JP2004064066A - Laser annealing device - Google Patents

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Hiromi Ishikawa
石川 弘美
Kazuhiko Nagano
永野 和彦
Yoji Okazaki
岡崎 洋二
Akinori Harada
原田 明憲
Hiromitsu Yamakawa
山川 博充
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Fujifilm Holdings Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser annealing device that uses a semiconductor laser which can be continuously operated and is superior in output stability, and is capable of forming a polysilicon film having superior crystal properties and high carrier mobility with high reproducibility at a high speed. <P>SOLUTION: The laser annealing device is equipped with a laser beam source composed of at least a GaN semiconductor laser having a plurality of light emitting dots to emit laser beams having a wavelength of 350 to 450 nm, and a scanning means for scanning the annealing surface of a work with the laser beam emitted from the laser beam source. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザアニール装置に関し、特に、光源にGaN(窒化ガリウム)系半導体レーザを用いたレーザアニール装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、液晶ディスプレイ(LCD)、有機EL(エレクトロ・ルミネッセンス)ディスプレイ等のフラットパネル・ディスプレイの小型軽量化、低コスト化の観点から、画素表示ゲート用の薄膜トランジスタ(TFT)だけでなく、駆動回路や信号処理回路、画像処理回路などをLCDのガラス基板上に直接形成するシステム・オン・ガラス(SOG)−TFTが注目されている。
【0003】
従来、画素表示ゲート用のTFTにはアモルファスシリコンが使用されてきたが、SOG−TFTにはキャリア移動度の大きいポリシリコンが必要である。しかしながら、ガラスの変形温度は600°Cと低いことから、ポリシリコン膜の形成に600℃以上の高温を利用した結晶成長技術を使用することができない。このため、ポリシリコン膜の形成には、アモルファスシリコン膜を低温(100〜300°C)で形成した後、波長308nmのXeClエキシマレーザによるパルス照射でアモルファスシリコン膜を熱溶融し、冷却過程で結晶化させるエキシマ・レーザ・アニール(ELA)が一般的に用いられている(非特許文献1)。このELAを用いることにより、ガラス基板に熱的損傷を与えずにポリシリコン膜を形成することができる。
【0004】
【非特許文献1】
次田純一、外2名、「XeClエキシマレーザーによるポリシリコンTFTアニーリング」、レーザー研究 2000年1月
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、XeClエキシマレーザは、光出力が不安定で出力強度が±10%の範囲で変動する。このため、ELAでは、ポリシリコン膜中の結晶粒径サイズがばらつき、再現性が悪いという問題がある。また、XeClエキシマレーザは、パルス駆動の繰り返し周波数が300Hzと低いので、ELAでは、連続的な結晶粒界の形成が困難で、高いキャリア移動度が得られないという問題や、大面積を高速にアニールできないという問題がある。更に、レーザチューブやレーザガスの寿命が1×107ショット程度と短くメンテナンスコストが高い、装置が大型化する、エネルギー効率が3%と低い、というガスレーザ固有の問題もある。
【0006】
また、ELAでは、均一な結晶特性のポリシリコン膜を得るために、エキシマレーザから出射されたレーザビームはホモジナイザ光学系によりライン状のビームに整形されるが、その際にビームプロファイルが不均一になるという問題がある。また、波長308nmと紫外域のXeClエキシマレーザを使用するため、特殊な材料の光学系が必要であった。
【0007】
また、電子情報通信学会 信学技報 ED2001−10 p21−p27(2001)には、エキシマレーザの代わりに高出力の固体レーザを用いた例が記載されているが、低出力の発振波長532nmではアモルファスシリコンが十分に光を吸収せず、発熱効率が悪いという問題がある。
【0008】
本発明は上記問題を解決するために成されたものであり、本発明の目的は、連続駆動が可能で出力安定性に優れた半導体レーザを用い、良好な結晶特性を備えキャリア移動度の高いポリシリコン膜を再現性良く且つ高速に形成することができるレーザアニール装置を提供することにある。本発明の他の目的は、小型で信頼性が高く、メンテナンスの容易なレーザアニール装置を提供することにある。本発明の更に他の目的は、特殊な材料の光学系を使用する必要が無く、低コストのレーザアニール装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明のレーザアニール装置は、少なくとも1つのGaN系半導体レーザによって、波長350〜450nmのレーザビームを出射する複数の発光点が生じるように構成されたレーザ光源と、該レーザ光源から出射されたレーザビームでアニール面上を走査する走査手段と、を備えたことを特徴としている。
【0010】
本発明のレーザアニール装置では、レーザ光源からレーザビームが出射され、走査手段により出射されたレーザビームでアニール面上を走査する。レーザ光源は、少なくとも1つのGaN系半導体レーザを用いて、波長350〜450nmのレーザビームを出射する複数の発光点が生じるように構成されており、複数の発光点からの出力を合わせてアニールに必要な光出力を得ることができる。
【0011】
また、連続駆動が可能で出力安定性に優れたGaN系半導体レーザをレーザ光源に用いているので、良好な結晶特性を備えキャリア移動度の高いポリシリコン膜を再現性良く且つ高速に形成することができると共に、エキシマレーザを用いたレーザアニール装置と比べて小型で信頼性が高く、メンテナンスが容易でエネルギー効率も高い。更に、波長350〜450nmのレーザビームを使用するので、特殊な材料の光学系を使用する必要が無く低コストである。
【0012】
上記の複数の発光点が生じるように構成されたレーザ光源としては、以下の光源が好適に用いられる。この中でも、高出力化や高輝度化が容易な、合波レーザ光源、及び合波レーザ光源を複数用いたファイバアレイ光源やファイババンドル光源が特に好ましい。即ち、合波レーザ光源は、合波するレーザビームの本数を増やすことで、高輝度化を図ることができる。これにより、ポリシリコン膜の結晶特性を改善し低抵抗化して、キャリア移動度を更に上げることができる。また、ファイバアレイ光源やファイババンドル光源では、複数本の光ファイバを束ねて光源を構成するので、同時にレーザ照射できる面積が大きくなり、大面積を高速にアニールすることができる。即ち、更なる高速化が容易である。
(1)複数のGaN系半導体レーザがアレイ状に配列されたレーザアレイ。
(2)1つのチップに複数の発光点を備えたGaN系マルチキャビティレーザ。
(3)複数のGaN系半導体レーザと、1本の光ファイバと、前記複数のGaN系半導体レーザの各々から出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えた合波レーザ光源。
(4)複数のGaN系マルチキャビティレーザと、1本の光ファイバと、前記複数のGaN系マルチキャビティレーザの複数の発光点の各々から出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えた合波レーザ光源。
(5)複数の発光点を備えたGaN系マルチキャビティレーザと、1本の光ファイバと、前記複数の発光点の各々から出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えた合波レーザ光源。
(6)前記合波レーザ光源を複数備え、該複数の合波レーザ光源の光ファイバの出射端における発光点の各々がアレイ状に配列されたファイバアレイ光源、又はバンドル状に配列されたファイババンドル光源。
(7)単一のGaN系半導体レーザと、1本の光ファイバと、前記単一のGaN系半導体レーザから出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えたファイバ光源を複数備え、該複数のファイバ光源の光ファイバの出射端における発光点の各々がアレイ状に配列されたファイバアレイ光源、又はバンドル状に配列されたファイババンドル光源。
【0013】
上記の光源のうち光ファイバの出射端を発光点として使用する光源の場合には、前記光ファイバとして、コア径が均一で出射端のクラッド径が入射端のクラッド径より小さい光ファイバを用いることが好ましい。出射端のクラッド径が大きい光ファイバを用いたファイバ光源では、バンドル化した際の発光点の径が大きくなり、その結果、高解像度アニールを行う場合に、充分な焦点深度が得られない。出射端のクラッド径を小さくすることで、光源の高輝度化を図ることができる。これにより、より深い焦点深度を備えたレーザアニール装置を実現することができる。例えば、ビーム径1μm以下、解像度0.1μm以下の超高解像度でアニールする場合にも、深い焦点深度を得ることができ、高速且つ高精細なアニールが可能となる。また、ポリシリコン膜の結晶特性を改善し低抵抗化して、キャリア移動度をより一層高くすることができる。
【0014】
光ファイバの出射端のクラッド径は、発光点の径を小さくする観点から125μmより小さい方が好ましく、80μm以下がより好ましく、60μm以下が特に好ましい。コア径が均一で出射端のクラッド径が入射端のクラッド径より小さい光ファイバは、例えば、コア径が同じでクラッド径が異なる複数の光ファイバを結合して構成することができる。また、複数の光ファイバをコネクタで着脱可能に接続して構成することにより、光源モジュールが部分的に破損した場合等に、交換が容易になる。
【0015】
また、光ファイバの出射端が封止されていることが好ましい。光ファイバの出射端部は、光密度が高く集塵し易く劣化し易いが、封止することにより端面への塵埃の付着を防止することができると共に劣化を遅らせることができる。
【0016】
また、本発明のレーザアニール装置は、空間光変調素子を備えていてもよい。例えば、少なくとも1つのGaN系半導体レーザによって、波長350〜450nmのレーザビームを出射する複数の発光点が生じるように構成されたレーザ光源と、各々制御信号に応じて光変調状態が変化する多数の画素部が基板上に2次元状に配列され、前記レーザ光源から出射されたレーザビームを変調する空間光変調素子と、各画素部で変調されたレーザビームでアニール面上を走査する走査手段と、を備えたレーザアニール装置として構成することができる。
【0017】
空間変調素子としては、各々制御信号に応じて反射面の角度が変更可能な多数のマイクロミラーが基板(例えば、シリコン基板)上に2次元状に配列されて構成された、マイクロミラーデバイス(DMD;デジタル・マイクロミラー・デバイス)を用いることができる。また、空間変調素子を、リボン状の反射面を備え且つ制御信号に応じて移動可能な可動格子と、リボン状の反射面を備えた固定格子と、を交互に多数個並列配置して構成したグレーティングライトバルブ(GLV)で構成してもよい。
【0018】
また、レーザ光源と空間変調素子との間には、レーザ光源からの光束を平行光束にするコリメータレンズと、光軸に近い中心部の光束幅に対する周辺部の光束幅の比が、入射側に比べて出射側の方が小さくなるように、各出射位置における光束幅を変化させ、前記コリメータレンズにより平行光束化されたレーザ光の光量分布が、前記空間変調素子の被照射面において略均一になるように補正する光量分布補正光学系と、を配置するのが好ましい。
【0019】
この光量分布補正光学系によれば、例えば、入射側において同一の光束幅であった光が、出射側においては中央部の光束幅が周辺部に比べて大きくなり、逆に、周辺部の光束幅は中心部に比べて小さくなる。このように、中央部の光束を周辺部へと生かすことができるので、全体として光の利用効率を低下させずに、光量分布が略均一の光で空間変調素子を照明することができる。これにより、特殊な材料の光学系を使用する必要が無く、均一な強度のレーザ光でムラなくレーザアニールを行うことができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明のレーザアニール装置を低温ポリシリコンTFT形成に適用した実施の形態について詳細に説明する。
【0021】
まず、低温ポリシリコンTFT形成プロセスについて簡単に説明する。図25(A)に示すように、ガラス製又はプラスチック製の透明基板150上に、酸化ケイ素(SiO)絶縁膜190を堆積し、SiO絶縁膜190上にアモルファスシリコン膜192を堆積する。このアモルファスシリコン膜192をレーザアニールにより多結晶化してポリシリコン膜を形成する。その後、フォトリソグラフィ技術を用いて、例えば、図25(B)に示すように、透明基板150上に、SiO絶縁膜190を介して、ポリシリコンゲート194、ポリシリコンソース/ポリシリコンドレイン196、ゲート電極198、ソース/ドレイン電極200、及び層間絶縁膜202を備えたポリシリコンTFTを形成する。
【0022】
(第1の実施の形態)
[レーザアニール装置の構成]
本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置は、図1に示すように、アモルファスシリコン膜が堆積された透明基板150を表面に吸着して保持する平板状のステージ152を備えている。4本の脚部154に支持された厚い板状の設置台156の上面には、ステージ移動方向に沿って延びた2本のガイド158が設置されている。ステージ152は、その長手方向がステージ移動方向を向くように配置されると共に、ガイド158によって往復移動可能に支持されている。なお、このレーザアニール装置には、ステージ152をガイド158に沿って駆動するための図示しない駆動装置が設けられている。
【0023】
設置台156の中央部には、ステージ152の移動経路を跨ぐようにコ字状のゲート160が設けられている。コ字状のゲート160の端部の各々は、設置台156の両側面に固定されている。このゲート160を挟んで一方の側にはスキャナ162が設けられ、他方の側には透明基板150の先端及び後端を検知する複数(例えば、2個)の検知センサ164が設けられている。スキャナ162及び検知センサ164はゲート160に各々取り付けられて、ステージ152の移動経路の上方に固定配置されている。なお、スキャナ162及び検知センサ164は、これらを制御する図示しないコントローラに接続されている。
【0024】
スキャナ162は、図2及び図3(B)に示すように、m行n列(例えば、3行5列)の略マトリックス状に配列された複数(例えば、14個)のアニール用のレーザ照射ヘッド166を備えている。この例では、透明基板150の幅との関係で、3行目には4個の照射ヘッド166を配置した。なお、m行目のn列目に配列された個々の照射ヘッドを示す場合は、照射ヘッド166mnと表記する。
【0025】
照射ヘッド166による照射エリア168は、副走査方向を短辺とする矩形状である。従って、ステージ152の移動に伴い、透明基板150には照射ヘッド166毎に帯状の照射済み領域170が形成される。なお、m行目のn列目に配列された個々の照射ヘッドによる照射エリアを示す場合は、照射エリア168mnと表記する。
【0026】
また、図3(A)及び(B)に示すように、帯状の照射済み領域170が副走査方向と直交する方向に隙間無く並ぶように、ライン状に配列された各行の照射ヘッドの各々は、配列方向に所定間隔(照射エリアの長辺の自然数倍、本実施の形態では2倍)ずらして配置されている。このため、1行目の照射エリア16811と照射エリア16812との間のレーザ照射できない部分は、2行目の照射エリア16821と3行目の照射エリア16831とによりレーザ照射することができる。
【0027】
照射ヘッド16611〜166mn各々は、図4、図5(A)及び(B)に示すように、入射された光ビームを画像データに応じて各画素毎に変調する空間光変調素子として、デジタル・マイクロミラー・デバイス(DMD)50を備えている。このDMD50は、データ処理部とミラー駆動制御部とを備えた図示しないコントローラに接続されている。このコントローラのデータ処理部では、入力された画像データに基づいて、各照射ヘッド166毎にDMD50の制御すべき領域内の各マイクロミラーを駆動制御する制御信号を生成する。なお、制御すべき領域については後述する。また、ミラー駆動制御部では、画像データ処理部で生成した制御信号に基づいて、各照射ヘッド166毎にDMD50の各マイクロミラーの反射面の角度を制御する。なお、反射面の角度の制御に付いては後述する。
【0028】
DMD50の光入射側には、光ファイバの出射端部(発光点)が照射エリア168の長辺方向と対応する方向に沿って一列に配列されたレーザ出射部を備えたファイバアレイ光源66、ファイバアレイ光源66から出射されたレーザ光を補正してDMD上に集光させるレンズ系67、レンズ系67を透過したレーザ光をDMD50に向けて反射するミラー69がこの順に配置されている。
【0029】
レンズ系67は、ファイバアレイ光源66から出射されたレーザ光を平行光化する1対の組合せレンズ71、平行光化されたレーザ光の光量分布が均一になるように補正する1対の組合せレンズ73、及び光量分布が補正されたレーザ光をDMD上に集光する集光レンズ75で構成されている。組合せレンズ73は、レーザ出射端の配列方向に対しては、レンズの光軸に近い部分は光束を広げ且つ光軸から離れた部分は光束を縮め、且つこの配列方向と直交する方向に対しては光をそのまま通過させる機能を備えており、光量分布が均一となるようにレーザ光を補正する。
【0030】
また、DMD50の光反射側には、DMD50で反射されたレーザ光を透明基板150の走査面(アニール面)56上に結像するレンズ系54、58が配置されている。レンズ系54及び58は、DMD50と走査面56とが共役な関係となるように配置されている。
【0031】
DMD50は、図6に示すように、SRAMセル(メモリセル)60上に、微小ミラー(マイクロミラー)62が支柱により支持されて配置されたものであり、画素(ピクセル)を構成する多数の(例えば、600個×800個)の微小ミラーを格子状に配列して構成されたミラーデバイスである。各ピクセルには、最上部に支柱に支えられたマイクロミラー62が設けられており、マイクロミラー62の表面にはアルミニウム等の反射率の高い材料が蒸着されている。なお、マイクロミラー62の反射率は90%以上である。また、マイクロミラー62の直下には、ヒンジ及びヨークを含む支柱を介して通常の半導体メモリの製造ラインで製造されるシリコンゲートのCMOSのSRAMセル60が配置されており、全体はモノリシック(一体型)に構成されている。
【0032】
DMD50のSRAMセル60にデジタル信号が書き込まれると、支柱に支えられたマイクロミラー62が、対角線を中心としてDMD50が配置された基板側に対して±α度(例えば±10度)の範囲で傾けられる。図7(A)は、マイクロミラー62がオン状態である+α度に傾いた状態を示し、図7(B)は、マイクロミラー62がオフ状態である−α度に傾いた状態を示す。従って、画像信号に応じて、DMD50の各ピクセルにおけるマイクロミラー62の傾きを、図6に示すように制御することによって、DMD50に入射された光はそれぞれのマイクロミラー62の傾き方向へ反射される。
【0033】
なお、図6には、DMD50の一部を拡大し、マイクロミラー62が+α度又は−α度に制御されている状態の一例を示す。それぞれのマイクロミラー62のオンオフ制御は、DMD50に接続された図示しないコントローラによって行われる。なお、オフ状態のマイクロミラー62により光ビームが反射される方向には、光吸収体(図示せず)が配置されている。
【0034】
また、DMD50は、その短辺が副走査方向と所定角度θ(例えば、0.1°〜5°)を成すように僅かに傾斜させて配置するのが好ましい。図8(A)はDMD50を傾斜させない場合の各マイクロミラーによる反射光像(照射ビーム)53の走査軌跡を示し、図8(B)はDMD50を傾斜させた場合の照射ビーム53の走査軌跡を示している。
【0035】
DMD50には、長辺方向にマイクロミラーが多数個(例えば、800個)配列されたマイクロミラー列が、短辺方向に多数組(例えば、600組)配列されているが、図8(B)に示すように、DMD50を傾斜させることにより、各マイクロミラーによる照射ビーム53の走査軌跡(走査線)のピッチPが、DMD50を傾斜させない場合の走査線のピッチPより狭くなり、解像度を大幅に向上させることができる。一方、DMD50の傾斜角は微小であるので、DMD50を傾斜させた場合の走査幅Wと、DMD50を傾斜させない場合の走査幅Wとは略同一である。
【0036】
また、異なるマイクロミラー列により同じ走査線上が重ねてレーザ照射(多重露光)されることになる。このように、多重露光されることで、レーザ照射位置の微少量をコントロールすることができ、高精細なアニールを実現することができる。また、主走査方向に配列された複数の照射ヘッドの間のつなぎ目を微少量のレーザ照射位置制御により段差無くつなぐことができる。
【0037】
なお、DMD50を傾斜させる代わりに、各マイクロミラー列を副走査方向と直交する方向に所定間隔ずらして千鳥状に配置しても、同様の効果を得ることができる。
【0038】
ファイバアレイ光源66は、図9(A)に示すように、多数のレーザモジュール64を備えており、各レーザモジュール64には、マルチモード光ファイバ30の一端が結合されている。マルチモード光ファイバ30の他端には、コア径がマルチモード光ファイバ30と同一で且つクラッド径がマルチモード光ファイバ30より小さい光ファイバ31が結合され、光ファイバ31の出射端部(発光点)が副走査方向と直交する主走査方向に沿って1列に配列されてレーザ出射部68が構成されている。なお、発光点を主走査方向に沿って複数列に配列することもできる。
【0039】
光ファイバ31の出射端部は、図9(B)に示すように、表面が平坦な2枚の支持板65に挟み込まれて固定されている。また、光ファイバ31の光出射側には、光ファイバ31の端面を保護するために、ガラス等の透明な保護板63が配置されている。保護板63は、光ファイバ31の端面と密着させて配置してもよく、また、保護板63を光ファイバ31の端面から離して、保護板63と周辺の支持板65とにより光ファイバ31の端面が封止されるように配置してもよい。この場合、光ファイバ31の端面を封止ガスと共に密封する。光ファイバ31の出射端部は、光密度が高く集塵し易く劣化し易いが、保護板63を配置することにより端面への塵埃の付着を防止することができると共に劣化を遅らせることができる。
【0040】
この例では、クラッド径が小さい光ファイバ31の出射端を隙間無く1列に配列するために、クラッド径が大きい部分で隣接する2本のマルチモード光ファイバ30の間にマルチモード光ファイバ30を積み重ね、積み重ねられたマルチモード光ファイバ30に結合された光ファイバ31の出射端が、クラッド径が大きい部分で隣接する2本のマルチモード光ファイバ30に結合された光ファイバ31の2つの出射端の間に挟まれるように配列されている。
【0041】
このような光ファイバは、例えば、図10に示すように、クラッド径が大きいマルチモード光ファイバ30のレーザ光出射側の先端部分に、長さ1〜30cmのクラッド径が小さい光ファイバ31を同軸的に結合することにより得ることができる。2本の光ファイバは、光ファイバ31の入射端面が、マルチモード光ファイバ30の出射端面に、両光ファイバの中心軸が一致するように融着されて結合されている。上述した通り、光ファイバ31のコア31aの径は、マルチモード光ファイバ30のコア30aの径と同じ大きさである。
【0042】
また、長さが短くクラッド径が大きい光ファイバにクラッド径が小さい光ファイバを融着させた短尺光ファイバを、フェルールや光コネクタ等を介してマルチモード光ファイバ30の出射端に結合してもよい。コネクタ等を用いて着脱可能に結合することで、クラッド径が小さい光ファイバが破損した場合等に先端部分の交換が容易になり、照射ヘッドのメンテナンスに要するコストを低減できる。なお、以下では、光ファイバ31を、マルチモード光ファイバ30の出射端部と称する場合がある。
【0043】
マルチモード光ファイバ30及び光ファイバ31としては、ステップインデックス型光ファイバ、グレーテッドインデックス型光ファイバ、及び複合型光ファイバの何れでもよい。例えば、三菱電線工業株式会社製のステップインデックス型光ファイバを用いることができる。本実施の形態では、マルチモード光ファイバ30及び光ファイバ31は、ステップインデックス型光ファイバであり、マルチモード光ファイバ30は、クラッド径=125μm、コア径=25μm、NA=0.2、入射端面コートの透過率=99.5%以上であり、光ファイバ31は、クラッド径=60μm、コア径=25μm、NA=0.2である。
【0044】
一般に、赤外領域のレーザ光では、光ファイバのクラッド径を小さくすると伝搬損失が増加する。このため、レーザ光の波長帯域に応じて好適なクラッド径が決定されている。しかしながら、波長が短いほど伝搬損失は少なくなり、GaN系半導体レーザから出射された波長405nmのレーザ光では、クラッドの厚み{(クラッド径−コア径)/2}を800nmの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の1/2程度、通信用の1.5μmの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の約1/4にしても、伝搬損失は殆ど増加しない。従って、クラッド径を60μmと小さくすることができる。
【0045】
但し、光ファイバ31のクラッド径は60μmには限定されない。従来のファイバ光源に使用されている光ファイバのクラッド径は125μmであるが、クラッド径が小さくなるほど光源が高輝度になり、焦点深度がより深くなるので、マルチモード光ファイバのクラッド径は80μm以下が好ましく、60μm以下がより好ましく、40μm以下が更に好ましい。一方、コア径は少なくとも3〜4μm必要であることから、光ファイバ31のクラッド径は10μm以上が好ましい。
【0046】
レーザモジュール64は、図11に示す合波レーザ光源(ファイバ光源)によって構成されている。この合波レーザ光源は、ヒートブロック10上に配列固定された複数(例えば、7個)のチップ状の横マルチモード又はシングルモードのGaN系半導体レーザLD1,LD2,LD3,LD4,LD5,LD6,及びLD7と、GaN系半導体レーザLD1〜LD7の各々に対応して設けられたコリメータレンズ11,12,13,14,15,16,及び17と、1つの集光レンズ20と、1本のマルチモード光ファイバ30と、から構成されている。なお、半導体レーザの個数は7個には限定されない。例えば、クラッド径=60μm、コア径=50μm、NA=0.2のマルチモード光ファイバには、20個もの半導体レーザ光を入射することが可能であり、照射ヘッドの必要光量を実現して、且つ光ファイバ本数をより減らすことができる。
