JP2597464B2

JP2597464B2 - レーザアニール装置

Info

Publication number: JP2597464B2
Application number: JP6059585A
Authority: JP
Inventors: 祐二森; 佳朗三上; 和広桑原
Original assignee: 株式会社ジーティシー
Priority date: 1994-03-29
Filing date: 1994-03-29
Publication date: 1997-04-09
Anticipated expiration: 2012-04-09
Also published as: JPH07266064A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光を照射して薄
膜の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。

【０００２】

【従来の技術】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の融点以上の温
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に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、紫外域の波長の
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１
０１は、レーザ光内のエネルギ分布の不均一性があるた
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次元の移動ステージ１０
６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。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】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×５ｍ
ｍ、照射回数１０回、移動ステージの移動速度最大２０
０ｍｍ／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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザアニール
装置は、レーザ光を発振するレーザと、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次元に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
と、前記光学系から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して基板に照射
する光学分割系を具備したことを特徴としている。

【０００８】

【作用】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５ｍ
ｍ×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のビ
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】

【実施例】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の電極間方向に細長
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に対する反射膜がコー
ティングされた２個の直角プリズムを張合せたプリズム
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３２，３
３，３４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の反射率と透過率
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５
００ｍＪ／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を膜外
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。

【００２４】

【発明の効果】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】

【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。

【符号の説明】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

フロントページの続き (56)参考文献特開平５−237683（ＪＰ，Ａ) 特開平２−295692（ＪＰ，Ａ) 特開平１−143786（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光を発振するレーザと、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次元に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
ンバーを備えたレーザアニール装置において、前記光学系から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して基板に照射す
る光学分割系を具備したことを特徴とするレーザアニー
ル装置。