JP2009267278A - 光学系支持フレームおよび該フレームを備えるレーザ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ処理装置において光学系を支持する支持フレームの剛性を高める。
【解決手段】移動可能な被処理体載置台５に載置された被処理体６にレーザ光７を照射して処理するレーザ処理装置に備えられる光学系支持フレーム９であって、前記レーザ光７を導く光学系２が配置される配置面９０を有する橋桁部９ａと、該橋桁部９ａを長さ方向両端側で下方から支持する橋脚部９ｂとを有し、前記橋桁部９ａは、幅方向両端側に前記配置面９０を越えて上方に伸張する立ち上がり部９１を有する。少ない質量増加によって剛性を向上させることができ、質量あたりの剛性が大きくなる効果がある。質量比の剛性を高くすることにより、光学系橋桁の共振周波数を高くでき、移動装置動作の反力による光学系橋桁の振動を抑えることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、被処理体にレーザアニールなどの処理を行うレーザ処理装置に備える光学系支持フレームおよび該支持フレームを備えるレーザ処理装置に関するものであり、特に大型被処理体への適応が好適なものである。

レーザアニール処理装置は、シリコン薄膜の製造等の各種用途に使用されており、例えば上記薄膜製造に際しては、シリコン薄膜にレーザ光を照射して該薄膜を多結晶化している。
従来のレーザアニール処理装置の一例を示すと図３、４のとおりであり、以下にその概略を説明する。レーザアニール処理装置は処理室３内に設置された基台８と基台８上を移動する移動装置４と、被処理体６を載置して移動装置４上に搭載される被処理体載置台５とレーザ処理室３内にレーザを導入する光学系２、レーザ発振器１とから構成されている。光学系２は光学系橋桁２１及び橋脚２２からなる支持フレーム２０の上に搭載されている。
支持フレーム２０は、移動装置４および被処理体載置台５の移動範囲に干渉しないよう基台８の上に門型に搭載される。光学系橋桁２１及び橋脚２２の材質には、高い平坦度や熱膨張係数が小さいことからグラナイトが用いられており、橋桁２１上面は、光学系に含まれる光学素子が配置されるため、平らな形状になっている。

上記レーザアニール処理装置の動作を説明すると、レーザ発振器１で発生したレーザ光７を、光学系２を通して処理室３内に導入し、移動装置４を移動させながらレーザ光７を被処理載置台５上の被処理体６に照射して該被処理体６をアニール処理する。シリコン薄膜の製造等の各種用途においては、レーザ光７は高精度に被処理体に照射されなくてはならず、レーザ光７を固定し被処理体６を移動させてアニール処理させる方式がとられる。よって被処理体６の全面を照射するためには、移動装置４の移動範囲は被処理体６の面積の最大４倍となる。そのため被処理体が大型化すると、それにあわせて移動装置４の移動距離、処理装置を構成する処理室３、基台８、光学系２、光学系橋脚２１、光学系橋桁２２の大きさも増大する。

レーザアニール処理装置にはラインビーム方式やＳＬＳ方式がある。ラインビーム方式レーザアニール処理装置は、レーザ発振器から出射されたレーザ光を光学系により線状のビーム（ラインビーム）に整形する。非結晶シリコンを成膜した被処理体はレーザ処理室内の被処理体載置台上に置かれ、ラインビーム光学系を通してラインビームが照射される。

従来のラインビーム方式レーザアニール処理装置では、必要以上のエネルギーのレーザ光を照射するとシリコンの微結晶が発生し、性能が著しく低下するという問題があった。
微結晶が発生するのは、溶解したシリコンが冷却する過程において、様々な場所で結晶成長の核が発生することに起因する。そこで、レーザ光の幅を従来の４００μｍ前後に比べて数μｍと細くして、シリコンが溶解する領域を狭くすることでこの間題を解決している。幅数μｍのレーザをシリコン薄膜に照射し、シリコン薄膜を完全溶融させると、溶融した領域が冷却し結晶化する際、固液界面が結晶化の発端となって溶融領域の中心部に向かって結晶が成長する。さらに縞状にパターン化したレーザ光を用いて隙間を埋めるように照射すると、広い面積を多結晶化することができる。このように、溶融・結晶化を繰り返して広い面積を結晶化させる方法をＳＬＳ（Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｓｏｌｉｄｉｃａｃａｔｉｏｎ：順次横方向結晶化）方式と呼ぶ。

