JP2008098405A

JP2008098405A - レーザ照射装置

Info

Publication number: JP2008098405A
Application number: JP2006278521A
Authority: JP
Inventors: Yuji Okamoto; 裕司岡本; Masafumi Yorozu; 雅史萬
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-10-12
Filing date: 2006-10-12
Publication date: 2008-04-24

Abstract

【課題】複数台のレーザ光源を用い、かつ、回折像の寸法を回折光学素子の設計仕様の下限値程度まで小さくすることができるレーザ照射装置を提供する。
【解決手段】第１及び第２のレーザ光源が、第１及び第２のビームを出射する。第１及び第２の収束光学素子が、第１及び第２のビームを収束させる。反射部材の第１の反射界面が、第１の収束光学素子で収束された第１のレーザを、ビーム径の小さな位置において、第１の方向に反射させる。反射部材の第２の反射界面が、同様に、第２のビームを第１の方向に反射させる。第１及び第２の反射界面で反射し、発散光線束となった第１及び第２のビームが入射する位置であって、両者の経路が部分的に重なる位置にコリメートレンズが配置されている。コリメートレンズは、第１及び第２のビームをコリメートする。コリメートレンズを通過した第１及び第２のビームが入射する位置に被照射物は保持される。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ照射装置に関し、特に、複数のレーザ光源から出射されたレーザビームを、被照射面上で重ねる合わせることにより、被照射面上での光強度を高めることができるレーザ照射装置に関する。

図３Ａに、下記の特許文献１に開示されたレーザ照射装置の概略図を示す。レーザ発振器１０１から出射されたレーザビームが、部分反射鏡１０２で２本のレーザビームＬＢ１及びＬＢ２に分離される。一方のレーザビームＬＢ１が、ナイフエッジプリズム７の一方の反射面に入射し、他方のレーザビームＬＢ２が、ナイフエッジプリズム７の他方の反射面に入射する。

ナイフエッジプリズム７で反射したレーザビームＬＢ１及びＬＢ２は、相互に平行になり、アナモルフィックプリズム８に入射する。レーザビームＬＢ１及びＬＢ２は、アナモルフックプリズム８により、ビーム断面が楕円形に変形されて、回折光学素子９に入射する。回折光学素子９の結像面９ｂの位置における光強度分布が、ＣＣＤカメラ１０３で測定される。

図３Ｂに、回折光学素子９の入射表面９ａにおけるレーザビームＬＢ１及びＬＢ２のビーム断面を示す。入射表面９ａ上に、２つのビーム断面が並ぶ方向をＸ軸とするＸＹ直交座標系を定義する。ビーム断面の各々は、Ｙ軸方向に長い楕円形である。

図４Ａに、結像面９ｂ上の回折像Ｉ１を示す。レーザビームＬＢ１及びＬＢ２の回折像が重なり、Ｙ軸方向に長い１本の直線状の像が形成されている。

図４Ｂに、回折像Ｉ１内のＹ軸方向に関する光強度分布を示す。図４Ｂの横軸は、Ｙ軸方向の位置を表し、縦軸は光強度を表す。一方のレーザビームＬＢ１のみを回折光学素子９に入射させた場合の光強度分布を曲線Ｃ３で示し、他方のレーザビームＬＢ２のみを回折光学素子９に入射させた場合の光強度分布を曲線Ｃ４で示す。レーザビームＬＢ１及びＬＢ２を同時に回折光学素子９に入射させた場合の光強度分布を曲線Ｃａで示す。アナモルフィックプリズム８でビーム断面を変形させる前のレーザビームＬＢ１のビーム断面と同一の円形断面の１本のレーザビーム（回折光学素子９の設計仕様の条件を満たすレーザビーム）を回折光学素子９に入射させた場合の光強度分布を曲線Ｃ５で示す。

レーザビームの断面を楕円状にしても、曲線Ｃ３及びＣ４で示すように、設計仕様のレーザビームを入射させた場合とほぼ同等の光強度分布が得られている。また、２本の楕円ビームを入射させても、曲線Ｃａで示すように、設計仕様のレーザビームを入射させた場合とほぼ同等の光強度分布が得られている。

図３Ａでは、１台のレーザ光源から出射したレーザビームを２本のレーザビームに分離したが、２台のレーザ光源を用いると、被照射物の表面における光強度を２倍にすることができる。

