JP2006013227A - 照射装置および照射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 煩雑な光学設計が不要であると共に、戻り光ノイズのない、安定した照射ビームを被照射面に照射することの可能な照射装置を提供する。
【解決手段】 角度可変機構２４を用いてレーザビーム５０を被照射面１Ｓに対して斜めに入射させることで、被照射面１Ｓからの戻り光５０Ｒがレーザ発振器１０へ戻るのを回避する。走査方向に応じて照射角度θ（θＡ，θＢ）を調整するようにしたので、被照射面１Ｓに照射されるレーザビーム５０の強度の非対称性が低減され、被照射面１Ｓの全体に亘って一様な照射をおこなうことができる。これにより、煩雑な光学設計を伴うことなく被照射面１Ｓへ安定したレーザビーム５０を照射することができ、被照射面１Ｓのアニール処理が可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体膜などの被照射物に対してビームを照射することにより各種の処理を行う照射装置および照射方法に関する。

一般に、この種の照射装置は、液晶表示装置、有機ＥＬ(Electroluminescence) 表示素子の駆動回路素子、スイッチング素子などに用いられる多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造装置や、非晶質シリコン薄膜を溶融・再結晶化して薄膜トランジスタ活性層となる多結晶シリコン膜に転換させるためのレーザアニール装置に用いられている。

例えば特許文献１には、レーザビームの干渉を抑え、半導体膜を均一にアニールすることの可能なレーザアニール装置（図９）が開示されている。このレーザアニール装置では、連続発振型レーザ（ＣＷレーザ）１０１から射出したレーザビームＢが反射鏡１０２で反射され、対物レンズ１０３を介して被照射物１０４へ照射されてアニールをおこなう。被照射物１０４はステージ１０５に載置されており、平面方向（Ｘ軸方向およびＺ軸方向）に移動可能となっている。ここで、対物レンズ１０３が、ステージ１０５の進行方向１０６（−Ｚ方向）と同方向へ所定量だけ偏心することにより、対物レンズ１０３を透過したレーザビームＢは被照射物１０４に対して斜めに入射する。ステージ１０５の進行方向１０６が逆方向（＋Ｚ方向）の場合には、対物レンズ１０３が＋Ｚ方向へ所定量だけ偏心することにより、やはり、レーザビームＢは被照射物１０４に対して斜めに入射する。この際、ステージの進行方向と被照射物１０４に入射するレーザビームＢとのなす角度は常に一定となるように構成されている。
特開２００３−２１８０５８号公報

しかしながら、上記のレーザ照射装置では、レーザ光源から発振されて照射対象物の被照射面に一旦照射されたレーザ光が、戻り光として同じ光路を逆方向に辿り、レーザ光源に戻ってしまう可能性が考えられる。このような戻り光がレーザ光源に入射した場合には、レーザ光の発振動作が不安定な状態となり、被照射面に対して安定したレーザ光の照射が困難となってしまう。

加えて、上記のレーザ照射装置では、対物レンズの軸外にレーザビームを照射するようにしているので、例えば長手方向に均一な強度を持つ線状プロファイルや、収差が良好に補正されたスポットプロファイル等、所望の照射プロファイルを得ようとした場合に、偏心を考慮した対物レンズ設計が必要となるなど、光学系の設計が煩雑となる。特に、対物レンズにシリンドリカルレンズを用いて線状プロファイルを得ようとした場合、そのシリンドリカルレンズの加工自由度が小さく、設計がより困難となる。さらに、対物レンズを移動させる際に、焦点ずれの発生も懸念される。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、煩雑な光学設計が不要であると共に、一旦、被照射面に照射された光が光源へ戻ることなく、安定した強度の光を被照射面に照射することの可能な照射装置および照射方法を提供することにある。

本発明の照射装置は、以下の（Ａ）〜（Ｄ）に記載された各構成要件を備えるようにしたものである。
（Ａ）半導体レーザ光源
（Ｂ）半導体レーザ光源からの射出ビームを集光し、被照射面へ向けて照射する光学系
（Ｃ）被照射面へ向かう照射ビームを被照射面上において走査させる走査機構
（Ｄ）光学系が、照射ビームと被照射面とのなす照射角度を変更可能な角度可変機構を有し、走査機構による照射ビームの第１方向への走査と連動して、照射ビームの光軸を、被照射面と直交する方向から第１方向へ傾斜させるように構成されていること

