(57)【要約】【課題】レーザ光を照射する場合、レーザ光が基板上にのみ照射されるよう走査ステージの移動に合わせてレーザ光を遮断する装置を設ける必要があるが、その遮断する装置の振動がビームスポットを形成する光学系及び基板を設置した走査ステージに伝わると、基板上に形成されるレーザ照射跡が直線的でなく振動を反映したうねりをもった形状になる。【解決手段】回転の加速度変化が連続的であるモーターを動力源としたシャッターを用いることで、前記シャッターから生じる振動を無くし、レーザ照射跡が直線的であることを可能にするレーザ照射装置を提供する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器と、
前記レーザ発振器から射出されるレーザ光を、振動を発生させることなく遮断する手段と、
被照射面におけるビームスポットが線状になるように、前記レーザ発振器から射出されたレーザ光を加工する光学系と、
を有していることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２】
請求項１において、前記遮断する手段は回転の加速度変化が連続的な円板状の反射ミラーからなるシャッターであることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項３】
レーザ発振器と、
前記レーザ発振器から射出されるレーザ光の被照射物を設置した走査ステージと、
前記レーザ光を遮断する手段と、
被照射面におけるビームスポットが線状になるように、前記レーザ発振器から射出されたレーザ光を加工する光学系とを有するレーザ照射装置であって、
前記レーザ光を遮断する手段は、回転の加速度変化が連続的な円板状の反射ミラーからなるシャッターであり、かつ、前記反射ミラーの回転速度は前記走査ステージの運動と同期させる
ことを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項４】
請求項１において、レーザ発振器から射出されるレーザ光の前記遮断する手段は音響光学素子からなるシャッターであることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、前記レーザ発振器は連続発振の固体レーザであることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、前記レーザ発振器は連続発振のＹＡＧレーザ、ＹＶＯ４レーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＡｌＯ３レーザ、Ｙ２Ｏ３レーザ、ガラスレーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライドレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザから選ばれた一種または複数種であることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、前記レーザ発振器は連続発振のＡｒレーザまたはＫｒレーザから選ばれた一種または複数種であることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項において、前記レーザ光は第２高調波であることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項９】
基板上に形成した非単結晶半導体膜を走査ステージに設置し、
前記非単結晶半導体膜において線状のビームスポットに成形されたレーザ光で、前記線状のビームスポットの短軸方向に走査して、前記非単結晶半導体膜をアニールする工程を含む半導体装置の作製方法であって、
前記線状のビームスポットの走査速度が一定速度に達しないときには、遮断手段によりレーザ光を遮断し、
前記線状のビームスポットを、前記基板の一方から他方に向けて、
前記レーザ光による前記非単結晶半導体膜上の照射跡が、互いに平行になるように走査してアニールする
ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１０】
基板上に形成した非単結晶半導体膜を走査ステージに設置し、
前記非単結晶半導体膜において線状のビームスポットに成形されたレーザ光で、前記線状のビームスポットの短軸方向に走査して、前記非単結晶半導体膜をアニールする工程を含む半導体装置の作製方法であって、
