JP5305442B2 - レーザービーム・ミクロスムージング - Google Patents

Description

本発明は一般的にレーザービーム均質化に関し、より具体的にはレーザーアニーリングシステムのレーザービームにおける小規模不均質により引起される効果を均質化（smoothing）することに関する。

レーザーアニーリングシステムは液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）及び有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）の様な進んだディスプレイ技術の生産で使用される。

レーザーアニーリングに関わる挑戦すべきもの一つに、レーザービームの照明分野は通常不均質性を含む特性を持つということがある。その様な不均質性は、例えば、光学素子での吸収又は散乱中心、生のレーザービームでの変調、及びビーム均質化アレイからの干渉又は回折のような局部的欠点を含む種々の原因でありうる。

図１は従来技術のレーザーアニーリングシステム１０を示す。システム１０はエキシマーレーザーの様なレーザービーム１６をシリコン被覆の基板１２の表面に焦点をあてるための円柱レンズ（図示せず）を含む。レーザービーム１６の照射視野１４は通常470ｍｍ（ｙ−方向）及び0.4ｍｍ（ｘ−方向）までのサイズを持つ。この細長いビームスポットはしばしば線焦点と呼ばれる。

このシステム１０は基板をｘー方向の単線をスキャンし、そしてもし基板のｙー方向のサイズがレーザービーム１６の照明視野の対応するサイズよりも長い場合にはｙー方向にシフトし続く単線（track）をスキャンする。

典型的なシステムでは、基板は高度に正確な平行移動段階によってｘ−方向のビームを通過し移動する。その段階のスキャン速度は1秒当たり６ミリメータのオーダーである。レーザーパルス反復速度を300ヘルツと仮定し、基板は露光の間にｘー方向に約２０ミクロン動く。これは１５から２０パルス（約９５％の重複）が基板の各位置に当たることを意味する。

図２は図１の従来技術のレーザーアニーリングシステムで処理された基板２０の一部の拡大図である。図2に見られる様に、長軸に沿うレーザービーム中の不均質部分はレーザーのスキャン方向であるｘー方向に走る平行線又は縞として表すことが出来る。幅ｗはレーザービームの照射視野中の不均質部分の典型的なサイズを表し、照明視野の幅はｗよりかなり大きい。

従来のビーム均質化技術はレーザービームの均質性を向上させることに焦点を当ててきた。ある従来技術のシステムは、レーザービームの均質性を向上させるためにレーザービーム経路に拡散体（diffusion）を用いる。他の従来技術では、均質性を向上させるために光トンネル、レンズ、レンズアレイ回折光学素子（diffractive optical element (DOE)）又はホログラフを用いた。しかし、従来の均質化技術は小規模の不均質部分の全てを除去することはできない。その結果、依然として図２に示す様な縞模様が起きる。小規模不均質部分を修正するために、ある従来技術のシステムは、スキャンされる対象物上に円形動作状にレーザービームを動かすために回転するくさびを用いた。その様なシステムは小規模不均質部分を平均化する傾向があるが、これらのシステムはレーザーアニーリングシステムに使用するには適していない。

発明の概要

本発明に適合する方法、装置及びシステムはレーザーアニーリングシステムのためのレーザービーム・ミクロスムージングを提供する。レーザービーム・ミクロスムージングは、レーザービームを実質的に走査方向に固定化しつつ、レーザービームをレーザーアニーリングシステムの走査方向と直交する方向にシフトすることを含む。走査方向に直交する方向にレーザービームをこの様にシフトすることにより、レーザービームの特徴中の小規模不均質部分をスムーズにし、及び従来技術のレーザーアニーリングシステムに関係する縞が生ずるのを防止する。

本発明のある特徴として、本発明はレーザービーム・ミクロスムージングのための装置を提供し、その装置はレーザーアニーリングシステムと共に用いられる様に構成される。レーザーアニーリングシステムは、一連のレーザービームパルスを基板の表面の連続する位置に当てることにより、走査方向に基板を走査する。本発明は、レーザービームの線焦点を、一連のパルスの個々のパルス間の事前に決められた距離を、走査方向に実質的に直交する方向に基板の表面に動かすための手段を含む。

本発明の他の特徴として、レーザービーム・ミクロスムージングのための方法が提供される。前記方法は以下のステップを含む：(a) レーザービームの線焦点を作業対象の表面の第一の位置に合わせる； (b) 作業対象の第一の位置に複数のレーザービームパルスを当てて、レーザービームにより第一の位置を加工する；及び（c）第一の位置の加工中に、前記パルスが適用される間にレーザービームを事前に決められた距離だけｙ−方法シフトさせる、ステップである。

