(57)【要約】【課題】  レーザビームを非晶質半導体膜に走査しながら照射して結晶化することで多結晶半導体膜を形成する際の照射ビーム内強度の突起分布の発生を防止する。【解決手段】  照射するレーザビーム１３内の光強度分布を均一にするための光学系５乃至８にドッグイヤ１６の発生原因となるレンズ境界から発生する回折光１７，１８を除去するドッグイヤ除去用フィルタ１５を設置する。これにより、ドッグイヤ分布を除去することにより、レーザビーム１３の光強度分布をぼかす必要が無くなり、エネルギ効率の高い分布が維持でき、スループットが向上する。【選択図】    図３Ｂ
2005277007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非晶質半導体膜にレーザ光ビームを走査しながら照射して多結晶化する多結晶半導体膜製造方法であって、
前記非晶質半導体膜に照射するレーザ光ビーム内の前記走査方向の光強度分布の裾におけるエネルギ損失を１０％以下としたことを特徴とする多結晶半導体膜製造方法。
【請求項２】
非晶質半導体膜にパルスレーザ光ビームを走査しながら照射して多結晶化する多結晶半導体膜製造方法であって、
前記パルスレーザ光ビームのエネルギが１０３０ｍＪ以下のレーザ光源を用い、その長軸長さが３５０ｍｍ以上のライン状ビームに整形し、前記非晶質半導体膜に照射するレーザ光ビーム内の前記走査方向の光強度分布の幅を０．４２ｍｍより大きいことを特徴とする多結晶半導体膜製造方法。
【請求項３】
パルスエネルギが１±０．１Ｊを用いるレーザ光を用い、非晶質半導体膜に走査しながら照射して多結晶化することで多結晶半導体膜を形成する多結晶半導体膜製造方法であって、
前記多結晶化の処理時間が、７３０ｍｍ×９２０ｍｍ以上の面積当り６．５分／秒以下であり、
かつ、前記走査における前記レーザ光のパルス照射間隔が０．０２１ｍｍ以上であることを特徴とする多結晶半導体膜製造方法。
【請求項４】
非晶質半導体膜にパルスレーザ光ビームを走査しながら照射して多結晶化する多結晶半導体膜製造装置であって、
前記パルスレーザ光ビームのエネルギが１０３０ｍＪ以下のレーザ光源を用いて、長軸長さが３５０ｍｍ以上のライン状ビームに整形したレーザ光ビームとし、
前記照射するレーザビーム内の光強度分布を均一にするための光学系と、該光学系内で発生する回折光を除去するフィルタを有し、
前記フィルタにより前記走査方向の光強度分布の幅を０．４２ｍｍより大きいことを特徴とする多結晶半導体膜製造装置。
【請求項５】
前記照射するレーザ光ビーム内の光強度分布を均一にするための前記光学系にレンズアレイを有し、さらに該レンズアレイ間の境界から発生する回折光を除去するフィルタを有することを特徴とする請求項４に記載の多結晶半導体膜製造装置。
【請求項６】
前記照射するレーザ光ビームの走査方向の光強度分布幅を形成するための手段として、照射レーザビーム内の光強度分布を均一にするための光学系内に、該光学系で発生する回折光を除去するフィルタを設置していることを特徴とする請求項４に記載の多結晶半導体膜製造装置。
【請求項７】
前記照射するレーザ光ビーム内の光強度分布を均一にする手段としてレンズアレイを有し、さらに該レンズアレイの境界から発生する回折光を除去するフィルタを設置していることを特徴とする請求項４に記載の多結晶半導体膜製造装置。
【請求項８】
レーザ光源装置と、表面に非晶質半導体膜を成膜した絶縁基板を載置するステージを有し、前記レーザ光源装置から出射されるレーザ光ビームを前記絶縁基板に走査しながら照射することにより前記非晶質半導体膜を多結晶膜化する多結晶半導体膜製造装置であって、
前記レーザ光源装置は、
レーザ光源と、
該レーザ光源からのレーザ光をライン状に整形するための長軸ホモジナイザ光学系と、短軸ホモジナイザ光学系を有し、
前記レーザ光の光軸に沿って配置された前段シリンドリカルレンズと、後段シリンドリカルレンズを有する短軸ホモジナイザ光学系を持ち、
前記短軸ホモジナイザ光学系に前記前段シリンドリカルレンズのレンズ素子の境界で発生する回折光を除去するフィルタを備えたことを特徴とする多結晶半導体膜製造装置。
【請求項９】
前記フィルタは、前記後段シリンドリカルレンズの直前に設置されていることを特徴とする請求項８に記載の多結晶半導体膜製造装置。
【請求項１０】
前記フィルタは、前記後段シリンドリカルレンズの直前と直後に設置されていることを特徴とする請求項８に記載の多結晶半導体膜製造装置。
【請求項１１】
レーザ光源装置と、表面に非晶質半導体膜を成膜した絶縁基板を載置するステージを有し、前記レーザ光源装置から出射されるレーザ光ビームを前記絶縁基板に走査しながら照射することにより前記  非晶質半導体膜を多結晶膜化する多結晶半導体膜製造装置であって、
前記レーザ光源装置は、
レーザ光源と、
該レーザ光源からのレーザ光をライン状に整形するための長軸ホモジナイザ光学系と、短軸ホモジナイザ光学系を有し、
