JP5120685B2 - レーザアニール方法及びレーザアニール装置 - Google Patents
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非特許文献2に示された固体グリーンレーザアニール装置において、加工面が面に対して垂直方向に変動した場合、短軸方向の焦点位置から基板がずれるため、加工面のシリコン膜に入射するレーザ光のエネルギー密度が変動する。非特許文献2の光学系の場合、上述した特許文献4〜6のオートフォーカス機構のように、対物レンズである集光レンズの位置を補正することで、上記のエネルギー密度の変動を回避することができる。
(1)すなわち、本発明のレーザアニール方法は、固体レーザ光源からパルス発振されたレーザ光を整形して半導体膜の表面において矩形状ビームに集光し、矩形状ビームを前記半導体膜に対して短軸方向に相対的に走査し、レーザ照射により前記半導体膜を改質するレーザアニール方法において、入射光を短軸方向に集光する短軸用コンデンサレンズと、該短軸用コンデンサレンズからの出射光を前記半導体膜の表面に投影する投影レンズとを用いて、前記レーザ光を前記半導体膜の表面において矩形状ビームの短軸方向に集光し、前記半導体膜のレーザ照射部分における該半導体膜の垂直方向の位置変動を検出し、この検出値に基づいて前記短軸用コンデンサレンズを光軸方向に移動させることを特徴とする。
したがって、半導体膜のレーザ照射部分における半導体膜の垂直方向の位置変動を検出し、この検出値に基づいて短軸用コンデンサレンズを光軸方向に移動させることにより、基板搬送装置の機械的誤差等による半導体膜の位置変動が生じても、矩形状ビームの短軸方向の焦点位置を半導体膜の表面に合わせることができる。
また、焦点位置の補正に際して移動させる短軸用コンデンサレンズは、投影レンズよりも光軸方向の上流側に配置され且つサイズが小さく軽量であり、後述するように、半導体膜のミクロンオーダーの位置変動量に対する短軸用コンデンサレンズの位置補正量はミリオーダーとなる。したがって、小サイズ且つ軽量の短軸用コンデンサレンズの位置をミリオーダーの精度で補正すればよいため、焦点位置の補正を容易に行うことができる。
(7)また、上記のレーザアニール装置において、前記固体レーザ光源のビーム品質はM2値で20以上であることを特徴とする。
本発明のレーザアニール装置は、上記構成のチャンバー又は不活性ガス供給手段を備えることにより、レーザ照射部分に大気が触れることを阻止することができる。したがって、上記の諸問題を回避することができる。
図1に、本発明の第1実施形態にかかるレーザアニール装置10の概略構成を示す。図1(A)において紙面に平行かつ光軸に垂直な方向が、矩形状ビームの長軸方向であり、図1(B)において紙面に平行かつ光軸に垂直な方向が、矩形状ビームの短軸方向である。
図1(A)では、短軸方向のみに作用する光学系は想像線(破線)で示されている。図1(B)では、長軸方向のみに作用する光学系は想像線で示されている。
基板2は、基板ステージ5により保持され矩形状ビームの短軸方向に搬送される。基板ステージ5の移動により基板2上のa−Si膜に対して矩形状ビームを短軸方向に相対的に走査することができる。すなわち、本実施形態において基板ステージ5は、レーザ走査手段4を構成している。
このような固体レーザ光源12から出射されたレーザ光1は、ビーム整形光学系13に入射する。
基板2に照射される矩形状ビームの長軸方向の長さは、例えば数10mmとすることができる。この長軸方向ホモジナイザ19により整形された矩形状ビームは、長軸方向のエネルギープロファイルが均一化され、ガウシアン形状からフラットトップ形状に変形する。
基板2に照射される矩形状ビームの短軸方向の長さは、例えば数10μmとすることができる。この短軸方向ホモジナイザ25により整形された矩形状ビームは、短軸方向のエネルギープロファイルが均一化され、ガウシアン形状からフラットトップ形状に変形する。
