JP5213366B2 - フォーカス制御方法及び該フォーカス制御方法を用いたレーザ照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、改質対象物に比較的高密度エネルギーのレーザスポットを合焦点させながら照射するフォーカス制御方法及び該フォーカス制御方法を用いたレーザ照射装置に係り、特に絶縁基板上に形成したアモルファスシリコン（非結晶質）やポリシリコン（多結晶質）にレーザ光を照射してシリコン膜の改質を行うフラットディスプレイの製造システムや相変化型不揮発メモリーの初期レーザアニールに好適なフォーカス制御方法及び該フォーカス制御方法を用いたレーザ照射装置に関する。

近年のディスプレイ装置は、表示素子として液晶素子を使用し、この液晶素子や該液晶素子のドライバー回路は薄膜トランジスター（ＴＦＴ［Ｔｈｉｎ
Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ］、以下、ＴＦＴと呼ぶ）により構成されている。このＴＦＴは、製造過程においてガラス基板上に形成したアモルファスシリコンをポリシリコンに改質する工程が必要である。

この改質工程は、レーザ照射によるシリコン膜の改質を行うものであり、図１２に示す如く、石英ガラスや無アルカリガラスの絶縁基板６１上に該絶縁基板６１からの不純物の混入を阻止するアンダーコート膜（ＳｉＯ２）６２を形成する工程と、該アンダーコート膜６２上にアモルファスシリコン膜面６３を形成する工程と、高出力レーザを光源とし、アモルファスシリコン膜面６３に線状レーザビーム６４を照射する工程と、線状レーザビーム６４の短手方向に走査６５させることによりポリシリコン６３Ａに改質する工程と、ＴＦＴを構成する位置のみポリシリコンを切り出す工程と、その上にゲート酸化膜（ＳｉＯ２）を形成し最上部にゲート電極を取り付ける工程と、酸化膜（ＳｉＯ２）に所定の不純物イオンを注入してソースドメインを形成する工程と、ソース／ドメインにアルミ電極を立て全体を保護膜で被いＴＦＴを造る工程から成る。尚、前記絶縁基板６１とアンダーコート膜６２の間にＳｉＮまたはＳｉＯＮを挟み込んでも良い。

前記レーザ照射によるシリコン膜の改質工程において、ポリシリコンの結晶粒径が大きいほどＴＦＴの性能が向上し、ＴＦＴ性能の指標である電界効果移動度が大きくなる。レーザ照射技術としては、如何に大きな粒径をもつ結晶を安定にかつ均一に生成することが最大の課題である。この解決策の一つとして、連続発光レーザを光源とし走査方向に細長い大型結晶粒を形成する結晶方法が下記特許文献１に開示されており、該特許文献１には、シリコン膜上に形成した線状レーザスポットの走査方向幅と走査速度の関係を規定する技術が記載されている。本技術によれば、レーザスポットの走査方向幅は２ｕｍ〜１０ｕｍが望ましく、レーザスポットの走査速度は０．３ｍ／ｓ〜１ｍ／ｓが望ましいとされている。

また、半導体製造プロセスにおいても、素子作製プロセス中の相変化材料近傍に於いて剥離などの破壊が生じずに初期結晶を行い、書換えの最初から特性を安定させることを目的とした相変化型不揮発メモリーのレーザ照射装置が下記特許文献２に記載されている。該特許文献２には、ＰＲＡＭのメモリセルの基本構造が、図１３に示す如く、シリコン基板上（図示なし）にＭＯＳトランジスタ（図示なし）と該下部電極６６と相変化材料６７と上部電極６８とを順次積層する構造が記載されている。該特許文献２記載の技術は、被照射面上に１００ｕｍＸ１ｕｍ又は３．５ｍｍＸ３０ｕｍの線状レーザスポットを形成させ、被対象面上を相対的に走査して結晶化させることにより、相変化材料近傍においても剥離などの破壊なしに初期結晶を行ない、書換えの最初から特性を安定させることができる。
特開２００５−２１７２１４号公報 特開２００６−１３５２５１号公報

前記特許文献に記載した技術は、走査方向幅を１ｕｍ〜３０ｕｍ程度としたレーザスポット形成技術が必要とされ、数ｕｍのスポットを形成するには一般に集光レンズ（対物レンズ）を用いた集光技術が不可欠である。また、前述集光技術を用いた場合、改質対象物の平面歪（以下、歪）や改質対象物個体差による厚さ斑、走査機構の平坦度と平行度等が起因とした走査時の外乱要素に対しても、改質対象物面上に形成したレーザスポット形状の変化を抑止するよう、追従精度の高いオートフォーカス制御が要求される。更にレーザ照射により改質が必要な領域が限定されている場合は、その縁（端）を含めた限定領域全において十分なオートフォーカス制御と所定の走査速度が得られてなくてはならず、特に、改質対象物全面に渡り改質が必要な場合においては、改質対象物の縁を含めた全面に対して、十分なオートフォーカス制御と所定の走査速度を得ることが必須である。しかしながら、従来のレーザ照射装置では、前述した追従精度の高いオートフォーカス制御技術が開示されておらず、改質対象物の改質必要領域を均一に改質することが困難であると言う不具合があった。

本発明は、改質対象物の改質が必要な全領域を均一に改質することができるフォーカス制御方法及び該フォーカス制御方法を用いたレーザ照射装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため本発明は、テーブル上に搭載した平面状の改質対象物にレーザスポットを照射することにより改質対象物を改質するレーザ照射装置であって、
速応性が高い高速応フィードバック制御系及び安定性が高い安定フィードバック制御系とを含み、前記改質対象物からの反射光を検出したときに高速応フィードバック制御系を用いてフィードバック制御を行い、所定時間経過後に前記安定フィードバック制御系を用いてフィードバック制御を行うフォーカス手段と、
前記レーザスポットを改質対象物表面に対して平行なＸＹ平面内で移動させる移動手段と、
前記改質対象物表面にレーザスポットを走査し、該レーザスポットの改質対象物表面からの反射光を基に、改質対象物表面の各ＸＹ座標点における歪みを外部制御量として検出する外部制御量検出手段と、
前記テーブル上の改質対象物の搭載位置外から改質対象物に向かって前記レーザスポットの走査を開始し、改質対象物からの反射光を検出したとき、前記レーザスポットを改質対象物表面に前記外部制御量検出手段により検出したＸＹ座標毎の外部制御量を補正値として合焦点するように前記フォーカス手段を制御する制御手段とを備えることを第１の特徴とする。

