JP5073260B2

JP5073260B2 - レーザアニール装置及びレーザアニール方法

Info

Publication number: JP5073260B2
Application number: JP2006266180A
Authority: JP
Inventors: 康弘飯田; 克巳木村; 義明荻野; 和弘曽我
Original assignee: Hitachi Computer Peripherals Co Ltd
Current assignee: Hitachi Information and Telecommunication Engineering Ltd
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2026-09-29
Also published as: JP2008085236A

Description

本発明は、液晶ディスプレイ製造工程に使用されるレーザアニール装置に係り、特に絶縁基板上に形成したアモルファスシリコン（非結晶質）やポリシリコン（多結晶質）にレーザ光を照射してシリコン膜の改質を行う液晶ディスプレイの製造システムに好適なレーザアニール装置及びレーザアニール方法に関する。

近年のディスプレイ装置は、表示素子として液晶素子を使用し、この液晶素子（画素素子）や該液晶素子のドライバー回路は薄膜トランジスター（ＴＦＴ［Thin Film Transistor］、以下、ＴＦＴと呼ぶ）により構成されている。このＴＦＴは、製造過程においてガラス基板上に形成したアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）をポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）に改質する工程が必要である。

この改質工程は、レーザ照射によるシリコン膜の改質を行うものであり、石英ガラスや無アルカリガラスの絶縁基板上に絶縁基板から不純物の混入を阻止するアンダーコート膜（ＳｉＯ_２）を形成する工程と、該アンダーコート膜上にアモルファスシリコン膜面を形成する工程と、高出力レーザを光源とし、アモルファスシリコン膜面に線状レーザビームを照射し、線状レーザビームの短手方向に走査させることによりポリシリコンに改質する工程と、ＴＦＴを構成する位置のみポリシリコンを切り出す工程と、その上にゲート酸化膜（ＳｉＯ_２）を形成し最上部にゲート電極を取り付ける工程と、酸化膜（ＳｉＯ_２）に所定の不純物イオンを注入してソース／ドレインを形成する工程と、ソース／ドレインにアルミ電極を立て全体を保護膜で被いＴＦＴを造る工程から成る。尚、前記絶縁基板７２とアンダーコート膜の間にＳｉＮまたはＳｉＯＮを挟み込んでも良い。

前記レーザ照射によるシリコン膜の改質工程は、エキシマレーザを用いるエキシマレーザアニールが一般的であり、シリコン膜に光吸収率の高い波長３０７ｎｍでパルス幅が数１０ｎｓのＸｅＣｌエキシマレーザを照射し、１６０ｍJ/ｃｍ^２の比較的低いエネルギー注入によりシリコン膜を一気に融点まで加熱することによりポリシリコン膜を形成している。前記エキシマレーザは、数百Ｗの大出力を持ち、長方形マザーガラスの一辺以上の長さを持つ大型線状レーザスポットを形成させることができ、マザーガラス上に形成したシリコン膜全面を一括で効率よく改質できるといった特徴をもつ。このエキシマレーザによるシリコン改質では、ＴＦＴの性能に強く影響を与えるポリシリコンの結晶粒径が１００ｎｍから５００ｎｍと小さく、ＴＦＴ性能の指標である電界効果移動度は１５０ｃｍ^２／Ｖ・ｓ程度に留まることができる。このシリコン膜の改質を行う装置は、レーザアニール装置と呼ばれている。

近年、フラットディスプレイ上の画素子やドライバー回路以外に、コントロール回路やインタフェース回路、更には演算回路など高機能回路を搭載するシステム・オン・ガラスが提案され、一部実現している。前記高機能回路を形成するＴＦＴは高性能なものが要求され、良質（大型結晶粒）なポリシリコン改質が必須である。この良質なポリシリコン改質に関する技術が記載された文献としては下記特許文献が挙げられ、特許文献１には、光源に半導体励起固体レーザを用いて連続発光（ＣＷ）しながらシリコン膜上に照射したレーザビームを走査させることにより、走査方向に細長い大型結晶粒をもつ良質なポリシリコン膜を形成することや、高性能ＴＦＴが必要な箇所に予めアモルファスシリコンを線状（リボン状）または島状（アイランド状）にパターニングしておくことにより、３００ｃｍ^２／Ｖ・ｓ以上の電界効果移動度が得られ、高性能ＴＦＴを形成することが記載されている。

