JP2006074041A - レーザ放射を均質化する装置及び方法、並びにこのような装置及び方法を使用するレーザシステム - Google Patents

Abstract

【課題】加工片をレーザによって表面処理する際に、レーザ放射を均質化する装置と方法を提供する。
【解決手段】ホモジナイザ１８でレーザ放射を均質化する装置及び方法において、レーザ１０及びホモジナイザ１８間の相対的位置及び／又は方向を測定する、又はホモジナイザ１８の効果を測定する測定機器２４と、この相対的位置及び／又は方向を測定の結果として変化させる機器２６を備え、測定信号の関数として調節してレーザ放射を均質化する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ放射を均質化する装置及び方法と、このような装置又は方法を使用するレーザシステムとに関する。

加工片をレーザによって表面処理する際には、通常、レーザビームで表面の広領域を放射する必要がある。この状況にて、（半導体産業で使用される）洗浄のような効果を達成することができ、周囲の気体との化学反応を生じさせることができ、或いは溶解及び再凝固化により表面改質を誘発させたりすることができる。この例には、金属表面の硬化、及び特にアモルファスシリコン層の結晶化が含まれる。どのタイプのレーザが最も高い効果を達成するかによって、連続波又はパルス化レーザを使用することができる。

重要なパラメタには、次のようなものがある。即ち、
− レーザ放射の波長（これは物質内部への光の吸収度、従って光の侵入深度を決定する）
− 強度又は出力密度（これは、例えば加熱又は溶解等の効果を決定する）
− レーザビームが作動する持続時間（これは、表面の層が加熱され又は不安定な状態に維持される時間、及び放射されていない又はより深い領域に熱伝導によって熱が侵入する度合いを決定する）

波長は、処理しようとする物質の吸収度に整合させなくてはならない。表面的な改質を伴うため、レーザ光は薄層内で吸収されなくてはならない。各物質に対して、加熱又は溶解しようとする層の厚さよりも深く放射が侵入することができないように、レーザの波長を確かめる必要がある。

レーザビームが表面に作用する持続時間は、改質される表面の物理的特性に影響を及ぼす。さらに、この持続時間はまた、物質の中で熱が熱伝導によりどの程度まで伝播するのかも決定し、従って、直接レーザに露光されないが周辺に存在する領域に影響を及ぼすことになる。

レーザ放射の最適な強度は、幾つかの要因に従って決定される。これらの要因には、物質内で達成しようとする温度、レーザビームが表面に作用する時間、及び物質の近隣領域への熱放散が含まれる。強度は、レーザの出力と、レーザビームが分配される領域とによって決定される。特定の用途によっては、小領域内でのみ強度を変化させ、所望の結果を達成し得るようにすることもしばしばある。この場合は、レーザ光での照射は極めて均一に行わなければならない。

従って、均一な（均質な）強度分布を有するレーザビームを使用するのが有利である。レーザビームが、処理すべき表面を全体として、即ち同時に処理し得る程度に高い強度を有する場合には、レーザは、処理すべき領域内では均質にしなくてはならない。ビームの強度が表面全体のうち一部のみを処理するのに十分であるために、ビームが小さい場合は、表面全体を徐々に処理するための様々な方法を利用することができる。

１つの方法として、段階的処理がある。表面の部分を処理した後で、レーザの強度により決められた所定のサイズを有するレーザビームを次の地点に偏向し、そして処理する。従って表面全体は、段階的に処理される。従ってレーザビームは次の処理する部位に進み、特定の持続期間そこに留まり、その後この処理を繰り返す。従ってこの方法は、この技術分野では「ステップ・アンド・リピート」法として既知である。レーザビームを偏向させる代わりに、加工片を変位させることもできる。

走査法では、レーザビームを表面全体に亘って連続的に移動させる。この場合はレーザを１つの部位に留まらせず、移動中に表面にレーザの作用を生じさせる。このレーザビームの移動は、一定の速度で行われることがしばしばある。表面上の様々な部位で、種々の作用を誘発させようとする場合には、又は、レーザを放射させる部位の中で放射の総線量を他の部分と変えなくてはならない部位がある場合、例えば中央部分の熱の分散が縁部よりも大きいので、同じ温度を達成するため、中央部分に供給するエネルギーを大きくするような場合には、レーザビームを移動させる速度も変化させることができる。

