レーザ照射方法及びレーザ照射装置
【課題】容易に、結晶化の溶融状態、結晶粒径及び粒径バラツキを所望の状態にしたシリコン膜を形成することができるレーザ照射方法を提供する。
【解決手段】レーザ照射方法は、マルチモードのレーザ光を発振させる発振ステップ（Ｓ１０２）と、レーザ光を光ファイバーで伝送する伝送ステップ（Ｓ１０４）と、光ファイバーから出射したレーザ光を重畳し細長い形状に整形する整形ステップ（Ｓ１０６）と、整形されたレーザ光を短軸方向に走査しながらアモルファスシリコン膜に照射することで、ポリシリコン膜に結晶化する照射ステップ（Ｓ１０８）とを含み、照射ステップ（Ｓ１０８）では、走査速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）と照射パワー密度Ｐ（ＫＷ／ｃｍ2）との関係をＫ＝Ｐ／√Ｖとし、Ｋ＞４の条件を満足する走査速度と照射パワー密度とで照射することで、レーザ照射領域に所定の溶融状態での結晶を形成させる。
【解決手段】レーザ照射方法は、マルチモードのレーザ光を発振させる発振ステップ（Ｓ１０２）と、レーザ光を光ファイバーで伝送する伝送ステップ（Ｓ１０４）と、光ファイバーから出射したレーザ光を重畳し細長い形状に整形する整形ステップ（Ｓ１０６）と、整形されたレーザ光を短軸方向に走査しながらアモルファスシリコン膜に照射することで、ポリシリコン膜に結晶化する照射ステップ（Ｓ１０８）とを含み、照射ステップ（Ｓ１０８）では、走査速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）と照射パワー密度Ｐ（ＫＷ／ｃｍ2）との関係をＫ＝Ｐ／√Ｖとし、Ｋ＞４の条件を満足する走査速度と照射パワー密度とで照射することで、レーザ照射領域に所定の溶融状態での結晶を形成させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大型のガラス基板に形成されたアモルファスシリコン膜にレーザ光を照射して、結晶粒の結晶化を行うレーザ照射方法およびレーザ照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、液晶表示装置や有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）表示装置などの表示装置は、縦横同一又は異なるピッチに配列された薄膜トランジスタ（画素トランジスタ）のスイッチングにより、画像を映し出している。この薄膜トランジスタは、ガラスや溶融石英などの基板上のアモルファスシリコン膜がポリシリコン膜に結晶化されたものである。
【０００３】
そして、この基板上に薄膜トランジスタを形成するためには、ガラス基板にアモルファスシリコン膜を形成した後、膜内部に存在する水素を熱処理して脱水素を行う。その後、アモルファスシリコン膜にエキシマレーザを照射することにより、アモルファスシリコン膜をポリシリコン膜にする結晶化が行われている。この結晶化により、結晶内を移動できる電子の速度（移動度）が大きくなるため、薄膜トランジスタのスイッチング速度が速くなり、液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置などの表示装置の画像が鮮明に見える。
【０００４】
しかし、アモルファスシリコン膜を完全に溶融させると、結晶粒径が大きくなり、その結果、移動度も大きくなる。その反面、アモルファスシリコン膜を完全に溶融させると、結晶粒径のバラツキが大きくなり、移動度のバラツキが大きくなる。さらに、エキシマレーザの照射により得られるポリシリコン膜は、レーザ１ショット毎のバラツキの影響を受け、結晶粒径のバラツキが大きい。そのため、エキシマレーザの照射により得られるポリシリコン膜は、移動度のバラツキ、画質ムラなどの表示装置の性能劣化が生じ易い。
【０００５】
そのため、結晶粒径のバラツキを低減するために、レーザ発振器から発振するレーザ光として、固体レーザの第２高調波を使った連続波レーザを用いて完全溶融させて結晶化する方法や、連続波レーザを用いて部分溶融させて結晶粒径のバラツキを低減させる方法が提案されている。完全溶融させる方法での連続波レーザは、パルスレーザでなくＹＡＧ、ＹＬＦ、ＹＶＯ４レーザなどが用いられる。また、大型ガラス基板に対して全面にバラツキが少ないレーザ光が照射されるように、複数のレーザ発振器を光ファイバーで伝送し、夫々のレーザ光を光学系で長尺ビームに整形し結晶化を行う方法も提案されている。
【０００６】
図８Ａは、特許文献１に記載された従来のレーザ照射装置が備える長軸方向にビーム整形する光学系構成を示す図である。図８Ｂは、当該従来のレーザ照射装置が備える短軸方向に整形する光学系の構成を示す図である。
【０００７】
図８Ａに示すように、レーザ光５３は、可視光連続発振レーザ光を発振する可視光レーザ発振器５１から発振された後、光ファイバー５２により伝送され、ビーム整形を行う光学ユニット５４で結合される。光学ユニット５４は、長軸方向のみを平行光線にするシリンドリカルレンズ５５と、平行光線をトップハット形状に整形するＤＯＥ５６（回折光学素子）とから構成されている。また、図８Ｂは、短軸方向のビーム整形を示す。光ファイバー５２から発したレーザ光５３は、ＤＯＥ５６により集光点に集められる。
【０００８】
また、図９は、図８Ａに示された従来のレーザ照射装置により整形された長軸方向のビーム形状を示す図である。図１０は、図８Ｂに示された従来のレーザ照射装置により整形された横軸方向のビーム形状を示す図である。図９及び図１０において、横軸はビーム長さを示し、縦軸は照射パワー密度を示している。
【０００９】
図８Ａの構成によるビーム整形方法は、例えば複数の可視光レーザ発振器５１のレーザ光を夫々に光ファイバー５２に入光させ、夫々のレーザ光５３を重ね合わせることなくシリンドリカルレンズ５５及びＤＯＥ５６によって整形し、照射面でこれらの個々に整形され、ライン上に配列されたラインビームで照射する方法である。そのため、図９に示すように、整形された各レーザ光５３の裾野部だけが重なり合う。また、特許文献１においては、使用される光ファイバー５２は、シングルモード光ファイバーが用いられる。
【００１０】
一方、特許文献２では、連続波を使ってパワー変動の影響が少なく安定で高スループットが得られる照射パワー密度条件範囲の広いレーザ照射方法が提案されている。
【００１１】
特許文献２の方法は、ラインビームの短軸ビーム幅を２〜１０μｍに集光し、走査速度が５００〜１０００ｍｍ／ｓにすることで、レーザ照射領域に良好な結晶化を行うことができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１０−１１８４０９号公報
【特許文献２】特開２００５−２１７２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上記従来の技術では、個々のレーザ発振器から発するレーザ光が重畳することなくライン状に配列されているため、個々のレーザパワーのバラツキが例えば±１％であるとすれば、整形されたライン状のビームの均一性にもまた±１％のバラツキが生じる。その結果、ラインビームに整形された場合、その均一性の時間的な照射パワー密度の変化を±１％以下に抑えることができないことになる。
【００１４】
また、レーザ発振器がシングルモード発振している場合や光ファイバーがシングルモードで伝送されている場合に、夫々のレーザ発振器、夫々の光ファイバーからのレーザ光は重なり合うと非常に干渉を起こし易い。上記従来の技術の場合、個々のレーザ光がラインビームに整形されるときに個々のビームの裾野部のみで重なり合うため、この部分に干渉が生じ、干渉ノイズ（スペックル）が発生し、ラインビームの均一性（空間分布）を更に劣化させる可能性があるという問題を有している。
【００１５】
一方、パワー変動の少ない安定なレーザ照射を行う方法としての上記従来の技術では、短軸の集光径を２〜１０μｍに集光し、走査速度を５００〜１０００ｍｍ／ｓでレーザ照射する。この方法では、集光径を２〜１０μｍに集光するために、例えば顕微鏡の対物レンズが使用されている。つまり、短焦点で焦点深度の小さい集光レンズを用いる必要があるため、焦点距離を一定にするオートフォーカス機構を有し装置構成が複雑となる。そのため、大型ガラス基板への照射になると、大型ガラス基板を装填した走査ステージの走行精度を維持しながら５００〜１０００ｍｍ／ｓの速度で移動するため、走査ステージも大掛かりとなるという問題を有している。
