(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多結晶半導体膜の製造方法であって、
（ａ）第１の偏光方向を有する第１のレーザ光を、整形光学部を介して非晶質の半導体膜に照射する工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）の後、、所定の遅延時間経過後に、第２の偏光方向を有する第２のレーザ光を前記整形光学部を介して前記半導体膜に照射する工程
を含み、
前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光は固体レーザから出射され、
前記第１の偏光方向と前記第２の偏光方向は交差し、
前記所定の遅延時間は、前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光が前記半導体膜上で互いに干渉しないように定められ、
前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とは合波されて前記整形光学部によってトップフラットの空間強度分布に整形する多結晶半導体膜の製造方法。
【請求項２】
前記第１のレーザ光を照射し、前記半導体膜が溶融した後、
前記半導体膜が固化する前に前記第２のレーザ光を前記半導体膜に照射するように、前記所定の遅延時間が定められる請求項１に記載の多結晶半導体膜の製造方法。
【請求項３】
前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光は直線偏光である請求項１または２に記載の多結晶半導体膜の製造方法。
【請求項４】
前記第１の偏光方向と前記第２の偏光方向は直交している請求項１〜３のいずれか１項に記載の多結晶半導体膜の製造方法。
【請求項５】
前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光は、トップフラット形状の空間強度分布を有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の多結晶半導体膜の製造方法。
【請求項６】
前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光はパルス状に前記半導体膜に照射され、
前記所定の遅延時間は前記第１レーザ光および前記第２のレーザ光のパルス幅よりも短い請求項１〜５のいずれか１項に記載の多結晶半導体膜の製造方法。
【請求項７】
前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光の進行方向に垂直な断面形状は矩形である請求項１〜６のいずれか１項に記載の多結晶半導体膜の製造方法。
【請求項８】
前記固体レーザはＹＡＧレーザである請求項１〜７のいずれか１項に記載の多結晶半導体膜の製造方法。
【請求項９】
前記半導体膜はシリコン膜またはゲルマニウム膜のいずれかからなる請求項１〜８のいずれか１項に記載の多結晶半導体膜の製造方法。
【請求項１０】
レーザ光を出射する固体レーザと、
前記レーザ光を第１の偏光方向を有する第１のレーザ光と第２の偏光方向を有する第２のレーザ光に分岐するレーザ光分岐部と、
前記第１のレーザ光が伝播する第１の光路と、
前記第２のレーザ光が伝播する第２の光路と、
前記第１の光路および前記第２の光路を通過した後に前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光が合波され伝播する第３の光路を有し、
前記第３の光路を通過した前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光は被処理半導体膜に照射可能であり、
前記第１の偏光方向と前記第２の偏光方向は交差し、
前記第２の光路の光路長は前記第１の光路の光路長よりも長く、
前記第３の光路は整形光学部を含み、
前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光は前記整形光学部によってトップフラットの空間強度分布に整形されるレーザアニール装置。
【請求項１１】
前記第２の光路の光路長と前記第１の光路の光路長の差は、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光の可干渉距離以上である請求項１０記載のレーザアニール装置。
【請求項１２】
前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光は直線偏光である請求項１０または１１記載のレーザアニール装置。
【請求項１３】
