JP4291230B2 - 結晶化膜の形成方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光による結晶化膜の形成方法及びその装置に関するものである。

この種の従来の装置として、特許文献１に記載されるものが知られている。これは、半導体の露光装置の照明装置において、転写される回路パターンの解像線幅が光源の波長に比例することからエキシマレーザつまりコヒーレントなレーザ光を用いるときに、マスク面またはウエハ面に生じる干渉縞を軽減し、被照射面を均一に照明することのできる照明装置である。

すなわち、図４，図５に示すように、レーザ光源７１からの光束を複数のビームスプリッターからなる光学部材７９，８０を有する光束分割手段７２により複数の光束Ｂ１，Ｂ２・・・Ｂｎに分割し、前記複数の光束Ｂ１，Ｂ２・・・Ｂｎを用いて被照射面を照明する際、前記光学部材７９，８０間に反射鏡からなる迂回手段Ｒ１，Ｒ２を設け、該迂回手段Ｒ１，Ｒ２を介した複数の光束Ｂ１，Ｂ２・・・Ｂｎ間に各々該光束間距離ｌ₁ −l₂以上の光路差を付与したことを特徴としている。そして、前記光路差ｌ₁ ＋l₂は、前記光源７１のコヒーレント長よりも長くなるようにできる、としている。

７３はアフォーカルレンズ（第１のアレイレンズ）であり、光束分割手段７２からの複数の入射光束の光束径を縮小させている。７５は、複数の微小レンズよりなるフライアイレンズ（第２のアレイレンズ）であり、アフォーカルレンズ７３からの複数の光束を各々、個々の微小レンズの焦点面上に収束させインコヒーレントな第２次光源面７６を形成している。７７は、コンデンサーレンズであり第２次光源面７６からの各光束を用いてレクチル等の回路パターンが形成されている被照射面Ｒを照明している。７８は投影光学系であり被照射面Ｒ上の回路パターンをウエハＷ面上に投影している。

また、他の従来装置として、特許文献２に記載されるものも知られている。これは、図６に示すようにレーザ光源６０と、該レーザ光源６０から供給される光束から複数の光源像６１’を形成する光源像形成部材（６４）と、該複数の光源像６１’からの光を集光して被照明物体６６を重畳的に照明する集光光学系（６５）とを有し、前記レーザ光源６０と前記複数の光源像６１’との間の光路中において、前記複数の光源像６１’に対応する複数の光路に対して互いに光路差を与えて被照明物体６６面上にて干渉縞が形成されることを防止する光路差生起部材６３と、該光路差生起部材６３により前記複数の光路間で生じる透過率の不均一を補正して前記被照明物体６６面上にて照明ムラを発生することを防止する透過率補正部材６７とを、それぞれ設けることを特徴としている。

すなわち、点光源６１と正レンズ６２とにより示されるレーザ光源６０からの光線束は、複数の段差を備える光路差生起部材６３を透過した後、光路差生起部材６３の段差数と同数のレンズブロックを備えるレンティキュラーレンズ６４（アレイレンズ）によつてその射出面近傍に光路差生起部材６３の段差数と同数の光源像６１’を形成する。複数の光源像６１’からの光束は、コンデンサレンズ６５を介して被照明物体６６面を重畳的に照明する。
特公昭６２−２５４８３号公報 特公平７−２１５８３号公報

しかしながら、特許文献１及び２に記載されるレーザ光による結晶化膜の形成方法及びその装置にあつては、次のような技術的課題が存在していた。

先ず、特許文献１の光学系は、フライアイレンズ７５（第２のアレイレンズ）の前に、アフォーカルレンズ７３からなる光分割手段とビームスプリッターや反射鏡７９，８０，Ｒ１，Ｒ２からなる光路差生起部材とを順次に設けているため、ビームスプリッター（７９）によつて分割されてフライアイレンズ７５（第２のアレイレンズ）に入射する光線がそれぞれガウシアンビームとなり、こういつた１つの山をなすガウシアンビームの複数を被照射面で重畳しても、均一性に優れた照明を得ることができない。

加えて、特許文献１にあつては、複数の光束Ｂ１，Ｂ２・・・Ｂｎ間に各々光束間距離ｌ₁ −l₂以上の光路差を付与すると共に、光路差ｌ₁ ＋l₂は、前記光源１のコヒーレント長よりも長くすることを可能とするものであるが、光路差を付与する手段が、光路差生起部材を用いず、光学部材７９，８０間に設ける迂回手段Ｒ１，Ｒ２・・・によつて構成され、迂回手段Ｒ１，Ｒ２を介した複数の光束Ｂ１，Ｂ２・・・Ｂｎ間に光路差を付与する構造である。

