WO2004093174A1

WO2004093174A1 - レーザ処理装置及びレーザ処理方法

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Publication number: WO2004093174A1
Application number: PCT/JP2004/001797
Authority: WO
Inventors: Takashi Nire
Original assignee: Phoeton Corp.
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2004-02-18
Publication date: 2004-10-28
Also published as: JP2004311906A; TW200424031A; TWI238093B; KR20050119132A

Abstract

エネルギの利用効率や処理精度を高め、狭ピッチの複数の微小箇所の同時処理を可能にしたレーザ処理装置及びレーザ処理方法である。　レーザ処理装置は、複数のビーム２０を形成するとともに、各ビーム毎に焦点２２を形成する光学素子（マイクロレンズアレイ１６、マイクロレンズ２７）と、この光学素子で形成された前記ビームの各焦点を被処理面２８側に転写して結像させる光学系（縮小転写光学系１８）とを備えた構成としたものである。レーザ処理方法は、係るレーザ処理装置に発生させたレーザエネルギを用いて被処理物（ワーク２６）に対し、穿孔、エッチング、ドーピング、アニール等、加工・改質・成膜等の各種のレーザ処理を行う。

Description

レーザ処理装置及びレーザ処理方法

技術分野

本発明は、レーザエネルギを用いて被処理物に対し、穿孔、エッチング、ド一ビング、ァニール等、加工 ·改質 ·成膜等の各種のレーザ処理を行うレーザ処理明

装置及びレーザ処理方法に関する。細

背景技術

穿孔、エッチング、ドーピング、ァニール等、各種の加工、改質、成膜等の処理にレーザエネルギを利用することが行われており、このレーザ処理の関連技術に関し、例えば、特開昭 6 3— 2 2 0 9 9 1号公報、特開 2 0 0 1— 6 2 5 7 8 号公報、特開平 4— 3 5 6 3 9 2号公報、特開 2 0 0 1— 2 6 9 7 8 9号公報等が存在する。

穿孔加工について、特開昭 6 3 - 2 2 0 9 9 1号公報には、マスク投影を用いる処理が開示されている。この場合、加工部はレーザ光を透過、非加工部はレ一ザ光を遮光するマスクを使用することにより、任意形状に加工する。また、 .特開 2 0 0 1 - 6 2 5 7 8号公報には、回折型光学部品と f s i n Sレンズの組み合わせについて開示されており、この場合、レーザ光を回折して多数のビームを発生する回折型光学部品と、回折型光学部品から出た多数の分岐ビームを集光する f s i n 0レンズとよりなる構成が開示されている。

マイクロレンズアレイ集光について、特開平 4— 3 5 6 3 9 2号公報には、マスクの光伝搬部に円形のフレネルレンズを平面内に並べ、レーザ光を集光することにより、プリント基板の同時多数箇所加工について開示されている。これは、エネルギ効率が優れている。また、特開 2 0 0 1— 2 6 9 7 8 9号公報には不安定共振器を備えたレーザを使用し、ビーム拡がり角を少なくすることにより、微小なビーム集光径を可能としたものが開示されている。

また、レーザァニールによるアモルファス S iの結晶化に関し、現状のァモルファス S iの結晶化技術には、ガラス基板上に成膜されたアモルファス S i薄膜に、高出力エキシマレーザからのレーザをラインビームに成形して、そのラインビームに垂直な方向にラインビームを走査しながら照射し、ガラス基板上のァモルファス S i全体を順次溶融再結晶化させて多結晶 S i膜を得る方法がある。この処理方法について、現在既に実用化され、主に携帯機器用の高性能 T F T (Th in Fi lm Transistor) 液晶ディスプレイの製造技術として利用されており、その公知文献として、例えば、東芝レビュー V 0 1 . 5 5， N o . 2 ( 2 0 0 0 ) 西部徹他「低温 p _ S i T F T」がある。

ところで、マスク投影による処理 (特開昭 6 3 - 2 2 0 9 9 1号公報) では、遮光される非加工部分のエネルギが無駄になるため、エネルギ効率が悪く、加工部分のエネルギを高めると、消費エネルギが非常に大きくなる。また、装置が大型になるため、この装置を生産に利用する場合には生産コス卜が高くなる傾向がある。

回折型光学部品と f s i η Θレンズを組み合わせる技術（特開 2 0 0 1— 6 2 5 7 8号公報）では、回折型格子により入射ビームを回折し、 f s i η 6»レンズにより集光しているため、穴数が増えるに従い、より高次の回折光を使う必要がある。回折の次数力上がれば上がるほど回折効率が落ちるため、加工面内でビ一ム強度分布を生じ、多数孔の同時加工や多数孔の加工径の制御が困難である。また、マイクロレンズアレイ集光 (特開平 4一 3· 5 6 3 9 2号公報、特開 2 0 0 1 - 2 6 9 7 8 9号公報）では、微小径の加工を実施する場合に次のような不都合がある。

第 1に、ビーム拡がり角の影響が大きい。一般的に高出力の紫外光レーザとして使われるエキシマレーザ等は、ビーム拡がり角が大きい。ビーム拡がり角が大きいと、焦点のボケが大きくなる。一般の球面レンズでは、