前記第１の偏光方向と前記第２の偏光方向は直交している請求項１０〜１２のいずれか１項に記載のレーザアニール装置。
【請求項１４】
前記レーザ光分岐部は第１の偏光ビームスプリッタからなることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載のレーザアニール装置。
【請求項１５】
前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光は第２の偏光ビームスプリッタによって合波される請求項１０〜１４のいずれか１項に記載のレーザアニール装置。
【請求項１６】
前記第２の光路は複数の反射鏡によって形成される請求項１０〜１５のいずれか１項に記載のレーザアニール装置。
【請求項１７】
前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光は、波長板によって、その偏光方向が互いに直交となる請求項１０〜１６のいずれか１項に記載のレーザアニール装置。
【請求項１８】
前記固体レーザはＹＡＧレーザである請求項１０〜１７のいずれか１項に記載のレーザアニール装置。
【請求項１９】
基板上に形成された多結晶半導体膜、ゲート絶縁膜およびゲート電極を有し、
前記多結晶半導体膜内にソース領域、ドレイン領域およびチャネル領域が形成された薄膜トランジスタの製造方法であって、
前記多結晶半導体膜は、請求項１〜９のいずれか１項に記載の多結晶半導体膜の製造方法によって製造される薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項２０】
前記基板はガラスまたはプラスチックからなる請求項１９に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項２１】
複数の画素を有し、薄膜トランジスタを前記画素の制御に用いるディスプレイを製造する方法であって、
前記薄膜トランジスタは、請求項１９または２０に記載された薄膜トランジスタの製造方法により製造されるディスプレイの製造方法。
【請求項２２】
前記ディスプレイが液晶ディスプレイまたは有機発光ディスプレイであることを特徴とする請求項２１記載のディスプレイの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、多結晶半導体膜の製造方法、該多結晶半導体膜を製造するためのレーザアニール装置、薄膜トランジスタ、および該薄膜トランジスタを用いたディスプレイに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液晶ディスプレイ、有機ＥＬ（ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイ等においては、画素のスイッチング用に多結晶シリコン膜をチャネル領域とする薄膜トランジスタ（ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ））が用いられている。多結晶膜の製造方法として、非晶質（アモルファス）のシリコンにレーザビームを照射して熱処理を行うレーザアニール法が知られている。非晶質のシリコンに比べ多結晶シリコンは電子移動度が大きいため、ＴＦＴのスイッチング動作が高速となる。
レーザアニール法に用いられる装置として、希ガスやハロゲンなどの混合ガスを用いてレーザビームを発生させるエキシマレーザアニール装置（以下、ＥＬＡ装置）が知られている。ＥＬＡ装置は非晶質のシリコンを多結晶化する際に、結晶粒径が均一で良質な結晶が作成しやすいことから広く普及している。
【０００３】
一方、ＥＬＡ装置はランニングコストが高いことが課題となっている。レーザには、エキシマレーザの他に固体材料を用いた固体レーザが知られている。固体レーザ装置はＥＬＡ装置に比較してランニングコストは低い。しかし、固体レーザを用いた装置では、ＥＬＡ装置と比較して、良質な多結晶の半導体膜を安定して形成できないという課題がある。
【０００４】
特許文献１の方法では、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て、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ものとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１３０７１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、本発明者らの研究によれば、レーザ光を交互に照射したのみでは、良質な結晶構造を有する半導体膜、特に多結晶半導体膜が得られないことが判明している。
