JP2000000682A - レーザ処理装置および該レーザ処理装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザ処理装置の処理能力が経時的に変
化するのを防止して安定した性能を確保する。 【解決手段】 レーザ光の最大強度を強度測定手段１３
ａで測定し、ビームの傾きを傾き測定手段１３ｂで測定
し、これら測定結果に基づきレーザ光出力をレーザ光出
力制御手段１４で制御し、傾き制御手段１５によってホ
モジナイザーレンズ７へのレーザ光の入射位置及び入射
量が変わるようにミラー６を移動制御する。 【効果】 処理に影響を与えるレーザ光の波形要素
の変化が抑えられ、安定して均質なレーザ処理を行うこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、材料の加工、表面
改質、アニールなどに利用されるレーザ処理装置および
レーザ処理装置の制御方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザアニール装置などのレーザ処理装
置は、レーザ発生部、光学系、基板搬送装置等で構成さ
れている。このレーザ処理装置は、被処理物への照射位
置における、レーザ光の出力、波形、ビーム形状を一定
に制御することが重要であるが、一般的には、レーザの
出力が一定であれば、基板照射位置の出力も一定であ
り、波形、ビーム形状は重要でないと考えられている。
このような観点から、従来は、レーザの出力のみを計
測、制御する方法がとられている。レーザ出力の計測は
レーザ出力部においてレーザ光出口と反対の側に配置し
たエネルギーメータにより行っており、レーザ光の出力
の制御はレーザへの入力電圧の変更や、レーザ出口近傍
にアッテネータを設けて制御する方法がよくとられてい
る。なお、レーザ光は、図１３に示すように出力は一定
値を示すものではないため、一般には積分値を算出し、
これを出力値としている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来のレー
ザアニール装置において、上記計測および制御によって
レーザの出力を一定に保っても、経時的に処理の均質性
が損なわれるという問題がある。これは、経時的な光学
系の劣化、汚れやレーザ発生源の電極形状の変化、ガス
組成の変化などにより、基板照射位置のレーザ出力、波
形、ビーム形状が次第に変化してしまうためであり、従
来は、波形、ビーム形状の制御自体が困難であることか
ら、定期的に光学系の清掃、調整、ガスの取り換えなど
を行うことによって対応している。しかし、上記作業は
時間、手間ともにかかり、処理効率を低下させる原因と
なる。そこで、本発明者たちは、上記課題を解決するべ
く鋭意研究を進めたところ、波形の一部要素に着目し、
この一部要素を適正に保つように装置を制御することに
より均質なレーザ処理をより長い期間に亘って行えるこ
とを見出し本発明をするに至ったものである。本発明
は、上記事情を背景としてなされたものであり、レーザ
光の１パルス内での波形の最大強度およびビーム形状の
傾きを測定してこれらを制御することにより安定した処
理性能を得ることを可能とするレーザ処理装置およびそ
の制御方法を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のレーザ処理装置の制御方法のうち第１の発
明は、被処理物にパルスレーザ光の波形を照射して被処
理物の処理を行うレーザ処理装置の制御方法であって、
前記レーザ光の１パルス内での最大強度を測定し、この
測定に基づいて、上記最大強度を制御量としてレーザ光
の出力を制御することを特徴とする。第２の発明のレー
ザ処理装置の制御方法は、ホモジナイザーレンズを通し
て被処理物にラインビームからなるレーザ光を照射して
被処理物の処理を行うレーザ処理装置の制御方法であっ
て、前記ラインビームのビーム形状辺方向における傾き
を測定し、この測定に基づいて、上記傾きが小さくなる
ように、ホモジナイザーレンズに入射するレーザ光ビー
ムの一部を前記入射前に除去することを特徴とする。

【０００５】また、本発明の第３の発明のレーザ処理装
置は、ホモジナイザーレンズと、このレンズのビーム進
行方向手前に配置されたミラーとを備え、前記ミラーで
の反射およびホモジナイザーレンズでの透過を経て被処
理物にラインビームからなるパルスレーザ光を照射して
被処理物の処理を行うレーザ装置であって、被処理物に
照射されるレーザ光の波形１パルス内での最大強度を測
定する強度測定手段と辺方向における傾きを測定する傾
き測定手段とを有し、さらに、前記強度測定手段の測定
結果に基づきレーザ光の出力を制御するレーザ光出力制
御手段と、前記傾き測定手段の測定結果に基づき、ホモ
ジナイザーレンズへのレーザ光の幅方向における入射量
を調整するレーザ光入射制御手段とを有することを特徴
とする。

