(57)【要約】【課題】マルチビーム走査光学系において、複数の半導体レーザから射出される各レーザ光の出力にムラや変動を生じさせないように、半導体レーザの冷却をより容易に実施できるようにする。【解決手段】同一平面上に並ぶように配された複数の半導体レーザ２１０から射出された各光束Ｌを互に平行になるようにコリメートレンズ２２０によってコリメートし、コリメートされた光束Ｌが結像レンズ２３０の入射瞳Ｉｒを通過するように各光束Ｌを偏向させ、偏向された各光束Ｌについての近視野像を上記結像レンズ２３０によって所定面Ｈｐ上に結像させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一平面上に並ぶように配された複数の半導体レーザから射出された各光束を互に平行になるようにコリメートし、
前記コリメートされた光束が１つの結像レンズの入射瞳を通過するように各光束を偏向させ、
前記偏向された各光束についての近視野像を前記結像レンズによって所定面上に結像させることを特徴とするマルチビーム走査方法。
【請求項２】
同一平面上に配設された複数の半導体レーザと、
前記複数の半導体レーザから射出された各光束を互に平行になるようにコリメートするコリメートレンズと、
前記各光束についての近視野像を所定面上に結像させる１つの結像レンズと、
前記コリメートされた各光束が前記結像レンズの入射瞳を通過して該結像レンズへ入射するように該光束を偏向させる偏向素子とを備えたことを特徴とするマルチビーム走査光学系。
【請求項３】
前記偏向素子がプリズムであることを特徴とする請求項２記載のマルチビーム走査光学系。
【請求項４】
前記偏向素子が回折光学素子であることを特徴とする請求項２記載のマルチビーム走査光学系。
【請求項５】
前記偏向素子がアレイ状に一体化されたものであることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項記載のマルチビーム走査光学系。
【請求項６】
前記コリメートレンズと前記偏向素子とが、該コリメートレンズと偏向素子とを一体化してなる回折光学素子で構成されていることを特徴とする請求項２記載のマルチビーム走査光学系。
【請求項７】
前記偏向素子が、光束が結像レンズの後側焦点を通るように各光束の光路を偏向させるものであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載のマルチビーム走査光学系。
【請求項８】
前記結像レンズが、像側にテレセントリックな結像光学系であることを特徴とする請求項２から７のいずれか１項記載のマルチビーム走査光学系。
【請求項９】
前記所定面上に結像させた各光束の結像点が前記所定面上で並ぶ方向と交差する方向に、該結像点が移動するように、前記コリメートされた光束を動的に偏向させる動的偏向手段をさらに備えたことを特徴とする請求項２から８のいずれか１項記載のマルチビーム走査光学系。
【請求項１０】
前記半導体レーザを冷却する１つの冷却部を有し、前記１つの冷却部が前記同一平面上に配された複数の半導体レーザを冷却することを特徴とする請求項２から９のいずれか１項記載のマルチビーム走査光学系。
【請求項１１】
非晶質半導体膜に対してレーザアニールを実施して、該非晶質半導体膜の所定領域の結晶性を他領域の結晶性よりも選択的に高めることが可能なレーザアニール装置において、
請求項２から１０のいずれか１項記載のマルチビーム走査光学系と、前記非晶質半導体膜に対して、前記マルチビーム走査光学系を相対走査する相対走査手段とを備えたことを特徴とする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、複数の半導体レーザから射出された各光束を所定面上に結像させるマルチビーム走査方法およびマルチビーム走査光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、レーザ光を基板上に照射しつつ上記レーザ光あるいは基板を移動させて、上記基板へレーザ光を走査するレーザ光走査装置が知られている。
【０００３】
このようなレーザ光走査装置には、複数の半導体レーザから射出された各レーザ光を基板上の所定位置に並べて結像させるマルチビーム走査光学系を用いたものが知られている。また、上記基板としては、例えば、感光材料や液晶基板を適用することができ、上記レーザ光走査装置により、印刷用ヒートモード記録材料の露光や液晶基板のアニールを実施することが検討されている。
【０００４】
上記ヒートモード記録材料への露光等においては、大きなパワー密度のレーザ光を基板上へ照射する必要がある。例えば、複数の半導体レーザから射出された各光束の光軸が収束するように、上記半導体レーザを曲面上の互に異なる領域に配置し、各半導体レーザから射出された光束についての近視野像を基板上に結像させて上記基板にパワー密度の大きなレーザ光を照射するマルチビーム走査光学系が知られている（特許文献１参照）。なお、上記光束についての近視野像は、この光束を射出した半導体レーザの発光面、すなわちレーザ光を射出する端面における上記光束の強度分布を示す像である。
【０００５】
また、半導体レーザから射出されるレーザ光のパワーの増大、すなわち半導体レーザの出力の増大にともない上記半導体レーザの発熱量が大きくなりこの半導体レーザの温度は上昇する。そして、上記半導体レーザの温度が上昇するとこの半導体レーザの出力は低下する。そのため、大きなパワー密度を持つレーザ光を基板に照射しようとする上記マルチビーム走査光学系では、各半導体レーザそれぞれを冷却して所定の一定温度に保ち、上記温度上昇による半導体レーザの出力の低下および出力の変動を抑制する必要がある。上記半導体レーザを冷却する方式としては、例えば冷却媒体の冷却面を、上記半導体レーザに接触させたり、あるいはこの半導体レーザの保持部材を介して接触させて上記半導体レーザを冷却する方式が知られている。
【特許文献１】米国特許４，７４３，０９１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、複数の半導体レーザが曲面上に離れて配置されていると、すなわち同一平面上にないと、各半導体レーザを一様に冷却し所定の一定温度に保持して各半導体レーザの出力を安定させることが難しくなる。
【０００７】
