JP2006287183A

JP2006287183A - レーザアニール装置のレーザ照射装置

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Publication number: JP2006287183A
Application number: JP2005346466A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Nishida; 健一郎西田; Norihito Kawaguchi; 紀仁河口; Ryusuke Kawakami; 隆介川上
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2005-03-10
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2006-10-19

Abstract

【課題】精密かつ特殊な光学素子を用いることなく、コヒーレント性の高いレーザビームの干渉縞の影響を低減しながら大型基板上にレーザビームを均一に走査することができるレーザアニール装置のレーザ照射装置を提供する。
【解決手段】表面に半導体膜を有する平板状の基板３の一部に、矩形状の集光レーザビーム２をその短手方向に移動しながら照射して半導体膜の全面をアニーリングするレーザアニール装置のレーザ照射装置。集光レーザビーム２を長手方向に移動するビーム移動装置２０を備える。このビーム移動装置により、集光レーザビーム２が照射されている膜部分が溶融し固化する時間内に、集光レーザビーム２の長手方向に存在する干渉縞の位相の１／２以上に相当する距離を長手方向に移動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、大型基板にレーザビームの干渉縞を低減して照射するレーザアニール装置のレーザ照射装置に関する。

半導体、液晶の分野で、ガラス基板上に成膜したアモルファスＳｉを多結晶化する手段として、レーザアニール装置が用いられる。このレーザアニール装置のレーザ光源として、従来は主にエキシマレーザが用いられているが、近年、ＹＡＧ，ＹＬＦ，ＹＶＯ_４等の固体レーザが注目されている。

しかし、ＹＡＧ，ＹＬＦ，ＹＶＯ_４等の固体レーザは、可干渉性が高く、コヒーレント長が長いため、シリンドリカルレンズアレイや導波路を用いても、重ね合わせる照射面で干渉が生じ、矩形状ビームの長手方向にエネルギー強度の高低が激しい干渉縞が発生する。
アモルファスＳｉの多結晶化には、照射するビームのエネルギー強度が結晶粒の特性に大きく影響する。そのため、干渉縞が発生した矩形状ビームを照射すると、その強度分布によって結晶粒特性が変わってしまう問題がある。

この問題を解決する手段として、特許文献１〜３が既に開示されている。

特許文献１の装置は、図７に示すように、レーザ光源からのレーザビーム５１をビーム断面において空間的に分割する導波路５４と、分割ビームを照射面上で重ね合わせて照射する重ね合せ用レンズ５６と、照射面上のビーム強度を均一にする遅延板５２とからなり、導波路５４が、分割ビーム幅がレーザビーム断面における断面方向の空間的可干渉距離の１／２倍以上であって、遅延板５２が、分割したビームの互いに隣接する隣接分割ビームの一方を他方に対して時間的可干渉距離よりも長く遅延させ、分割ビームの照射面上での干渉を軽減するものである。

特許文献２の装置は、図８に示す露光装置において、第２オプチカル・インテグレータ６５に入射する複数の光束を回路パターンの像を感光基板上に露光するのに必要なパルス数Ｎの照射の間に半周期以上揺動させる光学部材６７を第１オプチカル・インテグレータ６３と第２オプチカル・インテグレータ６５の間に設けたものである。

特許文献３の装置は、図９に示すレーザ照射装置において、レーザ平行光７４が音響光学偏向器７９を透過するときに、駆動電源７１からの超音波信号によって音響光学偏向器７９の屈折率を時間的に変化させるものである。

特開２００３−２８７７０３号公報、「レーザビーム均一照射光学系」特開平８−３３０２２５号公報、「照明光学装置および露光装置ならびに露光方法」特開平１１−３３７８８８号公報、「スペックルパターン分散装置及びレーザ光照射システム」