【００１６】
また、走査速度及び照射パワー密度を安定照射条件内で設定しても、その組み合わせにより結晶の溶融状態、結晶粒径の大きさ、粒径バラツキなどが異なり、照射条件を変えた時には、表示装置の性能との相関を調査し、確認する必要があるなどの多大な労力を有するという問題を有している。
【００１７】
本発明の目的は、上記従来の技術の問題点を解決するものであって、容易に、結晶化の溶融状態、結晶粒径及び粒径バラツキを所望の状態にしたシリコン膜を形成することができるレーザ照射方法およびレーザ照射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明の一態様にかかるレーザ照射方法は、複数のレーザ光を発振させるレーザ発振ステップと、前記複数のレーザ光を重畳して整形するビーム整形ステップと、整形された前記レーザ光を走査しながら照射対象物のアモルファスシリコン膜に照射することで、ポリシリコン膜に結晶化させる照射ステップとを含み、前記照射ステップは、前記アモルファスシリコン膜に対し、走査速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）と照射パワー密度Ｐ（ＫＷ／ｃｍ2）との関係をＫ＝Ｐ／√Ｖとした場合に、Ｋ＞４の条件を満たすことを特徴とする。
【００１９】
また、上記目的を達成するために、本発明の一態様にかかるレーザ照射方法は、複数のレーザ光を発振させるレーザ発振ステップと、前記複数のレーザ光を重畳して整形するビーム整形ステップと、整形された前記レーザ光を走査しながら照射対象物のアモルファスシリコン膜に照射する照射ステップとを含み、前記照射ステップは、前記アモルファスシリコン膜に対し、走査速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）と照射パワー密度Ｐ（ＫＷ／ｃｍ2）との関係をＫ＝Ｐ／√Ｖとした場合に、Ｋ＜＝４の条件を満たすことを特徴とする。
【００２０】
また、上記目的を達成するために、本発明の一態様にかかるレーザ照射装置は、複数のレーザ光を発振させるレーザ発振器と、前記複数のレーザ光を重畳して整形するビーム整形器と、整形された前記レーザ光を走査しながら照射対象物のアモルファスシリコン膜に照射することで、ポリシリコン膜に結晶化させる照射手段と、前記照射手段を、前記アモルファスシリコン膜に対し、走査速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）と照射パワー密度Ｐ（ＫＷ／ｃｍ2）との関係をＫ＝Ｐ／√Ｖとした場合に、Ｋ＞４の条件を満たすように制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明にかかるレーザ照射方法およびレーザ照射装置によれば、容易に、結晶化の溶融状態、結晶粒径及び粒径バラツキを所望の状態にしたシリコン膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１Ａ】本実施の形態におけるレーザ照射装置１の構成を示す図
【図１Ｂ】本実施の形態におけるレーザ照射装置１の構成を示す図
【図２】本発明の実施の形態におけるレーザ照射方法を説明するフローチャート
【図３】本実施の形態における光学ユニット３０により整形されたビーム形状を模式的に示す図
【図４】本実施の形態における光学ユニット３０により整形されたビーム形状を模式的に示す図
【図５Ａ】整形ビームの走査速度２００ｍｍ／ｓ、照射パワー密度５０ＫＷ／ｃｍ2とした場合の照射状態を示す図
【図５Ｂ】整形ビームの走査速度２００ｍｍ／ｓ、照射パワー密度６０ＫＷ／ｃｍ2とした場合の照射状態を示す図
【図５Ｃ】整形ビームの走査速度２００ｍｍ／ｓ、照射パワー密度８０ＫＷ／ｃｍ2とした場合の照射状態を示す図
【図６】走査速度と照射パワー密度とを変化させた場合の測定結果を示す図
【図７】Ｋ値と照射パワー密度との関係を示す図
【図８Ａ】従来のレーザ照射装置が備える長軸方向にビーム整形する光学系構成を示す図
【図８Ｂ】従来のレーザ照射装置が備える短軸方向にビーム整形する光学系構成を示す図
【図９】従来のレーザ照射装置により整形された長軸方向のビーム形状を示す図
【図１０】従来のレーザ照射装置により整形された短軸方向のビーム形状を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
【００２４】
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の実施の形態におけるレーザ照射装置１の構成を示す図である。具遺体的には、図１Ａは、本発明の一実施例であるレーザ照射装置１の長軸方向に整形する光学系の構成を示す図であり、図１Ｂは、当該レーザ照射装置１の短軸方向に整形する光学系の構成を示す図である。
【００２５】
また、図２は、本発明の実施の形態におけるレーザ照射方法を説明するフローチャートである。
【００２６】
図１Ａ及び図１Ｂに示すように、レーザ照射装置１は、複数のレーザ発振器１０（同図では、４つのレーザ発振器１０）と、複数のマルチモード光ファイバー２０（同図では、４つのマルチモード光ファイバー２０）と、光学ユニット３０とを備えている。
【００２７】
レーザ発振器１０のそれぞれは、マルチモードの連続波レーザ光を発振するレーザ発振器である。また、マルチモード光ファイバー２０は、レーザ発振器１０が発振したマルチモードの連続波レーザ光をそれぞれ伝送する光ファイバーである。また、光学ユニット３０は、複数のマルチモード光ファイバー２０のそれぞれから出射したレーザ光を重畳し、細長い形状に整形するビーム整形器である。
【００２８】
つまり、図２に示すように、マルチモード光ファイバー２０で結合された可視光連続発振レーザ光であるレーザ光４０は、レーザ発振器１０から発振（図２のＳ１０２）した後、マルチモード光ファイバー２０により伝送され（図２のＳ１０４）、ビーム整形を行う光学ユニット３０に結合される（図２のＳ１０６）。
【００２９】
また、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、光学ユニット３０は、シリンドリカルレンズ３１と、１対のシリンドリカルレンズ３２と、フィールドレンズ３３と、フィールドレンズ３４と、絞り３５と、縮小投影レンズ３６と、コリメータレンズ３７と、集光レンズ３８とを備えている。
【００３０】
つまり、夫々のマルチモード光ファイバー２０からのレーザ光４０は、長軸方向のみを平行光線にするシリンドリカルレンズ３１、および１対のシリンドリカルレンズ３２により平行光線化されて均一化され、フィールドレンズ３３により後方のフィールドレンズ３４上で重ね合わされて平均化される。その後、レーザ光４０は、ほぼ平行光のまま絞り３５により長軸方向のビーム長さが調整され、縮小投影レンズ３６により絞り３５位置での寸法が縮小されて、照射対象物の加工面上に結像される（図２のＳ１０６）。
【００３１】
この光学系は、一般的にケーラー照明と呼ばれる。マルチモードのレーザ発振器１０、マルチモード光ファイバー２０でレーザ光の可干渉性を少なくし、さらに１対のシリンドリカルレンズ３２、フィールドレンズ３４によりレーザ光４０を重畳させることで、可干渉性を減少させるほか、レーザ出力の安定性、長軸ビームの均一性を向上させることができる。
【００３２】
一方、図１Ｂに示す短軸方向の整形光学系では、マルチモード光ファイバー２０からのレーザ光４０は、コリメータレンズ３７により平行光線にされた後、集光レンズ３８により図１Ａの絞り３５位置で結像され、その後、縮小投影レンズ３６により照射面上に集光される。
【００３３】
ここで、照射されるレーザ光４０の短軸方向の長さは、３０μｍ以上である。マルチモード光ファイバー２０の径を例えば１００μｍとすると、コリメータレンズ３７と集光レンズ３８との結像比を１：１として、絞り３５位置での集光径を１００μｍに結像した場合の縮小投影レンズ３６の縮小率は３〜４となり、レーザ光４０の短軸方向の長さを約３０μｍ以上のビーム径にすることが可能である。このような短軸方向の構成を、一般的にクリティカル照明と呼ぶ。
【００３４】