ＳＬＳ方式によるシリコン薄膜結晶化プロセスにおいては、幅数マイクロメートルにパターン化されたレーザをサブミクロンの精度でシリコン薄膜に照射しなければならない。また、結晶化プロセス上のレーザ焦点深度は４０〜５０μｍである。従って、ＳＬＳ方式レーザアニール処理装置には、アニール処理中にレーザの照射位置や高さが振動等によって変動しない装置構造が要求される。

従来のアニール処理装置に備えられる門型の支持フレーム２０では、上記要求を満たすため、被処理体を載置する載置台を移動させる際に振動が生じたりしないように十分な剛性を有することが必要である。他分野ではあるが、光学系を配置する支持フレームを備える露光装置では、鋳鉄製の支持フレームを中空にして内部にリブを設けることで剛性を高めたり（特許文献１参照）、支持フレームをセラミックで構成するものとし、セラミック材料の内部に棒鋼を縦横に入れ、一体焼結したものが提案されている（特許文献２参照）。
特開平８−１１１３７１号公報 特開平１０−３０３１１２号公報

ところでレーザアニール処理装置では被処理体の大型化が進み、それに伴い処理装置も大型化しており、同程度の剛性を確保するためには光学系橋桁２１などの厚さを大きくする必要がある。しかし光学系２と被処理体６の距離は変えることができないため、光学系橋桁２１の厚さは変更できない。このため光学系橋桁２１の共振周波数が低下し、移動装置が動作する反力によって光学系橋桁２１が振動してしまう。このことによりレーザの位置や高さが変動し、シリコン薄膜結晶化プロセスに悪影響を及ぼす。また、他分野で橋桁利用されている中空の鋳鉄は、熱影響が大きくてレーザアニール処理装置には適用が困難である。また、セラミック材料内部に棒鋼を入れて一体焼結した橋桁では、高度の平坦度が要求される用途においては平坦度を持たせることが難しく、同じく適用が困難である。

本発明は上記問題を解決するため、移動装置の移動動作に影響されることなくレーザ処理できるレーザ処理装置および該処理装置に備える光学系支持フレームを提供することを目的とする。

すなわち、本発明の光学系支持フレームのうち、第１の本発明は、移動可能な被処理体載置台に載置された被処理体にレーザ光を照射して処理するレーザ処理装置に備えられる光学系支持フレームであって、前記レーザ光を導く光学系が配置される配置面を有する橋桁部と、該橋桁部を長さ方向両端側で下方から支持する橋脚部とを有し、前記橋桁部は、幅方向両端側に前記配置面を越えて上方に伸張する立ち上がり部を有することを特徴とする。

第２の本発明の光学系支持フレームは、前記第１の本発明において、前記レーザ処理装置がレーザアニール処理装置であることを特徴とする。

第３の本発明の光学系支持フレームは、前記第１または第２の本発明において、前記橋桁部および前記橋桁部と橋脚部がグラナイトで構成されていることを特徴とする。

第４の本発明のレーザ処理装置は、移動可能な被処理体載置台と、レーザ光を出力するレーザ光発振器と、前記レーザ光を導いて前記被処理体載置台に載置された被処理体に照射させる光学系と、該光学系が配置される配置面を有し、幅方向両端に前記配置面を越えて上方に伸張する立ち上がり部を有する橋桁部と該橋桁部を長さ方向両端部で下方から支持する橋脚部とで構成される光学系支持フレームと、を備えることを特徴とする。

第５の発明のレーザ処理装置は、前記第４の本発明において、被処理体をレーザアニールするレーザアニール処理装置であって、前記被処理体載置台は、被処理体を載置して前記レーザ光を照射しつつ移動させるものであることを特徴とする。

