JP4169366B2 - レーザー表面処理のエネルギーおよび空間最適化用の多レーザーユニットを備えたレーザー源制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー表面処理のエネルギーおよび空間最適化用の多レーザーユニットを備えたレーザー源を制御する装置に関するものである。
レーザー表面処理には、通常、表面のスケール除去、清浄、研磨および調製のような適用がある。一層特に、基板上に設けられたアモルファスシリコンの層をエキシマレーザーでアニーリングする適用がある。
通常の用語において、エキシマレーザーによるアモルファスシリコンのアニーリングは、ポリシリコンの形態の結晶化を得るために、アモルファスシリコンの層の温度を融点まで非常に急速に上昇させることにある。シリコンの層の溶融は標準ガラス基板に余りにも重大な障害を与えてはならない。
実際に、加熱効果は、例えば３０ｎｍ以下の厚さにわたってアモルファスシリコンの薄膜によってレーザービームを光学的に吸収することによって生じる。
エキシマレーザーによるアモルファスシリコンのアニーリングは、本出願人がフランス国において１９９５年８月１１日に出願番号第９５０９７７８号にて出願した発明の名称「レーザー表面処理の制御装置および方法」の特許出願に少なくとも部分的に述べたように、処理すべきサンプルの構造上の特徴の卓越した認識を必要とし、前記特許出願の内容はすべての有用な目的のために本願と一体の部分を成している。
第１に、レーザーによる加熱は、サンプルにおける熱変化に大きく影響するので、特に、完壁でなければならないシリコンの層の溶融および避けられなければならない基板の溶融に関して有効でなければならない。
第２に、シリコンの層の冷却および凝固速度は、アニーリング後の層内に存在するポリシリコン粒子のサイズを決めるので、相対的に遅くなければならず、大きな結晶は、シリコンをベースとするある特定のマイクロ電子装置において最適に機能させるのに最も有利である。
本出願人の観察によれば、単一レーザー源を用いてこのような最適処理を得ることは、エネルギーおよび空間の観点から困難あることが判った。
従って、少なくとも二つのレーザーユニットを備えるレーザー源を使用することが提案される。
しかしながら、複数のユニットを備えたレーザー源の制御は、レーザー表面処理との関連において実行し難い。
本発明はこの問題を解決することにある。
本発明の目的は、少なくとも二つのレーザーユニットと、各レーザーユニットからの複数のレーザービームを結合して表面処理用の合成レーザービームを供給するのに適した結合手段とを有するレーザー源を制御する装置を提供することにある。
本発明の一般的な定義によれば、レーザー表面処理に関連して、各レーザーユニットからの複数のレーザービームの特性を、レーザー表面処理に最適なようにされたエネルギーの時間プロファイルをもつ合成レーザービームを得るべく調整するようにされた手段が設けられ、また、前記合成レーザービームのエネルギー分布を空間的に均質化するのに最適な均質化手段であって、空間と前記合成レーザービームのエネルギー分布とを組合わせて、選択した表面処理に適合させるようにできる均質化手段とが設けられる。
合成レーザービームは多数の初期レーザービームからなるビームを意味している。
実際に、エキシマレーザーによるアモルファスシリコンのアニーリングからなる適用例では、合成レーザービームのパワーの時間プロファイルは、加熱効率を改善するための急な立上り縁部と、基板の溶融を避けながら処理の深さまでアモルファスシリコンの層を完全に溶融させるように選択される、処理の深さに相応した実質的に平らなピークと、再結晶化を促進させるゆるやかな立下がり縁部とを備えている。
本発明の他の特徴および利点は以下の詳細な説明および図面を考慮することにより明らかとなる。
図１は、三つのレーザーユニットを直列に装着したレーザー源を概略的に表す。
図２は、三つのレーザーユニットを反射ミラーおよび焦点合わせレンズに直列に装着したレーザー源を概略的に表す。
図３は、三つの増幅レーザーユニットを並列に装着したレーザー源を概略的に表す。
図４は、二つの発振レーザーユニットを並列に装着し、これらの発振レーザーユニットの一方に増幅ユニットを組合わせたレーザー源を概略的に表す。
