(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー発振器と、生成されたレーザービームの光路内に設けられ、レーザービームを所定のプロフィールに成形するビーム成形手段と、成形されたレーザービームの被照射位置にてレーザーアニールの対象物を支持する載置台を備えた処理室とを有するレーザーアニール装置において、
前記レーザービームの光路内にレーザービームを分割してその高調波成分を除去する複屈折結晶と、レーザービームを２つのビームレット群に分割する転写レンズと、ビームレット群のいずれか一方に位相差を与える位相差板とを備えたことを特徴とするレーザーアニール装置。
【請求項２】
前記複屈折結晶が、２軸性水晶結晶又はＬi２Ｂ４Ｏ７結晶であることを特徴とする請求項１記載のレーザーアニール装置。
【請求項３】
前記複屈折結晶を、前記レーザービームの光路内に２以上配置することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザーアニール装置。
【請求項４】
前記複屈折結晶を、前記レーザービームの光路内の該レーザービームが平行光である位置に配置することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザーアニール装置。
【請求項５】
レーザー発振器で生成したレーザービームをビーム成形手段によって所定のプロフィールに成形し、成形されたレーザービームをレーザーアニールの対象物に照射して対象物をアニールするレーザーアニール方法において、
そのレーザービームの光路内に配置された複屈折結晶でレーザービームを分割して高調波成分を除去し、この高調波成分が除去されたレーザービームを転写レンズで２つのビームレット群に分割し、位相差板でビームレット群のいずれか一方に位相差を与え、レーザービームを成形し、対象物に照射することを特徴とするレーザーアニール方法。
【請求項６】
前記複屈折結晶が、２軸性水晶結晶又はＬi２Ｂ４Ｏ７結晶であることを特徴とする請求項５記載のレーザーアニール方法。
【請求項７】
前記レーザーアニールの対象物が、アモルファスシリコン膜であることを特徴とする請求項５又は６に記載のレーザーアニール方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザーアニール装置及びレーザーアニール方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
低温ポリシリコン薄膜トランジスタ(ＬＴＰＳ  ＴＦＴ)を用いた有機ＥＬディスプレイ(ＯＬＥＤ)や液晶ディスプレイ(ＬＣＤ)は、高精細、高画質なフラットパネルディスプレイとして注目されている。このＬＴＰＳ  ＴＦＴの製造工程では、レーザー光源より発生されるレーザービームをライン状ビームに成形し、ガラス基板上の非晶質シリコン膜(以下、ａ−Ｓｉ膜とも称す)に対して成形したライン状レーザービームを走査しながらアニールすることにより、ａ−Ｓｉ膜を結晶化させて多結晶シリコン膜を形成するレーザーアニール工程が重要である。
【０００３】
ところで、このライン状ビームをその長手方向に対し垂直に走査した場合、多結晶シリコン膜上に、レーザービーム自体のコヒーレント性に起因する走査方向に沿った縞状の照射痕、即ち干渉縞が生じることがある。この照射痕は、ディスプレイ等の表示ムラの原因となり、画質劣化を招くこととなる。特に、パフォーマンスがよい固体グリーンレーザーは、コヒーレント性が高いため縞状の照射痕が生じやすい。そこで、平行四辺形状のシリンドリカルレンズ群と、他のシリンドリカルレンズとから構成されたビームホモジェナイザーを備えたレーザー照射装置を用いて、強弱のピークが重なって干渉縞を形成することを抑制して照射痕を低減することが知られている（例えば、特許文献１参照）
【特許文献１】特開平１０−２７０３７９号公報（図８及び図１１等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような平行四辺形のシリンドリカルレンズを光学系に配置する場合には、各レーザービームのビーム品質（コヒーレント性）が異なるので、各品質にあわせてシリンドリカルレンズ、導波路及び位相差板の形状を変えなければならず、煩雑で汎用性が低いという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、多結晶シリコン膜上に形成された縞状の照射痕を低減でき、また、装置構成が簡単で、かつ汎用性が高