(57)【要約】【課題】エネルギの利用効率や処理精度を高め、狭ピッチの複数の微小箇所の同時処理を可能にしたレーザ処理装置及びレーザ処理方法を提供すること。【解決手段】レーザ処理装置は、複数のビーム２０を形成するとともに、各ビーム毎に焦点２２を形成する光学素子（マイクロレンズアレイ１６、マイクロレンズ２７）と、この光学素子で形成された前記ビームの各焦点を被処理面２８側に転写して結像させる光学系（縮小転写光学系１８）とを備えた構成としたものである。また、レーザ処理方法は、係るレーザ処理装置に発生させたレーザエネルギを用いて被処理物（ワーク２６）に対し、穿孔、エッチング、ドーピング、アニール等、加工・改質・成膜等の各種のレーザ処理を行う。【選択図】        図１
2004311906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のビームを形成するとともに、各ビーム毎に焦点を形成する光学素子と、
この光学素子で形成された前記ビームの各焦点を被処理面側に転写して結像させる光学系と、
を備えた構成としたことを特徴とするレーザ処理装置。
【請求項２】
前記被処理面を持つ被処理物、前記光学素子又は前記光学系を各光軸方向に移動させることにより、前記ビームの前記被処理面に対する照射面積を変更させる構成を備えたことを特徴とする請求項１記載のレーザ処理装置。
【請求項３】
複数のビームを形成するとともに、各ビーム毎に焦点を形成する工程と、
前記ビームの各焦点を被処理面側に転写して結像させ、前記被処理面にビーム照射によりレーザ処理を施す工程と、
からなることを特徴とするレーザ処理方法。
【請求項４】
前記レーザ処理は、前記被処理面に対して複数回のビーム照射を行うとともに、該ビームの前記被処理面に対する照射面積を同一又は異ならせたことを特徴とする請求項３記載のレーザ処理方法。
【請求項５】
前記被処理面を持つ被処理物、光学素子又は光学系を各光軸方向に移動させることにより、前記ビームの前記被処理面に対する照射面積を変更させることを特徴とする請求項３記載のレーザ処理方法。
【請求項６】
前記レーザ処理は、前記被処理面に対する穿孔、表面改質又は熱処理を含み、前記被処理面に前記ビームの焦点数に応じた処理を同時に行うことを特徴とする請求項３、４又は５記載のレーザ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザエネルギを用いて被処理物に対し、穿孔、エッチング、ドーピング、アニール等、加工・改質・成膜等の各種のレーザ処理を行うレーザ処理装置及びレーザ処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
穿孔、エッチング、ドーピング、アニール等、各種の加工、改質、成膜等の処理にレーザエネルギを利用することが行われており、このレーザ処理の関連技術に関し、次のような特許文献が存在している。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６３−２２０９９１号公報
【０００４】
【特許文献２】
特開２００１−６２５７８号公報
【０００５】
【特許文献３】
特開平４−３５６３９２号公報
【０００６】
【特許文献４】
特開２００１−２６９７８９号公報
【０００７】
穿孔加工について、特許文献１には、マスク投影を用いる処理が開示されている。この場合、加工部はレーザ光を透過、非加工部はレーザ光を遮光するマスクを使用することにより、任意形状に加工する。また、特許文献２には、回折型光学部品とｆｓｉｎθレンズの組み合わせについて開示されており、この場合、レーザ光を回折して多数のビームを発生する回折型光学部品と、回折型光学部品から出た多数の分岐ビームを集光するｆｓｉｎθレンズとよりなる構成が開示されている。
【０００８】
マイクロレンズアレイ集光について、特許文献３には、マスクの光伝搬部に円形のフレネルレンズを平面内に並べ、レーザ光を集光することにより、プリント基板の同時多数箇所加工について開示されている。これは、エネルギ効率が優れている。また、特許文献４には不安定共振器を備えたレーザを使用し、ビーム拡がり角を少なくすることにより、微小なビーム集光径を可能としたものが開示されている。
【０００９】
また、レーザアニールによるアモルファスＳｉの結晶化に関し、現状のアモルファスＳｉの結晶化技術には、ガラス基板上に成膜されたアモルファスＳｉ薄膜に、高出力エキシマレーザからのレーザをラインビームに成形して、そのラインビームに垂直な方向にラインビームを走査しながら照射し、ガラス基板上のアモルファスＳｉ全体を順次溶融再結晶化させて多結晶Ｓｉ膜を得る方法がある。この処理方法について、現在既に実用化され、主に携帯機器用の高性能ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）液晶ディスプレイの製造技術として利用されており、その公知文献として、例えば、東芝レビューｖｏｌ．５５，Ｎｏ．２（２０００）西部徹他「低温ｐ−ＳｉＴＦＴ」がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、マスク投影による処理（特許文献１）では、遮光される非加工部分のエネルギが無駄になるため、エネルギ効率が悪く、加工部分のエネルギを高めると、消費エネルギが非常に大きくなる。また、装置が大型になるため、この装置を生産に利用する場合には生産コストが高くなる傾向がある。
