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JP2004111670A - Laser device, laser irradiating method, semiconductor device, or manufacturing method thereof - Google Patents

Laser device, laser irradiating method, semiconductor device, or manufacturing method thereof Download PDF

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JP2004111670A
JP2004111670A JP2002272504A JP2002272504A JP2004111670A JP 2004111670 A JP2004111670 A JP 2004111670A JP 2002272504 A JP2002272504 A JP 2002272504A JP 2002272504 A JP2002272504 A JP 2002272504A JP 2004111670 A JP2004111670 A JP 2004111670A
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宮入 秀和
Akihisa Shimomura
下村 明久
Yoshie Takano
高野 圭恵
Masaki Furuyama
古山 将樹
Yasuyuki Arai
荒井 康行
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To stabilize energy of a laser beam. <P>SOLUTION: An optical system samples a part of the laser beam oscillated from an oscillator. A generating means uses a part of laser beam to generate the electric signal, containing the fluctuation in the energy of laser beam as data. A flow-rate adjusting means adjusts the flow rate of the gas in a discharge tube provided to the oscillator. A signal-processing part acquires the state of fluctuation of the laser beam energy, by applying an electrical signal with signal processing, and based on the acquired energy state, controls the flow-rate adjusting means to suppress fluctuations in the laser beam energy, for adjusting the flow rate of the gas. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ装置またはレーザ照射方法に係り、特に出力されるレーザ光のエネルギーを安定化させる機構を有するレーザ装置またはレーザ照射方法に関する。また該レーザ装置またはレーザ照射方法を用いて半導体膜を結晶化する工程を含む半導体装置の作製方法及び半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
レーザは、レーザ媒質によってガスレーザと固体レーザとに区分され、その種類は様々である。そしてレーザは、得られるレーザ光の波長、エネルギー、パルス特性などがレーザ媒質によって異なっており、レーザ光の性質に応じた用途の探索が行なわれてきた。各種のレーザのうち、YAGレーザ、COレーザ、エキシマレーザ等が最も多くの工業用のレーザ装置に利用されている。
【0003】
なかでもガスレーザであるエキシマレーザは強力な紫外光線であり、その波長はArFで0.193μm、XeFで0.351μmと短く、集光性に優れている。そのため、一般部品加工の他、マスクの成形などを含む半導体製造に代表されるような、μmレベルの超微細加工が要求される分野に適している。
【0004】
しかし、エキシマレーザやCOレーザに代表されるガスレーザは、一般的に発振器内のレーザ媒質であるガスの圧力に変動が生じやすく、また放電管内にレーザ媒質であるガスを循環させて発振を行なう場合、ガスの流量にも変動が生じやすい。そのため、発振器から出力されるレーザ光のエネルギーが安定に保たれにくく、被処理物への処理を均一に行なうことが難しいという欠点を有している。
【0005】
そこで従来では、出力されるレーザ光のエネルギーが安定化されるように、放電管内におけるレーザ媒質の圧力の変動を検出し、該変動を打ち消すような圧力の変動を発生させることで、レーザ媒質の圧力または流量の変動を抑える方法が提案されていた(例えば、特許文献1参照)。
【0006】
【特許文献1】
特開平07−038180号公報(第2−3頁、第3図)
【0007】
上記特許文献1では、レーザ媒質であるガスの流量の変動に伴う圧力変動を、ガス供給ダクトに設けられている圧力センサにおいて検出し、検出信号としてフィードバック制御ユニットに入力する。フィードバック制御ユニットでは該検出信号の位相を反転させる。そして波形発生器において位相が反転した検出信号に高速フーリエ変換(FFT)による周波数分析を施し、波形信号を得る。そして該波形信号を増幅した後、振動子に入力する。振動子は入力された増幅後の波形信号に従って、圧力センサが検出した圧力変動と同じ振幅で逆位相の圧力変動を発生させ、レーザ媒質の圧力の変動を打ち消す。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、レーザ光のエネルギーの変動は、必ずしも放電管内におけるレーザ媒質の圧力変動に一対一で対応しているとは限らない。例えば、放電管内におけるガスの圧力変動に加えて、エキシマレーザの励起回路に設けられたサイラトロンで生じたノイズの影響も受けている可能性もある。上記特許文献1に記載されている方法では、放電管内におけるガスの圧力変動をもとに補正をかけているので、ガス圧以外の要因によるエネルギーの変動を抑えることが難しいためいまいち正確さに欠けており、レーザ光のエネルギーの変動を抑えるのに限界がある。
【0009】
もともとエキシマレーザは、上記特許文献1に記載されているCOレーザに比べて、出力されるレーザ光のエネルギーの変動は小さい。しかしエキシマレーザは、集光性に優れているという点が評価されて微細加工に多用されているので、COレーザに比べてより高いレベルの安定性が求められている。よって上記方法のように、振動子を用いてレーザ媒質の圧力の変動を打ち消す方法だと、エキシマレーザの場合、出力されるレーザ光のエネルギーの安定化を十分なレベルまで達成することが難しい。
【0010】
レーザ光の出力が安定していないと、被処理物への処理を均一に行なうことが難しい。例えば、レーザ光の照射を用いた半導体膜の結晶化などでは、10%程度の微妙なエネルギーの変動によって結晶性に違いが生じると考えられる。
【0011】
そこで本発明者らは、パルス発振のエキシマレーザから出力されたレーザ光の一部をサンプリングして、そのエネルギーの変動を観察した。図9(A)に、時間に対するサンプリングされたレーザ光のエネルギーの値を示す。なおエキシマレーザの発振周波数は25Hzである。
【0012】
図9(A)に示したデータにFFTを施すことで得られたデータを、図9(B)に示す。図9(B)では、横軸は周波数、縦軸は振幅を示している。FFTを施したデータにおいて、周波数が0.24583Hzにおいて際立って高いピークが観測された。この周波数は、図9(A)において観測された、レーザ光のエネルギーの変動のうち、定周期のエネルギーの変動の周波数に相当する。
【0013】
なお、図9(A)において測定開始から20secまでの期間において、測定装置のディテクターの過渡応答のため、エネルギーの変動が他に比べて大きいが、この期間のデータのカットの有無に関わらず、FFT後のデータは同じである。
【0014】
上述したエネルギーの変動を有するレーザ光を、0.8mm/secでスキャンして半導体膜の結晶化を行なうと仮定すると、0.8/0.24583≒3.3mmの間隔で最もエネルギー密度が高いレーザ光が半導体膜に照射される計算になる。
【0015】
実際にエキシマレーザのレーザ光を照射し、結晶化を行なった半導体膜を上面からみた写真を、図10に示す。レーザ光はパルス発振のエキシマレーザを用い、発振周波数は25Hz、スキャン速度は0.8mm/secで照射を行なった。図10に示した半導体膜では、矢印で示すスキャン方向に対して垂直な方向に、結晶性の違いによって生ずる複数の横縞が視認される。この複数の横縞の間隔は3.4mmであり、供述の計算によって得られた値3.3mmとほぼ一致していることから、この横縞が、定周期のエネルギーの変動に起因するものであることが伺える。
【0016】
さらに図11に、結晶化後の半導体膜を上面からみた写真と、パルス発振のエキシマレーザから出力されたレーザ光の一部をサンプリングして、そのエネルギーの値を15階調の濃淡で表現できるように示した図とを、並べて示す。なお、図11におけるレーザ光の発振周波数は30Hz、スキャン速度は1.0mm/secであり、スキャン方向は矢印で示す通りである。なお、エネルギーの強弱を濃淡で示している部分において、スキャン開始時に一部連続して白く見える箇所があるが、これは測定器の過渡応答によるためである。
【0017】
図11から分かるように、結晶化後の半導体膜に、スキャン方向と垂直の方向において、結晶性の違いによって生ずる複数の横縞が生じている。また、サンプリングされた定周期のエネルギーの変動に起因する複数の横縞が、エネルギーの強弱を示す濃淡によって形成されている。そしてこれらの2つの横縞は、間隔が一致しており、したがって、半導体膜において観測された、結晶性の違いによって生ずる複数の横縞が、定周期のエネルギーの変動に起因するものであることが、図11からも伺える。
【0018】
このように、結晶性にばらつきがある半導体膜を用いて薄膜トランジスタ(TFT)を作製すると、そのオン電流が、半導体膜の場所によってばらついてしまう。そして、該TFTを発光素子への電流を制御するトランジスタとして用いている発光装置では、輝度の高い領域と低い領域が縞状に視認されるなどの問題が生じる。
【0019】
図12に、レーザ光による結晶化後の半導体膜の上面の写真と、該半導体膜を用いた発光装置に全白を表示させている状態の上面の写真とを示す。具体的に図12に示した発光装置は、結晶化後の半導体膜を用いて形成されたTFTと、該TFTにより供給される電流が制御されている発光素子とを有する画素が、画素部に複数設けられている。なお発光素子は、電場を加えることで発生するルミネッセンス(Electroluminescence)が得られる電界発光材料を用いている。
【0020】
図12では、結晶化後の半導体膜2000と、該半導体膜の対応する位置に、発光装置の画素部一部2001、2002、2003を、重ねて示す。なお、発光装置の画素部一部2001、2002、2003は、互いに表示する階調が異なっている。
【0021】
図12に示すように、発光装置の画素部の一部2002、2003では視認されにくいが、画素部の一部2001において横縞が視認されている。そしてこの横縞は、半導体膜の横縞と一致しており、レーザ光のエネルギーのばらつきが原因となり、発光装置の表示に横縞が表示されているのが確認できる。
【0022】
本発明は上述した問題に鑑み、レーザ光のエネルギーをより安定化させることができるレーザ装置、レーザ照射方法、半導体装置の作製方法の提供を課題とする。また該半導体装置の作製方法を用いて作製された半導体装置の提供を課題とする。
