(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器から発生したレーザ光を線状レーザビームに加工する第１及び第２の光学系を有し、
前記第１の光学系によって、前記線状レーザビームの長手方向と直角な方向の加工を行い、
前記第２の光学系によって、前記線状レーザビームの前記長手方向の加工を行い、
照射面に対し前記線状レーザビームを照射するレーザ照射装置であって、
前記第１の光学系は、凸レンズで構成され前記レーザ光を分割するための第１及び第２の一体型シリンドリカルアレイレンズを有し、
前記第１の一体型シリンドリカルアレイレンズと前記第２の一体型シリンドリカルアレイレンズとは同一形状であり、
前記第１の一体型シリンドリカルアレイレンズの焦点距離をｆとすると、
前記第１の一体型シリンドリカルアレイレンズの主点と、前記第２の一体型シリンドリカルアレイレンズとの最短距離ｄは、１．１ｆ＜ｄ＜１．９ｆの範囲にあることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２】
レーザ発振器から発生したレーザ光を線状レーザビームに加工する第１及び第２の光学系を有し、
前記第１の光学系によって、前記線状レーザビームの長手方向と直角な方向の加工を行い、
前記第２の光学系によって、前記線状レーザビームの前記長手方向の加工を行い、
照射面に対し前記線状レーザビームを照射するレーザ照射装置であって、
前記第１の光学系は、凸レンズで構成され前記レーザ光を分割するため第１及び第２の一体型シリンドリカルアレイレンズを有し、
前記第１の一体型シリンドリカルアレイレンズと前記第２の一体型シリンドリカルアレイレンズとは同一形状であり、
前記第２の光学系は、凸レンズで構成され前記レーザ光を分割するためのシリンドリカルアレイレンズと、
前記シリンドリカルアレイレンズによって分割された前記レーザ光を合成するシリンドリカルレンズと、を有し、
前記第１の一体型シリンドリカルアレイレンズの焦点距離をｆとすると、
前記第１の一体型シリンドリカルアレイレンズの主点と、前記第２の一体型シリンドリカルアレイレンズとの最短距離ｄは、１．１ｆ＜ｄ＜１．９ｆの範囲にあり、
前記シリンドリカルアレイレンズの焦点距離をｆ１とすると、
前記シリンドリカルアレイレンズの主点と、前記シリンドリカルレンズとの最短距離Ｄは、１．３ｆ１＜Ｄ＜３ｆ１の範囲にあることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記第１及び第２の一体型シリンドリカルアレイレンズは、曲率を持つ面を互いに外側に向けて平行に配置されていることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
前記レーザ照射装置は、少なくとも１方向に動くステージ有し、
前記線状レーザビームは、前記ステージを動かすことで照射面を走査することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
前記レーザ光は、エキシマレーザであることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項６】
レーザ発振器から発生したレーザ光を第１及び第２の光学系によって線状レーザビームに加工し、
前記線状レーザビームを半導体膜に対し長手方向と直角な方向に走査する半導体装置の作製方法であって、
前記第１の光学系において、
前記レーザ光を、凸レンズで構成された第１の一体型シリンドリカルアレイレンズに入射することで分割し、前記分割された各レーザ光を第２の一体型シリンドリカルアレイレンズを構成するそれぞれのシリンドリカルレンズに入射して透過した後、集光させることによって、前記線状レーザビームの前記長手方向と直角な方向の加工を行い、
前記第２の光学系において、前記線状レーザビームの前記長手方向の加工を行い、
前記第１の一体型シリンドリカルレンズアレイと前記第２の一体型シリンドリカルアレイレンズは同一形状であり、
前記第１の一体型シリンドリカルアレイレンズの焦点距離をｆとすると、
前記第１の一体型シリンドリカルアレイレンズの主点と、前記第２の一体型シリンドリカルアレイレンズとの最短距離ｄは、１．１ｆ＜ｄ＜１．９ｆの範囲にあることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項７】
レーザ発振器から発生したレーザ光を第１及び第２の光学系によって線状レーザビームに加工し、
前記線状レーザビームを半導体膜に対し長手方向と直角な方向に走査する半導体装置の作製方法であって、
前記第１の光学系において、
前記レーザ光を、凸レンズで構成された第１の一体型シリンドリカルアレイレンズに入射することで分割し、前記分割された各レーザ光を第２の一体型シリンドリカルアレイレンズを構成するそれぞれのシリンドリカルレンズに入射して透過した後、集光することによって、前記線状レーザビームの前記長手方向と直角な方向の加工を行い、
前記第２の光学系において、
前記長手方向と直角な方向の加工が行われたレーザ光を、凸レンズで構成されたシリンドリカルアレイレンズに入射することで分割した後、合成することによって、前記線状レーザビームの前記長手方向の加工を行い、
前記第１の一体型シリンドリカルレンズアレイと前記第２の一体型シリンドリカルアレイレンズは同一形状であり、
前記第１の一体型シリンドリカルアレイレンズの焦点距離をｆとすると、
前記第１の一体型シリンドリカルアレイレンズの主点と、前記第２の一体型シリンドリカルアレイレンズとの最短距離ｄは、１．１ｆ＜ｄ＜１．９ｆの範囲にあり、
前記シリンドリカルアレイレンズの焦点距離をｆ１とすると、
前記シリンドリカルアレイレンズの主点と、前記第２のシリンドリカルレンズとの最短距離Ｄは、１．３ｆ１＜Ｄ＜３ｆ１の範囲にあることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項８】
請求項６又は請求項７において、
前記第１及び第２の一体型シリンドリカルアレイレンズは、曲率を持つ面を互いに外側に向けて平行に配置されていることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項９】
請求項６乃至請求項８のいずれか一項において、
前記線状レーザビームの走査は、ステージを動かすことによって行われることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１０】
請求項６乃至請求項９のいずれか一項において、
前記レーザ光は、エキシマレーザであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は薄膜で構成された回路を有する半導体装置を作製するための装置に関する。例えば液晶表示装置に代表される電気光学装置、及び電気光学装置を部品として搭載した電気機器の構成を作製する装置に関する。なお、本明細書中において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指し、上記電気光学装置および電気機器も半導体装置である。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガラス等の絶縁基板上に形成された非晶質半導体膜や結晶性半導体膜（単結晶でない、多結晶、微結晶等の結晶性を有する半導体膜）、即ち非単結晶半導体膜に対し、レーザアニールを施して、結晶化させたり、結晶性を向上させる技術が、広く研究されている。上記半導体膜には、珪素膜がよく用いられる。
