ２とは概略、波面成分Ｗ１が端面Ｅ１で反射されるときに波面成分Ｗ２が端面Ｅ２で反射され、波面成分Ｗ１が端面Ｅ２で反射されるとき波面成分Ｗ２が端面Ｅ１で反射される関係にある。これら２つの波面成分Ｗ１とＷ２との干渉により、上記の強度分布と位相分布を有する近視野像ＮＦＰ（ｍ）が形成されると考えられる。
【０１５７】
実際には次数の異なる複数の高次横モードが同時に発振されるので、実際の近視野像ＮＦＰは、次数の異なる複数の高次横モードの近視野像ＮＦＰ（ｍ）が重なったものとなる。
【０１５８】
任意の１つの次数ｍの高次横モード光に着目すれば、上記２つの波面成分Ｗ１とＷ２は光軸Ａに対して略対称方向に伝播し、光軸Ａに対して略対称な双峰性の強度分布Ｐ１、Ｐ２を有する遠視野像ＦＦＰ（ｍ）を形成する。
【０１５９】
高次横モード光は次数が異なっても、光軸Ａに対して略対称方向に伝播する上記２つの波面成分Ｗ１とＷ２とが複数重ね合わされて構成される。ただし、双峰性の光強度分布Ｐ１、Ｐ２のピーク分離角θは、半導体レーザの光導波路Ｒのストライプ幅及び屈折率分布、発振波長、高次横モードの次数等により決定され、次数が高くなる程ピーク分離角θが大きくなる傾向にある。
【０１６０】
図では、双峰性の光強度分布Ｐ１、Ｐ２のピーク分離角θが最も大きい高次横モード光の遠視野像ＦＦＰ（ｍ）を実線で示し、その他の次数の高次横モード光の遠視野像ＦＦＰ（ｍ）を破線で示してある。
【０１６１】
異なる次数の高次横モード光間の干渉性は小さいが、個々の次数の高次横モード光を構成する上記２つの波面成分Ｗ１とＷ２との干渉性が大きい。そこで、本実施形態では、２つの波面成分Ｗ１とＷ２のうち一方の波面成分Ｗ２の偏光方向を９０°ずらす１／２波長位相差素子１２８を設けて、これら２つの波面成分Ｗ１とＷ２との干渉性を低減し、合波半導体レーザ光源１２１からの出射光の強度分布が均一になるように構成している。
【０１６２】
合波半導体レーザ光源１２１では、コリーメータレンズ１２４、反射ミラー１２５、偏光ビームスプリッタ１２６Ａ，１２６Ｂ、及び１／２波長位相差素子１２７，１２８により、４個のＬＤパッケージ１２３からの出射光Ｌ１〜Ｌ４を合波する合波光学系が構成されている。
【０１６３】
図１２に示す如く、複数の合波半導体レーザ光源１２１を備えたレーザヘッド１２０の光出射面側には、複数の合波半導体レーザ光源１２１の形成位置に合わせて位置とプリズム角が設定された複数のプリズム１３２ａからなるプリズムアレイ（偏向素子）１３２が取り付けられている。
【０１６４】
走査光学系１４０は、ガルバノミラー等の光走査ミラー（動的偏向素子）１４１と平行光束化レンズ１４２とから構成されている。
【０１６５】
レーザヘッド１２０に搭載された複数の合波半導体レーザ光源１２１から出射されたレーザ光Ｌはプリズムアレイ１３２によって偏向されて、光走査ミラー１４１に入射して、図示ｘ方向に走査される。
【０１６６】
レンズ１４２は、光走査ミラー１４１による光走査に合わせて走査されるようになっており、光走査ミラー１４１により偏向されたレーザ光Ｌがレンズ１４２に入射して平行光束化される。
【０１６７】
本実施形態では、複数の合波半導体レーザ光源１２１のユニットとプリズムアレイ１３２との間に、空間光変調素子１３３が介挿されている。  
本実施形態では、複数の合波半導体レーザ光源１２１のユニットから均一な光強度分布を有し、図示ｙ方向を長手方向とする細長い矩形状のビームパターンのレーザ光Ｌが出射される。空間光変調素子１３３は、それ自身の光透過特性に分布があり、非結晶部分の相対走査方向の総照射幅に比して、粒状結晶部分の相対走査方向の総照射幅が広いビームパターンを形成し、１回の走査あたりの、粒状結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間を、非結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間より長くすることができる素子である。
【０１６８】
空間光変調素子１３３は、被アニール半導体膜２０の膜面上にて所望のビームパターンとなる逆フーリエ変換プロファイルの複素振幅分布を持つ空間光変調素子である。空間光変調素子１３３としては、位相変調素子等が挙げられる。
【０１６９】
