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JPH10125614A - Laser irradiating device - Google Patents

Laser irradiating device

Info

Publication number
JPH10125614A
JPH10125614A JP27646496A JP27646496A JPH10125614A JP H10125614 A JPH10125614 A JP H10125614A JP 27646496 A JP27646496 A JP 27646496A JP 27646496 A JP27646496 A JP 27646496A JP H10125614 A JPH10125614 A JP H10125614A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
laser
laser beam
light source
laser light
pulse
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP27646496A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tsutomu Hashizume
勉 橋爪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
Priority to JP27646496A priority Critical patent/JPH10125614A/en
Publication of JPH10125614A publication Critical patent/JPH10125614A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Recrystallisation Techniques (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser irradiating device with which laser beams of large pulse width and which is downsized. SOLUTION: A laser irradiating device is provided with laser light sources 11 and 12, a timing controlling device 20, total reflection mirrors 21, 22, 23 and 25, a selective reflection mirror 24 and a laser beam forming part 30. The timing controlling device 20 controls the timing, so that the timing of pulse generation of the laser light source 12 may be later than the pulse-generating timing of the laser light source 11 by a specified time. The laser beam 61 from the laser light source 11 and the laser beam 62 from the laser light source 12 reach in sequence the selective reflection mirror 24 and become a single laser beam 63 of large pulse with which a taught is irradiated.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はレーザ照射装置に関
し、特に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、レーザアニール用のレーザ照射装置やゲッタリ
ングのための歪導入用のレーザ照射装置等、種々のレー
ザー照射装置として用いられるが、以下では、レーザ照
射装置が多く用いられている結晶化技術を例として説明
する。
The present invention relates to a laser irradiation apparatus, and more particularly to a laser irradiation apparatus used in a semiconductor manufacturing process or the like. The laser irradiation apparatus of the present invention is used as various laser irradiation apparatuses such as a laser irradiation apparatus for laser annealing and a laser irradiation apparatus for introducing strain for gettering. The crystallization technology used will be described as an example.

【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研究の他に、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、特に、絶縁膜上に形成した多
結晶シリコン膜等をレーザビームにより照射し再結晶化
させる方法又はアモルファスシリコン膜を結晶化させる
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, research has been carried out to improve the degree of integration in the horizontal direction by miniaturizing the dimensions of each element of the semiconductor integrated circuit. Form an insulating film over the entire surface of the structure,
In addition, a three-dimensional structure in which 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 polycrystalline silicon film formed on the insulating film, etc. Is being studied by using a laser beam to recrystallize or crystallize an amorphous silicon film.

【0003】また、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pn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。この意味でもレーザビームによる結晶化技術すなわ
ちレーザ結晶化技術が注目されている。
[0003] In the field of semiconductor integrated circuits, it has become an important issue to reduce the electrical capacitance between each element or wiring portion of the semiconductor integrated circuit and the substrate silicon as the circuit speed increases. Compared with the pn junction isolation that has been widely used, the parasitic capacitance can be reduced by using the silicon film formed on the insulating film. In this sense, a crystallization technique using a laser beam, that is, a laser crystallization technique, has attracted attention.

【0004】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。駆動回路を画素と同一の絶縁基板上
に構成するためには、レーザビームをシリコン薄膜に照
射して結晶化する技術が重要となる。
In addition, among the flat image display devices, research on an active matrix type liquid crystal display device has been particularly 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 a thin film transistor of a pixel on the same insulating substrate as the pixel. In order to form a drive circuit on the same insulating substrate as a pixel, a technique of irradiating a silicon thin film with a laser beam and crystallizing the silicon thin film is important.

【0005】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等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。しかしながら、アルゴンレーザによるアニール
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エネルギー
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。
Up to now, a method of irradiating a continuous-wave argon laser beam has been studied, and a conventional integrated circuit has been optimized 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 of fabrication have been obtained. However, 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 energy has been studied in order to shorten the laser annealing time.

