JP3781091B2 - ビーム整形装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、照射光を所定のビーム形状で対象面に入射させるためのビーム整形装置及び方法に関するものであり、特にレーザーを利用したアニーリング装置、表面改質装置等の加工装置に応用可能なビーム整形装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばアモルファスＳｉ膜を多結晶化するレーザーアニーリング装置は、アモルファスＳｉ膜を形成した基板上にアニーリング光を照射させるためのビーム整形装置として、ホモジナイザーと呼ばれる光学系を備える。特に、レーザーアニーリング装置が線状のレーザービームを基板上で短軸方向に１軸スキャン照射するスキャンタイプのものである場合、矩形ビームから線条ビームを形成する線条ビームホモジナイザーが用られる。
【０００３】
上記のようなレーザーアニーリング装置では、線条ビームホモジナイザーによって形成される短軸方向のビーム断面形状（特に、エッジ部のスロープおよびピークエネルギー密度）に依存してアニーリングのプロセス結果が異なるものとなるため、照射中のビーム断面形状を一定に保つことが重要となる。
【０００４】
また、ビーム断面形状を意図的に変更して照射させることができれば、アニーリングプロセスの条件出し等が容易になる。特に、短辺エッジ部のスロープを様々に変化させて照射させることができれば、基板上で多結晶化されるシリコン層の状態を自在に制御できる可能性がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の装置では、アニール用のレーザーを連続照射しているとレーザー光源内部の何らかの原因によって出射ビームの拡がり角が徐々に変化していく現象が発生し、ホモジナイザーを経て基板に照射されるビーム断面形状（特にビームスロープ）も変化してしまう。
【０００６】
この点についてもう少し簡単に説明する。拡がり角θを持ったレーザービームは、理想的なレンズ（焦点距離ｆ）を用いてもｆθのスポットにしか絞れない。つまり、照射途中にアニール用のレーザーの拡がり角が変化した場合、レーザービームのエッジのスロープが拡がり角θに比例して緩やかになってしまうという問題が生じる。また、緩やかになったビームスロープ部に中央のトップフラット部のビーム成分がまわり込んでピークエネルギー密度が下がるという問題も生じる。このような現象は、一連のアニーリングプロセスを比較した場合に照射状態が異なることを意味し、安定した品質を得ることが困難である。
【０００７】
また、従来のビーム整形装置では、ビーム断面形状を積極的に制御する簡易な方法がなくプロセスの条件出し等が容易でなかった。ここで、ビーム断面形状を調節するには、以下のような方法が考えられる。
（ａ）ホモジナイザーを光軸上で移動させてデフォーカスさせる
（ｂ）別のビーム形状を形成させる別のホモジナイザーに交換する
（ｃ）ホモジナイザーの構成レンズの一部を交換する
上記（ａ）の方法に関しては、デフォーカスによって、短辺エッジ部スロープのみならずビーム全体が予期せぬ形状に変形してしまう問題がある。（ｂ）及び（ｃ）の方法に関しては、光学設計が複雑となり、交換の機構や動作も複雑となって実用的ではない。
【０００８】
そこで、本発明は、ビーム形状等を簡易に制御することができるビーム整形装置および方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係るビーム整形装置は、光源からの照射光を所定の断面形状及び強度で所定面上に入射させるホモジナイザーと、前記光源と前記ホモジナイザーとの間に配置されてホモジナイザーに入射する前記照射光の拡がり角を調節するアフォーカルズーム光学系とを備える。
【００１０】