空間光変調素子１３３の取り付け位置は特に制限なく、上記のようにレーザヘッド１２０自身に設けてもよいし、レーザヘッド１２０と被アニール半導体膜２０との間の光路上に設けてもよい。ただし、レーザヘッド１２０とは独立して空間光変調素子１３３を設ける場合には、空間光変調素子１３３をレーザヘッド１２０の相対走査に合わせて相対走査する必要がある。
【０１７０】
本実施形態では、上記構成により、図示ｙ方向を長手方向とする細長いレーザビームが形成され、このレーザビームが被アニール半導体膜２０に照射される。本発明者は例えば、被アニール半導体膜２０の非結晶部分における照射光パワー密度が０．５〜２．７Ｗ／ｃｍ２である、８×１μｍ〜２０×３μｍの細長い矩形状レーザビームを実現した。
【０１７１】
本実施形態のレーザアニール装置１００において、レーザ光Ｌの照射条件は、被アニール半導体膜２０の粒状結晶部分及び非結晶部分が融解し、かつ被アニール半導体膜２０のラテラル結晶部分が融解しない条件に設定されている。
【０１７２】
本実施形態のレーザアニール装置１００ではまた、下記式（１）、好ましくは下記式（１Ａ）を充足するよう、粒状結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間と、非結晶部分においておける単位面積当たりのレーザ光照射時間とが変えられている。本実施形態では、空間光変調素子１３３によって、かかる条件を充足させている。  
｜ＥＡ−ＥＰ｜＜｜ＥＡ−ＥＰｓ｜・・・（１）、
ＥＰ≒ＥＡ・・・（１Ａ）
（式（１）及び（１Ａ）中、
ＥＡは、非結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギー、
ＥＰｓは、非結晶部分と同一のレーザ光照射条件でレーザ光を照射したときの、粒状結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの吸収光エネルギー、
ＥＰは、粒状結晶部分におけるレーザ光の単位面積当たりの実際の吸収光エネルギーを、各々示す。）
【０１７３】
本実施形態のレーザアニール装置１００において、ラテラル結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間が、非結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間と同等以下となるように設定されていることが好ましい。本実施形態では、上記と同様、空間光変調素子１３３によって、かかる条件を充足するよう調整することができる。  
後記実施例１で説明するように、ｙ位置を変えてレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を実施する際の重ね量を一定にしてレーザアニールを実施する場合には、粒状結晶及びラテラル結晶の生成領域が決まるので、粒状結晶の生成領域、あるいは粒状結晶の生成領域及び先に生成されたラテラル結晶に対して再照射を行う領域における単位面積当たりのレーザ光照射時間が所望の値となるような、レーザ光のビームパターンを形成するように、空間光変調素子１３３の光変調特性を設計すればよい。
【０１７４】
本実施形態では、空間光変調素子１３３によって、レーザ光のビームパターンを変えることができる。図９に示したようなビームパターンとすることで、粒状結晶部分と非結晶部分とにおける単位面積当たりの照射時間を変えることができる。
【０１７５】
本実施形態のレーザアニール装置１００において、被アニール半導体膜２０が非結晶シリコン膜である場合、下記式（３）及び（４）を充足するレーザ光照射条件に設定されていることが好ましい。  
０．８２≦ＥＰ／ＥＡ≦１．０・・・（３）、
ＥＬ／ＥＡ≦０．７０・・・（４）
（式（３）及び（４）中、ＥＡ、ＥＰ、及びＥＬは上記と同様である。）
【０１７６】
本実施形態のレーザアニール装置１００において、ラテラル結晶部分におけるレーザ光の吸収率が、粒状結晶部分におけるレーザ光の吸収率より小さいレーザ光照射条件に設定されていることが好ましい。
【０１７７】
