特許 7161758 レーザアニール装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-19

(45)【発行日】2022-10-27

(54)【発明の名称】レーザアニール装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/20 20060101AFI20221020BHJP

   H01L 21/268 20060101ALI20221020BHJP

【ＦＩ】

H01L21/20

H01L21/268 J

【請求項の数】 20

(21)【出願番号】P 2018244802

(22)【出願日】2018-12-27

(65)【公開番号】P2020107717

(43)【公開日】2020-07-09

【審査請求日】2021-11-24

(73)【特許権者】

【識別番号】500171707

【氏名又は名称】株式会社ブイ・テクノロジー

(74)【代理人】

【識別番号】110001520

【氏名又は名称】弁理士法人日誠国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】楊 映保

(72)【発明者】

【氏名】後藤 順

(72)【発明者】

【氏名】水村 通伸

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 香織

【審査官】佐藤 靖史

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－０８７９６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－３０９０８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０２６２８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２８７８６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－３４７３８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／２０

Ｈ０１Ｌ ２１／２６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被処理基板の上に形成された非晶質シリコン膜に対して、ビームスポットを相対的に移動させ、前記非晶質シリコン膜を結晶化シリコンへ改質させるレーザアニール装置であって、
連続発振レーザ光を出射する連続発振レーザと、
前記連続発振レーザから出射されたレーザ光が入射されて、前記非晶質シリコン膜に投影する前記ビームスポットを形成するマスクと、
を備え、
前記マスクは、透明基板の表面に遮光膜が形成され、前記ビームスポットを相対的に移動させる移動方向の下流側の領域にエネルギー強度の高い高透過率領域が設けられ、前記移動方向の上流側の領域にエネルギー強度の低い低透過率領域が設けられ、
前記高透過率領域は、前記遮光膜に形成された切り欠き部の面積が大きく設定され、
前記低透過率領域は、複数の切り欠き部が形成され、前記遮光膜に形成された切り欠き部の面積が小さく設定され、
前記低透過率領域内の前記切り欠き部は、前記遮光膜に対して、前記高透過率領域と反対の方向へ向けて順次幅が狭くなる
レーザアニール装置。

【請求項2】

被処理基板の上に形成された非晶質シリコン膜に対して、ビームスポットを相対的に移動させ、前記非晶質シリコン膜を結晶化シリコンへ改質させるレーザアニール装置であって、
連続発振レーザ光を出射する連続発振レーザと、
前記連続発振レーザから出射されたレーザ光が入射されて、前記非晶質シリコン膜に投影する前記ビームスポットを形成するマスクと、
を備え、
前記マスクは、前記ビームスポットを相対的に移動させる移動方向の下流側の領域にエネルギー強度の高い高透過率領域が設けられ、前記移動方向の上流側の領域にエネルギー強度の低い低透過率領域が設けられ、
前記マスクは、透明基板の表面に遮光膜が形成され、
前記高透過率領域は、前記遮光膜に形成された切り欠き部の面積が大きく設定され、
前記低透過率領域は、前記高透過率領域の前記切り欠き部に向けて、前記遮光膜の膜厚が漸次薄くなるグラデーション部である
レーザアニール装置。

【請求項3】

前記マスクは、透明基板の表面に前記遮光膜が形成され、
前記高透過率領域は、前記透明基板の表面に形成された遮光膜に開口率の高い切り欠き部が形成され、
前記低透過率領域は、前記透明基板の表面に前記遮光膜でなる複数のドット部が分散して配置されている
請求項１に記載のレーザアニール装置。

【請求項4】

前記低透過率領域における光透過率が前記移動方向の上流側へ向けて漸次減少するように設定されている
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のレーザアニール装置。

【請求項5】

前記連続発振レーザは、半導体レーザである
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のレーザアニール装置。

【請求項6】

前記連続発振レーザは、レーザのパルス幅が溶融シリコンの冷却時間より長い疑似連続発振レーザを用いる
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のレーザアニール装置。

【請求項7】

前記ビームスポットの下流側部分におけるエネルギー強度は、前記非晶質シリコン膜を溶融させる閾値より高く設定され、
前記ビームスポットの上流側部分におけるエネルギー強度は、前記移動方向の上流側に向けて前記閾値を通過して漸次低下するように設定されている
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のレーザアニール装置。

【請求項8】

前記ビームスポットが、細長い矩形状に形成され、
前記ビームスポットの短軸方向が、前記移動方向と同じである
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のレーザアニール装置。

【請求項9】

前記マスクは、前記連続発振レーザ光を前記高透過率領域および前記低透過率領域で透過させる位置と、前記連続発振レーザ光を前記高透過率領域のみで透過させる位置と、に変位可能である
請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のレーザアニール装置。

【請求項10】

被処理基板の上に形成された非晶質シリコン膜に対して、ビームスポットを相対的に移動させ、前記非晶質シリコン膜を結晶化シリコンへ改質させるレーザアニール装置であって、
連続発振レーザ光を出射する連続発振レーザと、
前記連続発振レーザから出射されたレーザ光が入射されて、前記非晶質シリコン膜に投影する前記ビームスポットを形成するマスクと、
を備え、
前記マスクは、透明基板の表面に遮光膜が形成され、前記ビームスポットを相対的に移動させる移動方向の一方側の領域にエネルギー強度の高い高透過率領域が設けられ、前記移動方向の他方側の領域にエネルギー強度の低い低透過率領域が設けられ、
前記高透過率領域は、前記遮光膜に形成された切り欠き部の面積が大きく設定され、
前記低透過率領域は、複数の切り欠き部が形成され、前記遮光膜に形成された切り欠き部の面積が小さく設定され、
前記低透過率領域内の前記切り欠き部は、前記遮光膜に対して、前記高透過率領域と反
対の方向へ向けて順次幅が狭くなる
レーザアニール装置。

