JP2004093837A

JP2004093837A - 均一化レーザビーム照射装置

Info

Publication number: JP2004093837A
Application number: JP2002254017A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Yamazaki; 山崎　和則
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】複数のレーザビームを重ね合わせた時の干渉に起因する強度のうねりを低減させることが可能な均一化レーザビーム照射装置を提供する。
【解決手段】固体レーザ光源が、品質指標Ｍ^２のレーザビームを出射する。固体レーザ光源から出射されたレーザビームがレンズアレイに入射する。レンズアレイの入射側の面におけるレーザビームの直径がＤである。レンズアレイは、レーザビームの進行方向に垂直な面内に、少なくとも１次元方向にピッチｈで周期的に配列された複数のレンズを含む。光学系が、レンズアレイの各々のレンズを通過した各レーザビームを、共通の被照射面上に重ね合わせる。固体レーザ光源及びレンズアレイは、Ｍ^２＞（０．６１πＤ／ｈ）を満足する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、均一化レーザビーム照射装置に関し、特にレンズアレイを用いて複数のビームに分割し、分割されたビームを共通の領域内に入射させて重ね合わせる均一化レーザビーム照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザビームは、種々の用途に用いられる。アモルファスシリコンの結晶化アニールやフォトリソグラフィにおいては、目的とする領域内で均一な強度分布を有するレーザビームが望まれる。レーザビームは本来可干渉性を有する。光路の異なるビームが重ね合わされると干渉が生じ、強度のうねり（スペックルパターン）が生じる。また、レーザビームは一般的にビーム断面内で強度が均一ではない。中央部の強度は高く、周辺部の強度は低い。
【０００３】
均一な強度分布を有するレーザビームを形成する技術として、レンズアレイを用いる方法が知られている。レーザ光源から出射されたレーザビームをレンズアレイで複数のビームに分割し、分割された複数のレーザビームを被照射面上に重ね合わせることにより、強度分布を均一化することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
干渉性のよいレーザビームをレンズアレイで均一化しようとする場合、分割されたレーザビームが重ね合わされる時に互いに干渉し、スペックルパターンを生じる場合がある。レーザ光源としてエキシマレーザを用いる場合には、その空間コヒーレンス長が短いため、スペックルパターンは生じにくい。ところが、空間コヒーレンス長の長いレーザ光源、例えばＮｄ：ＹＡＧ等の固体レーザを用いる場合には、スペックルパターンが生じやすい。
【０００５】
フォトリソグラフィ用のステッパ等ではレンズアレイの前段のミラーを振動させ、複数ショットのパワー密度を積算することにより、干渉による強度のうねりの影響を排除している。ところが、この方法では、１ショットのみを照射する場合に、強度のうねりの影響を排除することはできない。
【０００６】
本発明の目的は、複数のレーザビームを重ね合わせた時の干渉に起因する強度のうねりを低減させることが可能な均一化レーザビーム照射装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、品質指標Ｍ^２のレーザビームを出射する固体レーザ光源と、前記固体レーザ光源から出射されたレーザビームが入射するレンズアレイであって、該レンズアレイの入射側の面におけるレーザビームの直径がＤであり、該レーザビームの進行方向に垂直な面内に、少なくとも１次元方向にピッチｈで周期的に配列された複数のレンズを含むレンズアレイと、前記レンズアレイの各々のレンズを通過した各レーザビームを、共通の被照射面上に重ね合わせる光学系とを有し、前記固体レーザ光源及び前記レンズアレイは、Ｍ^２＞（０．６１πＤ／ｈ）を満足する均一化レーザビーム照射装置が提供される。