被アニール半導体膜２０が非結晶シリコン膜である場合、レーザヘッド１２０に搭載された半導体レーザ（レーザ光発振源）ＬＤは、ラテラル結晶部分におけるレーザ光の吸収率と粒状結晶部分におけるレーザ光の吸収率との差が比較的大きい、発振波長が３５０〜６００ｎｍの波長域にある半導体レーザであることが好ましく、発振波長が３５０〜５００ｎｍの波長域にある半導体レーザであることがより好ましい。
【０１７８】
発振波長が３５０〜６００ｎｍあるいは３５０〜５００ｎｍの波長域にあるレーザとしては、ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＩｎＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮＡｓ，ＧａＮＡｓ等の含窒素半導体化合物を１種又は２種以上含む活性層を備えたＧａＮ系半導体レーザ、及びＺｎＯ系やＺｎＳｅ系等のII-VI族化合物系半導体レーザ等が挙げられる。
【０１７９】
本実施形態のレーザアニール装置１００は、被アニール半導体膜２０に対して、ｙ位置を変えてレーザ光Ｌのｘ方向相対走査を実施する際（アニール領域を変える際）には、先にレーザ光Ｌが照射された領域と次にレーザ光Ｌが照射される領域とが部分的に重なるよう、レーザアニールを実施するものであることが好ましい。
【０１８０】
本実施形態のレーザアニール装置１００において、被アニール半導体膜２０が非結晶シリコン膜である場合、レーザ光Ｌの照射条件と相対走査条件とは、非結晶部分におけるレーザ光の吸収パワー密度Ｐ（ＭＷ/ｃｍ２）とレーザ光Ｌの相対走査速度ｖ（ｍ/ｓ）とが下記式（５）を充足する条件に設定されていることが好ましい。  
０．４４ｖ０．３４１４３≦Ｐ≦０．５６ｖ０．３４１４３・・・（５）
【０１８１】
本実施形態のレーザアニール装置１００を用いることで、上記の本発明のレーザニール方法を実施することができる。
【０１８２】
（設計変更例）
本実施形態のレーザアニール装置１００は上記構成に限らず、適宜設計変更可能である。  
図１５（ａ），（ｂ）に示すように、空間光変調素子１３３を設けずに、図１４に示したのと同じ複数の合波半導体レーザ光源１２１のユニットに、粒状結晶部分にレーザ光を選択的に照射する、１個の半導体レーザＬＤ（レーザ光発振源）を搭載した半導体レーザ光源１３４を取り付ける構成としてもよい。図１５（ｂ）はレーザヘッド１２０の上面図である（水冷ヒートシンク１３１の図示略）。
【０１８３】
半導体レーザ光源１３４は１個の合波半導体レーザ光源１２１の相対走査方向に対して前側に取り付けられている。本実施形態では、半導体レーザ光源１３４からの出射光とこれが取り付けられた合波半導体レーザ光源１２１からの出射光とが粒状結晶部分に照射されるようになっている。半導体レーザ１３４は、粒状結晶部分のみに照射されることが好ましい。ただし、半導体レーザ１３４は、粒状結晶部分と非結晶部分との間の温度勾配の改善効果が得られる範囲内で、粒状結晶部分のみならず、その周囲に対して照射されても構わない。
【０１８４】
図１５（ｃ）が被アニール半導体膜２０に照射されるレーザビーム形状を示している。図１５（ｂ）と図１５（ｃ）とは縮尺を変えて図示してある。  
図１５に示す構成としても、レーザ光Ｌのビームパターンを、非結晶部分の相対走査方向の総照射幅に比して、粒状結晶部分の相対走査方向の総照射幅が広いビームパターンとすることができるので、図１０及び図１１に示したように、１回の走査あたりの、粒状結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間を、非結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間より長くすることができる。
【０１８５】
半導体レーザ光源１３４は、図１０及び図１１に示したように、粒状結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間を少し長くするためのものであるので、半導体レーザ光源１３４に搭載される半導体レーザＬＤ数は１個で足りる。ただし、必要に応じて、半導体レーザ光源１３４に複数の半導体レーザＬＤを搭載しても差し支えない。半導体レーザ光源１３４に搭載される半導体レーザＬＤは、シングルモードでもマルチモードでもよい。
【０１８６】