【０００３】
ガラス基板は、従来よく使用されてきた石英基板と比較し、安価で加工性に富んでおり、大面積基板を容易に作成できる利点を持っている。これが上記研究の行われる理由である。また、結晶化に好んでレーザが使用されるのは、ガラス基板の融点が低いからである。レーザは基板の温度をあまり上昇させずに非単結晶膜にのみ高いエネルギーを与えることができる。
【０００４】
結晶性珪素膜は多くの結晶粒からできているため、多結晶珪素膜、あるいは多結晶半導体膜と呼ばれる。レーザアニールを施して形成された結晶性珪素膜は、高い移動度を有するため、この結晶性珪素膜を用いて薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成し、例えば、一枚のガラス基板上に、画素駆動用と駆動回路用のＴＦＴを作製する、モノリシック型の液晶電気光学装置等に盛んに利用されている。
【０００５】
また、出力の大きい、エキシマレーザ等のパルスレーザビームを、被照射面において、数ｃｍ角の四角いスポットや、長さ１０ｃｍ以上の線状となるように光学系にて加工し、レーザビームを走査させて（あるいはレーザビームの照射位置を被照射面に対し相対的に移動させて）、レーザアニールを行う方法が、量産性が高く工業的に優れているため、好んで用いられている。
【０００６】
特に、線状レーザビームを用いると、前後左右の走査が必要なスポット状のレーザビームを用いた場合とは異なり、線状レーザの線方向に直角な方向だけの走査で被照射面全体にレーザ照射を行うことができるため、高い量産性が得られる。線方向に直角な方向に走査するのは、それが最も効率のよい走査方向であるからである。この高い量産性により、現在レーザアニールにはパルス発振エキシマレーザビームを適当な光学系で加工した線状レーザビームを使用することが主流になりつつある。
【０００７】
図１に、照射面においてレーザビームの断面形状を線状に加工するための光学系の構成の例を示す。この構成は、レーザビームの断面形状を線状に変換するだけでなく、同時に、照射面におけるレーザビームのエネルギー均質化を果たすものである。一般にビームのエネルギーの均質化を行う光学系を、ビームホモジナイザと呼ぶ。
【０００８】
まず、側面図について説明する。レーザ発振器１０１から出たレーザビームは、シリンドリカルレンズアレイ１０２aと１０２bにより、レーザビームの進行方向と直角方向に分割される。該方向を本明細書中では、縦方向と呼ぶことにする。この構成では、４分割となっている。これらの分割されたレーザビームは、シリンドリカルレンズ１０４により、いったん１つのレーザビームにまとめられる。ミラー１０７で反射され、その後、ダブレットシリンドリカルレンズ１０８により、照射面１０９にて再び１つのレーザビームに集光される。ダブレットシリンドリカルレンズとは、２枚のシリンドリカルレンズで構成されているレンズのことをいう。これにより、線状レーザビームの幅方向のエネルギー均質化がなされ、幅方向の長さが決定される。
【０００９】
次に、上面図について説明する。レーザ発振器１０１から出たレーザビームは、シリンドリカルレンズアレイ１０３により、レーザビームの進行方向と直角方向でかつ、縦方向と直角方向に分割される。該方向を本明細書中では、横方向と呼ぶことにする。この構成では、７分割となっている。その後、シリンドリカルレンズ１０５にて、レーザビームは照射面１０９にて１つに合成される。これにより、線状レーザビームの長手方向のエネルギー均質化がなされ、線状レーザービームの長さが決定される。
【００１０】
上記の諸レンズは、エキシマレーザに対応するため合成石英製である。また、エキシマレーザをよく透過するように表面にコーティングを施している。これにより、レンズ１つのエキシマレーザの透過率は９９％以上になった。
【００１１】
上記の構成で加工された線状レーザビームをそのレーザビームの幅方向に徐々にずらしながら重ねて照射することにより、非単結晶珪素膜全面に対し、レーザアニールを施して、結晶化させたり、結晶性を向上させることができる。
【００１２】
次に、照射対象となる半導体膜の典型的な作成方法を示す。
【００１３】
まず、基板として、厚さ0.7mm、５インチ角のコーニング１７３７基板を用意した。基板にプラズマCVD装置を用いて、厚さ２００nmのSiO2膜（酸化珪素膜）を成膜し、SiO2膜表面に厚さ５０nmの非晶質珪素膜（以下、a-Si膜と表記する）を成膜した。
【００１４】
基板を、温度５００度の窒素雰囲気で１時間加熱し、膜中の水素濃度を減らした。これにより、膜の耐レーザ性が著しく向上した。
【００１５】
レーザ装置は、ラムダ社製のXeClエキシマレーザ（波長３０８nm、パルス幅３０ｎｓ）L３３０８を使用した。このレーザ装置はパルス発振式で、５００mJ/パルスのエネルギーを出す能力を持っている。レーザビームのサイズは、レーザビームの出口で、１０×３０ｍｍ（共に半値幅）である。エキシマレーザの発生するレーザビームの形状は一般的に長方形状であり、アスペクト比で表現すると、３〜５位の範囲に入る。レーザビームの強度は、レーザビームの中央ほど強いガウシアンの分布を示す。前記レーザビームのサイズは、図１に示した構成をもつ光学系により、エネルギー分布の一様な１２５mm×0.４mmの線状レーザビームに変換された。
【００１６】
本発明者の実験によると、上述の半導体膜に対しレーザを照射する場合、重ね合わせのピッチは線状レーザビームの幅（半値幅）の１／１０前後が最も適当であった。これにより、結晶性の膜内における均一性が向上した。上記の例では、前記半値幅が０．４ｍｍであったので、エキシマレーザのパルス周波数を３０ヘルツ、走査速度を１．０ｍｍ／ｓとし、レーザビームを照射した。このとき、レーザビームの照射面におけるエネルギー密度は４２０ｍＪ／ｃｍ2とした。これまで述べた方法は線状レーザビームを使って半導体膜を結晶化するために用いられる極めて一般的なものである。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
パルス発振エキシマレーザビームを上述したような光学系により線状に加工し、例えば非単結晶珪素膜に対し、前記線状レーザビームを走査させながら照射すると、多結晶珪素膜が得られる。
【００１８】
得られた多結晶珪素膜を観察した結果、縦横に走る縞模様ができてしまう現象が目立った。（図２参照。）
【００１９】
これらの縞の一本一本で膜の半導体特性が異なったため、例えばこの縞状の膜を使用してドライバー画素一体型（システムオンパネル）の液晶ディスプレイを作成した場合、この縞が画面にそのまま出てしまう不都合が生じた。画面上にでる縞はドライバー部における結晶性の不均一と画素部のそれの両方に起因した。この問題は、レーザビームや、レーザビームの照射対象である非単結晶珪素膜の膜質を改良することで改善されつつあり、作成する液晶ディスプレイによっては、問題にならない程度にまで改善されている。しかしながら、より高精細、高特性の液晶ディスプレイを作成する場合、やはり、上記の縞は問題となる。本発明はこの問題を解決しようとするものである。
