JP2011510820A - レーザ光源のエネルギを制御するための照射装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、エネルギが制御された幅狭の照射線（７０）によって作業台（６８）上の試料（６６）を照射するための照射装置に関し、照射線（７０）は、ビーム経路（１３）に沿って伝播するレーザビーム（１２）から生成され、かつレーザ光源（１０）から放出され、かつ第１の方向（ｘ）にこの第１の方向（ｘ）に対して垂直な第２の方向（ｙ）の寸法をある一定の倍数で超える寸法を有し、装置は、レーザビーム（１２）を線形状（７０ａ）へと成形するためのビーム成形光学系（８０）と、レーザビーム（１２）のエネルギを測定するためのエネルギ測定デバイス（５８）と、測定されたレーザビームエネルギに対して制御信号（７８）を生成し、かつ制御信号（７８）に対してレーザ光源（１０）のエネルギ出力を制御するためのエネルギ制御系（７６）とを含む。本発明は、エネルギ測定デバイス（５８）が、ビーム成形光学系（８０）の後でかつ作業台（６８）の前のビーム経路（１３）に配置されること、又は制御信号（７８）が、線形状ビーム（７０ａ）の第１の方向（ｘ）の寸法に沿って平均されたビームエネルギを示すことを特徴とする。本発明は、更に、幅狭の照射線（７０）によって作業台（６８）上の試料（６６）を照射する時にレーザ光源（１０）のエネルギを制御し、それによって照射線（７０）が、ビーム経路（１３）に沿って伝播し、レーザ光源（１０）から放出され、かつ第１の方向（ｘ）にこの第１の方向に対して垂直な第２の方向（ｙ）の寸法をある一定の倍数で超える寸法を有するレーザビーム（１２）から生成される方法に関し、本方法は、レーザビーム（１２）を線（７０ａ）へと成形する段階と、線形状レーザビーム（１２）のエネルギを測定する段階と、測定されたレーザビームエネルギに対して制御信号（７８）を生成する段階と、制御信号（７８）に対してレーザ光源（１０）のエネルギ出力を制御する段階とを含む。本発明によると、制御信号（７８）は、線形状ビーム（７０ａ）の第１の方向の寸法に沿って平均されたビームエネルギを示す。本発明の別の態様によると、ビーム経路（１３）内のレーザビーム（１２）のエネルギは、ビーム成形段階の後でかつ作業台（６８）の前で測定される。
【選択図】 図２

Description

関連出願への相互参照
２００５年１２月２２日出願のＵＳ１１／３１８，１２７、２００５年１０月２８日出願のＵＳ６０／７３１，５３９、及び２００５年１２月２３日出願のＵＳ６０／７５３，８２９の開示は、本出願の開示の一部と見なされ、本出願の開示に引用によって組み込まれる。

本発明は、請求項１及び請求項１８の前文に記載のエネルギが制御された幅狭の照射線によって作業台上の試料を照射するための照射装置、並びに請求項９及び請求項２５の前文に記載の幅狭の照射線によって作業台上の試料を照射する時にレーザ光源のエネルギを制御する方法に関する。

エレクトロニクス及びディスプレイ技術における多くの技術的用途は、ガラス上の薄い多結晶シリコン（Ｓｉ）層を必要とする。一般的に、そのようなパネルは、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）技術、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）技術、及び太陽電池技術に用いられる。そのようなパネルを製造する標準工程は、最初に化学気相蒸着（ＣＶＤ）工程又はスパッタリング工程によってガラス上にアモルファスＳｉ層を堆積させることである。次に、エキシマレーザ結晶化（ＥＬＣ）技術又は連続横方向固化（ＳＬＳ）技術のようなレーザアニール法によって多結晶膜が形成される。これらの異なる一般的な技術の概要は、例えば、ＵＳ７，０６１，９５９に示されており、この特許は、引用のＢ２によって本明細書に組み込まれている。

アモルファスシリコンの多結晶シリコンへの変換のための全く新しい技術は、いわゆる細ビーム方向性結晶化（ＴＤＸ）工程である。この工程は、３０ｎｍから１００ｎｍの厚みを有する薄いＳｉ層を融解するために、約１０μｍの幅（いわゆる短軸）寸法と約５００ｍｍの長手（いわゆる長軸）寸法を有する幅狭に集束された幅狭パルスレーザ線を用いる。
ＥＬＣ、ＳＬＳ、又はＴＤＸ工程を適用する際には、高エネルギエキシマレーザ、好ましくは、ＸｅＣｌエキシマレーザによって放出され、ビーム成形光学系によって成形された照射線によってガラス上の薄いシリコン層が融解される。本出願によると、ビーム成形光学系は、以下の機能：ビーム伝播方向に対して垂直な１つ又は２つの方向において形状及び／又は発散を変更すること、視野平面及び／又は瞳平面における強度を１つ及び／又は２つの方向において均一化すること、空間コヒーレンス及び／又は時間コヒーレンスを変更することのうちの少なくとも１つを実施するレーザと結像光学系の間のモジュールを意味する。上述のビーム成形光学系を用いて上述のビームを成形した後には、このビームは、矩形断面を有し、この矩形断面は、更に別の伝播において長軸方向及び／又は短軸方向にサイズが伸縮する。

そのようなビーム成形光学系は、長軸方向にレーザビームを拡張するための１つ又はそれよりも多くのビーム拡張器、長軸及び／又は短軸方向にビームを均一化するための１つ又はそれよりも多くのホモジナイザー、並びに好ましくはビーム寸法を短軸方向に制限するための１つ又はそれよりも多くのデバイスを含むことができる。ＷＯ２００６／０６６７０６Ａ２は、ＴＤＸ工程を適用することができる幅狭の照射線を生成するための装置に関する例を開示している。