【0006】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。
[0006] In the field of active matrix type liquid crystal displays, crystallization of silicon thin films by excimer laser is being studied.

【0007】[0007]

【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.

【0008】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.

【0009】波長308nmのXeClエキシマレーザ
では、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。また、シリコン薄膜におけるXeCl
レーザの浸入長が約10nm程度であり、シリコン薄膜
の熱伝導率も小さい。そのため、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され、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 a XeCl excimer laser having a wavelength of 308 nm, 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. XeCl in the silicon thin film
The penetration length of the laser is about 10 nm, and the thermal conductivity of the silicon thin film is small. Therefore, only a part of the electromagnetic wave energy of the laser that has reached the surface of the silicon thin film is converted into heat energy required for crystallization of the silicon thin film, and the remaining energy is vaporized, ionized, and converted into plasma on the silicon thin film surface. , And so on.

【0010】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。
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 in thickness from the surface, and thermal energy cannot be obtained on the insulating film side deep from the surface. There was a problem that crystallization did not proceed.

【0011】従来のパルスビームによるアニールは図4
に示すような光学系を用いて行われていた。この光学系
においては、レーザ発振器211から出たレーザビーム
261は、ビーム261の空間的な強度分布を改良する
レーザビーム形成部230を通り、試料240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211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。
Conventional annealing by a pulse beam is shown in FIG.
This was performed using an optical system as shown in FIG. In this optical system, the laser beam 261 emitted from the laser oscillator 211 passes through the laser beam forming unit 230 that improves the spatial intensity distribution of the beam 261 and reaches the surface of the sample 240. This optical system has a drawback that the pulse width of the laser beam depends on the laser oscillator 211 and the beam cannot be improved to a required pulse width.

【0012】この点を解決し、必要なパルス幅のビーム
を得るために、本発明者は、図5に示すレーザ照射装置
を提案している。
In order to solve this problem and obtain a beam having a required pulse width, the present inventor has proposed a laser irradiation apparatus shown in FIG.

【0013】このレーザ照射装置101は、2つのレー
ザ光源111、112を備え、この2つのレーザ光源か
らのレーザ光に光路差Lを設けることにより、試料14
0に照射されるレーザ光のパルス幅を改良している。
The laser irradiation apparatus 101 includes two laser light sources 111 and 112. By providing an optical path difference L to the laser light from the two laser light sources, the sample 14
The pulse width of the laser light irradiated to 0 is improved.

【0014】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、光路差Lが15mあれば、光の速度が3000
00kms-1であるので、レーザ光源112からのレー
ザビームは、レーザ光源111からのレーザビームより
も50ns遅れて部分透過ミラー121に到達する。そ
こでレーザ光源111から出たレーザビームとレーザ光
源112から出たレーザビームとは、時間的に連続した
ビームとなり、その後、全反射ミラー122で反射され
た後レーザビーム形成部130を通り、試料台150上
の試料140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。
The pulse width of a currently typical XeCl excimer laser is 30 to 50 ns. Pulse width is 50 ns
Then, if the optical path difference L is 15 m, the speed of light is 3000
Since it is 00 kms −1 , the laser beam from the laser light source 112 reaches the partially transmitting mirror 121 with a delay of 50 ns from the laser beam from the laser light source 111. Therefore, the laser beam emitted from the laser light source 111 and the laser beam emitted from the laser light source 112 are temporally continuous beams, and after being reflected by the total reflection mirror 122, pass through the laser beam forming unit 130 and pass through the sample stage. The sample 140 on 150 is reached. In this case, the pulse width obtained on the sample surface is 100 ns.

【0015】このようにすれば、レーザ光源111、1
12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140の表面に
おいて得られることになり、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ようになる。
In this manner, the laser light sources 111, 1
A laser beam having a pulse width larger than that of the laser beam oscillated at 12 is obtained on the surface of the sample 140 to be irradiated with the laser, and the energy of the laser can be converted to thermal energy much more efficiently. A crystalline silicon thin film can be manufactured.

