(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に沿って凹凸が形成されたガイドレールと、
前記凹凸上に設けられ、且つ、孔が設けられたスライダと、
前記孔を貫き、且つ、前記一方向に沿う方向に設けられたロッドと、を備えた移動機構と、
前記スライダ上に設けられ、且つ、レーザー光が照射される被処理物が載置されるステージと、を有し、
前記スライダには、前記ガイドレールと引き合う第１の磁場と、前記孔において前記ロッドと接触しないような離れる第２の磁場と、を生じさせる電源電圧が接続されており、
前記スライダには、前記ガイドレールに向かって空気を放出する空気孔が設けられていることを特徴とするレーザー照射装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記スライダは、前記第１の磁場と前記第２の磁場とを生じさせることにより、前記一方向に沿って移動することを特徴とするレーザー照射装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記レーザー光は、固体レーザー光であり、
前記被処理物には、前記レーザー光が斜め方向から照射されることを特徴とするレーザー照射装置。
【請求項４】
一方向に沿って凹凸が形成されたガイドレールと、
前記凹凸上に設けられ、且つ、孔が設けられたスライダと、
前記孔を貫き、且つ、前記一方向に沿う方向に設けられたロッドと、を備えた移動機構と、
前記スライダ上に設けられたステージと、を有するレーザー照射装置を用いてレーザー光の照射を行う半導体装置の作製方法であって、
半導体膜が形成された基板を前記ステージ上に載置し、
前記ステージを前記一方向に移動させながら前記半導体膜に前記レーザー光の照射を行い、
前記ステージの移動は、前記スライダに前記ガイドレールと引き合う第１の磁場と前記孔において前記ロッドと接触しないような離れる第２の磁場とを生じさせるとともに、前記ガイドレールに向かって空気を放出しながら行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項５】
請求項４において、
前記レーザー光は、固体レーザー光であり、
前記半導体膜には、前記レーザー光が斜め方向から照射され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】
本発明はレーザー光を用いたレーザーアニール装置又はレーザーの照射方法に関する。また、レーザーアニール法を含む工程を経て作製された薄膜トランジスタの作製方法又は該薄膜トランジスタを備えた半導体装置の作製方法に関する。なお、ここでいう半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、液晶表示装置や発光装置等の電気光学装置及び該電気光学装置を部品として含む電子装置も含まれるものとする。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガラス等の絶縁基板上に形成された半導体膜に対し、レーザーアニール法を施して、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がよく用いられる。本明細書中では、半導体膜をレーザー光で結晶化し、結晶質半導体膜を得る手段をレーザー結晶化という。
【０００３】
従来頻繁に使用されてきた合成石英ガラス基板と比較し、ガラス基板は、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ーが使用されるのは、ガラス基板の融点が低いことがその理由である。レーザーは基板の温度を余り上昇させずに、半導体膜のみに高いエネルギーを与えることができる。また、レーザーは電熱炉を用いた加熱手段に比べて格段にスループットが高いという利点を有している。
【０００４】
結晶質半導体は多くの結晶粒から構成されているため、多結晶半導体膜とも呼ばれる。レーザーアニール法を施して形成された結晶質半導体膜は、高い移動度を有する。そのため例えば、１枚のガラス基板上にこの結晶質半導体膜を用いて画素駆動用と駆動回路用の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作り込む、モノリシック型の液晶電気光学装置等に利用されている。
【０００５】
また、出力の大きい、エキシマレーザー等のパルスレーザー光を、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、レーザー光を走査させて(あるいはレーザー光の照射位置を被照射面に対し相対的に移動させて)、レーザーアニール法を行う方法は量産性が高く工業的に優れているため、好んで使用されている。ところで、レーザー光を線状に加工するとは、照射面における形状が線状になるようにレーザー光を加工しておくことを意味する。即ち、レーザー光の断面形状を線状に加工することを意味する。また、ここでいう「線状」は、厳密な意味で「線」を意味しているのではなく、アスペクト比の大きい長方形もしくは楕円形状を意味する。例えば、アスペクト比が１０以上（好ましくは１００〜１００００）のものを指す。
【０００６】
