(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に成膜されるとともに所定位置に凹部を有する下地層上に堆積されたアモルファス材料層に、第１レーザ光を長尺ビームに整形して第１領域に重複照射することによって、前記凹部に充填されたアモルファス材料層部分から優先的に結晶核を発生させて結晶粒に成長させる第１工程と、
前記第１レーザ光が照射された前記第１領域の局所的な部分である第２領域に、第２レーザ光を矩形ビームに整形して一括照射若しくは重複照射することによって、前記凹部から成長した前記結晶粒を種結晶として単結晶に成長させる第２工程と
を備え、
前記基板は、液晶デバイスを構成すべき液晶パネル部を有し、
前記第１レーザ光が照射される前記第１領域は、前記液晶パネル部のうちの画素エリア及びドライバ回路エリアに相当し、
前記第２レーザ光が照射される前記第２領域は、前記ドライバ回路エリアに相当することを特徴とするレーザアニール方法。
【請求項２】
前記第１レーザ光は、エキシマレーザ装置を光源とするレーザ光であり、前記第２レーザ光は、１台若しくは２台以上の固体レーザ装置を光源とするレーザ光であることを特徴とする請求項１記載のレーザアニール方法。
【請求項３】
２台以上の前記固体レーザ装置からの各レーザ光を前記第２レーザ光として所定の遅延時間で照射することを特徴とする請求項１及び請求項２のいずれか一項記載のレーザアニール方法。
【請求項４】
前記基板は、絶縁性のガラスで形成され、前記下地層は、ＳｉＯ２で形成され、前記アモルファス材料層は、シリコンで形成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項記載のレーザアニール方法。
【請求項５】
前記凹部が形成される前記所定位置は、前記基板上におけるＴＦＴの配置パターンに対応していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項記載のレーザアニール方法。
【請求項６】
前記第２工程で、前記第２レーザ光を走査しつつ前記第２領域に重複照射することによって走査方向に単結晶を成長させることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項記載のレーザアニール方法。
【請求項７】
前記第１工程及び第２工程は、前記基板を大気圧下で不活性雰囲気にさらして実施されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項記載のレーザアニール方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に形成した膜材料を結晶化するレーザアニール装置に関し、特に基板上の特定エリアで結晶状態を高品質化することができるレーザアニール装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラス等からなる絶縁基板上に半導体層を形成する方法として、絶縁基板上にアモルファスＳｉ等の半導体形成材料を予め成膜し、この半導体形成材料をエキシマレーザ等のパルス状のガスレーザ装置によるレーザアニールで結晶化してＳｉ多結晶等からなる半導体層を形成する方法が知られている。ここで、ガスレーザ装置からのレーザビームは、長尺化され、ステップ走査しつつ基板全体に亘って繰り返し照射される。さらに、レーザビームは、走査に際してつなぎ目ができないように、その短手方向に重複を持たせて照射される。
【０００３】
また、遮蔽用のマスクを利用して、大きなエネルギー密度のレーザビームを局所的な領域に集中的に照射する方法も検討されている。この方法では、局所領域単位で大きな単結晶を形成することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前者のようなレーザアニールでは、基板の大型化に伴い長尺ビームをさらに長く細く成形する必要に迫られている。このため、レーザビームの高出力化が大きな課題となっているが、このような課題は十分に達成されておらず、高性能のＳｉＴＦＴの製造に不可欠な大径のＳｉ単結晶を成長させるために必要となるエネルギー密度が確保できていない。さらに、ガスレーザ装置から出射するレーザビームは、出力等に少なからず揺らぎを有しており、平均化によってこのような揺らぎを相殺するためにパルス照射位置の重複率をある程度以上に高める必要があり、高いスループットでアニールを行うことができない。
【０００５】
また、後者のようなレーザアニールでは、レーザ照射が局所的に繰返されるので、高いスループットで基板全面のアニールを行うことができない。
【０００６】
そこで、本発明は、必要な領域で大径のＳｉ単結晶を成長させることができ、全体としても、高いスループットである程度以上の粒径のＳｉ結晶粒を成長させることができるレーザアニール装置及び方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のレーザアニール方法の実施に適するレーザアニール装置は、基板上に成膜されるとともに所定位置に凹部を有する下地層上に堆積されたアモルファス材料層に、第１レーザ光を照射して前記凹部に充填されたアモルファス材料部分から優先的に結晶核を発生させて結晶粒に成長させる第１レーザ照射手段と、前記第１レーザ光が照射された領域に第２レーザ光を照射して、前記凹部から成長した前記結晶粒を種結晶として単結晶に成長させる第２レーザ照射手段とを備える。