前記線状のビームスポットの走査速度が一定速度に達しないときには、遮断手段によりレーザ光を遮断し、
前記線状のビームスポットを、前記基板の一方から他方に向けて、または、前記基板の他方から一方に向けて、
前記レーザ光による前記非単結晶半導体膜上の照射跡が、互いに平行になるように、該レーザ光の照射領域を重ね合わせながら、連続的に走査してアニールする
ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１１】
請求項９または請求項１０において、前記遮断手段は回転の加速度変化が連続的な円板状の反射ミラーからなるシャッターであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１２】
請求項１１において、前記反射ミラーの回転は前記走査ステージの運動と同期させることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１３】
請求項９または請求項１０において、前記レーザ光は、音響光学素子からなるシャッターにより遮断されることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１４】
請求項９乃至請求項１３のいずれか一項において、前記レーザ光の発振器は連続発振の固体レーザであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１５】
請求項９乃至請求項１４のいずれか一項において、前記レーザ光の発振器は連続発振のＹＡＧレーザ、ＹＶＯ４レーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＡｌＯ３レーザ、Ｙ２Ｏ３レーザ、ガラスレーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライドレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザから選ばれた一種または複数種であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１６】
請求項９乃至請求項１３のいずれか一項において、前記レーザ光の発振器は連続発振のＡｒレーザまたはＫｒレーザから選ばれた一種または複数種であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１７】
請求項９乃至請求項１５のいずれか一項において、前記レーザ光は第２高調波であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体膜などをレーザ光を用いて結晶化又はイオン注入後の活性化をするレーザ照射装置に関する。本発明は、多結晶質あるいは多結晶質に近い状態の半導体膜にレーザ照射し、半導体膜の結晶性を向上させるレーザ照射装置の技術分野に属する。半導体装置とは、液晶表示装置に代表される電気光学装置および電気機器を指し、本発明は、前記半導体装置の作製方法の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、基板上にＴＦＴを形成する技術が大幅に進歩し、アクティブマトリクス型の半導体表示装置への応用開発が進められている。特に、多結晶半導体膜を用いたＴＦＴは、従来の非晶質半導体膜を用いたＴＦＴよりも電解効果移動度（モビリティともいう）が高いので、高速動作が可能である。そのため、従来基板の外に設けられた駆動回路で行っていた画素の制御を、画素と同一の基板上に形成した駆動回路で行うことが試みられている。
【０００３】
ところで半導体装置に用いる基板は、コストの面から単結晶シリコン基板よりも、ガラス基板が有望視されている。ガラス基板は耐熱性に劣り、熱変形しやすいため、ガラス基板上にポリシリコンＴＦＴを形成する場合には、ガラス基板の熱変形を避けるために、半導体膜の結晶化にレーザアニールが用いられる。
【０００４】
レーザアニールの特徴は、輻射加熱或いは伝導加熱を利用するアニール法と比較して処理時間を大幅に短縮できることや、半導体基板又は半導体膜を選択的、局所的に加熱して、基板に殆ど熱的損傷を与えないことなどが上げられている。
【０００５】
