WO2020213341A1 - レンズユニット及びこのレンズユニットを備える光照射装置 - Google Patents

レンズユニット及びこのレンズユニットを備える光照射装置 Download PDF

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lens array
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下浦　厚志
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株式会社ブイ・テクノロジー
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    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
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    • G—PHYSICS
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    • 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 lens unit and a light irradiation device including the lens unit, and more particularly to a lens unit for simultaneously forming a plurality of spot lights having a uniform illuminance distribution on an irradiation surface and a light irradiation device including the lens unit. It is a thing.
  • Patent Document 1 discloses a laser annealing device that irradiates a TFT (thin film transistor) substrate with laser light. This laser annealing device anneals a thin film of amorphous silicon at the intersection of a data line forming a pixel and a gate line to make them polysilicon.
  • TFT thin film transistor
  • laser light is selected at a plurality of positions (not shown) on the TFT substrate conveyed in a predetermined direction by using a photomask 60 (plan view) as shown in FIG. Is irradiated.
  • a photomask 60 plane view
  • a plurality of patterns 61 are provided on the surface in a matrix at a constant arrangement pitch (formed in two rows in the illustrated example).
  • the wide region Ar region surrounded by the broken line
  • the laser annealing device not only the laser annealing device but also a light irradiation device (for example, an exposure device) that modifies a material by irradiation with light can make the illuminance distribution of the entire irradiation region of the photomask uniform. It has been demanded. Therefore, conventionally, for example, an irradiation optical unit as shown in FIG. 10 has been used.
  • the unit has a first lens array (fly eye) 51 and a second lens array (fly eye) from the inlet side (light source side) toward the irradiation surface 54 side. ) 52 and the integrator lens 53 are arranged in order along the optical axis.
  • the number of arrays (number of lens elements) of the first lens array 51 and the second lens array 52 is the same.
  • the luminous flux incident on the first lens array 51 from the light source is made into a secondary light source according to the number of arrays, and the secondary light source is incident on the second lens array 52.
  • the second lens array 52 guides the light fluxes of the plurality of secondary light sources incident from the first lens array 51 to the integrator lens 53.
  • the light emitted from each lens element of the second lens array 52 is collected by the integrator lens 53 at one point on the irradiation surface 54 and imaged (the position of the first lens array 51 and the irradiation surface 54). Is a conjugate relationship). Since the light formed on the irradiation surface 54 is obtained by superimposing the passing light of the plurality of lens elements formed on the first lens array 51 at one place, the uneven illuminance is canceled and the illuminance distribution is made uniform. It will be.
  • the irradiation light having the uniform illuminance distribution is formed in a photomask, for example, as shown in FIG.
  • a wide area Ar that covers the entire plurality of patterns is irradiated.
  • the energy efficiency of the light is poor because the light passing through the pattern opening of the photomask is very small and the light shielded by the photomask (most of the irradiation light) is wasted.
  • the inventor of the present application has conducted extensive research in order to realize a light irradiation device that simultaneously irradiates a plurality of openings of a photomask with spot light and makes the illuminance distribution uniform.
  • the present invention has been completed.
  • an object of the present invention is to provide a lens unit capable of simultaneously forming a plurality of spot lights having a uniform illuminance distribution on an irradiation surface, and a light irradiation device including the lens unit.
  • the first lens array, the second lens array, and the integrator lens are sequentially arranged along the optical axis from the light source side to the irradiation surface side.
  • the first lens array in which the light beam incident from the light source is used as a plurality of secondary light sources according to the number of arrays, and the light rays from the plurality of secondary light sources are guided to the integrator lens.
  • the first lens array includes the integrator lens that collects the light beam that has passed through the same region in each lens element of the second lens array in the corresponding same region on the irradiation surface.
  • the number of arrays of the lens array is further divided for each lens element of the second lens array, and the lens array is arranged on the light source side along the optical axis direction rather than the position of the surface conjugate with the irradiation surface. It is particularly characteristic.
  • the number of spot lights formed on the irradiation surface is obtained by dividing the number of lens elements of the first lens array by the number of lens elements of the lens elements of the second lens array. It is desirable to have. Further, it is desirable to provide a lens array moving means for moving the first lens array along the optical axis direction. Further, the integrator lens may be composed of a first cylindrical lens that changes the lateral ratio of the image formed on the irradiation surface and a second cylindrical lens that changes the aspect ratio.
  • the position of the first lens array is shifted toward the light source along the optical axis direction from the position of the surface conjugate with the irradiation surface, and the lens element unit of the second lens array is used.
  • the number of arrays of the first lens array is further divided.
  • a plurality of spot lights divided on the irradiation surface can be imaged, and the illuminance distribution between each spot light and within each spot light can be made uniform.
  • spot light corresponding to a plurality of openings of a photomask can be easily formed, and the spot light can be simultaneously irradiated to the plurality of openings, improving the energy efficiency and work efficiency of the light. can do.
  • the light irradiation device is characterized by including the lens unit.
  • a lens unit capable of simultaneously forming a plurality of spot lights having a uniform illuminance distribution on an irradiated surface and a light irradiation device including the lens unit.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of a laser annealing device (light irradiation device) to which the lens unit of the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a plan view showing a part of the TFT substrate processed by the laser annealing apparatus of FIG.
  • FIG. 3A is a plan view of the photomask included in the laser annealing apparatus of FIG. 1
  • FIG. 3B is a cross-sectional view of the photomask.
  • FIG. 4 is a side view showing a configuration of a lens unit included in the laser annealing device of FIG. 5 (a) is a front view of the first lens array included in the lens unit of FIG. 4, and FIG.
  • FIG. 5 (b) is a front view of the second lens array included in the lens unit of FIG.
  • FIG. 5C is a front view of an image formed on the irradiation surface by the lens unit of FIG.
  • FIG. 6 is a plan view for explaining the alignment between the photomask of FIG. 3 and the TFT substrate.
  • FIG. 7 is a plan view showing spot light emitted for each pattern of the photomask of FIG.
  • FIG. 8 is a perspective view showing a modified example of the lens unit of the present invention.
  • FIG. 9 is a plan view showing a light irradiation region of a photomask in a conventional laser annealing device.