【請求項11】

被処理基板の上に形成された非晶質シリコン膜に対して、ビームスポットを相対的に移動させ、前記非晶質シリコン膜を結晶化シリコンへ改質させるレーザアニール装置であって、
連続発振レーザ光を出射する連続発振レーザと、
前記連続発振レーザから出射されたレーザ光が入射されて、前記非晶質シリコン膜に投影する前記ビームスポットを形成するマスクと、
を備え、
前記マスクは、前記ビームスポットを相対的に移動させる移動方向の一方側の領域にエネルギー強度の高い高透過率領域が設けられ、前記移動方向の他方側の領域にエネルギー強度の低い低透過率領域が設けられ、
前記マスクは、透明基板の表面に遮光膜が形成され、
前記高透過率領域は、前記遮光膜に形成された切り欠き部の面積が大きく設定され、
前記低透過率領域は、前記高透過率領域の前記切り欠き部に向けて、前記遮光膜の膜厚が漸次薄くなるグラデーション部である
レーザアニール装置。

【請求項12】

前記マスクは、透明基板の表面に遮光膜が形成され、
前記高透過率領域は、前記透明基板の表面に形成された前記遮光膜に開口率の高い切り欠き部が形成され、
前記低透過率領域は、前記透明基板の表面に前記遮光膜でなる複数のドット部が分散して配置されている
請求項１０に記載のレーザアニール装置。

【請求項13】

前記低透過率領域における光透過率が前記移動方向の上流側へ向けて漸次減少するように設定されている
請求項１０から請求項１２のいずれか一項に記載のレーザアニール装置。

【請求項14】

前記連続発振レーザは、半導体レーザである
請求項１０から請求項１３のいずれか一項に記載のレーザアニール装置。

【請求項15】

前記連続発振レーザは、レーザのパルス幅が溶融シリコンの冷却時間より長い疑似連続発振レーザを用いる
請求項１０から請求項１４のいずれか一項に記載のレーザアニール装置。

【請求項16】

前記ビームスポットの下流側部分におけるエネルギー強度は、前記非晶質シリコン膜を溶融させる閾値より高く設定され、
前記ビームスポットの上流側部分におけるエネルギー強度は、前記移動方向の上流側に向けて前記閾値を通過して漸次低下するように設定されている
請求項１０から請求項１５のいずれか一項に記載のレーザアニール装置。

【請求項17】

前記ビームスポットが、細長い矩形状に形成され、
前記ビームスポットの短軸方向が、前記移動方向と同じである
請求項１０から請求項１６のいずれか一項に記載のレーザアニール装置。

【請求項18】

前記マスクは、前記連続発振レーザ光を前記高透過率領域および前記低透過率領域で透過させる位置と、前記連続発振レーザ光を前記高透過率領域のみで透過させる位置と、に変位可能である
請求項１０から請求項１７のいずれか一項に記載のレーザアニール装置。

【請求項19】

被処理基板の上に形成された非晶質シリコン膜に対して、ビームスポットを相対的に移動させ、前記非晶質シリコン膜を結晶化シリコンへ改質させるレーザアニール装置であって、
連続発振レーザ光を出射する連続発振レーザと、
前記連続発振レーザから出射されたレーザ光が入射されて、前記非晶質シリコン膜に投影する前記ビームスポットを形成するマスクと、
を備え、
前記マスクは、前記ビームスポットを相対的に移動させる移動方向の下流側の領域にエネルギー強度の高い高透過率領域が設けられ、前記移動方向の上流側の領域にエネルギー強度の低い低透過率領域が設けられ、
前記低透過率領域における光透過率が前記移動方向の上流側へ向けて漸次減少するように設定されている
レーザアニール装置。

【請求項20】

被処理基板の上に形成された非晶質シリコン膜に対して、ビームスポットを相対的に移動させ、前記非晶質シリコン膜を結晶化シリコンへ改質させるレーザアニール装置であって、
連続発振レーザ光を出射する連続発振レーザと、
前記連続発振レーザから出射されたレーザ光が入射されて、前記非晶質シリコン膜に投影する前記ビームスポットを形成するマスクと、
を備え、
前記マスクは、前記ビームスポットを相対的に移動させる移動方向の下流側の領域にエネルギー強度の高い高透過率領域が設けられ、前記移動方向の上流側の領域にエネルギー強度の低い低透過率領域が設けられ、
前記マスクは、前記連続発振レーザ光を前記高透過率領域および前記低透過率領域で透過させる位置と、前記連続発振レーザ光を前記高透過率領域のみで透過させる位置と、に変位可能である
レーザアニール装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザアニール装置に関する。

【背景技術】

【0002】

薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）は、薄型ディスプレイ（ＦＰＤ：Flat Panel Display）をアクティブ駆動するためのスイッチング素子として用いられている。薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴという）の半導体層の材料としては、非晶質シリコン（ａ－Ｓｉ：amorphous Silicon）や、多結晶シリコン（p－Ｓｉ：polycrystalline Silicon）などが用いられている。

