JP2008147428A - レーザ照射装置、及び、レーザ照射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 安価なレーザ照射装置を提供する。
【解決手段】 レーザビームを出射する複数の半導体レーザと、入射端面と出射端面とを備え、出射端面が第１の方向に沿って配置された複数の光ファイバであって、複数の光ファイバは、複数の半導体レーザに対応して準備され、複数の半導体レーザから出射したレーザビームの各々が、複数の光ファイバのうちの対応する光ファイバの入射端面から導入されて出射端面から出射される複数の光ファイバと、複数の光ファイバの出射端面から出射したレーザビームを第１の方向と交差する第２の方向に収束させ、第１の方向には収束させない光学系とを有するレーザ照射装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザビームを照射して加工を行うレーザ照射装置、及びレーザ照射方法に関する。

レーザアニールには、通常、高いパルスエネルギが必要とされるため、エキシマレーザまたは固体レーザの２倍高調波が用いられる。

しかし、エキシマレーザは定期的なガス交換を必要とするためランニングコストが高く、また放電励起を利用するためレーザビームの品質を一定に保ち、長時間連続で装置を運転するのは難しい。

また、固体レーザはエキシマレーザに比べてランニングコストを低減することが可能であるが、出力が低いため高いスループットを得ることが難しい。

光源として連続波を出射する全固体グリーンレーザを使用すると、ワット当たりのコストが極めて高くなる。

レーザアニール装置におけるレーザビームの強度分布の均一性を安価に向上させる発明が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００４−１９８５１３号公報

本発明の目的は、安価なレーザ照射装置を提供することである。

また、高品質の加工を行うことのできるレーザ照射装置を提供することである。

更に、本発明の他の目的は、安価に実施できるレーザ照射方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、レーザビームを出射する複数の半導体レーザと、入射端面と出射端面とを備え、前記出射端面が第１の方向に沿って配置された複数の光ファイバであって、複数の光ファイバは、前記複数の半導体レーザに対応して準備され、前記複数の半導体レーザから出射したレーザビームの各々が、前記複数の光ファイバのうちの対応する光ファイバの入射端面から導入されて出射端面から出射される複数の光ファイバと、前記複数の光ファイバの出射端面から出射したレーザビームを前記第１の方向と交差する第２の方向に収束させ、前記第１の方向には収束させない光学系とを有するレーザ照射装置が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、複数の半導体レーザを含み、中心光線が相互に平行な複数のレーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射した、中心光線が相互に平行な複数のレーザビームが入射し、入射したレーザビームの各々のビーム拡がり角を大きくして出射させ、出射するレーザビームの中心光線を相互に平行に保ち、かつ出射するレーザビームの中心光線の間隔を、入射したレーザビームの中心光線の間隔よりも狭くすることにより、レーザビーム同士を部分的に重ね合わせる拡がり角拡大光学系と、前記拡がり角拡大光学系によって部分的に重ね合わされたレーザビームが入射し、入射したレーザビームの各々のビーム拡がり角を小さくして出射させ、かつ出射するレーザビームが部分的に重ね合わされた状態で、これらの中心光線を相互に平行に保つ拡がり角縮小光学系とを有するレーザ照射装置が提供される。

更に、本発明の他の観点によれば、出射端が、ある平面に沿って並び、出射端から出射するレーザビームの中心光線が相互に平行になるように配置された複数の光ファイバと、前記光ファイバの入射端に、それぞれレーザビームを入射させる複数の半導体レーザと、前記光ファイバの出射端から出射され、あるビーム拡がり角をもって伝搬するレーザビーム同士が部分的に重なった状態で入射する前段収束レンズと、前記前段収束レンズを通過したレーザビームが入射し、該前段収束レンズよりも長い焦点距離を持ち、該前段収束レンズの後側焦点の位置を前側焦点とする後段収束レンズとを有するレーザ照射装置が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、（ａ）表層部にシリコン膜が形成され、行列状にＴＦＴ形成予定領域が画定された加工基板を、前記ＴＦＴ形成予定領域の行方向または列方向が第１の方向と平行となるように支持する工程と、（ｂ）前記第１の方向に沿って、前記ＴＦＴ形成予定領域の行または列ごとに、離散的にレーザビームを集光して入射させながら、前記加工基板を前記第１の方向と直交する第２の方向に移動させる工程とを有するレーザ照射方法が提供される。

本発明によれば、安価なレーザ照射装置を提供することができる。

また、高品質の加工を行うことのできるレーザ照射装置を提供することができる。

更に、本発明によれば、安価に実施できるレーザ照射方法を提供することができる。

図１（Ａ）及び（Ｂ）は、第１の実施例によるレーザ照射装置を示す概略図である。

図１（Ａ）を参照する。

第１の実施例によるレーザ照射装置は、複数の青色半導体レーザ(laser diode:LD)７０ａ、７０ｂ、各青色半導体レーザ７０ａ、７０ｂから出射したレーザビームが導入される光ファイバ７１ａ、７１ｂ、及び、シリンドリカルレンズ７２ａ、７２ｂを含んで構成される。

光ファイバ７１ａ、７１ｂの導入端面から導入され、出射端面から出射される青色半導体レーザビーム７５ａ、７５ｂは、シリンドリカルレンズ７２ａ、７２ｂを透過してＸＹステージ７３上に載置されている加工基板７４に照射され、たとえばレーザアニールが行われる。

ＸＹステージ７３は、加工基板７４をＸＹ面内で移動させることができる。図１（Ａ）においては、図の右方向をＸ方向とし、紙面奥方向をＹ方向とした。

たとえば１００〜１００００個の光ファイバ７１ａ、７１ｂの出射端面が、Ｘ方向に沿って配置される。１つの光ファイバ７１ａ、７１ｂには、対応する１つの青色半導体レーザ７０ａ、７０ｂを出射するレーザビームが導入される。