半導体レーザ光源１３４は、レーザヘッド１２０自身に設けなくても、粒状結晶部分にのみにレーザ光を選択的に照射できれば、レーザヘッド１２０とは独立して設けてもよい。ただし、レーザヘッド１２０とは独立して半導体レーザ光源１３４を設ける場合には、半導体レーザ光源１３４をレーザヘッド１２０の相対走査に合わせて相対走査する必要がある。
【０１８７】
上記実施形態では、基板ステージ１１０の移動と走査光学系１４０による光走査とにより、被アニール半導体膜２０に対するレーザ光Ｌの相対走査を実施する構成としたが、被アニール半導体膜２０に対するレーザ光Ｌの相対走査は、レーザヘッド１２０の図示ｘ方向及びｙ方向の機械的走査、基板ステージ１１０の図示ｘ方向及びｙ方向の機械的走査、あるいはレーザ光Ｌの図示ｘ方向及びｙ方向の光走査等によっても実施することができる。
【０１８８】
上記実施形態で挙げたように、高出力が得られ、細長いレーザビーム形状が得られることから、レーザヘッド１２０は、マルチ横モードの半導体レーザＬＤを複数備えた合波半導体レーザ光源１２１を複数搭載したものであることが好ましい。個々の合波半導体レーザ光源１２１に搭載されるＬＤ数が４個の場合について説明したが、その数は適宜設計できる。レーザヘッド１２０は、単数の合波半導体レーザ光源１２１のみを備えたものであってもよい。レーザヘッド１２０は、単数の半導体レーザＬＤのみを備えたものであってもよい。
【０１８９】
「半導体膜、半導体装置、アクティブマトリクス基板」
図面を参照して、本発明に係る実施形態の半導体膜、これを用いた半導体装置、及びこれを備えたアクティブマトリクス基板の製造方法と構成について説明する。本実施形態では、トップゲート型の画素スイッチング用薄膜トランジスタ（画素スイッチング用ＴＦＴ）と、これを備えたアクティブマトリクス基板を例として説明する。図１６は、工程図（基板の厚み方向の断面図）である。
【０１９０】
はじめに、図１６（ａ）に示す如く、基板１０を用意し、基板１０の表面全体に、非結晶半導体からなる被アニール半導体膜２０を成膜する。ここでは、被アニール半導体膜２０が非結晶シリコン（ａ−Ｓｉ）膜である場合について図示してある。
【０１９１】
基板１０としては特に制限なく、ガラス基板（石英ガラス基板、バリウムホウケイ酸ガラス基板、アルミノホウケイ酸ガラス基板等）、本実施形態のＴＦＴプロセス及びＴＦＴプロセスの後工程における熱処理に耐え得る耐熱性を有し、かつガラス同等以上の断熱性を有するプラスチック基板、シリコン基板、及び金属基板（ステンレス基板等）の表面に絶縁膜を形成してガラス同等以上の断熱性を付与した基板等が挙げられる。
【０１９２】
被アニール半導体膜２０は基板１０上に直接形成するのではなく、基板１０上に酸化シリコンや窒化シリコン等の下地膜（図示略）を成膜してから、その上に、被アニール半導体膜２０を成膜してもよい。下地膜及び被アニール半導体膜２０の成膜方法としては特に制限なく、プラズマＣＶＤ法、ＬＰＣＶＤ法、及びスパッタ法等の気相成長法が挙げられる。
【０１９３】
下地膜の膜厚は特に制限なく、例えば２００ｎｍ程度が好ましい。被アニール半導体膜２０の膜厚は特に制限なく、４０〜１２０ｎｍが好ましい。被アニール半導体膜２０の膜厚は、例えば５０ｎｍ程度が好ましい。
【０１９４】
プラズマＣＶＤ法等により成膜された被アニール半導体膜２０には、通常水素が多く含まれる。水素が多く含まれたままレーザアニールによる結晶化を行うと、水素が突沸して膜表面が荒れる、水素の突沸により膜が部分的に剥離するなどの問題が生じる恐れがある。したがって、レーザアニールに先立ち、脱水素処理を行うことが好ましい。脱水素処理方法としては特に制限なく、熱アニール処理（例えば約５００℃・約１０分間）等が挙げられる。
【０１９５】
次に、図１６（ｂ）に示す如く、被アニール半導体膜２０に対して、上記の本発明のレーザアニールを実施して、被アニール半導体膜２０の全面を結晶化する。本実施形態では、略全面ラテラル結晶化が可能である。  
次に、図１６（ｃ）に示す如く、フォトリソグラフィ法により、レーザアニール後の半導体膜２１をパターニングして、ＴＦＴの素子形成領域以外の領域を除去する。パターニング後の半導体膜に符号２２を付してある。
【０１９６】