  • FIG. 10 is a side view showing the configuration of a conventional irradiation optical unit.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of a laser annealing device (light irradiation device) to which the lens unit of the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a plan view showing a part of the TFT substrate processed by the laser annealing apparatus of FIG.
  • the laser annealing device 1 shown in FIG. 1 selectively irradiates a TFT substrate 10 having a plurality of pixels (pixels) provided in a matrix on the surface with laser light to form a thin film of amorphous silicon formed on the substrate. It is a device for annealing to make polysilicon.
  • the TFT substrate 10 used here has a plurality of pixels 30, and the plurality of pixels 30 are arranged in the substrate transport direction indicated by the arrow A at an arrangement pitch P1 and are orthogonal to the substrate transport direction. It is arranged in the direction with an array pitch P2. Further, as shown in the drawing, a plurality of data lines 31 are formed on the substrate surface in a direction parallel to the substrate transport direction along the edge of each pixel 30, and a plurality of gate lines 32 are formed in a direction orthogonal to the substrate transport direction. It is formed. Further, a cross-shaped pull-in mark 33 is formed outside the display area on the front side in the substrate transport direction.
  • the mask stage 3 has an opening 3a in the central portion thereof and grips the peripheral edge portion of the photomask 2. Then, it is made movable in the directions of arrows B and C shown by a driving means 14 such as a motor.
  • the transport means 4 includes an air stage 5 having a large number of ejection holes for ejecting gas and a large number of suction holes for sucking gas on the upper surface. Then, in a state where the TFT substrate 10 is floated on the air stage 5 by a certain amount due to the balance between gas ejection and suction, both ends of the TFT substrate 10 are gripped and conveyed by a transfer roller (not shown). There is. Further, the board position is detected by a position sensor or a speed sensor (not shown).
  • the laser annealing device 1 has a lens unit 6 arranged above the photomask 2 and a laser light source 7 arranged above the lens unit 6 and emitting laser light to the lens unit 6.
  • the laser light source 7 is an excimer laser that emits a laser beam 9 having a wavelength of, for example, 308 nm or 353 nm in a repeating period of, for example, 50 Hz.
  • the lens unit 6 is arranged on the optical path of the laser beam 9 emitted from the laser light source 7.
  • the lens unit 6 is provided to divide the laser light 9 incident from the laser light source 7 into a plurality of predetermined spot lights and to make the illuminance distribution uniform in each of the divided plurality of spot lights. Further, the lens unit 6 includes a configuration characteristic of the present invention, which will be described in detail later.
  • the photomask 2 is for selectively irradiating a plurality of preset positions (light irradiation target positions) on the TFT substrate 10. As shown in FIG. 3A, the photomask 2 has a plurality of openings formed in a matrix with an arrangement pitch equal to the arrangement pitches P1 and P2 of the plurality of pixels 30 formed on the TFT substrate 10, that is, The mask pattern 20 is formed. In the illustrated example, two rows of mask patterns 20A and 20B orthogonal to the substrate transport direction A are shown.
  • the mask pattern 20 is an opening having a constant shape through which light formed on a light-shielding film 12 provided on the surface of the transparent substrate 11 passes.
  • a plurality of microlenses 17 are provided on the back surface (TFT substrate 10 side) of the transparent substrate 11.
  • the plurality of microlenses 17 are convex lenses for condensing light on the TFT substrate 10, and are arranged so that the optical axes are aligned with the center of each mask pattern 20.
  • the photomask 2 is formed with first to third viewing windows 12A, 12B, and 12C that are long in the direction orthogonal to the substrate transport direction A.
  • first to third alignment marks 21A to 21C for aligning the plurality of mask patterns 21 with the light irradiation target positions on the TFT substrate 10 are provided.
  • the laser annealing device 1 is provided with an alignment means 19 that can move the mask stage 3 along the E and F directions of FIG.
  • the alignment means 19 is for aligning the TFT substrate 10 with the photomask 2, and is composed of, for example, a linear motor, an electromagnetic actuator, a rail, a motor, or the like.
  • the laser annealing device 1 includes a line camera 15 arranged below the TFT substrate 10 so as to face one of the viewing windows 12A to 12C.
  • the line camera 15 captures the surface of the TFT substrate 10 and the alignment mark 21 of the photomask 2 through the TFT substrate 10 from below, and outputs the one-dimensional image thereof to the control means 18 described later.
  • an illumination light source 16 is provided above the mask stage 3 facing the line camera 15 to illuminate the imaging position of the line camera 15.
  • the laser annealing device 1 includes a control means 18 including a computer device for performing drive control in the device.
  • the lens unit 6 includes a first lens array (fly eye) 25 and a second lens array (fly eye) 25 arranged in order from the inlet side (laser light source side) toward the irradiation surface 29 along the optical axis. It includes a lens array (fly eye) 27 and an integrator lens 28. Further, as shown in the drawing, a surface (referred to as a conjugate surface) 26 conjugate to the irradiation surface 29 exists on the light source side of the second lens array 27. In the present embodiment, the irradiation surface 29 is set on two photomask surfaces (back surface).
  • the first lens array 25 generates a plurality of secondary light sources according to the number of arrays from the luminous flux incident from the laser light source 7. This secondary light source is generated at the focal point of the first lens array 25 as shown. Further, each lens element of the second lens array 27 is provided to guide the luminous flux from the plurality of secondary light sources to the integrator lens 28. Further, the integrator lens 28 is provided to collect the light flux passing through the same region in each lens element of the second lens array 27 in the corresponding same region on the irradiation surface 29.
  • the first lens array 25 since the position of the first lens array 25 is arranged closer to the laser light source 7 than the conjugate surface 26, the first lens array 25 passes through the first lens array 25 and the diameter is narrowed for each lens element.
  • the image on the conjugate surface 26 is formed on the irradiation surface 29.
  • the first lens array 25 has an array number obtained by further dividing the number of arrays of the second lens array 27. That is, the number of arrays (number of lens elements) of the first lens array 25 is formed to be larger than the number of arrays (number of lens elements) of the second lens array 27.
  • what is imaged on the irradiation surface 29 is an image formed by a plurality of lens units of the first lens array 25, that is, a plurality of spot lights corresponding to each lens element of the second lens array 27 (.
  • the number of spot lights imaged on the irradiation surface 29 is the number obtained by dividing the number of lens elements of the first lens array 25 by the number of lens elements of the second lens array 27).
