JP5106130B2

JP5106130B2 - レーザビーム照射方法およびレーザビーム照射装置

Info

Publication number: JP5106130B2
Application number: JP2008000934A
Authority: JP
Inventors: 裕司岡本
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-01-08
Filing date: 2008-01-08
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2028-01-08
Also published as: JP2009160613A

Description

本発明は、レーザビーム照射方法およびレーザビーム照射装置に関し、特に回折光学素子（diffractive optical element, ＤＯＥ）を用いたレーザビーム照射方法およびレーザビーム照射装置に関する。

高出力レーザの発展には目覚しいものがあり、切断、溶接、穴あけ等の加工、半導体層の結晶化、半導体に注入した不純物の活性化等の熱処理（アニーリング）等様々な分野で実用化が進められている。

レーザの光軸と直交する面内のビーム形状は通常円形であり、光軸を含む断面内の強度分布は通常ガウス分布である。レーザビーム利用の観点からは、矩形、長尺状などのビーム形状、ビーム内での均一な強度分布が望まれることが多い。この要望を満たすために、ビーム形状の変更や強度分布の均一化などが行なわれる。強度分布の均一化にはカライドスコープやホモジナイザ等が用いられ、ビーム形状の変更にはマスク、シリンドリカルレンズ等が用いられる。

自由度が高い、ビーム形状の変更、強度分布の均一化を行なえる技術として、回折光学素子（ＤＯＥ）が開発されている。回折面の各点、各点を新たな光源とし、任意の位相を与えることにより、像面上で新たな光強度分布を創出することが可能である。像面上の光強度分布を所望の分布とするように、回折面の位相（段差）を設定する。半導体プロセスで用いられるような、ホトリソグラフィとエッチングにより、石英などで形成された回折部材面に任意の段差を形成することができる。最初に形成する段差を１とし、次に１／２の段差を重ねて形成し、次に１／４の段差を重ねて形成し、というように段差形成工程をｎ回繰り返すと、２^ｎレベルの段差を形成できる。

２００５年３月ＳＥＩテクニカルレビュー第１６６号、１３頁は、ビーム径（１／ｅ^２径）２．０ｍｍの平行光であり、ガウス強度分布のＹＡＧ第２高調波レーザ（波長５３２ｎｍ）を、７０ｍｍ離れた位置で１．０ｍｍ×０．５ｍｍの矩形均一強度分布に変換する回折光学素子や、ビーム径（１／ｅ^２径）３．０ｍｍの平行光であり、ガウス強度分布のＹＡＧ第２高調波レーザ（波長５３２ｎｍ）を、１００ｍｍ離れた位置で４．０ｍｍ×０．１ｍｍのライン状均一強度分布（長尺方向のみ、短尺方向はガウス分布）に変換する回折光学素子等を報告している。

回折光学素子（ＤＯＥ）においては、入射レーザビームが所定の仕様を有することが前提とされている。ビーム径が大きくなると外周部の強度分布が持ち上がり、ビーム径が小さくなると中心部の強度分布が凸型になる。入射位置がシフトすると、強度分布もシフト方向にシフトし、頂上部の強度分布は傾く。

複数のＤＯＥを用い、各ＤＯＥにレーザビームを入射し、像面上で端部を重畳させて高パワー密度を得る形態も提案されている。固体レーザのように、単体レーザが低パワーであっても、複数のレーザビーム源を用いることで高パワー密度が得られる。

特開２００５−２１７２６７号は、２本のレーザビームをＤＯＥの予定入射位置に関して対称な２つの位置に入射し、加算・合成することで強度を増加した対称的な強度分布を得ることを提案する。

２００５年３月ＳＥＩテクニカルレビュー第１６６号、１３頁特開２００５−２１７２６７号公報

例えば固体レーザは安定した運転が可能であり、制御、メインテナンスが容易であるが、エキシマレーザ等と比べると、パワー密度が低い。低パワー密度のレーザを用いても、複数のレーザビームを合波すればパワー密度を上げることは可能である。しかし、どのように合波するかで干渉で強度の乱れが生じる等種々の問題も生じる。所望の強度分布を得られる複数のレーザビームの合波は容易ではない。

