JP2000338447A - ビーム整形光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 細くて長尺の線状ビームを形成するするこ
と。 【解決手段】 ビーム整形光学系は、光ビームを分割し
て複数の２次光源を形成するシリンダアレイ群１０と、
分割された光ビームを重ね合わせて被照射面ＩＳ上に線
状ビームとして入射させるコンデンサーレンズ系２０と
を含む。コンデンサーレンズ系２０は、球面レンズ群２
１と、短軸断面に曲率を有するシリンドリカルレンズ群
２２とからなる。シリンドリカルレンズ群２２は、長軸
方向に母線を有するシリンドリカルレンズ２２ａと、シ
リンドリカルレンズ２２ｂとを含む。この場合、コンデ
ンサーレンズ系２０で短軸焦点距離ｆcwを長軸焦点距離
ｆclよりも小さい適当な値に設定するので、光路長を長
くしたり、光学系を複雑にすることなく、小さなビーム
幅Ｗで大きなビーム長Ｌの線状ビームを形成することが
できる。

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、照射光を線状ビ
ームとして対象面に入射させるシリンダアレイタイプの
ビーム整形光学系に関し、特にレーザーを利用したアニ
ーリング装置、表面改質装置等の各種加工装置に応用可
能なビーム整形光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えばアモルファスＳｉ膜を多結晶化す
るレーザーアニーリング装置は、アモルファスＳｉ膜を
形成した基板上にアニーリング光を照射させるためのビ
ーム整形光学系として、ホモジナイザーと呼ばれる光学
系を備える。レーザーアニーリング装置が線状のレーザ
ービームを基板上で短軸方向に１軸スキャン照射するス
キャンタイプのものである場合、矩形ビームから線状ビ
ームを形成する線状ビームホモジナイザーが用られる。

【０００３】このような線状ビームホモジナイザーは、
基板の大型化と高スループット化に伴って長尺化が要求
されている。また、線状ビームの長尺方向と直行する方
向すなわちビーム幅方向に関しては、これまで同様のエ
ネルギー密度を確保するため、ビーム長が大きくなった
分だけより線幅の小さなビームが要求されている。すな
わち、長尺方向はより長尺化、幅方向はより細線化とい
う極端なビーム形状が要求されるわけであるが、このよ
うな要求に応じる技術は、幅方向のエッジの急峻性と全
長尺範囲に渡っての均一性という両性質を満して初めて
実用的なものとなる。

【０００４】特開平１０−１５３７４６号公報には、長
尺方向をより長尺化し、幅方向をより細線化することを
目的として、線状ビームホモジナイザーで一旦均一化し
た線状ビームを形成し、この線状ビームをさらにイメー
ジングレンズで短軸方向に縮小し長軸方向に拡大する光
学系が開示されている。また、短軸方向と長軸方向でコ
ンデンサーレンズの均一面をずらすとともに短軸方向の
みをイメージングレンズ系で縮小し、短軸方向のイメー
ジング像面と長軸方向のコンデンサーレンズの均一化面
とを一致させた光学系も開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、両者には、光
路長が長くなり、光学系が複雑になるという問題があ
り、イメージングレンズ系の収差補正のため実際には大
型レンズが数枚必要となるという問題がある。

【０００６】そこで、本発明は、長尺で細い線状ビーム
を投射することができ、光路長が短く簡単な構造のビー
ム整形光学系を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のビーム整形光学系は、光源からの照射光を
分割するシリンダアレイ群と、分割された照射光を重ね
合わせて所定面上に線状（線条）ビームとして入射させ
るコンデンサーレンズ系とを含み、線状（線条）ビーム
の短軸断面におけるコンデンサーレンズ系の焦点距離を
ｆCWとし、線状（線条）ビームの長軸断面におけるコン
デンサーレンズ系の焦点距離をｆCLとするとき、 ｆCW＜ｆCL の条件を満たすことを特徴とする。

【０００８】この場合、コンデンサーレンズ系が ｆCW＜ｆCL の条件を満たすので、コンデンサーレンズ系として長軸
断面と短軸断面の焦点距離が等しい球面レンズを用いた
場合に比較して、線状ビームの短軸方向の幅が狭くな
り、線状ビームの長軸方向の長さが広くなる。よって、
長尺方向はより長尺化、幅方向はより細線化した線状ビ
ームを形成することができる。この際、コンデンサーレ
ンズ系とは別の光学系を設ける必要がなく、コンデンサ
ーレンズ系によって所定面上に線状ビームが直接投射さ
れるので、光路長が短くなるとともに、構造が簡単とな
る。

