JP2008218601A - ビーム照射装置、及び、ビーム照射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高品質の加工を行う。
【解決手段】 第１ミラーと第２ミラーが両端に配置され、第１ミラー側からビームを出射するレーザ発振器と、加工対象物を保持するステージと、レーザ発振器を出射したビームの光路上に配置され、入射するビームを加工対象物上に入射させるホモジナイザとを有し、ホモジナイザは、入射するビームを第１方向に沿って分割して出射する、複数のシリンドリカルレンズを含む第１アレイレンズと、第１アレイレンズで分割されたビームの各々の光路上に配置されたシリンドリカルレンズを含む第２アレイレンズと、第２アレイレンズを構成する各シリンドリカルレンズを透過したビームを、加工対象物上で重ね合わせる収束レンズとを含み、第２アレイレンズを構成する各シリンドリカルレンズと収束レンズとが、第１アレイレンズの位置の物点を、加工対象物上に結像させるビーム照射装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、加工対象物にレーザビームを照射して加工を行うことのできるビーム照射装置、及び、ビーム照射方法に関する。

一般的なレーザアニール装置では、レーザ光源を出射したレーザビームをフライアイ方式の均一化光学系（ホモジナイザ）に入射させ、均一化されたビーム強度分布を有する長尺形状のレーザビームに整形して、アニール処理する基板に照射する。

従来、レーザ光源から均一化光学系までの伝送光学系においては、レーザビームのパワーの調整やビームサイズの調整のみが行われ、ビームプロファイル（強度分布）の制御は行われていなかった。このため、装置を長時間運転すると、レーザ発振器の出射ビーム特性が徐々に変化し、一定の加工品質を得られない場合があった。

レンズ上の位置によって焦点距離の異なる非球面レンズを２枚含むホモジナイザを備えるレーザ加工装置の発明が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載されているレーザ加工装置は、ホモジナイザのホモジナイズ面におけるビームスポットを加工対象物表面に結像させて加工を行う。

特許３６７３２５５号公報

本発明の目的は、高品質の加工を行うことのできるビーム照射装置を提供することである。

また、高品質の加工を行うことのできるビーム照射方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、第１のミラーと第２のミラーとが両端に配置され、前記第１のミラー側からレーザビームを出射するレーザ発振器と、加工対象物を保持するステージと、前記レーザ発振器を出射したレーザビームの光路上に配置され、入射するレーザビームを前記ステージに保持された加工対象物上に入射させるホモジナイザとを有し、前記ホモジナイザは、入射するレーザビームを第１の方向に沿って分割して出射する、複数のシリンドリカルレンズを含む第１のアレイレンズと、前記第１のアレイレンズで分割されたレーザビームの各々の光路上に配置されたシリンドリカルレンズを含む第２のアレイレンズと、前記第２のアレイレンズを構成する各シリンドリカルレンズを透過したレーザビームを、前記ステージに保持された加工対象物上で重ね合わせる収束レンズとを含み、前記第２のアレイレンズを構成する各シリンドリカルレンズと前記収束レンズとが、前記第１のアレイレンズの位置の物点を、前記ステージに保持された加工対象物上に結像させるビーム照射装置が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、（ａ）第１のミラーと第２のミラーとが両端に配置され、前記第１のミラー側からレーザビームを出射するレーザ発振器を用い、前記第１及び第２のミラーの中間点と前記第１のミラーとの間のいずれかの位置、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間のビームウエスト位置、及び、前記第１または第２のミラーが凹面鏡であるときその曲率中心の位置のうちのいずれかより選ばれた第１の位置を、第２の位置に結像させてレーザビームを出射する工程と、(ｂ)前記工程（ａ）で出射されたレーザビームを前記第２の位置において分割し、分割位置の物点が照射面に結像するように、かつ、照射面において分割されたレーザビームが重ね合わされるように、レーザビームを加工対象物に入射させる工程とを有するビーム照射方法が提供される。

