(57)【要約】 【課題】  レーザ光のプロファイルが変化する場合においても、被加工体に照射されるレーザ光の平均エネルギ密度を一定に保持することができるレーザアニール装置を提供する。【解決手段】  レーザアニール装置１０は、レーザ発振器ユニット１１から出射されるレーザ光を、照射光学系ユニット１２で基板１７の照射位置に照射するに際し、レーザ光のエネルギをジュールメータ１３で検出し、レーザ光のプロファイルをプロファイルメータ１４で検出し、これらの検出出力に基づいて、基板１７に照射されるレーザ光の平均エネルギ密度を演算手段１５で演算し、演算手段１５の出力に応じて基板１７に照射されるレーザ光の平均エネルギ密度が予め定める一定の値になるように制御手段１６によって制御する。この制御によって、基板１７に照射されるレーザ光の平均エネルギ密度が一定に保持される。【選択図】      図１
2005116729.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工体にレーザ光を照射することによって加工を施すレーザ
加工装置であって、
レーザ光を出射する光源と、
光源から出射されるレーザ光を被加工体の照射位置に照射する照射光学系と、
被加工体に照射されるレーザ光のエネルギを検出するエネルギ検出手段と、
被加工体に照射されるレーザ光のプロファイルを検出するプロファイル検出手
段と、
エネルギ検出手段およびプロファイル検出手段の検出出力に基づいて、被加工
体に照射されるレーザ光の平均エネルギ密度を演算する演算手段と、
演算手段の出力に応答し、被加工体に照射されるレーザ光の平均エネルギ密度
が予め定める一定の値になるように制御する制御手段とを含むことを特徴とする
レーザ加工装置。
【請求項２】
前記被加工体は、基板上に形成されるシリコン膜であり、
前記制御手段によって平均エネルギ密度が一定になるように制御されるレーザ
光を前記シリコン膜に照射することによって施される加工は、レーザアニール加
工であることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
光源から出射されるレーザ光を被加工体に照射することによっ
て加工を施すレーザ加工方法であって、
被加工体に照射されるレーザ光のエネルギを検出する工程と、
被加工体に照射されるレーザ光のプロファイルを検出する工程と、
検出されたレーザ光のエネルギとプロファイルとに基づいて被加工体に照射さ
れるレーザ光の平均エネルギ密度を演算する工程と、
平均エネルギ密度の演算結果に応答し、被加工体に照射されるレーザ光の平均
エネルギ密度が予め定める一定の値になるように制御する工程と、
平均エネルギ密度が予め定める一定の値になるように制御されたレーザ光を、
被加工体に照射することによって加工する工程とを含むことを特徴とするレーザ
加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光は、コヒーレントな光であり、収束性に優れるので、溶接、切断、表
面処理など種々の加工分野において利用されている。レーザ光を利用する加工分
野の１つに、たとえば基板上に成膜された非晶質シリコン（Ｓｉ）膜にレーザビ
ームを照射して加熱し、多結晶Ｓｉ膜を形成するレーザアニーリングがある。こ
のレーザアニーリングは、非晶質Ｓｉ膜にレーザ光を照射し、Ｓｉの加熱溶融と
凝固の過程を通じてＳｉ膜を多結晶Ｓｉ膜にするものである。
【０００３】
ガラスや合成石英などからなる基板上に形成されたＳｉ膜は、たとえば液晶パ
ネルの画素部などに使用されている。液晶パネルの画素部は、Ｓｉ膜の上に作製
された薄膜トランジスタのスイッチングによって画像を表示している。Ｓｉ膜が
非晶質であると、トランジスタ能動層を構成するにはキャリア移動度が低く、高
速性と高性能とが要求される集積回路への利用が困難なので、前述のレーザアニ
ーリングによってＳｉ膜を多結晶化し、高い移動度の薄膜トランジスタを実現し
ている。
【０００４】
従来レーザアニーリングには、基板上に形成された非晶質Ｓｉ膜の表面にレー
ザビームを照射しながら走査し、非晶質Ｓｉ膜をレーザビームの照射部位で加熱
