(57)【要約】【課題】  エネルギビームのビーム断面内の強度分布を、高精度に測定することが可能な強度分布測定方法を提供する。【解決手段】  （ａ）入射するエネルギビームのエネルギ密度が閾値を超えると物性が変化する性質を有する評価膜が表面に形成された評価用試料を準備する。（ｂ）ビーム源から出射したエネルギビームを、該エネルギビームの減衰量を異ならせ、減衰量が異なるごとに入射位置を変えて前記評価膜に入射させることにより、複数のビーム照射痕を形成する。（ｃ）複数の前記ビーム照射痕の内部の前記評価膜の物性の変化の有無の分布に基づいて、前記エネルギビームのビーム断面内の強度分布を求める。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）入射するエネルギビームのエネルギ密度が閾値を超えると物性が変化する性質を有する評価膜が表面に形成された評価用試料を準備する工程と、
（ｂ）ビーム源から出射したエネルギビームを、該エネルギビームの減衰量を異ならせ、減衰量が異なるごとに入射位置を変えて前記評価膜に入射させることにより、複数のビーム照射痕を形成する工程と、
（ｃ）複数の前記ビーム照射痕の内部の前記評価膜の物性の変化の有無の分布に基づいて、前記エネルギビームのビーム断面内の強度分布を求める工程と
を有するエネルギビームの強度分布測定方法。
【請求項２】
前記工程（ｃ）において、前記評価膜の色の変化の有無の分布に基づいて、前記エネルギビームのビーム断面内の強度分布を求める請求項１に記載のエネルギビームの強度分布測定方法。
【請求項３】
前記工程（ｃ）が、
（ｃ１）前記ビーム照射痕の各々の内部に、複数の評価位置を定義する工程と、
（ｃ２）複数の前記ビーム照射痕内の相互に対応する評価位置における物性を観察し、前記評価位置の前記評価膜の物性が変化したビーム照射痕のうち、減衰量を最も大きくして入射させたビーム照射痕への入射時の減衰量に基づいてビーム断面内の強度分布を求める工程と
を含む請求項１または２に記載のエネルギビームの強度分布測定方法。
【請求項４】
前記工程（ｂ）において、エネルギビームの減衰量を同一にした複数の前記ビーム照射痕を形成し、
前記工程（ｃ２）が、
（ｃ２１）同一の減衰量で形成したビーム照射痕のうち、着目している評価位置の物性が変化しているものの個数を計数する工程と、
（ｃ２２）エネルギビームの減衰量と、前記工程（ｃ２１）で計数された個数との関係に基づいて、ビーム断面内の強度分布を求める工程と
を含む請求項３に記載のエネルギビームの強度分布測定方法。
【請求項５】
前記工程（ｂ）において、前記ビーム源から出射されたエネルギビームのビーム断面を一方向に長い長尺ビームにして前記評価膜に入射させ、減衰量を一定にした状態で、エネルギビームの入射位置を、ビーム断面の長尺方向に直交する方向に移動させながら、ビーム断面の幅よりも広い幅を持つ長尺の前記ビーム照射痕を形成し、
前記工程（ｃ）において、ビーム断面の長尺方向に関する強度分布を求める請求項１乃至４のいずれか１項に記載のエネルギビームの強度分布測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギビームのビーム断面内における強度分布の測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
断面形状が一方向に長い長尺レーザビームをアモルファスシリコン膜に入射させ、長尺方向と直交する方向にレーザビームを走査することにより、シリコンを多結晶化させることができる。高品質な多結晶化シリコン膜を得るためには、長尺方向に関して光強度分布を均一化し、長尺方向と直交する方向に関して、所望の光強度分布にしなければならない。
【０００３】
下記の特許文献１に、ラインセンサを、長尺ビームの長尺方向と直交させることにより、長尺方向と直交する方向に関する光強度分布を測定するレーザ加工装置が開示されている。また、長尺方向に複数のラインセンサを配置することにより、長尺方向に関する光強度分布を測定することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−０４９６０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