導入されたレーザビームは、Ｘ方向に沿って並んだ光ファイバ７１ａ、７１ｂの出射端面から出射される。出射されるレーザビーム７５ａ、７５ｂは、一定の拡がり角で広がりながら進行する。

シリンドリカルレンズ７２ａ、７２ｂは、母線方向（長さ方向）がＸ方向と平行となるように配置され、入射するレーザビームをＹ方向に集光する。レーザビーム７５ａ、７５ｂは、Ｘ方向に関しては集光されず、シリンドリカルレンズ７２ａ、７２ｂを透過して、加工基板７４に入射する。

図１（Ｂ）を参照する。図１（Ｂ）においては、左右方向がＹ方向と平行な方向となり、紙面垂直方向がＸ方向と平行な方向となるように図示した。

光ファイバ７１ａの出射端面は、Ｙ方向に沿って複数列（図示の場合は４列）に配置されている。それぞれの列に属する光ファイバ７１ａの出射端面を、一定の拡がり角で出射したレーザビーム７５ａは、各列に対応して配置されたシリンドリカルレンズ７２ａに入射し、Ｙ方向に関して平行光とされて出射される。

シリンドリカルレンズ７２ａを出射したレーザビーム７５ａは、シリンドリカルレンズ７２ｂに入射し、Ｙ方向に集光されて加工基板７４に照射される。シリンドリカルレンズ７２ａ、７２ｂは、光ファイバ７１ａ、７１ｂの出射端面の像が加工基板７４上に結像されるように配置される。

加工基板７４にはＸ方向に長い長尺状の断面形状のレーザビームが入射する。この長尺状ビームを用いて、前述のように、たとえばレーザアニールが行われる。

実施例によるレーザ照射装置は、レーザ光源として青色半導体レーザを用いる。青色半導体レーザは単体では出力が低いため、たとえば数百乃至数万個を用いてパワーを確保する。光源として数百乃至数万個の半導体レーザを用いても、エキシマレーザや全固体レーザを用いた場合と比較して、安価にレーザ照射装置を構成することができる。

なお、第１の実施例においては、Ｙ方向に４列の光ファイバ７１ａを配置したがＹ方向について１列のみ配置してもよい。

また、光ファイバ７１ａから出射したレーザビーム７５ａをコリメートするためにシリンドリカルレンズ７２ａを用いたが、各光ファイバに対応してコリメートレンズを配置してもよい。あるいは、Ｙ方向（短尺方向）のコリメートレンズとしてＧＲＩＮレンズ、たとえばセルフォックレンズアレイ（ＳＬＡ、商標）を利用することもできる。相互に近接して配置される１つ１つの光ファイバに対応してコリメートレンズを配置する場合に比べて、ＧＲＩＮレンズを用いると、コリメートを正確に行うことができる。

図２（Ａ）及び（Ｂ）に、第１の実施例によるレーザ照射装置によって、加工基板７４上に照射される長尺状ビームのビーム強度分布を示す。

図２（Ａ）に、Ｘ方向（ビーム長尺方向）に沿ったビーム強度分布を示す。点線で示したのは、各光ファイバの出射端面を出射したレーザビームの強度分布である。これらを合成して得られる長尺状ビームのビーム強度分布の概形を実線で示した。

光ファイバのＸ方向配置間隔を密にすることで、各光ファイバの出射端面から広がりながら出射するレーザビームは、Ｘ方向（ビーム長尺方向）に重なり合う。この結果、長尺方向のビーム強度の均一性が得られる。

図２（Ｂ）に、Ｙ方向（ビーム短尺方向）に沿ったビーム強度分布を示す。

光ファイバ出射端面のビーム強度分布が合成されて反映され、立ち上がりの急峻なビーム強度分布が得られる。

図２（Ａ）及び（Ｂ）に強度分布を示すような、均一性と急峻な立ち上がりとを有するビームを形成することができるため、第１の実施例によるビーム照射装置を用いると、高品質の加工を行うことができる。

以下、第２〜第４の実施例について説明する。

本願出願人は、先の出願（特願２００５−１９０５３１号）において、複数のレーザビームを重ね合わせて均一化光学系で均一化することにより、高パワーの均一化レーザビームを得ることができるビーム重ね合わせ光学装置（レーザ照射装置）を提案した。第２〜第４の実施例によるレーザ照射装置は、当該先の出願に係る発明を発展させたものでもある。

図３に、第２の実施例によるビーム照射装置の概略図を示す。レーザ光源１が、複数のレーザビーム、例えば５本のレーザビームを出射する。５本のレーザビームの中心光線は相互に平行である。レーザビームの進行方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。５本のレーザビームの中心光線は、ｘ軸方向に等間隔で並んでいる。

レーザ光源１から出射された５本のレーザビームが、重ね合わせ光学系２に入射する。重ね合わせ光学系２は、レーザビームのビーム断面の一部が相互に重なった５本のレーザビームを出射する。これら５本のレーザビームの中心光線も相互に平行である。

重ね合わせ光学系から出射されたレーザビームが均一化光学系３に入射する。均一化光学系３は、入射したレーザビームを、そのビーム断面内に関して複数の小ビームに分割し、分割された小ビームをホモジナイズ面５０上において重ね合わせる。これにより、ホモジナイズ面上における光強度分布が均一に近づく。

ステージ４が、加工対象物５を、その表面がホモジナイズ面５０と一致するように保持する。これにより、加工対象物５の表面における光強度分布が均一なレーザビームで加工を行うことができる。

