(57)【要約】【課題】レーザー光導入窓の透過率変化によらず均一な強度分布のレーザー光を照射可能な薄膜半導体の製造装置及び薄膜半導体の製造方法を提供すること。【解決手段】薄膜半導体の製造装置は、基板の表面に形成された薄膜半導体にレーザー光５０を照射することにより薄膜半導体のアニール処理を行う。当該装置は、内部に基板が設置されるアニール処理室と、アニール処理室に設けられたレーザー光導入窓と、アニール処理室の外部に配置されたレーザー光源と、レーザー光５０の光路に配置され、レーザー光５０の一部を遮光するスリット１０と、当該光路に配置され、レーザー光５０を少なくとも短軸方向に集光する集光レンズ４２とを備える。レーザー光５０は、スリット１０により一部が遮光され、集光レンズ４２によって略線状に集光された結果、長軸方向の強度分布が調整される。【選択図】図５
2009027059.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面に形成された薄膜半導体にレーザー光を照射することにより前記薄膜半導体のアニール処理を行う薄膜半導体の製造装置であって、
内部に前記基板が設置されるアニール処理室と、
前記アニール処理室に設けられたレーザー光導入窓と、
前記レーザー光導入窓を経て前記基板に至る光路に沿って前記レーザー光を照射する、前記アニール処理室の外部に配置されたレーザー光源と、
前記光路のうち前記レーザー光源から前記レーザー光導入窓に至るまでのいずれかの位置に、前記レーザー光の断面の第１軸方向に沿って配置され、前記レーザー光の一部を遮光するスリットと、
前記光路のうち前記スリットから前記基板に至るまでのいずれかの位置に配置され、前記レーザー光を、少なくとも前記レーザー光の断面の前記第１軸方向に直交する第２軸方向に集光する集光レンズと、
を備えることを特徴とする薄膜半導体の製造装置。
【請求項２】
請求項１に記載の薄膜半導体の製造装置であって、
前記スリットに入射する前記レーザー光の断面は、前記第１軸方向の幅が前記第２軸方向の幅より大きく、
前記スリットにより遮光された直後の前記レーザー光の断面は、前記第２軸方向の幅が、前記第１軸方向についての中心の位置で最も大きく、前記第１軸方向の端部の位置で最も小さいことを特徴とする薄膜半導体の製造装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の薄膜半導体の製造装置であって、
前記スリットの形状は、前記レーザー光の断面の前記第１軸方向に沿って前記レーザー光の中心から離れるほど、前記第２軸方向の幅が大きくなっていることを特徴とする薄膜半導体の製造装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の薄膜半導体の製造装置であって、
前記スリットは、前記レーザー光の断面の前記第１軸方向に沿って移動可能であることを特徴とする薄膜半導体の製造装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の薄膜半導体の製造装置であって、
前記スリットは、前記レーザー光が照射される面の法線が、前記光路の方向に対して傾いていることを特徴とする薄膜半導体の製造装置。
【請求項６】
表面に薄膜半導体が形成された基板が、内部に設置されるアニール処理室と、
前記アニール処理室に設けられたレーザー光導入窓と、
前記レーザー光導入窓を経て前記基板に至る光路に沿ってレーザー光を照射する、前記アニール処理室の外部に設けられたレーザー光源と、
前記光路のうち前記レーザー光源から前記レーザー光導入窓に至るまでのいずれかの位置に、前記レーザー光の断面の第１軸方向に沿って配置され、前記レーザー光の一部を遮光するスリットと、
前記光路のうち前記スリットから前記基板に至るまでのいずれかの位置に配置され、前記レーザー光を、少なくとも前記レーザー光の断面の前記第１軸方向に直交する第２軸方向に集光する集光レンズと、
を備える薄膜半導体の製造装置を用いた薄膜半導体の製造方法であって、
前記レーザー光源から、前記光路に沿って、前記薄膜半導体に前記レーザー光を照射することにより前記薄膜半導体のアニール処理を行う工程を有することを特徴とする薄膜半導体の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の薄膜半導体の製造方法であって、
前記レーザー光導入窓の透過率変化に応じて、前記スリットを、前記レーザー光の断面の前記第１軸方向に沿って移動させる工程を有することを特徴とする薄膜半導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜半導体の製造装置及び薄膜半導体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）素子や太陽電池等に使用される半導体として、高移動度が得られるポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）が多く採用されている。とりわけ、工程最高温度が概ね６００℃以下の低温プロセスで製造される低温ポリシリコンは、ガラス基板上に形成可能であることから様々なデバイスに用いられている。上記低温プロセスでは、レーザーアニール装置によるレーザー結晶化の技術が広く用いられている。レーザー結晶化とは、基板上のシリコン膜に高出力のレーザー光を照射してアニール処理することによってシリコン膜を溶融させ、その冷却過程において結晶化させる技術である。
