JP2003203874A

JP2003203874A - レーザ照射装置

Info

Publication number: JP2003203874A
Application number: JP2002003609A
Authority: JP
Inventors: Kimihiro Taniguchi; 仁啓谷口; Tetsuya Inui; 哲也乾; Junichiro Nakayama; 純一郎中山
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-01-10
Filing date: 2002-01-10
Publication date: 2003-07-18

Abstract

(57)【要約】【課題】エネルギ変換効率が良く、かつ高精度の加工
や均一な表面改質を可能とするレーザ照射装置を提供す
る。【解決手段】レーザ光源が出射したレーザ光を、均一
化光学素子９、照明光学素子５、マスク６に形成された
透過部、対物レンズ７を順次通して、上記透過部の像と
して照射対象物８に結像させる。均一化光学素子９は、
入射したレーザ光のコヒーレンシィを維持したまま、レ
ーザ光の進行方向９０と垂直な面内での上記レーザ光の
強度分布を均一化する。照明光学素子５は入射したレー
ザ光を複数に分割して、実質的に平行な方向に出射す
る。マスク６はレーザ光の進行方向９０と垂直な面内に
複数の透過部を有し、これらの透過部が照明光学素子５
からの対応するレーザ光をそれぞれ透過させるようにな
っている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はレーザ照射装置に
関する。より詳しくは、レーザ光源が出射したレーザ光
を、マスクに形成された透過部と対物レンズとを順次通
して、上記透過部の像として対象物（これを「照射対象
物」と呼ぶ。）に結像させるレーザ照射装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、レーザ照射装置は、プリンタヘッ
ドの微細穴加工、アモルファスシリコンのアニールな
ど、各種材料の微細加工や表面改質等に用いられてい
る。

【０００３】図１０に示すように、従来のレーザ照射装
置としては、主な構成要素として、レーザ光源としての
レーザ発振器１０１と、均一照明素子（ホモジェナイ
ザ）１１１と、マスク１０６と、対物レンズ１０７を、
この順に光路上に備えたものが知られている。レーザ発
振器１０１が出射したレーザ光は、反射ミラー１０２
Ａ、可変減衰器１０３、ビーム整形素子（エキスパン
ダ）１０４、反射ミラー１０２Ｂを介して、均一照明素
子１１１に入射する。均一照明素子１１１は上記レーザ
光の進行方向１９０と垂直な面内での上記レーザ光の強
度分布を均一にする。均一照明素子１１１を通過したレ
ーザ光は、視野レンズ（フィールドレンズ）１２を通し
てマスク１０６に入射する。マスク１０６は、入射した
レーザ光のうち不必要な部分を遮り、必要な部分だけを
通過させる。マスク１０６を通過したレーザ光は、反射
ミラー１０２Ｃを介して対物レンズ１０７に入射する。
対物レンズ１０７は、入射したレーザ光をマスク１０６
の像として照射対象物１０８に結像させる。

【０００４】図１１に示すように、上記均一照明素子１
１１は、数個のシリンドリカルレンズ部を有するレンズ
アレイ１１１ａ，１１１ｂを含み、入射したレーザ光を
これらのレンズアレイ１１１ａ，１１１ｂによって複数
に分割する。これらの複数のレーザ光は、凸レンズ１１
１ｃを介してマスク１０６内の有効領域１０６ｅの全領
域を照明する。複数のレーザ光が同一領域１０６ｅに重
ね合わされるので、進行方向１９０と垂直な面内でのレ
ーザ光の強度分布が均一化される。なお、一般的なエキ
シマレーザのように、出射するビームの形状が矩形であ
るレーザ発振器を備えたレーザ照射装置の場合、均一照
明素子として、直交する２組のシリンドリカルレンズア
レイを用いた均一照明素子が適する。

【０００５】マスク１０６は、照射対象物１０８に施す
加工形状または表面改質等の照射条件に応じて、入射レ
ーザ光を遮る遮光部と、入射レーザ光を透過する透過部
（空間である場合を含む。）とを有している。

【０００６】対物レンズ７は、マスク１０６の像が照射
対象物１０８に所定の倍率で結像するように配置され
る。マスク面を照明するレーザ光の強度分布が均一照明
素子１１１によって進行方向１９０と垂直な面内で均一
化されているので、照射対象物１０８に照射されるレー
ザ光の強度分布も均一になり、高精度の加工や均質な表
面改質を行うことができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のタイ
プのレーザ照射装置では、レーザ光の利用効率、つまり
レーザ発振器１０１が出射したレーザ光のうち照射対象
物１０８に照射される割合が、マスク有効領域１０６ｅ
の総面積に対する透過部の面積の割合と比例する。例え
ば表面改質用途のレーザ照射装置では、マスク有効領域
１０６ｅの総面積に対する透過部の面積の割合は数％〜
２０％程度である。つまり、マスク１０６に入射したレ
ーザ光の大部分がマスク１０６（の遮光部）に遮られ、
照射対象物１０８に照射される割合が少ない。このた
め、従来のレーザ照射装置では、レーザ光の利用効率が
低いという問題がある。

