(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンドリカルレンズ群と、平行四辺形状シリンドリカルレンズとを含む光学系を有し、
前記平行四辺形状シリンドリカルレンズは、レンズ作用を持つ曲面と対向する平面の形状が平行四辺形であり、かつ、前記平行四辺形の内角は直角でない平行四辺形状シリンドリカルレンズであることを特徴とするレーザー照射装置。
【請求項２】
平行四辺形状シリンドリカルレンズ群と、平行四辺形状シリンドリカルレンズとを含む光学系を有し、
前記平行四辺形状シリンドリカルレンズは、レンズ作用を持つ曲面と対向する平面の形状が平行四辺形であり、かつ、前記平行四辺形の内角は直角でない平行四辺形状シリンドリカルレンズであり、
前記平行四辺形状シリンドリカルレンズ群は、レンズ作用を持つ曲面と対向する平面の形状が平行四辺形であり、かつ、前記平行四辺形の内角は直角でない平行四辺形状シリンドリカルレンズを複数個組み合わせた平行四辺形状シリンドリカルレンズ群であることを特徴とするレーザー照射装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記平行四辺形状シリンドリカルレンズにおける前記平行四辺形の内角を角度Ｙとしたとき、
角度Ｙは１．５≦｜ｔａｎＹ｜≦６００の範囲であることを特徴とするレーザー照射装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２において、
前記平行四辺形状シリンドリカルレンズにおける前記平行四辺形の内角を角度Ｙとしたとき、
角度Ｙは１２≦｜ｔａｎＹ｜≦３００の範囲であることを特徴とするレーザー照射装置。
【請求項５】
線状レーザービームを照射するレーザー照射装置であって、
レーザービームを発生させる手段と、
シリンドリカルレンズ群と平行四辺形状シリンドリカルレンズとを含み、前記線状レーザービームの線方向のエネルギー分布を均一化するためのビームホモジェナイザーと、
該レーザービームを収束させるシリンドリカルレンズと、
を有し、
前記平行四辺形状シリンドリカルレンズは、レンズ作用を持つ曲面と対向する平面の形状が平行四辺形であり、かつ、前記平行四辺形の内角は直角でないシリンドリカルレンズであることを特徴とするレーザー照射装置。
【請求項６】
線状レーザービームを照射するレーザー照射装置であって、
レーザービームを発生させる手段と、
平行四辺形状シリンドリカルレンズ群と平行四辺形状シリンドリカルレンズとを含み、前記線状レーザービームの線方向のエネルギー分布を均一化するためのビームホモジェナイザーと、
該レーザービームを収束させるシリンドリカルレンズと、
を有し、
前記平行四辺形状シリンドリカルレンズは、レンズ作用を持つ曲面と対向する平面の形状が平行四辺形であり、かつ、前記平行四辺形の内角は直角でないシリンドリカルレンズであり、
前記平行四辺形状シリンドリカルレンズ群は、レンズ作用を持つ曲面と対向する平面の形状が平行四辺形であり、かつ、前記平行四辺形の内角は直角でない平行四辺形状シリンドリカルレンズを複数個組み合わせたシリンドリカルレンズ群であることを特徴とするレーザー照射装置。
【請求項７】
線状レーザービームを照射するレーザー照射装置であって、
レーザービームを発生させる手段と、
平行四辺形状シリンドリカルレンズ群と平行四辺形状シリンドリカルレンズとを含み、前記線状レーザービームの線方向のエネルギー分布を均一化するためのビームホモジェナイザーと、
該レーザービームを収束させるシリンドリカルレンズと、
移動テーブルと、
を有し、
前記平行四辺形状シリンドリカルレンズは、レンズ作用を持つ曲面と対向する平面の形状が平行四辺形であり、かつ、前記平行四辺形の内角は直角でないシリンドリカルレンズであり、
前記平行四辺形状シリンドリカルレンズ群は、レンズ作用を持つ曲面と対向する平面の形状が平行四辺形であり、かつ、前記平行四辺形の内角は直角でない平行四辺形状シリンドリカルレンズを複数個組み合わせたシリンドリカルレンズ群であることを特徴とするレーザー照射装置。
【請求項８】
請求項５乃至請求項７のいずれか一項において、
前記レーザービームを発生させる手段は、エキシマレーザーを発振することを特徴とするレーザー照射装置。
【請求項９】
シリンドリカルレンズと、シリンドリカルレンズ群とを介したレーザー光により、半導体膜に対してレーザーアニールを行うレーザー処理方法であって、
前記シリンドリカルレンズは、レンズ作用を持つ曲面と対向する平面の形状が平行四辺形であり、かつ、前記平行四辺形の内角は直角でない平行四辺形状シリンドリカルレンズであることを特徴とするレーザー処理方法。
【請求項１０】
シリンドリカルレンズと、シリンドリカルレンズ群とを介したレーザー光により、半導体膜に対してレーザーアニールを行うレーザー処理方法であって、
前記シリンドリカルレンズは、レンズ作用を持つ曲面と対向する平面の形状が平行四辺形であり、かつ、前記平行四辺形の内角は直角でない平行四辺形状シリンドリカルレンズであり、
前記シリンドリカルレンズ群は、レンズ作用を持つ曲面と対向する平面の形状が平行四辺形であり、かつ、前記平行四辺形の内角は直角でない平行四辺形状シリンドリカルレンズを複数個組み合わせた平行四辺形状シリンドリカルレンズ群であることを特徴とするレーザー処理方法。
【請求項１１】
レーザービームをシリンドリカルレンズ群とシリンドリカルレンズとを含む光学系により前記レーザービームのエネルギー分布を均質化しつつ線状レーザービームに加工し、
該線状レーザービームを、半導体被膜が成膜された基板に対して走査させながら照射するレーザー処理方法であって、
前記シリンドリカルレンズは、レンズ作用を持つ曲面と対向する平面の形状が平行四辺形であり、かつ、前記平行四辺形の内角は直角でない平行四辺形状シリンドリカルレンズであることを特徴とするレーザー処理方法。
【請求項１２】
レーザービームをシリンドリカルレンズ群とシリンドリカルレンズとを含むビームホモジェナイザーにより前記レーザービームのエネルギー分布を均質化しつつ線状レーザービームに加工し、
該線状レーザービームを、半導体被膜が成膜された基板に対して走査させながら照射するレーザー処理方法であって、
前記シリンドリカルレンズは、レンズ作用を持つ曲面と対向する平面の形状が平行四辺形であり、かつ、前記平行四辺形の内角は直角でない平行四辺形状シリンドリカルレンズであり、
前記シリンドリカルレンズ群は、レンズ作用を持つ曲面と対向する平面の形状が平行四辺形であり、かつ、前記平行四辺形の内角は直角でない平行四辺形状シリンドリカルレンズを複数個組み合わせた平行四辺形状シリンドリカルレンズ群であることを特徴とするレーザー処理方法。
【請求項１３】
請求項１１または請求項１２において、
被照射面において、該線状レーザービームを、該レーザービームの線方向と直交する方向から角度ｙだけずれた方向に走査させながら照射し、
前記角度ｙは｜ｔａｎｙ｜≦０．１の範囲であることを特徴とするレーザー処理方法。
【請求項１４】
請求項１１乃至請求項１３のいずれか一項において、前記レーザービームはエキシマレーザーであることを特徴とするレーザー処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本明細書で開示する発明は、線状にビーム加工されたレーザー光を走査して照射する構成に関する。本明細書で開示する発明は、レーザー光の照射を利用した半導体装置の作製プロセス、レーザー光の照射を利用した露光プロセス等に利用することができる。
【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）を形成する技術が研究されている。
【０００３】
この技術としては、非晶質珪素膜や結晶性の低い珪素膜に対してレーザーアニールを施して、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。
【０００４】
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製できる利点を持っている。これが上記研究が行われる理由である。また、結晶化に好んでレーザーが使用されるのは、ガラス基板の融点が低いからである。レーザーは基板の温度をあまり変え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。
【０００５】
レーザー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）を形成することができる。
【０００６】
この技術を利用すると、一枚のガラス基板上に、画素駆動用と駆動回路用のＴＦＴを配置したモノリシック型の液晶電気光学装置を得ることができる。
【０００７】
レーザーアニールで得られる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。
【０００８】