すなわち、例えば、複数の半導体レーザそれぞれを所定の一定温度に保つためには、上記半導体レーザを冷却する冷却媒体の冷却面を曲面に形成してこの冷却面を上記半導体レーザに接触させたり、あるいは上記半導体レーザの保持部材に接触させたりして各半導体レーザを均等に冷却することが考えられが、複数の半導体レーザを均等に冷却する冷却面が曲面をなした冷却媒体の製作が難しいという問題がある。
【０００８】
また、上記冷却媒体の冷却面を曲面にした冷却方式を用いるには上記複数の半導体レーザが配置された曲面に応じた形状の冷却面を有する専用の冷却媒体を個別に用意しなければならならないので装置コストが上昇するという問題もある。
【０００９】
あるいは、各半導体レーザ装置それぞれに個別に冷却装置を設けることも考えられるが、今後ニーズの高まる高出力化のために半導体レーザの数を増やしていった場合は冷却装置もその数分設けなければならず、マルチビーム走査光学系の構成が大掛かりになり装置の大型化、装置のコスト高を招く。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、複数の半導体レーザから射出される各レーザ光の出力にムラや変動を生じさせないようにする上記半導体レーザの冷却をより容易に実施することができるマルチビーム走査方法およびマルチビーム走査光学系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】
【００１１】
本発明のマルチビーム走査方法は、同一平面上に並ぶように配された複数の半導体レーザから射出された各光束を互に平行になるようにコリメートし、前記コリメートされた光束が１つの結像レンズの入射瞳を通過するように各光束を偏向させ、偏向された各光束についての近視野像を前記結像レンズによって所定面上に結像させることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明のマルチビーム走査光学系は、同一平面上に配設された複数の半導体レーザと、複数の半導体レーザから射出された各光束を互に平行になるようにコリメートするコリメートレンズと、前記各光束についての近視野像を所定面上に結像させる１つの結像レンズと、前記コリメートされた各光束が前記結像レンズの入射瞳を通過してこの結像レンズへ入射するように各光束を偏向させる偏向素子とを備えたことを特徴とするものである。
【００１３】
前記偏向素子には、プリズムや回折光学素子を用いることができる。
【００１４】
前記偏向素子は、アレイ状に一体化されたものとすることができる。
【００１５】
前記コリメートレンズと前記偏向素子とは、コリメートレンズと偏向素子とを一体化してなる回折光学素子で構成されたものとすることができる。
【００１６】
前記偏向素子は、光束が結像レンズの後側焦点を通るように各光束の光路を偏向させるものとすることが望ましい。
【００１７】
前記結像レンズは、像側にテレセントリックな結像光学系とすることが望ましい。
【００１８】
前記マルチビーム走査光学系は、前記所定面上に結像させた各光束の結像点が前記所定面上で並ぶ方向と交差する方向に、前記結像点が移動するように、コリメートされた光束を動的に偏向させる動的偏向手段をさらに備えたものとすることができる。
【００１９】
前記動的偏向手段は、結像レンズの後側焦点で前記光束を偏向させるものであることが望ましい。
【００２０】
前記マルチビーム走査光学系は、半導体レーザを冷却する１つの冷却部を有し、前記１つの冷却部が前記同一平面上に配された複数の半導体レーザを冷却するものとすることができる。
【００２１】
本発明のレーザアニール装置は、非晶質半導体膜に対してレーザアニールを実施して、この非晶質半導体膜の所定領域の結晶性を他領域の結晶性よりも選択的に高めることが可能なレーザアニール装置において、前記マルチビーム走査光学系と、前記非晶質半導体膜に対してこのマルチビーム走査光学系を相対走査する相対走査手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００２２】
なお、前記光束についての近視野像は、前記半導体レーザの発光面であるレーザ光射出端面における前記光束の強度分布を示す像である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のマルチビーム走査方法およびマルチビーム走査光学系によれば、同一平面上に並ぶように配された複数の半導体レーザから射出された各光束を互に平行になるようにコリメートし、前記コリメートされた光束が１つの結像レンズの入射瞳を通過するように各光束を偏向させ、偏向された各光束についての近視野像を前記結像レンズによって所定面上に結像させるようにしたので、複数の半導体レーザの出力にバラツキや変動を生させないようにする上記半導体レーザの冷却を容易にかつ低コストで実施することができる。
【００２４】
すなわち、例えば冷却媒体の冷却面を半導体レーザに接触させたり、あるいはこの半導体レーザの保持部材を介して接触させたりして冷却する場合には、上記のように各半導体レーザが同一平面上に並ぶように配されているので冷却媒体の冷却面を平面にすることができ冷却媒体の製作が容易となり、上記複数の半導体レーザの均等な冷却を容易に実施できる。これにより、上記複数の半導体レーザの温度を所定の一定温度に保つことができ、各半導体レーザの出力にバラツキや変動を生させないようにすることができる。また、上記のように冷却媒体の冷却面を平面にできるので、専用の冷却媒体を用意することなく、例えば、市販の冷却媒体等を利用することもでき装置コストを抑えることができる。
【００２５】
したがって、複数の半導体レーザの出力にバラツキや変動を生じさせないようにする上記半導体レーザの冷却を容易にかつ低コストで実施することができる。
【００２６】
また、偏向素子をプリズムや回折光学素子とすれば、上記光束をより確実に偏向させることができる。
【００２７】
また、コリメートレンズと偏向素子とが、上記コリメートレンズと偏向素子とを一体化してなる回折光学素子で構成されたものとすれば装置サイズをより小さくすることができる。
【００２８】
なお、偏向素子を、光束が結像レンズの後側焦点を通るように各光束の光路を偏向させるものとすれば、各光束についての近視野像をより正確に所定面上に結像させることができる。
【００２９】
