JP5126471B2 - 平面表示装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、パネル型の表示装置に係り、特に絶縁基板の一主面上に形成された非晶質または粒状多結晶半導体薄膜にレーザ光（以下、単にレーザとも言う）を走査しながら照射することで、結晶粒を略帯状に拡大する改質を施して帯状多結晶半導体薄膜を形成し、該帯状多結晶半導体薄膜でアクティブ素子を構成した絶縁基板を用いた表示装置の製造方法に関する。なお、以下では、半導体としてシリコンを用いた場合で説明する。

現在、液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置などの表示装置では、ガラスや溶融石英などの基板上に絶縁膜を介して形成された非晶質または多結晶シリコン膜で構成された画素トランジスタ（薄膜トランジスタ：ＴＦＴ）のスイッチングにより画像を形成している。画素回路を形成した基板はアクティブ・マトリクス基板、ＴＦＴ基板、あるいはアクティブパネルとも称する。このような基板上に画素回路の薄膜トランジスタを駆動するドライバ回路を同時に形成することが可能になれば、飛躍的な製造コスト低減および信頼性向上が期待できる。しかし、ドライバ回路を構成するトランジスタ（薄膜トランジスタ）の能動層を構成するシリコン半導体膜が非晶質シリコンの場合、移動度に代表される薄膜トランジスタの性能が低く、高速・高機能が要求される回路の製作は困難である。

これら高速・高機能の回路を製作するためには、高移動度の薄膜トランジスタを必要とし、これを実現するためにはシリコン薄膜の結晶性を改善する必要がある。この結晶性改善の手法として、従来からエキシマレーザアニールが注目を浴びている。この方法はガラスなどの絶縁基板上に絶縁膜を介して形成された非晶質シリコン膜にエキシマレーザを照射して、非晶質シリコン薄膜を粒状多結晶シリコン薄膜に変化させて移動度を改善するものである。しかしながら、エキシマレーザの照射により得られる粒状多結晶薄膜は、その結晶粒径が数１０〜数１００ｎｍ程度であり、表示装置の画素トランジスタを駆動するドライバ回路などに適用するには、まだ性能不足である。

この問題を解決する従来技術として、「特許文献１」には時間変調した連続発振（ＣＷ）レーザ光あるいは擬似連続発振レーザ光を線状に集光し、線状の長手方向と交差（通常は直交）する方向で高速に走査しながら照射することで走査方向に結晶を横方向（すなわち、走査方向）に成長させ、いわゆる帯状結晶を形成する方法が開示されている。これは、基板全面をエキシマレーザアニールにより多結晶化させた後、駆動回路が形成される領域のみに、形成するトランジスタの電流経路（ソース−ドレイン）と一致した方向にレーザ光を走査して結晶粒を横方向成長させ、結果的に電流経路を横切る結晶粒界が存在しないようにすることで、あるいは極少化することで、移動度を大幅に向上するものである。

しかしながら、高出力の連続発振レーザ光あるいは擬似連続発振レーザ光を透過型レンズで集光し、照射しているうちに対物レンズの部材がレーザ光をわずかではあるが吸収し温度が上昇する。この温度上昇により熱膨張および屈折率の変化が生じ、レンズの焦点距離が変化したり、レンズの集光性能が低下したりする。この焦点距離の変化あるいは集光性能の低下により、基板表面におけるエネルギ密度が減少し、帯状多結晶薄膜を形成するにはエネルギ不足の状態となり、結果として平面表示装置の品質低下、歩留まり低下を招く。この熱レンズ効果による焦点位置変動に対処する方法として特許文献２、特許文献３などが知られている。

特許文献２は、集光レンズからの伝導熱に応じて膨張、収縮する膨張部材で構成されたスペーサを集光レンズ上部に設け、バネ性を有するリングで集光レンズを下から上へ押し付けた状態で、集光レンズをその伝導熱に応じて膨張部材によってワーク（被加工部材）方向へ押し下げ、熱レンズ効果による焦点位置の上方向への移動と相殺させて焦点位置を最適値に保つレーザ加工装置を開示する。

また、特許文献３は、遠赤外輻射温度センサで集光レンズの各ポイントの温度を測定し、予め決定された熱解析ソフトを有するコンピュータに入力してレンズの熱変形量を算出し、熱変形量から焦点距離変化量を計算し、その結果によってレンズの位置をパルスモータを用いて移動させ、常に被加工物上に焦点を結ぶように制御する装置を開示する。
特開２００３−１２４１３６号公報 特開平１０−２５８３８１号公報 特開平２−６０９３号公報

本発明は、上記従来技術を改良するものである。即ち、特許文献１に記載された方法は、対物レンズの熱レンズ効果によりレンズの焦点距離が変化したり、レンズの集光性能が低下したりする影響を考慮しておらず、パネルの歩留まりが低下する問題点があった。

「特許文献２」に記載された装置は、集光レンズからの熱伝導による膨張・収縮を利用するため、また「特許文献３」に記載された装置は、温度を測定して熱変形量を算出し、それに基づいて焦点距離の変動を計算し、レンズを移動させるため、いずれも時間応答性が悪く、また実際に焦点が合っているか否かをモニタする手段を持たないという問題があった。また、単純な焦点距離の変化だけでなく、集光性能の低下が起きた場合には対応できなかった。