上述のレーザーアニール技術においては、レーザー光を１０ｃｍ角以上の面積に対して照射する必要があるめにその照射方法を工夫する必要が生じる。
【０００９】
このレーザービームの照射方法の工夫としては、
（１）レーザービームを、被照射面において、数ｃｍ角の四角いスポットにし、それを走査しながら照射する。
（２）レーザービームを、数ミリ幅×数１０ｃｍの線状となるように光学系にて加工し、この線状のレーザービームを走査して照射する。
といった方法がある。
【００１０】
これらの方法のうち、（１）の方法は、レーザービーム同士の重なりあう部分が多くなり、照射効果にむらが出やすい。また生産性も悪い。
【００１１】
他方、（２）の方法は（１）の方法に比較すれば照射むらもでにくく、また生産性も高い。
【００１２】
特に（２）の方法は、前後左右の走査が必要なスポット状のレーザービームを用いた場合とは異なり、線状レーザーの線方向（長手方向）に直角な方向だけの走査で被照射面全体にレーザー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、現在レーザーアニールには線状レーザービームを使用することが主流になりつつある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記線状に加工されたパルスレーザービームを走査させて、非単結晶半導体膜に対してレーザーアニールを施す場合、いくつかの問題が生じることが判明している。
【００１４】
その中でも特に深刻な問題の１つは、レーザーアニールが膜面全体に一様に為されないことである。
【００１５】
線状レーザーが使われ始めた頃は、ビームとビームの重なりの部分で縞ができてしまう現象が目立ち、これらの縞の一本一本で膜の半導体特性が著しく異なってしまう問題があった。
【００１６】
図１ａに示すのは、紙面の横方向に長手状を有する線状のレーザービームをその幅方向（紙面の上下方向）に走査して照射することによって得られた結晶性珪素膜の表面状態を写した写真である。
【００１７】
図１ａから明らかなように線状レーザー光の重なり具合が結晶性に反映されて、縞模様が現れている。
【００１８】
例えばこの縞模様が観察される珪素膜を使用して液晶ディスプレイを作製した場合、この縞が画面にそのまま出てしまう不都合が生じる。
【００１９】
これは、縞模様状の結晶性の違いがＴＦＴアレイの特性反映される結果であると考えられる。
【００２０】
この問題は、レーザー光の照射対象である非単結晶半導体膜の改良や、線状レーザー光の走査ピッチ（隣り合う線状レーザービームの間隔）を細かくすること、さらに線状のレーザー光の走査条件を最適化、等の工夫を施すことにより、大きく改善することができる。具体的には、液晶ディスプレイへの応用に関しては、線状レーザー光の重なり具合が直接画質に影響してしまうことを抑制することができる。
【００２１】
上記の縞模様が目立たなくなってくると、今度はビーム自身のエネルギー分布の不均一が目立つようになる。
【００２２】
一般に線状レーザービームを形成する場合、元が長方形状（または正方形状、または円形状）のビームを適当な光学系に通して線状に加工する。
【００２３】
前記長方形状のビームはアスペクト比が２から５程度である。このビームを光学系により、アスペクト比１００が以上の線状ビームに変形される。例えば、幅が１ｍｍ、長さが２００ｍｍというような線状のレーザービームに成形される。
【００２４】
このレーザービームの成形は、レーザービーム内でのエネルギー分布が均質なものとなるように工夫される。具体的には、ビームホモジェナイザーと呼ばれる光学系を利用して、レーザービーム内のエネルギー密度の均質化が行われる。
【００２５】
線状レーザービームを照射する装置の構成の概略を図２に示す。図２には、２０１で示されるレーザー発振器、２０２、２０３、２０４、２０５のレンズの組み合わせでなるビームホモジェナイザー、ミラー２０６、対物レンズ２０７が示されている。
【００２６】
ここで、レンズ２０３と２０５との組み合わせが、線状レーザービームの長手方向におけるエネルギー分布を改善するためのビームホモジェナイザーである。
【００２７】
また、レンズ２０２と２０４との組み合わせが、線状レーザービームの幅方向におけるエネルギー分布を改善するためのビームホモジェナイザーである。
【００２８】
ビームホモジェナイザーの作用は、元の長方形のビームを複数のビームに分割し、それを各々拡大し再び重ね合わせることにある。
【００２９】
ビームホモジェナイザーによって、分割し再構成されたビームは、一見、分割が細かければ細かいほどエネルギーの分布が均質になるように思える。
【００３０】
しかしながら、実際にこのビームを半導体膜に照射すると分割の細かさにかかわらず、図１ｂに見られるような縞模様が膜にできてしまう。
【００３１】
この縞模様は、線状レーザービームの長手方向に直交する様に無数に形成される。このような縞模様の形成は、元の長方形ビームのエネルギー分布が縞状であることに起因するか、光学系に起因するかのいずれかである。
【００３２】
〔発明に至る過程〕
本発明人は上記いずれに縞形成の原因があるのか、突き止めるべく簡単な実験を行った。
【００３３】
この実験は、光学系に長方形状のレーザービームが入射する前の状態のレーザービーム、即ち発振器から出力されたレーザービームを回転させることにより、上記縞模様がどう変化するかを調べるものである。
【００３４】
結果は全く変化しなかった。よって、本縞模様の形成に関与しているものは元の長方形ビームではなく、光学系であることが結論される。
【００３５】
図２に示すような光学系は、単一波長の位相の揃ったビーム（レーザーは位相を揃えて強度を得るものであるから、レーザー光の位相は揃っている）を分割再結合させることにより均質化を図るものであるから、該縞は光の干渉縞であると説明できる。
【００３６】
光の干渉は、位相の揃った同一波長の光が光路差をもって重なりあった場合の位相のずれに生じる。即ち、周期的に光が強めあったり、弱めあったりすることによって生じる。
【００３７】
現象である。図３に５つのスリット３０１を通過した光が干渉する様子を模式的に示す。ここでは、スリットの左側から入射した光がスリットも右側でそのような干渉を起こすか、光の強度Ｉをパラメータとして示している。
【００３８】
５つのスリット３０１が等間隔で並んでいる場合、該スリット群の中央Ａに対応する部分に干渉のピークの中心が発生する。
【００３９】
そして、そのピークを中心にして干渉縞が形成される。
【００４０】
図３に示す干渉縞の発生原理を図４に示したシリンドリカルレンズ群４０１とシリンドリカルレンズ４０２とに当てはめて考える。
【００４１】
なお、図４のシリンドリカルレンズ群４０１は、図２におけるシリンドリカルレンズ群２０３に対応する。また、図４のシリンドリカルレンズ４０２は、図２におけるシリンドリカルレンズ２０５に対応する。
【００４２】
また、図４におけるＡ、Ｂ、Ｃの部分は、図３に示すＡ、Ｂ、Ｃの部分にそれぞれ対応する。
【００４３】
図４において、シリンドリカルレンズ群４０１によるビームの分割数が、図３におけるスリットの数に対応している。
【００４４】
図４に示す構造の場合、図３に示すような原理に従って、Ａ、Ｂ、Ｃの部分に干渉のピーク（強め合う部分）が発生する。
【００４５】
実際のレーザーによる干渉縞は、図３に示すような明確な強弱を完全な周期性をもって示すものではない。これは、光学系における光学的な微妙なズレや半導体膜中で熱伝導によるエネルギーの分散があるためであると考えられる。
【００４６】
図２において、シリンドリカルレンズ群２０２とシリンドリカルレンズ２０４との組合せは、シリンドリカルレンズ群２０３とシリンドリカルレンズ２０５との組合せと全く同様の作用をレーザービームに与えるものであるから、線状レーザービーム内のビーム幅方向にも同様の光干渉は起きている。
【００４７】
しかし、線状レーザービームの幅方向におきる光干渉は、幅が数ｍｍ以下の領域に発生するものであり、ほとんど目立たない。即ち、特に問題とはならない。
【００４８】
上述したような線状のレーザービーム内における光の干渉状態を模式的に図６に示す。図６において、６０１が線状のレーザービームの被照射面である。また、６０２が干渉のピークが強い部分である。
【００４９】
模式的には、図６に示すように線状のレーザービームの被照射領域には、格子状に干渉のピーク６０２が分布する。ただし、前述したように線状レーザービーウの幅方向における干渉のピークは観察されない。
【００５０】
一般に干渉のピークの分布は、一様な間隔を有したものとはならない。これは、線状ビームは球面波を線状に合成していることに起因する。（球面波を直線で切ると、同位相同士の間隔は一定でないの）
【００５１】
もし、干渉のピーク間隔をほぼ  一定にしたいならば、図５に示すような光学系を利用し、平面波を線状に合成すればよい。（平面波を斜めに直線で切ると、同位相同士の間隔は一定となる）
【００５２】
