WO2012124504A1 - レーザアニール装置及び方法 - Google Patents

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水村　通伸
畑中　誠
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株式会社ブイ・テクノロジー
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/067—Dividing the beam into multiple beams, e.g. multifocusing
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/26—Bombardment with radiation
    • H01L21/263—Bombardment with radiation with high-energy radiation
    • H01L21/268—Bombardment with radiation with high-energy radiation using electromagnetic radiation, e.g. laser radiation

Definitions

  • the present invention relates to a laser annealing apparatus and method using a microlens array, and more particularly to a laser annealing apparatus and method that prevents fluctuations in illuminance when projecting laser light transmitted through a microlens array onto an irradiation surface.
  • a laser annealing apparatus using a microlens array causes laser light emitted from a laser light source to enter a condenser lens through a homogenizer that equalizes the intensity distribution in the direction perpendicular to the optical axis. Is made parallel light and then incident on the microlens array through the mask pattern. Then, by each microlens of this microlens array, for example, laser light is condensed on a TFT formation scheduled region set on the TFT substrate (for example, Patent Documents 1 and 2).
  • a-Si amorphous silicon
  • the a-Si film By irradiating the amorphous silicon (a-Si) film formed in the TFT formation scheduled region with a laser beam condensed by the microlens array in a pulsed manner, the a-Si film is once melted, and then The melted a-Si is rapidly cooled to form a polycrystalline silicon film. Thereby, modification by laser annealing of the TFT formation scheduled region is performed.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a microlens array used in a conventional laser annealing apparatus
  • FIG. 6 is a schematic view showing a longitudinal section of one microlens.
  • the microlens array 1 is formed by forming microlenses 2 as convex lenses on the front and back surfaces of a single glass substrate, and arranging a plurality of microlenses 2 two-dimensionally in the row and column directions.
  • the microlens array 1 is arranged with the light source side (usually the upper side) of the laser light as the front side and the irradiation side (usually the lower side) as the back side. Then, as shown in FIG.
  • the laser light transmitted through the pattern of the mask 3 is incident on the microlens 2 a on the front surface side of the microlens array 1, is emitted from the microlens 2 b on the rear surface side, and is irradiated on the irradiation surface 4. Is done.
  • the micro lens 2a on the front surface side functions as an illumination lens that collects the laser light
  • the micro lens 2b on the back surface side functions as a projection lens that forms an image on the irradiation surface.
  • a-Si film amorphous silicon film formed on the substrate. It was modified to a polycrystalline silicon film. However, it is useless to irradiate the entire substrate with laser light, and attempts have been made to modify only the TFT formation region to polycrystalline silicon using a microlens array. At this time, one TFT forming region is irradiated with laser light by one opening of the mask and one microlens corresponding thereto. Conventionally, as shown in FIG.
  • the microlens array 1 irradiates the laser beam onto the substrate, it becomes a non-telecentric optical system, and when the position of the irradiated surface on the substrate surface changes from the focal position of the microlens, the laser beam irradiation surface There is a problem that the irradiation area on the upper side is widened and the distribution of the irradiation energy density on the irradiation surface becomes non-uniform. Then, the density of input energy in each TFT formation region becomes non-uniform, and the crystal grain size of the polycrystalline silicon region after annealing mainly varies in each TFT formation region. Then, there is a problem that the carrier moving speed of each TFT varies.
  • the present invention has been made in view of such problems, and provides a laser annealing apparatus and method using a microlens array capable of preventing fluctuations in illuminance (irradiation energy distribution) on a laser light irradiation surface. For the purpose.
  • a laser annealing apparatus includes a laser light source that emits laser light, a first microlens array in which a plurality of convex lens-shaped microlenses are formed on the front surface and / or back surface of a transparent substrate, and a transparent substrate.
  • a second microlens array in which a plurality of convex lens-shaped microlenses are formed on the front surface and / or the back surface, and the laser light from the laser light source is shaped into parallel light and then guided to the first microlens array.
