(57)【要約】【課題】アモルファスシリコン膜などの非晶質半導体膜を有する同一のガラス基板内に、マスクを用いず、工程及び装置を複雑化することなく、電気特性を均一化するために画素部の結晶粒径の均一性を向上させ、周辺回路部のトランジスタの高移動度を達成するために結晶粒径を増大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】偏光パルスレーザ光５ａをガラス基板上の走査方向に短くその直交方向に長い矩形断面を有しかつ異なる偏光状態の２種以上の矩形偏光ビーム９に変換し、ガラス基板上の周辺回路部３と画素部２とで矩形偏光ビーム９を異なる偏光状態（偏光状態６、７）で照射する【選択図】図２
2008130713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶および有機ディスプレイ装置用のガラス基板上に成膜された非晶質半導体膜をレーザ光の照射により結晶化するレーザアニール方法であって、
偏光パルスレーザ光をガラス基板上の走査方向に短くその直交方向に長い矩形断面を有しかつ異なる偏光状態の２種以上の矩形偏光ビームに変換し、前記ガラス基板上の周辺回路部と画素部とで前記矩形偏光ビームを異なる偏光状態で照射する、ことを特徴とするレーザアニール方法。
【請求項２】
前記周辺回路部に、電場が矩形偏光ビームの長辺方向に向く偏光状態の偏光パルスレーザ光を照射し、該偏光パルスレーザ光のエネルギー勾配により短辺方向に結晶粒を増大させる、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】
前記画素部に、電場が矩形偏光ビームの短辺方向に向く偏光状態の偏光パルスレーザ光を照射し、短辺方向に発生する定在波により、結晶粒の短辺方向の伸長を抑制し、均一な結晶粒を成長させる、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４】
前記画素部に、電場が矩形偏光ビームの長辺方向に向く偏光状態の偏光パルスレーザ光と、電場が矩形偏光ビームの短辺方向に向く偏光状態の偏光パルスレーザ光とを交互に照射し、長辺方向及び短辺方向に発生する定在波により、長辺方向に結晶粒を均一化させかつ結晶粒の短辺方向の伸長を抑制し、均一な結晶粒を成長させる、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５】
液晶および有機ディスプレイ装置用のガラス基板上に成膜された非晶質半導体膜をレーザ光の照射により結晶化するレーザアニール装置であって、
偏光パルスレーザ光を周期的に出射するレーザ出射装置と、
該レーザ出射装置からの偏光パルスレーザ光を、ガラス基板上の走査方向に直交する方向に電場が向く偏光状態と、前記走査方向に電場が向く偏光状態とに変換可能な偏光変換光学系と、
該偏光変換光学系からの偏光パルスレーザ光を、ガラス基板上の走査方向に短くその直交方向に長い矩形断面の矩形偏光ビームに変換する形状変換光学系とを備え、
ガラス基板上の周辺回路部と画素部とで矩形偏光ビームを異なる偏光状態で照射する、ことを特徴とするレーザアニール装置。
【請求項６】
前記レーザ出射装置は、偏光パルスレーザ光を周期的に出射する単一のレーザ共振器であり、
前記偏光変換光学系は、レーザ共振器と形状変換光学系の間の光路上に配置された１／２波長板と、該１／２波長板を光軸を中心に回転させる駆動部とからなる、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。
【請求項７】
前記レーザ出射装置は、偏光パルスレーザ光を周期的に出射する複数のレーザ共振器と、該複数のレーザ共振器のパルスタイミングがずれるように各々に制御信号を出力するパルス制御部とからなり、