いレーザーアニール装置及びその方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のレーザーアニール装置は、レーザー発振器と、生成されたレーザービームの光路内に設けられ、レーザービームを所定のプロフィールに成形するビーム成形手段と、成形されたレーザービームの被照射位置にてレーザーアニールの対象物を支持する載置台を備えた処理室とを有するレーザーアニール装置において、前記レーザービームの光路内にレーザービームを分割して、その高調波成分を除去する複屈折結晶と、レーザービームを２つのビームレット群に分割する転写レンズと、ビームレット群のいずれか一方に位相差を与える位相差板とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
前記複屈折結晶が空間的な光学ローパスフィルターとして機能することにより、レーザービームの高調波成分を除去して、レーザービームのコヒーレント性に起因する縞状の照射痕を低減することができる。又、レーザービームが複屈折結晶に入射されて分割して得られた各ビームレットは、それぞれ異なる偏光パターンとなるので、互いに干渉しにくいため、より照射痕を低減することが可能となる。また、位相差板を設けることで、ビームレット間での干渉を抑制することが可能となる。
【０００８】
この場合、前記複屈折結晶が、２軸性水晶結晶又はＬi２Ｂ４Ｏ７結晶であることが好ましい。なお、Ｌｉはリチウムを示し、Ｂはボロンを示す。
【０００９】
また、前記複屈折結晶を、前記レーザービームの光路内に２以上配置することが好ましい。形成される照射痕の間隔が複屈折結晶によって分割されたビームレットの間隔より広い場合、複屈折結晶を複数配置することで、レーザービームの分割本数を増やして照射痕の間隔に一致するようにし、縞状の照射痕を緩和することができるからである。
【００１０】
前記複屈折結晶を、前記レーザービームの光路内の該レーザービームが平行光である位置に配置することが好ましい。このように平行光である位置に配置することで、収差が生じにくくなる。
【００１１】
本発明のレーザーアニール方法は、レーザー発振器で生成したレーザービームをビーム成形手段によって所定のプロフィールに成形し、成形されたレーザービームをレーザーアニールの対象物に照射して対象物をアニールするレーザーアニール方法において、そのレーザービームの光路内に配置された複屈折結晶でレーザービームを分割して高調波成分を除去し、この高調波成分が除去されたレーザービームを転写レンズで２つのビームレット群に分割し、位相差板でビームレット群のいずれか一方に位相差を与え、レーザービームを成形し、対象物に照射することを特徴とする。光学的ローパスフィルターとなる複屈折結晶によりレーザービームの高調波成分を除去できるので、簡易に照射痕を緩和することが可能である。この場合、前記複屈折結晶が、２軸性水晶結晶又はＬi２Ｂ４Ｏ７結晶であることが好ましい。また、前記レーザーアニールの対象物が、アモルファスシリコン膜であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のレーザーアニール装置及びその方法によれば、コヒーレント性の高いレーザービームを照射しても、アニール処理した対象物（例えば、多結晶シリコン膜）上に縞状の照射痕（干渉縞）が生じないので、表示ムラのない高品質のディスプレイを作製することが可能であるという優れた効果を奏する。また、配置する複屈折結晶の数を任意に設計することができるために、レーザービーム品質の変化などにも簡単に対応することが可能であるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明のレーザーアニール装置は、レーザービームを生成するレーザー発振器と、生成されたレーザービームの光路内に設けられ、レーザービームを所定のプロフィールに成形するビーム成形手段と、成形されたレーザービームの被照射位置にてレーザーアニールの対象物を支持する載置台を備えた処理室とを有するレーザーアニール装置において、前記レーザービームの光路内にレーザービームを分割してその高調波成分を除去する複屈折結晶を備えたことを特徴とする。これは、レーザービーム照射による照射痕の原因はレーザービームの高調波成分による干渉であることに鑑み、ローパスフィルターとしての複屈折結晶によって、レーザービームを２つに分割してその高調波成分を除去することで、レーザービームの干渉を抑制できるようにしたものである。
【００１４】