特に、線状ビームを用いると、スポット状のレーザー光を用いた場合とは異なり、線状ビームの長手方向に直角な方向だけの走査で被照射面全体にレーザー照射を行うことが出来るため、量産性が高い。長手（長尺）方向に直角な方向に走査するのは、それが最も効率の良い走査方向であるからである。この高い量産性により、ＴＦＴを用いる液晶表示装置の製造技術に、レーザー光を適当な光学系で加工した線状ビームを使用するレーザーアニール法が使用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
レーザー光にも様々な種類があるが、一般的にはパルス発振型のエキシマレーザーを光源とするレーザー光（以下、エキシマレーザー光という）を用いたレーザー結晶化が用いられている。エキシマレーザーは出力が大きく、高周波数での繰り返し照射が可能であるという利点を有し、さらにエキシマレーザー光は珪素膜に対しての吸収係数が高いという利点を有する。
【０００８】
エキシマレーザー光を形成するには励起ガスとして、ＫｒＦ（波長２４８ｎｍ）やＸｅＣｌ（波長３０８ｎｍ）が用いられる。ところが、Ｋｒ（クリプトン）やＸｅ（キセノン）といったガスは非常に高価であり、ガス交換の頻度が高くなると製造コストの増加を招くという問題がある。
【０００９】
また、レーザー発振を行うレーザチューブや発振過程で生成した不要な化合物を除去するためのガス精製器などの付属機器の交換が２〜３年に一度必要となる。これらの付属機器は高価なものが多く、やはり製造コストの増加を招くという問題がある。
【００１０】
以上のように、エキシマレーザー光を用いたレーザー照射装置は確かに高い性能を持っているが、メンテナンスに非常に手間がかかり、量産用レーザー照射装置としてはランニングコスト（ここでは稼働に伴い発生する費用を意味する）が高いという欠点も併せ持っている。
【００１１】
そこで、エキシマレーザーに比較してランニングコストの低いレーザー照射装置およびそれを用いたレーザーアニール法を実現するために、固体レーザー（結晶ロッドを共振キャビティとしたレーザー光を出力するレーザー）を用いる方法がある。
【００１２】
そこで、代表的な固体レーザーの１つであるＹＡＧレーザーを用いて、半導体膜に照射した。前記ＹＡＧレーザーは非線形光学素子によって第２高調波に変調したレーザー光（波長５３２ｎｍ）を光学系により照射面における形状が線状である線状ビームに加工した。また、前記半導体膜は、コーニング社製１７３７基板上に、プラズマＣＶＤ法により膜厚５５ｎｍの非晶質珪素膜を形成したものである。しかしながら、前記非晶質珪素膜にレーザーアニール法を含む工程を行って得られた結晶質珪素膜には、同心円状の模様が形成された。この模様は、面内における結晶質珪素膜の物性が不均一なものであることを示している。そのため、同心円状の模様が形成された結晶質半導体を用いてＴＦＴを作製した場合、その電気的特性に悪影響を及ぼすことになる。なお、本明細書中では、同心円状の模様を同心円模様と表記する。
【００１３】
またレーザーアニール法において、電気光学装置の大画面化に伴い、マザーガラスは大面積化し、基板に設けられた半導体層にレーザーを高速に照射する要求が高まっている。
【００１４】
さらにレーザーアニール法において、半導体層を結晶化させる際、一旦、半導体層を融解させるためのレーザーのパワー不足を補う要求が高まっている。
【００１５】
そこで本発明は、大型の基板に対応するためにランニングコストの低いレーザー照射装置を用いたレーザーアニール法において、同心円模様が形成されない、もしくは同心円模様の形成を低減するためのレーザーアニール法および、前記レーザーアニール法を工程に含む半導体装置の作製方法を提供することを課題とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
ここではまず、同心円模様が形成された原因について考察する。非晶質珪素膜に照射したレーザー光は、照射面での形状が線状である線状ビームあった。そのため、レーザー光を照射した後に得られる結晶質珪素膜に何らかの模様が形成されたとしても、半導体膜、基板および基板ステージが完全に平坦であれば、前記線状ビームに平行もしくは垂直な模様となるはずである。しかしながら、観察される模様は同心円状であった。したがって、同心円模様の発生原因は、線状ビームに起因しないと考えられる。すなわち、この同心円模様の発生原因は、半導体膜の膜厚やレーザー光に対する吸収係数、基板および基板ステージのいずれか、またはこれらのうちの複数にあると推測できる。
【００１７】
上記同心円模様の発生原因のうち半導体膜のレーザー光に対する吸収係数を考察するため、波長に対する非晶質珪素膜（膜厚５５ｎｍ）の反射率および透過率を求め、この結果を図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）に示す。なお、前記非晶質珪素膜は１７３７基板上にプラズマＣＶＤ法により形成されたものである。図１０より、ＹＡＧレーザーの第２高調波（波長５３２ｎｍ）に対する反射率は２６％であり、透過率は３８％であることがわかる。そして、非晶質珪素膜の表面からの反射光と、非晶質珪素膜を透過したレーザー光がある面で干渉すると考えられる。これが同心円模様の発生原因であると推測できる。
【００１８】
よって、同心円模様を形成させない、もしくは同心円模様の形成を低減するためは、このような干渉を防ぐことが必要であると考えられる。そこで、この干渉を防ぐために、複数のレーザー光を集光し、集光されたレーザー光を基板の表面上の半導体膜に照射し、半導体膜の結晶化を行う。
