(57)【要約】【課題】光学系を構成する光学素子にはそれぞれの特性に起因する配置の制約が存在するため、所望のレーザビームを形成する光学系を設計するのは困難なものとなっている。本発明は光学素子の配置上の制約を受けず、所望の性能を持つ光学系の設計を可能とすることを課題とする  【解決手段】そこで、ビームの長手方向を形成するシリンドリカルレンズアレイを軸外しシリンドリカルレンズアレイとして作製する。【選択図】  図３
2005311340.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光のスポットを一方向に集光する第１の光学素子と、
レーザ光のスポットを前記一方向に分割する第２の光学素子と、
を有し、
前記第２の光学素子は光源側、前記第１の光学素子は照射面側に配置され、
前記第２の光学素子に入射し、分割されたレーザ光の光線を光源側に延長したときに、前記分割されたレーザ光の光線がそれぞれ同一領域に重畳する仮想的な面が、前記第１の光学素子を介して前記照射面と共役関係となることを特徴とするビームホモジナイザ。
【請求項２】
光源からのレーザ光のスポットを長方形状の短辺方向に分割し、第１のレーザ光を形成する第１の光学素子と、
前記第１のレーザ光のスポットを長方形状の長辺方向に分割し、第２のレーザ光を形成する第２の光学素子と、
前記第２のレーザ光のスポットを前記長辺方向に集光し、第３のレーザ光を形成する第３の光学素子と、
前記第３のレーザ光のスポットを前記短辺方向に集光し、照射面側に射出する第４のレーザ光を形成する第４の光学素子と、を有し、
前記第２のレーザ光の光線を前記光源側に延長したときに、前記分割されたレーザ光の光線がそれぞれ同一領域に重畳する仮想的な面が、前記第３の光学素子を介して前記照射面と共役関係となることを特徴とするビームホモジナイザ。
【請求項３】
光源からのレーザ光のスポットを長方形状の短辺方向に分割し、第１のレーザ光を形成する第１の光学素子と、
前記第１のレーザ光のスポットを長方形状の長辺方向に分割し、第２のレーザ光を形成する第２の光学素子と、
前記第２のレーザ光のスポットを前記長辺方向に集光し、第３のレーザ光を形成する第３の光学素子と、
前記第３のレーザ光のスポットを前記短辺方向に集光し、照射面側に射出する第４のレーザ光を形成する第４の光学素子と、を有し、
前記光源側から前記照射面側に向かって、前記第１の光学素子、前記第２の光学素子、前記第３の光学素子、前記第４の光学素子の順に配置されていることを特徴とするビームホモジナイザ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、前記第２の光学素子は軸外しシリンドリカルレンズアレイであることを特徴とするビームホモジナイザ。
【請求項５】
レーザ光のスポットを一方向に分割する軸外しシリンドリカルレンズアレイと、
レーザ光のスポットを前記一方向に集光する集光用光学素子と、
を有することを特徴とするビームホモジナイザ。
【請求項６】
請求項５に記載のビームホモジナイザは、光源側に前記軸外しシリンドリカルレンズアレイ、照射面側に、前記集光用光学素子が配置されていることを特徴とするビームホモジナイザ。
【請求項７】
レーザ光のスポットを長方形状の短辺方向に分割する短手方向形成用光学素子と、
レーザ光のスポットを長方形状の長辺方向に分割する軸外しシリンドリカルレンズアレイと、
レーザ光のスポットを前記長辺方向に集光する長手方向集光用光学素子と、
レーザ光のスポットを前記短辺方向に集光する短手方向集光用光学素子と、を有することを特徴とするビームホモジナイザ。
【請求項８】
請求項７に記載のビームホモジナイザは、光源側から照射面側に向かって、前記短手方向形成用光学素子、前記軸外しシリンドリカルレンズアレイ、前記長手方向集光用光学素子、前記短手方向集光用光学素子の順に配置されていることを特徴とするビームホモジナイザ。
【請求項９】
光源からのレーザ光のスポットを長方形状の短辺方向に分割し、第１のレーザ光を形成する短手方向形成用光学素子と、
前記第１のレーザ光のスポットを長方形状の長辺方向に分割し、第２のレーザ光を形成する軸外しシリンドリカルレンズアレイと、
前記第２のレーザ光のスポットを前記長辺方向に集光し、第３のレーザ光を形成する長手方向集光用光学素子と、
前記第３のレーザ光のスポットを前記短辺方向に集光し、照射面側に射出する第４のレーザ光を形成する短手方向集光用光学素子と、を有することを特徴とするビームホモジナイザ。
【請求項１０】
請求項５乃至請求項９のいずれか一項において、前記軸外しシリンドリカルレンズアレイを構成するシリンドリカルレンズの母線は、アレイの中心から離れた方向にレンズ中心軸からずれていることを特徴とするビームホモジナイザ。
【請求項１１】
請求項９において、前記軸外しシリンドリカルレンズアレイの中心に配置されたシリンドリカルレンズから両端に配置されたシリンドリカルレンズに向って、母線とレンズ中心軸とのずれ量が大きくなることを特徴とするビームホモジナイザ。
【請求項１２】
レーザ光を発振させるレーザ発振器と
レーザ光のスポットを一方向に集光する第１の光学素子と、
レーザ光のスポットを前記一方向に分割する第２の光学素子と、
を有し、
前記第２の光学素子はレーザ発振器側、前記第１の光学素子は照射面側に配置され、
前記第２の光学素子に入射し、分割されたレーザ光の光線をレーザ発振器側に延長したときに、前記分割されたレーザ光の光線がそれぞれ同一領域に重畳する仮想的な面が、前記第１の光学素子を介して前記照射面と共役関係となることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項１３】
第１のレーザ光を発振させるレーザ発振器と、
前記第１のレーザ光のスポットを長方形状の短辺方向に分割し、第２のレーザ光を形成する第１の光学素子と、
前記第２のレーザ光のスポットを長方形状の長辺方向に分割し、第３のレーザ光を形成する第２の光学素子と、
前記第３のレーザ光のスポットを前記長辺方向に集光し、第４のレーザ光を形成する第３の光学素子と、
前記第４のレーザ光のスポットを前記短辺方向に集光し、照射面側に射出する第５のレーザ光を形成する第４の光学素子と、を有し、
前記第３のレーザ光の光線を前記レーザ発振器側に延長したときに、前記分割されたレーザ光の光線がそれぞれ同一領域に重畳する仮想的な面が、前記第３の光学素子を介して前記照射面と共役関係となることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項１４】
第１のレーザ光を発振させるレーザ発振器と、
前記第１のレーザ光のスポットを長方形状の短辺方向に分割し、第２のレーザ光を形成する第１の光学素子と、
前記第２のレーザ光のスポットを長方形状の長辺方向に分割し、第３のレーザ光を形成する第２の光学素子と、
前記第３のレーザ光のスポットを前記長辺方向に集光し、第４のレーザ光を形成する第３の光学素子と、
前記第４のレーザ光のスポットを前記短辺方向に集光し、照射面側に射出する第５のレーザ光を形成する第４の光学素子と、を有し、
前記レーザ発振器側から前記照射面側に向かって、前記第１の光学素子、前記第２の光学素子、前記第３の光学素子、前記第４の光学素子の順に配置されていることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項１５】
請求項１２乃至請求項１４のいずれか一項において、前記第２の光学素子は軸外しシリンドリカルレンズアレイであることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項１６】
レーザ光を発振させるレーザ発振器と、
レーザ光のスポットを一方向に分割する軸外しシリンドリカルレンズアレイと、
レーザ光のスポットを前記一方向に集光する集光用光学素子と、
を有することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載のレーザ照射装置は、前記レーザ発振器側に前記軸外しシリンドリカルレンズアレイ、照射面側に、前記集光用光学素子が配置されていることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項１８】
レーザ光を発振させるレーザ発振器と、
レーザ光のスポットを長方形状の短辺方向に分割する短手方向形成用光学素子と、