【００２０】
上記縞模様ができる主な原因は、線状レーザビームの幅方向におけるエッジ付近のエネルギーのぼやけ（エネルギーがレーザビームのエッジに近づくにつれて徐々に減衰する様子を表現するもの）と、線状レーザビームの長手方向におけるエネルギーの不均一であった。本明細射中で、前記エネルギーのぼやけの領域は、線状レーザビーム内の最大エネルギー密度に対し、９０％以下のエネルギー密度を有する領域と定義する。
【００２１】
線状レーザビームの幅方向におけるエッジ付近のエネルギーのぼやけは、線状レーザビームの長手方向と平行な方向に縞模様を形成する原因となった。また、線状レーザビームの長手方向におけるエネルギーの不均一は、線状レーザビームの長手方向と直交する方向に縞模様を形成する原因となった。
【００２２】
線状レーザビームの長手方向におけるエネルギーの不均一の問題を解決するために、シリンドリカルアレイレンズ１０２、１０３のアレイの数を増やすことがまず考えられた。
【００２３】
上述の例のシリンドリカルアレイレンズの分割数は縦４分割、横７分割で、計２８分割であった。この分割数を増やすことで、レーザアニールの均質性をあげる試みは、長年にわたって行われている。以下、その試みの例を挙げる。
【００２４】
４分割のシリンドリカルアレイレンズを構成するシリンドリカルレンズ１つのサイズは、上記の例で、幅３ｍｍ、長さ５０ｍｍと細長い。これらの数値を、シリンドリカルレンズ１つの幅と長さに関するアスペクト比で表現すると、５０／３で、約１６．７である。一方、７分割のシリンドリカルアレイレンズを構成するシリンドリカルレンズ１つのサイズは、上記の例で、幅７ｍｍ、長さ５０ｍｍで比較的太い。アスペクト比で、表現すると、５０／７で、約７．１である。
【００２５】
よって、７分割のシリンドリカルアレイレンズをより細かくする方が、レンズ作成技術を考えると容易である。しかしながら、上記２８分割で得られた線状レーザビームのエネルギー分布を詳しく調べると、線状レーザビームの幅方向に対する中心線近くのエネルギーと、前記方向に関して線状レーザビームのエッジ近くのエネルギーとは、明らかに異なることがわかった。どちらがより高いエネルギーを持つようになるかは、光学調整する度に違った。よって、７分割のシリンドリカルアレイレンズの分割数をいくら増やしても、線状レーザビーム内のエネルギー分布は、均一な方向には向かわず、線状レーザビームの幅方向にある不均一な分布をもつようになるだけである。
【００２６】
上記の考察に基づき、より均一なレーザアニール効果が期待できる光学系の作成を考えると、４分割のシリンドリカルアレイレンズの分割数を増やすしかない。
【００２７】
しかしながら、該光学系を構成するレンズは加工の困難な合成石英である。また、上記の例に出したシリンドリカルアレイレンズを構成するシリンドリカルレンズの幅３ｍｍ、長さ５０ｍｍというのは、レンズとしては非常に形状が細長いため、単独で作成するには、高い技術を必要とした。
【００２８】
前記シリンドリカルアレイレンズはシリンドリカルレンズを１つ１つ作成した後、互いに組み合わせることでシリンドリカルアレイレンズとしている。あるいは、アレイを形成した後高温にさらして、一体化させることによりシリンドリカルアレイレンズとしている。よって、各シリンドリカルレンズは、もとは互いに分離している。
【００２９】
これらのシリンドリカルレンズに十分な強度と精度を持たせるには、少なくとも、レンズ幅とレンズ長のアスペクト比が２０以下である必要がある。なお、この数値は、本発明者の経験に基づくものである。
【００３０】
例えば、上記のシリンドリカルアレイレンズ以外に、２ｍｍ幅、長さ６０ｍｍ、厚さ３ｍｍのシリンドリカルレンズを８本作成し、これらのシリンドリカルレンズを幅方向に並べ、枠に収めることにより、シリンドリカルアレイレンズを作成したことがあったが精度が全く足りず、各シリンドリカルレンズを通過するレーザビームの方向性も見た目でわかるほどばらばらになり、得られた線状レーザビームのエネルギー均一性は、先に示したものよりも悪くなった。この例は、アスペクト比が３０のものである。
【００３１】
例えば、図１に示した光学系の例で、シリンドリカルアレイレンズ１０２に含まれるシリンドリカルレンズの幅をすべて半分にし、分割数を２倍の８分割にすると、シリンドリカルアレイレンズ１０２に含まれる１つのシリンドリカルレンズのアスペクト比は３３となり、先に作成した２ｍｍ幅のシリンドリカルアレイレンズのものよりも大きくなる。
【００３２】
シリンドリカルアレイレンズを構成するシリンドリカルレンズのアスペクト比を増やさずに分割数を増やすために、レーザ発振器から出されるレーザビームをビームエキスパンダーで拡大する方法をとることもできるが、レーザビームの広がりが増えた分だけ、ダブレットシリンドリカルレンズ１０８の収差を減らさなければ、レーザビームが照射面で十分１つにならない問題が新たに生じる。
【００３３】
以下、ダブレットシリンドリカルレンズ１０８の仕様の例を、図７に沿って示す。
ダブレットシリンドリカルレンズ１０８は、焦点距離１７５ｍｍ、幅７０ｍｍ、長さ１６０ｍｍ、中心厚３１ｍｍである。上述したレンズは、幅方向に曲率をもつ。レーザビームの入射面７０１の曲率半径は１２５ｍｍ、その次の面７０２の曲率半径は６９ｍｍ、これらの面７０１と面７０２との中心距離は１０ｍｍとする。これらの構成で、１つのシリンドリカルレンズができる。２つ目のシリンドリカルレンズは、面７０２から中心距離で１ｍｍ離れたところに、レーザビームの入射面７０３を配置する。レーザビームの入射面７０３の曲率半径は７５ｍｍ、その次の面７０４の曲率半径は、―２２６ｍｍとする。これらの面７０３と面７０４との中心距離は２０ｍｍとする。曲率半径に付けた符号は、曲率の向きを示す。
【００３４】
図１２にダブレットシリンドリカルレンズ１０８と同様の曲率をもつダブレットレンズの焦点におけるスポットサイズを、光学設計ソフトゼマックスを用い、計算した例を示す。図１２aは、波長３０８ｎｍ、直径２４ｍｍの平行光線を前記ダブレットレンズに入射させたときのビームスポットである。５０μｍ近いスポットとなっている。よって、ダブレットシリンドリカルレンズ１０８にレーザビームが入射するときに、レーザビームの広がりが２４ｍｍあるとすると、線状レーザビームの幅方向におけるぼやけが５０μｍ程度になることがわかる。上記の例に出した光学系の作る線状レーザビームの幅は４００μｍであるから、ぼやけの領域の線状レーザビームの幅に対する割合は１割を超える。このぼやけが、珪素膜に横縞を形成する原因となる。
【００３５】
一方、図１２bは、波長３０８ｎｍ、直径１２ｍｍの平行光線を前記ダブレットレンズに入射させたときのビームスポットである。４μｍ以下のスポットとなっている。これは線状レーザビームの幅の１％程度のぼやけに相当する。これ以上の精度を要求するのはレンズの作成精度から言って難しい。
