JP2006195325A - ビーム整形光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 像面湾曲が生じにくく、被照射面におけるビーム断面のアスペクト比を高めることが可能なビーム整形光学装置を提供する。
【解決手段】 長軸用レンズアレイ３１は、ビームをＹＺ面内で複数に分割する。長軸用コンデンサレンズ３２及び長軸用エキスパンダ３３が、長軸用レンズアレイ３１で分割された複数の分割ビームをＹＺ面内に関し被照射面５０上で重ね合せると共に、各分割ビームのＹＺ面内での広がり角が、長軸用レンズアレイ３１を通過した直後の対応する分割ビームの広がり角よりも小さくなる広がり角低減区間Ｔ_１及びＴ_２を画定する。短軸用集束光学器４２は、広がり角低減区間Ｔ_１に配置され、複数の分割ビームをＸＺ面内に関し集束させる。短軸用結像光学器４４は、広がり角低減区間Ｔ_１及びＴ_２に配置され、中間面４３のビーム断面をＸＺ面内に関し被照射面５０に結像させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザビームのビーム断面を整形するビーム整形光学装置に関し、特にレーザビームのビーム断面を被照射面において一方向に長い形状となるように整形するビーム整形光学装置に関する。

図７に、従来から知られているビーム整形光学装置の断面図を示す（特許文献１参照）。レーザビームの進行方向をＺ軸方向とするＸＹＺ直交座標系を考える。図７(Ａ)はＹＺ面に平行な断面図であり、図７(Ｂ)は、ＸＺ面に平行な断面図である。このビーム整形光学装置は、レーザビームをそのビーム断面が被照射面１１０においてＹ軸方向に長い形状となるように整形する。

以下、被照射面におけるビーム断面の長軸方向（Ｙ軸方向）とビームの進行方向とに平行な面（ＹＺ面）を「長軸面」呼ぶ。また、被照射面におけるビーム断面の短軸方向（Ｘ軸方向）とビームの進行方向とに平行な面（ＸＺ面）を「短軸面」呼ぶ。

図７(Ａ)を参照して、長軸面内に関する光線束の伝播の様子を説明する。レーザビームが、長軸用レンズアレイ１００に入射する。長軸用レンズアレイ１００は、各々柱面の母線がＸ軸に平行な複数のシリンドリカルレンズをＹ軸方向に並べた構造を有する。長軸用レンズアレイ１００は、自己に入射したレーザビームを、長軸面内に関して複数（ここでは、３つ）のビームに分割する。

長軸用レンズアレイ１００によって分割された複数のビームは、第１の長軸用コンデンサレンズ１０１に入射する。第１の長軸用コンデンサレンズ１０１を通過したビームの各々は、長軸面内に関して発散光線束となって第２の長軸用コンデンサレンズ１０６に入射する。第２の長軸用コンデンサレンズ１０６は、第１の長軸用コンデンサレンズ１０１を通過したビームの各々を、長軸面内に関してほぼ平行光線束にする。第２の長軸用コンデンサレンズ１０６を通過した複数のビームが、長軸面内に関して被照射面１１０上で重ね合わされる。

図７(Ｂ)を参照して、次に短軸面内に関する光線束の伝播の様子を説明する。第１の長軸用コンデンサレンズ１０１を通過したビームが短軸用レンズアレイ１０２に入射する。短軸用レンズアレイ１０２は、各々柱面の母線がＹ軸に平行な複数のシリンドリカルレンズをＸ軸方向に並べた構造を有する。短軸用レンズアレイ１０２は、自己に入射したレーザビームを、短軸面内に関して複数（ここでは、３つ）のビームに分割する。

短軸用レンズアレイ１０２によって分割された複数のビームは、短軸用コンデンサレンズ１０３に入射する。短軸用コンデンサレンズ１０３は、自己に入射した複数のビームを、短軸面内に関して仮想的な中間ホモジナイズ面１０９上で重ね合わせる。中間ホモジナイズ面１０９の位置に、Ｙ軸方向に細長いスリットを有するマスク１０５が配置されている。短軸用結像レンズ１０４が、中間ホモジナイズ面１０９上に重ね合わされた複数のビーム断面を、短軸面内に関して被照射面１１０に結像させる。

以上説明したビーム整形光学装置によると、第２の長軸用コンデンサレンズ１０６が、第１の長軸用コンデンサレンズ１０１を通過したビームの各々を、長軸面内に関してほぼ平行光線束にする。このビームは、長軸面内に関して、両端近傍においても短軸用イメージングレンズ１０４にほぼ垂直入射する。このため、第２の長軸用コンデンサレンズ１０６を配置しない場合に比べると、ビームが長軸面内に関して短軸用結像レンズ１０４に斜め入射することに起因した像面湾曲を軽減することができる。

特開２００１−７５０４３号公報（第１図）

上記従来のビーム整形光学装置では、長軸用コンデンサレンズ１０１を通過したビームが、長軸面内に関して、その両端近傍において短軸用コンデンサレンズ１０３に斜め入射する。このため、像面湾曲が生じ、ビームの両端近傍では、ホモジナイズ面１０９からずれた位置で重ね合わされる。また、長軸面内に関するビーム中心と両端近傍では、ホモジナイズ面１０９から短軸用結像レンズ１０４までの光路長に差が生ずる。被照射面１１０におけるビーム断面がより細くかつ長くなると、わずかな像面湾曲の影響によってピーク強度の分布の均一性が低下する。