【０００８】
上記装置では、第１レーザ照射手段が、アモルファス材料層に第１レーザ光を照射して前記凹部に充填されたアモルファス材料部分から優先的に結晶核を発生させて結晶粒に成長させるので、第１レーザ光の照射領域に、粒径が所定以上に揃った均一な結晶粒を形成することができる。さらに、上記装置では、第２レーザ照射手段が、前記第１レーザ光が照射された領域に第２レーザ光を照射して前記凹部から成長した前記結晶粒を種結晶として単結晶に成長させるので、第２レーザ光が照射された領域に、上記結晶粒に比較して大きなサイズの単結晶を成長させることができ、ここに形成すべきマイクロデバイス（例えば、ＴＦＴ）の電気特性等を飛躍的に向上させることができる。
【０００９】
また、上記装置の具体的な態様では、前記第１レーザ照射手段が、前記第１レーザ光を長尺ビームに整形して重複照射し、前記第２レーザ照射手段が、前記第２レーザ光を矩形ビームに整形して一括照射若しくは重複照射する。
【００１０】
ここで、「重複照射」とは、第１レーザが照射される領域（後述の第１領域に相当）に部分的に投影される長尺ビームや第２レーザが照射される領域（後述の第２領域に相当）に部分的に投影される矩形ビームを、重複するように移動させて繰り返し照射を行うことを意味し、「一括照射」とは、第２レーザが照射される領域に投影される矩形ビームを、重複しないように移動させて各箇所で１回以上照射することを意味する。
【００１１】
上記装置では、前記第１レーザ照射手段が、前記第１レーザ光を長尺ビームに整形して重複照射し、前記第２レーザ照射手段が、前記第２レーザ光を矩形ビームに整形して一括照射若しくは重複照射するので、第１レーザが照射される領域（後述の第１領域に相当し、例えば基板表面の比較的広い領域とすることができる。）を継ぎ目無く迅速に多結晶化することができ、第２レーザが照射される領域（後述の第２領域に相当し、例えば基板表面の比較的狭い局所的な領域とすることができる。）で単結晶を成長させて電気特性を向上させることができる。
【００１２】
また、上記装置の別の具体的な態様では、前記第１レーザ照射手段は、光源としてエキシマレーザ装置を有し、前記第２レーザ照射手段は、光源として１台若しくは２台以上の固体レーザ装置を有する。この場合、エキシマレーザ装置からの高出力の第１レーザ光によって、第１レーザ光の照射領域に高いスループットで高品質の結晶粒を形成することができる。また、固体レーザ装置からの安定した第２レーザ光によって、第２レーザ光の照射領域に上記結晶粒を種結晶として粒径の大きな単結晶を確実に成長させることができる。なお、固体レーザ装置としては、ＬＤ（laser diode）励起型の固体レーザ装置を用いることが望ましい。
【００１３】
また、上記装置の別の具体的な態様では、レーザアニールの対象である前記基板が、液晶デバイスを構成すべき液晶パネル部を有し、前記第１レーザ光が照射される第１領域が、前記液晶パネル部のうちの画素エリア及びドライバ回路エリアに相当し、前記第２レーザ光が照射される第２領域は、前記ドライバ回路エリアに相当する。
【００１４】
ここで、「画素エリア」とは、液晶パネル部のうち表示画素の素子を形成すべき表示領域を意味し、「ドライバ回路エリア」とは、画素エリアに形成された素子の動作を制御等するための集積回路を形成すべき領域であって画素エリアの周囲の所定位置に配置される領域を意味する。また、基板上に複数の液晶パネル部がある場合、「画素エリア及びドライバ回路エリア」とは、各液晶パネル部の領域、若しくは基板の全面を意味することとする。
【００１５】
上記装置では、前記第１領域から前記第２領域を除いた画素エリアに、比較的低速で動作する半導体デバイス用の活性層（ＴＦＴの場合、チャンネル形成層）を迅速に形成することができ、前記第２領域に対応するドライバ回路エリアには、比較的高速で動作する高品質の活性層を形成することができ、全体としても、レーザアニール処理のスループットを向上させることができる。
【００１６】
また、上記装置の別の具体的な態様では、前記第２レーザ照射手段は、光源として前記固体レーザ装置を２台以上有し、２台以上の前記固体レーザ装置からの各レーザ光を前記第２レーザ光として所定の遅延時間で照射する。この場合、各固体レーザ装置からのレーザ光の遅延時間の調節によって前記第２レーザ光によるアニールの温度履歴をより精密かつ広いレンジで制御することができるようになり、粒径の極めて大きな単結晶を確実に成長させることができる。
【００１７】
