JP2006185933A - レーザアニール方法およびレーザアニール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術の問題点を解決したレーザ加工方法及びレーザ加工装置に製造方法を提供する。
【解決手段】レーザを用いたレーザアニール方法およびレーザアニール装置において、光路中にホモジナイザ５、光変調素子６、受光素子７を配し、受光素子７により、光変調素子６にて発生した回折光を遮光することにより、装置に対するダメージを低減することが出来る。また受光素子７が光強度測定機能、もしくは光電変換機能を具備することにより、光軸３が正常な範囲の光強度を有するかどうかを判断することが出来、また受光した光エネルギーを、再度装置で使用することも可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、半導体集積回路装置のような半導体装置、液晶表示装置のような表示装置の製造プロセスそして薄膜トランジスタの製造プロセスにおいて、使用されるレーザアニール方法およびレーザアニール装置に関するものである。

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表示装置では、各画素を個別に駆動するために、ガラスやプラスチック等の絶縁基板上に多数の薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴと略す。）が形成される。ＴＦＴのソース、ドレイン、チャネル領域に用いられる非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）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に用いる半導体薄膜として一般的に用いられている。

しかし、非晶質シリコン膜は、導電率等の物性が多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）膜に比べて劣る（ａ−Ｓｉの移動度はｐｏｌｙ−Ｓｉのそれに比べて２桁以上低い）という欠点がある。このため、今後ＴＦＴの動作速度を高速化するためには、多結晶シリコン膜にＴＦＴのソース、ドレイン、チャネル領域を形成する製造方法を確立する必要がある。

現状では、多結晶シリコン膜を形成する方法として、例えば、非特許文献１に記載されているエキシマレーザを用いたアニール法（Excimer Laser Annealing；以下、ＥＬＡ法と呼ぶ）が用いられている。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膜にクリプトン弗素（ＫｒＦ）エキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）やキセノン塩素（ＸｅＣｌ）エキシマレーザ光（波長３０８ｎｍ）などを照射して、局所的に非晶質シリコン膜を溶融・再結晶化させて多結晶シリコン膜を製造している。

エキシマレーザアニールは、レーザ光の平均強度（フルエンス）を変化させることで、アニールプロセスは熱処理による加工工程、及び結晶化工程をも意味するものであり、下記に記載するように広範囲なプロセスに適応可能である。例えば、加熱の作用のみとなるレーザ光の強度とすれば、ＴＦＴを作る上で必要な不純物活性化工程に用いることが出来る。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における膜の除去に利用することも出来る。なお、これらの現象の利用は、ＴＦＴに限定されるのみでなく、広く半導体プロセスに適応できるものである。
日経マイクロデバイス別冊フラットパネル・ディスプレイ1999（日経BP社、1998年、pp.132-139）

液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置などの表示装置において、動作速度の高速化を図るために、多結晶シリコン膜にＴＦＴを作った場合、多結晶シリコン膜の結晶粒界が、各ＴＦＴのチャネル領域内に形成される数や分布に「ばらつき」が生ずると、各ＴＦＴ間のしきい値電圧（Ｖｔｈ）のばらつきを著しく増大させる。この結果、表示装置全体としての動作特性を大幅に低下させ、画質を低下させる原因となっている。このため、各ＴＦＴのチャネル領域での結晶粒界をできるだけ均質にするか、結晶粒径をチャネル領域以上に大きくかつ位置を制御して各チャネル領域内から結晶粒界を排除することが要望されている。

本願発明者らは、レーザ光が照射される光路の途中にレーザ光の位相を変調させる光学素子である「位相シフタ」を設けて、非晶質シリコン膜上でのレーザ光の光強度分布を大粒径化するための適切な形状に調整することを研究開発している。位相シフタは、透明な石英基板に、ラインアンドスペースや微細な凹凸形状の段差を形成することによって、回折効果をもたらす光学素子である。その結果、基板上にサブミクロンレベルの微小領域におけるレーザ光の光強度分布を形成し、その光によって発生した熱分布を利用して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制御して形成できる製造技術を開発した。

