JP5201614B2

JP5201614B2 - Laser beam irradiation method and apparatus

Info

Publication number: JP5201614B2
Application number: JP2001221136A
Authority: JP
Inventors: 直之小林; 秀晃草間
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2001-07-23
Filing date: 2001-07-23
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2021-07-23
Also published as: JP2003037079A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光の照射方法及びその装置に関し、液晶表示装置に用いられる薄膜トランジスタの結晶化シリコンの製造や、ポリイミドなどの合成樹脂を加工する際に、レーザ光を整形して利用するためのレーザ光の照射方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及びその課題】
例えば、液晶表示装置に用いられる薄膜トランジスタの結晶化シリコンの製造に際し、ラインビームからなるレーザ光を試料に照射する方法が知られている。これは、図１３に示すようにエキシマレーザを発生させるレーザ発振器５０で生じさせたエキシマレーザ光５１を光学系容器５９内に導き、反射ミラー５７で方向転換させ、長軸ホモジナイザー５２ａ及び短軸ホモジナイザー５２ｂを通して整形して強度を均一化させた後、再度、反射ミラー５８で方向転換させ、集光レンズ５３を通すことにより、長軸×短軸が、約２００×０．４ｍｍの方形のラインビーム５４に整形し、試料５５に照射している。試料５５は、レーザアニール装置の真空室内に設置されている。
【０００３】
この場合の試料５５は、ガラス基板５６上にａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）薄膜５５ａを形成したもので、このａ−Ｓｉ薄膜５５ａにラインビーム５４を照射することで、ａ−Ｓｉ薄膜５５ａを結晶化してｐ−Ｓｉ（ポリシリコン）薄膜５５ｂとしている。ガラス基板５６は、大きいもので７３０×９２０ｍｍあり、ガラス基板５６上のａ−Ｓｉ薄膜５５ａの全面を結晶化させるために、ラインビーム５４の１ショットあたり、ラインビーム短軸幅の５〜１０％の送りピッチでガラス基板５６をラインビーム５４の短軸の方向に間欠的に移動させる。短軸幅０．４ｍｍのとき、具体的な送りピッチは２０〜４０μｍであり、試料５５の１箇所当たりのレーザ光の照射回数は１０〜２０回である。
【０００４】
ここで、レーザ光５１のパルス幅（発光時間）は一般に数〜数十ｎｓ、発振周波数は数百Ｈｚ以下のため、レーザ光５１つまりラインビーム５４の試料５５への照射が数〜数十ｎｓ行われた後、数ｍｓの比較的長時間の間隔が開いて、再び数〜数十ｎｓの照射が行われている。試料５５への複数回の照射を行うことで、結晶が成長する。この結晶の成長は、１回目の照射で発生した結晶粒が、２回目以降の照射により結合して大きくなるものと考えられている。この結晶の成長のためには、試料５５が冷却（常温）の状態から溶融温度近傍まで上昇するように、レーザ光５１の照射を実施する必要がある。
【０００５】
（１）結晶粒を生じさせるための照射（１ショット目）と、（２）結晶を大きくさせるための照射（２ショット目以降）とに分けて説明すると、次の通りである。
【０００６】
（１）結晶粒を生じさせるための照射（１ショット目）
試料５５の温度Ｔは、レーザ光５１が照射される前の初期温度をＴ１として、レーザ光が１ショット照射されることにより温度Ｔ３にまで上昇し、レーザ光５１の照射が終了してから初期温度Ｔ１にまで穏やかに降温する。このときの試料５５の薄膜５５ａの温度Ｔとレーザ光５１のパルス強度３２との関係は、多くの研究者によつて計算されており、大略、図１２に示す通りである。すなわち、試料５５の温度は、レーザ光５１の照射によつて温度上昇が開始され、レーザ光５１の最大強度の照射から所定時間だけ遅れて１ショット照射による最高の温度Ｔ３に達し、その後、パルス幅ｍ（発光時間）の数倍の時間を要して当初の温度Ｔ１まで冷却される。
【０００７】
試料５５の結晶化は、１ショット照射による最高の温度Ｔ３が与えられて試料５５の半導体の薄膜５５ａが溶融することでなされるため、この与えられる温度Ｔ３を薄膜５５ａの溶融温度以上に上昇させる必要がある。結晶の成長について詳述すれば、レーザ光５１が照射されて試料５５が温度Ｔ３まで昇温すると、試料５５の薄膜５５ａは溶融するが、レーザ光５１が照射された部分の薄膜５５ａの全てが溶融する直前の温度では部分的に溶融していない非溶融点Ａ，Ｂが幾つか残り、その後に試料５５が冷却するときに、これらの非溶融点Ａ，Ｂを基点にして、隣接する非溶融点Ａ，Ｂ間で結晶が成長して結晶粒になる。
【０００８】
従つて、試料５５の溶融していない一つの非溶融点Ａとこれに隣接する位置の非溶融点Ｂとの距離が短いときには、両点Ａ，Ｂの間の結晶の成長が短時間で終了し、ラインビーム５４からなるレーザ光５１が照射された箇所の試料５５の全体としての結晶の成長が妨げられて結晶が大きくならないが、隣接する点Ａ，Ｂ間の距離が長いときには、両点Ａ，Ｂの間に結晶が広く成長し、結晶が大きくなる。但し、非溶融点Ａと非溶融点Ｂとの距離が長すぎるときには、両点Ａ，Ｂの間の中間位置に結晶が成長しない領域を生ずる。
【０００９】
このように、薄膜５５ａに生じる結晶の大きさは、レーザ光５１が照射されて与えられる温度Ｔ３に依存して決定され、与えられる温度Ｔ３が高すぎても低すぎても結晶が適正に大きく成長することができない。従つて、薄膜５５ａに、結晶を大きくかつ一定の大きさに形成させるためには、レーザ光５１の強度３２を常に一定に保ち、試料５５の温度Ｔ３を一定に与えることが好ましい。
【００１０】
また、試料５５の冷却に費やされる時間は、レーザ光５１のパルス幅ｍに依存する。すなわち、パルス幅ｍが長ければ結晶は穏やかに冷却されるが、短いと急速に冷却される。一般に試料５５が穏やかに温度低下する方が結晶が大きく成長すると考えられているが、絶縁のガラス基板５６上にある薄膜５５ａを結晶化するときは、急冷される方が基板５６の温度の上昇が抑制され、また、薄膜５５ａの下地として熱伝導率の異なる材料があるときの影響を避けることができる。このため、結晶の成長に最適なパルス幅ｍは試料５５の材質や試料５５の下地の材質などによつて異なるものと考えられるが、最適なパルス幅ｍについては明確ではないのが現状である。
【００１１】
このように、薄膜５５ａを結晶化させるために、試料５５を溶融温度近傍にまで上昇させるには、一般に、パルス強度３２の大きいレーザ光５１を照射させる必要があり、そのために、エキシマレーザなどのガスレーザを使用するのが一般的である。しかしながら、ガスレーザは、高価かつメンテナンス性に劣り、加えて、パルス毎のレーザ光５１の強度３２の変動が大きいなどの多くの課題がある。
【００１２】
一方、安価かつメンテナンス性に優れる低エネルギーの固体レーザを使用する場合、パルスレーザに所定の強度（エネルギー密度）を確保するために、集光レンズ５３で大きく集光させる必要がある。しかしながら、集光レンズ５３による縮小倍率が大きくなるほど、ホモジナイザー５２ａ，５２ｂなどの光学系全体の性能向上が求められるのみならず、発生させるレーザ光に対しても光軸変動を小さくするなどの性能向上が必要になり、更に、試料５５への照射位置の制御性を向上させるために、試料５５を載せる試料台の移動性能も上げる必要が生じ、結果的に高価になる。
【００１３】
また、いずれの種類のレーザにおいても、パルス毎のエネルギー（強度）変動が大きく、かつ、１つのレーザ発振器５０から生ずるレーザ光のパルス幅ｍを変更するのは容易でないため、レーザ光のエネルギー密度つまりパルス強度を一定にして試料５５の温度を一定（Ｔ３）にすることや、最適なパルス幅ｍを調整して照射することはできないのが現状である。特に、ガラス基板５６上のＳｉ薄膜５５ａの結晶化は、液晶用トランジスタの作製のために産業上多く実施されているが、このような試料５５のための最適なパルス幅の調整は行われていない。
【００１４】
（２）結晶を大きくさせるための照射（２ショット目以降）
１回目のレーザ光５１の照射により成長した結晶粒を更に大きくするために、複数回の照射を与え、隣合う結晶同士を結合させている。レーザ光５１の照射回数（ショット回数）の合計は、一般的には１０〜２０回である。複数回の照射を与える際の課題として、照射エネルギー（パルス強度３２）が所定の範囲より低いと、結晶成長に寄与できず、また、一度でも所定の範囲より高いエネルギーで照射してしまうと、既に成長した結晶を再溶融させて微細化させてしまうことがある。
【００１５】
このため、パルスレーザを使用する場合、高いエネルギーの照射による微細化を防ぐために、パルス間の照射エネルギーの変動を考慮して、最大エネルギーが所定の範囲より高くなることを防止している。つまり、照射エネルギー（パルス強度３２）の変動に関わらず、常に微細化温度未満になるように設定している。これにより、平均エネルギーが低く抑えられることになり、照射エネルギーが低すぎて結晶化に寄与できない無駄なエネルギーが多量に発生するという課題がある。
【００１６】
次に、レーザ光５１からなるラインビーム５４のピーク１６の存在に起因する課題について説明する。なお、説明を簡略化させるために、ホモジナイザー５２は、１つにしてある。レーザ光５１の強度を均一・平坦化させるホモジナイザー５２は、図１４に示すようにレーザ発振器５０で生じさせたレーザ光５１を該レーザ光５１の大きさＱよりも小さいレンズ幅ｐのレンズ２３を複数個備える２組の第１，第２アレイレンズ群Ｂ１，Ｂ２で分割し、分割したビームを集光レンズ５３により１点Ｓに集光させている。
【００１７】
ホモジナイザー５２により整形したラインビーム５４は、実際には図１５に示すように平坦部１２と傾斜部１３とからなり、傾斜部１３を狭くするために、一般に、点Ｓを像面に一致させ、かつ、レーザ発振器５０に近い側の第１アレイレンズ群Ｂ１上を物体面にしている。
【００１８】
しかしながら、レーザ光５１は遮蔽物があるとき、遮蔽される箇所でフレネル回折による回折光が発生する。ホモジナイザー５２では、レーザ光源（レーザ発振器５０）に近い側の第１アレイレンズ群Ｂ１の各レンズ２３同士の接合部が遮蔽物Ｇとして機能するため、この箇所でフレネル回折が発生し、これが第１，第２アレイレンズ群Ｂ１，Ｂ２の像面となる点Ｓに投影されて、平坦部１２と傾斜部１３との境界部に鋭いピーク１６となつて現れる。
【００１９】
このフレネル回折に基づくピーク１６があると、ラインビーム５４に均一な強度が与えられず、例えばビーム５４をＳｉ膜膜５５ａに照射して結晶化させるとき、ピーク１６が照射された領域が、平坦部１２を照射して結晶化させた良好な領域と比べて、結晶の性質が異なつて不均一になるという技術的課題がある。
【００２０】
以上から、本発明は、良好なレーザ光を薄膜に照射して、均一かつ大きな結晶を試料の全面に形成することを第１の目的としている。
【００２１】