  • FIG. 5A shows a schematic front view of the first lens array 25, and FIG. 5B shows a schematic front view of the second lens array 27. Further, FIG. 5C shows the spot light S formed on the irradiation surface 29.
  • the number of arrays is simplified for the sake of simplicity, but in the present embodiment, the plurality of spot lights S finally imaged on the irradiation surface 29 are shown in FIG. It corresponds to the number and arrangement of the mask patterns 20 shown in a).
  • the second lens array 27 is divided into an number of Mx ⁇ My arrays, and each of the divided elements has a lens element.
  • the optical axes of the plurality of (8 ⁇ 12) lens elements included in the first lens array 25 are narrowed in diameter at the conjugate surface 26, respectively, and the second lens array 27 causes Mx ⁇ My (4 ⁇ 12). 4) Each lens element is guided to the integrator lens 28.
  • the Nx ⁇ Ny (2 ⁇ 3) lens elements in each set for example, the light passing through the lens element at the upper left position in the drawing is a 11 , a 12 , a 13 , ... a 42 , a 43 , a, respectively. It is set to 44 (16 in total).
  • the lights a 11 to a 44 that have passed through the 16 lens elements are drawings of the 16 lens elements that the second lens array 27 has, respectively, as shown in FIG. 5 (b). It is incident on the upper left area of the view.
  • the lights a 11 to a 44 that have passed through the same region in the upper left of the drawing are superimposed as spot light Sa on the corresponding same region on the irradiation surface 25 by the integrator lens 28.
  • the lens unit 6 may include a lens array moving means 34 for moving and adjusting a position of the first lens array 25 along the optical axis.
  • a lens array moving means 34 for moving and adjusting a position of the first lens array 25 along the optical axis.
  • the diameter of each spot light S divided into Nx ⁇ Ny (2 ⁇ 3) is not narrowed down.
  • the boundary between the spot lights S disappears (the boundary disappears).
  • the lens array moving means 34 By moving the first lens array 25 from the conjugate surface 26 to the laser light source 7 side as shown by the lens array moving means 34, the diameter of the optical axis from each lens element is narrowed, and as a result, ( (The more it is moved to the light source side) As shown in FIG. 5C, the frame line L appears thicker between the spot lights S.
  • the irradiation area of the plurality of spot lights S can be easily adjusted (that is,).
  • the irradiation area can be adjusted according to the opening shape of the mask pattern 20 formed on the photomask 2).
  • the laser annealing device 1 configured in this way will be described.
  • necessary information is stored in the memory of the control means 18 and initial settings are made.
  • the driving means 14 of the mask stage 3 is driven based on the instruction of the control means 18, and the mask stage 3 is moved in the arrow B direction by a predetermined distance.
  • the first viewing window 12A is positioned above the line camera 15, the first alignment mark 21A is selected, and the line camera 15 and the first alignment mark 21A are aligned.
  • the transport means 4 starts transporting at a constant speed in the direction of arrow A with the TFT substrate 10 placed on the upper surface of the air stage 5.
  • the TFT substrate 10 is conveyed and the pull-in mark 33 written on the substrate reaches the lower side of the first viewing window 12A formed on the photomask 2, image pickup by the line camera 15 is started and at regular time intervals.
  • the captured image is output to the control means 18.
  • the control means 18 drives the alignment means 19 based on the positional relationship between the pull-in mark 33 and the alignment mark 21A. Then, the alignment means 19 moves the mask stage 3 in the directions E and F indicated by the arrows in FIG. 6, and aligns the TFT substrate 10 and the photomask 2 in the direction orthogonal to the substrate transport direction A.
  • the moving distance of the TFT substrate 10 in the transport direction obtained by calculation reaches the target value, and as shown in FIG. 6, the intersection of the plurality of data lines 31 and the plurality of gate lines 32 becomes a photo.
  • the lighting command of the laser light source 7 is output.
  • the laser beam emitted from the laser light source 7 is irradiated to the photomask 2 via the lens unit 6 for a predetermined time.
  • the light emitted from the lens unit 6 has its irradiation surface 29 as two photomask surfaces (back surface) and is divided into a plurality of spot lights S as described above, and the illuminance distribution of the spot lights S is uniform. It is a modified version. As shown in FIG. 7, the plurality of spot lights S correspond to the positions of the plurality of mask patterns 20 formed on the photomask 2, and the irradiation area of each spot light S corresponds to the aperture size of the corresponding mask pattern 20. It is adjusted to a size that covers the area. Therefore, the amount of light shielded by the photomask 2 is small, and the energy efficiency of the light can be increased.
  • the back surface of the photomask 2 is irradiated with laser light having uniform illuminance divided into a plurality of spot lights S, and the laser light is emitted by the microlens 17 of the photomask 2 to the data line 31 and the gate line 32 of the TFT substrate 10. It is focused at the intersection with. Then, the amorphous silicon film of the condensing portion is annealed to be polysilicon.
  • the amorphous silicon film at the annealing target position of the entire TFT substrate 10 is annealed by controlling the laser light to be turned on for a certain period from the laser light source every time the TFT substrate 10 moves by 2P1. It can be made into polysilicon.
  • the position of the first lens array 25 from the position of the conjugate surface 26 with the irradiation surface 29 is along the optical axis direction.
  • the number of arrays of the first lens array 25 is further divided for each lens element of the second lens array 27 while shifting to the light source side.
  • spot light S corresponding to a plurality of openings (mask pattern 20) of the photomask 2 can be easily formed, and the spot light S can be simultaneously irradiated to the plurality of openings. Energy efficiency and work efficiency can be improved.
  • the integrator lens 28 for forming the spot light S having a shape corresponding to the shape of each lens element of the first lens array 25 on the irradiation surface 29 is used.
  • the invention is not limited to its configuration.
  • the cylindrical lens unit 40 may be arranged as an integrator lens instead of the integrator lens 28.
  • the cylindrical lens unit 40 is arranged between a pair of cylindrical lenses 41a and 41b (first cylindrical lens) for changing the diameter (lateral ratio) of the optical axis in the x direction. It is composed of a cylindrical lens 42 (second cylindrical lens) for changing the diameter (aspect ratio) of the optical axis in the y direction.
