JP2004241561A - Laser processing system - Google Patents

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JP2004241561A
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Yukio Sato
行雄 佐藤
Tatsuki Okamoto
達樹 岡本
Tetsuo Kojima
哲夫 小島
Junichi Nishimae
順一 西前
Kazutoshi Morikawa
和敏 森川
Tetsuya Ogawa
哲也 小川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser processing system with a construction and adjustment simple and easy for uniformizing one layer of an irradiated beam, and enabled to project the beam with stability and homogeneity, by preventing an interference between split beams due to superimposition. <P>SOLUTION: The laser processing system comprises at least one laser oscillator for generating a laser beam with its M2 value ≤100 which is the light harvesting index of the laser beam generated by the laser oscillator, a laser beam splitting means for splitting the laser beam from the laser oscillator into N split beams spatially in the beam cross section, a superimposing means for projecting the split beams roughly superimposed on each other on the beam receiving plane, and an optical path length/polarization direction control means for differentiating optical path lengths or polarization directions for neighboring beams in the N split beams. The M2 value satisfies a relation: M2≥N/2 at least in the beam splitting direction. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被照射物のレーザ処理に際して照射面における照射レーザビームの均質性を改善したレーザプロセス装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
レーザ照射により加熱処理をする例として、多結晶ケイ素膜の製造に際して、予め、適当な基板、例えばガラス基板の上にCVDなどの気相形成法により非晶質のケイ素膜を被着形成しておき、この非晶質ケイ素膜を、レーザビームで走査して、多結晶化する方法が知られている。
【0003】
ケイ素膜の多結晶化方法では、例えば、レーザ光源からのレーザビームをレンズにより非晶質ケイ素膜上に集光してレーザ照射をし、照射の際にケイ素膜を走査させて、溶融凝固の過程で、結晶化させるものがある。このレーザビームは、照射位置でのビームの軸方向強度プロフイルがレーザ源にプロフィルに依存して、通常は、軸対称のガウス分布である。このようなビームの照射により成形した多結晶ケイ素膜は、結晶性の面方向への均一性が非常に低く、これを半導体基板として薄膜トランジスタを製造に使用するのは困難であった。
【0004】
さらに、波長の短いエキシマレーザを用いて、照射ビームのプロフイルを矩形状の分布にして半導体膜に照射加熱する技術が知られている。例えば、発振器からのレーザビームを、光軸に垂直な面内で互いに交叉する2つのシリンドリカルレンズダアレイを通して、その前方に収束レンズを通して、半導体膜表面に収束させるものがあった。この方法は、ガウス分布を採るレーザビームを、2つのシリンドリカルレンズアレイにより、直交する2方向で均一な強度分布にするものであり、半導体膜表面での照射レーザビームは、半導体表面上で、直交する2方向で異なった幅となっており、照射レーザビームを掃引移動することにより、半導体膜上に一定幅の多結晶帯域を繰り返し成形するものであった(例えば、特許文献1、2参照)。
【0005】
最近、YAGレーザの最大出力が著しく向上している。YAGレーザは、固体レーザであるため、ガスレーザであるエキシマレーザと比較すると扱いやすく、保守が容易である。この特徴を兼ね備えた、YAGレーザの2倍高調波を使ったケイ素膜の多結晶化法が、その高移動度化に対する潜在的な可能性から注目されている。しかしながら、エキシマレーザのコヒーレント長は数ミクロン〜数十ミクロン程度であり、レーザビームを分割して1つにするような光学系を通したときの光干渉は非常に弱いのに対して、YAGレーザ、およびその2倍高調波のコヒーレント長は非常に長く1cm程度ある。これによる干渉の影響は、無視できない。
このような照射面における重ね合わせたビームに生じる干渉は、長方形状の照射レーザビームを使用して半導体膜の加熱結晶化する場合、レーザビームの移動方向の強度プロフィルが結晶成長に大きく影響するので、ケイ素膜の結晶粒に大きく成長させるには好ましくない。
【0006】
この干渉による照射レーザ強度の不均一性を除く方法が提案されており、例えば、光源からビームをコリメータにより平行光にして、段階状の反射面を有するミラーに照射し、ミラーにより分割したビームを合成するシリンドリカルレンズアレーと収束用のシリンドリカルレンズとにより照射する構成の光学系が開示されている。これは、分割した各ビームに各反射面間の段差によって、レーザビームのコヒーレント長さ以上の光路差を設けて、照射面における分割ビーム間の干渉を防止するものである(例えば、特許文献3参照)。
【0007】
また、光源からのレーザビームをビームコリメータにより平行光にして、小さな複数の反射鏡に照射し、各反射鏡からの反射光を照射面に照射して重ね合わせるもので、各平面鏡を反射するレーザビームの光路差をコヒーレント長さ以上確保することにより、同様に、干渉を防止するものがある(例えば、特許文献4参照)。
【0008】
【特許文献1】
特開平10−333077号公報(第2−5頁、第1および2図)
【特許文献2】
特開平6−69415号公報(第2−6頁、第1−15図)
【特許文献3】
特開2001−127003号公報(第2−10頁、第6−10図)
【特許文献4】
特開2001−244213号公報(第2−20頁、第3−13図)
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上記のビーム均一化の技術は、同一の光源からのレーザビームを分割して、照射面で重ね合わせる際の干渉を、複数の反射面を有する反射鏡を利用して光路差を設けて、防止するのであるが、これらの光学系は、特殊な反射鏡を必要としていた。特に、特許文献4の光学系は、反射鏡による光学系の光軸を曲げる配置が必要であり、さらに、光学系の各反射鏡は、多数の分割ビームに対応して照射面に対して正確に特定の位置関係を満たすように配置する必要があり、反射鏡の配置が複雑となり、熱処理装置として配置すべき光学系の自由度が低くなるという問題があった。
しかも、全ての分割ビームに光路差を設けると、各ビームに対する転写条件が大きく異なるため分割したビームを照射面上で同じように重ね合わせられないという問題があり、さらに、時間的可干渉距離の大きいレーザ発振源に対しては、装置が大きく且つ複雑になり、現実的でなく、且つ、光学的調整が困難であった。
【0010】
本発明は、M2値(レーザ発振器から発生するビームの集光性を表す指標である。)が100以下であるレーザビームを分割した分割ビームを重ね合わせて照射面上に均一な強度分布を備えた照射ビームを形成するレーザプロセス装置において、重ね合わせによる分割ビーム間の干渉を防止して、照射ビームの一層の均一化を図ることを目的とするものであり、特に、このような干渉を防止して照射ビームの均一化をするための構成と調整とが簡単で容易であり、しかも安定な均質照射を可能とするレーザプロセス装置を提供しようとするものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザプロセス装置は、レーザ発振器から発生するビームの集光性を表す指標であるM2値が100以下であるレーザビームを発生する少なくとも1つのレーザ発振器と、上記レーザ発振器からのレーザビームをビーム断面において空間的にN個の分割ビームに分割するレーザビーム分割手段と、上記各分割ビームを照射面上で概略重ね合せて照射する重ね合せ照射手段と、上記N個に分割したビームの互いに隣り合う隣接分割ビームの光路長または偏光方向を違える光路長または偏光方向制御手段とを備え、上記M2値が、少なくとも上記ビームの分割方向においてM2≧N/2であるものである。
【0012】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、(A)はy方向から見た図、(B)はx方向から見た図である。
本実施の形態において、図1(A)と図1(B)に示すレーザプロセス装置は、照射面上にy方向に均一な分布で広がり、x方向に線状に収束した直線状の照射プロフィルを形成する例を示している。
【0013】
レーザプロセス装置は、レーザ発振器100と、レーザビーム分割手段3と、重ね合せ照射手段6と、光学的遅延手段2とを含み、レーザビーム分割手段3は、導波路4を利用して、レーザビームを所望数の分割ビーム16a〜16eに分割し、分割ビームを重ね合せ照射手段6により被照射物9の照射面90上に直線状プロフィルの照射ビーム19として結像している。
【0014】
本実施の形態では、レーザビーム分割手段3は、レーザ発振器100からのレーザビーム1を導波路4内に入射するための光学系を含み、平行ビームにするためのビーム拡大レンズ31とy方向コリメートレンズ32とx方向コリメートレンズ33を含み、次いでy方向に集光して、導波路4内に入射させるシリンドリカルレンズの集光レンズ34を含む。
【0015】
導波路4は、互いに対向する平行な主表面が反射面41、42を有し、反射面41、42は、この図では、y方向に垂直である。両反射面の間をレーザビーム1が貫通する入射端面43と出射端面44は、レーザビームの光軸と直交している。入射したレーザビーム1は、反射面間を通過して出射端から放射する成分の分割ビーム、反射面41と42のいずれかで1回反射(m=1)した成分の2つ分割ビーム(m=+1,m=−1)と、両方の反射面で2回反射(m=2)の成分の2つの分割ビーム(m=+2, m=−2)、さらに、3回ないしそれ以上の回数反射したそれぞれ一対の分割ビームが、出射端から放射される各成分とに分割される。
【0016】
導波路4からの分割ビームは、重ね合せ照射手段6により、照射面90上に重ね合わせて投影されるが、重ね合せ照射手段6は、分割ビームを照射面90上にy方向に転写するy方向の転写レンズ61(シリンドリカルレンズ)と、x方向に集光する集光レンズ62(シリンドリカルレンズ)から構成することができる。y方向転写レンズ61は、x方向集光レンズ62を通して、照射面90上にy方向に規定の長さに延ばし、x方向集光レンズ62が、x方向に線状に収束させ、これにより、照射面上には直線状プロフイルの照射ビーム19が得られる。
【0017】
重ね合せ照射手段6のy方向の転写レンズ61は、各分割ビームが実焦点を作って、照射面19上に投影するように設定され、実焦点位置近傍で分割ビームが互いに空間的に分離した位置に、光学的遅延手段として、遅延用の透光体2を、配置するが、この遅延板2は、分割ビームが、分割前に互いに隣り合う領域に有る分割ビームについて、いずれか一方の光路を他方の光路に対して遅延させて、光学的に光路差を設けて、照射面19上で重ね合わせた時の2つの分割ビーム間の干渉を防止するものである。図1の例は、転写レンズ61の出射側での実焦点位置で、分割ビーム一つおきに遅延板2を配置している。
【0018】
さらに詳しくは、図2は、レーザビーム分割手段の導波路について、レーザ発振器100からのレーザビームの分割の態様を示しているが、レーザ発振器100からのレーザビームは、シリンドリカルレンズの集光レンズ34により焦点Fを経て導波路4内に入射される。導波路内では、入射ビームの一部が、反射面での反射なしに透過する分割ビーム(反射回数m=0)があり、互いに対向する反射面41または42で1回だけ反射した分割ビームがy方向に2種類あり(m=±1)、反射面41および42で2回反射した分割ビームが同様にy方向に2種類あり(m=±2)、それぞれの分割ビームは、出射面43から放射される。光軸に対して垂直で焦点Fを含む面には、出射面43から放射される各分割ビームの虚像焦点F+1,F−1,F+2,F−2があり、各分割ビームは、これら虚像焦点F+1・・・・から出射面43の開口を経て放射されるように見える。
【0019】
導波路がないと仮定したときの集光レンズ34により焦点を介して広がるレーザビームを、出射面44の位置の面に投影したビームのプロフイルが円14であるとすると、この投影したレーザビーム14は、多数の分割ビームのそれぞれに対応した区分の成分に分解できる。レーザビーム1の断面での各成分を断面上で、y方向に、m=−2,−1,0,+1,+2の順に区分すると、導波路4の出射面44から放射する成分、即ち、分割ビームは、y方向に、反射回数m=+2,−1,0,+1,−2の成分の順の配列になることに注意を要する。
【0020】
図2では、導波路4の出射面44から放射されるm=0,+1,+2の成分の分割ビームの配置だけを示しており、m=+1とm=+2の分割ビームは、反射面の中間面に対して、互いに反対方向に放射される。他方、m=−1、−2の分割ビームは、m=+1,+2の反射面の中心面に対して対称方向にあるが、図中には省略している。
【0021】
図3(A)は、レーザビームを焦点Fから、導波路4で反射させずに、導波路4の出射面44の対応する平面上に投影したレーザビーム14における分割ビームの分割幅を図式化したものである。これは、円形プロフイルのレーザビーム14を、導波路により7分割する例である。
【0022】