図４に、レーザ光源１の概略図を示す。レーザ光源１は、それぞれ複数の青色半導体レーザを含んで構成される５組のレーザ光源３０ａ〜３０ｅを含む。

各光源３０ａ〜３０ｅからは１本のレーザビームが出射し、必要に応じて配置される折り返しミラー３５で反射されて、レーザビームＬ１〜Ｌ５として出射する。

５本のレーザビームＬ１〜Ｌ５は、相互に近接して並進する。レーザビームＬ１〜Ｌ５の中心光線はｚ軸に平行であり、ｘ軸方向に等間隔で配列している。なお、これらの中心光線の間隔は、必ずしも等間隔にする必要はない。ただし、効率上、等間隔に配置することが好ましい。

図５に、重ね合わせ光学系２の概略図を示す。重ね合わせ光学系２は、拡がり角拡大光学系２Ａと、その後側に配置された拡がり角縮小光学系２Ｂとを含んで構成される。拡がり角拡大光学系２Ａは、第１の収束レンズ１１及び第２の収束レンズ１２を含み、拡がり角縮小光学系２Ｂは、第３の収束レンズ１５及び第４の収束レンズ１６を含む。これら４つの収束レンズ１１、１２、１５、１６は、光軸が一致するように配置されている。この共通の光軸はｚ軸に平行である。収束レンズ１１、１２、１５、１６の各々は、１枚の凸レンズで構成してもよいし、複数枚のレンズを組み合わせた複合レンズで構成してもよい。

第２の収束レンズ１２は第１の収束レンズ１１の後ろ側に配置され、第１の収束レンズ１１よりも短い焦点距離を持つ。第２の収束レンズ１２の前側焦点の位置が、第１の収束レンズ１１の後側焦点の位置と一致する。第４の収束レンズ１６は、第３の収束レンズ１５の後側に配置され、第３の収束レンズ１５よりも長い焦点距離を持つ。第４の収束レンズ１６の前側焦点の位置が、第３の収束レンズ１５の後側焦点の位置と一致する。一例として、第１の収束レンズ１１、第２の収束レンズ１２、第３の収束レンズ１５、及び第４の収束レンズ１６の焦点距離は、それぞれ５００ｍｍ、１００ｍｍ、２００ｍｍ、及び５００ｍｍである。

レーザ光源１（図４）から出射された５本のレーザビームＬ１〜Ｌ５が、第１の収束レンズ１１に入射する。レーザビームＬ１〜Ｌ５の中心光線はすべてｚ軸に平行であり、ｘ軸方向に等間隔、例えば間隔１０ｍｍで並んでいる。

図６（Ａ）、図７（Ａ）、及び図８（Ａ）に、第１の収束レンズ１１の前側焦点を含み光軸に垂直な平面（以下、「焦点面」とよぶ。）１０の位置の光強度分布を示す。図６（Ａ）及び後述する図６（Ｂ）〜図６（Ｄ）は、光強度を濃淡で示す図であり、図７（Ａ）及び後述する図７（Ｂ）〜図７（Ｄ）は、ｘ軸方向に関する光強度分布を示すグラフであり、図８（Ａ）及び後述する図８（Ｂ）〜図８（Ｄ）は、ｙ軸方向に関する光強度分布を示すグラフである。

レーザビームＬ１〜Ｌ５の各々のビーム断面２０は、ｙ軸方向に長い楕円状である。ビーム断面２０の各々の長軸（ｙ軸方向の寸法）は約５０ｍｍであり、短軸（ｘ軸方向の寸法）はビーム断面２０の中心間の距離１０ｍｍよりもやや短く、例えば９ｍｍである。ここで、「ビーム断面」とは、光強度が最大値の１／ｅ^２になる点を連ねる線で囲まれた領域を意味する。ここで、ｅは、自然対数の底である。レーザビームＬ１〜Ｌ５のｘｚ面内に関するビーム拡がり角θｄは、約２．５ｍｒａｄである。本明細書において、「ビーム拡がり角」は、ビームの拡がりの半角を指すものとする。

第２の収束レンズ１２を透過した５本のレーザビームＬ１〜Ｌ５の中心光線は、ｚ軸に平行になる。

図６（Ｂ）、図７（Ｂ）、及び図８（Ｂ）に、第２の収束レンズ１２の後側焦点面１３の位置の光強度分布を示す。第１の収束レンズ１１の前側焦点面１０と、第２の収束レンズ１２の後側焦点面１３とが共役の関係にある。従って、第１の収束レンズ１１の前側焦点面１０の位置の像が、第２の収束レンズ１２の後側焦点面１３の位置に転写され、その倍率は１／５である。このため、ビーム断面２３の各々のｙ軸方向の寸法は約１０ｍｍ、ｘ軸方向の寸法は約１．８ｍｍになり、中心光線の間隔は２ｍｍになる。ビーム拡がり角は倍率にほぼ反比例するため、第２の収束レンズ１２を通過した各レーザビームのｘｚ面内に関するビーム拡がり角θｄは、１２．５ｍｒａｄになる。

このように、拡がり角拡大光学系２Ａは、出射するレーザビームの各々のビーム拡がり角を、入射したレーザビームのビーム拡がり角よりも大きくし、かつ出射するレーザビームの中心光線の間隔を、入射したレーザビームの中心光線の間隔よりも狭くする。このため、レーザビームの経路が相互に重なりやすくなる。

