JP5548127B2 - 線状のビーム断面を有するレーザビームを生成するための方法及び構成 - Google Patents

Description

本発明は、ビーム断面長軸とビーム断面短軸とを有し、長軸上の長さが少なくとも200mmであり、短軸上の長さが最大で800μmである線状のビーム断面を有するレーザビームを生成するための方法及び構成であって、レーザビームが、長軸と短軸の両方に関して、それぞれ一つの焦点面を生成し、これらの焦点面上に、レーザビームのビーム断面が分割された多数の部分ビームをそれぞれ合焦させ、続いて、これらの部分ビームを束ねて、ビーム断面が均質化されたレーザビームを形成することによって、レーザ光源から発するレーザビームを長軸と短軸に関して別々に均質化させる、方法及び構成に関する。レーザビームは、少なくとも長軸に関してテレセントリックに結像される。すなわち、長軸に関して均質化されたレーザビームが、長手方向に沿って伝播方向に向けられた平行な光の部分ビームからなる結像レーザビームに関連付けることができる光路が生じるように、集光光学系によって結像される。

上記の種類の方法及び構成は、かなり以前から、TFT(薄膜トランジスタ)技法に基づくフラットスクリーンの工業的製造で使用されている。これに適した措置の一つは、できるだけ大面積の多結晶シリコン層を用意することであり、このベースの上に、さらに、アレイ状に配置された多数の薄膜トランジスタが加工される。多結晶シリコン層を製造するには、基板を非晶質シリコンで被覆し、この層を、レーザ支援露光法において、制御された局所的光誘導加熱により短時間の溶融工程を介して多結晶シリコンに変換する。この種の、文献で知られている露光法には、エキシマレーザ、例えばXeClレーザが、それ自体知られているように使用され、これらのレーザは、紫外スペクトル領域の光を放出することができ、この光がシリコンによってほぼ完全に吸収され、それによって非晶質シリコンの溶融をもたらす熱的加熱、及びそれに伴う非晶質シリコンから多結晶シリコンへの再結晶化が可能となる。これに関連して、しばしば、ELA法(エキシマレーザアニーリング)が言及される。非晶質シリコンで被覆された基板の表面に、レーザビームによって短時間、溶融工程に必要なエネルギー密度を蓄積し、同時に工業的製造の要件も満たすために、エキシマレーザから発するレーザビームを、例えば線長が370mmであり線幅が400μmである線状のビーム断面形状を有するレーザビームに変形するのが好適であることが判明しており、非晶質シリコン層を局所的に短時間で溶融するために、レーザビームは、この形状で、非晶質シリコンで被覆された基板表面全体にわたって制御されてスキャン又はラスタリングされる。

特に有利には、この種の均質な再結晶化のために、矩形で線状のビーム断面の長軸と短軸の両方に沿って光強度分布の顕著な均質性を有する、適切に整形されたレーザビームが必要である。さらに、短軸に沿った光強度分布に関して、両側で大きなエッジ急峻性を有するビームプロファイルを形成すると有利であり、それにより、ビーム断面短軸に関して、光強度は、理想的と考えられる矩形プロファイルにできるだけ近づけられ、すなわち、ビーム強度プラトー(Strahlintensitaetsplateau)が、側部エッジまでプラトー値を保ち、エッジで急峻に下がる。

