JP4589788B2

JP4589788B2 - レーザ照射方法

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Publication number: JP4589788B2
Application number: JP2005107820A
Authority: JP
Inventors: 輝尚川▲崎▼
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-04-04
Filing date: 2005-04-04
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2025-04-04
Also published as: JP2006287129A

Description

本発明は、レーザ照射方法に関し、特にレーザ光のビーム断面形状を整形するマスクを介して被照射物にレーザ光を入射させるレーザ照射方法に関する。

従来から、光源から出射されたパルスレーザ光を、遮蔽マスク及び集束レンズを介して基板に入射させるレーザアニール装置が知られている（特許文献１参照）。遮蔽マスクは、遮光板に貫通孔を形成したものであり、その貫通孔の部分だけがパルスレーザ光の通過を許容する。集束レンズが、遮蔽マスクの貫通孔を被照射基板の表面に結像させる。基板の表層部は、アモルファス半導体からなる。パルスレーザ光が入射した領域のアモルファス半導体が溶融し、固化することにより結晶化される。

上記遮蔽マスクは、レーザ光を吸収して高温となる。この結果、遮蔽マスクの貫通孔の形状が歪んでしまい、アニール結果物の品質が低下してしまうことがある。そこで、反射型のマスクが知られている（特許文献２参照）。この反射型のマスクは、使用するレーザ光を透過させる透過基板の表面に、そのレーザ光に対する反射率が７０％以上である金属膜を選択的に形成したものである。金属膜がレーザ光を反射させるので、マスクの過熱を防止でき、マスクの耐久性を高めることができる。

特開２００３−３１８１１１号公報特開２００１−５３０２１号公報

上記反射型のマスクを用いる場合、反射型のマスクの金属膜で反射されたレーザ光が、その反射型のマスクに至るまでに経由した光学系に逆戻りし、その光学系の劣化を早めてしまう場合がある。また、反射型のマスクで反射されたレーザ光は被照射面に到達しないので、その分だけロスが生じることになる。レーザ光を有効に利用し、アニール処理の効率を高める技術が望まれている。

本発明の目的は、マスクで反射されたレーザ光に起因した光学系の劣化を防止することができる技術を提供することにある。本発明の他の目的は、レーザ光を有効に利用し、レーザ加工の加工効率の低下を防止することができる技術を提供することにある。

本発明の一観点によれば、
（ｉ）マスク面の第１の領域内に、照射用レーザ光を反射させる反射領域と、該照射用レーザ光を通過させる通過領域とが画定されたパターン化マスクを準備する工程と、
（ｉｉ）前記パターン化マスクのマスク面の前記第１の領域に対して前記照射用レーザ光を斜めに入射させ、該パターン化マスクの反射領域で反射された反射レーザ光、及び該パターン化マスクの通過領域を通過した通過レーザ光の双方を、それぞれ被照射面に入射させる工程と、
（ｉｉｉ）前記被照射面内において前記反射レーザ光及び前記透過レーザ光の入射位置を移動させる工程と、
（ｉｖ）前記工程（ｉｉｉ）の後、前記反射レーザ光及び前記透過レーザ光を前記被照射面に入射させる工程と
を有し、
前記工程（ｉｉ）で前記透過レーザ光が入射した領域と、前記工程（ｉｖ）で前記反射レーザ光が入射した領域とを組み合わせた組み合わせ領域が、前記第１の領域に入射する位置における前記照射用レーザ光の進行方向に垂直な仮想平面に、前記第１の領域を正投影して得られる投影領域の形状と相似であるように、前記工程（ｉｉｉ）において前記反射レーザ光及び前記透過レーザ光の入射位置を移動させるレーザ照射方法が提供される。

