(57)【要約】【課題】従来の問題点を解決したレーザ加工方法、レーザ加工装置および結晶化装置を提供する。【解決手段】ステージ２５に載置された透過性の被加工材にレーザ光を照射して加工する加工方法であって、レーザ光源から出射されたレーザ光を集光レンズにより集光し、集光された前記レーザ光を前記被加工材に照射し、前記被加工材を加工する場合、前記被加工材を透過したレーザ光をステージ２５にて吸収もしくは透過する工程、ステージ２５表面でレーザ光を拡散反射する工程を具備することを特徴とするレーザ加工方法、レーザ加工装置および結晶化装置を提供する。これにより、ステージ２５表面でアブレーション（蒸散）が発生せず、被加工材の意図しない部分を加工することのない良好な加工を提供することが出来る。【選択図】      図３
2006216820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源から出射されたレーザ光をステージ表面に載置された被加工材に集光させて加工するレーザ加工方法であって、
前記被加工材を透過した透過レーザ光に対して、前記ステージで吸収および透過の少なくとも一方を行う工程を具備することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
前記レーザ光は、ホモジナイザ素子により前記レ−ザ光の空間強度分布を均一化したレーザ光であることを特徴とする請求項１のレーザ加工方法。
【請求項３】
前記ホモジナイザ素子の出射側光路に位相変調素子を設け、前記ホモジナイザ素子で均一化されたレーザ光に対して空間強度分布を変調する工程を、さらに具備することを特徴とする請求項２のレーザ加工方法。
【請求項４】
ステージ表面に載置された被加工材をレーザ光源から出射されたレーザ光により加工するレーザ加工装置であって、
前記ステージの少なくとも前記被加工材が載置される表面は、前記レーザ光に対してレーザ透過体およびレーザ吸収体のうちの少なくとも１つで構成されていることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
前記ステージの少なくとも前記被加工材が載置される表面には、反射防止膜が設けられていることを特徴とする請求項４のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記ステージの少なくとも前記被加工材が載置される表面には、凹凸構造が設けられていることを特徴とする請求項４又は５のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記レーザ光の光路には前記レーザ光の空間強度分布を均一化するホモジナイザを更に具備することを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１項記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
レーザ光源からのレーザ光を光強度変調してステージ表面に載置された被結晶化基板を照射することによりこの被結晶化基板を結晶化する結晶化装置であって、
前記ステージの少なくとも前記被結晶化基板が載置される表面は、前記レーザに対してレーザ透過体およびレーザ吸収体のうちの少なくとも１つで構成されていることを特徴とする結晶化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工方法、レーザ加工装置および結晶化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パルスレーザ光であるエキシマレーザを用いた加工技術は、アブレーション（蒸散）、加熱、溶融などのプロセス用途に広く実用されている。近年、特にアブレーション技術は、プラスチックなどのやわらかい有機物や、難加工材と呼ばれるセラミック、石英など、広範囲に利用することが検討されている。エキシマレーザは高いフォトンエネルギー（５eV以上）を持つため分子間の結合に直接作用することから、高い加工性能が実現される。応用例として、ファイバーグレーティング形成のための石英アブレーション、インクジェットプリンタなどのノズル加工などが挙げられる。
【０００３】
具体的には、レーザ加工技術において、数１０Ｗから数１００Ｗ程度のハイパワーレーザ光が使用され、それによって数ミクロンから数百ミクロンの微細加工が実用化されている。例えばエキシマレーザを用いた加工装置では、ガラス基板などの透光性基板にアモルファスシリコンを成膜して、レーザ照射を行って結晶化する装置がある。この装置の照光学系は，エキシマレーザ光をホモジナイザにより光照射断面の強度を均一にし，細長い矩形の開口を有する金属マスクを通して矩形状に整形（例えば断面形状は，１５０ｍｍ×２００μｍ）して出射する。この出射されたレーザ光は、ガラス基板上に堆積された非晶質シリコン薄膜の表面を上記矩形上に整形されたレーザの矩形の長軸方向と直角方向に走査され、短軸方向に１０μｍ間隔で入射し、レーザ照射している。このレーザ光を吸収したシリコン薄膜の領域は、溶融シリコンを経た後，結晶シリコンに変換される。この技術では，一般のガラスやプラスチック基板を用いたとしても基板に熱損傷は生じない。なぜなら，エキシマレーザは発光時間が２０ｎｓ程度のパルスレーザであり，結晶化は５０ないし１００ｎｓ程度で完了するからである。結晶粒径は、レーザエネルギ密度に依存しており，粒径０．１ないし１μｍ程度の多結晶薄膜を形成することができる。
【０００４】
