JP2002252182A - 照明光学系及びこれを備えるレーザー処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】優れた結像性能を有し、照度均一性が良く、細
い線幅の大きなアスペクト比の線状ビームを照射できる
照明光学系を提供すること。 【解決手段】レーザー光源１からの照射ビームの径を拡
大するアフォーカルなビームエキスパンダ系２と、少な
くとも第１の方向ｘに略直交する第２の方向ｙに屈折力
を有し、ビームエキスパンダ系２からの照射ビームを前
記第１の方向ｘに長手方向を有する線状ビームに結像す
る線状ビーム形成レンズ系３と、前記第１の方向ｘに沿
って配列された複数の要素レンズＥＬ１１等を有するレ
ンズアレイ部４と、前記線状ビームの前記各要素レンズ
ＥＬ１１等ごとの像を被処理面Ｉ２に重ね合わせて照射
するコンデンサ光学系５とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガラス基板等のア
ニール処理に好適な照明光学系及びこの光学系を備える
レーザー処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、非晶質珪素膜に対してレーザー光
を照射することで結晶化する技術が知られている。ま
た、不純物イオンの注入によって損傷した珪素膜の結晶
性の回復や注入された不純物イオンの活性化のためにレ
ーザー光を照射する技術が知られている。これらは、レ
ーザーアニール技術と呼ばれている。

【０００３】レーザーアニール法によるプロセスでは、
基板に対する熱ダメージが殆ど無いという特徴を有して
いる。この基板に対する熱ダメージの問題が無いという
特徴は、たとえば、ガラスなどの耐熱性の低い基板上に
半導体素子を形成する際に有利である。

【０００４】近年、液晶表示素子、特に大型の動画用液
晶表示素子では、コストの問題及び大面積化の要求から
基板としてガラス基板を利用することが望まれている。
このため、レーザーアニール法を用いれば、基板として
耐熱性の低いガラスを使用した場合でも、ガラス基板へ
の熱ダメージはほとんど無い。従って、ガラス基板を用
いても結晶性珪素膜を用いた薄膜トランジスタ等の半導
体素子を作成することができる。よって、レーザーアニ
ール法は、ガラス基板上に半導体回路を作る技術要素と
して将来期待されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】半導体回路等が形成さ
れるガラス基板は比較的大きな面積を持つものが多い。
これに対して、レーザー光は光源から射出された直後の
状態では、ビーム照射面積が小さい。このため、ビーム
形状を方形状や線状に加工して、所定領域を走査するこ
とが行われている。例えば、線状のビームをその長手方
向とは垂直に移動させ、ガラス基板上を走査させる。こ
れにより、比較的に短時間にガラス基板全体にアニール
を行う事が可能となる。

【０００６】このようなレーザーアニールに用いる線状
ビームを作る光学系が、例えば、特開平１０−２４４３
９２号公報に開示されている。特開平１０−２４４３９
２号公報では、ホモジナイザーと称される光学系を用い
てレーザービームを線状のビームに変換している。ホモ
ジナイザーには、非常に高い均一性を有する照度及び形
状の線状ビームを作る事が要求される。該公報では、複
数のシリンドリカルレンズからなる多シリンドリカルレ
ンズ系がホモジナイザイザーとして用いられている。そ
して、ホモジナイザイザーがビーム照度の均一性におい
て中心的な役割をする。

【０００７】多シリンドリカルレンズ系は、短冊状の各
シリンドリカルレンズを、その屈折力を有する方向に沿
って一列に並べたレンズ系である。通常の均一照明の際
に用いられるフライアイレンズと同様に、多シリンドリ
カルレンズ系に入射した光束は各シリンドリカルレンズ
で分割され、線状に集光される。この結果、シリンドリ
カルレンズの数と等しい数の線状像が形成される。この
線状像が新たな複数の２次線光源となり、レンズ（他の
シリンドリカルレンズ）を通して試料を照明する。試料
の照射面では複数の２次線光源からの光が重なりあって
平均化される。これにより、多シリンドリカルレンズ系
が配列された方向（屈折力を有する方向）の照度分布が
均一になる。

【０００８】また、特開平１０−２４４３９２号公報で
は、線状ビームの長手方向だけでなく、その幅方向に関
しても照度を均一にするため、多シリンドリカルレンズ
系を二つ用いている。

