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JP7632873B2 - Laser Annealing Equipment - Google Patents
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Description

本発明は、TFT基板において非晶質シリコン膜を疑似単結晶シリコン膜に改質させるレーザアニール装置およびレーザアニール方法に関する。 The present invention relates to a laser annealing device and a laser annealing method for modifying an amorphous silicon film on a TFT substrate into a pseudo single crystal silicon film.

液晶ディスプレイ(LCD:Liquid Crystal Display)、有機ELディスプレイ(OLED:Organic Electroluminescence Display)などの薄型ディスプレイ(FPD:Flat Panel Display)において、大型化および高精細化が進んでいる。 Flat panel displays (FPDs) such as liquid crystal displays (LCDs) and organic electroluminescence displays (OLEDs) are becoming larger and more precise.

FPDは、薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)が形成されたTFT基板を備える。TFT基板は、マトリクス状に配置された画素のそれぞれにアクティブ駆動するための微細なTFTを形成した基板であり、例えば、フルHD(1920×1080ドット)の解像度で120Hz駆動のディスプレイの場合、1000万個以上の画素が形成されている。 FPDs are equipped with a TFT substrate on which thin film transistors (TFTs) are formed. The TFT substrate is a substrate on which minute TFTs are formed to actively drive each of the pixels arranged in a matrix. For example, in the case of a display with a full HD (1920 x 1080 dots) resolution and a 120 Hz drive, more than 10 million pixels are formed.

TFTにおけるチャネル領域の移動度を高めるため、非晶質シリコン膜に対して疑似単結晶シリコンを横方向(ラテラル)結晶成長させるレーザアニール方法が知られている。このレーザアニール方法では、エキシマレーザアニールによって形成した微結晶シリコン膜の結晶粒を種結晶として用いる。このレーザアニール方法では、種結晶を起点として、連続発振レーザ光のスキャン方向にラテラル結晶成長させて、移動度の高い疑似単結晶シリコン膜を形成することができる。 To increase the mobility of the channel region in a TFT, a laser annealing method is known in which pseudo-single crystal silicon is grown laterally on an amorphous silicon film. In this laser annealing method, crystal grains of a microcrystalline silicon film formed by excimer laser annealing are used as seed crystals. With this laser annealing method, lateral crystal growth is performed starting from the seed crystal in the scanning direction of the continuous wave laser light, forming a pseudo-single crystal silicon film with high mobility.

上述の非晶質シリコン膜のレーザアニール方法では、前処理として、非晶質シリコン膜内に含まれる水素を離脱させるための脱水素処理が必要である。この脱水素処理を行う装置としては、TFT基板を収納して脱水素処理温度で加熱する脱水素処理炉と、TFT基板におけるゲート配線に電流を発生させてこのゲート配線を発熱させる電流発生部と、を備える脱水素処理装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。 In the above-mentioned method for laser annealing an amorphous silicon film, a dehydrogenation process is required as a pre-processing step to remove hydrogen contained in the amorphous silicon film. A known device for carrying out this dehydrogenation process is a dehydrogenation process device that includes a dehydrogenation furnace that houses a TFT substrate and heats it at a dehydrogenation temperature, and a current generating unit that generates a current in the gate wiring of the TFT substrate to heat the gate wiring (see, for example, Patent Document 1).

特開2020-119913号公報JP 2020-119913 A

しかしながら、上述のように、非晶質シリコン膜内に含まれる水素を離脱させる脱水素処理装置を用いた後、TFT基板をレーザアニール装置に移して非晶質シリコン膜のレーザアニールを行った場合、生産効率が低下するという課題がある。また、脱水素処理装置は、TFT基板を収容するスペースが必要となる。このため、上述のレーザアニール方法では、非晶質シリコン膜を結晶化膜(疑似単結晶シリコン膜)に改質させるまでに、高いコストを要するという課題がある。 However, as mentioned above, if a dehydrogenation treatment device is used to remove hydrogen contained in the amorphous silicon film, and then the TFT substrate is transferred to a laser annealing device to perform laser annealing of the amorphous silicon film, there is a problem that production efficiency decreases. In addition, the dehydrogenation treatment device requires space to accommodate the TFT substrate. Therefore, the above-mentioned laser annealing method has a problem that high costs are required before the amorphous silicon film is transformed into a crystallized film (pseudo single crystal silicon film).

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、レーザアニールして非晶質シリコン膜を結晶化膜に改質するまでの生産効率を向上し、しかも省スペース化および低コスト化を可能とするレーザアニール装置およびレーザアニール方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above problems, and aims to provide a laser annealing device and a laser annealing method that improve the production efficiency up to the point where an amorphous silicon film is converted into a crystallized film by laser annealing, and that also enables space saving and cost reduction.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の態様は、基板の上に成膜された非晶質シリコン膜における改質予定領域に向けて、連続発振されたレーザ光が収束するように加工された結晶化用レーザビームを出射する結晶化用光学ヘッドを備え、当該結晶化用光学ヘッドは、前記結晶化用レーザビームにおいて最も収束するスポット部が、前記非晶質シリコン膜の膜内部に位置する状態で、前記非晶質シリコン膜に対して相対的にスキャン方向に沿って移動されて前記非晶質シリコン膜における前記改質予定領域を結晶化膜に改質させるレーザアニール装置であって、脱水素化用レーザビームを出射する脱水素化用光学ヘッドを備え、前記脱水素化用光学ヘッドは、前記脱水素化用レーザビームが、前記結晶化用レーザビームに先駆けて、少なくとも前記改質予定領域を照射して前記非晶質シリコン膜の脱水素化を行うように、前記非晶質シリコン膜に対して前記スキャン方向に沿って相対的に移動されることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, an aspect of the present invention is a laser annealing device that includes a crystallization optical head that emits a crystallization laser beam that is processed so that a continuous oscillated laser beam converges toward a region to be modified in an amorphous silicon film formed on a substrate, and the crystallization optical head is moved along a scanning direction relative to the amorphous silicon film with the most convergent spot portion of the crystallization laser beam located inside the amorphous silicon film to modify the region to be modified in the amorphous silicon film into a crystallized film, and includes a dehydrogenation optical head that emits a dehydrogenation laser beam, and the dehydrogenation optical head is moved along the scanning direction relative to the amorphous silicon film so that the dehydrogenation laser beam irradiates at least the region to be modified prior to the crystallization laser beam to dehydrogenate the amorphous silicon film.

上記態様としては、前記脱水素化用光学ヘッドは、連続発振されたレーザ光が収束するように加工された脱水素化用レーザビームを出射し、前記脱水素化用レーザビームにおいて最も収束するスポット部が、前記非晶質シリコン膜の膜内部に位置することが好ましい。 In the above aspect, it is preferable that the dehydrogenation optical head emits a dehydrogenation laser beam that is processed so that the continuous oscillated laser light converges, and the most convergent spot portion of the dehydrogenation laser beam is located inside the amorphous silicon film.

上記態様としては、前記非晶質シリコン膜の表面に照射される前記脱水素化用レーザビームのビームスポットは、前記非晶質シリコン膜の表面に照射される前記結晶化用レーザビームのビームスポットよりも、前記スキャン方向の上流側に配置され、前記脱水素化用レーザビームの前記ビームスポットの幅寸法は、前記結晶化用レーザビームの前記ビームスポットの幅寸法よりも、長く設定されていることが好ましい。 In the above aspect, it is preferable that the beam spot of the dehydrogenation laser beam irradiated onto the surface of the amorphous silicon film is positioned upstream in the scanning direction from the beam spot of the crystallization laser beam irradiated onto the surface of the amorphous silicon film, and the width dimension of the beam spot of the dehydrogenation laser beam is set longer than the width dimension of the beam spot of the crystallization laser beam.

上記態様としては、前記結晶化用光学ヘッドは、結晶化用光源から結晶化用光ファイバを介してレーザ光が導かれ、前記脱水素化用光学ヘッドは、脱水素化用光源から脱水素化用光ファイバを介してレーザ光が導かれることが好ましい。 In the above aspect, it is preferable that the crystallization optical head guides laser light from a crystallization light source via a crystallization optical fiber, and the dehydrogenation optical head guides laser light from a dehydrogenation light source via a dehydrogenation optical fiber.

上記態様としては、前記結晶化用光学ヘッドと前記脱水素化用光学ヘッドとが共通化された単一の光学ヘッドでなることが好ましい。 In the above embodiment, it is preferable that the crystallization optical head and the dehydrogenation optical head are a single shared optical head.

上記態様としては、前記結晶化用光学ヘッドと前記脱水素化用光学ヘッドとが共通化された単一の光学ヘッドでなり、前記光学ヘッドに、光源から単一の光ファイバを介してレーザ光が導かれ、前記光ファイバの出射端面に、結晶化用開口部と脱水素化用開口部とが離隔して形成された絞りが、前記結晶化用開口部と脱水素化用開口部とが前記出射端面に対向するように配置され、前記結晶化用開口部から前記結晶化用レーザビームが出射され、前記脱水素化用開口部から前記脱水素化用レーザビームが出射されることが好ましい。 In the above embodiment, it is preferable that the crystallization optical head and the dehydrogenation optical head are a single shared optical head, laser light is guided from a light source to the optical head via a single optical fiber, an aperture formed with a crystallization opening and a dehydrogenation opening spaced apart is arranged on the output end face of the optical fiber so that the crystallization opening and the dehydrogenation opening face face each other, the crystallization laser beam is emitted from the crystallization opening, and the dehydrogenation laser beam is emitted from the dehydrogenation opening.

上記態様としては、前記光ファイバの出射側は、前記出射端面に向けて径寸法が大きくなるように拡大する形状であることが好ましい。 In the above embodiment, it is preferable that the output side of the optical fiber has a shape that expands so that the diameter dimension increases toward the output end face.

上記態様としては、前記改質予定領域は、薄膜トランジスタのチャネル半導体層であることが好ましい。 In the above embodiment, the region to be modified is preferably the channel semiconductor layer of a thin-film transistor.

本発明の他の態様は、基板の上に成膜された非晶質シリコン膜における改質予定領域に向けて、連続発振されたレーザ光が収束するように加工された結晶化用レーザビームを出射し、前記結晶化用レーザビームにおいて最も収束するスポット部が、前記非晶質シリコン膜の膜内部に位置する状態で、前記非晶質シリコン膜に対してスキャン方向へ相対的に移動されて前記非晶質シリコン膜における前記改質予定領域を結晶化膜に改質させるレーザアニール方法であって、脱水素化用レーザビームを、前記結晶化用レーザビームに先駆けて前記非晶質シリコン膜における少なくとも改質予定領域を照射して脱水素化を行うように、前記非晶質シリコン膜に対して前記スキャン方向へ相対的に移動させることを特徴とする。 Another aspect of the present invention is a laser annealing method in which a crystallization laser beam, which is processed so that the continuous oscillated laser light converges, is emitted toward a region to be modified in an amorphous silicon film formed on a substrate, and the crystallization laser beam is moved relative to the amorphous silicon film in a scanning direction with the most convergent spot portion of the crystallization laser beam located inside the amorphous silicon film to modify the region to be modified in the amorphous silicon film into a crystallized film, characterized in that a dehydrogenation laser beam is moved relative to the amorphous silicon film in the scanning direction so as to irradiate at least the region to be modified in the amorphous silicon film prior to the crystallization laser beam to perform dehydrogenation.

本発明に係るレーザアニール装置およびレーザアニール方法によれば、レーザアニールして非晶質シリコン膜を結晶化膜に改質するまでの生産効率を向上し、しかも省スペース化および低コスト化を可能とするレーザアニール装置およびレーザアニール方法を実現するという効果がある。 The laser annealing device and the laser annealing method according to the present invention have the effect of improving the production efficiency up to the stage of reforming an amorphous silicon film into a crystallized film by laser annealing, and of realizing a laser annealing device and a laser annealing method that enable space saving and cost reduction.