【００３６】
以上のシミュレーション結果から、ダブレットシリンドリカルレンズ１０８の収差の影響を抑えるためには、入射するレーザビームのサイズをできるだけ小さくするのがよいことがわかる。あるいは、一般的であるが、前記ダブレットシリンドリカルレンズ１０８を非球面レンズに置換するか、レンズを３枚で構成するトリプレットレンズ以上の高精度レンズに入れ替えるかしなければならない。
【００３７】
現状の技術では、合成石英を非球面加工することは、非常に困難である。また、トリプレットレンズを作成するのもコストや調整の面で得策ではない。ダブレットシリンドリカルレンズ１０８の収差は、発振器が発生させるレーザビームの幅が細ければ細いほど抑えられることから、発振器が発生させるレーザビームのサイズは、１０×３０ｍｍ程度（１０ｍｍの方がレーザビームの幅に当たる）よりも著しく大きくするのは好ましくない。
【００３８】
以上の考察から、現行の構成では、４分割のシリンドリカルアレイレンズの分割数は、増やせても５分割くらいまでであることが予想できる。この分割数では、線状レーザビームのエネルギーの均一性は現状と変わらない。そこで、線状レーザビームの幅方向におけるエッジのエネルギーのぼやけの部分の面積が増加するのを承知で、レーザビームの幅をビームエキスパンダーで広げる方法にてレーザビームの分割数を増やし、前記均一性を確保しているのが現状である。
【００３９】
本発明の課題は、上述の問題点を解消し、縞模様の少ない多結晶珪素膜を得るためのレーザ照射装置を提供することにある。
【００４０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は以下のようなシリンドリカルアレイレンズを、シリンドリカルアレイレンズ１０２の代わりに用いることで本問題を解決する。
【００４１】
すなわち、本発明で用いるシリンドリカルアレイレンズは、強度と精度を保つために、一体型のものとする。このようなシリンドリカルレンズは、例えば、エッチングや削りだしによって作成することができる。ここでいう一体型の意味は、互いに隣り合うシリンドリカルレンズが、レンズ曲面を形成する以前から一体となっているということである。
【００４２】
前記シリンドリカルアレイレンズは一体型であることから、シリンドリカルアレイレンズを構成する１つのシリンドリカルレンズのアスペクト比を２０より大きくとっても、強度や精度に問題がでることはない。
【００４３】
現存する一体型のシリンドリカルアレイレンズの例を挙げると、例えば１ｍｍ幅のシリンドリカルレンズを１０〜５０個連ね、長さは５０ｍｍ、曲率半径２０ｍｍのものがある。各シリンドリカルレンズを通過したレーザビームも方向性は、±１％の精度であっている。また、それぞれのレンズの焦点距離も±3％の範囲に収まっている。（カタログ値）
【００４４】
本発明者は、上記一体型のシリンドリカルアレイレンズを、はじめて線状レーザビームを形成するための光学系に組み込む着想に至った。線状レーザビームを形成するための光学系には、線状レーザビームが極めて細い（アスペクト比にすると１００以上）ため、どうしても一体型のシリンドリカルアレイレンズを用いる必要がある。
【００４５】
前記一体型のシリンドリカルアレイレンズを構成する幅１ｍｍのシリンドリカルレンズのアスペクト比は５０である。このような微細なレンズの作成が可能になったのは、シリンドリカルアレイレンズを一体型にした効果である。
【００４６】
本発明は、このような技術の進歩に基づいて発明されたものである。
すなわち本発明は、照射面において断面形状が線状となるレーザビームを照射するレーザ照射装置であって、
レーザービームを出射するレーザ発振器と、
光学系と、
少なくとも１方向に動くステージと、
を有し、
前記光学系は、
前記レーザビームを、該レーザビームの進行方向に対し、直角方向に分割する役割を果たす一体型のシリンドリカルアレイレンズ（図４では４０１ａ、４０１ｂに対応）と、
前記一体型のシリンドリカルアレイレンズにて分割されたレーザビームを照射面で１つにする役割を果たす光学系（図４では４０２、４０６に対応）と、
前記直角方向と直角な面に含まれる方向であり、かつレーザビームの進行方向に対し直角である方向にレーザビームを分割する役割を果たす光学系（図４では４０３に対応）と、
該光学系にて分割されたレーザビームを照射面で１つにする役割を果たす光学系（図４では４０４に対応）と、
を有しており、前記一体型のシリンドリカルアレイレンズを形成する１つのシリンドリカルレンズの幅と長さに関するアスペクト比が２０以上であることを特徴とするレーザ照射装置である。
【００４７】
また、他の構成は、
照射面において断面形状が線状となるレーザビームを照射するレーザ照射装置であって、
長方形状のレーザビームを発生させるレーザ発振器と、
光学系と、
少なくとも１方向に動くステージと、
を有し、
前記光学系は、
レーザビームを、該レーザビームの進行方向に対し、直角方向に分割する役割を果たす一体型のシリンドリカルアレイレンズ（図４では４０１ａ、４０１ｂに対応）と、
前記一体型のシリンドリカルアレイレンズにて分割されたレーザビームを照射面で１つにする役割を果たす光学系（図４では４０２、４０６に対応）と、
前記直角方向と直角な面に含まれる方向であり、かつレーザビームの進行方向に対し直角である方向にレーザビームを分割する役割を果たす光学系（図４では４０３に対応）と、
該光学系にて分割されたレーザビームを照射面で１つにする役割を果たす光学系（図４では４０４に対応）と、
を有しており、前記一体型のシリンドリカルアレイレンズを形成する１つのシリンドリカルレンズの幅が、前記長方形状のレーザビームの短辺の長さの１／６以下であることを特徴とするレーザ照射装置である。
【００４８】
前記長方形状のレーザビームは、前記長方形状のレーザビームのエネルギー面内分布における最大エネルギーの５％以上の領域で定義されており、かつ、前記長方形状のレーザビームの短辺の長さは、前記領域に入る最大の長方形の短辺の長さで定義する。
【００４９】
上記発明で、１／６以下としたのは、５分割まででは現状の技術で可能だが、６分割以上では、本発明の構成が必要となるからである。
【００５０】
上記何れの発明に関しても、照射面において断面形状が線状となる前記レーザビームの長手方向と、少なくとも１方向に動く前記ステージの動作方向とが、直角であると生産性が高いので好ましい。
【００５１】
上記何れの発明に関しても、前記レーザ発振器はエキシマレーザを発生するものであると、大出力が得られ生産性が上がるので好ましい。エキシマレーザの他に、半導体膜に対し吸収係数の高い波長領域で、大出力の得られるパルス発振のレーザ装置として、YAGレーザの高調波がある。これを本発明に用いてもよい。
【００５２】
上記何れの発明に関しても、一体型のシリンドリカルアレイレンズを構成するシリンドリカルレンズの数は６本以上であるとより一様なレーザアニールが可能となる。
【００５３】
上記何れのレーザ照射装置に、ロードアンロード室と、トランスファ室と、プレヒート室と、レーザ照射室と、徐冷室と、を有していると、大量生産に使用できるので好ましい。
【００５４】
