(57)【要約】【課題】  高品質の薄膜トランジスタの活性層の形成するためのレーザプロセスとそれを用いたレーザアニール装置を提供すること。【解決手段】  レーザ発振器１ａ〜１ｅを制御する出力制御部は、各レーザ発振器１ａ〜１ｅの出力が一定になるよう、かつ、加工点のパワーが予め定められている所定のパワーになるように制御し、また、励起用のＬＤの寿命予測をおこなう。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＤの励起によるレーザ発振器を並列に複数配置して、前記各レーザ発振器の出射光軸上の前方に、前記各レーザ発振器から発振されたレーザビームを合成して加工点へ導く光学系と、前記レーザビームを監視するモニタが配置され、前記モニタおよび前記ＬＤの電流を監視する電流モニタからの出力にもとづいて出力制御部により前記各レーザ発振器から発振したレーザビームが制御されているレーザプロセスであって、
前記出力制御部は、前記各レーザ発振器の出力が一定になるよう、かつ、前記加工点のパワーが予め定められている所定のパワーになるように制御し、また、励起用のＬＤの寿命予測をおこなっていることを特徴とするレーザプロセス。
【請求項２】
前記出力制御部による、前記加工点のパワーが予め定められている所定のパワーになるような制御は、加工点パワーモニタからデータを受け、予め定められている所定のパワーになるように、個々のレーザ発振器に対応したバリアブルアッテネータを同じ割合で調整することによりおこなっていることを特徴とする請求項１記載のレーザプロセス。
【請求項３】
並列に配置されＬＤの励起による複数のレーザ発振器と、この各レーザ発振器の出射光軸上の前方に順次配置された、複数の前記レーザ発振器の個々のレーザ出力を可変することのできる出力減衰器と、この出力減衰器から出力されたレーザビームを合成するビーム合成光学系と、このビーム合成光学系の光軸上の前方に配置され、ラインビームを形成する際に発生する干渉縞を低減化する音響光学変調器と、前記ビーム合成光学系からの出力されたレーザビームを均一分布のラインビームを形成するためにアレイレンズ群および集光レンズからなるビームホモジナイザと、このホモジナイザで形成されたレーザビームを再整形するビーム整形アパチャと、このビーム整形アパチャにより再整形された像を結像する結像光学系と、前記個々のレーザ発振器の出力および励起用のＬＤの電流を検出するモニタリング機構と、前記個々のレーザ発振器の出力をモニタする出力モニタと、前記結像光学系のレーザビームをモニタする加工点出力モニタと、出力制御部とを有し、
前記出力制御部は、前記モニタリング機構および前記出力モニタによりモニタした出力および励起用ＬＤ電流のデータから前記個々のレーザ発振器のメンテナンス時期を推定し、必要によってはメンテナンスが必要な前記レーザ発振器の稼動を停止させ、その分低下した必要パワーを他の前記レーザ発振器の出力を上昇させることで補完し、前記稼動を停止したレーザ発振器のメンテナンス時も装置全体の稼動が継続できる制御アルゴリズムを有していることを特徴とするレーザアニール装置。
【請求項４】
前記各レーザ発振器から出力されるレーザビームは、可視光領域にあるとともに連続出力であることを特徴とする請求項３記載のレーザアニール装置。
【請求項５】
前記各レーザ発振器は、ＬＤ励起方式のＮｄ：ＹＶＯ４レーザのＳＨＧ出力であるとともに、励起用ＬＤが発振器側ではなく電源側に設置され、かつ、励起エネルギはファイバを通じてレーザ発振器に伝送されていることを特徴とする請求項３記載のレーザアニール装置。
【請求項６】
前記各レーザ発振器から出力されたレーザビームの加工点のラインビーム長さ方向のスティープネスが５μｍ以内であり、かつ、ラインビームを長さ方向にオーバラップさせながら被加工物である基板全面および一部分を結晶化していくことを特徴とする請求項３記載のレーザアニール装置。
【請求項７】
