JP2005116729A - Laser processing apparatus and method therefor - Google Patents

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JP2005116729A JP2003347935A JP2003347935A JP2005116729A JP 2005116729 A JP2005116729 A JP 2005116729A JP 2003347935 A JP2003347935 A JP 2003347935A JP 2003347935 A JP2003347935 A JP 2003347935A JP 2005116729 A JP2005116729 A JP 2005116729A
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laser light
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irradiated
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Masanori Kiyouho
昌則 享保
Tetsuro Toyoshima
哲朗 豊島
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Sharp Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser annealing device capable of keeping the average energy density of laser light with which a workpiece is irradiated constant even when a profile of the laser light is changed. <P>SOLUTION: In the laser annealing device 10 when an irradiation optical system unit 12 irradiates laser light emitted from a laser oscillator unit 11 to an irradiation position of a substrate 17, a Joule meter 13 detects laser light energy, and a profile meter 14 detects the profile of the laser light. On the basis of these detection outputs, calculation means 15 calculates the average energy density of the laser light irradiated to the substrate 17, and control means 16 controls the average energy density of the laser light with which the substrate 17 is irradiated such that it becomes a predetermined constant value in response to an output of the calculation means 15. With the control, the average energy density of the laser light with which the substrate 17 is irradiated is kept unchanged. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、レーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。   The present invention relates to a laser processing apparatus and a laser processing method.

レーザ光は、コヒーレントな光であり、収束性に優れるので、溶接、切断、表
面処理など種々の加工分野において利用されている。レーザ光を利用する加工分
野の1つに、たとえば基板上に成膜された非晶質シリコン(Si)膜にレーザビ
ームを照射して加熱し、多結晶Si膜を形成するレーザアニーリングがある。こ
のレーザアニーリングは、非晶質Si膜にレーザ光を照射し、Siの加熱溶融と
凝固の過程を通じてSi膜を多結晶Si膜にするものである。
Laser light is coherent light and has excellent convergence, and thus is used in various processing fields such as welding, cutting, and surface treatment. One of the processing fields using laser light is laser annealing in which, for example, an amorphous silicon (Si) film formed on a substrate is irradiated with a laser beam and heated to form a polycrystalline Si film. In this laser annealing, laser light is irradiated to an amorphous Si film, and the Si film is converted into a polycrystalline Si film through the process of heating and melting and solidifying Si.

ガラスや合成石英などからなる基板上に形成されたSi膜は、たとえば液晶パ
ネルの画素部などに使用されている。液晶パネルの画素部は、Si膜の上に作製
された薄膜トランジスタのスイッチングによって画像を表示している。Si膜が
非晶質であると、トランジスタ能動層を構成するにはキャリア移動度が低く、高
速性と高性能とが要求される集積回路への利用が困難なので、前述のレーザアニ
ーリングによってSi膜を多結晶化し、高い移動度の薄膜トランジスタを実現し
ている。
A Si film formed on a substrate made of glass, synthetic quartz or the like is used, for example, in a pixel portion of a liquid crystal panel. The pixel portion of the liquid crystal panel displays an image by switching a thin film transistor formed on the Si film. If the Si film is amorphous, the carrier mobility is low to constitute a transistor active layer, and it is difficult to use it in an integrated circuit that requires high speed and high performance. Is thinned to realize a thin film transistor with high mobility.

従来レーザアニーリングには、基板上に形成された非晶質Si膜の表面にレー
ザビームを照射しながら走査し、非晶質Si膜をレーザビームの照射部位で加熱
溶融し、照射部位の進行に伴って溶融部が順次冷却され、その冷却過程において
一定の幅で溶融したSi膜を凝固させることによって多結晶Si膜を得る方法が
用いられている。この非晶質Si膜の所望の範囲にレーザビームを照射するとい
うレーザアニーリングによって、広範囲にわたり格子欠陥の少ない多結晶Si膜
を作製することができる。
In conventional laser annealing, the surface of an amorphous Si film formed on a substrate is scanned while irradiating a laser beam, and the amorphous Si film is heated and melted at the irradiated portion of the laser beam to progress the irradiated portion. Accompanying this, a method of obtaining a polycrystalline Si film by sequentially cooling the melted portion and solidifying the melted Si film with a certain width in the cooling process is used. A polycrystalline Si film having a small number of lattice defects over a wide range can be produced by laser annealing in which a desired range of the amorphous Si film is irradiated with a laser beam.

レーザアニーリングによって形成される多結晶Si膜の特性は、レーザ光のエ
ネルギの影響を大きく受けることが知られている。したがって、均質な多結晶S
i膜を形成するためには、Si膜の被照射面におけるレーザ光のエネルギ値を所
望の一定値に保持することが必要とされる。レーザ光のエネルギ値を一定に保つ
ために多用されている方法には、レーザ発振器側において、レーザ発振器から出
力されるレーザ光の出力をモニタリングし、検出されたレーザ光出力をフィード
バック制御するAPC(Auto Power Control)が知られている。このAPCによ
ってレーザ発振器から発振されるレーザ光のエネルギ値を一定に保つことができ
るけれども、長時間のレーザ照射を行なうと、照射光学系の効率が経時的に変化
するので、照射光学系の効率変化に起因してSi膜の被照射面におけるレーザ光
のエネルギ値が経時的に変化するという問題がある。
It is known that the characteristics of a polycrystalline Si film formed by laser annealing are greatly affected by the energy of laser light. Therefore, homogeneous polycrystalline S
In order to form the i film, it is necessary to maintain the energy value of the laser beam on the irradiated surface of the Si film at a desired constant value. As a method often used for keeping the energy value of the laser beam constant, an APC (monitoring the laser beam output from the laser oscillator on the laser oscillator side and feedback-controlling the detected laser beam output is performed. Auto Power Control) is known. Although the energy value of the laser light oscillated from the laser oscillator can be kept constant by this APC, the efficiency of the irradiation optical system changes with time when the laser irradiation is performed for a long time. There is a problem that the energy value of the laser beam on the irradiated surface of the Si film changes with time due to the change.

このような問題を解決する従来技術に、レーザ光の照射位置に対応する計測位
置におけるレーザ光のエネルギを検出するエネルギ検出手段と、エネルギ検出手
段の出力に基づいて照射光学系を出射するレーザ光のエネルギを調節する制御手
段とを備え、必要なタイミングで計測位置におけるレーザ光のエネルギを検出し
、照射光学系を出射するレーザ光のエネルギを随時調整することによって、被加
工体に照射されるレーザ光のエネルギを簡易かつ精密に制御するというもの(特
許文献1参照)、また被照射膜の形成された基板と基板を搭載するステージとを
透光可能に構成し、基板とステージとを通過したレーザビームをレーザビーム検
出手段によって検出することによって被照射膜上での照射レーザビームのプロフ
ァイルを測定し、測定されるプロファイルに基づいてレーザ照射手段からのレー
ザ出力を制御して、被照射膜上の照射レーザビームの強度分布を均一化するとい
うもの(特許文献2参照)がある。
特開2001−351876号公報 特開2002−176008号公報
Conventional techniques for solving such problems include energy detection means for detecting the energy of laser light at a measurement position corresponding to the irradiation position of the laser light, and laser light emitted from the irradiation optical system based on the output of the energy detection means. And a control means for adjusting the energy of the laser beam. The energy of the laser beam at the measurement position is detected at a necessary timing, and the energy of the laser beam emitted from the irradiation optical system is adjusted as needed to irradiate the workpiece. The laser light energy is simply and precisely controlled (see Patent Document 1), and the substrate on which the irradiated film is formed and the stage on which the substrate is mounted are configured to transmit light, and pass through the substrate and the stage. The profile of the irradiated laser beam on the irradiated film is measured by detecting the laser beam detected by the laser beam detection means, and the measurement And controls the laser output from the laser irradiation means based on the profile, there is that equalizes the intensity distribution of the irradiated laser beam on the irradiated film (see Patent Document 2).
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-351876 JP 2002-176008 A

