JP2006346692A

JP2006346692A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法

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Publication number: JP2006346692A
Application number: JP2005173176A
Authority: JP
Inventors: Yuji Okamoto; 裕司岡本; Akira Tsunemi; 明良常見; Kazuhiko Sorada; 和彦空田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-06-14
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2006-12-28

Abstract

【課題】レーザ発振器からのレーザビームの出射方向の変動による被照射物上での光強度分布の変動を抑制できるレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】レーザ加工装置は、強度分布調整器３と、強度分布調整器を通過したレーザビームを第１のビームと第２のビームとに分岐させる分岐器４と、第１のビームが入射する位置に、被照射物を保持する保持台６と、第２のビームが入射する測定面を含み、測定面上における入射位置を測定する測定器８と、強度分布調整器に入射するレーザビームの進行方向を変化させる偏向器２とを有し、強度分布調整器は、被照射物上における第１のビームの光強度分布の形状を目標形状に近づけ、強度分布調整器に入射するレーザビームの進行方向が変化すると、被照射物上における第１のビームの入射位置と、被照射物上における第１のビームの光強度分布が変化する特性を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関し、特に、ビーム断面内の光強度分布を調整したレーザビームを被照射物に入射させるレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

非晶質シリコン膜にレーザビームを照射して、シリコン膜を多結晶化するレーザアニールが行われている。レーザアニールには、例えば、エキシマレーザ発振器から出射されるレーザビームが用いられる。レーザアニールにおいて、被照射物上のビーム断面内の光強度分布を、ホモジナイザにより調整する技術が広く用いられている。

多結晶化シリコン膜の品質は、レーザビームの照射条件に影響を受ける。例えば、被加工面上のビーム断面内の光強度が必要な水準以上でないと、良好な多結晶化が行われない。特許文献１に開示されたレーザ加工装置では、エキシマレーザ発振器から出射されたレーザビームを、加工用レーザビームと出力検出用レーザビームとに分岐させる。出力検出用レーザビームの光強度を測定しながら、被照射物に加工用レーザビームを照射する。出力検出用レーザビームの光強度の測定結果に基づき、レーザビームの出力が必要な水準より低下したと判断された場合は、レーザ発振器の出力を高める制御が行われる。

特開２００４−６３８７９号公報

レーザ発振器は、一般に、レーザビームの出射方向が経時的に変動する特性を持つ。レーザ発振器からのレーザビームの出射方向が変動することに起因して、被照射物上の光強度分布が変動する場合がある。このような光強度分布の変動を抑制できる技術が望まれる。

本発明の一目的は、レーザ発振器からのレーザビームの出射方向の変動に起因して被照射物上における光強度分布が変動することの抑制を図れるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することである。

本発明の第１の観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームが入射する強度分布調整器と、前記強度分布調整器を通過したレーザビームを２つの第１のビームと第２のビームとに分岐させる分岐器と、前記分岐器で分岐された第１のビームが入射する位置に、被照射物を保持する保持台と、前記分岐器で分岐された第２のビームが入射する測定面を含み、該測定面上における入射位置を測定する測定器と、前記レーザ光源と前記強度分布調整器との間のレーザビームの光路上に配置され、該強度分布調整器に入射するレーザビームの進行方向を変化させる偏向器とを有し、前記強度分布調整器は、前記保持台に保持された被照射物上における前記第１のビームの光強度分布の形状を目標形状に近づけ、該強度分布調整器に入射するレーザビームの進行方向が変化すると、該被照射物上における該第１のビームの入射位置と、該被照射物上における該第１のビームの光強度分布が変化する特性を有するレーザ加工装置が提供される。

本発明の第２の観点によれば、（ａ）入射するレーザビームの進行方向が変化すると、被照射物上におけるレーザビームの入射位置と、該被照射物上におけるレーザビームの光強度分布が変化する特性を有する強度分布調整器にレーザビームを入射させる工程と、（ｂ）前記強度分布調整器を通過したレーザビームを分岐器で、それぞれ第１の光路と第２の光路とに沿って進行する２本のビームに分岐させ、第１の光路に沿って進行するレーザビームを、被照射物上における光強度分布の形状を目標形状に近づけて、該被照射物に入射させるとともに、前記第２の光路と交差する測定面上におけるレーザビームの入射位置を測定する工程と、（ｃ）前記測定面上におけるレーザビームの入射位置に基づいて、該第２の光路に沿って進行するレーザビームの入射位置が、前記測定面上の目標位置に近づくように、前記強度分布調整器へ入射するレーザビームの進行方向を変化させる工程と、（ｄ）前記工程（ｃ）において入射方向が変化したレーザビームを前記強度分布調整器に入射させて、該強度分布調整器を通過したレーザビームを前記分岐器で分岐させ、前記第１の光路に沿って進行するレーザビームを被照射物上に入射させる工程とを有するレーザ加工方法が提供される。

