JP2017510975A - レーザアニールのためのビームホモジナイザ - Google Patents

Abstract

レーザアニール装置に使用される、レーザアニールのためのビームホモジナイザ（５００）は、レーザビームを生成するためのレーザ（１００）を有し、曲率面内で同じ曲率半径及び同じ寸法を有する複数のシリンドリカルレンズ（５１０）を含む。シリンドリカルレンズ（５１０）は、レーザビームの伝送方向に異なる長さを有し、シリンドリカルレンズの任意の２つの隣接するものは、レーザビームの伝送の方向に、レーザ（１００）のコヒーレンス長よりも大きな長差を有している。従来技術に係る透明ガラス板（１１）とシリンドリカルレンズ（２１）との組み合わせを、異なる長さで、より大きなシリンドリカルレンズに置き換えることにより、レーザビームのデコヒーレンス及び均一化を達成することができる。均一化の効果に不利な回折を回避することができ、光学システムの構成の複雑性及びコストを低減することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体及び液晶ディスプレイ（liquid crystal display、LCD）の分野に関し、特に、レーザアニールのためのビームホモジナイザに関する。

半導体及び液晶ディスプレイ（liquid crystal display、LCD）の分野では、ドーピングプロセスに続いて、ドーピングプロセス中に注入されたキャリアの移動を増大させるためのアニールプロセスが行われる。従来、アニールプロセスは、電子ビーム、フラッシュライト、連続的なインコヒーレント放射、グラファイト加熱等を使用して、達成されていた。電子ビームは、より均一なエネルギー分布を提供し、ワイドバンドギャップ半導体の処理に使用可能であり、電子エネルギーの調整によりアニール深さの制御を達成することができるが、その一方で、レーザビームと比較すると、真空中で使用する必要がある点で不利である。固相アニールプロセスに関しては、電子ビームは、レーザビームよりも良好であり、高濃度で電気的に活性なドーパントの存在が必要とされる。これに対して、レーザビームは、処理された物品の表面で光子を吸収可能であり、それにより物品が溶融する前に正確な侵入深さの制御が達成されるため、液相アニールプロセスで使用することがより適切である。その一方で、電子は、深く侵入する傾向があり、それらの侵入深さを浅い層内で制御することはほぼ不可能である。伝統的な炉アニールプロセスは、最大１１５０℃のアニール温度であっても、レーザアニール、特にナノセックのパルスレーザアニールでは達成可能な、広範囲の結晶学的欠陥を除去することができない。連続波レーザアニールは、大きな表面の処理に使用することがより適切であり、非晶質層を、単結晶構造中に残っている欠陥の数が少ない単結晶構造に変換可能である。しかし、レーザアニール以外の方法は、低コストであるため、要求を満たす限りにおいて、推奨されている。レーザアニールは、活性化効率が高い、表面粗さが改良される、不純物濃度が低減される、アニールが行われた物品側に対向する側の温度が低い、といった特定の利点を提供し、それにより、ローカライズされたアニール、高濃度で電気的に活性なドーパントの存在を伴う浅いドーピング、複雑な半導体構造のアニールといった高度な要求があるアプリケーションにおいて、物品に対する非侵襲性を保証する。その高い活性化効率、より少ない侵襲性、及び従来のアニール方法を超える他の利点のために、レーザアニールは、将来的には、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor、IGBT）、薄膜トランジスタ（Thin Film Transistors、TST）、コンタクトイメージセンサ（Contact Image Sensor、CIS）、及び他の分野における一部の従来技術に取って代わり、急速に成長する需要を持つ可能性がある。

レーザアニールを含む製造方法で製造されるデバイスの性能は、アニールプロセス後のデバイスの均一性に直接関係しており、この均一性は、そのプロセスで使用されるレーザビームの形及び均一化に依存して次々に決定される。レーザビームのコヒーレントの性質が均一化の品質に大きく影響するため、ビームのコヒーレンスは、使用される光学システムにより除去されなければならない。

コヒーレンス除去のための第１の方法は、２次元空間変調器を利用して、ランダムに反射された一部のレーザビームの再収束に起因するビームを、いかなる干渉縞もない鮮明な画像としてカラービデオディスプレイなどに表示することを可能にする三色信号に変調することである。しかし、この方法は、典型的には、レーザイメージング技術に適用され、高出力のレーザビームで使用したり、特定の照明フィールドが形成されるシナリオで使用したりすることは適切ではない。

