JP5348850B2 - ビーム照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、透光領域と遮光領域とを有するマスクを用いて、加工対象物にビームを照射して加工を行うビーム照射装置に関する。

たとえばガラス基板上に形成されたアモルファスシリコン膜にレーザビームを照射して、アモルファスシリコン膜の結晶化を行うレーザアニール技術が知られている。レーザアニールにおいては、たとえば高解像度のイメージングレンズを用いマスク転写により加工を行う。

図５（Ａ）〜（Ｄ）を参照して、アモルファスシリコン膜の結晶化アニールについて説明する。

図５（Ａ）は、結晶化アニールに使用するマスクパターンを示す概略図である。

結晶化アニールに用いられるマスクは、たとえば列方向に互い違いに形成された、一方向（本図においては左右方向）に長い開口（スリット）３０を備える。開口３０は２列に多数形成されている。開口３０以外はマスクの遮光領域である。マスクの遮光領域に入射したレーザビームは遮蔽され、開口３０に入射したレーザビームはマスクを透過して、ガラス基板上のアモルファスシリコン膜に照射される。

図５（Ｂ）に、アモルファスシリコン膜に照射されるレーザビームのビーム照射領域３１を示す。

イメージングレンズにより、アモルファスシリコン膜上にはマスクの開口３０が結像される。レーザビームは、開口３０が結像されたスリット状領域（ビーム照射領域３１）に入射し、入射した領域のアモルファスシリコン膜を溶融する。溶融したアモルファスシリコン膜は凝固し、スリット状領域（ビーム照射領域３１）の短手方向の両端から中央部に向かって結晶化が生じる。本図においては矢印で結晶化の方向を示した。

図５（Ｃ）は、レーザビームが照射され、アモルファスシリコン膜の結晶化が行われたビーム照射領域３１の一つを示す。

スリット状領域（ビーム照射領域３１）の短手方向の両端から中央部に向かって結晶が成長する結果、成長した結晶がぶつかる短手方向の中央部付近には、ビーム照射領域３１の長手方向に沿ってのびるリッジ４０が形成される。

図５（Ｄ）を参照する。

高解像度のイメージングレンズを用いマスクを転写して行う結晶化アニールにおいては、ビーム照射位置と焦点位置とが一致した場合に膜飛び（アブレーション）を生じない程度のエネルギ密度でレーザビームを照射すると、ビーム照射位置と焦点位置とがずれた場合に、照射面におけるレーザビームのエネルギ密度が低くなり、結晶の成長が十分に行われないことがある。

結晶成長が不十分である場合、たとえば本図に示すように、ビーム照射領域３１の短手方向中央部付近に、長手方向に沿ってのびる２本のリッジ４１、４２が形成される。リッジが２本形成された結晶は、リッジが１本形成された結晶に比べ、結晶の電気特性が悪い。

矩形状のパターンが市松模様状に配置されたエネルギビームを前駆体半導体薄膜に照射し、前駆体半導体薄膜の結晶化を行う半導体薄膜の製造方法に関する発明が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。

また、第１のセットのスリットとそれに対したとえば９０°をなす第２のセットのスリットを含んで構成されるマスクを用いてビームを照射し、薄膜状の材料を結晶化する方法の発明が開示されている（たとえば、特許文献２参照）。