【0023】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、放電管内におけるレーザ媒質の圧力をモニターするのではなく、発振器から出力されたレーザ光を直接モニターすることで、より正確にレーザ光のエネルギーの変動の状態を把握することができ、よって得られるレーザ光のエネルギーをより安定化できるのではないかと考えた。
【0024】
本発明は、発振器から出力されたレーザ光の一部をサンプリングして該レーザ光のエネルギーの変動を把握する。そして把握されたエネルギーの変動のデータを用いて、放電管内のガス圧の変動を抑えるように制御する。
【0025】
具体的に本発明のレーザ装置が有する補正手段は、
▲1▼ 放電管内におけるレーザ媒質(ガス)の流量を調整する流量調整手段
▲2▼ 発振器から発振されたレーザ光の一部をサンプリングするための手段(光学系)
▲3▼ 光学系によりサンプリングされた一部のレーザ光を用いて、レーザ光のエネルギーの変動をデータとして含む電気信号を生成する手段(センサ)
▲5▼ 電気信号に信号処理を施すことでレーザ光のエネルギーの変動の状態を把握し、該把握されたエネルギーの状態をもとに、レーザ光のエネルギーの変動を抑えるように、ドライバで流量調整手段を制御してガスの流量を調整する手段(信号処理部)
を有している。
【0026】
また上記構成の他に、▲6▼ 流量調整手段の動作を制御する手段(ドライバ)を本発明の補正手段に含めるようにしてもよい。
【0027】
また本発明のレーザ装置が有する補正手段は、
▲1▼ 放電管内におけるレーザ媒質(ガス)の流量を調整する流量調整手段
▲2▼ 発振器から発振されたレーザ光の一部をサンプリングするための手段(光学系)
▲3▼ 光学系によりサンプリングされた一部のレーザ光を用いて、レーザ光のエネルギーの変動をデータとして含む第1の電気信号を生成する手段(レーザ光用センサ)
▲4▼ 放電管内におけるガスの圧力のを測定し、該圧力の値をデータとして含む第2の電気信号を生成する手段(ガス用センサ)
▲5▼ 第1の電気信号に信号処理を施すことでレーザ光のエネルギーの変動の状態を把握し、第2の電気信号に信号処理を施すことで放電管内における特定の箇所におけるガスの圧力を把握し、該把握されたエネルギーの状態及びガスの圧力をもとに、流量調整手段を用いてガスの流量の高低差を縮めるようにドライバを制御する手段(信号処理部)
を有している。
【0028】
また上記構成の他に、▲6▼ 流量調整手段の動作を制御する手段(ドライバ)を本発明の補正手段に含めるようにしてもよい。
【0029】
上記構成のように、レーザ光のエネルギーの変動をモニターすることで、レーザ光のエネルギーの状態をより正確に把握することができるので、従来のガス圧をモニターする方法よりも確実にレーザ光の変動を打ち消すことができ、より安定なエネルギーを有するレーザ光を得ることができる。より具体的には、周期的に発生するレーザ光のエネルギーの変動を抑えることができる。
【0030】
また上記レーザ装置を半導体膜の結晶化に用いることで、半導体膜の結晶性をより均一にすることができる。なお本発明の半導体装置の製造方法は、集積回路や半導体表示装置の作製方法に用いることができる。特に、液晶表示装置、有機発光素子に代表される発光素子を各画素に備えた発光装置、DMD(Digital Micromirror Device)、PDP(Plasma Display Panel)、FED(Field Emission Display)等の半導体表示装置の画素部に設けられたトランジスタ等の半導体素子に用いた場合、画素部において照射されたレーザ光のエネルギーの分布に起因する横縞が、視認されるのを抑えることができる。
【0031】
なお本発明はエキシマレーザやCOレーザだけではなく、他のガスレーザにも適用することができ、さらにガスレーザだけではなく固体レーザにも適用することができる。また発振方法もパルス発振だけに限定されず、連続発振のレーザ装置にも適用可能である。
【0032】
【発明の実施の形態】
図1(A)に、本実施の形態の補正手段101のブロック図を示す。図1(A)に示す補正手段101は、光学系102、レーザ光用センサ103、信号処理部104、圧電素子ドライバ105、圧電素子106、ガス用センサ107を有している。そして圧電素子106とガス用センサ107は、発振器100が有する放電管108内に設けられている。
【0033】
放電管108内にはレーザ媒質であるガスが充填されており、レーザ媒質を発振器内に設けられた放電管108において励起することで得られる光子が、同じく発振器内に設けられた光共振器によって共振させられる事で、レーザ光が得られる。
【0034】
本発明では、光学系102を用いて発振器100から発振されたレーザ光の一部をサンプリングし、レーザ光用センサ103に入射させる。レーザ光用センサ103では、入射した一部のレーザ光を電気信号に変換し、該電気信号を信号処理部104に入力する。
【0035】
レーザ光用センサ103は、レーザ光のエネルギーの変動をデータとして有する電気信号を生成することができるならば、どのような光電変換素子を用いても良い。例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタ、CCD(charge coupled device)等を用いることができる。
【0036】
図2に、サンプリングされたレーザ光の、エネルギーの変動をグラフに示す。パルス発振のエキシマレーザを用いており、横軸は時間(sec)を示し、縦軸は、全測定のエネルギーの平均値に対する、各測定点におけるエネルギーの相対的な比率(%)を示している。
【0037】
レーザ光の発振周波数は、図2(A)が10Hz、図2(B)が20Hz、図2(C)が30Hz、図2(D)が40Hz、図2(E)が50Hzである。
【0038】
信号処理部104において、レーザ光用センサ103において生成された電気信号の信号処理が行なわれ、レーザ光が有するエネルギーの変動のうち、定期的な周期の変動の解析が行なわれる。信号処理は、高速フーリエ変換に限らず様々な信号処理を用いることができる。最低限必要なのは、レーザ光のエネルギーの変動のうち、定周期の変動の周波数である。ここでは高速フーリエ変換を用いて信号処理を行った場合について説明する。
【0039】
高速フーリエ変換は、WaveMetrics,Inc.製の計算プログラムソフトウェアIGOR
Proを用いて、以下の式1に従い行なった。
【0040】
【式1】

Figure 2004111670
【0041】
高速フーリエ変換による周波数分析が行なわれると、最もピークの高い周波数とそのピークの高さを得ることができる。該周波数は、レーザ光が有するエネルギーの変動(定周期変動)に対応している。以下、該周波数を定周期周波数と呼ぶ。またそのピークの相対的な高さは、定周期変動の振幅に対応している。
【0042】
図3に、図2に示したデータに高速フーリエ変換を施した後のデータを示す。図3(A)は図2(A)に、図3(B)は図2(B)に、図3(C)は図2(C)に、図3(D)は図2(D)に、図3(E)は図2(E)に、それぞれ対応している。横軸は周波数(Hz)を示し、縦軸は振幅を示している。
【0043】
図3(A)〜図3(E)のそれぞれのグラフにおいて、1つだけ最も高いピークが観測されている。具体的に図3(A)では4.78Hz、図3(B)では4.78Hz、図3(C)では5.2275Hz、図3(D)では15.21Hz、図3(E)では24.8Hzにおいて最も高いピークが観測されている。該ピークの周波数が定周期周波数に相当する。
【0044】
ところで放電管内には、ガスを励起させる機能を有する主放電管が設けられている。レーザ光のエネルギーは、主放電管の陽極と陰極の間における、ガスのモル濃度に左右される。つまりガスの温度が一定だと仮定すると、主放電管内のガスの圧力に左右されるということになる。放電管108内のガスの圧力は基本的には一定であることが望ましいが、実際には放電管108内を循環しているガスの流量の変動に連動して変化する。本発明では、圧電素子106の振動で放電管108内のガスの流量の変動を調整することで、レーザ光のエネルギーを制御する。
【0045】
具体的に本発明では、圧電素子106がレーザ光の定周期周波数と同じ周波数でもって振動するように、信号処理部104において圧電素子ドライバ105を制御する。本実施の形態では、圧電素子106は放電管108内に設けられており、その振動によって放電管108内のガスの流量を調整することができる。
【0046】
図1(B)に放電管108内の断面図を示す。放電管108内にはレーザ媒質として用いるガスが充填されている。該ガスは、放電管108内を送風機110により循環している。送風機110から送られたガスは、主放電管111の陽極112と陰極113の間を通過した後、熱交換器114を通って、再び送風機110に戻るように循環している。熱交換器114は主放電管111で発生した熱を放熱させ、放電管108内のガスの温度を一定に保つ機能を有している。
【0047】
なお本実施の形態では、主放電管111の上流側と下流側に予備電離電極115を設け、紫外線で予備電離させる方式(紫外線予備電離方式)を用いているが、本発明のレーザ装置は紫外線予備電離方式に限定されず、例えばコロナ予備電離方式、X線予備電離方式などその他の予備電離方式を用いていても良いので、予備電離電極115は必ずしも設ける必要はない。
【0048】
圧電素子106は、送風機110の下流側で、なおかつ主放電管111の上流側に設けるのが望ましい。圧電素子ドライバ105から印加される電圧に従って、圧電素子106は振動する。圧電素子106が振動することで、送風機110によって起こるガスの流れに、圧電素子106の振動によって起こるガスの流れが加算され、結果的に主放電管111に流れるガスの流量が調節される。
【0049】
なお本実施の形態では、圧電素子106自身でガスの流れを起こしているが、圧電素子106の振動を圧電素子以外のものに伝達させる事で、間接的にガスの流れを起こすようにしても良い。この場合、圧電素子は必ずしも放電管108の内部に設ける必要がない。
【0050】
圧電素子106の振動のみによって起こされるガスの流量は、定周期振動と同じ周波数で、なおかつ逆の位相で変動するように調整する。
【0051】
なお本実施の形態では、ガス用センサ107を用いて、主放電管111近辺のガス圧の変動の状態をデータとして含む電気信号を生成し、信号処理部104に入力する。そして、信号処理部104において該電気信号にFFT等の信号処理を施すことで、主放電管111近辺のガスの圧力の変動の状態を把握し、該変動の高低差を縮めるように、圧電素子ドライバ105を用いて圧電素子106の振動の振幅、位相を調整する。ガス用センサ107は、主放電管111の上流側で、なおかつ圧電素子106の下流側であることが望ましい。
【0052】
図4(A)に、高速フーリエ変換から算出された、レーザ光のエネルギーの定周期変動の波形を示す。定周期周波数を1/Tとすると、定周期変動の周期はTで表される。Aはレーザ光の、定周期変動の振幅を表している。図4(A)に示した定周期変動の波形から生成される、圧電素子106の振動のみによって起こされるガスの流量の変動の波形を、図4(B)に示す。圧電素子106の振動のみによって起こされるガスの流量の変動の波形は、定周期変動の波形と同じ周期Tを有しており、その位相はT/2だけずれている。なおBは流量の振幅を示している。
【0053】
圧電素子106の振動のみによって起こされるガスの流量の振幅Bは、該流量が最大値を有するときに得られるレーザ光のエネルギーと、該流量が最小値を有するときに得られるレーザ光のエネルギーとがより近くなるように設定する。
【0054】
圧電素子106の振動によってエネルギーが調整されたレーザ光は、発振器100から出射される。上記補正手段によって、本発明のレーザ装置において、発振器100から出力されるレーザ光のエネルギーの変動を抑えることができる。より具体的には、レーザ光のエネルギーの定周期変動を抑えることができる。
【0055】
次に、位相の制御について詳しく説明する。
【0056】