  • first cylindrical lens for changing the diameter (lateral ratio) of the optical axis in the x direction.
  • second cylindrical lens for changing the diameter (aspect ratio) of the optical axis in the y direction.
  • a first cylindrical lens that changes the diameter (lateral ratio) of the optical axis in the x direction is composed of two lenses, and the diameter (aspect ratio) of the optical axis in the y direction is formed.
  • the second cylindrical lens for changing) is configured by one lens, but the configuration is not limited to that. That is, in the example shown in FIG. 8, since the magnification is different in the x direction and the y direction of the optical axis, the lens configuration is different in the x direction and the y direction, and the number of cylindrical lenses and the lens are different in each of the x and y directions.
  • the combination of shapes (convex lens, concave lens) is not limited.
  • the lens unit according to the present invention is applied to a laser annealing device, but the present invention is not limited to this, as long as the material is modified by irradiation with light.
  • an exposure light source composed of a xenon lamp that emits ultraviolet rays, an ultrahigh pressure mercury lamp, or a laser light source that emits ultraviolet rays is used instead of the laser light source 7, the photosensitive material coated on the substrate is used.
  • the microlens 17 formed on the lower surface of the transparent substrate 11 of the photomask 2 may not be provided, and the apparatus may be configured for close exposure.
  • a projection exposure apparatus configuration in which a projection lens is provided between the photomask and the exposure target (substrate), the photomask is irradiated with spot light by the lens unit of the present invention, and the photomask is exposed through the projection lens.
  • the present invention can also be applied to.
  • Laser annealing device (light irradiation device) 2 Photomask 3 Mask stage 4 Moving means 7 Laser light source 10 TFT substrate 11 Light source 15 Line camera 18 Control means 20 Mask pattern 25 First lens array 26 Coupling surface 27 Second lens array 28 Integrator lens 29 Irradiation surface 34 Lens array Transportation 41a Cylindrical lens (first cylindrical lens) 41b Cylindrical lens (first cylindrical lens) 42 Cylindrical lens (second cylindrical lens)

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Abstract

照射面に対し照度分布を均一化した複数のスポット光を同時に結像することのできるレンズユニットを提供すること。光源から入射された光束を、アレイ数に応じた複数の２次光源とする第１のレンズアレイ２５と、前記複数の２次光源からの光束をインテグレータレンズ２８に導く第２のレンズアレイ２７と、前記第２のレンズアレイが有する各レンズエレメント内の同一領域を通過した光束を照射面２９上の対応する同一領域に集める前記インテグレータレンズとを含み、前記第１のレンズアレイは、前記第２のレンズアレイが有するレンズエレメント単位で、アレイ数が更に分割されると共に、前記照射面と共役な面の位置よりも光軸方向に沿って光源側に配置されている。

Description

レンズユニット及びこのレンズユニットを備える光照射装置
　本発明は、レンズユニット及びこのレンズユニットを備える光照射装置に関し、特に照射面に対し照度分布を均一化した複数のスポット光を同時に結像するレンズユニット及びこのレンズユニットを備える光照射装置に係るものである。