焦点ボケ =ビーム拡がり角 X焦点距離

の関係がある。このため、ビーム拡がり角が大きい場合には、微小径への集光 · 加工が困難となる。そこで、不安定共振器を備えたレーザを使用し、ビーム拡がり角を小さくする方法がある。しかし、不安定共振器は、光学系が複雑であり、、。ルスエネルギが小さい。第 2に、狭ピッチの加工が困難である。球面レンズの集光には、次の関係があ焦点径二定数 X波長 ζ開口数

開口数 =レンズ半径 /焦点距離

このような関係から、微小径を加工するには、レンズの開口数 (=レンズ半径 /焦点距離）力大きいことが必要である。そのため、レンズ半径を大きくとる必要がある。また、エネルギ効率を上げるためには、エネルギの集光率を上げることが好ましく、レンズ半径は大きいことが望ましい。一方、加工点のピッチはレンズのピッチに対応するため、加工点のピッチはレンズ径より大きくなる。そのため、レンズ半径を大きくすると、狭ピッチの加工が困難になる。

第 3に、加工の影響による性能劣ィヒが生じる。微小径を加工するには、レンズの開口数（二レンズ半径ノ焦点距離）が大きいことが必要である。そのため、焦点距離を小さくする必要がある。また、焦点ボケ（二ビーム拡がり角 X焦点距離

) を小さくする観点からも、焦点距離を短くする必要がある。

また、特開平 4 - 3 5 6 3 9 2号公報、特開 2 0 0 1— 2 6 9 7 8 9号公報に開示された構成では、焦点距離がワーキングディスタンス（レンズと被加工物との距離）と殆ど等しく、ワーキングディスタンスが小さいと、加工時、被加工物からの汚染物付着や熱の影響を受け、加工不良やレンズの性能劣化、破損を引き起こすおそれがある。

また、 T F Tの粒界による性能限界について、従来の低温 p— S iの形成では、幅数百 /z m、長さ数百 mmのラインビ一ムを走査して溶融再結晶化させるために無数の結晶核が発生し、そこに形成されたトランジスタのチャネル内に数個から数十個の結晶粒界が存在する。このため、トランジスタの重要な特性値であるしきい電圧値 ·電流値のばらつきや 0 F F電流値の增大等の問題があり、メモリや M P Uのような高度な I Cの製造には不向きである。

また、高消費エネルギについて、液晶の画素スイッチング用 T F Tのための結晶化を例に取ると、液晶の R G B画素のピッチカ <縦横寸法が例えば、 1 2 0 〔〃 m〕、 4 0 ί β πι) で T F Τのサイズを例えば、 1 0 X 1 0 〔〕として単純に面積比で計算すると、 1一 { (1 0 X 1 0) / (1 20 X 40) } = 47/4 8

となる。この結果から明らかなように、約 9 8%の部分は不要であり、後のエツチング工程で除去される。このため、殆ど廃棄される部分に、非常に大きなエネルギが消費されており、無駄である。

また、基板への熱負荷に関し、本来不要なェネルギが薄膜に供給されているため、その基板に必要以上に熱負荷を与えている。このため、プラスチックのような熱可塑性の基板に作成する T F Tについて阻害要因になっている。発明の開示

本発明の第 1の目的は、エネルギの利用効率を高めたレーザ処理装置及びレ一ザ処理方法を提供することにある。

また、本発明の第 2の目的は、処理精度を高めたレーザ処理装置及びレーザ処理方法を提供することにある。

また、本発明の第 3の目的は、狭ピッチの複数の微小箇所の同時処理を可能にしたレーザ処理装置及びレーザ処理方法を提供することにある。

上記第 1、第 2又は第 3.の目的を達成するため、本発明のレーザ処理装置は、複数のビーム（2 0、 7 0、 7 4、 8 6、 9 2) を形成するとともに、各ビーム毎に焦点 2 2を形成する光学素子（マイクロレンズァレイ 1 6、マイクロレンズ 2 7) と、この光学素子で形成された前記ビームの各焦点を被処理面 2 8側に転写して結像させる光学系（縮小転写光学系 1 8) とを備えた構成としたものである。光学素子は、屈折型素子又は回折型素子の何れでもよい。被処理面とはレ一ザが照射される被処理物の面であって、加工等の処理が進む場合にレーザェネルギを受ける受光面である。この被処理面とビームの焦点とは、一致してもよいが、一致する必要はない。

このような構成とすれば、光学素子で所望のパターンにレーザのビームを集光させるため、エネルギ利用効率が高く、マスク投影方式に比較し、エネルギ損失が低減するとともに、焦点のボケがなく、マイクロアレイ集光方式に比較し、集光精度が高く、また、光学系で焦点のピッチを高精度に調整できるので、狭ピッチで穿孔加工が可能になる等、処理精度が高められる。ビームの焦点数等に応じ 4 001797 て、複数箇所の穿孔、エッチング、ドーピング、ァニール等、加工'改質 '成膜等の各種のレーザ処理が行える。

上記第 1、第 2又は第 3の目的を達成するためには、前記被処理面を持つ被処理物（ワーク 2 6 ) 、前記光学素子又は前記光学系を各光軸方向に移動させることにより、前記ビームの前記被処理面に対する照射面積を変更させる構成としてもよい。このような構成とすれば、所望の照射面積にビームを調整でき、処理範囲が高精度に制御される。

