JP2012191065A - レーザアニール装置及び方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】レーザ光の照射面における照度の変動を防止することができるマイクロレンズアレイを使用したレーザアニール装置及び方法を提供する。
【解決手段】光学部品１０は、透明基板の表面上に凸レンズ状の第１のマイクロレンズ１３が複数個形成された第１のマイクロレンズアレイ１１と、透明基板の表面上及び裏面上に凸レンズ状の夫々第２のマイクロレンズ１４及び第３のマイクロレンズ１５が夫々複数個形成された第２のマイクロレンズアレイ１２とから構成される。第１のマイクロレンズアレイ１１と第２のマイクロレンズアレイ１２とは、相互に間隔をおいて平行に配置され、第１のマイクロレンズ１３と第２及び第３のマイクロレンズアレイ１４，１５とは、相互に対応して同軸上に配置されていて、テレセントリック光学系を構成している。
【選択図】図３

Description

本発明は、マイクロレンズアレイを使用したレーザアニール装置及び方法に関し、特に、マイクロレンズアレイを透過したレーザ光を照射面に投影する際の照度変動を防止したレーザアニール装置及び方法に関する。
マイクロレンズアレイを使用したレーザアニール装置は、レーザ光源から出射されたレーザ光を、光軸に垂直方向の強度分布を均一化するホモジナイザを介して、コンデンサレンズに入射させ、このコンデンサレンズによりレーザ光を平行光にした後、マスクパターンを介してマイクロレンズアレイに入射させる。そして、このマイクロレンズアレイの各マイクロレンズにより、レーザ光を、例えば、ＴＦＴ基板上に設定されたＴＦＴ形成予定領域に集光させる（例えば、特許文献１，２）。このＴＦＴ形成予定領域に形成されたアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜を、マイクロレンズアレイにより集光されたレーザ光で、パルス状に照射することにより、ａ−Ｓｉ膜が一旦溶融し、その後、この溶融したａ−Ｓｉが急冷されることにより、多結晶シリコン膜が形成される。これにより、ＴＦＴ形成予定領域のレーザアニールによる改質が行われる。
図５は、従来のレーザアニール装置に使用されるマイクロレンズアレイを示す斜視図、図６は、１個のマイクロレンズの縦断面を示す模式図である。マイクロレンズアレイ１は、１枚のガラス基板の表面及び裏面に凸レンズとしてのマイクロレンズ２を形成し、このマイクロレンズ２を行方向及び列方向に２次元的に複数個配置したものである。マイクロレンズアレイ１は、レーザ光の光源側（通常、上側）を表面側とし、照射面側（通常、下側）を裏面側として、配置される。そして、図６に示すように、マスク３のパターンを透過したレーザ光は、マイクロレンズアレイ１の表面側のマイクロレンズ２ａに入射し、裏面側のマイクロレンズ２ｂから出射して照射面４に照射される。このとき、表面側のマイクロレンズ２ａは、レーザ光を集光する照明レンズとして作用し、裏面側のマイクロレンズ２ｂは、照射面において画像を作る投影レンズとして作用する。
特開２０１０−２８３０７３号公報 特開２００４−３１１９０６号公報
しかしながら、従来のマイクロレンズアレイを使用したレーザアニール装置は、マイクロレンズ２ｂから出射したレーザ光の画像の焦点位置が、アニール対象物の照射面４から変動した場合に、照射面における照度が変動すると共に、サイズが変動してしまうという問題点がある。このような照度変動により、アニール対象物に対する加熱熱量が変動し、アニール条件が変動するという問題点がある。
即ち、液晶表示装置のＴＦＴ基板を熱処理する際、従前は、基板に対してその全面をレーザ光によりスキャンして、基板上に形成されたアモルファスシリコン膜（ａ−Ｓｉ膜）を、溶融凝固により、多結晶シリコン膜に改質していた。しかし、基板全体にレーザ光を照射することは無駄であり、マイクロレンズアレイを使用して、ＴＦＴの形成領域のみを多結晶シリコンに改質することが試みられている。このとき、マスクの１個の開口部と、それに対応する１個のマイクロレンズとにより、レーザ光を１個のＴＦＴ形成領域に照射するが、従来は、図６に示すように、１枚のマイクロレンズアレイ１によりレーザ光を基板上に照射しているために、非テレセントリックな光学系となり、マイクロレンズの焦点位置から基板表面の被照射面の位置が変動したときに、レーザ光の照射面上での照射領域が広がると共に、照射エネルギ密度の照射面上での分布が不均一となるという問題点がある。そうすると、各ＴＦＴ形成領域内における投入エネルギの密度が不均一なものとなり、主として、アニール後の多結晶シリコン領域の結晶粒度が、各ＴＦＴ形成領域内で変動してしまう。そうすると、各ＴＦＴのキャリア移動速度が変動してしまう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、レーザ光の照射面における照度（照射エネルギ分布）の変動を防止することができるマイクロレンズアレイを使用したレーザアニール装置及び方法を提供することを目的とする。
