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JP3252403B2 - Laser irradiation apparatus and method for forming silicon thin film - Google Patents

Laser irradiation apparatus and method for forming silicon thin film

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Publication number
JP3252403B2
JP3252403B2 JP19427091A JP19427091A JP3252403B2 JP 3252403 B2 JP3252403 B2 JP 3252403B2 JP 19427091 A JP19427091 A JP 19427091A JP 19427091 A JP19427091 A JP 19427091A JP 3252403 B2 JP3252403 B2 JP 3252403B2
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Japan
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laser
laser beam
thin film
silicon thin
mirror
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勉 橋爪
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Seiko Epson Corp
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は半導体製造プロセスなど
に用いられるレーザ照射装置に関するものである。な
お、本発明のレーザ照射装置は、レーザアニールやゲッ
タリングの歪導入などの種々のレーザー装置に用いられ
ているが、以下ではレーザ照射の例として多く用いられ
ている結晶化について説明する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser irradiation apparatus used in a semiconductor manufacturing process or the like. Although the laser irradiation apparatus of the present invention is used in various laser apparatuses such as laser annealing and introduction of gettering distortion, crystallization which is often used as an example of laser irradiation will be described below.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、半導体集積回路の高密度化が進む
に伴い、半導体集積回路の各素子寸法の微細化を図って
横方向の集積度を向上させる他に、いったん形成された
素子構造の上に絶縁膜を全面にわたって形成し、さら
に、この絶縁膜の上に半導体薄膜を設けて、この半導体
薄膜を用いて素子を形成するというような三次元構造が
盛んに研究開発されている。とくに、絶縁膜上に形成し
た多結晶シリコン膜をレーザビームにより照射し再結晶
化させる方法が検討されている。
2. Description of the Related Art In recent years, as the density of semiconductor integrated circuits has increased, the dimensions of each element of the semiconductor integrated circuit have been reduced to improve the degree of integration in the horizontal direction. A three-dimensional structure in which an insulating film is formed over the entire surface, a semiconductor thin film is provided on the insulating film, and an element is formed using the semiconductor thin film has been actively researched and developed. In particular, a method for recrystallizing a polycrystalline silicon film formed on an insulating film by irradiating the polycrystalline silicon film with a laser beam has been studied.

【0003】半導体集積回路の分野では回路の高速化が
進むに伴い半導体集積回路の各素子あるいは配線部分と
基板シリコンとの間の電気容量を小さくすることが重要
な課題となっている。これまでによく用いられているp
n接合分離と比較すると、絶縁膜上に形成したシリコン
膜を用いれば寄生容量を小さくすることができる。
In the field of semiconductor integrated circuits, it has become an important issue to reduce the electric capacitance between each element or wiring portion of the semiconductor integrated circuit and the substrate silicon as the speed of the circuit increases. P which is often used so far
Compared with the n-junction isolation, the parasitic capacitance can be reduced by using a silicon film formed on an insulating film.

【0004】この意味でレーザビームにより再結晶技術
すなわちレーザ再結晶化技術が注目されている。
[0004] In this sense, a recrystallization technique using a laser beam, that is, a laser recrystallization technique has attracted attention.

【0005】また、平面画像表示装置の中で特にアクテ
ィブマトリックス方式の液晶表示装置の研究が進みブラ
ウン管方式の画像表示装置と同等以上の画質を得てい
る。高精細な画質と製造コスト低減のため、画素の薄膜
トランジスタの駆駆動回路を画素と同一の絶縁基板上に
構成する必要がある。レーザビームをシリコン薄膜に照
射して結晶化すると、駆動回路を画素と同一の絶縁基板
上に構成することができる。
In particular, among the flat-panel image display devices, research on an active matrix type liquid crystal display device has been advanced, and an image quality equal to or higher than that of a CRT type image display device has been obtained. In order to achieve high-definition image quality and reduce manufacturing costs, it is necessary to configure a driving circuit for driving the thin film transistor of the pixel on the same insulating substrate as the pixel. When the silicon thin film is irradiated with a laser beam and crystallized, the driving circuit can be formed on the same insulating substrate as the pixels.

