JP2007304196A - Optical element, focus adjustment device using the same, focus adjustment method, laser annealer, and laser annealing method - Google Patents
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Description
本発明は、物理距離を一定にしたまま光学距離を変化させることが可能な新規な光学素子に関するものであり、さらにはこれを応用したピント調節装置、ピント調節方法、レーザアニール装置、レーザアニール方法に関する。 The present invention relates to a novel optical element capable of changing an optical distance while keeping a physical distance constant. Further, the present invention relates to a focus adjustment device, a focus adjustment method, a laser annealing device, and a laser annealing method to which this is applied. About.
液晶表示素子においては、各画素の液晶を駆動するための薄膜トランジスタの他、周辺駆動回路用の薄膜トランジスタ等をパネル基板上に形成することが行われており、これに対応して、多結晶シリコン(ポリシリコン)半導体膜をチャンネル層に使用した多結晶薄膜トランジスタをガラス基板上に形成する技術が開発されている。近年では、プロセス技術の進歩により、低いプロセス温度でガラス基板上に高性能な多結晶薄膜トランジスタを形成することが可能になっている。 In a liquid crystal display element, a thin film transistor for driving a liquid crystal of each pixel, a thin film transistor for a peripheral drive circuit, and the like are formed on a panel substrate. A technique for forming a polycrystalline thin film transistor using a polysilicon layer as a channel layer on a glass substrate has been developed. In recent years, progress in process technology has made it possible to form a high-performance polycrystalline thin film transistor on a glass substrate at a low process temperature.
例えば、エキシマレーザを用いたレーザアニール法は、ガラス基板上の非晶質シリコン半導体膜にエキシマレーザを照射して多結晶シリコン半導体膜とする方法であり、多結晶シリコン半導体膜を低いプロセス温度で形成する低温プロセスの代表例である。 For example, a laser annealing method using an excimer laser is a method in which an amorphous silicon semiconductor film on a glass substrate is irradiated with an excimer laser to form a polycrystalline silicon semiconductor film, and the polycrystalline silicon semiconductor film is formed at a low process temperature. It is a typical example of the low temperature process to form.
ところで、多結晶シリコン半導体膜を用いた薄膜トランジスタにおいては、多結晶シリコン半導体膜を構成する多結晶シリコンの粒径が特性に大きく影響を与える。そして、多結晶シリコンの粒径は、前述のエキシマレーザを用いたレーザアニール法では、照射されるエキシマレーザの単位面積当たりのエネルギーに大きく依存する。したがって、安定な品質の多結晶薄膜トランジスタを量産するためには、前記エキシマレーザの単位面積当たりのエネルギーを一定に制御することが重要になる。 By the way, in a thin film transistor using a polycrystalline silicon semiconductor film, the grain size of the polycrystalline silicon constituting the polycrystalline silicon semiconductor film greatly affects the characteristics. The grain size of polycrystalline silicon greatly depends on the energy per unit area of the irradiated excimer laser in the laser annealing method using the excimer laser described above. Therefore, in order to mass-produce stable quality polycrystalline thin film transistors, it is important to control the energy per unit area of the excimer laser to be constant.
このような観点から、レーザビームが照射される非晶質シリコン半導体膜と等価なプロファイルの得られる位置に、ビームプロファイラを設置し、プロファイラにより得たビームプロファイルの短軸プロファイルの平均高さまたは最大高さが常に一定になるように、アッテネータの透過率を制御することで、常に一定の大きさの粒径を持つ多結晶シリコン半導体膜が得られるようにすることが提案されている(例えば、特許文献1を参照)。 From such a viewpoint, a beam profiler is installed at a position where a profile equivalent to the amorphous silicon semiconductor film irradiated with the laser beam is obtained, and the average height or maximum of the short axis profile of the beam profile obtained by the profiler is obtained. It has been proposed that a polycrystalline silicon semiconductor film having a constant grain size is obtained by controlling the transmittance of the attenuator so that the height is always constant (for example, (See Patent Document 1).