本発明に係るレーザアニール装置は、レーザ光を発光するレーザ光源と、透明基板の表面及び／又は裏面上に凸レンズ状のマイクロレンズが複数個形成された第１のマイクロレンズアレイと、透明基板の表面上及び／又は裏面上に凸レンズ状のマイクロレンズが複数個形成された第２のマイクロレンズアレイと、前記レーザ光源からのレーザ光を平行光に整形した後前記第１のマイクロレンズアレイに導く光学系と、を有し、
前記第１のマイクロレンズアレイと前記第２のマイクロレンズアレイとは、相互に間隔をおいて平行に配置され、前記第１のマイクロレンズアレイ及び前記第２のマイクロレンズアレイとは、そのマイクロレンズが相互に対応して同軸上に配置されていて、テレセントリック光学系を構成していることを特徴とする。
本発明に係るレーザアニール方法は、レーザ光を発光するレーザ光源と、透明基板の表面及び／又は裏面上に凸レンズ状のマイクロレンズが複数個形成された第１のマイクロレンズアレイと、透明基板の表面上及び／又は裏面上に凸レンズ状のマイクロレンズが複数個形成された第２のマイクロレンズアレイと、前記レーザ光源からのレーザ光を平行光に整形した後前記第１のマイクロレンズアレイに導く光学系と、を有するレーザアニール装置を使用し、
前記第１のマイクロレンズアレイと前記第２のマイクロレンズアレイにより、テレセントリックな光学系を構成して、アニール対象物上に焦点を結んだときに像を結像するように前記レーザ光を前記アニール対象物に照射することを特徴とする。
本発明によれば、第１及び第２のマイクロレンズアレイからなる光学部品により、テレセントリック光学系を構成して、アニール対象物に対し、レーザ光がこのアニール対象物の上で焦点を結んだときに像が結像する条件で、レーザ光をアニール対象物に照射してレーザアニールをするので、各マイクロレンズから出射したレーザ光の焦点位置と、照射面との間の距離が変動しても、照射面上の像がぼけてそのエッジが広がるだけで、各マイクロレンズによる像のピッチは変動しない。このため、マイクロレンズアレイによる照射面上のレーザ光の照射領域の広がりは小さい。従って、照射面上のレーザ光の照度の変動は、従来に比して著しく小さい。
本発明の実施形態に係るマイクロレンズアレイ光学部品１０を示す斜視図である。 その各１個のマイクロレンズの光学系を示す断面図である。 テレセントリック光学系を示し、（ａ）、（ｂ）は照射面上に結像した画像を示す図である。 レーザ光による照明位置と、その位置でのレーザ光のエネルギ密度との関係を示すグラフ図である。 従来のレーザアニール装置に使用されるマイクロレンズアレイを示す斜視図である。 その１個のマイクロレンズの光学系を示す模式図である。 非テレセントリック光学系を示し、（ａ）、（ｂ）は照射面上に結像した画像を示す図である。 レーザ光による照明位置と、その位置でのレーザ光のエネルギ密度との関係を示すグラフ図である。
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るマイクロレンズアレイ光学部品１０を示す斜視図、図２はその各１個のマイクロレンズの光学系を示す断面図、図３は照射面上に結像した画像を示す図である。図１に示すように、この光学部品１０は、第１のマイクロレンズアレイ１１と第２のマイクロレンズアレイ１２とが適長間隔をおいて、相互に平行になるように、配置されている。また、これらの第１及び第２のマイクロレンズアレイ１１，１２は、基本的には、水平に配置され、水平に搬送されてくるアニール対象の基板（例えば、ＴＦＴ基板）の上方に配置される。そして、レーザ光源（図示せず）から出射したレーザ光は、光学系により、その光軸に垂直方向の強度分布が均一化され、平行光に整形された後、上方のマイクロレンズアレイ１１の表面（上面）に入射する。
