JP2000349043A - 矩形ビーム用精密焦点合せ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加工光学系に対してワークを簡易かつ極めて
精密に位置合わせすることができる焦点調節法を提供す
ることを目的とする。 【解決手段】 ワークＷ上の３点を非接触変位計７０の
計測点に移動させ、これら３点の高さに関する計測値を
得る。次に、これら３点の高さが同じ値になるようチル
ト装置４２によりチルト角θX、θYを調整する。再び、
並進装置４４によってワークＷをＸＹ面内で適宜移動さ
せ、ワークＷ上の３点について高さに関する計測値を得
る。このようにして、３点の高さ計測とチルト角の調整
を繰り返すことにより、傾きによる高さ計測の誤差は徐
々に小さくなる。最終的に３点の計測値が一致した状態
では、θX＝０、θY＝０となって傾き０の状態となる。
このときのいずれか１点の高さ計測値が加工領域の高さ
となる。最後に、チルト装置４２をＺステージとして動
作させ、目的の高さになるよまでステージ３０を昇降さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術の分野】本発明は、半導体薄膜の製
造に用いられるレーザアニール装置その他のレーザ加工
機に適用され、加工光を照射する照射光学系に対する被
加工体の傾きと位置（高さ）を計測する焦点調節装置及
び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザアニール装置では、ガラス基板上
に形成したアモルファス状の半導体薄膜をレーザで加熱
して結晶化する。このようなレーザアニール装置では、
レーザビームをスポット状又はライン状としてワークで
あるガラス基板上に照射するとともに、照射したレーザ
ビームをガラス基板上で走査する必要がある。レーザビ
ームの照射に際しては、レーザビームを照射する照射光
学系に対してガラス基板のアニール面を位置合わせして
アニール面上に所望の形状のレーザビームを形成する必
要がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のレーザ
アニール装置で、照射光学系に対してガラス基板を簡
易、かつ、極めて精密に位置合わせするものはない。つ
まり、精密なアニールを行う場合、特にレーザビームで
照明されたマスク像をガラス基板上のアニール面に縮小
投影するような用途では、レーザビームの焦点深度が例
えば±３μｍ以下と極めて浅くなるが、この精度でアニ
ール面がレーザビームの焦点深度内に入るように照射光
学系に対してガラス基板の高さや傾きを簡易に調整する
方法は存在しない。

【０００４】加工装置においてワークの高さや傾きを計
測、調整する一般的な手法としては、以下のようなもの
が存在する。

【０００５】例えば、加工光学系の光軸を通してワーク
面上にパターニングされたマーク画像をとらえてそのピ
ント状態から精密な変位計測を行う方法がある。この方
法では、ワーク上にマークが必ず必要になること、マー
クをカメラ画界に入れる機構が必要になること、レーザ
アニール装置に組み込む照射光学系のような特殊な加工
光学系についてはこれを通して画像を計測することが難
しいことなど適用範囲が狭い。

【０００６】また、斜め方向から加工光学系を避けてワ
ーク面上にパターニングされた特殊マークの干渉画像を
検出しその位置から精密な変位計測を行う方法がある。
この方法では、ワーク上に特殊マークが必ず必要になる
こと、マークをカメラ画界に入れる機械が必要になるこ
と、光軸合わせがシビアであること、ワークの温度上昇
により特殊マークの形状が変わり計測不能になることな
ど適用範囲が狭い。

【０００７】また、静電容量センサ等を利用して直接的
にワークの精密な変位計測を行う方法がある。この方法
は、ワークが導電性のものである場合に限られるためガ
ラス基板などのワークについては計測が不可能となる。

【０００８】また、合焦点方式では、加工光の光軸と計
測用レーザー光の光軸を一致させる必要があり、また計
測光学系と加工光学系を同じ光軸上に形成しなければな
らない。このため、レーザアニール装置の照射光学系の
ような特殊な加工光学系では合焦点方式の変位計測装置
を組み込むことができない。