他方、特許文献２には、半導体励起連続発光固体レーザを用いて走査方向に細長い大型結晶粒を形成する方法として、シリコン膜上に形成した線状レーザスポットの走査方向幅と走査速度の関係を規定したものが記載されている。前記特許文献に記載されている主な固体レーザは、波長が５３２ｎｍのＮｄ：ＹＶＯ₄レーザの第二高調波固体レーザである。
特開２００３−８６５０５号公報特開２００５−２１７２１４号公報

前記したレーザアニール装置では、光源となるエキシマレーザ発振器がガスレーザであるが故、レーザ出力に不安定性が生じやすく、基板上シリコン膜に対し均一な改質が困難となり、局所的にＴＦＴ性能の偏が生じ易すくなると言う不具合があった。また、レーザ発振を重ねるごとに、レーザ発振管及び光学部品や充填ガス等の劣化が進み、改質のむらである改質斑を防止するためには短期的なメンテナンスが必要となり、装置の安定性、保守性、ランニングコストから生じる生産性低下は避けられず、装置規模も大きく重厚壮大な大掛かりなものであると言う不具合もあった。

一方、特許文献に記載された半導体励起固体レーザを用いたレーザアニール装置は、前記の通り第二高調波を利用しているため、装置投入パワーに対し光出力パワーが小さく光変換効率が十分でないと言う不具合があった。更に、固体レーザを用いたレーザアニール装置は、出力レーザ波長が５３２ｎｍであり、シリコンの光吸収ピーク値（約３００ｎｍ）から大きく離れているため、シリコン膜の光エネルギー吸収が大きくなく、相乗して装置投入エネルギーに対しシリコン改質エネルギーが小さく成り、エネルギー変換効率が好ましくないと言う不具合もあった。

本発明は前述の従来技術による不具合を鑑みてなされたもので、出力安定性、保守性に優れかつ、省スペース化、低ランニングコスト化が可能なシリコン膜を改質するレーザアニール装置及びレーザアニール方法を提供することである。

前記目的を達成するために本発明は、被対象物をレーザ照射により改質するレーザアニール装置であって、レーザ波長を３７０ｎｍ〜４８０ｎｍとするレーザビームを照射する第１のレーザ光源と、レーザ波長を６４０ｎｍ〜８４０ｎｍとするレーザビームを照射する第２のレーザ光源と、前記第１の光源から照射されたレーザビームを所定のピーク及びスポットサイズをもつ短波長ビームスポットに形成する第１手段と、前記第２の光源から照射されたレーザビームを所定のピーク及びスポットサイズをもつ長波長ビームスポットに形成する第２手段と、前記短波長ビームスポット及び長波長ビームスポットの光線を、前記短波長ビームスポットのピークと長波長ビームスポットのピークとの間隔が任意の値となるように重ね合わせる第３手段と、前記第３手段により重ね合わせた２波長ビームスポットの内、前記短波長ビームスポットに次いで長波長ビームスポットを被対象物に照射する第４手段を備えたことを第１の特徴とし、
前記第１の特徴のレーザアニール装置において、前記第１手段及び第２手段が、ビームスポットを長尺状に形成すると共に、前記長尺状の短手方向の幅を調整する機能を備えることを第２の特徴とする。

また、本発明は、前記第１又は第２の特徴のレーザアニール装置において、前記第３手段が、前記第１及び第２手段により形成した短波長ビームスポット及び長波長ビームスポットを、短波長ビームスポットと長波長ビームスポットとのスポット間隔が１ｕｍ〜１０ｕｍとなるように光線を重ね合わせることを第３の特徴とし、前記何れかの特徴のレーザアニール装置において、前記第１及び第２のレーザ光源が、半導体レーザダイオード素子であることを第４の特徴とする。

