JP2007115729A - レーザ照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数台のレーザ光源から出射されたレーザビームを合成し、かつ光強度分布を均一に近づけた長尺ビームを得ることができるレーザ照射装置を提供する。
【解決手段】 レーザビームを出射する複数のレーザ光源が準備されている。導波部材が、平板状の光導波路を画定する。その入射端面及び出射端面が一方向に長い形状を有する。入射端面から入射した光が多重反射しながら出射端面まで導波される。レーザ光源の各々に対応して光ファイバが配置されている。レーザ光源から出射されたレーザビームが、対応する光ファイバの入射端から入射する。出射端から出射した光が、導波部材の入射端面を通して導波部材に入射する。複数の光ファイバの出射端が、導波部材の入射端面の長手方向と平行な方向に配列している。ステージが被照射体を保持する。集光光学系が、導波部材の出射端面から出射した光を、ステージに保持された被照射体の表面に入射させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ照射装置に関し、特に、被照射面におけるレーザの入射領域を長尺にし、かる光強度を均一に近づけるレーザ照射装置に関する。

アモルファスシリコンの多結晶化等にレーザアニールが用いられる。レーザアニール装置では、スループットの向上、レーザビームの入射領域の拡大等の観点から、レーザ光源の大出力化が求められている。

レーザアニールには、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等の固体レーザの高調波、可視域の半導体レーザ等が用いられる。これらのレーザ発振器の出力は、レーザ媒質の発熱に伴う技術上の制約により制限される。例えば、固体レーザの高調波を用いる場合には、１台のレーザ発振器の最大出力は４００Ｗ程度である。可視域の半導体レーザを用いる場合には、１台のレーザ発振器の最大出力は１Ｗ程度である。

従来、レーザビームのパワーを高めるために、複数のレーザ発振器から出力されたレーザビームを合成する方法が用いられてきた。
下記の特許文献１に開示されたレーザビームの合成方法について説明する。複数のレーザ光源から出力されたレーザビームが、レーザ光源ごとに配置された光ファイバによって伝送される。複数の光ファイバが中間部で束ねられ、それらの出力端がファイバコネクタに接続される。ファイバコネクタは、複数の光ファイバの出力端を固定する。

光ファイバの出力端から出射されたレーザビームが、１つのテーパ状中空導波路に、その入射端から入射する。中空導波路内を伝搬することにより、複数のレーザビームのエネルギが足しあわされる。エネルギが足し合わされたレーザビームが、中空導波路の出射端から出射する。

次に、下記の特許文献２に開示されたレーザビームの合成方法について説明する。レーザアレイの複数のレーザ発光部から出射したレーザビームの各々を、シリンドリカルレンズアレイで、少なくとも一方向について平行光束化させる。シリンドリカルレンズアレイは、１つのレーザ発光部に対応して１本のシリンドリカルレンズを有する。平行化された複数のレーザビームを、コンデンサレンズによってカライドスコープの入射側の端面に収斂させる。カライドスコープ内で、複数のレーザビームのエネルギが足し合わされると共に、面内強度分布が均一化される。

次に、下記の特許文献３に開示されたレーザビームの合成方法について説明する。複数のレーザ光源から出射されたレーザビームを、１台のホモジナイザに入射させることにより、強度分布を均一化する。このホモジナイザは、シリンドリカルレンズアレイと、その後段に配置されたコンデンサレンズとで構成される。シリンドリカルレンズアレイを構成する凸レンズの個数と、レーザ光源の台数とは等しい。

特開平７−２８１０５３号公報 特開２００２−１８４２０６号公報 特開２００３−２８９０５２号公報

アモルファスシリコンの多結晶化アニールには、通常、ビーム断面が一方向に長い長尺ビームが用いられる。上記特許文献１に開示された方法では、中空導波路に入射した複数のレーザビームが、中空導波路内で多重反射しているため、中空導波路を出射したレーザビームの進行方向がばらばらになる。このため、中空導波路を出射したレーザビームのビーム断面を長尺状に整形することが困難である。