図５に示す光学系の図４と比較して異なる点は、ビーム入射側のシリンドリカルレンズ群５０１が分割したレーザービームが、後続のシリンドリカルレンズ５０２により平行光線に加工されることである。
【００５３】
このような光学系は図４の前方のシリンドリカルレンズ群４０１と後方のシリンドリカルレンズ４０２との間の距離を適当に選ぶことにより簡単に得られる。
【００５４】
この様にすれば、シリンドリカルレンズ群５０１で分割されたどのビームもシリンドリカルレンズ５０２により平面波に加工される。本光学系により加工されたビームを使用すると該縦縞の間隔はほぼ一定となる。
【００５５】
上記で説明した通り、線状レーザービームは、そのビーム内に格子状に干渉のピークを分布させる。
【００５６】
よって、線状レーザービームの幅方向にレーザービームを走査して照射すると、ビーム内の干渉の強度の強いもしくは弱い光が、繰り返し被照射物の同一箇所に照射されてしまう。
【００５７】
その結果、ビームの走査方向に沿って、強い光による縞もしくは弱い光による縞が形成される。即ち、レーザー光の走査方向に沿った縞模様がレーザー照射のむらとして現れる。
【００５８】
上述の縞模様は、線状レーザーの線方向に直角な方向に分布する光干渉のピークが線状レーザーをビーム巾より十分細かいピッチで重ね合わせることにより、特に強調される。
【００５９】
線状レーザーに垂直に交差する縞が形成される様子は図７に模式的に示す。線状レーザービーム７０１はその線方向に光干渉に起因する周期的エネルギーの強弱が見られる。（すでに述べたように線状レーザービームは、その巾方向にも光干渉による周期的エネルギーの強弱が見られるが、本発明にあまり影響しない。）
【００６０】
これらを図７に示すように重ね合わせると縞が強調されてしまう。
【００６１】
図７に示すような縞模様が強調されないようにするには、線状レーザービームを図８のように斜めに重ね合わせると大変効果的である。この発明に関しては、本出願人による出願である特願平９−６１７８１号に記載されている。
【００６２】
このようにすると干渉のピーク部分が同じ場所に何度も当たらないで分散するので、縞模様の形成を抑制することができる。
【００６３】
しかしながら、図８のような処理方法では、レーザービームの長さを最大限に利用できないという問題がある。
【００６４】
【発明が解決しようとする課題】
本明細書で開示する発明は、図１ｂに示すような線状のレーザー光の照射におけるその幅方向に延在する縞模様の発生を抑制する技術を提供することを課題とする。
【００６５】
【課題を解決するための手段】
（発明１）
図２記載の光学系の中で、線状のレーザービームの長手方向におけるエネルギー分布を補正するシリンドリカルレンズ群２０３とシリンドリカルレンズ２０５との形状を図１１に示すような形状とする。
【００６６】
この形状は、角が９０度でない平行四辺形状のものとする。つまり、レンズ作用を持つ曲面と対向する平面の形状が平行四辺形であり、図１１ａ、ｂに示すこれら平行四辺形の内角Ｘ、Ｙが直角ではない形状のものとする。こうすることにより、線状レーザービーム内に形成される干渉のピークの分布（図６参照。）を図１２に示すような分布に変える。
【００６７】
この線状レーザービームは、干渉のピークの位置が一直線上に並んでいないので、縞の発生を抑制することができる。
【００６８】
図１１ａの１１０２で示されるシリンドリカルレンズ群の１つ１つは、所定の断面形状１１０１を、該断面を含まない所定の方向に平行移動させたときに画く軌跡が形成する立体形状を有している。
【００６９】
所定の断面形状１１０１を平行移動させる方向は、図１１ａに示したシリンドリカルレンズ群の１つ１つで互いに等しいとする。図１１ａに示したシリンドリカルレンズ群の１つ１つは、互いに合同であったほうがよい。合同であれば、レンズ加工が容易だからである。
【００７０】
また、図１１ｂに示したシリンドリカルレンズは、他の所定の断面形状１１０３を、該断面形状を含まない所定の方向に平行移動させたときに画く軌跡が形成する立体形状を有している。
【００７１】
断面形状１１０１、さらに他の断面形状１１０３は、２次元空間の平行光線を１点に集光させることのできる形状を有している。
【００７２】
以上のように定義された図１１ａのシリンドリカルレンズ群を平行四辺形状シリンドリカルレンズ群１１０５と呼ぶことにする。
【００７３】
同様にして定義された図１１ｂのシリンドリカルレンズを平行四辺形状シリンドリカルレンズ１１０６と呼ぶことにする。
【００７４】
また、図１１ａ、ｂの斜線部で示される平行四辺形の内角Ｘ、Ｙは、それぞれ断面形状１１０１を含む平面と前記平行移動の方向とがなす角度をＸ、前記断面形状１１０３を含む平面と前記平行移動の方向とがなす角度をＹと定義される。
【００７５】
発明１では角度Ｘは角度Ｙに等しいとする。
発明１では、
図１１記載の諸レンズはレーザー光の光路に挿入されており（または、レーザー光路に挿入される物であり）、
前記断面形状を含む平面は前記レーザー光の進行方向に平行であり、
図１１ａ記載の諸レンズの焦点の集合で形成される線のそれぞれは、互いに平行であり、
図１１記載の諸レンズの焦点の集合で形成される線は、前記レーザー光の進行方向に直交し、かつ前記断面形状を含む平面に垂直でない角度で交わっている光学系を特徴とする。
【００７６】
上記発明１で示す光学系（ビームホモジェナイザー）は、図１１ａにおいて、断面形状１１０１と斜線部で示される平行四辺形１１０２とが直交している。
【００７７】
また、発明１で示す光学系は、図１１ｂにおいて、断面形状１１０３と斜線部で示される平行四辺形１１０４とが直交している。
【００７８】
発明１で使用する平行四辺形状シリンドリカルレンズの特徴を、別の表現で述べると、以下のようになる。
【００７９】
すなわち、発明１で使用する平行四辺形状シリンドリカルレンズのうち任意に選んだ１つは、任意の方向から平行光を入射させたとき形成される焦点の集合が成す平面と先に定義した所定の断面形状を含む平面とが互いに直交する形状であり、
前記所定の断面形状と先に定義した所定の方向が角度Ｙを成し、該角度Ｙは各平行四辺形状シリンドリカルレンズにおいて互いに等しく（ここではＸ＝Ｙ）、
かつ前記角度Ｙは、直角でないことを特徴とする。
【００８０】
ここで、図１２の様なエネルギー分布が得られる理由を説明する。
【００８１】
まず、図２に示す光学系に図１１に示す構成を適用した場合を考える。ここでは、図２のシリンドリカルレンズ群２０３とシリンドリカルレンズ２０５は、それぞれ図１１に示す平行四辺形状のレンズに置換されているとする。
【００８２】
即ち、シリンドリカルレンズ群２０３は、図１１ａに示す形状とし、シリンドリカルレンズ２０５は、図１１ｂに示すものとする。
【００８３】
ここで、シリンドリカルレンズ群２０２の中で任意のレンズを１つ選び、そのレンズと、シリンドリカルレンズ群２０２以外のレンズ群で形成される線状レーザービームを考える。
【００８４】
この線状レーザービームの被照射面における干渉状態を図１３に示す。図１３には、１３０１で示されるような干渉縞が発生する。
【００８５】
線状レーザービームの形状は、図１３の１３０２で示すように平行四辺形状シリンドリカルレンズ群２０３（１１０５）と平行四辺形状シリンドリカルレンズ２０５（１１０６）の形状を反映した平行四辺形となる。
【００８６】
シリンドリカルレンズ群２０２中、任意のレンズに対して図１３に示した干渉縞が得られるが、各レンズによってビームが形成される場所がわずかに異なる。（該形成場所は線状レーザービームの線方向に互いにずれる）
【００８７】
なぜならば、シリンドリカルレンズ群２０２の１つ１つのレンズの作る光束の、平行四辺形状シリンドリカルレンズ２０５（１１０６）に入射する場所が互いに異なるからである。これらのビームを図１４に示すように上手く重ね合わせると干渉のピークがビーム内に分散化されて干渉縞をより作りにくいビーム１４０１を作ることができる。
【００８８】
図１３のビームを単純に重ね合わせると、ビーム１４０１の様になるが、実際は、ビームの幅方向に干渉がおこり、ビーム１２０１（図１２）の様になる。
【００８９】
図１４のように重ね合わせるためには、以下に示す条件を満たすようにすればよい。
【００９０】
まず、図２に示した光学系が形成する干渉縞の間隔ｄを定義する。次にシリンドリカルレンズ群２０２に入射するレーザービーム１５０１（図１５参照）の両端に位置するシリンドリカルレンズの中央同士の距離Ｄを定義する。
【００９１】
そして、シリンドリカルレンズ２０２のレンズ１つ当たりの幅をＷとし、｜tan Ｘ｜ =（Ｄ＋Ｗ）／ｄ  で定義される角度Ｘ（図１１ａで定義される角度Ｘ）をもつ図１１のシリンドリカルレンズ群１１０５と、シリンドリカルレンズ１１０６とを使用すればよい。（この場合Ｘ＝Ｙとする）
【００９２】
このような角度を選択すると、干渉縞の間隔が、従来の光学系（図２記載のもの）に比較し狭くなり、かつ干渉縞の強度分布がビーム内でより分散化される。
【００９３】
