JP2007165624A

JP2007165624A - 照射装置

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Publication number: JP2007165624A
Application number: JP2005360435A
Authority: JP
Inventors: Shin Hotta; 慎堀田; Masahiro Takada; 将弘高田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-12-14
Filing date: 2005-12-14
Publication date: 2007-06-28

Abstract

【課題】照射対象物の変形や劣化を防止しつつ光照射を行うことが可能な照射装置を提供する。
【解決手段】マルチエミッタ型の半導体レーザ１において、各半導体レーザ素子における配置方向（Ｙ軸方向）と直交する方向（Ｚ軸方向）への位置ずれ（スマイルＳ１）を、自己のＺ軸方向の長さ（高さＨ１）以下となるようにする。位置ずれが大きい従来と比べ、照射光のパワー密度低下が抑制される。また、所望の照射領域に対し、精度よく光照射がなされるようになる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザを光源として照射対象物に光照射を行う照射装置に係わり、特にマルチエミッタ型の半導体レーザを用いた照射装置に関する。

従来より、例えば液晶表示装置や有機ＥＬ（ElectroLuminescence）表示装置の製造工程において、回路素子などをｐ−Ｓｉ（多結晶シリコン）により形成するため、連続発振するレーザを光源として用いてシリコン薄膜をアニールする方法が知られている。具体的には、例えばａ−Ｓｉ（アモルファス−シリコン）層上に加熱層を設けてレーザ光を吸収させ、その際に発生する熱によって、このａ−Ｓｉ層をアニールするというものである。このようにレーザ光によってアニールする方法は、シリコン薄膜を部分的に照射するため、基板全体が高温となってしまうのを回避することができ、基板としてガラス基板を用いることができるという利点がある。

また、近年では半導体レーザが目覚ましく高出力化され、１つの半導体レーザから数ワット程度の出力が容易に得られるようになってきている。この半導体レーザは、従来用いられてきたＣＯ₂レーザやエキシマレーザと比べ、小型かつ長寿命でメンテナンスフリーであるという利点がある。

ここで、半導体レーザからより高い出力（例えば、数十ワット程度）を得るためには、複数の半導体レーザをそれぞれ光ファイバにカップリングさせてバンドルするという方法が考えられる。ただし、レーザ光の出力や波長の変動を生じさせると共に光源の寿命低下を招く、照射対象面からの戻り光を完全に除去する必要がある。

戻り光を除去する方法としては、例えば、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ；Polarizing Beam Splitter）などを用いて戻り光を互いに直交する２つの偏光成分に分岐させ、それぞれをアイソレートする方法や、バンドルするための光ファイバとして偏波面保存ファイバを用いる方法などが考えられる。しかしながら、前者は、分岐させた２つの偏光成分を高精度に結合させるために光学系が複雑化してしまうといった問題や、各偏光成分同士が異なる角度の斜入射を行うために焦点深度が浅くなってしまうといった問題がある。一方、後者は、偏光方向と偏波面保存ファイバの偏光軸とを合わせると共に、半導体レーザとカップリング用の光学素子とによってファイバのアライメントを構成しなければカップリング効率がほとんど得られないといった問題があり、実用的ではない。

そこで、このような照射装置の光源として、多数の半導体レーザ素子が一次元方向に沿ってアレイ配置されたマルチエミッタ型の半導体レーザを用いる方法が提案されている。ただし、各半導体レーザ素子からの出力には実際上個体差が生じてしまうため、出力の均一化を図るには、各エミッタからの光束を照射対象面上で重ね合わせてやる必要がある。

各エミッタからの光束を照射対象面上で重ね合わせる技術としては、例えば特許文献１〜５に、シリンドリカルレンズやマイクロシリンドリカルレンズアレイ等を用いる方法が開示されている。

