JP2011204913A - レーザ処理装置およびレーザ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ処理装置における照射レーザ光の出力を正確かつ生産性を低下させるこなく測定することを可能にする。
【解決手段】レーザ光を出力するレーザ発振源（レーザ発振器２）と、該レーザ光を被処理体に導く光学系４と、前記被処理体８に照射されて反射した反射レーザ光を計測する計測手段（計測器１０）とを備えるレーザ処理装置を用い、レーザ光を被処理体に照射して該被処理体の処理を行うとともに、該被処理体で一部が反射したレーザ光を計測して、前記被処理体に照射されたレーザ光のパワーまたはエネルギーを推定し、予め設定された閾値とを比較し、該比較結果に基づいて前記レーザ光のパワーまたはエネルギーの適正判定を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイの画素スイッチや駆動回路に用いられる薄膜トランジスタの多結晶あるいは単結晶半導体膜を製造する際などのレーザアニールなどに用いることができるレーザ処理装置およびレーザ処理方法に関するものである。

フラットパネルディスプレイの基板などに用いられる半導体薄膜では、アモルファス膜を用いるものの他、結晶薄膜を用いるものが知られている。この結晶薄膜に関し、アモルファス膜をアニールして結晶化させることにより製造する方法が提案されている。上記アニール処理では、アモルファス膜などの被処理体上にレーザ光を照射することでレーザ光が被処理体内に侵入して熱エネルギーを与えることで被処理体を結晶化させる。また、結晶質膜にレーザ光を照射して欠陥の除去や結晶性の改善などの改質を行うものも知られている。上記レーザ光は、レーザ発振器から出力され、アッテネータで減衰され、レンズ、ミラー等で構成される光学系や処理室の導入窓などを通して被処理体に照射される。

被処理体に照射されるレーザ光は、被処理体に対するアニールなどの処理が適切になされるように、適度なパワーやエネルギーを有していることが必要であり、そのためレーザ発振器での出力やアッテネータにおける減衰率が適正に調整されている。また、レーザ発振器では、通常、レーザ光の出力を検知し、検知結果をフィードバックすることで出力調整を行っている。
しかし、光学系では経時的に汚れが発生し、また処理室では被処理体にレーザ光を照射することによって被処理体の一部が蒸発して処理室導入窓の汚れが発生したりする。このためレーザ発振器やアッテネータを適切に調整しても、前記汚れなどによって被処理体に与えられるレーザ光のパワーやエネルギーが変動することがあり、被処理体に照射されるレーザ光そのもののパワーやエネルギーを正確に把握したいという要望がある。

上記要望に対し、レーザ照射位置に対応する計測位置でレーザ光のエネルギーを検知する装置が提案されている（特許文献１参照）。
上記装置を図５に基づいて説明する。
図５に示されるレーザ加工装置は、ステージ２０を内装するチャンバ２１を備えており、前記ステージ２０に処理対象となる基板２２が設置される。チャンバ２１外には、レーザ光源３０、アッテネータ３１、ミラー３２、３３、３４、３５等を備えており、レーザ光が照射される照射光学系３６が位置調整装置２３によって、チャンバ２１に向けた位置とチャンバ２１外に向けた位置に移動可能になっている。照射光学系３６が位置調整装置２３によってチャンバ２１に向けた位置では、照射位置にスリット２４およびジュールメータ２５が設置されており、ジュールメータ２５の出力は主制御装置２６に接続されたアッテネータコントローラ２７に送信されるように構成されている。

上記装置では、基板２２にレーザ光を照射する際には、位置調整装置２３によって照射光学系３６を基板２２に向けた位置に移動させる。一方、レーザ光の計測を行う際には、位置調整装置２３によって照射光学系３６をスリット２４およびジュールメータ２５に向けた位置に移動させる。ジュールメータ２５の出力はアッテネータコントローラ２７に送信され、計測結果に基づいてアッテネータ３１を調整することで、レーザ光エネルギーのフィードバック制御が可能になっている。