また、所定面上に結像させた各光束の結像点を、上記結像点が所定面上で並ぶ方向と交差する方向へ移動させるように、コリメートされた光束を動的に偏向させる動的偏向手段をさらに備えるようにすれば、上記結像点をより確実に所定面上に走査させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。図１から図１８は、本発明の実施の形態によるマルチビーム走査光学系を適用するレーザアニール装置およびこの装置を用いて実施するレーザアニールに関する図である。図１９は本発明の実施の形態によるマルチビーム走査光学系の概略構成を示す概念図、図２０は上記マルチビーム走査光学系を半導体レーザから射出されコリメートされた光束が並ぶ方向（図中Ｘ方向）から見た様子を示す概念図、図２１は上記マルチビーム走査光学系を半導体レーザから射出されコリメートされた光束の伝播方向（図中Ｚ方向）から見た様子を示す概念図である。図２２はコリメートレンズと偏向素子とを一体化してなる回折光学素子を示す図である。
【００３１】
なお、上記図１から図１８に示すレーザアニール装置およびこの装置を用いて実施するレーザアニールについては後述する。
【００３２】
図１９、２０、２１に示す本発明の実施の形態によるマルチビーム走査光学系２００は、同一平面Ｈａ上に並べて配設された複数の半導体レーザ２１０ａ、２１０ｂ、・・・（以後、まとめて半導体レーザ２１０ともいう）と、各半導体レーザ２１０ａ、２１０ｂ、・・・から射出された各光束Ｌａ、Ｌｂ・・・（以後、まとめて光束Ｌともいう）を互に平行になるようにコリメートするコリメートレンズ２２０ａ、２２０ｂ、・・・（以後、まとめてコリメートレンズ２２０ともいう）と、各光束Ｌａ、Ｌｂ、・・・についての近視野像を所定面Ｈｐ上に結像させる１つの結像レンズ２３０と、コリメートされた各光束Ｌａ、Ｌｂ、・・・が、結像レンズ２３０の入射瞳Ｉｒを通過してこの結像レンズ２３０に入射するように各光束Ｌａ、Ｌｂ・・・を偏向させる偏向素子であるプリズム２４０ａ、２４０ｂ、・・・とを備えている。
【００３３】
上記偏向素子としては、上記プリズムの他に回折光学素子等を採用することができる。
【００３４】
また、上記プリズム２４０は、個別の部材で構成されたものとしたり、アレイ状に一体化されたものとすることができる。
【００３５】
また、図２２に示すように、上記コリメートレンズと偏向素子とは、コリメートレンズと偏向素子とを一体化してなる回折光学素子２７２で構成されたものとすることもできる。
【００３６】
また、各プリズム２４０ａ、２４０ｂ、・・・は、各光束Ｌａ、Ｌｂ、・・・が結像レンズ２３０の後側焦点ｆｂを通るように各光束Ｌａ、Ｌｂ、・・・の光路を偏向させる。上記光束Ｌを結像レンズ２３０の後側焦点ｆｂに通すことにより各光束Ｌを所定面Ｈｐ上に正確に結像させることができる。しかしながら、必ずしも各光束Ｌａ、Ｌｂ、・・・が上記後側焦点ｆｂを通らなくても、各光束Ｌを上記結像レンズ２３０の入射瞳Ｉｒに通せば、実質的に各光束Ｌを所定面Ｈｐ上に結像させることができる。
【００３７】
なお、上記結像レンズ２３０は像側テレセントリックな結像光学系であるが、結像レンズ２３０としては必ずしも像側テレセントリックな結像光学系を採用する場合に限らない。
【００３８】
上記マルチビーム走査光学系２００は、さらに、各光束Ｌａ、Ｌｂ、・・・それぞれの結像点Ｐａ、Ｐｂ・・・（以後、まとめて結像点Ｐともいう）が所定面Ｈｐ上で並ぶ方向と交差する方向に、結像点Ｐａ，Ｐｂ、・・・が移動するように、コリメートされた各光束Ｌａ、Ｌｂ、・・・を動的に偏向させる動的偏向手段であるガルバノメータ２５０とを備えている。なお、上記動的偏向手段としてポリゴンミラーを採用することもできる。
【００３９】
なお、各光束Ｌａ、Ｌｂ、・・・のスロー軸の方向は互に一致しており、上記スロー軸の方向は、所定面Ｈｐ上に結像された各光束Ｌ１、Ｌ２、・・・の結像点Ｐａ、Ｐｂ・・・が走査される方向（図中矢印Ｚ方向）と上記所定面Ｈｐ上において直交する方向（図中矢印Ｘ方向）と一致せることが望ましい。
【００４０】
上記ガルバノメータ２５０は、上記光束Ｌを反射させるガルバノミラー２５１と、ガルバノミラー２５１を回動可能に支持する回転軸２５２と、上記回転軸２５２を回動させて上記ガルバノミラー２５１を往復回動させる駆動モータ２５３とを有している。
【００４１】
上記回転軸２５２の回転軸線２５２Ｊが、上記後側焦点ｆｂおよび各光束Ｌを反射させるガルバノミラー２５１の反射面Ｍｈを通るように、上記ガルバノメータ２５０の位置が定められている。
【００４２】
なお、上記複数の半導体レーザ２１０ａ、２１０ｂ、・・・は、マルチビーム走査光学系２００が備えた金属製等のマウント基板２８０上にマウントされている。
【００４３】
また、マルチビーム走査光学系２００は、上記複数の半導体レーザ２１０ａ、２１０ｂ、・・・を冷却するための冷却部２８２を備えている。
【００４４】
上記冷却部２８２は、マウント基板２８０の側に上記平面Ｈａと平行な冷却面２８２ｍを有している。この冷却面２８２ｍは、上記平面Ｈａと平行であって上記マウント基板２８０の上記冷却部２８２の側の面である被冷却面２８０ｒに接触せしめられて、上記半導体レーザ２１０ａ、２１０ｂ、・・・が冷却される。すなわち、各半導体レーザ２１０は、マウント基板２８０を介して冷却部２８２によって冷却される。
【００４５】
次に上記実施の形態の作用について説明する。
【００４６】
半導体レーザ２１０ａ、２１０ｂ、・・・を駆動し、各半導体レーザ２１０から各レーザ光束Ｌを所定の出力で射出させるとともに、冷却部２８２によるマウント基板２８０の冷却を開始する。
【００４７】
各半導体レーザ２１０は各光束Ｌの射出にともない発熱するが、冷却部２８２による冷却により上記各半導体レーザ２１０の温度は所定の一定温度に保たれる。
【００４８】
上記半導体レーザ２１０から射出された各光束Ｌは、コリメートレンズ２２０によりコリメートされ、プリズム２４０に入射する。各プリズム２４０は、上記入射した各光束Ｌが、結像レンズ２３０における入射瞳Ｉｒおよび後側焦点ｆｂを通るように偏向させる。
【００４９】
上記入射瞳Ｉｒおよび後側焦点ｆｂに向かって伝播する各光束Ｌは、上記入射瞳Ｉｒおよび後側焦点ｆｂを通るとともに、ガルバノミラー２５１の反射面Ｍｈで反射されて結像レンズ２３０に入射する。
【００５０】
上記結像レンズ２３０に入射した各光束Ｌは、この結像レンズ２３０により集光され所定面Ｈｐ上に結像される。
