JP2006247696A - Laser heating apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はレーザ加熱装置、特に半導体基板等を高温で均一に加熱することができるレーザ加熱装置に関するものである。 The present invention relates to a laser heating apparatus, and more particularly to a laser heating apparatus capable of uniformly heating a semiconductor substrate or the like at a high temperature.
従来、半導体基板等を加熱するためにYAGレーザや炭酸ガスレーザ加熱装置を用いてスポット移動方式、線状ビーム照射方式、スキャニング方式で加熱したり、ストライプ幅の広い高出力半導体レーザ加熱装置を用いて加熱していた(特許文献1)。
然しながら、上記スポット移動方式及びスキャニング方式はいずれも加熱すべき部分をレーザ光で走査する方式であるから加熱すべき部分の全体にレーザ光を一度に照射することができず、処理効率が落ちる。また、線状ビーム照射方式やストライプ幅の広い高出力半導体レーザ加熱装置においては、線状でしか加熱することができず一度に大きな面積を所望の温度分布で加熱することができないという欠点があった。 However, since both the spot moving method and the scanning method are methods in which a portion to be heated is scanned with a laser beam, the entire portion to be heated cannot be irradiated with the laser beam at a time, resulting in a reduction in processing efficiency. In addition, the linear beam irradiation method and the high-power semiconductor laser heating apparatus with a wide stripe width have the disadvantage that they can only be heated in a linear shape and a large area cannot be heated at a desired temperature distribution at a time. It was.
また、半導体基板等の被加熱物にレーザ光を垂直に照射した場合に、被加熱物からの反射光で半導体レーザ素子が破損するおそれがあった。 In addition, when a laser beam is irradiated perpendicularly to an object to be heated such as a semiconductor substrate, the semiconductor laser element may be damaged by the reflected light from the object to be heated.
また、レーザ光で発熱した被加熱物が発する輻射熱がレーザ発振器側に戻り、半導体レーザ素子の寿命を縮め、長期安定性能が劣っていた。 Further, the radiant heat generated by the heated object generated by the laser light returns to the laser oscillator side, shortening the life of the semiconductor laser element, and the long-term stability performance is inferior.
また、従来のレーザ加熱装置では速軸方向での被加熱物の照射領域と、遅軸方向での被加熱物の照射領域とが大きく異なる不都合があった。 Further, the conventional laser heating apparatus has a disadvantage that the irradiation area of the object to be heated in the fast axis direction and the irradiation area of the object to be heated in the slow axis direction are greatly different.
本発明は上記の欠点を除くようにしたものである。 The present invention eliminates the above-mentioned drawbacks.
本発明のレーザ加熱装置は、レーザダイオードバーを複数積層せしめて形成したレーザ発振器と、上記レーザ発振器と被加熱物との間に介挿した光学レンズ系とより成り、この光学レンズ系は、レーザ発振器の速軸方向では上記各レーザダイオードバーのレーザ出口に設けたコリメートレンズと、上記被加熱物側に向かうに従って順番に配置せしめた凸レンズ、フライアイレンズとより成り、上記コリメートレンズより出た平行光を、上記凸レンズ、フライアイレンズを通過せしめた後に集光せしめてからデフォーカスして被加熱物に照射せしめ、レーザ発振器の遅軸方向では上記レーザ出口から出た出射角度のままのレーザ光を絞る第1の絞りより成り、上記レーザダイオードバーから出たレーザ光を出射角度のまま上記第1の絞りにより整形し被加熱物に照射せしめることを特徴とする。 The laser heating apparatus of the present invention includes a laser oscillator formed by laminating a plurality of laser diode bars, and an optical lens system interposed between the laser oscillator and an object to be heated. In the direction of the fast axis of the oscillator, a collimating lens provided at the laser exit of each laser diode bar, a convex lens and a fly-eye lens arranged in order toward the object to be heated, and parallel from the collimating lens. The light is focused after passing through the convex lens and fly-eye lens and then defocused to irradiate the object to be heated. In the slow axis direction of the laser oscillator, the laser light remains at the exit angle emitted from the laser exit. The laser beam emitted from the laser diode bar is kept at the emission angle by the first aperture. Shape and wherein the allowed to irradiate the object to be heated.