レーザ光のスポットを長方形状の長辺方向に分割する軸外しシリンドリカルレンズアレイと、
レーザ光のスポットを前記長辺方向に集光する長手方向集光用光学素子と、
レーザ光のスポットを前記短辺方向に集光する短手方向集光用光学素子と、を有することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載のレーザ照射装置は、前記レーザ発振器側から照射面側に向かって、前記短手方向形成用光学素子、前記軸外しシリンドリカルレンズアレイ、前記長手方向集光用光学素子、前記短手方向集光用光学素子の順に配置されていることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２０】
第１のレーザ光を発振させるレーザ発振器と、
第１のレーザ光のスポットを長方形状の短辺方向に分割し、第２のレーザ光を形成するシリンドリカルレンズアレイと、
前記第２のレーザ光のスポットを長方形状の長辺方向に分割し、第３のレーザ光を形成する軸外しシリンドリカルレンズアレイと、
前記第３のレーザ光のスポットを前記長辺方向に集光し、第４のレーザ光を形成する第１のシリンドリカルレンズと、
前記第４のレーザ光のスポットを前記短辺方向に集光し、照射面側に射出する第５のレーザ光を形成する第２のシリンドリカルレンズと、を有することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２１】
請求項１６乃至請求項２０のいずれか一項において、前記軸外しシリンドリカルレンズアレイを構成するシリンドリカルレンズの母線は、アレイの中心から離れた方向にレンズ中心軸からずれていることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２２】
請求項２１において、前記シリンドリカルレンズアレイの中心に配置されたシリンドリカルレンズから両端に配置されたシリンドリカルレンズに向って、母線とレンズ中心軸とのずれ量が大きくなることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２３】
請求項１２乃至請求項２２のいずれか一項において、前記レーザ発振器は、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、ガラスレーザのいずれか一であることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２４】
請求項１２乃至請求項２２のいずれか一項において、前記レーザ発振器は、ＹＶＯ4レーザ、ＹＬＦレーザ、Ａｒレーザ、GdVO4レーザのいずれか一であることを特徴とするレーザ照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は被照射面におけるビームスポットをある特定の領域で均一化するビームホモジナイザに関する。また、ビームスポットを被照射面に照射するレーザ照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガラス等の絶縁基板上に形成された非晶質半導体膜（a−Ｓｉ：Ｈ）や結晶性半導体膜（多結晶半導体膜や微結晶半導体膜（所謂マイクロクリスタル半導体（μｃ−Ｓｉ：Ｈ））等の結晶性を有する半導体膜）、即ち非単結晶半導体膜に対し、レーザアニールを施して、結晶化させ、又は結晶性を向上させる技術が、広く研究されている。上記半導体膜には、珪素膜がよく用いられる。
【０００３】
ガラス基板は、従来よく使用されてきた石英基板と比較し、安価で加工性に富んでおり、大面積基板を容易に作製できる利点を持っている。これが上記研究の行われる理由である。また、結晶化に好んでレーザが使用されるのは、ガラス基板の融点が低いからである。レーザは基板の温度をあまり上昇させずに非単結晶膜にのみ高いエネルギーを与えることができる。
【０００４】
結晶性珪素膜は多くの結晶粒からできているため、多結晶珪素膜、あるいは多結晶半導体膜と呼ばれる。レーザアニールを施して形成された結晶性珪素膜は、高い移動度を有するため、この結晶性珪素膜を用いて薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成し、例えば、一枚のガラス基板上に、画素駆動用と駆動回路用のＴＦＴを作製する、モノリシック型の液晶電気光学装置等に盛んに利用されている。
【０００５】
また、出力の大きい、エキシマレーザ等のパルスレーザビームを、被照射面において、数ｃｍ角の四角いスポットや、長さ１０ｃｍ以上の線状となるように光学系にて加工し、レーザビームを走査させて（あるいはレーザビームの照射位置を被照射面に対し相対的に移動させて）、レーザアニールを行う方法が、量産性が高く工業的に優れているため、好んで用いられている。
【０００６】
特に、線状レーザビームを用いると、前後左右の走査が必要なスポット状のレーザビームを用いた場合とは異なり、線状レーザの線方向に直角な方向だけの走査で被照射面全体にレーザ照射を行うことができるため、高い量産性が得られる。線方向に直角な方向に走査するのは、それが最も効率のよい走査方向であるからである。この高い量産性により、現在レーザアニールにはパルス発振エキシマレーザビームを適当な光学系で加工した線状レーザビームを使用することが主流になりつつある。
【０００７】
図１に、照射面においてレーザビームの断面形状を線状に加工するための光学系の構成の例を示す。この構成は、レーザビームの断面形状を線状に変換するだけでなく、同時に、照射面におけるレーザビームのエネルギー均一化を果たすものである。一般に光学素子（シリンドリカルレンズ、タブレットレンズ等）を用いてビームのエネルギーの均一化を行う光学系を、ビームホモジナイザと呼ぶ。
【０００８】
まず、図１（A）の側面図について説明する。レーザ発振器１０１から出たレーザビームは、シリンドリカルレンズアレイ１０２aと１０２bにより、レーザビームの進行方向と直角方向に分割される。該方向を縦方向と呼ぶことにする。この構成では、４分割となっている。これらの分割されたレーザビームは、シリンドリカルレンズ１０４により、いったん１つのレーザビームにまとめられる。ミラー１０６で反射され、その後、ダブレットシリンドリカルレンズ１０７により、照射面１０８にて再び１つのレーザビームに集光される。ダブレットシリンドリカルレンズとは、２枚のシリンドリカルレンズで構成されているレンズのことをいう。これにより、線状レーザビームの幅方向のエネルギー均一化がなされ、幅方向の長さが決定される。
【０００９】
次に、図１（B）の平面図について説明する。レーザ発振器１０１から出たレーザビームは、シリンドリカルレンズアレイ１０３により、レーザビームの進行方向と直角方向でかつ、縦方向と直角方向に分割される。該方向を横方向と呼ぶことにする。この構成では、７分割となっている。その後、シリンドリカルレンズ１０５にて、レーザビームは照射面１０８にて１つに合成される。これにより、線状レーザビームの長手方向のエネルギー均一化がなされ、線状レーザビームの長さが決定される。
【００１０】
上記の諸レンズは、エキシマレーザに対応するため合成石英製である。また、エキシマレーザをよく透過するように表面にコーティングを施している。これにより、レンズ１つのエキシマレーザの透過率は９９％以上になった。
【００１１】
上記の構成で加工された線状レーザビームをそのレーザビームの幅方向に徐々にずらしながら重ねて照射することにより、非単結晶珪素膜全面に対し、レーザアニールを施して、結晶化させ、又は結晶性を向上させることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
パルス発振エキシマレーザビームを上述したような光学系により線状に加工し、例えば非単結晶珪素膜に対し、前記線状レーザビームを走査させながら照射すると、多結晶珪素膜が得られる。
【００１３】
得られた多結晶珪素膜を観察した結果、縦横に走る縞模様ができてしまう現象が目立った。これらの縞の一本一本で膜の半導体特性が異なったため、例えばこの縞状の膜を使用してドライバー画素一体型（システムオンパネル）の表示装置を作製した場合、この縞が画面にそのまま出てしまう不都合が生じた。画面上にでる縞は主に画素部における結晶性の不均一に起因した。この問題は、レーザビームや、レーザビームの照射対象である非単結晶珪素膜の膜質を改良することで低減することができる。
【００１４】