【０００８】
上述の条件を満足することにより、被照射面上に重ね合わされる複数のレーザビーム間の干渉を防止することができる。また、固体レーザ光源を用いることにより、エキシマレーザ等のガスレーザを用いる場合に比べて、パルスエネルギの変動を少なくすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の実施例によるビーム強度均一化光学系の断面図を示す。Ｎｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＬＦレーザ等の固体レーザ光源から出射されたレーザビーム１がレンズアレイ２に入射する。レンズアレイ２に入射するレーザビーム１の直径はＤであり、レンズアレイ２の入射位置における強度分布は、例えばガウス分布で近似される。レーザビーム１の進行方向をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を導入する。
【００１０】
レンズアレイ２は、複数の凸シリンドリカルレンズで構成される。各シリンドリカルレンズは、Ｙ軸に平行な母線からなる凸の柱面を有し、Ｘ軸方向に配列されている。レーザビーム１は、レンズアレイ２によりＺＸ面内において収束する複数のレーザビーム３に分割される。各レーザビーム３は、シリンドリカルレンズの焦点においてＹ軸に平行な直線上に集光され、その後ＺＸ面内で発散する光線束になりコンデンサレンズ４に入射する。
【００１１】
コンデンサレンズ４は、複数のレーザビーム３を、ホモジナイズ面５上の共通の被照射領域５Ａに入射させる。強度分布の異なる複数のレーザビーム３がホモジナイズ面５上で重ね合わされることにより、強度分布を均一化することができる。
【００１２】
レンズアレイ３によって分割された複数のレーザビームに干渉性がある場合には、スペックルパターンが生じる。レンズアレイ２により分割された複数のレーザビームのうち任意の２つのレーザビームが重ね合わされる時の両者の中心光線の成す角をα、レーザビームの波長をλとすると、スペックルパターンのピッチＰは、
【００１３】
【数１】
Ｐ＝λ／（２×ｓｉｎ（α／２））　　・・・（１）
となる。
【００１４】
着目するレーザビームの組み合わせにより、中心光線の成す角αが異なるため、種々のピッチＰを有するスペックルパターンが形成される。相互に隣接するレーザビーム同士の組み合わせが最も多く、かつ干渉性が最も高いため、相互に隣接するレーザビームの中心光線の成す角αに基づくピッチＰのスペックルパターンが最も強く認められる。
【００１５】
レーザビームの特性を表すパラメータの一つに、空間コヒーレンス長がある。空間コヒーレンス長は、同一ビーム内で互いに干渉の及ぶ最大長のことである。すなわち、空間コヒーレンス長よりも大きな間隔を有する２点を通過するビーム要素は互いに干渉性を有しない。逆に、空間コヒーレンス長よりも小さな間隔を有する２点を通過するビーム要素は、互いに干渉する。
【００１６】
レンズアレイ２を構成する複数のシリンドリカルレンズのＸ軸方向のピッチをｈとし、レーザビームの空間コヒーレンス長をＸｃとすると、
【００１７】
【数２】
Ｘｃ＜ｈ　　・・・（２）
を満たすとき、スペックルパターンが生じないことになる。
【００１８】
焦点距離ｆの無収差レンズで集光できる最小のビームスポットをｄとすると、下記の関係式が成立する。
【００１９】
【数３】
ｄ≒２．４４λｆ／Ｘｃ　　・・・（３）
また、集光できる最小のビームスポットをｄとすると、レーザビームの品質指標Ｍ^２は下記の式で定義される。
【００２０】
【数４】
Ｍ^２＝（π／４λ）ｄθ　　・・・（４）
ここで、θは遠視野広がり角である。レンズアレイ２に入射するレーザビームの直径をＤとすると、
【００２１】
【数５】
θ≒Ｄ／ｆ　　・・・（５）
であることを考慮すると、
【００２２】
【数６】
Ｘｃ≒０．６１πｆθ／Ｍ^２＝０．６１πＤ／Ｍ^２　　・・・（６）
が成立する。式（６）と干渉の生じない条件式（２）とから、
【００２３】
【数７】
Ｍ^２＞０．６１πＤ／ｈ　　・・・（７）
