JP2008177372A - ラインビーム成形方法、ラインビーム成形装置、及び該装置を具備したレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的に均一強度のラインビーム成形を実現する。
【解決手段】レーザビームをライン状に成形するためのラインビーム成形方法において、入射したレーザビームを所定数に分割し、分割されたビームを入射したレーザビームとは異なる配列に並べ替えるビーム品質変換ステップと、前記ビーム品質変換ステップにより得られるレーザビームを均一な強度にする均一化ステップとを有することにより、上記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ラインビーム成形方法、ラインビーム成形装置、及び該装置を具備したレーザ加工装置に係り、特に効率的に均一強度のラインビーム成形を実現するためのラインビーム成形方法、ラインビーム成形装置、及び該装置を具備したレーザ加工装置に関する。

従来、レーザ発振器から出射したレーザビームを用いたレーザ加工として、例えば基板等の加工対象物に照射して熱処理を行うレーザアニール処理が知られている。具体的には、例えば液晶ディスプレイの製造工程の１つとして、レーザビームをａ−Ｓｉ薄膜基板に照射し溶融再結晶させてｐ−Ｓｉ薄膜を成形するレーザアニール処理等がある。

また、レーザアニール処理等の光源には、従来よりエキシマレーザが用いられていたが、近年の高出力化に伴い出力安定性やメンテナンス頻度に優れた固体レーザが用いられ始めている。また、レーザアニールに用いられるビーム形状の１つとして長尺ビームが用いられており、その長尺ビームを短軸方向に走査して照射することで基板全面に照射を行っている。更に、近年では、基板サイズの大型化に伴いビームの長尺化への要求が高まっている。

なお、一般にレーザ発振器から出射した略円形状のレーザビームを長尺化すると、照射面のエネルギー密度が不足する。そこで、近年では、その不足を解消するためにレーザ光源の高出力化や複数台のレーザ光源から出射されたビームの合成、照射面ビーム短軸サイズ細線化等の手法が用いられている（例えば、特許文献１等参照。）。

特許文献１に示されている手法は、複数台のレーザ装置から出たビームをミラー或いは光ファイバを用いてシリンドリカルレンズアレイとコンデンサレンズからなるホモジナイザに導き、集光レンズで集光することでビーム合成と均一化を行う手法である。
特開２００３−２８９０５２号公報

ところで、上述したビーム長尺化手法は、大別すると以下に示す２つの手法が一般的である。まず第１の手法は、短軸ビームサイズを小さくし、長手方向に大きなビームサイズを割り当てる手法である。しかしながら、この手法の場合、利用するレーザ光源のビーム品質によって短軸側集光サイズが制限を受けるため、長尺化にも限界がある。

また、第２の手法は、レーザ光源のパルスエネルギーを上げる手法である。単体のレーザ光源では、そのパルスエネルギーに限度があるため、例えば特許文献１に示されるように複数の光源を合成して大きなパルスエネルギーを得るという手法はよく利用されている。しかしながら、この手法の場合、複数のレーザ光源に加えて、合成に使われる光学系等のコンポーネントが別途必要となり、また複数のレーザ光源の個体差の調整や合成のための光学調整も複雑であり、コストと精度管理の点で問題がある。

本発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであり、効率的に均一強度のラインビーム成形を実現するためのラインビーム成形方法、ラインビーム成形装置、及び該装置を具備したレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明は、レーザビームをライン状に成形するためのラインビーム成形方法において、入射したレーザビームを所定数に分割し、分割されたビームを入射したレーザビームとは異なる配列に並べ替えるビーム品質変換ステップと、前記ビーム品質変換ステップにより得られるレーザビームを均一な強度にする均一化ステップとを有することを特徴とする。これにより、効率的に均一強度のラインビーム成形を実現することができる。

また本発明は、レーザビームをライン状に成形するためのラインビーム成形方法において、拡大光学系により前記レーザビームの一方向を所定の倍率で拡大する第１拡大ステップと、入射したレーザビームを所定数に分割し、分割されたビームを入射したレーザビームとは異なる配列に並べ替えるビーム品質変換ステップと、前記ビーム品質変換ステップにより得られる分割されたレーザビームを拡大光学系により、前記一方向と垂直方向に所定の倍率で拡大する第２拡大ステップと、前記第２拡大ステップから得られる分割されたレーザビームを合成する合成ステップと、前記合成ステップから得られる合成ビームを均一な強度にする均一化ステップとを有することを特徴とする。これにより、効率的に均一強度のラインビーム成形を実現することができる。また、短軸ビームサイズを小さくでき、長軸ビームサイズを大きくできるため、成形されたラインビームを元のビームよりも長いビームにすることができる。したがって、例えばレーザ加工の分野において、成形されたラインビームを短軸方向に走査して加工対象物に照射することで、１回の走査で大面積に一括照射するレーザ加工を実現することができる。