【０００８】そこで、図１０に示すレーザ照射装置のレ
ーザ光の利用効率を向上させるための方法として種々の
提案がなされている。特開平９−２４８６８６号公報に
は、ホログラム素子を用いてマスク面を個別に照明する
技術が開示されている。しかしながら、この技術は、照
射対象物の各部位に照射されるレーザ光の強度分布の
差、すなわち照射ムラが大きく、高精度の加工や均質な
表面改質ができない。

【０００９】また、照射ムラを改善するために、特開平
１１−７７３４４号公報には、レーザ発振器に不安定共
振器を備える技術が開示されている。しかしながら、不
安定共振器を備えるレーザ発振器は、通常のレーザ発振
器に比して、入力エネルギに対して出力するレーザ光の
エネルギが弱い。このため、レーザ照射装置全体として
エネルギ変換効率（レーザ発振器への入力エネルギと照
射対象物に照射されるレーザ光のエネルギとの比）が悪
くなる。

【００１０】そこで、この発明の課題は、レーザ光の利
用効率およびエネルギ変換効率を高めることができるレ
ーザ照射装置を提供することにある。また、この発明の
課題は、レーザ光の利用効率およびエネルギ変換効率を
高めることができる上、高精度の加工や均一な表面改質
を行うことができるレーザ照射装置を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、この発明のレーザ照射装置は、レーザ光源が出射し
たレーザ光を、照明光学素子、マスクに形成された透過
部、対物レンズを順次通して、上記透過部の像として照
射対象物に結像させるレーザ照射装置であって、上記照
明光学素子は、入射したレーザ光を複数に分割して、実
質的に互いに平行な方向に出射し、上記マスクは上記レ
ーザ光の進行方向と垂直な面内に複数の透過部を有し、
これらの透過部が上記照明光学素子からの対応するレー
ザ光をそれぞれ透過させるようになっていることを特徴
とする。

【００１２】ここで、「透過部」は、単に穴やスリット
が空いているだけの「空間」であっても良い。

【００１３】この発明のレーザ照射装置では、レーザ光
源が出射したレーザ光は、照明光学素子に入射する。こ
の照明光学素子は、入射したレーザ光を複数に分割し
て、実質的に互いに平行な方向に出射する。照明光学素
子が出射したレーザ光は、マスクに入射する。このマス
クは、上記レーザ光の進行方向と垂直な面内に複数の透
過部を有している。そして、これらの透過部が上記照明
光学素子からの対応するレーザ光をそれぞれ透過させ
る。マスクを通過したレーザ光は、対物レンズに入射す
る。対物レンズは、入射したレーザ光を上記マスクの透
過部の像として照射対象物に結像させる。

【００１４】このように、この発明のレーザ照射装置で
は、マスクの複数の透過部が上記照明光学素子からの対
応するレーザ光をそれぞれ透過させるので、マスク有効
領域の総面積に対する透過部の面積の割合が高まる。し
たがって、この発明のレーザ照射装置によれば、従来の
レーザ照射装置（図１０に示したもの。以下同様。）に
比してレーザ光の利用効率を高めることができる（な
お、具体的な数値については後述する。）。また、レー
ザ光源として通常のレーザ発振器を用いれば、レーザ照
射装置全体として、従来のレーザ照射装置に比してエネ
ルギ変換効率を高めることができる。

【００１５】また、この発明のレーザ照射装置は、レー
ザ光源が出射したレーザ光を、均一化光学素子、照明光
学素子、マスクに形成された透過部、対物レンズを順次
通して、上記透過部の像として照射対象物に結像させる
レーザ照射装置であって、上記均一化光学素子は、入射
したレーザ光のコヒーレンシィを維持したまま、上記レ
ーザ光の進行方向と垂直な面内での上記レーザ光の強度
分布を均一化し、上記照明光学素子は、入射したレーザ
光を複数に分割して、実質的に互いに平行な方向に出射
し、上記マスクは上記レーザ光の進行方向と垂直な面内
に複数の透過部を有し、これらの透過部が上記照明光学
素子からの対応するレーザ光をそれぞれ透過させるよう
になっていることを特徴とする。

【００１６】この発明のレーザ照射装置では、レーザ光
源が出射したレーザ光は、均一化光学素子に入射する。
この均一化光学素子は、入射したレーザ光のコヒーレン
シィを維持したまま、上記レーザ光の進行方向と垂直な
面内での上記レーザ光の強度分布を均一化する。均一化
光学素子が出射したレーザ光は、照明光学素子に入射す
る。この照明光学素子は、入射したレーザ光を複数に分
割して、実質的に互いに平行な方向に出射する。照明光
学素子が出射したレーザ光は、マスクに入射する。この
マスクは、上記レーザ光の進行方向と垂直な面内に複数
の透過部を有している。そして、これらの透過部が上記
照明光学素子からの対応するレーザ光をそれぞれ透過さ
せる。マスクを通過したレーザ光は、対物レンズに入射
する。対物レンズは、入射したレーザ光を上記マスクの
透過部の像として照射対象物に結像させる。