【０００７】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、固体レーザを非晶質の半導体膜に照射し、良質な結晶構造を有する半導体膜を形成することを目的の一つとする。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願の一実施の形態においては、  
固体レーザから出射された互いに交差する偏光方向を有する複数のレーザ光を、互いに干渉しないように非晶質の半導体膜に照射することによって、多結晶半導体膜を製造する方法が開示される。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【発明の効果】
【０００９】
前記一実施の形態によれば、固体レーザを用いることによって、非晶質の半導体膜から良質な多結晶半導体膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態におけるレーザアニール装置の概略構造を示す図である。
【図２】同じく、Ａ図は、合波後のパルス波形を示す図であり、Ｂ図は、パルス波形の形状を示す図である。
【図３】同じく、Ａ図は、合波後のパルス波形の他例を示す図であり、Ｂ図は、被処理半導体の温度の時間変化を示す図である。
【図４】同じく、レーザ光による照射領域の走査を説明する図である。
【図５】本発明の一実施形態における半導体素子の製造過程を示すフロー図である。
【図６】本発明の一実施形態におけるディスプレイに関し、Ａ図は、本発明のディスプレイの画素を示す図であり、Ｂ図は、同じく、ディスプレイの一部構造における概略断面を示す図である。
【図７】本発明の液晶ディスプレイの製造過程を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本願において、実施形態の記載は、必要に応じて、便宜上複数のセクションに分けて記載する場合もあるが、特にそうでない旨明示した場合を除き、これらは相互に独立別個のものではなく、単一の例の各部分、一方が他方の一部詳細または一部または全部の変形例等である。また、原則として、同様の部分は繰り返しを省略する。また、実施態様における各構成要素は、特にそうでない旨明示した場合、理論的にその数に限定される場合および文脈から明らかにそうでない場合を除き、必須のものではない。
【００１２】
（実施形態１）
＜＜レーザアニール装置の構成＞＞  
以下に、一実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。
レーザアニール装置１は、レーザアニール処理を行う空間にステージ９が設けられており、この装置では、ステージ９は、紙面に対し垂直方向（Ｙ方向）に移動可能とされている。ステージ９は、さらにＸ方向への移動が可能となったものであってもよい。なお、ステージ９付近の空間には、処理室を設けて雰囲気調整を行い、外部からビームを導入するようにしてもよい。
【００１３】
レーザアニール時には、ステージ９上には、基板に非晶質の半導体膜が形成された基板８が設置される。ここで、被処理半導体膜の例としてはシリコン膜、ゲルマニウム膜等が挙げられる。ただし、これらの半導体膜に限定されるものではない。
【００１４】
被処理半導体膜が形成される基板８は、その材質が特に限定されるものではないが、ガラス基板やプラスチック基板を用いることができる。
【００１５】
ステージ９とは離れた位置には、固体レーザ１０が設置されている。固体レーザ１０からはパルスレーザ光が出射される。固体レーザに用いる媒質の例としてはＹＡＧ、ＹＬＦ、ルビーまたはガラス等が挙げられる。
この実施形態では、固体レーザ１０からは、偏光されたパルスレーザ光が出力される。固体レーザから出射されるレーザ光の偏光状態は、主として、直線偏光である。なお、レーザから出射されるレーザ光の種別は特に限定されるものではなく、パルス発振レーザ光、連続発振レーザ光のいずれのレーザ光を出力するものであってもよい。
【００１６】
レーザ光２は、必要に応じてアテニュエータ（図示しない）でエネルギー密度が調整され、その出力方向に、λ／２波長板１１、偏光ビームスプリッタ（レーザ光分岐部）１２が配置されている。
偏光ビームスプリッタ１２の透過側には、偏光ビームスプリッタ１４が配置されている。  一方、偏光ビームスプリッタ１２の反射側には、反射鏡１３Ａ、１３Ｂが光束の進行方向に対し、４５度の傾きで配置されており、反射鏡１３Ｂの反射側は、偏光ビームスプリッタ１４の反射面側にレーザ光が入射するように配置されている。
上記したλ／２波長板１１、偏光ビームスプリッタ１２、１４は、偏光調整部を構成する。なお、偏光調整部の種類や組み合わせは特に限定されるものではなく、λ／４波長板や、偏光子、偏光フィルターなどを用いることができる。偏光調整部の組み合わせは、レーザから出力されるレーザ光の偏光状態によっても異なる場合がある。