これら全ての方法に共通する特徴は、レーザ放射が、断面（所定時刻にレーザが照射する箇所）の内部にて均質の強度分布を有するようにするということである。このような場合にのみ、表面全体に亘って均一な作用を達成することができる。一度に表面全体を処理する場合も、ステップ・アンド・リピート法の場合も、レーザビームは双方の寸法（長さ及び幅）にて均質化させなくてはならない。

これと同じビーム特性を、走査法にて使用することもできる。しかしながら、一方の寸法（即ち長さ）においてのみ均一な強度分布を有するレーザビームを用いるのが好適である。他方の寸法、即ち幅においては、強度分布はベル型、例えばガウス分布とする。走査法の場合、このようなビームでは、走査する方向においては、特にパルス化レーザを用いた場合には、作用がさらに均一になる、という利点がある。

これら２つの方法に共通する特徴は、レーザビームは、少なくとも一方の寸法においては均質な強度分布を有していなくてはならないということである。しかしながら、レーザは、通常は均質に放射するのではなく、中央部にて最大強度を有し、縁部に向かって強度が低下するものである。このようなレーザビームは、次のようなガウス強度分布を呈することがよくある：即ち、
Ｉ＝Ｉ_０×ｅ^−ａ，ここでａ＝ｒ^２／２ｒ_０ ^２

これは、光軸上で強度が最大（Ｉ＝Ｉ_０）となり、光軸からの長さｒが増大するに連れて強度が減少することを意味している。ｒ＝２ｒ_０では、強度の値は減少し、Ｉ＝Ｉ_０／ｅ^２≒Ｉ_０／７．３９となる。光軸からのこの距離は、しばしばビーム断面（直径ｄ＝４ｒ_０）としても規定される。Ｎｄ：ＹＡＧレーザのような固体レーザは、そのようなレーザの典型例である。これらのレーザは、赤外線スペクトル範囲（１０６４ナノメートル）で、また周波数多重方式が使用される場合、緑又はＵＶ範囲（５３２ナノメートル、３５５ナノメートル、２６６ナノメートル）でレーザ放射を放射する。

このような強度分布は、表面処理では使用できないことがしばしばある。

いわゆる回折光学素子（ＤＯＥｓ）を、補助として用いることができる。これらは、ひとつの表面がマイクロメートルの尺度で構成される透明な物質からなるプレートとする。この構成は、透過光が、それぞれの場所においてその伝搬方向に対して特異的に影響されるように構成される。ＤＯＥの作用は、近隣光線が互いに発生する干渉に基づくものとすることもでき、またそれぞれの場所における光線の様々な偏向に基づくものとすることもできる。ＤＯＥについては、先行文献にて広く開示されている。例えば、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ社出版の、Ｂ．Ｋｒｅｓｓ及びＰ．Ｍｅｙｒｕｅｉｓによる“Ｄｉｇｉｔａｌ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃｓ：Ａｎ Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｐｌａｎａｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”第１版（２０００年１０月２５日）に記載されている。

一般的に、回折光学素子（ＤＯＥｓ）のシステムは、ベル型の初期分布から、実質上完全な矩形状の強度分布を発生し、これは「トップハット分布」として知られている。

多くのホモジナイザ、特にＤＯＥｓの欠点は、均質化の結果が、レーザ放射とホモジナイザとの間の相対的な位置に極めて敏感に依存するということにある。例えばＤＯＥの場合は、レーザビームを僅か５０マイクロメートル変位させるだけで、強度分布の平坦な部分が大幅に傾斜することになり、即ち、レーザビームの片側の強度が反対側の強度よりも低くなるレーザ放射が結果的に発生され、換言するに、強度特性は斜め方向に延在するようになる。従って、ホモジナイザからの放射は、中心ビーム軸に対して非対称となる。少なくとも１つの平面において、このような非対称性が生ずる。

均質化の結果が、ホモジナイザに入射するレーザビームの相対的な位置及び方位に依存するという状況は、例えばギャップホモジナイザのような他のホモジナイザにおいても起こり得る。