このような非晶質膜を多結晶化するためのエキシマレーザアニール（この場合、レーザ加工は加熱によるものである）技術は液晶ディスプレイなどの駆動素子に用いられている薄膜トランジスタの高性能化技術として利用されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
加工に使用するレーザ光の波長に対して被加工材の吸収係数が高ければ、レーザ光の殆どは被加工材に吸収され問題は生じにくいが、吸収が少ない場合（レーザ波長に対し透明に近い場合）は、加工中に問題が発生しやすい。例えば、被加工材としてガラス基板を用いた場合、加工レーザの波長に対して弱い吸収（吸収係数が小さい）しかない。加工用に使用するレーザ光の吸収量は、被加工材の吸収係数と厚さによって決まる。従って、ある程度の厚み（１ｍｍ程度）があれば裏面に到達する光は無視できるが、薄くなると吸収しきれなくなる。軽量化のためにガラスの薄膜化が進んでいるため、レーザ光は吸収しきれなくなる。その結果、透過した光により、以下のような問題が発生していることが判った。
【０００６】
被加工材である基板を透過して、基板を載置しているステージに到達したレーザ光は、ステージ表面に入射する。レーザ光の波長は、ステージを透過しないので、ステージ表面を著しく加熱し、アブレーション現象（蒸散）を起こす。アブレーションによってステージ表面から飛散した蒸散物は基板裏面を汚す汚染物になる。またアブレーションによって基板ステージの表面自体は荒れ、基板の位置精度を狂わせたり、基板裏面を傷つける等の問題が発生する。また、基板ステージに到達したレーザ光がステージ表面で反射し、再び基板に入射して意図しない加工が生じてしまうなどの問題もある。具体的には、例えばアモルファスシリコンを結晶化するプロセスでは、ステージ反射光によって意図しないところを結晶化（加工）してしまう。基板ステージ表面での反射を考慮した場合、鏡を置いた場合と同じであるから、レーザ装置から基板までの光学系以外に、基板透過後のステージ表面での反射光がどのように焦点を結ぶかなどの複雑な光学系のトレースが必要となる。
【０００７】
本発明は、上記点に対処してなされたもので、ステージ表面での意図しないレーザ光の反射による被加工基板の加工や、ステージ表面のアブレーションによって被加工基板の裏面を汚染しないためのレーザ加工方法、レーザ加工装置および結晶化装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かくして、本発明の一態様に係わるレーザ光源から出射されたレーザ光をステージ表面に載置された被加工材に集光させて加工するレーザ加工方法は、前記被加工材を透過した透過レーザ光に対して、前記ステージで吸収および透過の少なくとも一方を行う工程を具備することを特徴とする。
【０００９】
前記レーザ光は、好ましくは、ホモジナイザ素子により前記レ−ザ光の空間強度分布を均一化したレーザ光である。
【００１０】
好ましくは、前記ホモジナイザ素子の出射側光路に位相変調素子を設け、前記ホモジナイザ素子で均一化されたレーザ光に対して空間強度分布を変調する工程を、さらに具備する。
【００１１】
本発明の他の態様に係わるステージ表面に載置された被加工材をレーザ光源から出射されたレーザ光により加工するレーザ加工装置は、前記ステージの少なくとも前記被加工材が載置される表面は、前記レーザ光に対してレーザ透過体およびレーザ吸収体のうちの少なくとも１つで構成されていることを特徴とする。
【００１２】
前記ステージの少なくとも前記被加工材が載置される表面には、好ましくは、反射防止膜が設けられている。
【００１３】
前記ステージの少なくとも前記被加工材が載置される表面には、好ましくは、凹凸構造が設けられている。
【００１４】
好ましくは、前記レーザ光の光路には前記レーザ光の空間強度分布を均一化するホモジナイザを更に具備する。
【００１５】
本発明のさらに他の態様に係わるレーザ光源からのレーザ光を光強度変調してステージ表面に載置された被結晶化基板を照射することによりこの被結晶化基板を結晶化する結晶化装置は、前記ステージの少なくとも前記被結晶化基板が載置される表面は、前記レーザに対してレーザ透過体およびレーザ吸収体のうちの少なくとも１つで構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、従来の欠点が解決され、ステージ表面でのレーザ光の反射やステージ表面のアブレーションを低減し、被加工材もしくは被結晶化基板の裏面を汚染しないレーザ加工方法、レーザ加工装置および結晶化装置を提供する。
【００１７】
また、基板表面からの反射により意図しないところが加工、もしくは結晶化されることを防止するレーザ加工方法、レーザ加工装置もしくは結晶化装置を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。まず図１、図２には本発明に係るエキシマレーザ加工装置例えば結晶化装置１の概略を示す。図１に示すように、この結晶化装置１は、照明系２と、この照明系２の光軸上に設けられた光学素子１３と、この光学素子１３の光軸上に設けられた集光レンズ例えば結像光学レンズ系１４と、この結像光学レンズ系１４の光軸上に設けられる被加工材２２と、これを支持するステージ２５例えばＸ−Ｙ−Ｚ−θステージとからなっている。
【００１９】