【００１７】この発明のレーザ照射装置によれば、上に
述べたのと同様に、従来のレーザ照射装置に比してレー
ザ光の利用効率およびエネルギ変換効率を高めることが
できる。しかも、上記均一化光学素子が、入射したレー
ザ光のコヒーレンシィを維持したまま、上記レーザ光の
進行方向と垂直な面内での上記レーザ光の強度分布を均
一化するので、照射対象物に照射されるレーザ光の強度
分布も均一になる。したがって、高精度の加工や均質な
表面改質を行うことができる。

【００１８】一実施形態のレーザ照射装置は、上記照明
光学素子は、上記レーザ光の進行方向と垂直な面内に配
列された複数のレンズ部からなるレンズアレイを備えた
ことを特徴とする。

【００１９】この一実施形態のレーザ照射装置では、上
記照明光学素子は、上記レーザ光の進行方向と垂直な面
内に並ぶ複数のレンズ部からなるレンズアレイを備える
ので、上記レーザ光源からのレーザ光を複数に分割し
て、実質的に平行な方向に出射することができる。この
結果、複数配列された像を照射する際のレーザ光の利用
効率およびエネルギ変換効率を高めることができる。

【００２０】一実施形態のレーザ照射装置は、上記照明
光学素子の各レンズ部が上記レーザ光の進行方向と垂直
な面内で一方向に細長い長方形または帯状のパターンに
形成され、上記マスクの各透過部が上記レーザ光の進行
方向と垂直な面内で上記照明光学素子の各レンズ部とそ
れぞれ対応するパターンに形成されていることを特徴と
する。

【００２１】この一実施形態のレーザ照射装置によれ
ば、細長い長方形または帯状のパターンの像を照射する
際のレーザ光の利用効率およびエネルギ変換効率を高め
ることができる。

【００２２】一実施形態のレーザ照射装置は、上記照明
光学素子の各レンズ部がシリンドリカルレンズであるこ
とを特徴とする。

【００２３】この一実施形態のレーザ照射装置によれ
ば、細長い長方形または帯状のパターンの像を照射する
際のレーザ光の利用効率およびエネルギ変換効率を高め
ることができる。

【００２４】一実施形態のレーザ照射装置は、上記照明
光学素子の各レンズ部が上記レーザ光の進行方向と垂直
な面内で実質的に円形のパターンに形成され、上記マス
クの各透過部が上記レーザ光の進行方向と垂直な面内で
上記照明光学素子の各レンズ部とそれぞれ対応するパタ
ーンに形成されていることを特徴とする。

【００２５】この一実施形態のレーザ照射装置によれ
ば、円形のパターンの像を照射する際のレーザ光の利用
効率およびエネルギ変換効率を高めることができる。

【００２６】一実施形態のレーザ照射装置は、上記照明
光学素子とマスクとが一体に形成されていることを特徴
とする。

【００２７】この一実施形態のレーザ照射装置では、上
記照明光学素子とマスクとが一体に形成されている。こ
の照明光学素子とマスクとを含む一体の部品（これを
「マスク一体型照明素子」と呼ぶ。）は、このレーザ照
射装置の組み立てに先立って、上記照明光学素子とマス
クとを精度良く位置合わせした状態に形成され得る。し
たがって、上記照明光学素子が出射したレーザ光は、そ
れぞれ上記マスクの透過部に精度良く入射する。したが
って、このレーザ照射装置によれば、さらに高精度の加
工や均質な表面改質を行うことができる。また、上記マ
スク一体型照明素子が、このレーザ照射装置の組み立て
に先立って形成される結果、このレーザ照射装置の組み
立て時に、上記照明光学素子とマスクとの間の位置合わ
せが不要になる。

【００２８】一実施形態のレーザ照射装置は、上記均一
化光学素子は、光軸を含む中央部に凹レンズ部を有し、
その凹レンズ部を取り巻くように周辺部に凸レンズ部を
有する補償光学レンズからなることを特徴とする。

【００２９】一般的なレーザ光源から出射されるレーザ
光は、ガウシアン型の強度分布を持ち、レーザ光の中央
部では強度が高く、その周辺部では強度が低い。そこ
で、この一実施形態のレーザ照射装置では、上記均一化
光学素子として、光軸を含む中央部に凹レンズ部を有
し、その凹レンズ部を取り巻くように周辺部に凸レンズ
部を有する補償光学レンズを設ける。したがって、上述
のような強度分布を持つレーザ光源を用いた際に、上記
補償光学レンズによって、上記レーザ光の進行方向と垂
直な面内での上記レーザ光の強度分布を首尾良く均一化
することができる。したがって、このレーザ照射装置に
よれば、さらに高精度の加工や均質な表面改質を行うこ
とができる。

【００３０】一実施形態のレーザ照射装置は、上記均一
化光学素子は、入射したレーザ光を反射するデフォーマ
ブルミラーと、上記デフォーマブルミラーが反射したレ
ーザ光の進行方向と垂直な面内での波面を検出する波面
センサと、この波面センサの出力に基づいて、上記レー
ザ光の波面が平坦になるように上記デフォーマブルミラ
ーの鏡面の形状を制御する制御部とを備えたことを特徴
とする。