【0003】

非晶質シリコンは、電子の動き易さの指標である移動度（μ）が低い。このため、非晶質シリコンでは、さらに高密度・高精細化が進むＦＰＤで要求される高移動度には対応しきれない。そこで、ＦＰＤにおけるスイッチング素子としては、非晶質シリコンよりも移動度が大幅に高い多結晶シリコンでチャネル半導体層を形成することが好ましい。多結晶シリコン膜を形成する方法としては、エキシマレーザを使ったエキシマレーザアニール（ＥＬＡ:Excimer Laser Annealing）装置で、非晶質シリコン膜にレーザ光を照射し、非晶質シリコンを再結晶化させて多結晶シリコンを形成する方法がある。

【0004】

従来のレーザアニール方法としては、被照射領域において、エキシマレーザアニール（以下、ＥＬＡという）装置により発生させたエキシマレーザ光のパルスレーザビームを用いた技術が知られている（特許文献１参照）。

【0005】

このレーザアニール方法では、被処理領域を、パルスレーザビームを発生させる高エネルギー部により照射し、この高エネルギー部が通過した後、逐次的に、それよりも小さなエネルギーのレーザビームでなる低エネルギー部の照射を行う。このレーザアニール方法では、低エネルギー部の照射によって高エネルギー部によって生じた残存結晶化不良領域の結晶化を図っている。

【0006】

この他のレーザアニール方法としては、ＥＬＡ装置によるパルスレーザ光のレーザビームに対して、走査方向に沿ってエネルギー分布を持たせたものなどが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２００２－３１３７２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、ＥＬＡ装置は特殊なガスを使ったガスレーザであり、設備コストならびに維持コストが高いという問題がある。また、ＥＬＡ装置は、発生出力が強く、レーザ光の位相のそろい具合（コヒーレンス）や出力を一定の状態に保つことが難しいという問題がある。

【0009】

上記の特許文献１に開示されたレーザアニール方法では、多くの数の光源ならびにそれらに付随する複雑な光学系を要するため、さらにコスト高となるという問題がある。また、エキシマレーザのパルス光照射によって形成される多結晶シリコンは、結晶粒径が数１０～３５０ｎｍ程度である。この程度の結晶粒径では、さらに高い移動度を満足することができない。現在でも、ＦＰＤにおける画素トランジスタをオン・オフするドライバ回路のＴＦＴはチャネル半導体層領域に高い移動度が要求されている。さらに、ＦＰＤにおいては、その大型化、高解像度化、動画特性の高速化に伴って、画素のスイッチング素子としてのＴＦＴにおいても高移動度化が要望される。

【0010】

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、移動度の高い多結晶シリコン膜や疑似単結晶シリコン膜などを必要な領域に安定して形成でき、被処理基板へのレーザ照射条件の制御性がよく、大幅な低コスト化を達成できるレーザアニール装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の態様は、被処理基板の上に形成された非晶質シリコン膜に対して、ビームスポットを相対的に移動させ、前記非晶質シリコン膜を結晶化シリコンへ改質させるレーザアニール装置であって、連続発振レーザ光を出射する連続発振レーザと、前記連続発振レーザから出射されたレーザ光が入射されて、前記非晶質シリコン膜に投影する前記ビームスポットを形成するマスクと、を備え、前記マスクは、透明基板の表面に遮光膜が形成され、前記ビームスポットを相対的に移動させる移動方向の下流側の領域にエネルギー強度の高い高透過率領域が設けられ、前記移動方向の上流側の領域にエネルギー強度の低い低透過率領域が設けられ、前記高透過率領域は、前記遮光膜に形成された切り欠き部の面積が大きく設定され、前記低透過率領域は、複数の切り欠き部が形成され、前記遮光膜に形成された切り欠き部の面積が小さく設定され、前記低透過率領域内の前記切り欠き部は、前記遮光膜に対して、前記高透過率領域と反対の方向へ向けて順次幅が狭くなることを特徴とする。

【0012】

本発明の他の態様としては、被処理基板の上に形成された非晶質シリコン膜に対して、ビームスポットを相対的に移動させ、前記非晶質シリコン膜を結晶化シリコンへ改質させるレーザアニール装置であって、連続発振レーザ光を出射する連続発振レーザと、前記連続発振レーザから出射されたレーザ光が入射されて、前記非晶質シリコン膜に投影する前記ビームスポットを形成するマスクと、を備え、前記マスクは、前記ビームスポットを相対的に移動させる移動方向の下流側の領域にエネルギー強度の高い高透過率領域が設けられ、前記移動方向の上流側の領域にエネルギー強度の低い低透過率領域が設けられ、前記マスクは、透明基板の表面に遮光膜が形成され、前記高透過率領域は、前記遮光膜に形成された切り欠き部の面積が大きく設定され、前記低透過率領域は、前記高透過率領域の前記切り欠き部に向けて、前記遮光膜の膜厚が漸次薄くなるグラデーション部であることを特徴とする。

【0013】

上記態様としては、前記マスクは、透明基板の表面に前記遮光膜が形成され、前記高透過率領域は、前記透明基板の表面に形成された前記遮光膜に開口率の高い切り欠き部が形成され、前記低透過率領域は、前記透明基板の表面に遮光膜でなる複数のドット部が分散して配置されていることが好ましい。また、上記態様としては、前記低透過率領域における光透過率が前記移動方向の上流側へ向けて漸次減少するように設定されていることが好ましい。

【0014】

上記態様としては、前記連続発振レーザは、半導体レーザであることが好ましい。また、前記連続発振レーザは、レーザのパルス幅が溶融シリコンの冷却時間より長い疑似連続発振レーザを用いることが好ましい。

【0015】

上記態様としては、前記ビームスポットの下流側部分におけるエネルギー強度は、前記非晶質シリコン膜を溶融させる閾値より高く設定され、前記ビームスポットの上流側部分におけるエネルギー強度は、前記移動方向の上流側に向けて前記閾値を通過して漸次低下するように設定されていることが好ましい。