前記結像光学系は、結像位置を２次元的に走査するための偏向器がミラーとガルバノメータスキャナまたはポリゴンミラーと回転駆動用モータで構成されていることを特徴とする請求項３記載のレーザアニール装置。
【請求項８】
前記ホモジナイザに設けられている音響光学変調器は、レーザビームのスイッチング作用を該レーザビームの光路途中で行うと共に、干渉縞の低減化のためにビームの方向を微小角で高速偏向させることを特徴とする請求項３記載のレーザアニール装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高品質の薄膜トランジスタの活性層の形成に関し、特に、ｐ−Ｓｉ（ポリ−シリコン）のＴＦＴ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の製造で、レーザ光を用いてガラス基板上のａ−Ｓｉ（アモルファス−シリコン）薄膜をポリ化して高品質のｐ−Ｓｉ薄膜を形成する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイにおいては、薄膜トランジスタをポリシリコンによって形成することにより、スイッチング素子や駆動用周辺回路をガラス基板上に形成している。液晶ディスプレイではより高精細化や高速応答性や低消費電力化した次世代の高機能液晶ディスプレイが求められている。
【０００３】
これら技術の実現のためには、電界移動度（μＦＥ）が１ｃｍ２／Ｖｓ以下と低いアモルファスシリコンの薄膜トランジスタでは能力が十分ではない。薄膜トランジスタの活性層の形成方法として、絶縁表面を有する基板上に非晶質半導体膜を形成し、レーザアニール法や熱アニール法などで結晶化させる技術が開発されている。
【０００４】
レーザアニール法はガラス基板の温度をあまり上昇させず、非晶質半導体膜にのみ高いエネルギーを与えて結晶化させることができる結晶化技術として知られている。特に、波長４００ｎｍ以下の短波長光を発振するエキシマレーザは、このレーザアニール法の開発当初から用いられてきた代表的なレーザである。レーザアニール法は、レーザビームを被照射面においてスポット状や線状となるように光学系で加工し、その加工されたレーザ光で基板上の被照射面を走査すること（レーザ光の照射位置を被照射面に対して相対的に移動させる）により行う。
【０００５】
レーザアニール法で、例えば、アモルファスシリコンにエキシマレーザを照射してラテラル成長させる製造した多結晶シリコン半導体であるポリシリコンの薄膜トランジスタであれば、電界移動度が１００ｃｍ２／Ｖｓ〜２００ｃｍ２／Ｖｓ程度のものが得られる。それによれば、液晶ディスプレイの高精彩化、高速化および駆動回路の一体形成などの高機能化が期待できる。
【０００６】
このエキシマレーザ法は、透光性基板であるガラス基板上のアモルファスシリコンにエキシマレーザを照射してポリシリコンとする方法である。具体的には、アモルファスシリコンの表面でのビームサイズを、例えば長さ２５０ｍｍ、幅０．４ｍｍにし、このパルスビームを３００Ｈｚで発振させて、各パルスの照射される領域を徐々に移動させることにより、ガラス基板上のアモルファスシリコンをポリシリコンにする（例えば、特許文献１を参照）。
【０００７】
また、エキシマレーザの替わりに、レーザ媒質として固体レーザであるＹＡＧレーザを用いてレーザアニールをおこなっている技術も開示されている（例えば、特許文献２を参照）。
【０００８】
また、最近、ＣＷ−ＳＨＧレーザ（波長５３２ｎｍ）を用いたラテラル成長法が提案され、移動度の高いｐ−ＳｉのＴＦＴが得られるとの報告もある。
【特許文献１】特開平２００２−２１７１０４号公報    （段落番号０００２〜０００４）