導波路4においては、導波路4の出射面44では、互いに隣接する分割ビームが折り返されて重畳される。それで、レーザビーム1の分割による互いに隣接する成分は、その境界部位が、図3(B)において、導波路の出射面での分割ビームの折り返し部で一致する。例えば、図3(A)において、m=+1の成分の境界部IIIとこれに接するm=0の境界部iiiとは、図3(B)に示すように、導波路の出射面44では折り返されて重なり合う。
【0023】
このような折り返した分割ビームを、y方向転写レンズ61とx方向集光レンズ62などを介して、照射面90上に重ね合わせて投影されると、照射面上で照射ビームに干渉を生じて、強度に波状分布が形成される。
【0024】
さらに、この実施の形態では、上記の導波路により形成した分割ビームのうち互いに隣接する隣接分割ビームのいずれか一方を他方に対して時間的可干渉距離よりも長く遅延させる光学的遅延手段を含んでいる。
この光学的遅延手段は、中空なミラーでも、中実な透光体にも利用されるが、互いに隣接する領域からの分割ビームが互いに干渉をし合うのを、両者間に光路差をもうけて、干渉を防止するものである。
【0025】
レーザビームの時間的可干渉距離ΔLは、
ΔL= cΔt≒ λ/Δλ
で与えられる。ここに、cは光速、Δtは可干渉時間、Δλはレーザの波長幅(スペクトル幅)であり、レーザの波長幅が狭いほど、可干渉距離が長くなる。
例示すれば、YAGレーザ(Nd:YAGレーザ)では、中心波長のλ=1.06μmのビームについてスペクトル幅Δλ=0.12〜0.30nmであるので、時間的可干渉距離ΔLは、ΔL=3.8〜9.4mmとなる。このΔLの値は、YAGレーザの2倍高調波レーザ(YAG2ωレーザ)でも同程度となる。
【0026】
図1には、複数の分割ビームが互いに分離した位置において、互いに干渉を生じやすい分割ビームのいずれかに、光学的遅延手段として、透光性の遅延板2、即ち、光学ガラス板2を挿入して、隣り合う分割ビームの間に光路差を形成している。この例は、導波路4により分割したビームをy方向転写レンズ61により転写し、x方向集光レンズ62により照射面上に、照射ビーム19を形成するが、y方向転写レンズ61とx方向集光レンズ62との間に、y方向転写レンズ61により各ビームに焦点fを形成し、遅延板2としてのガラス板は、隣り合うビームのいずれか一方に焦点位置fまたはその前後に挿入して光路差を設ける。この例は、5つの分割ビームの1つおきにガラス板を挿入しており、互いに隣り合う遅延板2、2の間の空間には、他の分割ビームが通過する。このような配列の遅延板2により、照射面上に重ね合わされた照射ビームには、互いに隣接する分割ビーム間の干渉が生じないので、実質的に、強度分布が均一なプロフイルにすることができる。
ガラス板による光路差Δaは、ガラス板の厚みaと、ガラスの屈折率n、空気の屈折率nから、
Δa=a(n−n
で与えられる。
【0027】
ガラス板による光路差Δaは、時間的可干渉距離ΔL以上に設定する(Δa≧ΔL)ので、これらの式から、互いに隣接する分割ビーム間に時間的可干渉距離ΔL以上の光路差を与えるガラス厚みaが求められる。遅延板の厚みは、好ましくは、遅延板により時間的可干渉距離ΔLの2倍以上、さらに好ましくは、4倍以上の光路差を設けるように設定される。例えば、YAGレーザ(Nd:YAGレーザ)やYAG2ωレーザでは、光学的遅延手段に石英(n=1.46)を用いたとき、時間的干渉距離ΔLは3.8〜9.4mmに対して、光路差Δaは12〜30mmになる。
【0028】
本実施の形態では、レーザ発振器100は、波長532nmのYAGの2倍高調波レーザ(YAG2ωレーザ)を発生する。また、レーザ発振器100から発生するビームの集光性を表す指標であるM2値が少なくともビームの分割方向(y方向)において、ビーム分割数Nとする時N/2以上である。なお、M2値は同一の集光光学系を用いた場合にシングルモード(TEM00)のビームに対し集光ビーム径が何倍大きくなるかを表す、すなわち集光性を表す指標である。当然、M2値が大きいほど集光ビーム径が大きく、ビーム品質が悪いということになる。
【0029】
上記のように、分割されたビームに対し1つおきに遅延板2を挿入した場合、互いに隣り合うどのような組み合わせの2つの分割ビーム間(例えば反射回数m=+1とm=0の分割ビーム間)での干渉は防止されるが、互いに隣り合う以外の2つのビーム間(例えば反射回数m=−2とm=0の分割ビーム間)での干渉を防止することはできない。
そこで、本実施の形態では、以下に詳細に説明するように、M2値をビームの分割数Nとした場合、N/2以上に設定することにより、全ての分割ビーム間での干渉を防止している。
【0030】
図4は、分割数Nを概ね7とした場合の導波路からの分割ビームの2つの成分だけ、例えば、反射回数m=+1とm=0の2つの成分を、y方向転写レンズ61とx方向集光レンズ62などを介して、照射面90上に重ね合わせて照射した時の照射面上での強度分布の計測結果を示している。ここにおいて、隣接する分割ビームに対して光路差を与えるような遅延板2は挿入されていない。図4(a)はM2=5.7、図4(b)はM2=11.3の場合の結果である。図4より、M2を、5.7から11.3に増大させることにより、空間的可干渉距離は明らかに小さくなっていることがわかる。
【0031】
ビーム直径をピーク強度が1/e(ここにeは自然対数の底)における径と定義する時、そのビーム直径を100%とした時のM2値に対する空間的可干渉性距離を図5に示す。ここで、空間的な可干渉性距離Xは、同じ位置でのレーザ光を重ね合わせた時に生じる干渉の強度に対し、1/eまで減衰する2点間の距離で定義し、ビーム直径で規格化した距離としている。図5は、図1に示す構成のレーザプロセス装置において、レーザ発振器100として3つのパワーレベルの異なるYAG2ωレーザ発振器A、B、Cを用いてそれぞれのレーザ発振器のM2値を変化させた場合の空間的可干渉性距離Xの測定結果について示している。いずれも分割数Nが7で、反射回数m=+1とm=0の2つの成分間の可干渉距離を示している。同図から明らかなように、空間的可干渉性距離Xは1/M2以下の値となることが判明した。同図の例では反射回数m=+1とm=0の2つの成分間の可干渉距離の測定結果を示しているが、他の隣接する成分間のデータを用いた場合においても、空間的可干渉距離で規定されている数字であるので結果は同じである。
【0032】
先に説明したように、遅延板2を入れた図1の構成では、隣接するビーム間の干渉は遅延板2を挿入することにより抑制できるが、さらに一つ先の分割されたビーム間、例えばm=0とm=±2間では時間的に同位相であるため干渉は抑制できない。この、さらに一つ先の分割されたビーム間の干渉を抑制するためには、空間的な可干渉性距離を分割された1個飛ばし以上の成分間(2隣接間)の距離(すなわち2/N)以下にしておけばよい。遅延板2を分割されたビームに対し一つおきに挿入した場合、干渉を出現させないための必要条件は、
X=1/M2≦2/N (Nは正の数)
すなわち
M2≧N/2
であることがわかる。
【0033】
このように、本発明者らは、M2値が最大でも100以下と比較的低いレーザビームを発生するレーザ発振器を使用する場合において、そのビームをN個の分割ビームに分割し、各分割ビームを照射面上で重ね合せて照射する場合に、レーザ発振器から発生するビームの集光性を表す指標であるM2値と空間的可干渉性距離とに密接な関係があることを見出して本願発明に至ったものである。一般的にM2値は、小さいほど集光ビーム径が小さく、ビーム品質が良いのであるが、本願発明では、ビームの分割数に応じて最適なM2値があることを見出したものである。
【0034】
以上説明したように、本実施の形態によれば、レーザ発振器からのレーザビームを互いに対向する反射面を用いてビーム断面において空間的にN個の分割ビームに分割し、N個に分割したビームに対し1つおきに光路長または偏光方向制御手段として遅延板2を挿入し、各分割ビームを照射面上で重ね合せて照射する場合、レーザ発振器100から発生するビームの集光性を表す指標であるM2値を、ビームの分割数Nとした場合N/2以上とすることにより、重ね合わせによる全ての分割ビーム間での干渉を防止することができる。特に、N個に分割したビームに対し1つおきに遅延板2を挿入し、M2値をビームの分割数Nとした場合N/2以上とするのみであり、特許文献3および4に示されるように、分割ビームの全てに光路差を設けなくて良いので、構成と調整とが簡単で容易である。しかも、M2値をビームの分割数Nとした場合N/2以上とすることにより、互いに隣り合う以外の2つのビーム間での干渉を確実に抑制することができるので、安定な均質照射が可能となる。
なお、均質化において同技術の適用が必要となるのは、本実施の形態で示したYAG2ωレーザが代表的であるが、それ以外のレーザであっても工業分野で多用されている、M2値が100以下の比較的ビーム品質の良いレーザに対しても必要となる。現実にはより集光性を要求される、50以下のレーザに対してより本特許の構成が必要となる。
【0035】
実施の形態2.
図6は本発明の実施の形態2によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、(A)はy方向から見た図、(B)はx方向から見た図である。
本実施の形態において、図6(A)と図6(B)に示すレーザプロセス装置は、実施の形態1の場合と同様に、照射面上にy方向に均一な分布で広がり、x方向に線状に収束した直線状の照射プロフィルを形成する例を示している。
【0036】
上記実施の形態1では、N個に分割したビームの互いに隣接する隣接分割ビームの光路長または偏光方向を違える光路長または偏光方向制御手段として、遅延板(光学的遅延手段)2を用いた場合について説明したが、本実施の形態では、N個に分割したビームの互いに隣接する隣接分割ビームの一方を他方に対して偏光方向を実質的に直交させる旋光手段7を用いている。
他の構成は、実施の形態1と同様であるので、以下では、実施の形態1と異なる点について主に説明する。
【0037】
重ね合せ照射手段6のy方向の転写レンズ61は、各分割ビームが実焦点を作って、照射面19上に投影するように設定され、実焦点位置近傍で分割ビームが互いに空間的に分離した位置に、旋光手段7として、偏光旋回用の半波長板を、配置するが、旋光手段7は、分割前に互いに隣り合う領域に有る分割ビームについて、いずれか一方を他方に対して偏光角度を実質的に直交させ、照射面19上で重ね合わせた時の2つの分割ビーム間の干渉を防止するものである。図6の例は、転写レンズ61の出射側での実焦点位置で、分割ビーム一つおきに波長板7を配置している。
【0038】
旋光手段7には、2つの分割ビームの相互に干渉が実質的に起こらない程度に偏光角度を実質的に直交するように旋光させるもので、好ましくは、石英から成る半波長板が利用される。図6においては、導波路4の前方のy方向転写レンズ61(シリンドリカルレンズ)の前方に焦点fを形成させ、半波長板7を、この焦点位置に配置するが、5つの分割ビームのうち、反射回数m=0,m=+2およびm=−2の三つの分割ビームにのみ半波長板7を挿入し、他の反射回数m=+1とm=−1には挿入していない。この構成は、y方向に配列した分割ビームの1つおきに半波長板7を介在させている。これにより、図3(A)を参照して、互いに隣り合う2つの分割ビームのうちのいずれか一方にのみ半波長板7を挿入して、他方の分割ビームに対して偏光角度を実質的に直交させている。これにより、互いに隣り合うどのような組み合わせの2つの分割ビームにも、照射面90で重ね合わせても干渉を生じない。従って、実質的にする偏光ビームの重ね合わせにより、照射ビームの均一性が改善される。
【0039】
尤も、この明細書においては、偏光角度(偏光方向)が実質的に直交するとは、一の分割ビームに対して、他方の分割ビームが、直交状態から±30°の範囲に偏移することも含み、これにより実質的に、分割ビーム間の干渉を軽減することができる。
【0040】
上記のように、分割されたビームに対し1つおきに半波長板7を挿入した場合、互いに隣り合うどのような組み合わせの2つの分割ビーム間(例えば反射回数m=+1とm=0の分割ビーム間)でも干渉は防止されるが、互いに隣り合う以外の2つのビーム間(例えば反射回数m=−2とm=0の分割ビーム間)での干渉を防止することはできない。
そこで、本実施の形態においても、実施の形態1で説明したのと同様に、レーザ発振器100から発生するビームの集光性を表す指標であるM2値を、ビームの分割数Nとした場合N/2以上とすることにより、全ての分割ビーム間での干渉を抑制している。
【0041】
実施の形態3.
上記実施の形態1で説明したように、レーザ発振器からのレーザビームを互いに対向する反射面を用いてビーム断面において空間的にN個の分割ビームに分割し、N個に分割したビームに対し1つおきに遅延板2を挿入し、各分割ビームを照射面上で重ね合せて照射する場合、レーザ発振器100から発生するビームの集光性を表す指標であるM2値を、ビームの分割数Nとした場合N/2以上とすることにより、全ての分割ビーム間での干渉を抑制することができる。
【0042】
この際の干渉抑制度合いは、隣接する分割ビームの光路差Δaに大きく依存する。光路差が大きい時は干渉抑制効果により完全となるが、一方で各分割ビームに対する転写条件がずれ、加工テーブル上において良好な転写を行うことができなくなる。そこで空間的可干渉距離をより短くしておくことが望ましく、実験的には、
M2≧N
とすることがよりこのましい結果が得られることが判明した。
【0043】
また、実施の形態2で説明した、半波長板7を隣接するビーム間に交互に挿入して干渉を抑制する場合においても、半波長板7で完全に90度回転できるわけではないため、わずかな干渉が残る。この際においても
M2≧N
の条件で空間的な可干渉性距離を短くしておけば、より均質なビームを照射面90上で得ることができる。
【0044】
実施の形態4.
図7は本発明の実施の形態4によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、x方向から見た光学系の配置を示すが、光路長または偏光方向制御手段(光学的遅延手段2)の配置の相異を除いては、基本的に、図1(A)と図1(B)で示したレーザプロセス装置と同じである。以下では、実施の形態1と異なる点について主に説明する。
【0045】
本実施の形態においては、特に、光路長または偏光方向制御手段が遮蔽体29を含んでおり、反射回数m=0の場合の直進ビームを、y方向転写レンズ61の後の焦点位置fに配置した遮蔽体29により遮断するものである。m=0の直進ビームは、照射面に到達しないので、これが干渉に寄与することはない。従って、光学的遅延手段2としては、直進ビーム(m=0)に対して対称な配置の分割ビームの群(m=+1,−2)または(m=−1,+2)のいずれか一方のみに挿通して、他方の群は、光学的遅延手段2を配置しないので、これにより、照射面上の分割ビーム相互間の干渉を軽減且つ、光学的遅延手段2は、一方の分割ビーム群(m=+1,−2)を一括して透過させる一枚のガラス板またはガラスロッドが利用でき、光学システムを簡素化できる利点ある。遮蔽体29には、レーザビームを吸収ないし反射させる固体、例えば、黒鉛、セラミックス、金属など、が利用できる。
【0046】
実施の形態5.