本発明の目的は、ＤＯＥを用い、複数のレーザビーム源から出射したレーザビームを加算して、パワー密度を高めた照射光を形成することのできるレーザビーム照射方法およびレーザビーム照射装置を提供することである。

本発明の第１の観点によれば、
第１、第２、第３のレーザビームを収束光としてそれぞれ第１、第２の反射ミラー、およびその間に進行させる工程と、
前記第１のレーザビームを、第１の位置で前記第１の反射ミラーにより第１の方向に平行な方向に反射させ、発散光として進行させる工程と、
前記第２のレーザビームを、前記第１の位置の近傍の第２の位置で前記第２の反射ミラーにより前記第１の方向に平行な方向に反射させ、発散光として進行させる工程と、
前記第３のレーザビームを、前記第１の反射ミラーと前記第２の反射ミラーの間を通って、前記第１の方向に平行に発散光として進行させる工程と、
重なりを持って前記第１の方向に進行する、前記第１、第２、第３のレーザビームの合波光を受け、平行ビームにする工程と、
前記平行ビームを回折光学素子に入射させ、回折を生じさせる工程と、
を含むレーザビーム照射方法が提供される。

本発明の第２の観点によれば、
互いに近づく方向に進行し、少なくともある位置より下流で発散する第１、第２のレーザビームを形成する第１、第２の光学系と、
前記第１、第２のレーザビームを受ける位置に配置され、前記第１、第２のレーザビームを第１の方向と平行な方向に反射する第１、第２の反射ミラーと、
前記第１、第２の反射ミラーの間を通って、前記第１の方向と平行な方向に進行し、少なくともある位置より下流で発散する第３のレーザビームを形成する第３の光学系と、
前記第１、第２、第３のレーザビームが重なりを持った発散光となって進行する位置で、前記第１、第２、第３のレーザビームの合波光を受け、平行ビームにするコリメート光学系と、
前記平行ビームを受け、回折を生じさせる回折光学素子と、
を有し、
前記第１、第２、第３の光学系が、前記第１、第２、第３のレーザビームを収束光として前記第１、第２の反射ミラー、およびその間に進行させる収束光学系を含むレーザビーム照射装置が提供される。

第１、第２、第３のレーザビームを用いて、出力光のパワーを増大することができる。

合波光にガウス分布を付与することにより、ＤＯＥを用いて、所定のビーム形状と、均一化された強度分布を有する照射光を得ることができる。

図１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、本発明の第１の実施例によるレーザビーム照射装置の構成を概略的に示すブロック図、台形プリズムの上面図、落射ミラー下方の構成要素の側面図である。

図１Ａに示すように、２台のレーザ光源１１，１２がｘｙ面上で並列に配置され、互いに直交する偏光のレーザビームをｘ方向に出射する。一方のレーザ光源１１から出射したレーザビームは、偏光ビームスプリッタで形成された合波器１４に入射し、そのまま透過する。他方のレーザ光源１２から出射したレーザビームは、ミラー１３でｙ方向に反射され、合波器１４でｘ方向に反射されて、一方のレーザ光源１１から出射したレーザビームと同軸で合波され、レーザビームＬＢ１を形成する。レーザビームＬＢ１は、ビームエキスパンダ１５に入射し、ビーム径を拡大して、ミラー１６で−ｙ方向に反射され、収束レンズ１７に入射する。収束レンズ１７は、収束ビームを形成し、台形プリズム１の図中上側斜面に形成された反射ミラーＭ１でｘ方向に反射する。レーザビームＬＢ１は、収束した状態で台形プリズム１で反射され、その後発散レーザビームとなってｘ方向に進みコリメートレンズ２に入射する。