溶融し、照射部位の進行に伴って溶融部が順次冷却され、その冷却過程において
一定の幅で溶融したＳｉ膜を凝固させることによって多結晶Ｓｉ膜を得る方法が
用いられている。この非晶質Ｓｉ膜の所望の範囲にレーザビームを照射するとい
うレーザアニーリングによって、広範囲にわたり格子欠陥の少ない多結晶Ｓｉ膜
を作製することができる。
【０００５】
レーザアニーリングによって形成される多結晶Ｓｉ膜の特性は、レーザ光のエ
ネルギの影響を大きく受けることが知られている。したがって、均質な多結晶Ｓ
ｉ膜を形成するためには、Ｓｉ膜の被照射面におけるレーザ光のエネルギ値を所
望の一定値に保持することが必要とされる。レーザ光のエネルギ値を一定に保つ
ために多用されている方法には、レーザ発振器側において、レーザ発振器から出
力されるレーザ光の出力をモニタリングし、検出されたレーザ光出力をフィード
バック制御するＡＰＣ（Auto Power Control）が知られている。このＡＰＣによ
ってレーザ発振器から発振されるレーザ光のエネルギ値を一定に保つことができ
るけれども、長時間のレーザ照射を行なうと、照射光学系の効率が経時的に変化
するので、照射光学系の効率変化に起因してＳｉ膜の被照射面におけるレーザ光
のエネルギ値が経時的に変化するという問題がある。
【０００６】
このような問題を解決する従来技術に、レーザ光の照射位置に対応する計測位
置におけるレーザ光のエネルギを検出するエネルギ検出手段と、エネルギ検出手
段の出力に基づいて照射光学系を出射するレーザ光のエネルギを調節する制御手
段とを備え、必要なタイミングで計測位置におけるレーザ光のエネルギを検出し
、照射光学系を出射するレーザ光のエネルギを随時調整することによって、被加
工体に照射されるレーザ光のエネルギを簡易かつ精密に制御するというもの（特
許文献１参照）、また被照射膜の形成された基板と基板を搭載するステージとを
透光可能に構成し、基板とステージとを通過したレーザビームをレーザビーム検
出手段によって検出することによって被照射膜上での照射レーザビームのプロフ
ァイルを測定し、測定されるプロファイルに基づいてレーザ照射手段からのレー
ザ出力を制御して、被照射膜上の照射レーザビームの強度分布を均一化するとい
うもの（特許文献２参照）がある。
【特許文献１】特開２００１−３５１８７６号公報
【特許文献２】特開２００２−１７６００８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、長時間のレーザ照射を行なった場合にレーザ光のエネルギ変化
を来す要因には、レーザ発振器内のガスの劣化に伴う出力低下や照射光学系の効
率変化に伴う被照射面におけるレーザ光エネルギの経時変化以外に、レーザ発振
器から発振出力されるレーザ光の拡がり角度が変化することに伴う照射光学系の
効率変動やレーザ光のプロファイル変化がある。
【０００８】
単なる照射光学系の効率変化に起因するレーザ光のエネルギ変化に対しては、
前述の従来技術に開示されるようなレーザ光の照射位置に対応する計測位置にお
けるレーザ光のエネルギ検出、または基板とステージとを通過したレーザビーム
のプロファイル測定結果に応じてアッテネータを調節することによって、被照射
面におけるレーザ光のトータルエネルギを一定に保持することができる。
【０００９】
しかしながら、レーザ光の拡がり角度変化に伴ってプロファイルが変化すると
、レーザ光の照射面積が変化するので、トータルエネルギ量が変化しない場合で
あっても、トータルエネルギを照射面積で除した単位面積あたりの平均照射エネ
ルギ（平均エネルギ密度）が変化するという現象が発生し、このような現象に対
しては従来技術では解決することができないという問題がある。
【００１０】
図４および図５は、レーザ光の拡がり角度が異なる場合のプロファイルを示す
図である。図４では、レーザ光の拡がり角度が小さい場合におけるビームの半径
方向のエネルギ密度分布をライン１にて表し、破線のライン２にて画される領域
面積が、レーザビームのトータルエネルギ量を表し、ライン２の縦軸読取値が平
均エネルギ密度を表す。本明細書では、レーザビームの半径方向のエネルギ密度