特開２００５−１６７００７号公報 特開２００３−１５１９０７号公報

本発明の目的は、高品質の加工を行うことのできるビーム照射装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射したレーザビームの光路上に配置されたマスクであって、入射するレーザビームを透過する透光領域と、入射するレーザビームを遮蔽する遮光領域とを有し、前記透光領域は、スリット状の第１の開口部と、前記第１の開口部の長さ方向の少なくとも一方側に隣接して形成され、前記第１の開口部の長さ方向に長く、前記第１の開口部の幅より狭い幅を備えるスリット状の第２の開口部とを含むマスクと、
加工対象物を保持するステージと、
前記マスクの位置を、前記ステージに保持された加工対象物上に結像させる結像光学系と
を有し、
前記マスクの透光領域には、前記第１の開口部と前記第２の開口部の組が、前記第１及び第２の開口部の幅方向に繰り返し形成されており、
前記第１の開口部の幅は、前記レーザ光源から出射されたレーザビームが、前記第１の開口部を透過して、前記第１の開口部が前記結像光学系により前記加工対象物上に結像されたとき、加工対象物の表面に形成されたアモルファスシリコン膜の、レーザビームの照射領域が溶融し、レーザビームの照射領域の短手方向の両端から中央部に向かって結晶が成長した結果、成長した結晶がぶつかってリッジを形成する大きさであり、
前記ステージは、前記第１の開口部が前記結像光学系により前記加工対象物上に結像された領域を、前記第２の開口部が前記結像光学系により前記加工対象物上に結像される領
域まで、前記第１の開口部の長さ方向に移動させ、
前記第２の開口部は、前記移動後、前記第２の開口部を透過したレーザビームが、前記リッジを含む領域に照射されるように構成されているビーム照射装置が提供される。

本発明によると、高品質の加工を行うことのできるビーム照射装置を提供することができる。

図１は、実施例によるビーム照射装置を示す概略図である。

実施例によるビーム照射装置は、たとえば全固体レーザを含むレーザ光源１０、ホモジナイザ１１、透光領域と遮光領域とを備えビームの断面形状を整形するマスク１３、マスク移動機構１４、イメージング光学系１５、吸着板１７を備えるＸＹステージ１６、及び制御装置１８を含んで構成される。

レーザ光源１０が、たとえばパルスエネルギ３０ｍＪのパルスレーザビーム２０を出射する。パルスレーザビーム２０は、ホモジナイザ１１を経て、折り返しミラー１２で反射されマスク１３に入射する。

ホモジナイザ１１は、入射するレーザビーム２０を分割して出射し、ホモジナイズ面において、ビーム形状を整形し、ビーム強度を均一に近づける。マスク１３は、ホモジナイザ１１のホモジナイズ面に、マスク１３面がレーザビーム２０の光軸方向と垂直となるように、配置されている。

たとえばガラス基板上にアモルファスシリコン膜が形成された基板１９が、吸着板１７によってＸＹステージ１６に吸着固定されている。ＸＹステージ１６は、基板１９を基板面内方向に移動させることができる。

マスク１３で断面形状を整形されたレーザビーム２０が、イメージング光学系１５を経て基板１９のアモルファス膜に入射することで、アモルファス膜の結晶化アニールが行われる。イメージング光学系１５は、マスク１３の開口を基板１９のアモルファスシリコン膜上に結像させる。

マスク移動機構１４は、必要に応じてマスク１３をその面内方向に移動させ、レーザビーム２０のマスク１３への入射位置を変化させる。

制御装置１８は、レーザ光源１０によるレーザビーム２０の出射、ＸＹステージ１６による基板１９の移動、及び、マスク移動機構１４によるマスク１３の移動を制御する。たとえばこれらを同期させる制御を行うことも可能である。

以下、実施例によるビーム照射装置を用いて行うビーム照射方法（レーザアニール方法）を説明する。

図２（Ａ）〜（Ｄ）を用いて実施例によるビーム照射方法を説明する。

図２（Ａ）はマスク１３の一部を示す概略的な平面図である。

マスク１３の透光領域は、開口（スリット）３５ａ及び３５ｂを含んで構成される。開口（スリット）３５ａのサイズは、たとえば長手方向の長さが１ｍｍ、短手方向の長さが３μｍである。また、開口（スリット）３５ｂのサイズは、たとえば長手方向の長さが１ｍｍ、短手方向の長さが１μｍである。両開口３５ａ、３５ｂは行方向（本図においては左右方向）に隣接し、両開口３５ａ、３５ｂの短手方向についての中心線は共通している。本図には、当該中心線を一点鎖線で示した。行方向に見た場合、開口３５ｂは開口３５ａの一方向側（本図においては左側）に形成されている。なお、開口（スリット）３５ａ及び３５ｂの長手方向は行方向と平行であり、短手方向は列方向（本図においては上下方向）と平行である。