【０００９】しかしながら、上記公報に開示されたよう
にシリンドリカルレンズを多用することは以下に述べる
問題がある。シリンドリカルレンズは、通常の球面レン
ズに比較して加工が困難であり、かつ製造コストも増加
する。また、形状加工の精度も通常の球面レンズに比較
して非常に低い。そのため、実際の装置の製造を考慮す
ると、シリンドリカルレンズを多用する光学系は、製造
コストが増加することに加え、加工精度の点から高い要
求性能を満足できないおそれがある。

【００１０】また、上述したように大型の液晶ディスプ
レイの需要が増えていることに伴い、走査領域面積が大
型化している。このため、線状ビームの長さはより長い
ものが要求されるようになっている。ここで、ビーム線
幅一定のまま、ビームの長手方向の長さを長くすると、
照射面積が大きくなってしまう。従って、単位面積当た
りのエネルギー密度が小さくなる。この結果、試料にビ
ームを照射した時、アニールに必要な温度まで加熱する
事が困難になってしまう。そこで、試料照射時のエネル
ギー密度を上げるため、ビームの長手方向の長さを長く
するだけでなく、そのビーム線幅をも細くする事が必要
になる。

【００１１】さらに、細い線幅のビームが必要とされる
他の理由を以下に述べる。従来、レーザー光源として出
力パワーの大きいエキシマレーザーを使用することが多
い。しかし、エキシマレーザーは、高価で装置自体が大
型である。このため、より安価で、小型、かつ取扱いも
容易な固体レーザーを光源として使用することが望まれ
ている。この固体レーザーは、エキシマレーザーに比べ
ると出力エネルギーが低い。このため、照射面のエネル
ギー密度を増加するためには、より細い線幅のビームで
集光させる必要がある。よって、ビームの長手方向の長
さを長くするだけでなく、そのビーム線幅をも細くする
事が必要になる。

【００１２】上述のように、細い線幅の線状ビームの必
要性に伴い、これを達成するため線状ビームの長手方向
に高い結像性能を有する光学系が必要となる。このよう
な結像性能の要求の立場からも、上述の特開平１０−２
４４３９２号公報に開示された光学系では十分な仕様で
はない。

【００１３】特開平１０−２４４３９２号公報では、上
述したように短冊状のシリンドリカルレンズを複数有す
る多シリンドリカルレンズ系を二つ使用している。そし
て、多シリンドリカルレンズ系に続く一般にコンデンサ
ーレンズと呼ばれる光学系も多シリンドリカルレンズ系
から構成されている。

【００１４】このように、シリンドリカルレンズ群で光
学系を構成し、ビーム長手方向と短手方向とを各々異な
るパワー配置で光学系を構成する事は、長方形（線状）
のビームを作る際は、設計者にとって直感的に理解しや
すく、有効な設計方法であると考えられる。

【００１５】ところが、パワーの方向の異なるシリンド
リカルレンズを組み合わせた光学系に、平行光束が入射
すると各シリンドリカルレンズのパワーの方向と異なる
方向に進む光線が現われる。この光線の収差は単に直交
するパワーを組み合わせた光学系では容易に補正できな
い。従って、実際に光学系の収差を高いレベルで補正す
ることを目的とする場合は、この設計方法は好ましくな
い。

【００１６】例えば、単純に円形の断面を有する平行光
束を仮定する。次に、負（凹）のパワーを持つ第１シリ
ンドリカルレンズと、この第１シリンドリカルレンズの
後ろ（像側）に第１シリンドリカルレンズのパワーの方
向と直交する方向に正（凸）のパワーを持つ第２シリン
ドリカルレンズを配置する。そして、上記平行光束を、
第１と第２シリンドリカルレンズへ入射させて、線状に
集光する場合を考える。

【００１７】この場合、初めの負パワーを持つ第１シリ
ンドリカルレンズにより、光束は一方向にだけ発散す
る。また、次の正パワーを持つ第２シリンドリカルレン
ズにより、この発散光は、発散方向に垂直な方向に集光
される。ここで、負の第１シリンドリカルレンズを射出
した発散光のうち発散中心部の光は、正の第２シリンド
リカルに入射するとき、第２シリンドリカルレンズの母
線に対して垂直に入射する。一方、第１シリンドリカル
レンズを射出した発散光のうち発散方向周辺部の光は、
第２シリンドリカルレンズの母線に対して斜めに入射す
る。

【００１８】その結果、負の第１シリンドリカルレンズ
を射出した発散光の発散方向中心部の光と周辺部の光と
では正の第２シリンドリカルレンズに入射した後の光の
集光位置が異なる。この結果、線状に結像する際、線状
像中心部と周辺部とでは線幅が異なることになる。その
ため、シリンドリカルレンズから成る光学系ではこのよ
うなシリンドリカルレンズ特有の収差を補正する必要が
ある。