また、本発明のレーザアニール方法は、基板上に成膜されるとともに所定位置に凹部を有する下地層上に堆積されたアモルファス材料層に、第１レーザ光を長尺ビームに整形して第１領域に重複照射することによって、前記凹部に充填されたアモルファス材料層部分から優先的に結晶核を発生させて結晶粒に成長させる第１工程と、前記第１レーザ光が照射された前記第１領域の局所的な部分である第２領域に第２レーザ光を矩形ビームに整形して一括照射若しくは重複照射することによって、前記凹部から成長した前記結晶粒を種結晶として単結晶に成長させる第２工程とを備える。さらに、レーザアニールの対象である前記基板が、液晶デバイスを構成すべき液晶パネル部を有し、前記第１レーザ光が照射される第１領域が、前記液晶パネル部のうちの画素エリア及びドライバ回路エリアに相当し、前記第２レーザ光が照射される第２領域が、前記ドライバ回路エリアに相当する。
【００１８】
上記方法では、第１工程でアモルファス材料層に第１レーザ光を照射して前記凹部に充填されたアモルファス材料部分から優先的に結晶核を発生させて結晶粒に成長させるので、第１レーザ光の照射領域に、粒径が所定以上に揃った均一な結晶粒を形成することができる。さらに、上記方法では、第２工程で前記第１レーザ光が照射された領域に第２レーザ光を照射して前記凹部から成長した前記結晶粒を種結晶として単結晶に成長させるので、第２レーザ光の照射領域に、上記結晶粒に比較して大きなサイズの単結晶を成長させることができ、ここに形成すべきマイクロデバイスの電気特性等を飛躍的に向上させることができる。また、前記第１レーザ光によって比較的広い領域を継ぎ目無く迅速に多結晶化することができ、前記第２レーザ光によって比較的狭い局所的な領域で単結晶を成長させて電気特性を向上させることができる。さらに、前記第１領域から前記第２領域を除いた画素エリアに、比較的低速で動作する半導体デバイス用の活性層を迅速に形成することができ、前記第２領域に対応するドライバ回路エリアには、比較的高速で動作する高品質の活性層を形成することができ、全体としても、レーザアニール処理のスループットを向上させることができる。
【００２０】
また、上記方法の別の具体的な態様では、前記第１レーザ光は、エキシマレーザ装置を光源とするレーザ光であり、前記第２レーザ光は、１台若しくは２台以上の固体レーザ装置を光源とするレーザ光である。この場合、エキシマレーザ装置からの高出力の第１レーザ光によって、第１レーザ光の照射領域に高いスループットで高品質の結晶粒を形成することができる。また、固体レーザ装置からの安定した第２レーザ光によって、第２レーザ光の照射領域に上記結晶粒を種結晶として粒径の大きな単結晶を確実に成長させることができる。
【００２２】
また、上記方法の別の具体的な態様では、２台以上の前記固体レーザ装置からの各レーザ光を前記第２レーザ光として所定の遅延時間で照射する。この場合、各固体レーザ装置からのレーザ光の遅延時間の調節によって前記第２レーザ光によるアニールの温度履歴をより精密かつ広いレンジ制御することができるようになり、粒径の極めて大きな単結晶を確実に成長させることができる。
【００２３】
また、上記方法の別の具体的な態様では、前記基板が、絶縁性のガラスで形成され、前記下地層が、ＳｉＯ２で形成され、前記アモルファス材料層が、シリコンで形成される。この場合、第２レーザ光の照射領域に、上記結晶粒に比較して大きなサイズの単結晶を成長させることができ、第２レーザ光の照射領域に形成すべきＳｉ製マイクロデバイス（例えばＳｉ−ＴＦＴ等）の電気特性等を飛躍的に向上させることができる。
【００２４】
また、上記方法の別の具体的な態様では、前記凹部が形成される前記所定位置が、前記基板上におけるＴＦＴの配置パターンに対応している。この場合、第１レーザ光の照射領域に均一な特性のＴＦＴを形成することができ、第２レーザ光の照射領域に高速で動作するＴＦＴを形成することができる。
【００２５】
また、上記方法の別の具体的な態様では、前記第２工程で前記第２レーザ光を走査しつつ前記第２領域に重複照射することによって、走査方向に単結晶を成長させる。この場合、前記第２領域に極めて大きな単結晶を安定して形成することができる。
【００２６】
また、上記方法の別の具体的な態様では、前記第１工程及び第２工程が、前記基板を大気圧下で不活性雰囲気にさらして実施される。この場合、大気圧下で基板にレーザアニールを施すことができ、基板の処理が迅速なものとなり、アニール処理におけるスループットを向上させることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係るレーザアニール装置について、図面を参照しつつ説明する。
【００２８】
図１は、第１実施形態のレーザアニール装置の構造を説明する図である。このレーザアニール装置は、表面にアモルファスＳｉ層を設けたワークＷＯにレーザアニールを施すためのものである。このワークＷＯは、基板である絶縁性のガラス板の表面上に下地層である絶縁性の酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜を成膜し、この酸化シリコン膜をエッチングして溝や穴を形成し、さらにその上に半導体材料からなるアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）層を堆積することによって得たものである。
【００２９】
