(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のＮｄ：ＹＶＯ４の連続発振固体レーザ源から出射するレーザビームをフォーカス光学系を通してガラス基板上の非結晶シリコン膜に照射し、該非結晶シリコン膜を溶融結晶化するシリコン結晶化方法であって、
複数の該レーザビームは互いに重なることなく該ガラス基板上に照射され、且つ、互いに平行に該非結晶シリコン膜を走査するものであると共に、その溶融跡が互いに重なり合うよう位置付けられ、
前記連続発振固体レーザ源の少なくとも１つには、ビームエキスパンダが設けられており、
前記レーザビームは、前記ビームエキスパンダにより拡がり角が調整され、
前記ガラス基板における周辺領域に対する前記レーザービームの照射のスキャンと、前記ガラス基板における表示領域に対する前記レーザービームの照射のスキャンとを交叉させて行い、
前記表示領域に対する前記スキャンの速度は、前記周辺領域に対する前記スキャンの速度よりも大きく、
前記周辺領域に対する前記レーザビームの照射の強度は、前記表示領域に対する前記レーザビームの照射の強度よりも強く、
前記周辺領域辺に対するスキャンと前記表示領域に対するスキャンとが交叉する領域においては、前記表示領域に対するスキャンを、前記周辺領域に対するスキャンの後に行うことを特徴とするシリコン結晶化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシリコン結晶化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置はＴＦＴを含むアクティブマトリックス駆動回路を含む。また、システム液晶表示装置は表示領域のまわりの周辺領域にＴＦＴを含む電子回路を含む。低温ポリＳｉは、液晶表示装置のＴＦＴ及びシステム液晶表示装置の周辺領域の電子回路のＴＦＴを形成するのに適している。また、低温ポリＳｉは、有機ＥＬでの画素駆動用ＴＦＴや有機ＥＬでの周辺領域の電子回路への応用も期待されている。本発明は低温ポリＳｉでＴＦＴを作るためにＣＷレーザ（連続発振レーザ）を用いた半導体結晶化方法及び装置に関するものである。
【０００３】
低温ポリＳｉで液晶表示装置のＴＦＴを形成するために、従来はガラス基板に非晶質シリコン膜を形成し、ガラス基板の非晶質シリコン膜にエキシマパルスレーザを照射し、非晶質シリコンを結晶化していた。最近、ガラス基板の非晶質シリコン膜にＣＷ固体レーザを照射し、非晶質シリコンを結晶化する結晶化方法が開発された。
【０００４】
エキシマパルスレーザによるシリコンの結晶化では、移動度が１５０〜３００（ｃｍ２／Ｖｓ）程度であるのに対して、ＣＷレーザによるシリコンの結晶化では、移動度が４００〜６００（ｃｍ２／Ｖｓ）程度を実現でき、特に、システム液晶表示装置の周辺領域の電子回路のＴＦＴを形成するのに有利である。
【０００５】
シリコンの結晶化では、シリコン膜をレーザビームでスキャンする。この場合、シリコン膜を有する基板を可動ステージに搭載し、固定のレーザビームに対してシリコン膜を動かしながらスキャニングを行う。図１０に示されるように、エキシマパルスレーザでは、例えば、ビームスポットＸが２７．５ｃｍ×０．４ｍｍのレーザビームでスキャンすることができ、ビーム幅２７．５ｃｍで、スキャン速度６ｍｍ／ｓでスキャニングを行うと、エリアスキャン速度は１６．５ｃｍ２／ｓである。
【０００６】
