(57)【要約】【課題】固体レーザを用いたレーザアニールにおいて、半導体膜のレーザ照射部分の位置変動に応じて矩形状ビームの短軸方向の焦点位置を容易に補正する。【解決手段】入射光を短軸方向に集光する短軸用コンデンサレンズ２９と、短軸用コンデンサレンズ２９からの出射光を半導体膜３の表面に投影する投影レンズ３０とを用いて、レーザ光１を半導体膜３の表面において矩形状ビームの短軸方向に集光し、半導体膜３のレーザ照射部分における半導体膜３の垂直方向の位置変動を検出し、この検出値に基づいて短軸用コンデンサレンズ２９を光軸方向に移動させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体レーザ光源からパルス発振されたレーザ光を整形して半導体膜の表面において矩形状ビームに集光し、矩形状ビームを前記半導体膜に対して短軸方向に相対的に走査し、レーザ照射により前記半導体膜を改質するレーザアニール方法において、
入射光を短軸方向に集光する短軸用コンデンサレンズと、該短軸用コンデンサレンズからの出射光を前記半導体膜の表面に投影する投影レンズとを用いて、前記レーザ光を前記半導体膜の表面において矩形状ビームの短軸方向に集光し、
前記半導体膜のレーザ照射部分における該半導体膜の垂直方向の位置変動を検出し、この検出値に基づいて前記短軸用コンデンサレンズを光軸方向に移動させることを特徴とするレーザアニール方法。
【請求項２】
前記短軸用コンデンサレンズの光軸方向上流側の位置に、入射光を前記矩形状ビームの短軸方向に複数に分割する短軸用シリンドリカルレンズアレイを、光軸方向に間隔をおいて配置しておき、
前記位置変動の検出値に基づいて前記複数の短軸用シリンドリカルレンズアレイの間隔を調整することを特徴とする請求項１記載のレーザアニール方法。
【請求項３】
レーザ光をパルス発振する固体レーザ光源と、該固体レーザ光源からのレーザ光を整形して半導体膜の表面において矩形状ビームに集光するビーム整形光学系と、前記矩形状ビームを前記半導体膜に対して短軸方向に相対的に走査する走査手段とを備え、レーザ照射により前記半導体膜を改質するレーザアニール装置において、
前記ビーム整形光学系は、入射するレーザ光を前記半導体膜の表面において矩形状ビームの長軸方向と短軸方向のそれぞれに作用して集光する長軸方向ホモジナイザ及び短軸方向ホモジナイザを有し、
該短軸方向ホモジナイザは、入射光を短軸方向に集光する短軸用コンデンサレンズと、該短軸用コンデンサレンズからの出射光を前記半導体膜の表面に投影する投影レンズとからなり、
さらに、前記半導体膜のレーザ照射部分における該半導体膜の垂直方向の位置変動を検出する位置変動検出器と、前記短軸用コンデンサレンズを光軸方向に移動させるレンズ移動機構とを備える、ことを特徴とするレーザアニール装置。
【請求項４】
前記短軸用ホモジナイザは、前記短軸用コンデンサレンズの光軸方向上流側の位置に、入射光を前記矩形状ビームの短軸方向に複数に分割する短軸用シリンドリカルレンズアレイを複数有し、該複数の短軸用シリンドリカルレンズアレイは光軸方向に間隔をおいて配置されており、
さらに、前記複数の短軸用シリンドリカルレンズアレイの間隔を調整する間隔調整機構を備えることを特徴とする請求項３記載のレーザアニール装置。
【請求項５】
さらに、前記位置変動検出器からの検出値に基づいて前記レンズ移動機構を制御する移動機構制御部を備えることを特徴とする請求項３記載のレーザアニール装置。
【請求項６】
さらに、前記位置変動検出器からの検出値に基づいて前記間隔調整機構を制御する調整機構制御部を備えることを特徴とする請求項４又は５記載のレーザアニール装置。
【請求項７】
前記固体レーザ光源のビーム品質はＭ２値で２０以上であることを特徴とする請求項３記載のレーザアニール装置。
【請求項８】
前記ビーム整形光学系は、前記レーザ光の干渉作用を低減する干渉低減光学系を有することを特徴とする請求項３記載のレーザアニール装置。
【請求項９】
前記固体レーザ光源から出射されるレーザ光は、ガウシアン形状のエネルギープロファイルをもつことを特徴とする請求項３記載のレーザアニール装置。
【請求項１０】
前記矩形状ビームは、短軸方向にガウシアン形状のエネルギープロファイルをもつことを特徴とする請求項３記載のレーザアニール装置。
【請求項１１】
前記位置変動検出器は非接触式変位センサであることを特徴とする請求項３記載のレーザアニール装置。
【請求項１２】
前記固体レーザ光源を複数備えるとともに、さらに前記複数の固体レーザ光源からのレーザ光を時間的及び／又は空間的に合成する手段を備えることを特徴とする請求項３記載のレーザアニール装置。
【請求項１３】
さらに、前記半導体膜が形成された基板を内部に収容し基板の収容空間を真空若しくは不活性ガス雰囲気にするチャンバー又は前記半導体膜上のレーザ照射部分及びその周囲の限定的な範囲にのみ不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段を備えることを特徴とする請求項３記載のレーザアニール装置。
【請求項１４】
前記半導体膜が形成された基板を載置するための基板ステージを備え、該基板ステージが基板の融点を超えない温度で加熱されることを特徴とする請求項３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、矩形状ビームに整形したパルスレーザ光を半導体膜に照射して半導体膜を改質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。
