(57)【要約】 【課題】  照射対象物を均一に結晶化させることができる投影マスク、レーザ加工方法およびレーザ加工装置を提供するとともに、照射対象物に形成したときの電気的特性を均一にすることができる薄膜トランジスタ素子を提供する。【解決手段】  第１および第４ブロックＢＡ，ＢＤに第１光透過パターン２５ａが形成され、第２および第３ブロックＢＢ，ＢＣに第２光透過パターン２５ｂが形成される投影マスク２５であって、第１ブロックＢＡ、第２ブロックＢＢ、第３ブロックＢＣおよび第４ブロックＢＤの順に並べて配設される投影マスク２５に、光源２１から発せられるレーザ光３１を照射し、前記第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂを透過したレーザ光を半導体膜３７に照射する。【選択図】      図１
2007096244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射対象物を結晶化させるための光を透過する第１光透過パターンおよび第２光透過パターンが形成される投影マスクであって、
予め定める第１方向に延びる第１光透過パターンが形成される第１領域と、
第１方向に直交する第２方向に延びる第２光透過パターンが形成される第２領域と、
前記第２光透過パターンが形成される第３領域と、
前記第１光透過パターンが形成される第４領域とを含み、
前記第１〜第４領域は、第１領域、第２領域、第３領域および第４領域の順に並べて配設されることを特徴とする投影マスク。
【請求項２】
照射対象物を結晶化させるための光を透過する第１光透過パターンおよび第２光透過パターンが形成され、これら第１および第２光透過パターンが形成される複数の領域を並べて配設する投影マスクであって、
前記複数の領域が並べられる並び方向に対して傾斜する第１傾斜方向に延びる第１光透過パターンが形成される第１領域と、
前記第１光透過パターンが形成される第２領域と、
第１傾斜方向に直交する第２傾斜方向に延びる第２光透過パターンが形成される第３領域と、
前記第２光透過パターンが形成される第４領域とを含み、
前記第１〜第４領域は、第１領域、第２領域、第３領域および第４領域の順に並べて配設されることを特徴とする投影マスク。
【請求項３】
前記第１〜第４領域は、第１領域、第３領域、第４領域および第２領域の順に並べて配設されることを特徴とする請求項２記載の投影マスク。
【請求項４】
照射対象物を結晶化させるための光を透過する第１光透過パターンおよび第２光透過パターンが形成される投影マスクであって、
予め定める第１方向に延びる第１光透過パターンが形成されるｍ（ｍは２以上の偶数）個の第１光透過パターン領域と、
第１方向に直交する第２方向に延びる第２光透過パターンが形成されるｎ（ｎは２以上の偶数）個の第２光透過パターン領域とを含み、
ｍ／２個の第１光透過パターン領域、ｎ個の第２光透過パターン領域、およびｍ／２個の第１光透過パターン領域の順に並べて配設されることを特徴とする投影マスク。
【請求項５】
前記第１光透過パターン領域および第２光透過パターン領域は、ｎ／２個の第２光透過パターン領域、ｍ個の第１光透過パターン領域、およびｎ／２個の第２光透過パターン領域の順に並べて配設されることを特徴とする請求項４記載の投影マスク。
【請求項６】
前記第１および第２光透過パターンは、各延び方向の両端部が、投影マスクの厚み方向に見て先細状に形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の投影マスク。
【請求項７】
照射対象物である非晶質材料から成る層に、照射対象物を結晶化させるべき互いに直交する第１および第２方向に、レーザ光を照射して結晶化させるレーザ加工方法であって、
レーザ光が前記第１方向に延びるように照射対象物に照射される第１照射領域を形成する工程と、
レーザ光が前記第２方向に延びるように照射対象物に照射される第２照射領域を形成する工程と、
第１および第２照射領域を、第１照射領域、第２照射領域、第２照射領域および第１照射領域の順に並べて、前記非晶質材料を結晶化する結晶化工程とを含むことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項８】
照射対象物を、レーザ光を発する光源に対して相対移動させる移動工程をさらに含むことを特徴とする請求項７記載のレーザ加工方法。
【請求項９】
結晶化工程と移動工程とを繰返す繰返し工程をさらに含むことを特徴とする請求項８記載のレーザ加工方法。
【請求項１０】
結晶化工程は、
一の発振波長のレーザ光を照射対象物に照射する第１照射段階と、
前記一の発振波長のレーザ光を照射するとともに、前記一の発振波長とは異なる他の発振波長のレーザ光を照射対象物に照射する第２照射段階とを含むことを特徴とする請求項７〜９のいずれか１つに記載のレーザ加工方法。
【請求項１１】
照射対象物である非晶質材料から成る層に、照射対象物を結晶化させるべき互いに直交する第１および第２方向に、レーザ光を照射して結晶化させるレーザ加工装置であって、
レーザ光が前記第１方向に延びるように照射対象物に照射される第１照射領域を形成し、レーザ光が前記第２方向に延びるように照射対象物に照射される第２照射領域を形成する照射領域形成手段と、
第１および第２照射領域を、第１照射領域、第２照射領域、第２照射領域および第１照射領域の順に並べて配設する配設手段とを含むことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１２】
照射対象物である非晶質材料から成る層にレーザ光を照射して結晶化させるレーザ加工装置であって、
レーザ光を発する光源と、
前記光源から発せられるレーザ光を透過する光透過パターンであって、予め定める第１方向またはこの第１方向に直交する第２方向に延びる光透過パターンが形成される投影マスクと、
投影マスクを照射対象物に対して相対的に回動駆動可能な回動駆動手段と、
投影マスクを照射対象物に対して第１または第２方向に相対的に直線駆動可能な直線駆動手段と、
回動駆動手段および直線駆動手段を同期駆動させる制御手段とを含み、
前記制御手段は、投影マスクの光透過パターンが順次、第１方向、第２方向、第２方向および第１方向となるように段階的に制御することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１３】
請求項１１または１２記載のレーザ加工装置を用いて結晶化された照射対象物に形成されることを特徴とする薄膜トランジスタ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照射対象物にレーザ光を照射して結晶化させるときに用いられる投影マスク、レーザ加工方法およびレーザ加工装置に関し、さらに結晶化された照射対象物に形成される薄膜トランジスタ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスは、単結晶シリコン（Ｓｉ）またはガラス基板上に成層されるシリコン薄膜に形成される。このような半導体デバイスは、イメージセンサおよびアクティブマトリクス液晶表示装置などに用いられる。液晶表示装置に用いられる半導体デバイスは、透明な基板上にたとえば薄膜トランジスタ（略称：ＴＦＴ）素子の規則的なアレイが形成されることによって構成され、各ＴＦＴ素子は画素コントローラとして機能している。液晶表示装置に用いられているＴＦＴ素子は、非晶質シリコン膜に形成されているけれども、電子移動度の低い非晶質シリコン膜に代えて、電子移動度の高い多結晶シリコン膜にＴＦＴ素子を形成することによって、ＴＦＴ素子のスイッチング特性を向上し、消費電力が低くて応答速度が高い液晶表示装置が製造されるようになってきている。
【０００３】
多結晶シリコン膜は、基板上に堆積している非晶質シリコンまたは微結晶シリコン膜にエキシマレーザから発せられるレーザ光、たとえば線長が２００ｍｍ以上４００ｍｍ未満で、かつ線幅が０.２ｍｍ以上１.０ｍｍ未満である線状のレーザ光を照射して溶融し、凝固過程においてシリコンを結晶化（Excimer Laser Crystallization；略称：ＥＬＣ）させる方法（以下、「ＥＬＣ法」と称する場合がある）によって形成される。
【０００４】
ＥＬＣ法では、レーザ光を照射した部分の半導体膜を厚み方向全域にわたって溶融するのではなく、半導体膜の一部の領域を残して溶融する。ＥＬＣ法によって半導体膜を単に溶融凝固させるだけでは、未溶融領域と溶融領域との界面の全面において、至る所に結晶核が発生し、半導体膜の最表層に向かって結晶が成長して、異なる大きさでかつ異なる結晶方位を有する多数の結晶粒が形成される。したがって結晶粒径は非常に小さく、具体的には１００ｎｍ以上２００ｎｍ未満となる。多数の小さな結晶粒が形成されると、結晶粒同士の接触界面である結晶粒界が多数形成され、この結晶粒界が、電子を捕獲して電子移動の障壁となるので、結晶粒界が少ない、換言すれば結晶粒径が比較的大きい多結晶シリコン膜に比べて電子移動度が低くなる。
【０００５】
また大きさおよび方位が異なる小さな結晶内においては、電子移動度が結晶毎にそれぞれ異なるので、換言すれば異なる動作性能を備えるＴＦＴ素子が多数形成されることになるので、各ＴＦＴ素子の相互間で構造の不均一性が生じるとともに、ＴＦＴアレイにスイッチング特性の不均一性が生じる。このような不均一性が生じると、液晶表示装置において、一表示画面中に応答速度の高い画素と応答速度の低い画素とが並存するという問題が生じる。したがって液晶表示装置のさらなる性能向上のためには、スイッチング特性の均一化されたＴＦＴアレイが形成される必要がある。ＴＦＴ素子のスイッチング特性を均一化するためには、ＴＦＴ素子を形成する多結晶シリコン膜の結晶化領域を広くするとともに、多結晶シリコン膜の品質を向上する、換言すれば結晶化される結晶粒径を可能な限り大きくすること、および結晶方位を制御することなどが必要とされる。そこで、単結晶シリコンに近い性能を有する多結晶シリコン膜を得るための種々の技術が提案されている。
【０００６】
図３６は、第１の従来技術のレーザ加工装置１の構成を示す図である。図３７は、半導体素子８の構成を示す断面図である。図３８は、半導体膜１７における結晶の成長過程を模式的に示す図である。第１の従来技術は、ラテラル成長法に分類されるレーザ結晶化技術であり、レーザ加工装置１によって、結晶の成長方向に方位の揃った長細状の結晶を形成する。レーザ加工装置１は、パルス状のレーザ光１２を発することが可能な光源２、可変減衰器３、光源２から発せられるレーザ光１２を反射してその方向を変化させる複数のミラー４、可変焦点視野レンズ５、可変焦点視野レンズ５を透過したレーザ光を所定のパターンに限定して通過させる投影マスク６、投影マスク６を通過したレーザ光を後述する半導体素子８の一表面部に結像させる結像レンズ７、半導体素子８を載置して半導体素子８を矢符１１で示す方向に移動可能なステージ９、ならびに光源２の出力制御およびステージ９の矢符１１で示す方向への駆動制御を行う制御部１０を含んで構成される。光源２は、たとえばエキシマレーザによって実現される。光源２であるエキシマレーザから発せられたレーザ光１２は、可変減衰器３、ミラー４、可変焦点視野レンズ５、投影マスク６、結像レンズ７を経由して、ステージ９に載置された半導体素子８の一表面部に照射される。
【０００７】
半導体素子８は、図３７に示すように、光透過性を有する透明基板１５、透明基板１５上に形成される下地膜１６および下地膜１６上に形成される半導体膜１７を含む。下地膜１６上の半導体膜１７の延設方向、図３７では矢符Ａで示す方向に沿って結晶領域を形成するにあたり、まず半導体膜１７の矢符Ｂで示す領域（以下、「領域Ｂ」と称する場合がある）以外の領域をマスキングし、エキシマレーザから発せられるレーザ光１２を半導体膜１７の領域Ｂに照射することで半導体膜１７に熱を誘導する。これによって領域Ｂに照射されたレーザ光１２のエネルギが熱エネルギに変換されて、半導体膜１７の領域Ｂに熱を誘導することができるとともに、半導体膜１７をその厚み方向にわたって溶融することができる。
【０００８】
次に、領域Ｂが溶融されている半導体膜１７を冷却することによって凝固させ、図３８（１）に示すように、領域Ｂとそれ以外の領域との境界Ｂ１,Ｂ２から、領域Ｂの中心に向かうように結晶を成長させる。さらに、図３８（２）に示すように、領域Ｂにおいて結晶が形成されていない部分が含まれるように、領域Ｂの一部と重畳する新たな領域Ｃを設定し、前記手順と同様に領域Ｃを溶融する。そして、領域Ｃで溶融されている半導体膜１７を凝固させ、図３８（３）に示すように、領域Ｃに結晶を形成する。このような手順を繰返して、所望の結晶を半導体膜１７の延設方向Ａに沿って段階的に成長させる。これによって、図３８（４）に示すように、多結晶構造の半導体結晶を拡大させることができ、結晶粒の大きい多結晶シリコン膜を形成することができる（たとえば、特許文献１参照）。
【０００９】
前述の第１の従来技術では、ステージ９の移動速度が低く、半導体膜１７の結晶化に長時間を要する。この問題点を解決するために第２の従来技術がある。第２の従来技術では、マスクのスリットを複数のブロックに分割し、基板全面で結晶を成長させずに、部分的に成長させた結晶を並べるようにして多結晶シリコン膜を形成するように構成される（たとえば、特許文献２参照）。
【００１０】
【特許文献１】特表２０００−５０５２４１号公報
【特許文献２】特表２００３−５０９８４４号公報
【特許文献３】特開２００３−２２９６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前述のように結晶化した半導体膜を有する基板上に形成されるＴＦＴ素子は、可能な限り実装密度を高くするために、または回路配置の都合のために必ずしも一方向に固定されて配設されるわけではなく、表示素子などのアレイ構造にも依存して配設される。したがって、ＴＦＴ素子は、図３８（４）に模式的に示すように、ソースＳからドレインＤに流れる電流の方向、換言すると矢符Ｊで示す電流が流れる方向と結晶の成長方向とが平行となるように配設される場合と、前記電流が流れる方向と結晶の成長方向とが垂直となるように配設される場合とがある。電流が流れる方向と結晶の成長方向とが平行である場合のＴＦＴ素子のスイッチング特性は良好であるけれども、電流が流れる方向と結晶の成長方向とが垂直である場合のＴＦＴ素子のスイッチング特性には不均一性が生じるという問題がある。
【００１２】
この問題点を解決すべく第３の従来技術では、配列方向が第１方向および第１方向に直交する第２方向のストライプパターンの領域から成るマスクを用いて、非晶質シリコン膜が形成された基板をマスク幅の１／４だけ移動させながらレーザ光を照射する。そして一定の大きさの結晶粒を形成し、非晶質シリコン膜に形成される結晶化領域の異方性を解消するように構成される（たとえば、特許文献３参照）。
【００１３】
しかし第３の従来技術のように、第１方向のストライプパターンを有する領域と、第２方向のストライプパターンを有する領域とが交互に配列されたマスクを用いて、基板にレーザ光を照射して結晶化させると、レーザ光の最終照射によって結晶化された領域において、予め定める第１方向に成長した結晶部分と、第１方向に直交する第２方向に成長した結晶部分との面積が同等にならない。換言すれば、非晶質シリコン膜が形成された基板を均一に結晶化させることができないという問題がある。
【００１４】
均一に結晶化されていないシリコン基板にＴＦＴ素子を形成すると、ＴＦＴ素子を流れる電流の方向と結晶の成長方向とのなす角度が０度である場合と、前記電流の方向と結晶の成長方向とのなす角度が９０度である場合とで電気的特性が一致しないうえ、ＴＦＴ素子のスイッチがオン（ＯＮ）状態時のドレイン電流の値が異なるので、ＴＦＴ液晶ディスプレイなどのデバイスを設計するときの支障となっている。
【００１５】
本発明の目的は、照射対象物を均一に結晶化させることができる投影マスク、レーザ加工方法およびレーザ加工装置を提供することであり、また照射対象物に形成したときの電気的特性を均一にすることができる薄膜トランジスタ素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、照射対象物を結晶化させるための光を透過する第１光透過パターンおよび第２光透過パターンが形成される投影マスクであって、
予め定める第１方向に延びる第１光透過パターンが形成される第１領域と、
第１方向に直交する第２方向に延びる第２光透過パターンが形成される第２領域と、
前記第２光透過パターンが形成される第３領域と、
前記第１光透過パターンが形成される第４領域とを含み、
前記第１〜第４領域は、第１領域、第２領域、第３領域および第４領域の順に並べて配設されることを特徴とする投影マスクである。
【００１７】
また本発明は、照射対象物を結晶化させるための光を透過する第１光透過パターンおよび第２光透過パターンが形成され、これら第１および第２光透過パターンが形成される複数の領域を並べて配設する投影マスクであって、
前記複数の領域が並べられる並び方向に対して傾斜する第１傾斜方向に延びる第１光透過パターンが形成される第１領域と、
前記第１光透過パターンが形成される第２領域と、
第１傾斜方向に直交する第２傾斜方向に延びる第２光透過パターンが形成される第３領域と、
前記第２光透過パターンが形成される第４領域とを含み、
前記第１〜第４領域は、第１領域、第２領域、第３領域および第４領域の順に並べて配設されることを特徴とする投影マスクである。
【００１８】
また本発明は、前記第１〜第４領域は、第１領域、第３領域、第４領域および第２領域の順に並べて配設されることを特徴とする。
【００１９】
また本発明は、照射対象物を結晶化させるための光を透過する第１光透過パターンおよび第２光透過パターンが形成される投影マスクであって、
予め定める第１方向に延びる第１光透過パターンが形成されるｍ（ｍは２以上の偶数）個の第１光透過パターン領域と、
第１方向に直交する第２方向に延びる第２光透過パターンが形成されるｎ（ｎは２以上の偶数）個の第２光透過パターン領域とを含み、
ｍ／２個の第１光透過パターン領域、ｎ個の第２光透過パターン領域、およびｍ／２個の第１光透過パターン領域の順に並べて配設されることを特徴とする投影マスクである。
【００２０】
また本発明は、前記第１光透過パターン領域および第２光透過パターン領域は、ｎ／２個の第２光透過パターン領域、ｍ個の第１光透過パターン領域、およびｎ／２個の第２光透過パターン領域の順に並べて配設されることを特徴とする。
【００２１】
また本発明は、前記第１および第２光透過パターンは、各延び方向の両端部が、投影マスクの厚み方向に見て先細状に形成されることを特徴とする。
【００２２】
また本発明は、照射対象物である非晶質材料から成る層に、照射対象物を結晶化させるべき互いに直交する第１および第２方向に、レーザ光を照射して結晶化させるレーザ加工方法であって、
レーザ光が前記第１方向に延びるように照射対象物に照射される第１照射領域を形成する工程と、
レーザ光が前記第２方向に延びるように照射対象物に照射される第２照射領域を形成する工程と、
第１および第２照射領域を、第１照射領域、第２照射領域、第２照射領域および第１照射領域の順に並べて、前記非晶質材料を結晶化する結晶化工程とを含むことを特徴とするレーザ加工方法である。
【００２３】
また本発明は、照射対象物を、レーザ光を発する光源に対して相対移動させる移動工程をさらに含むことを特徴とする。
【００２４】
また本発明は、結晶化工程と移動工程とを繰返す繰返し工程をさらに含むことを特徴とする。
【００２５】
また本発明は、結晶化工程は、
一の発振波長のレーザ光を照射対象物に照射する第１照射段階と、
前記一の発振波長のレーザ光を照射するとともに、前記一の発振波長とは異なる他の発振波長のレーザ光を照射対象物に照射する第２照射段階とを含むことを特徴とする。
【００２６】
また本発明は、照射対象物である非晶質材料から成る層に、照射対象物を結晶化させるべき互いに直交する第１および第２方向に、レーザ光を照射して結晶化させるレーザ加工装置であって、
レーザ光が前記第１方向に延びるように照射対象物に照射される第１照射領域を形成し、レーザ光が前記第２方向に延びるように照射対象物に照射される第２照射領域を形成する照射領域形成手段と、
第１および第２照射領域を、第１照射領域、第２照射領域、第２照射領域および第１照射領域の順に並べて配設する配設手段とを含むことを特徴とするレーザ加工装置である。
【００２７】
また本発明は、照射対象物である非晶質材料から成る層にレーザ光を照射して結晶化させるレーザ加工装置であって、
レーザ光を発する光源と、
前記光源から発せられるレーザ光を透過する光透過パターンであって、予め定める第１方向またはこの第１方向に直交する第２方向に延びる光透過パターンが形成される投影マスクと、
投影マスクを照射対象物に対して相対的に回動駆動可能な回動駆動手段と、
投影マスクを照射対象物に対して第１または第２方向に相対的に直線駆動可能な直線駆動手段と、
回動駆動手段および直線駆動手段を同期駆動させる制御手段とを含み、
前記制御手段は、投影マスクの光透過パターンが順次、第１方向、第２方向、第２方向および第１方向となるように段階的に制御することを特徴とするレーザ加工装置である。
【００２８】
また本発明は、前記レーザ加工装置を用いて結晶化された照射対象物に形成されることを特徴とする薄膜トランジスタ素子である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、投影マスクは、照射対象物を結晶化させるための光を透過する第１光透過パターンであって、予め定める第１方向に延びる第１光透過パターンが形成される第１領域と、照射対象物を結晶化させるための光を透過する第２光透過パターンであって、第１方向に直交する第２方向に延びる第２光透過パターンが形成される第２領域と、前記第２光透過パターンが形成される第３領域と、前記第１光透過パターンが形成される第４領域とを含む。第１〜第４領域は、投影マスクに、第１領域、第２領域、第３領域および第４領域の順に並べて配設される。
【００３０】
第１〜第４領域が、前述のような順に並べて配設される投影マスクに光を照射し、投影マスクに形成される第１および第２光透過パターンを透過した光を照射対象物に照射する。具体的には、照射対象物を投影マスクの各領域の予め定める方向の寸法だけ移動させながら光を照射する。これによってレーザ光の最終照射によって結晶化された照射対象物において、第１光透過パターンの形状の光が照射されて結晶化された領域の面積と、第２光透過パターンの形状の光が照射されて結晶化された領域の面積とを同等にすることができる。したがって、照射対象物を均一に結晶化させることができる。
【００３１】
このように均一に結晶化された照射対象物に、たとえば複数の薄膜トランジスタ素子（略称：ＴＦＴ素子）を形成する場合、照射対象物に対する一方のＴＦＴ素子の形成方向と他方のＴＦＴ素子の形成方向とが異なるときでも、各ＴＦＴ素子の電気的特性、具体的にはスイッチング特性を同一にすることができる。換言すれば、各ＴＦＴ素子のスイッチング特性を均一にすることができる。
【００３２】