本発明は、このような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、その構成は、次の通りである。請求項１の発明は、レーザ発振器１０Ａと、レーザ発振器１０Ａで生じさせたレーザ光１Ａの強度を均一化させるホモジナイザー２ａとを備え、該ホモジナイザー２ａが、該レーザ光１Ａの大きさＱよりも小さいレンズ幅ｐのレンズ２３を複数個備えるアレイレンズ群Ｂ１，Ｂ２と、アレイレンズ群Ｂ１，Ｂ２を透過した該レーザ光１Ａを集光させる集光レンズ３とを光軸Ｘ方向に離して備え、アレイレンズ群Ｂ１，Ｂ２を透過して分割状態の該レーザ光１Ａを集光レンズ３によつて集光させるレーザ光の照射方法において、レーザ発振器１０Ａで生じさせたレーザ光１Ａを、所定のレンズ幅ｐのレンズ２５，２６を複数個備える分割縮小アレイ装置２４又は２４Ａのレンズ群Ａ１，Ａ２又はＡ３に通し、レーザ発振器１０Ａに近い位置の該レンズ群Ａ１又はＡ３のレンズ幅ｐよりも小さいビーム１Ａ’に縮小かつ分割させた後に、前記ホモジナイザー２ａに入射させ、ホモジナイザー２ａのレンズ２３の端部への入射を防止することを特徴とするレーザ光の照射方法である。請求項２の発明は、分割縮小アレイ装置２４が、第１，第２レンズ群Ａ１，Ａ２を有し、レーザ発振器１０Ａで生じさせたレーザ光１Ａを第１レンズ群Ａ１のレンズ２５を透過させた後に第２レンズ群Ａ２のレンズ２５の中央部を透過させることを特徴とする請求項１のレーザ光の照射方法である。請求項３の発明は、分割縮小アレイ装置２４Ａが、分割レンズ群Ａ３を有し、レーザ発振器１０Ａで生じさせたレーザ光１Ａを分割レンズ群Ａ３の所定のレンズ幅ｐのレンズ２６を透過させて縮小かつ分割させて、ホモジナイザー２ａのアレイレンズ群Ｂ１の各レンズ２３のレンズ幅ｐよりも小さいビーム１Ａ’を作ることを特徴とする請求項１のレーザ光の照射方法である。請求項４の発明は、レーザ発振器１０Ａと、レーザ発振器１０Ａで生じさせたレーザ光１Ａの強度を均一化させるホモジナイザー２ａとを備え、該ホモジナイザー２ａが、該レーザ光１Ａの大きさＱよりも小さいレンズ幅ｐのレンズ２３を複数個備えるアレイレンズ群Ｂ１，Ｂ２と、アレイレンズ群Ｂ１，Ｂ２を透過した該レーザ光１Ａを集光させる集光レンズ３とを光軸Ｘ方向に離して備え、アレイレンズ群Ｂ１，Ｂ２を透過して分割状態の該レーザ光１Ａを集光レンズ３によつて集光させるレーザ光の照射方法において、レーザ発振器１０Ａで生じさせたレーザ光１Ａの透過を遮断する遮蔽物２７を設け、該レーザ光１Ａの一部を遮蔽物２７によつて遮断した後に、前記ホモジナイザー２ａに入射させ、ホモジナイザー２ａのアレイレンズ群Ｂ１のレンズ２３の端部への入射を防止することを特徴とするレーザ光の照射方法である。請求項５の発明は、レーザ発振器１０Ａと、レーザ発振器１０Ａで生じさせたレーザ光１Ａの強度を均一化させるホモジナイザー２ａとを備え、該ホモジナイザー２ａが、該レーザ光１Ａの大きさＱよりも小さいレンズ幅ｐのレンズ２３を複数個備える第１，第２アレイレンズ群Ｂ１，Ｂ２と、第１，第２アレイレンズ群Ｂ１，Ｂ２を透過した該レーザ光１Ａを集光させる集光レンズ３とを光軸Ｘ方向に離して備え、第１，第２アレイレンズ群Ｂ１，Ｂ２に通して分割状態の該レーザ光１Ａを集光レンズ３によつて集光させると共に、第１，第２アレイレンズ群Ｂ１，Ｂ２が、レーザ光１Ａの光軸Ｘに対して垂直に並んだレンズ２３を複数個備え、第１，第２アレイレンズ群Ｂ１，Ｂ２により分割したビームを集光レンズ３によつて１点Ｓに集光し、該点Ｓを像面としてレーザ発振器１０Ａに近い側の第１アレイレンズ群Ｂ１に物体面があるレーザ光の照射装置において、前記物体面とレーザ発振器１０Ａとの間に、光軸Ｘに対して垂直に並んだ所定のレンズ幅ｐのレンズ２５を複数個備える第１，第２レンズ群Ａ１，Ａ２を有し、レーザ発振器１０Ａで生じさせたレーザ光１Ａを第１レンズ群Ａ１の密接に並んだレンズ２５を透過させて縮小・分割させた後に第２レンズ群Ａ２のレンズ２５の中央部を透過させて各レンズ２３のレンズ幅ｐよりも小さい平行光線のビーム１Ａ’を作り、該ビーム１Ａ’を第１アレイレンズ群Ｂ１の各レンズ２３の中央部に入射させることを特徴とするレーザ光の照射装置である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１〜図８は、本発明に係るレーザ光の照射方法及びその装置の参考形態を示す。レーザ光の照射装置は、図１に示すように複数（図上では４台）のＹＡＧレーザを発生させるレーザ発振器１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄを光源とし、波長変換して生じさせたレーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄをそれぞれ反射ミラー１７で方向転換させて光学系容器９内に導き、長軸ホモジナイザー２ａ及び短軸ホモジナイザー２ｂ等により、同じ大きさの方形のレーザビーム４に整形し、方形の試料５に照射する。試料５は、例えばガラス基板６上にａ−Ｓｉ薄膜５ａを形成したものである。
【００２３】
この試料５は、試料台２０に支持され、試料台２０を直交するｘ方向及びｙ方向（図４に示す）に駆動装置２１によつて移動させることができる。試料台２０は、レーザアニール装置の真空室内に設置されている。従つて、レーザビーム４と試料台２０上の試料５とは、直交するｘ方向及びｙ方向に所定の送り量で相対移動が可能であり、ｘ方向及びｙ方向を組み合わせることにより、任意方向への移動が可能である。なお、駆動装置２１は、例えばボール・スクリュねじ機構を直交配置させて構成され、方形のレーザビーム４及び試料５の直交する２辺を平行に設定した状態で、直交するｘ方向及びｙ方向の両者に駆動できる。
【００２４】
レーザ発振器１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄで生じさせた所定のパルス幅ｍ１，ｍ２，ｍ３，ｍ４のレーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄを試料５に複数回照射させることにより、試料５を結晶化させる。１回の照射となる所定のパルス幅ｍ１，ｍ２，ｍ３，ｍ４のレーザ光は、複数のレーザ発振器１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄから発生させたレーザ光群１からなり、レーザ光群１を試料５に複数回照射させることにより、試料５を結晶化させる。レーザ光のパルス幅（発光時間）は一般に数〜数十ｎｓ、発振周波数は数百Ｈｚ以下であるから、１つのレーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃの試料５への照射が数〜数十ｎｓ行われた後、数ｍｓの間隔を開いて、次のレーザ光１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの照射を数〜数十ｎｓの時間行わせる。
【００２５】
レーザ光群１を照射させる前の試料５の初期温度は、図２に示すようにＴ１である。レーザ光群１を初期温度Ｔ１の試料５に１回照射させれば、中間温度Ｔ２にまで上昇するようになる。そして、中間温度Ｔ２にまで上昇し、冷却が開始され、再度初期温度Ｔ１にまで冷却される前に、レーザ光群１を複数回照射させることで、中間温度Ｔ２よりも高い最高温度Ｔｍａｘにまで上昇させて試料５を結晶化させる。このときの試料５の温度Ｔと、パルス強度４２の４個のパルスレーザ１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄからなるレーザ光群１との関係は大略図２に示すようになる。
【００２６】
この方法によれば、レーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの集合によつてレーザ光群１が構成され、個別のレーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄのエネルギーを低減させて所定の最高温度Ｔｍａｘを与えることができるので、試料５に最高温度Ｔｍａｘを与えるための光源（レーザ発振器１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ）として、パルスエネルギーが低い固体レーザの使用が可能になる。加えて、照射エネルギーは複数回のパルスレーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの総和に依存するため、試料５全体の最高温度Ｔｍａｘが平均化される。
【００２７】
更に、複数回のレーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの照射において、照射間隔Ｄを増減調整することにより、試料５に照射するレーザ光群１としての事実上のパルス幅Ｍ（発光時間）を変えて、最適なパルス幅Ｍを選択して試料５を結晶化させることができる。すなわち、レーザ光群１のパルス幅Ｍを適当に長くして結晶を穏やかに冷却させ、結晶を大きく成長させることができる。レーザ光群１としてのパルス幅Ｍは、レーザ発振器１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄの台数を増減調節しても、変えることが可能である。
【００２８】
結晶を大きくさせるための照射（２ショット目以降）は、レーザ光群１の照射を止めて試料５の温度を初期温度Ｔ１にまで冷却させ、再びレーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの複数回の照射を与えて試料５を最高温度Ｔｍａｘにまで上昇させて結晶を成長させることで実現できる。なお、試料５の冷却の際の初期温度Ｔ１は、ほぼ初期温度Ｔ１であればよく、レーザ光群１を照射させる前の試料５の初期温度Ｔ１よりも若干高い温度を含むものである。
【００２９】
２回目以降のレーザ光群１の複数回の照射は、結晶を結合させるための照射であるから、試料５に与える温度Ｔは、最高温度Ｔｍａｘよりも低くてもよい。その方が、消費エネルギーの低下や、１回目のレーザ光群１の照射によつて結晶化した試料５を再溶融させる確率を低くすることができる。
【００３０】
ここで、２回目以降のレーザ光群１の照射による試料５の最高温度をＴｍａｘよりも低くする手段としては、次のものが有効である。（１）レーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの複数回の照射の照射回数を１回目の照射よりも少なくする。具体的には、レーザ発振器１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄの一部を停止させ、レーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの個数を減少させる。
【００３１】
（２）レーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの照射エネルギーを小さくする。具体的には、レーザ発振器１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄの少なくとも一部から生ずるレーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの照射エネルギーを小さくする。これは、図２に示すレーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの少なくとも一部のパルス強度４２を小さくすることで実現できる。