本発明によれば、高品質の加工を行うことのできるビーム照射装置を提供することができる。

また、高品質の加工を行うことのできるビーム照射方法を提供することができる。

図１（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例によるビーム照射装置を示す概略図である。

実施例によるビーム照射装置は、たとえばエキシマレーザ発振器を含むレーザ光源１０、レーザ光源１０から出射したレーザビームの拡がり角を光学的に補正するダイバージェンス１１、入射したレーザビームの強度を所望の減衰率で減衰させて出射するバリアブルアッテネータ１２、結像光学系を含んで構成されるアフォーカルズーム１３、レーザビームを分割して出射し、照射面におけるビーム形状を整形し、ビーム強度を均一に近づけるホモジナイザ１４、フォーカスレンズ１５、及び、ステージ１６を備える。ホモジナイザ１４は、第１〜第４アレイレンズ１４ａ〜１４ｄを含んで構成される。レーザ発振器（共振器）は、両端にミラーが配置され、共振器内に閉じ込められる光の経路上に、レーザ媒質等を備える。また、レーザ媒質を励起する励起光源を含む。実施例によるビーム照射装置を用いて、たとえばアモルファスシリコン膜のレーザアニールを行う。

以後の説明の便宜のため、図１（Ａ）において、紙面に垂直な奥方向をＸ方向、紙面内上方向をＹ方向、紙面内右方向をＺ方向とする直交座標系を定義する。なお、図１（Ｂ）には、紙面内上方向をＸ方向、紙面に垂直な手前方向をＹ方向、紙面内右方向をＺ方向とした場合の実施例によるビーム照射装置を示す。

レーザ光源１０からレーザビーム２０が出射する。レーザビーム２０は、中心光線がＺ方向と平行となるように進行し、ダイバージェンス１１に入射して、拡がり角を補正される。ダイバージェンス１１を出射したレーザビーム２０は、バリアブルアッテネータ１２に入射する。バリアブルアッテネータ１２は、レーザアニールが適当なビーム強度で行われるように、レーザビーム２０のビーム強度を減衰する。

バリアブルアッテネータ１２を出射したレーザビーム２０は、アフォーカルズーム１３を経て、ホモジナイザ１４に入射する。アフォーカルズーム１３は、たとえばエキシマレーザ発振器のビーム出射口（レーザ共振器出口ミラー位置）におけるビーム断面を、ホモジナイザ１４の第１アレイレンズ１４ａが配置される位置に結像させる。

第１アレイレンズ１４ａは、平面の一主面側（レーザビーム２０が入射する側とは反対側）に、母線方向がＸ方向と平行な方向となるように配置された複数のシリンドリカルレンズを含んで構成される。レーザビーム２０は、中心光線がＺ方向と平行となるように進行して、第１アレイレンズ１４ａに入射する。

第１アレイレンズ１４ａに入射したレーザビーム２０は、各シリンドリカルレンズでＹ方向と平行な方向に沿って分割され、出射される。図１（Ａ）においては、分割されたレーザビームの中心光線を矢印で示した。

第１アレイレンズ１４ａを出射したレーザビームは、第２アレイレンズ１４ｂに入射する。第２アレイレンズ１４ｂは、第１アレイレンズ１４ａのシリンドリカルレンズが配置された面と対向する面に、母線方向がＸ方向と平行な方向となるように、複数、たとえば第１アレイレンズ１４ａのシリンドリカルレンズと同数のシリンドリカルレンズが配置されている。

第１アレイレンズ１４ａの各シリンドリカルレンズでＹ方向に沿って分割され、出射された各レーザビームは、第２アレイレンズ１４ｂの対応するシリンドリカルレンズに入射する。

第２アレイレンズ１４ｂを出射したレーザビームは、第３アレイレンズ１４ｃに入射する。

図１（Ｂ）に示すように、第３アレイレンズ１４ｃは、平面の一主面側（レーザビーム２０が入射する側とは反対側）に、母線方向がＹ方向と平行な方向となるように配置された複数のシリンドリカルレンズを含んで構成される。第３アレイレンズ１４ｃに入射したレーザビームは、各シリンドリカルレンズでＸ方向と平行な方向に沿って分割され、出射される。