シリコン層上のレーザ線のエネルギ密度は、長軸方向において均一でなければならず、ある一定の処理ウィンドウ範囲に位置すべきである。理論的な処理ウィンドウは、長軸の均一性の変動、ビームの位置及び向きの変動、Ｓｉ膜の厚みの変化、及び／又はパネルに到達する全エネルギの変化のような効果によって減幅する。パネルに到達する全エネルギの変化は、主に、光学系の伝達率に影響を与えるレーザのビームパラメータの変化によって誘起される。これらの理由から、有意な処理パラメータを測定し、安定化させなければならない。

通常、レーザエネルギは、レーザの射出窓の周りでエネルギを測定するフィードバックループによって安定化される。殆ど各々の市販レーザには、そのようなフィードバックループが装備されているので、このフィードバックループは、最も多くの場合に用いられるレーザエネルギ安定化技術である。そのようなレーザエネルギ安定化系を含むレーザアニール系は、非常に良好に機能するが、シリコン層上のレーザ線に沿ったエネルギ密度の変化を防ぐことはなく、ＴＤＸ工程を用いる時に低劣な結晶品質を招く。

ＵＳ７，０６１，９５９Ｂ２は、安定化測定モジュール（ＳＭＭ）におけるレーザへのエネルギモニタフィードバックを開示している。ＳＭＭは、上述のように定めたビーム成形光学系の一部である。そのような配列の欠点は、シリコン層上のレーザ線のエネルギ密度の無視することができない変化である。
更に、ＵＳ７，０６１，９５９Ｂ２は、作業台におけるエネルギモニタフィードバックを開示している。作業台におけるエネルギモニタ自体は、光が吸収され、レーザからのエネルギがアモルファス半導体膜を融解させる熱へと変換される位置におけるエネルギを瞬時に制御するという利点を有する。それにも関わらず、この位置では、光エネルギは、いかなるパネルも位置していない期間に測定することしかできない。従って、エネルギモニタリングは、一時的な調節目的で取外し可能な保守ツールを用いて実施するか、又は作動モードにおいてレーザ線を走査する時にパネル間に配置されたエネルギ計測器によって実施することしかできない。
ＵＳ５，７２１，４１６Ａ１は、ビームプロフィールをモニタするために後で顕微鏡レンズによって立体像変換器上に結像される部分ビーム（数パーセント）を分岐させるための縮小光学系と最終窓の間のビーム経路内の透過ミラー配列を開示している。立体像変換器は、モニタリング目的でしか設けられない。モニタされた信号のレーザへのフィードバックは意図されていない。

ＵＳ１１／３１８，１２７ ＵＳ６０／７３１，５３９ ＵＳ６０／７５３，８２９ ＷＯ２００６／０６６７０６Ａ２ ＵＳ７，０６１，９５９Ｂ２ ＵＳ５，７２１，４１６Ａ１

Ｄｅｒｅｎｉａｋ及びＣｒｏｗｅ著「光学放射検出器」（Ｗｉｌｅｙ）

従って、本発明の目的は、照射されている試料上のレーザ線のエネルギ密度の変動の低減が向上したレーザ光源のエネルギを制御するための照射装置及び方法を提供することである。

この目的は、請求項１及び請求項１８の特徴付け部分の特徴を有するエネルギが制御された幅狭の照射線によって作業台上の試料を照射するための照射装置、及び請求項９及び請求項２５の特徴付け部分の特徴を有する幅狭の照射線によって作業台上の試料を照射する時のレーザ光源のエネルギを制御する方法によって達成することができる。
有利な変形及び実施形態は、従属請求項の主題である。

指向性、発散性、及び偏光のような一部のビームパラメータは、時間と共に変化するので、ビーム成形光学系を通じた伝達率は変化を受ける。それによって主な処理パラメータのうちの１つ、すなわち、パネル上のエネルギ密度が影響を受ける。
エネルギが制御された幅狭の照射線によって作業台上の試料を照射するための照射装置を提供し、それによって照射線は、レーザから生成、放出され、照射線は、第１の方向の寸法、及び第１の方向に対して垂直な第２の方向の寸法を有し、それによって第１の方向の寸法は、第２の方向の寸法をある一定の倍数で超える。更に、照射装置は、レーザビームを線形状へと成形するためのビーム成形光学系と、レーザビームのエネルギを測定するためのエネルギ測定デバイスと、測定されたレーザビームエネルギに対して制御信号を生成し、制御信号に基づいてレーザ光源のエネルギ出力を制御するためのエネルギ制御系とを含み、エネルギ測定デバイスは、ビーム成形光学系の後でかつ作業台の前のビーム経路に配置される。以下では簡略化のために処理エネルギモニタ（ＰＥＭ）と呼ぶエネルギ測定デバイスは、パネル上に入射するエネルギを測定し、信号をレーザの制御ループにフィードバックする。

照射装置は、ＥＬＣ処理、ＳＬＳ処理、又はＴＤＸ処理に関するもののようなレーザアニール目的及び／又はレーザ結晶化目的に制限されないだけでなく、例えば、数百又は更に数千という高いアスペクト比を有する細い照射線を必要とするあらゆるレーザ光露光にも限定されない。
外縁におけるビームの一部分のみを拠り所とするエネルギ測定は、外縁におけるエネルギが、合計ビームエネルギの良好な尺度である場合にのみ有用な制御信号を供給することができるが、一般的にはそのようにならないことが見出されている。従って、好ましい実施形態によると、制御信号は、線形状ビームの第１の方向の寸法に沿って平均されたビームエネルギを示すように生成される。

ビーム性能及び／又は出力エネルギを変動させることなく、本発明による照射装置のビーム経路内にエネルギ計測器を直接に配置することは非常に困難である。１つの解決法は、エネルギ測定デバイスが、線形状ビームの一部分を分離するためのビームスプリッタ及びこの部分を検出するための検出器を含むこととすることができる。
一般的に、検出器は、レーザ光を検出することができるあらゆる種類のアレイとすることができる。特に、検出器は、センサを２次元で有する２次元アレイ、又は光検出要素を１次元のみで有し、すなわち、好ましくは、長軸方向に配向された１次元アレイとすることができる。本発明による好ましい実施形態では、検出器は、上述の部分を収集するために第１の方向に並列で配置された複数のフォトダイオードを含む。これらのフォトダイオードは、数行のフォトダイオードが２次元センサアレイを形成するように配置することができるが、最も好ましい実施形態は、並列に配置されたフォトダイオードの１次元アレイから成る。