【００３２】
（３）照射間隔Ｄを大きく設定する。具体的には、レーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの発生時間の間隔を大きく変調させ、例えば中間温度Ｔ２にまで上昇した後の冷却時間を長く設定することにより、各レーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄのショットによる温度上昇を抑制させる。
【００３３】
７３０×９２０ｍｍといつた大きいガラス基板５６上のＳｉ薄膜５５ａの高品質の結晶化も、試料５の全体を１回目のレーザ光群１の照射によつて結晶化させた後に、照射条件を上記したいずれかの手段により変えて２回目以降のレーザ光群１の照射を実施することにより、容易に実現できる。
【００３４】
なお、レーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの照射間隔Ｄを変更することにより、レーザ光群１のパルス幅Ｍを変えて試料５に照射させれば、２回目以降のレーザ光群１の照射によつて与えられる試料５の最高温度の少なくとも一部を、１回目の照射によつて与えられる最高温度Ｔｍａｘよりも低くすることができるのみならず、各回目の照射によつて与えられる最高温度Ｔｍａｘを高低調節することが可能である。
【００３５】
レーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの照射間隔Ｄの調整は、複数台のレーザ発振器１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄから発振するレーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの発振開始時期を制御させる方法で実現でき、各レーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄを１つの光学系に透過させる。
【００３６】
短軸ホモジナイザー２ｂは、アレイレンズ群Ｃ２を、図３に示すように多数の所定のレンズ幅ｐのシリンドリカルなレンズ２２を密接に並べて構成させ、レンズ２２の中心を透過する各レーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄを１つの集光レンズ３によつて集光点４４に集光させることで構成される。例えば短軸ホモジナイザー２ｂに、複数台のレーザ発振器１０で発生したレーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄを端から入射させることで、集光点４４に均一なビームを整形させることができる。使用するレーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄとして、ＹＡＧ等の固体レーザにより発振したレーザ光を波長変換結晶に透過させて波長変換させて用いることで、メンテナンス性を容易にすることができ、エキシマレーザに比べて小型かつ軽量化するため、各レーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの光軸Ｘの調整をレーザ発振器１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄの位置調整で行うことも容易になる。
【００３７】
【実施例】
〔実施例１〕
レーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの照射装置は図１に示すものを使用した。すなわち、光源としてＹＡＧレーザを発生させるレーザ発振器１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄの第２高調波５３２ｎｍ、パルスエネルギー５０ｍＪ、パルス幅１００ｎｓ、繰り返し周波数Ｒ＝５０Ｈｚのレーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄを用い、レーザ発振器１０を、、ホモジナイザー２ａ，２ｂからの距離を同じにして４台並べた。ホモジナイザー２ａ，２ｂにより図５に示すようにａ×ｂ＝１０×５ｍｍのスクエアビーム４に整形し、図４に示すようにａ−Ｓｉ薄膜５ａに照射し、Ｌ×Ｗ＝４００×５００ｍｍのガラス基板５６上のａ−Ｓｉ薄膜５ａの結晶化を行つた。
【００３８】
ａ×ｂのスクエアビーム４は、図５，図６に概略を示すように平坦部１２と傾斜部１３により構成され、傾斜部１３の幅ｄは、ａ，ｂ方向の両者共にｄ＝０．０５ｍｍであつた。
【００３９】
比較のために、複数のレーザ発振器１０の１台のレーザ発振器１０Ａより発生するレーザ光１Ａのみを使用し、Ｓｉ薄膜５ａにパルス幅（発光時間）１００ｎｓのレーザ光１Ａを２０ｍｓの間隔を開けて照射した。この場合の最大エネルギー密度は１００ｍＪ／ｃｍ2 である。この条件でレーザ光１Ａを試料に２０回照射した。このとき、結晶粒は最大エネルギーのとき最大になり、その最大粒径は０．０５μｍ程度であつた。
【００４０】
次に、４台のレーザ発振器１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄより発生するレーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄを使用し、Ｓｉ薄膜５ａにパルス幅１００ｎｓのレーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄを発振間隔Ｄ：５００ｎｓで発振して試料５に２０回照射した。その結果、結晶粒は最大エネルギーの８０％で最大になり、最大粒径は０．２μｍであつた。このように結晶の粒径が上記０．０５μｍ程度よりも大きくなつた理由は、レーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの最大強度は１台のレーザ発振器１０Ａのときと同じであるが、試料５に対する１回目のパルス照射後に十分に冷却される前に２回目以降の照射が次々になされたため、試料５の温度Ｔが上昇した結果であると考えられる。
【００４１】
同様にして、発振間隔Ｄ：５０、１００、２００ｎｓ、（５００ｎｓ）、１ｍｓ、（２０ｍｓ）のみを変化させて試料５に照射したところ、それぞれ最大粒径は０．３μｍ、０．５μｍ、０．４μｍ、（０．２μｍ）、０．０８μｍ、（０．０５μｍ）であつた。但し、これらの試料５の温度Ｔが如何なる状態であるかは不明である。
【００４２】
このように、４台のレーザ発振器１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄを使用することにより、１台のレーザ発振器のみを使用する場合と比較して、結晶粒を大きくすることができ、かつ、レーザ光群１としての事実上のパルス幅Ｍ（発光時間）を最適に調整することができることが分かる。
【００４３】
次に、４台のレーザ発振器１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄにより、Ｓｉ薄膜５ａにパルス幅１００ｎｓのレーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄを発振間隔Ｄ：１００ｎｓで発振して、ａ×ｂ＝１０×５ｍｍのスクエアビーム４を、図４に示すＬ×Ｗ＝４００×５００ｍｍのガラス基板５６上のａ−Ｓｉ薄膜５ａに照射した例について説明する。試料５及び試料台２０の駆動装置２１による送り速度を、スクエアビーム４のａ方向に１０ｍｍ／５０Ｈｚ＝０．２ｍｍ／ｓで移動させながらレーザ光１を照射させ、ａ方向（ｘ方向）の照射が終了した後、ｂ方向（ｙ方向）に５ｍｍ移動させて、再度ａ方向に移動させながらレーザ光１を照射させた。このａ方向に移動させながら照射及びｂ方向に移動を同様に４０回繰り返して試料５全体の１回目の照射を終了した（図７）。
【００４４】
２回目の重畳照射は、試料５及び試料台２０を初期位置から傾斜部１３の幅ｄ＝０．０５ｍｍより大きい０．１ｍｍでａ，ｂ両方向に移動させてから、１回目の照射と同じ条件で照射した。その状態を図８に模式的に示す。３〜２０回目の重畳照射も、２回目の照射の初期と同様に、ａ，ｂ方向に０．１ｍｍ移動させて照射を繰り返した。この方法により、試料５の全体に０．５μｍの結晶をほぼ均一に作製することができたが、一部に微細な結晶が見られた。
【００４５】
そこで、前記３〜２０回目の照射条件を１，２回目の照射条件から変更させ、４台のレーザ発振器１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄの内の１台のレーザ発振器１０Ａの照射エネルギーのみを５０ｍＪから４５ｍＪに変更させたところ、微細な結晶は見られなかつた。
【００４６】
次に、本発明に係るレーザ光の照射方法及びその装置の一実施形態を示す図９を参照して、レーザ光１Ａからなるレーザビーム４のピーク１６の解消について説明する。なお、ホモジナイザー２ａは、長軸ホモジナイザー２ａのみを示してある。レーザビーム４の強度分布は、図６に概略を示すようであり、強度が漸減する傾斜部１３に囲まれて強度が大きい方形の平坦部１２を有している。平坦部１２は、最大強度の９０％以上、好ましくは９５％以上の強度を有する箇所である。
【００４７】
図９では、１つの光源となるレーザ発振器１０Ａと長軸ホモジナイザー２ａとの間に、レーザ光１Ａからなるレーザビーム４のピーク１６を解消させるために、分割縮小アレイ装置２４を配置している。分割縮小アレイ装置２４は、光軸Ｘに対して垂直に密接して並んだ所定のレンズ幅ｐの複数のアレイレンズ２５を有する２組以上のレンズ群Ａ１，Ａ２によつて構成される。
【００４８】
図示する分割縮小アレイ装置２４は、２組の第１，第２レンズ群Ａ１，Ａ２を対向配置させて構成され、レーザ発振器１０Ａに近い一方の第１レンズ群Ａ１の各レンズ２５は、平行入射する大きさＱのレーザ光１Ａを分割・集束させ、他方の第２レンズ群Ａ２の隣接するレンズ２５同士の端部つまり接合部を避けて中央部に入射させる。すなわち、レーザ発振器１０Ａからのレーザ光１Ａは、第１，第２レンズ群Ａ１，Ａ２の各レンズ２５を透過させてレンズ幅ｐよりも小さい幅の複数の平行ビーム１Ａ’に分割させ、ホモジナイザー２ａの第１アレイレンズＢ１でフレネル回折が発生しないようにさせる。第１，第２レンズ群Ａ１，Ａ２は、レーザ光１Ａを分割かつ縮小させ、第１アレイレンズ群Ｂ１の各レンズ２３の所定のレンズ幅ｐよりも小さいビーム１Ａ’を作る。
【００４９】
このとき、平坦部１２と傾斜部１３との境界部にフレネル回折に起因して生ずるピーク１６（図１５に示す）は、レーザ発振器１０Ａに近い側の第１レンズ群Ａ１に発生するが、点Ｓの物体面に存在しなければ、点Ｓに像を形成するように投影されることはない。点Ｓの物体面は、長軸ホモジナイザー２ａのレーザ発振器１０Ａに近い側の第１アレイレンズ群Ｂ１にあり、この第１アレイレンズ群Ｂ１を像面とするときの物体面は、ビーム１Ａ’を第１アレイレンズ群Ｂ１に平行入射させることによつて無限遠になる。
【００５０】