特許文献1記載の発明は、液晶ディスプレイの画素スイッチや駆動回路に用いられる多結晶シリコン薄膜トランジスタ装置を歩留まりよく量産する装置及び製造方法を提供するものであり、非晶質シリコン半導体薄膜を堆積したガラス基板を移動しながらパルスレーザビームを照射することによって、多結晶シリコン半導体を生成するレーザアニール装置において、ガラス基板上のレーザビームと等価な位置に置かれたビームプロファイラにおける短軸プロファイル高さからフルエンスを読み取り、その高さが一定になるようにバリアブルアッテネータを調整することにより、常に均一な多結晶シリコンを製造可能とするものである。
しかしながら、前記特許文献1記載の発明では、ガラス基板の高さの変動を考慮しておらず、この点において多結晶シリコン半導体膜の粒径を一定に保つことは難しい。 However, the invention described in Patent Document 1 does not consider the variation in the height of the glass substrate, and in this respect, it is difficult to keep the grain size of the polycrystalline silicon semiconductor film constant.
結晶化に用いるレーザアニール装置では、レーザ本体から放射された所定の波長のレーザ光は、ほぼ中心が強く周辺が弱い光強度分布を有している。前述の通り、ほぼ等しい強度の光が非晶質シリコン半導体膜に照射されると、粒径がほぼ揃った多結晶シリコン半導体膜ができるため、非晶質シリコン半導体膜に照射されるエキシマレーザは照射面内で光り強度分布がほぼ一定である必要がある。そのため、前記レーザアニール装置では、ホモジナイザを用いることにより照射面内の光強度がほぼ一定になるように調整されている。また、量産を考慮すると、基板を一方向に動かし、照射位置を少しずつずらしながらレーザ照射を行うことが一般的であり、基板上(非晶質シリコン半導体膜上)でのレーザ光のサイズは、例えば30cm×0.5mmというように、細長い形状となる。 In a laser annealing apparatus used for crystallization, laser light having a predetermined wavelength emitted from a laser main body has a light intensity distribution that has a strong center and a weak periphery. As described above, when the amorphous silicon semiconductor film is irradiated with light having substantially the same intensity, a polycrystalline silicon semiconductor film having a substantially uniform grain size is formed. Therefore, the excimer laser irradiated to the amorphous silicon semiconductor film is The light intensity distribution needs to be substantially constant within the irradiation surface. Therefore, in the laser annealing apparatus, the light intensity in the irradiation surface is adjusted to be substantially constant by using a homogenizer. Also, considering mass production, it is common to perform laser irradiation while moving the substrate in one direction and shifting the irradiation position little by little. The size of the laser beam on the substrate (on the amorphous silicon semiconductor film) is For example, it has an elongated shape such as 30 cm × 0.5 mm.
ここで、光強度が一定となるための基板に垂直方向のマージンはあまり大きくなく、通常の光学系における像面に相当するものが存在し、その付近でのみ均一化される。一方、ディスプレイ用基板として用いているガラス基板は、表面に凹凸が存在する。したがって、このようなガラス基板に対して光強度がホモジナイズ(均一化)されたレーザ光を照射するためには、レーザ光のスキャン中に前記ガラス基板の表面凹凸に応じて像面位置を変更する必要がある。 Here, the margin in the direction perpendicular to the substrate for making the light intensity constant is not so large, and there is a portion corresponding to the image plane in a normal optical system, and it is made uniform only in the vicinity thereof. On the other hand, the glass substrate used as a display substrate has irregularities on the surface. Therefore, in order to irradiate such a glass substrate with laser light whose light intensity is homogenized (uniformized), the position of the image plane is changed according to the surface irregularities of the glass substrate during the scanning of the laser light. There is a need.
この場合、本来であれば光学系を調整することにより焦点位置を基板表面(非晶質シリコン半導体膜表面)に調整することが望ましい。焦点位置を調整することのみを考えるのであれば、光路中にあるレンズあるいはレンズ群を光軸方向に前後させてやることで、十分に対応可能である。しかしながら、前記の通りレーザ光のサイズが非常に大きいため、前記焦点位置を調整するためのレンズあるいはレンズ群も大型化しており、前記のように前後に(通常は上下に)動かすことは至難の業である。また、前記ガラス基板の凹凸は数μm程度であるため、光軸方向に動かす距離もほぼこれに対応したものとなり、その制御も難しい。 In this case, it is desirable to adjust the focal position to the substrate surface (amorphous silicon semiconductor film surface) by adjusting the optical system. If only the adjustment of the focal position is considered, it can be adequately handled by moving the lens or lens group in the optical path back and forth in the optical axis direction. However, since the size of the laser beam is very large as described above, the lens or the lens group for adjusting the focal position is also enlarged, and it is difficult to move back and forth (usually up and down) as described above. Business. Further, since the unevenness of the glass substrate is about several μm, the distance moved in the optical axis direction substantially corresponds to this, and its control is difficult.