前記偏光変換光学系は、複数のレーザ光を同軸光路上に合成する偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタと形状変換光学系の間の光路上に配置された１／２波長板と、該１／２波長板を光軸を中心に回転させる駆動部とからなる、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。
【請求項８】
前記形状変換光学系は、円形断面のレーザ光をガラス基板上の走査方向に短くその直交方向に長い矩形断面の矩形偏光ビームに変換するビームエキスパンダーと、
前記矩形偏光ビームを短辺方向に集光しかつ焦点距離が可変な１対のシリンドリカルレンズアレイと、
該シリンドリカルレンズアレイを通過した前記矩形偏光ビームをガラス基板上に集光するコンデンサーレンズとからなる、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、液晶、半導体装置の製造分野において、基板上に成膜した半導体薄膜を改質して結晶化するレーザアニール方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶や半導体装置の製造において基板上に薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒという）を形成する場合に、ＴＦＴが形成される半導体層としてアモルファスシリコン膜などの非晶質半導体膜を用いると、キャリアの移動度が小さいため高速動作ができない。そのため、通常、非晶質半導体膜を結晶化して多結晶半導体膜（例えば多結晶シリコン膜）に改質する必要がある。
【０００３】
非晶質半導体膜を多結晶半導体膜に改質する手段として、レーザアニール装置が知られており、例えば特許文献１、２に既に開示されている。
【０００４】
特許文献１の「半導体デバイスのレーザ処理方法」は、液晶ディスプレイ装置となるべき半導体のアニールの際に、周辺回路領域と画素領域とに配置される薄膜トランジスタを必要な特性に応じて作り分けることを目的としている。
またその手段として、特許文献１の発明では、半導体薄膜に対するレーザ光の照射によるアニール工程において、部分的にマスクを用いてレーザ光を選択的に照射する。例えば、アクティブマトリクス型の液晶表示装置の作製において、周辺回路領域と画素領域とに対して、それぞれ異なる条件でレーザ光を照射するために、マスクを用いて、必要とする照射エネルギー密度でレーザ光を照射し、必要とする結晶性を選択的に有する結晶性珪素膜を得るものである。
【０００５】
特許文献２の「レーザ照射装置及び方法、並びにレーザアニール装置及び方法」は、複数のレーザ発振器から出射されるレーザ光を合成しても偏光方向が揃ったレーザ光を照射することができ、これにより、非晶質半導体のレーザアニールに適用した場合に、等方的な結晶粒を得ることができるとともに、処理効率を高め生産性を向上させることを目的としている。
またその手段として、特許文献２のレーザ照射装置は、パルスレーザ光を出射する複数のレーザ発振器と、複数のレーザ発振器のパルスタイミングがずれるように各々に制御信号を出力するパルス制御部と、複数のレーザ光を同軸光路上に合成する偏光ビームスプリッタと、合成したレーザ光の光路上に配置され入射するレーザ光中の互いに直交する偏光成分のうち揃えるべき偏光方向と異なるものの偏光方向を選択的に回転させて、被照射物に照射するレーザ光の偏光方向を揃える偏光変換光学系と、を備えたものである。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２２７８５５号公報、「半導体デバイスのレーザ処理方法」
【特許文献２】特開２００６−２５３５７１号公報、「レーザ照射装置及び方法、並びにレーザアニール装置及び方法」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した特許文献１には、液晶および有機ディスプレイにおいて、画素部のトランジスタに加えて周辺回路部のトランジスタを同一ガラス基板内に作製する方法が提案されている。
