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技術 多結晶の成長方法及び製造装置

出願人 株式会社東芝
発明者 臼田宏治
出願日 1998年9月16日 (22年3ヶ月経過) 出願番号 1998-261490
公開日 2000年3月31日 (20年8ヶ月経過) 公開番号 2000-091231
状態 特許登録済
技術分野 アニール 再結晶化技術 再結晶化技術
主要キーワード 具体的解決策 照射スキャン 大面積領域 蒲鉾型レンズ 長方形型 ビーム端 スタック状 被照射基板
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2000年3月31日)のものです。
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図面 (11)

課題

光を照射することによりアモルファス或いは多結晶を加熱し多結晶化する工程において、従来のレーザビームのサイズを越えた大面積基板の多結晶化を、重なりによる多結晶の不均一を生じせしめずに実現することを目的とする。

解決手段

半導体発光素子から放出される光を用いて点状、線状、或いは面状の光束を形成し、前記光束と前記被照射体とをひとつの方向に沿って相対的に移動させることにより前記被照射体の全面を光照射する。

概要

背景

電子線やRTA(rapid thermal annealing)により、非晶質シリコン(a−Si)薄膜溶融固化させて多結晶シリコン(poly-Si)を形成するプロセスは、低温での結晶成長を可能とする。このため、例えば、ガラス基板上に作成する大型のTFT(thin film transistor)液晶ディスプレイへの応用が期待されている。中でも、プラズマCVD法によりガラス基板上に数10nm(ナノメータ)程度の膜厚のa−Si膜堆積し、波長308nmのXeClレーザ光をパルス状に照射することにより多結晶シリコン膜を形成する技術が注目されている。

XeClレーザを用いる理由は、アモルファスSiの光吸収効率が前記レーザの波長近傍で高いので下地のガラス基板を溶かさずに所望のアモルファスSi層のみを多結晶化させることが出来ること、或いは、大出力発振の特徴を生かして大面積を照射することにより高スループットが期待できること、などである。

このような技術においては、レーザ光発生装置から取り出したレーザ光線を、光学レンズで光強度の均一性を確保しつつ拡大、或いは集光して照射するのが一般的である。得られる照射サイズは、約0.6J級の最大照射エネルギを有する現状のレーザ光線発生装置では、およそ幅200μm、長さ20cmである。この照射面積は、アモルファス或いは多結晶に照射したレーザ光線が、場合によっては溶融後に再結晶化させ、結果として所望の大きさの多結晶粒径を得るに必要な量の熱を披照射体に与えるための現実的な値である。即ち、前記サイズに比べて、およそ一桁大きい面積に拡大されたレーザビームサイズでは、前記結晶化を行うに充分な単位面積あたりのエネルギー被照射体に供給されず、目的の多結晶を得ることは不可能である。

一方、例えば携帯型パーソナルコンピュータ(PC)に搭載される液晶ディスプレイイのサイズは年々大型化し、現在の主流は12インチ型となりつつある。近い将来には、13インチ以上の大きさのディスプレイを搭載した携帯型PCが主流となることは、予想に違わない。前記13インチの表示を確保するには、長手方向と短手方向がそれぞれ27cmと20cm程度の大きさの長方形型の表示領域が必要である。ここに、実際の液晶表示装置では、画像を表示する表示部の周囲に、表示部の各画素を駆動するためのドライバ回路を配置する必要がある。多結晶シリコンが表示装置に適用されるメリットの一つは、前記表示部と駆動用ドライバ回路の両方の半導体素子を、一枚の基板上に作製された多結晶により形成することが可能な点である。これに対して、アモルファス結晶を用いた表示装置の場合は、画素駆動用半導体チップ外付けで搭載する必要がある。つまり、これと比較して、多結晶シリコンを用いた場合は、部品点数の削減と製作工程数の削減の両方を実現できる。

他方で、このドライバ回路を組み込むための領域として、画像表示に必要な表示部の周囲に更に1cm程度の幅の領域が必要とされる。即ち、13インチを越える大型の液晶表示装置を作製するためには、長手方向の短手方向がそれぞれ29cmと22cm程度の領域を多結晶化する必要がある。

概要

光を照射することによりアモルファス或いは多結晶を加熱し多結晶化する工程において、従来のレーザビームのサイズを越えた大面積基板の多結晶化を、重なりによる多結晶の不均一を生じせしめずに実現することを目的とする。

半導体発光素子から放出される光を用いて点状、線状、或いは面状の光束を形成し、前記光束と前記被照射体とをひとつの方向に沿って相対的に移動させることにより前記被照射体の全面を光照射する。

