JP2006054480A - Laser process apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a laser process apparatus that improves the homogeneity of an irradiation laser beam on an irradiation surface during laser processing of an irradiation object.
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。 As an example of heat treatment by laser irradiation, when a polycrystalline silicon film is manufactured, an amorphous silicon film is previously deposited on a suitable substrate, for example, a glass substrate, by a vapor deposition method such as CVD. In addition, a method of polycrystallizing this amorphous silicon film by scanning with a laser beam is known.
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。 In the method for polycrystallizing a silicon film, for example, a laser beam from a laser light source is focused on an amorphous silicon film by a lens and irradiated with a laser, and the silicon film is scanned at the time of irradiation, so There is something that crystallizes in the process. This laser beam is usually an axially symmetric Gaussian distribution because the axial intensity profile of the beam at the irradiation position depends on the profile of the laser source. The polycrystalline silicon film formed by irradiation with such a beam has a very low uniformity of crystallinity in the plane direction, and it has been difficult to use a thin film transistor as a semiconductor substrate for manufacturing.
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)。
Further, a technique is known in which a semiconductor film is irradiated and heated using a short-wavelength excimer laser so that the profile of the irradiation beam is distributed in a rectangular shape. For example, a laser beam from an oscillator is focused on a semiconductor film surface through a converging lens in front of two cylindrical lens da array that intersect each other in a plane perpendicular to the optical axis. In this method, a laser beam having a Gaussian distribution is made to have a uniform intensity distribution in two orthogonal directions by means of two cylindrical lens arrays, and the irradiation laser beam on the semiconductor film surface is orthogonal on the semiconductor surface. The width is different in the two directions, and a polycrystalline band having a certain width is repeatedly formed on the semiconductor film by sweeping and moving the irradiation laser beam (for example, see
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。
Recently, the maximum output of the YAG laser has been significantly improved. Since the YAG laser is a solid-state laser, it is easier to handle and maintain than an excimer laser that is a gas laser. A silicon film polycrystallization method using the second harmonic of a YAG laser, which has this feature, has attracted attention because of its potential for high mobility. However, the coherent length of the excimer laser is about several microns to several tens of microns, and the optical interference when passing through an optical system that splits the laser beam into one is very weak, whereas the YAG laser , And its second harmonic coherent length is very long, about 1 cm. The influence of this interference cannot be ignored.
The interference generated in the superimposed beams on the irradiated surface is because the intensity profile in the moving direction of the laser beam greatly affects crystal growth when a semiconductor film is heated and crystallized using a rectangular irradiation laser beam. It is not preferable to grow large in the crystal grain of the silicon film.
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)。 There has been proposed a method for removing the non-uniformity of the irradiation laser intensity due to this interference. For example, a beam from a light source is collimated by a collimator, irradiated onto a mirror having a stepped reflecting surface, and a beam divided by the mirror is irradiated. An optical system configured to irradiate with a cylindrical lens array to be synthesized and a cylindrical lens for convergence is disclosed. This is to prevent interference between the divided beams on the irradiation surface by providing an optical path difference equal to or greater than the coherent length of the laser beam due to the step between the reflecting surfaces in each divided beam (for example, Patent Document 3). reference).
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)。 Also, the laser beam from the light source is converted into parallel light by a beam collimator, irradiated to a plurality of small reflecting mirrors, and the reflected light from each reflecting mirror is irradiated onto the irradiation surface to superimpose, and the laser that reflects each flat mirror Similarly, there is one that prevents interference by ensuring the optical path difference of the beam to be equal to or longer than the coherent length (for example, see Patent Document 4).
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。
The beam homogenization technique described above prevents interference when laser beams from the same light source are split and overlapped on the irradiation surface by using a reflecting mirror having multiple reflecting surfaces to provide an optical path difference. However, these optical systems require special reflecting mirrors. In particular, the optical system of
In addition, 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 superimposed on the irradiation surface in the same manner. For a large laser oscillation source, the apparatus becomes large and complicated, which is not practical and optical adjustment is difficult.