従つて、第１アレイレンズ群Ｂ１の物体面は、ピーク１６を発生する第１レンズ群Ａ１を避けることになり、レーザ発振器１０Ａに近い側の第１レンズ群Ａ１に発生するピーク１６は、長軸ホモジナイザー２ａを透過後に点Ｓに像を結ぶことはない。これにより、平坦部１２と傾斜部１３との境界部のピーク１６を実用上問題がない程度にまで低減させることができる。
【００５１】
勿論、１つのレーザ発振器１０Ａ以外のレーザ発振器１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄにも分割縮小アレイ装置２４を配設し、フレネル回折に起因して生ずるピーク１６を解消させることが可能である。更に、長軸ホモジナイザー２ａ及び短軸ホモジナイザー２ｂの前後位置を交換させ、レーザ発振器１０Ａと短軸ホモジナイザー２ｂとの間に分割縮小アレイ装置２４を配置して、レーザビーム４のピーク１６を解消させることも可能である。
【００５２】
なお、図１，図３に示す短軸ホモジナイザー２ｂは、一対の第３，第４アレイレンズ群Ｃ１，Ｃ２を有し、これらの第３，第４アレイレンズ群Ｃ１，Ｃ２を透過したレーザ光１Ａが、集光レンズ３によつて集光される。第１レンズ群Ａ１、第２レンズ群Ａ２、第１アレイレンズ群Ｂ１、第２アレイレンズ群Ｂ２、第３アレイレンズ群Ｃ１、第４アレイレンズ群Ｃ２及び集光レンズ３は、光軸Ｘ上に所定間隔で順次に配置されている。
【００５３】
〔実施例２〕分割縮小アレイ装置２４は、第１レンズ群Ａ１として、焦点距離ｆ＝１００ｍｍ、レンズ幅ｐ＝１ｍｍのシリンドリカル・レンズ２５を１０枚一体的に備え、これより１８０ｍｍの距離をおいて、第２レンズ群Ａ２として、焦点距離ｆ＝８０ｍｍ、レンズ幅ｐ＝１ｍｍのシリンドリカル・レンズ２５を１０枚一体的に備える。また、レーザ光１の照射装置は図１に示すものを使用した。すなわち、光源として４台のＹＡＧレーザを発生させるレーザ発振器１０の第２高調波５３２ｎｍを使用した。分割縮小アレイ装置２４は、レーザ発振器１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄからの各レーザ光１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄに対応させて配置させた。
【００５４】
また、ホモジナイザー２ａの第１アレイレンズ群Ｂ１は、焦点距離ｆ＝１００ｍｍ、レンズ幅ｐ＝１ｍｍのシリンドリカル・レンズ２３を１０枚一体的に備え、これより１００ｍｍの距離をおいて、第２アレイレンズ群Ｂ２として、焦点距離ｆ＝１００ｍｍ、レンズ幅ｐ＝１ｍｍのシリンドリカル・レンズ２３を１０枚一体的に備える。集光レンズ３は、焦点距離ｆ＝１００ｍｍである。
【００５５】
これらのレーザ光１は、分割縮小アレイ装置２４の第１，第２レンズ群Ａ１，Ａ２を透過した後、第２レンズ群Ａ２からｖ＝１００ｍｍの距離をおいて配置したホモジナイザー２ａの第１アレイレンズ群Ｂ１を透過し、続いて第２アレイレンズ群Ｂ２及び集光レンズ３を透過して、点Ｓに平坦部１２＝１ｍｍのレーザビーム４が整形された。このとき、平坦部１２の端縁に鋭いピーク１６は見られなかつた。なお、図示の各レンズ２３，２５のレンズ幅ｐは同一としたが、レーザ発振器１０Ａに近い位置の第１レンズ群Ａ１のレンズ幅ｐよりも小さいビーム１Ａ’に縮小・分割させた後に、ホモジナイザー２ａに入射させ、ホモジナイザー２ａのレンズ２３の端部への入射を防止することができればよく、第２レンズ群Ａ２のレンズ２５及びホモジナイザー２ａのレンズ２３のレンズ幅ｐは、第１レンズ群Ａ１のレンズ幅ｐよりも小さくすることが可能である。
【００５６】
図１０は、本発明に係るレーザ光の照射方法及びその装置の一実施形態の他の構造例を示す。この分割縮小アレイ装置２４Ａは、上記一実施形態と同位置に配置される１組の第３レンズ群Ａ３（分割レンズ群）によつて構成され、第３レンズ群Ａ３は、光軸Ｘに対して垂直に密接に並んだ所定のレンズ幅ｐの複数のレンズ２６からなつている。各レンズ２６は、レーザ光１Ａを分割させると共に縮小させて、長軸ホモジナイザー２ａの第１アレイレンズ群Ｂ１の各レンズ２３のレンズ幅ｐよりも小さいビーム１Ａ’を作る。
【００５７】
なお、図示の各レンズ２３，２６のレンズ幅ｐは同一であるが、レーザ発振器１０Ａに近い位置の第３レンズ群Ａ３のレンズ幅ｐよりも小さいビーム１Ａ’に縮小・分割させた後に、ホモジナイザー２ａに入射させ、ホモジナイザー２ａのレンズ２３の端部（接合部）への入射を防止することができればよく、ホモジナイザー２ａのレンズ２３のレンズ幅ｐは、第３レンズ群Ａ３のレンズ２６のレンズ幅ｐよりも小さくすることが可能である。
【００５８】
平坦部１２と傾斜部１３との境界部にフレネル回折に起因して生ずる図１５に示すピーク１６は、レンズ２６を透過後に光軸Ｘ上の点Ｒに結像され、点Ｓの物体面である長軸ホモジナイザー２ａのレーザ発振器１０Ａに近い側の第１アレイレンズ群Ｂ１から位置がずれる。このため、レーザ発振器１０Ａに近い側の第３レンズ群Ａ３に発生するピーク１６は、長軸ホモジナイザー２ａを透過後に点Ｓに像を結ぶことはない。これにより、平坦部１２と傾斜部１３との境界部のピーク１６を実用上問題がない程度にまで低減させることができる。しかしながら、長軸ホモジナイザー２ａに入射するビーム１Ａ’が平行光線でないため、方形のレーザビーム４の形状に影響を与える。
【００５９】
勿論、１つのレーザ発振器１０Ａ以外のレーザ発振器１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄにも分割縮小アレイ装置２４Ａを配設し、フレネル回折に起因して生ずるピーク１６を解消させることが可能である。更に、長軸ホモジナイザー２ａ及び短軸ホモジナイザー２ｂの前後位置を交換させ、レーザ発振器１０Ａと短軸ホモジナイザー２ｂとの間に分割縮小アレイ装置２４Ａを配置して、レーザビーム４のピーク１６を解消させることも可能である。
【００６０】
図１１は、本発明に係るレーザ光の照射方法及びその装置の一実施形態の更に他の構造例を示す。この分割縮小アレイ装置２４Ｂは、上記一実施形態と同位置に配置され、光軸Ｘに対して垂直に配置した幅ｒの複数の遮蔽物２７からなつている。各遮蔽物２７は、レーザ光１Ａの少なくとも一部の透過を遮蔽させて、長軸ホモジナイザー２ａの第１アレイレンズ群Ｂ１の各レンズ２３のレンズ幅ｐよりも小さいビームを作る。このために、各遮蔽物２７は、第１アレイレンズ群Ｂ１の各レンズ２３の端部（接合部）に対応させて、光軸Ｘ方向に距離を置いて配置されている。
【００６１】
平坦部１２と傾斜部１３との境界部にフレネル回折に起因して生ずる図１５に示すピーク１６は、第１アレイレンズ群Ｂ１の各レンズ２３の接合部で生ずるが、遮蔽物２７により、この部分へのレーザ光１Ａの入射が無くなる。これにより、レーザ発振器１０Ａに近い側の第１アレイレンズ群Ｂ１にピーク１６の基になる歪みは発生せず、歪みが長軸ホモジナイザー２ａを透過後に点Ｓに像を結ぶことはない。これにより、平坦部１２と傾斜部１３との境界部のピーク１６を実用上問題がない程度にまで低減させることができる。しかしながら、遮蔽物２７により、レーザ光１Ａの一部をカットすることになるため、エネルギーの無駄を生ずることになる。
【００６２】
勿論、１つのレーザ発振器１０Ａ以外のレーザ発振器１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄにも分割縮小アレイ装置２４Ｂを配設し、フレネル回折に起因して生ずるピーク１６を解消させることが可能である。更に、長軸ホモジナイザー２ａ及び短軸ホモジナイザー２ｂの前後位置を交換させ、レーザ発振器１０Ａと短軸ホモジナイザー２ｂとの間に分割縮小アレイ装置２４Ｂを配置して、レーザビーム４のピーク１６を解消させることも可能である。
【００６３】
【発明の効果】
以上の説明によつて理解されるように、本発明に係るレーザ光の照射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１〜５のレーザ光の照射方法及びその装置によれば、簡素な構成の付加により、平坦部と傾斜部との境界部のピークを実用上問題がない程度にまで容易に低減させることができる。その結果、レーザ光の強度を均一化させて、結晶質を実用上均一に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考形態に係るレーザ光の照射装置を示す図。
【図２】同じくレーザ光の強度・温度−時間特性を示す線図。
【図３】同じく短軸ホモジナイザー及び集光レンズによるレーザビームの集光状態を示す図。
【図４】同じくレーザ光の試料への照射状態を示す図。
【図５】同じくレーザビームを示す説明図。
【図６】同じくレーザビームの強度−位置特性を示す線図。
【図７】同じくレーザビームの試料への１回目の照射状態を示す図。
【図８】同じくレーザビームの試料への２回目の照射状態を示す図。
【図９】本発明の一実施形態に係るレーザ光の照射装置の要部を示す図。
【図１０】同じくレーザ光の照射方法の構造例を示す図。
【図１１】同じくレーザ光の照射方法の他の構造例を示す図。
【図１２】従来のレーザ光の強度・温度−時間特性を示す線図。
【図１３】従来のレーザ光の照射装置を示し、（イ）は側面図、（ロ）は正面図。
【図１４】従来のレーザ光の照射装置の要部を示す図。
【図１５】従来のレーザビームの強度−位置特性を示す線図。
【符号の説明】
１：レーザ光群、１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ：レーザ光、１Ａ’：小さいビーム、２ａ：長軸ホモジナイザー（ホモジナイザー）、２ｂ：短軸ホモジナイザー、３：集光レンズ、４：レーザビーム、５：試料、５ａ：ａ−Ｓｉ薄膜（Ｓｉ膜）、６：ガラス基板（基板）、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ：レーザ発振器、１２：平坦部、１３：傾斜部、２０：試料台、２１：駆動装置、２３，２５，２６：レンズ、２４，２４Ａ：分割縮小アレイ装置、２７：遮蔽物、ａ：レーザビームの幅、ｂ：レーザビームの幅、ｄ：傾斜部の幅、ｍ１，ｍ２，ｍ３，ｍ４：パルス幅、ｐ：レンズ幅、Ａ１：第１レンズ群（レンズ群）、Ａ２：第２レンズ群（レンズ群）、Ａ３：第３レンズ群（レンズ群，分割レンズ群）、Ｂ１：第１アレイレンズ群、Ｂ２：第２アレイレンズ群、Ｄ：照射間隔、Ｍ：パルス幅、Ｔ１：初期温度、Ｔ２：中間温度、Ｔｍａｘ：最高温度、Ｑ：レーザ光の大きさ、Ｓ：点、Ｘ：光軸。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser beam irradiation method and apparatus therefor, for shaping and using laser light when manufacturing crystallized silicon of a thin film transistor used in a liquid crystal display device or processing a synthetic resin such as polyimide. The present invention relates to a laser beam irradiation method and apparatus.
