(57)【要約】【課題】  高品質の加工を行う。【解決手段】  第１のレーザビーム及び第２のレーザビームを出射するレーザ光源と、第１及び第２のレーザビームが入射する位置に配置され、第１及び第２のレーザビームの断面形状を整形するビーム断面整形器と、ビーム断面整形器を出射した第１及び第２のレーザビームが入射する位置に配置された結像レンズと、結像レンズによってビーム断面整形器の位置が結像される位置より結像レンズに近い位置に、加工対象物を保持するステージとを有し、レーザ光源は、第１及び第２のレーザビームが、ビーム断面整形器の位置で長尺形状のビーム断面を形成し、かつ、長尺形状の長手方向と直交する面内において相互に交差するように、第１及び第２のレーザビームを出射するビーム照射装置を提供する。【選択図】  図１
2008288522.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のレーザビーム及び第２のレーザビームを出射するレーザ光源と、
前記第１及び第２のレーザビームが入射する位置に配置され、前記第１及び第２のレーザビームの断面形状を整形するビーム断面整形器と、
前記ビーム断面整形器を出射した前記第１及び第２のレーザビームが入射する位置に配置された結像レンズと、
前記結像レンズによって前記ビーム断面整形器の位置が結像される位置より前記結像レンズに近い位置に、加工対象物を保持するステージと
を有し、
前記レーザ光源は、前記第１及び第２のレーザビームが、前記ビーム断面整形器の位置で長尺形状のビーム断面を形成し、かつ、長尺形状の長手方向と直交する面内において相互に交差するように、前記第１及び第２のレーザビームを出射するビーム照射装置。
【請求項２】
（ａ）第１のレーザビーム及び第２のレーザビームの断面形状を第１の位置で長尺形状に整形し、かつ、長尺形状の長手方向と直交する面内において相互に交差するように、前記第１及び第２のレーザビームを出射する工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）で断面形状を長尺形状に整形された前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームとを、結像レンズの中心に関して相互に反対側の領域に入射させる工程と、
（ｃ）前記第１及び第２のレーザビームを、前記第１の位置が前記結像レンズによって結像される第２の位置より前記結像レンズに近い位置で、加工対象物に照射する工程と
を有するビーム照射方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームを照射して加工を行うビーム照射装置、及び、ビーム照射方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面にアモルファスシリコン膜が形成された基板に、レーザビームを断続的に繰り返して照射し、アモルファスシリコン膜を多結晶化するレーザアニールが行われている。レーザビームの照射によりアモルファスシリコン膜が一時的に溶融して、多結晶化が行われる。
【０００３】
上記レーザアニールにおいては、ビーム断面内の光強度分布が長尺方向について均一化された、長尺形状のレーザビームを、アモルファスシリコン膜に照射する。レーザビームはアモルファスシリコン膜上を、短尺方向に走査する。
【０００４】
複数台のレーザ光源から出射したレーザビームを被加工面上の同一領域に照射することができるレーザ照射装置の発明が開示されている（たとえば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２１７２６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、高品質の加工を行うことができるビーム照射装置を提供することである。
【０００７】
また、高品質の加工を行うことができるビーム照射方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一観点によれば、第１のレーザビーム及び第２のレーザビームを出射するレーザ光源と、前記第１及び第２のレーザビームが入射する位置に配置され、前記第１及び第２のレーザビームの断面形状を整形するビーム断面整形器と、前記ビーム断面整形器を出射した前記第１及び第２のレーザビームが入射する位置に配置された結像レンズと、前記結像レンズによって前記ビーム断面整形器の位置が結像される位置より前記結像レンズに近い位置に、加工対象物を保持するステージとを有し、前記レーザ光源は、前記第１及び第２のレーザビームが、前記ビーム断面整形器の位置で長尺形状のビーム断面を形成し、かつ、長尺形状の長手方向と直交する面内において相互に交差するように、前記第１及び第２のレーザビームを出射するビーム照射装置が提供される。