【００１１】
回折型光学部品とｆｓｉｎθレンズを組み合わせる技術（特許文献２）では、回折型格子により入射ビームを回折し、ｆｓｉｎθレンズにより集光しているため、穴数が増えるに従い、より高次の回折光を使う必要がある。回折の次数が上がれば上がるほど回折効率が落ちるため、加工面内でビーム強度分布を生じ、多数孔の同時加工や多数孔の加工径の制御が困難である。
【００１２】
また、マイクロレンズアレイ集光（特許文献３、４）では、微小径の加工を実施する場合に次のような不都合がある。
【００１３】
第１に、ビーム拡がり角の影響が大きい。一般的に高出力の紫外光レーザとして使われるエキシマレーザ等は、ビーム拡がり角が大きい。ビーム拡がり角が大きいと、焦点のボケが大きくなる。一般の球面レンズでは、
焦点ボケ＝ビーム拡がり角×焦点距離
の関係がある。このため、ビーム拡がり角が大きい場合には、微小径への集光・加工が困難となる。そこで、不安定共振器を備えたレーザを使用し、ビーム拡がり角を小さくする方法がある。しかし、不安定共振器は、光学系が複雑であり、パルスエネルギが小さい。
【００１４】
第２に、狭ピッチの加工が困難である。球面レンズの集光には、次の関係がある。
焦点径＝定数×波長／開口数
開口数＝レンズ半径／焦点距離
【００１５】
このような関係から、微小径を加工するには、レンズの開口数（＝レンズ半径／焦点距離）が大きいことが必要である。そのため、レンズ半径を大きくとる必要がある。また、エネルギ効率を上げるためには、エネルギの集光率を上げることが好ましく、レンズ半径は大きいことが望ましい。一方、加工点のピッチはレンズのピッチに対応するため、加工点のピッチはレンズ径より大きくなる。そのため、レンズ半径を大きくすると、狭ピッチの加工が困難になる。
【００１６】
第３に、加工の影響による性能劣化が生じる。微小径を加工するには、レンズの開口数（＝レンズ半径／焦点距離）が大きいことが必要である。そのため、焦点距離を小さくする必要がある。また、焦点ボケ（＝ビーム拡がり角×焦点距離）を小さくする観点からも、焦点距離を短くする必要がある。
【００１７】
また、特許文献３、４に開示された構成では、焦点距離がワーキングディスタンス（レンズと被加工物との距離）と殆ど等しく、ワーキングディスタンスが小さいと、加工時、被加工物からの汚染物付着や熱の影響を受け、加工不良やレンズの性能劣化、破損を引き起こすおそれがある。
【００１８】
また、ＴＦＴの粒界による性能限界について、従来の低温ｐ−Ｓｉの形成では、幅数百μｍ、長さ数百ｍｍのラインビームを走査して溶融再結晶化させるために無数の結晶核が発生し、そこに形成されたトランジスタのチャネル内に数個から数十個の結晶粒界が存在する。このため、トランジスタの重要な特性値であるしきい電圧値・電流値のばらつきやＯＦＦ電流値の増大等の問題があり、メモリやＭＰＵのような高度なＩＣの製造には不向きである。
【００１９】
また、高消費エネルギについて、液晶の画素スイッチング用ＴＦＴのための結晶化を例に取ると、液晶のＲＧＢ画素のピッチが縦横寸法が例えば、１２０〔μｍ〕、４０〔μｍ〕でＴＦＴのサイズを例えば、１０×１０〔μｍ〕として単純に面積比で計算すると、
１−｛（１０×１０）／（１２０×４０）｝＝４７／４８
となる。この結果から明らかなように、約９８％の部分は不要であり、後のエッチング工程で除去される。このため、殆ど廃棄される部分に、非常に大きなエネルギが消費されており、無駄である。
【００２０】
また、基板への熱負荷に関し、本来不要なエネルギが薄膜に供給されているため、その基板に必要以上に熱負荷を与えている。このため、プラスチックのような熱可塑性の基板に作成するＴＦＴについて阻害要因になっている。
【００２１】
そこで、本発明の第１の目的は、エネルギの利用効率を高めたレーザ処理装置及びレーザ処理方法を提供することにある。
【００２２】
また、本発明の第２の目的は、処理精度を高めたレーザ処理装置及びレーザ処理方法を提供することにある。
【００２３】（追加）