この装置は、処理対象であるワークＷＯを支持して処理室１０中で適宜移動させるステージ装置２０と、ワークＷＯ上部に形成したアモルファスＳｉ層を全体的な広い領域で加熱するための第１レーザ光ＬＢ1を発生するガスレーザ発振装置である第１レーザ光源３０と、ワークＷＯ上部に形成した多結晶Ｓｉ層を狭い局所的な領域で加熱するための第２レーザ光ＬＢ2を発生する固体レーザ発振装置である第２レーザ光源４０と、第１レーザ光ＬＢ1の結像状態等を監視する焦点検出器５０と、レーザアニール装置の動作を統括的に制御する制御装置６０とを備える。
【００３０】
処理室１０内は、気密容器となっており、排気系８２によって適当な真空度に維持される。また、処理室１０内は、ガス供給源８４によって適当な雰囲気（例えばＡｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｎ２）に調節される。この処理室１０には、図示を省略しているが、真空を破らずにワークＷＯを搬出入するためのロードロック室、真空ゲート等が設けられている。なお、処理室１０は、真空装置に限るものではない。例えば大気圧下でも、雰囲気を制御して本発明のレーザアニールを施すことができる。例えば、ワークＷＯのレーザ照射領域に例えばＡｒガス、窒素ガス等の不活性ガスを吹き付けつつレーザ光ＬＢ1、ＬＢ2を照射することで、大気圧下、不活性ガス雰囲気でレーザアニールが可能になる。
【００３１】
処理室１０中に設けたステージ装置２０は、ワークＷＯを支持する支持台と、この支持台を適所に移動させる駆動部とからなり、ワークＷＯをＸＹ面内で両レーザ光ＬＢ1、ＬＢ2に対して相対的に適宜移動させる。ステージ装置２０の動作は、制御装置６０によって制御されており、ワークＷＯすなわち支持台の移動速度、移動範囲、移動タイミング等を適宜調節できるようになっている。
【００３２】
第１レーザ光源３０は、高出力が得られるエキシマレーザ発振装置からなり、制御装置６０からの制御信号に基づいて、波長３０８ｎｍの第１レーザ光ＬＢ1を、適当なタイミングでパルス状に発生する。第１レーザ光源３０から出射したパルス状の第１レーザ光ＬＢ1は、図示を省略するアッティネータ等を経て光量調整された後、ダイクロイックミラー３２で反射され、第１ビーム整形光学系３４に入射する。この第１ビーム整形光学系３４は、長尺ビーム用ホモジナイザとして、矩形断面の第１レーザ光ＬＢ1を均一化するとともに線状ビームに変換する。つまり、第１ビーム整形光学系３４を通過した第１レーザ光ＬＢ1は、処理室１０上部に形成したウィンドウ１０ａを経て、ワークＷＯ表面においてＹ軸方向に延びる線状ビームすなわち長尺ビームとして投影される。ここで、第１レーザ光ＬＢ1の発生タイミングは、第１レーザ光源３０を介して制御装置６０によって制御されている。なお、ステージ装置２０、第１レーザ光源３０、及び第１ビーム整形光学系３４は、第１レーザ照射手段を構成する。
【００３３】
第２レーザ光源４０は、安定性等の観点で信頼性の高いＬＤ励起固体レーザ発振装置及び高調波発生装置からなり、制御装置６０からの制御信号に基づいて、例えばＮｄ−ＹＡＧレーザからの波長１０６４ｎｍのレーザ光を２倍以上の高調波とした波長５３２ｎｍ、３５５ｎｍ、２６６ｎｍ等の第２レーザ光ＬＢ2を、適当なタイミングでパルス状に発生する。第２レーザ光源４０から出射したパルス状の第２レーザ光ＬＢ2は、図示を省略するアッティネータ等を経て光量調整された後、ミラー４２で反射され、第２ビーム整形光学系４４に入射する。この第２ビーム整形光学系４４は、矩形ビーム用ホモジナイザとして、矩形断面の第２レーザ光ＬＢ2を均一化するとともに適当なサイズの矩形ビームに変換する。つまり、第２ビーム整形光学系４４を通過した第２レーザ光ＬＢ2は、処理室１０上部に形成したウィンドウ１０ａを経て、ワークＷＯ表面においてＸ軸及びＹ軸方向に所定の広がりを有する比較的小面積の矩形ビームとして投影される。ここで、第２レーザ光ＬＢ2の発生タイミングは、第２レーザ光源４０を介して制御装置６０によって制御されている。なお、ステージ装置２０、第２レーザ光源４０、及び第２ビーム整形光学系４４は、第２レーザ照射手段を構成する。
【００３４】
焦点検出器５０は、レンズ、イメージセンサ等からなり、ワークＷＯ表面上に形成された焦点検出用のパターンを画像情報として検出することができる。具体的に説明すると、焦点検出用固体レーザ５２からの焦点検出光ＦＤは、ビームスプリッタ５４及びダイクロイックミラー３２を透過した後、第１ビーム整形光学系３４を通過して、ウィンドウ１０ａを介して処理室１０内のワークＷＯを照明する。ワークＷＯ上に形成された焦点検出パターンからの反射光は、ウィンドウ１０ａ、第１ビーム整形光学系３４及びダイクロイックミラー３２を逆行してビームスプリッタ５４に入射し、ビームスプリッタ５４で反射されて焦点検出器５０に入射する。ここで、焦点検出器５０における焦点検出パターンの結像状態は、第１レーザ光ＬＢ1のワークＷＯ表面上における集光状態に対応して調整してある。よって、制御装置６０は、焦点検出器５０の検出出力に基づいてステージ装置２０を駆動することにより、ワークＷＯのＺ方向のフォーカス位置等を自動調整することができる。なお、以上の説明では、焦点検出器５０が第１レーザ光ＬＢ1の結像系のみを利用して結像状態を調整するものとしているが、両レーザ光ＬＢ1、ＬＢ2の結像系を利用して結像状態を調整することもでき、さらに、両レーザ光ＬＢ1、ＬＢ2の結像系とは独立した別の結像系を用いて両レーザ光ＬＢ1、ＬＢ2の結像状態すなわちフォーカス位置等を調整することができる。
