JP2011175213A

JP2011175213A - レーザ照射装置

Info

Publication number: JP2011175213A
Application number: JP2010041045A
Authority: JP
Inventors: Makoto Hatanaka; 誠畑中
Original assignee: V Technology Co Ltd
Current assignee: V Technology Co Ltd
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2010-02-25
Publication date: 2011-09-08
Anticipated expiration: 2030-02-25
Also published as: JP5557188B2; WO2011105189A1; TW201133029A

Abstract

【課題】装置の大型化及び煩雑化をもたらすことなく、また照度の低下をもたらすことなく、レーザ光を光源に使用した場合の干渉縞の発生を防止することができるレーザ照明装置を提供する。
【解決手段】レーザ光の光路に、偏光解消板６、フライアイレンズ７及びコンデンサレンズ８、９が、この順に配置されている。偏光解消板６は、フライアイレンズ７の各レンズセルに対応する大きさを有し入射レーザ光に対して位相差を与えて出射する複数個の位相差板６ａ〜６ｄがレンズセルに１：１で対応して配置されたものであり、各位相差板は、隣り合うもの同士の出射光の偏光面が４５°異なるように配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ光源を使用して露光、加工又はアニール等を行うレーザ照射装置に関し、特に、レーザ光に特有の干渉縞の発生を防止したレーザ照射装置に関する。

露光装置、レーザ加工装置又はレーザアニール装置等においては、レーザ光源を利用した照射装置が使用されている。このレーザ光源を使用した照射装置においては、レーザ光に特有の干渉縞が発生して、照射領域に照度のムラが生じ、照度の均一性が低下するという問題点がある。この照射ムラを防止するために、従来、照射光を照射領域にて移動させて、照度を平均化するという対策を講じていた。しかし、ワンショットで露光したり、加工する場合には、このような対策をとることができない。

一方，従来のレーザビーム均一照射光学系として、レーザ光源からのレーザビームをビーム断面において二次元的に分割し、分割ビームにおける互いに隣り合う分割ビームの一方を他方に対して時間的可干渉距離よりも長く遅延させ、更に、分割ビームを被照射物の照射面上で重ね合わせて照射するものがある（特許文献１の請求項1及び請求項５）。また、隣り合う分割ビームの一方を他方に対して遅延させる代わりに、隣り合う分割ビームの一方を他方に対して偏光方向を実質的に直交させることも提案されている（特許文献1の請求項１１）。

更に、偏光解消板として、透明基板の両面に、サブ波長オーダーのディメンジョンの断面凹凸繰り返し構造が形成されたものが提案されている（特許文献２）。この凹凸繰り返し構造は、凹部と凸部の幅の比率が面内で変化したものであり、その溝方向は面垂直方向を回転軸としてずれているものである（特許文献２の請求項１）。凹部と凸部の幅の比率を面内で変化させる代わりに、溝深さを面内で変化させた偏光解消板（特許文献２の請求項２）又は凸部の側壁角度を面内で変化させた偏光解消板（特許文献２の請求項３）も開示されている。更に、溝方向を面垂直方向を回転軸としてずらす代わりに、繰り返し構造を溝垂直方向にずらすものも開示されている。

特開２００３−２８７７０６号公報特開２００８−２５７１３３号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示された従来技術は、レーザ光の分割に、直交配置した２個のシリンドリカルレンズを使用するため、その両者の位置合わせのために、高精度の組み立て技術が必要であり、装置が複雑になり、装置コストが高いという問題点がある。

また、特許文献２に開示された従来技術は、凹凸を有する偏光解消板を使用するため、制作が困難であるという問題点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、レーザ光を光源に使用した場合の干渉縞の発生を防止することができ、製造が容易であるレーザ照明装置を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ照明装置は、レーザ光源と、このレーザ光源からのレーザ光の光路に配置されたフライアイレンズと、このフライアイレンズを通過したレーザ光を照射面に集光するコンデンサレンズと、前記レーザ光の光路であって前記フライアイレンズの入射側又は出射側に配置された偏光解消部材と、を有し、前記偏光解消部材は、入射レーザ光に対して位相差を与えて出射する複数個の位相差板が前記フライアイレンズの各レンズセルに１：１で対応して配置されたものであり、各位相差板は、隣り合うもの同士の出射光の偏光面が４５°異なるように配置されていることを特徴とする。