また、本発明の第３の目的は、狭ピッチの複数の微小箇所の同時処理を可能にしたレーザ処理装置及びレーザ処理方法を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記第１、第２又は第３の目的を達成するため、本発明のレーザ処理装置は、複数のビーム（２０、７０、７４、８６、９２）を形成するとともに、各ビーム毎に焦点２２を形成する光学素子（マイクロレンズアレイ１６、マイクロレンズ２７）と、この光学素子で形成された前記ビームの各焦点を被処理面２８側に転写して結像させる光学系（縮小転写光学系１８）とを備えた構成としたものである。光学素子は、屈折型素子又は回折型素子の何れでもよい。被処理面とはレーザが照射される被処理物の面であって、加工等の処理が進む場合にレーザエネルギを受ける受光面である。この被処理面とビームの焦点とは、一致してもよいが、一致する必要はない。
【００２５】
このような構成とすれば、光学素子で所望のパターンにレーザのビームを集光させるため、エネルギ利用効率が高く、マスク投影方式に比較し、エネルギ損失が低減するとともに、焦点のボケがなく、マイクロアレイ集光方式に比較し、集光精度が高く、また、光学系で焦点のピッチを高精度に調整できるので、狭ピッチで穿孔加工が可能になる等、処理精度が高められる。ビームの焦点数等に応じて、複数箇所の穿孔、エッチング、ドーピング、アニール等、加工・改質・成膜等の各種のレーザ処理が行える。
【００２６】
上記第１、第２又は第３の目的を達成するためには、前記被処理面を持つ被処理物（ワーク２６）、前記光学素子又は前記光学系を各光軸方向に移動させることにより、前記ビームの前記被処理面に対する照射面積を変更させる構成としてもよい。このような構成とすれば、所望の照射面積にビームを調整でき、処理範囲が高精度に制御される。
【００２７】
上記第１、第２又は第３の目的を達成するため、本発明のレーザ処理方法は、複数のビームを形成するとともに、各ビーム毎に焦点を形成する工程と、前記ビームの各焦点を被処理面側に転写して結像させ、前記被処理面にビーム照射によりレーザ処理を施す工程とからなるものである。
【００２８】
このような処理によれば、既述したように、所望のパターンにレーザのビームを集光させることにより、エネルギ利用効率が高く、マスク投影方式に比較し、エネルギ損失を低減させ、焦点のボケがなく、マイクロレンズアレイ集光方式に比較し、集光精度が高く、また、光学系で焦点のピッチを高精度に調整できるので、狭ピッチで穿孔加工が可能になる等、高い処理精度が得られる。この結果、ビームの焦点数等に応じて、複数箇所の穿孔、エッチング、ドーピング、アニール等、加工・改質・成膜等の各種のレーザ処理が行える。
【００２９】
上記第１、第２又は第３の目的を達成するためには、前記レーザ処理は、前記被処理面に対して複数回のビーム照射を行うとともに、該ビームの前記被処理面に対する照射面積を同一又は異ならせるようにしてもよい。即ち、ビーム照射を一回で完了させてもよいが、本発明では、複数回のビーム照射によりレーザ処理することが可能であり、この場合、照射面積を同一にすれば、同一領域に対する多重処理となり、照射面積を異ならせれば、照射回数に応じた処理部分と、照射回数の少ない処理部分とを選択的に形成することができる。このような処理により、径の異なる穿孔や改質等の多様なレーザ処理が可能になる。
【００３０】
上記第１、第２又は第３の目的を達成するためには、前記被処理面を持つ被処理物、光学素子又は光学系を各光軸方向に移動させることにより、前記ビームの前記被処理面に対する照射面積を変更させるようにしてもよい。このような処理によれば、所望の照射面積にビームが調整され、処理範囲の制御が可能である。
【００３１】
上記第１、第２又は第３の目的を達成するためには、前記レーザ処理は、前記被処理面に対する穿孔、表面改質又は熱処理を含み、前記被処理面に前記ビームの焦点数に応じた処理を同時に行うようにしてもよい。即ち、本発明に係るレーザ処理方法は、レーザのビームやエネルギの大きさに応じた各種の処理に適用されるものである。
【００３２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係るレーザ処理装置を図１を参照して説明する。図１は、レーザ処理装置の概要を示している。このレーザ処理装置２において、レーザ装置４はレーザ光６を発生する発生源であって、例えば、安定共振器を備えたエキシマレーザ装置で構成されている。レーザ装置４はビーム拡がり角の影響を減らすために、不安定共振器、注入同期型を用いてもよく、例えば、エネルギ制御可能なものが用いられる。発生させたレーザ光６はアッテネータ８を介して第１の光学系としての拡大光学系１０に加えられる。アッテネータ８はエネルギを減衰させる手段としてのビーム強度調整用フィルタであって、アッテネータ８には、例えば、数段階透過率を備え、その透過率の自動切換機構を備えるものが使用される。
【００３３】