【0016】しかしながら、この従来のレーザ照射装置
では上述のように、光路差Lが15mも必要となり、レ
ーザ照射装置の大型化を招いてしまう。
However, in this conventional laser irradiation apparatus, as described above, the optical path difference L is required to be as large as 15 m, which leads to an increase in the size of the laser irradiation apparatus.

【0017】従って、本発明の目的は、大きいパルス幅
のレーザビームが得られ、しかも小型化されたレーザ照
射装置を提供することにある。
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a laser irradiation apparatus which can obtain a laser beam having a large pulse width and is downsized.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】本発明によれば、第1の
レーザビームをパルス発振する第1のレーザ光源と、第
2のレーザビームをパルス発振する第2のレーザ光源で
あって前記第1のレーザ光源とは異なる第2のレーザ光
源と、前記第1のレーザ光源による第1のレーザビーム
の発振後所定の時間経過後に前記第2のレーザ光源によ
る第2のレーザビームを発振させるべく、前記第1のレ
ーザ光源のパルス発振と前記第2のレーザ光源のパルス
発振との間のタイミングを制御可能なタイミング制御手
段と、前記第1のレーザビームと前記第2のレーザビー
ムとを被照射物の同一の被照射箇所に照射可能な光学系
と、を備えることを特徴とするレーザ照射装置が提供さ
れる。
According to the present invention, there is provided a first laser light source for oscillating a first laser beam, and a second laser light source for oscillating a second laser beam. A second laser light source different from the first laser light source, and a second laser light source oscillated by the second laser light source after a lapse of a predetermined time after oscillation of the first laser beam by the first laser light source. Timing control means for controlling the timing between the pulse oscillation of the first laser light source and the pulse oscillation of the second laser light source, and the first laser beam and the second laser beam. An optical system capable of irradiating the same irradiated portion of an irradiation object is provided.

【0019】このようにすれば、第1のレーザビームと
第2のレーザビームとの間に所定の時間差を設けること
ができ、それにより被照射物の被照射箇所に到達するレ
ーザビームのパルス幅を実質的に大きくできる。
According to this configuration, a predetermined time difference can be provided between the first laser beam and the second laser beam, whereby the pulse width of the laser beam reaching the irradiated portion of the object to be irradiated can be provided. Can be substantially increased.

【0020】しかも、第1のレーザビームと第2のレー
ザビームとの間に所定の時間差を設けるために第1のレ
ーザ光源のパルス発振と第2のレーザ光源のパルス発振
との間のタイミングを制御可能なタイミング制御手段を
用いているから、第1のレーザ光源による第1のレーザ
ビームの光路と第2のレーザ光源による第2のレーザビ
ームの光路との間に光路差を設ける必要ななくなり、そ
の結果レーザ照射装置を小型化できる。
Further, in order to provide a predetermined time difference between the first laser beam and the second laser beam, the timing between the pulse oscillation of the first laser light source and the pulse oscillation of the second laser light source is set. Since the controllable timing control means is used, there is no need to provide an optical path difference between the optical path of the first laser beam by the first laser light source and the optical path of the second laser beam by the second laser light source. As a result, the laser irradiation device can be downsized.

【0021】好ましくは、前記第1のレーザビームと前
記第2のレーザビームとが同一種類のレーザビームであ
る。
Preferably, the first laser beam and the second laser beam are of the same type.

【0022】また、好ましくは、前記第1のレーザビー
ムと前記第2のレーザビームがエキシマーレーザビーム
である。
Preferably, the first laser beam and the second laser beam are excimer laser beams.

【0023】また、好ましくは、前記第1のレーザビー
ムと前記第2のレーザビームがYAGレーザビームであ
る。
Preferably, the first laser beam and the second laser beam are YAG laser beams.

【0024】また、前記第1のレーザビームによる所定
の処理が終了する前に前記第2のレーザビームが照射さ
れることが好ましい。
Further, it is preferable that the second laser beam is irradiated before the predetermined processing by the first laser beam ends.