強度分解能が高く、より高精度に強度分布を測定する技術が望まれている。
【０００６】
本発明の目的は、エネルギビームのビーム断面内の強度分布を、高精度に測定することが可能な強度分布測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一観点によると、
（ａ）入射するエネルギビームのエネルギ密度が閾値を超えると物性が変化する性質を有する評価膜が表面に形成された評価用試料を準備する工程と、
（ｂ）ビーム源から出射したエネルギビームを、該エネルギビームの減衰量を異ならせ、減衰量が異なるごとに入射位置を変えて前記評価膜に入射させることにより、複数のビーム照射痕を形成する工程と、
（ｃ）複数の前記ビーム照射痕の内部の前記評価膜の物性の変化の有無の分布に基づいて、前記エネルギビームのビーム断面内の強度分布を求める工程と
を有するエネルギビームの強度分布測定方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
ビーム断面内で強度が相対的に大きな領域は、減衰量が大きくても、評価膜に入射されるエネルギ密度が閾値以上になる。このため、減衰量が大きくても評価膜の物性が変化する。複数のビーム照射痕照射について、物性の変化の有無の分布を観察することにより、エネルギビームの強度分布を求めることができる。実際に加工する材料を評価膜に用いることにより、加工閾値近傍の強度の分布を高精度に求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１Ａに、第１の実施例によるレーザビームの強度分布測定方法で測定されるレーザビームを出射するレーザ照射装置の概略図を示す。
【００１０】
レーザ発振器１から出射されたレーザビームが、可変減衰器２、ビーム断面整形器３、折返しミラー４を経由して、ＸＹステージ５に保持された評価用基板１０に入射する。可変減衰器２は、レーザビームの強度を減衰させる。減衰量は可変である。ビーム断面整形器３は、評価用基板１０の表面上においてビーム断面が一方向に長い長尺形状になるようにビーム断面を整形するとともに、長尺方向に関する光強度分布を均一化する。ビーム断面整形器３には、例えばシリンドリカルレンズアレイを有するホモジナイザを用いることができる。ＸＹステージに保持された評価用基板１０の表面をｕｖ面とし、法線方向をｗ軸とするｕｖｗ直交座標系を定義する。
【００１１】
図１Ｂに、評価用基板１０の表面におけるビーム断面１５を示す。ビーム断面１５の長尺方向がｕ軸に平行であるとする。ＸＹステージ５は、評価用基板１０を、ｕ軸方向及びｖ軸方向に移動させることができる。
【００１２】
次に、図２Ａ〜図４Ｂを参照して、第１の実施例によるレーザビームの強度分布測定方法について説明する。レーザ発振器１は、パルスレーザビームを出射する。レーザ発振器１には、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ等の固体レーザや、エキシマレーザ等が用いられる。
【００１３】
まず、表面にアモルファスシリコン膜が形成された評価用基板１０を準備する。閾値を超えるエネルギ密度のレーザビームが入射すると、アモルファスシリコン膜が微結晶化または多結晶化する。レーザビームの照射前は、アモルファスシリコン膜は半透明であるが、微結晶化または多結晶化した後は、白色に変色する。このため、顕微鏡で反射光または透過光の輝度を測定することにより、シリコン膜がアモルファスのままか、結晶化したかを判定することができる。この評価用基板１０を図１に示したＸＹステージ５に載置する。
【００１４】
図２Ａに、評価用基板１０の平面図を示す。評価用基板１０の表面をｕｖ面とし、法線方向をｗ軸方向とするｕｖｗ直交座標系が定義されている。１ショットごとにレーザビームの減衰量を小さくさせながら、評価用基板１０にレーザビームを入射させる。すなわち、１ショットごとに、評価用基板１０の表面における平均パルスエネルギ密度が大きくなる。ここで、「平均パルスエネルギ密度」とは、ビーム断面内で平均したパルスエネルギ密度を意味する。すなわち、平均パルスエネルギ密度は、パルスエネルギをビーム断面の面積で除した値になる。１ショットのレーザパルスで照射される領域（ビーム入射領域）は、ｕ軸方向に長い長尺状である。