【００１９】上述のシリンドリカルレンズ特有の収差に
対して、一般の光学設計者は不慣れである。上記光線の
振舞いは、単にビーム短手（短軸）方向を含む面と長手
（長軸）方向を含む面だけでは表わす事ができない。直
交するパワーを持つシリンドリカルレンズの組み合わせ
のみで、シリンドリカルレンズに特有な上記収差を補正
する事は極めて困難である。また、仮に、該収差が補正
されたとしても、非常に多くのシリンドリカルレンズが
必要とされる事が予想される。

【００２０】以上説明したように、より細い線幅の線状
ビームを加工する場合、光学設計の手法の立場からも直
交するシリンドリカルレンズを多用する光学系は望まし
くない。

【００２１】また、特開平１０−２４４３９２号公報に
開示された光学系では、ビーム短手方向の照度均一性を
確保する構成になっている。しかし、この構成も細い線
幅の線状ビームを加工する事を考えると以下の理由によ
り望ましくない。

【００２２】まず、線幅方向の照度均一性の必要性につ
いて説明する。線幅方向の照度均一性を高めることは、
線状ビームの走査速度を高速化する場合に有効である。
線状ビームの走査方向の線幅が広い場合は、線状ビーム
の走査速度を速くしても、基板試料上の単位面積を線状
ビームが通過するのべ時間は長くなる。従って、基板試
料上の線状ビーム照射時間は、結晶化等の反応に十分な
ものとなる。このため、線状ビーム線幅が広いほど走査
速度を上げることができるので、アニールエ程の時間を
短縮できる。

【００２３】ところが、線状ビームの照度均一性が低い
場合は、ビーム幅の周辺部でエネルギーが低くなってし
まう。このため、線状ビームを走査したとき、線状ビー
ムの周辺部ではアニールの反応が起きない場合がある。
この場合は、細い線幅の線状ビームを走査するのと等価
となるので、走査速度を上げられなくなってしまう。

【００２４】上述したように、近年、より大きな面積の
液晶表示素子（ディスプレイ）が求められるようになっ
ている。従って、液晶表示素子の製造工程のスピード化
を図り、より広い面積の基板を加工する技術が望まれて
いる。また、上述したように、線状ビームの線幅を細く
するためには、高度に収差補正をすることが望ましい。
さらに、高度に収差補正された線幅の細い線状ビームを
加工することと、線状ビームの短手（線幅）方向に高い
照度均一性を得ることとを両立する事は非常に困難であ
る。従って、線状ビームの長手方向には照度均一性を高
くすること、及び線状ビームの短手方向には線幅を細く
することに関する光学性能だけに特化した光学系が望ま
れる。かかる観点からも、特開平１０−２４４３９２号
公報に開示された光学系は十分であるとは言えない。さ
らに、上述した光学系では、線状ビームの短手方向の照
度均一性を向上させるために、多シリンドリカルレンズ
系を用いている。該レンズ系の機能は、既に説明したよ
うに、光源からのビームを線幅方向に分割し、その分割
したビームの作る線状像を照射面で重ね合わせるもので
ある。そのため、照射面での線状像の線幅が細くなる
と、線状像の重ね合わせ精度は線状像幅より小さくする
必要がある。即ち、要求される線幅が細くなるに従っ
て、線状像の重ね合わせ精度も厳しくなる。よって、レ
ーザー処理装置の製造を考慮に入れると、被照射面での
線状像の照度分布の均一性を多少犠牲にしても、ビーム
の分割数を減らした方が望ましい。その際、アニール加
工の速度を多少低下させれば、線状像の線幅方向の照度
均一性を低下できるため、ビームの分割数も減らす事が
でき、より装置製造の立場からは望ましくなる。

【００２５】本発明は上記問題に鑑みてなされたもので
あり、優れた結像性能を有し、照度均一性が良く、細い
線幅の大きなアスペクト比の線状ビームを照射できる照
明光学系及び低コストで、製造容易、大面積を高速に処
理できるレーザー処理装置を提供することを目的とす
る。