　例えば特許文献１には、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）基板にレーザ光を照射するレーザアニール装置が開示されている。このレーザアニール装置は、ピクセルを形成するデータ線とゲート線の交差部におけるアモルファスシリコンの薄膜をアニールしてポリシリコン化するものである。
　前記ＴＦＴ基板にレーザ光を照射する場合、図９に示すようなフォトマスク６０（平面図）を用いて、所定方向に搬送されるＴＦＴ基板上（図示せず）の複数位置にレーザ光が選択的に照射される。このフォトマスク６０は、表面に複数のパターン６１が一定の配列ピッチでマトリクス状に設けられたものである（図示する例では２列に形成される）。
　レーザ光を照射する際には、フォトマスク６０に形成された複数のパターン６１の全体をカバーする広い領域Ａｒ（破線で囲む領域）に対し照射される。
　ところで、前記レーザアニール装置に限らず、光の照射により材料の改質を行う光照射装置（例えば露光装置など）にあっては、フォトマスクへの照射領域全体の照度分布を均一化することが求められている。
　そのため従来から例えば図１０に示すような照射光学ユニットが用いられている。
　図１０に示す照射光学ユニットについて説明すると、このユニットは、入口側（光源側）から照射面５４側に向けて、第１のレンズアレイ（フライアイ）５１と、第２のレンズアレイ（フライアイ）５２と、インテグレータレンズ５３とが光軸に沿って順に配置される。第１のレンズアレイ５１と第２のレンズアレイ５２のアレイ数（レンズエレメント数）は同じである。
　この構成において、第１のレンズアレイ５１に光源から入射された光束はアレイ数に応じた２次光源となされ、該２次光源は第２のレンズアレイ５２に入射される。第２のレンズアレイ５２は、第１のレンズアレイ５１から入射された複数の２次光源の光束をインテグレータレンズ５３に導く。
　ここで第２のレンズアレイ５２の各レンズエレメントから出射された光は、インテグレータレンズ５３によって照射面５４の１点に集められ結像される（第１のレンズアレイ５１の位置と照射面５４とが共役の関係となる）。
　照射面５４に結像された光は、第１のレンズアレイ５１に形成された複数のレンズエレメントの通過光を１箇所に重ねたものであるため、照度ムラが打ち消され照度分布が均一化されたものとなる。
特開２０１２－３０３８号公報
　前述のように、光照射装置においては、照射光の照度分布を均一とすることが求められ、照度分布が均一化された照射光は、例えば図９に示したように、フォトマスクに形成された複数のパターンの全体をカバーする広い領域Ａｒに対し照射される。
　しかしながら、フォトマスクのパターン開口部を通過する光は僅かであり、フォトマスクで遮蔽された光（照射光の大部分）は無駄になるため、光のエネルギー効率が悪いという課題があった。
　また、光のエネルギー効率を高くするためにマスクの開口部ごとに光を照射すると、光源側または照射対象側の位置をその都度変える必要があるため、全体の処理に時間を要するという課題があった。
　このような事情のもと、本願発明者は、フォトマスクの複数の開口部に対し同時にスポット光を照射し、それらの照度分布が均一となる光照射装置を実現するため、鋭意研究を重ね、本発明を完成するに至った。
　即ち、本発明の目的は、照射面に対し照度分布を均一化した複数のスポット光を同時に結像することのできるレンズユニット及びこのレンズユニットを備える光照射装置を提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明に係るレンズユニットは、光源側から照射面側に向かって、第１のレンズアレイと、第２のレンズアレイと、インテグレータレンズとが光軸に沿って順に配置されたレンズユニットにおいて、光源から入射された光束を、アレイ数に応じた複数の２次光源とする前記第１のレンズアレイと、前記複数の２次光源からの光束を前記インテグレータレンズに導く前記第２のレンズアレイと、前記第２のレンズアレイが有する各レンズエレメント内の同一領域を通過した光束を前記照射面上の対応する同一領域に集める前記インテグレータレンズとを含み、前記第１のレンズアレイは、前記第２のレンズアレイが有するレンズエレメント単位で、アレイ数が更に分割されると共に、前記照射面と共役な面の位置よりも光軸方向に沿って光源側に配置されていることに特徴を有する。
　尚、前記照射面に結像されるスポット光の数は、前記第１のレンズアレイが有するレンズエレメントの数を前記第２のレンズアレイが有するレンズエレメントが有するレンズエレメントの数で割ったものであることが望ましい。
　また、前記第１のレンズアレイを光軸方向に沿って移動させるレンズアレイ移動手段を備えることが望ましい。
　また、前記インテグレータレンズは、前記照射面に結像される像の横比を変化させる第１のシリンドリカルレンズと、縦比を変化させる第２のシリンドリカルレンズとにより構成されてもよい。
　このように本発明の構成によれば、照射面と共役な面の位置から第１のレンズアレイの位置を光軸方向に沿って光源側にずらすと共に、第２のレンズアレイのレンズエレメント単位で、前記第１のレンズアレイのアレイ数を更に分割する。それにより、照射面に分割された複数のスポット光を結像し、各スポット光間、及び各スポット光内における照度分布を均一化することができる。
　また、この構成により例えばフォトマスクの複数の開口に対応するスポット光を容易に形成して、前記複数の開口に対してスポット光を同時に照射することができ、光のエネルギー効率及び作業効率を向上することができる。
　また、上記目的を達成するために、本発明に係る光照射装置は、前記レンズユニットを備えることに特徴を有する。
　本発明によれば、照射面に対し照度分布を均一化した複数のスポット光を同時に結像することのできるレンズユニット及びこのレンズユニットを備える光照射装置を提供することができる。
図１は、本発明のレンズユニットが適用されたレーザアニール装置（光照射装置）の一例を模式的に示す断面図である。 図２は、図１のレーザアニール装置で処理するＴＦＴ基板の一部を示す平面図である。 図３（ａ）は、図１のレーザアニール装置が備えるフォトマスクの平面図であり、図３（ｂ）は、フォトマスクの断面図である。 図４は、図１のレーザアニール装置が備えるレンズユニットの構成を示す側面図である。 図５（ａ）は、図４のレンズユニットが備える第１のレンズアレイの正面図であり、図５（ｂ）は、図４のレンズユニットが備える第２のレンズアレイの正面図であり、図５（ｃ）は、図４のレンズユニットにより照射面に結像される像の正面図である。 図６は、図３のフォトマスクとＴＦＴ基板との位置合わせを説明するための平面図である。 図７は、図３のフォトマスクのパターン毎に照射されるスポット光を示す平面図である。 図８は、本発明のレンズユニットの変形例を示す斜視図である。 図９は、従来のレーザアニール装置におけるフォトマスクへの光照射領域を示す平面図である。 図１０は、従来の照射光学ユニットの構成を示す側面図である。
