JP2020021783A - レーザ照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光を集光する集光光学系で反射された反射光が不具合の原因となるのを抑えることができるレーザ照射装置を提供する。【解決手段】本発明のレーザ照射装置は、基板上にレーザ光を照射してアニール処理し、基板上に多結晶化領域を形成するレーザ照射装置であって、前記レーザ光を基板上に集光する複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、マイクロレンズアレイのうち、複数のマイクロレンズを除く部分にレーザ光が照射されるのを遮る平板状のマスクと、を備え、マスクは、基板に対して傾斜して配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ照射装置に関する。

従来、光源から照射されたレーザ光を照明光学系により拡張して基板に照射することにより、基板上に多結晶化領域を形成するレーザ照射装置が知られている。
このようなレーザ照射装置として、下記特許文献１には、集光光学系（レンズ）で集光したうえで基板に照射する構成が知られている。

特開２００５−１０１２０２号公報

しかしながら、このようなレーザ照射装置では、集光光学系でレーザ光を集光する際に、レーザ光の一部が反射され、このようにして反射されたレーザ光が光源に到達する場合がある。これにより、光源周辺が過熱されたり、基板に照射されるレーザ光を減衰したりするといった不具合の原因となることがあった。

そこで本発明は、レーザ光を集光する集光光学系で反射された反射光が不具合の原因となるのを抑えることができるレーザ照射装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のレーザ照射装置は、基板上にレーザ光を照射してアニール処理し、基板上に多結晶化領域を形成するレーザ照射装置であって、前記レーザ光を基板上に集光する複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、マイクロレンズアレイのうち、複数のマイクロレンズを除く部分にレーザ光が照射されるのを遮る平板状のマスクと、を備え、マスクは、基板に対して傾斜して配置されている。

また、マスクは、基板に対するレーザ光の照射方向から見た第１平面視で長方形状を呈するとともに、マスクの長辺に沿う長辺方向から見た第２平面視で、基板に対して傾斜して配置されてもよい。

また、マスクは、レーザ光の一部を反射することで、マイクロレンズアレイのうち、複数のマイクロレンズを除く部分にレーザ光が照射されるのを遮り、マスクに反射された反射光を吸収する戻り光ダンパを備え、基板に対するマスクの傾斜角θは、下記式（１）を満たしてもよい。
Ｗ／Ｋ＜ｔａｎθ＜Ｄ／Ｗ…（１）
θ：基板に対するマスクの傾斜角（°）、Ｗ：第２平面視におけるレーザ光の幅寸法（ｍｍ）、Ｋ：戻り光ダンパとマスクとのとの間における前記照射方向の距離（ｍｍ）、Ｄ：マイクロレンズのマスク側の焦点深度（ｍｍ）

本発明によれば、平板状をなすマスクが、基板に対して傾斜して配置されている。このため、レーザの照射光がマスクによりマイクロレンズに照射されるのを遮られ、反射光となった際に、この反射光の延びる方向が、マイクロレンズの光軸と平行に延びる照射光の延びる方向に対して傾くこととなる。これにより、反射光が照射光と重なることが抑制され、照射光の照射元である光源に、反射光が到達するのを抑制し、レーザ光を集光する集光光学系で反射された反射光が不具合の原因となるのを抑えることができる。

本発明の一実施形態に係るレーザ照射装置の概略図である。 図１に示す基板周辺の模式図である。 図２に示す集光光学系および基板周辺の拡大側面図である。

以下、本発明の実施形態について、図１から図３を参照して具体的に説明する。
レーザ照射装置１０は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のような半導体装置の製造工程において、例えば、チャネル領域形成予定領域にレーザ光Ｌを照射してアニール処理し、当該チャネル領域形成予定領域を多結晶化するための装置である。図１に示すように、レーザ照射装置１０は、レーザ光Ｌを発生する光源（図示せず）と、照明光学系１２と、集光光学系２０と、を備えている。図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ照射装置１０の概略図である。