これに関連する従来技術で代表的なものとして、米国特許出願公開第2005/0035103A1号が挙げられる。この特許出願において、ELA法の当時の現況技術に関する注目すべき要約が出ており、特にその図1に関して、上記の意味で線状のビーム断面を有するレーザビームを生成するために光路上で下流に配置されたビーム誘導及びまたビーム整形を行う光学系構成を有するエキシマレーザ構成が示されている。したがって、望遠レンズ構成が、エキシマレーザから発する矩形のビーム断面を、光路上で下流に配置されたホモジナイザの入射口に適合させる助けとなる。このホモジナイザは、ビーム断面が矩形のレーザビームを、そのビーム断面短軸とビーム断面長軸とに関してそれぞれ別々に、光強度分布について均質化させることができる。ここで、まずレーザビームは、いわゆる長軸ホモジナイザを通る。この長軸ホモジナイザは、互いに平行に向いた円柱レンズからなる第一の構成と、互いに平行に配置された円柱レンズからなり、光路上で第一の構成の下流に配置された第二の構成とからなり、第一の構成の円柱レンズの焦点又は焦線が、円柱レンズ構成の第一の構成と第二の構成との間に位置する。長軸上で矩形に形成されたビーム断面を結像させるための集光レンズが、光路上で円柱レンズ構成の下流に配置して設けられる。さらに、短軸ホモジナイザがその後に続き、この短軸ホモジナイザも同様に、それぞれ互いに平行に配置された円柱レンズからなる第一の構成と、光路上でその後に続く、互いに平行に配置された円柱レンズの第二の構成とを提供し、短軸ホモジナイザの円柱レンズの軸は、長軸ホモジナイザの円柱レンズ軸に直交する向きになっている。長軸ホモジナイザと同様に、短軸ホモジナイザでも、第一の構成の円柱レンズの焦点又は焦線が、両方の円柱レンズ構成の間に位置する。短軸上で均質化されたビーム断面をさらに結像させるために、その後に集光レンズと視野レンズが設けられ、これらは、短軸上で均質化されたビーム断面をスリットレンズの領域内に結像させる。最後に、光学ルーペ構成が、短軸上のビーム断面形状を縮小し、最終的に、ここで線状に形成され、且つビーム断面が均質化されたレーザビームが、非晶質シリコンで被覆された基板表面上に結像される。これに関するさらなる詳細は、上記の米国特許出願公開第2005/0035103A1号に出ている。補足として、さらに、米国特許出願公開第2006/0209310A1号及び米国特許出願公開第2007/0091978A1号公報も参照されたい。これらの特許出願公開にも同様に、レーザビームを、線状のビーム断面を有するレーザビームに後で変形することを伴う、光学的なレーザビーム均質化のための例示的実施形態が出ているが、これらの例示的実施形態は、上記の米国特許出願公開第2005/0035103A1号に対して根本的な新規性を開示してはいない。

ビーム断面の線状の形状をその長軸に沿って拡大し、また最終的には、いくつかの理由から、非晶質シリコンで被覆されたできるだけ大面積の基板面をELA法により経済的に加工する試みにおいて、像視野湾曲の問題がますます大きくなっている。像視野湾曲は、焦点深さが様々に異なるために、レーザ線に沿った不鮮明な結像をもたらし、その際、像中心から像縁部領域に向かって距離が増加するにつれて不鮮明度が高まる。さらに、結像系の焦点深度が、像視野湾曲によって特に像縁部領域で生じる、像中心での焦点位置に対する焦点の位置ずれとほぼ同じ又はそれよりも小さいときに、この結像誤差がより一層問題となる。しかし、長軸に沿ってレーザビームを結像させるためにテレセントリック結像を用いる場合、すなわちレーザビームに関連付けることができる部分ビームが、長軸ホモジナイザの下流に配置された集光光学系を通過した後に互いに平行な向きになる場合は、像視野湾曲に起因して長軸に関して生じる不利な結像誤差を最小にすることができる。しかし、典型的には450mm以上の線長を有する長い寸法のレーザ線を実現するためのこのような光学構造は、テレセントリック結像光学系を実現するために、長軸ホモジナイザと長軸集光光学系との間に大きな距離を必要とする。しかし、これは、短軸に沿ったレーザビームの結像において問題を生じ、そこで、レーザビームの線長全体にわたって、短軸に沿ってできるだけ理想的な矩形プロファイルに近い光強度分布を、すなわちできるだけ定義された線半値幅及び顕著なエッジ急峻性を有するプロファイルを実現する必要がある。

本発明の目的は、ビーム断面長軸とビーム断面短軸とを有し、長軸上の長さが少なくとも200mmであり、好ましくは400mmよりも大きく、短軸上の長さが最大で800μm、好ましくは400μmである線状のビーム断面を有するレーザビームを生成するための方法であって、レーザビームが、長軸と短軸の両方に関して、それぞれ一つの焦点面を生成し、これらの焦点面上に、レーザビームのビーム断面が分割された多数の部分ビームをそれぞれ合焦させ、続いて、これらの部分ビームを束ねて、ビーム断面が均質化されたレーザビームを形成することにより、レーザ光源から発するレーザビームを長軸と短軸に関して別々に均質化し、レーザビームが少なくとも長軸に関してテレセントリックに結像され、すなわち、長軸に関して均質化されたレーザビームが集光光学系によって結像されて、伝播方向に向いた平行な光の部分ビームからなる結像レーザビームに割り当てることのできる光路が生じるようになる、方法を、大きな結像距離にも関わらず、短軸に沿ったビームプロファイルを、できるだけ鮮明に示される矩形プロファイルで、すなわちできるだけ顕著なエッジ急峻性及び定義された線半値幅で結像面上に結像させることができるように改良することである。したがって、特に、線状のレーザビーム断面の全長に沿って、エッジ急峻性と線半値幅とについて、短軸に関するビームプロファイルをほぼ独立に変化させることができる光学的措置を講じる必要がある。さらに、上記の要件に対応する、レーザビームを生成するための適切な構成を提供する必要がある。