一般に画素部のトランジスタには電気特性の均一性が必要とされ、結晶粒径の均一性を向上させる必要がある。一方、周辺回路部のトランジスタには高移動度が要求され、結晶粒径を増大させる必要がある。
【０００８】
上記目的を達成するため、特許文献１では、周辺回路部と画素部を異なるエネルギーでレーザ照射する手段、及び金属元素を添加する手段が提案されている。
しかし異なるエネルギーでレーザ照射するためにはマスクが必要となる場合があり、また金属元素を添加することは工程及び装置を複雑化させる問題点がある。
【０００９】
本発明は上述した問題点に鑑みて創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、アモルファスシリコン膜などの非晶質半導体膜を有する同一のガラス基板内に、マスクを用いず、工程及び装置を複雑化することなく、電気特性を均一化するために画素部の結晶粒径の均一性を向上させ、周辺回路部のトランジスタの高移動度を達成するために結晶粒径を増大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にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、液晶および有機ディスプレイ装置用のガラス基板上に成膜された非晶質半導体膜をレーザ光の照射により結晶化するレーザアニール方法であって、
偏光パルスレーザ光をガラス基板上の走査方向に短くその直交方向に長い矩形断面を有しかつ異なる偏光状態の２種以上の矩形偏光ビームに変換し、前記ガラス基板上の周辺回路部と画素部とで前記矩形偏光ビームを異なる偏光状態で照射する、ことを特徴とするレーザアニール方法が提供される。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記周辺回路部に、電場が矩形偏光ビームの長辺方向に向く偏光状態の偏光パルスレーザ光を照射し、該偏光パルスレーザ光のエネルギー勾配により短辺方向に結晶粒を増大させる。
【００１２】
また、前記画素部に、電場が矩形偏光ビームの短辺方向に向く偏光状態の偏光パルスレーザ光を照射し、短辺方向に発生する定在波により、結晶粒の短辺方向の伸長を抑制し、均一な結晶粒を成長させる。
【００１３】
また、前記画素部に、電場が矩形偏光ビームの長辺方向に向く偏光状態の偏光パルスレーザ光と、電場が矩形偏光ビームの短辺方向に向く偏光状態の偏光パルスレーザ光とを交互に照射し、長辺方向及び短辺方向に発生する定在波により、長辺方向に結晶粒を均一化させかつ結晶粒の短辺方向の伸長を抑制し、均一な結晶粒を成長させてもよい。
【００１４】
また本発明によれば、液晶および有機ディスプレイ装置用のガラス基板上に成膜された非晶質半導体膜をレーザ光の照射により結晶化するレーザアニール装置であって、
偏光パルスレーザ光を周期的に出射するレーザ出射装置と、
該レーザ出射装置からの偏光パルスレーザ光を、ガラス基板上の走査方向に直交する方向に電場が向く偏光状態と前記走査方向に電場が向く偏光状態とに変換可能な偏光変換光学系と、
該偏光変換光学系からの偏光パルスレーザ光を、ガラス基板上の走査方向に短くその直交方向に長い矩形断面の矩形偏光ビームに変換する形状変換光学系とを備え、
ガラス基板上の周辺回路部と画素部とで矩形偏光ビームを異なる偏光状態で照射する、ことを特徴とするレーザアニール装置が提供される。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記レーザ出射装置は、偏光パルスレーザ光を周期的に出射する単一のレーザ共振器であり、
前記偏光変換光学系は、レーザ共振器と形状変換光学系の間の光路上に配置された１／２波長板と、該１／２波長板を光軸を中心に回転させる駆動部とからなる。