【００３５】
制御装置６０は、ステージ装置２０に制御信号を送って、ワークＷＯすなわち支持台の移動速度、移動範囲、移動タイミング等を制御する。また、制御装置６０は、焦点検出器５０の検出出力に基づいてステージ装置２０に制御信号を送って、第１レーザ光ＬＢ1や第２レーザ光ＬＢ2の焦点がワークＷＯ上の膜面に一致するように自動調整する。さらに、制御装置６０は、焦点検出器５０の検出出力に基づいてワークＷＯ上に刻印されたフォーカスマーク等の画像を読み取ることができ、この画像に基づいてアニールすべき領域の管理を行うことができる。
【００３６】
また、制御装置６０は、第１及び第２レーザ光源３０、４０にトリガ信号を送って、ステージ装置２０の動作の合間に第１及び第２レーザ光源３０、４０からそれぞれ出射する第１及び第２レーザ光ＬＢ1、ＬＢ2の出射タイミングを調整する。具体的には、第１レーザ光ＬＢ1を一定の間隔で繰り返し発生させて、ワークＷＯ表面のアモルファスＳｉ層を比較的広い領域で全体的に結晶化して結晶粒を成長させる。次に、第２レーザ光ＬＢ2を所定の間隔で繰り返し発生させて、ワークＷＯ表面の比較的狭い局所的領域でここに形成されている結晶粒を種結晶として、この局所的領域に大きな単結晶を形成する。
【００３７】
図２は、処理対象であるワークＷＯに設ける素子領域の具体例を説明する図である。
【００３８】
図２（ａ）に示すように、ワークＷＯは、複数に分離されてマトリックス状に配置されたパネル部ＰＡＡからなり、各パネル部ＰＡＡは、液晶パネルを形成すべき領域となっている。第１領域であるワークＷＯ全面には、従来型の高出力のガスレーザである第１レーザ光源３０からの第１レーザ光ＬＢ1を走査しつつ重複照射することによって多結晶を形成する。この場合、第１レーザ光ＬＢ1の照射面積は、ワークＷＯのＹ軸辺にほぼ等しい長さを有し、Ｘ方向への１回の走査によってワークＷＯ全面の走査が完了する。なお、第１レーザ光ＬＢ1が図示の場合と異なりワークＷＯのＹ軸辺の１／ｎ（ｎは自然数であり、通常は２、或いは３である。）の長さを有する場合、第１レーザ光ＬＢ1をＹ方向にステップ移動させつつ第１レーザ光ＬＢ1のＸ方向への走査をｎ回繰返すことになる。
【００３９】
図２（ｂ）に示すように、各パネル部ＰＡＡの縁を除いた中央部には、液晶表示器の画素素子を形成すべき画素エリアＡ１が設けられており、パネル部ＰＡＡの縁に近い周辺部には、液晶表示器の制御用駆動回路等を形成すべき局所的な第２領域としてドライバ回路エリアＡ２が設けられている。ドライバ回路エリアＡ２には、固体レーザ装置である第２レーザ光源４０からの安定した第２レーザ光ＬＢ2を隣接領域に重なり無く移動させつつ一括照射を繰返して、第１レーザ光ＬＢ1の照射によって生成された結晶粒をさらに成長させる。
【００４０】
ドライバ回路エリアＡ２に形成すべきＳｉ結晶層は、高速動作するドライバＴＦＴを形成する等の要求から、大きな粒径の単結晶とする必要があるが、画素エリアＡ１に形成すべきＳｉ結晶層については、比較的小さな粒径の多結晶からなるものであっても均一性（画素間で特性差が無いこと）が保たれていればよい。このことから、画素エリアＡ１に関しては、高出力ガスレーザである第１レーザ光源３０からの第１レーザ光ＬＢ1をワークＷＯ全体に走査しつつ照射して多結晶を形成することで、必要な結晶化を達成する。一方、ドライバ回路エリアＡ２には、固体レーザである第２レーザ光源４０からの安定した第２レーザ光ＬＢ2を再度照射して、第１レーザ光ＬＢ1の照射によって生成された結晶粒をさらに成長させることで、結晶品質を改善する。ここで、ドライバ回路エリアＡ２には、さらに複数の一部領域Ａ21、Ａ22、Ａ23、…が設けられており、各一部領域Ａ21、Ａ22、Ａ23、…が第２レーザ光ＬＢ2による一括照射の対象となる。つまり、第２レーザ光ＬＢ2は、１つの一部領域Ａ21にほぼ等しい面積で投影され、ＸＹ方向への２次元的なステップ走査とレーザ照射によって重複のない一括照射が繰返され、一部領域Ａ21、Ａ22、Ａ23、…の全て、すなわちドライバ回路エリアＡ２全体の走査が完了する。
【００４１】
図３（ａ）は、ドライバ回路エリアＡ２における結晶の成長の一例を説明する概念図であり、図３（ｂ）は、結晶成長の変形例を説明する概念図である。
【００４２】
図３（ａ）に示すように、ドライバ回路エリアＡ２には、仮想的な結晶形成区画ＣＤが等間隔で２次元的に配列されている。第１レーザ光ＬＢ1の全面照射の後に行われる第２レーザ光ＬＢ2の局所的照射は、複数の結晶形成区画ＣＤを一括した一部領域（図２の符号Ａ21、Ａ22、Ａ23参照）で行われる。すなわち、一群の結晶形成区画ＣＤで構成される一部領域（例えば領域Ａ２１）で第２レーザ光ＬＢ2を一括照射し、支持台とともにワークＷＯを移動させて隣接する別の一群の結晶形成区画ＣＤで構成される一部領域（例えば領域Ａ２２）に第２レーザ光ＬＢ2を一括照射することにより、一群の結晶形成区画ＣＤが順次単結晶化される。