本発明の目的は、対物レンズの熱レンズ効果による集光性能の低下、あるいは焦点距離の変化に伴うパワー密度の変動を、照射する出力を調整することで実質的に熱レンズ効果による集光状態の変化を補正し、基板内全面にわたって適正なアニールを行うことで高歩留まりに製造できる、平面表示装置の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の平面表示装置の製造方法は、基板表面におけるレーザ光のプロファイルを測定する。対物レンズの熱レンズ効果による集光部のビームサイズに変動が発生した場合には、基板表面におけるレーザ照射部の温度上昇が一定になるように、即ち基板表面において最大パワー密度に短軸幅の平方根を乗じた値が一定になるように対物レンズに入射する出力を調整するする。これにより、対物レンズに熱レンズ効果が発生しても、常に一定の品質の帯状多結晶膜が得られる。

本発明により、常に一定の品質の帯状多結晶膜が得られるため、平面表示装置を高い歩留まりで製造することができる。

以下、本発明の最良の実施形態につき、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明にかかる平面表示装置の製造方法を実施するのに好適な製造装置の構成図である。また、図２は、本発明に係る平面表示装置の製造方法を実施するに好適な透過率連続可変フィルタの構成を示す図である。そして、図３は、本発明に係る平面表示装置の製造方法を実施するのに好適なＥＯモジュレータの構成を示す図である。

この装置は、励起用ＬＤ（レーザダイオード）１と光ファイバ２で結合された連続発振レーザ光（以下、単にレーザ光とも称する）３を発生するレーザ発振器４、レーザ光３のＯＮ／ＯＦＦを行うシャッタ５、レーザ光３のエネルギを調整するための透過率連続可変ＮＤフィルタ６、レーザ発振器４から出力されたレーザ光３を振幅変調してパルス化あるいはエネルギの時間的な強度（振幅）変調を実現するための変調器７と偏光ビームスプリッタ８を備える。

また、レーザ光３のビーム径を調整するためのビームエキスパンダ（あるいはビームリデューサ）９、レーザ光３を細長い形状、例えば線状、矩形状、楕円状、長円状でかつフラットトップのエネルギ分布を有するビーム形状に整形するビーム整形器１１、整形されたレーザ光３の長手方向を所定の寸法に調整するためのマスク１４、マスク１４の像を平行光に変換する結像レンズ（チューブレンズ）１５、結像レンズ１５を透過したレーザ光をステージ２１上に載置された基板２０表面上に縮小投影する対物レンズ１９が設けられる。

そして、対物レンズ１９による集光状態をモニタするためのビームプロファイラ２４、透過率連続可変ＮＤフィルタ６の制御を行うＮＤフィルタ・ドライバ２２、変調器７を駆動・制御するための変調器ドライバ２３および本装置の各要素を制御するための制御装置２９から構成されている。

次に、図１に示した製造装置の各部の動作と機能について詳細に説明する。励起用レーザダイオード１で駆動される連続（ＣＷ）レーザ発振器４からレーザ光３が出射する。このレーザ光３は、この製造装置の対象である非晶質あるいは多結晶シリコン薄膜に対して吸収のある波長、即ち紫外波長から可視波長を持つことが望ましい。

このレーザ光の波長をより具体的に説明すると、以下のとおりである。すなわち、使用するレーザ光の波長としては、ＡｒレーザあるいはＫｒレーザとその第二高調波、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの第二高調波及び第三高調波、可視波長の半導体レーザ（レーザダイオードを含む）などが適用可能である。また、完全な連続発振ではないが、極短パルス幅のパルス発振を高繰り返しで行う、所謂擬似連続発振（擬似ＣＷ）レーザをレーザ発振器としてもよい。これらの中で、出力の大きさ及び出力の安定性を考慮すると、ＬＤ（レーザダイオード）励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第二高調波（波長５３２ｎｍ）あるいはＮｄ：ＹＶＯ₄レーザの第二高調波（波長５３２ｎｍ）を用いるのが最も望ましい。以後の説明では、ＬＤ励起Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザの第二高調波を使用した場合について説明する。

レーザ発振器４から発振された連続発振レーザ光３はシャッタ５によりＯＮ／ＯＦＦされる。即ち、レーザ発振器４は常に一定出力でレーザ光３を発振した状態におかれ、シャッタ５は通常には閉じた状態（ＯＦＦ状態）としてレーザ光３はシャッタ５で遮られる。基板２０は、その搬送時や位置決め時などにシャッタ５によりレーザ光３で照射されるのを防止される。そして、アニールを実行する場合にのみ、あるいは必要に応じてアライメントマークを形成する場合にのみ、このシャッタ５を開き（ＯＮ状態にして）、レーザ光３を基板に出力させる。

なお、励起用レーザダイオード１をＯＮ／ＯＦＦすることで、レーザ光３のＯＮ／ＯＦＦを行うことは可能であるが、レーザ発振器４のレーザ出力の安定性を確保するためには好ましくない。このほか、安全上の観点から緊急にレーザ光３の照射を停止したい場合にも、レーザ発振器４を停止せずにシャッタ５を閉じればよい。これにより発振器自体に悪影響を及ぼすことなくレーザ光３の出力を遮断することができる。

シャッタ５が開の状態で該シャッタ５を通過したレーザ光３は、出力調整に使用する透過率連続可変ＮＤフィルタ６を透過して変調器７に入射する。透過率連続可変ＮＤフィルタ６としては、レーザ光が透過することで偏光方向が回転しないものを用いることが望ましい。ただし、後述するように変調器７として偏光方向の影響を受けないＡＯモジュレータを採用する場合には、その限りではない。