【００５１】
上記所定面Ｈｐ上に結像された各光束Ｌの結像点Ｐは、ガルバノミラー２５１の往復回動に応じて、各結像点Ｐａ、Ｐｂ・・・が上記所定面Ｈｐ上で並ぶ方向と交差する方向（図中矢印Ｚ方向）に移動せしめられる。
【００５２】
ここで、上記各半導体レーザ２１０の温度は、上記冷却部２８２の冷却により所定の一定温度に保たれているので、各半導体レーザから射出される各レーザ光のパワーのバラツキや変動を抑制しつつ上記パワーを増大させることができる。したがって、上記所定面Ｈｐ上の各結像点Ｐに照射される各レーザ光のパワー密度を容易に所望の大きな値に定めることができる。
【００５３】
上記のように、本発明のマルチビーム走査方法およびマルチビーム走査光学系によれば、複数の半導体レーザから射出される各レーザ光の出力にムラや変動を生じさせないようにする上記半導体レーザの冷却をより容易に実施することができる。
【００５４】
また、本実施形態では冷却部２８２が被冷却面２８０ｒを介して各半導体レーザを全て冷却する構成であるが、本発明はこれに限られることなく、少なくとも2つ以上の複数の半導体レーザを１つの冷却部で冷却し、複数の冷却部で半導体レーザを冷却するようにしても良い。上記構成の場合も冷却部の数を減らすことができマルチビーム走査光学系の構成を簡略化でき、小型化、低コスト化することができる。
【００５５】
以下、上記マルチビーム走査方法およびマルチビーム走査光学系を適用可能なレーザアニール装置およびこの装置を用いて実施するレーザアニールについて図１から１８を参照して説明する。
【００５６】
すなわち、上記レーザアニール装置を構成するための、後述する被アニール半導体膜を載置する基板ステージ１１０、レーザ光を出射するレーザヘッド１２０、およびレーザヘッド１２０から出射されたレーザ光を走査する走査光学系１４０のうちの、レーザヘッド１２０および走査光学系１４０からなる構成要素に対して上記マルチビーム走査光学系２００を適用することができる。
【００５７】
「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。
【００５８】
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、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レーザ光の照射条件が存在することを見出した。本発明者は、かかるレーザ光の照射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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。）
【００６８】
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。
【００６９】
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）
【００７０】
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。
【００７１】
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）
【００７２】
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。）
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
すなわち、膜厚ｔ＝５０ｎｍの条件では、３５０〜５００ｎｍ、好ましくは３５０〜４５０ｎｍの波長域にあるレーザ光を用いることで、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レーザアニールを実施することができる。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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）
【００８７】
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。
【００８８】
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
【００８９】
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
【００９０】
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５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。
【００９１】
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ても、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５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。
【００９２】
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。
【００９３】
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、同一照射条件でレーザ光を照射する場合には、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）が０．８２以上であり、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）が０．７０以下となる波長を選択することで、ラテラル結晶部分、粒状結晶部分、及び非結晶部分に吸収されるエネルギー比を、０．７０以下：０．８２〜１．０：１．０とすることができる。
【００９４】
すなわち、被アニール半導体膜２０が非結晶シリコン膜である場合、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レーザ光の吸収率が、下記式（１）及び（２）の関係を充足する条件で、レーザアニールを実施することが好ましい。  
０．８２≦粒状結晶部分の吸収率／非結晶部分の吸収率≦１．０・・・（１）、