本発明の目的は、像面湾曲の生じにくい新規なビーム整形光学装置を提供することにある。本発明の他の目的は、被照射面におけるビーム断面のアスペクト比（長軸方向の長さを短軸方向の長さで割った値）を高めることができるビーム整形光学装置を提供することにある。本発明のさらに他の目的は、被照射面における短軸方向の光強度分布の、端部における急峻性の低下を防止することができるビーム整形光学装置を提供することにある。

本発明の一観点によれば、レーザビームをそのビーム断面が被照射面において一方向に長い形状となるように整形するビーム整形光学装置であって、自己に入射するレーザビームを、前記被照射面におけるビーム断面の長軸方向に対応する方向とビームの進行方向とに平行な長軸面内に関して、複数のビームに分割する長軸用レンズアレイと、前記長軸用レンズアレイによって分割されて得られた複数の分割ビームが入射し、入射した複数の分割ビームを前記長軸面内に関して前記被照射面上で重ね合せる長軸用重ね合わせ光学器であって、前記被照射面に至る前記複数の分割ビームの経路内に、各分割ビームの長軸面内に関する広がり角の絶対値が、前記長軸用レンズアレイからこの長軸用重ね合わせ光学器までの間における対応する分割ビームの長軸面内に関する広がり角の絶対値よりも小さくなるような、長軸面内に関する広がり角低減区間を画定した長軸用重ね合わせ光学器と、前記長軸面内に関する広がり角低減区間に配置された光学素子によって構成され、自己に入射する前記複数の分割ビームを、前記被照射面におけるビーム断面の短軸方向に対応する方向とビームの進行方向とに平行な短軸面内に関して集束させる短軸用集束光学器と、前記長軸面内に関する広がり角低減区間に配置された光学素子によって構成され、前記短軸用集束光学器によって前記短軸面内に関して集束された前記複数の分割ビームが入射する短軸用結像光学器であって、前記短軸用集束光学器と自己との間のビーム経路内に画定される仮想的な中間面におけるビーム断面を、前記短軸面内に関して前記被照射面に結像させる短軸用結像光学器とを備えたビーム整形光学装置が提供される。

本明細書において、長軸面内に関するビームの広がり角とは、そのビームの長軸方向両端の光線が長軸面内でなす角をいう。短軸面内に関するビームの広がり角とは、そのビームの短軸方向両端の光線が短軸面内でなす角をいう。発散するビームは正の広がり角を有し、集束するビームは負の広がり角を有するものとする。

短軸用集束光学器及び短軸用結像光学器が、長軸面内に関する広がり角低減区間に配置された光学素子によって構成されているため、ビームが長軸面内に関して短軸用集束光学器又は短軸用結像光学器に斜め入射することに起因した像面湾曲を軽減することができる。また、長軸用レンズアレイが短軸用集束光学器よりも前段に配置されているため、長軸用レンズアレイの製造誤差に起因して被照射面上で像の位置が短軸方向にばらつくことを抑制できる。この結果、被照射面における短軸方向の光強度分布の端部の急峻性が低下することを防止できる。また、ビームの細線化が妨げられることを防止でき、被照射面におけるビーム断面のアスペクト比を高めることが可能となる。

図４に、参考例によるビーム整形光学装置の断面図を示す。実施例の説明に先立ち、まず参考例について説明する。レーザビームの進行方向をＺ方向とするＸＹＺ直交座標系を考える。図４(Ａ)はＹＺ面（長軸面）に平行な断面図であり、図４(Ｂ)はＸＺ面（短軸面）に平行な断面図である。

図４(Ａ)を参照し、まず長軸面内に着目して、装置の構成及び光線束の伝播の様子を説明する。光源８１から出射されたレーザビームがビームエキスパンダ８２に入射し、そのビーム断面の大きさが調整される。ビームエキスパンダ８２と被照射面９２との間に、長軸面内に関する光線束の発散又は集束に寄与する光学素子として、ビームエキスパンダ８２側から順番に、長軸用レンズアレイ８３、第１段目長軸用コンデンサレンズ８４、及び第２段目長軸用コンデンサレンズ８５が配置されている。

長軸用レンズアレイ８３は、自己に入射するレーザビームを長軸面内に関して３つのビームに分割する。長軸用レンズアレイ８３によって分割されたビームの各々は、第１段目長軸用コンデンサレンズ８４に入射する。第１段目長軸用コンデンサレンズ８４を通過したビームの各々は、長軸面内で発散しながら進行し、第２段目長軸用コンデンサレンズ８５に入射する。第２段目長軸用コンデンサレンズ８５を通過したビームの各々は、長軸面内に関して平行光線束となる。それらの平行光線束が、長軸面内に関して、被照射面９２上で重ね合わされる。