  • the first microlens array and the second microlens array are arranged in parallel with a space between each other, and the first microlens array and the second microlens array are the microlenses. Are arranged on the same axis so as to correspond to each other to constitute a telecentric optical system.
  • a laser annealing method includes a laser light source that emits laser light, a first microlens array in which a plurality of convex lens-shaped microlenses are formed on the front surface and / or back surface of a transparent substrate, and a transparent substrate.
  • a second microlens array in which a plurality of convex lens-shaped microlenses are formed on the front surface and / or the back surface, and the laser light from the laser light source is shaped into parallel light and then guided to the first microlens array.
  • the first microlens array and the second microlens array constitute a telecentric optical system, and the laser light is annealed so as to form an image when focused on the object to be annealed. It is characterized by irradiating an object.
  • the laser beam is focused on the annealing object. Since the laser annealing is performed by irradiating the laser beam onto the object to be annealed under the condition that the image is formed on the surface, even if the distance between the focal position of the laser beam emitted from each microlens and the irradiation surface varies Only the image on the irradiated surface is blurred and its edge is widened, and the pitch of the image by each microlens does not change.
  • the spread of the irradiation region of the laser beam on the irradiation surface by the microlens array is small. Therefore, the fluctuation of the illuminance of the laser beam on the irradiated surface is remarkably small as compared with the conventional case.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a microlens array optical component 10 according to an embodiment of the present invention. It is sectional drawing which shows the optical system of each one micro lens.
  • a telecentric optical system is shown, (a), (b) is a figure which shows the image imaged on the irradiation surface. It is a graph which shows the relationship between the illumination position by a laser beam, and the energy density of the laser beam in the position.
  • a non-telecentric optical system is shown, (a), (b) is a figure which shows the image imaged on the irradiation surface. It is a graph which shows the relationship between the illumination position by a laser beam, and the energy density of the laser beam in the position.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a microlens array optical component 10 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing an optical system of each one microlens
  • FIG. 3 is formed on an irradiation surface. It is a figure which shows an image.
  • the optical component 10 is arranged such that a first microlens array 11 and a second microlens array 12 are parallel to each other with an appropriate length interval.
  • the first and second microlens arrays 11 and 12 are basically arranged horizontally and above the substrate to be annealed (for example, a TFT substrate) that is horizontally conveyed. .
  • the laser light emitted from a laser light source is uniformed in the intensity distribution in the direction perpendicular to the optical axis by the optical system, shaped into parallel light, and then the surface of the upper microlens array 11. Incident on (upper surface).
  • a plurality of convex lens-like microlenses 13 are arranged in a matrix, and on the surface of the second microlens array 12, a plurality of similarly.
  • Convex lens-like microlenses 14 are formed and arranged in a matrix.
  • a plurality of convex lens-like microlenses 15 are arranged in a matrix on the back surface of the second microlens array 12. ing.
  • the microlenses 13, 14, and 15 formed in the first and second microlens arrays 11 and 12 are arranged so that the corresponding ones are aligned on the same optical axis. Therefore, the arrangement pitch of the microlenses 13 of the first microlens array 11 is the same as the arrangement pitch of the microlenses 14 and 15 of the second microlens array 12.
  • the aperture of the first microlens 13 of the first microlens array 11 is, for example, 0.44 mm
  • the aperture of the second microlens of the second microlens array 12 is, for example, 0.15 mm
  • the distance between the mask 20 and the irradiation surface 21 (substrate surface) is 5.23 mm, for example, and the tip of the second microlens 14 of the first microlens array 11 and the second microlens array 12 is The distance between is, for example, 2.85 mm.
  • the distance between the 3rd micro lens 15 and the irradiation surface 21 is 0.2 mm (200 micrometers), for example.
  • the first microlens 13 functions as an illumination lens that collects incident laser light.
  • the second microlens 14 and the third microlens 15 function as an imaging lens that forms an image on the irradiation surface 21 of the laser light incident from the first microlens array 11.