また照射対象物を結晶化させる場合に、照射対象物を投影マスクの各領域の予め定める方向の寸法だけ移動させながら、投影マスクに形成される第１および第２光透過パターンを透過した光を照射対象物に照射することによって、照射対象物の同一の領域に、前記光を重畳して照射することができるので、たとえば一方向に延びる光透過パターンのみが形成される投影マスクを用いて照射対象物を結晶化させる場合に比べて、結晶粒の粒径を大きくすることができ、照射対象物の電子移動度を比較的高くすることができる。これによって、たとえば照射対象物にＴＦＴ素子を形成する場合、ＴＦＴ素子のスイッチング特性をさらに向上することができる。
【００３３】
また第１および第２光透過パターンを透過した光を、照射対象物の同一の領域に重畳して照射することができるので、前記光が同一領域に重畳して照射されないなどの不具合が生じた場合でも、照射対象物をほぼ均一に結晶化することができ、たとえば照射対象物にＴＦＴ素子を形成する場合に、ＴＦＴ素子のスイッチング特性が極端に劣化することを防ぐことができる。
【００３４】
また本発明によれば、投影マスクは、照射対象物を結晶化させるための光を透過する第１光透過パターンが形成される。投影マスクは、これら第１および第２光透過パターンが形成される複数の領域を並べて配設する。投影マスクは、複数の領域が並べられる並び方向に対して傾斜する第１傾斜方向に延びる第１光透過パターンが形成される第１領域と、前記第１光透過パターンが形成される第２領域と、第１傾斜方向に直交する第２傾斜方向に延びる第２光透過パターンが形成される第３領域と、前記第２光透過パターンが形成される第４領域とを含む。第１〜第４領域は、投影マスクに、第１領域、第２領域、第３領域および第４領域の順に並べて配設される。
【００３５】
第１〜第４領域が、前述のような順に並べて配設される投影マスクに光を照射し、投影マスクに形成される第１および第２光透過パターンを透過した光を照射対象物に照射する。具体的には、照射対象物を投影マスクの各領域の並び方向の寸法だけ移動させながら光を照射する。これによって照射対象物における第１光透過パターンおよび第２光透過パターンの形状の光が照射された部分を溶融し、照射対象物を均一に結晶化させることができる。このように均一に結晶化された照射対象物に、たとえば複数の薄膜トランジスタ素子（略称：ＴＦＴ素子）を形成する場合、照射対象物に対する一方のＴＦＴ素子の形成方向と他方のＴＦＴ素子の形成方向とが異なるときでも、各ＴＦＴ素子の電気的特性、具体的にはスイッチング特性を同一にすることができる。換言すれば、各ＴＦＴ素子のスイッチング特性を均一にすることができる。
【００３６】
また照射対象物を結晶化させる場合に、照射対象物を投影マスクの各領域の並び方向の寸法だけ移動させながら、投影マスクに形成される第１および第２光透過パターンを透過した光を照射対象物に照射することによって、照射対象物の同一の領域に、前記光を重畳して照射することができるので、たとえば一方向に延びる光透過パターンのみが形成される投影マスクを用いて照射対象物を結晶化させる場合に比べて、結晶粒の粒径を大きくすることができ、照射対象物の電子移動度を比較的高くすることができる。これによって、たとえば照射対象物にＴＦＴ素子を形成する場合、ＴＦＴ素子のスイッチング特性をさらに向上することができる。
【００３７】
また第１および第２光透過パターンを透過した光を、照射対象物の同一の領域に重畳して照射することができるので、前記光が同一領域に重畳して照射されないなどの不具合が生じた場合でも、照射対象物をほぼ均一に結晶化することができ、たとえば照射対象物にＴＦＴ素子を形成する場合に、ＴＦＴ素子のスイッチング特性が極端に劣化することを防ぐことができる。
【００３８】
また本発明によれば、第１〜第４領域は、投影マスクに、第１領域、第３領域、第４領域および第２領域の順に並べて配設される。第１〜第４領域が、前述のような順に並べて配設される投影マスクに光を照射し、投影マスクに形成される第１および第２光透過パターンを透過した光を照射対象物に照射する。具体的には、照射対象物を投影マスクの各領域の並び方向の寸法だけ移動させながら光を照射する。これによって照射対象物における第１光透過パターンおよび第２光透過パターンの形状の光が照射された部分を溶融し、照射対象物を均一に結晶化させることができる。
【００３９】
このように均一に結晶化された照射対象物に、たとえば複数の薄膜トランジスタ素子（略称：ＴＦＴ素子）を形成する場合、照射対象物に対する一方のＴＦＴ素子の形成方向と他方のＴＦＴ素子の形成方向とが異なるときでも、各ＴＦＴ素子の電気的特性、具体的にはスイッチング特性を同一にすることができる。換言すれば、各ＴＦＴ素子のスイッチング特性を均一にすることができる。
【００４０】
また照射対象物を結晶化させる場合に、照射対象物を投影マスクの各領域の並び方向の寸法だけ移動させながら、投影マスクに形成される第１および第２光透過パターンを透過した光を照射対象物に照射することによって、照射対象物の同一の領域に、前記光を重畳して照射することができるので、たとえば一方向に延びる光透過パターンのみが形成される投影マスクを用いて照射対象物を結晶化させる場合に比べて、結晶粒の粒径を大きくすることができ、照射対象物の電子移動度を比較的高くすることができる。これによって、たとえば照射対象物にＴＦＴ素子を形成する場合、ＴＦＴ素子のスイッチング特性をさらに向上することができる。
【００４１】
また第１および第２光透過パターンを透過した光を、照射対象物の同一の領域に重畳して照射することができるので、前記光が同一領域に重畳して照射されないなどの不具合が生じた場合でも、照射対象物をほぼ均一に結晶化することができ、たとえば照射対象物にＴＦＴ素子を形成する場合に、ＴＦＴ素子のスイッチング特性が極端に劣化することを防ぐことができる。
【００４２】
また本発明によれば、投影マスクは、照射対象物を結晶化させるための光を透過する第１光透過パターンであって、予め定める第１方向に延びる第１光透過パターンが形成されるｍ（ｍは２以上の偶数）個の第１光透過パターン領域と、照射対象物を結晶化させるための光を透過する第２光透過パターンが形成されるｎ（ｎは２以上の偶数）個の第２光透過パターン領域とを含む。第１光透過パターン領域および第２光透過パターン領域は、投影マスクに、ｍ／２個の第１光透過パターン領域、ｎ個の第２光透過パターン領域、およびｍ／２個の第１光透過パターン領域の順に並べて配設される。
【００４３】
ｍ個の第１光透過パターン領域およびｎ個の第２光透過パターン領域が、前述のような順に並べて配設される投影マスクに光を照射し、投影マスクの各領域に形成される第１および第２光透過パターンを透過した光を照射対象物に照射する。具体的には、照射対象物を投影マスクの各領域の予め定める方向の寸法だけ移動させながら、照射対象物に光を照射する。これによってレーザ光の最終照射によって結晶化された照射対象物において、第１光透過パターンの形状の光が照射されて結晶化された領域の面積と、第２光透過パターンの形状の光が照射されて結晶化された領域の面積とを同等にすることができる。したがって、照射対象物を均一に結晶化させることができる。
【００４４】
このように均一に結晶化された照射対象物に、たとえば複数の薄膜トランジスタ素子（略称：ＴＦＴ素子）を形成する場合、照射対象物に対する一方のＴＦＴ素子の形成方向と他方のＴＦＴ素子の形成方向とが異なるときでも、各ＴＦＴ素子の電気的特性、具体的にはスイッチング特性を同一にすることができる。換言すれば、各ＴＦＴ素子のスイッチング特性を均一にすることができる。
【００４５】
さらに、前記の変数ｍおよび変数ｎの数を大きくする、換言すると投影マスクに設けられる第１光透過パターン領域および第２光透過パターン領域の個数を増やすことによって、照射対象物をより均一に結晶化させることができるとともに、比較的大きな結晶粒を形成することができる。このように比較的大きな結晶粒を形成し、照射対象物の電子移動度を比較的高くすることによって、たとえば照射対象物に複数のＴＦＴ素子を形成する場合、各ＴＦＴ素子の電気的特性、具体的にはスイッチング特性を格段に向上することができる。
【００４６】
また本発明によれば、第１光透過パターン領域および第２光透過パターン領域は、投影マスクに、ｎ／２個の第２光透過パターン領域、ｍ個の第１光透過パターン領域、およびｎ／２個の第２光透過パターン領域の順に並べて配設される。ｍ個の第１光透過パターン領域およびｎ個の第２光透過パターン領域が、前述のような順に並べて配設される投影マスクに光を照射し、投影マスクの各領域に形成される第１および第２光透過パターンを透過した光を照射対象物に照射する。具体的には、照射対象物を投影マスクの各領域の予め定める方向の寸法だけ移動させながら、照射対象物に光を照射する。これによってレーザ光の最終照射によって結晶化された照射対象物において、第１光透過パターンの形状の光が照射されて結晶化された領域の面積と、第２光透過パターンの形状の光が照射されて結晶化された領域の面積とを同等にすることができる。したがって、照射対象物を均一に結晶化させることができる。
【００４７】
このように均一に結晶化された照射対象物に、たとえば複数の薄膜トランジスタ素子（略称：ＴＦＴ素子）を形成する場合、照射対象物に対する一方のＴＦＴ素子の形成方向と他方のＴＦＴ素子の形成方向とが異なるときでも、各ＴＦＴ素子の電気的特性、具体的にはスイッチング特性を同一にすることができる。換言すれば、各ＴＦＴ素子のスイッチング特性を均一にすることができる。
【００４８】
さらに、前記の変数ｍおよび変数ｎの数を大きくする、換言すると投影マスクに設けられる第１光透過パターン領域および第２光透過パターン領域の個数を増やすことによって、照射対象物をより均一に結晶化させることができるとともに、比較的大きな結晶粒を形成することができる。このように比較的大きな結晶粒を形成し、照射対象物の電子移動度を比較的高くすることによって、たとえば照射対象物に複数のＴＦＴ素子を形成する場合、各ＴＦＴ素子の電気的特性、具体的にはスイッチング特性を格段に向上することができる。
【００４９】
また本発明によれば、第１および第２光透過パターンは、各延び方向の両端部が、投影マスクの厚み方向に見て先細状に形成される。したがって長方形状などのように先細状に形成されていない光透過パターンとは異なり、第１および第２光透過パターンの形状の光が照射された照射対象物の照射領域で、延び方向および照射対象物の厚み方向に垂直な方向の両端部から成長する結晶が衝突してできる突起部が、前記照射領域の延び方向の両端部にまで形成される。これによって第１および第２光透過パターンの各延び方向の両端部が先細状に形成されていない場合に比べて、照射対象物をより均一に結晶化することができる。
【００５０】
したがって照射対象物に、たとえば複数のＴＦＴ素子を形成する場合、照射対象物に対する一方のＴＦＴ素子の形成方向と他方のＴＦＴ素子の形成方向とが異なるときでも、各ＴＦＴ素子の電気的特性、具体的にはスイッチング特性を確実に同一にすることができる。換言すれば、複数のＴＦＴ素子のスイッチング特性を確実に均一にすることができる。
【００５１】
また本発明によれば、レーザ光が、照射対象物を結晶化させるべき第１方向に延びるように照射対象物に照射される第１照射領域を形成し、レーザ光が第１方向に直交する第２方向に延びるように照射対象物に照射される第２照射領域を形成する。結晶化工程では、第１および第２照射領域を、第１照射領域、第２照射領域、第２照射領域および第１照射領域の順に並べて、非晶質材料を結晶化する。これによってレーザ光の最終照射によって結晶化された照射対象物において、レーザ光が第１方向に延びるように照射されて結晶化された部分の面積と、レーザ光が第２方向に延びるように照射されて結晶化された部分の面積とを同等にすることができる。したがって、照射対象物である非晶質材料を均一に結晶化させることができる。
【００５２】
このように均一に結晶化された非晶質材料から成る層（以下、「非晶質材料層」と称する場合がある）に、たとえば複数の薄膜トランジスタ素子（略称：ＴＦＴ素子）を形成する場合、非晶質材料層に対する一方のＴＦＴ素子の形成方向と他方のＴＦＴ素子の形成方向とが異なるときでも、各ＴＦＴ素子の電気的特性、具体的にはスイッチング特性を同一にすることができる。換言すれば、各ＴＦＴ素子のスイッチング特性を均一にすることができる。
【００５３】
また本発明によれば、移動工程において、照射対象物を、レーザ光を発する光源に対して相対移動させることによって、照射対象物の所望の領域にレーザ光を照射させることができ、所望する形状になるように結晶化させることができる。
【００５４】
また本発明によれば、繰返し工程において、非晶質材料から成る層に、非晶質材料を結晶化させるべき互いに直交する第１および第２方向に、レーザ光を照射して前記非晶質材料を結晶化する結晶化工程と、非晶質材料を、レーザ光を発する光源に対して相対移動させる移動工程とを繰返すことによって、照射対象物の所望の領域に所望の大きさの結晶粒を確実に形成することができる。
【００５５】
また本発明によれば、結晶化工程の第１照射段階において、一の発振波長のレーザ光を照射対象物に照射し、結晶化工程の第２照射段階において、前記一の発振波長とは異なる他の発振波長のレーザ光を照射対象物に照射する。前述のように第１照射段階で一の発振波長のレーザ光が照射され、溶融状態である照射対象物に対して、他の発振波長のレーザ光を照射するので、溶融状態の照射対象物の冷却速度を低下させることができる。
【００５６】
これによって照射対象物を結晶化するにあたり、比較的大きな結晶粒に成長させることができる。比較的大きな結晶粒に成長させることによって、照射対象物の電子移動度を比較的高くすることができ、電子移動度の比較的高い照射対象物に薄膜トランジスタ（略称：ＴＦＴ素子）を形成することによって、ＴＦＴ素子の電気的特性、具体的にはスイッチング特性を向上することができる。
【００５７】
また本発明によれば、照射領域形成手段によって、レーザ光が、照射対象物を結晶化させるべき第１方向に延びるように照射対象物に照射される第１照射領域が形成され、レーザ光が第１方向に直交する第２方向に延びるように照射対象物に照射される第２照射領域が形成される。第１および第２照射領域は、第１照射領域、第２照射領域、第２照射領域および第１照射領域の順に、配設手段によって並べて配設される。これによってレーザ光の最終照射によって結晶化された照射対象物の第１照射領域および第２照射領域において、レーザ光が第１方向に延びるように照射されて結晶化された部分の面積と、レーザ光が第２方向に延びるように照射されて結晶化された部分の面積とを同等にすることができる。したがって、照射対象物である非晶質材料を均一に結晶化させることができる。
【００５８】
また、照射領域形成手段によって第１および第２照射領域を形成し、配設手段によって第１および第２照射領域を前述のように配設することによって、投影マスクを用いることなく照射対象物である非晶質材料を均一に結晶化させることができる。したがってレーザ加工装置の部品点数を削減することができる。これによってレーザ加工装置の構造を簡単化して小型化を図ることができるとともに、レーザ加工装置の製造コストの低減化を図ることができる。
【００５９】
また本発明によれば、投影マスクには、光源から発せられるレーザ光を透過する光透過パターンであって、予め定める第１方向またはこの第１方向に直交する第２方向に延びる光透過パターンが形成される。投影マスクは、回動駆動手段によって、照射対象物に対して相対的に回動駆動される。また前記投影マスクは、直線駆動手段によって、照射対象物に対して第１または第２方向に相対的に直線駆動される。回動駆動手段および直線駆動手段は、制御手段によって同期駆動され、投影マスクの光透過パターンが順次、第１方向、第２方向、第２方向および第１方向となるように段階的に制御される。
【００６０】
したがって、第１方向または第２方向に延びる光透過パターンが形成される投影マスクを用いて照射対象物を結晶化させる場合でも、回動駆動手段および直線駆動手段によって、前記投影マスクを照射対象物に対して相対的に回動駆動および直線駆動させることができる。これによって光源から発せられる光は、回動駆動手段による回動駆動によって延び方向が第１方向および第２方向のいずれかの方向に変化する光透過パターンを透過させることができる。したがって、第１および第２方向に延びる各光透過パターンの形状のレーザ光を照射対象物に対して照射することができる。
【００６１】
これによって第１方向または第２方向に延びる光透過パターンが形成される投影マスクを用いた場合でも、第１方向および第２方向に延びる光透過パターンがそれぞれ形成される投影マスクを用いる場合と同様に、レーザ光の最終照射によって結晶化された照射対象物において、レーザ光が第１方向に延びるように照射されて結晶化された部分の面積と、レーザ光が第２方向に延びるように照射されて結晶化された部分の面積とを同等にすることができる。したがって、照射対象物である非晶質材料を均一に結晶化させることができる。
【００６２】
このように均一に結晶化された非晶質材料から成る層（以下、「非晶質材料層」と称する場合がある）に、たとえば複数の薄膜トランジスタ素子（略称：ＴＦＴ素子）を形成する場合、非晶質材料層に対する一方のＴＦＴ素子の形成方向と他方のＴＦＴ素子の形成方向とが異なるときでも、各ＴＦＴ素子の電気的特性、具体的にはスイッチング特性を同一にすることができる。換言すれば、各ＴＦＴ素子のスイッチング特性を均一にすることができる。
【００６３】
また本発明によれば、レーザ加工装置を用いて、照射対象物にレーザ光を照射することによって照射対象物を均一に結晶化し、その均一に結晶化した照射対象物に薄膜トランジスタ素子（略称：ＴＦＴ素子）が形成される。したがって均一に結晶化された照射対象物に複数のＴＦＴ素子を形成する場合、照射対象物に対する一方のＴＦＴ素子の形成方向と他方のＴＦＴ素子の形成方向とが異なるときでも、各ＴＦＴ素子の電気的特性、具体的にはスイッチング特性を同一にすることができる。換言すれば、各ＴＦＴ素子のスイッチング特性を均一にすることができる。前述のように照射対象物に対するＴＦＴ素子の形成方向に依らず、ＴＦＴ素子のスイッチング特性を均一にすることができるので、ＴＦＴ素子を用いた表示装置などの設計の自由度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６４】
以下に、本発明を実施するための複数の形態について説明する。以下の説明において、先行して説明している事項に対応する部分については同一の参照符を付し、重複する説明を省略する場合がある。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している部分と同様とする。
【００６５】
図１は、本発明の第１の実施の形態であるレーザ加工装置２０の構成を示す図である。図２は、半導体素子２７の構成を示す断面図である。図３は、投影マスク２５を示す平面図である。本発明の第１の実施の形態であるレーザ加工方法は、レーザ加工装置２０によって実施される。レーザ加工装置２０は、光源２１、可変減衰器２２、ミラー、可変焦点視野レンズ２４、投影マスク２５、結像レンズ２６、ステージ２８および制御部２９を含んで構成される。光源２１は、パルス状のレーザ光を発することが可能であり、たとえば波長が３０８ｎｍの塩化キセノン（ＸｅＣｌ）を用いたエキシマレーザ発振器によって実現される。本実施の形態では、エキシマレーザ発振器から、パルス幅が３０ｎｓであるレーザ光が発せられる。光源とエキシマレーザ発振器とは実質的に同一であるので、以下の説明では「光源２１」を「エキシマレーザ発振器２１」と称する場合がある。
【００６６】
可変減衰器２２は、光源２１から発せられたレーザ光３１の透過率を設定可能に構成される。可変減衰器２２で透過率を変えることによって、光源２１から発せられたレーザ光３１の照度を調整することができる。ミラー２３は、光源２１から発せられたレーザ光３１を反射してその方向を変化させる。可変焦点視野レンズ２４は、光源２１から発せられて入射したレーザ光３１を集光して焦点を調整するレンズである。投影マスク２５には、照射対象物を結晶化させるための光を透過する光透過パターンが形成される。可変焦点視野レンズ２４を透過したレーザ光は、投影マスク２５に形成される所定の光透過パターンを透過する。結像レンズ２６は、投影マスク２５を透過したレーザ光を後述する半導体素子２７の厚み方向一表面部に結像させる。ステージ２８は、予め定める第１移動方向（図１では紙面の左右方向）Ｘと、第１移動方向Ｘおよびステージ２８の厚み方向にそれぞれ垂直な方向である第２移動方向（図１では紙面に垂直な方向）Ｙとにそれぞれ移動可能に構成される。ステージ２８上には、照射対象物である半導体素子２７が載置される。
【００６７】
制御部２９は、中央演算処理装置（Central Processing Unit；略称：ＣＰＵ）を備えるマイクロコンピュータなどによって実現される処理回路である。制御部２９には、光源２１およびステージ２８が電気的に接続されている。制御部２９は、光源２１の出力を制御、具体的には光源２１から発せられるレーザ光３１の発振パルス時間および周期を制御するとともに、ステージ２８の第１移動方向Ｘおよび第２移動方向Ｙへの駆動制御、具体的にはステージ２８上に載置される半導体素子２７の位置を制御する。レーザ光の発振パルス時間および周期の制御は、制御部２９が、たとえば半導体素子２７の結晶化処理条件毎に予め定められる発振パルス時間および周期を関連情報として対応表を生成し、その対応表が記憶される記憶部を制御部２９に設け、記憶部から読出した前記対応表の関連情報に基づく制御信号を光源２１に与えることによって実現される。ステージ２８の駆動制御は、予め制御部２９に与えられる情報に基づいて数値制御（Numerical Control；略称：ＮＣ）を行うように構成してもよいし、半導体素子２７の位置を検出する位置センサを設け、位置センサからの検出出力に応答して制御を行うように構成してもよい。
【００６８】
制御部２９からの制御信号に従って光源２１から発せられるレーザ光３１は、図１に示すように、可変減衰器２２、可変焦点視野レンズ２４、投影マスク２５を経由し、結像レンズ２６によって半導体素子２７の厚み方向一表面部に照射される。
【００６９】
半導体素子２７は、図２に示すように、光透過性を有する透明基板３５、下地膜３６および半導体膜３７を含み、透明基板３５上に下地膜３６および半導体膜３７が順次積層されて構成される。下地膜３６として用いられる材料は、二酸化珪素（ＳｉＯ２）、酸化窒化珪素（ＳｉＯＮ）、窒化珪素（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの誘電体材料である。下地膜３６は、蒸着、イオンプレーティング、またはスパッタリングなどによって透明基板３５上に積層される。下地膜３６上には、半導体膜３７であるアモルファスシリコン膜が積層される。半導体膜３７は、プラズマエンハンスド化学気相堆積（Plasma
Enhanced Chemical Vapor Deposition；略称：ＰＥＣＶＤ）、蒸着またはスパッタリングなどによって下地膜３６上に積層される。この時点で、半導体膜３７は、アモルファス（非晶質）の状態である。本実施の形態では、下地膜３６の膜厚は１００ｎｍであり、半導体膜３７の膜厚は５０ｎｍである。
