JP2008113026A - Method of forming laser light beam, and laser crystallization apparatus for crystallizing thin-film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、材料の加工、表面改質などに利用されるレーザ光を用いた装置に好適であって、レーザ光のビーム形状を所望形状に整形する方法および上記整形方法により整形されたレーザ光を用いるレーザ光薄膜結晶化装置に関するものである。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitable for an apparatus using a laser beam used for material processing, surface modification, etc., and a method for shaping the beam shape of the laser beam into a desired shape and the laser beam shaped by the shaping method. The present invention relates to a laser beam thin film crystallization apparatus using
従来、レーザ光を整形する方法としては、ホモジナイザを用いた方法が知られている。例えば、図5に示す装置では、レーザ光源1より発生したレーザ光2は、途中で遮られることなく、ミラー4a、4b、テレスコープレンズ4cを経て、シリンドリカルレンズ複数本で構成されたホモジナイザ5、6に入射する。このとき、レーザ光2は、その光軸3がホモジナイザ5、6のレンズ軸8と平行になるように入射させる。ホモジナイザ5、6を通過したレーザ光2は、ホモジナイザ6の一部を構成する、ビームより大きいシリンドリカル大レンズ7から出射され、該レンズ7の焦点位置にある試料面9(被照射薄膜等)に照射される。
Conventionally, a method using a homogenizer is known as a method of shaping laser light. For example, in the apparatus shown in FIG. 5, the
上記レーザ光2は、ホモジナイザ5、6を通過する際にビーム形状が整形される。このホモジナイザ5、6は典型的な構造を有するものであり、その詳細構造を図6に基づいて説明する。ホモジナイザは、ビームより小さいシリンドリカル小レンズ10…10からなるレンズ群14、レンズ群15と、ビームより大きいシリンドリカル大レンズ7とで構成されている。このホモジナイザは、図7(a)に示すガウシアン形状のレーザ光強度分布を、ホモジナイザレンズ群14によって複数個のビーム11…11に分割した後、シリンドリカル大レンズ7の焦点位置にある試料面9で複数個のビーム11…11を再結合して直線状のビーム形状を得る。なお、ホモジナイザはレンズ群14のみで直線状のビーム形状を得ることができるが、レンズ群14と同等の枚数を持つレンズ群15を設置することでレンズ群14とレンズ群15の距離を変えてビーム形状を変える方法を採用することもできる。
When the
また、ホモジナイザ5、6は、同様の構造を有しているが、その配置方向を異にすることによって整形する方向が互いに異なっており、ビームは直交する2方向に整形される。一般的には整形する方向は90度異なる。
上記の結果、試料面9に照射されるレーザ光のビーム形状は、図7(b)に示すように、均一部12と傾斜部13とを有しており、均一部12は直線状になっている。ビーム形状を整形したレーザ光は、試料面に設置したプラスチックなどの試料に照射され、該試料の加工、非晶質Siからなる試料の結晶化などに利用される。
The
As a result, the beam shape of the laser light applied to the
上記方法により整形されたレーザ光は上述のように均一部が直線状で平行となったビーム形状を有しているが、近年、様々な研究において、ビームの形状を変形させたレーザ光を使用した方がよい結果が得られる場合があることが分かってきている。例えば、特許文献1では、レーザ光を用いた薄膜の結晶化に際し、ビームのエネルギ分布に傾きをもたせたレーザ光の使用が提唱されており、また、非特許文献1では、ガウンシアン形状のビームの使用例が記載されている。
上記公報によれば、ビームに傾きを有するレーザ光の使用により、薄膜の結晶化をエネルギが高い方から低い方に移行させることができ、試料の最後に照射されるエネルギを一定値以下にして、性能が良い結晶化した薄膜を得ることができるとしている。
According to the above publication, crystallization of a thin film can be shifted from a higher energy to a lower energy by using a laser beam having an inclined beam, and the energy irradiated at the end of the sample is set to a certain value or less. It is said that a crystallized thin film with good performance can be obtained.
しかし、上記したようなビーム形状を容易かつ確実に得る方法は提案されておらず、したがって、整形されたビーム形状を有するレーザ光の照射による作用を効果的に得ることができない。 However, a method for easily and reliably obtaining the beam shape as described above has not been proposed, and therefore, it is not possible to effectively obtain the effect of irradiation with laser light having a shaped beam shape.