さらに、本発明は、レーザ波長を３７０ｎｍ〜４８０ｎｍとするレーザビームを照射する第１のレーザ光源と、レーザ波長を６４０ｎｍ〜８４０ｎｍとするレーザビームを照射する第２のレーザ光源と、前記第１の光源から照射されたレーザビームを所定のピーク及びスポットサイズをもつ短波長ビームスポットに形成する第１手段と、前記第２の光源から照射されたレーザビームを所定のピーク及びスポットサイズをもつ長波長ビームスポットに形成する第２手段とを備え、被対象物をレーザ照射により改質するレーザアニール方法であって、前記第１及び第２手段により形成した短波長ビームスポット及び長波長ビームスポットのピーク間隔が１ｕｍ〜１０ｕｍとなるように光線を重ね合わせ、該重ね合わせた２波長ビームスポットの内、前記短波長ビームスポットに次いで長波長ビームスポットを被対象物に照射することにより、被対象物をレーザ照射により改質することを第５の特徴とし、
前記レーザアニール方法において、前記第１手段及び第２手段が、ビームスポットを長尺状に形成すると共に、前記長尺状の短手方向の幅を調整する機能を備えることを第６の特徴とする。

さらに、本発明は、前記第５又は第６の特徴のレーザアニール方法において、前記第３手段が、前記第１及び第２手段により形成した短波長ビームスポット及び長波長ビームスポットのピーク間隔が１ｕｍ〜１０ｕｍとなるように光線を重ね合わせることを第７の特徴とし、前記第５乃至７何れかの特徴のレーザアニール方法において、前記第１及び第２のレーザ光源が、半導体レーザダイオード素子であることを第８の特徴とする。

本発明は、短波長ビームスポット及び長波長ビームスポットのピーク間隔を規定して重ね合わせ、該重ね合わせた２波長ビームスポットの内、短波長ビームスポットに次いで長波長ビームスポットを被対象物に照射することにより、長波長／低出力のレーザで被対象物を改質することができる。

以下、本発明によるレーザアニール装置の一実施形態を図面を参照して詳細に説明するが、まず、本発明の原理を説明する。
＜原理説明＞

一般にシリコン（Ｓｉ）は、液相状態の場合、ビーム波長にかかわらず光吸収率はさほど変化しないものの、固相状態の場合、ビーム波長が高くなるに従って光吸収率が急激に低下する特性を持つことが知られている。

これを具体的に説明すると、図５に示す如く、液相Ｓｉでは、ビーム波長が２００ｎｍ〜５００ｎｍで、光吸収係数は１.００Ｅ＋０６程度で変化しないものの、１０００ｎｍでは、光吸収係数が１．００Ｅ＋０７に上昇する特性であるのに対し、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）では、ビーム波長を４００ｎｍ〜８００ｎｍとしたとき、光吸収係数が１.００Ｅ＋０６から波長が長波になるに従って１.００Ｅ＋０２まで急激に低下する特性をもつ。

また、結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）の場合、前記ａ−Ｓｉに比べて光吸収量の低下度合いは低いものの、やはり固相Ｓｉでは、ビーム波長を４００ｎｍから１０００ｎｍに向かって光吸収係数が急激に低下する特性をもつ。

このようにＳｉは、液相状態では１０００ｎｍ以上の長波長ビームで光吸収率が高く、また固相状態では４００ｎｍ以下の短波長ビームで光吸収率が高い特性を持つ。

従来技術によるレーザアニール装置は、例えば６７０ｎｍのビーム波長を用い、スポットサイズが５０×０．７ｕｍ／のレーザスポットを走査速度２００ｎｍ／ｓにて走査することによって、アモルファスシリコンを結晶化するものであった。前記６７０ｎｍのビーム波長は、固相状態においては光吸収率が比較的低いため、膜面パワー密度として高出力の２０ｍＷ／ｕｍ^２程度のパワーを必要とする不具合があった。

発明者らは、Ｓｉが前記液相状態と固相状態では光吸収率が変化する特性に着目し、まず固相状態のＳｉに対して短波長のレーザスポットを照射して液相状態に変化させ、次いで長波長のレーザスポットを前記液相状態のＳｉに照射する事により、Ｓｉの結晶化を長波長／低出力のレーザを用いて行う本発明を成したものである。
＜実施形態の説明＞