前記レーザ光の光軸に沿って配置された前段シリンドリカルレンズと、後段シリンドリカルレンズを有する短軸ホモジナイザ光学系を持ち、
前記短軸ホモジナイザ光学系の一次結像面の直前に前記前段シリンドリカルレンズのレンズ素子の境界で発生する回折光に起因する前記走査方向の後段のレーザ光強度を低減する非対称低減フィルタを配置したことを特徴とする多結晶半導体膜製造装置。
【請求項１２】
前記一次結像面の前記非対称低減フィルタより後段に短軸方向のレーザ光強度分布を調整する短軸分布調整用フィルタを配置したことを特徴とする請求項１１に記載の多結晶半導体膜製造装置。
【請求項１３】
非晶質半導体膜にパルスレーザ光ビームを走査しながら照射して多結晶化した多結晶半導体薄膜に形成した画像表示パネルであって、
表示デバイスの動作しきい値電圧以下において動作させた場合の表示むらとして現れる周期が、画素ピッチと０．４２ｍｍから０．５ｍｍまで走査ピッチの最小公倍数であることを特徴とする画像表示パネル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶ディスプレイや有機エレクトロニクスディスプレイ、その他の各種半導体デバイスなどの能動素子を構成する多結晶半導体膜製造方法とその装置に係り、画像表示パネルの製造に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、アクティブ方式の液晶ディスプレイにおいて、駆動素子となる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の活性層としては多結晶シリコン膜（以下、ポリシリコン膜あるいはｐｏｌｙ−Ｓｉ膜と称する）が、非晶質シリコン膜（以下、アモルファスシリコン膜あるいはａ−Ｓｉ膜と称する）より優れている。これは、多結晶シリコン膜のキャリア（ｎチャネルでは電子、ｐチャネルでは正孔）の移動度が非晶質シリコン膜のそれより高く、画素サイズ（セルサイズとも言う）を小さくでき、高精細化が可能であるためである。さらに、通常、ｐｏｌｙ−ＳｉのＴＦＴは石英基板を使用し１０００°Ｃ以上の高温プロセスを必要とする。しかし、レーザ光の照射によるシリコン層のみのアニールである低温ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜のＴＦＴ形成技術では基板が高温にならないため、安価なガラス基板の使用が可能な上に、移動度の高いＴＦＴの形成が可能となる。
【０００３】
ｐｏｌｙ−Ｓｉの粒径が大きいほどキャリアの移動度は高いので、大粒径のｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を形成する技術が提案されてきた。一般的には、特許文献１に示されるように、パルスレーザ光をライン状のビームに整形し、その短軸方向の強度分布（短軸プロファイル）を台形としてラインビームの短軸方向に該短軸幅の約１／２０程度のピッチで１ショット単位にずらしながらパルス照射を繰り返す方法がとられる。ａ−Ｓｉ膜は照射されるレーザ光を吸収することによって温度が上昇して溶け、溶けることで温度が低下する。この温度低下に伴って結晶化が起こり、ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜へ変化する。ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の平均粒径は照射するレーザ光のエネルギ密度に依存して変化するが、ａ−Ｓｉ膜の結晶化に必要な最低エネルギ密度以上では、エネルギ密度を上げていくと粒径が大きくなる。この低エネルギ側のしきい値を「ＥＬｔｈ」とする。しかし、さらに高エネルギ密度にすると、ある値以上では粒径が平均１００ｎｍ（ナノメートル）以下の微結晶になる。この微結晶のしきい値を「ＥＨｔｈ」とする。結晶化は、「ＥＬｔｈ」と「ＥＨｔｈ」の間のエネルギ密度で照射しなければならない。
【０００４】
ａ−Ｓｉ膜をｐｏｌｙ−Ｓｉ膜に変換するためのアニール用レーザとしては、波長が３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザが一般的に利用される。その理由は、このレーザの波長はａ−Ｓｉ膜とｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の吸収極大波長が共に３００ｎｍ近傍であるためアニール効率が高いからである。現在、製品化されているレーザアニール装置で用いられているパルスＸｅＣｌレーザでもっとも出力が高いのはラムダフィジックス社製のレーザであり、その値は３００ワットである。そのパルスエネルギは１０００〜１０３０ｍＪであり、パルス繰り返し周波数が３００Ｈｚである。
【０００５】