このような状況から、通常のレーザアニール装置においては、基板の高さを細かく変更することができる機構を設けてある場合が多い。しかしながら、ディスプレイのサイズの大型化に伴い、前記基板の高さを変更することが困難になってきている。例えば、基板サイズが1m級にもなってくると、前記基板の高さを変更するための機構も大がかりなものとする必要が生じ、また基板の高さを細かく調整することはスループットを低下させることにもなり、望ましいものではない。 From such a situation, a normal laser annealing apparatus is often provided with a mechanism capable of finely changing the height of the substrate. However, as the size of the display increases, it has become difficult to change the height of the substrate. For example, when the substrate size becomes 1 m class, the mechanism for changing the height of the substrate needs to be large, and fine adjustment of the substrate height lowers the throughput. It is also not desirable.
前述のように、レーザ等の光を光学的手段により集光させて基板に照射するためには、基板表面に所望の像の像面を作ることが必要である。したがって、表面に凹凸を有する液晶ディスプレイ用基板等においては、焦点位置に基板を保持するために基板の高さを調節していたが、基板サイズの増大とともに、この作業がスループットを落とす大きな原因となり、また装置が大がかりなものとなって設備装置を増大する要因にもなっている。本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、レンズやレンズ群を光軸方向に動かすことなく光学的距離を短時間且つ容易に微調整することが可能な新規な光学素子を提供することを目的とし、これにより例えばレーザ光の像面位置を微調整することが可能なピント調節装置及びピント調節方法を提供することを目的とする。また、本発明は、基板の高さ調整を行うことなく基板表面に所望の像面を形成することができ、均一な多結晶シリコン半導体膜を量産することが可能なレーザアニール装置及びレーザアニール方法を提供することを目的とする。 As described above, in order to irradiate the substrate with light such as a laser beam condensed by optical means, it is necessary to form an image plane of a desired image on the substrate surface. Therefore, in liquid crystal display substrates with irregularities on the surface, the height of the substrate was adjusted to hold the substrate at the focal position. However, as the substrate size increased, this work greatly reduced the throughput. In addition, the apparatus becomes a large scale, which is a factor of increasing the equipment. The present invention has been proposed in view of such a conventional situation, and is a novel capable of easily and finely adjusting the optical distance in a short time without moving the lens or the lens group in the optical axis direction. An object of the present invention is to provide an optical element, and thereby to provide a focus adjustment device and a focus adjustment method that can finely adjust the image plane position of laser light, for example. The present invention also provides a laser annealing apparatus and a laser annealing method capable of forming a desired image plane on a substrate surface without adjusting the height of the substrate and mass-producing a uniform polycrystalline silicon semiconductor film. The purpose is to provide.
前述の目的を達成するために、本発明に係る光学素子は、空気と屈折率差を有する光学材料により形成され、光軸に対して直交する中心軸を有するとともに、当該中心軸を挟んで左右対称に傾斜する一対の傾斜面を有する第1の光学部材と、前記第1の光学部材と同様の光学材料により形成され、前記第1の光学部材に対して前記中心軸を挟んで左右対称に配置される第2及び第3の光学部材とを備え、前記第2及び第3の光学部材は、それぞれ光軸と略直交する垂直面と、前記第1の光学部材の傾斜面と略平行な傾斜面とを有し、前記第1の光学部材に対してこれら傾斜面が第1の光学部材の傾斜面と略平行に対向するように配置されており、前記第1の光学部材が前記中心軸方向に可動とされていることを特徴とする。 In order to achieve the above-described object, an optical element according to the present invention is formed of an optical material having a refractive index difference with air, has a central axis orthogonal to the optical axis, and has left and right sides sandwiching the central axis. A first optical member having a pair of symmetrically inclined surfaces and an optical material similar to the first optical member, and symmetrically sandwiching the central axis with respect to the first optical member Second and third optical members disposed, wherein the second and third optical members are substantially parallel to a vertical plane substantially orthogonal to the optical axis and an inclined surface of the first optical member, respectively. And the first optical member is arranged so as to face the first optical member substantially parallel to the inclined surface of the first optical member, and the first optical member is located at the center. It is characterized by being movable in the axial direction.