【００１９】
したがって、本発明のレーザーアニール装置は、レーザー光を出力するレーザー光源と、  前記レーザー光が斜め方向から照射される基板の移動を行う移動機構とを有するレーザーアニール装置であって、前記レーザー光の照射領域において、前記移動機構は前記基板の一辺の長さ以上の距離を往復移動し、かつ前記往復移動する方向と垂直な方向に、前記レーザー光のＹ軸方向の長さ又は前記レーザー光のＹ軸方向の長さ以下の長さで移動する機能を備えることを特徴とするレーザーアニール装置である。本発明のレーザーアニール装置を用いれば、レーザーアニールで問題とされていた同心円模様が形成されない、もしくは同心円模様の形成を低減することができ、作製した半導体装置の信頼性を向上することができる。なお、大型の基板上の半導体膜においても均一なレーザー光を照射することができる。
【００２０】
また、本発明のレーザーアニール装置は、レーザー光を出力するレーザー光源と、前記レーザー光を変調する非線形光学素子と、前記変調されたレーザー光を集光する導波路と、前記集光されたレーザー光が斜め方向から照射される基板の移動を行う移動機構とを有するレーザーアニール装置であって、前記レーザー光の照射領域において、前記移動機構は前記基板の一辺の長さ以上の距離を往復移動し、かつ前記往復移動する方向と垂直な方向に、前記レーザー光のＹ軸方向の長さ又は前記レーザー光のＹ軸方向の長さ以下の長さで移動する機能を備えることを特徴とするレーザーアニール装置である。本発明のレーザーアニール装置を用いれば、複数のレーザー光を一束に集光することにより、一束のレーザー光で問題とされていた同心円模様が形成されない、もしくは同心円模様の形成を低減することができ、作製した半導体装置の信頼性を向上することができる。なお、大型の基板上の半導体膜においても均一なレーザー光を照射することができる。
【００２１】
本発明の薄膜トランジスタの作製方法は、基板上に半導体膜を形成し、基板を一定の速度で移動させながら複数のレーザー光を前記半導体膜に対して斜め方向から照射し、前記移動させる方向と垂直な方向に、前記レーザー光の長さあるいは該長さ以下の距離を移動することを連続的に繰り返すことを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法である。その結果、レーザー光で問題とされていた同心円模様が形成されない、もしくは同心円模様の形成を低減することができ、作製した薄膜トランジスタ及び該薄膜トランジスタを備えた半導体装置の信頼性を向上することができる。なお、大型の基板上の半導体膜においても均一なレーザー光を照射することができる。
【００２２】
また、本発明の薄膜トランジスタの作製方法は、基板上に半導体膜を形成し、前記複数のレーザー光を複数の非線形光学素子で変調し、導波路を通して前記変調された光を集光し、基板を一定の速度で移動させながら前記集光されたレーザー光を前記半導体膜に対して斜め方向から照射し、前記移動させる方向と垂直な方向に、前記レーザー光の長さ又は該長さ以下の距離を移動することを連続的に繰り返すことを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法である。その結果、レーザー光で問題とされていた同心円模様が形成されない、もしくは低減することができ、作製した薄膜トランジスタ及び該薄膜トランジスタを備えた半導体装置の信頼性を向上することができる。なお、大型の基板上の半導体膜においても均一なレーザー光を照射することができる。
【００２３】
また、本発明の薄膜トランジスタの作製方法は、前記一定の速度が、２０〜２００ｃｍ/ｓの範囲内に含まれる。その結果、大型の基板に設けられた半導体層に高速にレーザーを照射することができる。
【００２４】
また、本発明において用いるレーザー光は光学系により楕円形状又は線状に加工してもよい。
【００２５】
また、本発明は、前記基板の表面の法線方向又は裏面の法線方向に対し５〜１０°傾いた角度で、前記レーザー光が前記半導体膜に入射する半導体装置の作製方法である。基板を傾けてレーザーアニール法を含む工程を行ったときに、同心円模様が現れなくなったことから考案し、基板に対してレーザー光に角度を設けて照射することを特徴としている。本発明を適用することで、レーザー光の干渉による結晶質半導体膜の物性のばらつきを除去または低減することができる。このような結晶質半導体膜を用いて、薄膜トランジスタを作製すれば、その電気的特性が良好なものが得られる。
【００２６】
また、本発明は、前記レーザー光が照射されながら、前記半導体膜において、前記基板の平行方向に、前記基板の端面に近づくように結晶化が進む薄膜トランジスタの作製方法である。本発明の薄膜トランジスタの作製方法によって、半導体層の表面がフラットで、電気移動度の高い薄膜トランジスタ及び該薄膜トランジスタを備えた半導体装置を作製することができる。
【００２７】
また、本発明は、前記基板の裏面側（半導体膜が形成される面と反対側）から、レーザー光が半導体膜に照射されてもよい。
【００２８】
前記レーザー光については一般的に知られているものを用いることができ、ＹＡＧレーザー（通常はＮｄ：ＹＡＧレーザーを指す）、Ｎｄ：ＹＬＦレーザー、Ｎｄ：ＹＶＯ4レーザ、Ｎｄ：ＹＡｌＯ3レーザ、ルビーレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザ、ガラスレーザなどを用いることができる。特に、コヒーレント性やパルスエネルギーで優位なＹＡＧレーザーが好ましい。