【背景技術】
【０００２】
レーザアニールは、低融点ガラス（通常、無アルカリガラス）からなる基板上に形成されたアモルファスシリコン膜（以下、ａ−Ｓｉ膜という）にレーザビームを照射し、溶融、固化させて再結晶化させることにより多結晶シリコンを形成する処理である（例えば、下記特許文献１を参照）。結晶化したシリコン膜はａ−Ｓｉ膜に比べ電気的特性に優れているため、携帯電話やデジタルスチルカメラなどの高精細な表示が要求される液晶ディスプレイを駆動するトランジスタに採用されている。
【０００３】
レーザアニールでは、レーザ光源から出射されたパルスレーザ光を、光学系を用いて断面が細長い矩形状ビームに加工し、この矩形状ビームを基板上の半導体膜（例えばａ−Ｓｉ膜）に対してビームの短軸方向に相対的に走査することにより行なう。一般的には、基板を移動させることにより、矩形状ビームの走査が行なわれる。また、この走査は、レーザ照射領域が部分的に重複するように実施される。
【０００４】
下記特許文献２及び３には、レーザ光源としてエキシマレーザを用いたレーザアニール装置（以下、エキシマレーザアニール装置という）の光学系の全体図が開示されている。この光学系は、矩形状ビームを長軸方向及び短軸方向にそれぞれ複数に分割するシリンドリカルレンズアレイと、このシリンドリカルレンズアレイで分割されたビームを重ね合わせるためのコンデンサレンズから構成される。また、短軸方向は、ビームのエネルギープロファイルを一旦均一化した後、さらに投影レンズにより縮小投影される。
【０００５】
上述したエキシマレーザアニール装置におけるビーム形状は長軸が３６５ｍｍ、短軸が０．４ｍｍ程度である。エキシマレーザの場合、レーザのビーム品質が悪いため、短軸幅が大きく、その結果、焦点深度が深い。このため、基板搬送装置の機械的誤差や基板表面の加工誤差に起因したレーザ被照射面の位置変動によるアニール性能への影響はほとんど無かった。ここで、上記の位置変動とは、半導体膜に対して垂直方向の位置変動をいう。
【０００６】
一方、エキシマレーザアニールは、アニール特性としてレーザ照射エネルギーに対するキャリア移動度の変化が大きいという問題がある。この問題を解決するものとして、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波により得られるパルスグリーンレーザ光を光源とするレーザアニール装置（以下、固体グリーンレーザアニール装置という）が注目されている（例えば、下記特許文献４及び５を参照）。このパルスグリーンレーザを用いると、一定の照射エネルギーに対しエキシマレーザに比べ広いプロセスマージンが得られる。
【０００７】
しかしながら、実用化されているエキシマレーザの出力（最大１Ｊ／パルス）に対して、固体グリーンレーザの出力は著しく低い（０．１Ｊ未満／パルス）ため、短軸方向のビームサイズを１００μｍ以下まで絞る必要がある。その結果、短軸方向の焦点深度が浅くなり、半導体膜の位置変動に起因したアニール性能への影響が無視できない状況となっている。
【０００８】
下記特許文献４〜６には、穴開けなどのレーザ加工用に適用されているオートフォーカス機構が示されている。このオートフォーカス機構は、加工面の変動をモニターし、レーザ光を加工面で集光する対物レンズを光軸方向に移動させることにより、加工面と集光点を常に一定に保持するようになっている。
【０００９】
【特許文献１】特許第３２０４３０７号公報
【特許文献２】特開２０００−３３８４４７号公報
【特許文献３】特許第３１９１７０２号公報
【特許文献４】特開平１１−５８０５３号公報
【特許文献５】特開平１１−２３９５２号公報
【特許文献６】特許第２８３５９２４号公報
【非特許文献１】“Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  Ｈｉｇｈ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｌｉｄ  Ｇｒｅｅｎ  Ｌａｓｅｒ”，
【非特許文献２】「低温ポリシリコン用グリーンレーザアニール光学系の開発」，
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記非特許文献２には、固体グリーンレーザアニール装置の光学系の全体図が示されている。この光学系は、長軸方向については、レーザ光を長方形状の石英ガラスからなる導波路で複数に分割し、分割されたレーザ光を転写レンズによりガラス基板上の半導体膜に重ね合わせ、短軸方向については、エキスパンダレンズによりφ８０の平行光とし、その平行光を対物レンズである集光レンズでガラス基板上に集光する。
非特許文献２に示された固体グリーンレーザアニール装置において、加工面が面に対して垂直方向に変動した場合、短軸方向の焦点位置から基板がずれるため、加工面のシリコン膜に入射するレーザ光のエネルギー密度が変動する。非特許文献２の光学系の場合、上述した特許文献４〜６のオートフォーカス機構のように、対物レンズである集光レンズの位置を補正することで、上記のエネルギー密度の変動を回避することができる。
【００１１】