レーザ照射装置１０は、例えば、液晶表示装置の周辺回路などの画素の薄膜トランジスタを形成する際に用いられる。このような薄膜トランジスタを形成する場合、まず、基板５０上にＡｌ等の金属膜からなるゲート電極を、スパッタリングによりパターン形成する。
そして、低温プラズマＣＶＤ法により、基板５０上の全面にＳｉＮ膜からなるゲート絶縁膜を形成する。

その後、ゲート絶縁膜上に、例えば、プラズマＣＶＤ法によりアモルファスシリコン薄膜を形成する。すなわち、基板５０の全面にアモルファスシリコン薄膜が形成（被着）される。最後に、アモルファスシリコン薄膜上に二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）膜を形成する。
そして、レーザ照射装置１０により、アモルファスシリコン薄膜のゲート電極上の所定の領域（薄膜トランジスタにおいてチャネル領域となる領域）にレーザ光Ｌを照射してアニール処理し、当該所定の領域を多結晶化してポリシリコン化する。なお、基板５０には、例えばガラス基板等を採用することができるが、必ずしもガラス素材である必要はなく、樹脂などの素材で形成された樹脂基板など、どのような素材を採用してもよい。

レーザ照射装置１０において、光源から出射されたレーザ光Ｌは、照明光学系１２によりビームが拡張され、輝度分布が均一化される。そして、集光光学系２０によりビームが集光されて、基板５０上に照射される。
光源は、例えば、波長が３０８ｎｍや２４８ｎｍなどのレーザ光Ｌを、所定の繰り返し周期で放射するエキシマレーザである。なお、波長は、これらの例に限られず、どのような波長であってもよい。

その後、レーザ光Ｌは、集光光学系２０を透過し、基板５０に被膜されたアモルファスシリコン薄膜の所定の領域に照射される。
基板５０に被膜されたアモルファスシリコン薄膜の所定の領域にレーザ光Ｌが照射されると、当該アモルファスシリコン薄膜が瞬間加熱されて溶融し、ポリシリコン薄膜となる。
以下の説明において、基板５０上にレーザ光Ｌが照射される方向をレーザ光Ｌの照射方向といい、照射方向からみた平面視を第１平面視という。図示の例では、第１平面視が上面視と一致している。

図２に示すように、集光光学系２０は、レーザ光Ｌを集光するマイクロレンズアレイ３０と、レーザ光Ｌの一部を透過するとともに、残りを反射するマスク４０と、を備えている。図２は、図１に示す基板５０周辺の模式図である。
マイクロレンズアレイ３０は、マイクロレンズ３１を複数有している。マイクロレンズ３１は、光軸が基板５０と直交するように配置されている。マイクロレンズアレイ３０はマイクロレンズ３１が結合された平板状部材である。

マイクロレンズ３１は、レーザ光Ｌを基板５０上に集光する。マイクロレンズ３１は平面視で例えば円形状を呈し、横方向に複数配置されている。このため、マイクロレンズアレイ３０のうち、複数のマイクロレンズ３１同士の間に位置する部分、すなわち互いに隣り合うマイクロレンズ３１それぞれの周縁部同士の間には、レンズとして機能しない接続部が形成されている。
マイクロレンズ３１には、焦点深度が設定されている。マイクロレンズ３１の焦点深度のうち、マスク４０側の焦点深度Ｄは、基板５０側の焦点深度Ｄ２よりも大きく設定されている。（図３参照）

マスク４０は、マイクロレンズアレイ３０のうち、複数のマイクロレンズ３１を除く部分（前記接続部）に、レーザ光Ｌが照射されるのを遮る機能を有する平板状部材である。マスク４０は、マイクロレンズアレイ３０を照射方向に挟む基板５０の反対側に配置されている。
マスク４０は、第１平面視で長方形状を呈している。以下の説明において、マスク４０の長辺に沿う方向を長辺方向といい、長辺方向から見た平面視を第２平面視という。

図３に示すように、マスク４０は、レーザ光Ｌを透過する透過層４１と、透過層４１を被覆する金属膜４２と、を備えている。図３は、図２に示す集光光学系２０および基板５０周辺の拡大側面図である。
透過層４１および金属膜４２は、照射方向と反対側に向けて、この順に配置されている。
金属膜４２は、レーザ光Ｌが透過する開口を規定するための遮光膜である。この説明では、金属膜４２には、アルミニウム薄膜（Ａｌ）が採用されている。

