JP2006049444A - レーザ加工装置およびレーザ結晶化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ホモジナイザに起因する熱レンズ効果の発生を抑えて、加工対象上の結像パターンの歪みや解像度の低下を回避することのできるレーザ加工装置。
【解決手段】 ホモジナイザ（２ｃ）を介して照度の均一化されたレーザ光でマスク（１）を照明するための照明光学系（２：２ａ〜２ｅ）と、マスクと被加工物（３）との間に配置された結像光学系（４）とを備えている。照明光学系は、ホモジナイザとマスクとの間に配置されて入射光を拡散させるためのビームディフューザ（２ｅ）を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ加工装置およびレーザ結晶化装置に関するものである。

従来、マスクと結像光学系とを介したレーザ光により、例えばプリント基板に穴開けなどの加工を行うレーザ加工装置が知られている。また、位相シフター（光変調素子）により所定の光強度分布に変調されたレーザ光を結像光学系を介して非単結晶半導体（多結晶半導体または非晶質半導体）に照射して結晶化半導体を生成するレーザ結晶化装置が知られている（例えば特許文献１を参照）。

レーザ加工装置およびレーザ結晶化装置では、照明光学系中のホモジナイザを介して照度の均一化されたレーザ光でマスクまたは位相シフターを照明する。
特開２０００−３０６８５９号公報

ホモジナイザを介して照度の均一化されたレーザ光でマスク（または位相シフター）を照明する場合、結像光学系中においてマスク（または位相シフター）とフーリエ変換の関係にある位置には、ホモジナイザの波面分割数に等しい多数のビーム集光点が現れる。このビーム集光点のエネルギ密度は非常に高く、その近傍にレンズ面があると、熱レンズ効果により、加工対象（または処理対象）上の結像パターン（または光強度分布）が歪んだり、解像度が低下したりするという不都合があった。

ここで、熱レンズ効果とは、レンズの表面温度が局所的に上昇し、レンズが局所的に膨張して本来のレンズ球面とは異なる曲率を持つようになり、その結果としてレンズを通過した光線が所定の方向とは異なる方向に進む現象である。この熱レンズ効果は、レンズの温度上昇と共に発生し、特に高繰り返しおよび長時間運転が求められるレーザ加工装置やレーザ結晶化装置において問題になり易い。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、ホモジナイザに起因する熱レンズ効果の発生を抑えて、加工対象上の結像パターンの歪みや解像度の低下を回避することのできるレーザ加工装置を提供することを目的とする。また、本発明は、ホモジナイザに起因する熱レンズ効果の発生を抑えて、処理対象上の光強度分布の歪みや解像度の低下を回避することのできるレーザ結晶化装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、ホモジナイザを介して照度の均一化されたレーザ光でマスクを照明するための照明光学系と、
前記マスクと被加工物との間に配置された結像光学系とを備え、
前記照明光学系は、前記ホモジナイザと前記マスクとの間に配置されて入射光を拡散させるためのビームディフューザを有することを特徴とするレーザ加工装置を提供する。

本発明の第２形態では、ホモジナイザを介して照度の均一化されたレーザ光で光変調素子を照明するための照明光学系と、
前記光変調素子と非単結晶半導体との間に配置された結像光学系とを備え、
前記照明光学系は、前記ホモジナイザと前記光変調素子との間に配置されて入射光を拡散させるためのビームディフューザを有することを特徴とするレーザ結晶化装置を提供する。

第１形態および第２形態の好ましい態様によれば、前記結像光学系は、両側にほぼテレセントリック、もしくは少なくとも結晶化対象である像側にテレセントリックであり、前記ビームディフューザは、前記照明光学系の開口数と前記ホモジナイザの分割数とに対応した拡がり角を有する。