第３アレイレンズ１４ｃを出射したレーザビームは、第４アレイレンズ１４ｄに入射する。第４アレイレンズ１４ｄは、第３アレイレンズ１４ｃのシリンドリカルレンズが配置された面と対向する面に、母線方向がＹ方向と平行な方向となるように、複数、たとえば第３アレイレンズ１４ｃのシリンドリカルレンズと同数のシリンドリカルレンズが配置されている。

第３アレイレンズ１４ｃの各シリンドリカルレンズでＸ方向に沿って分割され、出射された各レーザビームは、第４アレイレンズ１４ｄの対応するシリンドリカルレンズに入射する。

ホモジナイザ１４によって、Ｘ方向及びＹ方向に沿って分割されたレーザビームは、フォーカスレンズ１５で収束され、加工対象物１７上に重畳されて照射される。

加工対象物１７は、たとえば、ガラス基板の一主面上にＳｉＯ_２やＳｉＮで形成された絶縁性薄膜を介して、アモルファスシリコン膜が形成された加工基板であり、ステージ１６に保持されている。ステージ１６は、加工対象物１７をＸＹ平面内で保持し、同平面内で移動させることができる。

レーザビームは、加工対象物１７のアモルファスシリコン膜上に、長尺方向をＸ方向と平行な方向、短尺方向をＹ方向と平行な方向とする長尺形状に結像されて照射される。また、第１アレイレンズ１４ａの位置のビーム断面（物点）が、第２アレイレンズ１４ｂ及びフォーカスレンズ１５によって加工対象物１７上に結像される。更に、第３アレイレンズ１４ｃの位置のビーム断面（物点）が、第４アレイレンズ１４ｄ及びフォーカスレンズ１５によって加工対象物１７上に結像される。すなわち実施例によるビーム照射装置では、第１アレイレンズ１４ａ、第２アレイレンズ１４ｂ、及びフォーカスレンズ１５が短尺方向について、ビーム強度の均一化及びビーム形状の整形を行い、第３アレイレンズ１４ｃ、第４アレイレンズ１４ｄ、及びフォーカスレンズ１５が長尺方向について、ビーム強度の均一化及びビーム形状の整形を行う。

実施例によるビーム照射装置においては、レーザ光源１０からホモジナイザ１４までの伝送光学系、ホモジナイザ１４から加工対象物１７に至る均一化光学系の双方に共役条件が適用される。すなわち、レーザ発振器のビーム出射口（レーザ共振器出口ミラー位置）から均一化光学系の入り口（第１アレイレンズ１４ａ）まででイメージ転写光学系を構成することにより、第１アレイレンズ１４ａ面で、常に一定の位置に一定のサイズでレーザビームが投射され、更に、第１アレイレンズ１４ａ面を加工面（ビーム照射面）に転写することにより、第１アレイレンズ１４ａで分割されたレーザビームが第１アレイレンズ１４ａ面上の形状を保ったまま、加工面（ビーム照射面）に投射される。

このため、加工面（ビーム照射面）におけるビーム強度を、レーザ発振器から出射されるビーム特性（ビーム径、ビーム拡がり角等、ポインティングスタビリティ）に左右されず長時間一定に保ち、安定した加工を行うことができる。

また、アレイレンズ面１４ａの各アレイレンズのビーム強度分布を加工対象物１７上に転写させるので、アレイレンズ幅で切り出されるビームの強度分布が直接、加工対象物１７上に反映される。したがって短尺方向端部のスロープは均一化光学系の分解能のみに依存することになり、急峻化できる。このため加工面（ビーム照射面）に照射される長尺形状のレーザビームにおいて、短尺方向のフラットトップ部の幅を広げることができる。したがって、たとえば、レーザアニール加工におけるスキャン照射のオーバーラップレートを低減し、スループットを向上させることができる。また、マスクを利用しない転写光学系であるため、高いエネルギ伝送効率を得ることができる。