この製造技術の実用化において、次のような課題があることが判った。

第１の課題は、さらに、この開発の結果、所望する粒径の結晶化領域を安定して得るためには、非晶質シリコン膜に照射されるサブミクロンレベルの微小領域におけるレーザ光の光強度分布が、大粒径・位置制御結晶化に極めて重要であることが判った。

しかし、このような光強度分布を効率よく形成するためには、微細な凹凸を持つ位相シフタが必要である。しかし、そのような位相シフタは、ラインアンドスペースや凹凸のピッチに応じた高次の回折光の発生をもたらし、基板に照射されない光が非常に多く発生する。例えばラインアンドスペースのピッチがｄ[μm]の位相シフタにおいて、波長λ[μｍ]のレーザ光を用いてこの位相シフタに垂直に光を入射させたとき、ｎ次の回折光とそのまま直進する光（０次光）とこの光に対して回折する光が発生する。この回折光０次光との成す角度θ_nは、
θ_n=sin^-1(ｎλ/ｄ) (０≦θ_n≦９０°：ｎ＝０，±１，±２、…)
となり、次数ｎが上がるに従い０次光との成す角度が大きくなる。従って、高次の回折光は０次光との成す角度が大きくなり、装置内壁を照射したり、他の光学素子（オプティクス）に入射して意図しない問題を生じる。

位相シフタ以外の光学素子、例えば一部に光の開口部を有するメタル遮光膜を具備する光学マスクの場合にも、開口部の形状によっては意図しない高次回折光が発生する場合があるので、一般的には、基板に照射されない光への対策は、光学装置を密閉したボックス内に配置して、それら基板に照射されない光を閉じ込める方法が主に採用されている。この方法は、結果的に内部に配置されている光学装置やボックスの壁面で光を吸収させているに過ぎず全く結晶化に利用されないばかりか、その光の吸収により内部の部品の劣化（光劣化、熱劣化等）を早めたり、光吸収による高熱化・構造変化等に伴いガス等を発生させたり、悪影響を与えてしまう。

さらに、露光装置では、高次回折光を除去するために、結像光学系の中間に絞りを設けている。しかし、半導体領域の活性化や結晶化プロセスでは、レーザ光のエネルギーが高いため、高次回折光のエネルギーも強力な光である。

第２の課題
また、更にレーザアニール装置は、「未発光ショット」という問題も有している。これは、１回のレーザ照射に何らかの原因でレーザ発振に不具合があった場合、レーザアニール装置に何らフィードバックされなければ、アニール不良の問題が生じる。具体的にはレーザ照射がされなかった場合やレーザ照射の光強度が規定値より低かった場合にアニールの不十分な領域が発生し、最終製品である表示装置の良品率（歩留まり）の低下を招いている。

例えばレーザアニールによる結晶化においても、レーザ光が照射されなかった部分があったり、レーザ光の照射光強度が少なかった部分があったりすると、その部分が全く結晶化されなかったり、結晶化や活性化が不十分となるため目標とする特性の均一性や電気特性が得られず色ムラや画素欠陥が発生するなどの画質が劣化するという、大きな問題を生じている。

通常、エキシマレーザにおいては、紫外光の加工（アニール）性の高さを持つ半面、発振特性に不安定さを持っている。具体的には外部よりトリガー信号を入力しているにもかかわらず発振しない、又は光強度が極端に弱い（例えば設定値の半分以下）という問題が発生している。これはエキシマレーザがガス中での高電圧放電によるシステムでパルス発振するためで、エキシマレーザに使用している「サイラトロン」という電流素子の特性であり、現在防ぐことが出来ない。サイラトロンを使用しないエキシマレーザも開発されてきているが、電源回路に負担が大きいために信頼性低下やコストの上昇が生じる。

この問題は、アニール処理において、アニールによる加工形態の大きなばらつきとなって現れるため、量産化の支障となっている。

ここで言う「未発光ショット」とは、アニール処理が不完全となるショットを示しており、「完全にレーザ光が発生しない場合」と、「光強度が低かったり発光時間が短かったりする場合」の両方を含んでいる。