しかし、特許文献１の手段では、精密な光学素子が必要になる点や、調整方法が複雑になる問題点がある。
また、特許文献２の手段では、回路パターンの像を固定された感光基板上に露光することはできるが、露光するのに必要なパルス数Ｎの照射の間、基板を固定する必要があるため、大型基板のレーザアニールには適用できない問題点がある。
さらに、特許文献３の手段では、特殊な光学素子である音響光学偏向器を必要とする問題点があった。

本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、精密かつ特殊な光学素子を用いることなく、コヒーレント性の高いレーザビームの干渉縞の影響を低減しながら大型基板上にレーザビームを均一に走査することができるレーザアニール装置のレーザ照射装置を提供することにある。

本発明によれば、表面に半導体膜を有する平板状の基板の一部に、矩形状の集光レーザビームをその短手方向に移動しながら照射して前記半導体膜の全面をアニーリングするレーザアニール装置のレーザ照射装置であって、
集光レーザビームを長手方向に移動するビーム移動装置を備え、該ビーム移動装置により、集光レーザビームが照射されている膜部分が溶融し固化する時間内に、集光レーザビームの長手方向に存在する干渉縞の位相の１／２以上に相当する距離を長手方向に移動する、ことを特徴とするレーザアニール装置のレーザ照射装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記ビーム移動装置は、シリンドリカルレンズアレイ、導波路、反射ミラー、プリズム、集光用レンズ、端面転写光学系、またはその他の光学素子を集光レーザビームの長手方向に揺動または往復動させる電動アクチュエータである。

また、前記ビーム移動装置は、シリンドリカルレンズアレイ、導波路、反射ミラー、プリズム、集光用レンズ、端面転写光学系、またはその他の光学素子を集光レーザビームの長手方向に所定の周期で振動させる振動素子である、ことが好ましい。

上記本発明の構成によれば、集光レーザビームを長手方向に移動するビーム移動装置を備え、この装置により、集光レーザビームが照射されている膜部分が溶融し固化する時間内に、集光レーザビームの長手方向に存在する干渉縞の位相の１／２以上に相当する距離を長手方向に移動するので、集光レーザビームが照射されている各膜部分は、溶融し固化する間に、干渉縞の位相の１／２以上に相当する強度分布の集光レーザビームを順次受ける。
従って、集光レーザビームの長手方向に強度分布（すなわち干渉縞）が存在しても、各膜部分はこれを位相の１／２以上に相当する時間で平均化した強度を受け、実質的にどの場所にもほぼ均一なエネルギーが入射される。
この効果により、照射した全領域で均一な特性の結晶粒を得ることができる。そのため、可干渉性を低減させる光学系なども要らなくなり、装置の光学系構成を簡易化できる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明によるレーザ照射装置１０の第１実施形態を示す光学系概略図である。この図において、１２は反射ミラー、１３はビームエキスパンダー、１４はシリンドリカルアレイ、１５は集光用レンズである。
この構成により、入射レーザビーム１を反射ミラー１２で反射し、ビームエキスパンダー１３により図で上下方向に広げ、シリンドリカルアレイ１４で上下方向を複数に分割し、それぞれを集光用レンズ１５で基板３に集光するようになっている。
入射レーザビーム１は、例えば干渉パターン強度の高いＹＡＧレーザ光であるが、ＹＬＦ，ＹＶＯ_４等の固体レーザでも、エキシマレーザであってもよい。
反射ミラー１２に入射する入射レーザビーム１は、予めこの図で幅方向にＡ１−Ａ２に広げられた矩形断面のビームであるのが好ましいが、本発明はこれに限定されず、断面が円形または点状であってもよい。
なおいずれの場合でも、基板３の表面に集光された集光レーザビーム２は、図で上下方向にＢ１−Ｂ２の細長い矩形状または線状のビームとなる。