【００１７】
偏光ビームスプリッタ１４では、透過光と反射光とが同じ方向に出射され、出射先前方に、整形光学系モジュール１５が位置している。整形光学系モジュール１５は、偏光ビームスプリッタ１４から出射されるレーザ光を基板８側に反射する反射鏡１５Ａと、反射方向に位置する整形光学系１５Ｂ（整形光学部）とを有している。整形光学系モジュール１５には、さらに、他の光学部材、例えば集光レンズなどの適宜の光学部材を含むものとしてもよい。
【００１８】
整形光学系モジュール１５は、図示しないステージによってＸ方向に移動することができる。ステージ９のＹ方向移動（図面垂直方向）と、整形光学系モジュール１５のＸ方向移動とによって、レーザ光を、基板８に対し相対的に、Ｘ方向やＹ方向、また斜め方向に移動させることができる。
なお、この実施形態では、レーザ光を基板８に対し相対的に移動させるために、レーザ光側と基板８側とをそれぞれ移動させるものとしたが、いずれか一方のみが所定の方向に移動するように構成されるものであってもよい。
【００１９】
整形光学系１５Ｂは、入射されるレーザ光を所定のビーム断面形状に整形するとともに、トップフラットの空間強度分布を有するビームに整形する。ビーム断面形状は特に限定されるものではないが、照射面上において矩形となる形状が望ましい。
【００２０】
また、空間強度分布は、エネルギー密度が平坦な領域が主体となる。具体的には、例えば、空間強度分布において、最大エネルギー強度の９０％以上の平坦領域が、最大エネルギー強度が１０〜９０％の領域に対し、１００％以上の空間範囲を有するものが例示される。なお、平坦領域の片側または両側はスティープネス領域として存在してもよい。
この実施形態では、整形光学系モジュール１５には、反射鏡１５Ａと整形光学系１５Ｂとを有している。整形光学系１５Ｂには、ビームホモジナイザなどを用いることができる。ビームホモジナイザには、コリメートレンズ、シリンドリカルレンズ、フライアイレンズ、スリットなどの適宜の光学部材を含むことができる。
【００２１】
また、レーザアニール装置１には、固体レーザ１０の出力を制御し、ステージ９の移動、整形光学系モジュール１５の移動を制御する制御部１７を有している。制御部１７は、制御ＣＰＵと制御ＣＰＵで実行されるプログラムや動作パラメータを格納した記憶部などによって構成することができる。
【００２２】
＜＜エキシマレーザとの比較＞＞
固体レーザとエキシマレーザの比較を以下に説明する。
エキシマレーザは媒質に塩素等のガスを使用するため、状態を一定に保つために定期的なガス交換を必要とする。このため、維持費が高くなるといった問題がある。一方、固体レーザはエキシマレーザのようなガス交換の必要がないため、エキシマレーザに比べ維持費が安くなるという特徴がある。
また、エキシマレーザは偏光をランダムに発振するため、固体レーザのように直線偏光を制御性良く発振することはできない。このため、Ｐ波とＳ波のような偏光方向が交差する直線偏光の光の強度比を一定にすることはできない。ここで、本願においては、レーザ光の電界の振動方向を偏光方向と定義する。
さらに、高出力の固体レーザから発振されるレーザ光はエキシマレーザから発振されるレーザ光と比べて半導体膜への浸透深さが深く、半導体膜と基板界面の低温部分から固化し、１回の照射で結晶に規則構造が発生するという特徴がある。ここで、高出力の固体レーザとは、エキシマレーザと同程度の出力を有するものを意味している。一例としては、５０Ｗ程度以上の出力の固体レーザである。
【００２３】
＜＜レーザアニール装置の動作＞＞    
次に、レーザアニール装置１の動作について説明する。
固体レーザ１０からは、レーザ光２が出力される。レーザ光２は、光軸方向を調整したλ／２波長板１１に入射される。なお、必要に応じて図示しないアテニュエータでエネルギー強度を調整するものとしてもよい。
【００２４】
λ／２波長板１１に入射されたレーザ光２は、光軸を中心に偏光面が４５度回転した直線偏光となる。λ／２波長板１１の出射方向には、偏光ビームスプリッタ１２が位置しており、レーザ光２は透過光と反射光に分けられる。偏光ビームスプリッタ１２による偏光調整によって、基板８を基準にして、透過光はレーザ光２Ａとなり、反射光はレーザ光２Ｂとなる。レーザ光２Ａとレーザ光２Ｂの偏光方向は交差しており、特に直交していることが望ましい。レーザ光２Ａとレーザ光２Ｂの偏光方向が直交しているとき、レーザ光２Ａおよびレーザ光２Ｂは、それぞれＰ波およびＳ波またはＳ波およびＰ波である。レーザ光分岐部の構成が偏光ビームスプリッタに限定されるものではなく、単なるビームスプリッタなどによって構成されるものであってもよく、ファイバーカプラーなどのその他の構成によってレーザ光を分岐するものであってもよい。