本発明の上記ビーム整形装置では、アフォーカルズーム光学系が前記光源と前記ホモジナイザーとの間に配置されてホモジナイザーに入射する前記照射光の広がり角を調節するので、ホモジナイザー自体の設定を変更することなく、ホモジナイザーから出射して所定面上に入射する照射光の断面形状等を簡易に調節することができる。つまり、光源から出射する照射光の拡がり角が徐々に変化しても、アフォーカルズーム光学系の調整のみによって、所定面上に入射する照明光の断面形状を一定に保つことができる。また、アフォーカルズーム光学系によって前記照射光の拡がり角を適宜調節することで、ビーム断面形状を積極的に制御することもできる。なお、前者のように光源からの照射光の拡がり角が徐々に変化する現象をアフォーカルズーム光学系によって相殺する場合、アフォーカルズーム光学系による拡がり角の調節は連続的なものとする必要がある。
【００１２】
また、本発明の上記ビーム整形装置では、アフォーカルズーム光学系を用いているので、ホモジナイザーに入射する前記照射光がほぼ平行光線である場合、アフォーカルズーム光学系の角倍率を適宜変化させるだけで、簡易に前記照射光の拡がり角を調節することができる。
【００１３】
また、上記装置の好ましい態様では、前記照射光の拡がり角を検出する検出手段と、当該検出手段の検出値に基づいて前記アフォーカルズーム光学系の角倍率を制御する制御手段とをさらに備える。
【００１４】
この場合、制御手段が検出手段の検出値に基づいて前記アフォーカルズーム光学系の角倍率を制御するので、照射光の拡がり角の変化を簡易・迅速に補償して安定した断面形状及び強度の照射光を所定面上に入射させることができる。
【００１５】
また、本発明に係るビーム整形方法は、光源からの照射光をホモジナイザーによって所定の断面形状及び強度分布で所定面上に入射させるビーム整形方法であって、前記ホモジナイザーに入射する前記照射光の拡がり角を、アフォーカルズーム光学系で調節する。
【００１６】
上記ビーム整形方法では、前記ホモジナイザーに入射する前記照射光の拡がり角をアフォーカルズーム光学系で調節することによって、ホモジナイザー自体の設定を変更することなく、ホモジナイザーから出射して所定面上に入射する照射光の断面形状等を簡易に調節することができるのみならず、ホモジナイザーに入射する前記照射光がほぼ平行光線である場合、アフォーカルズーム光学系の角倍率を適宜変化させるだけで、簡易に前記照射光の拡がり角を調節することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明に係る第１実施形態のビーム整形装置を組み込んだ照射光学系の構造を説明する図である。
【００１８】
この照射光学系は、照射光である光ビームを発生するレーザー光源１０と、このレーザー光源１０からの光ビームを所定の断面形状及び強度で所定の被照射面ＩＳ上に入射させるホモジナイザー２０と、レーザー光源１０とホモジナイザー２０との間に配置されてホモジナイザー２０に入射する光ビームの広がり角を調節する角度調節光学系であるアフォーカルズーム光学系３０とを備える。ここで、ホモジナイザー２０とアフォーカルズーム光学系３０とは、ビーム整形装置を構成する。なお、レーザー光源１０からアフォーカルズーム光学系３０及びホモジナイザー２０まで光ビームを導くためのビームデリバリー（ミラー等）は示していない。また、被照射面ＩＳ上には、例えばガラス基板上にアモルファスＳｉ膜を堆積したものを配置する。
【００１９】
アフォーカルズーム光学系３０では、これを通過する光ビームの入射前後の光軸からの高さをｈ0、ｈ’とし、入射前後の光軸との交わり角をｕ0、ｕ’とすると、角倍率γが、
γ＝ｈ0／ｈ’＝ｕ’／ｕ0＝γ0〜γ’
で与えられ可変となっている。つまり、このアフォーカルズーム光学系３０を通すことで、ホモジナイザー２０に入射する光ビームの広がり角を一定の範囲で簡単に調節することができる。
【００２０】
