(57)【要約】  被処理体の照射面上のビーム断面において強度が外側に向かって小さくなる強度勾配を有する周囲強度勾配域を周囲に有し、周囲強度勾配域の内側に強度が平坦な強度平坦域を有するパルス状のレーザ光のビームを、被処理体上のＭ箇所（Ｍは２以上の整数）に位置させ、被処理体に対しビームを相対的に走査しつつ照射して、被処理体の同一箇所にビームをＮ回（Ｎは２以上の整数）照射させる照射工程を有し、ビームが、照射面上のビーム断面において、強度平坦域の走査方向の長さをＷ、走査方向と直交する直交方向の強度平坦域の長さをＬとして、隣接するビームが順次、走査方向に２Ｗ−Ｗ／Ｎ、走査方向と直交する方向にＬ／Ｎの距離でずれて位置し、かつ走査方向におけるビーム照射１回当たりの送りピッチをＷとする。
2018074282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体の照射面上のビーム断面において強度が外側に向かって小さくなる強度勾配を有する周囲強度勾配域を周囲に有し、該周囲強度勾配域の内側に強度が平坦な強度平坦域を有するパルス状のレーザ光のビームを、前記被処理体上のＭ箇所（Ｍは２以上の整数）に位置させ、前記被処理体に対し前記ビームを相対的に走査しつつ照射して、前記被処理体の同一箇所に前記ビームをＮ回（Ｎは２以上の整数）照射させる照射工程を有し、
前記ビームが、前記照射面上の前記ビーム断面において、前記強度平坦域の走査方向の長さをＷ、前記走査方向と直交する直交方向の前記強度平坦域の長さをＬとして、隣接するビームが順次、前記走査方向に２Ｗ−Ｗ／Ｎ、前記走査方向と直交する方向にＬ／Ｎの距離でずれて位置し、かつ前記走査方向におけるビーム照射１回当たりの送りピッチをＷとすることを特徴とするレーザアニール方法。
【請求項２】
前記照射工程後、前記被処理体に対する前記ビームのＭ箇所の相対的な照射位置を、前記走査方向と直交する方向に（Ｍ＋１）×（Ｌ／Ｎ）の距離で変更する照射位置変更工程を有し、その後、変更した照射位置に応じて前記照射工程を実行し、これらの照射工程と照射位置変更工程とを交互に繰り返すことを特徴とする請求項１記載のレーザアニール方法。
【請求項３】
前記照射工程で、前記Ｍ箇所に位置させる複数のビームを１組のビーム群として、前記ビーム群を複数組とし、隣接する組のビーム群は、前記走査方向と直交する方向に（Ｍ＋１）×（Ｌ／Ｎ）の間隔を置いて位置させて、各ビーム群におけるビームを前記被処理体に対し相対的に走査しつつ同時期に前記被処理体に照射することを特徴とする請求項１記載のレーザアニール方法。
【請求項４】
前記パルス状のレーザ光のビームを、前記被処理体上の前記Ｍ箇所（Ｍは２以上の整数）にそれぞれ位置させる複数のレーザ光源を用意し、各レーザ光源による前記ビームを前記レーザ光源毎に前記Ｍ箇所に位置させ、各レーザ光源によるＭ箇所のビームの列は、隣接するビームの列で前記走査方向と直交する方向に（Ｍ＋１）×（Ｌ／Ｎ）の間隔を置いて位置させ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アニール方法。
【請求項５】
前記ビームが、前記照射面上でのビーム断面形状で矩形形状を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザアニール方法。
【請求項６】
前記ビームの各辺が走査方向またはこれと直行する方向に沿っていることを特徴とする請求項５に記載のレーザアニール方法。
【請求項７】
前記被処理体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１〜６のいずれかに記載のレーザアニール方法。
【請求項８】
被処理体の照射面上のビーム断面において強度が外側に向かって小さくなる強度勾配を有する周囲強度勾配域を周囲に有し、該周囲強度勾配域の内側に強度が平坦な強度平坦域を有するパルス状のレーザ光のビームを、前記被処理体に照射するレーザアニール装置であって、
前記レーザ光を出力するレーザ光源と、
前記レーザ光をを整形し、整形したレーザ光のビームを前記被処理体に導いて前記被処理体に照射する光学系と、を有し、
前記光学系に、被処理体上で、前記強度平坦域における走査方向の長さがＷ、前記走査方向と直交する方向の長さがＬとなる複数個のビームとなり、該ビームが前記走査方向に２Ｗ−Ｗ／Ｎ、前記走査方向と直交する方向にＬ／Ｎの間隔を置いてＭ個（Ｍは２以上の整数）位置させる部分透過部を有し、
さらに、前記被処理体に照射される前記ビームを前記被処理体に対して相対的に移動させる移動装置を有し、
前記移動装置は、前記走査方向における前記ビームの照射１回あたりの送りピッチがＷとなるように前記相対的な移動を行う機構を有することを特徴とするレーザアニール装置。
【請求項９】
前記レーザ光源が前記レーザ光を繰り返し周波数ＲＨｚで出力するものであり、
前記移動装置は、前記走査方向における速度ＶがＶ＝Ｗ×Ｒを満たすことを特徴とする請求項８記載のレーザアニール装置。
【請求項１０】
前記移動装置は、前記走査方向と直交する方向に（Ｍ＋１）×（Ｌ／Ｎ）の距離で前記被処理体に対するビームの相対的な位置を変更する機構を有することを特徴とする請求項８または９に記載のレーザアニール装置。