また、本発明は、第１の特徴のレーザ照射装置において、前記外部制御量検出手段が、前記改質対象物表面から反射されたレーザスポットの反射光を光電変換したフォーカス誤差信号及び前記フォーカス手段を制御するドライブ信号を基に外部制御量を検出することを第２の特徴とする。

また、本発明は、第１又は第２の特徴のレーザ照射装置において、前記制御手段が、同一仕様の複数の改質対象物の前記外部制御量を記憶し、該記憶した外部制御量の平均値を補正値としてフォーカス手段を制御することを第３の特徴とする。

また、本発明は、前記何れかの特徴のレーザ照射装置において、前記改質対象物のＸＹ平面方向と垂直な方向の距離をＺ、フォーカス手段を駆動するドライブ信号レベルをＤとしたとき、前記制御手段が、前記外部制御量を、改質対象物表面上のＸＹ座標上の任意の位置ｉにおいて（Ｘｉ、Ｙｉ、Ｚｉ、Ｄｉ）として記憶することを第４の特徴とする。

また、本発明は、前記何れかの特徴のレーザ照射装置において、前記改質対象物を改質するレーザパワーの第１のレーザスポットと、前記改質対象物を改質しないレーザパワーの第２のレーザスポットとを設け、前記フォーカス手段が、前記フォーカス制御を前記第２のレーザスポットを用いてフォーカス制御を行うことを第５の特徴とする。

さらに、本発明は、速応性が高い高速応フィードバック制御系及び安定性が高い安定フィードバック制御系とを含み、前記改質対象物からの反射光を検出したときに高速応フィードバック制御系を用いてフィードバック制御を行い、所定時間経過後に前記安定フィードバック制御系を用いてフィードバック制御を行うフォーカス手段と、前記レーザスポットを改質対象物表面に対して平行なＸＹ平面内で移動させる移動手段と、前記改質対象物表面にレーザスポットを走査し、改質対象物表面の各ＸＹ座標点における歪みを外部制御量として検出する外部制御量検出手段と、前記フォーカス手段と移動手段と外部制御量検出手段とを制御する制御手段とを備え、テーブル上に搭載した平面状の改質対象物にレーザスポットを照射して改質対象物を改質するレーザ照射装置のフォーカス制御方法であって、
前記制御手段が、
前記テーブル上の改質対象物の搭載位置外から改質対象物に向かって前記レーザスポットの走査を開始し、改質対象物からの反射光を検出したとき、前記レーザスポットを改質対象物表面に前記外部制御量検出手段により検出したＸＹ座標毎の歪み値を補正値として合焦点するようにフォーカス手段を制御することを第６の特徴とする。

また、本発明は、第６の特徴のフォーカス制御方法において、前記外部制御量手段が、前記改質対象物表面から反射されたレーザスポットの反射光を光電変換したフォーカス誤差信号及び前記フォーカス手段を制御するドライブ信号を基に外部制御量を検出することを第７の特徴とする。

また、本発明は、前記何れかの特徴のフォーカス制御方法において、前記制御手段が、同一仕様の複数の改質対象物の前記歪み値を記憶し、該記憶した歪み値の平均値を補正値としてフォーカス手段を制御することを第８の特徴とする。

また、本発明は、前記何れかの特徴のフォーカス制御方法において、前記改質対象物のＸＹ平面方向と垂直な方向の距離をＺ、フォーカス手段を駆動するドライブ信号をＤとしたとき、記制御手段が、前記外部制御量を、改質対象物表面上のＸＹ座標上の任意の位置ｉにおいて（Ｘｉ、Ｙｉ、Ｚｉ、Ｄｉ）として記憶することを第９の特徴とする。

また、本発明は、前記何れかの特徴のフォーカス制御方法において、 前記改質対象物を改質するレーザパワーの第１のレーザスポットと、前記改質対象物を改質しないレーザパワーの第２のレーザスポットとを設け、前記フォーカス手段が、前記フォーカス制御を前記第２のレーザスポットを用いてフォーカス制御を行うことを第１０の特徴とする。

本発明によるフォーカス制御方法及びレーザ照射装置は、テーブル上の改質対象物の搭載位置外から改質対象物に向かって前記レーザスポットの走査を開始し、改質対象物からの反射光を検出したとき、レーザスポットを改質対象物表面にオートフォーカス補正情報手段により検出したＸＹ座標毎の外部制御量を補正値として合焦点するようにフォーカス手段を制御し、改質対象物表面の歪みを補正値として考慮したオートフォーカスを行うことによって、改質対象物の縁の近傍から合焦点を行うことができ、改質対象物の改質が必要な全領域を均一に改質することができる。

以下、本発明によるフォーカス制御方法及び該フォーカス制御方法を用いたレーザ照射装置を図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態によるレーザ照射装置の基本構成を説明するための図、図２は改質対象物の改質動作をレーザ光入射側から見た図、図３はフォーカス誤差信号とスポットサイズを説明するための図、図４はフォーカス誤差信号データを説明するための図、図５はドライブ信号データを説明するための図、図６は改質動作中のフォーカス誤差信号とドライブ信号を説明するための図、図７は本実施形態によるレーザ照射装置の動作フローチャート、図８は本実施形態により改質前の改質対象物の縁を走査する図、図９は本実施形態による改質動作を説明する図、図１０は対象物の縁にて外部制御量の加算を説明するための図、図１１は本レーザ照射装置による改質状態を説明するための図、図１２は一般的な基板上構成とレーザ照射によるシリコン膜の改質を示す図、図１３はＰＲＡＭのメモリセルの基本構造を説明するための図である。尚、本発明では、改質対象物の改質面をＸＹ平面と定義し、ＸＹ平面の法線方向をＺ方向と定義し、レーザスポットを高速走査する方向をＹ方向と定義して説明する。

