JP5292436B2

JP5292436B2 - レーザー照射方法およびレーザー照射装置

Info

Publication number: JP5292436B2
Application number: JP2011091649A
Authority: JP
Inventors: 幸一郎田中
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2017-03-10
Also published as: JP2011187968A

Description

本明細書で開示する発明は、例えば、レーザー光の照射によるアニール処理を行う装置
（レーザーアニール装置）等のレーザーを用いた光学装置に関する。特に、大面積ビーム
を照射するレーザーアニール装置等において、均一な照射効果が得られるような装置に関
する。このようなレーザーーニール装置は、半導体製造工程等に使用される。

また、大面積レーザービームは半導体回路等の微細な回路パターンを形成するための露
光装置等にも使用される。特に、サブミクロンのデザインルールの回路を形成するには、
紫外線レーザー光が用いられる。

従来より、非晶質珪素膜に対するレーザー光の照射による結晶化の技術が知られている
。また、不純物イオンの注入によって損傷した珪素膜の結晶性の回復や注入された不純物
イオンの活性化のためにレーザー光を照射する技術が知られている。これらはレーザーア
ニール技術と称される。

後者の技術の代表的な例として、薄膜トランジスタのソース及びドレイン領域に対する
アニールの例を挙げることができる。これは、当該領域に対するリンやボロンで代表され
る不純物イオンの注入の後に、当該領域のアニールをレーザー光の照射で行うものである
。

このようなレーザー光の照射によるプロセスは、基板に対する熱ダメージがほとんど無
いという特徴を有している。
基板に対する熱ダメージの問題がないという特徴は、処理すべき材料の制約を低減し、
例えば、ガラス等の耐熱性の低い基板上に半導体素子を形成する際に有利である。特に、
近年その利用範囲が拡大しているアクティブマトリスク型の液晶表示装置を作製する場合
に重要となる。

アクティブマトリクス型の液晶表示装置においては、コストの問題及び大面積化の要求
から基板としてガラス基板を利用することが望まれている。
ガラス基板は６００℃以上、あるいは７００℃以上というような高温度での加熱処理に
は耐えることができない。この問題を回避する技術としては、上述の珪素膜の結晶化や不
純物イオンの後のアニールをレーザー光の照射で行う技術が有効である。

レーザー光の照射による方法においては、基板としてガラス基板を用いた場合でも、ガ
ラス基板への熱ダメージはほとんどない。従って、ガラス基板を用いても結晶性珪素膜を
用いた薄膜トランジスタを作製することができる。
また、レーザー光がコヒーレント光であることを利用して、微細な回路パターンを形成
するための光源として用いることも提案されている。特に紫外線レーザーを用いることに
より、サブミクロン以下の微細なパターンが得られる。

しかしながら、一般に、レーザー光はレーザー装置から発生した状態（以下、原ビーム
、と言う）では、ビーム面積が小さいため、大面積に対してはレーザー光を走査すること
により処理する方法が一般的であるが、この場合、処理効果の面内均一性が低い、処理に
時間がかかる、等の問題を有する。特に、一般的な原ビームは、光強度分布が一様でない
ので、そのまま用いると、処理効果の均一性の点で著しく問題がある。

そこで、原ビームを加工して、可能な限り均一なビームとし、さらには、処理面積の形
状等にあわせてビームの大きさも変更する技術が提唱されている。ビームの形状としては
、方形状や線状が一般的である。かくすることにより、大面積にわたり均一なレーザーア
ニールを施すことができる。

原ビームの加工をおこなうレーザー照射装置の一例を図１（Ａ）に示す。レーザー発振
器は、例えば、エキシマレーザー等が用いられる。これは、所定のガスを高周波放電によ
って分解し、エキシマ状態と呼ばれる励起状態を作りだすことにより、レーザー光を発振
させる。