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。 The present invention provides a uniform intensity distribution on the irradiation surface by superimposing the divided beams obtained by dividing the laser beam having an M2 value (an index indicating the condensing property of the beam generated from the laser oscillator) of 100 or less. In the laser processing equipment that forms the irradiated beam, it is intended to prevent the interference between the divided beams due to superposition and to make the irradiated beam more uniform, especially to prevent such interference. Thus, it is an object of the present invention to provide a laser processing apparatus that is simple and easy to configure and adjust for uniformizing an irradiation beam and that enables stable uniform irradiation.
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を違える光路長制御手段と、前記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。 The 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 from the laser oscillator, and a laser beam from the laser oscillator. Beam splitting means for spatially dividing the beam into N divided beams in the beam cross section, superimposing irradiation means for irradiating each of the divided beams approximately on the irradiation surface, and the N divided beams. Optical path length control means for changing the optical path length of adjacent split beams adjacent to each other, and optical delay means for delaying one of the adjacent split beams longer than the time coherence distance of the laser beam with respect to the other, The M2 value is M2 ≧ N / 2 at least in the beam splitting direction.
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を違える光路長制御手段と、前記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。 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 the beam generated from the laser oscillator, and the laser oscillator A laser beam splitting unit that splits the laser beam spatially into N divided beams in a beam cross section, a superimposing irradiation unit that irradiates each of the split beams approximately on the irradiation surface, and the N splits. Optical path length control means for changing the optical path lengths of adjacent split beams adjacent to each other, and optical delay means for delaying one of the adjacent split beams longer than the temporal coherence distance of the laser beam with respect to the other. And the M2 value is M2 ≧ N / 2 at least in the beam splitting direction, thereby preventing interference between split beams due to superposition. Illumination beam are more easy and uniform configuring for the adjustment and is easy and laser processing apparatus is obtained which enables a stable homogeneous illumination.
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。
1A and 1B are plan views showing a configuration of a laser processing apparatus according to
In this embodiment, the laser processing apparatus shown in FIGS. 1A and 1B has a linear irradiation profile that spreads in a uniform distribution in the y direction on the irradiation surface and converges linearly in the x direction. The example which forms is shown.
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。
The laser process apparatus includes a
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。
In the present embodiment, the laser beam splitting means 3 includes an optical system for making the
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。
In the
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。
The split beam from the
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。
The
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F0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F0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。
More specifically, FIG. 2 shows a mode of splitting the laser beam from the
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。
Assuming that the laser beam spread through the focal point by the condensing
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。
FIG. 2 shows only the arrangement of the divided beams of components of m = 0, +1, +2 radiated from the
図3(A)は、レーザビームを焦点F0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。
FIG. 3A schematically shows the split width of the split beam in the
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。
In the
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。
When such a folded split beam is projected on the
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。
Furthermore, this embodiment includes an optical delay means for delaying any one of the adjacent split beams adjacent to each other among the split beams formed by the above-mentioned waveguide with respect to the other longer than the temporal coherence distance. It is out.
This optical delay means can be used for both a hollow mirror and a solid translucent body, but the split beams from adjacent areas interfere with each other with an optical path difference between them. This is to prevent interference.
レーザビームの時間的可干渉距離ΔLは、
ΔL= cΔt≒ λ2/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。
The temporal coherence distance ΔL of the laser beam is
ΔL = cΔt≈λ 2 / Δλ
Given in. 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 a YAG laser (Nd: YAG laser), the spectral width Δλ = 0.12 to 0.30 nm for a beam having a center wavelength of λ = 1.06 μm, so the temporal coherence distance ΔL is ΔL = 3.8 to 9.4 mm. The value of ΔL is approximately the same for the second harmonic laser (YAG2ω laser) of the YAG laser.
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n1、空気の屈折率n0から、
Δa=a(n1−n0)
で与えられる。
In FIG. 1, a
The optical path difference Δa by the glass plate is obtained from the thickness a of the glass plate, the refractive index n 1 of the glass, and the refractive index n 0 of the air.
Δa = a (n 1 −n 0 )
Given in.
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(n1=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。 Since the optical path difference Δa by the glass plate is set to be equal to or greater than the temporal coherence distance ΔL (Δa ≧ ΔL), the glass that gives the optical path difference equal to or greater than the temporal coherence distance ΔL between the divided beams adjacent to each other from these equations. A thickness a is required. The thickness of the delay plate is preferably set so as to provide an optical path difference of 2 times or more, more preferably 4 times or more of the temporal coherence distance ΔL by the delay plate. For example, in a YAG laser (Nd: YAG laser) or YAG2ω laser, when quartz (n 1 = 1.46) is used as the optical delay means, the temporal interference distance ΔL is 3.8 to 9.4 mm. The optical path difference Δa is 12 to 30 mm.