次に、図１６（ｄ）に示す如く、ＣＶＤ法やスパッタリング法等により、ＳｉＯ２等からなるゲート絶縁膜２４を形成する。ゲート絶縁膜２４の膜厚は特に制限なく、例えば１００ｎｍ程度が好ましい。  
次に、図１６（ｅ）に示す如く、電極材料を成膜し、フォトリソグラフィ法によるパターニングを実施することにより、ゲート絶縁膜２４上に、ゲート電極２５を形成する。
【０１９７】
次に、図１６（ｆ）に示す如く、ゲート電極２５をマスクとして、半導体膜２２にＰ，Ｂ等のドーパントをドープし、活性領域であるソース領域２３ａとドレイン領域２３ｂとを有する活性層２３を形成する。ドーパントがＰの場合について図示してある。活性層２３において、ソース領域２３ａとドレイン領域２３ｂとの間の領域がチャネル領域２３ｃとなる。ドープ量は、例えば３．０×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２程度が好ましい。この工程により、ＴＦＴの活性層をなす半導体膜２３が形成される。
【０１９８】
次に、図１６（ｇ）に示す如く、ＳｉＯ２やＳｉＮ等からなる層間絶縁膜２６を成膜し、さらに、ドライエッチングやウエットエッチング等のエッチングを実施して、層間絶縁膜２６に、半導体膜２３のソース領域２３ａに通じるコンタクトホール２７ａと、ドレイン領域２３ｂに通じるコンタクトホール２７ｂとを開孔する。
【０１９９】
さらに、層間絶縁膜２６上の所定の領域に、ソース電極２８ａとドレイン電極２８ｂとを形成する。ソース電極２８ａは、コンタクトホール２７ａを介して半導体膜２３のソース領域２３ａに導通され、ドレイン電極２８ｂはコンタクトホール２７ｂを介して半導体膜２３のドレイン領域２３ｂに導通される。
【０２００】
本実施形態では、レーザアニール後パターニング前の半導体膜２１、パターニング後不純物注入前の半導体膜２２、及び不純物注入後の半導体膜２３のいずれも、本発明のレーザアニール技術を用いて製造された本発明の半導体膜である。
以上の工程により、本実施形態の画素スイッチング用ＴＦＴ３０が製造される。
【０２０１】
次に、図１６（ｈ）に示す如く、ＳｉＯ２やＳｉＮ等からなる層間絶縁膜３１を成膜し、ドライエッチングやウエットエッチング等のエッチングを実施して、層間絶縁膜３１にソース電極２８ａに通じるコンタクトホール３２を開孔する。
【０２０２】
さらに、層間絶縁膜３１上の所定の領域に、画素電極３３を形成する。画素電極３３は、コンタクトホール３２を介してＴＦＴ３０のソース電極２８ａに導通される。
【０２０３】
一対の画素電極３３とＴＦＴ３０のみを図示してあるが、実際には、１個の基板１０に対して、画素電極３３はマトリクス状に多数形成され、各画素電極３３に対応して画素スイッチング用ＴＦＴ３０が形成される。
【０２０４】
通常、液晶装置用では、１つのドットに対して１個の画素電極３３と１個の画素スイッチング用ＴＦＴ３０とが形成され、ＥＬ装置用では、１つのドットに対して１個の画素電極３３と２個の画素スイッチング用ＴＦＴ３０とが形成される。
【０２０５】
以上の工程により、本実施形態のアクティブマトリクス基板４０が製造される。  
アクティブマトリクス基板４０の製造にあたっては、走査線や信号線等の配線が形成される。ゲート電極２５が走査線を兼ねる場合と、ゲート電極２５とは別に走査線を形成する場合がある。ドレイン電極２８ｂが信号線を兼ねる場合と、ドレイン電極２８ｂとは別に信号線を形成する場合がある。
【０２０６】
本実施形態では、本発明のレーザアニール技術を用いているので、結晶性が高く、ＴＦＴの活性層として好適な半導体膜２１〜２３を製造することができる。これらの半導体膜２１〜２３を用いて製造された本実施形態の画素スイッチング用ＴＦＴ３０は、素子特性（キャリア移動度等）や素子均一性に優れたものとなる。この画素スイッチング用ＴＦＴ３０を備えた本実施形態のアクティブマトリクス基板４０は、電気光学装置用として高性能なものとなる。
【０２０７】
液晶装置やＥＬ装置等の電気光学装置では、同じ基板上に、画素電極と画素スイッチング用ＴＦＴとがマトリクス状に多数形成された画素部と、この画素部を駆動する、複数の駆動回路用ＴＦＴを用いて構成された駆動回路を備えた駆動部とが設けられる場合がある。駆動回路は、通常、Ｎ型ＴＦＴとＰ型ＴＦＴとのＣＭＯＳ構造を有する。
【０２０８】