本発明の一実施形態によるレーザ照射装置は、図１に示す如く、大別してレーザ光源１から照射されたレーザ光を集光してレーザスポット１７を生成する光学系と、改質対象となる改質対象物１８をテーブル８０上に搭載してＸＹ方向に移動するＸＹ移動系と、前記レーザスポット１７の反射光を入力として焦点合わせを行うフォーカスフィードバック制御系と、該フォーカスフィードバック制御に対してフィードフォワード制御をかける本実施形態の特徴であるフィードフォワード制御系とから構成される。

＜光学系＞
前記光学系は、レーザ光を出射するレーザ光源１と、該出射されてコリメートレンズにより平行光に変換されたレーザ光を透過し、改質対象物１８から反射されたレーザ光を９０°方向に変換して反射するビームスプリッタ１９と、該ビームスプリッタ１９を透過したレーザ光を集光してレーザスポット１７を形成する対物レンズ２０と、該対物レンズ２０を改質対象物１８の面に対して垂直方向（光軸方向）に可動する圧電素子２と、前記改質対象物１８から反射したレーザ光を集光する凸レンズ１８Ａと、該凸レンズ１８Ａにより集光したレーザ光を電気信号に変換してフォーカス誤差信号を出力するフォーカスディテクタ３とから構成される。

この光学系は、光源１から出射されてビームスプリッタ１９を通り抜けたレーザ光２２を対物レンズ２０を用いて集光し、改質対象物１８上に所定サイズのレーザスポット１７を形成するものであって、前記レーザ光源１とレーザスポット１７は改質対象物１８の改質を主目的としたものであるが、以下説明するようにフォーカス誤差信号生成用レーザ光源と兼用することができる。

この光学系は、前記改質対象物１８から反射したレーザ光の一部をビームスプリッタ１９によって９０°方向を変換して凸レンズ１８Ａにより集光し、これを入力したフォーカスディテクタ３が、改質対象物面近傍に形成された焦点位置と改質対象物１８の光軸方向の距離をフォーカス誤差信号として検出するようになっている。この詳細は後述する。

前記レーザ光源１は、個体レーザやガスレーザでも良いが、連続発光が可能でかつ出力制御が容易な半導体レーザ（ＬＤ）を用いるのが望ましい。また本実施例では対物レンズ駆動素子として圧電素子２を用いたが、ボイスコイルモータであっても良い。更に本例では改質対象物面上近傍に形成した焦点位置を光軸方向に自由に移動させる手段として、対物レンズ２０を可動する例を示したがこれに限ることなく、対物レンズ以外の光学部品を可動させても良い。さらには、本発明では改質するためのレーザ光源とフォーカス誤差信号を生成するためのレーザ光源を同一レーザ光源としたが、これに限ることなく、改質するためのレーザ光源とフォーカス誤差信号を生成するためのレーザ光源を、それぞれ別々のレーザ光源としても良い。また、本例はレーザ光源１を光ヘッド１Ａに収納させた構造になっているが、これに限ることなく、離れた場所にレーザ光源のみ固定設置し光ファイバー等の光伝送手段を用い光ヘッドにレーザ光を伝送する構成であっても良い。大出力レーザ光を要し、レーザ光源が大規模になる場合は、むしろレーザ光源の固定設置が望ましい。

＜ＸＹ移動系＞
前記ＸＹ移動系は、改質対象物１８を搭載するテーブル８０と、該テーブル８０をＸＹ方向に移動するＸＹテーブル駆動手段１５と、改質対象物１８に対するレーザスポット位置をテーブル８０の位置として検出するＸＹリニアスケール１６とから構成される。

前記ＸＹ移動手段１５及びＸＹリニアスケール１６は、前記マイクロプロセッサ１３に接続されており、後述するマイクロプロセッサ１３より所定の速度制御および位置決め制御がなされる。本実施例ではレーザスポット１７を固定し改質対象物１８が移動するような構造になっているが、これに限ることなく、改質対象物を固定してレーザスポットを移動走査する構造でも良い。

＜フォーカスフィードバック制御系＞
前記フォーカスフィードバック制御系は、前記光学系のフォーカスディテクタ３から出力されるフォーカス誤差信号の振幅を増幅するＡＭＰ４と、この制御系の安定化を図るための位相補償回路６と、該位相補償回路６からの出力に後述する外部制御量を加算して出力する加算器９と、該加算器９からの出力を基に前記光学系の圧電素子２を駆動するドライバー８と、この制御系ループを開閉するためのアナログスイッチ７とから構成される。

このフォーカスフィードバック制御系は、フォーカスディテクタ３から出力されるフォーカス誤差信号の振幅がゼロになるように、圧電素子２を用いて対物レンズ２０を光軸方向に移動させるフォーカス制御を行う。また前記位相補償回路６には、フィードバック制御系を速応性の高い系に変える機能と、安定性の高い系に変える機能が備わり、マイクロプロセッサ１３からの指示１０Ａにより自在に切り換ることができる。

＜フィードフォワード制御系＞
前記フィードフォワード制御系は、前記ＡＭＰ４によって増幅されたフォーカス誤差信号４Ａをデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器５と、前記圧電素子２を駆動するドライバー８のドライブ信号８Ａをデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器１２と、後述する外部制御量を格納するメモリ１４と、該メモリ１４に格納したデータに基づき外部制御量を算出するマイクロプロセッサ１３と、該マイクロプロセッサ１３が算出した外部制御量をアナログデータに変換するＤ／Ａ変換器１１と、該Ｄ／Ａ変換器１１により変換した外部制御量を前記加算器９に足し込むアナログスイッチ１０とから構成されている。また、前記マイクロプロセッサ１３は、前記アナログスイッチ７及び１０のＯＮ／ＯＦＦの操作機能と、デジタルデータを時系列的にテーブル化しメモリ１４に格納する機能を持つ。

次に前述のように構成されたレーザ照射装置によるフォーカス制御方法を説明するが、まず、本願発明の原理及び前提となる改質動作及び各制御信号について説明する。
＜原理説明＞
一般に改質対象となる平面形状の改質対象物は、平面をＸＹ方向の２次元として表したとき、該ＸＹ２次元全面にわたって該ＸＹ方向と直交するＺ方向の「歪み」が数ｕｍ〜数百ｕｍ程度生じている。
また平面形状の改質対象物にオートフォーカス制御を行わずレーザスポットを走査した場合、フォーカス誤差信号が前記改質対象物表面の「歪み」に相当し、この改質対象物表面のＸＹ座標点における歪み量はフォーカス誤差信号よって検出することができる。前述「歪み」には改質対象物の厚み斑も含まれる。