特開２００６−６００８５号公報

図４Ｃに、図３Ａのレーザ照射装置の結像面９ｂ上におけるＸ軸方向に関する光強度分布を示す。図４Ｃの横軸は、Ｘ軸方向の位置を表し、縦軸は光強度を表す。一方のレーザビームＬＢ１のみを回折光学素子９に入射させた場合の光強度分布を曲線Ｃ６で示し、他方のレーザビームＬＢ２のみを回折光学素子９に入射させた場合の光強度分布を曲線Ｃ７で示す。レーザビームＬＢ１及びＬＢ２を同時に回折光学素子９に入射させた場合の光強度分布を曲線Ｃｂで示す。アナモルフィックプリズム８でビーム断面を変形させる前のレーザビームＬＢ１のビーム断面と同一の円形断面の１本のレーザビーム（回折光学素子９の設計仕様の条件を満たすレーザビーム）を回折光学素子９に入射させた場合の光強度分布を曲線Ｃ８で示す。

図３Ｂに示すように、回折光学素子９に入射するレーザビームＬＢ１及びＬＢ２のＸ軸方向に関するビーム幅が、アナモルフィックプリズム８により細くなっている。レンズに平行ビームが入射するとき、主焦点におけるビーム径は、レンズに入射するビームのビーム径に反比例する。すなわち、レンズに入射するレーザビームのビーム径が細くなると、主焦点におけるビーム径が大きくなる。これと同様の原理から、回折光学素子９に入射するレーザビームのＸ軸方向に関するビーム幅が細くなると、結像面９ｂにおける回折像Ｉ１のＸ軸方向に関する幅が広がる。図４Ｃにおいては、レーザビームＬＢ１及びＬＢ２が回折光学素子９に同時に入射したときの回折像Ｉ１のＸ軸方向に関する光強度分布Ｃｂの広がりが、ほぼ円形断面の１本のレーザビームが入射したときの回折像の光強度分布Ｃ８の広がりに比べて、大きい。

上述のように、図３Ａに示したレーザ照射装置では、レーザビームＬＢ１及びＬＢ２の、Ｘ軸方向に関するビーム幅が、回折光学素子９の設計仕様のビーム幅よりも細くなっているため、Ｘ軸方向に関する回折像の幅を、設計仕様の下限値まで細く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を用い、かつ、回折像の寸法を回折光学素子の設計仕様の下限値程度まで小さくす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ると、
第１のレーザビームを出射する第１のレーザ光源と、
第２のレーザビームを出射する第２のレーザ光源と、
前記第１のレーザ光源から出射された第１のレーザビームを収束させる第１の収束光学素子と、
前記第２のレーザ光源から出射された第２のレーザビームを収束させる第２の収束光学素子と、
前記第１の収束光学素子で収束された第１のレーザビームを、該第１の収束光学素子に入射する時点におけるビーム径よりも小さなビーム径になる位置において、第１の方向に反射させる第１の反射界面、及び前記第２の収束光学素子で収束された第２のレーザビームを、該第２の収束光学素子に入射する時点におけるビーム径よりも小さなビーム径になる位置において、前記第１の方向に反射させる第２の反射界面を含む反射部材と、
前記第１の反射界面で反射し、発散光線束となった第１のレーザビーム及び前記第２の反射界面で反射し、発散光線束となった第２のレーザビームが入射する位置であって、両者の経路が部分的に重なる位置に配置され、第１のレーザビーム及び第２のレーザビームをコリメートするコリメートレンズと、
前記コリメートレンズを通過した第１のレーザビーム及び第２のレーザビームが入射する位置に、被照射物を保持するステージと
を有するレーザ照射装置が提供される。

２台のレーザ光源から出射されたレーザビームを、両者の中心光線を、第１及び第２の収束光学素子の配置された位置におけるビーム径以下の距離まで近づけ、かつレーザビームの各々をコリメートすることができる。コリメートされた後のビーム断面は、第１及び第２の収束光学素子の配置された位置におけるビーム断面と相似形である。第１及び第２のレーザビームのビーム断面は円形にすることができ、かつ両者の中心光線間の距離を近づけることができる。このため、コリメートされたレーザビームを回折光学素子に入射させることにより、その回折像を、回折格子の設計仕様の下限値程度まで小さくすることが可能になる。

図１Ａに、実施例によるレーザ照射装置の概略図を示す。第１のレーザ光源１０Ａが、レーザ発振器１１Ａ、１２Ａ、半波長板１３Ａ、折り返しミラー１４Ａ、偏光ビームスプリッタ１５Ａ、及び折り返しミラー１６Ａを含む。第２のレーザ光源１０Ｂが、レーザ発振器１１Ｂ、１２Ｂ、半波長板１３Ｂ、折り返しミラー１４Ｂ、偏光ビームスプリッタ１５Ｂ、及び折り返しミラー１６Ｂを含む。第２のレーザ光源１０Ｂは、第１のレーザ光源１０Ａと同一の構造を有するため、以下、第１のレーザ光源１０Ａの構造について説明し、第２のレーザ光源１０Ｂの構造については説明を省略する。

