(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面上にアモルファス半導体膜が形成された基板の該アモルファス半導体膜に、その面内の第１の方向に長いビーム断面を有するレーザビームの照射を断続的に繰り返し行いつつ、１照射ごとに該レーザビームの照射領域を、前記基板面内において、前記第１の方向と交差する第２の方向に移動させ、該レーザビームによって照射された領域の前記アモルファス半導体膜を多結晶化する方法であって、
前記レーザビームの照射領域の前記第２の方向に関する１照射当たりのエネルギ密度分布において、その中央部に、一旦形成された結晶粒が再溶融するエネルギ密度を有する第１のエネルギ密度領域があり、その外側に、前記アモルファス半導体膜は溶融して多結晶化するが、一旦形成された結晶粒は再溶融しないエネルギ密度を有する第２のエネルギ密度領域があり、その外側に、前記アモルファス半導体膜が溶融するが多結晶化はしないエネルギ密度を有する第３のエネルギ密度領域があり、
前記レーザビームのある１照射において、その照射領域の進行方向前方の前記第３のエネルギ密度領域のレーザ光が照射された領域に、当該照射以降のいずれかの照射において、前記第１のエネルギ密度領域のレーザ光が照射されるように、前記アモルファス半導体膜の面内において、前記レーザビームの照射領域を移動させるアモルファス半導体膜の多結晶化方法。
【請求項２】
前記エネルギ密度分布の、前記レーザビームの照射領域の進行方向前方の前記第３のエネルギ密度領域の幅をＩ、前記第２のエネルギ密度領域の幅をＭとし、前記エネルギ密度分布の中央の前記第１のエネルギ密度領域の全幅をＤとし、前記レーザビームの照射領域が１照射ごとに前記第２の方向へ移動する距離をＬとするとき、
前記エネルギ密度分布の形状がＤ≧Ｉである場合には、Ｌ≦Ｍ＋Ｄとし、Ｄ＜Ｉである場合には、Ｌ≦Ｄとする請求項１に記載のアモルファス半導体膜の多結晶化方法。
【請求項３】
前記エネルギ密度分布の半値幅をＦＷＨＭとしたとき、Ｌ≧０．８×ＦＷＨＭとする請求項２に記載のアモルファス半導体膜の多結晶化方法。
【請求項４】
表面上にアモルファス半導体膜が形成された処理基板を保持する保持台と、
前記保持台に保持された処理基板のアモルファス半導体膜の表面上の第１の方向に長い領域を照射するような細長いビーム断面を有し、該アモルファス半導体膜の表面上への照射が断続的に繰り返され、１照射当たり、前記アモルファス半導体膜を多結晶化するのに十分なエネルギ密度を有するレーザビームであって、該レーザビームの照射領域の、前記第１の方向に交差する第２の方向に関する１照射当たりのエネルギ密度分布において、その中央部に、一旦形成された結晶粒が再溶融するエネルギ密度を有する第１のエネルギ密度領域があり、その外側に、前記アモルファス半導体膜は溶融して多結晶化するが、一旦形成された結晶粒は再溶融しないエネルギ密度を有する第２のエネルギ密度領域があり、その外側に、前記アモルファス半導体膜が溶融するが多結晶化はしないエネルギ密度を有する第３のエネルギ密度領域がある前記レーザビームを発生するレーザ光学系と、
前記レーザビームの１照射により照射される領域が、１照射ごとに、前記アモルファス半導体膜の表面上において前記第２の方向に移動するように、前記レーザビームと前記保持台とのいずれか一方を他方に対して相対的に移動させる移動機構と、
前記レーザビームの、前記アモルファス半導体膜の表面上における前記第２の方向に関する１照射当たりのエネルギ密度分布を測定するためのエネルギ密度分布測定手段と、
前記エネルギ密度分布測定手段によって測定されたエネルギ密度分布に基づいて、前記レーザビームのある１照射において、その照射領域の進行方向前方の前記第３のエネルギ密度領域のレーザ光が照射された領域に、当該照射以降のいずれかの照射において、前記第１のエネルギ密度領域のレーザ光が照射されるように、前記移動機構を駆動する制御手段と
を有するレーザアニール装置。
【請求項５】
前記制御手段が、前記第１〜第３のエネルギ密度領域の各々の最低エネルギ密度を記憶する記憶手段を有し、前記記憶手段に記憶されている前記３つの最低エネルギ密度と、前記エネルギ密度分布測定手段により測定されたエネルギ密度分布とに基づいて、前記レーザビームの照射領域の１照射ごとの移動距離を決定し、該移動距離に基づいて前記移動機構を駆動する請求項４に記載のレーザアニール装置。
