(57)【要約】【課題】大面積のａ−Ｓｉ膜をラインビームによりレーザアニールして、ｐ−Ｓｉ膜に高いスループットで高品質変化させるレーザアニール方法及びその装置、マスクならびに表示装置の製造方法を提供すること。【解決手段】被加工体２に照射するラインビームＬＢを、ラインビームＬＢの光路上に設けられたマスク７のパターン１１により整形して、ラインビームＬＢの長軸方向の重なり合った両端部１２ａ、１２ｂの光強度の和が、ラインビームＬＢの平行部の光強度と等しくなるように設定する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物にレーザ装置から出射したラインビームを相対的に所定方向に移動させながら照射して、前記被加工物にアニール処理を施すレーザアニール方法において、
前記被加工体に照射される前記ラインビームは、該ラインビームの光路上に設けられたマスクのパターンにより整形され該ラインビームの長軸方向の重なり合った両端部の光強度の和が、該ラインビームの平行部の光強度と等しくなるように設定されていることを特徴とするレーザアニール方法。
【請求項２】
レーザ装置と、このレーザ装置の光軸上の前方に配置された照明光学系と、この照明光学系の光軸上の前方に配置され所定のラインビームを形成するマスクを保持するマスク保持手段と、このマスク保持手段の光軸上の前方に配置された結像光学系と、この結像光学系の結像位置に被処理体を載置して所定方向に移動自在なステージとを有することを特徴とするレーザアニール装置。
【請求項３】
レーザ装置から出射されたレーザビームを整形するために光路上に配置された所定のスリット状のパターンが形成されたマスクであって、
前記パターンは、前記スリットの短軸方向長さがほぼ等しく形成された平行部と、この平行部の長軸方向端部にそれぞれ形成された２つの端部からなり、この端部は、一方の端部と他方の端部とが重なり合った際に、前記長軸方向の単位長さあたりの面積が前記平行部の単位長さあたりの面積と等しくなるように形成されていることを特徴とするマスク。
【請求項４】
前記パターンは、前記マスクに繰り返して平行に形成されていることを特徴とする請求項３記載のマスク。
【請求項５】
前記パターンの前記両端部は三角形状であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のマスク。
【請求項６】
基板の表面に形成されたアモルファスシリコンに対してレーザ光を照射して前記アモルファスシリコンを多結晶化するレーザアニール方法に、請求項１に記載のレーザアニール方法を用いていることを特徴とする表示装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザアニール方法及びその装置、マスク、表示装置の製造方法に関し、例えばｐ−ＳｉＴＦＴ液晶ディスプレイなどの半導体デバイスの製造に係るもので、ａ−Ｓｉ膜などの被加工物に対してパルスレーザ光を照射してａ−Ｓｉ膜を多結晶化するレーザアニール方法及びその装置、このレーザアニールに適用するマスク、ａ−Ｓｉ膜を多結晶化してｐ−ＳｉＴＦＴ液晶ディスプレイ等を製造する表示装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、液晶表示装置等に用いられているｐ−Ｓｉは、ａ−Ｓｉにエキシマレーザ（ＥＬ：Ｅｘｃｉｍｅｒ  Ｌａｓｅｒ）等のレーザビームを照射して多結晶化するレーザアニール法により形成されている。具体的には、例えば、レーザ装置から出射される発振周波数３００Ｈｚのレーザビームを、ａ−Ｓｉ表面で長さが２５０ｍｍ、幅０．４ｍｍのラインビームとなるよう成形し、このラインビームを各パルス毎に少しずつ動かすこと照射領域を一部オーバーラップさせながら、同一個所に約２０回照射する方法により、ａ−Ｓｉ表面を順次走査してａ−Ｓｉをアニールしｐ−Ｓｉを形成しているのが一般的である。