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。
In the present embodiment, the
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。
As described above, when every
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 N / 2 or more, interference between all the divided beams is prevented. ing.
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。
FIG. 4 shows only two components of the split beam from the waveguide when the division number N is approximately 7, for example, two components of the number of reflections m = + 1 and m = 0, and the y-
ビーム直径をピーク強度が1/e2(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。
When the beam diameter is defined as the diameter at the
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。
As described above, in the configuration of FIG. 1 in which the
X = 1 / M2 ≦ 2 / N (N is a positive number)
That is, M2 ≧ N / 2
It can be seen that it is.
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。 As described above, when using a laser oscillator that generates a laser beam having a relatively low M2 value of 100 or less at maximum, the present inventors split the beam into N split beams, In the present invention, it was found that there is a close relationship between the M2 value, which is an index representing the condensing property of the beam generated from the laser oscillator, and the spatial coherence distance when superposed on the irradiation surface. It has come. In general, the smaller the M2 value, the smaller the focused beam diameter and the better the beam quality. However, the present invention has found that there is an optimum M2 value according to the number of beam divisions.
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。
As described above, according to the present 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 obtained. In contrast, when the
Note that the YAG2ω laser shown in the present embodiment is typically used for homogenization, but the M2 value widely used in the industrial field is also used for other lasers. Is required even for lasers with a relatively good beam quality of 100 or less. In reality, the configuration of this patent is required for lasers of 50 or less, which require more light condensing performance.
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。
6A and 6B are plan views showing the configuration of the laser processing apparatus according to the second embodiment of the present invention. FIG. 6A is a view seen from the y direction, and FIG. 6B is a view seen from the x direction.
In this embodiment mode, the laser process apparatus shown in FIGS. 6A and 6B spreads in a uniform distribution in the y direction on the irradiation surface and extends in the x direction as in the case of the first embodiment. An example of forming a linear irradiation profile converged linearly is shown.
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。
In the first embodiment, when 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 adjacent split beams adjacent to each other into N divided beams. However, in this embodiment, the optical rotation means 7 is used to make one of the adjacent split beams adjacent to each other divided into N beams substantially orthogonal to the polarization direction with respect to the other.
Since other configurations are the same as those of the first embodiment, differences from the first embodiment will be mainly described below.
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。
The
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。
The
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。 However, in this specification, the fact that the polarization angle (polarization direction) is substantially orthogonal may mean that one split beam is shifted from the orthogonal state to a range of ± 30 ° with respect to one split beam. This can substantially reduce the interference between the split beams.
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。
As described above, when every other half-
Therefore, in the present embodiment as well, as described in the first embodiment, when the M2 value, which is an index indicating the condensing property of the beam generated from the
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。
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 1 for each of the N divided beams. When every
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。
The degree of interference suppression at this time largely depends on the optical path difference Δa between adjacent split beams. When the optical path difference is large, it becomes perfect due to the interference suppression effect, but on the other hand, the transfer condition for each divided beam is 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 this result can be obtained.
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。
Further, even when the half-
If the spatial coherence distance is shortened under the above conditions, a more uniform beam can be obtained on the
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。
FIG. 7 is a plan view showing the configuration of the laser processing apparatus according to the fourth embodiment of the present invention, and shows the arrangement of the optical system viewed from the x direction. The optical path length or polarization direction control means (optical delay means 2) Except for the difference in arrangement, the laser processing apparatus is basically the same as that shown in FIGS. 1 (A) and 1 (B). Hereinafter, differences from the first embodiment will be mainly described.
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。
In the present embodiment, in particular, the optical path length or polarization direction control means includes the
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。
FIG. 8 is a plan view showing the configuration of the laser processing apparatus according to the fifth embodiment of the present invention, and shows the arrangement of the optical system viewed from the x direction. The arrangement of the optical path length or polarization direction control means (optical rotation means 7) is shown in FIG. Except for these differences, the laser process apparatus is basically the same as that shown in FIGS. 6A and 6B. Hereinafter, differences from the second embodiment will be mainly described.