しかしながら、長時間のレーザ照射を行なった場合にレーザ光のエネルギ変化
を来す要因には、レーザ発振器内のガスの劣化に伴う出力低下や照射光学系の効
率変化に伴う被照射面におけるレーザ光エネルギの経時変化以外に、レーザ発振
器から発振出力されるレーザ光の拡がり角度が変化することに伴う照射光学系の
効率変動やレーザ光のプロファイル変化がある。
However, the cause of the laser beam energy change when laser irradiation is performed for a long period of time is that the laser beam on the surface to be irradiated accompanying the decrease in output due to gas deterioration in the laser oscillator and the change in efficiency of the irradiation optical system. In addition to the change in energy over time, there are fluctuations in the efficiency of the irradiation optical system and changes in the profile of the laser beam as the spread angle of the laser beam emitted from the laser oscillator changes.

単なる照射光学系の効率変化に起因するレーザ光のエネルギ変化に対しては、
前述の従来技術に開示されるようなレーザ光の照射位置に対応する計測位置にお
けるレーザ光のエネルギ検出、または基板とステージとを通過したレーザビーム
のプロファイル測定結果に応じてアッテネータを調節することによって、被照射
面におけるレーザ光のトータルエネルギを一定に保持することができる。
For the energy change of the laser beam caused simply by the efficiency change of the irradiation optical system,
By detecting the energy of the laser beam at the measurement position corresponding to the irradiation position of the laser beam as disclosed in the above-mentioned prior art, or by adjusting the attenuator according to the profile measurement result of the laser beam that has passed through the substrate and the stage The total energy of the laser beam on the irradiated surface can be kept constant.

しかしながら、レーザ光の拡がり角度変化に伴ってプロファイルが変化すると
、レーザ光の照射面積が変化するので、トータルエネルギ量が変化しない場合で
あっても、トータルエネルギを照射面積で除した単位面積あたりの平均照射エネ
ルギ(平均エネルギ密度)が変化するという現象が発生し、このような現象に対
しては従来技術では解決することができないという問題がある。
However, if the profile changes as the laser beam spread angle changes, the laser light irradiation area changes, so even if the total energy amount does not change, the total energy per unit area divided by the irradiation area A phenomenon that the average irradiation energy (average energy density) changes occurs, and there is a problem that such a phenomenon cannot be solved by the prior art.

図4および図5は、レーザ光の拡がり角度が異なる場合のプロファイルを示す
図である。図4では、レーザ光の拡がり角度が小さい場合におけるビームの半径
方向のエネルギ密度分布をライン1にて表し、破線のライン2にて画される領域
面積が、レーザビームのトータルエネルギ量を表し、ライン2の縦軸読取値が平
均エネルギ密度を表す。本明細書では、レーザビームの半径方向のエネルギ密度
分布をプロファイルと呼ぶ。図5では、レーザ光の拡がり角度が大きい場合にお
けるビームの半径方向のエネルギ密度分布(プロファイル)をライン3にて表し
、破線のライン4にて画される領域面積が、レーザビームのトータルエネルギ量
を表し、ライン4の縦軸読取値が平均エネルギ密度を表す。なお図4と図5とは
、レーザビームのプロファイルが異なるけれども、プロファイルで示されるエネ
ルギ密度を積分して得られるトータルエネルギ、すなわちライン2で画される領
域面積とライン4で画される領域面積とが等しい場合について例示する。
4 and 5 are diagrams showing profiles when the spread angles of the laser beams are different. In FIG. 4, the energy density distribution in the radial direction of the beam when the laser beam spread angle is small is represented by line 1, and the area of the area defined by the broken line 2 represents the total energy amount of the laser beam. The vertical axis reading on line 2 represents the average energy density. In this specification, the energy density distribution in the radial direction of the laser beam is referred to as a profile. In FIG. 5, the energy density distribution (profile) in the radial direction of the beam when the spread angle of the laser beam is large is represented by a line 3, and the area area defined by the broken line 4 represents the total energy amount of the laser beam. The vertical axis reading on line 4 represents the average energy density. Although FIG. 4 and FIG. 5 are different in the laser beam profile, the total energy obtained by integrating the energy density indicated by the profile, that is, the area area defined by line 2 and the area area defined by line 4 are the same. A case where and are equal is illustrated.

レーザ光の拡がり角度が大きくなると、プロファイルがビームの半径方向に拡
がるので、トータルエネルギ量が等しい場合であっても、図4のライン2の縦軸
読取値と図5のライン4の縦軸読取値とが異なることから明らかなように、平均
エネルギ密度が変化する。すなわち、レーザ光のトータルエネルギ量が一定にな
るように制御するだけでは、プロファイル変化に伴う平均エネルギ密度の変化を
補正することができない。
When the spread angle of the laser beam increases, the profile spreads in the radial direction of the beam. Therefore, even if the total energy amount is equal, the vertical axis reading of line 2 in FIG. 4 and the vertical axis reading of line 4 in FIG. As is apparent from the different values, the average energy density changes. That is, it is not possible to correct the change in the average energy density due to the profile change only by controlling the total energy amount of the laser light to be constant.

また光ビームの拡がり角度が大きくなり照射面積が大きくなったプロファイル
を、レーザ加工するべく予め設定した所望の設定プロファイル(リファレンスプ
ロファイル)に戻すことは、従来技術に開示されるようなアッテネータの制御だ
けでは不可能であり、ホモジナイザ等のレーザビーム形状成形ユニット等による
精密調整を行わなければならないけれども、これを全自動で行なうことは非常に
困難である。
In addition, the attenuator control as disclosed in the prior art is to return the profile in which the light beam divergence angle is increased and the irradiation area is increased to a desired setting profile (reference profile) set in advance for laser processing. However, it is impossible, and precise adjustment by a laser beam shape forming unit such as a homogenizer has to be performed. However, it is very difficult to perform this fully automatically.