【００４３】
各結晶形成区画ＣＤには、その中心に点状の凹部ＰＤが形成されている。凹部ＰＤの周囲に初期結晶化領域Ｃ１が形成され、その周りに素子形成領域Ｃ２が形成され、最も外側に最終結晶化領域Ｃ３が形成される。凹部ＰＤには、第１レーザ光ＬＢ1の全面照射によってシリコンの結晶核が形成され、ここから結晶粒が成長する。初期結晶化領域Ｃ１には、第２レーザ光ＬＢ2の照射によって、上記結晶粒を種結晶としてこの結晶粒から成長したシリコンの単結晶が形成される。初期結晶化領域Ｃ１に形成される単結晶は、通常１つの結晶ではなく、複数の結晶が集まったものである。この初期結晶化領域Ｃ１は、単結晶化の初期段階であり、結晶品質があまり良くないので、ＴＦＴ等の素子の形成には利用されない。素子形成領域Ｃ２には、初期結晶化領域Ｃ１の単結晶から拡大・成長したシリコンの単結晶が形成される。この素子形成領域Ｃ２は、結晶品質が比較的良好で、ＴＦＴ等の高速動作素子の形成に利用される。最終結晶化領域Ｃ３には、素子形成領域Ｃ２の単結晶からさらに拡大・成長したシリコンの単結晶が形成される。この最終結晶化領域Ｃ３は、周囲の結晶形成区画ＣＤからの作用を受け、結晶品質があまり良くないので、ＴＦＴ等の素子の形成には通常利用されない。
【００４４】
なお、各結晶化領域Ｃ１〜Ｃ３に形成される単結晶は、凹部ＰＤを中心に放射状に拡がったものであり、各結晶化領域Ｃ１〜Ｃ３の境界に結晶粒界が形成されるわけではない。また、第１レーザ光ＬＢ1によって形成される結晶粒が０．１μｍのオーダであるのに対し、第２レーザ光ＬＢ2によって各結晶化領域Ｃ１〜Ｃ３に亘って形成される単結晶は、数μｍオーダ或いはそれ以上となる。
【００４５】
図３（ｂ）の場合、各結晶形成区画ＣＤの中心に例えばＹ軸方向に延びる線状の凹部ＬＤが形成されている。そして、凹部ＬＤの両側に初期結晶化領域Ｃ１が形成され、その両外に素子形成領域Ｃ２が形成され、外側の周囲に最終結晶化領域Ｃ３が形成される。凹部ＬＤには、第１レーザ光ＬＢ1の全面照射によってシリコンの結晶核が形成され、ここから結晶粒が成長する。初期結晶化領域Ｃ１には、第２レーザ光ＬＢ2の照射によって、上記結晶粒を種結晶としてこの結晶粒から拡大したシリコンの単結晶が形成される。この初期結晶化領域Ｃ１はＴＦＴ等の素子の形成には利用されない。素子形成領域Ｃ２には、初期結晶化領域Ｃ１の単結晶から拡大・成長したシリコンの単結晶が形成される。この素子形成領域Ｃ２はＴＦＴ等の高速動作素子の形成に利用される。最終結晶化領域Ｃ３には、素子形成領域Ｃ２の単結晶からさらに拡大・成長したシリコンの単結晶が形成される。この最終結晶化領域Ｃ３は、ＴＦＴ等の素子の形成には通常利用されない。
【００４６】
図４は、画素エリアＡ１における結晶成長の一例を説明する概念図である。図４に示すように、画素エリアＡ１には、画素領域ＰＡが等間隔で２次元的に配列されている。各画素領域ＰＡには、液晶表示器の画面を構成する液晶画素が形成される。各画素領域ＰＡには、液晶画素だけでなく、各液晶画素を駆動するＴＦＴが形成される。このため、各画素領域ＰＡの隅には、画素用ＴＦＴを形成する画素ＴＦＴ領域ＤＴＡと、ＳＲＡＭ用ＴＦＴを形成するメモリＴＦＴ領域ＭＴＡとを設けている。各ＴＦＴ領域ＤＴＡ、ＭＴＡには、その中心に点状の凹部ＰＤがそれぞれ形成されている。凹部ＰＤ及びその近傍には、第１レーザ光ＬＢ1の全面照射によって多結晶シリコンの結晶核が形成され、この結晶核から周囲の方向にシリコン結晶粒が成長する。ＴＦＴは、凹部ＰＤ及びその近傍を除いた周囲の結晶粒領域に形成される。なお、凹部ＰＤは、図３（ｂ）に示す線状の凹部ＬＤに置き換えることもできる。
【００４７】
図５（ａ）は、第１レーザ光ＬＢ1の照射タイミングを説明する図であり、図５（ｂ）は、第２レーザ光ＬＢ2の照射タイミングを説明する図である。
【００４８】
図５（ａ）に示すように、第１レーザ光ＬＢ1の場合、パルス幅ｔw、次のパルスを入射させるまでの時間ｔpで、ワークＷＯ表面に繰り返し重複照射される。各パルスによる照射の合間には、ステージ装置２０すなわちワークＷＯが移動して位置合わせが行われる。
【００４９】
図５（ｂ）に示すように、第２レーザ光ＬＢ2の場合、一組のパルス群によってワークＷＯ上に設けたドライバ回路エリアＡ２の一部領域のいずれか１つ（例えば図２（ｂ）の領域Ａ２１）に一括照射される。各パルス群による照射の合間には、ステージ装置２０すなわちワークＷＯが移動して位置合わせが行われる。これを繰返すことにより、複数組のパルス群によって、ワークＷＯ上のドライバ回路エリアＡ２全体が順次アニールされる。
【００５０】
具体的に説明すると、ドライバ回路エリアＡ２を構成する特定の一部領域Ａ2nをアニールするための一連のパルス群（第２レーザ光）は、ｎ＋１個（ｎは０以上の整数）のパルスからなる。例えば、第１パルス群は、遅延時間ｔ1（１）〜ｔ1（ｎ）で照射される。この遅延時間ｔ1（１）〜ｔ1（ｎ）を適宜調節することにより、ワークＷＯ上で溶融されたアモルファスシリコンの冷却速度を調節することができるので、この一部領域Ａ2nに比較的大きなサイズの単結晶からなるシリコン層を形成することができる。このようなシリコン層は、低抵抗で高い移動度を有するので、液晶表示器の制御用駆動回路等を構成するＴＦＴの形成に適する。なお、遅延時間ｔ1（１）〜ｔ1（ｎ）、ｔ2（１）〜ｔ2（ｎ）、…ｔm（１）〜ｔm（ｎ）は用途に応じて、それぞれに変更することができる。