ラテラル結晶部分の吸収率／非結晶部分の吸収率≦０．７０・・・（２）
【００９５】
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（１Ａ）及び（２）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≦粒状結晶部分の吸収率／非結晶部分の吸収率≦１．０・・・（１Ａ）、
ラテラル結晶部分の吸収率／非結晶部分の吸収率≦０．７０・・・（２）
【００９６】
図４には、吸収率比＝０．７及び吸収率比＝０．８２のラインを記載してある。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）が０．８２以上であり、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）が０．７０以下となる波長は、シリコン膜の膜厚ｔ＝５０ｎｍの条件では、３６０〜４５０ｎｍの波長である。
【００９７】
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６に示す。
【００９８】
図６には、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）が０．７以下となる波長は、膜厚によって変わることが示されている。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）が０．８２以上となる波長も、膜厚によって変わる（図示略）。
【００９９】
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（式（４））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。
【０１００】
図７に、膜厚ｔに対して、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℃以下となるレーザ光の波長の範囲を示す。
【０１０１】
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）が０．７以下となる波長は膜厚によって変わるが、膜厚ｔ（ｎｍ）とレーザ光の波長λ（ｎｍ）とが下記式（３）を充足する条件で、レーザアニールを実施すればよい。  
０．８ｔ＋３２０≦λ≦０．８ｔ＋４００・・（３）
【０１０２】
４０≦膜厚ｔ（ｎｍ）≦１２０であれば、３５０〜５００ｎｍ、好ましくは３５０〜４９０ｎｍの波長域にあるレーザ光を用いることで、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レーザアニールを実施することができる。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
図８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）
【０１０６】
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。ｋはボルツマン定数である。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。）
【０１０７】
本発明者は、上記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。
【０１０８】
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、同一照射条件でレーザ光を照射する場合、
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が０．８２以上であり、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が０．７０以下となる波長を選択し、
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、膜面上のレーザ光の照射光強度分布、レーザ光の吸収エネルギー分布、及び温度分布のイメージ図を図９に示す。
【０１０９】
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。また、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。
【０１１０】
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吸収エネルギーが異なっている。そして、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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
しかしながら、上記方法では、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９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、上記方法では、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。
【０１１３】
以上説明したように、上記方法では、略全面ラテラル結晶膜が得られる。「ラテラル結晶膜」とは、横方向（＝レーザ光を相対走査する場合は、その相対走査方向）に延びる帯状の結晶粒で構成される多結晶膜であり、この多結晶膜は実効的にほぼ単結晶膜（擬似単結晶膜）と見なすことができる。本発明者は、レーザ光の相対走査方向の長さが５μｍ程度以上であり、幅が０．２〜２μｍである結晶粒からなる略全面ラテラル結晶膜を実現している（後記実施例１のＳＥＭ・ＴＥＭ表面写真（図１５）を参照）。
【０１１４】
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、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レーザ光の照射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可能である。
【０１１５】
