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JP2006074018A - Laser crystallization apparatus - Google Patents

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JP2006074018A
JP2006074018A JP2005220543A JP2005220543A JP2006074018A JP 2006074018 A JP2006074018 A JP 2006074018A JP 2005220543 A JP2005220543 A JP 2005220543A JP 2005220543 A JP2005220543 A JP 2005220543A JP 2006074018 A JP2006074018 A JP 2006074018A
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JP
Japan
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optical system
crystallization apparatus
laser crystallization
temperature
optical
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Abandoned
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JP2005220543A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshio Takami
芳夫 高見
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Advanced LCD Technologies Development Center Co Ltd
Original Assignee
Advanced LCD Technologies Development Center Co Ltd
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Publication date
Application filed by Advanced LCD Technologies Development Center Co Ltd filed Critical Advanced LCD Technologies Development Center Co Ltd
Priority to JP2005220543A priority Critical patent/JP2006074018A/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser crystallization apparatus capable of correcting a magnification and an image surface position of an image formation optical system and capable of forming a crystal grain of a desired size at a desired position with a good reproducibility. <P>SOLUTION: The laser crystallization apparatus comprises: a light source 2a; a phase shifter 3 which modulates a laser beam from the light source 2a; an illumination system 2 which is provided between the light source 2a and the phase shifter 3 and homogenizes a light intensity of the laser beam from the light source 2a and illuminates the phase shifter 3 with this homogenized light; a stage 6 which supports a non-single-crystal semiconductor 5; an image formation optical system 4 which is provided between the non-single-crystal semiconductor 5 on the stage 6 and the phase shifter 3 and is provided with plural optical members L1 to L10, 4c for forming an image of the modulated laser beam at a desired part on the non-single-crystal semiconductor 5; and temperature adjustment portions 10 to 17, 20 to 22, 42 to 48 which adjust temperatures of the optical members L1 to L10, 4c by heating or cooling the optical members of the image formation optical system 4. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、所定の光強度分布を有するレーザ光を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成するレーザ結晶化装置に関する。   The present invention relates to a laser crystallization apparatus that generates a crystallized semiconductor film by irradiating a polycrystalline semiconductor film or an amorphous semiconductor film with laser light having a predetermined light intensity distribution.

液晶表示装置(Liquid-Crystal-Display:LCD)の表示画素を選択するスイッチング素子などに用いられる薄膜トランジスタ(Thin-Film-Transistor:TFT)は、非晶質シリコン(amorphous-Silicon)や多結晶シリコン(poly-Silicon)を用いて形成されている。   Thin-film-transistors (TFTs) used as switching elements for selecting display pixels of liquid-crystal displays (LCDs) are amorphous silicon and polycrystalline silicon (TFT). poly-Silicon).

多結晶シリコンは、非晶質シリコンよりも電子または正孔の移動度が高い。したがって、多結晶シリコンを用いてトランジスタを形成した場合、非晶質シリコンを用いて形成する場合よりも、スイッチング速度が速くなり、ひいてはディスプレイの応答が速くなる。また、周辺LSIを薄膜トランジスタで構成することが可能になる。さらに、他の部品の設計マージンを減らせるなどの利点がある。また、ドライバ回路やDACなどの周辺回路をディスプレイに組み入れる場合に、それらの周辺回路をより高速に動作させることができる。   Polycrystalline silicon has higher electron or hole mobility than amorphous silicon. Therefore, when the transistor is formed using polycrystalline silicon, the switching speed is faster and the response of the display is faster than when the transistor is formed using amorphous silicon. In addition, it is possible to configure the peripheral LSI with thin film transistors. Furthermore, there is an advantage that the design margin of other parts can be reduced. Further, when peripheral circuits such as a driver circuit and a DAC are incorporated in the display, the peripheral circuits can be operated at higher speed.

多結晶シリコンは結晶粒の集合からなるため、例えばTFTトランジスタを形成した場合、チャネル領域に結晶粒界が形成され、この結晶粒界が障壁となり単結晶シリコンに比べると電子または正孔の移動度が低くなる。また、多結晶シリコンを用いて形成された多数の薄膜トランジスタは、チャネル部に形成される結晶粒界数が各薄膜トランジスタ間で異なり、これがバラツキとなって液晶表示装置であれば表示ムラの問題となる。そこで、最近、電子または正孔の移動度を向上させ且つチャネル部における結晶粒界数のバラツキを少なくするために、少なくとも1個のチャネル領域を形成できる大きさの大粒径の結晶化シリコンを生成する結晶化方法が提案されている。   Since polycrystalline silicon consists of a collection of crystal grains, for example, when a TFT transistor is formed, a crystal grain boundary is formed in the channel region, and this crystal grain boundary serves as a barrier and mobility of electrons or holes compared to single crystal silicon. Becomes lower. In addition, in many thin film transistors formed using polycrystalline silicon, the number of crystal grain boundaries formed in the channel portion is different among the thin film transistors, and the variation causes a problem of display unevenness if the liquid crystal display device is used. . Therefore, recently, in order to improve the mobility of electrons or holes and to reduce the variation in the number of crystal grain boundaries in the channel portion, a large-grained crystallized silicon having a size capable of forming at least one channel region has been developed. Producing crystallization methods have been proposed.

従来、この種の結晶化方法として、多結晶半導体膜または非単結晶半導体膜と平行に近接させた位相シフターにエキシマレーザ光を照射して結晶化半導体膜を生成する「位相制御ELA(Excimer Laser Annealing)法」が知られている。位相制御ELA法の詳細は、たとえば非特許文献1に開示されている。
表面科学Vol.21, No.5, pp.278-287, 2000
Conventionally, as this kind of crystallization method, a phase shifter that is placed in parallel with a polycrystalline semiconductor film or a non-single crystal semiconductor film is irradiated with excimer laser light to generate a crystallized semiconductor film. Annealing) method is known. Details of the phase control ELA method are disclosed in Non-Patent Document 1, for example.
Surface Science Vol.21, No.5, pp.278-287, 2000

位相制御ELA法では、位相シフターの位相シフト部に対応する点において光強度が周辺よりも低い逆ピークパターン(中心において光強度が最も低く周囲に向かって光強度が急激に増大するパターン)の光強度分布を発生させ、この逆ピーク状の光強度分布を有する光を非単結晶半導体膜(多結晶半導体膜または非晶質半導体膜)に照射する。その結果、被照射領域内において光強度分布に応じて溶融領域に温度勾配が生じ、光強度が最も低い点に対応して最初に凝固する部分もしくは溶融しない部分に結晶核が形成され、その結晶核から周囲に向かって結晶が横方向に成長することにより大粒径の単結晶粒が生成される。   In the phase control ELA method, light having a reverse peak pattern (a pattern in which the light intensity is the lowest at the center and the light intensity rapidly increases toward the periphery) is lower than that of the periphery at the point corresponding to the phase shift portion of the phase shifter. An intensity distribution is generated, and light having this reverse peak light intensity distribution is irradiated to a non-single-crystal semiconductor film (polycrystalline semiconductor film or amorphous semiconductor film). As a result, a temperature gradient occurs in the melted region in accordance with the light intensity distribution in the irradiated region, and crystal nuclei are formed in the part that first solidifies or does not melt corresponding to the point where the light intensity is the lowest. Crystals grow laterally from the nucleus toward the periphery, and single crystal grains having a large grain size are generated.

また、特許文献1では、位相差が180度のライン・アンド・スペース・パターンを有する位相シフターと被処理基板との間に結像光学系を配置している。そして、位相シフターを介して発生した逆ピークパターンの光強度分布を有する光を結像光学系を介して被処理基板に照射することにより、被処理基板上に結晶化半導体膜を生成している。
特開2000−306859号公報
In Patent Document 1, an imaging optical system is arranged between a phase shifter having a line-and-space pattern with a phase difference of 180 degrees and a substrate to be processed. Then, the crystallized semiconductor film is generated on the substrate to be processed by irradiating the substrate to be processed with the light having the light intensity distribution of the reverse peak pattern generated through the phase shifter through the imaging optical system. .
JP 2000-306859 A

結晶粒の位置およびサイズを工業的に繰り返し再現性良く実現するには、収差補正された結像光学系の倍率(縮小倍率または等倍)および像面位置(焦点位置)が変動しないこと、もしくは倍率および像面位置を補正できることが必要である。例えば、4μmの結晶粒を製作するために用いられる10mm角マスクパターンの場合に、結像光学系の倍率が1/5.000から1/4.995に変化(0.1%の変化)すると、被処理基板上において照射エリアサイズが2mm角から2.002mm角に変わる。   In order to realize the position and size of crystal grains industrially and with good reproducibility, the magnification (reduction magnification or equal magnification) and image plane position (focal position) of the imaging optical system corrected for aberrations are not changed, or It is necessary to be able to correct the magnification and the image plane position. For example, in the case of a 10 mm square mask pattern used for manufacturing 4 μm crystal grains, the magnification of the imaging optical system changes from 1 / 5.000 to 1 / 4.995 (change of 0.1%). The irradiation area size changes from 2 mm square to 2.002 mm square on the substrate to be processed.

この場合、例えば2mm角の照射エリアの左端を基準にとると、右端では2μm(0.002mm)も結晶粒の位置が右方にずれることになる。その結果、レーザ結晶化後の工程で行われるTFT製作プロセス時に、マスクパターンの位置合わせ誤差が発生する。また、結像光学系の像面位置が変わると、焦点深度(DOF)が変動し、被処理基板上において所望の光強度分布が得られず、その結果として所望サイズの結晶粒を形成することができない。   In this case, for example, if the left end of the irradiation area of 2 mm square is taken as a reference, the crystal grain position is shifted to the right by 2 μm (0.002 mm) at the right end. As a result, a mask pattern alignment error occurs during the TFT manufacturing process performed in the process after laser crystallization. Also, when the image plane position of the imaging optical system changes, the depth of focus (DOF) fluctuates, and a desired light intensity distribution cannot be obtained on the substrate to be processed. As a result, crystal grains of a desired size are formed. I can't.

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、結像光学系の倍率及び像面位置の変動を低減すること、および像面位置変動に応じて像面位置を補正することができ、所望サイズの結晶粒を所望位置に再現性良く形成することができるレーザ結晶化装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the foregoing problems, and can reduce the magnification and image plane position fluctuations of the imaging optical system and correct the image plane position in accordance with the image plane position fluctuations. Another object of the present invention is to provide a laser crystallization apparatus capable of forming crystal grains of a desired size at a desired position with good reproducibility.