【請求項６】
前記エネルギ密度分布測定手段によって測定されたエネルギ密度分布の、前記レーザビームの照射領域の進行方向前方の前記第３のエネルギ密度領域の幅をＩ、前記第２のエネルギ密度領域の幅をＭとし、前記エネルギ密度分布の中央の前記第１のエネルギ密度領域の全幅をＤとし、前記レーザビームの照射領域が１照射ごとに前記第２の方向へ移動する距離をＬとするとき、
前記制御手段が、前記エネルギ密度分布の形状がＤ≧Ｉである場合にはＬ≦Ｍ＋Ｄとなり、Ｄ＜Ｉである場合にはＬ≦Ｄとなるように、前記移動機構を駆動する請求項４に記載のレーザアニール装置。
【請求項７】
前記制御手段が、前記エネルギ密度分布測定手段によって測定されたエネルギ密度分布の半値幅をＦＷＨＭとしたとき、Ｌ≧０．８×ＦＷＨＭとなるように前記移動機構を駆動する請求項６に記載のレーザアニール装置。
【請求項８】
前記制御手段が、前記アモルファス半導体膜の膜厚を記憶するための膜厚記憶手段を有し、前記膜厚記憶手段に記憶されている膜厚に基づいて、前記第１〜第３のエネルギ密度領域の各々の最低エネルギ密度を決定する請求項４に記載のレーザアニール装置。
【請求項９】
さらに、前記保持台に保持された処理基板の表面上に形成されているアモルファス半導体膜の膜厚を測定するための膜厚測定手段を有する請求項４に記載のレーザアニール装置。
【請求項１０】
前記制御手段が、前記膜厚測定手段によって測定された膜厚に基づいて、前記第１〜第３のエネルギ密度領域の各々の最低エネルギ密度を決定する請求項９に記載のレーザアニール装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザを用いたアモルファス半導体膜の多結晶化方法及びレーザアニール装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラス基板上にアモルファスシリコン膜を堆積し、エキシマレーザ光の照射を断続的に繰り返し、アモルファスシリコン膜を多結晶化する技術が注目されている。多結晶シリコン膜が形成されたガラス基板は、例えばアクティブマトリクス型液晶表示装置に用いられる。
【０００３】
アモルファスシリコンを多結晶化するのに十分なエネルギを得るために、レーザ光をアモルファスシリコン膜上に集光する。レーザ光を照射しながらガラス基板を移動させ、アモルファスシリコン膜の広い領域にレーザ光を照射することにより、大面積の多結晶シリコン膜を形成することができる。
【０００４】
ガラス基板の１回の並進移動で、広い領域にレーザ光を照射するために、通常、レーザ光のビーム断面を１方向に長い形状とする。ガラス基板を、ビーム断面の長尺方向に直交する方向に移動させることにより、広い領域にレーザ光を照射することができる。
【０００５】
ガラス基板の移動速度は、エキシマレーザ光のある１照射により照射される領域と、次の１照射により照射される領域とが、一部分において重なる程度とする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
エキシマレーザ光のある１照射により照射される領域と、次の１照射により照射される領域との重なり量を少なくすると、均質な多結晶膜を得ることができなくなる。また、重なり量を大きくすると、生産性が低下する。生産性を低下させることなく、かつ均質な多結晶膜を得るために、最適な重なり量があると思われるが、その最適値を決定する方法は見い出されていない。
【０００７】
本発明の目的は、生産性を低下させることなく、かつ均質な多結晶膜を得ることができるアモルファス半導体膜の多結晶化方法及びレーザアニール装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、表面上にアモルファス半導体膜が形成された基板の該アモルファス半導体膜に、その面内の第１の方向に長いビーム断面を有するレーザビームの照射を断続的に繰り返し行いつつ、１照射ごとに該レーザビームの照射領域を、前記基板面内において、前記第１の方向と交差する第２の方向に移動させ、該レーザビームによって照射された領域の前記アモルファス半導体膜を多結晶化する方法であって、前記レーザビームの照射領域の前記第２の方向に関する１照射当たりのエネルギ密度分布において、その