図１３は、レーザアニール方法を説明する図である。図１３に示すように、例えばｘが９２０ｍｍ、ｙが７３０ｍｍの大型ガラス基板５０１に形成したａ−Ｓｉ膜の全面を結晶化するために、レーザ光１３を光学系により長軸がＬ（ｍｍ）で短軸幅がＷ（ｍｍ）のライン状のビームに整形し、該ビームの短軸方向にガラス基板５０１を走査しながら照射する。レーザ光のパルス周波数ｆは例えば３００Ｈｚ（３００ショット／ｓ）とする。結晶を大きくするためには、結晶化に必要なエネルギ密度のパルスレーザ光を同一箇所へ一定回数以上照射する必要がある。したがって、必要パルス照射回数をＳ回とすると、走査ピッチすなわちパルス間の移動距離Ｐ（Ｐ＝Ｖ／ｆ  ｍｍ／ショット）は短軸幅（Ｗ）の１／Ｓ倍に制限される。したがって、レーザ結晶化の処理工程のスループットは短軸幅（Ｗ）と繰り返し周波数（ｆ）に比例し、パルス回数（Ｓ）に反比例する。
【特許文献１】特開昭６４−７６７１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１４は、従来のエキシマレーザアニール装置の構成を説明する図である。参照符号１００はレーザ光源１２を含む光学系筐体、５０は基板収容筐体である。光学系筐体１００から出射するレーザ光を照射レンズ２で基板収容筐体５０の石英窓５１から当該基板収容筐体５０に入射する。基板収容筐体５０の内部には基板１を載置したステージ１４が収容されている。ステージ１４は2方向（図１３のｘ方向とｙ方向）および必要に応じてｘ−ｙ平面内の回転方向（θ方向）、ｘ−ｙ平面と垂直な方向（Ｚ方向）に駆動可能である。なお、基板１の上にはａ−Ｓｉ膜が成膜されており、以下ではこれを単に基板１と称する。
【０００７】
エキシマレーザアニール装置に於いて、レーザ光は細長いラインビームに整形される。図１４に示したように、エキシマレーザ光源１２から出射したレーザ光１３はアッテネータ１１を通り、平行化光学系１０に入る。レーザ光１３を基板１上で均一なラインビームとするために、ホモジナイザ光学系としてシリンドリカルアレイレンズが用いられる。このホモジナイザ光学系は、長軸方向の光学系９と短軸方向光学系６，７，８と別々に設置される。レーザ光は、一次結像面４でラインビームに形成されてから、ミラー３を介してシリンドリカルレンズ２により短軸方向のみ縮小して基板１上に照射される。
【０００８】
図３Ａは、図１４における短軸方向のホモジナイザ光学系（略して短軸ホモジナイザと呼ぶ）から一次結像面４までの光学系を示す図である。短軸ホモジナイザはレーザ光の光軸に沿って配置された一対のシリンドリカルレンズアレイ７（後段）と、シリンドリカルレンズアレイ８（前段）、およびコレクタレンズ６から構成される。コレクタレンズ６は、アレイレンズ８の各強度分布を一次結像面４で重ね合わせて均一化する役目を有する。レンズ５はフィールドレンズと呼ばれ一次結像面４でのビーム幅を調整するためのレンズである。基板１（図１４）へのレーザ光の照射は、一次結像面４の分布をさらに縮小光学系（短軸方向のみの縮小）を通して行う。基板１上でのライン状のレーザ光ビームのサイズは、長軸（Ｌ）の長さは３６０ｍｍ以上であり、短軸幅（Ｗ）は０．４ｍｍである。ここで、短軸分布には問題が存在することを以下に説明する。
【０００９】
図３Ａのシリンドリカルアレイレンズ８のレンズ境界にはレーザ光１３が照射されるので、その境界から回折光が発生する。この回折光の一部は、他方のレンズアレイの対応するレンズ素子を経て、一次結像面４の分布の両端に集中する。本来、一次結像面４の分布は均一分布となるはずであるが、この回折光が集中する分布両端が強くなる。
【００１０】
図２Ａは、図３Ａの光学系における光強度分布を模式的に説明する図であり、横軸は図１３のＸ方向位置である。図２Ａにおける両端の鋭い分布１６は、恰も犬の耳の形状を呈するので、便宜上ドッグイヤ分布と呼ぶ。このドッグイヤ分布の強度が微結晶しきい値ＥＨｔｈ以上であると、レーザアニール処理後に得られるｐｏｌｙ−Ｓｉ膜では微結晶が発生しており、ＴＦＴデバイス不良の原因となる。エネルギ密度ＥはＥＨｔｈ＞Ｅ＞ＥＬｔｈを満足する様に設定する。ドッグイヤ分布はＥＨｔｈ−ＥＬｔｈで示されるプロセスマージンからΔＥｄｇだけマージンを狭くする悪影響がある。ΔＥｄｇ＞ＥＨｔｈ−ＥＬｔｈの場合はプロセスマージンが無くなる。そこで、このドッグイヤ分布を消滅あるいは低減するために、一次結像面から離れた位置の分布を基板に投影することで強度分布をぼかす方法が従来取られてきた。
【００１１】
図２Ｂは、一次結像面から離れた位置の分布を基板に投影した場合の強度分布を説明する図であり、この場合は台形分布となる。これは、図３Ａの一次結像面４を光軸にそって上流側あるいは下流へシフトさせた場合に相当する。この場合は、回折光は台形の両側の裾分布領域にばらけるので一本の鋭いピークを形成しない。しかし、この対策では、有効な短軸幅が狭くなる。つまり、台形の裾分布は、結晶化に必要なエネルギ密度を満足しない部分がほとんどであり、レーザエネルギの無駄な領域である。実際には、図２Ｂの「Ｂ」の値が約０．４ｍｍであるので対し、裾部分の幅は両側に約０．１ｍｍの幅で存在する。つまりエネルギ損失量としては（台形の裾面積）／（台形の面積）から計算すれば約２５％に及ぶ。これを改善することが課題の一つとなっている。