目的

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、現状のレーザビームのサイズを越えた大面積のアモルファス、或いは多結晶の材料の結晶化を、重なりによる多結晶の不均一を生じさせることなく実施し、その結果として、より低コスト且つ高性能な液晶ディスプレイを製造することができる多結晶の作成方法とその製造装置を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
11件
牽制数
19件

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請求項1

非晶質あるいは多結晶状態被照射体光照射により多結晶化せしめる多結晶成長方法であって、半導体発光素子から放出される光を用いて点状、線状、或いは面状の光束を形成し、この光束を前記被照射体に照射することにより前記多結晶化することを特徴とする多結晶の成長方法。

請求項2

前記光束は、前記被照射体上のいずれかの方向において前記被照射体の一端から他端まで達する長さを有し、前記光束と前記被照射体とをひとつの方向に沿って相対的に移動させることにより前記被照射体の全面を光照射することを特徴とする請求項1記載の多結晶の成長方法。

請求項3

前記半導体発光素子から放出される前記光の強度の時間的な変動または、前記被照射体の照射面における光の照射量分布を5%以内に抑制することを特徴とする請求項1または2に記載の多結晶の成長方法。

請求項4

複数の前記半導体発光素子を間隔をおいて配置し、前記被照射体上において点在する複数の領域を照射することを特徴とする請求項1記載の多結晶の成長方法。

請求項5

前記被照射体が前記光照射により溶融固化する過程での、前記光照射される照射面の面内方向の温度勾配を100℃/μm以上とすることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の多結晶の成長方法。

請求項6

非晶質あるいは多結晶状態の被照射体を光照射により多結晶化せしめる多結晶の製造装置であって、半導体発光素子と、前記半導体発光素子から放出される光を点状、線状、或いは面状の光束に形成する光束形成手段と、前記光束を前記被照射体に照射する照射手段と、を備え、前記光束を前記被照射体に照射することにより前記多結晶化するものとして構成されたことを特徴とする多結晶の製造装置。

請求項7

前記光束形成手段は、前記被照射体上のいずれかの方向において前記被照射体の一端から他端まで達する長さを有する前記光束を形成し、前記光束と前記被照射体とをひとつの方向に沿って相対的に移動させることにより前記被照射体の全面を光照射するものとして構成されたことを特徴とする請求項6記載の多結晶の製造装置。

技術分野

0001

本発明は、多結晶成長方法及び製造装置に関する。より具体的には、本発明は、アモルファス結晶あるいは多結晶を加熱により結晶化せしめる多結晶の成長方法及び製造装置に関する。

背景技術

0002

電子線やRTA(rapid thermal annealing)により、非晶質シリコン(a−Si)薄膜溶融固化させて多結晶シリコン(poly-Si)を形成するプロセスは、低温での結晶成長を可能とする。このため、例えば、ガラス基板上に作成する大型のTFT(thin film transistor)液晶ディスプレイへの応用が期待されている。中でも、プラズマCVD法によりガラス基板上に数10nm(ナノメータ)程度の膜厚のa−Si膜堆積し、波長308nmのXeClレーザ光をパルス状に照射することにより多結晶シリコン膜を形成する技術が注目されている。

0003

XeClレーザを用いる理由は、アモルファスSiの光吸収効率が前記レーザの波長近傍で高いので下地のガラス基板を溶かさずに所望のアモルファスSi層のみを多結晶化させることが出来ること、或いは、大出力発振の特徴を生かして大面積を照射することにより高スループットが期待できること、などである。

0004

このような技術においては、レーザ光発生装置から取り出したレーザ光線を、光学レンズで光強度の均一性を確保しつつ拡大、或いは集光して照射するのが一般的である。得られる照射サイズは、約0.6J級の最大照射エネルギを有する現状のレーザ光線発生装置では、およそ幅200μm、長さ20cmである。この照射面積は、アモルファス或いは多結晶に照射したレーザ光線が、場合によっては溶融後に再結晶化させ、結果として所望の大きさの多結晶粒径を得るに必要な量の熱を披照射体に与えるための現実的な値である。即ち、前記サイズに比べて、およそ一桁大きい面積に拡大されたレーザビームサイズでは、前記結晶化を行うに充分な単位面積あたりのエネルギー被照射体に供給されず、目的の多結晶を得ることは不可能である。