中央部に、一旦形成された結晶粒が再溶融するエネルギ密度を有する第１のエネルギ密度領域があり、その外側に、前記アモルファス半導体膜は溶融して多結晶化するが、一旦形成された結晶粒は再溶融しないエネルギ密度を有する第２のエネルギ密度領域があり、その外側に、前記アモルファス半導体膜が溶融するが多結晶化はしないエネルギ密度を有する第３のエネルギ密度領域があり、前記レーザビームのある１照射において、その照射領域の進行方向前方の前記第３のエネルギ密度領域のレーザ光が照射された領域に、当該照射以降のいずれかの照射において、前記第１のエネルギ密度領域のレーザ光が照射されるように、前記アモルファス半導体膜の面内において、前記レーザビームの照射領域を移動させるアモルファス半導体膜の多結晶化方法が提供される。
【０００９】
本発明の他の観点によると、表面上にアモルファス半導体膜が形成された処理基板を保持する保持台と、前記保持台に保持された処理基板のアモルファス半導体膜の表面上の第１の方向に長い領域を照射するような細長いビーム断面を有し、該アモルファス半導体膜の表面上への照射が断続的に繰り返され、１照射当たり、前記アモルファス半導体膜を多結晶化するのに十分なエネルギ密度を有するレーザビームであって、該レーザビームの照射領域の、前記第１の方向に交差する第２の方向に関する１照射当たりのエネルギ密度分布において、その中央部に、一旦形成された結晶粒が再溶融するエネルギ密度を有する第１のエネルギ密度領域があり、その外側に、前記アモルファス半導体膜は溶融して多結晶化するが、一旦形成された結晶粒は再溶融しないエネルギ密度を有する第２のエネルギ密度領域があり、その外側に、前記アモルファス半導体膜が溶融するが多結晶化はしないエネルギ密度を有する第３のエネルギ密度領域がある前記レーザビームを発生するレーザ光学系と、前記レーザビームの１照射により照射される領域が、１照射ごとに、前記アモルファス半導体膜の表面上において前記第２の方向に移動するように、前記レーザビームと前記保持台とのいずれか一方を他方に対して相対的に移動させる移動機構と、前記レーザビームの、前記アモルファス半導体膜の表面上における前記第２の方向に関する１照射当たりのエネルギ密度分布を測定するためのエネルギ密度分布測定手段と、前記エネルギ密度分布測定手段によって測定されたエネルギ密度分布に基づいて、前記レーザビームのある１照射において、その照射領域の進行方向前方の前記第３のエネルギ密度領域のレーザ光が照射された領域に、当該照射以降のいずれかの照射において、前記第１のエネルギ密度領域のレーザ光が照射されるように、前記移動機構を駆動する制御手段とを有するレーザアニール装置が提供される。
【００１０】
第３のエネルギ密度領域のレーザ光が照射された領域には、アモルファス半導体領域中に微細な結晶粒を含む膜が形成されると考えられる。後の照射で、この部分に第１のエネルギ密度領域のレーザ光を照射することにより、微結晶粒を再溶融させ、良質な多結晶膜を得ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１を参照して、本発明のアモルファス半導体膜の多結晶化方法について説明する。
【００１２】
図１（Ａ）は、アモルファス半導体膜が形成された基板１の平面図を示す。基板１の表面をｘｙ平面とするｘｙ直交座標系を考える。基板１の表面の法線方向から、アモルファス半導体膜の表面上に、ｙ軸方向に長い線状のビーム断面を有するレーザビームを照射する。例えばパルス発振しているＸｅＣｌエキシマレーザの照射を断続的に繰り返す。レーザビームの１照射により、基板１の表面のｙ軸方向に長い領域２が照射される。
【００１３】
この照射領域２をｘ軸の例えば正の方向に移動させることにより、アモルファス半導体膜の広い領域にレーザビームを照射する。基板１をｘ軸の負の方向に移動させてもよいし、レーザビームをｘ軸の正の方向に移動させてもよい。レーザビームの照射によりアモルファス半導体膜を一時的に溶融させ、多結晶化することができる。
【００１４】