このため、光路差を付与する手段が大形化するのみならず、光学部材７９，８０及び迂回手段Ｒ１，Ｒ２・・・がそれぞれ鏡よりなるため、各鏡の位置調節及び角度調節が困難で良好な照明を得ることができないという技術的課題がある。

他方、特許文献２にあつては、レーザ光源６０とレンティキュラーレンズ６４（アレイレンズ）との間に光路差生起部材６３が配置され、複数の段差を有する光路差生起部材６３を透過した後、同数のレンズブロックを備えたレンティキュラーレンズ６４（アレイレンズ）によつてその射出面近傍に光路差生起部材６３の段差数と同数の光源像６１’を形成する。

このように、光路差生起部材６３の後側にレンティキュラーレンズ６４（アレイレンズ）を配置してあるため、レーザ光源６０からは拡がり角θを有する光線束としてのレーザ光が射出され、これが単一の光路差生起部材６３の１つのブロック部を透過した後に、レンティキュラーレンズ６４（アレイレンズ）の複数のレンズ部分に入射してしまう。つまり、レンティキュラーレンズ６４（アレイレンズ）の１つのレンズ部分には、光路差生起部材６３の複数の段差部分を透過したレーザ光が入射してしまう。
このため、被照明物体６６に結像するとき、干渉することを免れ得ない。

仮に、光路差生起部材６３を複数の独立するブロック部の集合によつて構成し、レンティキュラーレンズ６４（アレイレンズ）によつて複数の分割光線に縮小させる前に、レーザ光を光路差生起部材６３に透過させると、不可避的な拡がり角θを有する平行な光線束としてのレーザ光が光路差生起部材６３の各ブロック部内部側面での多量の反射光を発生することに起因して、均一性に優れた照明を得ることができない。これは、光路差生起部材６３のブロック部の幅が、レーザ光の入射幅と同等であることで、助長されている。

また、特許文献２での光学系は、レンティキュラーレンズ６４（アレイレンズ）の各レンズ部分のレーザ光の入射面が平面をなすため、各レンズ部分に入射後の拡がり角θを有するレーザ光が各レンズ部分の側面で多量に反射する。