図5(A)に、補正前のレーザ光の波形を破線で、補正後のレーザ光の波形を実線で示す。図5(A)では、エネルギーの定周期変動の位相と、圧電素子106の振動のみによって起こされるガスの流量の変動の位相とが丁度半周期分だけずれている場合を示している。ただし図5(A)では、定周期変動の波形を分かり易くするために、信号処理によって確認された定周期変動の波形のみを示す。図5(A)において、補正前のレーザ光の波形と、補正後のレーザ光の波形とが、同じ位相を有している。よって、圧電素子106の振動のみによって起こされるガスの流量の変動の位相は、レーザ光の定周期変動の位相と丁度T/2ずれてるように設定されていると考えられる。そして、レーザ光の振幅A’がより小さくなるように、流量の振幅を調整することで、レーザ光のエネルギーの安定性をより高めることができる。
【0057】
次に図5(B)に、位相のずれがT/2ではない場合の、補正前のレーザ光の波形を破線で、補正後のレーザ光の波形を実線で示す。ただし図5(A)と同様に、図5(B)でも、定周期変動の波形を分かり易くするために、信号処理によって確認された定周期変動の波形のみを示す。図5(B)において、補正前のレーザ光の波形と補正後のレーザ光の波形とが、同じ位相を有していない。よって、圧電素子106の振動のみによって起こされるガスの流量の変動の位相と、レーザ光の定周期変動の位相との差が、T/2ではないことが予測される。この場合、信号処理部において位相の調整を別途行なうことで、レーザ光の定周期変動を抑えるようにする。
【0058】
なお、振幅、位相の調整は、本実施の形態で示す方法に限定されない。振幅と位相を、発振器から出力されるレーザ光のエネルギーの定周期変動の最大値と最小値がより近づくように、レーザ光をモニターしながら調整するようにしても良い。この場合、必ずしもガス用センサ107を用いて、主放電管111近辺のガス圧の変動をモニターする必要はない。ガス圧以外の要因によってエネルギーが変動している場合もあるので位相差は必ずしもT/2であるとは限らない。よって、レーザ光をモニターしながら調整する方が適切な位相差を模索しやすく、ガス圧をモニターするよりも、より確実にレーザ光の変動を抑えることができる。
【0059】
なお、補正後のレーザ光のエネルギーまたは主放電管111近辺のガス圧をモニターすることで位相を調整することが可能であるが、位相の調整はこの構成に限定されない。例えば、発振器におけるレーザ光の発振と同期した信号を基準として、圧電素子106の振動の位相と、レーザ光のエネルギーの位相とを合わせるようにしても良い。具体的には、周波数及びレーザ光の変動との位相差が予め分かっている信号(基準信号)と、レーザ光の定周期周波数とから、その位相差を算出することで、位相を合わせることができる。
【0060】
また、上記補正手段に、信号処理部で定められた圧電素子の振動の周波数及び振幅に関する情報をメモリ等に記憶しておき、次回改めて圧電素子の振動の周波数及び振幅を調整する手間を省くようにしても良い。
【0061】
なお、本実施の形態では流量調整手段として圧電素子を用いているが、本発明はこれに限定されない。放電管内におけるガスの流量を調整することができる手段であるならば、本発明において流量調整手段として用いることが可能である。例えば、放電管内にガスを供給する電磁弁と、放電管内のガスを排気する電磁弁とを設けておき、これら2つの電磁弁の開放によってガスの流量を調整するようにしても良い。
【0062】
また、周期性のないエネルギーの変動であっても、モニターした結果を即レーザ光にフィードバックできるような速度でガスの流量を調整できるのであれば、周期性のない変動でも抑えることができる。
【0063】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【0064】
(実施例1)
レーザ光のエネルギーの定周期変動は、発振器の発振周波数によって異なる。本実施例では、エキシマレーザの発振器から発せられるレーザ光の発振周波数と、定周期変動の周波数の関係について説明する。
【0065】
図6に、レーザ光の発振周波数(Hz)と、フーリエ変換によって得られる最も高いピークの周波数(Hz)の関係を示す。横軸が発振周波数(Hz)であり、縦軸がフーリエ変換後のピーク位置(Hz)を示している。なお各測定は測定した日にちが異なっているが、発振周波数以外の測定条件は同じである。
【0066】
フーリエ変換によって得られる最も高いピークの周波数は、レーザ光のエネルギーの定周期変動の周波数を意味している。定周期変動の周波数は、段階的に増減を繰り返している。具体的には、定周期変動の周波数は、発振周波数が約3Hz、12Hz、25Hzのときに極小値を有し、約3Hz、10Hz、22Hzのときに極大値を有している。そして、発振周波数が約25Hzを超えた後は、増加し続けている。
【0067】
図6に示したように、用いるレーザ光の発振周波数と定周期変動の周波数との関係を予め調べることで、実際に被処理物へのレーザ光の照射を行なう際に最適な条件を模索するのに役立てることができる。例えば、定周期変動の周波数が高くなる条件を選ぶことで、定周期変動によって発生する半導体膜の横縞の間隔を視認されない程度に短くすることができる。また逆に、定周期変動の周波数が低くなる条件を選ぶことで、定周期変動によって発生する半導体膜の横縞の間隔を長くし、照射領域内に横縞が現れないようにすることも可能である。
【0068】
図6のデータをもとに、半導体膜の結晶化に用いる標準的なレーザ光の照射条件(発振周波数が30Hz、スキャン速度1.0mm/sec)のときと同じショット数(約13ショット)が得られるようにレーザ光を照射したときの、各発振周波数において生じると予測される横縞の間隔を計算する。具体的には、以下の式2から計算する。
【0069】
【式2】
Figure 2004111670
d(ω):横縞の間隔周期
ω:発振周波数
ω:標準的な照射条件における発振周波数(=30Hz)
ν:標準的な照射条件における基板スキャン速度(=1.0mm/sec)
T(ω):定周期変動の周波数
【0070】
式2から計算された、発振周波数に対する横縞の周期の関係を図7に示す。発振周波数ω=25Hzに特徴的なピークが現れ、25Hzでの横縞は約3.9mm間隔であると予測された。それ以外の発振周波数では、約60〜約500μm間隔となった。なお、25Hzにおける基板スキャン速度の想定値は、ショット数を標準条件(30Hz、1.0mm/sec)に合わせこむと、0.833mm/secとなる。
【0071】
(実施例2)
本実施例では、実施の形態に示した本発明のレーザ装置の一実施例について説明する。
【0072】
図8に本実施例のレーザ装置の構成を示す。発振器1500から発振されたレーザ光は、光学系1501においてその一部がサンプリングされる。サンプリングされたレーザ光はレーザ光用センサ1502に入射する。
【0073】
一方、サンプリングされたレーザ光以外の残りのレーザ光は、ビームエキスパンダー1503に入射する。なお本実施例では、発振器1500とビームエキスパンダー1503の間の光路中に、レーザ光を遮るシャッター1504が設けられているが、必ずしも設ける必要はない。
【0074】
そして、ビームエキスパンダー1503によって、入射してきたレーザ光の広がりを抑え、なおかつ、ビームスポットの大きさを調整することができる。
【0075】
ビームエキスパンダー1503から出射したレーザ光は、ビームホモジナイザー1505において、ビームスポットの形状が矩形状、楕円状または線状になるように集光される。そして、該集光されたレーザ光は、ミラー1506において反射し、レンズ1507に入射する。入射したレーザ光はレンズ1507によって再び集光され、半導体膜が成膜された基板1508に照射される。本実施例ではレンズ1507としてシリンドリカルレンズを用いた。
【0076】
基板1508はステージ1509上に載置されており、該ステージ1509は3つの位置制御手段(ドライバ)1510〜1512によってその位置が制御されている。具体的には、φ方向位置制御手段1510により、水平面内においてステージ1509を回転させることができる。また、X方向位置制御手段1511により、水平面内においてステージ1509をX方向に移動させることができる。また、Y方向位置制御手段1512により、水平面内においてステージ1509をY方向に移動させることができる。各位置制御手段の動作は、中央処理装置1519において制御されている。
【0077】
上述した3つの位置制御手段の動作を制御することで、基板1508においてレーザ光が照射される位置を制御することができる。
【0078】
一方、レーザ光用センサ1502では、サンプリングされたレーザ光を電気信号に変換し、信号処理部1513に入力する。該電気信号は、レーザ光のエネルギーの変動の状態をデータとして有している。そして、信号処理部1513における信号処理によって該データの解析が行なわれ、レーザ光のエネルギーの変動の状態が把握される。
【0079】
また発振器1500から、レーザ光の発信に同期した基準信号が信号処理部1513に入力される。信号処理部1513では、把握された変動の状態、基準信号等を用いて、発振器1500内に設けられた放電管におけるガスの流量を調整する。
【0080】
なお、本発明の補正手段には、光学系1501、センサ1502、信号処理部1513と、放電管内に設けられたガスの流量を調整する手段が含まれる。
【0081】
また本実施例のように、CCD等の受光素子を用いたモニター1514を設け、基板の位置を正確に把握できるようにしても良い。
【0082】
なおレーザ光のスキャンの方法は、被処理物を固定してレーザ光の照射位置を移動させる照射系移動型と、レーザ光の照射位置は固定して被処理物を移動させる被処理物移動型と、上記2つの方法を組み合わせた方法とがある。
【0083】
図8に示したレーザ装置は、被処理物移動型であるが、本発明はこれに限定されない。照射系移動型のレーザ装置や、被処理物移動型と照射系移動型を組み合わせたレーザ装置にも用いることができる。レーザ光の照射は、半導体膜におけるレーザ光のビームスポットが、走査方向において重なるように照射する。
【0084】
本実施例は、実施例1と組み合わせて実施することが可能である。
【0085】
【発明の効果】
本発明では、レーザ光のエネルギーの変動をモニターすることで、レーザ光のエネルギーの制御を精密に行なうことができるので、従来のガス圧をモニターする方法よりも確実にレーザ光の変動を打ち消すことができ、より安定なエネルギーを有するレーザ光を得ることができる。より具体的には、周期的に発生するレーザ光のエネルギーの変動を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】補正手段の構成を示すブロック図。
【図2】発振周波数ごとのエネルギーの実測値を示すグラフ。
【図3】発振周波数ごとのエネルギーの実測値のFFT後のデータを示すグラフ。
【図4】エネルギーの定周期変動と、流量の変動を示す図。
【図5】レーザ光のエネルギーの変動を示す図。
【図6】発振周波数と、フーリエ変換後の周波数のピーク位置の関係を示すグラフ。
【図7】ショット数を標準に合わせたときの、発振周波数と横縞の間隔との関係を示す図。
【図8】本発明のレーザ装置の構成を示す図。
【図9】時間に対するレーザ光のエネルギーの値と、FFT後のデータ。
【図10】エキシマレーザのレーザ光を照射し、結晶化を行なった半導体膜を上面からみた写真。
【図11】結晶化後の半導体膜を上面からみた写真と、レーザ光のエネルギーの値を濃淡で示した図。
【図12】結晶化後の半導体膜を上面からみた写真と、該半導体膜を用いて形成された発光装置の画素部の写真。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser device or a laser irradiation method, and particularly to a laser device or a laser irradiation method having a mechanism for stabilizing the energy of an output laser beam. In addition, the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device including a step of crystallizing a semiconductor film using the laser device or the laser irradiation method, and a semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