レーザ光のショットが、未発光ショットか否かを判定する方法には、特許文献１に記載されているような、レーザ光源と被処理材料の間にレーザ光強度監視用に光を一部分岐させる光学部品を置いて分岐光の監視を行う方法が一般的である。監視するために分岐光の強度が正常でないと判定されれば、正常でない加工点に戻って再度レーザ照射をする加工が考えられる。しかしながら上記文献での加工方法は、以下の問題がある。すなわち、第１に、アニール用のレーザ光を分岐するため、その強度低下を招くこと、またアニール用のレーザ光の光路に分岐用光学部品および光検出器等の多くの光学部品を設置しなければならず、装置の大型化、複雑化を招いている。

本発明は上記の点に対処してなされたもので、光学素子で発生した高次回折光をより効果的に遮光し利用するアニール方法及びアニール装置を提供するものである。又、レーザ光の光強度を測定することを目的とする。

かくして、本発明の一態様に係わる、レーザ光源から出射されたレーザ光を結像光学系により被処理材料に集光してアニールするレーザアニール装置は、前記レーザ光源の出射側光路に設けられたホモジナイズ光学系と、このホモジナイズ光学系の出射側光路に設けられた光学素子と、この光学素子の出射側光路であって前記光学素子および前記結像光学系の入射面間に設けられた受光素子と、を具備することを特徴とする。

前記光学素子は、好ましくは、位相シフタ（位相変調素子）またはメタル遮光膜パターンを有する光学マスクである。

前記受光素子は、好ましくは、光電変換素子および熱電素子の少なくとも１つを具備するリング状遮光基板である。

前記受光素子は、好ましくは、前記受光素子と前記光学素子との距離をｘ、前記受光素子と前記結像光学系との距離をＬ、前記結像光学系の半径ｒとしたとき、光軸を中心にｒｘ/Ｌ≦Ｒを満たす半径Ｒの部分が開口しているか、もしくは半径Ｒの部分がレ−ザ光の主発光波長において十分な透過率を有する光学材料で構成されることを特徴とする。

本発明の他の態様に係わる、レーザ光源から出射されたレーザ光の光強度を光学素子により変調し、結像光学系により被処理材料にそのレーザ光を集光して、この被処理材料の照射部をアニールするレーザアニール方法は、前記光学素子によって回折され、前記結像光学系に入射しないレーザ光を、受光素子によって遮光する工程を有することを特徴とする。

前記レーザアニール方法は、好ましくは、前記受光素子によって遮光した光量を検出し、アニール処理の状態を監視する工程を有することを特徴とする。

前記レーザアニール方法は、好ましくは、前記受光素子の検出値を、アニール中に表示し、記憶媒体に記録し、及び／又はプリンタに出力する工程を有することを特徴とする。

前記レーザアニール方法は、好ましくは、前記受光素子によって得られた電力を前記レーザ光源の電力として再利用する工程を有することを特徴とする。

上記のような方法によれば、光学素子で発生した高次回折光をより効果的に遮光し利用することができる。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態であるレーザアニール方法及びレーザアニール装置について具体的に説明する。なお、以下の説明で用いる各図は、この説明を理解できる程度に各構成成分の寸法、形状及び配置関係を概略的に示してある。また、以下の図中の受光素子は、その領域を明確にするために場合に応じ該当領域にハッチングを付してある。各図面について、同一部分には同一符号を附与し、その詳細な説明は、重複する場合、省略する。

第１の実施の形態
本発明の第１の実施形態を、図１および図２を用いて説明する。図１は本発明に係るレーザアニール装置１の光学系を示す図である。図２は、本発明に係るレーザアニール方法の工程のフローチャートを示すものである。

図１に示すレーザアニール装置１は、レーザ光源２から、アッテネータ４、ホモジナイザ５、光学素子である位相シフタ６、受光素子７、及び結像光学系９の順番に配置されて構成されている。ここでレーザ光源２としては、例えばエキシマレーザ光源（ＸｅＣｌ，ＫｒＦ，ＡｒＦなど）を用いているが、必ずしもこれらに限定されることはなく、他のレーザ光源、例えばＱスイッチのＹＡＧレーザの3次高調波、４次高調波など、固体レーザ光源を用いても良い。アッテネータ４は、レーザ光源２の出射側光路に設けられ、後程説明するコンピュータにより、レーザ光源２より出射されたレーザ光のエネルギー量を、アニールに、例えば結晶化に必要な予め定められたエネルギー量に制御する。ホモジナイザ５は、アッテネータ４の出射側光路に同軸的に設けられ、このレーザ光の２次元空間の光強度分布を均一化する光学部品である。