これらの方法・装置による不均一なレーザを薄膜状の材料に照射して結晶化を行うと、結晶粒の大きさに不均一が生じることを免れ得ない。

本発明は、このような従来の技術的課題に鑑みてなされ、特に、レーザ光源から所定の拡がり角を有する光線束としてのレーザ光を射出することに起因する技術的課題を解決するものであり、その構成は、次の通りである。
請求項１の発明は、拡がり角θを有する光線束としてのレーザ光１を射出するレーザ光源Ａに対し、一側面視で、複数のシリンドリカルレンズ２ａからなる第１のアレイレンズ２、複数のシリンドリカルレンズ３ａからなる第２のアレイレンズ３、光路差を与える複数のブロック部７ａを備える光路差生起部材７、集光レンズ５及び被照射面６を順次に配置し、
レーザ光源Ａから射出されるレーザ光１を第１のアレイレンズ２に透過させ、第１のアレイレンズ２の幅ｄを有する隣接するシリンドリカルレンズ２ａの個数に応じた複数の縮小させた分割光線９を得、該分割光線９を第２のアレイレンズ３の対応するシリンドリカルレンズ３ａに個別に透過させて第１のアレイレンズ２のシリンドリカルレンズ２ａの幅ｄよりも狭幅に縮小させた複数の縮小分割光線１０を得た後、各縮小分割光線１０を光路差生起部材７の対応するブロック部７ａを分割面側での反射を低減させて個別に透過させ、コヒーレント性を調節するように縮小分割光線１０相互に光路差を生起させた後、各縮小分割光線１０を集光レンズ５によつて重畳して被照射面６に照射させることを特徴とする結晶化膜の形成方法である。
請求項２の発明は、光路差生起部材７のブロック部７ａ相互の長さの差（ΔＬ）が、各縮小分割光線１０にコヒーレント長を超える光路差を生起するように設定されていることを特徴とする請求項１の結晶化膜の形成方法である。
請求項３の発明は、光路差生起部材７のブロック部７ａの幅ａは、第１のアレイレンズ２のシリンドリカルレンズ２ａの幅ｄと同等以下の幅であることを特徴とする請求項１又は２の結晶化膜の形成方法である。
請求項４の発明は、第１のアレイレンズ２のシリンドリカルレンズ２ａのレーザ光１の入射面１１が正の凸曲面をなしていることを特徴とする請求項１，２又は３の結晶化膜の形成方法である。
請求項５の発明は、第１のアレイレンズ２と被照射面６とが共役の関係にあることを特徴とする請求項１，２，３又は４の結晶化膜の形成方法である。
請求項６の発明は、レーザ光源Ａから射出されて拡がり角θを有する光線束としてのレーザ光１を整形して被照射面６に照射させる結晶化膜の形成装置において、
レーザ光源Ａに対し、一側面視でレーザ光１を複数に分割・縮小して分割光線９となした後、各分割光線９を個別の縮小光線束にして縮小分割光線１０を得る分割・縮小手段（２，３）と、
各縮小分割光線１０を分割面側での反射を低減させて個別に透過させ、コヒーレント性を調節するように縮小分割光線１０相互に光路差を生起させるブロック部７ａを備える光路差生起部材７と、
光路差生起部材７を透過した縮小分割光線１０を集光させる集光レンズ５とを備えさせ、集光レンズ５を透過させて重畳したレーザ光によつて被照射面６を照明させることを特徴とする結晶化膜の形成装置である。
ここで、各縮小分割光線１０を光路差生起部材７の対応するブロック部７ａを分割面側での反射を低減させて個別に透過させ、コヒーレント性を調節するように各縮小分割光線１０に光路差を生起させるとは、縮小分割光線１０相互に非コヒーレント性を与える場合に加え、縮小分割光線１０同士に所定の干渉を調整して与える場合を含む。

以上の説明によつて理解されるように、本発明に係る結晶化膜の形成方法及びその装置によれば、次の効果を奏することができる。
請求項１及び６に係る発明によれば、拡がり角θを有する光線束としてのレーザ光を射出するレーザ光源に対し、一側面視で、レーザ光を複数に分割・縮小して分割光線となした後、各分割光線を個別の縮小光線束にして縮小分割光線を得、この各縮小分割光線を分割面側での反射を低減させて光路差生起部材のブロック部に個別に透過させる。

光路差生起部材の各ブロック部は、コヒーレント性を調節するように縮小分割光線相互に光路差を生起させる。光路差生起部材を透過した各縮小分割光線は、集光レンズによつて集光させ、集光レンズを透過するレーザ光を重畳させて被照射面を照明させる。

これにより、位置調節及び角度調節が容易で良好な像を得ることが可能な簡素な光路差生起部材を用いながら、レーザ光を光路差を有する複数の個別の縮小分割光線とする際の光路差生起部材の側面での反射を低減させ、均一なレーザを得ることができる。

また、光路差生起部材の各ブロック部には、１つの縮小分割光線のみが透過することによつても、均一なレーザ光が得られる。

かくして、レーザ光同士の干渉が制御されると共に、均一なレーザを薄膜状の材料に照射して結晶化を行い、均一な大きさの結晶粒を得ることが可能になる。加えて、レーザ光を分割・縮小する手段、光路差生起部材、集光レンズ及び被照射面が順次に配置されているので、被照射面のビーム形状に影響を与えることなく、光路差生起部材の長さを任意に設定して、レーザ光同士の干渉を制御することが可能である。

請求項２に係る発明によれば、光路差生起部材のブロック部相互の長さの差が、各縮小分割光線にコヒーレント長を超える光路差を生起するように設定されているため、被照射面に照射させるときの縮小分割光線同士の干渉が良好に防止される。

請求項３に係る発明によれば、光路差生起部材のブロック部の幅ａは、第１のアレイレンズのシリンドリカルレンズの幅ｄと同等以下の幅であるから、個別の縮小光線束にした縮小分割光線を小形のブロック部を有する光路差生起部材に透過させて、請求項１に係る発明と同様の効果を奏することができる。

請求項４に係る発明によれば、第１のアレイレンズのシリンドリカルレンズのレーザ光の入射面が正の凸曲面をなすため、第１のアレイレンズのシリンドリカルレンズの側面での反射を良好に抑制させ、更に均一なレーザ光を得ることができる。