【0016】

上記態様としては、前記ビームスポットが、細長い矩形状に形成され、前記ビームスポットの短軸方向が、前記移動方向と同じであることが好ましい。また、前記マスクは、前記連続発振レーザ光を前記高透過率領域および前記低透過率領域で透過させる位置と、前記連続発振レーザ光を前記高透過率領域のみで透過させる位置と、に変位可能であることが好ましい。

【0017】

本発明の他の態様としては、被処理基板の上に形成された非晶質シリコン膜に対して、ビームスポットを相対的に移動させ、前記非晶質シリコン膜を結晶化シリコンへ改質させるレーザアニール装置であって、連続発振レーザ光を出射する連続発振レーザと、前記連続発振レーザから出射されたレーザ光が入射されて、前記非晶質シリコン膜に投影する前記ビームスポットを形成するマスクと、を備え、前記マスクは、透明基板の表面に遮光膜が形成され、前記ビームスポットを相対的に移動させる移動方向の一方側の領域にエネルギー強度の高い高透過率領域が設けられ、前記移動方向の他方側の領域にエネルギー強度の低い低透過率領域が設けられ、前記高透過率領域は、前記遮光膜に形成された切り欠き部の面積が大きく設定され、前記低透過率領域は、複数の切り欠き部が形成され、前記遮光膜に形成された前記切り欠き部の面積が小さく設定され、前記低透過率領域内の切り欠き部は、前記遮光膜に対して、前記高透過率領域と反対の方向へ向けて順次幅が狭くなることを特徴とする。

【0018】

本発明の他の態様としては、被処理基板の上に形成された非晶質シリコン膜に対して、ビームスポットを相対的に移動させ、前記非晶質シリコン膜を結晶化シリコンへ改質させるレーザアニール装置であって、連続発振レーザ光を出射する連続発振レーザと、前記連続発振レーザから出射されたレーザ光が入射されて、前記非晶質シリコン膜に投影する前記ビームスポットを形成するマスクと、を備え、前記マスクは、前記ビームスポットを相対的に移動させる移動方向の一方側の領域にエネルギー強度の高い高透過率領域が設けられ、前記移動方向の他方側の領域にエネルギー強度の低い低透過率領域が設けられ、前記マスクは、透明基板の表面に遮光膜が形成され、前記高透過率領域は、前記遮光膜に形成された切り欠き部の面積が大きく設定され、前記低透過率領域は、前記高透過率領域の前記切り欠き部に向けて、前記遮光膜の膜厚が漸次薄くなるグラデーション部であることを特徴とする。

【0019】

上記態様としては、前記マスクは、透明基板の表面に遮光膜が形成され、前記高透過率領域は、前記透明基板の表面に形成された前記遮光膜に開口率の高い切り欠き部が形成され、前記低透過率領域は、前記透明基板の表面に前記遮光膜でなる複数のドット部が分散して配置されていることが好ましい。また、上記態様としては、前記低透過率領域における光透過率が前記移動方向の上流側へ向けて漸次減少するように設定されていることが好ましい。

【0020】

上記態様としては、前記連続発振レーザは、半導体レーザであることが好ましい。また、前記連続発振レーザは、レーザのパルス幅が溶融シリコンの冷却時間より長い疑似連続発振レーザを用いることが好ましい。上記態様としては、前記ビームスポットの下流側部分におけるエネルギー強度は、前記非晶質シリコン膜を溶融させる閾値より高く設定され、前記ビームスポットの上流側部分におけるエネルギー強度は、前記移動方向の上流側に向けて前記閾値を通過して漸次低下するように設定されていることが好ましい。上記態様としては、前記ビームスポットが、細長い矩形状に形成され、前記ビームスポットの短軸方向が、前記移動方向と同じであることが好ましい。また、前記マスクは、前記連続発振レーザ光を前記高透過率領域および前記低透過率領域で透過させる位置と、前記連続発振レーザ光を前記高透過率領域のみで透過させる位置と、に変位可能であることが好ましい。

【0021】

本発明の他の態様としては、被処理基板の上に形成された非晶質シリコン膜に対して、ビームスポットを相対的に移動させ、前記非晶質シリコン膜を結晶化シリコンへ改質させるレーザアニール装置であって、連続発振レーザ光を出射する連続発振レーザと、前記連続発振レーザから出射されたレーザ光が入射されて、前記非晶質シリコン膜に投影する前記ビームスポットを形成するマスクと、を備え、前記マスクは、前記ビームスポットを相対的に移動させる移動方向の下流側の領域にエネルギー強度の高い高透過率領域が設けられ、前記移動方向の上流側の領域にエネルギー強度の低い低透過率領域が設けられ、前記低透過率領域における光透過率が前記移動方向の上流側へ向けて漸次減少するように設定されていることを特徴とする。

【0022】

本発明の他の態様としては、被処理基板の上に形成された非晶質シリコン膜に対して、ビームスポットを相対的に移動させ、前記非晶質シリコン膜を結晶化シリコンへ改質させるレーザアニール装置であって、連続発振レーザ光を出射する連続発振レーザと、前記連続発振レーザから出射されたレーザ光が入射されて、前記非晶質シリコン膜に投影する前記ビームスポットを形成するマスクと、を備え、前記マスクは、前記ビームスポットを相対的に移動させる移動方向の下流側の領域にエネルギー強度の高い高透過率領域が設けられ、前記移動方向の上流側の領域にエネルギー強度の低い低透過率領域が設けられ、前記マスクは、前記連続発振レーザ光を前記高透過率領域および前記低透過率領域で透過させる位置と、前記連続発振レーザ光を前記高透過率領域のみで透過させる位置と、に変位可能であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、移動度の高い多結晶シリコン膜や疑似単結晶シリコン膜などを必要な領域に安定して形成でき、被処理基板へのレーザ照射条件の制御性がよく、大幅な低コスト化を達成できるレーザアニール装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】図１は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置の概略構成図である。

