JP2008211091A

JP2008211091A - レーザアニール装置、レーザアニール方法

Info

Publication number: JP2008211091A
Application number: JP2007048069A
Authority: JP
Inventors: Yuji Okamoto; 裕司岡本
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2008-09-11

Abstract

【課題】
回転型ステージを用い、設置場所の面積利用効率が高く、均一なレーザアニール処理を行なえるレーザアニール装置を提供する。
【解決手段】
レーザアニール装置は、回転軸の周りに回転する回転ステージに向かうレーザビームを、第１、第２の半径方向辺と、前記第１、第２の半径方向辺の間を結ぶ第１の半径距離における第１の円弧と、第２の半径距離における第２の円弧とで画定される開口を備えたマスクを用いて整形し、マスクの開口の像を前記回転ステージ上の被処理対象物上に結像する。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザアニール装置、レーザアニール方法に関し、特に設置場所の面積利用効率が高く、均一なレーザアニールを行なえるレーザアニール装置、レーザアニール方法に関する。なお、レーザアニールとは、レーザを照射してその熱作用により処理を行なう工程を指し、半導体基板中にイオン注入した不純物の活性化やガラス基板上のアモルファスシリコン膜の結晶化を含む。

半導体基板や液晶表示装置用ガラス基板は、製造プロセスの効率化や大型表示面の実現のため大型化している。レーザアニールは、レーザビームをラインビームに整形し、ＸＹステージ等のステージに載せた被対象物にレーザビームを照射し、照射位置を走査して行なわれている。狭い処理面積であればガルバノミラーとＦθレンズ等によりレーザビームを走査して処理を行なえるが、処理面積が広くなるとＸＹステージを移動させることが必要になる。

基板の大型化と共にステージも大型化する。大きなステージを移動させるためには種々の制限が伴う。ＸＹステージのように平行移動するステージは、加速、減速、方向変換が必要である。一定速度で駆動するためには助走が必要であり、助走させるための時間や距離も必要となる。また、急激な速度変化や方向変換は難しい。

特開昭５５−１５０２３８号は、半導体基板を載置する試料台を回転させ、半導体基板の表面上でレーザビームを半導体基板の半径方向に走査することで半導体基板全面に均一なレーザビーム照射を行なうことを提案する。レーザビームの半径方向の走査は、レーザビームを反射するミラーの角度変化、レーザビームを反射するミラーの平行移動、試料台の平行移動などによって行なえることも開示する。回転する半導体基板の円周方向移動速度は回転中心からの距離に比例するので、一定回転速度では外周部ほど照射エネルギ密度が減少する。照射エネルギ密度を一定に保つため、照射領域の半径方向位置に応じて、回転速度を変えたり、レーザビームの送り速度を変えたり、レーザビームエネルギを変えたりすることも教示する。

特開２００３−１５８０７６号は、回転台の上に半径方向に試料を移動できるコンベアを配置し、コンベア上に被処理物を載置し、被処理物を回転させながら、半径方向に移動することで被処理物をレーザ処理することを提案する。

特開２００５−２４４１９１号は、主レーザビームとリサイクルレーザビームとによって、基板上を熱処理する発明であるが、複数の基板を載置する回転台を回転し、レーザビームを回転台の半径方向に走査することにより、複数の基板の全面に熱処理を行なうことも開示する。

特開昭５５−０１５０２３８号公報特開２００３−１５８０７６号公報特開２００５−２４４１９１号公報

回転型ステージは、回転させることにより、占有面積の移動なく、所望の角度部分を参照角度位置に移動させることができ、設置場所の面積利用効率を高くすることができる。しかし、半径方向位置に応じて一定角度部分の面積が変わる特性を持つ。

本発明の目的は、回転型ステージを用い、均一なレーザアニール処理を可能とするレーザアニール装置、ないしレーザアニール方法を提供することである。

本発明の他の目的は、回転型ステージを用い、設置場所の面積利用効率が高く、均一なレーザアニール処理を行なえるレーザアニール装置、ないしレーザアニール方法を提供することである。