本発明のレーザ加工装置またはレーザ結晶化装置では、ホモジナイザとマスクまたは光変調素子との間に、入射光を拡散させるためのビームディフューザを付設している。その結果、適度に設計された拡がり角（拡散角）を有するビームディフューザの拡散作用により、マスクまたは光変調素子とフーリエ変換の関係にある位置での集光の程度を緩和し、ホモジナイザに起因する熱レンズ効果の発生を抑えて、加工対象または処理対象上の結像パターンまたは光強度分布の歪みや解像度の低下を回避することができる。

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態にかかるレーザ加工装置の構成を概略的に示す図である。また、図２は、第１実施形態のレーザ加工装置の作用を説明する図である。図１を参照すると、第１実施形態のレーザ加工装置は、マスク１を照明する照明光学系２と、マスク１と被加工物（加工対象）３との間に配置された結像光学系４と、被加工物３を支持するステージ５とを備えている。

照明光学系２は、２４８ｎｍの波長を有する光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源２ａを備えている。なお、光源２ａとして、たとえばＸｅＣｌエキシマレーザ光源のような、被加工物３を加工可能なエネルギー光線を射出する性能を有する他の適当な光源を用いることもできる。光源２ａから供給されたレーザ光は、ビームエキスパンダ２ｂを介して拡大された後、ほぼ平行光としてホモジナイザ２ｃに入射する。

ホモジナイザ２ｃは、光軸に沿って近接して配置された第１シリンドリカルフライアイレンズ２ｃａと第２シリンドリカルフライアイレンズ２ｃｂとにより構成されている。ここで、第１シリンドリカルフライアイレンズ２ｃａは、ＸＺ平面において屈折力を有し且つＹＺ平面において無屈折力の複数のシリンドリカルレンズ要素により構成されている。また、第２シリンドリカルフライアイレンズ２ｃｂは、ＹＺ平面において屈折力を有し且つＸＺ平面において無屈折力の複数のシリンドリカルレンズ要素とにより構成されている。

ホモジナイザ２ｃに入射した光はシリンドリカルレンズ要素の交差部分により波面分割され、その後側焦点面またはその近傍には複数の光源が形成される。これらの複数の光源からの光束は、コンデンサー光学系２ｄおよびビームディフューザ２ｅを介して、マスク１を重畳的に照明する。ビームディフューザ２ｅの構成および作用については後述する。このように、光源２ａ、ビームエキスパンダ２ｂ、ホモジナイザ２ｃ、コンデンサー光学系２ｄおよびビームディフューザ２ｅは、照度の均一化されたレーザ光でマスク１を照明する照明光学系２を構成している。

マスク１を透過したレーザ光は、結像光学系４を介して、たとえばプリント基板のような被加工物３に入射する。ここで、結像光学系４は、マスク１のパターン面と被加工物３とを光学的に共役に配置している。結像光学系４は、両側にほぼテレセントリックに構成され、正レンズ群４ａと正レンズ群４ｂとの間に開口絞り４ｃを備えている。一方、被加工物３は、ステージ５上の所定の位置に位置決めされて保持されている。

こうして、マスク１のパターン面と光学的に共役な面（結像光学系４の像面）に設定された被加工物３の表面には、マスクパターンが結像する。その結果、被加工物３の表面に形成される結像パターンに対応して、たとえば被加工物３としてのプリント基板に穴開け加工が施される。なお、結像光学系４は、屈折型の光学系であってもよいし、反射型の光学系であってもよいし、屈折反射型の光学系であってもよい。

図２を参照すると、説明を簡素化するために、第２シリンドリカルフライアイレンズ２ｃｂの中央に配置された３つのシリンドリカルレンズ要素２１〜２３を通過する光線にのみ着目している。この場合、第２シリンドリカルフライアイレンズ２ｃｂの各シリンドリカルレンズ要素２１〜２３を通過した光線は、その射出面の近傍に点光源（ビーム集光点）２１ａ〜２３ａをそれぞれ形成する。実際には、ホモジナイザ２ｃの波面分割数に等しい多数の点光源が、ホモジナイザ２ｃの後側焦点面またはその近傍に形成される。

