JP2006093662A - レ−ザ光の断面像の撮像方法及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ光のある横断面における断面像（光強度分布）を高い空間分解能で、正確に、且つ短時間で撮像することが可能な撮像方法を提供する。
【解決手段】 断面像（光強度分布）の撮像が行われる断面に相当する高さに、レーザ光２０をその断面の一部において遮るようにナイフエッジ３０を配置する。ナイフエッジ３０に向けてレーザ光２０を照射し、ナイフエッジ３０によって断面の一部が遮られたレーザ光の断面像を、撮像光学系４０で二次元的に拡大してＣＣＤ５０で撮像する。このようにして断面像を撮像しながら、ナイフエッジ３０による陰の境界部分における光強度の勾配が、予め設定された目標値以上の急峻度になるように撮像光学系４０の焦点合わせを行う。次いで、ナイフエッジ３０をレーザ光の光路から退避させた状態で、レーザ光を撮像光学系４０を介してＣＣＤ５０に入射させて、その断面像を撮像する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ光の断面像（即ち、ある横断面での光強度分布）を撮像するための方法に係る。本発明の方法は、特に、半導体薄膜のレーザアニールで用いられるレーザ光の二次元強度分布の測定に適している。

本発明は、

アクティブマトリクス型液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置などのようなフラットパネル型表示装置では、各画素を個別に駆動するため、ガラスまたはプラスチックからなる絶縁基板上に多数の薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴと記す）が形成される。非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）薄膜は、形成温度が低く、気相法で比較的容易に形成することが可能であり、量産性にも富むため、ＴＦＴソース、ドレイン、チャネル領域を形成するための半導体薄膜として広く用いられている。

しかし、非晶質シリコン薄膜は、導電率等の物性が多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）薄膜に比べて劣るという欠点がある（ａ−Ｓｉの移動度はｐｏｌｙ−Ｓｉのそれに比べて２桁以上低い）。このため、ＴＦＴの動作速度の高速化を図るべく、多結晶シリコン薄膜にＴＦＴのソース、ドレイン、チャネル領域を形成する技術を確立することが求められている。

多結晶シリコン薄膜を形成する方法として、例えば、エキシマレーザを用いるアニール法（Excimer Laser Annealing；以下、ＥＬＡ法と呼ぶ）が採用されている。このアニール方法は、汎用ガラス基板が使用可能な温度範囲（即ち、室温から５００℃程度まで）で実施することができる。ＥＬＡ法では、例えば、基板上に非晶質シリコン薄膜を所定の厚さ（例えば、５０ｎｍ程度）に堆積した後、この非晶質シリコン薄膜にクリプトン弗素（ＫｒＦ）エキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）あるいはキセノン塩素（ＸｅＣｌ）エキシマレーザ光（波長３０８ｎｍ）などを照射し、局所的に非晶質シリコン薄膜を溶融して再結晶化させ、多結晶シリコン薄膜を形成している。

なお、ＥＬＡ法は、レーザ光の平均強度（フルエンス）を変えることにより、他の様々なプロセスにも適応可能である。例えば、レーザ光の強度を加熱作用のみを有する範囲に設定すれば、ＴＦＴの不純物活性化工程に用いることができる。また、レーザ光の強度を極端に上げれば、急激な温度上昇を引き起こすため、ＴＦＴにおける薄膜の除去に利用することもできる。なお、これらの現象の利用は、ＴＦＴに限定されるのみでなく、広く半導体製造プロセスに適応できるものである。

ところで、液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置などのフラットパネル型表示装置において、動作速度の高速化を図るために、多結晶シリコン薄膜にＴＦＴを作った場合、各ＴＦＴのチャネル領域内に含まれる結晶粒界の数や分布にバラツキがあると、各ＴＦＴのしきい値電圧（Ｖｔｈ）に大きなバラツキが生ずる。これは、表示装置全体としての動作特性を低下させる要因となる。このため、各チャネル領域内の結晶粒界の数をできるだけ均一にするか、あるいは、結晶粒をチャネル領域よりも大きく成長させ且つその位置を制御することにより、各チャネル領域内から結晶粒界を排除することが望まれている。

本願発明者らは、大きな結晶粒径のシリコン薄膜を形成するためのレーザアニール・プロセスを開発している。それによれば、レーザ光が照射される光路の途中に、「位相シフタ」と呼ばれる光学素子（位相変調素子）を挿入することにより、非晶質シリコン薄膜上でのレーザ光の二次元強度分布を調整して、大きな粒径の結晶粒を成長させる。ここで、位相シフタとは、透明な石英基板に、凹部または凸部からなる段差で微細な平面パターンが形成された光学素子である。位相シフタは、それを通過するレーザ光の一部に位相差を与え、レーザ光の回折及び位相の異なるレーザ光の干渉によって、レーザ光の二次元強度分布を作り出す。このようにして、レーザ光の二次元強度分布を調整することにより、被処理基板上に適切な温度分布を生じさせ、それによって、２〜７ミクロン程度の大きな粒径のシリコン単結晶を位置を制御して形成することができる。

このようなレーザアニール・プロセスの開発の過程で、次のことが判明した。即ち、大きな粒径の結晶粒をその位置を制御して形成するためには、非晶質シリコン薄膜に照射されるレーザ光の、サブミクロンレベルの微小領域における強度分布のパターンが、極めて重要である。しかしながら、そのような強度分布を正確に測定することは、エキシマレーザ光が紫外線領域の不可視光であることにも一部起因して、非常に難しく、そのための方法は未だ確立されていない。