【請求項１１】
被処理体の照射面上のビーム断面において強度が外側に向かって小さくなる強度勾配を有する周囲強度勾配域を周囲に有し、該周囲強度勾配域の内側に強度が平坦な強度平坦域を有するパルス状のレーザ光のビームを、前記被処理体に照射するレーザアニール装置であって、
前記レーザ光をそれぞれ出力する複数のレーザ光源と、
前記各レーザ光を整形し、整形したレーザ光のビームをそれぞれ前記被処理体に導いて前記被処理体に照射する光学系と、を有し、
前記光学系に、各レーザ光源毎に被処理体上で前記強度平坦域における走査方向の長さがＷ、前記走査方向と直交する方向の長さがＬとなるビームとし、該ビームが前記走査方向に２Ｗ−Ｗ／Ｎ、前記走査方向と直交する方向にＬ／Ｎの間隔を置いてＭ個（Ｍは２以上の整数）の列を配置させる部分透過部を有し、
前記部分透過部は、各レーザ光源に応じた隣接するＭ個のビームの列が、前記走査方向と直交する方向で（Ｍ＋１）×（Ｌ／Ｎ）の距離で位置をずらして前記被処理体上に位置するように設定されており、
さらに、前記被処理体に照射される前記ビームを前記被処理体に対して相対的に移動させる移動装置を有することを特徴とするレーザアニール装置。
【請求項１２】
前記複数のレーザ光源の台数をｎ台として、前記移動装置は、前記走査方向と直交する方向に（Ｍ＋１）×（Ｌ／Ｎ）×ｎの距離で前記被処理体に対するビームの相対的な位置を変更する機構を有することを特徴とする請求項１１に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】
この発明は、被処理体にレーザ光を照射して該被処理体をアニールするレーザアニール方法およびレーザアニール装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えばガラス上の薄膜シリコン基板をレーザ光で結晶化する際には、特許文献１で言及されているように、ラインビームを基板に対して一方向に相対的に移動しながら照射することで、基板の全面を結晶化している（以下、ラインビーム方式とする）。ここでラインビームの強度分布は、ビーム断面プロファイルで、強度が平坦な領域である平坦部と強度が傾いている傾斜部で構成されており、例えば被処理体の同一箇所に平坦部が１０〜２０回照射されるようにラインビームの移動速度を設定している。
図９にビーム９００の平面図（Ａ図）とビーム断面プロファイル（Ｂ図）を示す。ビームは平坦部９０１と傾斜部９０２とを有している。【０００３】
ラインビームによる結晶化の過程は、図６（Ａ）に基づき概ね下記で説明することができる。
ラインビーム８００では、均一化したエネルギー領域８０１の周辺はビーム強度が傾いており、長尺方向端部には、エネルギー強度勾配域８０３、８０３を有し、走査方向の両端部には、エネルギー強度勾配域８０２、８０２を有している。
上記ラインビーム８００を薄膜シリコン８１０へ照射すると、図６（Ｂ）に示すように、強度分布が均一化しているエネルギー領域８０１に対応する照射部分で薄膜シリコン８１０が溶融し、溶融池８２０が形成される。【０００４】
溶融池８２０のほとんどは、シリコンとガラスとの界面から垂直方向へ成長し、溶融池端部８２１ではやや水平方向へ成長する。このとき溶融池端部８２１は溶融したシリコンが水平方向へ移動し、またシリコンは固化すると膨張することから、図７に示すように膨出してその部分が局部的に厚くなる。ここをビーム端の厚膜化部８３０とする。厚膜化部８３０の高さは、溶融池８２０の深さや、溶融池端部８２１の固液界面の形状に依存すると考えられ、したがって照射ビームのエネルギー強度勾配域８０２の勾配度に依存する。
図７に示すように、厚膜化部８３０の幅は２０μｍ、高低差は大きいと１０μｍほどである。なお、これは特定のエネルギー強度、強度勾配で照射されたときのものであるから、厚膜化部の幅や高さは必ずしもこの幅、高低差になるとは限らない。【０００５】
図６（Ｂ）に示すようにビーム照射域を移動して、２回目のラインビーム８００ａの照射を行うと、厚膜化部８３０の上に照射されたところは、再溶融により平坦になりつつ溶融池８２０ａが形成され、２回目の照射により新しい厚膜化部が形成される。【０００６】
複数回の照射により結晶粒径は次第に大きくなり一定の照射回数を超えると結晶粒は均一になる。この結晶粒が均一化されるメカニズムには数多くの推察が提案されているが、実験事実として、結晶粒を均一にするには複数回必要であることが知られており、図８のように最適エネルギー密度（図８では３１５ｍＪ／ｃｍ２）では５回以上で粒径が一定になる。【０００７】
上記結晶化過程であるために、ラインビーム法での照射条件は一般的に下記の条件で実施される。
（１）照射回数は多いほど結晶粒が大きく、均一化し、特定回数以上の照射で結晶粒の増大が飽和するため、５回以上照射されることが一般的である。
（２）溶融池端部での厚膜化部の幅以下で照射されるよう、厚膜化部の幅と同程度の送りピッチで照射する。送りピッチは、１０〜２０μｍが一般的である。より小さい送りピッチで照射すると高低差は小さくなるが、生産性に支障があって小さくすることは難しい。