Lasers are classified into gas lasers and solid-state lasers according to the laser medium, and the types are various. Lasers have different wavelengths, energies, pulse characteristics, and the like of the obtained laser light depending on the laser medium, and applications for the properties of the laser light have been searched for. Among various lasers, YAG laser, CO 2 Lasers, excimer lasers, and the like are used in most industrial laser devices.
[0003]
Among them, an excimer laser, which is a gas laser, is a powerful ultraviolet ray, and its wavelength is as short as 0.193 μm for ArF and 0.351 μm for XeF, and is excellent in condensing property. Therefore, it is suitable for fields requiring ultra-fine processing at the μm level, as represented by semiconductor manufacturing including mask molding and the like, in addition to general component processing.
[0004]
However, excimer laser and CO 2 In general, a gas laser typified by a laser tends to fluctuate in pressure of a gas serving as a laser medium in an oscillator. Fluctuation is likely to occur. Therefore, there is a disadvantage that the energy of the laser beam output from the oscillator is hardly kept stable, and it is difficult to uniformly process the object.
[0005]
Therefore, conventionally, the fluctuation of the pressure of the laser medium in the discharge tube is detected so as to stabilize the energy of the output laser light, and the fluctuation of the pressure is generated so as to cancel the fluctuation. A method for suppressing fluctuations in pressure or flow rate has been proposed (for example, see Patent Document 1).
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-07-038180 (page 2-3, FIG. 3)
[0007]
In Patent Literature 1, a pressure change caused by a change in the flow rate of a gas as a laser medium is detected by a pressure sensor provided in a gas supply duct, and is input to a feedback control unit as a detection signal. The feedback control unit inverts the phase of the detection signal. Then, the waveform generator performs a frequency analysis by a fast Fourier transform (FFT) on the detection signal having the inverted phase to obtain a waveform signal. Then, after amplifying the waveform signal, it is input to the vibrator. The vibrator generates a pressure fluctuation having the same amplitude as the pressure fluctuation detected by the pressure sensor and an opposite phase according to the input amplified waveform signal, thereby canceling the fluctuation of the pressure of the laser medium.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the fluctuation of the energy of the laser beam does not always correspond one-to-one to the fluctuation of the pressure of the laser medium in the discharge tube. For example, in addition to the pressure fluctuation of the gas in the discharge tube, it may be affected by noise generated by a thyratron provided in an excimer laser excitation circuit. In the method described in Patent Document 1, since the correction is performed based on the gas pressure fluctuation in the discharge tube, it is difficult to suppress the energy fluctuation due to factors other than the gas pressure, so that the accuracy is poor. Therefore, there is a limit in suppressing the fluctuation of the energy of the laser beam.
[0009]
Originally, an excimer laser is a CO2 laser described in Patent Document 1 described above. 2 The fluctuation of the energy of the output laser light is smaller than that of the laser. However, excimer lasers are widely used for micromachining because of their excellent light-collecting properties, so CO2 2 A higher level of stability is required compared to lasers. Therefore, in the case of using the vibrator to cancel the fluctuation of the pressure of the laser medium as in the above method, in the case of an excimer laser, it is difficult to stabilize the energy of the output laser light to a sufficient level.
[0010]
If the output of the laser beam is not stable, it is difficult to uniformly process the object. For example, in crystallization of a semiconductor film using laser light irradiation, a slight change in energy of about 10% is considered to cause a difference in crystallinity.
[0011]
Therefore, the present inventors sampled a part of the laser light output from the pulse oscillation excimer laser, and observed the energy fluctuation. FIG. 9A shows the value of the energy of the sampled laser light with respect to time. The oscillation frequency of the excimer laser is 25 Hz.
[0012]
FIG. 9B shows data obtained by performing FFT on the data shown in FIG. 9A. In FIG. 9B, the horizontal axis represents frequency, and the vertical axis represents amplitude. In the data subjected to FFT, a remarkably high peak was observed at a frequency of 0.24583 Hz. This frequency corresponds to the frequency of the periodic energy fluctuation among the laser light energy fluctuations observed in FIG.
[0013]
Note that in FIG. 9A, during the period from the start of measurement to 20 sec, the energy fluctuation is larger than the other due to the transient response of the detector of the measuring apparatus. The data after FFT is the same.
[0014]
Assuming that the semiconductor film is crystallized by scanning the laser beam having the above-described energy fluctuation at 0.8 mm / sec, the energy density is highest at an interval of 0.8 / 0.24583 ≒ 3.3 mm. This is a calculation in which laser light is applied to the semiconductor film.