上記第 1、第 2又は第 3の目的を達成するため、本発明のレーザ処理方法は、複数のビームを形成するとともに、各ビーム毎に焦点を形成する工程と、前記ビ —ムの各焦点を被処理面側に転写して結像させ、前記被処理面にビーム照射によりレーザ処理を施す工程とからなるものである。

このような処理によれば、既述したように、所望のパターンにレーザのビームを集光させることにより、エネルギ利用効率が高く、マスク投影方式に比較し、エネルギ損失を低減させ、焦点のボケがなく、マイクロレンズアレイ集光方式に比較し、集光精度が高く、また、光学系で焦点のピッチを高精度に調整できるので、狭ピッチで穿孔加工が可能になる等、高い処理精度が得られる。この結果、ビームの焦点数等に応じて、複数箇所の穿孔、エッチング、ドーピング、ァニ一ル等、加工 ·改質 ·成膜等の各種のレーザ処理が行える。

上記第 1、第 2又は第 3の目的を達成するためには、前記レーザ処理は、前記被処理面に対して複数回のビーム照射を行うとともに、該ビームの前記被処理面に対する照射面積を同一又は異ならせるようにしてもよい。即ち、ビーム照射を一回で完了させてもよいが、本発明では、複数回のビーム照射によりレーザ処理することが可能であり、この場合、照射面積を同一にすれば、同一領域に対する多重処理となり、照射面積を異ならせれば、照射回数に応じた処理部分と、照射回数の少ない処理部分とを選択的に形成することができる。このような処理により、径の異なる穿孔ゃ改質等の多様なレーザ処理が可能になる。

上記第 1、第 2又は第 3の目的を達成するためには、前記被処理面を持つ被処理物、光学素子又は光学系を各光軸方向に移動させることにより、前記ビームの前記被処理面に対する照射面積を変更させるようにしてもよい。このような処理 4 001797 によれば、所望の照射面積にビームが調整され、処理範囲の制御が可能である。上記第 1、第 2又は第 3の目的を達成するためには、前記レーザ処理は、前記被処理面に対する穿孔、表面改質又は熱処理を含み、前記被処理面に前記ビームの焦点数に応じた処理を同時に行うようにしてもよい。即ち、本発明に係るレーザ処理方法は、レーザのビームやエネルギの大きさに応じた各種の処理に適用されるものである。

以上説明したように、本発明によれば、次の効果及ないし利点がある。

a レーザエネルギの利用効率を高めた穿孔、エッチング、ドーピング、ァニ —ル等、加工 ·改質 ·成膜等の各種のレーザ処理を実現することができる。

b 穿孔等の各種レーザ処理の処理精度を高め、処理装置側の劣化を防止でき o

そして、本発明の他の目的、特徵及び利点は、添付図面及び各実施形態を参照することにより、一層明瞭となるであろう。図面の簡単な説明

図 1は本発明の第 1の実施形態に係るレーザ処理装置を示す図である。

図 2はマイクロレンズァレイ及び縮小転写光学系の処理を示す図である。

図 3は縮小転写光学系の一例を示す図である。

図 4は縮小転写光学系で形成される焦点の形態を示し、（A) は仮想被処理面側の焦点を示す図、（B ) は被処理面側の焦点を示す図である。

図 5はマイクロレンズの集光形態を示し、（ A) は標準的な集光状態を示す図、 ( B) は焦点位置が調整された状態の集光形態を示す図である。

図 6は第 1の実施形態に係るレーザ処理装置の変形例を示す図である。

図 7は本発明の第 2の実施形態に係るレーザ処理装置を示す図である。

図 8は本発明の第 3の実施形態に係るレーザ処理方法によるレーザシ一ディング熱処理を示す図である。

図 9は第 3の実施形態に係るレーザ処理方法によるレーザシーディング熱処理を示す図である。

図 1 0は本発明の第 4の実施形態に係るレーザ処理方法による座刳り穿孔処理を示す図である。

図 1 1は第 4の実施形態に係るレーザ処理方法による座刳り穿孔処理を示す図である。発明を実施するための最良の形態

(第 1の実施形態)

本発明の第 1の実施形態に係るレーザ処理装置を図 1を参照して説明する。図 1は、レーザ処理装置の概要を示している。このレーザ処理装置 2において、レ一ザ装置 4はレーザ光 6を発生する発生源であって、例えば、安定共振器を備えたエキシマレーザ装置で構成されている。レーザ装置 4はビーム拡がり角の影響を減らすために、不安定共振器、注入同期型を用いてもよく、例えば、エネルギ制御可能なものが用いられる。発生させたレーザ光 6はアツテネ一タ 8を介して第 1の光学系としての拡大光学系 1 0に加えられる。アツテネータ 8はエネルギを減衰させる手段としてのビーム強度調整用フィルタであって、了ッテネ一タ 8 には、例えば、数段階透過率を備え、その透過率の自動切換機構を備えるものが使用される。