【特許文献２】特開平２００２−１９０４５４号公報    （段落番号００２０〜００２５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、薄膜トランジスタの活性層の形成方法として、絶縁表面を有する基板上に非晶質半導体膜を形成し、レーザアニール法で結晶化させる場合、エキシマレーザによるラテラル成長は、量産ラインでの実績がある従来プロセスと加工光源が同じであるため量産ラインに適用しやすいというメリットがあるが、メンテナンスコストが高いという問題が課題として残っている。
【００１０】
一方、固体レーザによるラテラル成長は、高い膜質（高移動度）が得られ、設備コストやランニングコストが低く抑えられるために、もし、量産ラインへ適用した場合のメリットは大きいと考えられるが、これまでに量産ラインでは、殆ど実績がないために克服すべき技術課題が多く、現時点では量産ラインへの適用が困難、あるいは、長い開発期間が必要であるという問題が存在する。
【００１１】
また、ＣＷ−ＳＨＧ（第二高調波）レーザ（波長５３２ｎｍ）を用いたラテラル成長法では、移動度の高いｐ−ＳｉのＴＦＴが得られると報告されているが、ＣＷ−ＳＨＧレーザ１台から出力されるパワーは現在、実用レベルで１０Ｗしかなく、量産に必要な数百ワットレベルを達成することは１台では困難である。したがって、複数台のレーザ装置を必要とすることは避けられない。その場合、複数台のレーザ光源のメンテナンスおよびビーム合成時の干渉縞発生、およびビーム走査時のビームエッジ部での微小結晶発生およびビームの高速スイッチングに大きな課題が残っている。
【００１２】
すなわち、現在の商用エキシマレーザの出力は約３００Ｗに達しており、この３００Ｗを達成するためには、１０ＷのＳＨＧレーザを用いると３０台が必要となる。ＳＨＧレーザは通常ＬＤ（レーザダイオード）励起のＹＡＧレーザが用いられている。ＬＤは交換部品であり、通常、ＬＤの交換は１００００Ｈごとの実施が必要であり、約１年ごとの交換となる。もしこのＬＤの交換が、３０台のレーザ装置でランダムに発生すると、場合によっては１２日ごとのメンテナンスダウンタイムが発生してしまう。これではＬＤ励起方式レーザの特徴であるメンテナンスフリーがアニールシステムの特徴として生かすことができない。
【００１３】
一方、複数台のレーザから出力されるビームを重ね合わせる場合、ＳＨＧレーザの可干渉性の高さから干渉縞発生は避けられず、通常エキシマレーザで使用されているアレイレンズ式のホモジナイザを用いた場合、加工点で重ね合わせ方向にＮＡ（開口角）に応じた間隔で強度の変調が生じてしまう。これは結晶化のむらにつながり、ＴＦＴ特性のばらつきを増長させる要因になる。
【００１４】
同様に結晶化のむらに関しては、ラインビーム長手方向の特にビームエッジ部分でのスティープネス不足により、ラインビーム中央付近はラテラル成長が進むものの、ビームエッジ部では微結晶が発生することもＴＦＴ特性はばらつきの要因となる。さらに結晶化を基板の局所領域に施す場合、ＣＷレーザの加工点でのＯＮ／ＯＦＦのレスポンス時間が長いと走査の開始、終了時点で微結晶が生じることになる。ＣＷラテラル方式の走査速度は１０００ｍｍ／ｓにも達するため、１ｍｓｅｃでスイッチングできても、１ｍｍの長さの微結晶領域が発生する。
【００１５】
本発明はこれらの事情にもとづいてなされたもので、高品質の薄膜トランジスタの活性層の形成するためのレーザプロセスとそれを用いたレーザアニール装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明によれば、ＬＤの励起によるレーザ発振器を並列に複数配置して、前記各レーザ発振器の出射光軸上の前方に、前記各レーザ発振器から発振されたレーザビームを合成して加工点へ導く光学系と、前記レーザビームを監視するモニタが配置され、前記モニタおよび前記ＬＤの電流を監視する電流モニタからの出力にもとづいて出力制御部により前記各レーザ発振器から発振したレーザビームが制御されているレーザプロセスであって、