またレーザスポットの合焦点を制御する圧電素子のドライブ信号は、前記改質対象物にオートフォーカス制御を行いながらレーザスポットを走査したとき、対物レンズが改質対象物表面に追従する様に出力される。このため、該ドライブ信号は、前記改質対象物表面の「歪み」に相当し、この改質対象物表面のＸＹ座標点における歪み量は該ドライブ差信号よって検出することができる。前述「歪み」には改質対象物の厚み斑も含まれる。

本発明は、前述した改質対象物にレーザスポットを走査し、このときのフォーカス誤差信号または圧電素子のドライブ信号の値（改質対象物の歪みに対応する外部制御量）を記憶しておき、改質動作を行う際に前記改質対象物の「歪み」のファクターに追従した外部制御量を用いて焦点合わせ制御を補正することによって、焦点合わせ時間を短縮するものである。この合焦点合わせ時間の短縮により本発明においては、改質対象物の縁近傍から焦点合わせを行うことができ、従って縁の近傍から改質を行うことができる。また、改質動作中においても外部制御量をリアルタイムで付加し続けることにより、改質中のフォーカス追従精度の向上が図られ、均一な改質を行うことができる

次に前記原理によるレーザ照射装置の前提となる改質動作及び各制御信号について説明する。
［改質全体動作］
次に本実施形態の対象となる改質対象物１８を前述したレーザ照射装置を用いて改質する全体動作を図２を参照して説明する。
図２は、円板状の改質対象物１８の改質動作をレーザ光入射側から見た図であって、レーザスポット２４の長手方向を図中のＸ軸と平行になるように配置した状態において、前述のＸＹ系を駆動することにより改質対象物１８に対してレーザスポット２４を相対的に走査した状態を示している。

本実施形態による改質動作は、図２に示した如く、Ｘ軸と平行になるように配置したレーザスポット２４を位置２８から矢印２７の如くＹ軸方向に所定の線速度による走査を開始し、円板状の改質対象物１８の直径を超える距離だけ前記直線走査を行ってからＸ方向に移動した後、走査方向を逆にしてＹ軸方向に走査を行い、これらＹ方向の正逆方向及び間欠的なＸ方向移動による走査を繰り返すことによって、改質対象物１８全面の改質を行うものである。尚、Ｘ方向の移動量は、少なくともレーザスポット長手方向の長さよりは短く、走査隙間が発生しないようになっている。図示の例では、白抜きした走査済みの領域２５では改質が完了し、ハッチングを施した未走査の領域２６は改質が完了してないことを示している。

［フォーカス誤差信号の説明］
次いでレーザスポットの合焦点とフォーカス誤差信号との関係を図３を参照して説明する。図３は、レーザスポットの合焦点状態を改質対象物の側面から見たときの合焦点状態に応じたフォーカス誤差信号を説明するためのものであって、図中の左側は改質対象物面３０に対物レンズ２０にて集光されたスポット２９が合焦点している状態を示し、中央は焦点が下方（光軸方向の下方）に寸法Ｚｉだけずれている状態を示している。

この状態における前記光学系のフォーカスディテクタ３から出力されるフォーカス誤差信号は、前記合焦点のときには図中右端に示す如くレベル「０」となり、ずれ焦点のときにはレベル「Ｖｉ」となり、直線Ｅで示す如く、Ｚ軸方向のずれ量に対して直線的に変化する特性を持っている。

前記左側に示す合焦点のときのスポットサイズは、合焦点された集光レーザスポット２９が改質対象物面３０に位置する場合は最も小さくなって短手方向の長さも符号３１で示す様に最も狭くなり、集光レーザスポット２９が改質対象物面３０上からＺ方向に外れた場合はスポットサイズが大きくなって符号３３で示す如く短手方向の長さが広く、このように焦点ずれがスポットサイズと直結していることがわかる。

この様に本実施形態の対象となるレーザ照射装置は、改質対象物面３０に対して垂直方向からレーザスポットをＸＹ方向に相対的に走査することによって改質対象物面３０の全面を改質する様に構成されている。このレーザ照射装置は、線状レーザスポットの短手方向に改質対象物が相対的に走査するため、線状レーザスポットの短手方向の長さの違いにより、改質対象物面上への照射時間が変化し、対象物の改質状態が変化する可能性があり、これを防止するためには線状レーザスポットのサイズ、特に短手方向の長さを一定に保つ必要があり、フォーカス誤差信号を用いた焦点制御（フォーカス制御）が重要である。

［改質対象物の「歪み」とフォーカス誤差信号の関係］
次に改質対象物１８表面の「歪み」に対するフォーカス誤差信号の遷移を図４以降を参照して説明する。図４は、改質対象物の改質面の「歪み」に対するフォーカス誤差信号データの遷移を説明するための図であり、横軸がレーザスポットの送り方向のＸ方向を示し、縦軸がフォーカス誤差信号データのレベルを示す。

まず、改質対象物の改質面は、数ｕｍ〜数百ｕｍ程度、Ｚ方向に歪んでいるのが一般的であり、改質対象物の任意の位置ＹｉでのＸ方向の断面が、図４中上段の符号３６に示す如く湾曲した「歪み」があるものとする。尚、図中の符号３６Ａ及び３７Ａは改質対象物の縁である。

このフォーカス誤差信号は、図４の最上段に示す如く、フォーカス制御を掛けずに対物レンズ２０にて１点に合焦点したレーザスポット２９をＸ方向に直線的に移動させたとき、焦点位置２９と改質対象物面の歪み３６のＺ方向に変位が図中段に示す如くフォーカス誤差信号４０として検出される。このフォーカス誤差信号４０をＸ方向に対し離散的に検出した各位置をＸｉとし、各位置Ｘｉ位置におけるフォーカス誤差信号レベルをＡ／Ｄ変換した値をＺｉとしたとき、任意の位置ＹｉにおけるＸ方向歪みは、（Ｘｉ、Ｙｉ、Ｚｉ）としたデジタルデータとして離散的に検出することができる。このＸ方向の検出間隔は狭いほうが良く、５ｍｍ以下が望ましい。本実施例では、改質対象物の任意Ｙｉ位置でのＸ方向の断面、即ちＸ方向の直線的変化を例とったが、ＸＹ平面上の曲線的変化でも良い。