　以下、本発明に係るレンズユニット及び光照射装置の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１は、本発明のレンズユニットが適用されたレーザアニール装置（光照射装置）の一例を模式的に示す断面図である。図２は、図１のレーザアニール装置で処理するＴＦＴ基板の一部を示す平面図である。
　図１に示すレーザアニール装置１は、表面に複数のピクセル（画素）がマトリクス状に設けられたＴＦＴ基板１０に対し、選択的にレーザ光を照射し、基板に形成されたアモルファスシリコンの薄膜をアニールしてポリシリコン化するための装置である。
　ここで使用するＴＦＴ基板１０は、図２に示すように複数のピクセル３０を有し、該複数のピクセル３０は、矢印Ａで示す基板搬送方向に配列ピッチＰ１で配置し、基板搬送方向と直交方向に配列ピッチＰ２で配置したものである。
　また、図示するように基板面には、各ピクセル３０の縁部に沿って基板搬送方向に平行な方向に複数のデータ線３１が形成され、基板搬送方向の直交方向に複数のゲート線３２が形成されている。
　また、基板搬送方向先頭側の表示領域外には、十字状の引き込みマーク３３が形成されている。
　レーザアニール装置１の構成について説明すると、前記ＴＦＴ基板１０に対応配置されるフォトマスク２と、前記フォトマスク２を保持するマスクステージ３と、前記ＴＦＴ基板１０を載置して矢印Ａ方向に一定速度で搬送する搬送手段４とを備える。
　前記マスクステージ３は、その中央部に開口部３ａを有し、フォトマスク２の周縁部を把持するものである。そして、モータ等の駆動手段１４によって、図示する矢印Ｂ，Ｃ方向に移動可能となされている。
　前記搬送手段４は、上面に気体を噴出する多数の噴出孔と気体を吸引する多数の吸引孔とを有したエアステージ５を備えている。そして、気体の噴出と吸引とのバランスによりＴＦＴ基板１０をエアステージ５上に一定量だけ浮かせた状態で、図示しない搬送ローラによりＴＦＴ基板１０の両端縁部を把持して搬送するようになっている。また、図示しない位置センサや速度センサにより基板位置を検出する構成となっている。
　また、レーザアニール装置１は、前記フォトマスク２の上方に配置されるレンズユニット６と、前記レンズユニット６の上方に配置され、前記レンズユニット６にレーザ光を放射するレーザ光源７とを有する。このレーザ光源７は、例えば波長が３０８ｎｍ又は３５３ｎｍのレーザ光９を例えば５０Ｈｚの繰り返し周期で放射するエキシマレーザである。
　前記レンズユニット６は、前記レーザ光源７から放射されるレーザ光９の光路上に配置されている。このレンズユニット６は、レーザ光源７より入射されたレーザ光９を所定の複数のスポット光に分割するとともに、分割した複数のスポット光のそれぞれにおいて照度分布を均一化するために設けられている。また、このレンズユニット６は本発明の特徴となる構成を含むものであり、詳細に後述する。
　前記フォトマスク２は、ＴＦＴ基板１０上に予め設定された複数位置（光照射目標位置）に光を選択的に照射させるためのものである。
　図３（ａ）に示すように、このフォトマスク２には、ＴＦＴ基板１０に形成された複数のピクセル３０の配列ピッチＰ１、Ｐ２に等しい配列ピッチでマトリクス状に形成された複数の開口、即ちマスクパターン２０が形成されている。尚、図示する例では基板搬送方向Ａに直交した２列のマスクパターン２０Ａ、２０Ｂを示している。
　図３（ｂ）に示すように、前記マスクパターン２０は、透明基板１１の表面に設けられた遮光膜１２に形成された光を通過させる一定形状の開口である。
　また、前記透明基板１１の裏面（ＴＦＴ基板１０側）には、複数のマイクロレンズ１７が設けられている。この複数のマイクロレンズ１７は、ＴＦＴ基板１０上に光を集光させるための凸レンズであり、各マスクパターン２０の中心に光軸を合致させて配置されている。
　また、図３（ａ）に示すように前記フォトマスク２には、基板搬送方向Ａの直交方向に長尺な第１～第３の覗き窓１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃが形成されている
　この覗き窓１２Ａ～１２Ｃの中には、複数のマスクパターン２１とＴＦＴ基板１０上の光照射目標位置との位置合わせを行うための第１～第３のアライメントマーク２１Ａ～２１Ｃが設けられている。
　また、レーザアニール装置１は、前記マスクステージ３を図３のＥ，Ｆ方向に沿って移動可能なアライメント手段１９を備えている。このアライメント手段１９は、ＴＦＴ基板１０とフォトマスク２との位置合わせをするためのものであり、例えばリニアモータ、電磁アクチュエータ、又はレール及びモータ等により構成されている。
　また、レーザアニール装置１は、ＴＦＴ基板１０の下方において、前記覗き窓１２Ａ～１２Ｃのうちの１つの覗き窓に対向させて配置されるラインカメラ１５を備えている。
　このラインカメラ１５は、ＴＦＴ基板１０を下から透かしてその表面及びフォトマスク２のアライメントマーク２１を撮像し、それらの一次元画像を後述の制御手段１８に出力する。
　また、ラインカメラ１５に対向してマスクステージ３の上方には、照明用光源１６が設けられ、ラインカメラ１５の撮像位置を照明するようになっている。
　更に、レーザアニール装置１は、装置内の駆動制御を行うためのコンピュータ装置からなる制御手段１８を備えている。
　ここで、図４を用いてレンズユニット６の構成について説明する。図４に示すようにレンズユニット６は、入口側（レーザ光源側）から照射面２９に向けて光軸に沿って順に配置された、第１のレンズアレイ（フライアイ）２５と、第２のレンズアレイ（フライアイ）２７と、インテグレータレンズ２８とを備える。また、図示するように第２のレンズアレイ２７よりも光源側に、前記照射面２９と共役な面（共役面と称する）２６が存在する。
　尚、本実施の形態において、前記照射面２９は、フォトマスク２面（裏面）に設定されている。
　前記第１のレンズアレイ２５は、レーザ光源７より入射された光束からアレイ数に応じた複数の２次光源を生成するものである。この２次光源は、図示するように第１のレンズアレイ２５の焦点に生成される。
　また、第２のレンズアレイ２７の各レンズエレメントは、複数の２次光源からの光束をインテグレータレンズ２８に導くために設けられている。
　また、インテグレータレンズ２８は、第２のレンズアレイ２７の各レンズエレメント内の同一領域を通過した光束を、照射面２９上の対応する同一領域に集めるために設けられている。
　本実施の形態では、第１のレンズアレイ２５の位置は、共役面２６よりもレーザ光源７側に配置されるため、第１のレンズアレイ２５を通過し、レンズエレメントごとに径が絞られた共役面２６での像が、照射面２９上に結像される。