図３及び図４は、本実施の形態における光学ユニット３０により整形されたビーム形状を模式的に示す図である。具体的には、図１Ａの構成で図３のような長軸方向のビーム形状に整形され、図１Ｂの構成で図４のような短軸方向のビーム形状に整形される。
【００３５】
図３及び図４の横軸はビーム長さ、縦軸は照射パワー密度を表す。ビーム長さの定義としては、長軸方向では、最大値を１００％とした場合の９５％のパワー値でのビーム長さとし、短軸方向では、最大値を１００％とした場合の５０％のパワー値でのビーム長さとする。
【００３６】
また、照射パワー密度（エネルギ密度）の算出は、照射位置でのパワーを短軸、長軸のビーム長さで割ったものであり、以下のように表される。
【００３７】
照射パワー密度（Ｗ／ｃｍ2）＝（照射面パワーＷ）/（短軸ビーム長さｃｍ×長軸ビーム長さｃｍ）
【００３８】
光学ユニット３０で整形された場合、長軸方向の照射パワー密度のバラツキは、約±３％程度にすることができる。
【００３９】
一方、一般的なマルチモードのレーザ発振器１０は、時間的にパワーが±１％ほどバラツキをもつ。しかし、図１Ａ及び図１Ｂに示した光学系の構成では、例えば４つのマルチモードのレーザ発振器１０が使用された場合、整形されたレーザ光でのパワー変動Ｗは統計学の中心極限定理から、以下の関係となる。
【００４０】
Ｗ＝±１％／√４＝±０．５％
【００４１】
使用されるレーザ発振器が多ければ多いほど重畳され、その分パワー変動は小さくなり、パワーのバラツキが空間的、時間的に変動の少ない状態で照射することができる。
【００４２】
次に、図２に示すように、レーザ照射装置１は、レーザ光を照射し、レーザ照射領域に所定の溶融状態での結晶を形成する（図２のＳ１０８）。以下に、このレーザ照射装置１が所定の溶融状態での結晶を形成する処理について、詳述する。
【００４３】
まず、波長５３２ｎｍの連続波レーザを照射し、ガラス基板上に絶縁膜を介して約５０ｎｍの膜厚で形成したアモルファスシリコン膜に、整形ビームの短軸方向の寸法を約３０μｍ、長軸方向のビーム長さを３００μｍとし、走査速度及び照射パワー密度を変化させて結晶化実験を行った結果について説明する。
【００４４】
まず、走査速度を２００ｍｍ／ｓで一定とし、照射パワー密度を５０ＫＷ／ｃｍ2に変化させた時の照射状態を図５Ａに示し、６０ＫＷ／ｃｍ2に変化させた時の照射状態を図５Ｂに示し、８０ＫＷ／ｃｍ2に変化させた時の照射状態を図５Ｃに示す。図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃの照射では、整形ビームの長軸方向の寸法は約３００μｍであり、短軸方向にビームを紙面上から下に向かって照射した加工状態を示したものである。
【００４５】
図５Ａにおいては、照射パワー密度が小さいため、照射跡はビームエッジ部（端部）で薄れている。この状態は、結晶化された部分が非常に少なく、不完全照射となっている。
【００４６】
図５Ｂにおいては、エッジ部が明確であり、巨視的観察からでは未照射部分はなくビーム全域に照射されている。この状態は、微視的に見ると、結晶は部分溶融（結晶、非結晶のアモルファスシリコン膜が混在している）状態である（図示せず）。
【００４７】
図５Ｃにおいては、エッジ部が明確であり、ビーム跡中央部には成長した結晶粒による凸凹が見られる。この状態での結晶は、微視的に完全溶融し、アモルファスシリコン膜がポリシリコン膜に結晶化した状態となっている（図示せず）。このように、照射パワー密度の違いにより、結晶の溶融状態、さらには結晶化の状態が異なったものになる。
【００４８】
図６は、図５Ａ〜図５Ｃに示した状態をさらに明確にするために、照射パワー密度及び走査速度を変化させ、測定点を増やした場合の測定結果を示す図である。照射パワー密度及び走査速度は、制御手段（図示せず）によってレーザ発振器１０等を制御することで、変化させている。
【００４９】
図６では、黒丸印が不完全照射状態を表しており、三角印が部分溶融状態を表しており、白丸印が完全溶融状態を表している。また、夫々２本の２点鎖線、点線、実線で囲まれた範囲がそれらの状態を満足する走査速度及び照射パワー密度を示した範囲になる。
【００５０】
図６において、例えば、点線で囲まれた領域が、部分溶融結晶が実現できた範囲である。点線領域より下の条件（走査速度を遅くする）では、レーザ光が照射された完全溶融状態であり、点線領域より上の条件では不完全照射となる。
【００５１】
また、図６において、白丸、実線で囲まれた領域が、完全溶融結晶が実現できる範囲である。この領域より左側（照射パワー密度が小さい）条件では、レーザ光が照射されるシリコン膜が非晶質の場合、多結晶化はするが、結晶粒の小さいアモルファスシリコン膜が残った状態、いわゆる微結晶状態（部分溶融状態）である。さらに照射パワー密度が小さい条件では、シリコン膜は溶融せず、非晶質のままである。発明者が実験を行った範囲では、各結晶化状態または溶融状態が行える照射パワー密度は、走査速度の増加と共に増加している。
【００５２】
しかし、図６のような表記方法では、不完全照射、部分溶融、完全溶融の何れの状態でも走査速度が増加するに従い、必要とする照射パワー密度は増加し、夫々の状態に結晶化が行える照射パワー密度範囲が広くなっているかどうかは判別しにくい。また、走査速度、照射パワー密度を安定照射条件内で設定しても、その組み合わせにより結晶の溶融状態、結晶粒径の大きさ、粒径バラツキなどが同じ状態になっているかも判別しにくい。
【００５３】
そこで、走査速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）と照射パワー密度Ｐ（ＫＷ／ｃｍ2）との関係を、走査速度ごとに図７に示す。図７において、縦軸はＫ値、横軸は照射パワー密度である。また、走査速度Ｖと、照射パワー密度Ｐと、Ｋ値との関係は、Ｋ＝Ｐ／√Ｖとした。
【００５４】
図７は、Ｋ値と照射パワー密度との関係を示す図であり、不完全照射、部分溶融、完全溶融の状態をＫ値により判別できることを説明する図である。
【００５５】
すなわち、Ｋ＜＝４の場合、照射後の結晶は、不完全照射のためアモルファスシリコンのままである。レーザ照射による結晶化はできていないが、例えばアモルファスシリコン膜に含まれる水素を取り除くために、レーザによる結晶化の前の熱処理として、この条件下でレーザ照射が行われる。その場合、脱水素熱処理をしない状態でレーザ照射によりＫ値を４以上の照射パワー密度で照射すると、急激な結晶化によりシリコン膜が突沸したようになる場合があり、この現象を防ぐためにも、Ｋ値で照射条件を管理することが必要である。
【００５６】
また、４＜Ｋ＜５の場合、部分溶融状態となり、結晶化はするが、結晶粒の小さいポリシリコンと非晶質のアモルファスシリコンとが混在した状態である（微結晶状態）。薄膜トランジスタに形成したときの電子の移動度は小さいものの、結晶粒径のバラツキが小さいため移動度のバラツキが小さく、表示装置にした時には色むらの少ない性能となる。そのため、性能として大きな移動度を必要としない場合、すなわち高速にスイッチングを行わなくても画素のＯＮとＯＦＦとの切り替えができる自発光式のＥＬ表示装置が照射対象物である場合には、４＜Ｋ＜５の条件のレーザ照射が適している。
【００５７】
また、Ｋ＞＝５の場合、完全溶融状態となり、アモルファスシリコン膜はポリシリコン膜となる。結晶粒径が大きく、そのため薄膜トランジスタに形成した場合の電子の移動度は大きく、高速にスイッチングできる。液晶の配向を変える速度が遅い液晶表示装置は、この状態を狙ったレーザ照射方法で、薄膜トランジスタを結晶粒径の大きく成長させた結晶により、電子の移動度を高める必要がある。これにより、高速に画素のＯＮ、ＯＦＦスイッチングを行い、切り替えを速くして、画質を鮮明に繰り出すことができる。そのため、Ｋ＞＝５の条件は、液晶表示装置が照射対象物である場合のレーザ照射に適している。
【００５８】
このように、レーザ照射装置１は、細長い形状に整形されたレーザ光を、レーザ光の長軸方向と交差する短軸方向に走査しながら、移動ステージ上に装填された基板に縦横同一又は異なるピッチに配列されたトランジスタを構成するアモルファスシリコン膜に照射することで、ポリシリコン膜に結晶化する照射手段を備えている。なお、当該照射手段は、レーザ照射装置１が備えるレーザ発振器１０、マルチモード光ファイバー２０及び光学ユニット３０が、それぞれの機能を発揮することによって実現される。