このレーザ照射装置において、例えば、前記位相差板は、透明な異方性結晶からなる１／２波長板であり、この異方性結晶がもつ光学結晶軸方向が隣あう位相差板同士で２２．５°異なるように配置されているように構成することができる。また、前記位相差板は前記フライアイレンズの各レンズセルに対応する大きさを有するように構成することができる。更に、前記偏光解消部材と前記フライアイレンズとの間に、縮小投影レンズ又は拡大投影レンズを配置し、この縮小投影レンズ又は拡大投影レンズにより、前記偏光解消部材を透過したレーザ光のビームの断面形状を、前記フライアイレンズの大きさに合わせて、夫々縮小又は拡大するように構成することができる。更にまた、前記フライアイレンズと前記偏光解消部材との間に、縮小投影レンズ又は拡大投影レンズを配置し、この縮小投影レンズ又は拡大投影レンズにより、前記フライアイレンズを透過したレーザ光のビームの断面形状を、前記偏光解消部材の大きさに合わせて、夫々縮小又は拡大するように構成することもできる。

本発明によれば、位相差板とフライアイレンズとの組み合わせにより、一方向の直線偏光のレーザ光をランダム偏光に変換することができ、照射面上において、干渉縞が発生することを防止でき、照度のムラがない均一なレーザ照射をすることができる。

本発明の実施形態に係るレーザ照射装置を示す図である。本実施形態で使用する偏光解消板を示す平面図である。本実施形態の動作を示し、位相板とフライアイレンズとの関係を示す図である。本実施形態の位相差板と出射光の偏光面の方向との関係を示す模式図である。本発明の他の実施形態を示す図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るレーザ照射装置を示す図、図２は偏光解消板６を示す平面図、図３は偏光解消板６とフライアイレンズ７の部分を拡大して示す図、図４は位相差板とその出射光の偏光面との関係を示す図である。図１に示すように、レーザ光源１２から一方向に直線偏光したレーザ光が出射される。このレーザ光源１２から出射したレーザ光は、ミラー１、２、３により光路を変更して、照射面１１に照射される。この照射面１１は、本実施形態を露光装置に適用した場合は、半導体層の上に形成したマスクである。

このレーザ光の光路に、第１フライアイレンズ４、第１コンデンサレンズ５、偏光解消板６、第２フライアイレンズ７、第２コンデンサレンズ８、９及び保護石英板１０が、レーザ光の進行方向に、この順に配置されている。フライアイレンズ４，７は、微少な凸レンズのセルがマトリクス状に多数配置されたものである。なお、図１及び図３では、偏光解消板６と第２フライアイレンズ７とが離隔しているように示されているが、実際上は、偏光解消板６と第２フライアイレンズ７とは相互に接着固定すること等により、一体化されている。但し、偏光解消板６と第２フライアイレンズ７とは、相互に離隔して配置することできる。