【０００３】
レーザーアニール装置は、基板が設置される真空チャンバーと、真空チャンバーの壁面に設けられた透光性のレーザー光導入窓と、真空チャンバーの外部に設けられたレーザー光学系とを含んで構成され、レーザー光をレーザー光導入窓から真空チャンバー内に導入し、基板に照射させることでレーザー結晶化を行う。ここで、レーザー結晶化を繰り返し行うと、基板上のアモルファスシリコンが溶融、蒸発して飛散し（アブレーション）、レーザー光導入窓に少しずつ付着していく。これにより、レーザー光導入窓におけるレーザー光の透過率が不均一な分布で徐々に低下していく。この現象に起因して、高い照射効率が得られないという問題や、基板上のレーザー照射密度に偏りが生じるという問題が生じる。ひいては、均一な特性のポリシリコン膜が得られないという問題が生じる。なお、レーザー光学窓に付着したシリコンをプラズマエッチング等で除去する方法が知られているが、実際上、付着したシリコンを完全に除去するのは困難な場合が多い。
【０００４】
上記問題を緩和させる技術として、特許文献１には、シリコンの付着によるレーザー光学窓の透過率低下を検知し、レーザー光学窓の交換タイミングを決定する方法が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１６４５２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、アブレーションの影響によるレーザー光導入窓の透過率低下は、基板を処理するごとに徐々に進行するものであり、かつレーザー照射領域内において不均一に透過率が低下していく。このため、レーザー光導入窓を交換したとしても、その直後を除いて、結局レーザー光導入窓の透過率が不均一となり、ひいては基板に照射されるレーザー光強度が不均一になってしまうという問題がある。この結果、不均一なレーザー結晶化が行われ、ポリシリコン膜に特性ばらつきが生じてしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］基板の表面に形成された薄膜半導体にレーザー光を照射することにより前記薄膜半導体のアニール処理を行う薄膜半導体の製造装置であって、内部に前記基板が設置されるアニール処理室と、前記アニール処理室に設けられたレーザー光導入窓と、前記レーザー光導入窓を経て前記基板に至る光路に沿って前記レーザー光を照射する、前記アニール処理室の外部に配置されたレーザー光源と、前記光路のうち前記レーザー光源から前記レーザー光導入窓に至るまでのいずれかの位置に、前記レーザー光の断面の第１軸方向に沿って配置され、前記レーザー光の一部を遮光するスリットと、前記光路のうち前記スリットから前記基板に至るまでのいずれかの位置に配置され、前記レーザー光を、少なくとも前記レーザー光の断面の前記第１軸方向に直交する第２軸方向に集光する集光レンズと、を備えることを特徴とする薄膜半導体の製造装置。
【０００９】
このような構成によれば、レーザー光は、スリットで一部が遮光され、その後集光レンズにより第２軸方向に集光されて、第１軸方向に長い断面を有する状態で基板に照射される。ここで、このように集光されたレーザー光は、スリットによって遮光された部分の位置及び面積に応じて、第１軸方向に沿った強度分布が調整されたものとなる。したがって、レーザー光導入窓の透過率が汚染等により不均一となった場合であっても、その透過率変化に応じてレーザー光の強度分布を調整することにより、基板に照射されるレーザー光の強度を均一に調整することが可能となる。上記において、レーザー光の断面とは、レーザー光の進行方向に直交する面についての断面をいい、第１軸、第２軸は、当該面内に設定される座標軸である。
【００１０】
［適用例２］上記薄膜半導体の製造装置であって、前記スリットに入射する前記レーザー光の断面は、前記第１軸方向の幅が前記第２軸方向の幅より大きく、前記スリットにより遮光された直後の前記レーザー光の断面は、前記第２軸方向の幅が、前記第１軸方向についての中心の位置で最も大きく、前記第１軸方向の端部の位置で最も小さい薄膜半導体の製造装置。
【００１１】
このような構成によれば、集光レンズにより第２軸方向に集光されて、略直線状の状態で基板に照射される。ここで、基板に照射される際のレーザー光の第１軸方向に沿った強度分布は、第１軸方向についての中心で最も強く、端部で最も弱い分布となる。このため、レーザー光導入窓の透過率が、中心付近で大きく低下し、周辺部では低下が小さい場合に、レーザー光強度分布をこれに合わせて調整することが可能となる。これにより、基板に照射されるレーザー光の強度を均一に調整することができる。
【００１２】
［適用例３］上記薄膜半導体の製造装置であって、前記スリットの形状は、前記レーザー光の断面の前記第１軸方向に沿って前記レーザー光の中心から離れるほど、前記第２軸方向の幅が大きくなっている薄膜半導体の製造装置。
【００１３】
このような構成によれば、スリットにより遮光された直後のレーザー光の断面は、第２軸方向の幅が、第１軸方向についての中心の位置で最も大きくなり、第１軸方向の端部の位置で最も小さくなる。よって、集光レンズにより集光されたレーザー光の第１軸方向に沿った強度分布は、第１軸方向についての中心で最も強く、端部で最も弱い分布となる。このため、レーザー光導入窓の透過率が、中心付近で大きく低下し、周辺部では低下が小さい場合に、レーザー光強度分布をこれに合わせて調整することが可能となる。これにより、基板に照射されるレーザー光の強度を均一に調整することができる。