【0047】
GaN系半導体レーザLD1〜LD7は、発振波長が総て共通(例えば、405nm)であり、最大出力も総て共通(例えば、マルチモードレーザでは100mW、シングルモードレーザでは30mW)である。なお、GaN系半導体レーザLD1〜LD7としては、350nm〜450nmの波長範囲で、上記の405nm以外の発振波長を備えるレーザを用いてもよい。なお、好適な波長範囲については後述する。
【0048】
上記の合波レーザ光源は、図12及び図13に示すように、他の光学要素と共に、上方が開口した箱状のパッケージ40内に収納されている。パッケージ40は、その開口を閉じるように作成されたパッケージ蓋41を備えており、脱気処理後に封止ガスを導入し、パッケージ40の開口をパッケージ蓋41で閉じることにより、パッケージ40とパッケージ蓋41とにより形成される閉空間(封止空間)内に上記合波レーザ光源が気密封止されている。
【0049】
パッケージ40の底面にはベース板42が固定されており、このベース板42の上面には、前記ヒートブロック10と、集光レンズ20を保持する集光レンズホルダー45と、マルチモード光ファイバ30の入射端部を保持するファイバホルダー46とが取り付けられている。マルチモード光ファイバ30の出射端部は、パッケージ40の壁面に形成された開口からパッケージ外に引き出されている。
【0050】
また、ヒートブロック10の側面にはコリメータレンズホルダー44が取り付けられており、コリメータレンズ11〜17が保持されている。パッケージ40の横壁面には開口が形成され、この開口を通してGaN系半導体レーザLD1〜LD7に駆動電流を供給する配線47がパッケージ外に引き出されている。
【0051】
なお、図13においては、図の煩雑化を避けるために、複数のGaN系半導体レーザのうちGaN系半導体レーザLD7にのみ番号を付し、複数のコリメータレンズのうちコリメータレンズ17にのみ番号を付している。
【0052】
図14は、上記コリメータレンズ11〜17の取り付け部分の正面形状を示すものである。コリメータレンズ11〜17の各々は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取った形状に形成されている。この細長形状のコリメータレンズは、例えば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形することによって形成することができる。コリメータレンズ11〜17は、長さ方向がGaN系半導体レーザLD1〜LD7の発光点の配列方向(図14の左右方向)と直交するように、上記発光点の配列方向に密接配置されている。
【0053】
一方、GaN系半導体レーザLD1〜LD7としては、発光幅が2μmの活性層を備え、活性層と平行な方向、直角な方向の拡がり角が各々例えば10°、30°の状態で各々レーザビームB1〜B7を発するレーザが用いられている。これらGaN系半導体レーザLD1〜LD7は、活性層と平行な方向に発光点が1列に並ぶように配設されている。
【0054】
従って、各発光点から発せられたレーザビームB1〜B7は、上述のように細長形状の各コリメータレンズ11〜17に対して、拡がり角度が大きい方向が長さ方向と一致し、拡がり角度が小さい方向が幅方向(長さ方向と直交する方向)と一致する状態で入射することになる。つまり、各コリメータレンズ11〜17の幅が1.1mm、長さが4.6mmであり、それらに入射するレーザビームB1〜B7の水平方向、垂直方向のビーム径は各々0.9mm、2.6mmである。また、コリメータレンズ11〜17の各々は、焦点距離f=3mm、NA=0.6、レンズ配置ピッチ=1.25mmである。
【0055】
集光レンズ20は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取って、コリメータレンズ11〜17の配列方向、つまり水平方向に長く、それと直角な方向に短い形状に形成されている。この集光レンズ20は、焦点距離f=23mm、NA=0.2である。この集光レンズ20も、例えば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形することにより形成される。
【0056】
[レーザアニール装置の動作]
次に、上記レーザアニール装置の動作について説明する。
【0057】
スキャナ162の各照射ヘッド166において、ファイバアレイ光源66の合波レーザ光源を構成するGaN系半導体レーザLD1〜LD7の各々から発散光状態で出射したレーザビームB1,B2,B3,B4,B5,B6,及びB7の各々は、対応するコリメータレンズ11〜17によって平行光化される。平行光化されたレーザビームB1〜B7は、集光レンズ20によって集光され、マルチモード光ファイバ30のコア30aの入射端面に収束する。
【0058】
本例では、コリメータレンズ11〜17及び集光レンズ20によって集光光学系が構成され、その集光光学系とマルチモード光ファイバ30とによって合波光学系が構成されている。即ち、集光レンズ20によって上述のように集光されたレーザビームB1〜B7が、このマルチモード光ファイバ30のコア30aに入射して光ファイバ内を伝搬し、1本のレーザビームBに合波されてマルチモード光ファイバ30の出射端部に結合された光ファイバ31から出射する。
【0059】
各レーザモジュールにおいて、レーザビームB1〜B7のマルチモード光ファイバ30への結合効率が0.85で、GaN系半導体レーザLD1〜LD7の各出力が30mWの場合(シングルモードレーザを使用する場合)には、アレイ状に配列された光ファイバ31の各々について、出力180mW(=30mW×0.85×7)の合波レーザビームBを得ることができる。従って、100本の光ファイバ31がアレイ状に配列されたレーザ出射部68での出力は約18W(=180mW×100)である。
【0060】
ファイバアレイ光源66のレーザ出射部68には、この通り高輝度の発光点が主走査方向に沿って一列に配列されている。単一のシングルモード半導体レーザからのレーザ光を1本の光ファイバに結合させる従来のファイバ光源は低出力であるため、多数列配列しなければ所望の出力を得ることができなかったが、本実施の形態で使用する合波レーザ光源は高出力であるため、少数列、例えば1列でも所望の出力を得ることができる。
【0061】
例えば、半導体レーザと光ファイバを1対1で結合させた従来のファイバ光源では、通常、半導体レーザとしては出力30mW(ミリワット)程度のレーザが使用され、光ファイバとしてはコア径50μm、クラッド径125μm、NA(開口数)0.2のマルチモード光ファイバが使用されているので、約18W(ワット)の出力を得ようとすれば、マルチモード光ファイバを864本(8×108)束ねなければならず、発光領域の面積は13.5mm(1mm×13.5mm)であるから、レーザ出射部68での輝度は1.3(MW(メガワット)/m)、光ファイバ1本当りの輝度は8(MW/m)である。
【0062】
これに対し、本実施の形態では、上述した通り、マルチモード光ファイバ100本で約18Wの出力を得ることができ、レーザ出射部68での発光領域の面積は0.3125mm(0.025mm×12.5mm)であるから、レーザ出射部68での輝度は57.6(MW/m)となり、従来に比べ約44倍の高輝度化を図ることができる。また、光ファイバ1本当りの輝度は288(MW/m)であり、従来に比べ約36倍の高輝度化を図ることができる。
【0063】
ここで、図15(A)及び(B)を参照して、低輝度照射ヘッドと本実施の形態の高輝度照射ヘッドとの焦点深度の違いについて説明する。低輝度の照射ヘッドのバンドル状ファイバ光源の発光領域の副走査方向の径は1.0mmであり、本実施の形態の高輝度照射ヘッドのファイバアレイ光源の発光領域の副走査方向の径は0.025mmである。図15(A)に示すように、低輝度照射ヘッドでは、光源(バンドル状ファイバ光源)1の発光領域が大きいので、DMD3へ入射する光束の角度が大きくなり、結果として走査面5へ入射する光束の角度が大きくなる。このため、集光方向(ピント方向のずれ)に対してビーム径が太りやすい。
【0064】
一方、図15(B)に示すように、本実施の形態の高輝度照射ヘッドでは、ファイバアレイ光源66の発光領域の副走査方向の径が小さいので、レンズ系67を通過してDMD50へ入射する光束の角度が小さくなり、結果として走査面56へ入射する光束の角度が小さくなる。即ち、焦点深度が深くなる。この例では、発光領域の副走査方向の径は従来の約30倍になっており、略回折限界に相当する焦点深度を得ることができる。従って、微小スポットでのレーザアニールに好適である。この焦点深度への効果は、照射ヘッドの必要光量が大きいほど顕著であり有効である。この例では、アニール面に投影された1画素サイズは10μm×10μmである。なお、DMDは反射型の空間変調素子であるが、図15(A)及び(B)は、光学的な関係を説明するために展開図とした。
【0065】
アニールパターンに応じた画像データが、DMD50に接続された図示しないコントローラに入力され、コントローラ内のフレームメモリに一旦記憶される。この画像データは、画像を構成する各画素の濃度を2値(ドットの記録の有無)で表したデータである。
【0066】
透明基板150を表面に吸着したステージ152は、図示しない駆動装置により、ガイド158に沿ってゲート160の上流側から下流側に一定速度で移動される。ステージ152がゲート160下を通過する際に、ゲート160に取り付けられた検知センサ164により透明基板150の先端が検出されると、フレームメモリに記憶された画像データが複数ライン分ずつ順次読み出され、データ処理部で読み出された画像データに基づいて各照射ヘッド166毎に制御信号が生成される。そして、ミラー駆動制御部により、生成された制御信号に基づいて各照射ヘッド166毎にDMD50のマイクロミラーの各々がオンオフ制御される。
【0067】
ファイバアレイ光源66からDMD50にレーザ光が照射されると、DMD50のマイクロミラーがオン状態のときに反射されたレーザ光は、レンズ系54、58により透明基板150のアニール面56上に結像される。このようにして、ファイバアレイ光源66から出射されたレーザ光が画素毎にオンオフされて、透明基板150がDMD50の使用画素数と略同数の画素単位(照射エリア168)でレーザ照射されアニールされる。また、透明基板150がステージ152と共に一定速度で移動されることにより、透明基板150がスキャナ162によりステージ移動方向と反対の方向に副走査され、各照射ヘッド166毎に帯状の照射済み領域170が形成される。
【0068】
アモルファスシリコン等は、「アモルファス半導体の基礎」森垣和夫著、オーム社、p90(1982)に記載されているように、図26に示す吸収特性を有している。図26から分かるように、アモルファスシリコン等の光吸収係数は照射する光の波長に応じて変化する。本実施の形態では波長405nmのGaN系半導体レーザを使用しているが、図26に示すように、波長400nmの波長帯のレーザ光に対しても、水素化アモルファスシリコン(a−SiH0.16)で105cm−1以上の十分な吸収特性を有しており、アモルファスシリコン(a−Si)においても105cm−1以上の吸収特性を有していると推定することができる。従って、350nm〜450nmの波長帯域のレーザ光により、効率良くアニールを実施することができる。但し、吸収効率の点からは、370nm〜410nmの波長帯域のレーザ光がより好ましく、比較的GaN系半導体レーザの出力が大きく且つアモルファスシリコンの吸収が大きい370nm〜375nmの波長帯域のレーザ光が特に好ましい。なお、光子エネルギーと波長との関係は1eV=8.0655×103cm−1であり、波長532nmは2.3eV、波長400nmは3.1eVに相当する。
【0069】
また、図16(A)及び(B)に示すように、DMD50には、主走査方向にマイクロミラーが800個配列されたマイクロミラー列が、副走査方向に600組配列されているが、本実施の形態では、コントローラにより一部のマイクロミラー列(例えば、800個×10列)だけが駆動されるように制御することができる。
【0070】
図16(A)に示すように、DMD50の中央部に配置されたマイクロミラー列を使用してもよく、図16(B)に示すように、DMD50の端部に配置されたマイクロミラー列を使用してもよい。また、一部のマイクロミラーに欠陥が発生した場合は、欠陥が発生していないマイクロミラー列を使用するなど、状況に応じて使用するマイクロミラー列を適宜変更してもよい。
【0071】
DMD50のデータ処理速度には限界があり、使用する画素数に比例して1ライン当りの変調速度が決定されるので、一部のマイクロミラー列だけを使用することで1ライン当りの変調速度が速くなる。一方、連続的に照射ヘッドをアニール面に対して相対移動させる走査方式の場合には、副走査方向の画素を全部使用する必要はない。
【0072】
例えば、600組のマイクロミラー列の内、300組だけ使用する場合には、600組全部使用する場合と比較すると1ライン当り2倍速く変調することができる。また、600組のマイクロミラー列の内、200組だけ使用する場合には、600組全部使用する場合と比較すると1ライン当り3倍速く変調することができる。即ち、副走査方向に500mmの領域を17秒でレーザ照射できる。更に、100組だけ使用する場合には、1ライン当り6倍速く変調することができる。即ち、副走査方向に500mmの領域を9秒でレーザ照射できる。
【0073】
使用するマイクロミラー列の数、即ち、副走査方向に配列されたマイクロミラーの個数は、10以上で且つ200以下が好ましく、10以上で且つ100以下がより好ましい。1画素に相当するマイクロミラー1個当りの面積は15μm×15μmであるから、DMD50の使用領域に換算すると、12mm×150μm以上で且つ12mm×3mm以下の領域が好ましく、12mm×150μm以上で且つ12mm×1.5mm以下の領域がより好ましい。
【0074】
使用するマイクロミラー列の数が上記範囲にあれば、図17(A)及び(B)に示すように、ファイバアレイ光源66から出射されたレーザ光をレンズ系67で略平行光化して、DMD50に照射することができる。DMD50によりレーザ光を照射する照射領域は、DMD50の使用領域と一致することが好ましい。照射領域が使用領域よりも広いとレーザ光の利用効率が低下する。
【0075】
一方、DMD50上に集光させる光ビームの副走査方向の径を、レンズ系67により副走査方向に配列されたマイクロミラーの個数に応じて小さくする必要があるが、使用するマイクロミラー列の数が10未満であると、DMD50に入射する光束の角度が大きくなり、走査面56における光ビームの焦点深度が浅くなるので好ましくない。また、使用するマイクロミラー列の数が200以下が変調速度の観点から好ましい。なお、DMDは反射型の空間変調素子であるが、図17(A)及び(B)は、光学的な関係を説明するために展開図とした。
【0076】
ここで、露光面上での光密度を算出する。上記の通り、各照射ヘッド166の出力は約18Wである。また、DMD50の一部のマイクロミラー列(例えば、800個×10列)だけを使用するので、各照射ヘッド166による照射エリア168の面積(露光面上でのビームサイズ)は150μm×12mmとなる。150μm領域を1msecで露光する場合は、露光面上での光密度は1000mJ/cmである。更に光学系による損失を約50%と見積っても、露光面上での光密度は500mJ/cmである。14個の照射ヘッド166を備えたスキャナ162全体では、アレイ化される光ファイバ31の本数は1400本になり、総出力は252Wとなる。また、照射エリア168の面積の合計は150μm×168mmであり、露光面上での光密度は500mJ/cmである。
【0077】
なお、照射ヘッドの合波レーザ光源に出力が100mWのマルチモードレーザを使用する場合には、7個のLDにより出力600mWの合波レーザビームBを得ることができる。従って、30本の光ファイバ31で約18Wの出力を得ることができる。14個の照射ヘッド166を備えたスキャナ162全体では、アレイ化される光ファイバ31の本数は420本になり、総出力は252Wとなる。また、照射エリア168の面積の合計は150μm×168mmであり、露光面上での光密度は500mJ/cmとなる。
【0078】
スキャナ162による透明基板150の副走査が終了し、検知センサ164で透明基板150の後端が検出されると、ステージ152は、図示しない駆動装置により、ガイド158に沿ってゲート160の最上流側にある原点に復帰し、再度、ガイド158に沿ってゲート160の上流側から下流側に一定速度で移動される。
【0079】
以上説明した通り、本実施の形態のレーザアニール装置は、ガスレーザであるエキシマレーザに代えて高品位なGaN系半導体レーザをレーザ光源に用いているので、以下の1)〜6)の利点がある。
【0080】
1)光出力が安定化し、結晶粒径サイズの揃ったポリシリコン膜を再現性良く作製することができる。
【0081】
2)GaN系半導体レーザは、全部固体の半導体レーザであるため、数万時間に亘り駆動可能で高信頼性を有している。また、GaN系半導体レーザは、共有結合性であるため、COD(Catastrophic Optical Damage)と呼ばれる光出射端面の破損が生じ難く、高信頼性であり、高ピークパワーを実現できる。
【0082】
3)ガスレーザであるエキシマレーザを用いる場合と比べると、小型化が可能で、メンテナンスが非常に簡便になる。また、エネルギー効率も10%〜20%と高い。
【0083】
4)GaN系半導体レーザは、基本的にCW(連続)駆動が可能なレーザであるため、パルス駆動する場合にも、アモルファスシリコンの吸収量、発熱量に応じて繰り返し周波数、パルス幅(duty)を自由に設定することができる。例えば、数Hz〜数MHzまでの任意の繰り返し動作を実現でき、数psec〜数100msecの任意のパルス幅を実現できる。特に、繰り返し周波数を数10MHz帯程度までとすることができ、CW駆動する場合と同様に、連続的な結晶粒界を形成することができる。また、繰り返し周波数を大きくすることができるので、高速アニールが可能である。
【0084】
5)GaN系半導体レーザをCW駆動して連続したレーザ光でアニール面上を所定方向に走査することができるので、結晶成長の方向が制御され、連続的な結晶粒界を形成することができ、高キャリア移動度のポリシリコン膜を形成することが可能になる。
【0085】
6)波長350〜450nmのレーザ光を得ることができる。特に、アモルファスシリコンの光吸収率が高い、波長370〜410nmの範囲(特に405nmにおいて)で高出力を得ることができ、アモルファスシリコンを効率良く結晶化することができる。なお、GaN系半導体レーザは、将来的に更なる高出力化が期待できる。
【0086】
また、本実施の形態のレーザアニール装置は、レーザ光源に、合波レーザ光源の光ファイバの出射端部をアレイ状に配列したファイバアレイ光源を用いている。従って、以下の1)〜3)の利点がある。
【0087】
1)一般に、レーザアニール装置では、アニール面(露光面)において400mJ/cm〜700mJ/cmの範囲の高い光密度が必要であるが、本実施の形態では、アレイ化するファイバ本数、合波するレーザビームの本数を増加することで、容易にマルチビームでの高出力化、高光密度化を図ることができる。例えば、1本の合波レーザ光源のファイバ出力を180mWとすると、556本をバンドルすれば100Wの高出力を安定に得ることができる。加えて、ビーム品位も安定しており、高パワー密度である。従って、将来の低温ポリシリコンの成膜面積の大面積化やハイスループット化へも対応することができる。
【0088】
2)光ファイバの出射端部はコネクタ等を用いて交換可能に取り付けることが可能であり、メンテナンスが容易になる。
【0089】
3)小型の半導体レーザを合波した小型の合波モジュールなので、光源部がエキシマレーザより非常に小型化することができる。
【0090】
また、本実施の形態のレーザアニール装置は、波長350〜450nmの波長帯のGaN系半導体レーザを用いているので、ELA装置のように紫外線対応の特殊な材料の光学系を用いてラインビームを生成する必要が無く、可視域のレーザ露光装置と同様に、DMD等の空間光変調素子を用いて任意パターンでの高精細なアニールが可能である。
【0091】
特に、本実施の形態では、光ファイバの出射端のクラッド径を入射端のクラッド径よりも小さくしているので、発光部径がより小さくなり、ファイバアレイ光源の高輝度化が図られる。これにより、より深い焦点深度を備えたレーザアニール装置を実現することができる。例えば、ビーム径1μm以下、解像度0.1μm以下の超高解像度でのアニールの場合にも、深い焦点深度を得ることができ、高速且つ高精細なアニールが可能となる。
【0092】
また、本実施の形態のレーザアニール装置は、主走査方向にマイクロミラーが800個配列されたマイクロミラー列が、副走査方向に600組配列されたDMDを備えているが、コントローラにより一部のマイクロミラー列だけが駆動されるように制御するので、全部のマイクロミラー列を駆動する場合に比べて、1ライン当りの変調速度が速くなる。これにより、更に高速でのレーザアニールが可能になる。
【0093】
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態に係るレーザアニール装置は、各照射ヘッド16611〜166mnに使用される空間光変調素子としてグレーティング・ライト・バルブ(GLV)を用いたものである。GLVは、例えば米国特許第5,311,360号に開示されているように、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)タイプの空間光変調素子(SLM;Spacial Light Modulator)の一種であり、反射回折格子型の空間光変調素子である。その他の点は、図1〜図14を参照して説明した第1の実施の形態に係るレーザアニール装置と略同様の構成であるため、同一部分に付いては説明を省略する。
【0094】
本実施の形態では、図2に示す照射ヘッド16611〜166mnの各々は、図31、図32(A)及び(B)に示すように、入射された光ビームを画像データに応じて各画素毎に変調する空間光変調素子として、所定方向に長い形状(ライン状)をしたGLV300を備えている。そして、第1の実施の形態と同様に、GLV300の光入射側には、ファイバアレイ光源66、レンズ系67、ミラー69がこの順に配置され、GLV300の光出射側には、レンズ系54とレンズ系58とが配置されている。
【0095】
ライン状のGLV300は、その長手方向がファイバアレイ光源66の光ファイバの配列方向と平行になり且つGLV300のリボン状のマイクロブリッジの反射面がミラー69の反射面と略平行になるように配置されている。また、GLV300は、これを制御する図示しないコントローラに接続されている。
【0096】
このGLV300は、図33に示すように、シリコン等からなる長尺状の基板203上に、リボン状の反射面を備えたマイクロブリッジ209が多数個(例えば、6480個)平行に配列されたものであり、隣接するマイクロブリッジ209間には多数のスリット211が形成されている。通常、1画素は複数(例えば、6個)のマイクロブリッジ209で構成されており、1画素を6個のマイクロブリッジ列で構成すると仮定すると、6480個のマイクロブリッジで1080画素での露光が可能である。
【0097】
各マイクロブリッジ209は、図34(A)及び(B)に示すように、窒化シリコン(SiN)等からなる可撓性梁209aの表面に、アルミニウム(又は、金、銀、銅等)の単層金属膜からなる反射電極膜209bを形成したものである。反射電極膜209bの各々は、図示しない配線により図示しないスイッチを介して電源に接続されている。
【0098】
ここで、GLV300の動作原理を簡単に説明する。電圧を印加していない状態では、マイクロブリッジ209は基板203から所定間隔離間されているが、マイクロブリッジ209と基板203との間に電圧を印加すると、静電誘導された電荷によってマイクロブリッジ209と基板203との間に静電吸引力が発生し、マイクロブリッジ209が基板203側に撓む。そして、電圧の印加を止めると、撓みが解消し、マイクロブリッジ209は弾性復帰により基板203から離間する。従って、電圧を印加するマイクロブリッジと電圧を印加しないマイクロブリッジとを交互に配置することで、電圧の印加により回折格子を形成することができる。
【0099】
図34(A)は、画素単位のマイクロブリッジ列に電圧が印加されておらず、オフ状態にある場合を示している。オフ状態では、マイクロブリッジ209の反射面の高さが総て揃い、反射光には光路差が生じず正反射される。即ち、0次回折光しか得ることができない。一方、図34(B)は、画素単位のマイクロブリッジ列に電圧が印加され、オン状態にある場合を示している。なお、電圧は1つおきのマイクロブリッジ209に印加される。オン状態では、前述した原理によりマイクロブリッジ209の中央部が撓み、交互に段差のある反射面が形成される。即ち、回折格子が形成される。この反射面にレーザ光を入射させると、撓みのあるマイクロブリッジ209で反射された光と、撓みのないマイクロブリッジ209で反射された光との間に光路差が生じ、所定方向に±1次回折光が出射される。
【0100】
従って、図示しないコントローラにより、制御信号に応じて、GLV300の各画素におけるマイクロブリッジ列を、印加される電圧のオン/オフで駆動制御することによって、GLV300に入射されたレーザ光は画素毎に変調されて所定方向に回折される。
【0101】
また、GLV300の光反射側、即ち、回折光(0次回折光及び±1次回折光)が出射される側には、回折光を走査面(被露光面)56上に結像するレンズ系54、58が、GLV300と被露光面56とが共役な関係となるように配置されている。また、回折光がレンズ系54に入射されるように、GLV300はそのリボン状の反射面を予めレンズ系54の光軸に対し所定角度(例えば45°)傾斜させて配置されている。
【0102】
図32(A)及び(B)では、0次回折光は点線で図示し、±1次回折光は実線で図示している。レンズ系54は、入射された回折光をGLV300の長手方向に集光し且つ副走査方向に平行光化する。レンズ系54とレンズ系58との間の0次回折光の焦点位置には、0次回折光を走査面56への光路から除外するための長尺状の遮蔽板55がその長手方向がGLVの長手方向と直交するように配置されている。これにより、0次回折光だけが選択的に排除される。
【0103】
このレーザアニール装置では、アニールパターンに応じた画像データが、GLV300に接続された図示しないコントローラに入力されると、この画像データに基づいて制御信号が生成され、生成された制御信号に基づいて各照射ヘッド毎にGLV300のマイクロブリッジの各々が画素単位でオンオフ制御される。ファイバアレイ光源66からGLV300にレーザ光が照射されると、GLV300のマイクロブリッジがオン状態のときに反射されたレーザ光は、レンズ系54、58により透明基板150のアニール面56上に結像される。
【0104】
このようにファイバアレイ光源66から出射されたレーザ光が画素毎にオンオフされて、アモルファスシリコン膜が堆積された透明基板150がGLV300の画素数と略同数の画素単位でレーザ照射されアニールされる。また、透明基板150がステージ152と共に一定速度で移動されることにより、透明基板150がスキャナ162によりステージ移動方向と反対の方向に副走査され、各照射ヘッド毎に帯状の照射済み領域170が形成される。