可能な限りフォトダイオードの個数を低減するために、本発明による照射装置の検出器は、上述の部分を複数のフォトダイオード上に集束させるために、複数の球面レンズを更に含む。同様に、円柱レンズ、互いに直交する円柱面を有する二重円柱レンズ、又はあらゆる他の集束レンズを用いることができることを説明しておくことは価値があると考えられる。それにも関わらず、製造可能性の理由から球面レンズが好ましいものになる。
好ましい実施形態では、本発明による照射装置は、線形状ビームを第２の方向において縮小するために、ビーム成形光学系の後のビーム経路内に縮小光学系を更に含むことができる。エネルギ測定デバイスは、ビーム経路方向に縮小光学系の前又は後に位置させることができる。代替的に、エネルギ測定デバイスは、縮小光学系自体の中に位置させることができる。縮小光学系によってビームが大きく狭窄化される場合には、ビームの最も有意な部分の収集（及びその後の検出）は容易とすることができる。

本発明による照射装置の更に好ましい実施形態は、線形状ビームを試料上に結像させるための結像光学系を含む。結像光学系は、上述の縮小光学系を含むことができる。ビーム結像は、試料上の照射線特性を改善することができる。
別の好ましい実施形態によると、ビーム成形光学系は、レーザビームをこのレーザビームの少なくとも第１の方向の寸法に沿って均一化するためのホモジナイザーを含む。この場合、エネルギ測定デバイスは、ホモジナイザーの後のビーム経路内に位置する。ビーム成形光学系における使用のための一般的なホモジナイザーは、ＵＳ５，７２１，４１６Ａ１又はＷＯ２００６／０６６７０６Ａ２に開示されている。
別の好ましい実施形態では、ビーム成形光学系は、レーザビームの寸法を少なくとも第２の方向において定めるための視野定義光学デバイスを含む。ＵＳ５，７２１，４１６Ａ１、ＵＳ６０／７３１，５３９、及びＵＳ６０／７５３，８２９は、レーザビームの寸法を少なくとも第２の方向において定義又は制限するための配列を開示している。

本発明の別の態様により、エネルギが制御された幅狭の照射線によって作業台上の試料を照射する時にレーザ光源のエネルギを制御し、それによって照射線が、ビーム経路に沿って伝播してレーザ光源から放出され、かつ第１の方向にこの第１の方向に対して垂直な第２の方向の寸法をある一定の倍数で超える寸法を有するレーザビームから生成され、レーザビームを線形状へと成形する段階と、ビーム成形光学系の後でかつ該作業台の前のビーム経路内でレーザビームのエネルギを測定する段階と、測定されたレーザビームエネルギに対して制御信号を生成する段階と、制御信号に基づいてレーザ光源のエネルギ出力を制御する段階とを更に含む方法を提供する。

好ましくは、本発明による方法は、制御信号が、線形状ビームの第１の方向の寸法に沿って平均されたビームエネルギを示すことを特徴とする。代替的に、ビームの外縁における一部分のみを拠り所とすることは、外縁におけるエネルギが合計ビームのエネルギを反映しない可能性があることから不利である。
更に好ましい実施形態によると、本発明による方法は、レーザビームをビーム成形光学系の後でかつ作業台の前のビーム経路内で分割し、一部分を分離し、この部分を検出する段階を含む。

本方法は、更に、好ましくは、上述の部分のビームエネルギをこの部分の第１の方向の寸法に沿って平均する段階を含む。ビームエネルギを第２の方向に平均することは必要ではなく、一部の場合には殆ど不可能でもある。ビームエネルギを第１の方向の寸法に沿って平均する段階は、制御信号を生成するのに十分な情報を含む。平均段階は、ビームエネルギを長軸方向だけに沿って積分することによって行うことができる。信号の積分される長さに関する重み付けは必要ではない。

本方法の更に好ましい実施形態は、上述の部分を複数のサブビームに分割し、この複数のサブビームを例えば複数のフォトダイオードを含む検出器アレイ上に集束させる段階を特徴とする。代替的に、焦電センサ及び熱電センサを用いることができる。これは、フォトダイオードのような必要な検出器アレイ要素の個数の低減、並びにビーム寸法を合計として収集する効率的な手法を意味する。複数のビームを集束させる段階は、検出されるビームに対する検出器の調節をいかなる集束手段も持たない場合よりも極めて容易に達成することができるという利点も有する。

更に別の変形によると、本発明による方法は、線形状ビームを第２の方向において縮小する段階を含む。エネルギは、ビーム経路方向に線形状ビームを第２の方向において縮小する前、その後、又はその間に測定することができる。
任意的に、本発明による方法は、線形状ビームを試料又はパネル上に更に結像させることを特徴とすることができる。ビームを結像する段階は、照射線特性を中間視野平面、及び従って試料又はパネル上で変更することができるという利点を有する。
本発明による方法は、レーザビームを少なくともレーザビームの第１の方向の寸法に沿って均一化する段階を更に含むことができる。ビームエネルギは、レーザビームを均一化した後のビーム経路内で測定することができる。

本発明の更に別の態様により、作業台上の試料を照射するための照射装置には、エネルギが制御された幅狭の照射線が設けられ、照射線は、ビーム経路に沿って伝播するレーザビームから生成され、かつレーザ光源から放出され、かつ第１の方向にこの第１の方向に対して垂直な第２の方向の寸法をある一定の倍数で超える寸法を有する。装置は、レーザビームを線形状へと成形するためのビーム成形光学系と、レーザビームのエネルギを測定するためのエネルギ測定デバイスと、測定されたレーザビームエネルギから線形状ビームの第１の方向の寸法に沿って平均されたビームエネルギを示す制御信号を生成し、かつ制御信号の結果としてレーザ光源のエネルギ出力を制御するためのエネルギ制御系とを更に含む。