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、レーザ光のビーム形状を所望の形状に容易かつ確実に整形することができるレーザ光ビームの整形方法および該整形方法を利用したレーザ光薄膜結晶化装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made against the background of the above circumstances, and a laser light beam shaping method capable of easily and surely shaping the beam shape of the laser light into a desired shape, and a laser light thin film using the shaping method. An object is to provide a crystallization apparatus.
上記課題を解決するため、本発明のうち、第1の発明のレーザ光ビームの整形方法は、レーザ光源から発せられたレーザ光を、シリンドリカルレンズ複数本からなり、整形する方向が個別に異なる複数のホモジナイザを通して、二方向以上で整形するレーザ光ビームの整形方法において、前記ホモジナイザに入射する四角形のビームの一辺が、シリンドリカルレンズの主切断面方向に対して1度〜89度の角度差を有するように傾かせてホモジナイザに入射させることにより、該ホモジナイザを通過するレーザ光のビームを整形することを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the laser beam shaping method according to the first aspect of the present invention comprises a plurality of cylindrical lenses for shaping the laser beam emitted from the laser light source, and the shaping directions are individually different. In the laser beam shaping method for shaping in two or more directions through the homogenizer, one side of the square beam incident on the homogenizer has an angle difference of 1 to 89 degrees with respect to the main cut surface direction of the cylindrical lens. The beam of laser light passing through the homogenizer is shaped by inclining it so that it is incident on the homogenizer.
第2の発明のレーザ光ビームの整形方法は、第1の発明のレーザ光ビームの整形方法において、レーザ光源とシリンドリカルレンズとの間の光路にあるテレスコープレンズを光軸方向を中心軸とする回転方向に傾けて、ホモジナイザに入射するレーザ光を傾けることを特徴とする。 A laser light beam shaping method according to a second aspect of the invention is the laser light beam shaping method according to the first aspect of the invention, wherein the telescope lens in the optical path between the laser light source and the cylindrical lens is centered on the optical axis direction. The laser beam incident on the homogenizer is tilted in the rotation direction.
第3の発明のレーザ光薄膜結晶化装置は、被照射薄膜にレーザ光を照射して結晶化させるためのレーザ光源と、テレスコープレンズと、ホモジナイザレンズとを備えており、前記テレスコープレンズは、ホモジナイザに入射するレーザ光ビームがホモジナイザのシリンドリカルレンズ主切断面方向に対し傾くように、光軸に対し傾斜して配置されていることを特徴とする。 A laser light thin film crystallization apparatus according to a third aspect of the present invention includes a laser light source for irradiating a thin film to be irradiated with laser light to cause crystallization, a telescope lens, and a homogenizer lens. The laser light beam incident on the homogenizer is inclined with respect to the optical axis so as to be inclined with respect to the direction of the main cutting surface of the homogenizer cylindrical lens.
本発明は、薄膜にレーザ光を照射して結晶化したり、改質化したりする用途に好適であるが、これら用途に限定されるものではなく、被照射物にレーザ光を照射する各種の用途に適用することが可能である。
また、整形の目的は、レーザの照射目的等によって異なり、得ようとするビーム形状も異なるが、ビーム形状における傾斜部の傾きや形状を変えたり、均一部に傾きを持たせたり、曲面に変えたり、曲面の曲率を変えたり、傾いている均一部の傾きを小さくする整形等が挙げられる。
The present invention is suitable for applications in which a thin film is irradiated with laser light to be crystallized or modified. However, the present invention is not limited to these applications, and various applications for irradiating an irradiated object with laser light. It is possible to apply to.
The purpose of shaping varies depending on the purpose of laser irradiation, etc., and the beam shape to be obtained also differs, but the inclination and shape of the inclined part in the beam shape are changed, the uniform part is inclined, or it is changed to a curved surface. And shaping to change the curvature of the curved surface, or to reduce the inclination of the inclined uniform part.