本発明によれば、パターン化マスクに照射用レーザ光を斜めに入射させるので、反射レーザ光が、パターン化マスクに至るまでに経由した光学系に逆戻りしてしまうことを回避できる。このため、反射レーザ光に起因する光学素子の劣化を防止することができる。また、通過レーザ光のみならず、反射レーザ光も被照射面に入射させることができるので、レーザ光を有効に利用することができる。即ち、被照射面上における反射レーザ光の入射領域と通過レーザ光の入射領域とを同時に加工することが可能となり、レーザ加工の加工効率の低下を防止することができる。

図１は、実施例によるレーザアニール装置の概略図である。レーザ出射装置１が、パルスレーザ光Ｌを出射する。レーザ出射装置１は、エキシマレーザ発振器１１と、エキシマレーザ発振器１１から出射されたパルスレーザ光のビーム断面内における強度分布を均一化し、強度分布が均一化されたパルスレーザ光を平行光線束化された状態で出射させるホモジナイザ１２と、ホモジナイザ１２から出射したパルスレーザ光のビーム断面を四角形状に制限する制限マスク１３と、制限マスク１３でビーム断面が整形されたパルスレーザ光の光路を画定する反射鏡１４とを含む。反射鏡１４で反射されたパルスレーザ光Ｌのビーム断面Ｓは四角形状をなす。なお、ホモジナイザ１２は、非球面レンズを複数枚組み合わせた光学系によって構成されている。

パターン化マスク２に、反射鏡１４で反射されたパルスレーザ光Ｌが入射する。パターン化マスク２は、透過基板２１と、透過基板２１上に形成された反射膜２２とを有する。透過基板２１は、紫外光を透過させる材料、具体的には石英からなる。反射膜２２は、紫外光を反射させる材料、具体的にはＣｒあるいは誘電多層膜からなる。パターン化マスク２は、このパターン化マスク２に入射する位置におけるパルスレーザ光Ｌの進行方向に垂直な仮想平面（以下、基準仮想平面という。）に対して傾斜している。透過基板２１と上記基準仮想平面とのなす角は４５°である。

パターン化マスク２のマスク面上におけるパルスレーザ光Ｌの入射領域内には、反射膜２２が形成されている領域（以下、反射領域という。）と、反射膜２２が形成されておらず、透過基板２１の表面が露出している領域（以下、通過領域という。）とが画定されている。具体的に説明する。パルスレーザ光Ｌは上記基準仮想平面内で四角形状のビーム断面Ｓを有するため、パターン化マスク２のマスク面上におけるパルスレーザ光Ｌの入射領域Ｒも四角形状をなす。その四角形状の入射領域Ｒを、３行３列の行列状に配置された９個の小領域に区分することを考える。小領域の各々は、合同な四角形状をなす。その入射領域Ｒ内で、サイコロの５の目状に分布する５つの小領域が各々通過領域であり、残余の４つの小領域が各々反射領域である。

第１のマスク３に、パターン化マスク２の通過領域を透過したパルスレーザ光（以下、第１のパルスレーザ光という。）Ｌ_１が入射する。第１のマスク３は、支持板３１と、支持板３１上に形成された遮光膜３２とを有する。支持板３１は、紫外光を透過させる材料からなり、遮光膜３２は紫外光を遮光する材料からなる。第１のマスク３は、第１のパルスレーザ光Ｌ_１の進行方向と直交する姿勢で配置されている。遮光膜３２には、遮光膜３２を貫通し、支持板３１の表面を露出させる５つの開口３２ａが形成されている。それら５つの開口３２ａが第１のマスク３のマスク面の位置に画定する開口領域は、パターン化マスク２の通過領域を第１のマスク３のマスク面に正投影して得られる投影領域と一致する。

第１の集束光学系４に、第１のマスク３の開口３２ａを通過した第１のパルスレーザ光Ｌ_１が入射する。第１のパルスレーザ光Ｌ_１は、第１の集束光学系４を介して基板Ｗの表面に入射する。ステージ５が、基板Ｗを保持している。基板Ｗの表層部は、アモルファスシリコンからなる。基板Ｗの表面における第１のパルスレーザ光Ｌ_１が入射した領域のアモルファスシリコンが溶融し、固化することにより、その領域のアモルファスシリコンが結晶化される。