[0015]
FIG. 10 shows a photograph of the semiconductor film actually crystallized by excimer laser irradiation and viewed from above. The laser beam used was a pulsed excimer laser, and the irradiation was performed at an oscillation frequency of 25 Hz and a scan speed of 0.8 mm / sec. In the semiconductor film shown in FIG. 10, a plurality of horizontal stripes caused by a difference in crystallinity are visually recognized in a direction perpendicular to a scan direction indicated by an arrow. Since the interval between the plurality of horizontal stripes is 3.4 mm, which substantially coincides with the value 3.3 mm obtained by the above-mentioned calculation, the horizontal stripes are caused by the periodic fluctuation of energy. Can be heard.
[0016]
Further, FIG. 11 shows a photograph of the semiconductor film after crystallization viewed from above and a part of the laser light output from the pulse oscillation excimer laser, and the energy value can be expressed in 15 gradations. Are shown side by side. Note that the oscillation frequency of the laser beam in FIG. 11 is 30 Hz, the scan speed is 1.0 mm / sec, and the scan direction is as indicated by the arrow. It should be noted that in the portion where the intensity of the energy is indicated by shading, there is a portion that looks white continuously at the start of scanning, which is due to the transient response of the measuring instrument.
[0017]
As can be seen from FIG. 11, a plurality of horizontal stripes are generated in the semiconductor film after crystallization in a direction perpendicular to the scanning direction due to a difference in crystallinity. In addition, a plurality of horizontal stripes due to fluctuations in the energy of the sampled periodic cycle are formed by shading indicating the strength of the energy. These two horizontal stripes have the same interval, and therefore, a plurality of horizontal stripes observed in the semiconductor film and caused by a difference in crystallinity are caused by periodic energy fluctuations. As can be seen from FIG.
[0018]
As described above, when a thin film transistor (TFT) is manufactured using a semiconductor film having a variation in crystallinity, the on-current varies depending on the location of the semiconductor film. In a light-emitting device in which the TFT is used as a transistor for controlling current to a light-emitting element, a problem occurs in that a high-luminance region and a low-luminance region are visually recognized as stripes.
[0019]
FIG. 12 shows a photograph of an upper surface of a semiconductor film after crystallization by laser light and a photograph of an upper surface in a state where a light-emitting device using the semiconductor film displays all white. Specifically, in the light-emitting device illustrated in FIG. 12, a pixel including a TFT formed using a semiconductor film after crystallization and a light-emitting element in which current supplied by the TFT is controlled is provided in a pixel portion. A plurality is provided. Note that the light-emitting element uses an electroluminescent material from which luminescence generated by applying an electric field can be obtained.
[0020]
In FIG. 12, a semiconductor film 2000 after crystallization and pixel portions 2001, 2002, and 2003 of the light emitting device are overlapped with each other at a position corresponding to the semiconductor film. Note that the pixel portions 2001, 2002, and 2003 of the light emitting device have different gray scales to be displayed.
[0021]
As shown in FIG. 12, a horizontal stripe is visually recognized in a part 2001 of the pixel portion, though it is difficult to be visually recognized in a part of the pixel portion 2002 or 2003 of the light emitting device. The horizontal stripes coincide with the horizontal stripes of the semiconductor film, and it can be confirmed that the horizontal stripes are displayed on the display of the light emitting device due to a variation in the energy of the laser light.
[0022]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a laser device, a laser irradiation method, and a method for manufacturing a semiconductor device, which can further stabilize the energy of laser light. Another object is to provide a semiconductor device manufactured using the method for manufacturing a semiconductor device.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors can monitor the laser light output from the oscillator directly, instead of monitoring the pressure of the laser medium in the discharge tube, to more accurately grasp the state of the energy fluctuation of the laser light. We thought that it would be possible to stabilize the energy of the obtained laser beam.
[0024]
According to the present invention, a part of a laser beam output from an oscillator is sampled to grasp a change in energy of the laser beam. Then, the control is performed so as to suppress the fluctuation of the gas pressure in the discharge tube using the grasped data of the fluctuation of the energy.
[0025]
Specifically, the correction means of the laser device of the present invention includes:
(1) Flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the laser medium (gas) in the discharge tube
(2) Means for sampling a part of the laser light oscillated from the oscillator (optical system)
{Circle around (3)} A means (sensor) for using a part of the laser light sampled by the optical system to generate an electric signal including data of a change in energy of the laser light as data.
(5) By performing signal processing on the electric signal, the state of the fluctuation of the energy of the laser light is grasped, and based on the grasped state of the energy, the flow rate is controlled by a driver so as to suppress the fluctuation of the energy of the laser light. Means for controlling the adjusting means to adjust the gas flow rate (signal processing unit)
have.
[0026]
In addition to the above configuration, (6) a means (driver) for controlling the operation of the flow rate adjusting means may be included in the correcting means of the present invention.
[0027]
Further, the correction means of the laser device of the present invention includes:
(1) Flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the laser medium (gas) in the discharge tube
(2) Means for sampling a part of the laser light oscillated from the oscillator (optical system)
{Circle around (3)} A means for generating a first electric signal including a change in energy of the laser light as data using a part of the laser light sampled by the optical system (laser light sensor)
{Circle around (4)} Means for measuring the pressure of gas in the discharge tube and generating a second electric signal including the value of the pressure as data (gas sensor)
{Circle around (5)} By performing signal processing on the first electric signal, the state of fluctuation of the energy of the laser beam is grasped, and by performing signal processing on the second electric signal, the gas pressure at a specific location in the discharge tube can be reduced. Means for grasping and controlling the driver based on the grasped energy state and gas pressure using a flow rate adjusting means so as to reduce the height difference of the gas flow rate (signal processing unit)
have.
[0028]
In addition to the above configuration, (6) a means (driver) for controlling the operation of the flow rate adjusting means may be included in the correcting means of the present invention.
[0029]
As in the above configuration, by monitoring the change in the energy of the laser light, the state of the energy of the laser light can be grasped more accurately. The fluctuation can be canceled, and a laser beam having more stable energy can be obtained. More specifically, it is possible to suppress the fluctuation of the energy of the laser light that occurs periodically.
[0030]
In addition, by using the above laser device for crystallization of a semiconductor film, the crystallinity of the semiconductor film can be made more uniform. Note that the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention can be used for a method for manufacturing an integrated circuit or a semiconductor display device. In particular, a liquid crystal display device, a light emitting device having a light emitting element typified by an organic light emitting element in each pixel, a semiconductor display device such as a DMD (Digital Micromirror Device), a PDP (Plasma Display Panel), and a FED (Field Emission Display). When used for a semiconductor element such as a transistor provided in a pixel portion, horizontal stripes due to energy distribution of laser light applied to the pixel portion can be suppressed from being visually recognized.
[0031]
Note that the present invention uses an excimer laser or a CO 2 The present invention can be applied not only to lasers but also to other gas lasers, and can be applied not only to gas lasers but also to solid-state lasers. In addition, the oscillation method is not limited to pulse oscillation, and can be applied to a continuous oscillation laser device.
[0032]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1A is a block diagram of the correction unit 101 according to the present embodiment. 1A includes an optical system 102, a laser light sensor 103, a signal processing unit 104, a piezoelectric element driver 105, a piezoelectric element 106, and a gas sensor 107. The piezoelectric element 106 and the gas sensor 107 are provided in a discharge tube 108 included in the oscillator 100.
[0033]
The discharge tube 108 is filled with a gas that is a laser medium, and photons obtained by exciting the laser medium in the discharge tube 108 provided in the oscillator are generated by an optical resonator also provided in the oscillator. By being resonated, laser light is obtained.
[0034]
In the present invention, a part of the laser light oscillated from the oscillator 100 is sampled using the optical system 102 and made incident on the laser light sensor 103. The laser light sensor 103 converts a part of the incident laser light into an electric signal and inputs the electric signal to the signal processing unit 104.
[0035]
The laser light sensor 103 may use any photoelectric conversion element as long as it can generate an electric signal having a change in energy of laser light as data. For example, a photodiode, a phototransistor, a charge coupled device (CCD), or the like can be used.
[0036]
FIG. 2 is a graph showing a change in energy of the sampled laser light. A pulse oscillation excimer laser is used. The horizontal axis indicates time (sec), and the vertical axis indicates the relative ratio (%) of energy at each measurement point to the average value of energy of all measurements. .
[0037]
The oscillation frequency of the laser light is 10 Hz in FIG. 2A, 20 Hz in FIG. 2B, 30 Hz in FIG. 2C, 40 Hz in FIG. 2D, and 50 Hz in FIG.
[0038]
In the signal processing unit 104, signal processing of the electric signal generated in the laser light sensor 103 is performed, and periodic fluctuations among the fluctuations in the energy of the laser light are analyzed. The signal processing is not limited to the fast Fourier transform, and various signal processings can be used. The minimum required is the frequency of the periodic fluctuation among the fluctuations of the energy of the laser beam. Here, a case where signal processing is performed using fast Fourier transform will be described.
[0039]
The Fast Fourier Transform is described in WaveMetrics, Inc. Calculation program software IGOR
This was performed according to the following formula 1 using Pro.
[0040]
(Equation 1)
Figure 2004111670
[0041]
When the frequency analysis by the fast Fourier transform is performed, the frequency having the highest peak and the height of the peak can be obtained. The frequency corresponds to a change in energy of the laser beam (a periodic change). Hereinafter, the frequency is referred to as a periodic frequency. The relative height of the peak corresponds to the amplitude of the periodic fluctuation.
