JP2008060274A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
レーザビーム中のノイズ光の衝撃による悪影響を低減でき、主ビームのみのパワーをモニタし、フィードバックすることの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、出射面からレーザ光を出射するレーザ発振器の出射面より下流の光軸上に配置された空間フィルタを含む。空間フィルタより下流の光軸上にズームレンズ光学系、ホモジナイザ光学系、被加工物を載置するＸＹステージ、配置する。
【選択図】 図１

Description

本発明はレーザ加工装置に関し、特にビーム形状を加工して照射面に照射するレーザ加工装置に関する。光の進行方向に基づき、上流、下流の用語を用いる。光源から照射面までの間の位置においては、光源側が上流、照射面側が下流である。

レーザ加工においては、レーザ発振器から出射されたレーザビームを被加工物上に照射して、被加工物を加工する。広い面積を照射する場合は、例えば１方向に長い長尺状のビーム形状に加工し、被加工物上を短尺方向に走査する。制限的ではないが、以下エキシマレーザを用いたアモルファスシリコン膜のポリシリコン膜への変換用レーザアニーリングを例にとって説明する。

アクティブマトリクス液晶表示装置は、画素毎にスイッチング用薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を有する。ＴＦＴは、ガラス基板上に堆積したシリコン膜を用いて形成される。耐熱性の低いガラス基板上にポリシリコン膜を堆積することはできない。ガラス基板上に堆積したアモルファスシリコン膜を用いて形成したＴＦＴは、多結晶シリコン膜を用いて形成したＴＦＴと比べて性能が劣る。ガラス基板上に堆積したアモルファスシリコン膜をレーザでアニールすることで多結晶シリコン膜に変質させることができる。このために、例えばＸｅＣｌエキシマレーザが用いられる。

エキシマレーザ光を、例えば幅０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ、長さ３６０ｍｍ〜４００ｍｍの、線状の長尺ビームに成形し、アモルファスシリコン膜上を短尺方向に走査することで、アモルファスシリコン膜の面を結晶化する。長尺ビームの光強度が一定でないと、加工精度が劣化する。照射面上での光強度を均一化するために、例えばシリンドリカルレンズアレイの対を有するホモジナイザが用いられる。例えば、光軸（ｚ軸とする）に直交する面（ｘｙ面とする、照射面もｘｙ面である）内の１方向（ｘ方向とする、長尺ビームの長尺方向である）の光強度を均一化するために、軸がｙ方向であるシリンドリカルレンズをｘ方向に並べたｙ方向シリンドリカルレンズｘ方向アレイの対を、ｚ方向に所定距離離して配置し、さらに収束レンズを配置する。前段のシリンドリカルアレイがビームを細分化し、後段のシリンドリカルレンズアレイ、収束レンズが細分化されたビームを再合成することで光強度分布を均一化する。ｙ方向の光強度も均一化するためには、一対のｘ方向シリンドリカルレンズｙ方向アレイも配置する。光強度分布が均一化されたレーザビームが照射面上に照射される。

特開平１０−１５３７４７号（出願人：住友重機械工業）は、シリンドリカルレンズアレイの対と空間フィルタとを組み合わせたビームホモジナイザを提案する。ここで、ビームホモジナイザは空間フィルタとホモジナイザとを含む構成を意味するものとする。空間フィルタは、第１の収束レンズと、焦点面に配置されたスリットと、スリットからの発散光を収束する第２の収束レンズとを含む。スリットで遮光される光は、主光束と異なる方向に進行するノイズ光である。ノイズ光を除去することにより照射面上での，光強度の均一性（例えばトップフラット率）が向上する。照射ビームが１方向に長い長尺形状の場合、短尺方向のノイズ成分の影響をより大きく受けるので、例えばシリンドリカルレンズアレイの前に、長尺方向に長く、短尺方向を制限するスリットとその前後のシリンドリカルレンズから成る空間フィルタを配置する。ホモジナイザ内の前段シリンドリカルレンズアレイがホモジナイザ内で複数の焦点を結ぶ場合、各焦点の位置にスリットを配置すると空間フィルタの機能が得られる。ｘ方向、ｙ方向のノイズ光を共に除去することもできる。