【００３１】ここで、「デフォーマブルミラー」（可変
形鏡）とは、鏡面の形状を変更し得るミラーを意味す
る。公知のデフォーマブルミラーとしては、フェースシ
ート鏡、バイモルフ鏡などがある。

【００３２】この一実施形態のレーザ照射装置では、上
記レーザ光源が出射したレーザ光はデフォーマブルミラ
ーに入射し、このデフォーマブルミラーの鏡面によって
反射される。次に、波面センサが、上記デフォーマブル
ミラーが反射したレーザ光の進行方向と垂直な面内での
波面を検出する。そして、制御部が、この波面センサの
出力に基づいて、上記レーザ光の波面が平坦になるよう
に上記デフォーマブルミラーの鏡面の形状を制御する。
これにより、上記レーザ光の進行方向と垂直な面内での
上記レーザ光の揺らぎが解消される。したがって、この
レーザ照射装置によれば、さらに高精度の加工や均質な
表面改質を行うことができる。なお、揺らぎが解消され
たレーザ光は、上記照明光学素子に入射する。

【００３３】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１は、本発明
の第１実施形態のレーザ照射装置の概略構成を示してい
る。このレーザ照射装置は、主な構成要素として、レー
ザ光源としてのレーザ発振器１と、照明光学素子５と、
マスク６と、対物レンズ７を、この順に光路上に備えて
いる。その他、このレーザ照射装置は、レーザ光の光路
を折り曲げる反射ミラー２Ａ，２Ｂ，２Ｃと、レーザ光
の強度を調節する可変減衰器３と、レーザ光の波形を成
形するビーム整形素子（エキスパンダ）４とを備えてい
る。

【００３４】レーザ発振器１は波長λ＝０．０００２６
６ｍｍのレーザ光を出射する。レーザ発振器１が出射し
たレーザ光は、反射ミラー２Ａ、可変減衰器３、ビーム
整形素子（エキスパンダ）４、反射ミラー２Ｂを介し
て、照明光学素子５に入射する。照明光学素子５は、入
射したレーザ光を複数に分割して、実質的に互いに平行
な方向に出射する。照明光学素子５が出射したレーザ光
は、マスク６に入射する。詳しくは後述するが、マスク
６は、上記レーザ光の進行方向９０と垂直な面内に複数
の透過部を有している。そして、これらの透過部が上記
照明光学素子５からの対応するレーザ光をそれぞれ透過
させる。マスク６を通過したレーザ光は、反射ミラー２
Ｃを介して対物レンズ７に入射する。対物レンズ７は、
入射したレーザ光をマスク６の像として照射対象物８に
結像させる。

【００３５】図３は上記照明光学素子５とマスク６の構
造と配置を、レーザ光Ｌの進行方向９０に対して垂直に
見たところを示し、図４は照明光学素子５を斜め（図３
における斜め下方）から見たところを示している。照明
光学素子５は透明材料からなる基板５ｂを備えている。
この基板５ｂの光源側の面（図３における上面）は平面
になっている。一方、基板５ｂのマスク６側の面には、
複数のマイクロレンズ５ａが並んで配列されて、レンズ
アレイが形成されている。この実施形態では、各マイク
ロレンズ５ａは、レーザ光Ｌの進行方向９０と垂直な面
内で一方向に細長い帯状のパターンを持つシリンドリカ
ルレンズからなっている。各マイクロレンズ５ａの設計
パラメータは、直径Ｄ＝０．５ｍｍ、焦点距離ｆ＝２５
ｍｍ（開口数ＮＡ＝０．０１）になっている。なお、図
３，４中には数個のマイクロレンズ５ａのみが示されて
いるが、実際には５０個のマイクロレンズ５ａが形成さ
れた。

【００３６】マスク６は、縦２５ｍｍ×横２５ｍｍのサ
イズの有効領域６ｅ（図１参照）を有している。このマ
スク有効領域６ｅ内に、図３に示すように、上記照明光
学素子５の各マイクロレンズ５ａとそれぞれ対応する帯
状のパターンを持つ透過部６ｃが配列されている。この
実施形態では、マスク６の照明光学素子５側になる面に
遮光材（遮光部６ｄの材料）が形成され、この遮光材を
パターン加工（エッチング）して、幅０．０５ｍｍ、長
さ２５ｍｍのスリットからなる透過部６ｃが０．５ｍｍ
ピッチで計５０本形成された。上記遮光材のうちエッチ
ングされなかった部分がそれぞれ遮光部６ｄとなってい
る。

【００３７】分かるように、マイクロレンズ５ａのピッ
チと透過部６ｃのピッチとは一致されている。この結
果、このレーザ照射装置では、マスク６の複数の透過部
６ｃが照明光学素子５からの対応するレーザ光Ｌをそれ
ぞれ透過させるので、マスク有効領域６ｅの総面積に対
する透過部６ｃの面積の割合が高まる。したがって、こ
のレーザ照射装置によれば、従来のレーザ照射装置（図
１０に示したもの。以下同様。）に比してレーザ光の利
用効率を高めることができる。また、レーザ光源として
通常のレーザ発振器を用いれば、レーザ照射装置全体と
して、従来のレーザ照射装置に比してエネルギ変換効率
を高めることができる。