（３）ラインビームの長軸方向端部のエネルギー強度勾配域８０３は、短軸方向のエネルギー強度勾配域８０２より大きくなるため、結晶成長過程に差があり、製品には使用しないのが一般的である。【０００８】
このように、ラインビーム方式においては、厚膜化部が周期的に形成されて、膜厚の高低差が大きくなる。一般に、薄膜トランジスターの特性は、膜厚に依存することが知られている（例えば、非特許文献１）。そのため膜厚の高低差は薄膜トランジスターの性能ばらつきを発生させ、したがってディスプレイの表示むらになるという課題がある。また、厚膜化部では結晶成長方向がエネルギー均一部と異なるため結晶形状にわずかな差があると考えられ、薄膜トランジスターの特性に差が生じる。このような理由により、送りピッチを厚膜化部の幅に対して小さくすることで、高低差を小さくしたり、結晶形状をほぼ同じにしたりすることはできると考えられるが、生産性が著しく低下するために現実的な解決策にはならない。【０００９】
また、ラインビーム長軸端の厚膜化部は短軸で発生するものと異質で、ディスプレイ等の商品には使えないという課題もある。特に、ラインビーム方式では、長軸端が連続的に照射されるため、得られる結晶化シリコンが他領域と比較して異質になる。【００１０】
このようにラインビーム方式では長軸の長い方向の傾斜部を製品に使えないため、ラインビーム方式に変わる可能性のある方法として、特許文献２に示される方法が提案されている。
この方法では、ビーム断面形状が四辺形のレーザ光を利用し、該レーザ光の照射に際し、ビーム断面形状における四辺形のいずれの辺も走査方向と所定の角度を有するようにして被処理体にパルスレーザを照射するものとしている。
この方法によれば、照射・非照射面の境界を連続的に形成しないことにより同一箇所において傾斜部による照射回数および面積を減少させて、基板全面を結晶化することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−３６７９２３号公報
【特許文献２】特許３５３４０６９号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】工業調査会発行，鵜飼育弘著，「薄膜トランジスタ技術のすべて」，Ｐ６５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記したように、従来のラインビーム方式においては、厚膜化部の形成によりアニール処理の品質を低下させるという問題がある。
また、ビーム断面が四辺形状のレーザ光を利用する方法においても、四辺形の送りピッチの間隔が広いと、境界で発生する厚膜化部はラインビーム方式と同様に薄膜トランジスターの性能ばらつきの原因となる。
また、送りピッチを小さくするためには四辺形の大きさを小さくする必要があり、エキシマレーザのような大出力のレーザは１パルスあたりのエネルギーが高いために使うことが難しく、生産性が低いという課題がある。【００１４】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、レーザ光のビーム断面におけるエネルギー強度傾斜部による弊害を小さくし、レーザ光が照射された被処理体を歩留まりよく利用できるとともに、レーザビームサイズの大きさの制限をなくして高い生産性でレーザ処理することができるレーザアニール方法およびレーザアニール装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
すなわち、本発明のレーザアニール方法のうち、第１の本発明は、被処理体の照射面上のビーム断面において強度が外側に向かって小さくなる強度勾配を有する周囲強度勾配域を周囲に有し、該周囲強度勾配域の内側に強度が平坦な強度平坦域を有するパルス状のレーザ光のビームを、前記被処理体上のＭ箇所（Ｍは２以上の整数）に位置させ、前記被処理体に対し前記ビームを相対的に走査しつつ照射して、前記被処理体の同一箇所に前記ビームをＮ回（Ｎは２以上の整数）照射させる照射工程を有し、
前記ビームが、前記照射面上の前記ビーム断面において、前記強度平坦域の走査方向の長さをＷ、前記走査方向と直交する直交方向の前記強度平坦域の長さをＬとして、隣接するビームが順次、前記走査方向に２Ｗ−Ｗ／Ｎ、前記走査方向と直交する方向にＬ／Ｎの距離でずれて位置し、かつ前記走査方向におけるビーム照射１回当たりの送りピッチをＷとすることを特徴とする。【００１６】
第２の本発明のレーザアニール方法は、前記第１の本発明において、前記照射工程後、前記被処理体に対する前記ビームのＭ箇所の相対的な照射位置を、前記走査方向と直交する方向に（Ｍ＋１）×（Ｌ／Ｎ）の距離で変更する照射位置変更工程を有し、その後、変更した照射位置に応じて前記照射工程を実行し、これらの照射工程と照射位置変更工程とを交互に繰り返すことを特徴とする。【００１７】
第３の本発明のレーザアニール方法は、前記第１の本発明において、前記照射工程で、前記Ｍ箇所に位置させる複数のビームを１組のビーム群として、前記ビーム群を複数組とし、隣接する組のビーム群は、前記走査方向と直交する方向に（Ｍ＋１）×（Ｌ／Ｎ）の間隔を置いて位置させて、各ビーム群におけるビームを前記被処理体に対し相対的に走査しつつ同時期に前記被処理体に照射することを特徴とする。【００１８】