本発明者らは、レーザ光の照射位置に対応する計測位置におけるレーザ光のエ
ネルギを検出し、その検出出力をフィードバックしてアッテネータの動作制御を
行なうというトータルエネルギに基づくアッテネータ制御のみによって、ビーム
サイズおよびエネルギ密度を調整するべく試み、その経時変化を調査した。図6
は、ビームサイズおよびエネルギ密度の経時変化を示す図である。図6中で、ラ
イン5は、ビームサイズの経時変化を表し、ライン6は、平均エネルギ密度の経
時変化を表し、ライン7は、レーザアニール後におけるSi膜の結晶状態評価の
指標に用いられる光学輝度の経時変化を表す。図6から明らかなように、レーザ
光のトータルエネルギに基づくアッテネータ制御のみでは、平均エネルギ密度を
一定値に保持することは困難であることが判った。
The present inventors detect the energy of the laser beam at the measurement position corresponding to the irradiation position of the laser beam, and feed back the detection output to control the operation of the attenuator. Attempts were made to adjust the energy density and the change with time was investigated. FIG.
These are figures which show a time-dependent change of beam size and energy density. In FIG. 6, a line 5 represents a change with time of the beam size, a line 6 represents a change with time of the average energy density, and a line 7 is an optical used as an index for evaluating the crystal state of the Si film after laser annealing. This represents the change in luminance over time. As apparent from FIG. 6, it has been found that it is difficult to maintain the average energy density at a constant value only by the attenuator control based on the total energy of the laser beam.

前述のようにレーザアニーリングにおけるSi膜の結晶化状態すなわち結晶の
トランジスタ特性は、レーザ光のエネルギ密度に大きく依存するので、従来技術
に開示されるような制御ではレーザアニーリング後のSi膜の結晶状態が不均一
になり、トランジスタ特性のばらつきが増大し、高速性および高性能が要求され
る集積回路に適用することが難しいという問題がある。
As described above, the crystallized state of the Si film in laser annealing, that is, the transistor characteristics of the crystal greatly depends on the energy density of the laser beam. Therefore, in the control disclosed in the prior art, the crystal state of the Si film after laser annealing is used. Becomes non-uniform, increases in transistor characteristic variation, and is difficult to apply to an integrated circuit that requires high speed and high performance.

本発明の目的は、レーザ光のプロファイルが変化する場合においても、被加工
体に照射されるレーザ光の平均エネルギ密度を一定に保持することができるレー
ザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することである。
An object of the present invention is to provide a laser processing apparatus and a laser processing method capable of maintaining a constant average energy density of laser light applied to a workpiece even when the profile of the laser light changes. is there.

本発明は、被加工体にレーザ光を照射することによって加工を施すレーザ加工
装置であって、
レーザ光を出射する光源と、
光源から出射されるレーザ光を被加工体の照射位置に照射する照射光学系と、
被加工体に照射されるレーザ光のエネルギを検出するエネルギ検出手段と、
被加工体に照射されるレーザ光のプロファイルを検出するプロファイル検出手
段と、
エネルギ検出手段およびプロファイル検出手段の検出出力に基づいて被加工体
に照射されるレーザ光の平均エネルギ密度を演算する演算手段と、
演算手段の出力に応答し、被加工体に照射されるレーザ光の平均エネルギ密度
が予め定める一定の値になるように制御する制御手段とを含むことを特徴とする
レーザ加工装置である。
The present invention is a laser processing apparatus that performs processing by irradiating a workpiece with laser light,
A light source that emits laser light;
An irradiation optical system for irradiating the irradiation position of the workpiece with laser light emitted from a light source;
Energy detecting means for detecting the energy of the laser beam irradiated to the workpiece;
Profile detection means for detecting the profile of the laser light irradiated to the workpiece;
A computing means for computing an average energy density of the laser light irradiated to the workpiece based on detection outputs of the energy detecting means and the profile detecting means;
And a control means for controlling the average energy density of the laser light applied to the workpiece to be a predetermined value in response to the output of the computing means.

本発明に従えば、レーザ加工装置は、光源から出射され照射光学系を経て被加
工体に照射されるレーザ光のエネルギを検出するエネルギ検出手段と、プロファ
イルを検出するプロファイル検出手段と、エネルギ検出手段およびプロファイル
検出手段の検出出力に基づいて被加工体に照射されるレーザ光の平均エネルギ密
度を演算する演算手段と、演算手段の出力に応答して被加工体に照射されるレー
ザ光の平均エネルギ密度が予め定める一定の値になるように制御する制御手段と
を備える。このように構成されるレーザ加工装置は、所望のタイミングで計測位
置におけるレーザ光の平均エネルギ密度を求め、求めた平均エネルギ密度と、被
加工体のレーザ加工に適するように予め定められた設定エネルギ密度との偏差を
零(0)にするようなフィードバック制御を行なうことによって、照射光学系を
出射し被加工体に照射されるレーザ光の平均エネルギ密度が一定になるように随
時調整することができる。したがって、被加工体に照射されるレーザ光の平均エ
ネルギ密度を簡易かつ精密に制御し、また照射面におけるレーザ光のエネルギ安
定性を高い精度で維持することが可能になる。
According to the present invention, a laser processing apparatus includes: an energy detection unit that detects energy of laser light that is emitted from a light source and is irradiated on a workpiece through an irradiation optical system; a profile detection unit that detects a profile; Means for calculating the average energy density of the laser beam irradiated to the workpiece based on the detection output of the means and the profile detection means, and the average of the laser beam irradiated to the workpiece in response to the output of the calculator Control means for controlling the energy density to be a predetermined value. The laser processing apparatus configured as described above calculates the average energy density of the laser beam at the measurement position at a desired timing, and sets the predetermined average energy density so as to be suitable for laser processing of the workpiece. By performing feedback control so that the deviation from the density becomes zero (0), the average energy density of the laser beam emitted from the irradiation optical system and irradiated onto the workpiece can be adjusted as needed. it can. Therefore, it is possible to easily and precisely control the average energy density of the laser light applied to the workpiece, and to maintain the energy stability of the laser light on the irradiated surface with high accuracy.

また本発明は、前記被加工体は、基板上に形成されるシリコン膜であり、
前記制御手段によって平均エネルギ密度が一定になるように制御されるレーザ
光を前記シリコン膜に照射することによって施される加工は、レーザアニール加
工であることを特徴とする。
In the present invention, the workpiece is a silicon film formed on a substrate.
The processing performed by irradiating the silicon film with laser light controlled so that the average energy density becomes constant by the control means is laser annealing processing.

本発明に従えば、被加工体は、基板上に形成されるシリコン膜であり、制御手
段によって平均エネルギ密度が一定になるように制御されるレーザ光をシリコン
膜に照射することによって施される加工は、レーザアニール加工である。したが
って、レーザ加工装置はレーザアニール装置である。このレーザアニール装置に
よれば、被加工体である基板上に形成される非晶質Si膜に対して、平均エネル
ギ密度が一定の値になるように精密に制御され、また照射面におけるエネルギ安
定性が高い精度で維持されるレーザ光を照射することによって、非晶質Si膜を
レーザアニール加工することができるので、結晶状態の均一な多結晶Si膜を形
成することが可能になる。このことによって、高速性および高性能の要求される
集積回路に好適に用いることのできる多結晶Si膜の提供が実現される。
According to the present invention, the workpiece is a silicon film formed on the substrate, and is applied by irradiating the silicon film with laser light that is controlled by the control means so that the average energy density is constant. Processing is laser annealing processing. Therefore, the laser processing apparatus is a laser annealing apparatus. According to this laser annealing apparatus, the average energy density is precisely controlled with respect to the amorphous Si film formed on the substrate, which is a workpiece, and the energy on the irradiated surface is stable. Since the amorphous Si film can be laser-annealed by irradiating the laser beam maintained with high accuracy, it is possible to form a polycrystalline Si film having a uniform crystal state. Thus, it is possible to provide a polycrystalline Si film that can be suitably used for an integrated circuit that requires high speed and high performance.