【０００３】
ｐ−ＳｉＴＦＴの電界移動度は、アニールにより形成されるｐ−Ｓｉの粒径の大きさにより決定される。図１０にグラフを示すように、ｐ−Ｓｉの粒径は、ａ−Ｓｉに照射するラインビームの照射エネルギー密度であるフルエンスＦに大きく依存する。すなわち、フルエンスＦが増大するにつれてアニール後に冷却形成されるｐ−Ｓｉの粒径が増大する。そして電界移動度１００ｃｍ２／Ｖｓ以上の高性能ｐ−ＳｉＴＦＴを得るためには、所定のＦ１という或るフルエンスよりも高いフルエンスが必要である。ここで高い電界移動度を得るためにアニールに用いるラインビームのフルエンスをＦ１から増大させていくと、ｐ−Ｓｉの粒径も増大するが、あるフルエンスＦ２を境にｐ−Ｓｉは微結晶粒となり、所望電界移動度を有するＴＦＴ特性を得ることができなくなってしまう。
【０００４】
なお、ｐ−ＳｉＴＦＴの電界移動度に影響を与えるｐ−Ｓｉの粒径は、ｐ−Ｓｉをセコエッチング液と呼ばれる液でエッチングして、走査電子顕微鏡で観察することによって求めることができる。この方法を利用して、従来はラインビームのフルエンスを、ｐ−Ｓｉの粒径をある程度大きく形成出来る、上記Ｆ１からＦ２の範囲で選択し、所望の高い電界移動度を示すｐ−ＳｉＴＦＴを得ていた。
【０００５】
すなわち、図１１にエキシマレーザアニール装置の模式図を示すと、ガラス基板上の例えば半導体膜としてａ−Ｓｉをレーザアニールするエキシマレーザアニール装置７０は、エキシマレーザビームＬＢを発振するエキシマレーザ発振器７１、エキシマレーザビームＬＢを、ミラー７２を介しラインビームＬＢに成形するホモジナイザ７３、ラインビームＬＢをステージ７４上にセットされる第１のガラス基板７５上に集光する集光レンズ７６を有している。ステージ２は、水平方向に移動可能であり、ステージ７４の移動に従い、ラインビームＬＢは、第１のガラス基板７５（に形成されるａ−Ｓｉを走査してアニールする。
【０００６】
この場合、第１のガラス基板７５をエキシマレーザアニール装置７０のステージ７４に載置し、ステージ７４をラインビームＬＢの長軸と垂直な矢印ｙ方向に６ｍｍ／ｓの速度で走査移動する事により、第１のガラス基板７５（４６上のａ−Ｓｉを、ビームプロファイル（イ）を示すラインビームＬＢにて、矢印ｚ方向に走査してアニールする。ラインビームＬＢの照射サイズは２００ｍｍ×０．４ｍｍ、エキシマレーザ発振器７１からの発振周波数は３００Ｈｚ、第１のガラス基板７５上でのフルエンスは３５０ｍＪ／ｃｍ２、走査時のオーバーラップ率は９５％となるように設定し、なお、図９に示すように、大面積基板の場合は、第１のガラス基板７５（４６）上にて第１の領域［Ｒ］及び第２の領域［Ｓ］のａ−Ｓｉを、順次走査してアニールし、ｐ−Ｓｉを形成する（例えば、特許文献１を参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−３１９８９２（段落番号１７〜２２、図３および図７）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のようなエキシマレーザアニール装置では、大面積画面の場合、レーザビームを長軸方向に移動させて数回に分けて照射している。その際、良好なアニールによる均質なｐ−Ｓｉ得るためには、２つのレーザビームである照射し終えたレーザビームと移動させたレーザビームとのそれぞれの端部による継ぎ目で、レーザビームのフルエンスをレーザビームの端部以外の個所と等しくする必要がある。
【０００９】