特開２００２−７２１３２号公報特許第２９９５５４０号公報特開２００２−１３９６９３号公報特開平１０−１７５３２５号公報米国特許第５９００９８１号明細書

ところで、このマルチエミッタ型の半導体レーザは、例えば図１５（Ａ）に示した半導体レーザ１０１のように、各半導体レーザ素子１０１Ａ，１０１Ｂ，…が一直線上に並んでいる（この場合、直線Ｌ１０１に沿って並んでいる）のが望ましい。しかしながら実際には、例えば図１５（Ｂ）に示した半導体レーザ１０２のように、各半導体レーザ素子１０２Ａ，１０２Ｂ，…は、例えば直線Ｌ１０２から上下に数μｍ〜１５μｍ程度ずれた状態、すなわちスマイルを有する状態で並んでいる。

ここで、マルチエミッタ型の半導体レーザにスマイルがあると、例えば図１６（Ａ）に示した理想的な場合（スマイルがない場合）と比べ、例えば図１６（Ｂ）に示したように、照射光のパワー密度が低下してしまう（この場合、スマイルがない場合の約４８％まで低下している）という問題があった。よって、照射対象物の加工処理等に必要なエネルギーを確保するには、照射装置の掃引速度を下げ、各照射領域の照射時間を長く設定する必要が生じる。ところが、各照射領域の照射時間が必要以上に長くなると、照射による熱もまた不必要に増大してしまい、照射対象物の劣化や変形を引き起こすことになる。

また、スマイルがあると、例えば照射光を長手方向に掃引した加工の場合に、図１６（Ｂ）に示したように、図１６（Ａ）に示した理想的な場合と比べ、位置ずれに起因して照射光の照射幅が広がる（この場合、スマイルがないときの約１．７５倍広がっている）ため、設定値よりも加工幅が広がってしまい、照射対象物の劣化や変形をさらに増大させてしまうという問題もあった。

ここで、上記特許文献１〜４では、これらの問題に対する対策が全くなされていなかった。一方、上記特許文献５では、スマイルの影響を抑制するための提案がなされている。しなしながら、これはスマイルによる照射ビーム形状の変動を低減させるためのものであり、照射ビームの形状がガウシアン形状から極端に外れてしまうのを回避することは可能であるものの、上記したような照射対象物の劣化や変形を防止することは、依然として困難であった。

このように、従来のマルチエミッタ型の半導体レーザでは、照射光の出力低下を抑制することや所望の照射領域を精度よく照射することが困難であり、これにより照射対象物の変形や劣化を引き起こしてしまっていた。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、照射対象物の変形や劣化を防止しつつ光照射を行うことが可能な照射装置を提供することにある。

本発明の照射装置は、複数の半導体レーザ素子がそれぞれ第１の方向に沿って配置されると共に、各半導体レーザ素子における第１の方向と直交する第２の方向への位置ずれがいずれも自己の第２の方向の長さ以下となるように設定された半導体レーザ光源と、複数の半導体レーザ素子からそれぞれ射出される射出レーザ光の光束を照射対象物へ照射する照射光学系とを備えたものである。

本発明の照射装置では、半導体レーザ光源における複数の半導体レーザ素子からそれぞれレーザ光が射出され、照射対象物へ照射される。ここで、各半導体レーザ素子における第２の方向への位置ずれがいずれも自己の第２の方向の長さ以下であるので、この位置ずれに起因した照射光の出力低下が、従来と比べ抑制される。また、所望の照射領域に対し、高い位置精度で光照射がなされる。

本発明の照射装置によれば、半導体レーザ光源において、各半導体レーザ素子における第２の方向への位置ずれがいずれも自己の第２の方向の長さ以下となるようにしたので、照射光の出力低下を抑制すると共に所望の照射領域に対し精度よく光照射を行うことができ、余分な光照射を抑えることができる。よって、過剰な熱供給による照射対象物の変形や劣化を防止しつつ光照射を行うことが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る照射装置の全体構成を表すものであり、図１（Ａ）はＹ軸方向からみた側面図を、図１（Ｂ）はＺ軸方向からみた上面図を、それぞれ表している。