第４の本発明のレーザアニール方法は、前記第１〜第３の本発明のいずれかにおいて、前記パルス状のレーザ光のビームを、前記被処理体上の前記Ｍ箇所（Ｍは２以上の整数）にそれぞれ位置させる複数のレーザ光源を用意し、各レーザ光源による前記ビームを前記レーザ光源毎に前記Ｍ箇所に位置させ、各レーザ光源によるＭ箇所のビームの列は、隣接するビームの列で前記走査方向と直交する方向に（Ｍ＋１）×（Ｌ／Ｎ）の間隔を置いて位置させることを特徴とする。【００１９】
第５の本発明のレーザアニール方法は、前記第１〜第４の本発明のいずれかにおいて、前記ビームが、前記照射面上でのビーム断面形状で矩形形状を有することを特徴とする。【００２０】
第６の本発明のレーザアニール方法は、前記第５の本発明において、前記ビームの各辺が走査方向またはこれと直行する方向に沿っていることを特徴とする。【００２１】
第７の本発明のレーザアニール方法は、前記第１〜第６の本発明のいずれかにおいて、前記被処理体がアモルファスシリコン膜であることを特徴とする。【００２２】
第８の本発明のレーザアニール装置は、被処理体の照射面上のビーム断面において強度が外側に向かって小さくなる強度勾配を有する周囲強度勾配域を周囲に有し、該周囲強度勾配域の内側に強度が平坦な強度平坦域を有するパルス状のレーザ光のビームを、前記被処理体に照射するレーザアニール装置であって、
前記レーザ光を出力するレーザ光源と、
前記レーザ光を整形し、整形したレーザ光のビームを前記被処理体に導いて前記被処理体に照射する光学系と、を有し、
前記光学系に、被処理体上で、前記強度平坦域における走査方向の長さがＷ、前記走査方向と直交する方向の長さがＬとなる複数個のビームとなり、該ビームが前記走査方向に２Ｗ−Ｗ／Ｎ、前記走査方向と直交する方向にＬ／Ｎの間隔を置いてＭ個（Ｍは２以上の整数）位置させる部分透過部を有し、
さらに、前記被処理体に照射される前記ビームを前記被処理体に対して相対的に移動させる移動装置を有し、
前記移動装置は、前記走査方向における前記ビームの照射１回あたりの送りピッチがＷとなるように前記相対的な移動を行う機構を有することを特徴とする。【００２３】
第９の本発明のレーザアニール装置は、前記第８の本発明において、前記レーザ光源が前記レーザ光を繰り返し周波数ＲＨｚで出力するものであり、
前記移動装置は、前記走査方向における速度ＶがＶ＝Ｗ×Ｒを満たすことを特徴とする。【００２４】
第１０の本発明のレーザアニール装置は、前記第８または９の本発明において、前記移動装置は、前記走査方向と直交する方向に（Ｍ＋１）×（Ｌ／Ｎ）の距離で前記被処理体に対するビームの相対的な位置を変更する機構を有することを特徴とする。【００２５】
第１１の本発明のレーザアニール装置は、被処理体の照射面上のビーム断面において強度が外側に向かって小さくなる強度勾配を有する周囲強度勾配域を周囲に有し、該周囲強度勾配域の内側に強度が平坦な強度平坦域を有するパルス状のレーザ光のビームを、前記被処理体に照射するレーザアニール装置であって、
前記レーザ光をそれぞれ出力する複数のレーザ光源と、
前記各レーザ光を整形し、整形したレーザ光のビームをそれぞれ前記被処理体に導いて前記被処理体に照射する光学系と、を有し、
前記光学系に、各レーザ光源毎に被処理体上で前記強度平坦域における走査方向の長さがＷ、前記走査方向と直交する方向の長さがＬとなるビームとし、該ビームが前記走査方向に２Ｗ−Ｗ／Ｎ、前記走査方向と直交する方向にＬ／Ｎの間隔を置いてＭ個（Ｍは２以上の整数）の列を配置させる部分透過部を有し、
前記部分透過部は、各レーザ光源に応じた隣接するＭ個のビームの列が、前記走査方向と直交する方向で（Ｍ＋１）×（Ｌ／Ｎ）の距離で位置をずらして前記被処理体上に位置するように設定されており、
さらに、前記被処理体に照射される前記ビームを前記被処理体に対して相対的に移動させる移動装置を有することを特徴とする。【００２６】
第１２の本発明のレーザアニール装置は、前記第１１の本発明において、前記複数のレーザ光源の台数をｎ台として、前記移動装置は、前記走査方向と直交する方向に（Ｍ＋１）×（Ｌ／Ｎ）×ｎの距離で前記被処理体に対するビームの相対的な位置を変更する機構を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、エネルギー強度勾配域の間隔を小さくすることで、厚膜化部による高低差を小さくすることができ、被処理体全面にわたって均一な結晶形状と表面を作ることができる。また、装置を小型化し、従来と比較して低価格の装置を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態のレーザアニール装置を示す概略図であり、図１（Ａ）はレーザアニール装置１の平面図であり、図１（Ｂ）は、基板２が載置された状態のレーザアニール装置１の正面図である。
【図２】同じく、部分透過部の平面を示す図である。
【図３】同じく、基板へのレーザ光照射の状態を示す概念図である。