しかしながら、上述のエキシマレーザアニール装置では、レーザビームはホモジナイザの後に集光レンズにより集光されて基板面に照射しているため、長軸端が結像されていない。そのため、レーザビームの端部をオーバーラップされた場合、レーザビームの端部のオーバーラップ部分で均一性が出ないで、継ぎ目が発生するという問題点が生じている。すなわち、レーザ光の端部は、レーザ発振器の変動によるレーザビームの品質変化に伴い、レーザ光のビーム広がり角やポインティング（方向）が変化する毎に強度分布が変化したりする。また、光学系途中にスリットを挿入すると、逆に回折パターンが出るためであった。
【００１０】
また、レーザビームの端部同士の間に微小な隙間が発生していると、Ｄｏｇ  ｅａｒと言われる強度分布変化が発生して、強度分布の均一性が損なわれる。
【００１１】
本発明はこれらの事情にもとづいてなされたもので、大面積のａ−Ｓｉ膜をラインビームによりレーザアニールして、ｐ−Ｓｉ膜に高いスループットで高品質変化させるレーザアニール方法及びその装置、マスクならびに表示装置の製造方法を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、被加工物にレーザ装置から出射したラインビームを相対的に所定方向に移動させながら照射して、前記被加工物にアニール処理を施すレーザアニール方法において、
前記被加工体に照射される前記ラインビームは、該ラインビームの光路上に設けられたマスクのパターンにより整形され該ラインビームの長軸方向の重なり合った両端部の光強度の和が、該ラインビームの平行部の光強度と等しくなるように設定されていることを特徴とするレーザアニール方法である。
【００１３】
また本発明によれば、レーザ装置と、このレーザ装置の光軸上の前方に配置された照明光学系と、この照明光学系の光軸上の前方に配置され所定のラインビームを形成するマスクを保持するマスク保持手段と、このマスク保持手段の光軸上の前方に配置された結像光学系と、この結像光学系の結像位置に被処理体を載置して所定方向に移動自在なステージとを有することを特徴とするレーザアニール装置である。
【００１４】
また本発明によれば、レーザ装置から出射されたレーザビームを整形するために光路上に配置された所定のスリット状のパターンが形成されたマスクであって、
前記パターンは、前記スリットの短軸方向長さがほぼ等しく形成された平行部と、この平行部の長軸方向端部にそれぞれ形成された２つの端部からなり、この端部は、一方の端部と他方の端部とが重なり合った際に、前記長軸方向の単位長さあたりの面積が前記平行部の単位長さあたりの面積と等しくなるように形成されていることを特徴とするマスクである。
【００１５】
また本発明によれば、前記パターンの前記両端部は三角形状であることを特徴とするマスクである。
【００１６】
また本発明によれば、基板の表面に形成されたアモルファスシリコンに対してレーザ光を照射して前記アモルファスシリコンを多結晶化するレーザアニール方法に、上記に記載のレーザアニール方法を用いていることを特徴とする表示装置の製造方法。
【００１７】
【発明の実施の形態】
先ず本発明の基本的な考え方について説明する。絶縁基板上に堆積されている例えばａ−Ｓｉに、レーザ装置からのラインビームを照射してｐ−Ｓｉを形成するレーザアニール処理を施す際に、大面積画面の場合は、レーザビームを長軸方向に移動させて数回に分けて照射している。その際、良好なアニールによる均質なｐ−Ｓｉ得るためには、２つのレーザビームである照射し終えたレーザビームと移動させたレーザビームとのそれぞれの端部による接合部で、レーザビームのフルエンスをレーザビームの端部以外の個所と等しくする必要がある。