特開２００１−３５１８７６号公報

しかし、上記装置では、計測に際し被処理体へのレーザ光照射を中断し、該レーザ光の照射光学系を移送させて処理室外部のジュールメータにレーザ光を照射する必要があり、その間、処理を行うことができないため生産性が低下するという問題がある。また、基板が設置される位置とは異なる位置にレーザ光を照射するため、計測結果の正確性において十分でなく、処理室導入窓の汚れなどが反映されないという問題もある。

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、被処理体に照射されるレーザ光のパワーやエネルギー等を、生産性を低下させることなく正確に計測して、レーザ光の出力調整などに反映させることができるレーザ処理装置およびレーザ処理方法を提供することを目的とする。

本発明は、被処理体をレーザ光で処理する際に、レーザ光の一部が反射することに着目してなされたものである。例えば、半導体に用いられるシリコン膜では、エキシマレーザ光（波長：３０８ｎｍ）を照射した際には、シリコン膜表面で５０％ほど反射される特性を持っている。

すなわち、本発明のレーザ処理装置のうち、第１の本発明は、レーザ光を出力するレーザ発振源と、該レーザ光を被処理体に導く光学系と、前記被処理体に照射されて反射した反射レーザ光を計測する計測手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、被処理体に照射されて反射したレーザ光の計測を行うことで、被処理体の処理を行いつつレーザ光の特性を評価することができる。しかも、レーザ光は被処理体で反射された反射レーザ光であり、その反射率はほぼ一定に維持されるため、被処理体に照射されたレーザ光そのものの状態をほぼ知ることができ、光学系や処理室導入窓が汚れている場合にも、レーザ光の状態をより正確に把握することができる。

反射レーザ光の計測は、レーザ光のパワーやエネルギーを計測することにより行うことができ、計測を行う計測手段としてはパワーメータやジュールメータなどの既知のものを用いることができ、本発明としてはその種別が限定されるものではない。計測は、被処理体にレーザ光を照射している間に、単発で、または連続して、さらに間欠的に行うことができ、複数の被処理体の中から選択したものを対象にして計測を行うようにしてもよい。
なお、計測手段の設置、計測を容易にするために、前記被処理体に対し入射角θ（＞０）によって前記レーザ光が照射されるようにするのが望ましい。該入射角θは、前記光学系によって設定することができる。
上記光学系は、レーザ光の光路に配置されるレンズ、ミラー、ホモジナイザーなどの適宜の光学部材により構成され、本発明としては特定のものに限定されるものではない。

レーザ光の計測は、レーザ処理装置に処理室を備える場合でも、本発明としては処理室の内外いずれであってもよいが、処理室の内部に測定手段を配置して測定を行うのが望ましい。処理室内部で反射した反射レーザ光を処理室内で計測することで、計測結果の信頼性を高めることができる。処理室内で反射した反射レーザ光を処理室外で計測すると、処理室に設けた透過窓などを透過する際に汚れなどの影響を受けて計測精度が低下しやすくなる。

なお、レーザ処理装置に用いられるレーザ光は、処理の目的などによって適宜のビーム形状を有するものであってよく、本発明としてはレーザ光のビーム形状が特定のものに限定されるものではない。例えばライン状のレーザビーム形状を有するものを用いることができる。
ライン状のレーザビームでは、長軸方向におけるパワー密度やエネルギー密度の分布も重要であり、均一に定めているものでは長軸方向でのパワー密度やエネルギー密度の均一性が必要になる。このため、測定手段としては、ラインビーム形状を有する反射レーザ光の長軸方向に沿って、それぞれ独立して計測が可能な複数の計測点を有するものとしてもよい。

上記被処理体に照射するレーザ光を該被処理体に対し相対的に移動させる移動装置を備える場合、反射光も相対的に移動し、これを計測手段で計測することが必要になる。

計測手段で計測された結果は、前記レーザ発振器や前記アッテネータなどを制御する制御装置に送信される。制御装置は、ＣＰＵとこれを動作させるプログラムや、ＲＯＭ、ＲＡＭなどの適宜の記憶部などによって構成することができる。レーザ発振器では、駆動回路の電圧調整などによって出力調整を行うことができ、アッテネータでは、レーザ光の透過量、減衰率などの調整によってレーザ光の出力調整を行うことができる。