【0105】
ここで、露光面上での光密度を算出する。第1の実施の形態と同様に、照射ヘッドの合波レーザ光源に出力が30mWのシングルモードレーザを使用する場合には、7個のLDにより出力180mWの合波レーザビームBを得ることができる。従って、50本の光ファイバ31が1次元アレイ状に配列されたファイバアレイ光源の場合、レーザ出射部68での出力は約9Wである。
【0106】
また、GLV300の全画素(例えば、1000個×1列)を使用した場合、各照射ヘッド166による照射エリア168の面積は25μm×25mmとなる。25μm領域を1msecで露光する場合は、露光面上での光密度は1440mJ/cmである。更に光学系による損失を約50%と見積っても、露光面上での光密度は720mJ/cmである。14個の照射ヘッド166を備えたスキャナ162全体では、アレイ化される光ファイバ31の本数は700本になり、総出力は126Wとなる。また、照射エリア168の面積の合計は25μm×350mmであり、露光面上での光密度は720mJ/cmである。
なお、照射ヘッドの合波レーザ光源に出力が100mWのマルチモードレーザを使用する場合には、7個のLDにより出力600mWの合波レーザビームBを得ることができる。従って、15本の光ファイバ31で約9Wの出力を得ることができる。14個の照射ヘッド166を備えたスキャナ162全体では、アレイ化される光ファイバ31の本数は210本になり、総出力は126Wとなる。また、照射エリア168の面積の合計は25μm×350mmであり、露光面上での光密度は720mJ/cmである。
【0107】
以上説明した通り、本実施の形態のレーザアニール装置では、GLV300は短辺方向の幅が狭い長尺状の空間光変調素子であるため、効率良く照明するのが難しいが、第1の実施の形態で説明した通り、GLVを照明する光源に、合波レーザ光源の光ファイバの出射端部をアレイ状に配列した高輝度のファイバアレイ光源を用いると共に、光ファイバの出射端のクラッド径を入射端のクラッド径よりも小さくすることで、レーザ出射部68から出射されるビームの副走査方向の径が小さくなり、レンズ系67等を通過してGLV300へ入射する光束の角度が小さくなる。これにより、効率良くGLV300を照明することができると共に、深い焦点深度を得ることができる。
【0108】
また、本実施の形態のレーザアニール装置は、第1の実施の形態に係るレーザアニール装置と同様に、GaN系半導体レーザを用いたことによる利点、合波レーザ光源の光ファイバの出射端部をアレイ状に配列したファイバアレイ光源を用いたことによる利点を備えている。
【0109】
(第3の実施の形態)
第3の実施の形態に係るレーザアニール装置は、図35、図36(A)及び(B)に示すように、スキャナ162が単一の照射ヘッド500から構成され、この照射ヘッド500が空間光変調素子を備えていない構成である以外は、図1に示す第1の実施の形態に係るレーザアニール装置と略同様の構成であるため、同一部分に付いては説明を省略する。
【0110】
本実施の形態では、スキャナ162は、図35に示すように、単一のアニール用のレーザ照射ヘッド500を備えている。照射ヘッド500による照射エリア502は、副走査方向と直交する方向に長く延びたライン状である。
【0111】
照射ヘッド500は、図36(A)及び(B)に示すように、多数(例えば、1200個)の光ファイバ30の出射端(発光点)が副走査方向と直交する方向に沿って1列に配列されたレーザ出射部を備えたファイバアレイ光源506と、ファイバアレイ光源506から出射されたレーザ光を光ファイバ30の出射端の配列方向と直交する方向にのみ集光して透明基板150の走査面(アニール面)56上に結像するシリンドリカルレンズ510とから構成されている。
【0112】
シリンドリカルレンズ510は、所定方向に曲率を有し且つ所定方向と直交する方向に長い形状をしており、長手方向(所定方向と直交する方向)が光ファイバ30の出射端の配列方向と平行になるように配置されている。なお、ここでは説明を簡単にするために、ビームの均一化照明光学系については省略したが、フライアイレンズ系又はロッドインテグレータ系による均一化照明光学系や、本件に在るような光量分布補正光学系を用いてもよい。
【0113】
このレーザアニール装置では、ファイバアレイ光源506から出射されたレーザ光は、シリンドリカルレンズ510により光ファイバ30の出射端の配列方向と直交する方向にのみ集光されて、アニール面56上にライン状に結像される。このシリンドリカルレンズ510は、例えば、短軸方向に3倍、長軸方向に1倍の倍率でビーム径を拡大する拡大光学系として機能する。また、透明基板150がステージ152と共に一定速度で移動されて、スキャナ162の照射ヘッド500からのラインビームにより、透明基板150がステージ移動方向と反対の方向に副走査され、照射済み領域504が形成される。
【0114】
ファイバアレイ光源506は、図37に示すように、多数のレーザモジュール64を備えており、各レーザモジュール64には、マルチモード光ファイバ30の一端が結合されている。マルチモード光ファイバ30の他端は、パッケージ40の外部に引き出され、マルチモード光ファイバ30の出射端部(発光点)が副走査方向と直交する主走査方向に沿って配列されてレーザ出射部68が構成されている。即ち、出射端部にクラッド径が小さい光ファイバを結合しない以外は、図9に示すファイバアレイ光源と同じ構成である。なお、同一部分については同じ符号を付して説明を省略する。
【0115】
ここで、露光面上での光密度を算出する。第1の実施の形態と同様に、照射ヘッドの合波レーザ光源に出力が30mWのシングルモードレーザを使用する場合には、7個のLDにより出力180mWの合波レーザビームBを得ることができる。従って、1200本のマルチモード光ファイバ30が1列に配列されたファイバアレイ光源の場合、レーザ出射部68での出力は約216Wである。
【0116】
また、マルチモード光ファイバ30として、クラッド径=125μm、コア径=50μm、NA=0.2のステップインデックス型光ファイバを用いた場合には、レーザ出射部68でのビーム径は50μm×150mmである。短軸方向に3倍、長軸方向に1倍の倍率でビーム径が拡大されると、照射エリア506の面積は150μm×150mmとなる。従って、1msecで露光する場合は、露光面上での光密度は960mJ/cmである。光学系による損失を約75%と見積っても、露光面上での光密度は720mJ/cmである。よって,150mm/sで150mm幅をアニールでき、1sec間に150mm×150mmをアニールすることができる。
【0117】
以上説明した通り、本実施の形態のレーザアニール装置では、空間光変調素子を使用していないが、ファイバアレイ光源の光ファイバのアレイ配列により、ラインビームを容易に得ることができる。
【0118】
一般に、レーザアニール装置では、短軸方向に絞られ、それと直交する長軸方向に広げられたラインビームが必要である。通常、ラインビーム長は、長軸が125mm〜300mmで、短軸が150μm〜700μmであるが、長軸方向に長ければ長いほど大面積を同時にアニールすることができる。
【0119】
本実施の形態のレーザアニール装置では、アレイ化する光ファイバの本数を増やすことにより、エネルギー強度とその均一性を維持した状態でラインビーム長を伸張することができる。従って、今後の大型TFT−LCDパネル製造用のレーザアニール装置として好適である。
【0120】
また、本実施の形態のレーザアニール装置は、第1の実施の形態に係るレーザアニール装置と同様に、GaN系半導体レーザを用いたことによる利点、合波レーザ光源の光ファイバの出射端部をアレイ状に配列したファイバアレイ光源を用いたことによる利点も備えている。
【0121】
なお、上記の実施の形態では、単一の照射ヘッドを備えたスキャナを使用する例について説明したが、ラインビームの長軸方向の長さが足りない場合は、複数の照射ヘッドを長軸方向に配列してもよい。
【0122】
(第4の実施の形態)
第4の実施の形態に係るレーザアニール装置は、照射ヘッドの拡大光学系の構成が異なる以外は、図35に示す第3の実施の形態に係るレーザアニール装置と略同様の構成であるため、フライアイレンズ系による均一化照明光学系等も含めて、同一部分に付いては説明を省略する。
【0123】
照射ヘッド500は、図38(A)及び(B)に示すように、多数(例えば、500個)の光ファイバ30の出射端(発光点)が副走査方向と直交する方向に沿って1列に配列されたレーザ出射部を備えたファイバアレイ光源506と、ファイバアレイ光源506から出射されたレーザ光を光ファイバ30の出射端の配列方向と直交する方向にのみ集光する第1のシリンドリカルレンズ512と、光ファイバ30の出射端の配列方向と直交する方向に集光されたレーザ光を配列方向にのみ集光して透明基板の走査面(アニール面)56上に結像する第2のシリンドリカルレンズ514とから構成されている。
【0124】
第1のシリンドリカルレンズ512は、所定方向に曲率を有し且つ所定方向と直交する方向に長い形状をしており、長手方向(所定方向と直交する方向)が光ファイバ30の出射端の配列方向と平行になるように配置されている。また、第2のシリンドリカルレンズ514は、所定方向に曲率を有し且つ該所定方向に長い形状をしており、曲率方向(所定方向)が光ファイバ30の出射端の配列方向と平行になるように配置されている。
【0125】
このレーザアニール装置では、ファイバアレイ光源506から出射されたレーザ光は、第1のシリンドリカルレンズ512により光ファイバ30の出射端の配列方向と直交する方向に集光され、第2のシリンドリカルレンズ514により光ファイバ30の出射端の配列方向に集光されて、アニール面56上にライン状に結像される。これらシリンドリカルレンズ512、514は、例えば、短軸方向に6倍、長軸方向に2倍の倍率でビーム径を拡大する拡大光学系として機能する。また、図35において透明基板150がステージ152と共に一定速度で移動されて、スキャナ162の照射ヘッド500からのラインビームにより、透明基板150がステージ移動方向と反対の方向に副走査され、照射済み領域504が形成される。
【0126】
ここで、露光面上での光密度を算出する。照射ヘッドの合波レーザ光源に出力が100mWのマルチモードレーザを使用する場合には、7個のLDにより出力600mWの合波レーザビームBを得ることができる。従って、500本のマルチモード光ファイバ30が1列に配列されたファイバアレイ光源の場合、レーザ出射部68での出力は約300Wである。
【0127】
また、マルチモード光ファイバ30として、クラッド径=125μm、コア径=50μm、NA=0.2のステップインデックス型光ファイバを用いた場合には、レーザ出射部68でのビーム径は50μm×62.5mmである。短軸方向に6倍、長軸方向に2倍の倍率でビーム径が拡大されると、照射エリア506の面積は300μm×125mmである。従って、1msecで露光する場合は、露光面上での光密度は800mJ/cmである。光学系による損失を約75%と見積っても、露光面上での光密度は600mJ/cmである。よって、3000mm/sで125mm幅をアニールでき、1sec間に300mm×125mm幅をアニールすることができる。
【0128】
以上説明した通り、本実施の形態のレーザアニール装置では、空間光変調素子を使用していないが、ファイバアレイ光源の光ファイバのアレイ配列により、ラインビームを容易に得ることができる。また、アレイ化する光ファイバの本数を増やすことにより、エネルギー強度とその均一性を維持した状態でラインビーム長を伸張することができる。従って、今後の大型TFT−LCDパネル製造用のレーザアニール装置として好適である。
【0129】
また、本実施の形態のレーザアニール装置は、第1の実施の形態に係る装置と同様に、GaN系半導体レーザを用いたことによる利点、合波レーザ光源の光ファイバの出射端部をアレイ状に配列したファイバアレイ光源を用いたことによる利点を備えている。なお、複数の照射ヘッドを長軸方向に配列してもよい点は、第3の実施の形態と同様である。
【0130】
次に、以上説明したレーザアニール装置の変形例等について説明する。
[空間光変調素子の代わりにミラーを使用する例]
第1及び第2の実施の形態では、アニールパターンに応じて空間光変調素子で変調したレーザ光を照射してレーザアニールを実施する例について説明したが、全面をアニールする場合のようにアニールパターンが単純な場合は、空間光変調素子に代えて反射ミラーを用いてもよい。
【0131】
[レーザアニール装置の他の用途]
上記の実施の形態では、本発明のレーザアニール装置を用いて低温ポリシリコンTFTを形成する例について説明したが、本発明のレーザアニール装置は、ITO(インジウム−スズ酸化物)、SnO(二酸化スズ)等で構成された透明電極膜のアニール等、他の材料のアニールにも使用することができる。
【0132】
[他の空間変調素子]
第1及び第2の実施の形態では、DMDやGLVを空間光変調素子として使用する例について説明したが、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)タイプの空間変調素子(SLM;Spacial Light Modulator)や、電気光学効果により透過光を変調する光学素子(PLZT素子)や液晶光シャッタ(FLC)等、MEMSタイプ以外の空間変調素子を用いてもよい。なお、MEMSとは、IC製造プロセスを基盤としたマイクロマシニング技術によるマイクロサイズのセンサ、アクチュエータ、そして制御回路を集積化した微細システムの総称であり、MEMSタイプの空間変調素子とは、静電気力を利用した電気機械動作により駆動される空間変調素子を意味している。
【0133】
また、第1の実施の形態では、DMDのマイクロミラーを部分的に駆動する例について説明したが、所定方向に対応する方向の長さが前記所定方向と交差する方向の長さより長い基板上に、各々制御信号に応じて反射面の角度が変更可能な多数のマイクロミラーが2次元状に配列された細長いDMDを用いても、反射面の角度を制御するマイクロミラーの個数が少なくなるので、同様に変調速度を速くすることができる。また、MEMSタイプの空間変調素子や、MEMSタイプ以外の空間変調素子を用いた場合にも、基板上に配列された全画素部に対し一部の画素部を使用することで、1画素当り、1主走査ライン当たりの変調速度を速くすることができるので、同様の効果を得ることができる。
【0134】
[他の露光方式]
図18に示すように、上記の実施の形態と同様に、スキャナ162によるX方向への1回の走査で透明基板150の全面をアニールしてもよく、図19(A)及び(B)に示すように、スキャナ162により透明基板150をX方向へ走査した後、スキャナ162をY方向に1ステップ移動し、再度X方向へ走査を行うというように、走査と移動とを繰り返して、複数回の走査で透明基板150の全面をアニールするようにしてもよい。なお、この例では、スキャナ162は18個の照射ヘッド166を備えている。
【0135】
[他のレーザ装置(光源)]
上記の実施の形態では、合波レーザ光源を複数備えたファイバアレイ光源を用いる例について説明したが、レーザ光源は、合波レーザ光源をアレイ化したファイバアレイ光源には限定されない。例えば、1個の発光点を有する単一の半導体レーザから入射されたレーザ光を出射する1本の光ファイバを備えたファイバ光源をアレイ化したファイバアレイ光源を用いることができる。
【0136】
(ブロードストライプレーザ)
ブロードストライプレーザは、積層方向と直交する方向(水平方向)に長い発光領域を備えたレーザであり、発光領域が大きいことから高出力である。従って、ブロードストライプレーザを用いることで、1個の発光点を有する単一の半導体レーザと、この半導体レーザから入射されたレーザ光を出射する1本の光ファイバとを備えた高出力且つ高輝度のファイバ光源、ひいてはこのファイバ光源をアレイ化したファイバアレイ光源やファイババンドル光源を実現することができる。
【0137】
例えば、図39及び図40に示すように、照明光源にブロードストライプレーザ180を用い、ブロードストライプレーザ180とマルチモード光ファイバ30の入射端との間に、ビーム整形光学系として、第1シリンドリカルレンズ182、第2シリンドリカルレンズ184、第3シリンドリカルレンズ186、及び第4シリンドリカルレンズ188をブロードストライプレーザ180側から順に配置する。
【0138】
ブロードストライプレーザ180から出射された光ビームは、第1シリンドリカルレンズ182及び第3シリンドリカルレンズ186によって、積層方向(垂直方向)の光ビームのNA(開口数)がマルチモード光ファイバ30のNA以下に変換され、第1シリンドリカルレンズ182及び第3シリンドリカルレンズ186によって、水平方向の光ビームのNAが等倍に維持されて、マルチモード光ファイバ30の入射端に結像される。
【0139】
ブロードストライプレーザ180の発光層の幅(垂直方向の長さ)を0.5μm、発光層の長さ(水平方向の長さ)を30μm、光ビームの波長を400〜420nmとすると、発光点において約500mWの出力を得ることができる。この500mWの光ビームを集光して、1本のマルチモード光ファイバ30に入射させる。結合効率を96%と仮定すると、個々のマルチモード光ファイバ30の出射端は480mWの光源となる。
【0140】
このマルチモード光ファイバ30の出射端をアレイ化又はバンドル化して光源として用いることができる。2000本(1000本×2)のマルチモード光ファイバ30の出射端が2列に配列されたファイバアレイ光源の場合、レーザ出力部での出力は960Wとなる。
【0141】
マルチモード光ファイバ30としては、例えばクラッド径125μm、コア径50μmの光ファイバを使用することができる。また、このマルチモード光ファイバ30の出射端に、例えばクラッド径60μm、コア径50μmの小径の光ファイバを接続することで、レーザ出力部でのビーム径は110μm×60μmと小さくなり、高輝度化を図ることができる。更に、レーザ出力部でのビーム径を、光学系により短軸方向に3.6倍、長軸方向に5.0倍の倍率で拡大すると、照射エリアの面積は約400μm×300μmとなる。従って、1msecで露光する場合は、露光面上での光密度は800mJ/cmとなる。光学系による損失を約25%と見積っても露光面上での光密度は600mJ/cmとなる。
【0142】
なお、マルチモード光ファイバ30に、クラッド径60μm、コア径50μmの小径の光ファイバを使用してもよい。即ち、ブロードストライプレーザ180のビームを、直接、小径のマルチモード光ファイバ30に入射させることで、マルチモード光ファイバ30の出射端をそのままの径で出射端として使用することができる。
【0143】
ブロードストライプレーザ180の発光層の幅を5〜200μmとした場合に、マルチモード光ファイバ30のNAを0.15〜0.3、マルチモード光ファイバ30のコア径を10〜80μmとすることで、マルチモード光ファイバ30への結合効率が高くなり好ましい。また、シリンドリカルレンズ以外の光学部品を用いてビーム整形光学系を構成することもできる。
【0144】
なお、上記では1個のブロードストライプレーザからの光ビームを1本の光ファイバに結合する例について説明したが、複数のブロードストライプレーザからの光ビームを合波して1本の光ファイバに結合することで、更に高出力且つ高輝度なレーザ光源を得ることができる。
【0145】
(レーザアレイ)
また、複数の発光点を備えた光源としては、例えば、図20に示すように、ヒートブロック100上に、複数(例えば、7個)のチップ状の半導体レーザLD1〜LD7を配列したレーザアレイを用いることができる。
【0146】
(マルチキャビティレーザ及びそのアレイ)
また、図21(A)に示す、複数(例えば、5個)の発光点110aが所定方向に配列されたチップ状のマルチキャビティレーザ110が知られている。マルチキャビティレーザ110は、チップ状の半導体レーザを配列する場合と比べ、発光点を位置精度良く配列できるので、各発光点から出射されるレーザビームを合波し易い。但し、発光点が多くなるとレーザ製造時にマルチキャビティレーザ110に撓みが発生し易くなるため、発光点110aの個数は5個以下とするのが好ましい。本発明の照射ヘッドでは、このマルチキャビティレーザ110や、図21(B)に示すように、ヒートブロック100上に、複数のマルチキヤビティレーザ110が各チップの発光点110aの配列方向と同じ方向に配列されたマルチキャビティレーザアレイを、レーザ光源として用いることができる。
【0147】
(マルチキャビティレーザ利用の合波レーザ光源)
また、合波レーザ光源は、複数のチップ状の半導体レーザから出射されたレーザ光を合波するものには限定されない。例えば、図22に示すように、複数(例えば、3個)の発光点110aを有するチップ状のマルチキャビティレーザ110を備えた合波レーザ光源を用いることができる。この合波レーザ光源は、マルチキャビティレーザ110と、1本のマルチモード光ファイバ130と、集光レンズ120と、を備えて構成されている。マルチキャビティレーザ110は、例えば、発振波長が405nmのGaN系レーザダイオードで構成することができる。
【0148】
上記の構成では、マルチキャビティレーザ110の複数の発光点110aの各々から出射したレーザビームBの各々は、集光レンズ120によって集光され、マルチモード光ファイバ130のコア130aに入射する。コア130aに入射したレーザ光は、光ファイバ内を伝搬し、1本に合波されて出射する。
【0149】
マルチキャビテイレーザ110の複数の発光点110aを、上記マルチモード光ファイバ130のコア径と略等しい幅内に並設すると共に、集光レンズ120として、マルチモード光ファイバ130のコア径と略等しい焦点距離の凸レンズや、マルチキャビティレーザ110からの出射ビームをその活性層に垂直な面内のみでコリメートするロッドレンズを用いることにより、レーザビームBのマルチモード光ファイバ130への結合効率を上げることができる。
【0150】
また、図23に示すように、複数(例えば、3個)の発光点を備えたマルチキャビティレーザ110を用い、ヒートブロック111上に複数(例えば、9個)のマルチキャビティレーザ110が互いに等間隔で配列されたレーザアレイ140を備えた合波レーザ光源を用いることができる。複数のマルチキヤビティレーザ110は、各チップの発光点110aの配列方向と同じ方向に配列されて固定されている。
【0151】
この合波レーザ光源は、レーザアレイ140と、各マルチキヤビティレーザ110に対応させて配置した複数のレンズアレイ114と、レーザアレイ140と複数のレンズアレイ114との間に配置された1本のロッドレンズ113と、1本のマルチモード光ファイバ130と、集光レンズ120と、を備えて構成されている。レンズアレイ114は、マルチキヤビティレーザ110の発光点に対応した複数のマイクロレンズを備えている。
【0152】
上記の構成では、複数のマルチキヤビティレーザ110の複数の発光点110aの各々から出射したレーザビームBの各々は、ロッドレンズ113により所定方向に集光された後、レンズアレイ114の各マイクロレンズにより平行光化される。平行光化されたレーザビームLは、集光レンズ120によって集光され、マルチモード光フアイバ130のコア130aに入射する。コア130aに入射したレーザ光は、光フアイバ内を伝搬し、1本に合波されて出射する。
【0153】
(多段構造のレーザアレイ利用の合波レーザ光源)
更に他の合波レーザ光源の例を示す。この合波レーザ光源は、図24(A)及び(B)に示すように、略矩形状のヒートブロック180上に光軸方向の断面がL字状のヒートブロック182が搭載され、2つのヒートブロック間に収納空間が形成されている。L字状のヒートブロック182の上面には、複数の発光点(例えば、5個)がアレイ状に配列された複数(例えば、2個)のマルチキャビティレーザ110が、各チップの発光点110aの配列方向と同じ方向に等間隔で配列されて固定されている。
【0154】
略矩形状のヒートブロック180には凹部が形成されており、ヒートブロック180の空間側上面には、複数の発光点(例えば、5個)がアレイ状に配列された複数(例えば、2個)のマルチキャビティレーザ110が、その発光点がヒートブロック182の上面に配置されたレーザチップの発光点と同じ鉛直面上に位置するように配置されている。
【0155】
マルチキャビティレーザ110のレーザ光出射側には、各チップの発光点110aに対応してコリメートレンズが配列されたコリメートレンズアレイ184が配置されている。コリメートレンズアレイ184は、各コリメートレンズの長さ方向とレーザビームの拡がり角が大きい方向(速軸方向)とが一致し、各コリメートレンズの幅方向が拡がり角が小さい方向(遅軸方向)と一致するように配置されている。このように、コリメートレンズをアレイ化して一体化することで、レーザ光の空間利用効率が向上し合波レーザ光源の高出力化が図られると共に、部品点数が減少し低コスト化を図ることができる。
【0156】
また、コリメートレンズアレイ184のレーザ光出射側には、1本のマルチモード光ファイバ130と、このマルチモード光ファイバ130の入射端にレーザビームを集光して結合する集光レンズ120と、が配置されている。
【0157】
上記の構成では、レーザブロック180、182上に配置された複数のマルチキヤビティレーザ110の複数の発光点110aの各々から出射したレーザビームの各々は、コリメートレンズアレイ184により平行光化され、集光レンズ120によって集光されて、マルチモード光フアイバ130のコア130aに入射する。コア130aに入射したレーザ光は、光フアイバ内を伝搬し、1本に合波されて出射する。
【0158】
この合波レーザ光源は、上記の通り、マルチキャビティレーザの多段配置とコリメートレンズのアレイ化とにより、特に高出力化を図ることができる。この合波レーザ光源を用いることにより、より高輝度なファイバアレイ光源やバンドルファイバ光源を構成することができるので、本実施の形態の照射ヘッドのレーザ光源を構成するファイバ光源として特に好適である。
【0159】
なお、上記の各合波レーザ光源をケーシング内に収納し、マルチモード光ファイバ130の出射端部をそのケーシングから引き出したレーザモジュールを構成することができる。
【0160】
また、上記の実施の形態では、合波レーザ光源のマルチモード光ファイバの出射端に、コア径がマルチモード光ファイバと同一で且つクラッド径がマルチモード光ファイバより小さい他の光ファイバを結合してファイバアレイ光源の高輝度化を図る例について説明したが、例えば、クラッド径が125μm、80μm、60μm等のマルチモード光ファイバを、出射端に他の光ファイバを結合せずに使用してもよい。
【0161】
なお、第1〜第4の実施の形態に係るレーザアニール装置のファイバアレイ光源を、上記の多段構造のレーザアレイを利用した合波レーザを用いて構成することができる。例えば、図38に示す第4の実施の形態において、ファイバアレイ光源を上記の合波レーザを用いて構成した場合には、以下の通り、露光面上での光密度を計算することができる。
【0162】
(1)照射ヘッドの合波レーザ光源に各発光点での出力が30mWのマルチキャビティレーザを使用する場合には、20個の発光点により500mWの合波レーザビームBを得ることができる。従って、600本のマルチモード光ファイバ30が1列に配列されたファイバアレイ光源の場合、レーザ出射部68での出力は約300Wである。マルチモード光ファイバ30として、クラッド径=125μm、コア径=50μm、NA=0.2のステップインデックス型光ファイバを用いた場合には、レーザ出射部68でのビーム径は50μm×75mmである。拡大光学系により短軸方向に6倍、長軸方向に1.66倍の倍率でビーム径が拡大されると、照射エリア506の面積は300μm×125mmとなる。従って、1msecで露光する場合は、露光面上での光密度は800mJ/cmである。更に光学系による損失を約75%と見積っても、露光面上での光密度は600mJ/cmである。