【０００９】そこで、本発明は、レーザアニール装置等
のレーザ加工機において、簡易な手法によって、加工光
学系に対してワークを極めて精密に位置合わせすること
ができる焦点調節装置及び方法を提供することを目的と
する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の焦点調節装置は、加工光を所定の状態で被
加工体に照射するための照射光学系と、被加工体を載置
するとともに、照射光学系に対して被加工体の位置及び
傾きを調整するステージ装置と、被加工体上の平坦な領
域を計測ターゲットとして検査光を入射させる投光手段
と、計測ターゲットからの正反射光を受けてこの正反射
光の入射位置に関する情報を出力する受光手段と、入射
位置に関する情報に基づいて計測ターゲットの高さに対
応する情報を含む計測値を得る換算手段とを備える非接
触変位計と、被加工体上に配置されて同一面内にある３
つ以上の異なる計測ターゲットを非接触変位計によって
計測した計測値に基づいてステージ装置を駆動して被加
工体の傾きと位置（高さ）を調整する制御装置とを備え
る。

【００１１】上記装置では、制御装置が被加工体上に配
置されて同一面内にある３つ以上の異なる計測ターゲッ
トを非接触変位計によって計測した計測値に基づいてス
テージ装置を駆動して被加工体の傾きを調整するので、
３つの計測ターゲットに対応する面の傾斜として被加工
体の傾斜に関する情報を得ることができ、被加工体の傾
きを補正しつつ被加工体を照射光学系に対して位置合わ
せすることができる。この際、被加工体上の平坦な領域
を計測ターゲットとして用いるので、被加工体にマーク
を設ける必要がなく、結果的にマークのサーチが不要と
なる。また、照射光学系を通して計測を行わないので、
照射光学系が特殊なものであっても、簡易、かつ、加工
作業とは独立して焦点検出を行うことができる。

【００１２】また、上記装置の好ましい態様では、制御
装置が、非接触変位計によって計測した３点以上の計測
値が等しくなるように、ステージ装置を駆動して被加工
体の傾きと位置（高さ）を調整する。

【００１３】上記装置では、制御装置が、非接触変位計
によって計測した３以上の計測値が等しくなるようにス
テージ装置を駆動して被加工体の傾きを調整するので、
簡易かつ迅速に、被加工体を照射光学系に対して位置合
わせすることができる。

【００１４】本発明の焦点調節方法は、計測ターゲット
に検査光を入射させて計測ターゲットからの正反射光を
受けるとともにこの正反射光の入射位置に関する情報に
基づいて計測ターゲットの高さに対応する情報を含む計
測値を得る非接触変位計によって、ステージ装置により
加工光の照射位置に配置される被加工体上において同一
面内にある３つ以上の異なる平坦な領域を計測ターゲッ
トとして計測した計測値に基づいて、ステージ装置を駆
動して被加工体の傾きと位置（高さ）を調整する。

【００１５】上記方法では、非接触変位計によって被加
工体上において同一面内にある３つ以上の異なる平坦な
領域を計測ターゲットとして計測した計測値に基づい
て、ステージ装置を駆動して被加工体の傾きを調整する
ので、被加工体の傾きを補正しつつ被加工体を照射光学
系に対して位置合わせすることができる。この際、被加
工体上の平坦な領域を計測ターゲットとして用いるの
で、被加工体にマークを設ける必要がなく、結果的にマ
ークのサーチが不要となる。また、照射光学系等の加工
手段を通して計測を行わないので、照射光学系が特殊な
ものであっても、簡易に、かつ、加工作業とは独立して
焦点検出を行うことができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態である
焦点調節装置及び方法について、図面を参照しつつ具体
的に説明する。