この照射装置は、半導体レーザ１と、リンドリカルレンズ２１〜２３と、レンズ２４と、ミラー３と、対物レンズ２５とから構成され、ステージ５上に搭載された照射対象物６に対し、半導体レーザ１からの射出レーザ光を照射するものである。シリンドリカルレンズ２１〜２３はそれぞれ、この射出レーザ光の光路に直列に配置されている。また、これらシリンドリカルレンズ２１〜２３と照射対象物４との間に、上記レンズ２４、ミラー２３および対物レンズ２５が、シリンドリカルレンズ側からこの順に配置されている。

半導体レーザ１は、複数の半導体レーザ素子がＹ軸方向に沿って配置されたマルチエミッタ型のものであり、Ｙ軸方向を長軸方向とすると共にＺ軸方向を短軸方向とするレーザ光を射出するものである。なお、この半導体レーザ１全体の発振波長は例えば９４０ｎｍ程度であり、全体の発振出力は例えば２０Ｗ（ワット）程度である。

図２は、半導体レーザ１の構成を、ＹＺ平面の端面図で表したものである。この半導体レーザ１では、レーザダイオードバー１０において、ｎ個（ｎ：２以上の自然数）の半導体レーザ素子１１〜１ｎが、Ｙ軸方向に沿って配置されている。なお、半導体レーザ素子の数としては、例えばｎ＝１９程度のものが挙げられる。また、図中に示した各半導体レーザ素子のサイズは、高さＨ１＝１μｍ程度、および１個分の幅Ｗ１＝１５０μｍ程度であり、半導体レーザ素子間の距離はＰ１＝５００μｍ程度、ｎ個分の幅はＷｎ＝９１５０μｍ程度である。

また、図３は、各半導体レーザ素子１１〜１ｎの配置構成の詳細を模式的に表したものである。このように各半導体レーザ素子１１〜１ｎは、Ｙ軸方向の直線Ｌ１に沿って並んで配置されている。また、各半導体レーザ素子１１〜１１ｎは直線Ｌ１から上下に（Ｚ軸方向に）ずれた状態で並んでおり、スマイルＳ１を有している。

ここで、本実施の形態の半導体レーザ１では、この各半導体レーザ素子１１〜１ｎにおける配置方向（Ｙ軸方向）と直交する方向（Ｚ軸方向）への位置ずれ（スマイルＳ１）が、各半導体レーザ素子におけるＺ軸方向の長さ（高さＨ１）以下（図２に示した例の場合、約１μｍ以下）となるように設定されていることを特徴としている。詳細は後述するが、このように構成されていることで、半導体レーザ１全体のパワー密度が向上するようになっている。

図１の説明に戻り、シリンドリカルレンズ２１〜２３は、各半導体レーザ素子１１〜１ｎから射出される光束を焦点Ｐ０で重ね合わせることにより、これらの光束をＹ軸方向に均一化するものである。具体的には、シリンドリカルレンズ２１は、各半導体レーザ素子１１〜１ｎからの射出光におけるＺ軸方向成分を平行化するものであり、シリンドリカルレンズ２２は、この射出光のＹ軸方向成分を平行化するものであり、シリンドリカルレンズ２３は、この射出光のＺ軸方向成分を集光するものである。

レンズ２４は、シリンドリカルレンズアレイ２１〜２３によりＹ軸方向に均一化された光束のＺ軸方向成分を平行化する（図１（Ａ），（Ｂ））ものである。また、ミラー３は、Ｘ軸の正方向へ向かう各光束をそれぞれ反射することにより、各光束をＺ軸の負方向へと導くものである。また、対物レンズ２５は、ミラー３からの反射光における各光束のＸ軸方向成分を集光し、照射対象物４の被照射面に照射する（図１（Ａ））ものである。これにより、焦点Ｐ０における像が照射対象物４の被照射面に転送されるようになっている。

照射対象物４としては、例えば、液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置におけるＴＦＴ（Thin Film Transistor）パネルなどが挙げられる。以下、本実施の形態における照射対象物４は、その一例として、基板４１上にａ−Ｓｉ層４２および加熱層４３が積層されたものとして説明する。