しかしながら、穴あけなどのレーザ加工装置に用いられる集光レンズは比較的小さいのに対して、レーザアニール装置に用いられる対物レンズ（集光レンズ又は投影レンズ）の大きさは一般に大きく、例えば短軸方向１００ｍｍ以上×長軸方向１５０ｍｍ程度の寸法を有する。そのため、これらのレンズ群を保持するためのホルダーも大きく、かつ重量も非常に重い。したがって、レーザアニール装置の対物レンズをリアルタイムで光軸方向に数ミクロンの精度で移動させ振動させることは非常に困難である。また、基板側を面に対して垂直方向に移動させ振動させることも考えられるが、レーザアニール用の基板サイズは一般に大きいため（例えば、７００ｍｍ×９００ｍｍ以上）、基板を保持するステージを高精度で振動させることも困難である。なお、長軸方向に関しては、短軸方向に比べて焦点深度が非常に大きいため、焦点位置の変動による影響はほとんど無い。
【００１２】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、固体レーザを用いたレーザアニールにおいて、半導体膜のレーザ照射部分の位置変動に応じて矩形状ビームの短軸方向の焦点位置を容易に補正することができるレーザアニール方法及びレーザアニール装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明のレーザアニール方法及びレーザアニール装置は、以下の手段を採用する。
（１）すなわち、本発明のレーザアニール方法は、固体レーザ光源からパルス発振されたレーザ光を整形して半導体膜の表面において矩形状ビームに集光し、矩形状ビームを前記半導体膜に対して短軸方向に相対的に走査し、レーザ照射により前記半導体膜を改質するレーザアニール方法において、入射光を短軸方向に集光する短軸用コンデンサレンズと、該短軸用コンデンサレンズからの出射光を前記半導体膜の表面に投影する投影レンズとを用いて、前記レーザ光を前記半導体膜の表面において矩形状ビームの短軸方向に集光し、前記半導体膜のレーザ照射部分における該半導体膜の垂直方向の位置変動を検出し、この検出値に基づいて前記短軸用コンデンサレンズを光軸方向に移動させることを特徴とする。
【００１４】
短軸用コンデンサレンズを光軸方向に移動させると、その移動量に応じて一次結像面の位置も光軸方向に移動する。また、投影レンズによる投影点（焦点位置）は、一次結像面の位置の移動量に応じて移動する。
したがって、半導体膜のレーザ照射部分における半導体膜の垂直方向の位置変動を検出し、この検出値に基づいて短軸用コンデンサレンズを光軸方向に移動させることにより、基板搬送装置の機械的誤差等による半導体膜の位置変動が生じても、矩形状ビームの短軸方向の焦点位置を半導体膜の表面に合わせることができる。
また、焦点位置の補正に際して移動させる短軸用コンデンサレンズは、投影レンズよりも光軸方向の上流側に配置され且つサイズが小さく軽量であり、後述するように、半導体膜のミクロンオーダーの位置変動量に対する短軸用コンデンサレンズの位置補正量はミリオーダーとなる。したがって、小サイズ且つ軽量の短軸用コンデンサレンズの位置をミリオーダーの精度で補正すればよいため、焦点位置の補正を容易に行うことができる。
【００１５】
（２）また、上記のレーザアニール方法において、前記短軸用コンデンサレンズの光軸方向上流側の位置に、入射光を前記矩形状ビームの短軸方向に複数に分割する短軸用シリンドリカルレンズアレイを、光軸方向に間隔をおいて配置しておき、前記位置変動の検出値に基づいて前記複数の短軸用シリンドリカルレンズアレイの間隔を調整することを特徴とする。
【００１６】
短軸用コンデンサレンズを通過したレーザ光の一次結像面の像の大きさを決定する要素には、その上流側に配置された複数の短軸用シリンドリカルレンズアレイの合成焦点距離が含まれる。また、複数の短軸用シリンドリカルレンズアレイの合成焦点距離を決定する要素には、各レンズアレイの光軸方向の間隔が含まれる。したがって、複数の短軸用シリンドリカルレンズアレイの間隔を変化させることにより、短軸用コンデンサレンズを通過したレーザ光の一次結像面の像の大きさを調整することができ、結果として、短軸方向の焦点位置におけるビームサイズを調整することができる。よって、半導体膜の位置が変動しても、短軸方向の焦点位置におけるビームサイズを調整することにより、短軸方向について同一サイズのビームを半導体膜の表面に照射することができる。
【００１７】
（３）本発明のレーザアニール装置は、レーザ光をパルス発振する固体レーザ光源と、該固体レーザ光源からのレーザ光を整形して半導体膜の表面において矩形状ビームに集光するビーム整形光学系と、前記矩形状ビームを前記半導体膜に対して短軸方向に相対的に走査する走査手段とを備え、レーザ照射により前記半導体膜を改質するレーザアニール装置において、前記ビーム整形光学系は、入射するレーザ光を前記半導体膜の表面において矩形状ビームの長軸方向と短軸方向のそれぞれに作用して集光する長軸方向ホモジナイザ及び短軸方向ホモジナイザを有し、該短軸方向ホモジナイザは、入射光を短軸方向に集光する短軸用コンデンサレンズと、該短軸用コンデンサレンズからの出射光を前記半導体膜の表面に投影する投影レンズとからなり、さらに、前記半導体膜のレーザ照射部分における該半導体膜の垂直方向の位置変動を検出する位置変動検出器と、前記短軸用コンデンサレンズを光軸方向に移動させるレンズ移動機構とを備える、ことを特徴とする。
【００１８】
（４）また、上記のレーザアニール装置において、前記短軸用ホモジナイザは、前記短軸用コンデンサレンズの光軸方向上流側の位置に、入射光を前記矩形状ビームの短軸方向に複数に分割する短軸用シリンドリカルレンズアレイを複数有し、該複数の短軸用シリンドリカルレンズアレイは光軸方向に間隔をおいて配置されており、さらに、前記複数の短軸用シリンドリカルレンズアレイの間隔を調整する間隔調整機構を備えることを特徴とする。
【００１９】
