JP2011044502A - 光照射装置及びアニール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微小スポットに絞り込んだレーザ光を走査することによってアニールを行うにあたり、タクトタイムを短縮することを目的とする。またさらには、タクトタイムの短縮を安価で容易な装置構成で実現することを目的とする。
【解決手段】光源１と、光源から出射する光を走査する走査部８と、光源１から出射された光を走査部８へ導く第１の光学系７と、走査部８により走査された光を複数の光路に分割する光束分割素子１９とを含む。そしてさらに、走査部８により走査された光を光束分割素子１９に導く第２の光学系１０と、複数に分割された光をそれぞれ被照射面４５に集光する対物レンズ４２と、複数に分割された光を対物レンズ４２に導く第３の光学系４０と、を含む光照射装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ等の光を照射する装置に関する。特に複数本のビームを照射可能であり、レーザアニールに好適な光照射装置及びアニール装置に関する。

液晶表示装置や有機ＥＬ（Electro-Luminescence）表示装置などの薄型表示装置において、スイッチング素子として用いられる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）として、キャリアの移動度が大きいことから多結晶シリコンＴＦＴが主流となっている。このようなディスプレイ用の多結晶シリコンＴＦＴの製造工程においては、非晶質シリコン基板をアニールして多結晶化する方法として通常エキシマレーザが用いられる。このエキシマレーザを用いた方法は、パルス発振するレーザ光をライン状に成形して非晶質シリコンに照射してアニールを行うものである。この方法で製造した多結晶シリコンＴＦＴは、シリコン結晶粒が大きいため比較的大きな電流を流しやすい。しかしその反面、ガスレーザを利用するためパルス間エネルギの安定性が低く、結晶粒の大きさがばらつきやすい。このため輝度ムラ等の要因となり、ＴＦＴの特性ばらつきが大きくなってしまうという問題があった。

したがって、アニール用光源としてはエキシマレーザの代わりに半導体レーザや固体レーザを用いるとエネルギが安定であり、さらに寿命が長いことから好ましい。ところが、半導体レーザや固体レーザはエキシマレーザと比較すると干渉性が高いため、被照射領域における光の強度分布が不均一となってしまい、結局結晶粒の大きさにばらつきが生じてしまう。
このため、下記特許文献１ではビームスプリッタと反射鏡により一本のレーザ光を互いに干渉性のない４本のレーザ光に分割し、それを再び一本のレーザ光に合成することで強度分布を均一とすることを提案している。

また下記特許文献２においては、下記特許文献１に記載された方法によりアニールを行う際に、ビームの照射径以下のピッチを保って平行に走査させることが開示されている。この場合には、一回の走査毎に形成される結晶粒が、隣の領域の結晶粒の結晶性を引き継ぐように形成されるため、帯状に融合した結晶粒を規則的に形成することができる。

国際公開２００３／０４９１７５号 特開２００７−２８１４２１号公報

上記特許文献２に記載の方法では、高精度にパワー制御された微小スポットをスキャンしてアニールを行う。したがって結晶粒の大きさや結晶粒界などの結晶品質をコントロールすることが可能である。このため、比較的大きな結晶粒が得られると同時に、ＴＦＴの特性ばらつきも抑制することができる。
しかしながら上記の方法は、例えば波長４０５ｎｍのレーザ光において０．５〜０．６ｎｍの微小スポットに絞り込んだレーザ光を走査して照射を行う。このため、ライン状のビームを照射するエキシマレーザアニールに比べ、アニールのタクトタイムが非常に長くなってしまう。このタクトタイムの問題を解決するために、例えばスポットを照射する光学ヘッドを複数並べて構成するといったマルチヘッド方式をとることも可能ではある。しかしこれでは、並べたヘッドの数だけ部品が必要となり、装置のコストが高くなってしまう。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものである。すなわち、微小スポットに絞り込んだレーザ光を走査することによってアニールを行うにあたり、タクトタイムを短縮することを目的とする。またさらには、タクトタイムの短縮を小型な装置構成で実現することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明による光照射装置は、光源と、光源から出射する光を走査する走査部と、光源から出射された光を走査部へ導く第１の光学系を含む。また、走査部により走査された光を複数の光路に分割する光束分割素子と、走査部により走査された光を分割素子に導く第２の光学系と、複数に分割された光をそれぞれ被照射面に集光する対物レンズと、複数に分割された光を対物レンズに導く第３の光学系とを含む。
また、本発明によるアニール装置は、上述の光照射装置と、被照射基板を設置する移動ステージと、前記光照射装置と移動ステージとを連動させて制御するコントロールユニットとを含む。

これにより、本発明による光照射装置及びアニール装置では、一つの光源からの光が同一光学系によって複数の光線に分割される。したがって、被照射体には複数の光線が照射されることになり、アニールを行う際のタクトを短縮することが可能となる。

本発明によれば、複数の光線を被照射体に照射することができる。したがって、この照射装置を用いてアニールを行えばアニールにかかるタクトを短縮することができる。また、複数の光源を必要としないため部品点数を削減することができ、装置を小型化することができる。