【００３８】次に、従来のレーザ照射装置とこの第１実
施形態のレーザ照射装置との間で、レーザ光の利用効率
を実際に比較する。なお、比較のため、両装置のマスク
１０６，６の形態は同一とする。冒頭に述べたように、
レーザ光の利用効率は、（透過部の面積）／（マスク有効領域の総面積） …（１）に比例するので、この式（１）の値で比較する。

【００３９】まず、従来のレーザ照射装置では、式
（１）の値は、（０．０５×２５×５０）／（２５×２５）×１００＝
１０％となる。

【００４０】一方、第１実施形態のレーザ照射装置につ
いては、次のような条件を設定する。すなわち、照明光
学素子５が備えるマイクロレレンズ５ａの像側の焦点位
置でのスポット径ｄは、ｄ＝２．４４×λ×ｆ／Ｄ＝
０．０３２ｍｍである。つまり、（マスクの透過部の
幅）＞（スポット径ｄ）になっている。このスポット径
では、マスク６の各透過部６ｃの全領域を一度に照射す
ることが不可能である。そこで、マイクロレンズ５ａの
焦点位置から少し離れた位置にマスク６を配置し、マス
ク６上のより広い範囲にレーザ光を照射するものとす
る。ここで、マスク６の透過部６ｃの面積の２倍の面積
に対してレーザ光を照射すれば、式（１）の値は、１／２×１００＝５０％となる。この値は、上記従来のレーザ照射装置のレーザ
光の利用効率である１０％より大幅に高い値である。し
たがって、実際に、この第１実施形態のレーザ照射装置
は、従来のレーザ照射装置に比して、レーザ光の利用効
率が向上したといえる。また、エネルギ変換効率が良い
といえる。

【００４１】（第２実施形態）本発明のレーザ照射装置
における照明光学素子とマスクの形態は、上述の形態に
限られるものではない。第２実施形態のレーザ照射装置
では、第１実施形態のレーザ照射装置の照明光学素子
５、マスク６に代えて、別の形態を持つ照明光学素子、
マスクを備える。なお、照明光学素子、マスク以外の構
成は、第１実施形態のレーザ照射装置の構成と同一であ
るため、説明を省略する。

【００４２】図５は、この第２実施形態のレーザ照射装
置が備える照明光学素子２５を、図４と同様に斜めから
見たところを示している。照明光学素子２５は透明材料
からなる基板２５ｂを備えている。この基板２５ｂの光
源側の面（図１における左面に相当する）は平面になっ
ている。一方、基板２５ｂのマスク６側の面には、複数
のマイクロレンズ２５ａが並んで配列されて、レンズア
レイが形成されている。この実施形態では、各マイクロ
レンズ２５ａは、レーザ光Ｌの進行方向９０と垂直な面
内で実質的に円形（外周が一部切断されて、やや角型に
近くなっている）のパターンを持っている。各マイクロ
レンズ２５ａの設計パラメータは、直径Ｄ＝０．５ｍ
ｍ、焦点距離ｆ＝２５ｍｍ（開口数ＮＡ＝０．０１）に
なっている。なお、図５中には５行×５列＝２５個のマ
イクロレンズ２５ａのみが示されているが、実際には１
０行×１０列＝１００個のマイクロレンズ２５ａが形成
された。

【００４３】この第２実施形態のレーザ照射装置が備え
るマスクは、第１実施形態のレーザ照射装置のマスク６
と同様に、縦２５ｍｍ×横２５ｍｍのサイズの有効領域
６ｅ（図１参照）を有している。このマスク有効領域６
ｅ内に、上記照明光学素子２５の各マイクロレンズ２５
ａとそれぞれ対応する実質的に円形のパターンを持つ透
過部が配列されている。この実施形態では、マスクの照
明光学素子２５側になる面に遮光材（遮光部の材料）が
形成され、直径０．２５ｍｍの実質的に円形のパターン
を持つ透過部が、縦横それぞれ０．５ｍｍピッチで計１
００個形成された。上記遮光材のうちエッチングされな
かった部分がそれぞれ遮光部となっている。

【００４４】次に、従来のレーザ照射装置とこの第２実
施形態のレーザ照射装置との間で、レーザ光の利用効率
を実際に比較する。なお、比較のため、両装置のマスク
の形態は同一とする。

【００４５】まず、従来のレーザ照射装置では、式
（１）の値は、（０．１２５×０．１２５×３．１４×１００）／（２
５×２５）×１００＝０．８％となる。

【００４６】一方、第２実施形態のレーザ照射装置につ
いては、次のような条件を設定する。すなわち、照明光
学素子２５が備えるマイクロレレンズ２５ａの像側の焦
点位置でのスポット径ｄは、ｄ＝２．４４×λ×ｆ／Ｄ
＝０．０３２ｍｍである。つまり、（マスクの透過部の
幅）＞（スポット径ｄ）になっている。このスポット径
では、マスクの各透過部の全領域を一度に照射すること
が不可能である。そこで、マイクロレンズ２５ａの焦点
位置から少し離れた位置にマスクを配置し、マスク上の
より広い範囲にレーザ光を照射するものとする。ここ
で、マスクの透過部の面積の２倍の面積に対してレーザ
光を照射すれば、式（１）の値は、１／２×１００＝５０％となる。この値は、上記従来のレーザ照射装置のレーザ
光の利用効率である０．８％より大幅に高い値である。
したがって、実際に、この第２実施形態のレーザ照射装
置は、従来のレーザ照射装置に比して、レーザ光の利用
効率が向上したといえる。また、エネルギ変換効率が良
いといえる。