本発明の整形方法は、レーザ光を、ホモジナイザに対し光軸を中心として回転方向にずれた状態で入射させる方法である。通常、ホモジナイザにレーザ光を入射させる場合、ビームの辺がシリンドリカルレンズの主切断面(曲率方向)に沿うようにする。本発明では、これに角度差をもたせるものである。すなわち、四角形状のビームでは、そのビームの一辺が、シリンドリカルレンズの主切断面(曲率方向)方向に対して角度差を有するように入射させる。
上記傾き角度は、1〜89度の範囲内で任意に選定することができ、例えば、整形前のビーム形状、整形後のビーム形状、ホモジナイザの構造等を勘案して傾き角度を決定する。
The shaping method of the present invention is a method in which laser light is incident on the homogenizer in a state shifted in the rotational direction about the optical axis. Usually, when laser light is incident on a homogenizer, the side of the beam is set along the main cutting surface (curvature direction) of the cylindrical lens. In the present invention, this is given an angular difference. That is, in a rectangular beam, one side of the beam is incident so as to have an angular difference with respect to the direction of the main cut surface (curvature direction) of the cylindrical lens.
The tilt angle can be arbitrarily selected within a range of 1 to 89 degrees. For example, the tilt angle is determined in consideration of the beam shape before shaping, the beam shape after shaping, the structure of the homogenizer, and the like.
レーザ光を傾いた状態でホモジナイザに入射させるためには、レーザ光源から放出されるレーザ光がホモジナイザに対し傾いた状態にあるように、レーザ光源やホモジナイザの位置関係を定めるものであってもよく、また、レーザ光源からホモジナイザに至る間にレーザ光を傾かせる光学部材等を設置するものであってもよい。この光学部材は、傾きを持たせる目的で特に設置したものであってもよく、また、本来、レーザ照射装置に組み込まれている光学部材を利用するものであってもよい。例えば、元々、レーザ光源とホモジナイザとの間に設置されているテレスコープを、光軸を中心軸とする回転方向に傾いた(回転した)状態に置くことにより、光軸方向にあるホモジナイザに対し、レーザ光ビームを傾かせることができる。
この方法によれば、均一部が凸形状に整形されたビーム形状が得られる。その詳細な原理は明らかでないが、発明者は以下のように理解している。すなわち、ホモジナイザに入射するビームが傾いていれば、ホモジナイザに入射する条件(位置、角度)が異なるために照射面でのビーム位置が異なり、したがって、照射におけるビーム形状は凸形状になる。
In order for the laser light to enter the homogenizer in an inclined state, the positional relationship between the laser light source and the homogenizer may be determined so that the laser light emitted from the laser light source is inclined with respect to the homogenizer. In addition, an optical member or the like that tilts the laser beam between the laser light source and the homogenizer may be installed. This optical member may be particularly installed for the purpose of giving an inclination, or may utilize an optical member originally incorporated in the laser irradiation apparatus. For example, by placing the telescope originally installed between the laser light source and the homogenizer in a state of being tilted (rotated) in the rotation direction with the optical axis as the central axis, the telescope is placed against the homogenizer in the optical axis direction. The laser beam can be tilted.
According to this method, a beam shape in which the uniform portion is shaped into a convex shape can be obtained. Although the detailed principle is not clear, the inventor understands as follows. That is, if the beam incident on the homogenizer is inclined, the beam position on the irradiation surface is different because the conditions (position and angle) incident on the homogenizer are different, and therefore the beam shape in irradiation becomes a convex shape.
上記方法によってビームの形状を容易に整形することができる。
さらに、薄膜結晶化においては最も効果的なレーザ光照射は、レーザ光が単なる矩形状のビーム形状を有するものではなく、均一部の形状を変形させたものが有効であることが確認されているが、本発明のレーザ光薄膜化装置では、整形によって所望のビーム形状が確実かつ容易に得られるので、薄膜結晶化において、整形されたビーム形状を有するレーザ光の照射効果が確実かつ効率的に得られる。
また、本発明の整形方法が上記したような薄膜結晶化に限定されないことも当然である。
The beam shape can be easily shaped by the above method.
Furthermore, it has been confirmed that the most effective laser beam irradiation in thin-film crystallization is that the laser beam does not have a simple rectangular beam shape, but a modified uniform shape is effective. However, in the laser beam thinning apparatus of the present invention, the desired beam shape can be obtained reliably and easily by shaping, so that the irradiation effect of the laser beam having the shaped beam shape is reliably and efficiently obtained in thin film crystallization. can get.
Of course, the shaping method of the present invention is not limited to thin film crystallization as described above.
