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図面 (8)

目的

レーザ光照射してシリコン薄膜再結晶化などを行うレーザアニール装置において、レーザ光の照射部分の継ぎ目部分不均一性を抑えるとともに再結晶化に要する時間を短縮する。

構成

レーザ1からのレーザ光2をアッティネータ3でそのエネルギを変化させ、ホモジナイザ4でエネルギ均一性を高め、レンズ系5でレーザ光2の大きさを定めたのち、ビーム分割系6に送り、複数のレーザ光2a,2bに分割して、2次元移動する基板7上のシリコン膜8に照射する。

概要

背景

基板上に形成された非晶質シリコン薄膜に、レーザ光照射して一度シリコン融点以上の温度まで該シリコン膜を加熱し、冷却する過程において該シリコン膜を多結晶シリコン膜質改変する技術は、レーザ再結晶化技術としてよく知られており、レーザ光を照射する装置も発表されている。特に、紫外域波長のレーザ光を発振するエキシマレーザを用いたレーザ再結晶化では、膜質改変後のシリコン膜の移動度を非常に高くすることができ、薄膜トランジスタ(以下、TFTと略称する。)の高性能化ができる。

このレーザ再結晶を行うレーザアニール装置におけるレーザ光の照射方法の従来方法について、光学系の構成図を用いて説明する。図7に従来の装置の構成を示す。エキシマレーザ100が発振したレーザ光101は、レーザ光内のエネルギ分布不均一性があるために、エネルギ分布の均一性を向上させるホモジナイザ102を透過する。ホモジナイザ102を透過した後、照射するレーザ光の大きさを変化させるレンズ系103に入射する。レンズ系103によって照射レーザ光の大きさを決めた後、非晶質シリコン膜105が形成された基板104上に照射され、該シリコン膜105の膜質の改変を行う。基板104は、2次元移動ステージ106上に置かれ、移動ステージ106が動くことによって、基板104上の任意の場所にレーザ光を照射することができる。さらに、移動ステージ106は、真空チャンバー107内に有り、レーザ再結晶化は、減圧状態において行われる。

概要

レーザ光を照射してシリコン薄膜の再結晶化などを行うレーザアニール装置において、レーザ光の照射部分の継ぎ目部分の不均一性を抑えるとともに再結晶化に要する時間を短縮する。

レーザ1からのレーザ光2をアッティネータ3でそのエネルギを変化させ、ホモジナイザ4でエネルギ均一性を高め、レンズ系5でレーザ光2の大きさを定めたのち、ビーム分割系6に送り、複数のレーザ光2a,2bに分割して、2次元移動する基板7上のシリコン膜8に照射する。

目的

以上のように、レーザ再結晶化技術は、高性能のTFTを実現できるが、レーザ光の継ぎ目部分の不均一性とプロセスに要する時間が非常に長くなるのが問題である。本発明の目的は、レーザ光の照射部分の継ぎ目部分の不均一性を抑えながら、レーザ再結晶化に要する時間を短縮し、高スループットを実現するレーザ照射方法とレーザアニール装置を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
3件
牽制数
13件

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請求項1

レーザ光発振するレーザと、前記レーザ光内のエネルギ均一性を向上させるホモジナイザと、前記レーザ光を所定の大きさに変化させる光学系と、前記レーザ光を基板上に2次元照射するための移動機構と、前記基板を減圧中に保持することができる真空チャンバーからなるレーザアニール装置において、前記光学系からのレーザ光を複数に分割して基板に照射する分割光学系具備したことを特徴とするレーザアニール装置。

請求項2

前記分割光学系において分割された前記レーザ光が、前記基板の短辺方向に配列されるようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載のレーザアニール装置。

請求項3

前記分割光学系において分割された前記レーザ光が、分割されたレーザ光の大きさ以上の間隔をもって配列されるようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載のレーザアニール装置。

請求項4

前記レーザ光を複数に分割する分割光学系において、該分割光学系に入射した長辺対短辺の比がほぼM対1の長方形のレーザ光の長辺側を光学的にM分の1に分割し、M本の分割されたレーザ光を出射することを特徴とする特許請求の範囲第1項記載のレーザアニール装置。

請求項5

前記分割光学系において、レーザ光を不等なエネルギの複数のレーザ光に分割するようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載のレーザアニール装置。