位置変動検出機構は、半導体膜3のレーザ照射部分における半導体膜3の垂直方向の位置変動を検出する。したがって、この位置変動検出器31により、基板搬送装置の機械的誤差や基板表面の加工誤差に起因する半導体膜3の表面の位置変動を検出することができる。
短軸用コンデンサレンズ29を光軸方向に移動させると、その移動量に応じて一次結像面Sの位置も光軸方向に移動する。また、投影レンズ30による投影点(焦点位置)は、一次結像面Sの位置の移動量に応じて移動する。
図2(B)の場合、レーザ照射部分が±0.5mm変動した場合、短軸用コンデンサレンズ29を±40mm移動させることで、矩形状ビームの短軸方向の焦点位置を半導体膜3の表面に合わせることができる。
このように、半導体膜3のミクロンオーダーの位置変動量に対する短軸用コンデンサレンズ29の位置補正量はミリオーダーとなる。
したがって、本実施形態によれば、小サイズ且つ軽量の短軸用コンデンサレンズ29の位置をミリオーダーの精度で補正すればよいため、焦点位置の補正を容易に行うことができる。
図3に、本発明の第2実施形態にかかるレーザアニール装置10の概略構成を示す。
本実施形態のレーザアニール装置10は、複数の短軸用シリンドリカルレンズアレイ26a,26bの間隔を調整する間隔調整機構37を備えている。本実施形態では、光軸方向上流側の短軸用シリンドリカルレンズアレイ26aを光軸方向に移動させることにより、2つの短軸用シリンドリカルレンズアレイ26a,26bの間隔を調整するようになっている。ただし、光軸方向下流側の短軸用シリンドリカルレンズ26b又は2つの短軸用シリンドリカルレンズアレイ26a,26bの両方を光軸方向に移動させることにより、両者の間隔を調整するようにしてもよい。制御装置34は、位置変動検出器31からの検出値に基づいて間隔調整機構37を制御する調整機構制御部36を有する。その他の部分は、第1実施形態と同様である。
図4(A)及び(B)のいずれの場合も、レーザ照射部分が±0.5mm変動した場合、像の変動率は1.5%以下である。
D=w・(f1/f0)・・・(1)
f0=(f0´×f0´)/(2f0´−d)・・・(2)
図5に、本発明の第3実施形態にかかるレーザアニール装置10の概略構成を示す。
本実施形態では、第1実施形態における短軸用シリンドリカルレンズアレイ26a,26bが設置されていない。その他の部分は、第1実施形態と同様である。
したがって本実施形態では短軸方向のエネルギープロファイルはガウシアン形状のままであるが、第1実施形態と同様に、位置変動検出器31からの検出値に基づいて短軸用コンデンサレンズ29を光軸方向に移動させることにより、矩形状ビームの短軸方向の焦点位置を半導体膜3の表面に合わせることができる。
上記の各実施形態において、ビーム整形光学系は、レーザ光の干渉作用を低減する干渉低減光学系を有することが好ましい。このような干渉低減光学系の構成例を図6に示す。図6に示す干渉低減光学系は、(A)のレーザ光の長軸方向の干渉作用を低減する長軸用干渉低減光学系18と、(B)の短軸方向の干渉作用を低減する短軸用干渉低減光学系24とからなる。
上記の各実施形態において、上記の固体レーザ光源12を複数備えるとともに、さらに複数の固体レーザ光源12からのレーザ光を時間的及び/又は空間的に合成する手段を備えることが好ましい。このような合成手段は、例えば、反射ミラーと偏光ビームスプリッタの組み合わせによって構成することができる。
このように複数のレーザ光を合成することで、時間的に(パルス周期を互いにずらして)合成した場合には合成レーザ光のパルス周波数を数倍にすることができ、空間的に(パルス周期を一致させて)合成した場合には合成レーザ光のエネルギー密度を数倍にすることができる。したがって、ビームの走査速度を上げることができ、結果として、アニール処理速度を向上させるこができる。なお、3つ以上のレーザ光を合成する場合は、時間的合成と空間的合成を組み合わせてもよい。