行方向に隣接する開口３５ａ及び３５ｂを一組として見たとき、開口３５ａ、３５ｂの組は、１行おきに１列分（１ｍｍ）同方向（たとえば左方向）にずらされて列方向に多数配置されている。

すなわち開口３５ａ及び３５ｂは、マスク１３上に３列に渡って多数形成されており、本図においては、左の列に開口３５ｂが１行おきに配置される。中央の列には開口３５ａ及び３５ｂが交互に配置される。また、右の列には開口３５ａが１行おきに配置される。

また、列方向に隣り合う開口３５ａ及び３５ｂの組に含まれる２つの開口３５ａは、列方向に関して相互にたとえば０．５μｍだけ位置座標的に重なっている。

開口３５ａ及び３５ｂ以外の領域はマスク１３の遮光領域である。マスク１３の遮光領域に入射したレーザビームは遮蔽され、開口３５ａ及び３５ｂに入射したレーザビームはマスク１３を透過して、基板１９のアモルファスシリコン膜に照射される。

図２（Ｂ）に、マスク１３を透過して基板１９上に照射されるレーザビーム２０のビーム照射領域３６の一部を示す。ビーム照射領域３６の形状は、マスク１３の開口３５ａの形状と相似形である。

ビーム照射領域３６のうち実線で描いた領域には、開口３５ａを透過したレーザビーム２０が照射される。また、ＸＹステージ１６により基板１９が移動された後、ビーム照射領域３６のうち破線で描いた領域に、開口３５ｂを透過したレーザビーム２０が照射される。

図２（Ｃ）にビーム照射領域３６の一つを示す。

１ショットめのパルスレーザビーム２０がマスク１３を透過して、基板１９のアモルファスシリコン膜に照射される。図２（Ａ）に示した開口３５ａを透過したレーザビーム２０が、本図に示すビーム照射領域３６の実線領域に入射する。ビーム照射領域３６の実線領域のアモルファスシリコン膜が厚さ方向の全域に渡って溶融し、ビーム照射領域３６の短手方向の両端から中央部に向かって結晶化が進行する。

適正なエネルギ密度でビームが照射された場合には問題は生じないが、何かしらの不具合により適正なエネルギ密度よりも低いエネルギ密度でビームが照射された場合、前述したように、結晶の成長が十分に行われず、ビーム照射領域３６の短手方向中央部付近に、長手方向に沿ってのびる２本のリッジ４１、４２が形成される。

制御装置１８から送られる制御信号を受けて、ＸＹステージ１６が駆動され、ＸＹステージ１６に吸着されている基板１９が、図２（Ｂ）における左方向に移動される。 ２ショットめのパルスレーザビーム２０が出射され、マスク１３の開口３５ｂを透過したレーザビーム２０が、ビーム照射領域３６の短手方向中央部付近に、長手方向に沿ってのびる２本のリッジ４１、４２を含む領域に照射される。開口３５ｂを透過したレーザビーム２０が照射される領域を、本図においては、ビーム照射領域３６のうちに破線で描いた。

図２（Ｄ）を参照する。

２本のリッジ４１、４２を短手方向について挟む領域に２ショットめのレーザビーム２０を入射させることによってビーム入射領域のシリコン膜が厚さ方向の全域に渡って再び溶融し、結晶化が生じる。この結晶化によって、リッジ４１、４２の２本のリッジは消滅し、ビーム照射領域３６の短手方向中央部付近に、長手方向に沿ってのびる１本のリッジ４３が形成される。

実施例によるビーム照射方法によれば、１ショットめのビーム照射でリッジが２本発生した場合であっても、２ショットめのビーム照射によりリッジを１本にすることができるため、電気特性の良好な、高品質の結晶を形成することができる。