【００４７】（第３実施形態）本発明のレーザ照射装置
における照明光学素子とマスクは、上述のように別体に
限られるものではない。第３実施形態のレーザ照射装置
では、照明光学素子とマスクとが一体に形成されて、マ
スク一体型照明光学素子として設けられている。なお、
照明光学素子、マスク以外の構成は、第１実施形態のレ
ーザ照射装置の構成と同一であるため、説明を省略す
る。

【００４８】図６は、この第３実施形態のレーザ照射装
置が備えるマスク一体型照明光学素子１０を、レーザ光
Ｌの進行方向９０に対して垂直に見たところを示してい
る。このマスク一体型照明光学素子１０は透明材料から
なる基板１０ｂを備えている。この基板１０ｂの光源側
の面には、複数のマイクロレンズ１０ａが並んで配列さ
れて、照明光学素子として働くレンズアレイが形成され
ている。一方、基板１０ｂの反対側の面には、透過部１
０ｃと非透過部１０ｄとからなるマスクが形成されてい
る。

【００４９】各マイクロレンズ１０ａは、第１実施形態
におけるマイクロレンズ５ａのように、レーザ光Ｌの進
行方向９０と垂直な面内で一方向に細長い帯状のパター
ンを持つシリンドリカルレンズからなっていても良い
し、第２実施形態におけるマイクロレンズ２５ａのよう
に、レーザ光Ｌの進行方向９０と垂直な面内で実質的に
円形のパターンを持っていても良い。マスクの各透過部
１０ｃは、第１実施形態または第２実施形態と同様に、
上記レンズアレイの各マイクロレンズ１０ａとそれぞれ
対応するパターンを持ち、対応するマイクロレンズ１０
ａからのレーザ光をそれぞれ透過させるようになってい
れば良い。

【００５０】また、基板１０ｂの厚さは、例えば各マイ
クロレンズ１０ａからのレーザ光が対応する透過部１０
ｃの面積の２倍の面積を照射するように設定する。

【００５１】このレーザ照射装置によれば、第１実施形
態または第２実施形態のレーザ照射装置と同様に、従来
のレーザ照射装置に比してレーザ光の利用効率を高める
ことができる。また、レーザ光源として通常のレーザ発
振器を用いれば、レーザ照射装置全体として、従来のレ
ーザ照射装置に比してエネルギ変換効率を高めることが
できる。しかも、上記マスク一体型照明素子１０は、こ
のレーザ照射装置の組み立てに先立って、各マイクロレ
ンズ１０ａと透過部１０ｃとを精度良く位置合わせした
状態に形成され得る。したがって、各マイクロレンズ１
０ａが出射したレーザ光は、それぞれ対応する透過部１
０ｃに精度良く入射する。したがって、このレーザ照射
装置によれば、さらに高精度の加工や均質な表面改質を
行うことができる。また、上記マスク一体型照明素子１
０が、このレーザ照射装置の組み立てに先立って形成さ
れる結果、このレーザ照射装置の組み立て時に、上記照
明光学素子とマスクとの間の位置合わせが不要になる。

【００５２】（第４実施形態）図２は、本発明の第４実
施形態のレーザ照射装置の概略構成を示している。この
第４実施形態のレーザ照射装置では、図１に示した第１
実施形態のレーザ照射装置に対して、反射ミラー２Ｂと
照明光学素子５との間の光路に補償光学レンズ９を付加
した点が異なっている。この補償光学レンズ９は、レー
ザ光のコヒーレンシィを維持したまま、上記レーザ光の
進行方向９０と垂直な面内での上記レーザ光の強度分布
を均一化するための均一化光学素子として働く。なお、
図１中の構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を
付して説明を省略する。

【００５３】レーザ発振器１から出射されるレーザ光
は、ガウシアン型の強度分布を持ち、レーザ光の中央部
では強度が高く、その周辺部では強度が低いものとす
る。この場合、図７に示すように、上記レーザ光の光路
に、光軸を含む中央部に凹レンズ部９ａを有し、その凹
レンズ部９ａを取り巻くように周辺部に凸レンズ部９ｂ
を有する補償光学レンズ９を設けるのが望ましい。この
ようにした場合、上述のような強度分布を持つレーザ発
振器１を用いた際に、補償光学レンズ９によって、上記
レーザ光の進行方向９０と垂直な面内での上記レーザ光
の強度分布を首尾良く均一化することができる。したが
って、このレーザ照射装置によれば、さらに高精度の加
工や均質な表面改質を行うことができる。しかも、反射
ミラー２Ｂと照明光学素子５との間の光路に補償光学レ
ンズ９を付加するだけであるから、装置の構成があまり
複雑化することがない。