【０００９】上記ビーム整形光学系の好ましい態様で
は、コンデンサーレンズ系が、球面レンズ群と、短軸断
面に曲率を有するシリンドリカルレンズ群とを含むこと
を特徴とする。

【００１０】上記ビーム整形光学系の好ましい態様で
は、コンデンサーレンズ系が、短軸断面に曲率を有する
シリンドリカルレンズ群と、長軸断面に曲率を有するシ
リンドリカルレンズ群とを含むことを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】〔第１実施形態〕図１は、本発明
に係る第１実施形態のビーム整形光学系の構造を説明す
る図である。図１（ａ）は、線状ビームの長軸方向（す
なわち長尺方向）に関する図であり、図１（ｂ）は、線
状ビームの短軸方向（すなわち幅方向）に関する図であ
る。

【００１２】このビーム整形光学系は、照射光である光
ビームを発生するレーザー光源（図示を省略）からの光
ビームを線状にして所定強度で所定面である被照射面Ｉ
Ｓ上に入射させる線状ビームホモジナイザー（線状ビー
ムホモジナイザー）であり、光ビームを分割して複数の
２次光源を形成するシリンダアレイ群１０と、分割され
た光ビームを重ね合わせて被照射面ＩＳ上に線状ビーム
として入射させるコンデンサーレンズ系２０とを含む。

【００１３】シリンダアレイ群１０は、第１〜第４シリ
ンドリカルレンズアレイ１０ａ〜１０ｄからなる。ここ
で、第１及び第３シリンドリカルレンズアレイ１０ａ、
１０ｃは、線状ビームの短軸方向の断面に曲率を有する
複数のシリンドリカルレンズをそれらの母線に垂直な方
向に連結した構造を有する。また、第２及び第４シリン
ドリカルレンズアレイ１０ｂ、１０ｄは、線状ビームの
長軸方向の断面に曲率を有する複数のシリンドリカルレ
ンズをそれらの母線に垂直な方向に連結した構造を有す
る。第１及び第３シリンドリカルレンズアレイ１０ａ、
１０ｃは、これを構成するシリンドリカルレンズ（セグ
メント）の本数分だけ光ビームを短軸方向に分割し、第
２及び第４シリンドリカルレンズアレイ１０ｂ、１０ｄ
は、これを構成するシリンドリカルレンズの本数分だけ
光ビームを長軸方向に分割する。図示の例では、各シリ
ンドリカルレンズアレイ１０ａ〜１０ｄとも７つのシリ
ンドリカルレンズで構成されるので、シリンダアレイ群
１０に入射した光ビームは、７×７の２次光源に分割さ
れることになる。

【００１４】コンデンサーレンズ系２０は、球面レンズ
群２１と、短軸断面に曲率を有するシリンドリカルレン
ズ群２２とからなる。球面レンズ群２１は、この場合単
一の両凸レンズからなり、被照射面ＩＳからその焦点距
離だけ離れた位置に配置される。シリンドリカルレンズ
群２２は、長軸方向に母線を有する平凹のシリンドリカ
ルレンズ２２ａと、凸平のシリンドリカルレンズ２２ｂ
とを、これらの凹凸面が対向するように配置したもので
ある。この場合、長軸方向に関しては、シリンドリカル
レンズ群２２にパワーがないので、コンデンサーレンズ
系２０のバックフォーカス位置は被照射面ＩＳと一致す
る。一方、短軸方向に関しては、両シリンドリカルレン
ズ２２ａ、２２ｂの合成パワー及び配置を調節すること
により、球面レンズ群２１のバックフォーカス位置を被
照射面ＩＳと一致させている。

【００１５】以下、図１に示すビーム整形光学系による
結像について説明する。ビーム整形光学系に入射したレ
ーザービームは、第１及び第３シリンドリカルレンズア
レイ１０ａ、１０ｃと、第２及び第４シリンドリカルレ
ンズアレイ１０ｂ、１０ｄとによって、両軸方向に関し
てともにシリンドリカルンズのセグメント数だけ分割さ
れる。分割された光源は、コンデンサーレンズ系２０を
経て重ね合わされ、コンデンサーレンズ系２０のバック
クフォーカス位置である被照射面ＩＳに重畳した線状ビ
ームとして投影される。なお、既述のように、コンデン
サーレンズ系２０は、短軸及び長軸で焦点距離が異なっ
ているが、短軸及び長軸でバックフォーカス位置が一致
しているので、被照射面ＩＳ上で重ね合わせられた線状
ビームは均一になる。