第１の実施の形態による光照射装置の光学系を示す構成図である。 第１の実施の形態による光照射装置を構成する光学部品の共役関係を示す構成図である。 音響光学偏向素子の特性を示す説明図であり、図３Ａは走査速度の変化を示す図、図３Ｂはそれに伴うアニール領域の変化を示す図、図３Ｃは一回の走査における光量の変化を示す図、図３Ｄはそれに伴うアニール領域の変化を示す図である。 第２の実施の形態によるアニール装置を示す斜視図である。 第２の実施の形態によるアニール装置を示す上面図である。 第２の実施の形態によるアニール装置によるレーザ光の走査方法を示す説明図である。 レーザ光の走査量と、ＸＹステージの移動量との関係を示す説明図である。 第２の実施の形態によるアニール装置によるレーザ光の走査方法を示す説明図である。 レーザ光の走査量と、ＸＹステージの移動量との関係を示す説明図である。 第２の実施の形態によるアニール装置によるレーザ光の走査方法を示す説明図である。 レーザ光の走査量と、ＸＹステージの移動量との関係を示す説明図である。 図１２Ａは第２の実施の形態によるアニール装置によってアニールをおこなったアモルファスシリコンの上面図である。図１２Ｂは図１２Ａの拡大上面図である。

以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態
２．第２の実施の形態
２−１．アニール装置の構成
２−２．レーザ光の照射方法
２−３．実験結果

１．第１の実施の形態
図１は本実施の形態における光照射装置１００の光学系を示す構成図である。本実施の形態による光照射装置１００は、半導体レーザ等の固体レーザより成る光源１と、光源１から出射されたレーザ光を走査する音響光学偏向素子（ＡＯＤ：Acoustic Optical Deflector）等の走査部８と、を備える。更に、光源１から出射されたレーザ光を走査部８に導く第１の光学系を備える。また、走査部８により走査されたレーザ光を分割する回折格子等の光束分割素子１９と、走査部８により走査されたレーザ光を光束分割素子１９へ導く第２の光学系を備える。そして、走査部８により分割されたレーザ光を被照射体へ集光する対物レンズ４２と、走査部８により分割されたレーザ光を対物レンズ４３へと導く第３の光学系とを備える。

第１の光学系は例えば光源１からのレーザ光をコリメートするコリメートレンズ２と、コリメートされたレーザ光の径を成型する開口絞り３と、成型されたレーザ光の径を所定のサイズに調節するエキスパンダーレンズ７とによって構成することができる。
この場合、光源１から出射したレーザ光はコリメートレンズ２によってコリメートされ、開口絞り３によって外径を成型される。そしてエキスパンダーレンズ７によって音響光学素子８の入射口に適したサイズの径に調整され、音響光学素子８に入射する。

また第１の光学系の光路中、開口絞り３の出射側にはビームスプリッタ４を設け、これによって反射された光を集光レンズ５によってフォトディテクタ（ＰＤ）６に集光する構成としてもよい。この場合、フォトディテクタ６に検出されたレーザ光の強度に基づいて、オートパワーコントロール装置４４により、光源１の出射光強度が常に一定になるように出力を制御することができる。
なお、ビームスプリッタ４は光源１からのレーザ光のうち一部を反射するのみとして、ほとんどの光は透過して走査部８へと入射することが好ましい。このようにすることで、被照射体に照射する光エネルギの損失を抑えることができる。

走査部８は、制御装置４４により、入射したレーザ光を所定の偏向角と光量で走査するように制御される。
なお、走査部８としては、ガルバノミラーやポリゴンミラーを用いることもできる。ただし、これらは機械的に走査を行うのに対して、音響光学偏向素子は圧電素子等を用いた音響光学効果によりレーザ光を回折させるため、電気的な補正が可能であり、またスキャン速度が速いので好ましい。

走査部８によって走査されたレーザ光は第２の光学系によって光束分割素子１９へ導かれる。この第２の光学系は、例えば走査部８によって走査されたレーザ光を光束分割素子１９に導くリレーレンズ１０によって構成することができる。図１に示す例では、走査部８とリレーレンズ１０との間に進行方向を変えるミラー９を設けているが、省略可能である。また、図１中リレーレンズ１０と光束分割素子１９との間に設けるビームスプリッタ１２については、後述する。
光束分割素子１９としては、例えば回折格子やホログラム等を用いることができる。回折格子等を用いる場合、入射したレーザ光は例えば０次光、±１次光、±２次光等のレーザ光に分割される。この各回折光の光量比は回折格子やホログラムの設計により精度よく調整可能である。本実施の形態において例えばレーザ光を２本に分割する場合は、±１次光の回折光量が互いに等しく、且つその他の回折光が極力発生しないように回折格子を選択するのが好ましい。

他にも光束分割素子１９としては、回折格子の代わりにホログラムを用いてレーザ光を分割しても構わない。
また走査部８から回折格子１９までの光路上には、音響光学偏向素子等の走査部８の偏光特性を補正するために、必要に応じてλ／２板１１を配置してもよい。