分布をプロファイルと呼ぶ。図５では、レーザ光の拡がり角度が大きい場合にお
けるビームの半径方向のエネルギ密度分布（プロファイル）をライン３にて表し
、破線のライン４にて画される領域面積が、レーザビームのトータルエネルギ量
を表し、ライン４の縦軸読取値が平均エネルギ密度を表す。なお図４と図５とは
、レーザビームのプロファイルが異なるけれども、プロファイルで示されるエネ
ルギ密度を積分して得られるトータルエネルギ、すなわちライン２で画される領
域面積とライン４で画される領域面積とが等しい場合について例示する。
【００１１】
レーザ光の拡がり角度が大きくなると、プロファイルがビームの半径方向に拡
がるので、トータルエネルギ量が等しい場合であっても、図４のライン２の縦軸
読取値と図５のライン４の縦軸読取値とが異なることから明らかなように、平均
エネルギ密度が変化する。すなわち、レーザ光のトータルエネルギ量が一定にな
るように制御するだけでは、プロファイル変化に伴う平均エネルギ密度の変化を
補正することができない。
【００１２】
また光ビームの拡がり角度が大きくなり照射面積が大きくなったプロファイル
を、レーザ加工するべく予め設定した所望の設定プロファイル（リファレンスプ
ロファイル）に戻すことは、従来技術に開示されるようなアッテネータの制御だ
けでは不可能であり、ホモジナイザ等のレーザビーム形状成形ユニット等による
精密調整を行わなければならないけれども、これを全自動で行なうことは非常に
困難である。
【００１３】
本発明者らは、レーザ光の照射位置に対応する計測位置におけるレーザ光のエ
ネルギを検出し、その検出出力をフィードバックしてアッテネータの動作制御を
行なうというトータルエネルギに基づくアッテネータ制御のみによって、ビーム
サイズおよびエネルギ密度を調整するべく試み、その経時変化を調査した。図６
は、ビームサイズおよびエネルギ密度の経時変化を示す図である。図６中で、ラ
イン５は、ビームサイズの経時変化を表し、ライン６は、平均エネルギ密度の経
時変化を表し、ライン７は、レーザアニール後におけるＳｉ膜の結晶状態評価の
指標に用いられる光学輝度の経時変化を表す。図６から明らかなように、レーザ
光のトータルエネルギに基づくアッテネータ制御のみでは、平均エネルギ密度を
一定値に保持することは困難であることが判った。
【００１４】
前述のようにレーザアニーリングにおけるＳｉ膜の結晶化状態すなわち結晶の
トランジスタ特性は、レーザ光のエネルギ密度に大きく依存するので、従来技術
に開示されるような制御ではレーザアニーリング後のＳｉ膜の結晶状態が不均一
になり、トランジスタ特性のばらつきが増大し、高速性および高性能が要求され
る集積回路に適用することが難しいという問題がある。
【００１５】
本発明の目的は、レーザ光のプロファイルが変化する場合においても、被加工
体に照射されるレーザ光の平均エネルギ密度を一定に保持することができるレー
ザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、被加工体にレーザ光を照射することによって加工を施すレーザ加工
装置であって、
レーザ光を出射する光源と、
光源から出射されるレーザ光を被加工体の照射位置に照射する照射光学系と、
被加工体に照射されるレーザ光のエネルギを検出するエネルギ検出手段と、
被加工体に照射されるレーザ光のプロファイルを検出するプロファイル検出手
段と、
エネルギ検出手段およびプロファイル検出手段の検出出力に基づいて被加工体
に照射されるレーザ光の平均エネルギ密度を演算する演算手段と、
演算手段の出力に応答し、被加工体に照射されるレーザ光の平均エネルギ密度
が予め定める一定の値になるように制御する制御手段とを含むことを特徴とする
レーザ加工装置である。
【００１７】
本発明に従えば、レーザ加工装置は、光源から出射され照射光学系を経て被加
工体に照射されるレーザ光のエネルギを検出するエネルギ検出手段と、プロファ
イルを検出するプロファイル検出手段と、エネルギ検出手段およびプロファイル
検出手段の検出出力に基づいて被加工体に照射されるレーザ光の平均エネルギ密
度を演算する演算手段と、演算手段の出力に応答して被加工体に照射されるレー