【0006】これまでに、連続発振のアルゴンレーザの
ビームの照射方法が研究されシリコン基板構造の最適化
や、レーザビーム構造の最適化、あるいはレーザビーム
の走査方法の最適化により通常の集積回路作製の目的に
使用できる程度の結晶性のものが得られるまでになって
きた。アルゴンレーザのアニールに必要とする処理時間
は半導体集積回路を形成する目的に対してまだ長いとい
う問題があった。そこで、レーザアニール処理時間を短
くするためにビームの大きさが大きいエキシマパルスレ
ーザによるレーザ再結晶化が検討されている。
A method of irradiating a continuous wave argon laser beam has been studied so far, and a conventional integrated circuit fabrication is performed by optimizing a silicon substrate structure, optimizing a laser beam structure, or optimizing a laser beam scanning method. Crystalline materials that can be used for the purpose described above have been obtained. There is a problem that the processing time required for annealing with an argon laser is still long for the purpose of forming a semiconductor integrated circuit. Therefore, laser recrystallization using an excimer pulse laser having a large beam size has been studied in order to shorten the laser annealing time.

【0007】また、アクティブマトリクス型の液晶表示
体の分野でもエキシマレーザによるシリコン薄膜の結晶
化が検討されている。
In the field of active matrix type liquid crystal displays, crystallization of a silicon thin film using an excimer laser has been studied.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、パルス
レーザによる結晶化では、発振されるレーザのパルス幅
がレーザの発振装置の性能によって決まってしまうた
め、結晶化されるシリコン薄膜の膜厚や、結晶シリコン
薄膜を構成する多結晶の粒子の大きさなどが、レーザ発
振器によって制約を受け十分な性質の結晶シリコン薄膜
が得られない問題点があった。パルスレーザの照射によ
るシリコン薄膜の結晶化では、シリコン薄膜を融点以上
の温度に上昇させて結晶化する必要があるが、電子情報
通信学会技術研究報告電子デバイスED90−163、
PP55「パルスレーザアニール時のシリコン膜内過度温度
分布」の報告にもあるように、シリコン薄膜を溶融する
ためには、ある値以上のパルス幅が必要である。そこ
で、レーザ発振器の性能によりパルスレーザのパルス幅
が小さい場合、何らかの方法によりパルス幅を大きくす
る必要がある。
However, in crystallization using a pulsed laser, the pulse width of the laser to be oscillated is determined by the performance of the laser oscillating device. There is a problem that the size of the polycrystalline particles constituting the silicon thin film is restricted by the laser oscillator, and a crystalline silicon thin film having sufficient properties cannot be obtained. In the crystallization of a silicon thin film by irradiation with a pulse laser, it is necessary to raise the temperature of the silicon thin film to a temperature equal to or higher than the melting point, and crystallize the silicon thin film.
As reported in PP55 "Transient temperature distribution in silicon film during pulsed laser annealing", a pulse width of a certain value or more is required to melt a silicon thin film. Therefore, when the pulse width of the pulse laser is small due to the performance of the laser oscillator, it is necessary to increase the pulse width by some method.

【0009】レーザアニールではレーザの電磁波のエネ
ルギーが、シリコン薄膜に入射したときに、熱エネルギ
ーに変化しシリコン薄膜が高温となってシリコン原子の
再配列化により結晶化が達成される。よって、レーザビ
ームによる結晶化ではレーザの電磁波エネルギーが熱エ
ネルギーに変換する効率が問題となる。
In laser annealing, when the energy of a laser electromagnetic wave is incident on a silicon thin film, the energy changes to thermal energy, the temperature of the silicon thin film rises, and crystallization is achieved by rearrangement of silicon atoms. Therefore, in crystallization by a laser beam, there is a problem in the efficiency of converting electromagnetic wave energy of laser into heat energy.

【0010】波長308nmのXeClエキシマレーザ
では、シリコン薄膜におけるレーザの浸入長が約10n
m程度であり、パルス幅が30〜50ns程度と、シリ
コン薄膜の表面からシリコン薄膜の内部に熱が伝導する
時間に比べて大変小さい。シリコン薄膜の熱伝導率が小
さいため、シリコン薄膜表面に到達したレーザの電磁波
エネルギーの一部分だけが、シリコン薄膜の結晶化に必
要な熱エネルギーに変換し、残りの部分のエネルギーは
シリコン薄膜表面でシリコン原子の気化、イオン化、プ
ラズマ化、などに消費されてしまう。
In the case of a XeCl excimer laser having a wavelength of 308 nm, the laser penetration length in a silicon thin film is about 10 n.
m, and the pulse width is about 30 to 50 ns, which is much smaller than the time required for heat to be conducted from the surface of the silicon thin film to the inside of the silicon thin film. Due to the low thermal conductivity of the silicon thin film, only a part of the electromagnetic wave energy of the laser reaching the silicon thin film surface is converted into the heat energy required for crystallization of the silicon thin film, and the remaining energy is converted to silicon energy on the silicon thin film surface. It is consumed for atomization, ionization, plasmaization, etc. of atoms.

