JP2008096153A - ビームプロファイル計測装置及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高精度の計測を行うことができるビームプロファイル計測装置を提供する。
【解決手段】 ビームプロファイル計測装置は、受光面上の光強度分布を測定する光強度分布測定器と、第１の面を通過した光ビームが入射し、光ビームの第１の面上の断面の第１の方向に関する寸法を、第１の倍率で拡大または縮小し、該断面の、第１の方向と交差する第２の方向に関する寸法を、第１の倍率と異なる第２の倍率で拡大または縮小して、該断面を、光強度分布測定器の受光面上に結像させるレンズ光学系とを有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光ビームの断面内の光強度分布を計測するビームプロファイル計測装置に関する。本発明はまた、ビームプロファイルの計測機能を有するレーザ加工装置に関する。

表面に非晶質シリコン膜が形成された基板に、例えば、エキシマレーザのパルスの照射を繰り返すことにより、非晶質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。
このようなレーザアニールを行うに当たっては、ホモジナイザを用いて、レーザビームの断面を一方向に細長い長尺形状に整形する（ラインビームとする）とともに、整形されたビーム断面内の光強度分布を均一に近づける。
基板表面に照射されるレーザビーム断面内の光強度分布が適切でないと、形成される多結晶シリコン膜の品質を高めることができない。そこで、ホモジナイザから出射したレーザビームの断面内の光強度分布を監視する種々の技術が考えられている。

図３（Ａ）〜図３（Ｃ）を参照して、ビームプロファイルの計測技術の従来例について説明する。

図３（Ａ）を参照する。レンズを用いてラインビームを縮小する方法が開示されている（特許文献１参照）。

アスペクト比の高いラインビーム１１０が、ラインビーム１１０の光路上に配置されたレンズ１１１に入射する。ラインビーム１１０は、レンズ１１１によって縮小され、計測器１１３の計測素子１１２、例えばＣＣＤカメラに入射する。レンズ１１１は、ラインビーム１１０の全体が計測素子１１２に入射するように、ラインビーム１１０を縮小する。計測素子１１２に入射するラインビーム１１０の断面は、ホモジナイザで整形された縮小前のビーム断面と相似である。計測素子１１２により、ラインビーム１１０のビームプロファイルが計測される。

この方法によると、ラインビーム１１０全体のビームプロファイルを同時計測することができる。しかしながら、ラインビーム１１０のアスペクト比が高いとき、長軸方向のプロファイルは精度良く計測可能であっても、計測素子１１２に入射するビーム断面の幅が非常に狭いことに起因して、短軸方向のプロファイルを充分な精度で計測することが難しい。

図３（Ｂ）を参照する。本図を参照して、複数の計測器１１３を用いて行うビームプロファイル計測方法について説明する。

複数の計測器１１３がラインビーム１１０の光路上に、ラインビーム１１０の長軸方向に沿って並ぶように配置されている。ラインビーム１１０の全体が、並列配置された複数の計測器１１３に入射し、ビームプロファイルの計測が行われる。

この方法によれば、レンズによる縮小の不利益を避けながら、長軸方向プロファイル、及び、短軸方向プロファイルを同時計測することができる。しかし、例えばラインビーム１１０のうち、隣り合う計測素子１１２間の隙間の領域ｄに入射した部分のビームプロファイルを計測することができず、長軸方向に未計測部分を生じる。

図３（Ｃ）を参照する。例えばレール１１４上に移動可能に設置された計測器１１３を、ラインビーム１１０の長軸方向（図の矢印方向）に走査して、ビームプロファイルを計測する技術が知られている。

計測器１１３は、ラインビーム１１０の光路上を、ラインビーム１１０の長軸方向に沿って移動する。ラインビーム１１０のうち、計測素子１１２に入射した部分のビームプロファイルが計測される。
この方法は、ラインビーム１１０の一部を長軸方向に沿って切り取って計測を行うため、ラインビーム１１０の短軸方向のプロファイルを十分な分解能で計測することができる。しかし、ラインビーム１１０全体のビームプロファイルを計測するためには、計測器１１３を走査することを要する。また、ラインビーム１１０について、長軸方向のビーム形状や、短軸プロファイルの長軸方向の分布を測定する際に、時間的に同時計測ができないという不利益がある。

特開２００６−４９６０６号公報

図３（Ａ）を参照して説明した従来技術では、ラインビーム全体のビームプロファイルを同時計測することができる。しかし、短軸方向のプロファイルの測定精度を高めることが難しい。図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）を参照して説明した従来技術では、ラインビーム全体のビームプロファイルを同時計測することができない。従来技術では、ビームプロファイルの計測精度を高めることが難しい。

