CN103317230A - 激光加工装置及激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光加工装置及激光加工方法，其能够降低工件距离的变动对加工品质带来的影响。从激光光源射出的激光束入射于均匀化光学系统。均匀化光学系统使激光束在加工对象物上入射于在第1方向上较长的长条形状的区域。在均匀化光学系统与加工对象物之间的激光束的路径上配置有倾斜光学元件。倾斜光学元件形成相对于加工对象物的表面向与第1方向正交的方向倾斜的折射率界面。

Description

激光加工装置及激光加工方法
技术领域
本发明涉及一种向加工对象物射出截面为长条形状的激光束的同时，使加工对象物向与长条方向交叉的方向移动来进行加工的激光加工装置及激光加工方法。
背景技术
专利文献1中公开有将激光束的射束截面长条化来进行激光退火的激光加工装置。该激光加工装置中，在激光截面的长轴方向及短轴方向这两方向上，光强度分布被均匀化。专利文献2中公开有在从均匀化光学系统的焦点位置离焦的位置上配置加工对象物来进行激光退火的技术。通过离焦能够得到周期性重复单调增加和单调减少的光强度分布。通过以具有该光强度分布的激光束将非晶质膜结晶化退火，由此能够增大晶粒。
专利文献1：日本特开2006-195325号公报
专利文献2：日本特开2010-263240号公报
为了形成高品质的多结晶膜，优选在短轴方向上使光强度分布的两端的倾斜变缓。一般而言，若通过均匀化光学系统使光强度分布均匀化，则光强度分布的两端的倾斜变得陡峭。若在从均匀化光学系统的焦点位置离焦的位置配置加工对象物，则光强度分布的两端的倾斜变缓。但是，若从均匀化光学系统到加工对象物为止的距离（工件距离）产生变动，则导致光强度分布的两端的倾斜大幅变动。因此，若加工对象物的表面存在起伏等，则导致加工品质在面内不稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够降低工件距离的变动对加工品质带来的影响的激光加工装置及激光加工方法。
根据本发明的一个观点，提供一种激光加工装置，其具有：激光光源，均匀化光学系统，其使从所述激光光源射出的激光束在加工对象物上入射于在第1方向上较长的长条形状的区域；及倾斜光学元件，其配置于所述均匀化光学系统与所述加工对象物之间的激光束的路径上，形成相对于所述加工对象物的表面向与所述第1方向正交的方向倾斜的折射率界面。
根据本发明的另一观点，提供一种激光加工方法，该方法利用如下激光加工装置对所述加工对象物进行加工，该激光加工装置具有：激光光源，其射出脉冲激光束；均匀化光学系统，其使从所述激光光源射出的激光束入射于加工对象物中在第1方向上较长的长条形状的区域；及倾斜光学元件，其配置于所述均匀化光学系统与所述加工对象物之间的激光束的光路上，形成相对于所述加工对象物的表面向与所述第1方向正交的方向倾斜的折射率界面，该激光加工方法具有：第1加工工序，边使所述加工对象物向与所述第1方向正交的第2方向移动边从所述激光光源射出脉冲激光束来进行加工；在所述第1加工工序之后向所述第1方向挪动所述加工对象物的工序；及第2加工工序，向所述第1方向挪动所述加工对象物之后，边使所述加工对象物向与所述第1加工工序中所述加工对象物的移动方向相反的方向移动边从所述激光光源射出脉冲激光束来进行加工，在所述第1加工工序与所述第2加工工序之间，进一步具有使所述折射率界面的倾斜方向反转的工序。
发明效果
通过配置倾斜光学元件，即使在对焦的状态下，也能够使在与第1方向正交的方向上的光强度分布的两端的倾斜变缓。若在对焦的状态下进行激光加工，则由工件距离的变动引起的加工品质的变动减少。
附图说明
