(57)【要約】【課題】  レーザ光の照射時に異常ショットが発生しても、それを検出して再ショットし歩留まりの低下を生じず良好にレーザ結晶化を実行すること。【解決手段】  パルス発振されたエキシマレーザ２０を用いたレーザ結晶化方法およびレーザ結晶化装置において、光路中にホモジナイズ光学系２３、光学素子２４、ハーフミラー２５を配し、そのハーフミラー２５からの光を光検出器で検出し、この検出値が予め定められた既定値の範囲内にあるかどうかを判断し、範囲内にない場合、もしくは照射された部分の結晶化状態を測定し、結晶化が十分に行われていない場合には、被結晶化基板２７の照射光工程終了後に、光強度不足照射位置に再度レーザ光照射により結晶化を行うことを特徴とする。【選択図】      図２ａ
2007116113.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス発振するレーザ光源から出射されたレーザ光を非単結晶半導体膜に照射して結晶化する結晶化方法であって、
前記レーザ光の２次元空間の強度を均一化する均一化処理工程と、
前記均一化処理された前記レーザ光の強度分布に光強度勾配を形成する工程と、
光強度勾配が形成された前記レーザ光を前記非単結晶半導体膜に照射するレーザ光照射工程と、
前記レーザ光が予め定められた既定値のレーザ光であるかを検出するレーザ光検出工程と、
前記検出値が前記既定値の範囲内に無い場合に、前記非単結晶半導体膜の照射位置を異常ショット位置情報として記憶する異常ショット位置情報記憶工程と、
記憶された前記異常ショット位置情報を読み出し、この読み出した前記異常ショット位置情報の位置に前記レーザ光を照射するレーザ光再照射工程とを有することを特徴とする結晶化方法。
【請求項２】
前記レーザ光検出工程は、
前記レーザ光源と前記非単結晶半導体膜の間に設置された光学部品により、前記レーザ光を結晶化用レーザ光と異常ショット検出用レーザ光とに分離する工程と、
前記異常ショット用レーザ光を検出して予め定められた既定値と比較して、この既定値以下の前記異常ショット用レーザ光を検出したとき異常ショットとして出力する工程とからなることを特徴とする請求項１記載の結晶化方法。
【請求項３】
前記レーザ光検出工程は、レーザ光の照射タイミングに関連付けて前記非単結晶半導体膜の変化を反射光により検出する工程であることを特徴とする請求項１記載の結晶化方法。
【請求項４】
前記既定値は、前記非単結晶半導体膜を溶融するエネルギ量のレーザ強度であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の結晶化方法。
【請求項５】
前記レーザ光検出工程は、
前記レーザ光により照射された前記非単結晶半導体膜の照射部分を測定器により測定する工程であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の結晶化方法。
【請求項６】
前記既定値は、前回の照射により結晶化時において使用された既定値と同じであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の結晶化方法。
【請求項７】
前記レーザ光再照射工程は、前記非単結晶半導体膜の予め定められた総ての照射位置への前記レーザ光照射工程終了後に、このレーザ光照射工程による異常ショット位置情報を読み出して、前記レーザ光を再照射する工程であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項記載の結晶化方法。
【請求項８】
前記レーザ光照射工程による照射位置情報および前記異常ショット位置情報のうち少なくとも１つ情報は、表示装置に表示されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項記載の結晶化方法。
【請求項９】
パルス発振するレーザから出射されたレーザ光を非単結晶半導体膜に照射して結晶化するレーザ結晶化装置であって、
前記レーザ光が予め定められた既定値のレーザ光であるかを検出するレーザ光検出手段と、
このレーザ光検出手段によって検出された検出値と、予め記憶された既定値と、を比較し、前記検出値が前記既定値の範囲に無い場合にその前記非単結晶半導体膜の照射位置情報を異常ショット位置情報として記憶し、前記他の受光領域にレーザ光を照射して前記非単結晶半導体膜のレーザ光照射が終了したのち前記異常ショット位置情報を読み出し再度レーザ光照射の指令を行うコンピュータとを有することを特徴とするレーザ結晶化装置。
【請求項１０】
パルス発振するレーザから出射されたレーザ光を非単結晶半導体膜に照射して結晶化するレーザ結晶化装置であって、
レーザ光をパルス発振するレーザ光源と、
このレーザ光源からのレーザ光路に設けられこのレーザ光の２次元空間の強度を均一化処理するためのホモジナイザ光学系と、
このホモジナイザ光学系からのレーザ光路に設けられ前記均一化されたレーザ光に光強度勾配を形成する光学素子と、
この光学素子からのレーザ光路に設けられこのレーザ光を受光したとき受光領域の少なくとも一部が溶融する非単結晶半導体膜を載置し、予め定められた他の受光領域に移動可能な試料台と、
前記レーザ光が予め定められた既定値のレーザ光であるかを検出するレーザ光検出手段と、
このレーザ光検出手段によって検出された検出値と予め記憶された既定値とを比較し、前記検出値が前記既定値の範囲に無い場合にその前記非単結晶半導体膜の照射位置情報を異常ショット位置情報として記憶し、前記他の受光領域にレーザ光を照射して前記非単結晶半導体膜のレーザ光照射が終了したのち前記異常ショット位置情報を読み出し再度レーザ光照射の指令を行うコンピュータとを有することを特徴とするレーザ結晶化装置。
【請求項１１】
基板上に設けられた非単結晶半導体膜の予め定められた各画素に相当する領域に請求項１に記載のレーザ結晶化方法により結晶化用レーザ光を照射して結晶化領域を形成し、この結晶化領域にトランジスタを形成したことを特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，結晶化方法、並びにこの方法を実施するためのレーザ結晶化装置、および表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エキシマレーザ加工技術は、半導体注入層の活性化を目的としたエキシマレーザ光による活性化、ファイバーグレーティング形成のための石英アブレーション（蒸散）、インクジェットプリンタなどのノズル加工など、広範囲に用いられている。
【０００３】
また、近年、非晶質半導体膜を結晶化するためのエキシマレーザアニール技術は、液晶ディスプレイなどの駆動素子に用いられている薄膜トランジスタの高性能化技術として利用されている。
【０００４】
前記薄膜トランジスタを高性能化するためには，大粒径の結晶化シリコン薄膜を形成する必要がある。薄膜トランジスタを結晶粒内に形成すると、トランジスタの移動度が１００倍以上に向上することが知られている。
【０００５】
非晶質半導体薄膜に、大粒径の結晶粒を形成する方法としては，“松村正清，表面科学  Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．５，ｐｐ．２７８−２８７，２０００”（非特許文献１）に記載された方法がある。
【非特許文献１】表面科学  Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．５，ｐｐ．２７８−２８７，２０００
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
エキシマレーザは、出射光である紫外光が非晶質半導体膜に良好な吸収特性を示し結晶化に適している半面、発振動作に不安定さを持っている。実際に連続して広範囲にわたってパルスレーザ光を照射して結晶化工程を実行した結果、エキシマレーザ装置は、次のような支障があった。外部より発光制御用のトリガー信号をエキシマレーザ装置に入力しているにもかかわらず発振しない場合が、１０００パルスに１回程度発生する。又は同一トリガー信号を供給しているのもかかわらず光強度が極端に弱く設定値以下の場合があった。この現象は、エキシマレーザがガス中での高電圧放電によるシステムで発振するためで、エキシマレーザに使用している「サイラトロン」という電流素子の特性である。現在対策手段が無い（サイラトロンを使用しないエキシマレーザも開発されてきているが、電源回路に負担が大きいために信頼性低下やコストの上昇が生じる）。