図４(Ｂ)を参照し、次に短軸面内に着目して、装置の構成及び光線束の伝播の様子を説明する。ビームエキスパンダ８２と長軸用レンズアレイ８３との間に、短軸面内に関する光線束の発散又は集束に寄与する光学素子として、ビームエキスパンダ８２側から順番に、短軸用レンズアレイ８６、短軸用コンデンサレンズ８７、及び第１段目短軸用結像レンズ８８が配置されている。また、第２段目長軸用コンデンサレンズ８５と被照射面９２との間にも、短軸面内に関する光線束の集束に寄与する光学素子として、第２段目短軸用結像レンズ８９が配置されている。

短軸用レンズアレイ８６は、ビームエキスパンダ８２を通過したレーザビームを短軸面内に関して３つのビームに分割する。短軸用レンズアレイ８６によって分割されたビームの各々が、短軸用コンデンサレンズ８７に入射する。短軸用コンデンサレンズ８７は、自己に入射する複数のビームを、仮想的な中間ホモジナイズ面９０上で重ね合わせる。短軸用コンデンサレンズ８７は、後側焦点を中間ホモジナイズ面９０内に配置している。

中間ホモジナイズ面９０の位置に、Ｙ軸方向に細長いスリットを有する短軸用マスク９１が配置されている。短軸用マスク９１は、複数のビームが短軸面内に関して重ね合わされて形成されたビーム断面内の短軸方向に関する光強度分布の裾野の部分を遮光する。短軸用マスク９１を通過した複数のビームが、短軸用結像レンズ８８及び８９を通過して、被照射面９２に入射する。

短軸用結像レンズ８８及び８９は、中間ホモジナイズ面９０上のビーム断面を、短軸面内に関して被照射面９２に結像させる。第１段目短軸用結像レンズ８８は中間ホモジナイズ面９０内に前側焦点を配置し、第２段目短軸用結像レンズ８９は被照射面９２内に後側焦点を配置している。即ち、短軸用イメージングレンズ８８及び８９は、中間ホモジナイズ面９０上の点を物点とし、被照射面９２上の点を像点とするタンデム光学系を構成している。中間ホモジナイズ面９０上の物点から出た光は、短軸用イメージングレンズ８８と８９との間で、短軸面内に関して平行光線束になる。

以上説明した参考例のビーム整形光学装置によれば、第２段目長軸用コンデンサレンズ８５を通過したビームの各々が、長軸面内に関して平行光線束となる。それらの平行光線束の進行方向は、Ｚ軸とほぼ平行である。このため、ビームが、第２段目短軸用結像レンズ８９に斜め入射することに起因した像面湾曲の発生を抑制することができる。

また、長軸用レンズアレイ８３、第１段目長軸用コンデンサレンズ８４、及び第２段目長軸用コンデンサレンズ８５の配置された位置において、短軸面内ではビームが平行光線束になる。このため、ビームが短軸面内に関して、長軸用レンズアレイ８３、第１段目長軸用コンデンサレンズ８４、又は第２段目長軸用コンデンサレンズ８５に斜め入射することに起因した像面湾曲の発生も防止される。

また、短軸用結像レンズ８８及び８９がタンデム光学系を構成しているため、両者の間の光路長の差は、短軸面内に関して結像性能に影響を与えない。図４(Ａ)に示したように、第１段目長軸用コンデンサレンズ８４を通過したビームは、長軸面内で発散しながら進行するため、ビームの中心と両端とで光路長に差が生ずるが、この光路長の差は、第２段目短軸用結像レンズ８９の結像性能に影響を与えない。このため、被照射面９２におけるビーム断面の長軸方向に関するいずれの位置においても、同等の像が得られる。

参考例のビーム整形光学装置は、短軸用結像レンズ８８と８９とでタンデム光学系を構成し、これら短軸用結像レンズ８８と８９との間に、長軸用レンズアレイ８３、第１段目長軸用コンデンサレンズ８４、及び第２段目長軸用コンデンサレンズ８５のすべてを配置した点において、図７の従来のビーム整形光学装置に比べると、像面湾曲の低減に関して有利な効果を奏する。しかし、参考例のビーム整形光学装置には、さらに改善すべき点が残されていることが見出された。以下に、参考例の課題を説明する。

図５は、上記長軸用レンズアレイ８３の斜視図である。長軸用レンズアレイは、各々柱面の母線がＸ軸に平行な複数（ここでは３個）の凸シリンドリカルレンズをコバ面同士を接触させてＹ軸方向に配列した構造を有する。この長軸用レンズアレイは、製造誤差により、ＸＺ断面内において、Ｘ軸方向一端の厚さｔ_１と他端の厚さｔ_２とが異なるように、一方の縁が他方の縁に対してわずかに傾いている場合がある。この傾きの大きさ及び向きは、シリンドリカルレンズごとに異なり、例えば０．２ｍｒａｄ程度のばらつきを有する。