【００７０】
投影マスク２５は、たとえば合成石英基板（以下、単に「基板」と称する場合がある）にクロム薄膜をパターニングすることによって形成される。投影マスク２５には、基板の厚み方向に貫通し、照射対象物である半導体素子２７の半導体膜３７を結晶化させるための光を透過する複数の第１光透過パターン２５ａおよび第２光透過パターン２５ｂが形成されている。投影マスク２５の第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂ以外の部分は、光を透過しない非透過部２５ｃである。本実施の形態の投影マスク２５は、図３に示すように、その厚み方向に垂直な仮想平面に投影した形状が長方形状である。
【００７１】
投影マスク２５は、第１領域、第２領域、第３領域および第４領域の４つの領域に分割されている。換言すると投影マスク２５は、第１領域に対応する第１ブロックＢＡ、第２領域に対応する第２ブロックＢＢ、第３領域に対応する第３ブロックＢＣおよび第４領域に対応する第４ブロックＢＤを含む。以下の説明では、第１領域を第１ブロックＢＡ、第２領域を第２ブロックＢＢ、第３領域を第３ブロックＢＣおよび第４領域を第４ブロックＢＤと称する場合がある。第１〜第４ブロックＢＡ〜ＢＤは、投影マスク２５の厚み方向に垂直な仮想平面に投影した形状が、投影マスク２５の短手方向に延びる長方形状である。第１ブロックＢＡ、第２ブロックＢＢ、第３ブロックＢＣおよび第４ブロックＢＤは、この順で投影マスク２５の長手方向に一列に並んで設けられる。
【００７２】
第１ブロックＢＡおよび第４ブロックＢＤには、複数の第１光透過パターン２５ａが形成されている。図３には、理解を容易にするために、第１および第４ブロックＢＡ，ＢＤに形成される３つの第１光透過パターン２５ａを示している。第１光透過パターン２５ａは、投影マスク２５の長手方向に沿って延びる第１軸線と、投影マスク２５の短手方向に沿って延びる第２軸線とを含む平面内において、予め定める第１方向、本実施の形態では第２軸線方向に延びている。複数の第１光透過パターン２５ａは、投影マスク２５の長手方向に間隔をあけて形成されている。本実施の形態において、第１ブロックＢＡの第１光透過パターン２５ａは、第４ブロックＢＤの非透過部２５ｃに対応する位置に形成され、第４ブロックＢＤの第１光透過パターン２５ａは、第１ブロックＢＡの非透過部２５ｃに対応する位置に形成されている。
【００７３】
第３ブロックＢＣおよび第４ブロックＢＤには、複数の第２光透過パターン２５ｂが形成されている。図３には、理解を容易にするために、第２および第３ブロックＢＢ，ＢＣに形成される３つの第２光透過パターン２５ｂを示している。複数の第２光透過パターン２５ｂは、前記第１および第２軸線を含む平面内において、予め定める第２方向、本実施の形態では第１軸線方向に延びている。複数の第２光透過パターン２５ｂは、投影マスク２５の短手方向に間隔をあけて形成されている。本実施の形態において、第２ブロックＢＢの第２光透過パターン２５ｂは、第３ブロックＢＣの非透過部２５ｃに対応する位置に形成され、第３ブロックＢＣの第２光透過パターン２５ｂは、第２ブロックＢＢの非透過部２５ｃに対応する位置に形成されている。
【００７４】
本実施の形態の第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂは、投影マスク２５の厚み方向に見て六角形状であり、第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂの各延び方向の両端部は、投影マスク２５の厚み方向に見て先細状に形成されている。
【００７５】
次にレーザ加工装置２０によって、ステージ２８に載置される半導体素子２７の半導体膜３７を結晶化する工程について、図１〜図３を参照して説明する。半導体素子２７の下地膜３６上の半導体膜３７の延設方向、図２では矢符Ｅで示す方向に沿って結晶領域を形成するにあたり、まず結晶化工程において、半導体膜３７の矢符Ｆで示す領域（以下「領域Ｆ」と称する場合がある）以外の領域をマスキングし、エキシマレーザ発振器２１から発せられるレーザ光３１を半導体膜３７の領域Ｆに照射することによって半導体膜３７に熱を誘導する。
【００７６】
換言すると、第１照射領域を形成する工程において、レーザ光３１が、半導体膜３７を結晶化させるべき第１方向に延びるように半導体膜３７に照射される第１照射領域を形成する。また第２照射領域を形成する工程において、レーザ光３１が、半導体膜３７を結晶化させるべき第１方向に直交する第２方向に延びるように半導体膜３７に照射される第２照射領域を形成する。第１および第２照射領域は、前記領域Ｆに相当する。
【００７７】
このように半導体膜３７の領域Ｆにレーザ光３１を照射し、半導体膜３７に熱を誘導することによって、半導体膜３７に照射されたレーザ光３１のエネルギが熱エネルギに変換されて、半導体膜３７の領域Ｆに熱を誘導することができるとともに、半導体膜３７をその厚み方向にわたって溶融することができる。領域Ｆが溶融されている半導体膜３７を冷却することによって凝固させて結晶化する。さらに述べると、結晶化工程では、前記第１および第２照射領域を、第１照射領域、第２照射領域、第２照射領域および第１照射領域の順に並べて、半導体膜３７を結晶化する。
【００７８】
そして移動工程において、制御部２９がステージ２８を駆動制御することによって、ステージ２８を第１移動方向Ｘ一方に所定の距離寸法だけ移動させる。ステージ２８を移動させることによって、ステージ２８上に載置される半導体素子２７を、第１移動方向Ｘ一方に所定の距離寸法だけ移動させることができる。これによって、投影マスク２５に形成される複数の第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂを透過したレーザ光３１が半導体素子２７の半導体膜３７の厚み方向一表面部に照射される新たな領域は、第１移動方向Ｘ一方に所定の距離寸法だけ移動した領域となる。前記新たな領域は、移動前の領域と一部分が重複している。ステージ２８を第１移動方向Ｘ一方に移動させるときの前記所定の距離寸法は、投影マスク２５の第１〜第４ブロックＢＡ〜ＢＤの短手方向寸法Ｗである。
【００７９】
図４は、半導体膜３７に形成される結晶４２の状態の一部を拡大して示す平面図である。以下の実施の形態では、ステージ２８に載置される半導体素子２７の半導体膜３７の長手方向の参照符号として、ステージ２８の第１移動方向と同一の参照符号「Ｘ」を付し、半導体膜３７の短手方向の参照符号として、ステージ２８の第２移動方向と同一の参照符号「Ｙ」を付して説明する。
【００８０】
本実施の形態では、繰返し工程において、結晶化工程と移動工程とを交互に行うことによって、照射対象物である半導体膜３７を結晶化する。具体的に述べると、繰返し工程では、光源２１から発せられ、投影マスク２５の第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂを透過したレーザ光３１を半導体膜３７に対して照射し、半導体膜３７の前記レーザ光３１が照射された領域を結晶化する結晶化工程と、ステージ２８を第１移動方向Ｘ一方に、前記第１〜第４ブロックＢＡ〜ＢＤの短手方向寸法Ｗに相当する距離寸法だけ移動させる移動工程とを交互に行う。本実施の形態では、結晶化工程を４回行い、移動工程を３回行う。
【００８１】
このような繰返し工程を行うことによって、図４に示すように半導体膜３７には、第１光透過パターン２５ａを透過したレーザ光が照射されて結晶化された領域（以下、「第１結晶化領域」と称する場合がある）４１ａと、第２光透過パターン２５ｂを透過したレーザ光が照射されて結晶化された領域（以下、「第２結晶化領域」と称する場合がある）４１ｂとが隣接する結晶化領域４１が形成される。
【００８２】
第１結晶化領域４１ａは、光源２１から発せられるレーザ光３１の最終照射によって、第３ブロックＢＣに形成される第２光透過パターン２５ｂを透過したレーザ光３１が照射されて半導体膜３７に形成される結晶化領域である。第１結晶化領域４１ａでは、第２光透過パターン２５ｂの形状のレーザ光が照射された領域のうち、半導体膜３７の短手方向Ｙ両端部から短手方向Ｙ中央部に向かうようにして段階的に結晶４２が成長する。そして短手方向Ｙ一方側から成長した結晶４２と短手方向Ｙ他方側から成長した結晶４２とが衝突して、半導体膜３７の厚み方向一方に突出する最終突起部４３ａが形成される。レーザ光の最終照射によって第１結晶化領域４１ａに形成される最終突起部４３ａは、半導体膜３７の長手方向Ｘに平行に形成される。
【００８３】
第２結晶化領域４１ｂは、光源２１から発せられるレーザ光３１の最終照射によって、第４ブロックＢＤに形成される第１光透過パターン２５ａを透過したレーザ光３１が照射されて半導体膜３７に形成される結晶化領域である。第２結晶化領域４１ｂでは、第１光透過パターン２５ａの形状のレーザ光が照射された領域のうち、半導体膜３７の長手方向Ｘ両端部から長手方向Ｘ中央部に向かうようにして段階的に結晶４２が成長する。そして長手方向Ｘ一方側から成長した結晶４２と長手方向Ｘ他方側から成長した結晶４２とが衝突して、半導体膜３７の厚み方向一方に突出する最終突起部４３ｂが形成される。レーザ光の最終照射によって第２結晶化領域４１ｂに形成される最終突起部４３ｂは、半導体膜３７の短手方向Ｙに平行に形成される。最終突起部４３ａ，４３ｂは、後述する突起部４５ａ，４５ｂと区別するために、図４において実線で示している。
【００８４】
最終照射される前段階でレーザ光が照射された半導体膜３７には、レーザ光が照射された部分の長手方向Ｘ一方側から成長した結晶４２と長手方向Ｘ他方側から成長した結晶４２とが衝突して、半導体膜３７の厚み方向一方に突出する突起部４５ａが形成される。この突起部４５ａは、図４の第１結晶化領域４１ａに破線で示している。最終照射される前段階でレーザ光が照射された半導体膜３７には、レーザ光が照射された部分の短手方向Ｙ一方側から成長した結晶４２と短手方向Ｙ他方側から成長した結晶４２とが衝突して、半導体膜３７の厚み方向一方に突出する突起部４５ｂが形成される。この突起部４５ｂは、図４の第２結晶化領域４１ｂに破線で示している。また図４では、前記繰返し工程によって成長した複数の結晶同士の境界部分４６を示している。
【００８５】
半導体膜３７において、レーザ光の最終照射によって形成される最終突起部４３ａ，４３ｂ、最終照射の前段階におけるレーザ光の照射によって形成される突起部４５ａ，４５ｂ、および結晶４２同士の境界部分４６の厚み方向寸法は、それぞれ最終突起部４３ａ，４３ｂ、突起部４５ａ，４５ｂおよび境界部分４６の順に小さくなっている。
【００８６】
次に、従来の技術の投影マスク６を用いて繰返し工程を行うことによって半導体膜１７に形成される結晶４２の状態と、本発明の投影マスク２５を用いて繰返し工程を行うことによって半導体膜３７に形成される結晶４２の状態とについてそれぞれ説明する。
【００８７】
図５は、投影マスク６を模式的に示す平面図である。投影マスク６は、第１ブロックＢＡ、第２ブロックＢＢ、第３ブロックＢＣおよび第４ブロックＢＤの４つの領域が、この順に並んで設けられる。第２および第４ブロックＢＢ，ＢＤには、複数の第１光透過パターン６ａが形成されている。複数の第１光透過パターン６ａは、投影マスク６の長手方向に沿って延びる第１軸線と、投影マスク６の短手方向に沿って延びる第２軸線とを含む平面内において、予め定める方向、具体的には第１軸線方向に延びている。複数の第１光透過パターン６ａは、投影マスク６の長手方向に間隔をあけて形成されている。第２ブロックＢＢの第１光透過パターン６ａは、第４ブロックＢＤの非透過部６ｃに対応する位置に形成され、第４ブロックＢＤの第１光透過パターン６ａは、第２ブロックＢＢの非透過部６ｃに対応する位置に形成されている。
【００８８】
第１および第３ブロックＢＡ，ＢＣには、複数の第２光透過パターン６ｂが形成されている。複数の第２光透過パターン６ｂは、前記第１軸線および第２軸線を含む平面内において、予め定める方向、具体的には第２軸線方向に延びている。複数の第２光透過パターン６ｂは、投影マスク６の短手方向に間隔をあけて形成されている。第１ブロックＢＡの第２光透過パターン６ｂは、第３ブロックＢＣの非透過部６ｃに対応する位置に形成され、第３ブロックＢＣの第２光透過パターン６ｂは、第１ブロックＢＡの非透過部６ｃに対応する位置に形成されている。
【００８９】
次に、図５に示す投影マスク６を用いて繰返し工程を行うことによって形成される結晶４２の成長過程について説明する。ここでは、繰返し工程において、４回の結晶化工程および３回の移動工程を行う場合について説明する。
【００９０】
図６は、図５に示す投影マスク６を用いて半導体膜１７を結晶化させるときの結晶４２の成長過程を段階的に示す図である。図６（１）は、第１回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。図６（２）は、第１回目の移動工程によってステージ９を予め定める方向に移動した後、第２回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。図６（３）は、第２回目の移動工程によってステージ９を予め定める方向に移動した後、第３回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。図６（４）は、第３回目の移動工程によってステージ９を予め定める方向に移動した後、第４回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。図７は、図６（４）のセクションＩＩを拡大した平面図である。
【００９１】
まず第１回目の結晶化工程において、光源２から発せられ、投影マスク６の第１ブロックＢＡの第２光透過パターン６ｂを透過したレーザ光１２を、ステージ９上に載置される半導体素子８の半導体膜１７に照射すると、半導体膜１７の前記レーザ光１２が照射された領域は結晶化されて、図６（１）に示すように結晶４２が形成される。そして、第１回目の移動工程において、ステージ９を、予め定める方向一方に、投影マスク６の第１〜第４ブロックＢＡ〜ＢＤの短手方向寸法に相当する距離寸法だけ移動させる。
【００９２】
次に第２回目の結晶化工程において、第１回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体膜１７に対して、光源２から発せられ、投影マスク６の第２ブロックＢＢの第１光透過パターン６ａを透過したレーザ光１２を照射する。これによって、前記第１回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体膜１７のうち、前記レーザ光１２が照射された領域は結晶化されて、図６（２）に示すように、第１回目の結晶化工程によって形成された結晶４２の一部に重畳して新たな結晶４２が形成される。そして、第２回目の移動工程において、ステージ９を、予め定める方向一方に、投影マスク６の第１〜第４ブロックＢＡ〜ＢＤの短手方向寸法に相当する距離寸法だけ移動させる。
【００９３】
次に第３回目の結晶化工程において、第１回目および第２回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体膜１７に対して、光源２から発せられ、投影マスク６の第３ブロックＢＣの第２光透過パターン６ｂを透過したレーザ光１２を照射する。これによって、前記第１回目および第２回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体膜１７のうち、前記レーザ光１２が照射された領域は結晶化されて、図６（３）に示すように、第１回目および第２回目の結晶化工程によって形成された結晶４２の一部に重畳して新たな結晶４２が形成される。そして、第３回目の移動工程において、ステージ９を、予め定める方向一方に、投影マスク６の第１〜第４ブロックＢＡ〜ＢＤの短手方向寸法に相当する距離寸法だけ移動させる。
【００９４】
次に第４回目の結晶化工程において、第１〜第３回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体膜１７に対して、光源２から発せられ、投影マスク６の第４ブロックＢＤの第１光透過パターン６ａを透過したレーザ光１２を照射する。これによって、前記第１〜第３回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体膜１７のうち、前記レーザ光１２が照射された領域は結晶化されて、図６（４）に示すように、第１〜第３回目の結晶化工程によって形成された結晶４２の一部に重畳して新たな結晶４２が形成される。
【００９５】
前述のように、図５に示す投影マスク６を用いて４回の結晶化工程、および３回の移動工程を行うことによって、図７に示すように、半導体膜１７には、第１光透過パターン６ａを透過したレーザ光１２が照射されて結晶化された第１結晶化領域４１ａと、第２光透過パターン６ｂを透過したレーザ光１２が照射されて結晶化された第２結晶化領域４１ｂとを含む結晶化領域４１が形成される。
【００９６】
半導体膜１７に形成される複数の最終突起部４３ａ，４３ｂおよび突起部４５ａ，４５ｂによって包囲される領域（以下、「包囲領域」と称する場合がある）４７に含まれる第１結晶化領域４１ａの面積と、前記包囲領域４７に含まれる第２結晶化領域４１ｂの面積との比率は、２５対７５となる。したがって第１結晶化領域４１ａの面積と、第２結晶化領域４１ｂの面積とが同等にならない。したがって図５に示すような投影マスク６を用いて、半導体膜１７を結晶化させた場合には、半導体膜１７を均一に結晶化させることができない。
【００９７】
図８は、投影マスク６Ａを模式的に示す平面図である。図８に示す投影マスク６Ａの第１および第２ブロックＢＡ，ＢＢには、複数の第２光透過パターン６ｂが形成されている。複数の第２光透過パターン６ｂは、前記第１軸線および第２軸線を含む平面内において、予め定める第１方向、具体的には第２軸線方向に延びている。複数の第２光透過パターン６ｂは、投影マスク６Ａの短手方向に間隔をあけて形成されている。第１ブロックＢＡの第２光透過パターン６ｂは、第２ブロックＢＢの非透過部６ｃに対応する位置に形成され、第２ブロックＢＢの第２光透過パターン６ｂは、第１ブロックＢＡの非透過部６ｃに対応する位置に形成されている。
【００９８】
図８に示す投影マスク６Ａの第３および第４ブロックＢＣ，ＢＤには、複数の第１光透過パターン６ａが形成されている。複数の第１光透過パターン６ａは、前記第１軸線および第２軸線を含む平面内において、予め定める第２方向、具体的には第１軸線方向に延びている。複数の第１光透過パターン６ａは、投影マスク６Ａの長手方向に間隔をあけて形成されている。第３ブロックＢＣの第１光透過パターン６ａは、第４ブロックＢＤの非透過部６ｃに対応する位置に形成され、第４ブロックＢＤの第１光透過パターン６ａは、第３ブロックＢＣの非透過部６ｃに対応する位置に形成されている。
【００９９】
図９は、図８に示す投影マスク６Ａを用いて繰返し工程を行うことによって、半導体膜１７に形成される結晶４２の状態を示す平面図である。図８に示す投影マスク６Ａを用いて４回の結晶化工程、および３回の移動工程を行うことによって、図９に示すように、半導体膜１７には、第２光透過パターン６ｂを透過したレーザ光が照射されて結晶化された第２結晶化領域４１ｂが形成される。
【０１００】
半導体膜１７に形成される複数の最終突起部４３ｂおよび突起部４５ｂで包囲される包囲領域４７に含まれる第１結晶化領域４１ａの面積と、前記包囲領域４７に含まれる第２結晶化領域４１ｂの面積との比率は、０対１００となる。したがって第１結晶化領域４１ａの面積と、第２結晶化領域４１ｂの面積とが同等にならない。したがって図８に示すような投影マスク６Ａを用いて、半導体膜１７を結晶化させた場合には、半導体膜１７を均一に結晶化させることができない。そこで本発明では、以下に述べる投影マスク２５を用いて結晶化工程および移動工程を行うことによって、半導体膜３７を均一に結晶化させるようにしている。
【０１０１】
図１０は、投影マスク２５を模式的に示す平面図である。図１０に示す投影マスク２５は、第１および第４ブロックＢＡ，ＢＤに、複数の第１光透過パターン２５ａが形成され、第２および第３ブロックＢＢ，ＢＣに、複数の第２光透過パターン２５ｂが形成されている。投影マスク２５の第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂ以外の部分は、光を透過しない非透過部２５ｃである。図１０には、理解を容易にするために、第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂを長方形状に示している。
【０１０２】
次に、図１０に示す投影マスク２５を用いて繰返し工程を行うことによって形成される結晶４２の成長過程について説明する。本実施の形態では、繰返し工程において、４回の結晶化工程および３回の移動工程を行う場合について説明する。
【０１０３】
図１１は、図１０に示す投影マスク２５を用いて半導体膜３７を結晶化させるときの結晶４２の成長過程を段階的に示す図である。図１１（１）は、第１回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。図１１（２）は、第１回目の移動工程によってステージ２８を予め定める第１移動方向Ｘに移動した後、第２回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。図１１（３）は、第２回目の移動工程によってステージ２８を第１移動方向Ｘに移動した後、第３回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。図１１（４）は、第３回目の移動工程によってステージ２８を第１移動方向Ｘに移動した後、第４回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。図１２は、図１１（４）のセクションＩＶを拡大した平面図である。
【０１０４】
まず第１回目の結晶化工程において、光源２１から発せられ、投影マスク２５の第１ブロックＢＡの第１光透過パターン２５ａを透過したレーザ光３１を、ステージ２８上に載置される半導体素子２７の半導体膜３７に照射すると、半導体膜３７の前記レーザ光３１が照射された領域は結晶化されて、図１１（１）に示すように結晶４２が形成される。そして、第１回目の移動工程において、ステージ２８を、予め定める第１移動方向Ｘ一方に、投影マスク２５の第１〜第４ブロックＢＡ〜ＢＤの短手方向寸法に相当する距離寸法だけ移動させる。
【０１０５】
次に第２回目の結晶化工程において、第１回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体膜３７に対して、光源２１から発せられ、投影マスク２５の第２ブロックＢＢの第２光透過パターン２５ｂを透過したレーザ光３１を照射する。これによって、前記第１回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体膜３７のうち、前記レーザ光３１が照射された領域は結晶化されて、図１１（２）に示すように、第１回目の結晶化工程によって形成された結晶４２の一部に重畳して新たな結晶４２が形成される。そして、第２回目の移動工程において、ステージ２８を、第１移動方向Ｘ一方に、投影マスク２５の第１〜第４ブロックＢＡ〜ＢＤの短手方向寸法に相当する距離寸法だけ移動させる。