図１（Ｂ）は、レーザビームの照射領域２におけるｘ軸方向の１照射あたりのエネルギ密度分布の一例を示す。横軸はｘ座標を表し、縦軸はエネルギ密度を表す。照射領域の中央部に、アモルファス半導体膜中に一旦形成された結晶粒が再溶融する最低エネルギ密度Ｐｒ以上のエネルギ密度を有する第１のエネルギ密度領域Ａｄが画定されている。その外側に、アモルファス半導体膜は溶融して多結晶化するが、一旦形成された結晶粒は再溶融しない最低のエネルギ密度Ｐｐ以上、かつエネルギ密度Ｐｒ以下のエネルギ密度を有する第２のエネルギ密度領域Ａｍが画定されている。その外側に、アモルファス半導体膜が溶融するが多結晶化はしない最低のエネルギ密度Ｐａ以上、かつエネルギ密度Ｐｐ以下のエネルギ密度を有する第３のエネルギ密度領域Ａｉが画定されている。
【００１５】
例えば、厚さ１．１ｍｍのＳｉＯ2 ガラス基板日本板ガラス社製の表面上に化学気相堆積（ＣＶＤ）により厚さ１００ｎｍのＳｉＯ2 膜を堆積し、その上に厚さ５０ｎｍのアモルファスシリコン膜を堆積した基板を用いて多結晶化を行う場合、エネルギ密度Ｐｒ、Ｐｐ、及びＰａは、それぞれ約３００ｍＪ／ｃｍ2 、約２００ｍＪ／ｃｍ2 、及び約１５０ｍＪ／ｃｍ2 であった。
【００１６】
レーザビームの１照射により、第３のエネルギ密度領域Ａｉにおいては、アモルファス半導体膜が溶融するが、良好な多結晶膜は得られない。この領域では、アモルファス半導体の領域内に微細な結晶粒が含まれた膜が形成されていると思われる。
【００１７】
微細な結晶粒を含む領域に、次のレーザビームの照射により、エネルギ密度Ｐｒ以上のレーザビームが照射されると、微細な結晶粒も溶融し、ほぼ均質な多結晶膜が得られると考えられる。しかし、この領域に第２のエネルギ密度領域Ａｍのレーザ光が照射される場合には、アモルファス部分は溶融して多結晶化するが、一旦形成された微細な結晶粒は再溶融しない。このため、この領域に形成される多結晶膜の品質が、他の領域の多結晶膜の品質と異なることになる。
【００１８】
均質な多結晶膜を形成するためには、微細な結晶粒が形成された領域に、エネルギ密度Ｐｒ以上のレーザ光を照射する必要がある。すなわち、レーザビームのある１照射において第３のエネルギ密度領域Ａｉのレーザ光が照射された領域に、当該照射以降のいずれかの照射において、第１のエネルギ密度領域Ａｄのレーザ光が照射されるように、アモルファス半導体膜の面内において、レーザビームの照射領域２を移動させる必要がある。
【００１９】
次に、レーザビームの１照射ごとの照射領域２の好ましい移動距離について、より具体的に考察する。照射領域２のｘ軸方向に関するエネルギ密度分布の、照射領域２の移動方向に関する前方斜面（ｘ軸の正の方向を向く斜面）における第３のエネルギ密度領域Ａｉの幅をＩ、第２のエネルギ密度領域Ａｍの幅をＭとする。また、エネルギ密度分布の中央部の第１のエネルギ領域Ａｄの全幅をＤとする。
【００２０】
図１（Ｃ）は、Ｄ≧Ｉの場合のエネルギ密度分布の一例を示す。図中の実線Ｅ1 で示す１照射により、エネルギ密度Ｐｐ以上の領域において、多結晶膜が形成される。エネルギ密度Ｐａ〜Ｐｐの領域Ａｉ1 においては、アモルファス半導体膜中に微結晶粒が形成される。
【００２１】
図１（Ｃ）中の実線Ｅ2 は、実線Ｅ1 の照射の次の１照射によるレーザビームのエネルギ密度分布を示す。図１（Ｃ）では、照射領域をｘ軸の正の方向にＤ＋Ｍだけ移動させた場合を示している。この場合、最初の照射で微結晶粒が形成された領域Ａｉ1 に、次の照射によりエネルギ密度Ｐｒ以上のレーザ光が照射される。このため、微結晶粒が再溶融し、良質な多結晶膜が得られる。
【００２２】
照射領域の移動距離をＤ＋Ｍよりも大きくすると、次の照射により領域Ａｉ1 にエネルギ密度Ｐｒよりも低いレーザ光しか照射されない。このため、一旦形成された微結晶粒が再溶融せず、良質な多結晶膜を得ることができなくなる。従って、レーザビームの１照射ごとの照射領域のｘ軸方向への移動距離をＬとするとき、Ｌ≦Ｍ＋Ｄとなるようにする必要がある。
【００２３】
図１（Ｄ）は、Ｄ＜Ｉの場合のエネルギ密度分布を示す。図中の実線Ｆ1 で示す１照射により、エネルギ密度Ｐｐ以上の領域において、多結晶膜が形成される。エネルギ密度Ｐａ〜Ｐｐの領域Ａｉ1 においては、アモルファス半導体膜中に微結晶粒が形成される。
【００２４】
図１（Ｄ）中の実線Ｆ2 は、実線Ｆ1 の照射の次の１照射によるレーザビームのエネルギ密度分布を示す。図１（Ｄ）では、照射領域をｘ軸の正の方向にＤ＋Ｍだけ移動させた場合を示している。幅Ｄが幅Ｉより狭いため、最初の照射により微結晶粒が形成された領域Ａｉ1 のうち、次の照射によりエネルギ密度Ｐｒ以上のレーザ光が照射されるのは、一部分のみである。このため、領域Ａｉ1 の一部に微結晶粒が残ってしまい、均質な多結晶膜を得ることができない。