ＥＬＡ法に使用されるレーザ光の強度分布を測定するための方法として、これまで、次のような方法が知られている。

その一つは、非晶質シリコン薄膜にレーザ光を照射し、その物性の変化に基づいてレーザ光の強度分布を評価するものである。即ち、処理対象となる非晶質シリコン薄膜に結晶化を誘起する程度の閾値の光強度（フルエンス）でレーザ光を照射すると、光強度が強いところだけが多結晶シリコンとなり、その物性が部分的に変化する。従って、非晶質シリコン薄膜にレーザ光を照射した後、その部分の組織を顕微鏡で観察することによって、レーザ光の強度分布を推定することができる。なお、このような物性の変化に基づく評価方法では、非晶質シリコン薄膜の結晶化のみならず、他の材料（例えば、フォトレジスト）の物理的性質あるいは化学的性質の変化を利用することもできる。

もう一つの方法は、表面に蛍光剤が塗布された専用の撮像用基板を使用するものである（特願２００４−０２０１０４号）。この方法では、レーザ光の強度分布を測定しようとする横断面に、蛍光剤の塗膜の面を一致させて、上記の撮像用基板を保持し、その状態で、撮像用基板の表面側からレーザ光を照射する。このとき、蛍光剤から発せられる蛍光を、撮像用基板の裏面側から、撮像光学系を用いて二次元的に拡大して、レーザ光の断面像（光強度分布）を撮像している。

ここで、前者の、物性の変化に基づいてレーザ光の強度分布を測定する方法には、次のような問題があった。即ち、物性の変化は光強度の閾値に依存するため、レーザ光の強度を段階的に変化させなければならず、複数回のレーザ照射と物性評価が必要となる。従って、評価の結果には、レーザ照射の条件のバラツキが含まれることになる。また、物性の変化が生じる材料自体にもバラツキがあるので、光強度分布を「平面像」として捉えるのは非常に困難であるし、あまり正確な評価とはいえない。更に、物性評価はオフラインの検査となるので、結果が得られるまでに時間がかかる。

一方、後者の、蛍光に変換してレーザ光の断面像を撮像する方法には、次のような問題があった。即ち、蛍光が可視光であるため、得られる断面像の空間分解能は、蛍光の波長であるおおむね０．５μｍ以下にはならない。また、一般に、蛍光物質は有毒であり、環境に対する影響が大きい。

本発明は、以上のような従来のレーザ光の強度分布の測定方法についての問題点に鑑み成されたものである。本発明の目的は、レーザ光のある横断面における断面像（光強度分布）を高い空間分解能で、正確に、且つ短時間で撮像することが可能な撮像方法を提供することにある。

本発明は、ある横断面でのレ−ザ光の断面像の撮像方法であって、
レーザ光の進行方向に関して前記横断面の前方側に、撮像装置を配置し、
前記横断面内に、レーザ光の一部を遮るように遮光部材を配置し、
遮光部材によって一部が遮られたレーザ光の強度分布を表す明暗像を、撮像装置を用いて撮像し、
それにより得られた明暗像のパターンが、予め定められた条件を満足するように、撮像装置の光学系の焦点を調整し、
次いで、遮光部材をレーザ光の光路から退避させて、前記横断面でのレ−ザ光の断面像を、撮像装置を用いて撮像すること、を特徴とする。

本発明の方法によれば、前記明暗像の明るい部分と暗い部分の境界の鮮明度に基づき、撮像装置の光学系の焦点を前記横断面（例えば、被処理基板の表面に相当する位置）に正確に一致させることができる。それに加えて、レーザ光を直接検出しているので、前記横断面におけるレーザ光の断面像（光強度分布）を正確に撮像することができる。

例えば、前記遮光部材は、ナイフエッジ状の部材である。この部材を用いてレーザ光の一部を遮る際には、ナイフエッジの先端が前記横断面内にあるように配置される。

あるいは、前記遮光部材は、表面の一部に遮光性薄膜が被覆された透明基板である。この基板を用いてレーザ光の一部を遮る際には、前記遮光性薄膜が前記横断面内にあるように配置される。

また、レーザアニール装置において、上記の方法を用いてレ−ザ光の強度分布を監視することができる。その場合、レーザアニール装置は、
被処理基板上に形成された半導体薄膜に、光強度の勾配を有するレーザ光を照射して、半導体薄膜を結晶化するレーザアニール装置であって、
前記基板を保持する試料ステージと、
前記基板に向けてレーザ光を発射するレーザ光源と、
レーザ光源と試料ステージの間に配置され、レーザ光の強度を減少させるアッテネータと、
レーザ光の光路から試料ステージを退避させた状態で、前記基板と同一平面内で、レーザ光の一部を遮るように配置することができる遮光部材と、
レーザ光の光路に対して試料ステージ及び前記遮光部材を交互に進退させることができる駆動機構と、
レーザ光の光路上で、前記遮光部材の背面側に配置された撮像装置と、
遮光部材によって一部が遮られたレーザ光の強度分布を表す明暗像を、撮像装置を用いて撮像し、それにより得られた明暗像のパターンが、予め定められた条件を満足するように、撮像装置の光学系の焦点を調整する焦点合わせ機構と、
を備えたことを特徴とする。

このレーザアニール装置においては、先の方法に従って、撮像装置の光学系の焦点合わせ及びレーザ光の断面像の撮像が行われる。その結果、被処理基板の表面に相当する位置におけるレーザ光の強度分布が、所定の条件を満足していることが確認された後、試料ステージを移動して、レーザ光の光路内に被処理基板をセットし、その状態で、被処理基板上の半導体薄膜にレーザ光を照射する。