前記課題を解決するために、本発明の第1形態では、レーザ光を非単結晶半導体に照射して該非単結晶半導体を局部的に溶融させ、その凝固過程で結晶化する結晶粒を成長させるレーザ結晶化装置であって、光源(2a)と、前記光源からのレーザ光の強度と位相を変調する空間強度変調光学素子(3)と、前記光源と前記空間強度変調光学素子との間に設けられ、前記光源からのレーザ光の光強度を均一化し、この均一化光で前記空間強度変調光学素子を照明する照明系(2)と、前記非単結晶半導体(5)を支持するステージ(6)と、前記ステージ上の非単結晶半導体と前記空間強度変調光学素子との間に設けられ、前記空間強度変調光学素子により変調されたレーザ光を前記非単結晶半導体上の所望の部位に結像させるための複数の光学部材(L1−L10,4c)を有する結像光学系(4)と、前記結像光学系の光学部材を加熱または冷却して、該光学部材の温度を調整する温度調整部(10−17,20−22,42−48)と、を具備することを特徴とするレーザ結晶化装置を提供する。   In order to solve the above problems, in the first embodiment of the present invention, a non-single crystal semiconductor is irradiated with laser light to locally melt the non-single crystal semiconductor, and crystal grains that crystallize in the solidification process are grown. A laser crystallization apparatus comprising: a light source (2a); a spatial intensity modulation optical element (3) that modulates the intensity and phase of laser light from the light source; and the light source and the spatial intensity modulation optical element. An illumination system (2) for uniforming the light intensity of the laser light from the light source and illuminating the spatial intensity modulation optical element with the uniformed light; and a stage for supporting the non-single crystal semiconductor (5) ( 6) and a laser beam that is provided between the non-single crystal semiconductor on the stage and the spatial intensity modulation optical element, and is modulated by the spatial intensity modulation optical element to a desired portion on the non-single crystal semiconductor. Multiple for imaging An imaging optical system (4) having a learning member (L1-L10, 4c) and a temperature adjusting unit (10-17) for adjusting the temperature of the optical member by heating or cooling the optical member of the imaging optical system , 20-22, 42-48), and a laser crystallization apparatus.

本発明の第2形態では、レーザ光を非単結晶半導体に照射して該非単結晶半導体を局部的に溶融させ、その凝固過程で結晶化する結晶粒を成長させるレーザ結晶化装置であって、光源(2a)と、前記光源からのレーザ光の強度と位相を変調する空間強度変調光学素子(3)と、前記光源と前記空間強度変調光学素子との間に設けられ、前記光源からのレーザ光の光強度を均一化し、この均一化光で前記空間強度変調光学素子を照明する照明系(2)と、前記非単結晶半導体を支持するステージ(6)と、前記ステージ上の非単結晶半導体と前記空間強度変調光学素子との間に設けられ、前記空間強度変調光学素子により変調されたレーザ光を前記非単結晶半導体上の所望の部位に結像させるための複数の光学部材を有し、該光学部材を保持する保持部材を有する結像光学系(4)と、前記結像光学系の光学部材を加熱または冷却するか、または前記保持部材を加熱または冷却することにより、前記光学部材の温度を調整する温度調整部(10−17,20−22,42−48)と、前記光学部材および前記保持部材のうち少なくとも一方の温度を検出する温度センサ(22)と、前記温度センサからの検出温度に基づいて前記ステージ及び前記結像光学系を前記結像光学系の光軸に沿って相対的に移動させ、前記結像光学系と前記非単結晶半導体との相対位置を調整する位置調整手段(6,10)と、を具備することを特徴とするレーザ結晶化装置を提供する。   According to a second aspect of the present invention, there is provided a laser crystallization apparatus that irradiates a non-single crystal semiconductor with a laser beam, locally melts the non-single crystal semiconductor, and grows crystal grains that crystallize in the solidification process. A light source (2a), a spatial intensity modulation optical element (3) that modulates the intensity and phase of laser light from the light source, and a laser from the light source provided between the light source and the spatial intensity modulation optical element. An illumination system (2) for illuminating the spatial intensity modulation optical element with the uniformed light, a stage (6) for supporting the non-single crystal semiconductor, and a non-single crystal on the stage A plurality of optical members provided between a semiconductor and the spatial intensity modulation optical element for imaging a laser beam modulated by the spatial intensity modulation optical element at a desired site on the non-single crystal semiconductor; And holding the optical member An imaging optical system (4) having a holding member and a temperature at which the optical member of the imaging optical system is heated or cooled, or the temperature of the optical member is adjusted by heating or cooling the holding member. Based on the adjustment unit (10-17, 20-22, 42-48), the temperature sensor (22) for detecting the temperature of at least one of the optical member and the holding member, and the detected temperature from the temperature sensor. Position adjusting means (6, 6) that relatively moves the stage and the imaging optical system along the optical axis of the imaging optical system to adjust the relative position between the imaging optical system and the non-single crystal semiconductor. 10). And a laser crystallization apparatus.

本発明によれば、結像光学系の倍率および像面位置の変動を少なくすることと、像面位置の変動に応じて像面位置を補正することができ、所望サイズの結晶粒を非単結晶半導体上の所望部位に再現性良く形成することができる。   According to the present invention, the magnification of the imaging optical system and the fluctuation of the image plane position can be reduced, and the image plane position can be corrected according to the fluctuation of the image plane position. It can be formed at a desired site on the crystalline semiconductor with good reproducibility.

本明細書において重要な用語を以下に定義する。「結晶化」とは、結晶化対象膜が溶融し、この融液が凝固する過程において結晶核を起点として結晶成長することをいう。「ラテラル成長」とは、結晶化対象膜が溶融し、その融液が凝固する過程において、結晶粒の成長が膜面に沿って横方向に進行することをいう。「光強度分布」または「ビームプロファイル」とは、結晶化対象膜に入射される光の二次元の強度分布のことをいう。「レーザフルエンス」とは、ある位置でのレーザ光のエネルギ密度を表わす尺度であり、単位面積当たりのエネルギ量をいい、具体的には光源または照射領域において計測されるレーザ光の平均強度のことをいう。   Important terms used herein are defined below. “Crystallization” refers to crystal growth starting from a crystal nucleus in the process of melting a film to be crystallized and solidifying the melt. “Lateral growth” means that the growth of crystal grains proceeds laterally along the film surface in the process of melting the crystallization target film and solidifying the melt. “Light intensity distribution” or “beam profile” refers to a two-dimensional intensity distribution of light incident on a crystallization target film. “Laser fluence” is a measure of the energy density of laser light at a certain position, and refers to the amount of energy per unit area, specifically the average intensity of laser light measured in the light source or irradiation area. Say.

「アッテネータ」とは、レーザ光の強度を減衰させる光学素子をいう。「ホモジナイザ」とは、入射光を複数に分割し、これら分割光をそれぞれ同一形状にして重ね合わせて、特定の面でのレーザ光の断面寸法を決定し、光強度を均一化する光学素子のことをいう。また、「ホモジナイズ面」とは、ホモジナイザを通った光が収束する特定の面のことをいう。「空間強度変調光学素子」とは、光の位相を変調し、光強度を変調するためのフォトマスクのことをいう。レーザ結晶化装置では空間強度変調光学素子のことを「位相シフター」と呼び、フォトリソグラフィプロセスの露光工程に使用される位相シフトマスクとは区別している。位相シフターは、例えば石英基材にエッチングにより段差が形成されたものである。   “Attenuator” refers to an optical element that attenuates the intensity of laser light. “Homogenizer” is an optical element that divides incident light into multiple parts, superimposes the divided lights in the same shape, determines the cross-sectional dimension of the laser light on a specific surface, and makes the light intensity uniform. That means. In addition, the “homogenized surface” refers to a specific surface on which light passing through the homogenizer converges. The “spatial intensity modulation optical element” refers to a photomask for modulating the phase of light and modulating the light intensity. In a laser crystallization apparatus, a spatial intensity modulation optical element is called a “phase shifter” and is distinguished from a phase shift mask used in an exposure process of a photolithography process. The phase shifter is formed, for example, by forming a step on a quartz substrate by etching.

「像面」とは、レーザ結晶化装置の結像光学系を通った光が収束する面をいう。プロジェクション型レーザ結晶化装置の一次結像光学系(ホモジナイザ、コンデンサレンズ、マスク等)を通った光が収束して像を形成する面を、特に「一次像面」という。一次像面は、位相シフター面および/またはホモジナイズ面と一致(完全オーバーラップ)する場合は、位相シフター面および/またはホモジナイズ面を指す。また、プロジェクション型レーザ結晶化装置の二次結像光学系(縮小レンズ等)を通った光が収束して像を形成する面を、特に「二次像面」という。換言すれば、「二次像面」とは、一次像面に形成された像が基板側に転写される面のことをいう。   “Image plane” refers to a plane on which light passing through the imaging optical system of the laser crystallization apparatus converges. The surface on which the light that has passed through the primary imaging optical system (homogenizer, condenser lens, mask, etc.) of the projection type laser crystallization apparatus converges to form an image is particularly called a “primary image plane”. A primary image plane refers to a phase shifter plane and / or a homogenized plane when it coincides (completely overlaps) with a phase shifter plane and / or a homogenized plane. A surface on which light passing through a secondary imaging optical system (such as a reduction lens) of a projection type laser crystallization apparatus converges to form an image is particularly called a “secondary image plane”. In other words, the “secondary image plane” refers to a plane on which an image formed on the primary image plane is transferred to the substrate side.

「テレセントリック光学系」または「テレセントリックレンズ光学系」とは、開口絞りがレンズの焦点位置にあり、主光線がレンズ光軸に対して物体側、像側、もしくは物体/像の両側で平行になる光学系をいう。「開口絞り」とは、光軸の周りの光線が通過する領域を限定するために、光学系の内部または光学系の近傍に設けられる遮光枠をいう。   "Telecentric optical system" or "telecentric lens optical system" means that the aperture stop is at the focal position of the lens and the principal ray is parallel to the lens optical axis on the object side, the image side, or both sides of the object / image. An optical system. “Aperture stop” refers to a light-shielding frame provided in the optical system or in the vicinity of the optical system in order to limit a region through which light rays around the optical axis pass.

本発明のレーザ結晶化装置では、空間強度変調光学素子により変調されたレーザ光を非単結晶半導体上の所望の部位に結像させるための結像光学系を構成する複数の光学部材の温度を調整する温度調整部を備えている。その結果、温度調整部の作用により、結像光学系の倍率及び像面位置の変動を低減すること、および像面位置変動に応じて像面位置を補正することができ、所望サイズの結晶粒を所望位置に再現性良く形成することができる。   In the laser crystallization apparatus of the present invention, the temperatures of a plurality of optical members constituting an imaging optical system for imaging a laser beam modulated by a spatial intensity modulation optical element on a desired site on a non-single crystal semiconductor are adjusted. A temperature adjustment unit for adjustment is provided. As a result, the temperature adjustment unit can reduce the magnification of the imaging optical system and the fluctuation of the image plane position, and can correct the image plane position according to the fluctuation of the image plane position. Can be formed at a desired position with good reproducibility.

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図1に示すように、本実施形態のレーザ結晶化装置1は、プロジェクション方式の照明系2、空間強度変調光学素子3(位相シフターまたは回折光学素子)、結像光学系4を有し、さらに被処理基板5を可動に支持する基板ステージ6を備えている。基板ステージ6は、図示しないX−Y−Z−θ駆動機構を内蔵しており、光学系2,3,4に対して位置合せするために、X軸、Y軸、Z軸の各方向に移動されるとともに、Z軸まわりにθ回転されるようになっている。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. As shown in FIG. 1, a laser crystallization apparatus 1 of the present embodiment includes a projection illumination system 2, a spatial intensity modulation optical element 3 (phase shifter or diffractive optical element), and an imaging optical system 4. A substrate stage 6 that movably supports the substrate 5 to be processed is provided. The substrate stage 6 has a built-in XYZ-θ drive mechanism (not shown), and is aligned in each of the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions for alignment with the optical systems 2, 3, and 4. While being moved, it is rotated θ around the Z axis.