【００２５】
微結晶粒が形成された領域Ａｉ1 の全領域にエネルギ密度Ｐｒ以上のレーザ光を照射するためには、Ｌ≦Ｄとすればよい。すなわち、多結晶化すべき領域に隈なくエネルギ密度Ｐｒ以上のレーザ光を照射することになる。
【００２６】
図１（Ｃ）及び１（Ｄ）では、レーザビームの１照射ごとの照射領域の移動距離Ｌの上限を規定した。移動距離Ｌがこれらの上限値よりも短い場合、均質な多結晶膜を得ることはできるが、短くしすぎると生産性の低下をもたらす。比較的高い生産性を保ちつつ、均質な多結晶膜を得るためには、エネルギ密度分布の半値幅をＦＷＨＭとしたとき、Ｌ≧０．８×ＦＷＨＭとなるように移動距離Ｌを設定することが好ましく、Ｌ≧０．５×ＦＷＨＭとなるように設定することがより好ましい。
【００２７】
図１では、レーザビームの照射領域をその長尺方向に直交する方向に移動させる場合について説明したが、長尺方向と移動方向とを必ずしも直交させる必要はない。両者が相互に交差する関係としてもよい。この場合には、図１（Ｃ）及び１（Ｄ）で考察したｘ軸方向に関するエネルギ密度分布の代わりに、照射領域の移動方向に関するエネルギ密度分布を用いて移動距離Ｌの範囲を定めればよい。
【００２８】
次に、図１で説明したアモルファス半導体膜の多結晶化方法を実施するためのレーザアニーリング装置について説明する。
【００２９】
図２は、レーザアニーリング装置の概略図を示す。レーザアニーリング装置は、処理チャンバ１０、搬送チャンバ５２、搬出入チャンバ５３、５４、エキシマレーザ装置４１、ホモジナイザ４２、ＣＣＤカメラ５８、ビデオモニタ５９、及び制御手段６５を含んで構成される。処理チャンバ１０には、ベローズ３７、結合部材３３、３５、リニアガイド機構３４及びリニアモータ３６等を含む直動機構３０が取り付けられている。ホモジナイザ４２及び直動機構３０の詳細な構成については、それぞれ図３及び図４を参照して後述する。
【００３０】
処理チャンバ１０と搬送チャンバ５２がゲートバルブ５５を介して結合され、搬送チャンバ５２と搬出入チャンバ５３、及び搬送チャンバ５２と搬出入チャンバ５４が、それぞれゲートバルブ５６及び５７を介して結合されている。処理チャンバ１０、搬出入チャンバ５３及び５４には、それぞれ真空ポンプ６１、６２及び６３が取り付けられ、各チャンバの内部を真空排気することができる。
【００３１】
搬送チャンバ５２内には、搬送用ロボット６４が収容されている。搬送用ロボット６４は、処理チャンバ１０、搬出入チャンバ５３及び５４の各チャンバ相互間で処理基板を移送する。
【００３２】
処理チャンバ１０の上面に、レーザ光透過用の石英窓８が設けられている。パルス発振したエキシマレーザ装置４１から出力されたレーザビームがアッテネータ４６を通ってホモジナイザ４２に入射する。ホモジナイザ４２は、レーザビームの断面形状を細長い形状にする。ホモジナイザ４２を通過したレーザビームは、レーザ光の断面形状に対応した細長い石英窓８を透過し、処理チャンバ１０内に配置された処理基板を照射する。基板の表面がホモジナイズ面に一致するように、ホモジナイザ４２と処理基板との相対位置が調節されている。
【００３３】
処理チャンバ１０内の処理基板は、直動機構３０により石英窓８の長尺方向に直交する向きに並進移動する。図１で説明した条件を満足するような速さで処理基板を移動させることにより、基板の表面上に形成されたアモルファス半導体膜をほぼ均質に多結晶化することができる。基板表面はＣＣＤカメラ５８により撮影され、処理中の基板表面をビデオモニタ５９で観察することができる。
【００３４】
エキシマレーザ装置４１、ホモジナイザ４２、搬送用ロボット６４、ゲートバルブ５５〜５７、及び直動機構３０は、制御装置６５によって制御される。
【００３５】
次に、図３を参照して、図２に示すホモジナイザ４２の構成及び作用について説明する。ホモジナイザ４２に入射する光線束の光軸に平行なｚ軸を有するｘｙｚ直交座標系を考える。図３（Ａ）は、ｙｚ面に平行な断面図、図３（Ｂ）は、ｘｚ面に平行な断面図を示す。
【００３６】