　また、前記第１のレンズアレイ２５は、第２のレンズアレイ２７のアレイ数をさらに分割したアレイ数を有する。即ち、第１のレンズアレイ２５のアレイ数（レンズエレメント数）は、第２のレンズアレイ２７のアレイ数（レンズエレメント数）よりも多く形成されている。
　そのため、照射面２９に結像されるのは、第２のレンズアレイ２７の各レンズエレメントに対応する、第１のレンズアレイ２５の複数のレンズユニットによる像、即ち、複数のスポット光となる（照射面２９で結像されるスポット光の数は、第１のレンズアレイ２５が有するレンズエレメント数を第２のレンズアレイ２７が有するレンズエレメント数で割った数となる）。
　具体的に説明すると、図５（ａ）に第１のレンズアレイ２５の模式的な正面図を示し、図５（ｂ）に第２のレンズアレイ２７の模式的な正面図を示す。また、図５（ｃ）に照射面２９に結像されたスポット光Ｓを示す。
　尚、図５に示す例は、説明を容易にするためにアレイ数を簡素化しているが、照射面２９に最終的に結像される複数のスポット光Ｓは、本実施形態では図３（ａ）に示したマスクパターン２０の数、配列に対応したものとなる。
　図５（ｂ）に示すように、第２のレンズアレイ２７は、Ｍｘ×Ｍｙ個のアレイ数に分割され、分割された各要素にレンズエレメントを有する。この例ではＭｘ＝４、Ｍｙ＝４であるため、４×４個のレンズエレメントを有する。
　また、図５（ａ）に示すように、第１のレンズアレイ２５は、第２のレンズアレイ２７におけるＭｘ×Ｍｙ（４×４）個の各レンズエレメント内の領域が更にＮｘ×Ｎｙ（２×３）個のアレイ数に分割され、分割された各要素にそれぞれレンズエレメントを有する。
　即ち第１のレンズアレイ２５の全体では（Ｎｘ×Ｍｘ）×（Ｎｙ×Ｍｙ）個のレンズエレメントを有する。この例ではＮｘ＝２、Ｎｙ＝３であるため、（２×４）×（３×４）個、即ち８×１２個のレンズエレメントを有することになる。
　この場合、第１のレンズアレイ２５が有する複数（８×１２個）のレンズエレメントの光軸は、それぞれ共役面２６において径が絞られ、第２のレンズアレイ２７によって、Ｍｘ×Ｍｙ（４×４）個のレンズエレメント毎にインテグレータレンズ２８に導かれる。
　そして、第２のレンズアレイ２７が有するＭｘ×Ｍｙ（４×４）個のレンズエレメント毎にインテグレータレンズ２８に入射された複数の光は照射面２９に集められ結像される。このとき、第２のレンズアレイ２７が有する各レンズエレメント内の同一領域を通過した光束は、照射面２９上の対応する同一領域に集められる。
　より具体的に説明すると、例えば、図５（ａ）に示すように第１のレンズアレイ２５には、Ｎｘ×Ｎｙ（２×３）個のレンズエレメントが、更に４×４＝１６セット含まれる。各セットにおけるＮｘ×Ｎｙ（２×３）個のレンズエレメントにおいて、例えば図面視左上位置のレンズエレメントを通過する光をそれぞれａ１１、ａ１２、ａ１３、・・・ａ４２、ａ４３、ａ４４（全部で１６）とする。
　第１のレンズアレイ２５において、１６個のレンズエレメントを通過した光ａ１１～ａ４４は、図５（ｂ）に示すように、それぞれ第２のレンズアレイ２７が有する１６個のレンズエレメントの図面視左上の領域に入射される。
　第２のレンズアレイ２７の各レンズエレメントにおいて、図面視左上の同一領域を通過した光ａ１１～ａ４４は、インテグレータレンズ２８により照射面２５上の対応する同一領域にスポット光Ｓａとして重ねられ、結像される（Ｓａ＝ａ１１＋ａ１２＋・・・＋ａ４３＋ａ４４）。
　図５の例では、このようにして照射面２９に結像されるのは、図５（ｃ）に示すようにＮｘ×Ｎｙ（２×３）個のスポット光となる（図３のフォトマスク２に対する照射の場合には、図３（ａ）のマスクパターン２０に対応して２×２２個のスポット光となる）。ここで、各スポットの光は、Ｍｘ×Ｍｙ（４×４）個のレンズエレメントを通過した光が重複したものであるため照度ムラが打ち消され照度が均一化されたものとなる。
　また、図４に示すようにレンズユニット６は、第１のレンズアレイ２５の光軸に沿った位置を移動させ、調整するためのレンズアレイ移動手段３４を備えてもよい。
　例えば、図４において前記第１のレンズアレイ２５の位置を、共役面２６と一致させた場合、Ｎｘ×Ｎｙ（２×３）個に分割された各スポット光Ｓの径は絞られないため、スポット光Ｓ間の境目が無くなる（境目が見えなくなる）。
　これをレンズアレイ移動手段３４によって第１のレンズアレイ２５を図示するように共役面２６よりレーザ光源７側に移動させることで、各レンズエレメントからの光軸の径が絞られ、その結果、（光源側に移動させるほど）図５（ｃ）に示すようにスポット光Ｓ間に枠線Ｌが太く現れる。
　また、このように第１のレンズアレイ２５の位置を変えることで、スポット光Ｓの大きさを変えることができるため、複数のスポット光Ｓの照射面積を容易に調整することができる（即ち、フォトマスク２に形成されたマスクパターン２０の開口形状に合わせて照射面積を調整することができる）。
　続いて、このように構成されたレーザアニール装置１による一連の動作について説明する。
　まず、制御手段１８のメモリに必要な情報が記憶されて初期設定がなされる。また、マスクステージ３の駆動手段１４が制御手段１８の指示に基づき駆動され、マスクステージ３が矢印Ｂ方向に所定距離だけ移動される。
　これにより、例えば第１の覗き窓１２Ａがラインカメラ１５の上方に位置づけされて第１のアライメントマーク２１Ａが選択され、ラインカメラ１５と第１のアライメントマーク２１Ａとの位置合わせがされる。
　次に搬送手段４は、ＴＦＴ基板１０をエアステージ５の上面に載置させた状態で矢印Ａ方向に一定速度で搬送を開始する。
　ＴＦＴ基板１０が搬送されて、該基板に記された引き込みマーク３３がフォトマスク２に形成された第１の覗き窓１２Ａの下側に達するとラインカメラ１５による撮像が開始され、一定の時間間隔で撮像画像が制御手段１８に出力される。
　制御手段１８では、前記引き込みマーク３３とアライメントマーク２１Ａとの位置関係に基づいて、アライメント手段１９を駆動する。そしてアライメント手段１９は、マスクステージ３を図６に矢印で示すＥ、Ｆ方向に移動し、基板搬送方向Ａと直交方向においてＴＦＴ基板１０とフォトマスク２との位置合わせを行う。
　そして、制御手段１８は、演算により求めたＴＦＴ基板１０の搬送方向の移動距離が目標値に達し、図６に示すように複数のデータ線３１と複数のゲート線３２との交差部が、フォトマスク２の複数のマスクパターン２０の中心と合致すると、レーザ光源７の点灯司令を出力する。これによりレーザ光源７から発射されたレーザ光が所定時間の間レンズユニット６を介してフォトマスク２に照射される。
　ここで、前記レンズユニット６から出射される光は、その照射面２９がフォトマスク２面（裏面）となり、前述したように複数のスポット光Ｓに分割され、該スポット光Ｓの照度分布が均一化されたものである。この複数のスポット光Ｓは、図７に示すようにフォトマスク２に形成された複数のマスクパターン２０の位置に対応するとともに、各スポット光Ｓの照射面積は、対応するマスクパターン２０の開口大きさをカバーする程度の大きさに調整されている。そのため、フォトマスク２で遮蔽される光は僅かとなり、光のエネルギー効率を高くすることができる。