金属膜４２には、所定の間隔をあけて開口部４２Ａが形成されている。レーザの照射光Ｌのうち、開口部４２Ａを通過した光はマイクロレンズ３１に到達し、金属膜４２に干渉した光は、反射されて反射光Ｌ２となる。
すなわち、マスク４０は、レーザ光Ｌの一部を反射することで、マイクロレンズアレイ３０のうち、複数のマイクロレンズ３１を除く部分にレーザ光が照射されるのを遮る。

図２に示すように、レーザ照射装置１０はまた、マスク４０に反射された反射光Ｌ２を吸収する戻り光ダンパ６０を備えている。戻り光ダンパ６０は、照射光Ｌと反射光Ｌ２とが極力重ならないように、照射光Ｌに対して、横方向にずれた位置に配置されている。
戻り光ダンパ６０が反射光Ｌ２を吸収することで、反射光Ｌ２が照明光学系１２やその他の部分を加熱するのを抑えることができる。

そして本実施形態では、図２および図３に示すように、マスク４０は、基板５０に対して傾斜して配置されている。マスク４０は、第２平面視で、基板５０に対して傾斜して配置されている。
図示の例では、一対の長辺のうちの一方を回動軸として、他方の長辺がマイクロレンズアレイ３０から離間する方向に回動させて配置されている。これにより、マスク４０は、基板５０に対して傾斜して配置されている。

基板５０に対するマスク４０の傾斜角θは、下記式（１）を満たしている。
Ｗ／Ｋ＜ｔａｎθ＜Ｄ／Ｗ…（１）
ここで、θは基板５０に対するマスク４０の傾斜角（°）、Ｗは第２平面視におけるレーザ光Ｌの幅寸法（ｍｍ）を指す。また、Ｋは戻り光ダンパ６０とマスク４０とのとの間における照射方向の距離（ｍｍ）、Ｄはマイクロレンズ３１のマスク４０側の焦点深度（ｍｍ）を指す。式（１）の技術的意義について、以下に詳述する。

まず、式（１）のうち、Ｗ／Ｋ＜ｔａｎθの部分について説明する。
戻り光ダンパ６０に吸収される反射光Ｌ２は、戻り光ダンパ６０の位置において、照射光Ｌと重ならないことが要求される。反射光Ｌ２と照射光Ｌとが重なることで、照射光Ｌが減衰する等の不具合の原因となる可能性があるためである。このため、下記式（２）が得られる。
Ｋｔａｎθ＞Ｗ…（２）
ここで、Ｋは戻り光ダンパ６０とマスク４０とのとの間における照射方向の距離（ｍｍ）、Ｗは第２平面視におけるレーザ光Ｌの幅寸法（ｍｍ）を指す。この式（２）を変形すると、式（２’）が得られる。
Ｗ／Ｋ＜ｔａｎθ…（２’）

次に、式（１）のうち、ｔａｎθ＜Ｄ／Ｗの部分について説明する。
マスク４０を傾斜させると、マスク４０のうち、照射光Ｌが照射されている領域は、マスクの短辺方向の位置により、照射方向の位置が異なることとなる。ここで、マイクロレンズ３１には焦点深度が設定されているので、マスク４０のうち、レーザ光Ｌが照射される領域については、マイクロレンズ３１におけるマスク４０側の焦点深度の範囲内に留まるようにする必要がある。このため、下記式（３）が得られる。
Ｗｔａｎθ＜Ｄ…（３）
ここで、Ｄはマイクロレンズ３１のマスク４０側の焦点深度（ｍｍ）を指す。この式（３）を変形すると、式（３’）が得られる。
ｔａｎθ＜Ｄ／Ｗ…（３’）
そして、式（２’）および式（３’）により式（１）が導かれる。