【００２９】
例えば、ＹＡＧレーザーを用いるのであれば、ＹＡＧレーザーの基本波（第１高調波）は１０６４ｎｍと波長が長いので、第２高調波（波長５３２ｎｍ）を用いるのが好ましい。第１高調波は非線形素子を含む波長変調器によって、第２高調波、第３高調波または第４高調波に変調することができる。各高調波の形成は公知の技術に従えば良い。また、本明細書中において、「固体レーザーを光源とするレーザー光」には第１高調波だけでなく、途中で波長を変調した高調波を含むものとする。
【００３０】
また、ＹＡＧレーザーで良く用いられるＱスイッチ法（Ｑ変調スイッチ方式）を用いても良い。これはレーザー共振器のＱ値を十分低くしておいた状態から、急激にＱ値を高めてやることにより非常にエネルギー値が高く急峻なパルスレーザーを出力する方法である。
【００３１】
本発明で用いる固体レーザーは、基本的には共振ミラー又は固体結晶を励起するための光源があればレーザー光を出力できるため、エキシマレーザーのようにメンテナンスの手間がかからない。即ち、ランニングコストがエキシマレーザーに比べて非常に低いため、薄膜トランジスタ及び半導体装置の製造コストを大幅に低減することが可能となる。また、メンテナンスの回数が減れば量産ラインの稼働率も高まるため製造工程のスループット全体が向上し、このことも薄膜トランジスタ及び半導体装置の製造コストの低減に大きく寄与する。さらに、固体レーザー装置の専有面積はエキシマレーザー装置に比べて小さいので、製造ラインの設計に有利である。
【００３２】
なお、レーザー光の出力は１０Ｗ以上であれば、単数のビームでも均一なレーザーアニールを可能とすることができる。ビーム１束でさえ均一なレーザー光を照射することができる。すなわち１０Ｗ以上のレーザー光の出力であれば、半導体層を結晶化させる際、半導体層を融解させるのに十分である。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態では、レーザー光の照射方法について図１を用いて説明する。
【００３４】
レーザー光の照射による結晶化工程により非晶質珪素層から結晶質珪素層を製造するが、この結晶化は、レーザー光を透過する透光領域（透明な窓）６０１が少なくとも一側面に設置された処理室（レーザーアニール室）６０２内で行う。
【００３５】
まず、基板として、コーニング社の＃７０５９ガラスや＃１７３７ガラスなどに代表されるバリウムホウケイ酸ガラス、またはアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラスからなる透光性を有するものを用いる。なお、基板としては、石英基板や珪素基板を用いても良い。本実施の形態では、６８０ｍｍ×８８０ｍｍ、厚さ１．１ｍｍのガラス基板を用いる。本明細書では、該基板上に下地膜、該下地膜上に半導体膜が形成された基板を被処理基板という。
【００３６】
レーザーアニール室６０２の内側には、台６０３と、台６０３上に設けられたステージ６０４と、台６０３を移動させる、移動を行うための移動機構６０５とが設置され、レーザーアニール室６０２の外側には、処理室の雰囲気を制御する手段である真空排気ポンプ６３０と、気体供給管６０７と、ゲートバルブ６０８とが設置されている。
【００３７】
台６０３は、移動を行うための移動機構６０５によって、被処理基板６０６の法線方向に対して直角方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に移動され、被処理基板６０６の上面に対しレーザー光を照射するために設けられている。ただし、レーザー光の照射方向は、被処理基板６０６の法線方向に対して、５〜１０°傾いている。但し、Ｘ軸はレーザの長軸方向に垂直であるとする。
【００３８】
本明細書では、ステージ６０４と移動を行うための移動機構６０５とを有する半導体製造装置をレーザーアニール装置という。また、ステージ６０４と移動を行うための移動機構６０５との間に台６０３が設けられていてもよい。さらに、レーザー発振装置６０９と光学系６１０とミラー６１１とを含めてレーザーアニール装置ということもできる。このレーザーアニール装置と透明な窓６０１が設置されているレーザーアニール室６０２と真空排気ポンプ６０６と気体供給管６０７とゲートバルブ６０８とを組み合わせて、非晶質珪素層の結晶化工程を行う。なお、図２は、図１のレーザーアニール装置のＹ軸方向を示している。図３は、ミラー側（被処理基板６０６の上方）からみたレーザーアニール装置を示している。なお、移動機構６０５は、Ｘ軸方向に、被処理基板６０６の一辺の長さ以上の距離を移動することができ、Ｘ軸方向と垂直なＹ軸方向には、レーザー光の長さあるいは該長さ以下の距離で移動することができる。なおレーザー光の長さとは、移動機構により移動する方向と垂直な方向のレーザー光の長さである。
【００３９】
図１に示すように、レーザー発振装置６０９からレーザー光６００を照射し、光学系６１０により断面形状が楕円形状に加工されたレーザー光６００を、ミラー６１１で反射させ、透明な窓６０１を通過させて被処理基板６０６に照射する。なお、照射される光の形状は長方形でもよい。
【００４０】