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。
In the second embodiment, as the optical path length or polarization direction control means for changing the optical path length or polarization direction of adjacent split beams adjacent to each other of the N split beams, half of every other split beam arranged in the y direction. Although the
In order to solve this problem, in the present embodiment, in particular, the optical path length or polarization direction control means includes the
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。
FIG. 9 is a plan view showing the configuration of the laser processing apparatus according to the sixth embodiment of the present invention, showing the arrangement of the optical system viewed from the x direction, except for the difference in the arrangement of the optical path length or the polarization direction control means. This is basically the same as the laser process apparatus shown in FIGS. 6 (A) and 6 (B). Hereinafter, differences from the second embodiment will be mainly described.
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。
In the present embodiment, in the second embodiment shown in FIG. 6, a glass-made
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。
10A and 10B are plan views showing the configuration of the laser processing apparatus according to the seventh embodiment of the present invention. FIG. 10A is a view seen from the y direction, and FIG. 10B is a view 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. The example which forms is shown.
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。
The laser process apparatus includes a
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。
In the present embodiment, the laser beam splitting means includes an optical system for making the
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。
The dividing
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。
The split beam from the split
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。
A split beam in the y direction from the split
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。
A
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。
Further, since the M2 value of the
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。
Now, in the case of the division by the waveguide shown in the first embodiment, the divided beams are overlapped so as to be folded at the boundary line. As a result, since light components at the same spatial location are overlapped at the boundary, strong interference is observed at the end as seen in FIG. On the other hand, in the configuration according to this embodiment shown in FIG. 10 using the
M2 ≧ N / 2
It has been found that the interference between the divided components (between two adjacent elements) can be sufficiently suppressed if the above condition is established.
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。
In the above description, the case where the lens array is used for the division of the laser beam and the overlapping irradiation on the irradiation surface of each divided beam has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, an optical system using a prism, a diffraction grating, a hologram, or the like that divides the divided beams in parallel to achieve homogenization can be used. Optical delay means for delaying one of the adjacent adjacent divided beams longer than the temporal coherence distance of the laser beam with respect to the other, and M2 ≧ N / 2
By doing so, it is possible to prevent interference between all the divided beams due to superposition.
Further, every
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。
Embodiment 8 FIG.
11A and 11B are plan views showing the configuration of the laser processing apparatus according to the eighth embodiment of the present invention. FIG. 11A is a view seen from the y direction, and FIG. 11B is a view seen from the x direction.
In this embodiment mode, the laser process apparatus shown in FIGS. 11A and 11B spreads in a uniform distribution in the y direction on the irradiation surface and extends in the x direction as in the case of the seventh embodiment. An example of forming a linear irradiation profile converged linearly is shown.
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。
In the seventh embodiment, when 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 adjacent split beams adjacent to each other of the N divided beams. However, in this embodiment, the optical rotation means 7 is used to make one of the adjacent split beams adjacent to each other divided into N beams substantially orthogonal to the polarization direction with respect to the other.
Since other configurations are the same as those in the seventh embodiment, differences from the seventh embodiment will be mainly described below.
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。
Half-
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。
As described above, when every other half-
Therefore, in the present embodiment as well, 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
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。
FIG. 12 is a plan view showing the configuration of the laser processing apparatus according to the ninth embodiment of the present invention, showing the arrangement of the optical system viewed from the x direction, except for the difference in the arrangement of the optical path length or the polarization direction control means. This is basically the same as the laser process apparatus shown in FIGS. 11 (A) and 11 (B). In the following, differences from the eighth embodiment will be mainly described.
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。
In this embodiment, in the eighth embodiment shown in FIG. 11, the glass for the
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。
In the y-direction transfer
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。
13A and 13B are diagrams showing the configuration of the laser processing apparatus according to the tenth embodiment of the present invention. 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 the present embodiment, the laser process apparatus shown in FIGS. 13A and 13B spreads in a uniform distribution in the y direction on the irradiation surface and in the x direction, as in the first embodiment. An example of forming a linear irradiation profile converged linearly is shown.