図３（Ａ）に示すように、等価な７本のシリンドリカルレンズが、各々の母線方向をｘ軸と平行にし、かつｙ軸方向に配列し、ｘｙ面に平行な仮想平面に沿ったシリンダアレイ１５Ａと１５Ｂが構成されている。シリンダアレイ１５Ａ及び１５Ｂの各シリンドリカルレンズの光軸面はｘｚ面に平行である。ここで、光軸面とは、シリンドリカルレンズの面対称な結像系の対称面のことを意味する。シリンダアレイ１５Ａは光の入射側（図の左方）に配置され、シリンダアレイ１５Ｂは出射側（図の右方）に配置されている。
【００３７】
図３（Ｂ）に示すように、等価な７本のシリンドリカルレンズが各々の母線方向をｙ軸と平行にし、かつｘ軸方向に配列し、ｘｙ面に平行な仮想平面に沿ったシリンダアレイ１６Ａと１６Ｂが構成されている。シリンダアレイ１６Ａ及び１６Ｂの各シリンドリカルレンズの光軸面はｙｚ面に平行である。シリンダアレイ１６Ａはシリンダアレイ１５Ａの前方（図の左方）に配置され、シリンダアレイ１６Ｂはシリンダアレイ１５Ａと１５Ｂとの間に配置されている。シリンダアレイ１５Ａと１５Ｂの対応するシリンドリカルレンズの光軸面は一致し、シリンダアレイ１６Ａと１６Ｂの対応するシリンドリカルレンズの光軸面も一致する。
【００３８】
シリンダアレイ１５Ｂの後方に、収束レンズ１９が配置されている。収束レンズ１９の光軸は、ｚ軸に平行である。
【００３９】
図３（Ａ）を参照して、ｙｚ面内に関する光線束の伝搬の様子を説明する。ｙｚ面内においては、シリンダアレイ１６Ａ及び１６Ｂは単なる平板であるため、光線束の収束、発散に影響を与えない。シリンダアレイ１６Ａの左方からｚ軸に平行な光軸を有する平行光線束１７がシリンダアレイ１６Ａに入射する。平行光線束１７は、例えば曲線２１ｙで示すように、中央部分で強く周辺部分で弱い光強度分布を有する。
【００４０】
平行光線束１７がシリンダアレイ１６Ａを透過し、シリンダアレイ１５Ａに入射する。入射光線束は、シリンダアレイ１５Ａにより各シリンドリカルレンズに対応した７つの収束光線束に分割される。図３（Ａ）では、中央と両端の光線束のみを代表して示している。７つの収束光線束は、それぞれ曲線２１ｙａ〜２１ｙｇで示す光強度分布を有する。シリンダアレイ１５Ａによって収束された光線束は、シリンダアレイ１５Ｂにより再度収束される。
【００４１】
シリンダアレイ１５Ｂにより収束した７つの収束光線束１８は、それぞれ収束レンズ１９の前方で結像する。この結像位置は、収束レンズ１９の入射側焦点よりもレンズに近い。このため、収束レンズ１９を透過した７つの光線束はそれぞれ発散光線束となり、ホモジナイズ面２０上において重なる。ホモジナイズ面２０を照射する７つの光線束のｙ軸方向の光強度分布は、それぞれ光強度分布２１ｙａ〜２１ｙｇをｙ軸方向に引き伸ばした分布に等しい。光強度分布２１ｙａと２１ｙｇ、２１ｙｂと２１ｙｆ、２１ｙｃと２１ｙｅは、それぞれｙ軸方向に関して反転させた関係を有するため、これらの光線束を重ね合わせた光強度分布は、実線２２ｙで示すように均一な分布に近づく。
【００４２】
図３（Ｂ）を参照して、ｘｚ面内に関する光線束の伝搬の様子を説明する。ｘｚ面内においては、シリンダアレイ１５Ａ及び１５Ｂは単なる平板であるため、光線束の収束、発散に影響を与えない。平行光線束１７がシリンダアレイ１６Ａに入射する。平行光線束１７は、例えば曲線２１ｘで示すように、中央部分で強く周辺部分で弱い光強度分布を有する。
【００４３】
平行光線束１７がシリンダアレイ１６Ａにより各シリンドリカルレンズに対応した７つの収束光線束に分割される。図１（Ｂ）では、中央と両端の光線束のみを代表して示している。７つの収束光線束は、それぞれ曲線２１ｘａ〜２１ｘｇで示す光強度分布を有する。
【００４４】
各光線束は、シリンダアレイ１６Ｂの前方で結像し、発散光線束となってシリンダアレイ１６Ｂに入射する。シリンダアレイ１６Ｂに入射した各光線束は、それぞれある出射角を持って出射し、収束レンズ１９に入射する。
【００４５】
収束レンズ１９を透過した７つの光線束はそれぞれ収束光線束となり、ホモジナイズ面２０上において重なる。ホモジナイズ面２０を照射する７つの光線束のｘ軸方向の光強度分布は、図１（Ａ）の場合と同様に実線２２ｘで示すように均一な分布に近づく。
【００４６】
ホモジナイズ面２０上の光照射領域は、ｙ軸方向に長く、ｘ軸方向に短い線状の形状を有する。ホモジナイズ面２０の位置に、図１に示す処理基板１の表面を配置することにより、その表面内のｙ軸方向に長い線状の領域を、ほぼ均一に照射することができる。