ザ光の平均エネルギ密度が予め定める一定の値になるように制御する制御手段と
を備える。このように構成されるレーザ加工装置は、所望のタイミングで計測位
置におけるレーザ光の平均エネルギ密度を求め、求めた平均エネルギ密度と、被
加工体のレーザ加工に適するように予め定められた設定エネルギ密度との偏差を
零（０）にするようなフィードバック制御を行なうことによって、照射光学系を
出射し被加工体に照射されるレーザ光の平均エネルギ密度が一定になるように随
時調整することができる。したがって、被加工体に照射されるレーザ光の平均エ
ネルギ密度を簡易かつ精密に制御し、また照射面におけるレーザ光のエネルギ安
定性を高い精度で維持することが可能になる。
【００１８】
また本発明は、前記被加工体は、基板上に形成されるシリコン膜であり、
前記制御手段によって平均エネルギ密度が一定になるように制御されるレーザ
光を前記シリコン膜に照射することによって施される加工は、レーザアニール加
工であることを特徴とする。
【００１９】
本発明に従えば、被加工体は、基板上に形成されるシリコン膜であり、制御手
段によって平均エネルギ密度が一定になるように制御されるレーザ光をシリコン
膜に照射することによって施される加工は、レーザアニール加工である。したが
って、レーザ加工装置はレーザアニール装置である。このレーザアニール装置に
よれば、被加工体である基板上に形成される非晶質Ｓｉ膜に対して、平均エネル
ギ密度が一定の値になるように精密に制御され、また照射面におけるエネルギ安
定性が高い精度で維持されるレーザ光を照射することによって、非晶質Ｓｉ膜を
レーザアニール加工することができるので、結晶状態の均一な多結晶Ｓｉ膜を形
成することが可能になる。このことによって、高速性および高性能の要求される
集積回路に好適に用いることのできる多結晶Ｓｉ膜の提供が実現される。
【００２０】
また本発明は、光源から出射されるレーザ光を被加工体に照射することによっ
て加工を施すレーザ加工方法であって、
被加工体に照射されるレーザ光のエネルギを検出する工程と、
被加工体に照射されるレーザ光のプロファイルを検出する工程と、
検出されたレーザ光のエネルギとプロファイルとに基づいて被加工体に照射さ
れるレーザ光の平均エネルギ密度を演算する工程と、
平均エネルギ密度の演算結果に基づいて被加工体に照射されるレーザ光の平均
エネルギ密度が予め定める一定の値になるように制御する工程と、
平均エネルギ密度が予め定める一定の値になるように制御されたレーザ光を、
被加工体に照射することによって加工する工程とを含むことを特徴とするレーザ
加工方法である。
【００２１】
本発明に従えば、所望のタイミングで計測位置におけるレーザ光の平均エネル
ギ密度を求め、求めた平均エネルギ密度に基づいて、被加工体に照射されるレー
ザ光の平均エネルギ密度が一定になるように簡易かつ精密に制御し、また照射面
におけるレーザ光のエネルギ安定性を高い精度で維持することのできるレーザ加
工方法が提供される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、レーザ加工装置は、光源から出射され照射光学系を経て被加
工体に照射されるレーザ光のエネルギを検出するエネルギ検出手段と、プロファ
イルを検出するプロファイル検出手段と、エネルギ検出手段およびプロファイル
検出手段の検出出力に基づいて被加工体に照射されるレーザ光の平均エネルギ密
度を演算する演算手段と、演算手段の出力に応答して被加工体に照射されるレー
ザ光の平均エネルギ密度が予め定める一定の値になるように制御する制御手段と
を備える。このように構成されるレーザ加工装置は、所望のタイミングで計測位
置におけるレーザ光の平均エネルギ密度を求め、求めた平均エネルギ密度と、被
加工体のレーザ加工に適するように予め定められた設定エネルギ密度との偏差を
０にするようなフィードバック制御を行なうことによって、照射光学系を出射し
被加工体に照射されるレーザ光の平均エネルギ密度が一定になるように随時調整
することができる。したがって、被加工体に照射されるレーザ光の平均エネルギ
密度を簡易かつ精密に制御し、また照射面におけるレーザ光のエネルギ安定性を