  • the configuration of the first microlens array 11 and the second microlens array 12 is not limited to the above embodiment.
  • an image side telecentric optical system in which the entrance pupil position coincides with the front focal position and the principal ray and the optical axis are parallel on the image side may be configured.
  • the optical component 10 constituted by the first microlens array 11 and the second microlens array 12 is installed in place of the microlens array of the laser annealing apparatus using the conventional microlens array. Then, for example, a laser beam such as a third harmonic (wavelength 355 nm) of a YAG laser is emitted from the laser light source, and the intensity distribution in the direction perpendicular to the optical axis of the laser beam is made uniform by a homogenizer. After being shaped into parallel light, the light enters the optical component 10.
  • a laser beam such as a third harmonic (wavelength 355 nm) of a YAG laser
  • the first microlens 13 of the first microlens array 11 is configured such that the incident laser light travels, for example, 3 ° outward with respect to the optical axis. Condensed so that it goes inward. Then, the condensed laser light exits from the first microlens array 11, travels through an air layer of 2.85 mm, for example, and enters the second microlens 14 of the second microlens array 12. .
  • the second microlens array 12 functions as an imaging lens, and the laser light incident from the second microlens 14 is emitted from the third microlens 15 and is connected to the irradiation surface 21 such as the surface of the TFT substrate. Image (focus).
  • An image on the irradiation surface 21 at that time is as shown by rectangular hatching in FIG.
  • the laser light that has passed through the mask is irradiated onto the irradiated surface 21 such as the substrate surface by the first microlens array 11 and the second microlens array 12, and is inverted at the same magnification.
  • An image can be projected onto the illumination surface 21. That is, the first microlens array 11 and the second microlens array 12 constitute an image side telecentric optical system.
  • the focal position of the laser light emitted from the third microlens 15 changes, that is, the distance between the surface of the substrate to be annealed and the third microlens 15 is, for example, 0.
  • the position of the substrate surface fluctuates to the irradiation surface 22, as shown in FIG. 3B
  • the image formed on the irradiation surface 22 is almost the same as the image shown in FIG. It will be the same.
  • the microlens 15 spreads more than the image of the small region imaged at the focal position (FIG. 3A), and the outline is somewhat I am blurred.
  • the projection pattern interval (pitch) p of the image does not change from when the image is formed on the irradiation surface 21. That is, in the present embodiment, since the microlens is a telecentric optical system, when the laser light transmitted through the mask pattern is projected onto the irradiation surface 22 by this telecentric optical system, the focal point is shifted from the irradiation surface 22. However, the projection pattern interval does not vary within the range of the focal depth, and the illuminance variation can also be suppressed. Thereby, annealing unevenness due to defocus on the substrate can be suppressed.
  • the illuminance (energy density per shot) of the laser light is such that the position of the irradiated surface is +0.06 mm (+60 ⁇ m) or ⁇ 0.06 mm ( ⁇ 60 ⁇ m) from the focal position ( ⁇ 0 mm). ) Even if they are deviated, the illuminance fluctuations at the positions of the contours of the respective images only exist, and the illuminances at most positions of the images are uniform. This is because a telecentric optical system can be configured by the first and second microlens arrays 11 and 12. At this time, the illuminance fluctuation when the distance between the second microlens array 12 and the substrate (irradiation surface) fluctuates by ⁇ 50 ⁇ m can be suppressed to 5.0%.
  • FIGS. 6 and 7 are diagrams showing a non-telecentric optical system as in the prior art. In these drawings, reduction and the like are not taken into consideration.
  • FIG. 6 conventionally, when laser light is irradiated onto the irradiation surface 4 by one microlens array 1, if an image is formed at the focal position, that is, if the irradiation surface 4 is at the focal position, FIG. As shown in FIG. 6, when the laser light that has passed through the mask pattern is projected onto the irradiation surface, the projection pattern matches the mask pattern. For example, as shown in FIG.