本発明の照射方法は、半導体レーザ光源からの照射ビームを、被照射面上において走査させながら照射する照射方法であって、被照射面と直交する方向から、被照射面の面内における第１方向へ傾斜するように照射ビームの光軸を保持しつつ、第１方向へ向かうように照射ビームの走査をおこなうようにしたものである。

本発明の照射装置または照射方法では、被照射面に対して照射ビームが斜めに入射され、被照射面からの戻り光が半導体レーザ光源に入射することなく、被照射面におけるアニール等の処理が行われる。

本発明の照射装置によれば、角度可変機構により照射角度を変更し、被照射面に対して照射ビームを斜めに入射することができる。これにより、一旦、被照射面に達した照射ビームが半導体レーザ光源へ戻るのを避けることができ、戻り光ノイズのない安定した射出ビームを得ることができる。さらに、走査機構による照射ビームの第１方向への走査と連動して、照射角度の変更が行われるように構成したので、斜めに入射したことによるエネルギー強度の非対称性の影響が低減され、被照射面をより均一に照射することができる。したがって、例えば対物レンズを偏心させた場合とは異なり、煩雑な光学設計を伴うことのない簡素な構成でありながら、被照射面へ安定した照射ビームを照射することができ、被照射面のアニールなどの処理を行うことができる。

本発明の照射方法によれば、照射ビームを、その光軸が被照射面と直交する方向から第１方向へ傾斜した状態のまま第１方向へ向けて走査させるようにしたので、戻り光ノイズのない安定した照射ビームを照射することができ、被照射面のアニールなどの処理を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
まず、図１および図２を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る照射装置の構成について説明する。図１は、本実施の形態の照射装置における平面構成を表し、図２は、図１のII−II切断線の矢視方向における断面構成を表すものである。

この照射装置は、例えば非晶質シリコン（Ｓｉ）薄膜を含む薄膜構造（被照射物１）にエネルギービーム（レーザビーム５０）を照射し、これを溶融および再結晶化させ多結晶シリコン薄膜への転換をおこなう場合等に用いられるレーザアニール装置である。この照射装置は、半導体レーザ光源としてのレーザ発振器１０と、このレーザ発振器１０からの射出ビームを被照射物１の被照射面１Ｓへ向けて照射する照射光学系２０と、照射光学系２０からの照射ビーム（レーザビーム５０）を被照射面１Ｓ上において走査させる走査機構３０とを備えている。

レーザ発振器１０は、Ｘ軸方向に沿って一列に配置された複数のエミッタ１１Ａ〜１１Ｅを備えている。各エミッタ１１Ａ〜１１Ｅは、レーザ電源（図示せず）により駆動され、例えば、３９０ｎｍ以上４２５ｎｍ以下または７７０ｎｍ以上８４０ｎｍ以下の発振波長を有するレーザビーム５０Ａ〜５０Ｅをそれぞれ出力するように構成されたものである。

照射光学系２０は、レーザ発振器１０の側から、シリンドリカルレンズ２１、シリンドリカルレンズアレイ２２、シリンドリカルレンズ２３、角度可変機構２４および一対のシリンドリカルレンズ２５を順に備えている。シリンドリカルレンズ２１および一対のシリンドリカルレンズ２５は、Ｘ軸方向の屈折力を持たず、Ｙ軸方向の屈折力のみを有している。一方、シリンドリカルレンズアレイ２２およびシリンドリカルレンズ２３は、Ｘ軸方向の屈折力のみを有し、Ｙ軸方向の屈折力については有していない。シリンドリカルレンズアレイ２２は、複数のシリンドリカルレンズ２２Ａ〜２２Ｅが互いに連結してＸ軸方向に配列されたものである。