すなわち、よりビーム内のエネルギー分布が一様になる。なお、角度Ｘは厳密に定義する必要はない。なぜならば、干渉縞の間隔ｄが厳密に一様でないからである。
【００９４】
なおここで、｜tan Ｘ｜ =Ｗ／ｄ  で定義される角度Ｘをもつ図１１のシリンドリカルレンズ群１１０５とシリンドリカルレンズ１１０６とを使用すると、シリンドリカルレンズ２０２の１つ１つを通る光束が干渉縞の間隔ｄずつずれて重なり合うので本発明が特徴とする効果を得られない。
【００９５】
また、角度Ｘが、ｎＷ／ｄ＝｜tan Ｘ｜（ｎは整数、かつ、２Ｗ≦ｎＷ≦Ｄ）であると、干渉のピークがビーム内で効果的に分散される。またレーザーパワーも効率良く利用される。なお、Ｗ／ｄ＞｜tan Ｘ｜の範囲ではビーム長が短くなりすぎて処理効率を落とす。
【００９６】
よって、角度Ｘは、少なくとも、Ｗ／ｄ＜｜tan Ｘ｜の範囲で定義されなければならない。
【００９７】
また、角度Ｘは、２Ｗ／ｄ≦｜tan Ｘ｜≦（Ｄ＋Ｗ）／ｄの範囲で定義されるとよりよい効果が期待できる。一方、｜tan Ｘ｜≫（Ｄ＋Ｗ）／ｄの範囲では干渉のピークがビーム内で十分に分散化されない。
【００９８】
ここで、シリンドリカルレンズ群２０３とシリンドリカルレンズ群２０５の焦点距離は等しいとする。また、シリンドリカルレンズ２０５とシリンドリカルレンズ１１０６の焦点距離は等しいとする。即ち、焦点距離が等しいものと交換したものとする。なお、図２に示した光学系が形成する干渉縞の間隔ｄは、必ずしも一定ではないので、それらの間隔の平均値をｄと定義する。
【００９９】
（発明２）
ここでは、シリンドリカルレンズ１１０６（図１１参照）の形がビーム形状を決定している事実に着目する。即ち、図２４に示すようにシリンドリカルレンズ２０５に対して、シリンドリカルレンズ群２０３の位置を図２４の平面上でいかように変えても左側に形成されるビームの位置は変わらないことから結論できる事実に着目する。
【０１００】
ここでは、図２の光学系中、シリンドリカルレンズ２０５を、考案１で規定した平行四辺形状シリンドリカルレンズ１１０６（図１１ｂ参照）に置換した光学系を用いてビームがどうなるかを実験した。
【０１０１】
結果は、考案１で示した光学系とほぼ同様の効果があった。しかしながら、考案１と比較しややビーム内の干渉の様子が不規則となった。
【０１０２】
また、考案１で示した光学系のシリンドリカルレンズ１１０６（図２の光学系の２０３の代わりに配置）の角度Ｙを固定したまま、シリンドリカルレンズ群１１０５（図２の光学系の２０５の代わりに配置）の角度Ｘを自由に変えて、コンピューターシミュレーションを行った。
【０１０３】
この結果、シリンドリカルレンズ群１１０５の角度Ｘはビームの内部干渉縞の間隔にほとんど関与しないことが判明した。
【０１０４】
また、シリンドリカルレンズ群１１０５と平行四辺形状シリンドリカルレンズ１１０６との距離を変えても、あまりビーム内の干渉縞の間隔は変わらないことが判明した。
【０１０５】
よって、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群１１０５のレンズ１つ１つは図１７に示すような形態であればよいと結論できる。
【０１０６】
図１７は３面図である。図１７の形状を具体的に文章で示すと以下のようになる。
【０１０７】
この形状は、同一波長を持つ２次元の平行光線を、１点に集めることができる２次元の仮想レンズを前記２次元平面を含まない方向に平行移動させたときに該仮想レンズが描く軌跡をそのまま立体とした形状と表現できる。
【０１０８】
発明１と比較し、発明２はビーム干渉の分布が不規則となる。発明２が発明１に比較して優れている点は、図２に示した光学系の内、シリンドリカルレンズ２０５のみを平行四辺形状シリンドリカルレンズ１１０６に置換すればよいという点である。
【０１０９】
即ち、より簡便な変更で光干渉のビーム内分布を分散化できる点である。この意味でコストや手間の点を考慮するならば、発明２の方が発明１を凌いでいる。
【０１１０】
〔発明３〕
本発明人はここでさらに、平行四辺形状シリンドリカルレンズ１１０６（図二の２０５の代わりに配置する）を図１８に描かれた形態を提唱する。
【０１１１】
この構成では、
（１）焦点の集合が形成する線と入射するレーザービームの方向ベクトルとは直交していない。
（２）断面形状１１０３の延在方向を含む線と焦点の集合が形成する線とを含む面は、断面形状１１０３の面と直交している。
（３）角度Ｙが直角でない。
といった特徴を有している。
【０１１２】
ここで焦点の集合というのは、レーザービームの入射方向（光路方向）から照射された平行光が結ばれる点の集合として定義される。
【０１１３】
この場合、シリンドリカルレンズの焦点の集合（この場合は線。）を含む線は図９に示す照射面１９０１にある１点１９０２で交差している。（即ち、焦点の集合は照射面に対して斜めになっている）
【０１１４】
この様な場合、図２に示すシリンドリカルレンズ群２０２のレンズ１つ１つを通過するレーザー光が照射面に作る像は、図２０のようになる。
【０１１５】
図２０にはビーム内の干渉の様子が描かれている。シリンドリカルレンズ群２０３が平行四辺形状シリンドリカルレンズ１８０１（図２の２０５の代わりに配置される）と面対称な位置にあると実線の四角で描かれた場所に干渉のピーク２００１ができる。
【０１１６】
ところが、面対称でない位置にそれらを配置すると図２０の２００２で示されるように干渉のピークが斜めに分布し、これらが重なり合うと、考案１、２と同様に干渉のピークが線状レーザービーム２００３内で分散化する。
【０１１７】
発明３の優れた点は、考案１、２と比較すると以下のようになる。シリンドリカルレンズ群２０３と平行四辺形状シリンドリカルレンズ１８０１の相対的な位置を前述のように変えることにより、ビーム内の干渉の状態を変えられる点がそうである。
【０１１８】
これは、光学系に入射する光の波長、大きさ等により変化する干渉縞の周期（隣り合う縞の間隔）がいかように変わろうとも、光学系の配置を少し変えるだけで、干渉縞が最もビーム内で分散化されるレンズ配置を選ぶことが可能となる。
【０１１９】
発明１、２の光学系は角度Ｙが干渉縞の間隔に依存するので、干渉縞の間隔があまりに異なるビームを作る光源に対して互換性がない。しかし、発明３の場合には、適用範囲を広くすることができる。
【０１２０】
しかしながら、発明３の光学系はビーム内の干渉の分布の規則性が、発明２の光学系に対して同程度かやや劣る。
【０１２１】
発明１乃至３であたえた制限を持たない平行四辺形状シリンドリカルレンズ群１１０５と、平行四辺形状シリンドリカルレンズ１１０６とを使用してもよい。
【０１２２】
このとき、図２のような組合せを選ばない限り、干渉のピークのビーム内での分散化が期待できる。
【０１２３】
発明２、３で考察したビームの特徴を合わせ持つビームが得られる組合せもある。しかしながら、平行四辺形状シリンドリカルレンズ１１０６の形状が、シリンドリカルレンズ２０５の形状から著しく異なっていると、ビーム長が得られず本発明に適さなくなる。
【０１２４】
発明１乃至３の光学系を介して形成されたレーザービームは干渉のピークの分布が分散化されたとはいえ、依然としてそのビーム内に存在する。
【０１２５】
光学系の配置が微妙にずれていて、ビーム内のレーザーエネルギーの強度が局所的に強く、あるいは弱くなりすぎることもありうる。
【０１２６】
しかしながら、それらの干渉縞は基板に線状ビームをずらしながら重ね合わせることでほとんど見えなくなる。一方、重ね合わせ方によっては、該干渉縞が強調されてしまう場合が出てくるので、線状レーザービームの走査のピッチを微妙に変えたり、線状レーザービームの走査方向を微調整することにより、線状レーザービームの重なり方を調節すると、より良い効果がある。上記微調整でうまく行かない場合は、光学系の配置を再調整する必要がある。
【０１２７】
ここで、上記説明の走査方向の微調整につき、より詳しく記述する。この場合、線状レーザービームを、該ビームの線方向と直交しかつ該線状レーザービームが形成する面を含む方向より該平面内で角度ｙだけずれた方向に走査させながらレーザー処理すると、より効果的に干渉縞の消える角度が見つかる。前記角度ｙは｜tan ｙ｜≦0.1 の範囲で十分である。
【０１２８】
発明１乃至３いずれの場合も角度Ｙは、1.5 ≦｜tan Ｙ｜≦６００の範囲である。またより好ましくは、１２≦｜tan Ｙ｜≦３００の範囲からＹを設定するといよい。
【０１２９】
案１、２、３を簡素化した光学系の例を以下に示す。この簡素化はビームの幅方向の分割を省いたものである。
【０１３０】
すなわち、図２に示す構成において、シリンドリカルレンズ群２０２とシリンドリカルレンズ２０４とを省いた光学系の例である。
【０１３１】
このような光学系が形成する線状レーザービームの干渉縞は、シリンドリカルレンズ群２０２によるレーザー光の分割がないため、シリンドリカルレンズ群２０２の任意の１つのレンズが作る干渉縞と同様となる。すなわち、図１３のようになる。本光学系では、干渉のピーク１３０１がビーム内で分散化されることはない。