本発明の光学素子は、空気よりも屈折率が大きな材質を光路中に挿入することにより光学的距離を変化させることを基本原理とするものである。本発明の光学素子においては、第1の光学部材をその中心軸方向に移動させることとで、実質的な光路長が変化する。例えば、第1の光学部材の各傾斜面が第2及び第3の光学部材の傾斜面と接近する方向に移動させると、第1の光学部材を透過する距離が大きくなる。逆に、第1の光学部材の各傾斜面が第2及び第3の光学部材の傾斜面と離れる方向に移動させると、第1の光学部材を透過する距離が小さくなる。第1の光学部材は、空気よりも屈折率が大きく、したがって、前記第1の光学部材を等価する距離の変更は、光路長全体の光学的距離を変化させる結果となり、例えばピント調節機構として機能する。また、このとき光軸方向の実空間上の光路長を変化させることもない。 The optical element of the present invention is based on the principle of changing the optical distance by inserting a material having a refractive index larger than that of air into the optical path. In the optical element of the present invention, the substantial optical path length changes by moving the first optical member in the central axis direction. For example, when each inclined surface of the first optical member is moved in a direction approaching the inclined surfaces of the second and third optical members, the distance transmitted through the first optical member is increased. Conversely, when each inclined surface of the first optical member is moved away from the inclined surfaces of the second and third optical members, the distance transmitted through the first optical member is reduced. The refractive index of the first optical member is larger than that of air. Therefore, changing the distance equivalent to the first optical member results in changing the optical distance of the entire optical path length, and functions as a focus adjustment mechanism, for example. To do. At this time, the optical path length in the real space in the optical axis direction is not changed.
本発明のピント調節装置やピント調節方法、さらにはレーザアニール装置やレーザアニール方法は、前記光学素子のピント調節機構を利用したものである。すなわち、本発明のピント調節装置は、前記光学素子を備え、第1の光学部材を中心軸方向に相対移動させることにより、光軸方向の光路長を変化させることなく光学的距離が調整されることを特徴とする。本発明のピント調節方法は、前記光学素子を用い、第2の光学部材の垂直面から光を入射するとともに、第1の光学部材を中心軸方向に相対移動させ、光軸方向の実空間上の光路長を変化させることなく光学的距離を調節することを特徴とする。 The focus adjustment device and focus adjustment method, and the laser annealing device and laser annealing method of the present invention utilize the focus adjustment mechanism of the optical element. In other words, the focus adjusting apparatus of the present invention includes the optical element, and the optical distance is adjusted without changing the optical path length in the optical axis direction by relatively moving the first optical member in the central axis direction. It is characterized by that. The focus adjustment method according to the present invention uses the optical element, makes light incident from the vertical surface of the second optical member, and relatively moves the first optical member in the central axis direction, so as to be in real space in the optical axis direction. The optical distance is adjusted without changing the optical path length.
また、本発明のレーザアニール装置は、非晶質シリコン半導体膜を堆積した基板を移動させながらパルスレーザビームを照射することによって前記非晶質シリコン半導体膜を多結晶シリコン半導体膜とするレーザアニール装置であって、前記光学素子が前記パルスレーザビームの光路中に挿入されていることを特徴とする。本発明のレーザアニール方法は、非晶質シリコン半導体膜を堆積した基板を移動させながらパルスレーザビームを照射することによって前記非晶質シリコン半導体膜を多結晶シリコン半導体膜とするレーザアニール方法であって、前記光学素子を前記パルスレーザビームの光路中に挿入し、前記第2の光学部材の垂直面から前記パルスレーザビームを入射するとともに、前記第1の光学部材を前記中心軸方向に移動させ、光軸方向の実空間上の光路長を変化させることなく光学的距離を調節し、前記パルスレーザビームの焦点位置を前記非晶質シリコン半導体膜の表面に略一致させることを特徴とする。 The laser annealing apparatus of the present invention is a laser annealing apparatus in which the amorphous silicon semiconductor film is made to be a polycrystalline silicon semiconductor film by irradiating a pulse laser beam while moving the substrate on which the amorphous silicon semiconductor film is deposited. The optical element is inserted in the optical path of the pulse laser beam. The laser annealing method of the present invention is a laser annealing method in which the amorphous silicon semiconductor film is made to be a polycrystalline silicon semiconductor film by irradiating a pulse laser beam while moving the substrate on which the amorphous silicon semiconductor film is deposited. The optical element is inserted into the optical path of the pulse laser beam, the pulse laser beam is incident from the vertical plane of the second optical member, and the first optical member is moved in the central axis direction. The optical distance is adjusted without changing the optical path length in the real space in the optical axis direction, and the focal position of the pulse laser beam is made to substantially coincide with the surface of the amorphous silicon semiconductor film.