また本発明は、光源から出射されるレーザ光を被加工体に照射することによっ
て加工を施すレーザ加工方法であって、
被加工体に照射されるレーザ光のエネルギを検出する工程と、
被加工体に照射されるレーザ光のプロファイルを検出する工程と、
検出されたレーザ光のエネルギとプロファイルとに基づいて被加工体に照射さ
れるレーザ光の平均エネルギ密度を演算する工程と、
平均エネルギ密度の演算結果に基づいて被加工体に照射されるレーザ光の平均
エネルギ密度が予め定める一定の値になるように制御する工程と、
平均エネルギ密度が予め定める一定の値になるように制御されたレーザ光を、
被加工体に照射することによって加工する工程とを含むことを特徴とするレーザ
加工方法である。
Further, the present invention is a laser processing method for performing processing by irradiating a workpiece with laser light emitted from a light source,
Detecting the energy of laser light applied to the workpiece;
Detecting the profile of the laser beam irradiated to the workpiece;
A step of calculating an average energy density of the laser beam irradiated to the workpiece based on the detected energy and profile of the laser beam;
A step of controlling the average energy density of the laser light irradiated to the workpiece based on the calculation result of the average energy density to be a predetermined constant value;
A laser beam controlled so that the average energy density becomes a predetermined value,
And a process for processing by irradiating the workpiece.

本発明に従えば、所望のタイミングで計測位置におけるレーザ光の平均エネル
ギ密度を求め、求めた平均エネルギ密度に基づいて、被加工体に照射されるレー
ザ光の平均エネルギ密度が一定になるように簡易かつ精密に制御し、また照射面
におけるレーザ光のエネルギ安定性を高い精度で維持することのできるレーザ加
工方法が提供される。
According to the present invention, the average energy density of the laser beam at the measurement position is obtained at a desired timing, and based on the obtained average energy density, the average energy density of the laser beam irradiated onto the workpiece is made constant. Provided is a laser processing method that can be controlled easily and precisely and can maintain the energy stability of laser light on an irradiated surface with high accuracy.

本発明によれば、レーザ加工装置は、光源から出射され照射光学系を経て被加
工体に照射されるレーザ光のエネルギを検出するエネルギ検出手段と、プロファ
イルを検出するプロファイル検出手段と、エネルギ検出手段およびプロファイル
検出手段の検出出力に基づいて被加工体に照射されるレーザ光の平均エネルギ密
度を演算する演算手段と、演算手段の出力に応答して被加工体に照射されるレー
ザ光の平均エネルギ密度が予め定める一定の値になるように制御する制御手段と
を備える。このように構成されるレーザ加工装置は、所望のタイミングで計測位
置におけるレーザ光の平均エネルギ密度を求め、求めた平均エネルギ密度と、被
加工体のレーザ加工に適するように予め定められた設定エネルギ密度との偏差を
0にするようなフィードバック制御を行なうことによって、照射光学系を出射し
被加工体に照射されるレーザ光の平均エネルギ密度が一定になるように随時調整
することができる。したがって、被加工体に照射されるレーザ光の平均エネルギ
密度を簡易かつ精密に制御し、また照射面におけるレーザ光のエネルギ安定性を
高い精度で維持することが可能になる。
According to the present invention, a laser processing apparatus includes an energy detection unit that detects energy of laser light emitted from a light source and irradiated onto a workpiece through an irradiation optical system, a profile detection unit that detects a profile, and an energy detection unit. Means for calculating the average energy density of the laser beam irradiated to the workpiece based on the detection output of the means and the profile detection means, and the average of the laser beam irradiated to the workpiece in response to the output of the calculator Control means for controlling the energy density to be a predetermined value. The laser processing apparatus configured as described above calculates the average energy density of the laser beam at the measurement position at a desired timing, and sets the predetermined average energy density so as to be suitable for laser processing of the workpiece. By performing feedback control such that the deviation from the density is zero, the average energy density of the laser light emitted from the irradiation optical system and irradiated onto the workpiece can be adjusted as needed. Therefore, it is possible to easily and precisely control the average energy density of the laser light applied to the workpiece, and to maintain the energy stability of the laser light on the irradiated surface with high accuracy.

また本発明によれば、被加工体は、基板上に形成されるシリコン膜であり、制
御手段によって平均エネルギ密度が一定になるように制御されるレーザ光をシリ
コン膜に照射することによって施される加工は、レーザアニール加工である。し
たがって、レーザ加工装置はレーザアニール装置である。このレーザアニール装
置によれば、被加工体である基板上に形成される非晶質Si膜に対して、平均エ
ネルギ密度が一定の値になるように精密に制御され、また照射面におけるエネル
ギ安定性が高い精度で維持されるレーザ光を照射することによって、非晶質Si
膜をレーザアニール加工することができるので、結晶状態の均一な多結晶Si膜
を形成することが可能になる。このことによって、高速性および高性能の要求さ
れる集積回路に好適に用いることのできる多結晶Si膜の提供が実現される。
According to the invention, the workpiece is a silicon film formed on the substrate, and is applied by irradiating the silicon film with a laser beam controlled by the control means so that the average energy density is constant. The processing to be performed is laser annealing processing. Therefore, the laser processing apparatus is a laser annealing apparatus. According to this laser annealing apparatus, the average energy density is precisely controlled with respect to the amorphous Si film formed on the substrate, which is a workpiece, and the energy on the irradiated surface is stable. By irradiating laser light that is maintained with high accuracy, amorphous Si
Since the film can be laser-annealed, a polycrystalline Si film having a uniform crystal state can be formed. Thus, it is possible to provide a polycrystalline Si film that can be suitably used for an integrated circuit that requires high speed and high performance.

また本発明によれば、所望のタイミングで計測位置におけるレーザ光の平均エ
ネルギ密度を求め、求めた平均エネルギ密度に基づいて、被加工体に照射される
レーザ光の平均エネルギ密度が一定になるように簡易かつ精密に制御し、また照
射面におけるレーザ光のエネルギ安定性を高い精度で維持することのできるレー
ザ加工方法が提供される。
Further, according to the present invention, the average energy density of the laser beam at the measurement position is obtained at a desired timing, and the average energy density of the laser beam irradiated to the workpiece is made constant based on the obtained average energy density. Thus, there is provided a laser processing method that can be controlled easily and precisely and can maintain the energy stability of the laser beam on the irradiated surface with high accuracy.

図1は、本発明の実施の一形態であるレーザ加工装置10の構成を簡略化して
示すブロック図である。本実施の形態では、レーザ加工装置10として、基板上
に形成された非晶質Si膜にレーザ光を照射してレーザアニール加工を施し、多
結晶Si膜を形成するレーザアニール装置10を例示する。
FIG. 1 is a block diagram showing a simplified configuration of a laser processing apparatus 10 according to an embodiment of the present invention. In the present embodiment, the laser processing apparatus 10 exemplifies a laser annealing apparatus 10 that forms a polycrystalline Si film by irradiating an amorphous Si film formed on a substrate with laser light to perform laser annealing. .