【0011】また、パルス幅が短いとシリコン薄膜の厚
みが100nm以上である場合、IEEE TRANSACTIONS ON
DEVICES. VOL.36,NO.12,PP2868-2872の報告にあるよう
に、シリコン薄膜の表面から高々50nm程度の厚みだ
け結晶化し、表面から奥の絶縁膜側では、熱エネルギー
が得られないため結晶化が進まない問題点があった。従
来のパルスビームによるアニールは図11に示すような
光学系を用いて行われていた。図11では、レーザ発振
器LSから出たレーザビームはレーザの強度を必要に応
じて減衰するアッテネーターATを通り、ビームの空間
的な強度分布を改良するレーザビーム形成部HMを通
り、ビームの大きさを必要に応じて可変するレンズ系を
通り試料の表面に到達するものであった。この光学系で
は、レーザビームのパルス幅はレーザ発振器に依存し、
必要なパルス幅にビームを改良することができない欠点
を持っていた。
When the pulse width is short and the thickness of the silicon thin film is 100 nm or more, the IEEE TRANSACTIONS ON
As reported in DEVICES. VOL.36, NO.12, PP2868-2872, the silicon thin film crystallizes only up to about 50 nm thick from the surface, and no thermal energy can be obtained on the insulating film side deep from the surface. There was a problem that crystallization did not proceed. Conventional annealing using a pulse beam has been performed using an optical system as shown in FIG. In FIG. 11, the laser beam emitted from the laser oscillator LS passes through an attenuator AT that attenuates the laser intensity as necessary, passes through a laser beam forming unit HM that improves the spatial intensity distribution of the beam, and Reached the surface of the sample through a lens system that can be varied as needed. In this optical system, the pulse width of the laser beam depends on the laser oscillator,
The disadvantage was that the beam could not be improved to the required pulse width.

【0012】本発明の目的は、パルスレーザーを応用す
るレーザーアニールにおいて、ビーム部分分割ミラーに
よって分割されたそれぞれのビームの光路の長さと空間
的エネルギー分布を変えることによって、エネルギー分
布の異なる2つのレーザービームをタイミングを変えて
被処理物体を照射することが出来るレーザー照射装置を
提供し、優れた結晶性のシリコン薄膜の形成方法を提供
することにある。
An object of the present invention is to change two lasers having different energy distributions by changing the optical path length and spatial energy distribution of each beam split by a beam partial split mirror in laser annealing using a pulse laser. An object of the present invention is to provide a laser irradiation apparatus which can irradiate an object to be processed with changing a timing of a beam, and to provide a method of forming an excellent crystalline silicon thin film.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明のレーザー照射装
置は、レーザービームを発振するレーザー光源部と、前
記レーザービームを部分的に分割する第1ミラーと、分
割されたレーザービームを分割されなかったレーザービ
ームの光路に集める第2ミラーを備え、該第2ミラーに
より集光されたレーザービームを被処理物体に照射する
レーザー照射装置において、前記第1ミラーと前記第2
ミラーの間の前記第1ミラーにより分割されたレーザー
ビームの光路と分割されなっかたレーザービームの光路
の長さを変え、少なくともどちらか一方の光路に、レー
ザービームの空間的な強度分布を変更するレーザービー
ム形成部を設けることを特徴とする。また、本発明のシ
リコン薄膜の形成方法は、請求項1記載のレーザー照射
装置における第2ミラーにより集光されたレーザビーム
を、絶縁基板上に形成されたシリコン薄膜に照射して、
該シリコン薄膜を結晶化することを特徴とする。
According to the present invention, there is provided a laser irradiation apparatus comprising: a laser light source for oscillating a laser beam; a first mirror for partially splitting the laser beam; A laser mirror for irradiating the object to be processed with the laser beam condensed by the second mirror, wherein the first mirror and the second mirror are provided.
Change the length of the optical path of the laser beam split by the first mirror between the mirrors and the length of the optical path of the laser beam not split, and change the spatial intensity distribution of the laser beam to at least one of the optical paths. And a laser beam forming unit for providing the laser beam. Further, in the method for forming a silicon thin film of the present invention, the laser beam focused by the second mirror in the laser irradiation device according to claim 1 is irradiated on the silicon thin film formed on the insulating substrate,
The method is characterized in that the silicon thin film is crystallized.