【０００９】
また、本発明の他の観点によると、（ａ）第１のレーザビーム及び第２のレーザビームの断面形状を第１の位置で長尺形状に整形し、かつ、長尺形状の長手方向と直交する面内において相互に交差するように、前記第１及び第２のレーザビームを出射する工程と、（ｂ）前記工程（ａ）で断面形状を長尺形状に整形された前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームとを、結像レンズの中心に関して相互に反対側の領域に入射させる工程と、（ｃ）前記第１及び第２のレーザビームを、前記第１の位置が前記結像レンズによって結像される第２の位置より前記結像レンズに近い位置で、加工対象物に照射する工程とを有するビーム照射方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高品質の加工を行うことができるビーム照射装置を提供することができる。
【００１１】
また、高品質の加工を行うことができるビーム照射方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、実施例によるビーム照射装置を示す概略図である。
【００１３】
実施例によるビーム照射装置は、レーザビーム３０ａ〜３０ｄを出射するレーザ光源１０ａ〜１０ｄ、レーザ光源１０ａ〜１０ｄから出射されるレーザビームの光路上に配置されたメカニカルシャッタ１１ａ〜１１ｄ、レーザビーム３０ａ、３０ｄの光路上に配置された半波長板２４、２５、偏光ビームスプリッタ１２、１３、プリズムミラー１８、高精度回折光学素子(Diffractive Optical Element; DOE)１９、ビームの断面形状を整形するマスク２０、イメージング光学系２１、及び、ステージ２２を含んで構成される。
【００１４】
レーザ光源１０ａ〜１０ｄは、すべて全固体レーザを含んで構成される。レーザ光源１０ａ及び１０ｄの出力はたとえば１０Ｗであり、レーザ光源１０ｂ及び１０ｃの出力はたとえば１５Ｗである。
【００１５】
レーザ光源１０ａを出射したレーザビーム３０ａは、メカニカルシャッタ１１ａを透過し、半波長板２４で偏光面を回転され、偏光ビームスプリッタ１２に対するＳ偏光とされる。半波長板２４を出射したレーザビーム３０ａは、折り返しミラー１４で反射されて偏光ビームスプリッタ１２に入射する。
【００１６】
レーザ光源１０ｂは、偏光ビームスプリッタ１２に対するＰ偏光（レーザビーム３０ｂ）を出射し、レーザビーム３０ｂはメカニカルシャッタ１１ｂを透過して、偏光ビームスプリッタ１２に入射する。
【００１７】
偏光ビームスプリッタ１２は、入射するＳ偏光を反射しＰ偏光を透過する。この作用により、偏光ビームスプリッタ１２に入射したレーザビーム３０ａ及び３０ｂは同一光軸上に重畳され、レーザビーム３１として出射される。偏光ビームスプリッタ１２を出射したレーザビーム３１は、折り返しミラー１５で反射されて、プリズムミラー１８に入射する。
【００１８】
レーザ光源１０ｃ、１０ｄを出射したレーザビーム３０ｃ、３０ｄも同様に同一光軸上に重畳されて、プリズムミラー１８に入射する。
【００１９】
すなわちレーザ光源１０ｃは、偏光ビームスプリッタ１３に対するＰ偏光（レーザビーム３０ｃ）を出射し、レーザビーム３０ｃはメカニカルシャッタ１１ｃを透過して、偏光ビームスプリッタ１３に入射する。
【００２０】
また、レーザ光源１０ｄを出射したレーザビーム３０ｄは、メカニカルシャッタ１１ｄを透過し、半波長板２５で偏光面を回転され、偏光ビームスプリッタ１３に対するＳ偏光とされる。半波長板２５を出射したレーザビーム３０ｄは、折り返しミラー１６で反射されて偏光ビームスプリッタ１３に入射する。
【００２１】
入射するＳ偏光を反射しＰ偏光を透過する偏光ビームスプリッタ１３の作用により、偏光ビームスプリッタ１３に入射したレーザビーム３０ｃ及び３０ｄは同一光軸上に重畳され、レーザビーム３２として出射される。偏光ビームスプリッタ１３を出射したレーザビーム３２は、折り返しミラー１７で反射されて、プリズムミラー１８に入射する。
【００２２】
レーザビーム３１及び３２は、プリズムミラー１８で２本の略平行なビームとなるように折り返され、ＤＯＥ１９に入射する。ＤＯＥ１９は、結像面（加工面）において、レーザビーム３１、３２の断面を長尺形状に整形し、ビーム断面内の長尺方向の光強度分布を均一化する。
【００２３】