位相シフタ６は、ホモジナイザ５によって強度が均一化処理されたレーザ光を位相変調することにより、例えば横方向に結晶成長させる光強度分布を発生させる光学素子である。

受光素子７は、位相シフタ６の出射側光路に同軸的に設けられ、位相シフタ６で発生した回折光のうち結像光学系９を照射しない高次回折光を遮光し、さらに好ましくはその高次回折光の光強度を利用例えば測定する光学部品である。

結像光学系９は、受光素子７の出射側光路に同軸的に設けられ、所定倍率に縮小/拡大して被処理材料１１の入射面に投影する光学部品である。結像光学系９は、第１のコンデンサレンズ９aと第２のコンデンサレンズ９ｂとからなる。

このレーザアニール装置１は、位相シフタ６をホモジナイザ５と結像光学系９との間に設けた所謂プロジェクション型レーザアニール装置である。レーザアニール装置１は、プロジェクション型レーザアニール装置の位相シフタ６と結像光学系９の第１のコンデンサレンズ９aとの間に受光素子７を設けたことが特徴である。受光素子７は、位相シフタ６で発生した回折光のうち結像光学系９に入射しない外側に散乱するレーザ光を遮光し、この光を利用する。

図２のフローチャート１を参照し、本発明のレーザアニール方法を、各工程毎に説明する。各工程には２から８までの符号を付し、下記説明に対応するところに該当工程の番号を示す。

レーザ光源２より出射されたレーザ光（工程２）は、ホモジナイザ５により２次元空間の光強度が均一化される（工程３）。その均一化されたレーザ光を位相シフタ６は、位相変調する（工程４）。位相変調されたレーザ光は、例えば逆ピーク状光強度分布を示す。

位相シフタ６によって位相変調されたレーザ光は、低次回折光（０次回折光含む）と、結像光学系９の瞳よりも大きな角度に回折された高次回折光とになる。低次回折光は、結像光学系９の入射面に位置する第１のコンデンサレンズ９ａを照射することとなる（工程５）。従って結像光学系９を照射した光軸３は、結像光学系９により所定倍率に縮小/拡大して被処理材料１１の入射面に投影し、集光するようになっている。

結像光学系９のコンデンサレンズ（第１のコンデンサレンズ９ａ、第２のコンデンサレンズ９ｂ）は例えば1/1〜1/20倍の範囲に像を縮小する機能を有する。このコンデンサレンズを通過した光は、被処理材料１１に入射し、被処理材料１１は、その入射された光軸３によりアニール（加工）処理例えば結晶化される（工程６）。

一方、高次回折光は、光軸とのなす角が大きくなり、結像光学系９の瞳より外側に向かって回折される。そのままでは装置壁面やオプティクスの外周を照射し、装置にダメージを与えたりすることとなる。そこでその高次回折光を受光素子７により受光し、かつ遮光する（工程７）。好ましくは、受光素子７によって高次回折光の光強度は記録され、及び／又は表示される（工程８）。

位相シフタ６は、例えば透明な石英基板に、ラインアンドスペース形状や微細な凹凸形状の段差を形成することによって、通過する光の位相をずらし光強度が極小となる逆ピークパターンのビームプロファイルを形成し、この逆ピークパターンのビームプロファイルにより被処理材料１１上において例えば非晶質半導体膜の一番初めに凝固する領域(結晶核)を位置制御し、そこから結晶を横方向に成長させる(ラテラル成長;膜面に沿った二次元成長)ことにより、大粒径の結晶粒を指定した位置に設ける。このとき、位相シフタ６の形状、およびレーザ光の角度分布などにより、所望の光強度分布(ビームプロファイル)を設定する。

ここで位相シフタ６は、前述したように、例えば，石英板に段差加工を行ったものである。位相シフタ６は、入射光に対し所望の回折を発生させることで変調がなされる。図３にその概略図を示す。ここでは多数有る段差それぞれで回折が生じるが簡略化のために１つの段差に着目し、その回折角度を図示した例である。