［フォーカスドライブ信号の説明］
次に対物レンズ２０を上下移動する圧電素子２に印加するフォーカスドライブ信号を図５を参照して説明する。この図５は、改質対象物の任意Ｙｉ位置でのＸ方向の断面の「歪み」を符号３６として表し、フォーカス制御を掛けながら対物レンズ２０にて集光した集光レーザスポット２９を改質対象物の歪み３６上に追従させＸ方向に矢印４５の如く移動させたとき、対物レンズドライブ信号４８も改質対象物の歪みと一致した形状になることを表している。尚、図中の符号４２及び４３は改質対象物の縁を示す。

前記ドライブ信号４８をＸ方向に対して離散的に検出した位置をＸｉとし、各位置Ｘｉ位置でのドライブ誤差信号レベルをＡ／Ｄ変換した値をＤｉとしたとき、任意ＹｉにおけるＸ方向歪みは、座標点毎に（Ｘｉ、Ｙｉ、Ｄｉ）としたデジタルデータとして検出することができる。このＸ方向の検出間隔は狭いほうが良く、５ｍｍ以下が望ましい。また、本データを取得するレーザスポット移動速度は遅い方が対物レンズドライブ信号４８と改質対象物の歪みが一致するため、レーザスポット移動速度は遅い方が好ましく、１００ｍｍ／ｓ以下が好適である。本実施例では、改質対象物の任意の位置ＹｉにおけるＸ方向の断面、即ちＸ方向の直線的変化を例にとったが、ＸＹ平面上の曲線的変化でも良い。

［改質動作中のフォーカス誤差信号とドライブ信号の関係］
次に改質動作中のフォーカス誤差信号とドライブ信号の関係を図６を参照して説明する。尚、図中、符号３６は任意Ｘｉにおける改質対象物の断面形状の「歪み」を表し、符号５１Ａ、５１Ｂは改質対象物の両縁であり、改質対象物は、Ｙ方向もＸ方向と同様、改質対象物の改質面は数ｕｍ〜数百ｕｍ程度、Ｚ方向に歪んでいるものとする。
この図６は、改質対象物の改質動作中において、対物レンズによって集光したレーザスポット２９を改質対象物１８上に位置付けるオートフォーカス制御を行いながら、レーザスポット２９を改質対象物１８上を矢印５３方向に高速走査する動作を表している。

この改質動作中のレーザスポット２９の軌跡は、本来は太実線で示す符号３６の如くなるのが理想的であるが、厳密には破線で示す符号５１の如くずれ、改質対象物の歪みと完全に一致しない現象が生じ、これにより焦点ぼけを引き起こし、結果的にフォーカス誤差信号５４として検出される。

このフォーカス誤差信号５４は、オートフォーカス制御中の対物レンズドライブ信号５５をデジタル変換して（Ｚｉ、Ｄｉ）の如く座標点毎にデータ化することにより、改質対象物の任意Ｘｉにおけるオートフォーカス制御の来歴を座標点毎に外部制御量（Ｘｉ、Ｙｉ、Ｚｉ、Ｄｉ）として残すことができる。即ち、改質対象物表面上の座標（Ｘｉ，Ｙｉ）における追従取り残しＺｉと対物レンズドライブ信号Ｄｉを外部制御量として記録することができる。
本実施形態によるレーザ照射装置は、このオートフォーカス制御の来歴を記録しながらの改質処理を改質対象物全面に渡り行うことにより、改質対象物全面の座標点毎の外部制御量（Ｘｉ、Ｙｉ、Ｚｉ、Ｄｉ）を取得し、マイクロプロセッサ１３によりメモリ１４に記録・蓄積する。

［外部制御量の加算の説明］
本実施形態によるレーザ照射装置は、前記検出した被改質物の歪みを外部制御量としてフォーカス制御系に加算するものであって、この外部制御量の加算を図１０を参照して説明する。
［非加算制御］
この図１０は、改質対象物の縁における外部制御量の加算を説明するための図であって、図２に示した改質動作を、横軸をＹ方向とした任意位置Ｘｉにおける断面の一例を示している。まず、外部制御量の加算がない場合のオートフォーカス制御は、図１０中段に示す如く、改質対象物１８の外側より対物レンズ２０により集光された集光レーザスポットが位置４２から高速移動して改質対象物の縁４１に差し掛かり、縁４１からの反射光を捉えてフォーカス誤差信号を得るのと同時にオートフォーカス制御を掛ける（フィードバックループＯＮするため図１に示すアナログスイッチ７を閉じる）。ここで、集光レーザスポットは、改質対象物１８上の縁４１に達したときに所望の線速度（走査速度）に十分達していることが必要である。

ここで、集光レーザスポットの位置４２と改質対象物上３９には改質対象物の厚みに相当する高さずれＺｉが生じており、この位置ずれを補正するためのオートフォーカス制御が図示の如く振動を伴うため収束するまでに時間を要し、図示の例では、このフォーカス誤差信号レベルが任意の範囲に収まるまでの時間を、過渡時間４７と定義する。

この過渡時間４７を過ぎるとオートフォーカス制御が十分機能し、レーザスポット２９は改質対象物上３９にロックされ、改質対象物の歪み（Ｚ方向）などの外乱に対し追従する。この過渡時間４７においては、対物レンズドライブ信号４８も大きな変化を示すが、過渡時間経過後は任意レベルのドライブ信号レベル５１に収束する。過渡時間４７においては、フォーカスずれが発生しており図３にて示したように、レーザスポットサイズも大きく変化することがわかる。レーザスポットサイズが大きく変化する区間は、距離Ｌに換算すると改質対象物の縁からＬ＝ＶＸＴにて表現される。ここで、Ｖはレーザスポットの走査速度、Ｔは過渡時間４７を示す。発明者らの実験によれば、Ｔ＝１５ｍＳ、Ｖ＝１ｍ／ｓであり、Ｌは１５ｍｍであることが判明し、従って改質対象物の縁から１５ｍｍの区間は均一な改質状態が得られないことが判る。尚、前記過渡時間を定義するフォーカス誤差信号レベルが任意の範囲は、本実施例では±２ｕｍとした。