好ましくは、上記のレーザアニール装置において、アッテネータと試料ステージの間のレーザ光の光路内に、ホモジナイズ光学系及び位相シフタを、順に配置する。ホモジナイズ光学系は、レーザ光の二次元強度分布を均一化する。位相シフタは、ホモジナイズ光学系の焦点位置に配置され、レーザ光の二次元強度分布を作り出す。

レーザアニール装置において本発明の方法を使用すれば、被処理基板の表面に相当する位置におけるレーザ光の強度分布を、正確に且つ比較的短時間で測定することができる。従って、レーザ光の強度分布を、良好な状態で維持することができる。また、レーザ光の強度分布を正確に調整することによって、基板上でアモルファスシリコン薄膜または多結晶シリコン薄膜から、目標とする大きな粒径のシリコン結晶を成長させることができる。

なお、上記と同様な構成は、レーザアニール装置以外にも、被加工基板に光強度の勾配を有するレーザ光を照射して被加工基板を加工する各種のレーザ加工装置に適用することができる。

（例１）
本発明に基づいて、レーザ光の断面像を撮像する方法について説明する。

図１に、レーザ光の断面像を撮像するための装置の概略構成の一例を示す。レーザ光源１から発射されるレーザ光の光路２０上に、アッテネータ２、ナイフエッジ３０（遮光部材）、撮像装置５１が、順に配置されている。アッテネータ２は、レーザ光の強度を所定の強度に調整する。ナイフエッジ３０は、レーザ光の二次元強度分布を測定しようとする横断面を特定するため、その横断面内にレーザ光の一部を遮るように配置される。撮像装置５１は、レーザ光の進行方向に関してナイフエッジ３０の前方側に配置され、ナイフエッジ３０の先端部分の像を撮像する。更に、撮像装置５１は、ナイフエッジ３０をレーザ光の光路から退避させた後に、上記の平面内でのレーザ光の断面像を撮像する。

撮像装置５１は、撮像光学系４０とＣＣＤ５０を備える。撮像光学系４０は、対物レンズ４１と光学筒４２を備える。ＣＣＤ５０は、光学筒４２の後端（下面）に取り付けられている。対物レンズ４１は、入射した光をＣＣＤ５０の光電変換面に結像させる。ＣＣＤ５０は、入射した光を光電効果により電気信号に変換する。光学筒４２は、対物レンズ４１からＣＣＤ５０までの光路を外部光から遮蔽する。

撮像装置５１は、撮像ステージ６０上に保持されている。撮像ステージ６０は、Ｘ軸方向に移動するＸステージ６１と、Ｘステージ６１上に支持されＹ軸方向に移動するＹステージ６２と、Ｙステージ６２上に支持され上下方向（Ｚ方向）に移動するＺステージ６２とから構成される。レーザ光２０の光軸に対する撮像装置５１の位置合わせは、Ｘステージ６１及びＹステージ６２によって行われる。対物レンズ４１の焦点合わせは、Ｚステージ６３の上下動によって行われる。

なお、断面像の撮像を行わないとき、即ち、被処理基板のレーザアニールを行うときは、ナイフエッジ３０、撮像装置５１及び撮像ステージ６０を、レーザ光の光軸の延長線上の外に退避させておくことができる。

ＣＣＤ５０の出力回路には、コンピュータ８０が接続され、このコンピュータ８０には、入力情報や出力情報を選択的に表示する表示装置８１が接続されている。コンピュータ８０は、レーザ光源１によるレーザ発振の制御、アッテネータ２によるレーザ光量の制御、ナイフエッジ３０の陰による明暗像の情報に基づくアッテネータの制御及び撮像装置５１のＸ−Ｙ−Ｚ軸方向の位置の制御などを、自動的に行う。

次に、このシステムを用いたレーザ光の断面像の撮像方法について設明する。

レーザ光の断面像の撮像に先立って、先ず、ナイフエッジ３０を用いて撮像光学系４０の焦点合わせを行う。即ち、ナイフエッジ３０を、レーザ光２０の光路上に、レーザ光２０をその断面の一部において遮るように位置合わせして保持する。ナイフエッジ３０の先端の高さは、レーザ光の強度分布を測定しようとする横断面（従って、レーザ光を用いてレーザアニールが行われる被処理基板の表面）と一致するように、調整される。

その状態で、レーザ光源１からナイフエッジ３０に向けてレーザ光２０を出射し、ナイフエッジ３０の陰による明暗像を、対物レンズ４１で二次元的に拡大して、ＣＣＤ５０で撮像する。ＣＣＤ５０で得られたデータは、コンピュータ８０で解析される。コンピュータ８０は、撮像ステージ６０、遮光部材用ステージ１１０（図８）、アッテネータ２、レーザ光源１を制御し、撮像を繰り返しながら、撮像装置５１の視野及び焦点を調整する。即ち、コンピュータ８０は、Ｘステージ６１及びＹステージ６２を移動させて、撮像装置５１の視野をナイフエッジ３０の先端に合わせるとともに、Ｚステージ６３を移動させて、撮像装置５１の焦点をナイフエッジ３０の先端に合わせる。

その後、ナイフエッジ３０を退避させて、上記の横断面でのレーザ光２０の断面像を撮像装置５１で撮像する。この際に、レーザ光源１によるレーザ発振のタイミング制御、レーザ光の光量調整なども、コンピュータ８０により自動的に行われる。