拡大光学系 1 0は、レーザ光 6を細いビームから広いビームに拡大させる手段であって、有効にエネルギを使用できるように、加工ないし処理領域のサイズに応じてビーム寸法を変形させる。この場合、ビームの拡大により、ビーム拡がり角が小さくなり、焦点ボケが小さくできるので、大きめに拡大しておくのがよい

。この場合、強度分布を変える強度分布光学手段等を備えてもよい。また、レーザ装置 4で広いビームが得られる場合には、この拡大光学系 1 0は不要である。この拡大光学系 1 0を通過したレーザ光 6は'ミラ一 1 2を経て所望方向に導びかれる。ミラー 1 2はレーザ光 6の方向を変える手段であり、光軸調整用に 2個以上のミラ一を備えてもよい。この実施形態では、ミラ一 1 2により、拡大光学系 1 0の光軸と直交方向に反射させたレーザ光 6はステージ 1 4の上面方向に導びかれている。

ステージ 1 4の上方には、第 2の光学系としてマイクロレンズアレイ 1 6、第 3の光学系として縮小転写光学系 1 8が設置されている。マイクロレンズアレイ 4 001797

1 6は、拡大光学系 1 0で得られた広いビームから複数のビーム 2 0を形成し、各ビーム 2 0毎に焦点 2 2を結像させる光学手段であって、上下移動機構 2 4によりその光軸に対して上下方向の位置調整が可能である。この実施形態では、一つのマイクロレンズアレイ 1 6を開示しているが、エネルギ集光度の大きく異なる二つ以上のマイクロレンズァレイを設置し、複数のマイクロレンズアレイを切り替えて使用してもよい。そして、縮小転写光学系 1 8は、マイクロレンズァレィ 1 6側で形成された焦点 2 2をステージ 1 4の被処理物であるワーク 2 6の被処理面 2 8側に転写して焦点 3 0を結像させる手段である。

縮小転写光学系 1 8の下面側には、保護用部材として石英板 3 2が設置され、この石英板 3 2は、処理時に飛散する汚染物が光学系に付着して性能を劣化させないように設置されている。この石英板 3 2は、汚染時には簡便に交換可能とし、保護用部材としては、透過特性が良く、レーザに耐えられる材質であればよく、石英板 3 2に限定されるものではない。この石英板 3 2の設置により、縮小転写光学系 1 8の光学系がワーク 2 6側から飛翔する汚染物から防護される。

また、ステージ 1 4の上面側には、縮小転写光学系 1 8の下面側の処理空間部 3 4を挟んでガスフロー機構 3 6と排気機構 3 8が設置されている。ガスフロー機構 3 6はファン等で構成されて、窒素、ヘリウム等の不活性ガスや空気等のガス Gの噴射手段であり、加工時に飛散する汚染物が光学系に付着しないように、ガス Gを流す。このガスフロー機構 3 6と反対側に設置された排気機構 3 8は、処理空間部 3 4に供給されたガス Gを吸引して外部に排気する手段であり、処理空間部 3 4等を清浄化する。

そして、ステージ 1 4は、加工等の処理位置変更用の X Yステージであって、水平移動機構 4 0により矢印 L、 R方向及び紙面に垂直方向に移動可能であり、上下移動機構 4 2により矢印 U、 D方向に移動可能である。この水平方向又は上下方向の移動により、ワーク 2 6の被処理面 2 8の水平位置及び上下位置が調整される。即ち、三次元方向に位置調整が可能である。光学調整用の高さ調整及び角度調整機構を備えてもよい。また、ステージ 1 4には、ワーク 2 6等の被処理物を把持できる機構を備えており、例えば、吸着ステージで構成され、構成材料には処理時に貫通したビ一ムで損傷しなレ、材質を使用する。次に、このレーザ処理装置 2のマイクロレンズァレイ 1 6及び縮小転写光学系 1 8を図 2を参照して説明する。図 2は、マイクロレンズァレイ 1 6及び縮小転写光学系 1 8の概要を示している。マイクロレンズアレイ 1 6は、既述したように、拡大光学系 1 0で広いビームに変更されているレーザ光 6から複数のビーム 2 0を形成し、各ビーム 2 0毎に焦点 2 2を仮想被処理面 2 5に形成する光学手段であることから、形成するビーム 2 0の数に応じて複数の微小な光学素子としてマイクロレンズ 2 7を備えている。