しかし、この方法では、シリンドリカルレンズは焦点距離が短く、レーザ光のドリフト等で当該レンズに入射する位置、角度が異なれば、容易にスリットに当たってしまうという欠点を有する。

特開平１０−１５３７４７号公報 パルス発振エキシマレーザは、１０ｎｓｅｃ〜５０ｎｓｅｃとパルス時間幅が短く、出射レーザ光は、キャビティ内を数回往復しただけで出射し、出射レーザ光の平行性は高くない。誘導放出光と共にスポンティニアス光も放射される。また、腐食性ガスを含むため、化学反応を生じ、ダストや堆積を生じ、使用と共にレーザ出力に経時変化が生じ、出射ウインドウにも曇りが発生する。これらにより、寄生発振が生じる。出射エキシマレーザビームは、レーザ出口ではその位置はほとんど同じで、主ビームの他主ビームとは異なる方向に進行するノイズ光を含む。

ノイズ光は、レーザ加工にあまり寄与せず、照射面状の光強度の均一性を劣化させる。空間フィルタを内蔵するホモジナイザを用いれば、ノイズ光を低減させ、トップフラット率を改善することができる。ホモジナイザは、照射面の直前に配置され、レーザ発振器とホモジナイザとの間にはダイバージェンシ補正光学系、ズームレンズ光学系などの光学系が配置される。

ノイズ光も１０ｎｓｅｃ〜５０ｎｓｅｃとパルス時間幅が短く、エネルギ尖頭値は高い。ホモジナイザに達するまでの間に、ノイズ光は光学素子のホルダなどに当たり、メッキを剥離させたり、塗装材、潤滑剤等の有機材料を蒸発させ、炭化物を堆積させたりする。

レーザ共振器出射面直後で測定するレーザパワーはノイズ成分を含むものであり、主ビームのみのパワーは測定できない。照射面上の光強度も測定できるが、照射ビームの全部の測定であり、主ビームのみの測定ではない。

本発明の目的は、レーザビーム中のノイズ光の衝撃による悪影響を低減できるレーザ加工装置を提供することである。

本発明の他の目的は、主ビームのみのパワーをモニタし、フィードバックすることのできるレーザ加工装置を提供することである。

本発明の１観点によれば、
出射面からレーザ光を出射するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器の出射面より下流の光軸上に配置された空間フィルタと、
前記空間フィルタより下流の光軸上に配置されたズームレンズ光学系、ホモジナイザ光学系と、
被加工物をホモジナイザ光学系より下流の光軸上の照射面上に載置するＸＹステージと、
を有するレーザ加工装置
が提供される。

ノイズ光を空間フィルタで除去した後、ズームレンズ光学系、ホモジナイザ光学系にレーザビームが入射するので、ノイズ光の衝撃による悪影響を低減できる。

ノイズ光を除去した状態で、レーザビームのエネルギをモニタすれば、主ビームのみのパワーをモニタ可能となる。主ビームのパワーに基づいて制御をすれば、より高精度の制御が可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明の実施例によるレーザ加工装置の構成を概略的に示す斜視図である。エキシマレーザ１１からの出射光は、ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３を介して空間フィルタＳＦに入射し、ノイズ光を除去する。ノイズ光を除去したレーザビームは、レンズＬ１でダイバージェンシを補正し、ミラーＭ５を介してバリアブルアッテネータ１４に入射する。

ミラーＭ５は、切り替えミラーであり、光路上から退避して、エネルギメータ２１にレーザビームを入射させることもできる。エネルギメータ２１は、入射ビームのエネルギを測定し、測定値を制御回路２２に送る。制御回路２２は、バリアブルアッテネータ１４及びエキシマレーザ１１を制御する。