なお、ここでいうレーザアニール法とは、半導体基板又は半導体膜に形成された損傷層やアモルファス層を再結晶化する技術や、基板上に形成された非晶質半導体膜を結晶化させる技術を指している。また、半導体基板又は半導体膜の平坦化や表面改質に適用される技術も含んでいる
【０００６】
レーザアニールに用いられるレーザはその発振方法により、パルス発振と連続発振の２種類に大別される。近年では、半導体膜の結晶化においてパルス発振のレーザよりも連続発振のレーザを用いるほうが、半導体膜内に形成される結晶の粒径が大きくなることが見出されている。半導体膜内の結晶粒径が大きくなると、該半導体膜を用いて形成されるＴＦＴチャネル領域に入る粒界の数が減るので移動度が高くなり、より高性能のデバイスの開発に利用できる。そのため、連続発振のレーザはにわかに脚光を浴び始めている。
【０００７】
また、半導体または半導体膜のレーザアニールを行う際に、レーザ発振器から射出されたレーザ光を被照射面においてアスペクト比が１０以上の線状または楕円状（本明細書中では線状と記述する）となるように光学系で加工して、ビームスポットを被照射面に対して走査させる方法が知られている。上記の方法によって基板へのレーザ光の照射を効率的に行うことができ、量産性を高めることができるため、工業的に好んで使用される（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開平８−１９５３５７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
基板上に成膜された半導体膜のレーザアニールを効率的に行うため、連続発振のレーザ発振器から射出されたビームスポット形状を光学系を用いて線状に加工し、前記線状のビームスポットを基板に照射する方式が用いられている。
【００１０】
ビームスポットに対し基板を設置した走査ステージを移動させ、基板全面にレーザアニールを行う方法がよく用いられる。上記方法を用いてレーザ光を照射する場合、レーザ光が基板上にのみ照射されるよう走査ステージの移動に合わせてレーザ光を遮断する装置（以後シャッターという）を設ける必要がある。シャッターを設けることで、基板上の任意の領域にレーザ光の照射が可能となり、また、その他の領域への照射を無くし装置へのレーザ光によるダメージを防ぐことができる。
【００１１】
シャッターを逆回転が可能な、例えばソレノイドモータ−を用いた反射ミラーの回転による開閉機構にした場合（図１）、シャッターを完全に開閉したいときには、モーター１１０１の回転を強制的に停止させる必要がある。前記モーター１１０１の回転軸１１０２に突起１１０３を設け、前記突起１１０３をストッパー１１０４に当てることで回転を強制的に止めようとすると、回転の停止時には前記ストッパー１１０４と前記突起１１０３の衝突により振動が生じる。前記振動がビームスポットを形成する光学系及び基板を設置した走査ステージに伝わると、基板上に形成されるレーザ照射跡が直線的でなく振動を反映したうねりをもった形状になる。レーザ照射跡が波状にうねると、走査ステージの往復運動によって形成される隣合うレーザ照射跡間に極端にオーバーラップ率が高い部分や、全くレーザ照射されない部分が生じてしまう。基板上には規則的な配列をもってＴＦＴが形成されるため、前述した部分に形成されたＴＦＴは電気特性が悪く、また電気特性のバラツキの原因ともなる。
【００１２】
本発明は上述した問題に鑑み、直線的にレーザ照射が可能な連続発振のレーザ照射装置および半導体装置の作製方法を提供する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、回転の加速度変化が連続的であるモーターを動力源としたシャッターを用いることで、前記シャッターから生じる振動を無くし、レーザ照射跡が直線的であることを可能にするレーザ照射装置である。また本発明は、音響光学効果を利用した音響光学素子を用い、光路を変更することによりシャッター機能をもたせた振動源のないレーザ照射装置である。
【００１４】