請求項6

前記不等なエネルギの複数に分割されたレーザ光において、低いエネルギ密度のレーザ光のエネルギ密度が照射される基板面において100mJ/cm2 から300mJ/cm2 程度であり、高いエネルギ密度のレーザ光のエネルギ密度が照射される基板面において300mJ/cm2 から500mJ/cm2 程度である特許請求の範囲第5項記載のレーザアニール装置。

請求項7

前記分割光学系によって複数に分割されたレーザ光の間隔を任意に変化させることができるようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載のレーザアニール装置。

技術分野

0001

本発明は、レーザ光照射して薄膜再結晶化などを行うレーザアニール装置に関し、特に大面積基板に対してレーザ再結晶化を行うのに好適なレーザアニール装置に関する。

背景技術

0002

基板上に形成された非晶質シリコンの薄膜に、レーザ光を照射して一度シリコン融点以上の温度まで該シリコン膜を加熱し、冷却する過程において該シリコン膜を多結晶シリコン膜質改変する技術は、レーザ再結晶化技術としてよく知られており、レーザ光を照射する装置も発表されている。特に、紫外域波長のレーザ光を発振するエキシマレーザを用いたレーザ再結晶化では、膜質改変後のシリコン膜の移動度を非常に高くすることができ、薄膜トランジスタ(以下、TFTと略称する。)の高性能化ができる。

0003

このレーザ再結晶を行うレーザアニール装置におけるレーザ光の照射方法の従来方法について、光学系の構成図を用いて説明する。図7に従来の装置の構成を示す。エキシマレーザ100が発振したレーザ光101は、レーザ光内のエネルギ分布不均一性があるために、エネルギ分布の均一性を向上させるホモジナイザ102を透過する。ホモジナイザ102を透過した後、照射するレーザ光の大きさを変化させるレンズ系103に入射する。レンズ系103によって照射レーザ光の大きさを決めた後、非晶質シリコン膜105が形成された基板104上に照射され、該シリコン膜105の膜質の改変を行う。基板104は、2次元移動ステージ106上に置かれ、移動ステージ106が動くことによって、基板104上の任意の場所にレーザ光を照射することができる。さらに、移動ステージ106は、真空チャンバー107内に有り、レーザ再結晶化は、減圧状態において行われる。

発明が解決しようとする課題

0004

従来のレーザアニール装置の課題は、レーザ光の継ぎ目部分の不均一性と基板一枚あたりに要するプロセス時間の長さにある。レーザ再結晶化に必要なエネルギ密度を確保するために、通常の照射するレーザ光の大きさ(平面寸法)は、数mm×数mmから大きくて10mm×10mm程度である。前記したように従来装置においても、ホモジナイザによって光学的にレーザ光内のエネルギの均一性を向上させている。このために、レーザ光の照射範囲内の熱分布の均一性は高い。しかし、レーザ光の周辺部にエネルギの勾配部があり、レーザ光の照射範囲の周辺部に温度勾配ができてしまう。このために、レーザ光の継ぎ目部分に熱的な不均一性が発生し、レーザ再結晶化によるシリコン膜の膜質の不均一な領域ができてしまう。この不均一な領域を可能な限り小さくすることが、必要となる。

0005

また、基板内をレーザ光が走査して、順次レーザ再結晶化の領域を広げていく。このため、基板サイズが大面積化した場合、レーザ再結晶化に要する時間は必然的に長くなってしまう。レーザ再結晶化に必要な時間は移動ステージの移動速度、エキシマレーザが発振するレーザ光の繰り返し周期、照射レーザ光サイズおよび照射回数によるが、例えば、450mm×350mm(X軸方向×Y軸方向、以下同様)の基板全面をレーザ再結晶化する場合、照射レーザ光サイズ5mm×5mm、照射回数10回、移動ステージの移動速度最大200mm/秒で、2時間以上必要としていた。計算上では、約30分程度であるが、折り返しがあるために移動ステージは常に最高の速度で移動することはできないので、実際には前記の時間が必要となっていた。

0006

以上のように、レーザ再結晶化技術は、高性能のTFTを実現できるが、レーザ光の継ぎ目部分の不均一性とプロセスに要する時間が非常に長くなるのが問題である。本発明の目的は、レーザ光の照射部分の継ぎ目部分の不均一性を抑えながら、レーザ再結晶化に要する時間を短縮し、高スループットを実現するレーザ照射方法とレーザアニール装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0007