【００１７】図１は、実施形態の焦点調節装置を組み込
んだレーザアニール装置の全体構造を説明する図であ
る。このレーザアニール装置は、ガラス板上にアモルフ
ァス状Ｓｉ等の半導体薄膜を形成した被加工体であるワ
ークＷを熱処理するためのもので、かかる半導体薄膜を
加熱するためのエキシマレーザその他のレーザ光ＡＬを
発生するレーザ光源１０と、このレーザ光ＡＬをライン
状或いはスポット状にして所定の照度でワークＷ上に入
射させる加工光学系である照射光学系２０と、ワークＷ
を載置してＸ−Ｙ面内で滑らかに移動可能であるととも
にＸ軸及びＹ軸の回りに傾斜可能なステージ３０と、ワ
ークＷを載置したステージ３０を照射光学系２０等に対
して必要量だけ移動若しくは傾斜させる駆動手段である
ステージ駆動装置４０と、レーザアニール装置の各部の
動作を統括的に制御する主制御装置８０とを備える。こ
こで、ステージ３０及びステージ駆動装置４０は、ステ
ージ装置を構成し、ワークＷ周辺を減圧したりその雰囲
気を調節するチャンバ９０中に収容される。このチャン
バ９０は、除振装置９２を介して床上に設置されてい
る。

【００１８】さらに、このレーザアニール装置は、焦点
調節装置として、上記ステージ３０、ステージ駆動装置
４０及び主制御装置８０のほか、ステージ３０の移動量
を光学的な情報や電気的な情報として検出する移動量計
測装置５０と、ステージ３０のステージ駆動装置４０に
対する高さや傾斜量を光学的な情報や電気的な情報とし
て検出する傾斜計測装置６０と、ワークＷの照射光学系
２０に対する高さや傾斜量に対応する信号を検出する非
接触変位計７０とを備える。

【００１９】ここで、照射光学系２０は、レーザ光源１
０からミラー１５を経て入射するレーザ光ＡＬを均一な
分布とするホモジナイザ２０ａと、ホモジナイザ２０ａ
を経たレーザ光ＡＬを所定のビーム形状に絞るスリット
を有するマスク２０ｂと、マスク２０ｂのスリット像を
ワークＷ上に縮小投影する投影レンズ２０ｃとからな
る。なお、照射光学系２０は、チャンバ９０に設けた透
過窓９０ａを介してワークＷに対向するように配置され
ており、図示を省略する部材によってチャンバ９０側に
固定されている。

【００２０】ステージ駆動装置４０は、ステージ３０を
Ｘ軸及びＹ軸の回りに傾斜させるチルト装置４２と、ス
テージ３０をチルト装置４２とともにＸ−Ｙ面内で滑ら
かに移動させる並進装置４４とを備える。ここで、チル
ト装置４２は、ベローズ内部にシリンダを収容して任意
の長さに伸縮自在である３つの支持部材４２ａと、支持
部材４２ａを伸縮動作させる支持部材駆動装置４２ｂと
を備える。これら３つの支持部材４２ａの長さを支持部
材駆動装置４２ｂを介して調節することにより、照射光
学系２０に対するステージ３０の傾きや距離を適宜微調
整することができる。つまり、照射光学系２０に対する
ワークＷのＺ軸方向の位置（距離）と、Ｘ軸回りのチル
ト角θXと、Ｙ軸回りのチルト角θYとを調整することが
できる。なお、ステージ３０直下にチルト装置４２側か
ら延びている３つの傾斜計測装置６０は、渦電流式セン
サ或いは静電容量センサであり、これらの出力から、ス
テージ３０がステージ駆動装置４０に対してどの程度傾
斜しているかが正確に分かるようになっている。

【００２１】図２は、並進装置４４の構造を説明する図
である。並進装置４４は、それぞれリニアモータ及びリ
ニアベアリングからなる一対のＹ駆動装置４４ａと、両
Ｙ駆動装置４４ａに駆動されてＹ軸方向に移動するＹ可
動部４４ｂと、それぞれＹ可動部４４ｂ上に設けられる
とともにリニアモータ及びリニアベアリングからなる一
対のＸ駆動装置４４ｃと、両Ｘ駆動装置４４ａに駆動さ
れてＸ軸方法に移動するＸ可動部４４ｄとを備える。Ｘ
可動部４４ｄの上には、チルト装置４２やステージ３０
が設置される。Ｙ可動部４４ｂの位置は、Ｙ軸エンコー
ダ４４ｆによって検出され、Ｘ可動部４４ｄの位置は、
Ｘ軸エンコーダ４４ｇによって検出される。各リニアエ
ンコーダ４４ｆ、４４ｇの出力は、主制御装置８０で監
視されており、ステージ３０やワークＷのＸ−Ｙ面内で
の移動量が分かるようになっている。