拡大光学系１０は、レーザ光６を細いビームから広いビームに拡大させる手段であって、有効にエネルギを使用できるように、加工ないし処理領域のサイズに応じてビーム寸法を変形させる。この場合、ビームの拡大により、ビーム拡がり角が小さくなり、焦点ボケが小さくできるので、大きめに拡大しておくのがよい。この場合、強度分布を変える強度分布光学手段等を備えてもよい。また、レーザ装置４で広いビームが得られる場合には、この拡大光学系１０は不要である。この拡大光学系１０を通過したレーザ光６はミラー１２を経て所望方向に導びかれる。ミラー１２はレーザ光６の方向を変える手段であり、光軸調整用に２個以上のミラーを備えてもよい。この実施形態では、ミラー１２により、拡大光学系１０の光軸と直交方向に反射させたレーザ光６はステージ１４の上面方向に導びかれている。
【００３４】
ステージ１４の上方には、第２の光学系としてマイクロレンズアレイ１６、第３の光学系として縮小転写光学系１８が設置されている。マイクロレンズアレイ１６は、拡大光学系１０で得られた広いビームから複数のビーム２０を形成し、各ビーム２０毎に焦点２２を結像させる光学手段であって、上下移動機構２４によりその光軸に対して上下方向の位置調整が可能である。この実施形態では、一つのマイクロレンズアレイ１６を開示しているが、エネルギ集光度の大きく異なる二つ以上のマイクロレンズアレイを設置し、複数のマイクロレンズアレイを切り替えて使用してもよい。そして、縮小転写光学系１８は、マイクロレンズアレイ１６側で形成された焦点２２をステージ１４の被処理物であるワーク２６の被処理面２８側に転写して焦点３０を結像させる手段である。
【００３５】
縮小転写光学系１８の下面側には、保護用部材として石英板３２が設置され、この石英板３２は、処理時に飛散する汚染物が光学系に付着して性能を劣化させないように設置されている。この石英板３２は、汚染時には簡便に交換可能とし、保護用部材としては、透過特性が良く、レーザに耐えられる材質であればよく、石英板３２に限定されるものではない。この石英板３２の設置により、縮小転写光学系１８の光学系がワーク２６側から飛翔する汚染物から防護される。
【００３６】
また、ステージ１４の上面側には、縮小転写光学系１８の下面側の処理空間部３４を挟んでガスフロー機構３６と排気機構３８が設置されている。ガスフロー機構３６はファン等で構成されて、窒素、ヘリウム等の不活性ガスや空気等のガスＧの噴射手段であり、加工時に飛散する汚染物が光学系に付着しないように、ガスＧを流す。このガスフロー機構３６と反対側に設置された排気機構３８は、処理空間部３４に供給されたガスＧを吸引して外部に排気する手段であり、処理空間部３４等を清浄化する。
【００３７】
そして、ステージ１４は、加工等の処理位置変更用のＸＹステージであって、水平移動機構４０により矢印Ｌ、Ｒ方向及び紙面に垂直方向に移動可能であり、上下移動機構４２により矢印Ｕ、Ｄ方向に移動可能である。この水平方向又は上下方向の移動により、ワーク２６の被処理面２８の水平位置及び上下位置が調整される。即ち、三次元方向に位置調整が可能である。光学調整用の高さ調整及び角度調整機構を備えてもよい。また、ステージ１４には、ワーク２６等の被処理物を把持できる機構を備えており、例えば、吸着ステージで構成され、構成材料には処理時に貫通したビームで損傷しない材質を使用する。
【００３８】
次に、このレーザ処理装置２のマイクロレンズアレイ１６及び縮小転写光学系１８を図２を参照して説明する。図２は、マイクロレンズアレイ１６及び縮小転写光学系１８の概要を示している。マイクロレンズアレイ１６は、既述したように、拡大光学系１０で広いビームに変更されているレーザ光６から複数のビーム２０を形成し、各ビーム２０毎に焦点２２を仮想被処理面２５に形成する光学手段であることから、形成するビーム２０の数に応じて複数の微小な光学素子としてマイクロレンズ２７を備えている。
【００３９】
このマイクロレンズアレイ１６は、多数の微小光学素子を備えたものであり、屈折型レンズ、フレネルレンズ、バイナリオプティクス等で構成されている。この場合、一般的な球面レンズと同等の集光とは限らない。任意の強度分布に形成可能なものも含む。例えば、ビーム強度分布が一つの凸型ａの中心に凸型ａよりも面積が小さく高さが高い凸型ｂを重ね合わせたものになる回折型レンズを使用することにより、後述の深い小径穴と浅い大径穴の同時加工という処理に対応することが可能である。そして、このマイクロレンズアレイ１６は屈折型素子又は回折型素子の何れの形態でもよい。このマイクロレンズアレイ１６は屈折型素子や回折型素子で構成されるが、このマイクロレンズアレイ１６に代えてホログラム等の回折型素子を用いてもよい。図示しないが、また、光学系調整が可能なように、マイクロレンズ２７の高さ、あおり、角度調整用機構を備えてもよい。
【００４０】
また、縮小転写光学系１８は、マイクロレンズアレイ１６側で形成された焦点２２をステージ１４の被処理物であるワーク２６の被処理面２８側に転写して焦点３０として結像させる。即ち、マイクロレンズ２７の焦点面を縮小転写して像面を形成する。基本的には、この像面をワーク面上に形成して作業を行うが、像面をワーク面に垂直方向に移動させた面に形成して作業を行ってもよい。ワーク面に垂直に入射する光学系にすることにより、真円且つ垂直な穴加工等が可能となる。縮小転写光学系１８とワーク２６の被処理面２８とのワーキングディスタンスが長くなるように設計し、収差を補正した設計とする。被処理面２８上の焦点ピッチＰ２  は、仮想被処理面２５上の焦点ピッチＰ１  より狭められている。この結果、焦点密度を高めることができる。焦点ピッチＰ２  は、加工等の被処理面２８における処理点ピッチとなる。