このマイクロレンズアレイ 1 6は、多数の微小光学素子を備えたものであり、屈折型レンズ、フレネルレンズ、バイナリォプティクス等で構成されている。この場合、一般的な球面レンズと同等の集光とは限らない。任意の強度分布に形成可能なものも含む。例えば、ビーム強度分布が一つの凸型 aの中心に凸型 aよりも面積が小さく高さが高い凸型 bを重ね合わせたものになる回折型レンズを使用することにより、後述の深い小径穴と浅い大径穴の同時加工という処理に対応することが可能である。そして、このマイクロレンズアレイ 1 6は屈折型素子又は回折型素子の何れの形態でもよい。このマイクロレンズアレイ 1 6は屈折型素子や回折型素子で構成されるが、このマイクロレンズアレイ 1 6に代えてホロダラム等の回折型素子を用いてもよい。図示しないが、また、光学系調整が可能なように、マイクロレンズ 2 7の高さ、あおり、角度調整用機構を備えてもよい。また、縮小転写光学系 1 8は、マイクロレンズアレイ 1 6側で形成された焦点 2 2をステージ 1 4の被処理物であるワーク 2 6の被処理面 2 8側に転写して焦点 3 0として結像させる。即ち、マイクロレンズ 2 7の焦点面を縮小転写して像面を形成する。基本的には、この像面をワーク面上に形成して作業を行う力像面をワーク面に垂直方向に移動させた面に形成して作業を行つてもよい。ワーク面に垂直に入射する光学系にすることにより、真円且つ垂直な穴加工等が可能となる。縮小転写光学系 1 8とワーク 2 6の被処理面 2 8とのヮ一キングディスタンスが長くなるように設計し、収差を補正した設計とする。被処理面 2 8上の焦点ピッチ P ₂ は、仮想被処理面 2 5上の焦点ピッチより狭められている。この結果、焦点密度を高めることができる。焦点ピッチ P ₂ は、加工等の被処理面 2 8における処理点ピッチとなる。 2004/001797 この縮小転写光学系 1 8は、例えば、図 3に示すように、凸レンズ 4 4、 4 6 、 4 8、凹レンズ 5 0及び凸レンズ 5 2、 5 4、 5 6で構成されているが、仮想被処理面 2 5に形成されるビーム 2 0及び焦点 2 2を被処理面 2 8側に転写して焦点 3 0として結合させるとともに、その焦点間隔を狭める光学的処理には各種の光学系が用いられ、図 3に示した光学系に限定されるものではない。

この縮小転写光学系 1 8のピッチ制御について、仮想被処理面 2 5上の焦点 2 2、被処理面 2 8の焦点 3 0を図 4を参照して説明する。図 4の（A) は仮想被処理面 2 5に形成された焦点 2 2、図 4の（B ) は被処理面 2 8に形成された焦点 3 0を示している。

図 4の（A) に示すように、マイクロレンズアレイ 1 6により、仮想被処理面 2 5に複数の焦点 2 2力形成されると、この焦点 2 2において、は焦点 2 2 間のピッチであり、この場合、中心点間距離である。 d t は焦点 2 2の理想焦点径、は焦点ボケである。また、図 4の（B ) に示すように、縮小転写光学系 1 8を経て被処理面 2 8に形成された焦点 3 0において、 P ₂ は焦点 3 0間のピツチ（処理点ピッチ）であり、中心点間距離である。 d ₂ は焦点 3 0の理想焦点径、 u ₂ は焦点ボケである。ここで、縮小転写光学系 1 8の縮小率を Mとすると d ₂ =M x d i · · · (1)

P ₂ = Μ Χ Ρ ι · · · (3) が成立する。

また、マイクロレンズァレイ 1 6及び縮小転写光学系 1 8による焦点 2 2、 3 0の面積制御について、図 5を参照して説明する。図 5の（A) 及び（B ) は、マイクロレンズアレイ 1 6によって形成される焦点の変ィ匕を示している。

マイクロレンズ 2 7の焦点距離 f を仮想被処理面 2 5力、らずらし、仮想被処理面 2 5で焦点 2 2の径！を例えば、図 5の（B ) に示す焦点 2 2 0 (径 ch ' ) のように大きくすれば、被処理面 2 8側の焦点 3 0の径 d ₂ を大きくできる。これとは逆に、仮想被処理面 2 5で焦点 2 2の径！を小さくすれば、被処理面 2 8側の焦点 3 0の径 d ₂ を小さくできる。ここで、 f をマイクロレンズ 2 7の焦点距離、 Dをマイクロレンズ 2 7の開口径とすれば、マイクロレンズ 2 7と仮想被処理面 2 5との距離 W. D . 1は、

W. D . 1 = (D - d . ) X ( f /D) · · · (4) となる。このような制御により、容易に被処理面 2 8の処理点径が制御される。次に、このレーザ処理装置 2による処理を説明する。

レーザ装置 4にはエネルギが一定となるように制御してレーザ光 6を発振させる。安定した発振が可能なエネルギで制御し、被処理面 2 8でのビーム強度が大きい場合は、適切なビーム強度となるようにアツテネ一タ 8を調整する。ビーム強度とビームの積算照射時間の適切な条件により、ワーク 2 6の被処理面 2 8に対して加工等の処理を行う。条件を調整することにより、例えば、貫通穴の他、制御された深さの穴の加工が可能である。

縮小転写光学系 1 8側の仮想被処理面 2 5に、マイクロレンズ 2 7の焦点位置を合わせると、被処理面 2 8でビームゥヱスト状に集光するため、ワーキングディスタンスの精度が緩くなり、処理点径の制御が容易に行える。そして、マイク口レンズ 2 7の焦点位置を仮想被処理面 2 5からずらし、仮想被処理面 2 5でのビーム径を大きくすることにより、処理点径を大きくすることが可能である。この場合、図 6に示すように、縮小転写光学系 1 8を上下移動機構 5 8により矢印 U、 Dで示す上方又は下方に移動させて処理点径を調整するようにしてもよい。エネルギ集光度の大きく異なる二つ以上のマイク口レンズアレイを切り替えて使用する場合には、被処理面 2 8でのエネルギが大きく異なるため、ビーム強度を調整する。このビーム強度の調整方法は、レーザのエネルギ制御の目標値で調整する。他の方法は、アツテネ一タ 8の透過率の切換えにより調整する。ビーム形成光学系でマイグロレンズ 2 7に照射するビームを拡大縮小してビーム強度を調整する方法もある。