が得られる。従って、レーザビームの品質指標Ｍ^２、ビーム径Ｄ、レンズアレイ２のピッチｈが、条件式（７）を満足するように光学系を設計すると、レンズアレイ２の相互に隣接するシリンドリカルレンズを通過したレーザビーム同士の干渉を防止し、ホモジナイズ面５上のビーム照射領域の強度の均一性を高めることができる。
【００２４】
なお、ビームの通過する２点の間隔が空間コヒーレンス長Ｘｃを超えると、完全に干渉性がなくなるわけではなく、わずかながら干渉性が残る場合もある。従って、安全係数をκ＞１として、
【００２５】
【数８】
Ｍ^２＞０．６１κπＤ／ｈ　　・・・（８）
を満足するように設計してもよい。
【００２６】
例えば、レンズアレイ２に入射するレーザビームの直径Ｄを４５ｍｍ、レンズアレイのピッチｈを５ｍｍとすると、式（８）からＭ^２＞１７．２５κが得られる。安全係数κを１．２とすると、Ｍ^２＞２０．７になる。すなわち、品質指標Ｍ^２が２０．７よりも大きいレーザ光源を選択することにより、スペックルパターンの発生を防止することができる。
【００２７】
逆に、品質指標Ｍ^２が１０のレーザ光源を使用し、安全係数κを１．２にすると、ｈ＞０．２３Ｄになる。すなわち、レンズアレイ２を構成するシリンドリカルレンズを４本にして、レーザビームを４分割すれば、スペックルパターンの発生を防止することができる。レーザ光源から出射されるレーザビームの直径が５ｍｍであり、それをテレスコープで８倍に拡大してビーム径を４０ｍｍにし、レンズアレイ２に入射させる場合には、ｈ＞９．２ｍｍとすればよい。
【００２８】
式（７）及び（８）では、レーザビームの品質指標Ｍ^２の上限値が制限されない。ところが、品質指標Ｍ^２が大きくなると、集光できる最小ビームスポットが大きくなる。レーザビームを線状の領域に集光する場合には、集光される線状領域を細くすることができなくなる。集光される線状領域の幅をｗ、コンデンサレンズの焦点距離をｆとすると、品質指標Ｍ^２の上限が下記の式で規定される。
【００２９】
【数９】
Ｍ^２≦（π／４λ）ｗ（Ｄ／ｆ）　　・・・（９）
図２（Ａ）及び（Ｂ）に、複数のレンズアレイを組み合わせたビーム均一化光学系（ビームホモジナイザ）の断面図を示す。レーザビームの進行方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を導入する。図２（Ａ）は、ｙｚ面に平行な断面図、図２（Ｂ）は、ｘｚ面に平行な断面図を示す。
【００３０】
図２（Ａ）に示すように、等価な７本のシリンドリカルレンズが、各々の母線方向をｘ軸と平行にし、かつｙ軸方向に配列し、ｘｙ面に平行な仮想平面に沿ったシリンダアレイ４５Ａと４５Ｂが構成されている。シリンダアレイ４５Ａ及び４５Ｂの各シリンドリカルレンズの光軸面はｘｚ面に平行である。ここで、光軸面とは、シリンドリカルレンズの面対称な結像系の対称面（シリンドリカルレンズの柱面の曲率中心線を含む結像系の対称面）を意味する。シリンダアレイ４５Ａは光の入射側（図の左方）に配置され、シリンダアレイ４５Ｂは出射側（図の右方）に配置されている。
【００３１】
図２（Ｂ）に示すように、等価な７本のシリンドリカルレンズが各々の母線方向をｙ軸と平行にし、かつｘ軸方向に配列し、ｘｙ面に平行な仮想平面に沿ったシリンダアレイ４６Ａと４６Ｂが構成されている。シリンダアレイ４６Ａ及び４６Ｂの各シリンドリカルレンズの光軸面はｙｚ面に平行である。シリンダアレイ４６Ａはシリンダアレイ４５Ａの前方（図の左方）に配置され、シリンダアレイ４６Ｂはシリンダアレイ４５Ａと４５Ｂとの間に配置されている。シリンダアレイ４５Ａと４５Ｂの対応するシリンドリカルレンズの光軸面は一致し、シリンダアレイ４６Ａと４６Ｂの対応するシリンドリカルレンズの光軸面も一致する。
【００３２】
シリンダアレイ４５Ｂの後方に、コンデンサレンズ４９が配置されている。コンデンサレンズ４９の光軸は、ｚ軸に平行である。
【００３３】
図２（Ａ）を参照して、ｙｚ面内に関する光線束の伝搬の様子を説明する。ｙｚ面内においては、シリンダアレイ４６Ａ及び４６Ｂは単なる平板であるため、光線束の集束、発散に影響を与えない。シリンダアレイ４６Ａの左方からｚ軸に平行な光軸を有する平行光線束４７がシリンダアレイ４６Ａに入射する。平行光線束４７は、例えば曲線５１ｙで示すように、中央部分で強く周辺部分で弱い光強度分布を有する。