【0014】[0014]

【作用】本発明では、パルスレーザビームのエネルギー
をビーム分割用部分透過ミラーにより分割して、それぞ
れの分割したビームのビーム分割用部分透過ミラーから
ビーム集光用部分透過ミラーまでの光路長を変化させる
ことにより、レーザ発振器で発振されたレーザビームよ
りもパルス幅が大きいレーザビームが、レーザ照射され
る試料表面において得られることにより、レーザのエネ
ルギーを遥かに効率的に熱エネルギーに変換できるの
で、良質な結晶シリコン薄膜を製造することができる。
According to the present invention, the energy of the pulse laser beam is divided by the beam splitting partial transmission mirror, and the optical path length of each split beam from the beam splitting partial transmission mirror to the beam focusing partial transmission mirror is changed. By doing so, a laser beam having a larger pulse width than the laser beam oscillated by the laser oscillator is obtained on the surface of the sample to be irradiated with the laser, so that the energy of the laser can be converted to thermal energy much more efficiently. A high-quality crystalline silicon thin film can be manufactured.

【0015】また、本発明は光路に設置されたレーザビ
ーム形成部とアッテネーターの作用により、空間的なレ
ーザビームのエネルギー分布を制御することができるの
で、必要な特性の結晶シリコン薄膜を自在に得ることが
可能となる。
Further, according to the present invention, since the spatial energy distribution of the laser beam can be controlled by the action of the laser beam forming section and the attenuator provided in the optical path, a crystalline silicon thin film having necessary characteristics can be freely obtained. It becomes possible.

【0016】[0016]

【実施例】次に本発明の一実施例について図面を参照し
て説明する。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0017】本発明は基本的に図1に示すような構成に
なっている。レーザ発振部LSから出たパルスレーザビ
ームLBはビームのエネルギー強度を可変するアッテネ
ーターATをとおり、ビーム部分分割ミラーPMによ
り、光路B−Eを通るものと光路BーCーDーEを通る
ものにビームが分割される。M1とM2は全反射ミラー
である。複数の光路を経たビームは地点Eにあるビーム
集光用部分透過ミラーCMにより同じ光路に集められ
る。レーザ発振器LSを出たパルスビームの空間的なエ
ネルギーの強度分布は一定ではない。そこで必要に応じ
てレーザビーム形成部HMにより、ビームの空間的なエ
ネルギー強度分布を変更する。さらに、必要に応じてエ
ネルギー強度を変更するために凸レンズあるいは凹レン
ズLEにレーザビームを通過させて、レーザビームを照
射する。目的によっては、アッテネーターや、レーザビ
ーム形成部、レンズを用いずにレーザビームを試料SA
に照射してもよい。
The present invention is basically configured as shown in FIG. The pulse laser beam LB emitted from the laser oscillation section LS passes through an attenuator AT that varies the energy intensity of the beam, and passes through an optical path BE and an optical path BCDE by a beam partial split mirror PM. The beam is split into M1 and M2 are total reflection mirrors. Beams that have passed through a plurality of optical paths are collected on the same optical path by a beam condensing partially transmitting mirror CM at a point E. The spatial energy intensity distribution of the pulse beam leaving the laser oscillator LS is not constant. Therefore, the spatial energy intensity distribution of the beam is changed by the laser beam forming unit HM as needed. Further, the laser beam is passed through a convex lens or a concave lens LE to change the energy intensity as needed, and the laser beam is irradiated. Depending on the purpose, the laser beam is sampled without using an attenuator, laser beam forming unit, or lens.
May be irradiated.

【0018】現在代表的なXeClエキシマレーザーの
パルス幅は30〜50nsである。パルス幅が50ns
ならば、経路B−C−D−Eの道のりが経路B−Eより
も15m長ければ、光の速度が300000kms-1
あるので、経路B−C−D−Eを経たビームは、経路B
−Eを経たものよりも50ns遅れてビーム集光用部分
透過ミラーCMに到達する。そこでレーザ発振器から出
たビームが図2aに示すようなパルスならば、経路B−
C−D−Eを経たビームと経路B−Eを経たビームは、
図2bに示すような時間的に連続したビームとなって試
料面SBに到達する。この場合、試料面で得られるパル
ス幅は100nsとなる。一般的にパルス幅がτ(s)
のパルスレーザビームを、パルス幅が2τ(s)のパル
スレーザビームにするためには図1における光学系で、
光速をc(ms-1)とすれば、経路B−C−D−Eの道
のりを経路B−Eよりcτ(m)長くすれば得られる。
The pulse width of a currently typical XeCl excimer laser is 30 to 50 ns. Pulse width is 50 ns
Then, if the distance of the path BCDE is 15 m longer than the path BE, the speed of the light is 300,000 kms -1 and the beam passing through the path BCDE is
The beam reaches the beam condensing partially transmitting mirror CM with a delay of 50 ns from that after passing through -E. Then, if the beam emitted from the laser oscillator is a pulse as shown in FIG.
The beam via CDE and the beam via path BE are:
As shown in FIG. 2B, the beam reaches a sample surface SB as a temporally continuous beam. In this case, the pulse width obtained on the sample surface is 100 ns. Generally, the pulse width is τ (s)
In order to make the pulse laser beam having a pulse width of 2τ (s), the optical system in FIG.
Assuming that the speed of light is c (ms -1 ), it can be obtained by making the route BCDE longer cτ (m) than the route BE.