【００１４】
［適用例４］上記薄膜半導体の製造装置であって、前記スリットは、前記レーザー光の断面の前記第１軸方向に沿って移動可能である薄膜半導体の製造装置。
【００１５】
このような構成によれば、レーザー光のうちスリットにより遮光される部分の位置及び面積を変化させて、第１軸方向の強度分布を調整することができる。このため、レーザー光導入窓の透過率が経時変化した場合であっても、その透過率の変化に合わせてレーザー光の第１軸方向の強度分布を調整することができる。これにより、基板に照射されるレーザー光の強度を均一に調整することができる。
【００１６】
［適用例５］上記薄膜半導体の製造装置であって、前記スリットは、前記レーザー光が照射される面の法線が、前記光路の方向に対して傾いている薄膜半導体の製造装置。
【００１７】
このような構成によれば、レーザー光のうちスリットに入射した部分は、光路に対して傾いて配置されたスリットによって、光路とは異なる方向に反射される。このため、反射されたレーザー光が光路に沿って逆行しレーザー光源に戻入する不具合を回避することができる。
【００１８】
［適用例６］表面に薄膜半導体が形成された基板が、内部に設置されるアニール処理室と、前記アニール処理室に設けられたレーザー光導入窓と、前記レーザー光導入窓を経て前記基板に至る光路に沿ってレーザー光を照射する、前記アニール処理室の外部に設けられたレーザー光源と、前記光路のうち前記レーザー光源から前記レーザー光導入窓に至るまでのいずれかの位置に、前記レーザー光の断面の第１軸方向に沿って配置され、前記レーザー光の一部を遮光するスリットと、前記光路のうち前記スリットから前記基板に至るまでのいずれかの位置に配置され、前記レーザー光を、少なくとも前記レーザー光の断面の前記第１軸方向に直交する第２軸方向に集光する集光レンズと、を備える薄膜半導体の製造装置を用いた薄膜半導体の製造方法であって、前記レーザー光源から、前記光路に沿って、前記薄膜半導体に前記レーザー光を照射することにより前記薄膜半導体のアニール処理を行う工程を有することを特徴とする薄膜半導体の製造方法。
【００１９】
このような方法によれば、レーザー光は、スリットで一部が遮光され、その後集光レンズにより第２軸方向に集光されて、第１軸方向に長い断面を有する状態で基板に照射される。ここで、このように集光されたレーザー光は、スリットによって遮光された部分の位置及び面積に応じて、第１軸方向に沿った強度分布が調整されたものとなる。したがって、レーザー光導入窓の透過率が汚染等により不均一となった場合であっても、その透過率変化に応じてレーザー光の強度分布を調整することにより、基板に照射されるレーザー光の強度を均一に調整することが可能となる。
【００２０】
［適用例７］上記薄膜半導体の製造方法であって、前記レーザー光導入窓の透過率変化に応じて、前記スリットを、前記レーザー光の断面の前記第１軸方向に沿って移動させる工程を有する薄膜半導体の製造方法。
【００２１】
このような方法によれば、レーザー光のうちスリットにより遮光される部分の位置及び面積を変化させて、第１軸方向の強度分布を調整することができる。このため、レーザー光導入窓の透過率の変化に合わせてレーザー光の第１軸方向の強度分布を調整することができる。これにより、基板に照射されるレーザー光の強度を均一に調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照し、薄膜半導体の製造装置及び薄膜半導体の製造方法の実施形態について説明する。なお、以下に示す各図においては、各構成要素を図面上で認識され得る程度の大きさとするため、各構成要素の寸法や比率を実際のものとは適宜に異ならせてある。
【００２３】
図１は、薄膜半導体の製造装置としてのレーザーアニール装置１の構成を示す模式図である。レーザーアニール装置１は、アニール処理室５と、アニール処理室５の外部に設けられたレーザー光学系とを含んで構成されている。レーザー光学系は、レーザー光源１４、スリット１０、集光レンズ４２等を有している。アニール処理室５は、金属性の密閉容器である。アニール処理室５としては、例えば内部を真空に引くことが可能な真空チャンバーを用いることができる。アニール処理室５の内部の底面には、ステージ６が配置されており、ステージ６上には、表面に薄膜半導体８１（図２）が形成された基板８が設置されている。アニール処理室５の壁面のうち、ステージ６に対向する壁面（すなわちステージ６とは反対側の壁面）には、石英からなる透光性を有するレーザー光導入窓７が設けられている。レーザー光導入窓７と基板８との間の距離は、約１００ｍｍである。
【００２４】