照明系２は、例えば図２に示す光学系であり、照明系２の構成を擬態的に説明する。照明系２は、例えば光源１１とホモジナイザ例えばホモジナイズ光学系１２とからなる。光源１１は、３０８ｎｍの波長を有するパルス光を出射するＸｅＣｌエキシマレーザ光源１１を備えている。なお、光源１１としては、ＸｅＣｌエキシマレーザ光源以外にも波長２４８ｎｍのパルス光を出射するＫｒＦエキシマレーザ、波長１９３ｎｍのパルス光を出射するＡｒＦレーザなどのその他のエキシマレーザも最適である。また、光源１１としては、さらにＹＡＧレーザ光源等の他のレーザ光源でもよい。光源１１は、非単結晶半導体膜２３例えば非晶質シリコン膜を溶融するエネルギを出力する他の適当な光源を用いることもできる。
【００２０】
前記ホモジナイズ光学系１２は、光源１１からのレーザ光の光軸上に順次配設された例えばビームエキスパンダ１２ａと、第１フライアイレンズ１２ｂと、第１コンデンサー光学系１２ｃと、第２フライアイレンズ１２ｄと、第２コンデンサー光学系１２ｅとを有する。ホモジナイズ光学系１２は、以下に説明するように、光源１１から出射されたレーザ光を光束の断面内において光強度および光学素子１３への入射角を均一化処理する。
【００２１】
照明系２において、光源１１から入射されたレーザ光は、ビームエキスパンダ１２ａを介して拡大された後、第１フライアイレンズ１２ｂに入射する。この第１フライアイレンズ１２ｂの後側焦点面には複数の光源が形成され、これらの複数の光源からの光束は第１コンデンサー光学系１２ｃを介して、第２フライアイレンズ１２ｄの入射面を重畳的に照明する。その結果、第２フライアイレンズ１２ｄの後側焦点面には、第1フライアイレンズ１２ｂの後側焦点面よりも多くの多数の光源が形成される。第２フライアイレンズ１２ｄの後側焦点面に形成された多数の光源からの光束は、第２コンデンサー光学系１２ｅを介して、光学素子１３に入射し、重畳的に照明する。
【００２２】
この結果、ホモジナイズ光学系１２の第1フライアイレンズ１２ｂおよび第1コンデンサー光学系１２ｃは、第1ホモジナイザを構成し、光学素子１３に入射するレーザ光の入射角度に関する均一化処理を行なう。また、第２フライアイレンズ１２ｄおよび第２コンデンサー光学系１２ｅは、第２ホモジナイザを構成し、この第２ホモジナイザにより第１ホモジナイザからの入射角度が均一化されたレーザ光について光学素子１３上での面内各位置での光強度に関する均一化を行なう。こうして、照明系２は、ほぼ均一な光強度分布を有するレーザ光を形成し、このレーザ光が光学素子１３を照射する。
【００２３】
前記光学素子１３は強度分布を整形する機能を有した光学部品であり、例えば、レーザ光の周辺光を遮光して、中央光の比較的均一光を透過させるための矩形状に開口部を有する金属マスクや、石英等の透過光学部品に非透過性の材料を蒸着し、矩形状に非透過性材料をエッチング除去した石英等を母材とした光学マスクでも良い。さらに光学素子１３は、例えば位相変調素子である位相シフタであっても良い。この位相シフタは、ホモジナイズ光学系１２からの出射光を位相変調して逆ピーク状の光強度最小分布のレーザビームを出射する光学素子である。この位相シフタは、透明基板例えば石英ガラスに形成された凹凸パターンを有するものである。この凹凸パターンには、ラインアンドスペースパターンと面積変調パターンとがある。
【００２４】
前記位相シフタは、透明体例えば石英基材に凹凸段差をつけ、段差の境界でレーザ光の回折と干渉を起こさせ、レーザ光強度に周期的な空間分布を付与するものである。位相シフタは、例えば段差部ｘ＝０を境界として左右で１８０°の位相差を付けたものがある。一般にレーザ光の波長をλとすると、屈折率nの透明媒質を透明基材上に形成して１８０°の位相差を付けるには、透明媒質の膜厚ｔは、ｔ＝λ／２（ｎ−１）で与えられる。
【００２５】
例えば、石英基材の屈折率を１．４６とすると、ＸｅＣｌエキシマレーザ光の波長が３０８ｎｍであるから、１８０°の位相差を付けるためには、３３４．８ｎｍの段差をフォトエッチング等の方法で形成する。
【００２６】
またＳｉＮｘ膜を透明媒質とする場合、ＰＥＣＶＤ、ＬＰＣＶＤ等で成膜されたＳｉＮｘ膜の屈折率は２近傍であることより、ＳｉＮｘ膜を石英基材上に１５４ｎｍ成膜し、フォトエッチングして段差を付ければ良い。例えば１８０°の位相差をつけた位相シフタを通過したレーザ光の強度は、周期的強弱のパターンを示す。
【００２７】
この実施形態では、位相シフトパターンの幅とパターン間距離はともに例えば３μｍである。位相差は必ずしも１８０°である必要はなく、レーザ光に強弱を実現できる位相差であればよい。
【００２８】
光学素子１３で位相変調されたレーザ光は、集光レンズ例えば結像光学レンズ系１４を介して、被加工材２２上に集光される。ここで、結像光学レンズ系１４は、光学素子１３のパターン面と被加工材２２とを光学的に共役に配置している。換言すれば、被加工材２２は、光学素子１３のパターン面と光学的に共役な面(結像光学レンズ系１４の像面)に設定されるようにステージ２５の高さ位置が補正される。結像光学レンズ系１４は、正レンズ群１４ａと、正レンズ群１４ｂと、これらの間に設けられた開口絞り１４ｃとを備えている。結像光学レンズ系１４は、光学素子１３の像を等倍又は変倍、例えば１／５に縮小して被加工材２２に結像させる光学レンズである。
【００２９】
前記開口絞り１４ｃは、開口部(光透過部)の大きさの異なる複数の開口絞りを有し、これらの開口絞り１４ｃは、光路に対して交換可能に構成されている。あるいは、開口絞り１４ｃは、開口部の大きさを連続的に変化させることのできる１つの虹彩絞りでもよい。いずれにしても、開口絞り１４ｃの開口部の大きさ(ひいては結像光学レンズ系１４の像側開口数ＮＡ)は、後述するように、被加工材２２上において所要の光強度分布を発生させるように設定されている。なお、結像光学レンズ系１４は、屈折型の光学系であってもよいし、反射型の光学系であってもよいし、屈折反射型の光学系であってもよく、形式には拘束されない。