撮像装置５１の焦点合わせの詳細について、更に説明する。ナイフエッジ３０を、レーザ光２０の光路上に、上記のように位置合わせした状態で、ナイフエッジ３０の先端部分の像（明暗像）を、ＣＣＤ５０で撮像する。このようにしてナイフエッジ３０の先端部分の像の撮像を繰り返しながら、ナイフエッジ３０による陰の境界部分における光強度の勾配が、予め設定された目標値以上の急峻度になるように、撮像光学系４０の焦点を調整する。

具体的には、図２に示す２次元像のように、ナイフエッジ３０で遮ぎられた領域は暗く、それ以外の領域は明るく表示される。図２のＡ−Ａ’における１次元の規格化光強度分布を、図３（ａ）に示す。Ａ点では暗レベル（０）であるが、ナイフエッジ３０の領域を出ると急激に上昇して、Ａ’点では明レベル（１）となる。暗レベルから明レベルへの遷移領域の距離が最も短くなるときに、撮像装置５１の焦点がナイフエッジ３０の先端に一致している。なお、レーザ光２０のコヒーレンシが良いとき、フレネル回折の効果によって、遷移領域の両端においてフリンジ（高周波成分）が発生する場合がある。その場合には、波形に対して適度なローパスフィルタかけて、除去することができる。焦点位置を明確にするために、図３（ａ）の波形を距離ｘについて微分する。その結果、図３（ｂ）に示すような分布曲線が得られる。この分布曲線の最大値の半分の値の幅Ｄが最も短くなるときに、撮像装置５１の焦点がナイフエッジ３０の先端に一致している。

このシステムが、半導体薄膜の結晶化装置で使用される場合には、被処理基板の表面に相当する位置（即ち、同じ高さ）に、ナイフエッジ３０が配置される。結晶化装置の運転中に、レーザ光の光強度分布を確認する必要が発生した場合には、被処理基板を退避させて、その位置にナイフエッジ３０を配置する。その状態で、撮像装置５１の位置および焦点合わせを行う。次いで、ナイフエッジ３０を退避させた後、レーザ光を発振させると、ＣＣＤ５０の光電変換面に、焦点位置での断面像が結像される。このようにして、被処理基板の表面における光強度分布パターンを確認することができる。

好ましくは、上記のように、遮光部材としてナイフエッジが使用される。その場合には、ナイフエッジの先端の平面度を±０．１μｍ以下の精度で加工することにより、撮像装置５１の焦点合わせの対象となる横断面（断面像の撮像が行われる対象面）を正確に特定することができる。更に、ナイフエッジを使用した場合には、ナイフエッジの外に外れた部分では、ナイフエッジの先端を通る面内にレーザ光の光路を遮るものが何も存在していないので、撮像装置５１の焦点を、被処理基板の表面に相当する位置に正確に合わせることができる。

また、図４及び５に示すように、遮光部材として、透明基板３１の表面の一部に遮光性薄膜３２が被覆された遮光板３３を使用することもできる。遮光板３３の遮光性薄膜３２の厚さは、１μｍ程度以下が好ましい。焦点合わせの対象面は、図４の配置の場合には遮光板３３の裏面となり、図５の配置の場合には遮光板３３の表面となる。図５の配置の場合、撮像装置の焦点合わせを行うときには、遮光板３３の厚さｔ及び屈折を考慮した上で、レーザ光の光路内で、遮光性薄膜３２の縁の部分が被処理基板の表面に相当する位置に来るように、遮光板３３を配置する。

図６に、図１のシステムにおける制御系の構成を示す。バス８２には、入出力手段８３、メモリ８４、中央制御装置（以下、ＣＰＵと略す）８５、及び表示装置８１が接続されている。メモリ８４は、予め定められた操作プログラムを記憶する。ＣＰＵ８５は、メモリ８４に記憶された操作プログラムによりシステムを制御する。表示装置８１は、入・出力情報を表示する。

バス８２には、更に、レーザ装置用制御情報記憶装置８８、撮像装置用ステージ制御情報記憶装置８７、基板ステージ制御情報記憶装置８９、遮光部材用ステージ制御用情報記憶装置９０、及び共通ステージ制御情報記憶装置９９が接続されている。レーザ装置用制御情報記憶装置８８は、レーザ光源１の動作を自動的に制御するプログラムが記憶される。撮像装置用ステージ制御情報記憶装置８７には、ＣＣＤ５０を支持する撮像ステージ６０を制御するプログラムが記憶される。基板ステージ制御情報記憶装置８９には、被処理基板１０を支持する基板ステージ１００を制御するプログラムが記憶される。遮光部材用ステージ制御用情報記憶装置９０には、遮光部材（例えばナイフエッジ）をレーザ光の一部を遮る位置に位置決めして出し入れする遮光部材用ステージ１１０を制御するプログラムが記憶される。共通ステージ制御情報記憶装置９９には、基板と遮光部材と撮像装置の３つのステージを乗せる共通ステージ７０を制御するプログラムが記憶される。

バス８２には、更に、撮像・分析用制御情報記憶装置９１が接続されている。この記憶装置９１には、予め定められた撮像・分析作業を自動的に実行するためのプログラムが記憶される。

続いて、図６のブロック図を参照しながら、図１のシステムの自動焦点合わせの方法について説明する。先ず、焦点合わせのための操作の前に、ＣＰＵ８５は、メモリ８４に記憶されている基本プログラムを読み出して作業を開始する。次に、ＣＰＵ８５は、共通ステージ制御情報記憶装置９９からデータを読み出す。このデータに基づき、レーザ光２０の光路から被処理基板１０や、被処理基板１０を支持するステージ１００を予め定められた退避位置に移動制御する。このときＣＰＵ８５は、基板ステージ制御情報記憶装置８９および遮光部材用ステージ制御用情報記憶装置９０を動作させる。ＣＰＵ８５は、退避制御された確認情報が、入出力手段８３に入力されたことを認識する。