そして光束分割素子１９によって分割されたレーザ光は、第３の光学系により対物レンズ４２へと導かれる。
光束分割素子１９により分割されたレーザ光は、例えば偏光ビームスプリッタ２０を透過し、第３の光学系である例えばリレーレンズ４０等によって１／４波長板４１を介して対物レンズ４２に入射する。これにより、対物レンズ４２に入射したレーザ光はそれぞれ被照射体４５上の二箇所の微小スポットに集光される。なお、ここでは光束分割素子１９によって２本のレーザ光に分割する例としたが、３本以上の本数のレーザ光に分割し、アニールを行うようにしても構わない。

ところで、分割された複数のレーザ光によってアニールを行う際には、それぞれのレーザ光がばらつきなく均等に照射されなければ、均一な結晶粒を形成することができない。このため本実施の形態においては、走査部８がレーザ光を偏向させている面（偏向面）と、光束分割素子１９がレーザ光を分割させる面（分割面）とは、第２の光学系である例えばリレーレンズ１０により互いに共役な位置に配置されることが好ましい。
また、光束分割素子１９の分割面と対物レンズ４２の入射瞳面も、第３の光学系である例えばリレーレンズ４０等によって互いに共役な位置に配置されることが好ましい。

このような構成とすることで、走査部８によって走査される光のけられを抑えることができる。この様子を、図２を参照して説明する。図２において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。すなわちこの場合、図２に示すように、走査部８から出射するレーザ光が矢印Ｓ１の方向に走査されても、走査されたレーザ光は全て光束分割素子１９に同じ口径をもって入射する。また、光束分割素子１９により分割された２本のレーザ光が、走査部８での走査により矢印Ｓ２、Ｓ３の方向にそれぞれ走査されても、対物レンズ４２の入射瞳、例えば絞り４２１の開口に全て入射する。そして対物レンズ４２によって集光され、被照射体の表面をそれぞれＳ４、Ｓ５の方向に走査する。

このように、走査部８の走査面８Ｓと光束分割素子１９の回折面１９Ｓ、光束分割素子１９の回折面１９Ｓと対物レンズ４２の入射瞳面４２１Ｓとが互いに共役な位置に配置されることが好ましい。
このようにすることで、走査部８の偏向角や光束分割素子１９で分割された光束の進行方向によらず、すべてのレーザ光がけられることなく被照射体に入射させることが可能である。したがって、分割された複数のレーザ光を均等に照射することができ、ばらつきを抑制することができる。

また、少なくとも上述の走査面８Ｓと回折面１９Ｓ、回折面１９Ｓと入射瞳面４２１Ｓとを、共役点の近く、微少量ずれた位置に配置することが好ましい。共役点から微小量ずれる場合でも、けられが生じないようにするか、又は許容範囲内とすればよい。本実施の形態において、例えばレーザ光のビーム径の大きさを対物レンズの入射瞳径の８０％程度として、対物レンズの入射瞳径よりも小さくする場合は、このように共役点から微少量ずれた配置とする場合でも、入射瞳面４２１Ｓにおいてけられが発生しにくい。

ここで図１に戻って、往路及び復路で分岐された光をそれぞれモニタする構成について説明する。この場合、被照射体４５によって反射されたレーザ光は、再び対物レンズ４２、リレーレンズ４０を経由して偏光ビームスプリッタ２０に入射する。なお、偏光ビームスプリッタ２０と被照射体４５間にはλ／４板４１が配置されており、往路光に対して復路光は偏光方向が９０度回転される。したがって、被照射体４５からの反射光は偏光ビームスプリッタ２０により反射される。

偏光ビームスプリッタ２０によって反射されたレーザ光は、リレーレンズ２１によって撮像部２４に導かれ、像を結ぶ。撮像部２４としては、ＣＣＤ（Charge Coupled device）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）カメラ等を用いることができる。この撮像部２４によって、レーザ光の照射された被照射体４５上の二箇所のスポットのプロファイルを確認することができる。また、偏光ビームスプリッタ２０によって反射されたレーザ光の光路中にビームスプリッタ２３を配置してその一部を反射させる。そしてその光を集光レンズ２５によってもう一つの撮像部２６に結像させてもよい。この場合には、撮像部２４と撮像部２６とで異なる倍率の映像を確認することができる。

また本実施の形態においてはさらに、リレーレンズ２１とビームスプリッタ２３との間にもう一つのビームスプリッタ２２を設け、このビームスプリッタ２２によって被照射体４５からの反射光の一部を取り出し、レーザ光量やスキャン速度の測定に用いてもよい。図1の例では、ビームスプリッタ２２を透過した光を、ＣＣＤやＣＭＯＳカメラ等の撮像部２４、２６に入射して、プロファイル確認に用いる。