このようなレーザ処理装置及びレーザ処理方法によれば、次のような特徴及び利点がある。

(1) エネルギ利用効率が大幅に改善される。マイクロレンズアレイ 1 6を用いてレーザ光 6を所望のパターンに集光して切り出すため、マスク投影方式に対し、エネルギ利用効率が大幅に改善される。 (2) 多数孔を同時に加工することが可能である。即ち、マイクロレンズアレイ 1 6を用いてレーザ光 6を所望のパターンに集光して切り出し、それらの焦点面からなる仮想被処理面 2 5又は焦点面から垂直方向に平行移動した仮想被処理面 2 5を転写して像面を形成するため、回折型光学部品と f s i η θレンズの組み合わせ方式のように場所による分布を生じず、多数孔を同時に一括加工することが可能である。

(3) ビーム拡がり角の影響が小さい。仮想被処理面 2 5を縮小転写することが可能であり、その縮小転写により、ビーム拡がり角に起因する仮想被処理面 2 5 での焦点ボケ量が、被処理面 2 8では縮小される。この結果、微小径への集光及び加工が可能になる。ビーム拡がり角の影響が減少するため、光学系が複雑で、ノ、'ルスエネルギも小さ、不安定共振器レ一ザを必ずしも使用する必要はない。

(4) 狭ピッチ加工等の任意のピッチでの処理が可能である。仮想被処理面 2 5 を縮小転写すれば、仮想被処理面 2 5で形成する焦点のピッチは、被処理面 2 8 での加工ピッチより大きくて済む。また、仮想被処理面 2 5の焦点径は、被処理面 2 8での焦点径より大きく、従来技術のマイクロレンズアレイ集光方式より、レンズの開口数（レンズ半径 ÷焦点距離）が小さくなるため、同一焦点距離の場合、レンズ径を小さくすることができる。この点からも、焦点の狭ピッチが容易に得られる。この結果、ワーク 2 6の被処理面 2 8での狭ピッチパターン加工が可能である。

(5) 加工の影響によるレーザ処理装置の性能劣化が防止される。縮小転写光学系 1 8と被処理面 2 8とのワーキングディスタンスが長くなるように、縮小転写光学系 1 8を設定することにより、ワーク 2 6からの加工時の汚染物付着や熱の影響が減少する。また、汚染物付着防止用のガスフロー機構 3 6が備えられているので、その影響がより低減される。これにより、加工の影響による性能劣化が防止される。

さらに、縮小転写光学系 1 8とワーク 2 6との間には汚染物付着防止用の石英板 3 2が設置されているので、汚染物が付着した際には、石英板 3 2を交換することにより、装置の劣化した性能を容易に改善することができる。透過特性が良く、レーザ光 6に耐えられる材質であれば、石英板 3 2に代えて使用することができる。

(第 2の実施形態）

次に、図 7は、本発明の第 2の実施形態に係るレーザ処理装置の概要を示している。この実施形態に係るレーザ処理装置 2には、酸化され易い S i等の被処理物であるワーク 2 6の処理中の酸化を防ぐため、窒素やアルゴン等の不活性ガス中でレーザ処理を行うガス置換用として真空チャンバ 6 0が備えられている。この真空チャンバ 6 0の雰囲気を破ることなく、真空チャンバ 6 0には光学窓 6 4 を通してレーザ光 6が導入される。真空チャンバ 6 0内で基板等の被処理物としてワーク 2 6を保持するためにステージ 6 6が設置されている。その他の構成は、第 1の実施形態と同様であるので、各部分の説明を省略する。

このようなレーザ処理装置 2によれば、被処理面 2 8における集光径が例えば、 1〃mになるようにされたマイクロレンズ 2 7と縮小転写光学系 1 8を備えたことにより、まず仮想被処理面 2 5が例えば、アモルファス S i薄膜が成膜されているワーク 2 6の被処理面 2 8に転写されて一致するように調整し、レーザ照射された領域がアモルファス S iの融点を僅かに上回る温度になるように設定されたエネルギのレーザ光 6を 1パルス照射する。これにより、レーザ照射された領域の一部が溶融結晶化され、微小結晶粒を形成することができる。

引き続き照射領域が先の照射領域を含む先の照射面積よりも大きい面積の領域に、アモルファス S iの融点よりも高く結晶 S iの融点よりも低い温度になるように設定されたエネルギのレーザ光 6を 1パルス照射する。これにより照射領域内の先に形成された微小結晶粒以外の部分が溶融し、その微小結晶粒を結晶成長核として結晶成長が起きるため大きなシングルグレイン S i結晶が形成される。このとき、先の照射領域を含む先の照射面積よりも大きい面積の領域にレーザ光 6を照射するため、マイクロレンズアレイ 1 6を上下移動させ、マイクロレンズアレイ 1 6の焦点面からずれた面を被処理面 2 8に転写する。この場合、縮小転写光学系 1 8を移動し、又はワーク 2 6の被処理面 2 8を上下移動させてもよい。