【００２２】図１に戻って、非接触変位計７０は、レー
ザ変位計であり、ワークＷ上の平坦な領域を計測ターゲ
ットＴとして検査光ＤＬを入射させる投光手段である投
光部７１と、計測ターゲットＴからの正反射光ＲＬを受
けてこの正反射光ＲＬの入射位置に関する情報を出力す
る受光手段である受光部７２とを備える。投光部７１と
受光部７２とは、照射光学系２０を挟んで対向して配置
される。つまり、投光部７１は、照射光学系２０の光軸
に対して所定の角度だけ傾いた方向に検査光ＤＬを出射
し、受光部７２には、照射光学系２０の光軸に対して検
査光ＤＬとは反対の方向に上記所定角度だけ傾いた方向
に進行する反射光ＲＬが入射する。なお、主制御装置８
０は、受光部７２で検出された入射位置に関する情報に
基づいて計測ターゲットＴの高さに対応する情報を含む
計測値を得る換算手段としても機能し、非接触変位計７
０の一部を構成する。

【００２３】ここで、投光部７１は、検査光を発生する
光源と投光光学系とを備え、透過窓９０ａを介してワー
クＷ上の計測ターゲットＴに検査光ＤＬのスポット状の
ビームを入射させる。一方、受光部７２は、この計測タ
ーゲットＴからの反射光ＲＬを集光する結像光学系と集
光後の反射光ＲＬが入射するラインセンサとを備える。
このラインセンサは、Ｘ−Ｚ面内で反射光ＲＬの光軸に
垂直な方向に延びており、ワークＷの高さ位置がライン
センサからの位置検出信号と線形な関係になることを利
用してワークＷの高さ位置の変化を検出する。ただし、
ワークＷが照射光学系２０の光軸に対して傾いていると
き、非接触変位計７０の出力は、ワークＷの高さ位置だ
けでなく、ワークＷの傾きを反映したものとなってい
る。したがって、後に詳述するが、チルト装置４２を利
用して一旦ワークＷの傾きを補正してワークＷの法線が
照射光学系２０の光軸と平行になった時点で、チルト装
置４２を構成する３つの支持部材４２ａを同量だけ伸縮
させてワークＷと照射光学系２０との間隔を調整するこ
とになる。

【００２４】図３は、ワークＷ上の計測ターゲットＴの
配置の一例を説明する図である。図からも明らかなよう
に、計測ターゲットＴ1、Ｔ2、Ｔ3は、正三角形の頂点
の位置に配置されており、それぞれがワークＷ上の加工
領域（図の場合、ワークＷの中央）から等距離に設定さ
れている。並進装置４４の制御によって、投光部７１か
らの検査光ＤＬをワークＷ上の各計測ターゲットＴ1、
Ｔ2、Ｔ3に順次入射させることができる。ワークＷの傾
きを補正する際には、各計測ターゲットＴ1、Ｔ2、Ｔ3
における受光部７２の出力を平均化するようにチルト装
置４２を動作させる。なお、各計測ターゲットＴ1、Ｔ
2、Ｔ3の配置や個数は、要求される精度等に応じて適宜
変更することができる。特にワークＷ表面に反り等の変
形がある場合、対象とする加工領域ごとにその近傍で３
つ以上の計測ターゲットを改めて選択する必要がある。
また、以上で説明した計測ターゲットＴ1、Ｔ2、Ｔ3
は、単に平坦面であれば足り、正反射光を形成できる限
り、特定のマークを形成する必要はない。