このように構成された本発明のレーザアニールにより、上記のレーザアニール方法を実施することができる。したがって、本発明のレーザアニール装置によれば、短軸方向の焦点位置の補正を容易に行うことができる。また、半導体膜の位置が変動しても、短軸方向の焦点位置におけるビームサイズを調整することにより、短軸方向について同一サイズのビームを半導体膜の表面に照射することができる。
【００２０】
（５）また、上記のレーザアニール装置において、さらに、前記位置変動検出器からの検出値に基づいて前記レンズ移動機構を制御する移動機構制御部を備えることを特徴とする。
【００２１】
このような移動機構制御部を備えるので、フィードバック制御によりレンズ移動機構の駆動を制御することにより、短軸方向の焦点位置の補正を自動制御により実現することができる。
【００２２】
（６）また、上記のレーザアニール装置において、さらに、前記位置変動検出器からの検出値に基づいて前記間隔調整機構を制御する調整機構制御部を備えることを特徴とする。
【００２３】
このような調整機構制御部を有するので、フィードバック制御により間隔調整機構の駆動を制御することにより、短軸方向の焦点位置における像の大きさの調整を自動制御により実現することができる。
（７）また、上記のレーザアニール装置において、前記固体レーザ光源のビーム品質はＭ２値で２０以上であることを特徴とする。
【００２４】
ビーム品質が良すぎると、干渉縞が生じやすい。ビーム品質がＭ２値で２０以上のレーザを用いることにより、干渉縞を低減することができる。
【００２５】
（８）また、上記のレーザアニール装置において、前記ビーム整形光学系は、前記レーザ光の干渉作用を低減する干渉低減光学系を有することを特徴とする。
【００２６】
このような干渉低減光学系により、矩形状ビームの干渉作用を低減することができるので、ビーム照射面における干渉縞を低減することができる。
【００２７】
（９）また、上記のレーザアニール装置において、前記固体レーザ光源から出射されるレーザ光は、ガウシアン形状のエネルギープロファイルをもつことを特徴とする。
【００２８】
（１０）また、上記のレーザアニール装置において、前記矩形状ビームは、短軸方向にガウシアン形状のエネルギープロファイルをもつことを特徴とする。
【００２９】
（１１）また、上記のレーザアニール装置において、前記位置変動検出器は非接触式変位センサであることを特徴とする。
【００３０】
このような非接触式変位センサを用いることにより、半導体膜の位置変動をリアルタイムで高精度に検出することができる。そのような非接触式変位センサとしては、レーザ式変位センサや渦電流式変位センサなどが好適である。
【００３１】
（１２）また、上記のレーザアニール装置において、前記固体レーザ光源を複数備えるとともに、さらに前記複数の固体レーザ光源からのレーザ光を時間的及び／又は空間的に合成する手段を備えることを特徴とする。
【００３２】
このように複数のレーザ光を合成することで、時間的に（パルス周期を互いにずらして）合成した場合には合成レーザ光のパルス周波数を数倍にすることができ、空間的に（パルス周期を一致させて）合成した場合には合成レーザ光のエネルギー密度を数倍にすることができる。したがって、ビームの走査速度を上げることができ、結果として、アニール処理速度を向上させるこができる。なお、３つ以上のレーザ光を合成する場合は、時間的合成と空間的合成を組み合わせてもよい。
【００３３】
（１３）また、上記のレーザアニール装置において、さらに、前記半導体膜が形成された基板を内部に収容し基板の収容空間を真空若しくは不活性ガス雰囲気にするチャンバー又は前記半導体膜上のレーザ照射部分及びその周囲の限定的な範囲にのみ不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段を備えることを特徴とする。
【００３４】
レーザアニールにおいて基板上の半導体膜にレーザ光を照射する際、レーザ照射部分に大気が触れると、基板表面に凹凸が形成される、基板表面に酸化膜が形成されるあるいは結晶化プロセスにおいて作製される結晶粒が小さくなる、といった問題が発生する。
本発明のレーザアニール装置は、上記構成のチャンバー又は不活性ガス供給手段を備えることにより、レーザ照射部分に大気が触れることを阻止することができる。したがって、上記の諸問題を回避することができる。
【００３５】
（１４）また、上記のレーザアニール装置において、前記半導体膜が形成された基板を載置するための基板ステージを備え、該基板ステージが基板の融点を超えない温度で加熱される。
【００３６】
基板ステージを、基板の融点を超えない温度に加熱することにより、基板が溶融することなく安定してレーザアニールを行うことができる。例えば、基板が無アルカリガラスの場合、融点は約６００℃であるので、基板ステージは６００℃を超えない温度に加熱される。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、固体レーザを用いたレーザアニールにおいて、半導体膜のレーザ照射部分の位置変動に応じて矩形状ビームの短軸方向の焦点位置を容易に補正することができるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００３９】
［第１実施形態］
図１に、本発明の第１実施形態にかかるレーザアニール装置１０の概略構成を示す。図１（Ａ）において紙面に平行かつ光軸に垂直な方向が、矩形状ビームの長軸方向であり、図１（Ｂ）において紙面に平行かつ光軸に垂直な方向が、矩形状ビームの短軸方向である。