ホモジナイザと同様に使用される非球面テレスコープもまた、ビームの位置及び方向に非常に敏感に反応する。非球面テレスコープはレーザビームを拡張する。この場合、非球状の研磨面を有するレンズは、ビームの拡張を中心部では大きくし、かつ縁部では小さくするために使用される。従って、ビーム中間部の高強度は広範囲に亘って分布され、かつ縁部の低強度は小さな範囲に亘って分布される。非球面レンズを首尾よく設計することで、特定の距離にて、均質な強度分布を有するフィールドが発生する。このような非球面テレスコープは市販されており、例えば米国カリフォルニア州アーヴィン所在のＮｅｗｐｏｒｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社の“Ｂｅａｍ Ｓｈａｐｅｒ”がある。これらのテレスコープの、入射ビームの位置及び方向に対する感度は既知である。この感度は、前述のＤＯＥと同様の大きさである。

本発明の目的は、レーザ放射を均質化するための装置及び方法を提供することにあり、ホモジナイザにおいて均質化する結果を確実に向上させ、特に、例えば加工片を処理する際の品質及び精度に関して、加工結果を向上させることにある。特に、本発明による装置及び方法は、アモルファスシリコン層を結晶化する際に、良好な品質と精度の加工結果を得られるようにする。

これらの目的を達成するために、本発明は、ホモジナイザでレーザ放射を均質化する装置に関するもので、次のものを具えている。即ち、
− ホモジナイザに対するレーザ放射の相対的な位置及び／又は方向を測定する、又はホモジナイザの効果を測定する測定機、及び
− レーザ放射とホモジナイザとの間の相対的な位置及び／又は方向を、測定結果の関数として変更させる器具。

本発明による方法は、次のようなものに特徴付けられる。即ち、
− 測定信号を得るための、ホモジナイザに対するレーザ放射の相対的な位置及び／又は方向の測定、又はホモジナイザの効果の測定
− 測定信号に応じた、レーザ放射とホモジナイザとの間の相対的な位置及び／又は方向の変更。

本発明によるレーザシステムは、前記のタイプの装置を使用し、かつ前記の方法を用いるものである。

本発明の好適な変更例では、測定機器は、ホモジナイザからの放射の対称特性を、ホモジナイザの効果として測定する。例えば、レーザ放射とホモジナイザとの間の相対的な位置の意図せぬ変化によって、上述の意味で（現在は部分的にのみ）均質化した放射の、不所望な非対称の強度分布が生じる場合には、この強度分布の非対称性は、非常に容易に（ビームの少なくとも２箇所で強度を測定することにより）測定でき、かつ、この測定から極めて感度の高い制御信号を得ることで、フィードバックの状況に応じて、レーザ放射とホモジナイザとの間の相対的な位置を変化させることができる。その際、放射とホモジナイザとの間の相対的な位置を変化させることにより、最終的には所望な均質化の結果を回復するようにする。これは、コンピュータ制御の下で完全に自動的に行うことができる。

一方、入射するレーザの放射とホモジナイザとの間の位置及び／又は方向を直接測定することもできる。即ち、ビームの位置及びビームの方向は、固定のホモジナイザを用いて、このホモジナイザの前の放射通路において測定されるが、その方法自体は既知のものである。レーザの揺らぎのため、ビームの位置及び／又はビームの方向が変化する場合には、その変化をフィードバック制御の手段により直接補償して、ホモジナイザに当たるレーザ放射が、正確にかつ常に、所望な位置及び方向を呈するようにすることができる。

前述した意味合いにおいて、ここにいう「位置」とは、レーザ放射の軸に対して垂直な座標系の座標を規定し、かつ「方向」とは、空間内でレーザ放射が伝搬する方向のベクトルに対応するものである。

本発明の好適な変更例では、レーザ放射とホモジナイザとの間の相対的な位置及び／又は方向は、ホモジナイザの前のレーザ放射のビーム通路内における１つ以上のミラーを測定結果に応じて調整することにより、前記フィードバックループにて調整することができる。

一方、ホモジナイザ又はホモジナイザの一部を、レーザ放射に対して動かすことにより、レーザ放射とホモジナイザとの間の相対的な位置及び／又は方向を調整することもできる。例えば、ホモジナイザをレーザ放射に対して横方向に変位させたり及び／又はホモジナイザをレーザ放射方向に対して傾斜させたりすることができる。