【００１５】
１ショットごとに、ビーム入射領域をｖ軸方向に移動させる。これにより、ｖ軸方向に配列する複数のビーム照射痕が形成される。ｉ番目のショットで形成されるビーム照射痕をＡ（ｉ）とする。入射ショット数をＮとすると、Ａ（１）からＡ（Ｎ）までのＮ個のビーム照射痕が形成される。ビーム照射痕Ａ（ｉ）の各々に、長尺方向をｘ軸方向とし、中心を原点とするｘｙ直交座標系を定義する。
【００１６】
最初のショットは、そのショットで形成されるビーム照射痕Ａ（１）内のいずれの位置でも結晶化が生じない、すなわち変色が生じない程度までレーザパルスが減衰されている。
【００１７】
図２Ｂに、ビーム照射痕Ａ（ｉ−１）、Ａ（ｉ）、及びＡ（ｉ＋１）の平面図を示す。ビーム入射領域のうち、閾値以上のパルスエネルギ密度となった領域のシリコン膜が結晶化し、変色する。ビーム照射痕Ａ（ｉ−１）内に、２つの変色した領域２０ａ及び２０ｂが形成されている。変色した領域２０ａ及び２０ｂは、その内側の領域の光強度が、その外側の領域の光強度よりも強かったことを意味する。
【００１８】
ビーム照射痕Ａ（ｉ）に入射したレーザパルスの減衰量は、ビーム照射痕Ａ（ｉ−１）に入射したレーザパルスの減衰量よりも小さい。すなわち、平均パルスエネルギ密度が大きい。このため、閾値を超えるエネルギ密度となる領域が拡大する。図２Ｂでは、変色した領域２０ａ及び２０ｂが大きくなるとともに、新たに変色した領域２０ｃが現れている。ビーム照射痕Ａ（ｉ＋１）内では、変色した領域２０ａ〜２０ｃがさらに大きくなり、領域２０ａと２０ｂとは連続した１つの領域になる。
【００１９】
図３Ａ及び図３Ｂを参照して、ｙ＝０の位置におけるｘ軸方向の光強度分布を取得する方法について説明する。
【００２０】
図３Ａに示すように、横軸をｘ軸、縦軸を「変色開始時の平均パルスエネルギ密度」とするグラフを定義する。縦軸上の位置が、あるビーム照射痕Ａ（ｉ）を形成したときの平均パルスエネルギ密度となり、横軸上の位置が、そのビーム照射痕内の変色した領域の縁のｘ座標となる座標点をプロットする。図２Ｂに示した例では、ビーム照射痕Ａ（ｉ）に入射したレーザパルスの平均パルスエネルギ密度の縦軸上の位置では、変色した領域２０ａ、２０ｂ、及び２０ｃの縁に対応する横軸上の位置にプロットされる。
【００２１】
ｉ＝１からｉ＝Ｎまでの全てのビーム照射痕Ａ（ｉ）について、上述の手順を繰り返すと、ｘ軸上の位置と、その位置におけるパルスエネルギ密度が閾値を超えたときの平均パパルスエネルギ密度との関係を示すグラフが得られる。ビーム断面内において光強度が相対的に強い領域は、相対的に弱い領域よりも平均パルスエネルギ密度がより低い段階でパルスエネルギ密度が閾値を超える。すなわち、図３Ａのグラフは、光強度分布を上下反転させた形状を示す。
【００２２】
図３Ｂに示すように、図３Ａのグラフを上下反転させることにより、ｙ＝０の位置におけるｘ軸方向の光強度分布が得られる。
【００２３】
ｙ＝０の位置以外においても、同様の手順を行うことにより、ｙ軸上の任意の位置において、ｘ軸方向に関する光強度分布を得ることができる。
【００２４】
上記実施例では、初めに、縦軸上の位置（変色開始時の平均パルスエネルギ密度）を確定し、その平均パルスエネルギ密度で変色し始めるｘ軸上の位置を求めた。その逆に、予め、ｘ軸上に、複数の評価点を確定しておいてもよい。
【００２５】
予め、複数の評価点を確定した場合の光強度分布を取得方法について説明する。各評価点ごとに、すべてのビーム照射痕内の当該評価点の位置を観察し、その位置が変色しているビーム照射痕のうち最も小さな平均パルスエネルギ密度（最も大きな減衰量）に対応するものを求める。評価点のｘ軸上の位置と、その位置が変色する最も小さな平均パルスエネルギ密度とで規定される座標位置にプロットする。これにより、図３Ａと同等のグラフが得られる。
【００２６】
図３Ａ及び図３Ｂでは、ｙ座標を固定したときのｘ軸方向に関する光強度分布を求める方法を示したが、ｘ座標を固定したときのｙ軸方向に関する光強度分布も、同様の手順で求めることができる。
【００２７】
図４Ａに、ｘ座標を固定したときのｙ軸上の位置と、その位置における変色開始時の平均パルスエネルギ密度との関係を示す。このグラフを上下反転させることにより、図４Ｂに示すように、ｙ軸方向に関する光強度分布が得られる。