本発明の第３の観点によれば、レーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームが入射する強度分布調整器と、前記強度分布調整器を通過したレーザビームを２つの第１のビームと第２のビームとに分岐させる分岐器と、前記分岐器で分岐された第１のビームが入射する位置に、被照射物を保持する保持台と、前記分岐器で分岐された第２のビームの、測定面におけるビーム断面内の第１の方向に関する光強度分布を測定し、該第１の方向に関して、ビーム断面の一方の縁から内部に向かって光強度が上昇する部分の傾きと、ビーム断面の他方の縁から内部に向かって光強度が上昇する部分の傾きとの関係が、許容される関係であるかどうかを判定する判定手段とを有するレーザ加工装置が提供される。

第１の観点によるレーザ加工装置において、分岐器は、強度分布調整器を通過したレーザビームを、第１のビームと第２のビームに分岐させる。強度分布調整器に入射するレーザビームの進行方向が変化すると、被照射物上における第１のビームの入射位置及び光強度分布が変化するとともに、測定器の測定面における第２のビームの入射位置が変化する。測定器を用いれば、測定面上における第２のビームの入射位置の変動を監視できる。測定面上における第２のビームの入射位置の変動を監視することにより、間接的に、被照射物上における第１のビームの光強度分布の変動を監視することができる。

第２の観点によるレーザ加工方法において、第２の光路に沿って進行するレーザビームの入射位置が、測定面上の目標位置に近づくように、強度分布調整器へ入射するレーザビームの進行方向を変化させると、第１の光路に沿って進行するビームの、被照射物上における光強度分布が変化する。目標位置を適切に設定することにより、被照射物に入射するビームの光強度分布を制御できる。

第３の観点によるレーザ加工装置では、第１の方向に関する光強度分布の、ビーム断面の一方の縁から内部に向かって光強度が上昇する部分の傾きと、ビーム断面の他方の縁から内部に向かって光強度が上昇する部分の傾きとの関係が、許容される関係であるかどうかが判定される。例えば、許容されない関係であるとの判定に基づき、上記関係が許容される関係となるように、光学系の調整を行うことができる。

図１は、本発明の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。レーザ光源１が、パルスレーザビームを出射する。レーザ光源１は、例えばエキシマレーザ発振器である。レーザ光源１から出射されたレーザビームが、偏向器２を経て、ホモジナイザ３に入射する。

偏向器２が、ホモジナイザ３に入射するレーザビームの進行方向を変化させる。偏向器２は、反射鏡２ａと揺動機構２ｂとを含む。反射鏡２ａは、レーザ光源１から出射されたレーザビームを反射する。揺動機構２ｂは、反射鏡２ａを揺動させる。制御装置９が、揺動機構２ｂを制御する。偏向器２として、例えば、ガルバノスキャナやポリゴンミラーを用いることができる。

ホモジナイザ３は、ホモジナイズ面上のビーム断面を一方向に細長い形状に整形するとともに、ホモジナイズ面上のビーム断面内の光強度分布を均一に近づける。ホモジナイザ３を経たレーザビームが、部分反射鏡４に入射する。部分反射鏡４は、入射したレーザビームの大部分（例えば９９．５〜９９．９％）を反射し、残り（例えば０．５〜０．１％）を透過させることにより、レーザビームを分岐させる。部分反射鏡４で反射されたレーザビームの光路上と、部分反射鏡４を透過したレーザビームの光路上に、それぞれホモジナイザ３のホモジナイズ面が存在する。

部分反射鏡４で反射されたレーザビームが、加工対象基板５に照射される。加工対象基板５は、表面に非晶質シリコン膜が形成されたガラス基板であり、レーザビームの照射により、シリコン膜が多結晶化される。加工対象基板５の表面内に、多結晶化すべき領域である被加工領域５ａが画定されている。加工対象基板５上のシリコン膜の表面（被加工面）が、ホモジナイザ３のホモジナイズ面と一致するように、加工対象基板５が配置されている。

ステージ６が、加工対象基板５を保持する。ステージ６は、被加工面に平行な方向に、加工対象基板５を移動させることができる。被加工面上のビーム断面Ｓが、その長尺方向について、被加工領域５ａを跨ぐように、加工対象基板５が配置される。ビーム断面Ｓが、被加工面内においてその長尺方向に直交する方向（幅方向）に移動するように、ステージ６で加工対象基板５をさせながら、パルスレーザビームの照射を繰り返すことにより、被加工領域５ａ全体にレーザ照射を行うことができる。

部分反射鏡４を透過したレーザビームが、カメラ８に入射する。カメラ８は、例えばＣＣＤ撮像素子を含んで構成される。カメラ８の測定面が、ホモジナイズ面上に位置するように、カメラ８が配置されている。カメラ８が撮像した画像のデータが、測定面上におけるビーム断面内の光強度分布、及び測定面上におけるレーザビームの入射位置に対応する。カメラ８は、例えば１秒当たり１回の頻度で撮像を行う。カメラ８が、画像データを制御装置９に送信する。