[0042]
FIG. 3 shows data obtained by performing the fast Fourier transform on the data shown in FIG. 3 (A) is shown in FIG. 2 (A), FIG. 3 (B) is shown in FIG. 2 (B), FIG. 3 (C) is shown in FIG. 2 (C), and FIG. 3 (D) is shown in FIG. FIG. 3E corresponds to FIG. 2E, respectively. The horizontal axis indicates frequency (Hz), and the vertical axis indicates amplitude.
[0043]
In each graph of FIGS. 3A to 3E, only one highest peak is observed. More specifically, 4.78 Hz in FIG. 3A, 4.78 Hz in FIG. 3B, 5.2275 Hz in FIG. 3C, 15.21 Hz in FIG. 3D, and 24 in FIG. The highest peak is observed at 0.8 Hz. The frequency of the peak corresponds to the periodic frequency.
[0044]
Incidentally, a main discharge tube having a function of exciting a gas is provided in the discharge tube. The energy of the laser light depends on the molar concentration of the gas between the anode and cathode of the main discharge tube. That is, assuming that the gas temperature is constant, it depends on the gas pressure in the main discharge tube. It is desirable that the pressure of the gas in the discharge tube 108 is basically constant. However, in practice, the pressure changes in accordance with the fluctuation of the flow rate of the gas circulating in the discharge tube 108. In the present invention, the energy of the laser beam is controlled by adjusting the fluctuation of the flow rate of the gas in the discharge tube 108 by the vibration of the piezoelectric element 106.
[0045]
Specifically, in the present invention, the signal processing unit 104 controls the piezoelectric element driver 105 so that the piezoelectric element 106 vibrates at the same frequency as the fixed periodic frequency of the laser light. In the present embodiment, the piezoelectric element 106 is provided in the discharge tube 108, and the vibration thereof can adjust the flow rate of the gas in the discharge tube 108.
[0046]
FIG. 1B is a cross-sectional view of the inside of the discharge tube 108. The discharge tube 108 is filled with a gas used as a laser medium. The gas is circulated in the discharge tube 108 by the blower 110. The gas sent from the blower 110 passes between the anode 112 and the cathode 113 of the main discharge tube 111 and then circulates through the heat exchanger 114 to return to the blower 110 again. The heat exchanger 114 has a function of radiating heat generated in the main discharge tube 111 and keeping the temperature of the gas in the discharge tube 108 constant.
[0047]
In the present embodiment, the pre-ionization electrode 115 is provided on the upstream side and the downstream side of the main discharge tube 111 to perform pre-ionization with ultraviolet rays (ultraviolet pre-ionization method). The preionization method is not limited to the preionization method. For example, other preionization methods such as a corona preionization method and an X-ray preionization method may be used.
[0048]
The piezoelectric element 106 is desirably provided on the downstream side of the blower 110 and on the upstream side of the main discharge tube 111. The piezoelectric element 106 vibrates according to the voltage applied from the piezoelectric element driver 105. When the piezoelectric element 106 vibrates, the gas flow generated by the vibration of the piezoelectric element 106 is added to the gas flow generated by the blower 110, and as a result, the flow rate of the gas flowing through the main discharge tube 111 is adjusted.
[0049]
In the present embodiment, the gas flow is caused by the piezoelectric element 106 itself, but the gas flow may be caused indirectly by transmitting the vibration of the piezoelectric element 106 to something other than the piezoelectric element. good. In this case, the piezoelectric element does not necessarily need to be provided inside the discharge tube 108.
[0050]
The flow rate of the gas caused only by the vibration of the piezoelectric element 106 is adjusted so as to fluctuate at the same frequency as the periodic vibration and at the opposite phase.
[0051]
In the present embodiment, an electric signal including the state of the fluctuation of the gas pressure in the vicinity of the main discharge tube 111 as data is generated using the gas sensor 107 and input to the signal processing unit 104. Then, the signal processing unit 104 performs signal processing such as FFT on the electric signal, thereby grasping the state of the fluctuation of the gas pressure in the vicinity of the main discharge tube 111, and reducing the height difference of the fluctuation by using the piezoelectric element. The amplitude and phase of the vibration of the piezoelectric element 106 are adjusted using the driver 105. The gas sensor 107 is desirably upstream of the main discharge tube 111 and downstream of the piezoelectric element 106.
[0052]
FIG. 4A shows a waveform of the periodic fluctuation of the energy of the laser light calculated from the fast Fourier transform. Assuming that the fixed period frequency is 1 / T, the period of the fixed period fluctuation is represented by T. A represents the amplitude of the periodic fluctuation of the laser light. FIG. 4B shows a waveform of a change in the gas flow rate caused by only the vibration of the piezoelectric element 106, which is generated from the waveform of the periodic change shown in FIG. The waveform of the change in the gas flow rate caused only by the vibration of the piezoelectric element 106 has the same cycle T as the waveform of the periodic change, and the phase is shifted by T / 2. B indicates the amplitude of the flow rate.
[0053]
The amplitude B of the flow rate of the gas caused only by the vibration of the piezoelectric element 106 is the energy of the laser beam obtained when the flow rate has the maximum value, and the energy of the laser beam obtained when the flow rate has the minimum value. Is set to be closer.
[0054]
The laser light whose energy has been adjusted by the vibration of the piezoelectric element 106 is emitted from the oscillator 100. With the above-described correction means, in the laser device of the present invention, it is possible to suppress fluctuations in the energy of the laser light output from the oscillator 100. More specifically, the periodic fluctuation of the energy of the laser beam can be suppressed.
[0055]
Next, the phase control will be described in detail.
[0056]
In FIG. 5A, the waveform of the laser light before correction is shown by a broken line, and the waveform of the laser light after correction is shown by a solid line. FIG. 5A shows a case where the phase of the periodic fluctuation of the energy and the phase of the fluctuation of the flow rate of the gas caused only by the vibration of the piezoelectric element 106 are shifted by exactly a half cycle. However, in FIG. 5A, only the waveform of the periodic fluctuation confirmed by the signal processing is shown for easy understanding of the waveform of the periodic fluctuation. In FIG. 5A, the waveform of the laser light before the correction and the waveform of the laser light after the correction have the same phase. Therefore, it is considered that the phase of the change in the gas flow rate caused only by the vibration of the piezoelectric element 106 is set to be exactly T / 2 different from the phase of the periodic change of the laser beam. Then, by adjusting the amplitude of the flow rate so that the amplitude A ′ of the laser light becomes smaller, the stability of the energy of the laser light can be further improved.
[0057]
Next, in FIG. 5B, when the phase shift is not T / 2, the waveform of the laser light before correction is shown by a broken line, and the waveform of the laser light after correction is shown by a solid line. However, like FIG. 5 (A), FIG. 5 (B) shows only the waveform of the periodic fluctuation confirmed by the signal processing in order to make the waveform of the periodic fluctuation easy to understand. In FIG. 5B, the waveform of the laser light before correction and the waveform of the laser light after correction do not have the same phase. Therefore, it is predicted that the difference between the phase of the fluctuation of the gas flow rate caused only by the vibration of the piezoelectric element 106 and the phase of the periodic fluctuation of the laser beam is not T / 2. In this case, the signal processing unit separately adjusts the phase to suppress the periodic fluctuation of the laser light.
[0058]
Note that the adjustment of the amplitude and the phase is not limited to the method described in this embodiment. The amplitude and the phase may be adjusted while monitoring the laser light so that the maximum value and the minimum value of the periodic fluctuation of the energy of the laser light output from the oscillator become closer. In this case, it is not always necessary to use the gas sensor 107 to monitor the fluctuation of the gas pressure near the main discharge tube 111. Since the energy may fluctuate due to factors other than the gas pressure, the phase difference is not always T / 2. Therefore, adjustment while monitoring the laser light makes it easier to find an appropriate phase difference, and can more reliably suppress fluctuations in the laser light than monitoring gas pressure.
[0059]
The phase can be adjusted by monitoring the corrected laser beam energy or the gas pressure near the main discharge tube 111, but the phase adjustment is not limited to this configuration. For example, the phase of the oscillation of the piezoelectric element 106 and the phase of the energy of the laser light may be matched with reference to a signal synchronized with the oscillation of the laser light in the oscillator. Specifically, the phase can be matched by calculating the phase difference from a signal (reference signal) in which the phase difference between the frequency and the fluctuation of the laser light is known in advance and the constant periodic frequency of the laser light. it can.
[0060]
Further, the correction means stores information on the frequency and amplitude of the vibration of the piezoelectric element determined by the signal processing unit in a memory or the like, so as to eliminate the need to adjust the frequency and amplitude of the vibration of the piezoelectric element again next time. You may do it.
[0061]
In the present embodiment, a piezoelectric element is used as the flow rate adjusting means, but the present invention is not limited to this. Any means capable of adjusting the flow rate of gas in the discharge tube can be used as the flow rate adjusting means in the present invention. For example, an electromagnetic valve for supplying gas into the discharge tube and an electromagnetic valve for exhausting gas from the discharge tube may be provided, and the flow rate of the gas may be adjusted by opening these two electromagnetic valves.