高い精度で維持することが可能になる。
【００２３】
また本発明によれば、被加工体は、基板上に形成されるシリコン膜であり、制
御手段によって平均エネルギ密度が一定になるように制御されるレーザ光をシリ
コン膜に照射することによって施される加工は、レーザアニール加工である。し
たがって、レーザ加工装置はレーザアニール装置である。このレーザアニール装
置によれば、被加工体である基板上に形成される非晶質Ｓｉ膜に対して、平均エ
ネルギ密度が一定の値になるように精密に制御され、また照射面におけるエネル
ギ安定性が高い精度で維持されるレーザ光を照射することによって、非晶質Ｓｉ
膜をレーザアニール加工することができるので、結晶状態の均一な多結晶Ｓｉ膜
を形成することが可能になる。このことによって、高速性および高性能の要求さ
れる集積回路に好適に用いることのできる多結晶Ｓｉ膜の提供が実現される。
【００２４】
また本発明によれば、所望のタイミングで計測位置におけるレーザ光の平均エ
ネルギ密度を求め、求めた平均エネルギ密度に基づいて、被加工体に照射される
レーザ光の平均エネルギ密度が一定になるように簡易かつ精密に制御し、また照
射面におけるレーザ光のエネルギ安定性を高い精度で維持することのできるレー
ザ加工方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１は、本発明の実施の一形態であるレーザ加工装置１０の構成を簡略化して
示すブロック図である。本実施の形態では、レーザ加工装置１０として、基板上
に形成された非晶質Ｓｉ膜にレーザ光を照射してレーザアニール加工を施し、多
結晶Ｓｉ膜を形成するレーザアニール装置１０を例示する。
【００２６】
レーザアニール装置１０は、大略、レーザ発振器ユニット１１と、照射光学系
ユニット１２と、レーザ発振器ユニット１１から出射されるレーザ光のエネルギ
を検出するエネルギ検出手段１３と、レーザ光のプロファイルを検出するプロフ
ァイル検出手段１４と、エネルギ検出手段１３およびプロファイル検出手段１４
の検出出力に基づいてレーザ光の平均エネルギ密度を演算する演算手段１５と、
演算手段１５の出力に応答し、レーザ光の平均エネルギ密度が予め定める一定の
値になるように制御する制御手段１６と、レーザ光によってアニール加工の施さ
れる被加工体１７をその内部空間に収容するプロセスチャンバ１８とを含む。
【００２７】
レーザ発振器ユニット１１は、レーザ光を出射する光源であるレーザ発振器２
１と、レーザ発振器２１から出射されるレーザ光の一部を分離するビームスプリ
ッタ２２と、ビームスプリッタ２２によって分離されるレーザ光が入射され、レ
ーザ光の強度に応じた電気信号を出力するパワーメータ２３とを含んで構成され
る。
【００２８】
本実施の形態では、レーザ発振器２１に、気体レーザであるエキシマレーザが
用いられる。なおレーザ発振器は、エキシマレーザに限定されるものではなく、
たとえば他の気体レーザである炭酸ガスレーザや固体レーザであるＮｄ−ＹＡＧ
レーザなどが用いられてもよい。ビームスプリッタ２２には、たとえばプリズム
などを用いることができる。なおレーザ発振器２１には、図示を省略するＡＰＣ
が備えられ、パワーメータ２３によって検出されてフィードバックされるレーザ
光の強度に応じ、レーザ発振器２１から発振するレーザ光の出力強度が一定にな
るように発振器側において制御される。
【００２９】
レーザ発振器２１から出射されるレーザ光を被加工体１７の照射位置に照射す
るべく設けられる照射光学系ユニット１２は、バリアブルアッテネータ２４と、
バリアブルアッテネータ２４の動作を制御するアッテネータ制御部２５と、ビー
ム整形レンズ２６とを含んで構成される。
【００３０】
バリアブルアッテネータ２４は、光の透過率を可変に調整できる光学部材であ
る。バリアブルアッテネータ２４には、レーザ発振器２１からのレーザ光が入射
され、バリアブルアッテネータ２４を透過することによって透過率が調整された
レーザ光がビーム整形レンズ２６に向けて出射される。アッテネータ制御部２５
は、処理回路であり、演算手段１５によって求められた被加工体１７に照射され