カメラ８の測定面における光強度分布の、ビーム断面の幅方向及び長尺方向の増減傾向は、それぞれ、加工対象基板５の被加工面における光強度分布の、ビーム断面の幅方向及び長尺方向の増減傾向と一致する。カメラ８の測定面上の光強度分布及び入射位置を測定することにより、被加工面上の光強度分布及び入射位置を間接的に監視することができる。

次に、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）を参照して、ホモジナイザ３について説明する。ＸＹＺ直交座標系を考える。Ｚ軸正方向に進行するレーザビームが、ホモジナイザ３に入射するとする。図２（Ａ）は、ＹＺ面に平行な断面図、図２（Ｂ）は、ＸＺ面に平行な断面図を示す。

図２（Ａ）に示すように、等価な７本のシリンドリカルレンズが、各々の母線方向をＸ軸と平行にし、かつＹ軸方向に配列し、ＸＹ面に平行な仮想平面に沿ったシリンダアレイ１５Ａと１５Ｂが構成されている。シリンダアレイ１５Ａ及び１５Ｂの各シリンドリカルレンズの光軸面はＸＺ面に平行である。ここで、光軸面とは、シリンドリカルレンズの面対称な結像系の対称面のことを意味する。シリンダアレイ１５Ａは光の入射側（図の左方）に配置され、シリンダアレイ１５Ｂは出射側（図の右方）に配置されている。

図２（Ｂ）に示すように、等価な７本のシリンドリカルレンズが各々の母線方向をＹ軸と平行にし、かつＸ軸方向に配列し、ＸＹ面に平行な仮想平面に沿ったシリンダアレイ１６Ａと１６Ｂが構成されている。シリンダアレイ１６Ａ及び１６Ｂの各シリンドリカルレンズの光軸面はＹＺ面に平行である。シリンダアレイ１６Ａはシリンダアレイ１５Ａの前方（図の左方）に配置され、シリンダアレイ１６Ｂはシリンダアレイ１５Ａと１５Ｂとの間に配置されている。シリンダアレイ１５Ａと１５Ｂの対応するシリンドリカルレンズの光軸面は一致し、シリンダアレイ１６Ａと１６Ｂの対応するシリンドリカルレンズの光軸面も一致する。

シリンダアレイ１５Ａ内でＹ軸方向の中心に配置されたシリンドリカルレンズの光軸面と、シリンダアレイ１６Ａ内でＸ軸方向の中心に配置されたシリンドリカルレンズの光軸面との交線を、ホモジナイザ３の光軸と定義する。なお、ここで説明する例では、各シリンダアレイが奇数本のシリンドリカルレンズから構成されているが、各シリンダアレイが偶数本のシリンドリカルレンズから構成されるホモジナイザを構成することもできる。この場合は、Ｙ軸方向にシリンドリカルレンズが並ぶシリンダアレイのあるシリンドリカルレンズの光軸面に平行で、このシリンダアレイのＹ軸方向の中心を通る面と、Ｘ軸方向にシリンドリカルレンズが並ぶシリンダアレイのあるシリンドリカルレンズの光軸面に平行で、このシリンダアレイのＸ軸方向の中心を通る面との交線を、ホモジナイザ３の光軸と定義する。ホモジナイザ３の光軸は、Ｚ軸と平行である。ホモジナイザ３に入射するレーザビームの中心軸が、ホモジナイザ３の光軸と一致する場合について説明を続ける。

図２（Ａ）を参照して、ＹＺ面内に関する光線束の伝搬の様子を説明する。ＹＺ面内においては、シリンダアレイ１６Ａ及び１６Ｂは単なる平板であるため、光線束の収束、発散に影響を与えない。シリンダアレイ１６Ａの左方から、ホモジナイザ３の光軸と平行な方向に進行する平行光線束１７が、シリンダアレイ１６Ａに入射する。平行光線束１７は、例えば曲線２１Ｙで示すように、中央部分で強く周辺部分で弱い光強度分布を有する。

平行光線束１７がシリンダアレイ１６Ａを透過し、シリンダアレイ１５Ａに入射する。入射光線束は、シリンダアレイ１５Ａにより各シリンドリカルレンズに対応した７つの収束光線束に分割される。図２（Ａ）では、中央と両端の光線束のみを代表して示している。７つの収束光線束は、それぞれ曲線２１ｙａ〜２１ｙｇで示す光強度分布を有する。シリンダアレイ１５Ａによって収束された光線束は、シリンダアレイ１５Ｂにより再度収束される。