【0019】ビームの進行方向の垂直面についてビーム
の広がりが同じであれば、試料面に到達したビームの単
位時間あたりのエネルギーは、レーザ発振器を出たビー
ムの半分である。しかし、試料表面に到達するエネルギ
ーはレーザ発振器から出たレーザビームのエネルギーと
同じである。
If the spread of the beam is the same in the plane perpendicular to the traveling direction of the beam, the energy per unit time of the beam reaching the sample surface is half that of the beam leaving the laser oscillator. However, the energy reaching the sample surface is the same as the energy of the laser beam emitted from the laser oscillator.

【0020】シリコン薄膜中における波長308nmの
電磁波の侵入長は10nmである。ところがレーザバル
スの時間的な長さは50ns程度のため、このパルスレ
ーザが試料表面に照射されるとレーザのエネルギーは、
シリコン薄膜の表面から10nmの部分だけが瞬間的に
高温となるがシリコンの熱伝達係数が小さいため、パル
スレーザのエネルギーがシリコン薄膜の溶解のための熱
エネルギーに変化する前に、シリコン薄膜表面部分のシ
リコン原子の気化やプルズマ化に消費される。つまり、
パルスレーザの時間的な幅が短いと、シリコン薄膜は表
面だけが溶解し結晶化する。このため、厚みが100n
m以上のシリコン薄膜では、表面から50nm程度以上
の部分では十分に結晶化しない。そこで、シリコンの熱
伝達係数が小さくても、前述のように光学系を工夫して
パルス幅を大きくすると、150nm程度の厚みのシリ
コン薄膜でも十分結晶化することが可能となる。
The penetration length of an electromagnetic wave having a wavelength of 308 nm into a silicon thin film is 10 nm. However, since the time length of the laser pulse is about 50 ns, when the pulse laser is irradiated on the sample surface, the energy of the laser becomes
Only the portion 10 nm from the surface of the silicon thin film becomes instantaneously hot, but since the heat transfer coefficient of silicon is small, the surface of the silicon thin film is changed before the energy of the pulse laser is changed to the thermal energy for melting the silicon thin film. It is consumed for the vaporization and plasma conversion of silicon atoms. That is,
If the time width of the pulse laser is short, only the surface of the silicon thin film is dissolved and crystallized. Therefore, the thickness is 100 n
In the case of a silicon thin film having a thickness of m or more, the portion not smaller than about 50 nm from the surface is not sufficiently crystallized. Therefore, even if the heat transfer coefficient of silicon is small, it is possible to sufficiently crystallize a silicon thin film having a thickness of about 150 nm by increasing the pulse width by devising the optical system as described above.

【0021】上記の例では、ビーム部分分割部で分割さ
れたパルスビームを時間的に連続したパルスに変形した
例を示したが、経路BCDEの長さを自由に調節するこ
とにより、時間的に連続したパルスばかりでなく、不連
続なパルスに変形することによってもシリコン薄膜の結
晶化に有効な効果が得られる。例えば、パルス幅50n
sのレーザビームを、経路B−Eと経路B−C−D−E
の距離の差が30mであるような光学系を通過させると
図3のようなパルスレーザを得ることができる。
In the above example, an example is shown in which the pulse beam divided by the beam subdivision unit is transformed into a temporally continuous pulse. However, by freely adjusting the length of the path BCDE, the temporal An effective effect for crystallization of a silicon thin film can be obtained by deforming not only a continuous pulse but also a discontinuous pulse. For example, pulse width 50n
s laser beam into path BE and path BCDE
When the light passes through an optical system having a distance difference of 30 m, a pulse laser as shown in FIG. 3 can be obtained.