【００１６】ここで、線状ビームの短軸及び長軸方向の
ビームサイズをそれぞれＷ及びＬとすると、詳細な説明
は省略するが、コンデンサーレンズ系２０のバックフォ
ーカス位置が被照射面ＩＳと一致することから、 Ｗ＝（ｆcw／ｆaw）ｄw …（１） Ｌ＝（ｆcl／ｆal）ｄl …（２） なる関係が成立する。ただし、 ｆcw：コンデンサーレンズ系２０の短軸方向の焦点距離 ｆcl：コンデンサーレンズ系２０の長軸方向の焦点距離 ｆaw：短軸方向のレンズアレイ１０ａ、１０ｃの合成焦
点距離 ｆal：短軸方向のレンズアレイ１０ｂ、１０ｄの合成焦
点距離 ｄw：短軸方向のレンズアレイを構成する１シリンドリ
カルレンズの幅 ｄl：短軸方向のレンズアレイを構成する１シリンドリ
カルレンズの幅 なお、本実施形態では、ｄ＝ｄw＝ｄlとして、両軸とも
レーザー光源からの光ビームを等分に分割している。

【００１７】式（１）、（２）について考えてみると、
パラメータｆcw、ｆcl、ｆaw、ｆal、ｄw、ｄlを適宜設
定することにより、理論上はあらゆるビームサイズを実
現できると考えることができる。しかし、実際上は所望
のビームサイズを得るために以下のような制限を受ける
ことになる。 （ａ）まず、ビーム長Ｌを大きくするには、式（２）よ
り、コンデンサーレンズ系２０の長軸焦点距離ｆclを大
きくするかレンズアレイの長軸合成焦点距離ｆaLを小さ
くすればよいことが分かるが、ｆalを小さくすることは
アレイの出射ＮＡを大きくすることになり、収差等の関
係から限度がある。したがって、ある程度以上のビーム
長Ｌを得るためにはｆclをある程度大きくせざるを得な
い。 （ｂ）また、ビーム幅Ｗを小さく絞る場合にも一定の制
限を受ける。レーザー光源から出射するレーザー光は、
完全に平行光ではなくある広がり角θを持っている。こ
こで、焦点距離ｆのレンズを考えると、レンズを通った
レーザー光のスポット径は、ｆθで与えられ、ｆに比例
する。実施形態のビーム整形装置において、最小のスポ
ット径すなわちビーム幅Ｗは、レンズアレイの短軸合成
焦点距離ｆawとコンデンサーレンズ系２０の短軸焦点距
離ｆcwとの合成焦点距離に比例することになるが、１mm
幅以下の線状ビームを作る場合、ｆaw＞＞ｆcwであり、
合成焦点距離はほぼｆcwに比例すると考えてよい。した
がって、コンデンサーレンズ系２０の短軸焦点距離ｆcw
をある程度小さくすれば、レーザー光の拡がり角θによ
ってビーム幅Ｗが広がる現象を抑制できる。また、アレ
イレンズを構成する各シリンドリカルレンズの偏芯のば
らつきも、スポット径の場合と同様にコンデンサーレン
ズ系２０の短軸焦点距離ｆcwに比例してビーム幅Ｗを広
げる要因となるので、コンデンサーレンズ系２０の短軸
焦点距離ｆcwを小さくすれば、アレイレンズの偏心によ
ってビーム幅Ｗが広がる現象を同様に抑制できる。

【００１８】以上の考察に基づき、本実施形態では、光
ビームを長軸方向に長尺化するとともに短軸方向により
細線化してより小さなビーム幅Ｗを得るため、コンデン
サーレンズ系２０の短軸焦点距離ｆcwを長軸焦点距離ｆ
clよりも小さくする。つまり、コンデンサーレンズ系２
０として、球面レンズ群２１のほかに、短軸方向のみに
作用するシリンドリカルレンズ群２２を付加してｆcw＜
ｆclの条件を満たすべく短軸方向の焦点距離を小さくし
ている。短軸方向の焦点距離は、シリンドリカルレンズ
群２２の合成焦点距離ｆc2を利用することにより、 で近似的に表現できる。ここで、ｄ12は、球面レンズ群
２１とシリンドリカルレンズ群２２との距離を表す。式
（３）からも明らかなように、シリンドリカルレンズ群
２２の合成焦点距離ｆc2と、球面レンズ群２１からの距
離とを適宜調節することによってｆcwをｆclに対して相
対的に小さい任意の値に設定することができる。

【００１９】図２は、コンデンサーレンズ系２０による
短軸方向の結像を概念的に説明する図である。このコン
デンサーレンズ系２０において、短軸方向のバックフォ
ーカス位置Ｆc1’と、長軸方向のバックフォーカス位置
Ｆcw’とを一致させるためには、 を満足するように、シリンドリカルレンズ群２２を構成
するシリンドリカルレンズを配置すればよい。なお、Ｓ
F’はシリンドリカルレンズ群２２からバックフォーカ
ス位置までの距離を表す。

