(57)【要約】【課題】レーザ光の出力の経時的な変化を小さくすることができる、レーザ照射装置を提供する。【解決手段】レーザ照射装置は、レーザ光を発生する光源と、光源において発生されたレーザ光の偏光状態をランダム偏光にする偏光解消素子と、偏光解消素子においてランダム偏光にされたレーザ光を透過する光学部品と、光学部品を透過したレーザ光を基板に照射する投影レンズとを備える。【選択図】図１
2019212719.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発生する光源と、
前記光源において発生されたレーザ光の偏光状態をランダム偏光にする偏光解消素子と、
前記偏光解消素子においてランダム偏光にされたレーザ光を透過する光学部品と、
前記光学部品を透過したレーザ光を基板に照射する投影レンズと
を備える、レーザ照射装置。
【請求項２】
前記偏光解消素子は、光学結晶を楔形に形成した偏光解消板である、請求項１に記載のレーザ照射装置。
【請求項３】
前記光源から前記投影レンズの間の光学系において、前記偏光解消素子を複数配置する、請求項１または２に記載のレーザ照射装置。
【請求項４】
前記光源は、移動する前記基板の移動方向の長さに応じて、連続したショットにおいてレーザ光を発生させる、請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、薄膜トランジスタの形成に関するものであり、特に、アモルファスシリコン薄膜にレーザ光を照射して、ポリシリコン薄膜を形成するレーザアニールに用いられるレーザ照射装置およびレーザ照射方法ならびにプログラムに関する。
【０００３】
レーザアニールにおいては、レーザ照射装置として高出力の紫外光を発生させるエキシマレーザが用いられている。エキシマレーザは、レーザ媒質に希ガスやハロゲンなどの混合ガスを用いる。エキシマレーザの光学系にはエネルギー損失を小さくするために透過率の高い石英ガラスや蛍石を材料とするレンズ等の透過系光学部品が用いられる（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
また、レーザアニールは、レーザ光の照射によりアモルファスシリコンを溶融して凝固させることにより結晶化を行うものであるため、ポリシリコン薄の結晶性を均一にするためには、照射するレーザ光を均一化する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−２１９５８１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、エキシマレーザの出力を上げると光学部品におけるエネルギー損失も大きくなる。このため、レーザ照射装置におけるレーザ光の出力時間に応じて透過系光学部品の温度が経時的に上昇して、透過系光学部品に熱歪みが発生する場合がある。透過系光学部品に熱歪みが生じると、屈折率の変化による偏光特性が変化し、レーザ光の透過率が変化してレーザ照射装置から出力されるレーザ光の出力が経時的に変化してしまう場合があった。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、レーザ光の出力の経時的な変化を小さくすることができる、レーザ照射装置を提供することを一つの目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）上記の課題を解決するため、実施形態のレーザ照射装置は、レーザ光を発生する光源と、光源において発生されたレーザ光の偏光状態をランダム偏光にする偏光解消素子と、偏光解消素子においてランダム偏光にされたレーザ光を透過する光学部品と、光学部品を透過したレーザ光を基板に照射する投影レンズとを備える。
【０００９】
（２）また、実施形態のレーザ照射装置において、偏光解消素子は、光学結晶を楔形に形成した偏光解消板である。
【００１０】
（３）また、実施形態のレーザ照射装置において、光源から投影レンズの間の光学系において、偏光解消素子を複数配置する。
【００１１】
（４）また、実施形態のレーザ照射装置において、光源は、波長が２５０ｎｍ以下のレーザ光を発生するＫｒＦエキシマレーザである。
【００１２】