図2に示すように、照明系2は、被処理基板5上の非晶質シリコン膜を溶融させるエネルギ光を出力する光源として、例えば波長248nmのレーザ光を発振するKrFエキシマレーザ光源2aを備えている。光源2aは図示しないアッテネータを内蔵している。アッテネータは、光源2aから発振されたレーザ光を減衰させ、その光強度レベルを例えば1J/cm2程度に調整し、照明系2及び結像光学系4の光学部材の焼き付きを防止するものである。なお、光源2aとして、波長308nmのレーザ光を発振するXeClエキシマレーザ光源、あるいはYAGレーザ光源のような被結晶化処理体を溶融するエネルギ光線を射出する性能を有する他の適当な光源を用いることもできる。 As shown in FIG. 2, the illumination system 2 includes, for example, a KrF excimer laser light source 2a that oscillates laser light having a wavelength of 248 nm as a light source that outputs energy light that melts the amorphous silicon film on the substrate 5 to be processed. ing. The light source 2a incorporates an attenuator (not shown). The attenuator attenuates the laser light oscillated from the light source 2a and adjusts its light intensity level to, for example, about 1 J / cm 2 to prevent the optical members of the illumination system 2 and the imaging optical system 4 from being burned. . As the light source 2a, an XeCl excimer laser light source that oscillates a laser beam having a wavelength of 308 nm, or another appropriate light source capable of emitting an energy beam that melts the object to be crystallized such as a YAG laser light source is used. You can also.

レーザ光70は、光源2aから出射された後に、ビームエキスパンダ2bを通過して拡大され、第1フライアイレンズ2cに入射する。こうして、第1フライアイレンズ2cの後側焦点面には複数の仮想光源が形成される。これらの仮想光源からの光束は、第1コンデンサー光学系2dを介して第2フライアイレンズ2eの入射面を重畳的に照明する。その結果、第2フライアイレンズ2eの後側焦点面には、第1フライアイレンズ2cの後側焦点面よりも多くの複数の仮想光源が形成される。   The laser beam 70 is emitted from the light source 2a, then passes through the beam expander 2b, is enlarged, and enters the first fly-eye lens 2c. Thus, a plurality of virtual light sources are formed on the rear focal plane of the first fly-eye lens 2c. The light beams from these virtual light sources illuminate the incident surface of the second fly's eye lens 2e in a superimposed manner via the first condenser optical system 2d. As a result, more virtual light sources are formed on the rear focal plane of the second fly-eye lens 2e than on the rear focal plane of the first fly-eye lens 2c.

第2フライアイレンズ2eの後側焦点面に形成された複数の仮想光源からの光束は、第2コンデンサー光学系2fを介して、空間強度変調光学素子3を重畳的に照明する。ここで、第1フライアイレンズ2cおよび第1コンデンサー光学系2dは第1のホモジナイザを構成する。光源2aから出射されたレーザ光は、第1のホモジナイザにより位相シフター3上での入射角度に関して均一化される。   Light beams from a plurality of virtual light sources formed on the rear focal plane of the second fly-eye lens 2e illuminate the spatial intensity modulation optical element 3 in a superimposed manner via the second condenser optical system 2f. Here, the first fly-eye lens 2c and the first condenser optical system 2d constitute a first homogenizer. The laser light emitted from the light source 2a is made uniform with respect to the incident angle on the phase shifter 3 by the first homogenizer.

また、第2フライアイレンズ2eおよび第2コンデンサー光学系2fは第2のホモジナイザを構成する。この第2のホモジナイザにより第1のホモジナイザからの入射角度が均一化されたレーザ光について位相シフター3上での面内各位置での光強度に関する均一化が図られる。こうして、照明系2は、ほぼ均一な光強度分布を有するレーザ光により位相シフター3を照明する。   The second fly's eye lens 2e and the second condenser optical system 2f constitute a second homogenizer. With this second homogenizer, the light intensity at each in-plane position on the phase shifter 3 can be made uniform with respect to the laser light having the uniform incident angle from the first homogenizer. Thus, the illumination system 2 illuminates the phase shifter 3 with the laser beam having a substantially uniform light intensity distribution.

レーザ光70は、位相シフター3で位相変調または回折され、結像光学系4を介して被処理基板5に入射される。ここで、結像光学系4に関して位相シフター3と被処理基板5とを光学的に共役に配置している。換言すれば、被処理基板5は、位相シフター3と光学的に共役な面(結像光学系4の像面)に設定されている。   The laser light 70 is phase-modulated or diffracted by the phase shifter 3 and is incident on the substrate 5 to be processed via the imaging optical system 4. Here, the phase shifter 3 and the substrate to be processed 5 are optically conjugate with respect to the imaging optical system 4. In other words, the substrate 5 to be processed is set to a surface optically conjugate with the phase shifter 3 (image surface of the imaging optical system 4).

結像光学系4は、図3に示すように、全体が保護カバー41a,41bで覆われている。保護カバー41a,41b内には第1のレンズ群L1〜L3、開口絞り4cおよび第2のレンズ群L4〜L10が順番に並んで配置されている。これらの光学部材L1〜L10,4cは、光軸を一致させた状態で、かつ互いに適当な間隔をおいて離れた状態で、レンズホルダ42によってそれぞれの周縁部が支持されている。   As shown in FIG. 3, the imaging optical system 4 is entirely covered with protective covers 41a and 41b. In the protective covers 41a and 41b, the first lens groups L1 to L3, the aperture stop 4c, and the second lens groups L4 to L10 are arranged in order. Each of the optical members L1 to L10, 4c is supported by the lens holder 42 in a state where the optical axes are aligned with each other and at a suitable distance from each other.

上部保護カバー41aには入射窓40aが嵌め込まれ、下部保護カバー41bには出射窓40bが嵌め込まれている。第1のレンズ群L1〜L3は入射窓40aの側(位相シフター3の側)に配置され、第2のレンズ群L4〜L10は出射窓40bの側(被処理基板5の側)に配置されている。変調レーザ光70は、入射窓40aから結像光学系4のなかに入り、第1のレンズ群L1〜L3、開口絞り4c、第2のレンズ群L4〜L10を順次通過して、出射窓40bを通って結像光学系4から出て行く。   An entrance window 40a is fitted into the upper protective cover 41a, and an exit window 40b is fitted into the lower protective cover 41b. The first lens groups L1 to L3 are arranged on the incident window 40a side (phase shifter 3 side), and the second lens groups L4 to L10 are arranged on the emission window 40b side (processed substrate 5 side). ing. The modulated laser light 70 enters the imaging optical system 4 from the entrance window 40a, and sequentially passes through the first lens groups L1 to L3, the aperture stop 4c, and the second lens groups L4 to L10, and then exits the exit window 40b. Through the imaging optical system 4.

結像光学系4は、光源からのレーザ光の光強度分布を被処理基板5に縮小照明させるための光学系である。本実施形態の結像光学系4はレーザ光を縮小投影するものであるが、本発明はこれのみに限られず、等倍投影であってもよく、また拡大投影であってもよい。   The imaging optical system 4 is an optical system for reducing the illumination intensity of the laser light from the light source onto the substrate 5 to be processed. Although the imaging optical system 4 of the present embodiment projects a laser beam in a reduced scale, the present invention is not limited to this, and may be an equal magnification projection or an enlarged projection.

結像光学系4のレンズ群L1〜L10は縮小テレセントリックレンズからなるため、第2のレンズ群L4〜L10のほうが第1のレンズ群L1〜L3と比べてサイズが小さい。このように第2のレンズ群L4〜L10は熱容量が小さいため、第1のレンズ群L1〜L3よりも過熱されやすく、かつ過冷されやすい。なお、レンズサイズに対応させて、下部保護カバー41bの直径を上部保護カバー41aのそれよりも小さくしている。   Since the lens groups L1 to L10 of the imaging optical system 4 are made of reduced telecentric lenses, the second lens groups L4 to L10 are smaller in size than the first lens groups L1 to L3. Thus, since the second lens groups L4 to L10 have a small heat capacity, they are more easily heated than the first lens groups L1 to L3 and more easily cooled. In correspondence with the lens size, the diameter of the lower protective cover 41b is made smaller than that of the upper protective cover 41a.

開口絞り4cは、第1のレンズ群L1〜L3と第2のレンズ群L4〜L10との間に配置されている。開口絞り4cは、例えば開口部(光透過部)の大きさの異なる複数の開口絞りを有し、これらの複数の開口絞り4cはレーザ光路に対して交換可能に取り付けられている。あるいは、開口絞り4cとして、開口部の大きさを連続的に変化させることのできる虹彩絞りを用いてもよい。いずれにしても、開口絞り4cの開口部の大きさ(すなわち結像光学系4の像側開口数NA)は、被処理基板5の半導体膜上において所要の光強度分布を発生させるように設定されている。   The aperture stop 4c is disposed between the first lens group L1 to L3 and the second lens group L4 to L10. The aperture stop 4c has, for example, a plurality of aperture stops having different sizes of openings (light transmission portions), and the plurality of aperture stops 4c are attached to the laser light path in an exchangeable manner. Or you may use the iris diaphragm which can change the magnitude | size of an opening part continuously as the aperture stop 4c. In any case, the size of the aperture of the aperture stop 4c (that is, the image-side numerical aperture NA of the imaging optical system 4) is set so as to generate a required light intensity distribution on the semiconductor film of the substrate 5 to be processed. Has been.

本実施形態の結像光学系4には両側テレセントリックレンズ光学系を採用している。図5(a)に示すように、両側テレセントリックレンズ光学系では、物体側および像側ともに主光線30がレンズ光軸に平行になるため、物体側のワーク31が図中の上下方向に移動した場合であっても、像32の大きさは変化しない。従って、両側テレセントリックレンズ光学系ではバックフォーカスが変化したとしても原理的には倍率は変わらない。   The imaging optical system 4 of the present embodiment employs a double telecentric lens optical system. As shown in FIG. 5A, in the double-sided telecentric lens optical system, since the principal ray 30 is parallel to the lens optical axis on both the object side and the image side, the object-side work 31 has moved in the vertical direction in the figure. Even in this case, the size of the image 32 does not change. Therefore, in the double-sided telecentric lens optical system, even if the back focus changes, the magnification does not change in principle.

また、結像光学系4に、両側テレセントリックレンズ光学系の代わりとして像側テレセントリックレンズ光学系を用いることもできる。像側テレセントリックレンズ光学系では、図5(b)に示すように、像側の主光線30のみがレンズ光軸に平行になるため、物体側のワーク31が図中の上下方向に移動した場合に像32の大きさが変化する。従って、像側テレセントリックレンズ光学系ではバックフォーカスが変化すると倍率が変化する。   Further, an image side telecentric lens optical system can be used as the imaging optical system 4 in place of the double telecentric lens optical system. In the image-side telecentric lens optical system, as shown in FIG. 5B, only the image-side principal ray 30 is parallel to the lens optical axis, so that the object-side workpiece 31 moves in the vertical direction in the figure. The size of the image 32 changes. Accordingly, in the image side telecentric lens optical system, the magnification changes when the back focus changes.