图1A及图1B分别表示基于实施例1的激光加工装置的长轴面及短轴面的概要图。
图2是表示对在基于实施例1的激光加工装置的短轴面上的激光束的举动带来影响的光学元件的配置的图。
图3A及图3B是表示加工对象物表面中的短轴方向的光强度分布的曲线图。
图4是表示脉冲能量的变动与结晶化后的膜的亮度之间的关系的曲线图。
图5A及图5B是分别表示对焦状态及离焦状态下的光强度分布的曲线图。
图6是表示加工对象物的z方向的位置与光强度分布的两端的倾斜之间的关系的曲线图。
图7是基于实施例2的激光加工装置的聚光透镜及倾斜光学元件的安装部分的截面图。
图8A及图8B是分别表示在使加工对象物向y轴的正方向及负方向移动的同时进行激光照射时的倾斜光学元件的姿势的截面图。
图9是表示对基于实施例3的激光加工装置的短轴面上的激光束的举动带来影响的光学元件的配置的图。
图10A～图10C是表示使用基于实施例3的激光加工装置时的加工对象物的表面上的光强度分布的曲线图。
图11是基于实施例3的激光加工装置的倾斜光学元件及其支承框的立体图。
图中：20-激光光源，21-光束扩展器，22-均匀化光学系统，23-载物台，25-倾斜光学元件，26-楔形基板，30-加工对象物，40-第1柱面透镜阵列，41-第2柱面透镜阵列，42-聚光透镜，45-镜筒，46-支承框，47-波纹管，48-旋转轴，49-旋转驱动机构。
具体实施方式
[实施例1]
图1A及图1B分别表示基于实施例1的激光加工装置的概要图。基于实施例1的激光加工装置在加工对象物的表面上形成沿一方向长的长条的光束截面。定义将光束截面的长轴方向设为x方向，将短轴方向设为y方向，将激光束的进行方向设为z方向的xyz正交坐标系。图1A表示zx面（长轴面）内的激光束的举动，图1B表示yz面（短轴面）内的激光束的举动。
激光光源20射出脉冲激光束。光束扩展器21扩大从激光光源20射出的激光束的射束束径。被扩大射束束径的激光束入射于均匀化光学系统22。加工对象物30被保持于载物台23。载物台23能够使加工对象物30向x方向及y方向移动。虽然图1A及图1B中，示出有激光束的路径沿着无弯曲的直线的例子，但是也可根据需要配置折射镜来折弯激光束的路径。例如，当以加工对象物30的保持面朝向上方的姿势固定载物台23时，从激光光源20向水平方向射出的激光束的路径朝向下方弯曲。
均匀化光学系统22在加工对象物30的表面将激光束的光束截面设为在x方向上长的长条形状。并且，在x方向及y方向上均匀化加工对象物30的表面的光强度。
在均匀化光学系统22和加工对象物30之间的激光束的路径上，配置有倾斜光学元件25。倾斜光学元件25例如使用使激光束透射的平行平板。倾斜光学元件25相对于加工对象物30的表面向短轴方向（y方向）倾斜。因此，形成相对于加工对象物30的表面向短轴方向（y方向）倾斜的折射率界面。
在图2示出与在yz面内的激光束的举动相关的光学元件的配置。在激光束的路径上，从光源侧依次包括第1柱面透镜阵列40、第2柱面透镜阵列41及聚光透镜42。第1柱面透镜阵列40及第2柱面透镜阵列41分别包括多个柱形凸透镜。柱形凸透镜在y方向上持有放大倍数（power）并向y方向排列。第1柱面透镜阵列40的柱形凸透镜和第2柱面透镜阵列41的柱形凸透镜一对一对应。图2中，示出第1柱面透镜阵列40及第2柱面透镜阵列41分别包括5个柱形凸透镜的例子。
第1柱面透镜阵列40将入射于均匀化光学系统22的激光束在短轴方向（y方向）上分割成多个（在图2中为5条）激光束。通过第1柱面透镜阵列40的柱形凸透镜而在yz面内设为聚焦光线束的激光束入射于第2柱面透镜阵列41的对应的柱形凸透镜。图2中，仅示出被分割的每个激光束的中心光线。