次に、ＣＰＵ８５は、ＣＣＤ５０の焦点合わせのプロセスを自動的に実行する。ＣＰＵ８５は、レーザ光２０の光路に被処理基板１０や撮像ステージ６０の無いことを、メモリ８４に記憶させ、認識した後、遮光部材用ステージ制御用情報記憶装置９０から制御プログラムを読み出し、遮光部材を、レーザ光２０の一部を遮る予め定められた位置に移動制御する。同時又は次に、ＣＰＵ８５は、撮像装置用ステージ制御情報記憶装置８７からから制御プログラムを読み出し、撮像・分析用装置を、レーザ光２０の光路内の予め定められた位置に移動する。

遮光部材および撮像装置が移動した情報が、入出力手段８３を介して、メモリ８４に記憶されたとき、ＣＰＵ８５は、レーザ装置用制御情報記憶装置８８からレーザ光源制御情報を読み出し、レーザ光源１を制御してレーザ光の出射を行う。ＣＰＵ８５は、撮像・分析用制御情報記憶装置９１から焦点合わせ制御プログラムを読み出し、撮像装置が撮像した遮光部材の像の明暗信号を、メモリ８４に記憶すると同時に表示装置８１に表示する。ＣＰＵ８５は、明暗信号の暗レベルから明レベルへの遷移領域の距離が最も短くなる条件（即ち、明暗信号の距離についての微分値から得られる、ピークの全高半値幅）を焦点位置情報として出力し、メモリ８５に記憶すると同時に、表示装置８１の表示画面に表示する。

次に、図７を使用して、焦点合わせの具体的なフローをについて説明する。最もピントが合っている像データをＢとする。像データＢは、予めメモリに記憶しておいても良い（ステップ（ａ））。これを距離Ｘで微分して得られた波形の全高半値幅（ＦＷＨＭ）をＤｂとする（ステップ（ｂ））。このＤｂをデータベースとしてメモリに記憶しておいても良い。

測定された１次元像データＣについて、入力が行われる（ステップ（ｃ））。このとき、前に述べたフリンジが発生していたら、適度なローパスフィルタをかけて、フリンジを除去する。１次元像データＣを距離Ｘについて微分することにより、１次元像データＣについての全高半値幅ＦＷＨＭ値Ｄｃが得られる（ステップ（ｄ））。このＤｃと予め記憶されているＤｂとの差から、Ｄｓが得られる。

この差Ｄｓが０であれば、撮像光学系は焦点位置にある。しかし、Ｄｓが０でなければ、それに合わせて、撮像光学系のＺステージ６３のｚ方向への送り量信号値Δｚを算出し、Ｚステージ６３を移動させ、再度１次元像を撮像する。このフローは、Ｄｓ＝０となるまで行う。その結果、焦点位置となる最適な撮像光学系Ｚステージ６３の値が決定される。これによって、ナイフエッジ３０の先端によって特定された高さ（即ち、被処理基板の表面に相当する高さ）における、レーザ光の断面像を直接的に撮像する準備が完了する。

ＣＰＵ８５は、焦点位置情報を確認した後、遮光部材用ステージ制御用情報記憶装置９０からのプログラムにより、ナイフエッジ３０を、レーザ光２０の光路から、予め定められた退避位置へ退避させる。ＣＰＵ８５は、ナイフエッジ３０がレーザ光２０の光路から退避した事を、入出力手段８３を介して確認した後、レーザ装置用制御情報記憶装置８９からデータを読み出して、レーザ光源１からレーザ光を出射する。これとともに、ＣＰＵ８５は、アッテネータ２によりレーザ強度を調整して、レーザ光の強度分布を撮像装置により撮像する。ＣＰＵ８５は、撮像出力信号を、入出力手段８３を介してメモリ８４に記憶すると同時に、表示装置８１に記憶する。このようにして、ＣＰＵ８５は、レーザ光の断面像を撮像する。

なお、レーザ光の断面像を撮像する際には、ナイフエッジ３０、撮像光学系４０及びＣＣＤ５０の保護のため、レーザ光の強度は、実際のレーザアニールの際と比べて低く設定される。なお、エキシマレーザ光を位相シフタ（後述）を介して照射したときの被処理面における断面像は、エキシマレーザ光の出力を変えても、光強度の絶対値が変わるだけで、その分布形状（ビームプロファイル）は変化しない。

代表的なケースにおいて、断面像が撮像されるレーザ光２０のビーム形状は、レーザ照射領域２ｍｍ角のうち、１００μｍφ程度であり、これが、対物レンズ４１で、例えば、１００〜２００倍程度に二次元的に拡大され、１０〜２０ｍｍφ程度の画像として、ＣＣＤ５０上に投影される。ここで、ＣＣＤ５０自体のピクセルサイズを、例えば、１０μｍ以下とすると、被処理面の位置における空間分解能（即ち、レーザ光のビームプロファイルに対する空間分解能）は、０．２〜０．１μｍ以下となる。

（例２）
プロキシミティ方式によるレーザアニール装置の例：
図８に、本発明に基づく断面像の撮像方法が採用される、レーザアニール装置の概略構成の一例を示す。この装置では、プロキシミティ方式の光学系が採用されており、光強度が変調されたレーザ光を被処理基板に照射するために、基板直上に位相シフタ５が配置される。この光学系の一例は、結晶化装置である。図１と同一部分には、同一符号を付与し、その詳細な説明は省略する。