要するに、本発明は、レーザシステムにおいて極めてコヒーレントなレーザ放射に用いるのに好適な、能動的に安定化したホモジナイザを提供するものである。

以下、本発明の模範的な実施例を図面につき詳細に説明する。

図面において、機能的に同等又は機能的に互いに同様な要素には同じ参照番号を付与し、必要に応じてプライム符号を付してある。

図１は、レーザ１０により放射されるレーザ放射のための、能動的に安定化したホモジナイザを示している。

加工片２２は、このレーザ放射により、前述の意味合いで処理されるものである。

レーザ１０により放射されたレーザ放射は、ミラー１２及び１４を経て偏向され、かつビームスプリッタ１６を経てホモジナイザ１８に向けられる。ホモジナイザは、例えば前述したＤＯＥのような、冒頭部において述べたようなタイプのものとすることができる。ホモジナイザ１８に対するビームの位置及びビームの方向はともに、安定した状態に保つ必要があり、これは、たとえ何がしかの理由でビームの位置及び方向が変化することがあっても、特にレーザそのものの揺らぎのために変化があったとしても、安定した状態に保つ必要がある。このために、ビームスプリッタ１６によってレーザ放射の小部分が分離され、ビームの位置及びビームの方向の双方を測定し得る測定装置２４上に向けられる。例えば、米国カリフォルニア州カールズバッド所在のＭｅｌｌｅｓ Ｇｒｉｏｔ社による、市販の“Ａｌｉｇｎ−Ｍｅｔｅｒ”装置がこれに適している。従って、測定機器２４は、ホモジナイザ１８に向かう途中でレーザビームが所定のセットポイント位置及びセットポイント方向から出ているか否かを示す測定信号を発生する。測定装置２４から、１つ又は双方の偏向ミラー１２，１４を制御する、即ちモータを用いてミラーを動かす電子機器２６に、対応する測定信号が送られる。これは、ビーム軸に対して垂直な座標系におけるｘ及びｙ方向、並びに放射の方向にそれぞれ独立した測定結果の関数として、ビームの位置を調整して、位置及び方向に関して所定のセットポイント値が再び達成されるようにするためである。こうして高度に安定し均質化された放射がホモジナイザ１８から出て、偏向ミラー２０を経て加工片２２上に向けられる。

図２の模範的な実施例においては、ホモジナイザ１８に対するビームの位置及び方向は、センサによっては直接的に測定されない。その代わりに、ビームの位置及び／又はビームの方向のいずれかの変化を間接的に見出すように、ホモジナイザの後方にて、均質化の結果を測定する。上述のように、例えばＤＯＥのようなホモジナイザにおいて、ビームの位置及び／又はビームの方向が変化することによって、ホモジナイザからの放射の強度分布における対称性が変化する。ホモジナイザからの放射の小部分が、ビームスプリッタによって、測定装置２４’に向けられる場合、例えば、ビームの両側で測定することによって、前述の意味合いでの傾斜強度分布を見出すことができ、そしてこれにより測定信号を導出して、この信号からモータによる可調整のミラー１４’用の制御信号を取り出す電子機器２６’へと、測定信号を伝送することができる。図２の模範的な実施例においては、電子機器２６’は、ミラー１２’，１４’のうち１方のみを制御する。なぜなら、均質化の結果が安定したままとなるように、レーザ及び他のパラメタの関数として、１つのミラー（ここでは１４’）のみによって、位置及び方向についてレーザ放射を制御することができるからである。

図３は、上述の模範的な実施例の変形例を示している。ここで、ホモジナイザ１８に当たるレーザビームの位置及び／又は方向は、少なくとも１つのミラーという手段によって調整されるのではなく、ホモジナイザ１８（又はこの一部）が放射に対して調整される。このために、図２の模範的な実施例に従って、ビームスプリッタが均質化されたビームの一部を分離して、それを、ビーム特性を測定する測定装置２４’に向け、かつ、対応する測定信号を電子機器２６’に送り、この機器が、ホモジナイザ１８（又はこの一部）を調整し得る機器２８を駆動する制御信号を発生させて、この結果、レーザ放射とホモジナイザ１８との間の相対的な位置及び／又は方向が、所望なセットポイント値を有するようにする。

図１〜３について説明したようなレーザ放射を均質化するシステムにより、例えば、数時間、数日間、又は数週間という動作時間さえ越える、非常に長い期間の均質化を達成することができる。

図１〜３につき説明した本発明の模範的な実施例においては、均質な照射フィールドを生成する平面を「加工片２２」の箇所にて示す。原則として、均質な照射フィールドが生成される平面は、加工片上に光学的に結像される平面とすることもできる（これについては、図４につき以下説明する）。従って、図１〜３における位置２２は、均質フィールドが発生する平面とも称する。