前記出力制御部は、前記各レーザ発振器の出力が一定になるよう、かつ、前記加工点のパワーが予め定められている所定のパワーになるように制御し、また、励起用のＬＤの寿命予測をおこなっていることを特徴とするレーザプロセスである。
【００１７】
また本発明によれば、前記出力制御部による、前記加工点のパワーが予め定められている所定のパワーになるような制御は、加工点パワーモニタからデータを受け、予め定められている所定のパワーになるように、個々のレーザ発振器に対応したバリアブルアッテネータを同じ割合で調整することによりおこなっていることを特徴とするレーザプロセスである。
【００１８】
また本発明によれば、並列に配置されＬＤの励起による複数のレーザ発振器と、この各レーザ発振器の出射光軸上の前方に順次配置された、複数の前記レーザ発振器の個々のレーザ出力を可変することのできる出力減衰器と、この出力減衰器から出力されたレーザビームを合成するビーム合成光学系と、このビーム合成光学系の光軸上の前方に配置され、ラインビームを形成する際に発生する干渉縞を低減化する音響光学変調器と、前記ビーム合成光学系からの出力されたレーザビームを均一分布のラインビームを形成するためにアレイレンズ群および集光レンズからなるビームホモジナイザと、このホモジナイザで形成されたレーザビームを再整形するビーム整形アパチャと、このビーム整形アパチャにより再整形された像を結像する結像光学系と、前記個々のレーザ発振器の出力および励起用のＬＤの電流を検出するモニタリング機構と、前記個々のレーザ発振器の出力をモニタする出力モニタと、前記結像光学系のレーザビームをモニタする加工点出力モニタと、出力制御部とを有し、
前記出力制御部は、前記モニタリング機構および前記出力モニタによりモニタした出力および励起用ＬＤ電流のデータから前記個々のレーザ発振器のメンテナンス時期を推定し、必要によってはメンテナンスが必要な前記レーザ発振器の稼動を停止させ、その分低下した必要パワーを他の前記レーザ発振器の出力を上昇させることで補完し、前記稼動を停止したレーザ発振器のメンテナンス時も装置全体の稼動が継続できる制御アルゴリズムを有していることを特徴とするレーザアニール装置である。
【００１９】
また本発明によれば、前記各レーザ発振器から出力されるレーザビームは、可視光領域にあるとともに連続出力であることを特徴とするレーザアニール装置である。
【００２０】
また本発明によれば、前記各レーザ発振器は、ＬＤ励起方式のＮｄ：ＹＶＯ４レーザのＳＨＧ出力であるとともに、励起用ＬＤが発振器側ではなく電源側に設置され、かつ、励起エネルギはファイバを通じてレーザ発振器に伝送されていることを特徴とするレーザアニール装置である。
【００２１】
また本発明によれば、前記各レーザ発振器から出力されたレーザビームの加工点のラインビーム長さ方向のスティープネスが５μｍ以内であり、かつ、ラインビームを長さ方向にオーバラップさせながら被加工物である基板全面および一部分を結晶化していくことを特徴とするレーザアニール装置である。
【００２２】
また本発明によれば、前記結像光学系は、結像位置を２次元的に走査するための偏向器がミラーとガルバノメータスキャナまたはポリゴンミラーと回転駆動用モータで構成されていることを特徴とするレーザアニール装置である。
【００２３】
また本発明によれば、前記ホモジナイザに設けられている音響光学変調器は、レーザビームのスイッチング作用を該レーザビームの光路途中で行うと共に、干渉縞の低減化のためにビームの方向を微小角で高速偏向させることを特徴とするレーザアニール装置である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、高精度のレーザアニール処理を施すことができ、それにより、液晶基板等に用いるための高品質の薄膜トランジスタの活性層を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して順次説明する。
【００２６】