図1は、本発明の第1の実施の形態に係るレーザアニール装置を用いたTFTアレイの製造方法を示す断面説明図である。FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a TFT array using a laser annealing apparatus according to a first embodiment of the present invention. 図2は、本発明の第1の実施の形態に係るレーザアニール装置の概略を示す構成図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of a laser annealing apparatus according to a first embodiment of the present invention. 図3は、本発明の第1の実施の形態に係るレーザアニール装置の結晶化用光学ヘッドおよび脱水素化用光学ヘッドを示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing the crystallization optical head and the dehydrogenation optical head of the laser annealing apparatus according to the first embodiment of the present invention. 図4は、本発明の第1の実施の形態に係るレーザアニール装置における結晶化用ファイバアレイおよび脱水素化用ファイバアレイを下方から見た状態を示す下面図である。FIG. 4 is a bottom view showing the crystallization fiber array and the dehydrogenation fiber array in the laser annealing apparatus according to the first embodiment of the present invention as viewed from below. 図5は、本発明の第1の実施の形態に係るレーザアニール装置における、非晶質シリコン膜の表面に照射される結晶化用レーザビームのビームスポットと脱水素化用レーザビームのビームスポットとを示す平面図である。FIG. 5 is a plan view showing the beam spot of the crystallization laser beam and the beam spot of the dehydrogenation laser beam irradiated onto the surface of an amorphous silicon film in the laser annealing apparatus according to the first embodiment of the present invention. 図6は、本発明の第1の実施の形態に係るレーザアニール装置を用いたTFTアレイの製造方法を示す平面説明図である。FIG. 6 is a plan view illustrating a method for manufacturing a TFT array using the laser annealing apparatus according to the first embodiment of the present invention. 図7-1は、本発明の第1の実施の形態に係るレーザアニール装置を用いたレーザアニール方法を示す平面説明図である。FIG. 7A is a plan view illustrating a laser annealing method using the laser annealing apparatus according to the first embodiment of the present invention. 図7-2は、本発明の第1の実施の形態に係るレーザアニール装置において結晶化用光学ヘッドを回転させてビームピッチを変更した状態を示すTFTアレイの製造方法を示す平面説明図である。FIG. 7B is a plan view illustrating the method for manufacturing a TFT array, showing a state in which the crystallization optical head is rotated to change the beam pitch in the laser annealing apparatus according to the first embodiment of the present invention. 図8は、本発明の第2の実施の形態に係るレーザアニール装置に備えられる光学ヘッドを示す説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram showing an optical head provided in a laser annealing apparatus according to the second embodiment of the present invention. 図9は、本発明の第2の実施の形態に係るレーザアニール装置の光学ヘッドにおけるファイバアレイの出射端面を示す下面図である。FIG. 9 is a bottom view showing the emission end surface of a fiber array in an optical head of a laser annealing apparatus according to the second embodiment of the present invention. 図9は、本発明の第2の実施の形態に係るレーザアニール装置における、非晶質シリコン膜の表面に照射される結晶化用レーザビームのビームスポットと脱水素化用レーザビームのビームスポットとを示す平面図である。FIG. 9 is a plan view showing the beam spot of a crystallization laser beam and the beam spot of a dehydrogenation laser beam irradiated onto the surface of an amorphous silicon film in a laser annealing apparatus according to the second embodiment of the present invention. 図11は、本発明の第3の実施の形態に係るレーザアニール装置の光学ヘッドの説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram of an optical head of a laser annealing apparatus according to the third embodiment of the present invention. 図12は、本発明の第4の実施の形態に係るレーザアニール装置の光学ヘッドを示す説明図である。FIG. 12 is an explanatory diagram showing an optical head of a laser annealing apparatus according to the fourth embodiment of the present invention. 図13は、本発明の第5の実施の形態に係るレーザアニール装置の概略を示す構成図である。FIG. 13 is a schematic diagram showing the configuration of a laser annealing apparatus according to the fifth embodiment of the present invention. 図14は、本発明の第6の実施の形態に係るレーザアニール装置の概略を示す構成図である。FIG. 14 is a schematic diagram showing the configuration of a laser annealing apparatus according to the sixth embodiment of the present invention. 図15は、本発明の第7の実施の形態に係るレーザアニール装置の概略を示す構成図である。FIG. 15 is a schematic diagram showing the configuration of a laser annealing apparatus according to the seventh embodiment of the present invention. 図16は、本発明の第7の実施の形態に係るレーザアニール装置の要部を示す側面図である。FIG. 16 is a side view showing a main part of a laser annealing apparatus according to the seventh embodiment of the present invention. 図17は、本発明の第8の実施の形態に係るレーザアニール装置の概略を示す構成図である。FIG. 17 is a schematic diagram showing the configuration of a laser annealing apparatus according to an eighth embodiment of the present invention. 図18は、本発明の第9の実施の形態に係るレーザアニール装置の概略を示す構成図である。FIG. 18 is a schematic diagram showing the configuration of a laser annealing apparatus according to a ninth embodiment of the present invention. 図19は、本発明の第9の実施の形態に係るレーザアニール装置における結像光学系の構成図である。FIG. 19 is a diagram showing the configuration of an imaging optical system in a laser annealing apparatus according to the ninth embodiment of the present invention. 図20は、本発明の第10の実施の形態に係るレーザアニール装置を示す概略構成図である。FIG. 20 is a schematic diagram showing the configuration of a laser annealing apparatus according to a tenth embodiment of the present invention. 図21は、本発明の第11の実施の形態に係るレーザアニール装置におけるレーザビームの焦点および焦点近傍を含み、エネルギー密度のプロファイルがトップハット型を維持する領域Aを示す説明図である。FIG. 21 is an explanatory diagram showing a region A including the focal point and the vicinity of the focal point of a laser beam in a laser annealing apparatus according to an eleventh embodiment of the present invention, where the energy density profile maintains a top hat shape. 図22-1は、図21における(4)の領域のレーザビームの半径方向の位置とパワー密度との関係を示す説明図である。FIG. 22A is an explanatory diagram showing the relationship between the radial position of the laser beam and the power density in the region (4) in FIG. 図22-2は、図21における(2)の領域のレーザビームの半径方向の位置とパワー密度との関係を示す説明図である。FIG. 22B is an explanatory diagram showing the relationship between the radial position of the laser beam and the power density in the region (2) in FIG. 図22-3は、図21における(1)の領域のレーザビームの半径方向の位置とパワー密度との関係を示す説明図である。FIG. 22-3 is an explanatory diagram showing the relationship between the radial position of the laser beam and the power density in the region (1) in FIG. 図22-4は、図21における(3)の領域のレーザビームの半径方向の位置とパワー密度との関係を示す説明図である。FIG. 22-4 is an explanatory diagram showing the relationship between the radial position of the laser beam and the power density in the region (3) in FIG. 図22-5は、図21における(5)の領域のレーザビームの半径方向の位置とパワー密度との関係を示す説明図である。FIG. 22-5 is an explanatory diagram showing the relationship between the radial position of the laser beam and the power density in the region (5) in FIG.

以下に、本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置およびレーザアニール方法の詳細を図面に基づいて説明する。但し、図面は模式的なものであり、各部材の数、各部材の寸法、寸法の比率、形状などは現実のものと異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率や形状が異なる部分が含まれている。 The laser annealing apparatus and the laser annealing method according to the embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the number of components, the dimensions of each component, the dimensional ratios, shapes, etc. differ from the actual ones. In addition, the drawings include parts with different dimensional relationships, ratios, and shapes.

[第1の実施の形態]
(レーザアニール装置の構成)
図1および図2に示すように、本実施の形態に係るレーザアニール装置1は、光源ユニット2と、光学ヘッド3と、基板10を搬送する図示しない基板搬送手段と、図示しない変位計と、を備えている。
[First embodiment]
(Configuration of laser annealing device)
As shown in Figures 1 and 2, the laser annealing apparatus 1 according to this embodiment includes a light source unit 2, an optical head 3, a substrate transport means (not shown) for transporting a substrate 10, and a displacement meter (not shown).

光源ユニット2は、結晶化用光源ユニット2Aと脱水素化用光源ユニット2Bとを備える。これら結晶化用光源ユニット2Aと脱水素化用光源ユニット2Bは、同様の構成を有しているため、ここでは、結晶化用光源ユニット2Aの構成について説明し、脱水素化用光源ユニット2Bの詳細な構成の説明は省略する。 The light source unit 2 comprises a crystallization light source unit 2A and a dehydrogenation light source unit 2B. Since the crystallization light source unit 2A and the dehydrogenation light source unit 2B have the same configuration, the configuration of the crystallization light source unit 2A will be described here, and a detailed description of the configuration of the dehydrogenation light source unit 2B will be omitted.

図2に示すように、結晶化用光源ユニット2Aは、連続発振レーザ光(CWレーザ光)を発振する光源としての複数の半導体レーザLD(LD1~LDn)を備えている。ここで、連続発振レーザ光(CWレーザ光)とは、目的領域に対して連続してレーザ光を照射する所謂疑似連続発振も含む概念である。つまり、レーザ光がパルスレーザであっても、パルス間隔が加熱後のシリコン薄膜(非晶質シリコン膜)の冷却時間よりも短い(固まる前に次のパルスで照射する)疑似連続発振レーザであってもよい。レーザ光源としては、半導体レーザ、固体レーザ、液体レーザ、気体レーザなどの各種のレーザを用いることが可能である。 As shown in FIG. 2, the crystallization light source unit 2A includes multiple semiconductor lasers LD (LD1 to LDn) as light sources that emit continuous wave laser light (CW laser light). Here, continuous wave laser light (CW laser light) is a concept that includes so-called pseudo-continuous wave, in which laser light is continuously irradiated onto the target area. In other words, the laser light may be a pulsed laser, or a pseudo-continuous wave laser in which the pulse interval is shorter than the cooling time of the silicon thin film (amorphous silicon film) after heating (the next pulse is irradiated before it solidifies). As the laser light source, various lasers such as semiconductor lasers, solid-state lasers, liquid lasers, and gas lasers can be used.

なお、本実施の形態では、半導体レーザLDの予備Rとして、例えば、半導体レーザLD100~LDnを備えている。 In this embodiment, for example, semiconductor lasers LD100 to LDn are provided as spare semiconductor lasers R.

結晶化用光源ユニット2Aは、上記の複数の半導体レーザLDと、ドライブ回路20と、複数のカップリングレンズ21と、を備えている。ドライブ回路20は、複数の半導体レーザLDのそれぞれに接続されており、それぞれの半導体レーザLDを駆動する。 The crystallization light source unit 2A includes the above-mentioned multiple semiconductor lasers LD, a drive circuit 20, and multiple coupling lenses 21. The drive circuit 20 is connected to each of the multiple semiconductor lasers LD and drives each semiconductor laser LD.

カップリングレンズ21は、それぞれの半導体レーザLDの出射側に接続されている。それぞれのカップリングレンズ21には、導波路としての結晶化用光ファイバ22Aの一端部が接続されている。本実施の形態では、結晶化用光ファイバ22Aとしてマルチモードファイバを適用している。 The coupling lens 21 is connected to the output side of each semiconductor laser LD. One end of the crystallization optical fiber 22A, which serves as a waveguide, is connected to each coupling lens 21. In this embodiment, a multimode fiber is used as the crystallization optical fiber 22A.

光学ヘッド3は、結晶化用光学ヘッド3Aと、脱水素化用光学ヘッド3Bと、を備える。結晶化用光学ヘッド3Aは、結晶化用ファイバアレイ31Aと、結像光学系32Aと、を備える。結晶化用ファイバアレイ31Aは、結晶化用光ファイバ22Aの他端部が接続されている。図4に示すように、結晶化用ファイバアレイ31Aに接続された結晶化用光ファイバ22Aの出射端は、結晶化用ファイバアレイ31Aの出射端面において、一つの直線上に沿って等間隔に一列に並ぶように配置されている。 The optical head 3 includes a crystallization optical head 3A and a dehydrogenation optical head 3B. The crystallization optical head 3A includes a crystallization fiber array 31A and an imaging optical system 32A. The other end of the crystallization optical fiber 22A is connected to the crystallization fiber array 31A. As shown in FIG. 4, the output ends of the crystallization optical fibers 22A connected to the crystallization fiber array 31A are arranged in a row at equal intervals along a straight line on the output end surface of the crystallization fiber array 31A.

