JP2004111670A

JP2004111670A - レーザ装置、レーザ照射方法、半導体装置または半導体装置の作製方法

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Publication number: JP2004111670A
Application number: JP2002272504A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Miyairi; 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
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2002-09-19
Filing date: 2002-09-19
Publication date: 2004-04-08

Abstract

【課題】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、半導体装置または半導体装置の作製方法の提供を課題とする。
【解決手段】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、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と、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、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、流量調整手段を制御して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。
【選択図】　図１

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_２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_２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_２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_２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_２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】

【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】

ｄ（ω）：横縞の間隔周期
ω：発振周波数
ω_０：標準的な照射条件における発振周波数（＝３０Ｈｚ）
ν_０：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。

Claims

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。