本発明のレーザアニール技術では、被アニール半導体膜２０を略全面ラテラル結晶化することができるので、画素スイッチング用ＴＦＴの活性層と駆動回路用ＴＦＴの活性層とを同時に形成することができる。本発明のレーザアニール技術では、キャリア移動度等の素子特性に優れた駆動回路用ＴＦＴを製造することができる。
【０２０９】
「電気光学装置」
図面を参照して、本発明に係る実施形態の電気光学装置の構成について説明する。本発明は、ＥＬ装置や液晶装置等に適用可能であり、有機ＥＬ装置を例として説明する。図１７は有機ＥＬ装置の分解斜視図である。
【０２１０】
本実施形態の有機ＥＬ装置（電気光学装置）５０は、上記実施形態のアクティブマトリクス基板４０の上に、電流印加により赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）を各々発光する発光層４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂが所定のパターンで形成され、その上に、共通電極４２と封止膜４３とが順次積層されたものである。
【０２１１】
封止膜４３を用いる代わりに、金属缶もしくはガラス基板等の封止部材で封止を行ってもよい。この場合には、酸化カルシウム等の乾燥剤を内包させてもよい。
【０２１２】
発光層４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂは、画素電極３３に対応したパターンで形成され、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）を発光する３ドットで一画素が構成されている。共通電極４２と封止膜４３とは、アクティブマトリクス基板４０の略全面に形成されている。
【０２１３】
有機ＥＬ装置５０では、画素電極３３と共通電極４２のうち、一方が陽極、他方が陰極として機能し、発光層４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂは、陽極から注入される正孔と陰極から注入される電子の再結合エネルギーによって発光する。
【０２１４】
発光効率を向上するために、発光層４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂと陽極との間には、正孔注入層及び／又は正孔輸送層を設けることができる。発光効率を向上するために、発光層４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂと陰極との間には、電子注入層及び／又は電子輸送層を設けることができる。
【０２１５】
本実施形態の有機ＥＬ装置（電気光学装置）５０は、上記実施形態のアクティブマトリクス基板４０を用いて構成されたものであるので、ＴＦＴ３０の素子特性（キャリア移動度等）や素子均一性に優れており、表示品質等の電気光学特性が優れたものとなる。
【実施例】
【０２１６】
本発明に係る実施例及び比較例について説明する。  
（実施例１）
ガラス基板上に、プラズマＣＶＤ法にて、酸化シリコンからなる下地膜（２００ｎｍ厚）と、非結晶シリコン膜（ａ−Ｓｉ、５０ｎｍ厚）とを順次成膜した。その後、約５００℃・約１０分の熱アニールを実施して、非結晶シリコン膜の脱水素処理を実施した。
【０２１７】
この非結晶シリコン膜に対して、上記実施形態のレーザアニール装置１００（図１２及び図１３を参照）を用いて、略全面レーザアニールを実施した。レーザ光発振源としては、ＧａＮ系半導体レーザ（発振波長４０５ｎｍ）を用いた。非結晶シリコン膜面上におけるレーザのビームパターンは、２０×３μｍの細長い矩形状とした。
【０２１８】
図１０にイメージ図を示したように、粒状結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間を、非結晶部分及びラテラル結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間よりも少し長くして、粒状結晶部分と非結晶部分とにおける単位面積当たりの吸収光エネルギーが略同一となるように（ＥＰ≒ＥＡ）、レーザアニールを実施した。
【０２１９】