一方、図１１に示されるように、ＣＷ固体レーザでは、例えば、レーザパワーが１０Ｗで、ビームスポットＹの幅が４００μｍ程度で、スキャン速度５０ｃｍ／ｓでスキャニングを行うと、良い結晶化のできる有効メルト幅はビームスポット４００μｍで１５０μｍとなるので、エリアスキャン速度は０．７５ｃｍ２／ｓである。このように、ＣＷ固体レーザによる結晶化では、品質の優れたポリシリコンを得ることができるが、スループットが低いという問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ＣＷ固体レーザによる結晶化では、品質の優れたポリシリコンを得ることができるが、エリアスキャン速度は低く、スループットが十分上がらないという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、ＣＷ固体レーザを使用した場合でもスループットを高くすることのできる半導体結晶化方法及び装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によるシリコン結晶化方法は、複数のＮｄ：ＹＶＯ４の連続発振固体レーザ源から出射するレーザビームをフォーカス光学系を通してガラス基板上の非結晶シリコン膜に照射し、該非結晶シリコン膜を溶融結晶化するシリコン結晶化方法であって、複数の該レーザビームは互いに重なることなく該ガラス基板上に照射され、且つ、互いに平行に該非結晶シリコン膜を走査するものであると共に、その溶融跡が互いに重なり合うよう位置付けられ、前記連続発振固体レーザ源の少なくとも１つには、ビームエキスパンダが設けられており、前記レーザビームは、前記ビームエキスパンダにより拡がり角が調整され、前記ガラス基板における周辺領域に対する前記レーザービームの照射のスキャンと、前記ガラス基板における表示領域に対する前記レーザービームの照射のスキャンとを交叉させて行い、前記周辺領域に対する前記レーザビームの照射の強度は、前記表示領域に対する前記レーザビームの照射の強度よりも強く、前記表示領域に対する前記スキャンの速度は、前記周辺領域に対する前記スキャンの速度よりも大きく、前記周辺領域辺に対するスキャンと前記表示領域に対するスキャンとが交叉する領域においては、前記表示領域に対するスキャンを、前記周辺領域に対するスキャンの後に行うことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の関連発明による半導体結晶化方法は、複数のレーザ源から出射するレーザビームをフォーカス光学系を通して基板の半導体膜に照射し、該半導体膜を溶融結晶化する半導体結晶化方法であって、複数の該レーザビームは互いに重なることなく該基板上に照射され、且つ、互いに平行に該半導体膜を走査するものであると共に、その溶融跡が互いに重なり合うよう位置付けられる。
【００１１】
また、本発明の関連発明による半導体結晶化方法は、複数のレーザ源から出射するレーザビームをフォーカス光学系を通して基板の半導体膜に照射し、該半導体膜を溶融結晶化する半導体結晶化方法であって、該レーザ源から出射するレーザビームにより形成される複数のビームスポットは、少なくともその一部において互いに重なりあう。
【００１２】
また、本発明の関連発明による半導体結晶化装置は、複数のレーザ源と、フォーカス光学系と、該複数のレーザ源から出射するレーザビームを該フォーカス光学系に導く合成光学系とを備え、該合成光学系は、第１のレーザ源の後に配置されたλ／２板と、第１及び第２のレーザ源の少なくとも一方の後に配置されたビームエキスパンダと、第１及び第２のレーザ源を出射したレーザビームを合成する偏光ビームスプリッタとからなる。
【００１３】
これらの構成によれば、複数のレーザ源から出射するレーザビームをフォーカス光学系を通して基板の非晶質半導体に照射することで、照射されるビームスポットを大きくできる。ビームスポットが大きくなる事でメルト幅が大きくなるので、品質の優れたポリシリコンを得るために必要なスキャン速度は一定であっても、エリアスキャン速度は大きくなる。こうして、品質の優れたポリシリコンを高いスループットで得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、実施例について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は液晶表示装置を示す略断面図である。液晶表示装置１０は対向する一対のガラス基板１２，１４の間に液晶１６を挿入してなるものである。電極及び配向膜がガラス基板１２，１４に設けられることができる。一方のガラス基板１２はＴＦＴ基板であり、他方のガラス基板１４はカラーフィルタ基板である。