【０００７】
したがって、例えば液晶表示装置の大表示画面を形成する液晶駆動回路を結晶化領域に形成する場合、次のような課題がある。パルスレーザ光を大表示画面の予め定められた照射位置に順次移動させて照射する過程において、ある１ショットのレーザ照射に何らかの問題があった場合（異常ショット）、当該照射位置の結晶化に重大な問題を生じていた。例えば、レーザ照射がされなかった場合やレーザ照射の光強度が低かった場合には、結晶化が起こらない、あるいは結晶化が不十分となるため、その領域にトランジスタを形成した場合、トランジスタ特性は著しく悪化し最終製品の良品率（歩留まり）の低下を招いていた。
【０００８】
またレーザ結晶化工程以外にも、レーザアニールによる半導体注入層の活性化においても、レーザ光が照射されなかったり、レーザ光の照射光強度が少なかったりすると、その部分が全く活性化しなかったり、活性化が不十分であるため目標とする電気特性が得られず、品質管理上大きな問題となっていた。
【０００９】
本発明は上記の課題に基づいてなされたもので、その目的は、結晶化のためのレーザ光の照射に異常ショットが発生しても、それを検出して再ショットすることにより結晶化の歩留まりの低下を改善した結晶化方法、レーザ結晶化装置および表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様に係わるパルス発振するレーザ光源から出射されたレーザ光を非単結晶半導体膜に照射して結晶化する結晶化方法は、前記レーザ光の２次元空間の強度を均一化する均一化処理工程と、前記均一化処理された前記レーザ光の強度分布に光強度勾配を形成する工程と、光強度勾配が形成された前記レーザ光を前記非単結晶半導体膜に照射するレーザ光照射工程と、前記レーザ光が予め定められた既定値のレーザ光であるかを検出するレーザ光検出工程と、前記検出値が前記既定値の範囲内に無い場合に、前記非単結晶半導体膜の照射位置を異常ショット位置情報として記憶する異常ショット位置情報記憶工程と、記憶された前記異常ショット位置情報を読み出し、この読み出した前記異常ショット位置情報の位置に前記レーザ光を照射するレーザ光再照射工程とを有することを特徴とする。
【００１１】
上記のような方法によれば、従来の欠点が解決され、例えば、歩留まりが優れた非単結晶半導体膜を提供することができる。
【００１２】
前記レーザ光検出工程は、好ましくは前記レーザ光源と前記非単結晶半導体膜の間に設置された光学部品により、前記レーザ光を結晶化用レーザ光と異常ショット検出用レーザ光とに分離する工程と、前記異常ショット用レーザ光を検出して予め定められた既定値と比較して、この既定値以下の前記異常ショット用レーザ光を検出したとき異常ショットとして出力する工程とからなることを特徴とする。
【００１３】
前記レーザ光検出工程は、好ましくはレーザ光の照射タイミングに関連付けて前記非単結晶半導体膜の変化を反射光により検出する工程であることを特徴とする。
【００１４】
前記既定値は、好ましくは前記非単結晶半導体膜を溶融するエネルギ量のレーザ強度であることを特徴とする。
【００１５】
前記レーザ光検出工程は、好ましくは前記レーザ光により照射された前記非単結晶半導体膜の照射部分を測定器により測定する工程であることを特徴とする。
【００１６】
前記既定値は、好ましくは前回の照射により結晶化時において使用された既定値と同じであることを特徴とする。
【００１７】
前記レーザ光再照射工程は、好ましくは前記非単結晶半導体膜の予め定められた総ての照射位置への前記レーザ光照射工程終了後に、このレーザ光照射工程による異常ショット位置情報を読み出して、前記レーザ光を再照射する工程であることを特徴とする。
【００１８】
前記レーザ光照射工程による照射位置情報および前記異常ショット位置情報のうち少なくとも１つ情報は、好ましくは表示装置に表示されることを特徴とする。
【００１９】
パルス発振するレーザから出射されたレーザ光を非単結晶半導体膜に照射して結晶化するレーザ結晶化装置は、前記レーザ光が予め定められた既定値のレーザ光であるかを検出するレーザ光検出手段と、このレーザ光検出手段によって検出された検出値と、予め記憶された既定値と、を比較し、前記検出値が前記既定値の範囲に無い場合にその前記非単結晶半導体膜の照射位置情報を異常ショット位置情報として記憶し、前記他の受光領域にレーザ光を照射して前記非単結晶半導体膜のレーザ光照射が終了したのち前記異常ショット位置情報を読み出し再度レーザ光照射の指令を行うコンピュータとを有することを特徴とする。
【００２０】
パルス発振するレーザから出射されたレーザ光を非単結晶半導体膜に照射して結晶化するレーザ結晶化装置は、レーザ光をパルス発振するレーザ光源と、このレーザ光源からのレーザ光路に設けられこのレーザ光の２次元空間の強度を均一化処理するためのホモジナイザ光学系と、このホモジナイザ光学系からのレーザ光路に設けられ前記均一化されたレーザ光に光強度勾配を形成する光学素子と、この光学素子からのレーザ光路に設けられこのレーザ光を受光したとき受光領域の少なくとも一部が溶融する非単結晶半導体膜を載置し、予め定められた他の受光領域に移動可能な試料台と、前記レーザ光が予め定められた既定値のレーザ光であるかを検出するレーザ光検出手段と、このレーザ光検出手段によって検出された検出値と予め記憶された既定値とを比較し、前記検出値が前記既定値の範囲に無い場合にその前記非単結晶半導体膜の照射位置情報を異常ショット位置情報として記憶し、前記他の受光領域にレーザ光を照射して前記非単結晶半導体膜のレーザ光照射が終了したのち前記異常ショット位置情報を読み出し再度レーザ光照射の指令を行うコンピュータとを有することを特徴とする。
【００２１】
基板上に設けられた非単結晶半導体膜の予め定められた各画素に相当する領域に上記記載のレーザ結晶化方法により結晶化用レーザ光を照射して結晶化領域を形成し、この結晶化領域にトランジスタを形成したことを特徴とする。
【００２２】
上記のような方法によれば、従来の欠点が解決され、例えば、歩留まりが優れた非単結晶半導体膜を提供することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、結晶化のためのレーザ光の照射に異常ショットが発生しても、それを検出してリペアするために歩留まりの低下を生じず良好にレーザ結晶化をすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、本発明実施形態の目的について、図１を参照して説明する。まず、エキシマレーザ加工方法及び加工装置における良、不良、すなわちレーザ光の照射光強度が既定値を満たす正常なものか、既定値を満たさない異常なものかを判定する基準となる結晶性評価実験について記載する。
【００２５】
光源であるパルス発振のレーザ光源から出射したレーザ光は、出射側に設置されたホモジナイズ光学系、例えばホモジナイザによって、２次元空間の強度を均一化され、図１（ａ）に示す２次元平面において矩形の、レーザ光強度の均一なレーザ光１１に整形される。このレーザ光１１において、中心線１２上の一次元光強度分布を図１（ｂ）に、中心線１３上の一次元光強度分布を図１（ｃ）に示すように均一化される。この様なレーザ光１１を、一定の光強度、例えば７００ｍＪ／ｃｍ２のレーザ光強度で非単結晶半導体膜であるガラス基板上に形成された非結晶性薄膜、例えば非晶質シリコン薄膜（アモルファスシリコン薄膜）の結晶化を試みた。
【００２６】