【0025】この場合に、必ずしも、前記第1のレーザ
ビームのパルスの一部と前記第2レーザビームのパルス
の一部とが時間的に重ならなくとも所定の処理ができる
場合もあるが、前記第1のレーザビームのパルスの一部
と前記第2レーザビームのパルスの一部とが時間的に重
なる方が好ましい。
In this case, the predetermined processing may be performed even if a part of the pulse of the first laser beam and a part of the pulse of the second laser beam do not always overlap with each other. It is preferable that a part of the pulse of the first laser beam and a part of the pulse of the second laser beam temporally overlap.

【0026】また、前記第1のレーザビームと前記第2
のレーザビームとを被照射物の同一の被照射箇所に照射
するためには、前記第1のレーザビームと前記第2のレ
ーザビームとを同一の光路に集めずに被照射箇所に至る
までは別々の光路とすることもできるが、好ましくは、
前記第1のレーザビームと前記第2のレーザビームとを
同一光路に集める光学系を使用する。このようにすれ
ば、同一の光路に集められた後には光路は1つとなるの
で、その後の光学系は1つの光路について設ければよく
なり、その分、装置構成も簡単となる。
The first laser beam and the second laser beam
In order to irradiate the same irradiated portion of the object to be irradiated with the laser beam, the first laser beam and the second laser beam are not collected on the same optical path until reaching the irradiated portion. Separate optical paths can be used, but preferably
An optical system that focuses the first laser beam and the second laser beam on the same optical path is used. With this configuration, after the light beams are collected on the same optical path, the number of optical paths becomes one, so that the subsequent optical system may be provided for one optical path, and the device configuration is correspondingly simplified.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】図1は、本発明の一実施の形態の
レーザ照射装置を説明するための図である。
FIG. 1 is a diagram for explaining a laser irradiation apparatus according to one embodiment of the present invention.

【0028】このレーザ照射装置1は、2つのレーザ光
源11、12と、タイミング制御装置20と、全反射ミ
ラー21、22、23、25と、選択反射ミラー24
と、レーザビーム形成部30とを備えている。この選択
反射ミラー24は、レーザビーム61に対しては全反射
ミラーとして働き、レーザビーム62に対しては単なる
透明板として働く機能を有するミラーである。この選択
反射ミラー24として例えば偏光ビームスプリッタを用
いることができる。本実施の形態においては、レーザ光
源11、12として、XeClエキシマーレーザ光源を
使用した。なお、エキシマーレーザに代えてYAGレー
ザを使用することもできる。
The laser irradiation apparatus 1 includes two laser light sources 11 and 12, a timing controller 20, total reflection mirrors 21, 22, 23 and 25, and a selective reflection mirror 24.
And a laser beam forming unit 30. The selective reflection mirror 24 is a mirror having a function of functioning as a total reflection mirror for the laser beam 61 and a function as a mere transparent plate for the laser beam 62. As the selective reflection mirror 24, for example, a polarization beam splitter can be used. In the present embodiment, XeCl excimer laser light sources are used as the laser light sources 11 and 12. It should be noted that a YAG laser can be used instead of the excimer laser.

【0029】次に、図1、図2を参照して、本実施の形
態のレーザ照射装置1の動作を説明する。
Next, the operation of the laser irradiation apparatus 1 of the present embodiment will be described with reference to FIGS.