長軸用レンズアレイは、ＸＺ面（短軸面）内に関しては、光線束の集束及び発散に影響を与えないことが理想である。しかし、上述のように、製造誤差により長軸用レンズアレイの入射側及び出射側の表面が短軸面内で相互に平行な状態からずれていると、長軸用レンズアレイが短軸面内でプリズムの機能を発揮してしまう。即ち、長軸用レンズアレイが、短軸面内で光線束を偏向させる機能を発揮してしまう。このため、被照射面９２上において、中間ホモジナイズ面９０上のビーム断面の像の位置が、短軸方向（Ｘ軸方向）にばらついてしまう。この結果、被照射面９２におけるビーム断面の細線化も妨げられる。

図６(Ａ)及び(Ｂ)に、被照射面９２における短軸方向（Ｘ軸方向）の光強度分布を示す。各グラフの横軸は、被照射面９２における短軸方向の位置を、ビーム断面の短軸方向中央からの距離として単位「ｍｍ」で表す。縦軸は、光強度を相対目盛で示す。図６(Ａ)は、長軸用レンズアレイ８３に製造誤差がない場合に得られる光強度分布をシミュレーションにより求めたものである。図６(Ｂ)は、長軸用レンズアレイ８３を構成するレンズアレイにＸＺ断面内で傾きが生じており、かつその傾きの大きさがシリンドリカルレンズ間で０．２ｍｒａｄ程度ばらついている場合に得られる光強度分布をシミュレーションにより求めたものである。

長軸用のレンズアレイに製造誤差がない場合には、図６(Ａ)に示すように端部の急峻性が良好な光強度分布が得られる。これに対し、長軸用のレンズアレイに製造上のばらつきがある場合には、図６(Ｂ)に示すように、光強度分布の端部の急峻性が損なわれている。これは、上述したように、長軸用レンズアレイ８３の製造誤差に起因して、被照射面９２においてビーム断面の像の位置が短軸方向にばらつくためである。

以下、上述した参考例によるビーム整形光学装置の問題点を改善した実施例について説明する。
図１は、実施例によるビーム整形光学装置の断面図である。レーザビームの進行方向をＺ方向とするＸＹＺ直交座標系を考える。図１(Ａ)はＹＺ面（長軸面）に平行な断面図であり、図１(Ｂ)はＸＺ面（短軸面）に平行な断面図である。

図１(Ａ)を参照し、まず長軸面内に着目して装置の構成及びビームの伝播の様子を説明する。光源１から出射されたレーザビームがビームエキスパンダ２に入射し、そのビーム断面の大きさが調整される。ビームエキスパンダ２と被照射面５０との間のビーム経路内に、長軸面内に関するビームの発散又は集束に寄与する光学素子として、ビームエキスパンダ２側から順番に、長軸用レンズアレイ３１、第１段目長軸用コンデンサレンズ３２、第２段目長軸用コンデンサレンズ３３１、及び第３段目長軸用コンデンサレンズ３３２が配置されている。

長軸用レンズアレイ３１は、各々柱面の母線がＸ軸に平行な複数個の凸シリンドリカルレンズをコバ面同士を接触させてＹ軸方向に配列した構造を有する。長軸用レンズアレイ３１が、ビームエキスパンダ２を通過したレーザビームを、長軸面内に関して、複数本に分割する。長軸用レンズアレイ３１によって分割されて得られた分割ビームの各々は、ＸＹ平面に平行な焦点面Ｓ_１の位置において、そのビーム断面を最小にする。

焦点面Ｓ_１は、長軸用レンズアレイ３１と第１段目長軸用コンデンサレンズ３２との間のビーム経路内に画定される。焦点面Ｓ_１で一旦集光した分割ビームの各々は、長軸面内に関して発散光線束となって、第１段目長軸用コンデンサレンズ３２に入射する。

第１段目長軸用コンデンサレンズ３２は、自己に入射した分割ビームの各々の長軸面内に関する広がり角の絶対値を低減する。このため、第１段目長軸用コンデンサレンズ３２から第２段目長軸用コンデンサレンズ３３１までの間に、各分割ビームの長軸面内に関する広がり角の絶対値が、長軸用レンズアレイ３１から第１段目長軸用コンデンサレンズ３２までの区間における対応する分割ビームの長軸面内に関する広がり角の絶対値よりも小さくなるような、長軸面内に関する第１の広がり角低減区間Ｔ_１が画定される。

具体的には、第１段目長軸用コンデンサレンズ３２は、自己の前側焦点が、焦点面Ｓ_１の位置に一致するように配置されている。このため、第１段目長軸用コンデンサレンズ３２を通過した分割ビームの各々は、長軸面内に関する第１の広がり角低減区間Ｔ_１で平行光線束となる。

第２段目長軸用コンデンサレンズ３３１は、第１段目長軸用コンデンサレンズ３２によって平行光線束化された分割ビームの各々を、長軸面内に関して発散させる。
第３段目長軸用コンデンサレンズ３３２は、第２段目長軸用コンデンサレンズ３３１によって発散された各分割ビームの長軸面内に関する広がり角を再度低減する。この結果、第３段目長軸用コンデンサレンズ３３２から被照射面５０までの間に、各分割ビームの長軸面内に関する広がり角の絶対値が、長軸用レンズアレイ３１から第１段目長軸用コンデンサレンズ３２までの区間における対応する分割ビームの長軸面内に関する広がり角の絶対値よりも小さくなるような、長軸面内に関する第２の広がり角低減区間Ｔ_２が画定される。