ＤＯＥ１９を透過したレーザビーム３１、３２は、マスク２０に入射する。マスク２０面におけるレーザビーム３１、３２の断面は長尺形状である。レーザビーム３１、３２はマスク２０面で、ビーム断面の長手方向と直交する面内において交差し、１ビームに合成される。マスク２０は、レーザビーム３１、３２の長尺方向の両端部分を遮光し、長尺方向両端のビームプロファイルのスロープを急峻に形成する。長尺方向の両端部分を遮光するのみなので、エネルギロスは非常に小さい。
【００２４】
マスク２０を透過したレーザビーム３１、３２は、たとえば凸レンズを含んで構成されるイメージング光学系２１を経てステージ２２上に保持された基板２３に入射する。マスク２０面におけるレーザビーム３１、３２は、ＤＯＥ１９及びイメージング光学系２１によって、基板２３上（加工面）に結像される。基板２３は、たとえばアモルファスシリコン膜が表面上に形成されたガラス基板である。ステージ２２は、基板２３を基板面内方向に移動することができる。レーザビーム３１、３２は長尺形状の入射領域を形成して基板２３のアモルファスシリコン膜に入射し、アモルファスシリコン膜のレーザアニールを行う。
【００２５】
マスク２０面で１ビームに合成されたレーザビーム３１とレーザビーム３２は、イメージング光学系２１に入射する際の入射角が異なる。このためたとえば両レーザビーム３１、３２は、イメージング光学系２１の凸レンズの中心に関して反対側の領域に入射して異なる光路を進み、照射面（基板２３表面）上で再び合成される。
【００２６】
したがって現実的には、レーザビーム３１及び３２は、イメージング光学系２１において歪曲収差の影響を受け、長尺方向に沿って相互に逆向きに湾曲した長尺形状の入射領域を形成して基板２３に入射する。すなわちレーザビーム３１及び３２は、正確には照射面（基板２３表面）上で同軸上に重ならない。
【００２７】
図２（Ａ）及び（Ｂ）に、それぞれ基板２３に入射するレーザビームの入射領域と、ビーム断面内の光強度分布を示す。以下、図５（Ａ）及び（Ｂ）に至るまで、レーザ光源１０ａ〜１０ｄの１つだけからレーザビームを出射したときの入射領域と、ビームの長尺方向に沿う光強度分布を示す。なお、短尺方向についての光強度はほぼガウシアン分布である。光強度分布は電圧変換値を示した。図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すのは、レーザ光源１０ａからレーザビームを出射した場合の入射領域及び長尺方向の光強度分布である。
【００２８】
図２（Ａ）を参照する。レーザ光源１０ａ（出力１０Ｗ）から出射したレーザビームは、照射面において右側に弓なりに膨らんだ（凸状の）長尺形状の入射領域を形成して基板２３に入射する。なお、図２（Ａ）の横軸は、Ｘ方向（短尺方向）の位置座標を示し、縦軸は、Ｙ方向（長尺方向）の位置座標を示す。
【００２９】
図２（Ｂ）は、図２（Ａ）におけるＸ方向（短尺方向）の座標が８０３となる位置におけるビーム断面内の光強度分布の電圧変換値を単位「Ｖ」で示すグラフである。レーザビームの入射領域が湾曲しているため、直線に沿った光強度分布は不均一である。なお、電圧変換値の平均は０．３６Ｖであった。
【００３０】
図３（Ａ）及び（Ｂ）に、レーザ光源１０ｂ（出力１５Ｗ）からレーザビームを出射した場合に基板２３上に形成されるレーザビームの入射領域、及び、長尺方向についての光強度分布を示す。
【００３１】
図３（Ａ）を参照する。図２（Ａ）に示した入射領域と同様に、照射面において右側に弓なりに膨らんだ（凸状の）長尺形状の入射領域が形成されている。
【００３２】
図３（Ｂ）は、図３（Ａ）におけるＸ方向（短尺方向）の座標が７９９となる位置におけるビーム断面内の光強度分布の電圧変換値を単位「Ｖ」で示すグラフである。レーザビームの入射領域が湾曲しているため、直線に沿った光強度分布は不均一である。なお、電圧変換値の平均は０．６３Ｖであった。
【００３３】
図４（Ａ）及び（Ｂ）に、レーザ光源１０ｃ（出力１５Ｗ）からレーザビームを出射した場合に基板２３上に形成されるレーザビームの入射領域、及び、長尺方向についての光強度分布を示す。
【００３４】
図４（Ａ）を参照する。図２（Ａ）または図３（Ａ）に示した入射領域と異なって、照射面において左側に弓なりに膨らんだ（凸状の）長尺形状の入射領域が形成されている。
【００３５】
図４（Ｂ）は、図４（Ａ）におけるＸ方向（短尺方向）の座標が７９３となる位置におけるビーム断面内の光強度分布の電圧変換値を単位「Ｖ」で示すグラフである。レーザビームの入射領域が湾曲しているため、直線に沿った光強度分布は不均一である。なお、電圧変換値の平均は０．６１Ｖであった。