第３の収束レンズ１５は、第２の収束レンズ１２よりも８００ｍｍだけ後側に配置されている。すなわち、第３の収束レンズ１５の前側焦点面１４は、第２の収束レンズ１２の後側焦点面１３よりも５００ｍｍ後方に位置する。第２の収束レンズ１２を通過したレーザビームのビーム拡がり角が１２．５ｍｒａｄであるため、第３の収束レンズ１５の前側焦点面１４の位置における各ビーム断面２４のｘ軸方向の寸法は約１４．３ｍｍになる。ｙ軸方向に関するビーム拡がり角は、後側焦点面１３と前側焦点面１４との間隔５００ｍｍ程度の進行距離の場合には、無視できる大きさである。このため、ビーム断面２４のｙ軸方向の寸法は、ほぼ１０ｍｍのままである。

図６（Ｃ）、図７（Ｃ）、及び図８（Ｃ）に、第３の収束レンズ１５の前側焦点面１４の位置における光強度分布を示す。レーザビームＬ１〜Ｌ５の各々のビーム断面２４のｘ軸方向の寸法が１４．３ｍｍであり、ビーム断面２４の中心間の距離が２ｍｍであるため、５個のビーム断面２４が部分的に重なり合う。図６（Ｃ）及び図７（Ｃ）に示すように、個々のビーム断面を識別することはできなくなり、実質的に１本のレーザビームのビーム断面と同等の光強度分布が現れている。

第４の収束レンズ１６を通過した５本のレーザビームＬ１〜Ｌ５の中心光線はｚ軸に平行になる。

第４の収束レンズ１６の後側焦点面１７と、第３の収束レンズ１５の前側焦点面１４とが共役の関係になる。従って、第３の収束レンズ１５の前側焦点面１４の位置の像が、第４の収束レンズ１６の後側焦点面１７の位置に転写され、その倍率は２．５倍である。このため、後側焦点面１７の位置におけるレーザビームＬ１〜Ｌ５の各々のビーム断面２７のｘ軸方向の寸法は約３５．７５ｍｍになり、ｙ軸方向の寸法は、約２５ｍｍになる。レーザビームの中心光線間の距離は５ｍｍになる。ｘｚ面内に関するビーム拡がり角θｄは、５ｍｒａｄになる。

このように、拡がり角縮小光学系２Ｂは、出射するレーザビームの各々のビーム拡がり角を入射したレーザビームのビーム拡がり角よりも小さくし、かつ出射するレーザビームが部分的に重ね合わされた状態で、これらの中心光線を相互に平行にする。

図６（Ｄ）、図７（Ｄ）、及び図８（Ｄ）に、後側焦点面１７の位置における光強度分布を示す。５本のレーザビームＬ１〜Ｌ５のビーム断面が部分的に重なり合って、個々のビーム断面を識別することはできない。このように、拡がり角縮小光学系２Ｂを通過した５本のレーザビームＬ１〜Ｌ５のビーム断面を合成したレーザビーム群４７の合成ビーム断面内の光強度分布は、実質的に１本のガウシアンビームの光強度分布とほぼ同一と考えることができる。合成ビーム断面のｘ軸方向の寸法は、５５．７５ｍｍになる。

図９に、均一化光学系３の断面図を示す。図９（Ａ）は、ｙｚ面に平行な断面図、図９（Ｂ）は、ｘｚ面に平行な断面図を示す。

図９（Ａ）に示すように、等価な７本のシリンドリカルレンズが、各々の母線方向をｘ軸と平行にし、かつｙ軸方向に配列し、ｘｙ面に平行な仮想平面に沿ったシリンダアレイ４５Ａと４５Ｂが構成されている。シリンダアレイ４５Ａ及び４５Ｂの各シリンドリカルレンズの光軸面はｘｚ面に平行である。ここで、光軸面とは、シリンドリカルレンズの面対称な結像系の対称面（シリンドリカルレンズの柱面の曲率中心線を含む結像系の対称面）を意味する。シリンダアレイ４５Ａは光の入射側（図の左方）に配置され、シリンダアレイ４５Ｂは出射側（図の右方）に配置されている。

図９（Ｂ）に示すように、等価な７本のシリンドリカルレンズが各々の母線方向をｙ軸と平行にし、かつｘ軸方向に配列し、ｘｙ面に平行な仮想平面に沿ったシリンダアレイ４６Ａと４６Ｂが構成されている。シリンダアレイ４６Ａ及び４６Ｂの各シリンドリカルレンズの光軸面はｙｚ面に平行である。シリンダアレイ４６Ａはシリンダアレイ４５Ａの前方（図の左方）に配置され、シリンダアレイ４６Ｂはシリンダアレイ４５Ａと４５Ｂとの間に配置されている。シリンダアレイ４５Ａと４５Ｂの対応するシリンドリカルレンズの光軸面は一致し、シリンダアレイ４６Ａと４６Ｂの対応するシリンドリカルレンズの光軸面も一致する。

シリンダアレイ４５Ｂの後方に、コンデンサレンズ４９が配置されている。コンデンサレンズ４９の光軸は、ｚ軸に平行である。

図９（Ａ）を参照して、ｙｚ面内に関する光線束の伝搬の様子を説明する。ｙｚ面内においては、シリンダアレイ４６Ａ及び４６Ｂは単なる平板であるため、光線束の集束、発散に影響を与えない。

シリンダアレイ４６Ａの左方からｚ軸に平行な光軸を有する５本のレーザビームが入射する。図８（Ｄ）に示したように、５本のレーザビームは、近似的にｙ軸方向に関して１本のガウシアンビームと同じ光強度分布を持つと考えることができる。入射するレーザビーム４７は、例えば曲線５１ｙで示すように、中央部分で強く周辺部分で弱い光強度分布を有する。

レーザビーム４７がシリンダアレイ４６Ａを透過し、シリンダアレイ４５Ａに入射する。入射光線束は、シリンダアレイ４５Ａにより各シリンドリカルレンズに対応した７つの集束光線束に分割される。図９（Ａ）では、中央と両端の光線束のみを代表して示している。７つの集束光線束は、それぞれ曲線５１ｙａ〜５１ｙｇで示す光強度分布を有する。シリンダアレイ４５Ａによって集束された光線束は、シリンダアレイ４５Ｂにより再度集束される。