【0163】
(2)照射ヘッドの合波レーザ光源に各発光点での出力が100mWのマルチキャビティレーザを使用する場合には、20個の発光点により1600mWの合波レーザビームBを得ることができる。従って、625本のマルチモード光ファイバ30が1列に配列されたファイバアレイ光源の場合、レーザ出射部68での出力は約1kWである。マルチモード光ファイバ30として、クラッド径=125μm、コア径=50μm、NA=0.2のステップインデックス型光ファイバを用いた場合には、レーザ出射部68でのビーム径は50μm×78mmである。拡大光学系により短軸方向に6倍、長軸方向に5.3倍の倍率でビーム径が拡大されると、照射エリア506の面積は300μm×413mmとなる。従って、1msecで露光する場合は、露光面上での光密度は800mJ/cmである。更に光学系による損失を約75%と見積っても、露光面上での光密度は600mJ/cmである。
【0164】
(3)照射ヘッドの合波レーザ光源に各発光点での出力が100mWのマルチキャビティレーザを使用する場合には、20個の発光点により1600mWの合波レーザビームBを得ることができる。従って、1250本(=625本×2)のマルチモード光ファイバ30が2列に配列されたファイバアレイ光源の場合、レーザ出射部68での出力は約2kWである。マルチモード光ファイバ30の出射端部にクラッド径=60μm、コア径=50μmの光ファイバを結合すると、レーザ出射部68でのビーム径は110μm×37.5mmとなる。拡大光学系により短軸方向に6倍、長軸方向に10倍の倍率でビーム径が拡大されると、照射エリア506の面積は660μm×375mmとなる。従って、1msecで露光する場合は、露光面上での光密度は800mJ/cmである。更に光学系による損失を約75%と見積っても、露光面上での光密度は600mJ/cmである。なお、長軸方向への拡大倍率が大きくなることで、より深い焦点深度を得ることができる。
【0165】
[光量分布補正光学系]
第1及び第2の実施の形態では、照射ヘッドに1対の組合せレンズからなる光量分布補正光学系を用いている。この光量分布補正光学系は、光軸に近い中心部の光束幅に対する周辺部の光束幅の比が入射側に比べて出射側の方が小さくなるように各出射位置における光束幅を変化させて、光源からの平行光束をDMDに照射するときに、DMDの被照射面での光量分布が略均一になるように補正する。以下、この光量分布補正光学系の作用について説明する。
【0166】
まず、図27(A)に示したように、入射光束と出射光束とで、その全体の光束幅(全光束幅)H0、H1が同じである場合について説明する。なお、図27(A)において、符号51、52で示した部分は、光量分布補正光学系における入射面および出射面を仮想的に示したものである。
【0167】
光量分布補正光学系において、光軸Z1に近い中心部に入射した光束と、周辺部に入射した光束とのそれぞれの光束幅h0、h1が、同一であるものとする(h0=hl)。光量分布補正光学系は、入射側において同一の光束幅h0,h1であった光に対し、中心部の入射光束については、その光束幅h0を拡大し、逆に、周辺部の入射光束に対してはその光束幅h1を縮小するような作用を施す。すなわち、中心部の出射光束の幅h10と、周辺部の出射光束の幅h11とについて、h11<h10となるようにする。光束幅の比率で表すと、出射側における中心部の光束幅に対する周辺部の光束幅の比「h11/h10」が、入射側における比(h1/h0=1)に比べて小さくなっている((h11/h10)<1)。
【0168】
このように光束幅を変化させることにより、通常では光量分布が大きくなっている中央部の光束を、光量の不足している周辺部へと生かすことができ、全体として光の利用効率を落とさずに、DMDの被照射面での光量分布が略均一化される。
【0169】
このような光量分布補正光学系による作用、効果は、入射側と出射側とで、全体の光束幅を変える場合(図27(B),(C))においても同様である。
【0170】
図27(B)は、入射側の全体の光束幅H0を、幅H2に“縮小”して出射する場合(H0>H2)を示している。このような場合においても、光量分布補正光学系は、入射側において同一の光束幅h0、h1であった光を、出射側において、中央部の光束幅h10が周辺部に比べて大きくなり、逆に、周辺部の光束幅h11が中心部に比べて小さくなるようにする。光束の縮小率で考えると、中心部の入射光束に対する縮小率を周辺部に比べて小さくし、周辺部の入射光束に対する縮小率を中心部に比べて大きくするような作用を施している。この場合にも、中心部の光束幅に対する周辺部の光束幅の比「H11/H10」が、入射側における比(h1/h0=1)に比べて小さくなる((h11/h10)<1)。
【0171】
図27(C)は、入射側の全体の光束幅H0を、幅Η3に“拡大”して出射する場合(H0<H3)を示している。このような場合においても、光量分布補正光学系は、入射側において同一の光束幅h0、h1であった光を、出射側において、中央部の光束幅h10が周辺部に比べて大きくなり、逆に、周辺部の光束幅h11が中心部に比べて小さくなるようにする。光束の拡大率で考えると、中心部の入射光束に対する拡大率を周辺部に比べて大きくし、周辺部の入射光束に対する拡大率を中心部に比べて小さくするような作用を施している。この場合にも、中心部の光束幅に対する周辺部の光束幅の比「h11/h10」が、入射側における比(h1/h0=1)に比べて小さくなる((h11/h10)<1)。
【0172】
このように、光量分布補正光学系は、各出射位置における光束幅を変化させ、光軸Z1に近い中心部の光束幅に対する周辺部の光束幅の比を入射側に比べて出射側の方が小さくなるようにしたので、入射側において同一の光束幅であった光が、出射側においては、中央部の光束幅が周辺部に比べて大きくなり、周辺部の光束幅は中心部に比べて小さくなる。これにより、中央部の光束を周辺部へと生かすことができ、光学系全体としての光の利用効率を落とさずに、光量分布の略均一化された光束断面を形成することができる。
【0173】
次に、光量分布補正光学系として使用する1対の組合せレンズの具体的なレンズデータの1例を示す。この例では、光源がレーザアレイ光源である場合のように、出射光束の断面での光量分布がガウス分布である場合のレンズデータを示す。なお、シングルモード光ファイバの入射端に1個の半導体レーザを接続した場合には、光ファイバからの射出光束の光量分布がガウス分布になる。本実施の形態はこのような場合にも適用可能である。また、マルチモード光ファイバのコア径を小さくしてシングルモード光ファイバの構成に近付ける等により光軸に近い中心部の光量が周辺部の光量よりも大きい場合にも適用可能である。
【0174】
下記表1に基本レンズデータを示す。
【0175】
【表1】

Figure 2004064066
【0176】
表1から分かるように、1対の組合せレンズは、回転対称の2つの非球面レンズから構成されている。光入射側に配置された第1のレンズの光入射側の面を第1面、光出射側の面を第2面とすると、第1面は非球面形状である。また、光出射側に配置された第2のレンズの光入射側の面を第3面、光出射側の面を第4面とすると、第4面が非球面形状である。
【0177】
表1において、面番号Siはi番目(i=1〜4)の面の番号を示し、曲率半径riはi番目の面の曲率半径を示し、面間隔diはi番目の面とi+1番目の面との光軸上の面間隔を示す。面間隔di値の単位はミリメートル(mm)である。屈折率Niはi番目の面を備えた光学要素の波長405nmに対する屈折率の値を示す。
【0178】
下記表2に、第1面及び第4面の非球面データを示す。
【0179】
【表2】
Figure 2004064066
【0180】
上記の非球面データは、非球面形状を表す下記式(A)における係数で表される。
【0181】
【数1】
Figure 2004064066
【0182】
上記式(A)において各係数を以下の通り定義する。
Z:光軸から高さρの位置にある非球面上の点から、非球面の頂点の接平面(光軸に垂直な平面)に下ろした垂線の長さ(mm)
ρ:光軸からの距離(mm)
K:円錐係数
C:近軸曲率(1/r、r:近軸曲率半径)
ai:第i次(i=3〜10)の非球面係数
表2に示した数値において、記号“E”は、その次に続く数値が10を底とした“ぺき指数″であることを示し、その10を底とした指数関数で表される数値が“E”の前の数値に乗算されることを示す。例えば、「1.0E−02」であれば、「1.0×10−2」であることを示す。
【0183】
図29は、上記表1及び表2に示す1対の組合せレンズによって得られる照明光の光量分布を示している。横軸は光軸からの座標を示し、縦軸は光量比(%)を示す。なお、比較のために、図28に、補正を行わなかった場合の照明光の光量分布(ガウス分布)を示す。図28及び図29から分かるように、光量分布補正光学系で補正を行うことにより、補正を行わなかった場合と比べて、略均一化された光量分布が得られている。これにより、照射ヘッドにおける光の利用効率を落とさずに、均一なレーザ光でムラなくレーザアニールを行うことができる。
【0184】
[他の結像光学系]
第1の実施の形態では、照射ヘッドに使用するDMDの光反射側に、結像光学系として2組のレンズ系を配置したが、レーザ光を拡大して結像する結像光学系を配置してもよい。DMDにより反射される光束線の断面積を拡大することで、被照射面における照射エリア面積を所望の大きさに拡大することができる。
【0185】
例えば、照射ヘッドを、図30(A)に示すように、DMD50、DMD50にレーザ光を照射する照明装置144、DMD50で反射されたレーザ光を拡大して結像するレンズ系454、458、DMD50の各画素に対応して多数のマイクロレンズ474が配置されたマイクロレンズアレイ472、マイクロレンズアレイ472の各マイクロレンズに対応して多数のアパーチャ478が設けられたアパーチャアレイ476、アパーチャを通過したレーザ光を被露光面56に結像するレンズ系480、482で構成することができる。
【0186】
この照射ヘッドでは、照明装置144からレーザ光が照射されると、DMD50によりオン方向に反射される光束線の断面積が、レンズ系454、458により数倍(例えば、2倍)に拡大される。拡大されたレーザ光は、マイクロレンズアレイ472の各マイクロレンズによりDMD50の各画素に対応して集光され、アパーチャアレイ476の対応するアパーチャを通過する。アパーチャを通過したレーザ光は、レンズ系480、482により被露光面56上に結像される。
【0187】
この結像光学系では、DMD50により反射されたレーザ光は、拡大レンズ454、458により数倍に拡大されて走査面56に投影されるので、全体の画像領域が広くなる。このとき、マイクロレンズアレイ472及びアパーチャアレイ476が配置されていなければ、図30(B)に示すように、走査面56に投影される各ビームスポットBSの1画素サイズ(スポットサイズ)が照射エリア468のサイズに応じて大きなものとなり、照射エリア468の鮮鋭度を表すMTF(Modulation Transfer Function)特性が低下する。
【0188】
一方、マイクロレンズアレイ472及びアパーチャアレイ476を配置した場合には、DMD50により反射されたレーザ光は、マイクロレンズアレイ472の各マイクロレンズによりDMD50の各画素に対応して集光される。これにより、図30(C)に示すように、照射エリアが拡大された場合でも、各ビームスポットBSのスポットサイズを所望の大きさ(例えば、10μm×10μm)に縮小することができ、MTF特性の低下を防止して高精細な露光を行うことができる。なお、照射エリア468が傾いているのは、画素間の隙間を無くす為にDMD50を傾けて配置しているからである。
【0189】
また、マイクロレンズの収差によるビームの太りがあっても、アパーチャによって走査面56上でのスポットサイズが一定の大きさになるようにビームを整形することができると共に、各画素に対応して設けられたアパーチャを通過させることにより、隣接する画素間でのクロストークを防止することができる。
【0190】
更に、照明装置144に上記実施の形態と同様に高輝度光源を使用することにより、レンズ458からマイクロレンズアレイ472の各マイクロレンズに入射する光束の角度が小さくなるので、隣接する画素の光束の一部が入射するのを防止することができる。即ち、高消光比を実現することができる。
【0191】
【発明の効果】
本発明のレーザアニール装置は、連続駆動が可能で出力安定性に優れた半導体レーザを用い、良好な結晶特性を備えキャリア移動度の高いポリシリコン膜を再現性良く且つ高速に形成することができる、という効果を奏する。また、本発明のレーザアニール装置は、小型で信頼性が高く、メンテナンスが容易である、という効果を奏する。更に、本発明のレーザアニール装置は、特殊な材料の光学系を使用する必要が無く、低コストである、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態に係るレーザアニール装置の外観を示す斜視図である。
【図2】第1の実施の形態に係るレーザアニール装置のスキャナの構成を示す斜視図である。
【図3】(A)は感光材料に形成される照射済み領域を示す平面図であり、(B)は各照射ヘッドによる照射エリアの配列を示す図である。
【図4】第1の実施の形態に係るレーザアニール装置の照射ヘッドの概略構成を示す斜視図である。
【図5】(A)は図4に示す照射ヘッドの構成を示す光軸に沿った副走査方向の断面図であり、(B)は(A)の側面図である。
【図6】デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)の構成を示す部分拡大図である。
【図7】(A)及び(B)はDMDの動作を説明するための説明図である。
【図8】(A)及び(B)は、DMDを傾斜配置しない場合と傾斜配置する場合とで、走査ビームの配置及び走査線を比較して示す平面図である。
【図9】(A)はファイバアレイ光源の構成を示す斜視図であり、(B)は(Aの部分拡大図である。
【図10】マルチモード光ファイバの構成を示す図である。
【図11】合波レーザ光源の構成を示す平面図である。
【図12】レーザモジュールの構成を示す平面図である。
【図13】図12に示すレーザモジュールの構成を示す側面図である。
【図14】図12に示すレーザモジュールの構成を示す部分側面図である。
【図15】(A)及び(B)は、低輝度照射ヘッドにおける焦点深度と高輝度照射ヘッドにおける焦点深度との相違を示す光軸に沿った断面図である。
【図16】(A)及び(B)は、DMDの使用領域の例を示す図である。
【図17】(A)はDMDの使用領域が適正である場合の側面図であり、(B)は(A)の光軸に沿った副走査方向の断面図である。
【図18】スキャナによる1回の走査で透明基板をアニールするアニール方式を説明するための平面図である。
【図19】(A)及び(B)はスキャナによる複数回の走査で透明基板をアニールするアニール方式を説明するための平面図である。
【図20】レーザアレイの構成を示す斜視図である。
【図21】(A)はマルチキャビティレーザの構成を示す斜視図であり、(B)は(A)に示すマルチキャビティレーザをアレイ状に配列したマルチキャビティレーザアレイの斜視図である。
【図22】合波レーザ光源の他の構成を示す平面図である。
【図23】合波レーザ光源の他の構成を示す平面図である。
【図24】(A)は合波レーザ光源の他の構成を示す平面図であり、(B)は(A)の光軸に沿った断面図である。
【図25】(A)及び(B)は、低温ポリシリコンTFT形成プロセスを説明するための図である。
【図26】アモルファスシリコンの吸収特性を示す図である。
【図27】光量分布補正光学系による補正の概念についての説明図である。
【図28】光源がガウス分布で且つ光量分布の補正を行わない場合の光量分布を示すグラフである。
【図29】光量分布補正光学系による補正後の光量分布を示すグラフである。
【図30】(A)は結合光学系の異なる他の照射ヘッドの構成を示す光軸に沿った断面図であり、(B)はマイクロレンズアレイ等を使用しない場合に走査面に投影される光像を示す平面図であり、(C)はマイクロレンズアレイ等を使用した場合に走査面に投影される光像を示す平面図である。
【図31】第2の実施の形態に係るレーザアニール装置の照射ヘッドの概略構成を示す斜視図である。
【図32】(A)は図31に示す照射ヘッドの構成を示す光軸に沿った断面図であり、(B)は(A)の側面図である。
【図33】グレーティング・ライト・バルブ(GLV)の構成を示す部分拡大図である。
【図34】(A)及び(B)はGLVの動作を説明するための説明図である。
【図35】第3の実施の形態に係るレーザアニール装置のスキャナの構成を示す斜視図である。
【図36】(A)は第3の実施の形態に係るレーザアニール装置の照射ヘッドの構成を示す光軸に沿ったファイバ配列方向の断面図であり、(B)は副走査方向の断面図である。
【図37】第3の実施の形態に係るレーザアニール装置のファイバアレイ光源の構成を示す斜視図である。
【図38】(A)は第4の実施の形態に係るレーザアニール装置の照射ヘッドの構成を示す光軸に沿ったファイバ配列方向の断面図であり、(B)は副走査方向の断面図である。
【図39】半導体レーザと光ファイバとを1対1で結合したファイバ光源の構成を示す側面図である。
【図40】図39のファイバ光源を上方から見た平面図である。
【符号の説明】
LD1〜LD7 GaN系半導体レーザ
10 ヒートブロック
11〜17 コリメータレンズ
20 集光レンズ
30 マルチモード光ファイバ
50 デジタル・マイクロミラー・デバイス(DMD)
53 反射光像(走査ビーム)
54、58 レンズ系
56 走査面(アニール面)
64 レーザモジュール
66 ファイバアレイ光源
68 レーザ出射部
73 組合せレンズ
150 透明基板
152 ステージ
162 スキャナ
166 照射ヘッド
168 照射エリア
170 照射済み領域[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser annealing apparatus, and more particularly to a laser annealing apparatus using a GaN (gallium nitride) based semiconductor laser as a light source.
[0002]
[Prior art]
In recent years, not only thin film transistors (TFTs) for pixel display gates but also driving circuits and the like from the viewpoint of reducing the size and weight of flat panel displays such as liquid crystal displays (LCDs) and organic EL (electroluminescence) displays. A system-on-glass (SOG) -TFT in which a signal processing circuit, an image processing circuit, and the like are directly formed on a glass substrate of an LCD has attracted attention.
[0003]
Conventionally, amorphous silicon has been used for TFTs for pixel display gates, but polysilicon with high carrier mobility is required for SOG-TFTs. However, since the deformation temperature of glass is as low as 600 ° C., a crystal growth technique using a high temperature of 600 ° C. or higher cannot be used for forming a polysilicon film. Therefore, the polysilicon film is formed by forming an amorphous silicon film at a low temperature (100 to 300 ° C.), then thermally melting the amorphous silicon film by pulse irradiation with a XeCl excimer laser having a wavelength of 308 nm, and crystallizing in the cooling process. Excimer laser annealing (ELA) is generally used (Non-patent Document 1). By using this ELA, a polysilicon film can be formed without thermally damaging the glass substrate.
[0004]
[Non-Patent Document 1]
Junichi Tsujida and two others, "Polysilicon TFT annealing with XeCl excimer laser", Laser Research January 2000
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the XeCl excimer laser, the light output is unstable and the output intensity varies within a range of ± 10%. For this reason, ELA has a problem in that the crystal grain size in the polysilicon film varies and reproducibility is poor. In addition, since the XeCl excimer laser has a pulse drive repetition frequency as low as 300 Hz, it is difficult to form continuous crystal grain boundaries with ELA, and high carrier mobility cannot be obtained. There is a problem that it cannot be annealed. In addition, there are problems inherent to gas lasers, such as the life of the laser tube and laser gas being as short as about 1 × 10 7 shots, high maintenance costs, large equipment, and low energy efficiency of 3%.
[0006]
In ELA, a laser beam emitted from an excimer laser is shaped into a linear beam by a homogenizer optical system in order to obtain a polysilicon film having uniform crystal characteristics. There is a problem of becoming. In addition, since an XeCl excimer laser having a wavelength of 308 nm and an ultraviolet region is used, an optical system of a special material is required.
[0007]
The IEICE Technical Report ED2001-10 p21-p27 (2001) describes an example in which a high-power solid-state laser is used instead of an excimer laser, but at a low-power oscillation wavelength of 532 nm. There is a problem that amorphous silicon does not absorb light sufficiently and heat generation efficiency is poor.
[0008]
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to use a semiconductor laser capable of continuous driving and excellent in output stability, having good crystal characteristics and high carrier mobility. An object of the present invention is to provide a laser annealing apparatus capable of forming a polysilicon film with high reproducibility and at high speed. Another object of the present invention is to provide a laser annealing apparatus that is small, highly reliable, and easy to maintain. Still another object of the present invention is to provide a low-cost laser annealing apparatus that does not require the use of an optical system of a special material.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a laser annealing apparatus of the present invention includes a laser light source configured to generate a plurality of light emitting points that emit a laser beam having a wavelength of 350 to 450 nm by at least one GaN-based semiconductor laser, Scanning means for scanning the annealing surface with a laser beam emitted from a laser light source.