【００４１】
この縮小転写光学系１８は、例えば、図３に示すように、凸レンズ４４、４６、４８、凹レンズ５０及び凸レンズ５２、５４、５６で構成されているが、仮想被処理面２５に形成されるビーム２０及び焦点２２を被処理面２８側に転写して焦点３０として結合させるとともに、その焦点間隔を狭める光学的処理には各種の光学系が用いられ、図３に示した光学系に限定されるものではない。
【００４２】
この縮小転写光学系１８のピッチ制御について、仮想被処理面２５上の焦点２２、被処理面２８の焦点３０を図４を参照して説明する。図４の（Ａ）は仮想被処理面２５に形成された焦点２２、図４の（Ｂ）は被処理面２８に形成された焦点３０を示している。
【００４３】
図４の（Ａ）に示すように、マイクロレンズアレイ１６により、仮想被処理面２５に複数の焦点２２が形成されると、この焦点２２において、Ｐ１  は焦点２２間のピッチであり、この場合、中心点間距離である。ｄ１  は焦点２２の理想焦点径、ｕ１  は焦点ボケである。また、図４の（Ｂ）に示すように、縮小転写光学系１８を経て被処理面２８に形成された焦点３０において、Ｐ２  は焦点３０間のピッチ（処理点ピッチ）であり、中心点間距離である。ｄ２  は焦点３０の理想焦点径、ｕ２  は焦点ボケである。ここで、縮小転写光学系１８の縮小率をＭとすると、
ｄ２  ＝Ｍ×ｄ１                    ・・・（１）
ｕ２  ＝Ｍ×ｕ１                    ・・・（２）
Ｐ２  ＝Ｍ×Ｐ１                    ・・・（３）
が成立する。
【００４４】
また、マイクロレンズアレイ１６及び縮小転写光学系１８による焦点２２、３０の面積制御について、図５を参照して説明する。図５の（Ａ）及び（Ｂ）は、マイクロレンズアレイ１６によって形成される焦点の変化を示している。
【００４５】
マイクロレンズ２７の焦点距離ｆを仮想被処理面２５からずらし、仮想被処理面２５で焦点２２の径ｄ１  を例えば、図５の（Ｂ）に示す焦点２２０（径ｄ１  ’）のように大きくすれば、被処理面２８側の焦点３０の径ｄ２  を大きくできる。これとは逆に、仮想被処理面２５で焦点２２の径ｄ１  を小さくすれば、被処理面２８側の焦点３０の径ｄ２  を小さくできる。ここで、ｆをマイクロレンズ２７の焦点距離、Ｄをマイクロレンズ２７の開口径とすれば、マイクロレンズ２７と仮想被処理面２５との距離Ｗ．Ｄ．１は、
Ｗ．Ｄ．１＝（Ｄ−ｄ１  ）×（ｆ／Ｄ）            ・・・（４）
となる。このような制御により、容易に被処理面２８の処理点径が制御される。
【００４６】
次に、このレーザ処理装置２による処理を説明する。
【００４７】
レーザ装置４にはエネルギが一定となるように制御してレーザ光６を発振させる。安定した発振が可能なエネルギで制御し、被処理面２８でのビーム強度が大きい場合は、適切なビーム強度となるようにアッテネータ８を調整する。ビーム強度とビームの積算照射時間の適切な条件により、ワーク２６の被処理面２８に対して加工等の処理を行う。条件を調整することにより、例えば、貫通穴の他、制御された深さの穴の加工が可能である。
【００４８】
縮小転写光学系１８側の仮想被処理面２５に、マイクロレンズ２７の焦点位置を合わせると、被処理面２８でビームウェスト状に集光するため、ワーキングディスタンスの精度が緩くなり、処理点径の制御が容易に行える。そして、マイクロレンズ２７の焦点位置を仮想被処理面２５からずらし、仮想被処理面２５でのビーム径を大きくすることにより、処理点径を大きくすることが可能である。この場合、図６に示すように、縮小転写光学系１８を上下移動機構５８により矢印Ｕ、Ｄで示す上方又は下方に移動させて処理点径を調整するようにしてもよい。
【００４９】
エネルギ集光度の大きく異なる二つ以上のマイクロレンズアレイを切り替えて使用する場合には、被処理面２８でのエネルギが大きく異なるため、ビーム強度を調整する。このビーム強度の調整方法は、レーザのエネルギ制御の目標値で調整する。他の方法は、アッテネータ８の透過率の切換えにより調整する。ビーム形成光学系でマイクロレンズ２７に照射するビームを拡大縮小してビーム強度を調整する方法もある。
【００５０】
このようなレーザ処理装置及びレーザ処理方法によれば、次のような特徴及び利点がある。
【００５１】
（１）  エネルギ利用効率が大幅に改善される。マイクロレンズアレイ１６を用いてレーザ光６を所望のパターンに集光して切り出すため、マスク投影方式に対し、エネルギ利用効率が大幅に改善される。