【図2】図２は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置に用いるマスクを示す平面図である。

【図3】図３は、図２のIII－III断面図である。

【図4】図４は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置におけるビームスポットの短軸方向のエネルギー強度分布を示す説明図である。

【図5】図５は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置を用いて、被処理基板を移動させてレーザアニールを開始する状態を示す平面説明図である。

【図6-1】図６－１は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置により非晶質シリコン膜（改質予定領域）の一方の端縁にビームスポットを投影した状態を示す平面説明図である。

【図6-2】図６－２は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置により非晶質シリコン膜（改質予定領域）の中間部までビームスポットを移動させた状態を示す平面説明図である。

【図6-3】図６－３は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置により非晶質シリコン膜（改質予定領域）の他方の端縁までビームスポットを移動させた状態を示す平面説明図である。

【図7】図７は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置における基板への照射エネルギーの変化を示す図であり、レーザエネルギーのオン・オフのタイミングと、マスクの変位タイミングと、非晶質シリコン膜に照射されるエネルギー強度と時間との関係と、を示す説明図である。

【図8】図８は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置を用いたレーザアニール方法の他の実施例における基板内、長さ方向各場合に照射されるエネルギーの分布を示す図であり、非晶質シリコン膜に照射されるエネルギー強度と時間との関係を示す説明図である。

【図9】図９は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置に用いるマスクの変形例１を示す平面図である。

【図10】図１０は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置に用いるマスクの変形例２を示す平面図である。

【図11】図１１は、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置に用いるマスクの変形例３を示す平面図である。

【図12】図１２は、図１１のXII－XII断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下に、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置の詳細を図面に基づいて説明する。但し、図面は模式的なものであり、各部材の数、各部材の寸法、寸法の比率、形状などは現実のものと異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率や形状が異なる部分が含まれている。

【0026】

［実施の形態］
（レーザアニール装置の概略構成）
以下、図１から図５を用いて、本実施の形態に係るレーザアニール装置１０の概略構成を説明する。図１に示すように、レーザアニール装置１０は、基台１１と、連続発振レーザ光（ＣＷレーザ光）を発振する連続発振レーザとしての半導体レーザ２と、反射鏡３と、マスク４と、を備える。なお、実際には、マスク４は細長い矩形状であるが、説明の便宜から、図２に示すように長手方向の寸法に対して短軸方向Ｘの寸法を比較的長く示している。

【0027】

基台１１は、図示しない基板搬送手段を備えている。このレーザアニール装置１０においては、被処理基板１を基台１１の上に配置した状態で、図示しない基板搬送手段によって、基板移動方向Ｔに向けて移動させる。なお、図５に示すように、ビームスポットＬＢＳの相対的な移動方向Ｔｒは、被処理基板１の基板移動方向Ｔと逆向きである。

【0028】

図１に示すように、本実施の形態で用いる被処理基板１は、ガラス基板などの表面に全面に堆積された非晶質シリコン膜５を備えて構成されている。被処理基板１は、最終的に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などが作り込まれたＴＦＴ基板となる。なお、本実施の形態では、図５に示すように、被処理基板１の全面（非晶質シリコン膜５の全面）を改質予定領域６とするが、これに限定されるものではなく、改質予定領域６の大きさや形状は適宜変更可能である。以下、本実施の形態では、改質予定領域６を非晶質シリコン膜５の全表面として説明する。

【0029】

図１に示すように、半導体レーザ２から出射された連続発振レーザ光は、反射鏡３で反射され、マスク４を通って非晶質シリコン膜５に照射される。本実施の形態では、マスク４を通過したレーザビームＬＢのビームスポットＬＢＳが、図５に示すような細長い矩形状に成形されるように設定されている。

【0030】

図２に示すように、マスク４は、長方形の透明基板４１の表面に遮光膜４２が形成されている。マスク４には、それぞれ長手方向に延びる、高透過率領域Ａと、低透過率領域Ｂと、を備える。高透過率領域Ａは、マスク４の短軸方向Ｘの一方側に配置されている。低透過率領域Ｂは、マスク４の短軸方向Ｘの他方側に配置されている。すなわち、マスク４の領域内において、マスク４の短軸方向Ｘに沿って、高透過率領域Ａと低透過率領域Ｂとが隣接して区画されている。

【0031】

なお、図１に示すように、マスク４は、短軸方向Ｘに沿って往復移動可能に設けられている。すなわち、連続発振レーザ光を高透過率領域Ａおよび低透過率領域Ｂで透過させる位置と、連続発振レーザ光を高透過率領域Ａのみで透過させる位置と、に変位可能である

【0032】

図２に示すように、高透過率領域Ａには、遮光膜４２に、高透過率領域Ａの全領域を略開口させる大きな長方形の切り欠き部（開口部）４２Ａが形成されている。このため、高透過率領域Ａにおける光透過率は高く設定されている。低透過率領域Ｂには、遮光膜４２に複数の小さな長方形の切り欠き部４２Ｂが分散して配置されている。このため、低透過率領域Ｂにおける光透過率は低く設定されている。