次いで本発明によるレーザアニール装置の一実施形態を説明する。図１は本実施形態によるレーザアニール装置の構成を示す図、図２は本実施形態によるワーク面垂直方向から見たレーザスポットの模式図、図３は本実施形態によるレーザスポットの立体模式図、図４は走査方向側面から見たレーザスポットの模式図、図５はＳｉ吸収係数の比較例を説明するための図である。

本実施形態によるレーザアニール装置は、図１に示す如く、液晶ディスプレイ用のアモルファスシリコンをガラス基板上に形成したワーク３を搭載するワーク搭載台７と、該ワーク３に対して対物レンズ２を介したレーザスポット５を照射するレーザヘッド１と、該レーザヘッド１にレーザ光を供給する２種類の半導体レーザ光源である光源１０及び１１と、前記ワーク搭載台７をＸＹ方向のワーク移動方向４に移動するキャリッジ６と、前記機構・光学系を制御するマイクロプロセッサ８とから構成され、該マイクロプロセッサ８がワーク搭載台７に搭載したワーク３をワーク移動方向４（ＸＹ方向）に移動しながらレーザヘッド１がレーザスポット５を照射することにより、ワーク３のアモルファスシリコンを結晶化する様に動作する。

前記光源１０は、比較的長波の波長８１０ｎｍのレーザビームを発生し、光源１１は比較的短波の波長４４５ｎｍのレーザビームを発生し、これら両レーザビームをレーザヘッド１が対物レンズを用いて一部重複した２波長ビームスポットを形成する。

本実施形態による２波長ビームスポットは、図３及び図２に示す如く、スポットサイズが長尺状の４ｕｍ×２０００ｕｍ／膜面パワー密度が６ｍＷ／ｕｍ^２の長波長ビームスポットＡと、スポットサイズが長尺状の２ｕｍ×２０００ｕｍ／膜面パワー密度が３ｍＷ／ｕｍ^２の短波長ビームスポットＢとをピーク間隔Ｌ２を３ｕｍにして重複させた二こぶ形状となり、キャリッジ６の移動によりワーク３に対して走査速度を６００ｍｍ／ｓにて走査することによって、図４に示す如く、サブスレート２０上のワーク３のアモルファスシリコン膜２１を結晶化するものである。

本実施形態によるレーザアニール装置は、最初に短波長ビームスポットＢを照射してアモルファスシリコン膜２１を固相状態から液相状態に変化させ、続いて長波長ビームスポットＡを照射してアモルファスシリコン膜２１を結晶化することができる。

尚、前記実施形態では、短波長として４４５ｎｍ、長波長として８１０ｎｍを採用した例を説明したが、本発明によるレーザアニール装置は、短波長として３７０ｎｍ〜４８０ｎｍ、長波長として６４０ｎｍ〜８４０ｎｍとしても良く、短波長ビームスポット及び長波長ビームスポットのピーク間隔も１ｕｍ〜１０ｕｍとしても良い。

また前記実施形態においては波長の異なる２種類の半導体レーザ光源を使用する例を説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば２種類の波長のレーザ光を１チップに集積した２波長半導体ＬＤ（TWIN-LD：Two Wavelength Integrated Laser Diode）を使用しても良い。また前記レーザヘッドが、短波長ビームスポットＢ及び長波長ビームスポットＡの短手方向の幅を調整する機能を設けても良く、この機能は一般のレンズ素子から成る光学系により容易に構成することができる。

尚、前記実施形態においては、最初に短波長ビームスポットＢを照射し、次いで長波長ビームスポットＡを照射してアモルファスシリコン膜２１を結晶化する例を説明したが、被対象物の性質によっては、最初に長波長ビームスポットＡを照射し、次いで短波長ビームスポットＢを照射する様に構成しても良い。
この実施形態によるレーザアニール装置は、レーザ波長を３７０ｎｍ〜４８０ｎｍとするレーザビームを照射する第１のレーザ光源と、レーザ波長を６４０ｎｍ〜８４０ｎｍとするレーザビームを照射する第２のレーザ光源と、前記第１の光源から照射されたレーザビームを所定のスポットサイズをもつ短波長ビームスポットに形成する第１手段と、前記第２の光源から照射されたレーザビームを所定のスポットサイズをもつ長波長ビームスポットに形成する第２手段と、前記第１及び第２手段により形成した短波長ビームスポット及び長波長ビームスポットのピーク間隔を任意の値だけ重ね合わせる第３手段と、前記第３手段により重ね合わせた２波長ビームスポットの内、前記長波長ビームスポットに次いで短波長ビームスポットを被対象物に照射する第４手段を備える様に構成される。