図1に示す脱水素化用光源ユニット2Bには、図3に示すような脱水素化用光ファイバ22Bを介して脱水素化用光学ヘッド3Bが接続されている。図3に示すように、脱水素化用光学ヘッド3Bは、脱水素化用ファイバアレイ31Bと、結像光学系32Bと、を備える。 The dehydrogenation light source unit 2B shown in FIG. 1 is connected to a dehydrogenation optical head 3B via a dehydrogenation optical fiber 22B as shown in FIG. 3. As shown in FIG. 3, the dehydrogenation optical head 3B includes a dehydrogenation fiber array 31B and an imaging optical system 32B.

脱水素化用ファイバアレイ31Bには、脱水素化用光ファイバ22Bの他端部が接続されている。図4に示すように、脱水素化用ファイバアレイ31Bに接続された脱水素化用光ファイバ22Bの出射端は、脱水素化用ファイバアレイ31Bの出射端面において、一つの直線上に沿って等間隔に一列に並ぶように配置されている。 The other ends of the dehydrogenation optical fibers 22B are connected to the dehydrogenation fiber array 31B. As shown in FIG. 4, the output ends of the dehydrogenation optical fibers 22B connected to the dehydrogenation fiber array 31B are arranged in a row at equal intervals along a straight line on the output end surface of the dehydrogenation fiber array 31B.

結像光学系32Aは、少なくとも入射側の第1レンズ33Aと、出射側の第2レンズ34Aと、を備えている。図2および図3に示すように、結像光学系32Aは、結晶化用ファイバアレイ31Aから出射されたレーザ光が入射される。図1に示すように、結晶化用光学ヘッド3Aは、レーザ光を下流側(後側)へ向けてスポット部Fで収束する結晶化用レーザビームLB1となるように加工する。 The imaging optical system 32A includes at least a first lens 33A on the incident side and a second lens 34A on the exit side. As shown in Figures 2 and 3, the imaging optical system 32A receives the laser light emitted from the crystallization fiber array 31A. As shown in Figure 1, the crystallization optical head 3A processes the laser light downstream (rear side) to become a crystallization laser beam LB1 that converges at a spot portion F.

本実施の形態では、図7-1に示すように、結晶化用光学ヘッド3Aの出射側において、結晶化用レーザビームLB1は、一直線の上に沿ってピッチP1で配置された位置から出射される。このピッチP1は、後述するゲートライン12のピッチと同一に設定されている。なお、この実施の形態では、結晶化用レーザビームLB1の並ぶ方向が後述するゲートライン12の延びる方向と直角をなすように設定されている。 In this embodiment, as shown in FIG. 7-1, on the exit side of the crystallization optical head 3A, the crystallization laser beam LB1 is emitted from positions arranged at a pitch P1 along a straight line. This pitch P1 is set to be the same as the pitch of the gate lines 12 described below. In this embodiment, the direction in which the crystallization laser beam LB1 is arranged is set to be perpendicular to the extension direction of the gate lines 12 described below.

結像光学系32Bは、上記結像光学系32Aと同様の構成であり、少なくとも入射側の第1レンズ33Bと、出射側の第2レンズ34Bと、を備えている。図3に示すように、結像光学系32Bには、脱水素化用ファイバアレイ31Bから出射されたレーザ光が入射される。脱水素化用光学ヘッド3Bにおいても、レーザ光を下流側(後側)へ向けてスポット部で収束する脱水素化用レーザビームLB2となるように加工する。 The imaging optical system 32B has the same configuration as the imaging optical system 32A, and includes at least a first lens 33B on the incident side and a second lens 34B on the exit side. As shown in FIG. 3, the laser light emitted from the dehydrogenation fiber array 31B is incident on the imaging optical system 32B. The dehydrogenation optical head 3B also processes the laser light toward the downstream side (rear side) to become a dehydrogenation laser beam LB2 that converges at a spot portion.

結晶化用光学ヘッド3Aの側方には、結晶化用光学ヘッド3Aと基板10との位置ずれを補正する、図示しない変位計が設けられている。この変位計で検出した結晶化用光学ヘッド3Aと基板10との位置ずれ量のデータに基づいて、結晶化用光学ヘッド3Aから出射される結晶化用レーザビームLB1のピント調整を自動で行えるオートフォーカスの機能を備える。なお、本実施の形態では、オートフォーカスの手段として変位計を用いたが、これには限定されず、様々な公知の技術を用いることができる。なお、脱水素化用光学ヘッド3Bの側方にも、同様の変位計を設けて、脱水素化用光学ヘッド3Bと基板10との位置ずれ量のデータに基づいて、脱水素化用光学ヘッド3Bから出射される脱水素化用レーザビームLB2のピント調整を自動で行えるオートフォーカスの機能を備えるようにしてもよい。 A displacement meter (not shown) is provided on the side of the crystallization optical head 3A to correct the positional deviation between the crystallization optical head 3A and the substrate 10. Based on the data of the positional deviation between the crystallization optical head 3A and the substrate 10 detected by this displacement meter, an autofocus function is provided that can automatically adjust the focus of the crystallization laser beam LB1 emitted from the crystallization optical head 3A. In this embodiment, a displacement meter is used as a means for autofocusing, but this is not limited to this, and various known techniques can be used. A similar displacement meter may also be provided on the side of the dehydrogenation optical head 3B to provide an autofocus function that can automatically adjust the focus of the dehydrogenation laser beam LB2 emitted from the dehydrogenation optical head 3B based on the data of the positional deviation between the dehydrogenation optical head 3B and the substrate 10.

本実施の形態において、結晶化用レーザビームLB1と脱水素化用レーザビームLB2は、トップハット型形状の特性を持ち、光軸に直交する方向の断面形状が正方形である。なお、結晶化用レーザビームLB1および脱水素化用レーザビームLB2の断面形状は、長方形、六角形などであってもよい。結晶化用レーザビームLB1および脱水素化用レーザビームLB2の断面形状をこのような形状にするには、結晶化用光ファイバ22Aおよび脱水素化用光ファイバ22Bのコアの断面形状を、正方形、長方形、六角形などに設定すればよい。 In this embodiment, the crystallization laser beam LB1 and the dehydrogenation laser beam LB2 have top hat shaped characteristics and have a square cross-sectional shape in a direction perpendicular to the optical axis. The cross-sectional shapes of the crystallization laser beam LB1 and the dehydrogenation laser beam LB2 may be rectangular, hexagonal, etc. In order to make the cross-sectional shapes of the crystallization laser beam LB1 and the dehydrogenation laser beam LB2 into such shapes, the cross-sectional shapes of the cores of the crystallization optical fiber 22A and the dehydrogenation optical fiber 22B may be set to a square, rectangular, hexagonal, etc.

図示しない基板搬送手段は、レーザアニール処理を施す基板10をスキャン方向(本実施の形態ではX方向の一方の向き)へ任意の速度で搬送する機構を備える。したがって、結晶化用光学ヘッド3Aおよび脱水素化用光学ヘッド3Bの位置を固定した状態で基板10側を搬送することによって、基板10に対して結晶化用レーザビームLB1,脱水素化用レーザビームLB2を相対的にスキャンするようになっている。 The substrate transport means (not shown) has a mechanism for transporting the substrate 10 to be subjected to laser annealing in the scanning direction (one direction of the X direction in this embodiment) at any speed. Therefore, by transporting the substrate 10 side with the crystallization optical head 3A and the dehydrogenation optical head 3B in a fixed position, the crystallization laser beam LB1 and the dehydrogenation laser beam LB2 are scanned relative to the substrate 10.

なお、本実施の形態では、図3に示すように、後述する非晶質シリコン膜15aの表面に照射される結晶化用レーザビームLB1のビームスポットは、非晶質シリコン膜15aの表面に照射される脱水素化用レーザビームLB2のビームスポットよりも、スキャン方向Sの下流側に配置されている。このため、非晶質シリコン膜15aにおける改質予定領域は、結晶化用レーザビームLB1の照射に先駆けて脱水素化用レーザビームLB2の照射が行われる。 In this embodiment, as shown in FIG. 3, the beam spot of the crystallization laser beam LB1 irradiated onto the surface of the amorphous silicon film 15a (described later) is positioned downstream in the scanning direction S from the beam spot of the dehydrogenation laser beam LB2 irradiated onto the surface of the amorphous silicon film 15a. Therefore, the region to be modified in the amorphous silicon film 15a is irradiated with the dehydrogenation laser beam LB2 prior to irradiation with the crystallization laser beam LB1.

図5に示すように、脱水素化用レーザビームLB2のビームスポットの幅寸法(Y方向の長さ)は、後述する非晶質シリコン膜15aの表面に照射される結晶化用レーザビームLB1のビームスポットの幅寸法(Y方向の長さ)よりも、長く設定されている。 As shown in FIG. 5, the width dimension (length in the Y direction) of the beam spot of the dehydrogenation laser beam LB2 is set to be longer than the width dimension (length in the Y direction) of the beam spot of the crystallization laser beam LB1 irradiated onto the surface of the amorphous silicon film 15a, which will be described later.

以下、基板10の構成について説明する。図1に示すように、被レーザアニール処理基板としての基板10は、ガラス基板11を本体とする。このガラス基板11の上には、銅(Cu)でパターン形成された複数のゲートライン12およびその他の金属配線パターン、シリコン窒化膜(Si)13、シリコン酸化膜(SiO)14、被レーザアニール処理膜としての非晶質シリコン膜15aなどが順次積層されている。複数のゲートライン12は、互いに平行をなすように配置されている。上述したように、ゲートライン12同士のピッチは、上記したピッチP1に設定されている。 The structure of the substrate 10 will be described below. As shown in FIG. 1, the substrate 10 as a substrate to be laser annealed has a glass substrate 11 as a main body. On the glass substrate 11, a plurality of gate lines 12 patterned with copper (Cu), other metal wiring patterns, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 13, a silicon oxide film (SiO 2 ) 14, an amorphous silicon film 15a as a film to be laser annealed, and the like are sequentially laminated. The plurality of gate lines 12 are arranged so as to be parallel to each other. As described above, the pitch between the gate lines 12 is set to the above-mentioned pitch P1.

ゲートライン12は、図示しない画素領域毎に形成されるTFTのゲート電極となる部分を含む。因みに、一例として、ゲートライン12の厚さ寸法は200~700nm、シリコン窒化膜13の厚さ寸法は300nm程度、シリコン酸化膜14の厚さ寸法は50~100nm、非晶質シリコン膜15aの厚さ寸法は50nm程度を挙げることができる。 The gate line 12 includes a portion that will become the gate electrode of a TFT formed for each pixel region (not shown). By way of example, the thickness of the gate line 12 is 200 to 700 nm, the thickness of the silicon nitride film 13 is about 300 nm, the thickness of the silicon oxide film 14 is 50 to 100 nm, and the thickness of the amorphous silicon film 15a is about 50 nm.