【００１６】
図２は図１のガラス基板１２を示す略平面図である。ガラス基板１２は表示領域１８と、表示領域１８のまわりの周辺領域２０とを有する。表示領域１８は多数の画素２２を含む。図２では、１つの画素２２が部分的に拡大して示されている。画素２２は３原色のサブ画素領域ＲＧＢを含み、各サブ画素領域ＲＧＢにはＴＦＴ２４が形成されている。周辺領域２０はＴＦＴ（図示せず）を有し、周辺領域２０のＴＦＴは表示領域１８のＴＦＴ２４よりも密に配置されている。
【００１７】
図２のガラス基板１２は、１５型ＱＸＧＡ液晶表示装置を構成するものであり、２０４８×１５３６の画素２２を有する。３原色のサブ画素領域ＲＧＢが並ぶ方向（水平な方向）上には２０４８の画素が並び、サブ画素領域ＲＧＢの数は２０４８×３になる。３原色のサブ画素領域ＲＧＢが並ぶ方向（水平な方向）に対して垂直な方向（垂直な方向）には１５３６の画素が並ぶ。後で説明する半導体結晶化においては、周辺領域２０では各辺に平行な方向にレーザスキャンが行われ、表示領域１８では矢印Ａまたは矢印Ｂの方向にレーザスキャンが行われる。
【００１８】
その理由は、Ａ，Ｂの方向にＴＦＴが密に配置されＡ，Ｂと垂直の方向にはＴＦＴが疎に配置されているため、正方形に近いマザーガラスでは、Ａ，Ｂ方向の方がレーザスキャン回数が少くなりスループットが高くなるからである。
【００１９】
図３は図２のガラス基板１２を作るためのマザーガラス２６を示す略平面図である。マザーガラス２６は複数のガラス基板１２を採取するようになっている。図３に示す例では、１つのマザーガラス２６から４つのガラス基板１２を採取するようになっているが、１つのマザーガラス２６から４つ以上のガラス基板１２を採取することもできる。
【００２０】
図４は図２のガラス基板１２のＴＦＴ２４及び周辺領域２０のＴＦＴを形成する工程を示す図である。ステップＳ１において、ガラス基板に、絶縁膜、非晶質シリコン膜を形成する。ステップＳ２において、非晶質シリコン膜が結晶化され、ポリシリコンになる。ステップＳ３において、ＴＦＴとなるべきシリコンの部分などの必要なシリコン部分を残し、ポリシリコンや非晶質シリコン膜の不要部を除去して、ＴＦＴ分離を行う。ステップＳ４において、ゲート電極、ドレイン電極、層間絶縁膜、コンタクトホールなどを形成する。ステップＳ５において、さらに、絶縁膜やＩＴＯ膜を形成して、ガラス基板１２を完成する。ＩＴＯ膜は画素２２を構成する画素電極となる。
【００２１】
図５はレーザビームによって非晶質シリコン膜（半導体膜）を結晶化するところを示す図である。非晶質シリコン膜３６がＳｉＯ２等の絶縁膜を間にはさんでガラス基板１２に形成され、ガラス基板１２はＸＹステージ３８の真空チャックや機械的ストッパーでＸＹステージ３８に固定されている。レーザビームＬＢは非晶質シリコン膜３６に照射され、ＸＹステージ３８は所定の方向に移動され、スキャンが行われる。最初に、ガラス基板１２の周辺領域２０の非晶質シリコン３６にレーザビームを集光照射し、非晶質シリコンを溶融固化させ、ポリシリコンに結晶化させる。それから、ガラス基板１２の表示領域１８の非晶質シリコンにレーザビームを集光照射し、非晶質シリコンを溶融固化させ、ポリシリコンに結晶化させる。その理由は、交叉してレーザスキャンを行う場合周辺領域のように強いレーザ光で結晶化させた後に表示領域対応の弱いレーザ光で結晶化する場合は交叉部の結晶性は強いレーザ光の場合と変わらないが、逆の順番では強いレーザ光による結晶化が不十分となるためである。アモルファスでよくある程度結晶化していると光の吸収が小さくなるためである。
【００２２】
周辺領域２０のＴＦＴは表示領域１８のＴＦＴ２４よりも密に配置されているので、品質の高いポリシリコンが求められる。従って、周辺領域２０のレーザスキャンは比較的に高いパワーをもったレーザビームで比較的に低いスキャン速度で行われ、表示領域１８のＴＦＴ２４はそれほどの高い品質のポリシリコンでなくてもよいので、比較的に出力の低いレーザビーム（あるいはレーザビームを分割したサブビーム）で比較的に高いスキャン速度で行われる。