0005

一方、例えば携帯型パーソナルコンピュータ(PC)に搭載される液晶ディスプレイイのサイズは年々大型化し、現在の主流は12インチ型となりつつある。近い将来には、13インチ以上の大きさのディスプレイを搭載した携帯型PCが主流となることは、予想に違わない。前記13インチの表示を確保するには、長手方向と短手方向がそれぞれ27cmと20cm程度の大きさの長方形型の表示領域が必要である。ここに、実際の液晶表示装置では、画像を表示する表示部の周囲に、表示部の各画素を駆動するためのドライバ回路を配置する必要がある。多結晶シリコンが表示装置に適用されるメリットの一つは、前記表示部と駆動用ドライバ回路の両方の半導体素子を、一枚の基板上に作製された多結晶により形成することが可能な点である。これに対して、アモルファス結晶を用いた表示装置の場合は、画素駆動用半導体チップ外付けで搭載する必要がある。つまり、これと比較して、多結晶シリコンを用いた場合は、部品点数の削減と製作工程数の削減の両方を実現できる。

0006

他方で、このドライバ回路を組み込むための領域として、画像表示に必要な表示部の周囲に更に1cm程度の幅の領域が必要とされる。即ち、13インチを越える大型の液晶表示装置を作製するためには、長手方向の短手方向がそれぞれ29cmと22cm程度の領域を多結晶化する必要がある。

発明が解決しようとする課題

0007

しかし、従来のレーザ発生装置を用いた場合には、13インチを越える大面積ディスプレイを作製するに際して、1画面を1回の照射スキャンで形成することができず、レーザビームの端を重ねて、2回以上の照射スキャンをする必要があった。しかし、このレーザビームが重なる部分では、レーザ光の照射量が他の部分よりも多く、多結晶の粒径のばらつきが他の部分よりも大きくなる場合がある。その結果として、このようにして得られた多結晶シリコンを用いて作製された半導体素子には、多結晶の不均一に起因する電気的特性の不均一が生じる。この不均一は、ディスプレイ上の表示面素点欠陥線欠陥コントラストの不均一をもたらす。

0008

以下に、図面を参照しつつ、この問題についてさらに詳細に説明する。

0009

図10は、従来のXeClレーザを用いたアモルファスシリコンの多結晶化の方法を表す概念図である。およそ0.6J級のXeClレーザでは、レーザ発生装置111から数cm角のサイズのレーザ光線を取り出せる。この光線ガウス分布にて近似される光強度分布を持っている。そこで、アモルファスシリコンを堆積したガラス基板に導入する前に、ホモジナイザ(homogenizer)113、収束レンズ系114を介して均一な強度分布を持つレーザビームを形成し、最後に照射位置に導くミラー18を介して、被照射基板115上に導かれる。

0010

ここで、ビームサイズは、前記アモルファスシリコンを溶融し、多結晶化するための光強度密度を必要とするので、所定のサイズに限定される。例えば、上記したようなおよそ幅200μm、長さ20cmのビームサイズが上限となる。このサイズに適合する最大サイズの液晶ディスプレイは、約12インチ型である。従って、これ以上のサイズの液晶ディスプレイを実現するには、ガラス基板上の一部分を多結晶化のために照射スキャンした後に、その端部を重なり合わせるようにしてさらにレーザを照射スキャンする必要がある。つまり、被照射基板上の所望の照射領域に比べて、レーザビームの幅の方が狭いので、所望の照射領域を多結晶化する為には2回以上のスキャンを行わなくてはならない。

0011

ここに、レーザビームを重ね合わせた部分の多結晶の粒径は、それ以外の照射箇所に比べて不均一となり、その不均一はその他結晶の上に直接形成される半導体装置の電気的特性の不均一をもたらす結果となる。例えば、0.2μmの粒径を持つ均一な多結晶上に作製されるTFTの移動度は、約50cm2/V・s±10%の範囲に収まる。つまり、移動度は、45〜55cm2/V・sとなる。これに対して、レーザビームが重なり合う部分の粒径は、0.1〜0.5μm程度の範囲に分散する。このような分布のある粒径上にTFTを作製すると、その移動度は20〜80cm2/V・sの範囲でばらつく

0012

この結果、この部分に液晶画素部分が形成されると、極端には線状の、あるいは点状の輝度むらが生じ、あるいはコントラストの不均一が生じる。従って、均一な多結晶体の作製には、重ね合わせの生じない多結晶化の方法が必要であり、大面積ディスプレイの作製には、そのサイズに対して充分な長さのライン状のビームが必要である。

0013

一方、本発明者による検討の結果、結晶粒径のばらつきを生じせしめるもう一つの原因として、レーザビームの出力の変動が挙げられることが分かった。すなわち、この変動は多結晶の不均一を生じ、プロセスマージンを狭める要因にもなる。例えば、照射エネルギの許容範囲が370から430mJ/cm2の多結晶化プロセスにおいて、ピークトゥ・ピークで5%のビーム強度の変動がある場合には、中心エネルギが400mJ/cm2の条件では多結晶化を行うことはできるが、中心エネルギが410mJ/cm2を越えた、或いは390mJ/cm2未満の場合には、強度変動のために上記許容値外れ、所望の多結晶粒径が得られない。つまり、見かけ上の照射エネルギーマージンが(430−370)=60mJ/cm2であっても、実際のプロセス許容種囲は20mJ/cm2程度と狭い。