[0010]
In the laser annealing apparatus of the present invention, a laser beam is emitted from the laser light source, and the annealing surface is scanned with the laser beam emitted by the scanning means. The laser light source is configured to generate a plurality of light emitting points that emit a laser beam having a wavelength of 350 to 450 nm by using at least one GaN-based semiconductor laser. The output from the plurality of light emitting points is combined for annealing. Necessary light output can be obtained.
[0011]
Also, since a GaN-based semiconductor laser that can be driven continuously and has excellent output stability is used as a laser light source, a polysilicon film having good crystal characteristics and high carrier mobility can be formed with high reproducibility and high speed. In addition, the laser annealing apparatus using an excimer laser is smaller and more reliable, easier to maintain, and more energy efficient. Furthermore, since a laser beam with a wavelength of 350 to 450 nm is used, it is not necessary to use an optical system of a special material, and the cost is low.
[0012]
As the laser light source configured to generate the plurality of light emitting points, the following light sources are preferably used. Of these, a combined laser light source and a fiber array light source and a fiber bundle light source using a plurality of combined laser light sources, which can easily achieve high output and high brightness, are particularly preferable. That is, the combined laser light source can increase the brightness by increasing the number of laser beams to be combined. Thereby, the crystal characteristics of the polysilicon film can be improved and the resistance can be lowered, and the carrier mobility can be further increased. Further, in the fiber array light source and the fiber bundle light source, since the light source is configured by bundling a plurality of optical fibers, the area that can be irradiated with the laser at the same time is increased, and the large area can be annealed at high speed. That is, further speeding up is easy.
(1) A laser array in which a plurality of GaN semiconductor lasers are arranged in an array.
(2) A GaN-based multicavity laser having a plurality of light emitting points on one chip.
(3) Condensing laser beams emitted from each of the plurality of GaN-based semiconductor lasers, one optical fiber, and the plurality of GaN-based semiconductor lasers, and coupling the condensed beams to the incident end of the optical fiber And a condensing optical system.
(4) Condensing a laser beam emitted from each of a plurality of GaN-based multicavity lasers, a single optical fiber, and a plurality of light emitting points of the plurality of GaN-based multicavity lasers; And a condensing optical system coupled to the incident end of the optical fiber.
(5) A GaN-based multi-cavity laser having a plurality of light emitting points, one optical fiber, and a laser beam emitted from each of the plurality of light emitting points are condensed, and the condensed beam is collected from the optical fiber. And a condensing optical system coupled to the incident end.
(6) A fiber array light source including a plurality of the combined laser light sources, each of the light emitting points at the output end of the optical fiber of the plurality of combined laser light sources arranged in an array, or a fiber bundle arranged in a bundle light source.
(7) Condensing a single GaN-based semiconductor laser, one optical fiber, and a laser beam emitted from the single GaN-based semiconductor laser, and coupling the focused beam to the incident end of the optical fiber A plurality of fiber light sources, and a plurality of fiber light sources, each of the light emitting points at the output end of the optical fiber of each of the plurality of fiber light sources is arranged in an array, or in a bundle Fiber bundle light source.
[0013]
In the case of a light source that uses the output end of the optical fiber as a light emitting point among the above light sources, an optical fiber having a uniform core diameter and a cladding diameter smaller than the incident end is used as the optical fiber. Is preferred. In a fiber light source using an optical fiber having a large cladding diameter at the emission end, the diameter of the light emitting point when bundled becomes large, and as a result, a sufficient depth of focus cannot be obtained when performing high resolution annealing. By reducing the cladding diameter at the emission end, the brightness of the light source can be increased. Thereby, a laser annealing apparatus having a deeper focal depth can be realized. For example, even when annealing is performed with a beam diameter of 1 μm or less and a resolution of 0.1 μm or less, a deep depth of focus can be obtained, and high-speed and high-definition annealing is possible. Further, the crystal characteristics of the polysilicon film can be improved and the resistance can be lowered, and the carrier mobility can be further increased.
[0014]
The cladding diameter at the exit end of the optical fiber is preferably smaller than 125 μm, more preferably 80 μm or less, and particularly preferably 60 μm or less from the viewpoint of reducing the diameter of the light emitting point. An optical fiber having a uniform core diameter and a cladding diameter at the output end smaller than the cladding diameter at the input end can be configured by, for example, combining a plurality of optical fibers having the same core diameter but different cladding diameters. Further, by configuring the plurality of optical fibers so as to be detachable with connectors, the replacement becomes easy when the light source module is partially damaged.
[0015]
Moreover, it is preferable that the output end of the optical fiber is sealed. The exit end of the optical fiber has a high light density and is likely to collect dust and easily deteriorate. However, sealing can prevent the dust from adhering to the end face and delay the deterioration.
[0016]
The laser annealing apparatus of the present invention may include a spatial light modulation element. For example, a laser light source configured to generate a plurality of light emitting points that emit a laser beam having a wavelength of 350 to 450 nm by at least one GaN-based semiconductor laser, and a number of light modulation states that change in accordance with each control signal A spatial light modulation element in which a pixel portion is two-dimensionally arranged on a substrate and modulates a laser beam emitted from the laser light source; and scanning means for scanning the annealing surface with the laser beam modulated in each pixel portion; Can be configured as a laser annealing apparatus provided with.
[0017]
As the spatial modulation element, a micromirror device (DMD) configured by two-dimensionally arranging a large number of micromirrors each capable of changing the angle of the reflecting surface according to a control signal on a substrate (for example, a silicon substrate). A digital micromirror device). In addition, the spatial modulation element is configured by arranging in parallel a large number of movable gratings each having a ribbon-like reflecting surface and movable in accordance with a control signal and fixed gratings having a ribbon-like reflecting surface. A grating light valve (GLV) may be used.
[0018]
In addition, between the laser light source and the spatial modulation element, a collimator lens that changes the light beam from the laser light source into a parallel light beam, and the ratio of the light beam width in the peripheral part to the light beam width in the central part near the optical axis is The light beam width at each exit position is changed so that the exit side becomes smaller compared to each other, and the light amount distribution of the laser beam converted into a parallel beam by the collimator lens is substantially uniform on the irradiated surface of the spatial modulation element. It is preferable to arrange a light amount distribution correction optical system that corrects so as to be.
[0019]
According to this light quantity distribution correcting optical system, for example, light having the same light flux width on the incident side has a larger light flux width in the central part than in the peripheral part on the outgoing side. The width is smaller than the central part. In this way, since the light beam in the central part can be utilized to the peripheral part, it is possible to illuminate the spatial modulation element with light having a substantially uniform light amount distribution without reducing the light use efficiency as a whole. Thereby, it is not necessary to use an optical system of a special material, and laser annealing can be performed uniformly with a laser beam having a uniform intensity.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the following, an embodiment in which the laser annealing apparatus of the present invention is applied to low-temperature polysilicon TFT formation will be described in detail with reference to the drawings.
[0021]
First, a low temperature polysilicon TFT formation process will be briefly described. As shown in FIG. 25A, silicon oxide (SiO 2) is formed on a transparent substrate 150 made of glass or plastic. x ) An insulating film 190 is deposited and SiO x An amorphous silicon film 192 is deposited on the insulating film 190. The amorphous silicon film 192 is polycrystallized by laser annealing to form a polysilicon film. Then, using photolithography technology, for example, as shown in FIG. x A polysilicon TFT including a polysilicon gate 194, polysilicon source / polysilicon drain 196, gate electrode 198, source / drain electrode 200, and interlayer insulating film 202 is formed through the insulating film 190.
[0022]
(First embodiment)
[Configuration of laser annealing equipment]
As shown in FIG. 1, the laser annealing apparatus according to an embodiment of the present invention includes a flat stage 152 that holds and holds a transparent substrate 150 on which an amorphous silicon film is deposited on the surface. Two guides 158 extending along the stage moving direction are installed on the upper surface of the thick plate-shaped installation table 156 supported by the four legs 154. The stage 152 is arranged so that the longitudinal direction thereof faces the stage moving direction, and is supported by a guide 158 so as to be reciprocally movable. The laser annealing apparatus is provided with a driving device (not shown) for driving the stage 152 along the guide 158.
[0023]
A U-shaped gate 160 is provided at the center of the installation table 156 so as to straddle the movement path of the stage 152. Each of the ends of the U-shaped gate 160 is fixed to both side surfaces of the installation table 156. A scanner 162 is provided on one side of the gate 160, and a plurality of (for example, two) detection sensors 164 for detecting the front and rear ends of the transparent substrate 150 are provided on the other side. The scanner 162 and the detection sensor 164 are respectively attached to the gate 160 and fixedly arranged above the moving path of the stage 152. The scanner 162 and the detection sensor 164 are connected to a controller (not shown) that controls them.
[0024]
As shown in FIGS. 2 and 3B, the scanner 162 has a plurality of (for example, 14) laser beams for annealing arranged in a substantially matrix of m rows and n columns (for example, 3 rows and 5 columns). A head 166 is provided. In this example, four irradiation heads 166 are arranged in the third row in relation to the width of the transparent substrate 150. In the case of showing individual irradiation heads arranged in the mth row and the nth column, the irradiation head 166 is used. mn Is written.
[0025]
The irradiation area 168 by the irradiation head 166 has a rectangular shape with the short side in the sub-scanning direction. Therefore, as the stage 152 moves, a strip-shaped irradiated region 170 is formed on the transparent substrate 150 for each irradiation head 166. In addition, when showing the irradiation area by each irradiation head arranged in the mth row and the nth column, the irradiation area 168 is shown. mn Is written.
[0026]
Further, as shown in FIGS. 3A and 3B, each of the irradiation heads in each row arranged in a line so that the band-shaped irradiated regions 170 are arranged in the direction orthogonal to the sub-scanning direction without gaps. These are arranged with a predetermined interval (natural number times the long side of the irradiation area, twice in this embodiment) in the arrangement direction. Therefore, the irradiation area 168 in the first row 11 And irradiation area 168 12 The portion that cannot be irradiated with the laser beam is the irradiation area 168 in the second row. 21 And irradiation area 168 in the third row 31 And laser irradiation can be performed.
[0027]
Irradiation head 166 11 ~ 166 mn As shown in FIGS. 4, 5 (A) and 5 (B), each of them is a digital micromirror device (spatial light modulation element that modulates an incident light beam for each pixel according to image data. DMD) 50. The DMD 50 is connected to a controller (not shown) including a data processing unit and a mirror drive control unit. The data processing unit of the controller generates a control signal for driving and controlling each micromirror in the region to be controlled by the DMD 50 for each irradiation head 166 based on the input image data. The area to be controlled will be described later. The mirror drive control unit controls the angle of the reflection surface of each micromirror of the DMD 50 for each irradiation head 166 based on the control signal generated by the image data processing unit. The control of the angle of the reflecting surface will be described later.
[0028]
On the light incident side of the DMD 50, a fiber array light source 66 including a laser emitting section in which emission ends (light emitting points) of an optical fiber are arranged in a line along a direction corresponding to the long side direction of the irradiation area 168, a fiber A lens system 67 for correcting the laser light emitted from the array light source 66 and condensing it on the DMD, and a mirror 69 for reflecting the laser light transmitted through the lens system 67 toward the DMD 50 are arranged in this order.
[0029]
The lens system 67 includes a pair of combination lenses 71 that collimate the laser light emitted from the fiber array light source 66 and a pair of combination lenses that correct the light quantity distribution of the collimated laser light to be uniform. 73 and a condensing lens 75 that condenses the laser light whose light quantity distribution is corrected on the DMD. With respect to the arrangement direction of the laser emitting ends, the combination lens 73 spreads the light beam at a portion close to the optical axis of the lens and contracts the light beam at a portion away from the optical axis, and with respect to a direction orthogonal to the arrangement direction. Has a function of allowing light to pass through as it is, and corrects the laser light so that the light quantity distribution is uniform.
[0030]
Further, on the light reflection side of the DMD 50, lens systems 54 and 58 that form an image of the laser light reflected by the DMD 50 on the scanning surface (annealed surface) 56 of the transparent substrate 150 are arranged. The lens systems 54 and 58 are arranged so that the DMD 50 and the scanning surface 56 are in a conjugate relationship.
[0031]
As shown in FIG. 6, the DMD 50 is configured such that a micromirror 62 is supported by a support column on an SRAM cell (memory cell) 60, and a large number of (pixels) (pixels) are formed. For example, the mirror device is configured by arranging 600 × 800 micromirrors in a lattice pattern. Each pixel is provided with a micromirror 62 supported by a support column at the top, and a material having a high reflectance such as aluminum is deposited on the surface of the micromirror 62. The reflectance of the micromirror 62 is 90% or more. A silicon gate CMOS SRAM cell 60 manufactured on a normal semiconductor memory manufacturing line is disposed directly below the micromirror 62 via a support including a hinge and a yoke, and is entirely monolithic (integrated type). ).
[0032]
When a digital signal is written in the SRAM cell 60 of the DMD 50, the micromirror 62 supported by the support is inclined within a range of ± α degrees (for example, ± 10 degrees) with respect to the substrate side on which the DMD 50 is disposed with the diagonal line as the center. It is done. FIG. 7A shows a state in which the micromirror 62 is tilted to + α degrees in the on state, and FIG. 7B shows a state in which the micromirror 62 is tilted to −α degrees in the off state. Therefore, by controlling the inclination of the micromirror 62 in each pixel of the DMD 50 as shown in FIG. 6 according to the image signal, the light incident on the DMD 50 is reflected in the inclination direction of each micromirror 62. .
[0033]
FIG. 6 shows an example of a state in which a part of the DMD 50 is enlarged and the micromirror 62 is controlled to + α degrees or −α degrees. On / off control of each micromirror 62 is performed by a controller (not shown) connected to the DMD 50. A light absorber (not shown) is arranged in the direction in which the light beam is reflected by the micromirror 62 in the off state.
[0034]
Further, it is preferable that the DMD 50 is arranged with a slight inclination so that the short side forms a predetermined angle θ (for example, 0.1 ° to 5 °) with the sub-scanning direction. 8A shows the scanning trajectory of the reflected light image (irradiation beam) 53 by each micromirror when the DMD 50 is not tilted, and FIG. 8B shows the scanning trajectory of the irradiation beam 53 when the DMD 50 is tilted. Show.
[0035]
In the DMD 50, a number of micromirror arrays in which a large number (for example, 800) of micromirrors are arranged in the long side direction are arranged in a large number (for example, 600 sets) in the short side direction. As shown in FIG. 5, the pitch P of the scanning locus (scanning line) of the irradiation beam 53 by each micromirror is obtained by inclining the DMD 50. 2 However, the pitch P of the scanning line when the DMD 50 is not inclined. 1 It becomes narrower and the resolution can be greatly improved. On the other hand, since the tilt angle of the DMD 50 is very small, the scanning width W when the DMD 50 is tilted. 2 And the scanning width W when the DMD 50 is not inclined. 1 Is substantially the same.
[0036]
Further, laser irradiation (multiple exposure) is performed by overlapping the same scanning line by different micromirror arrays. Thus, by performing multiple exposure, a minute amount of the laser irradiation position can be controlled, and high-definition annealing can be realized. Further, the joints between a plurality of irradiation heads arranged in the main scanning direction can be connected without a step by controlling a laser irradiation position with a minute amount.
[0037]
Note that the same effect can be obtained by arranging the micromirror rows in a staggered manner by shifting the micromirror rows by a predetermined interval in a direction orthogonal to the sub-scanning direction instead of tilting the DMD 50.
[0038]
As shown in FIG. 9A, the fiber array light source 66 includes a number of laser modules 64, and one end of the multimode optical fiber 30 is coupled to each laser module 64. An optical fiber 31 having the same core diameter as that of the multimode optical fiber 30 and a cladding diameter smaller than that of the multimode optical fiber 30 is coupled to the other end of the multimode optical fiber 30. ) Are arranged in a line along the main scanning direction orthogonal to the sub-scanning direction to constitute the laser emitting portion 68. The light emitting points can be arranged in a plurality of rows along the main scanning direction.
[0039]
As shown in FIG. 9B, the emission end of the optical fiber 31 is sandwiched and fixed between two support plates 65 having a flat surface. Further, a transparent protective plate 63 such as glass is disposed on the light emitting side of the optical fiber 31 in order to protect the end face of the optical fiber 31. The protective plate 63 may be disposed in close contact with the end face of the optical fiber 31. The protective plate 63 is separated from the end face of the optical fiber 31, and the protective plate 63 and the peripheral support plate 65 are used. You may arrange | position so that an end surface may be sealed. In this case, the end face of the optical fiber 31 is sealed together with the sealing gas. The exit end portion of the optical fiber 31 has a high light density and is likely to collect dust and easily deteriorate. However, the protective plate 63 can prevent the dust from adhering to the end face and can also delay the deterioration.
[0040]
In this example, in order to arrange the emission ends of the optical fibers 31 with a small cladding diameter in a line without any gaps, the multimode optical fiber 30 is placed between two adjacent multimode optical fibers 30 at a portion with a large cladding diameter. Two exit ends of the optical fiber 31 coupled to two adjacent multi-mode optical fibers 30 where the exit ends of the optical fibers 31 coupled to the stacked multi-mode optical fibers 30 are adjacent to each other at a portion where the cladding diameter is large. Are arranged so as to be sandwiched between them.
[0041]
For example, as shown in FIG. 10, an optical fiber 31 having a length of 1 to 30 cm and having a small cladding diameter is coaxially connected to the tip of the multimode optical fiber 30 having a large cladding diameter on the laser light emission side. Can be obtained by linking them together. In the two optical fibers, the incident end face of the optical fiber 31 is fused and joined to the outgoing end face of the multimode optical fiber 30 so that the central axes of both optical fibers coincide. As described above, the diameter of the core 31 a of the optical fiber 31 is the same as the diameter of the core 30 a of the multimode optical fiber 30.
[0042]
In addition, a short optical fiber in which an optical fiber having a short cladding diameter and a large cladding diameter is fused to an optical fiber having a short cladding diameter and a large cladding diameter may be coupled to the output end of the multimode optical fiber 30 via a ferrule or an optical connector. Good. By detachably coupling using a connector or the like, the tip portion can be easily replaced when an optical fiber having a small cladding diameter is broken, and the cost required for the irradiation head maintenance can be reduced. Hereinafter, the optical fiber 31 may be referred to as an emission end portion of the multimode optical fiber 30.
[0043]
The multimode optical fiber 30 and the optical fiber 31 may be any of a step index type optical fiber, a graded index type optical fiber, and a composite type optical fiber. For example, a step index type optical fiber manufactured by Mitsubishi Cable Industries, Ltd. can be used. In the present embodiment, the multimode optical fiber 30 and the optical fiber 31 are step index type optical fibers, and the multimode optical fiber 30 has a cladding diameter = 125 μm, a core diameter = 25 μm, NA = 0.2, an incident end face. The transmittance of the coat is 99.5% or more, and the optical fiber 31 has a cladding diameter = 60 μm, a core diameter = 25 μm, and NA = 0.2.
[0044]
In general, in laser light in the infrared region, propagation loss increases as the cladding diameter of the optical fiber is reduced. For this reason, a suitable cladding diameter is determined according to the wavelength band of the laser beam. However, the shorter the wavelength, the smaller the propagation loss. In the case of laser light having a wavelength of 405 nm emitted from a GaN-based semiconductor laser, the cladding thickness {(cladding diameter−core diameter) / 2} is set to infrared light in the wavelength band of 800 nm. The propagation loss hardly increases even if it is about ½ of the case of propagating infrared light and about ¼ of the case of propagating infrared light in the 1.5 μm wavelength band for communication. Therefore, the cladding diameter can be reduced to 60 μm.
[0045]
However, the cladding diameter of the optical fiber 31 is not limited to 60 μm. The clad diameter of the optical fiber used in the conventional fiber light source is 125 μm. However, the smaller the clad diameter, the brighter the light source and the deeper the focal depth, so the clad diameter of the multimode optical fiber is 80 μm or less. Is preferable, 60 μm or less is more preferable, and 40 μm or less is still more preferable. On the other hand, since the core diameter needs to be at least 3 to 4 μm, the cladding diameter of the optical fiber 31 is preferably 10 μm or more.
[0046]
The laser module 64 is configured by a combined laser light source (fiber light source) shown in FIG. This combined laser light source includes a plurality of (for example, seven) chip-like lateral multimode or single mode GaN-based semiconductor lasers LD1, LD2, LD3, LD4, LD5, LD6, arrayed and fixed on the heat block 10. And LD7, collimator lenses 11, 12, 13, 14, 15, 16, and 17 provided corresponding to each of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7, one condenser lens 20, and one multi-lens. Mode optical fiber 30. The number of semiconductor lasers is not limited to seven. For example, as many as 20 semiconductor laser beams can be incident on a multimode optical fiber having a cladding diameter = 60 μm, a core diameter = 50 μm, and NA = 0.2. In addition, the number of optical fibers can be further reduced.
[0047]
The GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 all have the same oscillation wavelength (for example, 405 nm), and the maximum output is also all the same (for example, 100 mW for the multimode laser and 30 mW for the single mode laser). As the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7, lasers having an oscillation wavelength other than the above 405 nm in a wavelength range of 350 nm to 450 nm may be used. A suitable wavelength range will be described later.
[0048]
As shown in FIGS. 12 and 13, the above-described combined laser light source is housed in a box-shaped package 40 having an upper opening together with other optical elements. The package 40 includes a package lid 41 created so as to close the opening thereof. After the deaeration process, a sealing gas is introduced, and the package 40 and the package lid 41 are closed by closing the opening of the package 40 with the package lid 41. The combined laser light source is hermetically sealed in a closed space (sealed space) formed by 41.
[0049]
A base plate 42 is fixed to the bottom surface of the package 40, and the heat block 10, a condensing lens holder 45 that holds the condensing lens 20, and the multimode optical fiber 30 are disposed on the top surface of the base plate 42. A fiber holder 46 that holds the incident end is attached. The exit end of the multimode optical fiber 30 is drawn out of the package from an opening formed in the wall surface of the package 40.
[0050]
Further, a collimator lens holder 44 is attached to the side surface of the heat block 10, and the collimator lenses 11 to 17 are held. An opening is formed in the lateral wall surface of the package 40, and wiring 47 for supplying a driving current to the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 is drawn out of the package through the opening.
[0051]
In FIG. 13, in order to avoid complication of the drawing, only the GaN semiconductor laser LD7 among the plurality of GaN semiconductor lasers is numbered, and only the collimator lens 17 among the plurality of collimator lenses is numbered. doing.
[0052]
FIG. 14 shows the front shape of the attachment part of the collimator lenses 11-17. Each of the collimator lenses 11 to 17 is formed in a shape obtained by cutting a region including the optical axis of a circular lens having an aspherical surface into a long and narrow plane. This elongated collimator lens can be formed, for example, by molding resin or optical glass. The collimator lenses 11 to 17 are closely arranged in the arrangement direction of the light emitting points so that the length direction is orthogonal to the arrangement direction of the light emitting points of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 (left and right direction in FIG. 14).
[0053]
On the other hand, each of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 includes an active layer having a light emission width of 2 μm, and each of the laser beams B1 in a state parallel to the active layer and a divergence angle in a direction perpendicular to the active layer, respectively, for example A laser emitting ~ B7 is used. These GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 are arranged so that the light emitting points are arranged in a line in a direction parallel to the active layer.
[0054]
Accordingly, in the laser beams B1 to B7 emitted from the respective light emitting points, the direction in which the divergence angle is large coincides with the length direction and the divergence angle is small with respect to the elongated collimator lenses 11 to 17 as described above. Incident light is incident in a state where the direction coincides with the width direction (direction perpendicular to the length direction). That is, the collimator lenses 11 to 17 have a width of 1.1 mm and a length of 4.6 mm, and the horizontal and vertical beam diameters of the laser beams B1 to B7 incident thereon are 0.9 mm and 2. 6 mm. Each of the collimator lenses 11 to 17 has a focal length f. 1 = 3 mm, NA = 0.6, and lens arrangement pitch = 1.25 mm.
[0055]
The condensing lens 20 is formed by cutting a region including the optical axis of a circular lens having an aspheric surface into a long and narrow shape in parallel planes, and is long in the arrangement direction of the collimator lenses 11 to 17, that is, in a horizontal direction and short in a direction perpendicular thereto. Is formed. The condenser lens 20 has a focal length f. 2 = 23 mm, NA = 0.2. This condensing lens 20 is also formed by molding resin or optical glass, for example.