【発明の実施の形態】
まず、照射対象として、５インチ角の基板に対し照射面で線状に加工されたレーザビームを照射する例を示す。
【００５５】
図３にレーザ照射装置を図示する。図３に示したものは、線状レーザビームを基板に照射する装置の１つの例である。該構成の説明を以下に列挙する。
【００５６】
レーザ発振器３０１から発生した、サイズ１０×３０ｍｍのレーザビームは、
ミラー３０２a、ミラー３０２b、ミラー３０２cを経由し、光学系３０３に入射する。これらのミラーは、レーザビームの光学系に対する入射方向を制御するために設置されている。まず、ミラー３０２aによりレーザビームは上方へ曲げられ、次にミラー３０２bによりレーザビームは水平方向に曲げられ、さらにミラー３０２cにより他の水平方向に曲げられる。
【００５７】
光学系３０３をでたレーザビームは、ミラー３０４を介し、ダブレットシリンドリカルレンズ３０５で基板３０７の表面に線状レーザビーム３０６として集光される。３０８は基板３０７をのせる為のステージである。前記ステージ３０８は移動機構３０９により、線状レーザビーム３０６に対し直角方向（図中矢印の方向）に走査される。これにより、基板３０７全面にレーザビームを照射することができる。該移動機構３０９には、ボールねじ式やリニアモータ等が使える。
【００５８】
上述のいずれか２組のミラーの間にビームコリメータを挿入し、レーザビームの広がり角を抑えるとより得られる線状レーザビームのエネルギー均一性が高まる。レーザビームの広がり角は、レーザビームの短辺方向で抑えるのがよい。レーザビームの短辺方向における広がり角は、一般的に０．５mrad程度である。
【００５９】
次に、線状レーザビームの幅方向の均一性と幅を決定する光学系の構成について図４に沿って説明する。図３の光学系３０３の中に、図４中のレンズ４０１〜４０４が入っている。図３のミラー３０４が、図４のミラー４０５と同じものである。また、図３中のダブレットシリンドリカルレンズ３０５は、図４中のダブレットシリンドリカルレンズ４０６と同じものである。
【００６０】
１２本のシリンドリカルレンズによりなる一体型のシリンドリカルアレイレンズ４０１aにて、レーザビームは幅方向に１２分割される。これらのレーザビームは、１２本のシリンドリカルレンズによりなる一体型のシリンドリカルアレイレンズ４０１bのシリンドリカルレンズそれぞれに入射する。これらのレーザビームは、シリンドリカルレンズ４０２にてある面に集光される。これらのレーザビームは再び分離し、ダブレットシリンドリカルレンズ４０６にて照射面４０７に集光される。光路途中にミラー４０５を挿入し、光路を直角に曲げている。
【００６１】
次に、線状レーザビームの長手方向の均一性と長さを決定する光学系の構成について説明する。シリンドリカルアレイレンズ４０３はレーザビームを長手方向に７分割する。これらのレーザビームは、シリンドリカルレンズ４０４により、引き伸ばされながら照射面４０７にて１つに合成される。
【００６２】
照射面４０７に非単結晶半導体膜が形成された基板が配置される。線状のレーザビームに対し、基板を直角方向に移行することで、基板全面にレーザビームが照射できる。
【００６３】
なお光学系保護のため、光学系のまわりの雰囲気を窒素等のレンズコーティング物質と反応しにくい気体としてもよい。そのために、光学系を光学系保護室に封入してもよい。該光学系保護室に出入射するレーザの窓には、コーティングされた石英を用いると９９％以上の高い透過率が得られるのでよい。また、基板の汚染防止のため、チャンバーを設けて、その中に基板を入れた状態でレーザビームの照射を行ってもよい。
【００６４】
ステージ３０８は移動機構３０９により線状レーザビーム３０６の長手方向に対し、垂直な方向に等速で移動する。
【００６５】
レーザビームの照射中に、赤外ランプにより基板のレーザビームが照射されている箇所に強光を照射して加熱すると、より均一性の高い多結晶性珪素膜が得られる。
【００６６】
上記光学系を構成する上では、幾何光学に従って設計すればよい。各レンズの焦点距離等、具体的な例は、実施例に記載した。以下に該構成を設計する上で考慮に入れた方がよい点を述べる。
【００６７】
まず、一体型のシリンドリカルアレイレンズ４０１aと４０１bとは、凸レンズで構成されるものとした方がいい。なぜならば、もし凹レンズで構成すると、レンズ作成の際、とがった部分ができるので作成が困難となるからである。
【００６８】
また、一体型のシリンドリカルアレイレンズ４０１aと４０１bとを、凸レンズで構成した場合、一体型のシリンドリカルアレイレンズ４０１aの主点（レンズに関する専門用語で、一般に主点と焦点との距離が焦点距離と定義されている。）と４０１bとの最短距離ｄを、1.1ｆよりも長く、1.9ｆよりも短くとるようにする。ここで、ｆはシリンドリカルアレイレンズ４０１aの焦点距離である。図５（A）に一体型シリンドリカルアレイレンズ４０１aと４０１bとの位置関係を示す。
【００６９】
図５（A）の符号の説明をする。面５０１は、シリンドリカルアレイレンズ４０１aのレーザビームの進行方向側にある主点すべてを含む面である。面５０３は、シリンドリカルアレイレンズ４０１aのレーザビームの進行方向側にある焦点すべてを含む面である。面５０５は面５０１から距離１.１ｆだけ離れた面である。面５０７は面５０１から距離１.９ｆだけ離れた面である。シリンドリカルアレイレンズ４０１bは面５０５と面５０７に挟まれた領域内に配置する。
【００７０】
下限値１.１ｆは、一体型のシリンドリカルアレイレンズ４０１bに入射するレーザビームのエネルギー密度を極端に高くすることを防ぐためにある。上限値１.９ｆは、分割されたある１つのレーザビームが２つ以上のシリンドリカルレンズに入射することを防ぐためにある。好ましくは、距離ｄを1.3f〜1.7fの範囲に収めた方がよい。これにより、光学系の設計マージンを広げることができる。
【００７１】
他の考慮すべき点は、シリンドリカルレンズ４０４の球面収差を抑えるために、シリンドリカルアレイレンズ４０３の主点とシリンドリカルレンズ４０４との最短距離Ｄを、1.3ｆ１＜Ｄ＜３ｆ１とする。ここで、ｆ１はシリンドリカルアレイレンズ４０３の焦点距離である。図５（B）にシリンドリカルアレイレンズ４０３とシリンドリカルレンズ４０４との位置関係を示す。
【００７２】
図５（B）の符号の説明をする。面５０２は、シリンドリカルアレイレンズ４０３のレーザビームの進行方向側にある主点すべてを含む面である。面５０４は、シリンドリカルアレイレンズ４０３のレーザビームの進行方向側にある焦点すべてを含む面である。面５０６は面５０２から距離１.３ｆ１だけ離れた面である。面５０８は面５０２から距離３ｆ１だけ離れた面である。シリンドリカルレンズ４０４は面５０６と面５０８に挟まれた領域内に配置する。
【００７３】
下限値1.3ｆ１は、シリンドリカルレンズ４０４に当たるレーザビームのエネルギー密度を大きくしないためにある。また上限値３ｆ１は、シリンドリカルレンズ４０４の球面収差を抑えるためにある。これにより、線状レーザビームのエネルギー分布がより一様になる。球面収差の影響が強くでると、線状レーザビームの形状が長方形でなくなり、線状レーザビームの中央部分の幅が細くなる。