（５）また、実施形態のレーザ照射装置において、光源は、移動する基板の移動方向の長さに応じて、連続したショットにおいてレーザ光を発生させる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の一つの実施形態によれば、レーザ照射装置は、光源において発生されたレーザ光の偏光状態をランダム偏光にする偏光解消素子と、偏光解消素子においてランダム偏光にされたレーザ光を透過する光学部品とを備えることにより、レーザ光の出力の経時的な変化を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態のレーザ照射装置の光学系の一例を示す図である。
【図２】従来のレーザ照射装置におけるレーザ出力の経時変化の一例を示すグラフある。
【図３】実施形態のレーザ照射装置におけるレーザ出力の経時変化の一例を示すグラフある。
【図４】実施形態のレーザ照射装置における出力の大きさとバラツキの関係を示すグラフである。
【図５】実施形態のレーザ照射装置の光学系の他の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態におけるレーザ照射装置について詳細に説明する。
【００１６】
先ず、図１を用いて、レーザ照射装置の光学系を説明する。図１は、実施形態のレーザ照射装置の光学系の一例を示す図である。
【００１７】
図１において、レーザ照射装置１は、光学系において、エキシマレーザ１１、アライメントミラー１２、アライメントミラー１３、偏光解消板１６、ビームスプリッタ１７、ビームスプリッタ１８、エネルギセンサ１８３、リレーレンズ２１、切替ミラー２２、フライアイレンズ２３、ミラー２５、ミラー２６、および投影マスク／照射面２７を有する。また、レーザ照射装置１は、光学系において、図示しない平行平面基板等を有していてもよい。レーザ照射装置１から出力されたレーザ光は、基板３に照射される。
【００１８】
エキシマレーザ１１は、レーザ光を発生する光源である。本実施形態ではエキシマレーザ１１として、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザを例示する。ＫｒＦエキシマレーザは、Ｋｒ（クリプトン）とＦ２（フッ素）の混合ガス中で放電することによりＫｒＦエキシマが形成され、エキシマが分解して基底状態になるとき放出される光を共振器で増幅することにより高エネルギーのレーザ光を出力することができる。レーザアニールにおいては高エネルギーのＫｒＦエキシマレーザを用いることが望ましい。ただし、レーザ光のエネルギーが高くなると、上述のように透過系光学部品の温度が経時的に上昇するため、熱歪みによる偏光特性が経時的に変化しやすくなる。すなわち、本実施形態においては、エキシマレーザ１１をＫｒＦエキシマレーザとすることによる顕在化する偏光特性の経時的変化を低減させることを一つの目的としている。
【００１９】
エキシマレーザ１１は、所定のショット周期でレーザ光をパルス出力する。本実施形態において、エキシマレーザ１１は、６，０００Ｈｚ（６，０００ショット／秒）のショット周期において、移動する基板３の移動距離（照射距離）に応じたショット数のレーザ光を出力する。例えば、基板３の照射距離が６０，０００ショットを要するものである場合、エキシマレーザ１１は、１０秒間において６０，０００ショットのレーザ光を連続して出力する。連続してレーザ光を出力することにより、光学系は経時的（時間の経過とともに）に温度上昇することになる。
【００２０】
なお、エキシマレーザ１１は、例えば、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）、ＸｅＣｌエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ）、ＸｅＦエキシマレーザ（波長３５１ｎｍ）等であってもよい。
【００２１】
アライメントミラー１２、アライメントミラー１３は、エキシマレーザから出力されたレーザ光を反射してアライメントするミラーである。アライメントミラー１２およびアライメントミラー１３は、Ｓ偏光を反射するＳ反射ミラー、またはＰ偏光を反射するＰ反射ミラーである。なお、ミラーのような反射系光学部品においては熱歪みによる偏光特性の変化は小さい。
【００２２】
偏光解消板１６は、光源であるエキシマレーザ１１において発生されたレーザ光の偏光状態をランダム偏光にする（攪乱またはスクランブルさせる）偏光解消素子である。偏光解消板１６は、水晶等の複屈折材料の光学結晶を用いてレーザ光の偏光を解消させる透過系光学部品である。複屈折材料の光学結晶は、Ｓ偏光とＰ偏光とで屈折率が異なる材料である。楔形に形成することで、レーザ光が透過する光学結晶の厚さ（光路差）を変化させることができ、レーザ光が透過する位置の違いによって透過光に連続した位相差を与えることが可能となる。直線偏光を、このような偏光解消板１６を通過させることによって、Ｐ直線偏光−楕円偏光―円偏光―楕円偏光―Ｓ直線偏光―楕円偏光―円偏光のように、場所によって偏光状態を連続的に変化させ、直線偏光をランダム偏光にすることができる。