上記制御装置では、予め、被処理体に応じた適正値となる閾値を定めておき、前記計測手段による計測値と閾値とを比較してレーザ光の出力などが適正であるか否かの判定を行うことができる。計測手段によって計測される計測値は、被処理体に照射されたレーザ光のパワー、エネルギーなどと相関関係があり、計測値に基づいて、被処理体に照射されたレーザ光のパワーやエネルギーなどを推定することができる。
前記閾値は、適正なパワーやエネルギーが得られている際の反射レーザ光の計測値に相当する値を考慮して決定することができる。閾値は安全度を考慮して、定めることができる。

制御装置による判定では、計測値が閾値以上であれば、照射されたレーザ光のパワーやエネルギーは適正であり、計測値が閾値を下回れば、適正でないと判定することができる。また、上下閾値を定め、閾値範囲以内を適正と判定し、閾値を越える場合、閾値を下回る場合を適正でないと判定することもできる。
制御装置では、計測結果からレーザ光のパワーやエネルギーが適正でないと判定する場合、被処理体の照射中または各被処理体を処理する間に、レーザ発振器やアッテネータを調整して、照射されるレーザ光が適正なパワーやエネルギーなどを有するように制御することができる。

上記判定により、例えば半導体薄膜などを被処理体としてレーザアニール処理する際に、適正なパワーやエネルギーに基づいてレーザ光を照射できるので、被処理体の処理を適切に、バラツキなくおこなうことができる。

以上のように、この発明によれば、レーザ光を出力するレーザ発振源と、該レーザ光を被処理体に導く光学系と、前記被処理体に照射されて反射した反射レーザ光を計測する計測手段とを備えるので、被処理体がミラーのような役割をして、エネルギーもしくはパワーの損失、生産性の低下を招くことなくレーザ光の状態を計測することができ、レーザ光の状態を正確に把握することができる。

本発明の一実施形態のレーザ処理装置を示す概略図である。 同じく、制御ブロック図である。 同じく、制御手順を示すフローチャートである。 同じく、計測手段の変更例を示す斜視図である。 従来のレーザ処理装置を示す概略図である。

以下、本発明の一実施形態を図１に基づいて説明する。
本発明のレーザ処理装置に相当するレーザアニール装置１は、エキシマレーザを出力するレーザ発振器２を備えており、レーザ発振器２の出力先には、レーザ発振器２から出力されたレーザ光２ａの出力を調整するアッテネータ３が配置されている。アッテネータ３は、レーザ光の透過率を調整することでレーザ光の出力調整を行うことができ、該アッテネータ３では、透過率の調整が可変になっている。

アッテネータ３で出力調整されたレーザ光２ａの進行先には、該レーザ光２ａをラインビーム状のレーザ光１００に整形し、処理室６内の被処理体に導く光学系４が設けられている。図では、光学系４のうち、凸形状のレンズ４ａ、ミラー４ｂのみ示されている。
また、アッテネータ３および光学系４は、光学系プロテッタ５内に収容されており、該プロテッタ５の出射窓５ａを通してレーザ光１００が処理室６に向けて照射される。

処理室６には、前記レーザ光１００が入射する導入窓６ａが設けられており、処理室６内に、ステージ７が配置されている。該ステージ７は、図示しない駆動装置によって少なくとも水平方向一軸で往復移動が可能になっている。該ステージ７上には、被処理体８が載置される。この例では、被処理体８は、基板８ａ上にアモルファスシリコン薄膜８ｂが形成されたものであり、アニール処理によってアモルファスシリコン薄膜８ｂの結晶化処理がなされる。