第１のマイクロレンズアレイ１１の表面には、複数個の凸レンズ状のマイクロレンズ１３がマトリクス状に配置されて形成されており、第２のマイクロレンズアレイ１２の表面には、同様に複数個の凸レンズ状のマイクロレンズ１４がマトリクス状に配置されて形成されており、第２のマイクロレンズアレイ１２の裏面には、同様に複数個の凸レンズ状のマイクロレンズ１５がマトリクス状に配置されて形成されている。これらの第１及び第２のマイクロレンズアレイ１１，１２に形成されたマイクロレンズ１３，１４，１５は、夫々対応するもの同士が、同一光軸上に整合するように配置されている。従って、第１のマイクロレンズアレイ１１のマイクロレンズ１３の配列ピッチと、第２のマイクロレンズアレイ１２のマイクロレンズ１４及び１５の配列ピッチとは同一である。
第1のマイクロレンズアレイ１１の第1のマイクロレンズ１３の口径は例えば０．４４ｍｍ、第２のマイクロレンズアレイ１２の第２のマイクロレンズの口径は例えば０．１５ｍｍ、第３のマイクロレンズの口径は例えば０．１５ｍｍである。また、マスク２０と照射面２１（基板面）との間の距離は例えば５．２３ｍｍであり、第１のマイクロレンズアレイ１１と第２のマイクロレンズアレイ１２の第２のマイクロレンズ１４の先端との間の距離は例えば２．８５ｍｍである。また、第３のマイクロレンズ１５と照射面２１との間の距離は、例えば０．２ｍｍ（２００μｍ）である。
第１のマイクロレンズ１３は、入射するレーザ光を集光する照明レンズとして機能する。また、第２のマイクロレンズ１４及び第３のマイクロレンズ１５は、第１のマイクロレンズアレイ１１から入射するレーザ光を、照射面２１上に結像させる結像レンズとして機能する。
この第１のマイクロレンズアレイ１１と第２のマイクロレンズアレイ１２の構成は、上記実施形態に限らない。これらのレンズ設計において、入射瞳位置と、前側焦点位置とが一致し、像側で主光線と光軸とが平行になる像側テレセントリック光学系を構成すればよい。
次に、本実施形態の動作について説明する。上述のように第１のマイクロレンズアレイ１１及び第２のマイクロレンズアレイ１２により構成された光学部品１０は、従来のマイクロレンズアレイを使用したレーザアニール装置のマイクロレンズアレイの代わりに設置される。そして、レーザ光源から、例えば、ＹＡＧレーザの第３高調波（波長３５５ｎｍ）等のレーザ光が出射され、このレーザ光は、ホモジナイザによりその光軸に垂直方向の強度分布を均一化され、コンデンサレンズにより平行光に整形された後、光学部品１０に入射する。
そして、図２及び図３に示すように、第１のマイクロレンズアレイ１１の第１のマイクロレンズ１３は、入射するレーザ光を、例えば、光軸に対し３°外側に向いて進行するレーザ光まで、内側に向かわせるように、集光する。そして、この集光されたレーザ光は、第１のマイクロレンズアレイ１１から出て、例えば２．８５ｍｍの空気層を進行し、第２のマイクロレンズアレイ１２の第２のマイクロレンズ１４に入射する。第２のマイクロレンズアレイ１２は結像レンズとして機能し、第２のマイクロレンズ１４から入射したレーザ光は第３のマイクロレンズ１５から出射して、ＴＦＴ基板の表面等の照射面２１にて結像する（焦点を結ぶ）。そのときの照射面２１における像は、図３（ａ）に矩形ハッチングで示すようになる。本実施形態においては、マスクを通過してきたレーザ光は、第１のマイクロレンズアレイ１１と第２のマイクロレンズアレイ１２とにより、基板表面等の被照射面２１上に照射され、等倍の倒立像を、照射面２１上に投影することができる。即ち、これらの第１のマイクロレンズアレイ１１及び第２のマイクロレンズアレイ１２は像側テレセントリック光学系を構成する。
そして、第３のマイクロレンズ１５から出射したレーザ光の焦点位置が変動した場合、即ち、アニール対象の基板の表面と、第３のマイクロレンズ１５との間の距離が、例えば、当初の０．０２ｍｍから外れて、図３（ｂ）に示すように、基板表面の位置が照射面２２に変動しても、照射面２２上に結像した像は、図３（ａ）に示す像とほぼ同一となる。なお、マイクロレンズ１５の焦点深度を超える変動がある場合は、図３（ｂ）に示すように、焦点位置に結像した小領域の像（図３（ａ））よりも広がり、輪郭が多少ぼける。しかし、その像の投影パターン間隔（ピッチ）ｐは照射面２１上に結像した場合から変化しない。即ち、本実施形態においては、マイクロレンズをテレセントリック光学系にしたので、マスクパターンを透過したレーザ光をこのテレセントリック光学系により照射面２２上に投影した場合に、焦点は照射面２２上からずれても、焦点深度の範囲内では、投影パターン間隔は変動することがなく、照度変動も抑制することができる。これにより、基板上のフォーカスずれに起因するアニールむらを抑制することができる。