図8は本発明の実施の形態5によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、x方向から見た光学系の配置を示すが、光路長または偏光方向制御手段(旋光手段7)の配置の相異を除いては、基本的に、図6(A)と図6(B)で示したレーザプロセス装置と同じである。以下では、実施の形態2と異なる点について主に説明する。
【0047】
上記実施の形態2は、N個に分割したビームの互いに隣接する隣接分割ビームの光路長または偏光方向を違える光路長または偏光方向制御手段として、y方向に配列した分割ビームの1つおきに半波長板7を介在させているが、半波長板7、7の間は隙間を設けて、他の分割ビームを透過させる必要があり、この半波長板の構造はいくらか複雑である。
これを解消するために、本実施の形態では、特に、光路長または偏光方向制御手段が遮蔽体29を含んでおり、反射回数m=0の場合の直進ビームを、y方向転写レンズの後の焦点位置fに配置した遮蔽体29により遮断するものである。m=0の直進ビームは、照射面に到達しないので、これが干渉に寄与することはない。従って、旋光手段7としては、直進ビーム(m=0)に対して対称な配置の分割ビームの群(m=+1,−2)または(m=−1,+2)のいずれか一方のみに挿通して、他方の群れは、旋光手段7を配置しないので、これにより、照射面上の分割ビーム相互間の干渉を軽減且つ、旋光手段7は、一方の分割ビーム群(m=+1,−2)をまとめて透過させる一枚の半波長板が利用でき、光学系を簡素化できる利点ある。遮蔽体29には、レーザビームを吸収ないし反射させる固体、例えば、黒鉛、セラミックス、金属などが、が利用でき、旋光手段7と一体化して焦点位置fに配置できる。
【0048】
実施の形態6.
図9は本発明の実施の形態6によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、x方向から見た光学系の配置を示すが、光路長または偏光方向制御手段の配置の相異を除いては、基本的に、図6(A)と図6(B)で示したレーザプロセス装置と同じである。以下では、実施の形態2と異なる点について主に説明する。
【0049】
本実施の形態では、図6に示した実施の形態2において、当該他方の分割ビームに光路長補償手段として、ガラス体の遅延板2を挿入している。上記の一方の分割ビームは、上述の如く、旋光手段として半波長板7が配置されるが、半波長板7の介装は、その分割ビームの光路長を延長することになる。2種類の分割ビームで光路長が異なると、照射面上の結像位置が互いにずれて、プロフイルが不鮮明になる。これを修正するために、他方の分割ビームに、光路長補償手段として光路長を延長する遅延板2を入れてある。遅延板2としては、実施の形態1で説明したのと同様のものが用いられ、例えば、光学ガラス板をその厚みが、半波長板7による光路長と同じ光路を生じる厚みに設定する。
【0050】
実施の形態7.
図10は本発明の実施の形態7によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、(A)はy方向から見た図、(B)はx方向から見た図である。
本実施の形態において、図10(A)と図1(B)に示すレーザプロセス装置は、照射面上にy方向に均一な分布で広がり、x方向に線状に収束した直線状の照射プロフィルを形成する例を示している。
【0051】
レーザプロセス装置は、レーザ発振器100と、レーザビーム分割手段と、重ね合せ照射手段と、光学的遅延手段2とを含み、レーザビーム分割手段は、シリンドリカルレンズアレイ5を利用して、レーザビームを所望数の分割ビーム15a〜15eに分割し、分割ビームを重ね合せ照射手段により被照射物9の照射面90上に直線状プロフィルの照射ビーム19として結像している。
【0052】
本実施の形態では、レーザビーム分割手段は、レーザ発振器100からのレーザビーム1を分割用のシリンドリカルレンズアレイ5に入射するための光学系を含み、平行ビームにするためのビーム拡大レンズ31とy方向コリメートレンズ32とx方向コリメートレンズ33を含み、コリメートレンズ33からの平行ビームをシリンドリカルレンズアレイ5に入射する。
【0053】
分割用シリンドリカルレンズアレイ5は、図中x方向に柱状にして光軸に向けて断面凸レンズをy方向に積重ねたレンズを指すが、図例は、5段のシリンドリカルレンズ5a〜5eから構成され、これにより、レーザ発振器100からのレーザビーム1がビーム断面において一次元的に5つの分割ビーム15a〜15eに分割される。
【0054】
分割用シリンドリカルレンズアレイ5からの分割ビームは、重ね合せ照射手段により、照射面90上に重ね合わせて投影されるが、重ね合せ照射手段は、分割用シリンドリカルレンズアレイ5からの分割ビームを照射面90上にy方向に転写する転写用シリンドリカルレンズアレイ51(5段のシリンドリカルレンズ51a〜51eから構成される。)と、x方向に集光する集光レンズ62と、フィールドレンズ63とを含む。
【0055】
分割用シリンドリカルレンズアレイ5からのy方向への分割ビームは、その前方に配置して別体の転写用シリンドリカルレンズアレイ51に入射され、転写用シリンドリカルレンズアレイ51からの分割ビームは、焦点fa〜feを経て、x方向に集光する集光レンズ62(シリンドリカルレンズ)により照射面90上に投射されて、y方向に均一で、x方向には細く収束した線状プロフィルを有する照射ビーム19に成形するものである。さらにフィールドレンズ63が、転写用のシリンドリカルレンズアレイ51と集光レンズ62との間に配置されている。
【0056】
分割用のシリンドリカルレンズアレイ5からy方向に分割した分割ビーム15a〜15eには、光学的遅延手段として、遅延板2が挿入されるが、遅延板2(遅延板2a,2c,2e)は、1つおきの分割ビーム15a,15c,15eに挿入され、他の分割ビーム15b,15dには、挿入されない。これにより、互いに隣り合う分割ビーム間(例えば、分割ビーム15aと15bの間、あるいは分割ビーム15bと15cとの間)の照射面90上での干渉が押さえられ、重ね合わせた照射ビームの干渉のよる強度分布を均一化することができる。
【0057】
また、分割数Nに対し、レーザ発振器100のM2値が少なくともN/2以上の値に設定されているため、実施の形態1で説明したように、空間的なコヒーレント長XはN/2以下であり、光路長の差はないにも関らず、分割された1個飛ばし以上の成分間の干渉、例えば、分割ビーム15aと15cの間、分割ビーム15aと15dの間、分割ビーム15aと15eの間、分割ビーム15bと15dの間、分割ビーム15bと15eの間、分割ビーム15cと15eの間、の干渉は抑制される。結果として均質なトップハットビームを得ることができる。
【0058】
さて、先の実施の形態1で示した導波路による分割の場合には、各分割ビームは境界線で折り返される形で重ねられた。この結果、境界部では空間的に同じ場所の光成分が重ね合わされるため、図4に見るごとく、端部において強い干渉が観測されている。一方、シリンドリカルレンズアレー5を用いた図10に示す本実施の形態による構成では、分割されたビームは平行に重ね合わされる。換言すれば、照射面90での重ね合わせの際に、折り返しがなくて、単に重畳されるだけである。すなわち、空間的に同じ位置の光が重ね合わされることはなく、ビーム直径を1とすれば、常に1/N以上離れた成分が重ね合わされることになる。これによる干渉抑制効果は大きく、実効的には、
M2≧N/2
の条件が成り立てば、分割された1個飛ばし以上の成分間(2隣接間)における干渉は十分抑制できることが判明した。
【0059】
なお、上記では、レーザビームの分割および各分割ビームの照射面上での重ね合せ照射にレンズアレーを用いた場合について説明したが、これに限るものではない。例えばプリズム、回折格子、ホログラム等を用いた光学系のように、分割されたビームを平行に重ね、均質化を図る光学系であればどのような光学系であっても、分割したビームの互いに隣り合う隣接分割ビームの一方を他方に対して該レーザビームの時間的可干渉距離よりも長く遅延させる光学的遅延手段を備え、かつ
M2≧N/2
とすることにより、重ね合わせによる全ての分割ビーム間での干渉を防止することができる。
また、N個に分割したビームに対し1つおきに遅延板2を挿入し、M2値をN/2以上とするのみであり、特許文献3および4に示されるように、分割ビームの全てに光路差を設けなくて良いので、構成と調整とが簡単で容易である。しかも、M2値をN/2以上とすることにより、互いに隣り合う以外の2つのビーム間での干渉を確実に抑制することができるので、安定な均質照射が可能となる。
【0060】
実施の形態8.
図11は本発明の実施の形態8によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、(A)はy方向から見た図、(B)はx方向から見た図である。
本実施の形態において、図11(A)と図11(B)に示すレーザプロセス装置は、実施の形態7の場合と同様に、照射面上にy方向に均一な分布で広がり、x方向に線状に収束した直線状の照射プロフィルを形成する例を示している。
【0061】
上記実施の形態7では、N個に分割したビームの互いに隣接する隣接分割ビームの光路長または偏光方向を違える光路長または偏光方向制御手段として、遅延板(光学的遅延手段)2を用いた場合について説明したが、本実施の形態では、N個に分割したビームの互いに隣接する隣接分割ビームの一方を他方に対して偏光方向を実質的に直交させる旋光手段7を用いている。
他の構成は、実施の形態7と同様であるので、以下では、実施の形態7と異なる点について主に説明する。
【0062】
分割用シリンドリカルレンズアレイ5からy方向に分割した分割ビーム15a〜15eには、旋光手段として、半波長板7が挿入されるが、半波長板7は、1つおきの分割ビーム15a,15c,15dに挿入され、他の分割ビーム15b,15dには、挿入しない。これにより、互いに隣合う分割ビーム間(例えば、分割ビーム15aと15bの間、分割ビーム15bと15cとの間、あるいはその他の隣り合う分割ビーム間)では、偏光角度が実質的に直交して、照射面90上での干渉が押さえられ、重ね合わせた照射ビーム19の干渉による強度分布を均一化することができる。
【0063】
上記のように、分割されたビームに対し1つおきに半波長板7を挿入した場合、互いに隣り合うどのような組み合わせの2つの分割ビーム間(例えば分割ビーム15aと15c間)でも干渉は防止されるが、互いに隣り合う以外の2つのビーム間(例えば分割ビーム15aと15c間)での干渉を防止することはできない。
そこで、本実施の形態においても、実施の形態7で説明したのと同様に、レーザ発振器100から発生するビームの集光性を表す指標であるM2値を、N/2以上とすることにより、全ての分割ビーム間での干渉を抑制している。
【0064】
実施の形態9.
図12は本発明の実施の形態9によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、x方向から見た光学系の配置を示すが、光路長または偏光方向制御手段の配置の相異を除いては、基本的に、図11(A)と図11(B)で示したレーザプロセス装置と同じである。以下では、実施の形態8と異なる点について主に説明する。
【0065】
本実施の形態では、図11に示した実施の形態8において、旋光手段を挿入していない当該他方の分割ビーム(この例では、15b、15d)に光路長補償手段として遅延板2用のガラス体を挿入している。上記の一方の分割ビームは、上述の如く、旋光手段として半波長板7が配置されるが、半波長板7の介装は、その分割ビームの光路長を延長することになり、2種類の分割ビームで光路長が異なると、照射面上の結像位置が互いにずれて、プロフイルが不鮮明になる。これを修正するために、他方の分割ビームに光路長を補償する手段として光路長を延長する遅延板72を入れてある。遅延板2としては、実施の形態1で説明したのと同様のものが用いられ、例えば、光学ガラス板を、半波長板7による光路長と同じ光路長を生じる厚みに設定する。
【0066】
なお、y方向転写用シリンドリカルレンズアレイ51において、半波長板7を挿入した分割ビームについての微小シリンドリカルレンズと、半波長板7を挿入していない分割ビームについての微小シリンドリカルレンズとに、異なる焦点距離を設けることにより光路長の補償を行なってもよい。
【0067】
実施の形態10.