  • the aperture of the first micro lens 2a shown in FIG. 6 is 0.25 mm
  • the aperture of the second micro lens 2b is 0.02 mm
  • the distance between the mask 3 and the irradiation surface 4 is 1.7 mm
  • the micro lens When the distance between the lower surface of the array 1 and the irradiation surface is 0.2 mm, the illuminance variation is 13.2% when the focal position varies by ⁇ 10 ⁇ m.
  • the present invention can prevent fluctuations in illuminance when the laser light transmitted through the microlens array is projected onto the irradiation surface. Variations in conditions can be prevented. For this reason, for example, when the present invention is applied to the heat treatment of the TFT substrate of the liquid crystal display device, the crystal grain size of the polycrystalline silicon region after annealing can be made uniform. It is effective for prevention.

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Abstract

光学部品は、透明基板の表面上に凸レンズ状の第１のマイクロレンズが複数個形成された第１のマイクロレンズアレイと、透明基板の表面上及び裏面上に凸レンズ状の夫々第２のマイクロレンズ及び第３のマイクロレンズが夫々複数個形成された第２のマイクロレンズアレイとから構成される。第１のマイクロレンズアレイと第２のマイクロレンズアレイとは、相互に間隔をおいて平行に配置されている。第１のマイクロレンズと第２及び第３のマイクロレンズとは、相互に対応して同軸上に配置されていて、テレセントリック光学系を構成している。これにより、レーザ光の照射面における照度の変動を防止することができる。

Description

レーザアニール装置及び方法
　本発明は、マイクロレンズアレイを使用したレーザアニール装置及び方法に関し、特に、マイクロレンズアレイを透過したレーザ光を照射面に投影する際の照度変動を防止したレーザアニール装置及び方法に関する。
　マイクロレンズアレイを使用したレーザアニール装置は、レーザ光源から出射されたレーザ光を、光軸に垂直方向の強度分布を均一化するホモジナイザを介して、コンデンサレンズに入射させ、このコンデンサレンズによりレーザ光を平行光にした後、マスクパターンを介してマイクロレンズアレイに入射させる。そして、このマイクロレンズアレイの各マイクロレンズにより、レーザ光を、例えば、ＴＦＴ基板上に設定されたＴＦＴ形成予定領域に集光させる（例えば、特許文献１，２）。このＴＦＴ形成予定領域に形成されたアモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）膜を、マイクロレンズアレイにより集光されたレーザ光で、パルス状に照射することにより、ａ－Ｓｉ膜が一旦溶融し、その後、この溶融したａ－Ｓｉが急冷されることにより、多結晶シリコン膜が形成される。これにより、ＴＦＴ形成予定領域のレーザアニールによる改質が行われる。