基板４１は、例えばガラス基板などから構成される。また、ａ−Ｓｉ層４２は、実際にアニール処理の対象となる層である。このａ−Ｓｉ層は、アニール処理がなされることでｐ−Ｓｉ化され、ＴＦＴなどの回路素子の一部をなすようになっている。また、加熱層４３は、例えばクロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）またはタングステン（Ｗ）などの高融点物質から構成され、照射光を吸収することで発生する熱を、ａ−Ｓｉ層４２へ伝導させるためのものである。このようにして、照射対象物４のａ−Ｓｉ層４２において、照射光を用いたアニール処理が行われるようになっている。

ステージ５は、照射対象物４を搭載するものである。このステージ５では、図示しない走査制御部による制御に応じて照射対象物４を搭載面内で走査することにより、照射光の照射位置を相対移動させ、照射対象物４の被照射面全体を照射するようになっている。

ここで、半導体レーザ１が本発明における「半導体レーザ光源」の一具体例に対応する。また、Ｙ軸方向が本発明における「第１の方向」の一具体例に対応し、Ｚ軸方向が本発明における「第２の方向」の一具体例に対応する。また、シリンドリカルレンズ２１〜２３が本発明における「均一化光学系」の一具体例に対応し、レンズ２４、ミラー３および対物レンズ２４が、本発明における「照射光学系」の一具体例に対応する。

次に、図１〜図８を参照して、本実施の形態の照射装置の作用について説明する。ここで、図４は、この照射装置による照射光の強度分布を表したものである。また、図５〜図７は、照射光の掃引速度とパワー密度との関係を表したものであり、図５はスマイルがない場合（図１５（Ａ））に対応し（仮想例）、図６はスマイルが従来のように大きい場合（図１５（Ｂ）；スマイルＳ１０２＝１０μｍ程度）に対応し（比較例）、図７が本実施の形態の照射装置に対応するものである。また、図８は、上記比較例に係る照射結果の一例を模式的に表したものであり、被照射面の拡大写真に対応するものである。

まず、半導体レーザ１における複数の半導体レーザ素子１１〜１ｎから、それぞれ、Ｘ軸の正方向へレーザ光が射出される（図１（Ａ），（Ｂ））。次いで、各レーザ光の光束は、シリンドリカルレンズ２１〜２３において互いに重ね合わされ、Ｙ軸方向において均一化される（図１（Ｂ））。次いで、この均一化された光束は、レンズ２４においてＺ軸方向に平行化され（図１（Ａ））、ミラー３において反射されることにより、Ｚ軸の負方向へと導かれる（図１（Ａ））。そして反射光における各光束のＸ軸方向成分が対物レンズ２５によって集光され（図１（Ａ））、照射対象物４の被照射面に照射される。このようにして、Ｙ軸方向を長軸方向とすると共にこのＹ軸方向に均一化された線状ビーム（例えば、長軸方向が約２０００μｍ程度で、短軸方向が約３μｍ程度の線状ビーム）が、照射対象物４へ照射される。

なお、その後照射対象物４では、加熱層４３が照射光を吸収し、これにより発生する熱がａ−Ｓｉ層４２へ伝導する。そしてこのａ−Ｓｉ層４２において、照射光を用いたアニール処理が行われる。

ここで、本実施の形態の照射装置では、上述したように、各半導体レーザ素子１１〜１ｎにおける配置方向（Ｙ軸方向）と直交する方向（Ｚ軸方向）への位置ずれ（スマイルＳ１）が、各半導体レーザ素子におけるＺ軸方向の長さ（高さＨ１）以下となるように設定されている。

よって、例えば図４に示したように、図１６（Ｂ）に示した従来の照射装置（比較例に対応）と比べ、この位置ずれに起因した照射光のパワー密度低下が、従来と比べ抑制される。具体的には、比較例では、照射光のパワー密度が、スマイルがない場合の約４８％まで低下してしまっているのに対し、本実施の形態では、照射光のパワー密度が、スマイルがない場合の約８７％となっている。よって、本実施の形態では、照射光のパワー密度が従来（比較例）と比べて約１．７５倍向上し、より効率的に光照射がなされていることが分かる。