【００２３】
図６は周辺領域２０の半導体の結晶化に使用されるレーザ装置７０を示す図である。レーザ装置７０は結晶化のために図５のＸＹステージ３８とともに使用される。レーザ装置７０は、２つのレーザ源（連続発振（ＣＷ）レーザ発振器）７１，７２と、共通のフォーカス光学系７３と、２つのレーザ源７１，７２から出射するレーザビームＬＢをフォーカス光学系７３に導く合成光学系７４とを備える。
【００２４】
フォーカス光学系７３は、ほぼ半円筒体形状のレンズ７５と、このレンズ７５と直交するように配置されたほぼ半円筒体形状のレンズ７６と、凸レンズ７７とからなる。フォーカス光学系７３により、レーザビームＬＢのビームスポットは楕円形状になる。
【００２５】
合成光学系７４は、第１のレーザ源７１の後に配置されたλ／２板７８と、第２のレーザ源７２の後に配置されたビームエキスパンダ７９と、第１及び第２のレーザ源７１，７２を出射したレーザビームＬＢを合成する偏光ビームスプリッタ８０とからなる。８１はミラーである。
【００２６】
こうして、複数のレーザ源７１，７２から出射するレーザビームＬＢを合成光学系７４で構成し、合成されたレーザビームＬＢをフォーカス光学系７３を通してガラス基板１２の非晶質半導体３６に照射し、非晶質半導体３６を結晶化する。ビームエキスパンダ７９はレーザビームＬＢの拡がり角を調整するものである。すなわち、複数のレーザ源７１，７２のレーザビームＬＢの拡がり角にバラツキがあると、一方のレーザビームＬＢをフォーカス光学系７３によってフォーカスを合わせても、他方のレーザビームＬＢのフォーカスが合わないことがあるので、ビームエキスパンダ７９によってレーザビームＬＢの拡がり角を調整することにより、２つのレーザビームＬＢのフォーカスが合うようにする。ビームエキスパンダ７９は他方のレーザビームＬＢの光路に配置してもよい。また、２つのレーザビームの光路の両方に配置してもよい。
【００２７】
第１及び第２のレーザ源７１，７２から出たレーザビームＬＢは縦に直線偏光した偏光であり、第１のレーザ源７１から出たレーザビームＬＢはλ／２板７８により偏光面が９０度回転して横に直線偏光した偏光になる。従って、第１のレーザ源７１から出てλ／２板７８を通ったレーザビームＬＢ及び第２のレーザ源７２から出たレーザビームＬＢは偏光ビームスプリッタ８０に導入され、２つのレーザビームＬＢはほとんど重ね合わされて非晶質半導体３６に向かう。直線偏光の変化の様子については図７により詳細に示されている。
【００２８】
各レーザビームＬＢはフォーカス光学系７３を通って楕円形状のビームスポットを形成する。図８に示されるように、合成されたレーザビームＬＢのビームスポットは個別のレーザビームＬＢのビームスポットが重なり合うように形成され、まゆ形のビームスポットＢＳとなる。これは、例えばミラー８１のいずれかの角度を微小にずらすことによって達成される。すなわち、複数のレーザ源７１，７２から出射するレーザビームＬＢはそれぞれ楕円形状のビームスポットを形成し、該複数の楕円形状のビームスポットは長軸方向で互いに重なりあっている。
【００２９】
例においては、ＳｉＯ２がプラズマＣＶＤでガラス基板１２の上に厚さ４００ｎｍで形成され、その上に非晶質シリコン３６がプラズマＣＶＤで１００ｎｍの厚さに形成された。レーザはＮｄ：ＹＶ０４の固体レーザの連続波を用いる。一例において、単一のレーザ源を使用した場合、レーザパワー１０Ｗで、４００μｍ×２０μｍのビームスポットを形成する。単一のレーザ源では、レーザ幅４００μｍで、スキャン速度５０ｃｍ／ｓでスキャンすると、エリアスキャン２００ｃｍ２／ｓを達成できる。そして、レーザ照射幅４００μｍのうち、非晶質半導体３６の幅１５０μｍのストライプ状の部分がよく溶融し、結晶化され、フロー型の結晶粒界を示す。このフロー型の結晶粒界からなるポリシリコン領域にＴＦＴを作ると、移動度が５００（ｃｍ２／Ｖｓ）の高移動度特性を得ることができる。