【００１２】
本発明は上記課題を解決することにあり、レーザ光の短軸幅を効率よく拡大して上記のエネルギ損失をゼロに近づけ、短軸幅を最大で２５％拡大することでレーザ結晶化のスループットを最大で２５％向上させることを最終目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために、本発明は、ドッグイヤ除去用フィルタを光学系に挿入した。図３Ｂは、本発明の短軸方向のホモジナイザ光学系から一次結像面４までの光学系の一例を示す図である。図３Ｂに示すように、この短軸ホモジナイザのアレイレンズ７の直前に周期的なマスク構造を有するドッグイヤ除去用フィルタ１５を設置する。これによって、ドッグイヤ分布の原因である図３Ａに示した回折光１８を除去することができる。すなわち、回折光以外は、後段のレンズアレイ側にビームが収束するので、その収束する光以外の光を除去すれば良い。
【００１４】
図４は、本発明に用いられるドッグイヤ除去用フィルタを説明する平面図である。このドッグイヤ除去用フィルタ１５の構造は、ストライプ状のマスク領域２０と非マスク領域２２からなる。マスク領域２０は光の透過率を低くした領域であり透過率ゼロが理想的である。非マスク領域２２は光の透過率を高めた領域であり透過率１００％が理想的である。
【００１５】
また、図２Ｃは、本発明のドッグイヤ除去用フィルタを用いた場合の強度分布を説明する図である。このドッグイヤ除去用フィルタ１５によって、図２Ｃに示した様にドッグイヤのみを除去することにより、エネルギ損失が小さい分布を実現できる。
【００１６】
図１は、本発明の多結晶半導体膜製造方法を実現するためのレーザアニール装置の一構成例を示す図である。図１４と同一参照符号は同一機能部分に対応する。図１において、短軸ホモジナイザのアレイレンズ７，８のアレイ数は、実際には９個であるが、図１には簡単のために３個で示し、なお、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃでは５個で示した。ドッグイヤ除去用フィルタ１５は、このアレイレンズ７，８のアレイ数に対応したマスクパターンにしなければならない。
【００１７】
図３Ｃは、本発明の短軸方向のホモジナイザ光学系から一次結像面４までの光学系の他例を示す図である。この構成では、二枚のドッグイヤ除去用フィルタ１５Ａ, １５Ｂをアレイレンズ７を挟んで設置している。この構成は、回折光の除去効率を上げるためであり、１枚のみでは除去しきれない回折光を除去するためにドッグイヤ除去用フィルタを二枚構成としたものである。
【００１８】
本発明による他のドッグイヤ分布対策方法として、次に示す方法も考えられる。すなわち、両側のドッグイヤ分布のうち、一方のドッグイヤ分布だけが結晶に悪影響するということに注目し、当該一方のドッグイヤのみを低減する方法である。前記した図１３に示すように、レーザ光の走査方向はラインビームの短軸方向であり、短軸分布のうち先頭にドッグイヤ分布があっても分布中心領域のアニールによって結晶が回復する。したがって、短軸分布のうち先頭側のドッグイヤ分布は存在しても結晶に悪影響は残らない。これに対して、短軸分布のうち後方のＥＨｔｈ以上のドッグイヤ分布は結晶を微結晶に変化させたままでビームが通過することになり、結果として結晶不良の原因となる。したがって、後方のドッグイヤ分布強度のみをＥＨｔｈ以下にすれば良い。
【００１９】
図５および図７にこの方法の光学系を示した。図５は、本発明の多結晶半導体膜製造方法を実現するためのレーザアニール装置の他の構成例を示す図である。図１と同一参照符号は同一機能部分に対応する。また、図７は、図５に示した本発明の短軸方向のホモジナイザ光学系から一次結像面４までの光学系のさらに他例を示す図である。この構成では、一次結像面の近傍に透過率分布の段差を有するドッグイヤ非対称低減用フィルタ２３を設置し、透過率の低い領域を後方のドッグイヤ領域にのみ対応させてそのドッグイヤ分布の高さを十分低くしている。
【００２０】