コンデンサー光学系２ｄとマスク１との間にビームディフューザ（図中破線で示す）２ｅが配置されていない従来技術の場合、各点光源２１ａ〜２３ａからの光線は、マスク１および結像光学系４の正レンズ群４ａを介して、マスク１とフーリエ変換の関係にある位置すなわち開口絞り４ｃの位置に、ビーム集光点２１ｂ〜２３ｂをそれぞれ形成する。換言すれば、点光源２１ａ〜２３ａからの光線はそれぞれ連続的に拡散した後に再び集光してビーム集光点２１ｂ〜３ｂをそれぞれ形成する。

このように、従来技術では、ホモジナイザ２ｃの波面分割数に等しい多数のビーム集光点が、結像光学系４の開口絞り４ｃの位置に形成される。ここで、両側にほぼテレセントリックな結像光学系４は、たとえば１０枚以上のレンズを含んでいる。その結果、エネルギ密度の非常に高いこれらのビーム集光点の近傍に正レンズ群４ａまたは４ｂを構成するレンズ面があると、熱レンズ効果により、被加工物３上の結像パターンが歪んだり、解像度が低下したりする。

そこで、第１実施形態では、コンデンサー光学系２ｄとマスク１との間の光路中においてマスク１の近傍に、入射光を拡散させるためのビームディフューザ２ｅを付設している。ここで、光源２ａとしてエキシマレーザを用いる場合、所望の透過率を確保するために合成石英により形成されたビームディフューザ２ｅを用いる必要がある。第１実施形態では、この適度に設計された拡がり角（拡散角）を有するビームディフューザ２ｅの拡散作用により、マスク１とフーリエ変換の関係にある位置（開口絞り４ｃの位置）での集光の程度を緩和し、ホモジナイザ２ｃに起因する熱レンズ効果の発生を抑えて、被加工物３上の結像パターンの歪みや解像度の低下を回避することができる。

以下、図２に基づいて具体的な数値例にしたがって、ビームディフューザ２ｅの拡がり角の設定について説明する。光学系の説明の通例に従い、本例の場合においても、マスク位置を物体位置、被加工物の位置を像位置と呼ぶこととする。この数値例では、両側にほぼテレセントリックな結像光学系４の倍率が１／５であり、その像側開口数ＮＡｉが０．１２５であり、その物体側開口数ＮＡｏが０．０２５であるものとする。物体側開口数ＮＡｏが０．０２５であるということは、結像光学系４の物体側開口数と等しい開口数で照明光学系２が設定されている場合、コンデンサー光学系２ｄとマスク１との間にビームディフューザ２ｅが介在しないとマスク１への光線の最大入射角が約１．４３度になることを意味している。

換言すれば、マスク１上の各点には、約２．８６度の角度範囲に亘る光線が入射することになる。この場合、平行光が入射したときに約２．８６度の角度範囲に亘って光線を拡散させるようなビームディフューザ２ｅ、すなわち約２．８６度の拡がり角を有するビームディフューザ２ｅを用いることにより、マスク１とフーリエ変換の関係にある位置での集光を最大限に緩和することができる。以上は、ホモジナイザのビーム分割数（波面分割数）が３つの場合であるが、ホモジナイザの分割数が４以上に増えた場合、照明光学系の開口数ＮＡの２倍に相当する角度を（ホモジナイザの波面分割数−１）で除した値が１つ１つのアレイレンズから出射する光線間の角度となり、ビームディフューザに適当な拡がり角となる。また、ビームディフューザに適当な拡がり角は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで異なる場合もあり得る。

このように、第１実施形態のレーザ加工装置では、照明光学系の開口数ＮＡの２倍に相当する角度を（分割数−１）で除した値に対応する拡がり角を有するビームディフューザ２ｅを用いることが好ましい。ただし、これに限定されることなく、他の適当な拡がり角を有するビームディフューザ２ｅを用いても、その拡散作用によりマスク１とフーリエ変換の関係にある位置での集光の程度を緩和して、本発明の効果を達成することができる。