一方、ビームスプリッタ２２によって反射されたレーザ光はビーム分離ミラー２７によって分離され、被照射体４５上の二箇所のスポットからの反射光は、それぞれのスポット毎に別の光路へと分けられる。
片方のスポットからの光は、リレーレンズ３４、集光レンズ３６を介してポジションセンサ（ＰＳＤ）３７に入射する。また、例えばリレーレンズ３４及び集光レンズ３６の間に配置したビームスプリッタ３５によって一部の光を反射し、その反射した光を集光レンズ３８によってフォトディテクタ３９に入射させる。

もう一方のスポットからの光も同様に、ビーム分離ミラー２７によって別の方向に分離されると、例えばリレーレンズ２８を経由後ビームスプリッタ２９によってさらに二方向に分割される。ビームスプリッタ２９を透過した光は集光レンズ３０によってポジションセンサ３１に入射する。また、ビームスプリッタ２９によって反射された光は集光レンズ３２によってフォトディテクタ３３に入射する。

ポジションセンサ３１、３７により、それぞれのスポットの位置を検出することによってレーザ光のスキャン速度を測定することができる。また、フォトディテクタ３３、３９により、それぞれのスポットにおける光量を測定することができる。
またポジションセンサ３１、及びフォトディテクタ３３を制御装置４４に接続して、測定されたスキャン速度、及び光量を送信する構成としてもよい。この場合、制御装置４４により、この測定されたスキャン速度及び光量に基づき、スキャン速度とレーザ光量が一定になるように走査部８をフィードバック制御することができる。

スキャン速度やレーザ光量が変化すると、被照射体における熱の伝わり方や、与える熱量も変化する。このため例えばアニールを行う際には、結晶粒の大きさも変わってしまい、ムラが大きくなってしまう。
これに対して、本実施の形態ではスキャン速度とレーザ光量を検出しながらフィードバック制御を行うことで、一定のスポットを維持しながら安定したアニールを行うことが可能である。

例えば図３は音響光学偏向素子の一般的な走査特性を示したものである。図３Ａはレーザ光の一回の走査周期Ｔにおけるスキャン位置を示す。実線Ｌ１に示すように、音響光学偏向素子は一回のスキャン開始から終了までにおいて初めはスキャン速度が遅く、そして次第に速くなる特性を有している。
このような場合には、図３Ｂに被照射面でのスポットの動きを模式的に示すように、初期位置Ｄｐに照射されたレーザ光を矢印Ｓ６の方向に走査すると、走査が進むにつれてスキャン速度が速くなるため、そのアニール領域Ａ１は先細りの状態となってしまう。
このため、本実施の形態では制御装置４４によって図３Ａ中破線Ｌ２で示すように駆動出力をスキャン開始時に高くする補正を行い、一点鎖線Ｌ３のようにスキャン速度が一定となるようにフィードバックを行う。

また、図３Ｃは音響光学偏向素子のスキャン周期Ｔにおけるレーザ光の光量を示したものである。実線Ｌ４に示すように音響光学偏向素子はその周期Ｔの初めにおいて光量が小さく、スキャンが進むにつれて光量が大きくなる。そして周期の終わりに近づくにつれて再び光量が小さくなる特性を有している。
この場合には、図３Ｄに同様に被照射面でのスポットの動きを模式的に示すように、初期位置Ｄｐに照射されたレーザ光を矢印Ｓ７の方向に走査すると、走査が進むにつれて一度光量が大きくなる。そしてその後再び小さくなるため、そのアニール領域Ａ２は中太りの状態となってしまう。

このように、一回の走査によってアニールされる領域の幅が一定でない場合には、これを補正しないと、所望の領域全面に渡って均一にアニールを行うことが難しい。
このため本実施の形態では、制御装置４４によって、図３Ｃにおいて破線Ｌ５で示すように駆動出力の補正を行うことで、実際に出射される光量を一点鎖線Ｌ６のように一定に制御することが望ましい。

なお、スキャン速度や光量の検出は、スポットからの反射光によらず、被照射体に入射する前のレーザ光を用いてもよい。例えば図１のλ／２板１１と光束分割素子１９の間の光路上にビームスプリッタ１２を配置し、レーザ光の一部を反射させる。ビームスプリッタ１２によって反射されたレーザ光はビームスプリッタ１３に入射し、二方向へ分けられる。ビームスプリッタ１３を透過したレーザ光は集光レンズ１７によってポジションセンサ１８に集光される。またビームスプリッタ１３を反射したレーザ光は、例えばミラー１４を経由して集光レンズ１５によりフォトディテクタ１６に集光する。

このフォトディテクタ１６及びポジションセンサ１８によって検出された光量、位置情報に基づいてレーザ光のスキャン速度や光量を制御するようにしてもかまわない。ただし、被照射体からの反射光を用いる場合には、その光に被照射体表面の情報も含まれるため、アニール状態をモニタすることもできる。また、往路において光を分岐する場合は、被照射体４５に向かう光の光量を確保するため、分岐される光路に向かう光量の比を小さく抑えることが好ましい。