本実施の形態では、非晶質シリコン膜15aの表面に照射される結晶化用レーザビームLB1のビームスポットのビーム径寸法は、例えば、5μm以上300μm以内の任意の寸法に設定されている。また、脱水素化用レーザビームLB2のビームスポットのビーム径は、上記結晶化用レーザビームLB1のビームスポットのビーム径よりも大きく設定することが好ましい。なお、この結晶化用レーザビームLB1のビームスポットのビーム径寸法の範囲は、結晶化用レーザビームLB1の照射面がTFTの半導体活性領域(改質予定領域)に収容され得る大きさである。なお、このレーザビームLBcwの照射面の径寸法は、10μm以上100μm以内であることが好ましい。 In this embodiment, the beam diameter of the beam spot of the crystallization laser beam LB1 irradiated on the surface of the amorphous silicon film 15a is set to any dimension, for example, between 5 μm and 300 μm. In addition, it is preferable to set the beam diameter of the beam spot of the dehydrogenation laser beam LB2 to be larger than the beam diameter of the beam spot of the crystallization laser beam LB1. The range of the beam diameter of the beam spot of the crystallization laser beam LB1 is a size that allows the irradiation surface of the crystallization laser beam LB1 to be accommodated in the semiconductor active region (region to be modified) of the TFT. In addition, it is preferable that the diameter of the irradiation surface of the laser beam LBcw is between 10 μm and 100 μm.

本実施の形態においては、結晶化用レーザビームLB1が非晶質シリコン膜15aに対して、相対的にスキャンされるスキャン速度は、200mm~500mm/秒であることが好ましいが、これに限定されるものではない。また、スキャン方向Sに沿って上流側と下流側に配置される結晶化用レーザビームLB1のビームスポットと脱水素化用レーザビームLB2のビームスポットとの間の距離は、光の回折限界以上の距離を離れていればよい。 In this embodiment, the scanning speed at which the crystallization laser beam LB1 scans the amorphous silicon film 15a relative to the surface is preferably 200 mm to 500 mm/sec, but is not limited to this. In addition, the distance between the beam spot of the crystallization laser beam LB1 and the beam spot of the dehydrogenation laser beam LB2, which are located upstream and downstream along the scanning direction S, may be greater than or equal to the diffraction limit of light.

本実施の形態では、結晶化用レーザビームLB1の照射に先駆けて、脱水素化用レーザビームLB2で非晶質シリコン膜15aにおける改質予定領域をゲートライン12の延びる方向に沿って照射することにより、非晶質シリコン膜15aを部分的に脱水素化できる。このように脱水素化された改質予定領域へ結晶化用レーザビームLB1を照射することにより、図6に示すように、水素の作用により損傷されることがなく、良質な疑似単結晶シリコン膜15Laに改質することができる。 In this embodiment, prior to irradiation with the crystallization laser beam LB1, the region to be modified in the amorphous silicon film 15a is irradiated with the dehydrogenation laser beam LB2 along the direction in which the gate line 12 extends, thereby partially dehydrogenating the amorphous silicon film 15a. By irradiating the dehydrogenated region to be modified with the crystallization laser beam LB1 in this manner, as shown in FIG. 6, the film can be modified into a high-quality pseudo single-crystal silicon film 15La without being damaged by the action of hydrogen.

本実施の形態に係るレーザアニール装置1によれば、結晶化用レーザビームLB1および脱水素化用レーザビームLB2におけるパワー密度の高いスポット部Fが非晶質シリコン膜15aの膜内部に位置するため、非晶質シリコン膜15aに重点的に大きな熱量が供給される。そして、スポット部Fから大部分の熱が側方(図1における矢印h方向)に向けて非晶質シリコン膜15a内を伝達される。スポット部Fの後側(下側)では、ビームが拡散するため、下地のシリコン酸化膜14等に到達する光のパワー密度が低くなり、非晶質シリコン膜15aの下層側を過熱することを抑制できる。このため、本実施の形態に係るレーザアニール装置1によれば、ゲートライン12やその他の配線パターンやガラス基板11などが過熱により損傷されることを回避できる。 According to the laser annealing device 1 of this embodiment, the spot portion F with high power density in the crystallization laser beam LB1 and the dehydrogenation laser beam LB2 is located inside the amorphous silicon film 15a, so a large amount of heat is supplied to the amorphous silicon film 15a in a focused manner. Then, most of the heat from the spot portion F is transmitted to the side (in the direction of the arrow h in FIG. 1) inside the amorphous silicon film 15a. Because the beam is diffused on the rear side (lower side) of the spot portion F, the power density of the light reaching the underlying silicon oxide film 14, etc. is lowered, and overheating of the lower layer side of the amorphous silicon film 15a can be suppressed. Therefore, according to the laser annealing device 1 of this embodiment, damage to the gate line 12, other wiring patterns, the glass substrate 11, etc. due to overheating can be avoided.

特に、本実施の形態では、別工程で非晶質シリコン膜の脱水素化を施すことが必要ないため、レーザアニールして非晶質シリコン膜15aを疑似単結晶シリコン膜(結晶化膜)に改質するまでの生産効率を向上し、しかも省スペース化および低コスト化を可能とする。 In particular, in this embodiment, since there is no need to dehydrogenate the amorphous silicon film in a separate process, production efficiency is improved up to the stage of laser annealing to convert the amorphous silicon film 15a into a pseudo single crystal silicon film (crystallized film), and space saving and cost reduction are also possible.

本実施の形態に係るレーザアニール装置1によれば、TFTのチャネル半導体層とすべき改質予定領域のみに脱水素化用レーザビームLB2と結晶化用レーザビームLB1とを照射すればよいため、エネルギー効率を高めることができる。 With the laser annealing device 1 according to this embodiment, it is only necessary to irradiate the dehydrogenation laser beam LB2 and the crystallization laser beam LB1 to the region to be modified that is to become the channel semiconductor layer of the TFT, thereby improving energy efficiency.

なお、上記スポット部Fは、パワー密度がトップハット型形状の特性を維持する範囲として、光軸方向に有限の幅(余裕)を持っても構わない。このような範囲内であれば均一なアニール処理が可能であり、非晶質シリコン膜15aにエネルギーが集中する状態が維持されるからである。スポット部Fにおけるパワー密度がトップハット型形状の特性を維持する範囲については、第8の実施の形態において後述する。 The spot portion F may have a finite width (margin) in the optical axis direction as a range in which the power density maintains the top hat shape characteristics. This is because within such a range, uniform annealing is possible and the state in which energy is concentrated in the amorphous silicon film 15a is maintained. The range in which the power density in the spot portion F maintains the top hat shape characteristics will be described later in the eighth embodiment.

また、本発明においては、結晶化用レーザビームLB1のビーム径は、トップハット型形状の平坦部の径寸法として考えることができる。これは、改質予定領域に均一なアニール処理を施すことができればよく、結晶化用レーザビームLB1および脱水素化用レーザビームLB2におけるトップハット型形状の平坦部の外側ではパワー密度が急激に減少するため、熱的損傷の回避とエネルギー利用効率の改善とを両立することが可能となるからである。 In addition, in the present invention, the beam diameter of the crystallization laser beam LB1 can be considered as the diameter dimension of the flat part of the top hat shape. This is because it is sufficient to perform a uniform annealing treatment on the region to be modified, and since the power density decreases rapidly outside the flat part of the top hat shape in the crystallization laser beam LB1 and the dehydrogenation laser beam LB2, it is possible to avoid thermal damage and improve energy utilization efficiency at the same time.

さらに、基板全面に非晶質シリコン膜15aが形成されていて、かつ、ビーム径(照射領域の幅)がゲートライン間の距離よりも十分小さい場合であれば、ビーム径が改質予定領域より大きくても構わない。熱の発生は非晶質シリコン膜15aに集中し、従来のようなラインビームでのアニール処理に比べてエネルギー利用効率が大きく改善されるからである。ここで、ビーム径がゲートライン間の距離より十分小さいとは、例えば、ビーム径がゲートライン間の距離の1/10以下である。 Furthermore, if an amorphous silicon film 15a is formed over the entire surface of the substrate and the beam diameter (width of the irradiated area) is sufficiently smaller than the distance between the gate lines, the beam diameter may be larger than the area to be modified. This is because heat generation is concentrated in the amorphous silicon film 15a, and energy utilization efficiency is greatly improved compared to conventional annealing processing using a line beam. Here, a beam diameter sufficiently smaller than the distance between the gate lines means, for example, that the beam diameter is 1/10 or less of the distance between the gate lines.

図7-2は、本発明の第1の実施の形態に係るレーザアニール装置1の結晶化用光学ヘッド3Aを図示しない回転駆動部により回転可能に駆動されるように設定した実施例である。この場合、結晶化用光学ヘッド3Aでは、ゲートライン12同士のピッチP2が図7-1に示すゲートライン12のピッチP1より短い場合に適用できる。図7-2に示すように、複数のゲートライン12に結晶化用レーザビームLB1が対応するように結晶化用光学ヘッド3Aを回転調整することにより、ゲートライン12の上方の非晶質シリコン膜15aの改質予定領域に的確に結晶化用レーザビームLB1を照射することが可能となる。 Figure 7-2 shows an example in which the crystallization optical head 3A of the laser annealing device 1 according to the first embodiment of the present invention is set to be rotatably driven by a rotary drive unit (not shown). In this case, the crystallization optical head 3A can be applied when the pitch P2 between the gate lines 12 is shorter than the pitch P1 of the gate lines 12 shown in Figure 7-1. As shown in Figure 7-2, by rotating and adjusting the crystallization optical head 3A so that the crystallization laser beam LB1 corresponds to the multiple gate lines 12, it becomes possible to accurately irradiate the crystallization laser beam LB1 to the intended modification area of the amorphous silicon film 15a above the gate line 12.

なお、図7-2に示すように斜めに回転移動させた結晶化用光学ヘッド3Aを基板10に対して相対的にスキャンした場合、適正な改質予定領域に結晶化用レーザビームLB1が照射されるタイミングは、ゲートライン12毎に順次ずれるため、ドライブ回路20で半導体レーザLDへの出力タイミングを順次遅延させるように設定すればよい。 When the crystallization optical head 3A is rotated and moved obliquely as shown in FIG. 7-2 and scanned relative to the substrate 10, the timing at which the crystallization laser beam LB1 is irradiated onto the appropriate intended modification area shifts sequentially for each gate line 12, so the drive circuit 20 can be set to sequentially delay the output timing to the semiconductor laser LD.

この実施例によれば、結晶化用レーザビームLB1が照射される列同士のピッチを結晶化用光学ヘッド3Aの回転により変えることができる。したがって、基板におけるゲートライン12のピッチが変更された場合にも適用できるレーザアニール装置を実現できる。なお、同様に、脱水素化用光学ヘッド3Bも回転駆動してゲートライン12のピッチが変更された場合に適用できるようにしてもよい。 According to this embodiment, the pitch between the rows irradiated with the crystallization laser beam LB1 can be changed by rotating the crystallization optical head 3A. Therefore, a laser annealing device can be realized that can be applied even when the pitch of the gate lines 12 on the substrate is changed. Similarly, the dehydrogenation optical head 3B can also be rotated so that it can be applied when the pitch of the gate lines 12 is changed.

[レーザアニール方法]
次に、本実施の形態に係るレーザアニール方法について説明する。レーザアニール方法は、レーザアニール装置1を用いて基板10における改質予定領域に疑似単結晶シリコン膜15Laを形成するためのレーザアニール処理方法である。
[Laser annealing method]
Next, a laser annealing method according to the present embodiment will be described. The laser annealing method is a laser annealing processing method for forming a pseudo single crystal silicon film 15La in a region to be modified on a substrate 10 using a laser annealing apparatus 1.

まず、このレーザアニール方法では、図1に示すように、ガラス基板11の上に互いに平行をなす複数のゲートライン12が形成され、複数のゲートライン12の上層にこれらゲートライン12の全体を覆うように非晶質シリコン膜15aが成膜された基板10を用意する。 First, in this laser annealing method, as shown in FIG. 1, a substrate 10 is prepared in which a plurality of gate lines 12 parallel to one another are formed on a glass substrate 11, and an amorphous silicon film 15a is formed on top of the plurality of gate lines 12 so as to entirely cover the gate lines 12.

次に、基板10を図示しない基板搬送手段に基板10をスキャン方向Sに相対的に移動させながら、非晶質シリコン膜15aにおける改質予定領域に向けて、図3に示すように、脱水素化用レーザビームLB2を結晶化用レーザビームLB1に先駆けて照射させる。 Next, while the substrate 10 is moved relatively in the scanning direction S by a substrate transport means (not shown), the dehydrogenation laser beam LB2 is irradiated toward the region to be modified in the amorphous silicon film 15a prior to the crystallization laser beam LB1, as shown in FIG. 3.

