JP2006005015A - 照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 対物レンズの製造精度を高くすることなく、線状プロファイルでの均一照射を行うことができる照射装置を提供する。
【構成】 ＬＤアレイ１の各エミッタ１ａより射出されたビームは、アレイ方向（第１方向）の成分がシリンドリカルレンズアレイ２により集光される一方、アレイ方向に垂直な方向（第２方向）の成分がシリンドリカルコリメータレンズ３によりコリメートされる。コリメートされたビームは、シリンドリカルレンズ４Ａと球面レンズ系４Ｂで構成された対物レンズ４によって第２方向成分が被照射面５に集光される。各ビームの第１方向の成分は、シリンドリカルレンズ４Ａによって、隣り合うビーム同士が被照射面５上で互いに重なり合うように集光され、線状プロファイルとなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アレイ上に構成された半導体レーザを光源として被照射物に対してビームを照射することにより各種の処理を行う照射装置に関する。

一般に、この種の照射装置は、液晶表示装置、有機ＥＬ(Electroluminescence) 表示素子の駆動回路素子、スイッチング素子などに用いられる多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造装置や、非晶質シリコン薄膜を溶融・再結晶化して薄膜トランジスタ活性層となる多結晶シリコン膜に転換させるためのレーザアニール装置に用いられている。

従来、このような照射装置は、例えば図４（Ａ），（Ｂ）に示したような構成を有している（特許文献１参照）。なお、図４（Ａ）は平面構成、図４（Ｂ）は側面構成をそれぞれ表している。この照射装置では、半導体レーザアレイ（以下，ＬＤアレイという）１０１は、連続発振する複数のエミッタ１０１ａを有している。各エミッタ１０１ａから射出されたビームＢのｙ軸成分は、シリンドリカルコリメータレンズ１０２により被照射面１０５に集光される。一方、ｘ軸成分については、各エミッタ１０１ａに対応したシリンドリカルレンズ群であるシリンドリカルレンズアレイ１０３とコンデンサレンズ１０４により、各エミッタ１０１ａから射出されたビームＢが被照射面１０５の同一個所を照明する。これにより、この照射装置では、楕円形状のビームスポットを被照射面１０５に照明し、被照射面１０５をｙ軸方向に走査することで、被照射面１０５の全面あるいは一部を露光し、加工する。

ところで、このような照射装置においては、加工内容によっては、被照射面上の照射強度密度を高くする必要がある。このような場合、例えば、特許文献２を例にとると、図５（Ａ），（Ｂ）のような構成が容易に考えられる。図５においても、（Ａ）は平面構成、（Ｂ）は側面構成をそれぞれ表している。ＬＤアレイ１１１の各エミッタ１１１ａから射出されたビームＢのｙ軸成分は、シリンドリカルコリメータレンズ１１２によりコリメートされ、シリンドリカルレンズアレイ１１３、ｘ軸対物レンズ（シリンドリカルレンズ１１４）を透過し、y 軸対物レンズ（シリンドリカルレンズ１１５）により被照射面１１６に集光される。このような構成では、対物レンズのＮＡ（開口数）を高くすることにより照射強度密度を上げることができる。レーザ出力の現実レベルからは、レーザアニール装置を実現しようとすると、このような構成にならざるをえない。
特許第２９９５５４０号明細書 特開２００２−７２１３２号公報

上述のように図５に示した照射装置では、対物レンズのＮＡを高くすることにより、照射強度密度を上げることは可能であるものの、次のような問題があった。すなわち、シリンドリカルレンズ１１４からなるｘ軸対物レンズ、およびシリンドリカルレンズ１１５からなるｙ軸対物レンズに、製造公差および組み立て公差により偏心、特に光軸中心の回転が存在すると、被照射面で必要な照射スポットが得られず、必要な照明強度密度を得られないばかりが、照射ムラをも引き起こしてしまう。また、ｘ軸対物レンズとｙ軸対物レンズは、現状ではそれぞれ複数枚のレンズで構成されるが、各レンズにも製造および組み立て時の光軸中心の回転偏心が存在するため、必要な照射スポットを得るには、非常に厳しい製造精度が要求される。

更に、ＬＤアレイ１１１の発散角は個体差により異なるために、ＬＤアレイの交換等で照射面におけるプロファイルが変化することがある。また、シリンドリカルレンズアレイ１１３による回折が発生して、被照射面１１６に回折光が重畳し、所望の照射プロファイルが得られない場合もある。このように、従来の照射装置において、各軸の対物レンズにシリンドリカルレンズを使用するには、高い製造精度が要求されるという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、対物レンズの製造精度を高くすることなく、線状プロファイルでの均一照射を行うことができる照射装置を提供することにある。