レーザアニール装置10は、大略、レーザ発振器ユニット11と、照射光学系
ユニット12と、レーザ発振器ユニット11から出射されるレーザ光のエネルギ
を検出するエネルギ検出手段13と、レーザ光のプロファイルを検出するプロフ
ァイル検出手段14と、エネルギ検出手段13およびプロファイル検出手段14
の検出出力に基づいてレーザ光の平均エネルギ密度を演算する演算手段15と、
演算手段15の出力に応答し、レーザ光の平均エネルギ密度が予め定める一定の
値になるように制御する制御手段16と、レーザ光によってアニール加工の施さ
れる被加工体17をその内部空間に収容するプロセスチャンバ18とを含む。
The laser annealing apparatus 10 generally includes a laser oscillator unit 11, an irradiation optical system unit 12, energy detection means 13 that detects the energy of laser light emitted from the laser oscillator unit 11, and a profile that detects the profile of the laser light. Detection means 14, energy detection means 13, and profile detection means 14
Calculating means 15 for calculating the average energy density of the laser beam based on the detected output of
In response to the output of the calculation means 15, a control means 16 for controlling the average energy density of the laser beam to a predetermined value and a workpiece 17 to be annealed by the laser light in its internal space. And a process chamber 18 for receiving.

レーザ発振器ユニット11は、レーザ光を出射する光源であるレーザ発振器2
1と、レーザ発振器21から出射されるレーザ光の一部を分離するビームスプリ
ッタ22と、ビームスプリッタ22によって分離されるレーザ光が入射され、レ
ーザ光の強度に応じた電気信号を出力するパワーメータ23とを含んで構成され
る。
The laser oscillator unit 11 is a laser oscillator 2 that is a light source that emits laser light.
1, a beam splitter 22 that separates part of the laser light emitted from the laser oscillator 21, and a power meter that receives the laser light separated by the beam splitter 22 and outputs an electrical signal corresponding to the intensity of the laser light 23.

本実施の形態では、レーザ発振器21に、気体レーザであるエキシマレーザが
用いられる。なおレーザ発振器は、エキシマレーザに限定されるものではなく、
たとえば他の気体レーザである炭酸ガスレーザや固体レーザであるNd−YAG
レーザなどが用いられてもよい。ビームスプリッタ22には、たとえばプリズム
などを用いることができる。なおレーザ発振器21には、図示を省略するAPC
が備えられ、パワーメータ23によって検出されてフィードバックされるレーザ
光の強度に応じ、レーザ発振器21から発振するレーザ光の出力強度が一定にな
るように発振器側において制御される。
In the present embodiment, an excimer laser that is a gas laser is used for the laser oscillator 21. The laser oscillator is not limited to the excimer laser,
For example, other gas lasers such as carbon dioxide laser and solid state lasers such as Nd-YAG
A laser or the like may be used. As the beam splitter 22, for example, a prism or the like can be used. The laser oscillator 21 has an APC (not shown).
And is controlled on the oscillator side so that the output intensity of the laser light oscillated from the laser oscillator 21 is constant according to the intensity of the laser light detected and fed back by the power meter 23.

レーザ発振器21から出射されるレーザ光を被加工体17の照射位置に照射す
るべく設けられる照射光学系ユニット12は、バリアブルアッテネータ24と、
バリアブルアッテネータ24の動作を制御するアッテネータ制御部25と、ビー
ム整形レンズ26とを含んで構成される。
The irradiation optical system unit 12 provided to irradiate the irradiation position of the workpiece 17 with the laser beam emitted from the laser oscillator 21 includes a variable attenuator 24,
An attenuator control unit 25 that controls the operation of the variable attenuator 24 and a beam shaping lens 26 are configured.

バリアブルアッテネータ24は、光の透過率を可変に調整できる光学部材であ
る。バリアブルアッテネータ24には、レーザ発振器21からのレーザ光が入射
され、バリアブルアッテネータ24を透過することによって透過率が調整された
レーザ光がビーム整形レンズ26に向けて出射される。アッテネータ制御部25
は、処理回路であり、演算手段15によって求められた被加工体17に照射され
ているレーザ光の平均エネルギ密度と、アッテネータ制御部25に備わるメモリ
にストアされている予め定める設定エネルギ密度との偏差が0になるようにバリ
アブルアッテネータ24の動作をフィードバック制御し、バリアブルアッテネー
タ24を透過後のレーザ光の平均エネルギ密度が一定になるように調整する。し
たがって、バリアブルアッテネータ24とアッテネータ制御部25とは、前述の
制御手段16を構成する。ビーム整形レンズ26は、バリアブルアッテネータ2
4を透過した後に入射するレーザ光のビームを線状に整形して被加工体17の照
射位置に照射する。
The variable attenuator 24 is an optical member that can variably adjust the light transmittance. The laser light from the laser oscillator 21 is incident on the variable attenuator 24, and the laser light whose transmittance is adjusted by passing through the variable attenuator 24 is emitted toward the beam shaping lens 26. Attenuator control unit 25
Is a processing circuit, and the average energy density of the laser light irradiated to the workpiece 17 obtained by the computing means 15 and a predetermined set energy density stored in a memory provided in the attenuator control unit 25. The operation of the variable attenuator 24 is feedback-controlled so that the deviation becomes zero, and the average energy density of the laser light after passing through the variable attenuator 24 is adjusted to be constant. Therefore, the variable attenuator 24 and the attenuator control unit 25 constitute the control means 16 described above. The beam shaping lens 26 is a variable attenuator 2.
A beam of laser light incident after passing through 4 is shaped into a linear shape and irradiated to the irradiation position of the workpiece 17.

ビーム整形レンズ26によってビームが線状に整形されたレーザ光は、その一
部がもう一つのビームスプリッタ27によって分離される。もう一つのビームス
プリッタ27によって分離されたレーザ光が、前述のエネルギ検出手段13とプ
ロファイル検出手段14とにそれぞれ入射する。
A part of the laser light whose beam is shaped into a linear shape by the beam shaping lens 26 is separated by another beam splitter 27. The laser beams separated by the other beam splitter 27 are incident on the energy detection means 13 and the profile detection means 14, respectively.

エネルギ検出手段13は、本実施の形態ではジュールメータである。ジュール
メータ13は、ジュールメータ13に入射する光のトータルエネルギ量を検出す
る。プロファイル検出手段14は、本実施の形態ではプロファイルメータである
。プロファイルメータ14は、プロファイルメータ14に入射する光の照射面に
おけるエネルギ密度の分布を検出する。プロファイルメータ14の被照射面が、
プロファイルメータ14に入射するレーザ光の光軸に垂直な断面に一致するよう
に設定することによって、プロファイルメータ14の検出するエネルギ密度分布
は、前述のビームの半径方向におけるエネルギ密度分布であるプロファイルに等
しくなる。
The energy detection means 13 is a joule meter in the present embodiment. The joule meter 13 detects the total energy amount of light incident on the joule meter 13. The profile detection means 14 is a profile meter in the present embodiment. The profile meter 14 detects the energy density distribution on the irradiation surface of the light incident on the profile meter 14. The irradiated surface of the profile meter 14 is
By setting so as to coincide with a cross section perpendicular to the optical axis of the laser light incident on the profile meter 14, the energy density distribution detected by the profile meter 14 is changed to a profile which is the energy density distribution in the radial direction of the beam. Will be equal.