図13は本発明の実施の形態10によるレーザプロセス装置の構成を示す図であり、(A)はy方向から見た平面図、(B)はx方向から見た平面図、(C)は遅延板の断面図である。
本実施の形態において、図13(A)と図13(B)に示すレーザプロセス装置は、実施の形態1の場合と同様に、照射面上にy方向に均一な分布で広がり、x方向に線状に収束した直線状の照射プロフィルを形成する例を示している。
【0068】
レーザプロセス装置は、レーザ発振器100と、レーザビーム分割手段と、重ね合せ照射手段と、光学的遅延手段とからなり、レーザビーム分割手段は、x方向シリンドリカルレンズアレイとy方向シリンドリカルレンズアレイとを直交して配置して、二次元的に分割した分割ビームを形成している。別のレーザビーム分割手段としては、二次元的レンズアレイも利用可能であり、この場合は、x方向シリンドリカルレンズアレイ5とy方向シリンドリカルレンズアレイ52に代えて、単一の二次元的レンズアレイを配置して、x−y方向に二次元的に分割ビームを形成することができる。また、入射面と出射面と、入射面と出射面とを結ぶ軸回りに主要な4面の反射面を有する直方体で、入射面から導入されたレーザビームを4面の反射面で反射させて、出射面からは、分割されたビームを放射する、二次元導波路を用いることもできる。
【0069】
本実施の形態では、x方向シリンドリカルレンズアレイ5とy方向シリンドリカルレンズアレイ52とを直交して配置して、二次元的に分離した多数の分割ビームを平行に形成している。
レーザビーム分割手段は、さらに、レーザビームをシリンドリカルレンズアレイ5に入射するための拡大レンズ51とコリメートレンズ32とを含み、拡径した平行なレーザビームを、シリンドリカルレンズアレイ5に入射している。
【0070】
重ね合せ照射手段は、多数の分割ビームを、被照射物9の照射面90上で重ね合わせて、照射ビームにするものであるが、ここでは、重ね合せ照射手段は、y方向の転写用シリンドリカルレンズアレイ51により照射面上に所定の長さに渡って転写できるように、x方向にはシリンドリカルレンズアレイ5とx方向集光レンズ62(シリンドリカルレンズ)によりx方向には集光している。この結果、照射面上に直線状のプロフィルの照射ビームに結像している。
【0071】
本実施形態では、レーザビーム1は、レーザビーム分割手段としての拡大レンズ31とコリメートレンズ32により、分割用のシリンドリカルレンズアレイ5に入射されて、この例では、x方向に5分割された分割ビームを形成して、次いで、y方向シリンドリカルレンズアレイ52により、さらに、y方向に分割されて、x方向とy方向の2つの方向に、分割数N×Nの分割可能な二次元分割ビームを得る。分割数N、Nは、いずれか一方または両方共に、5以上の適当な数とするのが好ましく、特に、共に7以上とするのが好ましい。この実施形態では、分割数N×Nを5×5の組み合わせの二次元分割ビームとしている。
【0072】
二次元分割ビームの各々は、断面が矩形で、互いに平行であり、次いで、光学的遅延手段として遅延板2を通過させて、y方向転写シリンドリカルレンズアレイ51に入射して、被照射物9の照射面90上に一定長さに転写する。
【0073】
遅延板2は、図13(C)に示すように、遅延素子20と空隙290とが互い違いに配列されて構成され、遅延素子20は、一定厚みの微小ガラス板から成り、空隙290は単なる空気層である。詳しくは、遅延板上のy方向に向けて、遅延素子20と空隙290とが交互に配列され、x方向についても、遅延素子20と空隙290とが交互に配列されている。
【0074】
遅延板2におけるこれら遅延素子20の配列においては、互いに隣り合った分割ビームは、その一方が遅延素子を通過し、他方が空隙の空気層を透過し、両者間には、光路差を設けている。本来は、互いに隣合う分割ビームは、照射面に照射されると互いに干渉するのであるが、上記遅延板の遅延素子の配列は、y方向の転写用シリンドリカルレンズアレイ51を含む重ね合せ照射手段により照射面上に照射した分割ビーム相互の干渉が軽減され、合成した照射ビームの変動が防止される。
【0075】
上記のように、分割されたビームに対し1つおきに遅延素子20を挿入した場合、互いに隣り合うどのような組み合わせの2つの分割ビーム間でも干渉は防止されるが、互いに隣り合う以外の2つのビーム間での干渉を防止することはできない。
そこで、本実施の形態においても、実施の形態7で説明したのと同様に、レーザ発振器100から発生するビームの集光性を表す指標であるM2値を、各分割方向においてそれぞれN/2以上およびN/2以上とすることにより、全ての分割ビーム間での干渉を抑制している。
【0076】
なお、二次元導波路を用いてレーザ発振器からのレーザビームをビーム断面において二次元的にN×N個の分割ビームに分割した場合には、各分割方向におけるM2値をN/2以上およびN/2以上、より望ましくはN以上およびN以上とすることにより、全ての分割ビーム間での干渉を抑制することができる。
【0077】
なお、転写用シリンドリカルレンズアレイ51の前後に光学的遅延手段を第1の遅延板と第2の遅延板とに分けて配置することにより、分割ビームが転写される面と転写する面とが共役関係になるように配置することができ、これにより、照射面での回折の影響を最小にすることができる利点がある。さらに、シリンドリカルレンズアレイ53とx方向集光レンズ62との間に遅延手段として第3の遅延板を配置して、x方向には分離して隣り合った分割ビームの間に光路差Δaを設けて、照射面での相互干渉を軽減してもよい。
【0078】
実施の形態11.
図14は本発明の実施の形態11によるレーザプロセス装置の構成を示す図であり、(A)はy方向から見た平面図、(B)はx方向から見た平面図、(C)は半波長板の断面図である。
上記実施の形態10では、互いに隣り合う隣接分割ビームの光路長または偏光方向を違える光路長または偏光方向制御手段として光学的遅延手段(遅延板2)を用いた場合について説明したが、隣接分割ビームの一方を他方に対して偏光方向を実質的に直交させる旋光手段を用いてもよく、この場合にも、各分割方向におけるM2値をN/2以上およびN/2以上とすることにより、全ての分割ビーム間での干渉を抑制することができる。
【0079】
このような旋光手段7には、図14(C)に示すように、旋光素子70と空隙290とをx方向およびy方向に交互に配列した旋光板7が利用される。旋光板7は、分割用シリンドリカルレンズアレイ5、52の前方に、分割ビームが、旋光素子70を、これに隣合う分割ビームが空隙290を、それぞれ通過するように配置される。これにより、隣合う分割ビームは偏光面が実質的に直交する。旋光板7の旋光素子70には、旋光性材料から、好ましくは、水晶単結晶が利用され、光学的に半波長板として、上記図14(C)の如く、空気層である空隙と互い違いに配列している。
【0080】
なお、旋光板7の旋光素子70を挿入した分割ビームは、空隙のみを通過する分割ビームと対比すると、旋光面を回転させると共に、その光路長も大きくするので、被照射物9の照射面90上には、分割ビームとの光路長の差に起因する結像位置のずれを生じる。
そこで、図14(C)における空隙290を、光路長補償遅延素子に代え、旋光素子70と光路長補償遅延素子とを互い違いに配置してもよい。光路長補償遅延素子には、光学ガラス板を使用して、光路長補償遅延素子の厚みaは、旋光素子70である水晶の半波長板により生ずる光路長さと実質的に等しい光路長さになるように決められる。光路長の補償により、互いに隣合う分割ビームの間には、転写用シリンドリカルレンズアレイによる結像位置の偏移がなく、これにより、鮮明な結像が得られ、照射面上の照射ビームにはより均一な強度分布が得られる。
また、y方向転写用シリンドリカルレンズアレイ51において、旋光板7の旋光素子70を通過する分割ビームを通過させる微小シリンドリカルレンズと、空気層である空隙290を通過する分割ビームを通過させる微小シリンドリカルレンズとに、異なる焦点距離を設けることにより光路長の補償を行なってもよい。
【0081】
実施の形態12.
図15は本発明の実施の形態12によるレーザプロセス装置の構成を示す図であり、(A)はy方向から見た平面図、(B)はx方向から見た平面図、(C)は半波長板の断面図、(D)は遅延板の断面図である。
【0082】
レーザビーム分割手段の前方に分割ビームを透過する遅延手段と旋光手段とをを配置して、互いに隣合う分割ビーム間の照射面上での干渉を防止するができる。図7(A)と図7(B)に示す例は、分割用シリンドリカルレンズアレイ5、52の前方に旋光板7と、その前方に遅延板2と、の両方を配置し、その前方には、y方向転写用のシリンドリカルレンズアレイ51、フィールドレンズ63、x方向の転写シリンドリカルレンズアレイ62、およびx方向集光レンズ62を配置して、通過する分割ビームを照射面90に照射させて、線状プロヒィルの照射ビーム19を得ている。
【0083】
この例では、旋光板7は、旋光素子70と空隙290とを、x方向には交互に、且つ、y方向にはそれぞれ別に列をなして、配置している。これにより、分割用シリンドリカルレンズアレイ5、52からの分割ビームは、この旋光板7により、x方向については隣合う分割ビーム間に偏光角度を直交させるが、y方向には偏光角度を変えない。そして、その結果、ある分割ビームとこれに対して斜め方向で隣合う分割ビームとの間においても、偏光角度を旋光させることができる。 旋光板7の旋光素子70は、y方向には偏光角度を変えないので、これを補償するために、旋光板7の前方に配置した遅延板2には、実施の形態10と同様の構成で、遅延素子20と空隙290とを、x方向およびy方向に交互に配置しており、x方向およびy方向に隣合う分割ビームに、光路差Δaを設けている。
【0084】
それ故、旋光板7と遅延板2との配置は、x方向とy方向とに隣合う分割ビームについては、遅延板2による光路差により干渉を軽減させ、斜め方向に隣合う分割ビームについては、旋光板による旋光により干渉を防止し、これにより、ある分割ビームと、これを取り巻く全ての隣り合わせの分割ビームとが、相互の干渉を軽減することができる。
【0085】
なお、上記各実施の形態においては、空間的な可干渉距離が長い固体レーザ、およびその高調波レーザをレーザ光源の例として説明したが、固体レーザと同様に可干渉性が高いCOレーザ、Arレーザ他、他のガスレーザ、および半導体レーザに適用しても同様の効果を得ることができる。一方、現状エキシマレーザがケイ素の多結晶化法に対して適用されているが、ここでは単純にレンズアレーを用いて分割し、単純に重ねるだけでレーザ光源の均質化が図られている。エキシマレーザはその発振波長が紫外域にある一方、構造的にビームの取り出し断面が数センチメートルオーダーと大きく、M2値としては通常の安定型発振器が適用されている系では少なくとも100を十分に超える大きさで、大きい場合には1000を超えるオーダにあり、空間的なコヒレント長が極端に短い。また、スペクトル幅が極端に広いため時間的なコヒーレント長も短い。その意味で、エキシマレーザは、時間的、空間的なコヒーレンス長が長いことを特徴とするレーザ光源としては例外的なものであり、エキシマレーザ以外の殆んどのレーザでは均質ビームを照射する上で本発明を適用することができる。
【0086】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、レーザ発振器から発生するビームの集光性を表す指標であるM2値が100以下であるレーザビームを発生する少なくとも1つのレーザ発振器と、上記レーザ発振器からのレーザビームをビーム断面において空間的にN個の分割ビームに分割するレーザビーム分割手段と、上記各分割ビームを照射面上で概略重ね合せて照射する重ね合せ照射手段と、上記N個に分割したビームの互いに隣り合う隣接分割ビームの光路長または偏光方向を違える光路長または偏光方向制御手段とを備え、上記M2値が、少なくとも上記ビームの分割方向においてM2≧N/2であるので、重ね合わせによる分割ビーム間の干渉を防止して、照射ビームの一層の均一化するための構成と調整とが簡単で容易であり、しかも安定な均質照射を可能とするレーザプロセス装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、(A)はy方向から見た図、(B)はx方向から見た図である。
【図2】導波路におけるレーザビームの分割の態様を説明する断面図である。
【図3】導波路におけるレーザビームの分割の態様を説明する図である。
【図4】導波路により分割した互いに隣接する2つの分割ビームを照射面上で重ね合わせたときの合成照射ビームの強度分布を示す図である。
【図5】M2値と空間的可干渉性距離との関係を示す図である。
【図6】本発明の実施の形態2によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、(A)はy方向から見た図、(B)はx方向から見た図である。
【図7】本発明の実施の形態4によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、(A)はy方向から見た図、(B)はx方向から見た図である。
【図8】本発明の実施の形態5によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、(A)はy方向から見た図、(B)はx方向から見た図である。
【図9】本発明の実施の形態6によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、(A)はy方向から見た図、(B)はx方向から見た図である。
【図10】本発明の実施の形態7によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、(A)はy方向から見た図、(B)はx方向から見た図である。
【図11】本発明の実施の形態8によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、(A)はy方向から見た図、(B)はx方向から見た図である。
【図12】本発明の実施の形態9によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、(A)はy方向から見た図、(B)はx方向から見た図である。
【図13】本発明の実施の形態10によるレーザプロセス装置の構成を示す図であり、(A)はy方向から見た平面図、(B)はx方向から見た平面図、(C)は遅延板の断面図である。
【図14】本発明の実施の形態11によるレーザプロセス装置の構成を示す図であり、(A)はy方向から見た平面図、(B)はx方向から見た平面図、(C)は半波長板の断面図である。
【図15】本発明の実施の形態12によるレーザプロセス装置の構成を示す図であり、(A)はy方向から見た平面図、(B)はx方向から見た平面図、(C)は半波長板の断面図、(D)は遅延板の断面図である。
【符号の説明】
100 レーザ発振器、2 遅延板、20 遅延素子、29 遮蔽体、290空隙、31 ビーム拡大レンズ、32 y方向コリメートレンズ、33 x方向コリメートレンズ、34 集光レンズ、4 導波路、41 反射面、42 反射面、5 分割用シリンドリカルレンズアレイ、51 転写用シリンドリカルレンズアレイ、61 転写レンズ、62 集光レンズ、7 半波長板(旋光板)、70 旋光素子、9 被照射物、90 照射面。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser processing apparatus that improves the homogeneity of an irradiation laser beam on an irradiation surface during laser processing of an object to be irradiated.
[0002]
[Prior art]
As an example of performing heat treatment by laser irradiation, in the case of manufacturing a polycrystalline silicon film, an amorphous silicon film is previously formed on a suitable substrate, for example, a glass substrate by a vapor phase forming method such as CVD. In addition, a method is known in which the amorphous silicon film is scanned with a laser beam to be polycrystallized.
[0003]
In the method of polycrystallizing a silicon film, for example, a laser beam from a laser light source is condensed on an amorphous silicon film by a lens and laser irradiation is performed. Some are crystallized during the process. The laser beam is usually an axially symmetric Gaussian distribution, with the axial intensity profile of the beam at the irradiation location depending on the profile of the laser source. The polycrystalline silicon film formed by irradiation with such a beam has extremely low crystallinity uniformity in the plane direction, and it has been difficult to use the polycrystalline silicon film as a semiconductor substrate in manufacturing a thin film transistor.
[0004]
Further, there is known a technique in which an excimer laser having a short wavelength is used to irradiate and heat a semiconductor film with a profile of an irradiation beam in a rectangular distribution. For example, there has been one in which a laser beam from an oscillator passes through two cylindrical lens arrays that cross each other in a plane perpendicular to the optical axis, passes through a converging lens, and converges on the surface of the semiconductor film. In this method, a laser beam having a Gaussian distribution is made uniform in two orthogonal directions by two cylindrical lens arrays, and an irradiation laser beam on the surface of the semiconductor film is orthogonal on the semiconductor surface. The width is different in two directions, and a polycrystalline band having a constant width is repeatedly formed on the semiconductor film by sweeping the irradiation laser beam (for example, see Patent Documents 1 and 2). .