すなわち、上記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、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ことを特徴とするものである。
【０１１６】
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。
【０１１７】
上記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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
上記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。上記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。
【０１２３】
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、上記方法は、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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
したがって、上記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。
【０１２６】
上記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。
【０１２７】
このレーザアニール方法では、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。
【０１２８】
「レーザアニール装置」
図面を参照して、上記レーザアニール方法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１０はレーザアニール装置の全体構成図、図１１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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
図１１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。
【０１３３】
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１１の図示奥行き方向）に配列されている。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
ＰＢＳ１２６ＡがたとえばＰ波成分を反射する場合は、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の偏光の向きを調整することにより、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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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１２を参照して、説明する。
【０１４１】
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１２（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１２（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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
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、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。
【０１４９】
図１０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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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の膜面における照射光パワー密度が０．５〜２．７Ｗ／ｃｍ２である、２０μｍ×４μｍ〜４０μｍ×８μｍの形状のレーザビームを実現した。
【０１５４】
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。
【０１５５】
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レーザ光の吸収率が、下記式（１）及び（２）の関係を充足する条件に設定されていることが好ましい。  
０．８２≦粒状結晶部分の吸収率／非結晶部分の吸収率≦１．０・・・（１）、
ラテラル結晶部分の吸収率／非結晶部分の吸収率≦０．７０・・・（２）
【０１５６】
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の照射条件は、被アニール半導体膜２０の膜厚ｔ（ｎｍ）とレーザ光Ｌの波長λ（ｎｍ）とが下記式（３）を充足する条件に設定されていることが好ましい。  
０．８ｔ＋３２０≦λ≦０．８ｔ＋４００・・（３）
【０１５７】
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、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好ましい。３５０〜５００ｎｍの波長域にあるレーザ光を発振するレーザとしては、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。
【０１５８】
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）
【０１５９】
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。
【０１６０】
以上の構成の本実施形態のレーザアニール装置１００を用いることで、上記の上記レーザニール方法を実施することができる。