偏光したレーザ光を非晶質の半導体膜に照射すると、電界の振動方向に結晶粒界の間隔がほぼ均一な規則的な構造が得られる。直交する偏光方向のレーザ光２Ａおよびレーザ２Ｂを非晶質の半導体膜が形成された基板８に照射することで、直交する方向に結晶粒がほぼ均一である多結晶半導体膜を得ることができる。
【００２５】
レーザ光２Ａの出射方向には偏光ビームスプリッタ１４が位置しており、偏光面を維持したままで透過する。
偏光ビームスプリッタ１２で反射方向に分岐したレーザ光２Ｂは、反射鏡１３Ａ、１３Ｂによって反射された後に偏向ビームスプリッタ１４の反射面側に入射され、偏光面を維持したままでレーザ光２Ａの透過方向と同じ経路に出射される。
【００２６】
レーザ光２Ａとレーザ光２Ｂとは偏光ビームスプリッタ１４で合波されてレーザ光３となる。レーザ光２Ｂは、反射鏡１３Ａ、１３Ｂを経て偏向されているため、レーザ光２Ａよりも光路長が長くなっている。レーザ光３は、パルス状のレーザ光２Ａおよびレーザ光２Ａから遅延して照射されるパルス状のレーザ光２Ｂを含む。
【００２７】
ここで、レーザ光２Ａとレーザ光２Ｂの光路長は反射鏡の配置によってのみ調整されるものではない。各種光学部材の設置や距離の変更によっても調整可能であり、その手段が特に限定されるものではない。
なお、レーザ光２Ａとレーザ光２Ｂの光路差は、反射鏡１３Ａ、１３Ｂの位置を変えることで調整可能であり、駆動装置を用いて制御部１７の制御によって移動調整可能としてもよい。
【００２８】
レーザ光３は、整形光学系モジュール１５に入射され、反射鏡１５Ａで反射した後、整形光学系１５Ｂに入射される。整形光学系１５Ｂによって、空間強度分布をトップフラット形状に整形する。さらに、この実施形態では、ビーム断面形状を矩形状に整形している。
また、レーザ光２は、偏光ビームスプリッタ１２、１４を経ているため、偏光ビームスプリッタ１２、１４の透過率、反射率を同じにすることで、レーザ光２Ａとレーザ光２Ｂのエネルギー密度を同じにすることができる。また、偏光ビームスプリッタ１２、１４の透過率、反射率を変えることも可能である。
照射面上のエネルギー密度が特に限定されるものではないが、例えば、非晶質のシリコン膜を多結晶化する場合、１８０〜８００ｍＪ／ｃｍ２のエネルギー密度を例示することができる。
【００２９】
レーザ光３は、整形光学系モジュール１５を経て、基板８の照射面上に照射される。この際に、整形光学系モジュール１５とステージ９とは制御部１７の制御を受けて移動制御される。また、ステージ９は、Ｘ方向に位置移動することができる。
図２Ａは、レーザ光３が基板８に照射された際におけるレーザ光２Ａ、レーザ光２Ｂによる光強度の時間的変化を示すものである。
レーザ光２Ａが先に照射された後、遅延時間Δｔをおいてレーザ光２Ｂのが照射される。同一のレーザから出力されたレーザ光２Ａ、２Ｂが照射面上ある基板８上で可干渉距離を超える光路差を有するように遅延時間Δｔを有していることが必要とされる。
ここで、照射面上における分岐後のレーザ光２Ａの光路長とレーザ光２Ｂの光路長の差を光路差Δｌ、光速をｃとすると、遅延時間Δｔは、下記式で算出される。
Δｔ＝Δｌ／ｃ    …式
また、可干渉距離は、レーザ光２の波長成分などによって算出することができる。
ここで示す可干渉距離は、レーザ発振器から発した光を２つの光に分岐・合波し、合波した光の干渉縞を観察することで求められる。具体的には、図１と同様にビームスプリッタ１２で光を分岐、１４で合波して、合波する光の入射角の差がθと異なるよう、図１では反射鏡１３で調整する。２つの光の光路差が同じであると、λ・ｓｉｎθの間隔の干渉縞が見られる。光路差を大きくしていくと干渉縞が見られなくなり、この干渉縞が見られなくなるときの光路差を可干渉距離とする。
【００３０】
図２Ｂは、レーザ光２Ａ、２Ｂのビームの進行方向に垂直な面の断面形状と空間強度分布を示している。レーザ光２Ａ、２Ｂは、同じビーム断面形状を有しており、本実形態では平面視で矩形の形状を有している。
また、レーザ光２Ａ、２Ｂは、トップフラットの空間強度分布を有している。図２Ｂに示すように、レーザ光２Ａ、２Ｂのビームプロファイル２０Ａ、２０Ｂでは、平坦部２１Ａ、２１Ｂを有し、その周囲にスティープネス部２２Ａ、２２Ｂを有している。平坦部は、例えば、最大エネルギー強度の９０％以上の平坦領域が、最大エネルギー強度が１０〜９０％の領域に対し、１００％以上の時間範囲を有するものである。平面視で矩形形状を有している場合には、矩形の短軸および長軸ともにトップフラット形状となっていることが望ましい。