［加算制御］
次に本実施形態による外部制御量を加算した場合について詳しく説明する。本実施形態においては、図１０下段に示す如く、対物レンズ２０が改質動作前の改質対象物１８上の外側にある状態において、フォーカスドライブ信号に所望のドライブ信号４８Ａを加算しておく。この所望のドライブ信号４８Ａは、集光レーザスポットの位置４２と改質対象物上３９との高さずれＺｉをゼロにする値（キャンセル）が望ましいが、過去の走査にて使用した過渡時間経過後のドライブ信号レベル５１としても良い。

本装置は、前記ドライブ信号４８Ａをフォーカスドライブ信号に印加したまま、集光レーザスポットを高速移動させ、改質対象物の縁４１に差し掛かり、縁からの反射光を捉えフォーカス誤差信号を得るのと同時にオートフォーカス制御を掛ける（フィードバックループＯＮするため図１に示すアナログスイッチ７を閉じる）。

このオートフォーカス制御を開始したとき、既に集光レーザスポットの位置と改質対象物１８上の高さはほぼ一致しており、フォーカス誤差信号５０の乱れがほとんどないため、本実施形態によれば前述した過渡時間を短縮することができ、改質対象物１８上の縁４１近傍から改質対象物１８上に集光レーザスポットが合焦点したオートフォーカス制御が可能となる。

このときのフォーカスドライブ信号は、符号４９として示す如く、改質対象物の縁での急激な変化はみられない。尚、該外部制御量を加算しても十分な過渡時間短縮が得られない場合は、前述したオートフォーカス制御系を高速系か安定系を用い、過渡時間内でのオートフォーカス制御系のゲインを高く、即ち速反性を高く設定しておき、過渡時間以降はオートフォーカス制御系を低く、即ち安定系に切換る手段を取ることが望ましい。

［レーザ照射装置の動作］
次いで、前述した改質動作や各制御信号を前提とした本実施形態によるレーザ照射装置の動作を説明する。図８改質前の改質対象物の縁を走査する状態を説明するための図、図９は改質動作時の動作を説明するための図、図７は本実施形態によるレーザ照射装置の動作フローチャートである。

図８は改質対象物１８の縁３５をレーザスポット２９が走査する軌跡を矢印１８Ｃにて示したものである。図９は図２と同様に改質対象物１８の改質動作をレーザ光入射側から見た図であり、改質対象物の縁での歪みを検出したレーザスポット走査軌跡を矢印１８Ｃとして示し、改質動作時のレーザスポット２９の軌跡を符号３７Ａとして示す。
本実施形態によるレーザ照射装置は、図７に示す如く、改質対象物１８の縁に改質対象物１８を改質しない程度の微弱なレーザスポットを照射して「歪み」を走査するステップＳ０２と、該ステップＳ０２により走査した縁の複数位置の「歪み」を基に生成した外部制御量であるデータ（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）及び（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｄｉ）をメモリに格納するステップ０３と、前記縁の歪み検出動作を終了するステップＳ０４とを実行する。

前記ステップＳ０２は、図８に示す如く、レーザ光源１より改質しない微弱なレーザ出力を出射させ、改質対象物１８に照射したレーザスポット２９を改質対象物の縁（Ｘｉ、Ｙｉ）を矢印１８Ｃの如く円環状にレーザスポット２９を走査することにより行われ、ステップＳ０３は、ステップＳ０２の走査中において、走査座標（Ｘｉ，Ｙｉ）に対応したフォーカス誤差信号レベルから得た歪量Ｚｉまたは、ドライブ信号レベルＤｉを検出することにより縁の複数位置の「歪み」データ（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｄｉ）を収集し、外部制御量としてメモリに格納する。尚、本実施形態による歪み検出は、円板状の被改質物の円環状の縁のみに対して行う例を示したが、全面又は任意の箇所の歪みを検出しても良い。

この動作は、図１を参照して説明すると、マイクロプロセッサ１３が、フィードバック制御を有効にするアナログスイッチ７をＯＦＦとした状態において、図８に示した如く円環状にレーザスポット２９を改質対象物の縁（Ｘｉ、Ｙｉ）を走査し、該走査座標（Ｘｉ，Ｙｉ）におけるフォーカス誤差信号４ＡをＡ／Ｄ変換し、歪量に換算した補正データ（Ｘｉ、Ｙｉ，Ｚｉ）を基にした外部制御量をメモリ１４に格納することにより行われる。

前記ドライブ信号レベルＤｉは、マイクロプロセッサ１３が、フィードバック制御を有効にするアナログスイッチ７をＯＮの状態にした状態において、走査座標（Ｘｉ，Ｙｉ）におけるドライブ信号８ＡをＡ／Ｄ変換し、補正データ（Ｘｉ、Ｙｉ，Ｄｉ）としてメモリに格納することによって得られ、改質対象物１８の縁３５を検出して歪み検出動作がすべて完了する。

次いで本実施形態によるレーザ照射装置は、図７に示す如く、改質対象物の改質プロセスである改質動作開始ステップＳ０５に移行し、位置（Ｘｉ、Ｙｉ）に対応したＺｉを加算器９により位相補償回路６の出力に足込むステップＳ０６と、レーザを改質可能な出力で発光させながらレーザスポットを走査させ、改質対象物１８の縁（Ｘｉ、Ｙｉ）を検出したときにスイッチ７をオンとしてフォーカス制御を開始するステップＳ０７と、フィードバック制御系にＺ方向の歪み値の補正データ（Ｘｉ、Ｙｉ、Ｚｉ）及びドライバーの駆動信号レベルの補正データ（Ｘｉ、Ｙｉ、Ｄｉ）を基にした外部制御量をリアルタイムで加算器９を用いて足し込むステップＳ０８と、次いでレーザスポットが改質対象物の縁から外れたことを検出したとき、スイッチ７をオフするステップＳ０９と、対象物全面を走査したかを判定するステップＳ１０と、該ステップＳ１０において対象物全面を走査したことを判定したとき、改質動作を終了するステップＳ１１とを順次実行する。