【０１６１】
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。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。
【０１６２】
本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。
【０１６３】
「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、上記レーザアニール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１３は、工程図（基板の厚み方向の断面図）である。
【０１６４】
はじめに、図１３（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。
【０１６５】
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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
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。
【０１６８】
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。
【０１６９】
次に、図１３（ｂ）に示す如く、被アニール半導体膜２０に対して、上記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１３（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。
【０１７０】
次に、図１３（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１３（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。
【０１７１】
次に、図１３（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。
【０１７２】
次に、図１３（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。
【０１７３】
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。
【０１７４】
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、上記レーザアニール技術を用いて製造された半導体膜である。  
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。
【０１７５】
次に、図１３（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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
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。
【０１７８】
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。
【０１７９】
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。
【０１８０】
本実施形態では、上記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。
【０１８１】
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。
【０１８２】
上記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。上記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。
【０１８３】
「電気光学装置」
図面を参照して、上記レーザアニール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。このレーザアニール、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１４は有機ＥＬ装置の分解斜視図である。
【０１８４】
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。
【０１８５】
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。
【０１８６】
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。
【０１８７】
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。
【０１８８】
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。
【０１８９】
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。
【０１９０】
＜＜実施例＞＞
上記レーザアニールに係る実施例及び比較例について説明する。
【０１９１】
（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。
【０１９２】
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１０及び図１１を参照）を用いて、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ビームの形状は、２０×３μｍの細長い矩形状とした。
【０１９３】
下記条件で、略全面レーザアニールを実施した。  
＜条件１＞
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％。
【０１９４】
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。
【０１９５】