特に線状レーザビームの走査方向と平行に生じる縞の発生は、レーザビームを形成する光学系の設計による影響が大きい。そのため、様々な光学系の設計が行われているが、光学系を構成する光学素子にはそれぞれの特性に起因する配置の制約が存在するため、所望のレーザビームを形成する光学系を設計するのは困難なものとなっている。
【００１５】
そこで、本発明は光学素子の配置上の制約を受けず、所望の性能を持つ光学系の設計を可能とすることを課題とする。また、光学素子の配置上の制約を受けず、所望の性能を持つビームホモジナイザを提供することを課題とする。また、このビームホモジナイザを用いたレーザ照射装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
レーザ光のスポットを一方向に集光する第１の光学素子を照射面側、レーザ光のスポットを一方向に分割する第２の光学素子を光源側に配置し、第２の光学素子に入射し、分割されたレーザ光の光線を光源側に延長したときに、分割されたレーザ光の光線がそれぞれ同一領域に重畳する仮想的な面が、第１の光学素子を介して照射面と共役関係となるように光学系を設計する。
【００１７】
また、レーザ光のスポットを一方向に分割する軸外しシリンドリカルレンズアレイと、レーザ光のスポットを一方向に集光する集光用光学素子とを用いてビームホモジナイザを構成する。
【００１８】
また、レーザ光のスポットを長方形状の短辺方向に分割する短手方向形成用光学素子と、レーザ光のスポットを長方形状の長辺方向に分割する軸外しシリンドリカルレンズアレイと、レーザ光のスポットを長辺方向に集光する長手方向集光用光学素子と、レーザ光のスポットを短辺方向に集光する短手方向集光用光学素子とを用いてビームホモジナイザを構成する。
【００１９】
また、レーザ光を発振させるレーザ発振器と、レーザ光のスポットを一方向に分割する軸外しシリンドリカルレンズアレイと、レーザ光のスポットを一方向に集光する集光用光学素子とを用いてレーザ照射装置を構成する。
【００２０】
また、レーザ光を発振させるレーザ発振器と、レーザ光のスポットを長方形状の短辺方向に分割する短手方向形成用光学素子と、レーザ光のスポットを長方形状の長辺方向に分割する軸外しシリンドリカルレンズアレイと、レーザ光のスポットを長辺方向に集光する長手方向集光用光学素子と、レーザ光のスポットを短辺方向に集光する短手方向集光用光学素子とを用いてレーザ照射装置を構成する。
【００２１】
また、通常のシリンドリカルレンズはレンズの母線に対して左右対称であるが、上記軸外しシリンドリカルレンズは、母線に対して左右非対称である。軸外しシリンドリカルレンズをシリンドリカルレンズアレイとして用いると光線の進行方向を自由にコントロールすることができる。そこで、ビームの長手方向に作用するシリンドリカルレンズアレイに軸外しシリンドリカルレンズアレイを用いる。なお、本明細書において母線とは、シリンドリカルレンズの曲面部にあって、該シリンドリカルレンズの平面部から最も遠い位置にある母線を指す。
【００２２】
本発明において、複数の軸外しシリンドリカルレンズを含む軸外しシリンドリカルレンズアレイは、軸外しシリンドリカルレンズアレイを構成する個々の軸外しシリンドリカルレンズの母線とレンズ中心軸とのずれ量が、所望のビーム長と集光レンズの曲率、アレイを構成するシリンドリカルレンズの曲率に応じて作製されたものを用いる。また、長手方向の集光レンズと組み合わせたときに、個々の軸外しシリンドリカルレンズを通過した光線が照射面において同一箇所に重畳するように設計する。例えば奇数個のシリンドリカルレンズで構成された軸外しシリンドリカルレンズアレイを用いる場合、中央には通常のシリンドリカルレンズを配置し、軸外しシリンドリカルレンズアレイの中心から両端に配置された軸外しシリンドリカルレンズに向かって、母線とレンズ中心軸とのずれ量が大きくなっているものを用いる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明では長手方向形成用軸外しシリンドリカルレンズアレイと長手方向集光用シリンドリカルレンズを組み合わせることで、上記の課題を解決する。
【００２４】
長手方向形成用軸外しシリンドリカルレンズアレイと長手方向集光用シリンドリカルレンズを組み合わせる利点として、光学系設計の段階で自由度が増すことが挙げられる。従来であれば、長手方向集光用シリンドリカルレンズを配置する際に配置上の制約を受けていたが、軸外しシリンドリカルレンズアレイを適用することにより長手方向集光用シリンドリカルレンズ通過後の光線の進行方向をコントロールしながら光学系を設計することが可能になる。その結果、光学系を構成する際の自由度が増え、所望の位置に長手方向集光用シリンドリカルレンズを配置することが可能になる。
【００２５】
また、長手方向のエネルギー分布をより均一にするなどの所望の機能を果たす光学系の設計を行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に 理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
【００２７】
（実施の形態１）
本実施の形態では軸外しシリンドリカルレンズアレイと長手方向集光用レンズの組み合わせにより線状ビームの長軸方向を形成するものであるが、光学系としての本質は以下に示すように、長手方向集光用レンズから照射面までの距離を自由に設計できることにある。
【００２８】
光学系を構成する軸外しシリンドリカルレンズアレイと集光用レンズのパラメータを図６を用いて説明する。
【００２９】
図６（Ａ）は、本実施の形態の光学系を説明する図であり、軸外しシリンドリカルレンズアレイ６０１によりレーザ光が分割され、分割されたレーザ光が長手方向に集光用レンズ６０２により集光され、照射面６０３において同一領域に重畳的に照射されている様子を示している。
【００３０】
ここで、レンズの屈折率をｎ、軸外しシリンドリカルレンズアレイ６０１のレンズの識別番号をi（中央のレンズをｉ=０とし、レンズの識別番号は外側のアレイに向って増加する。）、軸外しシリンドリカルレンズアレイ６０１を構成するシリンドリカルレンズ第１面の曲率半径をｒとし、長手方向集光用レンズ６０２第１面の曲率半径はｍ、長手方向集光用レンズ６０２の中心厚６０４をｓ、軸外しシリンドリカルレンズアレイ６０１を通過したレーザ光の焦点位置から長手方向集光用レンズ６０２までの距離６０５をＬ、長手方向集光用レンズ６０２から照射面６０３までの距離６０６をｇとする。
【００３１】
また、軸外しシリンドリカルレンズアレイ６０１を構成するシリンドリカルレンズを図６（Ｂ）に示す。軸外しシリンドリカルレンズアレイ６０１を構成するシリンドリカルレンズ６０９の曲率方向の幅６１０をｄ、シリンドリカルレンズ６０９の中心軸６１１からの母線６１２のずれ幅である軸外し量６１３をｘiとする。
【００３２】
光学系設計の際には上記のパラメータを最適化する必要がある。パラメータの最適化を行うためには、レーザ光線の進行方向を計算することが不可欠になるが、長手方向集光用レンズ６０２から照射面６０３までの距離６０６は、ｇとして以下の式で近似することができる。
【００３３】
【数１】
2005311340.tif 000003
【００３４】
ここで、軸外しシリンドリカルレンズアレイ６０１で分割されたレーザ光が、軸外しシリンドリカルレンズアレイ６０１を構成する軸外しシリンドリカルレンズの中心軸との成す角６０７をθaiとし（図６（Ａ）参照）、θaiは以下の式で表される。
【００３５】
【数２】
2005311340.tif 000004
【００３６】
そして、長手方向集光用レンズ６０２に入射するレーザ光の入射位置を通る光軸と平行の軸６１６と、長手方向集光用レンズ６０２のレーザ光の入射位置における法線６１７との成す角６１８をθbi、その時のレーザ光の入射位置における長手方向集光用レンズ６０２の厚さ６１９をPiとし（図６（Ｃ）参照）、θbi及びPiは以下の式で表される。
【００３７】
【数３】
2005311340.tif 000005
【００３８】
【数４】
2005311340.tif 000006
【００３９】
そして長手方向集光用レンズ６０２中を進行するレーザ光と、長手方向集光用レンズ６０２のレーザ光入射位置における法線６１７（レーザ光入射位置における接線６１５に垂直な線）との角６２０をθciとし、θciは以下の式で表される。
【００４０】