高品質のレーザアニールにより高品質の薄膜トランジスタの活性層の形成に際して、ＣＷ−ＳＨＧレーザ（波長５３２ｎｍ）を用いたラテラル成長法では、移動度の高いｐ−ＳｉのＴＦＴが得られると考えられているが、上述の「発明が解決しようとする課題」の項で述べたように、大別すると、（イ）メンテナンスおよびビーム合成に関しての対策、（ロ）干渉縞対策、および（ハ）結晶化むら対策、の３点についての課題を解決する必要がある。本発明では、解決策の基本的な考え方として、それぞれの対策を以下のように講じることにより課題を解消した。
【００２７】
（イ）メンテナンスおよびビーム合成に関しての対策
複数台のレーザ装置を用いる上で、各レーザのＬＤ電流と出力をモニタしながらＬＤ寿命を予測判定するとともに、寿命が近づいたらそのレーザ発振を停止し、それ以外の複数台のレーザ発振出力を増大させることで加工点パワーを補うようなインテリジェントシステムを採用した。
【００２８】
すなわち、発振を停止したレーザはオフラインにてＬＤ交換を行い、交換後復帰させることで、レーザメンテナンスでダウンする時間を極小化する。また、一部のレーザの停止で、加工点のラインビームの分布や位置が変化しないようなロバスト性を有する合成光学系を設けた。
【００２９】
（ロ）干渉縞対策
干渉縞対策として、レーザ発振器出口の光路途中に音響光学素子を個々に設置し、ビームを微小角でＭＨｚ以上の周波数で高速偏向させる。この高速偏向により加工点の干渉縞の位置が移動する。ＣＷラテラルでは１０００ｍｍ／ｓ程度で走査するので、一箇所あたりのプロセス時間（溶融時間）は１０μｓ程度である。音響光学素子のスイッチングのレスポンスは数十ｎｓオーダなので、プロセス時間内で数百回以上の干渉縞の移動が生じるので、強度変調が存在しても温度分布は均一化される。
【００３０】
（ハ）結晶化むら対策
結晶化むら対策は、一部が干渉縞対策とオーバラップする。干渉縞対策で使用する音響光学素子により、ラインビームの長軸方向の温度分布は均一化される。ビームエッジ部のスティープネスは結像光学系を用いることで確保する。ビームのスイッチングは音響光学素子でビーム方向を大きく偏向すること、光路途中のスリットによる大偏向ビームの遮光で実現する。スイッチングのレスポンスは前述した数十ｎｓなので、加工点ではサブミクロンオーダとすることができる。
【００３１】
次に、上述の基本的な考え方にもとづくレーザプロセスとレーザアニール装置について説明する。
【００３２】
図１は、本発明のレーザプロセスとそれを用いたレーザアニール装置の基本構成を示す模式構成図である。レーザ発振器１ａ〜１ｅは、加工の際のスループットを安定して保持するために必要なレーザパワーを確保するため、複数台のレーザ発振器１ａ〜１ｅが並列に配置されている。各レーザ発振器１ａ〜１ｅはＬＤ（レーザダイオード）（不図示）による励起であり、個々のレーザ発振器１ａ〜１ｅの励起光源となるＬＤへの印加電流は、電流モニタ２ａ〜２ｅ（モニタリング機構）によりモニタリングされている。各レーザ発振器１ａ〜１ｅは、ＬＤ励起方式のＮｄ：ＹＶＯ４レーザのＳＨＧ出力であり、出力されるレーザビームは、可視光領域にあるとともに連続出力である。また、励起用ＬＤがレーザ発振器１ａ〜１ｅの側ではなく電源（不図示）の側に設置され、かつ、励起エネルギは光ファイバ（不図示）を通じてレーザ発振器１ａ〜１ｅに伝送されている。また、各レーザ発振器１ａ〜１ｅの出射光軸上の前方には、それぞれ出力モニタ３ａ〜３ｅが配置されている。この出力モニタ３ａ〜３ｅと電流モニタ２ａ〜２ｅは、いずれも出力制御部４に接続されている。
【００３３】