レーザ光２０の光路上に、アッテネータ２、ホモジナイズ光学系２１、ミラー３、位相シフタ５が、順に配置されている。位相シフタ５は、ホモジナイズ光学系２１と被処理基板１０の間に挿入され、支持台（図示せず）によって、被処理基板１０から一定のギャップｄを保って保持される。また、この位相シフタ５は、レーザ光の光軸に対して移動させることが可能で、レーザ光２０の光路から外すこともできる。ギャップｄは、おおよそ６０から５００μｍ程度である。ホモジナイズ光学系２１の焦点は、位相シフタ５の厚さ分の屈折によって変動するので、予め計算を行って焦点位置を決め、その位置に被処理基板１０を配置するように設定しておく。

共通ステージ７０上には、（被処理基板用ステージ１００を介して）被処理基板１０と、（遮光部材用ステージ１１０を介して）ナイフエッジ３０と、断面像を得るための撮像装置（４０、５０、６０）が、並んで保持される。被処理基板１０の高さとナイフエッジ３０の高さと位相シフタ５の高さは、ハイトセンサ６５で測定される。ナイフエッジ３０の背面側には、撮像装置（４０、５０、６０）が配置されている。撮像装置は、先に図１を用いて説明したものと同じであって、撮像光学系４０、ＣＣＤ５０、撮像ステージ６０などから構成されている。

レーザ光源１から照射されたレーザ光２０は、アッテネータ２で減衰された後、ホモジナイズ光学系２１を通りミラー３に至る。被処理基板１０とナイフエッジ３０は、位相シフタ５を介したホモジナイズ光学系２１の焦点に配置される。

なお位相シフタ５は、光の位相を変調することによって、被処理基板１０の表面において、被処理基板１０の処理の目的に適合した光強度分布を形成する光強度変調素子である。位相シフタ５は、例えば、石英基材にエッチングで段差を形成することによって作製される。レーザ光２０は、位相シフタ５によって位相変調され、二次元的な光強度分布が与えられて、被処理基板１０の表面に入射し、結像される。

この結像されたレーザ光のパターンを確認したいとき、即ち、被処理基板１０の表面に入射するレーザ光の断面像を撮像するときには、先ず共通ステージ７０、遮光部材用ステージ１１０、撮像ステージ６０を駆動して、ナイフエッジ３０、撮像装置（４０、５０、６０）を、レーザ光２０の光軸の延長線上に移動する。そして、位相シフタ５を、レーザ光２０の光路から外す。ナイフエッジ３０の高さ及び位置、レーザ光２０の光軸に対する撮像光学系４０及びＣＣＤ５０のアライメント等が終了した後、ナイフエッジ３０にレーザ光２０を照射して、先に記載した手順に従って、撮像光学系４０の焦点合わせを行う。撮像光学系４０の焦点合わせが終了した後、ナイフエッジ３０を退避させて、位相シフタ５をレーザ光２０の光路に入れて、断面像の撮像を行う。

また、位相シフタ５により位相変調されたレーザ光のパターンを確認する場合には、位相シフタ５を光軸から退避させず、撮像装置で撮像する。

レーザ光の断面像（被処理基板の表面に相当する高さにおける光強度分布）は、撮像光学系４０で二次元的に拡大され、ＣＣＤ５０で撮像される。ＣＣＤ５０は、撮像されたレーザ光の像をデジタル信号に変換して、コンピュータ８０に送る。処理されたデータ（即ち、撮像されたレーザ光の強度分布）は、表示装置８１に表示される。

表示装置８１上で、撮像された断面像と、予め記憶されている目標の断面像とを比較し、両者の差が、予め定められている許容限度内に収まっていることを確認する。両者の差が、許容限度内から外れている場合には、被処理基板１０と位相シフタ５の距離ｄ（すなわち、レーザ光２０の光軸方向の微調整）を行い、両者の差を許容限度内に収める。なお、このような断面像の確認及び調整は、コンピュータ８０を用いて自動的に行われる。

上記のような断面像のチェックは、レーザ光による処理中に、被処理基板の処理枚数あるいは時間についての適当なインターバルを設定して行われる。調整によってレーザアニールに適した断面像（光強度分布）であることが確かめられたら、共通ステージ７０および被処理基板用ステージ１００を駆動してレーザ光２０光軸上に被処理基板を配置し、適切なレーザフルエンスとなるようにアッテネータ２を調節した後、レーザアニールを行う。

なお、アモルファスシリコン薄膜１４を溶融して結晶化させる際のエキシマレーザ光のエネルギー（フルエンスの値）は、例えば、２００ｍＪ／ｃｍ^２であり、大粒径のシリコン粒を形成するには、例えば８００ｍＪ／ｃｍ^２程度のフルエンスが必要である。これに対して、エキシマレーザ光の断面像を撮像する際のエネルギーは、例えば、１０ｍＪ／ｃｍ^２〜３０ｍＪ／ｃｍ^２程度である。

（例３）
プロジェクション方式によるレーザアニール装置の例：
図９に、本発明に基づく断面像の撮像方法が採用される、他のレーザアニール装置の構成例を示す。この装置では、被処理基板にレーザ光を照射するために、プロジェクション方式の光学系が採用されている。図１及び図８と同一部分には、同一符号を付与し、その詳細な説明は省略する。