２台のレーザ光源２１，２２もｘｙ面上で並列に配置され、互いに直交する偏光のレーザビームをｘ方向に出射する。一方のレーザ光源２１から出射したレーザビームは、偏光ビームスプリッタで形成された合波器２４に入射し、そのまま透過する。他方のレーザ光源２２から出射したレーザビームは、ミラー２３でｙ方向に反射され、合波器２４でｘ方向に反射されて、一方のレーザ光源２１から出射したレーザビームと同軸で合波され、レーザビームＬＢ２を形成する。レーザビームＬＢ２は、ビームエキスパンダ２５に入射し、ビーム径を拡大して、収束レンズ２７に入射する。収束レンズ２７は、収束ビームを形成し、台形プリズム１の矩形部分を透過する。レーザビームＬＢ２は、収束した状態で台形プリズム１を透過し、その後発散レーザビームとなってｘ方向に進みコリメートレンズ２に入射する。
２台のレーザ光源３１，３２もｘｙ面上で並列に配置され、互いに直交する偏光のレーザビームをｘ方向に出射する。一方のレーザ光源３１から出射したレーザビームは、偏光ビームスプリッタで形成された合波器３４に入射し、そのまま透過する。他方のレーザ光源３２から出射したレーザビームは、ミラー３３でｙ方向に反射され、合波器３４でｘ方向に反射されて、一方のレーザ光源３１から出射したレーザビームと同軸で合波され、レーザビームＬＢ３を形成する。レーザビームＬＢ３は、ビームエキスパンダ３５に入射し、ビーム径を拡大して、ミラー３６でｙ方向に反射され、収束レンズ３７に入射する。収束レンズ３７は、収束ビームを形成し、台形プリズム１の図中下側斜面に形成された反射ミラーＭ２でｘ方向に反射する。レーザビームＬＢ３は、レーザビームＬＢ１と互いに近づく方向に進行し、収束した状態で台形プリズム１で反射され、その後発散レーザビームとなってｘ方向に進みコリメートレンズ２に入射する。

台形プリズム１は、ｙｚ面に平行な底面と、中央部にｙｚ面に平行な平面、そのｙ方向両側（上下）に底面に対してｘｚ面内で４５°傾いた斜面を含む対向面とを有する。

図１Ｂは、台形プリズム１をｘ方向から見た上面図である。レーザビームＬＢ１，ＬＢ３は、互いに近接する方向に進行し、台形プリズムの斜面の反射ミラーＭ１，Ｍ２で反射され、ｘ方向に進行する。レーザビームＬＢ２は紙面に垂直に進行し、台形プリズムの矩形部分を透過してｘ方向に進行する。レーザビームＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３は、台形プリズム１を通過する時収束されているので相互間の距離を縮小することができる。台形プリズム１からｘ方向に進行する時、レーザビームＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３の光軸はｙ方向にずれている（軸外し状態）が、その距離は短い。

図１Ａに戻って、ｘ方向に進行するにつれ、レーザビームＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３が発散すると、その大部分は重なり合い、合波されたレーザビームを構成する状態となる。コリメートレンズ２は、合波されたレーザビームを平行レーザビームにし、回折光学素子（ＤＯＥ）３に入射させる。

回折光学素子３は、ガウス型強度分布を有する所定ビーム径のレーザビームを、所定形状と均一化された強度分布を有するレーザビームに変換する機能を有する。まず、ガウス型強度分布の要件について考察する。

図２Ａは、ガウス型強度分布を有する３本のレーザビームを近接配置した状態での強度分布を示す。横軸は３本のレーザビームが並ぶ方向の位置を示し、縦軸は各レーザビーム強度のピーク値を１に正規化した強度を示す。３本のレーザビームは、相互に軸外しされているが、隣接レーザビーム間の軸外し量は小さな一定値である。隣接レーザビームはその大部分を重ね合わせて分布している。両側のレーザビームも、かなりの重なりを持つ。

図２Ｂは、図２Ａの３本のレーザビームの強度分布を加算した強度分布を示す。横軸は図２Ａの横軸に対応する位置を示し、縦軸は加算した合波レーザビーム強度を示す。加算された合波レーザビームの強度分布は、新たなガウス分布型強度分布であると言える。２本のレーザビームを加算すると頂上が平らになる傾向を示すが、３本のレーザビームを加算することによりピーク部分の落ち込みを防止できると考えられる。即ち、回折光学素子に入射する合波レーザビームは、ガウス分布型強度分布の要請を満たす。

次に、所定ビーム径の要件について考察する。台形プリズム１に入射するレーザビーム系を十分小さくすると、台形プリズムから発する３本のレーザビームの合波レーザビームの径（３本のレーザビームは並ぶ方向の寸法）を十分小さくすることができる。合波レーザビームが発散する光路上に、コリメート光学系２は配置されている。コリメート光学系２を配置する光軸上の位置を選択することにより合波レーザビームの径を選択することができる。