初めに、この複屈折結晶について図１を用いて説明する。複屈折結晶Ａに入射した平行なレーザービームは、２つのビームレット、即ち、そのまま直進する常光線と、図１中の矢印で示した結晶軸方向に沿って進む異常光線とに分割される。この常光線と異常光線との間のビームレット間隔Ｓによって照射痕の現れる間隔（以下、照射痕間隔とも称す）を埋めることができるような複屈折結晶を選択すれば、照射痕の原因となる高調波成分が除去される。この場合に、照射痕間隔は、複屈折結晶を用いずにレーザーアニールされた多結晶膜上に発生した照射痕間隔から決定することができる。
【００１５】
また、このビームレット間隔Ｓは、複屈折結晶の材料固有の屈折率と複屈折結晶の厚みとの関係で変更可能である。例えば、複屈折結晶の厚みを大きくすれば、ビームレット間隔Ｓも大きくなり、材料固有の屈折率、即ち光学軸の傾きが大きければ、同じ厚みでもビームレット間隔Ｓが大きくなる。さらに、このように１つのレーザービームを２つに分割することで、レーザービームの高調波成分を除去できるだけでなく、各ビームレットは互いに独立した偏光パターンとなり、近傍に存在するビームレット群とは相互に干渉しにくくなるため、干渉縞を低減することが可能である。
【００１６】
このような複屈折結晶としては、２軸性水晶結晶や、Ｌi２Ｂ４Ｏ７結晶、ＬiＢ３Ｏ５結晶などが上げられる。入手のしやすさ、加工性、耐水性の観点からは２軸性水晶結晶を用いることが好ましく、分割幅を大きくしたい場合には、Ｌi２Ｂ４Ｏ７結晶、ＬiＢ３Ｏ５結晶を用いることが好ましい。
【００１７】
照射痕間隔がビームレット間隔Ｓに比べて大きい場合には、複屈折結晶を光路中に２以上配置して、各複屈折結晶でレーザービームを２つずつ分割して、全体としてビームレット間隔を広くして、照射痕間隔を埋めればよい。
【００１８】
上記のような複屈折結晶は、入手が容易で、かつ、加工性もよいため、このような除去手段を有する光学系を作製することは非常に簡易である。また、この除去手段としての複屈折結晶を何枚用いるかで、ビーム調整による照射痕間隔の変更にも容易に対応することができる。また、複屈折結晶を光路中に２以上配置すれば、１つ配置した場合に比べて干渉をより低減させることが可能である。また、ビーム品質に合わせて容易に調整が出来るという利点を有する。
【００１９】
以下、上記の複屈折結晶を備えた本発明のレーザーアニール装置を、図２を用いて詳細に説明する。
【００２０】
図２は、本発明のレーザーアニール装置の光学部品の配置とレーザービームの光路とを模式的に示したものであり、（ａ）はレーザービームの集光方向（成形されたライン状レーザービームの短手方向を示す、これをｘ軸方向とする）の模式図であり、（ｂ）はレーザービームの均一化方向（成形されたライン状レーザービームの長手方向を示す、これをｙ軸方向とする）の模式図であり、後述する（ｃ）は均一化方向の一部拡大図である。
【００２１】
図２によれば、１は、レーザー発振器であり、このレーザー発振器から発振されたレーザービームは、初めに、光軸補正ミラー２に入射して、レーザービームの光軸が補正される。これは、レーザー発振器からのビームを光学光路内に導くためのものである。
【００２２】
この場合、レーザー発振器１としては、固体グリーンレーザー等を用いることができる。また、このレーザー発振器から発せられたレーザービームは、ランダム偏光したものであることが好ましい。ランダム偏光であれば、複屈折結晶に入射し、その後複屈折結晶から射出されたビームレットは互いに非常に短い時間しか干渉しない異なる楕円偏光パターンになるので、干渉縞を緩和させることができるからである。
【００２３】
次いで、レーザービームのエネルギーを減衰させるために、レーザービームは減衰器３に入射され、例えば、エネルギーが０％〜５０％程度減衰される。その後、レーザービームはレーザービームの高調波部分を除去するための複屈折結晶４に入射される。複屈折結晶４に入射したレーザービームは図１のように異常光線と常光線とに分割される（図２中には図示していない）。これによって、高調波成分を除去してレーザービームの干渉を低減させることができる。
【００２４】
複屈折結晶４から射出されたレーザービームは、後述する拡大レンズ８に入射する前に、初期直径を与える必要があり、そのために、第１の拡大レンズ５及びコリメートレンズ６に順次入射され、第１の拡大レンズ５で、レーザービームの直径が拡大され、コリメートレンズ６で平行光に整えられる。次いで、レーザービームは光軸補正ミラー７に入射されて光軸が補正される。
【００２５】