シリンダアレイ４５Ｂにより集束した７つの集束光線束４８は、それぞれ集束レンズ４９の前方で結像する。この結像位置は、コンデンサレンズ４９の入射側焦点よりもレンズに近い。このため、コンデンサレンズ４９を透過した７つの光線束はそれぞれ発散光線束となり、ホモジナイズ面５０上において重なる。ホモジナイズ面５０を照射する７つの光線束のｙ軸方向の光強度分布は、それぞれ光強度分布５１ｙａ〜５１ｙｇをｙ軸方向に引き伸ばした分布に等しい。光強度分布５１ｙａと５１ｙｇ、５１ｙｂと５１ｙｆ、５１ｙｃと５１ｙｅは、それぞれｙ軸方向に関して反転させた関係を有するため、これらの光線束を重ね合わせた光強度分布は、実線５２ｙで示すように均一な分布に近づく。

図９（Ｂ）を参照して、ｘｚ面内に関する光線束の伝搬の様子を説明する。ｘｚ面内においては、シリンダアレイ４５Ａ及び４５Ｂは単なる平板であるため、光線束の集束、発散に影響を与えない。５本のレービーム４７がシリンダアレイ４６Ａに入射する。図７（Ｄ）に示したように、５本のレーザビーム４７は、近似的にｘ軸方向に関して１本のガウシアンビームと同じ光強度分布を持つと考えることができる。レーザビーム４７は、例えば曲線５１ｘで示すように、中央部分で強く周辺部分で弱い光強度分布を有する。

レーザビーム４７がシリンダアレイ４６Ａにより各シリンドリカルレンズに対応した７つの集束光線束に分割される。図９（Ｂ）では、中央と両端の光線束のみを代表して示している。７つの集束光線束は、それぞれ曲線５１ｘａ〜５１ｘｇで示す光強度分布を有する。

各光線束は、シリンダアレイ４６Ｂの前方で結像し、発散光線束となってシリンダアレイ４６Ｂに入射する。シリンダアレイ４６Ｂに入射した各光線束は、それぞれある出射角を持って出射し、コンデンサレンズ４９に入射する。

コンデンサレンズ４９を透過した７つの光線束はそれぞれ集束光線束となり、ホモジナイズ面５０上において重なる。ホモジナイズ面５０を照射する７つの光線束のｘ軸方向の光強度分布は、図９（Ａ）の場合と同様に実線５２ｘで示すように均一な分布に近づく。

ホモジナイズ面５０上の光照射領域は、ｙ軸方向に長く、ｘ軸方向に短い線状の形状を有する。ホモジナイズ面５０の位置に、被照射物の表面を配置することにより、その表面内のｙ軸方向に長い線状の領域を、ほぼ均一に照射することができる。

上記第２の実施例においても、レーザ光源として複数の青色半導体レーザを用いる。このため、ビーム照射装置を安価に構成することができる。

上記第２の実施例では、拡がり角拡大光学系２Ａ及び拡がり角縮小光学系２Ｂを、ケプラータイプのビームエキスパンダで構成したが、ガリレオタイプのビームエキスパンダで構成することも可能である。拡がり角拡大光学系２Ａをガリレオタイプとする場合には、第２の収束レンズ１２の代わりに発散レンズを用いる。このとき、発散レンズの後側焦点が、第１の収束レンズの後側焦点と一致するように発散レンズを配置する。拡がり角縮小光学系２Ｂをガリレオタイプとする場合には、第３の収束レンズ１５の代わりに発散レンズを用いる。このとき、発散レンズの前側焦点が、第４の収束レンズ１６の前側焦点と一致するように発散レンズを配置する。

図１０に、第３の実施例によるビーム重ね合わせ光学系の概略図を示す。以下、図５に示した第２の実施例によるビーム重ね合わせ光学系との相違点に着目して説明する。

第３の実施例によるビーム重ね合わせ光学系では、拡がり角拡大光学系２Ａと拡がり角縮小光学系２Ｂとの間に、筒状光学装置６が配置されている。その他の構成は、第２の実施例の場合と同様である。

筒状光学装置６は、両端が開口した筒状の形状を有し、その内面は、レーザビームを反射させる反射面とされている。内面は、例えばｚ軸に平行な柱面で構成される。筒状光学装置６として、カライドスコープを用いることができる。拡がり角拡大光学系２Ａを通過したレーザビームが一方の開口部から筒状光学装置６に入射する。入射したレーザビームは、筒状光学装置６の出射側の開口部を通って出射する。

出射側の開口部が、第３の収束レンズ１５の前側焦点面１４の位置に配置されている。前側焦点面１４の位置における光強度分布の広がり２４ａが、筒状光学装置６の出射側の開口部によって制限される。筒状光学装置６の出射側の開口部が、第４の収束レンズ１６の後側焦点面１７の位置に転写される。

このため、第２の実施例の場合に比べて、拡がり角縮小光学系２Ｂから出射したレーザビーム群の合成ビーム断面を狭くすることができる。

図１１に、第４の実施例によるビーム照射装置の概略図を示す。青色半導体レーザ６０、集光レンズ６１、及び光ファイバ６２が１つの光源を構成し、この光源が複数個準備されている。青色半導体レーザ６０から出射したレーザビームが、対応する集光レンズ６１により集光され、対応する光ファイバ６２の入射端面に入射する。複数の光ファイバ６２の出射端面が、仮想平面６９に沿って行列状に配置されている。各光ファイバ６２は、その出射端面から出射されたレーザビームの中心光線が仮想平面６９と垂直になるように配置されている。仮想平面６９に平行な面をｘｙ面とするｘｙｚ直交座標系を定義する。