【０００６】さらに、第４の発明のレーザ処理装置は、
第３の発明において、レーザ光入射制御手段は、ミラー
の移動によってホモジナイザーレンズへの入射位置およ
び入射量を調整するものであることを特徴とする。第５
の発明のレーザ処理装置は、第３の発明において、レー
ザ光入射制御手段は、ホモジナイザーレンズの入射側に
スリットを配置し、このスリット幅を変更することによ
ってホモジナイザーレンズへの射量を調整するものであ
ることを特徴とする。

【０００７】本発明は、前述したようにレーザアニール
装置への適用に適しているが、この他に、レーザ光を被
処理物に照射して、レーザ加工や、表面改質等の処理を
行うレーザ処理装置に適用することも可能である。ま
た、適用する制御方法は、パルスレーザ光またはライン
ビーム状レーザ光に適用されるが、両方の特性を有する
ラインビーム状パルスレーザ光への適用が最適である。

【０００８】なお、波形の１パルスでの最大強度の測定
は、パワーメータやバイプラナ光電管等を用いて行うこ
とができる。この測定は、１パルスのみで測定してもよ
く、また複数パルスの最大強度を測定して１パルスでの
最大強度を平均等によって算出するものであってもよ
い。また、ラインビームの辺方向における傾きの測定
は、波形をＣＣＤ等により捉え、その波形から最小２乗
法により傾きを算出する等の方法により行うことができ
る。上記最大強度を用いた制御では、予め目標となる最
大強度を固定値や幅値として定めておき、この目標値が
得られるようにレーザ光の出力を増減する。レーザ光の
出力調整は、レーザ出力部への入力電圧の増減やアッテ
ネータの調整により行うことができる。上記一連の制御
は、レーザ光出力制御手段によって行うことができ、該
レーザ光出力制御手段は、例えば設定部と判定部と操作
部とによって構成することができる。

【０００９】また、ラインビームの上記傾きの制御で
は、ホモジナイザーレンズへのレーザ光の入射を制御す
る。なお、このホモジナイザーレンズ２０は、図１１に
示すように、微小レンズ２０ａ…２０ａをレーザ光２１
の光軸と交差する方向に複数枚配置してレーザ光ビーム
を分割、合成するものであり、ホモジナイザー２０を通
過するレーザ光は、図１２に示すようにビーム形状の均
一化がなされる。本発明では、ラインビームの傾きがで
きるだけ０に近くなるように、レーザ光ビームの一部を
ホモジナイザーレンズへの入射前に除去して幅方向の入
射量を減らす。この除去の方法としては、ホモジナイザ
ーレンズの手前にスリットを配置してビームの一部を遮
断する方法が挙げられる。また、他の方法としてはレー
ザビームをミラーの移動により幅方向に移動させて、ビ
ームの一部をホモジナイザーレンズへの入射可能領域か
ら外す方法が挙げられる。

【００１０】上記一連の制御は、スリットを配置した装
置では、スリット移動制御手段により行うことができ
る。スリット移動制御手段は、上記と同様に、傾きの測
定結果を受ける判定部とスリットの移動を操作する操作
部とによって構成することができる。また、ホモジナイ
ザーレンズへの幅方向位置の調整は、ミラーを用いたミ
ラー移動制御手段により行うことができる。このミラー
移動制御手段は、例えば、傾きの測定結果を受ける判定
部とミラーの移動を操作する操作部とによって構成する
ことができる。

【００１１】これらの方法による作用を説明すると、図
８に示すようにホモジナイザーレンズに入射するビーム
が左右対称でない場合、ホモジナイザーレンズによるビ
ームの傾きは、図８のＡ成分によって調整される。例え
ば、図９のように、Ａ成分を３分割し、合成点でのビー
ム形状をそれぞれａ１、ａ２、ａ３とすれば、ａ１、ａ
２、ａ３の成分の有無により、ホモジナイザーレンズに
より分割、合成されたビーム形状は、図１０のようにな
る。したがって、ａ１、ａ２、ａ３の成分を任意に除去
することによりビームの傾きを調整することができる。