前記ステップＳ０６による加算器９への足し込みは、マイクロプロセッサ１３が、前記ステップＳ０１にてメモリ１４に格納した補正データ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）を引出してＤ／Ａ変換器１１にセットした後、アナログスイッチ１０をオンすることにより、加算器９を通してフィードバックループに外部制御量を加算するものである。

前記ステップＳ０７による縁検出によるフォーカス制御開始動作は、光源１からレーザ光を改質可能な出力で照射しながらレーザスポット２９を走査させ改質対象物１８の縁（Ｘ１，Ｙ１）に到達したとき、アナログスイッチ７をオンとすることにより、オートフォーカス制御を有効にする。

本実施形態によれば、改質対象物１８を検出したときのフォーカスドライブ信号に予め測定した改質対象物の「歪み」を含む補正量である外部制御量を加算するため、オートフォーカスに要する過渡時間を短時間にすることができ、改質対象物の縁近傍より十分なフォーカス制御を行うこができる。特に本実施形態においては、前記位相補償回路６が、フィードバック制御系を速応性の高い系に変える機能と、安定性の高い系に変える機能を備え、レーザスポットが改質対象物に到着した時点においては前記高速のフィードバック制御を行い、予め定めた所定時間が経過してフィードバックが安定した後においては高安定のフィードバック制御を行うことにより、高速且つ高安定のフィードバック制御を行うことができる。

前記レーザスポットが改質対象物の縁（Ｘ１，Ｙ１）に達したときの走査速度は、所望の走査速度に十分達していることが必要である。ステップＳ０８は改質実行時にフィードフォワード制御をかけるプロセスであり過渡時間が終了した時点から改質対象物のもう一方の縁に到達するまでの動作を示す。マイクロプロセッサ１３はメモリ１４から過去に蓄積した外部制御量を引き出し、レーザスポットが位置付いている座標（Ｘｉ，Ｙｉ）と走査速度からフォーカス誤差を最小にする外部制御量を演算する。後、算出データはＤ／Ａ変換器１１、アナログスイッチ１０（ＯＮ状態）、加算器９を通して、フィードバック制御系に外部制御量として加算される。前述、メモリ１４からのデータ取出しと演算と外部制御量の加算は、レーザスポットの移動（走査）と共にリアルタイムで実行が繰返される。また、本改質動作中に図６にて詳細説明したように新たな外部制御量を同時に取得しメモリ１４に格納しても良い。ステップＳ９はレーザスポットが改質対象物のもう一方の縁に到達した時点で、アナログスイッチ７をＯＦＦに切換えオートフォーカス制御を止める。レーザスポットが所定のＹ値に到達したらレーザスポットをＸ方向に送る。ステップＳ１０はレーザスポットが改質対象物全面を走査（改質）したかの判定であり、Ｎｏの場合はステップＳ０６に戻り動作が繰返される。レーザスポット２９は矢印３７Ａのように動作し改質対象物の縁のＸＹ座標と外部制御量は、（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）（Ｘ３，Ｙ３，Ｚ３）（Ｘ４，Ｙ４，Ｚ４）…と更新されていく。改質対象物の全面を走査（改質）したら改質動作を終了する。

特に本実施形態によるレーザ照射装置は、改質対象物の「歪み」が複数の改質対象物においてあまり変化しない場合、改質対象物の縁の「歪み」検出及び上述の改質動作を繰り返し、外部制御量を蓄積しながら学習（例えば複数の外部制御量の平均値を採用）することにより、フォーカス追従精度を更に向上することができる。

図１１は本レーザ照射装置による改質状態を説明するための図である。改質対象物１８上をレーザスポット５８が矢印５９のように走査することにより、改質対象物１８上の全面６０を改質することができる。特に本実施形態によるレーザ照射装置は、改質対象物の縁近傍や内側での改質斑はなく、全面均一な改質を行うことができる。

本実施形態における改質時のレーザ出力は、少なくともレーザスポットが改質対象物面上に位置したときに改質可能な出力になっていれば良く、レーザスポットが改質対象物面上にない場合、即ち改質対象物を搭載したＸＹテーブル８０の加速や減速を行うときには、レーザ出力は微弱出力であっても良く、更には出力してなくても良い。

また、前記実施形態においては改質対象物の縁を改質対象物面からの反射光を検出し認識する例を説明したが、本発明は、これに限ることなく、ＸＹリニアスケール１６によって認識しても良い。

また、前記実施形態においては、改質対象物の例として円形状の改質対象物を用いたが、本発明は、これに限ることなく、角形の改質対象物であっても良く、更には改質を行う領域を改質対象物の局所領域としても良い。特に本発明によるレーザ照射装置は、量産ラインにおいて、改質対象物の歪みが改質対象物のロットやタイプにより同一傾向の歪みや厚さ斑を持つ場合には、本発明の効果は大きく、更にはタクトタイム短縮にも寄与することができる。
なお、前記実施形態においては改質対象物を円板形状のものを説明したが、本発明の対称となる改質対象物は前述の実施形態や技術分野の欄に挙げた液晶ディスプレイや不揮発相変化メモリーに限られることなく、有機ＥＬディスプレイのＴＦＴプロセスや半導体プロセスにも適用できる。また、ガラス基板やシリコン基板だけでなく、プラスチック基板などの屈曲性のある基板であっても良い。更に前記実施形態においては合焦点位置のＺ方向の移動を対物レンズや光学部品の移動により行うことを説明したが、これに限ることなく、光ヘッド全体または改質対象物を搭載するテーブルをＺステージなどの移動手段により移動させることにより問題なく実施することができる。

本発明の一実施形態によるレーザ照射装置を説明するための図。 改質対象物の改質動作をレーザ光入射側から見た図。 フォーカス誤差信号とスポットサイズを説明するための図。 フォーカス誤差信号データを説明するための図。 ドライブ信号データを説明するための図。 改質動作中のフォーカス誤差信号とドライブ信号を説明するための図。 本実施形態によるレーザ照射装置の動作フローチャート。 本実施形態による改質前の改質対象物の縁を走査する状態を説明するための。 本実施形態による改質動作時の動作を説明するための図。 対象物の縁にて外部制御量の加算を説明するための図。 本レーザ照射装置による改質状態を説明するための図。 一般的な基板上構成とレーザ照射によるシリコン膜の改質を示す図。 ＰＲＡＭのメモリセルの基本構造を説明するための図。