基板３は、平板状部材であり、その表面に半導体膜（例えば多結晶シリコン）を有する。また、基板３は、矩形状の集光レーザビーム２に対しその短手方向（図で紙面に直交する方向）に移動するようになっている。この移動は連続的であるのが好ましいがステップ状に断続的でもよい。また、基板３を移動させる代わりに、レーザ照射装置１０の一部または全部を移動させてもよい。
なお、基板３はこの例では鉛直に示しているが、水平に配置し水平に移動するのが好ましい。
上述した構成によりこのレーザ照射装置１０を備えたレーザアニール装置は、基板３の一部に、矩形状の集光レーザビーム２をその短手方向に移動しながら照射して半導体膜の全面をアニーリングすることができる。

図１において、本発明のレーザ照射装置１０は、さらに集光レーザビーム２を長手方向に移動するビーム移動装置２０を備える。ビーム移動装置２０は、集光レーザビーム２が照射されている膜部分が溶融し固化する時間内に、集光レーザビーム２の長手方向に存在する干渉縞の位相の１／２以上に相当する距離を長手方向に移動する機能を有する。
干渉縞の位相の１／２に相当する距離は、干渉縞の山谷の間分、すなわち１周期２πに対しπの位相に相当する。

ビーム移動装置２０は、この例では、反射ミラー１２を揺動させるミラー揺動装置２１、シリンドリカルレンズアレイ１４を揺動させるレンズアレイ揺動装置２２、およびシリンドリカルレンズアレイ１４を往復動させるレンズアレイ往復動装置２３からなる。なお、ビーム移動装置２０としてこれらすべてを備える必要はなく、少なくとも１つを備えればよい。
ビーム移動装置２０は、電動アクチュエータでも、振動素子であってもよい。振動素子を用いる場合、レーザの周波数、矩形ビームの短手長さ、搬送速度から、ある一定の周期で振動させるのがよい。
また、光学素子の振動には、周波数が小さい場合には電動アクチュエータ（例えばモータ）、高い周波数（数１００Ｈｚ〜数ｋＨｚ）で振動させるためには、ピエゾ素子などを用いる。

図２は本発明の原理図である。この図において、（Ａ）は反射ミラー１２に入射する入射レーザビーム１の強度分布、（Ｂ）（Ｃ）は基板３の表面に集光された集光レーザビーム２の強度分布であり、（Ｂ）は従来例、（Ｃ）は本発明の例である。

図２（Ａ）に示すように、反射ミラー１２に入射する入射レーザビーム１の幅方向強度分布は、通常放物線状となる。これに対して、基板３の表面に集光された集光レーザビーム２は、図２（Ｂ）に示すように、ビームエキスパンダー１３、シリンドリカルアレイ１４、および集光用レンズ１５により平坦化されるが、重ね合わせる照射面で干渉が生じ、矩形状ビームの長手方向にエネルギー強度の高低が激しい干渉縞が発生する。

これに対して、図１に示した本発明の構成によれば、ビーム移動装置２０（ミラー揺動装置２１、レンズアレイ揺動装置２２、レンズアレイ往復動装置２３）を備え、この装置により、集光レーザビーム２が照射されている膜部分が溶融し固化する時間内に、集光レーザビーム２の長手方向に存在する干渉縞の位相の１／２以上に相当する距離を長手方向に移動するので、集光レーザビーム２が照射されている各膜部分は、溶融し固化する間に、干渉縞の位相の１／２以上に相当する強度分布の集光レーザビームを順次受ける。
従って、集光レーザビーム２の長手方向に強度分布（すなわち干渉縞）が存在しても、図２（Ｃ）に示すように、各膜部分はこれを位相の１／２以上に相当する時間で平均化した強度を受け、実質的にどの場所にもほぼ均一なエネルギーが入射される。
この効果により、照射した全領域で均一な特性の結晶粒を得ることができる。そのため、可干渉性を低減させる光学系なども要らなくなり、装置の光学系構成を簡易化できる。

