JP2006351593A - レーザ照射方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度変化に起因して集光レンズの焦点距離が変化するため、レーザの照射を停止した後に照射を再開するとき、冷却されたレンズの温度が所定温度に回復するまでに長時間を要し、作業能率が低下する。
【解決手段】 集光レンズ２と被照射物４との間に、光路を遮つてレーザａを反射する反射位置Ｉを採ることができる第１のミラー５と、第１のミラー５によつて反射されるレーザａを反射する第２のミラー６とを配置し、第１のミラー５に反射位置Ｉを採らせることにより、集光レンズ２を透過するレーザａを、第１，第２のミラー５，６によつて次々に反射させると共に、第１のミラー５によつて再度反射されるレーザａの強度を、被照射物４から反射されるレーザａの強度に合致させて集光レンズ２を透過させ、レーザａを被照射物４に照射するときと同様に集光レンズ２を加熱する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ照射方法及びその装置に関するものであり、詳しくはレーザ発振器からのレーザをレンズを通して集光又は結像させてステージに載せた被照射物に照射し、被照射物を改質させるものにおいて、レンズの温度ひいては焦点距離を維持するためのミラーを備えるレーザ照射方法及びその装置に関するものである。

従来、薄膜トランジスタの結晶化シリコンの製造に際し、ガラス基板上に薄いａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）膜を形成した被照射物にレーザ光を照射して、ａ−Ｓｉ膜を結晶化して薄いｐ−Ｓｉ（ポリシリコン）膜としている。このａ−Ｓｉ膜にレーザを照射して改質する方法の一つとして、均一な強度のレーザをマスクにあてて、それを光学機器の集光レンズで被照射物のａ−Ｓｉ膜に投影し結像して、照射する方法がある（例えば特許文献１）。

これは、エキシマレーザを発生させるレーザ発振器で生じさせたレーザを光学機器に導き、反射ミラーによつて適当に方向変換させると共に、強度の均一化を図つた後、マスク及び集光レンズを通すことにより方形のラインビーム（パルス・レーザ）に整形し、被照射物に集光して転写している。被照射物は、レーザアニール装置の真空室内に設置されている。
特許第３２０４９８６号公報

しかしながら、このような従来のレーザ照射装置にあつては、レンズの焦点距離が温度変化に起因して変動するという技術的課題があつた。すなわち、レーザ発振器で生じさせたパルス・レーザを集光レンズに通し、被照射物に照射しているため、レーザが集光レンズを通過する際、レーザの一部がレンズに吸収され熱に変換され、レンズの温度が上昇する。このレンズの温度は、一般に所定に維持し、焦点距離の変化を防止しているが、一連のパルス・レーザの照射を停止した後に照射を再開するとき、一旦冷却されたレンズの温度が所定温度に回復するまでの待ち時間に長時間を要し、作業能率が低下する原因となつている。

このような温度変化に起因する焦点距離の変化を防止するために、集光レンズを鏡筒に収容し、鏡筒に付属させた温度制御装置により集光レンズを間接的に保温し、レンズの温度を所定に維持することも行われている。この場合、レンズはレーザによつて主として直接加熱されて温度上昇し、一方、レンズの温度制御は側面から間接的に行われる。このため、レーザによるレンズの温度上昇の時定数は、温度制御装置による冷却の時定数よりも短くなる。従つて、一連のパルス・レーザの照射を停止した後に照射を再開するとき、レンズの温度は短時間に上昇し、やがて下降に転じ、その後、安定する。この温度が安定に至るまでの間、レンズの焦点距離が変化し続けるため、被照射物にレーザを照射するときはピントがぼけた状態で照射されることになる。

また、集光レンズの温度変化に伴う焦点距離の変化を抑制するため、温度特性の異なる複数の材質を用いて作製したレンズを組み合わせることも試みられているが、その抑制効果は不十分である。