[0005]
Recently, the maximum output of YAG lasers has been significantly improved. Since a YAG laser is a solid-state laser, it is easier to handle and easier to maintain than an excimer laser, which is a gas laser. Attention has been paid to a polycrystallizing method of a silicon film using a second harmonic of a YAG laser, which has this characteristic, because of its potential for higher mobility. However, the coherent length of an excimer laser is on the order of several microns to several tens of microns, and the optical interference when passing through an optical system that divides a laser beam into one is very weak. , And its second harmonic have a very long coherent length of about 1 cm. The effect of this interference cannot be ignored.
The interference generated in the superimposed beam on the irradiation surface is such that when a semiconductor film is heated and crystallized using a rectangular irradiation laser beam, the intensity profile in the direction of movement of the laser beam greatly affects crystal growth. However, it is not preferable to cause the crystal grains of the silicon film to grow large.
[0006]
There has been proposed a method for removing the non-uniformity of the irradiation laser intensity due to this interference.For example, a collimator converts a beam from a light source into a parallel light, irradiates the mirror with a step-like reflecting surface, and splits the beam by the mirror. An optical system configured to irradiate with a cylindrical lens array to be synthesized and a converging cylindrical lens is disclosed. This is to provide an optical path difference equal to or longer than the coherent length of a laser beam in each divided beam due to a step between respective reflection surfaces, thereby preventing interference between the divided beams on an irradiation surface (for example, Patent Document 3). reference).
[0007]
In addition, the laser beam from the light source is collimated by a beam collimator, irradiates a plurality of small reflecting mirrors, and the reflected light from each reflecting mirror is irradiated on the irradiation surface and superimposed. In some cases, interference is prevented by securing the optical path difference of the beam equal to or longer than the coherent length (for example, see Patent Document 4).
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-10-333077 (pages 2-5, FIGS. 1 and 2)
[Patent Document 2]
JP-A-6-69415 (pages 2-6, FIG. 1-15)
[Patent Document 3]
JP 2001-127003 A (Page 2-10, FIG. 6-10)
[Patent Document 4]
JP 2001-244213 A (Pages 2-20, FIG. 3-13)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The above-mentioned beam uniformization technology prevents interference when splitting a laser beam from the same light source and superimposing them on the irradiation surface by providing an optical path difference using a reflector having multiple reflection surfaces. However, these optical systems required special reflecting mirrors. In particular, the optical system of Patent Document 4 requires an arrangement in which the optical axis of the optical system is bent by a reflecting mirror. Further, each reflecting mirror of the optical system accurately adjusts an irradiation surface in correspondence with a large number of split beams. However, there is a problem that the arrangement of the reflection mirror is complicated, and the degree of freedom of the optical system to be arranged as the heat treatment apparatus is reduced.
Moreover, if the optical path difference is provided for all the divided beams, the transfer conditions for each beam are greatly different, so that there is a problem that the divided beams cannot be overlapped on the irradiation surface in the same manner. For large laser sources, the device is large and complex, impractical, and difficult to optically adjust.
[0010]
The present invention provides a uniform intensity distribution on an irradiation surface by superimposing split beams obtained by splitting a laser beam having an M2 value (which is an index indicating the condensing property of a beam generated from a laser oscillator) of 100 or less. The purpose of the present invention is to prevent interference between divided beams due to superposition in a laser processing apparatus for forming an irradiated beam, thereby achieving a more uniform irradiation beam, and in particular, to prevent such interference. It is an object of the present invention to provide a laser processing apparatus which is simple and easy to make the configuration and adjustment for making the irradiation beam uniform, and enables stable and uniform irradiation.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
A laser processing apparatus according to the present invention includes: at least one laser oscillator that generates a laser beam having an M2 value of 100 or less, which is an index indicating the condensing property of a beam generated by the laser oscillator; and a laser beam from the laser oscillator. A laser beam splitting means for spatially splitting the divided beams into N divided beams in a beam cross section, superimposing irradiation means for irradiating each of the divided beams substantially superimposed on an irradiation surface, and Optical path length or polarization direction control means for changing the optical path length or polarization direction of adjacent divided beams adjacent to each other, wherein the M2 value is M2 ≧ N / 2 at least in the beam division direction.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
1A and 1B are plan views showing a configuration of a laser processing apparatus according to a first embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a view as seen from a y direction, and FIG. 1B is a view as seen from an x direction.
In this embodiment mode, the laser processing apparatus shown in FIGS. 1A and 1B has a linear irradiation profile which spreads uniformly on the irradiation surface in the y direction and converges linearly in the x direction. Is shown.
[0013]
The laser processing apparatus includes a laser oscillator 100, a laser beam splitting unit 3, a superposition irradiation unit 6, and an optical delay unit 2. The laser beam splitting unit 3 uses a waveguide 4 to generate a laser beam. Is divided into a desired number of divided beams 16a to 16e, and the divided beams are imaged on the irradiation surface 90 of the irradiation object 9 by the overlapping irradiation means 6 as an irradiation beam 19 of a linear profile.
[0014]
In the present embodiment, the laser beam splitting means 3 includes an optical system for causing the laser beam 1 from the laser oscillator 100 to enter the waveguide 4, and includes a beam expanding lens 31 for converting the laser beam 1 into a parallel beam and a y-direction collimator. It includes a lens 32 and an x-direction collimating lens 33, and then includes a cylindrical lens condensing lens 34 that collects light in the y-direction and makes it enter the waveguide 4.
[0015]
The waveguide 4 has parallel main surfaces opposed to each other having reflection surfaces 41 and 42, and the reflection surfaces 41 and 42 are perpendicular to the y direction in this figure. An incident end face 43 and an outgoing end face 44 through which the laser beam 1 passes between the two reflecting surfaces are orthogonal to the optical axis of the laser beam. The incident laser beam 1 is a split beam of a component that passes between the reflection surfaces and radiates from the emission end, and a split beam (m = 1) of a component that is reflected once (m = 1) by one of the reflection surfaces 41 and 42. = + 1, m = -1) and two split beams (m = + 2, m = -2) of the component reflected twice (m = 2) on both reflecting surfaces, and three or more times Each pair of reflected split beams is split into components emitted from the emission end.
[0016]
The split beam from the waveguide 4 is superimposed and projected on the irradiation surface 90 by the superimposing irradiation unit 6. The superimposing irradiation unit 6 transfers the split beam onto the irradiation surface 90 in the y direction. It can be constituted by a transfer lens 61 (cylindrical lens) for the direction and a condenser lens 62 (cylindrical lens) for collecting light in the x direction. The y-direction transfer lens 61 extends to a specified length in the y-direction on the irradiation surface 90 through the x-direction condenser lens 62, and the x-direction condenser lens 62 converges linearly in the x direction. An irradiation beam 19 of a linear profile is obtained on the irradiation surface.
[0017]
The transfer lens 61 in the y-direction of the superposition irradiation means 6 is set so that each divided beam forms a real focus and projects onto the irradiation surface 19, and the divided beams are spatially separated from each other near the actual focus position. A light transmissive body 2 for delay is disposed at a position as an optical delay means, and the delay plate 2 is configured to divide one of the optical paths of divided beams existing in regions adjacent to each other before division. Is delayed with respect to the other optical path, and an optical path difference is provided optically to prevent interference between the two split beams when they are superimposed on the irradiation surface 19. In the example of FIG. 1, the delay plate 2 is arranged every other split beam at the actual focal position on the emission side of the transfer lens 61.
[0018]
More specifically, FIG. 2 shows the mode of splitting the laser beam from the laser oscillator 100 with respect to the waveguide of the laser beam splitting means. The laser beam from the laser oscillator 100 is applied to a condensing lens 34 of a cylindrical lens. Focus on F 0 And enters the waveguide 4. In the waveguide, there is a split beam (the number of reflections m = 0) in which a part of the incident beam is transmitted without reflection on the reflection surface, and the split beam reflected only once on the reflection surface 41 or 42 opposed to each other. There are two types in the y direction (m = ± 1), and there are two types of split beams similarly reflected in the y direction in the y direction (m = ± 2). Radiated from Focus F perpendicular to optical axis 0 The virtual image focus F of each split beam emitted from the exit surface 43 +1 , F -1 , F +2 , F -2 And each of the split beams has a virtual image focus F +1 .. Appear to be radiated from the opening of the exit surface 43.
[0019]
Assuming that the laser beam spreads through the focal point by the condenser lens 34 assuming that there is no waveguide, the profile of the beam projected onto the surface at the position of the exit surface 44 is a circle 14. Can be decomposed into components of sections corresponding to each of the multiple split beams. When each component in the cross section of the laser beam 1 is divided in the order of m = −2, −1, 0, +1 and +2 in the y direction on the cross section, a component radiated from the emission surface 44 of the waveguide 4, that is, It should be noted that the split beams are arranged in the y direction in the order of the components of the number of reflections m = + 2, -1, 0, +1 and -2.
[0020]
FIG. 2 shows only the arrangement of the split beams of the components m = 0, +1 and +2 radiated from the exit surface 44 of the waveguide 4, and the split beams of m = + 1 and m = + 2 Radiated in opposite directions to the intermediate plane. On the other hand, the split beams of m = -1 and -2 are symmetrical with respect to the center plane of the reflection surface of m = + 1 and +2, but are omitted in the drawing.
[0021]
FIG. 3A shows a case where the laser beam is focused on a focal point F. 0 FIG. 3 schematically illustrates the division width of the divided beam of the laser beam 14 projected on the corresponding plane of the emission surface 44 of the waveguide 4 without being reflected by the waveguide 4. This is an example in which a circular profile laser beam 14 is divided into seven by a waveguide.
[0022]
In the waveguide 4, split beams adjacent to each other are folded and superimposed on the emission surface 44 of the waveguide 4. Thus, the components adjacent to each other due to the division of the laser beam 1 have their boundary portions coincident with each other at the folded portion of the divided beam at the exit surface of the waveguide in FIG. For example, in FIG. 3A, the boundary III of the component of m = + 1 and the boundary iii of m = 0 that is in contact with the component are folded at the exit surface 44 of the waveguide as shown in FIG. 3B. And overlap.
[0023]
When such a folded split beam is projected onto the irradiation surface 90 by being superimposed on it via the y-direction transfer lens 61 and the x-direction condenser lens 62, the irradiation beam interferes on the irradiation surface. , A wavy distribution is formed in the intensity.
[0024]
Further, this embodiment includes an optical delay means for delaying one of adjacent split beams adjacent to each other among the split beams formed by the above-described waveguide with respect to the other longer than the temporal coherence distance. In.
This optical delay means is used for a hollow mirror or a solid translucent body, but it is necessary to prevent the split beams from adjacent areas from interfering with each other by providing an optical path difference between them. , To prevent interference.
[0025]
The temporal coherence length ΔL of the laser beam is
ΔL = cΔt ≒ λ 2 / Δλ
Given by Here, c is the speed of light, Δt is the coherence time, Δλ is the wavelength width (spectrum width) of the laser, and the narrower the laser wavelength width, the longer the coherence distance.
For example, in the case of a YAG laser (Nd: YAG laser), the spectral width Δλ = 0.12 to 0.30 nm for a beam having a center wavelength λ = 1.06 μm, so that the temporal coherence length ΔL is ΔL = 3.8 to 9.4 mm. The value of ΔL is almost the same for the second harmonic laser (YAG2ω laser) of the YAG laser.
[0026]
In FIG. 1, at a position where a plurality of split beams are separated from each other, a translucent delay plate 2, that is, an optical glass plate 2 is inserted as an optical delay unit into any of the split beams that easily cause interference. Thus, an optical path difference is formed between adjacent split beams. In this example, the beam split by the waveguide 4 is transferred by the y-direction transfer lens 61, and the irradiation beam 19 is formed on the irradiation surface by the x-direction condenser lens 62. A focal point f is formed on each beam by the y-direction transfer lens 61 between the optical lens 62 and the glass plate as the delay plate 2 is inserted into any one of the adjacent beams before or after the focal position f. An optical path difference is provided. In this example, a glass plate is inserted every other five divided beams, and another divided beam passes through the space between the delay plates 2 and 2 adjacent to each other. With the delay plates 2 having such an arrangement, the irradiation beams superimposed on the irradiation surface do not cause interference between the divided beams adjacent to each other, so that a profile having a substantially uniform intensity distribution can be obtained. .
The optical path difference Δa due to the glass plate is represented by the thickness a of the glass plate and the refractive index n of the glass 1 , The refractive index of air n 0 From
Δa = a (n 1 -N 0 )
Given by
[0027]
Since the optical path difference Δa due to the glass plate is set to be equal to or greater than the temporal coherence distance ΔL (Δa ≧ ΔL), glass that gives an optical path difference equal to or greater than the temporal coherence distance ΔL between adjacent split beams from these equations. The thickness a is required. The thickness of the delay plate is preferably set so as to provide an optical path difference of twice or more, more preferably four times or more, the temporal coherence length ΔL by the delay plate. For example, in a YAG laser (Nd: YAG laser) or a YAG2ω laser, quartz (n 1 = 1.46), the optical path difference Δa is 12 to 30 mm while the temporal interference distance ΔL is 3.8 to 9.4 mm.
[0028]
In the present embodiment, the laser oscillator 100 generates a second harmonic laser (YAG2ω laser) of YAG having a wavelength of 532 nm. Further, the value M2, which is an index indicating the light condensing property of the beam generated from the laser oscillator 100, is N / 2 or more when the number N of beam splits is at least in the beam split direction (y direction). The M2 value is an index indicating how many times the diameter of the focused beam is larger than that of a single mode (TEM00) beam when the same focusing optical system is used, that is, an index indicating the focusing property. Obviously, the larger the M2 value, the larger the focused beam diameter and the worse the beam quality.