出力制御部４は、下記の（イ）〜（ハ）の機能をおこなうための制御アルゴリズムを備えている。（イ）通常は、出力制御部４は各レーザ発振器１ａ〜１ｅの出力が一定になるように、個々のレーザ発振器１ａ〜１ｅを励起用のＬＤ電流の制御により制御している。（ロ）加工プロセスに必要な加工点のパワーを、加工点パワーモニタからデータを受け、予め定められている所定のパワーになるように、個々のレーザ発振器１ａ〜１ｅに対応した出力調整器（バリアブルアッテネータ）５ａ〜５ｅを同じ割合で調整する。（ハ）励起用のＬＤの寿命予測は、予め定められているデータにより行い、各レーザ発振器１ａ〜１ｅのメンテナンス時期を推定し、特定のレーザ発振器１ａ〜１ｅのＬＤが寿命に達したと判断した場合は、そのレーザ発振器１ａ〜１ｅのみの稼動を停止する。それによる全体の出力の低下分を残りのレーザ発振器１ａ〜１ｅ全体で補完する。この補完のための動作は、稼動しているレーザ発振器１ａ〜１ｅに対応した、バリアブルアッテネータ５ａ〜５ｅの調整とＬＤの電流の調整により行う。この場合、後述するビーム合成光学系がホモジナイザの機能も果たしているので、仮に、レーザ発振器１ａ〜１ｅの内の１台が停止しても、加工点のエネルギ分布は変化しないので、パワーだけを補完すればよい。
【００３４】
各出力モニタ３ａ〜３ｅの各光軸上の前方には、個々のレーザ発振器１ａ〜１ｅの出力を制御する出力減衰器であるバリアブルアッテネータ５ａ〜５ｅが配設されている。このバリアブルアッテネータ５ａ〜５ｅの各光軸上の前方には反射ミラー６ａ〜６ｅを介して、ビーム偏向器７ａ〜７ｅとビーム合成光学系としてビーム合成器８が配置されている。なお、ビーム偏向器７ａ〜７ｅは、後述する高速シャッタおよび干渉縞対策の制御に使用される。ビーム合成器８は、順次、第一段のアレイレンズ９、第二段のアレイレンズ１１および第一段のコンデンサレンズ１２が配置されて構成されている。
【００３５】
ビーム合成器８の光軸上の前方には、ミラー１３を介して、順次、音響光学変調器（ＡＯＭ）１４からなる高速偏向回路とビームホモジナイザ１５が配置されている。ビームホモジナイザ１５は、順次、第三段のアレイレンズ１６、第四段のアレイレンズ１７、および、第二段のコンデンサレンズ１８が配置されて構成されている。
【００３６】
音響光学変調器１４は、単結晶やガラス等の媒体中に超音波を発生させて周期的な屈折率変化を生じさせ、これにより位相型の回折格子を構成するもので、この音響光学変調器１４にレーザ光が入射されると、回折光の強度や方向が、超音波の強度や周波数の状態によって変化するようになっている。この動作原理により、超音波の周波数に相当する量だけ、入射レーザ光の周波数がシフトする。この周波数シフト量は、任意に調整可能であり、入射レーザ光のそれぞれの強度は、超音波の出力を調整することで、０次光と１次回折光との比率を変えることができる。それらにより、レーザビームのスイッチング作用を光路途中で行うと共に、干渉縞の低減化のためにビームの方向を微小角で高速偏向させている。
【００３７】
これらの光学的な配置では、第一段のアレイレンズ９を通過したビームは第二段のアレイレンズ１１および第一段のコンデンサレンズ１２を通過した後、第三段のアレイレンズ１６の開口部に結像される。結像されるということは、第一段のアレイレンズ９と第三段のアレイレンズ１６の位置が第二段のアレイレンズ１１と第一段のコンデンサレンズ１２に対し、光学的には共役な位置関係にあることを意味している。
【００３８】
ビームホモジナイザ１５の光軸上の前方には、短軸用のシリンドリカルレンズ１９が配置されている。また、シリンドリカルレンズ１９の光軸上の前方には、ビームの周辺部をカットして整形する開孔が形成されているビーム整形アパチャ（矩形アパチャ）２１が配置されている。
【００３９】
なお、光学的に第三段のアレイレンズ１６を通過したビームは第四段のアレイレンズ１７に入射し、さらに第二段のコンデンサレンズ１８を介してビーム整形アパチャへと入射する。このとき第三段のアレイレンズ１６位置とビーム整形アパチャは、第四段のアレイレンズ１７と第二段のコンデンサレンズ１８に対し、共役な位置関係にあるように設置される。つまり第三段のアレイレンズ１６の像がビーム整形アパチャの２１位置に結像されることを意味している。
【００４０】