　図５は、従来のレーザアニール装置に使用されるマイクロレンズアレイを示す斜視図、図６は、１個のマイクロレンズの縦断面を示す模式図である。マイクロレンズアレイ１は、１枚のガラス基板の表面及び裏面に凸レンズとしてのマイクロレンズ２を形成し、このマイクロレンズ２を行方向及び列方向に２次元的に複数個配置したものである。マイクロレンズアレイ１は、レーザ光の光源側（通常、上側）を表面側とし、照射面側（通常、下側）を裏面側として、配置される。そして、図６に示すように、マスク３のパターンを透過したレーザ光は、マイクロレンズアレイ１の表面側のマイクロレンズ２ａに入射し、裏面側のマイクロレンズ２ｂから出射して照射面４に照射される。このとき、表面側のマイクロレンズ２ａは、レーザ光を集光する照明レンズとして作用し、裏面側のマイクロレンズ２ｂは、照射面において画像を作る投影レンズとして作用する。
特開２０１０－２８３０７３号公報 特開２００４－３１１９０６号公報
　しかしながら、従来のマイクロレンズアレイを使用したレーザアニール装置は、マイクロレンズ２ｂから出射したレーザ光の画像の焦点位置が、アニール対象物の照射面４から変動した場合に、照射面における照度が変動すると共に、サイズが変動してしまうという問題点がある。このような照度変動により、アニール対象物に対する加熱熱量が変動し、アニール条件が変動するという問題点がある。
　即ち、液晶表示装置のＴＦＴ基板を熱処理する際、従前は、基板に対してその全面をレーザ光によりスキャンして、基板上に形成されたアモルファスシリコン膜（ａ－Ｓｉ膜）を、溶融凝固により、多結晶シリコン膜に改質していた。しかし、基板全体にレーザ光を照射することは無駄であり、マイクロレンズアレイを使用して、ＴＦＴの形成領域のみを多結晶シリコンに改質することが試みられている。このとき、マスクの１個の開口部と、それに対応する１個のマイクロレンズとにより、レーザ光を１個のＴＦＴ形成領域に照射するが、従来は、図６に示すように、１枚のマイクロレンズアレイ１によりレーザ光を基板上に照射しているために、非テレセントリックな光学系となり、マイクロレンズの焦点位置から基板表面の被照射面の位置が変動したときに、レーザ光の照射面上での照射領域が広がると共に、照射エネルギ密度の照射面上での分布が不均一となるという問題点がある。そうすると、各ＴＦＴ形成領域内における投入エネルギの密度が不均一なものとなり、主として、アニール後の多結晶シリコン領域の結晶粒度が、各ＴＦＴ形成領域内で変動してしまう。そうすると、各ＴＦＴのキャリア移動速度が変動してしまうという問題点がある。
　本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、レーザ光の照射面における照度（照射エネルギ分布）の変動を防止することができるマイクロレンズアレイを使用したレーザアニール装置及び方法を提供することを目的とする。
　本発明に係るレーザアニール装置は、レーザ光を発光するレーザ光源と、透明基板の表面及び／又は裏面上に凸レンズ状のマイクロレンズが複数個形成された第１のマイクロレンズアレイと、透明基板の表面上及び／又は裏面上に凸レンズ状のマイクロレンズが複数個形成された第２のマイクロレンズアレイと、前記レーザ光源からのレーザ光を平行光に整形した後前記第１のマイクロレンズアレイに導く光学系と、を有し、
前記第１のマイクロレンズアレイと前記第２のマイクロレンズアレイとは、相互に間隔をおいて平行に配置され、前記第１のマイクロレンズアレイ及び前記第２のマイクロレンズアレイとは、そのマイクロレンズが相互に対応して同軸上に配置されていて、テレセントリック光学系を構成していることを特徴とする。
　本発明に係るレーザアニール方法は、レーザ光を発光するレーザ光源と、透明基板の表面及び／又は裏面上に凸レンズ状のマイクロレンズが複数個形成された第１のマイクロレンズアレイと、透明基板の表面上及び／又は裏面上に凸レンズ状のマイクロレンズが複数個形成された第２のマイクロレンズアレイと、前記レーザ光源からのレーザ光を平行光に整形した後前記第１のマイクロレンズアレイに導く光学系と、を有するレーザアニール装置を使用し、