本発明の１観点によれば、
回転軸を水平に配置した回転ステージと、
レーザビームを出射するレーザ光源と、
レーザビームを整形するマスクであって、第１、第２の半径方向辺と、前記第１、第２の半径方向辺の間を結ぶ第１の半径距離における第１の円弧と、第２の半径距離における第２の円弧とで画定される開口を備えたマスクと、
前記レーザ光源からのレーザビームを前記マスクの開口に照射する照明光学系と、
前記レーザビームを照射された開口の像を前記回転ステージ上の被処理対象物上に結像する結像光学系と、
を有するレーザアニール装置
が提供される。

本発明の他の観点によれば、
（ａ）レーザ光源から出射するレーザビームを、第１、第２の半径方向辺と、前記第１、第２の半径方向辺の間を結ぶ第１の半径距離における第１の円弧と、第２の半径距離における第２の円弧とで画定される開口を有するマスクに照射する工程と、
（ｂ）前記開口の像を、回転軸を水平に配置した回転ステージ上の環状領域に向け、回転ステージ上に載置された被照射物上に結像する工程と、
を含むレーザアニール方法
が提供される。

回転ステージは、設置場所の占有面積を固定できる。回転軸を水平に配置した縦置きのステージにおいては、面積占有率をさらに改善できる。

一対の半径方向辺と、内周側円弧と外周側円弧とで画定される開口は、回転ステージ上の被処理対象物を均一にレーザアニールすることを可能とする。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は、実施例によるレーザアニール装置の構成を示すブロック図である。レーザダイオード励起の固体レーザ、エキシマレーザ等のレーザ光源１から出射したレーザビームは、ビーム整形照明光学系２によって、ビーム内のエネルギ密度が均一化され、所定のビーム形状に整形されて、マスク３に照射される。マスク３は、複数の開口を有し、駆動系ＤＲによってその平面内位置を調整できる。結像光学系４は、走査光学系５を介して、マスク３の開口を透過したレーザビームを回転ステージ６上に導く。回転ステージ６上には複数の被照射物８が載置されている。マスク３の開口の像が被照射物８上に形成される。回転ステージ６は、回転軸７の周りで回転し、回転ステージ６の所定の環状領域がレーザビームの照射を受けられる。走査光学系５は回転ステージ６の半径方向にレーザビームを走査し、環状領域の半径方向位置を調整する。

図２Ａは、マスク３の１例であるディスク状マスクＤＭの構成例を示す。ディスク状マスクＤＭは、回転ステージ６に対応する形状を有し、その主たる面積が複数の（図では４つの）環状領域に分割される。各環状領域には、円周方向を８等分する開口Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４が形成されている。レーザビームは、最大の開口Ａ４の全面積を照射できる断面形状を有する。

駆動系ＤＲにより、ディスクマスクＤＭの回転軸を、回転、平行移動し、所望の開口を光軸上に配置する。マスクＤＭの選択された開口を透過したレーザビームは、走査光学系５により、回転ステージの所定の半径位置で回転ステージ６上に照射される。回転ステージ６を回転することにより、所望の環状領域がレーザビームの照射を受ける。レーザビームは連続発振でも、パルス発振でもよい。回転ディスク６の環状領域の１／８にレーザビームを照射し、回転ステージが１／８回転した後、次の照射を行なってもよい。

例えば、開口Ａ１に対応する環状領域の照射を行い、次にマスクの開口をＡ２に変更し、マスクＡ２に対応する環状領域を照射し、次に開口Ａ３に対応する環状領域を照射し、最後に開口Ａ４に対応する最外周環状領域を照射する。なお、環状領域の分割数、１つの開口の角度範囲、開口の選択順序などは任意に変更できる。

図２Ｂは、マスク３の他の例である板状マスクＰＭの構成を示す。開口Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４は、図２Ａの開口と同様であるが、板状マスクＰＭ内で横方向、同じ高さに配置されている。開口の選択は、駆動系ＤＲで板状マスクＰＭを横方向に平行移動することによって行なわれる。

図３は、走査光学系５の構成例を示す側面図である。ミラーＭは、回転ステージ６に垂直に進行するレーザビームを、回転ステージの表面に平行に、半径方向に反射する。回転ステージの表面に平行に、半径方向に配置されたリニアガイド５１の上を走査ミラー５２が平行移動する。走査ミラー５２は、半径方向に進行するレーザビームを反射し、回転ステージに垂直に向かわせる。走査ミラー５２の半径方向位置を調整することにより、所望の環状領域を選択する。なお、走査ミラー５２の半径方向位置に応じて、マスク３から被照射物８までの光路長は変化するので、結像光学系４の焦点距離を調整する。