共通ステージ７０上には、（被処理基板用ステージ１００を介して）被処理基板１０と、（遮光部材用ステージ１１０を介して）ナイフエッジ３０と、撮像装置（４０、５０、６０）が並んで保持される。被処理基板１０の高さとナイフエッジ３０の高さは、ハイトセンサ６５で測定される。ナイフエッジ３０の背面側には、撮像装置（４０、５０、６０）が配置されている。撮像装置は、先に図１を用いて説明したものと同じであって、撮像光学系４０、ＣＣＤ５０、撮像ステージ６０などから構成されている。

レーザ光２０の光路には、アッテネータ２、ホモジナイザ２１、位相シフタ５ａ、ミラー３及びプロジェクションレンズ４が順に配置されている。被処理基板１０およびナイフエッジ３０の高さは、ハイトセンサ６５で測定される。

レーザ光源１から発射されたレーザ光２０は、アッテネータ２で適切な強度に減衰される。次いで、ホモジナイザ２１に入って光強度分布がホモジナイズ（均一化）される。光強度が均一化される位置に配置された位相シフタ５ａによって、レーザ光２０は位相変調される。位相変調されたレーザ光２０はミラー３へ至り、次いでプロジェクションレンズ４に入り、プロジェクションレンズ４の持つ倍率に変換されて、被処理基板１０の上で結像して照射される。ここで、光強度が均一化される位置に配置された位相シフタ５ａの像は、プロジェクションレンズ４を通して基板表面位置で再び像を結ぶ共役の関係になっている。この像面に基板を配置することで、位相変調されたレーザアニールが行われる。この像面を撮像することで、プロジェクション方式のレーザアニールの制御性を高めることができる。

像面を撮像する方法は、先に示したプロキシミティ方式によるレーザアニール装置（図９）の場合と類似しているが、調整個所が若干異なる。

被処理基板１０の表面に入射するレーザ光の断面像を撮像するときには、先ず、共通ステージ７０、遮光部材用ステージ１１０、撮像ステージ６０を駆動して、ナイフエッジ３０、撮像装置（４０、５０、６０）を、レーザ光２０の光軸の延長線上に移動する。そして位相シフタ５ａを、レーザ光２０の光路から外す。ナイフエッジ３０の高さ及び位置、レーザ光２０の光軸に対する撮像光学系４０及びＣＣＤ５０のアライメント等が終了した後、ナイフエッジ３０にレーザ光２０を照射して、先に記載した手順に従って、撮像光学系４０の焦点合わせを行う。撮像光学系４０の焦点合わせが終了した後、ナイフエッジ３０を退避させて、位相シフタ５ａをレーザ光２０の光路に入れて、断面像の撮像を行う。

レーザ光の断面像（被処理基板の表面に相当する高さにおける光強度分布）は、撮像光学系４０で二次元的に拡大され、ＣＣＤ５０で撮像される。ＣＣＤ５０は、撮像されたレーザ光の像をデジタル信号に変換して、コンピュータ８０に送る。処理されたデータ（即ち、測定されたレーザ光の強度分布）は、表示装置８１に表示される。

表示装置８１上で、撮像された断面像と、予め記憶されている目標の断面像と比較することで、両者の差が、予め定められている許容限度内に収まっているかを確認する。両者の差が、許容限度内から外れている場合には、被処理基板１０と位相シフタ５ａの配置（すなわち、レーザ光２０の光軸と平行な方向の距離や、レーザ光２０の光軸と垂直な面での回転など）を行い、両者の差を許容限度内に収める。なお、このような断面像の確認及び調整は、コンピュータ８０を用いて自動的に行う。

上記のような断面像のチェックは、被処理基板の処理枚数あるいは時間についての適当なインターバルを設定して行われる。調整によってレーザアニールに適した断面像（光強度分布）であることが確かめられたら、共通ステージ７０および被処理基板用ステージ１００を駆動してレーザ光２０光軸上に被処理基板を配置し、適切なレーザフルエンスとなるようにアッテネータ２を調節した後、レーザアニールを行う。

本発明の方法を用いてレーザ光の断面像を撮像する際の、装置の構成の例を示す概略図である。 本発明の方法において、ナイフエッジを用いて撮像装置の光学系の焦点合わせを行う際の、明暗像（二次元光強度分布）の例を示す図である。 図２に示した例におけるレーザ光の光強度分布を示す図であり、（ａ）はＡ-Ａ’線に沿った光強度分布、（ｂ）はＡ-Ａ’線に沿った光強度分布の微分値を示す。 本発明の方法において、遮光性薄膜が被覆された透明基板を使用する場合の透明基板の配置の一例を示す図。 本発明の方法において、遮光性薄膜が被覆された透明基板を使用する場合の透明基板の配置の他の例を示す図。 本発明の方法を用いてレーザ光の断面像を撮像する装置が組み込まれたレーザアニール装置の信号ブロック図である。 所定の横断面に撮像装置の光学系の焦点を合わせる方法について説明する図である。 本発明の方法を用いてレーザ光の断面像を撮像する装置が組み込まれたプロキシミティ方式によるレーザアニール装置の例を示す図である。 本発明の方法を用いてレーザ光の断面像を撮像する装置が組み込まれたプロジェクション方式によるレーザアニール装置の例を示す図である。