例えばＫｒＦエキシマレーザーは、ＫｒとＦを原料ガスとして、高圧放電により、Ｋｒ
Ｆ^*という励起状態を得る。この励起状態は、寿命が数ｎｓｅｃ〜数μｓｅｃというよう
に安定なものではないが、これに対する基底状態、ＫｒＦは、さらに不安定な状態であり
、励起状態の密度の方が基底状態の密度よりも高いという逆転分布が生じる。この結果、
誘導放射が発生し、比較的高効率のレーザー光を得ることができる。

もちろん、レーザー発振器は、エキシマレーザーに限らず、その他のパルスレーザー、
連続レーザーでもよい。一般に高エネルギー密度を得るという目的ではパルスレーザーが
適している。
図１（Ａ）に示されるようにレーザー発振器から放射された原ビームは、凹レーズや凸
レンズによって構成されたビームエキスパンダーにより、適当な大きさに加工される。

次に、ビームは、ホモジナイザーと称される光学装置に入る。これは、多数のシリンド
リカルレンズ（一般に放物面形状を有している）を有する少なくとも１枚のレンズ装置（
マルチシリンドリカルレンズ）を有する。従来のマルチシリンドリカルレンズは、図１（
Ｂ）に示すように、複数のシリンドリカルレンズ１〜５（いずれも凸レンズ）を１枚のガ
ラス上に形成したものである。

一般には、マルチシリンドリカルレンズを２枚使用し、互いに直交するように配置され
る。もちろん、マルチシリンドリカルレンズは、１つでも、３つ以上でもよい。マルチシ
リンドリカルレンズが１つの場合は、原ビームの１つの方向の不均一性が分散される。ま
た、マルチシリンドリカルレンズを同じ向きに２枚以上形成すると、シリンドリカルレン
ズの数を増加させたのと同じ効果を得ることもできる。

マルチシリンドリカルレンズを通過することにより、ビームはエネルギー密度の分散し
た均一性の高いビームを得ることができる。この原理は後述する。その後、ビームは、収
束レンズにより目的とする形状に加工され、あるいは、必要によってミラーによって方向
が変えられ、試料に照射される。（図１（Ａ））

次に、従来のホモジナイザー（マルチシリンドリカルレンズ）の原理と、問題点につい
て述べる。この問題点こそ、本発明の解決すべき課題である。以下では、煩雑さを避ける
ため、１つの面における光学的な考察をおこなう。マルチシリンドリカルレンズを透過し
たレーザー光は、図２（Ａ）のようになる。

ここでは、マルチシリンドリカルレンズＬは５つの凸シリンドリカルレンズｌを有し、
それぞれのシリンドリカルレンズに入射した光は、各シリンドリカルレンズで屈折する。
焦点で収束した後、ビームは拡散する。その際、各シリンドリカルレンズを透過した光が
、全て混合する部分（混合領域）が得られる。

ところで、ビームに光強度の分布に偏りがあり、各シリンドリカルレンズに入射する光
の強度がそれぞれ異なっていたとする。しかし、混合領域では、各シリンドリカルレンズ
を透過した光が混合されるので、その偏りは分散してしまう。すなわち、光強度の均一化
が図られる。このようにして光強度の分布の少ないビームを得ることができる。（図２（
Ａ））

ところで、マルチシリンドリカルレンズを透過した光路に着目すると、これは、等間隔
（距離ａ）に配列した点光源Ｆ（すなわち、焦点）から放射される光である。（図２（Ｂ
））

同様な効果は、ガラス基板の両面に間隔ａだけ離して、一方の面に凸シリンドリカルレ
ンズｌ₁、他方の面に凸シリンドリカルレンズｌ₂を配置した場合にも得られる。図３（
Ａ）では、シリンドリカルレンズｌ₁を通過した光路を実線で、シリンドリカルレンズｌ
₂を通過した光路を破線で示す。この場合も、図２の場合と同様に、混合領域が得られる
。（図３（Ａ））