本発明の他の特徴では、レーザーアニーリングシステムが提供される。レーザーアニーリングシステムは、一連のレーザービームパルスを基板の表面の連続する位置に当てることにより、走査方向に基板を走査するためのレーザービームを発生させるレーザーを含む。レーザーアニーリングシステムはまた、一連のパルスの個々のパルスの間の事前に決められた距離を、走査方向に実質的に直交する方向にレーザービームの線焦点を基板の表面に動かすための手段を含む。

発明の詳細な説明

本明細書を通じて以下の用語は以下に表す意味を持つ：
“ｘ−軸”はレーザーアニーリングシステムの走査方向を言う。

“ｙ−軸”はｘ−軸に実質的に直交する方向を言う。

図３は、本発明に適合するレーザービーム・ミクロスムージング装置３０の第一の典型的な実施の態様を示す。レーザービーム・ミクロスムージング装置３０では、エキシマーレーザービーム又はYAGレーザービームの様な実質的に長方形の外形を持つレーザービーム３１は均質化光システム３３を通してミクロスムージング・ミラー３４に向けられる。均質化光システムは均質化技術で良く知られており、ここでは詳細については述べない。ミクロスムージング・ミラー３４は圧電アクチュエーターの様なアクチュエーターを含む。本発明に適合する他のアクチュエーターには偏心カプリング及び磁気駆動レバーを備えたモータを含む。圧電アクチュエーターの場合、アクチュエーターはミクロスムージング・ミラーの一端に置かれ、ミクロスムージング・ミラーの他の端は振動を抑えるためにメタルシートに取り付けられても良い。アクチュエーターは、レーザービームがy−軸にシフトするが、x−方向にはシフトしないように、ミクロスムージング・ミラーを傾斜させる様に略＋/−１００ミクロメータ伸張する。アニーリングプロセスでは、レーザービームは走査方向ではなく、走査方向に直交する方向にのみシフトし、することが非常に望ましい。もちろん機械的な許容誤差により走査方向にある僅かなビームシフトが起きることもあるが、この方向でのシフトは最小限に抑えることが好ましい。

レーザービーム経路のシフトの結果、レーザーアニーリングシステムの線焦点は基板平面のｙ−方向に動く。ｘ−方向でのビームの変動は0.5mmから10mm及びより好ましくは2から5mmの間であるべきであると信じられている。例えば、シフトはｙ−方向に約+/−3 mmに設定することができる。この例では、レーザービームの照射視野は、ミクロスムージング・ミラーがy−正方向に約3 mm及びy−負方向に約3 mm傾斜するため、伸張する。このy−方向への変動は、ｘ−方向のレーザービームの特徴を変えることなく、y−方向の不均質部分を取除き又は平均化する傾向がある。

ある好ましいアプローチでは、ミクロスムージング・ミラーのこの変動は、レーザービームパルス繰り返し周波数の約1/15 から1/10の周波数を持つ正弦曲線となる。

典型的な周波数は、300ヘルツのレーザーパルス繰り返し周波数を持つレーザーシステムでは20ヘルツである。その後追加のミラー35，37及びビーム形成光学素子36及びレンズ38によりシフトされたレーザービームを作業対象39の表面に当てても良い。基板の各連続する位置は典型的には約10 から20レーザーパルスで加工される。

正弦曲線パターンの以外の他の変動を使用しても良い。例えば、三角シグナルを圧電素子に適用することができる。更に、ミラーをランダムに動かしても効果的であることがある。ランダム変動を機械的に実施することはより困難であっても、ランダム変動は、スムージング効果を向上させると思われる。

図４は本発明に適合するレーザービーム・ミクロスムージング４０の装置の第二の典型的な実施の態様を示す。この実施の態様では、4つのミラー44, 45, 46, 47がオープンな矩形の周囲にレーザービームを向ける。これによりレーザービーム・ミクロスムージング装置40を最も柔軟に直接既設のレーザービームの経路に置くことができる。図示する様に、エキシマーレーザービーム又はYAGレーザービームの様なレーザービーム４２は第一のミラー44に向けられ、ミラー４４はレーザービーム４２を第一及び第二のミクロスムージング・ミラー46、47に屈折させる。第一及び第二のミクロスムージング・ミラー46、47は、圧電素子アクチュエーターの様なアクチュエーターを含む。アクチュエーターは、ミクロスムージング・ミラーを傾斜させ、及びレーザービームをｘ−方向ではなく、y−方向にシフトさせるために約+/- 50ミクロメータ伸張するように構成される。各レーザービームパルスの適用される範囲の間で、レーザービームの線焦点は事前に決められた距離だけy−方向にシフトされる。本発明に適合するシフトの例には、20ヘルツの周波数で+/- 3 mmの振幅で循環変動するものがある。