本発明の照射装置は、以下の（Ａ）〜（Ｄ）の要件を備えることにより、被照射面を線状プロファイルで均一に照射するものである。
（Ａ）複数のエミッタを有する半導体レーザアレイ
（Ｂ）各レンズが各エミッタに一対一で対応するように第１方向（アレイ方向）に配列されると共に、エミッタから射出されたビームに対して第１方向にパワー成分を有するシリンドリカルレンズアレイ
（Ｃ）第１方向に対して垂直な第２方向（アレイ方向に垂直な方向）にパワー成分を有し、ビームの第２方向の成分をコリメートするシリンドリカルコリメータレンズ
（Ｄ）シリンドリカルコリメータレンズを介したビームの、第１方向の成分を被照射面に対してデフォーカスする一方、第２方向の成分を被照射面に対してフォーカスする対物レンズ

対物レンズは、具体的には、第１方向にパワー成分を有するシリンドリカルレンズと球面系のレンズ系とで構成される。

この照射装置では、半導体レーザアレイの各エミッタよりビームが発振し、各ビームは、アレイ方向（第１方向）の成分がシリンドリカルレンズアレイにより被照射面に集光される一方、アレイ方向に垂直な方向の成分（第２方向）がシリンドリカルコリメータレンズによりコリメートされ、平行光となる。コリメートされたビームは、シリンドリカルレンズと球面レンズ系で構成された対物レンズによって第２方向成分が被照射面に集光される。各ビームの第１方向の成分もまた、対物レンズにより被照射面上に照射されるが、このとき、シリンドリカルレンズアレイによる各エミッタの共役像から射出された各ビームの第１方向成分は、対物レンズを構成するシリンドリカルレンズによって、隣り合うビーム同士が被照射面上で互いに重なり合うように集光され、線状プロファイルとなる。すなわち、対物レンズに含まれるシリンドリカルレンズにより、照射面における第１方向の照射プロファイルが調整され、半導体レーザアレイの発散角の個体差の影響が補償される。

本発明の照射装置によれば、上記（Ａ）〜（Ｄ）の要素を備えるようにしたので、対物レンズの製造精度を高くすることなく、線状プロファイルで均一に照射することができ、レーザアニール装置などに好適に用いることができるようになる。

また、本発明の照射装置では、調整機構を設け、対物レンズに含まれるシリンドリカルレンズの光軸方向の位置を変化させることにより、被照射面上の照射プロファイルを調整することが可能になる。更に、対物レンズの前段に、シリンドリカルレンズアレイによるエミッタ共役を縮小するためのリレーレンズを配置するようにすれば、照射プロファイルを小さくすることができ、高い密度のビームを照射することが可能になる。

また、シリンドリカルレンズアレイを半導体レーザアレイとシリンドリカルコリメータレンズとの間に配置、すなわち、半導体レーザアレイの直後にシリンドリカルレンズアレイを配置すれば、各エミッタから射出されたビームの第１方向成分がシリンドリカルレンズアレイの各レンズに、所謂蹴られを生ずることがなくすべて入射され、よって前述のような回折光の発生を抑制することができ、所望の照射プロファイルを得ることができるようになる。

〔第１の実施の形態〕
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１（Ａ），（Ｂ）は本発明の第１の実施の形態に係る照射装置の構成を表すものであり、（Ａ）は平面状態、（Ｂ）は側面から見た状態をそれぞれ示したものである。この照射装置は、複数のエミッタ１ａにより構成された半導体レーザアレイ（以下，ＬＤアレイという）１を有すると共に、ＬＤアレイ１と被照射面５との間に、シリンドリカルレンズアレイ２、シリンドリカルコリメータレンズ３および対物レンズ４をこの順に備えている。

ＬＤアレイ１のエミッタ１ａからは、例えば４００〜４１０ｎｍのビーム（光束）Ｂが射出されるようになっている。シリンドリカルレンズアレイ２は、各レンズが各エミッタ１ａに一対一で対応するようにレーザアレイ方向（第１方向，図１（Ａ）ではｘ軸方向）に配列され、アレイ方向にパワー成分を有するものである。一方、シリンドリカルコリメータレンズ３は、アレイ方向と垂直な方向（第２方向，図１（Ａ）ではｙ軸方向）にパワー成分を有し、この方向のビーム成分を平行にするものである。