【０１３２】
しかしながら、該線状レーザービーム１３０２を、線状ビームの線方向に直角な方向（処理効率が最大の方向）に重ね合わせると、図２１の様に重なり合うので、干渉のピークが何度も重なり合うことがない。
【０１３３】
よって、線状ビーム内の光干渉のピークが強調されることがなく、縞模様がほとんど見えなくなる。本方法の利点は、図８の方法と比較して、線状レーザーの処理効率をほぼ最大に利用できることにある。
【０１３４】
発明１乃至３に記載の光学系を介して半導体膜のレーザーアニールを行い、多結晶半導体膜とし、例えばＴＦＴ液晶ディスプレイのようなデバイスを作製すると、個々のＴＦＴの特性のばらつきが抑えられて、高画質なものを得ることができる。
【０１３５】
勿論、ＴＦＴ液晶ディスプレイ以外に各種集積回路を作製する際に利用することができる。
【０１３６】
また、ＴＦＴ液晶ディスプレイと同一の基板上に各種集積回路を搭載したＳＯＰ（システムオンパネル）と呼ばれるような構成を作製する際に本明細書で開示する発明を利用することが有用である。
【０１３７】
即ち、比較的大面積に均一なレーザーアニールを施さなければならない場合に本明細書で開示する発明は有効である。
【０１３８】
本明細書で開示する発明の第１は、光を分割する役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズ群と、前記分割された光を再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズとを含む光学系から構成されるビームホモジェナイザーである。
【０１３９】
ここで、平行四辺形状というのは、角の角度が９０度でないものとして定義される。
【０１４０】
光を分割する役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズ群というのは、図２に２０３に対応する。また、分割された光を再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズとは、図２の２０５に対応する。
【０１４１】
本発明の第２は、光を分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、前記分割された光を再結合させる役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズを含む光学系から構成されるビームホモジェナイザーである。
【０１４２】
本発明の第３は、所定の断面形状を所定の方向に平行移動させた軌跡により形成される平行四辺形状シリンドリカルレンズを有し、
前記断面形状は、ある特定の波長を持つ２次元空間の平行光線を一点に集光させることのできる形状であることを特徴とするビームホモジェナイザーである。
【０１４３】
本発明の第４は、光を分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、所定の断面形状を所定の方向に平行移動させた軌跡により形成される平行四辺形状シリンドリカルレンズとを有し、前記断面形状は、ある特定の波長を持つ２次元空間の平行光線を一点に集光させることのできる形状であり、
前記平行四辺形状シリンドリカルレンズは、前記分割された光を再結合させる役割を果たすことを特徴とするビームホモジェナイザーである。
【０１４４】
本発明の第５は、光を分割する役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズ群と、所定の断面形状を所定の方向に平行移動させた軌跡により形成される平行四辺形状シリンドリカルレンズとを有し、
前記断面形状は、ある特定の波長を持つ２次元空間の平行光線を一点に集光させることのできる形状であり、
前記平行四辺形状シリンドリカルレンズは、前記分割された光を再結合させる役割を果たすことを特徴とするビームホモジェナイザーである。
【０１４５】
本発明の第６は、
光を分割する役割を果たすシリンドリカルレンズ群と、所定の断面形状を所定の方向に平行移動させた軌跡により形成される平行四辺形状シリンドリカルレンズとを有し、
前記断面形状は、ある特定の波長を持つ２次元空間の平行光線を一点に集光させることのできる形状であり、
前記平行四辺形状シリンドリカルレンズは、前記分割された光を再結合させる役割を果たしており、前記平行四辺形状シリンドリカルレンズは、任意の方向から平行光を入射させたとき形成される焦点の集合が成す平面と先に定義した所定の断面形状を含む平面とが互いに直交する形状であり、かつ、前記所定の断面形状と先に定義した所定の方向が角度Ｙを成す形状であり、かつ前記角度Ｙは、直角でないことを特徴とするビームホモジェナイザーである。
【０１４６】
本発明の第７は
光を分割する役割を果たす平行四辺形状シリンドリカルレンズ群と、所定の断面形状を所定の方向に平行移動させた軌跡により形成される平行四辺形状シリンドリカルレンズとを有し、
前記断面形状は、ある特定の波長を持つ２次元空間の平行光線を一点に集光させることのできる形状であり、
前記平行四辺形状シリンドリカルレンズは、前記分割された光を再結合させる役割を果たしており、前記平行四辺形状シリンドリカルレンズは、任意の方向から平行光を入射させたとき形成される焦点の集合が成す平面と先に定義した所定の断面形状を含む平面とが互いに直交する形状であり、かつ、前記所定の断面形状と先に定義した所定の方向が角度Ｙを成す形状であり、かつ前記角度Ｙは、直角でないことを特徴とするビームホモジェナイザー。
【０１４７】
本発明の第８は
所定の断面形状を所定の方向に平行移動させた軌跡により形成される平行四辺形状シリンドリカルレンズを複数個組み合わせた平行四辺形状シリンドリカルレンズ群と、前記平行四辺形状シリンドリカルレンズと同様な特徴を持つ平行四辺形状シリンドリカルレンズとを有し、
前記断面形状は、ある特定の波長を持つ２次元空間の平行光線を一点に集光させることのできる形状であり、
前記平行四辺形状シリンドリカルレンズのうち任意に選んだ１つは、任意の方向から平行光を入射させたとき形成される焦点の集合が成す平面と先に定義した所定の断面形状を含む平面とが互いに直交する形状であり、かつ、前記所定の断面形状と先に定義した所定の方向が角度Ｙを成す形状であり、該角度Ｙは各平行四辺形状シリンドリカルレンズにおいて互いに等しく、かつ前記角度Ｙは、直角でないことを特徴とするビームホモジェナイザー。
【０１４８】
本発明の第６乃至第８の角度Ｙは、1.5 ≦｜tan Ｙ｜≦６００とすることが好ましい。さらには、角度Ｙを１２≦｜tan Ｙ｜≦３００の範囲から選択することはより好ましい。
【０１４９】
本発明の第９は、レーザビームを発生させる手段と、
前記レーザービームを分割後拡大しつつ最終加工形状である線状レーザービームの線方向のエネルギー分布を均一化させる役割を果たす平行四辺形状のシリンドリカルレンズ群と他の平行四辺形状シリンドリカルレンズとから構成されるレンズ群と、
該レーザービームを線状に収束させるシリンドリカルレンズと、
一方向に動く移動テーブルと、
から構成されることを特徴とするレーザーアニール装置である。
【０１５０】
本発明の第１０は、レーザビームを発生させる手段と、
前記レーザービームを分割後拡大しつつ最終加工形状である線状レーザービームの線方向のエネルギー分布を均一化させる役割を果たす平行四辺形状のシリンドリカルレンズ群と平行四辺形状シリンドリカルレンズとから構成されるレンズ群と、
該レーザービームを分割後再結合させることにより線状に収束させる役割を果たすシリンドリカルレンズ群とシリンドリカルレンズとから構成されるレンズ群と、
一方向に動く移動テーブルと、
から構成されることを特徴とするレーザーアニール装置である。
【０１５１】
本発明の第１１は、レーザビームを発生させる手段と、
前記レーザービームを分割後拡大しつつ最終加工形状である線状レーザービームの線方向のエネルギー分布を均一化させる役割を果たす平行四辺形状のシリンドリカルレンズ群と平行四辺形状シリンドリカルレンズとから構成されるレンズ群と、
該レーザービームを線状に収束させるシリンドリカルレンズと、
移動方向が可変である移動テーブルと、
から構成されることを特徴とするレーザーアニール装置である。
【０１５２】
本発明の第１２は、レーザビームを発生させる手段と、
前記レーザービームを分割後拡大しつつ最終加工形状である線状レーザービームの線方向のエネルギー分布を均一化させる役割を果たす平行四辺形状のシリンドリカルレンズ群と平行四辺形状シリンドリカルレンズとから構成されるレンズ群と、
該レーザービームを分割後再結合させることにより線状に収束させる役割を果たすシリンドリカルレンズ群とシリンドリカルレンズとから構成されるレンズ群と、
移動方向が可変である移動テーブルと、
から構成されることを特徴とするレーザーアニール装置である。
【０１５３】
上記本発明で使用するレーザービームは、エキシマレーザーであるとよい。