すなわち、本発明の光学系支持フレームによれば、移動可能な被処理体載置台に載置された被処理体にレーザ光を照射して処理するレーザ処理装置に備えられる光学系支持フレームであって、前記レーザ光を導く光学系が配置される配置面を有する橋桁部と、該橋桁部を長さ方向両端側で下方から支持する橋脚部とを有し、前記橋桁部は、幅方向両端側に前記配置面を越えて上方に伸張する立ち上がり部を有するので、光学系の配置面を確保した上で、少ない質量増加によって剛性を向上させることができ、質量あたりの剛性を大きくしてる。また、立ち上がり部は、橋脚部の一体成形により設けることができ、また、配置面を含む部位に立ち上がり部を含む部位を固定することによって設けることもでき、良好な平坦度を確保した上で、立ち上がり部を設けることが可能になる。

さらに、この発明によれば、
（１）光学系と被処理体の距離を変えることなく、光学系橋桁の質量比の剛性を高くすることができる。
（２）光学系橋桁の質量比の剛性を高くすることにより、光学系橋桁の共振周波数を高くすることができる。
（３）移動装置の動作は低周波数帯域で行われる。光学系橋桁の共振周波数を高くすることにより、移動装置動作の反力による光学系橋桁の振動を抑えることができる。

さらに、レーザアニール処理装置への適用においては、アニール処理中に移動装置動作の反力による振動を抑えることができ、シリコン薄膜結晶化プロセスに影響無くアニール処理できる大型被処理体用レーザアニール処理装置を提供できる。その結果、被処理体の大型化によるアニール処理の性能への悪化が防ぐことができ、生産性を安定させることができる。

また、本発明のレーザ処理装置は、移動可能な被処理体載置台と、レーザ光を出力するレーザ光発振器と、前記レーザ光を導いて前記被処理体載置台に載置された被処理体に照射させる光学系と、該光学系が配置される配置面を有し、幅方向両端に前記配置面を越えて上方に伸張する立ち上がり部を有する橋桁部と該橋桁部を長さ方向両端部で下方から支持する橋脚部とで構成される光学系支持フレームと、を備えるので、十分な剛性を有する支持フレーム上に光学系を配置することができ、装置稼働時の光学系振動を防止して、良好なレーザ処理を行うことが可能になる。

以下に、本発明の一実施形態を図１、２に基づいて説明する。なお、図３に示した従来例と同様の構成については、同一の符号を付して説明する。
レーザアニール処理装置は、レーザアニール処理を行う処理室３と、該処理室３内に設置された基台８および該基台８上を移動する移動装置４ならびに被処理体６を載置して前記移動装置４上に搭載される被処理体載置台５を備えている、
また、処理室３外では、前記基台８上に門型の光学系支持フレーム９が設置されており、該光学系支持フレーム９上の配置面９０に前記レーザ処理室３内にレーザを導入する光学系２が配置されており、該光学系２に向けてレーザ光を出力するレーザ発振器１を備えている。

光学系支持フレーム９は、グラナイトで構成された横材形状の光学系橋桁９ａ（本発明の橋桁部に相当）と、該光学系橋桁９ａの長さ方向両端部下部をそれぞれ支持する、グラナイトで構成された縦材形状の光学系橋脚９ｂ、９ｂ（本発明の橋脚部に相当）とからなり、該光学系橋脚９ｂ、９ｂが前記基台８上に設置されている。
光学系橋桁９ａは、幅方向両端部に小幅の立ち上がり部９１、９１が形成されており、該立ち上がり部９１、９１間の低い位置に配置面９０が設けられている。該配置面９０は、光学系２を配置するために高い平坦度を有している。この実施形態では、立ち上がり部９１、９１は、光学系橋桁９ａの他部と一体に成形されている。

配置面９０が位置する光学系橋桁９ａの厚さは、従来の光学系橋桁と同じにして、光学系２と被処理体６の距離を変えないようにする。また、光学系橋桁９ａは、光学系２の配置に影響しないように配置面９０の幅は従来と同じ幅にし、立ち上がり部９１の幅に応じて光学系橋桁９ａ全体の幅を広げる。
上記立ち上がり部９１、９１は、質量の大幅な増加を必要とすることなく、縦方向および横方向において、光学系橋桁９ａの剛性を高める効果を有している。また、本実施の形態における構造により光学系橋桁９ａの共振周波数は例えば１０〜３０％高くすることができる。