シリンダアレイ１５Ｂにより収束した７つの収束光線束１８は、それぞれフォーカスレンズ１９の前方で、ビーム断面の面積を最小にする。この位置は、フォーカスレンズ１９の入射側焦点よりもレンズに近い。このため、フォーカスレンズ１９を透過した７つの光線束はそれぞれ発散光線束となり、フォーカスレンズ１９から所定の光路長だけ離れたホモジナイズ面２０上において重なる。ホモジナイズ面２０を照射する７つの光線束のＹ軸方向の光強度分布は、それぞれ光強度分布２１ｙａ〜２１ｙｇをＹ軸方向に引き伸ばした分布に等しい。光強度分布２１ｙａと２１ｙｇ、２１ｙｂと２１ｙｆ、２１ｙｃと２１ｙｅは、それぞれＹ軸方向に関して反転させた関係を有するため、これらの光線束を重ね合わせた光強度分布は、実線２２ｙで示すように均一な分布に近づく。

図２（Ｂ）を参照して、ＸＺ面内に関する光線束の伝搬の様子を説明する。ＸＺ面内においては、シリンダアレイ１５Ａ及び１５Ｂは単なる平板であるため、光線束の収束、発散に影響を与えない。平行光線束１７がシリンダアレイ１６Ａに入射する。平行光線束１７は、例えば曲線２１Ｘで示すように、中央部分で強く周辺部分で弱い光強度分布を有する。

平行光線束１７がシリンダアレイ１６Ａにより各シリンドリカルレンズに対応した７つの収束光線束に分割される。図２（Ｂ）では、中央と両端の光線束のみを代表して示している。７つの収束光線束は、それぞれ曲線２１ｘａ〜２１ｘｇで示す光強度分布を有する。

各光線束は、シリンダアレイ１６Ｂの前方でビーム断面の面積を最小とした後、発散光線束となってシリンダアレイ１６Ｂに入射する。シリンダアレイ１６Ｂに入射した各光線束は、それぞれある出射角を持って出射し、フォーカスレンズ１９に入射する。フォーカスレンズ１９を透過した７つの光線束はそれぞれ収束光線束となり、ホモジナイズ面２０上において重なる。ホモジナイズ面２０を照射する７つの光線束のＸ軸方向の光強度分布は、実線２２ｘで示すように均一な分布に近づく。ホモジナイズ面２０上の光照射領域が、Ｙ軸方向に長く、Ｘ軸方向に短い線状の形状となる。

フォーカスレンズ１９とホモジナイズ面２０との間に、図１に示す部分反射鏡４が配置され、部分反射鏡４を透過したレーザビームと、部分反射鏡４で反射されたレーザビームのそれぞれについて、ビーム断面が一方向に細長い形状に整形され、ビーム断面内の光強度分布が均一に近づけられるホモジナイズ面が存在する。

次に、図３を参照し、ホモジナイザ３に入射するレーザビームの進行方向が、ホモジナイザ３の光軸方向からＸ軸方向に関してずれた場合の、ホモジナイズ面上における入射位置及び光強度分布の変化の態様について説明する。図３は、被加工面が配置されるホモジナイズ面上におけるビーム断面内の幅方向に関する光強度分布を概略的に示すグラフである。横軸が幅方向の位置、縦軸が光強度を示す。ホモジナイザ３に入射するレーザビームの中心軸が、ホモジナイザ３の光軸と一致している場合の光強度分布が、曲線Ｃ１である。半値幅は、例えば３８０〜３９０μｍである。ホモジナイザ３に入射するレーザビームの進行方向が、ホモジナイザ３の光軸方向からＸ軸方向に関してずれた場合の光強度分布が、曲線Ｃ２である。

レーザビームの進行方向のずれにより、曲線Ｃ２で光強度分布を示すレーザビームの入射位置Ｘ１が、曲線Ｃ１で光強度分布を示すレーザビームの入射位置Ｘ０からずれている。

ここで、スロープ差という指標を定義する。曲線Ｃ１に示す光強度分布を例に説明する。ビーム断面の一方の縁（グラフにおいて左方の縁）から内部に向かって光強度が上昇する領域において、強度がＰａからＰｂまで上昇する範囲の幅を、左スロープ幅Ｗａと呼ぶこととする。また、ビーム断面の他方の縁（グラフにおいて右方の縁）から内部に向かって光強度が上昇する領域において、強度がＰａからＰｂまで上昇する範囲の幅を、右スロープ幅Ｗｂと呼ぶこととする。左右のスロープ幅はそれぞれ、ビーム断面の縁から内部に向かって光強度が上昇する部分の傾きを示す。スロープ幅が狭いほど、光強度分布が急峻に立ち上がり、スロープ幅が広いほど、光強度分布が緩慢に立ち上がる。スロープ幅を規定する強度Ｐａ及びＰｂは、例えば、それぞれピーク強度Ｐｍの２０％及び８０％に設定する。左スロープ幅Ｗａと右スロープ幅Ｗｂとの差を、スロープ差と定義する。