【0022】図4では、図1の方法を応用して試料の照
射面におけるレーザビームのパルス幅をレーザ発振器か
ら出たパルスビームのパルス幅の4倍にする方法を示し
ている。上記に述べた例のようにレーザ発振したレーザ
パルスのパルス幅が50nsであれば、経路H−I−J
−Kの道のりが経路H−Kより15nm長く、経路L−
M−N−Pの道のりが経路L−Pより30m長ければ、
図5に示したようなパルス幅200nsのパルスビーム
が得られる。
FIG. 4 shows a method of applying the method of FIG. 1 to make the pulse width of the laser beam on the irradiation surface of the sample four times the pulse width of the pulse beam emitted from the laser oscillator. If the pulse width of the laser pulse oscillated by the laser as in the example described above is 50 ns, the path HIJ
The path of −K is 15 nm longer than the path HK, and the path of L−
If the route of MNP is 30m longer than route LP,
A pulse beam having a pulse width of 200 ns as shown in FIG. 5 is obtained.

【0023】さらに、図6では、試料の照射面における
レーザビームのパルス幅をレーザー発振器から出たパル
スビームのパルス幅の3倍にする方法を示している。レ
ーザ発振器におけるレーザビームのパルス幅が50ns
である場合では、経路B−Iのビームと経路B−Cのビ
ームの、パルス分割部分透過ミラーPM1によるエネル
ギーの分割比が2:1であり、C−G経路のビームとC
−D経路のビームのビーム分割用部分透過ミラーPM2
のビームのエネルギーの分割比が1:1であり、経路C
−G−H−Dの道のりが経路C−Dより15m長く、経
路B−I−J−Eの道のりが経路B−C−D−Eより3
0m長いと図7に示したように、パルス幅が150ns
のレーザビームを得ることができる。
FIG. 6 shows a method of making the pulse width of the laser beam on the irradiation surface of the sample three times the pulse width of the pulse beam emitted from the laser oscillator. Pulse width of laser beam in laser oscillator is 50 ns
In the case of, the energy division ratio of the beam on the path BI and the beam on the path BC by the pulse division partial transmission mirror PM1 is 2: 1 and the beam on the CG path
-Partial transmission mirror PM2 for beam splitting of beam in D path
The beam splitting ratio is 1: 1 and the path C
-The path of GHD is 15 m longer than the path CD, and the path of the path BIJE is 3 m longer than the path BCDE.
If the length is 0 m, the pulse width is 150 ns as shown in FIG.
Laser beam can be obtained.

【0024】上記の例のようにパルス幅を大きくする
と、単位時間あたりのエネルギーが減少するが、試料面
に照射されるエネルギー量は、パルスを上記の光学系で
加工する以前と同じである。上記のような光学系による
レーザビームを加工することにより、レーザビームの電
磁波のエネルギーがシリコン薄膜中で効率よく熱エネル
ギーに転化するため、良好な結晶シリコン薄膜を得るこ
とが可能になる。
When the pulse width is increased as in the above example, the energy per unit time decreases, but the amount of energy applied to the sample surface is the same as before the pulse is processed by the above optical system. By processing the laser beam by the above optical system, the energy of the electromagnetic wave of the laser beam is efficiently converted into thermal energy in the silicon thin film, so that a good crystalline silicon thin film can be obtained.

【0025】シリコン薄膜をビームが照射される範囲に
おいて均一な特性のシリコン結晶を得るためには、パル
スレーザービームの空間的なエネルギー強度分布を均一
にする必要がある。例えば図1の例では、レーザービー
ム形成部HMをビーム集光用部分透過ミラーと試料の間
に設置するとよい。図1ばかりでなく図4や図6の場合
でもレーザービーム形成部を設置することができる。
In order to obtain a silicon crystal having uniform characteristics in a range where the silicon thin film is irradiated with the beam, it is necessary to make the spatial energy intensity distribution of the pulsed laser beam uniform. For example, in the example of FIG. 1, the laser beam forming unit HM may be installed between the beam condensing partially transmitting mirror and the sample. The laser beam forming unit can be provided not only in FIG. 1 but also in FIGS. 4 and 6.