なお、第１アレイレンズ１４ａの各シリンドリカルレンズでＹ方向に沿って分割された各レーザビームは、第２アレイレンズ１４ｂの対応するシリンドリカルレンズに入射させなければならない。そのための、第１アレイレンズ１４ａに入射するレーザビーム２０の入射角の許容最大値は、第１アレイレンズ１４ａに含まれるシリンドリカルレンズの焦点距離、第１アレイレンズ１４ａと第２アレイレンズ１４ｂとの間の距離、第１アレイレンズ１４ａに入射するビームの拡がり角、第１及び第２アレイレンズ１４ａ、１４ｂの母線に垂直な方向の幅をパラメータとして決定される。

たとえば、第１アレイレンズ１４ａに含まれるシリンドリカルレンズの焦点距離が６００ｍｍ、第１及び第２アレイレンズ１４ａ、１４ｂ間の距離が６００ｍｍ、第１アレイレンズ１４ａに入射するビームの拡がり角が１ｍｒａｄ、第１及び第２アレイレンズ１４ａ、１４ｂの母線に垂直な方向の幅が５ｍｍであるとき、第１アレイレンズ１４ａに入射するレーザビーム２０の入射角の許容最大値は３．７ｍｒａｄとなる。

図２はレーザ発振器を示す概略図である。レーザ発振器（共振器）は、共振器の両端に配置された共振器ミラー３１、３２、共振器内に閉じ込められる光の経路上に配置されたレーザ媒質３３、及びレーザ媒質３３を励起する励起光源３４等を備える。たとえば共振器ミラー３１は全反射ミラーであり、共振器ミラー３２は部分反射ミラーである。レーザビーム２０は、共振器ミラー３２側から出射する。

図１（Ａ）及び（Ｂ）を参照して説明した実施例においては、レーザ発振器のビーム出射口（レーザ共振器出口ミラー位置）のビーム断面を加工対象物上に結像させたが、レーザ発振器の形態によっては、レーザ共振器中間点（レーザ発振器の両端ミラーの中間点）のビーム断面を結像させてもよい。更に、レーザ発振器の形態によっては、レーザ発振器のビーム出射口（レーザ共振器出口ミラー位置）とレーザ共振器中間点との間のいずれかの位置のビーム断面を結像させることもできる。また、共振器ミラーの曲率中心の位置（共振器外に存在する場合もある。）のビーム断面でもよい。更に、安定共振器の場合、共振器内のビームウエスト位置を結像させることもできる。

本図には、ビーム出射口（出口ミラー位置）３５、レーザ共振器中間点３６、曲率中心３７、３８、及び、ビームウエスト位置３９を示した。曲率中心３７は、共振器ミラー３２（出口ミラー）の曲率中心であり、曲率中心３８は、共振器ミラー３１の曲率中心である。

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定されるものではない。

たとえば、第１アレイレンズ１４ａ面を加工面（ビーム照射面）に転写するだけの構成であっても、高品質のレーザ加工を実現することができる。第１アレイレンズ１４ａ面に入射するビームの位置が変動しても、加工面（ビーム照射面）におけるビームの重ね合わせ位置を一定とすることができるためである。
その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

レーザ加工一般、特にレーザアニールを利用するレーザ加工分野、たとえばフラットパネルディスプレイの製造に好適に利用することができる。

（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例によるビーム照射装置を示す概略図である。 レーザ発振器を示す概略図である。

符号の説明

１０ レーザ光源
１１ ダイバージェンス
１２ バリアブルアッテネータ
１３ アフォーカルズーム
１４ ホモジナイザ
１４ａ 第１アレイレンズ
１４ｂ 第２アレイレンズ
１４ｃ 第３アレイレンズ
１４ｄ 第４アレイレンズ
１５ フォーカスレンズ
１６ ステージ
１７ 加工対象物
２０ レーザビーム
３１、３２ 共振器ミラー
３３ レーザ媒質
３４ 励起光源
３５ ビーム出射口（出口ミラー位置）
３６ レーザ共振器中間点
３７、３８ 曲率中心
３９ ビームウエスト位置