本発明は、このような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、その構成は、次の通りである。
請求項１の発明は、レーザ発振器１からの処理用のレーザａをレンズ２に通して集光又は結像させ、被照射物４に照射させるレーザ照射方法において、レンズ２と被照射物４との間に、レンズ２と被照射物４との間の光路を遮つて処理用のレーザａを所定の反射率で反射する反射位置Ｉと、レンズ２と被照射物４との間の光路を開放する開放位置ＩＩとを採ることができる第１のミラー５と、反射位置Ｉを採る第１のミラー５によつて反射される処理用のレーザａの光軸Ｌに対して垂直に配置され、処理用のレーザａを所定の反射率で反射する第２のミラー６とを配置し、第１のミラー５に反射位置Ｉを採らせることにより、レンズ２を透過する処理用のレーザａを、第１のミラー５及び第２のミラー６によつて次々に反射させると共に、第１のミラー５によつて再度反射される処理用のレーザａの強度を、第１のミラー５が開放位置ＩＩを採る状態で被照射物４から反射される処理用のレーザａの強度に合致させて、レンズ２を透過させ、処理用のレーザａを被照射物４に照射するときと同様にレンズ２を加熱することを特徴とするレーザ照射方法である。
請求項２の発明は、レーザ発振器１からの処理用のレーザａをレンズ２に通して集光又は結像させ、被照射物４に照射させるレーザ照射装置において、レンズ２と被照射物４との間に、レンズ２と被照射物４との間の光路を遮つて処理用のレーザａを所定の反射率で反射する反射位置Ｉと、レンズ２と被照射物４との間の光路を開放する開放位置ＩＩとを採ることができる第１のミラー５と、反射位置Ｉを採る第１のミラー５によつて反射される処理用のレーザａの光軸Ｌに対して垂直に配置され、処理用のレーザａを所定の反射率で反射する第２のミラー６とを配置し、第１のミラー５に反射位置Ｉを採らせることにより、レンズ２を透過する処理用のレーザａを、第１のミラー５及び第２のミラー６によつて次々に反射させると共に、第１のミラー５によつて再度反射される処理用のレーザａの強度を、第１のミラー５が開放位置ＩＩを採る状態で被照射物４から反射される処理用のレーザａの強度に合致させて、レンズ２を透過させ、処理用のレーザａを被照射物４に照射するときと同様にレンズ２を加熱することを特徴とするレーザ照射装置である。
請求項３の発明は、第１のミラー５が全反射ミラーによつて構成され、第２のミラー６が、被照射物４の反射率と等しい反射率を有するハーフミラーによつて構成され、第２のミラー６が、第１のミラー５と被照射物４との間の距離ｈ２と等しい距離ｈ１だけ第１のミラー５から離隔させた位置に配置されていることを特徴とする請求項２のレーザ照射装置である。
請求項４の発明は、レンズ２が、焦点距離を計測する計測手段７を備えることを特徴とする請求項２又は３のレーザ照射装置である。
請求項５の発明は、レンズ２が、温度制御装置３を付属することを特徴とする請求項２，３又は４のレーザ照射装置である。

独立請求項１及び２に係る発明によれば、被照射物に処理用のレーザを照射することなくレンズの温度が安定するため、レンズの焦点距離が温度変化に起因して変化することを防止でき、被照射物に照射するレーザの品質を常時一定に保つことができる。その結果、被照射物への処理用のレーザの照射開始初期に、被照射物にピンボケのレーザを当てることが回避され、被照射物の無駄を無くして高品質の被照射物のみを製作することができる。

特に、一つの被照射物への処理が終了し、次の被照射物をセットする間に第１のミラーに反射位置を採らせることにより、レンズの温度ひいては焦点距離を一定に保つことができる。

請求項３によれば、第１のミラーによつて再度反射される処理用のレーザの強度を、第１のミラーが開放位置を採る状態で被照射物から反射される処理用のレーザの強度に合致させて、レンズを透過させ、処理用のレーザを被照射物に照射するときと同様にレンズを加熱することが簡単に実現できる。

請求項４によれば、レンズの焦点距離を計測する計測手段を設けるため、レンズの温度が所期状態にあるか否かを観測することができる。

図１〜図３は、本発明に係る集光レンズ（レンズ）の焦点距離を維持するためのミラーを備えるレーザ照射装置の１実施の形態を示す。図１中において符号１はレーザ発振器を示し、レーザ発振器１からの処理用のパルス・レーザａ（波長：例えば３０８ｎｍ）は、処理用のレーザａを全反射するミラー１０によつて９０度方向転換させて集光レンズ２に導き、集光レンズ２を透過したレーザａは、集光（又は結像）させて被照射物４に照射させ、被照射物４に結晶化などの処理を与える。レーザａは、実際にはマスク（図示せず）等に通され、整形すると共に強度が均一をなす矩形状レーザにされて被照射物４に結像させる。集光レンズ２は、鏡筒１６に収容し、鏡筒１６の外側に付属させたペルチェ素子からなる温度制御装置３により集光レンズ２を間接的に冷却又は加熱し、レンズの温度を所定に維持するようになつている。