透過率連続可変ＮＤフィルタ６の一例として、図２に示すように、レーザ光の光軸を回転中心となるように回転軸受け３１などで回転自在に設置された１／２波長板３２と偏光ビームスプリッタ３３の組み合わせが用いられる。なお、図２では回転駆動するための駆動機構は省略しているが、歯車やベルトを介してパルスモータあるいはＤＣモータにより、あるいは直接超音波モータなどで駆動する構成とすることができる。

レーザ光３が直線偏光の場合、１／２波長板３２を透過したレーザ光が偏光ビームスプリッタ３３にＰ偏光として入射し、全透過となるように調整される。ドライバ２２からの出力により１／２波長板３２を光軸を回転中心にして回転させると、１／２波長板３２を透過するレーザ光３の偏光方向が１／２波長板３２の回転角の２倍の角度に回転し、偏光ビームスプリッタ３３でＰ偏光成分のみを透過、Ｓ偏光成分を９０度偏向させることで、透過するレーザ光３の出力を変化させる。即ち、１／２波長板３２の回転角を０度から４５度までの任意の角度に回転することで、任意の出力に設定することができる。

図１の変調器７としてはＥＯ（電気光学）モジュレータが最も適している。図３に示すように、ＥＯモジュレータはドライバ２３を介してポッケルス・セル（Pockel's Cell：結晶）３５に電圧を印加することで、結晶を透過するレーザ光３の偏光方向を回転させ、結晶３５の後方に置いた偏光ビームスプリッタ８でＰ偏光成分のみを通過させる。また、Ｓ偏光成分を９０度偏向させることでレーザ光３のＯＮ／ＯＦＦ（あるいはパルス化）および出力の調整を行うことができる。即ち、偏光ビームスプリッタ８に対してＳ偏光で入射するようにレーザ光３の偏光方向を回転させるための電圧Ｖ１（通常は０Ｖ）と、Ｐ偏光で入射するようにレーザ光３の偏光方向を回転させるための電圧Ｖ２との間の、任意の電圧をポッケルス・セル（Pockel's Cell：結晶）３５に印加する。これにより、偏光ビームスプリッタ８からＰ偏光として出力するレーザ光の出力を任意に設定することができる。

なお、図２および図３では、Ｐ偏光成分を取り出すために、偏光ビームスプリッタ３３および８を用いることで説明したが、偏光ビームスプリッタの代替として各種偏光素子を用いることもできる。また、図１では変調器７と偏光ビームスプリッタ８を独立した部品として示したが、各種の偏光素子まで含めたものを変調器（ＥＯモジュレータ）として市販されている場合もある。さらに、ポッケルス・セル（Pockel's Cell）と偏光ビームスプリッタ８（または各種偏光素子）を組み合わせたもの全体をＥＯモジュレータと称する場合もある。

また、変調器７としてＥＯモジュレータ以外に、ＡＯ（音響光学）モジュレータを使用することができる。一般的にＡＯモジュレータはＥＯモジュレータと比較して、駆動周波数が低く、また回折効率も７０〜９０％とＥＯモジュレータと比較して効率が悪いが、レーザ光が直線偏光でない場合でもＯＮ／ＯＦＦ（あるいはパルス化）を行える特徴があり、透過率連続可変ＮＤフィルタ６として透過レーザ光の偏光方向が回転するものを使用した場合でも、あるいはレーザ光自体が直線偏光でない場合でも使用することができる。このようにＥＯモジュレータ７（及び偏光ビームスプリッタ８）あるいはＡＯモジュレータなどの変調器７を用いることにより、連続発振レーザ光から任意のタイミングで任意の波形（時間的なエネルギ変化）を有するレーザ光を得ることができる。即ち、所望の振幅変調を行うことができる。

変調器７で振幅変調されたレーザ光３は、そのビーム径を調整するためのビームエキスパンダ（あるいは、ビームリデューサ）９を通ることでビーム径が調整されてビーム整形器１１に入射する。ビーム整形器１１はレーザ光３を一方向に細長い形状、あるいは長軸が短軸に比べて極端に大きい矩形のビーム形状に整形するための光学素子である。通常、ガスレーザや固体レーザは、光軸と直角方向の面内では該光軸を中心としたガウス形のエネルギ分布を持つ円形のビームを出力する。このため、そのままでは本発明のレーザアニールに使用することはできない。

レーザ発振器４の出力が十分に大きければ、出力するレーザ光のビーム径を十分に広げ、ビーム中心付近の比較的均一な部分のみを切り出すことにより、ほぼ均一なエネルギ分布の線状あるいは矩形ビームを得ることができる。しかし、この場合、レーザ光のビームの周辺部分を捨てることになり、エネルギの大部分が無駄になる。この欠点を解決して、ガウス形の分布を均一な分布（トップフラット）の線状ビーム（あるいは矩形ビーム）に変換するために、ビーム整形器１１を用いる。

ビーム整形器１１としては、回折光学素子を使用することができる。回折光学素子は石英などの基板にフォトエッチング工程により微細な段差を形成し、それぞれの段差部分を透過するレーザ光が形成する回折パターンを結像面で合成し、結果的に結像面に一致させたマスク１４面上で線状あるいは矩形状のエネルギ分布が得られるように作成されている。即ち、ここで用いる回折光学素子はガウス分布のレーザ光を入射することで、一方向（長軸方向、長さ方向）に均一な分布で、かつその直角方向（短軸方向、幅方向）にはガウス分布に集光されるように設計・製作されている。回折光学素子を使用した場合、長手方向の強度分布が±３％程度の均一な分布が得られる。