以上説明したように、本実施の形態の光照射装置は、一つの光源から出射されたレーザ光を複数本のレーザ光に分割し、同一光学系を経由して照射する。このため、複数の光学ヘッドを並べて装置を構成する場合に比べて部品点数を抑制することができる。またこの光学系は特殊なカスタマイズを必要とせず、光学部品を一般的なリレーレンズ、回折格子等の汎用品によって構成できるので、コストも低い。

また、従来のように光源にエキシマレーザを用いる場合は、大きい出力を得られるものの、パルス間のエネルギのばらつきが大きい。これに対して本実施の形態による光照射装置は、半導体レーザや半導体レーザを励起光源とするレーザ等の固体レーザを光源として用いることで、安定したエネルギ出力が得られる。またレーザ光を微小スポットに集光し、等速で走査しながら照射を行うため、アモルファスシリコンのアニールに用いる場合には、走査速度やレーザ光のエネルギを調節することにより、結晶粒のサイズや粒界の配置を均一に制御することが可能である。
また、従来のようにエキシマレーザを用いる場合に比べて、ガスを必要としないので配管のイニシャルコストやメンテナンスコスト、さらにはランニングコストを抑えることができ、配管が不要となる分、小型化も可能である。

２．第２の実施の形態
２−１．アニール装置の構成
図４は、第２の実施の形態におけるアニール装置２００を示す斜視図である。本実施の形態によるアニール装置２００は、被照射基板２５０を設置するＸＹステージ２２０と、被照射基板２５０に複数のレーザ光を照射するマルチビーム光学ヘッド２１０を含む。またマルチビーム光学ヘッド２１０とＸＹステージ２２０を制御するコントロールユニット２３０とを含む。
また、図５はＸＹステージ２２０の上面図である。なおこのＸＹステージ２２０上には、マルチビーム光学ヘッド２１０の外形と、マルチビーム光学ヘッドに内蔵された対物レンズ２１１の外形を投影してある。

マルチビーム光学ヘッド２１０には、第１の実施の形態（図１）に示した光照射装置１００を用いることができる。したがって、マルチビーム光学ヘッド２１０に内蔵された対物レンズ２１１からは２本以上、例えば２本のレーザ光２４０が出射され、被照射基板２５０上を走査する。
また、ＸＹステージ２２０は、図５中矢印Ｓ８で示すＸ軸方向及び矢印Ｓ９で示すＹ軸方向に稼動する。例えばＸ方向には等速で移動し、Ｙ方向へは次のアニール領域にむかってステップ移動する。そして、コントロールユニット２３０がマルチビーム光学ヘッド２１０とＸＹステージ２２０とを連動させて制御することによって、レーザ光の照射領域２５１から未照射領域２５２へとスポットを移動させ、所望の全領域をアニールすることができる。

２−２．レーザ光の照射方法
ａ．２つの領域を同時にアニールする例
例えばこの被照射基板２５０上における二箇所の領域を、２本のレーザ光によって同時にアニールする際の挙動について、図６〜図１１を用いて以下に説明する。
図６Ａ〜図６Ｉは、被照射基板２５０の領域２５３、２５４をマルチビーム光学ヘッド２１０から出射される２本のレーザビームによって同時にアニールする過程を示す説明図である。

図６Ａに示すように、まず被照射基板２５０のアニール領域２５３、２５４の端点にそれぞれアニール開始点を設定し、２本のレーザ光のスポット２６１がこのアニール開始点上にくるようにＸＹステージ２２０を調整する。
そして、図６Ｂに示すようにＸＹステージを矢印Ｄ１で示すＸ軸方向に等速で移動させながら、レーザ光をＹ方向へ走査する。これによって、レーザ光はアニール領域２５３、２５４を少し斜めにＹ方向へ移動しながらアニールを行う。

図６Ｃに示すようにレーザ光のスポット２６１が領域２５３、２５４の下端に到達すると、レーザ光の偏向角を戻し、図６Ｄに示すように領域２５３、２５４の上端にレーザ光のスポット２６１を配置する。
なお、ＸＹステージのＸ方向への移動速度と、レーザ光のＹ方向への走査速度を調整しておくことで、アニール済みの領域２６２にとの間に隙間が生じないようにスポット２６１を配置することができる。

そしてＸＹステージがＸ方向に等速運動を同様に続ける状態において、レーザ光をＹ方向へ走査する。これによって、レーザ光のスポット２６１は図６Ｅに示すようにアニール済み領域２６２に沿ってアニール領域２５３、２５４上を移動する。
また、レーザ光のスポットがアニール領域２５３、２５４の下端に到達すると、再びレーザ光の偏向角を戻し、アニール領域２５３、２５４の上端にスポットを配置する。
これを繰り返すことによってアニール領域２５３、２５４を全面に渡ってアニールすることができる。
そして図６Ｆに示すように、レーザ光のスポット２６１がアニール領域２５３、２５４を全面に渡って走査し終えると、この領域におけるアニールが終了する。