【００２６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、レーザー光源１からの照射ビームの径
を拡大するアフォーカルなビームエキスパンダ系２と、
少なくとも第１の方向ｘに略直交する第２の方向ｙに屈
折力を有し、前記ビームエキスパンダ系２からの照射ビ
ームを前記第１の方向ｘに長手方向を有する線状ビーム
に結像する線状ビーム形成レンズ系３と、前記第１の方
向ｘに沿って配列された複数の要素レンズＥＬ１１，Ｅ
Ｌ１２，ＥＬ１３，ＥＬ２１，ＥＬ２２，ＥＬ２３を有
するレンズアレイ４と、前記線状ビームの前記各要素レ
ンズＥＬ１１，ＥＬ１２，ＥＬ１３，ＥＬ２１，ＥＬ２
２，ＥＬ２３ごとの像を被処理面Ｉ２に重ね合わせて照
射するコンデンサ光学系５とを有することを特徴とする
照明光学系を提供する。

【００２７】また、本発明の好ましい態様では、前記線
状ビーム形成レンズ系３は、前記第２の方向ｙに正の屈
折力を有するシリンドリカルレンズ３であることが望ま
しい。

【００２８】また、本発明の好ましい態様では、前記シ
リンドリカルレンズ３と前記レンズアレイ４と前記コン
デンサ光学系５との少なくとも１つを光軸ＡＸに沿って
移動可能であることが望ましい。

【００２９】また、本発明の好ましい態様では、前記レ
ンズアレイ４は、少なくとも第１サブアレイ部ＬＡ１と
第２サブアレイ部ＬＡ２とを有し、前記要素レンズＥＬ
１１，ＥＬ１２，ＥＬ１３，ＥＬ２１，ＥＬ２２，ＥＬ
２３は回転対称なレンズであり、前記第１サブアレイ部
ＬＡ１と前記第２サブアレイ部ＬＡ２とは、前記各サブ
アレイ部ＬＡ１，ＬＡ２の対応する前記各要素レンズＥ
Ｌ１１とＥＬ２１，ＥＬ１２とＥＬ２２，ＥＬ１３とＥ
Ｌ２３の光軸ＡＸ１１とＡＸ１２，ＡＸ，ＡＸ１３とＡ
Ｘ２３どうしがほぼ一致するように配列されていること
が望ましい。

【００３０】また、本発明の好ましい態様では、前記コ
ンデンサ光学系５は、前記被処理面Ｉ２側に、前記第２
の方向ｙに正の屈折力を有する他のシリンドリカルレン
ズ７を有することが望ましい。

【００３１】また、本発明は、レーザー光を供給するレ
ーザー光源１と、請求項１乃至５の何れか一項に記載の
照明光学系と、前記被処理面Ｉ２と前記照射された線状
ビームとを相対的に移動する走査移動部６とを有するレ
ーザー処理装置を提供する。

【００３２】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段の項では、本発明を分かり易くする
ために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本
発明が実施の形態に限定されるものではない。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づいて本発明
の実施の形態を説明する。 （第１実施形態）図１（ａ），（ｂ）は第１実施形態に
かかるレーザー処理装置の概略構成を示す図である。固
体レーザー１から射出した断面がほぼ円形のレーザービ
ームは、アフォーカルなビームエクスパンダー２により
光束径を拡大され、直径の大きなコリメート光に変換さ
れる。コリメート光Ｌは、シリンドリカルレンズ３に入
射する。シリンドリカルレンズ３は、ｘ方向には屈折力
を有せず（ノンパワーな面）、該ｘ方向にほぼ直交する
ｙ方向に正の屈折力を有している。このため、シリンド
リカルレンズ３を透過した光は、中間結像面Ｉ１にｘ方
向を長手方向とする線状に集光される。

【００３４】ここで、固体レーザー１から射出された断
面がほぼ円形のレーザービームの強度分布は、ガウス分
布を有している。そして、円形ビームをシリンドリカル
レンズ３で線状像に変換しているため、線状像の中心部
分の照度が強く、周辺部分の照度が低くなっている。従
って、中間像面Ｉ１で形成された線状像はｘ方向に照度
分布を持つ不均一な線状像である。

【００３５】中間結像面Ｉ１のすぐ最終像側には、第１
サブレンズアレイ部ＬＡ１と第２サブレンズアレイ部Ｌ
Ａ２とからなるレンズアレイ４が設けられている。図３
はレンズアレイ４の構成を示す図である。ここで、第１
サブレンズアレイ部ＬＡ１と、第２サブレンズアレイ部
ＬＡ２とは同一の構成であるので、第１サブレンズアレ
イ部ＬＡ１を例にして説明し、重複する説明は省略す
る、第１サブレンズアレイ部ＬＡ１は、複数の要素レン
ズＥＬ１１，ＥＬ１２，ＥＬ１３を有している。各要素
レンズＥＬ１１等は、その光軸ＡＸ１１等に関して回転
対称な形状である。これら各要素レンズＥＬ１１等は、
シリンドリカルレンズ３が屈折力を有していないｘ方向
に沿って一列に配列されている。