【００７４】
上述した、線状レーザビームの中央部分の幅が細くなる例を以下に示す。例えば、前記最短距離Ｄを、シリンドリカルアレイレンズ４０３の焦点距離ｆ１とシリンドリカルレンズ４０４の焦点距離ｆ２の和と等しくとる。この光学系の組み合わせはレーザビームを引き延ばす役割を果たしているので、ｆ１＜＜ｆ２である。
【００７５】
よって、この場合３ｆ１＜Ｄ（＝ｆ１＋ｆ２）の条件を満たしている。３ｆ１＜Ｄの条件を満たしている光学系を組んで、光学設計ソフトSOLSTISを用いて計算した結果、図１０のようなエネルギー分布をもつ線状レーザビームが得られた。図中、濃い部分がエネルギーの高い部分である。該図面は、エネルギー分布を見やすくするために、アスペクト比を実際より小さく表現している。線状レーザビームの長手方向における端の部分でやや線状レーザビームが膨れて、ぼけてしまっている。これは、シリンドリカルレンズ４０４の球面収差の影響である。
【００７６】
あるいは、シリンドリカルレンズ４０４の球面収差を抑えるために、該レンズを複数枚のレンズで構成し、あるいは非球面レンズとし、より球面収差を少なくしたものにする方法もある。現在の技術では、非球面レンズの作製は非常に困難であるので、複数枚のレンズで構成する方が現実的である。
【００７７】
一方、1.3ｆ１＜Ｄ＜３ｆ１の範囲で、例えば、Ｄ＝２ｆ１である場合のシミュレーション結果を図１１に示す。図１０で示したものと同一のソフトを用い計算したものであるが、非常に直線性の高いエッジを持つ線状レーザビームとなっていることがわかる。
【００７８】
本発明のレーザ照射装置は、非単結晶珪素膜だけでなく、その他の非単結晶半導体膜にも適応でき、例えばゲルマニュウムや、ダイアモンドの非単結晶半導体膜等にも適用できる。
【００７９】
上述したレーザ照射装置にて結晶化された半導体膜を用いて、公知の方法で半導体デバイス、例えば、低温ポリシリコンＴＦＴの液晶ディスプレイを作成すればよい。あるいは、実施者の考案した半導体デバイスを作成してもよい。
【００８０】
【実施例】
〔実施例１〕
本実施例では、a-Si膜のレーザアニールの例を示す。また、具体的な光学系の仕様を示す。用いるレーザ発振器は、３００Hz、１５０WのXeClエキシマレーザとする。
【００８１】
基板は、厚さ０.７mmのコーニング１７３７を用いる。この基板は６００℃までの温度であれば充分な耐久性がある。この基板の片面に、プラズマCVD法によりSiO2膜を２００nm成膜する。さらに、その上から、a-Si膜を５５nm成膜する。成膜法は他の方法、たとえば、スパッタ法等を用いてもよい。
【００８２】
成膜済みの基板を５００℃の窒素雰囲気で１時間加熱し、a-Si膜中の水素濃度を減少させる。これにより、a-Si膜の耐レーザ性を飛躍的に高めることができる。該膜内の水素濃度は１０20atoms/cm3オーダーが適当である。
【００８３】
レーザビームは、図４に示した光学系により、長さ１６０mm、幅0.４mmの線状レーザビームに加工される。図４に示した光学系は、１つの例である。レーザビームはa-Si膜に線状に結像する。上記のサイズは、結像したときのレーザビームのサイズである。
【００８４】
以下に、図４に記載した光学系の各レンズの具体的なサイズや焦点距離、位置関係をしめす。光学系の母材はすべて石英とする。また、コーティングは、XeClエキシマレーザビームの波長である３０８ｎｍに対する透過率が９９％以上得られるものを使用する。
【００８５】
まず、図４の側面図に関して説明する。
【００８６】
一体型シリンドリカルアレイレンズ４０１a、４０１bは、共に同一形状で、焦点距離４１ｍｍ、幅１ｍｍ、長さ５０ｍｍ、中心厚２ｍｍ、であるシリンドリカルレンズ１２個で構成されている。このレンズで、レーザビームを縦方向に分割する。これらのレンズを同一形状としたのは、レンズ作成コストの低減が主な目的である。同じレンズを２枚作成するのは、異なるレンズを２枚作成するよりも、コストがかからない。形状を同一にして設計上無理が出るようであれば、互いに異なるもので構成した方がよい。
【００８７】
シリンドリカルレンズ４０２は、焦点距離３７５ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、中心厚５ｍｍ、である。このレンズで、上記縦方向に分割されたレーザビームを、ある面にていったん１つにする。前記面は光路の途中にあるので、再び光は分離する。
【００８８】
ダブレットシリンドリカルレンズ４０６は、焦点距離１７５ｍｍ、幅７０ｍｍ、長さ１６０ｍｍ、中心厚３１ｍｍである。これらのレンズで、上記縦方向に分割されたレーザビームを、照射面にて１つに合成する。
【００８９】
次に、上面図に関して説明する。
【００９０】
シリンドリカルアレイレンズ４０３は、焦点距離４３ｍｍ、幅７ｍｍ、長さ５０ｍｍ、中心厚５ｍｍ、であるシリンドリカルレンズ７本で構成されている。このレンズで、レーザビームを横方向に分割する。
【００９１】
シリンドリカルレンズ４０４は、焦点距離１０００ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、中心厚５ｍｍ、である。このレンズで、上記横方向に分割されたレーザビームを、照射面にて１つに合成する。
【００９２】
上述したレンズすべては、幅方向に曲率をもつ。
【００９３】
配置は図６に従えばよい。図４と同一符号をもつレンズは、同一の役割をするレンズである。
【００９４】
すなわち、一体型のシリンドリカルアレイレンズ４０１aと一体型のシリンドリカルアレイレンズ４０１bとの距離は７５ｍｍとし、曲率を持つ面は互いに外側に向ける。
【００９５】
一体型のシリンドリカルアレイレンズ４０１bとシリンドリカルレンズ４０２との距離は、５０ｍｍとする。
【００９６】
シリンドリカルレンズ４０２とシリンドリカルアレイレンズ４０３との距離は、１８０ｍｍとする。シリンドリカルアレイレンズ４０３とシリンドリカルレンズ４０４との距離は、８７ｍｍとする。シリンドリカルレンズ４０２、シリンドリカルアレイレンズ４０３、シリンドリカルレンズ４０４、それぞれの曲率を持つ面は、レーザ発振器側に向ける。
【００９７】
シリンドリカルレンズ４０４と、ダブレットシリンドリカルレンズ４０６との光学的距離は、７２０ｍｍとする。途中ミラー４０５を経由させる。ミラー４０５により、レーザ光路は９０度下方に曲げられる。
【００９８】
ダブレットシリンドリカルレンズ４０６と照射面４０７との距離は、２５２ｍｍである。
【００９９】
ダブレットシリンドリカルレンズ４０６の形状は、前述に図７に沿って説明したものとする。すなわち、ダブレットシリンドリカルレンズ１０８と同じものとする。
【０１００】
線状レーザビームのサイズを変更したい場合は幾何光学に従って各光学部材の焦点距離や、サイズを調節すればよい。
【０１０１】
上記線状レーザビームの線方向におけるエネルギー分布が±５％以内であるとa-Si膜に対し均質な結晶化を行える。好ましくは、±３％以内、より好ましくは、±１％以内にするとより均質な結晶化が行える。エネルギー分布を均一するためには、精密なレンズのアライメントが必要となる。
【０１０２】