【００２５】以下、本実施形態のレーザアニール装置の
動作について説明する。まず、レーザアニール装置のス
テージ３０上にワークＷを搬送して載置する。次に、ア
ニール用のレーザ光ＡＬを導く照射光学系２０に対して
ステージ３０上のワークＷをアライメントする。次に、
照射光学系２０のマスク２０ｂを移動させながら、或い
は照射光学系２０に対してステージ３０を適宜移動させ
ながら、レーザ光源１０からのレーザ光ＡＬをライン状
或いはスポット状にしてワークＷ上に入射させる。ワー
クＷ上には、アモルファスＳｉ等の非晶質半導体の薄膜
が形成されており、レーザ光ＡＬの照射及び走査によっ
て半導体の所望領域がアニール、再結晶化され、電気的
特性の優れた半導体薄膜を提供することができる。

【００２６】ステージ３０上のワークＷの高さ及び傾き
を照射光学系２０に対してアライメントする動作につい
てより詳細に説明する。まず、加工領域を中心とする正
三角形の頂点３点を計測ターゲットＴ1、Ｔ2、Ｔ3と定
める。並進装置４４の制御によってワークＷをＸＹ面内
で適宜移動させ、ワークＷ上の各計測ターゲットＴ1、
Ｔ2、Ｔ3を非接触変位計７０の計測点に順次移動させ、
投光部７１からの検査光ＤＬを各計測ターゲットＴ1、
Ｔ2、Ｔ3に入射させる。各計測ターゲットＴ1、Ｔ2、Ｔ
3からの反射光ＲＬは、受光部７２で入射位置に相当す
る信号に変換される。主制御装置８０では、受光部７２
からの入射位置に関する信号に基づいて各計測ターゲッ
トＴ1、Ｔ2、Ｔ3の高さに関する計測値を得る。３点Ｔ
1、Ｔ2、Ｔ3の計測結果については、いずれにも傾きに
よる誤差が含まれていると考えられるが、ここではそれ
を無視して、３点Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3の高さが同じ値になる
ようチルト装置４２によりワークＷのチルト角θX、θY
を調整する。再び、並進装置４４によってワークＷをＸ
Ｙ面内で適宜移動させ、ワークＷ上の各計測ターゲット
Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3について高さに関する計測値を得る。こ
のようにして、３点Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3の高さ計測とチルト
角の調整とを繰り返すことにより、傾きによる高さ計測
の誤差は徐々に小さくなる。最終的に３点Ｔ1、Ｔ2、Ｔ
3の計測値が一致した状態では、θX＝０、θY＝０とな
って傾き０の状態となる。このときのいずれか１点の高
さ計測値がワークＷ上の加工領域の高さとなる。最後
に、チルト装置４２をＺステージとして動作させ、目的
の高さになるよまでステージ３０すなわちワークＷを昇
降させる。

【００２７】以上実施形態に即してこの発明を説明した
が、この発明は上記実施形態に限定されるものではな
い。例えば、非接触変位計７０を３つ以上設けることも
できる。この場合は、各非接触変位計７０によってワー
クＷ上の異なる３を同時に計測することができるように
する。これにより、並進装置４４によってワークＷを移
動させることなくワークＷの傾きを迅速に修正できるよ
うになる。

【００２８】また、上記実施形態では、チルト装置４２
をＺステージとして動作させたが、Ｚステージを独立に
設けてワークＷのチルト調整と高さ調整とを完全に分離
して行うこともできる。