続いて、以下に述べるように、このレーザービームを所望のプロフィールに成形する。
【００２６】
初めに、光軸補正ミラー７を通過したレーザービームは、拡大レンズ８を通って、集光方向にも均一化方向にもその直径が拡大される。例えば、拡大レンズ８に入射されたレーザービームは、集光方向においても均一化方向においても直径が１２ｍｍ程度であったものが、集光方向については直径８０ｍｍ程度に、均一化方向については直径３０ｍｍ程度に拡大され、楕円状に成形される。次いで、この楕円状のレーザービームは、ｙ方向のみ平行光とするｙコリメートレンズ９に入射し、集光方向については直径を拡大し、均一化方向に対しては平行光となる。
【００２７】
その後、レーザービームはｘ方向のみ平行光とするｘコリメートレンズ１０に入射され、集光方向に対しては平行光となり、均一化方向に対してはｘコリメートレンズ１０入射時と同一の平行光の状態で射出される。次いで、レーザービームはｙ方向のみ集光するｙ集光レンズ１１に入射される。均一化方向については、後述する導波路１２内で多重反射させるために、レーザービームがｙ集光レンズ１１の先にある導波路１２より前で集束し、その後発散するようにｙ集光レンズ１１を構成する。集光方向については平行光のままで射出される。
【００２８】
次いで、レーザービームは導波路１２に入射される。この導波路１２内でレーザービームは多重反射されてビームが複数本のレーザービーム（ビームレット）に分割されるので、レーザービームのコヒーレント性を低減することができる（図２（ａ）（ｂ）では各ビームレットを図示せず）。導波路１２に入射される前で均一化方向のみ集光レンズによって集束されていたことから、導波路１２から射出した複数のレーザービームは、均一化方向でのみ広がり、集光方向に対しては平行光の状態を保つ。これらの複数のビームレットは、第１のｙ転写レンズ１３及び第２のｙ転写レンズ１４に入射され、集光方向に対しては平行光の状態で射出される。均一化方向でのレーザービーム（ビームレット）の振る舞いについて、導波路１２〜第３のｙ転写レンズ１６間の拡大図（図２（ｃ））を用いて説明する。なお、図２（ｃ）では説明のため全てのビームレットについては図示していないが、図２（ｃ）中、Ｌはビームレットの光路である。
【００２９】
導波路１２から射出したビームレットは、導波路１２から射出すると広がりながら直進し、第１のｙ転写レンズ１３及び第２のｙ転写レンズ１４とに順次入射され、屈折して、二つのビームレット群に分かれる。図２（ｃ）中、上部のビームレット群をビームレット群Ｌｘとし、下部のビームレット群をビームレット群Ｌｙとする。これらの２つのビームレット群のうち、一方に光学的遅延を与えれば、各ビームレットはより干渉しにくくなる。そこで、一方に位相差板１５を配置して（図中では例としてＬｙ側に配置した）、位相差を与えて干渉を緩和させている。これにより、ビームレット群Ｌｙはビームレット群Ｌｘより位相差板分だけ時間的差分が与えられた状態となる。
【００３０】
その後、一方のビームレット群に位相差が与えられた状態で、図２（ａ）及び（ｂ）に示したように、レーザービームは第１及び第２のｙ転写レンズ１３、１４とは異なる向きに配置された第３のｙ転写レンズ１６及びｘ方向のみ集光するｘ集光レンズ１７に入射することによって、集光方向に対しては集光され、また、均一化方向に対しては、レーザービームはｙ転写レンズ１６により収差を補正されつつ拡大される。このようにして、レーザービームはライン状の所望のプロフィール（長手：＞１００ｍｍ、短手：＜５０μｍ）になるように成形され、入射窓１８を通ってチャンバー（図示せず）内の載置台（図示せず）に載置されたａ−Ｓｉ膜１９上に照射され、アニールして多結晶シリコン膜を形成する。この所望のプロフィールは、アニール対象物に応じて適宜決定することができる。アニール対象物としては、例えば、ａ−Ｓｉ膜（アニールにより多結晶シリコン膜を形成する）や、Ｓｉ基板（アニールによりＳｉ基板の添加物を活性化する）のなどがあげられる。
【００３１】
ａ−Ｓｉ膜としては、ＣＶＤ法により形成された膜厚３００Å〜１０００Åのものである。
【００３２】
本発明のレーザーアニール装置を用いてこのようなａ−Ｓｉ膜をアニールする場合、例えば、ガラス基板上にＣＶＤ法によりＳｉＮ、ＳｉＯ、ａ−Ｓｉを、順次厚さ１００Å、３０００Å、５００Åで成膜したものをアニール装置に載置し、脱水素アニール工程を３５０〜５００℃で５〜１５分間行った後に、レーザー出力３００〜７００ｍＪ／ｃｍ２で、真空チャンバー内を、雰囲気：窒素雰囲気などの不活性ガス雰囲気、圧力：３０〜５００Ｐａ、温度：常温状態の条件に設定しレーザーアニールを行う。この場合、基板表面でのアニール温度は、６００〜１８００℃である。