【0030】図2(A)に示すように、レーザ光源11
から時間T1において、パルス幅W1のレーザビーム6
1が出射し、全反射ミラー21で反射され、選択反射ミ
ラー24に到達する。また、レーザ光源12から時間T
3において、パルス幅W2のレーザビーム62が出射
し、全反射ミラー22及び23で反射され、やはり選択
反射ミラー24に到達する。このレーザ光源11のパル
ス発振とレーザ光源12のパルス発振との間のタイミン
グはタイミング制御装置20によって制御される。本実
施の形態では、レーザ光源12によるレーザビーム62
の最初とレーザ光源11によるレーザビーム61の最後
とを一致させるタイミングとした。なお、レーザビーム
61のパルス幅W1とレーザビーム62のパルス幅W2
とは同じとした。
As shown in FIG. 2A, the laser light source 11
From time T1 to the laser beam 6 having the pulse width W1.
1 is emitted, reflected by the total reflection mirror 21, and reaches the selective reflection mirror 24. In addition, the time T
At 3, the laser beam 62 having a pulse width W2 is emitted, reflected by the total reflection mirrors 22 and 23, and again reaches the selective reflection mirror 24. The timing between the pulse oscillation of the laser light source 11 and the pulse oscillation of the laser light source 12 is controlled by the timing control device 20. In the present embodiment, the laser beam 62
Is set to coincide with the end of the laser beam 61 from the laser light source 11. The pulse width W1 of the laser beam 61 and the pulse width W2 of the laser beam 62
And the same.

【0031】レーザビーム61は選択反射ミラー24に
より反射され、レーザビーム62は選択反射ミラー24
を透過して、時間的に連続しパルス幅がW3の単一のレ
ーザビーム63となり、その後全反射ミラー25によっ
て反射された後、レーザビーム形成部30によって空間
的な強度分布が改良され、試料台50上の試料40に到
達する。
The laser beam 61 is reflected by the selective reflection mirror 24, and the laser beam 62 is reflected by the selective reflection mirror 24.
And a single laser beam 63 that is temporally continuous and has a pulse width of W3 is reflected by the total reflection mirror 25, and then the spatial intensity distribution is improved by the laser beam forming unit 30 and the sample is The sample reaches the sample on the table.

【0032】本実施の形態では、レーザ光源12による
レーザビーム62の最初とレーザ11によるレーザビー
ム61の最後とを一致させており、また、レーザビーム
61のパルス幅W1とレーザビーム62のパルス幅W2
とは同じだから、レーザ光源11によるレーザビーム6
1やレーザ光源12によるレーザビーム62のほぼ2倍
のパルス幅W3を持つレーザビーム63が得られる。
In the present embodiment, the beginning of the laser beam 62 from the laser light source 12 and the end of the laser beam 61 from the laser 11 are matched, and the pulse width W1 of the laser beam 61 and the pulse width of the laser beam 62 W2
Therefore, the laser beam 6 from the laser light source 11 is
A laser beam 63 having a pulse width W3 almost twice as large as that of the laser beam 62 generated by the laser light source 12 is obtained.

【0033】このように、レーザ光源11のパルス発振
とレーザ光源12のパルス発振との間に所定の時間差を
設けることにより、試料40に照射されるレーザビーム
63のパルス幅を改良している。そして、こうすること
によって、図5のレーザ照射装置101のように光路差
Lを設ける必要がなくなり、本実施の形態のレーザ照射
装置1が小型化される。
As described above, by providing a predetermined time difference between the pulse oscillation of the laser light source 11 and the pulse oscillation of the laser light source 12, the pulse width of the laser beam 63 applied to the sample 40 is improved. By doing so, it is not necessary to provide the optical path difference L as in the laser irradiation device 101 of FIG. 5, and the laser irradiation device 1 of the present embodiment is downsized.

【0034】次に、本実施の形態のレーザ照射装置1を
用いてシリコン薄膜を処理する場合について説明する。
Next, a case of processing a silicon thin film using the laser irradiation apparatus 1 of the present embodiment will be described.