本発明によれば、レンズやレンズ群を光軸方向に動かすことなく光学的距離を短時間且つ容易に微調整することが可能であり、これにより、例えばレーザ光の像面位置を微調整するピント調節が可能である。また、このとき、光軸方向における実空間上の光路長を変化させる必要もない。さらに、レーザアニールに応用することで、基板の高さ調整を行うことなく基板表面に所望の像面を形成することができ、均一な多結晶シリコン半導体膜を量産することが可能である。 According to the present invention, it is possible to finely adjust the optical distance in a short time and easily without moving the lens or the lens group in the optical axis direction, thereby finely adjusting the image plane position of the laser light, for example. Focus adjustment is possible. At this time, it is not necessary to change the optical path length in the real space in the optical axis direction. Furthermore, by applying the laser annealing, a desired image plane can be formed on the substrate surface without adjusting the height of the substrate, and a uniform polycrystalline silicon semiconductor film can be mass-produced.
以下、本発明を適用した光学素子及びこれを用いたピント調節装置、ピント調節方法、さらにはレーザアニール装置、レーザアニール方法について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, an optical element to which the present invention is applied, a focus adjustment device, a focus adjustment method using the same, a laser annealing device, and a laser annealing method will be described in detail with reference to the drawings.
(光学素子の構成及びピント調節機構)
本実施形態の光学素子は、図1に示すように、第1の光学部材1の両側に第2の光学部材2及び第3の光学部材3を配置することにより構成されるものである。各光学部材1〜3は、いずれも光透過性に優れ空気との屈折率差を有する光学材料により形成される必要があり、例えば石英やガラス等により形成されている。また、各光学部材1〜3は、全て同一の光学材料により形成されている。
(Configuration of optical element and focus adjustment mechanism)
The optical element of this embodiment is comprised by arrange | positioning the 2nd
第1の光学部材1は、中心軸Cを中心に左右対称の形状を有し、中心軸Cに対する傾斜角度θが同じで互いに反対方向に傾斜する2つの傾斜面1a,1bを有する。したがって、第1の光学部材1の断面形状は台形形状である。この第1の光学部材1は、前記中心軸Cが入射光の光軸方向と略直交するように配置される。 The first optical member 1 has a symmetrical shape about the central axis C, and has two inclined surfaces 1a and 1b that have the same inclination angle θ with respect to the central axis C and are inclined in opposite directions. Therefore, the cross-sectional shape of the first optical member 1 is a trapezoidal shape. The first optical member 1 is disposed so that the central axis C is substantially orthogonal to the optical axis direction of incident light.
第2の光学部材2は、前記第1の光学部材1の光入射側に配置され、入射光の光軸と略直交する光入射面2aと、前記第1の光学部材1の傾斜面1aと略平行に対向する傾斜面2bを有する。同様に、第3の光学部材2は、前記第1の光学部材1の光出射側に配置され、入射光の光軸と略直交する光出射面3aと、前記第1の光学部材1の傾斜面1bと略平行に対向する傾斜面3bを有する。
The second
前記光学素子1は、図2に示すように、入射光のサイズに応じて大きさが設計されており、例えば第2の光学部材3の光入射面3a内に入射光スポットSPが収まる大きさとされている。具体的には、前記入射光スポットSPのサイズがD1×D2である場合には、光学素子1の各サイズW1,W2は、W1>D1、W2>D2とされ、例えば入射光スポットSPが細長い形状である場合には、前記光学素子1も前記入射光スポットSPに合わせて細長い形状とされる。
As shown in FIG. 2, the optical element 1 is designed according to the size of incident light. For example, the optical element 1 has a size that allows the incident light spot SP to be contained in the
前述の構成の光学素子1においては、第2の光学部材3の光入射面2aから光が入射し、第2の光学部材3と第1の光学部材2の間の空間、第1の光学部材2、第1の光学部材2と第3の光学部材4の間の空間、さらには第3の光学部材4を透過し、第3の光学部材4の光出射面3aから出射する。ここで、第2の光学部材3を透過した光が、第2の光学部材3と第1の光学部材2の間の空間を通過した後、第1の光学部材2へと入射すると、空気と各光学部材1〜3との屈折率差によって光軸がずれるが、第1の光学部材2と第3の光学部材4の間の空間を通過し、第3の光学部材4に入射することで、前記光軸のずれが相殺(キャンセル)される。したがって、第2の光学部材3へ入射する光の光軸と、第3の光学部材4から出射する光の光軸とは一致した状態が維持される。
In the optical element 1 having the above-described configuration, light enters from the