【０１５４】
本発明の第１３は
半導体被膜が成膜された基板に対して線状のレーザー光を走査しつつ照射する工程で、レーザービームを、平行四辺形状シリンドリカルレンズを含むビームホモジェナイザーによりレーザービームのエネルギー分布を均質化しつつ線状レーザービームに加工する工程と、
該線状レーザービームを、走査させながらレーザー処理する工程とを特徴とする半導体デバイスのレーザー処理方法である。
【０１５５】
本発明の第１４は、
半導体被膜が成膜された基板に対して線状のレーザー光を走査しつつ照射する工程で、レーザービームを、平行四辺形状シリンドリカルレンズを含むビームホモジェナイザーによりレーザービームのエネルギー分布を均質化しつつ線状レーザービームに加工する工程と、
該線状レーザービームを、該ビームの線方向と直交しかつ該線状レーザービームが形成する面を含む方向より該平面内で角度ｙだけずれた方向に走査させながらレーザー処理する工程とを特徴とし、前記角度ｙは｜tan ｙ｜≦0.1 の範囲である半導体デバイスのレーザー処理方法である。
【０１５６】
上記本発明の第１３または第１４で使用するレーザービームは、エキシマレーザーであるとよい。
【０１５７】
本発明の第１５は、平行四辺形状シリンドリカルレンズを介したレーザ光により、レーザーアニールされた半導体膜を使用し作製されることを特徴とする半導体デバイスである。
【０１５８】
【作用】
本発明は、非単結晶半導体膜にレーザー光線を分割後再構成し線状に加工されたレーザービームを使用してレーザーアニールを施し結晶化また結晶性を向上させるに際し、該線状レーザービーム内に形成される光干渉によるエネルギーの周期的不均一を、前記非単結晶半導体膜に反映させないものである。
【０１５９】
例えば、図２に示される光学系により形成される線状レーザービームのエネルギーは、その線幅方向にエネルギーの強弱の周期的繰り返しが見られる。
【０１６０】
このようなエネルギー分布を持つ線状レーザービームを、半導体膜に対し、線状レーザーの線方向に直角な方向に重ねながら走査し照射すると、線状レーザービーム内のエネルギーの分布が該膜内で強調されてしまう。
【０１６１】
本発明では、角は９０度でない平行四辺形状のビームホモジェナイザーを使って線状レーザービーム内の干渉の分布を従来のものより分散化させる。
【０１６２】
あるいは、本発明の平行四辺形状のビームホモジェナイザーを使って線状レーザービーム内の干渉の分布を従来のものより変化させることにより、該ビーム内のエネルギーの最大の部分または最少の部分が繰り返し半導体膜の同じ部分に当たらないようにする。
【０１６３】
このようにすれば、線状レーザービーム内のエネルギー分布が半導体膜内で分散化されて、より一様にレーザーアニールを行うことができる。
【０１６４】
【実施例】
〔実施例１〕
実施例の作製工程で、まず、レーザー照射される膜の作成方法を示す。レーザー照射される膜は、本明細書中で３種類である。いずれの膜に対しても、本発明は効果的である。
【０１６５】
まず、３種類いずれの膜も、基板として、１２７ｍｍ角のコーニング１７３７ガラス基板（勿論他のガラス基板でもよい）上に、下地膜としての酸化珪素膜を２０００Å厚、その上に非晶質珪素膜を５００Å厚の厚さに成膜する。これらは、共にプラズマＣＶＤ法にて連続的に成膜される。該膜を今後、出発膜と呼ぶ。
【０１６６】
（膜Ａの作製手順）
出発膜を、４５０℃の熱浴に１時間さらす。本工程は非晶質珪素膜中の水素濃度を減らすための工程である。膜中の水素が多すぎると膜がレーザーエネルギーに対して耐えきれないので本工程が必要となる。
【０１６７】
該膜内の水素の密度は１０20atoms ／cm3 オーダーが適当である。この膜を非単結晶珪素膜Ａと呼ぶ。
【０１６８】
（膜Ｂの作製手順）
１０ｐｐｍの酢酸ニッケル水溶液が、スピンコート法により、出発膜上に塗布され、酢酸ニッケル層が形成される。酢酸ニッケル水溶液には、界面活性剤を添加するとより好ましい。酢酸ニッケル層は、極めて薄いので、膜状となっているとは限らないが、以後の工程において問題はない。
【０１６９】
次に、上記のようにして各膜が積層された基板に、６００℃で４時間の熱アニールを施し、非晶質珪素膜を結晶化させる。こうして、非単結晶珪素膜である結晶性珪素膜Ｂが形成される。
【０１７０】
このとき、触媒元素であるニッケルが結晶成長の核の役割を果たし、結晶化が促進される。６００℃、４時間という低温、短時間で結晶化を行うことができるのは、ニッケルの機能による。詳細については、特開平６−２４４１０４号に記載されている。
【０１７１】
触媒元素の濃度は、１×１０15〜１０19原子／ｃｍ3 であると好ましい。１×１０19原子／ｃｍ3 以上の高濃度では、結晶性珪素膜に金属的性質が現れ、半導体としての特性が消滅、または低下する。
【０１７２】
本実施例において、結晶性珪素膜中の触媒元素の濃度は、膜中のおける最小値で、１×１０17〜５×１０18原子／ｃｍ3 である。これらの値は、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により分析、測定したものである。
【０１７３】
（膜Ｃの作製手順）
出発膜の上からさらに酸化珪素膜を７００Å成膜する。成膜方法はプラズマＣＶＤ法を用いる。次に該酸化珪素膜の一部をフォトリソパターニング工程によって完全に開孔する。さらに、該開孔部に薄い酸化膜を形成するために酸素雰囲気中でUV光を５分間照射する。この薄い酸化膜は、後に導入するニッケル水溶液に対する上記開孔部の濡れ性改善のために形成されるものである。
【０１７４】
そして、１００ｐｐｍの酢酸ニッケル水溶液が、スピンコート法により、該膜上に塗布され、酢酸ニッケルが上記開孔部分に入る。酢酸ニッケル水溶液には、界面活性剤を添加するとより好ましい。
【０１７５】
次に、６００℃で８時間の熱アニールが施され、ニッケル導入部分から横方向に結晶が成長してゆく。このとき、ニッケルが果たす役割は膜Ｂと同様のものである。今回の条件では横成長量として４０μｍ程度が得られる。このようにして非晶質珪素膜が結晶化し、非単結晶珪素膜である結晶性珪素膜Ｃが形成される。その後、結晶性珪素膜上の酸化珪素膜をバッファーフッ酸を用い剥離除去する。
【０１７６】
このようにして得られる非単結晶珪素膜Ａ、Ｂ、Ｃを結晶化させる、あるいは、結晶性をさらに高めるために、エキシマレーザーを用いてレーザーアニールを行う。
【０１７７】
図９に、実施例におけるレーザー照射システムを示す。図９は、レーザー照射システムの概観である。
【０１７８】
図９において、レーザー照射システムは、レーザー発振装置２０１から照射され、光学系９０１により断面形状が線状に加工されたパルスレーザービームを、ミラー２０６で反射させ、シリンドリカルレンズ２０７にて集光されつつ、被処理基板９０２に照射される機能を有している。
【０１７９】
光学系９０１、ミラー２０６、及びシリンドリカルレンズ２０７は図２に示した。ただし、図２に示したレンズ群中、シリンドリカルレンズ群２０３は、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群１１０５に置き換えられている。また、シリンドリカルレンズ２０５は、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群１１０６に置き換えられている。
【０１８０】
平行四辺形状シリンドリカルレンズ群１１０５と該平行四辺形状シリンドリカルレンズ１１０６は考案１に示した形態であり、角度Ｘは88度とする。
【０１８１】
ここで角度Ｘを決定する方法を記載する。図２における光学系がつくり出す干渉じまのピッチが0.2 ｍｍで、これが、先に定義したｄにあたる。また、先に定義したＤ、Ｗが本光学系ではそれぞれ、１２ｍｍ、３ｍｍである。
【０１８２】
先に示したように、｜tan Ｘ｜ =（ｎＷ）／ｄ（ｎ≧２）で算出される角度Ｘが、干渉のピークを線状レーザービーム内で効果的に分散化できる角度であるから、該式にｄ、Ｗの値を代入すればよい。なお、ここではｎ＝２とした。
【０１８３】
図２のような光学系を用いるのは、光学系に入射する前のビームのエネルギー不均質を分割後重ね合わせることにより平均化しつつ、ビーム形状を線状に加工することが出来るからである。
【０１８４】
本発明で使用する線状レーザービームはすべて図２記載の光学系に準じたものを使用している。図２のようなタイプのレンズ群の役割を以下に記述する。
【０１８５】
シリンドリカルレンズ群２０２、１１０５はビームを縦横に分割する役割を果たしている。該分割された光束をシリンドリカルレンズ２０４、１１０６が１領域、本発明では線状の形を成す領域に集める役割を果たしている。本実施例では、元のビームを横に４分割、縦に７分割しているので２８分割されたビームを一つにすることにより、ビームのエネルギー分布を平均化している。ビームの縦横の長さの比はレンズ群の構造上、可変であるが、レンズの大きさ、焦点距離の組合せにより、造りやすいビーム形状は制限される。なお、本光学系においてビームの長辺の長さを変えることはできない。