ホモジナイザ３の光軸に沿ってホモジナイザ３に入射したレーザビームは、曲線Ｃ１で示すように、ホモジナイズ面上の光強度分布が、幅方向に関してほぼ対称となり、スロープ差はほぼゼロである。ホモジナイザ３への入射方向が、ホモジナイザ３の光軸方向からずれると、ホモジナイズ面上の光強度分布の幅方向に関する対称性が低下する。曲線Ｃ２で示す光強度分布は、グラフにおいて右方のスロープ幅が、左方のスロープ幅よりも大きく、そのスロープ差が、曲線Ｃ１に示す光強度分布のスロープ差よりも大きい。

レーザ発振器は、一般に、レーザビームの出射方向が経時的に変動する特性を持つ。反射鏡２ａの姿勢が固定されている場合について考える。レーザ光源１から出射されるレーザビームの出射方向の変動に起因して、反射鏡２ａで反射されるレーザビームの進行方向が変動する。これに伴い、ホモジナイザ３に入射するレーザビームの入射方向が変動する。例えば、初期において、ホモジナイザ３の光軸に沿ってホモジナイザ３にレーザビームが入射していたとする。レーザ光源１からのレーザ出射方向の変動に起因して、ホモジナイザ３への入射方向がＸ軸方向に関して変動したとき、ホモジナイズ面上の入射位置は、ビーム断面の幅方向に関してずれ、ホモジナイズ面上の光強度分布におけるスロープ差が大きくなる。

被加工面上のビーム断面内の幅方向に関する光強度分布について、スロープ差がある程度以上大きいレーザビームを照射すると、シリコン膜の多結晶化が良好に行われないという問題が生じる。

次に、図４を参照し、ホモジナイズ面上において、ビーム断面の幅方向の入射位置とスロープ差との関係を調べた実験結果について説明する。２４時間程度の期間、レーザ光源からレーザビームの出射を続け、ホモジナイズ面上におけるビーム断面の幅方向の入射位置と、スロープ差とを測定した。図４に示すグラフの横軸がμｍ単位で表したスロープ差を示し、縦軸がμｍ単位で表した入射位置を示す。長さは、被加工面上における値で示す。

実験開始直後において、スロープ差は１５μｍ程度、入射位置は１７２７０μｍ辺りであった。その後、スロープ差は減少し、入射位置は、設定した座標軸において値が減少する方向に移動した。スロープ差は、２μｍ程度で最小となり、そのときの入射位置は、１７２２５μｍ辺りであった。スロープ差が最小となった後、スロープ差は増加し、入射位置は、設定した座標軸において値が増加する方向に移動した。実験終了時点において、スロープ差は２０μｍ程度、入射位置は１７２９０μｍ辺りであった。

実験開始の前に、ホモジナイザ３への入射レーザビームの中心軸を、ホモジナイザ３の光軸に合わせる光軸合わせがされている。しかし、この光軸合わせを行っても、ホモジナイザ３への入射方向がホモジナイザ３の光軸方向からＸ軸方向に関して外れる誤差が残っていると考えられる。言い換えると、ホモジナイザ３への入射方向を示すベクトルのＸ成分がゼロにならない（または、ホモジナイザ３への入射方向が、ＹＺ面と平行にならない）誤差が残っていると考えられる。もしこの誤差が存在しなければ、実験開始直後に測定されるスロープ差は、ゼロに近い値となると考えられる。この誤差に起因して、実験開始直後のスロープ差が、１５μｍ程度となったと考えられる。

この実験において、スロープ差が減少している期間中は、ホモジナイザ３への入射方向を示すベクトルのＸ成分がゼロに近づくように、レーザ光源からの出射方向が変化したと考えられる。スロープ差が最小となった時点では、ホモジナイザ３への入射方向を示すベクトルのＸ成分が最もゼロに近づいたと考えられる。スロープ差が増大している期間中は、ホモジナイザ３への入射方向を示すベクトルのＸ成分がゼロから離れるように、レーザ光源からの出射方向が変化したと考えられる。スロープ差が減少している期間中と、スロープ差が増大している期間中とでは、ホモジナイザ３への入射方向を示すベクトルのＸ成分の増減傾向が、互いに反対であると考えられる。例えば、スロープ差が減少している期間中にＸ成分が減少していれば、スロープ差が増大している期間中にはＸ成分が増大していると考えられる。

この実験より、スロープ差が最小のときの入射位置から、入射位置が離れるほど、スロープ差が大きくなることがわかる。言い換えると、スロープ差が最小のときの入射位置に、入射位置が近づくほど、スロープ差が小さくなることがわかる。

なお、光軸合わせは、例えば、ホモジナイズ面上のビーム断面の幅方向に関する光強度分布において、左右のスロープ幅の双方がある値以下となるように、レーザビームの中心軸の配置を調整することにより行われる。図３を参照して説明したように、ホモジナイザ３の光軸方向と、ホモジナイザ３に入射するレーザビームの進行方向とのずれが大きくなると、光強度分布の対称性が低下し、左右のスロープ幅の一方が他方より顕著に大きくなる。ホモジナイザ３への入射レーザビームの中心軸と、ホモジナイザ３の光軸とが近づくほど、光強度分布の対称性が高まり、左右のスロープ幅の双方がともに小さくなる。