【０１０６】
次に第３回目の結晶化工程において、第１回目および第２回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体膜３７に対して、光源２１から発せられ、投影マスク２５の第３ブロックＢＣの第２光透過パターン２５ｂを透過したレーザ光３１を照射する。これによって、前記第１回目および第２回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体膜３７のうち、前記レーザ光３１が照射された領域は結晶化されて、図１１（３）に示すように、第１回目および第２回目の結晶化工程によって形成された結晶４２の一部に重畳して新たな結晶４２が形成される。そして、第３回目の移動工程において、ステージ２８を、第１移動方向Ｘ一方に、投影マスク２５の第１〜第４ブロックＢＡ〜ＢＤの短手方向寸法に相当する距離寸法だけ移動させる。
【０１０７】
次に第４回目の結晶化工程において、第１〜第３回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体膜３７に対して、光源２１から発せられ、投影マスク２５の第４ブロックＢＤの第１光透過パターン２５ａを透過したレーザ光３１を照射する。これによって、前記第１〜第３回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体膜３７のうち、前記レーザ光３１が照射された領域は結晶化されて、図１１（４）に示すように、第１〜第３回目の結晶化工程によって形成された結晶４２の一部に重畳して新たな結晶４２が形成される。
【０１０８】
前述のように、図１０に示す投影マスク２５を用いて４回の結晶化工程、および３回の移動工程を行うことによって、図１２に示すように、半導体膜３７には、第１光透過パターン２５ａを透過したレーザ光３１が照射されて結晶化された第１結晶化領域４１ａと、第２光透過パターン２５ｂを透過したレーザ光３１が照射されて結晶化された第２結晶化領域４１ｂとを含む結晶化領域４１が形成される。
【０１０９】
第１結晶化領域４１ａでは、第２光透過パターン２５ｂの形状のレーザ光が照射された領域のうち、半導体膜３７の短手方向Ｙ両端部から短手方向Ｙ中央部に向かうようにして段階的に結晶４２が成長する。そして短手方向Ｙ一方側から成長した結晶４２と短手方向Ｙ他方側から成長した結晶４２とが衝突して、半導体膜３７の厚み方向一方に突出する最終突起部４３ａが形成される。レーザ光の最終照射によって第１結晶化領域４１ａに形成される最終突起部４３ａは、半導体膜３７の長手方向Ｘに平行に形成される。
【０１１０】
第２結晶化領域４１ｂでは、第１光透過パターン２５ａの形状のレーザ光が照射された領域のうち、半導体膜３７の長手方向Ｘ両端部から長手方向Ｘ中央部に向かうようにして段階的に結晶４２が成長する。そして長手方向Ｘ一方側から成長した結晶４２と長手方向Ｘ他方側から成長した結晶４２とが衝突して、半導体膜３７の厚み方向一方に突出する最終突起部４３ｂが形成される。レーザ光の最終照射によって第２結晶化領域４１ｂに形成される最終突起部４３ｂは、半導体膜３７の短手方向Ｙに平行に形成される。最終突起部４３ａ，４３ｂは、後述する突起部４５ａ，４５ｂと区別するために、図１２において実線で示している。
【０１１１】
最終照射される前段階でレーザ光が照射された半導体膜３７には、レーザ光が照射された部分の長手方向Ｘ一方側から成長した結晶４２と長手方向Ｘ他方側から成長した結晶４２とが衝突して、半導体膜３７の厚み方向一方に突出する突起部４５ａが形成される。この突起部４５ａは、図１２の第１結晶化領域４１ａに破線で示している。最終照射される前段階でレーザ光が照射された半導体膜３７には、レーザ光が照射された部分の短手方向Ｙ一方側から成長した結晶４２と短手方向Ｙ他方側から成長した結晶４２とが衝突して、半導体膜３７の厚み方向一方に突出する突起部４５ｂが形成される。この突起部４５ｂは、図１２の第２結晶化領域４１ｂに破線で示している。また図１２では、前記繰返し工程によって成長した複数の結晶同士の境界部分４６を示している。
【０１１２】
半導体膜３７において、レーザ光の最終照射によって形成される最終突起部４３ａ，４３ｂ、最終照射の前段階におけるレーザ光の照射によって形成される突起部４５ａ，４５ｂ、および結晶４２同士の境界部分４６の厚み方向寸法は、それぞれ最終突起部４３ａ，４３ｂ、突起部４５ａ，４５ｂおよび境界部分４６の順に小さくなっている。
【０１１３】
半導体膜３７に形成される複数の最終突起部４３ａ，４３ｂおよび突起部４５ａ，４５ｂによって包囲される包囲領域４７に含まれる第１結晶化領域４１ａの面積と、前記包囲領域４７に含まれる第２結晶化領域４１ｂの面積との比率は、図１２に示すように５０対５０となる。換言すると、第１結晶化領域４１ａの面積と、第２結晶化領域４１ｂの面積とが同等になる。したがって、図１０に示すような投影マスク２５を用いて繰返し工程を行うことによって、半導体膜３７を均一に結晶化させることができる。
【０１１４】
図１３は、投影マスク２５Ａを模式的に示す平面図である。投影マスク２５Ａは、投影マスク２５と同様に、その厚み方向に垂直な仮想平面に投影した形状が長方形状であり、第１ブロックＢＡ、第２ブロックＢＢ、第３ブロックＢＣおよび第４ブロックＢＤを含む。第１〜第４ブロックＢＡ〜ＢＤは、投影マスク２５Ａの厚み方向に垂直な仮想平面に投影した形状が、投影マスク２５Ａの短手方向に延びる長方形状である。第１ブロックＢＡ、第２ブロックＢＢ、第３ブロックＢＣおよび第４ブロックＢＤは、この順で投影マスク２５の長手方向に一列に並んで設けられる。
【０１１５】
投影マスク２５Ａの第２および第３ブロックＢＢ，ＢＣには、複数の第１光透過パターン２５ａが形成されている。複数の第１光透過パターン２５ａは、前記第１軸線および第２軸線を含む平面内において、予め定める第２方向、具体的には第１軸線方向に延びている。複数の第１光透過パターン２５ａは、投影マスク２５Ａの長手方向に間隔をあけて形成されている。第２ブロックＢＢの第１光透過パターン２５ａは、第３ブロックＢＣの非透過部２５ｃに対応する位置に形成され、第３ブロックＢＣの第１光透過パターン２５ａは、第２ブロックＢＢの非透過部２５ｃに対応する位置に形成されている。
【０１１６】
投影マスク２５Ａの第１および第４ブロックＢＡ，ＢＤには、複数の第２光透過パターン２５ｂが形成されている。複数の第２光透過パターン２５ｂは、前記第１軸線および第２軸線を含む平面内において、予め定める第１方向、具体的には第２軸線方向に延びている。複数の第２光透過パターン２５ｂは、投影マスク２５Ａの短手方向に間隔をあけて形成されている。第１ブロックＢＡの第２光透過パターン２５ｂは、第４ブロックＢＤの非透過部２５ｃに対応する位置に形成され、第４ブロックＢＤの第２光透過パターン２５ｂは、第１ブロックＢＡの非透過部２５ｃに対応する位置に形成されている。図１３には、理解を容易にするために、第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂを長方形状に示している。
【０１１７】
図１４は、図１３に示す投影マスク２５Ａを用いて繰返し工程を行うことによって、半導体膜３７に形成される結晶４２の状態を示す平面図である。投影マスク２５Ａを用いて４回の結晶化工程、および３回の移動工程を行うことによって、図１４に示すように、半導体膜３７には、第１光透過パターン２５ａを透過したレーザ光が照射されて結晶化された第１結晶化領域４１ａと、第２光透過パターン２５ｂを透過したレーザ光が照射されて結晶化された第２結晶化領域４１ｂとを含む結晶化領域４１が形成される。
【０１１８】
第１結晶化領域４１ａでは、第１光透過パターン２５ａの形状のレーザ光が照射された領域のうち、半導体膜３７の長手方向Ｘ両端部から長手方向Ｘ中央部に向かうようにして段階的に結晶４２が成長する。そして長手方向Ｘ一方側から成長した結晶４２と長手方向Ｘ他方側から成長した結晶４２とが衝突して、半導体膜３７の厚み方向一方に突出する最終突起部４３ａが形成される。レーザ光の最終照射によって第１結晶化領域４１ａに形成される最終突起部４３ａは、半導体膜３７の短手方向Ｙに平行に形成される。
【０１１９】
第２結晶化領域４１ｂでは、第２光透過パターン２５ｂの形状のレーザ光が照射された領域のうち、半導体膜３７の短手方向Ｙ両端部から短手方向Ｙ中央部に向かうようにして段階的に結晶４２が成長する。そして短手方向Ｙ一方側から成長した結晶４２と短手方向Ｙ他方側から成長した結晶４２とが衝突して、半導体膜３７の厚み方向一方に突出する最終突起部４３ｂが形成される。レーザ光の最終照射によって第２結晶化領域４１ｂに形成される最終突起部４３ｂは、半導体膜３７の長手方向Ｘに平行に形成される。最終突起部４３ａ，４３ｂは、後述する突起部４５ａ，４５ｂと区別するために、図１４において実線で示している。
【０１２０】
最終照射される前段階でレーザ光が照射された半導体膜３７には、レーザ光が照射された部分の短手方向Ｙ一方側から成長した結晶４２と短手方向Ｙ他方側から成長した結晶４２とが衝突して、半導体膜３７の厚み方向一方に突出する突起部４５ａが形成される。この突起部４５ａは、図１４の第１結晶化領域４１ａに破線で示している。最終照射される前段階でレーザ光が照射された半導体膜３７には、レーザ光が照射された部分の長手方向Ｘ一方側から成長した結晶４２と長手方向Ｘ他方側から成長した結晶４２とが衝突して、半導体膜３７の厚み方向一方に突出する突起部４５ｂが形成される。この突起部４５ｂは、図１４の第２結晶化領域４１ｂに破線で示している。また図１４では、前記繰返し工程によって成長した複数の結晶同士の境界部分４６を示している。
【０１２１】
半導体膜３７において、レーザ光の最終照射によって形成される最終突起部４３ａ，４３ｂ、最終照射の前段階におけるレーザ光の照射によって形成される突起部４５ａ，４５ｂ、および結晶４２同士の境界部分４６の厚み方向寸法は、それぞれ最終突起部４３ａ，４３ｂ、突起部４５ａ，４５ｂおよび境界部分４６の順に小さくなっている。
【０１２２】
半導体膜３７に形成される複数の最終突起部４３ａ，４３ｂおよび突起部４５ａ，４５ｂによって包囲される包囲領域４７に含まれる第１結晶化領域４１ａの面積と、前記包囲領域４７に含まれる第２結晶化領域４１ｂの面積との比率は、図１４に示すように５０対５０となる。換言すると、第１結晶化領域４１ａの面積と、第２結晶化領域４１ｂの面積とが同等になる。したがって、図１３に示すような投影マスク２５Ａを用いて繰返し工程を行うことによって、半導体膜３７を均一に結晶化させることができる。
【０１２３】
図１５は、結晶化された半導体膜３７およびその半導体膜３７に形成される薄膜トランジスタ素子５０を示す平面図である。図１６は、結晶化された半導体膜３７およびその半導体膜３７に形成される薄膜トランジスタ素子５０を示す平面図である。図１５および図１６には、理解を容易にするために半導体膜３７に形成される結晶化領域４１の一部を示している。本実施の形態では、ステージ２８に載置される半導体素子２７の半導体膜３７の長手方向の参照符号として、ステージ２８の第１移動方向と同一の参照符号「Ｘ」を付し、半導体膜３７の短手方向の参照符号として、ステージ２８の第２移動方向と同一の参照符号「Ｙ」を付して説明する。
【０１２４】
前述の図１０に示す投影マスク２５および図１３に示す投影マスク２５Ａを用いて繰返し工程を行うことによって、半導体膜３７には、図１５および図１６に示すように、正方形状でかつ第１結晶化領域４１ａおよび第２結晶化領域４１ｂを含む結晶化領域４１が、半導体膜３７の長手方向Ｘおよび短手方向Ｙに、それぞれ連続的に並んで形成される。
【０１２５】
図１５には、前述の図１０に示す投影マスク２５および図１３に示す投影マスク２５Ａを用いて繰返し工程を行うことによって結晶化領域４１を形成した半導体膜３７の長手方向Ｘ一方から他方に向かうにつれて、ソースＳ、ゲートＧおよびドレインＤの順に並ぶように、薄膜トランジスタ素子（以下、「ＴＦＴ素子」と称する場合がある）５０を形成した半導体膜３７を示している。図１６には、前記結晶化領域４１が形成された半導体膜３７の短手方向Ｙ一方から他方に向かうにつれて、ドレインＤ、ゲートＧおよびソースＳの順に並ぶように、ＴＦＴ素子５０を形成した半導体膜３７を示している。以下の実施の形態の説明において、半導体膜３７の長手方向Ｘ一方から他方に向かうにつれて、ソースＳ、ゲートＧおよびドレインＤの順に並ぶように、半導体膜３７に形成されるＴＦＴ素子５０の形成方向を第１形成方向と称し、半導体膜３７の短手方向Ｙ一方から他方に向かうにつれて、ドレインＤ、ゲートＧおよびソースＳの順に並ぶように、半導体膜３７に形成されるＴＦＴ素子５０の形成方向を第２形成方向と称する。
【０１２６】
前述のように本実施の形態によれば、第１または第２光透過パターン２５ａ，２５ｂが形成される第１〜第４ブロックＢＡ〜ＢＤが、図１０および図１３に示すように並べて配設される投影マスク２５，２５Ａに対してレーザ光３１を照射し、前記投影マスク２５，２５Ａに形成される第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂを透過したレーザ光３１を半導体膜３７に照射する。これによって半導体膜３７に形成される結晶化領域４１において、第１光透過パターン２５ａを透過したレーザ光３１が照射されて結晶化された第１結晶化領域４１ａの面積と、第２光透過パターン２５ｂを透過したレーザ光３１が照射されて結晶化された第２結晶化領域４１ｂの面積との比率を同等にすることができる。換言すると、半導体膜３７を均一に結晶化させることができる。
【０１２７】
また本実施の形態によれば、移動工程において、半導体素子２７が載置されるステージ２８を、レーザ光３１を発する光源２１に対して相対移動させることによって、照射対象物である半導体膜３７の所望の領域にレーザ光３１を照射させることができ、所望する形状になるように結晶化させることができる。
【０１２８】
また本実施の形態によれば、繰返し工程において、非晶質材料から成る層の半導体膜３７に、非晶質材料を結晶化させるべき互いに直交する第１および第２方向、具体的には半導体膜３７の長手方向および短手方向に、レーザ光３１を照射して半導体膜３７を結晶化する結晶化工程と、半導体膜３７を、レーザ光３１を発する光源２１に対して相対移動させる移動工程とを交互に行うことによって、半導体膜３７の所望の領域に所望の大きさの結晶粒を確実に形成することができる。
【０１２９】
また本実施の形態によれば、前述のように均一に結晶化された半導体膜３７、具体的には非晶質材料から成る層に、たとえば複数のＴＦＴ素子５０を形成する場合、半導体膜３７に対する一方のＴＦＴ素子５０の形成方向が第１形成方向、他方のＴＦＴ素子５０の形成方向が第２形成方向というように、ＴＦＴ素子５０の形成方向が異なるときでも、各形成方向に形成される各ＴＦＴ素子５０のチャンネル部分に含まれる第１結晶化領域４１ａの面積と、第２結晶化領域４１ｂの面積との比率を同等にすることができる。これによって半導体膜３７に形成する複数のＴＦＴ素子５０の電気的特性、具体的にはスイッチング特性を同一にすることができる。換言すれば、複数のＴＦＴ素子５０のスイッチング特性を均一にすることができる。
【０１３０】
また半導体膜３７に対するＴＦＴ素子５０の形成方向に依らず、ＴＦＴ素子５０のスイッチング特性を均一にすることができるので、ＴＦＴ素子５０を用いた表示装置などの設計の自由度を高めることができる。
【０１３１】
また本実施の形態によれば、第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂは、各延び方向の両端部が、投影マスク２５，２５Ａの厚み方向に見て先細状に形成される。したがって長方形状などのように先細状に形成されていない光透過パターンとは異なり、第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂの形状のレーザ光が照射された半導体膜３７の照射領域で、延び方向および半導体膜３７の厚み方向のそれぞれに垂直な方向の両端部から成長する結晶が衝突してできる突起部４１が、延び方向の両端部の先細状の部分にまで形成される。
【０１３２】
これによって光透過パターンの延び方向の両端部が先細状に形成されていない場合に比べて、半導体膜３７をより均一に結晶化することができる。したがって半導体膜３７に複数のＴＦＴ素子５０を形成する場合、半導体膜３７に対する一方のＴＦＴ素子５０の形成方向と他方のＴＦＴ素子５０の形成方向とが異なるときでも、各形成方向に形成される各ＴＦＴ素子５０のチャンネル部分に含まれる第１結晶化領域４１ａの面積と、第２結晶化領域４１ｂの面積との比率を同等にすることができる。これによって、半導体膜３７に形成される複数のＴＦＴ素子５０の電気的特性、具体的にはスイッチング特性を確実に同一にすることができる。換言すれば、複数のＴＦＴ素子５０のスイッチング特性を確実に均一にすることができる。
【０１３３】
また本実施の形態によれば、半導体膜３７を結晶化させる場合に、半導体膜３７を投影マスク２５，２５Ａの各領域ＢＡ〜ＢＤの短手方向寸法Ｗだけ移動させながら、投影マスク２５，２５Ａに形成される第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂを透過したレーザ光を半導体膜３７に照射するので、半導体膜３７の同一の領域に、前記レーザ光を重畳して照射することができる。したがって、たとえば一方向に延びる光透過パターンのみが形成される投影マスクを用いて半導体膜３７を結晶化させる場合に比べて大きな粒径の結晶粒を形成することができ、半導体膜３７の電子移動度を比較的高くすることができる。これによって、たとえば半導体膜３７にＴＦＴ素子５０を形成する場合、ＴＦＴ素子５０のスイッチング特性をさらに向上することができる。
【０１３４】
また第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂを透過したレーザ光を、半導体膜３７の同一の領域に重畳して照射することができるので、前記レーザ光が、光源２１の異常、たとえばレーザ光の発振異常に起因して、複数回の結晶化工程のうちのいずれか１つの結晶化工程で、レーザ光が同一領域に重畳して照射されないなどの不具合が生じた場合でも、半導体膜３７をほぼ均一に結晶化することができる。これによって、たとえば半導体膜３７にＴＦＴ素子５０を形成する場合に、ＴＦＴ素子５０のスイッチング特性が極端に劣化することを防ぐことができる。
【０１３５】
次に、本発明の第２の実施の形態であるレーザ加工装置およびレーザ加工方法について説明する。本実施の形態のレーザ加工装置は、前述の第１の実施の形態のレーザ加工装置２０と構成が類似しており、投影マスク２５に代えて他の投影マスク２５Ｂを備えている点だけが異なるので、投影マスク２５Ｂについて説明し、同一の構成については同一の参照符を付して説明を省略する。レーザ加工装置によって、ステージ２８に載置される半導体素子２７の半導体膜３７を結晶化する工程は、前述の第１の実施の形態と同様であるので説明を省略する。本発明の第２の実施の形態であるレーザ加工方法は、本実施の形態のレーザ加工装置によって実施される。
【０１３６】
図１７は、投影マスク２５Ｂを模式的に示す平面図である。投影マスク２５Ｂは、投影マスク２５と同様に、その厚み方向に垂直な仮想平面に投影した形状が長方形状である。本実施の形態の投影マスク２５Ｂは、予め定める第１方向に延びる第１光透過パターン２５ａが形成されるｍ（ｍは２以上の偶数）個の第１光透過パターン領域、および第１方向に直交する第２方向に延びる第２光透過パターン２５ｂが形成されるｎ（ｎは２以上の偶数）個の第２光透過パターン領域を含む。さらに述べると、本実施の形態の投影マスク２５Ｂは、ｍ／２個の第１光透過パターン領域、ｎ個の第２光透過パターン領域、およびｍ／２個の第１光透過パターン領域の順に並べて配設される。ここで、前記予め定める第１方向とは、投影マスク２５Ｂの長手方向に沿って延びる第１軸線と、投影マスク２５Ｂの短手方向に沿って延びる第２軸線とを含む平面内における第２軸線方向をいう。
【０１３７】
図１７には、理解を容易にするために、前記変数ｍ，ｎが共に「２」の場合の投影マスク２５Ｂを示している。具体的に述べると、図１７には、２個の第１光透過パターン領域および２個の第２光透過パターン領域を含み、１個の第１光透過パターン領域、２個の第２光透過パターン領域、および１個の第１光透過パターン領域の順に並べて配設される投影マスク２５Ｂを示している。さらに述べると、投影マスク２５Ｂは、第１光透過パターン領域に対応する第１ブロックＢＡ、第２光透過パターン領域に対応する第２および第３ブロックＢＢ，ＢＣ、ならびに第１光透過パターン領域に対応する第４ブロックＢＤに分割されている。第１〜第４ブロックＢＡ〜ＢＤは、投影マスク２５Ｂの厚み方向に垂直な仮想平面に投影した形状が、投影マスク２５Ｂの短手方向に延びる長方形状である。
【０１３８】
第１ブロックＢＡは、複数の第１光透過パターン２５ａが形成される第１パターン部分Ｐ１および第２パターン部分Ｐ２を含む。第４ブロックＢＤは、複数の第１光透過パターン２５ａが形成される第７パターン部分Ｐ７および第８パターン部分Ｐ８を含む。第１，第２，第７，第８パターン部分Ｐ１，Ｐ２，Ｐ７，Ｐ８は、投影マスク２５Ｂの厚み方向に垂直な仮想平面に投影した形状が、投影マスク２５Ｂの短手方向に延びる長方形状である。複数の第１光透過パターン２５ａは、投影マスク２５Ｂの長手方向に間隔をあけて形成されている。第１および第４ブロックＢＡ，ＢＤの第１光透過パターン２５ａ以外の部分は、光を透過しない非透過部２５ｃである。
【０１３９】
本実施の形態において、第１，第２，第７，第８パターン部分Ｐ１，Ｐ２，Ｐ７，Ｐ８の非透過部２５ｃは、第１，第２，第７，第８パターン部分Ｐ１，Ｐ２，Ｐ７，Ｐ８を重ね合わせたときに、それぞれが重ならないような位置に設けられる。換言すれば、第１，第２，第７，第８パターン部分Ｐ１，Ｐ２，Ｐ７，Ｐ８の第１光透過パターン２５ａは、前述のように設けられる非透過部２５ｃ以外の領域に形成される。
【０１４０】
第２ブロックＢＢは、複数の第２光透過パターン２５ｂが形成される第３パターン部分Ｐ３および第４パターン部分Ｐ４を含む。第３ブロックＢＣは、複数の第２光透過パターン２５ｂが形成される第５パターン部分Ｐ５および第６パターン部分Ｐ６を含む。第３，第４，第５，第６パターン部分Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６は、投影マスク２５Ｂの厚み方向に垂直な仮想平面に投影した形状が、投影マスク２５Ｂの短手方向に延びる長方形状である。複数の第２光透過パターン２５ｂは、投影マスク２５Ｂの短手方向に間隔をあけて形成されている。第２および第３ブロックＢＢ，ＢＣの第２光透過パターン２５ｂ以外の部分は、光を透過しない非透過部２５ｃである。