【００３６】また、第１サブレンズアレイ部ＬＡ１と第
２サブレンズアレイ部ＬＡ２とは、第１サブレンズアレ
イ部ＬＡ１の要素レンズＥＬ１１の光軸ＡＸ１１と、第
２サブレンズアレイ部ＬＡ２の対応する要素レンズＥＬ
２１の光軸ＡＸ２１とが一致するように配置されてい
る。その他の要素レンズＥ１２等に関しても同様であ
る。

【００３７】図１（ａ），（ｂ）に戻って、レンズアレ
イ４の像側には、コンデンサーレンズ５が配置されてい
る。レンズアレイ４とコンデンサーレンズ５とで結像系
を構成する。この結像系により、シリンドリカルレンズ
３が中間像面Ｉ１に形成した線状像を、ガラス基板Ｇ上
の被照射面（被処理面）Ｉ２に結像する。即ち、シリン
ドリカルレンズ３が形成した線状像の位置と被照射面Ｉ
２の位置とが共役になっている。

【００３８】また、レンズアレイ４とコンデンサーレン
ズ５とから成る光学系は、結像系であると共に、シリン
ドリカルレンズ３が形成した中間像面Ｉ１における照度
が不均一な線状像を、最終像面である被照射面Ｉ２にお
いて均一な照度分布を有する線状像に変換する役割を有
している。被照射面Ｉ２において、均一な照度分布の線
状像を作る原理は、上述した一般の均一照明をする際用
いられるフライアイレンズの原理と同様である。即ち、
レンズアレイ４は、シリンドリカルレンズ３が形成した
面Ｉ１の線状像からの光を分割する。本実施形態では、
３つの要素レンズＥＬ１１，ＥＬ１２，ＥＬ１３で３分
割している。そして、分割された線状像をコンデンサー
レンズ５で被照射面Ｉ２上で重ね合わせて結像する。こ
の結果、各要素レンズに対応するそれぞれの線状像の平
均化の効果により、均一な照度の線状像を得ることがで
きる。

【００３９】次に、この重ね合わせによる照度均一化に
ついて図１（ａ），（ｂ）をもとにさらに詳しく説明す
る。

【００４０】図１（ａ）に示すように、シリンドリカル
レンズ３が屈折力を有さないｘ方向では、平行光束Ｌが
レンズアレイ４に入射する。そして、各要素レンズに対
応して集光位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３へ集光する。また、図
１（ｂ）に示すように、シリンドリカルレンズ３が屈折
力を有するｙ方向では、シリンドリカルレンズ３の焦点
位置とレンズアレイ４の焦点位置は略一致するように配
置されている。これにより、シリンドリカルレンズ３で
線状に集光された光は、レンズアレイ４でアフォーカル
な平行光束に変換されて射出する。そして、図１
（ａ），（ｂ）から分かるように、集光位置Ｐ１，Ｐ
２，Ｐ３に線状に集光した光は、それぞれ新たな線光源
を形成する。そして、これらの線光源からの光は、それ
ぞれコンデンサーレンズ５を経て、ガラス基板Ｇ上の被
照射面Ｉ２上の同じ位置に重なり合って線状像を形成す
る。

【００４１】被照射面Ｉ２上における線状像の照度分布
は、レンズアレイ４の要素レンズＥＬ１１等によって３
分割された光の照度分布を重ね合わせたものとなる。例
えば、要素レンズＥＬ１１とＥＬ２１とを透過した光が
被照射面Ｉ２に形成する線状像は、シリンドリカルレン
ズ３が中間像面Ｉ１に形成した線状像を３分割したとき
の１／３の部分Ｌ１の像である。光軸ＡＸ上の要素レン
ズＥＬ１２とＥＬ２２とを透過した光が被照射面Ｉ２に
形成する線状像は、シリンドリカルレンズ３が中間像面
Ｉ１に形成した線状像を３分割したときの１／３の部分
Ｌ２の像である。要素レンズＥＬ１３とＥＬ２３とを透
過した光が被照射面Ｉ２に形成する線状像は、シリンド
リカルレンズ３が中間像面Ｉ１に形成した線状像を３分
割したときの１／３の部分Ｌ３の像である。このため、
レンズアレイ４により３分割された光が被照射面Ｉ２に
形成する線状像の照度分布は、光束Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が
有する互いに異なる照度分布の重ね合わせであることが
分かる。