ているレーザ光の平均エネルギ密度と、アッテネータ制御部２５に備わるメモリ
にストアされている予め定める設定エネルギ密度との偏差が０になるようにバリ
アブルアッテネータ２４の動作をフィードバック制御し、バリアブルアッテネー
タ２４を透過後のレーザ光の平均エネルギ密度が一定になるように調整する。し
たがって、バリアブルアッテネータ２４とアッテネータ制御部２５とは、前述の
制御手段１６を構成する。ビーム整形レンズ２６は、バリアブルアッテネータ２
４を透過した後に入射するレーザ光のビームを線状に整形して被加工体１７の照
射位置に照射する。
【００３１】
ビーム整形レンズ２６によってビームが線状に整形されたレーザ光は、その一
部がもう一つのビームスプリッタ２７によって分離される。もう一つのビームス
プリッタ２７によって分離されたレーザ光が、前述のエネルギ検出手段１３とプ
ロファイル検出手段１４とにそれぞれ入射する。
【００３２】
エネルギ検出手段１３は、本実施の形態ではジュールメータである。ジュール
メータ１３は、ジュールメータ１３に入射する光のトータルエネルギ量を検出す
る。プロファイル検出手段１４は、本実施の形態ではプロファイルメータである
。プロファイルメータ１４は、プロファイルメータ１４に入射する光の照射面に
おけるエネルギ密度の分布を検出する。プロファイルメータ１４の被照射面が、
プロファイルメータ１４に入射するレーザ光の光軸に垂直な断面に一致するよう
に設定することによって、プロファイルメータ１４の検出するエネルギ密度分布
は、前述のビームの半径方向におけるエネルギ密度分布であるプロファイルに等
しくなる。
【００３３】
演算手段１５は、演算回路であり、ジュールメータ１３およびプロファイルメ
ータ１４の検出出力に基づいて、ビーム整形レンズ２６によって線状に整形され
て被加工体１７に照射されるレーザ光の平均エネルギ密度を演算し、演算結果で
ある平均エネルギ密度を前述の制御手段１６に与える。
【００３４】
プロセスチャンバ１８は、被加工体１７をその内部空間に収容することのでき
る加工容器であり、たとえばステンレス鋼などによって形成される。プロセスチ
ャンバ１８には、図示を省くけれども、真空ポンプやガスの供給装置が付帯装置
として設けられ、その内部空間を真空雰囲気や所望のガスを封入した雰囲気にす
ることが可能に構成される。
【００３５】
本実施の形態では、被加工体１７は、ガラス上に非晶質Ｓｉ膜の形成された基
板である。基板１７は、プロセスチャンバ１８内に設けられる少なくとも２軸方
向に移動可能なステージ２８上に載置され、ステージ２８を移動させることによ
って、非晶質Ｓｉ膜に照射されるレーザ光を所望の方向に走査することができる
ように構成される。
【００３６】
以下にジュールメータ１３およびプロファイルメータ１４の検出出力に基づく
、演算手段１５による平均エネルギ密度の演算について説明する。
【００３７】
レーザ発振器２１から出力されるレーザ光のレーザパワーをＰとする。プロフ
ァイルメータ１４によって検出されるレーザ光のビーム半径をｗｘとし、ビーム
のエネルギ密度分布がガウス分布に従うガウシアンビームであるとき、ビームの
半径方向の位置ｘにおいてプロファイルメータ１４によって検出される単位時間
当りのエネルギ密度Ｉ（ｘ）は、式（１）で与えられる。
【００３８】
【数１】
2005116729.tif 000003
【００３９】
プロファイルメータ１４によって検出されるビームのエネルギ密度Ｉ（ｘ）を
用いて演算手段１５によって演算される単位時間当りの平均エネルギ密度Ｅｍは
、式（２）のように求められる。
【００４０】
【数２】
2005116729.tif 000004
【００４１】
式（２）より、レーザパワーＰとビーム半径ｗｘとの比（Ｐ／ｗｘ）を一定に
保つことによって、単位時間当りの平均エネルギ密度Ｅｍが一定になることが判
る。次に、レーザ光のビームが、時間Δｔ照射された場合の累積平均エネルギ密
度Ｅｍ・Δｔは、式（２）にさらに時間Δｔを乗算する式（３）によって求めら
れる。
【００４２】
【数３】
2005116729.tif 000005
【００４３】