【００１６】
また、別の好ましい実施形態によれば、前記レーザ出射装置は、偏光パルスレーザ光を周期的に出射する複数のレーザ共振器と、該複数のレーザ共振器のパルスタイミングがずれるように各々に制御信号を出力するパルス制御部とからなり、
前記偏光変換光学系は、複数のレーザ光を同軸光路上に合成する偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタと形状変換光学系の間の光路上に配置された１／２波長板と、該１／２波長板を光軸を中心に回転させる駆動部とからなる。
【００１７】
また前記形状変換光学系は、円形断面のレーザ光をガラス基板上の走査方向に短くその直交方向に長い矩形断面の矩形偏光ビームに変換するビームエキスパンダーと、
前記矩形偏光ビームを短辺方向に集光しかつ焦点距離が可変な１対のシリンドリカルレンズアレイと、
該シリンドリカルレンズアレイを通過した前記矩形偏光ビームをガラス基板上に集光するコンデンサーレンズとからなる、ことが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
上記本発明の方法及び装置によれば、液晶および有機ディスプレイ装置用のガラス基板上に成膜された非晶質半導体膜に、偏光パルスレーザ光をガラス基板上の走査方向に短くその直交方向に長い矩形断面を有しかつ異なる偏光状態の２種以上の矩形偏光ビームに変換し、前記ガラス基板上の周辺回路部と画素部とで前記矩形偏光ビームを異なる偏光状態で照射するので、周辺回路部と画素部とで偏光状態の相違により異なる結晶化を行うことができる。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記周辺回路部に電場が矩形偏光ビームの長辺方向に向く偏光状態の偏光パルスレーザ光を照射することにより、偏光パルスレーザ光のエネルギー勾配により短辺方向に結晶粒を増大させることができる。
【００２０】
電場が長辺方向を向くとき短辺方向に結晶粒が伸びる理由は、短辺方向にレーザが元来もっているエネルギー分布があるからである。すなわち、固体レーザであればガウシアン形状に近いエネルギープロファイルとなる。
【００２１】
また、前記画素部に電場が矩形偏光ビームの短辺方向に向く偏光状態の偏光パルスレーザ光を照射することにより、短辺方向に発生する定在波により、結晶粒の短辺方向の伸長を抑制し、均一な結晶粒を成長させることができる。
【００２２】
この特性も、半導体膜上に偏光方向である短辺方向に定在波が発生し、この定在波の周期的なエネルギーに対応する温度勾配が生じることによる。すなわち、この周期的エネルギーの谷の位置に結晶核が発生し、各結晶核は温度のより高い方向へ成長し互いにぶつかりあった箇所が結晶粒界となる。しかし短辺方向の照射範囲は狭く温度変化が大きいので、結晶粒の短辺方向の成長はこの温度分布により抑制される。従って、長辺方向及び短辺方向の両方向の結晶成長が制限され、全体として均一な結晶粒を成長させることができる。
【００２３】
また、前記画素部に、電場が矩形偏光ビームの長辺方向に向く偏光状態の偏光パルスレーザ光と、電場が矩形偏光ビームの短辺方向に向く偏光状態の偏光パルスレーザ光とを交互に照射することにより、長辺方向及び短辺方向に発生する定在波により、長辺方向に結晶粒を伸長させかつ結晶粒の短辺方向の伸長を抑制し、均一な結晶粒を成長させることができる。
【００２４】
この特性は、半導体膜上に偏光方向である長辺方向及び短辺方向に交互に定在波が発生し、この定在波の周期的なエネルギーに対応する温度勾配が生じることによる。すなわち、この周期的エネルギーの谷の位置に結晶核が発生し、各結晶核は温度のより高い方向へ成長し互いにぶつかりあった箇所が結晶粒界となる。従って、周期的な位置に発生した結晶核は、長辺方向及び短辺方向の同じ温度勾配の影響を受けて成長するので、長辺方向及び短辺方向の寸法が均一な結晶粒からなる多結晶半導体膜を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。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。