バリアブルアッテネータ１４を通過したレーザビームは、ズームレンズ光学系１５でレーザビームを１方向に拡大し、長尺ビームを形成する。ズームレンズ光学系１５の出射ビームは、ミラーＭ６、Ｍ７、Ｍ８を介し、ホモジナイザシリンドリカルレンズ部１６に入射し、シリンドリカルレンズアレーの対による均一化を受ける。ホモジナイザシリンドリカルレンズ部１６を出射した光は、ミラーＭ９を介してホモジナイザフォーカスレンズ部１７に入射し、収束レンズによりＸＹステージ１８上の照射面に、例えば幅０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ、長さ３６０ｍｍ〜４００ｍｍの線状に整形された、長尺レーザビームを照射する。ＸＹステージ１８は、ｘ方向及びｙ方向に走査を行うことができる。ズームレンズ光学系１５、ホモジナイザ１６、１７、ＸＹステージ１８の構成は公知のものである。

ミラーは光路の方向を変更するのみであり、光束の収束、発散に関しては何の作用もしない。この意味で、空間フィルタＳＦはエキシマレーザ１１の出射口の直後に配置されていると考えることもできる。

図２は、エキシマレーザ１１の構成を概略的に示す断面図である。反応容器１は、セラミクス製の筒の両端にＳＵＳ製のフランジ部が取り付けられた構成を有する。一方のフランジ部の開口には、石英ガラスの１表面上に１００％反射の誘電体多層膜が形成された全反射ミラー２が取り付けられている。他方のフランジの開口部には、反射防止の誘電体多層膜が形成されたＭｇＦ_２ウインドウ３が取り付けられている。ウインドウ３は、全反射ミラー２に対して傾けて配置され、例え反射率が生じてもキャビティを形成しないように設計されている。ウインドウ３の外側に、内側表面に所定の反射率を有する誘電体多層膜、外側表面に反射防止の誘電体多層膜を形成したＭｇＦ_２基板の部分透過ミラー４が配置されている。部分透過ミラー４は、全反射ミラー２と平行に配置され、キャビティを構成する。反応容器１内には、対向電極５,６が配置され、パルス放電回路７から放電電力が供給される。予備電離回路９からの予備電力も供給される。対向放電電極5、６の間隔は例えば３８ｍｍであり、対向する幅は３０ｍｍである。この対向電極５，６間に例えば２４ｋＶ〜３０ｋＶの電圧が印加される。

反応容器１には、ガス循環用のガス流路８が設けられ、作動ガスを循環させる。作動ガスは、例えば
ＨＣｌ：０．０４％、
Ｘｅ：０．４２％、
Ｈ_２：０．０２％、
Ｎｅ：残部
のガス組成を有する。

このようなＸｅＣｌエキシマレーザの発振により、波長３０８ｎｍのレーザ光が例えばハルス幅５０ｎｓ、出力３００Ｗ（１Ｊ＠３００Ｈｚ）で出射する。

作動ガスは、Ｃｌを含む腐食性ガスであり、レーザの運転と共に反応生成物を発生する。反応生成物は作動ガス中に浮遊するダスト状の粒子を形成し、反応容器内面に堆積物を生じさせる。作動ガスは循環路８を介して循環され、フィルタリングされるが、フィルタリングのみによっては反応生成物は除去しきれない。反応容器内面、特にウインドウの表面には反応生成物が堆積する。作動ガス中の浮遊物や、ミラー２、ウインドウ３表面の堆積物で散乱された光はノイズ光になる。ウインドウ表面の堆積物は反射率を増大させ、場合によってはミラー２との間にキャビティを形成し、寄生発振を生じさせることもある。寄生発振光もノイズ光の一種である。エキシマレーザの主たる出力ビームの強度は、次第に低下し、寄生発振光を含むノイズ光は次第に増加する傾向を有する。主たる出力ビームを一定に保つために、バリアブルアッテネータ１４の減衰率を次第に低下させる。アッテネータの調整で間に合わなくなると、対向電極５，６間に印加される電圧を増大する。