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１５（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、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。
【０１９６】
レーザアニール条件を下記条件に変えて、同様にレーザアニールを実施しても、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。  
＜条件２＞
レーザ光の相対走査速度１．０ｍ／ｓ、非結晶部分における吸収パワー密度０.５ＭＷ／ｃｍ２、重ね量７５％。  
＜条件３＞
レーザ光の相対走査速度０．１ｍ／ｓ、非結晶部分における吸収パワー密度０．１５ＭＷ／ｃｍ２、重ね量７５％。  
＜条件４＞
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２５％。
【０１９７】
レーザ光の相対走査速度が遅い程、周囲に熱が伝導しやすく、粒状結晶が生成されやすい傾向にあるが、上記レーザアニール方法によれば、レーザ光の相対走査速度０．０１ｍ／ｓの条件においても、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。
【０１９８】
（比較例１）
下記条件でレーザアニールを実施した以外は、実施例１と同様にレーザアニールを実施した。  
＜条件５＞
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０．０９ＭＷ／ｃｍ２、重ね量７０％。  
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１６（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。
【０１９９】
（比較例２）
下記条件でレーザアニールを実施した以外は、実施例１と同様にレーザアニールを実施した。  
＜条件６＞
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０．０８ＭＷ／ｃｍ２、重ね量７０％。
【０２００】
略全面レーザアニール後の膜表面のＴＥＭ写真を図１７に示す。比較例１よりも吸収パワー密度を落とした本比較例では、非結晶部分もラテラル結晶化せず、得られた膜は略全面が粒状結晶からなるシリコン膜であった。
【０２０１】
（Ｖｇ−Ｉｄ特性の評価）
実施例１の＜条件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。比較例１については、２個のＴＦＴ（比較例１−Ａ、比較例１−Ｂ）について、評価を実施した。  
結果を図１８に示す。図１８において、左右の縦軸はいずれも同じＩｄ値を示しているが、右の縦軸は通常表示、左の縦軸は対数表示になっている。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。
【０２０２】
上記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】
【０２０３】
【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】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６】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７】シリコン膜の膜厚ｔに対して、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℃以下となる波長の範囲を示す図
【図８】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９】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、膜面上のレーザ光の照射光強度分布、レーザ光の吸収エネルギー分布、及び温度分布のイメージ図
【図１０】レーザアニール装置の全体構成図
【図１１】図１０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１２】（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１３】（ａ）〜（ｈ）は、レーザアニール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１４】レーザアニール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１５】（ａ）は実施例１において条件１で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１６】（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１７】比較例２のレーザアニール後のＴＥＭ表面写真
【図１８】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
【図１９】本発明の実施の形態によるマルチビーム走査光学系の概略構成を示す概念図
【図２０】マルチビーム走査光学系を半導体レーザから射出されコリメートされた光束が並ぶ方向から見た様子を示す概念図
【図２１】マルチビーム走査光学系を半導体レーザから射出されコリメートされた光束の伝播方向から見た様子を示す概念図
【図２２】コリメートレンズと偏向素子とを一体化してなる回折光学素子を示す図
【符号の説明】
【０２０４】
２００    マルチビーム走査光学系
２１０    半導体レーザ
２２０    コリメートレンズ
２３０    結像レンズ
２４０    プリズム
Ｉｒ    入射瞳
Ｌ    光束
ｆｂ    後側焦点
Ｈｐ    所定面
【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１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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