そして、第２フライアイレンズ７の入射側には、偏光解消板６が設けられている。図２に示すように、この偏光解消板６は、４種類の位相差板６ａ、６b、６c、６dをマトリクス状に配置して構成されている。各位相差板６ａ〜６ｄは、第２フライアイレンズ７の各レンズセルに対応する大きさを有し、この各レンズセルに１：１で対応するピッチで配置されている。位相差板６ａ〜６ｄは、フライアイレンズ７の各レンズセルに対応して設けられており、その大きさは、レンズセルの大きさによるが、通常、数ｍｍ角の正方形をなす。但し、この位相差板６ａ〜６ｄの形状は、正方形に限らず、例えば、円形又は正五角形等、種々の形状が可能である。位相差板６ａ〜６ｄは、透明な異方性結晶からなる１／２波長板であり、その光学結晶軸方向が隣り合う位相差板同士で２２．５°異なるように配置されている。１／２波長板は、位相板の厚さを調節することにより、結晶の光軸と入射光の偏光面とのなす角度が４５°であると、入射光をその偏光面が９０°回転した直線偏光として出射させる。従って、図４（ａ）に示すように、１／２波長板（位相差板６ｃ）の光軸が水平（０°）であるとした場合、その上方及び右方の１／２波長板（位相差板６ａ，６ｄ）は、夫々、右方向に２２．５°、左方向に２２．５°傾斜している。この４個の１／２波長板（位相差板６ａ〜６ｄ）に、偏光面が水平であるレーザ光が入射した場合、出射光の偏光面は、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、入射光における位相差板６ｃを通過した部分は、偏光面が変化せず、水平のままである。これに対し、１／２波長板（位相差板６ａ）を通過した部分は、入射光の偏光面が１／２波長板（位相差板６ａ）の結晶光軸と２２．５°異なっているので、４５°回転して出射する。従って、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、位相差板６ａを通過したレーザ光は、その偏光面が入射光の偏光面（水平）から時計方向に４５°回転する。同様に、１／２波長板（位相差板６ｄ）に入射したレーザ光は、位相差板６ｄから出射するときに、その偏光面が反時計方向に４５°回転する。１／２波長板（位相差板６ｂ）は、その光学結晶軸が、入射光の偏光面と４５°異なるので、位相差板６ｂを出射したレーザ光は、その偏光面が９０°回転し、垂直となる。このようにして、例えば、位相差板６ａを出射したレーザ光はその偏光面が光軸上でレーザ光の通過方向に見て左側に４５°に傾き、位相差板６ｂはその偏光面が垂直であり、位相差板６ｃはその偏光面が水平であり、位相差板６ｄはその偏光面が右側に４５°傾いている。よって、隣り合う位相差板同士で見ると、その通過後のレーザ光の偏光面は、４５°異なるものである。

位相差板６ａ〜６ｄは、図２に示すように、縦横それぞれ８分割されているが、この分割数は、８分割に限らず、例えば、４分割から１０分割等、種々設定することができる。なお、図３においては、図示の簡略化のために４分割で示してある。各位相差板６ａ〜６ｄは、前述のごとく、通常、数ｍｍ角の正方形であるが、１辺長が１００μｍのものもあり、最大でも、１０ｍｍである。なお、照射面１１の大きさは、通常、数１０ｍｍ〜数１００ｍｍであり、位相差板６ａ〜６ｂの総数又は分割数は、照射面１１の大きさ等により決めることができる。

このような位相差板６ａ〜６ｄは、前述のごとく、１／２波長板を使用することができる。この１／２波長板を使用すると、直線偏光のレーザ光の偏光面が１／２波長板の光学結晶軸方向に対して４５°傾斜するようにレーザ光が１／２波長板に入射した場合に、入射光の偏光面を９０°回転させた偏光面を有するレーザ光が出射する。従って、隣り合う位相差板の光学結晶軸が２２．５°異なる場合は、出射光の偏光面は４５°異なったものとなる。なお、１／４波長板を２枚重ねて、１／２波長板とすることもできることは勿論である。

第１、第２コンデンサレンズ５，８，９は、フライアイレンズにより分割されたレーザ光を重ねて、同一光軸上に集光させるものである。また、本実施形態は、本発明を露光装置に適用したものであるから、第２コンデンサレンズ８，９の出射側に保護石英板１０が設けられている。この保護石英板１０は、レジストを露光したときに有機物がチャンバ内に蒸散してきて、紫外線があたるとコンデンサレンズがくもるという現象があり、そうすると、コンデンサレンズを交換する必要があり、この交換作業が繁雑であるため、コンデンサレンズと照射面のマスクとの間に設置されるものである。つまり、この保護石英板１０により、露光時に、コンデンサレンズ９がくもることが防止される。

次に、上述のごとく構成された本実施形態のレーザ照射装置の動作について説明する。レーザ光源１２から直線偏光されたレーザ光が出射し、第１のフライアイレンズ４により分割された後、コンデンサレンズ５により、同一光軸上に集光されて、レーザ光の強度がレーザ光の断面内において均一化される。次に、このレーザ光は、偏光解消部板６を通過して、第２のフライアイレンズ７により分割された後、第２のコンデンサレンズ８，９により、同一光軸上の照射面１１に集光される。