被照射物４は、ステージ１１に載置され、ステージ１１には移動装置１２が付属されている。移動装置１２は、ステージ１１をレーザ発振器１に対して所定方向Ｘに相対移動させる。これにより、ステージ１１に載置された被照射物４は、所定間隔毎にレーザａが照射され、被照射物４が改質される。

そして、集光レンズ２と被照射物４との間に、処理用のレーザａを所定の反射率で反射する第１のミラー５（反射ミラー）を配置可能にする。このミラー５は、集光レンズ２と被照射物４との間の光路を遮ることが可能であり、駆動装置１４によつて駆動することにより、集光レンズ２と被照射物４との間の光路を遮る反射位置Ｉ（実線で示す）と、集光レンズ２と被照射物４との間の光路を開放する開放位置ＩＩ（仮想線で示す）とを採ることができる。ミラー５は、通常、全反射ミラーによつて構成され、その場合には反射位置Ｉを採らせることにより、ステージ１１に向かう処理用のレーザａを遮断する光シャッタとして機能する。但し、この光シャッタによつて光路を閉じたときでも、処理用のレーザａは集光レンズ２を透過する。

また、処理用のレーザａを所定の反射率で反射する第２のミラー６を配置する。このミラー６は、反射位置Ｉを採る第１のミラー５によつて反射される処理用のレーザａの光軸Ｌに対し、垂直に配置されていると共に、第１のミラー５からの距離ｈ１が、第１のミラー５と被照射物４との間の距離ｈ２に等しくなるように設定してある。この第２のミラー６は、通常、ハーフミラーによつて構成され、反射率（約６０％）が被照射物４の反射率と同じにしてある。第２のミラー６には、ダンパー１７を付属させ、透過する処理用のレーザａを吸収させる。

更に、集光レンズ２の焦点距離を計測する計測手段７を設ける。この計測手段７は、具体的には図２に示すように焦点距離計測用のレーザｂ（波長：例えば６３５ｎｍ）をシリンドリカルレンズ２１に通した後にハーフミラーからなる反射ミラー２２で反射させて方向転換させると共にミラー１０を透過させ、集光レンズ２を通して集光させ、第１のミラー５を透過させて被照射物４の表面に照射し、その反射光を第１のミラー５、集光レンズ２及びミラー１０，２２を順次に通過させ、測定器２４に受光させている。従つて、ミラー１０及び第１のミラー５は、処理用のレーザａを全反射できるが、焦点距離計測用のレーザｂを透過する。

そして、測定器２４で受光した光ｂの形状から、集光レンズ２と被照射物４との間の光軸上での距離ひいては集光レンズ２の焦点距離の適否を判定することができる。集光レンズ２の焦点距離は、集光レンズ２と被照射物４との間の光軸上での距離の差Ｂ−Ａとして計測される。測定器２４で受光した光の形状は、図３に示すようであり、図３（イ）は集光レンズ２の焦点距離が長すぎ、図３（ロ）は適正状態、図３（ハ）は集光レンズ２の焦点距離が短すぎを示す。

次に、作用について説明する。
レーザ発振器１からの処理用のパルス・レーザａは、全反射するミラー１０によつて９０度方向転換させて集光レンズ２に導き、集光レンズ２を透過したレーザａは、集光して被照射物４に照射され、被照射物４が改質される。被照射物４がガラス基板上に薄いａ−Ｓｉ膜を形成したものであれば、レーザａの照射により、ａ−Ｓｉ膜が結晶化されて薄いｐ−Ｓｉ膜に改質される。このとき、第１のミラー５は、集光レンズ２と被照射物４との間の光路を開放する開放位置ＩＩを採つている。

１枚の被照射物４に対するレーザａの照射処理が終了したなら、ステージ１１上の被照射物４を新しい被照射物４と交換する。その際、第１のミラー５（反射ミラー）を駆動装置１４によつて駆動し、集光レンズ２と被照射物４との間の光路を遮つて処理用のレーザａを所定の反射率で反射する反射位置Ｉを採らせる。