【００２６】
図１は、本発明の処理対象である液晶および有機ディスプレイ装置用のガラス基板１の上面図である。この基板上には、半導体層としてアモルファスシリコン膜などの非晶質半導体膜が全面に均一に成膜されている。また、ガラス基板１上には、映像を表示する矩形の画素部２と、画素を駆動するための「Ｌ」字型の周辺回路部３とが後工程において設けられる。
【００２７】
本発明のレーザアニール装置は、図１のガラス基板１上に成膜された非晶質半導体膜をレーザ光の照射により結晶化する装置である。このレーザ光には、ガラス基板上の走査方向４に短くその直交方向に長い矩形断面の矩形偏光ビーム９を使用する。
走査方向４は、この図に示すように、基板の長手方向に走査しても、短手方向に走査してもよい。
【００２８】
図２は、本発明によるレーザアニール装置の第１実施形態図である。
この図において、本発明のレーザアニール装置は、レーザ出射装置１０、偏光変換光学系２０、及び形状変換光学系３０を備える。
【００２９】
レーザ出射装置１０は、偏光パルスレーザ光５ａを周期的に出射する装置であり、この例では単一のレーザ共振器１２である。
偏光パルスレーザ光５ａの偏光方向は、ガラス基板上の走査方向４に直交する方向（この図で紙面に平行な方向）に電場が向く偏光状態６と、走査方向４（この図で紙面に直交する方向）に電場が向く偏光状態７のどちらでもよい。
なお、この図において偏光状態６を上下方向の矢印、偏光状態７を二重丸で示す。
図１において、偏光状態６は、電場が矩形偏光ビーム９の長辺方向に向く偏光状態であり、偏光状態７は、電場が矩形偏光ビーム９の短辺方向に向く偏光状態である。
【００３０】
偏光変換光学系２０は、レーザ共振器１２からの偏光パルスレーザ光５ａを、偏光状態６と偏光状態７に交互に変換する機能を有する。
偏光変換光学系２０は、この例ではレーザ共振器１２と形状変換光学系３０の間の光路上に配置された１／２波長板２２と、１／２波長板２２を光軸を中心に回転又は揺動させる駆動部２４とからなる。
この構成により、駆動部２４により１／２波長板２２を回転又は揺動させることにより、４５度回転毎に、１／２波長板２２を通過する偏光パルスレーザ光５ａを、偏光状態６と偏光状態７に交互に変換することができる。従って、１／２波長板２２をどちらかの位置で停止することで、通過した偏光パルスレーザ光５ｂを常に偏光状態６又は偏光状態７に変換することができる。
【００３１】
形状変換光学系３０は、偏光変換光学系２０を通過した偏光パルスレーザ光５ｂを、ガラス基板上の走査方向に短くその直交方向に長い矩形断面の矩形偏光ビーム９に変換する機能を有する。
【００３２】
形状変換光学系３０は、この例では、ビームエキスパンダー３２、１対のシリンドリカルレンズアレイ３４、及びコンデンサーレンズ３６からなる。
【００３３】
ビームエキスパンダー３２は、この例では非球面の凹レンズ３２ａと凸レンズ３２ｂからなり、円形断面の偏光パルスレーザ光５ｂをガラス基板上の走査方向４に短くその直交方向に長い矩形断面の矩形偏光ビーム８ａに変換する。矩形偏光ビーム８ａは平行光であるのが好ましい。
なお、ビームエキスパンダー３２は、上述した以外の構成の光学系であってもよい。
【００３４】
１対のシリンドリカルレンズアレイ３４は、上流側シリンドリカルレンズアレイ３４ａと下流側シリンドリカルレンズアレイ３４ｂとからなり、図示しないアクチュエータにより、その間隔Δを変更できるようになっている。間隔Δを変化させることにより、１対のシリンドリカルレンズアレイ３４の焦点距離を変化し、矩形偏光ビーム８ｂの長辺方向の長さを変化させることができる。