[0002]
[Prior art and problems]
For example, a method of irradiating a sample with laser light composed of a line beam is known when manufacturing crystallized silicon of a thin film transistor used in a liquid crystal display device. As shown in FIG. 13, an excimer laser beam 51 generated by a laser oscillator 50 that generates an excimer laser is guided into an optical system container 59 and redirected by a reflecting mirror 57, and a long-axis homogenizer 52a and a short-axis homogenizer. After shaping through 52b to make the intensity uniform, the direction is again changed by the reflecting mirror 58 and then passed through the condenser lens 53, so that the long axis × short axis is a square line beam of about 200 × 0.4 mm. 54, and the sample 55 is irradiated. The sample 55 is installed in a vacuum chamber of a laser annealing apparatus.
[0003]
The sample 55 in this case is obtained by forming an a-Si (amorphous silicon) thin film 55a on a glass substrate 56, and the a-Si thin film 55a is crystallized by irradiating the a-Si thin film 55a with a line beam 54. P-Si (polysilicon) thin film 55b. The glass substrate 56 has a large size of 730 × 920 mm, and in order to crystallize the entire surface of the a-Si thin film 55a on the glass substrate 56, 5 to 10% of the line beam minor axis width per shot of the line beam 54 is used. The glass substrate 56 is moved intermittently in the direction of the short axis of the line beam 54 at a feed pitch of. When the minor axis width is 0.4 mm, the specific feed pitch is 20 to 40 μm, and the number of times the sample 55 is irradiated with the laser light is 10 to 20 times.
[0004]
Here, since the pulse width (light emission time) of the laser beam 51 is generally several to several tens of ns and the oscillation frequency is several hundred Hz or less, irradiation of the laser beam 51, that is, the line beam 54 to the sample 55 is several to several tens of ns. After being performed, a relatively long interval of several ms is opened, and irradiation of several to several tens of ns is performed again. A crystal grows by irradiating the sample 55 a plurality of times. It is considered that the crystal growth is such that the crystal grains generated by the first irradiation are combined and enlarged by the second and subsequent irradiations. In order to grow this crystal, it is necessary to irradiate the laser beam 51 so that the sample 55 rises from the cooled (room temperature) state to the vicinity of the melting temperature.
[0005]
The description is divided into (1) irradiation for generating crystal grains (first shot) and (2) irradiation for enlarging crystals (second shot and thereafter) as follows.
[0006]
(1) Irradiation for generating crystal grains (first shot)
The temperature T of the sample 55 is increased to a temperature T3 by irradiating one shot of the laser beam with T1 being an initial temperature before the laser beam 51 is irradiated, and initial after the irradiation of the laser beam 51 is completed. The temperature is gently lowered to the temperature T1. At this time, the relationship between the temperature T of the thin film 55a of the sample 55 and the pulse intensity 32 of the laser beam 51 has been calculated by many researchers, and is roughly as shown in FIG. That is, the temperature of the sample 55 starts to rise due to the irradiation of the laser beam 51, reaches a maximum temperature T3 by one shot irradiation after a predetermined time from the irradiation of the maximum intensity of the laser beam 51, and then the pulse It takes several times as long as the width m (light emission time) to cool to the initial temperature T1.
[0007]
The crystallization of the sample 55 is performed by applying the highest temperature T3 by one-shot irradiation and melting the semiconductor thin film 55a of the sample 55. Therefore, the applied temperature T3 is increased to the melting temperature of the thin film 55a or higher. There is a need. When the crystal growth is described in detail, when the sample 55 is heated to the temperature T3 by being irradiated with the laser beam 51, the thin film 55a of the sample 55 is melted, but all of the thin film 55a in the portion irradiated with the laser beam 51 is melted. At the temperature immediately before melting, some non-melting points A and B which are not partially melted remain, and when the sample 55 is subsequently cooled, the non-melting points A and B are used as the base points and adjacent non-melting points A and B are cooled. Crystals grow between the melting points A and B to form crystal grains.
[0008]
Therefore, when the distance between one non-melting point A of the sample 55 which is not melted and the non-melting point B adjacent to the non-melting point A is short, the crystal growth between the points A and B is completed in a short time. However, although the growth of the crystal as a whole of the sample 55 at the location irradiated with the laser beam 51 composed of the line beam 54 is hindered, the crystal does not become large, but when the distance between the adjacent points A and B is long, both points A crystal grows widely between A and B, and the crystal becomes large. However, when the distance between the non-melting point A and the non-melting point B is too long, a region where no crystal grows is formed at an intermediate position between the points A and B.
[0009]
As described above, the size of the crystal generated in the thin film 55a is determined depending on the temperature T3 given by the irradiation of the laser beam 51, and the crystal is appropriately large regardless of whether the given temperature T3 is too high or too low. I can't grow up. Therefore, in order to make the thin film 55a have a large and constant crystal, it is preferable that the intensity 32 of the laser beam 51 is always kept constant and the temperature T3 of the sample 55 is given constant.
[0010]
Further, the time spent for cooling the sample 55 depends on the pulse width m of the laser beam 51. That is, if the pulse width m is long, the crystal is cooled gently, but if it is short, it is rapidly cooled. In general, it is considered that the crystal 55 grows larger when the temperature of the sample 55 is lowered gently. However, when the thin film 55a on the insulating glass substrate 56 is crystallized, the temperature of the substrate 56 rises when it is rapidly cooled. In addition, it is possible to avoid the influence when there are materials having different thermal conductivities as the base of the thin film 55a. For this reason, it is considered that the optimum pulse width m for crystal growth varies depending on the material of the sample 55, the material of the base of the sample 55, etc., but the optimum pulse width m is not clear at present. .
[0011]
Thus, in order to raise the sample 55 to near the melting temperature in order to crystallize the thin film 55a, it is generally necessary to irradiate the laser beam 51 having a high pulse intensity 32. For this reason, an excimer laser or the like is required. It is common to use a gas laser. However, the gas laser is expensive and inferior in maintainability, and in addition, there are many problems such as a large fluctuation in the intensity 32 of the laser beam 51 for each pulse.
[0012]
On the other hand, when using a low-energy solid-state laser that is inexpensive and excellent in maintainability, it is necessary to condense greatly with the condenser lens 53 in order to ensure a predetermined intensity (energy density) in the pulse laser. However, as the reduction magnification by the condensing lens 53 increases, not only the performance of the entire optical system such as the homogenizers 52a and 52b is required to be improved, but also the performance improvement such as reducing the optical axis fluctuation with respect to the generated laser light. Furthermore, in order to improve the controllability of the irradiation position on the sample 55, it is necessary to improve the movement performance of the sample stage on which the sample 55 is placed, resulting in an increase in cost.
[0013]
In any type of laser, the energy (intensity) fluctuation of each pulse is large, and it is not easy to change the pulse width m of the laser light generated from one laser oscillator 50. That is, under the present circumstances, the pulse intensity cannot be made constant and the temperature of the sample 55 can be kept constant (T3), and the optimum pulse width m cannot be adjusted for irradiation. In particular, crystallization of the Si thin film 55a on the glass substrate 56 has been carried out industrially for the production of a transistor for liquid crystal, but the optimum pulse width adjustment for such a sample 55 has been performed. Absent.
[0014]
(2) Irradiation for enlarging the crystal (after the second shot)
In order to further enlarge the crystal grains grown by the first irradiation with the laser beam 51, irradiation is performed a plurality of times to bond adjacent crystals. The total number of times of laser light 51 irradiation (number of shots) is generally 10 to 20 times. As a problem when giving multiple times of irradiation, if the irradiation energy (pulse intensity 32) is lower than a predetermined range, it can not contribute to crystal growth, and once irradiated with energy higher than the predetermined range, The already grown crystal may be remelted and refined.
[0015]
For this reason, when a pulse laser is used, the maximum energy is prevented from becoming higher than a predetermined range in consideration of fluctuations in irradiation energy between pulses in order to prevent miniaturization due to irradiation with high energy. That is, the temperature is always set to be lower than the miniaturization temperature regardless of fluctuations in irradiation energy (pulse intensity 32). As a result, the average energy can be kept low, and there is a problem that a large amount of wasted energy that cannot be contributed to crystallization because the irradiation energy is too low.
[0016]
Next, a problem caused by the presence of the peak 16 of the line beam 54 composed of the laser light 51 will be described. In order to simplify the description, the number of homogenizers 52 is one. A homogenizer 52 for uniformizing and flattening the intensity of the laser beam 51 includes a lens 23 having a lens width p smaller than the size Q of the laser beam 51, as shown in FIG. The light is divided by two sets of first and second array lens groups B1 and B2 provided in plural, and the divided beams are condensed at one point S by the condenser lens 53.
[0017]
The line beam 54 shaped by the homogenizer 52 actually comprises a flat portion 12 and an inclined portion 13 as shown in FIG. 15. In order to narrow the inclined portion 13, generally, the point S is made coincident with the image plane, In addition, the first array lens group B1 on the side close to the laser oscillator 50 is used as an object plane.
[0018]
However, when there is a shield, the laser beam 51 generates diffracted light due to Fresnel diffraction at the shielded portion. In the homogenizer 52, since the joint portion between the lenses 23 of the first array lens group B1 on the side close to the laser light source (laser oscillator 50) functions as the shield G, Fresnel diffraction occurs at this location, which is the first. , Projected onto the point S that is the image plane of the second array lens group B1, B2, and appears as a sharp peak 16 at the boundary between the flat portion 12 and the inclined portion 13.
[0019]
If there is a peak 16 based on this Fresnel diffraction, the line beam 54 cannot be given a uniform intensity. For example, when the Si film film 55a is irradiated with the beam 54 to be crystallized, the region irradiated with the peak 16 is flat. There is a technical problem that the crystal properties are different and non-uniform compared to a good region that is crystallized by irradiating the portion 12.
[0020]
From the above, the first object of the present invention is to form a uniform and large crystal on the entire surface of a sample by irradiating a thin film with a good laser beam.