上記の各実施形態において、さらに、半導体膜が形成された基板を内部に収容し基板の収容空間を真空若しくは不活性ガス雰囲気にするチャンバー又は基板のレーザ照射部分及びその周囲の限定的な範囲にのみ不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段を備えることが好ましい。上記のチャンバー及び不活性ガス供給手段の構成例を図7に示す。
図7(A)に示すチャンバー40は、基板2を保持する基板ステージ5を内部に有しており、内部を真空又は不活性ガス雰囲気にできるように構成されている。基板ステージ5は、矩形状ビームに整形されたレーザ光1を短軸方向に走査するために、短軸方向に移動可能に構成されている。レーザ光1はチャンバー40に設けられた透過窓41を通過して基板2に照射される。
上記構成のチャンバー40又は不活性ガス供給手段43を備えることにより、レーザ照射部分に大気が触れることを阻止することができ、上記の諸問題を回避することができる。
なお、不活性ガス供給手段43は、図7(B)に示した構成に限定されず、基板2のレーザ照射部分及びその周囲の限定的な範囲にのみ不活性ガスを供給する機能を有する範囲で他の構成であってもよい。例えば、特許第3502981号公報の図2や図4に示された構成であってもよい。
2 基板
3 半導体膜
4 走査手段
5 基板ステージ
10 レーザアニール装置
12 固体レーザ光源
13 ビーム整形光学系
14 ビームエキスパンダ
15 凸球面レンズ
16 短軸用シリンドリカルレンズ
17 長軸用シリンドリカルレンズ
18 長軸用干渉低減光学系
19 長軸用ホモジナイザ
20a,20b 長軸用シリンドリカルレンズアレイ
22 長軸用コンデンサレンズ
24 短軸用干渉低減光学系
25 短軸用ホモジナイザ
26a,26b 短軸用シリンドリカルレンズアレイ
29 短軸用コンデンサレンズ
30 投影レンズ
31 位置変動検出器
32 レンズ移動機構
34 制御装置
35 移動機構制御部
36 調整機構制御部
37 間隔調整機構
40 チャンバー
43 不活性ガス噴射手段
Claims (15)
- 固体レーザ光源からパルス発振されたレーザ光を整形して半導体膜の表面において矩形状ビームに集光し、矩形状ビームを前記半導体膜に対して短軸方向に相対的に走査し、レーザ照射により前記半導体膜を改質するレーザアニール方法において、
入射光を短軸方向に集光する短軸用コンデンサレンズと、該短軸用コンデンサレンズからの出射光を前記半導体膜の表面に投影する投影レンズとを用いて、前記レーザ光を前記半導体膜の表面において矩形状ビームの短軸方向に集光することにおいて、前記レーザ光は、前記短軸用コンデンサレンズにより短軸方向に集光され一次結像面で結像した後、前記投影レンズに入射し、前記投影レンズにより前記一次結像面での像が半導体膜の表面に短軸方向に縮小投影され、前記一次結像面は、前記短軸用コンデンサレンズと前記投影レンズとの間に位置しており、
前記半導体膜のレーザ照射部分における該半導体膜の垂直方向の位置変動を検出し、この検出値に基づいて前記短軸用コンデンサレンズを光軸方向に移動させることにより、前記投影レンズを移動させずに、前記短軸用コンデンサレンズと前記投影レンズの距離を変えることを特徴とするレーザアニール方法。 - 前記検出値に基づいて前記短軸用コンデンサレンズを光軸方向に移動させることにより、前記投影レンズによる焦点位置を半導体膜の表面に合わせる、ことを特徴とする請求項1記載のレーザアニール方法。
- 前記短軸用コンデンサレンズの光軸方向上流側の位置に、入射光を前記矩形状ビームの短軸方向に複数に分割する短軸用シリンドリカルレンズアレイを、光軸方向に間隔をおいて配置しておき、
前記位置変動の検出値に基づいて前記複数の短軸用シリンドリカルレンズアレイの間隔を調整することを特徴とする請求項1又は2記載のレーザアニール方法。 - レーザ光をパルス発振する固体レーザ光源と、該固体レーザ光源からのレーザ光を整形して半導体膜の表面において矩形状ビームに集光するビーム整形光学系と、前記矩形状ビームを前記半導体膜に対して短軸方向に相対的に走査する走査手段とを備え、レーザ照射により前記半導体膜を改質するレーザアニール装置において、