さらに、マルチシリンドリカルレンズを透過した光路に着目すると、図３（Ｂ）に示す
ように、２種類の点光源Ｆ₁、Ｆ₂（すなわち、焦点）から放射される光である。（図３
（Ｂ））

上記に示した従来のマルチシリンドリカルレンズにおいては、各シリンドリカルレンズ
の端部（他のシリンドリカルレンズとの境界）が屈折しているので、該部分において、光
が散乱し、光の損失が発生した。このことは、レーザー光を有効に利用できないことを意
味し、ビーム強度の低下を招く。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものである。本発明においては、マルチシリン
ドリカルレンズにおいて、凸シリンドリカルレンズだけでなく、凹シリンドリカルレンズ
をも使用し、凸シリンドリカルレンズと凹シリンドリカルレンズとを交互に配置し、かつ
、各シリンドリカルレンズ間を滑らかに連続せしめることを特徴とする。

本発明の第１は、線状もしくは方形状のビーム形状を有するレーザー光を形成する装置
において、レーザー発振装置と被照射物の間に挿入して用いられるホモジナイザーにおい
て、上記の構成のマルチシリンドリカルレンズを用いるものである。

また、本発明の第２は、レーザー発振装置と、レーザー発振装置より発せられたレーザ
ー光が入力されるホモジナイザーとを有するレーザー光学装置において、ホモジナイザー
において用いられるマルチシリンドリカルレンズを上記の構成のものとするものである。

上記のマルチシリンドリカルレンズにおいては、凸シリンドリカルレンズの曲面状態と
凹シリンドリカルレンズの曲面状態とが同じとしてもよい。また、ホモジナイザーにおい
てマルチシリンドリカルレンズは少なくとも２つ配置し、前記２つのマルチシリンドリカ
ルレンズの方向を直交して配置してもよい。

本発明のマルチシリンドリカルレンズの形態は、図１（Ｃ）に示されるようになる。こ
れは、従来のマルチシリンドリカルレンズが、いずれも凸シリンドリカルレンズ１〜５か
ら構成されていた（図１（Ｂ））のに対し、凸シリンドリカルレンズ１と３、３と５の間
に凹シリンドリカルレンズ２と４を有することであり、かつ、これらのシリンドリカルレ
ンズの境界が滑らかに連続していることである。（図１（Ｃ））

各シリンドリカルレンズを相互に滑らかに接続させるには、隣接する凹シリンドリカル
レンズの曲率と凸シリンドルカルレンズの曲率（曲面形状）を同じとすればよい。シリン
ドリカルレンズが放物面レンズの場合には、向きの異なる放物面を組み合わせた構造とな
る。このようなマルチシリンドリカルレンズにおけるレーザー光の光路を、図２および図
３に示したのと同様に示すと、図４のようになる。

ここでは、マルチシリンドリカルレンズＬは、図１（Ｃ）に示されるように、３つの凸
シリンドリカルレンズｌ₁と２つの凹シリンドリカルレンズｌ₂を有する。凸シリンドリ
カルレンズに入射した光は、焦点で収束した後、拡散する。一方、凹シリンドリカルレン
ズに入射した光は、ある点から拡散するように、一方的に拡散する。この結果、各シリン
ドリカルレンズを透過した光が、全て混合する部分（混合領域）が得られる。

上記の効果は、凸シリンドリカルレンズと凹シリンドリカルレンズの曲率（焦点距離を
決定する要素、またはレンズの曲面形状）が異なる場合でも同様に得られる。しかも、こ
のような構成のマルチシリンドリカルレンズにおいては、光が散乱するような構造（突起
等の滑らかでない部分）がないので、光の損失は低減できる。（図４（Ａ））

マルチシリンドリカルレンズを透過した光路に着目すると、これは図３（Ｂ）に示され
たものと同様に、２種類の点光源Ｆ₁、Ｆ₂（すなわち、焦点）から放射される光と見な
せる。（図４（Ｂ））