符号の説明

１・・・レーザ光源、２・・・アッテネータ、３・・・ミラー、４・・・プロジェクションレンズ、５、５ａ・・・位相シフタ、１０・・・被処理基板、２０・・・レーザ光、２１・・・ホモジナイザ（ホモジナイズ光学系）、３０・・・ナイフエッジ（遮光部材）、４０・・・撮像光学系 、４１・・・対物レンズ、４２・・・光学筒、５０・・・ＣＣＤ（撮像部品）、６０・・・撮像ステージ、６１、１０１、１１１・・・Ｘステージ、６２、１０２、１１２・・・Ｙステージ、６３、１０３、１１３・・・Ｚステージ、６５・・・ハイトセンサ、７０・・・共通ステージ、８０・・・コンピュータ、８１・・・表示装置、８２・・・バス、８３・・・入出力手段、８４・・・メモリ、８５・・・ＣＰＵ
８７・・・撮像装置用ステージ制御情報記憶装置、８８・・・レーザ装置用制御情報記憶装置、８９・・・基板ステージ制御情報記憶装置、９０・・・遮光部材用ステージ制御用情報記憶装置、９１・・・撮像・分析用制御情報記憶装置、９９・・・共通ステージ制御情報記憶装置、１００・・・被処理基板用ステージ、１１０・・・遮光部材用ステージ、ｄ・・・ギャップ。

Claims (7)

1. ある横断面でのレ−ザ光の断面像の撮像方法であって、
   レーザ光の進行方向に関して前記横断面の前方側に、撮像装置を配置し、
   前記横断面内に、レーザ光の一部を遮るように遮光部材を配置し、
   遮光部材によって一部が遮られたレーザ光の強度分布を表す明暗像を、撮像装置を用いて撮像し、
   それにより得られた明暗像のパターンが、予め定められた条件を満足するように、撮像装置の光学系の焦点を調整し、
   次いで、遮光部材をレーザ光の光路から退避させて、前記横断面でのレ−ザ光の断面像を、撮像装置を用いて撮像する、
   ことを特徴とするレ−ザ光の断面像の撮像方法。
2. 前記遮光部材は、ナイフエッジ状の部材であって、レーザ光の一部を遮る際には、そのナイフエッジの先端が前記横断面内にあるように配置されることを特徴とする請求項１に記載のレ−ザ光の断面像の撮像方法。
3. 前記遮光部材は、表面の一部に遮光性薄膜が被覆された透明基板であって、レーザ光の一部を遮る際には、前記遮光性薄膜が前記横断面内にあるように配置されることを特徴とする請求項１に記載のレ−ザ光の断面像の撮像方法。
4. ある横断面でのレ−ザ光の断面像を撮像するための装置であって、
   レーザ光の進行方向に関して前記横断面の前方側に配置された撮像装置と、
   前進位置と後退位置の間で移動可能であり、前進位置において、前記横断面内でレーザ光の一部を遮るように配置される遮光部材と、
   前記撮像装置を操作し、且つ前記遮光部材を移動させるための制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   遮光部材によって一部が遮られたレーザ光の強度分布を表す明暗像を、撮像装置を用いて撮像し、
   それにより得られた明暗像のパターンが、予め定められた条件を満足するように、撮像装置の光学系の焦点を調整し、
   次いで、遮光部材をレーザ光の光路から退避させて、前記横断面でのレ−ザ光の断面像を、撮像装置を用いて撮像する、
   ことを特徴とするレ−ザ光の断面像を撮像するための装置。
5. 被加工基板に光強度の勾配を有するレーザ光を照射して前記被加工基板を加工するレーザ加工装置であって、
   前記基板を保持する試料ステージと、
   前記基板に向けてレーザ光を発射するレーザ光源と、
   レーザ光源と試料ステージの間に配置され、レーザ光の強度を減少させるアッテネータと、
   レーザ光の光路から試料ステージを退避させた状態で、前記基板と同一平面内で、レーザ光の一部を遮るように配置することができる遮光部材と、
   レーザ光の光路に対して試料ステージ及び前記遮光部材を交互に進退させることができる駆動機構と、
   レーザ光の光路上で、前記遮光部材の背面側に配置された撮像装置と、
   遮光部材によって一部が遮られたレーザ光の強度分布を表す明暗像を、撮像装置を用いて撮像し、それにより得られた明暗像のパターンが、予め定められた条件を満足するように、撮像装置の光学系の焦点を調整する焦点合わせ機構と、
   を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
6. 被処理基板上に形成された半導体薄膜に、光強度の勾配を有するレーザ光を照射して、半導体薄膜を結晶化するレーザアニール装置であって、
   前記基板を保持する試料ステージと、
   前記基板に向けてレーザ光を発射するレーザ光源と、
   レーザ光源と試料ステージの間に配置され、レーザ光の強度を減少させるアッテネータと、
   レーザ光の光路から試料ステージを退避させた状態で、前記基板と同一平面内で、レーザ光の一部を遮るように配置することができる遮光部材と、
   レーザ光の光路に対して試料ステージ及び前記遮光部材を交互に進退させることができる駆動機構と、
   レーザ光の光路上で、前記遮光部材の背面側に配置された撮像装置と、
   遮光部材によって一部が遮られたレーザ光の強度分布を表す明暗像を、撮像装置を用いて撮像し、それにより得られた明暗像のパターンが、予め定められた条件を満足するように、撮像装置の光学系の焦点を調整する焦点合わせ機構と、
   を備えたことを特徴とするレーザアニール装置。
7. アッテネータと試料ステージの間のレーザ光の光路内に配置され、レーザ光の二次元強度分布を均一化するホモジナイズ光学系と、
   このホモジナイズ光学系の焦点位置に配置され、レーザ光の二次元強度分布を作り出す位相シフタと、
   を更に備えたことを特徴とする請求項６に記載のレーザアニール装置。

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