図５は、二つの発振レーザーユニットを並列に装着し、これらの各発振レーザーユニットに増幅ユニットを組合わせたレーザー源を概略的に表す。
図６Ａは、各々レーザーユニットからの二つのレーザービームの時間プロファイルを概略的に表す。
図６Ｂは、図６Ａの二つのレーザービームの時間プロファイルに対する処理時間の関数としての溶融深さを概略的に表す。
当該記載は、限定されるものではないが、“Active Matrix Liquid Crystal Display”を略してＡＭＬＣＤとも呼ばれる、アクティブマトリックス液晶スクリーンの製造に関する本発明の特定の実施例に基いており、そして、より詳細には、スクリーンおよびディスプレイ素子用の制御回路を製造するのに必要な、ポリシリコントランジスタ（ポリシリコン薄膜トランジスタ、ＴＦＴ）の製造からなる工程について説明する。
この技術は、紫外線領域におけるシリコンの特に強い吸収性を利用することがなり、基板のガラスは同じ波長に対しては完全に透過性である。高出力の脈動レーザービームにより、基板に影響を与えずにアモルファスシリコンの層の温度を選択的に融点まで上昇させることができる。
本方法の利点は、非常に早くできることである（３０８ｎｍのエキシマレーザーの１パルスの平均持続時間はほんの１５０ｎｍである）。大きな表面を均質に処理するのを確実にするために、高出力エキシマレーザー、例えば有効出力１ｋＷのＸ線により再イオン化するエキシマレーザー（すなわち１０Ｊ×１００Ｈｚまたは１３Ｊ×８０Ｈｚ）を使用する必要がある。
この形式のレーザーは、相対的に低い繰返し数で脈動する高出力レーザービームを有利に供給し、それにより単一レーザーパルスで各パネルの全体にわたるような大きな表面積にわたって処理することができる。
図１において、アニーリングプロセスを実施する装置はレーザー源ＬＡを有し、このレーザー源ＬＡは電源（図示せず）およびＬＡ１〜ＬＡ３で個々に示された複数のエキシマレーザーユニットを備えている。高出力のレーザーユニットは、非常に高出力例えば４５Ｊの単一レーザービームを発生するように配置されかつ相互に結合される。
図１においては、三つのレーザーヘッドが直列に装着される。
レーザー源ＬＡはレーザー発振器を構成している。通常はこのレーザー発振器は、
−入射波を増幅できるアクティブレーザー物質すなわち媒体；
−アクティブ媒体における反転分布を達成するために、励起レベルの少なくともひとつをホピュレートするのに適した媒体エネルギーをもたらす光学ポンピング手段（図示せず）；および
−相対して配置され、幾つかのモードに集中される誘導放射を蓄積する二つのミラーからなる光学共振器を備えている。
レーザー発振器の場合には、二つのミラーの方は最大反射性である。この一方のミラーは、符号ＲＭで表されている。この一方のミラーＲＭに直径上相対して配置されたミラーＲＴは半反射性である。
ミラーＲＭは簡単な最大反射性ミラーであることができる。変形例（図１および図２）として、ミラーＲＭは、立方体の隅角部、三長方形二面体、または最大反射に加えて立方体等の隅角部の光軸に対してレーザービームのエネルギーおよび空間分布を対称にさせる機能をもつ二面体の形態に構成され得る。こうして対称にされたこのレーザービームは、合成レーザービームのエネルギーおよび空間分布において相当な効果をもたらすことができ、それについては以下に詳細に説明する。
この発振器ＬＡ１の後には二つのレーザー増幅器ユニットＬＡ２、ＬＡ３が直列に配置されている。これらのレーザー増幅器ユニットＬＡ２、ＬＡ３はミラーＲＭおよびＲＴを備えていない。これらのレーザー増幅器ユニットＬＡ２、ＬＡ３は、それらが受けるビームのパワーを増幅する。
発振器のミラーＲＭの反射はエキシマレーザーの波長ここでは３０８ｎｍで最大となる。発振器ＬＡ１の出口ミラーＲＴは約４〜４０％の反射係数を有している。
レーザーユニットＬＡ１〜ＬＡ３の寸法はほぼ次の通りである。

ユニット間の距離は、空洞の長さおよびレーザーパルスの持続時間を考慮して、
ａ）ミラーおよび窓に対するいかなる損傷
ｂ）レーザービームの自動吸収
を避けるようにされる。
このようなレーザー源の欠点はかさ張ることにある。これは、このようにして異なるレーザーユニットを直列に配列するのに大きな寸法の設備が必要となるからである。