【0026】あるいは、目的によっては、必要に応じ
て、図8に示すようにレーザービーム形成部HMを、ビ
ーム部分分割部とビーム集光用部分透過ミラーの間の経
路B−Eと経路B−C−D−Eの間のいずれかあるいは
両方に設置することもできる。レーザー発振器から出た
レーザービームのエネルギー分布は、空間的にガウス分
布しているが、例えば図9に示すように、経路B−Eに
レーザービームのエネルギー分布を均一にするレーザー
ビーム形成部HMを設置すると、図10に示すように、
異なるエネルギー分布を持ったパルスレーザービームを
時間的に連続して試料に照射することができる。図10
で、レーザービームの光軸の法線方向を「X方向」と表
している。
Alternatively, depending on the purpose, if necessary, as shown in FIG. 8, the laser beam forming unit HM may be provided with a path BE and a path B-B between the beam partial dividing unit and the beam condensing partially transmitting mirror. It can be installed at any one or both between C-D-E. Although the energy distribution of the laser beam emitted from the laser oscillator is spatially Gaussian distributed, for example, as shown in FIG. 9, a laser beam forming unit HM for making the energy distribution of the laser beam uniform in the path BE is provided. When installed, as shown in FIG.
The sample can be continuously irradiated with pulsed laser beams having different energy distributions in time. FIG.
, The normal direction of the optical axis of the laser beam is represented as “X direction”.

【0027】更に、ビーム分割用部分透過ミラーの前後
や、ビーム集光用透過ミラーの前後にレーザビームの強
度を適切に減衰させるアッテネーターを設置することに
よってレーザビームのエネルギー強度を制御できる。
Furthermore, the energy intensity of the laser beam can be controlled by installing an attenuator for appropriately attenuating the intensity of the laser beam before and after the beam splitting partial transmission mirror and before and after the beam focusing transmission mirror.

【0028】以上述べたように、ビーム分割用部分透過
ミラー、鏡、アッテネーター、ビーム集光用部分透過ミ
ラー、レーザビーム形成部を適当な距離と適当な配置を
することにより、空間的、時間的に様々なエネルギー分
布を持つパルスレーザビームを得ることができる。
As described above, spatially and temporally can be achieved by appropriately arranging the partial transmission mirror for beam splitting, the mirror, the attenuator, the partial transmission mirror for beam focusing, and the laser beam forming section at an appropriate distance. Pulse laser beams having various energy distributions can be obtained.

【0029】これによって、半導体集積回路や、アクテ
ィブマトリックス型の薄膜トランジスタに必要な良好な
特性を有する再結晶シリコン薄膜、あるいは結晶シリコ
ン薄膜を得ることができる。
Thus, a recrystallized silicon thin film or a crystalline silicon thin film having good characteristics required for a semiconductor integrated circuit or an active matrix type thin film transistor can be obtained.

【0030】以上の実施例では、半導体集積回路やアク
ティブマトリックス型の表示帯の薄膜トランジスタのシ
リコン薄膜に付いて述べたが、本発明は上記の実施例に
限られることなく、パルスレーザを用いた、金属の特性
改質、高分子の形成・分解、化学反応、生物反応などの
分野でも応用することが可能である。
In the above embodiments, a semiconductor integrated circuit and a silicon thin film of a thin film transistor of an active matrix type display band have been described. However, the present invention is not limited to the above embodiments. It can be applied to fields such as property modification of metals, formation and decomposition of polymers, chemical reactions, and biological reactions.

【0031】また、以上の実施例ではXeClエキシマ
レーザを例にしたが、パルスレーザはこれに限られるこ
となく、ArF,KrFなどのエキシマレーザ、YAG
レーザ、ルビーレーザなどのパルスレーザでも本発明を
応用することができる。
In the above embodiment, the XeCl excimer laser is used as an example. However, the pulse laser is not limited to this, and excimer lasers such as ArF and KrF, YAG
The present invention can be applied to a pulse laser such as a laser and a ruby laser.

【0032】[0032]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
パルスレーザによりシリコン薄膜を再結晶化、あるいは
結晶化を行うレーザ照射装置において、ビーム分割用部
分透過ミラーによってレーザビームを分割して、分割さ
れたビームの経路の道のりを変えて、さらに、ビーム集
光用部分透過ミラーで再びレーザビームの光路を同じに
することによって、ビームのパルス幅を大きくすること
により、レーザビームの電磁波エネルギーをシリコン薄
膜中で効率よく熱エネルギーに変換することにより、結
晶粒径の大きな結晶欠陥の少ない高品質の再結晶化ある
いは結晶化シリコン薄膜を得る効果がある。
As described above, according to the present invention,
In a laser irradiation apparatus that recrystallizes or crystallizes a silicon thin film using a pulse laser, the laser beam is split by a partially split mirror for beam splitting, the path of the split beam is changed, and the beam is collected. By making the optical path of the laser beam the same again with the partially transmitting mirror for light and increasing the pulse width of the beam, the electromagnetic wave energy of the laser beam is efficiently converted into thermal energy in the silicon thin film, and the crystal grains are converted. This has the effect of obtaining a high-quality recrystallized or crystallized silicon thin film with a large diameter and few crystal defects.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明のレーザ照射装置を説明する図。FIG. 1 is a diagram illustrating a laser irradiation apparatus according to the present invention.