対物レンズ４は、シリンドリカルレンズアレイ２を介したビームを、被照射面５に照射するもので、アレイ方向にパワー成分を有するシリンドリカルレンズ４Ａと球面レンズ系４Ｂとにより構成されている。ここで、シリンドリカルレンズ４Ａは、シリンドリカルレンズアレイ２による各エミッタ１ａの共役像から射出された各ビームＢが被照射面５上でそれぞれのビーム径の１／２だけずれるようなパワーを有している。すなわち、対物レンズ４により、ビームＢのアレイ方向（ｘ軸方向）の成分は被照射面５に対してデフォーカスされ、一方、アレイ方向と垂直な方向（ｙ軸方向）の成分は被照射面５に対してフォーカスされることにより、被照射面５が線状に照射されるようになっている。

シリンドリカルレンズ４Ａには、このシリンドリカルレンズ４Ａを光軸方向に位置を調整するための調整機構６が設けられており、この調整機構６によりＬＤアレイ１の各エミッタ１ａの発散角個体差を補償するようになっている。

このような構成を有する照射装置では、ＬＤアレイ１の複数のエミッタ１ａよりビームＢが発振し、各ビームＢは、ｘ軸成分がシリンドリカルレンズアレイ２により集光される一方、各ビームＢのｙ軸成分はシリンドリカルコリメータレンズ３によりコリメートされ、平行光となる。ｙ軸成分がコリメートされたビームＢは、シリンドリカルレンズ４Ａと球面レンズ系４Ｂで構成された対物レンズ４に入射し、この対物レンズ４により被照射面５に集光される。一方、ｘ軸成分に集光されたビームＢも対物レンズ４により被照射面５上に照射される。このとき、シリンドリカルレンズ４Ａによって被照射面５上に集光された各ビームのｘ軸成分は、それぞれのビーム径の１/ ２だけずれて互いに重なり合う。その結果、被照射面５上の照射プロファイルは、図２に示したように、ｘ軸成分の特定範囲が均一な強度を有する線状の形状を有するものとなる。

このような構成により、本実施の形態の照射装置では、被照射面５に線状プロファイルを形成することができ、例えば半導体デバイスの製造工程でのアニール装置として好適に用いることができる。また、前述の回転偏心については対物レンズ４のシリンドリカルレンズ４Ａのみを考慮すればよく、例え光軸中心の回転偏心が生じて調整が必要な場合においても、シリンドリカルレンズ４Ａのみを調整することにより偏心を解消することができる。よって、調整が容易であると共に、従来に比べて製造公差を緩めることができる。また、本実施の形態では、エミッタ１ａに一対一で対応してレンズを有するシリンドリカルレンズアレイ２が、ＬＤアレイ１の直後に配置されているため、ＬＤアレイ１の各エミッタ１ａから射出されたビームのｘ軸成分は、所謂蹴られを生ずることなく、シリンドリカルレンズアレイ２の対向するレンズにすべて入射される。よって、エミッタ１ａから射出されたビームＢが回折することがなくなり、所望の照射プロファイルを得ることができる。

なお、ＬＤアレイ１の各エミッタ１ａの発散角は、ＬＤ個々で異なることが想定される。この個体差により、シリンドリカルレンズアレイ２による各エミッタ１ａの共役像から射出されたそれぞれのビームＢが対物レンズ４により被照射面５上に照射される際に、ビーム径のずれが１／２とはならず、照射プロファイルの均一領域が得られない場合がある。このような場合、本実施の形態では、調整機構６によりシリンドリカルレンズ４Ａの光軸方向の位置を変更することによりビーム径のずれが１／２になるように調整することができ、照射プロファイルに均一領域を得ることができると共に、ＬＤアレイ１の発散角個体差が補償される。

〔第２の実施の形態〕
図３は本発明の第２の実施の形態に係る照射装置を表すもので、ここでも図３（Ａ）は平面状態、図３（Ｂ）は側面から見た状態をそれぞれ示したものである。

この照射装置は、複数のエミッタ１１ａにより構成されたＬＤアレイ１１を備えると共に、このＬＤアレイ１１と被照射面１５との間に、シリンドリカルレンズアレイ１２、シリンドリカルコリメータレンズ１３および対物レンズ１４を有し、更にシリンドリカルコリメータレンズ１３と対物レンズ１４との間に、レンズ１７Ａおよびレンズ１７Ｂにより構成されたリレーレンズ１７を有するものである。対物レンズ１４は、アレイ方向にパワー成分を有するシリンドリカルレンズ１４Ａと球面レンズ系１４Ｂとにより構成されている。シリンドリカルレンズ１４Ａには、光軸方向の調整機構１６が設けられている。