すると次にＸＹステージをＸ方向に移動させてＸ座標を初期位置に戻す。そしてさらにレーザ光の偏向角も戻し、ＸＹステージをＹ方向にもステップ移動させることで、次のアニール領域２５５、２５６のアニール開始点にスポット２６１を配置する。
次に同様にＸＹステージをＸ方向に等速移動させながら、レーザ光をＹ方向に走査することで、図６Ｈに示すようにスポット２６１を領域２５５、２５６の下端に向けて移動させる。また、下端に到達するとレーザ光の偏向角を戻し、再びＹ方向に走査することを繰り返す。これによって、図６Ｉに示すようにレーザ光のスポット２６１は領域２５５、２５６を全面に渡って走査し、アニールすることができる。
そしてスポット２６１を新たなアニール領域に移動させることを繰り返すことで、図６Ｊのように所望の領域をアニールすることが可能である。

図７に、この方法においてマルチビーム光学ヘッド２１０から出射されるレーザ光の走査とＸＹステージ２２０の動作とが連動する様子を示す。図７Ａには、走査部によるレーザ光の偏向量を時間軸で示し、図７Ｂにはその時間に対するＸＹステージ２２０のＸ方向への移動量を示す。また、図７Ｃは時間に対するＸＹステージ２２０のＹ方向への移動量を示したものである。

図７Ａのａにおいてレーザ光のスポットが、アニール領域のアニール開始点に配置されると、図７Ａのｂに示すようにレーザ光のスポットをＹ方向に走査する。そして図７Ａのｃにおいてレーザ光のスポットがアニール領域の端に到達すると、レーザ光の偏向角を元に戻して図７Ａのｄの位置にスポットを移動させる。そして再び図７Ａのｅに示すようにレーザ光を走査させることを繰り返す。

図７Ｂに示すように、この周期Ｔの間ＸＹステージ２２０はＸ方向に等速で移動することによってアニール領域全面にスポットを走査させる。図７Ａに示される鋸波型の波形を示すスポット走査に対してＸＹステージ２２０が最適な速度で等速移動することにより、アニール領域を隙間なく、また均一な光量でアニールすることができる。

そして図７Ａのｆにおいてレーザ光のスポットがアニール領域全面を走査し終えると、図７Ｂに示すようにＸＹステージは元のＸ座標に移動する。そして同時に次のアニール領域に向かって図７Ｃに示すようにＹ方向へ移動する。
こうして次のアニール領域に到達すると、ＸＹステージ２２０をＸ方向に等速移動させながら、図７Ａのｇの位置から再びレーザ光をＹ方向へ走査させる。そして図７Ａのｈに示すようにスポットがアニール領域の端に到達すると、再びレーザ光の偏向角を戻して走査を開始する。

図７Ｃにおいて、破線Ｌ４は一本のレーザ光によってアニールを行った場合の移動量を表している。これに対して、２本のレーザ光によって二箇所の領域を同時にアニールすると、実線Ｌ５のように一回のステップでのＹ方向への移動量を２倍とすることができ、Ｙ方向への送り回数を１／２とすることができる。したがってほぼ１／２の時間でアニール領域全面を走査することができる。

ｂ．一つの領域を複数の仮想領域に分割してアニールする例
同様の方法で一つの領域をアニールするようにしてもよい。図８Ａに示すように、アニールを行いたい領域２５７を例えば仮想分割線Ｌ７によって上下二つの仮想領域２５７ａ、２５７ｂに分割する。
そして例えば領域２５７の上側の境界線Ｌ６上の端点、及び仮想分割線Ｌ７上の端点に２本のレーザ光のスポット２６３ａ及び２６３ｂをそれぞれ配置する。

次に、図８Ｂに示すようにＸＹステージ２２０を矢印Ｄ２のＸ軸方向に移動させながら、２本のレーザ光をＹ方向に走査する。これにより、スポット２６３ａ、２６３ｂが通過した二箇所の領域２６４ａ、２６４ｂがアニールされる。
スポット２６４ｂによってアニールされた領域２６４ｂにスポット２６３ａが到達すると、２本のレーザ光の偏向角を戻し、図８Ｃに示すようにスポット２６３ａ及び２６３ｂを境界線Ｌ６及び仮想分割線Ｌ７上に戻す。

そして図８Ｄに示すように２本のレーザ光をＹ方向に走査し、スポット２６３ａがスポット２６４ｂによってアニールされた領域に到達すると、再びレーザ光の偏向角を戻す。
これを繰り返すことによって、図８Ｅに示すように領域２５７全面に渡ってアニールすることができる。