【００２８】
上述のように、減衰量（すなわち、評価用基板の表面における平均パルスエネルギ密度）が異なる条件で形成した複数のビーム照射痕Ａ（ｉ）のシリコン膜の物性の変化の有無の分布に基づいて、レーザビームのビーム断面内の強度分布を求めることができる。
【００２９】
次に、図５Ａ〜図６Ｃを参照して、第２の実施例によるレーザビームの強度分布測定方法について説明する。用いるレーザ照射装置は、図１に示した第１の実施例による方法で用いたものと同一である。第１の実施例では、減衰率を異ならせてＮ個のビーム照射痕Ａ（１）〜Ａ（Ｎ）を形成したが、第２の実施例では、Ｎ個のビーム照射痕Ａ（１）〜Ａ（Ｎ）からなる群を複数個形成する。
【００３０】
図５Ａに示すように、Ｎ個のビーム照射痕Ａ（１）〜Ａ（Ｎ）からなる群Ｇ（ｉ）を、例えば５０個形成する。具体的には、評価用基板１０をｖ軸方向に移動させながら、減衰率を異ならせてＮ個のビーム照射痕Ａ（１）〜Ａ（Ｎ）からなる第１の群Ｇ（１）を形成する。その後、評価用基板１０をｕ軸方向にずらせて、同様の工程を実施し、評価用基板１０のｕ座標の異なる位置に、Ｎ個のビーム照射痕Ａ（１）〜Ａ（Ｎ）からなる第２の群Ｇ（２）を形成する。同様に、第３の群Ｇ（３）から第５０の群Ｇ（５０）までを形成する。各群のｉ番目のビーム照射痕Ａ（ｉ）を形成するときの減衰量が相互に等しくなるように、可変減衰器２が調整される。なお、形成する群の個数は、５０個以外の個数、例えば２０個にしてもよいし、１００個にしてもよい。
【００３１】
レーザ発振器１から出射されるレーザビームの出力が安定していれば、同一の減衰量で形成したビーム照射痕Ａ（ｉ）内の変色した領域の形状及び大きさは、同一になる。ところが、レーザ出力の変動等により、同一の減衰量で形成したビーム照射痕Ａ（ｉ）内の変色した領域の形状及び大きさが同一になるとは限らない。
【００３２】
ビーム入射領域内の１つの評価点Ｐ１に着目したとき、同一の減衰量で形成したビーム照射痕Ａ（ｉ）のうち、評価点Ｐ１に対応する位置が変色しているものの数を計数する。
【００３３】
図５Ｂに、平均パルスエネルギ密度と、評価点Ｐ１に対応する位置が変色しているビーム照射痕の個数の割合との関係の一例を示す。平均パルスエネルギ密度がＥ１ａ以上になると、評価点Ｐ１に対応する位置が変色したビーム照射痕が現れ始める。平均パルスエネルギ密度が高くなるに従って、評価点Ｐ１に対応する位置が変色したビーム照射痕の個数が増加する。平均パルスエネルギ密度がＥ１ｃになると、全てのビーム照射痕の、評価点Ｐ１に対応する位置が変色する。
【００３４】
例えば、評価点Ｐ１に対応する位置が変色したビーム照射痕の個数の割合が５０％になったときの平均パルスエネルギ密度Ｅ１ｂを、評価点Ｐ１に対応する位置を変色させるのに必要な最低の平均パルスエネルギ密度と推定する。この推定値は、図３Ａに示したグラフの縦軸の「変色開始時の平均パルスエネルギ密度」に相当する。なお、グラフの傾斜が最大になるときの平均パルスエネルギ密度を、変色させるのに必要な最低の平均パルスエネルギ密度と推定してもよい。
【００３５】
同様に、他の評価点Ｐ２等についても、当該評価点に対応する位置を変色させるのに必要な平均パルスエネルギ密度を推定する。複数の評価点について、変色させるのに必要な平均パルスエネルギ密度を推定することにより、図３Ｂに示した場合と同様に、光強度分布を求めることができる。
【００３６】
図６Ａに、平均パルスエネルギ密度と、変色したビーム照射痕の個数の割合との関係の実際の測定結果を示す。図中の黒丸、黒四角、及び白三角は、それぞれ、長尺のビーム入射領域の左端近傍、中央、及び右端近傍の評価点の計数結果を示す。
【００３７】
図６Ｂ及び図６Ｃに、ビーム断面整形器３の再調整を行って再評価した結果を示す。図６Ｃの評価結果は、右端、中央、及び左端の光強度の差が小さく、光強度が均一に近づいていることを示している。
【００３８】
第２の実施例では、レーザ発振器１の出力がショットごとにばらついても、信頼性の高い評価を行うことができる。
【００３９】
上記第１及び第２の実施例では、１ショットで１つのビーム照射痕を形成したが、ビーム入射領域を、長尺方向と直交する方向にオーバラップさせて移動させながら複数ショットを入射させて、１つのビーム照射痕を形成してもよい。この場合、長尺方向に直交する方向に関する光強度分布の情報は失われるため、長尺方向に関する光強度分布のみを求めることができる。