【００５２】
（２）  多数孔を同時に加工することが可能である。即ち、マイクロレンズアレイ１６を用いてレーザ光６を所望のパターンに集光して切り出し、それらの焦点面からなる仮想被処理面２５又は焦点面から垂直方向に平行移動した仮想被処理面２５を転写して像面を形成するため、回折型光学部品とｆｓｉｎθレンズの組み合わせ方式のように場所による分布を生じず、多数孔を同時に一括加工することが可能である。
【００５３】
（３）  ビーム拡がり角の影響が小さい。仮想被処理面２５を縮小転写することが可能であり、その縮小転写により、ビーム拡がり角に起因する仮想被処理面２５での焦点ボケ量が、被処理面２８では縮小される。この結果、微小径への集光及び加工が可能になる。ビーム拡がり角の影響が減少するため、光学系が複雑で、パルスエネルギも小さい不安定共振器レーザを必ずしも使用する必要はない。
【００５４】
（４）  狭ピッチ加工等の任意のピッチでの処理が可能である。仮想被処理面２５を縮小転写すれば、仮想被処理面２５で形成する焦点のピッチは、被処理面２８での加工ピッチより大きくて済む。また、仮想被処理面２５の焦点径は、被処理面２８での焦点径より大きく、従来技術のマイクロレンズアレイ集光方式より、レンズの開口数（レンズ半径÷焦点距離）が小さくなるため、同一焦点距離の場合、レンズ径を小さくすることができる。この点からも、焦点の狭ピッチが容易に得られる。この結果、ワーク２６の被処理面２８での狭ピッチパターン加工が可能である。
【００５５】
（５）  加工の影響によるレーザ処理装置の性能劣化が防止される。縮小転写光学系１８と被処理面２８とのワーキングディスタンスが長くなるように、縮小転写光学系１８を設定することにより、ワーク２６からの加工時の汚染物付着や熱の影響が減少する。また、汚染物付着防止用のガスフロー機構３６が備えられているので、その影響がより低減される。これにより、加工の影響による性能劣化が防止される。
【００５６】
さらに、縮小転写光学系１８とワーク２６との間には汚染物付着防止用の石英板３２が設置されているので、汚染物が付着した際には、石英板３２を交換することにより、装置の劣化した性能を容易に改善することができる。透過特性が良く、レーザ光６に耐えられる材質であれば、石英板３２に代えて使用することができる。
【００５７】
（第２の実施形態）
次に、図７は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ処理装置の概要を示している。この実施形態に係るレーザ処理装置２には、酸化され易いＳｉ等の被処理物であるワーク２６の処理中の酸化を防ぐため、窒素やアルゴン等の不活性ガス中でレーザ処理を行うガス置換用として真空チャンバ６０が備えられている。この真空チャンバ６０の雰囲気を破ることなく、真空チャンバ６０には光学窓６４を通してレーザ光６が導入される。真空チャンバ６０内で基板等の被処理物としてワーク２６を保持するためにステージ６６が設置されている。その他の構成は、第１の実施形態と同様であるので、各部分の説明を省略する。
【００５８】
このようなレーザ処理装置２によれば、被処理面２８における集光径が例えば、１μｍになるようにされたマイクロレンズ２７と縮小転写光学系１８を備えたことにより、まず仮想被処理面２５が例えば、アモルファスＳｉ薄膜が成膜されているワーク２６の被処理面２８に転写されて一致するように調整し、レーザ照射された領域がアモルファスＳｉの融点を僅かに上回る温度になるように設定されたエネルギのレーザ光６を１パルス照射する。これにより、レーザ照射された領域の一部が溶融結晶化され、微小結晶粒を形成することができる。
【００５９】
引き続き照射領域が先の照射領域を含む先の照射面積よりも大きい面積の領域に、アモルファスＳｉの融点よりも高く結晶Ｓｉの融点よりも低い温度になるように設定されたエネルギのレーザ光６を１パルス照射する。これにより照射領域内の先に形成された微小結晶粒以外の部分が溶融し、その微小結晶粒を結晶成長核として結晶成長が起きるため大きなシングルグレインＳｉ結晶が形成される。
【００６０】
このとき、先の照射領域を含む先の照射面積よりも大きい面積の領域にレーザ光６を照射するため、マイクロレンズアレイ１６を上下移動させ、マイクロレンズアレイ１６の焦点面からずれた面を被処理面２８に転写する。この場合、縮小転写光学系１８を移動し、又はワーク２６の被処理面２８を上下移動させてもよい。
【００６１】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係るレーザ処理方法を図８及び図９を参照して説明する。図８及び図９は、第２の実施形態に係るレーザ処理装置２を用いたレーザシーディング熱処理方法を示している。
【００６２】