【００１２】なお、上記波形の最大強度の測定、レーザ
出力の制御やビーム形状におけるビームの傾斜、ホモジ
ナイザーレンズへの幅方向における入射量の変更は、常
時行ってもよく、また定期的に行ったり、必要時に随時
行うものであってもよい。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の一実施形態を図
１〜図６に基づき説明する。レーザ出力部１には、レー
ザチューブ電極２ａ、２ａを配したレーザチューブ２が
設けられており、該チューブ２内にレーザ源としてハロ
ゲンガスが封入されており、上記レーザチューブ電極２
ａには、入力用の高圧電源３が接続されている。また、
レーザ出力部１のレーザ高出力側には、光路を遮蔽、開
放可能なシャッタ４が配置されており、さらに前方の光
路上にアッテネータ５、ミラー６が配置されており、ミ
ラー６の反射方向には、ホモジナイザーレンズ７が配置
されており、さらに光路前方に、ミラー８が配置されて
ビームを下方に向けて照射するように光学系が設計され
ている。なお、上記ミラー６には、ミラー駆動装置６ａ
が取り付けられており、ミラー６は、該ミラー駆動装置
６ａによって入射側のビームの光軸方向に沿って移動す
ることができる。また、上記ミラー８の下方には、基板
１０を載置する基板搬送装置１１が配置されており、該
基板搬送装置１１は図示しない駆動装置によりスライド
移動される。なお、基板１０はレーザアニールにより多
結晶化させるべく、表面にアモルファスシリコン薄膜を
形成したものである。

【００１４】また、ミラー８と基板１０へのレーザ光照
射位置との間には、両者間の光路上に任意に配置できる
ように測定用ミラー９が移動可能に配置されており、該
測定用ミラー９の反射方向に測定器１３が配置されてお
り、該測定器１３は、波形の最大強度測定手段１３ａと
してのバイプラナ光電管と傾き測定手段１３ｂとしての
ＣＣＤと傾き演算回路とを有している（それぞれは図示
しない）。そして最大強度測定手段１３ａの出力は、レ
ーザ光出力制御手段１４に加えられており、該制御手段
１４の制御信号は、高圧電源３に加えられている。な
お、レーザ光出力制御手段１４は、予め、レーザ光の１
パルスにおける所望の最大強度を目標値として定めてお
く設定部１４ａと、設定部１４ａでの目標値と測定値と
を比較して操作信号を送出する判定部１４ｂと、判定部
１４ｂでの操作信号に基づいて高圧電源３を操作する操
作部１４ｃとからなる。一方、傾き測定手段１３ｂの出
力は、傾き制御手段１５に加えられており、該制御手段
１５の制御信号は、ミラー駆動装置６ａに加えられてい
る。なお、傾き制御手段１５は、測定値から操作信号を
送出する判定部１５ｂと、判定部１５ｂでの操作信号に
基づいてミラー駆動装置６ａを操作する操作部１５ｃと
からなっている。

【００１５】以下に、本実施形態のアニール装置におけ
るレーザ光の測定方法について説明する。高圧電源３に
よって所定の電圧がチューブ電極２ａに加えられてお
り、該レーザチューブ２よりエキシマレーザ光が出力さ
れている。このレーザ光が光路上を進行しないように、
レーザ出口のシャッタ４を閉じる。そして、ミラー８と
基板１０との間の光路に、４５度に傾斜させた測定用反
射ミラー９を移動させ、最大強度測定手段１３ａにレー
ザ光が向かうようにする。この状態で、レーザ出口のシ
ャッタ４を開く。光路上を進行するレーザ光は、ミラー
６、ホモジナイザーレンズ７、ミラー８および測定用ミ
ラー９を介して最大強度測定手段１３ａに入射され、１
パルスでの最大強度が測定される。この測定値は、レー
ザ光出力制御手段１４に送出され、判定部１４ｂにおい
て予め設定部１４ａで定めた目標値と比較され、目標値
とのずれによって制御が必要とされる場合には、必要な
操作量を含めて操作信号が操作部１４ｃに送られる。操
作部１４ｃでは、この操作信号によって高圧電源３の電
源を増加または減少させ、レーザ光の最大強度が目標値
になるようにレーザ光の出力を調整する。