【００３６】
図５（Ａ）及び（Ｂ）に、レーザ光源１０ｄ（出力１０Ｗ）からレーザビームを出射した場合に基板２３上に形成されるレーザビームの入射領域、及び、長尺方向についての光強度分布を示す。
【００３７】
図５（Ａ）を参照する。図４（Ａ）に示した入射領域と同様に、照射面において左側に弓なりに膨らんだ（凸状の）長尺形状の入射領域が形成されている。
【００３８】
図５（Ｂ）は、図５（Ａ）におけるＸ方向（短尺方向）の座標が７９４となる位置におけるビーム断面内の光強度分布の電圧変換値を単位「Ｖ」で示すグラフである。レーザビームの入射領域が湾曲しているため、直線に沿った光強度分布は不均一である。なお、電圧変換値の平均は０．４３Ｖであった。
【００３９】
以上、図２（Ａ）〜図５（Ｂ）を参照して説明したように、イメージング光学系２１に含まれるレンズの歪曲収差により、基板２３に入射するレーザビームの入射領域が湾曲するため、ビーム長尺方向の直線に沿った光強度分布は不均一となる。また、４台のレーザ光源１０ａ〜１０ｄから出射したレーザビームは同一領域に一致するようには照射されない。
【００４０】
図６（Ａ）〜（Ｉ）を参照し、実施例によるビーム照射装置における、マスク２０を透過した後のレーザビーム３１、３２について詳しく説明する。
【００４１】
図６（Ａ）は、マスク２０の位置の像がＤＯＥ１９及びイメージング光学系２１により結像される位置に基板２３を保持した場合を示す。
【００４２】
マスク２０で整形されたレーザビーム３１は、本図においてイメージング光学系２１に含まれる凸レンズの中心より右側を透過して、ステージ２２に保持された基板２３に入射する。一方、レーザビーム３２は、凸レンズの中心より左側を透過して、ステージ２２に保持された基板２３に入射する。
【００４３】
図６（Ｂ）に、図６（Ａ）に示す位置関係でレーザビーム３１、３２が基板２３に入射した場合における、基板２３上でのビーム３１、３２入射領域を概略的に示す。
【００４４】
図６（Ａ）において、凸レンズの中心より右側を透過したレーザビーム３１は、基板２３上に右側に弓なりに膨らんだ（凸状の）長尺形状の入射領域を形成する。凸レンズの中心より左側を透過したレーザビーム３２は、基板２３上に左側に弓なりに膨らんだ（凸状の）長尺形状の入射領域を形成する。両レーザビーム３１、３２は、たとえば弓なり形状の頂点が重なるように基板２３に入射する。
【００４５】
なお、レーザビーム３１、３２の長尺方向は、図においては上下方向である。
【００４６】
図６（Ｃ）は、レーザビーム３１、３２の長尺方向についての合成ビームプロファイルを示す概略図である。
【００４７】
長尺方向中央部での光強度が強く、両端に近づくにつれて光強度が弱くなる。
【００４８】
図６（Ｄ）は、マスク２０の位置の像がＤＯＥ１９及びイメージング光学系２１により結像される位置より手前の位置（インフォーカス側）に基板２３を保持した場合を示す。
【００４９】
マスク２０で整形されたレーザビーム３１は、本図においてイメージング光学系２１に含まれる凸レンズの中心より右側を透過して、ステージ２２に保持された基板２３に入射する。一方、レーザビーム３２は、凸レンズの中心より左側を透過して、ステージ２２に保持された基板２３に入射する。
【００５０】
図６（Ｅ）に、図６（Ｄ）に示す位置関係でレーザビーム３１、３２が基板２３に入射した場合における、基板２３上でのビーム３１、３２入射領域を概略的に示す。
【００５１】
図６（Ｄ）において、凸レンズの中心より右側を透過したレーザビーム３１は、基板２３上に右側に弓なりに膨らんだ（凸状の）長尺形状の入射領域を形成する。凸レンズの中心より左側を透過したレーザビーム３２は、基板２３上に左側に弓なりに膨らんだ（凸状の）長尺形状の入射領域を形成する。両レーザビーム３１、３２は、たとえば弓なり形状が交差するように基板２３に入射する。
【００５２】
図６（Ｆ）は、レーザビーム３１、３２の長尺方向についての合成ビームプロファイルを示す概略図である。
【００５３】
長尺方向にほぼ一様な光強度分布が形成されている。
【００５４】
図６（Ｇ）は、図６（Ｄ）に示す場合よりも更に手前の位置（インフォーカス側）に基板２３を保持した場合を示す。
【００５５】
マスク２０で整形されたレーザビーム３１は、本図においてイメージング光学系２１に含まれる凸レンズの中心より右側を透過して、ステージ２２に保持された基板２３に入射する。一方、レーザビーム３２は、凸レンズの中心より左側を透過して、ステージ２２に保持された基板２３に入射する。
【００５６】