前記第１のマイクロレンズアレイと前記第２のマイクロレンズアレイにより、テレセントリックな光学系を構成して、アニール対象物上に焦点を結んだときに像を結像するように前記レーザ光を前記アニール対象物に照射することを特徴とする。
　本発明によれば、第１及び第２のマイクロレンズアレイからなる光学部品により、テレセントリック光学系を構成して、アニール対象物に対し、レーザ光がこのアニール対象物の上で焦点を結んだときに像が結像する条件で、レーザ光をアニール対象物に照射してレーザアニールをするので、各マイクロレンズから出射したレーザ光の焦点位置と、照射面との間の距離が変動しても、照射面上の像がぼけてそのエッジが広がるだけで、各マイクロレンズによる像のピッチは変動しない。このため、マイクロレンズアレイによる照射面上のレーザ光の照射領域の広がりは小さい。従って、照射面上のレーザ光の照度の変動は、従来に比して著しく小さい。
本発明の実施形態に係るマイクロレンズアレイ光学部品１０を示す斜視図である。 その各１個のマイクロレンズの光学系を示す断面図である。 テレセントリック光学系を示し、（ａ）、（ｂ）は照射面上に結像した画像を示す図である。 レーザ光による照明位置と、その位置でのレーザ光のエネルギ密度との関係を示すグラフ図である。 従来のレーザアニール装置に使用されるマイクロレンズアレイを示す斜視図である。 その１個のマイクロレンズの光学系を示す模式図である。 非テレセントリック光学系を示し、（ａ）、（ｂ）は照射面上に結像した画像を示す図である。 レーザ光による照明位置と、その位置でのレーザ光のエネルギ密度との関係を示すグラフ図である。
　以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るマイクロレンズアレイ光学部品１０を示す斜視図、図２はその各１個のマイクロレンズの光学系を示す断面図、図３は照射面上に結像した画像を示す図である。図１に示すように、この光学部品１０は、第１のマイクロレンズアレイ１１と第２のマイクロレンズアレイ１２とが適長間隔をおいて、相互に平行になるように、配置されている。また、これらの第１及び第２のマイクロレンズアレイ１１，１２は、基本的には、水平に配置され、水平に搬送されてくるアニール対象の基板（例えば、ＴＦＴ基板）の上方に配置される。そして、レーザ光源（図示せず）から出射したレーザ光は、光学系により、その光軸に垂直方向の強度分布が均一化され、平行光に整形された後、上方のマイクロレンズアレイ１１の表面（上面）に入射する。
　第１のマイクロレンズアレイ１１の表面には、複数個の凸レンズ状のマイクロレンズ１３がマトリクス状に配置されて形成されており、第２のマイクロレンズアレイ１２の表面には、同様に複数個の凸レンズ状のマイクロレンズ１４がマトリクス状に配置されて形成されており、第２のマイクロレンズアレイ１２の裏面には、同様に複数個の凸レンズ状のマイクロレンズ１５がマトリクス状に配置されて形成されている。これらの第１及び第２のマイクロレンズアレイ１１，１２に形成されたマイクロレンズ１３，１４，１５は、夫々対応するもの同士が、同一光軸上に整合するように配置されている。従って、第１のマイクロレンズアレイ１１のマイクロレンズ１３の配列ピッチと、第２のマイクロレンズアレイ１２のマイクロレンズ１４及び１５の配列ピッチとは同一である。
　第1のマイクロレンズアレイ１１の第1のマイクロレンズ１３の口径は例えば０．４４ｍｍ、第２のマイクロレンズアレイ１２の第２のマイクロレンズの口径は例えば０．１５ｍｍ、第３のマイクロレンズの口径は例えば０．１５ｍｍである。また、マスク２０と照射面２１（基板面）との間の距離は例えば５．２３ｍｍであり、第１のマイクロレンズアレイ１１と第２のマイクロレンズアレイ１２の第２のマイクロレンズ１４の先端との間の距離は例えば２．８５ｍｍである。また、第３のマイクロレンズ１５と照射面２１との間の距離は、例えば０．２ｍｍ（２００μｍ）である。