光軸と平行な入射光が位相シフタ６に入射し、位相シフタ６の出射面に形成されている各段差部で回折が生じる。このとき、回折光は、光軸とｎ次回折光との成す角をθ_nとすると、光の中心波長λとしたとき、隣り合う段差間隔（ｄ）から回折された光との光路長差が波長の整数倍となる条件、即ちnλ/d＝sinθ_nのとき強め合う。従って、回折光は、θ_n＝sin^-1(nλ/d) (0≦θ_n≦90°：n＝０，±１，±２、…)となり、ｎ次の次数が上がるに従い光軸から大きく逸れた方向に進行する。なおｎ次回折光の光強度は、位相シフタ６の段差（位相差）、位相シフタ６の形状、隣り合う段差間隔（ｄ）などによって変化する。従って、位相シフタ６の出射光は、条件によっては低次回折光よりも高次回折光の総エネルギーの方が高い場合もある。特にそのような場合には、位相シフタ６からの出射光は、結像光学系９を照射しない、即ち光軸（ｎ＝０）となす角が大きく、結像光学系９の瞳に入射されない高い光強度の高次回折光が多くなる。このエネルギーの高い高次回折光は、レーザアニール装置１光学系内を迷光・散乱光として存在し、レーザアニール装置１内の意図しない部分、例えば装置壁面やオプティクスの外周を照射し、光学部品の温度上昇を招き、装置にダメージを与えたりすることとなる。またエキシマレーザ光は紫外光であり目視で確認できず、光強度も非常に大きいため、仮にレーザ光漏洩防止を施しても、高次回折光の反射光全てに対して十分な安全性を確保することは非常に困難であり、装置の隙間等から漏洩すれば安全上大きな問題にもなる。また反射光は、被処理材料１１上の予定していない部分を照射し、所定のレーザアニール例えば結晶成長とは異なる結晶成長を起こしたり、所望の結晶成長を妨げたりする結果を招くことにもなる。

また各次数の回折光の光強度は、入射光の光強度と比例関係であるから、低次回折光と高次回折光の光強度もまた比例関係にある。例えば高次回折光の（一部の）光強度を測定すれば、レーザアニールに有効な低次回折光の光強度を求めることが出来る。

以上は、光学素子が位相シフタ６の場合について説明したが、位相シフタ以外の光学素子、例えば一部に光の開口部を有するメタル遮光膜を具備する光学マスクも光学素子として使用できる。この光学マスクの場合にも、開口部の形状によっては意図しない高次回折光が発生する。例えば、細線状の格子状開口部を有する光学マスクは、その細線状の格子状開口部をレーザ光が通過する際に、レーザ光が回折され高次回折光を生ずる。その場合にも、本発明のレーザアニール装置およびレーザアニール方法は、結像光学系９に入射しない当該高次回折光のほとんどを遮光するのに有効な装置及び方法を提供する。

以上説明したようにこの実施例によれば、高次回折光およびその反射光等の散乱によって発生した結像光学系９に入射しない散乱光を、受光素子７を位相シフタ６と結像光学系９の入射面間に設置することにより効果的に遮光することができ、装置のダメージ、及び安全上の問題が発生しないレーザアニール方法およびレーザアニール装置を提供するものである。

受光素子７は、位相シフタ６に入射した入射光に沿った低次回折光を透過する透過部分と、高次回折光および散乱光の結像光学系９に入射しない（結像光学系９を照射しない）散乱光を遮光する遮光部分とを有している。

第２の実施の形態
次に、ビームプロファイラ付プロジェクション型プロジェクション型レーザアニール装置１の実施例を、図４を参照して説明する。図１および図２と同一部分には、同一符号を付与して説明する。

図４に示すレーザアニール装置１は、レーザ光源２の側から順に光軸３に沿って配置されたアッテネータ４、２次元の光強度の均一化を行うホモジナイザ５、位相シフタ６、受光素子７，ミラー８および結像光学系９を備えている。ホモジナイザ５は、入射光であるエキシマレーザ光の２次元空間の光強度を均一化する。均一化されたレーザ光を、位相シフタ６により位相変調して、逆ピーク状の光強度分布とし、この位相変調されたレーザ光を、結像光学系９に出射する。さらにこの光強度が位相変調されたレーザ光を結像光学系９は、入射したレーザ光を所定倍率に縮小/拡大して光強度分布検出装置（ビームプロファイラ）１０又は被処理材料１１の入射面に集光し、投影するようになっている。