以上説明したように、本実施形態に係るレーザ照射装置１０によれば、平板状をなすマスク４０が、基板５０に対して傾斜して配置されている。このため、レーザの照射光Ｌがマスク４０によりマイクロレンズ３１に照射されるのを遮られ、反射光Ｌ２となった際に、この反射光Ｌ２の延びる方向が、マイクロレンズ３１の光軸と平行に延びる照射光Ｌの延びる方向に対して傾くこととなる。これにより、反射光Ｌ２が照射光Ｌと重なることが抑制され、照射光Ｌの照射元である光源に、反射光Ｌ２が到達するのを抑制し、レーザ光Ｌを集光する集光光学系２０で反射された反射光Ｌ２が不具合の原因となるのを抑えることができる。

また、マスク４０が、第２平面視で基板５０に対して傾斜して配置されている。このため、マスク４０の４辺のうち、距離の短い短辺側が傾斜することとなり、マスク４０を基板５０に傾斜させたことによるマスク４０の照射方向のかさばりを抑えることができる。これにより、マスク４０を基板５０に傾斜させながら、マイクロレンズ３１の焦点深度の範囲を超えることなく配置することができる。

また、基板５０に対するマスク４０の傾斜角θが式（１）を満たしている。このため、戻り光ダンパ６０において、反射光Ｌ２と照射光Ｌとが重なるのを抑えることができるとともに、傾斜したマスク４０のうち、レーザの照射光Ｌが照射される領域を、マイクロレンズ３１の焦点深度の範囲内に留めることができる。これにより、基板５０に対してマスク４０を傾斜させてよい範囲を、定量的に算出することができる。

なお、上記実施形態は、本発明の代表的な実施形態を単に例示したものにすぎない。従って、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施形態に対して種々の変形を行ってもよい。

例えば、上記実施形態においては、マスク４０が第１平面視で長方形状を呈し、マスク４０の短辺が、基板５０に対して傾斜して配置されている構成を示したが、このような態様に限られない。すなわち、マスク４０の長辺が基板５０に対して傾斜して配置されてもよいし、マスク４０は第１平面面視で円形状等の他の形状を呈してもよい。

また、上記実施形態においては、基板５０に対するマスク４０の傾斜角θが、式（１）を満たしている構成を示したが、このような態様に限られない。基板５０に対するマスク４０の傾斜角θは、式（１）を満たしていなくてもよい。

また、前述した変形例に限られず、これらの変形例を選択して適宜組み合わせてもよいし、その他の変形を施してもよい。

１０ レーザ照射装置
１２ 照明光学系
３０ マイクロレンズアレイ
４０ マスク
５０ 基板
６０ 戻り光ダンパ

Claims (3)

1. 基板上にレーザ光を照射してアニール処理し、前記基板上に多結晶化領域を形成するレーザ照射装置であって、
   前記レーザ光を前記基板上に集光する複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、
   前記マイクロレンズアレイのうち、前記複数のマイクロレンズを除く部分に前記レーザ光が照射されるのを遮る平板状のマスクと、を備え、
   前記マスクは、前記基板に対して傾斜して配置されているレーザ照射装置。
2. 前記マスクは、前記基板に対する前記レーザ光の照射方向から見た第１平面視で長方形状を呈するとともに、前記マスクの長辺に沿う長辺方向から見た第２平面視で、前記基板に対して傾斜して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。
3. 前記マスクは、前記レーザ光の一部を反射することで、前記マイクロレンズアレイのうち、前記複数のマイクロレンズを除く部分に前記レーザ光が照射されるのを遮り、
   前記マスクに反射された反射光を吸収する戻り光ダンパを備え、
   前記基板に対する前記マスクの傾斜角θは、下記式（１）を満たしていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ照射装置。
   Ｗ／Ｋ＜ｔａｎθ＜Ｄ／Ｗ…（１）
   θ：基板に対するマスクの傾斜角（°）、Ｗ：第２平面視におけるレーザ光の幅寸法（ｍｍ）、Ｋ：戻り光ダンパとマスクとの間における前記照射方向の距離（ｍｍ）、Ｄ：マイクロレンズのマスク側の焦点深度（ｍｍ）

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