上記特許文献２に開示された方法でも、カライドスコープを通過したレーザビームは、ばらばらの進行方向を持つ複数の光線を含むため、そのビーム断面を長尺状に整形することが困難である。また、コンデンサレンズの光軸から離れた部分を通過した光線は、カライドスコープに、その中心軸から大きく傾いて入射する。これにより、カライドスコープから出射するレーザビームも、その中心軸から大きく傾いて進行する光線を含む。このため、カライドスコープの後段に配置する光学系の設計が困難になる。例えば、結像レンズを配置する場合には、その焦点深度が浅くなる。

上記特許文献３に開示された方法では、被照射面における強度分布の均一性が、ホモジナイザを構成するシリンドリカルレンズの個数に依存する。シリンドリカルレンズの個数は、レーザ光源の個数と等しいため、レーザ光源の個数が、強度分布の均一性に影響してしまう。このため、レーザ光源の個数を自由に決定することができない。

本発明の目的は、複数台のレーザ光源から出射されたレーザビームを合成し、かつ光強度分布を均一に近づけた長尺ビームを得ることができるレーザ照射装置を提供することである。

本発明の一観点によれば、レーザビームを出射する複数のレーザ光源と、平板状の光導波路を画定する導波部材であって、入射端面及び出射端面が一方向に長い形状を有し、入射端面から入射した光を多重反射させながら出射端面まで導波させる導波部材と、前記レーザ光源の各々に対応して配置された光ファイバであって、対応するレーザ光源から出射されたレーザビームが入射端から入射し、出射端から出射した光を前記導波部材の入射端面を通して該導波部材に入射させ、複数の該光ファイバの出射端が、該導波部材の入射端面の長手方向と平行な方向に配列している該光ファイバと、被照射体を保持するステージと、前記導波部材の出射端面から出射した光を、前記ステージに保持された被照射体の表面に入射させる集光光学系とを有するレーザ照射装置が提供される。

レーザ光源の台数を増やすことにより、容易にレーザビームのパワーを高めることができる。導波部材の出射端面が一方向に長い形状を有するため、容易に長尺ビームを形成することができる。導波部材内を伝搬することにより、出射端面における光強度分布が均一に近づく。

図１Ａ及び図１Ｂに、実施例によるレーザ照射装置の概略図を示す。複数台のレーザ光源１の各々に対応して、集束レンズ２及び光ファイバ３が準備されている。レーザ光源１の各々から出射されたレーザビームが、対応する集束レンズ２により集束され、対応する光ファイバ３に、その入射端から入射する。レーザ光源１として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ等の第２高調波（波長約５３０ｎｍ）または第３高調波（波長約３５０ｎｍ）を出射するレーザ光源、及び波長域４００〜７００ｎｍの半導体レーザダイオード等を用いることができる。

複数の光ファイバ３の出射端から出射したレーザビームが、結合レンズアレイ４を通過して１つの導波部材５に、その入射端面５Ｆから入射する。導波部材５は、レーザ光源１から出射されたレーザビームの波長域で透明な光学媒体で形成されており、その形状は平板状の直方体である。導波部材５の入射端面５Ｆの形状は長方形である。入射端面５Ｆの長辺に平行な方向をＹ軸、短辺に平行な方向をＸ軸とするＸＹＺ直交座標系を定義する。導波部材５の表面のうちＸ軸に垂直な２つの面を主側面５Ｐと呼び、Ｙ軸に垂直な２つの面を従側面５Ｓと呼ぶこととする。導波部材５に入射した光は、導波部材５により画定される平板状の導波路内を伝搬して、入射端面５Ｆとは反対側の出射端面５Ｅから出射される。

図２Ａに、光ファイバ３の出射端近傍、結合レンズアレイ４、及び導波部材５の入射端面近傍の概略図を示し、図２Ｂに、入射端面５Ｆの正面図を示す。複数の光ファイバ３の出射端が、Ｙ軸に平行に、かつ等ピッチで１列に配列している。光ファイバ３の出射端から出射するレーザビームの中心光線がＺ軸に平行になるように、光ファイバ３の出射端近傍の姿勢が調整されている。