レーザ発振器１１Ａ及び１２Ａは、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）を出射する。レーザ発振器１１Ａ及び１２Ａとして、パルスレーザ発振器を用いてもよいし、連続波レーザ発振器を用いてもよい。レーザ発振器１１Ａから出射されたレーザビームが、半波長板１３Ａを通過し、折り返しミラー１４Ａで反射して、偏光ビームスプリッタ１５Ａに入射する。半波長板１３Ａは、偏光ビームスプリッタ１５Ａに入射するレーザビームがＳ偏光成分のみになるように、レーザビームの偏光方向を旋回させる。このため、レーザ発振器１１Ａから出射したレーザビームは、偏光ビームスプリッタ１５Ａの反射界面で反射する。

もう一方のレーザ発振器１２Ａは、偏光ビームスプリッタ１５Ａに対してＰ偏光成分のみを持つ直線偏光ビームを出射する。このため、レーザ発振器１２Ａから出射したレーザビームは、偏光ビームスプリッタ１５Ａの反射界面を透過する。

レーザ発振器１１Ａから出射して、偏光ビームスプリッタ１５Ａで反射されたレーザビームと、もう一方のレーザ発振器１２Ａから出射して、偏光ビームスプリッタ１５Ａを透過したレーザビームとが、同一光軸上に重畳される。同一光軸上に重畳されたレーザビームは、折り返しミラー１６Ａで反射され、第１のレーザビームＬＢＡとして、第１のレーザ光源１０Ａから出射する。第２のレーザ光源１０Ｂは、第２のレーザビームＬＢＢを出射する。

第１のレーザ光源１０Ａから出射された第１のレーザビームＬＢＡは、第１の収束光学素子２０Ａ、例えば凸レンズで収束され、プリズム２５の、反射コーティングされた第１の反射界面２５Ａに入射する。第２のレーザ光源１０Ｂから出射された第２のレーザビームＬＢＢは、第２の収束光学素子２０Ｂ、例えば凸レンズで収束され、プリズム２５の、反射コーティングされた第２の反射界面２５Ｂに入射する。

プリズム２５で反射した第１のレーザビームＬＢＡ及び第２のレーザビームＬＢＢは、共に発散光線束となり、同一方向に伝搬する。プリズム２５で反射した第１のレーザビームＬＢＡ及び第２のレーザビームＬＢＢの中心光線と平行な方向をｚ軸とし、２本の中心光線が並ぶ方向をｘ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。発散光線束となった第１のレーザビームＬＢＡ及び第２のレーザビームＬＢＢが、コリメートレンズ３０に入射する。コリメートレンズ３０が配置された位置において、第１のレーザビームＬＢＡ及び第２のレーザビームＬＢＢが、部分的に重なっている。

コリメートレンズ３０は、第１のレーザビームＬＢＡ及び第２のレーザビームＬＢＢをコリメートする。コリメートされた第１のレーザビームＬＢＡ及び第２のレーザビームＬＢＢが、回折光学素子３３に入射する。

図１Ｂに、回折光学素子３３が配置された位置における第１のレーザビームＬＢＡ及び第２のレーザビームＬＢＢのビーム断面を示す。両者のビーム断面は、相互にｘ軸方向にわずかにずれている。回折光学素子３３は、円形のビーム断面を持つレーザビームが垂直入射するときに、結像面に、ｙ軸方向に長い直線状の回折像を形成するように設計されている。

ＸＹステージ３５が、被照射物４０を、その表面が回折光学素子３３の結像面に一致するように保持する。ＸＹステージ３５は、被照射物４０を、ｘ方向及びｙ方向に移動させることができる。

上記実施例においては、第１の収束光学素子２０Ａとコリメートレンズ３０とが、第１のレーザビームＬＢＡに対してビームエキスパンダとして働き、第２の収束光学素子２０Ｂとコリメートレンズ３０とが、第２のレーザビームＬＢＢに対してビームエキスパンダとして働く。回折光学素子３３の配置された位置におけるビーム断面が、楕円ではなくほぼ円形になる。

また、プリズム２５の配置された位置の、第１のレーザビームＬＢＡ及び第２のレーザビームＬＢＢのビーム径が、第１の収束光学素子２０Ａ及び第２の収束光学素子２０Ｂの配置された位置におけるビーム径よりも小さい。このため、プリズム２５で反射した第１のレーザビームＬＢＡの中心光線と、第２のレーザビームＬＢＢの中心光線との間隔を、第１の収束光学素子２０Ａが配置された位置における第１のレーザビームＬＢＡのビーム径、及び第２の収束光学素子２０Ｂが配置された位置における第２のレーザビームＬＢＢのいずれのビーム径よりも狭くすることができる。