[0029]
As described above, if every other delay plate 2 is inserted into the divided beams, any combination of two divided beams adjacent to each other (for example, the divided beams having the number of reflections m = + 1 and m = 0) However, interference between two beams other than adjacent beams (for example, between split beams with the number of reflections m = −2 and m = 0) cannot be prevented.
Therefore, in the present embodiment, as will be described in detail below, when the M2 value is the number of beam divisions N, by setting it to N / 2 or more, interference between all the divided beams can be prevented. ing.
[0030]
FIG. 4 shows that only two components of the split beam from the waveguide when the number of divisions N is approximately 7, for example, two components of the number of reflections m = + 1 and m = 0 are converted into the y-direction transfer lens 61 and x The figure shows the measurement results of the intensity distribution on the irradiation surface when the irradiation is performed while being superimposed on the irradiation surface 90 via the direction condensing lens 62 and the like. Here, the delay plate 2 that gives an optical path difference to adjacent divided beams is not inserted. FIG. 4A shows the result when M2 = 5.7, and FIG. 4B shows the result when M2 = 11.3. FIG. 4 shows that the spatial coherence length is clearly reduced by increasing M2 from 5.7 to 11.3.
[0031]
1 / e peak intensity at beam diameter 2 FIG. 5 shows the spatial coherence distance with respect to the M2 value when the beam diameter is defined as 100% (where e is the base of natural logarithm). Here, the spatial coherence distance X is defined as the distance between two points that attenuates to 1 / e with respect to the intensity of interference generated when laser beams at the same position are superimposed, and is defined as a beam diameter. Distance. FIG. 5 shows a space in the case where the M2 value of each laser oscillator is changed using three laser oscillators A, B, and C having different power levels as the laser oscillator 100 in the laser processing apparatus having the configuration shown in FIG. It shows the measurement results of the typical coherence distance X. In each case, the number of divisions N is 7, and the coherence distance between two components of the number of reflections m = + 1 and m = 0 is shown. As is clear from the figure, it has been found that the spatial coherence distance X has a value of 1 / M2 or less. In the example shown in the figure, the measurement result of the coherence distance between two components of the number of reflections m = + 1 and m = 0 is shown. However, even when data between other adjacent components is used, the spatial interference is measured. The result is the same because it is a number defined by the interference distance.
[0032]
As described above, in the configuration of FIG. 1 including the delay plate 2, interference between adjacent beams can be suppressed by inserting the delay plate 2. Since the phase is temporally the same between m = 0 and m = ± 2, interference cannot be suppressed. In order to suppress the interference between the further divided beams, the spatial coherence distance is set to the distance between one or more divided components (between two adjacent components) (that is, 2 / N) The following may be set. If the delay plate 2 is inserted every other beam in the split beam, the necessary conditions for preventing the appearance of interference are as follows.
X = 1 / M2 ≦ 2 / N (N is a positive number)
Ie
M2 ≧ N / 2
It can be seen that it is.
[0033]
As described above, the present inventors, when using a laser oscillator that generates a laser beam having a relatively low M2 value of 100 or less at the maximum, divides the beam into N divided beams and separates each divided beam. In the case of overlapping irradiation on the irradiation surface, it has been found that there is a close relationship between the M2 value, which is an index indicating the light condensing property of the beam generated from the laser oscillator, and the spatial coherence length. It has been reached. Generally, the smaller the M2 value, the smaller the focused beam diameter and the better the beam quality. However, in the present invention, it has been found that there is an optimum M2 value according to the number of divided beams.
[0034]
As described above, according to the present embodiment, a laser beam from a laser oscillator is spatially divided into N divided beams in a beam cross section using reflecting surfaces facing each other, and the N divided beams are used. In contrast, when the delay plate 2 is inserted as an optical path length or polarization direction control means for every other beam and the divided beams are superimposed and irradiated on the irradiation surface, an index indicating the condensing property of the beam generated from the laser oscillator 100 If the M2 value is N / 2 or more when the number of beam splits is N, interference between all split beams due to superposition can be prevented. In particular, every other delay plate 2 is inserted for every N divided beams, and when the M2 value is the number of beam divisions N, it is only N / 2 or more. As described above, since there is no need to provide an optical path difference for all of the divided beams, the configuration and adjustment are simple and easy. In addition, when the M2 value is N / 2 or more when the number of beam divisions is N, the interference between two beams other than those adjacent to each other can be reliably suppressed, so that stable homogeneous irradiation is possible. It becomes.
The application of this technique in homogenization is typically the YAG2ω laser shown in the present embodiment, but other lasers are often used in the industrial field. Is required for a laser having a relatively high beam quality of 100 or less. In reality, the configuration according to the present patent is required for 50 or less lasers that require more condensing properties.
[0035]
Embodiment 2 FIG.
6A and 6B are plan views showing the configuration of a laser processing device according to a second embodiment of the present invention, wherein FIG. 6A is a diagram viewed from the y direction, and FIG. 6B is a diagram viewed from the x direction.
In this embodiment mode, the laser processing apparatus shown in FIGS. 6A and 6B spreads uniformly on the irradiation surface in the y direction and spreads in the x direction as in the first embodiment mode. An example of forming a linear irradiation profile converged linearly is shown.
[0036]
In the first embodiment, the case where the delay plate (optical delay means) 2 is used as the optical path length or polarization direction control means for changing the optical path length or polarization direction of the adjacent divided beams of the N divided beams. However, in the present embodiment, the optical rotation means 7 is used which makes one of the adjacent split beams of the N split beams substantially orthogonal to the polarization direction of the other split beam.
Other configurations are the same as those of the first embodiment, and therefore, the differences from the first embodiment will be mainly described below.
[0037]
The transfer lens 61 in the y-direction of the superposition irradiation means 6 is set so that each divided beam forms a real focus and projects onto the irradiation surface 19, and the divided beams are spatially separated from each other near the actual focus position. At the position, a half-wave plate for polarization rotation is arranged as the optical rotation means 7, and the optical rotation means 7 adjusts the polarization angle of any one of the divided beams in the regions adjacent to each other before the division with respect to the other. This is to prevent the interference between the two split beams when they are substantially orthogonal to each other and are superimposed on the irradiation surface 19. In the example of FIG. 6, the wave plate 7 is arranged at every actual split position at the actual focal position on the emission side of the transfer lens 61.
[0038]
The optical rotation means 7 rotates the polarization so that the polarization angles are substantially orthogonal to each other so that the two split beams do not substantially interfere with each other. Preferably, a half-wave plate made of quartz is used. . In FIG. 6, a focal point f is formed in front of the y-direction transfer lens 61 (cylindrical lens) in front of the waveguide 4, and the half-wave plate 7 is arranged at this focal position. The half-wave plate 7 is inserted only into the three divided beams of the number of reflections m = 0, m = + 2, and m = -2, and is not inserted in the other number of reflections m = + 1 and m = -1. In this configuration, a half-wave plate 7 is interposed every other split beam arranged in the y direction. Thereby, referring to FIG. 3 (A), half-wave plate 7 is inserted only into one of the two divided beams adjacent to each other, and the polarization angle is substantially changed with respect to the other divided beam. They are orthogonal. Thereby, even if two divided beams of any combination adjacent to each other are superimposed on the irradiation surface 90, no interference occurs. Thus, the substantially uniform superposition of the polarized beams improves the uniformity of the illumination beam.
[0039]
However, in this specification, the phrase that the polarization angle (polarization direction) is substantially orthogonal means that one split beam is shifted from the orthogonal state to a range of ± 30 ° with respect to the other split beam. And thereby substantially reduce interference between the split beams.
[0040]
As described above, when every other half-wave plate 7 is inserted into the split beams, any two adjacent split beams of any combination (for example, the split of the number of reflections m = + 1 and m = 0) Although interference can be prevented even between beams (beams), it is not possible to prevent interference between two beams other than those adjacent to each other (for example, between split beams with the number of reflections m = -2 and m = 0).
Therefore, also in the present embodiment, as described in the first embodiment, when the value of M2, which is an index indicating the condensing property of the beam generated from the laser oscillator 100, is N By setting it to / 2 or more, interference between all split beams is suppressed.
[0041]
Embodiment 3 FIG.
As described in the first embodiment, the laser beam from the laser oscillator is spatially divided into N divided beams in the beam cross section using the reflecting surfaces facing each other, and the N divided beams are divided by one. When the delay plate 2 is inserted every other beam and the divided beams are superimposed on the irradiation surface and irradiated, the M2 value, which is an index indicating the light condensing property of the beam generated from the laser oscillator 100, is determined by the number of beam splits N By setting N / 2 or more, it is possible to suppress interference between all the divided beams.
[0042]
The degree of interference suppression at this time largely depends on the optical path difference Δa between adjacent divided beams. When the optical path difference is large, the transfer is complete due to the interference suppression effect, but on the other hand, the transfer conditions for each split beam are shifted, and good transfer cannot be performed on the processing table. Therefore, it is desirable to make the spatial coherence distance shorter, and experimentally,
M2 ≧ N
It has been found that more favorable results can be obtained.
[0043]
Also, in the case where half-wave plates 7 are alternately inserted between adjacent beams to suppress interference, as described in the second embodiment, the half-wave plate 7 cannot be completely rotated by 90 degrees. Interference remains. Also in this case
M2 ≧ N
By shortening the spatial coherence distance under the condition (1), a more uniform beam can be obtained on the irradiation surface 90.
[0044]
Embodiment 4 FIG.
FIG. 7 is a plan view showing the configuration of a laser processing apparatus according to Embodiment 4 of the present invention, showing the arrangement of the optical system as viewed from the x direction. The optical path length or polarization direction control means (optical delay means 2) The arrangement is basically the same as that of the laser processing apparatus shown in FIGS. Hereinafter, points different from the first embodiment will be mainly described.
[0045]
In the present embodiment, in particular, the optical path length or polarization direction control means includes the shield 29, and the straight beam when the number of reflections is m = 0 is disposed at the focal position f after the y-direction transfer lens 61. The shielding is performed by the shield 29. Since the straight beam with m = 0 does not reach the irradiation surface, it does not contribute to interference. Therefore, as the optical delay means 2, only one of the group of split beams (m = + 1, -2) or (m = -1, +2) symmetrically arranged with respect to the straight beam (m = 0) , The other group does not have the optical delay means 2, so that the interference between the split beams on the irradiation surface is reduced, and the optical delay means 2 has one of the split beam groups ( It is possible to use a single glass plate or glass rod through which m = + 1, -2 can be transmitted at a time, which is advantageous in that the optical system can be simplified. As the shield 29, a solid that absorbs or reflects a laser beam, for example, graphite, ceramics, metal, or the like can be used.
[0046]
Embodiment 5 FIG.
FIG. 8 is a plan view showing the configuration of the laser processing apparatus according to the fifth embodiment of the present invention, showing the arrangement of the optical system as viewed from the x direction, and the arrangement of the optical path length or polarization direction control means (optical rotation means 7). Except for the difference, the laser processing apparatus is basically the same as the laser processing apparatus shown in FIGS. 6A and 6B. Hereinafter, points different from the second embodiment will be mainly described.
[0047]
In the second embodiment, as the optical path length or polarization direction control means for changing the optical path length or the polarization direction of the adjacent divided beams of the N divided beams, half of every other divided beam arranged in the y direction is used. Although the wave plate 7 is interposed, it is necessary to provide a gap between the half-wave plates 7 and 7 to transmit other split beams, and the structure of the half-wave plate is somewhat complicated.
In order to solve this, in the present embodiment, in particular, the optical path length or polarization direction control means includes a shield 29, and the straight beam when the number of reflections is m = 0 is transmitted to the rear of the y-direction transfer lens. This is blocked by a shield 29 arranged at the focal position f. Since the straight beam with m = 0 does not reach the irradiation surface, it does not contribute to interference. Therefore, as the optical rotation means 7, only one of the divided beam group (m = + 1, -2) or (m = -1, +2) symmetrically arranged with respect to the straight beam (m = 0) is inserted. Then, the other group does not have the optical rotation means 7, so that the interference between the divided beams on the irradiation surface is reduced, and the optical rotation means 7 allows the one of the divided beam groups (m = + 1, -2). ) Can be used, and there is an advantage that the optical system can be simplified by using a single half-wave plate. A solid that absorbs or reflects the laser beam, for example, graphite, ceramics, metal, or the like can be used for the shield 29, and can be disposed at the focal position f integrally with the optical rotation means 7.
[0048]
Embodiment 6 FIG.
FIG. 9 is a plan view showing the configuration of the laser processing apparatus according to Embodiment 6 of the present invention, showing the arrangement of the optical system as viewed from the x direction, except for differences in the arrangement of the optical path length or polarization direction control means. Basically, it is the same as the laser processing apparatus shown in FIGS. 6A and 6B. Hereinafter, points different from the second embodiment will be mainly described.
[0049]
In the present embodiment, a delay plate 2 made of a glass body is inserted as the optical path length compensating means into the other split beam in the second embodiment shown in FIG. As described above, the half-wave plate 7 is disposed as the optical rotation means for one of the split beams, but the interposition of the half-wave plate 7 extends the optical path length of the split beam. If the optical path lengths are different between the two types of split beams, the imaging positions on the irradiation surface are shifted from each other, and the profile becomes unclear. To correct this, the other split beam is provided with a delay plate 2 for extending the optical path length as optical path length compensating means. As the delay plate 2, one similar to that described in the first embodiment is used. For example, the thickness of the optical glass plate is set to a thickness that produces an optical path equal to the optical path length of the half-wave plate 7.
[0050]
Embodiment 7 FIG.