このとき、偏光解消板６において、隣り合う位相差板６ａ〜６ｄの光学結晶軸方向が２２．５°異なるように、各位相差板６ａ〜６ｄが配置されているので、レーザ光は例えば位相差板６ａを通過したレーザ光の偏光面と、その隣の位相差板６ｂを通過したレーザ光の偏光面とが４５°相違する。その他の位相差板６ａと位相差板６ｃも同様に光学結晶軸方向が４５°相違し、位相差板６ｂと位相差板６ｄも同様に光学結晶軸方向が４５°相違する。そして、各位相差板６ａ〜６ｄを通過したレーザ光は、各位相差板６ａ〜６ｄに対応して設置されている第２フライアイレンズ７のレンズセルにより集光された後、更に、第２のコンデンサレンズ８，９により集光されて、図３に示すように、照射面１１上において、フライアイレンズ７の全てのレンズセルを通過してきたレーザ光が重ねられる。これにより、各レンズセルを個別に通過して偏光状態が相互に異なるレーザ光が、照射面１１上で重ねられて、照射面１１上では、レーザ光は擬似的なランダム偏光となる。直交する偏光成分同士は、干渉しないので、擬似的にランダム偏光となった照射面では干渉縞は低減される。

偏光解消板６に入射するレーザ光は一方向に直線偏光したものであり、このレーザ光の偏光面は、偏光解消板６の各位相差板６ａ〜６ｄに対して、４種類の関係を有する。直線偏光の入射光の偏光面が、図４（ａ）に示すように、水平である場合は、偏光解消板６の出射光の偏光面は、図４（ｂ）に示すように、水平偏光、４５°偏光、及び垂直偏光の偏光面が４種類のレーザ光が出射され、隣り合う位相差板を出たレーザ光は、偏光面が４５°相違し、照射面１１上で重ねられる。そして、偏光面が９０°異なるレーザ光同士は干渉しないので、照射面１１上では、干渉縞が発生することが防止される。偏光解消板６に入射するレーザ光の偏光面が、水平ではなく傾斜している場合も、隣り合う４個の位相差板から出射するレーザ光は、その偏光面が互いに４５°異なるものとなる。即ち、偏光解消板６に入射するレーザ光の偏光面が水平に対してどのような角度で傾斜していたとしても、位相差板６ａ〜６ｄから出射するレーザ光の偏光面は、隣合う位相差板から出射したもの同士は、４５°異なったものとなる。これにより、これらの偏光解消板６を通過したレーザ光がフライアイレンズ７で分割された後、更に、コンデンサレンズ８，９で照射面１１上に集光され、この照射面１１上で重ねられたときは、偏光面が９０°をなす成分同士で干渉縞が生成せず、照射光には干渉縞が生じない。

なお、本実施形態において、偏光解消板６と第２フライアイレンズ７とは相互に接着固定すること等により、一体化されており、この場合は、偏光解消板６の大きさ又は各位相差板６ａ〜６ｄの配列ピッチと、フライアイレンズ７の大きさ又はその各レンズセルの配列ピッチとは、一致している。しかし、偏光解消板６とフライアイレンズ７とが離隔している場合は、第１コンデンサレンズ５による照明系の中に偏光解消板６とフライアイレンズ７とが相互に離隔して配置されることになるので、その照明系の中で、位相差板６ａ〜６ｄの配列ピッチと、フライアイレンズ７の各レンズセルの配列ピッチとが一致し、位相差板とレンズセルとが１：１に対応するように、発散又は収束する照明系の中で偏光解消板６の大きさとフライアイレンズ７の大きさとを決める必要がある。

図５は本発明の他の実施形態を示す図である。この実施形態においては、偏光解消板６と、フライアイレンズ２１との間に、コンデンサレンズ２０を配置し、偏光解消板６を通過したレーザ光が、このコンデンサレンズ２０によりフライアイレンズ２１に集光するようにしたものである。フライアイレンズ２１を出射したレーザ光は、図３に示す実施形態と同様に、コンデンサレンズ２２により、照射面２３上に集光される。