【図2】 本発明により改良されたレーザビームのパル
スを説明する図。
FIG. 2 is a diagram illustrating a pulse of a laser beam improved according to the present invention.

【図3】 本発明の第2の例により改良されたパルスを
説明する図。
FIG. 3 is a diagram illustrating a pulse improved by the second example of the present invention.

【図4】 本発明の第3の例のレーザ照射装置を説明す
る図。
FIG. 4 is a diagram illustrating a laser irradiation apparatus according to a third example of the present invention.

【図5】 本発明の第3の例のレーザー照射装置を利用
して改良されたレーザビームのパルスを説明する図。
FIG. 5 is a diagram illustrating a pulse of a laser beam improved by using the laser irradiation apparatus according to the third example of the present invention.

【図6】 本発明の第4の例のレーザ照射装置を説明す
る図。
FIG. 6 is a diagram illustrating a laser irradiation apparatus according to a fourth example of the present invention.

【図7】 本発明の第4の例のレーザー照射装置を利用
して改良されたレーザビームのパルスを説明する図。
FIG. 7 is a diagram illustrating a pulse of a laser beam improved by using the laser irradiation apparatus according to the fourth example of the present invention.

【図8】 本発明の第5の例のレーザ照射装置を説明す
る図。
FIG. 8 is a diagram illustrating a laser irradiation apparatus according to a fifth example of the present invention.

【図9】 本発明の第5の例のレーザー照射装置の応用
例を説明する図。
FIG. 9 is a diagram illustrating an application example of a laser irradiation apparatus according to a fifth example of the present invention.

【図10】 本発明の図9のレーザ照射装置により改良
されたレーザビームのパルスを説明する図。
FIG. 10 is a view for explaining pulses of a laser beam improved by the laser irradiation apparatus of FIG. 9 of the present invention.

【図11】 従来のレーザ照射装置を説明する図。FIG. 11 illustrates a conventional laser irradiation apparatus.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

LS レーザ発振器 AT アッテネーター PM、PM1 ビーム分割部分透過ミラー CM、CM1 ビーム集光部分透過ミラー M1、M2、M3、M4 全反射ミラー HM、HM1、HM2 レーザビーム形成部 LE 凸レンズと凹レンズの複合光学系 SA 試料 LS Laser oscillator AT Attenuator PM, PM1 Beam splitting partially transmitting mirror CM, CM1 Beam condensing partially transmitting mirror M1, M2, M3, M4 Total reflection mirror HM, HM1, HM2 Laser beam forming unit LE Composite optical system of convex lens and concave lens SA sample

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01S 3/101 H01S 3/101 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI H01S 3/101 H01S 3/101

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】レーザービームを発振するレーザー光源部
と、前記レーザービームを部分的に分割する第1ミラー
と、分割されたレーザービームを分割されなかったレー
ザービームの光路に集める第2ミラーを備え、該第2ミ
ラーにより集光されたレーザービームを被処理物体に照
射するレーザー照射装置において、前記第1ミラーと前
記第2ミラーの間の前記第1ミラーにより分割されたレー
ザービームの光路と分割されなっかたレーザービームの
光路の長さを変え、少なくともどちらか一方の光路に、
レーザービームの空間的な強度分布を変更するレーザー
ビーム形成部を設けることを特徴とするレーザー照射装
置。
1. A laser light source for oscillating a laser beam, a first mirror for partially splitting the laser beam, and a second mirror for collecting the split laser beam in an optical path of an undivided laser beam. A laser irradiation device for irradiating the object to be processed with the laser beam condensed by the second mirror, wherein the optical path of the laser beam split by the first mirror between the first mirror and the second mirror is split Change the length of the optical path of the laser beam, and at least one of
A laser irradiation device comprising a laser beam forming unit for changing a spatial intensity distribution of a laser beam.
【請求項2】請求項1記載のレーザー照射装置における
第2ミラーにより集光されたレーザビームを、絶縁基板
上に形成されたシリコン薄膜に照射して、該シリコン薄
膜を結晶化することを特徴とするシリコン薄膜の形成方
法。
2. A laser irradiation apparatus according to claim 1, wherein the laser beam focused by the second mirror is irradiated on a silicon thin film formed on an insulating substrate to crystallize the silicon thin film. Method for forming a silicon thin film.
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