第１の集束光学系４は、第１のマスク３の開口３２ａを基板Ｗの表面に結像させる。即ち、基板Ｗの表面における第１のパルスレーザ光Ｌ_１の照射領域の形状は、パターン化マスク２の通過領域を上記基準仮想平面に正投影して得られる投影領域の形状と相似である。第１の集束光学系４の結像倍率は、例えば１／５である。具体的には、第１のマスク３に形成された５つの開口３２ａのうちの一つのサイズは２０ｍｍ×１２ｍｍであり、基板Ｗの表面における第１のパルスレーザ光Ｌ_１の照射領域を構成する５つの四角形状領域のうちの一つのサイズは４ｍｍ×２．４ｍｍである。

平面鏡６に、パターン化マスク２の反射領域で反射されたパルスレーザ光（以下、第２のパルスレーザ光という）Ｌ_２が入射する。平面鏡６は、パターン化マスク２のマスク面と平行に配置されている。パターン化マスク２を上記基準仮想平面に対して傾斜した状態で配置したため、第２のパルスレーザ光Ｌ_２をレーザ照射装置１に逆戻りさせずに、平面鏡６に入射させることが可能となる。このため、レーザ照射装置１を構成する光学素子の、反射レーザ光に起因する劣化を防止することができる。

第２のマスク７に、平面鏡６で反射された第２のパルスレーザ光Ｌ_２が入射する。第２のマスク７は、支持板７１と、支持板７１上に形成された遮光膜７２とを有する。支持板７１は、紫外光を透過させる材料からなり、遮光膜７２は紫外光を遮光する材料からなる。第２のマスク７は、第２のパルスレーザ光Ｌ_２の進行方向と直交する姿勢で配置されている。遮光膜７２には、遮光膜７２を貫通し、支持板７１の表面を露出させる４つの開口７２ａが形成されている。それら４つの開口７２ａが第２のマスク７のマスク面の位置に画定する開口領域は、平面鏡６に映し出されるパターン化マスク２の反射領域の像を、第２のマスク７のマスク面に正投影して得られる領域と一致する。即ち、４つの開口７２ａが第２のマスク７のマスク面の位置に画定する開口領域の形状は、パターン化マスク２の反射領域を上記基準仮想平面に正投影して得られる領域の形状と同じである。

第２の集束光学系８に、第２のマスク７の開口７２ａを通過した第２のパルスレーザ光Ｌ_２が入射する。第２のパルスレーザ光Ｌ_２は、第２の集束光学系８を通して、基板Ｗの表面に入射する。第２のパルスレーザ光Ｌ_２の入射位置は、第１のパルスレーザ光Ｌ_１の入射位置と異なる。第２の集束光学系８が、第２のマスク７の開口７２ａを基板Ｗの表面に結像させる。その結像倍率は、第１の集束光学系４の結像倍率と同じく１／５である。具体的には、第２のマスク７に形成された４つの開口７２ａのうちの一つのサイズは２０ｍｍ×１２ｍｍであり、基板Ｗの表面における第２のパルスレーザ光Ｌ_２の照射領域を構成する４つの四角形状領域のうちの一つのサイズは４ｍｍ×２．４ｍｍである。

即ち、基板Ｗの表面における第２のパルスレーザ光Ｌ_２の照射領域の形状は、パターン化マスク２の反射領域の形状に対し、パターン化マスク２の通過領域の形状から第１のパルスレーザ光Ｌ_１の照射領域の形状を得るための図形変換操作と同一の図形変換操作を行うことで得られる。具体的には、第２のパルスレーザ光Ｌ_２の照射領域の形状も、第１のパルスレーザ光Ｌ_１の照射領域の形状も、ともにパターン化マスク２を上記基準仮想平面に正投影する投影変換操作、及びその投影領域を１／５倍に縮小する縮小変換操作を行うことによって得られる。