図３（Ａ）〜（Ｄ）を参照して、変形例によるビーム照射方法を説明する。

図３（Ａ）は、変形例によるビーム照射方法に用いるマスク１３の概略的な平面図である。

変形例によるビーム照射方法に用いるマスク１３は、たとえば矩形状の２つの開口形成領域１３ａ、１３ｂを備える。

図３（Ｂ）に、開口形成領域１３ａに形成されている開口パターンを示す。

本図に示す開口パターンは、図２（Ａ）に示したそれと同一である。

図３（Ｃ）に、開口形成領域１３ｂに形成されている開口パターンを示す。

本図に示す開口パターンは、図３（Ｂ）に示した開口パターンを左右反対にしたものである。

図３（Ｄ）は、基板１９を示す概略的な平面図である。

基板１９には、レーザビーム２０を照射してレーザアニールを行う、たとえば縦７３０ｍｍ、横９２０ｍｍの矩形状領域が画定されている。また、矩形状領域には、帯状のアニール領域１９ａ、１９ｂ、・・が、横方向に沿って矩形状領域を分割するように画定されている。

まず、アニール領域１９ａのレーザアニールを行う。アニール領域１９ａのレーザアニールにおいては、マスク１３の開口形成領域１３ａを透過したレーザビーム２０を基板１９（アニール領域１９ａ）に照射し、図２（Ａ）〜（Ｄ）を用いて説明したビーム照射方法を用いて、アモルファスシリコン膜の結晶化を行う。

すなわち、図３（Ｂ）に示した開口パターンを通して、レーザビーム２０の第１レーザパルスをアニール領域１９ａに照射する。その後ＸＹステージ１６を駆動し基板１９を図面左方向に移動させる。

続いてレーザビーム２０の第２レーザパルスをアニール領域１９ａに照射する。基板１９の図面左方向への移動により、レーザビーム２０の基板１９（アニール領域１９ａ）への入射位置が図面右方向（アニール領域１９ａ中の矢印方向）に移動される結果、開口３５ａが転写されて第１レーザパルスが照射された領域の短手方向中央部付近に、開口３５ｂが転写されて第２レーザパルスが入射する。

これらの工程が繰り返され、アニール領域１９ａの結晶化アニールが終了する。前述したように、アニール領域１９ａには、電気特性の良好な、高品質の結晶が形成される。

次に、ＸＹステージ１６を用いて基板１９を図面下方向に移動させ、アニール領域１９ｂのレーザアニールを行う。アニール領域１９ａのレーザアニールは、レーザビーム２０を基板１９上において図面左から右に走査して行ったが、アニール領域１９ｂのレーザアニールは、レーザビーム２０を図面右から左に走査して行う。そこでアニール領域１９ｂのレーザアニールにおいては、図３（Ｃ）に示した開口パターン（図３（Ｂ）に示した開口パターンとは左右が反対に形成されている開口パターン）を用いる。

レーザビーム２０がマスク１３上において、開口形成領域１３ｂの形成位置に入射するように、マスク移動機構１４を用いてマスク１３を移動する。

アニール領域１９ｂの結晶化アニールとアニール領域１９ａの結晶化アニールとは、ＸＹステージ１６による基板１９の移動方向が反対である点以外は同様である。このため、アニール領域１９ｂについても、高品質に結晶化が行われる。

以後、上記工程を繰り返すことにより、基板１９のアモルファスシリコン膜を高品質に結晶化することができる。

図４に、マスク１３に形成される開口パターンの変形例を示す。

図２（Ａ）、図３（Ｂ）及び（Ｃ）に示した開口パターンは、すべて開口（スリット）３５ａの長手方向の一方側に開口３５ｂが形成されていた。図４に示す開口パターンは、開口３５ａの長手方向の両方側に開口３５ｂが形成されている。

図４に示す開口パターンは、レーザビーム２０を基板１９上において右側に走査する場合は、図３（Ｂ）に示した開口パターンと同様の機能を果たす。また、レーザビーム２０を基板１９上において左側に走査する場合は、図３（Ｃ）に示した開口パターンと同様の機能を果たす。