図４Ａは、光路長の変化を防止した変形例を示す。レーザ光源１、ビーム整形照明光学系２、マスク３、回転ステージ６は、図１に示すものと同様である。走査光学系９が、回転ステージ６上で走査を行なっても光路長が変化しない構成を有する。そのため、結像光学系４は、回転ステージ６上の環状領域の選択を変更しても、基本的には焦点距離を調整する必要がない。

図４Ｂは、走査光学系９の構成例を示す。斜め反射ミラーＳＭは、回転ステージ６に向かって直進するレーザビームを、回転ステージ上への射影が半径方向であり、かつ回転ステージ６に次第に近づく斜め方向に反射する。斜め方向に進行するレーザビームと平行に配置されたリニアガイド９１に沿って、走査ミラー９２は平行移動し、回転ステージ６の法線と平行で半径方向に垂直な鏡面を有する。

図４Ｃは、２つの位置Ａ，Ｃで走査ミラー９２で反射されたレーザビームの軌跡を示す。走査ミラーの法線は、回転ステージ６の表面に平行であり、レーザビームは走査ミラー表面で正反射する。点Ｃから回転ステージ６表面に平行な補助線を引き、点Ａで反射したレーザビームとの交点をＥとする。図に示した角度θは全て等しく、線ＢＤと線ＥＣは平行である。従って、４辺形ＥＢＤＣは平行４辺形となり、線分ＣＤと線分ＥＢの長さは等しい、ＣＤ＝ＥＢ。３角形ＡＥＣは底角Ｅ，Ｃが等しく、２等辺３角形である。従って、辺ＡＥと辺ＡＣは長さが等しい、ＡＥ＝ＡＣ。故に、ＡＢ＝ＡＥ＋ＥＢ＝ＡＣ＋ＣＤとなる。点Ａで反射したレーザビームと、点Ｃで反射したレーザビームは、光路長が等しい。レーザビームが回転ステージを照射する半径方向位置を変えても、光路長は変化しない。基本的に、結像光学系４の焦点距離を変更する必要はない。

上述の実施例によれば、重量の大きな回転ステージは、回転するのみであり、平行移動は必要ない。従って、必要な慣性変化は小さい。定角速度回転を行う場合は、必要な慣性の変化はさらに小さい。マスクの形状を円弧と半径方向辺で画定することにより、回転ステージ上の広い面積を均一にレーザアニールすることが可能である。半導体基板の不純物活性化を行う場合、活性化率、活性化の深さを均一にすることができる。ガラス基板上のアモルファスシリコン膜の結晶化を行う場合も、均一な結晶化が可能であろう。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限らない。回転軸が水平に配置された場合を説明したが、回転軸を垂直にしても良い。面積占有率は若干増加するが、他の利点は維持できる。図示の構成を９０度傾けて、例えばステージ面を上方に向け、必要に応じて、光路中に折り返しミラーを配置する。また、回転ステージ上の１つの環状領域の照射を行なった後、次の環状領域の照射を行なう場合を説明したが、照射領域の選択は任意である。例えば、ある角度範囲の照射を行ない、次に異なる角度領域の照射を行なってもよい。各光学系の構成としては、公知の種々の構成を採用できる。その他、種々の変更、置換、改良、組合せ等が可能なことは、当業者に自明であろう。

図１は、実施例によるレーザアニール装置の構成を示すブロック図である。図２Ａ、２Ｂは、マスクの例を示す平面図である。図３は、走査光学系５の構成例を示す側面図である。図４Ａ−４Ｃは、実施例の変形例を示すブロック図、側面図、光の軌跡を示すダイアグラムである。

符号の説明

１レーザ光源、
２ビーム整形照明光学系、
３マスク、
４結像光学系、
５、９走査光学系、
６回転ステージ、
７回転軸、
８被照射物、
Ａ開口、
５１，９１リニアガイド
５２，９２走査ミラー

