(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザービームを、平行四辺形状のシリンドリカルレンズを有するビームホモジェナイザーを含む光学系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し、
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被照射基板に対して照射するレーザー光照射方法であって、
前記角度ｙは｜ｔａｎ  ｙ｜≦０．１の範囲であることを特徴とするレーザー光照射方法。
【請求項２】
レーザービームを、平行四辺形状のシリンドリカルレンズを有するビームホモジェナイザーを含む光学系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し、
該線状レーザービームを、被照射基板に対して走査させながら照射するレーザー光照射方法であって、
該線状レーザービームの走査方向と該線状レーザービームの幅方向とのなす角度はｙであり、
前記角度ｙは｜ｔａｎ  ｙ｜≦０．１の範囲であることを特徴とするレーザー光照射方法。
【請求項３】
レーザービームを、平行四辺形状のシリンドリカルレンズを有するビームホモジェナイザーを含む光学系及びレーザー光遮光板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し、
該線状レーザービームを、被照射基板に対して走査させながら照射するレーザー光照射方法であって、
該線状レーザービームの走査方向と該線状レーザービームの幅方向とのなす角度はｙであり、
前記角度ｙは｜ｔａｎ  ｙ｜≦０．１の範囲であることを特徴とするレーザー光照射方法。
【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、
前記平行四辺形は長方形でないことを特徴とするレーザー光照射方法。
【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、
前記平行四辺形の内角の１つは８９度から３０度の範囲であることを特徴とするレーザー光照射方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
前記平行四辺形の内角の１つは８７度から４５度の範囲であることを特徴とするレーザー光照射方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
【０００２】
本明細書で開示する発明は、レーザー光の照射を行う技術に関する。例えば、レーザー光の照射による半導体膜のアニール等を行う技術に関する。
【０００３】
【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）、すなわち、非単結晶珪素膜に対し、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。上記半導体膜には、珪素膜がよく用いられる。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。
【０００４】
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。一般に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。
【０００５】
また、出力の大きい、エキシマレーザー等のパルスレーザービームを、被照射面において、数ｃｍ角の四角いスポットや、数ミリ幅×数１０ｃｍの線状となるように光学系にて加工し、レーザービームを走査させて（レーザー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）、レーザーアニールを行う方法が、量産性が良く、工業的に優れているため、好んで使用される。
【０００６】
特に、線状レーザービームを用いると、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。
【０００７】
【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に際し、いくつかの問題が生じている。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にあった。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いた。（図１a 参照。）
【０００８】
例えばこの縞状の膜を使用して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。この問題は、レーザー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。）を細かくすることで、改善されつつある。本発明人の実験によると、走査のピッチは線状レーザービームのビーム巾の１０分の１前後が適当であった。
【０００９】
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ってきた。一般に線状レーザービームを形成する場合、元が長方形状のビームを適当なレンズ群に通して線状に加工する。前記長方形状のビームはアスペクト比が２から５程度であるが、例えば、図２、に示したレンズ群（これをビームホモジェナイザーと呼ぶ。）により、アスペクト比１００以上の線状ビームに変形される。その際、エネルギーのビーム内分布も同時に均質化されるように、上記レンズ群は設計されている。エネルギー分布を一様化する方法は、元の長方形のビームを分割後、各々拡大し重ね合わせて均質化するものである。
【００１０】
このような方法で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。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１ b 、に見られるような縞模様が膜にできてしまった。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た。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、レンズ群に起因するかのいずれかである。
【００１１】
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。本実験は該レンズ群に長方形状のレーザービームが入射する前に該レーザービームを回転させることにより上記縦縞がどう変化するかを調べるものである。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、レンズ群であることが判明した。本レンズ群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。
【００１２】
光干渉は、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より、光を強めあったり、弱めあったりする現象である。図３に５つのスリット３０１を等間隔に開けた場合の干渉縞の様子を光の強度Ｉを使って示した。
【００１３】