(第 3の実施形態）

次に、本発明の第 3の実施形態に係るレーザ処理方法を図 8及び図 9を参照し

3一て説明する。図 8及び図 9は、第 2の実施形態に係るレーザ処理装置 2を用いたレーザシーディング熱処理方法を示している。

図 8の（A) に示すように、初期状態として非晶質シリコン膜 6 8には、 T F T素子作成領域 T Dが設定されている。この T F T素子作成領域 T Dに、図 8の (B ) に示すように、レーザ処理装置 2を用いて例えば、 1 程度の微小径のレーザビーム 7 0を T F T素子作成領域 T Dの中心部に入射させると、その中心部には微小領域 7 2が溶融する。この溶融部は結晶化し、微小領域 7 2は、レ一ザ処理により、非晶質シリコンから単結晶又は多結晶シリコン等の結晶シリコンに変化する。図 8の ( C ) に示すように、レーザビーム 7 0の径によって微小領域 7 2の直径が決定される。レーザ処理装置 2によれば、レーザビーム 7 0の径が高精度に絞られるので、それに応じて精度の高い径を持つ微小領域 7 2力 <形成され、しかも、複数の微小領域 7 2が形成される。

そして、図 9の（A) に示すように、レーザ処理装置 2で例えば、 1 0 m程度の幅の広いレーザビーム 7 4を照射する。このレーザビーム 7 4は、例えば、微小領域 7 2の単結晶又は多結晶シリコンを中心にし、 T F T素子作成領域 T D を包囲する範囲の幅に設定される。この場合、レーザビーム 7 4は、非晶質シリコンの融点以上、結晶シリコンの融点以下のビーム強度、エネルギ強度に設定される。このエネルギ強度の設定は、レーザ装置 4又はアツテネ一タ 8等により調整される。この結果、係るレーザビーム 7 4の照射により、非晶質シリコン部分が選択的に溶融され、結晶シリコン部分を中心に広い範囲の領域 7 5で非晶質シリコンカ <溶融状態となる。

このようなレーザ処理が施されると、図 9の（B ) に示すように、微小領域 7 2を中心にし、即ち、微小領域 7 2の結晶シリコンを核にし、非晶質シリコンの溶融部分に結晶成長が生じる。矢印 7 6は、結晶成長の方向を示している。この図 9の（B ) において、微小領域 7 2が単結晶又は多結晶シリコン部分、領域 7 8が結晶成長部分、領域 7 5が溶融部分、領域 8 2が非晶質シリコン部分を示している。

以上の処理を経て、図 9の（C ) に示すように、 T F T素子作成領域 T Dより広い領域 7 5において、大きい結晶粒径を持つ単結晶又は多結晶シリコンに形成される。

(1) シングルグレイン S iが形成でき、粒界による性能限界を打破できる。シングルグレイン結晶とはその領域内に明確な結晶粒界が存在しない結晶のことであり、理想的にはその領域内が一つの単結晶で構成されたものである。そこで、アモルファス S iの融点は結晶 S iよりも約 300 °C低いことを利用し、まずァモルファス S i薄膜上の 1 a m以下の微小領域にァモルファス S iの融点よりも少し高い温度になるようなエネルギのレーザ光 6を照射し、その部分の表面の一部を溶融再結晶化させ、結晶核を形成する。次に、アモルファス S iの融点よりも高く、結晶 S iの融点よりも低い温度になるようなエネルギのレーザ光 6をその部分を中心とした 10 m程度の領域に照射し、先に形成した結晶核から結晶成長させることにより、 10 /zm程度のシングルグレイン S i結晶を形成する。

(2) 低消費エネルギ化が図られる。液晶の画素スイッチング用 TFTのための結晶化の一例を説明する。液晶の RGB画素のピッチが縦横各々 120〃m、 4

0 mで TFTのサイズが 10 zmX 10 zmとすれば、単純に面積比で計算すると、（l O X l iO Z d Z O XA CO ^l ^ Sのエネルギで結晶化が可能である。実際の製造工程におけるラインビームによる結晶化では結晶核の多数発生による結晶成長の不十分さを解消するために、ライン幅の 95%程度を重複させて走査している。このことは同じ場所に 20回程度のレーザ照射することに対応する。本発明のレーザ処理装置 2によれば、結晶核生成と結晶成長の 2工程であるため、仮に 1回目の核生成のための微小点へのレーザ照射エネルギを 2回目と同じエネルギを使ったとしても、 2Z (20 X 4 8) =1 /480のレーザェネルギで済むことになる。

(3) 基板等、被処理物に対する熱負荷を軽減できる。 S i結晶に必要なェネルギが非常に小さくて済むということは、基板への熱負荷を大きく低減することに繋がる。仮に従来技術と本発明に係る処理のスループッ卜が同じとすれば、単位時間当たりの基板への熱負荷は 1Z480となる。このことにより、既存の高品質ガラスを用いている結晶化用の基板をプラスチック等の熱可塑性材料に置き換えることが可能になり、経済的であるばかりでなく、種々のフレキシブルな電子機器への応用が可能となる。