[0021]
The present invention has been made in view of such a conventional technical problem, and the configuration thereof is as follows. The invention of claim 1 includes a laser oscillator 10A and a homogenizer 2a that equalizes the intensity of the laser beam 1A generated by the laser oscillator 10A, and the homogenizer 2a is smaller than the size Q of the laser beam 1A. An array lens group B1, B2 including a plurality of lenses 23 having a lens width p, and a condensing lens 3 for condensing the laser light 1A transmitted through the array lens groups B1, B2, provided apart in the optical axis X direction; In the laser light irradiation method in which the split laser light 1A is collected by the condenser lens 3 through the array lens groups B1 and B2, the laser light 1A generated by the laser oscillator 10A is converted into a predetermined lens. It passes through the lens group A1, A2 or A3 of the divided reduction array device 24 or 24A having a plurality of lenses 25 and 26 having a width p, and is located near the laser oscillator 10A. A laser beam that is reduced and split into a beam 1A 'smaller than the lens width p of the lens group A1 or A3, and then incident on the homogenizer 2a to prevent incidence on the end of the lens 23 of the homogenizer 2a. This is a light irradiation method. In the second aspect of the invention, the divided reduction array device 24 has the first and second lens groups A1 and A2, and transmits the laser light 1A generated by the laser oscillator 10A through the lens 25 of the first lens group A1. 2. The laser light irradiation method according to claim 1, wherein the central portion of the lens 25 of the second lens unit A2 is transmitted through the second lens group A2. According to the invention of claim 3, the division / reduction array device 24A has the division lens group A3, and the laser beam 1A generated by the laser oscillator 10A is transmitted through the lens 26 having a predetermined lens width p of the division lens group A3. 2. The laser beam irradiation method according to claim 1, wherein a beam 1A 'smaller than the lens width p of each lens 23 of the array lens group B1 of the homogenizer 2a is generated by being reduced and divided. The invention of claim 4 includes a laser oscillator 10A and a homogenizer 2a that equalizes the intensity of the laser beam 1A generated by the laser oscillator 10A, and the homogenizer 2a is smaller than the size Q of the laser beam 1A. An array lens group B1, B2 including a plurality of lenses 23 having a lens width p, and a condensing lens 3 for condensing the laser light 1A transmitted through the array lens groups B1, B2, provided apart in the optical axis X direction; In the laser light irradiation method in which the divided laser light 1A is collected by the condensing lens 3 through the array lens groups B1 and B2, the transmission of the laser light 1A generated by the laser oscillator 10A is blocked. After providing a shield 27 and blocking a part of the laser beam 1A by the shield 27, the homogenizer 2 a Is incident on the end of the lens 23 of the array lens group B1 of the homogenizer 2a. Claim 5 The invention includes a laser oscillator 10A and a homogenizer 2a that equalizes the intensity of the laser beam 1A generated by the laser oscillator 10A, and the homogenizer 2a has a lens width p smaller than the size Q of the laser beam 1A. The first and second array lens groups B1 and B2 having a plurality of lenses 23 and the condensing lens 3 that condenses the laser light 1A transmitted through the first and second array lens groups B1 and B2 are optical axes. The separated laser beam 1A is provided through the first and second array lens groups B1 and B2 and condensed by the condenser lens 3 while being separated in the X direction, and the first and second array lens groups B1. , B2 are provided with a plurality of lenses 23 arranged perpendicularly to the optical axis X of the laser beam 1A, and the beam divided by the first and second array lens groups B1, B2 is provided at one point by the condenser lens 3. Condensing on S, In the laser beam irradiation apparatus having the object surface on the first array lens group B1 on the side close to the laser oscillator 10A with the point S as the image plane, the optical axis X is perpendicular between the object plane and the laser oscillator 10A. Of a predetermined lens width p A plurality of lenses 25 are provided. The first lens group A 1 and the second lens group A 2, and the laser light 1 A generated by the laser oscillator 10 A is transmitted through the closely arranged lens 25 of the first lens group A 1 and reduced / divided, and then the second lens. Transmit through the center of the lens 25 of group A2. Thus, a beam 1A ′ of parallel rays smaller than the lens width p of each lens 23 is formed, and the beam 1A ′ is The laser beam irradiation apparatus is characterized by being incident on the center of each lens 23 of the first array lens group B1.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1 to 8 show a laser beam irradiation method and apparatus according to the present invention. reference The form is shown. As shown in FIG. 1, the laser light irradiation apparatus uses laser oscillators 10A, 10B, 10C, and 10D that generate a plurality of (four in the figure) YAG lasers as light sources, and laser light 1A generated by wavelength conversion. , 1B, 1C, 1D are respectively redirected by the reflecting mirror 17 and guided into the optical system container 9, and shaped into a rectangular laser beam 4 of the same size by the long axis homogenizer 2a and the short axis homogenizer 2b, etc. The sample 5 is irradiated. The sample 5 is obtained by forming an a-Si thin film 5a on a glass substrate 6, for example.
[0023]
The sample 5 is supported by the sample stage 20 and can be moved by the driving device 21 in the x direction and the y direction (shown in FIG. 4) orthogonal to each other. The sample stage 20 is installed in the vacuum chamber of the laser annealing apparatus. Therefore, the laser beam 4 and the sample 5 on the sample stage 20 can be moved relative to each other with a predetermined feed amount in the orthogonal x direction and y direction, and in any direction by combining the x direction and the y direction. Can be moved. The driving device 21 is configured by, for example, arranging ball and screw screw mechanisms orthogonally, and in a state where the two orthogonal sides of the rectangular laser beam 4 and the sample 5 are set in parallel, the orthogonal x direction and y direction are set. Both can be driven.
[0024]
The sample 5 is crystallized by irradiating the sample 5 with the laser beams 1A, 1B, 1C, and 1D having predetermined pulse widths m1, m2, m3, and m4 generated by the laser oscillators 10A, 10B, 10C, and 10D multiple times. Let Laser light with predetermined pulse widths m1, m2, m3, and m4 to be irradiated once consists of laser light group 1 generated from a plurality of laser oscillators 10A, 10B, 10C, and 10D. Sample 5 is crystallized by irradiating 5 multiple times. Since the pulse width (light emission time) of the laser beam is generally several to several tens ns and the oscillation frequency is several hundred Hz or less, irradiation of the sample 5 with one laser beam 1A, 1B, 1C is several to several tens ns rows. Then, an interval of several ms is opened, and the next laser beams 1B, 1C, and 1D are irradiated for several to several tens of ns.
[0025]
The initial temperature of the sample 5 before irradiation with the laser beam group 1 is T1 as shown in FIG. If the sample 5 having the initial temperature T1 is irradiated once with the laser beam group 1, the temperature rises to the intermediate temperature T2. Then, the temperature rises to the intermediate temperature T2, the cooling is started, and the laser light group 1 is irradiated a plurality of times before being cooled to the initial temperature T1, so that the maximum temperature Tmax higher than the intermediate temperature T2 is reached. The sample 5 is raised to crystallize. The relationship between the temperature T of the sample 5 at this time and the laser beam group 1 composed of the four pulse lasers 1A, 1B, 1C, and 1D having the pulse intensity 42 is roughly as shown in FIG.
[0026]
According to this method, the group of laser beams 1A, 1B, 1C, and 1D constitutes the laser beam group 1, and the energy of the individual laser beams 1A, 1B, 1C, and 1D is reduced to obtain a predetermined maximum temperature Tmax. Therefore, it is possible to use a solid-state laser with low pulse energy as a light source (laser oscillators 10A, 10B, 10C, 10D) for providing the sample 5 with the maximum temperature Tmax. In addition, since the irradiation energy depends on the sum of a plurality of times of the pulse laser beams 1A, 1B, 1C, and 1D, the maximum temperature Tmax of the entire sample 5 is averaged.
[0027]
Further, in the irradiation of the laser beams 1A, 1B, 1C, and 1D a plurality of times, the actual pulse width M (light emission time) as the laser beam group 1 irradiated on the sample 5 is adjusted by increasing or decreasing the irradiation interval D. Alternatively, the sample 5 can be crystallized by selecting the optimum pulse width M. That is, the pulse width M of the laser beam group 1 can be appropriately lengthened to gently cool the crystal and grow the crystal greatly. The pulse width M as the laser beam group 1 can be changed by adjusting the number of laser oscillators 10A, 10B, 10C, and 10D.
[0028]
Irradiation for enlarging the crystal (second and subsequent shots) is performed by stopping the irradiation of the laser beam group 1 and cooling the temperature of the sample 5 to the initial temperature T1, and again with the laser beams 1A, 1B, 1C, and 1D multiple times. Can be realized by raising the sample 5 to the maximum temperature Tmax and growing a crystal. The initial temperature T1 at the time of cooling the sample 5 may be substantially the initial temperature T1, and includes a temperature slightly higher than the initial temperature T1 of the sample 5 before the laser beam group 1 is irradiated.
[0029]
Since the second and subsequent irradiations of the laser beam group 1 are irradiations for bonding crystals, the temperature T applied to the sample 5 may be lower than the maximum temperature Tmax. In this case, the energy consumption can be reduced, and the probability of remelting the sample 5 crystallized by the first irradiation with the laser beam group 1 can be reduced.
[0030]
Here, the following means are effective as means for lowering the maximum temperature of the sample 5 by the second and subsequent irradiation of the laser beam group 1 below Tmax. (1) The number of times of irradiation of the laser beams 1A, 1B, 1C, and 1D is made smaller than that of the first irradiation. Specifically, a part of the laser oscillators 10A, 10B, 10C, and 10D is stopped, and the number of laser beams 1A, 1B, 1C, and 1D is decreased.
[0031]
(2) Reduce the irradiation energy of the laser beams 1A, 1B, 1C, and 1D. Specifically, the irradiation energy of the laser beams 1A, 1B, 1C, and 1D generated from at least a part of the laser oscillators 10A, 10B, 10C, and 10D is reduced. This can be realized by reducing the pulse intensity 42 of at least a part of the laser beams 1A, 1B, 1C, and 1D shown in FIG.
[0032]
(3) The irradiation interval D is set large. Specifically, the intervals of the generation times of the laser beams 1A, 1B, 1C, and 1D are greatly modulated, and for example, the cooling time after rising to the intermediate temperature T2 is set to be long so that each laser beam 1A, 1B, Temperature rise due to 1C and 1D shots is suppressed.
[0033]
The high-quality crystallization of the Si thin film 55a on the large glass substrate 56 of 730 × 920 mm is also performed after the entire sample 5 is crystallized by the first irradiation of the laser beam group 1, and then the irradiation conditions are set as described above. It can be easily realized by performing irradiation of the laser light group 1 for the second and subsequent times by changing by any of the means described above.
[0034]
If the sample 5 is irradiated by changing the pulse interval M of the laser beam group 1 by changing the irradiation interval D of the laser beams 1A, 1B, 1C, and 1D, the laser beam group 1 is irradiated for the second and subsequent times. At least part of the maximum temperature of the sample 5 given by the first irradiation can be made lower than the maximum temperature Tmax given by the first irradiation, as well as the highest temperature given by each irradiation It is possible to adjust Tmax high and low.
[0035]
The adjustment of the irradiation interval D of the laser beams 1A, 1B, 1C, and 1D is performed by controlling the oscillation start timing of the laser beams 1A, 1B, 1C, and 1D oscillated from the plurality of laser oscillators 10A, 10B, 10C, and 10D. Each laser beam 1A, 1B, 1C, 1D can be transmitted through one optical system.
[0036]
The short-axis homogenizer 2b comprises an array lens group C2 in which a plurality of cylindrical lenses 22 having a predetermined lens width p are closely arranged as shown in FIG. 3, and each laser beam 1A, 1B transmitted through the center of the lens 22 is arranged. , 1C, 1D are collected by a single condensing lens 3 at a condensing point 44. For example, the laser beam 1A, 1B, 1C, 1D generated by a plurality of laser oscillators 10 is incident on the short axis homogenizer 2b from the end, so that a uniform beam can be shaped at the condensing point 44. As laser light 1A, 1B, 1C, 1D to be used, laser light oscillated by a solid-state laser such as YAG is transmitted through a wavelength conversion crystal and used for wavelength conversion, thereby facilitating maintenance. Since it is smaller and lighter than a laser, it is easy to adjust the optical axis X of each laser beam 1A, 1B, 1C, 1D by adjusting the position of the laser oscillators 10A, 10B, 10C, 10D.