本発明のレーザ加熱装置においては、上記レーザ発振器の速軸方向では、上記集光されたレーザ光を、そのデフォーカス量を減少するための、または平行光にするための1または複数個の凸レンズを介して被加熱物に照射せしめることを特徴とする。 In the laser heating apparatus of the present invention, in the fast axis direction of the laser oscillator, one or a plurality of convex lenses for reducing the defocus amount of the focused laser beam or making it a parallel beam It is characterized by irradiating an object to be heated through
また、本発明のレーザ加熱装置においては、上記レーザ発振器の遅軸方向では、上記レーザ出口から出たレーザ光を凹レンズにより更に広げることを特徴とする。 In the laser heating apparatus of the present invention, the laser beam emitted from the laser exit is further spread by a concave lens in the slow axis direction of the laser oscillator.
また、上記レーザ発振器の遅軸方向では、上記第1の絞りにより整形したあと、平行光にするための凸レンズを介して被加熱物に照射せしめることを特徴とする。 Further, in the slow axis direction of the laser oscillator, after being shaped by the first diaphragm, the object to be heated is irradiated through a convex lens for making parallel light.
また、上記第1の絞りの開口部のレーザ発振器側の開口面積が上記被加熱物側より大きいことを特徴とする。 The opening area of the first diaphragm aperture on the laser oscillator side is larger than the heated object side.
また、本発明のレーザ加熱装置は、上記レーザ発振器の速軸方向での上記光学レンズ系の集光点近傍に遅軸方向のレーザ光を整形する第2の絞りを有し、この第2の絞りの開口部の被加熱部側の開口面積が、上記レーザ発振器側より大きいことを特徴とする。 The laser heating apparatus of the present invention has a second diaphragm for shaping laser light in the slow axis direction in the vicinity of the condensing point of the optical lens system in the fast axis direction of the laser oscillator. The aperture area of the aperture opening on the heated portion side is larger than that on the laser oscillator side.
また、上記第2の絞りが、熱伝導性の良い材料で形成されていることを特徴とする。 Further, the second diaphragm is formed of a material having good thermal conductivity.
また、上記第2の絞りの被加熱物側の面がセラミックでコートされていることを特徴とする。 The surface of the second diaphragm on the side to be heated is coated with ceramic.
また、上記光学レンズ系及びその集光点近傍の第2の絞りまでを同一レンズホルダ内に設け、上記レンズホルダ部から出たレーザ光をデフォーカス光としたことを特徴とする。 The optical lens system and the second stop near the condensing point are provided in the same lens holder, and the laser light emitted from the lens holder portion is used as defocused light.
本発明のレーザ加熱装置においては、速軸方向のレーザ光を凸レンズを通過させたあとフライアイレンズに通したのでレーザ光を均質化できる。 In the laser heating apparatus of the present invention, since the laser beam in the fast axis direction is passed through the fly-eye lens after passing through the convex lens, the laser beam can be homogenized.
本発明のレーザ加熱装置においては、デフォーカス光を被加熱物に照射せしめたので、一度の照射で被加熱物を短時間に均一に加熱することができる。 In the laser heating apparatus of the present invention, since the object to be heated is irradiated with defocused light, the object to be heated can be uniformly heated in a short time with a single irradiation.
また、上記第2の絞りにより遅軸方向のレーザ光を整形すると共に、上記被加熱物からの反射光がレーザ発振器側に戻るのを軽減せしめ、被加熱物自身の加熱により発する輻射光がレーザ発振器側に入射するのを軽減せしめることができ、レーザ素子の破損を防止することができ、半導体レーザの寿命・性能を著しく向上せしめることができる。 The second aperture shapes the laser beam in the slow axis direction, reduces the return of reflected light from the object to be heated to the laser oscillator side, and emits radiation light generated by heating the object to be heated. The incidence on the oscillator side can be reduced, the laser element can be prevented from being damaged, and the life and performance of the semiconductor laser can be remarkably improved.
また、本発明のレーザ加熱装置においては、速軸方向、遅軸方向とも必要な照射面積が得られた位置に凸レンズを設け、平行光とすることで、レーザ光が無駄なく、被加熱物に照射できるため、装置の余計な箇所を加熱することが少なく、熱ロスがなくなる。 Further, in the laser heating apparatus of the present invention, a convex lens is provided at a position where a necessary irradiation area is obtained in both the fast axis direction and the slow axis direction, and parallel light is used, so that the laser light is not wasted and is to be heated. Since it can irradiate, there is little heating of the extra part of an apparatus and a heat loss is lost.