　第１のマイクロレンズ１３は、入射するレーザ光を集光する照明レンズとして機能する。また、第２のマイクロレンズ１４及び第３のマイクロレンズ１５は、第１のマイクロレンズアレイ１１から入射するレーザ光を、照射面２１上に結像させる結像レンズとして機能する。
　この第１のマイクロレンズアレイ１１と第２のマイクロレンズアレイ１２の構成は、上記実施形態に限らない。これらのレンズ設計において、入射瞳位置と、前側焦点位置とが一致し、像側で主光線と光軸とが平行になる像側テレセントリック光学系を構成すればよい。
　次に、本実施形態の動作について説明する。上述のように第１のマイクロレンズアレイ１１及び第２のマイクロレンズアレイ１２により構成された光学部品１０は、従来のマイクロレンズアレイを使用したレーザアニール装置のマイクロレンズアレイの代わりに設置される。そして、レーザ光源から、例えば、ＹＡＧレーザの第３高調波（波長３５５ｎｍ）等のレーザ光が出射され、このレーザ光は、ホモジナイザによりその光軸に垂直方向の強度分布を均一化され、コンデンサレンズにより平行光に整形された後、光学部品１０に入射する。
　そして、図２及び図３に示すように、第１のマイクロレンズアレイ１１の第１のマイクロレンズ１３は、入射するレーザ光を、例えば、光軸に対し３°外側に向いて進行するレーザ光まで、内側に向かわせるように、集光する。そして、この集光されたレーザ光は、第１のマイクロレンズアレイ１１から出て、例えば２．８５ｍｍの空気層を進行し、第２のマイクロレンズアレイ１２の第２のマイクロレンズ１４に入射する。第２のマイクロレンズアレイ１２は結像レンズとして機能し、第２のマイクロレンズ１４から入射したレーザ光は第３のマイクロレンズ１５から出射して、ＴＦＴ基板の表面等の照射面２１にて結像する（焦点を結ぶ）。そのときの照射面２１における像は、図３（ａ）に矩形ハッチングで示すようになる。本実施形態においては、マスクを通過してきたレーザ光は、第１のマイクロレンズアレイ１１と第２のマイクロレンズアレイ１２とにより、基板表面等の被照射面２１上に照射され、等倍の倒立像を、照射面２１上に投影することができる。即ち、これらの第１のマイクロレンズアレイ１１及び第２のマイクロレンズアレイ１２は像側テレセントリック光学系を構成する。
　そして、第３のマイクロレンズ１５から出射したレーザ光の焦点位置が変動した場合、即ち、アニール対象の基板の表面と、第３のマイクロレンズ１５との間の距離が、例えば、当初の０．０２ｍｍから外れて、図３（ｂ）に示すように、基板表面の位置が照射面２２に変動しても、照射面２２上に結像した像は、図３（ａ）に示す像とほぼ同一となる。なお、マイクロレンズ１５の焦点深度を超える変動がある場合は、図３（ｂ）に示すように、焦点位置に結像した小領域の像（図３（ａ））よりも広がり、輪郭が多少ぼける。しかし、その像の投影パターン間隔（ピッチ）ｐは照射面２１上に結像した場合から変化しない。即ち、本実施形態においては、マイクロレンズをテレセントリック光学系にしたので、マスクパターンを透過したレーザ光をこのテレセントリック光学系により照射面２２上に投影した場合に、焦点は照射面２２上からずれても、焦点深度の範囲内では、投影パターン間隔は変動することがなく、照度変動も抑制することができる。これにより、基板上のフォーカスずれに起因するアニールむらを抑制することができる。
　従って、図４に示すように、レーザ光の照度（１ショットあたりのエネルギ密度）は、照射面の位置が、焦点位置（±０ｍｍ）から＋０．０６ｍｍ（＋６０μｍ）又は－０．０６ｍｍ（－６０μｍ）ずれても、その各像の輪郭の位置の照度変動があるだけで、像の大部分の位置における照度は均一である。これは、第１及び第２のマイクロレンズアレイ１１，１２により、テレセントリックな光学系を構成することができたことによる。このとき、第２のマイクロレンズアレイ１２と基板（照射面）との間の間隔が±５０μｍ変動した場合の照度変動は、５．０％に抑制することができる。