具体的には、第２段目長軸用コンデンサレンズ３３１と第３段目長軸用コンデンサレンズ３３２とは、第１段目長軸用コンデンサレンズ３２を通過した各ビームを、長軸面内に関して長尺化する長軸用エキスパンダ３３を構成している。なお、長軸用エキスパンダ３３による長軸方向のビーム拡大率は、例えば４倍である。長軸用エキスパンダ３３は、アフォーカル光学系である。上述のように、長軸用エキスパンダ３３に入射する各分割ビームは平行光線束であるため、長軸用エキスパンダ３３から出射する各分割ビームも平行光線束である。即ち、長軸面内に関する第２の広がり角低減区間Ｔ_２では、分割ビームの各々は平行光線束となる。

また、長軸用エキスパンダ３３は、第１段目長軸用コンデンサレンズ３２と共に、長軸用レンズアレイ３１によって分割されて得られた複数の分割ビームを、長軸面内に関して、被照射面５０上で重ね合わせる重ね合せ光学器を構成している。即ち、長軸用エキスパンダ３３によって長尺化された分割ビームの各々は、長軸面内に関して、被照射面５０上の共通の領域に重ね合わされる。このため、被照射面５０における照射領域の長軸方向（Ｙ軸方向）に関する光強度分布は均一化されたものとなる。

図１(Ｂ)を参照し、次に短軸面内に着目して、装置の構成及び光線束の伝播の様子を説明する。長軸用レンズアレイ３１と第１段目長軸用コンデンサレンズ３２との間のビーム経路内に、短軸面内に関して複数のビームに分割する光学素子として、短軸用レンズアレイ４１が配置されている。

また、、長軸面内に関する第１の広がり角低減区間Ｔ_１に、短軸面内に関する光線束の集束に寄与する光学素子として、第１段目長軸用コンデンサレンズ３２側から順番に、短軸用集束レンズ４２、及び第１段目短軸用結像レンズ４４１が配置されている。

また、長軸面内に関する第２の広がり角低減区間Ｔ_２にも、短軸面内に関する光線束の集束に寄与する光学素子として、第２段目短軸用結像レンズ４４２が配置されている。
短軸用レンズアレイ４１は、各々柱面の母線がＹ軸に平行な複数個（例えば３個）の凸シリンドリカルレンズをコバ面同士を接触させてＸ軸方向に配列した構造を有する。短軸用レンズアレイ４１は、長軸用レンズアレイ３１を通過したビームを、短軸面内に関して、複数（例えば３本）に分割する。

短軸用集束レンズ４２は、短軸用レンズアレイ４１によって分割されて得られた複数のビームのビーム断面を、中間ホモジナイズ面Ｓ_２内で重ね合わせる。このため、中間ホモジナイズ面Ｓ_２におけるビーム断面の短軸方向に関する光強度分布は均一化されたものとなる。

短軸用マスク４３が、中間ホモジナイズ面Ｓ_２の位置に配置されている。短軸用マスク４３は、Ｙ軸方向に細長いスリットを有する。短軸用マスク４３は、短軸用集束レンズ４２によって中間ホモジナイズ面Ｓ_２に重ね合わされたビームの、短軸方向に関する強度分布の裾野の部分を遮光する。

第１段目短軸用結像レンズ４４１は、短軸用マスク４３を通過したビームの短軸面内に関する広がり角の絶対値を低減する。このため、第１段目短軸用結像レンズ４４１から第２段目短軸用結像レンズ４４２までの間に、ビームの短軸面内に関する広がり角の絶対値が、短軸用集束レンズ４２から被照射面５０までの間の残余の区間におけるビームの短軸面内に関する広がり角の絶対値よりも小さくなるような、短軸面内に関する広がり角低減区間Ｔ_３が画定される。

具体的には、第１段目短軸用結像レンズ４４１は、自己の前側焦点が、中間ホモジナイズ面Ｓ_２の位置に一致するように配置されている。このため、第１段目短軸用結像レンズ４４１を通過したビームの各々は、短軸面内に関する広がり角低減区間Ｔ_３において、短軸面内に関してほぼ平行光線束となる。

第２段目短軸用結像レンズ４４２は、第１段目短軸用結像レンズ４４１と共に、中間ホモジナイズ面Ｓ_２上の点を物点とし、被照射面５０上の点を像点とするタンデム光学系としての短軸用結像光学器４４を構成している。なお、短軸用結像光学器４４による結像倍率は１未満、例えば１／４に設定される。

上述したように、中間ホモジナイズ面Ｓ_２では、短軸面内に関してビーム断面が重ね合わされる。その重ね合わされたビーム断面を、短軸用結像光学器４４が、被照射面５０に結像させる。このため、被照射面５０における照射領域の短軸方向に関する光強度分布は均一化されたものとなる。