図４は、能動的に安定化したビームホモジナイザ３０の、特に図１〜３のいずれか１つによるものを用いるレーザシステムを示している。レーザシステムは、随意ダイヤフラム又はマスクを有し、これは均質フィールドの平面に配置される（図４では、表現上の理由により、ダイヤフラム又はマスクと、均質フィールドの平面とは、相対的に多少ずらして示してある）。能動的に安定化したビームホモジナイザ３０と、処理すべき加工片２２との間には、均質な平面又は随意ダイヤフラム若しくはマスクを加工片２２の処理すべき表面上に結像させるために、結像光学系３２を配置する。レーザ放射を偏向及び調整するために通常備えつけられるミラーは、図面には示していない。

図４に示すレーザシステムにおいては、センサ（図１のセンサ２４に対応する）を、直接ビームホモジナイザ３０に配置することができ、また一方、好適には、加工片の平面２２に配置することができる。この場合は、（図１のビームスプリッタに類似の）ビームスプリッタを、結像光学系３２と加工片２２との間に配置することができる。このような配置では、特に、結像光学系のために生じる、強度分布の歪みをホモジナイザが補償しうるという利点を有する。

ホモジナイザの模範的な実施例を示す図である。 ホモジナイザの模範的な他の実施例を示す図である。 ホモジナイザの模範的な更に他の実施例を示す図である。 図１〜３のいずれか１つのホモジナイザを用いたレーザシステムを示す図である。

符号の説明

１０ レーザ
１２ ミラー
１４ ミラー
１６ ビームスプリッタ
１８ ホモジナイザ
２０ 偏向ミラー
２２ 加工片
２４ 測定装置
２６ 電子機器
２８ 調整機器
３０ 能動的に安定化したビームホモジナイザ
３２ 結像光学系

Claims (11)

1. レーザ放射が当たるホモジナイザ（１８）でレーザ放射を均質化する装置において、当該装置が、
   − 前記レーザ放射の、前記ホモジナイザに対する相対的な位置及び／又は方向を測定する、又は前記ホモジナイザの効果を測定する測定機器（２４；２４’）及び、
   − 前記レーザ放射と前記ホモジナイザとの間の前記相対的な位置及び／又は方向を、前記測定の結果の関数として変化させる機器（２６；２６’）
   を具えていることを特徴とするレーザ放射均質化装置。
2. 前記測定機器（２４’）が、前記ホモジナイザ（１８）から出る放射の対称特性を、ホモジナイザ（１８）の効果として測定することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記レーザ放射と前記ホモジナイザとの間の相対的な位置及び／又は方向を変更するために、ホモジナイザ（１８）の前のレーザ放射のビーム通路内に、１つ以上の可動ミラー（１２，１４；１２’，１４’）を配置したことを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記レーザ放射と前記ホモジナイザとの間の相対的な位置及び／又は方向を変更するために、ホモジナイザ又はその一部を移動させる機器（２８）を設けたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. レーザ放射が向けられるホモジナイザ（１８）でレーザ放射を均質化する方法において、
   − 測定信号を導き出すために、レーザ放射の、前記ホモジナイザに対する相対的な位置及び／又は方向を測定するか、又はホモジナイザの効果を測定し、かつ、
   − 前記測定信号に従って、レーザ放射とホモジナイザとの間の相対的な位置及び／又は方向を変化させる
   ことを特徴とするレーザ放射均質化方法。
6. 前記ホモジナイザから出るレーザ放射の対称特性を、ホモジナイザ（１８）の効果として測定することを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記レーザ放射と前記ホモジナイザとの間の相対的な位置及び／又は方向を、１つ以上の可調整のミラー（１２，１４；１２’，１４’）によって調整することを特徴とする、請求項５又は６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記レーザ放射と前記ホモジナイザとの間の相対的な位置及び／又は方向を、ホモジナイザ又はその一部を調整することによって変更することを特徴とする、請求項５〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置で加工片（２２）を処理するレーザシステム。
10. 前記ホモジナイザ（３０）と前記加工片（２２）との間の平面内であって、レーザ放射の均質フィールドの平面内にマスク又はダイヤフラムを有することを特徴とする、請求項９に記載のレーザシステム。
11. 加工片（２２）上の処理すべき表面上に、均質な平面又はダイヤフラム若しくはマスクを結像させる結像光学系（３２）を具えていることを特徴とする、請求項９又は１０のいずれか１項に記載のレーザシステム。
    
    

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