【0033】

本実施の形態では、反射鏡３からの連続発振レーザ光のレーザビームＬＢは、図示しない光学系でマスク４の輪郭と同程度またはそれ以上の大きさに成形されるようになっている。図１に示すように、マスク４にレーザビームＬＢが照射されると，切り欠き部４２Ａ，４２Ｂを透過したレーザビームＬＢのビームスポットＬＢＳが非晶質シリコン膜５に投影される。

【0034】

図４は、マスク４を通過したレーザビームＬＢのビームスポットＬＢＳにおけるエネルギー強度分布を示す説明図である。図４に示すように、高透過率領域Ａを通過して非晶質シリコン膜５を照射する領域のビームスポットＬＢＳのエネルギー強度は高くなる。一方、低透過率領域Ｂを通過して非晶質シリコン膜５を照射する領域のビームスポットＬＢＳのエネルギー強度の分布では、マスク４の短軸方向Ｘの外側へ向けて漸次低くなる傾斜部Ｓを有している。

【0035】

本実施の形態では、マスク４における高透過率領域Ａを通過したレーザビームＬＢが非晶質シリコン膜５に投影された場合、この高いエネルギー強度によって非晶質シリコン膜５を瞬時に溶融させる閾値温度よりも高くなるように設定されている。

【0036】

また、マスク４における低透過率領域Ｂを通過したレーザビームＬＢが非晶質シリコン膜５に投影された場合、マスク４の短軸方向Ｘの外側へ向けて、非晶質シリコン膜５を溶融させる温度を通過して温度が漸次低下する温度勾配が形成されるように設定されている。なお、ビームスポットＬＢＳにおけるこの温度勾配が発生する領域は、図４に示すエネルギー強度の分布における傾斜部Ｓの部分に対応する。この傾斜部Ｓの傾斜度合いは、実験値に基づいて設定されている。

【0037】

本実施の形態では、図５に示すように基台１１の上に複数の被処理基板１を配置した例を用いて説明するが、このような処理形態に限定されるものではない。以下、図４から図７を用いてレーザアニール装置の動作および作用について説明する。なお、図６－１から図６－３においては、１枚の被処理基板１の表面の非晶質シリコン膜５の全面に対してレーザアニール処理を行う場合について説明する。また、図６－１から図６－３においては、ビームスポットＬＢＳが被処理基板１に対して基板移動方向Ｔの逆の方向へ向けて移動するように描いているが、実際には、ビームスポットＬＢＳは位置固定され、被処理基板１が基板移動方向Ｔに向けて移動する。

【0038】

まず、マスク４で成形するビームスポットＬＢＳの投影位置に対して（図５参照）、被処理基板１を待機位置に配置させておく。なお、この時点では、半導体レーザ２はオフの状態にしておく。

【0039】

次に、ビームスポットＬＢＳの位置を固定した状態で、被処理基板１を基板移動方向Ｔへ所定の速度で搬送する。そして、図６－１に示すように、改質予定領域としての非晶質シリコン膜５の端縁部が、ビームスポットＬＢＳが投影される位置に到達したときに、半導体レーザ２を所定短時間オンにした後、オフに切り換える（図７におけるレーザオンオフのタイミング参照）。このとき、図７に示すように、マスク４の位置は、レーザビームＬＢが高透過率領域Ａを通過できる位置に設定されている。

【0040】

本実施の形態では、この短時間のレーザビームＬＢの照射により、非晶質シリコン膜５の端縁部には、種結晶領域５Ａが形成される（図６－２参照）。なお、種結晶領域５Ａの短軸方向Ｘの幅寸法Ｗ（図６－３参照）は、ビームスポットＬＢＳの短軸方向Ｘの幅寸法と略同じであり、ビームスポットＬＢＳの短軸方向（基板長さ方向）のエネルギー強度分布における幅寸法とも略同じである。

【0041】

なお、図６－１の状態における、所定短時間のビームスポットＬＢＳによるアニールに際しては、図４に示す高透過率領域Ａに対応する領域の非晶質シリコン膜５が瞬時に溶融する。このとき、図４に示す高透過率領域Ａに対応する領域では、微結晶シリコンでなる種結晶領域５Ａが形成されていく。なお、このような種結晶領域５Ａの形成は、被処理基板１がビームスポットＬＢＳに対して静止した状態で行ってもよい。また、この種結晶領域５Ａの形成に用いるレーザはパルスレーザであってもよい。

【0042】

次に、上記のように種結晶領域５Ａを形成した直後に、図７のレーザオンオフのタイミングに示すように、半導体レーザ２を再度、オン状態にしてレーザビームＬＢの照射を再開する。このとき、マスク４は、短軸方向Ｘに移動されてレーザビームＬＢが高透過率領域Ａおよび低透過率領域Ｂを通過するような位置に変位する。このとき、被処理基板１は、一定の速度で、基板移動方向Ｔに沿って移動させる。そして、被処理基板１の非晶質シリコン膜５の他方の端縁部にビームスポットＬＢＳが投影される位置に達したときに（図６－３参照）、半導体レーザ２をオフにする（図７のレーザオンオフのタイミング参照）。

【0043】

このようなレーザアニール処理を行うことにより、図６－３に示すように、非晶質シリコン膜５の一方の端縁部から他方の端縁部までの略全面を結晶化シリコンとしての疑似単結晶シリコン膜５Ｂに改質することができる。疑似単結晶シリコン膜５Ｂの成長に際して、種結晶領域５Ａが起点となり、良質な疑似単結晶シリコン膜５Ｂの結晶成長を促す作用を有する。