別のコヒーレンス除去方法は、図１に示されており、デコヒーレンスシステム１０及びレンズアレイ２０からなる、レーザアニールのためのビームホモジナイザを使用する。デコヒーレンスシステム１０は、幅が等しい複数の透明ガラス板１１と、同じ長さ及び幅を持つ複数のシリンドリカルレンズ２１のレンズアレイ２０と、からなる。透明ガラス板１１の幅は、シリンドリカルレンズ２１の幅と等しい。光軸方向（すなわち、図中の矢印により示される方向）においては、任意の隣接する２つの透明ガラス板１１は、使用されるレーザ（図示せず）のコヒーレンス長よりも大きい長差（length difference）を有しており、透明ガラス板１１の隣接するものの間の全ての長差は等しい。透明ガラス板１１は、その長手方向（すなわち、矢印の方向）に透明ガラス板１１を通過するレーザビーム部分（laser beam portion）の各々のための光路を提供する。このように、各レーザビーム部分は、コヒーレンス長よりも大きな、同じ光路差を有しており、それにより、それらの相互のインコヒーレントを除去する。したがって、透明ガラス板１１は、デコヒーレンス効果を作り出す。さらに、ビーム部分は、シリンドリカルレンズ２１により均一化することができる。しかし、この方法では、透明ガラス板１１及びシリンドリカルレンズ２１は、サイズが小さいため（Ｘ及びＹ寸法は共に約０．５ｍｍの入射面を持つ）、有益なデコヒーレンス効果とは別に、均一化効果を悪化させる回折の原因となり得る。さらに、透明ガラス板１１は、シリンドリカルレンズ２１から分離されている。高精度を達成するためには、プレート及びレンズは、相対的な傾き及びオフセットの観点で正確な対応を保持する必要があるため、上記の構成は、光学システムの構成の困難性を増大させ、そのため、コストアップにつながってしまう。

本発明は、レーザアニールのためのビームホモジナイザを提案することにより、従来のレーザアニール装置に用いられるホモジナイゼーションシステムで生じる上記の問題を克服するものである。

上記の課題を解決するために、本発明に係るレーザアニールのビームホモジナイザは、レーザアニール装置で使用するためのものであり、レーザビームを生成するためのレーザと、曲率面内で同じ曲率半径及び同じ寸法を有する複数のシリンドリカルレンズを含むビームホモジナイザと、を含む。前記複数のシリンドリカルレンズは、前記レーザビームの伝送方向に異なる長さを有し、前記複数のシリンドリカルレンズの任意の２つの隣接するものは、前記レーザビームの伝送方向に、前記レーザの前記コヒーレンス長よりも大きな長差を有する。

好ましくは、前記レーザアニール装置は、さらに、コリメータシステム、ビームエキスパンダシステム、及びフォーカスシステムを含んでも良く、前記レーザ、前記コリメータシステム、前記ビームエキスパンダシステム、前記ビームホモジナイザ、及び前記フォーカスシステムは、前記レーザアニール装置における前記レーザビームの伝送方向に順番に配置されている。また、前記レーザにより生成された前記レーザビームは、前記コリメータシステムにより平行ビームに連続してコリメートされ、前記ビームエキスパンダシステムにより所望のサイズに拡大され、前記ビームホモジナイザにより均一化され、前記フォーカスシステムを通過した後、所望のスポットを形成する。

好ましくは、前記レーザビームの伝送方向において、前記複数のシリンドリカルレンズの任意の２つの隣接するものの間の前記長差は、固定値でも良い。

好ましくは、前記レーザビームの伝送方向において、前記複数のシリンドリカルレンズの任意の２つの隣接するものの間の前記長差は、互いに異なっていても良い。

好ましくは、前記複数のシリンドリカルレンズの数及び曲率面内での前記複数のシリンドリカルレンズの寸法は、前記ビームホモジナイザに入射する前記レーザビームの直径により決定しても良い。

好ましくは、前記複数のシリンドリカルレンズの数は、５から７でも良い。
好ましくは、前記複数のシリンドリカルレンズの曲率半径は、１００ｍｍから２００ｍｍでも良い。
好ましくは、前記複数のシリンドリカルレンズは、曲率面内で４ｍｍから１０ｍｍの直径を有していても良い。
好ましくは、前記シリンドリカルレンズは、冷却プロセスにより製造しても良い。