前記光学素子1においては、前記第1の光学部材2がその中心軸Cの方向に移動し、光学的距離を変化させることが可能である。そして、この光学的距離の変化によってピント調節が可能である。以下、前記光学素子1を用いたピント調節について説明する。
In the optical element 1, the first
前述のように、光学素子1においては、第1の光学部材2を中心軸C方向(図1の矢印方向)に移動することが可能である。前記第1の光学部材2を移動する機構としては、例えば圧電素子による駆動機構等を採用することができる。
As described above, in the optical element 1, the first
ここで、図3(a)に示す中央の状態を基準として、前記光学的距離の変化を説明する。この基準状態における第1の光学素子2の光透過距離(光が透過する距離)をL1とする。例えば、この基準状態から第1の光学素子2を矢印A方向(図中左方向)に移動すると、図3(b)に示すように、第1の光学素子2の光透過距離L2は、前記基準状態での光透過距離L1よりも大きくなる(L2>L1)。これとは逆に、第1の光学素子2を矢印B方向(図中右方向)に移動すると、図3(c)に示すように、第1の光学素子2の光透過距離L3は、前記基準状態での光透過距離L1よりも小さくなる(L3<L1)。
Here, the change in the optical distance will be described with reference to the central state shown in FIG. The light transmission distance of the first
このとき、第1の光学部材2と第2,第3の光学部材3,4との間の距離(空間の長さ)も若干変わるが、前記第1の光学部材1の屈折率が空気の屈折率よりも大きいことから、光学素子1全体の実効的な光路長においては、第1の光学部材2における光透過距離が支配的となる。すなわち、第1の光学部材2を矢印A方向に移動すれば、光学素子1全体における光学的距離が大きくなり、第1の光学部材2を矢印B方向に移動すれば、光学素子1全体における光学的距離が小さくなる。
At this time, the distance (the length of the space) between the first
本発明の光学素子1の基本原理は、前記の通り、石英等、空気と屈折率差の大きな材質(第1の光学部材2)を光路中に挿入することにより光学的距離を変化させるというものである。その際、空気と屈折率差の大きな材質の厚さを連続的に変化させ、その変化する方向を挿入方向とすることにより、挿入量に応じて空気と異なる光学的距離を光線が進行する。そのため、全体の実空間上の光路長を変化させることなく光学的距離のみを変化させることが可能となる。本発明の光学素子1を用いれば、前述のような第1の光学部材2の移動に伴う光学的距離の変化を利用して、入射光の像面のピント調節を行うことが可能である。
As described above, the basic principle of the optical element 1 of the present invention is to change the optical distance by inserting a material (first optical member 2) having a large refractive index difference from air, such as quartz, into the optical path. It is. At this time, the thickness of a material having a large refractive index difference from air is continuously changed, and the changing direction is set as an insertion direction, so that the light beam travels an optical distance different from that of air according to the insertion amount. Therefore, it is possible to change only the optical distance without changing the optical path length in the entire real space. By using the optical element 1 of the present invention, it is possible to adjust the focus of the image plane of incident light by utilizing the change in the optical distance accompanying the movement of the first
前記ピント調節においては、例えば第1の光学部材2の各傾斜面2a,2bの傾斜角度θ、及びこれに対応して第2の光学部材3の傾斜面3bの傾斜角度、第3の光学部材4の傾斜面4bの傾斜角度を変更することで、ピント調節における調節範囲や調節精度を変更することが可能である。例えば、前記各傾斜面2a,2bの傾斜角度θを大きくすれば、僅かな起動距離で光学的距離を大きく変えることが可能である。これはピント調節において調節可能な範囲を広げる上で有効である。逆に、前記各傾斜面2a,2bの傾斜角度θを小さくすれば、第1の光学部材2の移動距離に比して光学的距離の変化を小さくすることができる。これはピント調節において光学的距離を微細に制御する上で有効である。
In the focus adjustment, for example, the inclination angle θ of each
図4は、第1の光学部材2の移動距離と光学素子1の光学的距離の変化の関係を示すものである。図4には、前記各傾斜面2a,2bの傾斜角度θを0.5°〜2.5°に変えた場合について、それぞれ第1の光学部材2の移動距離と光学素子1の光学的距離の変化の関係を示してある。図4から、前記傾斜角度θが0.5°〜2.5°の範囲で調節することにより、必要に応じて任意の焦点位置制御(ピント調節)を行うことが可能であることがわかる。
FIG. 4 shows the relationship between the movement distance of the first
(レーザアニールへの応用)
次に、前述の構成を有する光学素子1のレーザアニール装置、レーザアニール方法への応用について説明する。
(Application to laser annealing)
Next, application of the optical element 1 having the above-described configuration to a laser annealing apparatus and a laser annealing method will be described.