好ましくは、本発明の第１の態様に関して既に上述したように、エネルギ測定デバイスは、線形状ビームの一部分を分離するためのビームスプリッタ、及びこの部分を検出するための検出器を含む。
検出器は、上述の部分を収集するために第１の方向に並列に配置された複数のフォトダイオードを任意的に備える。
更に、単純化の理由から、検出器は、上述の部分を複数のフォトダイオード上に集束させるための複数の球面レンズを更に含むことができる。
フォトダイオードのうちの少なくとも２つは、電気的に並列に結合することができる。フォトダイオードを並列に結合することにより、フォトダイオードを照射した時に、結果として光電流の追加が生じる。光電流の追加から成る電流信号は、フォトダイオード上に入射するビームエネルギの（正規化されていない）平均に対応する。

一般的に、レーザのレーザビーム出力を制御するために電圧信号が用いられる。電圧制御信号は、フォトダイオード（のうちの少なくとも１つ）に電気的に直列に結合されたシャント抵抗器に沿った電圧降下を測定することによって生成することができる。
強度を測定するための損失を小さく保つために、逆バイアスが印加されたフォトダイオードを用いることができ、この使用は、必要に応じて、短いエキシマレーザパルスの時間分解検出を容易にすることにもなる。

光学信号の検出に関する例は、Ｄｅｒｅｎｉａｋ及びＣｒｏｗｅ著「光学放射検出器」（Ｗｉｌｅｙ）に示されており、この文献は、引用によって本明細書に組み込まれている。
原理的には、レーザ出力は、電子フィードバックループによって制御することができる。入力信号は、いくつかのフォトダイオードによって生成することができる。各フォトダイオード内のレーザパルスによって生成される電荷は、電子的に追加することができる。暗電流を弱く保つために、フォトダイオードにバイアスを印加しないことが可能である。

本発明の更に別の態様により、幅狭の照射線によって作業台上の試料を照射する時にレーザ光源のエネルギを制御する方法を提供し、それによって照射線は、ビーム経路に沿って伝播するレーザビームから生成され、かつレーザ光源から放出され、かつ第１の方向にこの第１の方向に対して垂直な第２の方向の寸法をある一定の倍数で超える寸法を有し、本方法は、レーザビームを成形する段階と、成形されたレーザビームのエネルギを測定する段階と、制御信号を測定されたレーザビームエネルギに対して生成し、それによって制御信号が、第１の方向の線形状ビームの寸法に沿って平均されたビームエネルギを示し、かつ制御信号に基づいてレーザ光源のエネルギ出力を制御する段階とを含む。

本方法の好ましいバージョンによると、線形状ビームの一部分が分離され、その後検出される。より好ましくは、この部分は、複数のビームレットに分割される。ビームレットの各々は、その後、別々に検出される。
上述の節で説明した方法に沿って、好ましくは、複数のビームレットの各々は、検出に向けて別々に集束される。
好ましい実施形態では、本方法は、ビームレットの各々を別々に検出する際に生成された検出信号を合計信号へと変換する段階を含む。そのような合計信号は、検出されたビームの平均を表している。次に、合計信号は、制御信号へと変換することができる（例えば、上述の方法で）。
以下では、本発明を図面を参照して説明する。

本発明によるＴＤＸ装置の概略図である。 図１に記載のＴＤＸ装置の概略部分図である。 図１及び図２に記載の本発明によるＴＤＸ装置内に組み込まれるエネルギ測定デバイスの図である。 本発明に従って配置されたエネルギモニタを用いてレーザ出力エネルギを制御した場合のパネル／試料におけるエネルギ変動を、従来技術に従って配置されたエネルギ計測器を用いたレーザ出力エネルギ制御と比較して示す図である。

図１は、本発明による特に上述のＴＤＸ処理を適用するための照射装置の概略図を示している。このＴＤＸツールは、光源として、パルスレーザビーム１２を放出するＸｅＣｌエキシマレーザのようなエキシマレーザ１０を含む。一般的なパルス幅は、１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚの一般的な繰返し数において１０ｎｓ〜３０ｎｓである。そのようなレーザパルスのエネルギは、一般的に、１００ｍＪ〜１０００ｍＪの範囲にある。

１０ｍｍ×３０ｍｍという一般的な矩形断面を有するこのレーザビーム１２は、ビーム経路１３に沿って誘導され、以下に詳細に説明する光学系によって幅狭の照射線７０へと変換される。試料／パネル６６上の照射線７０は、走査方向に対して横向きの長軸方向に少なくとも２００ｍｍの寸法を有し、短軸方向、すなわち、走査方向に３μｍから７μｍの寸法を有する。高いアスペクト比を有するこの照射線７０は、作業台６８上に位置決めされたパネル６６のような試料を照射する。作業台６８は、１０ｍｍ／ｓ前後の台走査速度で移動され、その結果、例えば、２μｍ／パルスという一般的な走査区分が生じる。

レーザビーム１２は、レーザ１０を離れた後に、いわゆるビーム送出ユニット（ＢＤＵ）１４に誘導される。このＢＤＵ１４は、入射窓１６、２−／６倍だけパルス幅を伸張するためのパルス伸張器１８を含む。伸張されたレーザパルス１２は、射出窓２０を通じてＢＤＵ１４を出射する。
次に、レーザビーム１２の断面は、矩形のものから線形状へと変換される。この目的のために、レーザビーム１２は、最初にビーム事前調整ユニット（ＢＰＵ）２２に誘導される。ＢＰＵ２２は、複数の光学要素２４を含む。光学要素２４のこの配列は、レーザビーム１２の強度分布を平坦化するように機能する。

ＢＰＵ２２の後のビーム経路１３に配置されたビーム拡張ユニット（ＢＥＵ）２６は、レーザビーム１２を縦方向において拡張するように機能する。以下では、縦方向を常に参照番号ｘで示し、レーザビームの幅方向を参照番号ｙでラベル付けする。この場合には、レーザビーム１２の寸法は、ビーム経路１３上に順次配置された４つのレンズ２８を用いて実施される。そのようなレンズの使用の代わりに、屈曲ミラーが、従来技術の使用において有利であることも公知である。