また、上記のように各半導体レーザ素子１１〜１ｎにおけるＺ軸方向の位置ずれが従来と比べて小さいことから、図４によれば、照射光の分布（ここでは、Ｚ軸方向の分布）の幅が、図１６（Ｂ）に示した比較例と比べ、より狭くなっていることが分かる。具体的には、比較例では照射光の分布幅が約（４．９×Ｈ１）（Ｈ１：各半導体レーザ素子１１〜１ｎの高さ）であるのに対し、本実施の形態では、照射光の分布幅が約（３．２×Ｈ１）となっている。なお、図１６（Ａ）に示したスマイルがない場合（仮想例）では、照射光の分布幅は約（２．８×Ｈ１）となっている。よって、本実施の形態では、照射光の分布幅が従来（比較例）と比べて約０．６５倍となり、急峻な分布を形成していることから、所望の照射領域に対し、高い位置精度で光照射がなされていることが分かる。

さらに、本実施の形態の照射装置では、上記のように照射光のパワー密度が従来と比べて向上することから、照射時間の短縮化が可能となり、余分な光照射が抑えられる。

ここで、図５を参照して、照射光の掃引速度とパワー密度との関係について説明する。図５は、図１６（Ａ）に示したスマイルがない場合（仮想例）における照射光の掃引速度とパワー密度との関係を表したものであり、グラフＧ１０Ａは掃引速度が所定の速度ｖであるときの特性を、グラフＧ１０Ｂは掃引速度が速度（２×ｖ）であるときの特性を、グラフＧ１０Ｃは掃引速度が速度（０．５×ｖ）であるときの特性を、それぞれ表している。

図５において、照射光により得られるエネルギーは、グラフＧ１０Ａ〜Ｇ１０Ｃが描く曲線の積分により表される。また、この照射光により得られるエネルギーの一部は、ａ−Ｓｉ層４２の溶解に利用されることなく、熱として放出される。ここで、単位面積当たりかつ単位時間当たりの放出される熱量は、パワー密度と同じ次元で表されることから、この放出される熱量を、図５に示したように最大パワー密度の０．３倍（０．３×Ｐ）であると仮定する。すると、図５に示した各グラフＧ１０Ａ〜Ｇ１０Ｃにおいて、実際にａ−Ｓｉ層４２の溶解に利用されるエネルギーは、（０．３×Ｐ）の値を示す破線よりも上の部分で表される。

図５により、照射光の掃引速度が増加するにつれて、ａ−Ｓｉ層４２の溶解に利用されるエネルギーが小さくなっていることが分かる。また、アニール処理等の加工処理では、所望の加工結果を得るためにはある一定以上のエネルギーが必要となることから、所望の加工処理を達成するための掃引速度には、上限があるということが分かる。仮にスマイルがない場合（仮想例）におけるその掃引速度をｖとした場合、前述のようにスマイルがあると照射光のパワー密度が低下することから、仮想例と同じエネルギーをａ−Ｓｉ層４２の溶解に利用するためには、照射光の掃引速度を下げ、照射時間を長く設定する必要がある。

例えばスマイルが大きい比較例２では、図６に示したように、スマイルがない仮想例（図中のグラフＧ１０Ａ）と比べ、照射光のパワー密度が約４８％に低下している（図中のグラフＧ２０Ａ）。したがって、仮想例と同じエネルギーをａ−Ｓｉ層４２の溶解に利用するためには、照射光の掃引速度を約（０．２６×ｖ）まで下げる必要がある。

ところが、このようにして照射光の掃引速度を落とした場合、図６から分かるように、それに従って放出される熱量も増加する。例えば、図６に示した比較例では、掃引速度を約（０．２６×ｖ）まで下げると、掃引速度がｖの場合と比べ、放射される熱量が約６．８倍に増加する。また、仮に半導体レーザ１の出力を増強させ、仮想例のパワー密度と同じになるように（１００％となるにする）設定した場合でも、前述のように仮想例と比べて照射光の分布幅が広いことから、やはり仮想例と比べ、放射される熱量が約１．９倍に増加することになる。このようにして、照射時間が長くなるにつれて放出される熱も不必要に増大してしまい、照射対象物４の劣化や変形を引き起こすことになる。