リレーレンズ１７は、シリンドリカルコリメータレンズ１３と対物レンズ１４との間でビームＢを縮小リレーするものである。その他のＬＤアレイ１１，シリンドリカルレンズアレイ１２、シリンドリカルコリメータレンズ１３および対物レンズ１４のそれぞれの機能は第１の実施の形態とそれと同様であるので、その説明は省略する。

このような構成により、本実施の形態では、ＬＤアレイ１１の複数のエミッタ１１ａより発振した各ビームＢは、第１の実施の形態と同様に、シリンドリカルレンズアレイ１２、シリンドリカルコリメータレンズ１３を介して、ｘ軸方向は集光され、y 軸方向はコリメートされる。各ビームＢは、更に、レンズ１７Ａ，１７Ｂにより構成されたリレーレンズ１７により縮小リレーされ、対物レンズ１４に導かれる。対物レンズ１４では、y 軸成分は球面レンズ系１４Ｂにより被照射面１５に集光され、ｘ軸成分はシリンドリカルレンズ１４Ａと球面レンズ系１４Ｂにより、被照射面１５上で各ビームＢがビーム径の１/ ２だけずれて照射される。ここで、リレーレンズ１７は縮小系であるため、対物レンズ１４の瞳径は第１の実施の形態の対物レンズ４に比べて小さくなる。ＬＤアレイ１１の発散角個体差の補償は第１の実施の形態と同様に光軸方向の調整機構１６により行われる。

このように本実施の形態では、対物レンズ１４の瞳径を小さくでき、対物レンズの仕様を簡略化できるだけでなく、対物レンズのＮＡを大きくする自由度が生まれ、照射プロファイルを小さくすることができる。従って、高い密度の照射が可能となり、ＬＤアレイ１１として低出力のＬＤからなるＬＤアレイを用いて所望の照射密度で照明することが可能になる。その他の作用効果は第１の実施の形態と同様であるので、その説明は省略する。

本発明の第１の実施の形態に係る照射装置の構成を表すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。 図１の照射装置によって得られる照射プロファイルを表す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る照射装置の構成を表すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。 従来の照射装置を表すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。 従来の他の照射装置を表すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。

符号の説明

１，１１…ＬＤアレイ、２，１２…シリンドリカルレンズアレイ、３, １３…シリンドリカルコリメータレンズ、４，１４…対物レンズ、４Ａ，１４Ａ…シリンドリカルレンズ、４Ｂ，１４Ｂ…球面レンズ系、５，１５…被照射面、６，１６…調整機構、１７…リレーレンズ

Claims (6)

1. 複数のエミッタを有する半導体レーザアレイと、
   各レンズが前記各エミッタに一対一で対応するように第１方向に配列されると共に、前記エミッタから射出されたビームに対して第１方向にパワー成分を有するシリンドリカルレンズアレイと、
   第１方向に対して垂直な第２方向にパワー成分を有し、前記ビームの第２方向の成分をコリメートするシリンドリカルコリメータレンズと、
   前記シリンドリカルコリメータレンズを介したビームの、第１方向の成分を被照射面に対してデフォーカスする一方、第２方向の成分を被照射面に対してフォーカスする対物レンズとを備え、
   被照射面を線状プロファイルで照射する
   ことを特徴とする照射装置。
2. 前記対物レンズは、第１方向にパワー成分を有するシリンドリカルレンズと球面系のレンズ系とで構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の照射装置。
3. 前記対物レンズに含まれるシリンドリカルレンズの光軸方向の位置を調整するための調整機構を有し、前記被照射面上の照射プロファイルが調整可能である
   ことを特徴とする請求項１に記載の照射装置。
4. 前記対物レンズの前段に、前記シリンドリカルレンズアレイによるエミッタ共役を縮小するためのリレーレンズが配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の照射装置。
5. 前記シリンドリカルレンズアレイは、前記半導体レーザアレイと前記シリンドリカルコリメータレンズとの間に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の照射装置。
6. 前記半導体レーザアレイにおける各エミッタの発振波長は４００〜４１０ｎｍである
   ことを特徴とする請求項１に記載の照射装置。
   

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