請求項５に係る発明によれば、第１のアレイレンズと被照射面とが物体と像との関係になる共役の関係にあるため、第１のアレイレンズによつて分割した直後のビーム形状を被照射面上で重畳することになり、レーザ光源の影響を低減させて、より均一な照明を被照射面上に得ることが可能になる。加えて、第１のアレイレンズと被照射面とで共役な光線は、第２のアレイレンズと集光レンズとの間で平行光線になるため、この位置にブロック部からなる光路差生起部材を設置しても、共役の関係を変えることがなく、分割した光線の光路差のみを変えることができる。平行光線は、ブロック部の入出射端で発生し易い回折も防止可能である。

図１，図２は、本発明に係る結晶化膜の形成装置の１実施の形態を示す。図１中において符号Ａはレーザ光源を示し、レーザ光源Ａに対し、一側面視で、第１のアレイレンズ２、第２のアレイレンズ３、光路差を与える光路差生起部材７、集光レンズ５及び被照射面６を、順次に光軸ｘを一致させて配置している。なお、従来例でいうレンティキュラーレンズ及びフライアイレンズをアレイレンズと定義する。

レーザ光源Ａは、光源と正レンズ（図示せず）とを備え、レーザ光源Ａから射出されたコヒーレント光は理論的には平行な光線束であるレーザ光１となるが、このレーザ光１は、実際にはレーザ光源Ａから発せられることに起因して、不可避的な拡がり角θ（＜１ｍｒａｄ）を有している。

第１，第２のアレイレンズ２，３は、それぞれ隣接する複数（図上では各５個）のシリンドリカルレンズ２ａ，３ａを結合して形成され、集光レンズ５と共にホモジナイザを構成している。第１のアレイレンズ２の各シリンドリカルレンズ２ａは、焦点距離ｆ１を有し、第２のアレイレンズ３の各シリンドリカルレンズ３ａは、焦点距離ｆ２を有し、同方向に延在配置した第１，第２のアレイレンズ２，３間の距離をｆ２に合致させている。レーザ光源Ａから発せられるレーザ光１は、第１のアレイレンズ２に入射して各シリンドリカルレンズ２ａによつて収束されて分割され、分割光線９となる。但し、ｆ２＞ｆ１、かつ、ｆ１＞ｆ２／２に設定してある。

各分割光線９は、第１のアレイレンズ２のシリンドリカルレンズ２ａの個数に応じた光源像４を第２のアレイレンズ３の手前に形成し、各光源像４からの光９は第２のアレイレンズ３の各シリンドリカルレンズ３ａに個別に入射し、ほぼ平行な縮小分割光線１０とされる。この第１のアレイレンズ２の各シリンドリカルレンズ２ａ及び第２のアレイレンズ３の各シリンドリカルレンズ３ａは、レーザ光１を分割・縮小させた後、各分割光線９を個別のほぼ平行な光線束にして縮小分割光線１０を得る分割・縮小手段を構成している。第１のアレイレンズ２の各シリンドリカルレンズ２ａは、レーザ光１を光軸ｘ（Ｘ方向）と直交するＹ方向（図１に示す一側面視で上下方向）に縮小させながら分割光線９に分割し、第２のアレイレンズ３の各シリンドリカルレンズ３ａは、光軸ｘと直交するＹ方向で各分割光線９を縮小させながら平行な光線束である縮小分割光線１０にする。

なお、各縮小分割光線１０は、第１のアレイレンズ２のシリンドリカルレンズ２ａの幅ｄよりも狭幅に縮小させた複数の縮小分割光線１０とすれば、各縮小分割光線１０を光路差生起部材７のブロック部７ａのＹ方向の両端にある側面による反射を生じさせることなく個別に透過させることが可能であるから、必ずしも正確に平行な光線束としなくてもよい。要するに、各縮小分割光線１０を、シリンドリカルレンズ２ａによる分割面側での反射を低減させて、光路差生起部材７の対応するブロック部７ａを個別に透過させればよい。

ここで、収束光を得る第１のアレイレンズ２のシリンドリカルレンズ２ａのレーザ光１が入射する曲率面１１は、図２に示すように正の凸曲面に設定する。これにより、拡がり角θを有するレーザ光１が第１のアレイレンズ２のシリンドリカルレンズ２ａのＹ方向の両端にある側面１３で発生する反射を低減させることができる。