図２に前記問題を解決する方法の模式図を示す。反射ミラー１２０１は、一部分に切れ目が入った円板である。前記反射ミラー１２０１は円の中心を回転軸１２０２として回し、レーザ光１２０６が切れ目の部分１２０３に入射する場合には、前記反射ミラー１２０１に当たることなくレーザ光は通過し（１２０７）、切れ目でない部分１２０４に入射するレーザ光はミラー表面で反射され（１２０８）、ヒートシンク１２０９に入射し進行は止められる。回転方向は一方向のみにして、往復運動する走査ステージに設置する基板が、レーザ照射位置に来たときに、前記レーザ光１２０６が前記反射ミラー１２０１の切れ目部分１２０３に入射し、反射ミラー１２０１を通過するように回転速度を制御する。
【００１５】
上記のように反射ミラー１２０１の回転を一方向に限定し、走査ステージの運動と同期させる。回転を強制的に停止させない構造とすることにより、回転の強制停止の衝撃による振動の発生が無くなり、光学系及び走査ステージに伝わる振動が無くなるため、レーザ照射跡が直線的なレーザアニールを行うことができる。
【００１６】
上記構成によって、光学系及び走査ステージに振動を与えることなくレーザ照射することが可能となり、半導体膜全面を隙間無くレーザアニールすることが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のレーザ照射装置の構成について図３を用いて説明する。
【００１８】
本発明のレーザ照射装置は、レーザ光を発振するレーザ発振器１３０１を有している。なお図３では１つのレーザ発振器１３０１を設けている例について示しているが、本発明のレーザ照射装置が有するレーザ発振器はこの数に限定されない。レーザ発振器から出力される各レーザ光のビームスポットを互いに重ね合わせ、１つのビームスポットとして用いても良い。
【００１９】
レーザは、処理の目的によって適宜変えることが可能である。本発明では、公知のレーザを用いることができる。レーザは、連続発振の気体レーザもしくは固体レーザを用いることができる。気体レーザとして、Ａｒレーザ、Ｋｒレーザなどがあり、固体レーザとして、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ４レーザ、ＹＬＦレーザ、ＹＡｌＯ３レーザ、Ｙ２Ｏ３レーザ、ガラスレーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライドレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザなどが挙げられる。なお、レーザ媒質へのドーパント物質としてはＮｄ、Ｃｒ、Ｙｂ等があり、基本波に対する高調波は、非線形光学素子を用いることで得ることができる。
【００２０】
またさらに、固体レーザから発せられた赤外レーザ光を非線形光学素子を用いることでグリーンレーザ光に変換後、さらに別の非線形光学素子によって得られる紫外レーザ光を用いることもできる。
【００２１】
レーザ発振機１３０１から射出されたレーザ光は、光路上に設置されたシャッター１３０２に入射する。
【００２２】
入射口からシャッター内部に入射したレーザ光は、反射ミラー１３０３まで到達する。往復運動するＸ軸ステージ１３０５が運転開始から片道動作を終える間に、前記反射ミラー１３０３が一回転するように回転速度を制御する。以下においてレーザ照射位置とは、前記シャッター１３０２がないときにレーザ光がステ−ジ上に設置される基板１３０７に照射する位置のこととする。なお、前記レーザ照射位置は、前記Ｘ軸ステージのほぼ中央になるよう前記Ｘ軸ステージを配置し、前記レーザ照射位置から前記Ｘ軸ステージの移動開始位置までの距離と終了位置までの距離は同じとする。前記反射ミラーを図３（ｂ）の矢印が示す方向に回転しする。前記基板１３０７の前端の部分がレーザ照射位置に来たときには、前記反射ミラー１３０３へのレーザ光の入射位置が切れ目部分ａに、前記基板端１３０７の後端の部分がレーザ照射位置に来たときに、前記反射ミラー１３０３へのレーザ光の入射位置が切れ目部分ｂになるようにモーターの回転を制御する。ここで、Ｘ軸ステージを移動させたとき、基板のレーザ光が先に当たるほうの端を前端、もう一方の端を後端とする。
【００２３】
本発明は、レーザ発振器１３０１から発振されるレーザ光の被照射面である基板１３０７におけるビームスポットの形状は線状に成形する光学系１３０４を有する。なおレーザ発振機から射出されるレーザ光の形状はレーザの種類によって異なる。ＹＡＧレーザの場合、射出されるレーザ光の形状はロッド形状が円筒形であれば円状となり、スラブ型であれば矩形状となる。なお、スラブ型のレーザから射出されるレーザ光は縦横でビームの広がり角が大きく異なるため射出口からの距離によって大きくビーム形状が変わる。このようなレーザ光を光学系により、成形することにより、所望の大きさの線状にレーザ光をつくることができる。