用いるXeClエキシマレーザの最大エネルギーは、５００ｍJ/パルスである。線状レーザビームの面積は0.６４ｃｍ2であるから、得られる線状レーザビームの最大エネルギー密度は５００mJ/cm2以上となる。
【０１０３】
このレーザ照射装置を使って、a-Si膜を結晶化させる。線状レーザビームの長さが１６０mmであるから、５インチ角の基板に対し、線状レーザビームを１方向に走査させることで、基板のほぼ全面にレーザビームを照射することができる。
【０１０４】
本実施例の照射条件を以下に示す。
【０１０５】
線状レーザビームのエネルギー密度：４２０mJ/cm2
レーザの繰り返し周波数：３０Hz
基板の移動速度：１mm/ｓ
レーザビームの照射時の雰囲気：クラス１０００以下のクリーンルーム内の雰囲気
【０１０６】
上記の条件は、レーザ発振器のパルス幅やレーザビームが照射される膜の状態、作成するデバイスが要求する特性等に依存するので、実施者は、そのことを考慮にいれて諸条件を適宜決定しなければならない。
【０１０７】
レーザビームの照射時の雰囲気は、上記のようではなく、レーザ照射室をチャンバーで囲って、Ｈ2に置換してもよい。雰囲気の置換は、主に基板の汚染防止のために行う。ガスの供給は、ガスボンベを通して行う。前記雰囲気はＨ2、Ｈe、Ｎ2、またはＡｒでもよい。また、それらの混合気体でもよい。また、該雰囲気を真空（10の-1乗torr以下）にしても、汚染防止効果はある。
【０１０８】
レーザ発振器にXeClエキシマレーザを使用したが、他の大出力レーザを利用してもよい。基板として、コーニング１７３７の他に、コーニング７０５９等の他のガラス基板を用いることができる。あるいは、石英基板を用いてもよい。
【０１０９】
上述したレーザ照射装置にて結晶化された半導体膜を用いて、公知の方法で半導体デバイス、例えば、低温ポリシリコンＴＦＴの液晶ディスプレイを作成すればよい。あるいは、実施者の考案した半導体デバイスを作成してもよい。
【０１１０】
〔実施例２〕
本実施例では、多結晶珪素膜にレーザビームを照射する例を示す。
【０１１１】
基板は、厚さ０.７mmのコーニング１７３７を用いる。この基板は６００℃までの温度であれば充分な耐久性がある。この基板の片面に、プラズマCVD法によりSiO2膜を２００nm成膜する。さらに、その上から、a-Si膜を５５nm成膜する。成膜法は他の方法、たとえば、スパッタ法等を用いてもよい。
【０１１２】
次に、特開平７―１３０６５２号公報に記載の方法で、前記a-Si膜を結晶化させる。以下、前記方法に関し簡単に述べる。前記a-Si膜に、濃度が１０ｐｐｍの酢酸ニッケル水溶液を塗布し、これを窒素雰囲気にて５５０℃の雰囲気に４時間さらし、a-Si膜を結晶化させる。前記塗布の方法は例えばスピンコート法を使うとよい。このように、ニッケルを添加したa-Si膜は、低温短時間で結晶化する。これは、ニッケルが結晶成長の核の役割を果たし、結晶成長を促進させるのが原因と考えられている。
【０１１３】
上記の方法で結晶化される多結晶珪素膜は、レーザビームを照射することで、さらに、半導体素子の材料として特性の高いものになる。そこで、前記多結晶珪素膜の特性を向上させるため、実施例１で用いたレーザ照射装置を使って、前記多結晶珪素膜にレーザビームを照射する。実施例１と実施例２とは組み合わせて用いることができる。
【０１１４】
〔実施例３〕
本実施例では、実施例１で示した光学系とは異なる光学系を用いた例を示す。図８を使って、その光学系を説明する。本実施例では、一体型のシリンドリカルアレイレンズ４０１aの主点と４０１bとの距離が1.3f〜1.7fの範囲に収まっている例を示す。これにより、光学系の設計マージンを広げることができる。なお、ｆは一体型シリンドリカルアレイレンズ４０１aの焦点距離である。
【０１１５】
レーザビームは、図８に示した光学系により、照射面にて、長さ１６０mm、幅0.４mmの線状レーザビームに加工される。照射対象である半導体膜は照射面に配置される。上記のサイズは、照射面における線状レーザビームのサイズである。前記半導体膜は、例えば、実施例１や実施例２に作成方法を記載したものとする。
【０１１６】
以下に、図８に記載した光学系の各レンズの具体的なサイズや焦点距離、位置関係をしめす。光学系の母材はすべて石英とする。また、コーティングはXeClエキシマレーザが発生させる波長３０８ｎｍのレーザビームに対する透過率が９９％以上得られるものを使用する。
【０１１７】
一体型のシリンドリカルアレイレンズ８０１aは、焦点距離６１ｍｍ、幅１ｍｍ、長さ５０ｍｍ、中心厚２ｍｍ、であるシリンドリカルレンズ１２個で構成されている。このレンズで、レーザビームを縦方向に分割する。
【０１１８】
一体型のシリンドリカルアレイレンズ８０１ｂは、焦点距離４１ｍｍ、幅１ｍｍ、長さ５０ｍｍ、中心厚２ｍｍ、であるシリンドリカルレンズ１２個で構成されている。
【０１１９】
シリンドリカルレンズ８０２は、焦点距離３７５ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、中心厚５ｍｍ、である。このレンズで、上記縦方向に分割されたレーザビームを、ある面にていったん１つにする。前記面は光路の途中にあるので、再び光は分離する。
【０１２０】
ダブレットシリンドリカルレンズ８０６は、焦点距離１７５ｍｍ、幅７０ｍｍ、長さ１６０ｍｍ、中心厚３１ｍｍである。これらのレンズで、上記縦方向に分割されたレーザビームを、照射面にて１つに合成する。
【０１２１】
シリンドリカルアレイレンズ８０３は、焦点距離４３ｍｍ、幅７ｍｍ、長さ５０ｍｍ、中心厚５ｍｍ、であるシリンドリカルレンズ７本で構成されている。このレンズで、レーザビームを横方向に分割する。
【０１２２】
シリンドリカルレンズ８０４は、焦点距離１０００ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、中心厚５ｍｍ、である。このレンズで、上記横方向に分割されたレーザビームを、照射面にて１つに合成する。
【０１２３】
上述したレンズすべては、幅方向に曲率をもつ。
【０１２４】
各レンズの配置は図８に従えばよい。
【０１２５】
すなわち、一体型のシリンドリカルアレイレンズ８０１aと一体型のシリンドリカルアレイレンズ８０１bとの距離は９３ｍｍとし、曲率を持つ面は互いに外側に向ける。
【０１２６】
一体型のシリンドリカルアレイレンズ８０１bとシリンドリカルレンズ８０２との距離は、７０ｍｍとする。
【０１２７】
シリンドリカルレンズ８０２とシリンドリカルアレイレンズ８０３との距離は、１８０ｍｍとする。シリンドリカルアレイレンズ８０３とシリンドリカルレンズ８０４との距離は、８７ｍｍとする。シリンドリカルレンズ８０２、シリンドリカルアレイレンズ８０３、シリンドリカルレンズ８０４、それぞれの曲率を持つ面は、レーザ発振器側に向ける。
【０１２８】
シリンドリカルレンズ８０４と、ダブレットシリンドリカルレンズ８０６との光学的距離は、７２０ｍｍとする。途中ミラー８０５を経由させる。ミラー８０５により、レーザ光路は９０度下方に曲げられる。
【０１２９】
ダブレットシリンドリカルレンズ８０６と照射面８０７との距離は、２５２ｍｍである。