【００１８】
そのためには、図１に模式説明図を示すように、２本のレーザビームＬＢ−１、ＬＢ−２において、重ねあわせ領域Ｅにおいての両レーザビームＬＢ−１、ＬＢ−２の端部Ａ、Ｂの和と、それ以外の個所である平行部Ｃとの関係が、長軸方向の任意の位置で常に、
Ａ＋Ｂ＝Ｃ  になればよい。
【００１９】
レーザビームＬＢ−１、ＬＢ−２のこの関係は、後述するように、レーザ装置からのレーザビームを絶縁基板上に導く光学系に、レーザビームの端部を整形するマスクを設けて、レーザビームＬＢ−１、ＬＢ−２の照射面での端部形状を規制することにより具現化することができる。
【００２０】
以下、これらの考え方に基づく本発明の実施の形態の一例を、図面を参照して説明する。
【００２１】
図２はエキシマレーザ光を用いたレーザアニール装置の概略構成図である。このレーザ装置１から出力されるエキシマレーザ光Ｌの光路上には、被加工物（ａ−Ｓｉ膜）２を載置しているステージ３との間に、順次、照明光学系４、ミラー５、マスク保持手段６に保持されたマスク７、結像光学系８が配置されている。
【００２２】
このような構成において、レーザ装置１から出力されたエキシマレーザ光Ｌは、照明光学系４により光強度が均一化され、ミラー５で反射してマスク７に照射され、このマスク７に形成されたパターンによる開口部を通過し、結像光学系８によりマスク７のパターンが被加工物２（ａ−Ｓｉ膜）に結像される。これにより、ａ−Ｓｉ膜は、多結晶化（多結晶シリコン膜：多結晶Ｓｉ膜）される。
【００２３】
レーザ装置１はエキシマレーザ装置（ＸｅＣｌ、ＫｒＦ）で、例えば波長がＫｒＦであれば２４８ｎｍ、ＸｅＣｌであれば３０８ｎｍでパルス幅２０ｎｓ程度のエキシマレーザ光Ｌを出力する。
【００２４】
照明光学系４は、レーザ装置１から出力されたエキシマレーザ光Ｌをラインビームに成形するホモジナイザ（不図示）等からなり、エキシマレーザ光Ｌの光強度を均一化している。
【００２５】
マスク保持手段６は、図３に示すように、支持板９に固定した板ばね等の取付け用押さえ具１０によって着脱可能にマスク７を固定している。また、支持板９に細管（不図示）を形成しマスク７を真空吸着する方法も用いることができる。もちろんマスク７を支持板９に固定できればこれら以外の方法（例えば、ねじによる螺着等）を用いることができる。
【００２６】
マスク７は、図４に平面図を示すように、Ｆｅ等の金属マスク７やガラス基板にＣｒめっきしたガラスマスク７で、レーザ装置１から出射されたレーザビームを所定の形状に整形するのパターンの開口部１１が形成されている。なお、開口部１１は、レーザビームに対して透光性という意味で、ガラス基板のような透光性の物質の場合は、必ずしも、孔があいている必要はない。パターンの開口部１１は、両端１２ａ、１２ｂが三角形状に形成されたスリットである。両端１２ａ、１２ｂの三角形状は、例えば、同一の三角形である。したがって、図５に示すように、マスクを通過したレーザビームＬＢでは、パターンの長軸方向に関して、両端１２ａ、１２ｂが合わさった位置ではどの位置でも幅Ｗ１・・・が、スリットの幅Ｗと等しくなる。
【００２７】
結像光学系８は、マスク７の開口部１１によるパターンを被加工物２（ａ−Ｓｉ膜）の表面に結像するレンズ等で構成されている。
【００２８】
ステージ２は、水平方向に移動可能であり、ステージ２の移動に従い、ラインビームは、被加工物２であるガラス基板上に形成されるａ−Ｓｉを走査してアニールする。
【００２９】