【０１４１】
本実施の形態において、第３，第４，第５，第６パターン部分Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６の非透過部２５ｃは、第３，第４，第５，第６パターン部分Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６を重ね合わせたときに、それぞれが重ならないような位置に設けられる。換言すれば、第３，第４，第５，第６パターン部分Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６の第２光透過パターン２５ｂは、前述のように設けられる非透過部２５ｃ以外の領域に形成される。
【０１４２】
第１〜第４ブロックＢＡ〜ＢＤの短手方向寸法をＷとしたとき、第１〜第８パターン部分Ｐ１〜Ｐ８の短手方向寸法は、Ｗ／２である。本実施の形態の第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂは、第１の実施の形態と同様に、投影マスク２５Ｂの厚み方向に見て六角形状であり、第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂの各延び方向の両端部は、投影マスク２５Ｂの厚み方向に見て先細状に形成されている。ただし図１７には、理解を容易にするために、第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂを長方形状に示している。
【０１４３】
図１８は、図１７に示す投影マスク２５Ｂを用いて繰返し工程を行うことによって、半導体膜３７に形成される結晶化領域４１の状態を示す平面図である。本実施の形態では、図１７に示す投影マスク２５Ｂを用いて繰返し工程を行うことによって、半導体膜３７を結晶化させる。図１８のセクションＶＩは、繰返し工程において、８回の結晶化工程および７回の移動工程を行うことによって形成される結晶化領域４１である。本実施の形態では、ステージ２８に載置される半導体素子２７の半導体膜３７の長手方向の参照符号として、ステージ２８の第１移動方向と同一の参照符号「Ｘ」を付し、半導体膜３７の短手方向の参照符号として、ステージ２８の第２移動方向と同一の参照符号「Ｙ」を付して説明する。
【０１４４】
移動工程では、制御部２９がステージ２８を駆動制御することによって、ステージ２８を第１移動方向Ｘ一方に所定の距離寸法だけ移動させる。ステージ２８を第１移動方向Ｘ一方に移動させることによって、ステージ２８上に載置される半導体素子２７を、第１移動方向Ｘ一方に所定の距離寸法だけ移動させることができる。これによって、投影マスク２５Ｂに形成される複数の第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂを透過したレーザ光３１が半導体素子２７の半導体膜３７の厚み方向一表面部に照射される新たな領域は、第１移動方向Ｘ一方に所定の距離寸法だけ移動した領域となる。前記新たな領域は、移動前の領域と一部分が重複している。ステージ２８を第１移動方向Ｘ一方に移動させるときの前記所定の距離寸法は、投影マスク２５Ｂの第１〜第８パターン部分Ｐ１〜Ｐ８の短手方向寸法Ｗ／２である。
【０１４５】
前述のように繰返し工程を行うことによって、半導体膜３７には、第１光透過パターン２５ａを透過したレーザ光３１が照射されて結晶化された第１結晶化領域４１ａと、第２光透過パターン２５ｂを透過したレーザ光３１が照射されて結晶化された第２結晶化領域４１ｂとを含む結晶化領域４１が、半導体膜３７の長手方向Ｘまたは短手方向Ｙに並んで形成される。特に、繰返し工程において、８回の結晶化工程および７回の移動工程を行うことによってセクションＶＩに形成される第１結晶化領域４１ａと第２結晶化領域４１ｂとは、半導体膜３７の長手方向Ｘに交互に形成される。セクションＶＩに形成される第１結晶化領域４１ａと第２結晶化領域４１ｂとの面積が同等になる。したがって、図１７に示す投影マスク２５Ｂを用いて繰返し工程を行うことによって、半導体膜３７を均一に結晶化させることができる。
【０１４６】
前述のように本実施の形態によれば、半導体膜３７を結晶化させるにあたって、第１光透過パターン２５ａが形成されるｍ（ｍは２以上の偶数）個の第１光透過パターン領域と、第２光透過パターン２５ｂが形成されるｎ（ｎは２以上の偶数）個の第２光透過パターン領域とを含み、ｍ／２個の第１光透過パターン領域、ｎ個の第２光透過パターン領域、およびｍ／２個の第１光透過パターン領域の順に並べて配設される投影マスクが用いられる。たとえば、変数ｍ，ｎが共に「２」である場合、図１７に示すように、２個の第１光透過パターン領域および２個の第２光透過パターン領域が、１個の第１光透過パターン領域、２個の第２光透過パターン領域、および１個の第１光透過パターン領域の順に並べて配設される。
【０１４７】
前述のように複数の第１および第２光透過パターン領域が配設される投影マスク２５Ｂにレーザ光３１を照射し、投影マスク２５Ｂの各光透過パターン領域に形成される第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂを透過したレーザ光３１を半導体膜３７に照射する。具体的には、ステージ２８を、各光透過パターン領域の第１〜第８パターン部分Ｐ１〜Ｐ８の短手方向寸法Ｗ／２だけ移動させながら、半導体膜３７にレーザ光３１を照射する。これによってレーザ光３１の最終照射によって結晶化された半導体膜３７において、第１結晶化領域４１ａの面積と、第２結晶化領域４１ｂの面積との比率を同等にすることができる。したがって、半導体膜３７を均一に結晶化させることができる。
【０１４８】
このように均一に結晶化された半導体膜３７、具体的には非晶質材料から成る層に、たとえば複数のＴＦＴ素子５０を形成する場合、半導体膜３７に対する一方のＴＦＴ素子５０の形成方向が第１形成方向、他方のＴＦＴ素子５０の形成方向が第２形成方向というように、半導体膜３７に対するＴＦＴ素子５０の形成方向が異なるときでも、各形成方向に形成される各ＴＦＴ素子５０のチャンネル部分に含まれる第１結晶化領域４１ａの面積と、第２結晶化領域４１ｂの面積との比率を同等にすることができる。これによって半導体膜３７に形成する複数のＴＦＴ素子５０の電気的特性、具体的にはスイッチング特性を同一にすることができる。換言すれば、複数のＴＦＴ素子５０のスイッチング特性を均一にすることができる。
【０１４９】
また半導体膜３７に対するＴＦＴ素子５０の形成方向に依らず、ＴＦＴ素子５０のスイッチング特性を均一にすることができるので、ＴＦＴ素子５０を用いた表示装置などの設計の自由度を高めることができる。
【０１５０】
さらに、投影マスク２５Ｂに設けられる第１光透過パターン領域および第２光透過パターン領域の個数を増やすことによって、結晶化工程および移動工程の工程数を増やして、半導体膜３７をより均一に結晶化させることができ、かつ比較的大きな粒径の結晶粒を形成することができる。このように比較的大きな結晶粒を形成し、半導体膜３７の電子移動度を比較的高くすることによって、たとえば半導体膜３７に複数のＴＦＴ素子５０を形成する場合、各ＴＦＴ素子５０の電気的特性、具体的にはスイッチング特性を格段に向上することができる。
【０１５１】
次に、本発明の第３の実施の形態であるレーザ加工装置およびレーザ加工方法について説明する。本実施の形態のレーザ加工装置は、前述の第１の実施の形態のレーザ加工装置２０と構成が類似しており、投影マスク２５に代えて他の投影マスク２５Ｃを備えている点だけが異なるので、投影マスク２５Ｃについて説明し、同一の構成については同一の参照符を付して説明を省略する。投影マスク２５Ｃは、第２の実施の形態の投影マスク２５Ｂと構成が類似しているので、同一の構成については同一の参照符を付して説明を省略する。レーザ加工装置によって、ステージ２８に載置される半導体素子２７の半導体膜３７を結晶化する工程は、前述の第１の実施の形態と同様であるので説明を省略する。本発明の第３の実施の形態であるレーザ加工方法は、本実施の形態のレーザ加工装置によって実施される。
【０１５２】
図１９は、投影マスク２５Ｃを模式的に示す平面図である。投影マスク２５Ｃは、その厚み方向に垂直な仮想平面に投影した形状が長方形状である。投影マスク２５Ｃは、予め定める第１方向に延びる第１光透過パターン２５ａが形成されるｍ（ｍは２以上の偶数）個の第１光透過パターン領域、および第１方向に直交する第２方向に延びる第２光透過パターン２５ｂが形成されるｎ（ｎは２以上の偶数）個の第２光透過パターン領域を含む。さらに述べると、本実施の形態の投影マスク２５Ｃは、ｎ／２個の第２光透過パターン領域、ｍ個の第１光透過パターン領域、およびｎ／２個の第２光透過パターン領域の順に並べて配設される。ここで、前記予め定める第１方向とは、投影マスク２５Ｃの長手方向に沿って延びる第１軸線と、投影マスク２５Ｃの短手方向に沿って延びる第２軸線とを含む平面内における第２軸線方向をいう。
【０１５３】
図１９には、理解を容易にするために、前記変数ｍ，ｎが共に「２」の場合の投影マスク２５Ｃを示している。具体的に述べると、図１９には、２個の第１光透過パターン領域および２個の第２光透過パターン領域を含み、１個の第２光透過パターン領域、２個の第１光透過パターン領域、および１個の第２光透過パターン領域の順に並べて配設される投影マスク２５Ｃを示している。さらに述べると、投影マスク２５Ｃは、第２光透過パターン領域に対応する第１ブロックＢＡ、第１光透過パターン領域に対応する第２および第３ブロックＢＢ，ＢＣ、ならびに第２光透過パターン領域に対応する第４ブロックＢＤに分割されている。第１〜第４ブロックＢＡ〜ＢＤは、投影マスク２５Ｃの厚み方向に垂直な仮想平面に投影した形状が、投影マスク２５Ｃの短手方向に延びる長方形状である。
【０１５４】
第１ブロックＢＡは、複数の第２光透過パターン２５ｂが形成される第１パターン部分Ｐ１および第２パターン部分Ｐ２を含む。第４ブロックＢＤは、複数の第２光透過パターン２５ｂが形成される第７パターン部分Ｐ７および第８パターン部分Ｐ８を含む。第１，第２，第７，第８パターン部分Ｐ１，Ｐ２，Ｐ７，Ｐ８は、投影マスク２５Ｃの厚み方向に垂直な仮想平面に投影した形状が、投影マスク２５Ｃの短手方向に延びる長方形状である。複数の第２光透過パターン２５ｂは、投影マスク２５Ｃの短手方向に間隔をあけて形成されている。第１および第４ブロックＢＡ，ＢＤの第２光透過パターン２５ｂ以外の部分は、光を透過しない非透過部２５ｃである。
【０１５５】
本実施の形態において、第１，第２，第７，第８パターン部分Ｐ１，Ｐ２，Ｐ７，Ｐ８の非透過部２５ｃは、第１，第２，第７，第８パターン部分Ｐ１，Ｐ２，Ｐ７，Ｐ８を重ね合わせたときに、それぞれが重ならないような位置に設けられる。換言すれば、第１，第２，第７，第８パターン部分Ｐ１，Ｐ２，Ｐ７，Ｐ８の第２光透過パターン２５ｂは、前述のように設けられる非透過部２５ｃ以外の領域に形成される。
【０１５６】
第２ブロックＢＢは、複数の第１光透過パターン２５ａが形成される第３パターン部分Ｐ３および第４パターン部分Ｐ４を含む。第３ブロックＢＣは、複数の第１光透過パターン２５ａが形成される第５パターン部分Ｐ５および第６パターン部分Ｐ６を含む。第３，第４，第５，第６パターン部分Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６は、投影マスク２５Ｃの厚み方向に垂直な仮想平面に投影した形状が、投影マスク２５Ｃの短手方向に延びる長方形状である。複数の第１光透過パターン２５ａは、投影マスク２５Ｃの長手方向に間隔をあけて形成されている。第２および第３ブロックＢＢ，ＢＣの第１光透過パターン２５ａ以外の部分は、光を透過しない非透過部２５ｃである。
【０１５７】
本実施の形態において、第３，第４，第５，第６パターン部分Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６の非透過部２５ｃは、第３，第４，第５，第６パターン部分Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６を重ね合わせたときに、それぞれが重ならないような位置に設けられる。換言すれば、第３，第４，第５，第６パターン部分Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６の第１光透過パターン２５ａは、前述のように設けられる非透過部２５ｃ以外の領域に形成される。
【０１５８】
第１〜第４ブロックＢＡ〜ＢＤの短手方向寸法をＷとしたとき、第１〜第８パターン部分Ｐ１〜Ｐ８の短手方向寸法は、Ｗ／２である。本実施の形態の第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂは、第１の実施の形態と同様に、投影マスク２５Ｃの厚み方向に見て六角形状であり、第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂの各延び方向の両端部は、投影マスク２５Ｃの厚み方向に見て先細状に形成されている。ただし図１９には、理解を容易にするために、第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂを長方形状に示している。
【０１５９】
図２０は、図１９に示す投影マスク２５Ｃを用いて繰返し工程を行うことによって、半導体膜３７に形成される結晶化領域４１の状態を示す平面図である。本実施の形態では、図１９に示す投影マスク２５Ｃを用いて繰返し工程を行うことによって、半導体膜３７を結晶化させる。図２０のセクションＶＩＩは、繰返し工程において、８回の結晶化工程および７回の移動工程を行うことによって形成される結晶化領域４１である。本実施の形態では、ステージ２８に載置される半導体素子２７の半導体膜３７の長手方向の参照符号として、ステージ２８の第１移動方向と同一の参照符号「Ｘ」を付し、半導体膜３７の短手方向の参照符号として、ステージ２８の第２移動方向と同一の参照符号「Ｙ」を付して説明する。
【０１６０】
移動工程では、制御部２９がステージ２８を駆動制御することによって、ステージ２８を第１移動方向Ｘ一方に所定の距離寸法だけ移動させる。ステージ２８を第１移動方向Ｘ一方に移動させることによって、ステージ２８上に載置される半導体素子２７を、第１移動方向Ｘ一方に所定の距離寸法だけ移動させることができる。これによって、投影マスク２５Ｃに形成される複数の第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂを透過したレーザ光３１が半導体素子２７の半導体膜３７の厚み方向一表面部に照射される新たな領域は、第１移動方向Ｘ一方に所定の距離寸法だけ移動した領域となる。前記新たな領域は、移動前の領域と一部分が重複している。ステージ２８を第１移動方向Ｘ一方に移動させるときの前記所定の距離寸法は、投影マスク２５Ｃの第１〜第８パターン部分Ｐ１〜Ｐ８の短手方向寸法Ｗ／２である。
【０１６１】
前述のように繰返し工程を行うことによって、半導体膜３７には、第１光透過パターン２５ａを透過したレーザ光３１が照射されて結晶化された第１結晶化領域４１ａと、第２光透過パターン２５ｂを透過したレーザ光３１が照射されて結晶化された第２結晶化領域４１ｂとを含む結晶化領域４１が、半導体膜３７の長手方向Ｘまたは短手方向Ｙに並んで形成される。特に、繰返し工程において、８回の結晶化工程および７回の移動工程を行うことによってセクションＶＩＩに形成される第１結晶化領域４１ａと第２結晶化領域４１ｂとは、半導体膜３７の長手方向Ｘに交互に形成される。セクションＶＩＩに形成される第１結晶化領域４１ａと第２結晶化領域４１ｂとの面積が同等になる。したがって、図１９に示す投影マスク２５Ｃを用いて繰返し工程を行うことによって、半導体膜３７を均一に結晶化させることができる。
【０１６２】
ｎ／２個の第２光透過パターン領域、ｍ個の第１光透過パターン領域およびｎ／２個の第２光透過パターン領域の順に並べて配設される投影マスク、本実施の形態では、１個の第２光透過パターン領域、２個の第１光透過パターン領域および１個の第２光透過パターン領域の順に並べて配設される投影マスク２５Ｃを用いて半導体膜３７を結晶化する場合でも、前述の第２の実施の形態の投影マスク２５Ｂを用いて半導体膜３７を結晶化する場合と同様の効果を得ることができる。
【０１６３】
次に本発明の第４の実施の形態であるレーザ加工装置およびレーザ加工方法について説明する。本実施の形態のレーザ加工装置は、前述の第１の実施の形態のレーザ加工装置２０と構成が類似しており、投影マスク２５に代えて他の投影マスク１００を備えている点だけが異なるので、投影マスク１００について説明し、同一の構成については同一の参照符を付して説明を省略する。レーザ加工装置によって、ステージ２８に載置される半導体素子２７の半導体膜３７を結晶化する工程は、前述の第１の実施の形態と同様であるので説明を省略する。本発明の第４の実施の形態であるレーザ加工方法は、本実施の形態のレーザ加工装置によって実施される。
【０１６４】
図２１は、投影マスク１００を示す平面図である。本実施の形態の投影マスク１００には、基板の厚み方向に貫通し、照射対象物である半導体素子２７の半導体膜３７を結晶化させるための光を透過する複数の第１光透過パターン１００ａおよび第２光透過パターン１００ｂが形成されている。投影マスク１００の第１および第２光透過パターン１００ａ，１００ｂ以外の部分は、光を透過しない非透過部１００ｃである。本実施の形態の投影マスク１００は、図２１に示すように、その厚み方向に垂直な仮想平面に投影した形状が長方形状である。
【０１６５】
投影マスク１００は、第１の実施の形態の投影マスク２５，２５Ａと同様に、第１領域に対応する第１ブロックＢＡ、第２領域に対応する第２ブロックＢＢ、第３領域に対応する第３ブロックＢＣおよび第４領域に対応する第４ブロックＢＤを含む。第１ブロックＢＡ、第２ブロックＢＢ、第３ブロックＢＣおよび第４ブロックＢＤは、投影マスク１００の厚み方向に垂直な仮想平面に投影した形状が、投影マスク１００の短手方向に延びる長方形状である。第１ブロックＢＡ、第２ブロックＢＢ、第３ブロックＢＣおよび第４ブロックＢＤは、この順で投影マスク１００の長手方向に相当する並び方向に一列に並んで設けられる。
【０１６６】
第１および第２ブロックＢＡ，ＢＢには、複数の第１光透過パターン１００ａが形成されている。図２１には、理解を容易にするために、１１個の第１光透過パターン１００ａを示している。第１光透過パターン１００ａは、投影マスク１００の長手方向に沿って延びる第１軸線と、投影マスク１００の短手方向に沿って延びる第２軸線とを含む平面内において、予め定める第１方向、本実施の形態では第１軸線と第２軸線との交点を中心として第２軸線から予め定める周方向一方に４５度傾斜した方向に延びている。ここで、前記周方向一方とは、投影マスク１００のレーザ光の入射側平面において、第１軸線と第２軸線との交点を中心として時計まわりに角変位する方向をいう。複数の第１光透過パターン１００ａは、前記平面内において、前記第１方向に直交する方向、換言すると後述する第２方向に間隔をあけて形成されている。
【０１６７】
本実施の形態において、第１ブロックＢＡの第１光透過パターン１００ａは、第２ブロックＢＢの非透過部１００ｃに対応する位置に形成され、第２ブロックＢＢの第１光透過パターン１００ａは、第１ブロックＢＡの非透過部１００ｃに対応する位置に形成されている。
【０１６８】
第３および第４ブロックＢＣ，ＢＤには、複数の第２光透過パターン１００ｂが形成されている。図２１に示す第３および第４ブロックＢＣ，ＢＤには、理解を容易にするために、１１個の第２光透過パターン１００ｂを示している。第２光透過パターン１００ｂは、前記第１軸線および第２軸線を含む平面内において、予め定める第２方向、本実施の形態では第１軸線と第２軸線との交点を中心として第２軸線から予め定める周方向他方に４５度傾斜した方向、換言すると前記第１方向に直交する方向に延びている。ここで、前記周方向他方とは、投影マスク１００のレーザ光の入射側平面において、第１軸線と第２軸線との交点を中心として反時計まわりに角変位する方向をいう。複数の第２光透過パターン１００ｂは、前記平面内において、前記第２方向に直交する方向、換言すると前記第１方向に間隔をあけて形成されている。
【０１６９】
本実施の形態において、第３ブロックＢＣの第２光透過パターン１００ｂは、第４ブロックＢＤの非透過部１００ｃに対応する位置に形成され、第４ブロックＢＤの第２光透過パターン１００ｂは、第３ブロックＢＣの非透過部１００ｃに対応する位置に形成されている。
【０１７０】
本実施の形態の第１および第２光透過パターン１００ａ，１００ｂは、投影マスク１００の厚み方向に見て六角形状であり、第１および第２光透過パターン１００ａ，１００ｂの各延び方向の両端部は、投影マスク１００の厚み方向に見て先細状に形成されている。
【０１７１】
図２２は、投影マスク１００を模式的に示す平面図である。図２２に示す投影マスク１００は、第１および第２ブロックＢＡ，ＢＢに、複数の第１光透過パターン１００ａが形成され、第３および第４ブロックＢＣ，ＢＤに、複数の第２光透過パターン１００ｂが形成されている。投影マスク１００の第１および第２光透過パターン１００ａ，１００ｂ以外の部分は、光を透過しない非透過部１００ｃである。図２２には、理解を容易にするために、第１および第２光透過パターン１００ａ，１００ｂを略長方形状に示している。
【０１７２】
次に図２２に示す投影マスク１００を用いて繰返し工程を行うことによって形成される結晶４２の成長過程について説明する。本実施の形態では、繰返し工程において、４回の結晶化工程および３回の移動工程を行う場合について説明する。
【０１７３】
図２３は、図２２に示す投影マスク１００を用いて半導体膜３７を結晶化させるときの結晶４２の成長過程を段階的に示す図である。図２３（１）は、第１回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。図２３（２）は、第１回目の移動工程によってステージ２８を予め定める第１移動方向Ｘに移動した後、第２回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。図２３（３）は、第２回目の移動工程によってステージ２８を第１移動方向Ｘに移動した後、第３回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。図２３（４）は、第３回目の移動工程によってステージ２８を第１移動方向Ｘに移動した後、第４回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。図２４は、図２３（４）のセクションＶＩＩＩを拡大した平面図である。
【０１７４】
まず第１回目の結晶化工程において、光源２１から発せられ、投影マスク１００の第１ブロックＢＡの第１光透過パターン１００ａを透過したレーザ光３１を、ステージ２８上に載置される半導体素子２７の半導体膜３７に照射すると、半導体膜３７の前記レーザ光３１が照射された領域は結晶化されて、図２３（１）に示すように結晶４２が形成される。そして、第１回目の移動工程において、ステージ２８を、予め定める第１移動方向Ｘ一方に、投影マスク１００の第１〜第４ブロックＢＡ〜ＢＤの短手方向寸法に相当する距離寸法だけ移動させる。