また、通常は、集光点の光は、絞られずに通過するが、速軸方向での上記光学レンズ系の集光点近傍に第2の絞りを設けたので必要に応じて、レーザ光を必要な形状に整形することも可能である。 Normally, the light at the condensing point passes through without being constricted, but since the second stop is provided near the condensing point of the optical lens system in the fast axis direction, laser light can be transmitted as necessary. It can also be shaped into the required shape.
また、レンズおよび絞りを同一レンズホルダ内に設けたので、コンパクト化を図ることができる。 In addition, since the lens and the diaphragm are provided in the same lens holder, it is possible to reduce the size.
また、レーザダイオードバーの数を増やすことにより、レーザ出力を増やすことができ被加熱物を広範囲に加熱せしめることができ、また、各レーザダイオードの出力を異ならしめたり、ヒータシンク板の厚さを適宜変えて重ねるレーザダイオードバーの間隔を異ならしめたり、レーザダイオードバーを一列でなく、複数列にすることにより、被加熱物を所望の温度分布で加熱することができる。 Also, by increasing the number of laser diode bars, the laser output can be increased and the object to be heated can be heated over a wide range, the output of each laser diode can be made different, and the thickness of the heater sink plate can be adjusted appropriately. The object to be heated can be heated with a desired temperature distribution by changing the interval of the laser diode bars to be stacked differently or by arranging the laser diode bars in a plurality of rows instead of one row.
また、デフォーカス光から必要な面積の箇所で速軸方向、遅軸方向ともに凸レンズを設置し平行光としたので、被加熱物4以外の照射面積を減らしたので、熱ロスを減少できる。 In addition, since convex lenses are provided in both the fast axis direction and the slow axis direction at the necessary area from the defocused light to obtain parallel light, the irradiation area other than the object to be heated 4 is reduced, so that heat loss can be reduced.
以下図面によって本発明の実施例を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明のレーザ加熱装置は、例えば、図1に示すように厚さ0.1mm〜3mmの出力40W〜100Wの連続発振(CW)のレーザダイオードバー1を厚さ1mm〜3mmの銅板からなるヒートシンク板2により挟み込んだものを20枚重ねて構成せしめた出力0.8kW〜2kWのレーザスタックからなるレーザ発振器3と、このレーザ発振器3と被加熱物4間に介挿した光学レンズ系5とにより構成する。
As shown in FIG. 1, the laser heating apparatus according to the present invention includes, for example, a heat sink composed of a copper plate having a thickness of 1 mm to 3 mm and a continuous oscillation (CW)
また、図2に示すようにレーザ発振器の速軸方向では上記光学レンズ系5を上記各レーザダイオードバー1のレーザ出口に夫々設けたコリメートレンズ6と、上記レーザ発振器3からのレーザが照射される直径2インチのシリコン基板などの被加熱物4と上記コリメートレンズ6との間に、上記被加熱物4側に向って順次に配置せしめた凸レンズ7、フライアイレンズ8、第2の絞り9とにより構成し、上記コリメートレンズ6により平行にされたレーザ光が、上記凸レンズ7を通過し、フライアイレンズ8により、各隣り合うレーザダイオードバー1のピッチ間のレーザ分布が均一とされたあと、レーザ光が集光され、デフォーカスされ、上記被加熱物4に照射されこれを加熱せしめるようにする。
Further, as shown in FIG. 2, in the fast axis direction of the laser oscillator, the
また、図3に示すようにレーザ発振器の遅軸方向では上記レーザダイオードバー1から出たレーザ光を、出射角(約10度)のまま上記第2の絞り9より上記レーザ発振器側に配置した第1の絞り10と第2の絞り9で形を整え上記被加熱物4に照射せしめ加熱せしめるようにする。
Further, as shown in FIG. 3, in the slow axis direction of the laser oscillator, the laser light emitted from the