ここで、薄膜半導体８１とは、被処理物であるアニール処理前の薄膜半導体を指す。薄膜半導体８１としては、シリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）等の四族単体の薄膜半導体や、シリコン・ゲルマニウム（ＳｉxＧｅ1-x：０＜ｘ＜１）やシリコン・カーバイド（ＳｉxＣ1-x：０＜ｘ＜１）、ゲルマニウム・カーバイド（ＧｅxＣ1-x：０＜ｘ＜１）等の四族元素複合体の薄膜半導体、ガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ）やインジウム・アンチモン（ＩｎＳｂ）等の三族元素と五族元素との複合体化合物薄膜半導体、又はカドミウム・セレン（ＣｄＳｅ）等の二族元素と六族元素との複合体化合物薄膜半導体とすることができる。又は、シリコン・ゲルマニウム・ガリウム・ヒ素（ＳｉxＧｅyＧａzＡｓz：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）等の複合化合物薄膜半導体やこれらの半導体にリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）などのドナー元素を添加したＮ型薄膜半導体、あるいはホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）等のアクセプター元素を添加したＰ型薄膜半導体としてもよい。これら薄膜半導体はＡＰ（Atmosphere Pressure）−ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法やＬＰ（Low Pressure）−ＣＶＤ法、ＰＥ（Plasma Enhanced）−ＣＶＤ法等のＣＶＤ法、あるいはスパッタ法や蒸着法等のＰＶＤ法で基板８上に形成される。薄膜半導体８１としてシリコン膜を用いる場合、ＬＰ−ＣＶＤ法では基板８の温度を４００℃程度から７００℃程度としてジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）などを原料として堆積する。ＰＥ−ＣＶＤ法ではモノシラン（ＳｉＨ4）などを原料として基板８の温度が１００℃程度から５００℃程度で堆積可能である。スパッタ法を用いれば基板８の温度は室温から４００℃程度で可能である。このように堆積された薄膜半導体８１の初期状態は、非晶質や混晶質、微結晶質、あるいは多結晶質等様々な状態があるが、本実施形態においては初期状態はいずれの状態であってもよい。なお、本明細書中では、非晶質の結晶化のみならず、多結晶質や微結晶質の再結晶化をも含めて総じて結晶化と呼ぶ。薄膜半導体８１の厚さは、ＴＦＴ素子に用いる場合には２０ｎｍから１００ｎｍ程度が適している。
【００２５】
レーザーアニール装置１によれば、基板８上の薄膜半導体８１にレーザー光５０を照射してアニール処理（熱処理）することによって結晶化（レーザー結晶化）を行うことができる。図２は、レーザーアニール装置１による、基板８上の薄膜半導体８１のアニール処理の様子を示す模式図である。このように、基板８上の薄膜半導体８１に対して、略線状に集光されたレーザー光５０のパルスが繰り返し照射されることで、薄膜半導体８１が溶融する。ここで、基板８は、ステージ６の機能により同一面内で平行移動することができる。基板８が平行移動することにより、レーザー光５０は、基板８に対して相対的に矢印５２の方向に走査される。基板８上の薄膜半導体８１は、当該走査に合わせて順次溶融し、レーザー光５０の照射がされなくなった領域では冷却されていく。薄膜半導体８１は、その冷却過程において結晶化され、ポリシリコン膜８２となる。ポリシリコン膜８２は、薄膜半導体の製造装置としてのレーザーアニール装置１が製造する目的物としての薄膜半導体である。レーザー光５０の各パルスの照射領域に境目が発生するとポリシリコン膜８２の結晶性ばらつきの原因となるため、レーザー光５０の照射は、パルスごとの照射領域が９０％程度互いにオーバーラップするように行う。レーザー光５０の長軸方向の幅５０Ｌは約２４０ｍｍであり、薄膜半導体８１へ照射される位置における短軸方向の幅５０ｄは数１０μｍから数１００μｍである。
【００２６】
こうして得られるポリシリコン膜８２の欠陥密度、移動度等の特性は、結晶化のために照射されたレーザー光５０の強度に依存する。したがって、均一な特性のポリシリコン膜８２を得るためには、基板８に照射されるレーザー光５０の強度分布が均一となっていることが好ましい。
【００２７】
ところで、レーザー結晶化は、薄膜半導体８１中への不純物の混入防止や表面状態制御のために真空雰囲気下にて行うことが好ましい。また、このとき薄膜半導体８１が融点に達するわけであるから、薄膜半導体８１の温度は１０００℃以上に上昇している。真空中にてこのような処理を行うと、熱エネルギーを有するシリコン原子やクラスターが薄膜半導体８１の表面から脱離し、飛散する（アブレーション）。溶融時間は数１００ナノ秒程度の短時間であるので、脱離するシリコン原子の量は微量であるが、レーザーアニール装置１では上述のように高い重ね率の多数回にわたるレーザー光照射を行うため、熱脱離したシリコン原子がレーザー光導入窓７に多数付着する。この結果、レーザー光導入窓７の透過率を次第に変化させてしまう。
【００２８】
図３は、レーザーアニール装置１において基板８上の薄膜半導体８１をアニール処理していった場合の、レーザー光導入窓７の透過率変化の様子を示す模式図である。図３（ａ）は、基板８の処理を一枚も行っていない状態のレーザー光導入窓７を示している。この状態から基板８の処理を行っていくと、図３（ｂ）のように、アブレーションにより付着したシリコン原子の影響によって、周囲より透過率が低い、楕円形の領域が発生する。なお、照射されるレーザー光５０の長軸方向は、当該楕円形の長軸方向に一致する。さらに基板８の処理枚数が増加すると、図３（ｃ）、（ｄ）に示すように、透過率が低下する楕円領域が拡大し、かつ楕円形の中心付近ほど透過率が低くなっていく。図３（ｃ）の二重の楕円及び図３（ｄ）の三重の楕円は、等透過率曲線を示しており、実際には楕円の外側から内側に向かって連続的に透過率が減少する分布となる。このようにレーザー光導入窓７の透過率が不均一な分布で低下すると、入射するレーザー光５０の強度が均一であっても、レーザー光導入窓７を透過した後のレーザー光５０の強度分布が不均一となり、得られるポリシリコン膜８２の特性が悪化する。本実施形態のレーザーアニール装置１は、この問題点を解決可能な装置であり、以下ではそのための構成について詳述する。