なお、上述の第１実施形態では、レーザ加工装置に対して本発明を適用しているが、これに限定されることなく、レーザ結晶化装置に対しても同様に本発明を適用することができる。図３は、本発明の第２実施形態にかかるレーザ結晶化装置の構成を概略的に示す図である。第２実施形態のレーザ結晶化装置は、図１の第１実施形態にかかるレーザ加工装置と類似の構成を有する。以下、第１実施形態のレーザ加工装置との相違点に着目して、第２実施形態のレーザ結晶化装置を説明する。

図３を参照すると、第１実施形態のレーザ結晶化装置は、光変調素子としての位相シフター１１を照明する照明光学系１２と、位相シフター１１と被処理基板（被処理物または処理対象）１３との間に配置された結像光学系１４と、被処理基板１３を支持する基板ステージ１５とを備えている。照明光学系１２は、たとえば被処理基板１３を溶融させるエネルギ光を出力する光源として、２４８ｎｍの波長を有する光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源１２ａを備えている。

なお、光源１２ａとして、ＸｅＣｌエキシマレーザ光源やＹＡＧレーザ光源のような、被結晶化処理体を溶融するエネルギ光線を射出する性能を有する他の適当な光源を用いることもできる。光源１２ａから供給されたレーザ光は、ビームエキスパンダ１２ｂを介して拡大された後、ほぼ平行光としてホモジナイザ１２ｃに入射する。ホモジナイザ１２ｃは、ＹＺ平面およびＸＺ平面において屈折力を有する多数のレンズ要素を二次元的に配置して構成されたフライアイレンズである。

ホモジナイザ１２ｃに入射した光は多数のレンズ要素により波面分割され、その後側焦点面またはその近傍には複数の光源が形成される。これらの複数の光源からの光束は、コンデンサー光学系１２ｄおよびビームディフューザ１２ｅを介して、位相シフター１１を重畳的に照明する。すなわち、照明光学系１２（１２ａ〜１２ｅ）は、照度の均一化されたレーザ光で位相シフター１１を照明する。

位相シフター１１で位相変調されたレーザ光は、結像光学系１４を介して、被処理基板１３に入射する。ここで、結像光学系１４は、位相シフター１１の位相パターン面と被処理基板１３とを光学的に共役に配置している。換言すれば、被処理基板１３は、位相シフター１１の位相パターン面と光学的に共役な面（結像光学系１４の像面）に設定されている。結像光学系１４は、両側にほぼテレセントリックであり、正レンズ群１４ａと正レンズ群１４ｂとの間に開口絞り１４ｃを備えている。

開口絞り１４ｃは、たとえば開口部（光透過部）の大きさの異なる複数の開口絞りを有し、これらの複数の開口絞り１４ｃは光路に対して交換可能に構成されている。あるいは、開口絞り１４ｃとして、開口部の大きさを連続的に変化させることのできる虹彩絞りを用いてもよい。いずれにしても、開口絞り１４ｃの開口部の大きさ（ひいては結像光学系１４の像側開口数ＮＡｉ）は、後述するように、被処理基板１３の半導体膜上において所要の光強度分布を発生させるように設定されている。なお、結像光学系１４は、屈折型の光学系であってもよいし、反射型の光学系であってもよいし、屈折反射型の光学系であってもよい。

また、被処理基板１３は、位相シフター１１で位相変調されたレーザ光の結像により、溶融され凝固する過程で結晶化される。被処理基板１３は、たとえば液晶ディスプレイ用板ガラス基板の上に化学気相成長法（ＣＶＤ）により下地膜および非晶質シリコン膜が順次形成されたものである。下地絶縁膜は、絶縁膜例えばＳｉＯ₂であり、非晶質シリコン膜とガラス基板が直接接触してＮａなどの異物が非晶質シリコン膜に混入するのを防止し、非晶質シリコン膜の溶融温度が直接ガラス基板に伝熱されるのを防止する。非晶質シリコン膜は、例えば結晶化される半導体膜であり、非単結晶膜で、非晶質半導体膜や多結晶半導体などである。