ここで非結晶性薄膜として非晶質シリコン薄膜を挙げたが、微結晶構造を有する多結晶薄膜を非結晶性薄膜と含める場合もある。ここで言う多結晶薄膜とは、膜中に微結晶（サブミクロン以下）を多分に含んだ多結晶構造を有する膜を指し、微細な結晶構造を有するものではあるが、本発明の結晶化とは、数ミクロンから数十ミクロンの大きさの結晶粒を含む結晶構造の形成を目的とするものであり、その意味で目的の結晶粒を有していない微結晶構造の多結晶薄膜は、非結晶性薄膜とする。上記レーザ光１１を被結晶化基板２７の非結晶性薄膜（ここでは非晶質シリコン膜）に照射させて照射領域を溶融し、降温過程で結晶化させた。この被結晶化基板２７をパルスレーザ光のパルス照射毎にステージをＸ、Ｙ方向に移動させて図１（ｄ）に示すように左上から１ショットの照射をＸ方向に「１」「２」「３」・・・と順次照射領域を移動させて結晶化工程を行い（上記基板とレーザ光１１を相対的に移動）、Ｘ方向の１行の照射が終了すると、次の行方向（マイナスＹ方向）へ移動して、再び１ショットずつ順次一定のピッチで照射した（図１（ｄ））。図１（ｄ）には、１ショットによるレーザ照射領域は、矩形枠で示されている。
【００２７】
図１（ｄ）において、点線で示めした照射領域は、結晶化が全く起こっていない部分１４として示されている。この結晶化されていない領域は、エキシマレーザ光源２１の異常ショットによるものである。この異常ショット位置情報を記憶しておき、１枚の被結晶化基板２７について結晶化工程が終了したのち、異常ショット位置情報を読み出して当該位置に結晶化用レーザ光を再照射して結晶化工程を実行する。この結果、被結晶化基板２７には、異常ショットによる非結晶化領域の無い結晶化工程を終了することができる。
【００２８】
図１（ｄ）の実施形態としては、矩形枠で示されている各レーザ照射領域が、表示装置例えば液晶表示装置の各画素に相当する領域である。即ち、各画素に相当する領域が、総て結晶化領域となり、欠陥の無い表示装置を得ることができる。この結晶化領域には、画素切替え用のトランジスタが薄膜トランジスタ構造で形成される。
【００２９】
このような異常ショットを原因とする結晶化されない、もしくは結晶化が十分でない部分に対し、下記のレーザ結晶化装置、レーザ結晶化方法を用いることにより、良好なトランジスタ特性を全面に渡って有する製造プロセスを達成することが出来る。
【００３０】
第１の実施の形態
次に、レーザ結晶化装置およびレーザ結晶化方法の実施形態を、図２ａを参照して説明する。これらの例では，光源としてエキシマレーザ光源２１は、（例えば，ＸｅＣｌ，ＫｒＦ，ＡｒＦなど）を用いているが、必ずしもこれらに限定されることはない。
【００３１】
図２ａに示されるように、パルスレーザ光２０を出射するエキシマレーザ光源２１の出射側には、レーザ光２０のエネルギ密度を結晶化に必要な予め定められた光強度に制御するためのアッテネータ２２、レーザ光の面内光強度を均一化するホモジナイズ光学系２３とが順次配設されている。
【００３２】
尚、符号３５で示す位置は，結像光学系２６に対しては被結晶化基板２７と結像関係にある位置であり、この位置にホモジナイズ光学系２３で均一化されたレーザ光２０の強度分布を整形する光学素子２４が配置されている。光学素子２４はレーザ光束の周辺光である光強度が減衰する部分を遮光するように整形する機能を有した光学部品である。光学素子２４は、例えば矩形状に開口部を有する金属マスクや、石英等の透過光学部品に非透過性の材料を蒸着し、矩形状に非透過性材料をエッチング除去した石英等を母材とした光学マスクである。
【００３３】
ホモジナイズ光学系２３の出射光路には、結晶化用レーザ光と検出用レーザ光を分離する光学部品、例えば、９０度反射と一部透過を行うハーフミラー２５が設置されている。ハーフミラー２５で反射されたレーザ光は、結晶化用レーザ光２０ａとして、試料台（ステージ）２８に載置された被結晶化基板２７に照射結像される。被結晶化基板２７上の非晶質シリコン膜３６の受光領域は、溶融し、降温過程で結晶化される。
【００３４】
また一方、ハーフミラー２５にて透過された検出用レーザ光２０ｂは、光検出器２９にて受光され、その受光光信号強度は信号線３０を介して光強度検出分析を行うコンピュータ３１に入力される。
【００３５】
次に、レーザ結晶化装置の特徴である結晶化用レーザ光２０ａと検出用レーザ光２０ｂを分離する光学部品であるハーフミラー２５と、光検出器２９について詳しく述べる。ここでいうハーフミラー２５とは、入射光を反射及び透過する光学部品を意味するが、決してその透過量、反射量が同等量であることを意味するものではなく、反射光、透過光が存在する光学部品であれば良い。また上記ハーフミラー２５は、ミラーとしているが平板状のミラーのみを意味するものに限定されず、多角形状プリズム形状でもよく、また必ずしも反射、透過の現象にて２つの光に分割する必要はなく、光学部品によって結晶化用レーザ光と検出用レーザ光に分離されれば良く、また２つに分離されるものに限定されるわけではなく複数の光に分割され、一方光が結晶化用として被結晶化基板２７の照射に、他方光が光強度検出用として光検出器２９へ入射されていればよい。
【００３６】
光検出器２９は例えば（株）オプトサイエンス社製、型番：ＦＬ２５０Ａ−ＥＸなる光学パワーメータを使用している。しかしながら光検出器２９はこの機種に限定されるものではなく、エキシマレーザ光２０ｂに光感度を有する光検出器２９であればよい。またエキシマレーザ光２０ｂに対し光感度を有さなくても、通常の可視光領域に検出感度を有し、当該光検出器２９の前面に、紫外を可視光に変換するフィルタや紫外光照射によりエキシマレーザ波長より高波長側の可視光領域の蛍光を発する蛍光物質が塗布されたフィルタを使用することによりエキシマレーザ光２０ｂを可視光として検出する光検出器２９を用いても良い。
【００３７】
光検出器２９にて検出された検出値は、コンピュータ３１に入力され、結晶化エネルギ値として予め定められた既定値と比較され処理される。既定値以下のパルスレーザ光が出射されたとき、コンピュータ３１は、当該照射位置情報を記憶装置に異常ショット位置情報として記憶する。パルスレーザ光による結晶化プロセスは、停止することなく、次の結晶化用パルスレーザ光の照射を続行する。その結晶化プロセスをフローチャートで示したものを図３に示し、次に結晶化プロセスを図３を参照して説明する。図１、図２と同一部分には、同一符号を付与し、その詳細な説明は重複するので省略する。
【００３８】
上記記憶装置には、フロッピー（登録商標）ディスク、シリコンメモリ、ハードディスク（ＨＤ）、光磁気ディスク（ＭＯ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、ＤＶＤ等の記憶媒体などがある。この記憶装置から、結晶化に必要な設定値を呼び出し初期設定する。ここで、必要な設定値とは、ステージ２８の制御データ、処理すべき照射位置、照射エネルギ、予め定められた結晶化エネルギの閾値などである（工程４１）。次に、コンピュータ３１は、被結晶化基板２７がレーザ照射を受けるべき予定照射位置にステージ２８を移動させる（工程４３）。
【００３９】
コンピュータ３１は、エキシマレーザ光源２１を発振制御し、１回目のレーザショットを出射させる（工程４４）。その時、光検出器２９はハーフミラー２５で分離されたレーザ光のレーザ光強度を検出し（工程４５）、その検出された値（光検出値）を、信号線３０を介してコンピュータ３１に送る。
【００４０】
その後、コンピュータ３１は、次工程の処理のため、ステージ２８を移動させる指令信号を送出し、駆動装置はその指令に従いステージ２８を移動させ、レーザ光の照射処理を継続する（工程４３〜４８）。被結晶化基板２７の処理すべき全ての予定照射位置に対し処理がなされた場合には終了判断がなされる（工程４８）。コンピュータ３１は、予め設定された既定値と、光検出器２９で検出された値とを比較し、検出された値が既定値の範囲内にあるかを判断する（工程４９）。検出された値が全て既定値の範囲内に有る場合、終了の判断が成され、被結晶化基板２７の処理は終了する。
【００４１】