【００３０】
前記被加工材２２は、図１に示すように、たとえば液晶ディスプレイ用板ガラスであるガラス基板２２ａの上に化学気相成長法(ＣＶＤ)又はスパッタリング法により下地絶縁層２２ｂとして酸化シリコン層を、被結晶化対象層として非単結晶半導体膜２３例えば非晶質シリコン膜を、さらにキャップ膜２２ｃとして酸化シリコン層を順次形成したものでもある。しかし、ガラス基板２２ａに限定されることはなく、例えばポリイミド基板、プラスチック基板、又は半導体基板などでもよい。
【００３１】
ステージ２５は、被加工材２２を支持し、被加工材２２を加工位置に高精度に位置合わせするためのステージである。ステージ２５は、Ｘ−Ｙ−Ｚ−θステージ２５が望ましい。Ｘ−Ｙ−Ｚ−θステージ２５は、Ｘ軸方向に移動するＸテーブルが設けられ、このＸテーブル上にＹ軸方向に移動するＹテーブルが設けられ、このＹテーブル上にＺ軸方向に移動するＺテーブルが設けられ、このＺテーブル上にθ方向に回転移動するθテーブルが設けられる。ステージ２５の材質は、被加工材を透過した透過レーザが入射したとき反射光を減少させ、吸収、透過の少なくとも１つの特性を有する材料である。
【００３２】
下地絶縁層２２ｂは、例えばＳｉＯ２が膜厚５００〜１０００ｎｍ形成される。下地絶縁層２２ｂは、非単結晶半導体膜２３例えば非晶質シリコン膜とガラス基板２２ａが直接接触して、このガラス基板２２ａから析出したＮａなどの異物が非晶質シリコン膜２３に混入するのを防止し、非晶質シリコン膜２３の結晶化工程時の溶融温度が直接ガラス基板２２ａに伝熱されるのを防止し、溶融温度の蓄熱効果により大粒径の結晶化に寄与する。
【００３３】
非晶質シリコン膜２３は、実際に加工される対象物であり、結晶化処理される膜である。非晶質シリコン膜２３は、膜厚例えば３０〜２６０ｎｍに選択される。キャップ膜２２ｃは、結晶化工程時に非晶質シリコン膜２３が溶融したとき発生する熱を蓄熱し、この蓄熱作用が大粒径の結晶化領域の形成に寄与する。このキャップ膜は、絶縁膜例えば酸化シリコン膜(ＳｉＯ２)であり、膜厚が１００〜４００ｎｍ、例えば３００ｎｍである。キャップ膜は、入射するレーザ光の一部を吸収して発熱し、この熱を蓄熱するＳｉＯＸ層を積層してもよい。
【００３４】
以下に、図１に示すような構造を有する被加工材２２の結晶化工程について説明する。前記被加工材２２は、公知の方法により結晶化装置１のステージ２５上に自動的に搬送され、予め定められた所定の位置に位置決めされて載置され、真空チャックや静電チャックなどにより保持される。
【００３５】
次に、被加工材２２に設けられたアライメントマークを基に微位置合わせをさせる。
【００３６】
次に、実際の結晶化工程を、図３の工程フローチャート１（工程２〜工程８）を参照して説明する。下記説明で（工程ｘ、ｘは数値）と表記しているものは図３の各工程符号を示すものである。レーザ光源１１からパルスレーザ光が出射され（工程２）、この出射されたパルスレーザ光はホモジナイズ光学系１２によりビーム径内で光強度の均一化、および光学素子１３への入射角の均一化がなされる（工程３）。
【００３７】
レーザ光は、例えば波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザ光であり、１ショットのパルス継続時間は１〜１０ｎｓｅｃである。上記条件で光学素子１３に、パルスレーザ光を照射すると、周期的に形成された光学素子１３例えば位相変調素子に入射したパルスレーザ光は、段差部で回折と干渉を起こす。この結果、光学素子１３である位相変調素子は、周期的に変化する逆ピークパターン状の強弱の光強度分布を生成する（工程４）。
【００３８】
この逆ピークパターン状の強弱の光強度分布は、最小光強度から最大光強度で非晶質シリコン膜２３を溶融させる強度のレーザ光強度を出力することが望ましい。光学素子１３を通過したパルスレーザ光は、結像光学レンズ系１４により被加工材２２に集束して（工程５）非晶質シリコン膜２３に入射する。
【００３９】
入射したパルスレーザ光は、キャップ膜２２ｃの酸化シリコン層をほとんど透過し、非晶質シリコン膜２３に吸収される。この結果、非晶質シリコン膜２３の被照射領域は、加熱され、溶融される。この溶融したときの熱は、下地絶縁層２２ｂ、キャップ膜２２ｃに蓄熱される。
【００４０】
パルスレーザ光の照射が遮断期間になると、被照射領域は、高速で降温しようとするが、表裏面に設けられているキャップ膜２２ｃおよび下地絶縁層２２ｂの酸化シリコン膜に蓄熱されている熱により、降温速度が極めて緩やかとなる。このとき、被照射領域の降温は、光学素子１３により生成された逆ピークパターンの光強度分布に応じて降温し、横方向に順次結晶成長する（工程６）。
【００４１】
換言すれば、被照射領域内溶融領域での凝固位置は、順次低温側から高温側に漸次移動する。即ち、結晶成長開始位置から結晶成長終了位置に向かって横方向に結晶成長する。このようにして結晶成長された結晶化領域は、1又は複数個のＴＦＴを形成するのに充分な大きさである。
【００４２】
照射されたレーザ光に対して透過性を有する被加工材２２において、照射レーザ光は、被加工材２２を透過し、ステージ２５の表面に達する。本発明の実施形態に係るステージ２５は、被加工材２２を透過した透過レーザ光を吸収または透過するか（工程７）、透過レーザ光を拡散反射し（工程８）、透過レーザ光の問題点を解消する。
【００４３】