レーザアニール装置は、図5に示すように、エキシマレーザ等のパルスレーザ光を用いてガラス基板11上の非晶質シリコン半導体膜12を多結晶シリコン半導体膜とするものである。非晶質シリコン半導体膜12が形成されたガラス基板11は搬送テーブル13上に載置され、これを一方向に動かしながら前記パルスレーザ光を照射することで、非晶質シリコン半導体膜12全体が多結晶化される。
As shown in FIG. 5, the laser annealing apparatus uses an amorphous
レーザアニール装置は、所定の波長及び強度のパルスレーザビームを出力するレーザ発振器21を備え、このレーザ発振器21から出力されるパルスレーザビームが、当該パルスレーザビームを整形し均一化するための光学系を介して前記ガラス基板11上の非晶質シリコン半導体膜12に照射されてレーザアニールが行われる。
The laser annealing apparatus includes a
パルスレーザビームを整形し均一化するための光学系は、パルスレーザビームの長軸方向の強度分布を均一化するための第1のホモジナイザ22、パルスレーザビームの短軸方向の強度分布を均一化するための第2のホモジナイザ23、フィールドレンズ24,スリット25、パルスレーザビームをほぼ直角に反射する全反射ミラー26、投影レンズ27とから構成されており、レーザ発振器21から出力されたパルスレーザビームは、これら光学系により整形、均一化されてガラス基板11上の非晶質シリコン半導体膜12に照射される。
The optical system for shaping and homogenizing the pulsed laser beam includes a
レーザ発振器21から出力されるパルスレーザビームは、ほぼ中心が強く周辺が弱くなるような光強度分布を持っている。ほぼ等しい強度の光が非晶質シリコン半導体膜12に照射されることでほぼ揃った結晶が形成されるため、非晶質シリコン半導体膜12に照射されるパルスレーザビームは照射面内で光強度分布がほぼ一定である必要がある。前記第1のホモジナイザ22及び第2のホモジナイザ23を設置することで、照射面内の光強度がほぼ一定になるように調整される。
The pulse laser beam output from the
また、前記フィールドレンズ24やスリット25、投影レンズ27によってパルスレーザビームのビームスポット形状が整形される。ここで、レーザアニール装置における量産性を考慮すると、ガラス基板11を搬送テーブル13によって一方向に動かし、少しずつずらしながらレーザ照射を行うことが好ましい。そこで、前記光学系によってパルスレーザビームを長細い形状に成形する。ガラス基板11上(非晶質シリコン半導体膜12上)でのパルスレーザビームのサイズは、例えば30cm×0.5mmである。
Further, the beam spot shape of the pulse laser beam is shaped by the
前記光学系において、光強度が一定となるためのガラス基板11の垂直方向のマージンはあまり大きくない。前記光学系では、像面に相当するものが存在し、その付近でのみ光強度が均一化される。したがって、ガラス基板11の表面と前記像面とを一致させるために、例えば搬送テーブル13を上下させガラス基板11の高さを変更可能とすることも考えられるが、ガラス基板11の大型化や重量増に伴い、ガラス基板11の高さを細かく調整することはスループットを低下させることになり、量産性の観点からは望ましいものではない。
In the optical system, the vertical margin of the
そこで、本実施形態のレーザアニール装置では、前記ガラス基板11の高さを調整する代わりに、前記光学系の光路中に先の光学素子1を用いたピント調節機構28を挿入してピント調節(像面位置の調節)を行う。すなわち、パルスレーザビームの光路中に光学素子1を挿入し、第2の光学部材3の垂直面3aから前記パルスレーザビームを入射するとともに、第1の光学部材2を中心軸方向(図中矢印方向)に移動させ、光軸方向の実空間上の光路長を変化させることなく光学的距離を調節し、前記パルスレーザビームの焦点位置を前記非晶質シリコン半導体膜12の表面に略一致させる。
Therefore, in the laser annealing apparatus of this embodiment, instead of adjusting the height of the
なお、前記ピント調節に際しては、照射エリアのガラス基板11の高さを測定し、測定結果をフィードバックしながらピント調節(光学的距離の変化)を行うことも可能である。この場合、パルスレーザビームに先行して前記ガラス基板11の高さを測定し、測定結果に基づいて前記第1の光学部材2を前記中心軸方向に移動させるようにしてもよいし、予め前記ガラス基板11全体の高さ分布を測定しておき、蓄積された測定データに基づいて前記第1の光学部材2を前記中心軸方向に移動させるようにしてもよい。
In the focus adjustment, the height of the
例えば文献「IDW‘03 p415−418」等にも記載されるように、一般に、ガラス基板の表面には一方向に凹凸を有することが知られている。そこで、前記凹凸の山や谷の方向と細長いパルスレーザビームの幅方向とを一致させ、前記光学素子1によるピント調節を行えば、非晶質シリコン半導体膜12全体に対して均一な結晶化を実現することが可能である。また、前記ピント調節はガラス基板11の高さ制御と比較して遙かに制御性が良いという利点も有する。
For example, as described in the document “IDW′03 p415-418” and the like, it is generally known that the surface of the glass substrate has irregularities in one direction. Therefore, uniform crystallization of the entire amorphous
1 光学素子、2 第1の光学部材、2a,2b 傾斜面、3 第2の光学部材、3a 光入射面、3b 傾斜面、4 第3の光学部材、4a 光出射面、4b 傾斜面、11 ガラス基板、12 非晶質シリコン半導体膜、13 搬送テーブル、21 レーザ発振器、22 第1のホモジナイザ、23 第2のホモジナイザ、24 フィールドレンズ、25 スリット、26 全反射ミラー、27 投影レンズ、28 ピント調節機構
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (9)