【００２０】図３は、実施形態のビーム整形装置によっ
て被照射面ＩＳ上に投射される線状ビーム像の短軸方向
の断面形状を説明する図である。図３（ａ）は、短軸焦
点距離ｆcwが比較的大きな場合のプロファイルを示し、
図３（ｂ）は、短軸焦点距離ｆcwが比較的小さな場合の
プロファイルを示す。グラフにおいて、横軸は短軸方向
の距離を示し、縦軸は光ビームのパワーを示す。線状ビ
ーム像のスロープ幅ＢＳ1、ＢＳ2は、短軸焦点距離ｆcw
の値に応じて変化することが分かる。つまり、線状ビー
ム像のスロープ幅は、短軸焦点距離ｆcwを長軸焦点距離
ｆclよりも小さい適当な値に設定してやることにより、
レーザー光の広がり角やアレイレンズの偏心誤差の影響
を受けにくくなる。このことは、結果的にビーム断面形
状でのエッジのだれ（スロープ幅）を小さくして、スロ
ープの急峻な細いビームを得ることができることを意味
する。なお、長軸方向に関しては、低収差でビーム幅Ｗ
を大きくするため、焦点距離ｆwlを大きくする必要があ
ることから、線状ビームのスロープ幅が大きく緩やかな
勾配となるが、ビームの有効長に対する割合は小さいの
であまり間題にならない。

【００２１】以上の説明から明らかなように、本実施形
態のビーム整形装置によれば、コンデンサーレンズ系２
０において短軸焦点距離ｆcwを長軸焦点距離ｆclよりも
小さい適当な値に設定するので、光路長を長くしたり、
光学系を複雑にすることなく、小さなビーム幅Ｗで大き
なビーム長Ｌの線状ビームをコンデンサーレンズ系２０
によって直接形成することができる。具体的には、レー
ザー光の広がり角θが１mrad程度あっても、ビーム長Ｌ
を３００mm以上、ビーム幅Ｗを０．５mm以下にすること
ができる。

【００２２】〔第２実施形態〕図４は、第２実施形態の
ビーム整形光学系の構造を説明する図である。図４
（ａ）は、長軸方向に関する図であり、図４（ｂ）は、
短軸方向に関する図である。なお、第２実施形態のビー
ム整形光学系は、第１実施形態のビーム整形光学系であ
り、同一部分には同一の符号を付して重複説明を省略す
る。

【００２３】このビーム整形光学系は、シリンダアレイ
群１０によって分割された光ビームを重ね合わせて被照
射面ＩＳ上に線状ビームとして入射させるコンデンサー
レンズ系１２０を備える。このコンデンサーレンズ系１
２０は、線状ビームの短軸方向に母線を有する正のパワ
ーのシリンドリカルレンズ１２０ａと、長軸方向に母線
を有する正のパワーのシリンドリカルレンズ１２０ｂと
からなる。長軸方向に関しては、シリンドリカルレンズ
１２０ａのみがパワーを有するので、コンデンサーレン
ズ系１２０の焦点距離はシリンドリカルレンズ１２０ａ
の長軸方向に関する焦点距離ｆclと一致し、そのバック
フォーカス位置は被照射面ＩＳと一致する。短軸方向に
関しては、シリンドリカルレンズ１２０ｂのみがパワー
を有するので、コンデンサーレンズ系１２０の短軸方向
に関する焦点距離はシリンドリカルレンズ１２０ｂの短
軸方向の焦点距離ｆcwと一致し、そのバックフォーカス
位置は被照射面ＩＳと一致する。

【００２４】本実施形態のビーム整形装置によれば、シ
リンドリカルレンズ１２０ａのパワーをシリンドリカル
レンズ１２０ｂのパワーより小さくすることにより、短
軸焦点距離ｆcwを長軸焦点距離ｆclよりも小さい適当な
値に設定するので、光路長を長くしたり、光学系を複雑
にすることなく、小さなビーム幅Ｗで大きなビーム長Ｌ
の線状ビームを形成することができる。 〔第３実施形態〕図５は、第１実施形態や第２実施形態
と同様のビーム整形装置を組み込んだレーザーアニール
装置の構造を説明する図である。