結合レンズアレイ４は、Ｙ軸に平行な方向に配列した複数の集束レンズで構成される。集束レンズは、光ファイバ３ごとに配置されており、その光軸はＺ軸に平行である。例えば、入射端面の短辺の長さ（導波部材５の厚さ）Ｔは０．４ｍｍであり、長辺の長さ（導波部材５の幅）Ｗは３０ｍｍである。光ファイバ３の出射端から出射されたレーザビームは、結合レンズアレイ４の対応する集束レンズによって、導波部材５の入射端面５Ｆに集束される。

図１Ａ及び図１Ｂに戻って説明を続ける。ＸＹステージ７に被照射体２０が保持されている。被照射体２０は、ガラス基板、及びその表面上に形成されたアモルファスシリコン膜を含んで構成され、アモルファスシリコン膜が形成された表面がＸＹ面に平行になるように保持されている。

結像光学系６が、導波部材５の出射端面５Ｅを、ＸＹステージ７に保持された被照射体２０の表面に結像させる。結像倍率は任意に設定することができる。結像倍率を小さくすると、出射端面５Ｅよりも小さな領域にレーザビームを入射させ、被照射体２０の表面におけるパワー密度を高めることができる。結像倍率を大きくすると、出射端面５Ｅよりも大きな領域にレーザビームを入射させることができる。

図１Ｂに示すように、導波部材５内に入射した光線は、ＺＸ面内に関して一対の主側面５Ｐにより多重反射しながら出射端面５Ｅまで導波される。これにより、出射端面５Ｅにおいて、Ｘ軸方向に関する光強度分布が均一化される。

図３を参照して、導波部材５のＹＺ面内における光線の伝搬の態様について説明する。図３は、結合レンズアレイ４により集束されたレーザビームの中心光線を含む面内における光の伝搬の様子を示す。

結合レンズアレイ４の複数の集束レンズに通し番号を振る。ｉ番面の集束レンズ４（ｉ）により集束されて導波部材５に入射するレーザビームに着目する。集束ビームの最も外側の縁に沿って進行する光線とＺ軸とのなす角度をθ_１とする。集束ビームの開口数ＮＡは、ｓｉｎθ_１になる。集束ビームのビーム系が最小になる位置が入射端面５Ｆ上に位置するように、結合レンズアレイ４と入射端面５Ｆとの間隔が調節されている。

導波部材５内に入射したレーザビームの拡がり角をθ_２とする。導波部材５の屈折率をｎとすると、ｎ×ｓｉｎθ_２＝ｓｉｎθ_１＝ＮＡが成立する。
光ファイバ３の出射端のピッチをＰとする。このとき、結合レンズアレイ４を構成する複数の集束レンズにより集束されたビームの中心光線が、ピッチＰでＹ軸方向に配列する。集束レンズ４（ｉ）により集束されたビームの中心光線を中心とし、Ｙ軸方向の幅がＰである長方形の単位領域５（ｉ）を考える。

単位領域５（ｉ）内に入射したビームの最も外側を伝播する光線ｒ１は、Ｚ軸方向にＤ１＝Ｐ／（２ｔａｎθ_２）だけ進行した位置で、単位領域５（ｉ）の縁を横切り、隣の単位領域５（ｉ−１）及び５（ｉ＋１）内に進入する。逆に、隣の集束レンズ４（ｉ−１）及び４（ｉ＋１）により集束され、導波部材５内に入射したビームの最も外側を伝搬する光線ｒ２が、単位領域５（ｉ）内に進入する。このため、単位領域５（ｉ）内のビームの最も外側を伝搬する光線ｒ１が、単位領域５（ｉ）の縁で反射して、単位領域５（ｉ）内に戻された状態と同一の状態が実現される。なお、単位領域５（ｉ）がＹ軸方向に関して最も端に配置されている場合には、導波部材５の従側面５Ｓが単位領域５（ｉ）の一方の縁となり、実際の反射面として機能する。