図８は、図５および図７に示したドッグイヤ非対称低減用フィルタ２３を説明する平面図である。このフィルタの構造は、透過率が異なる領域２４、２５を短軸方向に形成する。図６は、ドッグイヤ非対称低減用フィルタによって得られる分布を説明する図である。図６（ａ）は、両端にドッグイヤが発生している分布、図６（ｂ）は図７のフィルタ２３の短軸方向の透過率分布である。図６（ｂ）における透過率の段差ΔＴ１は領域２４と領域２５の透過率差に対応する。図６（ｃ）の分布が、最終的に得られる分布である。この分布では、Ｅ＜ＥＨｔｈであり、後方のドッグイヤ分布の悪影響をなくためにΔＤ＞０とする。これを満足する様に、フィルタの透過率段差ΔＴ１を後方のドッグイヤ分布の近傍に設定する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、レーザアニールによる結晶化プロセスにおいて、レーザ光の走査方向における強度分布のエネルギ損失を低減する方法とこの方向を実現する装置に関するものである。これによって、短軸幅が拡大し、スループットが向上する。本発明の最良の実施形態を以下に記述する。
【実施例１】
【００２２】
先ず、通常のエキシマレーザアニール装置に、本発明の方法を適用した実施例について説明する。図１に示すように、レーザ１２はラムダフィジックス社製ＳＴＥＥＬ１０００型ＸｅＣｌエキシマレーザあり、波長は３０８ｎｍ(ナノメートル)、パルス時間幅は約２７ｎｓ(ナノ秒)、繰り返し周波数は３００Ｈｚ(ヘルツ)、パルスエネルギは１Ｊ／パルスである。レーザアニール装置は日本製鋼所製であり、ＭｉｃｒｏＬａｓ社製の長軸ホモジナイザ光学系９と一組のシリンドリカルアレイレンズ７，８とコレクタレンズ６からなる短軸ホモジナイザ光学系とフィールドレンズ５とミラー３と照射用シリンドリカルレンズ２によって、長軸３６５ｍｍ(ミリメートル)、短軸０．４２ｍｍ(ミリメートル)のラインビームに整形し、石英ウインドウ５１を通して移動ステージ１４上の基板に照射する構成となっている。ドッグイヤ除去用フィルタ１５は、短軸ホモジナイザのビーム収束位置の近傍に設置する。
【００２３】
前記したが、図３Ｂに示したドッグイヤ除去用フィルタ１５の設置場所の拡大図において、アレイレンズ素子の実際数は９個であるが、簡単のため数を減らして５個として記している。図１では３個で記している。ドッグイヤ除去用フィルタ１５は、図４に示すように石英板にストライプ状のマスク領域２０と非マスク領域２２を形成した構造となっている。マスク領域２０は透過率８０％以下の高反射コーティングによって形成し、非マスク領域２２は透過率９９％以上の反射防止コーティングで形成する。ドッグイヤ除去用フィルタ１５は、アレイレンズ素子７の境界２１がマスク領域の中心となるように合わせて設置する。マスク領域２０は高反射コーティングの代わりにマイクロブラスト加工で形成することも可能である。この場合は透過率の低減は表面ラフネスによる散乱によって生じるので、表面ラフネスの程度によって透過率を８０％以下に調整する事が可能である。
【００２４】
さらに、マスク領域として、アルミニゥム（Ａｌ）などの金属を用いることもできる。図３Ｃに示したように、ドッグイヤ除去用フィルタ１５を後段の短軸ホモジナイザ７を２枚で挟んで用いる構成では、回折光の除去効率を高めることが可能である。ビームの収束位置が後段の短軸ホモジナイザ７からずれている光学系では、ビーム収束位置にドッグイヤ除去用フィルタ１５を１個設置すれば良い。ビーム収束位置が後段の短軸ホモジナイザ７の位置に一致している場合は、ビーム収束位置にフィルタ１５を設置する事ができないので２枚構成とする方がドッグイヤ除去効率が向上する。
【００２５】
以上によって、短軸幅（Ｗ）を２５％まで拡大することが可能となり、その結果、短軸幅（Ｗ）を０．４ｍｍから最大で０．５ｍｍ以下まで設定する事が可能となった。
【００２６】
この実施例１に、結晶化のエネルギ密度に関するプロセスマージンを拡大化する技術と組み合わせる方法を以下に説明する。この方法では、短軸方向の強度分布がフラットではなく、強度に段差のある方法である。本発明者らは、この段差を５％〜８％に設定することでプロセスマージンが広がることを確認している。
【００２７】
図１１Ａは、本発明の短軸方向のホモジナイザ光学系から一次結像面４までの光学系のさらに他の例を示す図である。図１２は、図１１Ａの光学系における光強度分布を模式的に説明する図である。図１１Ａのこの構成では、一次結像面に透過率の段差を形成した短軸分布調整用フィルタ２６を設置する。これにより、図１２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す様に段差プロファイルに変換する。この短軸分布調整用フィルタ２６は、先に基板に照射される領域２７と後に照射される領域２８とで透過率が５〜８％の差を有する様にコーティングを形成したもので、領域２７の透過率は９８％、領域２８の透過率は９３％乃至９０％としている。短軸方向分布に置ける短軸分布調整用フィルタ２６の透過率の段差位置は、図１２（ｃ）においてＣ／Ａの値が１／４から３／４の範囲内で設定するのが望ましい。なお、図１１Ｂは、ドッグイヤ除去用フィルタ１５を２枚使用する場合に、フィルタ２６を組み合わせる方法を説明する図である。
【００２８】