[0056]
[Operation of laser annealing equipment]
Next, the operation of the laser annealing apparatus will be described.
[0057]
In each irradiation head 166 of the scanner 162, laser beams B1, B2, B3, B4, B5, B6 emitted in a divergent light state from each of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 constituting the combined laser light source of the fiber array light source 66. , And B7 are collimated by corresponding collimator lenses 11-17. The collimated laser beams B <b> 1 to B <b> 7 are collected by the condenser lens 20 and converge on the incident end face of the core 30 a of the multimode optical fiber 30.
[0058]
In this example, the collimator lenses 11 to 17 and the condenser lens 20 constitute a condensing optical system, and the condensing optical system and the multimode optical fiber 30 constitute a multiplexing optical system. That is, the laser beams B1 to B7 condensed as described above by the condenser lens 20 enter the core 30a of the multimode optical fiber 30 and propagate through the optical fiber to be combined with one laser beam B. The light is emitted from the optical fiber 31 coupled to the output end of the multimode optical fiber 30.
[0059]
In each laser module, when the coupling efficiency of the laser beams B1 to B7 to the multimode optical fiber 30 is 0.85 and each output of the GaN-based semiconductor lasers LD1 to LD7 is 30 mW (when a single mode laser is used). Can obtain a combined laser beam B with an output of 180 mW (= 30 mW × 0.85 × 7) for each of the optical fibers 31 arranged in an array. Therefore, the output from the laser emitting unit 68 in which 100 optical fibers 31 are arranged in an array is about 18 W (= 180 mW × 100).
[0060]
In the laser emitting portion 68 of the fiber array light source 66, light emission points with high luminance are arranged in a line along the main scanning direction as described above. A conventional fiber light source that couples laser light from a single single-mode semiconductor laser to a single optical fiber has a low output, so a desired output cannot be obtained unless multiple rows are arranged. Since the combined laser light source used in the embodiment has a high output, a desired output can be obtained even with a small number of columns, for example, one column.
[0061]
For example, in a conventional fiber light source in which a semiconductor laser and an optical fiber are coupled on a one-to-one basis, a laser having an output of about 30 mW (milliwatt) is usually used as the semiconductor laser, and the core diameter is 50 μm and the cladding diameter is 125 μm. Since a multimode optical fiber having a numerical aperture (NA) of 0.2 is used, if an output of about 18 W (watt) is to be obtained, 864 (8 × 10 8) multimode optical fibers must be bundled. The area of the light emitting region is 13.5mm 2 (1 mm × 13.5 mm), the luminance at the laser emitting portion 68 is 1.3 (MW (megawatt) / m). 2 ), Brightness per optical fiber is 8 (MW / m) 2 ).
[0062]
In contrast, in the present embodiment, as described above, an output of about 18 W can be obtained with 100 multimode optical fibers, and the area of the light emitting region at the laser emitting portion 68 is 0.3125 mm. 2 (0.025 mm × 12.5 mm), the luminance at the laser emission unit 68 is 57.6 (MW / m). 2 Thus, the brightness can be increased by about 44 times compared to the conventional case. Also, the luminance per optical fiber is 288 (MW / m 2 The brightness can be increased by about 36 times compared with the conventional case.
[0063]
Here, with reference to FIGS. 15A and 15B, the difference in depth of focus between the low-intensity irradiation head and the high-intensity irradiation head of the present embodiment will be described. The diameter of the light emitting region of the bundled fiber light source of the low-intensity irradiation head in the sub-scanning direction is 1.0 mm, and the diameter of the light emitting region of the fiber array light source of the high-intensity irradiation head of this embodiment is 0. 0.025 mm. As shown in FIG. 15A, in the low-intensity irradiation head, since the light emitting region of the light source (bundle-shaped fiber light source) 1 is large, the angle of the light beam incident on the DMD 3 increases, and as a result, the light beam enters the scanning surface 5. The angle of the light beam increases. For this reason, the beam diameter tends to increase with respect to the light condensing direction (shift in the focus direction).
[0064]
On the other hand, as shown in FIG. 15B, in the high-intensity irradiation head of the present embodiment, the diameter of the light emitting area of the fiber array light source 66 is small, so that it passes through the lens system 67 and enters the DMD 50. As a result, the angle of the light beam incident on the scanning surface 56 is reduced. That is, the depth of focus becomes deep. In this example, the diameter of the light emitting region in the sub-scanning direction is about 30 times that of the conventional one, and a depth of focus substantially corresponding to the diffraction limit can be obtained. Therefore, it is suitable for laser annealing at a minute spot. The effect on the depth of focus is more prominent and effective as the required light quantity of the irradiation head is larger. In this example, the size of one pixel projected on the annealed surface is 10 μm × 10 μm. DMD is a reflective spatial modulation element, but FIGS. 15A and 15B are developed views for explaining the optical relationship.
[0065]
Image data corresponding to the annealing pattern is input to a controller (not shown) connected to the DMD 50 and temporarily stored in a frame memory in the controller. This image data is data representing the density of each pixel constituting the image by binary values (whether or not dots are recorded).
[0066]
The stage 152 that adsorbs the transparent substrate 150 to the surface is moved at a constant speed from the upstream side to the downstream side of the gate 160 along the guide 158 by a driving device (not shown). When the leading edge of the transparent substrate 150 is detected by the detection sensor 164 attached to the gate 160 when the stage 152 passes under the gate 160, the image data stored in the frame memory is sequentially read out for a plurality of lines. A control signal is generated for each irradiation head 166 based on the image data read by the data processing unit. Then, each of the micromirrors of the DMD 50 is controlled on and off for each irradiation head 166 based on the generated control signal by the mirror drive control unit.
[0067]
When the DMD 50 is irradiated with laser light from the fiber array light source 66, the laser light reflected when the micromirror of the DMD 50 is on is imaged on the annealed surface 56 of the transparent substrate 150 by the lens systems 54 and 58. The In this manner, the laser light emitted from the fiber array light source 66 is turned on and off for each pixel, and the transparent substrate 150 is irradiated with laser and annealed in approximately the same number of pixels (irradiation area 168) as the number of pixels used in the DMD 50. . Further, when the transparent substrate 150 is moved at a constant speed together with the stage 152, the transparent substrate 150 is sub-scanned in the direction opposite to the stage moving direction by the scanner 162, and a strip-shaped irradiated region 170 is formed for each irradiation head 166. It is formed.
[0068]
Amorphous silicon or the like has the absorption characteristics shown in FIG. 26 as described in “Amorphous Semiconductor Fundamentals” by Kazuo Morigaki, Ohm Co., p90 (1982). As can be seen from FIG. 26, the light absorption coefficient of amorphous silicon or the like changes according to the wavelength of the irradiated light. In this embodiment, a GaN-based semiconductor laser having a wavelength of 405 nm is used. However, as shown in FIG. 26, hydrogenated amorphous silicon (a-SiH) is also applied to laser light having a wavelength band of 400 nm. 0.16 ) 105cm -1 It has the above sufficient absorption characteristics, and even in amorphous silicon (a-Si), it is 105 cm. -1 It can be estimated that it has the above absorption characteristics. Therefore, annealing can be efficiently performed with laser light having a wavelength band of 350 nm to 450 nm. However, from the viewpoint of absorption efficiency, laser light in the wavelength band of 370 nm to 410 nm is more preferable, and laser light in the wavelength band of 370 nm to 375 nm that has a relatively large output of the GaN-based semiconductor laser and large absorption of amorphous silicon is particularly preferable. preferable. The relationship between photon energy and wavelength is 1 eV = 8.0655 × 103 cm. -1 The wavelength of 532 nm corresponds to 2.3 eV, and the wavelength of 400 nm corresponds to 3.1 eV.
[0069]
As shown in FIGS. 16A and 16B, the DMD 50 includes 600 sets of micromirror arrays in which 800 micromirrors are arranged in the main scanning direction. In the embodiment, it is possible to control so that only a part of micromirror rows (for example, 800 × 10 rows) are driven by the controller.
[0070]
As shown in FIG. 16A, a micromirror array arranged at the center of the DMD 50 may be used, and as shown in FIG. 16B, the micromirror array arranged at the end of the DMD 50 is used. May be used. In addition, when a defect occurs in some of the micromirrors, the micromirror array to be used may be appropriately changed depending on the situation, such as using a micromirror array in which no defect has occurred.
[0071]
Since the data processing speed of the DMD 50 is limited and the modulation speed per line is determined in proportion to the number of pixels used, the modulation speed per line can be increased by using only a part of the micromirror rows. Get faster. On the other hand, in the scanning method in which the irradiation head is continuously moved relative to the annealing surface, it is not necessary to use all the pixels in the sub-scanning direction.
[0072]
For example, when only 300 sets are used in 600 micromirror rows, modulation can be performed twice as fast per line as compared to the case of using all 600 sets. Further, when only 200 sets of 600 micromirror arrays are used, modulation can be performed three times faster per line than when all 600 sets are used. That is, the laser irradiation can be performed in 17 seconds for a 500 mm region in the sub-scanning direction. Further, when only 100 sets are used, modulation can be performed 6 times faster per line. That is, the laser irradiation can be performed in 9 seconds in an area of 500 mm in the sub-scanning direction.
[0073]
The number of micromirror rows to be used, that is, the number of micromirrors arranged in the sub-scanning direction is preferably 10 or more and 200 or less, and more preferably 10 or more and 100 or less. Since the area per micromirror corresponding to one pixel is 15 μm × 15 μm, when converted to the use area of DMD50, an area of 12 mm × 150 μm or more and 12 mm × 3 mm or less is preferable, and 12 mm × 150 μm or more and 12 mm A region of × 1.5 mm or less is more preferable.
[0074]
If the number of micromirror rows to be used is within the above range, as shown in FIGS. 17A and 17B, the laser light emitted from the fiber array light source 66 is made into substantially parallel light by the lens system 67, and the DMD 50 Can be irradiated. It is preferable that the irradiation area where the laser beam is irradiated by the DMD 50 coincides with the use area of the DMD 50. When the irradiation area is wider than the use area, the utilization efficiency of the laser light is lowered.
[0075]
On the other hand, the diameter of the light beam condensed on the DMD 50 in the sub-scanning direction needs to be reduced according to the number of micromirrors arranged in the sub-scanning direction by the lens system 67, but the number of micromirror rows to be used. Is less than 10, it is not preferable because the angle of the light beam incident on the DMD 50 increases and the depth of focus of the light beam on the scanning surface 56 becomes shallow. Further, the number of micromirror rows to be used is preferably 200 or less from the viewpoint of modulation speed. DMD is a reflective spatial modulation element, but FIGS. 17A and 17B are developed views for explaining the optical relationship.
[0076]
Here, the light density on the exposure surface is calculated. As described above, the output of each irradiation head 166 is about 18 W. In addition, since only a part of the micromirror rows (for example, 800 × 10 rows) of the DMD 50 are used, the area of the irradiation area 168 (beam size on the exposure surface) by each irradiation head 166 is 150 μm × 12 mm. . When the 150 μm region is exposed at 1 msec, the light density on the exposed surface is 1000 mJ / cm. 2 It is. Furthermore, even if the loss due to the optical system is estimated to be about 50%, the light density on the exposure surface is 500 mJ / cm. 2 It is. In the entire scanner 162 including the 14 irradiation heads 166, the number of optical fibers 31 to be arrayed is 1400, and the total output is 252W. The total area of the irradiation area 168 is 150 μm × 168 mm, and the light density on the exposure surface is 500 mJ / cm. 2 It is.
[0077]
When a multimode laser having an output of 100 mW is used as the combined laser light source of the irradiation head, a combined laser beam B having an output of 600 mW can be obtained from seven LDs. Therefore, an output of about 18 W can be obtained with the 30 optical fibers 31. In the entire scanner 162 including the 14 irradiation heads 166, the number of optical fibers 31 to be arrayed is 420, and the total output is 252W. The total area of the irradiation area 168 is 150 μm × 168 mm, and the light density on the exposure surface is 500 mJ / cm. 2 It becomes.
[0078]
When the sub-scan of the transparent substrate 150 by the scanner 162 is completed and the rear end of the transparent substrate 150 is detected by the detection sensor 164, the stage 152 is moved along the guide 158 by the driving device (not shown) on the most upstream side of the gate 160. Returned to the origin at the point, and again moved along the guide 158 from the upstream side to the downstream side of the gate 160 at a constant speed.
[0079]
As described above, the laser annealing apparatus of the present embodiment uses the high-quality GaN-based semiconductor laser as the laser light source instead of the excimer laser that is a gas laser, and therefore has the following advantages 1) to 6). .
[0080]
1) A polysilicon film with a stabilized light output and a uniform crystal grain size can be produced with good reproducibility.
[0081]
2) Since the GaN-based semiconductor laser is a solid semiconductor laser, it can be driven for tens of thousands of hours and has high reliability. In addition, since the GaN-based semiconductor laser is covalently bonded, the light emitting end face called COD (catalytic optical damage) is not easily damaged, is highly reliable, and can achieve high peak power.
[0082]
3) Compared with the case of using an excimer laser, which is a gas laser, the size can be reduced and the maintenance becomes very simple. Moreover, energy efficiency is as high as 10% to 20%.
[0083]
4) Since the GaN-based semiconductor laser is basically a laser capable of CW (continuous) driving, even in the case of pulse driving, the repetition frequency and pulse width (duty) according to the absorption amount and heat generation amount of amorphous silicon. Can be set freely. For example, an arbitrary repetitive operation from several Hz to several MHz can be realized, and an arbitrary pulse width of several psec to several hundred msec can be realized. In particular, the repetition frequency can be up to several tens of MHz, and continuous crystal grain boundaries can be formed as in the case of CW driving. In addition, since the repetition frequency can be increased, high-speed annealing is possible.
[0084]
5) Since the annealing surface can be scanned in a predetermined direction with continuous laser light driven by CW driving a GaN-based semiconductor laser, the direction of crystal growth can be controlled and continuous crystal grain boundaries can be formed. It becomes possible to form a polysilicon film having a high carrier mobility.
[0085]
6) A laser beam having a wavelength of 350 to 450 nm can be obtained. In particular, high output can be obtained in the wavelength range of 370 to 410 nm (especially at 405 nm) where the light absorption rate of amorphous silicon is high, and amorphous silicon can be efficiently crystallized. Note that GaN-based semiconductor lasers can be expected to have higher output in the future.
[0086]
In addition, the laser annealing apparatus of the present embodiment uses a fiber array light source in which emission ends of optical fibers of a combined laser light source are arranged in an array as a laser light source. Therefore, there are the following advantages 1) to 3).
[0087]
1) Generally, in a laser annealing apparatus, an annealing surface (exposed surface) is 400 mJ / cm. 2 ~ 700mJ / cm 2 However, in this embodiment, by increasing the number of fibers to be arrayed and the number of laser beams to be combined, it is easy to increase the output and increase the light density with multiple beams. Can be achieved. For example, if the fiber output of one combined laser light source is 180 mW, a high output of 100 W can be stably obtained by bundling 556 lines. In addition, the beam quality is stable and the power density is high. Therefore, it is possible to cope with the future increase in the film formation area and high throughput of the low-temperature polysilicon.
[0088]
2) The exit end of the optical fiber can be attached in a replaceable manner using a connector or the like, and maintenance is facilitated.
[0089]
3) Since it is a small multiplexing module that combines small semiconductor lasers, the light source unit can be much smaller than the excimer laser.
[0090]
In addition, since the laser annealing apparatus of this embodiment uses a GaN-based semiconductor laser having a wavelength band of 350 to 450 nm, a line beam is generated using an optical system of a special material corresponding to ultraviolet rays like an ELA apparatus. There is no need to generate this, and high-definition annealing in an arbitrary pattern is possible using a spatial light modulation element such as DMD as in the laser exposure apparatus in the visible range.
[0091]
In particular, in the present embodiment, since the cladding diameter of the output end of the optical fiber is made smaller than the cladding diameter of the incident end, the diameter of the light emitting section is further reduced, and the brightness of the fiber array light source can be increased. Thereby, a laser annealing apparatus having a deeper focal depth can be realized. For example, in the case of annealing at an ultrahigh resolution with a beam diameter of 1 μm or less and a resolution of 0.1 μm or less, a deep focal depth can be obtained, and high-speed and high-definition annealing is possible.
[0092]
In addition, the laser annealing apparatus of this embodiment includes a DMD in which 600 micromirror arrays in which 800 micromirrors are arranged in the main scanning direction are arranged in 600 sets in the subscanning direction. Since the control is performed so that only the micromirror array is driven, the modulation rate per line becomes faster than when all the micromirror arrays are driven. Thereby, laser annealing can be performed at higher speed.
[0093]
(Second Embodiment)
The laser annealing apparatus according to the second embodiment includes each irradiation head 166. 11 ~ 166 mn A grating light valve (GLV) is used as a spatial light modulation element used in the above. GLV is a kind of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) type spatial light modulator (SLM), as disclosed in US Pat. No. 5,311,360, for example, and is a reflection diffraction grating type. This is a spatial light modulation element. Since the other points are substantially the same as those of the laser annealing apparatus according to the first embodiment described with reference to FIGS. 1 to 14, the description of the same parts is omitted.
[0094]
In this embodiment, the irradiation head 166 shown in FIG. 11 ~ 166 mn As shown in FIGS. 31, 32 (A) and 32 (B), each has a shape that is long in a predetermined direction as a spatial light modulation element that modulates an incident light beam for each pixel according to image data ( Line-shaped) GLV300. As in the first embodiment, the fiber array light source 66, the lens system 67, and the mirror 69 are arranged in this order on the light incident side of the GLV 300, and the lens system 54 and the lens are disposed on the light emitting side of the GLV 300. A system 58 is arranged.
[0095]
The linear GLV 300 is arranged such that the longitudinal direction thereof is parallel to the arrangement direction of the optical fibers of the fiber array light source 66 and the reflection surface of the ribbon-like microbridge of the GLV 300 is substantially parallel to the reflection surface of the mirror 69. ing. The GLV 300 is connected to a controller (not shown) that controls the GLV 300.
[0096]
As shown in FIG. 33, the GLV 300 has a long substrate 203 made of silicon or the like and a large number (for example, 6480) of microbridges 209 each having a ribbon-like reflecting surface arranged in parallel. A large number of slits 211 are formed between adjacent microbridges 209. Normally, one pixel is composed of a plurality of (for example, six) microbridges 209. Assuming that one pixel is composed of six microbridge rows, it is possible to expose 1080 pixels with 6480 microbridges. It is.
[0097]
Each microbridge 209 includes silicon nitride (SiN) as shown in FIGS. x ) Or the like, a reflective electrode film 209b made of a single layer metal film of aluminum (or gold, silver, copper, etc.) is formed on the surface of the flexible beam 209a made of. Each of the reflective electrode films 209b is connected to a power source through a switch (not shown) by a wiring (not shown).
[0098]
Here, the operation principle of the GLV 300 will be briefly described. In a state where no voltage is applied, the microbridge 209 is spaced apart from the substrate 203 by a predetermined distance. However, when a voltage is applied between the microbridge 209 and the substrate 203, the microbridge 209 is separated from the microbridge 209 by electrostatically induced charges. An electrostatic attraction force is generated between the substrate 203 and the microbridge 209 bends toward the substrate 203 side. When the application of voltage is stopped, the bending is eliminated, and the microbridge 209 is separated from the substrate 203 by elastic recovery. Therefore, by alternately arranging the microbridges to which the voltage is applied and the microbridges to which the voltage is not applied, the diffraction grating can be formed by applying the voltage.
[0099]
FIG. 34A shows a case where no voltage is applied to the micro-bridge row in pixel units and the micro-bridge row is in an off state. In the off state, the heights of the reflecting surfaces of the microbridges 209 are all equal, and the reflected light is regularly reflected without any optical path difference. That is, only 0th order diffracted light can be obtained. On the other hand, FIG. 34B shows a case where a voltage is applied to the microbridge row in pixel units and the microbridge row is in an on state. The voltage is applied to every other microbridge 209. In the on state, the central portion of the microbridge 209 bends according to the principle described above, and a reflective surface with steps is alternately formed. That is, a diffraction grating is formed. When laser light is incident on this reflecting surface, an optical path difference is generated between the light reflected by the microbridge 209 having the deflection and the light reflected by the microbridge 209 having no deflection. Folded light is emitted.
[0100]
Therefore, the laser beam incident on the GLV 300 is modulated for each pixel by controlling the microbridge array in each pixel of the GLV 300 by turning on and off the applied voltage in accordance with a control signal by a controller (not shown). And is diffracted in a predetermined direction.
[0101]
Further, on the light reflection side of the GLV 300, that is, the side from which the diffracted light (0th order diffracted light and ± 1st order diffracted light) is emitted, a lens system 54 that forms an image of the diffracted light on the scanning surface (exposed surface) 56, 58 is arranged so that the GLV 300 and the exposed surface 56 are in a conjugate relationship. Further, the GLV 300 is arranged with its ribbon-like reflecting surface inclined in advance by a predetermined angle (for example, 45 °) with respect to the optical axis of the lens system 54 so that the diffracted light is incident on the lens system 54.
[0102]
In FIGS. 32A and 32B, the 0th-order diffracted light is illustrated by a dotted line, and the ± 1st-order diffracted light is illustrated by a solid line. The lens system 54 condenses the incident diffracted light in the longitudinal direction of the GLV 300 and converts it into parallel light in the sub-scanning direction. At the focal position of the 0th-order diffracted light between the lens system 54 and the lens system 58, a long shielding plate 55 for excluding the 0th-order diffracted light from the optical path to the scanning surface 56 has a longitudinal direction of GLV. It arrange | positions so that it may orthogonally cross a direction. Thereby, only the 0th-order diffracted light is selectively excluded.
[0103]
In this laser annealing apparatus, when image data corresponding to the annealing pattern is input to a controller (not shown) connected to the GLV 300, a control signal is generated based on the image data, and each control signal is generated based on the generated control signal. Each of the micro bridges of the GLV 300 is controlled on and off for each irradiation head. When the GLV 300 is irradiated with laser light from the fiber array light source 66, the laser light reflected when the micro bridge of the GLV 300 is in an on state is imaged on the annealing surface 56 of the transparent substrate 150 by the lens systems 54 and 58. The
[0104]
Thus, the laser light emitted from the fiber array light source 66 is turned on and off for each pixel, and the transparent substrate 150 on which the amorphous silicon film is deposited is irradiated with laser and annealed in approximately the same number of pixels as that of the GLV 300. Further, when the transparent substrate 150 is moved at a constant speed together with the stage 152, the transparent substrate 150 is sub-scanned in the direction opposite to the stage moving direction by the scanner 162, and a strip-shaped irradiated region 170 is formed for each irradiation head. Is done.
[0105]
Here, the light density on the exposure surface is calculated. Similar to the first embodiment, when a single mode laser with an output of 30 mW is used as the combined laser light source of the irradiation head, a combined laser beam B with an output of 180 mW can be obtained by seven LDs. . Therefore, in the case of a fiber array light source in which 50 optical fibers 31 are arranged in a one-dimensional array, the output from the laser emitting unit 68 is about 9 W.
[0106]
When all the pixels of the GLV 300 (for example, 1000 pixels × 1 column) are used, the area of the irradiation area 168 by each irradiation head 166 is 25 μm × 25 mm. When the 25 μm region is exposed at 1 msec, the light density on the exposed surface is 1440 mJ / cm. 2 It is. Furthermore, even if the loss due to the optical system is estimated to be about 50%, the light density on the exposed surface is 720 mJ / cm. 2 It is. In the entire scanner 162 including 14 irradiation heads 166, the number of optical fibers 31 to be arrayed is 700, and the total output is 126W. The total area of the irradiation area 168 is 25 μm × 350 mm, and the light density on the exposure surface is 720 mJ / cm. 2 It is.
When a multimode laser having an output of 100 mW is used as the combined laser light source of the irradiation head, a combined laser beam B having an output of 600 mW can be obtained from seven LDs. Accordingly, an output of about 9 W can be obtained with the 15 optical fibers 31. In the entire scanner 162 including the 14 irradiation heads 166, the number of optical fibers 31 to be arrayed is 210, and the total output is 126W. The total area of the irradiation area 168 is 25 μm × 350 mm, and the light density on the exposure surface is 720 mJ / cm. 2 It is.