入射端面５ＦからＺ軸方向にＤ１＝Ｐ／（２ｔａｎθ_２）だけ進行した位置で単位領域５（ｉ）内に侵入した光線ｒ２は、入射端面５ＦからＤ３＝３Ｐ／（２ｔａｎθ_２）だけ進行した位置で、単位領域５（ｉ）の縁を横切り、隣の単位領域５（ｉ−１）及び５（ｉ＋１）内に進入する。この位置においては、集束レンズ４（ｉ−２）及び４（ｉ＋２）により集束されて導波部材５内に入射したビームの最も外側を伝搬する光線ｒ３が、単位領域５（ｉ）内に侵入する。

このため、単位領域５（ｉ）は、一つの独立したカライドスコープ（またはロッドレンズ）と考えることができる。導波部材５の長さ（Ｚ軸方向の寸法）をＬとすると、１つの単位領域５（ｉ）の側面での実効的な反射回数Ｒｙは、次の式で表される。

図１Ｂに示すように、ＺＸ面内に関して、反射回数Ｒｘは、以下の式で表される。

出射端面５Ｅにおいて、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に関する光強度分布を均一化するためには、反射回数Ｒｘ及び実効的な反射回数Ｒｙを３回以上にすることが好ましい。この反射回数を、下限しきい値と呼ぶこととする。

ピッチＰと厚さＴとが等しい場合には、反射回数Ｒｘが下限しきい値以上になるように長さＬを設定すれば、実効的な反射回数Ｒｙも下限しきい値以上になる。ピッチＰが厚さＴよりも大きい場合、ピッチＰに依存する実効的な反射回数Ｒｙが下限しきい値以上になるように長さＬを決定すればよい。逆に、ピッチＰが厚さＴよりも小さい場合、厚さＴに依存する反射回数Ｒｘが下限しきい値以上になるように長さＬを決定すればよい。

ピッチＰと厚さＴとの差が大きくなりすぎると、大きな方のパラメータに依存する反射回数が下限しきい値以上になるように長さＬを決定すると、小さな方のパラメータに依存する反射回数が必要以上に大きくなると共に、光の伝搬距離が長くなりすぎる。このため、光の伝搬損失や反射に起因する損失が増加してしまう。従って、厚さＴとピッチＰとの大きな方が小さな方の２倍以下になるように、厚さＴ及びピッチＰを設定することが好ましい。

なお、出射端面５Ｅにおける短軸方向（Ｘ軸方向）に関しては光強度分布を均一にする必要がない場合もある。この場合には、ＺＸ面内に関する反射回数Ｒｘを０回にすることが好ましい。式（２）において、ＺＸ面内に関するＮＡを０にする（すなわち、ＺＸ面内に関して平行光線束にする）か、導波部材５の厚さＴをなるべく大きくすればよい。

図４Ａ及び図４Ｂに、出射端面５ＥにおけるＹ軸方向及びＸ軸方向に関する光強度分布のシミュレーション結果を示す。図４Ａの横軸はＹ軸方向の基準位置からの距離を単位「ｍｍ」で表し、図４Ｂの横軸はＸ軸方向の基準位置からの距離を単位「ｍｍ」で表す。図４Ａ及び図４Ｂの縦軸は光強度を表す。導波部材５の厚さＴを０．６ｍｍ、幅Ｗを２４ｍｍ、長さＬを２００ｍｍ、屈折率ｎを１．５とし、結合レンズアレイ４で集束された各レーザビームの開口数ＮＡを０．１とした。

Ｘ軸方向及びＹ軸方向に関して、ほぼ均一な光強度分布が得られていることがわかる。
図５Ａ〜図５Ｄを参照して、導波部材５の他の構成例について説明する。上記実施例で用いた導波部材５は、図５Ａに示すように、直方体の光学媒体であり、そのその表面は大気に晒されていた。図５Ｂに示すように、導波部材５の側面を、導波部材５よりも屈折率の小さな媒体からなるクラッド５１で被覆した構造としてもよい。図５Ｃに示すように、導波部材５の一対の主側面５Ｐの間隔が、入射端面５Ｆから出射端面５Ｅに近づくに従って狭くなるようなテーパ構造としてもよい。この場合にも、導波部材５の側面を、クラッド５４で被覆してもよい。テーパ構造とすることにより、出射端面５Ｅをより細くすることが可能になる。