ここで光強度分布検出装置（ビームプロファイラ）１０とは、予め定められた光強度分布を持った微小な不可視光を、上記光強度分布を持った可視光に変換し、監視できるように構成するものである。この機能を有するビームプロファイラ１０は、予め定められた光強度分布を持った微小な不可視光１２の光路に不可視光を可視光に変換する波長変換部材として例えば蛍光板１３を備えている。この蛍光板１３は、透明体例えば透明ガラス板からなる基材の片面例えば不可視光１２の入射光側に蛍光膜が被着されたものである。この蛍光膜には一方面に入射した不可視光１２を可視光に変換するための蛍光物質が含まれている。

蛍光膜で変換された光強度分布を持った微小な可視光の監視は、不可視光の入射面に対して他方面側(裏面側)へ向かった可視光であり、ミラー１４で反射されCCDカメラ１５で監視される。

蛍光板１３は、被処理材料１１と同一平面上あるいは平行平面上に設置する。蛍光板１３を平行平面上に設置する場合は、移動ステージ１６を上下して蛍光板１３を被処理材料１１と同じ高さになるようにハイトセンサ１７で検出する。

CCDカメラ１５で受光し撮像した撮像データ(または観測データ)は、コンピュータ１８に入力される。このコンピュータ１８は、撮像データを任意の走査線でスライスし、画像信号の強度分布からレーザ光の強度と光強度分布(ビームプロファイル)を出力し、検出した強度と予め設定した目標の強度とを比較して操作量を計算し、アッテネータ４に操作信号を出力して検出した強度が目標の強度になるようにフィードバックしながらアッテネータ４の角度を調節する。

以上のような方法にて、光軸３の光強度を常に一定にする操作が行われているが、この方法は実際のアニール処理時の状態を把握するものではない。上記で記載したように、例えば１回のレーザ照射に何らかの原因でレーザ発振に不具合、即ち「未発光ショット」があった場合、アニール不良の問題が生じる。そこでこの実施例は、上記受光素子７を、単なる高次回折光の遮光のみに用いるのではなく、実際に光強度を測定する機能を有する受光素子７とすることにより、測定した測定値を使用して上記の「未発光ショット」発光量不足などの判断手法に用いる例である。

図４の受光素子７に光強度を測定する光検出器である半導体素子（例えば光電変換素子）、又は熱電素子（例えばパイロメータもしくはカロリーメータ）を設置したもの、又は受光素子７自体が半導体素子や熱電素子で形成されているものを用いた。受光素子７で遮光した光量が検出（測定）された光強度検出信号は信号線７’を介してコンピュータ１８に入力される。コンピュータ１８は光強度検出信号の分析および結晶化装置により、自動的に結晶化プロセスを実行させるための制御を行う。コンピュータ１８は、受光素子７によって遮光した光量を検出して得た光強度検出信号からアニール処理の状態を監視することもできる。コンピュータ１８は、受光素子７の検出値を、アニール処理中に表示し、記憶媒体に記録し、及び／又はプリンタに出力する制御を行なうことができる。

この光強度検出信号をコンピュータ１８に予め入力された光強度の規定値と比較し、判定する。この判定結果によりコンピュータ１８は、信号線１６’を介してステージ１６を移動制御するための駆動機構ＤＭへ移動信号を送ったり、信号線２’を介してレーザ光源２へ発振制御信号を送ったりする。コンピュータ１８が判定の結果、光強度が既定値以上の正常と判定したとき光軸３と被処理材料１１とを相対的に移動させて次の照射位置（アニール処理装置）に移動制御する。

レーザ光照射位置が、次のアニール位置に位置決めされたとき、コンピュータ１８は、レーザ光源２を発振制御する。他方、コンピュータ１８が判定の結果、光強度が不足と判定したときコンピュータ１８は、光軸３と被処理材料１１との相対的位置を停止状態でレーザ光源２を再度発振制御するか、もしくは被加工位置を記録し後ほど再照射する制御を行う。