【数５】
2005311340.tif 000007
【００４１】
そして、長手方向集光用レンズ６０２から射出するときのレーザ光と、集光用シリンドリカルレンズ６０２の光軸６１４との成す角６０８をθdiとし、θdiは以下の式で表される。
【００４２】
【数６】
2005311340.tif 000008
【００４３】
なお、距離ｇは各アレイを通過した光線が照射面において全て同一箇所に集光する時の近似値である。上記の式により、軸外しシリンドリカルレンズアレイを導入した時の光線の進行方向を予測することができる。これにより所望の性能を持つ光学系を構成することができる。
【００４４】
（実施の形態２）
また、本実施の形態による光学系では、軸外しシリンドリカルレンズアレイと光源との間に形成される仮想的な物体点と照射面（像点）との間に共役関係が成立する。ここで、図１２を用いて軸外しシリンドリカルレンズアレイ１２０１を構成する、ある一つの軸外しシリンドリカルレンズに平行光束が入射した場合について説明する。なお、この軸外しシリンドリカルレンズに平行光束で入射する光束を、光束１２０２で示している。この軸外しシリンドリカルレンズの中心軸１２０８と軸外しシリンドリカルレンズ第一面との交点を交点１２０９とする。ここで、交点１２０９と平行光束が軸外しシリンドリカルレンズアレイ１２０１と長手方向集光用レンズ１２０５との間に集光される点（集光点）１２１０とを結ぶ光線を光源側に延長する。軸外しシリンドリカルレンズアレイを構成する任意の２つの軸外しシリンドリカルレンズについて、上記と同様に光線を光源側に延長すると、光線は物体点１２０３で交わることになり、物体点１２０３と照射面の中心位置（像点）１２０４は長手方向集光用レンズ１２０５に対して共役関係となる。
【００４５】
上記の関係を利用することによっても、光学系設計において最適なパラメータを求めることが可能となる。例えば、平行光束が軸外しシリンドリカルレンズアレイ１２０１に入射した時の光路を光源側の物体点１２０３まで延長する。物体点１２０３から長手方向集光用レンズ１２０５までの距離をａ、長手方向集光用レンズ１２０５から照射面までの距離をｂとすると、長手方向集光用レンズ１２０５の焦点距離ｆとの間には、１／ｆ＝１／ａ＋１／ｂとなる結像方程式が成立する。ここで、物体点１２０３において仮想的に形成されるビームの長手方向の長さは物体高１２０６の二倍であることから、物体高１２０６と照射面における所望のビーム長の半分１２０７との比はa:bで表されるため、上記の結像方程式を利用しながら光学設計を行うことにより、照射面において所望の長さを持つビームを設計することが可能となる。
【実施例１】
【００４６】
レーザビームを走査させる方向に平行の方向に発生する縞の原因は、主に光学系を構成するレンズの脈理やレンズ表面に付着し、レーザ光の照射により焼き付いてしまったゴミなどによるものと考えられる。上記の不均質な領域に起因してレンズの透過率にムラが生じると縞が発生することがある。さらに、長手方向に均一なビームを形成するために分割された光線が透過率にムラのある領域を通過すると、ほぼ等間隔の周期模様の縞が発生することもある。
【００４７】
このような縞の発生を抑止するには線状ビームの長手方向を形成するシリンドリカルレンズアレイを、より照射面側に近づけると良い。特に、長手方向を形成するシリンドリカルレンズアレイを、短手方向の均一化に用いるシリンドリカルレンズアレイと照射面との間に配置すると縞の発生防止に有効となる。
【００４８】
ここで、ビームの長手方向を形成するシリンドリカルレンズアレイを照射面側に近づけて配置する構成を例に挙げる。上記の構成で所望のビーム長を得るためには、長手方向を形成するシリンドリカルレンズアレイを構成する個々のシリンドリカルレンズの焦点距離を短焦点化させる必要がある。ところがシリンドリカルレンズを短焦点化させることによって急激にビームが広がることになる。ここで、短手方向の集光レンズにダブレットレンズを用いた場合、レーザ光の光線が大きな画角を持ってダブレットレンズに入射することになる。光線の持つ画角はダブレットレンズを透過する位置に依存して異なるため、照射面においてビームの長手方向の中央部に照射される光線と、端部に照射される光線との間で焦点距離にずれが生じる。その結果、短手方向のビーム形状は線状ビームの中央部と端部で異なることになり、照射面において均一なビームを形成することが困難となる。
【００４９】
また、光線が大きな画角成分を持つことにより、ビームの長手方向のエネルギー分布にも悪影響を及ぼしてしまうことになる。長手方向のビームを形成するシリンドリカルレンズアレイを照射面側に近づけて配置すると、線状ビームの長手方向の中心部の強度が端部の強度に比べ大きくなるという不具合が生じることがある。半導体膜を処理する場合、ビームの長手方向の強度の平均値に対する変動の範囲は１％以内であることが望ましいが、場合によっては変動の範囲が１０％程度まで悪化することがある。以上のように光線が大きな画角を持つと、ビームの長手方向の中央部と端部で照射エネルギー密度に差が生じることになる。その結果、基板全面を均一に処理することが不可能になる。
【００５０】
また、線状ビームの長手方向に平行の方向に発生する縞が目立たなくなる照射エネルギーのマージンは小さいものである。そのため、ビームのエネルギー分布が長手方向に不均一になると照射エネルギーを基板処理の最適マージン内とすることができなくなる。その結果、線状ビームの長手方向に平行の方向に新たに縞模様を形成する原因にもなる。上記の理由から、長手方向のビームを形成するシリンドリカルレンズアレイを照射面側に近づける構成は容易に実現できないことがわかる。
【００５１】
ここで、照射面の分布に影響を及ぼす因子として画角による影響が大きいと思われるため、図２(Ａ)に示すようにまず短焦点の長手方向に作用する長手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ２０１により所望のビーム長まで光線を広げる。次に長手方向に集光する長手方向集光用シリンドリカルレンズ２０２により画角を抑える構成とする。上記の構成にすることにより、短手方向に集光する短手方向集光用ダブレットシリンドリカルレンズ２０３に入射する光線の画角を小さくすることが可能になる。なお、図２の構成で、長手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ２０１により分割されたビームを照射面において同一箇所に集光させたい場合、長手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ２０１から長手方向集光用シリンドリカルレンズ２０２までの距離と、長手方向集光用シリンドリカルレンズ２０２から照射面２０４までの距離はほぼ等しくなるという配置上の制約を受ける。
【００５２】
図２(Ｂ)に画角の影響を抑えた構成としたときのレーザ照射装置の典型的な光学系配置例を示す。レーザ発振器２０７よりレーザビームが射出し、照射面２０４に照射される。図２（Ｂ）は、シリンドリカルレンズ２０２をシリンドリカルレンズ２０６と照射面２０４との間に配置した例を示している。ここで、シリンドリカルレンズ２０２の焦点距離はシリンドリカルレンズ２０２から照射面２０４までの距離に等しくなっており、シリンドリカルレンズ２０２は、この焦点距離に応じた曲率を持っている。そのため、レーザビームの通過する領域により、レンズの厚さに差が生じることになる。例えば曲率半径が５００ｍｍのシリンドリカルレンズ２０２を配置し、長さが３００ｍｍの線状ビームを形成する場合、ビーム中心とビーム端でシリンドリカルレンズ２０２の厚みの差が４０ｍｍ程度生じる。さらに、シリンドリカルレンズアレイ２０５aおよび２０５ｂによって分割されたビームをシリンドリカルレンズ２０６によって集光させ均一化させる際に、光軸とビームの短手方向の軸を含む面内に角度を持ってレーザ光が進行することになる。したがって、ビームの長手方向の中心部を形成する光線と端部を形成する光線の光路差がより顕著となる。また、照射面においてビーム中央部とビーム端部で焦点距離の差が大きくなる。
【００５３】