本発明は、従来技術と比較して、以下の利点を提供する。
１．従来技術に係るシリンドリカルレンズと結合された透明ガラス板を、本発明に係る、異なる長さでより大きなシリンドリカルレンズに置き換えることにより、レーザビームのデコヒーレンス及び均一化を達成することができる。
２．より大きなシリンドリカルレンズの使用により、回折及び回折の均一化効果への影響を回避することができる。
３．従来のホモジナイゼーションシステムは、透明ガラス板がシリンドリカルレンズから物理的に分離されており、そのために、システムの構成の困難性が増大し、それらの間での正確な対応が必要であったのに対し、本発明は、このような対応は必要なく、それにより、構成の複雑化を低減し、コストが削減されるという結果をもたらす。
４．より大きなシリンドリカルレンズは、従来の冷却プロセスを使用して製造することができ、プロセスの困難性を低減し、さらにコストが削減されるという結果をもたらす。

図１は、既存のアニール装置におけるホモジナイゼーションシステムの概略図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態に係るレーザアニールのためのビームホモジナイザの概略図である。 図３は、図２を左から見た図である。 図４は、本発明の第２の実施の形態に係るレーザアニールのためのビームホモジナイザの概略図である。 図５は、本発明の特定の実施の形態に係るレーザアニール装置の概略図である。 図６は、本発明の特定の実施の形態に係るレーザアニールのためのビームホモジナイザにより得られた光スポットのＸ方向のエネルギー分布を示す図である。 図７は、本発明の特定の実施の形態に係るレーザアニールのためのビームホモジナイザにより得られた光スポットのＹ方向のエネルギー分布を示す図である。

図１において、１０はデコヒーレントシステム、１１は透明ガラス板、２０はレンズアレイ、２１はシリンドリカルレンズである。
図２から図５において、１００はレーザ、２００はコリメータシステム、３００は第１のエキスパンダ、４００は第２のエキスパンダ、５００はレーザアニールのためのビームホモジナイザ、５１０はシリンドリカルレンズ、６００はフォーカスシステムである。

本発明の目的、特徴、及び利点は、添付の図面に関連して読まれるべきいくつかの特定の実施の形態の以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。なお、図面は、実施の形態を簡潔かつ明瞭に説明するとうい目的のために、必ずしも実際のスケールで提供されておらず、非常に単純化した形式で提供されることに留意されたい。

図２及び図３を参照すると、本発明に係るレーザアニールのためのビームホモジナイザ５００は、レーザアニール装置に組み込まれ、多くのシリンドリカルレンズ５１０を含む。シリンドリカルレンズ５１０は、曲率面内で同じ曲率半径及び同じ寸法を有する。すなわち、シリンドリカルレンズ５１０は、入射面と同じ寸法を有する（すなわち、Ｘ方向の幅が同じで、Ｙ方向の厚みが同じ）。さらに、シリンドリカルレンズ５１０は、Ｚ方向、すなわち、ビームの伝送方向に異なる長さを有しており、また、シリンドリカルレンズ５１０の任意の隣接する２つは、ビームの伝送方向に、レーザアニール装置におけるレーザ１００（図５）のコヒーレンス長よりも大きな長差を有している。従来技術に係る透明ガラス板とシリンドリカルレンズとの組み合わせを、本発明に係るより大きなサイズのシリンドリカルレンズ５１０に置き換えることにより、デコヒーレンス及び均一化の効果を得ることができ、その一方で、均一化に不利な回折の問題に対処し、光学システムの構成の複雑性及びコストを低減するという結果をもたらす。

好ましくは、図５を参照すると、レーザアニール装置は、さらに、レーザ１００、コリメータシステム２００、ビームエキスパンダシステム、及びフォーカスシステム６００を含むことができる。レーザアニール装置においては、ビームの伝送方向に沿って、レーザ１００、コリメータシステム２００、ビームエキスパンダシステム、ビームホモジナイザ５００、及びフォーカスシステム６００が、この順番に配置されても良い。この配置では、ビームは、レーザ１００から放射され、続いて、コリメータシステム２００により平行ビームにコリメートされる。コリメートされたビームは、ビームエキスパンダシステムにより所望のサイズに拡大され、続いて、ビームホモジナイザ５００により均一化される。最後に、均一化されたビームは、フォーカスシステム６００を通過し、続いて、像面上に所望のスポットを形成する。