本発明の根底にある目的の解決策が、請求項1に提示される。本発明の解決策による構成は、請求項6の対象である。本発明の思想を有利に発展させる特徴は、従属請求項の対象、及び特に例示的実施形態に関連するさらなる説明から把握することができる。

本発明の解決策によれば、請求項1のプリアンブルの特徴による線状のビーム断面を有するレーザビームを生成するための方法は、短軸上でのレーザビーム断面のビーム整形及びビーム結像のために、光路上で少なくとも二段階の光学的結像が行われ、それにより、一方で、テレセントリックビーム誘導によって必要とされる、短軸ホモジナイザと、好ましくは非晶質Si層を設けられた基板が存在する結像面との間の長い距離を空間的に越えることが可能となり、他方で、エッジ急峻性と線半値幅とに関する互いに独立した調整可能性が提供されることを特徴とする。

本発明の解決策によれば、二段階結像は、光路上で順次に続いて配置された二つの光学的結像ブランチによって実現され、そのうち、第一の光学的結像ブランチは、短軸ホモジナイザの円柱レンズ構成と、その後に続く短軸集光光学系と、光路に続く短軸視野レンズ光学系とからなる。ここで、一方で、短軸集光光学系が均質な像視野を生成し、他方で、後に続く視野レンズ光学系が、短軸ホモジナイザの両方のシリンダ構成の間に鮮明に結像した焦点面であって、短軸に関して分割された部分ビームがラインアレイの形に結像された焦点面を第一の瞳面に結像させるように、個々の光学ユニットが互いに調整して配置される。

光路上で第一の結像ブランチの下流に配置された第二の結像ブランチは、第一の均質ブランチのフレーム内で生成された均質な像視野を、第二の集光光学系によって第二の均質な像視野に結像させ、同時に、第一の瞳に結像された短軸ホモジナイザの焦点面が、第二の視野レンズ光学系によって第二の瞳に結像され、この第二の瞳は、レーザビームを結像面上にテレセントリックに結像させるための結像光学系の入射瞳に相当し、この結像面上には、同時に、長軸集光光学系によって、長軸に関して均質化されたレーザビームも結像される。したがって、第二の結像ブランチは、排他的に、短軸集光光学系と、短軸視野レンズ光学系とからなる。

集光光学系と視野レンズ光学系とをそれぞれ利用できる両方の光学ブランチにおける別々の結像により、短軸上のビームプロファイルを、エッジ急峻性と線半値幅とについて別々に変えるため又は所期の通りに最適化するための前提が満たされることが分かった。これは、さらなる実施形態に示されるように、上記第１及び第２の光学的結像ブランチに属する個々の集光及び／又は視野レンズ光学系の軸方向移動によって達成することができる。さらに、上記第１及び第２の結像ブランチに沿って含まれる光学系の回転が、少なくとも線半値幅に対して影響を及ぼす。

本発明の解決策による概念、及び結像光路に沿って配置される光学要素の具体的な構成を、例示的実施形態に関連してさらに説明する。

以下、本発明を、図面に関連して、例示的実施形態に基づいて、全般的な本発明の思想を限定せずに例示的に説明する。

短軸に関するレーザビーム断面の結像を示すための、光学要素を有する光路を示す図である。 長軸に関するレーザビームの結像を表すための、光学要素を有する光路を示す図である。 図3a、bは、短軸に関するエッジ急峻性と線半値幅が別々に調整可能なことを示す図である。

図1に、線長、すなわち長軸に沿った最大長さが200mmよりも長く、好ましくは450mmよりも長く、線幅が最大で800μm、好ましくは400μmである線状のビーム断面を生成するための、レーザビームの短軸に関するビーム整形及びビーム結像を例示する光路が示されている。図2は、図1による光路に対して単に90°回転された視点を示しており、長軸に沿ったビーム整形を表す。さらに、両図を同時に参照することもできる。

エキシマレーザから発するレーザビームLが、適切な結像光学系、例えば望遠レンズによって、長軸ホモジナイザLAHと短軸ホモジナイザSAHとから構成されるホモジナイザHの入射口に適合されると仮定する。