図８は、比較例に係る照射結果の一例を表したものであり、スマイルＳ１０２＝１０μｍ、および照射対象物４に照射される線状ビームの短軸方向が１３μｍである場合のものである。この場合、照射光の掃引速度を約４０（ｍｍ／秒）に設定することで、照射対象物４、具体的にはａ−Ｓｉ層４３のアニール処理が可能となる。しかしながら、上記のように放射される熱が不必要に増大し、基板４１に対して過剰な熱供給がなされたため、図中の符号Ｃに示したように、基板４１上にクラックが発生してしまっていることが分かる。

これに対して本実施の形態では、例えば図７に示したように、照射光のパワー密度の低下が、スマイルがない仮想例（図中のグラフＧ１０Ａ）の約８４％（図中のグラフＧ２１）に抑えられる。よって、仮想例と同じエネルギーをａ−Ｓｉ層４２の溶解に利用するためには、掃引速度を約（０．８７×ｖ）まで下げればよく、掃引速度がｖの場合と比較した放射熱量の増加も、約１．２８倍に抑えられる。また、前述のように半導体レーザ１の出力を増強させ、仮想例のパワー密度と同じになるように設定した場合には、さらに放射熱量の増加が抑制され、掃引速度がｖの場合の約１．１６倍になる。よって、図８に示した比較例と同様の条件で光照射を行った場合でも、掃引速度を約１５０（ｍｍ／秒）に設定することでａ−Ｓｉ層４３のアニール処理が可能となり、基板４１上にクラックも発生しない。このようにして、本実施の形態では、照射光の出力が従来と比べ向上することから、照射時間の短縮化が可能となり、余分な光照射が抑えられることが分かる。

以上のように、本実施の形態では、マルチエミッタ型の半導体レーザ１において、各半導体レーザ素子における配置方向（Ｙ軸方向）と直交する方向（Ｚ軸方向）への位置ずれ（スマイルＳ１）が、各半導体レーザ素子におけるＺ軸方向の長さ（高さＨ１）以下となるようにしたので、位置ずれが大きい従来と比べ、照射光のパワー密度低下を抑制すると共に所望の照射領域に対し精度よく光照射を行うことができ、余分な光照射を抑えることができる。よって、過剰な熱供給による照射対象物４の変形や劣化を防止しつつ、光照射を行うことが可能となる。

また、照射光のパワー密度向上に伴い、従来と比べて掃引速度を上げることができるので、照射対象物４における照射処理（例えば、アニール処理など）のスループットを向上させることも可能となる。

［第２の実施の形態］
図９は、第２の実施の形態に係る照射装置の全体構成を表すものであり、図９（Ａ）はＹ軸方向からみた側面図を、図９（Ｂ）はＺ軸方向からみた上面図を、それぞれ表している。なお、第１の実施の形態における構成要素と同一のものには同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施の形態の照射装置は、図１に示した第１の実施の形態の照射装置において、半導体レーザ１の代わりに半導体レーザ１０２を設けると共に、シリンドリカルレンズ２３とレンズ２４との間にマスク６１を設けるようにしたものである。

半導体レーザ１０２は、半導体レーザ１と同様に、複数の半導体レーザ素子がＹ軸方向に沿って配置されたマルチエミッタ型のものである。ただし、この半導体レーザ１０２では、各半導体レーザ素子における配置方向（Ｙ軸方向）と直交する方向（Ｚ軸方向）への位置ずれ（スマイル）が大きく、従来のものと同程度（数μｍ〜１５μｍ程度）になっている。

マスク６１は、半導体レーザ１０２から射出されシリンドリカルレンズ２１〜２３によりＹ軸方向に均一化された光束に対してそのＺ軸方向成分の一部を遮断し、照射対象物４における照射領域を調整するものである。