本発明による照射装置の合計寸法を縮小するために、複数の平面ミラーを用いることができる。例示的に、レーザビーム１２が、ビーム安定性測定ユニット（ＢＳＭＵ）３６に入射する前に、３つのミラー３０，３２，３４がビーム経路１３を折り返している。ビーム安定性測定ユニット３６は、例えば、レーザビーム１２の向き及び／又は位置を調節及び／又は補正するために、異なる方向に移動させることができる光学要素３８の配列を含む。ＢＳＭＵ３６の射出口には、それぞれのレーザビームモニタリングデバイス（この図には示していない）が位置する。詳細は、例えば、ＵＳ７，０６１，９５９Ｂ２に開示されている。

ビーム経路１３内のＢＳＭＵ３６に続いて、拡張された線形状レーザビーム１２を均一化するための均一化デバイス４０が位置決めされる。図１による例におけるこのホモジナイザー４０は、円柱レンズアレイ４２、それに続いてレンズ４４、更に別の円柱レンズアレイ４６、ロッド４８、及びコンデンサ５０を含む。ＵＳ５，７２１，４１６Ａ１又はＷＯ２００６／０６６７０６Ａ２は、追加的又は代替的に、ビーム経路１３内のホモジナイザー４０が位置する位置に挿入することができる複数の異なるホモジナイザーを開示している。

次に、レーザビーム１２は、折り返しミラー５２に誘導され、それに続いて視野定義ユニット（ＦＤＵ）５４に誘導される。ＦＤＵ５４は、視野平面内、特に、パネル平面６６内のレーザビーム１２の短軸方向ｙの寸法を定める。ＦＤＵ５４は、ＵＳ５，７２１，４１６Ａ１に説明されている配列、又は代替的に、ＵＳ６０／７３１，５３９又はＵＳ６０／７５３，８２９に開示されている配列のうちの一方を含むことができる。

光学ビーム経路１３内でＢＤＵ１４に続くＦＤＵ５４の射出口までの光学要素は、レーザビーム１２を矩形断面を有する原レーザビームから、長軸方向に沿って望ましい均一な強度分散を有する線ビームへと成形されるので、光学要素のそれぞれの配列を以下ではビーム成形ユニット（ＢＳＵ）と呼ぶ。図１に参照番号８０で示している破線は、ＢＳＵにおける上述の光学要素を囲んでいる。
ＢＳＵ８０を離れると、矩形断面形のレーザビーム１２は、複数の平面又は円柱ミラー５６，６０，６２それぞれを含む結像、縮小、及び折り返しの組合せ光学系８２に誘導される。ミラー５６，６０，６２の配列の代わりに、複数の円柱レンズ又はレンズとミラーの組合せを用いることができる。一般的な構成は、例えば、ＷＯ２００６／０６６７０６Ａ２又はＵＳ５，７２１，４１６Ａ１に開示されている。レーザビーム１２は、簡略化の理由から、以下ではビーム投影ユニット（ＢＰＵ）８２と呼ぶ結像、縮小、及び折り返し光学系８２を射出窓６４を通って離れる。ＢＳＵ８０を離れる時の寸法と比較して拡張された長軸寸法と縮小された短軸寸法とを有するレーザビーム１２は、幅狭の照射線７０として、作業台６８上にある例えばアモルファスシリコン層で覆われたパネル６６上に集束される。

図２は、図１による光学系の照射線を生成するための主な特徴を要約し、光トレーンをブロック図として示している。特に、光源及びＢＳＵは、それぞれ参照番号１０及び８０で示している矩形のブロックとして示しており、一方でＢＰＵ８２を上述の円柱ミラー６２だけによって表している。例示目的で、ＢＳＵ８０に入射するレーザビーム１２を点断面を有する単一の直線として示しており、一方でＢＳＵ８０を離れる時に断面が長軸方向において更に拡張するレーザビームを２つの発散する線１２ａ，１２ｂ、及びこれらの線１２ａ，１２ｂそれぞれを結ぶ直線７０ａで示している。作業台６８上に位置決めされたパネル６６上に集束される照射線７０を直線で示しており、長軸方向と短軸方向をそれぞれ参照番号ｘ及びｙで示している。

本発明者は、パネル上のエネルギ密度が最も有意な処理パラメータであるから、パネル６６の周りで又は対応するエネルギ密度を有する位置でパルスエネルギを測定すべきであることを認識した。この信号は、レーザ１０の安定化回路にフィードバックすべきである。
パネル６６におけるエネルギ密度は、その大部分がレーザエネルギと光学系を通じた光学伝達率とによって与えられる。系の伝達率の変化は、その大部分がビーム成形モジュール８０内で向き、ビーム発散、又は偏光のようなパラメータが変化する時に生じる。投影光学系８２による系の伝達率に対する影響は比較的小さい。従って、エネルギ測定に適する位置は、ビーム経路１３に沿って投影モジュール８２内又はパネルから反射されたビーム内に位置する。

従って、ＵＳ７，０６１，９５９Ｂ２に開示されている従来技術によると、エネルギ計測器は、ＢＳＭＵ９４とホモジナイザー４０の間に位置し、これを図１に破線内の光学要素９４で示しており、それに対して本発明によると、エネルギ計測器は、ＢＳＵ８０の射出口とパネル６６の間のビーム経路１３内に位置する。
パネルレベルにおける直接測定に比べて、センサを投影光学系内に位置決めすることにはいくつかの利点がある。大きい利用可能空間が存在し、レーザ線の像品質に対して小さい影響しか存在しない。パネルからある程度の距離の位置では、線は、依然としてその全長に達しておらず、従って、ビームスプリッタを用いて光を収集することが容易である。