図３Ａ、３Ｂは、空間フィルタＳＦの構成をミラーＭ４を省略して示す概略断面図である。図３Ａがｘｚ面内の構成を示し、図３Ｂがｙｚ面内の構成を示す。シリンドリカルレンズＣＬｘ１は、ｘ方向に焦点距離を有するシリンドリカルレンズであり、ｙ方向に関しては素通りである。シリンドリカルレンズＣＬｙ１は、ｙ方向に焦点距離を有するシリンドリカルレンズであり、ｘ方向に関しては素通りである。ｘ方向の焦点位置に、スリットＳＬｘがｘ方向のビーム幅を制限するように配置される。ｙ方向の焦点位置には、スリットＳＬｙがｙ方向のビーム幅を制限するように配置される。スリットＳＬｘ、ＳＬｙは、それぞれ主ブームを通過させるが、ノイズ光は遮蔽するように配置される。

円状開口のアイリスとその前後の単レンズで構成される一般的な空間フィルタは、焦点に全光束を集光する。高出力のエキシマレーザをｘ方向、ｙ方向同時に集光すると、１点に過大なエネルギが集中するため、伝送雰囲気である空気または窒素ガスを電離分解（エアブレイクダウン）させる。エアブレイクダウンが生じると、電離分解にレーザビームのエネルギが消費されるため、以降のレーザエネルギは大きくうねるように変化し、加工面上のエネルギ安定性、均一性は失われる。ｘ方向、ｙ方向を光軸上別の位置に集光することにより、過度のエネルギ集中を避けることができる。このため、ｘ方向、ｙ方向それぞれに対してビーム幅を制限する（直交方向は十分広くとる）スリットとスリット前後のシリンドリカルレンズ対を用いる。

レンズの焦点位置におけるビーム径ω_０は、簡易的に
ω_０＝２．４４ｆλ／Ｄ
であらわされる。ここで、ｆはシリドリカルレンズの焦点距離、λはレーザの波長、Ｄは入射のビームサイズである。例えば、レーザ出口直後のビームを集光する場合、ＸｅＣｌレーザの場合は、λ＝３０８×１０^-9ｍ、放電方向ビームサイズ３８ｍｍ、水平方向ビームサイズ３０ｍｍとして、シリンドリカルレンズの焦点距離ｆを１ｍとすると、
ω_０＝２．４４×１×３０８×１０^-9／（３８×１０^-3又は３０×１０^-3）≒２０μｍ
となる。レーザ出口に配置する場合は、スリットの幅はビーム径の２０〜３０倍程度が妥当である。すなわち、０．４ｍｍ〜０．６ｍｍ程度が妥当となる。このスリットにより、不要なノイズ光（スポンティニアス光や寄生発振光）を除去できる。ノイズ光を除去することにより、主ビームのみを下流に供給することが可能となる。空間フィルタＳＦは、遮光性のエンクロージャで囲み、スリットで反射されたノイズ光が下流に漏洩しないようにする。ズームレンズ光学系１５や、ホモジナイザシリンドリカルレンズ部１６、ホモジナイザフォーカスレンズ部１７においては、ノイズ光が除去されているため、ノイズ光の衝撃による悪影響を避けることができる。

又、エネルギメータ２１は、ノイズ光を除去された主ビームのみを受光するので、主ビームのエネルギに基づく制御を可能とする。バリアブルアッテネータ１４でビームを減衰させている場合は、主ビームの減衰と共にアッテネータの減衰率を減少させ、アッテネータの調整のみでは、主ビームを一定強度に保てなくなる時には、パルス放電回路の印加電圧を上昇させて一定出力の主ビームを得るように制御する。ノイズ光を除去した主ビームの強度によって制御がされるので、レーザ加工の精度を向上させることができる。