図１０（Ａ）は、マスク６１の断面構成を、ＺＸ平面で表したものである。このマスク６１は、Ｚ軸方向に沿って配置された基板６１１と、この基板６１１上における半導体レーザ１０２側に積層された透過率調整層６１２とから構成されている。

基板６１１は、例えば石英（ＳｉＯ₂）により構成され、収差を抑えるように面精度が高められたものである。

透過率調整層６１２は、例えばクロム（Ｃｒ）によって構成され、例えば図１０（Ｂ）中のグラフＧ３に示したような透過率分布を示すようになっている。具体的には、マスク６１におけるＺ軸方向の中心部分において透過率が１となるように設定されると共に、外側に向けて透過率が直線的に減少し、Ｚ軸方向の外縁部分において透過率が０となるように設定されている。

なお、このマスク６１は、照射対象物４の被照射面における照射光と共役の位置に配置されることが望ましい。

次に、図９〜図１３を参照して、本実施の形態の照射装置の作用について説明する。ここで、図１１は、マスク６１の作用を表したものであり、図１２は、本実施の形態の照射装置による照射光の強度分布を表したものであり、図１３は、照射光の掃引速度とパワー密度との関係を表したものである。

本実施の形態の照射装置では、まず、第１の実施の形態と同様に、半導体レーザ１０２における複数の半導体レーザ素子から、それぞれ、Ｘ軸の正方向へレーザ光が射出される（図９（Ａ），（Ｂ））。ただし、この半導体レーザ１０２におけるスマイルは、第１の実施の形態の半導体レーザ１におけるスマイルＳ１と比べて大きい（数μｍ〜１５μｍ程度）ため、第１の実施の形態と比べ、射出レーザ光のパワー密度が低く（この場合、スマイルがない場合の約４８％に低下）、照射領域も広くなっている。

次いで、第１の実施の形態と同様に、各レーザ光の光束はシリンドリカルレンズ２１〜２３において互いに重ね合わされ、Ｙ軸方向において均一化される（図１５（Ｂ））。そして均一化された光束は、マスク６１へ入射する（図１５（Ａ），（Ｂ））。

ここで、マスク６１では、透過率調整層６１２における透過率分布（図１０（Ｂ））により、入射した光束の一部、具体的にはＺ軸方向における外側のものが、遮断される。よって、例えば図１１に示したようにマスク６１を透過した光束Ｂ１は、第１の実施の形態と同様にミラー３、レンズ２４および対物レンズ２５を介して照射対象物４の被照射面に照射されるが、その被照射面における照射領域が、マスク６１によって任意に調整可能となる。

具体的には、例えば図１２に示したように、照射光の分布Ｇ４２の幅が、マスク６１がない場合（図１６（Ｂ）に示した比較例に対応）の分布Ｇ４１の幅と比べて狭くなり、急峻な分布を形成するようになる。より具体的には、マスクがない場合（比較例）では照射光の分布幅が約（４．９×Ｈ１）（Ｈ１：各半導体レーザ素子１１〜１ｎの高さ）であるのに対し、本実施の形態では、照射光の分布幅が約（０．５×Ｈ１）となっている。よって、本実施の形態では、照射光の分布幅が従来（比較例）と比べて約０．５倍となり、急峻な分布を形成しているため、所望の照射領域に対し、高い位置精度で光照射がなされていることが分かる。なお、図４に示した第１の実施の形態における照射光分布とは異なり、本実施の形態の照射光分布では、比較例と比べて照射光の出力の最大値は変化していない。

また、マスク６１により、照射光分布の幅が狭くなるように調整されるため、例えば図１３中のグラフＧ５１に示したように、半導体レーザ１０２の出力を増強させ、掃引速度がｖであっても仮想例と同じエネルギーをａ−Ｓｉ層４２の溶解に利用できるようにした場合には、放射される熱量が約１．４倍に抑えられる。よって、図８に示した比較例と同様の条件で光照射を行った場合でも、掃引速度を約１００（ｍｍ／秒）に設定することでａ−Ｓｉ層４３のアニール処理が可能となり、マスク６１を設けない場合では発生していた基板４１上のクラックも、発生しなくなる。このようにして本実施の形態でも、マスク６１によって照射光分布の幅が狭くなるように調整されることから、照射時間の短縮化が可能となり、余分な光照射が抑えられることが分かる。