第１のレーザビームＬＢＡ及び第２のレーザビームＬＢＢの中心光線は、コリメートレンズ３０の光軸に一致しないが、光軸に近づけることが可能である。第１のレーザビームＬＢＡ及び第２のレーザビームＬＢＢの中心光線は、コリメートレンズ３０で屈折するが、中心光線を光軸に近づけることにより、屈折角を小さくすることができる。

図２Ａ及び図２Ｂに、それぞれ被照射物４０の表面における回折像のｘ軸方向及びｙ軸方向に関する光強度分布を示す。

図２Ａに示すように、第１のレーザビームＬＢＡの回折像ＩＡ及び第２のレーザビームＬＢＢの回折像ＩＢの各々は、ｘ軸方向に関して、例えばガウス分布で近似される光強度分布を有する。回折光学素子３３に入射する第１のレーザビームＬＢＡの中心光線と、第２のレーザビームＬＢＢの中心光線とは、厳密には平行ではなく、かつ、入射位置も一致しない。このため、２つの回折像ＩＡとＩＢとの中心の位置は一致しない。

ただし、上述のように、実施例によるレーザ照射装置では、プリズム２５で反射した第１のレーザビームＬＢＡの中心光線と、第２のレーザビームＬＢＢの中心光線とを近づけることができる。また、コリメートレンズ３０による中心光線の屈折角を小さくすることができるため、コリメートレンズ３０から回折光学素子３３までの距離内で、２本の中心光線がほぼ平行であるとみなすことができる。従って、回折像ＩＡとＩＢとの中心のずれ量は、光強度分布の広がりに比べて僅かである。このため、回折像ＩＡ及びＩＢを合成した像の光強度分布Ｉは、２つの山に分離されることなく、１つの山になり、その形状は、ほぼガウス分布で近似できる。

図２Ｂに示すように、第１のレーザビームＬＢＡの回折像ＩＡ及び第２のレーザビームＬＢＢの回折像ＩＢは、ｙ軸方向に関してほぼ同一の光強度分布を持つ。この分布は、回折光学素子３３の設計仕様を満たすレーザビームが入射したときの回折像の光強度分布とほぼ等しく、ｙ軸方向に関してほぼ均一な光強度分布を持つ。

上記実施例では、回折光学素子３３が配置された位置における第１のレーザビームＬＢＡ及び第２のレーザビームＬＢＢのビーム断面が円形である。このため、ｘ軸方向に関するビーム断面の寸法を、回折光学素子３３の設計仕様を満たすレーザビームのビーム断面の寸法とほぼ等しくすることができる。これにより、被照射物４０の表面に形成される回折像のｘ軸方向の幅が、設計仕様を満たすレーザビームが入射するときの回折像の幅より太くなってしまうことが防止される。

また、実施例では、４台のレーザ発振器１１Ａ、１２Ａ、１１Ｂ及び１２Ｂから出射されたレーザビームが、被照射物４０の同一の領域に入射するため、１台のレーザ発振器を用いた場合に比べて、レーザビームの入射領域の光強度を約４倍に高めることができる。

上記実施例において、プリズム２５で反射した第１のレーザビームＬＢＡ及び第２のレーザビームＬＢＢの中心光線同士をなるべく近づけるために、第１の収束光学素子２０Ａの焦点近傍、例えば焦点深度の範囲内に、第１の反射界面２５Ａを配置し、第２の収束光学素子２０Ｂの焦点近傍、例えば焦点深度の範囲内に、第２の反射界面２５Ｂを配置することが好ましい。

上記実施例で用いたプリズム２５に代えて、２枚の反射ミラーを用いてもよい。また、上記実施例では、プリズム２５として三角柱状のものを用いたが、四角錐の４枚の斜面を反射界面として用いることも可能である。この場合、合計８台のレーザ発振器から出射したレーザビームを重畳させることができる。