図２Ｃに示すように、コリメート光学系２をコリメートレンズ系２ａとビームコントラクタ２ｂの組み合わせとしてもよい。各レーザビームを十分発散させて、重なりを増加し、コリメートレンズ系２ａによって平行光にし、ビームコントラクタ２ｂによって所望径までビーム径を縮小する。

このように、回折光学素子が要求するレーザビーム径を満足するように、コリメート光学系を配置、設計すれば所定ビーム径の要件を満足することができる。

回折光学素子３は、像面４上に所定形状の均一化された強度分布を有する照射レーザビームを形成する。結像光学系５は、一旦像面４に形成された所定形状の均一化されたエネルギ分布を処理対象物の上に結像するための光学系である。像面４において、マスク等を用いビーム形状を整形してもよい。結像光学系５の光路上に落射ミラ−６を配置し、レーザビームの進行方向を変更するのが好ましい。実用上は、水平面が重要な意味を持ち、光学要素を同一水平面上に配置することが望ましい。処理対象物は、水平面上に配置することが望ましい。水平面上に配置された処理対象物上にレーザビームを照射するには、水平面上を進行してきたレーザビームを垂直方向に方向返換することが望ましい。落射ミラー６は、この要請を満たす部材である。

図１Ｃに示すように、落射ミラー６で垂直下方に方向付けられたレーザビームは結像光学系７を介してステージ９に載置された処理対象基板８上を照射する。なお、結像光学系５，７は、その一方を省略してもよい。

処理対象基板は、例えば、液晶表示装置用のシリコン膜を形成したガラス基板、不純物をイオン注入したシリコン基板である。長尺状等の所定形状を有し、均一化された強度分布を有するレーザビームを処理対象基板８に照射することで、所望の処理、例えばアモルファスシリコン膜の多結晶化、多結晶シリコン膜のグレイン径増加、不純物の活性化等の処理を行なう。

上述の実施例においては、台形プリズムを用いて３本のレーザビームを合波した。合波手段は台形プリズムに限らない。

図３Ａ，３Ｂは、第２の実施例による合波手段を示す。図３Ａはｚ方向から見た平面図、図３Ｂはｘ方向から見た上面図である。支持部材４１は開口４４を有し、その両側に直角プリズム４２，４３を固定する。直角プリズム４２，４３は、４５度の斜面を有し、第１の実施例の台形プリズムの斜面に相当する機能を果たす。開口４４は直進するレーザビームを透過させる。光路長に差は生じるが、台形プリズムの矩形部と同様の機能を果たす。

図４は、第３の実施例による合波光学系を示すダイアグラムである。図１Ａに示す構成において、ビームエキスパンダ１５，２５，３５、収束光学系１７，２７，３７を省略し、レーザビームＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３を、ほぼコリメート光の状態で、台形プリズム１に入射させる。台形プリズム１の下流に発散光学系５０を配置し、各レーザビームＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３を発散光束とする。発散光学系５０は最初から発散する光束を形成してもよいが、一旦収束させその後発散する光束を形成してもよい。収束させることにより、縮小像が形成され、各ビーム間の距離が縮小する。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、種々の変形、改良、置換、組み合わせ等が可能なことは、当業者に自明であろう。

図１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、本発明の第１の実施例によるレーザビーム照射装置の構成を概略的に示すブロック図、台形プリズムの上面図、落射ミラー下方の構成要素の側面図である。図２Ａ、２Ｂは、ガウス型強度分布を有する３本のレーザビームの個々の強度分布と、価珊瑚の強度分布を示すグラフ、図２Ｃは、コリメート光学系の構成例を示すブロック図である。図３Ａ，３Ｂは、第２の実施例による合波手段の、ｚ方向から見た平面図、およびｘ方向から見た上面図である。図４は、第３の実施例による合波手段の構成を示すダイアグラムである。

符号の説明

１台形プリズム、
Ｍ１，Ｍ２反射ミラー、
２コリメート光学系、
３回折光学素子（ＤＯＥ）、
４像面、
５結像光学系、
６落射ミラー、
７結像光学系、
８処理基板、
９ステージ、
１１，１２，２１，２２，３１，３２レーザ光源、
１３，２３，３３反射ミラー、
１４，２４，３４偏光ビームスプリッタ、
１５，２５，３５ビームエキスパンダ、
１６，３６反射ミラー、
１７，２７，３７収束光学系、
４０支持部材、
４２，４３直角プリズム、
４４開口、
５０発散光学系。