ところで、凸シリンドリカルレンズと凹シリンドリカルレンズの曲率が同じ場合には、
凹シリンドリカルレンズを透過する光の光路の境界は、隣接する凸シンドリカルレンズの
焦点Ｆ₁を透過する。以下、そのことを説明する。凸シリンドリカルレンズと凹シリンド
リカルレンズの曲率が同じということは、平行光線が入射した場合の、前者における収束
角度（焦点通過後の拡がり角度）と後者における拡がり角度が同じということである。

すなわち、図５（Ａ）に示すように、凸シリンドリカルレンズｌ₁の焦点距離をｘとす
ると、凹シリンドリカルレンズｌ₂と透過する平行光線は、図５（Ｂ）に示すように、入
射側に距離ｘだけ離れた点Ｆ₂から放射された光と見なせる。ここで、凸シリンドリカル
レンズｌ₁の下端を通過する光の光路Ｆ₁Ａと、凹シリンドリカルレンズｌ₂の上端を通
過する光の光路Ｆ₂Ａとに着目すると、両レンズを透過する光の拡がり角度・収束角度は
同じであるので、直線Ｆ₂Ａは直線Ｆ₁Ａと重なる。すなわち、凹シリンドリカルレンズ
を透過する光の光路の境界は、隣接する凸シンドリカルレンズの焦点Ｆ₁を透過する。（
図５）

本明細書で開示する発明を利用することにより、半導体装置の作製等に利用されるレー
ザープロセスにおいて必要な、大面積・均一レーザー光を得ることができる。

レーザー照射装置の光学系の概略および従来および本発明のマルチシリンドリカルレンズの概要を示す図。従来のマルチシリンドリカルレンズの光路を示す概略図。従来のマルチシリンドリカルレンズの光路を示す概略図。本発明のマルチシリンドリカルレンズの光路を示す概略図。凸レンズの光路と凹レンズの光路を示す図。

本実施例の光学系について説明する。本実施例のレーザー照射装置の基本構成は図１（
Ａ）と同様である。ホモジナイザー入射前のレーザー光の形状は、６ｃｍ×５ｃｍである
。本実施例では、ホモジナイザーには、１枚のマルチシリンドリカルレンズを用いた。以
下では、マルチシリンドリカルレンズについてのみ説明する。

本実施例に示す構成においては、マルチシリンドリカルレンズは６個の凹シリンドリカ
ルレンズ（幅５ｍｍ）と、５個の凸シリンドリカルレンズ（幅５ｍｍ）を交互に配置して
構成し、入射するレーザー光をおよそ１０分割するものとしている。シリンドリカルレン
ズの長尺方向の長さは７ｃｍとした。マルチシリンドリカルレンズは石英製である。

本実施例においては、最終的に照射される線状のレーザー光の長尺方向の長さは１２ｃ
ｍ、幅０．５ｍｍである。このため、ホモジナイザーを通過した後に、レーザー光を長尺
方向に２倍拡大し、それに垂直な方向に１／１００に縮小した。凸シリンドリカルレンズ
と凹シリンドリカルレンズは、いずれも球面レンズとし、その曲率は同じとした。そして
、凸シリンドリカルレンズの焦点距離は５ｃｍとした。（図１（Ａ）参照）