全体の動作について説明する。まず、レーザー光源１０からは、ほぼ平行な照射光の光ビームが出射し、ホモジナイザー２０に入射する前に、角倍率可変のアフォーカルズーム光学系３０に入射する。このアフォーカルズーム光学系３０を経た光ビームは、ホモジナイザー２０に入射するが、アフォーカルズーム光学系３０によって角倍率を制御することにより、ホモジナイザー２０に入射する光ビームの広がり角を調節することができる。これにより、ホモジナイザー２０を通過した光ビームを線条ビームとして被照射面ＩＳ上に所望の断面形状及び強度分布で入射させることができる。
【００２１】
なお、被照射面ＩＳ上にアモルファスＳｉ膜を配置した場合、アモルファスＳｉ膜の表面を上記のような所望の断面形状の線条ビームで走査することになり、ガラス基板上に所望の条件で一様にアニールされたポリシリコン膜が形成される。
【００２２】
図２は、ホモジナイザーの構造を説明する図である。図２（ａ）は、線条ビームの長軸方向に関する図であり、図２（ｂ）は、線条ビームの短軸方向に関する図であり、図２（ｃ）は、ホモジナイザーの一部品であるシリンドリカルレンズアレイの構造を説明する斜視図である。
【００２３】
ホモジナイザー２０は、第１〜第４シリンドリカルレンズアレイＣＡ1〜ＣＡ4と、凸レンズのコンデンサレンズ２１とからなる。ここで、第１及び第３シリンドリカルレンズアレイＣＡ1、ＣＡ3は、短軸断面に曲率を有し、第２及び第４シリンドリカルレンズアレイＣＡ2、ＣＡ4は、長軸断面に曲率を有する。
【００２４】
ホモジナイザー２０に入射した光ビームは、第１〜第４シリンドリカルレンズアレイＣＡ1〜ＣＡ4によって、短軸及び長軸の両方向に関し、シリンドリカルレンズを構成するセグメント数に分割された２次光源を形成する。分割された２次光源からの光ビームは、第１及び第３アレイＣＡ1、ＣＡ3の合成焦点距離ｆawと、第２及び第４アレイＣＡ2、ＣＡ4の合成焦点距離ｆalと、セグメント幅ｄとによって決定される異なった出射ＮＡでコンデンサレンズ２１に入射する。コンデンサレンズ２１に入射した各２次光源からの光ビームは、コンデンサレンズ２１のバックフォーカス位置に配置された被照射面ＩＳで重ね合わされて均一な線条ビームを形成する。なお、合成焦点距離ｆaw、ｆalを適宜設定することにより、被照射面ＩＳに投影される線条ビームの線幅Ｗと長さＬとを所望の値に調節することができる。
【００２５】
図３は、アフォーカルズーム光学系３０の構成の一例を示す図であり、図３（ａ）〜図３（ｃ）は、角倍率γの変化を説明する図である。
【００２６】
図からも明らかなように、このアフォーカルズーム光学系３０は、凸凹凸の３レンズ３１、３２、３３からなる３群系で構成され、レンズ３２、３３の光軸上の配置を相対的に変更することにより、同じ角度で入射した光ビームを異なる角度で出射させることができる。
【００２７】
図３（ａ）、３（ｂ）、３（ｃ）では、レンズデータの詳細は省略するが、同じ角度ｕでアフォーカルズーム光学系３０に光ビームが入射しているにも拘わらず、それぞれｕ1’、ｕ2’、ｕ3’の異なる角度で出射しており、
ｕ1’＜ｕ2’＜ｕ3’
の関係がある。つまり、このアフォーカルズーム光学系３０の角倍率γは、
γ1＜γ2＜γ3
となっている。この際、レンズの曲率及び配置を適宜調節して、例えばγ1＜１、γ2＝１、１＜γ3という条件に設定することができ、可変範囲γ1〜γ3も、目的に合わせてある程度自由に設計することができる。
【００２８】
ここで、レーザー光源１０から出射するレーザー光の拡がり角をθとすると、アフォーカルズーム光学系をビームが通った後の光ビームの拡がり角はγ・θとなる。角倍率γは、上記のようにγ1〜γ3まで可変であるため、ホモジナイザー２０に入射する光ビームの拡がり角をγ1・θ〜γ3・θ範囲でコントロールすることができることになる。そして、アフォーカルズーム光学系を通った後のレーザーの拡がり角γ・θが、
γ1・θ＜γ2・θ＜γ3・θ
であるため、ホモジナイザー２０によって被照射面ＩＳ上に形成される線条ビーム像のスロープ幅は、γ1・θ、γ2・θ、γ3・θの順に狭い、すなわち急峻である。
【００２９】