１：レーザ光源、１Ａ：光ヘッド、２：圧電素子、３：フォーカスディテクタ、４Ａ：フォーカス誤差信号、５：Ａ／Ｄ変換器、６：位相補償回路、７：アナログスイッチ、８：ドライバー、８Ａ：ドライブ信号、９：加算器、１０：アナログスイッチ、１１：Ｄ／Ａ変換器、１２：Ａ／Ｄ変換器、１３：マイクロプロセッサ、１４：メモリ、１５：テーブル駆動手段、１６：リニアスケール、１７：レーザスポット、１８：改質対象物、１８Ａ：凸レンズ、１９：ビームスプリッタ、２０：対物レンズ、２０：レンズ、２２：レーザ光、２４：レーザスポット、２９：集光レーザスポット、３０：改質対象物面、３５：縁、４０：フォーカス誤差信号、４７：過渡時間、４８：対物レンズドライブ信号、５０：フォーカス誤差信号、５１：ドライブ信号レベル、５４：フォーカス誤差信号、５５：対物レンズドライブ信号、５８：レーザスポット、８０：テーブル。

Claims (10)

1. テーブル上に搭載した平面状の改質対象物にレーザスポットを照射することにより改質対象物を改質するレーザ照射装置であって、
   速応性が高い高速応フィードバック制御系及び安定性が高い安定フィードバック制御系とを含み、前記改質対象物からの反射光を検出したときに高速応フィードバック制御系を用いてフィードバック制御を行い、所定時間経過後に前記安定フィードバック制御系を用いてフィードバック制御を行うフォーカス手段と、
   前記レーザスポットを改質対象物表面に対して平行なＸＹ平面内で移動させる移動手段と、
   前記改質対象物表面にレーザスポットを走査し、該レーザスポットの改質対象物表面からの反射光を基に、改質対象物表面の各ＸＹ座標点における歪みを外部制御量として検出する外部制御量検出手段と、
   前記テーブル上の改質対象物の搭載位置外から改質対象物に向かって前記レーザスポットの走査を開始し、改質対象物からの反射光を検出したとき、前記レーザスポットを改質対象物表面に前記外部制御量検出手段により検出したＸＹ座標毎の外部制御量を補正値として合焦点するように前記フォーカス手段を制御する制御手段とを備えるレーザ照射装置。
2. 前記外部制御量検出手段が、前記改質対象物表面から反射されたレーザスポットの反射光を光電変換したフォーカス誤差信号及び前記フォーカス手段を制御するドライブ信号を基に外部制御量を検出する請求項１記載のレーザ照射装置。
3. 前記制御手段が、同一仕様の複数の改質対象物の前記外部制御量を記憶し、該記憶した外部制御量の平均値を補正値としてフォーカス手段を制御する請求項１又は２記載のレーザ照射装置。
4. 前記改質対象物のＸＹ平面方向と垂直な方向の距離をＺ、フォーカス手段を駆動するドライブ信号レベルをＤとしたとき、
   前記制御手段が、前記外部制御量を、改質対象物表面上のＸＹ座標上の任意の位置ｉにおいて（Ｘｉ、Ｙｉ、Ｚｉ、Ｄｉ）として記憶する請求項１〜３何れかに記載のレーザ照射装置。
5. 前記改質対象物を改質するレーザパワーの第１のレーザスポットと、前記改質対象物を改質しないレーザパワーの第２のレーザスポットとを設け、前記フォーカス手段が、前記フォーカス制御を前記第２のレーザスポットを用いてフォーカス制御を行う請求項１〜４何れかに記載のレーザ照射装置。
6. 速応性が高い高速応フィードバック制御系及び安定性が高い安定フィードバック制御系とを含み、前記改質対象物からの反射光を検出したときに高速応フィードバック制御系を用いてフィードバック制御を行い、所定時間経過後に前記安定フィードバック制御系を用いてフィードバック制御を行うフォーカス手段と、前記レーザスポットを改質対象物表面に対して平行なＸＹ平面内で移動させる移動手段と、前記改質対象物表面にレーザスポットを走査し、改質対象物表面の各ＸＹ座標点における歪みを外部制御量として検出する外部制御量検出手段と、前記フォーカス手段と移動手段と外部制御量検出手段とを制御する制御手段とを備え、テーブル上に搭載した平面状の改質対象物にレーザスポットを照射して改質対象物を改質するレーザ照射装置のフォーカス制御方法であって、
   前記制御手段が、
   前記テーブル上の改質対象物の搭載位置外から改質対象物に向かって前記レーザスポットの走査を開始し、改質対象物からの反射光を検出したとき、前記レーザスポットを改質対象物表面に前記外部制御量検出手段により検出したＸＹ座標毎の歪み値を補正値として合焦点するようにフォーカス手段を制御するフォーカス制御方法。
7. 前記外部制御量手段が、前記改質対象物表面から反射されたレーザスポットの反射光を光電変換したフォーカス誤差信号及び前記フォーカス手段を制御するドライブ信号を基に外部制御量を検出する請求項６記載のフォーカス制御方法。
8. 前記制御手段が、同一仕様の複数の改質対象物の前記歪み値を記憶し、該記憶した歪み値の平均値を補正値としてフォーカス手段を制御する請求項６又は７記載のフォーカス制御方法。
9. 前記改質対象物のＸＹ平面方向と垂直な方向の距離をＺ、フォーカス手段を駆動するドライブ信号をＤとしたとき、
   前記制御手段が、前記外部制御量を、改質対象物表面上のＸＹ座標上の任意の位置ｉにおいて（Ｘｉ、Ｙｉ、Ｚｉ、Ｄｉ）として記憶する請求項６から８何れかに記載のフォーカス制御方法。
10. 前記改質対象物を改質するレーザパワーの第１のレーザスポットと、前記改質対象物を改質しないレーザパワーの第２のレーザスポットとを設け、前記フォーカス手段が、前記フォーカス制御を前記第２のレーザスポットを用いてフォーカス制御を行う請求項６から９何れかに記載のフォーカス制御方法。

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