図８の（Ａ）に示すように、初期状態として非晶質シリコン膜６８には、ＴＦＴ素子作成領域ＴＤが設定されている。このＴＦＴ素子作成領域ＴＤに、図８の（Ｂ）に示すように、レーザ処理装置２を用いて例えば、１μｍ程度の微小径のレーザビーム７０をＴＦＴ素子作成領域ＴＤの中心部に入射させると、その中心部には微小領域７２が溶融する。この溶融部は結晶化し、微小領域７２は、レーザ処理により、非晶質シリコンから単結晶又は多結晶シリコン等の結晶シリコンに変化する。図８の（Ｃ）に示すように、レーザビーム７０の径によって微小領域７２の直径が決定される。レーザ処理装置２によれば、レーザビーム７０の径が高精度に絞られるので、それに応じて精度の高い径を持つ微小領域７２が形成され、しかも、複数の微小領域７２が形成される。
【００６３】
そして、図９の（Ａ）に示すように、レーザ処理装置２で例えば、１０μｍ程度の幅の広いレーザビーム７４を照射する。このレーザビーム７４は、例えば、微小領域７２の単結晶又は多結晶シリコンを中心にし、ＴＦＴ素子作成領域ＴＤを包囲する範囲の幅に設定される。この場合、レーザビーム７４は、非晶質シリコンの融点以上、結晶シリコンの融点以下のビーム強度、エネルギ強度に設定される。このエネルギ強度の設定は、レーザ装置４又はアッテネータ８等により調整される。この結果、係るレーザビーム７４の照射により、非晶質シリコン部分が選択的に溶融され、結晶シリコン部分を中心に広い範囲の領域７５で非晶質シリコンが溶融状態となる。
【００６４】
このようなレーザ処理が施されると、図９の（Ｂ）に示すように、微小領域７２を中心にし、即ち、微小領域７２の結晶シリコンを核にし、非晶質シリコンの溶融部分に結晶成長が生じる。矢印７６は、結晶成長の方向を示している。この図９の（Ｂ）において、微小領域７２が単結晶又は多結晶シリコン部分、領域７８が結晶成長部分、領域７５が溶融部分、領域８２が非晶質シリコン部分を示している。
【００６５】
以上の処理を経て、図９の（Ｃ）に示すように、ＴＦＴ素子作成領域ＴＤより広い領域７５において、大きい結晶粒径を持つ単結晶又は多結晶シリコンに形成される。
【００６６】
このようなレーザ処理装置及びレーザ処理方法によれば、次のような特徴及び利点がある。
【００６７】
（１）  シングルグレインＳｉが形成でき、粒界による性能限界を打破できる。シングルグレイン結晶とはその領域内に明確な結晶粒界が存在しない結晶のことであり、理想的にはその領域内が一つの単結晶で構成されたものである。そこで、アモルファスＳｉの融点は結晶Ｓｉよりも約３００℃低いことを利用し、まずアモルファスＳｉ薄膜上の１μｍ以下の微小領域にアモルファスＳｉの融点よりも少し高い温度になるようなエネルギのレーザ光６を照射し、その部分の表面の一部を溶融再結晶化させ、結晶核を形成する。次に、アモルファスＳｉの融点よりも高く、結晶Ｓｉの融点よりも低い温度になるようなエネルギのレーザ光６をその部分を中心とした１０μｍ程度の領域に照射し、先に形成した結晶核から結晶成長させることにより、１０μｍ程度のシングルグレインＳｉ結晶を形成する。
【００６８】
（２）  低消費エネルギ化が図られる。液晶の画素スイッチング用ＴＦＴのための結晶化の一例を説明する。液晶のＲＧＢ画素のピッチが縦横各々１２０μｍ、４０μｍでＴＦＴのサイズが１０μｍ×１０μｍとすれば、単純に面積比で計算すると、（１０×１０）／（１２０×４０）＝１／４８のエネルギで結晶化が可能である。実際の製造工程におけるラインビームによる結晶化では結晶核の多数発生による結晶成長の不十分さを解消するために、ライン幅の９５％程度を重複させて走査している。このことは同じ場所に２０回程度のレーザ照射することに対応する。本発明のレーザ処理装置２によれば、結晶核生成と結晶成長の２工程であるため、仮に１回目の核生成のための微小点へのレーザ照射エネルギを２回目と同じエネルギを使ったとしても、２／（２０×４８）＝１／４８０のレーザエネルギで済むことになる。
【００６９】
（３）  基板等、被処理物に対する熱負荷を軽減できる。Ｓｉ結晶に必要なエネルギが非常に小さくて済むということは、基板への熱負荷を大きく低減することに繋がる。仮に従来技術と本発明に係る処理のスループットが同じとすれば、単位時間当たりの基板への熱負荷は１／４８０となる。このことにより、既存の高品質ガラスを用いている結晶化用の基板をプラスチック等の熱可塑性材料に置き換えることが可能になり、経済的であるばかりでなく、種々のフレキシブルな電子機器への応用が可能となる。
【００７０】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係るレーザ処理方法を図１０及び図１１を参照して説明する。図１０及び図１１は、第１又は第２の実施形態に係るレーザ処理装置２を用いた微小座刳り付微小孔の形成方法を示している。
【００７１】
この実施形態では、図１０の（Ａ）に示すように、被処理物としてポリイミド板８４に比較的面積の大きいレーザビーム８６を照射させる。この場合、レーザビーム８６はポリイミド板８４のエッチング領域８８（照射エリア＝Ｒ）に照射される。このレーザエッチングにより、図１０の（Ｂ）に示すように、穴９０が形成される。そして、図１０の（Ｃ）に示すように、穴９０の深さｈが所望の深さになったところで、レーザ照射を止める。