また、ビーム整形器１１として、回折光学素子の代りに、パウエルレンズとシリンドリカルレンズの組み合わせを用いることができる。パウエルレンズはシリンドリカルレンズの一種で、ガウス分布のレーザ光を入射させた場合に、一方向について中心部分のエネルギ密度が高い部分は疎になるように、かつ周辺部分のエネルギ密度が低い部分は密になるように投影面上に結像させる。その方向と直角方向に対しては、パウエルレンズ単体ではエネルギ分布が変化しないままなので、シリンドリカルレンズによって集光される。結果として、長軸方向には均一なエネルギ分布を有し、短軸方向にはガウス分布を有する細長い形状のビームがマスク１４面上に形成されたことになる。パウエルレンズを使用した場合、長軸方向の強度分布は±５％程度の均一な分布が得られる。

必要に応じて、長軸方向のビーム周辺部のエネルギ密度変化が大きい部分、あるいは裾野部分（回折光学素子の場合には高次回折光）をマスク１４により遮光することで、あるいは必要な寸法に整形することで、立ち上がりが急で所望の寸法を有する線状のレーザ光ビームが得られる。なお、マスク１４の代わりに、ビームの長軸方向に寸法可変に設定されたスリットを用いることもできる。

ここで得られた線状のレーザ光ビームは結像レンズ（チューブレンズ）１５により平行光に変換され、対物レンズ１９により基板２０上に対物レンズ倍率の逆数の大きさに縮小投影される。即ち、１０倍のレンズを使用した場合、マスク１４で整形されたレーザ光ビーム寸法の１／１０の大きさで投影される。レーザ光が照射された状態でステージ２１を線状のレーザ光ビームの短軸方向に高速走査することで、照射された部分のシリコン膜は溶融再凝固し、走査方向にラテラル成長した結晶膜（帯状多結晶膜）が得られる。

図１の制御装置２９はレーザ発振器４、シャッタ５、ステージ２１を制御するとともに、ビームプロファイラ２４で測定されたデータからレーザ光のビーム中心におけるエネルギ密度を算出し、あらかじめ設定されたエネルギ密度（パワー密度）との差を補正するように、ドライバ２２を介して透過率連続可変ＮＤフィルタ６の透過率を制御し、またドライバ２３を通して変調器７の結晶に印加する電圧を制御する。

ここで、透過率連続可変ＮＤフィルタ６の透過率を固定してレーザを照射した場合を、図４で説明する。図４は、図１における対物レンズの熱レンズ効果を説明する図である。図４（ａ）において、対物レンズ１９はマスク１４位置に線状に整形され、結像レンズ１５で平行光に変換されたレーザ光ビームを基板表面に投影した状態の短軸を示している。この状態で基板２０にレーザ光を照射した状態で、基板に対して相対的にレーザ光が走査されるようにする（実際には、通常は基板を走査する）。この走査により、対物レンズ１９には徐所々に熱レンズ効果が生じ、集光状態が劣化するため、エネルギ密度が低下する。

対物レンズ１９が一様に加熱された場合は、実効的に焦点距離が徐々に短くなる。この場合には、対物レンズ−基板間の距離を補正することで、熱レンズ効果の影響を防止することができる。即ち、対物レンズを通過した光で焦点位置を検出しながら常に合焦状態を保つように対物レンズあるいは基板を光軸方向に移動させればよい。

しかし、対物レンズ１９が不均一に加熱された場合は、図４（ｂ）に示すように、対物レンズ１９’を透過したレーザ光の焦点位置における短軸幅が増大し、基板表面におけるレーザ光のエネルギ密度（パワー密度）が徐々に低下する。その結果、図５に示す。図５は、熱レンズ効果が発生した状態でアニールを行った場合の結晶状態を示す図である。図５に示された様に、最初のうちは線状レーザ光ビームの長軸方向の照射領域全体に帯状多結晶４０が形成できているが、時間とともにこの帯状多結晶領域４０が徐々に狭くなり、周辺部に粒状多結晶領域４１、あるいは微結晶領域４２が形成される。これら粒状多結晶領域４１、あるいは微結晶領域４２が形成された領域のシリコン薄膜でトランジスタを形成すると特性が悪く、パネルとして不良となる。

本実施例では、結晶状態の変動を防止するため、基板表面におけるビームプロファイルをモニタし、測定されたプロファイルから短軸幅を算出し、レーザ照射部の温度上昇が一定であるように、ＮＤフィルタの透過率を調整するか、あるいは透過するレーザ光の出力自体を調整することで、基板に照射されるレーザ光のパワーを調整する。以下、図６に従い、詳細に述べる。

図６は、熱レンズ効果による線状レーザ光の短軸方向のビームプロファイルの変化を説明する図である。図６（ａ）に示したのは初期状態、すなわち熱レンズ効果が発生する前の状態（図４（ａ）に示した状態）でのビーム短軸方向のプロファイルである。短軸幅は３〜５ミクロン程度であり、ＣＣＤ形ビームプロファイラでは画素寸法（５〜１０ミクロン／画素）と同程度であるため直接測定が困難であるが、集光したビームを２０〜５０倍に拡大して測定することで、プロファイルを測定することが可能である。