[0037]
【Example】
[Example 1]
The irradiation apparatus for laser beams 1A, 1B, 1C, and 1D shown in FIG. 1 was used. That is, the laser beams 1A, 1B, 1C, and 1D having the second harmonic wave of 532 nm, the pulse energy of 50 mJ, the pulse width of 100 ns, and the repetition frequency R = 50 Hz of the laser oscillators 10A, 10B, 10C, and 10D that generate the YAG laser are used as the light source. Four laser oscillators 10 were arranged at the same distance from the homogenizers 2a and 2b. As shown in FIG. 5, the homogenizers 2a and 2b are shaped into a square beam 4 of a × b = 10 × 5 mm, irradiated to the a-Si thin film 5a as shown in FIG. 4, and glass of L × W = 400 × 500 mm. The a-Si thin film 5a on the substrate 56 was crystallized.
[0038]
The a × b square beam 4 includes a flat portion 12 and an inclined portion 13 as schematically shown in FIGS. 5 and 6, and the width d of the inclined portion 13 is d = 0. It was 05 mm.
[0039]
For comparison, only laser light 1A generated from one laser oscillator 10A of a plurality of laser oscillators 10 is used, and laser light 1A having a pulse width (light emission time) of 100 ns is applied to Si thin film 5a with an interval of 20 ms. Irradiated. In this case, the maximum energy density is 100 mJ / cm @ 2. Under this condition, the sample was irradiated with laser light 1A 20 times. At this time, the crystal grain was maximized at the maximum energy, and the maximum grain size was about 0.05 μm.
[0040]
Next, laser beams 1A, 1B, 1C, and 1D generated from the four laser oscillators 10A, 10B, 10C, and 10D are used, and laser beams 1A, 1B, 1C, and 1D having a pulse width of 100 ns are oscillated on the Si thin film 5a. Interval D: Oscillated at 500 ns and irradiated sample 5 20 times. As a result, the crystal grain became maximum at 80% of the maximum energy, and the maximum grain size was 0.2 μm. The reason why the crystal grain size is larger than about 0.05 μm as described above is that the maximum intensity of the laser beams 1A, 1B, 1C, and 1D is the same as that of the single laser oscillator 10A. This is considered to be a result of the temperature T of the sample 5 increasing because the second and subsequent irradiations were performed one after another before sufficiently cooling after the first pulse irradiation.
[0041]
Similarly, when the sample 5 was irradiated while changing only the oscillation interval D: 50, 100, 200 ns, (500 ns), 1 ms, and (20 ms), the maximum particle sizes were 0.3 μm, 0.5 μm,. 4 μm, (0.2 μm), 0.08 μm, and (0.05 μm). However, it is unclear what state the temperature T of these samples 5 is.
[0042]
Thus, by using the four laser oscillators 10A, 10B, 10C, and 10D, the crystal grains can be made larger than when only one laser oscillator is used, and the laser beam It can be seen that the actual pulse width M (light emission time) of the group 1 can be adjusted optimally.
[0043]
Next, the four laser oscillators 10A, 10B, 10C, and 10D oscillate laser beams 1A, 1B, 1C, and 1D having a pulse width of 100 ns on the Si thin film 5a with an oscillation interval D of 100 ns, and a × b = 10 An example in which the a-Si thin film 5a on the glass substrate 56 of L × W = 400 × 500 mm shown in FIG. The laser beam 1 is irradiated while moving the feed speed of the sample 5 and the sample stage 20 by the driving device 21 in the direction a of the square beam 4 at 10 mm / 50 Hz = 0.2 mm / s, and irradiation in the direction a (x direction). Then, the laser beam 1 was irradiated while moving 5 mm in the b direction (y direction) and moving again in the a direction. Irradiation and movement in the b direction were similarly repeated 40 times while moving in the a direction, and the first irradiation of the entire sample 5 was completed (FIG. 7).
[0044]
The second superimposed irradiation is performed under the same conditions as the first irradiation after the sample 5 and the sample stage 20 are moved from the initial position in both directions a and b by 0.1 mm larger than the width d = 0.05 mm of the inclined portion 13. Irradiated with. This state is schematically shown in FIG. Similarly to the initial stage of the second irradiation, the irradiation was repeated by moving 0.1 to 3 mm in the a and b directions. By this method, a 0.5 μm crystal could be produced almost uniformly over the entire sample 5, but a fine crystal was partially observed.
[0045]
Therefore, the irradiation conditions for the third to twentieth times are changed from the irradiation conditions for the first and second times, and only the irradiation energy of one laser oscillator 10A among the four laser oscillators 10A, 10B, 10C, 10D is changed from 50 mJ. When changed to 45 mJ, fine crystals were not seen.
[0046]
Next, a laser beam irradiation method and apparatus according to the present invention One implementation With reference to FIG. 9 which shows a form, the cancellation | release of the peak 16 of the laser beam 4 which consists of laser light 1A is demonstrated. As the homogenizer 2a, only the long-axis homogenizer 2a is shown. The intensity distribution of the laser beam 4 is as shown schematically in FIG. 6 and has a rectangular flat portion 12 having a high intensity surrounded by an inclined portion 13 where the intensity gradually decreases. The flat portion 12 is a portion having a strength of 90% or more, preferably 95% or more of the maximum strength.
[0047]
In FIG. 9, a divided reduction array device 24 is arranged between the laser oscillator 10A serving as one light source and the long-axis homogenizer 2a in order to eliminate the peak 16 of the laser beam 4 composed of the laser light 1A. The division / reduction array device 24 is configured by two or more lens groups A1 and A2 each having a plurality of array lenses 25 having a predetermined lens width p arranged in close proximity to the optical axis X.
[0048]
The divided reduction array device 24 shown in the figure is configured by arranging two sets of first and second lens groups A1 and A2 facing each other, and each lens 25 of one first lens group A1 close to the laser oscillator 10A is parallel incident. The laser beam 1A having the size Q is split and focused, and is incident on the center portion of the other second lens group A2 while avoiding the end portions, that is, the joint portions, of the adjacent lenses 25. That is, the laser beam 1A from the laser oscillator 10A is transmitted through the lenses 25 of the first and second lens groups A1 and A2 and divided into a plurality of parallel beams 1A ′ having a width smaller than the lens width p, and the homogenizer 2a. The first array lens B1 is made not to generate Fresnel diffraction. The first and second lens groups A1 and A2 divide and reduce the laser beam 1A to produce a beam 1A ′ smaller than a predetermined lens width p of each lens 23 of the first array lens group B1.
[0049]
At this time, a peak 16 (shown in FIG. 15) caused by Fresnel diffraction at the boundary between the flat portion 12 and the inclined portion 13 occurs in the first lens group A1 on the side close to the laser oscillator 10A. If it does not exist on the object plane of S, it is not projected to form an image at the point S. The object surface at the point S is in the first array lens group B1 on the side close to the laser oscillator 10A of the long-axis homogenizer 2a, and the object surface when the first array lens group B1 is used as the image surface is the beam 1A ′. By entering the first array lens unit B1 in parallel, the distance becomes infinity.
[0050]
Therefore, the object plane of the first array lens unit B1 avoids the first lens unit A1 that generates the peak 16, and the peak 16 generated in the first lens unit A1 on the side close to the laser oscillator 10A is long. An image is not formed at the point S after passing through the shaft homogenizer 2a. As a result, the peak 16 at the boundary between the flat portion 12 and the inclined portion 13 can be reduced to such an extent that there is no practical problem.
[0051]
Of course, the laser diodes 10B, 10C, and 10D other than the single laser oscillator 10A can also be provided with the divided reduction array device 24 to eliminate the peak 16 caused by Fresnel diffraction. Further, the front and rear positions of the long-axis homogenizer 2a and the short-axis homogenizer 2b are exchanged, and the divided reduction array device 24 is disposed between the laser oscillator 10A and the short-axis homogenizer 2b to eliminate the peak 16 of the laser beam 4. Is also possible.
[0052]
The short-axis homogenizer 2b shown in FIGS. 1 and 3 has a pair of third and fourth array lens groups C1 and C2, and laser light transmitted through these third and fourth array lens groups C1 and C2. 1A is condensed by the condensing lens 3. The first lens group A1, the second lens group A2, the first array lens group B1, the second array lens group B2, the third array lens group C1, the fourth array lens group C2, and the condenser lens 3 are on the optical axis X. Are sequentially arranged at predetermined intervals.
[0053]
[Embodiment 2] The divided reduction array device 24 includes, as the first lens group A1, a cylindrical lens 2 having a focal length f = 100 mm and a lens width p = 1 mm. 5 And a second lens unit A2, as a second lens unit A2, a cylindrical lens 2 having a focal length f = 80 mm and a lens width p = 1 mm. 5 Are integrally provided. Moreover, the irradiation apparatus of the laser beam 1 used what was shown in FIG. That is, the second harmonic 532 nm of the laser oscillator 10 that generates four YAG lasers was used as the light source. The division / reduction array device 24 is arranged corresponding to each laser beam 1A, 1B, 1C, 1D from the laser oscillators 10A, 10B, 10C, 10D.
[0054]
Further, the first array lens group B1 of the homogenizer 2a is integrally provided with ten cylindrical lenses 23 having a focal length f = 100 mm and a lens width p = 1 mm. As the group B2, ten cylindrical lenses 23 having a focal length f = 100 mm and a lens width p = 1 mm are integrally provided. The condenser lens 3 has a focal length f = 100 mm.
[0055]
These laser beams 1 are transmitted through the first and second lens groups A1 and A2 of the division / reduction array device 24, and then the first array of the homogenizer 2a disposed at a distance of v = 100 mm from the second lens group A2. The laser beam 4 having a flat portion 12 = 1 mm was shaped at the point S through the lens group B1 and then through the second array lens group B2 and the condenser lens 3. At this time, no sharp peak 16 was observed at the edge of the flat portion 12. Although the lens widths p of the lenses 23 and 25 shown in the figure are the same, they are reduced and divided into beams 1A ′ smaller than the lens width p of the first lens group A1 located near the laser oscillator 10A, and then homogenizers. The lens width p of the lens 25 of the second lens group A2 and the lens 23 of the homogenizer 2a is only required to be incident on the end of the lens 23 of the homogenizer 2a. It is possible to make it smaller than the lens width p.