次に、この実施形態の装置の特徴である受光素子７について詳しく述べる。

図５で使用した受光素子７は、中心部に開口部を有するリング状の形状を有しているが、この形状にとらわれるものではなく、高次回折光を効率よく遮光するものであればよい。実際の受光素子７の実施形態を図６に示す。図６（ａ）には、図５で示したリング状の平板形状の受光素子７を示す。図６（ｂ）は、矩形形状を有する平板を示す。中心の開口は半径Ｒの円形開口でも良いし、図６（ｂ）に一例として記載した矩形開口部でも良い。この場合、矩形の一辺の中心からの距離は上述したＲの長さを有していれば、結像光学系９を遮光することが無い。またこのように矩形としたのは、加工がしやすく、またそれによる加工精度の向上が望めるからである。また、開口部を多角形に加工しても良い。

図６（ｃ）、図６（ｄ）には受光素子７がお椀形状、筒形状を示したものを記載しているが、このように立体形状とすることにより、高次回折光の横方向放射成分を効率よく遮光でき、さらに小型にできる利点を有している。この場合でも底部には上述した半径Ｒに対応する開口部を有している。配置に関しては、このような立体形状の場合は、位相シフタ６を覆うような形とするのがより好ましい。

受光素子７は、リング状遮光基板の入射面にエネルギー変換部材が設けられた構造でもよい。リング状遮光基板の中心部は、開口でもよいし、アニール処理に使用されるレーザ光を効果的に通過させる材料層で形成されてもよい。

ここで受光素子７は例えばOPHIR社製、型番：PE50BBなるパワーメータを上部に設置している。しかしながら受光素子７に設置されるものは、この機種に限定されるものではなく、高エネルギーレーザ光の高次光に対して十分な光感度とダイナミックレンジを有する光検出器である半導体素子、例えば光電変換素子や、熱電素子例えばパイロメータ又はカロリーメータであればよい。またエキシマレーザ光に対し光感度を有さなくても、通常の可視光領域に検出感度を有し、当該光検出器４９の前面に、紫外を可視光に変換するフィルタや紫外光照射によりエキシマレーザ波長より長波長側の可視光領域の蛍光を発する蛍光物質が塗布された波長変換板を使用することによりエキシマレーザ光を可視光として検出することとした光検出器を用いても良い。

また受光素子７自体を半導体素子や熱電素子にしたものを用いることもできる。この場合、受光面は、受光素子７の全面を使用することができるため受光量が上がり精度の良い測定が可能となる。

次に、図１及び図４の位相シフタ６および結像光学系９間に設けられる受光素子７の位置関係について図５を参照して具体的に説明する。図５は、図１に示した位相シフタ６，受光素子７，結像光学系９の第１のコンデンサレンズ９aとの位置関係を詳細に記載したものである。受光素子７の位置関係について回折光の性質を十分に検討した結果、レーザ装置において、加工（アニール）に利用されない高次回折光が、以下の関係にあることが望ましい。

図５に示すように、位相シフタ６の位置を基準とし、位相シフタ６で発生した高次回折光を効果的に受光し、吸収して電気信号に変換する受光素子７の位置は、位相シフタ６の次の光学部品である、結像光学系９との間に設置することである。

そして、受光素子７の構造および受光素子７の最適位置は、位相シフタ６と受光素子７の距離をｘ、位相シフタ６と結像光学系９の入射面に位置する上部光学部品である第１コンデンサレンズ９ａの距離をＬ、第１コンデンサレンズ９ａの半径をｒとするとき、受光素子７上においてアニール処理（加工）に必要とされる光の半径Ｒは、光軸を原点にｒｘ/Ｌ≦Ｒを満たす半径Ｒの円形に中央が開口されているか、もしくはレ−ザ光の主発光波長において十分な透過率を有する光学材料で構成することである。

このような関係を満たす受光素子７は、アニールに使用する光量、すなわち結像光学系９を照射する光量を減少させることなく、また結像光学系９を照射することのない周囲の光のみをほぼ遮光することができ、またその遮光したレーザ光を吸収し光強度を測定すれば、利用される光強度とは一定の相関関係にあるから、加工を行うと同時にそのときの光強度の測定も行うことができる。