以上のように、本実施の形態では、マスク６１を用いて照射対象物４における照射領域を調整し、所望の照射領域の周辺に対する光照射を抑制するようにしたので、余分な光照射を抑えることができる。よって、第１の実施の形態と同様に、過剰な熱供給による照射対象物４の変形や劣化を防止しつつ、光照射を行うことが可能となる。

なお、本実施の形態では、図１０（Ｂ）に示したように、透過率調整層６１２による透過率分布が直線的に変化する場合で説明したが、例えば図１４（Ａ）に示したマスク６２のように、基板６２１上の透過率調整層６２２による透過率分布が、例えば図１４（Ｂ）中のグラフＧ６のように、多段階に変化するようにしてもよい。具体的には、例えばＣｒにより構成された４層の膜において、１層目の厚みを約４０ｎｍ、２層目の厚みを約５０ｎｍ、３層目の厚みを約９０ｎｍ、４層目の厚みを約３２０ｎｍの厚みとすると共に、各層の幅を５００ｎｍごとに変化させた階段状のものとする。このように構成した場合でも、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。

以上、第１および第２の実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施の形態では、照射対象物４において加熱層４３を設け、この加熱層４３に照射光を吸収させることにより、ａ−Ｓｉ層４２を間接的にアニール処理するようにした場合について説明したが、射出レーザ光の波長領域によっては、加熱層４３を設けず、ａ−Ｓｉ層などを直接アニール処理するようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、照射装置における光学系の構成を具体的に挙げて説明したが、光学系の構成はこれには限られない。具体的には、例えば均一化光学系を、シリンドリカルレンズ以外のもので構成するようにしてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る照射装置の全体構成を表す端面図である。図１に示した半導体レーザの構成を表す端面図である。半導体レーザ素子の配置構成を表す模式図である。図１に示した照射装置における照射光の強度分布を表す特性図である。仮想例に係る照射光の掃引速度とパワー密度との関係を表す特性図である。比較例に係る照射光の掃引速度とパワー密度との関係を表す特性図である。図１に示した照射装置における照射光の掃引速度とパワー密度との関係を表す特性図である。比較例に係る照射結果の一例を説明するための模式図である。第２の実施の形態に係る照射装置の全体構成を表す端面図である。図９に示したマスクの構成を表す図である。図９に示したマスクの作用を説明するための模式図である。図９に示した照射装置における照射光の強度分布を表す特性図である。図９に示した照射装置における照射光の掃引速度とパワー密度との関係を表す特性図である。第２の実施の形態の変形例に係るマスクの構成を説明するための図である。従来の照射装置における半導体レーザ素子の配置構成を表す模式図である。従来の照射装置における照射光の強度分布を表す特性図である。

符号の説明

１…半導体レーザ、１０…レーザダイオードバー、１１〜１ｎ…半導体レーザ素子、２１〜２３…シリンドリカルレンズ、２４…レンズ、２５…対物レンズ、４…照射対象物、４１…基板、４２…ａ−Ｓｉ層、４３…加熱層、５…ステージ、６１，６２…マスク、６１１，６２１…基板、６１２，６２２…透過率調整層、Ｓ１…スマイル。

Claims

複数の半導体レーザ素子がそれぞれ第１の方向に沿って配置されると共に、各半導体レーザ素子における前記第１の方向と直交する第２の方向への位置ずれがいずれも自己の第２の方向の長さ以下となるように設定された半導体レーザ光源と、
前記複数の半導体レーザ素子からそれぞれ射出される射出レーザ光の光束を照射対象物へ照射する照射光学系と
を備えたことを特徴とする照射装置。
前記射出レーザ光の光束をそれぞれ重ね合わせる均一化光学系を備え、
前記照射光学系は、前記均一化光学系により均一化された光束を前記照射対象物へ照射する
ことを特徴とする請求項１に記載の照射装置。