以上説明した実施例のビーム整形光学装置によれば、長軸用レンズアレイ３１が、短軸用集束レンズ４２よりも光源１側に配置されているため、既述の参考例に比べると、被照射面５０における像の位置の短軸方向に関するばらつきを低減することができる。長軸用レンズアレイ３１の製造誤差に起因して中間ホモジナイズ面Ｓ_２でビーム断面の像の位置が短軸方向にばらついたとしても、中間ホモジナイズ面Ｓ_２におけるビーム断面形状は短軸用マスク４３で整形される。中間ホモジナイズ面（物面）Ｓ_２と被照射面（像面）５０との間には長軸用レンズアレイ３１が配置されていないため、短軸用結像光学器４４は、短軸用マスク４３のスリットを被照射面５０に忠実に結像することができる。この結果、短軸方向に関する像の位置のばらつきに起因して被照射面５０における短軸方向の光強度分布の急峻性が低下してしまうことを防止できる。また、被照射面５０におけるビーム断面の細線化が妨げられることを防止でき、被照射面５０におけるビーム断面のアスペクト比を高めることが可能となる。

また、短軸用集束レンズ４２及び第１段目短軸用結像レンズ４４１が、長軸面内に関する第１の広がり角低減区間Ｔ_１内に配置されている。第２段目短軸用結像レンズ４４２が、長軸面内に関する第２の広がり角低減区間Ｔ_２内に配置されている。この広がり角低減区間Ｔ_１及びＴ_２内では、複数の分割ビームの中心光線の、Ｚ軸からの傾き角は極僅かである。このため、長軸面内に関する広がり角低減区間Ｔ_１及びＴ_２では、ビームが長軸面内に関して、Ｙ軸方向両端近傍においても、短軸用集束レンズ４２、第１段目短軸用結像レンズ４４１、及び第２段目短軸用結像レンズ４４２にほぼ垂直入射する。このため、長軸面内に関して、ビームが、短軸用集束レンズ４２、第１段目短軸用結像レンズ４４１、及び第２段目短軸用結像レンズ４４２に斜め入射することに起因した像面湾曲を軽減することができる。

広がり角低減区間Ｔ_１及びＴ_２内において、分割ビームの中心光線とＺ軸とのなす角の最大値をθ_１とし、焦点面Ｓ_１と第１段目長軸用コンデンサレンズ３２との間の区間において、分割ビームの各々の最も両端を伝播する光線とＺ軸とのなす角をθ_０とする。像面湾曲を軽減する十分な効果を得るためには、角θ_１が角θ_０よりも小さくなるような光学系とすることが好ましい。

また、広がり角低減区間Ｔ_１及びＴ_２において、分割ビームの各々は厳密な平行光線束である必要はなく、像面湾曲を軽減できる程度の平行度を有していればよい。このような平行度を有する光線束は、実質的に平行な光線束と呼ぶことができる。

図１（Ａ）に示したように、第２段目長軸用コンデンサレンズ３３１と第３段目長軸用コンデンサレンズ３３２との間において、分割ビームの中心光線と、両端近傍の光線とは、異なる光路長を有する。第１段目短軸用結像レンズ４４１と第２段目短軸用結像レンズ４４２との間の、短軸面内に関する広がり角低減区間Ｔ_３では、ビームが短軸面内に関してほぼ平行光線束となるので、両者の間の光路長の差は、短軸面内に関して結像性能に影響を与えない。図１(Ａ)に示したように、長軸用エキスパンダ３３は、短軸面内に関する広がり角低減区間Ｔ_３内に配置されている。第２段目長軸用コンデンサレンズ３３１を通過したビームは、長軸面内に関して発散しながら伝播する。このため、ビームの中心と両端とで、光路長に差が生ずるが、この光路長の差は、第２段目短軸用結像レンズ４４２の結像性能に影響を与えない。これにより、被照射面５０上の長尺ビーム断面の長軸方向のいずれの位置においても、同等の像が得られる。

また、長軸用レンズアレイ３１が、短軸用レンズアレイ４１よりも光源１側に配置されているので、長軸用レンズアレイ３１に平行光線束を入射させることができる。このため、ビームが長軸用レンズアレイ３１に斜め入射することに起因した像面湾曲を防止することができる。

図２(Ａ)は、実施例のビーム整形光学装置により得られる被照射面５０上のビーム断面を模式的に示した線図である。Ｙ軸方向に細長い長尺形状のビーム断面が得られている。
図２(Ｂ)〜(Ｄ)に、それぞれ長軸方向に関して中央の位置Ｐ_０、中央から５０ｍｍの位置Ｐ_１、及び中央から１００ｍｍの位置Ｐ_２における短軸方向の光強度分布を示す。各グラフの横軸は、短軸方向の位置を、ビーム断面の短軸方向中央からの距離として単位「ｍｍ」で表す。縦軸は、光強度を相対目盛で表す。Ｐ_０、Ｐ_１、及びＰ_２のいずれの位置においても、ほぼ同一形状の光強度分布が得られている。また、上述したように、短軸用結像光学器４４の結像性能が長軸用レンズアレイ３１の製造誤差の影響を受けにくくなるように構成したことが貢献して、位置Ｐ_０、Ｐ_１、及びＰ_２において端部が急峻な光強度分布が得られている。