10A and 10B are plan views showing the configuration of a laser processing apparatus according to Embodiment 7 of the present invention, where FIG. 10A is a view as seen from the y direction, and FIG. 10B is a view as seen from the x direction.
In this embodiment mode, the laser processing apparatus shown in FIGS. 10A and 1B has a linear irradiation profile that spreads uniformly on the irradiation surface in the y direction and converges linearly in the x direction. Is shown.
[0051]
The laser processing apparatus includes a laser oscillator 100, a laser beam splitting unit, a superposition irradiation unit, and an optical delay unit 2. The laser beam splitting unit uses a cylindrical lens array 5 to generate a laser beam. The beam is divided into a number of divided beams 15a to 15e, and the divided beams are imaged as an irradiation beam 19 of a linear profile on the irradiation surface 90 of the irradiation object 9 by the superimposing irradiation means.
[0052]
In the present embodiment, the laser beam splitting means includes an optical system for causing the laser beam 1 from the laser oscillator 100 to enter the splitting cylindrical lens array 5, and includes a beam magnifying lens 31 and a y-axis for converting the laser beam 1 into a parallel beam. The collimating lens includes a directional collimating lens 32 and an x-directional collimating lens 33, and a parallel beam from the collimating lens 33 enters the cylindrical lens array 5.
[0053]
The dividing cylindrical lens array 5 refers to a lens in which column-shaped lenses in the x direction in the drawing are arranged and convex lenses having a cross-section convex toward the optical axis are stacked in the y direction. In the illustrated example, there are five stages of cylindrical lenses 5a to 5e. Thereby, the laser beam 1 from the laser oscillator 100 is one-dimensionally split into five split beams 15a to 15e in a beam cross section.
[0054]
The split beams from the splitting cylindrical lens array 5 are superimposed and projected onto the irradiation surface 90 by the superimposing irradiation means, and the superposition irradiation means applies the split beams from the splitting cylindrical lens array 5 to the irradiation surface 90. A transfer cylindrical lens array 51 (consisting of five stages of cylindrical lenses 51 a to 51 e) for transferring in the y direction on the 90, a condensing lens 62 for condensing light in the x direction, and a field lens 63 are included.
[0055]
The split beam in the y-direction from the splitting cylindrical lens array 5 is disposed in front of the splitting cylindrical lens array 5 and is incident on a separate transfer cylindrical lens array 51. The split beam from the transfer cylindrical lens array 51 has focal points fa to After passing through fe, the light is projected onto the irradiation surface 90 by a condenser lens 62 (cylindrical lens) that condenses in the x direction, and is converted into an irradiation beam 19 having a linear profile that is uniform in the y direction and narrowly converges in the x direction. It is to be molded. Further, a field lens 63 is disposed between the cylindrical lens array 51 for transfer and the condenser lens 62.
[0056]
A delay plate 2 is inserted as an optical delay unit into the split beams 15a to 15e split in the y direction from the splitting cylindrical lens array 5, and the delay plate 2 (delay plates 2a, 2c, 2e) It is inserted into every other split beam 15a, 15c, 15e, and not inserted into the other split beams 15b, 15d. Thereby, interference on the irradiation surface 90 between the divided beams adjacent to each other (for example, between the divided beams 15a and 15b or between the divided beams 15b and 15c) is suppressed, and interference of the overlapped irradiation beams is suppressed. The intensity distribution can be made uniform.
[0057]
Further, since the M2 value of the laser oscillator 100 is set to at least N / 2 or more with respect to the division number N, the spatial coherent length X is N / 2 or less as described in the first embodiment. In spite of the fact that there is no difference in the optical path length, the interference between one or more divided components is skipped, for example, between the split beams 15a and 15c, between the split beams 15a and 15d, and between the split beams 15a and 15d. Interference between the split beams 15b and 15d, between the split beams 15b and 15e, and between the split beams 15c and 15e is suppressed during 15e. As a result, a uniform top hat beam can be obtained.
[0058]
By the way, in the case of the division by the waveguide described in the first embodiment, the divided beams are overlapped so as to be folded at the boundary. As a result, light components at the same location spatially overlap each other at the boundary, and as shown in FIG. 4, strong interference is observed at the end. On the other hand, in the configuration according to the present embodiment shown in FIG. 10 using the cylindrical lens array 5, the split beams are superimposed in parallel. In other words, when superimposing on the irradiation surface 90, there is no turn-back, and they are simply superimposed. That is, light at the same spatial position is not superimposed, and if the beam diameter is 1, components separated by 1 / N or more are always superimposed. The interference suppression effect by this is large, and effectively,
M2 ≧ N / 2
It has been found that if the condition (1) is satisfied, the interference between one or more divided components (between two adjacent components) can be sufficiently suppressed.
[0059]
In the above description, the case where the lens array is used for the division of the laser beam and the overlapping irradiation of the divided beams on the irradiation surface has been described, but the present invention is not limited to this. For example, any optical system that superimposes divided beams and homogenizes them, such as an optical system using a prism, a diffraction grating, a hologram, etc. Optical delay means for delaying one of the adjacent split beams with respect to the other longer than the temporal coherence length of the laser beam, and
M2 ≧ N / 2
By doing so, it is possible to prevent interference between all the divided beams due to superposition.
Further, the delay plate 2 is inserted every other N beams, and the M2 value is merely set to N / 2 or more. As shown in Patent Documents 3 and 4, all the divided beams are used. Since there is no need to provide an optical path difference, the configuration and adjustment are simple and easy. In addition, by setting the M2 value to be equal to or more than N / 2, interference between two beams other than those adjacent to each other can be reliably suppressed, so that stable homogeneous irradiation can be performed.
[0060]
Embodiment 8 FIG.
FIGS. 11A and 11B are plan views showing the configuration of a laser processing apparatus according to Embodiment 8 of the present invention, wherein FIG. 11A is a view as seen from the y direction, and FIG. 11B is a view as seen from the x direction.
In this embodiment mode, the laser processing apparatus shown in FIGS. 11A and 11B spreads uniformly on the irradiation surface in the y-direction and spreads in the x-direction in the same manner as in the seventh embodiment. An example of forming a linear irradiation profile converged linearly is shown.
[0061]
In the seventh embodiment, the case where the delay plate (optical delay means) 2 is used as the optical path length or polarization direction control means for changing the optical path length or polarization direction of the adjacent divided beams of the N divided beams adjacent to each other. However, in the present embodiment, the optical rotation means 7 is used which makes one of the adjacent split beams of the N split beams substantially orthogonal to the polarization direction of the other split beam.
The other configuration is the same as that of the seventh embodiment, and therefore, the differences from the seventh embodiment will be mainly described below.
[0062]
Half-wave plates 7 are inserted as optical rotation means into the split beams 15a to 15e split in the y direction from the splitting cylindrical lens array 5, and the half-wave plate 7 is provided with every other split beam 15a, 15c, 15d, but not into the other split beams 15b, 15d. Thereby, the polarization angles are substantially orthogonal between the divided beams adjacent to each other (for example, between the divided beams 15a and 15b, between the divided beams 15b and 15c, or between other adjacent divided beams). The interference on the irradiation surface 90 is suppressed, and the intensity distribution due to the interference of the superposed irradiation beams 19 can be made uniform.
[0063]
As described above, when every other half-wave plate 7 is inserted into the split beams, interference is prevented between two split beams of any combination adjacent to each other (for example, between the split beams 15a and 15c). However, it is not possible to prevent interference between two beams other than those adjacent to each other (for example, between the split beams 15a and 15c).
Therefore, also in the present embodiment, as described in the seventh embodiment, by setting the M2 value, which is an index indicating the condensing property of the beam generated from the laser oscillator 100, to N / 2 or more, Interference between all split beams is suppressed.
[0064]
Embodiment 9 FIG.
FIG. 12 is a plan view showing the configuration of the laser processing apparatus according to Embodiment 9 of the present invention, showing the arrangement of the optical system as viewed from the x direction, except for differences in the arrangement of the optical path length or polarization direction control means. This is basically the same as the laser processing apparatus shown in FIGS. 11A and 11B. Hereinafter, points different from the eighth embodiment will be mainly described.
[0065]
In the present embodiment, in the eighth embodiment shown in FIG. 11, the other split beam (15b, 15d in this example) into which no optical rotation means is inserted is used as an optical path length compensating means as a glass for the delay plate 2 I am inserting my body. As described above, the half-wave plate 7 is disposed as the optical rotation means for one of the split beams, but the interposition of the half-wave plate 7 extends the optical path length of the split beam, and the two types of split beams are used. If the split beam has a different optical path length, the imaging positions on the irradiation surface are shifted from each other, and the profile becomes unclear. In order to correct this, a delay plate 72 for extending the optical path length is provided in the other split beam as a means for compensating the optical path length. As the delay plate 2, one similar to that described in the first embodiment is used. For example, the optical glass plate is set to a thickness that produces the same optical path length as that of the half-wave plate 7.
[0066]
In the cylindrical lens array 51 for y-direction transfer, different focal lengths are set for the minute cylindrical lens for the divided beam with the half-wave plate 7 inserted and the minute cylindrical lens for the divided beam without the half-wave plate 7 inserted. May be provided to compensate for the optical path length.
[0067]
Embodiment 10 FIG.
13A and 13B are diagrams showing a configuration of a laser processing apparatus according to a tenth embodiment of the present invention, wherein FIG. 13A is a plan view seen from the y direction, FIG. 13B is a plan view seen from the x direction, and FIG. It is sectional drawing of a delay plate.
In this embodiment mode, the laser processing apparatus shown in FIGS. 13A and 13B spreads uniformly on the irradiation surface in the y direction and spreads in the x direction as in the first embodiment mode. An example of forming a linear irradiation profile converged linearly is shown.
[0068]
The laser processing apparatus includes a laser oscillator 100, a laser beam splitting unit, an overlapping irradiation unit, and an optical delay unit. The laser beam splitting unit intersects the x-direction cylindrical lens array and the y-direction cylindrical lens array at right angles. To form split beams that are two-dimensionally split. As another laser beam splitting means, a two-dimensional lens array can also be used. In this case, a single two-dimensional lens array is used instead of the x-direction cylindrical lens array 5 and the y-direction cylindrical lens array 52. By arranging, split beams can be formed two-dimensionally in the xy directions. Further, a rectangular parallelepiped having four main reflecting surfaces around an axis connecting the incident surface and the emitting surface and the incident surface and the emitting surface. The laser beam introduced from the incident surface is reflected by the four reflecting surfaces. Alternatively, a two-dimensional waveguide that emits a split beam from the exit surface may be used.
[0069]
In the present embodiment, the x-direction cylindrical lens array 5 and the y-direction cylindrical lens array 52 are arranged orthogonally to form a large number of two-dimensionally separated split beams in parallel.
The laser beam splitting unit further includes a magnifying lens 51 and a collimating lens 32 for making the laser beam incident on the cylindrical lens array 5, and the enlarged parallel laser beam is incident on the cylindrical lens array 5.
[0070]
The superposition irradiation means superimposes a large number of divided beams on the irradiation surface 90 of the irradiation object 9 to form an irradiation beam. Here, the superposition irradiation means is a transfer cylindrical in the y direction. Light is condensed in the x direction by the cylindrical lens array 5 and the x direction condensing lens 62 (cylindrical lens) in the x direction so that it can be transferred over a predetermined length on the irradiation surface by the lens array 51. As a result, an image is formed on the irradiation surface as an irradiation beam having a linear profile.
[0071]
In this embodiment, the laser beam 1 is incident on the dividing cylindrical lens array 5 by the magnifying lens 31 and the collimating lens 32 as laser beam dividing means. In this example, the divided beam is divided into five in the x direction. Is formed, and further divided by the y-direction cylindrical lens array 52 in the y-direction. x × N y To obtain a splittable two-dimensional split beam. Division number N x , N y Is preferably an appropriate number of 5 or more in either one or both, and particularly preferably 7 or more. In this embodiment, the division number N x × N y Are two-dimensional split beams of 5 × 5 combinations.
[0072]
Each of the two-dimensional split beams has a rectangular cross section and is parallel to each other, and then passes through the delay plate 2 as an optical delay unit, enters the y-direction transfer cylindrical lens array 51, and The image is transferred onto the irradiation surface 90 to a predetermined length.
[0073]
As shown in FIG. 13C, the delay plate 2 is configured such that the delay elements 20 and the gaps 290 are alternately arranged. Layer. Specifically, the delay elements 20 and the gaps 290 are alternately arranged in the y direction on the delay plate, and also in the x direction, the delay elements 20 and the gaps 290 are alternately arranged.
[0074]
In the arrangement of the delay elements 20 in the delay plate 2, one of the split beams adjacent to each other passes through the delay element, the other passes through the air layer of the gap, and an optical path difference is provided between the two. I have. Originally, adjacent split beams interfere with each other when irradiated on an irradiation surface. However, the arrangement of the delay elements of the delay plate is determined by overlapping irradiation means including a transfer cylindrical lens array 51 in the y direction. Interference between the divided beams irradiated on the irradiation surface is reduced, and fluctuation of the combined irradiation beam is prevented.
[0075]
As described above, when every other delay element 20 is inserted into the split beams, interference is prevented between any two split beams of any combination adjacent to each other, but two other beams other than those adjacent to each other are used. Interference between two beams cannot be prevented.
Therefore, also in the present embodiment, as described in the seventh embodiment, the M2 value, which is an index indicating the condensing property of the beam generated from the laser oscillator 100, is set to N in each division direction. x / 2 and N y By setting the ratio to / 2 or more, interference between all split beams is suppressed.
[0076]
Note that the laser beam from the laser oscillator is two-dimensionally two-dimensionally x × N y When the beam is divided into a plurality of divided beams, the M2 value in each of the divided directions is set to N x / 2 and N y / 2 or more, more preferably N x And N y With the above, interference between all the divided beams can be suppressed.