また、受光素子７の設置は、測定のみならず、得られた光強度をエネルギーとして装置に再利用（照明や、空調など）することも出来ることを特徴とする。

具体的には、受光素子７のリング状遮光基板上に設置された、もしくは受光素子７自体が、半導体素子である光電変換素子、例えば太陽電池のような素子を具備するものである。この光電変換素子は、主として高次回折光を受光し、そのエネルギーを電力に変換し、当該レーザアニール装置１の照明や、空調などに使用することができる。

上記実施形態では、位相シフタ６および結像光学系９間に設けられる受光素子７は、１枚の例について説明したが、受光素子７の開口部の端部でも高次光が発生する場合には、開口径の大きな２枚目の受光素子７を、１枚目の受光素子７の出射光側に設けてもよい。

以上記載したような受光素子を設置することにより、従来の欠点が解決され、装置部品にダメージを与えないアニール方法及びアニール装置を提供する。また、未発光ショットを測定することにより歩留まりの良いアニール方法及びアニール装置を提供する。またエネルギー利用効率を高めるアニール装置を提供する。

本発明のレーザ光源から光路に従って被処理材料までの光学系を示す図である。 本発明の基本となるレーザ光を用いた半導体装置の加工方法のフローチャートを示す図である。 位相シフタによって０次回折光とｎ次回折光の放射の状況および各光強度の関係を示す概略図である。 本発明のプロジェクション型レーザアニール装置を模式的に示す概略構成図である。 プロジェクション型レーザアニール装置の位相シフタから結像光学系を示す図である。 受光素子の各形態の概略図である。

符号の説明

１…レーザアニール装置、２…レーザ光源、３…光軸、５…ホモジナイザ、６…光変調素子、７…受光素子、９…結像光学系、９ａ…第１コンデンサレンズ、９ｂ…第２コンデンサレンズ、１１…被処理材料。

Claims (9)

1. レーザ光源から出射されたレーザ光を結像光学系により被処理材料に集光してアニールするレーザアニール装置であって、
   前記レーザ光源の出射側光路に設けられたホモジナイズ光学系と、
   このホモジナイズ光学系の出射側光路に設けられた光学素子と、
   この光学素子の出射側光路であって前記光学素子および前記結像光学系の入射面間に設けられた受光素子とを具備することを特徴とするレーザアニール装置。
2. 前記受光素子は、前記結像光学系に入射するレーザ光を透過するレーザ光透過部分と、前記結像光学系に入射しないレーザ光を遮光するレーザ光遮光部分とを有することを特徴とする請求項１に記載のレーザアニール装置。
3. 前記光学素子は、位相シフタ（位相変調素子）またはメタル遮光膜パターンを有する光学マスクであることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザアニール装置。
4. 前記受光素子は、光電変換素子および熱電素子の少なくとも１つを具備するリング状遮光基板であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載のレーザアニール装置。
5. 前記受光素子は、前記受光素子と前記光学素子との距離をｘ、前記受光素子と前記結像光学系との距離をＬ、前記結像光学系の半径をｒとしたとき、光軸を中心にｒｘ/Ｌ≦Ｒを満たす半径Ｒの部分が開口しているか、もしくは半径Ｒの部分がレ−ザ光の主発光波長において十分な透過率を有する光学材料で構成されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載のレーザアニール装置。
6. レーザ光源から出射されたレーザ光の光強度を光学素子により変調し、結像光学系により被処理材料にそのレーザ光を集光して、この被処理材料の照射部をアニールするレーザアニール方法であって、
   前記光学素子によって回折され、前記結像光学系に入射しないレーザ光を、受光素子によって遮光する工程を有することを特徴とするレーザアニール方法。
7. 前記受光素子によって遮光した光量を検出し、アニール処理の状態を監視する工程を有することを特徴とする請求項６に記載のレーザアニール方法。
8. 前記受光素子の検出値を、アニール中に表示し、記憶媒体に記録し、及び／又はプリンタに出力する工程を有することを特徴とする請求項６又は７に記載のレーザアニール方法。
9. 前記受光素子によって得られた電力を前記レーザ光源の電力として再利用する工程を有することを特徴とする請求項６に記載のレーザアニール方法。

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