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に干渉のピークがきて、そのピークを中心にして干渉縞が形成される。これを図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（図４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に対応。）と線状ビームの中央Ａは、上記スリット群の中央の部分Aに対応し、ここに干渉のピークができる。該シリンドリカルレンズ群４０１によるビームの分割数が、スリットの数に対応している。
【００１４】
それぞれの図で、点Ａを中心として干渉の強弱が周期的に形成され、図の点B,Cに到る。実際のレーザーによる干渉縞はこのようにはっきりとした強弱を示さないが、これは半導体膜中で熱伝導によるエネルギーの分散が起こっているためと推測される。
【００１５】
ところで、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巾方向にも同様の光干渉が起きていることがわかる。
【００１６】
以上の考察から、図６において、図２のような光学系から形成される線状レーザービーム６０１は、そのビーム内に、格子状に干渉のピーク６０２（丸印で表記）を分布させることが分かった。このことは、図３の光干渉を２次元に拡張して考えると容易に理解できる。干渉のピークの間隔は、一様とはならない。なぜならば、該線状ビームは球面波を線状に合成しているからである。（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で。）
【００１７】
もし、干渉のピーク間隔を一定にしたいならば、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ので。）このような光波を形成する光学系を図５に示す。
【００１８】
この光学系の図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。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。
【００１９】
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一定となった。
【００２０】
上記で説明した通り、線状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。よって、その格子に沿って線状レーザービームを重ねつつ走査させる（本走査方向は線状レーザービームの線方向と直交する。）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。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。
【００２１】
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強調されできるものである。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に示した。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。）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。
【００２２】
そこで該縞模様が強調されないように、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った。
【００２３】
このように照射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、基板全体に一様に分布させることができるからである。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。以上の様な考察から、本発明人は以下の結論に達した。
【００２４】
シリンドリカルレンズ群２０３の形状を図１１、に示した平行四辺形状のものに変えることにより、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、のような分布に変える。図１１、に示したレンズ群の１つ１つは、放物面と直線とで形成されるレンズの形（あるいは或特定の波長をもつ２次元空間の平行光線を一点に集めることの出来るレンズの断面形状）１１０１を斜めに引き延ばした物である。
【００２５】
図形１１０１と平行四辺形１１０２とは直交している。図１２、の様なエネルギー分布を持つ線状レーザービーム１２０１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１３、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。よって、線状ビーム内の光干渉のピークが半導体膜で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最大にできることにある。
【００２６】
図１１、に示した様な光学系を用いると、図１２の様な光干渉の分布が得られることは、平行四辺形のユニットを持つ格子状のピンホール１４０１が形成する光干渉の様子１４０２をレーザービームに当てはめて考えれば容易に理解できる。
【００２７】
このモデルを基礎に考えると、様々な光干渉の分布を持つレーザービームを作ることができる。例えば、シリンドリカルレンズ群２０２を、図１１、に示した様なレンズ群に変更すると図１５、に示すような光干渉の分布が得られる。このような光干渉分布は、本発明には有効でない。なぜならば、光干渉のピークが線状レーザービームの線方向に直角な方向に並んでいるからである。
【００２８】
また、図形１１０１と平行四辺形１１０２とを直交させないで平行四辺形状レンズを作製しても線状レーザービームを形成することが可能であるが、この場合干渉のピークの配置の規則性が本発明にあまり適さないものとなる。しなしながら、従来のレンズ群を使用するよりは、形成される縞の数ははるかに少ないものとなる。
【００２９】
図１１、に示した平行四辺形状のシリンドリカルレンズ群の側面を形成する平行四辺形の内角の角度は、線状レーザービームの線方向に分布する干渉のピークの間隔と、ビーム幅とにより決定される。斜めにする角度の鋭角の方の値は、８９度から３０度程度でよかった。好ましくは、８７度から４５度程度が適当であった。
【００３０】
上記角度範囲は、基板のある一点に注目した場合、干渉のピークにあたるビームが１度だけ照射されるもしくは１度も照射されないような角度に設定されたものである。なお、上記の干渉のピークにあたるビームが一度だけ照射される点は基板面内でできるだけ一様に分布させた方がよい。
【００３１】
図５に示した平面波を作るレンズ配置は図１１の光学系にも適用できるので、図５に準じたレンズ配置を採ることは、一様性の向上に寄与する。干渉のピークの間隔が一定となるからである。
【００３２】
具体的には、これら干渉のピークの間隔が0.5 ｍｍ程度で一様に分布し、ビーム幅が0.4 ｍｍの場合、tanX=0.8で定義される角度Xを上記角度に決定すればよい。上記のものよりビーム幅の広い長方形状のビームを上記線状ビームと同様の手段により形成し、レーザーアニールに使用する場合は、ビーム幅が線状のものと比較し広いので、角度Xを小さくできる。具体的には、ビーム幅が５ｍｍ程度で干渉のピークの間隔が0.5 ｍｍ程度の場合、tanX=0.1で定義される角度Xが適当であった。
【００３３】