【００２９】
図１に戻り、アニール処理室５の外部に位置するレーザー光学系について説明する。図１では、矢印の付いた線がレーザー光５０の光路を示している。当該光路は、レーザー光源１４を始点とし、スリット１０、レーザー光導入窓７を経て基板８に至る。
【００３０】
レーザー光源１４は、レーザー光５０として紫外域又はその近傍の波長を持つエキシマレーザー、アルゴンイオンレーザー、ＹＡＧレーザー高調波等を射出するものが好ましい。さらには、大出力かつ極短時間のパルス発振であることが好ましく、特にキセノン・クロライド（ＸｅＣｌ）レーザー（波長３０８ｎｍ）やクリプトンフロライド（ＫｒＦ）レーザー（波長２４８ｎｍ）等のエキシマレーザーが適している。
【００３１】
図５は、光路上の各点におけるレーザー光５０の形状を示す模式図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は−Ｘ方向から見た側面図である。この図において、レーザー光５０の進行方向はＺ軸であり、以下においてレーザー光５０の断面といった場合は、特に断りのない限りＺ軸に垂直な面（すなわちＸ−Ｙ平面）についての断面をいう。レーザー光源１４から射出されたレーザー光５０は、スリット１０に入射する前のある位置においては、図５中の符号ａで示すように、Ｘ軸方向に長い断面を有した状態となる。本実施形態では、当該断面形状は略長方形となっており、長軸方向の幅５０Ｌは約２４０ｍｍであり、短軸方向の幅５０ａは約５０ｍｍである。ここで、Ｘ軸方向は、レーザー光５０の断面のうち長軸方向と一致しており、第１軸方向に対応する。同様に、Ｙ軸方向は、レーザー光５０の断面のうち短軸方向と一致しており、第２軸方向に対応する。このように、レーザーアニール装置１の光学系によれば、断面のうち長軸方向（第１軸方向）の幅がこれと直交する短軸方向（第２軸方向）の幅より大きいレーザー光を生成することができる。
【００３２】
図１に戻り、レーザー光５０の光路上には、レーザー光源１４に近いものから順に、アッテネーター１６、ミラー１８、テレスコープレンズ２０，２２、長軸ホモジナイザー２４，２６、長軸コンデンサーレンズ２８、短軸ホモジナイザー３０，３２、短軸コンデンサーレンズ３４、スリット１０、フィールドレンズ３６、短軸整形用遮光部材３８、ミラー４０、集光レンズ４２、シーリングウィンドウ４４、長軸整形用遮光部材４６が配置されている。
【００３３】
アッテネーター１６は、透過するレーザー光５０の強度を調整可能な装置である。テレスコープレンズ２０，２２、長軸コンデンサーレンズ２８、短軸コンデンサーレンズ３４、フィールドレンズ３６、集光レンズ４２は、主としてレーザー光５０の断面形状を調整するためのレンズ群である。このうち、集光レンズ４２は、レーザー光５０の断面が、図２に示すように最終的に基板８上において略線状となるように少なくともレーザー光５０の短軸方向について集光するレンズである。長軸ホモジナイザー２４，２６は、レーザー光５０の長軸方向についての強度分布を均一化するための光学素子であり、短軸ホモジナイザー３０，３２は、レーザー光５０の短軸方向についての強度分布を均一化するための光学素子である。長軸ホモジナイザー２４，２６、短軸ホモジナイザー３０，３２は、例えば平行に配列された多数の円筒形レンズを用いて構成することができる。短軸整形用遮光部材３８、長軸整形用遮光部材４６は、レーザー光５０の断面形状を所定の形状に整形するための遮光部材である。なお、集光レンズ４２は、必ずしも図１の位置に配置されていなくともよく、レーザー光５０の光路のうちスリット１０から基板８に至るまでのいずれかの位置に配置されていればよい。
【００３４】
図４は、スリット１０の構造を示す図である。スリット１０は、Ｙ軸に対して線対称となるように２つ配置されており、それぞれＹ軸移動機構１１に、Ｙ軸方向に移動可能に取り付けられている。また、Ｙ軸移動機構１１は、それぞれＸ軸移動機構１２に、Ｘ軸方向に移動可能に取り付けられている。したがって、スリット１０は、Ｙ軸方向及びＸ軸方向に移動可能となっている。スリット１０は、レーザー光５０を反射又は吸収することが可能な部材から構成されており、例えば金属とすることができる。各スリット１０の形状は、配置の対称軸の位置をＸ軸の原点とした場合に、Ｘ軸の原点に近いほど遮光可能な幅が小さく、またＸ軸の原点から離れるほど遮光可能な幅が大きくなるように構成されている。換言すれば、スリット１０の形状は、遮光されるべきレーザー光５０の断面においてＸ軸方向に沿ってレーザー光５０の中心から離れるほど、遮光可能な幅（すなわちＹ軸方向の幅）が大きくなるように構成されている。本実施形態では、スリット１０は、遮光後のレーザー光５０の断面がかまぼこ状となるような形状となっている。
【００３５】
なお、図４は、スリット１０をＺ方向から見たときの形状を示す図であり、換言すればスリット１０の構造をＸ−Ｙ平面に投影したときの様子を示す図である。スリット１０は、実際には、図１又は図５に示すように、レーザー光５０の光路に対して傾いて配置されている。より詳しくは、スリット１０のうちレーザー光５０が照射される面の法線が、レーザー光５０の光路の方向（Ｚ軸）に対して傾くように配置されている。このような構成によれば、レーザー光５０のうちスリット１０に入射した部分は、光路に対して傾いて配置されたスリット１０によって、光路とは異なる方向に反射される。このため、反射されたレーザー光５０が光路に沿って逆行しレーザー光源１４に戻入する不具合を回避することができる。