【0035】シリコン薄膜中における波長308nmの
XeClエキシマーレーザの電磁波の浸入長は約10n
mである。XeClエキシマーレーザのパルス幅は最大
で50ns程度のため、このパルスレーザが単独で試料
表面に照射されると、シリコン薄膜の表面から10nm
の部分が瞬間的に高温となるが、シリコンの熱伝達係数
が小さく、エキシマーレーザのパルス幅も小さいため、
パルスレーザのエネルギーがシリコン薄膜の溶融のため
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ラズマ化に消費される。つま
り、パルスレーザーの時間的な幅が短いと、シリコン薄
膜は表面だけが溶融し結晶化する。このため、厚みが1
00nm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。
The penetration length of an electromagnetic wave of a XeCl excimer laser having a wavelength of 308 nm in a silicon thin film is about 10 n.
m. Since the pulse width of the XeCl excimer laser is about 50 ns at the maximum, when this pulse laser is irradiated alone on the sample surface, it is 10 nm from the silicon thin film surface.
Is instantaneously hot, but the heat transfer coefficient of silicon is small and the pulse width of the excimer laser is also small,
Before the energy of the pulsed laser is changed to thermal energy for melting the silicon thin film, the energy is consumed for vaporizing silicon atoms and for turning into plasma in the silicon thin film surface portion. That is, if the temporal width of the pulse laser is short, only the surface of the silicon thin film is melted and crystallized. Therefore, the thickness is 1
In the case of a silicon thin film having a thickness of 00 nm or more, a portion of about 50 nm or more from the surface is not sufficiently crystallized.

【0036】これに対して、本実施の形態のように、試
料表面に到達するエキシマーレーザビームのパルス幅を
2倍の約100ns程度にまで大きくすると、たとえ、
シリコンの熱伝達係数が小さくても、150nm程度の
厚みのシリコン薄膜までも十分結晶化することが可能と
なる。
On the other hand, if the pulse width of the excimer laser beam reaching the sample surface is doubled to about 100 ns as in this embodiment, for example,
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.

【0037】また、シリコン薄膜の厚さが薄くても、レ
ーザ光のパルス幅が小さいとシリコンの大粒径化ができ
ず、十分な電子やホールの移動度が得られない。そこ
で、本実施の形態のように、試料表面に到達するエキシ
マーレーザビームのパルス幅を2倍の約100ns程度
にまで大きくすると、大粒径のシリコン膜が得られ、高
い移動度が得られるようになる。
Even if the thickness of the silicon thin film is small, if the pulse width of the laser beam is small, it is not possible to increase the grain size of silicon, so that sufficient electron or hole mobility cannot be obtained. Therefore, as in this embodiment, when the pulse width of the excimer laser beam reaching the sample surface is doubled to about 100 ns, a silicon film having a large grain size can be obtained, and high mobility can be obtained. become.

【0038】また、プラズマCVD法によって形成した
アモルファスシリコン膜は、水素を含有しているが、こ
のアモルファスシリコン膜を単一のエキシマーレーザ光
源からのレーザビームでアニールしても、パルス幅が短
く、アニール時間も短いので、水素が十分離脱すること
が困難であり、多結晶化することも困難である。そこ
で、本実施の形態のように、試料表面に到達するエキシ
マーレーザビームのパルス幅を2倍の100ns程度に
まで大きくすると、アニール時間が長くなり、その結
果、水素が十分離脱することでき、プラズマCVD法に
よって形成したアモルファスシリコン膜を多結晶化でき
るようになる。このプラズマCVD法によればシリコン
薄膜をより低い温度で形成できるので、融点や軟化点の
より低い材料上に多結晶シリコンを形成できるようにな
る。
Although the amorphous silicon film formed by the plasma CVD method contains hydrogen, even if the amorphous silicon film is annealed with a laser beam from a single excimer laser light source, the pulse width is short. Since the annealing time is short, it is difficult for hydrogen to separate and escape sufficiently, and it is also difficult to form polycrystals. Therefore, as in this embodiment, if the pulse width of the excimer laser beam reaching the sample surface is doubled to about 100 ns, the annealing time becomes longer, and as a result, hydrogen can be sufficiently separated and removed. The amorphous silicon film formed by the CVD method can be polycrystallized. According to this plasma CVD method, a silicon thin film can be formed at a lower temperature, so that polycrystalline silicon can be formed on a material having a lower melting point or softening point.