図３は、本発明によるレーザ照射装置１０の第２実施形態を示す光学系概略図である。この図において、１２は反射ミラー、１３はビームエキスパンダー、１６は入射レンズ、１７は導波路、１８は端面転写光学系である。
この構成により、入射レーザビーム１を反射ミラー１２で反射し、ビームエキスパンダー１３により図で上下方向に広げ、入射レンズ１６で導波路１７に導き、導波路１７内で平均化し、端面転写光学系１８で基板３に集光するようになっている。

図３において、本発明のレーザ照射装置１０は、さらに集光レーザビーム２を長手方向に移動するビーム移動装置２０を備える。ビーム移動装置２０は、この例では、反射ミラー１２を揺動させるミラー揺動装置２１、入射レンズ１６を揺動させる入射レンズ揺動装置２４、導波路１７を揺動させる導波路揺動装置２５、および導波路１７を往復動させる導波路往復動装置２６からなる。なお、ビーム移動装置２０としてこれらすべてを備える必要はなく、少なくとも１つを備えればよい。
その他の構成、および作用効果は第１実施形態と同様である。

図４は、本発明によるレーザ照射装置１０の第３実施形態を示す光学系概略図である。この図において、１９はプリズム、１３はビームエキスパンダー、１４はシリンドリカルアレイ、１５は集光用レンズである。
この構成により、入射レーザビーム１をプリズム１９で屈折し、ビームエキスパンダー１３により図で上下方向に広げ、シリンドリカルアレイ１４で上下方向を複数に分割し、それぞれを集光用レンズ１５で基板３に集光するようになっている。

図４において、本発明のレーザ照射装置１０は、さらに集光レーザビーム２を長手方向に移動するビーム移動装置２０を備える。ビーム移動装置２０は、この例では、プリズム１９を揺動させるプリズム揺動装置２７である。なお、第１実施形態のシリンドリカルレンズアレイ１４を揺動させるレンズアレイ揺動装置２２、およびシリンドリカルレンズアレイ１４を往復動させるレンズアレイ往復動装置２３を備えてもよい。その他の構成、および作用効果は第１実施形態と同様である。

図５（Ａ）は、本発明によるレーザ照射装置１０の第４実施形態を示す光学系概略図である。この図において、１３はビームエキスパンダー、１４はシリンドリカルアレイ、１５は集光用レンズである。また、ビームエキスパンダー１３の上流側には、図１に示した反射ミラー１２（図示せず）、又は図４に示したプリズム１９（図示せず）を備える。
この構成により、入射レーザビーム１を反射ミラー１２で反射又はプリズム１９で屈折し、ビームエキスパンダー１３により図で上下方向に広げ、シリンドリカルアレイ１４で上下方向を複数に分割し、それぞれを集光用レンズ１５で基板３に集光するようになっている。

この図において、本発明のレーザ照射装置１０は、さらに集光レーザビーム２を長手方向に移動するビーム移動装置２０を備える。ビーム移動装置２０は、この例では、集光用レンズ１５を揺動させるレンズ揺動装置２８、および集光用レンズ１５を往復動させるレンズ往復動装置２９からなる。なお、ビーム移動装置２０としてこれらすべてを備える必要はなく、少なくとも１つを備えればよい。
その他の構成、および作用効果は第１実施形態と同様である。

図５（Ｂ）は、本発明によるレーザ照射装置１０の第５実施形態を示す光学系概略図である。この図において、１３はビームエキスパンダー、１６は入射レンズ、１７は導波路、１８は端面転写光学系である。また、ビームエキスパンダー１３の上流側には、図３と同様に反射ミラー１２（図示せず）、又は図４に示したプリズム１９（図示せず）を備える。
この構成により、入射レーザビーム１を反射ミラー１２で反射又はプリズム１９で屈折し、ビームエキスパンダー１３により図で上下方向に広げ、入射レンズ１６で導波路１７に導き、導波路１７内で平均化し、端面転写光学系１８で基板３に集光するようになっている。