Claims

回転軸を水平に配置した回転ステージと、
レーザビームを出射するレーザ光源と、
レーザビームを整形するマスクであって、第１、第２の半径方向辺と、前記第１、第２の半径方向辺の間を結ぶ第１の半径距離における第１の円弧と、第２の半径距離における第２の円弧とで画定される開口を備えたマスクと、
前記レーザ光源からのレーザビームを前記マスクの開口に照射する照明光学系と、
前記レーザビームを照射された開口の像を前記回転ステージ上の被処理対象物上に結像する結像光学系と、
を有するレーザアニール装置。
前記マスクが半径距離に応じて複数の開口を有する請求項１記載のレーザアニール装置。
前記マスクの位置を調整する駆動系、
をさらに有する請求項２記載のレーザアニール装置。
前記結像光学系が、入射レーザビームを前記回転ステージの表面に平行に、かつ半径方向に反射する第１のミラーと、前記第１のミラーで反射されたレーザビームを前記回転ステージ上に反射する第２のミラーとを含む請求項１〜３のいずれか１項記載のレーザアニール装置。
前記結像光学系が、入射レーザビームを前記回転ステージの表面に近づく方向に、かつ半径方向に反射する第３のミラーと、前記第３のミラーで反射されたレーザビームを前記回転ステージ上に反射する、前記回転ステージ表面に対して垂直に配置された第４のミラーとを含む請求項１〜３のいずれか１項記載のレーザアニール装置。
前記第４のミラーを、前記第３のミラーの反射光に沿う方向にガイドするリニアガイドをさらに有し、第４のミラーの位置を変更しても光路長が変わらない請求項５記載のレーザアニール装置。
回転軸を水平に配置した回転ステージと、
レーザビームを出射するレーザ光源と、
レーザビームを整形するマスクであって、第１、第２の半径方向辺と、前記第１、第２の半径方向辺の間を結ぶ第１の半径距離における第１の円弧と、第２の半径距離における第２の円弧とで画定される開口を備えたマスクと、
前記レーザ光源からのレーザビームを前記マスクの開口に照射する照明光学系と、
前記レーザビームを照射された開口の像を前記回転ステージ上の被処理対象物上に結像する結像光学系と、
を有し、
前記結像光学系が、入射レーザビームを前記回転ステージの表面に近づく方向に、かつ半径方向に反射する第３のミラーと、前記第３のミラーで反射されたレーザビームを前記回転ステージ上に反射する、前記第３のミラーの反射光に沿う方向に配置されたリニアガイドに沿ってガイドされ、前記回転ステージ表面に対して垂直に配置された第４のミラーとを含み、第４のミラーの位置を変更しても光路長が変わらないレーザアニール装置。
（ａ）レーザ光源から出射するレーザビームを、第１、第２の半径方向辺と、前記第１、第２の半径方向辺の間を結ぶ第１の半径距離における第１の円弧と、第２の半径距離における第２の円弧とで画定される開口を有するマスクに照射する工程と、
（ｂ）前記開口の像を、回転軸の周りに回転可能な回転ステージ上の環状領域に向け、回転ステージ上に載置された被照射物上に結像する工程と、
を含むレーザアニール方法。
前記工程（ｂ）において、前記回転ステージを回転させる請求項８記載のレーザアニール方法。
前記マスクが半径位置が異なる複数の開口を有し、
（ｃ）前記マスクの開口を代えて、前記工程（ａ）、（ｂ）を繰り返す工程、
を含む請求項８または９記載のレーザアニール方法。
前記工程（ｃ）で形成される照射領域が、先に形成された照射領域と半径方向で接する請求項１０記載のレーザアニール方法。
前記工程（ｂ）が、レーザビームを前記回転ステージの表面に平行に、かつ半径方向に反射するサブ工程と、前記半径方向に反射されたレーザビームを、前記回転ステージ上に反射するサブ工程とを含む請求項８〜１１のいずれか１項記載のレーザアニール方法。
前記工程（ｂ）が、レーザビームを前記回転ステージの半径方向に、かつ回転ステージの表面に近づく方向に斜め反射するサブ工程と、前記斜め反射されたレーザビームを、前記回転ステージ表面に対して垂直に配置されたミラーで前記回転ステージ上に反射するサブ工程とを含む請求項８〜１１のいずれか１項記載のレーザアニール方法。
前記回転軸が水平に配置されている請求項８〜１３のいずれか１項記載のレーザアニール方法。
前記回転軸が垂直に配置されている請求項８〜１３のいずれか１項記載のレーザアニール方法。