【００３０】
図６に示されるように２つのレーザ源７１，７２から出射して合成されたレーザビームＬＢのビームスポットは、６００μｍ×２０μｍになる。レーザパワー１０Ｗで、スポット幅６００μｍで、スキャン速度５０ｃｍ／ｓでスキャンすると、レーザ照射幅６００μｍのうち、非晶質半導体３６の幅３５０μｍのストライプ状の部分が特によく溶融し、結晶化され、フロー型の結晶粒界を示す領域が得られた。高品質に結晶化された幅３５０μｍのストライプ状の部分は単一のレーザ源を使用した場合の高品質に結晶化された幅１５０μｍのストライプ状の部分の２倍よりも大きくなった。すなわち、２つのビームスポットの相互加熱により、ビームスポットのサイズ及び有効メルト幅（高品質に結晶化された幅）を拡大することができた。
【００３１】
図７はレーザ装置７０の変形例を示す図である。図７のレーザ装置７０Ａは２ユニットの光学系を含む。各ユニットの光学系は図６のレーザ装置７０と同様の光学部材を含む。第１のユニットの光学系には図６の光学部材を表す数字に添え字ａをつけ、第２のユニットの光学系には図６の光学部材を表す数字に添え字ｂをつけて示した。ビームエキスパンダ７９は適宜設けることができる。
【００３２】
２ユニットの光学系は近接して配置され、２ユニットの光学系で作られるビームスポットＢＳがスキャン方向に対して垂直な方向及び平行な方向にずらして配置される。この構成においては、それぞれ３５０μｍの有効メルト幅領域を、スキャンの跡が５０μｍの重ねがあるように配置し、有効メルト幅は６５０μｍとなった。
【００３３】
図９は、ビームスポットの他の例を示す図である。３つのビームスポットＢＳがスキャン方向に対して垂直な方向及び平行な方向にずらして配置される。３つのビームスポットはスキャン方向で互いにずれていて互いに重なることなく基板上に照射される。ただし、３つのビームスポットは互いに平行に半導体膜を走査し、スキャン方向で見ると３つのビームスポットは重なり、その溶融幅（メルト幅）が互いに重なり合うように位置づけられる。また、３つ以上のビームスポットＢＳがスキャン方向に対して垂直な方向及び平行な方向にずらして配置されることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、ＣＷ固体レーザを使用した場合でもスループットを高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  液晶表示装置を示す略断面図である。
【図２】  図１のガラス基板を示す略平面図である。
【図３】  図２のガラス基板を作るためのマザーガラスを示す略平面図である。
【図４】  図２のガラス基板のＴＦＴ及び周辺領域のＴＦＴを形成する工程を示す図である。
【図５】  レーザビームによって半導体膜を結晶化するところを示す図である。
【図６】  周辺領域の半導体の結晶化に使用されるレーザ装置を示す図である。
【図７】  レーザ装置の変形例を示す図である。
【図８】  ビームスポットの例を示す図である。
【図９】  ビームスポットの例を示す図である。
【図１０】  従来のエキシマパルスレーザによる結晶化方法を説明する図である。
【図１１】  従来のＣＷレーザによる結晶化方法を説明する図である。
【符号の説明】
１２，１４…ガラス基板
１６…液晶
１８…表示領域
２０…周辺領域
２２…画素
２４…ＴＦＴ
２６…マザーガラス
３０…ＣＷレーザ発振器
３６…非晶質シリコン膜
７３…フォーカス光学系
７４…合成光学系
７８…λ／２板
７９…ビームエキスパンダ
８０…偏光ビームスプリッタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0004212830.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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