このため、図４に示す開口パターンを有するマスク１３を、図３（Ａ）に示したマスク１３の代わりに用いて、図３（Ａ）〜（Ｄ）を参照して説明した変形例によるビーム照射方法と同様のビーム照射方法を実施することができる。この場合、マスク移動機構１４が不要であるというメリットがある。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。

たとえば、変形例によるビーム照射方法においては、２つの開口領域１３ａ、１３ｂを備えるマスク１３を用い、アニール領域１９ａと１９ｂをアニールする場合では、マスク移動機構１４によってマスク１３を移動させ、マスク１３へのレーザビーム２０の入射位置を変化させた。開口領域１３ａのみを備えるマスクを使用した場合であっても、マスク移動機構１４によってマスク１３を面内方向に１８０°回転移動させることで、アニール領域１９ａと１９ｂを同様の効果をもってアニールすることができる。

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

レーザ加工、とりわけレーザアニール加工に好適に利用することができる。

実施例によるビーム照射装置を示す概略図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、実施例によるビーム照射方法を説明するための図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、変形例によるビーム照射方法を説明するための図である。 マスク１３に形成される開口パターンの変形例を示す平面図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、アモルファスシリコン膜の結晶化アニールについて説明するための図である。

符号の説明

１０ レーザ光源
１１ ホモジナイザ
１２ 折り返しミラー
１３ マスク
１３ａ、１３ｂ 開口形成領域
１４ マスク移動機構
１５ イメージング光学系
１６ ＸＹステージ
１７ 吸着板
１８ 制御装置
１９ 基板
１９ａ、１９ｂ アニール領域
２０ レーザビーム
３０、３５ａ、３５ｂ 開口
３１、３６ ビーム照射領域
４０〜４３ リッジ

Claims (3)

1. レーザビームを出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射したレーザビームの光路上に配置されたマスクであって、入射するレーザビームを透過する透光領域と、入射するレーザビームを遮蔽する遮光領域とを有し、前記透光領域は、スリット状の第１の開口部と、前記第１の開口部の長さ方向の少なくとも一方側に隣接して形成され、前記第１の開口部の長さ方向に長く、前記第１の開口部の幅より狭い幅を備えるスリット状の第２の開口部とを含むマスクと、
   加工対象物を保持するステージと、
   前記マスクの位置を、前記ステージに保持された加工対象物上に結像させる結像光学系と
   を有し、
   前記マスクの透光領域には、前記第１の開口部と前記第２の開口部の組が、前記第１及び第２の開口部の幅方向に繰り返し形成されており、
   前記第１の開口部の幅は、前記レーザ光源から出射されたレーザビームが、前記第１の開口部を透過して、前記第１の開口部が前記結像光学系により前記加工対象物上に結像されたとき、加工対象物の表面に形成されたアモルファスシリコン膜の、レーザビームの照射領域が溶融し、レーザビームの照射領域の短手方向の両端から中央部に向かって結晶が成長した結果、成長した結晶がぶつかってリッジを形成する大きさであり、
   前記ステージは、前記第１の開口部が前記結像光学系により前記加工対象物上に結像された領域を、前記第２の開口部が前記結像光学系により前記加工対象物上に結像される領域まで、前記第１の開口部の長さ方向に移動させ、
   前記第２の開口部は、前記移動後、前記第２の開口部を透過したレーザビームが、前記リッジを含む領域に照射されるように構成されているビーム照射装置。
2. 前記マスクの透光領域は、前記第２の開口部が、前記第１の開口部の長さ方向の一方側に隣接して形成された第１の透光領域と、前記第２の開口部が、前記第１の開口部の長さ方向の他方側に隣接して形成された第２の透光領域とを含む請求項１に記載のビーム照射装置。
3. 更に、前記マスクを、前記マスクに入射するレーザビームの光軸に垂直な方向に移動させるマスク移動機構を有する請求項１または２に記載のビーム照射装置。
   

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