前記ビーム整形光学系は、入射するレーザ光を前記半導体膜の表面において矩形状ビームの長軸方向と短軸方向のそれぞれに作用して集光する長軸方向ホモジナイザ及び短軸方向ホモジナイザを有し、
該短軸方向ホモジナイザは、入射光を短軸方向に集光する短軸用コンデンサレンズと、該短軸用コンデンサレンズからの出射光を前記半導体膜の表面に投影する投影レンズとからなり、
前記レーザ光は、前記短軸用コンデンサレンズにより短軸方向に集光され一次結像面で結像した後、前記投影レンズに入射し、前記投影レンズにより前記一次結像面での像が半導体膜の表面に短軸方向に縮小投影され、前記一次結像面は、前記短軸用コンデンサレンズと前記投影レンズとの間に位置しており、
さらに、前記半導体膜のレーザ照射部分における該半導体膜の垂直方向の位置変動を検出する位置変動検出器と、前記短軸用コンデンサレンズを光軸方向に移動させるレンズ移動機構と、移動機構制御部とを備え、該移動機構制御部が、前記位置変動検出器により検出された前記位置変動の検出値に基づいて前記レンズ移動機構を制御することにより、前記投影レンズが移動することなく、前記短軸用コンデンサレンズと前記投影レンズの距離が変わるようになっている、ことを特徴とするレーザアニール装置。 - 前記移動機構制御部は、前記位置変動検出器により検出された前記検出値に基づいて前記レンズ移動機構を制御することにより、前記投影レンズによる焦点位置を半導体膜の表面に合わせることを特徴とする請求項4記載のレーザアニール装置。
- 前記短軸用ホモジナイザは、前記短軸用コンデンサレンズの光軸方向上流側の位置に、入射光を前記矩形状ビームの短軸方向に複数に分割する短軸用シリンドリカルレンズアレイを複数有し、該複数の短軸用シリンドリカルレンズアレイは光軸方向に間隔をおいて配置されており、
さらに、前記複数の短軸用シリンドリカルレンズアレイの間隔を調整する間隔調整機構を備えることを特徴とする請求項4又は5記載のレーザアニール装置。 - さらに、前記位置変動検出器からの検出値に基づいて前記間隔調整機構を制御する調整機構制御部を備えることを特徴とする請求項6記載のレーザアニール装置。
- 前記固体レーザ光源のビーム品質はM2値で20以上であることを特徴とする請求項4又は5記載のレーザアニール装置。
- 前記ビーム整形光学系は、前記レーザ光の干渉作用を低減する干渉低減光学系を有することを特徴とする請求項4又は5記載のレーザアニール装置。
- 前記固体レーザ光源から出射されるレーザ光は、ガウシアン形状のエネルギープロファイルをもつことを特徴とする請求項4又は5記載のレーザアニール装置。
- 前記矩形状ビームは、短軸方向にガウシアン形状のエネルギープロファイルをもつことを特徴とする請求項4又は5記載のレーザアニール装置。
- 前記位置変動検出器は非接触式変位センサであることを特徴とする請求項4又は5記載のレーザアニール装置。
- 前記固体レーザ光源を複数備えるとともに、さらに前記複数の固体レーザ光源からのレーザ光を時間的に、空間的に、または、時間的および空間的に合成する手段を備えることを特徴とする請求項4又は5記載のレーザアニール装置。
- さらに、前記半導体膜が形成された基板を内部に収容し基板の収容空間を真空若しくは不活性ガス雰囲気にするチャンバー又は前記半導体膜上のレーザ照射部分及びその周囲の限定的な範囲にのみ不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段を備えることを特徴とする請求項4又は5記載のレーザアニール装置。
- 前記半導体膜が形成された基板を載置するための基板ステージを備え、該基板ステージが基板の融点を超えない温度で加熱されることを特徴とする請求項4又は5記載のレーザアニール装置。
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