集光レンズ５は、焦点距離ｆｃを有する１個の大きなシリンドリカルレンズによつて構成され、光路差生起部材７の各ブロック部７ａを個別に透過した全ての縮小分割光線１０を被照射面６の同一部分に収束させ、重畳・整形させる。従つて、被照射面６の任意の一点Ｐは、全ての光源像４からの光によつて照明される。被照射面６と集光レンズ５との間の距離は、集光レンズ５の焦点距離ｆｃに一致させてある。

被照射面６は、結晶化膜を形成する半導体（薄膜材料）を設置する面となる。このような第１，第２のアレイレンズ２，３間の距離を第２のアレイレンズ３の焦点距離ｆ２に一致させ、かつ、被照射面６と集光レンズ５との間の距離を集光レンズ５の焦点距離ｆｃに一致させる配置は、第１のアレイレンズ２と被照射面６とに共役関係を与える。

しかして、レーザ光源Ａから発せられるレーザ光１は、ホモジナイザを構成する第１，第２のアレイレンズ２，３及び集光レンズ５を透過し、被照射面６を照明するので、被照射面６に設置する薄膜材料に結晶化膜を形成することができる。

第１のアレイレンズ２と被照射面６とを共役の関係とすることにより、第１のアレイレンズ２によつて分割した直後の分割光線９のビーム形状を被照射面６上で重畳するため、均一な照明を被照射面６上に得ることができる。

また、第１のアレイレンズ２と被照射面６とで共役な光線８（図１に示す）は、第２のアレイレンズ３と集光レンズ５との間で平行光線になるため、この位置に光路差生起部材７を設置しても、共役の関係を変えることなく分割した光線の光路差のみを変えることができる。光路差生起部材７を透過する縮小分割光線１０は、ｆ１＞ｆ２／２に設定して縮小したことにより、光路差生起部材３を構成するブロック部７ａの幅ａよりも狭くできるため、ブロック部７ａの内部での反射を抑制でき、また、縮小分割光線１０が平行光線になるため、ブロック部７ａの入出射端で発生する回折を防止できる。

このようなレーザ光源Ａ、第１のアレイレンズ２、第２のアレイレンズ３、集光レンズ５及び被照射面６を備える結晶化膜の形成装置において、第２のアレイレンズ３と集光レンズ５との間に配置する光路差生起部材７について説明する。

光路差生起部材７は、被照射面６の任意の一点Ｐでの各縮小分割光線１０の光路差を、レーザ光源Ａから発せられるレーザ光１のコヒーレント性が調節されるように生起させ、干渉ひいては干渉縞を抑制又は制御する機能を有し、縮小分割光線１０の個数に応じて複数のＮ個（図上では５個）の光路差生起用のブロック部７ａを並列に配置して構成される。一般的には、光路差生起部材７により、光路差をレーザ光１の可干渉距離よりも大きくして、干渉縞の発生を防止する。

各ブロック部７ａは、空気よりも大きな所定の屈折率を有し、Ｙ方向の同一の幅ａ及び光軸ｘ方向の相互に異なる長さＬを有している。各ブロック部７ａの幅ａは、第１のアレイレンズ２のシリンドリカルレンズ２ａの幅ｄと同等以下の幅とし、各ブロック部７ａの長さＬは、干渉縞を抑制又は制御するように設定するが、一般的には、第２のアレイレンズ３より射出する全ての縮小分割光線１０が、相互にコヒーレント長を超える光路差を生ずるように設定する。

具体的には、光路差生起部材７の各ブロック部７ａは、幅ａ、かつ、ブロック部７ａの長さＬ₁ ＋（Ｎ−１）・ΔＬの四角柱の石英ガラスからなる。但し、Ｌ₁ は、最小のブロック部７ａの長さ、Ｎはブロック部７ａの個数に応じた整数である。すなわち、石英ガラスからなる５個のブロック部７ａは、最小のブロック部７ａの長さＬ₁ とし、各段のブロック部７ａ相互の長さの差をΔＬとして、中央に長さＬ₁ ＋４・ΔＬ、中央の隣のＬ₁ ＋３・ΔＬとＬ₁ ＋２・ΔＬ、その隣にＬ₁ ＋１・ΔＬ・・・というように配置した。この各ブロック部７ａの長さの差ΔＬが、一般的にはレーザ光１にコヒーレント長を超える光路差を生ずる長さである。