【００４２】また、シリンドリカルレンズ３が中間像面
Ｉ１に形成する線状像の照度分布は光軸ＡＸに対して対
称である。このため、図１（ａ）に示すように、線状像
を３分割すると、レンズアレイ４の光軸ＡＸから遠い両
端の二つの要素レンズＥＬ１１，ＥＬ１３が形成する線
状像の照度分布は、互いに反対称の照度分布となる。従
って、３分割された３つの線状像が被照射面Ｉ２上で重
なり合うと照度分布が平均化され、非常に均一性の高い
照度分布を得ることができる。

【００４３】なお、本実施形態では、要素レンズが３個
の場合を示したが、２個の場合でも同様の効果が得られ
る。また、要素レンズの数を多くしてビームの分割数を
多くすればするほど、平均化の効果が向上し、均一な照
度分布の線状像を形成する事ができる。

【００４４】次に、より細い線幅を有する線状像を形成
するために必要な結像性能（収差）について説明する。

【００４５】シリンドリカルレンズ３で形成した線状像
を、レンズアレイ４とコンデンサーレンズ５とからなる
光学系で被照射面Ｉ２に結像している。このため、諸収
差の発生源は、シリンドリカルレンズ３と、レンズアレ
イ４と、コンデンサーレンズ５とである。

【００４６】この中で、シリンドリカルレンズ３に入射
する光は平行光であること、その入射方向も一方向のみ
であることから、当該シリンドリカルレンズ３で発生す
る収差は単に球面収差に相当するものだけである。従っ
て、シリンドリカルレンズ３の収差の補正は、通常の軸
対称な光学系のように、正負（凸凹）の二枚のシリンド
リカルレンズを組み合わせる事により容易に補正でき
る。

【００４７】次に、レンズアレイ４とコンデンサーレン
ズ５とからなる光学系については、上述したように結像
系を構成している。従って、この結像光学系全体で収差
が補正されていなげればならない。そして、この結像光
学系全体の収差補正を行う場合、レンズアレイ４で発生
する収差量が問題となる。

【００４８】レンズアレイ４は、上述のように、均一照
明の際に用いられるフライアイレンズの機能と同様の機
能を果たしている。そして、通常のフライアイレンズが
構造上やむをえないように、個々の要素レンズは一つの
単レンズ成分から構成されている。そのため、レンズア
レイ４の要素レンズＥＬ１１等を一つの単レンズ成分か
ら構成する場合、該レンズで大きな収差が発生する。そ
こで、このレンズアレイ４で発生した収差をコンデンサ
ーレンズ５で補正する事を試みる。しかしながら、一列
に配置された各要素レンズＥＬ１１等の収差を同時に補
正することは非常に困難である。図１（ａ）から分かる
ように、レンズアレイ４から射出した光は線状に結像し
てコンデンサーレンズ５に入射する。そして、レンズア
レイ４のそれぞれの要素レンズから射出した光は、異な
る高さからコンデンサーレンズ５に入射する。しかし、
各要素レンズで発生する収差の形は同じなので、コンデ
ンサーレンズ５において異なる光路を通過する光に対し
て同じ形の収差を補正しなければならない。かかる収差
補正は非常に困難なことである。

【００４９】そこで、本実施形態のように、レンズアレ
イ４を第１サブレンズアレイＬＡ１と第２サブレンズア
レイＬＡ２とからなる二枚ダブレットレンズで構成する
事により、レンズアレイ４での収差を十分補正する事が
できる。また、二枚ダブレットレンズのレンズアレイ４
と、収差が十分補正されたコンデンサーレンズ５と組み
合わせれば、レンズアレイ４とコンデンサーレンズ５と
から成る結像系は十分な結像性能を有することができ
る。このため、シリンドリカルレンズ４で形成された線
状像を十分に細く被照射面Ｉ２に結像する事が可能とな
る。なお、コンデンサーレンズ５の収差を十分補正する
事が、容易であるのはこれが軸対称な通常の光学系であ
ることから明らかである。