上記の目的は、レーザ光を光学的に複数に分割し、一度に複数の箇所にレーザ光を照射することによって、移動ステージの往復回数を減少させることによって達成される。

0008

プロセス時間を短縮する方法としては、照射するレーザ光の大きさを大きくすることが考えられる。前記した、従来装置におけるレーザ再結晶化に要する時間の見積りの条件では、照射するレーザ光の大きさは5mm×5mmであった。この大きさの場合、X軸方向の移動回数は、70回である。照射するレーザ光のY軸方向の大きさを10mmにすると、移動回数は、35回に減少し、プロセス時間の短縮が図れる。一方、レーザ光の継ぎ目部分の不均一性の原因の一つであるレーザ光周辺部のエネルギの勾配は、大きさが小さいほど有利である。高出力のエキシマレーザの発振時のレーザ光の大きさは、1〜2cm×2〜4cm程度の大きい長方形ビーム断面である。この大きいレーザ光を光学系を用いて縮小し、基板に照射する。レーザの発振時のレーザ光の周辺部にもエネルギの勾配部がある。この勾配部も光学系によって縮小される。

0009

したがって、より小さく縮小するほど、照射時のレーザ光の周辺部のエネルギの勾配部の大きさが小さくなる。すなわち、照射するレーザ光の大きさが小さいほど、レーザ光の継ぎ目部分の不均一な領域が縮小されることになる。以上の様に、大面積基板に均一なレーザ再結晶化を行うことと、プロセス時間を短縮することは、トレードオフの関係にあり、従来のレーザアニール装置では、この問題を解決できなかった。

0010

そこで、本発明では、基板に照射するレーザ光のスポットサイズとしては、小さく、かつ一度に照射できる面積は、可能な限り大きくすることによって、上記問題点を解決する。すなわち、レーザにより発振されたレーザ光を、ホモジナイザによって均一化したあとに、光学的に複数のレーザ光に分割し、それぞれのレーザ光を基板に照射することによって、照射する一つのレーザ光のスポットサイズは小さくできる。さらに、複数の小さいスポットサイズのレーザ光を一度に基板の複数の箇所に照射することによって、一度にレーザ再結晶化する領域の面積を大きく確保することができ、プロセス時間の短縮が実現できる。

0011

以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。第1の実施例について、図1ないし図4を用いて説明する。図1は、レーザアニール装置の構成を示す図である。図2は、ホモジナイザによるレーザ光のエネルギ分布の均一化を説明する図である。図3は、ビーム分割系(分割光学系)の構成を示す図である。図4は、本実施例におけるレーザ光の照射の状態を説明する図である。

0012

図1において、塩化キセノン系のエキシマレーザ1は、波長308nmの紫外線のレーザ光2を出力する。レーザ光2はほぼ平行なビームである。定格パルス出力が500mJの塩化キセノン系エキシマレーザの場合、大きさは約4cm×2cmの電極間方向細長い断面形状であり、エネルギ分布としては、ほぼ台形状である。レーザ光2はアッティネータ3に入射し、所定の照射エネルギに変化する。台形状のエネルギ分布を持つレーザ光2は、ホモジナイザ4に入射する。エキシマレーザ1の出力直後のレーザ光は、図2(a)のように、細かい波型のエネルギ分布を持つ。エネルギ分布の平均値に対する変動幅の大きさは、10%から20%程度である。このエネルギの変動は、ホモジナイザ4によって均一化される。ホモジナイザ4の出射側のエネルギ分布を図2(b)に示す。ホモジナイザによって、変動幅が2から3%程度まで減少する。エネルギ分布を光学的に均一化するホモジナイザとしては、微小レンズを2次元的に集合させた蠅の目レンズを用いることによってエネルギの再分布を行い、変動幅の圧縮を行う。