【００５９】
そして、レーザ照射装置１は、当該照射手段を、アモルファスシリコン膜に対し、走査速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）と照射パワー密度Ｐ（ＫＷ／ｃｍ2）との関係をＫ＝Ｐ／√Ｖとした場合に、Ｋ＜＝４、４＜Ｋ＜５、Ｋ＜５のいずれかの条件を満たすように制御する制御手段を備えている。
【００６０】
具体的には、当該制御手段は、照射対象物が有機ＥＬ表示装置である場合に、照射手段を４＜Ｋ＜５の条件を満たすことでアモルファスシリコン膜に部分溶融状態の結晶を形成するように制御する。また、制御手段は、照射対象物が液晶表示装置である場合に、照射手段をＫ＞＝５の条件を満たすことでアモルファスシリコン膜に完全溶融状態の結晶を形成するように制御する。また、制御手段は、照射手段をＫ＜＝４の条件を満たすことでアモルファスシリコン膜を結晶化させずに熱処理するように制御する。
【００６１】
以上のように、Ｋ値は、必要とする表示装置の種類、必要な移動度または結晶粒径に基づいて設定され、それを満足する照射パワー密度を設定すれば、同じ結晶溶融状態を再現できる。液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置の製造が混在するような製造装置にあっても、Ｋ値を変えることで夫々の表示装置の製造に対応できる。なお、一旦、照射パワー密度が設定されれば、走査速度はＫ値から一意的に決定される。
【００６２】
また、図７から、走査速度が大きくなると、その傾き（照射パワー密度に対するＫ値の変化量）が小さくなっていることが判る。つまり、高速にレーザ光を照射することで、照射パワー密度のバラツキの影響が出にくい安定した照射条件で照射を行うことができる。
【００６３】
このように、本実施の形態におけるレーザ照射装置及びレーザ照射方法によれば、細長い形状に整形されたレーザ光を、レーザ照射領域において目的とする溶融状態に応じて、３状態のいずれかの状態を満足する走査速度と照射パワー密度とを選択して短軸方向に走査しながらアモルファスシリコン膜に照射する。これにより、レーザ照射領域に所望の溶融状態での結晶を形成させることができる。
【００６４】
このため、個々のレーザ光がラインビームに整形されるときの干渉ノイズの発生を抑え、ビームの均一性を向上させることができる。また、短焦点で焦点深度の小さい集光レンズを用いないため、焦点距離を一定にするオートフォーカス機構が不要な装置構成が可能である。そのため、大型ガラス基板への照射において、大型ガラス基板を装填した走査ステージの走行精度を維持しながら５００〜１０００ｍｍ/ｓの速度で移動する場合でも、走査ステージが大掛かりなものにはならない。また、走査速度及び照射パワー密度を安定照射条件内で設定し、その組み合わせをかえた場合でも結晶の溶融状態、結晶粒径の大きさ、及び粒径バラツキなどが再現でき、安定した表示装置性能を得ることができる。
【００６５】
これらにより、容易に、結晶化の溶融状態、結晶粒径及び粒径バラツキを所望の状態にしたポリシリコン膜を形成することができる。
【００６６】
また、走査速度及び照射パワー密度を変化させて、４＜Ｋ＜５を満たすようにレーザ光を照射することで、照射対象物が有機ＥＬ表示装置の場合に、部分溶融状態での結晶を形成させることができる。また、走査速度及び照射パワー密度を変化させて、Ｋ＞＝５を満たすようにレーザ光を照射することで、照射対象物が液晶表示装置の場合に、完全溶融状態での結晶を形成させることができる。このため、容易に、所望の溶融状態での結晶を形成させることができる。
【００６７】
以上、本発明に係るレーザ照射装置及びレーザ照射方法について、上記実施の形態を用いて説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。
【００６８】
例えば、本実施の形態では、レーザ光４０の波長５３２ｎｍの連続発振レーザ光を用いているが、波長３００ｎｍ〜９００ｎｍのレーザ光を用いてもよい。
【００６９】
また、本実施の形態では、レーザ光４０の長軸方向長さを３００μｍとしているが、長軸方向の長さを限定するものはない。レーザ発振器のパワーが許す限り長くすることができ、逆に１画素に存在するトランジスタ部分のみを照射できる長さであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明により、結晶粒径のバラツキが少ないシリコン膜や、結晶粒径が大きいシリコン膜が安定に得られこととなり、表示装置の種類、性能に適した薄膜半導体基板を得ることができる。その結果、液晶表示装置あるいは有機ＥＬ表示装置に代表される表示装置の製造装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１ レーザ照射装置
１０ レーザ発振器
２０ マルチモード光ファイバー
３０ 光学ユニット
３１ シリンドリカルレンズ
３２ シリンドリカルレンズ
３３ フィールドレンズ
３４ フィールドレンズ
３５ 絞り
３６ 縮小投影レンズ
３７ コリメータレンズ
３８ 集光レンズ
４０ レーザ光
５１ 可視光レーザ発振器
５２ 光ファイバー
５３ レーザ光
５４ 光学ユニット
５５ シリンドリカルレンズ
５６ ＤＯＥ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大型のガラス基板に形成されたアモルファスシリコン膜にレーザ光を照射して、結晶粒の結晶化を行うレーザ照射方法およびレーザ照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、液晶表示装置や有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）表示装置などの表示装置は、縦横同一又は異なるピッチに配列された薄膜トランジスタ（画素トランジスタ）のスイッチングにより、画像を映し出している。この薄膜トランジスタは、ガラスや溶融石英などの基板上のアモルファスシリコン膜がポリシリコン膜に結晶化されたものである。
【０００３】
そして、この基板上に薄膜トランジスタを形成するためには、ガラス基板にアモルファスシリコン膜を形成した後、膜内部に存在する水素を熱処理して脱水素を行う。その後、アモルファスシリコン膜にエキシマレーザを照射することにより、アモルファスシリコン膜をポリシリコン膜にする結晶化が行われている。この結晶化により、結晶内を移動できる電子の速度（移動度）が大きくなるため、薄膜トランジスタのスイッチング速度が速くなり、液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置などの表示装置の画像が鮮明に見える。
【０００４】
しかし、アモルファスシリコン膜を完全に溶融させると、結晶粒径が大きくなり、その結果、移動度も大きくなる。その反面、アモルファスシリコン膜を完全に溶融させると、結晶粒径のバラツキが大きくなり、移動度のバラツキが大きくなる。さらに、エキシマレーザの照射により得られるポリシリコン膜は、レーザ１ショット毎のバラツキの影響を受け、結晶粒径のバラツキが大きい。そのため、エキシマレーザの照射により得られるポリシリコン膜は、移動度のバラツキ、画質ムラなどの表示装置の性能劣化が生じ易い。
【０００５】
そのため、結晶粒径のバラツキを低減するために、レーザ発振器から発振するレーザ光として、固体レーザの第２高調波を使った連続波レーザを用いて完全溶融させて結晶化する方法や、連続波レーザを用いて部分溶融させて結晶粒径のバラツキを低減させる方法が提案されている。完全溶融させる方法での連続波レーザは、パルスレーザでなくＹＡＧ、ＹＬＦ、ＹＶＯ４レーザなどが用いられる。また、大型ガラス基板に対して全面にバラツキが少ないレーザ光が照射されるように、複数のレーザ発振器を光ファイバーで伝送し、夫々のレーザ光を光学系で長尺ビームに整形し結晶化を行う方法も提案されている。
【０００６】
図８Ａは、特許文献１に記載された従来のレーザ照射装置が備える長軸方向にビーム整形する光学系構成を示す図である。図８Ｂは、当該従来のレーザ照射装置が備える短軸方向に整形する光学系の構成を示す図である。
【０００７】