透射第2柱面透镜阵列41的激光束入射于聚光透镜42。聚光透镜42在短轴方向（y方向）上持有放大倍数，在yz面内，将入射的激光束集光于加工对象物30的表面。在yz面内，聚光透镜42的光轴与加工对象物30的表面正交。即，被第1柱面透镜阵列分割的激光束中的中央的激光束垂直入射于加工对象物30。
第1柱面透镜阵列40的柱形凸透镜分别配置于第2柱面透镜阵列41的对应的柱形凸透镜的前侧焦点位置。加工对象物30的表面配置于聚光透镜42的后侧焦点位置。因此，第2柱面透镜阵列41与聚光透镜42在加工对象物30的表面使第1柱面透镜阵列40的位置的光束截面形状成像。即，构成以配置有第1柱面透镜阵列40的位置为物点并以加工对象物30的表面为像点的成像光学系统。
聚光透镜42与加工对象物30之间配置有倾斜光学元件25。倾斜光学元件25相对于加工对象物30的表面向短轴方向（y方向）倾斜。用θ表示倾斜光学元件25的倾斜角度。倾斜光学元件25是平行平板，因此不会对成像条件带来影响。
在图3A及图3B示出加工对象物30的表面上的短轴方向（y方向）的光强度分布的模拟实验结果。横轴用单位“μm”表示以聚光透镜42（图2）的焦点位置为基准的y方向的位置。纵轴将光强度以其最大值设为1的相对值进行表示。图3A表示倾斜角θ为3°的情况，图3B表示倾斜角θ为5°的情况。
图3A及图3B的情况均可得到大致顶部平坦的光强度分布。若将倾斜角θ从3°增大至5°，则光强度分布的两端的倾斜变缓。如此，若增大倾斜角θ，则能够使光强度分布的两端的倾斜变缓。
光强度分布的形状相对于中心左右不对称。进行形成于加工对象物30的表面的非晶质硅膜的多结晶化退火时，边使加工对象物30向射束截面的短轴方向（y方向）移动边进行脉冲激光束的照射。以前一次发射的照射区域与新发射的照射区域局部重叠的方式设定加工对象物30的移动速度。
实施例1中，由于能够使光强度分布的两端的倾斜变缓，因此能够提高加工品质。倾斜光学元件25的倾斜角θ的适当范围能够通过改变倾斜角θ进行多个评价实验来决定。
实施例1中，由于短轴方向的光强度分布左右不对称，因此认为加工对象物30的移动方向对加工品质带来影响。因此，为了降低加工品质的面内偏差，优选将加工对象物30的移动方向固定为y轴的正方向及负方向中的任意一个。可通过实际进行评价实验来决定固定为哪个方向。
在图4示出使光强度分布的两端的倾斜不同来进行结晶化退火时的结晶化膜的亮度的测定结果。该评价实验中，向非晶质硅膜照射一发激光脉冲，并测定结晶化的区域的亮度。横轴用相对值表示入射于非晶质硅膜的激光脉冲的脉冲能，纵轴用相对值表示照射后的结晶化硅膜的亮度。随着向纵轴下方，透明度变高。图4中的四角记号及圆圈记号分别表示将光强度分布的两端的倾斜部分的宽度设为100μm及0μm而进行退火的结果。在此，“倾斜部分的宽度”以从峰值功率的10%的位置到90%的位置为止的宽度进行定义。
若使倾斜光学元件25（图2）倾斜，则相对于脉冲能的变动，亮度的变化变小。通过激光发振器本身的脉冲能变动或由指向稳定性引起的传送效率的变动，加工对象物30的表面的脉冲能发生变动。若使倾斜光学元件25倾斜，则即使脉冲能发生变动也能够抑制亮度的面内偏差。
接着，参考图5A、图5B、图6，对使用基于实施例1的激光加工装置的效果进行说明。
在图5A示出将倾斜光学元件25（图2）的倾斜角θ设为0°时的短轴方向的光强度分布。图5B中，示出离焦时的光强度分布。图2中，通过向z方向挪动加工对象物30，能够得到离焦状态。若设为离焦状态，则光强度分布的两端的倾斜变缓。即，可得到与插入倾斜光学元件25（图2）的状态相同的效果。