図４は、ホモジナイザー２０によって被照射面ＩＳ上に投射される線条ビーム像のスロープ幅を示すグラフである。図４（ａ）は、比較的大きな拡がり角γ3・θのときのプロファイルを示し、図４（ｂ）は、比較的小さな拡がり角γ1・θのときのプロファイルを示す。グラフにおいて、横軸は短軸方向の距離を示し、縦軸は光ビームのパワーを示す。線条ビーム像のスロープ幅ＳＷは、アフォーカルズーム光学系３０を適当な角倍率γに設定してやることにより、各グラフに示す２つ状態間で連続的に変化させるものとできる。なお、アフォーカルズーム光学系３０のズーム動作は、手動で行っても良いが、通常はモーターを用いてレンズの配置を変えて行う。
【００３０】
以上の説明から明らかなように、第１実施形態のビーム整形装置では、アフォーカルズーム光学系３０によってホモジナイザー２０に入射する光ビームの広がり角を調節することができるので、スロープ幅等のビーム断面形状を積極的に制御することができる。具体的に説明すると、第１実施形態のビーム整形装置は、レーザー加工のプロセスの条件出しに使用することができる。一般に、採用するプロセスによって最適なビームのスロープ幅は異なるので、これを見つけ出す必要があるが、このビーム整形装置を利用すれば、ホモジナイザー２０を通過して加工面である被照射面ＩＳに投射される投射像につき、所定の可変範囲で連続的にスロープを変えることができるため、プロセス上最適な条件を簡易に探し出すことができる。
【００３１】
なお、アフォーカルズーム光学系３０は、拡がり角の変換に関して上記の特性を持っているが、アフォーカルズーム光学系３０によるビームサイズの変換に関しては注意が必要である。つまり、アフォーカルズーム光学系３０の前後で、ビームサイズは角倍率に応じて１／γになるので、ホモジナイザー２０のビーム開口は、最もビームサイズが大きくなる角倍率γ1のときにあわせて大きくしておく必要がある。
〔第２実施形態〕
図５は、第２実施形態のビーム整形装置を組み込んだ照射光学系の構造を説明する図である。この照射光学系は、図１に示すビーム整形装置の部分を変形した照射光学系であり、光ビームを発生するレーザー光源１０と、光ビームを所定の断面形状及び強度で所定の被照射面ＩＳ上に入射させるホモジナイザー２０と、ホモジナイザー２０に入射する光ビームの広がり角を調節するアフォーカルズーム光学系３０と、レーザー光源１０からの光ビームをアフォーカルズーム光学系３０及びホモジナイザー２０に導くためのビームデリバリー４０とを備える。第２実施形態の装置では、レーザー光源１０からの光ビームの拡がり角の経時変化を補正してホモジナイザー２０に入射する光ビームの拡がり角を一定に保つ。このため、ホモジナイザー２０とアフォーカルズーム光学系３０との間に配置されて光ビームを一部分岐するビームスプリッター５１と、ビームスプリッター５１からの分岐光の広がり角を検出する広がり角検出器５２と、広がり角検出器５２の検出結果に基づいてアフォーカルズーム光学系３０を駆動するズームコントローラー５５とをさらに備える。
【００３２】
レーザー光源１０から出射された光ビームは、ビームデリバリー４０を経てアフォーカルズーム光学系２０に入射する。アフォーカルズーム光学系３０に入射した光ビームは、拡がり角がθからγθに変換されてホモジナイザー２０に入射する。ビームスプリッター５１は、ホモジナイザー２０に入射する直前の光ビームの１％程度分岐して広がり角検出器５２に供給する。広がり角検出器５２は、例えば焦点距離ｆのレンズとＣＣＤカメラで構成され、このレンズで絞られた集光点のビームの幅をＣＣＤカメラで検出する。ＣＣＤカメラで検出されるビーム幅ｃｄは、ｃｄ＝ｆθで与えられるため、θ＝ｃｄ／ｆとして拡がり角を求めることができる。このようにして得た拡がり角の検出値を元に、ズームコントローラー５５でアフォーカルズーム光学系３０の角倍率をコントロールすれば、ホモジナイザー２０に入射する光ビームの拡がり角が常に一定値になるような制御が可能になる。拡がり角が一定値に制御されていれば、ホモジナイザー２０から出射して被照射面ＩＳ上に投射される光ビームのビーム形状等も安定するので、プロセス結果として得られる製品も品質にぱらつきのない良好なものとなる。