図８Ａに示すように、レーザ光５３は、可視光連続発振レーザ光を発振する可視光レーザ発振器５１から発振された後、光ファイバー５２により伝送され、ビーム整形を行う光学ユニット５４で結合される。光学ユニット５４は、長軸方向のみを平行光線にするシリンドリカルレンズ５５と、平行光線をトップハット形状に整形するＤＯＥ５６（回折光学素子）とから構成されている。また、図８Ｂは、短軸方向のビーム整形を示す。光ファイバー５２から発したレーザ光５３は、ＤＯＥ５６により集光点に集められる。
【０００８】
また、図９は、図８Ａに示された従来のレーザ照射装置により整形された長軸方向のビーム形状を示す図である。図１０は、図８Ｂに示された従来のレーザ照射装置により整形された横軸方向のビーム形状を示す図である。図９及び図１０において、横軸はビーム長さを示し、縦軸は照射パワー密度を示している。
【０００９】
図８Ａの構成によるビーム整形方法は、例えば複数の可視光レーザ発振器５１のレーザ光を夫々に光ファイバー５２に入光させ、夫々のレーザ光５３を重ね合わせることなくシリンドリカルレンズ５５及びＤＯＥ５６によって整形し、照射面でこれらの個々に整形され、ライン上に配列されたラインビームで照射する方法である。そのため、図９に示すように、整形された各レーザ光５３の裾野部だけが重なり合う。また、特許文献１においては、使用される光ファイバー５２は、シングルモード光ファイバーが用いられる。
【００１０】
一方、特許文献２では、連続波を使ってパワー変動の影響が少なく安定で高スループットが得られる照射パワー密度条件範囲の広いレーザ照射方法が提案されている。
【００１１】
特許文献２の方法は、ラインビームの短軸ビーム幅を２〜１０μｍに集光し、走査速度が５００〜１０００ｍｍ／ｓにすることで、レーザ照射領域に良好な結晶化を行うことができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１０−１１８４０９号公報
【特許文献２】特開２００５−２１７２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上記従来の技術では、個々のレーザ発振器から発するレーザ光が重畳することなくライン状に配列されているため、個々のレーザパワーのバラツキが例えば±１％であるとすれば、整形されたライン状のビームの均一性にもまた±１％のバラツキが生じる。その結果、ラインビームに整形された場合、その均一性の時間的な照射パワー密度の変化を±１％以下に抑えることができないことになる。
【００１４】
また、レーザ発振器がシングルモード発振している場合や光ファイバーがシングルモードで伝送されている場合に、夫々のレーザ発振器、夫々の光ファイバーからのレーザ光は重なり合うと非常に干渉を起こし易い。上記従来の技術の場合、個々のレーザ光がラインビームに整形されるときに個々のビームの裾野部のみで重なり合うため、この部分に干渉が生じ、干渉ノイズ（スペックル）が発生し、ラインビームの均一性（空間分布）を更に劣化させる可能性があるという問題を有している。
【００１５】
一方、パワー変動の少ない安定なレーザ照射を行う方法としての上記従来の技術では、短軸の集光径を２〜１０μｍに集光し、走査速度を５００〜１０００ｍｍ／ｓでレーザ照射する。この方法では、集光径を２〜１０μｍに集光するために、例えば顕微鏡の対物レンズが使用されている。つまり、短焦点で焦点深度の小さい集光レンズを用いる必要があるため、焦点距離を一定にするオートフォーカス機構を有し装置構成が複雑となる。そのため、大型ガラス基板への照射になると、大型ガラス基板を装填した走査ステージの走行精度を維持しながら５００〜１０００ｍｍ／ｓの速度で移動するため、走査ステージも大掛かりとなるという問題を有している。
【００１６】
また、走査速度及び照射パワー密度を安定照射条件内で設定しても、その組み合わせにより結晶の溶融状態、結晶粒径の大きさ、粒径バラツキなどが異なり、照射条件を変えた時には、表示装置の性能との相関を調査し、確認する必要があるなどの多大な労力を有するという問題を有している。
【００１７】
本発明の目的は、上記従来の技術の問題点を解決するものであって、容易に、結晶化の溶融状態、結晶粒径及び粒径バラツキを所望の状態にしたシリコン膜を形成することができるレーザ照射方法およびレーザ照射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明の一態様にかかるレーザ照射方法は、複数のレーザ光を発振させるレーザ発振ステップと、前記複数のレーザ光を重畳して整形するビーム整形ステップと、整形された前記レーザ光を走査しながら照射対象物のアモルファスシリコン膜に照射することで、ポリシリコン膜に結晶化させる照射ステップとを含み、前記照射ステップは、前記アモルファスシリコン膜に対し、走査速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）と照射パワー密度Ｐ（ＫＷ／ｃｍ2）との関係をＫ＝Ｐ／√Ｖとした場合に、Ｋ＞４の条件を満たすことを特徴とする。
【００１９】
また、上記目的を達成するために、本発明の一態様にかかるレーザ照射方法は、複数のレーザ光を発振させるレーザ発振ステップと、前記複数のレーザ光を重畳して整形するビーム整形ステップと、整形された前記レーザ光を走査しながら照射対象物のアモルファスシリコン膜に照射する照射ステップとを含み、前記照射ステップは、前記アモルファスシリコン膜に対し、走査速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）と照射パワー密度Ｐ（ＫＷ／ｃｍ2）との関係をＫ＝Ｐ／√Ｖとした場合に、Ｋ＜＝４の条件を満たすことを特徴とする。
【００２０】
また、上記目的を達成するために、本発明の一態様にかかるレーザ照射装置は、複数のレーザ光を発振させるレーザ発振器と、前記複数のレーザ光を重畳して整形するビーム整形器と、整形された前記レーザ光を走査しながら照射対象物のアモルファスシリコン膜に照射することで、ポリシリコン膜に結晶化させる照射手段と、前記照射手段を、前記アモルファスシリコン膜に対し、走査速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）と照射パワー密度Ｐ（ＫＷ／ｃｍ2）との関係をＫ＝Ｐ／√Ｖとした場合に、Ｋ＞４の条件を満たすように制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明にかかるレーザ照射方法およびレーザ照射装置によれば、容易に、結晶化の溶融状態、結晶粒径及び粒径バラツキを所望の状態にしたシリコン膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１Ａ】本実施の形態におけるレーザ照射装置１の構成を示す図
【図１Ｂ】本実施の形態におけるレーザ照射装置１の構成を示す図
【図２】本発明の実施の形態におけるレーザ照射方法を説明するフローチャート
【図３】本実施の形態における光学ユニット３０により整形されたビーム形状を模式的に示す図
【図４】本実施の形態における光学ユニット３０により整形されたビーム形状を模式的に示す図
【図５Ａ】整形ビームの走査速度２００ｍｍ／ｓ、照射パワー密度５０ＫＷ／ｃｍ2とした場合の照射状態を示す図
【図５Ｂ】整形ビームの走査速度２００ｍｍ／ｓ、照射パワー密度６０ＫＷ／ｃｍ2とした場合の照射状態を示す図
【図５Ｃ】整形ビームの走査速度２００ｍｍ／ｓ、照射パワー密度８０ＫＷ／ｃｍ2とした場合の照射状態を示す図
【図６】走査速度と照射パワー密度とを変化させた場合の測定結果を示す図
【図７】Ｋ値と照射パワー密度との関係を示す図
【図８Ａ】従来のレーザ照射装置が備える長軸方向にビーム整形する光学系構成を示す図
【図８Ｂ】従来のレーザ照射装置が備える短軸方向にビーム整形する光学系構成を示す図
【図９】従来のレーザ照射装置により整形された長軸方向のビーム形状を示す図
【図１０】従来のレーザ照射装置により整形された短軸方向のビーム形状を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
【００２４】