ここで、結晶化用レーザビームLB1および脱水素化用レーザビームLB2において最も収束するスポット部Fが、非晶質シリコン膜15aの膜内部に位置する状態を維持するようにする。この結果、図6に示すように、TFTのチャネル半導体層となるべき領域を疑似単結晶シリコン膜15Laに改質できる。 Here, the most convergent spot F of the crystallization laser beam LB1 and the dehydrogenation laser beam LB2 is maintained inside the amorphous silicon film 15a. As a result, as shown in FIG. 6, the region that is to become the channel semiconductor layer of the TFT can be modified into a pseudo single crystal silicon film 15La.

本実施の形態のレーザアニール方法では、TFTのチャネル半導体層を形成すべき領域だけに疑似単結晶シリコン膜15Laを形成できるため、エネルギー効率のよいアニールを行うことができる。このため、このレーザアニール方法では、レーザアニールして非晶質シリコン膜15aを結晶化膜に改質するまでの生産効率を向上し、しかも従来のようなファーネス炉を必要とせず、省スペース化および低コスト化を実現できる。 The laser annealing method of this embodiment can form the pseudo single crystal silicon film 15La only in the region where the channel semiconductor layer of the TFT is to be formed, so that annealing can be performed with good energy efficiency. Therefore, this laser annealing method improves the production efficiency up to the stage of reforming the amorphous silicon film 15a into a crystallized film by laser annealing, and furthermore, does not require a furnace as in the past, realizing space saving and cost reduction.

また、本実施の形態のレーザアニール方法では、ゲートライン12やガラス基板11などを熱的に損傷させることがないため、歩留まりの高いTFT基板の製造を実現することができる。 In addition, the laser annealing method of this embodiment does not thermally damage the gate lines 12, the glass substrate 11, etc., making it possible to manufacture TFT substrates with a high yield.

[第2の実施の形態]
図8は、本発明の第2の実施の形態に係るレーザアニール装置の要部を示している。本実施の形態では、上記第1の実施の形態における結晶化用ファイバアレイ31Aと脱水素化用ファイバアレイ31Bとが共通化された単一のファイバアレイ31でなる。結晶化用レーザビームLB1は、図示しない結晶化用光源から比較的断面積の小さい結晶化用光ファイバ22Aを介して導かれたレーザ光で形成される。脱水素化用レーザビームLB2は、図示しない脱水素化用光源から比較的断面積の大きい脱水素化用光ファイバ22Bを介して導かれたレーザ光で形成される。
[Second embodiment]
8 shows the main part of a laser annealing apparatus according to a second embodiment of the present invention. In this embodiment, the crystallization fiber array 31A and the dehydrogenation fiber array 31B in the first embodiment are integrated into a single fiber array 31. The crystallization laser beam LB1 is formed by a laser beam guided from a crystallization light source (not shown) through a crystallization optical fiber 22A having a relatively small cross-sectional area. The dehydrogenation laser beam LB2 is formed by a laser beam guided from a dehydrogenation light source (not shown) through a dehydrogenation optical fiber 22B having a relatively large cross-sectional area.

図9に示すように、本実施の形態では、単一のファイバアレイ31の出射端面に複数の結晶化用光ファイバ22Aと複数の脱水素化用光ファイバ22Bの端部を配列することができる。 As shown in FIG. 9, in this embodiment, the ends of multiple crystallization optical fibers 22A and multiple dehydrogenation optical fibers 22B can be arranged on the output end face of a single fiber array 31.

図8に示すように、本実施の形態では、結晶化用レーザビームLB1と脱水素化用レーザビームLB2との両方を、共通の第1レンズ33と第2レンズ34とで、収束するように加工する。本実施の形態においても、図10に示すように、脱水素化用レーザビームLB2のビームスポットの幅寸法(Y方向の長さ)は、後述する非晶質シリコン膜15aの表面に照射される結晶化用レーザビームLB1のビームスポットの幅寸法(Y方向の長さ)よりも、長く設定されている。 As shown in FIG. 8, in this embodiment, both the crystallization laser beam LB1 and the dehydrogenation laser beam LB2 are processed to converge by a common first lens 33 and second lens 34. Also in this embodiment, as shown in FIG. 10, the width dimension (length in the Y direction) of the beam spot of the dehydrogenation laser beam LB2 is set to be longer than the width dimension (length in the Y direction) of the beam spot of the crystallization laser beam LB1 irradiated onto the surface of the amorphous silicon film 15a described later.

本実施の形態では、光学ヘッド3を構成するファイバアレイ31ならびに第1レンズ33、第2レンズ34がそれぞれ単一であるため、装置をコンパクト化することができる。 In this embodiment, the fiber array 31, the first lens 33, and the second lens 34 that make up the optical head 3 are each single, making it possible to make the device compact.

[第3の実施の形態]
図11は、本発明の第3の実施の形態に係るレーザアニール装置の要部を示している。本実施の形態では、上記第2の実施の形態と同様に、結晶化用ファイバアレイ31Aと脱水素化用ファイバアレイ31Bとが共通化された単一のファイバアレイ31で構成されている。ファイバアレイ31には、光源から単一の径寸法の長い光ファイバ22を介してレーザ光が導かれる。
[Third embodiment]
11 shows a main part of a laser annealing apparatus according to a third embodiment of the present invention. In this embodiment, as in the second embodiment, the crystallization fiber array 31A and the dehydrogenation fiber array 31B are configured as a single common fiber array 31. Laser light is guided from a light source to the fiber array 31 via a single long optical fiber 22 having a long diameter.

図11に示すように、光ファイバ22の出射端面には、比較的小さい結晶化用開口部40Aと比較的大きい脱水素化用開口部40Bとが離隔して形成された絞り40が、結晶化用開口部40Aと脱水素化用開口部40Bとが光ファイバ22の出射端面に対向するように配置されている。結晶化用開口部40Aからは、結晶化用レーザビームLB1が出射され、脱水素化用開口部40Bからは、脱水素化用レーザビームLB2が出射される。本実施の形態においても、上記第2の実施の形態と同様に、結晶化用レーザビームLB1と脱水素化用レーザビームLB2との両方を、共通の第1レンズ33と第2レンズ34とで、収束するように加工する。 As shown in FIG. 11, an aperture 40 is formed on the output end face of the optical fiber 22, with a relatively small crystallization opening 40A and a relatively large dehydrogenation opening 40B spaced apart from each other, and is arranged so that the crystallization opening 40A and the dehydrogenation opening 40B face the output end face of the optical fiber 22. A crystallization laser beam LB1 is emitted from the crystallization opening 40A, and a dehydrogenation laser beam LB2 is emitted from the dehydrogenation opening 40B. In this embodiment, as in the second embodiment, both the crystallization laser beam LB1 and the dehydrogenation laser beam LB2 are processed to converge by the common first lens 33 and second lens 34.

本実施の形態においても、光学ヘッド3を構成するファイバアレイ31ならびに第1レンズ33、第2レンズ34がそれぞれ単一であるため、装置をコンパクト化できる。 In this embodiment, the optical head 3 is also made up of a single fiber array 31, first lens 33, and second lens 34, making it possible to make the device compact.

[第4の実施の形態]
図12は、本発明の第4の実施の形態に係るレーザアニール装置の要部を示している。本実施の形態では、上記第2の実施の形態と同様に、結晶化用ファイバアレイ31Aと脱水素化用ファイバアレイ31Bとが共通化された単一のファイバアレイ31で構成されている。ファイバアレイ31には、光源から単一の径寸法の小さい光ファイバ22を介してレーザ光が導かれる。なお、図12に示すように、光ファイバ22は、ファイバアレイ31において出射端面に向けて径寸法が大きくなるように拡大する形状の拡径部22Eが形成されている。
[Fourth embodiment]
Fig. 12 shows the main part of a laser annealing apparatus according to a fourth embodiment of the present invention. In this embodiment, as in the second embodiment, a single fiber array 31 is used as both a crystallization fiber array 31A and a dehydrogenation fiber array 31B. Laser light is guided from a light source to the fiber array 31 through a single optical fiber 22 having a small diameter. As shown in Fig. 12, the optical fiber 22 is formed with an expanded diameter portion 22E having a shape that expands so that the diameter increases toward the output end face of the fiber array 31.

図12に示すように、光ファイバ22の出射端面には、比較的小さい結晶化用開口部40Aと比較的大きい脱水素化用開口部40Bとが離隔して形成された絞り40が、結晶化用開口部40Aと脱水素化用開口部40Bとが光ファイバ22の出射端面に対向するように配置されている。結晶化用開口部40Aからは、結晶化用レーザビームLB1が出射され、脱水素化用開口部40Bからは、脱水素化用レーザビームLB2が出射される。本実施の形態においても、上記第2の実施の形態と同様に、結晶化用レーザビームLB1と脱水素化用レーザビームLB2との両方を、共通の第1レンズ33と第2レンズ34とで、収束するように加工する。 As shown in FIG. 12, an aperture 40 is formed on the output end face of the optical fiber 22, with a relatively small crystallization opening 40A and a relatively large dehydrogenation opening 40B spaced apart from each other, and is arranged so that the crystallization opening 40A and the dehydrogenation opening 40B face the output end face of the optical fiber 22. A crystallization laser beam LB1 is emitted from the crystallization opening 40A, and a dehydrogenation laser beam LB2 is emitted from the dehydrogenation opening 40B. In this embodiment, as in the second embodiment, both the crystallization laser beam LB1 and the dehydrogenation laser beam LB2 are processed to converge by the common first lens 33 and second lens 34.

本実施の形態においては、細い光ファイバ22を用いているが、光ファイバ22の端部が出射端面に向けて径寸法の長い拡径部22Eが形成されているため、絞り40における結晶化用開口部40Aと脱水素化用開口部40Bとの間の距離が確保できる。 In this embodiment, a thin optical fiber 22 is used, but the end of the optical fiber 22 is formed with an expanded diameter section 22E with a long diameter toward the output end surface, so that the distance between the crystallization opening 40A and the dehydrogenation opening 40B in the aperture 40 can be secured.

[第5の実施の形態]
図13は、本発明の第5の実施の形態に係るレーザアニール装置1Aを示す概略構成図である。なお、本実施の形態では、結晶化用光学ヘッド3Aと図示しない脱水素化用光学ヘッド3Bを備えるが、同様な構成であるため、結晶化用光学ヘッド3Aについて説明し、脱水素化用光学ヘッド3Bの説明を省略する。
[Fifth embodiment]
13 is a schematic diagram showing a laser annealing apparatus 1A according to a fifth embodiment of the present invention. In this embodiment, a crystallization optical head 3A and a dehydrogenation optical head 3B (not shown) are provided, but since they have the same configuration, only the crystallization optical head 3A will be described and the description of the dehydrogenation optical head 3B will be omitted.

本実施の形態では、複数の結晶化レーザビームLB1のそれぞれの光量を検出する光量センサD1を備えることを特徴とする。本実施の形態における他の構成は、上記第1の実施の形態に係るレーザアニール装置1と同様であるため、説明を省略する。 This embodiment is characterized by including a light intensity sensor D1 that detects the light intensity of each of the multiple crystallization laser beams LB1. The other configuration of this embodiment is the same as that of the laser annealing device 1 according to the first embodiment described above, so a description thereof will be omitted.

光量センサD1は、結晶化用光学ヘッド3Aの後方に配置され、結晶化用レーザビームLB1のスポット部Fに順次移動できるようになっている。また、この光量センサD1は、1つ結晶化用レーザビームLB1の光量を検出するときに、隣接する結晶化用レーザビームLB1が入射しないように設定されている。 The light intensity sensor D1 is disposed behind the crystallization optical head 3A and is capable of moving sequentially to the spot portion F of the crystallization laser beam LB1. Furthermore, this light intensity sensor D1 is set so that when detecting the light intensity of one crystallization laser beam LB1, an adjacent crystallization laser beam LB1 is not incident on it.