【０１７５】
次に第２回目の結晶化工程において、第１回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体膜３７に対して、光源２１から発せられ、投影マスク１００の第２ブロックＢＢの第２光透過パターン１００ｂを透過したレーザ光３１を照射する。これによって、前記第１回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体膜３７のうち、前記レーザ光３１が照射された領域は結晶化されて、図２３（２）に示すように、第１回目の結晶化工程によって形成された結晶４２の一部に重畳して新たな結晶４２が形成される。そして、第２回目の移動工程において、ステージ２８を、第１移動方向Ｘ一方に、投影マスク１００の第１〜第４ブロックＢＡ〜ＢＤの短手方向寸法に相当する距離寸法だけ移動させる。
【０１７６】
次に第３回目の結晶化工程において、第１回目および第２回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体膜３７に対して、光源２１から発せられ、投影マスク１００の第３ブロックＢＣの第２光透過パターン１００ｂを透過したレーザ光３１を照射する。これによって、前記第１回目および第２回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体膜３７のうち、前記レーザ光３１が照射された領域は結晶化されて、図２３（３）に示すように、第１回目および第２回目の結晶化工程によって形成された結晶４２の一部に重畳して新たな結晶４２が形成される。そして、第３回目の移動工程において、ステージ２８を、第１移動方向Ｘ一方に、投影マスク１００の第１〜第４ブロックＢＡ〜ＢＤの短手方向寸法に相当する距離寸法だけ移動させる。
【０１７７】
次に第４回目の結晶化工程において、第１〜第３回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体膜３７に対して、光源２１から発せられ、投影マスク１００の第４ブロックＢＤの第１光透過パターン１００ａを透過したレーザ光３１を照射する。これによって、前記第１〜第３回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体膜３７のうち、前記レーザ光３１が照射された領域は結晶化されて、図２３（４）に示すように、第１〜第３回目の結晶化工程によって形成された結晶４２の一部に重畳して新たな結晶４２が形成される。
【０１７８】
前述のように、図２２に示す投影マスク１００を用いて４回の結晶化工程、および３回の移動工程を行うことによって、図２４に示すように、半導体膜３７には、第２光透過パターン１００ｂを透過したレーザ光が照射されて結晶化された第２結晶化領域４１ｂが形成される。
【０１７９】
第２結晶化領域４１ｂでは、第２光透過パターン１００ｂの形状のレーザ光が照射された領域のうち、半導体膜３７の長手方向Ｘに延びる第１軸線および短手方向Ｙに延びる第２軸線を含む平面内において、第１軸線と第２軸線との交点を中心として第２軸線から時計まわりに角変位する方向に４５度傾斜した方向（以下、本実施の形態において「第１傾斜方向」と称する場合がある）Ｋ１両端部から第１傾斜方向Ｋ１中央部に向かうようにして段階的に結晶４２が成長する。そして第１傾斜方向Ｋ１一方側から成長した結晶４２と第１傾斜方向Ｋ１他方側から成長した結晶４２とが衝突して、半導体膜３７の厚み方向一方に突出する最終突起部４３ｂが形成される。レーザ光の最終照射によって第２結晶化領域４１ｂに形成される最終突起部４３ｂは、半導体膜３７の厚み方向に見て、第１傾斜方向Ｋ１に直交する方向（以下、本実施の形態において「第２傾斜方向」と称する場合がある）Ｋ２に平行に形成される。最終突起部４３ｂは、後述する突起部４５ｂと区別するために、図２４において実線で示している。
【０１８０】
最終照射される前段階でレーザ光が照射された半導体膜３７には、レーザ光が照射された部分の第２傾斜方向Ｋ２一方側から成長した結晶４２と第２傾斜方向Ｋ２他方側から成長した結晶４２とが衝突して、半導体膜３７の厚み方向一方に突出する突起部４５ｂが形成される。この突起部４５ｂは、図２４の第２結晶化領域４１ｂに破線で示している。また図２４では、前記繰返し工程によって成長した複数の結晶同士の境界部分４６を示している。半導体膜３７において、レーザ光の最終照射によって形成される最終突起部４３ｂ、最終照射の前段階におけるレーザ光の照射によって形成される突起部４５ｂ、および結晶４２同士の境界部分４６の厚み方向寸法は、それぞれ最終突起部４３ｂ、突起部４５ｂおよび境界部分４６の順に小さくなっている。
【０１８１】
図２５は、結晶化された半導体膜３７およびその半導体膜３７に形成される薄膜トランジスタ素子５０を示す平面図である。図２５には、理解を容易にするために半導体膜３７に形成される第２結晶化領域４１ｂの一部を示している。本実施の形態では、ステージ２８に載置される半導体素子２７の半導体膜３７の長手方向の参照符号として、ステージ２８の第１移動方向と同一の参照符号「Ｘ」を付し、半導体膜３７の短手方向の参照符号として、ステージ２８の第２移動方向と同一の参照符号「Ｙ」を付して説明する。
【０１８２】
前述の図２２に示す投影マスク１００を用いて繰返し工程を行うことによって、半導体膜３７には、図２５に示すように、正方形状の第２結晶化領域４１ｂが、半導体膜３７の第１傾斜方向Ｋ１および第２傾斜方向Ｋ２に、それぞれ連続的に並んで形成される。
【０１８３】
図２５には、前述の投影マスク１００を用いて繰返し工程を行うことによって第１結晶化領域４１ａを形成した半導体膜３７の長手方向Ｘ一方から他方に向かうにつれて、ソースＳ、ゲートＧおよびドレインＤの順に並ぶように、半導体膜３７に形成される薄膜トランジスタ素子（以下、「ＴＦＴ素子」と称する場合がある）５０、ならびに第１結晶化領域４１ａを形成した半導体膜３７の短手方向Ｙ一方から他方に向かうにつれて、ドレインＤ、ゲートＧおよびソースＳの順に並ぶように、半導体膜３７に形成されるＴＦＴ素子５０を示している。
【０１８４】
前述のように本実施の形態によれば、投影マスク１００に対してレーザ光３１を照射し、前記投影マスク１００に形成される第１および第２光透過パターン１００ａ，１００ｂを透過したレーザ光３１を半導体膜３７に照射する。これによって第１および第２光透過パターン１００ａ，１００ｂの形状のレーザ光が照射された半導体膜３７を溶融し、均一に結晶化させることができる。
【０１８５】
また本実施の形態によれば、移動工程において、半導体素子２７が載置されるステージ２８を、レーザ光３１を発する光源２１に対して相対移動させることによって、照射対象物である半導体膜３７の所望の領域にレーザ光３１を照射させることができ、所望する形状になるように結晶化させることができる。
【０１８６】
また本実施の形態によれば、繰返し工程において、非晶質材料から成る層の半導体膜３７に、非晶質材料を結晶化させるべき互いに直交する第１および第２方向、具体的には半導体膜３７の長手方向および短手方向に、レーザ光３１を照射して半導体膜３７を結晶化する結晶化工程と、半導体膜３７を、レーザ光３１を発する光源２１に対して相対移動させる移動工程とを交互に行うことによって、半導体膜３７の所望の領域に所望の大きさの結晶粒を確実に形成することができる。
【０１８７】
また本実施の形態によれば、前述のように均一に結晶化された半導体膜３７、具体的には非晶質材料から成る層に、たとえば複数のＴＦＴ素子５０を形成する場合、半導体膜３７に対する一方のＴＦＴ素子５０の形成方向が第１形成方向、他方のＴＦＴ素子５０の形成方向が第２形成方向というように、ＴＦＴ素子５０の形成方向が異なるときでも、各形成方向に形成される各ＴＦＴ素子５０のチャンネル部分に含まれる結晶化領域の形状を同一にすることができる。換言すると、結晶化領域が形成される半導体膜３７に対する複数のＴＦＴ素子５０の形成方向が第１形成方向および第２形成方向のうち、いずれの方向であっても、結晶の成長方向に対する複数のＴＦＴ素子５０のソースＳからドレインＤに流れる電流の方向を同一にすることができる。これによって、半導体膜３７に形成する複数のＴＦＴ素子５０の電気的特性、具体的にはスイッチング特性を同一にすることができる。換言すれば、複数のＴＦＴ素子５０のスイッチング特性を均一にすることができる。
【０１８８】
また本実施の形態によれば、半導体膜３７を結晶化させる場合に、半導体膜３７を投影マスク１００の各領域ＢＡ〜ＢＤの短手方向寸法Ｗだけ移動させながら、投影マスク１００に形成される第１および第２光透過パターン１００ａ，１００ｂを透過したレーザ光を半導体膜３７に照射するので、半導体膜３７の同一の領域に、前記レーザ光を重畳して照射することができる。したがって本実施の形態では、たとえば一方向に延びる光透過パターンのみが形成される投影マスクを用いて半導体膜３７を結晶化させる場合に比べて大きな粒径の結晶粒を形成することができ、半導体膜３７の電子移動度を比較的高くすることができる。これによって、たとえば半導体膜３７にＴＦＴ素子５０を形成する場合、ＴＦＴ素子５０のスイッチング特性をさらに向上することができる。
【０１８９】
また第１および第２光透過パターン１００ａ，１００ｂを透過したレーザ光を、半導体膜３７の同一の領域に重畳して照射することができるので、前記レーザ光が、光源２１の異常、たとえばレーザ光の発振異常に起因して、複数回の結晶化工程のうちのいずれか１つの結晶化工程で、レーザ光が同一領域に重畳して照射されないなどの不具合が生じた場合でも、半導体膜３７をほぼ均一に結晶化することができる。これによって、たとえば半導体膜３７にＴＦＴ素子５０を形成する場合に、ＴＦＴ素子５０のスイッチング特性が極端に劣化することを防ぐことができる。
【０１９０】
また本実施の形態によれば、半導体膜３７に対するＴＦＴ素子５０の形成方向に依らず、ＴＦＴ素子５０のスイッチング特性を均一にすることができるので、ＴＦＴ素子５０を用いた表示装置などの設計の自由度を高めることができる。
【０１９１】
また本実施の形態によれば、第１および第２光透過パターン１００ａ，１００ｂは、各延び方向の両端部が、投影マスク１００の厚み方向に見て先細状に形成される。したがって長方形状などのように先細状に形成されていない光透過パターンとは異なり、第１および第２光透過パターン１００ａ，１００ｂの形状のレーザ光が照射された半導体膜３７の照射領域で、延び方向および半導体膜３７の厚み方向のそれぞれに垂直な方向の両端部から成長する結晶が衝突してできる突起部４１が、延び方向の両端部の先細状の部分にまで形成される。
【０１９２】
これによって光透過パターンの延び方向の両端部が先細状に形成されていない場合に比べて、半導体膜３７をより均一に結晶化することができる。したがって半導体膜３７にＴＦＴ素子５０を形成する場合、半導体膜３７に対する一方のＴＦＴ素子５０の形成方向と他方のＴＦＴ素子５０の形成方向とが異なるときでも、半導体膜３７に形成される複数のＴＦＴ素子５０の電気的特性、具体的にはスイッチング特性を確実に同一にすることができる。換言すれば、複数のＴＦＴ素子５０のスイッチング特性を確実に均一にすることができる。
【０１９３】
次に本発明の第５の実施の形態であるレーザ加工装置およびレーザ加工方法について説明する。本実施の形態のレーザ加工装置は、前述の第１の実施の形態のレーザ加工装置２０と構成が類似しており、投影マスク２５に代えて他の投影マスク１１０を備えている点だけが異なるので、投影マスク１１０について説明し、同一の構成については同一の参照符を付して説明を省略する。レーザ加工装置によって、ステージ２８に載置される半導体素子２７の半導体膜３７を結晶化する工程は、前述の第１の実施の形態と同様であるので説明を省略する。本発明の第５の実施の形態であるレーザ加工方法は、本実施の形態のレーザ加工装置によって実施される。
【０１９４】
図２６は、投影マスク１１０を示す平面図である。本実施の形態の投影マスク１１０は、第４の実施の形態の投影マスク１００と構成が類似しているので、異なる点についてのみ説明し、同一の構成については同一の参照符を付して説明を省略する。投影マスク１１０は、その厚み方向に垂直な仮想平面に投影した形状が長方形状であり、第１ブロックＢＡ、第２ブロックＢＢ、第３ブロックＢＣおよび第４ブロックＢＤを含む。第１〜第４ブロックＢＡ〜ＢＤは、投影マスク１１０の厚み方向に垂直な仮想平面に投影した形状が、投影マスク１１０の短手方向に延びる長方形状である。第１ブロックＢＡ、第２ブロックＢＢ、第３ブロックＢＣおよび第４ブロックＢＤは、この順で投影マスク１１０の長手方向に相当する並び方向に一列に並んで設けられる。
【０１９５】
投影マスク１１０の第１および第４ブロックＢＡ，ＢＤには、複数の第１光透過パターン１００ａが形成されている。第１ブロックＢＡの第１光透過パターン１００ａは、第４ブロックＢＤの非透過部１００ｃに対応する位置に形成され、第４ブロックＢＤの第１光透過パターン１００ａは、第１ブロックＢＡの非透過部１００ｃに対応する位置に形成されている。図２６に示す第１および第４ブロックＢＡ，ＢＤには、理解を容易にするために、１１個の第１光透過パターン１００ａを示している。
【０１９６】
投影マスク１１０の第２および第３ブロックＢＢ，ＢＣには、複数の第２光透過パターン１００ｂが形成されている。第２ブロックＢＢの第２光透過パターン１００ｂは、第３ブロックＢＣの非透過部１００ｃに対応する位置に形成され、第３ブロックＢＣの第２光透過パターン１００ｂは、第２ブロックＢＢの非透過部１００ｃに対応する位置に形成されている。図２６に示す第２および第３ブロックＢＢ，ＢＣには、理解を容易にするために、１１個の第２光透過パターン１００ｂを示している。
【０１９７】
図２７は、投影マスク１１０を模式的に示す平面図である。図２７に示す投影マスク１１０は、第１および第４ブロックＢＡ，ＢＤに、複数の第１光透過パターン１００ａが形成され、第２および第３ブロックＢＢ，ＢＣに、複数の第２光透過パターン１００ｂが形成されている。投影マスク１１０の第１および第２光透過パターン１００ａ，１００ｂ以外の部分は、光を透過しない非透過部１００ｃである。図２７には、理解を容易にするために、第１および第２光透過パターン１００ａ，１００ｂを略長方形状に示している。
【０１９８】
次に図２７に示す投影マスク１１０を用いて繰返し工程を行うことによって形成される結晶４２の成長過程について説明する。本実施の形態では、繰返し工程において、４回の結晶化工程および３回の移動工程を行う場合について説明する。
【０１９９】
図２８は、図２７に示す投影マスク１１０を用いて半導体膜３７を結晶化させるときの結晶４２の成長過程を段階的に示す図である。図２８（１）は、第１回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。図２８（２）は、第１回目の移動工程によってステージ２８を予め定める第１移動方向Ｘに移動した後、第２回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。図２８（３）は、第２回目の移動工程によってステージ２８を第１移動方向Ｘに移動した後、第３回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。図２８（４）は、第３回目の移動工程によってステージ２８を第１移動方向Ｘに移動した後、第４回目の結晶化工程によって形成される結晶４２の状態を示す図である。図２９は、図２８（４）のセクションＩＸを拡大した平面図である。
【０２００】
まず第１回目の結晶化工程において、光源２１から発せられ、投影マスク１１０の第１ブロックＢＡの第１光透過パターン１００ａを透過したレーザ光３１を、ステージ２８上に載置される半導体素子２７の半導体膜３７に照射すると、半導体膜３７の前記レーザ光３１が照射された領域は結晶化されて、図２８（１）に示すように結晶４２が形成される。そして、第１回目の移動工程において、ステージ２８を、予め定める第１移動方向Ｘ一方に、投影マスク１１０の第１〜第４ブロックＢＡ〜ＢＤの短手方向寸法Ｗに相当する距離寸法だけ移動させる。
【０２０１】
次に第２回目の結晶化工程において、第１回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体膜３７に対して、光源２１から発せられ、投影マスク１１０の第２ブロックＢＢの第２光透過パターン１００ｂを透過したレーザ光３１を照射する。これによって、前記第１回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体膜３７のうち、前記レーザ光３１が照射された領域は結晶化されて、図２８（２）に示すように、第１回目の結晶化工程によって形成された結晶４２の一部に重畳して新たな結晶４２が形成される。そして、第２回目の移動工程において、ステージ２８を、第１移動方向Ｘ一方に、投影マスク１１０の第１〜第４ブロックＢＡ〜ＢＤの短手方向寸法Ｗに相当する距離寸法だけ移動させる。
【０２０２】
次に第３回目の結晶化工程において、第１回目および第２回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体膜３７に対して、光源２１から発せられ、投影マスク１１０の第３ブロックＢＣの第２光透過パターン１００ｂを透過したレーザ光３１を照射する。これによって、前記第１回目および第２回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体膜３７のうち、前記レーザ光３１が照射された領域は結晶化されて、図２８（３）に示すように、第１回目および第２回目の結晶化工程によって形成された結晶４２の一部に重畳して新たな結晶４２が形成される。そして、第３回目の移動工程において、ステージ２８を、第１移動方向Ｘ一方に、投影マスク１１０の第１〜第４ブロックＢＡ〜ＢＤの短手方向寸法Ｗに相当する距離寸法だけ移動させる。
【０２０３】
次に第４回目の結晶化工程において、第１〜第３回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体膜３７に対して、光源２１から発せられ、投影マスク１１０の第４ブロックＢＤの第１光透過パターン１００ａを透過したレーザ光３１を照射する。これによって、前記第１〜第３回目の結晶化工程によって結晶４２が形成された半導体膜３７のうち、前記レーザ光３１が照射された領域は結晶化されて、図２８（４）に示すように、第１〜第３回目の結晶化工程によって形成された結晶４２の一部に重畳して新たな結晶４２が形成される。
【０２０４】
前述のように、図２７に示す投影マスク１１０を用いて４回の結晶化工程、および３回の移動工程を行うことによって、図２９に示すように、半導体膜３７には、第１光透過パターン１００ａを透過したレーザ光が照射されて結晶化された第１結晶化領域４１ａ、および第２光透過パターン１００ｂを透過したレーザ光が照射されて結晶化された第２結晶化領域４１ｂとを含む結晶化領域４１が形成される。
【０２０５】
第１結晶化領域４１ａでは、第１光透過パターン１００ａの形状のレーザ光が照射された領域のうち、半導体膜３７の長手方向Ｘに延びる第１軸線および短手方向Ｙに延びる第２軸線を含む平面内において、第１軸線と第２軸線との交点を中心として第１軸線から時計まわりに角変位する方向に４５度傾斜した方向（以下、本実施の形態において「第１傾斜方向」と称する場合がある）Ｋ１に直交する方向（以下、本実施の形態において「第２傾斜方向」と称する場合がある）Ｋ２両端部から、第２傾斜方向Ｋ２中央部に向かうようにして段階的に結晶４２が成長する。
【０２０６】
そして第２傾斜方向Ｋ２一方側から成長した結晶４２と第２傾斜方向Ｋ２他方側から成長した結晶４２とが衝突して、半導体膜３７の厚み方向一方に突出する最終突起部４３ａが形成される。レーザ光の最終照射によって第１結晶化領域４１ａに形成される最終突起部４３ａは、半導体膜３７の第１傾斜方向Ｋ１に平行に形成される。
【０２０７】
第２結晶化領域４１ｂでは、第２光透過パターン１００ｂの形状のレーザ光が照射された領域のうち、半導体膜３７の第１傾斜方向Ｋ１両端部から第１傾斜方向Ｋ１中央部に向かうようにして段階的に結晶４２が成長する。そして第１傾斜方向Ｋ１一方側から成長した結晶４２と第１傾斜方向Ｋ１他方側から成長した結晶４２とが衝突して、半導体膜３７の厚み方向一方に突出する最終突起部４３ｂが形成される。レーザ光の最終照射によって第２結晶化領域４１ｂに形成される最終突起部４３ｂは、半導体膜３７の第２傾斜方向Ｋ１に平行に形成される。最終突起部４３ａ，４３ｂは、後述する突起部４５ａ，４５ｂと区別するために、図２９において実線で示している。
【０２０８】
最終照射される前段階でレーザ光が照射された半導体膜３７には、レーザ光が照射された部分の第１傾斜方向Ｋ１一方側から成長した結晶４２と第１傾斜方向Ｋ１他方側から成長した結晶４２とが衝突して、半導体膜３７の厚み方向一方に突出する突起部４５ａが形成される。この突起部４５ａは、図２９の第１結晶化領域４１ａに破線で示している。最終照射される前段階でレーザ光が照射された半導体膜３７には、レーザ光が照射された部分の第２傾斜方向Ｋ２一方側から成長した結晶４２と第２傾斜方向Ｋ２他方側から成長した結晶４２とが衝突して、半導体膜３７の厚み方向一方に突出する突起部４５ｂが形成される。この突起部４５ｂは、図２９の第２結晶化領域４１ｂに破線で示している。また図２９では、前記繰返し工程によって成長した複数の結晶同士の境界部分４６を示している。
【０２０９】
半導体膜３７において、レーザ光の最終照射によって形成される最終突起部４３ａ，４３ｂ、最終照射の前段階におけるレーザ光の照射によって形成される突起部４５ａ，４５ｂ、および結晶４２同士の境界部分４６の厚み方向寸法は、それぞれ最終突起部４３ａ，４３ｂ、突起部４５ａ，４５ｂおよび境界部分４６の順に小さくなっている。
【０２１０】
半導体膜３７に形成される複数の最終突起部４３ａ，４３ｂおよび突起部４５ａ，４５ｂによって包囲される包囲領域４７に含まれる第１結晶化領域４１ａの面積と、前記包囲領域４７に含まれる第２結晶化領域４１ｂの面積との比率は、図２９に示すように５０対５０となる。換言すると、第１結晶化領域４１ａの面積と、第２結晶化領域４１ｂの面積とが同等になる。したがって、図２７に示す投影マスク１１０を用いて繰返し工程を行うことによって、半導体膜３７を均一に結晶化させることができる。
【０２１１】
図３０は、結晶化された半導体膜３７およびその半導体膜３７に形成される薄膜トランジスタ素子５０を示す平面図である。図３０には、理解を容易にするために、半導体膜３７に形成される結晶化領域４１の一部を示している。本実施の形態では、ステージ２８に載置される半導体素子２７の半導体膜３７の長手方向の参照符号として、ステージ２８の第１移動方向と同一の参照符号「Ｘ」を付し、半導体膜３７の短手方向の参照符号として、ステージ２８の第２移動方向と同一の参照符号「Ｙ」を付して説明する。