図４は被処理基板６０６を法線方向からみた図である。レーザー光が照射される位置から１００ｍｍ離れたところに被処理基板６０６の端部がくるように設定する。次いで、被処理基板６０６が矢印▲１▼の方向へ動くように、図１の移動を行うための移動機構６０５を加速させながら動かす。０．０５秒後、一定の速度（ここでは、２０ｃｍ/ｓ）で被処理基板６０６にレーザー光６００を照射する。レーザー光が照射される位置が被処理基板６０６の外側にでれば、減速させる（図５）。次いで、矢印▲１▼とは逆の方向である矢印▲２▼の方向へ矢印▲１▼で施した工程と同様な工程を行い、結晶化を行う。矢印▲３▼で施す工程、矢印▲４▼で施す工程は、それぞれ、矢印▲１▼で施す工程、矢印▲２▼で施す工程を繰り返せばよい。必要に応じてこれらの工程を繰り返し、被処理基板６０６の全面にレーザー光を照射する。被処理基板６０６の半導体膜において、前記被処理基板の平行方向に、かつ、前記被処理基板の端面に近づくように結晶化が進む。
【００４１】
被処理基板６０６を動かす速度は２０〜２００ｃｍ/ｓの範囲内であって、かつ、一定あればよい。
【００４２】
この際、被処理基板６０６をステージ６０４上に配置しておき、台６０３内に設置された加熱する手段であるヒーターによって、被処理基板を所定の温度に保っておいてもよい。これは４５０℃で非晶質珪素層を結晶化させると、結晶の粒経が大きくなるためである。
【００４３】
レーザー発振装置６０９は、ここでは、レーザー光６００としてＣＷレーザを発振するものを用いる。
【００４４】
レーザーアニール室６０２は、減圧、排気手段として設けられた真空排気ポンプ６３０を備えていてもよい。また、気体供給手段として、バルブを介して水素ボンベに接続された、気体供給管６０７aと、バルブを介して窒素やその他の気体のボンベに接続された、気体供給管６０７ｂが設けられている。なお、本実施の形態では、レーザー光の照射は、常温・常圧下で行われる。
【００４５】
本実施の形態では２０〜２００ｃｍ/ｓの間の一定の速度で基板を移動させながら、前記基板の表面上の半導体膜にレーザー光が照射させるので、大型の基板上の半導体膜においても均一なレーザー光を照射することができる。
【００４６】
本実施の形態では出力を１０Ｗに設定したが、出力を１０Ｗ以上にすれば、単数のビームでも均一なレーザーアニールを可能とすることができる。ビーム１束でさえ均一なレーザー光を照射することができる。１０Ｗ以上のレーザー光の出力であれば、半導体層を結晶化させる際、半導体層を融解させるのに十分である。
【００４７】
本実施の形態では、１台のレーザー発振装置からビームが照射されているが、複数のレーザー発振装置を用いてビームを重ね合わせてビームの強度を上げてもよい。このようにレーザー光を集光することにより、同心円模様の形成を低減することができ、作製した半導体装置の信頼性を向上することができる。この場合、必要に応じて、複数の光学系、複数のミラー、ファイバー等を併用してもよい。
【００４８】
また、本発明によれば、レーザーアニール法を含む工程の際にレーザー光を楕円形状に加工してスループットを向上させるのに加えて、さらにメンテナンスの容易な固体レーザーを用いる場合、従来のエキシマレーザーを用いたレーザーアニールよりもスループットの向上が達成できる。延いてはＴＦＴやＴＦＴで形成された表示装置等の半導体装置の製造コストを低減することができる。
【００４９】
さらに、半導体膜に対してレーザー光を斜めに照射することで、半導体膜に形成される同心円模様を除去、または低減することができ、レーザーアニール法を含む工程後の半導体膜の物性を均一なものにすることができる。このようは半導体膜を用いて半導体装置を作製すれば、半導体装置の性能を大幅に向上させることができる。
【００５０】
【実施例】
［実施例１］
本発明の実施例では、光学系について図６を用いて説明する。
【００５１】
レーザー発振器２０１として、大出力の固体レーザー（ＹＡＧレーザー、ＹＶＯ4レーザ等）を用いるのが望ましい。もちろん、大出力であれば気体レーザーやガラスレーザ等を用いても良い。そして、レーザー発振器２０１から発振されたレーザー光を、光学系を用いて、照射面の形状が楕円形状であるレーザー光に加工する。前記光学系には、例えば、レーザー光を長く拡大するための長焦点距離のシリンドリカルレンズ２０５と、レーザー光を細く集光するための長焦点距離のシリンドリカルレンズ２０６とを用いる。長焦点距離のシリンドリカルレンズを用いると、収差を抑え、照射面においてエネルギー分布の均一なレーザー光を得ることが出来る。また、長焦点距離のシリンドリカルレンズは、半導体膜への入射光のビーム幅と、基板の裏面からの反射光のビーム幅とを著しく変化させないためにも有効である。発明者の実験によると、焦点距離が５００ｍｍ以上のシリンドリカルレンズを使うと、収差の影響を劇的に低減することが出来た。
【００５２】
シリンドリカルレンズ２０６の手前には、反射ミラー２０７を設け、レーザー光の進行方向を変更できるようにした。反射ミラー２０７により、照射面に入射するレーザー光の角度を調整し、目的とする角度θにすることが出来る。反射ミラー２０７の角度により、シリンドリカルレンズ２０６の角度も変更すると、照射面においてより対称性のあるレーザー光を形成することができる。
【００５３】