従って、図１に示している特定的な実施形態では、以下で処理エネルギモニタ（ＰＥＭ）５８と呼ぶエネルギ計測器が、ミラー５６と６０の間に位置する。ＰＥＭ５８は、図２に示しているように、半透過窓又は透過窓とすることができるビームスプリッタ８４及び検出器８６を含む。ビームスプリッタ８４の前面に当たる線形状のレーザビーム１２の主な部分は、ビームスプリッタ８４を通過し、かつ結像及び縮小され、パネル６６上に最終照射線７０を形成する。例えば、好ましくは、０．０５％から０．５％の部分７０ｂが、例えば、ビームスプリッタ８４の後面上で反射され、検出器８６に誘導される。

検出器８６は、部分７０ｂ（又は少なくともその一部）を検出し、これを測定信号７４、例えば、電流又は電圧へと変換する。測定信号７４は、フィードバックループ７２を通じて、レーザビーム源１０の出力エネルギを制御するための制御信号７８を生成する主コントローラのような制御デバイス７６にフィードバックされる。
空間的に分解されたエネルギ密度を検出するためには、大きい２次元センサが必要になる。レーザのためのフィードバック信号は、レーザエネルギを判断するアナログ値として始まる。この信号を得るためには、数値的積分（記録値を加算する）、電気的積分（感光要素の電流を加算する）、又は光学的積分（レンズ要素における光を加算する）を行わなければならない。幅狭の照射線に伴う現状の問題に対して、本発明者は、光学的及び電気的な平均法を用いた解決法を選択することにした。

図３は、図１及び図２によるＴＤＸ装置の一部であるエネルギ測定デバイス８６を示している。ビームエネルギの約０．２％が、２面反射防止（ＡＲ）コーティングガラスプレートとして達成される上述のビームスプリッタ８４によって分離される。部分ビーム７０ｂの殆どは、部分７０ｂを４つの個別ビームレット９２ａ，９２ｂ，９２ｃ，９２ｄに分割する４つの大きい球面レンズ８８ａ，８８ｂ，８８ｃ，８８ｄを用いて４つのフォトダイオード９０ａ，９０ｂ，９０ｃ，９０ｄ上に集束される。４つのフォトダイオード９０ａ，９０ｂ，９０ｃ，９０ｄは、電気的に並列に接続され、組合せてシャント抵抗器Ｒ_sに電気的に直列に接続される。フォトダイオード９０ａ，９０ｂ，９０ｃ，９０ｄ及びシャント抵抗器Ｒ_sを含む電気回路は、逆バイアス電圧Ｖ₀によって逆バイアスが印加される。

フォトダイオード９０ａ，９０ｂ，９０ｃ，９０ｄが照射されると、光電流Ｉ_pha、Ｉ_phb、Ｉ_phc、Ｉ_phdが生成される。４つの個別光電流Ｉ_pha、Ｉ_phb、Ｉ_phc、Ｉ_phd（一般的に、等しくない）が、単一の共有シャント抵抗器Ｒ_s上で追加される。フィードバックループ７２に必要な制御信号７８は、この回路の出力において出力電圧Ｖ_outとして取得することができる。
４つのフォトダイオード９０ａ，９０ｂ，９０ｃ，９０ｄは、電気的に並列に接続される。フォトダイオード９０ａ，９０ｂ，９０ｃ，９０ｄ、及び個別電荷を追加する電子回路を含む電気回路は、合計信号を分析し、出力電圧Ｖ_outを生成する。４つのフォトダイオード９０ａ，９０ｂ，９０ｃ，９０ｄが照射されると、電荷Ｑ_Pha、Ｑ_phb、Ｑ_phc、Ｑ_phdが生成される４つの個別電荷Ｑ_Pha、Ｑ_phb、Ｑ_phc、Ｑ_phd（一般的に、等しくない）が、電子回路内で追加される。フィードバックループ７２に必要な制御信号７８は、この回路の出力において出力電圧Ｖ_outとして取得することができる。
４つのフォトダイオード９０ａ，９０ｂ，９０ｃ，９０ｄ及び読み取りのための電子回路を含む感知デバイスの代わりに、いずれの数のセンサ形式及びその対応回路を用いることができると考えられる（フォトダイオード、光電子増倍管、焦電、光抵抗、フォトンドラッグなどを用いることができる）ことを説明しておくことは価値があるであろう。

ＰＥＭデバイス５８を用いてＴＤＸ装置を改良すると、パネル６６上のエネルギ密度の安定性の有意な改善、及び拡張された処理ウィンドウを見ることができる。図４は、エネルギ計測器（例えば、ＵＳ７，０６１，９５９Ｂ２に開示されているもの等）を用いて記録されたパネル平面６６内の正規化線ビームエネルギを示している。細線の曲線は、ＰＥＭ５８ではなく、ＢＳＭＵ３６とホモジナイザー４０の間のビーム経路１３内に位置したエネルギ計測器９４を用いた場合の±３．５％の変動を示している。レーザ光源１０のフィードバック制御に向けてＰＥＭ５８をミラー５６と６０の間のビーム経路１３内に用いることにより、変動（太い曲線）は、±０．７％へと低下した。その結果、有用な処理ウィンドウは、５．５％だけ拡張することができると考えられる。