前記第1の光学部材と同様の光学材料により形成され、前記第1の光学部材に対して前記中心軸を挟んで左右対称に配置される第2及び第3の光学部材とを備え、
前記第2及び第3の光学部材は、それぞれ光軸と略直交する垂直面と、前記第1の光学部材の傾斜面と略平行な傾斜面とを有し、前記第1の光学部材に対してこれら傾斜面が第1の光学部材の傾斜面と略平行に対向するように配置されており、
前記第1の光学部材が前記中心軸方向に可動とされていることを特徴とする光学素子。 A first optical member formed of an optical material having a refractive index difference from air, having a central axis perpendicular to the optical axis, and having a pair of inclined surfaces that are symmetrically inclined with respect to the central axis;
A second and a third optical member that are formed of the same optical material as the first optical member and are arranged symmetrically with respect to the first optical member across the central axis;
The second and third optical members each have a vertical surface that is substantially orthogonal to the optical axis, and an inclined surface that is substantially parallel to the inclined surface of the first optical member, with respect to the first optical member. These inclined surfaces are arranged so as to face the inclined surface of the first optical member substantially in parallel,
The optical element, wherein the first optical member is movable in the central axis direction.
請求項1または2記載の光学素子が前記パルスレーザビームの光路中に挿入されていることを特徴とするレーザアニール装置。 A laser annealing apparatus that uses the amorphous silicon semiconductor film as a polycrystalline silicon semiconductor film by irradiating a pulsed laser beam while moving the substrate on which the amorphous silicon semiconductor film is deposited,
3. A laser annealing apparatus, wherein the optical element according to claim 1 is inserted in an optical path of the pulse laser beam.
請求項1または2記載の光学素子を前記パルスレーザビームの光路中に挿入し、
前記第2の光学部材の垂直面から前記パルスレーザビームを入射するとともに、前記第1の光学部材を前記中心軸方向に移動させ、光軸方向の実空間上の光路長を変化させることなく光学的距離を調節し、前記パルスレーザビームの焦点位置を前記非晶質シリコン半導体膜の表面に略一致させることを特徴とするレーザアニール方法。 A laser annealing method in which the amorphous silicon semiconductor film is made to be a polycrystalline silicon semiconductor film by irradiating a pulsed laser beam while moving the substrate on which the amorphous silicon semiconductor film is deposited,
The optical element according to claim 1 or 2 is inserted in an optical path of the pulse laser beam,
The pulse laser beam is incident from the vertical plane of the second optical member, and the first optical member is moved in the direction of the central axis, so that the optical path length in the real space in the optical axis direction is not changed. A laser annealing method, wherein a focal distance is adjusted so that a focal position of the pulse laser beam substantially coincides with a surface of the amorphous silicon semiconductor film.
8. The laser annealing method according to claim 7, wherein a height distribution of the entire substrate is measured in advance, and the first optical member is moved in the central axis direction based on the accumulated measurement result. .
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