次に、図２(ａ)〜(ｄ)を参照して、図１に示したレーザアニール装置の動作を説明する。図２(ａ)〜(ｄ)は、図１の第１の集束光学系４から出射される第１のパルスレーザ光Ｌ_１及び第２の集束光学系８から出射される第２のパルスレーザ光Ｌ_２の、基板Ｗ表面における照射領域の移動の様子を示す線図である。

図２(ａ)に示すように、図１のレーザ出射装置１から第１発目のパルスレーザＬが出射されたとき、第１の集束光学系４から出射される第１のパルスレーザ光Ｌ_１が領域Ａ_１に入射し、第２の集束光学系８から出射される第２のパルスレーザ光Ｌ_２が領域Ｂ_１に入射する。これにより、領域Ａ_１及びＢ_１の各々が結晶化される。パターン化マスク２で分岐された第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ_１及びＬ_２の照射領域を同時に結晶化できるので、アニールの効率を向上できる。

ここで、基板Ｗの表面内に、領域Ａ_１と領域Ｂ_１との離間方向（図２の左右方向）、即ち図１の第１の集束光学系４と第２の集束光学系８との中心軸同士の離間方向をＸ方向とするＸＹ直交座標系を考える。図２の左から右に向う方向をＸ軸の正方向とする。第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ_１及びＬ_２を基板Ｗの表面に入射させながら、第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ_１及びＬ_２の照射領域が基板Ｗの表面でＸ軸正方向に移動するように、ステージ５が基板ＷをＸ軸負方向に移動させる。

なお、第１のパルスレーザ光Ｌ_１の照射領域のＸ方向の全幅と、第２のパルスレーザ光Ｌ_２の照射領域のＸ方向の全幅とは等しい。そのＸ方向の全幅をＨ_ｘで表す。基板ＷをＸ方向に移動させる場合の、パルス間での基板Ｗの移動量はＨ_Ｘと一致させる。また、領域Ａ_１のＸ軸正方向側の端から、領域Ｂ_１のＸ軸負方向側の端までの距離がｎ×Ｈ_Ｘとなるように、図１の第１の集束光学系４と第２の集束光学系８との中心軸間の距離が設計されている。ここで、ｎは自然数である。

図２(ｂ)に示すように、図１のレーザ出射装置１から第ｎ＋２発目のパルスレーザＬが出射されたとき、第２の集束光学系８から出射される第２のパルスレーザ光Ｌ_２の照射領域Ｂ_ｎ＋２が、既照射領域Ａ_１と対応する位置に配置される。これにより、第２のパルスレーザ光Ｌ_２の入射領域Ｂ_ｎ＋２と既照射領域Ａ_１とを組み合わせた四角形状の既照射領域が完成する。このような四角形状の領域（以下、組み合わせ領域という。）がＸ軸正方向に順番に完成していくように、第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ_１及びＬ_２を基板Ｗの表面に入射させながら基板ＷをＸ軸負方向に移動させる。こうしてＸ方向に所望数（ｍ個とする。）の組み合わせ領域を形成する。

図２(ｃ)に示すように、図１のレーザ出射装置１から第ｎ＋ｍ＋１発目のパルスレーザＬが出射されたときに、第２のパルスレーザ光Ｌ_２の入射領域Ｂ_{ｎ＋ｍ＋１}と既照射領域Ａ_ｍとによってｍ個目の組み合わせ領域が完成する。次に、ステージ５が基板ＷをＹ軸正方向に移動させる。第１のパルスレーザ光Ｌ_１の照射領域のＹ方向の全幅と第２のパルスレーザ光Ｌ_２の照射領域のＹ方向の全幅とは等しい。そのＹ方向の全幅をＨ_Ｙで表す。基板ＷをＹ方向に移動させる場合の、パルス間での基板Ｗの移動量はＨ_Ｙと一致させる。次に、図１のレーザ出射装置１が第ｎ＋ｍ＋２発目のパルスレーザＬを出射する。これにより、領域Ａ_{ｎ＋ｍ＋２}及び領域Ｂ_{ｎ＋ｍ＋２}が結晶化される。