角度可変機構２４は、被照射物１の被照射面１Ｓへ照射されるレーザビーム５０と、被照射面１Ｓとのなす照射角度θ（θＡ，θＢ）を調整するものであり、反射鏡（第１光学部材）２４Ａと、これを回転させる駆動部２４Ｂとを備えている。反射鏡２４Ａは、レーザビーム５０を反射する反射面２４Ｓと、回転軸２４Ｊとを有し、この回転軸２４Ｊを中心として回転するように構成されている。反射鏡２４Ａは、反射面２４Ｓがシリンドリカルレンズ２５の瞳位置と一致するように設けられており、これにより簡便な構成を実現している。回転軸２４Ｊは、被照射面１Ｓおよび反射面２４Ｓの双方と平行をなすと共に走査方向と直交するように設けられ、駆動部２４Ｂと接続されている。なお、反射鏡２４Ａは屈折力を有していない。駆動部２４Ｂは、回転軸２４Ｊを中心として反射鏡２４Ａを回転させ、反射面２４Ｓと被照射面１Ｓとのなす傾斜角度を変化させるように機能する。このように構成された角度可変機構２４は、レーザビーム５０の走査方向に応じて照射角度θの調整を行うようになっている。なお、図２（Ａ）は、ステージ３１（後出）を移動方向Ｄ１（紙面左）へ移動させ、レーザビーム５０を被照射面１Ｓ上において−Ｚ方向（紙面右）へ走査させる場合に対応し、一方の図２（Ｂ）は、ステージ３１を移動方向Ｄ２（紙面右）へ移動させ、レーザビーム５０を＋Ｚ方向（紙面左）へ走査させる場合に対応する。

走査機構３０は、被照射物１を載置すると共にＸ方向およびＺ方向に移動可能なステージ３１と、これをＸ−Ｚ平面内において移動させる駆動モータ等を有する駆動機構（図示せず）とを備えるようにしたものである。ステージ３１は、被照射面１Ｓの全領域に亘ってレーザビーム５０を照射できる程度の範囲において移動可能となっている。

上記のように構成された照射装置では、レーザ発振器１０からレーザビーム５０が出力され、このレーザビーム５０が照射光学系２０によって被照射面１Ｓへ照射される。具体的には、レーザ発振器１０の各エミッタ１１Ａ〜１１Ｅから出力されたレーザビーム５０Ａ〜５０Ｅは、全てシリンドリカルレンズ２１を通過することによりＹ軸方向に関して平行光となり、それぞれシリンドリカルレンズ２２Ａ〜２２Ｅへ入射する。レーザビーム５０Ａ〜５０Ｅは、各シリンドリカルレンズ２２Ａ〜２２Ｅを透過したのち、さらにシリンドリカルレンズ２３を透過することによりＸ軸方向に関して重畳され、被照射面１Ｓのほぼ同一領域を照射する一つのレーザビーム５０となる。このレーザビーム５０は、反射鏡２４Ａによって反射されたのち、一対のシリンドリカルレンズ２５Ａ，２５Ｂを透過することによりＹ軸方向に関して集光され、被照射面１Ｓへ向かう。この結果、被照射面１Ｓ上には、Ｚ軸方向の幅がＸ軸方向の幅よりも狭くなるように構成された線状のビームスポット５０Ｓ（図３（Ａ））を示すレーザビーム５０が照射されることとなる。この際、レーザビーム５０と被照射面１Ｓとのなす照射角度θ（θＡ，θＢ）が、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示したように反射鏡２４Ａによって９０°以外の角度となるので、被照射面１Ｓからの反射光５０Ｒ（主光線のみ図示）が戻り光として再びレーザ発振器１０へ戻ることがない。このため、レーザ発振器１０は継続して安定したレーザビーム５０Ａ〜５０Ｅを発振することができる。よって、被照射面１Ｓにも安定化したレーザビーム５０が照射され、例えば非晶質Ｓｉ薄膜の均一な結晶化を行うことができる。なお、互いに異なるエミッタ１１Ａ〜１１Ｅから出力されたレーザビーム５０Ａ〜５０Ｅは、シリンドリカルレンズアレイ２２およびシリンドリカルレンズ２３を透過することにより、被照射面１Ｓ上においてほぼ同一領域に照射される。したがって、図３（Ｂ）に示したように、Ｘ軸方向に沿って平坦な強度分布のプロファイル５０Ｐが得られる。