一方、１ショットでも既定値の範囲内に無い場合、すなわち既定値に満たしていないショットがある場合、コンピュータ３１は異常ショット位置情報を読み出し、レーザ光照射を行う予定照射位置として設定し（工程５０）、ステージ２８を照射位置に移動させる指令信号を送出する。駆動装置はその指令に従いステージ２８を移動させてレーザ光の照射処理を継続する（工程４３、工程４４）。その際にも光検出器２９は、レーザ光２０ｂを検出してコンピュータ３１に出力する（工程４５）。
【００４２】
このようにコンピュータ３１は、異常ショット位置情報を順次読み出し、当該位置に被結晶化基板２７を移動制御したのち、パルスレーザ光２０の照射制御を行い、結晶化プロセスを実行する。
【００４３】
この様にして、検出された値が全て既定値の範囲内となった場合、終了の判断が成され、被結晶化基板２７の処理は終了する。ここで、連続して異常発光ショットが発生したり、同一被結晶化基板内で、異常発光ショット回数が通常処理と比較して異常ショットが多い場合等もあり、その場合、レーザ発振、光学部品等に何らかの問題がある事が考えられるので、コンピュータ３１は警告（アラート）を結晶化装置１に表示し、作業者に知らせたり、装置稼働状況を管理しているコンピュータに警告信号を送出する機能を有しても良い。
【００４４】
その場合、被結晶化基板２７に対する処理状況および処理履歴を残すために、被結晶化基板２７に対する処理の際の既定値、光検出器２９の光検出値をデータとして、記憶装置（フロッピー（登録商標）ディスク、シリコンメモリ、ハードディスク、光磁気ディスク（ＭＯ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、ＤＶＤ等の記憶媒体）に保存し、またプリンタ等へ出力する工程を有しても良い。その後、当該被結晶化基板２７は回収され、次の被結晶化基板２７が搬入され、ステージ２８に載置され同様なレーザ光の照射処理が継続される。
【００４５】
ここで予め定められた既定値とは、非晶質シリコンの照射領域を溶融させるために必要なレーザエネルギ量であり、実験により事前に求められており、もしくは実験値に基づく近似計算式によって与えられるものである。既定値は、被結晶化基板２７の対象被結晶化膜である非晶質薄膜の膜厚、膜質、膜の成膜条件、またその非晶質薄膜周辺の絶縁膜の膜質、膜厚等にも影響を受ける。これはレーザ照射による結晶化現象が、当該非晶質薄膜の冷却状況にも大きく関係する為であり、その冷却状況は周囲の膜の影響を受けるためと考えられる。
【００４６】
さらに、エキシマレーザ光源２１の個体差、使用頻度や劣化状況、個々の光学部品の反射率、透過率の個体差などの値もこの既定値に反映されるものであり、個々のレーザ結晶化装置１ごとに異なる値が設定される。またこの値は日々変化するものでもあるので（レーザの使用頻度、劣化状況が関係しているため）処理された被結晶化基板２７の処理状況をフィードバックされるものでもある。
【００４７】
実際には被結晶化基板２７の結晶化の状況をモニタリング用の被結晶化基板を使用し、定期的に結晶粒の粒径（走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ））、結晶性の測定（電子後方散乱法（ＥＢＳＰ）、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）、反射高速電子回折法（ＲＨＥＥＤ））、結晶化状況（処理前後の光反射率の変化、四端子測定法等による電気的特性の変化、ＦＴＩＲを使用した赤外域の吸収率の変化）などの結晶性評価実験を行い、既定値に反映される。
【００４８】
次に、図２ａのコンピュータ３１による結晶化工程の制御系を、図４を参照して説明する。図４は、コンピュータ３１のシステム構成図である。図２ａと同一部分には、同一符号を付与し、その詳細な説明は、重複するので省略する。
【００４９】
バスライン３００には、入・出力手段３０１、予め記憶された操作プログラムにより結晶化プロセスを実行する中央制御装置（以下ＣＰＵと略す）３０２、予め定められた操作プログラムなどを記憶するメモリ３０３、入・出力情報を表示する表示装置３０４が接続されている。
【００５０】
メモリ３０３には、非単結晶半導体膜である被結晶化基板２７が載置されるステージ２８を予め定められた手順で自動的に移動するためのプログラムが記憶されたステージ駆動機構情報記憶装置３０６、結晶化のためのパルスレーザ光を出力するパルスレーザ光源２１、アッテネータ２２を制御するプログラムが記憶されたレーザ装置制御用情報記憶装置３０７が接続されている。
【００５１】
さらに、メモリ３０３には、パルスレーザ光源２１から出射された各パルスレーザ光の光強度を測定し、この測定値から既定値以上で次の照射位置にパルスレーザ光を出射するか、既定値以下で再びパルスレーザ光の照射プロセスが必要かを出射するかを判定するプログラムが記憶された測定・分析用情報記憶装置３０８が、さらに、予め求められた結晶化するための光強度を正常光強度情報として記憶する正常レーザ光情報記憶装置３０９が、さらに、測定結果を記憶する照射情報記憶装置３１０が含まれている。
【００５２】
次に、図２ａおよび図４を参照して結晶化工程の実施形態を説明する。先ず、結晶化工程を実行する前にＣＰＵ３０２は、メモリ３０３に記憶されているプログラムを読み出しレーザ光２０の光路から被結晶化基板２７や、この被結晶化基板２７を支持する試料台２８を予め定められた退避位置に移動制御し、被結晶化基板２７の位置合わせをする。次に、ＣＰＵ３０２は、メモリ３０３から結晶化プログラムを読み出し、レーザ光源２１から結晶化用の光強度に設定されたパルスレーザ光の出射制御をする。
【００５３】
出射されたレーザ光は、ハーフミラー等の光学部品により検出用レーザ光と結晶化用レーザ光とに分離され、検出用レーザ光は、光検出器２９により検出される。ＣＰＵ３０２は、この光検出器２９により検出された光強度情報を、メモリ３０３に記憶する。ＣＰＵ３０２は、測定・分析用情報記憶装置３０８、正常レーザ光情報記憶装置３０９を読み出し、上記検出された光強度情報と比較照合し、正常範囲内の光強度か、外かの判定情報を出力し、メモリ３０３に照射位置情報に関連付けて記憶する。
【００５４】
ＣＰＵ３０２は、正常範囲内の光強度と判定したとき、この結果を表示装置３０４に表示すると共に、正常レーザ光情報記憶装置３０９に記憶する。と同時に、ＣＰＵ３０２は、ステージ駆動機構情報記憶装置３０６から試料台２８を移動するためのプログラムを読み出し、次の照射位置に試料台２８を次の照射位置に移動させる制御情報を駆動機構ＤＭに出力する。
【００５５】
他方、ＣＰＵ３０２は、既定値以下の正常範囲外の光強度と判定したとき、この判定情報を出力異常ショットとして、この結果を照射位置情報と共に表示装置に表示すると共に、測定・分析用情報記憶装置３０８に記憶する。と同時に、ＣＰＵ３０２は、その照射位置を光強度不足照射位置として同じくステージ駆動機構情報記憶装置３０６に記憶する。非単結晶半導体膜である被結晶化基板２７の一連の照射工程が終了した時点で、先に記憶された既定値以下の照射位置情報（光強度不足照射位置情報）を呼び出し、レーザ装置制御用情報記憶装置３０７からレーザ装置制御用プログラムを読み出し、ＣＰＵ３０２は、ステージ２８を光強度不足照射位置に移動駆動して、再打ち込み制御を実行することができる。そしてエキシマレーザ光源２１を制御して再度レーザ光の出射制御をする。このような結晶化工程を繰り返して、予め定められた広範囲の結晶化工程を実行することが出来る。
【００５６】
具体的な既定値決定のフローチャートを図５に示す。次に、図５を参照して既定値決定の手順を説明する。被結晶化基板２７にレーザ強度Ｆ（レーザフルエンスＦ）を順番に増加させて照射し、結晶化が十分になされる既定値たる閾値の値を実測にて決定するものである。まずレーザ光強度の増加量（ΔＦ）を決定する（工程６２）。次に、レーザ光強度の上限値（Ｆｕｐ）を決定する（工程６３）。これは、エキシマレーザ光源２１の発振能力、連続結晶化処理時の適正範囲、結晶化マージン等を考慮し決定されるものである。被結晶化基板２７に対し増加量ΔＦを順次加えたレーザ強度の照射を行い（工程６４、６５）、ステージ２８を順次移動させて（工程６６）、結晶化のためのレーザ光の照射処理を継続しレーザ強度が上限値Ｆｕｐに達したところで処理を中止する（工程６７）。