結晶化装置１は、予め記憶されたプログラムにより自動的に次の非晶質シリコン膜２３の結晶化領域にパルスレーザ光を照射して結晶化領域を形成する。次の結晶化位置への移動は、被加工材２２と光源１１とを相対的に移動例えばステージ２５を移動させて位置選択することができる。
【００４４】
被結晶化領域が選択され、位置合わせが完了したとき、次のパルスレーザ光が出射される。このようなレーザ光のショットを繰り返することにより被加工材２２の広い範囲の結晶化を行うことができる。このようにして結晶化工程を終了する。
【００４５】
以上では、レーザ加工工程として、例としてレーザによる結晶化工程について説明した。しかしレーザ加工は、結晶化のみに限られるものではなく、レーザが有する光強度の強さにより成されるものであり、アブレーション（蒸散）、加熱、溶融、活性化等も含むものである。上記で説明した結晶化工程は、被加工材２２の表面の非晶質シリコン膜２３の結晶工程について説明したが、被加工材２２自体を加工する場合もあるし、非晶質シリコン膜の結晶化工程のように被加工材２２の表面２３のみに加工を行う場合もある。表面２３の加工とは、表面形態の変更を意味し、例えば表面モフォロジーの荒れや凹凸の形成、穴開け加工、活性化、物性特性（結晶化、結晶粒の形成、結晶粒の拡大、結晶構造の変更等）が有る。表面２３は被加工材２２の単なる表面を表す場合もあるし、被加工材２２の主たる母材とは異なる物質や異なる膜を、被着又は堆積する方法により形成されたものでも良い。その場合でも表面２３は被加工材２２を構成する一部分と考える。
【００４６】
次に、被加工材２２が照射されるレーザの波長に対して、透過性を有する場合について説明する。ここで透過性を有するとは、レーザ光に対して、その一部を透過すれば良く、レーザ光の全てを透過することのみを意味するものではない。また透過量は、物質の透過係数とその厚さによって決まるため、例えば被加工材２２の材質の透過係数が低くても、被加工材２２が薄く、照射されたレーザ光の一部が、被加工材２２の裏面から透過される場合には透過性を有することとなる。逆に被加工材２２の材質の透過率が高くても、被加工材２２が厚く、照射されたレーザ光の殆どが吸収・反射され裏面からレーザ光が透過してこない場合には透過性を有さないこととなる。
【００４７】
被加工材２２が透明性を有する場合の、表面２３の加工工程例えば結晶化工程について、図４を用いて説明する。各図の同一部分には、同一符号を付与し、各図毎の重複説明は省略する。ここで図１の被加工材２２の加工される対象物である表面２３（非晶質シリコン膜）は、下地絶縁層２２ｂ、キャップ膜２２ｃとして酸化シリコン層を上下に有する構造を示したが、表面２３は、必ずしもこの様な構造を有するものには限定されない。従って、下記の説明では、被加工材２２の表面２３が下地絶縁層２２ｂ、およびキャップ膜２２ｃとして酸化シリコン層を有しない場合の例について説明する。図４においては、ステージ２５の上に被加工材２２が載置され、被加工材２２の表面２３例えば被結晶化膜である非晶質シリコン膜が堆積されたものに集光されたレーザ光２１が照射され、結晶化領域２４を生ずる加工がなされる。
【００４８】
被加工材２２が、加工に使用するレーザ光２１の波長に対して吸収係数が高い場合や、吸収係数が低くてもある程度の厚み（１ｍｍ程度）があれば、被加工材２２の裏面に到達する前にレーザ光２１の殆どは被加工材２２に吸収され問題は生じない（図４（ａ））。しかし図４（ｂ）、図４（ｃ）に示すが、吸収が少ない場合（レーザ波長に対し透明に近い場合、例えば、ガラス基板や合成石英基板の場合）で、かつ本発明によらない場合には加工中に問題が発生する。
【００４９】
図４（ｂ）に示すように、被加工材２２を透過してステージ２５に到達したレーザ光は、ステージ表面に照射される。通常のステージ２５は、レーザ光の波長を透過しない物質で作成されており、ステージ表面に照射されたレーザ光２１は、ステージ表面を著しく加熱し、アブレーション現象（蒸散）を起こす。アブレーションによってステージの表面自体の荒れ２５ａを生じ、被加工材２２の位置精度を狂わせたり、裏面を傷つける等の問題を生じる。またステージ表面から飛散した汚染物２５ａ’は被加工材２２の裏面を汚すという問題も発生する。
【００５０】
また、図４（ｃ）に示すように、ステージ２５に到達したレーザ光は、ステージ表面で反射することにより反射光２１ａとなり、再び表面２３の非晶質シリコン膜に入射して意図しない結晶化領域２４ａを生じてしまう。
【００５１】
次に図４（ｂ）、図４（ｃ）に示すような点に対処した実施形態を以下でその詳細を説明する。
【００５２】
第１の実施の形態  
第１の実施の形態を図５、図６（ａ）に示す。各図の同一部分には、同一符号を付与し、各図毎の重複説明は省略する。図５（ａ）はステージ自体をレーザ吸収体２５ｂで構成した場合を示す。ここでレーザ吸収体とは、レーザ光の波長に対して一定の吸収係数を有する材料（吸収性の材料という）であり、入射されたレーザ光の一定量を吸収するもので有ればよい。実質的には入射レーザ光の５０％以上を０．３ｍｍ以上の厚さで吸収するものがレーザ吸収体に該当する。
【００５３】
吸収係数が高く、０．３ｍｍ以下の厚さで入射されたレーザ光の５０％以上を吸収する場合には、その表面近傍部分でレーザ光の吸収による急速な加熱が起こり、それはアブレーション（蒸散）現象へとつながり、使用することが出来ない。
【００５４】