図１に示す偏向器２は、反射鏡２ａを揺動させることにより、ホモジナイザ３に入射するレーザビームの入射方向を、Ｘ軸方向に振ることができる。これにより、ホモジナイズ面上の入射位置を、ビーム断面の幅方向に移動させることができる。

次に、実施例のレーザ加工装置を用いたレーザ加工方法について説明する。ホモジナイザ３に入射するレーザビームの中心軸を、ホモジナイザ３の光軸に合わせる光軸合わせが、加工対象基板へのレーザ照射開始前に行われている。

まず、最初に加工すべき加工対象基板をステージ６に保持し、レーザ照射を行う。レーザ照射の期間中、カメラ８によりレーザビームの光強度分布及び入射位置が測定される。この基板の加工が完了すると、制御装置９が、ビーム断面の幅方向に関する光強度分布のスロープ差を平均して、平均化スロープ差を求めるとともに、ビーム断面の幅方向に関する入射位置を平均して、平均化入射位置を求める。なお、１枚の加工対象基板の加工時間は、例えば６分である。

以後、ステージ６に保持される加工対象基板を取り替えながら、未加工の加工対象基板を順次加工する。各加工対象基板について、レーザ照射期間中に光強度分布及び入射位置が測定され、加工対象基板ごとに、測定面上におけるビーム断面の幅方向に関する平均化スロープ差及び平均化入射位置が求められる。

ある加工対象基板の加工が完了した後、その次の加工対象基板の加工を開始する前に、レーザビームのパワーが正常な範囲内にあるかどうかを検査するためのパワー測定が行われる。パワー測定は、部分反射鏡４でステージ側に分岐されたレーザビームを、パワーメータに入射させることにより行われる。パワー測定の際には、例えば、３０秒程度のレーザビーム照射が行われる。

各加工対象基板について求められた平均化スロープ差から、最小の平均化スロープ差を求める。光軸合わせが誤差なく行われる理想的な状況においては、最初に加工される加工対象基板に対して、最小の平均化スロープ差が得られると考えられる。光軸合わせにおいて誤差が残っていれば、複数枚の加工対象基板を加工した後に加工される加工対象基板において、最小の平均化スロープ差が得られる場合もある。最小の平均化スロープ差に対応する平均化入射位置が、目標入射位置として制御装置９に記憶される。

目標入射位置に対応する加工対象基板が加工された後は、平均化入射位置が、目標入射位置から離れていく。図４を参照して説明したように、入射位置が目標入射位置から離れるほど、スロープ差が大きくなる。

目標入射位置からのずれは、例えば、被加工面上における長さに換算して１５μｍ以内であれば許容される。言い換えると、このとき、目標入射位置を中心として、ビーム断面の幅方向について、被加工面上における長さに換算して３０μｍの幅の領域が許容範囲となる。許容範囲を規定する情報が、制御装置９に記憶されており、制御装置９は、各加工対象基板に対して求められた平均化入射位置が、許容範囲内にあるかどうかを判定する。

ある加工対象基板に対して、平均化入射位置が許容範囲から外れたとする。このとき、その次の加工対象基板の加工の直前に行うパワー測定の期間中に、制御装置９が、入射位置を目標入射位置に近づけるように、偏向器２を制御する。具体的には例えば、パワー測定の際に照射されるレーザビームの入射位置を、カメラ８で測定しながら、入射位置が目標入射位置に近づくように、反射鏡２ａの姿勢を変化させる。

入射位置を目標入射位置に近づけることにより、測定面上における光強度分布及び被加工面上における光強度分布のスロープ差が減少する。入射位置を目標入射位置に近づけるように、反射鏡２ａの姿勢を変化させた後、次の加工対象基板を加工する。なお、入射位置が許容範囲から外れたと判定されたときに、入射位置が、良好な加工の行われないような位置までずれていることがない程度に、許容範囲は狭く設定される。

以後、平均化入射位置が許容範囲から外れる度に、偏向器２により目標入射位置に入射位置を近づける処理を行い、加工すべきすべての加工対象基板に対するレーザ照射を完了させる。

以上説明したように、実施例のレーザ加工装置を用いれば、カメラ８の測定面上の入射位置に基づいて、偏向器２を制御し、レーザビームのホモジナイザ３への入射方向を調整することにより、被加工面に照射されるレーザビームの光強度分布を適切な形状に保つことができる。これにより、シリコン膜の多結晶化が良好に行われる。

上述のレーザ加工装置を用いれば、入射位置が、シリコン膜の多結晶化を良好に行える範囲から外れないようにできる。従来の、入射位置を調整しない加工装置では、例えば加工を数時間継続していると、入射位置が、シリコン膜の多結晶化を良好に行える範囲から外れてしまう。上述のレーザ加工装置を用いれば、従来の装置を用いる場合よりも、良好な加工を続けられる期間が延びるので、生産効率の向上が図られる。