被処理基板5は、たとえば液晶ディスプレイ用板ガラス基板の上に化学気相成長法(CVD)により下地膜および非単結晶膜が順次形成されたものである。下地絶縁膜は、絶縁膜例えばSiO2であり、非単結晶膜とガラス基板が直接接触してNaなどの異物が非晶質シリコン膜に混入するのを防止し、非単結晶膜の溶融温度が直接ガラス基板に伝熱されるのを防止する。非単結晶膜は、所定厚さ(例えば50nm程度)の膜厚を有する非晶質の半導体膜または多結晶の半導体膜である。 The substrate 5 to be processed is obtained by sequentially forming a base film and a non-single crystal film on a flat glass substrate for a liquid crystal display, for example, by chemical vapor deposition (CVD). The base insulating film is an insulating film such as SiO 2 , which prevents the non-single crystal film and the glass substrate from coming into direct contact with each other to prevent foreign substances such as Na from entering the amorphous silicon film. Is prevented from being directly transferred to the glass substrate. The non-single-crystal film is an amorphous semiconductor film or a polycrystalline semiconductor film having a predetermined thickness (for example, about 50 nm).

非単結晶膜は、非単結晶の半導体膜や金属膜などでもよい。非晶質シリコン膜上には、キャップ膜として絶縁膜例えばSiO2膜が成膜される。キャップ膜は、非晶質シリコン膜に入射する光ビームの一部により加熱され、この加熱された温度を蓄熱する。この蓄熱効果は、光ビームの入射が遮断されたとき、非晶質シリコン膜の被照射面において高温部が相対的に急速に降温するが、この降温勾配を緩和させ、大粒径の横方向の結晶成長を促進させる。被処理基板5は、真空チャックや静電チャックなどにより基板ステージ6上において予め定められた所定の位置に位置決めされて保持される。なお、被処理基板5は、平坦性の誤差として一般的に±5μm〜±10μm程度の反りやたわみを有している。 The non-single crystal film may be a non-single crystal semiconductor film or a metal film. On the amorphous silicon film, an insulating film such as a SiO 2 film is formed as a cap film. The cap film is heated by a part of the light beam incident on the amorphous silicon film, and stores the heated temperature. This heat storage effect is that when the incidence of the light beam is interrupted, the high temperature portion of the irradiated surface of the amorphous silicon film cools relatively rapidly, but this temperature gradient is relaxed and the large grain size is reduced in the lateral direction. Promotes crystal growth. The substrate 5 to be processed is positioned and held at a predetermined position on the substrate stage 6 by a vacuum chuck or an electrostatic chuck. In addition, the to-be-processed substrate 5 generally has a curvature and a deflection of about ± 5 μm to ± 10 μm as an error in flatness.

こうして、本実施形態のレーザ結晶化装置では、いわゆる逆ピークパターン(V字の二次元パターン)のビームプロファイルの光が、被処理基板5上の非単結晶半導体膜に照射される。その結果、ビームプロファイルに応じて被照射領域内の溶融領域に温度勾配が生じ、光強度が最も低い点に対応して最初に凝固する部分もしくは溶融しない部分に結晶核が形成され、その結晶核を起点として結晶がラテラル成長する。   Thus, in the laser crystallization apparatus according to the present embodiment, light of a beam profile having a so-called reverse peak pattern (V-shaped two-dimensional pattern) is irradiated onto the non-single crystal semiconductor film on the substrate 5 to be processed. As a result, a temperature gradient is generated in the melted region in the irradiated region in accordance with the beam profile, and a crystal nucleus is formed in a portion that first solidifies or does not melt corresponding to the point where the light intensity is the lowest. The crystal grows laterally from the starting point.

ところで、レーザ結晶化装置では、縮小倍率の結像光学系4を用いることが多い。これは、たとえば1/5の縮小倍率の結像光学系4を用いる場合、空間強度変調光学素子3としての位相シフターまたは回折光学素子が製作し易くなる(等倍の結像光学系を用いる場合に比して寸法が5倍になる)という理由による。また、照明系2中のホモジナイザ(2c,2e)および空間強度変調光学素子3に入射する単位面積あたりの光照射エネルギが、等倍の結像光学系を用いる場合に比して1/25になり、ホモジナイザ(2c,2e)および空間強度変調光学素子3に与えるダメージが少ないという理由による。   By the way, in a laser crystallization apparatus, an imaging optical system 4 with a reduction magnification is often used. For example, when the imaging optical system 4 having a reduction magnification of 1/5 is used, it becomes easy to manufacture a phase shifter or a diffractive optical element as the spatial intensity modulation optical element 3 (when an equal-magnification imaging optical system is used). This is because the size is 5 times that of Further, the light irradiation energy per unit area incident on the homogenizer (2c, 2e) and the spatial intensity modulation optical element 3 in the illumination system 2 is reduced to 1/25 as compared with the case where an imaging optical system having the same magnification is used. This is because the damage given to the homogenizer (2c, 2e) and the spatial intensity modulation optical element 3 is small.

また、結像光学系4は、空間強度変調光学素子3により規定される数μmの範囲の光強度分布を収差や歪みなく、被処理基板5上に縮小倍率または等倍で形成するために、通常10枚以上の光学レンズで構成される。また、光源2aとしてエキシマレーザ光源を採用した場合、結像光学系4のレンズL1〜L10に用いられる光学材料は、合成石英またはフッ化カルシウム(蛍石)である。   In addition, the imaging optical system 4 forms a light intensity distribution in the range of several μm defined by the spatial intensity modulation optical element 3 on the substrate 5 to be processed at a reduced magnification or an equal magnification without aberration or distortion. Usually, it is composed of 10 or more optical lenses. When an excimer laser light source is employed as the light source 2a, the optical material used for the lenses L1 to L10 of the imaging optical system 4 is synthetic quartz or calcium fluoride (fluorite).

ここで、フッ化カルシウムの熱伝導率は9.71(W/(m・°C))であり、合成石英の熱伝導率は1.35(W/(m・°C))である。したがって、合成石英でつくられたレンズのほうがフッ化カルシウムでつくられたレンズよりも、光照射による温度変化が大きくなると推察される。また、フッ化カルシウムの熱膨張係数は約2×10-5/°C、その屈折率の温度係数は約−1×10-5/°Cである。一方、合成石英の熱膨張係数は約4×10-6/°C、その屈折率の温度係数は約1×10-5/°Cである。 Here, the thermal conductivity of calcium fluoride is 9.71 (W / (m · ° C)), and the thermal conductivity of synthetic quartz is 1.35 (W / (m · ° C)). Therefore, it is assumed that the temperature change caused by light irradiation is larger in the lens made of synthetic quartz than in the lens made of calcium fluoride. Further, the thermal expansion coefficient of calcium fluoride is about 2 × 10 −5 / ° C., and the temperature coefficient of its refractive index is about −1 × 10 −5 / ° C. On the other hand, the thermal expansion coefficient of synthetic quartz is about 4 × 10 −6 / ° C., and the temperature coefficient of its refractive index is about 1 × 10 −5 / ° C.

このような光学材料の温度特性を考慮すると、結像光学系4では、1°Cのレンズ温度変化に対して例えば数μmの像面位置(焦点位置)の変化、すなわち結像光学系4の光軸に沿った数μmの結像位置の変化が見積られる。例えば、エキシマレーザ光を用いる結晶化装置の場合は、1°Cのレンズ温度変化に対して像面位置(結像位置)が10μm程度も変化する結像光学系があるといわれている。   Considering the temperature characteristics of such an optical material, in the imaging optical system 4, for example, a change in image plane position (focal position) of several μm with respect to a lens temperature change of 1 ° C. A change in the imaging position of several μm along the optical axis is estimated. For example, in the case of a crystallization apparatus using excimer laser light, it is said that there is an imaging optical system in which the image plane position (imaging position) changes by about 10 μm with respect to a lens temperature change of 1 ° C.

ところで、従来方式の結晶化装置(位相制御ELA法よりも以前の装置)においては、細長い長尺ビーム(たとえば500μm×300mm等)を被処理基板に均一に照射する。この場合、そもそも結晶粒の位置決めを行わないので、例えば結像光学系の倍率変化により数μmの結晶粒位置の変化が発生したとしても全く問題にならない。   By the way, in a conventional crystallization apparatus (an apparatus prior to the phase control ELA method), an elongated long beam (for example, 500 μm × 300 mm or the like) is uniformly irradiated onto a substrate to be processed. In this case, since the positioning of the crystal grains is not performed in the first place, even if a change in the crystal grain position of several μm occurs due to, for example, a change in magnification of the imaging optical system, there is no problem.

一方、本発明のレーザ結晶化装置においては、ミクロンオーダーの位置精度で被処理基板の所望部位にレーザ光を正確に照射することが要求されている。このため、上述した結像光学系の倍率の変化や像面位置(一次像面位置、二次像面位置、焦点位置)の変化は、それが僅かであっても問題になってくる。例えば、波長が308nmのレーザ光を用いて、像側開口数NA=0.12程度の結像光学系を介して2μmの白黒パターンを転写する場合、照明系の開口数と結像光学系の入射側開口数とが等しいものとすると、結像光学系の焦点深度(DOF)は±10μm〜±20μm程度にもなる。空間強度変調光学素子として回折光学素子を用いて、被処理基板5上で光強度分布をミクロンオーダーで制御する場合、焦点深度はさらに小さくなり、条件によっては焦点深度が5μm以下と非常に狭くなる場合もある。   On the other hand, in the laser crystallization apparatus of the present invention, it is required to accurately irradiate a desired portion of a substrate to be processed with a position accuracy of micron order. For this reason, the change in magnification and the change in image plane position (primary image plane position, secondary image plane position, focus position) of the imaging optical system described above become a problem even if they are slight. For example, when a 2 μm monochrome pattern is transferred through an imaging optical system having an image-side numerical aperture NA = 0.12 using laser light having a wavelength of 308 nm, the numerical aperture of the illumination system and the imaging optical system If the numerical aperture on the incident side is equal, the depth of focus (DOF) of the imaging optical system is about ± 10 μm to ± 20 μm. When using a diffractive optical element as the spatial intensity modulation optical element and controlling the light intensity distribution on the substrate 5 to be processed on the micron order, the depth of focus is further reduced, and depending on conditions, the depth of focus is as narrow as 5 μm or less. In some cases.

そこで、本実施形態のレーザ結晶化装置1は、図3に示すように、結像光学系4の光学部材L1〜L10,4cの温度を調整するために複数の温度調整部を備えている。これらの温度調整部が光学部材L1〜L10,4cを温度調整することにより、結像光学系4の倍率の補正および像面位置の補正が高精度になされる。本実施形態では次の3つの温度調整部を例示した。   Therefore, the laser crystallization apparatus 1 of the present embodiment includes a plurality of temperature adjustment units in order to adjust the temperatures of the optical members L1 to L10, 4c of the imaging optical system 4, as shown in FIG. These temperature adjustment units adjust the temperature of the optical members L1 to L10, 4c, thereby correcting the magnification of the imaging optical system 4 and correcting the image plane position with high accuracy. In the present embodiment, the following three temperature adjustment units are exemplified.