演算手段15は、演算回路であり、ジュールメータ13およびプロファイルメ
ータ14の検出出力に基づいて、ビーム整形レンズ26によって線状に整形され
て被加工体17に照射されるレーザ光の平均エネルギ密度を演算し、演算結果で
ある平均エネルギ密度を前述の制御手段16に与える。
The arithmetic means 15 is an arithmetic circuit, and calculates the average energy density of the laser light irradiated into the workpiece 17 after being linearly shaped by the beam shaping lens 26 based on the detection outputs of the joule meter 13 and the profile meter 14. The average energy density as the calculation result is given to the control means 16 described above.

プロセスチャンバ18は、被加工体17をその内部空間に収容することのでき
る加工容器であり、たとえばステンレス鋼などによって形成される。プロセスチ
ャンバ18には、図示を省くけれども、真空ポンプやガスの供給装置が付帯装置
として設けられ、その内部空間を真空雰囲気や所望のガスを封入した雰囲気にす
ることが可能に構成される。
The process chamber 18 is a processing container that can accommodate the workpiece 17 in its internal space, and is formed of, for example, stainless steel. Although not shown, the process chamber 18 is provided with a vacuum pump and a gas supply device as an auxiliary device, and is configured so that the internal space can be made into a vacuum atmosphere or an atmosphere filled with a desired gas.

本実施の形態では、被加工体17は、ガラス上に非晶質Si膜の形成された基
板である。基板17は、プロセスチャンバ18内に設けられる少なくとも2軸方
向に移動可能なステージ28上に載置され、ステージ28を移動させることによ
って、非晶質Si膜に照射されるレーザ光を所望の方向に走査することができる
ように構成される。
In the present embodiment, the workpiece 17 is a substrate on which an amorphous Si film is formed on glass. The substrate 17 is placed on a stage 28 provided in the process chamber 18 and movable in at least two axial directions. By moving the stage 28, the laser light applied to the amorphous Si film is irradiated in a desired direction. It is configured to be able to scan.

以下にジュールメータ13およびプロファイルメータ14の検出出力に基づく
、演算手段15による平均エネルギ密度の演算について説明する。
Hereinafter, calculation of the average energy density by the calculation means 15 based on the detection outputs of the joule meter 13 and the profile meter 14 will be described.

レーザ発振器21から出力されるレーザ光のレーザパワーをPとする。プロフ
ァイルメータ14によって検出されるレーザ光のビーム半径をwxとし、ビーム
のエネルギ密度分布がガウス分布に従うガウシアンビームであるとき、ビームの
半径方向の位置xにおいてプロファイルメータ14によって検出される単位時間
当りのエネルギ密度I(x)は、式(1)で与えられる。
Let P be the laser power of the laser light output from the laser oscillator 21. When the beam radius of the laser light detected by the profile meter 14 is wx and the energy density distribution of the beam is a Gaussian beam following a Gaussian distribution, the unit per unit time detected by the profile meter 14 at the radial position x of the beam. The energy density I (x) is given by equation (1).

Figure 2005116729
Figure 2005116729

プロファイルメータ14によって検出されるビームのエネルギ密度I(x)を
用いて演算手段15によって演算される単位時間当りの平均エネルギ密度Emは
、式(2)のように求められる。
The average energy density Em per unit time calculated by the calculation means 15 using the energy density I (x) of the beam detected by the profile meter 14 is obtained as shown in Equation (2).

Figure 2005116729
Figure 2005116729

式(2)より、レーザパワーPとビーム半径wxとの比(P/wx)を一定に
保つことによって、単位時間当りの平均エネルギ密度Emが一定になることが判
る。次に、レーザ光のビームが、時間Δt照射された場合の累積平均エネルギ密
度Em・Δtは、式(2)にさらに時間Δtを乗算する式(3)によって求めら
れる。
From equation (2), it can be seen that the average energy density Em per unit time becomes constant by keeping the ratio (P / wx) between the laser power P and the beam radius wx constant. Next, the cumulative average energy density Em · Δt when the laser beam is irradiated for the time Δt is obtained by the equation (3) obtained by multiplying the equation (2) by the time Δt.

Figure 2005116729
Figure 2005116729

ジュールメータ13では、レーザ光が時間Δt照射されたトータルエネルギE
tが検出され、トータルエネルギEtは、レーザパワーPで時間Δt照射された
エネルギ量に等しいので、Et=P・Δtが成立つ。したがって、レーザアニー
ル装置10においては、累積平均エネルギ密度Em・Δtは、ジュールメータ1
3によって検出したトータルエネルギEtの絶対値を、前記式(3)に示すよう
に、プロファイルメータ14によって検出したビーム半径wxを用いて除算する
ことによって求められる。
In the joule meter 13, the total energy E irradiated with the laser light for the time Δt.
Since t is detected and the total energy Et is equal to the amount of energy irradiated with the laser power P for the time Δt, Et = P · Δt is established. Therefore, in the laser annealing apparatus 10, the cumulative average energy density Em · Δt is equal to the joule meter 1.
3 is obtained by dividing the absolute value of the total energy Et detected by 3 by using the beam radius wx detected by the profile meter 14 as shown in the equation (3).

前述のようにEt=P・Δtであるので、式(3)から累積平均エネルギ密度
Em・Δtを、0.47725(Et/wx)と置換えることができる。さらに
ジュールメータ13およびプロファイルメータ14に照射されるレーザビームは
、照射光学系ユニット12のバリアブルアッテネータ24を透過後の光なので、
バリアブルアッテネータ24の透過率をrとするとき、その累積平均エネルギ密
度Em・Δtは、透過率rを乗算した0.47725・(Et/wx)・rで与
えられる。したがって、下記式(4)に示す変数によって構成される項が、一定
値になるように透過率rを制御することによって、平均エネルギ密度Emを、た
とえば予め定められるレーザアニールに好適な設定エネルギ密度Esに等しくな
るように制御することができる。
Since Et = P · Δt as described above, the cumulative average energy density Em · Δt can be replaced with 0.47725 (Et / wx) from Equation (3). Further, since the laser beam irradiated to the joule meter 13 and the profile meter 14 is light after passing through the variable attenuator 24 of the irradiation optical system unit 12,
When the transmittance of the variable attenuator 24 is r, the cumulative average energy density Em · Δt is given by 0.47725 · (Et / wx) · r multiplied by the transmittance r. Therefore, the average energy density Em is set to a predetermined energy density suitable for laser annealing, for example, by controlling the transmittance r so that the term constituted by the variable shown in the following formula (4) becomes a constant value. It can be controlled to be equal to Es.