ジュールメータ１３では、レーザ光が時間Δｔ照射されたトータルエネルギＥ
ｔが検出され、トータルエネルギＥｔは、レーザパワーＰで時間Δｔ照射された
エネルギ量に等しいので、Ｅｔ＝Ｐ・Δｔが成立つ。したがって、レーザアニー
ル装置１０においては、累積平均エネルギ密度Ｅｍ・Δｔは、ジュールメータ１
３によって検出したトータルエネルギＥｔの絶対値を、前記式（３）に示すよう
に、プロファイルメータ１４によって検出したビーム半径ｗｘを用いて除算する
ことによって求められる。
【００４４】
前述のようにＥｔ＝Ｐ・Δｔであるので、式（３）から累積平均エネルギ密度
Ｅｍ・Δｔを、０．４７７２５（Ｅｔ／ｗｘ）と置換えることができる。さらに
ジュールメータ１３およびプロファイルメータ１４に照射されるレーザビームは
、照射光学系ユニット１２のバリアブルアッテネータ２４を透過後の光なので、
バリアブルアッテネータ２４の透過率をｒとするとき、その累積平均エネルギ密
度Ｅｍ・Δｔは、透過率ｒを乗算した０．４７７２５・（Ｅｔ／ｗｘ）・ｒで与
えられる。したがって、下記式（４）に示す変数によって構成される項が、一定
値になるように透過率ｒを制御することによって、平均エネルギ密度Ｅｍを、た
とえば予め定められるレーザアニールに好適な設定エネルギ密度Ｅｓに等しくな
るように制御することができる。
【００４５】
【数４】
2005116729.tif 000006
【００４６】
本実施の形態では、基板１７に照射されるレーザ光の平均エネルギ密度Ｅｍを
一定にする制御を、基板１７に照射されるレーザ光そのものではなく、前記レー
ザ光の一部をビームスプリッタ２７によって分離したレーザ光に基づいて行なっ
ている。しかしながら、照射光学系ユニット１２を出射したレーザ光から、ジュ
ールメータ１３およびプロファイルメータ１４でモニタリングするためのレーザ
光を分離する分離比率が一定のビームスプリッタ２７を用いることによって、分
離された一部のレーザ光に基づく制御値を、分離比率に基づく係数で補正して基
板１７に照射されるレーザ光の制御値とすることができる。
【００４７】
以下に本発明の実施の態様であるレーザアニール方法を簡単に述べる。
レーザ発振器２１からレーザ光が発振出力される。この発振出力されるレーザ
光は、ビームスプリッタ２２で一部が分離されてパワーメータ２３へ照射される
。パワーメータ２３で検出されたレーザ光の出力強度がレーザ発振器２１のＡＰ
Ｃにフィードバックされて、レーザ光の出力が発振器側で安定化制御される。
【００４８】
レーザ発振器２１から出射されたレーザ光は、透過率ｒを可変に設定できるバ
リアブルアッテネータ２４を透過し、ビーム整形レンズ２６に入射する。ビーム
整形レンズ２６は、レーザ光のビーム形状をアニール加工に適した線状に形成す
る。ビーム整形レンズ２６によって線状に形成されたレーザ光は、基板１７に照
射される途中においてビームスプリッタ２７によってその一部が分離される。
【００４９】
ビームスプリッタ２７によって分離されたレーザ光は、ジュールメータ１３お
よびプロファイルメータ１４にそれぞれ入射し、エネルギとプロファイルとがそ
れぞれ検出される。ジュールメータ１３とプロファイルメータ１４とによる検出
出力が演算手段１５に入力され、演算手段１５が、検出されたレーザ光のエネル
ギとプロファイルとに基づいて基板１７に照射されるレーザ光の平均エネルギ密
度Ｅｍを演算し、演算結果を制御手段１６のアッテネータ制御部２５に対して出
力する。
【００５０】
アッテネータ制御部２５は、平均エネルギ密度Ｅｍの演算結果に応答し、基板
１７のアニール加工に好適なように予め設定される設定エネルギ密度Ｅｓと、平
均エネルギ密度Ｅｍとの偏差が０になるように、バリアブルアッテネータ２４の
透過率ｒを制御する。
【００５１】
図２は、平均エネルギ密度制御の概略を説明する図である。図２中において、
細線にて示すライン３は、前述の図４から図５への経時変化で示すレーザ光の拡
がり角度が大きくなり、レーザ光がビーム半径方向に拡がった状態のプロファイ
ルであり、細破線にて示すライン４は、同様に平均エネルギ密度Ｅｍである。制
御手段１６のアッテネータ制御部２５は、演算手段１５から入力される平均エネ