[0062]
In addition, even in the case of non-periodic energy fluctuations, non-periodic fluctuations can be suppressed as long as the gas flow rate can be adjusted at such a speed that the monitored result can be immediately fed back to the laser beam.
[0063]
【Example】
Hereinafter, examples of the present invention will be described.
[0064]
(Example 1)
The periodic fluctuation of the energy of the laser beam differs depending on the oscillation frequency of the oscillator. In this embodiment, the relationship between the oscillation frequency of the laser light emitted from the oscillator of the excimer laser and the frequency of the periodic fluctuation will be described.
[0065]
FIG. 6 shows the relationship between the oscillation frequency (Hz) of the laser beam and the highest peak frequency (Hz) obtained by Fourier transform. The horizontal axis indicates the oscillation frequency (Hz), and the vertical axis indicates the peak position (Hz) after Fourier transform. Note that the measurement dates are different for each measurement, but the measurement conditions other than the oscillation frequency are the same.
[0066]
The highest peak frequency obtained by Fourier transform means the frequency of the periodic fluctuation of the energy of the laser light. The frequency of the periodic fluctuation repeatedly increases and decreases in steps. Specifically, the frequency of the periodic fluctuation has a minimum value when the oscillation frequency is about 3 Hz, 12 Hz, and 25 Hz, and has a maximum value when the oscillation frequency is about 3 Hz, 10 Hz, and 22 Hz. After the oscillation frequency exceeds about 25 Hz, it continues to increase.
[0067]
As shown in FIG. 6, by examining in advance the relationship between the oscillation frequency of the laser light to be used and the frequency of the periodic fluctuation, the optimum conditions for actually irradiating the laser light to the workpiece are searched for. Can help. For example, by selecting a condition under which the frequency of the periodic fluctuation becomes high, the interval between the horizontal stripes of the semiconductor film caused by the periodic fluctuation can be shortened to the extent that it cannot be visually recognized. Conversely, by selecting a condition that lowers the frequency of the periodic fluctuation, the interval between the horizontal stripes of the semiconductor film generated by the periodic fluctuation can be increased so that the horizontal stripe does not appear in the irradiation region. .
[0068]
Based on the data in FIG. 6, the same number of shots (about 13 shots) as under the standard laser beam irradiation conditions (oscillation frequency of 30 Hz, scan speed of 1.0 mm / sec) used for crystallization of the semiconductor film was obtained. The laser beam irradiation is performed so as to calculate the interval between the horizontal stripes expected to occur at each oscillation frequency. Specifically, it is calculated from Equation 2 below.
[0069]
[Equation 2]
Figure 2004111670
d (ω): interval of horizontal stripes
ω: oscillation frequency
ω 0 : Oscillation frequency under standard irradiation conditions (= 30 Hz)
ν 0 : Substrate scan speed under standard irradiation conditions (= 1.0 mm / sec)
T (ω): Frequency of periodic fluctuation
[0070]
FIG. 7 shows the relationship between the oscillation frequency and the period of the horizontal stripe calculated from Equation 2. A characteristic peak appeared at the oscillation frequency ω = 25 Hz, and the horizontal stripes at 25 Hz were predicted to be about 3.9 mm apart. At other oscillation frequencies, the interval was about 60 to about 500 μm. The assumed value of the substrate scanning speed at 25 Hz is 0.833 mm / sec when the number of shots is adjusted to the standard condition (30 Hz, 1.0 mm / sec).
[0071]
(Example 2)
Example 1 In this example, an example of the laser device of the present invention described in the embodiment mode will be described.
[0072]
FIG. 8 shows the configuration of the laser device of this embodiment. A part of the laser light emitted from the oscillator 1500 is sampled in the optical system 1501. The sampled laser light enters the laser light sensor 1502.
[0073]
On the other hand, the remaining laser light other than the sampled laser light enters the beam expander 1503. In this embodiment, a shutter 1504 for blocking laser light is provided in the optical path between the oscillator 1500 and the beam expander 1503, but is not necessarily provided.
[0074]
The spread of the incident laser light can be suppressed by the beam expander 1503, and the size of the beam spot can be adjusted.
[0075]
The laser beam emitted from the beam expander 1503 is condensed by the beam homogenizer 1505 so that the beam spot has a rectangular, elliptical, or linear shape. Then, the collected laser light is reflected by the mirror 1506 and enters the lens 1507. The incident laser light is condensed again by the lens 1507 and is irradiated on the substrate 1508 on which the semiconductor film is formed. In this embodiment, a cylindrical lens is used as the lens 1507.
[0076]
The substrate 1508 is mounted on a stage 1509, and the position of the stage 1509 is controlled by three position control means (drivers) 1510 to 1512. Specifically, the stage 1509 can be rotated in a horizontal plane by the φ-direction position control means 1510. Further, the stage 1509 can be moved in the X direction within the horizontal plane by the X direction position control means 1511. Further, the stage 1509 can be moved in the Y direction within the horizontal plane by the Y direction position control means 1512. The operation of each position control means is controlled by the central processing unit 1519.
[0077]
By controlling the operations of the three position control means described above, the position of the substrate 1508 at which the laser light is irradiated can be controlled.
[0078]
On the other hand, the laser light sensor 1502 converts the sampled laser light into an electric signal and inputs the electric signal to the signal processing unit 1513. The electric signal has a state of fluctuation of the energy of the laser light as data. Then, the data is analyzed by the signal processing in the signal processing unit 1513, and the state of the fluctuation of the energy of the laser light is grasped.
[0079]
Further, a reference signal synchronized with the emission of the laser light is input from the oscillator 1500 to the signal processing unit 1513. The signal processing unit 1513 adjusts the flow rate of gas in the discharge tube provided in the oscillator 1500 using the grasped fluctuation state, the reference signal, and the like.
[0080]
Note that the correction means of the present invention includes an optical system 1501, a sensor 1502, a signal processing unit 1513, and a means for adjusting the flow rate of a gas provided in the discharge tube.
[0081]
Further, as in this embodiment, a monitor 1514 using a light receiving element such as a CCD may be provided so that the position of the substrate can be accurately grasped.
[0082]
The laser beam scanning method includes an irradiation system moving type in which the object to be processed is fixed and the laser light irradiation position is moved, and an object moving type in which the laser light irradiation position is fixed and the object is moved. And a method combining the above two methods.
[0083]
Although the laser device shown in FIG. 8 is of a moving type of an object to be processed, the present invention is not limited thereto. The present invention can also be applied to an irradiation system movable laser device or a laser device combining an object moving type and an irradiation system movable type. Irradiation with laser light is performed so that beam spots of the laser light on the semiconductor film overlap in the scanning direction.
[0084]
This embodiment can be implemented in combination with the first embodiment.
[0085]
【The invention's effect】
According to the present invention, by monitoring the fluctuation of the energy of the laser beam, the energy of the laser beam can be precisely controlled, so that the fluctuation of the laser beam can be canceled more reliably than the conventional method of monitoring the gas pressure. And a laser beam having more stable energy can be obtained. More specifically, it is possible to suppress the fluctuation of the energy of the laser light that occurs periodically.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a correction unit.
FIG. 2 is a graph showing measured values of energy for each oscillation frequency.
FIG. 3 is a graph showing measured data of energy for each oscillation frequency after FFT.
FIG. 4 is a diagram showing a periodic change in energy and a change in flow rate.
FIG. 5 is a diagram showing a change in energy of laser light.
FIG. 6 is a graph showing a relationship between an oscillation frequency and a peak position of a frequency after Fourier transform.
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the oscillation frequency and the interval between horizontal stripes when the number of shots is adjusted to the standard.
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a laser device of the present invention.
FIG. 9 is a graph showing energy values of laser light with respect to time and data after FFT.
FIG. 10 is a photograph of a semiconductor film which is irradiated with laser light from an excimer laser and crystallized, as viewed from above.
11A and 11B are a photograph of a semiconductor film after crystallization as viewed from above, and a diagram showing the energy values of laser light in different shades.
12A and 12B are a photograph of a semiconductor film after crystallization viewed from above and a photograph of a pixel portion of a light-emitting device formed using the semiconductor film.

Claims (8)

発振器から発振されたレーザ光の一部をサンプリングする光学系と、
前記一部のレーザ光を用いて、前記レーザ光のエネルギーの変動をデータとして含む電気信号を生成する手段と、
前記発振器が有する放電管内におけるガスの流量を調整する流量調整手段と、前記電気信号に信号処理を施すことで前記レーザ光のエネルギーの変動の状態を把握し、該把握されたエネルギーの状態をもとに、前記レーザ光のエネルギーの変動を抑えるように、前記流量調整手段を制御して前記ガスの流量を調整する信号処理部と、
を有することを特徴とするレーザ装置。
An optical system for sampling a part of the laser light emitted from the oscillator,
Means for generating an electric signal including data of a change in energy of the laser light using the part of the laser light,
A flow rate adjusting means for adjusting a gas flow rate in a discharge tube of the oscillator, and a signal processing on the electric signal to grasp a state of a change in the energy of the laser beam, and the state of the grasped energy. And a signal processing unit that controls the flow rate adjusting unit to adjust the flow rate of the gas so as to suppress the fluctuation of the energy of the laser light.