この図において、本発明のレーザ照射装置１０は、さらに集光レーザビーム２を長手方向に移動するビーム移動装置２０を備える。ビーム移動装置２０は、この例では、端面転写光学系１８を揺動させる転写光学系揺動装置３０、および端面転写光学系３１を往復動させる転写光学系往復動装置３１からなる。なお、ビーム移動装置２０としてこれらすべてを備える必要はなく、少なくとも１つを備えればよい。また、端面転写光学系１８の揺動及び往復動は、その構成素子の全部でも一部でもよい。
その他の構成、および作用効果は第１実施形態と同様である。

図６は、本発明の実施例を示す図である。この図において、横軸は第１実施形態における集光レーザビーム２の長手方向位置、縦軸はビーム強度を示している。また図中、（Ａ）は集光レーザビーム２の強度分布、（Ｂ）は（Ａ）を干渉縞の位相の１／２の間で、シリンドリカルアレイ１４を回転させて位相を最大半波長ずらしたもの、（Ｃ）は（Ｂ）を加算し平均化したものである。なお、（Ｂ）では、位相の異なる波形を強度方向にずらして示している。

図６から明らかなように、干渉縞の位相をずらして、加算し平均化した図６（Ｃ）の強度分布は、図６（Ａ）に比較して、干渉縞による強度の高低差が大幅に低減されている。
すなわち、本発明により、光学素子を一定の周波数で振動させることにより、ショット毎に干渉縞のエネルギー分布が移動して、平均すると、どの場所でもほぼ均一なエネルギーが入射されることがわかる。
この効果により、照射した全領域で均一な特性の結晶粒を得ることができる。そのため、可干渉性を低減させる光学系なども要らなくなり、装置の光学系構成を簡易化できる。

なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

本発明によるレーザ照射装置の第１実施形態を示す光学系概略図である。本発明の原理図である。本発明の第２実施形態を示す光学系概略図である。本発明の第３実施形態を示す光学系概略図である。本発明の第４、第５実施形態を示す光学系概略図である。本発明の実施例を示す図である。特許文献１の装置の模式図である。特許文献２の装置の模式図である。特許文献３の装置の模式図である。

符号の説明

１入射レーザビーム、２集光レーザビーム、３基板、
１０レーザ照射装置、１２反射ミラー、
１３ビームエキスパンダー、１４シリンドリカルアレイ、
１５集光用レンズ、１６入射レンズ、
１７導波路、１８端面転写光学系、１９プリズム、
２０ビーム移動装置、２１ミラー揺動装置、
２２レンズアレイ揺動装置、２３レンズアレイ往復動装置、
２４入射レンズ揺動装置、２５導波路揺動装置、
２６導波路往復動装置、２７プリズム揺動装置、
２８レンズ揺動装置、２９レンズ往復動装置、
３０転写光学系揺動装置、３１転写光学系往復動装置

Claims

表面に半導体膜を有する平板状の基板の一部に、矩形状の集光レーザビームをその短手方向に移動しながら照射して前記半導体膜の全面をアニーリングするレーザアニール装置のレーザ照射装置であって、
集光レーザビームを長手方向に移動するビーム移動装置を備え、該ビーム移動装置により、集光レーザビームが照射されている膜部分が溶融し固化する時間内に、集光レーザビームの長手方向に存在する干渉縞の位相の１／２以上に相当する距離を長手方向に移動する、ことを特徴とするレーザアニール装置のレーザ照射装置。
前記ビーム移動装置は、シリンドリカルレンズアレイ、導波路、反射ミラー、プリズム、集光用レンズ、端面転写光学系、またはその他の光学素子を集光レーザビームの長手方向に揺動または往復動させる電動アクチュエータである、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のレーザ照射装置。
前記ビーム移動装置は、シリンドリカルレンズアレイ、導波路、反射ミラー、プリズム、集光用レンズ、端面転写光学系、またはその他の光学素子を集光レーザビームの長手方向に所定の周期で振動させる振動素子である、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のレーザ照射装置。