　このようにしてフォトマスク２の裏面に照度が均一なレーザ光が複数のスポット光Ｓに分かれて照射され、フォトマスク２のマイクロレンズ１７によりレーザ光がＴＦＴ基板１０のデータ線３１とゲート線３２との交差部に集光される。そして、該集光部のアモルファスシリコン膜がアニール処理されて、ポリシリコン化される。
　以後、本実施の形態では、ＴＦＴ基板１０が２Ｐ１だけ移動する毎に、レーザ光源よりレーザ光を一定期間点灯させる制御を行うことにより、ＴＦＴ基板１０全体のアニール目標位置のアモルファスシリコン膜をアニール処理してポリシリコン化することができる。
　以上のように本発明に係る実施の形態によれば、照射光を形成するレンズユニット６において、照射面２９との共役面２６の位置から第１のレンズアレイ２５の位置を光軸方向に沿って光源側にずらすと共に、第２のレンズアレイ２７のレンズエレメント単位で、前記第１のレンズアレイ２５のアレイ数を更に分割する。
　それにより、照射面２９に複数のスポット光Ｓを結像し、各スポット光Ｓ間、及び各スポット光Ｓ内における照度分布を均一化することができる。
　また、この構成によりフォトマスク２の複数の開口（マスクパターン２０）に対応するスポット光Ｓを容易に形成して、前記複数の開口に対してスポット光Ｓを同時に照射することができ、光のエネルギー効率及び作業効率を向上することができる。
　尚、前記実施の形態においては、第１のレンズアレイ２５が有する各レンズエレメントの形状に応じた形状のスポット光Ｓを照射面２９に結像させるインテグレータレンズ２８を用いた構成としたが、本発明にあっては、その構成に限定されるものではない。
　例えば、図８に斜視図で示すようにインテグレータレンズ２８に代えて、シリンドリカルレンズユニット４０をインテグレータレンズとして配置した構成としてもよい。
　図８に示す例では、シリンドリカルレンズユニット４０は、光軸のｘ方向の径（横比）を変えるための一対のシリンドリカルレンズ４１ａ、４１ｂ（第１のシリンドリカルレンズ）と、それらの間に配置され、光軸のｙ方向の径（縦比）を変えるためのシリンドリカルレンズ４２（第２のシリンドリカルレンズ）とからなる。
　このような構成とすることにより照射面２９に結像させるスポット光の形状のｘ方向とｙ方向のアスペクト比（縦横比）を変えることができる。
　尚、図８に示したシリンドリカルレンズユニット４０の例では、光軸のｘ方向の径（横比）を変える第１のシリンドリカルレンズを２枚で構成し、光軸のｙ方向の径（縦比）を変えるための第２のシリンドリカルレンズを１枚で構成したが、その構成に限定されるものではない。
　即ち、図８に示す例では光軸のｘ方向とｙ方向とで倍率が異なるためにｘ方向とｙ方向とでレンズ構成が異なっており、ｘ、ｙの各方向においてシリンドリカルレンズの枚数やレンズ形状（凸レンズ、凹レンズ）の組み合わせが限定されるものではない。
　また、前記実施の形態においては、本発明に係るレンズユニットを、レーザアニール装置に適用した例を示したが、それに限らず本発明は、光の照射により材料の改質を行うものであれば、如何なる装置にも適用することができる。
　例えば、図１に示す装置において、レーザ光源７に代えて紫外線を放射するキセノンランプ、超高圧水銀ランプ、又は紫外線放射のレーザ光源からなる露光用光源とすれば、基板上に塗布された感光材を露光する露光装置にも適用することができる。その場合、フォトマスク２の透明基板１１の下面に形成されたマイクロレンズ１７は設けず、近接露光の装置構成としてもよい。
　或いは、フォトマスクと露光対象（基板）との間に、投影レンズを設け、前記フォトマスクに対し本発明のレンズユニットによりスポット光を照射し、前記投影レンズを介して露光する投影露光の装置構成にも本発明を適用することができる。
１　　　レーザアニール装置（光照射装置）
２　　　フォトマスク
３　　　マスクステージ
４　　　移動手段
７　　　レーザ光源
１０　　ＴＦＴ基板
１１　　光源
１５　　ラインカメラ
１８　　制御手段
２０　　マスクパターン
２５　　第１のレンズアレイ
２６　　共役面
２７　　第２のレンズアレイ
２８　　インテグレータレンズ
２９　　照射面
３４　　レンズアレイ移動手段
４１ａ　シリンドリカルレンズ（第１のシリンドリカルレンズ）
４１ｂ　シリンドリカルレンズ（第１のシリンドリカルレンズ）
４２　　シリンドリカルレンズ（第２のシリンドリカルレンズ）

Claims (7)

  1. 　光源側から照射面側に向かって、第１のレンズアレイと、第２のレンズアレイと、インテグレータレンズとが光軸に沿って順に配置されたレンズユニットにおいて、
    　光源から入射された光束を、アレイ数に応じた複数の２次光源とする前記第１のレンズアレイと、前記複数の２次光源からの光束を前記インテグレータレンズに導く前記第２のレンズアレイと、前記第２のレンズアレイが有する各レンズエレメント内の同一領域を通過した光束を前記照射面上の対応する同一領域に集める前記インテグレータレンズとを含み、
    　前記第１のレンズアレイは、前記第２のレンズアレイが有するレンズエレメント単位で、アレイ数が更に分割されると共に、前記照射面と共役な面の位置よりも光軸方向に沿って光源側に配置されていることを特徴とするレンズユニット。
  2. 　前記照射面に結像されるスポット光の数は、
    　前記第１のレンズアレイが有するレンズエレメントの数を前記第２のレンズアレイが有するレンズエレメントが有するレンズエレメントの数で割ったものであることを特徴とする請求項１に記載されたレンズユニット。
  3. 　前記第１のレンズアレイを光軸方向に沿って移動させるレンズアレイ移動手段を備えることを特徴とする請求項１に記載されたレンズユニット。
  4. 　前記第１のレンズアレイを光軸方向に沿って移動させるレンズアレイ移動手段を備えることを特徴とする請求項２に記載されたレンズユニット。
  5. 　前記インテグレータレンズは、前記照射面に結像される像の横比を変化させる第１のシリンドリカルレンズと、縦比を変化させる第２のシリンドリカルレンズとにより構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載されたレンズユニット。
  6. 　前記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のレンズユニットを備えることを特徴とする光照射装置。
  7. 　前記請求項５に記載のレンズユニットを備えることを特徴とする光照射装置。
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