【００５１】
図６は、ワークＷＯ上に凹部ＬＤ、ＰＤを形成する工程を説明する図である。まず、基板本体であるガラス基板ＧＰを準備し、その上にＣＶＤ法を用いて熱伝導率が低い被覆層である酸化シリコン層ＳＯを形成する（図６（ａ）参照）。次に、酸化シリコン層ＳＯ上に均一にレジストを塗布してレジスト層ＲＬを形成する（図６（ｂ）参照）。次に、適当なマスクＭを利用して、レジスト層ＲＬを露光する（図６（ｃ）参照）。次に、加工したい穴や溝の部分のレジスト層ＲＬを除去する（図６（ｄ）参照）。次に、ウェットエッチングやドライエッチングを利用して酸化シリコン層ＳＯに穴や溝ＰＬＤを加工する（図６（ｅ）参照）。次に、酸化シリコン層ＳＯ上のレジスト層を除去する（図６（ｆ）参照）。最後に、酸化シリコン層ＳＯ上にＣＶＤ法を用いてアモルファスＳｉ層ＡＳを成膜する（図６（ｇ）参照）。
【００５２】
図７は、ワークＷＯの酸化シリコン層ＳＯに形成すべき凹部ＬＤ、ＰＤの断面構造を概念的に説明する図である。図７（ａ）は、図６（ｆ）に対応し、矩形型の断面を有する凹部ＬＤ、ＰＤ（すなわち図６（ｆ）の穴や溝ＰＬＤ）を形成した場合を示す。なお、図７（ｂ）〜図７（ｅ）は変形例を示す。図７（ｂ）は、逆台形型の断面を有する凹部ＬＤ、ＰＤを形成した場合を示し、図７（ｃ）は、台形型の断面を有する凹部ＬＤ、ＰＤを形成した場合を示し、図７（ｄ）は、三角型の断面を有する凹部ＬＤ、ＰＤを形成した場合を示し、図７（ｅ）は、偏三角型の断面を有する凹部ＬＤ、ＰＤを形成した場合を示す。以上のような断面を形成するには、各種のウェットエッチングやドライエッチングを利用する。
【００５３】
ここで、凹部ＬＤ、ＰＤにシリコン結晶の核が優先的に形成される理由について図６（ｇ）等を参照して説明しておく。酸化シリコン層ＳＯは、凹部ＬＤ、ＰＤで薄くなる。したがって、酸化シリコン層ＳＯ上に熱伝導率が比較的高いアモルファスＳｉ層ＡＳを形成した場合、加熱されたアモルファスＳｉ層ＡＳからの熱は、凹部ＬＤ、ＰＤの部分でより多くガラス基板ＧＰに放熱されることになる。このことは、凹部ＬＤ、ＰＤ及びその周囲のアモルファスＳｉ層ＡＳから先に冷却されることを意味し、凹部ＬＤ、ＰＤの部分にシリコン結晶の核が形成され、ここから結晶粒が成長することを意味する。なお、凹部ＬＤ、ＰＤの部分に形成されたシリコン結晶粒は、例えば遅延時間ｔ1（１）〜ｔ1（ｎ）で照射される第２レーザ光ＬＢ2によって温度制御された状態で成長するので、このシリコン結晶粒を種結晶として大きなサイズで精密用途に使用可能な単結晶領域を形成することができる。
【００５４】
以下、図１のレーザアニール装置の全体的な動作について説明する。まず、処理室１０中にワークＷＯを搬入する。搬入されたワークＷＯは、膜面を上側にしてステージ装置２０上に載置・固定される。次に、ステージ装置２０を動作させることにより、第１ビーム整形光学系３４に対してワークＷＯを−Ｘ方向にステップ状に移動させる。これにより、第１ビーム整形光学系３４からのパルス状の第１レーザ光ＬＢ1は、Ｙ方向に延びる線状ビーム像としてワークＷＯ表面側で一端から他端にステップ移動するので、ワークＷＯの表面全体のステップ走査が行われ、ワークＷＯ上のアモルファスＳｉ層を全体的に多結晶化することができる。
【００５５】
次に、ステージ装置２０を動作させることにより、第２ビーム整形光学系４４に対してワークＷＯをＸ方向及びＹ方向に適宜ステップ移動させる。これにより、第２ビーム整形光学系４４からの安定したパルス状の第２レーザ光ＬＢ2は、ワークＷＯ上のドライバ回路エリアＡ２に設けた一部領域Ａ21、Ａ22、Ａ23、…の間でステップ移動するので、第１レーザ光ＬＢ1の照射によって一部領域Ａ21、Ａ22、Ａ23、…に生成された結晶粒をさらに成長させて単結晶を形成することができる。
【００５６】
つまり、各パネル部ＰＡＡのドライバ回路エリアＡ２には、大きなサイズの単結晶を形成することができる。また、各パネル部ＰＡＡの画素エリアＡ１には、ワークＷＯ上のアモルファスＳｉ層を第１レーザ光ＬＢ1で多結晶化した結晶粒が形成される。
【００５７】
〔第２実施形態〕
第２実施形態のレーザアニール装置は、第１実施形態の装置を変形したものであり、装置の全体構造は、図１に示すものとほぼ同様である。この場合、第２レーザ光を矩形ビームに整形するとともに、整形した矩形ビームを走査しながらワーク上に重複照射する。
【００５８】
図８は、ドライバ回路エリアＡ２における第２レーザ光ＬＢ2の照射を説明する図であり、図８（ａ）は図３（ａ）に対応し、図８（ｂ）は図３（ｂ）に対応する。
【００５９】
図８（ａ）の場合、ドライバ回路エリアＡ２１には、仮想的な結晶形成区画ＣＤが縦方向に等間隔で配列されている。結晶形成区画ＣＤの端部領域ＥＡの中央には、点状の凹部ＰＤが形成されている。第２レーザ光ＬＢ2の局所的照射は、複数の結晶形成区画ＣＤを一括した一部領域で行われ、この際、第２レーザ光ＬＢ2は、端部領域ＥＡから他端に走査されつつ一定の重複率をもって照射される。これにより、端部領域ＥＡから他端に向けた走査方向に単結晶が成長する。