上記の照射装置を用いて被照射面１Ｓの照射を行う場合には、例えば図４に示したように、ビームスポット５０Ｓを被照射面１Ｓ上において破線に従って蛇行させ、ポジション５０Ｓ１からポジション５０Ｓ２まで走査する。すなわち、まず、例えば＋Ｚ方向に被照射面１Ｓを完全に横断するように走査し、ビームスポット５０Ｓを、そのＸ軸方向の寸法分だけ＋Ｘ方向へ移動させたのち、反対方向（−Ｚ方向）へ走査し、被照射面１Ｓを完全に横断させる。以後、これを繰り返すことにより、被照射面１Ｓの全面に亘ってレーザビーム５０を照射することができる。

ここで、走査方向に応じてレーザビーム５０の照射角度θ（θＡ，θＢ）を調整することにより、被照射面１Ｓからの戻り光５０Ｒがレーザ発振器１０へ戻るのを回避すると共に、被照射面１Ｓに照射されるレーザビーム５０の強度の、斜入射に起因する非対称性を低減することができる。以下、図５を参照して説明する。

図５（Ａ）は、照射角度θを９０°とした場合のレーザビーム５０と、被照射面１Ｓに与えられるエネルギーの強度分布５１θ（Ｚ軸方向）を示したものである。この場合、強度分布５１θはガウシアン分布をなしている。ところが、本実施の形態ではレーザビーム５０を斜めに入射させるので、その強度分布に偏りが生じる。例えば図５（Ｂ）に示したように、レーザビーム５０を−Ｚ方向へ傾け、照射角度θＡをなすようにした場合（図２（Ａ）に対応する場合）には、−Ｚ方向へピークが偏った強度分布５１θＡとなる。この場合に、ステージ３１を移動方向Ｄ１へ移動させ、レーザビーム５０を−Ｚ方向へ走査させるようにすると、強度分布５１θＡのピークに近い、より大きな強度を、照射直後から照射面１Ｓへ与えることができ、例えば非晶質Ｓｉ薄膜の結晶化をおこなうのに有利となる。ここで、ステージ３１を反対方向（移動方向Ｄ２）へ移動させ、レーザビーム５０を＋Ｚ方向へ走査させるようにしてしまうと、照射面１Ｓへ与える照射強度の立ち上がりが緩やかとなり、例えば非晶質Ｓｉ薄膜の結晶化がステージ３１を移動方向Ｄ１へ移動させた場合と異なってしまう。そこで、ステージ３１を移動方向Ｄ２へ移動させる場合には、図５（Ｃ）に示したようにレーザビーム５０を＋Ｚ方向へ傾け、照射角度θＢをなすようにすればよい。この場合には、＋Ｚ方向へピークが偏った強度分布５１θＢとなる。したがってステージ３１を移動方向Ｄ２へ移動させ、レーザビーム５０を＋Ｚ方向へ走査させるようにすると、上記図５（Ｂ）においてステージ３１を移動方向Ｄ１へ移動させ、レーザビーム５０を−Ｚ方向へ走査させた場合と同様に、強度分布５１θＢのピークに近い、より大きな強度を照射直後から照射面１Ｓへ与えることができる。なお、駆動部２４Ｂとしてガルバノスキャナを用いるようにした場合には、ステージ３１の移動方向の切換に応じて高速かつ高精度に照射角度θを傾けることができ、照射処理効率の向上に有利となる。

このように、本実施の形態では、角度可変機構２４を用いて、レーザビーム５０が被照射面１Ｓに対して斜めに入射するようにしたので、被照射面１Ｓからの戻り光５０Ｒがレーザ発振器１０へ戻るのを回避することができる。このため、戻り光ノイズのない安定したレーザビーム５０が継続的に得られ、被照射面１へ安定した照射を行うことができる。さらに、走査方向に応じて照射角度θ（θＡ，θＢ）を調整しつつ斜入射をおこなうようにしたので、被照射面１Ｓに照射されるレーザビーム５０のエネルギー強度非対称性を低減し、被照射面１Ｓの全体に亘って一様な照射をおこなうことができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図６は本実施の形態に係る照射装置の断面構成を表すもので、図６（Ａ），図６（Ｂ）は、それぞれ図２（Ａ），図２（Ｂ）に対応するものである。