図１（Ａ）では、短軸方向のみに作用する光学系は想像線（破線）で示されている。図１（Ｂ）では、長軸方向のみに作用する光学系は想像線で示されている。
【００４０】
このレーザアニール装置１０は、レーザ光１をパルス発振する固体レーザ光源１２と、固体レーザ光源１２からのレーザ光１を整形して半導体膜３の表面において矩形状ビームに集光するビーム整形光学系１３と、矩形状ビームを半導体膜３に対して短軸方向に相対的に走査する走査手段とを備え、レーザ照射により半導体膜３を改質する。
【００４１】
本実施形態において、基板２はガラス基板（例えば無アルカリガラス）であり、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法などの成膜法により上記ガラス基板上にＳｉＯ２膜が例えば２００ｎｍ成膜され、その上に半導体膜３としてａ−Ｓｉ膜が例えば５０ｎｍ成膜される。
基板２は、基板ステージ５により保持され矩形状ビームの短軸方向に搬送される。基板ステージ５の移動により基板２上のａ−Ｓｉ膜に対して矩形状ビームを短軸方向に相対的に走査することができる。すなわち、本実施形態において基板ステージ５は、レーザ走査手段４を構成している。
【００４２】
基板ステージ５は、図示しない加熱手段により所定温度に加熱される。このとき、基板２の融点を超えない温度で加熱される。こうすることで、基板２が溶融することなく安定してレーザアニールを行うことができる。例えば、基板２が無アルカリガラスの場合、融点は約６００℃であるので、基板ステージ５は６００℃を超えない温度に加熱される。
【００４３】
固体レーザ光源１２は、例えば、２〜４ｋＨｚのパルス周波数でレーザ光１を出力する。このレーザ光１は、ガウシアン形状のエネルギープロファイルをもつ。固体レーザ光源１２の種類は特に限定されないが、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ、Ｎｄ：ガラスレーザ、Ｙｂ：ＹＡＧレーザ、Ｙｂ：ＹＬＦレーザ、Ｙｂ：ＹＶＯ４レーザ、Ｙｂ：ガラスレーザのいずれかを用いるのが良い。これらの固体レーザは信頼性が高く、安定したレーザエネルギーの利用を高い効率で実現することができる。また、シリコン膜に対しては、３３０ｎｍ〜８００ｎｍの可視光領域において吸収係数が高いため、固体レーザ光源１２としては、上記のＹＡＧレーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＶＯ４レーザ、ガラスレーザの第２又は第３高調波のレーザ光１を出射するものが好適である。
【００４４】
ビーム品質が良すぎると干渉縞が生じやすい。したがって、固体レーザ光源１２のビーム品質は、Ｍ２値で２０以上であることが好ましい。このような品質のレーザを用いることにより、干渉縞を低減することができる。
このような固体レーザ光源１２から出射されたレーザ光１は、ビーム整形光学系１３に入射する。
【００４５】
ビーム整形光学系１３は、固体レーザ光源１２からのレーザ光１を長軸方向及び短軸方向に拡大するビームエキスパンダ１４、入射するレーザ光１を半導体膜３の表面において矩形状ビームの長軸方向に作用して集光する長軸方向ホモジナイザ１９、及び入射するレーザ光１を半導体膜３の表面において矩形状ビームの短軸方向に作用して集光する短軸方向ホモジナイザ２５を備えている。
【００４６】
一構成例として示したビームエキスパンダ１４は、凸球面レンズ１５と、短軸方向に作用する短軸用シリンドリカルレンズ１６と、長軸方向に作用する長軸用シリンドリカルレンズ１７とからなる。この構成のビームエキスパンダ１４では、長軸方向と短軸方向の拡大率を別々に設定することができる。なお、ビームエキスパンダ１４は他の構成であってもよく、例えば、凹球面レンズと凸球面レンズとを組み合わせたものであってもよい。
【００４７】
図１（Ａ）に示すように、長軸方向ホモジナイザ１９は、入射するレーザ光１を長軸方向に複数に分割する複数の長軸用シリンドリカルレンズアレイ２０ａ，２０ｂと、長軸方向に複数に分割されたレーザ光１を半導体膜３の表面で長軸方向に重ね合わせる長軸用コンデンサレンズ２２とからなる。本実施形態では、２つの長軸方向シリンドリカルレンズアレイ２０ａ，２０ｂが光軸方向に間隔をおいて配置されている。
【００４８】
このように構成された長軸方向ホモジナイザ１９では、ビームエキスパンダ１４により拡大されたレーザ光１は、長軸用シリンドリカルレンズアレイ２０ａ，２０ｂにより長軸方向に複数に分割される。長軸用シリンドリカルレンズアレイ２０ａ，２０ｂを通過し分割されたレーザ光１は、長軸用コンデンサレンズ２２により基板２上の半導体膜３の表面において長軸方向に細長い矩形状ビームとして結像される。なお、長軸用コンデンサレンズ２２と基板２との間の光路には反射ミラー２３が配置されており、長軸用コンデンサレンズ２２からの出射光が基板２の方向へ反射されるようになっている。
基板２に照射される矩形状ビームの長軸方向の長さは、例えば数１０ｍｍとすることができる。この長軸方向ホモジナイザ１９により整形された矩形状ビームは、長軸方向のエネルギープロファイルが均一化され、ガウシアン形状からフラットトップ形状に変形する。
【００４９】
短軸方向ホモジナイザ２５は、入射するレーザ光１を短軸方向に集光する短軸用コンデンサレンズ２９と、短軸用コンデンサレンズ２９からの出射光を半導体膜３の表面に投影する投影レンズ３０とを有する。本実施形態において短軸方向ホモジナイザ２５は、さらに、短軸用コンデンサレンズ２９の光軸方向上流側の位置に、入射光を短軸方向に複数に分割する短軸用シリンドリカルレンズアレイ２６ａ，２６ｂを有しており、２つの短軸用シリンドリカルレンズアレイ２６ａ，２６ｂは光軸方向に間隔をおいて配置されている。