【００４７】
次に、図４を参照して、図２に示す直動機構３０の構成及び作用について説明する。
【００４８】
図４（Ａ）は、処理チャンバ１０及び直動機構３０の概略平断面図を示し、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の一点鎖線Ｂ１−Ｂ１における概略断面図を示す。なお、図４（Ａ）は、図４（Ｂ）の一点鎖線Ａ１−Ａ１における断面に相当する。
【００４９】
内部を真空排気可能な処理チャンバ１０の内部空洞内に、駆動用支軸３２Ａ及び３２Ｂが相互に平行に配置されている。駆動用支軸３２Ａ及び３２Ｂの各々の両端は、処理チャンバ１０の側壁を貫通して外部まで導出されている。
【００５０】
駆動用支軸３２Ａ及び３２Ｂの対応する一方の端部は、結合部材３３により相互に結合されている。結合部材３３は、リニアガイド機構３４により駆動用支軸３２Ａ及び３２Ｂの軸方向に移動可能に支持されている。
【００５１】
駆動用支軸３２Ａ及び３２Ｂの他方の端部は、結合部材３５により相互に結合されている。結合部材３５は、リニアモータ３６により駆動用支軸３２Ａ及び３２Ｂの軸方向に駆動される。リニアモータ３６を駆動することにより、駆動用支軸３２Ａ及び３２Ｂを、その軸方向に並進移動させることができる。
【００５２】
駆動用支軸３２Ａ及び３２Ｂの各々の処理チャンバ１０の外に導出された部分には、真空ベローズ３７が被せられている。真空ベローズ３７の一端は処理チャンバ１０の側壁に取り付けられ、他端は結合部材３３または３５に取り付けられている。真空ベローズ３７により、処理チャンバ１０の気密性が保たれている。
【００５３】
処理チャンバ１０内に保持台１４が配置されている。保持台１４は、駆動用支軸３２Ａ及び３２Ｂに固定されている。保持台１４の上面に複数本のピン３８が突出しており、アニール処理される基板１がピン３８の上に載置される。保持台１４の内部にヒータ３９が埋め込まれており、保持台１４を加熱することができる。保持台１４からの熱輻射等により基板１が加熱される。処理チャンバ１０の上面に石英窓８が設けられており、石英窓８を通して処理チャンバ１０内にレーザ光が導入される。
【００５４】
リニアモータ３６は、図２に示す制御装置６５により駆動され、駆動用支軸３２Ａ及び３２Ｂを介して基板１を所望の速さで並進移動させることができる。
【００５５】
次に、図５を参照して、図２に示すレーザアニーリング装置の光学系及び制御系について説明する。
【００５６】
図５は、図２のレーザアニーリング装置の光学系及び制御系の概略図を示す。エキシマレーザ装置４１から出力したレーザビームは、アッテネータ４６を通過し、ターンミラー４７及び４８で反射し、ホモジナイザ４２に入射する。ホモジナイザ４２を通過したレーザビームは、ターンミラー４９で反射し、石英窓８を透過して処理チャンバ１０内に導入される。
【００５７】
ホモジナイザ４２とターンミラー４９は、相互の相対位置関係を保った状態で、入射レーザ光の光軸に沿って平行移動することができる。ターンミラー４９で反射した後のレーザビームが図中の位置ｃにあるとき、処理チャンバ１０内の処理基板上にレーザ光が照射される。
【００５８】
処理チャンバ１０内には、処理基板の表面に形成されたアモルファスシリコン膜の膜厚を測定するための膜厚測定手段７１、及び照射領域の短軸方向（図１（Ａ）のｘ軸方向）のエネルギ密度分布を測定するためのエネルギ密度分布測定手段７２が配置されている。
【００５９】
膜厚測定手段７１は、処理チャンバ１０内に搬入された処理基板の表面上に形成されたアモルファスシリコン膜の膜厚を測定し、その結果を制御手段６５に送信する。
【００６０】
エネルギ密度分布測定手段７２は、例えば光センサを照射領域の短軸方向に直線状に配列して構成される。レーザビームを位置ｄに移動させたとき、レーザ光がエネルギ密度分布測定手段７２に照射され、レーザ光の照射領域の短軸方向のエネルギ密度分布を測定することができる。処理チャンバ１０の外にも、光センサを直線状に配列したエネルギ密度分布測定手段７４が配置されている。レーザビームを位置ａに移動させてエネルギ密度分布測定手段７４にレーザ光を照射することにより、ビーム断面の長軸方向に関するエネルギ密度分布を測定することができる。エネルギ密度分布測定手段７２及び７４による測定結果は、制御手段６５に送信される。