好ましくは、上記のビームエキスパンダシステムは、第１のエキスパンダ３００及び第２のエキスパンダ４００を含んでも良い。

＜実施の形態１＞
好ましくは、図２を参照すると、ビームの伝送方向において、シリンドリカルレンズ５１０の任意の隣接する２つの間の長差は、固定値であり、また、ビームの伝送方向において、シリンドリカルレンズ５１０の任意の隣接する２つの間の長差は、本実施の形態によれば、全てｄである。もちろん、本発明は、シリンドリカルレンズ５１０の各々が、その上方に配置されたシリンドリカルレンズ５１０の任意の１つよりも長くなっている図２に示されるシリンドリカルレンズ５１０の配置に限定されず、シリンドリカルレンズ５１０は、他の方法で配置しても良い。

好ましくは、シリンドリカルレンズ５１０の数は、５から７の範囲内である。５から７のシリンドリカルレンズ５１０は、ビームを、より小さなサブビームであって各々がある発散角度でシリンドリカルレンズの１つに出射するサブビームに分割するシリンドリカルレンズアレイを形成する。下流のフォーカスシステム６００を通過した後、これらのサブビームは、均一化されたビームに結合され、その結果、特定のサイズを持つ均一化された光スポットをもたらす。サブビームに対応するビームの部分は、異なる長さのシリンドリカルレンズ５１０を通過するため、シリンドリカルレンズ５１０の任意の隣接する２つは、レーザ１００のコヒーレンス長よりも大きな長差を有し、また、サブビームの間の光路差は、一致せず、全てがコヒーレンス長よりも大きくなる。したがって、それらの間でのコヒーレンスの発生に必要な、サブビーム間の一定の位相差は、もはや存在しない。すなわち、より良いビーム均一化効果をもたらす、それらのコヒーレンスの除去が達成される。

好ましくは、シリンドリカルレンズ５１０の曲率半径は、１００ｍｍから２００ｍｍの間であり、スポットの所望のサイズに応じて調整可能である。好ましくは、シリンドリカルレンズ５１０の各々は、曲率方向に、すなわち、シリンドリカルレンズの厚みのＹ方向に、相対的に大きな約４ｍｍから１０ｍｍの寸法を有する。この寸法は、シリンドリカルレンズアレイに入射するビームの直径及びシリンドリカルレンズ５１０の数に基づいて決定することができる。シリンドリカルレンズ５１０の各々の他の寸法、すなわち、Ｘ方向におけるシリンドリカルレンズの幅は、入射ビームの直径にほぼ等しい。したがって、シリンドリカルレンズ５１０の２方向の寸法は共に、シリンドリカルレンズアレイに入射するビームの直径により決定される。さらに、シリンドリカルレンズ５１０の曲率は、スポットの所望のサイズに基づいて決定され、シリンドリカルレンズ５１０の２方向の寸法と一致するように設定される。

好ましくは、シリンドリカルレンズ５１０の各々は、曲率方向に相対的に大きな寸法を有しているため、一般的には光学製品の製造に使用される従来の冷却プロセスにより製造することができる。このことは、構成要素の製造の困難性を減少させ、それにより、コストの大幅な削減をもたらす。

図６及び図７を参照すると、未処理のＸ方向（図６）、すなわち、ビームホモジナイザ５００によりまだ均一化されていない方向における、形成された２次元運動のエネルギー分布は、ガウス分布のままである。これに対して、図７に示されるように、シリンドリカルレンズ５１０によりデコヒーレンス及び均一化が適用された、Ｙ方向（すなわち、シリンドリカルレンズ５１０の曲率方向）における、形成された２次元運動のエネルギー分布は、より均一なエネルギー分布に対応する一般的なフラット部分で切断された曲線として現れており、本発明に係るビームホモジナイザ５００の良好な均一化の結果を実証している。

＜実施の形態２＞
図４を参照すると、本実施の形態は、ビームの伝送方向における、シリンドリカルレンズ５１０の任意の２つの隣接するものの間の長差が、互いに異なっている、すなわち、一致していない点で、実施の形態１とは異なる。本実施の形態においては、ビームの伝送方向における、シリンドリカルレンズ５１０の任意の２つの隣接するものの間の長差は、トップから下方に向けて順番に、ａ１，ａ２，ａ３，ａ４，ａ５及びａ６になっている。ここで、ａ１≠ａ２≠ａ３≠ａ４≠ａ５≠ａ６である。本実施の形態によれば、コヒーレンスの発生のために必須の条件を満足することを不可能にすることができ、デコヒーレンスを達成し、より良いビーム均一化効果をもたらすことができる。