(第 4の実施形態）

次に、本発明の第 4の実施形態に係るレーザ処理方法を図 1 0及び図 1 1を参照して説明する。図 1 0及び図 1 1は、第 1又は第 2の実施形態に係るレーザ処理装置 2を用いた微小座刳り付微小孔の形成方法を示している。

この実施形態では、図 1 0の（A) に示すように、被処理物としてポリイミド板 8 4に比較的面積の大きいレーザビーム 8 6を照射させる。この場合、レーザビーム 8 6はポリイミド扳 8 4のエッチング領域 8 8 (照射エリア二 R) に照射される。このレーザエッチングにより、図 1 0の（B ) に示すように、穴 9 0が形成される。そして、図 1 0の（C) に示すように、穴 9 0の深さ hが所望の深さになったところで、レ一ザ照射を止める。

この時点で、図 1 1の（A) に示すように、先の照射エリア Rよりも小さい領域 rにレーザビーム 9 2を照射して、レーザエッチングを行う。図 1 1の（B ) に示すように、レーザエッチングにより孔 9 4が掘られる。孔 9 4が貫通したところでレーザ照射を止めてプロセスを終了すれば、図 1 1の（C ) に示すように、深さ h、直径 Rの径大な穴 9 0力形成され、その底部に直径 rの径小な孔 9 4 力形成されることになる。

このように 2段階のレーザ処理により、微小座刳り穴 9 0とともに微小径の孔 9 4が形成される。

このようなレ一ザ処理プロセスにおいて、実際の被処理物面におけるレーザのエネルギ密度が重要なパラメータの一つである。このエネルギ密度は、光源のレ —ザからの出力エネルギーと主に光学系によるレーザから被処理物までの光路の構成により決定され、プロセス中のエネルギ密度はレーザの出力と光路中に置かれるアツテネ一タ 8によって調整される。

また、この 2段階プロセスの場合、例えば座刳り付孔の加工では、最初の設定において大きな面積に、次に小さな面積にレーザ照射する。このとき、 2段階目の面積に 1段階目と同じレーザ出力とアツテネ一タの設定で光を集光すると、ェネルギ密度が 1段階目の条件よりも大きくなつてしまう力、ェッチングに必要なエネルギ密度はほぼ同じであるため、レーザ装置 4及びアツテネータ 8により調整し、ほぼ同じエネルギ密度になるようにして加工を行う。

この実施形態において、穴 9 0、孔 9 4の形成は、図 7に示すレーザ処理装置 2を用いて、真空チャンバ 6 0と光学窓 6 4を除いた構成からなる処理装置で実施することができる。

(他の実施形態）

本発明のレーザ処理装置及びレーザ処理方法は、次のように構成してもよい。直接パターンエッチング処理では、ワーク 2 6をレーザ光 6により活性化されるエッチングガス中に保持し、そこにレーザビームを照射することにより、レーザ照射された領域のみのエッチングを行う。このことにより所望のパターンを 1ェ程で選択ェッチングをすることができる。

また、直接パターン成膜処理に利用することができる。例えば、ワーク 2 6をレーザ光 6により反応が進み固体物を析出する反応性ガス中に保持し、そこにレ —ザ照射することにより、レーザ照射された領域のみの成膜が可能である。このことにより所望のパターンを 1工程で成膜処理が可能である。産業上の利用可能性

以上のように、本発明のレーザ処理装置及びレーザ処理方法によれば、レーザエネルギの利用効率を高めた穿孔、エッチング、ドーピング、ァニール等、加工 '改質 '成膜等を可能にし、穿孔等の各種レーザ処理の処理精度を高め、処理装置側の劣化を防止でき、各種のレーザ処理の実現に寄与する。

Claims

1 . 複数のビームを形成するとともに、各ビーム毎に焦点を形成する光学素子と、

この光学素子で形成された前記ビームの各焦点を被処理面側に転写して結像させる光学系と、

を備えた構成としたことを特徴とするレーザ処理装置。

請

2 . 前記被処理面を持つ被処理物、前記光学素子又は前記光学系を各光軸方向の

に移動させることにより、前記ビームの前記被処理面に対する照射面積を変更させる構成を備えたことを特徵とする請求項 1記載のレーザ処理装置。

囲

3 . 複数のビームを形成するとともに、各ビーム毎に焦点を形成する工程と、前記ビームの各焦点を被処理面側に転写して結像させ、前記被処理面にビーム照射によりレーザ処理を施す工程と、

からなることを特徴とするレーザ処理方法。

4 . 前記レーザ処理は、前記被処理面に対して複数回のビーム照射を行うとともに、該ビームの前記被処理面に対する照射面積を同一又は異ならせたことを特徴とする請求項 3記載のレーザ処理方法。

5 . 前記被処理面を持つ被処理物、光学素子又は光学系を各光軸方向に移動させることにより、前記ビームの前記被処理面に対する照射面積を変更させることを特徴とする請求項 3記載のレ一ザ処理方法。

6 . 前記レーザ処理は、前記被処理面に対する穿孔、表面改質又は熱処理を含み、前記被処理面に前記ビームの焦点数に応じた処理を同時に行うことを特徵とする請求項 3、 4又は 5記載のレ一ザ処理方法。