【図４】同じく、基板へのレーザ光照射の状態を示す詳細図である。
【図５】同じく、部分透過部の変更例を示す平面概念図である。
【図６】従来のラインビーム形式での照射状態とエネルギー分布、結晶化過程を説明する図である。
【図７】従来のレーザ光照射による固化後の基板表層の形状を示す拡大図である。
【図８】従来の照射エネルギーに対するパルス数と平均粒径との関係を示すグラフである。
【図９】従来の方形のビーム断面におけるエネルギー強度分布を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に、本発明の一実施形態のレーザアニール装置を図１に基づいて説明する。
レーザアニール装置１は、パルス状のレーザ光を出力するレーザ光源１００と、基板２を載置する基板載置台１２０と、レーザ光源１００から出力されたレーザ光を導く光学系１１０とを有している。光学系１１０は、この例では、レーザ光源１００に近い側から純に、ミラー１１１、ミラー１１３、ミラー１１４、ミラー１１６ａ、１１６ｂ、ホモジナイザ１１７、部分透過部１１８、投影レンズ１１９を有している。ここで、部分透過部１１８は、本発明の整形部に相当する。
なお、本発明としては光学系の各光学部材が特定のものに限定されるものではない。
【００３０】
また、基板載置台１２０の両側には、光学系支持台１３０、１３０が設置されており、光学系支持台１３０、１３０間に架け渡すように、架設部１３１が設けられている。架設部１３１は、光学系支持台１３０、１３０の長尺方向（ここではＹ方向とする）に移動可能になっている。架設部１３１の移動は図示しない駆動装置によって行われる。架設部１３１には、可動光学ユニット１３２が設けられており、可動光学ユニット１３２は、架設部１３１の長尺方向（ここではＸ方向とする）に移動可能になっている。可動光学ユニット１３２の移動は図示しない駆動装置によって行われる。
【００３１】
ミラー１１３は、その反射面がミラー１１１の反射方向に位置しており、架設部１３１に固定されて架設部１３１とともに移動する。
ミラー１１３の反射方向に可動光学ユニット１３２が位置しており、可動光学ユニット１３２には、ミラー１１４、ミラー１１６ａ、１１６ｂ、ホモジナイザ１１７、部分透過部１１８、投影レンズ１１９が固定されて可動光学ユニット１３２とともに移動する。
【００３２】
次に、部分透過部１１８について図２に基づいて説明する。
部分透過部１１８は、矩形形状の複数の透過領域１１８ａとレーザ光の透過を防止する非透過またはレーザ光の透過率が低くて低透過である遮蔽領域１１８ｂとで構成されている。なお、低透過とされる透過率は、透過したビームが後述する基板に照射された際に、照射面上で結晶化に寄与しないエネルギー密度になるものである。したがって、透過前のレーザ光のエネルギーの大きさによって低透過とされる透過率は異なる。また、処理の目的によっても透過率は異なる。なお、遮蔽領域１１８ｂの配置は、レーザ光の透過性が良好な材質に、クロムやアルミニウムの薄膜を形成するなどして透過性を低下させることにより行うことができる。
【００３３】
透過領域１１８ａは、Ｘ方向（後述する走査方向）およびＹ方向（走査方向と直交する方向）に所定の間隔を有するように、Ｍ個（Ｎ以上の整数）が配列されている。透過領域１１８ａは、透過したビームが基板に照射された際に、ビーム照射断面はＸ方向長さがＷ、Ｙ方向長さがＬとなるように大きさが設定されている。この例では、透過領域１１８ａの各辺は、Ｘ方向またはＹ方向に沿っている。なお、ビーム照射断面の長さは、強度が外側に向かって小さくなる強度勾配を有する周囲強度勾配域の内側に位置する、強度が平坦な強度平坦域の長さで示される。強度平坦域は、例えば最大エネルギー密度の９６％以上のエネルギー密度を有する領域で示される。
【００３４】
この実施形態では、等倍でビームが照射されるように設定されているため、被処理体照射面上のビームの大きさおよびビーム間の距離と、透過領域１１８ａの大きさおよび透過領域１１８ａ間の距離とは等しくなる。なお、部分透過部を透過したビームが等倍で被処理体に照射されるものでない場合、被処理体照射面上でビームの大きさやビーム間の距離が本発明における所定の条件を満たすように部分透過部１１８上における透過領域１１８ａの大きさや透過領域１１８ａ同士の間隔を設定する。
上記透過領域１１８ａは、隣接するものでＸ方向に２Ｗ−Ｗ／Ｎの距離でずれ、Ｙ方向にＬ／Ｎの距離でずれて位置している。なお、Ｎは、基板上で同一箇所にビームを照射する回数（２以上の整数）であり、任意に設定することができる。Ｎ回数は、結晶化に際し最適なエネルギー密度で照射した際に、結晶粒径の成長が飽和し、結晶粒が均一になる回数で示すことができる。通常Ｎ回を超えて照射しても結晶性という点で効果は飽和し、生産性が低下するといえる。ただし、目的に応じてＮの数値は適宜設定することができる。上記透過領域１１８ａの配列に応じて、基板上では、Ｘ方向長さＷ、Ｙ方向長さＬの矩形状のＭ個のビームが、Ｘ方向に２Ｗ−Ｗ／Ｎ、Ｙ方向にＬ／Ｎで順次同じ方向にずれて照射されることになる。
【００３５】
次に、レーザアニール装置１の動作を説明する。