【００５４】（第５実施形態）本発明のレーザ照射装置
における均一化光学素子の形態は、上述の補償光学素子
９に限られるものではない。第５実施形態のレーザ照射
装置では、第４実施形態のレーザ照射装置の補償光学素
子９に代えて、別の形態を持つ均一化光学素子を備え
る。なお、均一化光学素子以外の構成は、第１実施形態
のレーザ照射装置の構成と同一であるため、説明を省略
する。

【００５５】図８は、この第５実施形態のレーザ照射装
置が備える均一化光学素子の構成を示している。この均
一化光学素子は、反射ミラー２Ｂと照明光学素子５との
間の光路に配置されたデフォーマブルミラー（可変形
鏡）１３と、このデフォーマブルミラー１３が反射する
レーザ光の光路に配置されたビームスプリッタ１４と、
波面センサ１５と、制御部１６とを備えている。

【００５６】デフォーマブルミラー１３は、鏡面１３ａ
の形状が変更され得るミラーである。ここでデフォーマ
ブルミラー１３としては、図９（ａ）に示すようなフェ
ースシート鏡１７、または図９（ｂ）に示すようなバイ
モルフ鏡１８を用いる（いずれも公知である。）。フェ
ースシート鏡１７は、基板１７ｂ上に、圧電素子（複数
積層されたピエゾ板からなる）１７ｃを複数並べて配置
し、それらの上に薄いガラス等の鏡面１７ａを貼り付け
たものである。制御部１６が圧電素子１７ｃに電圧を印
加することによって、滑らかに鏡面１７ａを変形させる
ことができる。一方、バイモルフ鏡１８は、互いに反対
方向に分極した２枚の薄いピエゾ板１８ａ，１８ｃの間
に制御電極１８ｃを複数並べて配置し、ピエゾ板１８
ａ，１８ｃの外面に接地電極（図示せず）を設け、一方
のピエゾ板１８ａの外面（図９（ｂ）における上面）を
鏡面としたものである。制御部１６がリード線１８ｄを
介して制御電極１８ｃと接地電極との間に電圧を印加す
ることによって、滑らかに鏡面を変形させることができ
る。

【００５７】波面センサ１５としては、公知のシャック
ハルトマンセンサ等を用いる。シャックハルトマンセン
サは、入射したレーザ光を、内蔵マイクロレンズ（図示
せず）によって分割してＣＣＤカメラ（図示せず）上に
結像させ、その像の位置ずれを感知することによって上
記レーザ光の波面を計測するものである。

【００５８】制御部１６は、この波面センサ１５の出力
に基づいて、上記レーザ光の波面が平坦になるようにデ
フォーマブルミラー１３（フェースシート鏡１７または
バイモルフ鏡１８）の鏡面の形状を制御するようになっ
ている。

【００５９】この第５実施形態のレーザ照射装置では、
デフォーマブルミラー１３に入射したレーザ光Ｌは、デ
フォーマブルミラー１３の鏡面１３ａによって反射され
る。続いて、ビームスプリッタ１４が、このレーザ光Ｌ
から波面センサ１５へ向かうレーザ光（これを「分岐
光」と呼ぶ。）Ｌ２を分岐する。波面センサ１５は、入
射した分岐光Ｌ２に基づいて解析処理を行って、上記レ
ーザ光（直進光）Ｌの進行方向９０と垂直な面内での上
記レーザ光Ｌの波面を検出する。そして、制御部１６
が、この波面センサ１５の出力に基づいて、上記レーザ
光Ｌの波面が平坦になるようにデフォーマブルミラー１
３の鏡面１３ａの形状を制御する。これにより、上記レ
ーザ光Ｌの進行方向９０と垂直な面内での上記レーザ光
Ｌの揺らぎが解消される。例えば図８中に示すように、
デフォーマブルミラー１３に入射するレーザ光Ｌの波面
Ｌａが波打って歪んでいたとしても、照明光学素子５へ
向かうレーザ光Ｌの波面Ｌｂが平坦になる。したがっ
て、このレーザ照射装置によれば、さらに高精度の加工
や均質な表面改質を行うことができる。

【００６０】なお、デフォーマブルミラー１３の鏡面１
３ａの形状は較的自由に変更できるので、ガウシアン型
の強度分布、その他様々な強度分布を持つレーザ光を均
一化することができる。

【００６１】また、この第５実施形態では、デフォーマ
ブルミラー１３を一つしか使用していないが、このデフ
ォーマブルミラー１３が折り曲げたレーザ光の進行方向
９０を元に戻すために、もう一つのデフォーマブルミラ
ーを光路上に配置じても良い。

【００６２】

【発明の効果】以上より明らかなように、この発明のレ
ーザ照射装置によれば、レーザ光の利用効率およびエネ
ルギ変換効率を高めることができる。また、均一化光学
素子を備えれば、レーザ光の利用効率およびエネルギ変
換効率を高めることができる上、高精度の加工や均一な
表面改質を行うことができる