前記光学系４は、前記アモルファスシリコン薄膜８ｂに対しレーザ光１００が長軸方向を基準にして入射角φ（φ＞０）で入射するように設定されており、レーザ光１００は、光学系４の例えば図示しない対物レンズによって集光されつつ前記アモルファスシリコン薄膜８ｂに照射される。その際にレーザ光１００は前記アモルファスシリコン薄膜８ｂの表面付近に収束する。
該入射角φに対する反射角φ方向には、処理室６内において反射したレーザ光のパワーやエネルギーを計測する計測器１０が計測手段として設置されている。この形態では、計測器１０は、入射したレーザ光のパワーまたはエネルギーを計測して、計測結果を外部に出力可能になっている。

また、レーザアニール装置１は、図２に示すように前記レーザ発振器２の出力およびアッテネータ３の減衰率を調整可能な制御装置１１を有しており、該制御装置１１には、計測結果が入力されるように前記計測器１０が接続されている。制御装置１１には、前記レーザ発振器２またはアッテネータ３を制御するための閾値を不揮発に記憶する記憶部１１ａを有している。該記憶部１１ａは、フラッシュメモリ、ＨＤＤなどによってデータを不揮発に保持し、必要に応じて該データを読み出すことができる。

次に、上記レーザアニール装置１の動作について説明する。
先ず、処理室６内のステージ７上に、アモルファスシリコン薄膜８ｂが形成された被処理体８を設置する。
レーザ発振器２からは波長３０８ｎｍのエキシマレーザ光であるレーザ光２ａが出力される。該レーザ光２ａは、アッテネータ３を透過して所望の出力に調整され、光学系４においてレンズ４ａによる集光、ミラー４ｂによる反射などを経てラインビーム状のレーザ光１００に整形される。該レーザ光１００は、出射窓５ａ、導入窓６ａを通して処理室６内に導入され、ステージ７上のアモルファスシリコン薄膜８ｂに入射角φで照射される。
この際に、ステージ７は、図示しない制御装置によって移動が制御され、レーザ照射時に、ラインビームの短軸方向に所定の送り速度で等速で移動される。

アモルファスシリコン薄膜８ｂに照射されたレーザ光１００は、約５０％がアモルファスシリコン薄膜８ｂに侵入し、エネルギーが吸収されてアモルファスシリコン薄膜８ｂを加熱する。加熱されたアモルファスシリコン薄膜８ｂは、加熱、冷却に従って結晶化などのアニール処理がなされる。
一方、アモルファスシリコン薄膜８ｂに照射されたレーザ光１００の約５０％は表面で反射される。この際には、図１に示すように、レーザ光は入射角φに従って反射角φで反射され、反射したレーザ光１００は、その進行方向にある計測器１０に入射する。

計測器１０では、入射したレーザ光のパワーやエネルギーを測定し、測定結果を制御装置１１に送信する。制御装置１１では、測定結果と記憶部１１ａに記憶された閾値（この例では上下閾値）とを比較し、比較結果に基づいて上記レーザ発振器２またアッテネータ３を制御する。レーザ発振器２とアッテネータ３のいずれを調整するかは予め定めておき、調整対象を制御する。また、測定結果に応じて制御対象を定めるようにしてもよい。

上記制御装置１１における制御手順を図３のフローチャートに基づいて説明する。
アニール処理のスタートに伴って、被処理体８で反射されるレーザ光のエネルギーまたはパワーを計測器１０で計測する（ステップｓ１）。計測器１０における計測結果は、上記したように、制御装置１１に送信される。
制御装置１１では、計測値（検出値）を受信するとともに記憶部１１ａに格納された閾値を読み出し、検出値と閾値とを対比し、検出値が上下閾値内の所定範囲内にあるか否かの判定がなされる（ステップｓ２）。検出値が所定範囲以内にあれば（ステップｓ２、ＹＥＳ）、レーザ光の出力は適正であると判定し、処理およびエネルギーまたはパワーの検出を継続する（ステップｓ１へ）。

一方、上記検出値が所定範囲以内でなければ（ステップｓ２、ＮＯ）、レーザ光の出力は適正でないと判定し、レーザ発振器の出力調整またはアッテネータの調整を行う（ステップｓ３）。この際の調整量は、予め定めた固定値で行ってもよく、また、検出値と閾値との相違量に従って行うようにしてもよい。該調整後は、アニール処理が完了しなければ（ステップｓ４、ＮＯ）、処理を継続し（ステップｓ１へ）、アニール処理が完了すれば（ステップｓ４、ＹＥＳ）、処理手順を終了する。