従つて、第２のアレイレンズ３の各シリンドリカルレンズ３ａに個別に入射し、ほぼ平行な光線とされた各光源像４からの縮小分割光線１０は、各ブロック部７ａの中央部を個別に透過し、光路毎に異なる光路長が与えられる。

次に、作用について説明する。
レーザ光源Ａから発せられる拡がり角θ（＜１ｍｒａｄ）を有する平行な光線束であるレーザ光１は、第１のアレイレンズ２の各シリンドリカルレンズ２ａによつて各分割光線９として収束され、第２のアレイレンズ３より手前の同一面上にシリンドリカルレンズ２ａの個数に応じた光源像４を形成する。各光源像４からの分割光線９は、第２のアレイレンズ３の各シリンドリカルレンズ３ａに個別に入射し、ほぼ平行な光線とされる。

すなわち、拡がり角θをもつてコヒーレントな光源Ａより発生したレーザ光１は、焦点距離ｆ１、レンズ幅ｄのＮ個のシリンドリカルレンズ２ａより構成される第１のアレイレンズ２を透過し、焦点距離ｆ２、幅ｄのＮ個のシリンドリカルレンズ３ａより構成される第２のアレイレンズ３を透過する。従つて、レーザ光１は、分割・縮小手段（２，３）により、複数に分割・縮小した分割光線９となした後、各分割光線９が個別の平行光線束からなる縮小分割光線１０になる。

ｆ１＜ｆ２であれば、光源像４は第１のアレイレンズ２と第２のアレイレンズ３との間に形成され、ｆ１＞ｆ２／２であれば、各分割光線９は、第１のアレイレンズ２の各シリンドリカルレンズ２ａの幅ｄと同一幅ｄ以下の第２のアレイレンズ３の各シリンドリカルレンズ３ａの中央部を透過し得る。分割光線９がシリンドリカルレンズ３ａの中央部を透過することにより、第２のアレイレンズ３の側面で発生する反射が低減される。

また、レーザ光１が入射する第１のアレイレンズ２の各シリンドリカルレンズ２ａの曲率面１１は、図２に示すように正の凸曲面に設定されているため、第１のアレイレンズ２の側面で発生する反射が低減される。

ここで、レーザ光源Ａからの平行な光線束からなるレーザ光１は、若干の拡がり角θ（＜１ｍｒａｄ）を有しているため、各シリンドリカルレンズ２ａに入射後にレンズ２ａの内部での反射光を多く生ずると、この影響が被照射面６に無視できない不均一光として現れる。

これに対し、図２に示すように第１のアレイレンズ２のシリンドリカルレンズ２ａのレーザ光１の入射する曲率面１１を凸曲面にＲ設定し、入射直後に収束光とすることで、各シリンドリカルレンズ２ａのＹ方向の両端にある内部側面１３での反射を極力防止し、照明光の均一性に影響しない程度にまで反射光を低減ないし皆無にさせることができる。つまり、図３に示すように各シリンドリカルレンズ２ａ’の入射面１１’を平面（又は凹曲面）で形成すると、拡がり角θを有するレーザ光１は、屈折後にアレイレンズ２’のＹ方向にある側面１３’で多量に全反射し、その反射光が第２のアレイレンズ３の対応するシリンドリカルレンズ３ａのみならず、隣接する非対応のシリンドリカルレンズ３ａにも入射する。なお、第１のアレイレンズ２の各シリンドリカルレンズ２ａの射出面１２は、平面でよい。

このようにして第２のアレイレンズ３を透過した縮小分割光線１０は、幅ｄより狭幅の実質的な平行光線束とされて光路差生起部材７の各ブロック部７ａを透過する。このとき、光路差生起部材７の特にＹ方向の両端の側面での反射及び回折は見られなかつた。この光路差生起部材７のブロック部７ａのＹ方向の幅ａは、第１のアレイレンズ２のレンズ２ａの同方向の幅ｄと同等以下の幅でよい。

各縮小分割光線１０は、対応する光路差生起部材７のブロック部７ａを透過した後、焦点距離ｆｃよりなる集光レンズ５を透過し、重畳されて整形されたレーザ光となつて被照射面６を照明する。集光レンズ５は、被照射面６から焦点距離ｆｃの位置に配置してあるから、平行光線束からなる各縮小分割光線１０は、集光レンズ５を透過することによつて被照射面６に集合されて被照射面６を照射し、被照射面６に設置する半導体面に結晶化膜を形成する。