本装置ではレーザ光２Ａとレーザ光２Ｂの両方をトップフラット形状にすることで直交する方向の照射条件を同じにすることができる。
【００３１】
なお、図２Ａでは、レーザ光２Ａとレーザ光２Ｂとが時間的に一時的に重なるようにして照射面に照射される形態で示しているが、レーザ光による照射状態によっては、図３Ａに示すように、レーザ光２Ａ、２Ｂの照射が時間的に重ならないようにしてもよい。
また、レーザ光２Ｂは、レーザ光２Ａが照射されてから所定の遅延時間の後に照射されるが、この遅延時間が大きくなりすぎると、レーザ光２Ａで溶融したシリコン膜が固化してしまい、レーザ光２Ｂの照射による加熱効果が十分に得られなくなる。
【００３２】
図３Ｂは、レーザ光が照射された際の照射面上の温度を示すものである。レーザ光２Ａが照射されると、次第に温度が上がってピーク温度になり、その後、レーザ光２Ａのエネルギー密度の低下に伴って半導体膜の温度が低下する。この際に、半導体膜の温度が固化温度にまで下がる前に、レーザ光２Ｂを照射して固化を回避することで、半導体膜が均等に加熱され、結晶粒径がほぼ均等である良質な結晶が得られる。レーザ光２Ａとレーザ光２Ｂの遅延時間Δｔは、レーザ光２Ａを照射した後半導体膜が固化（固化が始まる状態以降）する前に、レーザ光２Ｂを照射し半導体膜を溶融することが可能なように定める。遅延時間Δｔは、レーザ２Ａとレーザ光２Ｂの光路長差を調整することにより適宜定めることができる。
なお、レーザ光２Ａが照射され、半導体膜の固化前にレーザ光２Ｂを照射するので、レーザ光２Ｂのエネルギー密度をレーザ光２Ａのエネルギー密度よりも小さくするようにしてもよい。
【００３３】
また、上記レーザ光の照射では、レーザ光の照射位置を徐々に変更したオーバーラップ照射によって行われる。図４は、オーバーラップ照射の状態を説明する図である。
なお、図４では、Ｙ方向のレーザ光移動は、ステージ９の移動により行い、Ｘ方向のレーザ光移動は、整形光学系モジュール１５の移動によって行われる。この図では、照射面の横方向がＸ方向を示し、縦方向がＹ方向を示している。
この例では、Ｘ方向のスキャン長はＬで表され、Ｙ方向のスキャン長は、Ｙ方向の一走査あたりＳで示される。
ステージ９は、図１示奥側にＶＳの速度で移動することで、図４示で、レーザ光の照射領域はＶＳの速度で下側に移動する。
【００３４】
整形光学系モジュール１５は、図１示で右側にＶＬの速度で移動することで、図４示で、レーザ光の照射領域はＶＬの速度で右側に移動する。
上記レーザ光の照射により、照射領域は、Ｘ方向における一走査方向で、３Ａ１→３Ａ２→３Ａ３→…３Ａ１５の順に移動する。なお、３Ａ１５は、便宜上定めた位置であり、基板のサイズなどによって変更されるものである。
次に、整形光学系モジュール１５のＸ方向位置の調整と−Ｘ方向走査と、ステージ９の−Ｙ方向走査とによって、次の走査を行うことで照射領域は３Ｂ１５→…３Ｂ１へと移動する。なお、オーバーラップの回数、方向等は適宜変更が可能である。上記手順を繰り返すことで、照射面全体のレーザ光照射を行うことができる。
【００３５】
上記では、ステージ９、整形光学系モジュールの移動は、レーザ光２Ａとレーザ光２Ｂとが同じ照射面上に照射されるように間欠的に行ってもよく、移動を連続的に行うようにしてもよい。
本実施形態のレーザアニール装置１において、必ずしも限定されるわけではないが、固体レーザ１０の数は単数であることが望ましい。
複数のレーザを用いて、それぞれから独立のレーザ光を出射するとすれば上述の遅延時間Δｔを正確に制御することが困難となる。また、複数のレーザを用いることで発熱量が増大するためレーザアニール装置の空冷機構が複雑になる。さらに、レーザアニール装置のコストが上昇するといった問題があるからである。
【００３６】
（実施形態２）
次に、上記レーザアニール装置１を用いて、具体的な条件でレーザ光を照射する場合について説明する。
固体レーザ１０には、波長５３２ｎｍの２倍波ＹＡＧレーザを用いる。ここで使用したレーザは出力１０ｍＪ、繰り返し周波数１０ｋＨｚの発振器で、偏光方向は紙面の上下方向である。直線偏光のレーザをλ／２波長板１１で直線偏光の方向を、光軸を中心に４５°回転させて、これを偏光ビームスプリッタ１２で偏光方向が紙面で上下方向のＰ波と、紙面に垂直なＳ波に分岐して、Ｓ波は反射鏡１３Ａ、１３Ｂで反射させてから、偏光ビームスプリッタ１４で合波させる。Ｓ波はＰ波と比べて光路が長くなり、この光路差ΔＬ＝０．３ｍとする。光速ｃ＝３×１０８ｍ／ｓのため、遅延時間Δｔ＝１ｎｓとなる。
【００３７】
前述のように遅延時間は可干渉距離より長くなっており、遅延時間はパルス幅（半値幅）より短いことが望ましい。干渉計を使った計測より可干渉距離は１ｍｍ以上で、パルス幅は５０ｎｓであるため、ここで得る遅延時間１ｎｓはこの条件を満たしている。