　一方、図６及び図７は、従来のように、非テレセントリック光学系を示す図である。なお、これらの図において、縮小等は考慮に入れていない。図６に示すように、従来、１枚のマイクロレンズアレイ１によりレーザ光を照射面４上に照射した場合、焦点位置に結像すれば、即ち、照射面４が焦点位置にあれば、図６に示すように、マスクパターンを通過したレーザ光が照射面上に投影されたときに、その投影パターンはマスクパターンと一致する。例えば、図７（ａ）に示すように、焦点位置が照射面４上に一致している場合、１個のマスクパターンにおける３個の位置が、夫々大きさｄ、投影パターン間隔ｐで照射面４上に投影したとすると、この焦点位置が照射面４上からずれた場合には、図７（ｂ）に示すように、大きさがｄ´に大きくなり、投影間隔もｐ´に増大する。これは、１枚のマイクロレンズアレイ１により、非テレセントリックな光学系が構成されたからである。この非テレセントリック光学系においては、焦点位置が変動すると、各像の大きさが広がってその輪郭のぼけが大きくなると共に、各像の投影パターン間隔（ピッチ）も変動する。このため、１個のマイクロレンズにより照射される領域内で、照度変動が生じてしまう。
　即ち、図８に示すように、焦点位置に結像した場合（０ｍｍ）に比して、結像位置が焦点位置から例えば＋０．０１ｍｍ又は－０．０１ｍｍ変動した場合でも、１ショットあたりの照度（レーザ光のエネルギ密度）が変動してしまう。また、この場合に、像の輪郭位置においても、照度変動が生じている。例えば、図６に示す第１のマイクロレンズ２ａの口径が０．２５ｍｍ、第２のマイクロレンズ２ｂの口径が０．０２ｍｍ、マスク３と照射面４との間の距離が１．７ｍｍ、マイクロレンズアレイ１の下面と照射面との間の距離が０．２ｍｍの場合、焦点位置が±１０μｍ変動すると、照度変動が１３．２％発生する。
　本発明は、マイクロレンズアレイを使用したレーザアニールにおいて、マイクロレンズアレイを透過したレーザ光を照射面に投影する際の照度変動を防止することができるので、アニール対象物に対する加熱熱量の変動及びアニール条件の変動を防止できる。このため、本発明を、例えば、液晶表示装置のＴＦＴ基板の熱処理に適用した場合に、アニール後の多結晶シリコン領域の結晶粒度を均一化でき、本発明は、各ＴＦＴのキャリア移動速度の変動の防止に有効である。
１，１１，１２：マイクロレンズアレイ
２ａ、２ｂ、１３，１４，１５：マイクロレンズ
３、２０：マスク
４，２１，２２：照射面
１０：光学部品

Claims (2)

  1. レーザ光を発光するレーザ光源と、透明基板の表面及び／又は裏面上に凸レンズ状のマイクロレンズが複数個形成された第１のマイクロレンズアレイと、透明基板の表面上及び／又は裏面上に凸レンズ状のマイクロレンズが複数個形成された第２のマイクロレンズアレイと、前記レーザ光源からのレーザ光を平行光に整形した後前記第１のマイクロレンズアレイに導く光学系と、を有し、
    前記第１のマイクロレンズアレイと前記第２のマイクロレンズアレイとは、相互に間隔をおいて平行に配置され、前記第１のマイクロレンズアレイ及び前記第２のマイクロレンズアレイとは、そのマイクロレンズが相互に対応して同軸上に配置されていて、テレセントリック光学系を構成していることを特徴とするレーザアニール装置。
  2. レーザ光を発光するレーザ光源と、透明基板の表面及び／又は裏面上に凸レンズ状のマイクロレンズが複数個形成された第１のマイクロレンズアレイと、透明基板の表面上及び／又は裏面上に凸レンズ状のマイクロレンズが複数個形成された第２のマイクロレンズアレイと、前記レーザ光源からのレーザ光を平行光に整形した後前記第１のマイクロレンズアレイに導く光学系と、を有するレーザアニール装置を使用し、
    前記第１のマイクロレンズアレイと前記第２のマイクロレンズアレイにより、テレセントリックな光学系を構成して、アニール対象物上に焦点を結んだときに像を結像するように前記レーザ光を前記アニール対象物に照射することを特徴とするレーザアニール方法。
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