ルギ密度Ｅｍが、設定エネルギ密度Ｅｓよりも小さいとき、バリアブルアッテネ
ータ２４の透過率ｒが大きくなるように動作制御し、レーザ光のプロファイルが
、ライン３からライン３１になり、平均エネルギ密度Ｅｍが、ライン３２で示さ
れる設定エネルギ密度Ｅｓになるようにする。
【００５２】
このように、制御手段１６によって平均エネルギ密度Ｅｍが、予め定める一定
の値Ｅｓになるように制御されたレーザ光を、基板１７の表面に形成された非晶
質Ｓｉ膜に照射するとともに、ステージ２８を走査させることによって、非晶質
Ｓｉ膜を順次溶融・凝固させて多結晶Ｓｉを形成するアニール加工が行われる。
【００５３】
図３は、本発明装置および方法を用いた場合のビームサイズおよびエネルギ密
度の経時変化を示す図である。
【００５４】
非晶質Ｓｉ膜をアニール加工して形成される多結晶Ｓｉ膜の特性は、照射され
るレーザ光の平均エネルギ密度Ｅｍの影響を大きく受けるけれども、その特性評
価には平均エネルギ密度Ｅｍとともに光学輝度ｙが用いられる。この光学輝度ｙ
は、実験的に式（５）のように与えられる。
【００５５】
【数５】
2005116729.tif 000007
【００５６】
式（５）において、ｘ（ｔ）は、エネルギ密度と光学輝度とを関係付けるとと
もに、時間に伴うゆらぎや前工程の影響因子等を含んだ係数であり、ｖｔは、光
学輝度計測におけるばらつきを表す。なお、Ｅｔ、ｒ、ｗｘは、前述の式（１）
〜（４）で用いたトータルエネルギ、透過率およびビームの半径である。式（５
）で与えられる光学輝度ｙは、前述の演算手段１５によって算出することができ
る。
【００５７】
図３中において、ライン３３はビームサイズの経時変化を表し、ライン３４は
制御手段１６によって制御された平均エネルギ密度を表し、ライン３５はアニー
ル後の光学輝度ｙを表す。ジュールメータ１３およびプロファイルメータ１４の
検出出力に基づき、演算手段１５によって平均エネルギ密度を演算し、その演算
結果に従ってバリアブルアッテネータ２４の透過率ｒを可変に設定する本発明の
制御によれば、ビームサイズが経時的に変動する場合であっても、基板１７の被
照射面におけるレーザ光の平均エネルギ密度は、極めて安定的に一定値に保持さ
れることが判る。また光学輝度ｙもほぼ一定の値に保持されていることから、結
晶状態の均一な多結晶Ｓｉ膜が、アニール加工によって形成されていることが判
る。
【００５８】
以上に述べたように、本実施の形態ではレーザ加工装置は、レーザアニール装
置であるけれども、これに限定されることなく、たとえば液晶や半導体装置の表
面改質装置、また化合物合成装置などであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施の一形態であるレーザ加工装置１０の構成を簡略化して示すブロック図である。
【図２】平均エネルギ密度制御の概略を説明する図である。
【図３】本発明装置および方法を用いた場合のビームサイズおよびエネルギ密度の経時変化を示す図である。
【図４】レーザ光の拡がり角度が小さい場合のプロファイルを示す図である。
【図５】レーザ光の拡がり角度が大きい場合のプロファイルを示す図である。
【図６】ビームサイズおよびエネルギ密度の経時変化を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０  レーザアニール装置
１１  レーザ発振器ユニット
１２  照射光学系ユニット
１３  ジュールメータ
１４  プロファイルメータ
１５  演算手段
１６  制御手段
１７  基板
１８  プロセスチャンバ
２１  レーザ発振器
２２，２７  ビームスプリッタ
２３  パワーメータ
２４  バリアブルアッテネータ
２５  アッテネータ制御部
２６  ビーム整形レンズ
２８  ステージ
【図１】
2005116729.tif 000008
【図２】
2005116729.tif 000009
【図３】
2005116729.tif 000010
【図４】
2005116729.tif 000011
【図５】
2005116729.tif 000012
【図６】
2005116729.tif 000013