基板載置台１２０上には、処理の対象となる基板２を載置する。例えばアモルファスシリコン膜（図示しない）が形成された基板２が用いられる。
架設部１３１および可動光学ユニット１３２は初期位置に位置させる。これにより可動光学ユニット１３２を通して照射されるレーザ光１０１の初期の照射位置が決定される。
レーザ光源１００には、例えば、繰り返し周波数６ｋＨｚ、波長３５５ｎｍの３倍波ＹＡＧレーザ光をレーザ光１０１として出力する。なお、本発明としては連続発振のレーザ光源から出力されたレーザ光を擬似的なパルス光にするものを用いるようにしてもよい。
【００３６】
レーザ光源１００から出力されたパルス状のレーザ光１０１は、ミラー１１１、ミラー１１３で反射される。ミラー１１３で反射されたレーザ光１０１は、可動光学ユニット１３２に設けられたミラー１１４に照射され、ミラー１１４で上方に反射されて可動光学ユニット１３２内で、ミラー１１６ａ、１１６ｂで順次反射されて下方に向けたレーザ光１０１となり、ホモジナイザ１１７でビームの強度分布が均一化される。ホモジナイザ１１７を経たレーザ光１０１は、部分透過部１１８に照射される。図２に示すように、この際のレーザ光１０１のビーム１０１ａは、部分透過部１１８上に照射されている。ビーム１０１ａの部分透過部１１８上の断面は、配列されたＭ個の透過領域１１８ａを覆う大きさを有している。また、部分透過部１１８は、照射されたビーム１０１ａの断面形状を全周で超える大きさを有している。
【００３７】
レーザ光１０１は、部分透過部１１８で各透過領域１１８ａの形状に応じて透過することで、整形がなされてＭ個のビーム１０１ｂとなり、投影レンズ１１９によって基板２に等倍で照射される。図３は、基板２上に各ビーム１０１ｂが照射された状態を概念的に示すものである。照射面上のエネルギー密度は例えば３００〜４００ｍＪ／ｃｍ２に調整されている。
各ビーム１０１ｂは、上記したように部分透過部１１８の透過領域１１８ａが等倍に投影されるため、各ビーム１０１ｂは、Ｘ方向長さＷ、Ｙ方向長さＬの矩形状のＭ個のビームが、Ｘ方向に２Ｗ−Ｗ／Ｎ、Ｙ方向にＬ／Ｎで順次同じ方向にずれて位置する。
【００３８】
上記照射に際し、可動光学ユニット１３２を所定の速度で架設部１３１に沿って移動させることで、基板２上におけるビーム１０１ｂの照射位置がＸ方向に移動する。すなわち、この例では、可動光学ユニット１３２の移動方向がレーザ光１０１の走査方向となり、可動光学ユニット１３２が移動する間に、繰り返し周波数で照射されるパルス状のレーザ光１０１の位置変化がレーザ光１０１の送りピッチに相当し、送りピッチの設定により基板２の同一箇所に複数回でビーム１０１ｂが照射されることになる。
【００３９】
可動光学ユニット１３２が架設部１３１の長手方向、すなわちＸ方向に所定長さ分（例えば基板２の幅分）移動すると、架設部１３１を光学系支持台１３０、１３０の長手方向、すなわちＹ方向に所定長さ分移動させる。これにより、ビームの照射位置は、図３に示すように基板２上でＹ方向に移動する。Ｙ方向移動後、可動光学ユニット１３２を前記とは逆の方向でＸ方向に移動させることで、可動光学ユニット１３２の移動方向がレーザ光１０１の走査方向となり、可動光学ユニット１３２が移動する間に、繰り返し周波数で照射されるパルス状レーザ光の位置変化がレーザ光の送りピッチとなり、基板２の同一箇所に複数回レーザ光１０１が照射されることになる。
上記動作を繰り返すことで、基板２の一面をレーザ光照射によってアニール処理することができる。
【００４０】
なお、上記光学系１１０を通して基板２に導かれるレーザ光１０１は、回折など影響により、図６で示されるビーム断面と同様に、周辺部分に強度が外側に向かって小さくなる強度勾配を有する周囲強度勾配域を有している。周囲強度勾配域の内側には実質的に強度が平坦な強度平坦域を有している。周囲強度勾配域は、厚膜化部の長さより小さい２０μｍ以下であればでよく、そのために前記の投影レンズ１１９は高解像度である必要がない。低解像度（ＮＡ＜０．０５）の投影レンズを使用することもでき、低解像度の投影レンズであれば焦点深度が深いために、装置全体に要求される精度が低くて良いので、装置は複雑にならない。
【００４１】
この実施形態では、部分透過部１１８における透過領域１１８ａと遮蔽領域１１８ｂとの配置によって、複数個の強度平坦域を走査方向および走査方向と直交する方向にそれぞれ所定の間隔を置いて配置して、周囲強度勾配域の弊害を排除している。
【００４２】
具体的には、図４（Ａ）に示すように、矩形状（この形態では長方形）のビーム１０１ｂがＭ個一列に位置するように照射される。各ビーム１０１ｂは、基板２上で走査方向と走査方向と直角の方向に沿った断面形状を有し、強度平坦域において走査方向の長さＷ、走査方向と直交する方向の長さＬを有している。
Ｍ個のビーム１０１ｂは、基板一箇所あたりの照射回数をＮ回（Ｎは２以上の整数）として、走査方向に２Ｗ−Ｗ／Ｎ、走査方向と直交する方向にＬ／Ｎの間隔を置いて位置する。
【００４３】
ビーム１０１ｂを基板２に照射するレーザ光照射工程では、図４（Ｂ）に示すように、レーザ光１０１の移動量（送りピッチ）をＷとしてＸ方向に基板２を移動させる。