本発明の一目的は、高精度の計測を行うことができるビームプロファイル計測装置を提供することである。

本発明の他の目的は、高精度でビームプロファイルを計測する機能を有するレーザ加工装置を提供することである。

本発明の第１の観点によれば、受光面上の光強度分布を測定する光強度分布測定器と、第１の面を通過した光ビームが入射し、該光ビームの該第１の面上の断面の第１の方向に関する寸法を、第１の倍率で拡大または縮小し、該断面の、該第１の方向と交差する第２の方向に関する寸法を、該第１の倍率と異なる第２の倍率で拡大または縮小して、該断面を、前記光強度分布測定器の受光面上に結像させるレンズ光学系とを有するビームプロファイル計測装置が提供される。

本発明の第２の観点によれば、レーザビームを出射する光源と、前記光源から出射されたレーザビームが入射し、第１の面上のビーム断面が、第１の方向に関して第１の寸法を持ち、該第１の方向と交差する第２の方向に関して該第１の寸法と異なる第２の寸法を持つように、該レーザビームの断面を整形するビーム断面整形光学系と、受光面上の光強度分布を測定する光強度分布測定器と、前記ビーム断面整形光学系から出射して前記第１の面を通過したレーザビームが入射し、該第１の面上のレーザビームの断面の前記第１の方向に関する寸法を、第１の倍率で拡大または縮小し、該断面の前記第２の方向に関する寸法を、該第１の倍率と異なる第２の倍率で拡大または縮小して、該断面を前記受光面上に結像させるレンズ光学系と、加工対象物を保持する保持台とを有し、前記レンズ光学系は、前記光強度分布測定器の受光面上の光強度分布を測定可能な範囲内に像が収まるように、前記第１の面上のレーザビームの断面を拡大または縮小するレーザ加工装置が提供される。

レンズ光学系により、第１の面上のビーム断面の第１の方向に関する寸法と、第２の方向に関する寸法とを、それぞれ独立な所望の倍率で拡大または縮小することができる。これにより、第１の面上のビーム断面に対応するビームプロファイルを、第１及び第２の方向の双方について精度良く計測することが可能となる。

図１を参照して、本発明の実施例によるレーザ加工装置について説明する。レーザ光源１が、レーザビームを出射する。レーザ光源１から出射されたレーザビームが、ホモジナイザ２に入射し、ホモジナイザ２から出射したレーザビームが、折り返しミラー３で反射されて、加工対象物４に入射する。

ホモジナイザ２は、それに入射したレーザビームの断面を、ホモジナイズ面Ｐ２上で一方向に細長い長尺形状に整形するとともに、ビーム断面内の光強度分布を均一に近づける。ホモジナイズ面Ｐ２上のビーム断面の大きさは、例えば、長軸方向の寸法（長さ）が１０ｍｍで、短軸方向の寸法（幅）が０．２ｍｍである。ホモジナイザ２として、例えば、アレイレンズとフォーカスレンズとから構成されるものを用いることができる。

加工対象物４の被加工面が、ホモジナイズ面Ｐ２上に配置されるように、ＸＹステージ５が、加工対象物４を保持する。加工対象物４は、例えば、表面に非晶質のシリコン膜が形成されたガラス基板である。ＸＹステージ５が、被加工面に平行な方向に加工対象物４を移動させることにより、被加工面上のレーザビームの入射位置が移動する。長尺形状に整形されたレーザビームを、被加工面上でビーム断面の短軸方向（幅方向）に走査することにより、走査された領域のシリコン膜を多結晶化することができる。

ＸＹステージ５に、ビームプロファイル計測装置６が取り付けられている。ＸＹステージ５により、ビームプロファイル計測装置６を、レーザビームが入射可能な位置に移動させることができる。ビームプロファイル計測装置６は、レーザビームの断面内の光強度分布（ビームプロファイル）を測定する。

次に、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）を参照して、ビームプロファイル計測装置６について詳しく説明する。図２（Ａ）は、ホモジナイズ面Ｐ２上のビーム断面の長軸方向（長さ方向）に平行な視線で見たビームプロファイル計測装置６及びそれに入射した光の光路の概略図であり、図２（Ｂ）は、ホモジナイズ面Ｐ２上のビーム断面の短軸方向（幅方向）に平行な視線で見たビームプロファイル計測装置６及びそれに入射した光の光路の概略図である。