参照番号
１０ エキシマレーザ
１２ レーザビーム
１２ａ 線
１２ｂ 線
１３ ビーム経路
１４ ビーム送出ユニット（ＢＤＵ）
１６ 入射窓
１８ パルス伸張器
２０ 射出窓
２２ ビーム事前調整ユニット（ＢＰＵ）
２４ 光学要素配列
２６ ビーム拡張ユニット（ＢＥＵ）
２８ レンズ配列
３０ ミラー
３２ ミラー
３４ ミラー
３６ ビーム安定性測定ユニット（ＢＳＭＵ）
３８ 光学要素配列
４０ ホモジナイザー
４２ 円柱レンズアレイ
４４ レンズ
４６ 円柱レンズアレイ
４８ ロッド
５０ コンデンサ
５２ ミラー
５４ 視野定義ユニット（ＦＤＵ）
５６ ミラー
５８ 処理エネルギモニタ（ＰＥＭ）
６０ ミラー
６２ ミラー
６４ 射出窓
６６ パネル
６８ 作業台
７０ 照射線
７０ａ 線形状ビーム
７０ｂ 線形状ビームの一部分
７２ フィードバックループ
７４ 測定信号
７６ 主コントローラ
７８ 制御信号
８０ 照射系／ビーム成形ユニット（ＢＳＵ）
８ ２ 結像光学系／縮小光学系／ビーム投影ユニット（ＢＰＵ）
８４ ビームスプリッタ／透過ミラー
８６ 検出器
８８ａ レンズ
８８ｂ レンズ
８８ｃ レンズ
８８ｄ レンズ
９０ａ フォトダイオード
９０ｂ フォトダイオード
９０ｃ フォトダイオード
９０ｄ フォトダイオード
９２ａ 集束されたビームレット
９２ｂ 集束されたビームレット
９２ｃ 集束されたビームレット
９２ｄ 集束されたビームレット
９４ エネルギ計測器（従来技術）
ｘ 第１の方向
ｙ 第２の方向
Ｖ₀ バイアス電圧
Ｖ_out 出力電圧
Ｒ_s シャント抵抗器
Ｉ_pha 光電流
Ｉ_phb 光電流
Ｉ_phc 光電流
Ｉ_phd 光電流

１２ 線形状レーザビーム
６６ パネル
７０ 最終照射線
８４ ビームスプリッタ
８６ 検出器

Claims (31)