【０２１２】
前述の図２７に示す投影マスク１１０を用いて繰返し工程を行うことによって、半導体膜３７には、図３０に示すように、正方形状でかつ第１結晶化領域４１ａおよび第２結晶化領域４１ｂを含む結晶化領域４１が、半導体膜３７の第１傾斜方向Ｋ１および第２傾斜方向Ｋ２に、それぞれ連続的に並んで形成される。
【０２１３】
図３０には、前述の投影マスク１１０を用いて繰返し工程を行うことによって結晶化領域４１を形成した半導体膜３７の長手方向Ｘ一方から他方に向かうにつれて、ソースＳ、ゲートＧおよびドレインＤの順に並ぶように、半導体膜３７に形成されるＴＦＴ素子５０、ならびに結晶化領域４１を形成した半導体膜３７の短手方向Ｙ一方から他方に向かうにつれて、ドレインＤ、ゲートＧおよびソースＳの順に並ぶように、半導体膜３７に形成されるＴＦＴ素子５０を示している。
【０２１４】
前述のように本実施の形態によれば、投影マスク１１０に対してレーザ光３１を照射し、前記投影マスク１１０に形成される第１および第２光透過パターン１００ａ，１００ｂを透過したレーザ光３１を半導体膜３７に照射する。これによって半導体膜３７に形成される結晶化領域４１において、第１光透過パターン１００ａを透過したレーザ光３１が照射されて結晶化された第１結晶化領域４１ａの面積と、第２光透過パターン１００ｂを透過したレーザ光３１が照射されて結晶化された第２結晶化領域４１ｂの面積との比率を同等にすることができる。換言すると、半導体膜３７を均一に結晶化することができる。
【０２１５】
また本実施の形態によれば、移動工程において、半導体素子２７が載置されるステージ２８を、レーザ光３１を発する光源２１に対して相対移動させることによって、照射対象物である半導体膜３７の所望の領域にレーザ光３１を照射させることができ、所望する形状になるように結晶化させることができる。
【０２１６】
また本実施の形態によれば、繰返し工程において、非晶質材料から成る層の半導体膜３７に、非晶質材料を結晶化させるべき互いに直交する第１および第２方向、具体的には半導体膜３７の長手方向および短手方向に、レーザ光３１を照射して半導体膜３７を結晶化する結晶化工程と、半導体膜３７を、レーザ光３１を発する光源２１に対して相対移動させる移動工程とを交互に行うことによって、半導体膜３７の所望の領域に所望の粒径の結晶粒を確実に形成することができる。
【０２１７】
また本実施の形態によれば、前述のように均一に結晶化された半導体膜３７、具体的には非晶質材料から成る層に、たとえば複数のＴＦＴ素子５０を形成する場合、半導体膜３７に対する一方のＴＦＴ素子５０の形成方向が第１形成方向、他方のＴＦＴ素子５０の形成方向が第２形成方向というように、半導体膜３７に対するＴＦＴ素子５０の形成方向が異なるときでも、各形成方向に形成される各ＴＦＴ素子５０のチャンネル部分に含まれる第１結晶化領域４１ａの面積と、第２結晶化領域４１ｂの面積との比率を同等にすることができる。これによって半導体膜３７に形成する複数のＴＦＴ素子５０の電気的特性、具体的にはスイッチング特性を同一にすることができる。換言すれば、複数のＴＦＴ素子５０のスイッチング特性を均一にすることができる。
【０２１８】
また本実施の形態によれば、半導体膜３７を結晶化させる場合に、半導体膜３７を投影マスク１１０の各領域ＢＡ〜ＢＤの短手方向寸法Ｗだけ移動させながら、投影マスク１１０に形成される第１および第２光透過パターン１００ａ，１００ｂを透過したレーザ光を半導体膜３７に照射するので、半導体膜３７の同一の領域に、前記レーザ光を重畳して照射することができる。したがって本実施の形態では、たとえば一方向に延びる光透過パターンのみが形成される投影マスクを用いて半導体膜３７を結晶化させる場合に比べて大きな粒径の結晶粒を形成することができ、半導体膜３７の電子移動度を比較的高くすることができる。これによって、たとえば半導体膜３７にＴＦＴ素子５０を形成する場合、ＴＦＴ素子５０のスイッチング特性をさらに向上することができる。
【０２１９】
また第１および第２光透過パターン１００ａ，１００ｂを透過したレーザ光を、半導体膜３７の同一の領域に重畳して照射することができるので、前記レーザ光が、光源２１の異常、たとえばレーザ光の発振異常に起因して、複数回の結晶化工程のうちのいずれか１つの結晶化工程で、レーザ光が同一領域に重畳して照射されないなどの不具合が生じた場合でも、半導体膜３７をほぼ均一に結晶化することができる。これによって、たとえば半導体膜３７にＴＦＴ素子５０を形成する場合に、ＴＦＴ素子５０のスイッチング特性が極端に劣化することを防ぐことができる。
【０２２０】
また本実施の形態によれば、半導体膜３７に対するＴＦＴ素子５０の形成方向に依らず、ＴＦＴ素子５０のスイッチング特性を均一にすることができるので、ＴＦＴ素子５０を用いた表示装置などの設計の自由度を高めることができる。
【０２２１】
また本実施の形態によれば、第１および第２光透過パターン１００ａ，１００ｂは、各延び方向の両端部が、投影マスク１１０の厚み方向に見て先細状に形成される。したがって長方形状などのように先細状に形成されていない光透過パターンとは異なり、第１および第２光透過パターン１００ａ，１００ｂの形状のレーザ光が照射された半導体膜３７の照射領域で、延び方向および半導体膜３７の厚み方向のそれぞれに垂直な方向の両端部から成長する結晶が衝突してできる突起部４１が、延び方向の両端部の先細状の部分にまで形成される。これによって光透過パターンの延び方向の両端部が先細状に形成されていない場合に比べて、半導体膜３７をより均一に結晶化することができる。
【０２２２】
したがって半導体膜３７にＴＦＴ素子５０を形成する場合、半導体膜３７に対する一方のＴＦＴ素子５０の形成方向と他方のＴＦＴ素子５０の形成方向とが異なるときでも、半導体膜３７に形成される複数のＴＦＴ素子５０の電気的特性、具体的にはスイッチング特性を確実に同一にすることができる。換言すれば、複数のＴＦＴ素子５０のスイッチング特性を確実に均一にすることができる。
【０２２３】
図３１は、本発明の第６の実施の形態であるレーザ加工装置６０の構成を示す図である。本発明の第６の実施の形態であるレーザ加工方法は、レーザ加工装置６０によって実施される。レーザ加工装置６０は、第１の実施の形態のレーザ加工装置２０と構成が類似しているので、同一の構成については同一の参照符を付して説明を省略する。レーザ加工装置６０は、第１光源６１、可変減衰器２２、ミラー２３、可変焦点視野レンズ２４、投影マスク２５、結像レンズ２６、第２光源６２、均一照射光学系６３、ステージ２８および制御部２９を含んで構成される。
【０２２４】
第１光源６１は、紫外域の波長、具体的には３０８ｎｍの第１レーザ光６５を発することが可能なエキシマレーザ発振器によって実現される。第２光源６２は、可視域から赤外域までの波長の第２レーザ光６６を発することが可能なレーザ発振器によって実現される。具体的に述べると、第２光源６２は、波長が５３４ｎｍの第２レーザ光６６を発することが可能なＹＡＧ高調波レーザ発振器、波長が１０６４ｎｍの第２レーザ光６６を発することが可能なＹＡＧレーザ発振器および波長が１０.６μｍの第２レーザ光６６を発することが可能な炭酸ガスレーザ発振器によって実現される。
【０２２５】
第１レーザ光６５は、第２レーザ光６６に比べて、溶融状態よりも固体状態にある半導体膜３７への吸収率が高い。また第１レーザ光６５は、固体状態にある半導体膜３７であるアモルファスシリコン膜を溶融させるに足るエネルギ量を有する。このエネルギ量は、半導体膜３７の材質の種類、膜厚および結晶化領域の面積などの各条件によって変化し、一義的に定めることはできない。したがって半導体膜３７の前記各条件に応じて適当なエネルギ量を有する第１レーザ光６５を用いることが望ましい。具体的には、半導体膜３７であるアモルファスシリコン膜を、全膜厚において融点以上の温度に加熱することができるエネルギ量を有する第１レーザ光６５を用いることが推奨される。このことは、アモルファスシリコン膜に代えて他の種類の半導体膜３７を結晶化する場合も同様である。
【０２２６】
第２レーザ光６６は、第１レーザ光６５に比べて、固体状態よりも溶融状態にある半導体膜３７への吸収率が高い。第２レーザ光６６は、固体状態にある半導体膜３７を溶融させるに足るエネルギ量未満である。このエネルギ量は、半導体膜３７の材質の種類、膜厚および結晶化領域の面積などの各条件によって変化し、一義的に定めることはできない。したがって半導体膜３７の前記条件に応じて適当なエネルギ量を有する第２レーザ光６６を用いることが望ましい。具体的には、半導体膜３７を融点以上の温度に加熱するに足るエネルギ量未満である第２レーザ光６６を用いることが推奨される。このことは、アモルファスシリコン膜に代えて他の種類の半導体膜３７に適用する場合も同様である。
【０２２７】
制御部１０からの制御信号に従って第１光源６１から発せられる第１レーザ光６５は、可変減衰器２２、ミラー２３、可変焦点視野レンズ２４、投影マスク２５、結像レンズ２６を経由して、ステージ２８上に載置される半導体素子２７の半導体膜３７の厚み方向一表面部に照射される。第２光源６２から発せられる第２レーザ光６６は、第２レーザ光を照射対象物である半導体膜３７に均一に照射させるための均一照射光学系６３およびミラー２３を経由して、ステージ２８に載置される半導体素子２７の半導体膜３７の厚み方向一表面部に照射される。レーザ加工装置６０では、第１レーザ光６５を、半導体膜３７の厚み方向一表面部に対して垂直な方向から入射させることができるとともに、第２レーザ光６６を、半導体膜３７の厚み方向一表面部に対して斜め方向から入射させることができる。
【０２２８】
第１光源６１は、第１レーザ光６５を発することが可能で、かつ半導体膜３７を溶融することが可能であるレーザ発振器であればよく、パルス状のレーザ光を発することが可能で、波長が３０８ｎｍの第１レーザ光６５を発することが可能なエキシマレーザ発振器に限定されない。第１光源６１は、紫外域の波長のレーザ光を発することが可能なレーザ発振器、たとえばエキシマレーザ発振器およびＹＡＧレーザ発振器に代表される固体レーザ発振器であってもよい。第２光源を構成する発振器は、溶融状態の半導体膜３７に吸収される波長の第２レーザ光６６を発することができるレーザ発振器である。
【０２２９】
図３２は、第１レーザ光６５および第２レーザ光６６を発する時間と出力との関係を示すグラフである。グラフの横軸は時間を表し、グラフの縦軸は第１および第２レーザ光６５，６６の出力、具体的には第１および第２レーザ光６５，６６の単位面積あたりのエネルギ量を表す。図３２に破線で示す曲線Ｖ１は、エキシマレーザ発振器などの第１光源６１から発せられる第１レーザ光６５の出力特性を表している。図３２に実線で示す曲線Ｖ２は、炭酸ガスレーザ発振器などの第２光源６２から発せられる第２レーザ光６６の出力特性を表している。第１レーザ光６５の出力、換言すれば単位面積あたりのエネルギ量は、たとえば２００ｍＪ／ｃｍ２以上１０００ｍＪ／ｃｍ２未満である。第２レーザ光６６の出力、換言すれば単位面積あたりのエネルギ量は、たとえば１００ｍＪ／ｃｍ２以上１０００ｍＪ／ｃｍ２未満である。
【０２３０】
本実施の形態では、図３２に示すように、第２レーザ光６６は、時刻ｔ０から時刻ｔ３にわたって第２光源６２から発せられ、第１レーザ光６５は、時刻ｔ０の後の時刻ｔ１から時刻ｔ３より前の時刻ｔ２にわたって第１光源６１から発せられる。第１レーザ光６５が発せられている時間は、第２レーザ光６６が発せられている時間に比べて短く、第２レーザ光６６が発せられている時間の１／１００以下、具体的には第２レーザ光６６が発せられている時間の１／１０００程度である。さらに具体的に述べると、時刻ｔ０から時刻ｔ３までの時間は、たとえば１００μｓであり、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間は、たとえば１００ｎｓである。
【０２３１】
本実施の形態では、曲線Ｖ１に示すように、第１レーザ光６５の出力の立上がりおよび立下りは比較的急峻であり、時刻ｔ１の経過後に比較的短時間で出力が最大値に到達し、その後に比較的短時間で出力を低下させるようにしている。また曲線Ｖ２に示すように、時刻ｔ０の経過後に比較的短時間で出力が最大値に到達し、時刻ｔ２が経過するまで出力を最大値に保持する。時刻ｔ２の経過後の第２レーザ光６６の出力の立下りは、立上がりに比べて緩やかであり、時刻ｔ３が経過するまで徐々に出力を低下させるようにしている。第１レーザ光６５および第２レーザ光６６を発する時間と出力との関係は、図３２のグラフに示す関係に限定されないが、図３２のグラフに示す関係と同様の関係にあることが好ましい。時刻ｔ１から時刻ｔ３までの間において、半導体膜３７であるアモルファスシリコン膜は溶融状態にある。
【０２３２】
本実施の形態において、照射対象物である半導体膜３７に対して時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間、および時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間に第２レーザ光６６を照射する段階は、結晶化工程における第１照射段階に相当する。また照射対象物である半導体膜３７に対して時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間に、第１レーザ光６５および第２レーザ光６６を照射する段階は、結晶化工程における第２照射段階に相当する。
【０２３３】
次にレーザ加工装置６０によって、ステージ２８に載置される半導体素子２７の半導体膜３７を結晶化する工程について説明する。まず結晶化工程において、図３２の曲線Ｖ１に示すようなタイミングで、具体的には時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間に第１光源６１から発せられる第１レーザ光６５を、投影マスク２５に形成される第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂを透過して、ステージ２８に載置される半導体素子２７の半導体膜３７の厚み方向一表面部に画される第１領域に照射する。また図３２の曲線Ｖ２に示すようなタイミングで、具体的には時刻ｔ０から時刻ｔ３までの間に第２光源６２から発せられる第２レーザ光６６を、前記半導体膜３７の厚み方向一表面部に照射する。第１および第２レーザ光６５，６６の照射によって、前記第１領域の半導体膜３７を溶融し、溶融した第１領域の半導体膜３７を凝固させて結晶化する。
【０２３４】
次に移動工程において、制御部２９がステージ２８を駆動制御することによって、ステージ２８を第１移動方向Ｘ一方に所定の距離寸法だけ移動させる。ステージ２８を第１移動方向Ｘ一方に移動させることによって、ステージ２８上に載置される半導体素子２７を、第１移動方向Ｘ一方に所定の距離寸法だけ移動させることができる。これによって、投影マスク２５に形成される複数の第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂを透過した第１レーザ光６５が半導体素子２７の半導体膜３７の厚み方向一表面部に照射される新たな領域は、第１移動方向Ｘ一方に所定の距離寸法だけ移動した領域となる。前記新たな領域は、移動前の領域と一部分が重畳している。ステージ２８を第１移動方向Ｘ一方に移動させるときの前記所定の距離寸法は、たとえば投影マスク２５の第１〜第４ブロックＢＡ〜ＢＤの短手方向寸法Ｗである。
【０２３５】
移動工程において所定の距離寸法だけ移動した後は再度、結晶化工程において、図３２の曲線Ｖ１に示すようなタイミングで第１光源６１から発せられる第１レーザ光６５を、投影マスク２５に形成される第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂを透過して、ステージ２８に載置される半導体素子２７の半導体膜３７の厚み方向一表面部に画される第２領域に照射する。第２領域は、前記第１領域と一部分が重畳している。また第１回目の結晶化工程と同様に、図３２の曲線Ｖ２に示すようなタイミングで第２光源６２から発せられる第２レーザ光６６も、前記半導体膜３７の厚み方向一表面部に照射する。第１および第２レーザ光６５，６６の照射によって、前記第２領域の半導体膜３７を溶融し、溶融した第２領域の半導体膜３７を凝固させて結晶化する。さらに繰返し工程において、前記半導体膜３７の結晶化される領域が所定の大きさに達するまで、前述の結晶化工程と移動工程とを交互に行う。これによって、たとえば前述の実施の形態と同様に、半導体膜３７を均一に結晶化させることができる。
【０２３６】
前述のように本実施の形態によれば、レーザ加工装置６０を用いて、照射対象物である半導体膜３７に第１および第２レーザ光６５，６６を照射することによって、半導体膜３７を均一に結晶化し、その均一に結晶化した半導体膜３７にＴＦＴ素子５０が形成される。したがって均一に結晶化された半導体膜３７に複数のＴＦＴ素子５０を形成する場合、半導体膜３７に対する一方のＴＦＴ素子５０の形成方向と他方のＴＦＴ素子５０の形成方向とが異なるときでも、各形成方向に形成される各ＴＦＴ素子５０のチャンネル部分に含まれる第１結晶化領域４１ａの面積と、第２結晶化領域４１ｂの面積との比率を同等にすることができる。
【０２３７】
これによって半導体膜３７に形成する複数のＴＦＴ素子５０の電気的特性、具体的にはスイッチング特性を同一にすることができる。換言すれば、複数のＴＦＴ素子５０のスイッチング特性を均一にすることができる。また半導体膜３７に対するＴＦＴ素子５０の形成方向に依らず、ＴＦＴ素子５０のスイッチング特性を均一にすることができるので、ＴＦＴ素子５０を用いた表示装置などの設計の自由度を高めることができる。
【０２３８】
また本実施の形態によれば、溶融状態にある半導体膜３７に対して、結晶化工程における第２照射段階において、第１レーザ光６５に加えて第２レーザ光６６を照射することによって、前記溶融状態の半導体膜３７の冷却速度を低下させることができる。これによって溶融状態の半導体膜３７が凝固するまでの時間を延長することができる。したがって溶融状態にある半導体膜３７であるアモルファスシリコン膜が凝固することによって形成される半導体多結晶のラテラル成長の距離寸法を大幅に延ばすことができる。
【０２３９】
それ故、半導体膜３７を結晶化するにあたり、比較的大きな結晶粒に成長させることができる。比較的大きな結晶粒に成長させることによって、結晶化された半導体膜３７の電子移動度を比較的高くすることができ、電子移動度の比較的高い半導体膜３７にＴＦＴ素子５０を形成することによって、ＴＦＴ素子５０の電気的特性、具体的にはスイッチング特性を向上することができる。
【０２４０】
図３３は、本発明の第７の実施の形態であるレーザ加工装置７０の構成を示す図である。図３４は、回動駆動部７２によって回動される投影マスク７１の回動過程を段階的に示す図である。本発明の第７の実施の形態であるレーザ加工方法は、レーザ加工装置７０によって実施される。レーザ加工装置７０は、第１の実施の形態のレーザ加工装置２０と構成が類似しているので、同一の構成については同一の参照符を付して説明を省略する。レーザ加工装置７０は、光源２１、可変減衰器２２、ミラー、可変焦点視野レンズ２４、投影マスク７１、結像レンズ２６、ステージ２８、制御部２９、回動駆動部７２および直線駆動部７３を含んで構成される。本実施の形態では、ステージ２８の第１移動方向Ｘおよび第２移動方向Ｙに互いに直交する方向を「Ｚ軸方向」と称する場合がある。
【０２４１】
本実施の形態の投影マスク７１には、複数の光透過パターン７１ａが形成されている。投影マスク７１の光透過パターン７１ａ以外の部分は、光を透過しない非透過部７１ｂである。投影マスク７１は、図３４に示すように、その厚み方向に垂直な仮想平面に投影した形状が長方形状である。光透過パターン７１ａは、投影マスク７１の長手方向に沿って延びる第１軸線と、投影マスク７１の短手方向に沿って延びる第２軸線とを含む平面内において、予め定める方向、本実施の形態では第２軸線方向に延びている。複数の光透過パターン７１ａは、投影マスク７１の長手方向に間隔をあけて形成されている。光透過パターン７１ａは、投影マスク７１の厚み方向に見て六角形状であり、光透過パターン７１ａの延び方向である長手方向の両端部は、投影マスク７１の厚み方向に見て先細状に形成されている。図３４には、理解を容易にするために、光透過パターン７１ａを長方形状に示している。
【０２４２】
回動駆動部７２は、投影マスク７１を照射対象物である半導体膜３７に対して相対的に回動駆動するための回動駆動機構と、回動駆動機構を駆動するための回動駆動源とを有する。回動駆動源は、たとえばモータによって実現される。本実施の形態では、投影マスク７１は、第１軸線および第２軸線を含む平面の中心を通り、投影マスク７１の厚み方向に延びる第３軸線であって、第１および第２軸線に直交する第３軸線まわりに、回動駆動部７２によって回動駆動可能に構成される。
【０２４３】
直線駆動部７３は、投影マスク７１を照射対象物である半導体膜３７に対して、投影マスク７１に形成される光透過パターン７１ａの長手方向または短手方向に相対的に直線駆動するための直線駆動機構と、直線駆動機構を駆動するための直線駆動源とを有する。直線駆動源は、たとえばモータによって実現される。本実施の形態では、投影マスク７１は、第１軸線方向または第２軸線方向、換言すればステージ２８の第２移動方向ＹまたはＺ軸方向に、直線駆動部７３によって直線駆動可能に構成される。
【０２４４】
制御部２９は、回動駆動部７２および直線駆動部７３と電気的に接続されている。制御部２９は、回動駆動部７２および直線駆動部７３を同期駆動させるための制御信号を、回動駆動部７２および直線駆動部７３に与える。回動駆動部７２および直線駆動部７３は、制御部２９から与えられる制御信号に基づいて、投影マスク７１を前述のように回動駆動および直線駆動させる。本実施の形態において、回動駆動手段は回動駆動部７２によって構成され、直線駆動手段は直線駆動部７３によって構成される。制御手段は、制御部２９によって構成される。
【０２４５】
制御部２９からの制御信号に従って光源２１から発せられるレーザ光３１は、図３３に示すように、可変減衰器２２、ミラー２３、可変焦点視野レンズ２４、投影マスク７１を経由し、結像レンズ２６によって半導体素子２７に設けられる半導体膜３７の厚み方向一表面部に照射される。
【０２４６】
本実施の形態では、光源２１から発せられ、投影マスク７１の光透過パターン７１ａを透過したレーザ光３１を半導体膜３７に対して照射し、半導体膜３７の前記レーザ光３１が照射された領域を結晶化する結晶化工程を４回行うとともに、回動駆動部７２によって投影マスク７１を第３軸線まわりに回動させる工程を３回行う。具体的には、投影マスク７１が、図３４（１）に示すように、光透過パターン７１ａの長手方向とＺ軸方向とが一致し、かつ光透過パターン７１ａの並び方向とステージ２８の第２移動方向Ｙとが一致するように配設されているとき、光源２１から発せられるレーザ光３１を、投影マスク７１を介して半導体膜３７に照射する。
【０２４７】