本実施の形態では、角度可変機構のみが上記第１の実施の形態の構成と異なっている。具体的には、角度可変機構は、２つの反射面（ダハ面）２６１，２６２を有するプリズム（ダハプリズム）２６Ａを備え、ステージ３１の移動方向（レーザビーム５０の走査方向）に応じてこれらを切り換えて光路上に選択的に配置するようになっている。プリズム２６Ａは、走査方向に沿った面内に含まれる回転軸２６Ｊを有し、２つの反射面２６１，２６２が回転軸２６Ｊに対してそれぞれ異なる角度をなすように構成されている。ここで、駆動部２６Ｂ（後出の図７に示す）により、回転軸２６Ｊを中心としてプリズム２６を回転させると、レーザビーム５０の光路上に反射面２６１または反射面２６２のいずれかが配置され、照射角度θＡまたは照射角度θＢの選択がなされる。

このように本実施の形態では、上記第１の実施の形態とは異なり、駆動部をＸ軸方向へ突出することがないのでコンパクトな構成とすることができる。このため、例えば図７に示したように、複数の照射装置９１〜９５をＸ軸方向へ並べてマルチヘッド化し、フットプリント９０を構成した場合にも、Ｘ軸方向における全体の寸法を比較的小さくすることができる。したがって、同一領域のフットプリント内に、より多くの照射装置を設けることができ、より大型の被照射面に対して照射をおこなうにあたり高スループットを確保することができる。その他の作用効果は第１の実施の形態と同様であるので、その説明は省略する。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図８は本実施の形態に係る照射装置の断面構成を表すもので、図８（Ａ），図８（Ｂ）は、図６（Ａ），図６（Ｂ）と同様、それぞれ図２（Ａ），図２（Ｂ）に対応するものである。

本実施の形態では、やはり、角度可変機構が上記第１の実施の形態の構成と異なっている。具体的には、反射鏡２４Ａは回転せずに一定の傾斜角度をなしているほか、角度可変機構が、互いに傾斜する２つの透過面２７１，２７２を有するウェッジ基板２７Ａと、光軸Ｚ１と平行な回転軸を中心として、ウェッジ基板２７Ａを回転させるように構成された駆動部（図示せず）とを備えるようにしている。ウェッジ基板はレーザビーム５０の光路上に配置されている。ここで、駆動部により、回転軸を中心としてウェッジ基板２７を回転させると、レーザビーム５０に対する透過面２７１，２７２の傾斜の向きが変わり、照射角度θＡまたは照射角度θＢの選択がなされる。なお、本実施の形態では、シリンドリカルレンズ２５の瞳位置を、反射鏡２４Ａではなく、ウェッジ基板２７Ａの透過面２７１と一致するように構成する。また、ウェッジ基板２７Ａの配設位置は、シリンドリカルレンズ２１とシリンドリカルレンズ２５Ａとの間の光路上であれば、いずれの位置であってもよい。

このように本実施の形態では、上記第１および第２の実施の形態とは異なり、レーザビーム５０を透過可能な光学部材であるウェッジ基板２７Ａを用い、光軸Ｚ１と平行な回転軸を中心として回転させるようにしたので、駆動部による切換動作の誤差に対するマージンを拡大すると共に装置をより簡略化することができる。

以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、レーザ発振器が５つのエミッタを有するレーザ発振器としたが、６つ以上または４つ以下のエミッタを有するものとしてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る照射装置の構成を表す平面図である。 図１に示した照射装置の構成を表す断面図である。 図１に示した照射装置におけるレーザビームのビーム形状およびプロファイルを示す概念図である。 図１に示した照射装置を用いた照射方法を説明するための説明図である。 レーザビームの照射方向と強度分布との関係を説明するための説明図である。 本発明の第２の実施の形態に係る照射装置の構成を表す断面図である。 図６に示した照射装置を複数組み合わせた場合の構成を表す平面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る照射装置の構成を表す断面図である。 従来の照射装置の構成を表す断面図である。