【0039】なお、図2においては、レーザ光源12に
よるレーザビーム62の最初とレーザ光源11によるレ
ーザビーム61の最後とを一致させるタイミングとなる
ように、レーザ光源11のパルス発振とレーザ光源12
のパルス発振との間のタイミングをタイミング制御装置
20で制御したが、図3に示すようにレーザ光源12に
よるレーザビーム62の最初の部分とレーザ光源11に
よるレーザビーム61の最後の部分とを一部重複させる
ことによって、完全な矩形でないパルス波形のエキシマ
ーレーザを用いた場合であっても、時間的に均一なレー
ザビーム63を試料に照射できる。
In FIG. 2, the pulse oscillation of the laser light source 11 and the laser light source 12 are adjusted so that the start of the laser beam 62 from the laser light source 12 coincides with the end of the laser beam 61 from the laser light source 11.
Is controlled by the timing control device 20. The first part of the laser beam 62 by the laser light source 12 and the last part of the laser beam 61 by the laser light source 11 are controlled as shown in FIG. By partially overlapping, even when an excimer laser having a pulse waveform that is not completely rectangular is used, the sample can be irradiated with the laser beam 63 that is uniform in time.

【0040】なお、本実施の形態では、図1に示すよう
に、試料40の手前にレーザビーム形成部30を設けて
いるので、パルスレーザビームの空間的なエネルギー強
度分布を均一にすることができ、レーザビームが照射さ
れる範囲において均一な特性のシリコン結晶を得ること
ができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, since the laser beam forming section 30 is provided in front of the sample 40, the spatial energy intensity distribution of the pulse laser beam can be made uniform. As a result, a silicon crystal having uniform characteristics can be obtained in a range irradiated with the laser beam.

【0041】以上のように、本実施の形態のレーザ照射
装置1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。
As described above, with the laser irradiation apparatus 1 of the present embodiment, 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. it can.

【0042】また、それのみならず、本発明は、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 addition, the present invention can be applied to fields such as property modification of metals, formation / decomposition of polymers, chemical reactions, and biological reactions using a pulse laser.

【0043】また、上記一実施の形態では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、Y
AGレーザ、ルビーレーザなどのパルスレーザでも本発
明を適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 an excimer laser such as ArF, KrF, or the like may be used.
The present invention can be applied to pulse lasers such as an AG laser and a ruby laser.

【0044】[0044]

【発明の効果】本発明によれば、小型のレーザ照射装置
を使用しても、大きいパルス幅のレーザビームが得られ
る。
According to the present invention, a laser beam having a large pulse width can be obtained even if a small laser irradiation device is used.

【0045】そして、このようにレーザビームのパルス
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
することができるようになり、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
膜が得られる。また、プラズマCVD法により形成した
水素含有アモルファスシリコン薄膜も多結晶化できるよ
うになるので、シリコン薄膜をより低温で形成できるよ
うになる。
By increasing the pulse width of the laser beam in this manner, the electromagnetic wave energy of the laser beam can be efficiently converted into thermal energy in the silicon thin film, and crystal defects having a large crystal grain size can be obtained. And a high quality recrystallized or crystallized silicon thin film can be obtained. Further, since the hydrogen-containing amorphous silicon thin film formed by the plasma CVD method can be polycrystallized, the silicon thin film can be formed at a lower temperature.

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

【図1】本発明の一実施の形態のレーザ照射装置を説明
するための図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating a laser irradiation apparatus according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一実施の形態のレーザ照射装置による
レーザパルスを説明するための図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining a laser pulse by the laser irradiation device according to one embodiment of the present invention.

【図3】本発明の一実施の形態のレーザ照射装置による
レーザパルスを説明するための図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining a laser pulse by the laser irradiation device according to the embodiment of the present invention.

【図4】従来のレーザ照射装置を説明するための図であ
る。
FIG. 4 is a view for explaining a conventional laser irradiation apparatus.