非単結晶膜は、非単結晶の半導体膜や金属などでもよい。非晶質シリコン膜上には、キャップ膜として絶縁膜例えばＳｉＯ₂膜が成膜される。キャップ膜は、非晶質シリコン膜に入射する光ビームの一部により加熱され、この加熱された温度を蓄熱する。この蓄熱効果は、光ビームの入射が遮断されたとき、非晶質シリコン膜の被照射面において高温部が相対的に急速に降温するが、この降温勾配を緩和させ、大粒径の横方向の結晶成長を促進させる。被処理基板１３は、真空チャックや静電チャックなどにより基板ステージ１５上において所定の位置に位置決めされて保持されている。

こうして、第２実施形態では、位相シフター１１の位相シフト部に対応する領域において光強度が最も小さく周囲に向かって光強度が急激に増大する逆ピークパターンの光強度分布を有する光が、被処理基板１３上の非単結晶半導体に照射される。その結果、光強度分布に応じて溶融領域に温度勾配が生じ、光強度の低い位置に対応して最初に凝固する部分に結晶核が形成され、その結晶核から周囲に向かって結晶が横方向に成長することにより単結晶粒が生成される。

第２実施形態においても第１実施形態と同様に、コンデンサー光学系１２ｄと位相シフター１１との間にビームディフューザ１２ｅが配置されていないと、位相シフター１１とフーリエ変換の関係にある位置すなわち開口絞り１４ｃの位置に、多数のビーム集光点が形成される。その結果、エネルギ密度の非常に高いこれらのビーム集光点の近傍に正レンズ群１４ａまたは１４ｂを構成するレンズ面があると、熱レンズ効果により、被処理基板１３上の光強度分布が歪んだり、解像度が低下したりする。

第２実施形態では、第１実施形態と同様に、コンデンサー光学系１２ｄと位相シフター１１との間の光路中において位相シフター１１の近傍に、入射光を拡散させるためのビームディフューザ１２ｅを付設している。その結果、適度に設計された拡がり角を有するビームディフューザ１２ｅの拡散作用により、位相シフター１１とフーリエ変換の関係にある位置（開口絞り１４ｃの位置）での集光の程度を緩和し、ホモジナイザ１２ｃに起因する熱レンズ効果の発生を抑えて、被処理基板１３上の光強度分布が歪みや解像度の低下を回避することができる。

図４は、第２実施形態のレーザ結晶化装置を用いて結晶化された領域に電子デバイスを作製する工程を示す工程断面図である。図４（ａ）に示すように、絶縁基板８０（例えば、アルカリガラス、石英ガラス、プラスチック、ポリイミドなど）の上に、下地膜８１（例えば、膜厚５０ｎｍのＳｉＮおよび膜厚１００ｎｍのＳｉＯ₂積層膜など）および非晶質半導体膜８２（例えば、膜厚５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度のＳｉ，Ｇｅ，ＳｉＧｅなど）を、化学気相成長法やスパッタ法などを用いて成膜した被処理基板１３を準備する。そして、第２実施形態にしたがうレーザ結晶化装置を用いて、非晶質半導体膜８２の表面の予め定められた領域に、レーザ光８３（例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光やＸｅＣｌエキシマレーザ光など）を照射する。