例えば、アクチュエーターの一期間の間に、１５パルスのレーザービームが照射され、15の照射の各々はy−方向に僅かに異なる位置になされ、そのため小規模不均質部分により引起される縞を不鮮明にする様に照射されても良い。

図４の実線４２はシフトされていないレーザービームを表し、点線48はシフトされたレーザービームを表す。第一の実施の態様と同様に、y−方向へのレーザービームの変動は、ｘ−方向のレーザービームの特徴を変えることなく、y−方向の不均質部分を取除き又は平均化する傾向がある。図４に表す第二の実施の態様は、ミクロスムージング・ミラーの変動により引起される振動を最小限に抑えることにより第一の実施の態様を改良するものである。これは、実質的に同等質量の二つのミクロスムージング・ミラーを用いて実現される。一つのミクロスムージング・ミラーの加速力が他のミクロスムージング・ミラーの加速力を補正する。

図５は図４のレーザービーム・ミクロスムージングの装置の俯瞰図である。実線はレーザービーム経路42及び傾斜していないミクロスムージング・ミラー46、47の位置を示す。点線はシフトされたレーザービーム経路48及び最大に傾斜したミクロスムージング・ミラーの傾斜位置50、52を示す。この図より分かる様に、ミクロスムージング・ミラーは反対方向に動く。

この様に、一つのミクロスムージング・ミラーの変動に関わる加速力は、他のミクロスムージング・ミラーの加速力を補償し又は相殺する。この二重のミラー構成はまた、レーザーアニーリングシステムに望ましくないx−方向のレーザービーム経路の変動を最小にする。

回転くさびプレートもまたミクロスムージング・ミラーに代えて用いても良い。しかし、レーザービーム経路の変動をy−方向にのみに限定するためには、くさびプレートは同じ周波数で反対方向に回転するように構成されるべきである。回転の開始点が適切に選定されると、レーザービーム経路はy−方向のみにシフトさせることができる。

多面鏡の様な回転ミラーもまたミクロスムージングに代えて用いても良い。もし回転ミラーの回転速度がレーザービームシステムの繰返し速度と略同期している場合は、レーザービーム経路はｙ‐方向のみにシフトし連続するレーザーパルスを種々相殺することもあり得る。ビームを反射して移動させるためにミラー以外の他の光学素子を用いても良い。

図６は本発明に適合するレーザービーム・ミクロスムージング装置を持つレーザーアニーリングシステムで処理された基板60の部分拡大図のシミュレーションを示す。図６に示す構造は肉眼でやっと判別できるものである。図に示す構造は説明のために四角形で示される。実際には、これらの構造は単純な幾何学的輪郭及び決まった寸法を持つものでない。これらの構造の寸法は不均質物のサイズ、照射視野の伸張のサイズ及び基板のｘ−方向への変動速度に依存する。図により明らかな様に、小規模不均質部分は、最早x−方向に平行な線又は縞として表れていない。レーザービームのシフトは基板の連続点で繰り返され、そしてもし基板のy−方向での幅が照射視野の対応する幅より長い場合は、基板の加工が完了するまで、基板の連続するトラックに対して繰り返される。

上に記載された実施の態様の種々の変形は本発明の範囲にあることを了解すべきである。本発明は本明細書に記載の特定の実施の態様に限定されるものではない。むしろ、本発明の範囲は特許請求の範囲及びそれと均等とみなされるものにより規定される。

図１は従来のレーザーアニーリングシステムを示す。 図２は図１の従来のレーザーアニーリングシステムにより加工された基板を示す。 図３は本発明に適合するレーザービーム・ミクロスムージングの装置の第一の実施の態様を示す。 図４は本発明に適合するレーザービーム・ミクロスムージングの装置の第二の実施の態様を示す。 図５は図４のレーザービーム・ミクロスムージングの装置の俯瞰図である。 図６は本発明に適合するレーザーアニーリングシステムにより加工された基板のシミュレーションを表す。

Claims (13)