本実施の形態では、光量センサD1で検出したデータは、ドライブ回路20へフィードバックされ、当該結晶化用レーザビームLB1の光源としての半導体レーザLDの出力調整を行うようになっている。 In this embodiment, the data detected by the light quantity sensor D1 is fed back to the drive circuit 20 to adjust the output of the semiconductor laser LD, which serves as the light source of the crystallization laser beam LB1.

本実施の形態では、レーザアニール処理を行う前に、それぞれの結晶化用レーザビームLB1の光量調整を行って、これら結晶化用レーザビームLB1の出力(光量)の均一化を図ることができる。このため、本実施の形態に係るレーザアニール装置1Aによれば、TFT同士のチャネル半導体層の電気的特性の均一化を図ることができる。なお、同様に、脱水素化用レーザビームLB2の光量を図示しない光量センサで検出して、図示しない半導体レーザLDの出力調整を行うようにしてもよい。 In this embodiment, the light intensity of each crystallization laser beam LB1 can be adjusted before performing the laser annealing process, thereby making the output (light intensity) of these crystallization laser beams LB1 uniform. Therefore, with the laser annealing device 1A according to this embodiment, it is possible to make the electrical characteristics of the channel semiconductor layers of the TFTs uniform. Similarly, the light intensity of the dehydrogenation laser beam LB2 can be detected by a light intensity sensor (not shown) to adjust the output of the semiconductor laser LD (not shown).

[第6の実施の形態]
図14は、本発明の第6の実施の形態に係るレーザアニール装置1Bの概略構成図である。本実施の形態では、結晶化用光学ヘッド3Aと図示しない脱水素化用光学ヘッド3Bを備えるが、同様な構成であるため、結晶化用光学ヘッド3Aについて説明し、脱水素化用光学ヘッド3Bの説明を省略する。
Sixth embodiment
14 is a schematic diagram of a laser annealing apparatus 1B according to a sixth embodiment of the present invention. In this embodiment, a crystallization optical head 3A and a dehydrogenation optical head 3B (not shown) are provided, but since they have the same configuration, only the crystallization optical head 3A will be described, and a description of the dehydrogenation optical head 3B will be omitted.

本実施の形態に係るレーザアニール装置1Bは、結像光学系32A内の光路にビームスプリッタ35を備え、ビームスプリッタ35の側方に側方レンズ36および光量センサD2が配置されている。本実施の形態では、ビームスプリッタ35で反射された結晶化用レーザビームLB1が側方レンズ36を通して光量センサD2に入射されるように設定されている。本実施の形態に係るレーザアニール装置1Bの他の構成は、上記第1の実施の形態と略同様である。 The laser annealing apparatus 1B according to this embodiment includes a beam splitter 35 in the optical path within the imaging optical system 32A, and a side lens 36 and a light quantity sensor D2 are arranged to the side of the beam splitter 35. In this embodiment, the crystallization laser beam LB1 reflected by the beam splitter 35 is set to enter the light quantity sensor D2 through the side lens 36. The other configurations of the laser annealing apparatus 1B according to this embodiment are substantially similar to those of the first embodiment described above.

本実施の形態では、光量センサD2で検出されたデータは、ドライブ回路20へフィードバックされ、当該結晶化用レーザビームLB1の光源としての半導体レーザLDの出力調整を行うようになっている。本実施の形態では、レーザアニール装置1Bを運転しながら、各半導体レーザLDの出力調整を行うことができる。 In this embodiment, the data detected by the light quantity sensor D2 is fed back to the drive circuit 20 to adjust the output of the semiconductor laser LD serving as the light source of the crystallization laser beam LB1. In this embodiment, the output of each semiconductor laser LD can be adjusted while the laser annealing device 1B is operating.

[第7の実施の形態]
図15は、本発明の第7の実施の形態に係るレーザアニール装置1Cを示す概略構成図であり、図16はレーザアニール装置1Cの要部側面図である。本実施の形態では、結晶化用光学ヘッド3Aと図示しない脱水素化用光学ヘッド3Bを備えるが、これら結晶化用光学ヘッド3Aと図示しない脱水素化用光学ヘッド3Bとは略同様な構成であるため、結晶化用光学ヘッド3Aについて説明し、脱水素化用光学ヘッド3Bの説明を省略する。
[Seventh embodiment]
Fig. 15 is a schematic diagram showing a laser annealing apparatus 1C according to a seventh embodiment of the present invention, and Fig. 16 is a side view of the main part of the laser annealing apparatus 1C. In this embodiment, the apparatus is provided with a crystallization optical head 3A and a dehydrogenation optical head 3B (not shown), but since the crystallization optical head 3A and the dehydrogenation optical head 3B (not shown) have substantially the same configuration, only the crystallization optical head 3A will be described, and a description of the dehydrogenation optical head 3B will be omitted.

本実施の形態に係るレーザアニール装置1Cは、結晶化用ファイバアレイ31Aから出射されたレーザ光を、第1レンズ33Aを通して例えば、ガルバノミラーなどのスキャンミラーSMで下方(側方)へ向けて反射させる。スキャンミラーSMで反射された結晶化用レーザビームLB1は、下方に配置された第2レンズ34を通して基板側へ照射される。図16に示すように、スキャンミラーSMは、傾斜度合いを変更可能にするために、矢印B方向に回転調整可能に設定されている。 In the laser annealing apparatus 1C according to this embodiment, the laser light emitted from the crystallization fiber array 31A passes through the first lens 33A and is reflected downward (to the side) by a scan mirror SM, such as a galvanometer mirror. The crystallization laser beam LB1 reflected by the scan mirror SM is irradiated to the substrate side through a second lens 34 arranged below. As shown in FIG. 16, the scan mirror SM is set to be rotatable in the direction of the arrow B so that the degree of inclination can be changed.

本実施の形態によれば、装置の高さ寸法を短くして、装置をコンパクトにすることができる。また、スキャンミラーSMを回転調整することにより、結晶化用レーザビームLB1の照射位置や、非晶質シリコン膜15a表面からの膜厚方向におけるスポット部Fの深さ位置を調整することが可能となる。 According to this embodiment, the height dimension of the device can be shortened, making the device compact. In addition, by adjusting the rotation of the scan mirror SM, it is possible to adjust the irradiation position of the crystallization laser beam LB1 and the depth position of the spot portion F in the film thickness direction from the surface of the amorphous silicon film 15a.

[第8の実施の形態]
図17は、本発明の第8の実施の形態に係るレーザアニール装置1Dの概略構成図である。本実施の形態では、結晶化用光学ヘッド3Aと図示しない脱水素化用光学ヘッド3Bを備えるが、これら結晶化用光学ヘッド3Aと図示しない脱水素化用光学ヘッド3Bとは、略同様な構成であるため、結晶化用光学ヘッド3Aについて説明し、脱水素化用光学ヘッド3Bの説明を省略する。
[Eighth embodiment]
17 is a schematic diagram of a laser annealing apparatus 1D according to an eighth embodiment of the present invention. In this embodiment, the apparatus is equipped with a crystallization optical head 3A and a dehydrogenation optical head 3B (not shown), but since the crystallization optical head 3A and the dehydrogenation optical head 3B (not shown) have substantially the same configuration, only the crystallization optical head 3A will be described, and a description of the dehydrogenation optical head 3B will be omitted.

この実施の形態は、上記第5の実施の形態に係るレーザアニール装置1Aの結像光学系32における瞳位置に開口37Aを有するマスク37を配置して構成した結像光学系32Dを備える。本実施の形態に係るレーザアニール装置1Dの他の構成は、上記第5の実施の形態に係るレーザアニール装置1Aと略同様である。 This embodiment includes an imaging optical system 32D configured by placing a mask 37 having an opening 37A at the pupil position in the imaging optical system 32 of the laser annealing apparatus 1A according to the fifth embodiment. The other configurations of the laser annealing apparatus 1D according to this embodiment are substantially similar to those of the laser annealing apparatus 1A according to the fifth embodiment.

本実施の形態によれば、マスク37によって、結像光学系32Dを通過する結晶化用レーザビームLB1のパターンを変更することができる。本実施の形態においても、光量センサD1を備えるため、パターンを変更した結晶化用レーザビームLB1のそれぞれの光量を光量センサD1で検出することができる。 According to this embodiment, the pattern of the crystallization laser beam LB1 passing through the imaging optical system 32D can be changed by the mask 37. This embodiment also includes the light intensity sensor D1, so that the light intensity of each of the crystallization laser beams LB1 whose patterns have been changed can be detected by the light intensity sensor D1.

[第9の実施の形態]
図18は、本発明の第9の実施の形態に係るレーザアニール装置1Eの概略構成図である。図19は、レーザアニール装置1Eにおける結像光学系38の概略構成図である。本実施の形態では、結晶化用光学ヘッド3Aと図示しない脱水素化用光学ヘッド3Bを備えるが、これら結晶化用光学ヘッド3Aと図示しない脱水素化用光学ヘッド3Bとは同様な構成であるため、結晶化用光学ヘッド3Aについて説明し、脱水素化用光学ヘッド3Bの説明を省略する。
[Ninth embodiment]
Fig. 18 is a schematic diagram of a laser annealing apparatus 1E according to a ninth embodiment of the present invention. Fig. 19 is a schematic diagram of an imaging optical system 38 in the laser annealing apparatus 1E. In this embodiment, the crystallization optical head 3A and the dehydrogenation optical head 3B (not shown) are provided, but since the crystallization optical head 3A and the dehydrogenation optical head 3B (not shown) have the same configuration, the crystallization optical head 3A will be described and the description of the dehydrogenation optical head 3B will be omitted.

図18に示すように、本実施の形態に係るレーザアニール装置1Eは、第1の実施の形態と同様に、結晶化用光学ヘッド3Aとして、結晶化用ファイバアレイ31Aと、結像光学系38と、を備える。結晶化用ファイバアレイ31Aは、結晶化用光ファイバ22Aの他端部が接続されている。結晶化用光ファイバ22Aの出射端は、結晶化用ファイバアレイ31Aの出射端面において、一つの直線上に沿って一列に並ぶように配置されている。 As shown in FIG. 18, the laser annealing apparatus 1E according to this embodiment includes a crystallization optical head 3A, which is a crystallization fiber array 31A and an imaging optical system 38, in the same manner as in the first embodiment. The other ends of the crystallization optical fibers 22A are connected to the crystallization fiber array 31A. The emission ends of the crystallization optical fibers 22A are arranged in a row along a straight line on the emission end surface of the crystallization fiber array 31A.

本実施の形態では、結像光学系38は、テレセントリック光学系で構成されている。また、結晶化用ファイバアレイ31Aは、アクチュエータ39によって光軸方向に沿って変位されるようになっている。本実施の形態では、レーザアニール装置1Eのオートフォーカス時に、アクチュエータ39で結晶化用ファイバアレイ31Aのみを光軸に沿って移動させるようになっている。このとき、結晶化用光源ユニット2Aおよび結像光学系38は、移動しないようになっている。 In this embodiment, the imaging optical system 38 is configured as a telecentric optical system. The crystallization fiber array 31A is displaced along the optical axis by the actuator 39. In this embodiment, during autofocusing of the laser annealing device 1E, the actuator 39 moves only the crystallization fiber array 31A along the optical axis. At this time, the crystallization light source unit 2A and the imaging optical system 38 do not move.

図19に示すように、本実施の形態において、結像光学系38は、光軸方向に沿って順次配置された複数のレンズなどの光学部材L1~L14でテレセントリック光学系を構成している。このようなテレセントリック光学系でなる結像光学系38を備えることにより、基板10に対してピント合わせを行う際に、アクチュエータ39が軽量な結晶化用ファイバアレイ31Aのみを移動させればよいため、迅速な応答性を有するオートフォーカス性能を得ることができる。 As shown in FIG. 19, in this embodiment, the imaging optical system 38 is a telecentric optical system made up of optical members L1 to L14, such as lenses, arranged in sequence along the optical axis direction. By providing the imaging optical system 38 with such a telecentric optical system, when focusing on the substrate 10, the actuator 39 only needs to move the lightweight crystallization fiber array 31A, and therefore autofocus performance with rapid response can be obtained.