一つの解決法（図２）は、そのようなレーザー源のかさを減少するために複数の反射ミラーと複数の焦点合わせレンズを使用することからなる。
この場合も、上述のレーザーユニットＬＡ１、ＬＡ２、ＬＡ３が再び設けられる。
図２は、合成レーザービームをターゲットＣＩＢへ導くために反射ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４を使用している点で図１のものと異なっている。
また、焦点合わせレンズＬ１、Ｌ２が設けられ、レンズＬ１はレーザーユニットＬＡ１、ＬＡ２間の波の焦点を合わせ、レンズＬ２はレーザーユニットＬＡ２、ＬＡ３間の波の焦点を合わせる。
本発明によれば、レーザーユニットＬＡ１、ＬＡ２間およびレーザーユニットＬＡ２、ＬＡ３間には調整機構ＲＥＧ１、ＲＥＧ２が設けられ、これらの調整機構ＲＥＧ１、ＲＥＧ２は所望のレーザー時間プロファイルに従ってこれら二つのユニット間の距離を調節し、それについては以下に詳細に説明する。
本発明によれば、種々のユニットの長さおよび直列に配置された種々のユニット間の距離を選択することにより、平面ＣＩＢにて処理すべき試料に照射するようにされた合成レーザービームＦＬＡＲによって供給されるエネルギーを調整できるようになる。
例えば、調整機構ＲＥＧ１、ＲＥＧ２は、レーザービームの光軸に沿って光学素子Ｍ１、Ｌ１、Ｍ２およびＭ３、Ｌ２、Ｍ４を動かすのに適した手段である。それらにより、入射および出射ビームの軸線に平行な並進運動によって、調整機構ＲＥＧ１ではレーザーユニットＬＡ１、ＬＡ２間の光学通路の長さを、また調整機構ＲＥＧ２ではレーザーユニットＬＡ２、ＬＡ３間の光学通路の長さをそれぞれ変えることができるようになる。
変形例として、図３を参照すると、レーザーユニットは並列に配置され得る。従ってこの場合も上述の三つのレーザーユニットＬＡ１、ＬＡ２、ＬＡ３が設けられている。これらのレーザーユニットは全て発振器の働きをし、各々最大反射性ミラーＲＭと部分反射性ミラーＲＴとを備えている。反射ミラーＭＰ１、ＭＰ２、ＭＰ３、ＭＰ４で形成された結合手段により、各発振器からの脈動レーザービームＦＬＡ１、ＦＬＡ２、ＦＬＡ３はターゲット平面ＣＩＢに向って結合することができる
有利には、各レーザーユニットからのレーザービームを均質化する均質化装置ＨＯが設けられる。
この均質化装置は、好ましくは、「レーザービームを均質化する光学装置」の名称で本特許出願と同日に本出願人が出願した特許出願に記載したものであり、その内容はすべての有効な目的のためにこの特許出願の一体部分を形成する。
均質化装置ＨＯは、一般的な用語において次のものを有する。
−集束性であり、また、各レーザーユニットからのレーザービームの伝搬方向と垂直に隣接してｍ列およびｎ行に配置され、処理すべきレーザービームをｍ・ｎ個のレーザービームに分割でき、各レーザービームが実質的に一様な横断面および実質的に均質なエネルギー分布をもつ複数のｍ・ｎの前方レンズＬＦと、
−レーザービームの進む方向における前方レンズＬＦの下流に、処理すべきレーザービームの伝搬方向と垂直に配置され、選択した平面ＣＩＢにおいて前方レンズからのビームの焦点を合わせるのに適した少なくとも一つの集束集光レンズＬＣ。
均質化装置ＨＯは、好ましくは、二つの集光レンズＬＣ１、ＬＣ２を有し、これらの集光レンズＬＣ１、ＬＣ２は光軸に沿って移動でき、本発明によれば、選択した適用に合成レーザービームＦＬＡＲのサイズおよびエネルギーを適合させるために二つのレンズ間の距離ｄが選択される。
有利には、集光レンズＬＣ１、ＬＣ２の組合せは、均質化手段と結合したレーザー源の全ての光学収差を最少化するように、かつまた単位表面当りのエネルギー特性（合成レーザービームの光束密度）を改善するように計算される。
図４にはレーザー源の変形例が表されている。上述のレーザーユニットＬＡ１、ＬＡ２、ＬＡ３が再び設けられる。
図３と比較して、ユニットＬＡ１は、この場合、図３に関して記載した発振器の役割に代わって増幅器の役割を果たす。また、ユニットＬＡ２、ＬＡ１は直列に配置されて、ターゲット平面ＣＩＢに向って送られるように設定された脈動合成レーザービームＦＬＡ２を供給する。