【００２３】
なお、偏光解消板は、光源であるエキシマレーザ１１から、投影レンズの間の光学系において複数配置するようにしてもよい。上述のように偏光解消板は分岐したレーザ光が重なることにより偏光状態をランダム偏光にするものであるため、レーザ光のビーム系が小さいと重なる範囲が狭くなりランダム偏光にする効果が小さくなる。エキシマレーザ１１から投影レンズの間の光学系において偏光解消板を複数配置することにより、偏光状態をランダム偏光にする効果を高めることが可能となる。
【００２４】
リレーレンズ２１は、レーザ光のビームサイズを調整する透過光学部品である。リレーレンズ２１を透過したレーザ光は、フライアイレンズ２３に適したビーム径に調整される。
【００２５】
フライアイレンズ２３は、複数のレンズを一次元または二次元的に配列したレンズ体である。フライアイレンズ２３を構成するレンズはそれぞれの光源として機能するため、不均一な分布を持つレーザ光の照度を照射面において均一化することが可能となる。フライアイレンズ２３は、不活性ガスでパージされる。
【００２６】
ミラー２５およびミラー２６は、照明系から出力されたレーザ光を投影マスク／照射面２７に導く。
【００２７】
投影マスク／照射面２７は、アモルファスシリコン薄膜が被着された基板３の所定の領域にレーザ光を照射する。投影マスク／照射面２７は、投影レンズと投影マスクパターンを有している。投影レンズは、例えば、複数のマイクロレンズを一列に配置したマイクロレンズアレイを用いることができる。投影マスクパターンは、所定の開口部を有し、開口部に応じた領域において基板３にレーザ光が照射される。
【００２８】
なお、本実施形態においては、基板３に照射されるレーザ光の出力を測定するために、基板３の代わりに移動センサを配置する。
【００２９】
次に、図２および図３を用いて、レーザ出力の経時変化について説明する。図２は、従来のレーザ照射装置におけるレーザ出力の経時変化の一例を示すグラフある。図３は、実施形態のレーザ照射装置におけるレーザ出力の経時変化の一例を示すグラフある。従来のレーザ照射装置は、図１で示した実施形態のレーザ照射装置１において、偏光解消板１６を用いない装置である。
【００３０】
図２において、グラフの横軸は、１枚の基板に対して照射されるレーザ光のショット数を示している。図は、１００〜６０，０００ショットが出力されることを示している。なお、１〜９９ショットは、レーザ光の出力が安定するまでの期間であり、測定対象から除外している。また、グラフの縦軸は、移動センサにおいて測定されたレーザの出力値（ｍＪ）を示している。
【００３１】
出力値の測定は、５回連続で行っている。１回（６０，０００ショット）のレーザ出力は１０秒間において行われる。１回の出力後、１０秒間のインターバルを設け、これを５回繰り返す。すなわち、１回目の出力において、６０，０００ショット、２回目の出力において１２０，０００ショット、５回目の出力において３００，０００ショットが出力される。
【００３２】
図２において、１回あたりのグラフの出力値の幅は、光学系での変動による出力誤差を示す。従来のレーザ照射装置においてはレーザの出力値が経時的に大きく変化していることを示している。ここで、５回の出力の測定においてピーク−ピークの出力値の幅をＰ−Ｐバラツキとする。Ｐ−Ｐバラツキは、平均出力値に対する割合（％）で表される。
【００３３】
図３は、、実施形態のレーザ照射装置１におけるレーザ出力の経時変化を図２で説明した同条件において測定した測定結果である。
【００３４】
図３において、１回あたりのグラフの出力値の幅は、図２と同様に光学系での変動による出力誤差を示す。実施形態のレーザ照射装置１においては、レーザの出力値の経時的変化が図２に比べて小さくなっていることを示している。このため、Ｐ−Ｐバラツキも図２に比べて小さくなる。
【００３５】
すなわち、本実施形態のレーザ照射装置１は、エキシマレーザ１１において発生されたレーザ光の偏光状態をランダム偏光にする偏光解消板１６を有することにより、レーザ光の出力の経時的な変化を小さくすることが可能となる。偏光解消板１６においてランダム偏光にされたレーザ光が偏光特性を持つ光学素子を通過してもレーザ光の透過率の変化は小さくなる。