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の実施の形態におけるレーザ照射装置１の構成を示す図である。具遺体的には、図１Ａは、本発明の一実施例であるレーザ照射装置１の長軸方向に整形する光学系の構成を示す図であり、図１Ｂは、当該レーザ照射装置１の短軸方向に整形する光学系の構成を示す図である。
【００２５】
また、図２は、本発明の実施の形態におけるレーザ照射方法を説明するフローチャートである。
【００２６】
図１Ａ及び図１Ｂに示すように、レーザ照射装置１は、複数のレーザ発振器１０（同図では、４つのレーザ発振器１０）と、複数のマルチモード光ファイバー２０（同図では、４つのマルチモード光ファイバー２０）と、光学ユニット３０とを備えている。
【００２７】
レーザ発振器１０のそれぞれは、マルチモードの連続波レーザ光を発振するレーザ発振器である。また、マルチモード光ファイバー２０は、レーザ発振器１０が発振したマルチモードの連続波レーザ光をそれぞれ伝送する光ファイバーである。また、光学ユニット３０は、複数のマルチモード光ファイバー２０のそれぞれから出射したレーザ光を重畳し、細長い形状に整形するビーム整形器である。
【００２８】
つまり、図２に示すように、マルチモード光ファイバー２０で結合された可視光連続発振レーザ光であるレーザ光４０は、レーザ発振器１０から発振（図２のＳ１０２）した後、マルチモード光ファイバー２０により伝送され（図２のＳ１０４）、ビーム整形を行う光学ユニット３０に結合される（図２のＳ１０６）。
【００２９】
また、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、光学ユニット３０は、シリンドリカルレンズ３１と、１対のシリンドリカルレンズ３２と、フィールドレンズ３３と、フィールドレンズ３４と、絞り３５と、縮小投影レンズ３６と、コリメータレンズ３７と、集光レンズ３８とを備えている。
【００３０】
つまり、夫々のマルチモード光ファイバー２０からのレーザ光４０は、長軸方向のみを平行光線にするシリンドリカルレンズ３１、および１対のシリンドリカルレンズ３２により平行光線化されて均一化され、フィールドレンズ３３により後方のフィールドレンズ３４上で重ね合わされて平均化される。その後、レーザ光４０は、ほぼ平行光のまま絞り３５により長軸方向のビーム長さが調整され、縮小投影レンズ３６により絞り３５位置での寸法が縮小されて、照射対象物の加工面上に結像される（図２のＳ１０６）。
【００３１】
この光学系は、一般的にケーラー照明と呼ばれる。マルチモードのレーザ発振器１０、マルチモード光ファイバー２０でレーザ光の可干渉性を少なくし、さらに１対のシリンドリカルレンズ３２、フィールドレンズ３４によりレーザ光４０を重畳させることで、可干渉性を減少させるほか、レーザ出力の安定性、長軸ビームの均一性を向上させることができる。
【００３２】
一方、図１Ｂに示す短軸方向の整形光学系では、マルチモード光ファイバー２０からのレーザ光４０は、コリメータレンズ３７により平行光線にされた後、集光レンズ３８により図１Ａの絞り３５位置で結像され、その後、縮小投影レンズ３６により照射面上に集光される。
【００３３】
ここで、照射されるレーザ光４０の短軸方向の長さは、３０μｍ以上である。マルチモード光ファイバー２０の径を例えば１００μｍとすると、コリメータレンズ３７と集光レンズ３８との結像比を１：１として、絞り３５位置での集光径を１００μｍに結像した場合の縮小投影レンズ３６の縮小率は３〜４となり、レーザ光４０の短軸方向の長さを約３０μｍ以上のビーム径にすることが可能である。このような短軸方向の構成を、一般的にクリティカル照明と呼ぶ。
【００３４】
図３及び図４は、本実施の形態における光学ユニット３０により整形されたビーム形状を模式的に示す図である。具体的には、図１Ａの構成で図３のような長軸方向のビーム形状に整形され、図１Ｂの構成で図４のような短軸方向のビーム形状に整形される。
【００３５】
図３及び図４の横軸はビーム長さ、縦軸は照射パワー密度を表す。ビーム長さの定義としては、長軸方向では、最大値を１００％とした場合の９５％のパワー値でのビーム長さとし、短軸方向では、最大値を１００％とした場合の５０％のパワー値でのビーム長さとする。
【００３６】
また、照射パワー密度（エネルギ密度）の算出は、照射位置でのパワーを短軸、長軸のビーム長さで割ったものであり、以下のように表される。
【００３７】
照射パワー密度（Ｗ／ｃｍ2）＝（照射面パワーＷ）/（短軸ビーム長さｃｍ×長軸ビーム長さｃｍ）
【００３８】
光学ユニット３０で整形された場合、長軸方向の照射パワー密度のバラツキは、約±３％程度にすることができる。
【００３９】
一方、一般的なマルチモードのレーザ発振器１０は、時間的にパワーが±１％ほどバラツキをもつ。しかし、図１Ａ及び図１Ｂに示した光学系の構成では、例えば４つのマルチモードのレーザ発振器１０が使用された場合、整形されたレーザ光でのパワー変動Ｗは統計学の中心極限定理から、以下の関係となる。
【００４０】
Ｗ＝±１％／√４＝±０．５％
【００４１】
使用されるレーザ発振器が多ければ多いほど重畳され、その分パワー変動は小さくなり、パワーのバラツキが空間的、時間的に変動の少ない状態で照射することができる。
【００４２】
次に、図２に示すように、レーザ照射装置１は、レーザ光を照射し、レーザ照射領域に所定の溶融状態での結晶を形成する（図２のＳ１０８）。以下に、このレーザ照射装置１が所定の溶融状態での結晶を形成する処理について、詳述する。
【００４３】
まず、波長５３２ｎｍの連続波レーザを照射し、ガラス基板上に絶縁膜を介して約５０ｎｍの膜厚で形成したアモルファスシリコン膜に、整形ビームの短軸方向の寸法を約３０μｍ、長軸方向のビーム長さを３００μｍとし、走査速度及び照射パワー密度を変化させて結晶化実験を行った結果について説明する。
【００４４】
まず、走査速度を２００ｍｍ／ｓで一定とし、照射パワー密度を５０ＫＷ／ｃｍ2に変化させた時の照射状態を図５Ａに示し、６０ＫＷ／ｃｍ2に変化させた時の照射状態を図５Ｂに示し、８０ＫＷ／ｃｍ2に変化させた時の照射状態を図５Ｃに示す。図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃの照射では、整形ビームの長軸方向の寸法は約３００μｍであり、短軸方向にビームを紙面上から下に向かって照射した加工状態を示したものである。
【００４５】
図５Ａにおいては、照射パワー密度が小さいため、照射跡はビームエッジ部（端部）で薄れている。この状態は、結晶化された部分が非常に少なく、不完全照射となっている。
【００４６】
図５Ｂにおいては、エッジ部が明確であり、巨視的観察からでは未照射部分はなくビーム全域に照射されている。この状態は、微視的に見ると、結晶は部分溶融（結晶、非結晶のアモルファスシリコン膜が混在している）状態である（図示せず）。
【００４７】
図５Ｃにおいては、エッジ部が明確であり、ビーム跡中央部には成長した結晶粒による凸凹が見られる。この状態での結晶は、微視的に完全溶融し、アモルファスシリコン膜がポリシリコン膜に結晶化した状態となっている（図示せず）。このように、照射パワー密度の違いにより、結晶の溶融状態、さらには結晶化の状態が異なったものになる。
【００４８】
図６は、図５Ａ〜図５Ｃに示した状態をさらに明確にするために、照射パワー密度及び走査速度を変化させ、測定点を増やした場合の測定結果を示す図である。照射パワー密度及び走査速度は、制御手段（図示せず）によってレーザ発振器１０等を制御することで、変化させている。
【００４９】
図６では、黒丸印が不完全照射状態を表しており、三角印が部分溶融状態を表しており、白丸印が完全溶融状態を表している。また、夫々２本の２点鎖線、点線、実線で囲まれた範囲がそれらの状態を満足する走査速度及び照射パワー密度を示した範囲になる。
【００５０】
図６において、例えば、点線で囲まれた領域が、部分溶融結晶が実現できた範囲である。点線領域より下の条件（走査速度を遅くする）では、レーザ光が照射された完全溶融状態であり、点線領域より上の条件では不完全照射となる。
【００５１】
また、図６において、白丸、実線で囲まれた領域が、完全溶融結晶が実現できる範囲である。この領域より左側（照射パワー密度が小さい）条件では、レーザ光が照射されるシリコン膜が非晶質の場合、多結晶化はするが、結晶粒の小さいアモルファスシリコン膜が残った状態、いわゆる微結晶状態（部分溶融状態）である。さらに照射パワー密度が小さい条件では、シリコン膜は溶融せず、非晶質のままである。発明者が実験を行った範囲では、各結晶化状態または溶融状態が行える照射パワー密度は、走査速度の増加と共に増加している。