0013

エネルギ分布の均一化を行ったレーザ光2は、レンズ系5に入射する。レンズ系5では、基板に照射する際のレーザ光の大きさを決定する。レンズ系5は、縮小系のコリメート光学系であり、凸レンズの組み合わせによって構成され、レーザ光の大きさのみ変化させ出射したレーザ光が平行光になる。レンズ系5を出射したレーザ光2は、ビーム分割系6に入射する。ビーム分割系6によってレーザ光2は、等しいエネルギを持つ2本のレーザ光2a,2bに分割される。2本に分割されたレーザ光2a,2bは、基板7上に形成された非晶質シリコン膜8の異なるレーザ照射領域11に照射される。基板7は2次元の移動ステージ9上に置かれ、移動ステージ9の動きによって、2本のレーザ光2a,2bが基板7の任意の位置のシリコン膜8に照射することができ、広い領域をレーザ再結晶化することができる。基板7は、移動ステージ9ごと真空チャンバー10内に置かれ、減圧の中でレーザ再結晶化できる。ビーム分割系6は、2本の分割したレーザ光2a,2bを基板7の短辺方向に分割する。

0014

ビーム分割系6の構成について図3を用いて説明する。レンズ系5では、ビームの大きさのみ変化させ、断面形状に関しては変化させない。このために、ビーム分割系6に入射するレーザ光2は、図3に示したようにほほ1対2の長方形に近い形状になっている。ビーム分割系6は、波長308nmに対する反射膜コーティングされた2個の直角プリズム張合せプリズム12と同様に反射膜がコーティングされた2枚の反射鏡13,14より構成される。プリズム12によって、レーザ光2は、この長辺方向で2分割される。分割されたレーザ光2aは、反射鏡13によって、反射され入射したレーザ光2と平行な方向に出射される。同様に分割されたレーザ光2bは、反射鏡14によって、反射され入射したレーザ光2と平行な方向に出射される。出射されたレーザ光2a,bの断面形状は、図3に示したようにほぼ正方形の形状になり、互いに平行に進行し、その間隔は、断面の大きさの2倍だけ離れた状態になる。

0015

このビーム分割系6によって分割された2本のレーザ光を用いて基板上を走査しながらレーザ照射を行っていく状態を図4を用いて説明する。図4において、基板の長辺方向をX軸、短辺方向をY軸とする。前記したように、分割された2本のレーザ光の断面形状はほぼ正方形を成しており、その間隔は、レーザ光の大きさの2倍の距離だけ離れている。また、2本のレーザ光は、基板7のY軸方向に並んでいる。

0016

基板7の左上隅よりレーザ光の照射を開始する場合を想定する。移動ステージaを動かして、レーザ光が最初に照射される位置まで基板を移動させる。移動が終了し、所定の位置にレーザ光を照射される状態にあることを確認し、最初のレーザ光が照射ささる。移動ステージをX軸方向に移動させながら照射位置を移動させ、次々にレーザ光を照射していく。この時、2本のレーザ光が同時に基板に照射されるので、照射される領域は平行な2列の帯状になる。基板7の右端まで移動すると基板のY軸方向にレーザ光の大きさだけ移動ステージが移動し、それまでとは逆の基板のX軸方向にレーザを照射していく(図4に示した矢印の1から2へ)。さらに1行分レーザを照射すると、分割されたもう一方のレーザがすでに照射された領域に接するから、今度はレーザ光の大きさの3倍だけ移動ステージがY軸方向に移動し、またレーザを照射していく(図4に示した矢印3から4へ)。

0017

以上のように、本実施例では、一度に2カ所の領域にレーザを照射することができる。このために、基板のX軸の移動回数は、従来例の1/2になり、レーザ再結晶化に要する時間が50%に短縮される。また、個々の照射されるレーザ光の大きさを小さくすることができるために、レーザ光の周辺部のエネルギの勾配も小さくすることができ、レーザ光の継ぎ目部の不均一性を小さく抑えることができる。

0018

本実施例では、塩化キセノン系エキシマレーザを用いたが、エキシマレーザには他に、フッ化アルゴン系エキシマレーザ、フッ化クリプトン系エキシマレーザがあり、いずれも紫外線のレーザを出力し、レーザ再結晶化に用いることができる。レーザ光の均一性の向上のために用いるホモジナイザには、本実施例に用いた蠅の目レンズの他に、拡散板を用いて、レーザ光を一度拡散させさらにレンズによって平行なビームに整形する。あるいは、微小ピッチ用の円筒レンズやプリズムの組み合わせなどに置き換えも可能である。レーザ光の大きさを決定する光学系としては基本的には凸レンズの組み合わせによる実施例で用いた光学系のほかに、コリメート光学系を用いることができる。コリメート光学系では、凸レンズの組み合わせによるものと、あるいは凸レンズと凹レンズの組み合わせの2通りの光学系が用いることができる。