光ファイバ６２の端面から出射されたレーザビームは、例えば１００ｍｒａｄのビーム拡がり角を持つ。

光ファイバ６２から出射されたレーザビームが入射する位置に、前段収束レンズ６３が配置されている。その後方に後段収束レンズ６４が配置されている。両者の光軸は一致し、ｚ軸に平行である。前段収束レンズ６３の焦点距離は、例えば５０ｍｍであり、後段収束レンズ６４の焦点距離は、前段収束レンズ６３の焦点距離よりも長く、例えば５００ｍｍである。前段収束レンズ６３の後側焦点の位置と、後段収束レンズ６４の前側焦点の位置が一致する。後段収束レンズ６４の後方に、図３に示した均一化光学系３及びステージ４が配置される。

複数の光ファイバ６２から出射したレーザビームの、前段収束レンズ６３の前側焦点面６５の位置におけるビーム断面６７同士が部分的に重なる。前段収束レンズ６３と、それに入射する複数のレーザビームとの関係は、図５に示した第３の収束レンズ１５と、それに入射する複数のレーザビームとの関係と同一である。

後段収束レンズ６４を通過したレーザビームの各々のビーム拡がり角は１０ｍｒａｄになる。前段収束レンズ６３の前側焦点面６５の位置におけるビーム断面６７の状態が、後段収束レンズ６４の後側焦点面６６の位置に、倍率１０倍で転写される。前側焦点面６５の位置において、複数のビーム断面６７同士が部分的に重なり合っているため、後側焦点面６６の位置においても、ビーム断面６８同士が部分的に重なり合う。このため、第２の実施例と同様に、実質的に１本のレーザビームのビーム断面内の光強度分布とほぼ同一の光強度分布が得られる。

図１２は、合成ファイバ８０を示す概略図である。

合成ファイバ８０は、レーザビームが入射する複数（図示の場合は２つ）の入射端面と、それより少ない数（図示の場合は１つ）の出射端面を備え、入射端面から入射したレーザビームを合成して出射端面から出射する。

上述した実施例においては、青色半導体レーザ６０の出射光を合成ファイバ８０の入射端面から導入し、合成されて出射されるビームを用いることもできる。

図１３（Ａ）〜（Ｅ）を用いて実施例によるレーザ照射方法を説明する。

図１３（Ａ）は、実施例によるレーザ照射方法に使用するレーザ照射装置を示す概略図である。図１（Ａ）及び（Ｂ）に示した第１の実施例によるレーザ照射装置とは、青色半導体レーザ７０ａから出射されたレーザビームが導入される光ファイバ７１ａの出射端面が長さ方向に沿って等間隔に１列に配置されている点において異なる。また、第１の実施例は、シリンドリカルレンズ７２ａ及び７２ｂを含んでいたが、本図に示すレーザ照射装置は、それらに代えて、光ファイバ７１ａの出射端面から出射されるレーザビーム７５ａを平行光にするコリメートレンズ８５ａ、及び、コリメートレンズ８５ａを出射したレーザビームを加工対象物上に、たとえば５μｍ×５μｍの範囲に集光する集光レンズ８６ａを含む。なお、１個の青色半導体レーザ７０ａの出力は、たとえば２００ｍＷである。

コリメートレンズ８５ａ及び集光レンズ８６ａは、それぞれ１つずつ１本の光ファイバ７１ａに対応して配置される。

相互に隣り合う光ファイバ７１ａの出射端面間の距離はｄである。このためレーザビームが加工対象物上に一直線上に集光される位置の間隔もｄとなる。距離ｄは、後述するように、加工対象物上の加工位置が、ある直線に沿って相互に隣り合う距離である。

なお、光ファイバ７１ａの出射端面を凸レンズ状にすることにより、コリメートレンズ８５ａ及び集光レンズ８６ａを省略することも可能である。

図１３（Ｂ）を参照する。図１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）に示したレーザ照射装置の平面図である。青色半導体レーザ７０ａ、光ファイバ７１ａ、コリメートレンズ８５ａ、及び集光レンズ８６ａの組が複数、直線に沿って固定され、光源ユニット８７を形成する。

図１３（Ｃ）は、ＸＹステージ７３上に載置された加工基板８９を示す平面図である。加工基板８９は、たとえばガラス基板上にアモルファスシリコン膜が形成された基板である。

ＸＹステージ７３は、加工基板８９をＸ方向（図１３（Ｃ）においては右方向）及びＹ方向（図１３（Ｃ）においては上方向）に平行な方向に沿って移動させることができる。加工基板８９は、行列状に形成された複数のピクセル形成予定領域９１を含んで構成され、各ピクセル形成予定領域９１はその内部の一定位置にＴＦＴ形成予定領域９０を含む。各ＴＦＴ形成予定領域９０の行方向に沿う長さは、たとえば５μｍである。

各ピクセル形成予定領域９１は、行方向にピッチｄで配列される。このため各ピクセル形成予定領域９１に含まれるＴＦＴ形成予定領域９０も、行方向にピッチｄで配置されている。

加工基板８９は、ピクセル形成予定領域９１の行方向がＸ方向と平行となり、列方向がＹ方向と平行となるようにＸＹステージ７３上に載置される。

図１３（Ａ）及び（Ｂ）に示したレーザ照射装置を、長さ方向とＸ方向とが平行となるように、たとえばピクセル形成予定領域９１の最下段の行ＬＬの上方に設置し、ＴＦＴ形成予定領域９０が５μｍ×５μｍの集光範囲内部におさまるように位置合わせを行う。