0014

以上詳述したように、従来のXeClレーザによる結晶化プロセスでは、照射面積の制約とプロセスマージンの狭さ故の制限がある。

0015

これらの問題を解決するため、重なり領域を形成せずにスキャン照射する方法が検討されているが、具体的解決策は示されていない。一方、ビームサイズを拡大するためには、レーザ装置発振出力の向上が必須である。しかし、現在の技術に於いては、高出力でのレーザ発振ほどレーザ光強度変動幅が拡大し、その結果として、得られる結晶の粒径の分布も拡大するために、その上に作製される半導体素子の素子特性の不均一が避けられない。

0016

以上説明したような事情から、上記の様な重なり領域に起因する粒径の不均一を解消する方法が切望されている。

0017

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、現状のレーザビームのサイズを越えた大面積のアモルファス、或いは多結晶の材料の結晶化を、重なりによる多結晶の不均一を生じさせることなく実施し、その結果として、より低コスト且つ高性能な液晶ディスプレイを製造することができる多結晶の作成方法とその製造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

0018

上記目的を達成するために、本発明者は、もともと点光源に近く出力も不安定なガスレーザ発生装置の代わりに、出力がはるかに安定して、線状の均一なレーザビームを形成することができる半導体発光素子に注目した。

0019

すなわち、本発明の多結晶の成長方法は、非晶質あるいは多結晶状態の被照射体を光照射により多結晶化せしめる多結晶の成長方法であって、半導体発光素子から放出される光を用いて点状、線状、或いは面状の光束を形成し、この光束を前記被照射体に照射することにより前記多結晶化することを特徴とする。

0020

ここで、前記光束は、前記被照射体上のいずれかの方向において前記被照射体の一端から他端まで達する長さを有し、前記光束と前記被照射体とをひとつの方向に沿って相対的に移動させることにより前記被照射体の全面を光照射することを特徴とする。

0021

また、前記半導体発光素子から放出される前記光の強度の時間的な変動または、前記被照射体の照射面における光の照射量の分布を5%以内に抑制することを特徴とする。

0022

また、複数の前記半導体発光素子を間隔をおいて配置し、前記被照射体上において点在する複数の領域を照射することを特徴とする。

0023

さらに、前記被照射体が前記光照射により溶融後固化する過程での、前記光照射される照射面の面内方向の温度勾配を100℃/μm以上とすることを特徴とする。

0024

一方、本発明による多結晶の製造装置は、上述した成長方法を実施するものとして構成された各手段を備える。

発明を実施するための最良の形態

0025

以下に、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。

0026

図1は、本発明による多結晶成長方法を表す概念図である。すなわち、同図に表した方法においては、レーザ発生装置10から線状のレーザ光が放出され、このレーザ光により被照射体15がスキャン照射される。同図中、レーザ発生装置10には、アレイ状に並べた複数の半導体レーザ11が搭載されている。半導体レーザ11をアレイ状に並べることで、点状、線状あるいは面状の所望の光源をビームサイズの制限無く形成することが出来る。従って、例えば、被照射体15の幅に応じた長さの線状のレーザ光を形成し、1回のスキャンで被照射体15の全面を照射して多結晶化することもできる。また、後に詳述するように、複数の点状の光束を放出し、基板上に点在した複数の領域のそれぞれを照射することもできる。つまり、本発明によれば、前述したXeClガスレーザの場合のように被照射体15を分割してスキャンするすることによるビームの重なり部が形成されず、このような重なり部に起因する結晶粒径の不均一を解消することができる。

0027

半導体レーザ11の材料や構造は、被照射体の光吸収特性などに応じて適宜選択することができる。例えば、被吸収体がアモルファスシリコンである場合には、後に詳述するように、窒化ガリウム系半導体を用いた半導体レーザを採用することが望ましい。なお、本願明細書において「窒化ガリウム系半導体」とは、BxInyAlzGa(1-x-y-z)N(ここで、O≦x≦1、O≦y≦1、O≦z≦1である。)のIII−V族化合物半導体を含み、さらに、V族元素としては、Nに加えてリン(P)や砒素(As)などを含有する混晶も含むものとする。