具体的には、非結晶部分の吸収率：粒状結晶部分の吸収率＝１００：９０であったので、粒状結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間を、非結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間より１０％分長くするために、空間光変調素子によりレーザのビームパターンを、粒状結晶部分だけ相対走査方向のビーム幅が１０％だけ長くなっているビームパターンのレーザ光を用いて、レーザアニールを実施した。
【０２２０】
その他の条件は、下記の通りとした。  
＜その他の条件＞
レーザ光の相対走査速度０.０１ｍ／ｓ、非結晶部分における吸収パワー密度０.１ＭＷ／ｃｍ２、重ね量７５％。
【０２２１】
重ね量が７５％とは、あるｙ位置においてレーザ光のｘ方向相対走査を実施した後、ｙ位置を変えてレーザ光のｘ方向相対走査を実施する際には、ｙ位置を５μｍだけずらして、先にレーザ光が照射された２０μｍ幅の領域に対して、照射領域が１５μｍ重なるように、レーザアニールを実施したことを意味する。
【０２２２】
略全面レーザアニール後の膜表面のＳＥＭ写真及びＴＥＭ写真を図１８（ａ），（ｂ）に示す。図示するように、本実施例の条件では、粒状結晶部分及び非結晶部分は融解するが、いったん生成されたラテラル結晶部分は重ねてレーザ光を照射しても再融解せず、略全面において、粒状結晶部分がほとんどなく、しかもつなぎ目のないラテラル結晶膜が得られた。しかも、ラテラル結晶の成長方向及び大きさ形状が膜全面で揃っており、膜の略全面でレーザ光の主相対走査方向とラテラル結晶成長方向となす角度を５°以下に揃えることができた。
【０２２３】
（比較例１）
非結晶部分の吸収率：粒状結晶部分の吸収率＝１００：９０の条件において、比較例１では、粒状結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間を、非結晶部分における単位面積当たりのレーザ光照射時間の１０％分量下げて、粒状結晶部分と非結晶部分とにおける単位面積当たりの吸収光エネルギーの差をより大きくした。かかる条件でレーザアニールを実施した以外は、実施例１と同様に、略全面レーザアニールを実施した。
【０２２４】
略全面レーザアニール後の膜表面のＳＥＭ写真及びＴＥＭ写真を図１９（ａ），（ｂ）に示す。図示するように、本比較例の条件では、粒状結晶部分とラテラル結晶部分がいずれも重ねてレーザ光を照射しても再融解しなかった。そのため、重ねてレーザ光を照射しても粒状結晶部分はラテラル結晶化しなかった。また、粒状結晶が核となってレーザ光の主相対走査方向に対して非平行方向（レーザ光の走査方向に対して５〜４５°の角度方向）にラテラル結晶が成長しようとし、かつ、同時に主相対走査方向に揃うようにラテラル結晶が成長しようともするので、湾曲したラテラル結晶が生成した。膜面積に対して、粒状結晶の占める割合は３０％以上であった。
【０２２５】
（Ｖｇ−Ｉｄ特性の評価）
実施例１のレーザアニールにより得られたシリコン膜を用いてＴＦＴを製造し、得られたＴＦＴのＶｇ−Ｉｄ特性（ゲート電圧Ｖｇとドレイン電流Ｉｄとの関係）を評価した。
同様に、比較例１のレーザアニールにより得られたシリコン膜を用いてＴＦＴを製造し、そのＶｇ−Ｉｄ特性を評価した。  
結果を図２０に示す。図示するように、実施例１で得られたＴＦＴは、比較例１で得られたＴＦＴよりも、キャリア移動度が高く、素子電流特性が良好であった。
【産業上の利用可能性】
【０２２６】
本発明のレーザアニール装置は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）及びこれを備えた電気光学装置の製造等に好ましく適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０２２７】
【図１】（ａ）あるｙ位置でレーザ光のｘ方向相対走査を１回実施したときのラテラル結晶と粒状結晶の生成の様子を示す斜視図、（ｂ）はｙ位置を変えたレーザ光のｘ方向相対走査を繰り返し実施したときの結晶化のイメージ平面図
【図２】シリコン膜のラテラル結晶部分と粒状結晶部分と非結晶部分とにおける、波長と屈折率ｎとの関係を示す図
【図３】シリコン膜のラテラル結晶部分と粒状結晶部分と非結晶部分とにおける、波長と吸収係数との関係を示す図