[0056]
FIG. 10 shows a laser beam irradiation method and apparatus according to the present invention. One implementation The other structural example of a form is shown. This divided reduction array device 24A One implementation A third lens group A3 (divided lens group) arranged at the same position as the form, and the third lens group A3 has a predetermined lens width closely aligned perpendicular to the optical axis X It consists of a plurality of p lenses 26. Each lens 26 divides and reduces the laser beam 1A to produce a beam 1A ′ smaller than the lens width p of each lens 23 of the first array lens group B1 of the long axis homogenizer 2a.
[0057]
Although the lens widths p of the lenses 23 and 26 shown in the figure are the same, they are reduced and divided into beams 1A ′ smaller than the lens width p of the third lens group A3 at a position close to the laser oscillator 10A, and then the homogenizer. The lens width p of the lens 23 of the homogenizer 2a can be prevented from entering the end (junction) of the lens 23 of the homogenizer 2a. It is possible to make it smaller than p.
[0058]
A peak 16 shown in FIG. 15 caused by Fresnel diffraction at the boundary portion between the flat portion 12 and the inclined portion 13 is imaged at a point R on the optical axis X after passing through the lens 26 and is formed on the object plane at the point S. The position of the long axis homogenizer 2a is shifted from the first array lens group B1 on the side close to the laser oscillator 10A. For this reason, the peak 16 generated in the third lens group A3 on the side close to the laser oscillator 10A does not form an image at the point S after passing through the long-axis homogenizer 2a. As a result, the peak 16 at the boundary between the flat portion 12 and the inclined portion 13 can be reduced to such an extent that there is no practical problem. However, since the beam 1A ′ incident on the long-axis homogenizer 2a is not a parallel ray, the shape of the rectangular laser beam 4 is affected.
[0059]
Of course, the laser diodes 10B, 10C, and 10D other than the single laser oscillator 10A can also be provided with the divided reduction array device 24A to eliminate the peak 16 caused by Fresnel diffraction. Further, the front and rear positions of the long-axis homogenizer 2a and the short-axis homogenizer 2b are exchanged, and the split / reduction array device 24A is disposed between the laser oscillator 10A and the short-axis homogenizer 2b to eliminate the peak 16 of the laser beam 4. Is also possible.
[0060]
FIG. 11 shows a laser beam irradiation method and apparatus according to the present invention. One implementation Another structural example of a form is shown. This divided reduction array device 24B One implementation It is composed of a plurality of shields 27 having a width r arranged at the same position as the form and arranged perpendicular to the optical axis X. Each shield 27 shields at least a part of the laser beam 1A from transmission, and creates a beam smaller than the lens width p of each lens 23 of the first array lens group B1 of the long-axis homogenizer 2a. For this purpose, the respective shields 27 are arranged at a distance in the optical axis X direction so as to correspond to the end portions (joint portions) of the respective lenses 23 of the first array lens group B1.
[0061]
A peak 16 shown in FIG. 15 generated at the boundary portion between the flat portion 12 and the inclined portion 13 due to Fresnel diffraction is generated at the joint portion of each lens 23 of the first array lens group B1. The laser beam 1A is not incident on the portion. As a result, the distortion that is the basis of the peak 16 does not occur in the first array lens group B1 on the side close to the laser oscillator 10A, and the distortion does not form an image at the point S after passing through the long-axis homogenizer 2a. As a result, the peak 16 at the boundary between the flat portion 12 and the inclined portion 13 can be reduced to such an extent that there is no practical problem. However, since a part of the laser beam 1A is cut by the shield 27, energy is wasted.
[0062]
Of course, the laser diodes 10B, 10C, and 10D other than the single laser oscillator 10A can also be provided with the divided reduction array device 24B to eliminate the peak 16 caused by Fresnel diffraction. Further, the front and rear positions of the long-axis homogenizer 2a and the short-axis homogenizer 2b are exchanged, and the divided reduction array device 24B is disposed between the laser oscillator 10A and the short-axis homogenizer 2b to eliminate the peak 16 of the laser beam 4. Is also possible.
[0063]
【Effect of the invention】
As understood from the above description, the laser light irradiation method and apparatus according to the present invention can provide the following effects. Claims 1 to 5 According to the laser light irradiation method and apparatus therefor, With the addition of a simple configuration, the peak at the boundary between the flat portion and the inclined portion can be easily reduced to a level where there is no practical problem. as a result The intensity of the laser beam can be made uniform, and the crystalline material can be formed practically uniformly.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 of the present invention reference The figure which shows the irradiation apparatus of the laser beam which concerns on a form.
FIG. 2 is a diagram similarly showing intensity / temperature-time characteristics of laser light.
FIG. 3 is a view showing a condensing state of a laser beam by a short axis homogenizer and a condensing lens.
FIG. 4 is a diagram similarly showing a state of irradiation of a sample with laser light.
FIG. 5 is an explanatory view showing a laser beam.
FIG. 6 is a diagram similarly showing the intensity-position characteristic of a laser beam.
FIG. 7 is a diagram similarly showing a first irradiation state of a laser beam to a sample.
FIG. 8 is a diagram showing a second irradiation state of the laser beam on the sample.
FIG. 9 shows the present invention. One implementation The figure which shows the principal part of the irradiation apparatus of the laser beam which concerns on a form.
FIG. 10 is a view showing a structural example of a laser beam irradiation method.
FIG. 11 is a view showing another structure example of the laser beam irradiation method.
FIG. 12 is a diagram showing intensity / temperature-time characteristics of a conventional laser beam.
FIGS. 13A and 13B show a conventional laser beam irradiation apparatus, where FIG. 13A is a side view and FIG. 13B is a front view.
FIG. 14 is a diagram showing a main part of a conventional laser beam irradiation apparatus.
FIG. 15 is a diagram showing intensity-position characteristics of a conventional laser beam.
[Explanation of symbols]
1: laser beam group, 1A, 1B, 1C, 1D: laser beam, 1A ′: small beam, 2a: long axis homogenizer (homogenizer), 2b: short axis homogenizer, 3: condensing lens, 4: laser beam, 5 : Sample, 5a: a-Si thin film (Si film), 6: Glass substrate (substrate), 10A, 10B, 10C, 10D: Laser oscillator, 12: Flat part, 13: Inclined part, 20: Sample stage, 21: Drive device, 23, 25, 26: lens, 24, 24A: divided reduction array device, 27: shielding object, a: width of laser beam, b: width of laser beam, d: width of inclined portion, m1, m2, m3, m4: pulse width, p: lens width, A1: first lens group (lens group), A2: second lens group (lens group), A3: third lens group (lens group, split lens group), B1 : First array lens group, B2: Second array lens group, D: irradiation interval, M: pulse width, T1: initial temperature, T2: intermediate temperature, Tmax: maximum temperature, Q: size of laser beam, S: point, X: optical axis.

Claims

A laser oscillator (10A), and a homogenizer (2a) for making the intensity of the laser beam (1A) generated by the laser oscillator (10A) uniform, and the homogenizer (2a) is a size of the laser beam (1A) The array lens group (B1, B2) having a plurality of lenses (23) having a lens width (p) smaller than the length (Q) and the laser beam (1A) transmitted through the array lens group (B1, B2) are collected. A condensing lens (3) that emits light is provided in the direction of the optical axis (X), and the divided laser beam (1A) is transmitted to the condensing lens (3) through the array lens group (B1, B2). Therefore, in the laser beam irradiation method for condensing the laser beam (1A) generated by the laser oscillator (10A), the divided reduction array device including a plurality of lenses (25, 26) having a predetermined lens width (p). (24 or 24A The lens group (A1, A2 or A3) was passed through the lens group (A1, A2 or A3), and was reduced and divided into a beam (1A ′) smaller than the lens width (p) of the lens group (A1 or A3) located near the laser oscillator (10A). A method of irradiating a laser beam, wherein the laser beam is subsequently incident on the homogenizer (2a) to prevent the homogenizer (2a) from entering the end of the lens (23).

The divided reduction array device (24) has first and second lens groups (A1, A2), and the laser beam (1A) generated by the laser oscillator (10A) is supplied to the lens (1) of the first lens group (A1). 25. The laser light irradiation method according to claim 1 , wherein the central portion of the lens (25) of the second lens group (A2) is transmitted after transmitting 25).

The divided reduction array device (24A) has a divided lens group (A3), and the laser beam (1A) generated by the laser oscillator (10A) is a lens having a predetermined lens width (p) of the divided lens group (A3). (26) is transmitted and reduced and divided to produce a beam (1A ′) smaller than the lens width (p) of each lens (23) of the array lens group (B1) of the homogenizer (2a). The laser beam irradiation method according to claim 1 .

A laser oscillator (10A), and a homogenizer (2a) for uniformizing the intensity of the laser beam (1A) generated by the laser oscillator (10A). The homogenizer (2a) The array lens group (B1, B2) having a plurality of lenses (23) having a lens width (p) smaller than the length (Q) and the laser beam (1A) transmitted through the array lens group (B1, B2) are collected. A condensing lens (3) that emits light is provided in the direction of the optical axis (X), and the divided laser beam (1A) is transmitted to the condensing lens (3) through the array lens group (B1, B2). Therefore, in the method of irradiating the focused laser beam, a shield (27) that blocks transmission of the laser beam (1A) generated by the laser oscillator (10A) is provided, and part of the laser beam (1A) is shielded. Blocked by object (27) To the to be incident on a homogenizer (2 a), homogenizer (2a) irradiation method of a laser beam, characterized in that to prevent from entering the end of the array lens group (B1) lens (23) of.

A laser oscillator (10A), and a homogenizer (2a) for uniformizing the intensity of the laser beam (1A) generated by the laser oscillator (10A). The homogenizer (2a) First and second array lens groups (B1, B2) having a plurality of lenses (23) having a lens width (p) smaller than (Q), and first and second array lens groups (B1, B2). A condensing lens (3) that condenses the transmitted laser beam (1A) is provided in the optical axis (X) direction, and is split through the first and second array lens groups (B1, B2). The laser beam (1A) is condensed by the condenser lens (3), and the first and second array lens groups (B1, B2) are moved with respect to the optical axis (X) of the laser beam (1A). A plurality of vertically aligned lenses (23) are provided, and the first and second array arrays are provided. The beam divided by the lens group (B1, B2) is condensed at one point (S) by the condenser lens (3), and the point near the laser oscillator (10A) with the point (S) as the image plane. In a laser beam irradiation apparatus having an object surface in one array lens group (B1), a predetermined lens width (perpendicular to the optical axis (X) between the object surface and the laser oscillator (10A) ( The first and second lens groups (A1, A2) each having a plurality of p) lenses (25), and the laser light (1A) generated by the laser oscillator (10A) is emitted from the first lens group (A1). The lens (25) arranged in close proximity is transmitted and reduced / divided, and then transmitted through the central portion of the lens (25) of the second lens group (A2 ) to be larger than the lens width (p) of each lens (23). A small collimated beam (1A ′) is produced and the beam (1A ′) is first arrayed. A laser beam irradiation apparatus, wherein the laser beam is incident on the center of each lens (23) of the lens group (B1).