0028

また、窒化ガリウム系半導体の他にも、例えば、ZnS系、ZnSe系、ZnSSe系あるいはSiC系などの材料を用いても短波長帯のレーザ光を得ることができる。さらに、半導体レーザ11の材料としては、これらの他にも、例えば、AlGaAs系や、InP系、InGaAlP系などの材料を用いても良い。これらの材料を用いた場合は、レーザ光の波長が長いので、必要に応じてSHG(second harmonic genaration:第2高調波発生素子などを用いてアモルファスシリコンの吸収ピーク波長の近傍に波長変換することがさらに望ましい。

0029

さらに、半導体レーザ11の代わりに、発光ダイオードLED:light emitting device)を用いても良い。

0030

半導体レーザやLEDの出力変動は1%以下であり、XeClレーザと比べて格段に小さい。このため、本プロセスで作製した多結晶の粒径は従来よりも均一で、液晶ディスプレイの高性能化を実現することができる。

0031

さらに、本発明によれば、被照射体のサイズに適応したレーザビームを形成することが出来るため、従来に比べて光学系を簡素化することができる。その結果として、光学系を含めたレーザ光系を簡略化し、1/10程度に小型化することもできる。その結果として、レーザ光線の制御性及び信頼性が飛躍的に向上し、メンテナンスや取り扱いも容易となる。

0032

以上説明したように、本発明によれば、半導体レーザ素子を用いた点状、線状或いは面光源に近いレーザ光発生装置10を用いることにより、原理的にはいかなるサイズの被照射体でも1回のスキャン照射で全面を多結晶化することができる。その結果として、市場において期待されている大型の液晶表示装置にも適用可能なプロセスを提供することができる。また、レーザ光線を基板に導入する光学系も従来例と比べて簡素化され、かつより光強度の変動の少ない安定な光源を用いることによって、省スペース高信頼性、プロセスマージンの拡大などの種々の効果を得ることができる。

0033

以下に、ガラス基板上に堆積したアモルファスシリコンを多結晶化する場合を例に挙げて、本発明の実施例を説明する。

0034

図2は、本発明の実施例を説明する概念図である。同図中、アレイ状に並べられた半導体レーザ11としては、窒化ガリウム系半導体からなる半導体レーザを用いる。半導体レーザ11をアレイ状に並べることで、点状、線状あるいは面状の所望のレーザ光をビームサイズの制限無く形成することができる。

0035

本実施例では、基板12の上に、0.5mm間隔で600個の窒化ガリウム系半導体レーザ11をアレイ状に配列することにより直線状のレーザビームを形成する。アレイ状に並べたレーザ素子11を高出力で動作させる場合は、安定な動作を長時間維持するための冷却機構も設けることが望ましい。

0036

また、半導体レーザ11の発振波長は、アモルファスシリコン或いは多結晶シリコンの吸収効率が高い300nm近傍であることが望ましい。半導体レーザ11の活性層として窒化ガリウム(窒化ガリウム)を用いた場合には、発振波長は約420nmであるが、GaNにホウ素(B)やアルミニウム(Al)を添加してバンドギャップを大きくすることにより、発振波長を300nmに近づけることができる。

0037

一方、本発明者の検討の結果、被照射体15にレーザビームを照射して多結晶化するに際しては、基板上に堆積されたアモルファスシリコン層が溶融後に固化する過程で、水平方向の温度勾配が100℃/μm以上となるように、レーザビームのビーム端の強度分布とスキャン速度とを調節することが望ましいことが分かった。従来のXeClガスレーザを用いた多結晶化プロセスの場合には、レーザのパルス照射時間が約20ナノ秒で、水平方向の温度勾配が約500℃/μm以上であることが必要とされていた。しかし、このような急峻な温度勾配を形成することは容易ではなく、装置が複雑化するとともに、スループットも低くなるという問題があった。これに対して、本発明によれば、半導体レーザを用いるため、レーザの照射時間を従来のガスレーザの場合よりも長くすることができる。そして、レーザの照射時間を約100〜200ナノ秒程度とし、水平方向の温度勾配を100℃/μm以上とすれば、従来と同程度以上の多結晶化が可能であることが分かった。

0038

本発明によれば、従来よりも水平方向の温度勾配を緩くすることができるので、装置の構成を簡素化し、温度加熱機構なども不要となるいう利点が得られる。

0039

本実施例においては、個々の半導体レーザ11は電圧ボルト電流100ミリアンペア印加し、パルス幅100ナノ秒、周波数0.5キロヘルツで駆動する。この駆動条件において取り出されるレーザ光束サイズは、光源と被照射体15との間に設置された光学系によって調整される。光学系には、基本的に、レーザ光強度を均一にするホモジナイザ13と所望のサイズにレーザ光束を形成するための集束平行化を行うレンズ系14との組み合わせが用いられる。