【００５０】また、本実施形態の場合、レンズアレイ４
をダブレットレンズから構成する事が容易なのは、通常
のフライアイレンズが二次元の配置であるのに対して、
本実施形態のレンズアレイ４は一次元の配列だからであ
る。一次元のレンズアレイの場合、各レンズの保持をレ
ンズ側面から行うことができるので、個々のレンズを２
枚構成にしてもその保持が容易である。加えて、要素レ
ンズの並ぶｙ方向（シリンドリカルレンズ３が屈折力を
有する方向）にレンズアレイをシフトすることができ
る。これにより、線状像の幅方向（ｙ方向）のレンズの
アライメントによる収差を取ることができる。

【００５１】また、本実施形態で一次元レンズアレイを
用いる事ができるのは、上述したように、本発明が線状
像の照度均一性を長手方向のみ優先し、線幅方向の均一
性を犠牲に、線幅を細くすることに特化したものである
からである。そして以上から分かるように本発明のこの
ような選択が正しい事が分かる。

【００５２】なお、コストは増加するがレンズアレイ４
の個々の要素レンズを４枚以上とし、さらに結像性能を
上げることも可能である。

【００５３】また、本実施形態では、シリンドリカルレ
ンズ３を光軸ＡＸに沿って移動する第１移動機構部ＭＶ
１、レンズアレイ４を光軸ＡＸに沿って移動する第２移
動機構部ＭＶ２、コンデンサレンズ５を光軸ＡＸに沿っ
て移動する第３移動機構部ＭＶ３を有することが望まし
い。これにより、各レンズ３，４，５の位置を変えるこ
とで、デフォーカスさせて線状像の線幅を変えることが
できるという効果を奏する。なお、何れか一つのレンズ
を移動させても良いことはいうまでもない。 （第２実施形態）図２（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態
にかかるレーザー処理装置の概略構成を示す図である。
コンデンサーレンズ５と被照射面Ｉ２との間に、正
（凸）パワーを持つシリンドリカルレンズ７が新たに付
加されている。その他の構成は上記第１実施形態と同様
であるので同一部分には同様の符号を用い、重複する説
明は省略する。

【００５４】本実施形態では、シリンドリカルレンズ３
によって形成される線状像が再度被照射面Ｉ２上に形成
されるように構成する。即ち、シリンドリカルレンズ３
が作る線状像と被照射面Ｉ２とが共役になるようにす
る。このため、上記第１実施形態に比較してシリンドリ
カルレンズ３が形成する線状像の位置（中間像面）Ｉ１
をレンズアレイ４側にデフォーカスしている。

【００５５】かかるシリンドリカルレンズ７を設けたこ
とにより、レンズ設計する上で線状像の線幅方向の焦点
距離を更に自由に変える事ができる。

【００５６】線状像の線幅を問題にする場合、レーザー
光源１の射出特性等のため線幅方向（ｙ方向）の焦点距
離は重要である。一般には、レーザー光源１からの光は
理想的な平行光が一定の方向に射出されると考えられ
る。しかし、実際はレーザー光源１からの光は完全な平
行光でない。また、光源１から発振される光の方向にも
時間的なばらつきがある。

【００５７】次に、本レーザー処理装置の場合、このよ
うなレーザー光源１の発振特性が光学系の性能に影響す
る度合いを説明する。例えば、レーザー光源１から射出
された光が完全な平行光でなく、その波面がうねってお
り、角度θのスロープの収差を持っていると仮定する。
また、この時、レーザー光源１の開口ＡＰから被照射面
Ｉ２までの光学系の焦点距離をｆとする。この場合、レ
ーザー光の収差は照射面Ｉ２上で、ｆ・θの横収差とな
る。この結果、被照射面Ｉ２での線状像の線幅がｆ・θ
分だけ大きくなる。

【００５８】同様に、光源１のビームの出射角のばらつ
きをΦとする。この場合、被照射面Ｉ２での線状像の位
置のばらつきはｆ・Φとなる。このため、レーザーの波
面の乱れなどの影響を抑えるためには、光学系の焦点距
離はなるべく短いことが望ましい。しかし、光学系の焦
点距離が短いと作動距離（ワーキングディスタンス）を
確保するのが困難になる。従って、機械的な制約を満足
するのが難しくなる。このように、光学系を設計する
際、焦点距離を最適な値にする事は必須である。