また、レーザー光を半導体膜に照射する際、走査時のレーザー光（本実施例ではＸ軸方向のレーザー光）の重ね合わせ率を０〜８０％として照射する。なおパルスレーザーの場合、順次照射されるレーザー光間の重ね合わせ率（オーバーラップ率）を５０〜９８％として照射しても良いし、重ね合わせずに照射しても良い。半導体膜の状態やレーザー光の遅延時間等によって最適条件は異なるため、実施者が適宜決定するのが好ましい。
【００５４】
本実施例では、レーザー発振器としてパルスレーザー（出力２０Ｗ,３０Ｈｚ,ＹＡＧ）を用い、非線形光学素子２０２により第２高調波に変調し、光学系を用いて長さ１３０ｍｍ、幅０．４ｍｍのレーザー光に加工して半導体膜に照射する。このとき、被処理基板２０４の法線方向から５〜１０°傾けてレーザー光を照射する。
【００５５】
ステージ２０３の下に台２０８が設けられ、さらに、台２０８の下に移動機構２０９が設けられている。移動機構２０９により、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に被処理基板１１３を移動させることが可能となる。なお、移動機構２０９の下部には、例えばボール、こま、モーター等を設置すればよい。
【００５６】
被処理基板２０４の半導体膜において、前記被処理基板の平行方向に、かつ、前記被処理基板の端面に近づくように結晶化が進む。
【００５７】
被処理基板２０４の半導体膜に対してレーザー光を斜めに照射することで、半導体膜に形成される同心円模様を除去、または低減することができ、レーザーアニール法を含む工程後の半導体膜の物性を均一なものにすることができる。このようは半導体膜を用いて半導体装置を作製すれば、半導体装置の性能を大幅に向上させることができる。
【００５８】
［実施例２］
本実施例では、本発明のレーザーアニール装置の結晶化法を示す。以下、図７を用いて、本発明の実施例を詳細に説明する。
【００５９】
まず、基板１０００としてガラス基板（コーニング１７３７；歪点６６７℃）を用意した。次いで、基板１０００上に保護膜１００１を形成し、保護膜上にスパッタ法を用いて窒化タンタル膜１００２a（膜厚５０ｎｍ）とタンタル膜１００２ｂ（膜厚２５０ｎｍ）を積層（図７（Ａ））した。その後、公知のパターニング技術であるフォトリソグラフィー法を用いて積層構造を有するゲート電極１００２を形成した。（図７（Ｂ））
【００６０】
次いで、ゲート絶縁膜、非晶質半導体膜１００４を順次大気開放しないで積層形成した。（図７（Ｃ））本実施例では作製工程中において基板やゲート配線からの不純物が半導体膜及びゲート絶縁膜へ拡散するのを防ぐため窒化珪素膜１００３ａ（膜厚５０ｎｍ）と酸化珪素膜１００３ｂ（膜厚１２５ｎｍ）をプラズマＣＶＤ法により積層形成し、積層構造のゲート絶縁膜とした。本実施例では二層の絶縁膜をゲート絶縁膜として採用しているが、単層または三層以上の積層構造としてもよい。また、本実施例ではゲート絶縁膜上に非晶質半導体膜１００４として、膜厚５４ｎｍの非晶質珪素膜（アモルファス珪素膜）をプラズマＣＶＤ法により形成した。なお、いずれの層の界面にも大気からの汚染物質が付着しないようにするため順次大気開放せずに積層形成した。
【００６１】
その後、半導体膜の結晶化を妨げる非晶質珪素膜中の水素濃度を低減するための加熱処理（５００℃、１時間）を行った。
【００６２】
こうして図７（Ｃ）の状態が得られたら、非晶質半導体膜１００４に対して赤外光または紫外光の照射による結晶化（レーザー結晶化）を行い、結晶質半導体膜（結晶を含む半導体膜）１００５を形成した（図７（Ｄ））。なお結晶化の方向は、非晶質半導体膜１００４において、１０００基板の平行方向に、かつ、基板１０００の端面に近づくように進む。
【００６３】
結晶化技術として紫外光を用いる場合はレーザー光または紫外光ランプから発生する強光を用いればよく、赤外光を用いる場合は赤外線レーザー光または赤外線ランプから発生する強光を用いればよい。本実施例ではＣＷレーザのＹＶＯ4のレーザー光を楕円形状に形成して法線方向から５〜１０°傾け、走査時のレーザー光（本実施例ではＸ軸方向のレーザー光）の重ね合わせ率を０〜８０％としてレーザー光を照射した。
【００６４】
なお、レーザー結晶化の条件（レーザー光の波長、照射強度、繰り返し周波数、照射時間等）は、非晶質半導体膜１００４の膜厚、基板温度等を考慮して実施者が適宜決定すればよい。
【００６５】
レーザー結晶化の条件によっては、初期半導体膜が溶融状態を経過して結晶化する場合や、初期半導体膜が溶融せずに固相状態、もしくは固相と液相の中間状態で結晶化する場合がある。この工程により非晶質半導体膜１００４は結晶化され、結晶質半導体膜１００５に変化する。本実施例において結晶質半導体膜とは多結晶珪素膜（ポリ珪素膜）である。
【００６６】
［実施例３］
実施例１及び実施例２に記載した半導体装置の作製方法を経て作製したアクティブマトリクス型表示装置の構成を図８〜図９の上面図を用いて説明する。
【００６７】
図８で示すアクティブマトリクス型表示装置の上面図は、画素部８１１、駆動回路（ゲート線駆動回路８０５とソース線駆動回路８０７の総称）、ＦＰＣ（フレキシブルプリント配線板：Flexible Printed Circuit）を貼り付ける外部入力端子８０３、外部入力端子と各回路の入力部までを接続する配線８０４などが形成されたアクティブマトリクス基板８０１と、カラーフィルタなどが形成された対向基板８０２とがシール剤８０９を介して貼り合わされている。
【００６８】