【００２９】また、上記実施形態では、ワークＷをガラ
ス基板に半導体薄膜を形成したものとしているが、正反
射光が得られるものであれば、ワークＷの素材は問わな
い。

【００３０】また、上記の焦点調節装置は、レーザ光Ａ
Ｌを用いてワークＷ上の半導体層をアニーリングするレ
ーザアニール装置に組み込んだが、レーザ光源１０や照
射光学系２０等の構造を適宜変更すれば、半導体材料の
アニールのみならず各種材料の改質、切断、溶着等を可
能にするパルスレーザ加工装置等とすることもできる。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に係る焦点調節装置によれば、制御装置が被加工体上に
配置されて同一面内にある３つ以上の異なる計測ターゲ
ットを非接触変位計によって計測した計測値に基づいて
ステージ装置を駆動して被加工体の傾きを調整するの
で、被加工体の傾きを補正しつつ被加工体を照射光学系
に対して位置合わせすることができる。この際、被加工
体上の平坦な領域を計測ターゲットとして用いるので、
被加工体にマークを設ける必要がなく、結果的にマーク
のサーチが不要となる。また、照射光学系を通して計測
を行わないので、照射光学系が特殊なものであっても簡
易に焦点検出を行うことができる。

【００３２】また、本発明に係る焦点調節装置によれ
ば、非接触変位計によって被加工体上において同一面内
にある３つ以上の異なる平坦な領域を計測ターゲットと
して計測した計測値に基づいて、ステージ装置を駆動し
て被加工体の傾きを調整するので、被加工体の傾きを補
正しつつ被加工体を照射光学系に対して位置合わせする
ことができる。この際、被加工体上の平坦な領域を計測
ターゲットとして用いるので、被加工体にマークを設け
る必要がなく、結果的にマークのサーチが不要となる。
また、照射光学系等の加工手段を通して計測を行わない
ので、照射光学系が特殊なものであっても、簡易に、か
つ、加工作業とは独立して焦点検出を行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態の焦点調節装置を組み込んだレーザア
ニール装置を説明する図である。

【図２】図１の装置のステージ駆動機構を説明する図で
ある。

【図３】ワーク上の計測ターゲットの配置例を説明する
図である。

【符号の説明】

１０ レーザ光源 ２０ 照射光学系 ３０ ステージ ４０ ステージ駆動装置 ４２ チルト装置 ４４ 並進装置 ５０ 移動量計測装置 ６０ 傾斜計測装置 ７０ 非接触変位計 ７１ 投光部 ７２ 受光部 ８０ 主制御装置 ９０ チャンバ ＤＬ 検査光 ＲＬ 反射光 Ｔ 計測ターゲット Ｗ ワーク θX,θY チルト角

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加工光を所定の状態で被加工体に照射す
   るための照射光学系と、 前記被加工体を載置するとともに、前記照射光学系に対
   して前記被加工体の位置及び傾きを調整するステージ装
   置と、 前記被加工体上の平坦な領域を計測ターゲットとして検
   査光を入射させる投光手段と、前記計測ターゲットから
   の正反射光を受けて当該正反射光の入射位置に関する情
   報を出力する受光手段と、前記入射位置に関する情報に
   基づいて前記計測ターゲットの高さに対応する情報を含
   む計測値を得る換算手段とを備える非接触変位計と、 前記被加工体上に配置されて同一面内にある３つ以上の
   異なる計測ターゲットを前記非接触変位計によって計測
   した計測値に基づいて前記ステージ装置を駆動して前記
   被加工体の傾きと位置を調整する制御装置とを備える焦
   点調節装置。
2. 【請求項２】 前記制御装置は、前記非接触変位計によ
   って計測した３点以上の前記計測値が等しくなるよう
   に、前記ステージ装置を駆動して前記被加工体の傾きと
   位置を調整することを特徴とする請求項１記載の焦点調
   節装置。
3. 【請求項３】 計測ターゲットに検査光を入射させて前
   記計測ターゲットからの正反射光を受けるとともに当該
   正反射光の入射位置に関する情報に基づいて前記計測タ
   ーゲットの高さに対応する情報を含む計測値を得る前記
   非接触変位計によって、ステージ装置により加工光の照
   射位置に配置される被加工体上において同一面内にある
   ３つ以上の異なる平坦な領域を前記計測ターゲットとし
   て計測した計測値に基づいて、前記ステージ装置を駆動
   して前記被加工体の傾きと位置を調整する焦点調節方
   法。