なお、上述の説明でマスク７は、両端１２ａ、１２ｂ部を同一形状の三角形に形成したが、必ずしもこの形状である必要はない。すなわち、マスク７により規制されるスリット状のレーザビームの端部同士を重ね合わせた際に、重ね合わせた部分とスリットの平行部分とのレーザビームＬＢの光強度が等しくなればよいのであるから、マスク７の左右の両端１２ａ、１２ｂの形状を同一形状にしなくてもよく、その場合は、図６（ａ）〜（ｄ）にレーザビームＬＢの両端１２ａ、１２ｂの一例を示すように無数の組合せが可能である。
【００３０】
また、マスク７の開口部１１は、図７に示すように繰り返しパターンによる開口部１１を一方向に配列して形成してもよい。この場合は、アニール処理のスループットが向上する。
【００３１】
したがって、上述の構成によれば、レーザビームのビーム端の強度分布は、結像光学系にすることで、均一にできる。また、ビーム端を重ね合わせる（オーバーラップ）ことで、照射回数を一定にすることができ、かつ、レーザビームによる継ぎ目の生じないプロセスが可能になる。
【００３２】
次に、上述のマスク７を用いたエキシマレーザアニール装置により、ラインビームを照射してａ−Ｓｉをアニールして得られるｐ−Ｓｉを半導体層とするｐ−ＳｉＴＦＴの製造方法について説明する。
【００３３】
図８に示すように、駆動回路一体型のｐ−Ｓｉアクティブマトリクス型液晶表示素子３７は、ｐ−ＳｉＴＦＴ３８にて画素電極４０を駆動するアレイ基板４１と対向基板４２との間隙に、配向膜４３ａ、４３ｂを介して液晶組成物４４を封入して形成されている。
【００３４】
アレイ基板４１は、例えば、４００ｍｍ×５００ｍｍサイズの第１のガラス基板４６上に窒化シリコン（ＳｉＮｘ）膜及び酸化シリコン（ＳｉＯｘ）膜からなるアンダーコート層４７を介しｐ−Ｓｉからなる活性層４８ａ、ドレイン領域４８ｂ、ソース領域４８ｃを有する半導体層４８がパターン形成されている。半導体層４８上にはゲート絶縁膜５０を介しゲート電極５１が形成されている。更に層間絶縁膜５２を介し画素電極４０が形成され、画素電極４０及びソース領域４８ｃがソース電極５３により接続され、ドレイン領域４８ｂ及び信号線（図示せず）がドレイン電極５４により接続されている。又５６は保護膜である。対向基板４２は、第２のガラス基板５７上に対向電極５８を有している。
【００３５】
アレイ基板４１は、第１のガラス基板４６上にプラズマＣＶＤ法によりアンダーコート層４７を形成した後、ａ−Ｓｉ（図示せず）をプラズマＣＶＤ法により膜厚４７ｎｍとなるよう成膜後、窒素（Ｎ２）雰囲気中で５００℃、１０分間の熱処理を行い、膜中の水素濃度を低下させる。この時、ａ−Ｓｉの膜厚を分光エリプソ法により求めた実際の膜厚の一例は４７．５ｎｍである。
【００３６】
その後、図９（７）に示すように、第１のガラス基板４６をエキシマレーザアニール装置１のステージ３に載置し、ステージ３をラインビームの長軸と垂直なＺ方向（短軸方向）に６ｍｍ／ｓの速度で走査移動することにより、第１のガラス基板４６上のａ−Ｓｉを、ラインビームＬＢにて走査してアニールする。ラインビームＬＢの照射サイズは２００ｍｍ×０．４ｍｍ、エキシマレーザ光の発振周波数は３００Ｈｚ、第１のガラス基板４６上でのフルエンスは３５０ｍＪ／ｃｍ２、走査時のオーバーラップ率は９５％となるように設定し、第１のガラス基板４６上にて第１の領域［Ｒ］を順次走査してアニールしてｐ−Ｓｉを形成するする。
【００３７】
次に、図９に示すように、第１の領域［Ｒ］のアニール処理が終了すると、ステージ３をレーザビームＬＢの長軸方向に所定量移動させ、レーザビームＬＢが第１のガラス基板４６上で第２の領域［Ｓ］を照射する位置に設定する。この移動による設定により、第１の領域［Ｒ］を照射した際のマスク７を介したレーザビームＬＢの端部と、第２の領域［Ｓ］を照射するマスク７を介したレーザビームＬＢの端部とが所定の関係でオーバーラップするように設定される。
【００３８】