また、結像光学系38は、テレセントリック光学系でなるため、基板10に対して像のずれがなく、基板10表面における複数の結晶化用レーザビームLB1の照射位置のピッチが変わらないという利点がある。 In addition, since the imaging optical system 38 is a telecentric optical system, there is no image shift with respect to the substrate 10, and there is an advantage that the pitch of the irradiation positions of the multiple crystallization laser beams LB1 on the surface of the substrate 10 does not change.

なお、アクチュエータ39としては、ピエゾ圧電効果を応用した位置決め素子であるピエゾアクチュエータを適用することができる。ピエゾアクチュエータは、ナノメータ程度の極めて微小な範囲から数百ミクロンメータまでの位置決めを正確に行うことができる。また、ピエゾアクチュエータは、セラミックで形成されているため非常に硬く、大きな力を生み出すことができる。また、ピエゾアクチュエータは、コンパクトで省エネルギーな駆動を行うことができる。なお、本実施の形態では、アクチュエータ39として、ピエゾアクチュエータを適用したが、リニアモータなどの他の駆動手段を適用することも勿論可能である。 As the actuator 39, a piezoelectric actuator, which is a positioning element that utilizes the piezoelectric effect, can be used. A piezoelectric actuator can perform accurate positioning from an extremely small range of about nanometers to several hundred micrometers. Furthermore, since the piezoelectric actuator is made of ceramic, it is very hard and can generate a large force. Furthermore, the piezoelectric actuator can perform compact and energy-saving driving. In this embodiment, a piezoelectric actuator is used as the actuator 39, but it is of course possible to use other driving means such as a linear motor.

このレーザアニール装置1Eでは、軽量な結晶化用ファイバアレイ31Aのみを移動させるだけでよいため、アクチュエータ39の負荷が小さく、迅速なオートフォーカス機能を備えることができる。 In this laser annealing device 1E, only the lightweight crystallization fiber array 31A needs to be moved, so the load on the actuator 39 is small and a rapid autofocus function can be provided.

[第10の実施の形態]
図20は、本発明の第10の実施の形態に係るレーザアニール装置1Fを示す概略構成図である。本実施の形態では、単一の光源としての半導体レーザLDと、カップリングレンズ21と、単一の光ファイバ22と、単一の結晶化用光学ヘッド3Aと、基板10を搬送する図示しない基板搬送手段と、を備えている。本実施の形態においても、図示しない脱水素化用光学ヘッド3Bを備えるが、説明を省略する。
[Tenth embodiment]
20 is a schematic diagram showing a laser annealing apparatus 1F according to a tenth embodiment of the present invention. This embodiment includes a semiconductor laser LD as a single light source, a coupling lens 21, a single optical fiber 22, a single crystallization optical head 3A, and a substrate transport means (not shown) for transporting the substrate 10. This embodiment also includes a dehydrogenation optical head 3B (not shown), but the description thereof will be omitted.

半導体レーザLDは、上記の各実施の形態と同様に、連続発振レーザ光(CWレーザ光)を発振する。カップリングレンズ21は、半導体レーザLDの出射側に接続されている。カップリングレンズ21には、導波路としての結晶化用光ファイバ22Aの一端部が接続されている。本実施の形態では、結晶化用光ファイバ22Aとして例えば方形ファイバを適用している。 The semiconductor laser LD oscillates continuous wave laser light (CW laser light) as in each of the above embodiments. The coupling lens 21 is connected to the output side of the semiconductor laser LD. One end of the crystallization optical fiber 22A, which serves as a waveguide, is connected to the coupling lens 21. In this embodiment, for example, a square fiber is used as the crystallization optical fiber 22A.

結晶化用光学ヘッド3Aは、結像光学系としての、入射側の第1レンズ33Aと、出射側の第2レンズ34Aと、を備えている。図20に示すように、結晶化用光学ヘッド3Aには、結晶化用光ファイバ22Aの他端部から出射されたレーザ光が入射される。結晶化用光学ヘッド3Aでは、レーザ光を下流側(後側)へ向けてスポット部Fで収束する結晶化用レーザビームLB1となるように加工する。本実施の形態においても、スポット部Fが非晶質シリコン膜の膜内部(深さ方向の内部)に位置するように設定されている。 The crystallization optical head 3A is equipped with a first lens 33A on the input side and a second lens 34A on the output side as an imaging optical system. As shown in FIG. 20, the laser light emitted from the other end of the crystallization optical fiber 22A is incident on the crystallization optical head 3A. The crystallization optical head 3A processes the laser light toward the downstream side (rear side) to become a crystallization laser beam LB1 that converges at a spot portion F. In this embodiment, the spot portion F is also set to be located inside the amorphous silicon film (inside in the depth direction).

本実施の形態においても、結晶化用レーザビームLB1は、トップハット型形状の特性を持ち、光軸に直交する方向の断面形状が正方形である。なお、結晶化用レーザビームLB1の断面形状は、長方形、六角形などであってもよい。結晶化用レーザビームLB1の断面形状をこのような形状にするには、結晶化用光ファイバ22Aのコアの断面形状を、正方形、長方形、六角形などに設定すればよい。 In this embodiment, the crystallization laser beam LB1 also has top-hat shaped characteristics and has a square cross-sectional shape in a direction perpendicular to the optical axis. The cross-sectional shape of the crystallization laser beam LB1 may be rectangular, hexagonal, etc. To make the cross-sectional shape of the crystallization laser beam LB1 into such a shape, the cross-sectional shape of the core of the crystallization optical fiber 22A may be set to a square, rectangle, hexagon, etc.

図示しない基板搬送手段は、上記した各実施の形態と同様に、レーザアニール処理を施す基板10をスキャン方向へ任意の速度で搬送する機構を備える。したがって、結晶化用光学ヘッド3Aの位置を固定した状態で基板10側を搬送することによって、基板10に対して結晶化用レーザビームLB1を相対的にスキャンするようになっている。 The substrate transport means (not shown) is equipped with a mechanism for transporting the substrate 10 to be subjected to laser annealing in the scanning direction at an arbitrary speed, as in each of the above-mentioned embodiments. Therefore, by transporting the substrate 10 side with the crystallization optical head 3A in a fixed position, the crystallization laser beam LB1 is scanned relative to the substrate 10.

本実施の形態に係るレーザアニール装置1Fによれば、結晶化用レーザビームLB1におけるパワー密度の高いスポット部Fが非晶質シリコン膜の膜内部に位置するため、非晶質シリコン膜に重点的に大きな熱量が供給される。そして、スポット部Fから大部分の熱が側方に向けて非晶質シリコン膜の内部を伝達される。スポット部Fの後側(下側)では、ビームが拡散するため、下地のシリコン酸化膜等に到達する光のパワー密度が低くなり、非晶質シリコン膜の下層側を過熱することを抑制できる。このため、レーザアニール装置1Fによれば、ゲートラインやその他の配線パターンやガラス基板などが過熱により損傷されることを回避できる。 According to the laser annealing apparatus 1F of this embodiment, the spot portion F of the crystallization laser beam LB1, which has a high power density, is located inside the amorphous silicon film, so that a large amount of heat is supplied to the amorphous silicon film in a focused manner. Then, most of the heat is transmitted from the spot portion F to the side through the inside of the amorphous silicon film. Because the beam is diffused behind (below) the spot portion F, the power density of the light reaching the underlying silicon oxide film, etc. is reduced, and overheating of the lower layer side of the amorphous silicon film can be suppressed. Therefore, according to the laser annealing apparatus 1F, damage to the gate line, other wiring patterns, glass substrate, etc. due to overheating can be avoided.

[第11の実施の形態]
図21は、本発明の第11の実施の形態に係るレーザアニール装置およびレーザアニール方法の基本原理を示す。
[Eleventh embodiment]
FIG. 21 shows the basic principle of a laser annealing apparatus and a laser annealing method according to an eleventh embodiment of the present invention.

上記の第1~10の実施の形態では、結晶化用レーザビームLB1において最も収束するスポット部Fが、改質予定領域の非晶質シリコン膜15aの膜内部に位置する状態で、結晶化用レーザビームLB1をスキャンさせた。これに対して、本実施の形態では、図21に示すように、結晶化用レーザビームLB1における焦点および焦点近傍を含みビームプロファイルがトップハット型を維持する領域Aが、非晶質シリコン膜15aの膜内部の領域に重なる状態で、結晶化用レーザビームLB1を改質予定領域内でスキャンさせる。すなわち、本実施の形態に係るレーザアニール装置では、図21に示す結晶化用レーザビームLB1の領域Aに非晶質シリコン膜15aが重なる状態であればよい。 In the above first to tenth embodiments, the crystallization laser beam LB1 is scanned in a state where the most convergent spot F of the crystallization laser beam LB1 is located inside the amorphous silicon film 15a in the region to be modified. In contrast, in this embodiment, as shown in FIG. 21, the crystallization laser beam LB1 is scanned in the region to be modified in a state where a region A of the crystallization laser beam LB1, which includes the focus and the vicinity of the focus and where the beam profile maintains a top hat shape, overlaps with a region inside the amorphous silicon film 15a. That is, in the laser annealing device according to this embodiment, it is sufficient that the amorphous silicon film 15a overlaps with the region A of the crystallization laser beam LB1 shown in FIG. 21.

図21に示すように、領域Aは、結晶化用レーザビームLB1における(1)、(2)および(3)を含む。図22-3は、図21における(1)の範囲のレーザビームの半径方向の位置とパワー密度との関係を示している。図21に示すように、(1)の領域は、略焦点深度の領域であり、図22-3に示すように、典型的なトップハット型のビームプロファイルを示す。図21における(2)の領域は、(1)の領域よりも焦点の手前に位置するが、図22―2に示すように、レーザプロファイルがトップハット型とみなせる領域である。図21における(3)の領域は、(1)の領域よりも焦点よりも後方に位置するが、図22―4に示すように、レーザプロファイルがトップハット型とみなせる領域である。 As shown in FIG. 21, region A includes (1), (2), and (3) in the crystallization laser beam LB1. FIG. 22-3 shows the relationship between the radial position of the laser beam and the power density in the range (1) in FIG. 21. As shown in FIG. 21, region (1) is a region of approximately the focal depth, and shows a typical top-hat beam profile as shown in FIG. 22-3. Region (2) in FIG. 21 is located in front of the focal point compared to region (1), but is a region where the laser profile can be considered to be top-hat shaped as shown in FIG. 22-2. Region (3) in FIG. 21 is located behind the focal point compared to region (1), but is a region where the laser profile can be considered to be top-hat shaped as shown in FIG. 22-4.

図21における(4)の領域は、(2)の領域よりも手前に位置し、図22―1に示すように、レーザプロファイルがトップハット型とみなせない形状となる。図21における(5)の領域は、(3)の領域よりも後方に位置し、図22―5に示すように、レーザプロファイルがトップハット型とみなせない形状となる。したがって、本実施の形態では、図21に示す領域Aが、ビームプロファイルがトップハット型を維持する領域と定義される。なお、この領域Aは、光学ヘッド3などの条件によって適宜設定すればよい。 Area (4) in FIG. 21 is located in front of area (2), and as shown in FIG. 22-1, the laser profile has a shape that cannot be considered to be top hat. Area (5) in FIG. 21 is located behind area (3), and as shown in FIG. 22-5, the laser profile has a shape that cannot be considered to be top hat. Therefore, in this embodiment, area A shown in FIG. 21 is defined as the area where the beam profile maintains a top hat shape. Note that area A may be set appropriately depending on the conditions of the optical head 3, etc.