青色半導体レーザ７０ａからレーザビームを出射する一方で、ＸＹステージ７３を駆動して、加工基板８９をＹ負方向に移動させる。

このときにレーザビームが照射される加工基板８９上の領域（本図においては、図面左側から２列分のみ）に斜線を付して示した。レーザビームの照射により、加工基板８９のピクセル形成予定領域９１の列方向に沿ってライン状に、レーザアニールが行われる。ＴＦＴ形成予定領域９０は、レーザビームの照射領域（斜線を付した領域）に含まれるため、ＴＦＴ形成予定領域９０のアモルファスシリコンはレーザアニールによって、粒径の大きい多結晶シリコンに改質される。

ＴＦＴ形成予定領域９０を含む、加工基板８９上の一部領域にのみレーザビームを照射することにより、エネルギロスを少なくしてレーザアニールを行うことができる。

なお、ＴＦＴ形成予定領域９０のピッチが十分大きい場合には、図１３（Ａ）に示したような光ファイバ７１ａを用いた構成を採用せず、青色半導体レーザ７０ａを出射したレーザビームを直接コリメートレンズ８５ａに入射させてもよい。

図１３（Ｄ）を参照する。レーザアニールに必要なエネルギが確保されるようにレーザビームを集光し、レーザビームを照射しながらＸＹステージ７３上の加工基板８９をＹ負方向に移動するだけでは、ＴＦＴ形成予定領域９０の全域にレーザビームを入射させられない場合、たとえばレーザビームの集光領域の幅がＴＦＴ形成予定領域の幅よりも小さい場合がある。

そこで、レーザビームを照射しながらＸＹステージ７３上の加工基板８９をＹ負方向に移動させるとともに、光源ユニット移動装置８８によって、光源ユニット８７をＸ方向と平行な方向に沿って微小振動させてもよい。

図１３（Ｄ）に示すように、レーザビームは加工基板８９上を蛇行するように走査され、ピクセル形成予定領域９１の列方向に沿うライン状領域がアニールされる。加工基板８９に入射するレーザビームをＸ軸方向に微小振動させることによって、アニールに必要なエネルギでＴＦＴ形成予定領域９０の全域にレーザビームを入射させることができる。

なお、上述のレーザ照射方法においては、光ファイバ７１ａの出射端面のピッチを、ＴＦＴ形成予定領域９０のピッチと等しく構成したが、たとえば光ファイバ７１ａの出射端面のピッチを、ＴＦＴ形成予定領域９０のピッチの２倍（すなわち２ｄ）としてもよい。その場合、たとえば奇数列のＴＦＴ形成予定領域９０のレーザアニールを行い、その後、偶数列をアニールする。

更に、レーザビームはライン状の領域ではなく、島状の領域に照射してもよい。たとえばＸＹステージ７３による加工基板８９のＹ負方向への移動と、レーザビームの出射を同期させて、ＴＦＴ形成予定領域９０を含む島状領域にのみレーザビームを照射し、アニールを行う。

図１３（Ｅ）を参照する。光源ユニット８７は、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に平行に配置するだけでなく、斜め方向に配置することもできる。配置する光源ユニット８７は、単数でも複数でもよい。

ＸＹステージ７３による加工基板８９の移動と、光源ユニット８７に含まれる青色半導体レーザの選択的な発光とを同期させて、ＴＦＴ形成予定領域９０を含む島状領域にのみレーザビームが照射されるように制御を行う。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。

実施例においては青色半導体レーザを用いたが、たとえばレーザアニールを行う場合は、波長が３００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲の半導体レーザを用いることができる。

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

レーザ加工一般、たとえばレーザアニールに好適に用いられる。フラットパネルディスプレイの製造等に利用することができる。

（Ａ）及び（Ｂ）は、第１の実施例によるレーザ照射装置を示す概略図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第１の実施例によるレーザ照射装置によって、加工基板７４上に照射される長尺状ビームのビーム強度分布を示すグラフである。 第２の実施例によるビーム照射装置の概略図である。 レーザ光源１の概略図である。 重ね合わせ光学系２の概略図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、重ね合わせ光学系の種々の位置における光強度分布を濃淡で示す図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、重ね合わせ光学系の種々の位置におけるｘ軸方向の光強度分布を示す図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、重ね合わせ光学系の種々の位置におけるｙ軸方向の光強度分布を示す図である。 （Ａ）は、均一化光学系３のｙｚ面に平行な断面図、（Ｂ）は、ｘｚ面に平行な断面図である。 第３の実施例によるビーム重ね合わせ光学系の概略図である。 第４の実施例によるビーム照射装置の概略図である。 合成ファイバ８０を示す概略図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は、実施例によるレーザ照射方法を説明するための図である。

符号の説明

１ レーザ光源
２ 重ね合わせ光学系
２Ａ 拡がり角拡大光学系
２Ｂ 拡がり角縮小光学系
３ 均一化光学系
４ ステージ
５ 加工対象物
６ 筒状光学装置
１１、１２、１５、１６ 収束レンズ
１３、１４、１７ 焦点面
２３、２４、２７ ビーム断面
３０ａ〜３０ｅ レーザ光源
３５ 折り返しミラー
４５Ａ、４５Ｂ、４６Ａ、４６Ｂ シリンダアレイ
４９ コンデンサレンズ
５０ ホモジナイズ面
５１ｘ、５１ｘａ〜５１ｘｇ、５１ｙ、５１ｙａ〜５１ｙｇ 曲線
５２ｘ、５２ｙ 実線
６０ 青色半導体レーザ
６１ 集光レンズ
６２ 光ファイバ
６３、６４ 収束レンズ
６５、６６ 焦点面
６７、６８ ビーム断面
６９ 仮想平面
７０ａ、７０ｂ 青色半導体レーザ
７１ａ、７１ｂ 光ファイバ
７２ａ、７２ｂ シリンドリカルレンズ
７３ ＸＹステージ
７４ 加工基板
７５ａ、７５ｂ レーザビーム
８０ 合成ファイバ
８５ａ コリメートレンズ
８６ａ 集光レンズ
８７ 光源ユニット
８８ 光源ユニット移動装置
８９ 加工基板
９０ ＴＦＴ形成予定領域
９１ ピクセル形成予定領域