均質化装置ＨＯは、レーザービームＦＬＡ３を供給するユニットＬＡ３からのレーザービームおよび直列に配置されたユニットＬＡ２、ＬＡ１からのレーザービームＦＬＡ２を均質化するように構成される。
ユニットＬＡ２、ＬＡ１間には、これらの二つのユニット間の距離を調整すべく調整機構ＲＥＧ３が設けられている。反射ミラーＭ４、Ｍ５、Ｍ６、Ｍ７は、ユニットＬＡ２からのレーザービームＦＬＡ２をユニットＬＡ１に向ってまたレーザービームＦＬＡ１をターゲットＣＩＢに向って伝搬させる。
調整機構ＲＥＧ３には有利には、レーザービームを光学素子の動きの関数として焦点を合わせるべく焦点合わせレンズＬ３が設けられる。
図５は四つのレーザーユニットを備えたレーザー源を表す。この装置は対称に構成される。図５の装置は図４の発振レーザーユニットＬＡ３と直列に設けられた付加的な増幅レーザーユニットＬＡ４を有している点において図４に関して説明したものと異なっている。
サイズの大きな液晶スクリーンを製造するためのアモルファスシリコンのアニーリングからなる応用例では、各パネルの寸法は約５５０×６５０mmである。合成レーザービームは、処理すべきパネルのサイズに合わせた寸法を有する。
図６Ａは、レーザーユニットからそれぞれ来る二つのレーザービームによって供給されるエネルギーの二つの時間プロファイルを表している。各ビームの総エネルギーは０.８Ｊ／ｃｍ²である。Ｙ軸上にはエネルギーｍＷ／ｃｍ²が示され、Ｘ軸上には時間ｎｓが示されている。図示例は二つの異なったレーザービームに関する二つのプロファイルの場合である。例えばレーザービームＦＬＡ２はレーザービームＦＬＡ１より急速に高エネルギーを供給することがわかる。
図６Ｂは、図６Ａに関して記載した二つのレーザービームＦＬＡ１、ＦＬＡ２による時間に応じた溶融層の厚さを表す。
レーザービームＦＬＡ２は、レーザービームＦＬＡ１の出力立上り縁部１ａより急な出力立上り縁部２ａを備えていることがわかる。
また、レーザービームＦＬＡ１は、レーザービームＦＬＡ２の出力ピーク２ｂより５０ｎｍの深さにおいて実質的に平坦な出力ピーク１ｂを有することがわかる。例えば、５０ｎｍの深さは、レーザーによってアニーリングすべきアモルファスシリコン層の厚さに対応している。
最後に、レーザービームＦＬＡ１は、レーザービームＦＬＡ２の出力立下り縁部２ｃより実質的に緩やかである出力立下り縁部１ｃを有することがわかる。
エキシマレーザーによるアモルファスシリコンのアニーリングからなる応用例において、所望の合成レーザービームの時間プロファイルは、加熱効率を改善するために実質的に急な出力立上り縁部と、基板の溶融を避けながら前記深さのアモルファスシリコンの層の総溶融を得るように選択した処理深さで実質的に平坦な出力ピークと、結晶の成長を促進させるために実施的に緩やかな出力立下り縁部とを備えている。
本発明によれば、各レーザーユニットからのレーザービームは、このような時間プロファイルをもつ合成レーザービームとなるように調整される。
例えば、調整手段は、選択した時間シフトでレーザー発振器ユニットをトリガーできるトリガー手段を有する。
本発明による別の解決法は、表面処理に適した時間プロファイルを示す合成レーザービームを得るべく、レーザーユニットの長さおよび種々のレーザーユニット間の距離を調整することからなる。例えば、時間プロファイルは上述のようなプロファイルである。
本発明による別の解決法は、各個々のレーザーユニットで使用されるエネルギーを変えて、合成レーザービームが選択した時間プロファイルを示すようにすることからなる。このエネルギーを変える手段としては光学的手段（ダイヤフラム）および／または機械的手段を使用することができる。
本発明による別の解決法は、前記の均質化装置の二つの焦点合わせレンズ間の距離ｄを調整することからなる。

Claims (11)

1. 少なくとも二つのレーザーユニット（ＬＡ１，ＬＡ３；ＬＡ１，ＬＡ４）と、表面処理用の合成レーザービームを供給すべく前記少なくとも二つのレーザーユニット各々からの複数のレーザービームを結合し得る結合手段とを有するレーザー源制御装置において、
   前記装置は、レーザー表面処理に関連して、