図1及び図2に示される光路は、左から右へのビーム方向で、いわゆる長軸ホモジナイザに属する円柱レンズ構成LAH1及びLAH2を提供する。これらの構成は、長軸集光レンズLACLと共にアフォーカル光学系を形成し、テレセントリック結像光学系となり、これは、ビーム断面長軸上で均質化されたレーザビームを、長軸集光レンズLACLを通過した後に光軸に沿って平行にし、例えば非晶質シリコンで被覆された露光対象の基板が配置された結像面HFLA上に、長軸上で均質化された像視野を生成する。さらに、テレセントリック結像により、長軸に沿って、像視野湾曲に起因する結像誤差を少なくともかなり抑制することができる。したがって、長軸集光レンズLACLは、LAH2及びLAH1からなる円柱レンズ構成に対して、この長軸ホモジナイザによって分割された各部分ビームが集光レンズを通過した後に平行な部分ビームとなるような距離の所に配置され、全ての平行な部分ビームが結像面HFLA上で重畳する。

長軸構成のための上述した光学要素の光学焦点距離の選択に基づけば、距離dは、典型的には3メートル以上で、比較的大きな距離であり、短軸上で均質化するべきビーム断面を結像面HFLA上に結像させるためには、これだけのの距離をとる必要がある。加えて、光路上で長軸ホモジナイザLAHの下流に、第一の円柱レンズ構成SAH1と第二の円柱レンズ構成SAH2とからなるいわゆる短軸ホモジナイザSAHが配置され、長軸ホモジナイザと同様に、両方の円柱レンズ構成SAH1とSAH2との間に位置する焦点面が設けられ、第一の円柱レンズ構成SAH1によって部分ビームに分割された短いビーム断面が、この焦点面上でスポット又はラインアレイの形に合焦される。

短軸ホモジナイザの下流に、短軸集光レンズSACL1が配置され、この短軸集光レンズSACL1により、ビーム断面短軸に沿って均質化して形成された像視野HFSA1が生成される。均質化された像視野HFSA1は、短軸上でほぼ矩形のビームプロファイルを有し、このプロファイルを、さらに結像面HFLA上に結像させる必要がある。光路上で、均質化された像視野HFSA1の上流に短軸視野レンズSAFL1が設けられ、この短軸視野レンズSAFL1によって瞳P1が定義され、この瞳P1に、短軸ホモジナイザの両方の円柱レンズ構成SAH1とSAH2との間に位置する焦点面が鮮明に結像される。短軸上で均質化されたレーザビームプロファイルの結像に関する上述した光学構成要素、すなわちSAH1、SAH2、SACL1、及びSAFL1が、均質化された像視野HFSA1を生成するためのいわゆる第一の結像ブランチIを形成する。

光路上で後に続く第二の光学結像ブランチIIは、第二の短軸集光レンズSACL2と、光路上でそれに続く第二の短軸視野レンズSAFL2とのみを有する。ここで、第二の短軸集光レンズSACL2は、第一の均質な像視野HFSA1を結像させて、光路に沿った空間平面内に第二の均質な像視野HFSA2を生成するように作用し、この空間平面内に、好ましくは、スリット状の遮光構成が取り付けられる。スリットのサイズは、均質な像視野HFSA2の実際のビーム断面よりも大抵は大きい。他方、第二の短軸視野レンズSAFL2は、瞳P1を瞳P2に結像させ、瞳P2は、同時に、結像光学系pレンズSAの入射瞳に相当する。典型的には、この結像光学系は、収束光学系からなり、この光学系により、レーザビーム断面の短軸が例えば5分の1に収束されて、結像面HFLA上にテレセントリックに結像される。

上述した二つの光学結像ブランチI及びIIのどちらにも集光レンズと視野レンズとをそれぞれ設けることが非常に重要である。それにより、均質な像視野HFSA1又はHFSA2内に、ほぼ矩形に形成されたビームプロファイルが短軸上で形成される可能性がもたらされ、そのエッジ急峻性と線半値幅とに別々に影響を及ぼすことができる。したがって、第二の結像ブランチ内での視野レンズ位置の、特に短軸視野レンズSAFL2の光軸に沿った軸方向移動によって、エッジ急峻性は同じ又はほぼ同じままで、線半値幅を変えることができることを示すことができた。このことは、図3aに示される図に示されている。その縦軸に沿って光強度値を示し、その横軸に沿って偏移量をmm単位で示してある。この図に示される3本の曲線は、通常位置1から出発して、短軸視野レンズSAFL2を(通常位置に対して)右へ20mm(曲線2参照)、及び左へ20mm(曲線3参照)移動させた場合の光プロファイルを表す。線半値幅が変化するにも関わらず、ビームプロファイルのエッジ急峻性は、三つの位置の全てでほぼ同じままであることが示される。