図９は、この方法におけるレーザ光の走査量とＸＹステージの動作を示したものである。図９Ａはレーザ光の走査量であり、図９ＢはＸＹステージのＸ方向への移動量、図９ＣはＸＹステージのＹ方向への移動量である。
例えば一つ目の領域をアニールする区間Ａ１において、レーザ光が走査されている間ＸＹステージ２２０は図９Ｂに示すようにＸ方向に等速移動する。そしてこの領域のアニールが終了すると、区間Ａ２においてＸＹステージ２２０は例えば移動したＸ座標を元に戻す。
また図９Ｃに示すようにＹ方向にも移動することによって次の領域へと移る。図９Ｂ、Ｃからもわかるように、Ｘ方向及びＹ方向へのＸＹステージの移動量はレーザ光が一本の時と変わらない。しかし図９Ａに示すように、この方法の場合にはレーザ光のＹ方向への走査回数は変わらないものの、一回の走査量（走査時間）を半分にすることができる。このため、ＸＹステージのＸ方向への送り速度を２倍にできる。したがって一つの領域のアニールにかかる時間がＴ／２となり、タクトを短縮することができる。

ｃ．２本のレーザ光によって隣り合う走査路をアニールする例
また、図１０に示すように、２本のレーザ光の走査路が隣り合うように走査してもよい。図１０Ａに示すように、例えばアニールを行う領域２５８の境界線Ｌ８の端点に片方のレーザ光のスポット２６５ａを配置する。またもう一方のレーザ光のスポット２６５ｂを、スポット２６５ａの位置からスポット径以下の距離だけＸ方向にずらして配置する。

そして図１０Ｂに示すように、ＸＹステージ２２０を矢印Ｄ３に示すＸ軸方向に等速で移動させながら、２本のレーザ光をＹ方向に走査することにより、その走査された隣り合う領域２６６ａ及び２６６ｂがアニールされる。
なお、スポット２６６ｂの初期位置を線Ｌ８から離れた位置に配置すると、先に形成された領域２６６ａの後をスポット２６６ｂが追う形になる。このため、領域２６６ａの結晶粒の結晶性を引き継ぐように領域２６６ｂをアニールすることができる。
図１０Ｃに示すように、スポット２６５ａ、２６５ｂが領域２５８の下端に到達するとレーザ光の偏向角を元に戻し、図１０Ｄのようにスポット２６５ａ、２６５ｂのＹ座標を初期位置に戻す。そして再び図１０Ｅに示すようにレーザ光をＹ方向に走査させる。
これを繰り返すことによって、図１０Ｆのように領域２５８全面をアニールすることができる。

図１１は、この方法におけるレーザ光の走査量とＸＹステージの動作を示したものである。図１１Ａはレーザ光の走査量であり、図１１ＢはＸＹステージのＸ方向への移動量、図１１ＣはＸＹステージのＹ方向への移動量である。
図１１Ａに示すように、レーザ光の一回の走査量は変わらない。しかし、２本のレーザ光によって隣り合う走査路をアニールするため走査回数を１／２にすることができる。このため図１１Ｂに示すようにＸＹステージのＸ方向への送り速度を２倍にすることができる。したがって一つの領域全面を走査するのにかかる時間はＴ／２となり、タクトを短縮することができる。
なお、図１１Ｃに示すように、Ｙ方向へのＸＹステージ２２０の移動態様はレーザ光が一本の場合と変わらない。

２−３．実験結果
本実施の形態によるアニール装置２００を用い、上記図１０で示した走査方法により非晶質シリコン基板のアニールを行った結果を図１２Ａ、Ｂに示す。図中Ｘ方向にＸＹステージを送りながら、Ｙ方向に２本のレーザ光を走査することによってアニールを行っている。

図１２Ａに示すように、レーザ光の走査方向に縞模様が確認され、シリコン結晶粒の粒界が均一に形成されているのがわかる。この多結晶シリコンにドーピングを行い、図１２Ａ中において例えば矢印Ｄ４の方向に電流を流す場合、結晶粒の粒界はキャリアのポテンシャル障壁となるため、電流に対して抵抗になる。すなわち、結晶粒のサイズが不均一なために、粒界の数が場所によって異なったりすると電流の流れにばらつきが生じてしまう。特にディスプレイ用の多結晶シリコンＴＦＴのチャネル部にこうした結晶粒のばらつきが存在すると、素子間の特性のばらつきを生じ、輝度ムラの原因となる。
これに対して本実施の形態によるアニール装置２００を用いた場合には、微小スポットに集光したレーザ光を走査することによってアニールを行うので、結晶粒のサイズを制御しやすい。

また、走査部の走査面と対物レンズの入射瞳とが互いに共役の位置に配置されるため、走査の偏向角（レーザ光の照射位置）に関わらず均一なエネルギのレーザ光を照射することができる。さらには光束分割素子の光束分割面と対物レンズの入射瞳面とが互いに共役な位置に配置されるため、分割された複数のそれぞれのレーザ光のエネルギも一定に保つことができる。このため、複数のレーザ光によってそれぞれ異なる箇所をアニールしても図１２Ａの様に均一な粒界の形成が可能である。このため、ＴＦＴ等の製造に用いることにより特性のばらつきを低減することができる。