従って、図４に示すように、レーザ光の照度（１ショットあたりのエネルギ密度）は、照射面の位置が、焦点位置（±０ｍｍ）から＋０．０６ｍｍ（＋６０μｍ）又は−０．０６ｍｍ（−６０μｍ）ずれても、その各像の輪郭の位置の照度変動があるだけで、像の大部分の位置における照度は均一である。これは、第１及び第２のマイクロレンズアレイ１１，１２により、テレセントリックな光学系を構成することができたことによる。このとき、第２のマイクロレンズアレイ１２と基板（照射面）との間の間隔が±５０μｍ変動した場合の照度変動は、５．０％に抑制することができる。
一方、図６及び図７は、従来のように、非テレセントリック光学系を示す図である。なお、これらの図において、縮小等は考慮に入れていない。図６に示すように、従来、１枚のマイクロレンズアレイ１によりレーザ光を照射面４上に照射した場合、焦点位置に結像すれば、即ち、照射面４が焦点位置にあれば、図６に示すように、マスクパターンを通過したレーザ光が照射面上に投影されたときに、その投影パターンはマスクパターンと一致する。例えば、図７（ａ）に示すように、焦点位置が照射面４上に一致している場合、１個のマスクパターンにおける３個の位置が、夫々大きさｄ、投影パターン間隔ｐで照射面４上に投影したとすると、この焦点位置が照射面４上からずれた場合には、図７（ｂ）に示すように、大きさがｄ´に大きくなり、投影間隔もｐ´に増大する。これは、１枚のマイクロレンズアレイ１により、非テレセントリックな光学系が構成されたからである。この非テレセントリック光学系においては、焦点位置が変動すると、各像の大きさが広がってその輪郭のぼけが大きくなると共に、各像の投影パターン間隔（ピッチ）も変動する。このため、１個のマイクロレンズにより照射される領域内で、照度変動が生じてしまう。
即ち、図８に示すように、焦点位置に結像した場合（０ｍｍ）に比して、結像位置が焦点位置から例えば＋０．０１ｍｍ又は−０．０１ｍｍ変動した場合でも、１ショットあたりの照度（レーザ光のエネルギ密度）が変動してしまう。また、この場合に、像の輪郭位置においても、照度変動が生じている。例えば、図６に示す第１のマイクロレンズ２ａの口径が０．２５ｍｍ、第２のマイクロレンズ２ｂの口径が０．０２ｍｍ、マスク３と照射面４との間の距離が１．７ｍｍ、マイクロレンズアレイ１の下面と照射面との間の距離が０．２ｍｍの場合、焦点位置が±１０μｍ変動すると、照度変動が１３．２％発生する。
１，１１，１２：マイクロレンズアレイ
２ａ、２ｂ、１３，１４，１５：マイクロレンズ
３、２０：マスク
４，２１，２２：照射面
１０：光学部品

Claims (2)

  1. レーザ光を発光するレーザ光源と、透明基板の表面及び／又は裏面上に凸レンズ状のマイクロレンズが複数個形成された第１のマイクロレンズアレイと、透明基板の表面上及び／又は裏面上に凸レンズ状のマイクロレンズが複数個形成された第２のマイクロレンズアレイと、前記レーザ光源からのレーザ光を平行光に整形した後前記第１のマイクロレンズアレイに導く光学系と、を有し、
    前記第１のマイクロレンズアレイと前記第２のマイクロレンズアレイとは、相互に間隔をおいて平行に配置され、前記第１のマイクロレンズアレイ及び前記第２のマイクロレンズアレイとは、そのマイクロレンズが相互に対応して同軸上に配置されていて、テレセントリック光学系を構成していることを特徴とするレーザアニール装置。
  2. レーザ光を発光するレーザ光源と、透明基板の表面及び／又は裏面上に凸レンズ状のマイクロレンズが複数個形成された第１のマイクロレンズアレイと、透明基板の表面上及び／又は裏面上に凸レンズ状のマイクロレンズが複数個形成された第２のマイクロレンズアレイと、前記レーザ光源からのレーザ光を平行光に整形した後前記第１のマイクロレンズアレイに導く光学系と、を有するレーザアニール装置を使用し、
    前記第１のマイクロレンズアレイと前記第２のマイクロレンズアレイにより、テレセントリックな光学系を構成して、アニール対象物上に焦点を結んだときに像を結像するように前記レーザ光を前記アニール対象物に照射することを特徴とするレーザアニール方法。
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