要約すると、本発明は、レーザビームを生成するためのレーザ１００を組み込んだレーザアニール装置で使用するために、レーザアニールのためのビームホモジナイザ５００を提供する。ビームホモジナイザ５００は、多数のシリンドリカルレンズ５１０を有している。シリンドリカルレンズ５１０は、曲率面内で同じ曲率半径及び同じ寸法を有している。さらに、シリンドリカルレンズ５１０は、レーザビームの伝送の方向に異なる長さを有し、シリンドリカルレンズ５１０の任意の隣接する２つは、レーザビームの伝送方向に、レーザ１００のコヒーレンス長よりも大きな長差を有している。本発明によれば、従来技術に係る透明ガラス板とシリンドリカルレンズとの組み合わせを、異なる長さでより大きなシリンドリカルレンズ５１０に置き換え、その一方で、レーザビームのデコヒーレンス及び均一化を達成する。さらに、均一化の効果に不利な回折を回避することができ、光学システムの構成の複雑性及びコストの低減を達成することができる。

当業者は、その精神及び範囲から逸脱することなく本発明に様々な修正及び変形を行うことができることは明らかである。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物の範囲内のこのような全ての修正及び変形を包含することを意図する。

Claims (9)

1. レーザアニール装置に使用される、レーザアニールのためのビームホモジナイザであって、レーザビームを生成するためのレーザと、複数のシリンドリカルレンズを具備するビームホモジナイザと、を有し、前記複数のシリンドリカルレンズは、曲率面内で同じ曲率半径及び同じ寸法を有し、前記複数のシリンドリカルレンズは、前記レーザビームの伝送方向に異なる長さを有し、前記複数のシリンドリカルレンズの任意の２つの隣接するものは、前記レーザビームの伝送方向に、前記レーザのコヒーレンス長よりも大きな長差を有する、レーザアニールのためのビームホモジナイザ。
2. 前記レーザアニール装置は、コリメータシステム、ビームエキスパンダシステム、及びフォーカスシステムを有し、前記レーザ、前記コリメータシステム、前記ビームエキスパンダシステム、前記ビームホモジナイザ、及び前記フォーカスシステムは、前記レーザアニール装置における前記レーザビームの伝送方向に順番に配置され、前記レーザにより生成されたレーザビームは、前記コリメータシステムにより平行ビームに連続してコリメートされ、前記ビームエキスパンダシステムにより所望のサイズに拡大され、前記ビームホモジナイザにより均一化され、前記フォーカスシステムを通過した後、所望のスポットを形成する、請求項１に記載のレーザアニールのためのビームホモジナイザ。
3. 前記レーザビームの伝送方向において、前記複数のシリンドリカルレンズの任意の２つの隣接するものの間の前記長差は、固定値である、請求項２に記載のレーザアニールのためのビームホモジナイザ。
4. 前記レーザビームの伝送方向において、前記複数のシリンドリカルレンズの２つの隣接するものの間の前記長差は、互いに異なる、請求項２に記載のレーザアニールのためのビームホモジナイザ。
5. 前記複数のシリンドリカルレンズの数及び前記曲率面内での前記複数のシリンドリカルレンズの寸法は、前記ビームホモジナイザに入射する前記レーザビームの直径により決定される、請求項２に記載のレーザアニールのためのビームホモジナイザ。
6. 前記複数のシリンドリカルレンズの数は、５から７である、請求項１に記載のレーザアニールのためのビームホモジナイザ。
7. 前記複数のシリンドリカルレンズの曲率半径は、１００ｍｍから２００ｍｍである、請求項１に記載のレーザアニールのためのビームホモジナイザ。
8. 前記複数のシリンドリカルレンズは、前記曲率面内で４ｍｍから１０ｍｍの直径を有する、請求項１に記載のレーザアニールのためのビームホモジナイザ。
9. 前記複数のシリンドリカルレンズは、冷却プロセスにより製造される、請求項１に記載のレーザアニールのためのビームホモジナイザ。

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