1. ビーム経路（１３）に沿って伝播するレーザビーム（１２）から生成され、レーザ光源（１０）から放出され、かつ第１の方向（ｘ）に、該第１の方向（ｘ）に対して垂直な第２の方向（ｙ）の寸法を超える寸法を有する、制御されたエネルギの鮮明な照射線（７０）によって作業台（６８）上の試料（６６）を照射するための照射装置であって、
   レーザビーム（１２）を線形状（７０ａ）へと成形するためのビーム成形光学系（８０）と、
   前記レーザビーム（１２）のエネルギを測定するためのエネルギ測定デバイス（５８）と、
   前記測定されたレーザビームエネルギに対応して制御信号（７８）を生成し、かつ該制御信号（７８）に対応してレーザ光源（１０）のエネルギ出力及び／又は前記ビーム成形光学系（８０）の１つ又はそれよりも多くの構成要素の伝達率を制御するためのエネルギ制御系（７６）と、
   を含み、
   前記エネルギ測定デバイス（５８）は、前記ビーム成形光学系（８０）の後で、かつ作業台（６８）の前で、ビーム経路（１３）に配置される、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記制御信号（７８）は、前記第１の方向（ｘ）における前記線形状ビーム（７０ａ）の寸法に沿って平均化されたビームエネルギを示すことを特徴とする請求項１に記載の照射装置。
3. 前記エネルギ測定デバイス（５８）は、前記線形状ビーム（７０ａ）の一部分（７０ｂ）を分離するためのビームスプリッタ（８４）と該一部分（７０ｂ）を検出するための検出器（８６）とを含むことを特徴とする請求項１から請求項２のいずれか１項に記載の照射装置。
4. 前記検出器（８６）は、前記一部分（７０ｂ）を収集するために前記第１の方向（ｘ）に並べて配置された複数のフォトダイオード（９０ａ，９０ｂ，９０ｃ，９０ｄ）を含むことを特徴とする請求項３に記載の照射装置。
5. 前記検出器（８６）は、前記一部分（７０ｂ）を前記複数のフォトダイオード（９０ａ，９０ｂ，９０ｃ，９０ｄ）上に集束させるための複数のレンズ（８８ａ，８８ｂ，８８ｃ，８８ｄ）を更に含むことを特徴とする請求項４に記載の照射装置。
6. 前記第２の方向（ｙ）に前記線形状ビーム（７０ａ）を縮小するための縮小光学系（８２）を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の照射装置。
7. 前記線形状ビーム（７０ａ）を前記試料（６６）上に結像するための結像光学系（８２）を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の照射装置。
8. 前記ビーム成形光学系（８０）は、前記レーザビーム（１２）を少なくとも前記第１の方向（ｘ）におけるその寸法に沿って均一化するためのホモジナイザー（４０）を含むことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の照射装置。
9. 前記ビーム成形光学系（８０）は、少なくとも前記第２の方向（ｙ）において前記レーザビーム（１２）の寸法を定めるための視野定義光学デバイス（５４）を含むことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の照射装置。
10. 幅狭の照射線（７０）によって作業台（６８）上の試料（６６）を照射する時にレーザ光源（１０）のエネルギを制御し、それによって該照射線（７０）が、ビーム経路（１３）に沿って伝播するレーザビーム（１２）から生成され、該レーザ光源（１０）から放出され、かつ第１の方向（ｘ）に、該第１の方向に対して垂直な第２の方向（ｙ）の寸法をある一定の倍数で超える寸法を有する方法であって、
    ビーム成形光学系（８０）を用いてレーザビームを線形状（７０ａ）へと成形する段階と、
    前記レーザビーム（１２）のエネルギを測定する段階と、
    前記測定されたレーザビームエネルギに対して制御信号（７８）を生成する段階と、
    前記制御信号（７８）に対して前記レーザ光源（１０）のエネルギ出力及び／又は前記ビーム成形光学系（８０）の１つ又はそれよりも多くの構成要素の伝達率を制御する段階と、
    を含み、
    前記レーザビーム（１２）の前記エネルギを測定する段階は、前記ビーム成形の後かつ作業台（６８）の前のビーム経路（１３）においてなされる段階である、
    ことを特徴とする方法。
11. 前記制御信号（７８）は、前記第１の方向（ｘ）における前記線形状ビーム（７０ａ）の寸法に沿って平均化されたビームエネルギを示すことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記レーザビーム（１２）を、該ビームを成形した後かつ前記作業台（６８）の前で前記ビーム経路（１３）において分割し、分割によって一部分（７０ｂ）を分離し、かつ該一部分（７０ｂ）を検出する段階を特徴とする請求項１０又は請求項１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記一部分（７０ｂ）のビームエネルギを前記第１の方向（ｘ）における該一部分（７ｂ）の寸法に沿って平均化する段階を特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記部分（７０ｂ）を複数のサブビーム（９２ａ，９２ｂ，９２ｃ，９２ｄ）に分割し、該複数のサブビーム（９２ａ，９２ｂ，９２ｃ，９２ｄ）を複数のフォトダイオード（９０ａ，９０ｂ，９０ｃ，９０ｄ）上に集束させる段階を特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記第２の方向（ｙ）に前記線形状ビーム（７０ａ）を更に縮小する段階を特徴とする請求項１０から請求項１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記線形状ビーム（７０ａ）を前記試料（６６）上に更に結像させる段階を特徴とする請求項１０から請求項１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記ビーム成形段階は、前記レーザビーム（１２）を少なくとも前記第１の方向（ｘ）におけるその寸法に沿って均一化する段階を含むことを特徴とする請求項１０から請求項１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 前記ビーム成形段階は、前記レーザビーム（１２）の寸法を少なくとも前記第２の方向（ｙ）において定める段階を含むことを特徴とする請求項１０から請求項１６のいずれか１項に記載の方法。
19. ビーム経路（１３）に沿って伝播するレーザビーム（１２）から生成され、レーザ光源（１０）から放出され、かつ第１の方向（ｘ）に、該第１の方向（ｘ）に対して垂直な第２の方向（ｙ）の寸法をある一定の倍数で超える寸法を有するエネルギの制御された幅狭の照射線（７０）によって作業台（６８）上の試料（６６）を照射するための照射装置であって、
    レーザビーム（１２）を線形状（７０ａ）へと成形するためのビーム成形光学系（８０）と、
    前記レーザビーム（１２）のエネルギを測定するためのエネルギ測定デバイス（５８）と、
    前記測定されたレーザビームエネルギに対応して制御信号（７８）を生成し、かつ該制御信号（７８）に対応してレーザ光源（１０）のエネルギ出力を制御するためのエネルギ制御系（７６）と、
    を含み、
    前記制御信号（７８）は、第１の方向（ｘ）における前記線形状ビーム（７０ａ）の寸法に沿って平均されたビームエネルギを示す、
    ことを特徴とする装置。
20. 前記エネルギ測定デバイス（５８）は、前記線形状ビーム（７０ａ）の一部分（７０ｂ）を分離するためのビームスプリッタ（８４）と該一部分（７０ｂ）を検出するための検出器（８６）とを含むことを特徴とする請求項１９に記載の照射装置。
21. 前記検出器（８６）は、前記部分（７０ｂ）を収集するために前記第１の方向（ｘ）に並べて配置された複数のフォトダイオード（９０ａ，９０ｂ，９０ｃ，９０ｄ）を含むことを特徴とする請求項２０に記載の照射装置。
22. 前記検出器（８６）は、前記部分（７０ｂ）を前記複数のフォトダイオード（９０ａ，９０ｂ，９０ｃ，９０ｄ）上に集束させるための複数の球面レンズ（８８ａ，８８ｂ，８８ｃ，８８ｄ）を更に含むことを特徴とする請求項２１に記載の照射装置。
23. 前記フォトダイオード（９０ａ，９０ｂ，９０ｃ，９０ｄ）の少なくとも２つが、電気的に並列に結合されることを特徴とする請求項２２に記載の照射装置。
24. 前記フォトダイオード（９０ａ，９０ｂ，９０ｃ，９０ｄ）の少なくとも１つが、シャント抵抗器（Ｒ_s）に電気的に直列に結合されることを特徴とする請求項２２又は請求項２３のいずれか１項に記載の照射装置。
25. 前記フォトダイオード（９０ａ，９０ｂ，９０ｃ，９０ｄ）の少なくとも１つには、電気的な逆バイアス（Ｖ₀）が印加されることを特徴とする請求項２２から請求項２４のいずれか１項に記載の照射装置。
26. 幅狭の照射線（７０）によって作業台（６８）上の試料（６６）を照射する時にレーザ光源（１０）のエネルギを制御し、それによって該照射線（７０）が、ビーム経路（１３）に沿って伝播するレーザビーム（１２）から生成され、該レーザ光源（１０）から放出され、かつ第１の方向（ｘ）に、該第１の方向（ｘ）に対して垂直な第２の方向（ｙ）の寸法をある一定の倍数で超える寸法を有する方法であって、
    レーザビーム（１２）を線（７０ａ）へと成形する段階と、
    前記線形状レーザビーム（１２）のエネルギを測定する段階と、
    前記測定されたレーザビームエネルギに対して制御信号（７８）を生成する段階と、
    前記制御信号（７８）に対応してレーザ光源（１０）のエネルギ出力を制御する段階と、
    を含み、
    前記制御信号（７８）は、第１の方向における前記線形状ビーム（７０ａ）の寸法に沿って平均化されたビームエネルギを示す、
    ことを特徴とする方法。
27. 前記線形状ビーム（７０ａ）の一部分（７０ｂ）を分離し、かつ該部分を検出する段階を特徴とする請求項２６に記載の方法。
28. 前記部分（７０ｂ）を複数のビームレット（９２ａ，９２ｂ，９２ｃ，９２ｄ）に分割し、かつ該ビームレット（９２ａ，９２ｂ，９２ｃ，９２ｄ）の各々を別々に検出する段階を特徴とする請求項２７に記載の方法。
29. 前記複数のビームレット（９２ａ，９２ｂ，９２ｃ，９２ｄ）の各々を別々に集束させる段階を特徴とする請求項２８に記載の方法。
30. 前記ビームレット（９２ａ，９２ｂ，９２ｃ，９２ｄ）の各々を別々に検出する際に生成される検出信号（Ｉ_pha、Ｉ_phb、Ｉ_phc、Ｉ_phd）を合計信号（７４）へと変換する段階を特徴とする請求項２８又は請求項２９のいずれか１項に記載の方法。
31. 前記合計信号（７４）を前記制御信号（７８、Ｖ_out）へと変換する段階を特徴とする請求項３０に記載の方法。

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