【００３５】
すなわち、上流側シリンドリカルレンズアレイ３４ａと下流側シリンドリカルレンズアレイ３４ｂの焦点距離をそれぞれｆ１，ｆ２とすると、１対のシリンドリカルレンズアレイ３４の焦点距離ｆは、式（１）であらわすことができる。
【００３６】
１／ｆ＝１／ｆ１＋１／ｆ２−Δ／（ｆ１・ｆ２）・・・（１）
【００３７】
この式（１）から、Δを変化させることにより、焦点距離ｆを変化させることができ、この結果、走査方向４に直交する方向の集光角度が変化し、矩形偏光ビーム８ｂの長辺方向の長さを変化させることができることがわかる。
なお、１対のシリンドリカルレンズアレイ３４は、上述した以外の構成の光学系であってもよい。
【００３８】
コンデンサーレンズ３６は、シリンドリカルレンズアレイ３４を通過した矩形偏光ビーム８ｂをガラス基板上に集光する。コンデンサーレンズ３６は、非球面凸レンズであり、矩形偏光ビーム８ｂをガラス基板上の走査方向４に集光し、ガラス基板上に走査方向４に短くその直交方向に長い矩形断面の矩形偏光ビーム９を照射する。
なお、コンデンサーレンズ３６は、上述した以外の構成の光学系であってもよい。
【００３９】
上述した構成により、駆動部２４により１／２波長板２２を適宜回転又は揺動させることにより、偏光パルスレーザ光５ａを偏光状態６又は偏光状態７に変換して、ガラス基板上の周辺回路部３と画素部２とで矩形偏光ビーム９を異なる偏光状態で照射することができる。
【００４０】
図３は、本発明によるレーザアニール装置の第２実施形態図である。
この図において、本発明のレーザアニール装置は、レーザ出射装置１０、偏光変換光学系２０、及び形状変換光学系３０を備える。
【００４１】
レーザ出射装置１０は、偏光パルスレーザ光５ａを周期的に出射する複数（この図で２台）のレーザ共振器１２Ａ，１２Ｂと、複数のレーザ共振器のパルスタイミングがずれるように各々に制御信号を出力するパルス制御部１４とからなる。
レーザ共振器１２Ａ，１２Ｂは、それぞれ偏光状態７と偏光状態６を周期的に出射する。またこの偏光状態７と偏光状態６は、パルス制御部１４により出射するパルスタイミングが異なり、交互に出射するようになっている。
【００４２】
偏光変換光学系２０は、上述した１／２波長板２２と駆動部２４のほかに、反射ミラー２６と偏光ビームスプリッタ２８を備える。
反射ミラー２６は、偏光状態７を偏光状態６と直交する方向に全反射させて、偏光状態７を偏光ビームスプリッタ２８に入射させる。
偏光ビームスプリッタ２８は、２つの偏光パルスレーザ光５ａ（偏光状態７と偏光状態６）を同軸光路上に合成する機能を有する。
【００４３】
この構成により、偏光ビームスプリッタ２８で２つの偏光パルスレーザ光５ａ（偏光状態７と偏光状態６）を同軸光路上に合成し、偏光状態７と偏光状態６を交互に形状変換光学系３０に入射させることができる。
また、駆動部２４により１／２波長板２２を適宜回転又は揺動させることにより、形状変換光学系３０に入射する偏光パルスレーザ光５を、（１）偏光状態６のみ、（２）偏光状態７のみ、或いは（３）偏光状態７と偏光状態６に交互に変換して、ガラス基板上の周辺回路部３と画素部２とに照射することができる。
【００４４】
また、この構成により、２台のレーザ共振器１２Ａ，１２Ｂを同時に使用できるので、基板上のレーザ光の走査速度を高めることができ、レーザアニールの処理効率を高め生産性を向上させることができる。
【００４５】
本発明のレーザアニール方法では、上述した装置を用いて、偏光パルスレーザ光５ａをガラス基板上の走査方向に短くその直交方向に長い矩形断面の矩形偏光ビーム９に変換し、ガラス基板上の周辺回路部３と画素部２とで矩形偏光ビーム９を異なる偏光状態で照射する。
【００４６】