カメラ８の測定面における入射位置の、目標入射位置からのずれを監視することにより、実質的に、被加工面上の光強度分布のスロープ差を監視することができる。
上述のレーザ加工方法では、ある加工対象基板の加工中に入射位置の測定が行われ、入射位置が許容範囲から外れた場合には、次の加工対象基板の加工を開始する前に、入射位置が調整される。加工中に入射位置を調整すれば、１枚の加工対象基板の加工途中でレーザ照射の条件が急激に変化し、加工にむらが生じる危険性がある。上述の方法では、入射位置の調整中には加工対象基板にレーザビームが照射されないので、このような危険性がない。

入射位置の許容範囲に加え、スロープ差の許容範囲も設定し、入射位置及びスロープ差の双方を監視してもよいであろう。例えば、入射位置及びスロープ差の少なくとも一方が、許容範囲から外れたと判定されたら、入射位置を目標入射位置に近づけて、光強度分布の調整を行うことができる。

偏向器２でレーザビームの進行方向を変化させると、それに伴って、ホモジナイザ３にレーザビームが入射する入射位置が移動する。ホモジナイザ３への入射位置のみを移動させる装置があれば、この装置と偏向器２とを組み合わせることにより、ホモジナイザ３へのレーザビームの入射方向及び入射位置のそれぞれを独立して制御することができる。

次に、第１の変形例として、図５を参照し、このような機能を有するレーザ加工装置について説明する。第１の変形例のレーザ加工装置は、図１に示したレーザ加工装置において、偏向器２からホモジナイザ３までの光路上に、移動器１０を挿入した構成を有する。図５には、偏向器２からホモジナイザ３までの光路上に配置される光学系を概略的に示す。

移動器１０は、透過板１０ａと煽り機構１０ｂとを含んで構成される。偏向器２の反射鏡２ａで反射されたレーザビームが、透過板１０ａを透過して、ホモジナイザ３に入射する。透過板１０ａは、レーザビームを透過及び屈折させる材質（例えばガラス等）からなる。透過板１０ａにおいて、レーザビームが入射する入射表面と、レーザビームが出射する出射表面とが、互いに平行である。

煽り機構１０ｂが、透過板１０ａを、Ｙ軸に平行な軸を中心として、煽り方向に動かす。透過板１０ａの入射表面へ、レーザビームが斜めに入射するように、透過板１０ａの姿勢が調整されているとき、透過板１０ａでレーザビームが屈折されて、透過板１０ａから出射するレーザビームの中心軸Ａ２が、透過板１０ａに入射するレーザビームの中心軸Ａ１からずれる。中心軸Ａ２は、中心軸Ａ１に対してＸ軸方向に平行移動されている。制御機構９が、煽り機構１０ｂを制御する。

このように、移動器１０を用いれば、レーザビームの光路をＸ軸方向に平行移動させることができる。レーザビームの光路が平行移動されることにより、ホモジナイザ３へのレーザビームの入射位置が移動する。光路の移動量は、例えば、透過板の入射表面への入射角により調整される。偏向器２と移動器１０とを組み合わせることにより、ホモジナイザ３へのレーザビームの入射方向及び入射位置のそれぞれを独立して制御することができる。

次に図６を参照して、第２の変形例によるレーザ加工装置について説明する。第２の変形例によるレーザ加工装置では、図１に示したレーザ加工装置の、部分反射鏡４からカメラ８までの光路上に、レンズ７が追加されている。部分反射鏡４を透過したレーザビームが、レンズ７で収束されて、カメラ８に入射する。レンズ７でレーザビームを収束することにより、レンズ７が配置されない場合に比べて、ホモジナイズ面をホモジナイザ３側に近づけられる。

カメラ８の測定面が、ホモジナイズ面上に配置される。カメラ８の測定面における光強度分布の、ビーム断面の幅方向及び長尺方向の増減傾向は、それぞれ、加工対象基板５の被加工面における光強度分布の、ビーム断面の幅方向及び長尺方向の増減傾向と同様である。第２の変形例によるレーザ加工装置においても、カメラ８の測定面上の光強度分布及び入射位置を測定することにより、被加工面上の光強度分布及び入射位置を間接的に監視することができる。

なお、上述の実施例のレーザ加工装置において、レーザ光源１からのレーザ出射方向の変動に伴い、ホモジナイズ面上の入射位置は、ビーム断面の長尺方向に関してもずれ得る。被加工面上においては、図１に示したビーム断面Ｓの長尺方向の端部が、長尺方向に移動する。

ビーム断面Ｓが、被加工領域５ａを跨ぐように配置されているとき、ビーム断面Ｓの長尺方向の両端は、ともに被加工領域５ａの外部にある。ビーム断面Ｓの長尺方向に関する端部の位置が、長尺方向にやや変動しても、ビーム断面Ｓの長尺方向の両端の間に被加工領域５ａが配置される状態を保つことができる。このような状態が保たれていれば、ビーム断面Ｓの長尺方向に関して光強度分布が均一化されたレーザビームを、被加工領域５ａに照射することができる。