Claims

レーザー発振器からレーザー光を発振し、
前記発振されたレーザー光を、第１のマルチシリンドリカルレンズに入射させ、
前記第１のマルチシリンドリカルレンズを通過したレーザー光を、第２のマルチシリンドリカルレンズに入射させ、
前記第２のマルチシリンドリカルレンズを通過したレーザー光を、収束レンズに入射させ、
前記収束レンズを通過したレーザー光を、被照射物に照射し、
前記第１のマルチシリンドリカルレンズと前記第２のマルチシリンドリカルレンズは、それぞれ凸シリンドリカルレンズと凹シリンドリカルレンズとが交互に配置され、
前記凸シリンドリカルレンズと前記凹シリンドリカルレンズとの境界は、滑らかに連続し、
前記第１のマルチシリンドリカルレンズと前記第２のマルチシリンドリカルレンズは、互いに直交し、
前記凸シリンドリカルレンズおよび前記凹シリンドリカルレンズは、いずれも曲率が等しく、
前記凸シリンドリカルレンズの幅と前記凹シリンドリカルレンズの幅が等しいことを特徴とするレーザー照射方法。
請求項１において、
前記第１のマルチシリンドリカルレンズは、前記レーザー発振器から発振されたレーザー光を、第１の方向に収束または発散し、
前記第２のマルチシリンドリカルレンズは、前記第１のマルチシリンドリカルレンズを通過したレーザー光を、前記第１の方向と直角の方向に収束または発散することを特徴とするレーザー照射方法。
レーザー発振器からレーザー光を発振し、
前記発振されたレーザー光を、ビームエキスパンダーに入射させ、
前記ビームエキスパンダーを通過したレーザー光を、第１のマルチシリンドリカルレンズに入射させ、
前記第１のマルチシリンドリカルレンズを通過したレーザー光を、第２のマルチシリンドリカルレンズに入射させ、
前記第２のマルチシリンドリカルレンズを通過したレーザー光を、収束レンズに入射させ、
前記収束レンズを通過したレーザー光を、被照射物に照射し、
前記第１のマルチシリンドリカルレンズと前記第２のマルチシリンドリカルレンズは、それぞれ凸シリンドリカルレンズと凹シリンドリカルレンズとが交互に配置され、
前記凸シリンドリカルレンズと前記凹シリンドリカルレンズとの境界は、滑らかに連続し、
前記第１のマルチシリンドリカルレンズと前記第２のマルチシリンドリカルレンズは、互いに直交し、
前記凸シリンドリカルレンズおよび前記凹シリンドリカルレンズは、いずれも曲率が等しく、
前記凸シリンドリカルレンズの幅と前記凹シリンドリカルレンズの幅が等しいことを特徴とするレーザー照射方法。
請求項３において、
前記第１のマルチシリンドリカルレンズは、前記ビームエキスパンダーを通過したレーザー光を、第１の方向に収束または発散し、
前記第２のマルチシリンドリカルレンズは、前記第１のマルチシリンドリカルレンズを通過したレーザー光を、前記第１の方向と直角の方向に収束または発散することを特徴とするレーザー照射方法。
請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
前記第１のマルチシリンドリカルレンズ及び前記第２のマルチシリンドリカルレンズは、石英製のマルチシリンドリカルレンズであることを特徴とするレーザー照射方法。
請求項１乃至請求項５のいずれか一において、
前記被照射物に照射されるレーザー光は、線状または方形状のビーム形状を有することを特徴とするレーザー照射方法。
請求項１乃至請求項６のいずれか一において、
前記レーザー発振器は、エキシマレーザー発振器であることを特徴とするレーザー照射方法。
請求項１乃至請求項７のいずれか一において、
前記第１のマルチシリンドリカルレンズ及び第２のマルチシリンドリカルレンズは、前記凸シリンドリカルレンズのみから構成されるマルチシリンドリカルレンズよりも透過する光の損失を低減することを特徴とするレーザー照射方法。
レーザー発振器とマルチシリンドリカルレンズを有するレーザー照射装置であって、
前記レーザー発振器から出射されたレーザー光は、前記マルチシリンドリカルレンズを通過し、
前記マルチシリンドリカルレンズは、凸シリンドリカルレンズと凹シリンドリカルレンズとが交互に配置され、
前記凸シリンドリカルレンズと前記凹シリンドリカルレンズとの境界は、滑らかに連続していることを特徴とするレーザー照射装置。