【００５９】上記第１実施形態において焦点距離を変え
る場合、レンズアレイ４とコンデンサーレンズ５とから
成る結像光学系の倍率（レンズアレイ４から被照射面Ｉ
２までの倍率）を変えること、又はシリンドリカルレン
ズ３の焦点距離を変えることの何れかを行う必要があ
る。しかし、レンズアレイ４とコンデンサーレンズ５と
は共に光軸ＡＸに対して対称な光学系である。このた
め、図１（ａ）のｘ方向の焦点距離を変えるために結像
光学系の倍率を変更すると、同時に被照射面Ｉ２に形成
される線状像の長さも変わってしまう。また、シリンド
リカルレンズ３の焦点距離を変えた場合、レンズアレイ
４に入射する光の開口数（ＮＡ）が変わる。そのためレ
ーザー光源１から被照射面Ｉ２までの焦点距離を短くし
ようとすると、このＮＡが大きくなる。このため、ここ
で発生する収差の補正が困難となると同時に、レンズア
レイ４で発生する収差も増加する。

【００６０】そこで、本実施形態のように、コンデンサ
ーレンズ５と被照射面Ｉ２との間にシリンドリカルレン
ズ７を追加すると、シリンドリカルレンズ３、レンズア
レイ４、コンデンサーレンズ５の各焦点距離を収差補正
を優先に選択した場合にあっても、シリンドリカルレン
ズ７で全体の焦点距離を設定できる。このため、線状像
の長さを一定のまま、諸収差も増加させることなく、光
源１の特性に応じた光学系を得られるという効果を奏す
る。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、優れた
結像性能を有し、照度均一性が良く、細い線幅の大きな
アスペクト比の線状ビームを照射できる照明光学系を提
供できる。また、本発明では、低コストで、製造容易、
大面積を高速に処理できるレーザー処理装置を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ），（ｂ）は第１実施形態にかかるレーザ
ー処理装置の概略構成を示す図である。

【図２】（ａ），（ｂ）は第２実施形態にかかるレーザ
ー処理装置の概略構成を示す図である。

【図３】レンズアレイの構成を示す図である。

【符号の説明】

１…レーザー光源 ２…ビームエクスパンダー ３…シリンドリカルレンズ ４…レンズアレイ ＬＡ１，ＬＡ２…サブレンズアレイ部 ＥＬ１１〜ＥＬ２３…要素レンズ ５…コンデンサーレンズ ６…走査移動部 ７…シリンドリカルレンズ Ｉ１、Ｉ２…像面 Ｇ…ガラス基板 ＡＸ…光軸 ＡＰ…レーザー開口部

フロントページの続き (72)発明者 正木 みゆき 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社東京エンジニアリング センター内 (72)発明者 八木 武人 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社東京エンジニアリング センター内 Ｆターム(参考） 4E068 AH00 CD05 CD14 CE02 CE04 DA10 5F052 AA02 BA07 BB07 CA07

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザー光源からの照射ビームの径を拡大
   するアフォーカルなビームエキスパンダ系と、 少なくとも第１の方向に略直交する第２の方向に屈折力
   を有し、前記ビームエキスパンダ系からの照射ビームを
   前記第１の方向に長手方向を有する線状ビームに結像す
   る線状ビーム形成レンズ系と、 前記第１の方向に沿って配列された複数の要素レンズを
   有するレンズアレイ部と、 前記線状ビームの前記各要素レンズごとの像を被処理面
   に重ね合わせて照射するコンデンサ光学系と、を有する
   ことを特徴とする照明光学系。
2. 【請求項２】前記線状ビーム形成レンズ系は、前記第２
   の方向に正の屈折力を有するシリンドリカルレンズであ
   ることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 【請求項３】前記シリンドリカルレンズと前記レンズア
   レイ部と前記コンデンサ光学系との少なくとも１つを光
   軸に沿って移動可能であることを特徴とする請求項２に
   記載の照明光学系。
4. 【請求項４】前記レンズアレイ部は、少なくとも第１サ
   ブアレイ部と第２サブアレイ部とを有し、 前記要素レンズは回転対称なレンズであり、 前記第１サブアレイ部と前記第２サブアレイ部とは、前
   記各サブアレイ部の対応する前記各要素レンズの光軸ど
   うしがほぼ一致するように配列されていることを特徴と
   する請求項１に記載の照明光学系。
5. 【請求項５】前記コンデンサ光学系は、前記被処理面側
   に、前記第２の方向に正の屈折力を有する他のシリンド
   リカルレンズを有することを特徴とする請求項１に記載
   の照明光学系。
6. 【請求項６】レーザー光を供給するレーザー光源と、 請求項１乃至５の何れか一項に記載の照明光学系と、 前記被処理面上の線状ビームと前記被処理面とを相対的
   に移動する走査移動部とを有することをレーザー処理装
   置。