【0044】

なお、上記実施の形態では、図６－１に示すように、改質予定領域としての非晶質シリコン膜５の端縁部が、ビームスポットＬＢＳが投影される位置に到達したときに、マスク４の位置が、レーザビームＬＢが高透過率領域Ａおよび低透過率領域Ｂを通過できる位置に設定されていてもよい。この場合、図４に示す低透過率領域Ｂに対応する領域では、非晶質シリコン膜５が溶融する閾値より高い温度になる領域と低い温度になる領域とが存在する。このため、溶融した非晶質シリコン膜５（溶融したシリコン）が徐々に基板移動方向Ｔ（図４中左方向）に向けて下がる温度勾配（エネルギー強度の勾配）によって、基板移動方向Ｔに向けて微結晶シリコンでなる種結晶領域５Ａが形成されていく。本実施の形態では、ビームスポットＬＢＳにおける低透過率領域Ｂ（上流側部分）のエネルギー強度が移動方向（基板移動方向Ｔと反対の方向）Ｔｒの上流側へ向けて漸次減少するように設定している。これにより、ビームスポットＬＢＳを非晶質シリコン膜５へ投影させるだけで、種結晶領域５Ａを形成できる。このため、この種結晶領域５Ａを起点として、良質な疑似単結晶シリコン膜５Ｂの成長に繋げることができる。

【0045】

上記実施の形態のように、本実施の形態に係るレーザアニール装置１０では、レーザ光として、連続発振レーザから出射されるＣＷレーザ光を用いる。また、このレーザアニール装置１０では、ビームスポットＬＢＳにおける、相対的に移動させる移動方向Ｔｒ（図５参照）の下流側部分（高透過率領域Ａ）のエネルギー強度を、上流側部分（低透過率領域Ｂ）のエネルギー強度よりも高く設定している。

【0046】

そして、本実施の形態では、図７のレーザエネルギーのオン・オフのタイミングに示すように、種結晶領域５Ａを形成した後、半導体レーザ２をオフにして連続発振レーザ光の出射を一旦停止させている。その後、所定短時間内に連続発振レーザ光の出射を開始させて、ビームスポットＬＢＳを被処理基板１に対して相対的に移動させている。

【0047】

本実施の形態に係るレーザアニール装置１０は、連続発振レーザとして半導体レーザを用いているため、装置の小型化を実現できる。また、このレーザアニール装置１０では、図２に示すようなマスク４を備えることにより、図４に示すようなエネルギー強度分布のビームスポットＬＢＳを持つレーザビームＬＢを作成できる。

【0048】

上記のレーザアニール装置１０では、ビームスポットＬＢＳを、細長い矩形状に形成し、ビームスポットＬＢＳの長手方向が、移動方向Ｔｒに直交する方向となるように設定したことにより、幅の広い改質予定領域６に対しても対応することができる。

【0049】

（レーザアニール装置の効果）
本実施の形態に係るレーザアニール装置１０によれば、移動度の高い多結晶シリコン膜や疑似単結晶シリコン膜などの結晶化シリコンを、必要な領域に安定して形成できる。

【0050】

また、本実施の形態に係るレーザアニール装置１０によれば、連続発振レーザ光を用い、特に半導体レーザ２を用いることができるため、被処理基板１へのレーザ照射条件の制御性がよく、しかも大幅な低コスト化を達成できる。

【0051】

本実施の形態に係るレーザアニール装置１０では、単一の光源を用いて、種結晶領域５Ａの作製および疑似単結晶シリコン膜５Ｂの作製を行えるため、レーザアニール工程数を大幅に低減させる効果がある。このため、ＴＦＴの製造において、このレーザアニール装置１０を適用することにより、ＴＦＴの製造工程を簡略化することが可能となる。

【0052】

（マスクの変形例１）
本実施の形態に係るレーザアニール装置１０では、図９に示すようなマスク４３を用いることができる。なお、マスク４３は、実際には細長い矩形状のものであるが、説明の便宜から、図９に示すように長手方向の寸法に対して短軸方向Ｘの寸法を比較的長く示している。

【0053】

図９に示すように、マスク４３は、遮光膜４２に大きな矩形状の切り欠き部４２Ａを形成し、この切り欠き部４２Ａにおいて、低透過率領域Ｂとすべき領域に遮光膜４２でなる小さな矩形状のドット部４２Ｃが分散した状態で残るように切り欠き部４２Ｂを形成している。切り欠き部４２Ａにおけるドット部４２Ｃを形成しない領域は、高透過率領域Ａとなる。低透過率領域Ｂに配置するドット部４２Ｃの大きさ、数、形状、密度などを制御することにより、実際のレーザアニール処理条件を最適化できる。なお、このようなマスク４３は、ウェットエッチングや印刷法などを用いて作製できる。

【0054】

（マスクの変形例２）
本実施の形態に係るレーザアニール装置１０では、図１０に示すようなマスク４４を用いることができる。このマスク４４においても、実際には細長い矩形状のものであるが、説明の便宜から、図１０に示すように長手方向の寸法に対して短軸方向Ｘの寸法を比較的長く示している。

【0055】

図１０に示すように、マスク４４は、遮光膜４２に対して、短軸方向Ｘに幅の長い矩形状の切り欠き部４２Ａと、順次幅が狭くなる複数の切り欠き４２Ｂを備える。切り欠き部４２Ａは、高透過率領域Ａを構成する。複数の切り欠き部４２Ｂが形成された領域は、低透過率領域Ｂを構成する。なお、切り欠き部４２Ａおよび複数の切り欠き部４２Ｂ同士の境界は遮光膜４２でなるライン部４２Ｄで区画されている。この変形例では、低透過率領域Ｂに配置する複数の切り欠き部４２Ｂの間隔、幅、数などを制御することにより、実際のレーザアニール処理条件を最適化できる。このようなマスク４４も、ウェットエッチングや印刷法などを用いて作製できる。