すなわち、本発明の第１の方法では、周辺回路部３には、電場が矩形偏光ビームの長辺方向に向く偏光状態６の偏光パルスレーザ光９を照射し、偏光パルスレーザ光９のエネルギー勾配により短辺方向に結晶粒を増大させる。
【００４７】
また、本発明の第２の方法では、画素部２には、電場が矩形偏光ビームの短辺方向に向く偏光状態７の偏光パルスレーザ光９を照射し、短辺方向に発生する定在波により、結晶粒の短辺方向の伸長を抑制し、均一な結晶粒を成長させる。
【００４８】
さらに、本発明の第３の方法では、画素部２に、電場が矩形偏光ビームの長辺方向に向く偏光状態６の偏光パルスレーザ光９と、電場が矩形偏光ビームの短辺方向に向く偏光状態７の偏光パルスレーザ光９とを交互に照射し、長辺方向及び短辺方向に発生する定在波により、長辺方向に結晶粒を伸長させかつ結晶粒の短辺方向の伸長を抑制し、均一な結晶粒を成長させる。
【実施例１】
【００４９】
図４は、本発明の第１の方法により、電場が矩形偏光ビーム９の長辺方向に向く偏光状態の偏光パルスレーザ光を照射した場合に得られた結晶粒寸法の状態図である。この図は、電場の向きが長辺方向であり波長が５３２ｎｍの矩形レーザビームをエネルギー密度４５０〜５００ｍＪ／ｃｍ２で、非晶質シリコン膜に垂直に照射して得られた多結晶シリコン中の結晶粒を示している。
この図から、短辺方向の結晶粒寸法は１．５μｍ程度であり、本発明の第１の方法により、短辺方向に結晶粒を増大させることができることが確認された。
【００５０】
電場が長辺方向を向くとき短辺方向に結晶粒が伸びる理由は、短辺方向にレーザが元来もっているエネルギー分布があるからである。すなわち、固体レーザであればガウシアン形状に近いエネルギープロファイルとなる。この図において結晶粒が伸びている方向は短辺方向である。
【実施例２】
【００５１】
図５は、本発明の第２の方法により、電場が矩形偏光ビーム９の短辺方向に向く偏光状態の偏光パルスレーザ光を照射した場合に得られた結晶粒寸法の状態図である。レーザ光の波長、エネルギー密度および照射角度は、実施例１と同一である。
この図から、長辺方向及び短辺方向の結晶粒寸法は０．３μｍ程度であり、本発明の第２の方法により、均一な結晶粒を成長させることができることが確認された。
【００５２】
この特性は、半導体膜上に偏光方向である短辺方向に定在波が発生し、この定在波の周期的なエネルギーに対応する温度勾配が生じることによる。すなわち、この周期的エネルギーの谷の位置に結晶核が発生し、各結晶核は温度のより高い方向へ成長し互いにぶつかりあった箇所が結晶粒界となる。しかし短辺方向の照射範囲は狭く温度変化が大きいので、結晶粒の短辺方向の成長はこの温度分布により抑制される。従って、長辺方向及び短辺方向の両方向の結晶成長が制限され、全体として均一な結晶粒を成長させることができる。
【実施例３】
【００５３】
図６は、本発明の第３の方法により、電場が矩形偏光ビームの長辺方向に向く偏光状態の偏光パルスレーザ光と、電場が矩形偏光ビームの短辺方向に向く偏光状態の偏光パルスレーザ光とを交互に照射した場合に得られた結晶粒寸法の状態図である。レーザ光の波長、エネルギー密度および照射角度は、実施例１と同一である。
この図から、長辺方向及び短辺方向の結晶粒寸法は０．３μｍ程度であり、本発明の第３の方法により、均一な結晶粒を成長させることができることが確認された。
【００５４】
この特性は、半導体膜上に偏光方向である長辺方向及び短辺方向に交互に定在波が発生し、この定在波の周期的なエネルギーに対応する温度勾配が生じることによる。すなわち、この周期的エネルギーの谷の位置に結晶核が発生し、各結晶核は温度のより高い方向へ成長し互いにぶつかりあった箇所が結晶粒界となる。従って、周期的な位置に発生した結晶核は、長辺方向及び短辺方向の同じ温度勾配の影響を受けて成長するので、長辺方向及び短辺方向の寸法が均一な結晶粒からなる多結晶半導体膜を形成することができる。
【００５５】