【００７２】
この時点で、図１１の（Ａ）に示すように、先の照射エリアＲよりも小さい領域ｒにレーザビーム９２を照射して、レーザエッチングを行う。図１１の（Ｂ）に示すように、レーザエッチングにより孔９４が掘られる。孔９４が貫通したところでレーザ照射を止めてプロセスを終了すれば、図１１の（Ｃ）に示すように、深さｈ、直径Ｒの径大な穴９０が形成され、その底部に直径ｒの径小な孔９４が形成されることになる。
【００７３】
このように２段階のレーザ処理により、微小座刳り穴９０とともに微小径の孔９４が形成される。
【００７４】
このようなレーザ処理プロセスにおいて、実際の被処理物面におけるレーザのエネルギ密度が重要なパラメータの一つである。このエネルギ密度は、光源のレーザからの出力エネルギーと主に光学系によるレーザから被処理物までの光路の構成により決定され、プロセス中のエネルギ密度はレーザの出力と光路中に置かれるアッテネータ８によって調整される。
【００７５】
また、この２段階プロセスの場合、例えば座刳り付孔の加工では、最初の設定において大きな面積に、次に小さな面積にレーザ照射する。このとき、２段階目の面積に１段階目と同じレーザ出力とアッテネータの設定で光を集光すると、エネルギ密度が１段階目の条件よりも大きくなってしまうが、エッチングに必要なエネルギ密度はほぼ同じであるため、レーザ装置４及びアッテネータ８により調整し、ほぼ同じエネルギ密度になるようにして加工を行う。
【００７６】
この実施形態において、穴９０、孔９４の形成は、図７に示すレーザ処理装置２を用いて、真空チャンバ６０と光学窓６４を除いた構成からなる処理装置で実施することができる。
【００７７】
（他の実施形態）
本発明のレーザ処理装置及びレーザ処理方法は、次のように構成してもよい。直接パターンエッチング処理では、ワーク２６をレーザ光６により活性化されるエッチングガス中に保持し、そこにレーザビームを照射することにより、レーザ照射された領域のみのエッチングを行う。このことにより所望のパターンを１工程で選択エッチングをすることができる。
【００７８】
また、直接パターン成膜処理に利用することができる。例えば、ワーク２６をレーザ光６により反応が進み固体物を析出する反応性ガス中に保持し、そこにレーザ照射することにより、レーザ照射された領域のみの成膜が可能である。このことにより所望のパターンを１工程で成膜処理が可能である。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、次の効果が得られる。
ａ  レーザエネルギの利用効率を高めた穿孔、エッチング、ドーピング、アニール等、加工・改質・成膜等の各種のレーザ処理を実現することができる。
ｂ  穿孔等の各種レーザ処理の処理精度を高め、処理装置側の劣化を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るレーザ処理装置を示す図である。
【図２】マイクロレンズアレイ及び縮小転写光学系の処理を示す図である。
【図３】縮小転写光学系の一例を示す図である。
【図４】縮小転写光学系で形成される焦点の形態を示し、（Ａ）は仮想被処理面側の焦点を示す図、（Ｂ）は被処理面側の焦点を示す図である。
【図５】マイクロレンズの集光形態を示し、（Ａ）は標準的な集光状態を示す図、（Ｂ）は焦点位置が調整された状態の集光形態を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係るレーザ処理装置の変形例を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係るレーザ処理装置を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係るレーザ処理方法によるレーザシーディング熱処理を示す図である。
【図９】第３の実施形態に係るレーザ処理方法によるレーザシーディング熱処理を示す図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係るレーザ処理方法による座刳り穿孔処理を示す図である。
【図１１】第４の実施形態に係るレーザ処理方法による座刳り穿孔処理を示す図である。
【符号の説明】
１６  マイクロレンズアレイ（光学素子）
１８  縮小転写光学系
２０  ビーム
２２、３０  焦点
２６  ワーク（被処理物）
２７  マイクロレンズ（光学素子）
２８  被処理面
７０、７４、８６、９２  レーザビーム
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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