第1の温度調整部は、光学部材L1〜L10,4cを冷媒ガスにより直接的に冷却する空冷機構である。この空冷機構は、冷媒ガス供給源11、バルブ12、ポンプ13,14、ガス入口43a、上部スペース43、レンズホルダ42の内部流路44、下部スペース45およびガス出口45aを備えている。冷媒ガス供給源11には、冷媒ガスとして例えば低温(室温以下)の不活性ガス(たとえば窒素(N2)ガス,ヘリウム(He)ガスなど)または空気が収容されている。送給ポンプ13の吐出口は上部保護カバー41aのガス入口43aに連通し、排気ポンプ14の吸気口は下部保護カバー41bのガス出口45aに連通している。なお、本実施形態では排気ポンプ14から冷媒ガスを大気中に放出するようにしているが、排気回路を供給源11に接続して循環回路を形成し、冷媒ガスを再利用することもできる。 The first temperature adjustment unit is an air cooling mechanism that directly cools the optical members L1 to L10, 4c with the refrigerant gas. The air cooling mechanism includes a refrigerant gas supply source 11, a valve 12, pumps 13 and 14, a gas inlet 43a, an upper space 43, an internal flow path 44 of the lens holder 42, a lower space 45, and a gas outlet 45a. The refrigerant gas supply source 11 accommodates, for example, a low-temperature (room temperature or lower) inert gas (for example, nitrogen (N 2 ) gas, helium (He) gas) or air as the refrigerant gas. The discharge port of the feed pump 13 communicates with the gas inlet 43a of the upper protective cover 41a, and the intake port of the exhaust pump 14 communicates with the gas outlet 45a of the lower protective cover 41b. In this embodiment, the refrigerant gas is discharged from the exhaust pump 14 into the atmosphere. However, the exhaust gas can be connected to the supply source 11 to form a circulation circuit, and the refrigerant gas can be reused.

ガス入口43aは上部スペース43(レンズL1の直上)に連通し、上部スペース43はレンズホルダ42の内部流路44を介してレンズL1〜L10の相互間スペースに次々に連通している。さらに、最下段のレンズ間スペースは内部流路44を介して下部スペース45(レンズL10の直下)に連通し、下部スペース45はガス出口45aに連通している。内部流路44は、図4に示すように、幅広に開口している。   The gas inlet 43a communicates with the upper space 43 (directly above the lens L1), and the upper space 43 communicates with the space between the lenses L1 to L10 one after another via the internal flow path 44 of the lens holder 42. Further, the lowermost inter-lens space communicates with the lower space 45 (directly below the lens L10) via the internal flow path 44, and the lower space 45 communicates with the gas outlet 45a. As shown in FIG. 4, the internal flow path 44 is wide open.

冷媒ガスは、入口43a→上部スペース43→内部流路44→レンズL1,L2間スペース→内部流路44→レンズL2,L3間スペース→内部流路44→レンズL3,L4間スペース→内部流路44→レンズL4,L5間スペース→内部流路44→レンズL5,L6間スペース→内部流路44→レンズL6,L7間スペース→内部流路44→レンズL7,L8間スペース→内部流路44→レンズL8,L9間スペース→内部流路44→レンズL9,L10間スペース→内部流路44→下部スペース45→出口45aの順に結像光学系4の内部を通過して、光学部材L1〜L10,4cを直接的に冷却する。   The refrigerant gas is the inlet 43a → the upper space 43 → the internal flow path 44 → the space between the lenses L1 and L2 → the internal flow path 44 → the space between the lenses L2 and L3 → the internal flow path 44 → the space between the lenses L3 and L4 → the internal flow path. 44 → Space between lenses L4 and L5 → Internal flow path 44 → Space between lenses L5 and L6 → Internal flow path 44 → Space between lenses L6 and L7 → Internal flow path 44 → Space between lenses L7 and L8 → Internal flow path 44 → The space between the lenses L8 and L9 → the internal flow path 44 → the space between the lenses L9 and L10 → the internal flow path 44 → the lower space 45 → the outlet 45a passes through the imaging optical system 4 in this order, and the optical members L1 to L10, Cool 4c directly.

第2の温度調整部は、光学部材L1〜L10,4cを冷媒液体により間接的に冷却する液冷機構である。この液冷機構は、熱交換器15、ポンプ16、バルブ17、供給管47、レンズホルダ42の内部流路46および戻り管48を備えている。熱交換器15は、冷媒液体(例えば冷却水)と他の熱交換流体との間で熱交換させて、冷媒液体を室温以下の所定の温度に冷却するものである。熱交換器15の出口側はポンプ16及びバルブ17を介して供給管47に連通し、熱交換器15の入口側は戻り管48に連通している。供給管47はレンズホルダ42の最上部の内部流路46に連通し、戻り管48はレンズホルダ42の最下部の内部流路46に連通している。内部流路46は、図4に示すように、各段のレンズL1〜L10を保持する保持部42hをそれぞれ取り囲むように環状に形成されている。これらの内部流路46によってレンズホルダ42は熱交換ジャケットとして機能する。内部流路46に冷媒液体を流すと、保持部42hと接触しているレンズL1〜L10が間接的に冷却されるばかりでなく、結像光学系4の全体が効率良く冷やされる。   The second temperature adjustment unit is a liquid cooling mechanism that indirectly cools the optical members L1 to L10, 4c with the refrigerant liquid. This liquid cooling mechanism includes a heat exchanger 15, a pump 16, a valve 17, a supply pipe 47, an internal flow path 46 of the lens holder 42, and a return pipe 48. The heat exchanger 15 exchanges heat between the refrigerant liquid (for example, cooling water) and another heat exchange fluid, and cools the refrigerant liquid to a predetermined temperature below room temperature. The outlet side of the heat exchanger 15 communicates with the supply pipe 47 via the pump 16 and the valve 17, and the inlet side of the heat exchanger 15 communicates with the return pipe 48. The supply pipe 47 communicates with the uppermost internal flow path 46 of the lens holder 42, and the return pipe 48 communicates with the lowermost internal flow path 46 of the lens holder 42. As shown in FIG. 4, the internal flow path 46 is formed in an annular shape so as to surround the holding portions 42 h that hold the lenses L <b> 1 to L <b> 10 at each stage. The lens holder 42 functions as a heat exchange jacket by these internal flow paths 46. When the coolant liquid is allowed to flow through the internal flow path 46, not only the lenses L1 to L10 that are in contact with the holding portion 42h are indirectly cooled, but the entire imaging optical system 4 is efficiently cooled.

大型のLCD基板に対して多数回のレーザショットを打ち込むと、結像光学系のレンズ温度が上昇する。特に、小サイズの第2のレンズ群L4〜L10の温度は急上昇しようとするが、これらを上述の第1及び第2の温度調整部によって直接または間接に冷却するので、これらの温度上昇が抑制される。しかし、結像光学系の熱変位を完全に抑えることは困難であるので、結像光学系の倍率の補正および像面位置の補正のために、結像光学系4と被処理基板5との相対位置を調整する必要がある。すなわち、制御部10が、温度センサ22からの検出温度に基づいて基板ステージ6をZ軸方向に移動させることにより、結像光学系4の光軸に沿って被処理基板(非単結晶半導体)5が結像光学系4に対して位置合わせされる。これにより、被処理基板5上の非単結晶半導体の所望部位に対してレーザ光70が正確に照射される。   When a large number of laser shots are shot on a large LCD substrate, the lens temperature of the imaging optical system rises. In particular, the temperature of the small second lens groups L4 to L10 tends to rise rapidly, but these are cooled directly or indirectly by the above-described first and second temperature adjustment units, so that these temperature rises are suppressed. Is done. However, since it is difficult to completely suppress the thermal displacement of the imaging optical system, the imaging optical system 4 and the substrate 5 to be processed are used for correcting the magnification of the imaging optical system and correcting the image plane position. The relative position needs to be adjusted. In other words, the control unit 10 moves the substrate stage 6 in the Z-axis direction based on the temperature detected by the temperature sensor 22, so that the substrate to be processed (non-single crystal semiconductor) along the optical axis of the imaging optical system 4. 5 is aligned with the imaging optical system 4. Thereby, the laser beam 70 is accurately irradiated to a desired portion of the non-single crystal semiconductor on the substrate 5 to be processed.

第3の温度調整部は、第2のレンズ群L4〜L10をヒータ20で間接的に加熱する加熱機構である。この加熱機構は、下部保護カバー41bの外周に巻きつけられたヒータ20、電源21および温度センサ22を備えている。温度センサ22には、たとえばレンズL5に接触して取り付けられる熱電対などを用いることができる。第2のレンズ群L4〜L10は、第1のレンズ群L1〜L3と比べてサイズが小さいことから、熱容量が小さいので、過熱または過冷却されやすい。レンズ群L4〜L10が過冷却されると、レンズ表面に結露を生じやすくなり、安定かつ正常にレーザ結晶化処理を行うことができなくなる。そこで、温度センサ22によりレンズ温度を検出し、その検出温度が所定の閾値を下回っている場合には、ヒータ20によって第2のレンズ群L4〜L10を加熱する。   The third temperature adjustment unit is a heating mechanism that indirectly heats the second lens groups L4 to L10 with the heater 20. This heating mechanism includes a heater 20, a power source 21, and a temperature sensor 22 wound around the outer periphery of the lower protective cover 41b. As the temperature sensor 22, for example, a thermocouple attached in contact with the lens L5 can be used. Since the second lens groups L4 to L10 are smaller in size than the first lens groups L1 to L3, the second lens groups L4 to L10 are easy to be overheated or overcooled because the heat capacity is small. When the lens groups L4 to L10 are overcooled, condensation tends to occur on the lens surface, and the laser crystallization process cannot be performed stably and normally. Therefore, when the lens temperature is detected by the temperature sensor 22 and the detected temperature is below a predetermined threshold, the second lens group L4 to L10 is heated by the heater 20.

以上のように、本実施形態のレーザ結晶化装置1では、結像光学系4の光学部材L1〜L10,4cの温度を調整する。その結果、結像光学系4の倍率および像面位置を補正することができ、所望サイズの結晶粒を被処理基板5上の所望位置に再現性良く形成することができる。   As described above, in the laser crystallization apparatus 1 of the present embodiment, the temperatures of the optical members L1 to L10, 4c of the imaging optical system 4 are adjusted. As a result, the magnification and image plane position of the imaging optical system 4 can be corrected, and crystal grains of a desired size can be formed at a desired position on the substrate 5 with good reproducibility.

なお、本実施形態の第2の温度調整部15〜17では冷却水を用いて光学部材L1〜L10,4cを冷却しているが、第2の温度調整部15〜17に温水を用いて光学部材L1〜L10,4cを加温するようにしてもよい。また、制御部10は、温度センサ22からの検出温度に基づいて第1の温度調整部11〜13および第2の温度調整部15〜17をそれぞれ制御するようにしてもよい。   In addition, in the 2nd temperature adjustment parts 15-17 of this embodiment, although the optical members L1-L10 and 4c are cooled using cooling water, it is optical using warm water for the 2nd temperature adjustment parts 15-17. The members L1 to L10, 4c may be heated. The control unit 10 may control the first temperature adjustment units 11 to 13 and the second temperature adjustment units 15 to 17 based on the detected temperature from the temperature sensor 22.