【００３６】
次に、図４を用いて、レーザ照射装置における出力の大きさとバラツキの関係を説明する。図４は、実施形態のレーザ照射装置における出力の大きさとバラツキの関係を示すグラフである。
【００３７】
図４において、グラフの横軸は、５回（３００，０００ショット）の出力値×周波数（６０，０００Ｈｚ）×デューティー比を示している。周波数はエキシマレーザ１１により変更可能である。また、デューティー比は、レーザ光の出力時間とインターバルの比である。図４は、１０秒間（６０，０００ショット）の出力と１０秒間のインターバルを繰り返す、デューティー比０．５（５０％）を固定値としている。なお、横軸の単位は、出力値（ｍＪ）×周波数（１／ｓ）＝単位時間当たりのエネルギー（ｍＪ／ｓ）である。グラフの縦軸は、上述したＰ−Ｐバラツキ（％）を示す。
【００３８】
図４において「×」で示すプロットは、従来のレーザ照射装置においてレーザの出力を変化させた場合のＰ−Ｐバラツキの変化を示す。図示するＡ点は、図２で示したグラフにおける測定値を示している。従来のレーザ照射装置においては、レーザの出力が高くなるほど、Ｐ−Ｐバラツキが大きくなることを示している。
【００３９】
一方、黒丸で示すプロットは、実施形態のレーザ照射装置１においてレーザの出力を変化させた場合のＰ−Ｐバラツキの変化を示す。図示するＢ点は、図３で示したグラフにおける測定値を示している。実施形態のレーザ照射装置１においては、レーザの出力が高くなった場合であっても、Ｐ−Ｐバラツキの変化が従来のレーザ照射装置に比べて小さいことが示されている。
【００４０】
次に、図５を用いて、実施形態のレーザ照射装置１の光学系の他の一例を説明する。図５は、実施形態のレーザ照射装置１の光学系の他の一例を示す図である。
【００４１】
図５において、レーザ照射装置１は、光学系において、エキシマレーザ１１、偏光解消板２８、アライメントミラー１２、アライメントミラー１３、偏光解消板１６、ビームスプリッタ１７、ビームスプリッタ１８、エネルギセンサ１８３、リレーレンズ２１、切替ミラー２２、フライアイレンズ２３、ミラー２５、ミラー２６および投影マスク／照射面２７を有する。
【００４２】
図５は、レーザ照射装置１の光学系の他の一例とて、図１におけるレーザ照射装置１に対して、偏光解消板２８が追加されている。すなわち、偏光解消板２８は、エキシマレーザ１１から、投影レンズの間の光学系において複数配置されている。エキシマレーザ１１から投影レンズの間の光学系において偏光解消板を複数配置することにより、偏光状態をランダム偏光にする効果を高めることが可能となる。
【００４３】
以上の実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
レーザ光を発生する発生ステップと、
前記発生ステップにおいて発生されたレーザ光の偏光状態をランダム偏光にする偏光解消ステップと、
前記偏光解消ステップにおいてランダム偏光にされたレーザ光を透過する透過ステップと、
前記透過ステップにおいて透過したレーザ光を基板に照射する照射ステップと
を含む、レーザ照射方法。
【００４４】
（付記２）
レーザ照射装置に、
レーザ光を発生する発生手順と、
前記発生手順において発生されたレーザ光の偏光状態をランダム偏光にする偏光解消手順と、
前記偏光解消手順においてランダム偏光にされたレーザ光を透過する透過手順と、
前記透過手順において透過したレーザ光を基板に照射する照射手順と
を実行させるためのプログラム。
【００４５】
以上、本発明の実施形態について、図面を参照して説明してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲においての種々の変更も含まれる。
【符号の説明】
【００４６】
１          レーザ照射装置
１１        エキシマレーザ
１２、１３  アライメントミラー
１６、２８  偏光解消板
１７、１８  ビームスプリッタ
１８３      エネルギセンサ
２２        切替ミラー
２１        リレーレンズ
２３        フライアイレンズ
２５、２６  ミラー
２７        投影マスク／照射面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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