Claims (6)

1. 第１のミラーと第２のミラーとが両端に配置され、前記第１のミラー側からレーザビームを出射するレーザ発振器と、
   加工対象物を保持するステージと、
   前記レーザ発振器を出射したレーザビームの光路上に配置され、入射するレーザビームを前記ステージに保持された加工対象物上に入射させるホモジナイザと
   を有し、
   前記ホモジナイザは、
   入射するレーザビームを第１の方向に沿って分割して出射する、複数のシリンドリカルレンズを含む第１のアレイレンズと、
   前記第１のアレイレンズで分割されたレーザビームの各々の光路上に配置されたシリンドリカルレンズを含む第２のアレイレンズと、
   前記第２のアレイレンズを構成する各シリンドリカルレンズを透過したレーザビームを、前記ステージに保持された加工対象物上で重ね合わせる収束レンズと
   を含み、
   前記第２のアレイレンズを構成する各シリンドリカルレンズと前記収束レンズとが、前記第１のアレイレンズの位置の物点を、前記ステージに保持された加工対象物上に結像させるビーム照射装置。
2. 更に、前記レーザ発振器と前記ホモジナイザとの間のレーザビームの経路上に配置された結像光学系を有し、
   前記結像光学系において、前記第１のアレイレンズの配置された位置に対する共役点が、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの中間点と、前記第１のミラーとの間に位置する請求項１に記載のビーム照射装置。
3. 更に、前記レーザ発振器と前記ホモジナイザとの間のレーザビームの経路上に配置された結像光学系を有し、
   前記結像光学系において、前記第１のアレイレンズの配置された位置に対する共役点が、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間のビームウエスト位置に位置する請求項１に記載のビーム照射装置。
4. 前記第１または第２のミラーが凹面鏡であり、
   更に、前記レーザ発振器と前記ホモジナイザとの間のレーザビームの経路上に配置された結像光学系を有し、
   前記結像光学系において、前記第１のアレイレンズの配置された位置に対する共役点が、前記第１または第２のミラーの曲率中心の位置に位置する請求項１に記載のビーム照射装置。
5. 更に、前記ホモジナイザが、
   前記第１のアレイレンズと前記収束レンズとの間のレーザビームの光路上に配置され、入射するレーザビームを前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って分割して出射する、複数のシリンドリカルレンズを含む第３のアレイレンズと、
   前記第３のアレイレンズと前記収束レンズとの間のレーザビームの光路上であって、前記第３のアレイレンズで分割されたレーザビームの各々の光路上に配置されたシリンドリカルレンズを含む第４のアレイレンズと
   を含み、
   前記収束レンズは、前記第４のアレイレンズを透過したレーザビームを前記ステージに保持された加工対象物上で重ね合わせ、
   前記第４のアレイレンズ及び前記収束レンズが、前記第３のアレイレンズの位置の物点を、前記ステージに保持された加工対象物上に結像させ、
   前記ホモジナイザは、前記第１の方向が短尺方向に対応し、前記第２の方向が長尺方向に対応する長尺形状のレーザビームを、前記ステージに保持された加工対象物上に入射させる請求項１〜４のいずれか１項に記載のビーム照射装置。
6. （ａ）第１のミラーと第２のミラーとが両端に配置され、前記第１のミラー側からレーザビームを出射するレーザ発振器を用い、前記第１及び第２のミラーの中間点と前記第１のミラーとの間のいずれかの位置、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間のビームウエスト位置、及び、前記第１または第２のミラーが凹面鏡であるときその曲率中心の位置のうちのいずれかより選ばれた第１の位置を、第２の位置に結像させてレーザビームを出射する工程と、
   (ｂ)前記工程（ａ）で出射されたレーザビームを前記第２の位置において分割し、分割位置の物点が照射面に結像するように、かつ、照射面において分割されたレーザビームが重ね合わされるように、レーザビームを加工対象物に入射させる工程と
   を有するビーム照射方法。

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