【００５２】
しかし、図６のような表記方法では、不完全照射、部分溶融、完全溶融の何れの状態でも走査速度が増加するに従い、必要とする照射パワー密度は増加し、夫々の状態に結晶化が行える照射パワー密度範囲が広くなっているかどうかは判別しにくい。また、走査速度、照射パワー密度を安定照射条件内で設定しても、その組み合わせにより結晶の溶融状態、結晶粒径の大きさ、粒径バラツキなどが同じ状態になっているかも判別しにくい。
【００５３】
そこで、走査速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）と照射パワー密度Ｐ（ＫＷ／ｃｍ2）との関係を、走査速度ごとに図７に示す。図７において、縦軸はＫ値、横軸は照射パワー密度である。また、走査速度Ｖと、照射パワー密度Ｐと、Ｋ値との関係は、Ｋ＝Ｐ／√Ｖとした。
【００５４】
図７は、Ｋ値と照射パワー密度との関係を示す図であり、不完全照射、部分溶融、完全溶融の状態をＫ値により判別できることを説明する図である。
【００５５】
すなわち、Ｋ＜＝４の場合、照射後の結晶は、不完全照射のためアモルファスシリコンのままである。レーザ照射による結晶化はできていないが、例えばアモルファスシリコン膜に含まれる水素を取り除くために、レーザによる結晶化の前の熱処理として、この条件下でレーザ照射が行われる。その場合、脱水素熱処理をしない状態でレーザ照射によりＫ値を４以上の照射パワー密度で照射すると、急激な結晶化によりシリコン膜が突沸したようになる場合があり、この現象を防ぐためにも、Ｋ値で照射条件を管理することが必要である。
【００５６】
また、４＜Ｋ＜５の場合、部分溶融状態となり、結晶化はするが、結晶粒の小さいポリシリコンと非晶質のアモルファスシリコンとが混在した状態である（微結晶状態）。薄膜トランジスタに形成したときの電子の移動度は小さいものの、結晶粒径のバラツキが小さいため移動度のバラツキが小さく、表示装置にした時には色むらの少ない性能となる。そのため、性能として大きな移動度を必要としない場合、すなわち高速にスイッチングを行わなくても画素のＯＮとＯＦＦとの切り替えができる自発光式のＥＬ表示装置が照射対象物である場合には、４＜Ｋ＜５の条件のレーザ照射が適している。
【００５７】
また、Ｋ＞＝５の場合、完全溶融状態となり、アモルファスシリコン膜はポリシリコン膜となる。結晶粒径が大きく、そのため薄膜トランジスタに形成した場合の電子の移動度は大きく、高速にスイッチングできる。液晶の配向を変える速度が遅い液晶表示装置は、この状態を狙ったレーザ照射方法で、薄膜トランジスタを結晶粒径の大きく成長させた結晶により、電子の移動度を高める必要がある。これにより、高速に画素のＯＮ、ＯＦＦスイッチングを行い、切り替えを速くして、画質を鮮明に繰り出すことができる。そのため、Ｋ＞＝５の条件は、液晶表示装置が照射対象物である場合のレーザ照射に適している。
【００５８】
このように、レーザ照射装置１は、細長い形状に整形されたレーザ光を、レーザ光の長軸方向と交差する短軸方向に走査しながら、移動ステージ上に装填された基板に縦横同一又は異なるピッチに配列されたトランジスタを構成するアモルファスシリコン膜に照射することで、ポリシリコン膜に結晶化する照射手段を備えている。なお、当該照射手段は、レーザ照射装置１が備えるレーザ発振器１０、マルチモード光ファイバー２０及び光学ユニット３０が、それぞれの機能を発揮することによって実現される。
【００５９】
そして、レーザ照射装置１は、当該照射手段を、アモルファスシリコン膜に対し、走査速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）と照射パワー密度Ｐ（ＫＷ／ｃｍ2）との関係をＫ＝Ｐ／√Ｖとした場合に、Ｋ＜＝４、４＜Ｋ＜５、Ｋ＜５のいずれかの条件を満たすように制御する制御手段を備えている。
【００６０】
具体的には、当該制御手段は、照射対象物が有機ＥＬ表示装置である場合に、照射手段を４＜Ｋ＜５の条件を満たすことでアモルファスシリコン膜に部分溶融状態の結晶を形成するように制御する。また、制御手段は、照射対象物が液晶表示装置である場合に、照射手段をＫ＞＝５の条件を満たすことでアモルファスシリコン膜に完全溶融状態の結晶を形成するように制御する。また、制御手段は、照射手段をＫ＜＝４の条件を満たすことでアモルファスシリコン膜を結晶化させずに熱処理するように制御する。
【００６１】
以上のように、Ｋ値は、必要とする表示装置の種類、必要な移動度または結晶粒径に基づいて設定され、それを満足する照射パワー密度を設定すれば、同じ結晶溶融状態を再現できる。液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置の製造が混在するような製造装置にあっても、Ｋ値を変えることで夫々の表示装置の製造に対応できる。なお、一旦、照射パワー密度が設定されれば、走査速度はＫ値から一意的に決定される。
【００６２】
また、図７から、走査速度が大きくなると、その傾き（照射パワー密度に対するＫ値の変化量）が小さくなっていることが判る。つまり、高速にレーザ光を照射することで、照射パワー密度のバラツキの影響が出にくい安定した照射条件で照射を行うことができる。
【００６３】
このように、本実施の形態におけるレーザ照射装置及びレーザ照射方法によれば、細長い形状に整形されたレーザ光を、レーザ照射領域において目的とする溶融状態に応じて、３状態のいずれかの状態を満足する走査速度と照射パワー密度とを選択して短軸方向に走査しながらアモルファスシリコン膜に照射する。これにより、レーザ照射領域に所望の溶融状態での結晶を形成させることができる。
【００６４】
このため、個々のレーザ光がラインビームに整形されるときの干渉ノイズの発生を抑え、ビームの均一性を向上させることができる。また、短焦点で焦点深度の小さい集光レンズを用いないため、焦点距離を一定にするオートフォーカス機構が不要な装置構成が可能である。そのため、大型ガラス基板への照射において、大型ガラス基板を装填した走査ステージの走行精度を維持しながら５００〜１０００ｍｍ/ｓの速度で移動する場合でも、走査ステージが大掛かりなものにはならない。また、走査速度及び照射パワー密度を安定照射条件内で設定し、その組み合わせをかえた場合でも結晶の溶融状態、結晶粒径の大きさ、及び粒径バラツキなどが再現でき、安定した表示装置性能を得ることができる。
【００６５】
これらにより、容易に、結晶化の溶融状態、結晶粒径及び粒径バラツキを所望の状態にしたポリシリコン膜を形成することができる。
【００６６】
また、走査速度及び照射パワー密度を変化させて、４＜Ｋ＜５を満たすようにレーザ光を照射することで、照射対象物が有機ＥＬ表示装置の場合に、部分溶融状態での結晶を形成させることができる。また、走査速度及び照射パワー密度を変化させて、Ｋ＞＝５を満たすようにレーザ光を照射することで、照射対象物が液晶表示装置の場合に、完全溶融状態での結晶を形成させることができる。このため、容易に、所望の溶融状態での結晶を形成させることができる。
【００６７】
以上、本発明に係るレーザ照射装置及びレーザ照射方法について、上記実施の形態を用いて説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。
【００６８】
例えば、本実施の形態では、レーザ光４０の波長５３２ｎｍの連続発振レーザ光を用いているが、波長３００ｎｍ〜９００ｎｍのレーザ光を用いてもよい。
【００６９】
また、本実施の形態では、レーザ光４０の長軸方向長さを３００μｍとしているが、長軸方向の長さを限定するものはない。レーザ発振器のパワーが許す限り長くすることができ、逆に１画素に存在するトランジスタ部分のみを照射できる長さであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明により、結晶粒径のバラツキが少ないシリコン膜や、結晶粒径が大きいシリコン膜が安定に得られこととなり、表示装置の種類、性能に適した薄膜半導体基板を得ることができる。その結果、液晶表示装置あるいは有機ＥＬ表示装置に代表される表示装置の製造装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１ レーザ照射装置