上述したように、本発明の方法及び装置によれば、液晶および有機ディスプレイ装置用のガラス基板上の非晶質半導体膜に、偏光パルスレーザ光５ａをガラス基板上の走査方向４に短くその直交方向に長い矩形断面を有しかつ異なる偏光状態の２種以上の矩形偏光ビーム９に変換し、ガラス基板上の周辺回路部３と画素部２とで矩形偏光ビーム９を異なる偏光状態で照射するので、周辺回路部３と画素部２とで偏光状態の相違により異なる結晶化を行うことができる。
【００５６】
周辺回路部３には、上述した装置を用いて、電場が矩形偏光ビームの長辺方向に向く偏光状態６の偏光パルスレーザ光９を照射することにより、偏光パルスレーザ光９のエネルギー勾配により短辺方向に結晶粒を増大させることができる。
【００５７】
また、画素部２には、上述した装置を用いて、電場が矩形偏光ビームの短辺方向に向く偏光状態７の偏光パルスレーザ光９を照射することにより、短辺方向に発生する定在波により、結晶粒の短辺方向の伸長を抑制し、均一な結晶粒を成長させることができる。
【００５８】
また、画素部２に、上述した装置を用いて、電場が矩形偏光ビームの長辺方向に向く偏光状態６の偏光パルスレーザ光９と、電場が矩形偏光ビームの短辺方向に向く偏光状態７の偏光パルスレーザ光９とを交互に照射することにより、長辺方向及び短辺方向に発生する定在波により、長辺方向に結晶粒を均一化させかつ結晶粒の短辺方向の伸長を抑制し、均一な結晶粒を成長させることができる。
【００５９】
なお、一般的には周辺回路部３と画素部２ではガラス基板上で必要となる面積が異なるため、同一基板内において長辺方向に同一長さのレーザで照射することは効率的ではない。
そのため、本発明では、上述した装置を用いて、例えば１対のシリンドリカルレンズアレイ３４の上流側シリンドリカルレンズアレイ３４ａと下流側シリンドリカルレンズアレイ３４ｂの間隔Δを変化させることにより、１対のシリンドリカルレンズアレイ３４の焦点距離を変化し、矩形偏光ビーム８の長辺方向の長さを変化させる。
これにより、マスクを用いずに、アモルファスシリコン膜などの非晶質半導体膜を有する同一のガラス基板内に、周辺回路部３と画素部２とで矩形偏光ビーム９を異なる偏光状態で照射することができる。
【００６０】
また、異なる偏光状態を得る手段として、円偏光又は無偏光を用いて、結晶粒径を均一化してもよい。
【００６１】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の処理対象である液晶および有機ディスプレイ装置用のガラス基板１の上面図である。
【図２】本発明によるレーザアニール装置の第１実施形態図である。
【図３】本発明によるレーザアニール装置の第２実施形態図である。
【図４】本発明の第１の方法により得られた結晶粒寸法の状態図である。
【図５】本発明の第２の方法により得られた結晶粒寸法の状態図である。
【図６】本発明の第３の方法により得られた結晶粒寸法の状態図である。
【符号の説明】
【００６３】
１  ガラス基板、２  画素部、３  周辺回路部、４  走査方向、
５  偏光パルスレーザ光、６，７  偏光状態、
８ａ，８ｂ  矩形偏光ビーム、９  矩形偏光ビーム、
１０  レーザ出射装置、１２，１２Ａ，１２Ｂ  レーザ共振器、
１４  パルス制御部、
２０  偏光変換光学系、２２  １／２波長板、２４  駆動部、
２６  反射ミラー、２８  偏光ビームスプリッタ、
３０  形状変換光学系、３２  ビームエキスパンダー、
３４  シリンドリカルレンズアレイ、３６  コンデンサーレンズ
【図１】
2008130713.tif 000003
【図２】
2008130713.tif 000004
【図３】
2008130713.tif 000005
【図４】
2008130713.tif 000006
【図５】
2008130713.tif 000007
【図６】
2008130713.tif 000008