【図5】従来のレーザ照射装置を説明するための図であ
る。
FIG. 5 is a view for explaining a conventional laser irradiation apparatus.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11、12、111、112、211…レーザ光源 20…タイミング制御装置 21、22、23、25、122…全反射ミラー 24…選択反射ミラー 121…部分透過ミラー 30、130、230…レーザビーム形成部 40、140、240…試料 50、150…試料台 61、62、63…レーザビーム L…光路差 11, 12, 111, 112, 211 laser light source 20 timing controller 21, 22, 23, 25, 122 total reflection mirror 24 selective reflection mirror 121 partial transmission mirror 30, 130, 230 laser beam forming unit 40, 140, 240: sample 50, 150: sample stage 61, 62, 63: laser beam L: optical path difference

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】第1のレーザビームをパルス発振する第1
のレーザ光源と、 第2のレーザビームをパルス発振する第2のレーザ光源
であって前記第1のレーザ光源とは異なる第2のレーザ
光源と、 前記第1のレーザ光源による第1のレーザビームの発振
後所定の時間経過後に前記第2のレーザ光源による第2
のレーザビームを発振させるべく、前記第1のレーザ光
源のパルス発振と前記第2のレーザ光源のパルス発振と
の間のタイミングを制御可能なタイミング制御手段と、 前記第1のレーザビームと前記第2のレーザビームとを
被照射物の同一の被照射箇所に照射可能な光学系と、 を備えることを特徴とするレーザ照射装置。
A first laser beam for oscillating a first laser beam;
A second laser light source that oscillates a second laser beam, wherein the second laser light source is different from the first laser light source; and a first laser beam generated by the first laser light source After a predetermined time has elapsed after the oscillation of the second laser light source,
Timing control means capable of controlling the timing between the pulse oscillation of the first laser light source and the pulse oscillation of the second laser light source so as to oscillate the laser beam, An optical system capable of irradiating two laser beams to the same irradiated portion of the object to be irradiated.
【請求項2】前記第1のレーザビームと前記第2のレー
ザビームとが同一種類のレーザビームであることを特徴
とする請求項1記載のレーザ照射装置。
2. The laser irradiation apparatus according to claim 1, wherein said first laser beam and said second laser beam are the same type of laser beam.
【請求項3】前記第1のレーザビームと前記第2のレー
ザビームがエキシマーレーザビームであることを特徴と
する請求項1または2記載のレーザ照射装置。
3. The laser irradiation apparatus according to claim 1, wherein said first laser beam and said second laser beam are excimer laser beams.
【請求項4】前記第1のレーザビームと前記第2のレー
ザビームがYAGレーザビームであることを特徴とする
請求項1または2記載のレーザ照射装置。
4. The laser irradiation apparatus according to claim 1, wherein said first laser beam and said second laser beam are YAG laser beams.
【請求項5】前記第1のレーザビームによる所定の処理
が終了する前に前記第2のレーザビームが照射されるこ
とを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のレー
ザ照射装置。
5. The laser irradiation apparatus according to claim 1, wherein the second laser beam is irradiated before a predetermined process using the first laser beam is completed.
【請求項6】前記第1のレーザビームのパルスの一部と
前記第2レーザビームのパルスの一部とが時間的に重な
ることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の
レーザ照射装置。
6. The laser according to claim 1, wherein a part of the pulse of the first laser beam and a part of the pulse of the second laser beam temporally overlap. Irradiation device.
【請求項7】前記光学系が、前記第1のレーザビームと
前記第2のレーザビームとを同一光路に集める光学系で
あることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載
のレーザ照射装置。
7. The laser according to claim 1, wherein said optical system is an optical system that focuses said first laser beam and said second laser beam on the same optical path. Irradiation device.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100847425B1 (en) * 2000-12-26 2008-07-21 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 Laser irradiation apparatus and method of laser irradiation
US7759181B2 (en) 2000-12-26 2010-07-20 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Method of manufacturing a semiconductor device
JP2011096808A (en) * 2009-10-29 2011-05-12 Sumitomo Heavy Ind Ltd Laser processing device, and laser processing method
WO2016155027A1 (en) * 2015-03-30 2016-10-06 深圳市华星光电技术有限公司 Laser pulse modulating apparatus

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