上記実施例では、基板の加工中には入射位置の調整を行わなかった。なお、ある基板の加工中に測定された入射位置（平均化されていない入射位置）に基づいて、その基板の加工中に、入射位置を調整することも可能ではあろう。加工むらの発生を抑制するには、許容範囲を狭くすること（例えば、ビーム断面の幅方向の半値全幅の５％以内のずれ補正に限る）や、被加工面上の入射位置が調整に伴って変動しないように、ホモジナイザへのレーザビームの入射方向及び入射位置の双方を調整すること等が有効であろう。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、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。

本発明の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、ホモジナイザの構成例を示す図である。ホモジナイズ面上の光強度分布を示すグラフである。スロープ差と入射位置との関係を示すグラフである。第１の変形例によるレーザ加工装置の一部を示す概略図である。第２の変形例によるレーザ加工装置を示す概略図である。

符号の説明

１レーザ光源
２偏向器
２ａ反射鏡
２ｂ揺動機構
３ホモジナイザ
４部分反射鏡
５加工対象基板
６ステージ
７レンズ
８カメラ
９制御装置
１０移動器
１０ａ透過板
１０ｂ煽り機構

Claims

レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザビームが入射する強度分布調整器と、
前記強度分布調整器を通過したレーザビームを２つの第１のビームと第２のビームとに分岐させる分岐器と、
前記分岐器で分岐された第１のビームが入射する位置に、被照射物を保持する保持台と、
前記分岐器で分岐された第２のビームが入射する測定面を含み、該測定面上における入射位置を測定する測定器と、
前記レーザ光源と前記強度分布調整器との間のレーザビームの光路上に配置され、該強度分布調整器に入射するレーザビームの進行方向を変化させる偏向器と
を有し、
前記強度分布調整器は、前記保持台に保持された被照射物上における前記第１のビームの光強度分布の形状を目標形状に近づけ、該強度分布調整器に入射するレーザビームの進行方向が変化すると、該被照射物上における該第１のビームの入射位置と、該被照射物上における該第１のビームの光強度分布が変化する特性を有するレーザ加工装置。
さらに、前記測定器の測定面上における前記第２のビームの入射位置が目標位置に近づくように前記偏向器を制御する制御装置を有する請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記強度分布調整器は、レーザビームの断面を一方向に細長い形状に整形し、前記偏向器は、前記強度分布調整器で整形されたビーム断面を、その長尺方向に直交する方向に関して移動させる請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
さらに、前記レーザ光源から前記強度分布調整器までの光路上に配置され、該強度分布調整器に入射するレーザビームの光路を平行移動させる移動器を有する請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
（ａ）入射するレーザビームの進行方向が変化すると、被照射物上におけるレーザビームの入射位置と、該被照射物上におけるレーザビームの光強度分布が変化する特性を有する強度分布調整器にレーザビームを入射させる工程と、
（ｂ）前記強度分布調整器を通過したレーザビームを分岐器で、それぞれ第１の光路と第２の光路とに沿って進行する２本のビームに分岐させ、第１の光路に沿って進行するレーザビームを、被照射物上における光強度分布の形状を目標形状に近づけて、該被照射物に入射させるとともに、前記第２の光路と交差する測定面上におけるレーザビームの入射位置を測定する工程と、
（ｃ）前記測定面上におけるレーザビームの入射位置に基づいて、該第２の光路に沿って進行するレーザビームの入射位置が、前記測定面上の目標位置に近づくように、前記強度分布調整器へ入射するレーザビームの進行方向を変化させる工程と、
（ｄ）前記工程（ｃ）において入射方向が変化したレーザビームを前記強度分布調整器に入射させて、該強度分布調整器を通過したレーザビームを前記分岐器で分岐させ、前記第１の光路に沿って進行するレーザビームを被照射物上に入射させる工程と
を有するレーザ加工方法。
前記工程（ｂ）において、第１の被照射物の表面内でレーザビームの入射位置を移動させながら、レーザビームを照射すべき全領域にレーザビームを入射させ、前記工程（ｄ）において、前記第１の被照射物とは異なる第２の被照射物にレーザビームを入射させる請求項５に記載のレーザ加工方法。
レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザビームが入射する強度分布調整器と、
前記強度分布調整器を通過したレーザビームを２つの第１のビームと第２のビームとに分岐させる分岐器と、
前記分岐器で分岐された第１のビームが入射する位置に、被照射物を保持する保持台と、
前記分岐器で分岐された第２のビームの、測定面におけるビーム断面内の第１の方向に関する光強度分布を測定し、該第１の方向に関して、ビーム断面の一方の縁から内部に向かって光強度が上昇する部分の傾きと、ビーム断面の他方の縁から内部に向かって光強度が上昇する部分の傾きとの関係が、許容される関係であるかどうかを判定する判定手段と
を有するレーザ加工装置。