また、上記実施例では、コリメートレンズ３０でコリメートされた２本のレーザビームを、回折光学素子３３により被照射物４０上に集光させたが、回折光学素子３３に代えて、集光レンズを用いてもよい。図１Ａに示したレーザ照射装置では、コリメートレンズ３０の前側焦点面上に、第１のレーザビームＬＢＡ及び第２のレーザビームＬＢＢに対応する２つの仮想的な点光源が配置されていると考えることができる。従って、原理的には、集光レンズの後側焦点面上に、第１のレーザビームＬＢＡによる像と、第２のレーザビームＬＢＢによる像とが形成される。ところが、２つの仮想的な点光源が非常に近接しているため、集光レンズの後側焦点からややずれた位置において、２つの仮想的な点光源の像が重なり、１つの像が形成される。このようにして、４台のレーザ発振器から出射されたレーザビームを、それらの中心光線をほぼ平行にして、同一の領域に入射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、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。

（１Ａ）は、実施例によるレーザ照射装置の概略図であり、（１Ｂ）は、（１Ａ）の回折光学素子が配置された位置におけるレーザビーム断面を示す線図である。（２Ａ）及び（２Ｂ）は、それぞれ被照射体上に形成される回折像のｘ軸方向及びｙ軸方向に関する光強度分布を示すグラフである。（３Ａ）は、２本のレーザビームを重畳させる従来のレーザ照射装置の概略図であり、（３Ｂ）は、（３Ａ）の回折光学素子が配置された位置におけるレーザビームの断面を示す線図である。（４Ａ）は、（３Ａ）の加工対象物上に形成されるビーム断面を示す正面図であり、（４Ｂ）及び（４Ｃ）は、それぞれ加工対象物上におけるビーム断面内の長尺方向及び幅方向に関する光強度分布を示すグラフである。

符号の説明

１０Ａ第１のレーザ光源
１０Ｂ第２のレーザ光源
１１Ａ、１１Ｂ、１２Ａ、１２Ｂレーザ発振器
１３Ａ、１３Ｂ偏光板
１４Ａ、１４Ｂ、１６Ａ、１６Ｂ折り返しミラー
１５Ａ、１５Ｂ偏光ビームスプリッタ
２０Ａ第１の収束光学素子
２０Ｂ第２の収束光学素子
２５プリズム（反射部材）
２５Ａ第１の反射界面
２５Ｂ第２の反射界面
３０コリメートレンズ
３３回折光学素子
３５ＸＹステージ
４０被照射物
ＬＢＡ第１のレーザビーム
ＬＢＢ第２のレーザビーム

Claims

第１のレーザビームを出射する第１のレーザ光源と、
第２のレーザビームを出射する第２のレーザ光源と、
前記第１のレーザ光源から出射された第１のレーザビームを収束させる第１の収束光学素子と、
前記第２のレーザ光源から出射された第２のレーザビームを収束させる第２の収束光学素子と、
前記第１の収束光学素子で収束された第１のレーザビームを、該第１の収束光学素子に入射する時点におけるビーム径よりも小さなビーム径になる位置において、第１の方向に反射させる第１の反射界面、及び前記第２の収束光学素子で収束された第２のレーザビームを、該第２の収束光学素子に入射する時点におけるビーム径よりも小さなビーム径になる位置において、前記第１の方向に反射させる第２の反射界面を含む反射部材と、
前記第１の反射界面で反射し、発散光線束となった第１のレーザビーム及び前記第２の反射界面で反射し、発散光線束となった第２のレーザビームが入射する位置であって、両者の経路が部分的に重なる位置に配置され、第１のレーザビーム及び第２のレーザビームをコリメートするコリメートレンズと、
前記コリメートレンズを通過した第１のレーザビーム及び第２のレーザビームが入射する位置に、被照射物を保持するステージと
を有するレーザ照射装置。
さらに、前記コリメートレンズでコリメートされた第１及び第２のレーザビームが入射する位置に配置され、前記ステージに保持された被照射物の表面上に、前記第１のレーザビーム及び第２のレーザビームの回折像を形成する回折光学素子を有する請求項１に記載のレーザ照射装置。
前記反射部材で反射された後の前記第１及び第２のレーザビームの中心光線の間隔が、前記第１の収束光学素子に入射する時点における前記第１のレーザビームのビーム径、及び前記第２の収束光学素子に入射する時点における前記第２のレーザビームのビーム径のいずれよりも狭い請求項１または２に記載のレーザ照射装置。
前記回折光学素子は、前記保持台に保持された加工対象物の表面上において、一方向に長い長尺の回折像を形成するように設計されており、
前記回折光学素子に入射する位置における前記第１及び第２のレーザビームの中心光線の隔たる方向が、前記回折像の長尺方向と直交する方向であり、前記第１のレーザビームの回折像の、長尺方向と直交する方向に関する光強度分布と、前記第２のレーザビームの回折像の、長尺方向と直交する方向に関する光強度分布とが、２つの山に分離されること無く、１つの山を形成するように、両者が重なっている請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。