なお、図２（Ｂ）の光学系配置とは異なり、シリンドリカルレンズ２０２をシリンドリカルレンズ２０６とレーザ発振器２０７との間に配置すると、上記のシリンドリカルレンズ２０２において生じる光路差の問題は回避できる。しかし、シリンドリカルレンズ２０６で形成される均一面の投影倍率や、ダブレットシリンドリカルレンズ２０３の結像性能及び開口径等を勘案すると、シリンドリカルレンズ２０６から照射面２０４までの距離は数ｍ程度と大きいものとなることが多い。したがって、シリンドリカルレンズ２０２をシリンドリカルレンズ２０６に対してレーザ発振器側に配置すると、シリンドリカルレンズ２０２から照射面２０４との間の距離も必然的に数ｍ以上となる。ここで、シリンドリカルレンズアレイ２０１と照射面２０４との間の距離は、シリンドリカルレンズ２０２と照射面２０４との間の距離の倍程度とする必要があることから、上記の構成とすると光学系のフットプリントが著しく大きくなる欠点が生じる。
【００５４】
以上のように、縞の発生を抑止する目的で、短手方向の均一化に用いるシリンドリカルレンズアレイと照射面との間に長手方向に作用する長手方向形成用のシリンドリカルレンズアレイを配置して均一なレーザ照射を行うことは難しいことがわかる。現状では長手方向の均一性を確保するため、縞の出来やすい配置でレーザ照射を行うことが多い。
【００５５】
上記の理由により、縞模様の発生を抑え、線状ビームの長手方向の均一性を確保することで基板全面を均一に処理し、さらにレーザ光のエネルギーの利用効率も高く保てる装置が求められてきた。
【００５６】
そこで、本実施例で開示するレーザ照射装置の光学系を、図３を用いて説明する。
【００５７】
まず、図３(Ｂ)の側面図について説明する。レーザ発振器３０１から出たレーザビームは図３中、矢印の方向に伝搬される。まず、レーザビームは球面レンズ３０２ａ及び３０２ｂにより拡大される。この構成は、レーザ発振器３０１から出るビームスポットが十分に大きい場合には必要ない。
【００５８】
レーザ発振器３０１から出たレーザビームは、短手方向に作用する短手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ３０３ａ及び３０３ｂにより、レーザ光のビームスポットが短手方向に分割される。短手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ３０３ａは、第１面の曲率半径が＋３００ｍｍで、厚さが６ｍｍ、幅８ｍｍのシリンドリカルレンズを曲率方向に４個並べたものである。短手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ３０３ｂは第１面の曲率半径が−２４０ｍｍ、厚さ６ｍｍ、幅８ｍｍのシリンドリカルレンズを曲率方向に４個並べたものである。また、短手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ３０３ａと３０３ｂとの間隔は１８５ｍｍとした。なお、曲率半径の符号は、曲率中心がレンズ面に対して光線の射出側にある時が正、曲率中心がレンズ面に対して入射側にある時を負とする。また、レンズ面は光が入射する面を第１面、射出する面を第２面とする。
【００５９】
その後、短手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ３０３ｂに対して照射面寄り８８８ｍｍに置かれた第１面の曲率半径が＋４８６ｍｍ、厚さ２０ｍｍの短手方向に集光する短手方向集光用シリンドリカルレンズ３０６にて、レーザビームを集光する。これにより各アレイを透過した光線が一箇所に集光され、短手方向集光用シリンドリカルレンズ３０６と照射面との間に均一面が形成される。これにより、ビームスポットの短手方向のエネルギー分布の均一化がなされ、形成された均一面を照射面に結像させることによって均一なエネルギー分布を持つ線状ビームを形成することができる。
【００６０】
ビームの結像を行うために、短手方向集光用シリンドリカルレンズ３０６から２０８０ｍｍ照射面寄りにダブレットシリンドリカルレンズ３０７ａ及び３０７ｂを配置する。ここでダブレットシリンドリカルレンズ３０７とは、２枚のシリンドリカルレンズで構成されているレンズのことをいう。ダブレットシリンドリカルレンズを構成する２枚のシリンドリカルレンズは、１枚は第1面の曲率半径が＋１２５ｍｍ、第２面の曲率半径が＋７７ｍｍ、厚さ１０ｍｍのシリンドリカルレンズであり、もう１枚は第１面の曲率半径が＋９７ｍｍ、第２面の曲率半径が−２００ｍｍ、厚さ２０ｍｍのシリンドリカルレンズであり、２枚のシリンドリカルレンズの間隔は５．５ｍｍである。これにより、レーザ光のビームスポットの短辺方向のエネルギー分布の均一化がなされ、短辺方向の長さが決定される。ダブレットシリンドリカルレンズは使用しなくとも構わないが、ダブレットシリンドリカルレンズを用いることにより、光学系と照射面との間に距離がとれるため、空間的な余裕ができる。ダブレットシリンドリカルレンズから照射面寄り２３５ｍｍに配置した被照射面３０８に光線を集光する。これにより、短手方向に均一なエネルギー分布を持つビームを形成することができる。
【００６１】
次に、図３(Ａ)の平面図について説明する。レーザ発振器３０１から出たレーザビームは、長手方向に作用する長手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ３０４により、ビームスポットが長手方向に分割される。長手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ３０４は、第１面の曲率半径が＋１９ｍｍで、厚さが５ｍｍ、幅６．５ｍｍのシリンドリカルレンズを曲率方向に１５個並べたものである。図４に長手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ３０４の平面図を示す。長手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ３０４の中央に配置したシリンドリカルレンズ４０１は、レンズの母線に対して左右の幅が等しい通常のシリンドリカルレンズである。しかし、残りの１４個のシリンドリカルレンズはレンズの母線に対して左右の幅が異なっている。シリンドリカルレンズ４０２及び４０３はレンズの母線がレンズの幅方向の中心軸から０．２ｍｍレンズの外側方向にずれるよう作製されている。さらに、シリンドリカルレンズ４０４及び４０５はレンズの母線が幅方向の中心軸から０．３ｍｍ、シリンドリカルレンズ４０６及び４０７はレンズの母線が幅方向の中心線から０．４ｍｍ、シリンドリカルレンズ４０８及び４０９はレンズの母線が幅方向の中心線から０．５ｍｍ、シリンドリカルレンズ４１０及び４１１はレンズの母線が幅方向の中心線から０．６ｍｍ、シリンドリカルレンズ４１２及び４１３はレンズの母線が幅方向の中心線から０．７ｍｍ、シリンドリカルレンズ４１４及び４１５はレンズの母線が幅方向の中心線から０．８ｍｍ、レンズの外側にずれるよう作製したものである。以上のように母線に対する左右の幅のずれ量は、アレイの中心からアレイの両端に向かって大きくなっている。幅方向の中心線に対してレンズの母線をずらすことにより、光線の進行方向を自由にコントロールすることが可能である。上記の方法によって長手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ３０４を通過し、長手方向に集光する長手方向集光用シリンドリカルレンズ３０5を透過した光線を全て同一箇所に集光させることができる。
【００６２】
その後、長手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ３０４に対して照射面寄り７４０ｍｍに置かれた第１面の曲率半径が＋６６０ｍｍ、厚さ５０ｍｍの長手方向に集光する長手方向集光用シリンドリカルレンズ３０５にて、レーザビームは被照射面３０８にて１つに合成される。これにより、レーザ光のビームスポットの長辺方向のエネルギー分布の均一化がなされ、長辺方向の長さが決定される。ここで、長手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ３０４を構成するシリンドリカルレンズは上記のずれ量を持つため、ずれ量を持たない通常のシリンドリカルレンズアレイを使用した場合には発生してしまうビームの損失を低減させることが可能となっている。
【００６３】