在图6示出加工对象物30的z方向的位置与短轴方向的光强度分布的两端的倾斜的关系。横轴表示z方向的位置，纵轴表示光强度分布的两端的倾斜。图6中的较细的实线表示将倾斜光学元件25的倾斜角θ设为0°的情况，较粗的实线表示使倾斜光学元件25倾斜的情况下的光强度分布的两端的倾斜。
加工对象物30的位置为z0时，可得到对焦状态。若在对焦状态时使倾斜光学元件25倾斜，则与倾斜角θ为0°时相比，光强度分布的两端的倾斜变大。若将加工对象物30的位置挪动至z1来设为离焦状态，则即使在倾斜角θ为0°时，也能够使光强度分布的两端的倾斜与使倾斜光学元件25倾斜的情况相同地变缓。
当为对焦状态时，相对于加工对象物30在z方向上的位置的变动，光强度分布的两端的倾斜的变动量较小。但是，当为离焦状态时，相对于加工对象物30在z方向上的位置变动，光强度分布的两端的倾斜的变动较大。因此，若在离焦状态下进行激光照射，则容易受到加工对象物30表面的起伏的影响。如实施例1，通过在对焦状态下进行激光照射，能够使其不易受到加工对象物30表面的起伏的影响。
[实施例2]
在图7示出基于实施例2的激光加工装置的聚光透镜42及倾斜光学元件25的安装部分的截面图。聚光透镜42被支承于镜筒45内。倾斜光学元件25被支承框46支承。支承框46经波纹管47连结于镜筒45。波纹管47容许支承框46相对于镜筒45的姿势的变动。
支承框46被与x方向平行的旋转轴48支承。旋转驱动机构49使旋转轴48在一定角度范围内旋转。通过旋转轴48旋转，能够使倾斜光学元件25相对于加工对象物30的倾斜方向反转。
倾斜光学元件25兼具起到防止来自激光束的入射位置的飞散物附着于聚光透镜42的防护窗的功能。波纹管47防止飞散物从激光束的路径的侧方绕进而附着于聚光透镜42。
在图8A及图8B分别示出使加工对象物30向y轴的正方向及负方向移动的同时进行激光照射时的倾斜光学元件25的姿势。加工对象物30向y轴的负方向移动时的倾斜光学元件25的倾斜方向与加工对象物30向y轴的正方向移动时的倾斜光学元件25的倾斜方向相反。因此，如图3A及图3B所示，即使光强度分布的形状左右不对称，也能够在使加工对象物30的移动方向反转时以相同的条件进行退火。
接着，对进行激光加工时的具体顺序进行说明。首先，如图8A所示，使加工对象物30向y轴的正方向移动的同时从激光光源20（图1A、图1B）射出脉冲激光束来进行加工。之后，向x方向挪动加工对象物30。向x方向挪动加工对象物30之后，如图8B所示，使加工对象物30向y轴的负方向移动的同时从激光光源20射出脉冲激光束来进行加工。
在使加工对象物30向y轴的正方向移动的同时进行激光照射的工序与使加工对象物30向y轴的负方向移动的同时进行激光照射的工序之间，使旋转驱动机构49（图7）工作来使倾斜光学元件25的倾斜方向反转。
基于实施例2的激光加工装置中，即便使加工对象物30的移动方向反转，也能够以与反转前相同的条件进行激光加工。能够在加工对象物30的去路和回路双方进行激光加工，因此能够缩短激光加工时间。
[实施例3]
在图9示出从基于实施例3的激光加工装置的均匀化光学系统22至载物台23配置的光学元件的截面图。以下，对于图2中示出的与实施例1的差异点进行说明，对于相同的结构省略说明。
实施例1中倾斜光学元件25使用了平行平板，而实施例3中使用了楔形基板。楔形基板的其中一侧的表面与加工对象物30的表面平行，且另一侧的表面相对于加工对象物30的表面向短轴方向（y方向）倾斜。用θ表示该倾斜角。实施例3中，楔形基板26的一个折射率界面相对于加工对象物30的表面向短轴方向（y方向）倾斜。另外，也可使楔形基板的双方的折射率界面相对于加工对象物30的表面倾斜。