【００２４】
また、複数のレーザ発振器を用いる場合、前記光学系を用いて各レーザ発振器から出力されるビームスポットを互いに重ねあわせて１つのビームスポットを形成するようにしても良い。
【００２５】
本発明のレーザ照射装置を用いてレーザアニールを行うことにより電気特性のバラツキが低減されたＴＦＴを得ることができる。
【００２６】
以下、本発明のレーザ照射装置を用いた本発明の半導体装置の作製方法について説明する。まず、基板として１２７×１２７×０．７ｍｍのガラス基板（コーニング１７３７）を用意する。この基板は６００℃までの温度であれば充分な耐久性がある。前記ガラス基板上に下地膜として酸化珪素膜を２００ｎｍ成膜する。さらに、その上から非晶質珪素膜を５５ｎｍの厚さに成膜する。成膜は、共にスパッタ法にて行う。あるいはプラズマＣＶＤ法にて成膜してもよい。
【００２７】
上記成膜済の基板を、４５０℃の窒素雰囲気中に１時間おく。本工程は非晶質珪素膜中の水素濃度を減らすための工程である。膜中の水素が多すぎると膜がレーザエネルギーに対して耐えきれないので本工程をいれる。  前記膜内の水素の濃度は１０２０／ｃｍ３オーダーが適当である。ここで、１０２０／ｃｍ３とは、１ｃｍ３あたりに水素原子が１０２０個存在するという意味である。
【００２８】
本実施の形態では、レーザ発振器として、コヒーレント社製ＬＤ励起固体ＹＶＯ４レーザを使う。前記ＹＶＯ４レーザは、連続発振レーザである。前記ＹＶＯ４レーザの最大エネルギーは１０Ｗ、発振波長は５３２ｎｍ。
【００２９】
レーザ光の照射は例えば、図３に示した被照射面１３０７をのせたステージを線状の短軸方向に走査させながら行う。このとき、被照射面におけるビームスポットのエネルギー密度や、走査のスピードは、実施者が適宜決めればよい。
【００３０】
こうして、レーザアニール工程が終了する。上記工程を繰り返すことにより、多数の基板を処理できる。前記基板を利用して例えばアクティブマトリクス型の液晶ディスプレイを公知の方法に従って作製することができる。
【００３１】
上記の例では、非単結晶半導体膜には非晶質珪素膜を使ったが、本発明は他の非単結晶半導体にも適用できることが容易に推測できる。例えば、非単結晶半導体膜に非晶質珪素ゲルマニウム膜などの非晶質構造を有する化合物半導体膜を使用しても良い。あるいは、非単結晶半導体膜に多結晶珪素膜を使用してもよい。
【００３２】
【実施例】
（実施例１）
本実施例では、実施の形態で記載のレーザ照射装置の一例を示す。レーザ発振装置から射出されたレーザ光を、シャッターを通し、シャッターを通過したレーザ光を球面レンズを用いて線状のビームに形成する。線状に形成したビームスポットを基板を設置した走査ステージに照射することでレーザアニールを行う。なお、前記シャッター内の反射ミラーによって反射されたレーザ光をヒートシンクに入射させることで、反射光による装置へのダメージを低減させる構成としてもよい。また、前記ヒートシンクに空冷および水冷機構を加えてもよい。
【００３３】
ガラス基板などのレーザ光を透過する基板にレーザ照射をする場合、基板表面からの反射光と基板裏面からの反射光によって基板上の被照射物に干渉縞が生じることもあるため、基板に対して斜め方向からレーザ光を入射させる構成としても良い。
【００３４】
走査ステージはストロークの長さが５００ｍｍで、停止状態から加速度１０００ｍｍ／ｓｅｃ２  で加速し、０．５  ｓｅｃで５０ｍｍ／ｓｅｃに到達後、等速度で２５０ｍｍ移動する。等速移動後、加速度１０００ｍｍ／ｓｅｃ２で減速し、停止する。１．０秒停止後、復路の運動を開始する。上記規格の運動をする走査ステージを用いて、片道動作の間に基板内で１００ｍｍだけレーザ照射し、往路、復路ともにレーザ照射する場合を考える。
【００３５】
ここで、上記仕様のレーザ照射を行う場合の反射ミラーに関して説明する。Ｘ軸ステージが片道動作を始めてから完了までの所要時間は２．５秒。Ｘ軸ステージが５０ｍｍ／ｓｅｃの等速にあるときにレーザ照射する時間が０．２秒。走査ステージが片道動作をする間に反射ミラーが同一速度で一回転すると、反射ミラーには角度にして２８．８°だけ切れ目が入っていればよい。図４にＸ軸ステージの速度分布と、シャッターの開閉状況をしめす。