0019

第2の実施例について図5及び図6を用いて説明する。図5において、エキシマレーザ21が発振したレーザ光22は、アッティネータ23に入射し、所定のエネルギレベルに調整される。さらに、ホモジナイザ24において、レーザ光のエネルギ分布の均一化を行い、レンズ系25に入射する。第1の実施例において説明したように、エキシマレーザが発振した直後のレーザ光の断面形状は長方形である。

0020

レンズ系25では、レーザ光の大きさを所定の大きさに調整するとともに、形状の変化を与え、レーザ光の断面形状をほぼ正方形にする。レーザ光の形状に変化を与えるために、円筒レンズを組み合わせ、レーザ光の各辺において、不等的に大きさの変化を与える。ほぼ正方形に形状調整されたレーザ光22は、ビーム分割系26に入射し、2つのレーザ光22a,22bに分割ささる。分割されたレーザ光22a,22bは、基板27の短辺方向に配置され、同時に基板27上に形成されたシリコン膜28の2つのレーザ照射領域31に照射される。基板27は、2次元に移動できる移動ステージ29上に載り、移動ステージ29とともに真空チャンバー30内にあって、減圧中でレーザ再結晶化を行うことができる。

0021

ビーム分割系26の構成について、図6を用いて説明する。ほぼ正方形の断面形状に調整されたレーザ光22は、ビーム分割系26のハーフミラー31によって、その一部が反射され、残りのレーザ光が透過し、2つのレーザ光22aと22bに分割される。反射されたレーザ光22aは、反射鏡32によって反射され、入射したレーザ光の方向に進む。透過したレーザ光22bは、2枚の反射鏡33と34によって反射され、レーザ光22aと平行になる。また、反射鏡32,33,34の配置によって、ハーフミラー31から基板面までの光路長を等しくすることができる。図6の例では、レーザ光22aと22bの間隔は、レーザ光の大きさの2倍だけ離れているが、この間隔は、任意である。

0022

レーザ光の照射の状態は、図4と同様になる。本実施例では、ハーフミラー31の反射率透過率とを変化させることにより分割するレーザ光のエネルギを不等にすることができる。この時、分割されたレーザ光22aは、基板への照射エネルギとして100mJ/cm2 から300mJ/cm2 程度の低いエネルギレベルとし、レーザ光22bは、300mJ/cm2 から500mJ/cm2 の高いエネルギレベルにして基板に照射する。このように、2つのレーザ光のエネルギに強弱をつけることによって、まず第1に照射される弱いレーザ光によって、シリコン膜中に含まれる水素原子膜外に放出させ、第2に照射される強いレーザ光によって、シリコン膜を多結晶シリコンへ膜質改変を行う。このように、2つの分割したレーザ光を用いることによって、従来必ず2度基板を移動し照射する必要があった工程を、1度の基板移動によってすすむことができ、大幅なプロセス時間短縮が実現できる。

0023

実施例の説明においては、第1の実施例、第2の実施例ともに基板に照射されるレーザ光の形状をほぼ正方形にしたが、基板の短辺方向に対して長い長方形としても同様の効果があることはほぼ明白である。また、簡単のために、実施例では、分割数を2としたが、3以上に分割することよりプロセス時間が短縮されて有利である。実施例の説明においては、基板の移動方法として2次元の移動ステージを用いたが、1軸方向の走査に光学系の走査機構を用いることも可能である。また、2軸方向ともに光学系の走査機構を用いることもできる。

発明の効果

0024

以上説明したように、本発明のレーザアニール装置おいては、基板に照射するレーザ光の大きさを小さくすることができるために、レーザ光の周辺の勾配部を小さくすることができ、また、一度に複数の領域に照射するので、基板に照射するプロセス時間の短縮を実現できる。

図面の簡単な説明

0025

図1本発明の第1の実施例を示す概略構成図である。
図2レーザ光のエネルギ分布を示す説明図である。
図3本発明の第1の実施例でのビーム分割系を示す概略構成図である。
図4本発明の第1の実施例の装置を用いるレーザ光の照射状態を示す説明図である。
図5本発明の第2の実施例を示す概略構成図である。
図6本発明の第2の実施例でのビーム分割系を示す概略構成図である。
図7従来のレーザアニール装置を示す概略構成図である。

--

0026

1レーザ2レーザ光3アッティネータ
4ホモジナイザ5レンズ系 6ビーム分割系

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