Claims (11)

1. レーザビームを出射する複数の半導体レーザと、
   入射端面と出射端面とを備え、前記出射端面が第１の方向に沿って配置された複数の光ファイバであって、複数の光ファイバは、前記複数の半導体レーザに対応して準備され、前記複数の半導体レーザから出射したレーザビームの各々が、前記複数の光ファイバのうちの対応する光ファイバの入射端面から導入されて出射端面から出射される複数の光ファイバと、
   前記複数の光ファイバの出射端面から出射したレーザビームを前記第１の方向と交差する第２の方向に収束させ、前記第１の方向には収束させない光学系と
   を有するレーザ照射装置。
2. 複数の半導体レーザを含み、中心光線が相互に平行な複数のレーザビームを出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射した、中心光線が相互に平行な複数のレーザビームが入射し、入射したレーザビームの各々のビーム拡がり角を大きくして出射させ、出射するレーザビームの中心光線を相互に平行に保ち、かつ出射するレーザビームの中心光線の間隔を、入射したレーザビームの中心光線の間隔よりも狭くすることにより、レーザビーム同士を部分的に重ね合わせる拡がり角拡大光学系と、
   前記拡がり角拡大光学系によって部分的に重ね合わされたレーザビームが入射し、入射したレーザビームの各々のビーム拡がり角を小さくして出射させ、かつ出射するレーザビームが部分的に重ね合わされた状態で、これらの中心光線を相互に平行に保つ拡がり角縮小光学系と
   を有するレーザ照射装置。
3. 前記拡がり角拡大光学系は、
   レーザビームが入射する第１の収束レンズと、
   前記第１の収束レンズの後ろ側に配置され、前記第１の収束レンズよりも短い焦点距離を持ち、前記第１の収束レンズの後側焦点の位置を前側焦点とする第２の収束レンズと
   を含む請求項２に記載のレーザ照射装置。
4. 前記拡がり角拡大光学系は、
   レーザビームが入射する第１の収束レンズと、
   前記第１の収束レンズの後ろ側に配置され、前記第１の収束レンズよりも短い焦点距離を持ち、前記第１の収束レンズの後側焦点の位置を後側焦点とする第２の発散レンズと
   を含む請求項２に記載のレーザ照射装置。
5. 前記拡がり角縮小光学系は、
   前記拡がり角拡大光学系を通過したレーザビームが入射する第３の収束レンズと、
   前記第３の収束レンズの後側に配置され、前記第３の収束レンズよりも長い焦点距離を持ち、前記第３の収束レンズの後側焦点の位置を前側焦点とする第４の収束レンズと
   を含む請求項２〜４のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
6. 前記拡がり角縮小光学系は、
   前記拡がり角拡大光学系を通過したレーザビームが入射する第３の収束レンズと、
   前記第３の収束レンズの後側に配置され、前記第３の収束レンズよりも長い焦点距離を持ち、前記第３の収束レンズの後側焦点の位置を後側焦点とする第４の発散レンズと
   を含む請求項２〜４のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
7. さらに、前記拡がり角拡大光学系と拡がり角縮小光学系との間に配置され、内面がレーザビームを反射する反射面とされ、両端が開口した筒状光学装置であって、該拡がり角拡大光学系を通過したレーザビームが一方の開口部から入射し、入射したレーザビームを他方の開口部から出射させて該拡がり角縮小光学系に入射させる筒状光学装置を有する請求項２〜６のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
8. 前記筒状光学装置の内面は、入射するレーザビームの各々の中心光線と平行な柱面である請求項７に記載のレーザ照射装置。
9. 出射端が、ある平面に沿って並び、出射端から出射するレーザビームの中心光線が相互に平行になるように配置された複数の光ファイバと、
   前記光ファイバの入射端に、それぞれレーザビームを入射させる複数の半導体レーザと、
   前記光ファイバの出射端から出射され、あるビーム拡がり角をもって伝搬するレーザビーム同士が部分的に重なった状態で入射する前段収束レンズと、
   前記前段収束レンズを通過したレーザビームが入射し、該前段収束レンズよりも長い焦点距離を持ち、該前段収束レンズの後側焦点の位置を前側焦点とする後段収束レンズと
   を有するレーザ照射装置。
10. （ａ）表層部にシリコン膜が形成され、行列状にＴＦＴ形成予定領域が画定された加工基板を、前記ＴＦＴ形成予定領域の行方向または列方向が第１の方向と平行となるように支持する工程と、
    （ｂ）前記第１の方向に沿って、前記ＴＦＴ形成予定領域の行または列ごとに、離散的にレーザビームを集光して入射させながら、前記加工基板を前記第１の方向と直交する第２の方向に移動させる工程と
    を有するレーザ照射方法。
11. 前記工程（ｂ）において、前記レーザビームを集光させる領域が前記ＴＦＴ形成予定領域よりも小さく、前記第１の方向と交差する第３の方向に沿って、前記ＴＦＴ形成予定領域の全域にレーザビームが入射するように、前記レーザビームの入射位置を振動させながら、前記加工基板に入射させる請求項１０に記載のレーザ照射方法。