測定するレーザ光ビームはビームスプリッタ２５で、例えば数％だけプロファイラ２４に入射させる。それでもエネルギが大きすぎる場合は、適宜、減衰フィルタを挿入する。この場合、アニールに使用するビームに比べて十分にエネルギ密度が低減されているので、測定系に熱レンズ効果が発生する恐れはない。また、レーザ光のビームを拡大して測定することで、短軸方向のプロファイルは測定可能となるが、長軸方向のプロファイルは大きすぎて（長軸寸法が１ｍｍの場合、５０倍に拡大すると５０ｍｍの領域を測定することになる）測定することができない。この場合には、特定の位置、たとえばレーザ光のビーム中央部のみに限定して測定する。このプロファイル測定結果から当該ビームの中心におけるパワー密度(最大パワー密度)Ｐ₀、最大パワー密度の１／ｅ²における短軸方向ビーム幅Ｗ₀が求まる。

一定時間レーザを照射し続けた結果、対物レンズの熱レンズ効果のため、図４（ｂ）に示すように集光性が悪化する。この状態のプロファイルを測定した結果を、図６（ｂ）に実線で示す。この時のビーム中心のパワー密度(最大パワー密度)がＰ₁、最大パワー密度の１／ｅ²における短軸方向ビーム幅がＷ₁である。

ここで、基板２０に照射するレーザ出力を増加させ（実際には、ＮＤフィルタの透過率を増加させることで透過する出力を増加させ）、最大パワー密度が初期状態と同じＰ₀と等しくなるように調整すると、図６（ｂ）に破線で示したビームプルファイルが得られる。この状態で実際にアニールを行うと、エネルギ過剰のため基板温度が上昇しすぎ、基板にダメージが発生する。

そこで、レーザ光の照射部における温度上昇が等しくなる条件に、レーザ出力を調整する。レーザ光の照射部における上昇温度はパワー密度に比例し、また照射時間の平方根に比例する。走査速度が一定の場合には、照射時間は短軸方向(走査方向)のビーム幅に比例するから、結局、パワー密度に比例し、また短軸幅の平方根に比例する。すなわち、図６に示した短軸方向のプロファイルに対して、照射開始時の照射部の温度上昇をＴ₀、時刻ｔにおける温度上昇をＴ_tとすると、それぞれ次式で表すことができる。

Ｔ₀＝Ｐ₀×√Ｗ₀×Ａ
Ｔ_t＝Ｐ_t×√Ｗ_t×Ａ
ここで、照射開始時の最大パワー密度（あるいは、設定最大パワー密度）をＰ〇、短軸幅をＷ₀、走査中のある時刻ｔにおける最大パワー密度をＰ_t、短軸幅をＷ_tとし、Ａは定数である。

時刻ｔにおける短軸幅Ｗ_tで温度上昇Ｔ₀を得るには最大パワー密度Ｐ_tを
Ｐ_t＝Ｐ₀＊√（Ｗ_t／Ｗ₀）
とすればよい。

すなわち、集光性の悪化で走査方向のビーム幅（短軸幅）がＷ_tに変化した場合に、変化前と同じ上昇温度を得るには、もとの短軸幅Ｗ₀に対して広がった割合の平方根を乗じた最大パワー密度Ｐ_t（＝Ｐ₀×√（Ｗ_t／Ｗ₀））で照射すればよいことになる。

なお、上記の説明の中で用いた短軸幅、最大パワー密度は絶対値を求める必要はなく、相対値でよい。

ここで、最大パワー密度は照射パワーに比例するから照射開始時のパワーをＥ₀、時刻ｔにおける照射パワーをＥ_tとすると、照射パワーＥ_tが
Ｅ_t＝Ｅ₀×√（Ｗ_t／Ｗ₀）
となるように調整すればよい。

図７は、本発明の一実施例である平面表示装置の製造方法におけるレーザ光の照射パワーと短軸寸法および基板上の照射部における上昇温度の関係を示す図である。図７（ａ）〜図７（ｅ）において、横軸は基板上の位置（図中では基板位置と表記）で、縦軸については、図７（ａ）では照射パワー（相対値）、図７（ｂ）では短軸幅（相対値）、図７（ｃ）
では補正なしの場合の基板照射部における上昇温度（相対値）、図７（ｄ）では補正後のレーザ光の照射パワー（相対値）、図７（ｅ）では補正後の基板照射部における上昇温度（相対値）を示す。

図７（ａ）に示すように、一定のレーザ光照射パワーでＯＮ／ＯＦＦを繰り返してアニールを行った場合、熱レンズ効果により線状に成形したレーザ光の短軸幅は、図７（ｂ）に示すように徐々に広がり、１パネル分の照射が終了する時点ではＭ倍に広がる。その結果、レーザ光照射部における上昇温度は、図７（ｃ）に示すように照射開始時の１／√Ｍに低下する。レーザ光がＯＦＦ状態となることで、熱レンズ効果は解消されるか、あるいは緩和され、再びレーザ光がＯＮ状態となることで、熱レンズ効果が現れる。