[0077]
By arranging the optical delay means before and after the transfer cylindrical lens array 51 separately for the first delay plate and the second delay plate, the surface on which the split beam is transferred and the surface on which the split beam is transferred are conjugated. They can be arranged in a relational manner, which has the advantage that the effects of diffraction on the illuminated surface can be minimized. Further, a third delay plate is disposed as a delay means between the cylindrical lens array 53 and the x-direction condenser lens 62, and an optical path difference Δa is provided between divided beams adjacent in the x direction. Thus, mutual interference on the irradiation surface may be reduced.
[0078]
Embodiment 11 FIG.
FIGS. 14A and 14B are diagrams showing a configuration of a laser processing apparatus according to Embodiment 11 of the present invention, wherein FIG. 14A is a plan view seen from the y direction, FIG. 14B is a plan view seen from the x direction, and FIG. It is sectional drawing of a half-wave plate.
In the tenth embodiment, the case has been described where the optical delay means (delay plate 2) is used as the optical path length or polarization direction control means for changing the optical path length or polarization direction of adjacent divided beams adjacent to each other. May be used. In this case, the M2 value in each division direction is set to N. x / 2 and N y By setting the ratio to / 2 or more, it is possible to suppress interference between all the divided beams.
[0079]
As shown in FIG. 14 (C), the optical rotation plate 7 in which the optical rotation element 70 and the air gap 290 are alternately arranged in the x direction and the y direction as shown in FIG. The optical rotation plate 7 is disposed in front of the divisional cylindrical lens arrays 5 and 52 so that the divided beam passes through the optical rotation element 70 and the divided beam adjacent thereto passes through the gap 290, respectively. As a result, adjacent split beams have substantially orthogonal polarization planes. For the optical rotation element 70 of the optical rotation plate 7, a crystal single crystal is preferably used from an optical rotation material, and as an optical half-wave plate, as shown in FIG. They are arranged.
[0080]
The split beam into which the optical rotation element 70 of the optical rotation plate 7 is inserted rotates the optical rotation surface and increases the optical path length when compared with the split beam passing only through the air gap. Above, a shift of the imaging position occurs due to the difference in the optical path length from the split beam.
Therefore, the optical rotation element 70 and the optical path length compensation delay element may be alternately arranged instead of the air gap 290 in FIG. 14C with the optical path length compensation delay element. An optical glass plate is used for the optical path length compensating delay element, and the thickness a of the optical path length compensating delay element becomes an optical path length substantially equal to the optical path length generated by the crystal half-wave plate serving as the optical rotation element 70. It is decided as follows. Due to the compensation of the optical path length, there is no shift of the image forming position by the transfer cylindrical lens array between the divided beams adjacent to each other, whereby a clear image is obtained, and the irradiation beam on the irradiation surface is A more uniform intensity distribution is obtained.
In the cylindrical lens array 51 for y-direction transfer, a minute cylindrical lens that passes a split beam that passes through the optical rotation element 70 of the optical rotation plate 7 and a minute cylindrical lens that passes a split beam that passes through a gap 290 that is an air layer. Alternatively, the optical path length may be compensated by providing different focal lengths.
[0081]
Embodiment 12 FIG.
15A and 15B are diagrams showing a configuration of a laser processing apparatus according to Embodiment 12 of the present invention, wherein FIG. 15A is a plan view viewed from a y direction, FIG. 15B is a plan view viewed from an x direction, and FIG. FIG. 3D is a cross-sectional view of a half-wave plate, and FIG.
[0082]
Arranging the delay means and the optical rotation means for transmitting the split beams in front of the laser beam splitting means can prevent interference on the irradiation surface between the split beams adjacent to each other. In the example shown in FIGS. 7A and 7B, both the optical rotation plate 7 and the delay plate 2 are arranged in front of the splitting cylindrical lens arrays 5 and 52, and in front of them. , A cylindrical lens array 51 for transfer in the y direction, a field lens 63, a transfer cylindrical lens array 62 in the x direction, and a condensing lens 62 in the x direction are arranged to irradiate the irradiation surface 90 with the split beam passing therethrough. An irradiation beam 19 of the shape profile is obtained.
[0083]
In this example, the optical rotation plate 7 has the optical rotation elements 70 and the gaps 290 arranged alternately in the x direction and separately in the y direction. As a result, the split beams from the splitting cylindrical lens arrays 5 and 52 have their polarization angles orthogonal to each other in the x direction by the optical rotation plate 7 but do not change in the y direction. As a result, it is possible to rotate the polarization angle between a certain split beam and a split beam that is adjacent to the split beam in an oblique direction. Since the optical rotation element 70 of the optical rotation plate 7 does not change the polarization angle in the y direction, in order to compensate for this, the delay plate 2 disposed in front of the optical rotation plate 7 has the same configuration as that of the tenth embodiment. , The delay element 20 and the air gap 290 are alternately arranged in the x direction and the y direction, and the divided beam adjacent in the x direction and the y direction has an optical path difference Δa.
[0084]
Therefore, the arrangement of the optical rotation plate 7 and the delay plate 2 is such that, for the divided beams adjacent in the x direction and the y direction, the interference is reduced by the optical path difference by the delay plate 2 and for the divided beams adjacent in the oblique direction. In addition, the optical rotation by the optical rotation plate prevents the interference, so that a certain split beam and all adjacent split beams surrounding the split beam can reduce mutual interference.
[0085]
In each of the above embodiments, the solid-state laser having a long spatial coherence distance and its harmonic laser have been described as examples of the laser light source. 2 The same effect can be obtained by applying the present invention to a laser, an Ar laser, other gas lasers, and semiconductor lasers. On the other hand, an excimer laser is currently applied to the polycrystallization method of silicon, but in this case, the laser light source is homogenized by simply dividing using a lens array and simply overlapping. Excimer lasers have an oscillation wavelength in the ultraviolet region, while the beam extraction cross section is structurally large, on the order of several centimeters, and the M2 value is well over at least 100 in a system to which a normal stable oscillator is applied. The size is large, on the order of over 1000, and the spatial coherence length is extremely short. Further, since the spectrum width is extremely wide, the temporal coherent length is short. In that sense, excimer lasers are an exceptional laser light source characterized by a long temporal and spatial coherence length, and most lasers other than excimer lasers have difficulty in emitting a homogeneous beam. The present invention can be applied.
[0086]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, at least one laser oscillator that generates a laser beam having an M2 value of 100 or less, which is an index indicating the condensing property of a beam generated from the laser oscillator, A laser beam splitting means for spatially splitting a laser beam into N split beams in a beam cross section, a superposition irradiation means for irradiating each of the split beams substantially superimposed on an irradiation surface, and dividing the laser beam into the N pieces Light path length or polarization direction control means for changing the optical path length or polarization direction of adjacent split beams of beams adjacent to each other, wherein the M2 value is at least M2 ≧ N / 2 in the beam split direction. The structure and adjustment for further uniformizing the irradiation beam by preventing interference between split beams due to Laser processing apparatus is obtained which enables the quality illumination.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are plan views showing a configuration of a laser processing apparatus according to a first embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a view seen from a y direction, and FIG.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a mode of dividing a laser beam in a waveguide.
FIG. 3 is a diagram illustrating a manner of dividing a laser beam in a waveguide.
FIG. 4 is a diagram illustrating an intensity distribution of a combined irradiation beam when two adjacent divided beams separated by a waveguide are superimposed on an irradiation surface.
FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship between an M2 value and a spatial coherence distance.
FIGS. 6A and 6B are plan views showing the configuration of a laser processing apparatus according to a second embodiment of the present invention, wherein FIG. 6A is a view seen from a y direction, and FIG.
FIGS. 7A and 7B are plan views showing a configuration of a laser processing apparatus according to a fourth embodiment of the present invention, wherein FIG. 7A is a view as seen from a y direction, and FIG.
8A and 8B are plan views illustrating a configuration of a laser processing apparatus according to a fifth embodiment of the present invention, wherein FIG. 8A is a view as viewed from a y direction, and FIG. 8B is a view as viewed from an x direction.
FIGS. 9A and 9B are plan views illustrating a configuration of a laser processing apparatus according to a sixth embodiment of the present invention, wherein FIG. 9A is a view as viewed from a y direction, and FIG. 9B is a view as viewed from an x direction.
FIGS. 10A and 10B are plan views showing a configuration of a laser processing apparatus according to a seventh embodiment of the present invention, wherein FIG. 10A is a view as seen from a y direction, and FIG. 10B is a view as seen from an x direction.
FIGS. 11A and 11B are plan views illustrating a configuration of a laser processing apparatus according to an eighth embodiment of the present invention, wherein FIG. 11A is a view as viewed from a y direction, and FIG.
FIGS. 12A and 12B are plan views illustrating a configuration of a laser processing apparatus according to a ninth embodiment of the present invention, in which FIG. 12A is a diagram viewed from a y direction, and FIG.
13A and 13B are diagrams illustrating a configuration of a laser processing apparatus according to a tenth embodiment of the present invention, wherein FIG. 13A is a plan view viewed from a y direction, FIG. 13B is a plan view viewed from an x direction, and FIG. FIG. 3 is a sectional view of a delay plate.
14A and 14B are diagrams illustrating a configuration of a laser processing apparatus according to an eleventh embodiment of the present invention, wherein FIG. 14A is a plan view viewed from a y direction, FIG. 14B is a plan view viewed from an x direction, and FIG. Is a cross-sectional view of a half-wave plate.
15A and 15B are diagrams showing a configuration of a laser processing apparatus according to a twelfth embodiment of the present invention, wherein FIG. 15A is a plan view as viewed from a y direction, FIG. 15B is a plan view as viewed from an x direction, and FIG. Is a cross-sectional view of a half-wave plate, and (D) is a cross-sectional view of a delay plate.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 100 laser oscillator, 2 delay plate, 20 delay element, 29 shield, 290 gap, 31 beam magnifying lens, 32 y-direction collimating lens, 33 x-direction collimating lens, 34 focusing lens, 4 waveguide, 41 reflecting surface, 42 Reflective surface, 5 split cylindrical lens array, 51 transfer cylindrical lens array, 61 transfer lens, 62 condensing lens, 7 half-wave plate (optical rotation plate), 70 optical rotation element, 9 irradiated object, 90 irradiation surface.

Claims (7)

レーザ発振器から発生するビームの集光性を表す指標であるM2値が100以下であるレーザビームを発生する少なくとも1つのレーザ発振器と、上記レーザ発振器からのレーザビームをビーム断面において空間的にN個の分割ビームに分割するレーザビーム分割手段と、上記各分割ビームを照射面上で概略重ね合せて照射する重ね合せ照射手段と、上記N個に分割したビームの互いに隣り合う隣接分割ビームの光路長または偏光方向を違える光路長または偏光方向制御手段とを備え、
上記M2値が、少なくとも上記ビームの分割方向において
M2≧N/2
であることを特徴とするレーザプロセス装置。
At least one laser oscillator that generates a laser beam having an M2 value of 100 or less, which is an index indicating the light condensing property of the beam generated from the laser oscillator, and N laser beams from the laser oscillator spatially in a beam cross section A laser beam splitting means for splitting the split beams into a plurality of split beams, a superimposing irradiation means for irradiating the split beams approximately on the irradiation surface, and an optical path length of the adjacent split beams of the N split beams. Or with an optical path length or polarization direction control means that changes the polarization direction,
When the M2 value is at least M2 ≧ N / 2 in the beam splitting direction.
A laser processing apparatus, characterized in that:
上記レーザビーム分割手段は、レーザ発振器からのレーザビームを互いに対向する反射面を用いてビーム断面において空間的にN個の分割ビームに分割することを特徴とする請求項1記載のレーザプロセス装置。2. A laser processing apparatus according to claim 1, wherein said laser beam splitting means spatially splits a laser beam from a laser oscillator into N split beams in a beam cross section using reflecting surfaces facing each other. 上記レーザビーム分割手段は、レーザ発振器からのレーザビームを互いに対向する反射面を用いてビーム断面において一次元的または二次元的にN個の分割ビームに分割することを特徴とする請求項1記載のレーザプロセス装置。2. The laser beam splitting means according to claim 1, wherein said laser beam splitting means splits a laser beam from a laser oscillator into N split beams one-dimensionally or two-dimensionally in a beam cross section by using reflecting surfaces facing each other. Laser processing equipment. 上記M2値が、少なくとも上記ビームの分割方向において
M2≧N
であることを特徴とする請求項2記載のレーザプロセス装置。
When the M2 value is M2 ≧ N at least in the beam splitting direction.
3. The laser processing apparatus according to claim 2, wherein
上記光路長または偏光方向制御手段が、上記N個に分割したビームの互いに隣接する隣接分割ビームの一方を他方に対して該レーザビームの時間的可干渉距離よりも長く遅延させる光学的遅延手段を含むことを特徴とする請求項1記載のレーザプロセス装置。The optical path length or polarization direction control means includes an optical delay means for delaying one of adjacent split beams of the N split beams with respect to the other, longer than the temporal coherence length of the laser beam. The laser processing apparatus according to claim 1, further comprising: 上記光路長または偏光方向制御手段が、上記N個に分割したビームの互いに隣接する隣接分割ビームの一方を他方に対して偏光方向を実質的に直交させる旋光手段を含むことを特徴とする請求項1記載のレーザプロセス装置。The optical path length or polarization direction control means includes optical rotation means for making one of adjacent divided beams of the N divided beams substantially orthogonal to the polarization direction with respect to the other. 2. The laser processing apparatus according to 1. 上記レーザ発振器は、固体レーザまたは半導体レーザの基本波または高調波を発生するものであることを特徴とする請求項1記載のレーザプロセス装置。2. The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the laser oscillator generates a fundamental wave or a harmonic of a solid-state laser or a semiconductor laser.
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