ビームプロファイル計測装置６は、レンズ光学系６３と、プロファイラ６４とを有する。レンズ光学系６３は、短軸用シリンドリカルレンズ６１及び長軸用シリンドリカルレンズ６２からなり、ホモジナイズ面Ｐ２上のビーム断面を、受光面Ｐ６上に結像させる。

短軸用シリンドリカルレンズ６１は、その母線方向がホモジナイズ面Ｐ２上のビーム断面の長さ方向と平行であり、長軸用シリンドリカルレンズ６２は、その母線方向がホモジナイズ面Ｐ２上のビーム断面の幅方向と平行である。短軸用シリンドリカルレンズ６１は、ビーム断面の幅方向の寸法を変化させるが、長さ方向の寸法は変化させない。長軸用シリンドリカルレンズ６２は、ビーム断面の長さ方向の寸法を変化させるが、幅方向の寸法は変化させない。

ホモジナイズ面Ｐ２上でのビーム断面の幅は、例えば０．２ｍｍである。短軸用シリンドリカルレンズ６１は、これを例えば２０倍に拡大して、受光面Ｐ６上の像の、元の断面の幅方向に対応する方向（これを単に幅方向と呼ぶこととする）の寸法を例えば４ｍｍにする。

ホモジナイズ面Ｐ２上でのビーム断面の長さは、例えば１０ｍｍである。長軸用シリンドリカルレンズ６２は、これを例えば１／２倍に縮小して、受光面Ｐ６上の像の、元の断面の長さ方向に対応する方向（これを単に長さ方向と呼ぶこととする）の寸法を例えば５ｍｍにする。

プロファイラ６４が、受光面Ｐ６上の像内の光強度分布を、長さ方向及び幅方向の双方について測定する。プロファイラ６４として、例えばＣＣＤカメラが用いられる。プロファイラ６４として例えばＣＣＤカメラを用いたとき、受光面Ｐ６上の光強度分布を測定可能な範囲は、例えば、長さ方向及び幅方向のそれぞれについて、例えば５ｍｍ程度である。

図２（Ｃ）に、ホモジナイズ面Ｐ２上のビーム断面Ｓ２、及び受光面Ｐ６上のビーム断面Ｓ６（像Ｓ６）を示す。ホモジナイズ面Ｐ２上のビーム断面Ｓ２に比べて、像Ｓ６は、長さ方向に縮小され、幅方向に拡大されている。像Ｓ６が、プロファイラ６４の光強度分布を測定可能な範囲Ａ内に収まっている。

ホモジナイズ面Ｐ２上のビーム断面Ｓ２の長さは、例えば１０ｍｍなので、そのままではプロファイラ６４の測定可能範囲Ａに収まらない。レンズ光学系６３が、ビーム断面Ｓ２を長さ方向に関して縮小する。これにより、長さ方向に関して、像Ｓ６をプロファイラ６４の測定可能範囲Ａに収められる。

ホモジナイズ面Ｐ２上のビーム断面Ｓ２の幅は、例えば０．２ｍｍと狭い。レンズ光学系６３が、ビーム断面Ｓ２を幅方向に関して拡大する。これにより、幅を拡大しない場合に比べて、幅方向の光強度分布の測定精度を向上させることができる。

プロファイラ６４の光強度分布を測定可能な範囲Ａに、像Ｓ６の全体が収まっている。これにより、像Ｓ６のビームプロファイルを、ビーム断面全体について同時計測することができる。

なお、ビーム断面の長さを縮小すれば、長さ方向の光強度分布の測定精度が、縮小しない場合に比べて低下する。しかし通常、長さ方向の光強度分布を測定する目的は、長さ方向の光強度分布の大局的な不均一性を検知することにあるので、ビーム断面の長さを縮小しても、充分な測定精度が保たれる。

次に、再び図１を参照して、ビームプロファイル計測装置６の使用方法について説明する。加工対象物４にレーザ照射を行うとき、ビームプロファイル計測装置６はレーザビームが入射しない位置に退避される。ビームプロファイルの計測を行うとき、ビームプロファイル計測装置６をレーザビームの入射可能な位置に配置し、レーザビームをビームプロファイル計測装置６に入射させる。

プロファイラ６４で測定されたビームプロファイルに対応するデータが、制御装置１０に送られる。制御装置１０は、測定されたビームプロファイルが、許容されるものであるかどうか判定し、許容されない場合は警告を発する。制御装置１０から警告が発せられた場合は、例えば、レーザ光源１からのレーザビームの出射を停止させ、所望の光強度分布が得られるように、ホモジナイザ２の光学系等を調整する。