【００３３】
拡がり角の検出位置に関しては、もしレーザー光源１０の出口における拡がり角と、アフォーカルズーム光学系３０の角倍率及びズーム後の拡がり角との対応がとれていれば、レーザー光源１０の出口で拡がり角を検出してもよい。この場合、レーザー光源１０の出口における拡がり角の値を用いて、ホモジナイザー２０に入射する光ビームの拡がり角を間接的にコントロールすることになる。具体的には、図５に示すように、ビームスプリッター５１の代わりに、レーザー光源１０とビームデリバリー４０との間にビームスプリッター１５１を配置する。ビームスプリッター１５１からの分岐光は、広がり角検出器１５２によって検出される。ズームコントローラー５５は、広がり角検出器１５２の検出結果に基づいてアフォーカルズーム光学系３０を駆動して、最終的にアフォーカルズーム光学系３０を出射する光ビームの拡がり角を一定にする。
〔第３実施形態〕
図６は、第２実施形態と同様のビーム整形装置を組み込んだレーザーアニール装置の構造を説明する図である。
【００３４】
このレーザーアニール装置は、アモルファス状Ｓｉ等の半導体薄膜を表面上に形成したガラス板であるワークＷＯを載置して３次元的に滑らかに移動可能なステージ７０と、ワークＷＯ上の半導体薄膜を加熱するためのエキシマレーザーその他のレーザービームＬＢを発生するレーザー光源１１０と、このレーザービームＬＢを線条にして所定の照度でワークＷＯ上に入射させる照射光学系８０と、ワークＷＯを載置したステージ７０を照射光学系８０等に対して必要量だけ相対的に移動させる駆動手段であるステージ駆動装置９０と、レーザーアニール装置全体の各部の動作を統括的に制御する主制御装置１００とを備える。
【００３５】
照射光学系８０は、レーザービームＬＢをＹ軸方向に延びる所定断面形状及び強度の線条ビーム像としてワークＷＯ上に入射させるホモジナイザー２０と、ホモジナイザー２０に入射するレーザービームＬＢの広がり角を調節するアフォーカルズーム光学系３０とを備える。レーザー光源１１０と照射光学系８０との間に配置したミラー２５１の一部透過光は、広がり角検出器１５２によって検出される。主制御装置１００は、広がり角検出器１５２の検出結果に基づいてズームドライバ１５５を駆動し、アフォーカルズーム光学系３０の角倍率を調節する。
【００３６】
以下、図６の装置の動作について説明する。まず、レーザーアニール装置のステージ７０上にワークＷＯを搬送して載置する。次に、照射光学系８０に対してステージ７０をＸ軸方向に移動させながら、照射光学系８０からのレーザービームＬＢをＹ方向に延びる線条ビーム像としてワークＷＯ上に入射させる。これにより、レーザービームＬＢによるワークＷＯ全面の走査が行われることになる。
【００３７】
レーザービームＬＢの走査に際しては、広がり角検出器１５２によってミラー２５１からの分岐光を検出する。主制御装置１００は、広がり角検出器１５２の検出結果に基づいてズームドライバ１５５を介してアフォーカルズーム光学系３０を駆動し、アフォーカルズーム光学系３０を出射する光ビームの拡がり角を一定にする。これにより、レーザー光源１０からの光ビームの拡がり角の経時変化を補正してワークＷＯに投射される光ビームの拡がり角を一定に保つ。
【００３８】
なお、主制御装置１００は、ズームドライバ１５５を介してアフォーカルズーム光学系３０を適宜駆動し、ホモジナイザー２０に入射する光ビームの広がり角を意図的に変更することもできる。これにより、アモルファス状Ｓｉ等の半導体薄膜のポリ化プロセスの条件出しが可能になる。例えば、アモルファスＳｉのポリ化工程では、スロープ幅が広く緩やかな方が溶融固化時の温度勾配が小さくストレスを発生させないため表面荒れを抑える効果があり高品質のものがえられるという報告がある。逆に、極端にスロープ幅を広く緩やかにするとスロープ部にフラット部のビームが回り込んでトップフラット領域のエネルギー密度が上がらない。アフォーカルズーム光学系３０の角倍率を変更しつつ行う条件出しの実験により、両条件を配慮しつつ、最適なビームスロープを探し出すことができる。なお、アモルファスＳｉのポリ化工程ではプロセスの評価手段としてラマン分光器を用いた結晶化度や、ＴＥＭを用いた結晶粒径等が利用されている。