レーザビームＬＢの端部とが所定の関係でオーバーラップするように設定された状態で、レーザビームＬＢを第１の領域［Ｒ］を照射した条件と同一の条件で第２の領域［Ｓ］のａ−Ｓｉを順次走査してアニールし、ｐ−Ｓｉを形成する。この場合、レーザビームＬＢの端部同士のオーバーラップ個所と、レーザビームＬＢのスリット個所との光強度が等しく設定されているので、レーザビームＬＢのオーバーラップによる継ぎ目の影響は形成されたｐ−Ｓｉには発生せず、第１の領域［Ｒ］と第２の領域［Ｓ］による合成された大面積画面で所望の結晶粒径を有する均質な状態を得ることができる。
【００３９】
表示装置である液晶表示装置の場合は、次いで、フォトリソグラフィ技術を用いて、第１のガラス基板４６の両領域［Ｒ］、［Ｓ］に、ｐ−Ｓｉを半導体層４８とするｐ−ＳｉＴＦＴ３８及び、画素電極４０を作成してアレイ基板４１を形成後、シール剤（図示せず）にて対向基板４２と固着して液晶セルを形成した後、間隙に液晶組成物４４を封入しｐ−Ｓｉアクティブマトリクス型液晶表示素子３７を完成する。
【００４０】
このようにして得られたｐ−Ｓｉアクティブマトリクス型液晶表示素子３７は、第１のガラス基板４６全面にわたり所望の結晶粒径を有するｐ−Ｓｉを半導体層４８とする事から、形成されたｐ−ＳｉＴＦＴ３８は高い電界移動度を有し優れた特性を示し、大画面且つ高精細で良好な表示品位を得られると共に駆動の高速化を得られる。
【００４１】
なお、上述の場合は、表示装置として液晶表示装置について説明したが、表示装置としては液晶表示装置のほかに、上述のレーザ加工装置は有機ＥＬ表示装置等の製造の場合にも用いることができる。
【００４２】
以上に説明したように、本発明の実施の形態によれば、ａ−Ｓｉをレーザアニールして、所望の大きさの結晶粒径を有するｐ−Ｓｉを形成する際のラインビームの継ぎ目で、レーザビームのフルエンスをレーザビームの端部以外の個所と等しくすることができるので、基板全面にわたり、高い電界移動度を有するｐ−ＳｉＴＦＴを均一且つ歩留まり良く量産可能となり、大画面、高精細且つ高性能の液晶表示素子等による表示装置の実用化が可能となる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、大面積のａ−Ｓｉ膜をラインビームによりレーザアニールして、ｐ−Ｓｉ膜に高いスループットで高品質変化させることことを実現することがきる。
【００４４】
また、そのアニーリング処理を施すことにより、生産性の優れた表示装置の製造が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザビームのつぎ目の重ね合わせの模式説明図。
【図２】本発明のレーザアニール装置の概略構成図。
【図３】マスク保持手段の説明図。
【図４】本発明のマスクの平面図。
【図５】マスクを通過したレーザビームの説明図。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は、マスクの変形例。
【図７】マスクの変形例。
【図８】液晶表示素子の構成説明図。
【図９】レーザビームの走査説明図。
【図１０】アニールの際のｐ−Ｓｉの粒径の変化のグラフ。
【図１１】従来のエキシマレーザアニール装置の模式図。
【符号の説明】
１…レーザ装置、２…被加工物、３…ステージ、４…照明光学系、６…マスク保持手段、７…マスク、８…結像光学系、９…支持板、１１…開口部、１２ａ、１２ｂ…両端
【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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