上記のような理由で決定される角度Ｘは、完全に理想的なビームが形成された場合に決定されるもので、実際には光学系を構成するレンズ群の配置の微妙なズレや、レンズ自体の精度、レーザー光の波長等々により若干その最適値は前後する。
【００３４】
しかしながら、該角度Ｘは調整が効かないので、図８のように走査方向を調整することにより、より縞消しの効果が上がる。ただしこの場合の走査角度の変更は、図８の角度と比較しほんの僅かでよい。具体的には、線状レーザーの走査方向と線状レーザービームの幅方向とのなす角度ｙを、｜tan ｙ｜≦0.1 の範囲で変化させれば、より縞消しの効果があがる角度が見つかる。
【００３５】
上記の理由で決定された角度は干渉のピークが基板全体に一様に分散化される目的で決定されたものであるが、実際に基板を照射すると、僅かな角度（１度程度）から効果があった。これは、該シリンドリカルレンズの角度Xを少し直角からずらすだけで、基板の或る一点に干渉のピークが何度も当たることを防ぐことが出来るからである。しかしながら、やはり、干渉のピークは基板全体に一様に当たる方がよりレーザーアニール効果の基板面内均質性があがる。
【００３６】
上記何れのレーザーアニールに対して、シリンドリカルレンズ群２０２とシリンドリカルレンズ２０４がなくてもその効果があった。（線状に収束させるレンズはシリンドリカルレンズ２０７の１つだけでもよい。）前記シリンドリカルレンズ群２０２はビームを線状レーザービームの幅方向に分割する役割を果たしており、シリンドリカルレンズ２０４は該分割されたレーザー光を再結合させるものである。この両者は該線状レーザービームの幅方向の均質性をより良くするためのものであるから、これらがなくても効果があることは当然である。
【００３７】
すなわち、本発明の第一は、上記説明の平行四辺形状の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ビームホモジェナイザーである。
【００３８】
本発明第一記載の平行四辺形は長方形でない。
本発明第一記載の平行四辺形の内角の１つは８９度から３０度の範囲であると、線状レーザービームの加工に適したものとなる。
本発明第一記載の平行四辺形の内角の１つは８７度から４５度の範囲であると、より線状レーザービームの加工に適したものとなる。
【００３９】
本発明の第二は、放物面と直線とで形成されるレンズの形（あるいは或特定の波長をもつ２次元空間の平行光線を一点に集めることの出来るレンズの形）を斜めに平行移動させることにより形成される平行四辺形状の形を持つシリンドリカルレンズ群と、他のシリンドリカルレンズとから構成されることを特徴とするビームホモジェナイザーである。
【００４０】
本発明の第三は、放物面と直線とで形成されるレンズの形（あるいは或特定の波長をもつ２次元空間の平行光線を一点に集めることの出来るレンズの形）を斜めに平行移動させることにより形成される平行四辺形状の形を持ちかつ、前記レンズの形と前記平行四辺形とが直交しているシリンドリカルレンズ群と、他のシリンドリカルレンズとから構成されることを特徴とするビームホモジェナイザーである。
【００４１】
本発明第三記載の平行四辺形は長方形でない。
本発明第三記載の平行四辺形の内角の１つは８９度から３０度の範囲であると、線状レーザービームの加工に適したものとなる。
本発明第三記載の平行四辺形の内角の１つは８７度から４５度の範囲であると、より線状レーザービームの加工に適したものとなる。
【００４２】
他の発明の構成は、
所定の断面形状を所定の方向に平行移動させることにより形成される形状を有するシリンドリカルレンズを複数組み合わせたシリンドリカルレンズ群を有し、
前記シリンドリカルレンズ群は、レーザー光の光路に挿入されており、
前記断面形状は、或特定の波長をもつ２次元空間の平行光線を一点に集めることの出来る形状であり、
前記シリンドリカルレンズの焦点の集合で形成される線は、前記レーザー光の光路に垂直な平面に含まれ、かつ前記断面形状を含む平面に垂直でないことを特徴とする。
【００４３】
上記構成において、或特定の波長をもつ２次元空間の平行光線を一点に集めることの出来る形状とは、光学的な形状として定義される。
【００４４】
また、他の発明の構成は、
所定の断面形状を所定の方向に平行移動させることにより形成される形状を有する複数のシリンドリカルレンズを組み合わせたシリンドリカルレンズ群を有し、
前記シリンドリカルレンズ群は、レーザー光の光路に挿入されており、
前記断面形状は、或特定の波長をもつ２次元空間の平行光線を一点に集めることの出来る形状であり、
前記シリンドリカルレンズの焦点の集合で形成される線は、前記レーザー光の光路に垂直な平面に含まれ、かつ前記断面形状を含む平面に垂直でなく、
前記複数のシリンドリカルレンズの焦点の集合で形成される線のそれぞれは、互いに平行であることを特徴とする。
【００４５】
上記２つの構成において、
シリンドリカルレンズの焦点の集合で形成される線と断面形状を含む面とがなす角度は８９°〜３０°であることを特徴とする。また、シリンドリカルレンズの焦点の集合で形成される線と断面形状を含む面とがなす角度は８７°〜４５°であることを特徴とする。
【００４６】
他の発明は、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上記説明の平行四辺形状の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ビームホモジェナイザーと、
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。
【００４７】
他の発明は、
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上記説明の平行四辺形状の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ビームホモジェナイザーと、
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ビームホモジェナイザーと、
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。
【００４８】
他の発明は、
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上記説明の平行四辺形状の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ビームホモジェナイザーと、
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。
【００４９】
他の発明は、
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上記説明の平行四辺形状の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ビームホモジェナイザーと、
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ビームホモジェナイザーと、
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。
【００５０】
他の発明は、
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、上記発明の平行四辺形状ビームホモジェナイザーを含む光学系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平面を含む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する