0040

これらの光学系は、半導体レーザ11の光出力特性と照射サイズによって調整され、拡大レンズロッド(lod)レンズ、蒲鉾型レンズ凹面鏡凸面鏡、或いはホログラムなど光学素子の組み合わせが必要となる場合もある。照射領域における照射光の空間的強度変動は10%以内、できれば5%以内に抑えることが望ましい。このために、ホモジナイザ13を用いてビーム強度の空間分布を均一化する光学系の設計が必要である。また、このようにして均一化されたレーザビームを被照射体15の上に走査するためには、ミラースキャン方式が有効である。

0041

以上のようにして形成された所望の長さの線状レーザビーム走査用ミラー18により走査させることにより、所望のサイズの被照射体15の全面を1回のスキャンで多結晶化処理することができる。また、レーザビームをスキャンする代わりに、被照射体15を移動させても良い。上記の光学系を用いて形成されたレーザビームは、被照射体上で約100μmの幅に形成され、ビーム内強度むらは1%以内である。このレーザビームを、さらに光学系を適宜用いて拡大或いは縮小することにより、或いはレーザアレイ自身を複数並べることによって、13インチ以上のディスプレイに対応する所望のサイズのレーザビームを自由に得ることが出来る。

0042

本実施例の被照射体15は、通常のガラス基板の上にPECVD(プラズマCVD)法によりアモルファスシリコン層が約50nm堆積されたものである。この被照射体に、上記のレーザビームを所望の領域にのみ照射した。ここで、光強度の変動を抑えたレーザビームを実現するには、レーザ発光装置そのものの安定度を高めることが不可欠である。この点で、レーザの共振器本体の調整が困難なXeClなどのガスレーザと異なり、本発明のアレイ状に並べた半導体発光素子の場合は素子毎の強度差、即ち、ばらつきを個別に調整することが出来る。各発光素子光強度変動は、それぞれの発光素子の強度の測定や供給電力の制御により可能となり、手動はもとより自動での光出力制御が可能である。従って、空間的、時間的光強度変動を抑えた安定な動作が可能な点が利点となる。この結果として、照射領域における、光強度変動を5%以下に抑えることが可能である。

0043

図3は、本実施例により形成された多結晶の粒径を表す概略図である。すなわち、同図は、FE−SEM(field emission−scanning electron microscope)による観察例を表す。被照射体は、前述したように、通常のガラス基板上に膜厚50nmのアモルファスシリコン層をプラズマCVD法により堆積したものである。

0044

図4は、比較例として、従来の方法で作成された多結晶の粒径を表す概略図である。同図も、FE−SEM(field emission−scanning electron microscope)による観察例を表す。この多結晶は、0.6J級の最大照射エネルギーを有するXeClレーザを用い、光学系により幅約200μm、長さ10cmのビームサイズとして多結晶化を行ったものである。被照射体は、図3に用いたものと同じ基板から切り出された。

0045

多結晶化に際しては、この200μm幅のレーザビームを1回当たり20ナノ秒の照射時間で、10回照射した。図4において、多結晶の平均粒径はおよそ0.2μmであるが、そのばらつきは0.05〜0.3μmの範囲に拡がり、およそ25〜150%のばらつきがある。このばらつきは、その上に作られるTFT素子の不均一を引きおこすため、結果として画素の点灯不良や、コントラストの不均一が生じる。このような粒径のばらつきは、照射レーザ光の光強度変動に強く依存する。本比較例で用いたガスレーザは、強度変動が15%程度あるため、前述したように結晶粒径の制御が困難であり、図4に示したような粒径のばらつきをもたらす。

0046

これに対して、図3に示したように、本実施例によれば、多結晶の平均粒径はやはり0.2μm程度であるが、そのばらつきは0.1〜0.3μmの範囲に収まり、50〜150%程度のばらつきに減少している。特に、本実施例によれば、小粒径結晶粒が減り、大きな粒径に揃っていることが、図6からも明瞭に分かる。すなわち、本発明の効果によって、多結晶化プロセス後に得られる多結晶の粒径分布半減した。この効果は、従来例に較べて照射エネルギの変動を抑えられたことに起因している。本実施例においては、照射エネルギ変動を5%程度まで抑制したが、さらに2%程度以下とするとより均一な結晶粒分布が得られる。

0047

このように、本発明によれば、レーザビームの重なり部を解消し、同時にビーム強度の出力変動を抑制することにより、従来よりもはるかに均一な多結晶を作製することが可能となる。本発明は、大型液晶ディスプレイの高性能化、高精細化を実現するために不可欠な要素であり、従来の方法では実現し得なかったものである。