[0107]
As described above, in the laser annealing apparatus according to the present embodiment, the GLV 300 is a long spatial light modulation element having a narrow width in the short side direction, so that it is difficult to illuminate efficiently. As described in the embodiment, a high-luminance fiber array light source in which the output ends of the optical fibers of the combined laser light source are arranged in an array is used as the light source for illuminating the GLV, and the cladding diameter of the output end of the optical fiber is incident By making it smaller than the end cladding diameter, the diameter of the beam emitted from the laser emitting section 68 in the sub-scanning direction becomes smaller, and the angle of the light beam that passes through the lens system 67 and the like and enters the GLV 300 becomes smaller. As a result, the GLV 300 can be illuminated efficiently and a deep depth of focus can be obtained.
[0108]
In addition, the laser annealing apparatus of the present embodiment is similar to the laser annealing apparatus of the first embodiment in that it has the advantages of using a GaN-based semiconductor laser, and the output end of the optical fiber of the combined laser light source. It has the advantage of using fiber array light sources arranged in an array.
[0109]
(Third embodiment)
In the laser annealing apparatus according to the third embodiment, as shown in FIGS. 35, 36A, and 36B, the scanner 162 includes a single irradiation head 500, and the irradiation head 500 is a spatial light. Since the configuration is substantially the same as that of the laser annealing apparatus according to the first embodiment shown in FIG. 1 except that the modulation element is not provided, the description of the same portion is omitted.
[0110]
In this embodiment, the scanner 162 includes a single laser irradiation head 500 for annealing as shown in FIG. An irradiation area 502 by the irradiation head 500 is a line extending long in a direction orthogonal to the sub-scanning direction.
[0111]
As shown in FIGS. 36A and 36B, the irradiation head 500 has one row along the direction in which the emission ends (light emitting points) of a large number (for example, 1200) of optical fibers 30 are orthogonal to the sub-scanning direction. And a fiber array light source 506 having a laser emitting portion arranged in the optical fiber, and condensing the laser light emitted from the fiber array light source 506 only in a direction perpendicular to the arrangement direction of the emission ends of the optical fibers 30. A cylindrical lens 510 is formed on the scanning surface (annealed surface) 56.
[0112]
The cylindrical lens 510 has a curvature in a predetermined direction and is long in a direction orthogonal to the predetermined direction, and a longitudinal direction (a direction orthogonal to the predetermined direction) is parallel to the arrangement direction of the emission ends of the optical fiber 30. It is arranged to be. For simplicity of explanation, the beam uniform illumination optical system is omitted here, but the uniform illumination optical system using a fly-eye lens system or a rod integrator system, or the light intensity distribution correction as in this case. An optical system may be used.
[0113]
In this laser annealing apparatus, the laser light emitted from the fiber array light source 506 is condensed by the cylindrical lens 510 only in the direction orthogonal to the arrangement direction of the emission ends of the optical fibers 30 and is linearly formed on the annealing surface 56. Imaged. The cylindrical lens 510 functions as, for example, an enlarging optical system that expands the beam diameter at a magnification of 3 times in the short axis direction and 1 time in the long axis direction. Further, the transparent substrate 150 is moved at a constant speed together with the stage 152, and the transparent substrate 150 is sub-scanned in the direction opposite to the stage moving direction by the line beam from the irradiation head 500 of the scanner 162, thereby forming the irradiated region 504. Is done.
[0114]
As shown in FIG. 37, the fiber array light source 506 includes a large number of laser modules 64, and one end of the multimode optical fiber 30 is coupled to each laser module 64. The other end of the multimode optical fiber 30 is drawn out of the package 40, and the emission end (light emitting point) of the multimode optical fiber 30 is arranged along the main scanning direction orthogonal to the sub-scanning direction. 68 is configured. That is, the configuration is the same as that of the fiber array light source shown in FIG. 9 except that an optical fiber having a small cladding diameter is not coupled to the emission end. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the same part and description is abbreviate | omitted.
[0115]
Here, the light density on the exposure surface is calculated. Similar to the first embodiment, when a single mode laser with an output of 30 mW is used as the combined laser light source of the irradiation head, a combined laser beam B with an output of 180 mW can be obtained by seven LDs. . Therefore, in the case of a fiber array light source in which 1200 multimode optical fibers 30 are arranged in a line, the output from the laser emitting unit 68 is about 216 W.
[0116]
Further, when the multimode optical fiber 30 is a step index type optical fiber having a cladding diameter = 125 μm, a core diameter = 50 μm, and NA = 0.2, the beam diameter at the laser emitting portion 68 is 50 μm × 150 mm. is there. When the beam diameter is expanded at a magnification of 3 times in the short axis direction and 1 time in the long axis direction, the area of the irradiation area 506 is 150 μm × 150 mm. Therefore, when exposure is performed at 1 msec, the light density on the exposure surface is 960 mJ / cm. 2 It is. Even if the loss due to the optical system is estimated to be about 75%, the light density on the exposed surface is 720 mJ / cm. 2 It is. Therefore, 150 mm width can be annealed at 150 mm / s, and 150 mm × 150 mm can be annealed in 1 second.
[0117]
As described above, the laser annealing apparatus of the present embodiment does not use a spatial light modulation element, but a line beam can be easily obtained by an array arrangement of optical fibers of a fiber array light source.
[0118]
In general, a laser annealing apparatus requires a line beam that is narrowed in the short axis direction and expanded in the long axis direction perpendicular thereto. Usually, the line beam length is 125 mm to 300 mm in the long axis and 150 μm to 700 μm in the short axis, but the longer the length in the long axis direction, the larger the area can be annealed simultaneously.
[0119]
In the laser annealing apparatus of this embodiment, the line beam length can be extended while maintaining the energy intensity and the uniformity thereof by increasing the number of optical fibers to be arrayed. Therefore, it is suitable as a laser annealing apparatus for future large TFT-LCD panel manufacturing.
[0120]
In addition, the laser annealing apparatus of the present embodiment is similar to the laser annealing apparatus of the first embodiment in that it has the advantages of using a GaN-based semiconductor laser, and the output end of the optical fiber of the combined laser light source. An advantage of using fiber array light sources arranged in an array is also provided.
[0121]
In the above embodiment, an example in which a scanner having a single irradiation head is used has been described. However, when the length of the line beam in the long axis direction is insufficient, a plurality of irradiation heads are arranged in the long axis direction. You may arrange in.
[0122]
(Fourth embodiment)
The laser annealing apparatus according to the fourth embodiment has substantially the same configuration as the laser annealing apparatus according to the third embodiment shown in FIG. 35 except that the configuration of the magnifying optical system of the irradiation head is different. The description of the same parts including the uniform illumination optical system using the fly-eye lens system is omitted.
[0123]
As shown in FIGS. 38A and 38B, the irradiation head 500 has one row along the direction in which the emission ends (light emitting points) of a large number (for example, 500) of optical fibers 30 are orthogonal to the sub-scanning direction. And a first cylindrical lens that condenses the laser light emitted from the fiber array light source 506 only in a direction orthogonal to the arrangement direction of the emission ends of the optical fibers 30. 512 and a second laser beam condensed in a direction perpendicular to the arrangement direction of the emission ends of the optical fiber 30 and focused on the scanning surface (annealed surface) 56 of the transparent substrate only in the arrangement direction. It consists of a cylindrical lens 514.
[0124]
The first cylindrical lens 512 has a curvature in a predetermined direction and has a long shape in a direction orthogonal to the predetermined direction, and the longitudinal direction (direction orthogonal to the predetermined direction) is the arrangement direction of the emission ends of the optical fibers 30. Are arranged in parallel with each other. The second cylindrical lens 514 has a curvature in a predetermined direction and has a long shape in the predetermined direction so that the curvature direction (predetermined direction) is parallel to the arrangement direction of the emission ends of the optical fibers 30. Is arranged.
[0125]
In this laser annealing apparatus, the laser light emitted from the fiber array light source 506 is condensed by the first cylindrical lens 512 in a direction orthogonal to the arrangement direction of the emission ends of the optical fibers 30, and is collected by the second cylindrical lens 514. The light is condensed in the arrangement direction of the emission ends of the optical fiber 30 and imaged in a line shape on the annealing surface 56. These cylindrical lenses 512 and 514 function as, for example, an enlarging optical system that expands the beam diameter at a magnification of 6 times in the short axis direction and 2 times in the long axis direction. In FIG. 35, the transparent substrate 150 is moved at a constant speed together with the stage 152, and the transparent substrate 150 is sub-scanned in the direction opposite to the stage moving direction by the line beam from the irradiation head 500 of the scanner 162. 504 is formed.
[0126]
Here, the light density on the exposure surface is calculated. When a multi-mode laser having an output of 100 mW is used as the combined laser light source of the irradiation head, a combined laser beam B having an output of 600 mW can be obtained from seven LDs. Therefore, in the case of a fiber array light source in which 500 multimode optical fibers 30 are arranged in a line, the output from the laser emitting unit 68 is about 300 W.
[0127]
When the multimode optical fiber 30 is a step index type optical fiber having a clad diameter = 125 μm, a core diameter = 50 μm, and NA = 0.2, the beam diameter at the laser emitting portion 68 is 50 μm × 62. 5 mm. When the beam diameter is expanded at a magnification of 6 times in the short axis direction and 2 times in the long axis direction, the area of the irradiation area 506 is 300 μm × 125 mm. Therefore, when exposure is performed at 1 msec, the light density on the exposure surface is 800 mJ / cm. 2 It is. Even if the loss due to the optical system is estimated to be about 75%, the light density on the exposure surface is 600 mJ / cm. 2 It is. Therefore, a 125 mm width can be annealed at 3000 mm / s, and a 300 mm × 125 mm width can be annealed in 1 second.
[0128]
As described above, the laser annealing apparatus of the present embodiment does not use a spatial light modulation element, but a line beam can be easily obtained by an array arrangement of optical fibers of a fiber array light source. Further, by increasing the number of optical fibers to be arrayed, the line beam length can be extended while maintaining the energy intensity and its uniformity. Therefore, it is suitable as a laser annealing apparatus for future large TFT-LCD panel manufacturing.
[0129]
In addition, the laser annealing apparatus of the present embodiment, like the apparatus according to the first embodiment, has the advantage of using a GaN-based semiconductor laser, and the output end of the optical fiber of the combined laser light source is arrayed. The advantage of using a fiber array light source arranged in the above is provided. Note that a plurality of irradiation heads may be arranged in the major axis direction, similar to the third embodiment.
[0130]
Next, modified examples of the laser annealing apparatus described above will be described.
[Example of using a mirror instead of a spatial light modulator]
In the first and second embodiments, the example in which the laser annealing is performed by irradiating the laser beam modulated by the spatial light modulation element according to the annealing pattern has been described. However, a reflection mirror may be used instead of the spatial light modulation element.
[0131]
[Other uses of laser annealing equipment]
In the above embodiment, the example of forming the low-temperature polysilicon TFT using the laser annealing apparatus of the present invention has been described. However, the laser annealing apparatus of the present invention includes ITO (indium-tin oxide), SnO. 2 It can also be used for annealing other materials such as annealing of a transparent electrode film made of (tin dioxide) or the like.
[0132]
[Other spatial modulation elements]
In the first and second embodiments, an example in which DMD or GLV is used as a spatial light modulation element has been described. However, a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) type spatial modulation element (SLM; Spatial Light Modulator), electric A spatial modulation element other than the MEMS type, such as an optical element (PLZT element) that modulates transmitted light by an optical effect or a liquid crystal light shutter (FLC), may be used. Note that MEMS is a general term for micro systems that integrate micro-sized sensors, actuators, and control circuits based on micro-machining technology based on the IC manufacturing process. It means a spatial modulation element that is driven by the electromechanical operation used.
[0133]
In the first embodiment, an example in which the DMD micromirror is partially driven has been described. However, the length in the direction corresponding to the predetermined direction is longer than the length in the direction intersecting the predetermined direction. Even if a long and narrow DMD in which a number of micromirrors that can change the angle of the reflecting surface in accordance with the control signal is used is two-dimensionally arranged, the number of micromirrors that control the angle of the reflecting surface is reduced. Similarly, the modulation speed can be increased. Further, even when a MEMS type spatial modulation element or a spatial modulation element other than the MEMS type is used, by using a part of the pixel units for all the pixel units arranged on the substrate, Since the modulation speed per main scanning line can be increased, the same effect can be obtained.
[0134]
[Other exposure methods]
As shown in FIG. 18, similarly to the above embodiment, the entire surface of the transparent substrate 150 may be annealed by one scan in the X direction by the scanner 162, as shown in FIGS. 19 (A) and 19 (B). As shown in the figure, after scanning the transparent substrate 150 in the X direction by the scanner 162, the scanner 162 is moved one step in the Y direction and then scanned in the X direction again. In this scanning, the entire surface of the transparent substrate 150 may be annealed. In this example, the scanner 162 includes 18 irradiation heads 166.
[0135]
[Other laser devices (light sources)]
In the above embodiment, an example using a fiber array light source including a plurality of combined laser light sources has been described. However, the laser light source is not limited to a fiber array light source in which combined laser light sources are arrayed. For example, a fiber array light source obtained by arraying fiber light sources including one optical fiber that emits laser light incident from a single semiconductor laser having one light emitting point can be used.
[0136]
(Broad stripe laser)
The broad stripe laser is a laser having a long light emitting region in a direction (horizontal direction) orthogonal to the stacking direction, and has a high output because the light emitting region is large. Therefore, by using a broad stripe laser, a high output and high luminance provided with a single semiconductor laser having one light emitting point and one optical fiber for emitting laser light incident from the semiconductor laser. Fiber light source, and thus a fiber array light source or a fiber bundle light source obtained by arraying the fiber light sources can be realized.
[0137]
For example, as shown in FIGS. 39 and 40, a broad stripe laser 180 is used as an illumination light source, and a first cylindrical lens is used as a beam shaping optical system between the broad stripe laser 180 and the incident end of the multimode optical fiber 30. 182, the second cylindrical lens 184, the third cylindrical lens 186, and the fourth cylindrical lens 188 are sequentially arranged from the broad stripe laser 180 side.
[0138]
The light beam emitted from the broad stripe laser 180 has the NA (numerical aperture) of the light beam in the stacking direction (vertical direction) less than the NA of the multimode optical fiber 30 by the first cylindrical lens 182 and the third cylindrical lens 186. The first cylindrical lens 182 and the third cylindrical lens 186 are converted, and the NA of the horizontal light beam is maintained at an equal magnification, and an image is formed on the incident end of the multimode optical fiber 30.
[0139]
When the width (vertical length) of the light emitting layer of the broad stripe laser 180 is 0.5 μm, the length of the light emitting layer (horizontal length) is 30 μm, and the wavelength of the light beam is 400 to 420 nm, An output of about 500 mW can be obtained. The 500 mW light beam is condensed and incident on one multimode optical fiber 30. Assuming that the coupling efficiency is 96%, the output end of each multimode optical fiber 30 is a light source of 480 mW.
[0140]
The exit end of the multimode optical fiber 30 can be arrayed or bundled and used as a light source. In the case of a fiber array light source in which the emission ends of 2000 (1000 × 2) multimode optical fibers 30 are arranged in two rows, the output at the laser output unit is 960 W.
[0141]
As the multimode optical fiber 30, for example, an optical fiber having a cladding diameter of 125 μm and a core diameter of 50 μm can be used. In addition, by connecting an optical fiber with a small diameter of, for example, a cladding diameter of 60 μm and a core diameter of 50 μm to the output end of the multimode optical fiber 30, the beam diameter at the laser output section is reduced to 110 μm × 60 μm, thereby increasing the brightness Can be achieved. Further, when the beam diameter at the laser output portion is enlarged by a magnification of 3.6 times in the short axis direction and 5.0 times in the long axis direction by the optical system, the area of the irradiation area becomes about 400 μm × 300 μm. Therefore, when exposure is performed at 1 msec, the light density on the exposure surface is 800 mJ / cm. 2 It becomes. Even if the loss due to the optical system is estimated to be about 25%, the light density on the exposed surface is 600 mJ / cm. 2 It becomes.
[0142]
The multimode optical fiber 30 may be a small-diameter optical fiber having a cladding diameter of 60 μm and a core diameter of 50 μm. In other words, the beam of the broad stripe laser 180 is directly incident on the small-diameter multimode optical fiber 30 so that the exit end of the multimode optical fiber 30 can be used as the exit end with the same diameter.
[0143]
When the width of the light emitting layer of the broad stripe laser 180 is 5 to 200 μm, the NA of the multimode optical fiber 30 is 0.15 to 0.3, and the core diameter of the multimode optical fiber 30 is 10 to 80 μm. The coupling efficiency to the multimode optical fiber 30 is preferably increased. Further, the beam shaping optical system can be configured by using optical components other than the cylindrical lens.
[0144]
In the above description, the example in which the light beam from one broad stripe laser is coupled to one optical fiber has been described. However, the light beams from a plurality of broad stripe lasers are combined and coupled to one optical fiber. By doing so, it is possible to obtain a laser light source with higher output and higher brightness.
[0145]
(Laser array)
As a light source having a plurality of light emitting points, for example, as shown in FIG. 20, a laser array in which a plurality of (for example, seven) chip-shaped semiconductor lasers LD1 to LD7 are arranged on a heat block 100 is used. Can be used.
[0146]
(Multi-cavity laser and its array)
Further, a chip-shaped multicavity laser 110 in which a plurality of (for example, five) light emitting points 110a shown in FIG. 21A is arranged in a predetermined direction is known. Since the multicavity laser 110 can arrange the light emitting points with higher positional accuracy than the case where the chip-shaped semiconductor lasers are arranged, it is easy to multiplex laser beams emitted from the respective light emitting points. However, as the number of light emitting points increases, the multicavity laser 110 is likely to be bent at the time of laser manufacturing. Therefore, the number of light emitting points 110a is preferably 5 or less. In the irradiation head of the present invention, as shown in FIG. 21B, the multi-cavity laser 110 and a plurality of multi-cavity lasers 110 on the heat block 100 are in the same direction as the arrangement direction of the light emitting points 110a of each chip. A multi-cavity laser array arranged in the above can be used as a laser light source.
[0147]
(Multiple cavity laser combined laser source)
The combined laser light source is not limited to one that combines laser beams emitted from a plurality of chip-shaped semiconductor lasers. For example, as shown in FIG. 22, a combined laser light source including a chip-shaped multicavity laser 110 having a plurality of (for example, three) light emitting points 110a can be used. This combined laser light source is configured to include a multi-cavity laser 110, one multi-mode optical fiber 130, and a condensing lens 120. The multi-cavity laser 110 can be composed of, for example, a GaN-based laser diode having an oscillation wavelength of 405 nm.
[0148]
In the above configuration, each of the laser beams B emitted from each of the plurality of light emitting points 110 a of the multicavity laser 110 is collected by the condenser lens 120 and enters the core 130 a of the multimode optical fiber 130. The laser light incident on the core 130a propagates in the optical fiber, is combined into one, and is emitted.
[0149]
A plurality of light emitting points 110 a of the multi-cavity laser 110 are juxtaposed within a width substantially equal to the core diameter of the multi-mode optical fiber 130, and a focal point substantially equal to the core diameter of the multi-mode optical fiber 130 is used as the condenser lens 120. By using a convex lens of a distance or a rod lens that collimates the outgoing beam from the multicavity laser 110 only in a plane perpendicular to the active layer, the coupling efficiency of the laser beam B to the multimode optical fiber 130 can be increased. it can.
[0150]
23, a multi-cavity laser 110 having a plurality of (for example, three) emission points is used, and a plurality of (for example, nine) multi-cavity lasers 110 are equally spaced from each other on the heat block 111. A combined laser light source including the laser array 140 arranged in (1) can be used. The plurality of multi-cavity lasers 110 are arranged and fixed in the same direction as the arrangement direction of the light emitting points 110a of each chip.
[0151]
This combined laser light source includes a laser array 140, a plurality of lens arrays 114 arranged corresponding to each multi-cavity laser 110, and a single lens arranged between the laser array 140 and the plurality of lens arrays 114. A rod lens 113, one multimode optical fiber 130, and a condenser lens 120 are provided. The lens array 114 includes a plurality of microlenses corresponding to the emission points of the multi-cavity laser 110.
[0152]
In the above configuration, each of the laser beams B emitted from each of the plurality of light emitting points 110a of the plurality of multi-cavity lasers 110 is condensed in a predetermined direction by the rod lens 113 and then each microlens of the lens array 114. Is collimated. The collimated laser beam L is condensed by the condenser lens 120 and enters the core 130a of the multimode optical fiber 130. The laser light incident on the core 130a propagates in the optical fiber, is combined into one, and is emitted.
[0153]
(Multiple laser light source using multi-stage laser array)
Still another example of the combined laser light source will be described. In this combined laser light source, as shown in FIGS. 24A and 24B, a heat block 182 having an L-shaped cross section in the optical axis direction is mounted on a substantially rectangular heat block 180, and two heats are provided. A storage space is formed between the blocks. On the upper surface of the L-shaped heat block 182, a plurality of (for example, two) multi-cavity lasers 110 in which a plurality of light emitting points (for example, five) are arranged in an array form the light emitting points 110a of each chip. It is arranged and fixed at equal intervals in the same direction as the arrangement direction.
[0154]
A concave portion is formed in the substantially rectangular heat block 180, and a plurality of (for example, two) light emitting points (for example, five) are arranged in an array on the upper surface of the space side of the heat block 180. The multi-cavity laser 110 is arranged such that its emission point is located on the same vertical plane as the emission point of the laser chip arranged on the upper surface of the heat block 182.
[0155]
On the laser beam emission side of the multi-cavity laser 110, a collimator lens array 184 in which collimator lenses are arranged corresponding to the light emission points 110a of the respective chips is arranged. In the collimating lens array 184, the length direction of each collimating lens coincides with the direction in which the divergence angle of the laser beam is large (the fast axis direction), and the width direction of each collimating lens is in the direction in which the divergence angle is small (slow axis direction). They are arranged to match. Thus, collimating lenses are arrayed and integrated, thereby improving the space utilization efficiency of the laser light and increasing the output of the combined laser light source, and reducing the number of parts and reducing the cost. it can.
[0156]
Further, on the laser beam emitting side of the collimating lens array 184, there is one multimode optical fiber 130, and a condensing lens 120 that condenses and combines the laser beam at the incident end of the multimode optical fiber 130. Has been placed.
[0157]
In the above configuration, each of the laser beams emitted from each of the plurality of light emitting points 110a of the plurality of multi-cavity lasers 110 arranged on the laser blocks 180 and 182 is collimated by the collimating lens array 184 and collected. The light is condensed by the optical lens 120 and enters the core 130 a of the multimode optical fiber 130. The laser light incident on the core 130a propagates in the optical fiber, is combined into one, and is emitted.
[0158]
As described above, this combined laser light source can achieve particularly high output by the multi-stage arrangement of multi-cavity lasers and the array of collimating lenses. By using this combined laser light source, a higher-intensity fiber array light source or bundle fiber light source can be configured, so that it is particularly suitable as a fiber light source constituting the laser light source of the irradiation head of the present embodiment.
[0159]
It should be noted that a laser module in which each of the above combined laser light sources is housed in a casing and the emission end portion of the multimode optical fiber 130 is pulled out from the casing can be configured.
[0160]
In the above embodiment, another optical fiber having the same core diameter as the multimode optical fiber and a cladding diameter smaller than the multimode optical fiber is coupled to the output end of the multimode optical fiber of the combined laser light source. However, for example, a multimode optical fiber having a cladding diameter of 125 μm, 80 μm, 60 μm, or the like can be used without coupling another optical fiber to the output end. Good.
[0161]
In addition, the fiber array light source of the laser annealing apparatus according to the first to fourth embodiments can be configured by using a combined laser using the above-described multistage laser array. For example, in the fourth embodiment shown in FIG. 38, when the fiber array light source is configured using the above combined laser, the light density on the exposure surface can be calculated as follows.