ゲート線駆動回路８０５は、選択しているゲート配線８０６に信号を入力する機能を有している。ゲート配線８０６はゲート電極と電気的に接続する配線である。そして、選択しているゲート配線が一本ずつ、選択されていく。もちろん、ゲート配線上には絶縁膜が設けられている。一方、ソース線駆動回路８０７は、まず画像データ信号を受け取り、選択されたゲート配線に接続されている画素電極に信号を加える機能を有している。ソース線駆動回路８０７は、ゲート線駆動回路８０５とタイミングをあわせて動作している。このように、各ゲート配線のスイッチング素子（図示しない）を順次選択し、ソース配線８０８を介して所望の電圧を印加することによりアクティブマトリクス型表示装置の画像が得られる。
【００６９】
ただし、画素部８１１上の対向基板側に形成された赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の各色のカラーフィルタが各画素に対応して設けられている。実際の表示に際しては、赤色（Ｒ）のカラーフィルタ、緑色（Ｇ）のカラーフィルタ、青色（Ｂ）のカラーフィルタの３色でカラー表示を形成するが、これら各色のカラーフィルタの配列は任意なものとする。
【００７０】
なお、図８のレーザー光の照射による結晶成長の方向が矢印の方向だとすると、この方向と図９（Ａ）（画素部におけるＴＦＴの概略図）に示す半導体層８１０におけるキャリアの流れる方向（チャネル方向）を一致させると、電気移動度の低下を損なうことがない。８０６はゲート配線、８１１はコンタクトホールである。同様に、図８のレーザー光の照射による結晶成長の方向と図９（Ｂ）（駆動回路におけるＴＦＴの概略図）に示す半導体層９１０におけるキャリアの流れる方向（チャネル方向）を一致させると、電気移動度の低下を損なうことがない。９０６はゲート配線、９１１はコンタクトホールである。
【００７１】
［実施例４］
実施例１とは異なるレーザーアニール装置の例を記載する。複数のレーザー発振装置、複数の光学系及び複数のミラーを搭載し、それぞれレーザー発振装置から発振し光学系で加工した光を集め、基板に照射することを特徴としている。
【００７２】
図１１に示すように、レーザー発振装置１１０９ａ〜ｃからレーザー光１１００ａ〜ｃを照射し、光学系１１１０ａ〜ｃで加工させ、ミラー１１１１ａ〜ｃで反射させ、反射したそれぞれのレーザー光を集光し、ステージ１１０４上の被処理基板１１１３に照射する。ステージ１１０４の下に設けられた移動機構１１０５により、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に被処理基板１１１３を移動させることが可能となる。なお、移動機構１１０５下部には、例えばボール、こま、モーター等を設置すればよい。
【００７３】
本実施例において、レーザー光で問題とされていた同心円模様が形成されない、もしくは同心円模様の形成を低減することができ、作製した半導体装置の信頼性を向上することができる。
【００７４】
［実施例５］
実施例１、４とは異なるレーザーアニール装置の例を記載する。本実施例では、複数のレーザー発振装置、複数の非線形光学素子及び導波路を搭載し、それぞれレーザー発振装置からレーザー光を照射し非線形光学素子で変調した光を導波路で集め、集光した光を基板に照射することを特徴としている。
【００７５】
図１２に示すように、レーザー発振装置１００ａ〜ｃからレーザー光を照射し、非線形光学素子１０１ａ〜ｃで変調させたレーザー光１１２ａ〜ｃを、ファイバーアレイ１０３に入射させ、導波路１０４で集光し、ファイバーアレイ１０５で出射させたレーザー光をステージ１１０上の被処理基板１１３に照射する。なお、ファイバーアレイ１０３はレーザー光１１２ａ〜ｃを近接させるための手段である。
【００７６】
ステージ１１０の下に台１０６が設けられ、さらに、台１０６の下に移動機構１０７が設けられている。移動機構１０７により、Ｘ軸方向及びＹ軸方向（図示しない）に被処理基板１１３を移動させることが可能となる。なお、移動機構１０７の下部には、例えばボール、こま、モーター等を設置すればよい。
【００７７】
本実施例において、レーザー光で問題とされていた同心円模様が形成されない、もしくは同心円模様の形成を低減することができ、作製した半導体装置の信頼性を向上することができる。
【００７８】
［実施例６］
実施例１、４、５とは異なるレーザーアニール装置、特にステージを移動させる移動機構の例を図１３に基づいて説明する。
【００７９】
レーザー光を照射する被処理物を載置するステージは、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に設けられたガイドレールに沿って移動させるのが一般的である。そしてガイドレールと、ステージを固定する部分（スライダ）との間には、ボール（ベアリング）と呼ばれる曲面を有した物体が挟まれており、摩擦による負荷を低減してステージの移動をスムーズに行えるような機構が設けられている。
【００８０】
このボールは度重なるステージの移動により磨耗するため、定期的なメンテナンスによる交換が必要であり、またよりスムーズにステージを移動させるためには、ステージの移動の際に生じる摩擦をより小さくする必要があった。
【００８１】