0048

なお、上述した実施例では、パルスレーザ光を照射する場合について説明したが、連続的にレーザ光を照射する場合でも同様の効果が得られる。すなわち、状況に応じて、パルス或いは連続的に被照射体を照射することで、被結晶化薄膜の特性に応じたきめ細かな調整が可能である。

0049

さらに、半導体レーザの波長を選べば、本実施例のシリコンに限らず、各種の超伝導材料化合物材料有機材料絶縁材料などの多結晶化にも、本発明の方法は有効である。

0050

一方、上記したガスレーザを用いた従来例の場合は、1パルスあたりのレーザ発振時間は20ナノ秒であるが、半導体レーザの特徴として、発振時間を変えて被照射体に適した所望の照射時間を選ぶこともできる。具体的には、200ナノ秒程度まで照射時間を延ばすことが可能であり、このようにして多結晶の多結晶化可能時間を制御することが出来るので、異なる処理基板に対して、任意に結晶条件を期待できる。

0051

また、図2において、ホモジナイザ13と被照射体15との間に、図示しない光分割器を設けて基板上に点在した複数の領域をそれぞれ照射するようにしても良い。すなわち、本発明によれば、個々の半導体レーザ11から放出されたレーザ光をホモジナイザ13により一旦まとめることにより、ビームの強度ばらつきを平均化させ、しかる後に必要に応じて分割することにより、分割されたいずれのビームの強度も、原理的に均一にすることができる。

0052

前記実施例ではレーザ素子からの発光をそのまま利用する場合を例示したが、これ以外にも、例えば、波長変換素子を用いても良い。図5は、高調波発生素子を用いた場合を例示する概念図である。すなわち、同図の例においては、赤色レーザ11を励起光源とする高調波発生装置21を用いることにより、所定の波長のレーザ光を得ることができる。高調波発生装置21としては、例えば、KTB結晶やBBO結晶を利用した2倍波発生素子(secondharmonic generation:SHG)を用いることができる。また、3倍波あるいはそれ以上の高調波に変換しても良い。このようにして得られた高調波は、レンズ14及び19、ミラー18を介して被照射体15に照射される。

0053

また、レーザ素子11は、点発光型の素子に限らず、面発光型のレーザ素子を用いても同様の効果が得られる。

0054

図6は、レーザ光発生装置の一例を表す斜視図である。すなわち、同図に表したように、素子アレイ11をスタック状に重ね合わせ、これらの間に冷却機構57を設けることにより、高出力でより安定した動作が可能となる。冷却機構57としては、例えば、水冷機構ペルチェ素子などをもちいた電子冷却機構などを利用することができる。このような冷却機構を利用することで、パルス発振に比べて発振出力を高められない場合の多い連続発振時の発振出力を高めることが可能となる。

0055

図7は、光源となる発光素子を曲線状に並べた場合を例示する概念図である。直線状のビーム形状を持つレーザ光に比べて曲面状のレーザ光を照射すると、レーザビームの先頭部分で結晶化した結晶粒の両脇の結晶粒は先頭の結晶粒よりも遅れて結晶化が行われるように結晶成長を制御できる。この結果として、従来よりも大きな多結晶粒を実現できる。

0056

照射位置を固定せずに、スキャンする場合は、レーザビームのスキャン方向と垂直な方向の結晶成長も進行する。この場合は、より長い結晶化時間を確保できるので、このビーム形状を適宜調節することにより、単に直線状のレーザ光を照射する場合にくらべてより大きなサイズの結晶粒が得られる。また、パルス発振の発光素子を用いた場合に特に有効で、連続発振で発光素子を利用する場合と比べて発振出力の向上が期待できるため、レーザの安定動作、スループットの向上、あるいは低消費エネルギなどの多くのメリットがある。連続発振の場合は、結晶化速度として、例えば1ミリメータ/秒以上の速度で基板上を走査することによって、その効果が得られる。結晶化が可能であれば、1センチメータ/秒以上の速度での走査が望ましい。

0057

図8は、液晶表示装置のTFT部分にのみレーザ光を照射する場合の実施例を表す。すなわち、被照射体のうちでTFTが形成される部分15aにのみレーザ光が照射されるようにレーザ素子11を配列し、または、アレイ状に配列されたレーザ素子11の所定の位置の素子のみを動作させる。この際に、基板とアレイとを相対的に、すなわち本実施例においては、被照射体15を図中の矢印の方向に移動させ、適宜レーザ光を照射する。