【００５７】
被結晶化基板２７を取り出し、結晶性の評価を次工程で行う（工程６８）。これはｏｆｆ−ライン評価であり、この実施形態はＳｅｃｃｏ−ｅｔｃｈｉｎｇ（シリコン結晶の欠陥を光学的に評価する方法の一種で、ＨＦとＫ２Ｃｒ２Ｏ７の混合薬液にてエッチング処理する方法）にて処理し結晶性を評価した。
【００５８】
照射処理された被結晶化基板２７を図６に示す。「１」，「５」，「６」，「８」・・と記載した数字は照射処理された順番を示し、矩形１つ１つが一回のレーザ照射による処理領域を示す。数字「１」〜「５」間の符号が付された領域は、結晶化が十分に起こっていないことが確認され、点線で図示されている。従ってこの場合、６番目に照射されたレーザ光の強度が既定値の閾値であり、この閾値以上のレーザ強度を既定値として決定する（工程６９）。
【００５９】
本実験は電子後方散乱法やＴＥＭによる結晶化評価方法を一つの例として、非晶質薄膜の成膜条件による既定値に与える影響を求め、それにより光検出値の既定値を定めたが、この方法に限られる必要はなく、例えば、照射処理後の被照射膜の光反射率は非晶質状態と結晶化状態では、大きく異なり、それを指標として既定値を定めても良い。以上のように数々の実験測定（結晶粒の粒径（走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ））、結晶性の測定（電子後方散乱法（ＥＢＳＰ）、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）、反射高速電子回折法（ＲＨＥＥＤ））、結晶化状況（処理前後の光反射率の変化、四端子測定法等による電気的特性の変化、ＦＴＩＲを使用した赤外域の吸収率の変化））により既定値は定められる。またこれらの測定法に限定される必要はなく、結晶性を評価する結晶性評価実験であれば、既定値を定める手段として使用できる。
【００６０】
また上記結晶性評価実験においては、その評価に時間がかかるため、現状の処理工程においてすぐにフィードバックすることは困難を要する。また非単結晶半導体膜において、素子構造（非晶質薄膜の膜厚、膜質、成膜条件、絶縁膜の膜厚、膜質、及び素子デザイン等）が同一である非単結晶半導体膜を連続に処理する工程においては、一度設定された既定値を連続して使用する場合に、人的に同一既定値をコンピュータ３１に入力する作業や、コンピュータ３１によって計算する作業を省くことが出来るため、環境変数の許容範囲内においては有効な方法となる。
【００６１】
第２並びに第３の実施の形態
次に、レーザ光が予め定められた既定値のレーザ光であるかを検出するレーザ光検出手段としてレーザ光源２１から出射された結晶化用レーザ光の一部光を検出用光として使用する他の実施形態を説明する。第２の実施の形態を図２ｂに、第３の実施の形態を図２ｃにそれぞれ示す。図２ａと同一部分には、同一符号を付与し、その詳細な説明は省略する。第１の実施の形態（図２ａ）においては、光検出器２９はハーフミラー２５の透過光路に配置され、ハーフミラー２５を透過したレーザ光の例えば光強度を検出した。しかし光検出器２９はこの位置に限定されるものではない。
【００６２】
第２の実施の形態は、図２ｂに示すように、アッテネータ２２において反射光量を調整することにより透過光強度を所定値に制御する際に発生する反射光を検出用レーザ光２０ｂとし、これを光検出器２９にて検出し、その光検出値の信号を、信号線３０を通じてコンピュータ３１に送出している。この場合、ハーフミラー２５を使う必要は無く、通常の完全反射のミラー２５ａを使用すればよい。コンピュータ３１は、同様にして光検出器２９による検出値と既定値と比較し、レーザ光源２１からのレーザ発振毎にレーザ光の正常か異常かを検出する工程を実行する。
【００６３】
第３の実施の形態は、図２ｃに示すように、アッテネータ２２とホモジナイズ光学系２３との間に、ハーフミラー２５ｂを設置し、そのハーフミラー２５ｂからの反射光を検出用レーザ光２０ｂとして例えば光強度を光検出器２９で検出し、その光検出値の信号を信号線３０を通じてコンピュータに送出している。第３の実施の形態で使用されるハーフミラー２５ｂはレーザ光源２１から出射されたレーザ光２０の殆どのレーザ光を結晶化用レーザ光２０ａとして透過する。その透過光は、被結晶化基板２７の結晶化用レーザ光２０ａとして結晶化に使用される。残部の反射された微弱光を検出用レーザ光２０ｂとして光検出器２９で検出している。従って、図２ａおよび図２ｃの符号２５、２５ｂともにハーフミラーではあるが、その透過率と反射率の使用法は全く異なる実施例である。
【００６４】
以上のように、光検出器２９はレーザ光源２１以降の光であればよく、レーザ光源２１の光路位置に制限はないが、光検出器２９の検出位置は、アッテネータ２２以降の光路中に光学部品を設置し、その光学部品から反射、透過等の手段により分離された光を検出することが望ましい。その理由は、エネルギー密度が制御されているからである。
【００６５】
第４並びに第５の実施の形態
次に、レーザ光が予め定められた既定値のレーザ光であるかを検出するレーザ光検出手段としてレーザ光による加工面から検出する実施形態を図２ｄ、図２ｅを参照して説明する。第１から第３の実施の形態は、光検出器２９で検出し、その光検出器２９の光検出値を測定し、異常ショットを検知するものであった。第４並びに第５の実施の形態としては、結晶化用レーザ光２０ａが照射された部分を直接観察し、その部分が結晶化されているかどうかを判断し、結晶化が不十分の場合に、その部分の位置を光強度不足照射位置と定め、再度レーザ光照射工程を行うものである。
【００６６】
まず第４の実施形態を、図２ｄに示す。図１乃至図２ａと同一部分には、同一符号を付与し、その詳細な説明は省略する。図２ｄで示すように被結晶化基板２７の表面状態を測定する測定器２９ａを用いて、レーザ光が照射された後の非晶質シリコン薄膜２７ｃ受光領域の変化即ち表面状態を測定し、「受光領域が溶融したか」「結晶化がどの程度行われているか」、「結晶化が行われたか」を測定例えば撮像する。測定器２９ａは、例えば被結晶化基板２７表面の測色差計、分光色差計、光沢計、反射率測定計、マルチチャンネル分光計、ＣＣＤカメラ、イメージインテンシファイヤ等が使用でき、結晶化された場合の薄膜の色変化、光沢変化、又は反射率変化等の光学特性の変化を測定するものである。この実施形態によれば、結晶化用のエネルギ量の大きなレーザ光に影響することなく、独立の光学系で異常ショットの有無を検出することができる。
【００６７】
先に図３に示したプロセスフローチャートの光強度を光検出器で測定する工程（４５）が、第４の実施形態の場合には、図７のプロセスフローチャートに示すように照射部分を測定する工程（４６）に代わっており、他の工程は図３とほぼ同じ工程に沿って評価が進められる。
【００６８】
第４の実施形態の場合において、照射部分の測定工程（工程４６）と、照射部分の測定値が異常かどうかの判断する工程（工程４９）について以下に記載する。結晶化用レーザ光２０ａの光強度と結晶化率との関係を図９に示す。図８は、図９で示した結晶化率が変化した膜の、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光（６３２．８ｎｍ）を照射したときの反射率を測定した結果である。この結果、図８の特性は、結晶化率が上昇すると、光の反射率も上昇することより、例えば光の反射率を測定すれば、この部分の結晶化状態を把握することが出来る事を示している。コンピュータ３１は、上記照射部分の測定より予め照射部分の正常な測定値を産出し、その照射部分の正常な測定値と比較し、照射部分測定値が異常と判断したとき（工程４９）、レーザ光照射を行う予定照射位置として設定し（工程５０）、ステージ２８を照射位置に移動させる指令信号を送出する。
【００６９】