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施形態のレーザ照射装置の
概略構成を示す図である。

【図２】この発明の第４実施形態のレーザ照射装置の
概略構成を示す図である。

【図３】上記第１実施形態のレーザ照射装置が備える
照明光学素子とマスクの構造と配置を、レーザ光の進行
方向に対して垂直に見たところを示す図である。

【図４】図３の照明光学素子を斜め（図３における斜
め下方）から見たところを示す図である。

【図５】この発明の第２実施形態のレーザ照射装置が
備える照明光学素子を斜めから見たところを示す図であ
る。

【図６】この発明の第３実施形態のレーザ照射装置が
備えるマスク一体型照明光学素子の構成を示す図であ
る。

【図７】この発明の第４実施形態のレーザ照射装置が
備える補償光学レンズの構造を例示する図である。

【図８】この発明の第５実施形態のレーザ照射装置が
備える均一化光学素子の構成を示す図である。

【図９】上記均一化光学素子を構成するデフォーマブ
ルミラーを例示する図である。

【図１０】従来のレーザ照射装置の構成を示す図であ
る。

【図１１】従来のレーザ照射装置が備える均一照明素
子とマスクの構成と配置を示す図である。

【符号の説明】

１レーザ発振器２反射ミラー３可変減衰器４ビーム整形素子（エキスパンダ）５照明光学素子５ａマイクロレンズ６マスク６ｃ透過部６ｅ遮光部７対物レンズ８照射対象物９補償光学レンズ１０マスク一体型照明光学素子１０ａマイクロレンズ１０ｃ透過部１０ｄ遮光部１３デフォーマブルミラー１４ビームスプリッタ１５波面センサ１６制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０２Ｂ 26/06 Ｇ０２Ｂ 26/06 (72)発明者中山純一郎大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内Ｆターム(参考） 2H041 AA23 AB38 AC08 AZ02 AZ06 4E068 CB08 CC00 CD03 CD05 CD10 CD14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光源が出射したレーザ光を、照明
光学素子、マスクに形成された透過部、対物レンズを順
次通して、上記透過部の像として照射対象物に結像させ
るレーザ照射装置であって、上記照明光学素子は、入射したレーザ光を複数に分割し
て、実質的に互いに平行な方向に出射し、上記マスクは上記レーザ光の進行方向と垂直な面内に複
数の透過部を有し、これらの透過部が上記照明光学素子
からの対応するレーザ光をそれぞれ透過させるようにな
っていることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２】レーザ光源が出射したレーザ光を、均一
化光学素子、照明光学素子、マスクに形成された透過
部、対物レンズを順次通して、上記透過部の像として照
射対象物に結像させるレーザ照射装置であって、上記均一化光学素子は、入射したレーザ光のコヒーレン
シィを維持したまま、上記レーザ光の進行方向と垂直な
面内での上記レーザ光の強度分布を均一化し、上記照明光学素子は、入射したレーザ光を複数に分割し
て、実質的に互いに平行な方向に出射し、上記マスクは上記レーザ光の進行方向と垂直な面内に複
数の透過部を有し、これらの透過部が上記照明光学素子
からの対応するレーザ光をそれぞれ透過させるようにな
っていることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項３】請求項１または２に記載のレーザ照射装
置において、上記照明光学素子は、上記レーザ光の進行方向と垂直な
面内に配列された複数のレンズ部からなるレンズアレイ
を備えたことを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項４】請求項３に記載のレーザ照射装置におい
て、上記照明光学素子の各レンズ部が上記レーザ光の進行方
向と垂直な面内で一方向に細長い長方形または帯状のパ
ターンに形成され、上記マスクの各透過部が上記レーザ光の進行方向と垂直
な面内で上記照明光学素子の各レンズ部とそれぞれ対応
するパターンに形成されていることを特徴とするレーザ
照射装置。
【請求項５】請求項４に記載のレーザ照射装置におい
て、上記照明光学素子の各レンズ部がシリンドリカルレンズ
であることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項６】請求項３に記載のレーザ照射装置におい
て、上記照明光学素子の各レンズ部が上記レーザ光の進行方
向と垂直な面内で実質的に円形のパターンに形成され、上記マスクの各透過部が上記レーザ光の進行方向と垂直
な面内で上記照明光学素子の各レンズ部とそれぞれ対応
するパターンに形成されていることを特徴とするレーザ
照射装置。
【請求項７】請求項１乃至６のいずれか一つに記載の
レーザ照射装置において、上記照明光学素子とマスクとが一体に形成されているこ
とを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項８】請求項２乃至７のいずれか一つに記載の
レーザ照射装置において、上記均一化光学素子は、光軸を含む中央部に凹レンズ部
を有し、その凹レンズ部を取り巻くように周辺部に凸レ
ンズ部を有する補償光学レンズからなることを特徴とす
るレーザ照射装置。
【請求項９】請求項２乃至７のいずれか一つに記載の
レーザ照射装置において、上記均一化光学素子は、入射したレーザ光を反射するデフォーマブルミラーと、上記デフォーマブルミラーが反射したレーザ光の進行方
向と垂直な面内での波面を検出する波面センサと、この波面センサの出力に基づいて、上記レーザ光の波面
が平坦になるように上記デフォーマブルミラーの鏡面の
形状を制御する制御部とを備えたことを特徴とするレー
ザ照射装置。