これにより、集光レンズ２を透過する処理用のパルス・レーザａは、反射位置Ｉを採る第１のミラー５によつて反射され、第２のミラー６に垂直に入射及び一部反射され、再度、第１のミラー５によつて反射され、集光レンズ２を透過する。従つて、第１のミラー５によつて反射されて集光レンズ２に向かうレーザａの強度を被照射物４から反射されるレーザａの強度に合致させることにより、被照射物４にレーザａを照射するときと同様に集光レンズ２が加熱され、集光レンズ２の冷却に伴う焦点距離の変動が防止される。なお、第１のミラー５を透過する処理用のレーザａは、被照射物４の改質処理に影響を与えない程度が望ましい。

特に、第１のミラー５を全反射ミラーによつて構成するときは、第２のミラー６を第１のミラー５と被照射物４との間の距離ｈ２と等しい距離ｈ１だけ離隔させた位置に置き、かつ、第２のミラー６の反射率を被照射物４の反射率と等しくすることにより、簡単に、第１のミラー５によつて反射されて集光レンズ２に向かうレーザａの強度を被照射物４から反射されるパルス・レーザａの強度に合致させることが可能である。

なお、第１のミラー５に反射位置Ｉを採らせる場合としては、被照射物４の交換時に限られず、ステージ１１上から被照射物４を取り除いたときであつて、集光レンズ２の温度を維持する必要性がある場合を広く含むものである。

また、集光レンズ２を鏡筒１６に収容し、鏡筒１６に付属させた温度制御装置３により集光レンズ２を冷却し、レンズ２の温度を所定に維持するため、処理用のレーザａを被照射物４に導く場合と同様に、レンズ２はレーザａによつて直接加熱されて温度上昇し、一方、レンズａの温度制御は側面から間接的に行われる。但し、温度制御装置３は省略が可能であり、温度制御装置３を省略した場合には、集光レンズ２が処理用のレーザａによつて加熱されて温度上昇が収まつた状態で、被照射物４に対する処理用のレーザａの照射を開始すればよい。

集光レンズ２の焦点距離を計測する計測手段７は、焦点距離計測用のレーザｂを被照射物４の表面に照射し、その反射光ｂを集光レンズ２及びミラー５，１０，２２を通過させ、測定器２４に受光させるので、測定器２４で受光したレーザｂの形状から、集光レンズ２の焦点距離が適正状態にあることを知ることができる。集光レンズ２の焦点距離が適正であることから、集光レンズ２の温度が適正であることを知ることができる。

実際に、レーザ発振器１としてラムダフィジック社製のレーザ発振器ＬＳ２０００を用いて処理用のレーザａ（波長３０８ｎｍ、繰り返し発振数３００Ｈｚ）を発振させ、そのレーザａを全反射する誘電体多層膜を石英に蒸着した第１のミラー５を集光レンズ２と被照射物４との間に光軸に対して４５度傾けて設置した。第１のミラー５は、焦点距離計測用のレーザｂである波長６３５ｎｍのダイオードレーザを透過することができる。

第１のミラー５で反射した処理用のレーザａの進行方向にミラー５から被照射物４までの距離ｈ２と等しい距離ｈ１だけ離れた位置としてハーフミラーからなる第２のミラー６を設置した。第２のミラー６は、第１のミラー５によつて９０度曲げられた光軸Ｌに垂直に配置した。

第２のミラー６は、波長３０８ｎｍの光（処理用のレーザａ）に対して６０％の反射率を持つようにし、被照射物４である膜厚５０ｎｍのアモルファスシリコンを厚さ０．５ｍｍのガラス板に蒸着した基板の波長３０８ｎｍの光ａに対する反射率と等しくした。

また、波長６３５ｎｍの光（焦点距離計測用のレーザｂ）をミラー５越しに被照射物４に照射し、その反射光ｂを利用して、集光レンズ２の焦点距離を計測する計測手段７を設けた。

集光レンズ２の鏡筒１６の外側には、ペルチェ素子（温度制御装置３）を設置し、レンズ２の温度を制御した。

このようなレーザ照射装置により、第１，第２のミラー５，６によつて集光レンズ２の温度をほぼ一定に維持することができることを確認した。

本発明の１実施の形態に係るレーザ照射装置を示す正面図。 同じくレーザ照射装置に装備する計測手段を具体的に示す背面図。 同じく測定器で受光した焦点距離計測用のレーザの形状を示す図。