図６（Ｈ）に、図６（Ｇ）に示す位置関係でレーザビーム３１、３２が基板２３に入射した場合における、基板２３上でのビーム３１、３２入射領域を概略的に示す。
【００５７】
図６（Ｇ）において、凸レンズの中心より右側を透過したレーザビーム３１は、基板２３上に右側に弓なりに膨らんだ（凸状の）長尺形状の入射領域を形成する。凸レンズの中心より左側を透過したレーザビーム３２は、基板２３上に左側に弓なりに膨らんだ（凸状の）長尺形状の入射領域を形成する。両レーザビーム３１、３２は、たとえば弓なり形状が図６（Ｅ）に示した場合よりも深く交差するように基板２３に入射する。
【００５８】
図６（Ｉ）は、レーザビーム３１、３２の長尺方向についての合成ビームプロファイルを示す概略図である。
【００５９】
長尺方向中央部での光強度が弱く、両端に近づくにつれて光強度が強くなる。
【００６０】
図７（Ａ）及び（Ｂ）に、レーザ光源１０ａ〜１０ｄのすべてからレーザビームを出射した場合に基板２３上に形成されるレーザビームの入射領域、及び、長尺方向についての光強度分布を示す。本図には、図６（Ｄ）に示す位置関係で基板２３にレーザビームを照射した場合のビーム入射領域、及び、長尺方向についての光強度分布を示した。
【００６１】
図７（Ａ）を参照する。照射面においてそれぞれ右側及び左側に弓なりに膨らんだレーザビーム３１及び３２が、一部領域を除き重複して照射され、弓なりの目立たない長尺形状領域にレーザビームが入射している。
【００６２】
図７（Ｂ）は、図７（Ａ）におけるＸ方向（短尺方向）の座標が７９５となる位置におけるビーム断面内の光強度分布の電圧変換値を単位「Ｖ」で示すグラフである。
【００６３】
インフォーカス側に基板２３を配置し、図６（Ｄ）に示す位置関係でビームを照射しているので、長尺方向にほぼ一様な光強度分布が形成されている。なお、電圧変換値の平均は０．６４Ｖであった。
【００６４】
長尺方向に沿う光強度分布がほぼ一様であるため、アモルファスシリコン膜の結晶化（レーザアニール）を高品質に行うことができる。
【００６５】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
レーザ加工、殊にレーザアニール加工に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】実施例によるビーム照射装置を示す概略図である。
【図２】（Ａ）及び（Ｂ）は、レーザ光源１０ａからレーザビームを出射した場合に基板２３上に形成されるレーザビームの入射領域、及び、長尺方向についての光強度分布を示す。
【図３】（Ａ）及び（Ｂ）は、レーザ光源１０ｂからレーザビームを出射した場合に基板２３上に形成されるレーザビームの入射領域、及び、長尺方向についての光強度分布を示す。
【図４】（Ａ）及び（Ｂ）は、レーザ光源１０ｃからレーザビームを出射した場合に基板２３上に形成されるレーザビームの入射領域、及び、長尺方向についての光強度分布を示す。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は、レーザ光源１０ｄからレーザビームを出射した場合に基板２３上に形成されるレーザビームの入射領域、及び、長尺方向についての光強度分布を示す。
【図６】（Ａ）〜（Ｉ）は、実施例によるビーム照射装置における、マスク２０を透過した後のレーザビーム３１、３２について詳しく説明するための図である。
【図７】（Ａ）及び（Ｂ）は、レーザ光源１０ａ〜１０ｄのすべてからレーザビームを出射した場合に基板２３上に形成されるレーザビームの入射領域、及び、長尺方向についての光強度分布を示す。
【符号の説明】
【００６８】
１０ａ〜１０ｄ  レーザ光源
１１ａ〜１１ｄ  メカニカルシャッタ
１２、１３  偏光ビームスプリッタ
１４〜１７  折り返しミラー
１８  プリズムミラー
１９  ＤＯＥ
２０  マスク
２１  イメージング光学系
２２  ステージ
２３  基板
２４、２５  半波長板
３０ａ〜３０ｄ、３１、３２  レーザビーム
【図１】
2008288522.tif 000003
【図６】
2008288522.tif 000004
【図２】
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【図３】
2008288522.tif 000006
【図４】
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【図５】
2008288522.tif 000008
【図７】
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