そこで、図７（ｄ）に示すように、短軸寸法を常にモニタし、一定時間間隔ごとに短軸幅を算出し、短軸幅が照射開始時より大きくなった割合の平方根、すなわち短軸幅がＭ倍になれば照射するパワーを照射開始時の√Ｍ倍に増加する。この調整により、レーザ照射における上昇温度は、図７（ｅ）に示すように、常に一定に保たれ、得られる結晶も一定に保たれる。

これを実現するには、ＮＤフィルタ６により、通常は透過率を５０〜７０％程度でアニールを開始し、熱レンズ効果の発生し伴ってＮＤフィルタ６の透過率を増加させて行けばよい。あるいは、パワー密度の調整をＥＯモデュレータ（ＥＯＭ）で行うこともできる。すなわち、ＥＯＭに印加する電圧を、透過するパワーが最大透過パワーの５０〜７０％程度となるように設定しておき、アニールを開始した後、熱レンズ効果の発生に伴って透過するパワーが増加するように制御してもよい。

なお、これまでの説明では、レーザ光の短軸方向のビーム幅を１／ｅ²で規定したが、半値全幅（ＨＭＦＷ）で算出しても同様の結果が得られる。

以下に、図１に構成を示した製造装置を用いた平面表示装置の製造方法の実施例について、図８、図９、図１０とともに詳細に説明する。図８は、本発明の平面表示装置の製造方法の一実施例の対象とする基板を示す平面図である。図９は、本発明の平面表示装置の製造方法の一実施例におけるアライメントマークの形成と各パネルの１辺にまとめた周辺回路部分を帯状多結晶膜に変換した後の基板の状態を示す図である。図１０は、本発明の平面表示装置の製造方法の一実施例における各パネルの２辺に形成する周辺回路部分を帯状多結晶膜に変換した後の基板の状態を示す図である。

ここで対象とする基板２０は、ガラスなどの透明基板上にＳｉＯ₂膜および／あるいはＳｉＮ膜からなる絶縁膜を介して非晶質シリコン膜が形成されている。基板２０は、先ずエキシマレーザアニール装置により周辺部分５〜２０ｍｍ幅程度にはレーザが照射されないように対策がされた状態で、周辺部以外の全面がアニールされる。通常、エキシマレーザ光は幅数１００ミクロン、長さ数１００ｍｍの矩形状に整形されて、同一箇所に５〜３０パルスが照射される条件で走査しながら照射される。その結果、図８に示す様に基板周辺部は非晶質シリコン膜７１がそのまま残り、周辺部以外はエキシマレーザの照射により溶融再凝固過程を経て粒状多結晶シリコン膜７２になる。この多結晶シリコン膜７２は結晶粒径が数１０〜数１００ｎｍの粒状結晶であり、この膜で形成したＴＦＴの移動度は１００ｃｍ²／Ｖｓ程度が得られ、画素のスイッチング用ＴＦＴに使用するには十分な性能である。

次に、周辺部を除いて粒状多結晶化された基板２０は図１に示した装置に搬送され、処理される。基板２０は図１のステージ２１上に載置される。基板２０は概略の位置合わせを行うために、ステージ２１上に設置された複数のピン（図示せず）に押し当てることでプリアライメントを行う。これにより、±１００ミクロン程度の位置合わせを行うことができる。以下、図を参照して説明する。

概略の位置合わせを行った後、基板周辺部の非晶質シリコン膜７１が残留している部分に、アライメントマーク用のマスクパターンを投影する形でレーザ光を照射して、アライメントマーク７４〜７９を形成する。この時、図１では省略したが、ビーム整形器１１を矩形あるいは円形の均一な分布が得られるビーム整形器に差し替え、またマスク１４をアライメントマークが形成されたマスクに差し替える。一般的に形成すべきアライメントマークは数１０ミクロン角〜数１００ミクロン角の大きさであり、アライメントマークパターンが形成されているマスク（図示せず）にレーザ光を照射して、基板２０上にマスクパターンを縮小投影する。

使用するレーザはアニール（帯状多結晶膜形成）するための連続発振レーザでも良いし、マーク形成用に設置した小型パルスレーザでも良い。これにより、マスクを透過したレーザ光が非晶質シリコン膜に照射されて、照射部分のみ、多結晶シリコン膜に変換される。この多結晶膜はラテラル成長した結晶である必要は無く、粒状多結晶でも所謂微細結晶でもよい。いずれの多結晶状態でも、レーザ非照射部の非晶質シリコン膜とは反射率が異なるので、アライメントマークとして使用することができる。

最初のアライメントマークを形成した後、ステージ２１を移動させ、２番目のアライメントマーク位置で停止させ、再びレーザ光を照射してアライメントマークを形成する。この手順を必要な回数だけ繰り返し、アライメントマーク７４〜７９を必要な箇所に、順に形成する。これにより、図９に示す様に、基板２０の周辺部分に残留している非晶質シリコン膜部分７１に、アライメントマーク７４、７５、７６およびアライメントマーク７７、７８、７９等が形成される。

尚、図９において、基板２０内に６個のアライメントマーク７４〜７９を形成する場合を例に説明したが、その数に限定されることはない。また、アライメントマークの形状は必要に応じて種々の形状を選択することができる。このアライメントマークは、アニール（帯状多結晶膜形成）を縦横２方向に行う場合に基板２０を９０度回転させた後、およびアニール工程の後で最初に実施されるフォトレジスト工程でのフォトマスク（あるいはレチクル）の位置合わせに使用する。露光をステッパで行う場合、アライメントマークを基板内に作りこむ全てのパネルに対応した数だけ形成しても良いし、最初のパネルに対応した位置だけに形成し、残りのパネルについてはステッパの移動精度で露光しても良い。全面を一括露光するアライナの場合には２箇所あるいは３箇所にアライメントマークを形成すれば十分である。