図２(ｄ)に示すように、その後、第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ_１及びＬ_２を基板Ｗの表面に入射させながら、第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ_１及びＬ_２の照射領域が基板Ｗの表面でＸ軸負方向に移動するように基板ＷをＸ軸正方向に移動させる。このようにして、Ｘ方向にｍ個の組み合わせ領域が完成する毎に基板ＷをＹ軸正方向に移動させ、基板Ｗの表面に所望数の組み合わせ領域を形成する。

以上、実施例について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、図１の第１及び第２のマスク３及び７は省略してもよい。但し、第１及び第２のマスク３及び７を配置することにより、それらを配置しない場合に比べると、基板Ｗの表面における第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ_１及びＬ_２の照射領域の輪郭を鮮明化することができ、加工品質をより高めることができるという利点がある。

また、第１のパルスレーザ光Ｌ１と第２のパルスレーザ光Ｌ２とを、同一の基板Ｗに入射させたが、それぞれ異なる基板に入射するようにしてもよい。この方法では、２枚の基板を同時に加工することができる。

また、図１の制限マスク１３は省略することもできる。制限マスク１３を省略する場合、パターン化マスク２のマスク面に画定される四角形状の領域Ｒからはみ出るレーザ光は、パターン化マスク２又は第１のマスク３で遮光するとよい。

また、第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ_１及びＬ_２の照射領域の形状は、特に図２に示した形状に限られない。図１のパターン化マスク２の反射領域と通過領域との画定の仕方によって、第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ_１及びＬ_２の照射領域の形状を変更することができる。

図３に、他の実施例による第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ_１及びＬ_２の照射領域の形状を示す。図３(ａ)は第１のパルスレーザ光Ｌ_１の照射領域Ａを示し、図３(ｂ)は第２のパルスレーザ光Ｌ_２の照射領域Ｂを示す。図３(ａ)及び(ｂ)に示すように、第１及び第２のパルスレーザ光Ｌ_１及びＬ_２の照射領域の各々は、一方向（図３の上下方向）に長い長尺形状をその短尺方向に複数（ここでは６つ）並べた形状をなしている。図３(ｃ)に示すように、図３(ａ)及び(ｂ)に示した照射領域を組み合わせると、四角形状の組み合わせ領域を構成することができる。

図４(Ａ)に、さらに他の実施例によるパターン化マスク８１の平面図を示す。パターン化マスク８１のマスク面内に、各々一方向（図４の上下方向）に長い通過領域８２及び反射領域８３が画定されている。このパターン化マスク８１を用いると、通過領域８２を通過した第１のパルスレーザ光の照射領域の形状、及び反射領域８３で反射された第２のパルスレーザ光の照射領域の形状を、ともに基板表面において一方向に長い長尺形状とすることができる。例えば、第１のパルスレーザ光の照射領域が、前回のショットの第１のパルスレーザ光の照射領域と短尺方向に関して一部重複し、かつ第２のパルスレーザ光の照射領域が、前回のショットの第２のパルスレーザ光の照射領域と短尺方向に関して一部重複するように、基板表面に照射パターンを配置してゆくことができる。

図４(Ｂ)に、さらに他の実施例によるパターン化マスク９１の平面図を示す。パターン化マスク９１のマスク面内に、各々一方向（図４の上下方向）に延在する通過領域９２及び反射領域９３が画定されている。通過領域９２及び反射領域９３の各々は、クランク状に蛇行した形状をなしている。通過領域９２及び反射領域９３が、相互に嵌まり合うように接している。なお、マスク面内における通過領域９２及び反射領域９３以外の領域９４は、遮光領域である。このパターン化マスク９１を用いても、第１のパルスレーザ光の照射領域が、前回のショットの第１のパルスレーザ光の照射領域と短尺方向に関して一部重複し、かつ第２のパルスレーザ光の照射領域が、前回のショットの第２のパルスレーザ光の照射領域と短尺方向に関して一部重複するように、基板表面に照射パターンを配置してゆくことができる。