【００６１】
また、処理チャンバ１０の外にはパワーメータ７３が配置されており、レーザビームを位置ｂに移動させることにより、処理チャンバ１０内に導入される前のレーザ光の強度を測定することができる。パワーメータ７３で検出されたレーザ光の強度を、その位置における正常値と比較することにより、光学部品の劣化状態を知ることができる。
【００６２】
次に、制御手段６５の作用について説明する。制御手段６５は、膜厚測定手段７１から与えられたアモルファスシリコン膜の膜厚に基づいて、図１（Ｂ）に示す第１〜第３のエネルギ密度Ｐｒ、Ｐｐ、Ｐａを決定する。例えば、予めアモルファスシリコン膜の膜厚とこれらのエネルギ密度との関係を実験により求め、この関係を制御手段６５に記憶させておくことにより、膜厚から第１〜第３のエネルギ密度Ｐｒ、Ｐｐ、Ｐａを決定することができる。
【００６３】
次に、エネルギ密度分布測定手段７２により測定されたエネルギ密度分布と、第１〜第３のエネルギ密度に基づいて、レーザビーム１照射ごとの照射領域の移動距離を決定し、この移動距離に基づいて直動機構３０を駆動する。例えば、測定されたエネルギ密度分布と、第１〜第３のエネルギ密度Ｐｒ、Ｐｐ、Ｐａとに基づいて、図１（Ｂ）に示す幅Ｄ、Ｍ、及びＩを求める。これらの値から、図１（Ｃ）及び１（Ｄ）で説明した１照射ごとの照射領域の移動距離Ｌの範囲に収まるように、直動機構３０を駆動する。このように、移動距離Ｌを制御することにより、良質な多結晶シリコン膜を得ることが可能になる。
【００６４】
なお、図５では、アモルファスシリコン膜の膜厚を測定して、その測定結果を制御手段６５に送信する場合を説明したが、処理すべき基板のアモルファスシリコン膜の膜厚を、制御手段６５に予め記憶させておいてもよい。また、図５では、アモルファスシリコン膜の膜厚から第１〜第３のエネルギ密度Ｐｒ、Ｐｐ、及びＰａを求める場合を説明したが、これらのエネルギ密度を予め求めておき、制御手段６５に記憶させておいてもよい。
【００６５】
上記実施例では、アモルファスシリコン膜を多結晶化する場合を例に説明したが、その他のアモルファス半導体膜を多結晶する場合にも、上記実施例が応用可能である。例えば、Ｇｅ、ＳｉＧｅ等を多結晶化する場合にも適用できるであろう。
【００６６】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、アモルファス半導体膜にレーザビームを断続的に照射し、１照射ごとの照射領域の移動距離を調整することにより、均一性の高い多結晶半導体膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるアモルファス半導体膜の多結晶化方法を説明するための、基板平面図、及びレーザビームのエネルギ密度分布を示すグラフである。
【図２】レーザアニーリング装置の概略図である。
【図３】図２のレーザアニーリング装置に使用されているホモジナイザの断面図である。
【図４】図２のレーザアニーリング装置に使用されている直動機構の断面図である。
【図５】図２のレーザアニーリング装置に使用されている光学系及び制御手段の概略図である。
【符号の説明】
１  処理基板
２  照射領域
８  石英窓
１０  処理チャンバ
１４  保持台
１５Ａ、１５Ｂ、１６Ａ、１６Ｂ  シリンダアレイ
１７、１８  光線束
１９  収束レンズ
２０  ホモジナイズ面
２１、２２  光強度分布
３０  直動機構
３２Ａ、３２Ｂ  駆動用支軸
３３、３５  結合部材
３４  リニアガイド機構
３６  リニアモータ
３７  真空ベローズ
３８  ピン
３９  ヒータ
４１  エキシマレーザ装置
４２  ホモジナイザ
４６  アッテネータ
４７、４８、４９  ターンミラー
５２  搬送チャンバ
５３、５４  搬出入チャンバ
５５〜５７  ゲートバルブ
５８  ＣＣＤカメラ
５９  ビデオモニタ
６１、６２、６３  真空ポンプ
６４  搬送ロボット
６５  制御手段
７１  膜厚測定手段
７２、７４  エネルギ密度分布測定手段
７３  パワーメータ
【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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