[0162]
(1) When a multicavity laser having an output of 30 mW at each light emitting point is used as the combined laser light source of the irradiation head, a combined laser beam B of 500 mW can be obtained from the 20 light emitting points. Therefore, in the case of a fiber array light source in which 600 multimode optical fibers 30 are arranged in a line, the output from the laser emitting unit 68 is about 300 W. When the multimode optical fiber 30 is a step index type optical fiber having a cladding diameter = 125 μm, a core diameter = 50 μm, and NA = 0.2, the beam diameter at the laser emitting portion 68 is 50 μm × 75 mm. When the beam diameter is expanded by a magnification optical system at a magnification of 6 times in the minor axis direction and 1.66 times in the major axis direction, the area of the irradiation area 506 is 300 μm × 125 mm. Therefore, when exposure is performed at 1 msec, the light density on the exposure surface is 800 mJ / cm. 2 It is. Furthermore, even if the loss due to the optical system is estimated to be about 75%, the light density on the exposure surface is 600 mJ / cm. 2 It is.
[0163]
(2) When a multi-cavity laser having an output at each emission point of 100 mW is used as the combined laser light source of the irradiation head, a combined laser beam B of 1600 mW can be obtained from the 20 emission points. Therefore, in the case of a fiber array light source in which 625 multimode optical fibers 30 are arranged in a line, the output from the laser emitting unit 68 is about 1 kW. When the multimode optical fiber 30 is a step index type optical fiber having a cladding diameter = 125 μm, a core diameter = 50 μm, and NA = 0.2, the beam diameter at the laser emitting portion 68 is 50 μm × 78 mm. When the beam diameter is enlarged by a magnification of 6 times in the minor axis direction and 5.3 times in the major axis direction by the magnifying optical system, the area of the irradiation area 506 becomes 300 μm × 413 mm. Therefore, when exposure is performed at 1 msec, the light density on the exposure surface is 800 mJ / cm. 2 It is. Furthermore, even if the loss due to the optical system is estimated to be about 75%, the light density on the exposure surface is 600 mJ / cm. 2 It is.
[0164]
(3) When a multi-cavity laser having an output at each emission point of 100 mW is used as the combined laser light source of the irradiation head, a combined laser beam B of 1600 mW can be obtained from the 20 emission points. Therefore, in the case of a fiber array light source in which 1250 (= 625 × 2) multimode optical fibers 30 are arranged in two rows, the output from the laser emitting unit 68 is about 2 kW. When an optical fiber having a cladding diameter = 60 μm and a core diameter = 50 μm is coupled to the emission end of the multimode optical fiber 30, the beam diameter at the laser emission part 68 is 110 μm × 37.5 mm. When the beam diameter is expanded by a magnification optical system at a magnification of 6 times in the short axis direction and 10 times in the long axis direction, the area of the irradiation area 506 becomes 660 μm × 375 mm. Therefore, when exposure is performed at 1 msec, the light density on the exposure surface is 800 mJ / cm. 2 It is. Furthermore, even if the loss due to the optical system is estimated to be about 75%, the light density on the exposure surface is 600 mJ / cm. 2 It is. A deeper depth of focus can be obtained by increasing the magnification in the long axis direction.
[0165]
[Light distribution correction optical system]
In the first and second embodiments, a light amount distribution correcting optical system including a pair of combination lenses is used for the irradiation head. This light quantity distribution correcting optical system changes the light flux width at each exit position so that the ratio of the light flux width at the peripheral portion to the light flux width at the central portion close to the optical axis is smaller on the exit side than on the entrance side. When the parallel light beam from the light source is irradiated onto the DMD, the light quantity distribution on the irradiated surface of the DMD is corrected so as to be substantially uniform. Hereinafter, the operation of this light quantity distribution correcting optical system will be described.
[0166]
First, as shown in FIG. 27A, the case where the entire luminous flux width (total luminous flux width) H0 and H1 is the same for the incident luminous flux and the outgoing luminous flux will be described. In FIG. 27A, the portions denoted by reference numerals 51 and 52 virtually indicate the incident surface and the exit surface in the light amount distribution correcting optical system.
[0167]
In the light quantity distribution correcting optical system, it is assumed that the light flux widths h0 and h1 of the light beam incident on the central part near the optical axis Z1 and the light beam incident on the peripheral part are the same (h0 = hl). The light quantity distribution correcting optical system expands the light beam width h0 of the incident light beam in the central portion with respect to the light having the same light beam width h0 and h1 on the incident side, and conversely with respect to the incident light beam in the peripheral portion. Thus, the light beam width h1 is reduced. That is, the width h10 of the outgoing light beam at the center and the width h11 of the outgoing light beam at the periphery are set to satisfy h11 <h10. In terms of the ratio of the luminous flux width, the ratio “h11 / h10” of the luminous flux width in the peripheral portion to the luminous flux width in the central portion on the emission side is smaller than the ratio (h1 / h0 = 1) on the incident side ( (H11 / h10) <1).
[0168]
By changing the light flux width in this way, the light flux in the central part, which normally has a large light quantity distribution, can be utilized in the peripheral part where the light quantity is insufficient. In addition, the light quantity distribution on the irradiated surface of the DMD is made substantially uniform.
[0169]
The effects and effects of such a light quantity distribution correcting optical system are the same when the entire light flux width is changed between the incident side and the exit side (FIGS. 27B and 27C).
[0170]
FIG. 27B shows a case where the entire light flux width H0 on the incident side is “reduced” to the width H2 and emitted (H0> H2). Even in such a case, the light quantity distribution correcting optical system uses the light flux widths h0 and h1 that are the same on the incident side, and the light flux width h10 in the central portion is larger than that in the peripheral portion on the outgoing side. In addition, the light flux width h11 in the peripheral portion is made smaller than that in the central portion. Considering the reduction rate of the light beam, the reduction rate with respect to the incident light beam in the central part is made smaller than that in the peripheral part, and the reduction rate with respect to the incident light beam in the peripheral part is made larger than that in the central part. Also in this case, the ratio “H11 / H10” of the light flux width in the peripheral portion to the light flux width in the central portion is smaller than the ratio (h1 / h0 = 1) on the incident side ((h11 / h10) <1). .
[0171]
FIG. 27C shows a case where the entire light flux width H0 on the incident side is “enlarged” by a width Η3 and emitted (H0 <H3). Even in such a case, the light quantity distribution correcting optical system uses the light flux widths h0 and h1 that are the same on the incident side, and the light flux width h10 in the central portion is larger than that in the peripheral portion on the outgoing side. In addition, the light flux width h11 in the peripheral portion is made smaller than that in the central portion. Considering the expansion rate of the light beam, the expansion rate for the incident light beam in the central portion is made larger than that in the peripheral portion, and the expansion rate for the incident light beam in the peripheral portion is made smaller than that in the central portion. Also in this case, the ratio “h11 / h10” of the light flux width in the peripheral portion to the light flux width in the central portion is smaller than the ratio (h1 / h0 = 1) on the incident side ((h11 / h10) <1). .
[0172]
As described above, the light amount distribution correcting optical system changes the light beam width at each emission position, and the ratio of the light beam width in the peripheral part to the light beam width in the central part near the optical axis Z1 is larger on the outgoing side than on the incident side. Since the light has the same light flux width on the incident side, the light flux width in the central portion is larger than that in the peripheral portion, and the light flux width in the peripheral portion is larger than that in the central portion. Get smaller. As a result, it is possible to make use of the light beam at the center part to the peripheral part, and it is possible to form a light beam cross-section with a substantially uniform light amount distribution without reducing the light use efficiency of the entire optical system.
[0173]
Next, an example of specific lens data of a pair of combination lenses used as a light quantity distribution correcting optical system is shown. In this example, lens data in the case where the light amount distribution in the cross section of the emitted light beam is a Gaussian distribution as in the case where the light source is a laser array light source is shown. When one semiconductor laser is connected to the incident end of the single mode optical fiber, the light quantity distribution of the emitted light beam from the optical fiber becomes a Gaussian distribution. The present embodiment can also be applied to such a case. Further, the present invention can be applied to a case where the light amount in the central portion near the optical axis is larger than the light amount in the peripheral portion, for example, by reducing the core diameter of the multi-mode optical fiber and approaching the configuration of the single mode optical fiber.
[0174]
Table 1 below shows basic lens data.
[0175]
[Table 1]
Figure 2004064066
[0176]
As can be seen from Table 1, the pair of combination lenses is composed of two rotationally symmetric aspherical lenses. If the light incident side surface of the first lens disposed on the light incident side is the first surface and the light exit side surface is the second surface, the first surface is aspherical. In addition, when the surface on the light incident side of the second lens disposed on the light emitting side is the third surface and the surface on the light emitting side is the fourth surface, the fourth surface is aspherical.
[0177]
In Table 1, the surface number Si indicates the number of the i-th surface (i = 1 to 4), the curvature radius ri indicates the curvature radius of the i-th surface, and the surface interval di indicates the i-th surface and the i + 1-th surface. The distance between surfaces on the optical axis is shown. The unit of the surface interval di value is millimeter (mm). The refractive index Ni indicates the value of the refractive index with respect to the wavelength of 405 nm of the optical element having the i-th surface.
[0178]
Table 2 below shows the aspheric data of the first surface and the fourth surface.
[0179]
[Table 2]
Figure 2004064066
[0180]
The aspheric data is expressed by a coefficient in the following formula (A) that represents the aspheric shape.
[0181]
[Expression 1]
Figure 2004064066
[0182]
In the above formula (A), each coefficient is defined as follows.
Z: Length of a perpendicular line (mm) drawn from a point on the aspheric surface at a height ρ from the optical axis to the tangent plane (plane perpendicular to the optical axis) of the apex of the aspheric surface
ρ: Distance from optical axis (mm)
K: Conic coefficient
C: Paraxial curvature (1 / r, r: Paraxial radius of curvature)
ai: i-th order (i = 3 to 10) aspheric coefficient
In the numerical values shown in Table 2, the symbol “E” indicates that the subsequent numerical value is a “pecker exponent” with a base of 10, and the numerical value represented by an exponential function with the base 10 is “ Indicates that the value before E ″ is multiplied. For example, if “1.0E-02”, “1.0 × 10 -2 ".
[0183]
FIG. 29 shows a light amount distribution of illumination light obtained by the pair of combination lenses shown in Tables 1 and 2 above. The horizontal axis indicates coordinates from the optical axis, and the vertical axis indicates the light amount ratio (%). For comparison, FIG. 28 shows a light amount distribution (Gaussian distribution) of illumination light when correction is not performed. As can be seen from FIG. 28 and FIG. 29, a light amount distribution that is substantially uniform is obtained by performing correction using the light amount distribution correcting optical system as compared with the case where correction is not performed. Thereby, laser annealing can be performed uniformly with uniform laser light without reducing the light use efficiency in the irradiation head.
[0184]
[Other imaging optics]
In the first embodiment, two sets of lens systems are arranged as the imaging optical system on the light reflection side of the DMD used for the irradiation head, but the imaging optical system for enlarging the laser beam to form an image is arranged. May be. By enlarging the cross-sectional area of the light beam reflected by the DMD, the irradiation area area on the irradiated surface can be expanded to a desired size.
[0185]
For example, as shown in FIG. 30A, the illumination head 144 irradiates the laser beam to the DMD 50, the illumination device 144 that irradiates the laser beam, the lens system 454, 458, the DMD 50 that enlarges the laser beam reflected by the DMD 50 and forms an image. A microlens array 472 in which a large number of microlenses 474 are arranged corresponding to each of the pixels, an aperture array 476 in which a large number of apertures 478 are provided corresponding to each microlens of the microlens array 472, and a laser that has passed through the aperture It can be configured by lens systems 480 and 482 that form an image of light on the exposed surface 56.
[0186]
In this irradiation head, when a laser beam is irradiated from the illumination device 144, the cross-sectional area of the light beam reflected by the DMD 50 in the ON direction is expanded several times (for example, two times) by the lens systems 454 and 458. . The expanded laser light is condensed corresponding to each pixel of the DMD 50 by each microlens of the microlens array 472, and passes through the corresponding aperture of the aperture array 476. The laser light that has passed through the aperture is imaged on the exposed surface 56 by the lens systems 480 and 482.
[0187]
In this imaging optical system, the laser light reflected by the DMD 50 is magnified several times by the magnifying lenses 454 and 458 and projected onto the scanning surface 56, so that the entire image area is widened. At this time, if the microlens array 472 and the aperture array 476 are not arranged, as shown in FIG. 30B, one pixel size (spot size) of each beam spot BS projected onto the scanning plane 56 is an irradiation area. It becomes large according to the size of 468, and the MTF (Modulation Transfer Function) characteristic indicating the sharpness of the irradiation area 468 is deteriorated.
[0188]
On the other hand, when the microlens array 472 and the aperture array 476 are arranged, the laser light reflected by the DMD 50 is condensed corresponding to each pixel of the DMD 50 by each microlens of the microlens array 472. Thereby, as shown in FIG. 30C, even when the irradiation area is enlarged, the spot size of each beam spot BS can be reduced to a desired size (for example, 10 μm × 10 μm), and the MTF characteristics are obtained. It is possible to perform high-definition exposure while preventing the deterioration of the above. Note that the irradiation area 468 is inclined because the DMD 50 is inclined and disposed in order to eliminate a gap between pixels.
[0189]
Even if the beam is thick due to the aberration of the microlens, the aperture can shape the beam so that the spot size on the scanning surface 56 becomes a constant size, and is provided corresponding to each pixel. By passing the formed aperture, crosstalk between adjacent pixels can be prevented.
[0190]
Furthermore, by using a high-intensity light source for the illumination device 144 as in the above embodiment, the angle of the light beam incident on each microlens of the microlens array 472 from the lens 458 is reduced, so that the light flux of adjacent pixels can be reduced. Part of the incident can be prevented. That is, a high extinction ratio can be realized.
[0191]
【The invention's effect】
The laser annealing apparatus of the present invention uses a semiconductor laser that can be driven continuously and has excellent output stability, and can form a polysilicon film having good crystal characteristics and high carrier mobility with high reproducibility and high speed. , Has the effect. In addition, the laser annealing apparatus of the present invention is advantageous in that it is small in size, highly reliable, and easy to maintain. Furthermore, the laser annealing apparatus of the present invention does not require the use of an optical system of a special material, and has the effect of being low in cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of a laser annealing apparatus according to a first embodiment.
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of a scanner of the laser annealing apparatus according to the first embodiment.
FIG. 3A is a plan view showing an irradiated region formed on a photosensitive material, and FIG. 3B is a diagram showing an array of irradiation areas by each irradiation head.
FIG. 4 is a perspective view showing a schematic configuration of an irradiation head of the laser annealing apparatus according to the first embodiment.
5A is a cross-sectional view in the sub-scanning direction along the optical axis showing the configuration of the irradiation head shown in FIG. 4, and FIG. 5B is a side view of FIG.
FIG. 6 is a partially enlarged view showing a configuration of a digital micromirror device (DMD).
7A and 7B are explanatory diagrams for explaining the operation of the DMD. FIG.
FIGS. 8A and 8B are plan views showing the arrangement of scanning beams and the scanning lines in a case where the DMD is not inclined and in a case where the DMD is inclined. FIG.
9A is a perspective view showing a configuration of a fiber array light source, and FIG. 9B is a partially enlarged view of FIG. 9A.
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a multimode optical fiber.
FIG. 11 is a plan view showing a configuration of a combined laser light source.
FIG. 12 is a plan view showing the configuration of a laser module.
13 is a side view showing the configuration of the laser module shown in FIG. 12. FIG.
14 is a partial side view showing the configuration of the laser module shown in FIG. 12. FIG.
FIGS. 15A and 15B are cross-sectional views along the optical axis showing the difference between the focal depth of the low-luminance irradiation head and the focal depth of the high-luminance irradiation head.
FIGS. 16A and 16B are diagrams showing examples of DMD usage areas; FIGS.
FIG. 17A is a side view when the DMD use area is appropriate, and FIG. 17B is a cross-sectional view in the sub-scanning direction along the optical axis of FIG.
FIG. 18 is a plan view for explaining an annealing method for annealing a transparent substrate by one scanning with a scanner.
FIGS. 19A and 19B are plan views for explaining an annealing method for annealing a transparent substrate by scanning a plurality of times with a scanner. FIGS.
FIG. 20 is a perspective view showing a configuration of a laser array.
21A is a perspective view showing the configuration of a multi-cavity laser, and FIG. 21B is a perspective view of a multi-cavity laser array in which the multi-cavity lasers shown in FIG.
FIG. 22 is a plan view showing another configuration of the combined laser light source.
FIG. 23 is a plan view showing another configuration of the combined laser light source.
24A is a plan view showing another configuration of the combined laser light source, and FIG. 24B is a cross-sectional view taken along the optical axis of FIG.
FIGS. 25A and 25B are diagrams for explaining a low-temperature polysilicon TFT formation process; FIGS.
FIG. 26 is a diagram showing absorption characteristics of amorphous silicon.
FIG. 27 is an explanatory diagram of a concept of correction by a light amount distribution correction optical system.
FIG. 28 is a graph showing the light amount distribution when the light source has a Gaussian distribution and the light amount distribution is not corrected.
FIG. 29 is a graph showing a light amount distribution after correction by the light amount distribution correcting optical system.
30A is a cross-sectional view along the optical axis showing the configuration of another irradiation head having a different coupling optical system, and FIG. 30B is projected onto the scanning surface when a microlens array or the like is not used. It is a top view which shows a light image, (C) is a top view which shows the light image projected on a scanning surface when a microlens array etc. are used.
FIG. 31 is a perspective view showing a schematic configuration of an irradiation head of a laser annealing apparatus according to a second embodiment.
32A is a cross-sectional view along the optical axis showing the configuration of the irradiation head shown in FIG. 31, and FIG. 32B is a side view of FIG.
FIG. 33 is a partially enlarged view showing a configuration of a grating light valve (GLV).
FIGS. 34A and 34B are explanatory diagrams for explaining the operation of the GLV.
FIG. 35 is a perspective view showing a configuration of a scanner of a laser annealing apparatus according to a third embodiment.
36A is a cross-sectional view in the fiber array direction along the optical axis showing the configuration of the irradiation head of the laser annealing apparatus according to the third embodiment, and FIG. 36B is a cross-sectional view in the sub-scanning direction. It is.
FIG. 37 is a perspective view showing a configuration of a fiber array light source of a laser annealing apparatus according to a third embodiment.
38A is a cross-sectional view in the fiber array direction along the optical axis showing the configuration of the irradiation head of the laser annealing apparatus according to the fourth embodiment, and FIG. 38B is a cross-sectional view in the sub-scanning direction. It is.
FIG. 39 is a side view showing a configuration of a fiber light source in which a semiconductor laser and an optical fiber are coupled on a one-to-one basis.
40 is a plan view of the fiber light source of FIG. 39 viewed from above.
[Explanation of symbols]
LD1-LD7 GaN semiconductor laser
10 Heat block
11-17 Collimator lens
20 Condensing lens
30 Multimode optical fiber
50 Digital Micromirror Device (DMD)
53 Reflected light image (scanning beam)
54, 58 Lens system
56 Scanning surface (annealed surface)
64 laser module
66 Fiber array light source
68 Laser emitting part
73 Combination lens
150 Transparent substrate
152 stages
162 Scanner
166 Irradiation head
168 Irradiation area
170 Irradiated area

Claims (6)

少なくとも1つのGaN系半導体レーザによって、波長350〜450nmのレーザビームを出射する複数の発光点が生じるように構成されたレーザ光源と、
該レーザ光源から出射されたレーザビームでアニール面上を走査する走査手段と、
を備えたレーザアニール装置。
A laser light source configured to generate a plurality of emission points for emitting a laser beam having a wavelength of 350 to 450 nm by at least one GaN-based semiconductor laser;
Scanning means for scanning the annealing surface with a laser beam emitted from the laser light source;
Laser annealing equipment equipped with
少なくとも1つのGaN系半導体レーザによって、波長350〜450nmのレーザビームを出射する複数の発光点が生じるように構成されたレーザ光源と、
各々制御信号に応じて光変調状態が変化する多数の画素部が基板上に配列され、前記レーザ光源から出射されたレーザビームを変調する空間光変調素子と、
各画素部で変調されたレーザビームでアニール面上を走査する走査手段と、
を備えたレーザアニール装置。
A laser light source configured to generate a plurality of emission points for emitting a laser beam having a wavelength of 350 to 450 nm by at least one GaN-based semiconductor laser;
A plurality of pixel units each having a light modulation state that changes in response to a control signal are arranged on a substrate, and a spatial light modulation element that modulates a laser beam emitted from the laser light source;
Scanning means for scanning the annealing surface with a laser beam modulated in each pixel portion;
Laser annealing equipment equipped with
前記レーザ光源を、下記(1)〜(5)のいずれか1つの光源で構成した請求項1又は2に記載のレーザアニール装置。
(1)複数のGaN系半導体レーザと、1本の光ファイバと、前記複数のGaN系半導体レーザの各々から出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えた合波レーザ光源。
(2)(1)の合波レーザ光源における前記GaN系半導体レーザを、複数の発光点を備えたGaN系マルチキャビティレーザで構成した合波レーザ光源。
(3)複数の発光点を備えたGaN系マルチキャビティレーザと、1本の光ファイバと、前記複数の発光点の各々から出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えた合波レーザ光源。
(4)前記合波レーザ光源を複数備え、該複数の合波レーザ光源の光ファイバの出射端における発光点の各々がアレイ状に配列されたファイバアレイ光源、又はバンドル状に配列されたファイババンドル光源。
(5)単一のGaN系半導体レーザと、1本の光ファイバと、前記単一のGaN系半導体レーザから出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えたファイバ光源を複数備え、該複数のファイバ光源の光ファイバの出射端における発光点の各々がアレイ状に配列されたファイバアレイ光源、又はバンドル状に配列されたファイババンドル光源。
The laser annealing apparatus according to claim 1 or 2, wherein the laser light source is configured by any one of the following light sources (1) to (5).
(1) A plurality of GaN-based semiconductor lasers, one optical fiber, and a laser beam emitted from each of the plurality of GaN-based semiconductor lasers are condensed, and the condensed beam is coupled to an incident end of the optical fiber. And a condensing optical system.
(2) A combined laser light source in which the GaN semiconductor laser in the combined laser light source of (1) is constituted by a GaN-based multicavity laser having a plurality of light emitting points.
(3) A GaN-based multi-cavity laser having a plurality of light emitting points, one optical fiber, and a laser beam emitted from each of the plurality of light emitting points are condensed, and the condensed beam is collected from the optical fiber. And a converging optical system coupled to an incident end.
(4) A fiber array light source comprising a plurality of the combined laser light sources, each of the light emitting points at the emission end of the optical fiber of the plurality of combined laser light sources arranged in an array, or a fiber bundle arranged in a bundle light source.
(5) Condensing a single GaN-based semiconductor laser, one optical fiber, and a laser beam emitted from the single GaN-based semiconductor laser, and coupling the focused beam to the incident end of the optical fiber A plurality of fiber light sources, and a plurality of fiber light sources, each of the light emitting points at the output ends of the optical fibers of the plurality of fiber light sources arranged in an array, or in a bundle Fiber bundle light source.
前記光ファイバとして、コア径が均一で出射端のクラッド径が入射端のクラッド径より小さい光ファイバを用いた請求項3に記載のレーザアニール装置。The laser annealing apparatus according to claim 3, wherein the optical fiber is an optical fiber having a uniform core diameter and a cladding diameter at the output end smaller than that at the input end. 前記光ファイバの出射端が封止された請求項3又は4に記載のレーザアニール装置。The laser annealing apparatus according to claim 3 or 4, wherein an emission end of the optical fiber is sealed. 前記レーザ光源と前記空間変調素子との間に、
前記レーザ光源からの光束を平行光束にするコリメータレンズと、
光軸に近い中心部の光束幅に対する周辺部の光束幅の比が、入射側に比べて出射側の方が小さくなるように、各出射位置における光束幅を変化させ、前記コリメータレンズにより平行光束化されたレーザ光の光量分布が、前記空間変調素子の被照射面において略均一になるように補正する光量分布補正光学系と、
を配置した請求項2乃至5のいずれか1項に記載のレーザアニール装置。
Between the laser light source and the spatial modulation element,
A collimator lens for converting the light beam from the laser light source into a parallel light beam;
The light flux width at each exit position is changed so that the ratio of the light flux width at the peripheral portion to the light flux width at the central portion close to the optical axis is smaller on the exit side than on the entrance side, and the collimator lens changes the parallel light flux. A light amount distribution correction optical system that corrects the light amount distribution of the laser light that has been made to be substantially uniform on the irradiated surface of the spatial modulation element;
The laser annealing apparatus according to any one of claims 2 to 5, wherein:
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