半導体デバイスのレーザー処理方法である。
【００５１】
他の発明は、
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、上記発明の平行四辺形状ビームホモジェナイザーを含む光学系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。
【００５２】
【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。
【００５３】
具体的には、例えば、図２に示されるレンズ群により形成される線状レーザービームのエネルギーは、その線方向にエネルギーの強弱の周期的繰り返しが見られる。
【００５４】
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。
【００５５】
本発明では、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。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。
【００５６】
【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製方法を示す。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。
【００５７】
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上に、下地膜としての酸化珪素膜が２０００Å、その上に非晶質珪素膜が、５００Å、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。
【００５８】
（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をいれた。
【００５９】
該膜内の水素の密度は１０の２０乗atoms/cm3オーダーが適当であった。この膜を非単結晶珪素膜Ａと呼ぶ。
【００６０】
（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。
【００６１】
次に、上記のようにして各膜が積層された基板に、６００℃で４時間の熱アニールが施され、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Ｂが形成される。
【００６２】
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、結晶化を促進させる。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。
【００６３】
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する。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。
【００６４】
（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法を用いた。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。
【００６５】
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。
【００６６】
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程度が得られた。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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。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１１０１に置き換えられている。該平行四辺形状シリンドリカルレンズ群１１０１の平行四辺形の内角の１つは８０度とした。
【００７０】
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。本発明で使用する線状レーザービームはすべて図２記載の光学系にて線状に加工されている。図２と異なる光学系にて線状レーザービームを加工してもよいが、該線状ビーム内のエネルギー分布は図２記載のものに準じていなければならない。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。
【００７１】
シリンドリカルレンズ群２０２、１１０１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、２０５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７分割、縦に７分割しているので４９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。
【００７２】
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、１１０１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。
【００７３】
図１１記載のシリンドリカルレンズ群１１０１を、同一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。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。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。
【００７４】
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。
【００７５】
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
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
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。
【００８０】
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。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。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。
【００８１】
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。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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
〔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群１１０１の角度Ｘ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群はすべて、オーダーメイドで作成されなければならない。これでは、該レンズ群が非常に高価な物となってしまう。