ビーム整形アパチャ２１の光軸上の前方には結像光学系２２が配置されている。この結像光学系２２は、順次、コリメートレンズ２３、スキャナ２４、および、結像レンズ２５が被加工物（不図示）を載置するテーブル２６に対向して配置されて構成されている。また、結像レンズ２５からの出射光に対しては、加工点出力モニタ２７によりモニタリングを行っている。
【００４１】
図２は、上述のレーザアニール装置の光学系における、ビーム合成系とホモジナイザによる作用の説明図である。なお、図２において各符号は、図１の符号を援用している。
【００４２】
上述のように、第一段のアレイレンズ９を通過したビームは第二段のアレイレンズ１１および第一段のコンデンサレンズ１２を通過した後、第三段のアレイレンズ１６の開口部に結像される。第一段のアレイレンズ９と第三段のアレイレンズ１６位置が第二段のアレイレンズ１１と第一段のコンデンサレンズ１２に対し、共役な位置関係にある。
【００４３】
また、第三段のアレイレンズ１６を通過したビームは第四段のアレイレンズ１７に入射し、さらに第二段のコンデンサレンズ１８を介してビーム整形アパチャへと入射する。このとき第三段のアレイレンズ１６位置とビーム整形アパチャは、第四段のアレイレンズ１７と第二段のコンデンサレンズ１８に対し、共役な位置関係にある。つまり第三段のアレイレンズ１６の像がビーム整形アパチャ２１の位置に結像される。図２において、各レンズの焦点距離と位置関係には、Ａ＝ｆ１、Ｃ＝ｆ２、Ｄ＝ｆ４、Ｆ＝ｆ５の関係である。
【００４４】
ビーム整形アパチャ２１の位置では、ほぼラインビームの形状に整形されているが、ここではより均一な部分を切り出しをおこなって分布の均一化とビームエッジ部のシャープさを確保する。ビーム整形アパチャ２１を通過したビームはコリメートレンズ２３と結像用レンズ２５により、加工点に縮小して投影される。加工点でのラインビームは結像光学系２２の光路途中に設置されたスキャナ２４により走査される。
【００４５】
加工点での出力は、加工点出力モニタ２７により検出され、検出結果は出力制御部４にフィードバッグされる。それにより、前述のバリアブルアッテネータ５ａ〜５ｅおよびＬＤの電流の制御により、加工点での出力が所定の出力となるように制御される。
【００４６】
図２により、これらの光学系の配置と作用についてより詳しく説明すると、ビーム合成光学系８はアレイレンズから構成されおり、前述のように第一段のアレイレンズ９、第二段のアレイレンズ１１、第一段のコンデンサレンズ１２により第三段のアレイレンズ１６に導かれる。ここまでのビーム合成光学系８の役目は第三段のアレイレンズ１６開口に、個々のレーザ発振器１ａ〜１ｅから出力されるビームを重畳させて入射させることにある。
【００４７】
すなわち、図２に示すようにビーム合成光学系８により、第一段のアレイレンズ９での複数のビームを、重ねて第三段のアレアレンズ開口いっぱいに入射させる。一方、後段の第三段アレイレンズおよび第四段のアレイレンズ１７、第二段のコンデンサレンズ１８は第三段のアレイレンズ１６の像をビーム整形アパチャ位置に結像させる。ここでもアレイレンズ像が重畳され、この作用によりビーム整形アパチャ２１の位置でほぼ均一な強度分布を有するラインビームが得られる。
【００４８】
ただし、後述するように固体レーザのＳＨＧ出力（Ｎｄ：ＹＡＧおよびＮｄ：ＹＶＯ４）を使用する場合は、重ね合わせによる干渉縞が発生するので、干渉縞対策が実施されていることが前提条件となる。
【００４９】
このようなビーム合成光学系とビームホモジナイザ１５による均一化光学系の組み合わせ方式を用いているので、たとえば、メンテナンスが必要なレーザ発振器１ａ〜１ｅの動作を停止した場合でも、加工点でのビーム形状、分布はほとんど変化しない。その結果、ＬＤの劣化により交換作業が必要な場合、その発振器を装置から取り外してメンテナンス作業を進めるとともに、残りの発振器の出力を若干増加させることによって加工点パワーを確保することでメンテナンスによるライン停止時間を最小化することが可能になる。