【０１８６】
本実施例は、図４あるいは図５、何れの記載の配置のレンズ群を用いても効果があった。なお、シリンドリカルレンズ群２０２、１１０５は凸レンズ群であるが、凹レンズ群もしくは、凹凸混合のレンズ群を用いても本発明の本質になんら影響しない。あるいは、凸レンズ群凹レンズ群ともに、レンズの大きさが異なっていても良い。
【０１８７】
図１１記載のシリンドリカルレンズ群１１０５を、同様の作用を持つ凹凸混合のレンズ群に置き換えると、例えば図２２に示すもののようになる。
【０１８８】
ただし、凹凸混合レンズ群に代表されるような、互いに合同でないレンズ群を使用する場合は、それらのレンズで加工される平行光線の、加工後の拡がりの角度が同じであるレンズ群で構成されなければならない。
【０１８９】
さもなければ、分割したビームが再結合されるとき、個々のビームが異なる大きさや形で重なり合い、ビームの輪郭が不明瞭となる。
【０１９０】
レーザー発振装置２０１は、ここでは、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ）を発振するものを用いる。他に、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）等を用いてもよい。
【０１９１】
また図９に示すように被処理基板９０２は、台９０３上に配置される。そして、台９０３は、移動機構１００７によって、線状レーザービームの線方向に対して直角方向（線状レーザービームを含む平面を含む。）に真っ直ぐに移動され、被処理基板９０２上面に対しレーザービームを走査しながら照射することを可能とする。
【０１９２】
図１０に示す装置の説明をする。ロード／アンロード室１００５に、被処理基板９０２が多数枚、例えば２０枚収納されたカセット１００３が配置される。ロボットアーム１００５により、カセット１００３から一枚の基板がアライメント室に移動される。
【０１９３】
アライメント室１００２には、被処理基板９０２とロボットアーム１００４との位置関係を修正するための、アライメント機構が配置されている。アライメント室１００２は、ロード／アンロード室１００５と接続されている。
【０１９４】
基板は、ロボットアーム１００４によって基板搬送室１００１に運ばれ、さらにロボットアーム１００４によって、レーザー照射室１００６に移送される。
【０１９５】
図９において、被処理基板９０２上に照射される線状レーザービームは、幅０．４ｍｍ×長さ１３５ｍｍとする。本ビームは図５記載のレンズ配置で形成されている。被照射面におけるレーザービームのエネルギー密度は、１００ｍＪ／ｃｍ2 〜５００ｍＪ／ｃｍ2 の範囲で、例えば３００ｍＪ／ｃｍ2 とする。
【０１９６】
台９０３を1.2 ｍｍ／ｓで一方向に移動させながら行うことで、線状レーザービームを走査させる。
【０１９７】
レーザーの発振周波数は３０Ｈｚとし、被照射物の一点に注目すると、１０ショットのレーザービームが照射される。前記ショット数は５ショットから５０ショットの範囲で適当に選ぶ。
【０１９８】
レーザー照射終了後、被処理基板９０２はロボットアーム１００４によって基板搬送室１００２に引き戻される。
【０１９９】
被処理基板９０２は、ロボットアーム１００４によって、ロード／アンロード室１００５に移送され、カセット１００３に収納される。
【０２００】
こうして、レーザーアニール工程が終了する。このようにして、上記工程を繰り返すことにより、多数の基板に対して、連続的に一枚づつ処理できる。
【０２０１】
本実施例は線状レーザーを用いたが、線状から正方形状にいたるまでいずれのビーム形状を本発明に使用しても本発明が特徴とする効果があった。また、本実施例において、平行四辺形状シリンドリカルレンズ群１１０５を使用せず、シリンドリカルレンズ群２０３で代用しても本明細書の開示する効果が得られた。
【０２０２】
上記レーザーアニールされた半導体膜を活性層とするＴＦＴを作製すると、Ｎチャネル型、Ｐチャネル型、いずれも作製できる。また、Ｎチャネル型とＰチャネル型とを組み合わせた構造も得ることが可能である。
【０２０３】
また、多数のＴＦＴを集積化して電子回路を構成することもできる。以上のことは、他の実施例で示した光学系を介してレーザーアニールされた半導体膜についてもいえる。本発明の光学系を介してレーザーアニールされた半導体膜を利用して、ＴＦＴで構成される液晶ディスプレイを作製した場合、個々のＴＦＴ特性のバラツキの少ない高画質なものが得られた。
【０２０４】
〔実施例２〕
実施例１にて、縞模様が上手く消えない場合は、光学系の配置が適当でない為であるか、線状レーザービームの重ね合せの間隔が不適当か、あるいは平行四辺形状シリンドリカルレンズ１１０６の角度Ｙが不適当であるかである。
【０２０５】
実際、光学系を設計する段階で、干渉のピーク配置を計算し、いちいちその条件に最適の角度を出していては、平行四辺形状シリンドリカルレンズ１１０６は、オーダーメイドで作製されなければならない。
【０２０６】
これでは、該レンズが非常に高価な物となってしまう。角度Ｙが適当でないと、干渉のピークが線状レーザービーム内で十分に分散化されないことは、先に説明の通りである。
【０２０７】
そこで、この欠点を、図８の様な走査方向の決定方法で、補うこととする。
【０２０８】
すなわち、平行四辺形状シリンドリカルレンズ１１０６をふくむビームホモジェナイザーでできた干渉のピークの配置が図２３記載の、干渉のピークの分散化が不十分である線状レーザービーム２３０１のようなものとなった場合、走査方向変更装置９０４（図９）により基板の走査方向を微調整し、図２３記載の矢印方向を走査方向に選択すれば、干渉のピークがより一様に基板に分散される。
【０２０９】
〔実施例３〕
本実施例では図１６に示した光学系を用いて、非単結晶珪素膜Ａ、Ｂ、Ｃを結晶化させる、あるいは、結晶性をさらに高めるために、エキシマレーザーを用いてレーザーアニールを行う。
【０２１０】
平行四辺形状シリンドリカルレンズ群１１０５（光学系９０１内に内蔵されている）はビームを横に分割する役割を果たしている。該分割された光束を平行四辺形状シリンドリカルレンズ１６０１が１領域に集める役割を果たしている。
【０２１１】
本実施例では、元のビームを横に１０分割することでビームのエネルギー分布を平均化している。レーザービームを線状に集束させるレンズはシリンドリカルレンズ２０７である。
【０２１２】
理想的にはレーザー光を完全な線に集束させることができるレンズだが、ここでは、やや該シリンドリカルレンズ２０７の焦点を照射面からわずかにずらし、ビーム幅0.3 ｍｍのビームを作った。本実施例では、干渉縞が図１３のようにストライプ状に形成される。なぜならば、本実施例はビーム幅方向の分割を行っていないからである。このような干渉縞に対しても、本発明が有効に作用することは言うまでもない。
【０２１３】
このとき、レーザー遮光板１６０１を用いて、線状ビームの走査方向側にある長辺を構成する輪郭の直線性を高めるとより一様にレーザーアニールを行うことができる。
【０２１４】
線状レーザービームの走査方向にある側のビームの長辺の直線性の方が、他の長辺の直線性よりも、レーザーアニールの一様性に寄与するところがはるかに大きいことが経験的にわかっているので、レーザー遮光板は１枚で十分である。しかしながら、レーザー発振器から出されるレーザービームの形があまりにもいびつな形状をしている場合は、スリットを用いて、レーザービームを線状に整形しなければならない。
【０２１５】
本実施例は、図４あるいは図５、何れの記載の配置のレンズ群を用いても効果がある。
【０２１６】
なお、シリンドリカルレンズ群１１０５は凸レンズ群であるが、凹レンズ群もしくは、凹凸混合のレンズ群を用いても本発明の本質になんら影響しない。詳細は実施例１にて記載した。
【０２１７】
レーザー発振装置２０１は、ここでは、ＸｅＣｌエキシマレーザー（波長３０８ｎｍ）を発振するものを用いる。他に、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）等を用いてもよい。
【０２１８】
被処理基板９０２は、台９０３上に配置される。そして、台９０３は、移動機構１００７によって、線状レーザービームの線方向に対して直角方向（線状レーザービームを含む平面を含む。）に真っ直ぐに移動され、被処理基板９０２上面に対しレーザービームを走査しながら照射することを可能とする。
【０２１９】
本実施例は線状レーザーを用いたが、線状から正方形状にいたるまでいずれのビーム形状を本発明に使用しても本発明が特徴とする効果がある。
【０２２０】
〔実施例４〕
実施例３にて、縞模様が上手く消えない場合は、光学系の配置が適当でない為であるか、線状レーザービームの重ね合せの間隔が不適当か、あるいは平行四辺形状シリンドリカルレンズ１１０６の角度Ｙが不適当であるかである。実際、光学系を設計する段階で、干渉のピーク配置を計算し、いちいちその条件に最適の角度を出していては、平行四辺形状シリンドリカルレンズ１１０６は、オーダーメイドで作成されなければならない。これでは、該レンズが非常に高価な物となってしまう。