【００３４】
平行光線束４７がシリンダアレイ４６Ａを透過し、シリンダアレイ４５Ａに入射する。入射光線束は、シリンダアレイ４５Ａにより各シリンドリカルレンズに対応した７つの集束光線束に分割される。図２（Ａ）では、中央と両端の光線束のみを代表して示している。７つの集束光線束は、それぞれ曲線５１ｙａ〜５１ｙｇで示す光強度分布を有する。シリンダアレイ４５Ａによって集束された光線束は、シリンダアレイ４５Ｂにより再度集束される。
【００３５】
シリンダアレイ４５Ｂにより集束した７つの集束光線束４８は、それぞれ集束レンズ４９の前方で結像する。この結像位置は、コンデンサレンズ４９の入射側焦点よりもレンズに近い。このため、コンデンサレンズ４９を透過した７つの光線束はそれぞれ発散光線束となり、ホモジナイズ面５０上において重なる。ホモジナイズ面５０を照射する７つの光線束のｙ軸方向の光強度分布は、それぞれ光強度分布５１ｙａ〜５１ｙｇをｙ軸方向に引き伸ばした分布に等しい。光強度分布５１ｙａと５１ｙｇ、５１ｙｂと５１ｙｆ、５１ｙｃと５１ｙｅは、それぞれｙ軸方向に関して反転させた関係を有するため、これらの光線束を重ね合わせた光強度分布は、実線５２ｙで示すように均一な分布に近づく。
【００３６】
図２（Ｂ）を参照して、ｘｚ面内に関する光線束の伝搬の様子を説明する。ｘｚ面内においては、シリンダアレイ４５Ａ及び４５Ｂは単なる平板であるため、光線束の集束、発散に影響を与えない。平行光線束４７がシリンダアレイ４６Ａに入射する。平行光線束４７は、例えば曲線５１ｘで示すように、中央部分で強く周辺部分で弱い光強度分布を有する。
【００３７】
平行光線束４７がシリンダアレイ４６Ａにより各シリンドリカルレンズに対応した７つの集束光線束に分割される。図２（Ｂ）では、中央と両端の光線束のみを代表して示している。７つの集束光線束は、それぞれ曲線５１ｘａ〜５１ｘｇで示す光強度分布を有する。
【００３８】
各光線束は、シリンダアレイ４６Ｂの前方で結像し、発散光線束となってシリンダアレイ４６Ｂに入射する。シリンダアレイ４６Ｂに入射した各光線束は、それぞれある出射角を持って出射し、コンデンサレンズ４９に入射する。
【００３９】
コンデンサレンズ４９を透過した７つの光線束はそれぞれ集束光線束となり、ホモジナイズ面５０上において重なる。ホモジナイズ面５０を照射する７つの光線束のｘ軸方向の光強度分布は、図２（Ａ）の場合と同様に実線５２ｘで示すように均一な分布に近づく。
【００４０】
ホモジナイズ面５０上の光照射領域は、ｙ軸方向に長く、ｘ軸方向に短い線状の形状を有する。ホモジナイズ面５０の位置に、被照射物の表面を配置することにより、その表面内のｙ軸方向に長い線状の領域を、ほぼ均一に照射することができる。
【００４１】
シリンダアレイ４６Ａに入射するレーザビームの品質指標Ｍ^２、ビーム径Ｄ、及び各シリンダアレイを構成するシリンドリカルレンズのピッチｈが、上述の条件式（７）または（８）を満たす場合、ホモジナイズ面５０上におけるスペックルパターンの発生を防止することができる。
【００４２】
図３に、図２のホモジナイザを用いたレーザアニーリング装置の平面図を示す。レーザアニーリング装置は、処理チャンバ４０、搬送チャンバ８２、搬出入チャンバ８３、８４、レーザ光源７１、ホモジナイザ７２、ＣＣＤカメラ８８、及びビデオモニタ８９を含んで構成される。ホモジナイザ７２は、図２に示したホモジナイザと同一のものである。処理チャンバ４０には、ベローズ６７、結合部材６３、６５、リニアガイド機構６４及びリニアモータ６６等を含む直動機構６０が取り付けられている。直動機構６０は、処理チャンバ６０内に配置されたステージ４４を並進移動させることができる。
【００４３】
処理チャンバ４０と搬送チャンバ８２がゲートバルブ８５を介して結合され、搬送チャンバ８２と搬出入チャンバ８３、及び搬送チャンバ８２と搬出入チャンバ８４が、それぞれゲートバルブ８６及び８７を介して結合されている。処理チャンバ４０、搬出入チャンバ８３及び８４には、それぞれ真空ポンプ９１、９２及び９３が取り付けられ、各チャンバの内部を真空排気することができる。