【００５０】
なお、出力制御部４としては、どのレーザのＬＤが劣化傾向にあるかを出力モニタ３ａ〜３ｅ値とＬＤの電流モニタ２ａ〜２ｅのモニタ値の経時変化を取得することで予測していく。
【００５１】
レーザ発振器１ａ〜１ｅとしては、通常は励起用ＬＤがレーザ発振器１ａ〜１ｅの筐体と一体化した構造をとっているが、外部にＬＤを設置し光ファイバーで励起光を伝送することにより、レーザ発振器１の取り外し作業を省き、アライメント変化を生じさせることなく、メンテナンスが可能となる。
【００５２】
次に、ビームスキャニング方法およびスティープネスの確保について説明する。
【００５３】
図３は、ビームスキャニングの概要を示す説明図である。ビームスキャニングの機構は２枚のミラーを直交するように配置し、それをガルバノメータスキャナで駆動する方式や、ポリゴンミラーを回転させる方式を用いることができる。
【００５４】
図３はガルバノメータスキャナによる方式を示しており、左右に走査を繰り返すことで、全面処理を行う。このときビームを一部オーバラップさせることにより、照射未処理の部分が生じないように設定する。従来の単純な集光系では特にビーム長軸方法のスティープネスが数百μｍと大きいため、ビーム端部ではラテラル成長せずに、微結晶化する。よって走査領域全面をラテラル成長させることができないという課題を抱えていたが、本発明では、図４に説明図を示すように、長軸方向のスティープネスは、１０μｍ以下の５μｍ以内であり、かつ、ラインビームを長さ方向にオーバラップさせながら被加工物である基板全面および一部分を結晶化していくことで、オーバラップ部分もラテラル成長することを見出した。スティープネスはできる限り小さいほうが良い。このスティープネスを確保するため、ビーム整形アパチャ２１を結像する方式を開発した。ビーム裾部の立ち上がりＬはおおよそエアリーディスクと同様になり、
Ｌ＝１．２２λ／ＮＡ
であらわすことができる。λは波長、ＮＡは開口角である。よって開口角を大きく取ったほうが有利である。
【００５５】
次に、干渉縞対策および高速スイッチングについて説明する。
【００５６】
加工点およびビーム整形アパチャ２１の上では干渉縞が生じるため、結晶化のむらを生じる。この問題を解決するためレーザビームの光路途中に音響光学変調器１４を設置し、図５にその状況説明図で示すように、個々に微小角で偏向する。これにより加工点での干渉縞の位置が変化し、そのスイッチング速度は通常１０ＭＨｚ程度までの応答性はある。ＣＷラテラル成長でのプロセス時間は、Ｓｉ膜を溶融させる５０μｓｅｃ程度は掛かるものであり、それでも数百回の干渉縞の移動が実現される。したがって、ビームホモジナイザ１５を通過したレーザビームは、被加工物を照射する結晶化の時点では、均一加熱による均一した結晶化が期待できる。
【００５７】
以上に説明したように、本発明によれば、高品質のレーザアニールにより高品質の薄膜トランジスタの活性層の形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明のレーザプロセスとそれを用いたレーザアニール装置の基本構成を示す模式構成図。
【図２】光学系の配置と作用についての説明図。
【図３】ビームスキャニングの概要を示す説明図。
【図４】ビームの長軸方向のスティープネスの説明図。
【図５】音響光学素子による作用の説明図。
【符号の説明】
【００５９】
１ａ〜１ｅ…レーザ発振器、２ａ〜２ｅ…電流モニタ、３ａ〜３ｅ…出力モニタ、４…出力制御部、８…ビーム合成器（ビーム合成光学系）、１４…音響光学変調器、１５…ビームホモジナイザ、２１…ビーム整形アパチャ、２２…結像光学系
【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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