次に、図１を用いて試料として作成した基板１をアニール処理する方法を説明する。試料の基板１は、短辺長ｘが７３０ｍｍであり長辺長ｙが９２０ｍｍであるガラス基板上に、厚さ約５０ｎｍの窒素化シリコン膜と厚さ約１００ｎｍの酸化シリコン膜の２種類のバッファ層を形成し、さらにその上に厚さ約５０ｎｍのａ−Ｓｉ膜をプラズマＣＶＤにより形成したものである。レーザ光のビームは、基板１上では長軸Ｌが３６５ｍｍ、短軸幅Ｗが０．４２ｍｍ以上のライン状のビームになるように整形する。ライン状のビームの長軸Ｌを基板１の短辺に平行に合わせて、基板１の長辺に平行に走査する。この走査方向はライン状のビームの短軸方向となる。この短軸方向の強度分布の幅は、短軸ホモジナイザを構成する３種類の光学素子６、７、８とフィールドレンズ５の位置で調整することができる。
【００２９】
基板の走査は、移動可能なステージ１４の上に基板を載せて行う。Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の平均粒径を３００ｎｍ以上にするために、照射エネルギ密度とレーザパルスを同一箇所へのショット回数は本発明の適用前と同一条件とする。すなわち、照射エネルギ密度は３８０ｍＪ／平方センチメートル以上、同一箇所へのショット数を２０回数以上の条件で走査する。この条件を満足したまま、短軸幅Ｗを０．４ｍｍから最大で２５％増の０．５ｍｍまで拡大した場合、パルス間の移動距離は０．０２ｍｍ（短軸幅０．４ｍｍ／２０回）から０．０２５ｍｍ（短軸幅０．５ｍｍ／２０回）に増大し、走査速度は６ｍｍ／秒から７．５ｍｍ／秒に増加する。
【００３０】
この結果、基板サイズ７３０ｍｍ×９２０ｍｍの全面をアニール処理する時間は、本実施例を利用しない場合は６．５分／基板であり、本実施例により短軸幅を拡大すると最短で４．９分／基板までスループットが向上する。本実施例の適用前後のスループットの数値は、基板サイズとレーザ仕様（最大パルスエネルギとパルス繰り返し周波数）によって変化するが、スループットは最大で２５％向上する。以上は、ドッグイヤ除去用フィルタ１５を一枚使用する図１で説明したが、ドッグイヤ除去用フィルタ１５を２枚使用する装置構成や、さらにフィルタ２６を組み合わせる装置構成でも同様なアニール方法となる。
【００３１】
次に、製造ラインの生産能力と本実施例の効果について説明する。レーザアニールで結晶化したＰｏｌｙ−Ｓｉ膜を利用する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）製造ラインの最大製造能力は、そのライン内のレーザアニール装置の設置台数によって規定される値を越える事は出来ない。本実施例によれば、１台当たりの生産能力を２５％向上するので、ラインの製造能力を最大で２５％向上することができる。製造能力は製造歩留まりも考える必要がある。製造歩留まりは、製造ラインにおいて調達したガラス基板枚数に対して、出荷したチップ数とチップ面積から求められる良品基板数で計算することができる。最大生産能力は例えば一定期間以内に購入した全ガラス基板数により、同一期間の生産能力が計算する。本実施例では、レーザ装置の設置台数を増加させることなしに、製造能力を最大で２５％向上させることが可能となる。上記の実施例１で製造したｐｏｌｙ−Ｓｉ膜は、走査ピッチが０．０２ｍｍから０．０２５ｍｍまでの範囲である。すくなくとも、走査ピッチは０．０２１ｍｍ以上が可能となる。
【実施例２】
【００３２】
次に、図５と図６と図７を用いて実施例２を説明する。レーザを含めたレーザアニール装置の基本構成は実施例１と同様である。実施例２では、ドッグイヤ除去用フィルタ１５の設置ではなく、図５に示すように、一次結像面４にドッグイヤ非対称低減用フィルタ２３を設置する。このフィルタは図８に示したように、２種類の領域２４、２５を短軸方向に形成した構造であり、石英板に透過率の異なるコーティング領域を形成したフィルタである。領域２４は、減反射コーティング１％を表面および裏面に形成し、透過率は９８％である。一方領域２５の透過率は９７％から０％までの範囲で設定する。
【００３３】
この場合は、図６（ｂ）のΔＴ１の値は１％〜９８％となる。ΔＴ１の値としては、図６（ｃ）に示す様に後方のドッグイヤ分布の高さがＥＨｔｈ以下であって、エネルギ損失が最低という条件を満足するのが最適値であり、それはΔＤ＝０を満足する場合である。実際の値としては、領域２４の透過率を９８％、領域２５の透過率を８８％としたドッグイヤ非対称低減用フィルタ２３を作成し、ΔＴ１＝１０％として、ΔＤをほぼゼロとした。
【００３４】
以上によって、短軸幅Ｗを２５％まで拡大することが可能となった。すなわち、短軸幅Ｗを０．４ｍｍから最大で０．５ｍｍまで拡大する事が可能となった。
【００３５】
この実施例２に、結晶化のエネルギ密度に関するプロセスマージンを拡大化する技術と組み合わせる方法を以下に説明する。この方法では、短軸強布がフラットな強度分布ではなく強度段差のある分布を用いる方法であり、本発明者らはこの段差を５％〜８％に設定するとプロセスマージンが広がることを確認している。