レーザ吸収体２５ｂの材料としては例えば微粒子状の酸化チタンや酸化亜鉛を含有するガラス材料や樹脂材料を用いる。上記記載の条件になるようにガラス材料や樹脂材料に一定量の微粒子状酸化チタンや酸化亜鉛を一様に含有させて形成したものを用いる。レーザ吸収体としては微粒子状の酸化チタンや酸化亜鉛を含有させたものに限定されるものではなく、レーザ発光波長に対し上記記載の条件に合致する一定の吸収特性を有する材料で有れば使用することが出来る。
【００５５】
また図５（ｂ）に示すように、レーザ吸収体２５ｂの表面でのレーザ光の反射を低減し、レーザ光のレーザ吸収体２５ｂでの吸収効率を上げるために、レーザ吸収体２５ｂの表面に反射防止膜２６ａを堆積したものを用いても良い。
【００５６】
図５（ａ）、図５（ｂ）ではステージ自体をレーザ吸収体２５ｂで構成したが、レーザ吸収体２５ｂのレーザ光に対する吸収係数が高い場合は、図５（ｃ）に示すように、ステージ２５の入射面のみレーザ吸収体２５ｂで一体に構成しても良く、またそのレーザ吸収体２５ｂの表面に反射防止膜２６ａを堆積したものを用いても良い。
【００５７】
この様にステージ２５にレーザ吸収体２５ｂを用いることにより、図６（ａ）に示すように、集光されたレーザ光２１は、透過性の被加工材２２を透過し、ステージ２５もしくはステージ２５の１部であるレーザ吸収体２５ｂで吸収される。
【００５８】
また例えばレーザ吸収体２５ｂ上に堆積された反射防止膜２６ａが有る場合には、更に反射光を極力低減することも出来、ステージ２５表面を加工（蒸散）したり、反射したレーザ光が非晶質シリコン膜２３の意図しない部分を結晶化したりすることも無く、良好な加工を提供することが出来る。
【００５９】
この様なステージ２５を用いると、被加工材２２には例えば結増光学レンズ系に代表される集光レンズによって集光されたレーザ光が１回のみ入射し、所望の部分の加工が行われる。従来のステージで有れば、ステージからの反射により再度被加工材にレーザ光は入射し（２回目の入射）、それにより意図しない部分の加工が行われた。
【００６０】
本実施形態によればステージ２５からの反射による被加工材２２への入射は著しく低減され、その光強度では被加工材２２を加工することが出来ず、所望の加工のみを行うことが出来る。従って当初予定していた１回のみの入射がなされることがこの実施形態においては重要な意味を持つこととなる。２回目の入射は意図しないステージ表面からの反射による入射であり、この反射による入射をシミュレートし、その光路を想定した素子設計（反射による２回目の入射があっても問題とならない素子設計）は著しく複雑となることから、２回目の入射を低減することが重要となるのである。
【００６１】
上記実施形態では、ステージ２５表面からの反射を低減した例について説明したが、完全にゼロに出来るものではなく、その低減された微弱な反射光は、被加工材２２の裏面に入射することになる。しかしこれは既に被加工材２２を加工する光強度を有しておらず、その場合には、２回目の入射とはカウントしないこととする。従ってあくまでも１回目の入射、２回目の入射とは、被加工材を加工する光強度を有したレーザ光の入射を指すものとする。
【００６２】
第２の実施の形態  
第２の実施の形態を図６（ｂ）を用いて説明する。各図の同一部分には、同一符号を付与し、各図毎の重複説明は省略する。図６（ｂ）はステージ２５自体をレーザ透過体２５ｃで構成した場合を示す。レーザ透過体とは、使用されるレーザ波長に対して一定の透過係数を有する材料（透過性の材料という）であり、入射されたレーザ光の一定量を透過するもので有ればよい。
【００６３】
実質的には０．３ｍｍの厚さを透過したときに入射レーザ光の５０％以上が透過量として残っているものがレーザ透過体に該当する。具体的には一定の透過係数を有する材料としてガラス、石英ガラス、溶融石英ガラス、合成石英ガラス、サファイヤ（酸化アルミニュウム結晶）、ＫＢ５Ｏ８・４Ｈ２Ｏ、ＢｅＳＯ４・４Ｈ２Ｏ、ＫＤ２ＰＯ４，Ｎｄ２Ｔｉ２Ｏ７を使用することが出来る。また吸湿性を示すが窒素雰囲気等であればハロゲン化物（ＬｉＦ，ＮａＦ、ＫＦ、ＲｂＦ、ＣｓＦ、ＭｇＦ２，ＣａＦ２，ＳｒＦ２、ＢａＦ２、ＰｂＦ２，ＢａＭｇＦ４、ＢａＺｎＦ４、ＫＣｌ、ＲｂＣｌ、ＣｓＣｌ、ＬｉＢｒ、ＮａＢｒ、ＫＢｒ，ＣｓＢｒ、ＬｉＩ、ＫＩ、ＬｉＣｌＯ４・３Ｈ２Ｏ等）も良好な透過性を示すため使用することが出来る。
【００６４】
図６（ｂ）に示すように、ステージ２５の自体をレーザ透過体２５ｃで構成しても良く、またそのレーザ透過体２５ｃの表面に反射防止膜２６ａを成膜例えば堆積したものを用いても良い。この様にステージ２５にレーザ透過体２５ｃを用いることにより、集光されたレーザ光２１は、透過性の被加工材２２を透過し、さらにステージ２５であるレーザ透過体２５ｃでも透過されるため、ステージ表面を加工（蒸散）したり、反射したレーザ光が非晶質シリコン膜２３の意図しない部分を結晶化したりすることも無く、良好な加工を提供することが出来る。
【００６５】
また例えばレーザ透過体２５ｃ上に堆積された反射防止膜２６ａが有る場合には、更に反射光を極力低減することも出来るため、反射光によって生じる上記問題も更に低減され、より良好な加工を提供することが出来る。レーザ透過体２５ｃは１００％の透過率を有する必要は無く、ステージ表面のアブレーションおよび、被加工材２２の裏面への汚染物の発生を問題のないレベルまで低減する透過率を有するもので有ればよい。
【００６６】
第３の実施の形態
第３の実施の形態を図６（ｃ）、図６（ｄ）および図７を用いて説明する。図６（ｃ）はステージ２５自体をレーザ吸収体２５ｂで構成した場合を示す。図６（ｃ）に示すように、レーザ吸収体２５ｂの表面は凹凸構造２６ｂを有している。レーザ吸収体２５ｂでかなりのレーザ光は吸収されるが、吸収されずにレーザ吸収体２５ｂの表面で反射されるレーザ光は、凹凸構造２６ｂにより、広範囲に拡散されながら反射（拡散反射２１ｂ）するために、図４（ｃ）の反射光２１ａのように意図しない結晶化領域２４ａを生じることが無く、良好な加工を提供することが出来る。