こうして、図４（ｂ）に示すように、大粒径の結晶を有する多結晶半導体膜または単結晶化半導体膜８４が生成される。次に、図４（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて多結晶半導体膜または単結晶化半導体膜８４を例えば薄膜トランジスタを形成するための領域となる島状の半導体膜８５に加工し、表面にゲート絶縁膜８６として膜厚２０ｎｍ〜１００ｎｍのＳｉＯ₂膜を化学気相成長法やスパッタ法などを用いて成膜する。さらに、図４（ｄ）に示すように、ゲート絶縁膜上にゲート電極８７（例えば、シリサイドやＭｏＷなど）を形成し、ゲート電極８７をマスクにして不純物イオン８８（Ｎチャネルトランジスタの場合にはリン、Ｐチャネルトランジスタの場合にはホウ素）をイオン注入する。その後、窒素雰囲気でアニール処理（例えば、４５０°Ｃで１時間）を行い、不純物を活性化して島状の半導体膜８５にソース領域９１、ドレイン領域９２を形成する。次に、図４（ｅ）に示すように、層間絶縁膜８９を成膜してコンタクト穴をあけ、チャネル９０でつながるソース９１およびドレイン９２に接続するソース電極９３およびドレイン電極９４を形成する。

以上の工程において、図４（ａ）および（ｂ）に示す工程で生成された多結晶半導体膜または単結晶化半導体膜８４の大粒径結晶の位置に合わせて、チャネル９０を形成する。以上の工程により、多結晶トランジスタまたは単結晶化半導体に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成することができる。こうして製造された多結晶トランジスタまたは単結晶化トランジスタは、液晶表示装置（ディスプレイ）やＥＬ（エレクトロルミネッセンス）ディスプレイなどの駆動回路や、メモリ（ＳＲＡＭやＤＲＡＭ）やＣＰＵなどの集積回路などに適用可能である。

なお、上述の各実施形態では、コンデンサー光学系とマスクまたは位相シフターとの間の光路中においてマスクまたは位相シフターの近傍に、入射光を拡散させるためのビームディフューザを配置している。しかしながら、これに限定されることなく、ホモジナイザとマスクまたは位相シフターとの間の光路中の適当な位置にビームディフューザを配置することができる。

本発明の第１実施形態にかかるレーザ加工装置の構成を概略的に示す図である。 第１実施形態のレーザ加工装置の作用を説明する図である。 本発明の第２実施形態にかかるレーザ結晶化装置の構成を概略的に示す図である。 第２実施形態のレーザ結晶化装置を用いて結晶化された領域に電子デバイスを作製する工程を示す工程断面図である。

符号の説明

１ マスク
２，１２ 照明光学系
２ａ，１２ａ 光源
２ｃ，１２ｃ ホモナジイザ
２ｄ，１２ｄ コンデンサー光学系
２ｅ，１２ｅ ビームディフューザ
３ 被加工物
４，１４ 結像光学系
５ ステージ
１１ 位相シフター（光変調素子）
１３ 被処理基板
１５ 基板ステージ

Claims (4)

1. ホモジナイザを介して照度の均一化されたレーザ光でマスクを照明するための照明光学系と、
   前記マスクと被加工物との間に配置された結像光学系とを備え、
   前記照明光学系は、前記ホモジナイザと前記マスクとの間に配置されて入射光を拡散させるためのビームディフューザを有することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記結像光学系は、両側にほぼテレセントリックであり、
   前記ビームディフューザは、前記結像光学系の物体側開口数に対応した拡がり角を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. ホモジナイザを介して照度の均一化されたレーザ光で光変調素子を照明するための照明光学系と、
   前記光変調素子と非単結晶半導体との間に配置された結像光学系とを備え、
   前記照明光学系は、前記ホモジナイザと前記光変調素子との間に配置されて入射光を拡散させるためのビームディフューザを有することを特徴とするレーザ結晶化装置。
4. 前記結像光学系は、両側にほぼテレセントリックであり、
   前記ビームディフューザは、前記照明光学系の開口数と前記ホモジナイザの光線分割数とに対応した拡がり角を有することを特徴とする請求項３に記載のレーザ結晶化装置。

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