【００３６】
図９は、一次結像面に短軸分布調整用フィルタ２６とドッグイヤ非対称低減用フィルタ２３を組み合わせる方法を説明する図である。また、図１０は、実施例２における光強度分布を説明する図である。図９に示した様に、一次結像面に透過率の段差を形成した短軸分布調整用フィルタ２６を設置することで、図１０（ｃ）に示す様に段差プロファイルに変換する。短軸分布調整用フィルタ２６は、先に基板に照射される領域２７と、後に照射される領域２８とで透過率が５〜８％の差を有する様にコーティングを形成したものであり、領域２７の透過率は９８％、領域２８の透過率は９３％−９０％としている。短軸分布に置ける短軸分布調整用フィルタ２６の透過率の段差位置は、図１０（ｃ）においてＣ／Ａの値が１／４から３／４の範囲内で設定するのが望ましい。
【００３７】
この実施例２における試料の基板１をアニール処理する方法は、実施例１と同様である。ただし、図６（ｃ）や図１０（ｃ）に示したように、短軸分布で消滅させていないドッグイヤ分布の発生している部分がドッグイヤ分布を低くした部分より先に基板１に照射される方向に基板を走査する。本実施例２も実施例１と同様に、レーザアニール装置の設置台数を増加させることなしに、製造能力を最大で２５％向上させることが可能となる。
【００３８】
本実施例で形成したｐｏｌｙ−Ｓｉ膜は、走査ピッチが０．０２ｍｍから０．０２５ｍｍまでの範囲である。すくなくとも、走査ピッチは０．０２１ｍｍ以上が可能となる。
【実施例３】
【００３９】
次に、上記に記述した各方法で作成する多結晶薄膜を利用して形成した薄膜トランジスタとこの薄膜トランジスタを含む駆動回路や画素回路で構成した表示装置の実施例を説明する。
【００４０】
図１５は、本発明の製造方法で形成した多結晶シリコン薄膜を用いた薄膜トランジスタを含む表示装置としてのアクティブ・マトリクス型の液晶表示装置の要部構成例を説明する断面図である。この液晶表示装置は次のように構成されている。即ち、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）５１５、カラーフィルタ５１０及び画素電極５１１を備えるガラス基板５０１と、対向電極５１３を有する対向ガラス基板５１４との対向間隙に液晶５１２を介在させて封止している。なお、液晶５１２と各基板の境界には配向制御膜が成膜されるが、図示を省略した。
【００４１】
ガラス基板５０１の主面には、アンダーコート層（酸化シリコン膜および窒化シリコン膜）５０２が形成され、その上に非晶質シリコン半導体層が形成され、この非晶質シリコン半導体層を前記した実施例で説明した本発明に係るレーザアニールにより多結晶シリコン薄膜（ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜）の層に改質している。このレーザアニールにより得た多結晶シリコン薄膜の層に薄膜トランジスタ５１５が作り込まされている。即ち、多結晶シリコン半導体薄膜からなる半導体層５０３の両側に不純物をドープすることにより、多結晶シリコンのソース半導体層５０４ａおよび多結晶シリコンのドレイン層５０４ｂが形成され、その上にゲート酸化膜（ゲート絶縁層）５０５を介してゲート電極５０６が形成されている。
【００４２】
ソース／ドレイン電極５０８が、層間絶縁膜５０７に形成された接続孔（コンタクトホール）を介して、それぞれソース半導体層５０４ａおよびドレイン半導体層５０４ｂに接続され、その上に保護膜５０９が設けられる。そして、保護膜５０９上にカラーフィルタ５１０及び画素電極５１１が形成されている。特に、本発明の実施例１および実施例２のレーザアニールでは、走査ピッチは０．０２ｍｍより大きく最大０．０２５ｍｍまでの範囲である。この周期は、多結晶シリコン基板のシート抵抗や移動度などの周期的変動としてあらわれる。表示パネルの動作特性では、動作しきい値電圧以下で動作させた場合の表示むらの周期が、レーザ走査ピッチと画素ピッチとの最小倍数として検出される。また、ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の表面のラフネスの周期にも残る。
【００４３】
この薄膜トランジスタは液晶表示装置の画素回路を構成し、図示しない走査線駆動回路からの選択信号で選択され、図示しない信号線駆動回路から供給される画像信号で画素電極５１１が駆動される。駆動された画素電極５１１と、対向ガラス基板５１４の内面に有する対向電極５１３の間に電界が形成される。この電界により、液晶５１２の分子配向方向が制御されて表示がなされる。
【００４４】