【００６７】
図６（ｃ）はステージ２５がレーザ吸収体２５ｂの場合を説明したが、これに拘束されるものではなく、例えばステージ２５がレーザ透過体２５ｃで構成されているものでも、その表面に凹凸構造２６ｂを有すれば、レーザ透過体２５ｃで、透過されずにレーザ透過体２５ｃの表面で反射されるレーザ光は、凹凸構造２６ｂにより、広範囲に拡散されながら反射（拡散反射２１ｂ）するため、図６（ｃ）と同様に良好な加工を提供することが出来る。
【００６８】
凹凸構造２６ｂの形状としては、図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）、図７（ｄ）に示す構造が有効である。図７（ａ）は、ステージ５１の表面が連続する四角錐５２が並んだ構造を示す。この多数の四角錐５２の側面にてレーザ光は拡散反射されることとなる。この凹凸構造は四角錐に限定されるものではなく三角錐、五角錐、六角錐等の多角錐もしくは円錐で有っても良い。多角錐の場合、完全な多角錐形状である必要は無く、側面が形成する各辺にラウンドを設けてもよい。多角錐及び円錐の場合、被加工材と接する頂点部分に被加工材２２の裏面に傷が付かないようにラウンドを設けた構造もしくは平坦部を有する台形構造であっても良い。
【００６９】
図７（ｂ）に示すように、ステージ５３は、表面には部分的に四角錐５４が設けられ、四角錐以外の表面部分は凹凸構造５４ａを有している。この四角錐５４で被加工材を支持し、この四角錐５４の側面および凹凸構造５４ａによりレーザ光を拡散反射する構造となっている。被加工材を支持する四角錐５４は、四角錐に限定されるものではなく例えば多角錐、円錐、台形、又は多角柱、円柱等でも良く、被加工材を支持できる構造を有していればよい。
【００７０】
また凹凸構造５４ａは図７（ａ）で示したような連続する多角錐、円錐等を微細にした構造を含む構造でも良く、また物理的もしくは化学的に表面を無秩序に荒らした構造でも良い。
【００７１】
物理的方法としては、例えばブラスト処理やスパッタ処理によりに表面を荒らす方法がある。ブラスト処理とは、サンド（砂）、ショット（鋼片）、ガラスビーズ、プラスチック粒子、氷粒子、又はドライアイス粒子等を、荒らしたい表面に高速で吹きつける処理方法である。
【００７２】
スパッタ法とは、真空中で電界によって加速された高速イオン粒子（主にＡｒイオン等）を、照射することにより表面を構成する原子・分子が飛び出させ、その結果、表面を損耗することにより処理する方法である。
【００７３】
化学的方法としては、処理される表面に対して反応性を有する強アルカリもしくは強酸の溶液や、それらの高温溶液に浸すことにより、浸食反応にて処理する方法である。この様な物理的方法、化学的方法で凹凸構造５４ａを作成する場合、被加工材の支持部材である例えば四角錐５４は、何らかのカバーがなされ、物理的方法、化学的方法での処理に対し保護される必要がある。もしくは凹凸構造５４ａの形成後に、被着によって形成されるものでも良い。
【００７４】
この様に例えば四角錐５４の様な被加工材支持部分と、凹凸構造５４ａを分離することにより、凹凸構造５４ａは直接被加工材と接触することが無い。そのため接触による摩耗も生じず、長期に渡り安定した凹凸構造５４ａを維持することが出来る。これにより、安定した拡散反射が実現できるとともに、摩耗により生じるパーティクル発生も抑制できることとなる。
【００７５】
図７（ｃ）は、ステージ５５の表面が連続する球形凹構造５６が並んだ構造を示す。図７（ｄ）は、ステージ５７の表面が連続する球形凸構造５８が並んだ構造を示す。球形凹構造５６及び球形凸構造５８は共に完全な球形を有する必要はなくレーザ光が照射される面に円弧状部分を含んでいれば良い。その円弧状部分を構成するそれぞれの微細な部分は、それぞれ異なる方向にレーザ光を反射させることとなり、拡散反射が実現できる。
【００７６】
図６（ｄ）に示すように、凹凸構造２６ｂ、具体的には図７（ａ）〜図７（ｄ）に示した凹凸構造の上部にレーザ光に対する反射防止膜２６ａを更に具備するものであっても良い。この様にすることにより、レーザ光の反射光は反射防止膜２６ａ極限まで低減され、ステージに照射されたレーザ光はレーザ吸収体２５ｂもしくはレーザ透過体２５ｃ（図６（ｃ）にはレーザ吸収体２５ｂのみを示した）によって吸収又は透過され、さらに反射光があっても凹凸構造２６ｂにより拡散反射されるため、アブレーションや反射によって引き起こされる問題がない、より良好な加工が実現できる。
【００７７】
第４の実施の形態  
第４の実施の形態を図８に示す。図８（ａ）はレーザ光の照射位置に対応したステージ２５の部分が貫通孔２７となっている構造を示す。図８（ａ）に示すように、集光されたレーザ光２１は、透過性の被加工材２２を透過し、さらにステージ２５の貫通孔２７を通過して十分レーザ光が広がった位置に設置されたレーザ吸収機構（図示せず）にて吸収される。
【００７８】