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、エキシマレーザはＸｅＣｌに限らない。他のエキシマレーザにおいても同様の機能が発揮できる。さらに、エキシマレーザに限らず、出力の変動しやすいガスレーザに上述の構成を適応することが可能であろう。ｘ方向、ｙ方向の両方向の空間フィルタを設ける場合を説明したが、１方向のみの空間フィルタでも効果は期待できる。この場合は、長尺レーザビームを用いる場合、短尺方向のノイズ光を除去するほうが効果が大きいと考えられる。空間フィルタＳＦは、レーザ発振器の直後に配置するのが好ましいが、目的、用途によってはレーザ発振器と空間フィルタとの間にミラー以外の他の光学素子を配置してもよい。その他、種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは問う業者に自明であろう。

本発明に実施例によるレーザ加工装置の構成を概略的に示す斜視図である。 図１のレーザ加工装置のレーザ発振器の構成を概略的に示す断面図である。 図３Ａ、３Ｂは、空間フィルタの構成を概略的に示す断面図である。

符号の説明

ＳＦ 空間フィルタ、 ＣＬ シリンドリカルレンズ、 ＳＬ スリット、 １ 反応容器、 ２ １００％反射ミラー、 ３ ウインドウ、 ４ 部分反射ミラー、 ５、６ 放電電極、 ７ パルス放電回路、 ８ ガス循環路、 ９ 予備電離回路、 １１ レーザ発振器、１４ バリアブルアッテネータ、 １５ ズームレンズ光学系、１６ ホモジナイザシリンドリカルレンズ部、 １７ ホモジナイザフォーカスレンズ部、１８ ＸＹステージ

Claims (10)

1. 出射面からレーザ光を出射するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器の出射面より下流の光軸上に配置された空間フィルタと、
   前記空間フィルタより下流の光軸上に配置されたズームレンズ光学系、ホモジナイザ光学系と、
   被加工物をホモジナイザ光学系より下流の光軸上の照射面上に載置するＸＹステージと、
   を有するレーザ加工装置。
2. 前記レーザ発振器が、１０ｎｓｅｃオーダのパルス時間幅を有するパルスレーザ光を出射するパルスレーザ発振器である請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 前記レーザ発振器が、エキシマレーザ発振器である請求項１または２記載のレーザ加工装置。
4. 前記ズームレンズ光学系が、前記照射面上のレーザビームを長尺形状に成形する請求項１〜３のいずれか１項記載のレーザ加工装置。
5. 前記空間フィルタが、前記照射面状の長尺形状の短尺方向を制限するスリットと、該スリットの位置に焦点を有する第１短尺方向シリンドリカルレンズと、該スリットから発散しつつ進行するレーザビームを収束する第２短尺方向シリンドリカルレンズとを含む請求項４記載のレーザ加工装置。
6. 前記空間フィルタが、前記照射面上で交差する２方向に関し、異なる位置に焦点を有する入射側シリンドリカルレンズ対と、前記異なる焦点位置に配置された異なる方向のスリットと、前記異なる焦点位置から発散しつつ進行するレーザビームを収束する出射側シリンドリカルレンズ対とを含む請求項１〜５のいずれか１項記載のレーザ加工装置。
7. 前記交差する２方向が、前記レーザ発振器の放電方向と該放電方向に交差する方向である請求項６記載のレーザ加工装置。
8. 前記ズームレンズ光学系の上流側に配置されたバリアブルアッテネータと、
   前記空間フィルタと前記バリアブルアッテネータの間に配置されたエネルギメータと、
   前記エネルギメータの出力を前記バリアブルアッテネータ、前記レーザ発振器にフィードバックする制御装置と、
   をさらに有する請求項１〜７のいずれか１項記載のレーザ加工装置。
9. 前記制御装置は、前記エネルギメータが測定したエネルギが初期値から第１の値までの減衰に対して前記バリアブルアッテネータの減衰率を低下させる請求項８記載のレーザ加工装置。
10. 前記制御装置は、前記エネルギメータが測定したエネルギの減衰に基づき、前記レーザ発振器の印加電圧を増加させる請求項８または９記載のレーザ加工装置。

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