【００３６】
続いて、スリット１０及び集光レンズ４２を透過したレーザー光５０の挙動について、図５及び図６を用いて説明する。図５（ａ）中の符号ａで示す部分は、上記したように、スリット１０に入射する前のレーザー光５０の断面を示す。図５（ａ）中の符号ｂで示す部分は、スリット１０を透過した直後のレーザー光５０の断面を示す。図５（ａ）中の符号ｃで示す部分は、集光レンズ４２を透過した後であってレーザー光導入窓７に入射したときのレーザー光５０の断面を示す。図５（ａ）中の符号ｄで示す部分は、基板８に照射されるときのレーザー光５０の断面を示す。図６（ａ）から（ｄ）は、それぞれ図５（ａ）中の符号ａ，ｂ，ｃ，ｄで示す部分におけるレーザー光５０の断面形状を示している。
【００３７】
レーザー光５０は、スリット１０を透過すると、スリット１０により一部が遮光されることで、長方形であった断面形状がかまぼこ状の断面形状となる（図５（ａ）、図６（ｂ））。このため、スリット１０により遮光された直後のレーザー光５０の断面は、短軸方向の幅が、長軸方向についての中心の位置で最も大きく、長軸方向の端部の位置で最も小さくなっている。スリット１０によって遮光される部分の面積は、スリット１０をＸ軸方向又はＹ軸方向に移動させることによって適宜調整することができる。レーザー光５０の、スリット１０を透過した直後における断面形状は、長軸方向の幅５０Ｌが約２４０ｍｍであり、短軸方向の幅５０ｂの最大値が約５０ｍｍとなっている。
【００３８】
その後、レーザー光５０は、集光レンズ４２を透過することで短軸（Ｙ軸）方向に集光され、レーザー光導入窓７の位置においては短軸方向の幅が半減し（図５（ａ）、図６（ｃ））、基板８に照射される位置においては略直線状となる（図５（ａ）、図６（ｄ））。レーザー光５０の、レーザー光導入窓７の位置における断面形状は、長軸方向の幅５０Ｌが約２４０ｍｍであり、短軸方向の幅５０ｃの最大値は約２５ｍｍである。また、基板８に照射される際の断面形状は、上述したように、長軸方向の幅５０Ｌが約２４０ｍｍであり、短軸方向の幅５０ｄは数１０μｍから数１００μｍである。なお、集光レンズ４２による集光は、少なくともＹ軸方向についてなされていればよく、この他に、必要に応じてＸ軸方向のについての集光作用をもたせてもよい。
【００３９】
図５（ａ）中の符号ｂ，ｃ，ｄで示す部分においては、レーザー光５０が一部遮光されているため、長軸方向についての強度分布が均一ではなく、所望の分布に調整されたものとなる。図６（ｅ）は、図５（ａ）中の符号ｂ，ｃ，ｄで示す部分におけるレーザー光５０の、Ｘ軸方向についての強度分布を示すグラフである。すなわち、Ｘ軸の各点において、レーザー光５０を短軸方向について足し合わせて得られる強度をプロットしたものである。このように、スリット１０によって一部が遮光された結果、スリット１０を透過後のレーザー光５０は、長軸方向の中心付近で強度が高く、長軸方向の端部に向かうにつれて強度が低くなるような強度分布を有する。特に、符号ｄで示すように略線状に集光した際に、長軸方向についての強度分布が調整された線状のレーザー光５０が得られる点で有用である。
【００４０】
続いて、以上に述べた構成を有するレーザーアニール装置１によって薄膜半導体のアニール処理を行う方法（工程）について説明する。
【００４１】
図７は、レーザー光導入窓７の透過率が均一である場合のアニール処理工程を示す図である。この場合、レーザー光導入窓７は、図７（ｂ）右図のように、アブレーションの影響によるシリコンの付着がない状態である。したがって、図７（ｂ）左図のグラフに示すように、レーザー光導入窓７の透過率はＢ１で均一となっている。
【００４２】
このとき、スリット１０は、図７（ａ）右図に示すように、レーザー光５０の断面にかからないような位置に配置しておく。これにより、レーザー光５０は、スリット１０による遮光を受けないため、レーザー光５０の長軸（Ｘ軸）方向についての強度分布は、図７（ａ）左図に示すようにＡ１で均一となる。なお、レーザー光５０の強度Ａ１は、レーザーアニール装置１で出力できる最大値より小さくしておく。例えば、アッテネーター１６（図１）により、最大値の５０％程度の強度となるように調整する。
【００４３】
以上のように、レーザー光導入窓７に入射するレーザー光５０の強度分布（図７（ａ））と、レーザー光導入窓７の透過率分布（図７（ｂ））とがいずれも均一であるため、その積で定まるレーザー光導入窓７透過後のレーザー光５０の強度分布もＣで均一となる（図７（ｃ））。ここで、Ｃ＝Ａ１×Ｂ１の関係がある。これにより、基板８に照射されるレーザー光の長軸方向の強度分布は均一となる。
【００４４】
図８は、レーザー光導入窓７の透過率がわずかに不均一となっている場合のアニール処理工程を示す図である。この場合、レーザー光導入窓７の状態は、図３（ｂ）に対応する。すなわち、レーザー光導入窓７は、アブレーションの影響によってシリコンが付着し、透過率が低い楕円形の領域が発生している状態である（図８（ｂ）右図）。したがって、図８（ｂ）左図のグラフに示すように、レーザー光導入窓７の透過率は、Ｘ軸方向の端部付近ではＢ１となっているものの、Ｘ軸方向の中心付近ではＢ２（＜Ｂ１）となっている。
【００４５】