また、本実施形態の温度センサ22はレンズL5に接触させてレンズ温度を直接検出しているが、温度センサをレンズホルダ42に接触するように取り付け、レンズホルダ42の温度を検出するようにしてもよい。この場合、制御部10は、所定の対照データ表を用いてレンズホルダ検出温度をレンズ温度に換算し、レンズ温度を求める。さらに、レンズホルダまたは保護カバーにペルチェ素子を取り付け、レンズホルダ等を介して光学部材を間接的に冷却するようにしてもよい。   Further, the temperature sensor 22 of the present embodiment directly detects the lens temperature by making contact with the lens L5. However, the temperature sensor is attached so as to contact the lens holder 42, and the temperature of the lens holder 42 is detected. Also good. In this case, the control unit 10 obtains the lens temperature by converting the lens holder detection temperature into the lens temperature using a predetermined reference data table. Furthermore, a Peltier element may be attached to the lens holder or the protective cover, and the optical member may be indirectly cooled via the lens holder or the like.

次に、図6(a)〜図6(e)を参照して本実施形態のレーザ結晶化装置を用いて薄膜トランジスタを作製する場合について説明する。図6(a)に示すように、絶縁基板50(例えば、アルカリガラス、石英ガラス、プラスチック、ポリイミドなど)の上に、下地膜51(例えば、膜厚50nmのSiNおよび膜厚100nmのSiO2積層膜など)および非晶質半導体膜52(例えば、膜厚50nm〜200nm程度のSi,Ge,SiGeなど)を、化学気相成長法やスパッタ法などを用いて成膜した被処理基板5を準備する。レーザ結晶化装置1を用いて、非晶質半導体膜52の表面の予め定められた領域に、レーザ光70(例えば、KrFエキシマレーザ光やXeClエキシマレーザ光など)を照射する。 Next, a case where a thin film transistor is manufactured using the laser crystallization apparatus of this embodiment will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 6A, a base film 51 (for example, SiN having a film thickness of 50 nm and a SiO 2 film having a film thickness of 100 nm is laminated on an insulating substrate 50 (for example, alkali glass, quartz glass, plastic, polyimide, etc.). And the like, and a substrate 5 to be processed on which an amorphous semiconductor film 52 (for example, Si, Ge, SiGe, etc. having a film thickness of about 50 nm to 200 nm) is formed using a chemical vapor deposition method or a sputtering method is prepared. To do. The laser crystallization apparatus 1 is used to irradiate a predetermined region on the surface of the amorphous semiconductor film 52 with laser light 70 (for example, KrF excimer laser light or XeCl excimer laser light).

こうして、図6(b)に示すように、大粒径の結晶を有する多結晶半導体膜または単結晶化半導体膜54が生成される。次に、図6(c)に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて多結晶半導体膜または単結晶化半導体膜54を例えば薄膜トランジスタを形成するための領域となる島状の半導体膜55に加工し、表面にゲート絶縁膜56として膜厚20nm〜100nmのSiO2膜を化学気相成長法やスパッタ法などを用いて成膜する。さらに、図6(d)に示すように、ゲート絶縁膜上にゲート電極57(例えば、シリサイドやMoWなど)を形成し、ゲート電極57をマスクにして不純物イオン72(Nチャネルトランジスタの場合にはリン、Pチャネルトランジスタの場合にはホウ素)をイオン注入する。その後、窒素雰囲気でアニール処理(例えば、450°Cで1時間)を行い、不純物を活性化して島状の半導体膜55にソース62、ドレイン63を形成する。次に、図6(e)に示すように、層間絶縁膜59を成膜してコンタクト穴をあけ、チャネル61でつながるソース62およびドレイン63に接続するソース電極64およびドレイン電極65を形成する。 Thus, as shown in FIG. 6B, a polycrystalline semiconductor film or a single crystallized semiconductor film 54 having a crystal with a large grain size is generated. Next, as shown in FIG. 6C, the polycrystalline semiconductor film or the single crystallized semiconductor film 54 is processed into an island-shaped semiconductor film 55 that becomes a region for forming a thin film transistor, for example, by using a photolithography technique. Then, a SiO 2 film having a thickness of 20 nm to 100 nm is formed as a gate insulating film 56 on the surface by using a chemical vapor deposition method or a sputtering method. Further, as shown in FIG. 6D, a gate electrode 57 (for example, silicide or MoW) is formed on the gate insulating film, and impurity ions 72 (in the case of an N-channel transistor) using the gate electrode 57 as a mask. Phosphorus and boron in the case of a P-channel transistor are ion-implanted. Thereafter, annealing is performed in a nitrogen atmosphere (for example, 450 ° C. for 1 hour) to activate the impurities and form the source 62 and the drain 63 in the island-shaped semiconductor film 55. Next, as shown in FIG. 6E, an interlayer insulating film 59 is formed to make contact holes, and a source electrode 64 and a drain electrode 65 connected to a source 62 and a drain 63 connected by a channel 61 are formed.

以上の工程において、図6(a)および図6(b)に示す工程で生成された多結晶半導体膜または単結晶化半導体膜54の大粒径結晶の位置に合わせて、チャネル61を形成する。以上の工程により、多結晶トランジスタまたは単結晶化半導体にTFT60を形成することができる。こうして製造された多結晶トランジスタまたは単結晶化トランジスタは、液晶表示装置(ディスプレイ)やEL(エレクトロルミネッセンス)ディスプレイなどの駆動回路や、メモリ(SRAMやDRAM)やCPUなどの集積回路などに適用可能である。   In the above process, the channel 61 is formed in accordance with the position of the large grain crystal of the polycrystalline semiconductor film or the single crystallized semiconductor film 54 generated in the process shown in FIGS. 6A and 6B. . Through the above steps, the TFT 60 can be formed in the polycrystalline transistor or the single crystal semiconductor. Polycrystalline transistors or single crystal transistors thus manufactured can be applied to driving circuits such as liquid crystal display devices (displays) and EL (electroluminescence) displays, and integrated circuits such as memories (SRAM and DRAM) and CPUs. is there.

次に、図7を参照して他の実施形態のレーザ結晶化装置について説明する。本実施形態のレーザ結晶化装置は、テレセントリックレンズ結像光学系4Aを構成する複数の光学部材(例示的にレンズL1〜L6だけを示す)の温度を調整するための温度調整部を備えている。温度調整部は、光学部材L1〜L6を保持する保持部材(すなわち外筒)83dの温度を調整するための保持部材調整部として、保持部材83dに接触するように配置されたヒータ91およびペルチェ素子92を有する。   Next, a laser crystallization apparatus according to another embodiment will be described with reference to FIG. The laser crystallization apparatus of the present embodiment includes a temperature adjustment unit for adjusting the temperatures of a plurality of optical members (only lenses L1 to L6 are illustrated) constituting the telecentric lens imaging optical system 4A. . The temperature adjusting unit is a holding member adjusting unit for adjusting the temperature of the holding member (that is, the outer cylinder) 83d that holds the optical members L1 to L6, and the heater 91 and the Peltier element arranged so as to contact the holding member 83d 92.

ヒータ91は加熱機能を有し、ペルチェ素子92は冷却機能を有し、それぞれが熱伝導によって間接的にレンズL1〜L6の温度を調整する。また、温度調整部は、レンズL1〜L6間の間隙に所定温度の気体を循環させて雰囲気の温度を調整する雰囲気調整機能を有するものである。例えば、温度調整部は、予め所定の温度に調整された不活性ガス(例えば、窒素ガス、ヘリウムガスなど)93aを結像光学系3のレーザ光路中に流入させるガス供給部93を備えている。ガス供給部93から供給された不活性ガス93aは、レンズL1〜L6間の間隙を流れた後に、結像光学系4Aの外部へ排出される。   The heater 91 has a heating function, and the Peltier element 92 has a cooling function, and each of them indirectly adjusts the temperature of the lenses L1 to L6 by heat conduction. The temperature adjustment unit has an atmosphere adjustment function for adjusting the temperature of the atmosphere by circulating a gas having a predetermined temperature in the gap between the lenses L1 to L6. For example, the temperature adjustment unit includes a gas supply unit 93 that allows an inert gas (for example, nitrogen gas, helium gas) 93 a that has been adjusted to a predetermined temperature to flow into the laser beam path of the imaging optical system 3. . The inert gas 93a supplied from the gas supply unit 93 flows through the gap between the lenses L1 to L6, and is then discharged to the outside of the imaging optical system 4A.

さらに、温度調整部は、例えばレンズL5の温度を測定するための温度センサ94と、該温度センサ94からの出力に基づいてヒータ91、ペルチェ素子92およびガス供給部93をそれぞれ制御する制御部95とを有する。なお、温度センサ94として、例えばレンズL6に接触するように取り付けられた熱伝対などを用いることができる。制御部95は、ガス供給部93から供給される不活性ガス93aの温度および流量を調整する。   Further, the temperature adjustment unit, for example, a temperature sensor 94 for measuring the temperature of the lens L5, and a control unit 95 for controlling the heater 91, the Peltier element 92, and the gas supply unit 93 based on the output from the temperature sensor 94, respectively. And have. As the temperature sensor 94, for example, a thermocouple attached so as to be in contact with the lens L6 can be used. The control unit 95 adjusts the temperature and flow rate of the inert gas 93 a supplied from the gas supply unit 93.

以上のように、本実施形態のレーザ結晶化装置では、制御部95からの指令に基づいてヒータ91、ペルチェ素子92およびガス供給部93のうち少なくとも1つを制御することにより、結像光学系4Aを構成するレンズL1〜L6の温度が調整される。その結果、結像光学系4Aの倍率および像面位置を補正することができ、所望サイズの結晶粒を所望位置に再現性良く形成することができる。   As described above, in the laser crystallization apparatus of this embodiment, the imaging optical system is controlled by controlling at least one of the heater 91, the Peltier element 92, and the gas supply unit 93 based on a command from the control unit 95. The temperatures of the lenses L1 to L6 constituting 4A are adjusted. As a result, the magnification and image plane position of the imaging optical system 4A can be corrected, and crystal grains of a desired size can be formed at the desired position with good reproducibility.

なお、上述の説明では、保持部材83dの温度を調整するための保持部材調整部として、保持部材83dに接触するように配置されたヒータ91とペルチェ素子92とを用いている。しかしながら、本発明はこれに限定されることなく、保持部材調整部の具体的な構成については様々な変形例が可能である。例えば、図7に示すように、保持部材調整部として、保持部材93dの周囲に冷却水や温水を循環させる循環部96を用いることができる。循環部96は、保持部材83dの温度を調整するために、所定の温度に冷却または加熱された水を保持部材83dの周囲に供給し、供給した冷却水や温水を回収する。   In the above description, the heater 91 and the Peltier element 92 disposed so as to be in contact with the holding member 83d are used as the holding member adjusting portion for adjusting the temperature of the holding member 83d. However, the present invention is not limited to this, and various modifications can be made to the specific configuration of the holding member adjusting portion. For example, as shown in FIG. 7, a circulating unit 96 that circulates cooling water or hot water around the holding member 93d can be used as the holding member adjusting unit. In order to adjust the temperature of the holding member 83d, the circulation unit 96 supplies water cooled or heated to a predetermined temperature around the holding member 83d, and collects the supplied cooling water or hot water.