この際の移動では、例えば基板２のＸ方向端部からＸ方向他端部にビーム１０１ｂが照射されるように走査する。
これにより基板２上の同一箇所には、図４（Ｂ）に示すように、ピッチ毎に異なるビーム１０１ｂが照射され、ピッチ数がＮ回以上になることで、基板２上の同一箇所にはＮ回のビーム照射が行われる。Ｘ方向の走査が終了した後、ビーム１０１ｂの照射位置を（Ｍ＋１）×（Ｌ／Ｎ）の距離だけＸ方向と直交する方向（Ｙ方向または−Ｙ方向)に相対的に高速に移動させるレーザ光移動工程を実施する。なお、レーザ光移動工程は、レーザ光照射工程で完了した時点でのビーム１０１ｂの照射位置を基準としてもよく、また、ビーム１０１ｂの照射位置をＸ方向に移動させた後、Ｙ方向または−Ｙ方向への移動を行ってもよい。この際のＸ方向の移動は、ビーム１０１ｂの照射の初期位置に復帰させるものでもよく、また、Ｘ方向の任意の位置に移動させるものであってもよい。
【００４４】
照射位置変更工程後、変更したビーム照射位置を基準にして、ビーム１０１ｂが相対的に移動するように基板２をピッチ量ＷでＸ方向または−Ｘ方向に移動させつつビーム１０１ｂを照射する照射工程を実施する。これにより基板２の他の領域において、同一箇所にＮ回のビーム１０１ｂを照射することができる。
これらの動作を繰り返すことにより、基板２の全面に対して一様にレーザアニール処理を行うことができる。
上記工程によって、Ｘ方向だけではなく、Ｙ方向でも強度勾配域を重ねることなく、その照射条件は走査方向と同様であることが望ましい。
【００４５】
なお、上記実施形態では、Ｍ個の透過領域１１８ａに同時にレーザ光を照射しつつ該レーザ光を基板２に対しＸ方向に相対的に走査し、透過するビーム１０１ｂを基板２上に照射しており、その後、ビーム１０１ｂの照射位置を基板２に対しＹ方向に所定量で相対的に移動させ、さらにビーム１０１ｂの照射を行うものとしている。
本発明では、Ｍ列のビーム照射位置に対しＹ方向に所定量偏位した位置に同様にＭ列のビーム照射を同時に行えるようにしてもよく、その例を以下に説明する。
【００４６】
図５は、上記ビームを基板２に照射するための部分透過部１１８０を示すものである。
部分透過部１１８０は、前記した部分透過部１８０と同様に、Ｍ個の透過領域１１８０ａが一列に配置されており、各透過領域１１８０ａは、透過した各ビームが基板２に照射された際に、各ビーム照射断面が、Ｘ方向長さがＷ、Ｙ方向長さがＬとなり、Ｘ方向に２Ｗ−Ｗ／Ｎ、Ｙ方向にＬ／Ｎで順次同じ方向にずれて位置するように位置および大きさが設定されている。この例でも、部分透過部１１８０を透過したビームは等倍で基板２に照射されるため、各透過領域１１８０ａは、Ｘ方向長さがＷ、Ｙ方向長さがＬとなり、Ｘ方向に２Ｗ−Ｗ／Ｎ、Ｙ方向にＬ／Ｎで順次同じ方向にずれて位置している。
【００４７】
また、この例では、Ｍ個の透過領域１１８０ａを１列として、複数列をＹ方向に間隔を置いて配置させている。各列は、透過した各ビームが基板２に照射された際に、Ｍ個のビームの列が、互いに（Ｍ＋１）×（Ｌ／Ｎ）の距離だけＹ方向または−Ｙ方向に位置がずれて照射されるように設定されている。上記したように、この例では、部分透過部１１８０を透過したビームは等倍で基板２に照射されるため、部分透過部１１８０では、透過領域１１８０ａのＭ個の列が、互いに（Ｍ＋１）×（Ｌ／Ｎ）の距離だけＹ方向または−Ｙ方向にずれて位置している。この例では、Ｍ個の透過領域１１８０ａの列がｎ列（ｎは２以上の整数）で部分透過部１１８０に設けられている。部分透過部１１８０の透過領域１１８０ａ以外の領域は、遮蔽領域１１８０ｂとなっており、透過領域１１８０ａと遮蔽領域１１８０ｂとは、前記した透過領域１１８ａ、遮蔽領域１１８ｂと同様にレーザ光の透過と遮蔽が行えるように構成することができる。
【００４８】
なお、基板２へのビーム照射に際しては、レーザ光１０１を分割して、各列に応じたビーム１０１ｃを各列の透過領域１１８０ａを覆うように照射することで、基板２上のＭ×ｎ個のビームを照射することができる。このビームを基板２に対し相対的に走査しつつ照射することで基板２の広い領域を一度に処理することができる。なおレーザ光１０１は、分割することなく一列Ｍ個でｎ列の透過領域１１８０ａを覆う大きさのビームを照射することで、基板２上にＭ×ｎ個のビームを照射するようにしてもよい。また、一列Ｍ個でｎ列のビームを相対的に走査しつつ基板２に照射した後、一列Ｍ個でｎ列のビームの照射位置をＹ方向または−Ｙ方向に（Ｍ＋１）×（Ｌ／Ｎ）×ｎの距離だけＹ方向に位置変更し、その後、一列Ｍ個でｎ列のビームを照射しつつ走査することで基板２の処理を行うようにしていもよい。
【００４９】
上記各実施形態では、１台のレーザ光源を用いてレーザ光照射を行うものについて説明したが、複数台のレーザ光源を用い、各レーザ光源から出力されたレーザ光によってＭ個のビームの列を作成して基板への照射を行うこともできる。
この場合、Ｍ個の矩形形状のビームの列を、基板上に配置できるように各レーザ光源による照射位置を設定する。すなわち、Ｍ個のビームの列は、ビーム照射断面において、走査方向であるＸ方向の長さがＷ、走査方向と直交する方向であるＹ方向の長さがＬとなり、ビームの各辺はＸ方向、Ｙ方向に沿っている。また、ビームは、隣接するものでＸ方向に２Ｗ−Ｗ／Ｎの距離でずれ、Ｙ方向にＬ／Ｎの距離でずれて位置するように設定されている。なお、Ｎは、基板上で同一箇所にビームが照射される回数である。