このようにステージ２５部分に貫通孔２７を設けることにより、もはやステージ表面にレーザ光が入射されることも無く、従ってレーザ光によるステージ２５表面からのアブレーションやステージ２５表面からの反射も無く、それによって引き起こされる問題も発生せずに良好な加工を提供できる。貫通孔２７は、レーザ照射位置に設置されレーザが照射される範囲よりも大きな貫通部分を有する。これは位置合わせ精度やレーザ光の被加工材２２やその表面２３からの多重散乱光を考慮したものである。しかし必要以上に大きな貫通孔は被加工材２２のたわみの原因となるため、例えばレーザ光のステージ２５照射領域の１．５倍ないし１０倍の面積部分が貫通されていれば、ステージ２５表面のアブレーションや反射が起こらず、たわみの問題も生じない良好な加工が実現できる。
【００７９】
図８（ｂ）は、被加工材２２やその表面２３からの多重散乱光が貫通孔２７の周辺のステージ２５のある部分に入射することを考慮した場合の実施形態を示す。多重散乱光がステージ２５のある部分に照射した場合、反射を抑えるための反射防止膜２６ａ、及び照射されたレーザ光を吸収又は透過するレーザ吸収体２５ｂやレーザ透過体２５ｃ（図８（ｂ）にはレーザ吸収体２５ｂの場合の例を示す）によって構成されているステージであってもよい。
【００８０】
また第３の実施の形態で示した凹凸構造２６ｂ（図６（ｃ））、又その上に形成された反射防止膜２６ａ（図６（ｄ））を有するステージ２５の構造としても良い。この様な構造にすることにより、多重散乱光が有る場合でも、ステージ２５を照射した多重散乱光はレーザ吸収体２５ｂ又はレーザ透過体２５ｃで吸収又は透過され、また例えばレーザ吸収体２５ｂ上に堆積された反射防止膜２６ａが有る場合には、更に反射光を極力低減することも出来る。これによりステージ２５表面を加工（蒸散）したり、反射した多重散乱光が非晶質シリコン膜２３の意図しない部分を結晶化したりすることも無く、良好な加工を提供することが出来る。
【００８１】
以上説明したように本発明実施形態によれば、レーザ光源から出射されたレーザ光に対して透過性を有する被加工材を加工するレーザ加工方法は、上記被加工材をステージ表面に載置させる工程と、上記レーザ光を集光させる集光レンズによって、前記レーザ光を前記被加工材に照射し、上記被加工材を加工する工程と、上記被加工材を透過した透過レーザ光を、上記ステージにより吸収又は透過させる工程とを具備することである。
【００８２】
上記被加工材に照射された前記レーザ光は、好ましくは、前記被加工材に一度だけ入射する。好ましくは、上記ステージの表面に反射防止膜を設置して、前記透過レーザ光の上記ステージから上記被加工材への反射光を低減する工程を更に具備する。好ましくは、上記ステージの表面に凹凸構造を設置して、上記透過レーザ光の上記ステージから上記被加工材への反射光を拡散反射する工程を更に具備する。
【００８３】
レーザ光路にホモジナイザ素子を設置して、上記集光レンズへの上記レーザ光の空間強度分布を均一化する工程を、さらに具備する。好ましくは、位相変調素子を設置して、均一化されたレーザ光の空間強度分布を変調する工程を具備する。
【００８４】
本発明の他の態様に係わるレーザ光に対して透過性を有する被加工材を加工するレーザ加工装置は、上記レーザ光を出射するレーザ光源と、上記被加工材が載置されるステージと、上記出射されたレーザ光を集光し、上記被加工材に照射する集光レンズとを具備し、上記ステージの上記被加工材が載置される部分は、上記レーザ光に対して透過性の材料であるレーザ透過体および吸収性の材料であるレーザ吸収体の少なくとも１つを有していることを特徴とする。
【００８５】
上記被加工材に照射された上記レーザ光は、好ましくは、上記被加工材に一度だけ入射する。上記ステージの表面には、好ましくは、反射防止膜が設けられている。上記ステージの表面には、好ましくは、凹凸構造が設けられている。被加工材を支持する上記ステージの少なくとも一部の表面は、凹凸構造の凸部である。
【００８６】
上記レーザ光路にレーザ光の光強度分布を均一化するホモジナイザ素子を、好ましくは、更に具備する。上記ホモジナイザ素子で均一化されたレーザ光を位相変調する位相変調素子を、好ましくは、更に具備する。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明に係るレーザ加工装置の光学系の概略図である。
【図２】本発明に係るレーザ加工装置の照明系の概略図である。
【図３】本発明に係るレーザ加工方法の工程フローチャートを示す図である。
【図４】本発明によらない場合の加工状態を説明するための概略図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態を説明するための概略図である。
【図６】（ａ）は本発明の第１の実施形態を、（ｂ）は第２の実施の形態を、（ｃ）及び（ｄ）は第３の実施の形態を説明するための概略図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態である凹凸構造を説明するための概略図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態を説明するための概略図である。
【符号の説明】
【００８８】
１１…レーザ光源、１２…ホモジナイズ光学系、１３…光学素子、１４…結像光学レンズ系、２１…レーザ光、２１ａ…反射光、２４…結晶化領域、２２…被加工材、２５…ステージ、２５ａ…汚染物、２５ｂ…レーザ吸収体、２５ｃ…レーザ透過体、２６ａ…反射防止膜、２６ｂ…凹凸構造、２７…貫通孔、５６…球形凹構造、５８…球形凸構造。
【図１】
2006216820.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006216820.tif 000009
【図８】
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