図１３（Ａ）に本実施例の、ステージを移動させるための移動機構を示す。１３００はガイドレールであり、ステージを一定の方向に移動させるために、一方向に沿って凹凸が形成されている。また、１３０１はスライダと呼ばれるステージを固定する部分であって、ガイドレール１３００に沿って移動させることができる。このスライダは、一定間隔を保持するよう固定した状態で複数設けても構わない。またロッド１３０２は、スライダ１３０１に設けられた孔を貫いている軸であり、ガイドレールに沿う方向に設けられている。ロッド１３０２は、エンドプレート１３０４によってガイドレール１３００に固定されている。
【００８２】
スライダ１３０１にはケーブル１３０３を介して、電源電圧と空気が送られている。図１３（Ｂ）にスライダ１３０１の拡大図を示す。スライダ１３０１は、スライダ１３０１とガイドレール１３００とが引き合うような磁場を、電源電圧により生じさせる。また、スライダ１３０１は、スライダ１３０１に設けられた孔においてロッド１３０２と接触しないよう離れる方向の磁場を電源電圧により生じさせ、リニアモーターカの原理を利用してスライダ１３０１は矢印の方向に移動する。一方で、スライダ１３０１とガイドレール１３００には、この磁場により引き合う方向に力が働く。そしてスライダ１３０１に送られてきた空気を、空気孔１３０５からスライダ１３０１とガイドレール１３００の間に放出する。この磁場の引き合う力と空気の放出により離れる方向に力が働くため、一定の間隔が保たれる。
【００８３】
なお、ケーブルを介して与えられた電源電圧により磁場を生じさせるのではなく、ガイドレール１３００とスライダ１３０１のいずれか一方を磁性体、もう一方を磁性体により引きつけられる材料で形成するようにして、磁場を生じさせても良い。またガイドレール１３００とスライダ１３０１の両方を磁性体としても良い。
【００８４】
また、ケーブルを介して与えられた電源電圧により磁場を生じさせるのではなく、ロッド１３０２とスライダ１３０１のいずれか一方を磁性体、もう一方を磁性体から離れる方向に力が働く性質を有する材料で形成するようにして、磁場を生じさせても良い。またロッド１３０２とスライダ１３０１の両方を磁性体としても良い。
【００８５】
本実施例で示したようなステージの移動機構を用いることで、非接触にて、ガイドレールに沿ったステージの移動が可能になり、ボールの磨耗による定期的なボールの交換を不要にして、メンテナンスを容易にすることができる。また、非接触であるため摩擦が殆ど生じず、ボールを用いた場合に比べてステージの移動をよりスムーズに行うことができる。
【００８６】
図１３（Ｃ）に、スライダ１３０１上に固定されたステージ１３１０の上に、レーザー光を照射する被処理物１３１１を載置している様子を示す。本実施例のステージの移動手段により、ステージの移動がよりスムーズになるので、レーザー光の照射をより均一に行うことが可能になる。
【００８７】
【発明の効果】
本発明のレーザーアニール装置を用いれば、複数のレーザー光を一束に集光することで問題とされていた同心円模様が形成されない、もしくは同心円模様の形成を低減することができ、作製した半導体装置の信頼性を向上することができる。なお、本発明のレーザーアニール装置を用いれば、大型の基板上の半導体膜においても十分に、かつ、均一なレーザー光を照射することができる。
【００８８】
また、本発明によれば、レーザーアニール法を含む工程の際にレーザー光を楕円形状又は線状に加工してスループットを向上させるのに加えて、さらにメンテナンスの容易な固体レーザーを用いることで従来のエキシマレーザーを用いたレーザーアニールよりもスループットの向上が達成できる。延いてはＴＦＴやＴＦＴで形成された表示装置等の半導体装置の製造コストを低減することができる。
【００８９】
さらに、半導体膜に対してレーザー光を斜めに照射することで、半導体膜に形成される同心円模様を除去、または低減することができ、レーザーアニール後の半導体膜の物性を均一なものにすることができる。このような半導体膜を用いて半導体装置を作製すれば、半導体装置の性能を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  レーザー光の照射の例を示す図。
【図２】  レーザーアニール装置の構成の例を示す図。
【図３】  レーザーアニール装置の構成の例を示す図。
【図４】  被処理基板のｘおよびｙ方向について説明する図。
【図５】  基板の移動時間と速度との関係を示す図。
【図６】  本発明のレーザーアニール装置の一例を示す図。
【図７】  半導体装置の作製工程を示す図。
【図８】  本発明の半導体装置を示す図。
【図９】(Ａ) 画素部におけるＴＦＴの概略図
(Ｂ) 駆動回路におけるＴＦＴの概略図
【図１０】（Ａ）非晶質珪素膜（膜厚５５ｎｍ）における波長に対する反射率を示す図。
（Ｂ）非晶質珪素膜（膜厚５５ｎｍ）における波長に対する透過率を示す図。
【図１１】  レーザーアニール装置の構成の例を示す図。
【図１２】  レーザーアニール装置の構成の例を示す図。
【図１３】  レーザーアニール装置の構成の例を示す図。
【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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【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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