符号の説明

１：レーザ発振器
２：集光レンズ（レンズ）
３：温度制御装置
４：被照射物
５：第１のミラー
６：第２のミラー
７：計測手段
１１：ステージ
１２：移動装置
２４：測定器
ａ：処理用のレーザ
ｂ：焦点距離計測用のレーザ
ｈ１，ｈ２：距離
Ｉ：反射位置
ＩＩ：開放位置
Ｌ：光軸
Ｘ：所定方向

Claims (5)

1. レーザ発振器（１）からの処理用のレーザ（ａ）をレンズ（２）に通して集光又は結像させ、被照射物（４）に照射させるレーザ照射方法において、
   レンズ（２）と被照射物（４）との間に、レンズ（２）と被照射物（４）との間の光路を遮つて処理用のレーザ（ａ）を所定の反射率で反射する反射位置（Ｉ）と、レンズ（２）と被照射物（４）との間の光路を開放する開放位置（ＩＩ）とを採ることができる第１のミラー（５）と、
   反射位置（Ｉ）を採る第１のミラー（５）によつて反射される処理用のレーザ（ａ）の光軸（Ｌ）に対して垂直に配置され、処理用のレーザ（ａ）を所定の反射率で反射する第２のミラー（６）とを配置し、
   第１のミラー（５）に反射位置（Ｉ）を採らせることにより、レンズ（２）を透過する処理用のレーザ（ａ）を、第１のミラー（５）及び第２のミラー（６）によつて次々に反射させると共に、第１のミラー（５）によつて再度反射される処理用のレーザ（ａ）の強度を、第１のミラー（５）が開放位置（ＩＩ）を採る状態で被照射物（４）から反射される処理用のレーザ（ａ）の強度に合致させて、レンズ（２）を透過させ、処理用のレーザ（ａ）を被照射物（４）に照射するときと同様にレンズ（２）を加熱することを特徴とするレーザ照射方法。
2. レーザ発振器（１）からの処理用のレーザ（ａ）をレンズ（２）に通して集光又は結像させ、被照射物（４）に照射させるレーザ照射装置において、
   レンズ（２）と被照射物（４）との間に、レンズ（２）と被照射物（４）との間の光路を遮つて処理用のレーザ（ａ）を所定の反射率で反射する反射位置（Ｉ）と、レンズ（２）と被照射物（４）との間の光路を開放する開放位置（ＩＩ）とを採ることができる第１のミラー（５）と、
   反射位置（Ｉ）を採る第１のミラー（５）によつて反射される処理用のレーザ（ａ）の光軸（Ｌ）に対して垂直に配置され、処理用のレーザ（ａ）を所定の反射率で反射する第２のミラー（６）とを配置し、
   第１のミラー（５）に反射位置（Ｉ）を採らせることにより、レンズ（２）を透過する処理用のレーザ（ａ）を、第１のミラー（５）及び第２のミラー（６）によつて次々に反射させると共に、第１のミラー（５）によつて再度反射される処理用のレーザ（ａ）の強度を、第１のミラー（５）が開放位置（ＩＩ）を採る状態で被照射物（４）から反射される処理用のレーザ（ａ）の強度に合致させて、レンズ（２）を透過させ、処理用のレーザ（ａ）を被照射物（４）に照射するときと同様にレンズ（２）を加熱することを特徴とするレーザ照射装置。
3. 第１のミラー（５）が全反射ミラーによつて構成され、第２のミラー（６）が、被照射物（４）の反射率と等しい反射率を有するハーフミラーによつて構成され、第２のミラー（６）が、第１のミラー（５）と被照射物（４）との間の距離（ｈ２）と等しい距離（ｈ１）だけ第１のミラー（５）から離隔させた位置に配置されていることを特徴とする請求項２のレーザ照射装置。
4. レンズ（２）が、焦点距離を計測する計測手段（７）を備えることを特徴とする請求項２又は３のレーザ照射装置。
5. レンズ（２）が、温度制御装置（３）を付属することを特徴とする請求項２，３又は４のレーザ照射装置。

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