【００５０】
このように構成された短軸方向ホモジナイザ２５では、ビームエキスパンダ１４により拡大されたレーザ光１は、短軸用シリンドリカルレンズアレイ２６ａ，２６ｂにより短軸方向に複数に分割される。短軸用シリンドリカルレンズアレイ２６ａ，２６ｂを通過し分割されたレーザ光１は、短軸用コンデンサレンズ２９により短軸方向に集光され一次結像面Ｓで結像した後、投影レンズ３０により入射し、投影レンズ３０により一次結像面Ｓでの像が基板２上の半導体膜３の表面に短軸方向に縮小投影される。なお、短軸用コンデンサレンズ２９からのレーザ光１は反射ミラー２３により基板２の方向へ反射されるようになっている。
基板２に照射される矩形状ビームの短軸方向の長さは、例えば数１０μｍとすることができる。この短軸方向ホモジナイザ２５により整形された矩形状ビームは、短軸方向のエネルギープロファイルが均一化され、ガウシアン形状からフラットトップ形状に変形する。
【００５１】
図１（Ｂ）に示すように、レーザアニール装置１０は、さらに、位置変動検出器３１、レンズ移動機構３２及び制御装置３４を備える。
位置変動検出機構は、半導体膜３のレーザ照射部分における半導体膜３の垂直方向の位置変動を検出する。したがって、この位置変動検出器３１により、基板搬送装置の機械的誤差や基板表面の加工誤差に起因する半導体膜３の表面の位置変動を検出することができる。
【００５２】
位置変動検出器３１の数は、１つでも複数でも良い。位置変動検出器３１が１つの場合、半導体膜３のレーザ照射部分における矩形状ビームの長軸方向の中央位置について位置変動を検出し、この検出値を代表的な位置変動量とすることができる。位置変動検出器３１が複数の場合、半導体膜３のレーザ照射部分における矩形状ビームの長軸方向の複数点について位置変動を検出し、これらの平均値を位置変動量とすることができる。
【００５３】
位置変動検出器３１は、非接触式変位センサであることが好ましい。このような非接触式変位センサを用いることにより、半導体膜３の位置変動をリアルタイムで高精度に検出することができる。そのような非接触式変位センサの一例として、本実施形態ではレーザ式変位センサを示しているが、その他、渦電流式変位センサ、超音波式変位センサ等であってもよい。
【００５４】
レンズ移動機構３２は、短軸用コンデンサレンズ２９を光軸方向に移動させる機能を有する。制御装置３４は、位置変動検出器３１からの検出値に基づいてレンズ移動機構３２を制御する移動機構制御部３５を有する。
短軸用コンデンサレンズ２９を光軸方向に移動させると、その移動量に応じて一次結像面Ｓの位置も光軸方向に移動する。また、投影レンズ３０による投影点（焦点位置）は、一次結像面Ｓの位置の移動量に応じて移動する。
【００５５】
したがって、位置変動検出器３１により半導体膜３のレーザ照射部分における半導体膜３の垂直方向の位置変動を検出し、この検出値に基づいて移動機構制御部３５により短軸用コンデンサレンズ２９を光軸方向に移動させることにより、基板搬送装置の機械的誤差等による半導体膜３の位置変動が生じても、矩形状ビームの短軸方向の焦点位置を半導体膜３の表面に合わせることができる。このように、フィードバック制御によりレンズ移動機構３２の駆動を制御することにより、短軸方向の焦点位置の補正を自動制御により実現することができる。
【００５６】
図２に、レーザ照射部分（加工面）の変動量と短軸用コンデンサレンズ２９の移動量との関係を示す。図２において、（Ａ）は短軸用コンデンサレンズ２９と投影レンズ３０の焦点距離がそれぞれ６５０ｍｍ、３００ｍｍの場合であり、（Ｂ）は短軸用コンデンサレンズ２９と投影レンズ３０の焦点距離がそれぞれ７５０ｍｍ、３００ｍｍの場合である。
【００５７】
図２（Ａ）の場合、レーザ照射部分が±０．５ｍｍ変動した場合、短軸用コンデンサレンズ２９を±３０ｍｍ移動させることで、矩形状ビームの短軸方向の焦点位置を半導体膜３の表面に合わせることができる。
図２（Ｂ）の場合、レーザ照射部分が±０．５ｍｍ変動した場合、短軸用コンデンサレンズ２９を±４０ｍｍ移動させることで、矩形状ビームの短軸方向の焦点位置を半導体膜３の表面に合わせることができる。
このように、半導体膜３のミクロンオーダーの位置変動量に対する短軸用コンデンサレンズ２９の位置補正量はミリオーダーとなる。
【００５８】
焦点位置の補正に際して移動させる短軸用コンデンサレンズ２９は、投影レンズ３０よりも光軸方向の上流側に配置され且つサイズが小さく軽量である。
したがって、本実施形態によれば、小サイズ且つ軽量の短軸用コンデンサレンズ２９の位置をミリオーダーの精度で補正すればよいため、焦点位置の補正を容易に行うことができる。
【００５９】
［第２実施形態］
図３に、本発明の第２実施形態にかかるレーザアニール装置１０の概略構成を示す。
本実施形態のレーザアニール装置１０は、複数の短軸用シリンドリカルレンズアレイ２６ａ，２６ｂの間隔を調整する間隔調整機構３７を備えている。本実施形態では、光軸方向上流側の短軸用シリンドリカルレンズアレイ２６ａを光軸方向に移動させることにより、２つの短軸用シリンドリカルレンズアレイ２６ａ，２６ｂの間隔を調整するようになっている。ただし、光軸方向下流側の短軸用シリンドリカルレンズ２６ｂ又は２つの短軸用シリンドリカルレンズアレイ２６ａ，２６ｂの両方を光軸方向に移動させることにより、両者の間隔を調整するようにしてもよい。制御装置３４は、位置変動検出器３１からの検出値に基づいて間隔調整機構３７を制御する調整機構制御部３６を有する。その他の部分は、第１実施形態と同様である。