在图10A～图10C示出保持于基于实施例3的激光加工装置的载物台23的加工对象物30的表面上的短轴方向的光强度分布的模拟实验结果。横轴用单位“μm”表示以聚光透镜42（图2）的焦点位置为基准的y方向的位置。图10A、图10B及图10C分别表示倾斜角θ为1°、3°及5°时的光强度分布。可知随着倾斜角θ变大，光强度分布的两端的倾斜变缓。因此，与实施例1的情况相同，能够抑制被多结晶化的膜的亮度的面内偏差。并且，在实施例3中也在对焦状态下进行激光照射，因此与实施例1的情况相同，不易受到加工对象物30表面的起伏的影响。
在图11示出倾斜光学元件25及支承它的支承框46的立体图。支承框46具有以与z轴平行的直线为中心轴的圆环状形状。旋转驱动机构49使支承框46以其中心轴作为旋转中心进行旋转。能够通过使支承框46旋转180°来使倾斜光学元件25的折射率界面的倾斜方向反转。由此，与实施例2的情况相同，即便使加工对象物30的移动方向反转，也能够以与反转前相同的条件进行激光加工。
以上基于实施例进行了说明，但本发明并不限定于这些。本领域的技术人员可知能够进行例如各种变更、改良、组合等。
本申请主张基于2012年3月21日申请的日本专利申请第2012-063134号的优先权。其申请的所有内容通过参考援用于本说明书中。

Claims (6)

1.一种激光加工装置，其中，具有：
激光光源，
均匀化光学系统，其使从所述激光光源射出的激光束在加工对象物上入射于在第1方向上较长的长条形状的区域；及
倾斜光学元件，其配置于所述均匀化光学系统与所述加工对象物之间的激光束的路径上，形成相对于所述加工对象物的表面向与所述第1方向正交的方向倾斜的折射率界面。
2.如权利要求1所述的激光加工装置，其中，
所述倾斜光学元件包括相对于所述加工对象物的表面倾斜的平行平板。
3.如权利要求1所述的激光加工装置，其中，
所述倾斜光学元件包括楔形基板。
4.如权利要求1至3中任一项所述的激光加工装置，其中，
所述均匀化光学系统包括：
第1柱面透镜阵列，其在与所述第1方向正交的短轴截面内，向短轴方向分割所述激光束；
第2柱面透镜阵列，其配置于所述第1柱面透镜阵列的后方，且具有与构成所述第1柱面透镜阵列的多个柱面透镜分别对应的多个柱面透镜；及
聚光透镜，其配置于所述第2柱面透镜阵列的后方，且向所述短轴方向持有放大倍数，
所述第2柱面透镜阵列的各柱面透镜和所述聚光透镜构成以配置有所述第1柱面透镜阵列的位置为物点并以所述加工对象物的表面为像点的成像光学系统。
5.如权利要求1至4中任一项所述的激光加工装置，其中，
还具有旋转驱动机构，且该旋转驱动机构使所述倾斜光学元件旋转，以使所述折射率界面的倾斜方向反转。
6.一种激光加工方法，该方法是利用如下激光加工装置对所述加工对象物进行加工的方法，即，该激光加工装置具有：激光光源，其射出脉冲激光束；均匀化光学系统，其使从所述激光光源射出的激光束在加工对象物上入射于在第1方向上较长的长条形状的区域；及倾斜光学元件，其配置于所述均匀化光学系统与所述加工对象物之间的激光束的光路上，形成相对于所述加工对象物的表面向与所述第1方向正交的方向倾斜的折射率界面，其中，
所述激光加工方法包括：
第1加工工序，使所述加工对象物向与所述第1方向正交的第2方向移动，并从所述激光光源射出脉冲激光束来进行加工；
在所述第1加工工序之后向所述第1方向挪动所述加工对象物的工序；
第2加工工序，向所述第1方向挪动所述加工对象物之后，使所述加工对象物向与所述第1加工工序中所述加工对象物的移动方向相反的方向移动，并从所述激光光源射出脉冲激光束来进行加工，
在所述第1加工工序与所述第2加工工序之间，进一步具有使所述折射率界面的倾斜方向反转的工序。
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