Figure 2005116729
Figure 2005116729

本実施の形態では、基板17に照射されるレーザ光の平均エネルギ密度Emを
一定にする制御を、基板17に照射されるレーザ光そのものではなく、前記レー
ザ光の一部をビームスプリッタ27によって分離したレーザ光に基づいて行なっ
ている。しかしながら、照射光学系ユニット12を出射したレーザ光から、ジュ
ールメータ13およびプロファイルメータ14でモニタリングするためのレーザ
光を分離する分離比率が一定のビームスプリッタ27を用いることによって、分
離された一部のレーザ光に基づく制御値を、分離比率に基づく係数で補正して基
板17に照射されるレーザ光の制御値とすることができる。
In the present embodiment, the control for making the average energy density Em of the laser beam irradiated to the substrate 17 constant is performed by separating a part of the laser beam by the beam splitter 27 instead of the laser beam itself irradiated to the substrate 17. This is based on the laser beam. However, by using the beam splitter 27 having a constant separation ratio for separating the laser light for monitoring by the joule meter 13 and the profile meter 14 from the laser light emitted from the irradiation optical system unit 12, a part of the separated light is obtained. The control value based on the laser light can be corrected with a coefficient based on the separation ratio to be a control value for the laser light irradiated onto the substrate 17.

以下に本発明の実施の態様であるレーザアニール方法を簡単に述べる。
レーザ発振器21からレーザ光が発振出力される。この発振出力されるレーザ
光は、ビームスプリッタ22で一部が分離されてパワーメータ23へ照射される
。パワーメータ23で検出されたレーザ光の出力強度がレーザ発振器21のAP
Cにフィードバックされて、レーザ光の出力が発振器側で安定化制御される。
The laser annealing method that is an embodiment of the present invention will be briefly described below.
Laser light is oscillated and output from the laser oscillator 21. A part of the laser beam that is oscillated and output is separated by the beam splitter 22 and irradiated to the power meter 23. The output intensity of the laser beam detected by the power meter 23 is the AP of the laser oscillator 21.
Feedback of C is performed, and the output of the laser beam is controlled to be stabilized on the oscillator side.

レーザ発振器21から出射されたレーザ光は、透過率rを可変に設定できるバ
リアブルアッテネータ24を透過し、ビーム整形レンズ26に入射する。ビーム
整形レンズ26は、レーザ光のビーム形状をアニール加工に適した線状に形成す
る。ビーム整形レンズ26によって線状に形成されたレーザ光は、基板17に照
射される途中においてビームスプリッタ27によってその一部が分離される。
The laser light emitted from the laser oscillator 21 passes through a variable attenuator 24 whose transmittance r can be variably set, and enters a beam shaping lens 26. The beam shaping lens 26 forms the beam shape of the laser light into a linear shape suitable for annealing. A part of the laser beam formed linearly by the beam shaping lens 26 is separated by the beam splitter 27 while being irradiated onto the substrate 17.

ビームスプリッタ27によって分離されたレーザ光は、ジュールメータ13お
よびプロファイルメータ14にそれぞれ入射し、エネルギとプロファイルとがそ
れぞれ検出される。ジュールメータ13とプロファイルメータ14とによる検出
出力が演算手段15に入力され、演算手段15が、検出されたレーザ光のエネル
ギとプロファイルとに基づいて基板17に照射されるレーザ光の平均エネルギ密
度Emを演算し、演算結果を制御手段16のアッテネータ制御部25に対して出
力する。
The laser light separated by the beam splitter 27 is incident on the joule meter 13 and the profile meter 14, respectively, and energy and profile are detected. The detection outputs from the joule meter 13 and the profile meter 14 are input to the calculation means 15, and the calculation means 15 irradiates the substrate 17 with the average energy density Em of the laser light based on the detected laser light energy and profile. And the calculation result is output to the attenuator control unit 25 of the control means 16.

アッテネータ制御部25は、平均エネルギ密度Emの演算結果に応答し、基板
17のアニール加工に好適なように予め設定される設定エネルギ密度Esと、平
均エネルギ密度Emとの偏差が0になるように、バリアブルアッテネータ24の
透過率rを制御する。
The attenuator control unit 25 responds to the calculation result of the average energy density Em so that the deviation between the set energy density Es set in advance so as to be suitable for the annealing of the substrate 17 and the average energy density Em becomes zero. The transmittance r of the variable attenuator 24 is controlled.

図2は、平均エネルギ密度制御の概略を説明する図である。図2中において、
細線にて示すライン3は、前述の図4から図5への経時変化で示すレーザ光の拡
がり角度が大きくなり、レーザ光がビーム半径方向に拡がった状態のプロファイ
ルであり、細破線にて示すライン4は、同様に平均エネルギ密度Emである。制
御手段16のアッテネータ制御部25は、演算手段15から入力される平均エネ
ルギ密度Emが、設定エネルギ密度Esよりも小さいとき、バリアブルアッテネ
ータ24の透過率rが大きくなるように動作制御し、レーザ光のプロファイルが
、ライン3からライン31になり、平均エネルギ密度Emが、ライン32で示さ
れる設定エネルギ密度Esになるようにする。
FIG. 2 is a diagram for explaining the outline of average energy density control. In FIG.
A line 3 indicated by a thin line is a profile in a state in which the laser beam spread angle increases as the time-dependent change from FIG. 4 to FIG. 5 described above and the laser light spreads in the beam radial direction, and is indicated by a thin broken line. Line 4 is likewise the average energy density Em. The attenuator control unit 25 of the control unit 16 controls the operation so that the transmittance r of the variable attenuator 24 becomes large when the average energy density Em input from the calculation unit 15 is smaller than the set energy density Es, and the laser beam From the line 3 to the line 31, and the average energy density Em is set to the set energy density Es indicated by the line 32.

このように、制御手段16によって平均エネルギ密度Emが、予め定める一定
の値Esになるように制御されたレーザ光を、基板17の表面に形成された非晶
質Si膜に照射するとともに、ステージ28を走査させることによって、非晶質
Si膜を順次溶融・凝固させて多結晶Siを形成するアニール加工が行われる。
In this way, the laser beam whose average energy density Em is controlled by the control means 16 to be a predetermined constant value Es is irradiated to the amorphous Si film formed on the surface of the substrate 17, and the stage. By scanning 28, an annealing process is performed in which the amorphous Si film is sequentially melted and solidified to form polycrystalline Si.

図3は、本発明装置および方法を用いた場合のビームサイズおよびエネルギ密
度の経時変化を示す図である。
FIG. 3 is a graph showing changes over time in beam size and energy density when the apparatus and method of the present invention are used.

非晶質Si膜をアニール加工して形成される多結晶Si膜の特性は、照射され
るレーザ光の平均エネルギ密度Emの影響を大きく受けるけれども、その特性評
価には平均エネルギ密度Emとともに光学輝度yが用いられる。この光学輝度y
は、実験的に式(5)のように与えられる。
The characteristics of the polycrystalline Si film formed by annealing the amorphous Si film are greatly affected by the average energy density Em of the irradiated laser beam. y is used. This optical brightness y
Is experimentally given by equation (5).

Figure 2005116729
Figure 2005116729

式(5)において、x(t)は、エネルギ密度と光学輝度とを関係付けるとと
もに、時間に伴うゆらぎや前工程の影響因子等を含んだ係数であり、vtは、光
学輝度計測におけるばらつきを表す。なお、Et、r、wxは、前述の式(1)
〜(4)で用いたトータルエネルギ、透過率およびビームの半径である。式(5
)で与えられる光学輝度yは、前述の演算手段15によって算出することができ
る。
In Expression (5), x (t) is a coefficient that relates energy density and optical luminance and includes fluctuations with time, influencing factors of the previous process, and the like, and vt represents variation in optical luminance measurement. Represent. Et, r, and wx are the expressions (1) described above.
The total energy, transmittance, and beam radius used in (4). Formula (5
) Can be calculated by the calculating means 15 described above.