１０ レーザ発振器
２０ マルチモード光ファイバー
３０ 光学ユニット
３１ シリンドリカルレンズ
３２ シリンドリカルレンズ
３３ フィールドレンズ
３４ フィールドレンズ
３５ 絞り
３６ 縮小投影レンズ
３７ コリメータレンズ
３８ 集光レンズ
４０ レーザ光
５１ 可視光レーザ発振器
５２ 光ファイバー
５３ レーザ光
５４ 光学ユニット
５５ シリンドリカルレンズ
５６ ＤＯＥ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のレーザ光を発振させるレーザ発振ステップと、
前記複数のレーザ光を重畳して整形するビーム整形ステップと、
整形された前記レーザ光を走査しながら照射対象物のアモルファスシリコン膜に照射することで、ポリシリコン膜に結晶化させる照射ステップとを含み、
前記照射ステップは、前記アモルファスシリコン膜に対し、走査速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）と照射パワー密度Ｐ（ＫＷ／ｃｍ2）との関係をＫ＝Ｐ／√Ｖとした場合に、Ｋ＞４の条件を満たす
レーザ照射方法。
【請求項２】
前記照射対象物が有機ＥＬ表示装置である場合に、前記照射ステップは、４＜Ｋ＜５の条件を満たす
請求項１に記載のレーザ照射方法。
【請求項３】
前記照射ステップは、４＜Ｋ＜５の条件を満たすことで前記アモルファスシリコン膜に部分溶融状態の結晶を形成する
請求項２に記載のレーザ照射方法。
【請求項４】
前記照射対象物が液晶表示装置である場合に、前記照射ステップは、Ｋ＞＝５の条件を満たす
請求項１に記載のレーザ照射方法。
【請求項５】
前記照射ステップは、Ｋ＞＝５の条件を満たすことで前記アモルファスシリコン膜に完全溶融状態の結晶を形成する
請求項４に記載のレーザ照射方法。
【請求項６】
複数のレーザ光を発振させるレーザ発振ステップと、
前記複数のレーザ光を重畳して整形するビーム整形ステップと、
整形された前記レーザ光を走査しながら照射対象物のアモルファスシリコン膜に照射する照射ステップとを含み、
前記照射ステップは、前記アモルファスシリコン膜に対し、走査速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）と照射パワー密度Ｐ（ＫＷ／ｃｍ2）との関係をＫ＝Ｐ／√Ｖとした場合に、Ｋ＜＝４の条件を満たす
レーザ照射方法。
【請求項７】
前記照射ステップは、Ｋ＜＝４の条件を満たすことで前記アモルファスシリコン膜を結晶化させずに熱処理する
請求項６に記載のレーザ照射方法。
【請求項８】
前記照射ステップでは、前記レーザ光の短軸方向の長さを３０μｍ以上として前記アモルファスシリコン膜に照射する
請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザ照射方法。
【請求項９】
複数のレーザ光を発振させるレーザ発振器と、
前記複数のレーザ光を重畳して整形するビーム整形器と、
整形された前記レーザ光を走査しながら照射対象物のアモルファスシリコン膜に照射することで、ポリシリコン膜に結晶化させる照射手段と、
前記照射手段を、前記アモルファスシリコン膜に対し、走査速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）と照射パワー密度Ｐ（ＫＷ／ｃｍ2）との関係をＫ＝Ｐ／√Ｖとした場合に、Ｋ＞４の条件を満たすように制御する制御手段と、を備えた
レーザ照射装置。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記照射対象物が有機ＥＬ表示装置である場合に、前記照射手段を４＜Ｋ＜５の条件を満たすように制御する
請求項９に記載のレーザ照射装置。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記照射対象物が液晶表示装置である場合に、前記照射手段をＫ＞＝５の条件を満たすように制御する
請求項９に記載のレーザ照射装置。
【請求項１】
複数のレーザ光を発振させるレーザ発振ステップと、
前記複数のレーザ光を重畳して整形するビーム整形ステップと、
整形された前記レーザ光を走査しながら照射対象物のアモルファスシリコン膜に照射することで、ポリシリコン膜に結晶化させる照射ステップとを含み、
前記照射ステップは、前記アモルファスシリコン膜に対し、走査速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）と照射パワー密度Ｐ（ＫＷ／ｃｍ2）との関係をＫ＝Ｐ／√Ｖとした場合に、Ｋ＞４の条件を満たす
レーザ照射方法。
【請求項２】
前記照射対象物が有機ＥＬ表示装置である場合に、前記照射ステップは、４＜Ｋ＜５の条件を満たす
請求項１に記載のレーザ照射方法。
【請求項３】
前記照射ステップは、４＜Ｋ＜５の条件を満たすことで前記アモルファスシリコン膜に部分溶融状態の結晶を形成する
請求項２に記載のレーザ照射方法。
【請求項４】
前記照射対象物が液晶表示装置である場合に、前記照射ステップは、Ｋ＞＝５の条件を満たす
請求項１に記載のレーザ照射方法。
【請求項５】
前記照射ステップは、Ｋ＞＝５の条件を満たすことで前記アモルファスシリコン膜に完全溶融状態の結晶を形成する
請求項４に記載のレーザ照射方法。
【請求項６】
複数のレーザ光を発振させるレーザ発振ステップと、
前記複数のレーザ光を重畳して整形するビーム整形ステップと、
整形された前記レーザ光を走査しながら照射対象物のアモルファスシリコン膜に照射する照射ステップとを含み、
前記照射ステップは、前記アモルファスシリコン膜に対し、走査速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）と照射パワー密度Ｐ（ＫＷ／ｃｍ2）との関係をＫ＝Ｐ／√Ｖとした場合に、Ｋ＜＝４の条件を満たす
レーザ照射方法。
【請求項７】
前記照射ステップは、Ｋ＜＝４の条件を満たすことで前記アモルファスシリコン膜を結晶化させずに熱処理する
請求項６に記載のレーザ照射方法。
【請求項８】
前記照射ステップでは、前記レーザ光の短軸方向の長さを３０μｍ以上として前記アモルファスシリコン膜に照射する
請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザ照射方法。
【請求項９】
複数のレーザ光を発振させるレーザ発振器と、
前記複数のレーザ光を重畳して整形するビーム整形器と、
整形された前記レーザ光を走査しながら照射対象物のアモルファスシリコン膜に照射することで、ポリシリコン膜に結晶化させる照射手段と、
前記照射手段を、前記アモルファスシリコン膜に対し、走査速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）と照射パワー密度Ｐ（ＫＷ／ｃｍ2）との関係をＫ＝Ｐ／√Ｖとした場合に、Ｋ＞４の条件を満たすように制御する制御手段と、を備えた
レーザ照射装置。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記照射対象物が有機ＥＬ表示装置である場合に、前記照射手段を４＜Ｋ＜５の条件を満たすように制御する
請求項９に記載のレーザ照射装置。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記照射対象物が液晶表示装置である場合に、前記照射手段をＫ＞＝５の条件を満たすように制御する
請求項９に記載のレーザ照射装置。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【公開番号】特開２０１２−１８２３９４（Ｐ２０１２−１８２３９４Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４５６９５（Ｐ２０１１−４５６９５）
【出願日】平成２３年３月２日（２０１１．３．２）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２日（２０１１．３．２）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]