   前記レーザー表面処理に最適にされたエネルギーの時間プロファイルを備えた前記合成レーザービームを得るべく前記少なくとも二つのレーザーユニット各々からの複数のレーザービームの少なくとも一つの特性を調整し得る前記少なくとも二つのレーザーユニットの一つ（ＬＡ１）とこのレーザーユニット（ＬＡ１）によって増幅されるレーザービームを発生する追加のレーザーユニット（ＬＡ２）との間に前記少なくとも二つのレーザーユニットの一つ（ＬＡ１）と前記追加のレーザーユニット（ＬＡ２）との間の光路の距離を調整できるように設置された複数の反射ミラーから構成された時間プロファイル調整機構（ＲＥＧ）と、
   前記合成レーザービームのエネルギー分布を空間的に均質化し、前記合成レーザービームのエネルギーおよび空間分布を組合わせて、選択した表面処理に適合させることができる多レーザービーム用の入力を有する空間的均質化装置（ＨＯ）とを有することを特徴とするレーザー源制御装置。
2. 前記時間プロファイル調整機構が、実質的に急な出力立上り縁部と、選択した処理深さで実質的な平坦な出力ピークと、実質的に緩やかな出力立下り縁部とを備えた合成レーザービームのエネルギーの時間プロファイルを得ることができることを特徴とする請求項１記載のレーザー源制御装置。
3. 前記時間プロファイル調整機構が、前記レーザービームを発生するレーザーユニットから供給されるエネルギーを光学的および／または機械的に変化させ得ることを特徴とする請求項１または２記載のレーザー源制御装置。
4. 前記時間プロファイル調整機構が、前記レーザービームを発生するレーザーユニットから供給されるレーザービームの光学的および／または幾何学的特性を調整できる調整手段を有してなることを特徴とする請求項１または２記載のレーザー源制御装置。
5. レーザー源が、少なくとも一つの増幅用のレーザーユニットと、直列に配置されたレーザービーム発生用のレーザーユニットとを有することを特徴とする請求項１記載のレーザー源制御装置。
6. 前記レーザービーム発生用のレーザーユニットが、前記レーザービームの光軸に対してレーザービームを対称にさせるため立方体等の隅角部のように配列され、かつ合成レーザービームの均質化に寄与する総反射ミラー（ＲＭ）を有することを特徴とする請求項５記載のレーザー源制御装置。
7. 前記時間プロファイル調整機構が、レーザーユニットの長さならびに前記増幅用のレーザーユニットと前記レーザービーム発生用のレーザーユニットとの間の距離を、加えられるレーザーエネルギーおよび選択した適用に応じて調整できる調整手段（ＲＥＧ）を有することを特徴とする請求項５記載のレーザー源制御装置。
8. レーザー源が、並列に配置された少なくとも二つのレーザービーム発生用のレーザーユニットを有することを特徴とする請求項１記載のレーザー源制御装置。
9. 前記多レーザービーム用の入力を有する空間的均質化装置（ＨＯ）が、集束性であり、前記レーザーユニットからのレーザービームの伝搬方向に垂直にｍ列およびｎ行に配置されて隣接し、処理すべきレーザービームをｐ・ｑ（ｐ、ｑはｍ、ｎの約数である）個のレーザービームに分割でき、各レーザービームが実質的に一様な横断面および実質的に均質なエネルギー分布を有する複数のｍ・ｎの前方レンズ（ＬＦ）と、
   レーザービームの伝搬方向における前方レンズ（ＬＦ）の下流に、処理すべきレーザービームの伝搬方向と垂直に配置され、選択した平面（ＣＩＢ）において前方レンズからのビームの焦点を合わせるのに好適な少なくとも一つの集束集光レンズ（ＬＣ）とを有していることを特徴とする請求項１記載のレーザー源制御装置。
10. 光軸に沿って移動できる二つの集光レンズ（ＬＣ１、ＬＣ２）を有し、これらの二つのレンズ間の距離（ｄ）が、選択した適用に合成レーザービームのサイズおよびエネルギーを適合するように選択され、また、前記二つの集光レンズ（ＬＣ１、ＬＣ２）の組合せが、均質化手段と結合したレーザー源の全ての光学収差を最少化するようにかつまた合成レーザービームの単位表面当りのエネルギー特性を改善するように計算され得ることを特徴とする請求項９記載のレーザー源制御装置。
11. 表面処理が、アモルファスシリコンタイプの半導体材料のアニーリングであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載のレーザー源制御装置。

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