次に、各パネルの駆動回路を含む周辺回路が形成される部分に、線状に整形した連続発振レーザ光をその短軸方向に走査しながら照射し、エキシマレーザアニールにより多結晶シリコン膜に変換された部分７２の一部を横方向（ラテラル）成長した帯状多結晶膜に変換する。これにより、図９に示すように、各パネルの駆動回路部分８１、８２、８３ほか（図９においては駆動回路部分として太い実線で表示）を全て帯状多結晶膜に変換する。

この時、一つの駆動回路部分（例えば、８１）においても照射開始から透過するレーザ光の影響で、対物レンズ１９が熱レンズ効果のため短軸幅が徐々に増大するが、先に説明したようにレーザ光ビームのプロファイルをモニタし、検出された短軸幅の変化に応じて、その変化の平方根を乗じたパワーとなるようにＮＤフィルタの透過率を増大させる。このため照射したレーザ光の長軸方向の幅全体にわたって、均一にレーザ光の走査方向に横方向成長した帯状多結晶膜を形成することができる。

あるいは、レーザ光の照射を開始した時点からの走査方向のビーム幅（短軸幅）Ｗ(ｔ)を予め測定しておき、照射開始してからの時間経過に応じて、レーザ光ビーム幅の変化の平方根を乗じた照射パワーＥ（＝Ｅ₀×√（Ｗ(ｔ)／Ｗ₀）となるようにＮＤフィルタの透過率を増大させてもよい（ここで、Ｅ₀、Ｗ₀は照射開始時のレーザ出力、短軸幅である）。小型のパネルを対象にした場合、パネルとパネルの間で短時間だけレーザ光がＯＦＦ状態となるが、短軸幅が初期状態に戻らない場合もある。この場合には、ＯＦＦ状態となる時間も含めて、１走査分の短軸幅変動を測定しておけばよい。

図９では、基板内に７２個（１２×６）のパネルを形成する場合を示している。駆動回路を含む周辺回路を形成する領域がパネルの１辺のみに集中している場合には基板を一方向に走査してアニールするだけでよく、基板内に製作される全てのパネルの駆動回路を含む周辺回路部分にレーザ光を照射し、それらの部分を帯状多結晶膜に変換して処理を終了する。通常、駆動回路を含む周辺回路部分は長さが１パネルの寸法程度、幅は５００〜３０００ミクロン（０．５〜３ｍｍ）程度である。ビームの長手方向の寸法が周辺回路部分の寸法に満たない場合は、複数回の走査で形成する。

パネルの２辺に駆動回路を含む周辺回路が形成される場合、基板を９０度回転させて回転させる前と同一方向に走査するか、あるいは線状に整形したレーザ光の長手方向と短手方向を９０度回転させ、回転させる前と直交する方向に走査する必要がある。これらの場合、特に基板を回転させた場合には、基板を押し付けピンに押し当てたとしても基板の回転中心の位置精度は±１００ミクロン程度でしか保証されないため、レーザ光照射前に正確なアライメントが必要になる。そこで、最初に形成したアライメントマークを必要に応じて複数箇所検出し、検出した座標を基準に基板をアライメントする。アライメント後に、図９で示した手順と同様に、線状に整形したレーザ光を照射しながら走査することにより、図１０に示すように、先ほどとは直交する方向に横方向成長した帯状多結晶膜領域９１、９２、９３などを形成することができる。

１枚目の基板の処理が終了すると、基板２０はステージ２１上から搬出され、カセット（図示せず）に格納されるとともに、２枚目の基板がステージ２１上に載置され、２枚目の処理が開始される。カセット内に格納された全ての基板の処理が終了すると、カセットは次工程に搬送され、最終的に平面表示装置が形成される。

上記説明は、基板上に形成した非晶質シリコン薄膜をエキシマレーザ照射により粒状多結晶シリコン膜に変換した後で、駆動回路を形成する領域のみを帯状多結晶シリコン膜に変換する場合の製造方法であるが、非晶質シリコン薄膜から直接、駆動回路を形成する領域のみを帯状多結晶シリコン膜に変換することも出来る。その場合、画素のスイッチング回路は、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）薄膜から形成したトランジスタで構成されることになる。

以上、説明したように、本発明の平面表示装置の製造方法は、非晶質シリコン薄膜上、あるいはエキシマレーザを照射して形成した粒状多結晶シリコン薄膜上の、駆動回路を含む周辺回路を形成する領域のみに、線状に集光した連続発振レーザ光（又は、擬似連続発振レーザ光）を高速に走査しながら照射して帯状多結晶シリコン膜を形成する。このとき、高出力のレーザ光を対物レンズで集光することによって発生する熱レンズ効果、すなわち対物レンズにより集光されたレーザ光のプロファイル変動による温度上昇の変動を補正し、常に適正な温度上昇が得られるように照射することで、帯状多結晶膜質の変動を抑えることが出来る。これにより、平面表示装置の製造歩留まり向上、品質の確保を図ることができる。