本実施形態では、温度センサ94により光学部材(例えばレンズL5)の温度を測定し、その測定温度に基づいて結像光学系4Aの光学部材(レンズL1〜L6)の温度を調整している。しかし、本発明はこれのみに限定されない。例えば、温度センサを保持部材83dに接触するように取り付け、この温度センサにより保持部材83dの温度を測定し、その測定温度に基づいて結像光学系4Aの光学部材(レンズL1〜L6)の温度を調整することもできる。   In this embodiment, the temperature of the optical member (for example, the lens L5) is measured by the temperature sensor 94, and the temperature of the optical members (the lenses L1 to L6) of the imaging optical system 4A is adjusted based on the measured temperature. However, the present invention is not limited to this. For example, a temperature sensor is attached so as to be in contact with the holding member 83d, the temperature of the holding member 83d is measured by this temperature sensor, and the temperature of the optical members (lenses L1 to L6) of the imaging optical system 4A is based on the measured temperature. Can also be adjusted.

また、図7において破線の矢印で示すように、制御部95が、結像光学系4Aの光学部材(レンズL1〜L6)の温度を測定するための温度センサ94(または保持部材83dの温度を測定するための温度センサ(図示せず))からの出力に基づいて基板ステージ6を移動させることにより、結像光学系4Aの光軸に沿った被処理基板(非単結晶半導体)5の位置を調整することもできる。   In addition, as indicated by the dashed arrows in FIG. 7, the control unit 95 determines the temperature of the temperature sensor 94 (or the holding member 83d) for measuring the temperature of the optical members (lenses L1 to L6) of the imaging optical system 4A. The position of the substrate (non-single crystal semiconductor) 5 along the optical axis of the imaging optical system 4A is moved by moving the substrate stage 6 based on the output from a temperature sensor (not shown) for measurement. Can also be adjusted.

次に、図8を参照して本実施形態のレーザ結晶化装置を液晶表示装置の回路の作製に利用する場合について説明する。アクティブマトリックス型液晶表示装置50では、各画素を個別に駆動するために、ガラスやプラスチック等の絶縁基板上に多数の薄膜トランジスタ(TFT)60が形成される。TFTのソース、ドレイン、チャネル領域に用いられるシリコン膜のうち非晶質シリコン(a-Si)膜は、形成温度が低く、気相法で比較的容易に形成することが可能であり、量産性にも富むため、TFT60に用いる半導体薄膜として一般的に用いられている。しかし、a-Si膜は、導電率等の物性が多結晶シリコン(poly-Si)膜に比べて劣る(a-Si膜中の移動度はpoly-Si膜中の移動度に比べて2桁以上低い)という欠点がある。   Next, a case where the laser crystallization apparatus of this embodiment is used for manufacturing a circuit of a liquid crystal display device will be described with reference to FIG. In the active matrix liquid crystal display device 50, a large number of thin film transistors (TFTs) 60 are formed on an insulating substrate such as glass or plastic in order to drive each pixel individually. Among silicon films used for TFT source, drain, and channel regions, amorphous silicon (a-Si) films have a low formation temperature and can be formed relatively easily by a vapor phase method. Therefore, it is generally used as a semiconductor thin film used for the TFT 60. However, a-Si films are inferior in physical properties such as conductivity to poly-Si films (the mobility in a-Si films is two orders of magnitude higher than that in poly-Si films). There is a disadvantage that it is low).

そこで、本実施形態のレーザ結晶化装置1を用いて、所定パワー(1ショットが1J/cm2程度)のレーザ光をa-Si膜の所望の部位に照射することにより、TFT60のソース62、ドレイン63、チャネル61となるべき領域に結晶性シリコン(poly-Si)を次々に形成する。ここで、本実施形態のレーザ結晶化装置1では、テレセントリック結像光学系を熱的に安定させているため、結像光学系4が被処理基板5に対して位置ずれしなくなる。さらに、制御部10が、温度センサ22の出力に基づいて結像光学系4の光軸に沿った非単結晶半導体5の位置を調整するので、レーザ光70は最初のTFTから最後のTFTに至るまで所望の部位に高精度に照射される。 Therefore, by using the laser crystallization apparatus 1 of the present embodiment to irradiate a desired portion of the a-Si film with laser light having a predetermined power (one shot is about 1 J / cm 2 ), the source 62 of the TFT 60, Crystalline silicon (poly-Si) is formed one after another in regions to be the drain 63 and the channel 61. Here, in the laser crystallization apparatus 1 of the present embodiment, since the telecentric imaging optical system is thermally stabilized, the imaging optical system 4 is not displaced with respect to the substrate 5 to be processed. Further, since the control unit 10 adjusts the position of the non-single crystal semiconductor 5 along the optical axis of the imaging optical system 4 based on the output of the temperature sensor 22, the laser light 70 changes from the first TFT to the last TFT. The desired part is irradiated with high accuracy until it reaches.

液晶表示装置50は、透明基体52、画素電極53、走査線54、信号線55、対向電極56、薄膜トランジスタ60、走査線駆動回路57、信号線駆動回路58、及び、液晶コントローラ59等を備えている。すなわち、液晶表示装置50では、走査線駆動回路57や信号線駆動回路58などの高速動作を要求される周辺回路部に、図6(e)に示すTFT60を用いている。   The liquid crystal display device 50 includes a transparent substrate 52, a pixel electrode 53, a scanning line 54, a signal line 55, a counter electrode 56, a thin film transistor 60, a scanning line driving circuit 57, a signal line driving circuit 58, a liquid crystal controller 59, and the like. Yes. That is, in the liquid crystal display device 50, the TFT 60 shown in FIG. 6E is used in a peripheral circuit portion that requires high-speed operation such as the scanning line driving circuit 57 and the signal line driving circuit 58.

この液晶表示装置50は、周辺回路部やメモリ回路部等の能動素子を内包したシステムディスプレイを実現することができる。TFT60は、図6(e)に示すような構造に形成され、高速動作を要求される周辺回路部例えば走査線駆動回路57や信号線駆動回路58などを構成する。走査線駆動回路57や信号線駆動回路58などの周辺回路部において、結晶成長終了位置から0.05〜0.2μm以内にソース領域Sのソース端位置又はドレイン領域Dのドレイン端位置を形成したTFTで構成することができる。すなわち、上記周辺回路を移動度(μmax)が300cm2/V・s以上の優れた特性のTFTで構成できる。 The liquid crystal display device 50 can realize a system display including active elements such as a peripheral circuit unit and a memory circuit unit. The TFT 60 is formed in a structure as shown in FIG. 6E, and constitutes a peripheral circuit portion such as a scanning line driving circuit 57 and a signal line driving circuit 58 that are required to operate at high speed. In peripheral circuit portions such as the scanning line driving circuit 57 and the signal line driving circuit 58, the source end position of the source region S or the drain end position of the drain region D is formed within 0.05 to 0.2 μm from the crystal growth end position. A TFT can be used. That is, the peripheral circuit can be constituted by a TFT having excellent characteristics with a mobility (μmax) of 300 cm 2 / V · s or more.

このようにして製造された表示装置は、周辺回路やメモリ回路などの能動素子を内包したシステムディスプレイを実現できる。この表示装置は、小型化と軽量化にも効果がある。上記の実施形態ではアクティブマトリックス型液晶表示装置の例について説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、有機EL表示装置の製造に本発明を適用することもできる。   The display device thus manufactured can realize a system display including active elements such as peripheral circuits and memory circuits. This display device is also effective in reducing size and weight. In the above embodiment, an example of an active matrix liquid crystal display device has been described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can also be applied to the manufacture of an organic EL display device.

レーザ結晶化装置の概要を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the outline | summary of a laser crystallization apparatus. レーザ結晶化装置の照明系の概要を示す内部透視図である。It is an internal perspective view which shows the outline | summary of the illumination system of a laser crystallization apparatus. 本発明の実施形態に係るレーザ結晶化装置の要部としてテレセントリックレンズ光学系を示すブロック断面図である。It is a block sectional view showing a telecentric lens optical system as a principal part of a laser crystallization apparatus concerning an embodiment of the present invention. テレセントリックレンズ光学系を光軸方向から見て示す平面図である。It is a top view which shows a telecentric lens optical system seeing from an optical axis direction. (a)は両側テレセントリックレンズ光学系を示す模式図であり、(b)は像側テレセントリックレンズ光学系を示す模式図である。(A) is a schematic diagram which shows a both-side telecentric lens optical system, (b) is a schematic diagram which shows an image side telecentric lens optical system. 本発明のレーザ結晶化装置を用いて電子デバイスを製造する際の各工程における被加工物をそれぞれ示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which each shows the to-be-processed object in each process at the time of manufacturing an electronic device using the laser crystallization apparatus of this invention. 本発明の他の実施形態に係るレーザ結晶化装置の要部としてテレセントリックレンズ光学系を示すブロック断面図である。It is a block sectional view showing a telecentric lens optical system as a principal part of a laser crystallization apparatus concerning other embodiments of the present invention. 表示装置の概要を示すブロック平面図である。It is a block top view which shows the outline | summary of a display apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1 レーザ結晶化装置
2 照明系
2a レーザ光源
2b ビームエキスパンダ
2c,2e フライアイレンズ
2d,2f コンデンサー光学系
3 空間強度変調光学素子(位相シフターまたは回折光学素子)
4 結像光学系
L1〜L10 レンズ群(光学部材)
4c 開口絞り
5 被処理基板
6 基板ステージ
10−17,20−22,42−48 温度調整部
91 ヒータ
92 ペルチェ素子
93 ガス供給部
94 温度センサ
95 制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser crystallization apparatus 2 Illumination system 2a Laser light source 2b Beam expander 2c, 2e Fly eye lens 2d, 2f Condenser optical system 3 Spatial intensity modulation optical element (phase shifter or diffractive optical element)
4 Imaging optical systems L1 to L10 Lens group (optical member)
4c Aperture stop 5 Substrate 6 Substrate stages 10-17, 20-22, 42-48 Temperature adjustment unit 91 Heater 92 Peltier element 93 Gas supply unit 94 Temperature sensor 95 Control unit

Claims (19)