なお、上記した走査線駆動回路や信号線駆動回路を構成する薄膜トランジスタも上記画素回路と同様の多結晶シリコン半導体薄膜で形成することもできる。また、本発明は液晶表示装置に限らず、アクティブ・マトリクス型の他の表示装置、例えば有機ＥＬ表示装置やプラズマ表示装置、その他の各種表示装置にも適用でき、あるいは太陽電池を構成する半導体薄膜の製造にも同様に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
ガラス基板上にＴＦＴを形成して、画像表示パネルや太陽電池を形成する場合に使用される多結晶半導体基板を高スループットで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の多結晶半導体膜製造方法を実現するためのレーザアニール装置の一構成例を示す図である。
【図２Ａ】図３Ａの光学系における光強度分布を模式的に説明する図である。
【図２Ｂ】一次結像面から離れた位置の分布を基板に投影した場合の強度分布を説明する図である。
【図２Ｃ】本発明のドッグイヤ除去用フィルタを用いた場合の強度分布を説明する図である。
【図３Ａ】短軸方向のホモジナイザ光学系から一次結像面までの光学系を示す図である。
【図３Ｂ】本発明の短軸方向のホモジナイザ光学系から一次結像面までの光学系の一例を示す図である。
【図３Ｃ】本発明の短軸方向のホモジナイザ光学系から一次結像面までの光学系の他例を示す図である。
【図４】本発明に用いられるドッグイヤ除去用フィルタを説明する平面図である。
【図５】本発明の多結晶半導体膜製造方法を実現するためのレーザアニール装置の他の構成例を示す図である。
【図６】ドッグイヤ非対称低減用フィルタによって得られる分布を説明する図である。
【図７】図５に示した本発明の短軸方向のホモジナイザ光学系から一次結像面までの光学系のさらに他例を示す図である。
【図８】図５および図７に示したドッグイヤ非対称低減用フィルタを説明する平面図である。
【図９】一次結像面に短軸分布調整用フィルタとドッグイヤ非対称低減用フィルタを組み合わせる方法を説明する図である。
【図１０】実施例２における光強度分布を説明する図である。
【図１１Ａ】本発明の短軸方向のホモジナイザ光学系から一次結像面４までの光学系のさらに他の例を示す図である。
【図１１Ｂ】ドッグイヤ除去用フィルタを２枚使用する場合にフィルタを組み合わせる方法を説明する図である。
【図１２】図１１Ａの光学系における光強度分布を模式的に説明する図である。
【図１３】レーザアニール方法を説明する図である。
【図１４】従来のエキシマレーザアニール装置の構成を説明する図である。
【図１５】本発明の製造方法で形成した多結晶シリコン薄膜を用いた薄膜トランジスタを含む表示装置としてのアクティブ・マトリクス型の液晶表示装置の要部構成例を説明する断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１：試料
２：照射レンズ
３：ミラー
４：一次結像面
５：フィールドレンズ
６：短軸ホモジナイザ用コレクタレンズ
７：短軸ホモジナイザ用シリンドリカルアレイレンズ（後段）
８：短軸ホモジナイザ用シリンドリカルアレイレンズ（前段）
９：長軸ホモジナイザ光学系
１０：平行化光学系
１１：アッテネータ
１２：レーザ光源
１３：レーザ光
１４：ステージ
１５：ドッグイヤ除去用フィルタ
１６：強度分布両端の突起分布として発生するドッグイヤ分布
１７：アレイレンズ境界で発生する回折光（ドッグイヤ分布の原因光）
１８：１７の回折光のうち対応する後段のアレイレンズ素子に向かう光
１９：ドッグイヤ以外の均一な強度分布を形成する光
２０：マスク領域
２１：アレイレンズ素子の境界
２２：透過する非マスク領域
２３：ドッグイヤ非対称低減用フィルタ
２４：石英板表面上の減反射コーティング領域
２５：２４の領域より数％から数１０％だけ反射率を高めた領域
２６：短軸分布整形用フィルタ
２７：フィルタ２３の透過率分布
２８：フィルタ２６の透過率分布
５０：筐体
５１：石英ウインドウ
１００：光学系筐体
５０１：ガラス基板
５０２：アンダーコート層
５０３：多結晶シリコン膜
５０４ａ：多結晶シリコンのソース層
５０４ｂ：多結晶シリコンドレイン層
５０５：ゲート酸化膜
５０７：層間絶縁膜
５０６：ゲート電極
５０８：ソース／ドレイン電極
５０９：保護膜
５１０：カラーフィルタ５１０
５１１：画素電極
５１２：液晶
５１３：対向電極
５１４：対向ガラス基板。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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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１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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