【００６０】
図４に、複数のシリンドリカルレンズアレイの間隔を一定とした場合の、レーザ照射部分（加工面）の変動量とレーザ照射部分における像の大きさの変動率との関係を示す。図４において、（Ａ）は短軸用コンデンサレンズ２９と投影レンズ３０の焦点距離がそれぞれ６５０ｍｍ、３００ｍｍの場合であり、（Ｂ）短軸用コンデンサレンズ２９と投影レンズ３０の焦点距離がそれぞれ７５０ｍｍ、３００ｍｍの場合である。
図４（Ａ）及び（Ｂ）のいずれの場合も、レーザ照射部分が±０．５ｍｍ変動した場合、像の変動率は１．５％以下である。
【００６１】
短軸用コンデンサレンズ２９を通過したレーザ光１の一次結像面の像の大きさＤを決定する要素には、その上流側に配置された複数の短軸用シリンドリカルレンズアレイ２６ａ，２６ｂの合成焦点距離ｆ０が含まれる。具体的には、一次結像面の像の大きさＤは、下記（１）式で示される。ただし、ｗは短軸用シリンドリカルレンズアレイ２６ａ，２６ｂを構成する各シリンドリカルレンズアレイの短軸方向の幅であり、ｆ１は短軸用コンデンサレンズ２９の焦点距離である。
Ｄ＝ｗ・（ｆ１／ｆ０）・・・（１）
【００６２】
また、複数の短軸用シリンドリカルレンズアレイ２６ａ，２６ｂの合成焦点距離ｆ０を決定する要素には、各レンズアレイの光軸方向の間隔ｄが含まれる。具体的には、合成焦点距離ｆ０は、下記（２）式で示される。ただし、ｆ０´は各短軸用シリンドリカルレンズアレイ２６ａ，２６ｂの焦点距離である。
ｆ０＝（ｆ０´×ｆ０´）／（２ｆ０´−ｄ）・・・（２）
【００６３】
したがって、複数の短軸用シリンドリカルレンズの間隔を変化させることにより、短軸用コンデンサレンズ２９を通過したレーザ光１の一次結像面の像の大きさを調整することができ、結果として、短軸方向の焦点位置におけるビームサイズを調整することができる。
【００６４】
よって、本実施形態によれば、位置変動検出器３１により半導体膜３のレーザ照射部分について半導体膜３に対して垂直方向の位置変動を検出し、この検出値に基づいて調整機構制御部３６により間隔調整機構３７制御部を制御して、短軸用シリンドリカルレンズアレイ２６ａ，２６ｂを光軸方向に移動させて各シリンドリカルレンズアレイの間隔を調整し、短軸方向の焦点位置におけるビームサイズを調整することにより、半導体膜３上のレーザ照射部分の位置が変動しても、短軸方向について同一サイズのビームを半導体膜３に照射することができる。このように、フィードバック制御により間隔調整機構３７の駆動を制御することにより、短軸方向の焦点位置における像の大きさの調整を自動制御により実現することができる。
【００６５】
［第３実施形態］
図５に、本発明の第３実施形態にかかるレーザアニール装置１０の概略構成を示す。
本実施形態では、第１実施形態における短軸用シリンドリカルレンズアレイ２６ａ，２６ｂが設置されていない。その他の部分は、第１実施形態と同様である。
したがって本実施形態では短軸方向のエネルギープロファイルはガウシアン形状のままであるが、第１実施形態と同様に、位置変動検出器３１からの検出値に基づいて短軸用コンデンサレンズ２９を光軸方向に移動させることにより、矩形状ビームの短軸方向の焦点位置を半導体膜３の表面に合わせることができる。
【００６６】
［その他の実施形態１］
上記の各実施形態において、ビーム整形光学系は、レーザ光の干渉作用を低減する干渉低減光学系を有することが好ましい。このような干渉低減光学系の構成例を図６に示す。図６に示す干渉低減光学系は、（Ａ）のレーザ光の長軸方向の干渉作用を低減する長軸用干渉低減光学系１８と、（Ｂ）の短軸方向の干渉作用を低減する短軸用干渉低減光学系２４とからなる。
【００６７】
図６（Ａ）に示すように長軸用干渉低減光学系１８は、長軸用シリンドリカルレンズアレイ２０ａ，２０ｂの光軸方向上流側に配置される。長軸用干渉低減光学系１８は、複数の透明ガラス板１８ａからなる。各透明ガラス板の幅は長軸用シリンドリカルレンズアレイ２０ａ，２０ｂを構成する各シリンドリカルレンズの幅と同一であり、各透明ガラス板１８ａはレーザ光１のコヒーレント長よりも長い所定の長さだけ光軸方向の長さが異なるものが長軸方向に配列されている。この長軸方向干渉低減光学系１８により、各透明ガラス板１８ａを通過したレーザ光１の光路はガラスの長さ分だけ長くなるため、それぞれのレーザ光１はコヒーレント長より長い距離の光路差が生じ、コヒーレント性の影響がなくなり、互いに干渉しなくなる。
【００６８】
図６（Ｂ）に示すように短軸用干渉低減光学系２４は、短軸用シリンドリカルレンズアレイ２６ａ，２６ｂの光軸方向上流側に配置される。複数の透明ガラス板２４ａからなる。各透明ガラス板２４ａの幅は短軸用シリンドリカルレンズアレイ２６ａ，２６ｂを構成する各シリンドリカルレンズの幅と同一であり、各透明ガラス板２４ａはレーザ光１のコヒーレント長よりも長い所定の長さだけ光軸方向の長さが異なるものが短軸方向に配列されている。この短軸用干渉低減光学系２４により、各透明ガラス板２４ａを通過したレーザ光１の光路はガラスの長さ分だけ長くなるため、それぞれのレーザ光１はコヒーレント長より長い距離の光路差が生じ、コヒーレント性の影響がなくなり、互いに干渉しなくなる。
【００６９】