このとき、スリット１０は、図８（ａ）右図に示すように、レーザー光導入窓７の透過率分布に応じて、一部がレーザー光５０の断面にかかるような位置に配置しておく。これにより、レーザー光５０は、断面の長軸方向の端部近傍においてスリット１０による遮光を受ける。この結果、レーザー光５０の長軸（Ｘ軸）方向についての強度分布は、図８（ａ）左図に示すように、端部においてＡ１となり、中心付近においてＡ２（＞Ａ１）となるような分布となる。ここで、スリット１０の幅、すなわちレーザー光５０のうち遮光を受ける部分の短軸方向の幅が、長軸方向の端部から中心へ向けて滑らかに変化しているため、レーザー光５０の長軸方向についての強度分布も端部（Ａ１）から中心（Ａ２）にかけて連続的に変化する分布となる。
【００４６】
図８においては、レーザー光５０の強度Ａ２をアッテネーター１６により調整し、Ａ２＝Ａ１×（Ｂ１／Ｂ２）となるように設定する。これにより、長軸方向の中心付近においては、レーザー光５０の強度Ａ２＝Ａ１×（Ｂ１／Ｂ２）と、レーザー光導入窓７の透過率Ｂ２との積はＡ１×Ｂ１に等しくなる。よって、長軸方向の中心付近においては、レーザー光導入窓７透過後のレーザー光５０の強度が図７（ｃ）と同様にＣとなる（図８（ｃ））。また、スリット１０の配置位置を調整することにより、レーザー光５０の長軸方向の端部における強度はＡ１となっており（図８（ａ））、同じ位置におけるレーザー光導入窓７の透過率はＢ１である（図８（ｂ））。したがって、長軸方向の端部においても、レーザー光導入窓７透過後のレーザー光５０の強度はＡ１×Ｂ１で定まり、Ｃとなる（図８（ｃ））。さらには、長軸方向の中心付近と端部との間の領域においては、レーザー光５０の強度分布とレーザー光導入窓７の透過率分布とが連続的に変化しており、任意の点においてその積がＡ１×Ｂ１に略等しくなる。このため、レーザー光導入窓７透過後のレーザー光５０の強度は、長軸方向のすべての点においてＣに略等しくなり、均一な強度分布が得られる（図８（ｃ））。
【００４７】
図９は、レーザー光導入窓７の透過率がより不均一となっている場合のアニール処理工程を示す図である。この場合、レーザー光導入窓７の状態は、図３（ｄ）に対応する。すなわち、レーザー光導入窓７は、アブレーションの影響によってシリコンがさらに付着し、透過率が低い楕円形の領域が拡大し、楕円形の中心付近の透過率がより低くなっている状態である（図９（ｂ）右図）。したがって、図９（ｂ）左図のグラフに示すように、レーザー光導入窓７の透過率は、Ｘ軸方向の端部付近ではＢ１となっているものの、Ｘ軸方向の中心付近ではＢ３（＜Ｂ２＜Ｂ１）となっている。
【００４８】
このとき、スリット１０は、図９（ａ）右図に示すように、レーザー光導入窓７の透過率分布に応じて、一部がレーザー光５０の断面にかかるような位置に配置しておく。より詳しくは、図８（ａ）の状態に対してスリット１０の間隔を狭める方向で、それぞれＸ軸方向に沿って移動させておく。これにより、レーザー光５０は、より広い断面についてスリット１０による遮光を受ける。この結果、レーザー光５０の長軸（Ｘ軸）方向についての強度分布は、図９（ａ）左図に示すように、端部においてＡ１となり、中心付近においてＡ３（＞Ａ２＞Ａ１）となるような分布となる。ここで、スリット１０の幅、すなわちレーザー光５０のうち遮光を受ける部分の短軸方向の幅が、長軸方向の端部から中心へ向けて滑らかに変化しているため、レーザー光５０の長軸方向についての強度分布も端部（Ａ１）から中心（Ａ３）にかけて連続的に変化する分布となる。
【００４９】
図９においては、レーザー光５０の強度Ａ３をアッテネーター１６により調整し、Ａ３＝Ａ１×（Ｂ１／Ｂ３）となるように設定する。これにより、長軸方向の中心付近においては、レーザー光５０の強度Ａ３＝Ａ１×（Ｂ１／Ｂ３）と、レーザー光導入窓７の透過率Ｂ３との積はＡ１×Ｂ１に等しくなる。よって、長軸方向の中心付近においては、レーザー光導入窓７透過後のレーザー光５０の強度が図７（ｃ）と同様にＣとなる（図９（ｃ））。また、スリット１０の配置位置を調整することにより、レーザー光５０の長軸方向の端部における強度はＡ１となっており（図９（ａ））、同じ位置におけるレーザー光導入窓７の透過率はＢ１である（図９（ｂ））。したがって、長軸方向の端部においても、レーザー光導入窓７透過後のレーザー光５０の強度はＡ１×Ｂ１で定まり、Ｃとなる（図９（ｃ））。さらには、長軸方向の中心付近と端部との間の領域においては、レーザー光５０の強度分布とレーザー光導入窓７の透過率分布とが連続的に変化しており、任意の点においてその積がＡ１×Ｂ１に略等しくなる。このため、レーザー光導入窓７透過後のレーザー光５０の強度は、長軸方向のすべての点においてＣに略等しくなり、均一な強度分布が得られる（図９（ｃ））。
【００５０】
スリット１０の位置調整や、アッテネーター１６によるレーザー光５０の強度調整については、例えば以下のような方法によって行うことができる。まず、予めレーザー光５０の照射回数に対するレーザー光導入窓７の透過率変化を計測しておく。そして、この計測結果に基づいて、レーザー光５０の照射回数に応じてまずスリット１０の位置をレーザー光５０の断面の長軸方向に沿って移動させる工程を行い、あるいはレーザー光５０の強度をアッテネーター１６によって調整する工程を行った後に、アニール処理工程を行う。上記スリット１０の移動は、図４に示したＸ軸移動機構１２によって行う。なお、所望の領域を遮光するためにスリット１０をＹ軸方向にも移動させることが必要な場合は、Ｙ軸移動機構１１によって移動させてもよい。