【００３８】
このレーザ光を整形光学系１５Ｂにより、ビームサイズ１ｍｍ×１ｍｍのトップフラット形状に変換する。整形光学系１５Ｂは反射鏡１５Ａと同じプレートに設置した整形光学系モジュール１５によって、図示していない一軸ステージで紙面の水平方向へ駆動し、トプフラットビームを走査して、シリコン膜が形成された基板８へ照射する。この移動速度は５ｍ／ｓとする。
【００３９】
この時、レーザ光３は、サイズ１ｍｍ、レーザの周波数１０ｋＨｚのため、照射回数は１［ｍｍ］・１０［ｋＨｚ］／５［ｍ／ｓ］＝２回となる。１方向へ照射すると共に、紙面と垂直方向へ駆動するステージ９で基板８を移動して、基板全面に照射する。ステージ９の移動速度は３．３ｍｍ／ｓとする。
このときのビームの照射方法を、図４を参照して説明する。
基板８へ、トップフラットのレーザ光３を照射し、レーザ光３は、整形光学系モジュール１５を速度ＶＬで、距離Ｌを走査する。同時にステージ９の移動により基板８を速度ＶＳで駆動する。基板８の大きさが１，５００ｍｍ×１，８００ｍｍのとき、速度ＶＬ＝５ｍ／ｓ、ＶＳ＝２．３ｍｍ／ｓで、Ｌ＝１，５００ｍｍを走査し、これを１８００回繰り返して、１５００×１８００ｍｍ基板全面を照射することができる。
上記の方法によって得られる結晶の粒径はレーザ光の波長に依存する。本実施例では波長が５３２ｎｍのレーザ光を用いることにより、平均粒径が５００ｎｍ〜６００ｎｍ程度の、ほぼ均一で良質な結晶が得られた。
【００４０】
なお、レーザ光の数は２つに限定されるものではなく、直線偏光である３以上のレーザ光を照射するものとしてもよい。また、各レーザ光の偏光面は、互いに交差するものであればよく、互いに直交することが必須とされるものではない。結晶粒径の均一化のためには、レーザ光の偏光面が互いに等角度間隔になっているのが望ましい。例えば、３つのレーザ光が互いに１２０度の角度で交差する偏光面を有する直線偏光であってもよい。
【００４１】
（実施形態３）
実施形態１によって製造された半導体膜は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ））等の半導体素子に用いることができる。
以下に、その一例として、薄膜トランジスタ１５０の製造方法を図５のフロー図に基づいて説明する。
基板１００の上層に、ベースコート膜１０１が形成されている。基板１００の材料には適宜材料を用いることができ、例えば、ガラス、プラスチック（アクリル樹脂）等の材料が用いられる。ベースコート膜１０１には、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン等が用いられる。
【００４２】
ベースコート層１０１の上層には、導電膜１０２が形成され、所定のパターンでエッチング処理がされる。
その上層に、ベース絶縁膜１０３が形成され、さらに、その上層に非晶質シリコン膜１０４が形成される。
【００４３】
非晶質シリコン膜１０４には、レーザビーム照射工程によってレーザ光が照射される。
レーザビーム照射工程で非晶質シリコン膜は多結晶シリコン膜１０５となる。その後、所定形状にパターニングされる。
【００４４】
次に、多結晶シリコン膜１０５の上にゲート絶縁膜１０６が形成され、その上部に、ゲート電極１０７が形成される。
多結晶シリコン膜１０５には、一端側にリンやボロン等の不純物がドープされたソース領域１０８と、他端側が、不純物がドープされたドレイン領域１０９と、中間部分のチャネル領域１１０が形成される。
【００４５】
ゲート絶縁膜１０６上には、層間絶縁膜１１１が設けられる。次いで、ソース領域１０８に接続されたソース電極１１２とドレイン領域に接続されたドレイン電極１１３が形成される。
上記のレーザビーム照射工程において、実施形態１で説明したように互いに交差する方向の偏光状態を有する複数のレーザビームが遅延時間をもって照射される。これによって、結晶粒径がほぼ均一であり、電子移動度が十分に高い良質な多結晶シリコン膜１０５が得られる。本実施形態で得られる電子移動度の一例は、２５０ｃｍ２／Ｖｓ程度である。多結晶シリコン膜１０５は薄膜トランジスタ１５０のソース領域、ドレイン領域およびチャネル領域を構成していることから、薄膜トランジスタ１５０のスイッチング速度を高めることができる。
【００４６】
（実施形態４）
次に、実施形態３の薄膜トランジスタ１５０の使用例としてＴＦＴ−ＬＣＤ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ−Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）について、図６に基づいて説明する。