本実施形態においても、偏光解消板６の各位相差板６ａ〜６ｄと、フライアイレンズ２１のレンズセルとは１：１に対応するように、偏光解消板６とフライアイレンズ２１が設けられている。しかし、位相差板６ａ〜６ｄの大きさと、フライアイレンズ２１のレンズセルの大きさとは一致していない。このように、フライアイレンズ２１のレンズセルの大きさと位相差板６ａ〜６ｄの大きさとが一致していなくても、コンデンサレンズ２０により、各位相差板６ａ〜６ｄを通過したレーザ光は、夫々、１個のレンズセルを通過する。よって、本実施形態も図１乃至図４に示す実施形態と同様の効果を奏する。そして、本実施形態においては、フライアイレンズ２１の大きさ及び偏光解消板６の大きさは、相互の大きさに制約されることがなくなり、例えば、フライアイレンズとして、マイクロレンズアレイのような極めて小さなものを使用することができるようになる。

上記実施形態では、偏光解消板６とフライアイレンズ２１との間にコンデンサレンズ（縮小投影レンズ）２０を設置して、偏光解消板６を透過したレーザ光のビームの断面形状を縮小させることにより、レーザ光のビーム断面形状をフライアイレンズ２１の大きさに適合させたが、これに限らず、逆に、フライアイレンズ２１の方が偏光解消板６よりも大きい場合は、偏光解消板６を透過したレーザ光のビームの断面形状を拡大投影レンズにより拡大させることにより、レーザ光のビームの断面形状をフライアイレンズ２１の大きさに適合させてもよい。

なお、上記実施形態においては、位相差板は、異方性結晶からなるものを使用したが、位相差板としては、これに限らず、隣り合う位相差板との間で異なる位相差を設けることができるものであればよい。例えば、光学ガラス板の表面の一部に屈折率と厚さとの積が１／２波長となる透明な等方性材料をコーティングしたガラス位相板等も使用することができる。更に、透明なガラス基板上に、位相差フィルムをマトリクス状に貼着したものでもよい。更にまた、位相差板は、フライアイレンズの各レンズセルに対応する領域ごとに、レーザ光の光軸方向の長さが異なるように透明基板を形成したものを使用することもできる。このように透明基板におけるマトリクス状の個別領域において、レーザ光が通過する長さを異ならせることにより、隣の個別領域を通過するレーザ光との間で位相差を設けることができる。

また、偏光解消板は、上記実施形態のように、フライアイレンズの入射側に配置する場合に限らず、フライアイレンズの出射側に設けてもよい。更に、偏光解消板６は、１毎に限らず、複数枚重ねて配置してもよい。

４，７：フライアイレンズ
５，８，９、２０、２２：コンデンサレンズ
６：偏光解消板
６ａ〜６ｄ：位相差板
１１：照射面
１２：レーザ光源

Claims

レーザ光源と、このレーザ光源からのレーザ光の光路に配置されたフライアイレンズと、このフライアイレンズを通過したレーザ光を照射面に集光するコンデンサレンズと、前記レーザ光の光路であって前記フライアイレンズの入射側又は出射側に配置された偏光解消部材と、を有し、前記偏光解消部材は、入射レーザ光に対して位相差を与えて出射する複数個の位相差板が前記フライアイレンズの各レンズセルに１：１で対応して配置されたものであり、各位相差板は、隣り合うもの同士の出射光の偏光面が４５°異なるように配置されていることを特徴とするレーザ照射装置。
前記位相差板は、透明な異方性結晶からなる１／２波長板であり、この異方性結晶がもつ光学結晶軸方向が隣あう位相差板同士で２２．５°異なるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ照射装置。
前記位相差板は前記フライアイレンズの各レンズセルに対応する大きさを有することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ照射装置。
前記偏光解消部材と前記フライアイレンズとの間に、縮小投影レンズ又は拡大投影レンズが配置されており、この縮小投影レンズ又は拡大投影レンズは、前記偏光解消部材若しくは前記フライアイレンズを透過したレーザ光のビームの断面形状を、夫々前記フライアイレンズ若しくは前記偏光解消部材の大きさに合わせて、夫々縮小又は拡大するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ照射装置。