図５Ｄに示すように、光が伝搬する空洞５６を画定する中空の部材で導波部材５５を構成してもよい。導波部材５の内周面は、光を反射する反射面とされている。
上記実施例によるレーザ照射装置では、複数のレーザ光源１を用いている。レーザ光源１の台数を増やすことにより、容易にレーザビームのパワーを高めることができる。また、レーザ光源１の台数を増やせば、そのうちの１台が故障した場合の総パワーの低下率を軽減することができる。パワーの低下量が加工品質に影響を与えない程度であれば、そのまま加工を継続して行うことができる。

また、複数のレーザ光源１を用いることにより、レーザビームのランダムなパワー変動割合を低減させることができる。レーザ光源１の台数がＮである場合、パワー変動割合は１／（Ｎ^１／２）になる。また、レーザ光源１と導波部材５とが光ファイバ３で結合されているため、レーザ光源１の配置の自由度が高まる。これにより、装置の小型化を図ることが可能になる。

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。

実施例によるレーザ照射装置の概略図である。 図２Ａは、実施例によるレーザ照射装置の光ファイバの出射端近傍、結合レンズアレイ、及び導波部材の入射端面近傍の概略図であり、図２Ｂは、導波部材の入射端面の正面図である。 導波部材内の光の伝搬の様子を示す線図である。 導波部材の出射端面における光強度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。 実施例によるレーザ照射装置の導波部材、及び導波部材の他の構成例を示す斜視図である。

符号の説明

１ レーザ光源
２ 集束レンズ
３ 光ファイバ
４ 結合レンズアレイ
５ 導波部材
５Ｆ 入射端面
５Ｅ 出射端面
５Ｐ 主側面
５Ｓ 従側面
６ 集光光学系
７ ＸＹステージ
２０ 被照射体
５１、５４ クラッド
５６ 空洞

Claims (7)

1. レーザビームを出射する複数のレーザ光源と、
   平板状の光導波路を画定する導波部材であって、入射端面及び出射端面が一方向に長い形状を有し、入射端面から入射した光を多重反射させながら出射端面まで導波させる導波部材と、
   前記レーザ光源の各々に対応して配置された光ファイバであって、対応するレーザ光源から出射されたレーザビームが入射端から入射し、出射端から出射した光を前記導波部材の入射端面を通して該導波部材に入射させ、複数の該光ファイバの出射端が、該導波部材の入射端面の長手方向と平行な方向に配列している該光ファイバと、
   被照射体を保持するステージと、
   前記導波部材の出射端面から出射した光を、前記ステージに保持された被照射体の表面に入射させる集光光学系と
   を有するレーザ照射装置。
2. 前記光ファイバの出射端が、前記導波部材の入射端面の長手方向と平行な方向に等ピッチＰで配列している請求項１に記載のレーザ照射装置。
3. 前記導波部材で画定される光導波路に入射する光の開口数をＮＡ、該光導波路の入射端面から出射端面までの長さをＬ、該光導波路の屈折率をｎとしたとき、（Ｌ／Ｐ）ｔａｎ（ｓｉｎ^−１（ＮＡ／ｎ））が３以上である請求項２に記載のレーザ照射装置。
4. 前記入射端面における前記光導波路の厚さをＴとしたとき、厚さＴと前記ピッチＰとの大きな方が小さな方の２倍以下である請求項２または３に記載のレーザ照射装置。
5. 前記導波部材で画定される平板状の光導波路の厚さ及び幅が、前記入射端面から出射端面まで一定である請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ照射装置。
6. 前記導波部材で画定される平板状の光導波路の厚さが、出射端面に近づくに従って狭くなっている請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ照射装置。
7. 前記集光光学系が、前記導波部材の出射端面を、前記ステージに保持された被照射体の表面に結像させる請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ照射装置。

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