図２(Ｅ)に、長軸方向に関する光強度分布を示す。横軸は、長軸方向の位置を、ビーム断面の長軸方向中央の位置Ｐ_０からの距離として単位「ｍｍ」で表す。縦軸は、光強度を相対目盛で表す。長軸方向の全域に亘ってほぼ均一な光強度分布が得られている。

図３に、実施例によるレーザアニール装置の概略図を示す。気密構造を有するチャンバ７１の壁の一部が、窓７２によって構成されている。窓７２は、処理用レーザ光Ｌを透過させる。チャンバ７１内の、窓７２と対向する位置に、基板７３が配置されている。基板７３は、ガラス板７３Ａの表面にアモルファスシリコン膜７３Ｂを形成したものである。保持台７４が、基板７３を保持している。

チャンバ７１の外部に、光源７５及びビームホモジナイザ７６が配置されている。光源７５は、例えばエキシマレーザ発振器によって構成されている。ビームホモジナイザ７６は、図１の光源１から被照射面５０までの間に配置された光学系で構成されている。基板Ｗの表面に、図１の被照射面５０が画定されるように、ビームホモジナイザ７６が構成されている。

光源７５が、処理用レーザ光Ｌを出射する。ビームホモジナイザ７６が、処理用レーザ光Ｌのビーム断面を、基板７３の表面（被照射面）において一方向（図３の紙面に垂直な方向）に長い形状となるように整形する。ビームホモジナイザ７６から出射した処理用レーザ光Ｌが、窓７２を通して、チャンバ７１内の基板７３に入射する。なお、チャンバ７１内は、例えば不活性ガス、具体的には窒素ガスの雰囲気とされる。

処理用レーザ光Ｌが入射した領域のアモルファスシリコン膜７３Ｂが溶融する。溶融した領域の固化に伴なって、その領域でシリコン結晶が成長する。保持台７４が、処理用レーザ光Ｌに対して、基板７３を処理用レーザ光Ｌの短軸方向（図３の左右方向）に移動させることにより、基板７３表面の所望領域を結晶化することができる。なお、本実施例のアニール結果物、即ち多結晶化されたシリコン膜が形成されたガラス板は、例えば液晶パネルに用いられる。

ところで、基板の表面における処理用レーザ光の照射領域を従来よりも長尺化しようとする場合、短軸方向に関しては、これまでと同様にアニールに必要なエネルギ密度を確保するため、ビーム長を長くする分だけ、より線幅の細いビームが要求される。本実施例では、ビームホモジナイザ７６が、短軸方向に関する複数の像の位置のばらつきに起因して照射領域の短軸方向の細線化が妨げられてしまうことを防止できる構成となっているため、照射領域を従来よりも長尺化し得る。このため、基板７３の一回の並進移動でアニール処理できる領域を拡大することができ、アニール処理のスループットを向上することが可能となる。

以上、実施例について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、図１の短軸用マスク４３は省略してもよい。短軸用マスク４３を省略する場合であっても、長軸用レンズアレイ３１が、短軸用集束レンズ４２よりも光源１側に配置されているため、参考例に比べると、長軸用レンズアレイ３１の製造誤差に起因して被照射面５０における像の位置が短軸方向にばらつくことを抑制できる。また、短軸用結像光学系４４の結像倍率が１未満（例えば１／４）であるため、長軸用レンズアレイ４１に製造誤差があったとしても、像面（被照射面５０）におけるビーム断面の像の位置のばらつきの大きさは、物面（中間ホモジナイズ面Ｓ_２）におけるビーム断面の像の位置のばらつきの大きさよりも低減されたものとなる。

また、長軸用及び短軸用レンズアレイによるビームの分割数は、特に限定されない。さらに、短軸用レンズアレイ４１を省略し、短軸面内に関してはビームを分割しないこととしてもよい。

また、実施例は、ビーム整形光学装置を適用したレーザアニール装置を示したが、本発明のビーム整形光学装置は、レーザアニール装置のみならず、レーザ加工装置等の他のレーザ照射装置やレーザプロセシング装置にも広く適用することができる。この他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

実施例によるビーム整形光学装置の概略図である。 (Ａ)は実施例によるビーム整形光学装置の被照射面上におけるビーム断面を示す線図であり、(Ｂ)〜(Ｄ)はビーム断面の短軸方向に関する光強度分布を示すグラフであり、(Ｅ)はビーム断面の長軸方向に関する光強度分布を示すグラフである。 実施例によるレーザアニール装置の概略図である。 参考例によるビーム整形光学装置の概略図である。 長軸用レンズアレイの拡大斜視図である。 参考例によるビーム整形光学装置の被照射面上における短軸方向の光強度分布を示すグラフである。 従来技術によるビーム整形光学装置の概略図である。