以上、アモルファスシリコンの結晶化アニールについて説明したが、本発明は、被照射物の表面の改質のみならず、被照射物の表面の除去加工等にも適用することができる。この他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

実施例によるレーザアニール装置の概略図である。アニール処理すべき基板の平面図である。他の実施例による第１及び第２のパルスレーザ光の照射領域を示す線図である。さらに他の実施例によるパターン化マスクの平面図である。

符号の説明

１…レーザ出射装置、１１…エキシマレーザ発振器（光源）、１２…ホモジナイザ、１３…制限マスク、１４…反射鏡、２…パターン化マスク、２１…透過基板、２２…反射膜、３…第１のマスク、３１…支持板、３２…遮光膜、３２ａ…開口、４…第１の集束光学系、５…ステージ（保持台）、６…平面鏡（反射光学素子）、７…第２のマスク、７１…支持板、７２…遮光膜、７２ａ…開口、８…第２の集束光学系、Ｌ…パルスレーザ光、Ｓ…パルスレーザ光のビーム断面、Ｒ…パルスレーザ光の入射領域、Ｌ_１…第１のパルスレーザ光（通過レーザ光）、Ｌ_２…第２のパルスレーザ光（反射レーザ光）、Ｗ…基板（被照射物）。

Claims

（ｉ）マスク面の第１の領域内に、照射用レーザ光を反射させる反射領域と、該照射用レーザ光を通過させる通過領域とが画定されたパターン化マスクを準備する工程と、
（ｉｉ）前記パターン化マスクのマスク面の前記第１の領域に対して前記照射用レーザ光を斜めに入射させ、該パターン化マスクの反射領域で反射された反射レーザ光、及び該パターン化マスクの通過領域を通過した通過レーザ光の双方を、それぞれ被照射面に入射させる工程と、
（ｉｉｉ）前記被照射面内において前記反射レーザ光及び前記透過レーザ光の入射位置を移動させる工程と、
（ｉｖ）前記工程（ｉｉｉ）の後、前記反射レーザ光及び前記透過レーザ光を前記被照射面に入射させる工程と
を有し、
前記工程（ｉｉ）で前記透過レーザ光が入射した領域と、前記工程（ｉｖ）で前記反射レーザ光が入射した領域とを組み合わせた組み合わせ領域が、前記第１の領域に入射する位置における前記照射用レーザ光の進行方向に垂直な仮想平面に、前記第１の領域を正投影して得られる投影領域の形状と相似であるように、前記工程（ｉｉｉ）において前記反射レーザ光及び前記透過レーザ光の入射位置を移動させるレーザ照射方法。
前記被照射面がアモルファス半導体によって構成されており、
前記工程（ｉｉ）では、前記反射レーザ光及び前記通過レーザ光が入射した領域のアモルファス半導体を結晶化する請求項１に記載のレーザ照射方法。
前記パターン化マスクの前記通過領域を通過した通過レーザ光の経路に、前記通過レーザ光のビーム断面形状と同一の形状をなし、前記通過レーザ光の通過を許容する許容領域と、残余の領域を構成し、前記通過レーザ光を遮光する遮光領域とが画定された第１のマスクを配置し、
前記パターン化マスクの前記反射領域で反射した反射レーザ光の経路に、前記反射レーザ光のビーム断面形状と同一の形状をなし、前記反射レーザ光の通過を許容する許容領域と、残余の領域を構成し、前記反射レーザ光を遮光する遮光領域とが画定された第２のマスクを配置し、
前記工程（ｉｉ）及び前記工程（ｉｖ）において、前記第１のマスクの前記許容領域を前記被照射面に結像させ、かつ前記第２のマスクの前記許容領域を前記被照射面に結像させる請求項１または２に記載のレーザ照射方法。