【0056】

（マスクの変形例３）
本実施の形態に係るレーザアニール装置１０では、図１１および図１２に示すようなマスク４５を用いることができる。このマスク４５においても、実際には細長い矩形状のものであるが、説明の便宜から、図１１に示すように長手方向の寸法に対して短軸方向Ｘの寸法を比較的長く示している。

【0057】

図１１に示すように、マスク４５は、遮光膜４２に対して、短軸方向Ｘに幅の長い矩形状の切り欠き部４２Ａと、切り欠き部４２Ａに向けて漸次膜厚が薄くなるように遮光膜４２で形成されたグラデーション部４２Ｅと、を備える。切り欠き部４２Ａは、高透過率領域Ａを構成する。グラデーション部４２Ｅは、低透過率領域Ｂを構成する。グラデーション部４２Ｅにおいては、薄い膜の方から厚い膜の方へ向けて光の透過率が漸次低下するように設定されている。この変形例では、低透過率領域Ｂのグラデーション部４２Ｅ膜厚の分布を制御することにより、実際のレーザアニール処理条件を最適化できる。このようなマスク４５は、印刷法などで作製できる。

【0058】

［その他の実施の形態］
以上、実施の形態について説明したが、この実施の形態の開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

【0059】

例えば、上記の実施の形態に係るレーザアニール装置１０では、連続発振レーザ光（ＣＷレーザ光）を発振する連続発振レーザとして半導体レーザ２を適用したが、これに限定されるものではなく、固体レーザ、気体レーザ、金属レーザなど連続発振レーザ光を発振する各種のレーザを用いることも可能である。また、連続発振レーザとしては、パルス幅が溶融シリコンの冷却時間よりも長い、例えば、数百ｎｓ～１ｍｓ程度以上のパルス幅を有するレーザを含む、疑似連続発振レーザを用いることも本発明の適用範囲である。

【0060】

上記の実施の形態に係るレーザアニール装置１０では、被処理基板１を基板移動方向Ｔへ移動させる構成としたが、被処理基板１を位置固定してビームスポットＬＢＳを移動方向Ｔｒへ移動させる構成としてもよい。本実施の形態では、半導体レーザ２、光学系、マスク４なども軽量であるため、ビームスポットＬＢＳ側を移動させることも容易であり、レーザアニール装置１０のフットプリントの大型化を抑制することができる。

【0061】

上記の実施の形態に係るレーザアニール装置１０では、ビームスポットＬＢＳを細長い矩形状に形成して、幅の広い改質予定領域６に対しても対応できるように設定したが、被処理基板１におけるＴＦＴのチャネル層領域のみを局所的に改質処理する場合にも勿論適用できる。

【0062】

上記の実施の形態に係るレーザアニール装置１０では、図７に示すように、種結晶領域５Ａを形成した後、半導体レーザ２をオフにして連続発振レーザ光の出射を停止させているが、図８に示すように、高透過率領域Ａおよび低透過率領域Ｂを透過するビームスポットＬＢＳを用いて種結晶領域５Ａを形成した後も半導体レーザ２をオンにしたまま、エネルギー強度を保った状態でビームスポットＬＢＳを被処理基板１に対して相対的に移動させるようにしてもよい。

【0063】

上記の実施の形態では、マスク４，４３，４４，４５は、ビームスポットＬＢＳを相対的に移動させる移動方向Ｔｒの下流側部分がエネルギー強度の高い高透過率領域Ａであり、移動方向Ｔｒの上流側部分がエネルギー強度の低い低透過率領域Ｂとしたが、逆の配置としてもよい。

【0064】

すなわち、マスク４，４３，４４，４５は、ビームスポットＬＢＳを相対的に移動させる移動方向Ｔｒの上流側部分がエネルギー強度の高い高透過率領域であり、移動方向Ｔｒの下流側部分がエネルギー強度の低い低透過率領域を設ける構成としてもよい。このような構成としても、図７に示すような駆動制御を行うことにより、少なくとも種結晶領域５Ａを確実に形成することが可能となる。

【0065】

上記の実施の形態に係るレーザアニール装置１０では、結晶化シリコン膜として、疑似単結晶シリコン膜５Ｂを形成したが、種結晶領域から多結晶シリコン膜を成長させる構成としても勿論よい。この場合も、種結晶領域５Ａを起点として、良質な多結晶シリコン膜を形成することが可能となる。

【符号の説明】

【0066】

ＬＢ レーザビーム
ＬＢＳ ビームスポット
Ｓ 傾斜部（エネルギー強度分布における傾斜部）
Ｔ 基板移動方向
Ｔｒ 相対的な移動方向（基板移動方向Ｔと反対の方向）
Ｘ 短軸方向
Ｗ 幅寸法
１ 被処理基板
２ 半導体レーザ
４，４３．４４，４５ マスク
５ 非晶質シリコン膜
５Ａ 種結晶領域
５Ｂ 疑似単結晶シリコン（結晶化シリコン）膜
６ 改質予定領域
１０ レーザアニール装置
１１ 基台
４１ 透明基板
４２ 遮光膜
４２Ａ，４２Ｂ 切り欠き部
４２Ｃ ドット部
４２Ｄ ライン部
４２Ｅ グラデーション部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6-1】

【図6-2】

【図6-3】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】