逆に、短軸集光レンズSACL2を軸方向で移動させることにより、線半値幅を一定に保ちながらエッジ急峻性を変えることができる。これは、図3bによる図から読み取ることができる。この図の軸の次元は、図3aの図によるものと同一である。ここでも、短軸集光レンズ2の異なる軸方向位置によるビームプロファイルの三つの異なる推移が見分けられる。

LAH 長軸ホモジナイザ
LAH1 長軸ホモジナイザの第一の円柱レンズ構成
LAH2 長軸ホモジナイザの第二の円柱レンズ構成
SAH 短軸ホモジナイザ
SAH1 短軸ホモジナイザの第一の円柱レンズ構成
SHA2 短軸ホモジナイザの第二の円柱レンズ構成
SACL1 短軸集光レンズ
SAFL1 短軸視野レンズ
HFSA1 短軸に関する第一の均質な像視野
P1 第一の瞳
LACL 長軸集光レンズ
SACL2 短軸集光レンズ
SAFL1 短軸視野レンズ
HFSA2 短軸に関する第二の均質な像視野
P2 第二の瞳
pレンズSA 収束光学系
HFLA 結像面
H ホモジナイザ

Claims (5)

1. ビーム断面長軸とビーム断面短軸とを有し、長軸上の長さが少なくとも200mmであり、短軸上の長さが最大で800μmである線状のビーム断面を有するレーザビームを生成するための方法であって、前記レーザビームが、長軸と短軸の両方に関して、それぞれ一つの焦点面を生成し、前記焦点面上に、前記レーザビームのビーム断面が分割された多数の部分ビームをそれぞれ合焦させ、続いて、前記部分ビームを束ねて、ビーム断面が均質化されたレーザビームを形成することにより、レーザ光源から発するレーザビームを、長軸と短軸に関して別々に均質化し、前記レーザビームが、少なくとも長軸に関してテレセントリックに結像され、すなわち、長軸に関して均質化されたレーザビームが集光光学系(LACL)によって結像されて、伝播方向に向いた平行な光の部分ビームからなる結像レーザビームに割り当てることのできる光路が生じるようになる方法において、以下の方法ステップ、すなわち、
   第一の集光光学系(SACL1)により、短軸上で均質化して合わさったビーム断面を結像させて、均質な像視野(HFSA1)を生成し、第一の視野レンズ光学系(SAFL1)によって第一の瞳(P1)を生成し、前記第一の瞳(P1)に、短軸に関して分割された部分ビームが合焦された焦点面が結像されるステップと、
   第二の集光光学系(SACL2)によって、前記均質な像視野(HFSA1)を第二の像視野(HSFA2)に結像させ、第二の視野レンズ光学系(SAFL2)によって、前記第一の瞳(P1)を第二の瞳(P2)に結像させるステップであって、前記第二の瞳(P2)が、結像面上に前記レーザビームをテレセントリックに結像させるための結像光学系(pレンズSA)の入射瞳に相当し、前記結像面上に、長軸に関して均質化されたレーザビームが前記集光光学系(LACL)によって結像されるステップと
   を特徴とする方法。
2. ビーム方向に沿った前記第一の集光光学系(SACL1)または前記第二の集光光学系(SACL2)の軸方向移動により、短軸に関連付けることができる線半値幅に影響を及ぼさずに、短軸に関連付けることができるエッジ急峻性の変化、すなわち平均ビームプラトーの10〜90%の変化が可能となることを特徴とする請求項1に記載の方法。
3. ビーム方向に沿った前記第一の視野レンズ光学系(SAFL1)または前記第二の視野レンズ光学系(SAFL2)の軸方向移動により、短軸に関連付けることができるエッジ急峻性に影響を及ぼさずに、短軸に関連付けることができる線半値幅の変化が可能となることを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
4. 長軸上の長さが少なくとも450mmであり、短軸上の長さが少なくとも100μmである線状のビーム断面を有するレーザビームが生成されることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記第二の像視野(HSFA2)が、スリット状の遮光構成の領域内に結像されることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。

Images