図１２Ｂは図１２Ａをさらに拡大したものである。図１２Ｂに示すように、２本のレーザ光のスポット３０１、３０２をそれぞれ矢印Ｄ５、Ｄ６の方向に走査することでアニールを行っている。したがって、一本のレーザ光の場合に比べ２倍の速度でＸ方向に基板を送りながら照射を行うので、より短いタクトでアニールを行うことができる。
スポット３０１によって走査された走査路上には粒界が形成され、この粒界から左右方向に結晶粒が形成されているのがわかる。
なお、この例では図に示すようにスポット３０１、３０２が接した状態でアニールを行ったため、スポット３０２によって形成される結晶粒はスポット３０１によって形成される結晶粒と融合する。このためスポット３０２の走査路上では、その走査方向に追随した粒界が形成されていない。したがって、スポット３０１の走査路上にのみ、その走査方向に追随した粒界が形成されることになる。

また逆に、スポット３０１と３０２をＹ方向に離して走査すれば、スポット３０２の走査路上にも、その走査方向に追随した粒界を形成することができる。すなわちこの走査方法では、二つのスポット間の距離を調節することにより、粒界の形成間隔、結晶粒のサイズを制御することも可能である。

以上、本発明による光照射装置及びアニール装置について説明したが、本発明は上記実施の形態にとらわれることなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、なお考えられる種々の形態を含むものであることは言うまでもない。

１・・・光源、２・・・コリメートレンズ、３・・・開口絞り、４・・・ビームスプリッタ、５，１５，１７，２５，３０，３２，３６，３８・・・集光レンズ、６，３１・・・フォトディテクタ、７・・・エキスパンダーレンズ、８・・・走査部、９，１３・・・ミラー、１０，２１，４０・・・リレーレンズ、１１・・・λ／２板、１２，１３，２２，２３，２９，３５・・・ビームスプリッタ、１６，３３，３９・・・フォトディテクタ、１８，３１，３７・・・ポジションセンサ、１９・・・光束分割素子、２０・・・偏向ビームスプリッタ、２４，２６・・・ＣＣＤカメラ、２７・・・ビーム分離ミラー、３４・・・リレーレンズ、４１・・・１／４λ板、４２・・・対物レンズ、４５・・・被照射体、１００・・・光照射装置、２００・・・アニール装置、２１０・・・マルチビーム光学ヘッド、２２０・・・ＸＹステージ、２３０・・・コントロールユニット、２４０・・・レーザ光、２５０・・・被照射基板、２５１，２５２，２５３，２５４，２５５，２５６，２５７，２５７ａ，２５７ｂ，２６２，２６３ａ，２６３ｂ，２６４ａ，２６４ｂ，２６６ａ，２６６ｂ，２５８・・・領域、２６１，２６５ａ，２６５ｂ，３０１，３０２・・・スポット、４２１・・・絞り

Claims (12)

1. 光源と、
   前記光源から出射する光を走査する走査部と、
   前記光源から出射された光を前記走査部へ導く第１の光学系と、
   前記走査部により走査された光を複数の光路に分割する光束分割素子と、
   前記走査部により走査された光を前記光束分割素子に導く第２の光学系と、
   前記複数に分割された光をそれぞれ被照射面に集光する対物レンズと、
   前記光束分割素子によって複数に分割された光を前記対物レンズに導く第３の光学系と、
   を含む
   光照射装置。
2. 前記走査部の走査面と、前記対物レンズの入射瞳面は共役関係にある請求項１に記載の光照射装置。
3. 前記走査部の走査面と、前記光束分割素子の光束分割面とが、前記第２の光学系によって互いに共役関係とされる請求項２に記載の光照射装置。
4. 前記光束分割素子の光束分割面と、前記対物レンズの入射瞳面とが、前記第３の光学系によって互いに共役関係とされる請求項３に記載の光照射装置。
5. 前記被照射対に集光された光の走査速度を検出するポジションセンサと、前記被照射体に集光された光の光量を検出するフォトディテクタとを備えた請求項１に記載の光照射装置。
6. 前記光源は、半導体レーザである請求項１に記載の光照射装置。
7. 前記光束分割素子は、回折格子である請求項１に記載の光照射装置。
8. 上記光束分割素子は、ホログラムである請求項１に記載の光照射装置。
9. 上記走査部は、音響光学偏向素子である請求項１に記載の光照射装置。
10. 上記走査部は、ポリゴンミラーである請求項１に記載の光照射装置。
11. 上記走査部は、ガルバノミラーである請求項１に記載の光照射装置。
12. 光源と、前記光源から出射する光を走査する走査部と、前記光源から出射された光を前記走査部へ導く第１の光学系と、前記走査部により走査された光を複数の光路に分割する光束分割素子と、前記走査部により走査された光を前記光束分割素子に導く第２の光学系と、前記複数に分割された光をそれぞれ被照射面に集光する対物レンズと、前記複数に分割された光を前記対物レンズに導く第３の光学系とを含み、被照射基板に複数の光束を照射する光照射装置と、
    被照射基板を設置する移動ステージと、
    前記光照射装置と、移動ステージとを連動させて制御するコントロールユニットと、
    を含む
    アニール装置。