図3中において、ライン33はビームサイズの経時変化を表し、ライン34は
制御手段16によって制御された平均エネルギ密度を表し、ライン35はアニー
ル後の光学輝度yを表す。ジュールメータ13およびプロファイルメータ14の
検出出力に基づき、演算手段15によって平均エネルギ密度を演算し、その演算
結果に従ってバリアブルアッテネータ24の透過率rを可変に設定する本発明の
制御によれば、ビームサイズが経時的に変動する場合であっても、基板17の被
照射面におけるレーザ光の平均エネルギ密度は、極めて安定的に一定値に保持さ
れることが判る。また光学輝度yもほぼ一定の値に保持されていることから、結
晶状態の均一な多結晶Si膜が、アニール加工によって形成されていることが判
る。
In FIG. 3, a line 33 represents a change in beam size with time, a line 34 represents an average energy density controlled by the control means 16, and a line 35 represents an optical luminance y after annealing. According to the control of the present invention, the average energy density is calculated by the calculation means 15 based on the detection outputs of the joule meter 13 and the profile meter 14, and the transmittance r of the variable attenuator 24 is variably set according to the calculation result. It can be seen that the average energy density of the laser light on the surface to be irradiated of the substrate 17 is held at a constant value very stably even when the time fluctuates over time. Further, since the optical luminance y is also maintained at a substantially constant value, it can be seen that a polycrystalline Si film having a uniform crystal state is formed by annealing.

以上に述べたように、本実施の形態ではレーザ加工装置は、レーザアニール装
置であるけれども、これに限定されることなく、たとえば液晶や半導体装置の表
面改質装置、また化合物合成装置などであってもよい。
As described above, in this embodiment, the laser processing apparatus is a laser annealing apparatus. However, the laser processing apparatus is not limited to this, and is, for example, a surface modification apparatus for a liquid crystal or a semiconductor device, a compound synthesis apparatus, or the like. May be.

本発明の実施の一形態であるレーザ加工装置10の構成を簡略化して示すブロック図である。It is a block diagram which simplifies and shows the structure of the laser processing apparatus 10 which is one Embodiment of this invention. 平均エネルギ密度制御の概略を説明する図である。It is a figure explaining the outline of average energy density control. 本発明装置および方法を用いた場合のビームサイズおよびエネルギ密度の経時変化を示す図である。It is a figure which shows the time-dependent change of the beam size at the time of using this invention apparatus and method, and an energy density. レーザ光の拡がり角度が小さい場合のプロファイルを示す図である。It is a figure which shows a profile in case the spreading angle of a laser beam is small. レーザ光の拡がり角度が大きい場合のプロファイルを示す図である。It is a figure which shows a profile in case the spreading angle of a laser beam is large. ビームサイズおよびエネルギ密度の経時変化を示す図である。It is a figure which shows the time-dependent change of beam size and energy density.

符号の説明Explanation of symbols

10 レーザアニール装置
11 レーザ発振器ユニット
12 照射光学系ユニット
13 ジュールメータ
14 プロファイルメータ
15 演算手段
16 制御手段
17 基板
18 プロセスチャンバ
21 レーザ発振器
22,27 ビームスプリッタ
23 パワーメータ
24 バリアブルアッテネータ
25 アッテネータ制御部
26 ビーム整形レンズ
28 ステージ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Laser annealing apparatus 11 Laser oscillator unit 12 Irradiation optical system unit 13 Joule meter 14 Profile meter 15 Calculation means 16 Control means 17 Substrate 18 Process chamber 21 Laser oscillator 22, 27 Beam splitter 23 Power meter 24 Variable attenuator 25 Attenuator control part 26 Beam Plastic lens 28 stage

Claims (3)

被加工体にレーザ光を照射することによって加工を施すレーザ
加工装置であって、
レーザ光を出射する光源と、
光源から出射されるレーザ光を被加工体の照射位置に照射する照射光学系と、
被加工体に照射されるレーザ光のエネルギを検出するエネルギ検出手段と、
被加工体に照射されるレーザ光のプロファイルを検出するプロファイル検出手
段と、
エネルギ検出手段およびプロファイル検出手段の検出出力に基づいて、被加工
体に照射されるレーザ光の平均エネルギ密度を演算する演算手段と、
演算手段の出力に応答し、被加工体に照射されるレーザ光の平均エネルギ密度
が予め定める一定の値になるように制御する制御手段とを含むことを特徴とする
レーザ加工装置。
A laser processing apparatus that performs processing by irradiating a workpiece with laser light,
A light source that emits laser light;
An irradiation optical system for irradiating the irradiation position of the workpiece with laser light emitted from a light source;
Energy detecting means for detecting the energy of the laser beam irradiated to the workpiece;
Profile detection means for detecting the profile of the laser light irradiated to the workpiece;
An arithmetic means for calculating an average energy density of laser light irradiated on the workpiece based on detection outputs of the energy detection means and the profile detection means;
And a control means for controlling the average energy density of the laser light applied to the workpiece to a predetermined value in response to the output of the computing means.
前記被加工体は、基板上に形成されるシリコン膜であり、
前記制御手段によって平均エネルギ密度が一定になるように制御されるレーザ
光を前記シリコン膜に照射することによって施される加工は、レーザアニール加
工であることを特徴とする請求項1記載のレーザ加工装置。
The workpiece is a silicon film formed on a substrate,
2. The laser processing according to claim 1, wherein the processing performed by irradiating the silicon film with laser light controlled so that an average energy density becomes constant by the control means is laser annealing processing. apparatus.
光源から出射されるレーザ光を被加工体に照射することによっ
て加工を施すレーザ加工方法であって、
被加工体に照射されるレーザ光のエネルギを検出する工程と、
被加工体に照射されるレーザ光のプロファイルを検出する工程と、
検出されたレーザ光のエネルギとプロファイルとに基づいて被加工体に照射さ
れるレーザ光の平均エネルギ密度を演算する工程と、
平均エネルギ密度の演算結果に応答し、被加工体に照射されるレーザ光の平均
エネルギ密度が予め定める一定の値になるように制御する工程と、
平均エネルギ密度が予め定める一定の値になるように制御されたレーザ光を、
被加工体に照射することによって加工する工程とを含むことを特徴とするレーザ
加工方法。
A laser processing method for performing processing by irradiating a workpiece with laser light emitted from a light source,
Detecting the energy of laser light applied to the workpiece;
Detecting the profile of the laser beam irradiated to the workpiece;
A step of calculating an average energy density of the laser beam irradiated to the workpiece based on the detected energy and profile of the laser beam;
In response to the calculation result of the average energy density, the step of controlling the average energy density of the laser light irradiated to the workpiece to a predetermined constant value;
A laser beam controlled so that the average energy density becomes a predetermined value,
And a step of processing by irradiating the workpiece.
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