【００２５】このレーザーアニール装置は、アモルファ
ス状Ｓｉ等の半導体薄膜を表面上に形成したガラス板で
あるワークＷＯを載置して３次元的に滑らかに移動可能
なステージ３０と、ワークＷＯ上の半導体薄膜を加熱す
るためのエキシマレーザーその他のレーザービームＬＢ
を発生するレーザー光源４０と、このレーザービームＬ
Ｂを線状にして所定の照度でワークＷＯ上に入射させる
ビーム整形装置１００と、ワークＷＯを載置したステー
３０をビーム整形装置１００等に対して必要量だけ相対
的に移動させる駆動手段であるステージ駆動装置６０
と、ステージ３０の移動位置を検出する位置センサー７
０と、レーザーアニール装置全体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。

【００２６】ビーム整形装置１００は、レーザービーム
ＬＢをＹ軸方向に延びる所定断面形状及び強度の線状ビ
ーム像としてワークＷＯ上に入射させる線状ビームホモ
ジナイザーであり、光ビームを分割して複数の２次光源
を形成するシリンダアレイ群１０と、分割された光ビー
ムを重ね合わせて被照射面ＩＳ上に線状ビームとして入
射させるコンデンサーレンズ系２０（１２０）と備え
る。なお、光学系の構成については、図１や図４に示す
ものと同様であるので、詳細な説明は省略する。

【００２７】以下、図５の装置の動作について説明す
る。まず、レーザーアニール装置のステージ３０上にワ
ークＷＯを搬送して載置する。次に、位置センサー７０
の出力に基づいてステージ駆動装置６０を動作させるこ
とにより、ビーム整形装置１００に対してステージ３０
をＸ軸方向に移動させながら、ビーム整形装置１００か
らのレーザービームＬＢをＹ方向に延びる線状ビーム像
としてワークＷＯ上に入射させる。これにより、レーザ
ービームＬＢによるワークＷＯ全面の走査が行われるこ
とになる。この際、簡単な構造で小型のビーム整形装置
１００によって線状ビーム像を長尺化しかつ細線化でき
るので、ワークＷＯの大型化に対応でき、レーザアニー
ルのスループットを高めることができる。

【００２８】以上、実施形態に即してこの発明を説明し
たが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではな
い。例えば上記実施形態のビーム整形装置１００、レー
ザーアニーリング装置だけでなく、表面改質装置等の各
種加工装置に応用可能である。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のビーム整形装置によれば、コンデンサーレンズ系がｆ
CW＜ｆCLの条件を満たすので、コンデンサーレンズ系と
して長軸断面と短軸断面が等しい球面レンズを用いた場
合に比較して、線状ビームの短軸方向の幅が狭くなり、
幅方向をより細線化した線状ビームを形成することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態のビーム整形
装置の構造を示す図である。

【図２】図１のコンデンサーレンズ系による結像を説明
する図である。

【図３】（ａ）は、比較的大きな拡がり角のプロファイ
ルを示し、（ｂ）は、比較的小さな拡がりのプロファイ
ルを示す。

【図４】第２実施形態のビーム整形装置の構造を説明す
る図である。

【図５】第３実施形態のビーム整形装置を組み込んだレ
ーザーアニール装置の構造を説明する図である。

【符号の説明】

１０ シリンダアレイ群 １０ａ,１０ｂ,１０ｃ,１０ｄ レンズアレイ ２０ コンデンサーレンズ系 ２１ 球面レンズ群 ２２ シリンドリカルレンズ群 ３０ ステージ ４０ レーザー光源 ６０ ステージ駆動装置 ７０ 位置センサー ８０ 主制御装置 １００ ビーム整形装置 １２０ コンデンサーレンズ系 １２０ａ,１２０ｂ シリンドリカルレンズ ＷＯ ワーク

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源からの照射光を分割するシリンダア
   レイ群と、 前記分割された照射光を重ね合わせて所定面上に線状ビ
   ームとして入射させるコンデンサーレンズ系とを含み、 前記線状ビームの短軸断面における前記コンデンサーレ
   ンズ系の焦点距離をｆCWとし、 前記線状ビームの長軸断面における前記コンデンサーレ
   ンズ系の焦点距離をｆCLとするとき、 ｆCW＜ｆCL の条件を満たすことを特徴とするビーム整形光学系。
2. 【請求項２】 前記コンデンサーレンズ系は、球面レン
   ズ群と、前記短軸断面に曲率を有するシリンドリカルレ
   ンズ群とを含むことを特徴とする請求項１記載のビーム
   整形光学系。
3. 【請求項３】 前記コンデンサーレンズ系は、前記短軸
   断面に曲率を有するシリンドリカルレンズ群と、前記長
   軸断面に曲率を有するシリンドリカルレンズ群とを含む
   ことを特徴とする請求項１記載のビーム整形光学系。