なお、上記第1の絞り10の開口11は、レーザ光の遅軸方向の整形を良くするため、図4に示すように被加熱物側から発振器側に向うに従って徐々に開口面積が大きくなるように構成せしめる。
Note that the
また、上記第2の絞り9の開口12は図5に示すように、上記レーザ発振器側から上記被加熱物側に向うに従って徐々に開口面積が大きくなるように構成せしめる。上記第2の絞り9は遅軸方向のレーザ光を整形すると共に被加熱物4からの反射光や輻射光を広く拡散せしめるために、アルミ板などの熱伝導性の良い材料で構成し、被加熱物側表面をセラミックコートし、微小な凹凸を形成せしめるのが好ましい。
Further, as shown in FIG. 5, the
なお、上記第2の絞り9の開口12は出来るだけ小さくし速軸側集光点位置に設けることが好ましい。
The opening 12 of the
本発明のレーザ加熱装置においては、上記第2の絞り9により、遅軸側レーザ光を整形すると共に上記被加熱物4からの反射光がレーザ発振器3側に戻るのが軽減され、また、被加熱物4自身の加熱により発する輻射光がレーザ発振器3側に入射するのを軽減せしめることができ、レーザ素子の破損を防止することができ、半導体レーザの寿命・性能を著しく向上せしめることができる。
In the laser heating apparatus of the present invention, the
なお、上記コリメートレンズ6、凸レンズ7、フライアイレンズ8、第1の絞り10、集光点近傍の第2の絞り9までを筒状のレンズホルダ(図示せず)内に設け、レーザ発振器の速軸の集光点を上記レンズホルダ内とし、このレンズホルダを上記レーザ発振器3と一体化することで、レンズホルダから出た光の速軸と遅軸が夫々デフォーカス光となり、このデフォーカス光を被加熱物4に照射せしめた結果、一度の照射で被加熱物を短時間に、例えば1000度まで均一に加熱することができ、被加熱物に均一で良好な酸化膜を形成せしめることができる。
The
また、レーザ発振器の速軸において凸レンズの後にフライアイレンズを設けたので、レーザ光を均一化できる。 Further, since the fly-eye lens is provided after the convex lens on the fast axis of the laser oscillator, the laser light can be made uniform.
また、集光点近傍に第2の絞り9を設けたので、レーザ光を必要な形状に整形できる。
Further, since the
なお、速軸方向での被加熱物4の照射領域を遅軸方向でのそれと略一致せしめるため、本発明の第2実施例においては、図6に示すように、上記レーザ発振器3の速軸方向で、上記第2の絞り9と上記被加熱物4との間に1または複数個の凸レンズ13を設け、集光されたレーザ光を上記凸レンズ13を通過させてより小さくデフォーカスさせ被加熱物4に照射せしめるようにする。
In order to make the irradiation region of the object to be heated 4 in the fast axis direction substantially coincide with that in the slow axis direction, in the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. In the direction, one or a plurality of
また、図7に示すように、上記レーザ発振器3の遅軸方向で、上記レーザ発振器3と上記第1の絞り10との間に凹レンズ14を設け、レーザ発振器3から出たレーザ光を、上記凹レンズ14を通して広げたあと、上記第1の絞り10と第2の絞り9とでレーザ光の形を整え上記被加熱物4に照射せしめ加熱せしめるようにする。
Further, as shown in FIG. 7, a
このようにすれば被加熱物4の照射領域を略正方形となし得る。 In this way, the irradiation area of the article to be heated 4 can be made substantially square.
なお、更に上記凸レンズ13、凹レンズ14を上記レンズホルダ内に設けてもよい。
Further, the
なお、速軸方向での被加熱物4の照射領域以外の部分にレーザ光が漏れないように、本発明の第3の実施例においては、図8に示すように、レーザ発振器3の速軸方向では、上記凸レンズ13により範囲を狭めてデフォーカスされたレーザ光から必要な領域範囲の箇所に1または複数個の凸レンズ15を設けて平行光とし、上記被加熱物4に照射せしめるようにする。
In the third embodiment of the present invention, as shown in FIG. 8, the fast axis of the
また、図9に示すように、上記レーザ発振器3の遅軸方向では、第2の絞り9でレーザ光の形を整えたあと、レーザ光の必要な領域範囲の箇所に凸レンズ16を設けて平行光とし、上記被加熱物4に照射せしめるようにする。このようにすれば、被加熱物4の照射光をレーザの平行光とすることができ、レーザ光の広がりによって被加熱物以外の箇所が加熱されることがなく、熱ロスを少なくするこができる。
As shown in FIG. 9, in the slow axis direction of the
なお、速軸の凸レンズ15、遅軸の凸レンズ16は上記レンズホルダとは別のレンズホルダで位置決めする。
The fast axis
1 レーザダイオードバー
2 ヒートシンク板
3 レーザ発振器
4 被加熱物
5 光学レンズ系
6 コリメートレンズ
7 凸レンズ
8 フライアイレンズ
9 第2の絞り
10 第1の絞り
11 開口
12 開口
13 凸レンズ
14 凹レンズ
15 凸レンズ
16 凹レンズ
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