光路差生起部材７のブロック部７ａを透過した各縮小分割光線１０は、一般的に実質的な非可干渉の状態にあるため、被照射面６での干渉縞の発生が防止され、かつ、均一性に優れる整形されたレーザ光１を薄膜状の材料に照射することになり、結晶粒の大きさが均一であるなどの面内均一性に優れた結晶化膜を得ることが可能になる。

第１のアレイレンズ２と被照射面６とは共役であるため、第１のアレイレンズ２の任意の１点は、光路差生起部材７の長さＬの長短によらず、被照射面６の任意の１点Ｐに集光する。ブロック部７ａの入出射端面で発生し易い回折も防止できる。

この光学系で整形したレーザ光線を例えばａ−Ｓｉ膜の結晶化に使用することにより、これまで低コヒーレント性のエキシマレーザによつて構成していたレーザアニール装置を、固体レーザに変換することが可能になる。

エキシマレーザを生ずるレーザ光源Ａは、活性なガスを用いているため、数日に１回のガス交換等のメンテナンスを必要とするが、固体レーザを使用することで、この種のメンテナンスを必要としない装置を構成できる。また、固体レーザは、パルスエネルギーの変動率に優れている（エキシマレーザは４〜６％、固体レーザは１〜２％といわれている）、繰り返し周波数が高い（エキシマレーザは３００〜４００ｋＨｚ、固体レーザは１０〜２０ｋＨｚ）、直線偏光である（エキシマレーザはランダム偏光）、という点において優れており、固体レーザの特徴を生かした薄膜状の材料の結晶化が可能となり、膜の結晶粒の均一性の向上、結晶粒の大きさの増大等に効果が期待できる。

実際に、上記の結晶化膜の形成装置において、コヒーレントなレーザ光源Ａとして、ＹＡＧレーザの２倍高調波であるλ＝５３２ｎｍのレーザ光１を発するものを使用し、干渉しない光路差：ΔＬａを計測すると３ｍｍであつたため、上記ブロック部７ａ同士の長さの差ΔＬを（石英の屈折率−空気の屈折率）・３ｍｍ＝４．５ｍｍより長い５ｍｍとして５個（Ｎ個）の四角柱のブロック部７ａからなる光路差生起部材７を使用し、均一化したレーザ（縮小分割光線１０）を被照射面６に配置した薄膜５０ｎｍであるガラス上に形成したａ−Ｓｉ膜に重畳させて照射したところ、均一性が良好な結晶化膜である結晶化Ｓｉ膜が得られた。

なお、光路差生起部材７を構成する各ブロック部７ａ相互間に付与する光路差をレーザ光１のコヒーレント長と同程度ないし若干短くすることで、特開平１０−２５６１５２号に記載されるような光束干渉を発生させて、熱密度分布の周期を制御して、結晶形状を制御することも可能である。すなわち、大きな結晶粒を成長させるためには、レーザ光の強度を調節し残留核密度と核発生位置を制御することが重要であり、レーザ光に数μｍほどの周期的な強度分布を形成して、低強度部分に残留核を形成することが有効である。このレーザ光の周期的な強度分布は、縮小分割光線１０相互にコヒーレント長と同程度ないし若干短く光路差を生起させ、そのコヒーレント性を調節したレーザ光の干渉によつて作成することができる。

従つて、上述したように各縮小分割光線１０を分割面側での反射を低減させて、光路差生起部材７の対応するブロック部７ａを個別に透過させ、コヒーレント性を調節するように各縮小分割光線１０に光路差を生起させた後、各縮小分割光線１０を集光レンズ５によつて重畳して被照射面６に照射させ、被照射面６に結晶化膜を形成することにより、拡がり角θを有する平行な光線束としてのレーザ光１を使用して、レーザ光１を複数の個別の縮小光線束にして縮小分割光線１０とする際の光路差生起部材７の側面での反射を低減させ、均一なレーザを得ることができる。また、光路差生起部材７の各ブロック部７ａには、１つの縮小分割光線１０のみが透過し、均一なレーザ光１が得られる。かくして、レーザ光同士が干渉することが良好に制御されると共に、均一なレーザ光を薄膜状の材料に照射して結晶化を行い、均一な大きさの結晶粒を得ることが可能になる。

ところで、上記１実施の形態の光路差生起部材７の複数のブロック部７ａは、個別のブロック部７ａの集合体にて形成したが、階段状をなす単一の光路差生起部材７に複数のブロック部７ａを形成してもよい。