【００４４】
搬送チャンバ８２内には、搬送用ロボット９４が収容されている。搬送用ロボット９４は、処理チャンバ４０、搬出入チャンバ８３及び８４の各チャンバ相互間で処理基板を移送する。
【００４５】
処理チャンバ４０の上面に、レーザビーム透過用の石英窓３８が設けられている。なお、石英の代わりに、ＢＫ７等の可視光学ガラスを用いてもよい。連続発振したレーザ光源７１から出力されたレーザビームがアッテネータ７６を通ってホモジナイザ７２に入射する。ホモジナイザ７２は、レーザビームの断面形状を細長い形状にする。ホモジナイザ７２を通過したレーザビームは、ビームの断面形状に対応した細長い石英窓３８を透過し、処理チャンバ４０内のステージ４４上に保持された処理基板を照射する。基板の表面がホモジナイズ面に一致するように、ホモジナイザ７２と処理基板との相対位置が調節されている。
【００４６】
直動機構６０によりステージ４４が並進移動する方向は、石英窓３８の長尺方向に直交する向きである。これにより、基板表面の広い領域にレーザビームを照射し、基板の表面上に形成されたアモルファス半導体膜を多結晶化することができる。基板表面はＣＣＤカメラ８８により撮影され、処理中の基板表面をビデオモニタ８９で観察することができる。
【００４７】
レーザ光源７１及びホモジナイザ７２が上述の条件式（７）または（８）を満たす場合、処理基板上におけるスペックルパターンの発生を防止し、形成された多結晶膜の品質を高めることができる。
【００４８】
図３に示したレーザアニーリング装置は、アモルファス半導体の多結晶化のみならず、半導体膜に注入された不純物の活性化アニールにも使用することができる。
【００４９】
上記実施例では、シリンドリカルレンズを１次元方向に配列したレンズアレイを用いたが、通常のレンズを２次元方向に配列させたフライアイレンズも用いる場合にも、条件式（７）または（８）が満足されるような構成とすることにより、スペックルパターンの発生を防止することができる。なお、条件式（７）及び（８）は、フライアイレンズの２方向のピッチの各々について満足されることが好ましい。
【００５０】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、レーザビームの品質指標Ｍ^２、ビーム径、及びレンズアレイを構成する複数のレンズのピッチを適当に選択することにより、スペックルパターンの発生を防止し、照射領域の強度の均一性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるビーム均一化光学系の断面図である。
【図２】本発明の実施例によるビーム均一化光学系の他の構成例を示す断面図である。
【図３】実施例によるビーム均一化光学系を用いたレーザアニーリング装置の平面図である。
【符号の説明】
１、３　レーザビーム
２、４５Ａ、４５Ｂ、４６Ａ、４６Ｂ　レンズアレイ
４、４９　コンデンサレンズ
５、５０　ホモジナイズ面
３８　石英窓
４０　処理チャンバ
４４　ステージ
６０　直動機構
６３、６５　結合部材
６４　リニアガイド機構
６６　リニアモータ
６７　ベローズ
７１　レーザ光源
７２　ホモジナイザ
７６　アッテネータ
８２　搬送チャンバ
８３、８４　搬出入チャンバ
８５、８６、８７　ゲートバルブ
８８　ＣＣＤカメラ
８９　ビデオモニタ
９１、９２、９３　真空ポンプ
９４　搬送用ロボット

Claims

品質指標Ｍ^２のレーザビームを出射する固体レーザ光源と、
前記固体レーザ光源から出射されたレーザビームが入射するレンズアレイであって、該レンズアレイの入射側の面におけるレーザビームの直径がＤであり、該レーザビームの進行方向に垂直な面内に、少なくとも１次元方向にピッチｈで周期的に配列された複数のレンズを含むレンズアレイと、
前記レンズアレイの各々のレンズを通過した各レーザビームを、共通の被照射面上に重ね合わせる光学系と
を有し、前記固体レーザ光源及び前記レンズアレイは、Ｍ^２＞（０．６１πＤ／ｈ）を満足する均一化レーザビーム照射装置。