【０１３０】
ダブレットシリンドリカルレンズ８０６の形状は、ダブレットシリンドリカルレンズ４０６と同一のものを使う。
【０１３１】
線状レーザビームのサイズを変更したい場合は幾何光学に従って各光学部材の焦点距離や、サイズを調節すればよい。
【０１３２】
上記線状レーザビームの線方向におけるエネルギー分布が±５％以内であるとa-Si膜に対し均質な結晶化を行える。好ましくは、±３％以内、より好ましくは、±１％以内にするとより均質な結晶化が行える。エネルギー分布を均一するためには、精密なレンズのアライメントが必要となる。
【０１３３】
上述したレーザ照射装置にて結晶化された半導体膜を用いて、公知の方法で半導体デバイス、例えば、低温ポリシリコンＴＦＴの液晶ディスプレイを作成すればよい。あるいは、実施者の考案した半導体デバイスを作成してもよい。
【０１３４】
〔実施例４〕
本実施例では、大量生産用のレーザ照射装置の例を図９に沿って示す。図９はレーザ照射装置の上面図である。
【０１３５】
ロードアンロード室９０１から、トランスファ室９０２に設置された搬送用のロボットアーム９０３を使って基板を運ぶ。まず、基板は、アライメント室９０４で位置合わせがなされた後、プレヒート室９０５に運ばれる。ここで例えば赤外ランプヒータを使って基板の温度を所望の温度、例えば３００℃程度にあらかじめ加熱しておく。その後、ゲートバルブ９０６を経由し、レーザ照射室９０７に基板を設置する。その後、ゲートバルブ９０６を閉める。
【０１３６】
レーザビームは、実施例１で示したレーザ発振器９００を出た後、光学系９０９を介し、石英窓９１０の直上に設置した図示しないミラーで９０度下方に曲げられ、石英窓９１０を介し、レーザ照射室９０７内にある照射面にて線状レーザビームに加工される。レーザビームは、照射面に設置された基板に照射される。光学系９０９は、前述に示したものを使用すればよい。また、それに準ずる構成のものを使用してもよい。
【０１３７】
レーザビームの照射の前にレーザ照射室９０７の雰囲気を、真空ポンプ９１１を使って高真空（１０-3Pa）程度に引く。または、真空ポンプ９１１とガスボンベ９１２を使って所望の雰囲気にする。前記雰囲気は、前述したように、ArやH2、あるいはそれらの混合気体でもよい。
【０１３８】
その後、レーザビームを照射しながら、移動機構９１３により基板を走査させることで、基板に線状レーザビームを照射する。このとき、図示しない赤外線ランプを線状レーザビームが照射されている部分に当ててもいい。
【０１３９】
レーザビームの照射が終了した後は、クーリング室９０８に基板を運び、基板を徐冷したのち、アライメント室９０４を経由してロードアンロード室９０１に基板を帰す。これら一連の動作を繰り返すことで、基板を多数、レーザアニールできる。
【０１４０】
本実施例は発明の実施の形態や他の実施例と組み合わせて用いることができる。
【０１４１】
【発明の効果】
本発明により、線状レーザビームの幅方向に平行にできる干渉縞の強弱を著しく低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  線状レーザビームを形成する光学系。
【図２】  線状レーザビームをスキャンさせながら照射した珪素膜の様子を示す図。
【図３】  本発明が開示する線状レーザビームを形成する光学系の例を示す図。
【図４】  本発明が開示するレーザ照射装置の例を示す図。
【図５】  線状レーザビームを形成する光学系を設計するときに考慮すべき点を説明する図。
【図６】  実施例における線状レーザビームを形成する光学系を示す図。
【図７】  実施例における線状レーザビームを形成する光学系の一部を示す図。
【図８】  実施例における線状レーザビームを形成する光学系を示す図。
【図９】  レーザ照射装置を示す図。
【図１０】光学設計ソフトによる計算例を示す図。
【図１１】光学設計ソフトによる計算例を示す図。
【図１２】光学設計ソフトによる計算例を示す図。
【符号の説明】
１０１  レーザ発振器
１０２  レーザ光を分割するシリンドリカルアレイレンズ
１０３  レーザ光を分割するシリンドリカルアレイレンズ
１０４  レーザ光を集光するためのシリンドリカルレンズ
１０５  レーザ光を集光するためのシリンドリカルレンズ
１０７  反射ミラー
１０８  レーザ光を集光するためのダブレットシリンドリカルレンズ
１０９  照射面
３０１  レーザ発振器ステージ
３０２  ミラー移動機構
３０３  光学系基板
３０４  ミラー
３０５  ダブレットシリンドリカルレンズ
３０６  線状レーザビーム
３０７  基板
３０８  ステージ
３０９  移動機構
４０１  一体型のシリンドリカルアレイレンズ
４０２  シリンドリカルレンズ
４０３  シリンドリカルアレイレンズ
４０４  シリンドリカルレンズ
４０５  ミラー
４０６  ダブレットシリンドリカルレンズ
４０７  照射面
５０１  シリンドリカルアレイレンズ４０１aのレーザビームが出る側にある主点すべてを含む面
５０２  シリンドリカルアレイレンズ４０３のレーザビームが出る側にある主点すべてを含む面
５０３  シリンドリカルアレイレンズ４０１aのレーザビームが出る側にある焦点すべてを含む面
５０４  シリンドリカルアレイレンズ４０３のレーザビームが出る側にある焦点すべてを含む面
５０５  面５０１から距離１.１ｆだけ離れた面
５０６  面５０２から距離１.３ｆ１だけ離れた面
５０７  面５０１から距離１.９ｆだけ離れた面
５０８  面５０２から距離３ｆ１だけ離れた面
７０１  ダブレットシリンドリカルレンズの面
７０２  ダブレットシリンドリカルレンズの面
７０３  ダブレットシリンドリカルレンズの面
７０４  ダブレットシリンドリカルレンズの面
８０１  一体型のシリンドリカルアレイレンズ
８０２  シリンドリカルレンズ
８０３  シリンドリカルアレイレンズ
８０４  シリンドリカルレンズ
８０５  ミラー
８０６  ダブレットシリンドリカルレンズ
８０７  照射面
９００  レーザ発振器
９０１  ロードアンロード室
９０２  トランスファ室
９０３  ロボットアーム
９０４  アライメント室
９０５  プレヒート室
９０６  ゲートバルブ
９０７  レーザ照射室
９０８  照射面
９０９  レーザ光学系
９１０  石英窓
９１１  真空ポンプ
９１２  ガスボンベ
９１３  移動機構
９１４  赤外線ランプ
９１５  クーリング室
【図１】
0004021135.tif 000002
【図２】
0004021135.tif 000003
【図３】
0004021135.tif 000004
【図４】
0004021135.tif 000005
【図５】
0004021135.tif 000006
【図６】
0004021135.tif 000007
【図７】
0004021135.tif 000008
【図８】
0004021135.tif 000009
【図９】
0004021135.tif 000010
【図１０】
0004021135.tif 000011
【図１１】
0004021135.tif 000012
【図１２】
0004021135.tif 000013