レーザ光を非単結晶半導体に照射して該非単結晶半導体を局部的に溶融させ、その凝固過程で結晶化する結晶粒を成長させるレーザ結晶化装置であって、
光源と、
前記光源からのレーザ光の強度と位相を変調する空間強度変調光学素子と、
前記光源と前記空間強度変調光学素子との間に設けられ、前記光源からのレーザ光の光強度を均一化し、この均一化光で前記空間強度変調光学素子を照明する照明系と、
前記非単結晶半導体を支持するステージと、
前記ステージ上の非単結晶半導体と前記空間強度変調光学素子との間に設けられ、前記空間強度変調光学素子により変調されたレーザ光を前記非単結晶半導体上の所望の部位に結像させるための複数の光学部材を有する結像光学系と、
前記結像光学系の光学部材を加熱または冷却して、該光学部材の温度を調整する温度調整部と、
を具備することを特徴とするレーザ結晶化装置。
A laser crystallization apparatus for irradiating a non-single crystal semiconductor with laser light to locally melt the non-single crystal semiconductor and growing crystal grains that crystallize in the solidification process.
A light source;
A spatial intensity modulation optical element that modulates the intensity and phase of laser light from the light source;
An illumination system that is provided between the light source and the spatial intensity modulation optical element, uniformizes the light intensity of the laser light from the light source, and illuminates the spatial intensity modulation optical element with the uniformized light;
A stage for supporting the non-single crystal semiconductor;
Provided between the non-single crystal semiconductor on the stage and the spatial intensity modulation optical element, and for imaging a laser beam modulated by the spatial intensity modulation optical element at a desired site on the non-single crystal semiconductor An imaging optical system having a plurality of optical members;
A temperature adjusting unit that adjusts the temperature of the optical member by heating or cooling the optical member of the imaging optical system;
A laser crystallization apparatus comprising:
前記結像光学系は、前記複数の光学部材の周縁のみに接触して該光学部材を支持する保持部材を有し、
前記保持部材は、前記光学部材の周縁を取り囲むように形成された内部流路を有し、
前記内部流路は、冷媒流体を供給する供給源に連通していることを特徴とする請求項1に記載のレーザ結晶化装置。
The imaging optical system has a holding member that contacts only the peripheral edges of the plurality of optical members and supports the optical members;
The holding member has an internal flow channel formed so as to surround a periphery of the optical member,
The laser crystallization apparatus according to claim 1, wherein the internal flow path communicates with a supply source that supplies a refrigerant fluid.
前記供給源と前記内部流路との間で冷媒流体を循環させる循環流路を有することを特徴とする請求項2に記載のレーザ結晶化装置。 The laser crystallization apparatus according to claim 2, further comprising a circulation channel that circulates a refrigerant fluid between the supply source and the internal channel. 前記温度調整部は、前記保持部材を加熱するヒータを有することを特徴とする請求項1に記載のレーザ結晶化装置。 The laser crystallization apparatus according to claim 1, wherein the temperature adjustment unit includes a heater that heats the holding member. 前記温度調整部は、
冷媒ガス供給源と、
前記冷媒ガス供給源および前記結像光学系の内部にそれぞれ連通するガス入口と、
前記ガス入口に連通するとともに、前記複数の光学部材のうち前記光源に最も近い光学部材が露出する上部スペースと、
前記結像光学系の内部に連通するガス出口と、
前記ガス出口に連通するとともに、前記複数の光学部材のうち前記ステージに最も近い光学部材が露出する下部スペースと、
前記保持部材のなかに形成され、前記光学部材の相互間スペース、前記上部スペースおよび前記下部スペースにそれぞれ連通する内部流路と、
を有することを特徴とする請求項2に記載のレーザ結晶化装置。
The temperature adjustment unit is
A refrigerant gas supply source;
A gas inlet communicating with each of the refrigerant gas supply source and the imaging optical system;
An upper space communicating with the gas inlet and exposing an optical member closest to the light source among the plurality of optical members;
A gas outlet communicating with the inside of the imaging optical system;
A lower space that communicates with the gas outlet and exposes the optical member closest to the stage among the plurality of optical members;
An internal flow path formed in the holding member and communicating with the space between the optical members, the upper space and the lower space, respectively.
The laser crystallization apparatus according to claim 2, wherein:
前記冷媒ガスは、窒素ガスまたはヘリウムガスであることを特徴とする請求項5に記載のレーザ結晶化装置。 6. The laser crystallization apparatus according to claim 5, wherein the refrigerant gas is nitrogen gas or helium gas. 前記光学部材の相互間スペースに供給される冷媒ガスの流量を制御する制御手段をさらに有することを特徴とする請求項5に記載のレーザ結晶化装置。 6. The laser crystallization apparatus according to claim 5, further comprising control means for controlling a flow rate of the refrigerant gas supplied to the space between the optical members. 前記温度調整部は、前記光学部材および前記保持部材のうち少なくとも一方の温度を検出する温度センサを有し、
前記温度センサからの検出温度に基づいて前記温度調整部に温度調整を行わせる制御手段をさらに有することを特徴とする請求項2に記載のレーザ結晶化装置。
The temperature adjustment unit includes a temperature sensor that detects the temperature of at least one of the optical member and the holding member;
The laser crystallization apparatus according to claim 2, further comprising a control unit that causes the temperature adjustment unit to perform temperature adjustment based on a temperature detected from the temperature sensor.
前記光学部材は、前記光源側に配置された第1のテレセントリックレンズ群と、前記非単結晶半導体側に配置された第2のテレセントリックレンズ群と、前記第1のテレセントリックレンズ群と前記第2のテレセントリックレンズ群との間に配置された開口絞りと、を有することを特徴とする請求項1に記載のレーザ結晶化装置。 The optical member includes a first telecentric lens group disposed on the light source side, a second telecentric lens group disposed on the non-single crystal semiconductor side, the first telecentric lens group, and the second telecentric lens group. The laser crystallization apparatus according to claim 1, further comprising: an aperture stop disposed between the telecentric lens group. 前記結像光学系は、両側テレセントリックレンズ光学系または像側テレセントリックレンズ光学系のいずれかであることを特徴とする請求項1に記載のレーザ結晶化装置。 The laser crystallization apparatus according to claim 1, wherein the imaging optical system is either a double-sided telecentric lens optical system or an image-side telecentric lens optical system. レーザ光を非単結晶半導体に照射して該非単結晶半導体を局部的に溶融させ、その凝固過程で結晶化する結晶粒を成長させるレーザ結晶化装置であって、
光源と、
前記光源からのレーザ光の強度と位相を変調する空間強度変調光学素子と、
前記光源と前記空間強度変調光学素子との間に設けられ、前記光源からのレーザ光の光強度を均一化し、この均一化光で前記空間強度変調光学素子を照明する照明系と、
前記非単結晶半導体を支持するステージと、
前記ステージ上の非単結晶半導体と前記空間強度変調光学素子との間に設けられ、前記空間強度変調光学素子により変調されたレーザ光を前記非単結晶半導体上の所望の部位に結像させるための複数の光学部材を有し、該光学部材を保持する保持部材を有する結像光学系と、
前記結像光学系の光学部材を加熱または冷却するか、または前記保持部材を加熱または冷却することにより、前記光学部材の温度を調整する温度調整部と、
前記光学部材および前記保持部材のうち少なくとも一方の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサからの検出温度に基づいて前記ステージ及び前記結像光学系を前記結像光学系の光軸に沿って相対的に移動させ、前記結像光学系と前記非単結晶半導体との相対位置を調整する位置調整手段と、
を具備することを特徴とするレーザ結晶化装置。
A laser crystallization apparatus for irradiating a non-single crystal semiconductor with laser light to locally melt the non-single crystal semiconductor and growing crystal grains that crystallize in the solidification process.
A light source;
A spatial intensity modulation optical element that modulates the intensity and phase of laser light from the light source;
An illumination system that is provided between the light source and the spatial intensity modulation optical element, uniformizes the light intensity of the laser light from the light source, and illuminates the spatial intensity modulation optical element with the uniformized light;
A stage for supporting the non-single crystal semiconductor;
Provided between the non-single crystal semiconductor on the stage and the spatial intensity modulation optical element, and for imaging a laser beam modulated by the spatial intensity modulation optical element at a desired site on the non-single crystal semiconductor And an imaging optical system having a holding member for holding the optical member,
A temperature adjusting unit that adjusts the temperature of the optical member by heating or cooling the optical member of the imaging optical system or heating or cooling the holding member;
A temperature sensor for detecting the temperature of at least one of the optical member and the holding member;
The stage and the imaging optical system are relatively moved along the optical axis of the imaging optical system based on the detection temperature from the temperature sensor, and the imaging optical system and the non-single crystal semiconductor are relatively moved. Position adjusting means for adjusting the position;
A laser crystallization apparatus comprising:
前記保持部材は、前記光学部材の周縁を取り囲むように形成された内部流路を有し、
前記内部流路は、冷媒流体を供給する供給源に連通していることを特徴とする請求項11に記載のレーザ結晶化装置。
The holding member has an internal flow channel formed so as to surround a periphery of the optical member,
The laser crystallization apparatus according to claim 11, wherein the internal flow path communicates with a supply source that supplies a refrigerant fluid.
前記供給源と前記内部流路との間で冷媒流体を循環させる循環流路を有することを特徴とする請求項12に記載のレーザ結晶化装置。 The laser crystallization apparatus according to claim 12, further comprising a circulation channel that circulates a refrigerant fluid between the supply source and the internal channel. 前記温度調整部は、前記保持部材を加熱するヒータを有することを特徴とする請求項11に記載のレーザ結晶化装置。 The laser crystallization apparatus according to claim 11, wherein the temperature adjustment unit includes a heater for heating the holding member. 前記温度調整部は、
冷媒ガス供給源と、
前記冷媒ガス供給源および前記結像光学系の内部にそれぞれ連通するガス入口と、
前記ガス入口に連通するとともに、前記複数の光学部材のうち前記光源に最も近い光学部材が露出する上部スペースと、
前記結像光学系の内部に連通するガス出口と、
前記ガス出口に連通するとともに、前記複数の光学部材のうち前記ステージに最も近い光学部材が露出する下部スペースと、
前記保持部材のなかに形成され、前記光学部材の相互間スペース、前記上部スペースおよび前記下部スペースにそれぞれ連通する内部流路と、
を有することを特徴とする請求項12に記載のレーザ結晶化装置。
The temperature adjustment unit is
A refrigerant gas supply source;
A gas inlet communicating with each of the refrigerant gas supply source and the imaging optical system;
An upper space communicating with the gas inlet and exposing an optical member closest to the light source among the plurality of optical members;
A gas outlet communicating with the inside of the imaging optical system;
A lower space that communicates with the gas outlet and exposes the optical member closest to the stage among the plurality of optical members;
An internal flow path formed in the holding member and communicating with the space between the optical members, the upper space and the lower space, respectively.
The laser crystallization apparatus according to claim 12, comprising:
前記冷媒ガスは、窒素ガスまたはヘリウムガスであることを特徴とする請求項15に記載のレーザ結晶化装置。 The laser crystallization apparatus according to claim 15, wherein the refrigerant gas is nitrogen gas or helium gas. 前記光学部材の相互間スペースに供給される冷媒ガスの流量を制御する制御手段をさらに有することを特徴とする請求項15に記載のレーザ結晶化装置。 16. The laser crystallization apparatus according to claim 15, further comprising control means for controlling a flow rate of the refrigerant gas supplied to the space between the optical members. 前記光学部材は、前記光源側に配置された第1のテレセントリックレンズ群と、前記非単結晶半導体側に配置された第2のテレセントリックレンズ群と、前記第1のテレセントリックレンズ群と前記第2のテレセントリックレンズ群との間に配置された開口絞りと、を有することを特徴とする請求項11に記載のレーザ結晶化装置。 The optical member includes a first telecentric lens group disposed on the light source side, a second telecentric lens group disposed on the non-single crystal semiconductor side, the first telecentric lens group, and the second telecentric lens group. The laser crystallization apparatus according to claim 11, further comprising: an aperture stop disposed between the telecentric lens group. 前記結像光学系は、両側テレセントリックレンズ光学系または像側テレセントリックレンズ光学系のいずれかであることを特徴とする請求項11に記載のレーザ結晶化装置。 12. The laser crystallization apparatus according to claim 11, wherein the imaging optical system is either a double-sided telecentric lens optical system or an image-side telecentric lens optical system.
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