上記の構成により、長手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ３０４を短手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ３０３と照射面との間に配置することができる。さらに長手方向集光用シリンドリカルレンズ３０５を短手方向集光用シリンドリカルレンズ３０６とレーザ発振器との間に配置することが可能になる。長手方向形成用シリンドリカルレンズアレイ３０４及び長手方向集光用シリンドリカルレンズ３０５を有する本実施例は、従来の光学系で被照射面における線状ビームの長手方向のエネルギー分布の不均一性の原因となった、光線の画角を緩和することができ、かつエネルギーの利用効率を改善することができる。
【００６４】
図５に光学設計ソフトでシミュレーションを行い、長辺方向の長さが３００ｍｍ、短辺方向の長さが０．４ｍｍのエネルギー分布が均一な線状ビームが得られた結果を示す。図５(Ａ)は、線状ビームの長手方向のエネルギー分布である。ビームの長手方向の強度の平均値に対する変動の範囲は０．５％以内（横軸が−１５０〜＋１５０ｍｍの間）となっている。また図５(Ｂ)は、線状ビームの短手方向のエネルギー分布である。図５より均一なビームが照射面において形成されていることがわかる。
【００６５】
本実施例の光学系と組み合わせるレーザ発振器は、大出力でかつ半導体膜によく吸収される波長域が好ましい。半導体膜として珪素膜を用いた場合、吸収率を考慮し、用いるレーザ発振器の出すレーザビームの波長は６００ｎｍ以下であることが好ましい。このようなレーザビームを出すレーザ発振器には、例えば、エキシマレーザ、YAGレーザ（高調波）、ガラスレーザ（高調波）がある。
【００６６】
また、珪素膜の結晶化に適当な波長のレーザビームを発振するレーザ発振器として、例えば、YVO4レーザ（高調波）、YLFレーザ（高調波）、Arレーザ、GdVO4レーザ（高調波）がある。
【実施例２】
【００６７】
以下、本実施例では、実施例１に示したレーザ照射装置を用いた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６００×７２０×０.７ｍｍのガラス基板（ＡＮ１００）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。
【００６８】
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。
【００６９】
本実施例では、レーザ発振器として、ラムダフィジック社製ＳＴＥＥＬ１０００ＸｅＣｌエキシマレーザを使う。前記エキシマレーザは、パルスレーザである。前記エキシマレーザの最大エネルギーは、１パルスあたり１０００ｍＪ、発振波長は３０８ｎｍ、最大周波数は３００Ｈｚである。基板１枚をレーザ処理する間、該パルスレーザの１パルスごとのエネルギー変動は、±１０％以内、好ましくは±５％以内に収まっていると、均一な結晶化が行える。
【００７０】
ここで述べているレーザエネルギーの変動は、以下のように定義する。すなわち、基板１枚を照射している期間のレーザエネルギーの平均値を基準とし、その期間の最小エネルギーまたは最大エネルギーと前記平均値との差を％で表したものである。
【００７１】
レーザビームの照射は例えば、被照射面をのせたステージを長方形の短辺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。だいたいの目安は、エネルギー密度２００ｍＪ/cm2〜１０００ｍＪ/cm2（好ましくは３００ｍＪ/cm2〜６００ｍＪ/cm2）の範囲である。走査のスピードは、長方形状のビームスポットの短辺方向の幅が９０％程度もしくはそれ以上で互いに重なり合う範囲で適当なものを選ぶと、均一なレーザアニールを行える可能性が高い。最適な走査スピードは、レーザ発振器の周波数に依存し、前記周波数に比例すると考えてよい。
【００７２】
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表示装置やＥＬ表示装置を公知の方法に従って作製することができる。
【００７３】
上記の例ではレーザ発振器にエキシマレーザを用いた。エキシマレーザはコヒーレント長が数μｍと非常に小さいため、上記例の光学系に適している。以下に示すレーザにはコヒーレント長が長いものもあるが、作為的にコヒーレント長を変えたものを用いればよい。YAGレーザの高調波やガラスレーザの高調波を用いても同様な大出力が得られ、かつ珪素膜にレーザビームのエネルギーが良く吸収されるので好ましい。珪素膜の結晶化に適当なレーザ発振器として、YVO4レーザ（高調波）、YLFレーザ（高調波）、Arレーザ、GdVO4レーザ（高調波）などがある。これらのレーザビームの波長域は珪素膜によく吸収される。
【００７４】
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、実施例１に示したレーザ照射装置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。
【実施例３】
【００７５】
本実施例では表示装置の作製方法について図７〜１０を用いて説明する。本実施例で説明する表示装置の作製方法は画素部とその周辺に設けられる駆動回路部のＴＦＴを同時に作製する方法である。但し、説明を簡単にするために、駆動回路に関しては基本単位であるＣＭＯＳ回路を図示することとする。
【００７６】
まず、図７（Ａ）に示すように、下地膜（図示せず）を表面に設けた基板７０１を用意する。本実施例では基板上に下地膜として１００ｎｍ厚の窒化酸化珪素膜と２００ｎｍ厚の酸化珪素膜とを積層して用いる。この時、窒素濃度を１０〜２５ｗｔ％としておくと良い。あるいは、下地膜を設けずに石英基板上に直接半導体膜を形成しても良い。
【００７７】
次に基板７０１の上に４５ｎｍの厚さのアモルファスシリコン膜７０２を公知の成膜法で形成する。なお、アモルファスシリコン膜に限定する必要はなく、非晶質構造を含む半導体膜（微結晶半導体膜を含む）であれば良い。さらに非晶質シリコンゲルマニウム膜などの非晶質構造を含む化合物半導体膜でも良い。
【００７８】
次にアモルファスシリコン膜７０２をレーザ結晶化法により結晶化させる。レーザ結晶化は実施例１に示したレーザ照射装置を用いて行うことができる。もちろんレーザ結晶化法だけでなく、ＲＴＡやファーネスアニール炉を用いた熱結晶化法や、結晶化を助長する金属元素を用いた熱結晶化法などと組み合わせて行っても良い。
【００７９】
上述したレーザ結晶化によって、非晶質半導体膜に部分的に結晶化された領域７０３、７０４、７０５が形成される（図７（Ｂ））。
【００８０】
次に、部分的に結晶性が高められた結晶性半導体膜を所望の形状にパターニングして、結晶化された領域７０３、７０４、７０５から島状の半導体膜７０６〜７０９を形成する（図７（Ｃ））。
【００８１】
次に、図７（Ｄ）に示すように、島状の半導体膜７０６〜７０９を覆うゲート絶縁膜７１０を形成する。ゲート絶縁膜７１０はプラズマＣＶＤ法またはスパッタ法を用い、厚さを４０〜１５０ｎｍとして珪素を含む絶縁膜で形成する。本実施例では、プラズマＣＶＤ法により１１０ｎｍの厚さで酸化窒化珪素膜（組成比Ｓｉ＝３２％、Ｏ＝５９％、Ｎ＝７％、Ｈ＝２％）で形成した。勿論、ゲート絶縁膜は酸化窒化珪素膜に限定されるものでなく、他の珪素を含む絶縁膜を単層または積層構造として用いても良い。
【００８２】
また、酸化珪素膜を用いる場合には、プラズマＣＶＤ法でＴＥＯＳ（Tetraethyl Orthosilicate）とＯ2とを混合し、反応圧力４０Pa、基板温度３００〜４００℃とし、高周波（１３．５６MHz）電力密度０．５〜０．８W/cm2で放電させて形成することができる。このようにして作製される酸化珪素膜は、その後４００〜５００℃の熱アニールによりゲート絶縁膜として良好な特性を得ることができる。
【００８３】
次に、図７（Ｅ）に示すように、レジストマスク７１１を形成し、ゲート絶縁膜７１０を介してｐ型を付与する不純物元素（以下、ｐ型不純物元素という）を添加する。ｐ型不純物元素としては、代表的には１３族に属する元素、典型的にはボロンまたはガリウムを用いることができる。この工程（チャネルドープ工程という）はＴＦＴのしきい値電圧を制御するための工程である。
【００８４】
なお、本実施例ではジボラン（Ｂ2Ｈ6）を質量分離しないでプラズマ励起したイオンドーピング法でボロンを添加する。勿論、質量分離を行うイオン注入法を用いても良い。この工程により１×１０15〜１×１０18atoms/cm3（代表的には５×１０16〜５×１０17atoms/cm3）の濃度でボロンを含む不純物領域７１２〜７１４が形成される。