0058

本実施例の場合は、基板全面を照射する必要が無いので、駆動する発光素子の数を減らすことが可能であり、装置の簡略化、小型化、軽量化はもとより、低消費電力型の多結晶化装置を実現することが可能となる。また、基板全面の多結晶化と異なり、スループットの向上による低コスト化も期待できる。

0059

さらに、本実施例によれば、従来よりも高性能且つ高信頼性を有する液晶表示装置を高い歩留まりで製造することが可能となる。すなわち、アモルファスシリコンまたは微細多結晶シリコンをレーザアニールにより多結晶化すると、その表面が凹凸状となり、結晶粒界、特に粒界3重点において「突起」が生ずることが一般的に認められている。液晶表示装置を構成するいわゆる「アレイ基板」は、TFTとともに、絶縁膜キャパシタとして用いる「補助容量部」を有するが、前述した「突起」により、補助容量部の絶縁膜が短絡し、または耐圧が低下する。その結果として、蓄積容量の変動による表示むらや、信頼性の低下、製造歩留まりの低下という問題があった。

0060

これに対して、本実施例によれば、被照射体すなわちアレイ基板のうちで、TFT部15aのみを効率的に多結晶化するが可能となる。つまり、補助容量部をレーザ光で照射しないようにすれば、「突起」の発生を抑制し、前述した絶縁膜の短絡や耐圧の低下という問題を解消することができる。このように、本実施例によれば、補助容量部における多結晶シリコンの「突起」を抑制することにより、高品質で高信頼性を有する大型液晶表示装置を安定して製造することができるようになる。

0061

図9は、2次元状に配置された複数のレーザ素子からレーザ光を照射する例を表す概念図である。すなわち、複数のアレイ状の発光装置10を被照射体である液晶表示装装置15のTFT部分15aのみ照射するように並列して設ける実施例を示す。この場合は、被照射体15の全面を照射する必要が無いうえに、一度に基板上の全てのTFT部分15aを多結晶化することが出来る。従って、被照射体あるいはレーザ装置の移動が不要となり、装置の簡略化、小型化、軽量化はもとより、低消費電力型の多結晶化装置を実現することが可能となる。また、基板全面の多結晶化と異なり、スループットの向上による低コスト化も期待できる。さらに、前述した実施例と同様に、補助容量部の「突起」を解消して、高品質且つ高信頼性を有する液晶表示装置を低コスト、高歩留まりで製造することができるようになる。

発明の効果

0062

以上詳述したように、本発明によれば、従来困難であった、線状或いは面状の所望のサイズに調節したレーザビームを容易に形成することができるため、大面積領域を多結晶化するに際して、ビーム端を重ねて別の領域の多結晶化を行う必要がなく、1回のスキャンで所望の面積の多結晶化が可能となる。

0063

従って、ビーム端を重ねることによる多結晶の不均一部分を生じることなく、より均一に所望の面積の多結晶化が可能となる。

0064

さらに、本発明によれば、光源として用いる半導体レーザの光出力変動を、前記のXeClなどのガスレーザと比べて格段に小さく抑えることができる。その結果として、本発明を用いて作製する多結晶の粒径はより均一となるため、液晶ディスプレイなどの各種のデバイスの高性能化を実現できる。

0065

また、本発明によれば、従来に比べて光学系を簡素化することもできる。さらに、レーザ装置本体の寸法を1/10以下に小型化でき、同時に軽量化も果たされる。

0066

以上説明したように、本発明によれば、従来よりも均一な多結晶化が可能となり、高性能且つ高信頼性を有する液晶表示装置などの各種のデバイスを低コスト、高歩留まりで製造することができるようになり、産業上のメリットは多大である。

図面の簡単な説明

0067

図1本発明による多結晶成長方法を表す概念図である。
図2本発明の実施例を説明する概念図である。
図3本実施例により形成された多結晶の粒径を表す概略図である。
図4従来の方法で作成された多結晶の粒径を表す比較例の概略図である。
図5高調波発生素子を用いた場合を例示する概念図である。
図6レーザ光発生装置の一例を表す斜視図である。
図7光源となる発光素子を曲線状に並べた場合を例示する概念図である。
図8液晶表示装置のTFT部分にのみレーザ光を照射する場合の実施例を表す。
図92次元状に配置された複数のレーザ素子からレーザ光を照射する例を表す概念図である。
図10従来のXeClレーザを用いたアモルファスシリコンの多結晶化の方法を表す概念図である。

--

0068

10レーザ光発生装置
11半導体レーザ
13ホモジナイザ
14、19レンズ
15被照射体
18ミラー
21高調波発生装置
57 冷却手段
111ガスレーザ
113 ホモジナイザ
114光学系
115 被照射体

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