【００３６】
一回の片側動作のレーザ照射によって可能なレーザ照射幅分だけ、片側動作終了後、Ｙ軸ステージを移動させる。なお、このＹ軸ステージの移動は、Ｘ軸ステージの片側動作終了後の停止時間内に行えばよい。走査回数を基板の規格に合わせることで、基板全面を隙間無くレーザアニールすることができる。
【００３７】
（実施例２）
本実施例では、実施例１において反射ミラーの回転の制御方法を変えた例を説明する。反射ミラーの回転の方法以外は実施例１と同じ装置構成とする。
【００３８】
反射ミラーの回転に速度変化を与えることによって、シャッターの応答速度を制御することができる。ここでシャッターの応答速度とは、反射ミラーがレーザ光を遮光し始めてから完全に遮光するまでの時間、もしくは、反射ミラーがレーザ光を通過させ始めてから完全に通過させるまでの時間とする。回転速度は、所望の応答速度の条件に応じて制御すると良い。また、回転速度を制御することで、レーザ照射時間を制御することができる。
【００３９】
図５に反射ミラーの回転の速度分布の一例を示す。本装置では図５に示された分布でレーザ走査を行う。なお反射ミラーの回転速度の制御はモーターの回転速度を制御することによって行う
【００４０】
なお、モーターの回転速度はＸ軸ステージの走査速度に応じて設定できるよう、モーター制御装置に種々の走査速度に応じた速度変化パターンをあらかじめ記憶させても良い。
【００４１】
（実施例３）
本実施例では、シャッターに音響光学素子を用いた例を説明する。シャッター以外は実施例１と同じ装置構成とする。
【００４２】
図６に音響光学素子を用いたシャッターを示す。音響光学素子１６０１は、超音波をかけられた媒質が光弾性効果によって屈折率に変化が生じ、前記媒質に入射した光が回折を起こし、光路が変えられる。前記回折効果を音響光学効果という。前記音響光学素子に入射したレーザ光は超音波が流されていないときは非回折光１６０３として、超音波が流れているときには回折光１６０２として射出される。本実施例では、非回折光１６０３が射出されているときが、シャッターが開いている構成としているが、回折光１６０２が射出されるときが、シャッターが開いている構成としてもよい。前記音響光学素子は電機機器である超音波発生器１６０４とアブソーバー１６０５を用いた装置であるため振動を発生させることがない。よって、前記音響光学素子を利用したシャッターを使用することで、光学系及び走査ステージに振動を与えることなくレーザ照射することができるため、基板全面を隙間なくレーザアニールすることが可能である。なお、前記音響光学素子は１０−６秒オーダーの反応時間が可能であるため、シャッターとして反応時間が非常に速いものが可能である。また、音響光学素子の代わりにＥ／Ｏ素子を用いたシャッターを使用してもよい。
【００４３】
【発明の効果】
本発明が開示する回転の加速度変化が連続的な反射ミラーから構成されるシャッター及び音響光学素子から構成されるシャッターを用いれば、ビームスポットを形成する光学系および走査ステージに振動を与えることなく、走査ステージ上の基板をレーザアニールすることが可能となる。このシャッターを用いたレーザ照射装置から射出される線状及び楕円状のビームスポットを、半導体膜に線状及び楕円状の短辺方向に走査すると、振動に起因するレーザ照射跡のうねりの発生を抑制することができ、基板全面を隙間なくレーザアニールすることが可能となる。したがって、基板面内の結晶性の均一性を向上させることができる。本発明を、低温ポリシリコンＴＦＴの量産ラインに適用すれば、動作特性の高いＴＦＴを効率良く生産することができる。
【００４４】
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のレーザ光のシャッターの構成を示す図。
【図２】本発明の手段を説明する図。
【図３】本発明が開示するレーザ照射装置の例を示す図。
【図４】Ｘ軸ステージの速度変化とシャッターの開閉状況を示した図。
【図５】シャッターの回転の速度変化とシャッターの開閉状況を示した図。
【図６】音響光学素子をシャッターに用いた例を示す図。
【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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