【００１６】次に、傾き測定手段１３ｂのＣＣＤによ
り、ビーム形状を測定する。ビーム形状は、例えば図４
に示すように、幅方向の位置と強度との関係を示すビー
ム形状として得られる。このビーム形状から、傾き演算
回路によってビーム形状の傾きを算出する。算出におい
ては、最小２乗法を用いる。得られた傾きのデータは傾
き制御手段１５に送出され、この傾きデータに基づいて
ミラー６に対する移動方向および移動量に基づく操作デ
ータが作り出される。このときには、例えば、図５に示
すように、予め、移動量と傾きとの関係を求めておき、
この関係から上記操作データを得ることができる。操作
部１５ｃでは、この操作データに基づいてミラー駆動装
置６ａを作動させ、ミラー６を必要な方向に必要な量だ
け移動させて、図６に示すようにホモジナイザーレンズ
７へのレーザ光１ａの入射位置を調整する。この結果、
ビーム１ａの一部がホモジナイザーレンズ７への入射可
能領域から外れてビームの一部が除去され、ビーム形状
の傾き調整がなされる。

【００１７】なお、ミラー６を移動させると、レーザ光
の強度にも影響があるため、再度、レーザ光の最大強度
を調整する前記操作を行うのが望ましい。上記により、
レーザ光の波形及びビーム形状が調整され、被処理物
（基板）に対するレーザ処理が均質かつ良好になされ
る。上記調整が終了した後は、レーザ出口のシャッタ４
を閉じ、測定用ミラー９を光路上から除くように移動さ
せ、再度シャッタ４を開ける。すると、レーザ光は、上
記で説明したように光路上を進行し、基板１０にライン
ビームが照射される。

【００１８】図７は、ビームの傾き調整のために、上記
実施形態におけるミラー６の移動に変えて、ホモジナイ
ザーレンズ７の手前にスリット１７ａ、１７ｂを配置し
たものであり、これらスリット１７ａ、１７ｂをビーム
１ａの光軸と交差する方向にスライドさせることによ
り、ホモジナイザーレンズ７に入射するビーム１ａの一
部を任意に除去することができる。例えば、図８に示し
たビームのａ１成分をスリット１７ａにより除去する
と、傾きが小さくなってほぼ均一化されたビーム波形が
得られる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のレーザ処
理装置の制御方法によれば、レーザ光の１パルス内での
最大強度を測定し、この測定に基づいて、上記最大強度
を制御量としてレーザ光の出力を制御するので、被処理
物に対する処理能力の変動を抑え、安定した処理を行う
ことができる。また、ラインビームのビーム形状長辺方
向における傾きを測定し、この測定に基づいて、上記傾
きが小さくなるように、ホモジナイザーレンズに対する
レーザ光の入射位置を幅方向に変化させたり、入射ビー
ムの一部を手前で除去したりすれば、ラインビームにお
ける処理のばらつきをなくして均一なレーザ処理を行う
ことができる。

【００２０】さらに本発明のレーザ処理装置は、ホモジ
ナイザーレンズと、このレンズのビーム進行方向手前に
配置されたミラーとを備え、前記ミラーでの反射および
ホモジナイザーレンズでの透過を経て被処理物にライン
ビームからなるパルスレーザ光を照射して被処理物の処
理を行うレーザ装置であって、被処理物に照射されるレ
ーザ光の波形１パルス内での最大強度を測定する強度測
定手段と長辺方向における傾きを測定する傾き測定手段
とを有し、さらに、前記強度測定手段の測定結果に基づ
きレーザ光の出力を制御するレーザ光出力制御手段と、
前記傾き測定手段の測定結果に基づき、ホモジナイザー
レンズへのレーザ光の幅方向における入射量または入射
位置を調整するレーザ光入射制御手段とを有するので、
上記制御方法を確実かつ自動的に行うことが可能にな
り、常に最適な状態でレーザ処理を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態を示す概略側面図であ
る。