【００８５】
次に、２００〜４００ｎｍ厚の導電膜を形成し、パターニングしてゲート電極８０１〜８０５を形成する（図８（Ａ））。なお、ゲート電極は単層の導電膜で形成しても良いが、必要に応じて二層、三層といった積層膜とすることが好ましい。ゲート電極の材料としては公知の導電膜を用いることができる。
【００８６】
具体的には、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、導電性を有するシリコン（Ｓｉ）から選ばれた元素でなる膜、または前記元素の窒化物でなる膜（代表的には窒化タンタル膜、窒化タングステン膜、窒化チタン膜）、または前記元素を組み合わせた合金膜（代表的にはＭｏ−Ｗ合金、Ｍｏ−Ｔａ合金）、または前記元素のシリサイド膜（代表的にはタングステンシリサイド膜、チタンシリサイド膜）を用いることができる。勿論、単層で用いても積層して用いても良い。
【００８７】
本実施例では、５０ｎｍ厚の窒化タングステン（ＷＮ）膜と、３５０ｎｍ厚のタングステン（Ｗ）膜とでなる積層膜を用いる。これはスパッタ法で形成すれば良い。また、スパッタガスとしてＸｅ、Ｎｅ等の不活性ガスを添加すると応力による膜はがれを防止することができる。
【００８８】
次に、図８（Ｂ）に示すように、ゲート電極８０１〜８０５をマスクとして自己整合的にｎ型不純物元素（本実施例ではリン）を添加する。こうして形成される不純物領域８０６〜８１４には１×１０16〜５×１０18atoms/cm3（典型的には３×１０17〜３×１０18atoms/cm3）の濃度でリンが添加されるようにすることが好ましい。
【００８９】
次に、図８（Ｃ）に示すように、ゲート電極等を覆う形でレジストマスク８１５ａ〜８１５ｃを形成し、ｎ型不純物元素（本実施例ではリン）を添加して高濃度にリンを含む不純物領域８１６〜８２２を形成する。ここでもフォスフィン（ＰＨ3）を用いたイオンドーピング法で行い、この領域のリンの濃度は１×１０20〜１×１０21atoms/cm3（代表的には２×１０20〜５×１０21atoms/cm3）となるように調節する。
【００９０】
この工程によってｎチャネル型ＴＦＴのソース領域若しくはドレイン領域が形成されるが、スイッチング用ＴＦＴは、図８（Ｂ）の工程で形成したｎ型不純物領域８１０〜８１２の一部を残す。この残された領域がスイッチング用ＴＦＴのＬＤＤ領域となる。
【００９１】
次に、図９（Ａ）に示すように、レジストマスク８１５ａ〜８１５ｃを除去し、新たにレジストマスク９０１を形成する。そして、ｐ型不純物元素（本実施例ではボロン）を添加し、高濃度にボロンを含む不純物領域９０２、９０３を形成する。ここではジボラン（Ｂ2Ｈ6）を用いたイオンドーピング法により３×１０20〜３×１０21atoms/cm3（代表的には５×１０20〜１×１０21atoms/cm3）濃度となるようにボロンを添加する。
【００９２】
なお、不純物領域９０２、９０３には既に１×１０20〜１×１０21atoms/cm3の濃度でリンが添加されているが、ここで添加されるボロンはその少なくとも３倍以上の濃度で添加される。そのため、予め形成されていたｎ型の不純物領域は完全にＰ型に反転し、Ｐ型の不純物領域として機能する。
【００９３】
次に、図９（Ｂ）に示すように、レジストマスク９０１を除去した後、第１の層間絶縁膜９０４を形成する。第１の層間絶縁膜９０４としては、珪素を含む絶縁膜を用いることができる。本実施例ではプラズマＣＶＤ法により膜厚１５０ｎｍの酸化窒化珪素膜を形成する。
【００９４】
その後、それぞれの濃度で添加されたｎ型またはｐ型不純物元素を活性化する。活性化処理としてレーザアニール法にて行う。レーザアニ−ル法を用いる場合、結晶化の際に用いたレーザを使用することが可能である。活性化の場合は、結晶化の場合と同程度か、それよりやや少ない１００〜１０００ｍJ／ｃｍ2、（好ましくは３００〜６００ｍJ／ｃｍ2）のエネルギー密度が必要となる。
【００９５】
また、第１の層間絶縁膜９０４を形成する前に活性化処理を行っても良い。
【００９６】
さらに、３〜１００％の水素を含む雰囲気中で、３００〜４５０℃で１〜１２時間の熱処理を行い水素化処理を行う。この工程は熱的に励起された水素により半導体膜の不対結合手を水素終端する工程である。水素化の他の手段として、プラズマ水素化（プラズマにより励起された水素を用いる）を行っても良い。
【００９７】
なお、水素化処理は第１の層間絶縁膜９０４を形成する間に入れても良い。即ち、２００ｎｍ厚の窒化酸化珪素膜を形成した後で上記のように水素化処理を行い、その後で残り８００ｎｍ厚の酸化珪素膜を形成しても構わない。
【００９８】
次に第１の層間絶縁膜９０４上に無機絶縁膜材料又は有機絶縁材料から成る第２の層間絶縁膜９０５を形成する。本実施例では膜厚１．６μｍのアクリル樹脂膜を形成する。その後第３の層間絶縁膜を形成する（図示しない）。この第３の層間絶縁膜は第２の層間絶縁膜が後の工程で形成する有機発光層に入るのを防ぐのに効果的である。
【００９９】
次に、図９（Ｃ）に示すように、第１の層間絶縁膜９０４、第２の層間絶縁膜９０５、第３の層間絶縁膜（図示しない）に対してコンタクトホールを形成し、ソース及びドレイン配線９０６〜９１２を形成する。なお、本実施例ではこの電極を、Ｔｉ膜を１００ｎｍ、Ｔｉを含むアルミニウム膜を３００ｎｍ、Ｔｉ膜１５０ｎｍをスパッタ法で連続形成した３層構造の積層膜とする。勿論、他の導電膜でも良い。
【０１００】
続いてドレイン配線９１１に接するように画素電極１００１を形成する。画素電極１００１は透明導電膜をパターニングして形成する。画素電極１００１は発光素子の陽極として機能する。透明導電膜としては、酸化インジウムと酸化スズとの化合物、酸化インジウムと酸化亜鉛との化合物、酸化亜鉛、酸化スズ、又は酸化インジウムを用いることができる。
【０１０１】
画素電極を形成後、樹脂材料でなるバンク１００２を形成する。バンク１００２は１〜２μｍ厚のアクリル膜又はポリイミド膜をパターニングして画素電極１００１の一部を露出させるように形成する。なお、バンク１００２の下層には遮蔽膜（図示しない）となる黒色からなる膜を形成するのが好ましい。
【０１０２】
次に、ＥＬ層１００３及び陰極（ＭｇＡｇ電極）１００４を、真空蒸着法を用いて大気解放しないで連続形成する。  なお、ＥＬ層１００３の膜厚は８０〜２００ｎｍ（典型的には１００〜１２０ｎｍ）、陰極１００４の厚さは１８０〜３００ｎｍ（典型的には２００〜２５０ｎｍ）とすれば良い。
【０１０３】
この工程では、赤色に対応する画素、緑色に対応する画素及び青色に対応する画素に対して順次ＥＬ層及び陰極を形成する。但し、ＥＬ層は溶液に対する耐性に乏しいためフォトリソグラフィ技術を用いずに各色個別に形成しなくてはならない。そこでメタルマスクを用いて所望の画素以外を隠し、必要箇所だけ選択的にＥＬ層及び陰極を形成するのが好ましい。
【０１０４】
即ち、まず赤色に対応する画素以外を全て隠すマスクをセットし、そのマスクを用いて赤色発光のＥＬ層及び陰極を選択的に形成する。次いで、緑色に対応する画素以外を全て隠すマスクをセットし、そのマスクを用いて緑色発光のＥＬ層及び陰極を選択的に形成する。次いで、同様に青色に対応する画素以外を全て隠すマスクをセットし、そのマスクを用いて青色発光のＥＬ層及び陰極を選択的に形成する。なお、ここでは全て異なるマスクを用いるように記載しているが、同じマスクを使いまわしても構わない。また、全画素にＥＬ層及び陰極を形成するまで真空を破らずに処理することが好ましい。
【０１０５】
なお、ＥＬ層１００３としては公知の材料を用いることができる。公知の材料としては、駆動電圧を考慮すると有機材料を用いるのが好ましい。例えば正孔注入層、正孔輸送層、発光層及び電子注入層でなる４層構造をＥＬ層とすれば良い。また、本実施例ではＥＬ素子の陰極としてＭｇＡｇ電極を用いた例を示すが、公知の他の材料であっても良い。
【０１０６】
陰極１００４まで形成された時点で発光素子１００５が完成する。その後発光素子１００５を完全に覆うようにして保護膜１００６を設ける。保護膜１００６としては、炭素膜、窒化珪素膜、もしくは窒化酸化珪素膜を含む絶縁膜を用いることができ、これらの絶縁膜を単層又は積層させて用いることができる。
【０１０７】