本発明の一実施形態によるレーザアニール装置の構成を示す図。本実施形態によるワーク面垂直方向から見たビームスポットの模式図。本実施形態によるビームスポットの立体模式図。本実施形態による走査方向側面から見たビームスポットの模式図。Ｓｉ吸収係数の比較例を説明するための図。

符号の説明

１：レーザヘッド、２：対物レンズ、３：ワーク、４：ワーク移動方向、５：ビームスポット、６：キャリッジ、７：ワーク搭載台、８：マイクロプロセッサ、１０及び１１：光源、２０：サブスレート、２１：アモルファスシリコン膜、７２：絶縁基板。

Claims

被対象物をレーザ照射により改質するレーザアニール装置であって、レーザ波長を３７０ｎｍ〜４８０ｎｍとするレーザビームを照射する第１のレーザ光源と、レーザ波長を６４０ｎｍ〜８４０ｎｍとするレーザビームを照射する第２のレーザ光源と、前記第１の光源から照射されたレーザビームを所定のピーク及びスポットサイズをもつ短波長ビームスポットに形成する第１手段と、前記第２の光源から照射されたレーザビームを所定のピーク及びスポットサイズをもつ長波長ビームスポットに形成する第２手段と、前記短波長ビームスポット及び長波長ビームスポットの光線を、前記短波長ビームスポットのピークと長波長ビームスポットのピークとの間隔が任意の値となるように重ね合わせる第３手段と、前記第３手段により重ね合わせた２波長ビームスポットの内、前記短波長ビームスポットに次いで長波長ビームスポットを被対象物に照射する第４手段を備えたことを特徴とするレーザアニール装置。
前記第１手段及び第２手段が、ビームスポットを長尺状に形成すると共に、前記長尺状の短手方向の幅を調整する機能を備えることを特徴とする請求項１記載のレーザアニール装置。
前記第３手段が、前記第１及び第２手段により形成した短波長ビームスポット及び長波長ビームスポットのピーク間隔が１ｕｍ〜１０ｕｍとなるように光線を重ね合わせることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザアニール装置。
前記第１及び第２のレーザ光源が、半導体レーザダイオード素子であることを特徴とする請求項１乃至３何れかに記載のレーザアニール装置。
レーザ波長を３７０ｎｍ〜４８０ｎｍとするレーザビームを照射する第１のレーザ光源と、レーザ波長を６４０ｎｍ〜８４０ｎｍとするレーザビームを照射する第２のレーザ光源と、前記第１の光源から照射されたレーザビームを所定のピーク及びスポットサイズをもつ短波長ビームスポットに形成する第１手段と、前記第２の光源から照射されたレーザビームを所定のピーク及びスポットサイズをもつ長波長ビームスポットに形成する第２手段とを備え、被対象物をレーザ照射により改質するレーザアニール方法であって、前記第１及び第２手段により形成した短波長ビームスポット及び長波長ビームスポットの光線を、前記短波長ビームスポットのピークと長波長ビームスポットのピークとの間隔が任意の値となるように重ね合わせ、該重ね合わせた２波長ビームスポットの内、前記短波長ビームスポットに次いで長波長ビームスポットを被対象物に照射することにより、被対象物をレーザ照射により改質することを特徴とするレーザアニール方法。
前記第１手段及び第２手段が、ビームスポットを長尺状に形成すると共に、前記長尺状の短手方向の幅を調整する機能を備えることを特徴とする請求項５記載のレーザアニール方法。
前記第３手段が、前記第１及び第２手段により形成した短波長ビームスポット及び長波長ビームスポットのピーク間隔が１ｕｍ〜１０ｕｍとなるように光線を重ね合わせることを特徴とする請求項５又は６記載のレーザアニール方法。
前記第１及び第２のレーザ光源が、半導体レーザダイオード素子であることを特徴とする請求項５乃至７何れかに記載のレーザアニール方法。