【図４】レーザ光の波長と、非結晶シリコンの吸収率に対する粒状結晶シリコンの吸収率比及び非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比との関係を示す図
【図５】膜厚ｔ（ｎｍ）＝５０，１００，２００としたときの、レーザ光の波長と、非結晶シリコンの吸収率に対するラテラル結晶シリコンの吸収率比との関係を示す図
【図６】レーザ光の表面到達温度が２２００℃となる吸収光エネルギーに対するエネルギー比と、レーザ光の表面到達温度と、生成する結晶状態との関係を示す図
【図７】レーザ光の相対走査速度に対して、非結晶部分における表面到達温度が約２０００±２００℃となる吸収パワー密度の範囲を示す図
【図８】ラテラル結晶部分、粒状結晶部分、及び非結晶部分に対して、同一照射条件で４０５ｎｍのレーザ光を照射したときの、吸収率分布、レーザ光照射時間の分布、レーザ光の吸収エネルギーの分布、及び温度分布のイメージ図例
【図９】（ａ）及び（ｂ）は、本発明のレーザアニール方法におけるレーザ光のビームパターン例。
【図１０】本発明のレーザアニール方法を実施した場合の、吸収率分布、レーザ光照射時間の分布、レーザ光の吸収エネルギーの分布、及び温度分布のイメージ図例
【図１１】本発明のレーザアニール方法を実施した場合の、吸収率分布、レーザ光照射時間の分布、レーザ光の吸収エネルギーの分布、及び温度分布のイメージ図例
【図１２】本発明に係る実施形態のレーザアニール装置の全体構成図
【図１３】図１２のレーザアニール装置に備えられた１個の合波半導体レーザ光源の内部構成を示す図
【図１４】（ａ），（ｂ）は、マルチ横モード光が持つ干渉性を低減する構成を説明するための図
【図１５】本発明に係る実施形態のレーザアニール装置の設計変更例を示す図
【図１６】（ａ）〜（ｈ）は、本発明に係る実施形態の半導体膜、これを用いた半導体装置、及びこれを備えたアクティブマトリクス基板の製造方法を示す工程図
【図１７】本発明に係る実施形態の有機ＥＬ装置（電気光学装置）の構成を示す図
【図１８】（ａ）は実施例１においてレーザアニールを実施したときのレーザアニール後のＳＥＭ表面写真、（ｂ）は同ＴＥＭ表面写真
【図１９】（ａ）は比較例１のレーザアニール後のＳＥＭ表面写真、（ｂ）は同ＴＥＭ表面写真
【図２０】実施例１と比較例１において得られたＴＦＴのＶｇ−Ｉｄ特性の評価結果を示す図
【符号の説明】
【０２２８】
２０  被アニール半導体膜
２１、２２  半導体膜
２３  半導体膜（活性層）
２３ａ  ソース領域（活性領域）
２３ｂ  ドレイン領域（活性領域）
３０  ＴＦＴ（半導体装置）
４０  アクティブマトリクス基板
５０  有機ＥＬ装置（電気光学装置）
１００  レーザアニール装置
１１０  基板ステージ（相対走査手段）
１２０  レーザヘッド
１２１  合波半導体レーザ光源
１２３（１２３Ａ〜１２３Ｄ）  ＬＤパッケージ
１３３  空間光変調素子
１３４  半導体レーザ光源
１４０  走査光学系（相対走査手段）
ＬＤ  半導体レーザ（レーザ光発振源）
Ｌ  レーザ光
Ｌｐ１  第1のビームパターン
Ｌｐ２  第２のビームパターン
Ｄａ  非結晶部分の相対走査方向の総照射幅
Ｄｐ  粒状結晶部分の相対走査方向の総照射幅
【図１】
2008091511.tif 000003
【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】
2008091511.tif 000011
【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】
2008091511.tif 000017
【図１６】
2008091511.tif 000018
【図１７】
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【図２０】
2008091511.tif 000020
【図１８】
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【図１９】
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