図６Ａは、ディスプレイに格子状に配列されたサブセル２００の概略構造を示すものであり、付加容量型を示している。薄膜トランジスタ１５０は、画素の駆動制御に用いられる。なお、駆動方式は特に限定されるものではなく、フレーム反転、分割駆動などの適宜の方式を選択することができる。
サブセル２００では、ディスプレイにマトリックス状に配列されたゲート電極線２０１とソース電極線２０２とを有しており、両者間に絶縁膜２０９が設けられている。これら電極線に薄膜トランジスタ１５０のソース電極２０４、ゲート電極２０３が電気的に接続されている。
２０５はドレイン電極であり、ソース電極２０４、ドレイン電極２０５、ゲート電極２０３間に、絶縁膜２０６を有している。
２１２は表示電極であり、２１０は、蓄積電極で、その周囲を絶縁膜２１１で覆っている。蓄積電極２１０への配線を隣のゲート電極線と兼ねて製造工程を簡略化している。
【００４７】
次に、サブセルの断面図を図６Ｂに示す。
バックライトモジュール３００上に、偏光板３０１を介して基板３０２が配置されており、基板３０２上で、シール材３０４が格子状に配置されて画素毎に区切られた液晶領域３０５が設けられている。液層領域３０５の下部側にＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）電極３０３が配置されている。
各画素の液晶領域３０５には、画素を駆動する薄膜トランジスタ１５０が設置され、液晶領域３０５内には、液晶が封入されている。液晶領域３０５の上側には、共通電極であるＩＴＯ電極３０７が設置され、その上方には、薄膜トランジスタ１５０上に位置するブラックマトリックス３０８とカラーフィルター３０９とが並んで配置されている。さらに、その上層にはカラーフィルター基板３１０が積層され、その上層に偏光板３１１が配置されて液晶ディスプレイ（ＴＦＴ−ＬＣＤ３２０）が構成されている。
【００４８】
次に、液晶ディスプレイの製造手順を図７のフローチャートに基づいて説明する。
先ず、ガラス基板を用意し、洗浄をして次工程に備える。次工程では、ガラス基板上に金属膜を形成し、その上層にレジストを塗布し、パターンを形成したマスクを介して露光を行い、現像する。
その後、エッチング・剥離によりパターニングを行い、パターン検査を行う。次いで、その上層に絶縁膜を成膜する。この基板に対し、本発明に基づくレーザアニール処理を行う。さらに、保護膜、信号線形成、電極形成、スパッタリング等の工程を実施し、最終検査を行う。最終検査後に、カラーフィルターとの組み合わせなどを実施し、ＴＦＴ−ＬＣＤが完成する。
本実施形態に用いられる薄膜トランジスタ１５０は高速なスイッチング動作が可能であるため、各サブ画素の液晶に印可する電圧の高速な切り替えが可能となる。これにより、本実施形態のＴＦＴ−ＬＣＤは画像の動きに対し高速応答が可能となる。
【００４９】
なお、上記では、ＴＦＴ−ＬＣＤについて説明を行ったが、薄膜トランジスタ１５０の使用例としてはこれに限定されるものではなく、有機ＥＬ（ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイ等の表示装置にも適用可能である。
【００５０】
以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明の範囲を逸脱しない限りは実施形態に対する適宜の変更が可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１    レーザアニール装置
２    レーザ光
２Ａ  レーザ光
２Ｂ  レーザ光
３    レーザ光
８    半導体膜が形成された基板
９    ステージ
１０    固体レーザ
１１    λ／２波長板
１２    偏光ビームスプリッタ
１３Ａ  反射鏡
１３Ｂ  反射鏡
１４    偏光ビームスプリッタ
１５    整形光学系モジュール
１５Ａ  反射鏡
１５Ｂ  整形光学系
２０Ａ  ビームプロファイル
２０Ｂ  ビームプロファイル
２１Ａ  平坦部
２１Ｂ  平坦部
２２Ａ  スティープネス部
２２Ｂ  スティープネス部
１０７    ゲート電極
１０８    ソース領域
１０９    ドレイン領域
１１０    チャネル領域
１１２    ソース電極
１１３    ドレイン電極
１５０    薄膜トランジスタ
２００    サブセル
３２０    ＴＦＴ−ＬＣＤ
【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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