以上説明したように、本実施例のレーザ加工装置では、ホモジナイザが長尺形状に整形したビーム断面に対応するビームプロファイルを、ビーム断面全体について同時計測することができる。また、ビーム断面の幅を拡大して、幅方向のプロファイルを計測することができる。このため、ビームプロファイルが精度よく計測される。

なお、上記実施例では、長尺形状の断面のビーム（ラインビーム）についてビームプロファイルを計測する例を説明したが、他の形状の断面（例えば、楕円、三角形等）のビームについても、ビームプロファイルを計測することができる。

ビームプロファイルを計測したいビーム断面の像が、プロファイラの受光面上の光強度分布を測定可能な範囲内に収まるように、レンズ光学系を構成すればよい。ビーム断面内の一方向と、それに交差する他の方向について、独立に拡大または縮小倍率を設定することができる。拡大または縮小倍率は、像がプロファイラの測定可能範囲内に収まり、かつ、所望の精度でビームプロファイルが計測できるように決定すればよい。

なお、上記実施例ではプロファイラとしてＣＣＤカメラを用いたが、プロファイラとして、光強度分布を測定可能な他の測定器、例えばＣＭＯＳカメラ、フォトダイオードアレイ、ラインセンサー等を用いることも可能である。

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。

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。 図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、実施例によるビームプロファイル計測装置の構成及びそれに入射する光の光路を示す概略図であり、図２（Ｃ）は、ホモジナイズ面上のビーム断面と、ビームプロファイル計測装置の受光面上のビーム断面を示す概略平面図である。 図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は、ビームプロファイルの計測技術の従来例について説明するための図である。

符号の説明

１ レーザ光源
２ ホモジナイザ
３ 折り返しミラー
４ 加工対象物
５ ＸＹステージ
６ ビームプロファイル計測装置
６１ 短軸用シリンドリカルレンズ
６２ 長軸用シリンドリカルレンズ
６３ レンズ光学系
６４ プロファイラ
Ｐ２ ホモジナイズ面
Ｐ６ 受光面
１０ 制御装置

Claims (5)

1. 受光面上の光強度分布を測定する光強度分布測定器と、
   第１の面を通過した光ビームが入射し、該光ビームの該第１の面上の断面の第１の方向に関する寸法を、第１の倍率で拡大または縮小し、該断面の、該第１の方向と交差する第２の方向に関する寸法を、該第１の倍率と異なる第２の倍率で拡大または縮小して、該断面を、前記受光面上に結像させるレンズ光学系と
   を有するビームプロファイル計測装置。
2. 前記レンズ光学系は、前記第１の面上の光ビームの断面の前記第１の方向に関する寸法を前記第１の倍率で拡大または縮小する第１のシリンドリカルレンズと、該断面の前記第２の方向に関する寸法を、前記第２の倍率で拡大または縮小する第２のシリンドリカルレンズとを含む請求項１に記載のビームプロファイル計測装置。
3. レーザビームを出射する光源と、
   前記光源から出射されたレーザビームが入射し、第１の面上のビーム断面が、第１の方向に関して第１の寸法を持ち、該第１の方向と交差する第２の方向に関して該第１の寸法と異なる第２の寸法を持つように、該レーザビームの断面を整形するビーム断面整形光学系と、
   受光面上の光強度分布を測定する光強度分布測定器と、
   前記ビーム断面整形光学系から出射して前記第１の面を通過したレーザビームが入射し、該第１の面上のレーザビームの断面の前記第１の方向に関する寸法を、第１の倍率で拡大または縮小し、該断面の前記第２の方向に関する寸法を、該第１の倍率と異なる第２の倍率で拡大または縮小して、該断面を前記受光面上に結像させるレンズ光学系と、
   加工対象物を保持する保持台と
   を有し、
   前記レンズ光学系は、前記光強度分布測定器の受光面上の光強度分布を測定可能な範囲内に像が収まるように、前記第１の面上のレーザビームの断面を拡大または縮小するレーザ加工装置。
4. 前記レンズ光学系は、前記第１の面上のレーザビームの断面の前記第１の方向に関する寸法を前記第１の倍率で拡大または縮小する第１のシリンドリカルレンズと、該断面の前記第２の方向に関する寸法を、前記第２の倍率で拡大または縮小する第２のシリンドリカルレンズとを含む請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記ビーム断面整形光学系は、前記第１の面上のレーザビームの断面が、前記第１の方向に細長い長尺形状を持つように、レーザビームの断面を整形し、前記レンズ光学系は、該第１の面上のレーザビームの断面の該第１の方向に関する寸法を縮小し、該断面の前記第２の方向に関する寸法を拡大する請求項３または４に記載のレーザ加工装置。

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