第５の実施形態は、レーザ光が予め定められた既定値のレーザ光であるかを検出するレーザ光検出手段として観察用照明光を照射し、その反射光を受光して検出している。図２ｅは、エキシマレーザ光源２１からレーザ光２０を非晶質シリコン膜２７ｃに照射し、非晶質シリコン膜２７ｃの受光領域は既定値以上の正常光のとき、溶融する。この溶融領域又は結晶化領域に観察用照明光源３４から観察用照明光を照射し、照射された溶融領域又は結晶化領域からの反射光を検出器（受光器）２９ａで検出する。レーザ光２０例えばエキシマレーザ光が正常のとき溶融状態又は結晶化領域からの反射光を検出器２９ａが検出する。他方、エキシマレーザ光が異常ショットのとき、例えば観察用照明光のみが非晶質シリコン膜２７ｃを照射する。このときの反射光を検出器２９ａが検出し、検出器２９ａは検出信号をコンピュータ３１に出力し、コンピュータ３１が、異常照射を判断する。このように前記非単結晶半導体膜におけるレーザ光照射位置の変化を反射光により検出することができる。
【００７０】
観察用照明光の照射は、連続的に照射してもよいが、レーザ光の照射タイミングに関連付けて前記非単結晶半導体膜の変化を反射光により検出してもよい。
【００７１】
観察用照明光源３４として、例えば、白色光源（キセノンランプ、タングステンランプ等）や低出力レーザ（Ｈｅ−Ｎｅレーザ等）を設置し、その反射光を測定することにより、より精度の良い測定が実現できる。また。この測定は、結晶化のためのレーザ光が照射された位置で測定する必要はなく、照射後に他の部分に順次照射が行われ、結晶化が行われた位置から離れたところで、表面状態を測定すればよく、またその方が結晶化用のエキシマレーザ光からの反射光、迷光が減少し、精度の良い測定が達成できる。
【００７２】
第６の実施の形態
次に、レーザ光が予め定められた既定値のレーザ光であるかを検出するレーザ光検出手段として上記レーザ光が被結晶化基板２７を透過した光から検出する実施形態を説明する。第６の実施の形態を図２ｆに示す。図２ａと同一部分には、同一符号を付与し、その詳細な説明は省略する。被結晶化基板２７の基板が、ガラス等の透明基板の場合、透過光を測定することにより、その薄膜の結晶化状態を測定することが出来る。図２ｆに示す透過光検出器２９ｂを用い、被結晶化基板２７を透過した光を測定し、その透過率より、結晶化率を測定することが可能である。
【００７３】
上記実施形態によれば、結晶化のためのレーザ光の照射に異常ショットが発生しても、それを検出して歩留まりの低下を生じず良好にレーザ結晶化をすることができる。
【００７４】
本実験に用いた結晶化工程について図１０および図１１を参照して具体的に説明する。図１０に示すように、レーザ結晶化装置１は、照明系２と、この照明系２の光軸上に設けられた光学素子２４と、この光学素子２４の光軸上に設けられた結像光学レンズ系２６と、この結像光学レンズ系２６の光軸上に設けられる被結晶化基板２７と、それを支持するステージ（試料台）２８とからなる。
【００７５】
照明系２は、図１１に示す光学系でたとえば光源２１、アッテネータ２２、ビームエキスパンダ１２１とホモジナイズ光学系２３とからなる。エキシマレーザ光源２１は、例えば３０８ｎｍの波長を有する光を供給するＸｅＣｌエキシマレーザ光源２１を備えている。なお、上記光源２１としては、波長２４８ｎｍのパルス光を出射するＫｒＦエキシマレーザ、波長１９３ｎｍのパルス光を出射するＡｒＦレーザなどのエキシマレーザが最適である。上記光源２１は、さらにＹＡＧレーザ光源でもよい。上記光源２１は、非単結晶半導体膜例えば非晶質シリコン膜２７ｃを溶融するエネルギを出力する他の適当な光源を用いることもできる。上記光源２１から出射されたレーザ光の光軸上には、アッテネータ２２，ビームエキスパンダ１２１，ホモジナイズ光学系２３が設けられている。
【００７６】
ホモジナイズ光学系２３は、図１１に示すように上記光源２１から出射されたエキシマレーザ光の光軸上例えば、第１フライアイレンズ２３ａと、第１コンデンサー光学系２３ｂと、第２フライアイレンズ２３ｃと、第２コンデンサー光学系２３ｄとが設けられたものである。ホモジナイズ光学系２３は、上記光源２１から出射されたレーザ光を光束の断面内において光強度を均一化処理するものである。
【００７７】
即ち、照明系２において、上記光源２１から出射されたレーザ光は、アッテネータ２２，ビームエキスパンダ１２１を介して成形された後、第１フライアイレンズ２３ａに入射する。この第１フライアイレンズ２３ａの後側焦点面には複数の光源が形成され、これらの複数の光源からの光束は第１コンデンサー光学系２３ｂを介して、第２フライアイレンズ２３ｃの入射面を重畳的に照明する。その結果、第２フライアイレンズ２３ｃの後側焦点面には、第１フライアイレンズ２３ａの後側焦点面よりも多くの多数の光源が形成される。第２フライアイレンズ２３ｃの後側焦点面に形成された多数の光源からの光束は、第２コンデンサー光学系２３ｃを介して、光学素子２４に入射し、重畳的に照明する。
【００７８】
ホモジナイズ光学系２３の第１フライアイレンズ２３ａおよび第１コンデンサー光学系２３ｂは、第１ホモジナイザを構成し、また、第２フライアイレンズ２３ｃおよび第２コンデンサー光学系２３ｄは、第２ホモジナイザを構成し、この２つのホモジナイザにより光学素子２４上での面内各位置での光強度に関する均一化を行なう。こうして、照明系２は、ほぼ均一な光強度分布を有するレーザ光を形成し、このレーザ光が光学素子２４を照射する。
【００７９】
光学素子２４は光強度分布を整形する機能を有した光学部品であり、例えば矩形状に開口部を有する金属マスクや、石英等の透過光学部品に非透過性の材料を蒸着し、矩形状に非透過性材料をエッチング除去した石英等を母材とした光学マスクでも良い。さらに光学素子２４は、例えば位相シフタであっても良く、位相シフタは、ホモジナイズ光学系２３からの出射光を局所的に位相変調することにより任意の光強度分布を持つレーザビームを出射する光学素子である。
【００８０】
位相シフタは、透明体例えば石英基材に段差（凹凸）をつけたものである。一般にレーザ光の波長をλ、とすると、屈折率ｎの透明媒質を透明基材上に形成してθの位相差を付けるには、凹凸の段差である透明媒質の膜厚ｔは、ｔ＝λθ／２π（ｎ−１）で求められる。
【００８１】
例えば、１８０°の位相差を付けるには、透明媒質の膜厚ｔは、ｔ＝λ／２（ｎ−１）で与えられる。石英基材の屈折率を１．４６とすると、ＸｅＣｌエキシマレーザ光の波長が３０８ｎｍであるから、１８０°の位相差を付けるためには、３３４．８ｎｍの段差をフォトエッチング等の方法で形成する。ラインアンドスペース例えば１８０°の位相差をつけた位相シフタを通過したレーザ光の強度は、周期的な強弱のパターンを示す。  またＳｉＮｘ膜を透明媒質としてＰＥＣＶＤ、ＬＰＣＶＤ等で成膜する場合は、ＳｉＮｘ膜の屈折率を１とすると、ＳｉＮｘ膜を石英基材上に１５４ｎｍ成膜し、フォトエッチングして段差を付ければ良い。
【００８２】
光学素子２４で位相変調されたレーザ光は、結像光学レンズ系２６を介して、被結晶化基板２７に入射される。ここで、結像光学レンズ系２６は、光学素子２４のパターン面と被結晶化基板２７とを光学的に共役に配置している。換言すれば、被結晶化基板２７は、光学素子２４のパターン面と光学的に共役な面（結像光学レンズ系２６の像面）に設定されるようにステージ２８の高さ位置が補正される。結像光学レンズ系２６は、正レンズ群２６ａと正レンズ群２６ｂとの間に開口絞り２６ｃを備えている。結像光学レンズ系２６は、光学素子２４の像を等倍又は縮小例えば１／５に縮小して被結晶化基板２７に結像させる光学レンズである。
【００８３】
また、被結晶化基板２７は、図１０に示すようにたとえば液晶ディスプレイ用板ガラスであるガラス基板２７ａの上に化学気相成長法（ＣＶＤ）又はスパッタリング法により下地絶縁層２７ｂとして酸化シリコン層を形成する。この酸化シリコン層上に被結晶化対象層として非単結晶半導体膜２７ｃ例えば非晶質シリコン膜を形成する。さらに、この非晶質シリコン膜上にキャップ膜として酸化シリコン層２７ｄを順次形成したものである。
【００８４】