【００３３】
本実施の形態においては、複屈折結晶４を減衰器３とコリメートレン５ズとの間に配置したが、光路中であればどこに配置してもよい。好ましくは、収差がなるべく生じない様に、レーザービームが平行光である位置に配置することである。例えば、コリメートレンズ６と光軸補正ミラー７との間や、光軸補正ミラー７と拡大レンズ８との間やｘコリメートレンズ１０とｙ集光レンズ１１との間に配置しても良い。平行光でない位置に配置した場合には、レンズデザインを変更するか、レンズの位置調整により収差が生じないようにすればよい。
【実施例１】
【００３４】
プラズマＣＶＤ法によりプラズマを形成し、ガラス基板上に、ＳｉＮｘ膜を厚さ１０００Åで形成し、続けてＳｉＯｘ膜を厚さ３０００Åで形成した。次いで、ＳｉＯｘ膜上にａ−Ｓｉ膜を厚さ５００Åで形成し、脱水素処理を８分間行って、所望のレーザーアニール対象基板を得た。
【００３５】
この基板を、図２に示したレーザーアニール装置の基板載置台に載置した。複屈折結晶４としては、４０ｍｍ×４０ｍｍ×８．４ｍｍの２軸性水晶結晶を減衰器３とコリメートレンズ５との間に配置し、レーザー発振器１としては、グリーンレーザーを用いた。そして、上記ａ−Ｓｉ膜が形成された基板に対してレーザー出力４５０ｍＪ／ｃｍ２、Ｎ２ガス雰囲気チャンバー内（大気圧、常温状態）条件でレーザーアニールを行い（レーザービームのプロフィールは、１５０ ｍｍ×４０μｍのラインビーム）、多結晶膜を作製し、その表面を観察した。この場合、ビームレット間隔Ｓは５０μｍであった。レーザーアニール後の多結晶膜表面の模式図を図３に示す。この場合には、以下に示す比較例１の結果に比べて干渉による照射痕が低減されたことがわかった。
（比較例１）
【００３６】
２軸性水晶結晶を配置しなかった以外は実施例１と同一の光学系を用いてレーザーアニールを行い、多結晶膜を作製して膜の表面を観察した。多結晶シリコン膜表面の模式図を図４に示す。干渉による縞状の照射痕が、照射領域の端部に顕著に表れ、また、照射領域の中央部にはほとんど現れず、細かい照射痕が全体に生じた。なお、この縞状の照射痕はレーザーアニール後の多結晶シリコン膜の表面を観察すると光の反射加減によって現れるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明のレーザーアニール装置及びその方法を用いれば、ａ−Ｓｉ膜をアニールして照射痕のない多結晶シリコン膜を作製することができる。この多結晶シリコン膜を用いれば、ＬＴＰＳ  ＴＦＴ等の自発光型ディスプレイ作製において表示ムラのない、高品質なディスプレイを作製することが可能である。従って、本発明はディスプレイ作製分野において利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明のレーザーアニール装置に用いられる複屈折結晶の模式図。
【図２】本発明のレーザーアニール装置の構成とレーザービームの光路とを模式的に示す図であって、（ａ）は集光方向、（ｂ）は均一化方向、（ｃ）は均一化方向の一部拡大図。
【図３】本発明のレーザーアニール装置を用いてレーザーアニールした場合の基板表面の模式図。
【図４】複屈折結晶を用いなかったレーザーアニール装置を用いてレーザーアニールした場合の基板表面の模式図。
【符号の説明】
【００３９】
１ レーザー発振器             ２ 光軸補正ミラー
３ 減衰器                     ４ 複屈折結晶
５ 拡大レンズ                 ６ コリメートレンズ
７ 光軸補正ミラー             ８ 拡大レンズ
９  ｙコリメートレンズ        １０ ｘコリメートレンズ
１１ ｙ集光レンズ             １２ 導波路
１３ 第１のｙ転写レンズ       １４ 第２のｙ転写レンズ
１５ 位相差板                 １６ 第３のｙ転写レンズ
１７ ｘ集光レンズ             １８ 入射窓
１９  ａ−Ｓｉ膜              Ａ 複屈折結晶
Ｌ 光路                       Ｓ
ビームレット間隔
【図１】
0005132083.tif 000002
【図２】
0005132083.tif 000003
【図３】
0005132083.tif 000004
【図４】
0005132083.tif 000005