なお、上記レーザアニール処理装置の動作については、従来例と同様に、レーザ発振器１で発生したレーザ光７を光学系２を通して処理室３内に導入し、移動装置４を移動させながらレーザ光７を被処理載置台５上の被処理体６に照射して該被処理体６をアニール処理する。

以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明をしたが、本発明は、上記説明の内容に限定をされるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは適宜の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、レーザ処理装置としてレーザアニール処理装置について説明をしたが、本発明の適用がこれに限定をされるものではなく、種々のレーザ処理において、光学系を安定して支持する必要があるものにおいて好適に適用される。

以下に、本発明の実施例を示す。
表１に示すように、本発明の形状の光学系橋桁９ａを有する光学系支持フレーム（実施例）と、従来の光学系橋桁を有する光学系支持フレーム（比較例１）、従来例の光学系橋桁の幅を拡げた光学系支持フレーム（比較例２）とを用意した。なお、橋桁の長さは、４４９６ｍｍ、厚さ２００ｍｍとし、立ち上がり部は、それぞれ高さ１００ｍｍ、幅１００ｍｍとした。橋桁の材質はいずれもグラナイトとした。
これらの供試材について、たわみ量、共振周波数を測定し、これらの値と質量当たりの値を表１に示した。
表１から明らかなように、立ち上がり部を有する光学系支持フレームでは、たわみ量が小さく、共振周波数も高くなって良好な剛性を示している。さらに、質量当たりのこれらの数値も優れており、剛性は従来の比較例に比べて質量比で約５０％増加していた。本発明実施例では質量の増加を極力小さくして剛性を高めることができた。一方、従来例である比較例１は、これらの値に劣っており、また、幅のみを広くした比較例２では、比較例１に対し、改善効果が殆ど見られなかった。

本発明の一実施形態のレーザアニール処理装置を示す正面図である。 同じく、レーザアニール処理装置に備える光学系支持フレームを示す斜視図である。 従来のレーザアニール処理装置を示す正面図である。 同じく、レーザアニール処理装置に備える光学系支持フレームを示す斜視図である。

符号の説明

１ レーザ発振器
２ 光学系
３ 処理室
４ 移動装置
５ 被処理体載置台
６ 被処理体
７ レーザ光
８ 基台
９ 光学系支持フレーム
９ａ 光学系橋桁
９ｂ 光学系橋脚
９０ 配置面
９１ 立ち上がり部

Claims (5)

1. 移動可能な被処理体載置台に載置された被処理体にレーザ光を照射して処理するレーザ処理装置に備えられる光学系支持フレームであって、前記レーザ光を導く光学系が配置される配置面を有する橋桁部と、該橋桁部を長さ方向両端側で下方から支持する橋脚部とを有し、前記橋桁部は、幅方向両端側に前記配置面を越えて上方に伸張する立ち上がり部を有することを特徴とする光学系支持フレーム。
2. 前記レーザ処理装置がレーザアニール処理装置であることを特徴とする請求項１記載の光学系支持フレーム。
3. 前記橋桁部および前記橋桁部と橋脚部ががグラナイトで構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光学系支持フレーム。
4. 移動可能な被処理体載置台と、レーザ光を出力するレーザ光発振器と、前記レーザ光を導いて前記被処理体載置台に載置された被処理体に照射させる光学系と、該光学系が配置される配置面を有し、幅方向両端に前記配置面を越えて上方に伸張する立ち上がり部を有する橋桁部と該橋桁部を長さ方向両端部で下方から支持する橋脚部とで構成される光学系支持フレームと、を備えることを特徴とするレーザ処理装置。
5. 被処理体をレーザアニールするレーザアニール処理装置であって、前記被処理体載置台は、被処理体を載置して前記レーザ光を照射しつつ移動させるものであることを特徴とする請求項４記載のレーザ処理装置。

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