下地絶縁層２７ｂは、例えばＳｉＯ２が膜厚２００〜１０００ｎｍに形成される。下地絶縁層２７ｂは、非単結晶半導体膜２７ｃ例えば非晶質シリコン膜とガラス基板２７ａが直接接触して、このガラス基板２７ａから析出したＮａなどの異物が非晶質シリコン膜２７ｃに混入するのを防止するとともに、非晶質シリコン膜２７ｃの結晶化工程時の溶融温度が直接ガラス基板２７ｂに伝熱されるのを防止し、上記溶融温度の蓄熱効果により大粒径の結晶化に寄与する。
【００８５】
非晶質シリコン膜２７ｃは、結晶化処理される膜であり、膜厚が３０〜２６０ｎｍ例えば１００ｎｍに選択される。キャップ膜２７ｄは、結晶化工程時に非晶質シリコン膜２７ｃが溶融したとき発生する熱を蓄熱し、この蓄熱作用が大粒径の結晶化領域の形成に寄与する。このキャップ膜は、絶縁膜例えば酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）であり、膜厚が１００〜４００ｎｍ例えば１７０ｎｍである。
【００８６】
被結晶化基板２７は、レーザ結晶化装置１のステージ２８上に自動的に搬送され、予め定められた所定の位置に位置決めされて載置され、真空チャックにより保持される。
【００８７】
次に、結晶化プロセスを、図１０および図１１を参照して説明する。エキシマレーザ光源２１から出射されたパルスレーザ光は、アッテネータ２２により所定のエネルギ例えば７００ｍＪ／ｃｍ２に調整されたのちホモジナイズ光学系２３に入射する。ホモジナイズ光学系２３は、入射したレーザ光ビームのビーム径内で光強度の均一化が行なわれる。
【００８８】
レーザ光は波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザ光で、１ショットのパルス継続時間は３０ｎｓｅｃである。上記条件で光学素子２４に、パルスレーザ光を照射すると、光学素子２４に入射したパルスレーザ光は、段差部で回折と干渉を起こす。この結果、光学素子２４は、周期的に変化する逆ピークパターン状の強弱の光強度分布を生成する。
【００８９】
この逆ピークパターン状の強弱の光強度分布は、最小光強度から最大光強度で非晶質シリコン層２７ｃを溶融させる強度のレーザ光強度を出力することが望ましい。光学素子２４を通過したパルスレーザ光は、結像光学レンズ系２６により被結晶化基板２７に集束して非晶質シリコン膜２７ｃに入射する。
【００９０】
即ち、入射したパルスレーザ光は、キャップ膜の酸化シリコン層２７ｄをほとんど透過し、非晶質シリコン膜２７ｃに吸収される。この結果、非晶質シリコン膜２７ｃの被照射領域は、加熱され、溶融される。この溶融したときの熱は、酸化シリコン層２７ｂ、２７ｄに蓄熱される。
【００９１】
パルスレーザ光の照射が終了すると、非晶質シリコン膜２７ｃの被照射領域は、高速で降温しようとするが、表裏面に設けられているキャップ膜２７ｄおよび下地絶縁層２７ｂの酸化シリコン膜に蓄熱されている熱により、降温速度が極めて緩やかとなる。このとき、被照射領域の降温は、光学素子２４により生成された光強度分布に応じて降温し、横方向に順次結晶成長する。
【００９２】
このようにして１パルスレーザ光による結晶化工程が終了する。このようにして、１又は複数個のＴＦＴを形成するのに充分な大きさの結晶粒が形成される。
【００９３】
結晶化装置１は、予め記憶されたプログラムにより自動的に次の非晶質シリコン膜２７ｃの結晶化領域にパルスレーザ光を照射して結晶化領域を形成する。次の結晶化位置への移動は、ステージ２８を移動させて結晶化位置を選択することができる。
【００９４】
被結晶化領域が選択され位置合わせが完了したとき、次のパルスレーザ光が出射される。このようなレーザ光のショットを繰り返することにより被結晶化基板２７の広い範囲の結晶化を行うことができる。このようにして結晶化工程を終了する。
【００９５】
次に、ＴＦＴおよびこのＴＦＴを用いた表示装置の実施形態を、図１２、図１３を参照して説明する。まず、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の実施例の構成およびその製造方法について説明する。図１乃至図１１と同一部分には、同一符号を付与し、その詳細な説明は、重複するので省略する。
【００９６】
上述の図１０に示す結晶化装置１により大結晶粒化した結晶性シリコン膜８１（非晶質シリコン膜２７ｃ）をもつ被結晶化基板２７に薄膜トランジスタ８０を作製した。即ち、キャップ膜２７ｄをエッチングにより除去したのち、大結晶粒化した結晶性シリコン膜８１の各結晶化領域（結晶性シリコン膜）に各ＴＦＴのチャネル領域が島状に残るようにエッチングした。このようにして基板２７ａ上には、所定パターンのＳｉアイランドが形成された。
【００９７】
次に、結晶性シリコン膜８１上にゲート絶縁膜８２を形成する。ゲート絶縁膜８２は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）あるいは酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）を主成分とする材料である。このゲート絶縁膜８２は、厚さ例えば３０〜１２０ｎｍの酸化シリコン膜が形成されたものである。この酸化シリコン膜は、例えば、プラズマＣＶＤ法で、ＳｉＨ４とＮ２Ｏを原料として厚さが５０ｎｍに形成されたゲート絶縁膜８２である。
【００９８】
次に、ゲート絶縁膜８２上にゲート電極８３を形成するために導電層を形成する。この導電層は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｌ等の元素を主成分とする材料を用い、スパッタ法や真空蒸着法などの公知の成膜法を用いて形成される。ゲート電極８３は、例えばＡｌ−Ｔｉ合金膜を形成した。このＡｌ−Ｔｉ合金膜は、フォトリソグラフィを用いてゲート電極用金属層をパターニングし、所定パターンのゲート電極８３を形成した。
【００９９】
次に、ゲート電極８３をマスクとしてソース領域８４およびドレイン領域８５を形成するための不純物を結晶性シリコン膜８１にイオン注入することによりソース領域８４およびドレイン領域８５を形成した。ソース領域５２ｂ及びドレイン領域５２ｃは、例えば、ｐチャネル型ＴＦＴを形成する場合、イオン注入法を用いて例えばボロンイオン等のｐ型不純物の注入を行う。この領域のボロン濃度は、例えば１．５×１０２０〜３×１０２１となるようにした。このようにしてｐチャネル型ＴＦＴのソース領域８４およびドレイン領域８５を構成する高濃度ｐ型不純物領域を形成した。このとき、不純物の注入は、ｎ型不純物の注入を行えばｎチャネル型ＴＦＴが形成されることはいうまでもない。この結果、ソース領域８４およびドレイン領域８５の形成によりゲート電極８３の下方の結晶性シリコン膜８１は、チャネル領域８６となる。
【０１００】
次いで、イオン注入法により注入した不純物元素を活性化するために熱処理工程を行った。この工程は、ファーネス結晶化法、レーザ結晶化法、ラピッドサーマル結晶化法などの方法で行うことができる。本実施の形態では、ファーネス結晶化法で活性化工程を行った。この活性化工程の加熱処理は、窒素雰囲気中において３００〜６５０℃、例えば５００℃で４時間の熱処理を行った。
【０１０１】
次に、ゲート電極８３上を含むゲート絶縁膜８２上に層間絶縁膜８７を形成する。層間絶縁膜８７は、例えば窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜またはそれらを組み合わせた積層膜が望ましい。また、層間絶縁膜８７の膜厚は２００〜６００ｎｍとすれば良く、本実施例では４００ｎｍとした。
【０１０２】
次に、層間絶縁膜８７における予め定められた所定の位置にソース領域８４、ドレイン領域８５などの電極とコンタクトを得るためのコンタクトホール８８を開口した。そして、コンタクトホール８８の内部および層間絶縁層８７の表面上に導電層を成膜し、ソース電極９０、ドレイン電極９１を形成した。本実施例ではこのソース・ドレイン電極９０，９１の導電層は、例えばＴｉ膜を１００ｎｍ、Ｔｉを含むアルミニウム膜３００ｎｍ、Ｔｉ膜１５０ｎｍをスパッタ法で連続して形成した３層構造の積層膜である。このようにして図１２に示す薄膜トランジスタ８０を製造した。
【０１０３】
次に、上述の実施形態で得られるような薄膜トランジスタ８０を実際に表示装置例えばアクティブマトリクス型液晶表示装置に適用した例について図１３を参照して説明する。