本発明の平面表示装置の製造方法は、液晶表示装置あるいは有機ＥＬ表示装置などの平面表示装置の製造に適用することができる。

本発明に係る平面表示装置の製造方法を実施するに好適な平面表示装置の製造装置の構成を示す図である。 本発明に係る平面表示装置の製造方法を実施するに好適な透過率連続可変フィルタの構成を示す図である。 本発明に係る平面表示装置の製造方法を実施するに好適なＥＯモジュレータの構成を示す図である。 図１における対物レンズの熱レンズ効果を説明する図である。 熱レンズ効果が発生した状態でアニールを行った場合の結晶状態を示す図である。 熱レンズ効果による線状レーザ光の短軸方向のビームプロファイルの変化を説明する図である。 本発明の一実施例である平面表示装置の製造方法におけるレーザ光の照射パワーと短軸寸法および基板上の照射部における上昇温度の関係を示す図である。 本発明の平面表示装置の製造方法の一実施例の対象とする基板を示す平面図である。 本発明の平面表示装置の製造方法の一実施例におけるアライメントマークの形成と各パネルの１辺にまとめた周辺回路部分を帯状多結晶膜に変換した後の基板の状態を示す図である。 本発明の平面表示装置の製造方法の一実施例における各パネルの２辺に形成する周辺回路部分を帯状多結晶膜に変換した後の基板の状態を示す図である。

符号の説明

１・・・レーザダイオード、２・・・光ファイバ、３・・・レーザ光、４・・・レーザ発振器、５・・・シャッタ、６・・・透過率連続可変フィルタ（ＮＤフィルタ）、７・・・変調器、９・・・ビーム径調整器、１１・・・ビーム整形器、１４・・・マスク、１５・・・チューブレンズ、１９・・・対物レンズ、２０・・・基板、２１・・・ステージ、２２・・・ＮＤフィルタドライバ、２３・・・変調器ドライバ、２４・・・ビームプロファイラ、２９・・・制御装置、３２・・・１/２波長板、３３・・・偏光ビームスプリッタ、３５・・・ポッケルス・セル、４０・・・帯状多結晶膜、４１・・・粒状多結晶膜、４２・・・微結晶膜、７１・・・非晶質シリコン膜、７２・・・粒状多結晶シリコン膜、７４〜７９・・・アライメントマーク、８１〜８３および９１〜９３・・・帯状多結晶膜。

Claims (5)

1. 一主面に非晶質半導体膜あるいは粒状多結晶半導体膜が形成された基板をステージ上に載置し、前記基板上の前記非晶質半導体膜あるいは粒状多結晶半導体膜の所望の領域に、細長い形状のビームに整形されたレーザ光の長軸に交差する短軸方向に走査しながら照射してアニールすることにより、前記非晶質半導体膜あるいは粒状多結晶半導体膜を帯状多結晶半導体膜に改質して表示装置用のアクティブ・マトリクス基板を得る平面表示装置の製造方法であって、
   前記レーザ光は、連続発振レーザ光あるいは擬似連続発振レーザ光であり、
   レーザ出力を調整するに際し、前記レーザ光を一定速度で走査しながら前記基板上でのビームプロファイルから一定時間間隔毎に走査方向のビーム短軸幅を算出し、
   照射開始時あるいは予め設定されたレーザ出力に対して、前記算出されたビーム短軸幅の照射開始時あるいは予め設定された短軸幅に対する比率の平方根を乗じた値にレーザ出力を調整するものであり、
   前記レーザ光の前記基板上に相当する位置での前記ビームプロファイルをモニタし、
   前記ビームプロファイルから前記レーザ光の最大パワー密度と走査方向のビーム短軸幅を算出し、
   前記算出した最大パワー密度及びビーム短軸幅とに基づいて前記レーザ出力を調整しながら、前記レーザ光を一定速度で走査して照射することを特徴とする平面表示装置の製造方法。
2. 請求項１において、
   前記レーザ出力Ｅｔを調整するに際し、
   前記レーザ光を一定速度で走査しながら前記ビームプロファイルから一定時間間隔毎に走査方向のビーム幅（短軸幅）Ｗtを算出し、
   前記レーザ出力Ｅtを、照射開始時あるいは予め設定されたレーザ出力Ｅ _O に、照射開始時あるいは予め設定された短軸幅Ｗ _O に対する前記算出されたビーム短軸幅Ｗtの比率の平方根を乗じた値（Ｅt＝Ｅ _O ×√（Ｗt／Ｗ _O ））に調整することを特徴とする平面表示装置の製造方法。
3. 請求項１において、
   前記レーザ出力を調整するに際し、
   前記レーザ光の前記基板上を一定速度で走査した場合の前記基板上での走査方向のビーム幅（短軸幅）Ｗ(t)を予め測定しておき、
   照射するレーザ出力Ｅ(t)を、照射開始時あるいは予め設定されたレーザ出力Ｅ _O に、照射開始時あるいは予め設定された短軸幅Ｗ _O に対する前記予め測定された短軸幅Ｗ(t)の比率の平方根を乗じた値（Ｅ(t)＝Ｅ _O ×√（Ｗ(t)／Ｗ _o ））に調整することを特徴とする平面表示装置の製造方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記レーザ出力の調整を、１／２波長板と偏光ビームスプリッタで構成された透過率連続可変フィルタで行うことを特徴とする平面表示装置の製造方法。
5. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記レーザ出力の調整を、前記レーザ光を振幅変調するためのＥＯモジュレータに印加する電圧を調整することで行うことを特徴とする平面表示装置の製造方法。
   

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