以上説明したように、本発明のレーザ光ビームの整形方法によれば、一以上の該ホモジナイザで、隣接するレンズ群でのシリンドリカルレンズ間の光路長がシリンドリカルレンズ各々のうちの一部又は全てで異なるようにし、または、レーザ光を、シリンドリカルレンズの主切断面方向に対して1度〜89度の角度差を有するように傾かせてホモジナイザに入射させ、もしくは、ホモジナイザによる焦点位置と被照射物の被照射面とを1mm以上異なるようにするので、ホモジナイザで分割され、その後、照射面で結合するレーザ光のビーム形状が所望の形状に変わる。これにより、所望のビーム形状を容易かつ確実に得ることができ、これを薄膜の結晶化等に用いることにより整形されたレーザ光による作用を効率的に得ることができる。また、上記方法に加えてレーザ光の一部をレーザ光光源と照射物との間で遮蔽又は減衰させれば、ビームの整形を一層広範に行うことが可能になる。 As described above, according to the laser light beam shaping method of the present invention, the optical path length between cylindrical lenses in one or more homogenizers is set to a part or all of the cylindrical lenses. The laser beam is made to enter the homogenizer while being tilted so as to have an angle difference of 1 to 89 degrees with respect to the main cutting plane direction of the cylindrical lens, or the focal position by the homogenizer and the irradiated object Therefore, the beam shape of the laser beam which is divided by the homogenizer and then combined on the irradiated surface is changed to a desired shape. As a result, a desired beam shape can be obtained easily and reliably, and the action of the shaped laser beam can be efficiently obtained by using it for crystallization of a thin film. Further, in addition to the above method, if a part of the laser light is shielded or attenuated between the laser light source and the irradiated object, the beam can be shaped more extensively.
(実施形態1)
以下に本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明するが、各実施形態では図5に示すレーザ光照射装置を基本構造としている。
実施形態1では、図5に示すテレスコープ4cを光軸に対し傾ける等して、図1に示すように、レーザ光2がホモジナイザ5、6に入射する際に、ビームの一辺が、ホモジナイザ5、6のシリンドリカル小レンズ10の主切断面方向と所定の角度差を有するようにしたものである。
レーザ光は、図2に示すようにホモジナイザへの傾斜入射によって傾斜位置、角度が変化して分割光11aの幅および位置が変わる。この分割光11aが試料面9で結合することによって、図3に示すように、均一部が凸状部12bになったビーム形状が得られる。
(Embodiment 1)
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In each embodiment, the laser light irradiation apparatus shown in FIG. 5 has a basic structure.
In the first embodiment, when the
As shown in FIG. 2, the tilt position and angle of the laser light are changed by tilt incidence on the homogenizer, and the width and position of the
なお、上記した実施形態の装置は、試料面に薄膜を配置し、この薄膜に上記の整形したレーザ光を照射して薄膜の結晶化を行う、レーザ光薄膜結晶化装置として使用することができる。 The apparatus of the above-described embodiment can be used as a laser beam thin film crystallization apparatus in which a thin film is disposed on the sample surface and the thin film is crystallized by irradiating the thin film with the shaped laser beam. .
エキシマレーザにより発生した308nm、40×15mmのビーム形状のレーザ光を使用して、上記実施形態におけるホモジナイザ光学系によりビーム形状の整形を行った。
図5に示すようにレーザ光源1より発生したレーザ光2はテレスコープレンズ4cを透過した後、方向の異なる2つのホモジナイザを透過するが、各整形方法によってビーム形状の整形がなされ、試料面9で所望のビーム形状となった。ビーム形状の測定は、試料面の位置にCCDカメラを設置して行った。
Using a laser beam having a beam shape of 308 nm and 40 × 15 mm generated by an excimer laser, the beam shape was shaped by the homogenizer optical system in the above embodiment.
As shown in FIG. 5, the
実施形態1と同様にテレスコープ4cを光軸に対し2度傾け、ホモジナイザ5に入射するレーザ光のビームを2度傾けた。その結果、試料面には、図4に示すように、均一部が滑らかな凸状になったビーム形状が得られた。
Similarly to the first embodiment, the
1 レーザ光源
2 レーザ光
3 光軸
4c テレスコープ
5 ホモジナイザ
6 ホモジナイザ
7 シリンドリカル大レンズ
8 レンズ軸
10 シリンドリカル小レンズ
11 ビーム
11a 分割光
12 均一部
13 傾斜部
12b 凸状部
14 レンズ群
15 レンズ群
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