【０１０４】
図１３は薄膜トランジスタ８０を用いたアクティブマトリクス型表示装置の一例を説明するための図である。表示装置１００は一対の対向して設けられた絶縁基板１０１，１０２と両者の間に保持された電気光学物質１０３とを備えたパネル構造を有する。電気光学物質１０３としては液晶材料が広く用いられている。下側の絶縁基板１０１例えばガラス基板上には、画素アレイ部１０４と駆動回路部とが集積形成されている。駆動回路部は垂直駆動回路１０５と水平駆動回路１０６とに分かれ、画素アレイ部１０４の周辺部に集積されている。即ち、一枚のガラス基板上に直接画素アレイ部１０４と駆動回路部を形成することが可能となる。
【０１０５】
また、絶縁基板１０１の周辺部上端には外部接続用の端子部１０７が形成されている。端子部１０７は配線１０８を介して垂直駆動回路１０５及び水平駆動回路１０６に接続している。画素アレイ部１０４には行状のゲート配線１０９と列状の信号配線１１０が形成されている。両配線の交差部には画素電極１１１とこれを駆動する薄膜トランジスタ８０が形成されている。薄膜トランジスタ８０のゲート電極８３は、対応するゲート配線１０９に接続され、ソース電極９０は対応する信号配線１１０に接続され、ドレイン電極９１は対応する画素電極１１１に接続されている。ゲート配線１０９は垂直駆動回路１０５に接続する一方、信号配線１１０は水平駆動回路１０６に接続している。
【０１０６】
画素電極１１１をスイッチング駆動する薄膜トランジスタ８０及び垂直駆動回路１０５と水平駆動回路１０６に含まれる薄膜トランジスタは、本発明に従って作製されたものであり、従来に比較して移動度が高くなっている。従って、駆動回路ばかりでなく更に高性能な処理回路を集積形成することも可能である。
【０１０７】
図１４および図１５に示す実施形態は、アクティブマトリックス型表示装置の表示パネル１２５に成膜された非単結晶半導体膜おいて、各画素部１２６に設けられるスイッチング回路を形成する領域を選択的に結晶化する実施形態である。図１４は、被結晶化基板２７が載置されたステージ２８を一定のピッチでステップ送りしている状態を矩形パターンで示している表示パネル１２５の一部切欠平面図である。
【０１０８】
この実施形態は、図１４において、データ線Ｘと走査線Ｙの各交点である各画素部１２６のみにステージ２８がステップ送りされたときのみ、レーザ光源２１からレーザ光２０が出射され、結晶化する実施例である。即ち、レーザ光源２１は、各画素部のみにステージ２８がステップ送りされたときのみレーザ光２０を出射し、各画素部１２６間にステージ２８がステップ送りされたときレーザ光２０を出射せず待機状態の例である。この制御は、結晶化装置が自動的に結晶化プロセスを実行するコンピュータ３１に予め記憶されたプログラムにより、表示パネル１２５を載置したステージ２８が制御され、このステージ２８に載置された表示パネル１２５から画素部１２６に相当する位置の信号を受信したときレーザ光源２１にレーザ発振制御信号を出力する制御である。コンピュータ３１は、ステージ２８に載置された表示パネル１２５から各画素部間に相当する位置の信号を受信したときレーザ光源２１にレーザ発振制御信号を出力しない。
【０１０９】
このように各画素部１２６間にステージ２８がステップ送りされたときレーザ光源２１は、レーザ光２０を出射せず待機状態となり、この実施例では、異常ショット位置情報として記憶しないケースである。即ち、この実施例は、レーザ光源２１から出射されないタイミングが正常動作と予め設定され、異常ショット位置情報としないケースである。この操作は、コンピュータ３１に予めレーザ光による打ち込み不用とプログラムすることにより構成することができる。
【０１１０】
さらに、図１５は、表示パネル１２５を載置したステージ２８が、規則的に設けられる各画素部１２６ピッチで送られるように予めプログラムされている実施例である。この実施例は、上記第１および第２の実施例と同様にステージ２８が各ステップ送りされた位置で、レーザ光源２１からレーザ光２０が予め定められた量、出射されているかを監視し、後のプロセスで再打込みする例である。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】本発明に係る結晶化方法の実施形態を説明するための図である。
【図２ａ】本発明に係るレーザ結晶化装置の実施の形態を説明するためのシステム構成図である。
【図２ｂ】本発明に係るレーザ結晶化装置の実施の形態を説明するためのシ。
【図２ｃ】本発明に係るレーザ結晶化装置の実施の形態を説明するためのシステム構成図である。
【図２ｄ】本発明に係るレーザ結晶化装置の実施の形態を説明するためのシステム構成図である。
【図２ｅ】本発明に係るレーザ結晶化装置の実施の形態を説明するためのシ。
【図２ｆ】本発明に係るレーザ結晶化装置の実施の形態を説明するためのシステム構成図である。
【図３】図２ａの結晶化方法を説明するためのフローチャートである。
【図４】図２ａの制御系の構成を説明するためのシステム構成図である。
【図５】図２ａの既定値を決定する工程を説明するための図である。
【図６】図５の実施の形態に係わる結晶化装置および結晶化方法の既定値を定める際の実験データを説明するための図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態の既定値を決定する工程を説明するため。
【図８】本発明の実施の形態に係わる結晶化装置および結晶化方法の照射部分測定値を定める際の実験データの図である。
【図９】図２ａの実施の形態に係わるレーザ加工装置およびレーザ加工方法。
【図１０】図２に係る光学系と被結晶化基板との関係を説明するための図である。
【図１１】図１０の照明光学系の光学的構成を説明するための図である。
【図１２】図１０の被結晶化基板に形成されたＴＦＴの構成を説明するため。
【図１３】図１２のＴＦＴが形成された表示装置の構成を説明するための斜視図である。
【図１４】図１（ｄ）の他の実施形態を説明するための表示パネルの一部切欠平面図である。
【図１５】図１（ｄ）の他の実施形態を説明するための表示パネルの一部切欠平面図である。
【符号の説明】
【０１１２】
２０…レーザ光、２１…レーザ光源、２２…アッテネータ、２３…ホモジナイズ光学系、２４…光学素子、２５…ハーフミラー、２６…投影レンズ、２７…被結晶化基板、２８…ステージ、２９…光検出器、３１…コンピュータ、１２１…ビームエキスパンダ、１２５…表示パネル、１２６…画素部、３００…バスライン、３０１…入・出力手段、３０２…中央制御装置、３０２…ＣＰＵ、３０３…メモリ、３０４…表示装置、３０６…ステージ駆動機構情報記憶装置、３０７…レーザ装置制御用情報記憶装置、３０８…測定・分析用情報記憶装置、３０９…正常レーザ光情報記憶装置。
【図１】
2007116113.tif 000003
【図２ａ】
2007116113.tif 000004
【図２ｂ】
2007116113.tif 000005
【図２ｃ】
2007116113.tif 000006
【図２ｄ】
2007116113.tif 000007
【図２ｅ】
2007116113.tif 000008
【図２ｆ】
2007116113.tif 000009
【図３】
2007116113.tif 000010
【図４】
2007116113.tif 000011
【図５】
2007116113.tif 000012
【図６】
2007116113.tif 000013
【図７】
2007116113.tif 000014
【図８】
2007116113.tif 000015
【図９】
2007116113.tif 000016
【図１０】
2007116113.tif 000017
【図１１】
2007116113.tif 000018
【図１２】
2007116113.tif 000019
【図１３】
2007116113.tif 000020
【図１４】
2007116113.tif 000021
【図１５】
2007116113.tif 000022