なお、干渉低減光学系は、通過する光をランダム偏光に変換する機能を有する偏光解消素子により構成されるものであってもよく、あるいはその他の公知の構成を採用してもよい。たとえば、特開２００２−３２１０８１号公報に記載された構成や、特開２００４−３４１２９９号公報の図４に記載された構成を採用してもよい。
【００７０】
［その他の実施形態２］
上記の各実施形態において、上記の固体レーザ光源１２を複数備えるとともに、さらに複数の固体レーザ光源１２からのレーザ光を時間的及び／又は空間的に合成する手段を備えることが好ましい。このような合成手段は、例えば、反射ミラーと偏光ビームスプリッタの組み合わせによって構成することができる。
このように複数のレーザ光を合成することで、時間的に（パルス周期を互いにずらして）合成した場合には合成レーザ光のパルス周波数を数倍にすることができ、空間的に（パルス周期を一致させて）合成した場合には合成レーザ光のエネルギー密度を数倍にすることができる。したがって、ビームの走査速度を上げることができ、結果として、アニール処理速度を向上させるこができる。なお、３つ以上のレーザ光を合成する場合は、時間的合成と空間的合成を組み合わせてもよい。
【００７１】
［その他の実施形態３］
上記の各実施形態において、さらに、半導体膜が形成された基板を内部に収容し基板の収容空間を真空若しくは不活性ガス雰囲気にするチャンバー又は基板のレーザ照射部分及びその周囲の限定的な範囲にのみ不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段を備えることが好ましい。上記のチャンバー及び不活性ガス供給手段の構成例を図７に示す。
図７（Ａ）に示すチャンバー４０は、基板２を保持する基板ステージ５を内部に有しており、内部を真空又は不活性ガス雰囲気にできるように構成されている。基板ステージ５は、矩形状ビームに整形されたレーザ光１を短軸方向に走査するために、短軸方向に移動可能に構成されている。レーザ光１はチャンバー４０に設けられた透過窓４１を通過して基板２に照射される。
【００７２】
また、図７（Ｂ）に示す不活性ガス供給手段４３は、基板２に平行に近接対向する下面４４を有しこの下面４４と基板２との間に不活性ガス４７の流路を形成するとともにレーザ光１を透過させる透過窓４５を有する平行対向体４６と、ビーム長軸方向に流量が均一化された不活性ガス４７をレーザ光１の照射部分からビーム短軸方向に所定間隔を置いた位置において基板２の表面に向けて噴射するガス噴射手段４８と、を備える。
【００７３】
レーザアニールにおいて基板２上の半導体膜にレーザ光１を照射する際、レーザ照射部分に大気が触れると、基板表面に凹凸が形成される、基板表面に酸化膜が形成されるあるいは結晶化プロセスにおいて作製される結晶粒が小さくなる、といった問題が発生する。
上記構成のチャンバー４０又は不活性ガス供給手段４３を備えることにより、レーザ照射部分に大気が触れることを阻止することができ、上記の諸問題を回避することができる。
なお、不活性ガス供給手段４３は、図７（Ｂ）に示した構成に限定されず、基板２のレーザ照射部分及びその周囲の限定的な範囲にのみ不活性ガスを供給する機能を有する範囲で他の構成であってもよい。例えば、特許第３５０２９８１号公報の図２や図４に示された構成であってもよい。
【００７４】
上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるレーザアニール装置の概略構成図である。
【図２】レーザ照射部分（加工面）の変動量と短軸用コンデンサレンズの移動量との関係を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態にかかるレーザアニール装置の概略構成図である。
【図４】レーザ照射部分（加工面）の変動量とレーザ照射部分における像の大きさの変動率との関係を示す図である。
【図５】本発明の第３実施形態にかかるレーザアニール装置の概略構成図である。
【図６】本発明の他の実施形態にかかるレーザアニール装置の長軸用干渉低減光学系と短軸用干渉低減光学系の構成を示す図である。
【図７】本発明の他の実施形態にかかるレーザアニール装置のチャンバー及び不活性ガス供給手段の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７６】
１  レーザ光
２  基板
３  半導体膜
４  走査手段
５  基板ステージ
１０  レーザアニール装置
１２  固体レーザ光源
１３  ビーム整形光学系
１４  ビームエキスパンダ
１５  凸球面レンズ
１６  短軸用シリンドリカルレンズ
１７  長軸用シリンドリカルレンズ
１８  長軸用干渉低減光学系
１９  長軸用ホモジナイザ
２０ａ，２０ｂ  長軸用シリンドリカルレンズアレイ
２２  長軸用コンデンサレンズ
２４  短軸用干渉低減光学系
２５  短軸用ホモジナイザ
２６ａ，２６ｂ  短軸用シリンドリカルレンズアレイ
２９  短軸用コンデンサレンズ
３０  投影レンズ
３１  位置変動検出器
３２  レンズ移動機構
３４  制御装置
３５  移動機構制御部
３６  調整機構制御部
３７  間隔調整機構
４０  チャンバー
４３  不活性ガス噴射手段
【図１】
2008159836.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2008159836.tif 000007
【図６】
2008159836.tif 000008
【図７】
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