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。
The laser process apparatus includes a
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。
In the present embodiment, the x-direction
The laser beam splitting means further includes a magnifying
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。
The superimposing irradiation means superimposes a number of divided beams on the
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Nx×Nyの分割可能な二次元分割ビームを得る。分割数Nx、Ny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Nx×Nyを5×5の組み合わせの二次元分割ビームとしている。
In the present embodiment, the
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。
Each of the two-dimensional split beams has a rectangular cross section and is parallel to each other, and then passes through the
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。
As shown in FIG. 13C, the
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。
In the arrangement of the
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Nx/2以上およびNy/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。
As described above, when every
Therefore, in the present embodiment as well, as described in the seventh embodiment, the M2 value that is an index representing the condensing property of the beam generated from the
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Nx×Ny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Nx/2以上およびNy/2以上、より望ましくはNx以上およびNy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。 When the laser beam from the laser oscillator is two-dimensionally divided into N x × N y divided beams in the beam cross section using a two-dimensional waveguide, the M2 value in each division direction is expressed as N x / 2. By making the above and N y / 2 or more, more desirably N x or more and N y or more, interference between all the divided beams can be suppressed.
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。
In addition, by arranging the optical delay means before and after the transfer
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Nx/2以上およびNy/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。
Embodiment 11 FIG.
14A and 14B are diagrams showing a configuration of a laser processing apparatus according to an eleventh embodiment of the present invention. 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 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 split beams adjacent to each other has been described. An optical rotation means that makes the polarization direction substantially orthogonal to the other may be used. In this case, the M2 value in each division direction is set to N x / 2 or more and N y / 2 or more. Interference between all split beams can be suppressed.
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。
As such an optical rotation means 7, as shown in FIG. 14C, an
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。
Note that the split beam into which the optical
Therefore, instead of the optical path length compensation delay element in the
Further, in the
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。
15A and 15B are diagrams showing a configuration of a laser processing apparatus according to a twelfth embodiment of the present invention. FIG. 15A is a plan view seen from the y direction, FIG. 15B is a plan view seen from the x direction, and FIG. Sectional drawing of a half-wave plate, (D) is sectional drawing of a delay plate.
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。
A delay unit that transmits the split beam and an optical rotation unit are arranged in front of the laser beam splitting unit, so that interference on the irradiation surface between the split beams adjacent to each other can be prevented. In the example shown in FIG. 7A and FIG. 7B, both the
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。
In this example, the optical
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。
Therefore, the arrangement of the
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CO2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。 In each of the above embodiments, the solid laser having a long spatial coherence distance and its harmonic laser have been described as examples of the laser light source. However, a CO 2 laser having high coherence like the solid laser, The same effect can be obtained even when applied to Ar lasers, other gas lasers, and semiconductor lasers. On the other hand, an excimer laser is currently applied to a method for polycrystallizing silicon. Here, the laser light source is homogenized by simply dividing the lens using a lens array and simply superimposing them. While the excimer laser has an oscillation wavelength in the ultraviolet region, the beam extraction cross section is structurally as large as several centimeters, and the M2 value is sufficiently greater than at least 100 in a system to which a normal stable oscillator is applied. If it is large, it is on the order of more than 1000, and the spatial coherent length is extremely short. Further, since the spectrum width is extremely wide, the temporal coherent length is also short. In that sense, excimer lasers are exceptional as a laser light source characterized by a long temporal and spatial coherence length. Most lasers other than excimer lasers are used to emit a homogeneous beam. The present invention can be applied.
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。
100 laser oscillator, 2 delay plate, 20 delay element, 29 shield, 290 gap, 31 beam expansion 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 condenser lens, 7 half-wave plate (optical rotator), 70 optical rotator, 9 irradiated object, 90 irradiated surface.
Claims (5)
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 condensing property of a beam generated from the laser oscillator, and N spatially laser beams from the laser oscillator in the beam cross section. Laser beam splitting means for splitting the beam into split beams, superimposing irradiation means for irradiating the split beams approximately on the irradiation surface, and optical path lengths of adjacent split beams adjacent to the N split beams. And optical delay means for delaying one of the adjacent split beams with respect to the other longer than the temporal coherence distance of the laser beam, and the M2 value is at least of the beam. In the dividing direction M2 ≧ N / 2
A laser process apparatus characterized by the above.
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。 The M2 value is at least M2 ≧ N in the beam splitting direction
The laser process apparatus according to claim 2, wherein
2. The laser process 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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