【０２２１】
そこで、この欠点を図８の様な走査方向の決定方法で、おぎなうこととする。すなわち、実施例２で示した方法と同様の手続きをとればよい。
【０２２２】
〔実施例５〕
本実施例では考案３に示した光学系を用いて、非単結晶珪素膜Ａ、Ｂ、Ｃを結晶化させる、あるいは、結晶性をさらに高めるために、エキシマレーザーを用いてレーザーアニールを行う。
【０２２３】
本実施例では、図２で示した光学系のシリンドリカルレンズ２０５を考案３で示した特徴を持つ平行四辺形状シリンドリカルレンズ１８０１に置換している。角度Ｙは、８８度とする。
【０２２４】
ここで、シリンドリカルレンズ群２０３のレンズ１つ１つの幅（口径）は５ｍｍである。本実施例では、シリンドリカルレンズ群２０３と平行四辺形状シリンドリカルレンズ１８０１とを、非面対称に配置しなければならない。それらの配置を微調整した後（本実施例では、1.5 ｍｍ互いに横にずらせばよかった。）
実施例１と同様の手順でレーザーアニールを行えばよい。
【０２２５】
〔実施例６〕
本実施例では考案３に示した光学系のうちビームの幅方向の分割を省いた光学系を用いて、非単結晶珪素膜Ａ、Ｂ、Ｃを結晶化させる、あるいは、結晶性をさらに高めるために、エキシマレーザーを用いてレーザーアニールを行う。
【０２２６】
本実施例では、図２で示した光学系のシリンドリカルレンズ２０５を考案３で示した特徴を持つ平行四辺形状シリンドリカルレンズ１８０１に置換している。角度Ｙは、８８度とした。
【０２２７】
ここでシリンドリカルレンズ群２０３のレンズ１つ１つの幅（口径）は５ｍｍである。また、シリンドリカルレンズ群２０２とシリンドリカルレンズ２０４は除かれている。すなわち、図１６で示した光学系配置と全く同様である。
【０２２８】
このとき、レーザー遮光板１６０１を用いて、線状ビームの走査方向側にある長辺を構成する輪郭の直線性を高めるとより一様にレーザーアニールを行うことができた。線状レーザービームの走査方向にある側のビームの長辺の直線性の方が、他の長辺の直線性よりも、レーザーアニールの一様性に寄与するところがはるかに大きいことが経験的にわかっているので、レーザー遮光板は１枚で十分である。しかしながら、レーザー発振器から出されるレーザービームの形があまりにもいびつな形状をしている場合は、スリットを用いて、レーザービームを線状に整形しなければならない。
【０２２９】
なお、シリンドリカルレンズ群２０３は凸レンズ群であるが、凹レンズ群もしくは、凹凸混合のレンズ群を用いても本発明の本質になんら影響しない。詳細は実施例１にて記載した。
【０２３０】
本実施例では、シリンドリカルレンズ群２０３と平行四辺形状シリンドリカルレンズ１８０１とを、非面対称に配置しなければならない。それらの配置を微調整した後（本実施例では、1.5 ｍｍ互いに横にずらせばよかった。）、実施例１と同様の手順でレーザーアニールを行えばよい。
【０２３１】
【発明の効果】
本発明により、分割再結合によりレーザービームを均質化したレーザービームによるレーザーアニールの効果の面内均質性を大幅に向上させることができる。即ち、線状に加工されたレーザービームを走査させて照射する場合の縞模様状の照射むらの問題を解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  線状レーザーによりレーザー結晶化された珪素膜の写真。
【図２】  レーザー照射装置の概略を示す図。
【図３】  光干渉の原理を示す図。
【図４】  線状レーザーを形成する光学系により、ビームを分割、再結合させるときの光路。
【図５】  線状レーザーを形成する光学系により、ビームを分割、再結合させるときの光路。
【図６】  線状のレーザー光の照射面における干渉のピークを示す図。
【図７】  光干渉を強調するレーザー照射の様子を示す図。
【図８】  光干渉を目立たなくするするレーザー照射の様子を示す図。
【図９】  実施例におけるレーザー照射システムを示す図。
【図１０】実施例におけるレーザーアニール装置の上面図。
【図１１】  平行四辺形状シリンドリカルレンズの構成図。
【図１２】  平行四辺形状シリンドリカルレンズを使った光学系により加工された線状レーザービーム内の光干渉の様子を示す図。
【図１３】  平行四辺形状シリンドリカルレンズを使った光学系により加工された線状レーザービーム内の光干渉の様子を示す図。
【図１４】  平行四辺形状シリンドリカルレンズを使った光学系により、線状レーザービーム内の光干渉が分散化される様子を示す図。
【図１５】  シリンドリカルレンズ群２０２のサイズを規定する図。
【図１６】  実施例におけるレーザー照射室を示す図。
【図１７】  平行四辺形状シリンドリカルレンズを示す図。
【図１８】  平行四辺形状シリンドリカルレンズを示す図。
【図１９】  平行四辺形状シリンドリカルレンズを含む光学系により加工された線状レーザービーム内の光干渉の様子を変化させる方法を示す図。
【図２０】  平行四辺形状シリンドリカルレンズを使った光学系により、線状レーザービーム内の光干渉が分散化される様子を示す図。
【図２１】  光干渉を目立たなくするするレーザー照射の様子を示す図。
【図２２】  凹凸混合シリンドリカルレンズの例を示す図。
【図２３】平行四辺形状レンズ群を使った光学系により加工された線状レーザービーム内の光干渉の様子によって変化する、最も光干渉を目立たなくするレーザービームの走査方向を示す図。
【図２４】シリンドリカルレンズの配置による光路の変化を示す図。
【符号の説明】
２０１  レーザー発振装置
２０２  レーザー光分割のためのシリンドリカルレンズ群
２０３  レーザー光分割のためのシリンドリカルレンズ群
２０４  レーザー光、再結合のためのシリンドリカルレンズ
２０５  レーザー光、再結合のためのシリンドリカルレンズ
２０６  ミラー
２０７  線状ビームを集光するためのシリンドリカルレンズ
３０１  スリット
４０１  レーザー光分割のためのシリンドリカルレンズ群
４０２  レーザー光、再結合のためのシリンドリカルレンズ
５０１  レーザー光分割のためのシリンドリカルレンズ群
５０２  レーザー光、再結合のためのシリンドリカルレンズ
６０１  線状レーザービーム
６０２  干渉のピーク位置
７０１  線状レーザービーム
９０１  光学系
９０２  被処理基板
９０３  台
９０４  走査方向変更装置
１００１  基板搬送室
１００２  アライメント室
１００３  カセット
１００４  ロボットアーム
１００５  ロード／アンロード室
１００６  レーザー照射室
１００７  移動機構
１１０１  断面形状
１１０２  平行四辺形
１１０３  断面形状
１１０４  平行四辺形
１１０５  平行四辺形状シリンドリカルレンズ群
１１０６  平行四辺形状シリンドリカルレンズ
１２０１  線状レーザービーム
１３０１  干渉縞
１３０２  線状レーザービーム
１４０１  線状レーザービーム
１５０１  レーザービーム
１６０１  スリット
１８０１  平行四辺形状シリンドリカルレンズ
１９０１  照射面
１９０２  平行四辺形状シリンドリカルレンズ１８０１の焦点の集合を含む線と照射面と          の交点２００１  干渉縞
２００２  干渉縞
２００３  線状レーザービーム
２３０１  干渉のピークの分散化が不十分である線状レーザービーム
【図１】
0004086932.tif 000002
【図２】
0004086932.tif 000003
【図３】
0004086932.tif 000004
【図４】
0004086932.tif 000005
【図５】
0004086932.tif 000006
【図６】
0004086932.tif 000007
【図７】
0004086932.tif 000008
【図８】
0004086932.tif 000009
【図９】
0004086932.tif 000010
【図１０】
0004086932.tif 000011
【図１１】
0004086932.tif 000012
【図１２】
0004086932.tif 000013
【図１３】
0004086932.tif 000014
【図１４】
0004086932.tif 000015
【図１５】
0004086932.tif 000016
【図１６】
0004086932.tif 000017
【図１７】
0004086932.tif 000018
【図１８】
0004086932.tif 000019
【図１９】
0004086932.tif 000020
【図２０】
0004086932.tif 000021
【図２１】
0004086932.tif 000022
【図２２】
0004086932.tif 000023
【図２３】
0004086932.tif 000024
【図２４】
0004086932.tif 000025