また、各レーザ光源によるＭ個の列は、走査方向と直交する方向において、隣接する列が、図５に示すように、Ｙ方向に（Ｍ＋１）×（Ｌ／Ｎ）でずれるように設定する。
これによりｎ個のレーザ光源を用いて一度に広い領域で基板の処理を行うことができる。
その後、各レーザ光源により得られるビームの照射位置が基板に対し、Ｙ方向に（Ｍ＋１）×（Ｌ／Ｎ）×ｎでずれるように照射位置を変更し、上記ビームの走査及び照射を繰り返す。
【実施例１】
【００５０】
以下に、本発明の具体的な実施例について説明する。
（実施例１）
図１に示すレーザアニール装置を用いて、３倍波ＹＡＧレーザ光源より発した波長３５５ｎｍ、パルスエネルギー７．５ｍＪ、繰り返し周波数６ｋＨｚのレーザ光を用いてアモルファスシリコンに同一箇所でのビーム照射が１０回（Ｎ回）となるように照射した。
レーザ光は、シリンドリカルレンズより構成されるホモジナイザに入射させ、部分透過部上にビームサイズ８ｍｍ×０．２５ｍｍの平坦な強度分布を持つビームを、図２（ａ）にビーム１０１ａとして示すように整形した。マスクには、マスク基材にクロム膜を形成したものを用い、該マスクには、０．２ｍｍ×０．２ｍｍ（本発明のＷ×Ｌに相当）の大きさでクロム膜をコーティングしていない開口を、順次、基板の長尺方向に０．３８ｍｍ（２Ｗ−Ｗ／Ｎ）で位置をずらし、基板の短尺方向に０．０２ｍｍ（Ｌ／Ｎ）で位置をずらして周期的に２０（本発明のＭに相当）個設けた。マスクは本発明の部分透過部に相当し、開口は透過領域に相当する。
上記マスクにより０．２ｍｍ×０．２ｍｍの大きさで周期的に２０個が配列されたビームを生成し、得られたビームを等倍に投影する投影レンズでガラス基板上に形成されたアモルファスシリコン膜に照射した。このときのエネルギー密度は３４０ｍＪ／ｃｍ２（＝７．５／（０．８×０．０２５）−ロス)であった。【００５１】
上記ビームの照射に際しては、図２の長尺方向（Ｘ方向）にビームを、速度＝０．２ｍｍ×６ｋ＝１．２ｍ／秒で走査した。これによりビームをピッチ０．２ｍｍでアモルファスシリコンに照射することができる。
２２００ｍｍ×２４００ｍｍからなるガラス基板は固定とし、ホモジナイザ、マスク、投影レンズは可動光学系ユニット内に配置して、図示していないリニアモータステージでもって、前記ビームを、速度Ｖ＝１．２ｍｍ／秒で基板の辺に平行に端から端まで移動した。基板端まで移動後、移動方向と直交する方向に（２０＋１）×０．２ｍｍ／１０＝０．４２ｍｍ（（Ｍ＋１）×（Ｌ／Ｎ）に相当）移動し、前記の１．２ｍ／秒での照射を繰返した。０．４２ｍｍの移動はガラス基板の幅２２００ｍｍの方向であるため、移動および照射を５２３８回繰り返した。【００５２】
（２）実施例２
パルスエネルギー７．５ｍＪ、繰り返し周波数６ｋＨｚのレーザ光を出力するレーザ光源を１０台用い、各レーザ光源毎に前記の０．２ｍｍ×０．２ｍｍのビームを周期的に２０個配列するとともに、レーザ光源毎にビームの列を隣接するもので走査方向と直交する方向に０．４２ｍｍでずれるように設定した。上記ビームの複数列をガラスサイズＧ８．５（Ｙ：２２００ｍｍ×Ｘ：２５００ｍｍ）のガラス基板に対して、前述と同様に２２００ｍｍ方向へ１．２ｍ／秒で走査した。その後、ビームを０．４２ｍｍ×１０（ｎに相当）＝４．２ｍｍ移動し、前記の１．２ｍ／秒での照射を繰り返した。４．２ｍｍの移動はガラス基板の幅２２００ｍｍの方向であるため、移動および照射を５２３回繰り返した。【００５３】
以上、本発明について、上記実施形態および実施例に基づいて説明を行ったが、本発明は、上記実施形態および実施例で説明した内容に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは上記実施形態および実施例の適宜の変更が可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１      レーザアニール装置
２      基板
３      ビーム断面
１００    レーザ光源
１０１    レーザ光
１０１ａ  ビーム
１０１ｂ  ビーム
１０１ｃ  ビーム
１１０    光学系
１１１    ミラー
１１３    ミラー
１１４    ミラー
１１６ａ  ミラー
１１６ｂ  ミラー
１１７    ホモジナイザ
１１８    部分透過部
１１８ａ  透過領域
１１８０  部分透過部
１１８０ａ透過領域
１１９    投影レンズ
１２０    基板載置台
１３０    光学系支持台
１３１    架設部
１３２    可動光学ユニット
【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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【国際調査報告】
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