Claims

第１、第２、第３のレーザビームを収束光としてそれぞれ第１、第２の反射ミラー、およびその間に進行させる工程と、
前記第１のレーザビームを、第１の位置で前記第１の反射ミラーにより第１の方向に平行な方向に反射させ、発散光として進行させる工程と、
前記第２のレーザビームを、前記第１の位置の近傍の第２の位置で前記第２の反射ミラーにより前記第１の方向に平行な方向に反射させ、発散光として進行させる工程と、
前記第３のレーザビームを、前記第１の反射ミラーと前記第２の反射ミラーの間を通って、前記第１の方向に平行に発散光として進行させる工程と、
重なりを持って前記第１の方向に進行する、前記第１、第２、第３のレーザビームの合波光を受け、平行ビームにする工程と、
前記平行ビームを回折光学素子に入射させ、回折を生じさせる工程と、
を含むレーザビーム照射方法。
前記平行ビームは、前記回折光学素子上で、ガウス分布型強度分布を有する請求項１記載のレーザビーム照射方法。
前記回折光学素子から出射した合成レーザビームを、結像光学系を介して処理対象物上に照射する工程をさらに有する請求項１または２に記載のレーザビーム照射方法。
前記合成レーザビームは、像面上で所定ビーム形状と均一化された光強度分布を形成する請求項３記載のレーザビーム照射方法。
前記第１、第２、第３のレーザビームは、それぞれ偏光方向が直交する２本のレーザビームを同軸上に合波したレーザビームである請求項１〜４のいずれか１項記載のレーザビーム照射方法。
互いに近づく方向に進行し、少なくともある位置より下流で発散する第１、第２のレーザビームを形成する第１、第２の光学系と、
前記第１、第２のレーザビームを受ける位置に配置され、前記第１、第２のレーザビームを第１の方向と平行な方向に反射する第１、第２の反射ミラーと、
前記第１、第２の反射ミラーの間を通って、前記第１の方向と平行な方向に進行し、少なくともある位置より下流で発散する第３のレーザビームを形成する第３の光学系と、
前記第１、第２、第３のレーザビームが重なりを持った発散光となって進行する位置で、前記第１、第２、第３のレーザビームの合波光を受け、平行ビームにするコリメート光学系と、
前記平行ビームを受け、回折を生じさせる回折光学素子と、
を有し、
前記第１、第２、第３の光学系が、前記第１、第２、第３のレーザビームを収束光として前記第１、第２の反射ミラー、およびその間に進行させる収束光学系を含むレーザビーム照射装置。
前記平行ビームは、前記回折光学素子上でガウス分布型強度分布を有する請求項６に記載のレーザビーム照射装置。
前記回折光学素子は、像面上で所定のビーム形状と強度分布を形成する出力光を生成する請求項６または７に記載のレーザビーム照射装置。
前記第１、第２の反射ミラーが、共通底面、中間部に前記共通底面と平行な平面、その両側に対称的な形状の斜面を含む対向面を有し、前記斜面上に反射ミラーが形成された台形プリズムによって構成された請求項６〜８のいずれか１項記載のレーザビーム照射装置。
前記回折光学素子の下流に配置された結像光学系と、
前記結像光学系の下流で処理対象物を載置するテーブルと、
をさらに有する請求項６〜９のいずれか１項記載のレーザビーム照射装置。
前記処理対象物上で、照射光が所定のビーム形状と均一化された強度分布を有する請求項１０記載のレーザビーム照射装置。
前記第１、第２、第３のレーザビームを前記第１の方向に平行に、かつ同一平面上に出射する第１、第２、第３のレーザ光源と、
前記第１および第２のレーザビームを、前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って、かつ互いに近づく方向に反射する第１、第２の反射ミラーと、
をさらに有する請求項６〜１１のいずれか１項記載のレーザビーム照射装置。
前記第１、第２、第３のレーザ光源が、それぞれ偏光方向が直交する２本のレーザビームを同軸上に合波したレーザビームを、前記第１、第２、第３のレーザビームとして出射する請求項１２記載のレーザビーム照射装置。