符号の説明

１ 光源
３１ 長軸用レンズアレイ
３２ 第１段目長軸用コンデンサレンズ（長軸用コンデンサレンズ）
３３ 長軸用エキスパンダ
３３１ 第２段目長軸用コンデンサレンズ
３３２ 第３段目長軸用コンデンサレンズ
４１ 短軸用レンズアレイ
４２ 短軸用集束レンズ（短軸用集束光学器）
４３ 短軸用マスク
４４ 短軸用結像光学器
４４１ 第１段目短軸用結像レンズ（第１段目短軸用結像光学器）
４４２ 第２段目短軸用結像レンズ（第２段目短軸用結像光学器）
５０ 被照射面
Ｓ_２ 中間ホモジナイズ面（中間面）
Ｔ_１、Ｔ_２ 長軸面内に関する広がり角低減区間
Ｔ_３ 短軸面内に関する広がり角低減区間
７３ 基板（被照射物）
７４ 保持台（保持装置）

Claims (8)

1. レーザビームをそのビーム断面が被照射面において一方向に長い形状となるように整形するビーム整形光学装置であって、
   自己に入射するレーザビームを、前記被照射面におけるビーム断面の長軸方向に対応する方向とビームの進行方向とに平行な長軸面内に関して、複数のビームに分割する長軸用レンズアレイと、
   前記長軸用レンズアレイによって分割されて得られた複数の分割ビームが入射し、入射した複数の分割ビームを前記長軸面内に関して前記被照射面上で重ね合せる長軸用重ね合わせ光学器であって、前記被照射面に至る前記複数の分割ビームの経路内に、各分割ビームの長軸面内に関する広がり角の絶対値が、前記長軸用レンズアレイからこの長軸用重ね合わせ光学器までの間における対応する分割ビームの長軸面内に関する広がり角の絶対値よりも小さくなるような、長軸面内に関する広がり角低減区間を画定した長軸用重ね合わせ光学器と、
   前記長軸面内に関する広がり角低減区間に配置された光学素子によって構成され、自己に入射する前記複数の分割ビームを、前記被照射面におけるビーム断面の短軸方向に対応する方向とビームの進行方向とに平行な短軸面内に関して集束させる短軸用集束光学器と、
   前記長軸面内に関する広がり角低減区間に配置された光学素子によって構成され、前記短軸用集束光学器によって前記短軸面内に関して集束された前記複数の分割ビームが入射する短軸用結像光学器であって、前記短軸用集束光学器と自己との間のビーム経路内に画定される仮想的な中間面におけるビーム断面を、前記短軸面内に関して前記被照射面に結像させる短軸用結像光学器と
   を備えたビーム整形光学装置。
2. 前記長軸用重ね合わせ光学器が、
   前記長軸用レンズアレイによって分割された複数の分割ビームの各々の前記長軸面内に関する広がり角の絶対値を低減する長軸用コンデンサレンズと、
   前記長軸用コンデンサレンズを通過した前記複数の分割ビームの各々を前記長軸面内に関して長尺化する長軸用エキスパンダとを含み、
   前記長軸用コンデンサレンズから前記長軸用エキスパンダまでの間、及び前記長軸用エキスパンダから前記被照射面までの間に、それぞれ前記長軸面内に関する広がり角低減区間を画定している請求項１に記載のビーム整形光学装置。
3. 前記長軸用コンデンサレンズから前記長軸用エキスパンダまでの、前記長軸面内に関する広がり角低減区間で、前記分割ビームの各々が、前記長軸面内に関して実質的に平行光線束となるように、前記長軸用レンズアレイと前記長軸用コンデンサレンズとが構成されている請求項２に記載のビーム整形光学装置。
4. 前記短軸用結像光学器が、
   前記長軸用コンデンサレンズから前記長軸用エキスパンダまでの、前記長軸面内に関する広がり角低減区間に配置された第１段目短軸用結像光学器と、
   前記長軸用エキスパンダから前記被照射面までの、前記長軸面内に関する広がり角低減区間に配置された第２段目短軸用結像光学器とを含み、
   前記第１段目短軸用結像光学器から第２段目短軸用結像光学器までの区間に、ビームの短軸面内に関する広がり角の絶対値が、前記短軸用集束光学器から前記被照射面までの間の残余の区間におけるビームの短軸面内に関する広がり角の絶対値よりも小さくなるような、短軸面内に関する広がり角低減区間を画定している請求項２又は３に記載のビーム整形光学装置。
5. 第１段目短軸用結像光学器が、前側焦点が前記中間面の位置に一致するように配置された凸シリンドリルレンズによって構成されている請求項４に記載のビーム整形光学装置。
6. さらに、前記中間面の位置に配置され、前記短軸用集束光学器によって集束されたビームの、前記短軸方向に関する強度分布の裾野の部分を遮光する短軸用マスクを備えた請求項１〜５のいずれかに記載のビーム整形光学装置。
7. さらに、前記長軸用レンズアレイと前記短軸用集束光学器との間のビーム経路上に配置され、前記長軸用レンズアレイを通過したビームを前記短軸面内に関して複数のビームに分割する短軸用レンズアレイを備え、
   前記短軸用集束光学器が、前記短軸用レンズアレイによって分割されて得られた複数のビームを前記短軸面内に関して前記中間面上で重ね合せる請求項１〜６のいずれかに記載のビーム整形光学装置。
8. さらに、
   前記長軸用レンズアレイにレーザビームを入射させる光源と、
   前記被照射面の位置に被照射物を保持する保持装置と
   を備えた請求項１〜７のいずれかに記載のビーム整形光学装置。
   

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