【図２】 同じく概略平面図である。

【図３】 同じく測定器と制御手段との接続を示すブ
ロック図である。

【図４】 同じくラインビームのビーム形状を示すグ
ラフである。

【図５】 同じくラインビームのビーム形状の傾きと
ミラーとの位置関係を示すグラフである。

【図６】 同じくホモジナイザーレンズへのラインビ
ームの入射位置の変化をによるラインビームの一部除去
を示す概略図である。

【図７】 他の実施形態におけるラインビームの一部
除去を示す概略図である。

【図８】 傾きを持ったラインビームの一例を示す図
である。

【図９】 上記ラインビームの成分波形を示す図であ
る。

【図１０】 上記ラインビームの一部除去による波形の
変化を示す図である。

【図１１】 ホモジナイザーレンズの構造及び機能を示
す概略図である。

【図１２】 同じくホモジナイザーレンズによるビーム
波形の変化を示す図である。

【図１３】 レーザ光の１パルスの波形を示すグラフで
ある。

【符号の説明】

１ レーザ出力部 ２ レーザチューブ ２ａ チューブ電極 ３ 高圧電源 ４ シャッタ ５ アッテネータ ６ ミラー ７ ホモジナイザーレンズ ８ ミラー ９ 測定用ミラー １０ 基板 １１ 基板搬送装置 １３ 測定器 １３ａ 最大強度測定手段 １３ｂ 傾き測定手段 １４ レーザ光出力制御手段 １４ａ 設定部 １４ｂ 判定部 １４ｃ 操作部 １５ 傾き制御手段 １５ｂ 判定部 １５ｃ 操作部 １７ａ スリット １７ｂ スリット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 稲崎 聡 神奈川県横浜市緑区白山１−18−２ ラム ダフィジックジャパン株式会社内 (72)発明者 清水 宏 神奈川県横浜市緑区白山１−18−２ ラム ダフィジックジャパン株式会社内 Ｆターム(参考） 4E068 AH00 CA01 CA02 CA03 CA17 CC01 CD10 CD11 CD14 5F072 AA06 GG01 GG05 HH02 HH03 HH09 JJ05 KK05 KK30 MM01 MM05 MM08 MM09 SS06 YY06 YY08

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被処理物にパルスレーザ光の波形を照射
   して被処理物の処理を行うレーザ処理装置の制御方法で
   あって、前記レーザ光の１パルス内での最大強度を測定
   し、この測定に基づいて、上記最大強度を制御量として
   レーザ光の出力を制御することを特徴とするレーザ処理
   装置の制御方法
2. 【請求項２】 ホモジナイザーレンズを通して被処理物
   にラインビームからなるレーザ光を照射して被処理物の
   処理を行うレーザ処理装置の制御方法であって、前記ラ
   インビームのビーム形状辺方向における傾きを測定し、
   この測定に基づいて、上記傾きが小さくなるように、ホ
   モジナイザーレンズに入射するレーザ光ビームの一部を
   前記入射前に除去することを特徴とするレーザ処理装置
   の制御方法
3. 【請求項３】 ホモジナイザーレンズと、このレンズの
   ビーム進行方向手前に配置されたミラーとを備え、前記
   ミラーでの反射およびホモジナイザーレンズでの透過を
   経て被処理物にラインビームからなるパルスレーザ光を
   照射して被処理物の処理を行うレーザ装置であって、被
   処理物に照射されるレーザ光の波形１パルス内での最大
   強度を測定する強度測定手段と辺方向における傾きを測
   定する傾き測定手段とを有し、さらに、前記強度測定手
   段の測定結果に基づきレーザ光の出力を制御するレーザ
   光出力制御手段と、前記傾き測定手段の測定結果に基づ
   き、ホモジナイザーレンズへのレーザ光の幅方向におけ
   る入射量を調整するレーザ光入射制御手段とを有するこ
   とを特徴とするレーザ処理装置
4. 【請求項４】 レーザ光入射制御手段は、ミラーの移動
   によってホモジナイザーレンズへの入射位置および入射
   量を調整するものであることを特徴とする請求項３記載
   のレーザ処理装置
5. 【請求項５】 レーザ光入射制御手段は、ホモジナイザ
   ーレンズの入射側にスリットを配置し、このスリット幅
   を変更することによってホモジナイザーレンズへの射量
   を調整するものであることを特徴とする請求項３記載の
   レーザ処理装置