次に、回動駆動部７３によって、図３４（１）に示す投影マスク７１を第３軸線まわりでかつ時計まわりに９０度回動させて、図３４（２）に示すように、光透過パターン７１ａの長手方向とステージ２８の第２移動方向Ｙとが一致し、かつ光透過パターン７１ａの並び方向とＺ軸方向とが一致するように、投影マスク７１を配設する。投影マスク７１が、図３４（２）に示すように配設されているとき、光源２１から発せられるレーザ光３１を、投影マスク７１を介して半導体膜３７に照射する。
【０２４８】
次に、回動駆動部７３によって、図３４（２）に示す投影マスク７１を第３軸線まわりでかつ時計まわりに１８０度回動させて、図３４（３）に示すように、光透過パターン７１ａの長手方向とステージ２８の第２移動方向Ｙとが一致し、かつ光透過パターン７１ａの並び方向とＺ軸方向とが一致するように、投影マスク７１を配設する。投影マスク７１が、図３４（３）に示すように配設されているとき、光源２１から発せられるレーザ光３１を、投影マスク７１を介して半導体膜３７に照射する。
【０２４９】
次に、回動駆動部７３によって、図３４（３）に示す投影マスク７１を第３軸線まわりでかつ反時計まわりに９０度回動させて、図３４（４）に示すように、光透過パターン７１ａの長手方向とＺ軸方向とが一致し、かつ光透過パターン７１ａの並び方向とステージ２８の第２移動方向Ｙとが一致するように、投影マスク７１を配設する。投影マスク７１が、図３４（４）に示すように配設されているとき、光源２１から発せられるレーザ光３１を、投影マスク７１を介して半導体膜３７に照射して、結晶化工程を終了する。
【０２５０】
前述のように結晶化工程と、回動駆動部７２によって投影マスク７１を第３軸線まわりに回動させる工程とを行うことによって、前述の第１〜第６の実施形態のようにステージ２８を光源２１に対して相対移動、具体的にはステージ２８を第１移動方向Ｘおよび第２移動方向Ｙに移動させる場合と同様に、半導体膜３７を均一に結晶化させることができる。
【０２５１】
前述のように本実施の形態によれば、複数の光透過パターン７１ａが形成される投影マスク７１は、回動駆動部７２によって前記第３軸線まわりに回動駆動される。また投影マスク７１は、直線駆動部７３によって、第１軸線方向または第２軸線方向、換言すればステージ２８の第２移動方向ＹまたはＺ軸方向に直線駆動される。回動駆動部７２および直線駆動部７３は、制御部２９によって同期駆動され、投影マスク７１の光透過パターン７１ａの長手方向が順次、Ｚ軸方向、ステージ２８の第２移動方向Ｙ、Ｚ軸方向および前記第２移動方向Ｙとなるように段階的に制御される。
【０２５２】
したがって、Ｚ軸方向に延びる光透過パターン７１ａが形成される投影マスク７１を用いて半導体膜３７を結晶化させる場合でも、回動駆動部７２および直線駆動部７３によって、前記投影マスク７１を半導体膜３７に対して相対的に回動駆動および直線駆動させることができる。これによって光源２１から発せられるレーザ光は、回動駆動部７２による回動駆動によって延び方向がＺ軸方向および前記第２移動方向Ｙに変化する光透過パターン７１ａを透過することができる。したがって、Ｚ軸方向および第２移動方向Ｙに延びる光透過パターン７１ａの形状のレーザ光を半導体膜３７に対して照射することができる。
【０２５３】
これによってＺ軸方向に延びる光透過パターン７１ａが形成される投影マスク７１を用いた場合でも、前述の第１〜第３の実施の形態のように、延び方向が互いに直交する第１光透過パターン２５ａおよび第２光透過パターン２５ｂが形成される投影マスク２５を用いる場合と同様に、レーザ光の最終照射によって結晶化された半導体膜３７において、第１結晶化領域４１ａの面積と、第２結晶化領域４１ｂの面積との比率を同等にすることができる。したがって、照射対象物である半導体膜３７を均一に結晶化させることができる。
【０２５４】
このように均一に結晶化された半導体膜３７、具体的には非晶質材料から成る層に、たとえば複数のＴＦＴ素子５０を形成する場合、半導体膜３７に対する一方のＴＦＴ素子５０の形成方向が第１形成方向、他方のＴＦＴ素子５０の形成方向が第２形成方向というように、ＴＦＴ素子５０の形成方向が異なるときでも、各形成方向に形成される各ＴＦＴ素子５０のチャンネル部分に含まれる第１結晶化領域４１ａの面積と、第２結晶化領域４１ｂの面積との比率を同等にすることができる。これによって半導体膜３７に形成する複数のＴＦＴ素子５０の電気的特性、具体的にはスイッチング特性を同一にすることができる。換言すれば、複数のＴＦＴ素子５０のスイッチング特性を均一にすることができる。
【０２５５】
また本実施の形態によれば、半導体膜３７に対するＴＦＴ素子５０の形成方向に依らず、ＴＦＴ素子５０のスイッチング特性を均一にすることができるので、ＴＦＴ素子５０を用いた表示装置などの設計の自由度を高めることができる。
【０２５６】
次に、本発明の第８の実施の形態であるレーザ加工装置およびレーザ加工方法について説明する。本実施の形態のレーザ加工装置は、前述の第７の実施の形態のレーザ加工装置７０と構成が類似しており、投影マスク７１に代えて他の投影マスク２００を備えている点だけが異なるので、投影マスク２００について説明し、同一の構成については同一の参照符を付して説明を省略する。本発明の第８の実施の形態であるレーザ加工方法は、本実施の形態のレーザ加工装置によって実施される。図３５は、回動駆動部７２によって回動される投影マスク２００の回動過程を段階的に示す図である。本実施の形態では、ステージ２８の第１移動方向Ｘおよび第２移動方向Ｙに互いに直交する方向を「Ｚ軸方向」と称する場合がある。
【０２５７】
本実施の形態の投影マスク２００には、複数の光透過パターン２００ａが形成されている。投影マスク２００の光透過パターン２００ａ以外の部分は、光を透過しない非透過部２００ｂである。投影マスク２００は、図３５に示すように、その厚み方向に垂直な仮想平面に投影した形状が長方形状である。光透過パターン２００ａは、投影マスク２００の長手方向に沿って延びる第１軸線と、投影マスク２００の短手方向に沿って延びる第２軸線とを含む平面内において、第１軸線と第２軸線との交点を中心として第２軸線から時計回りに角変位する方向に４５度傾斜した方向（以下、「傾斜方向」と称する場合がある）に延びている。複数の光透過パターン２００ａは、投影マスク２００の厚み方向に見て、前記傾斜方向に直交する方向に間隔をあけて形成されている。光透過パターン２００ａは、投影マスク２００の厚み方向に見て六角形状であり、光透過パターン２００ａの延び方向である傾斜方向の両端部は、投影マスク２００の厚み方向に見て先細状に形成されている。図３５には、理解を容易にするために、光透過パターン２００ａを略長方形状に示している。
【０２５８】
本実施の形態では、光源２１から発せられ、投影マスク２００の光透過パターン２００ａを透過したレーザ光３１を半導体膜３７に対して照射し、半導体膜３７の前記レーザ光３１が照射された領域を結晶化する結晶化工程を４回行うとともに、回動駆動部７２によって投影マスク２００を、投影マスク２００の厚み方向に延びる第３軸線まわりに回動させる工程を３回行う。具体的には、投影マスク２００が、図３５（１）に示すように、投影マスク２００の長手方向とＺ軸方向とが一致し、かつ投影マスク２００の短手方向とステージ２８の第２移動方向Ｙとが一致するように配設されているとき、光源２１から発せられるレーザ光３１を、投影マスク２００を介して半導体膜３７に照射する。
【０２５９】
次に、回動駆動部７３によって、図３５（１）に示す投影マスク２００を第３軸線まわりでかつ時計まわりに１８０度回動させて、図３５（２）に示すように、投影マスク２００の長手方向とＺ軸方向とが一致し、かつ投影マスク２００の短手方向とステージ２８の第２移動方向Ｙとが一致するように、投影マスク２００を配設する。投影マスク２００が、図３５（２）に示すように配設されているとき、光源２１から発せられるレーザ光３１を、投影マスク２００を介して半導体膜３７に照射する。
【０２６０】
次に、回動駆動部７３によって、図３５（２）に示す投影マスク２００を第３軸線まわりでかつ反時計まわりに９０度回動させて、図３５（３）に示すように、投影マスク２００の長手方向とステージ２８の第２移動方向Ｙとが一致し、かつ投影マスク２００の短手方向とＺ軸方向とが一致するように、投影マスク２００を配設する。投影マスク２００が、図３５（３）に示すように配設されているとき、光源２１から発せられるレーザ光３１を、投影マスク２００を介して半導体膜３７に照射する。
【０２６１】
次に、回動駆動部７３によって、図３５（３）に示す投影マスク２００を第３軸線まわりでかつ時計まわりに１８０度回動させて、図３５（４）に示すように、投影マスク２００の長手方向とステージ２８の第２移動方向Ｙとが一致し、かつ投影マスク２００の短手方向とＺ軸方向とが一致するように、投影マスク２００を配設する。投影マスク２００が、図３５（４）に示すように配設されているとき、光源２１から発せられるレーザ光３１を、投影マスク２００を介して半導体膜３７に照射して、結晶化工程を終了する。
【０２６２】
前述のように結晶化工程と、回動駆動部７２によって投影マスク２００を第３軸線まわりに回動させる工程とを行うことによって、前述の第１〜第６の実施形態のようにステージ２８を光源２１に対して相対移動、具体的にはステージ２８を第１移動方向Ｘおよび第２移動方向Ｙに移動させる場合と同様に、半導体膜３７を均一に結晶化させることができる。
【０２６３】
前述のように本実施の形態によれば、傾斜方向に延びる光透過パターン２００ａが形成される投影マスク２００を用いて半導体膜３７を結晶化させる場合でも、回動駆動部７２および直線駆動部７３によって、前記投影マスク２００を半導体膜３７に対して相対的に回動駆動および直線駆動させることができる。これによって光源２１から発せられるレーザ光は、回動駆動部７２による回動駆動によって延び方向が、傾斜方向および投影マスク２００の厚み方向に見て傾斜方向に直交する方向に変化する光透過パターン２００ａを透過することができる。したがって、傾斜方向および前記傾斜方向に直交する方向に延びる光透過パターン２００ａの形状のレーザ光を半導体膜３７に対して照射することができる。
【０２６４】
これによって傾斜方向に延びる光透過パターン２００ａが形成される投影マスク２００を用いた場合でも、前述の第４および第５の実施の形態のように、延び方向が互いに直交する第１光透過パターン１００ａおよび第２光透過パターン１００ｂが形成される投影マスク１００，１１０を用いる場合と同様に、光透過パターン２００ａの形状のレーザ光が照射された半導体膜３７を溶融し、均一に結晶化させることができる。
【０２６５】
このように均一に結晶化された半導体膜３７、具体的には非晶質材料から成る層に、たとえば複数のＴＦＴ素子５０を形成する場合、半導体膜３７に対する一方のＴＦＴ素子５０の形成方向が第１形成方向、他方のＴＦＴ素子５０の形成方向が第２形成方向というように、ＴＦＴ素子５０の形成方向が異なるときでも、各形成方向に形成される各ＴＦＴ素子５０のチャンネル部分に含まれる結晶化領域の形状を同一にすることができる。換言すると、結晶化領域が形成される半導体膜３７に対する複数のＴＦＴ素子５０の形成方向が第１形成方向および第２形成方向のうち、いずれの方向であっても、結晶の成長方向に対する複数のＴＦＴ素子５０のソースＳからドレインＤに流れる電流の方向を同一にすることができる。これによって半導体膜３７に形成する複数のＴＦＴ素子５０の電気的特性、具体的にはスイッチング特性を同一にすることができる。換言すれば、複数のＴＦＴ素子５０のスイッチング特性を均一にすることができる。
【０２６６】
また本実施の形態によれば、半導体膜３７に対するＴＦＴ素子５０の形成方向に依らず、ＴＦＴ素子５０のスイッチング特性を均一にすることができるので、ＴＦＴ素子５０を用いた表示装置などの設計の自由度を高めることができる。
【０２６７】
前述の各実施の形態は、本発明の例示に過ぎず、発明の範囲内において構成を変更することができる。前述の第１〜第３の実施の形態では、第１および第２光透過パターン２５ａ，２５ｂが形成される一の投影マスク２５を備えるレーザ加工装置２０，６０を用いて照射対象物である半導体膜３７を結晶化する場合の構成について述べたが、複数のマスク部を含む投影マスクを備えるレーザ加工装置を用いてもよい。たとえば、第１光透過パターン２５ａが形成される一方のマスク部を透過したレーザ光を半導体膜３７に照射するとともに、第２光透過パターン２５ｂが形成される他方のマスク部を透過したレーザ光を半導体膜３７に照射することによって、半導体膜３７を結晶化するようにしてもよい。この場合でも、一の投影マスク２５を用いた場合と同様に、半導体膜３７を均一に結晶化することができ、半導体膜３７に形成される複数のＴＦＴ素子５０のスイッチング特性を均一にすることができる。
【０２６８】
半導体膜３７を結晶化させるにあたって、前述の第４の実施の形態では、第１および第２ブロックＢＡ，ＢＢに複数の第１光透過パターン１００ａが形成され、第３および第４ブロックＢＣ，ＢＤに複数の第２光透過パターン１００ｂが形成される投影マスク１００を用い、前述の第５の実施の形態では、第１および第４ブロックＢＡ，ＢＤに複数の第１光透過パターン１００ａが形成され、第２および第３ブロックＢＢ，ＢＣに複数の第２光透過パターン１００ｂが形成される投影マスク１１０を用いた場合について述べたが、投影マスクはこれらに限らず、以下の（Ａ）〜（Ｄ）の投影マスクを用いてもよい。
【０２６９】
（Ａ）第１および第２ブロックＢＡ，ＢＢに複数の第２光透過パターン１００ｂが形成され、第３および第４ブロックＢＣ，ＢＤに複数の第１光透過パターン１００ａが形成される投影マスク。（Ｂ）第１および第４ブロックＢＡ，ＢＤに複数の第２光透過パターン１００ｂが形成され、第２および第３ブロックＢＢ，ＢＣに複数の第１光透過パターン１００ａが形成される投影マスク。（Ｃ）第１および第３ブロックＢＡ，ＢＣに複数の第１光透過パターン１００ａが形成され、第２および第４ブロックＢＢ，ＢＤに複数の第２光透過パターン１００ｂが形成される投影マスク。（Ｄ）第１および第３ブロックＢＡ，ＢＣに複数の第２光透過パターン１００ｂが形成され、第２および第４ブロックＢＢ，ＢＤに複数の第１光透過パターン１００ａが形成される投影マスク。
【０２７０】
前記（Ａ）〜（Ｄ）の投影マスクを用いた場合でも、前述の第４および第５の実施の形態と同様に、半導体膜３７を均一に結晶化させることができ、半導体膜３７に形成される複数のＴＦＴ素子５０のスイッチング特性を均一にすることができる。前記（Ａ）〜（Ｄ）の投影マスクのうち、（Ｂ）の投影マスクを用いると、半導体膜３７をより均一に結晶化させることが可能となり、半導体膜３７に形成される複数のＴＦＴ素子５０のスイッチング特性を向上することができる。
【０２７１】
前述の各実施の形態では、投影マスク２５，２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，７１，１００，１１０，２００を用いて照射対象物である半導体膜３７を結晶化する場合について述べたが、このような構成に限らない。本発明の他の実施の形態では、照射領域形成手段である光源２１および制御部２９によって、光源２１から発せられるレーザ光が、半導体膜３７を結晶化させるべき第１方向に延びるように、半導体膜３７に照射される第１照射領域を形成する。また光源２１および制御部２９によって、光源２１から発せられるレーザ光が、第１方向に直交する第２方向に延びるように、半導体膜３７に照射される第２照射領域を形成する。
【０２７２】
第１および第２照射領域は、配設手段である制御部２９によって、第１照射領域、第２照射領域、第２照射領域および第１照射領域の順に並べて配設される。これによってレーザ光の最終照射によって結晶化された半導体膜３７の第１照射領域および第２照射領域において、レーザ光が第１方向に延びるように照射されて結晶化された部分の面積と、レーザ光が第２方向に延びるように照射されて結晶化された部分の面積とを同等にすることができる。したがって、照射対象物である半導体膜３７を均一に結晶化させることができる。
【０２７３】
照射領域形成手段によって第１および第２照射領域を形成し、配設手段によって第１および第２照射領域を前述のような順に配設することによって、前述の各実施の形態のレーザ加工装置２０，６０，７０に設けられる投影マスク２５，２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，７１，１００，１１０，２００を用いることなく、照射対象物である半導体膜３７を均一に結晶化させることができる。したがってレーザ加工装置２０，６０，７０の部品点数を削減することができる。これによってレーザ加工装置２０，６０，７０の構造を簡単化して小型化を図ることができるとともに、レーザ加工装置２０，６０，７０の製造コストの低減化を図ることができる。
【０２７４】
また前述の第７の実施の形態では、回動駆動部７２および直線駆動部７３によって、投影マスク７１を回動駆動および直線駆動するように構成されているが、このような構成に限定されない。本発明の他の実施の形態では、回動駆動部７２によってステージ２８を、投影マスク７１に対して相対的に回動駆動可能、具体的にはステージ２８を、ステージ２８の厚み方向であるＺ軸方向に延びる軸線まわりに回動駆動可能に構成してもよい。また、直線駆動部７３によってステージ２８を、投影マスク７１に対して相対的に直線駆動可能、具体的にはステージ２８を、第１移動方向Ｘおよび第２移動方向Ｙに直線駆動可能に構成してもよい。本発明の他の実施の形態における回動駆動部７２および直線駆動部７３は、制御部２９から与えられる制御信号に基づいて、ステージ２８を前述のように回動駆動および直線駆動させるようにする。このような構成であっても、前述の第７の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【０２７５】
前述の各実施の形態では、半導体膜３７としてアモルファスシリコン膜を適用した場合について説明したが、これに限定されることなく、非晶質のゲルマニウムおよびそれらの合金でもよい。
【図面の簡単な説明】
【０２７６】
【図１】本発明の第１の実施の形態であるレーザ加工装置２０の構成を示す図である。
【図２】半導体素子２７の構成を示す断面図である。
【図３】投影マスク２５を示す平面図である。
【図４】半導体膜３７に形成される結晶４２の状態の一部を拡大して示す平面図である。
【図５】投影マスク６を模式的に示す平面図である。
【図６】図５に示す投影マスク６を用いて半導体膜１７を結晶化させるときの結晶４２の成長過程を段階的に示す図である。
【図７】図６（４）のセクションＩＩを拡大した平面図である。
【図８】投影マスク６Ａを模式的に示す平面図である。
【図９】図８に示す投影マスク６Ａを用いて繰返し工程を行うことによって、半導体膜１７に形成される結晶４２の状態を示す平面図である。
【図１０】投影マスク２５を模式的に示す平面図である。
【図１１】図１０に示す投影マスク２５を用いて半導体膜３７を結晶化させるときの結晶４２の成長過程を段階的に示す図である。
【図１２】図１１（４）のセクションＩＶを拡大した平面図である。
【図１３】投影マスク２５Ａを模式的に示す平面図である。
【図１４】図１３に示す投影マスク２５Ａを用いて繰返し工程を行うことによって、半導体膜３７に形成される結晶４２の状態を示す平面図である。
【図１５】結晶化された半導体膜３７およびその半導体膜３７に形成される薄膜トランジスタ素子５０を示す平面図である。
【図１６】結晶化された半導体膜３７およびその半導体膜３７に形成される薄膜トランジスタ素子５０を示す平面図である。
【図１７】投影マスク２５Ｂを模式的に示す平面図である。
【図１８】図１７に示す投影マスク２５Ｂを用いて繰返し工程を行うことによって、半導体膜３７に形成される結晶化領域４１の状態を示す平面図である。
【図１９】投影マスク２５Ｃを模式的に示す平面図である。
【図２０】図１９に示す投影マスク２５Ｃを用いて繰返し工程を行うことによって、半導体膜３７に形成される結晶化領域４１の状態を示す平面図である。
【０２７７】
【図２１】投影マスク１００を示す平面図である。
【図２２】投影マスク１００を模式的に示す平面図である。
【図２３】図２２に示す投影マスク１００を用いて半導体膜３７を結晶化させるときの結晶４２の成長過程を段階的に示す図である。
【図２４】図２３（４）のセクションＶＩＩＩを拡大した平面図である。
【図２５】結晶化された半導体膜３７およびその半導体膜３７に形成される薄膜トランジスタ素子５０を示す平面図である。
【図２６】投影マスク１１０を示す平面図である。
【図２７】投影マスク１１０を模式的に示す平面図である。
【図２８】図２７に示す投影マスク１１０を用いて半導体膜３７を結晶化させるときの結晶４２の成長過程を段階的に示す図である。
【図２９】図２８（４）のセクションＩＸを拡大した平面図である。
【図３０】結晶化された半導体膜３７およびその半導体膜３７に形成される薄膜トランジスタ素子５０を示す平面図である。
【図３１】本発明の第６の実施の形態であるレーザ加工装置６０の構成を示す図である。
【図３２】第１レーザ光６５および第２レーザ光６６を発する時間と出力との関係を示すグラフである。
【図３３】本発明の第７の実施の形態であるレーザ加工装置７０の構成を示す図である。
【図３４】回動駆動部７２によって回動される投影マスク７１の回動過程を段階的に示す図である。
【図３５】回動駆動部７２によって回動される投影マスク２００の回動過程を段階的に示す図である。
【図３６】第１の従来技術のレーザ加工装置１の構成を示す図である。
【図３７】半導体素子８の構成を示す断面図である。
【図３８】半導体膜１７における結晶の成長過程を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【０２７８】
２０，６０，７０  レーザ加工装置
２１  光源（エキシマレーザ発振器）
２２  可変減衰器
２３  ミラー
２４  可変減焦点視野レンズ
２５，２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，７１，１００，１１０，２００  投影マスク
２５ａ，１００ａ  第１光透過パターン
２５ｂ，１００ｂ  第２光透過パターン
２５ｃ，７１ｂ，１００ｃ，２００ｂ  非透過部
２６  結像レンズ
２７  半導体素子
２８  ステージ
２９  制御部
３１  レーザ光
３５  透明基板
３６  下地膜
３７  半導体膜
４１  結晶化領域
４１ａ  第１結晶化領域
４１ｂ  第２結晶化領域
４３ａ，４３ｂ  最終突起部
４５ａ，４５ｂ  突起部
５０  薄膜トランジスタ素子（ＴＦＴ素子）
６１  第１光源
６２  第２光源
６３  均一照射光学系
６５  第１レーザ光
６６  第２レーザ光
７１ａ，２００ａ  光透過パターン
７２  回動駆動部
７３  直線駆動部
ＢＡ  第１ブロック（第１領域）
ＢＢ  第２ブロック（第２領域）
ＢＣ  第３ブロック（第３領域）
ＢＤ  第４ブロック（第４領域）
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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