図21における(1)の領域は、図22-3に示すように、非晶質シリコン膜15aをアニールするのに十分なエネルギー密度を有し、必要領域をアニールできる平坦部の幅寸法を有している。図21における(2)および(3)の領域は、図22―2および図22-4に示すように、(1)の領域の特性に近似するが、(4)と(5)の領域は、図22-1および図22-5に示すように、エネルギー密度が不十分であり、必要領域をアニールするための平坦部の幅が狭いため、非晶質シリコン膜15aの局所的なアニールには不適切な領域である。 As shown in Figure 22-3, region (1) in Figure 21 has sufficient energy density to anneal the amorphous silicon film 15a and has a flat width dimension that allows the necessary regions to be annealed. Regions (2) and (3) in Figure 21 are similar to the characteristics of region (1) as shown in Figures 22-2 and 22-4, but regions (4) and (5) are not suitable for local annealing of the amorphous silicon film 15a because they have insufficient energy density and the flat width for annealing the necessary regions is narrow as shown in Figures 22-1 and 22-5.

以上、本発明の第11の実施の形態について説明したが、他の構成は、上記した第1の実施の形態に係るレーザアニール装置およびレーザアニール方法と同様である。 The above describes the eleventh embodiment of the present invention, but the other configurations are the same as those of the laser annealing apparatus and the laser annealing method according to the first embodiment described above.

本実施の形態では、例えば、非晶質シリコン膜15aが、図21に示す(2)の領域に位置する場合に、見かけ上は非晶質シリコン膜15aの下側の基板や配線などに焦点位置が来るが、光の大半が非晶質シリコン膜15aで吸引されるので、非晶質シリコン膜15aの下側の基板、配線などに対して熱的損傷を与えることはない。したがって、本実施の形態によれば、光学ヘッド3などの条件設定が容易となり装置コストを低減することが可能である。 In this embodiment, for example, when the amorphous silicon film 15a is located in the region (2) shown in FIG. 21, the focal position appears to be on the substrate or wiring below the amorphous silicon film 15a, but since most of the light is absorbed by the amorphous silicon film 15a, there is no thermal damage to the substrate or wiring below the amorphous silicon film 15a. Therefore, according to this embodiment, it is easy to set the conditions of the optical head 3, etc., and it is possible to reduce the cost of the device.

(その他の実施の形態)
以上、本発明の実施の形態について説明したが、実施の形態の開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
Other Embodiments
Although the embodiment of the present invention has been described above, the description and drawings forming a part of the disclosure of the embodiment should not be understood as limiting the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operating techniques will become apparent to those skilled in the art.

上記の実施の形態では、脱水素化用レーザビームLB2を収束するスポット部を有するように加工して、このスポット部が非晶質シリコン膜の内部に位置するように配置したが、これに限定されるものではなく、単に非晶質シリコン膜の表面に脱水素化用レーザビームLB2を照射する構成であってもよい。 In the above embodiment, the dehydrogenation laser beam LB2 is processed to have a converging spot portion, and this spot portion is positioned inside the amorphous silicon film, but this is not limited to this, and the configuration may simply irradiate the dehydrogenation laser beam LB2 onto the surface of the amorphous silicon film.

上記の実施の形態では、ゲートライン12の上層に当該ゲートライン12を覆うように成膜された非晶質シリコン膜の15aに対してアニールを行ったが、本発明に係るレーザアニール装置およびレーザアニール方法は、非晶質シリコン膜の下方にゲートラインが形成されていない場合にも適用可能である。すなわち、本発明に係るレーザアニール装置およびレーザアニール方法は、ボトムゲート型(逆スタガ型)の構造を有するTFTおよびトップゲート型(スタガ型)の構造を有するTFTの製造に適用可能である。また、本発明では、ゲートラインを設けない基板に成膜された非晶質シリコン膜のレーザアニールにも適用可能である。 In the above embodiment, annealing was performed on the amorphous silicon film 15a formed on the gate line 12 so as to cover the gate line 12, but the laser annealing device and laser annealing method of the present invention can also be applied to cases where no gate line is formed below the amorphous silicon film. In other words, the laser annealing device and laser annealing method of the present invention can be applied to the manufacture of TFTs having a bottom gate type (inverse staggered type) structure and TFTs having a top gate type (staggered type) structure. In addition, the present invention can also be applied to laser annealing of an amorphous silicon film formed on a substrate without a gate line.

D1,D2 光量センサ
F スポット部
LD 半導体レーザ
1,1A,1B,1C,1D,1E,1F レーザアニール装置
2 光源ユニット
2A 結晶化用光源ユニット
2B 脱水素化用光源ユニット
3 光学ヘッド
3A 結晶化用光学ヘッド
3B 脱水素化用光学ヘッド
10 基板(被レーザアニール処理基板)
11 ガラス基板(基板)
12 ゲートライン
13 シリコン窒化膜
14 シリコン酸化膜
15a 非晶質シリコン膜
21 カップリングレンズ
22 光ファイバ
22A 結晶化用光ファイバ
22B 脱水素化用光ファイバ
22E 拡径部
31 ファイバアレイ
31A 結晶化用ファイバアレイ
31B 脱水素化用ファイバアレイ
32,32A,32B 結像光学系
33,33A,33B 第1レンズ
34,34A,34B 第2レンズ
35 ビームスプリッタ
36 側方レンズ
37 マスク
37A 開口
38 結像光学系
39 アクチュエータ
40 絞り
40A 結晶化用開口部
40B 脱水素化用開口部
D1, D2 Light quantity sensor F Spot portion LD Semiconductor laser 1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F Laser annealing device 2 Light source unit 2A Crystallization light source unit 2B Dehydrogenation light source unit 3 Optical head 3A Crystallization optical head 3B Dehydrogenation optical head 10 Substrate (substrate to be laser annealed)
11 Glass substrate (substrate)
12 Gate line 13 Silicon nitride film 14 Silicon oxide film 15a Amorphous silicon film 21 Coupling lens 22 Optical fiber 22A Crystallization optical fiber 22B Dehydrogenation optical fiber 22E Expanded diameter section 31 Fiber array 31A Crystallization fiber array 31B Dehydrogenation fiber array 32, 32A, 32B Imaging optical system 33, 33A, 33B First lens 34, 34A, 34B Second lens 35 Beam splitter 36 Side lens 37 Mask 37A Aperture 38 Imaging optical system 39 Actuator 40 Aperture 40A Crystallization opening 40B Dehydrogenation opening

Claims (7)

基板の上に成膜された非晶質シリコン膜における改質予定領域に向けて、連続発振されたレーザ光が収束するように加工された結晶化用レーザビームを出射する結晶化用光学ヘッドを備え、当該結晶化用光学ヘッドは、前記結晶化用レーザビームにおいて最も収束するスポット部が、前記非晶質シリコン膜の膜内部に位置する状態で、前記非晶質シリコン膜に対して相対的にスキャン方向に沿って移動されて前記非晶質シリコン膜における前記改質予定領域を結晶化膜に改質させるレーザアニール装置であって、
脱水素化用レーザビームを出射する脱水素化用光学ヘッドを備え、
前記脱水素化用光学ヘッドは、前記脱水素化用レーザビームが、前記結晶化用レーザビームに先駆けて、少なくとも前記改質予定領域を照射して前記非晶質シリコン膜の脱水素化を行うように、前記非晶質シリコン膜に対して前記スキャン方向に沿って相対的に移動され
前記結晶化用光学ヘッドと前記脱水素化用光学ヘッドとが共通化された単一の光学ヘッドでなり、
前記光学ヘッドに、光源から単一の光ファイバを介してレーザ光が導かれ、
前記光ファイバの出射端面に、結晶化用開口部と脱水素化用開口部とが離隔して形成された絞りが、前記結晶化用開口部と脱水素化用開口部とが前記出射端面に対向するように配置され、
前記結晶化用開口部から前記結晶化用レーザビームが出射され、前記脱水素化用開口部から前記脱水素化用レーザビームが出射される、
ことを特徴とするレーザアニール装置。
a laser annealing apparatus including a crystallization optical head that emits a crystallization laser beam, the continuous oscillated laser beam being processed to converge, toward a region to be modified in an amorphous silicon film formed on a substrate, the crystallization optical head being moved along a scanning direction relative to the amorphous silicon film with a spot portion where the crystallization laser beam is most converged being located inside the amorphous silicon film, thereby modifying the region to be modified in the amorphous silicon film into a crystallized film;
a dehydrogenation optical head that emits a dehydrogenation laser beam,
the dehydrogenation optical head is moved relative to the amorphous silicon film along the scanning direction so that the dehydrogenation laser beam irradiates at least the intended modification region prior to the crystallization laser beam to dehydrogenate the amorphous silicon film ;
the crystallization optical head and the dehydrogenation optical head are a single common optical head,
A laser beam is guided from a light source to the optical head through a single optical fiber,
an aperture formed with a crystallization opening and a dehydrogenation opening spaced apart from each other on an output end face of the optical fiber, the aperture being disposed such that the crystallization opening and the dehydrogenation opening face each other on the output end face;
the crystallization laser beam is emitted from the crystallization opening, and the dehydrogenation laser beam is emitted from the dehydrogenation opening;
A laser annealing apparatus comprising:
前記脱水素化用光学ヘッドは、連続発振されたレーザ光が収束するように加工された前記脱水素化用レーザビームを出射し、前記脱水素化用レーザビームにおいて最も収束するスポット部が、前記非晶質シリコン膜の膜内部に位置する、
請求項1に記載のレーザアニール装置。
the dehydrogenation optical head emits the dehydrogenation laser beam, which is processed so that a continuous oscillated laser beam converges, and a most convergent spot portion of the dehydrogenation laser beam is located inside the amorphous silicon film;
2. The laser annealing apparatus according to claim 1.
前記非晶質シリコン膜の表面に照射される前記脱水素化用レーザビームのビームスポットは、前記非晶質シリコン膜の表面に照射される前記結晶化用レーザビームのビームスポットよりも、前記スキャン方向の上流側に配置され、
前記脱水素化用レーザビームの前記ビームスポットの幅寸法は、前記結晶化用レーザビームの前記ビームスポットの幅寸法よりも、長く設定されている、
請求項1または請求項2に記載のレーザアニール装置。
a beam spot of the dehydrogenation laser beam irradiated onto the surface of the amorphous silicon film is disposed upstream of a beam spot of the crystallization laser beam irradiated onto the surface of the amorphous silicon film in the scanning direction;
a width dimension of the beam spot of the dehydrogenation laser beam is set to be longer than a width dimension of the beam spot of the crystallization laser beam;
3. The laser annealing apparatus according to claim 1 or 2.
前記結晶化用光学ヘッドは、結晶化用光源から結晶化用光ファイバを介してレーザ光が導かれ、
前記脱水素化用光学ヘッドは、脱水素化用光源から脱水素化用光ファイバを介してレーザ光が導かれる、
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のレーザアニール装置。
The crystallization optical head guides laser light from a crystallization light source through a crystallization optical fiber,
the dehydrogenation optical head guides laser light from a dehydrogenation light source through a dehydrogenation optical fiber;
The laser annealing apparatus according to any one of claims 1 to 3.
前記結晶化用光学ヘッドと前記脱水素化用光学ヘッドとが共通化された単一の光学ヘッドでなる、
請求項4に記載のレーザアニール装置。
the crystallization optical head and the dehydrogenation optical head are a single shared optical head;
5. The laser annealing apparatus according to claim 4.
前記光ファイバの出射側は、前記出射端面に向けて径寸法が大きくなるように拡大する形状である、
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のレーザアニール装置。
The output side of the optical fiber has a shape expanding so that the diameter dimension increases toward the output end surface.
The laser annealing apparatus according to any one of claims 1 to 5 .
前記改質予定領域は、薄膜トランジスタのチャネル半導体層である、
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のレーザアニール装置。
The modification target region is a channel semiconductor layer of a thin film transistor.
The laser annealing apparatus according to any one of claims 1 to 6 .
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