さらに保護膜１００６を覆って封止材１００７を設け、カバー材１００８を貼り合わせる。封止材１００７としては紫外線硬化樹脂であり、内部に吸湿効果を有する物質もしくは酸化防止効果を有する物質を用いることが好ましい。また、本実施例においてカバー材１００８にはガラス基板、石英基板やプラスティック基板を用いることができる、
【０１０８】
こうして図１０（Ｂ）に示すようなｐチャネル型ＴＦＴ１００９，ｎチャネル型ＴＦＴ１０１０、スイッチング用ＴＦＴ１０１１及び電流制御用ＴＦＴ１０１２を有する構造のアクティブマトリクス型ＥＬ表示装置が完成する。もちろんこのような構造の表示装置に限らず様々な表示装置の作製においても本発明のレーザ照射装置を用いることができる。また、半導体膜の結晶化に限らず、レジストマスクを形成するフォトリソグラフィーにおいてレジストを露光するときにも実施例１で示したレーザ照射装置を用いることができる。
【実施例４】
【０１０９】
実施例１に示したレーザ照射装置を用いて作製した半導体装置（特に表示装置（液晶表示装置、ＥＬ表示装置等））は様々な電子機器に適用することができる。半導体装置を適用することができる電子機器の例として、テレビジョン装置、ビデオカメラ、デジタルカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、オーディオコンポ等）、パーソナルコンピュータ、ゲーム機器、携帯情報端末（モバイルコンピュータ、携帯電話、携帯型ゲーム機または電子書籍等）、記録媒体を備えた画像再生装置（具体的にはDigital Versatile Disc（ＤＶＤ）等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを備えた装置）などが挙げられる。それらの電子機器の具体例を図１１に示す。
【０１１０】
図１１（Ａ）はテレビジョン装置であり、筐体１３００１、支持台１３００２、表示部１３００３、スピーカー部１３００４、ビデオ入力端子１３００５等を含む。実施例１に示したレーザ照射装置は表示部１３００３などの加工に用いることができ、テレビジョン装置を完成することができる。表示部１３００３は、ＥＬディスプレイや、液晶ディスプレイなどを用いることができる。なお、テレビジョン装置は、コンピュータ用、テレビ放送受信用、広告表示用などの全てのテレビジョン装置が含まれる。
【０１１１】
図１１（Ｂ）はデジタルカメラであり、本体１３１０１、表示部１３１０２、受像部１３１０３、操作キー１３１０４、外部接続ポート１３１０５、シャッター１３１０６等を含む。実施例１に示したレーザ照射装置は表示部１３１０２などの加工に用いることができ、デジタルカメラを完成することができる。
【０１１２】
図１１（Ｃ）はコンピュータであり、本体１３２０１、筐体１３２０２、表示部１３２０３、キーボード１３２０４、外部接続ポート１３２０５、ポインティングマウス１３２０６等を含む。実施例１に示したレーザ照射装置は表示部１３２０３などの加工に用いることができ、コンピュータを完成することができる。
【０１１３】
図１１（Ｄ）はモバイルコンピュータであり、本体１３３０１、表示部１３３０２、スイッチ１３３０３、操作キー１３３０４、赤外線ポート１３３０５等を含む。実施例１に示したレーザ照射装置は表示部１３３０２などの加工に用いることができ、モバイルコンピュータを完成することができる。
【０１１４】
図１１（Ｅ）は記録媒体を備えた画像再生装置（具体的にはＤＶＤ再生装置）であり、本体１３４０１、筐体１３４０２、表示部Ａ１３４０３、表示部Ｂ１３４０４、記録媒体（ＤＶＤ等）読み込み部１３４０５、操作キー１３４０６、スピーカー部１３４０７等を含む。表示部Ａ１３４０３は主として画像情報を表示し、表示部Ｂ１３４０４は主として文字情報を表示するが、実施例１に示したレーザ照射装置は表示部Ａ１３４０３及び表示部Ｂ１３４０４などの加工に用いることができ、画像再生装置を完成することができる。なお、記録媒体を備えた画像再生装置にはゲーム機器なども含まれる。
【０１１５】
図１１（Ｆ）はゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）であり、本体１３５０１、表示部１３５０２、アーム部１３５０３を含む。実施例１に示したレーザ照射装置は表示部１３５０２などの加工に用いることができ、ゴーグル型ディスプレイを完成することができる。
【０１１６】
図１１（Ｇ）はビデオカメラであり、本体１３６０１、表示部１３６０２、筐体１３６０３、外部接続ポート１３６０４、リモコン受信部１３６０５、受像部１３６０６、バッテリー１３６０７、音声入力部１３６０８、操作キー１３６０９等を含む。実施例１に示したレーザ照射装置は表示部１３６０２などの加工に用いることができ、ビデオカメラを完成することができる。
【０１１７】
図１１（Ｈ）は携帯電話であり、本体１３７０１、筐体１３７０２、表示部１３７０３、音声入力部１３７０４、音声出力部１３７０５、操作キー１３７０６、外部接続ポート１３７０７、アンテナ１３７０８等を含む。実施例１に示したレーザ照射装置は表示部１３７０３などの加工に用いることができ、携帯電話を完成することができる。なお、表示部１３７０３は黒色の背景に白色の文字を表示することで携帯電話の消費電流を抑えることができる。
【０１１８】
特にこれらの電子機器の表示部に用いられる表示装置には画素の駆動のために薄膜トランジスタを有しており、その薄膜トランジスタに用いられている半導体膜の結晶化に実施例１に示したレーザ照射装置を用いることができる。さらに電子機器の表示部に用いられている表示装置がＥＬ表示装置のように高詳細、高特性を求める場合には、実施例１に示したレーザ照射装置を用いて半導体膜の結晶化を行うことで、より表示むらの発生を低減させた表示部を有する電子機器を作製することができる。
【０１１９】
以上の様に、実施例１に示したレーザ照射装置で作製した半導体装置の適用範囲は極めて広く、あらゆる分野の電子機器に用いることが可能である。
【実施例５】
【０１２０】
本実施例において、本発明のレーザ照射装置により均一なエネルギー分布のビームが得られた結果を示す。
【０１２１】
表１は本発明のレーザ照射装置により得られた線状ビームの長辺方向のパワー測定データである。
【０１２２】
【表１】
2005311340.tif 000009
【０１２３】
そして、その測定値を基に線状ビームの長辺方向のエネルギー分布のグラフを図１３（Ａ）に、エネルギーの強度の平均値に対する変動を示すグラフを図１３（Ｂ）に示す。図１３（Ａ）の横軸はビームの長さ［ｍｍ］を示し、縦軸はエネルギー［ｍＪ／３ｃｍ］を示す。図１３（Ａ）に示すように、長辺方向の長さが２７０ｍｍの均一な線状ビームが得られた。そして、このとき平均エネルギーは７４．６６［ｍＪ／３ｃｍ］であった。また、図１３（Ｂ）の横軸は測定位置［ｍｍ］を示し、縦軸はエネルギー［％］を示している。図１３（Ｂ）のグラフからも長辺方向のエネルギーの変動は小さくなっていることが分かる。そして、エネルギーの強度の平均値に対する変動の範囲も０．９４％（横軸が−１３５〜＋１３５ｍｍの間）となっていた。
【０１２４】
よって、本発明のレーザ照射装置を用いることで、光線の画角を緩和し、均一なビームを照射面において形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】従来のレーザ照射装置を示す図。
【図２】（Ａ）光線の画角を抑える光学系の例、（Ｂ）光線の画角を抑えた構成のレーザ照射装置の例。
【図３】レーザ照射装置の光学系を示す図。
【図４】軸外しシリンドリカルレンズアレイを示す図。
【図５】レーザ光のエネルギー分布を示す図。
【図６】軸外しシリンドリカルレンズアレイと長手方向集光用レンズのパラメータを説明する図。
【図７】半導体装置の作製方法を説明する図。
【図８】半導体装置の作製方法を説明する図。
【図９】半導体装置の作製方法を説明する図。
【図１０】半導体装置の作製方法を説明する図。
【図１１】半導体装置を具備した電子機器の例。
【図１２】共役関係を説明する図。
【図１３】レーザ光のエネルギー分布を示す図。
【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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【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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