【００５１】
以上のように、スリット１０の位置を調整し、アッテネーター１６によりレーザー光５０の強度を調整することによって、図７から図９のいずれの場合においても、基板８に照射されるレーザー光５０の強度を長軸方向について均一かつ所望の値にすることができる。同様にして、図７から図９の中間状態や、図９に示すよりもレーザー光導入窓７の透過率が大きく低下した状態においても、基板８に照射されるレーザー光５０の強度を長軸方向について均一にすることができる。これにより、アブレーションによってレーザー光導入窓７の透過率が不均一となったとしても、均一なレーザー光５０を基板８に照射して均一なレーザー結晶化を行うことが可能となり、ひいては得られるポリシリコン膜の特性ばらつきを低減することが可能となる。
【００５２】
上記実施形態に対しては、様々な変形を加えることが可能である。変形例としては、例えば以下のようなものが考えられる。
【００５３】
（変形例１）
上記実施形態におけるスリット１０の形状は例示であり、レーザー光５０の断面形状に応じて適宜変更することができる。例えば、断面の長軸がより長いレーザー光であれば、スリット１０の長軸方向をより長くすればよい。また、レーザー光導入窓７の透過率分布が非対称である場合には、スリット１０の形状もそれに合わせて非対称な形状とすればよい。
【００５４】
また、スリット１０の数は、必要に応じて変更してもよい。例えば、図１０のように、４つのスリット１０を、レーザー光５０の断面の長軸方向及び短軸方向に対して対称に配置してもよい。この場合も、Ｘ軸移動機構１２及びＹ軸移動機構１１によって、各スリット１０を独立にＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させることができる。したがって、レーザー光導入窓７の透過率分布に応じて各スリット１０を移動させることにより、レーザー光５０を遮光して強度分布を調整することができる。
【００５５】
（変形例２）
スリット１０の配置位置は、上記実施形態の位置に限定されず、レーザー光源１４からレーザー光導入窓７に至るまでのいずれかの位置に配置されていればよい。光路中に長軸ホモジナイザー２４，２６がある場合には、スリット１０を長軸ホモジナイザー２４，２６の後に配置することが好ましい。なお、スリット１０と短軸ホモジナイザー３０，３２との相対位置関係は任意であり、スリット１０の後に短軸ホモジナイザー３０，３２が配置されていてもよい。スリット１０によりレーザー光５０の一部が遮光された後、短軸ホモジナイザー３０，３２によって短軸方向の強度分布が均一化されたとしても、最終的にレーザー光５０が線状に集光された際の長軸方向の強度分布にはほとんど影響がないためである。
【００５６】
（変形例３）
スリット１０に入射する前のレーザー光５０の断面形状は、図５の符号ａに示すような長方形に限られない。例えばＸ軸方向を長軸とする楕円や長円形等、となっていても上記実施形態の効果を得ることができる。また、基板８に照射する際のレーザー光５０を略線状に集光するために、スリット１０に入射する前のレーザー光５０の断面形状は、Ｘ軸方向の幅がＹ軸方向の幅より大きくなっていることが好ましいが、スリット１０の後の光学系の設計如何で、Ｘ軸方向とＹ軸方向の幅を等しくしたり、Ｙ軸方向の幅を相対的に大きくしたりすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】レーザーアニール装置の構成を示す模式図。
【図２】レーザーアニール装置による、基板上の薄膜半導体のアニール処理の様子を示す模式図。
【図３】レーザーアニール装置において基板上の薄膜半導体をアニール処理していった場合の、レーザー光導入窓の透過率変化の様子を示す模式図。
【図４】スリットの構造を示す図。
【図５】光路上の各点におけるレーザー光の形状を示す模式図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は−Ｘ方向から見た側面図。
【図６】（ａ）から（ｄ）は、図５（ａ）中の符号ａ，ｂ，ｃ，ｄで示す部分におけるレーザー光の断面形状を示す図、（ｅ）は、図５（ａ）中の符号ｂ，ｃ，ｄで示す部分におけるレーザー光の、Ｘ軸方向についての強度分布を示すグラフ。
【図７】レーザー光導入窓の透過率が均一である場合のアニール処理工程を示す図。
【図８】レーザー光導入窓の透過率がわずかに不均一となっている場合のアニール処理工程を示す図。
【図９】レーザー光導入窓の透過率がより不均一となっている場合のアニール処理工程を示す図。
【図１０】４つのスリットを用いる場合のスリットの構造を示す図。
【符号の説明】
【００５８】
１…薄膜半導体の製造装置としてのレーザーアニール装置、５…アニール処理室、６…ステージ、７…レーザー光導入窓、８…基板、１０…スリット、１１…Ｙ軸移動機構、１２…Ｘ軸移動機構、１４…レーザー光源、１６…アッテネーター、２４，２６…長軸ホモジナイザー、３０，３２…短軸ホモジナイザー、４２…集光レンズ、５０…レーザー光、８１…薄膜半導体、８２…ポリシリコン膜。
【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】
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【図１０】
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