上記によれば、レーザ光照射時点におけるレーザ光の出力変化をリアルタイムで正確に把握することができ、光学系プロテッタの出射窓５ａや処理室６の導入窓６ａの汚れによる透過率の変化などを容易に確認でき、導入窓などの汚れを該窓を取り外すことなく的確に確認することができ、光学系、窓などのメンテナンス時期を正確に判断することができる。

なお、上記実施形態では、ラインビーム形状のレーザ光１００に対し、一つの計測器でレーザ光を計測するものとして説明したが、該レーザ光の長軸方向において、複数点でレーザ光の計測を行うようにしてもよい。
図４は、上記複数点での計測が可能になった計測器１５を示すものであり、レーザ光の長軸方向に沿って複数の計測部１５ａ…１５ａを有している。各計測部１５ａ…１５ａは、それぞれ出力ライン１５ｂ…１５ｂを有しており、前記した制御装置１１に独立して計測結果を出力することができる。これにより制御装置１１では、長軸方向におけるレーザ光のエネルギー密度やパワー密度の分布を知ることができ、メンテナンスなどを適切に行うことができる。また、上記分布に従って、レーザ光の出力を調整することも可能である。

なお、上記実施形態では、被処理体であるアモルファスシリコン薄膜のアニール処理を行うものについて説明をしたが、本発明としてはレーザ光の照射によって行われる処理の内容は特に限定されるものではなく、レーザ光照射によって被処理体に対し適宜の処理を行うものであればよい。
以上、本発明について、上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明は上記実施形態の説明に限定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。

１ レーザアニール装置
２ レーザ発振器
２ａ レーザ光
３ アッテネータ
４ 光学系
６ 処理室
８ 被処理体
１０ 計測器
１１ 制御装置
１５ 計測器
１５ａ 計測部
１００ レーザ光

Claims (10)

1. レーザ光を出力するレーザ発振源と、該レーザ光を被処理体に導く光学系と、前記被処理体に照射されて反射した反射レーザ光を計測する計測手段とを備えることを特徴とするレーザ処理装置。
2. 前記被処理体を内部に配置し、外部に設けた前記光学系を通して前記被処理体にレーザ光を導く処理室を備えており、前記計測手段は、該処理室内に設置されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ処理装置。
3. 前記計測手段は、前記反射レーザ光のパワーまたはエネルギーを測定するものであることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ処理装置。
4. 前記被処理体に照射されるレーザ光がラインビーム形状を有しており、前記計測手段は、ラインビーム形状を有する反射レーザ光の長軸方向に沿って、それぞれ独立して計測が可能な複数の計測点を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ処理装置。
5. 前記被処理体に照射するレーザ光を該被処理体に対し相対的に移動させる移動装置を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ処理装置。
6. 前記レーザ発振源から出力されたレーザ光の減衰率を調節可能なアッテネータを備えており、
   前記計測手段の結果を受けて、前記レーザ発振源または／および前記アッテネータの調整によって前記レーザ光の出力を制御する制御装置を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ処理装置。
7. 前記光学系は、前記被処理体に対し入射角θ（＞０）によって前記レーザ光が照射されるように構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ処理装置。
8. レーザ光を被処理体に照射して該被処理体の処理を行うとともに、該被処理体で一部が反射したレーザ光を計測して、前記被処理体に照射されたレーザ光のパワーまたはエネルギーを推定することを特徴とするレーザ処理方法。
9. 前記推定がなされたレーザ光のパワーまたはエネルギーの推定値と、予め設定された閾値とを比較し、該比較結果に基づいて前記レーザ光のパワーまたはエネルギーの適正判定を行うことを特徴とする請求項８記載のレーザ処理方法。
10. 前記判定において前記レーザ光のパワーまたはエネルギーが適正でないと判定される場合、該レーザ光の出力を調整することを特徴とする請求項８または９に記載のレーザ処理方法。

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