【００４０】
上記実施例では、パルスレーザビームの強度分布を評価する方法について説明したが、上述の評価方法は、連続波（ＣＷ）レーザビームの強度分布の評価にも適用可能である。ＣＷレーザ発振器を用いた場合の光強度分布を求める場合には、評価用基板１０に投入される「平均エネルギ密度」が、第１及び第２の実施例の場合の「平均パルスエネルギ密度」に相当する。平均エネルギ密度は、評価用基板１０の表面におけるＣＷレーザのパワー密度、走査速度、及びビーム断面の走査方向に関する寸法で規定される。走査速度、及びビーム断面の走査方向に関する寸法は、どのビーム照射痕を形成するときも同一とする。可変減衰器２により、パワー密度を調整することにより、評価用基板１０に投入される平均エネルギ密度を変化させることができる。
【００４１】
さらに、ＣＷレーザビームを、シャッタ等でオンオフすることにより、ある短い時間だけ照射を行う場合にも、上述の評価方法が適用可能である。
【００４２】
上記実施例では、評価用基板として、アモルファスシリコンからなる評価膜が形成された基板を用いたが、入射するエネルギビームのエネルギ密度が閾値を超えると、反射率、透過率等の物性が変化する他の材料からなる膜を用いてもよい。評価膜に、実際に加工する材料と同じ材料を用いることにより、加工の閾値近傍の強度分布を高精度に求めることができる。
【００４３】
また、上記実施例では、レーザビームの強度分布を測定する方法について説明したが、レーザビーム以外のエネルギビームの強度分布の測定を行うことも可能である。
【００４４】
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。例えば、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。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】（１Ａ）は、第１の実施例による強度測定方法で測定対象となるレーザ光源の概略図であり、（１Ｂ）は、評価用基板の表面におけるビーム断面を示す平面図である。
【図２】（２Ａ）は、評価用基板に形成された複数のビーム照射痕を示す平面図であり、（２Ｂ）は、ビーム照射痕内の変色した領域を示す平面図である。
【図３】（３Ａ）は、ビーム断面内のｘ座標と、変色開始時の平均パルスエネルギ密度との関係の一例を示すグラフであり、（３Ｂ）は、（３Ａ）から求まる光強度分布を示すグラフである。
【図４】（４Ａ）は、ビーム断面内のｙ座標と、変色開始時の平均パルスエネルギ密度との関係の一例を示すグラフであり、（４Ｂ）は、（４Ａ）から求まる光強度分布を示すグラフである。
【図５】（５Ａ）は、第２の実施例による方法で評価用基板にレーザ照射を行った後のビーム照射痕を示す平面図であり、（５Ｂ）は、ある評価点について、平均パルスエネルギ密度と、当該評価点が変色したビーム照射痕の個数の割合との関係を示すグラフである。
【図６】（６Ａ）〜（６Ｃ）は、ビーム断面内の３つの評価点について実際に測定して得られた、平均パルスエネルギ密度と、当該評価点が変色したビーム照射痕の個数の割合との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４６】
１  レーザ発振器
２  可変減衰器
３  ビーム断面整形器
４  折返しミラー
５  ＸＹステージ
１０  評価用基板
１５  ビーム断面
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ  変色した領域
Ａ（ｉ）  ビーム照射痕
Ｇ（ｉ）  ビーム照射痕の群
Ｐ１、Ｐ２  評価点
【図１】
2009158577.tif 000003
【図２】
2009158577.tif 000004
【図３】
2009158577.tif 000005
【図４】
2009158577.tif 000006
【図５】
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【図６】
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