【００３９】
以上、実施形態に即してこの発明を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、アフォーカルズーム光学系３０を連続的に角倍率が変化するものとしているが、プロセスの条件出しを行う場合には、角倍率が不連続で多段階変化するものとすることができる。また、角倍率が変化する範囲も、条件出し等の目的と用途に応じて適宜変更可能である。また、アフォーカルズーム光学系３０のレンズ構成は、凸凹凸の３群構成に限られるものではなく、凹凸凹、４群構成以上と様々な変形が可能である。
【００４０】
【発明の効果】
本願発明のビーム整形装置によれば、アフォーカルズーム光学系が光源とホモジナイザーとの間に配置されてホモジナイザーに入射する照射光の拡がり角を調節するので、ホモジナイザーから出射して所定面上に入射する照射光の断面形状等を調節することができる。つまり、光源から出射する照射光の拡がり角が徐々に変化しても、ホモジナイザーの設定を変えることなく、ホモジナイザーを経て所定面上に入射する照明光の断面形状を一定に保つことができる。また、アフォーカルズーム光学系によって前記照射光の拡がり角を調節することで、ビーム断面形状を積極的に制御することもできる。
【００４１】
また、本発明のビーム整形方法によれば、前記ホモジナイザーに入射する前記照射光の拡がり角を調節することによって、ホモジナイザーから出射して所定面上に入射する照射光の断面形状等を簡易に調節することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のビーム整形装置を組み込んだ照射光学系の構造を示す図である。
【図２】ホモジナイザーの構造を説明する図であり、（ａ）は、線条ビームの長軸方向に関する図であり、（ｂ）は、線条ビームの短軸方向に関する図であり、（ｃ）は、ホモジナイザーの一部を構成する一シリンドリカルレンズアレイの構造を説明する斜視図である。
【図３】アフォーカルズーム光学系の構成の一例を示す図であり、（ａ）〜（ｃ）は、角倍率γの変化を説明する図である。
【図４】ホモジナイザーによって形成される線条ビーム像のスロープ幅を示すグラフである。（ａ）は、比較的大きな拡がり角のプロファイルを示し、（ｂ）は、比較的小さな拡がりのプロファイルを示す。
【図５】第２実施形態のビーム整形装置を組み込んだ照射光学系の構造を説明する図である。
【図６】第２実施形態のビーム整形装置を組み込んだレーザーアニール装置の構造を説明する図である。
【符号の説明】
１０ レーザー光源
２０ アフォーカルズーム光学系
２０ ホモジナイザー
３０ アフォーカルズーム光学系
３１,３２,３３ レンズ
５１ ビームスプリッター
５２ 広がり角検出器
５５ ズームコントローラー

Claims (3)

1. 光源からの照射光を所定の断面形状及び強度で所定面上に入射させるホモジナイザーと、
   前記光源と前記ホモジナイザーとの間に配置されてホモジナイザーに入射する前記照射光の広がり角を調節するアフォーカルズーム光学系と
   を備えることを特徴とするビーム整形装置。
2. 前記照射光の拡がり角を検出する検出手段と、当該検出手段の検出値に基づいて前記アフォーカルズーム光学系の角倍率を制御する制御手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１記載のビーム整形装置。
3. 光源からの照射光をホモジナイザーによって所定の断面形状及び強度分布で所定面上に入射させるビーム整形方法であって、
   前記ホモジナイザーに入射する前記照射光の拡がり角を、アフォーカルズーム光学系で調節することを特徴とするビーム整形方法。

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