【００６０】
図８（ｂ）の場合も、ドライバ回路エリアＡ２１には、仮想的な結晶形成区画ＣＤが縦方向に等間隔で配列されている。結晶形成区画ＣＤの端部領域ＥＡの中央には、Ｙ軸方向に延びる線状の凹部ＬＤが形成されている。第２レーザ光ＬＢ2の局所的照射は、複数の結晶形成区画ＣＤを一括した一部領域で行われ、この際、第２レーザ光ＬＢ2は、端部領域ＥＡから他端に走査されつつ一定の重複率をもって照射される。これにより、端部領域ＥＡから他端に向けた走査方向に単結晶が成長する。
【００６１】
図９は、ドライバ回路エリアＡ２に形成される単結晶の成長を概念的に説明する図である。図９（ａ）は、図８（ａ）の場合の結晶成長を示し、素子形成領域Ｃ２′には、凹部ＰＤ近傍の初期結晶化領域の単結晶から拡大・成長したシリコンの単結晶が形成される。この素子形成領域Ｃ２′は、結晶品質が比較的良好で、ＴＦＴ等の高速動作素子の形成に利用される。図９（ｂ）は、図８（ｂ）の場合の結晶成長を示し、素子形成領域Ｃ２′には、凹部ＬＤ近傍の初期結晶化領域の単結晶から拡大・成長したシリコンの単結晶が形成される。この素子形成領域Ｃ２′も、結晶品質が比較的良好で、ＴＦＴ等の高速動作素子の形成に利用される。
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のレーザアニール装置によれば、第１レーザ照射手段が、アモルファス材料層に第１レーザ光を照射して前記凹部に充填されたアモルファス材料部分から優先的に結晶核を発生させて結晶粒に成長させるので、第１レーザ光の照射領域に、粒径が所定以上に揃った結晶粒を形成することができる。さらに、上記装置では、第２レーザ照射手段が、第１レーザ光が照射された領域に第２レーザ光を照射して前記凹部から成長した結晶粒を種結晶として単結晶に成長させるので、第２レーザ光の照射領域に上記結晶粒に比較して大きなサイズの単結晶を成長させることができ、ここに形成すべきデバイスの電気特性等を飛躍的に向上させることができる。
【００６２】
また、本発明のレーザアニール方法によれば、第１工程でアモルファス材料層に第１レーザ光を照射して前記凹部に充填されたアモルファス材料部分から優先的に結晶核を発生させて結晶粒に成長させるので、第１レーザ光の照射領域に、粒径が所定以上に揃った結晶粒を形成することができる。さらに、上記方法では、第２工程で第１レーザ光が照射された領域に第２レーザ光を照射して前記凹部から成長した結晶粒を種結晶として単結晶に成長させるので、第２レーザ光の照射領域に上記結晶粒に比較して大きなサイズの単結晶を成長させることができ、ここに形成すべきデバイスの電気特性等を飛躍的に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のレーザアニール装置の全体構造を説明するブロック図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は、基板に設けるパネル領域の具体例を説明する平面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、第２領域における結晶の成長の例を説明する概念図である。
【図４】第１領域における結晶の成長の一例を説明する概念図である。
【図５】（ａ）は、第１レーザ光の照射タイミングを説明する図であり、（ｂ）は、第２レーザ光の照射タイミングを説明する図である。
【図６】（ａ）〜（ｇ）は、基板上に凹部を形成する工程を説明する図である。
【図７】（ａ）〜（ｅ）は、基板上に形成する凹部の断面構造の例を説明する図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）は第２実施形態における第２レーザ光の照射方法を説明する図である。
【図９】（ａ）、（ｂ）は第２レーザ光の照射によって成長する単結晶を説明する図である。
【符号の説明】
１０      処理室
２０      ステージ装置
３０      第１レーザ光源
３４      第１ビーム整形光学系
４０      第２レーザ光源
４４      第２ビーム整形光学系
５０      焦点検出器
６０      制御装置
Ａ21,Ａ22,Ａ23      一部領域
Ａ１      画素エリア
Ａ２      ドライバ回路エリア
ＧＰ      ガラス基板
ＬＢ1     第１レーザ光
ＬＢ2     第２レーザ光
ＬＤ,ＰＤ      凹部
ＳＯ      酸化シリコン層
ＡＳ      アモルファスＳｉ層
ＷＯ      基板
【図１】
0003973849.tif 000002
【図２】
0003973849.tif 000003
【図３】
0003973849.tif 000004
【図４】
0003973849.tif 000005
【図５】
0003973849.tif 000006
【図６】
0003973849.tif 000007
【図７】
0003973849.tif 000008
【図８】
0003973849.tif 000009
【図９】
0003973849.tif 000010