【００８５】
そこで、この欠点を、図８の様な走査方向の決定方法と、本発明の平行四辺形状シリンドリカルレンズ群１１０１を組み合わせることで補うこととする。
【００８６】
すなわち、シリンドリカルレンズ群１１０１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１７A,B のようなものとなった場合、走査方向変更装置９０４により基板の走査方向を微調整し、図１８A,B が示す走査方向を選択すれば、干渉のピークがより一様に基板に分散される。なお、図１７、１８は誇張して傾斜を表現している。
【００８７】
〔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。
【００８８】
ここでシリンドリカルレンズ群１１０１はビームを横に分割する役割を果たしている。この分割された光束をシリンドリカルレンズ２０５が１領域に集める役割を果たしている。
【００８９】
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。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０.３ｍｍのビームを作った。
【００９０】
本実施例では、干渉縞が図１９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たいしても、本発明である平行四辺形状シリンドリカルレンズ群が有効に作用することは言うまでもない。
【００９１】
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。
【００９２】
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、１１０１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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
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。
【００９８】
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。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。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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
〔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群１１０１の角度Ｘ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群はすべて、オーダーメイドで作成されなければならない。これでは、該レンズ群が非常に高価な物となってしまう。
【０１０３】
そこで、この欠点を、図８の様な走査方向の決定方法と、本発明の平行四辺形状シリンドリカルレンズ群１１０１を組み合わせることで、おぎなうこととする。すなわち、シリンドリカルレンズ群１１０１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２０A,B のようなものとなった場合、走査方向変更装置９０４により基板の走査方向を微調整し、図２１A,B が示す走査方向を選択すれば、干渉のピークがより一様に基板に分散される。なお、図２０、２１は誇張して傾斜を表現している。
【０１０４】
【発明の効果】
本明細書で開示する発明を利用することにより、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。
【０１０５】
本明細書で開示する発明は、レーザーアニール技術のみではなく、大面積へのレーザー照射が必要な技術に利用することができる。例えば、レーザー光を利用した露光技術等に利用することができる。
【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】  実施例における線状レーザーを形成する光学系。
【図３】  多数による光干渉の図解。
【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】  実施例におけるレーザー照射室を示す図。
【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】  平行四辺形状レンズ群の図。
【図１２】  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を示す図。
【図１３】  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１４】  平行四辺形のユニットを持つ格子状のピンホールが形成する光干渉の様子を表す図。
【図１５】  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を示す図。
【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を示す図。
【図１８】  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１９】  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を示す図。
【図２０】  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を示す図。
【図２１】  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２２】  シリンドリカルレンズ群の形状を示す図。
【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  放物面と直線とで形成される図形（あるいは平行光線を一点に集めることの出来るレンズの断面形状）
１１０２  平行四辺形
１２０１  線状レーザービーム
１４０１  平行四辺形のユニットを持つ格子状のピンホール
１４０２  平行四辺形のユニットを持つ格子状のピンホールが形成する光干渉の様子１６０１  スリット
１９０１  光干渉のピーク位置
【図１】
0004059952.tif 000002
【図２】
0004059952.tif 000003
【図３】
0004059952.tif 000004
【図４】
0004059952.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
0004059952.tif 000008
【図８】
0004059952.tif 000009
【図９】
0004059952.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
0004059952.tif 000018
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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