本発明の１実施の形態に係る結晶化膜の形成装置を、一側面視で示す概略図。 同じく入射面を正の凸曲面で形成する第１のアレイレンズのシリンドリカルレンズを示す図。 同じく入射面を平面で形成する第１のアレイレンズのシリンドリカルレンズを示す図。 従来の結晶化膜の形成装置を示す概略図。 同じく光束分割手段を示す概略図。 従来の他の結晶化膜の形成装置を示す概略図。

符号の説明

１：レーザ光
２：第１のアレイレンズ（分割・縮小手段）
２ａ：シリンドリカルレンズ
３：第２のアレイレンズ（分割・縮小手段）
３ａ：シリンドリカルレンズ
５：集光レンズ
６：被照射面
７：光路差生起部材
７ａ：ブロック部
９：分割光線
１０：縮小分割光線
１１：入射面
ａ：ブロック部の幅
ｄ：シリンドリカルレンズの幅
Ａ：レーザ光源
θ：拡がり角
ΔＬ：ブロック部相互の長さの差

Claims (6)

1. 拡がり角（θ）を有する光線束としてのレーザ光（１）を射出するレーザ光源（Ａ）に対し、一側面視で、複数のシリンドリカルレンズ（２ａ）からなる第１のアレイレンズ（２）、複数のシリンドリカルレンズ（３ａ）からなる第２のアレイレンズ（３）、光路差を与える複数のブロック部（７ａ）を備える光路差生起部材（７）、集光レンズ（５）及び被照射面（６）を順次に配置し、
   レーザ光源（Ａ）から射出されるレーザ光（１）を第１のアレイレンズ（２）に透過させ、第１のアレイレンズ（２）の幅（ｄ）を有する隣接するシリンドリカルレンズ（２ａ）の個数に応じた複数の縮小させた分割光線（９）を得、該分割光線（９）を第２のアレイレンズ（３）の対応するシリンドリカルレンズ（３ａ）に個別に透過させて第１のアレイレンズ（２）のシリンドリカルレンズ（２ａ）の幅（ｄ）よりも狭幅に縮小させた複数の縮小分割光線（１０）を得た後、各縮小分割光線（１０）を光路差生起部材（７）の対応するブロック部（７ａ）を分割面側での反射を低減させて個別に透過させ、コヒーレント性を調節するように縮小分割光線（１０）相互に光路差を生起させた後、各縮小分割光線（１０）を集光レンズ（５）によつて重畳して被照射面（６）に照射させることを特徴とする結晶化膜の形成方法。
2. 光路差生起部材（７）のブロック部（７ａ）相互の長さの差（ΔＬ）が、各縮小分割光線（１０）にコヒーレント長を超える光路差を生起するように設定されていることを特徴とする請求項１の結晶化膜の形成方法。
3. 光路差生起部材（７）のブロック部（７ａ）の幅（ａ）は、第１のアレイレンズ（２）のシリンドリカルレンズ（２ａ）の幅（ｄ）と同等以下の幅であることを特徴とする請求項１又は２の結晶化膜の形成方法。
4. 第１のアレイレンズ（２）のシリンドリカルレンズ（２ａ）のレーザ光（１）の入射面（１１）が正の凸曲面をなしていることを特徴とする請求項１，２又は３の結晶化膜の形成方法。
5. 第１のアレイレンズ（２）と被照射面（６）とが共役の関係にあることを特徴とする請求項１，２，３又は４の結晶化膜の形成方法。
6. レーザ光源（Ａ）から射出されて拡がり角（θ）を有する光線束としてのレーザ光（１）を整形して被照射面（６）に照射させる結晶化膜の形成装置において、
   レーザ光源（Ａ）に対し、一側面視でレーザ光（１）を複数に分割・縮小して分割光線（９）となした後、各分割光線（９）を個別の縮小光線束にして縮小分割光線（１０）を得る分割・縮小手段（２，３）と、
   各縮小分割光線（１０）を分割面側での反射を低減させて個別に透過させ、コヒーレント性を調節するように縮小分割光線（１０）相互に光路差を生起させるブロック部（７ａ）を備える光路差生起部材（７）と、
   光路差生起部材（７）を透過した縮小分割光線（１０）を集光させる集光レンズ（５）とを備えさせ、
   集光レンズ（５）を透過させて重畳したレーザ光によつて被照射面（６）を照明させることを特徴とする結晶化膜の形成装置。

Images