A laser device comprising:
発振器から発振されたレーザ光の一部をサンプリングする光学系と、
前記一部のレーザ光を用いて、前記レーザ光のエネルギーの変動をデータとして含む第1の電気信号を生成する手段と、
前記発振器が有する放電管内におけるガスの流量を調整する流量調整手段と、前記放電管内の特定の位置における前記ガスの圧力を測定し、該圧力の値をデータとして含む第2の電気信号を生成する手段と、
前記第1の電気信号に信号処理を施すことで前記レーザ光のエネルギーの変動の状態を把握し、前記第2の電気信号に信号処理を施すことで前記特定の位置における前記ガスの圧力を把握し、前記把握されたエネルギーの状態及び前記ガスの圧力をもとに、前記レーザ光のエネルギーの変動を抑えるように、前記流量調整手段を制御して前記ガスの流量を調整する信号処理部と、
を有することを特徴とするレーザ装置。
An optical system for sampling a part of the laser light emitted from the oscillator,
Means for generating a first electric signal including a change in energy of the laser light as data using the part of the laser light,
A flow rate adjusting means for adjusting a gas flow rate in the discharge tube of the oscillator, and measuring a pressure of the gas at a specific position in the discharge tube to generate a second electric signal including the pressure value as data; Means,
By performing signal processing on the first electric signal, the state of fluctuation of the energy of the laser beam is grasped, and by performing signal processing on the second electric signal, the pressure of the gas at the specific position is grasped. And, based on the state of the grasped energy and the pressure of the gas, a signal processing unit that controls the flow rate adjusting means to adjust the flow rate of the gas so as to suppress the fluctuation of the energy of the laser light. ,
A laser device comprising:
発振器から発振されたレーザ光の一部をサンプリングして、前記レーザ光のエネルギーの変動をデータとして含む電気信号を生成し、
前記電気信号に信号処理を施すことで前記レーザ光のエネルギーの変動の状態を把握し、
該把握されたエネルギーの状態をもとに、前記レーザ光のエネルギーの変動を抑えるように、流量調整手段を制御して前記ガスの流量を調整することを特徴とするレーザ照射方法。
Sampling a part of the laser light oscillated from the oscillator, to generate an electrical signal including a change in energy of the laser light as data,
By performing signal processing on the electric signal, grasping the state of fluctuation of the energy of the laser light,
A laser irradiation method, comprising: controlling a flow rate adjusting means to adjust a flow rate of the gas based on the grasped energy state so as to suppress a change in energy of the laser light.
発振器から発振されたレーザ光の一部をサンプリングして、前記レーザ光のエネルギーの変動をデータとして含む第1の電気信号を生成し、
前記放電管内の特定の位置における前記ガスの圧力を測定し、該圧力の値をデータとして含む第2の電気信号を生成し、
前記第1の電気信号に信号処理を施すことで前記レーザ光のエネルギーの変動の状態を把握し、
前記第2の電気信号に信号処理を施すことで前記特定の位置における前記ガスの圧力を把握し、
前記把握されたエネルギーの状態及び前記ガスの圧力をもとに、前記レーザ光のエネルギーの変動を抑えるように、流量調整手段を制御して前記ガスの流量を調整することを特徴とするレーザ照射方法。
Sampling a part of the laser light oscillated from the oscillator to generate a first electric signal including a change in energy of the laser light as data;
Measuring a pressure of the gas at a specific position in the discharge tube, generating a second electric signal including the value of the pressure as data,
By performing signal processing on the first electric signal, the state of energy fluctuation of the laser light is grasped,
By performing signal processing on the second electric signal, grasp the pressure of the gas at the specific position,
A step of controlling a flow rate adjusting means to adjust a flow rate of the gas based on the grasped state of energy and a pressure of the gas so as to suppress a change in energy of the laser beam. Method.
発振器から発振されたレーザ光の一部をサンプリングして、前記レーザ光のエネルギーの変動をデータとして含む電気信号を生成し、
前記電気信号に信号処理を施すことで前記レーザ光のエネルギーの変動の状態を把握し、
該把握されたエネルギーの状態をもとに、前記レーザ光のエネルギーの変動を抑えるように、流量調整手段を制御して前記ガスの流量を調整し、
半導体膜におけるビームスポットが走査方向において重なるように、前記ガスの流量を調整することで得られるレーザ光を前記半導体膜に対して照射することで、前記半導体膜の結晶性を高めることを特徴とする半導体装置の作製方法。
Sampling a part of the laser light oscillated from the oscillator, to generate an electrical signal including a change in energy of the laser light as data,
By performing signal processing on the electric signal, grasping the state of fluctuation of the energy of the laser light,
Based on the state of the grasped energy, the flow rate of the gas is adjusted by controlling the flow rate adjusting means so as to suppress the fluctuation of the energy of the laser beam,
By irradiating the semiconductor film with laser light obtained by adjusting the flow rate of the gas so that beam spots on the semiconductor film overlap in the scanning direction, the crystallinity of the semiconductor film is increased. Of manufacturing a semiconductor device.
発振器から発振されたレーザ光の一部をサンプリングして、前記レーザ光のエネルギーの変動をデータとして含む第1の電気信号を生成し、
前記放電管内の特定の位置における前記ガスの圧力を測定し、該圧力の値をデータとして含む第2の電気信号を生成し、
前記第1の電気信号に信号処理を施すことで前記レーザ光のエネルギーの変動の状態を把握し、
前記第2の電気信号に信号処理を施すことで前記特定の位置における前記ガスの圧力を把握し、
前記把握されたエネルギーの状態及び前記ガスの圧力をもとに、前記レーザ光のエネルギーの変動を抑えるように、流量調整手段を制御して前記ガスの流量を調整し、
半導体膜におけるビームスポットが走査方向において重なるように、前記ガスの流量を調整することで得られるレーザ光を前記半導体膜に対して照射することで、前記半導体膜の結晶性を高めることを特徴とする半導体装置の作製方法。
Sampling a part of the laser light oscillated from the oscillator to generate a first electric signal including a change in energy of the laser light as data;
Measuring a pressure of the gas at a specific position in the discharge tube, generating a second electric signal including the value of the pressure as data,
By performing signal processing on the first electric signal, the state of energy fluctuation of the laser light is grasped,
By performing signal processing on the second electric signal, grasp the pressure of the gas at the specific position,
Based on the grasped energy state and the gas pressure, the flow rate of the gas is adjusted by controlling the flow rate adjusting means so as to suppress the fluctuation of the energy of the laser beam,
By irradiating the semiconductor film with laser light obtained by adjusting the flow rate of the gas so that beam spots on the semiconductor film overlap in the scanning direction, the crystallinity of the semiconductor film is increased. Of manufacturing a semiconductor device.
発振器から発振されたレーザ光の一部をサンプリングして、前記レーザ光のエネルギーの変動をデータとして含む電気信号を生成し、
前記電気信号に信号処理を施すことで前記レーザ光のエネルギーの変動の状態を把握し、
該把握されたエネルギーの状態をもとに、前記レーザ光のエネルギーの変動を抑えるように、流量調整手段を制御して前記ガスの流量を調整し、
半導体膜におけるビームスポットが走査方向において重なるように、前記ガスの流量を調整することで得られるレーザ光を前記半導体膜に対して照射することで、前記半導体膜の結晶性を高めることを特徴とする半導体装置。
Sampling a part of the laser light oscillated from the oscillator, to generate an electrical signal including a change in energy of the laser light as data,
By performing signal processing on the electric signal, grasping the state of fluctuation of the energy of the laser light,
Based on the state of the grasped energy, the flow rate of the gas is adjusted by controlling the flow rate adjusting means so as to suppress the fluctuation of the energy of the laser beam,
By irradiating the semiconductor film with laser light obtained by adjusting the flow rate of the gas so that beam spots on the semiconductor film overlap in the scanning direction, the crystallinity of the semiconductor film is increased. Semiconductor device.
発振器から発振されたレーザ光の一部をサンプリングして、前記レーザ光のエネルギーの変動をデータとして含む第1の電気信号を生成し、
前記放電管内の特定の位置における前記ガスの圧力を測定し、該圧力の値をデータとして含む第2の電気信号を生成し、
前記第1の電気信号に信号処理を施すことで前記レーザ光のエネルギーの変動の状態を把握し、
前記第2の電気信号に信号処理を施すことで前記特定の位置における前記ガスの圧力を把握し、
前記把握されたエネルギーの状態及び前記ガスの圧力をもとに、前記レーザ光のエネルギーの変動を抑えるように、流量調整手段を制御して前記ガスの流量を調整し、
半導体膜におけるビームスポットが走査方向において重なるように、前記ガスの流量を調整することで得られるレーザ光を前記半導体膜に対して照射することで、前記半導体膜の結晶性を高めることを特徴とする半導体装置。
Sampling a part of the laser light oscillated from the oscillator to generate a first electric signal including a change in energy of the laser light as data;
Measuring a pressure of the gas at a specific position in the discharge tube, generating a second electric signal including the value of the pressure as data,
By performing signal processing on the first electric signal, the state of energy fluctuation of the laser light is grasped,
By performing signal processing on the second electric signal, grasp the pressure of the gas at the specific position,
Based on the grasped energy state and the gas pressure, the flow rate of the gas is adjusted by controlling the flow rate adjusting means so as to suppress the fluctuation of the energy of the laser beam,
By irradiating the semiconductor film with laser light obtained by adjusting the flow rate of the gas so that beam spots on the semiconductor film overlap in the scanning direction, the crystallinity of the semiconductor film is increased. Semiconductor device.
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