1. レーザーにより生成されたレーザービームの不均質により起こる効果を均質にするための装置であって、前記レーザービームは基板を走査するレーザービームアニーリングシステムに使用する様に構成され、レーザーアニーリングシステムは、一連のレーザービームパルスを基板の表面の連続する位置に照射することにより、走査方向に基板を走査し、前記装置は、
   レーザーからのビームを受けるビーム均質化光システム；
   均質化されたビームを受ける、ビーム均質化光システムの下流にある少なくとも一つのミラー；及び
   レーザービームの線焦点を、一連のパルスの個々のパルス間の事前に決められた距離を、前記走査方向に実質的に直交する方向に前記基板の表面上に動かすためのミラー傾動用アクチュエーターを含む、前記装置。
2. 前記アクチュエーターは圧電アクチュエーターを含む、請求項１の装置。
3. 前記アクチュエーターは前記ミラーを実質的に正弦曲線の変動で傾動させるように構成される、請求項１の装置。
4. 正弦曲線の変動の周波数はレーザービームパルスの繰り返し周波数の約1/15 から1/10の周波数である、請求項３の装置。
5. 前記事前に決められた距離は、前記レーザービームの小規模不均質部分の平均幅におよそ等しい、請求項１の装置。
6. レーザービームの不均質により起こる効果を均質にするための装置であって、前記レーザービームは基板を走査するレーザービームアニーリングシステムに使用する様に構成され、レーザーアニーリングシステムは、一連のレーザービームパルスを基板の表面の連続する位置に照射することにより、走査方向に基板を走査し、前記装置は、
   前記レーザービームの線焦点を、一連のパルスの個々のパルス間の事前に決められた距離を、前記走査方向に実質的に直交する方向に前記基板の表面上に動かすための手段を含み、前記動かすための手段は、前記ミラーの動きに関連した加速力を最小にするために、第一及び第二のミラーを反対方向に動かすように構成される、第一及び第二のアクチュエーターを持つ第一及び第二のミラーを含む。
7. レーザーアニーリングシステムであって、
   一連のレーザービームパルスを基板の表面の連続する位置に当てることにより、走査方向に基板を走査するためのレーザービームを発生させるレーザー；
   レーザーからのビームを受けるビーム均質化光システム；
   均質化されたビームを受ける、ビーム均質化光システムの下流にある少なくとも一つのミラー；及び
   前記レーザービームの線焦点を実質的に走査方向に固定化して保持しつつ、一連のパルスの個々のパルスの間の事前に決められた距離を、前記走査方向に実質的に直交する方向に、レーザービームの線焦点を基板の表面上に動かすためのミラー傾動用アクチュエーター、
   を含む前記レーザーアニーリングシステム。
8. 前記アクチュエーターが圧電アクチュエーターを含む、請求項７のレーザーアニーリングシステム。
9. 前記アクチュエーターが、前記ミラーを実質的に正弦曲線の変動で傾動させるように構成される、請求項７の装置。
10. 前記正弦曲線の変動の周波数がレーザービームパルスの繰り返し周波数の約1/15 から1/10である、請求項９の装置。
11. レーザーアニーリングシステムであって、
    前記基板の表面の連続する位置に一連のレーザービームパルスを照射することにより走査方向に基板を走査するレーザービームを生成するレーザー、及び
    前記レーザービームの線焦点を前記走査方向に実質的に固定化して保持しつつ、一連のパルスの個々のパルス間の事前に決められた距離を、前記走査方向に実質的に直交する方向に、前記レーザービームの線焦点を前記基板の表面上に動かすための手段を含み、前記動かすための手段は、前記ミラーの動きに関連した加速力を最小にするために、第一及び第二のミラーを反対方向に動かすように構成される、第一及び第二のアクチュエーターを持つ第一及び第二のミラーを含む、前記レーザーアニーリングシステム。
12. パルスレーザービームにより作業対象を処理する方法であって、前記ビームは伸長された到達範囲を持つビームスポットを持ち、
    (a) ビームをビーム均質化光システムを通してミラーに照射し；
    (b) 異なる位置の作業対象に複数のパルスを与えるために、ビームスポットの縦軸に平行な方向に作業対象上でビームを前後に動かすためにミラーを揺動して傾動させ；
    (c) ビームスポットの縦軸に直交する方向に、ビームスポットに対して作業対象を並進移動させ、及び
    (d) ビームスポットの縦軸の不均質部分を補正する様に、（ｂ）及び（ｃ）のステップを繰り返して作業対象を処理する
    ステップを含む、前記方法。
13. 前記作業対象が、複数のパルスが走査方向に重複するような速度でビームスポットに対して連続に並進移動される、請求項１２の方法。

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