符号の説明

１…被照射物、１Ｓ…被照射面、１０…レーザ発振器、１１…エミッタ、２０…照射光学系、２１，２３，２５…シリンドリカルレンズ、２２…シリンドリカルレンズアレイ、２４…角度可変機構、２４Ａ…反射鏡（第１光学部材）、２４Ｂ…駆動部、２４Ｓ…反射面、２６Ａ…プリズム（第２光学部材）、２６Ｂ…駆動部、２６１，２６２…反射面、２７Ａ…ウェッジ基板（第３光学部材）、２７Ｂ…駆動部、２７１，２７２…透過面、３０…走査機構、３１…ステージ、４１…プリズム、４２…ウェッジ基板、５０…レーザビーム、θ（θＡ，θＢ）…照射角度。

Claims (9)

1. 半導体レーザ光源と、
   前記半導体レーザ光源からの射出ビームを集光し、被照射面へ向けて照射する光学系と、
   前記被照射面へ向かう照射ビームを前記被照射面上において走査させる走査機構と
   を備え、
   前記光学系は、前記照射ビームと前記被照射面とのなす照射角度を変更可能な角度可変機構を有し、
   前記走査機構による前記照射ビームの第１方向への走査と連動して、前記照射ビームの光軸を、前記被照射面と直交する方向から前記第１方向へ傾斜させるように構成されている
   ことを特徴とする照射装置。
2. 前記角度可変機構は、
   前記照射ビームを反射する第１反射面と、前記被照射面および前記第１反射面の双方と平行をなすと共に前記走査方向と直交する第１回転軸とを有する第１光学部材と、
   前記第１回転軸を中心として前記第１光学部材を回転させ、前記第１反射面と前記被照射面との傾斜角度を変化させるように構成された駆動部と
   を有している
   ことを特徴とする請求項１に記載の照射装置。
3. 前記角度可変機構は、
   前記走査方向に沿った面内に含まれる第２回転軸を有し、この第２回転軸に対してそれぞれ異なる角度をなす第２および第３反射面を有する第２光学部材と、
   前記第２回転軸を中心として前記第２光学部材を回転させることにより、前記照射ビームの光路上に前記第２反射面と前記第３反射面とを選択的に配置するように構成された駆動部と
   を有している
   ことを特徴とする請求項１に記載の照射装置。
4. 前記角度可変機構は、
   前記照射ビームの光路上に配置され、前記照射ビームを透過するように構成されると共に、前記走査方向に沿った面内に含まれる第３回転軸を有し、この第３回転軸に対してそれぞれ異なる角度をなす第１および第２透過面を有するように構成された第３光学部材と、
   前記第３回転軸を中心として前記第３光学部材を回転させるように構成された駆動部と
   を有している
   ことを特徴とする請求項１に記載の照射装置。
5. 前記照射ビームは、前記照射面上において前記走査方向の幅が前記走査方向と直交する方向の幅よりも狭くなるように構成された線状ビームスポットを示すものである
   ことを特徴とする請求項１に記載の照射装置。
6. 前記半導体レーザ光源は、複数のエミッタがアレイ状に配置されたものである
   ことを特徴とする請求項１に記載の照射装置。
7. 前記エミッタは、３９０ｎｍ以上４２５ｎｍ以下の波長を有するレーザビームを発振するものである
   ことを特徴とする請求項６に記載の照射装置。
8. 前記エミッタは、７７０ｎｍ以上８４０ｎｍ以下の波長を有するレーザビームを発振するものである
   ことを特徴とする請求項６に記載の照射装置。
9. 半導体レーザ光源からの照射ビームを、被照射面上において走査させながら照射する照射方法であって、
   前記被照射面と直交する方向から、前記被照射面の面内における第１方向へ傾斜するように前記照射ビームの光軸を保持しつつ、前記第１方向へ向かうように前記照射ビームの走査をおこなう
   ことを特徴とする照射方法。
   

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