更に、前記ビーム品質変換ステップは、２枚以上のミラーを用いてレーザビームをミラー間で複数回反射させることでレーザビームの所定の範囲を、分割して並べ替えることが好ましい。これにより、品質を改善させた方向を照射面でのビーム短軸方向に対応させ、品質を悪化させた方向を照射面でのビーム長軸方向に対応させることで、ビーム長軸方向で干渉しにくくなるため、長軸方向において、より均一なビーム強度を有する細線ビームを成形することができる。

更に、前記ビーム品質変換ステップは、シリンドリカルレンズアレイをＸＹ軸に対して所定の角度分傾かせて設置し、ビーム品質が改善する方向が前記レーザビームから最終的に成形されるラインビームのビーム短軸方向になるようにレーザビームを前記シリンドリカルレンズアレイに入射させることが好ましい。これにより、シリンドリカルレンズアレイを用いたビーム品質変換光学系後のビームについて、品質を改善させた方向を照射面でのビーム短軸方向に対応させ、品質を悪化させた方向を照射面でのビーム長軸方向に対応させることで、ビーム長軸方向で干渉しにくくなるため、長軸方向において、より均一なビーム強度を有する細線ビームを成形することができる。

更に、前記ビーム品質変換ステップは、前記レーザビームの分割数に対応させた枚数のミラー群を複数有し、前記ミラー群の各ミラーにより分割させた前記レーザビームを複数のミラー群により回転させることで並べ替えることが好ましい。これにより、品質を改善させた方向を照射面でのビーム短軸方向に対応させ、品質を悪化させた方向を照射面でのビーム長軸方向に対応させることで、ビーム長軸方向で干渉しにくくなるため、長軸方向において、より均一なビーム強度を有する細線ビームを成形することができる。

更に、前記ビーム品質変換ステップは、前記ミラーのサイズ、配置、及び枚数、前記シリンドリカルレンズアレイのサイズ及び枚数、又は前記第１拡大ステップにおける拡大光学系の倍率により前記レーザビームの分割数を可変にすることが好ましい。これにより、ビーム品質を可変にすることができる。そのため、加工対象等に応じてビーム品質を調整することができる。

また本発明は、レーザビームをラインビーム状に成形するためのラインビーム成形装置において、入射したレーザビームを所定数に分割し、分割されたビームを入射したレーザビームとは異なる配列に並べ替えるビーム品質変換光学系と、前記ビーム品質変換光学系により得られるレーザビームを均一な強度にするビームホモジナイザを有することを特徴とする。これにより、効率的に均一強度のラインビーム成形を実現することができる。

また本発明は、レーザビームをラインビーム状に成形するためのラインビーム成形装置において、前記レーザビームの一方向を所定の倍率で拡大する第１拡大光学系と、入射したレーザビームを所定数に分割し、分割されたビームを入射したレーザビームとは異なる配列に並べ替えるビーム品質変換光学系と、前記ビーム品質変換光学系により得られる分割されたレーザビームを前記一方向と垂直方向に所定の倍率で拡大する第２拡大光学系と、前記第２拡大光学系から得られる分割されたレーザビームを合成する合成光学系と、前記合成光学系より得られる合成ビームを均一な強度にするビームホモジナイザとを有することを特徴とする。これにより、効率的に均一強度のラインビーム成形を実現することができる。また、短軸ビームサイズを小さくでき、長軸ビームサイズを大きくできるため、成形されたラインビームを元のビームよりも長いビームにすることができる。したがって、例えばレーザ加工の分野において、成形されたラインビームを短軸方向に走査して加工対象物に照射することで、１回の走査で大面積に一括照射するレーザ加工を実現することができる。

更に、前記ビーム品質変換光学系は、２枚以上のミラーを用いてレーザビームをミラー間で複数回反射させることでレーザビームの所定の範囲を、分割して並べ替えることが好ましい。これにより、品質を改善させた方向を照射面でのビーム短軸方向に対応させ、品質を悪化させた方向を照射面でのビーム長軸方向に対応させることで、ビーム長軸方向で干渉しにくくなるため、長軸方向において、より均一なビーム強度を有する細線ビームを成形することができる。

更に、前記ビーム品質変換光学系は、ＸＹ軸に対して所定の角度分傾かせて設置したシリンドリカルレンズアレイを有し、前記シリンドリカルレンズアレイは、ビーム品質が改善する方向が前記レーザビームから最終的に成形されるラインビームのビーム短軸方向になるようにレーザビームを入射することが好ましい。これにより、シリンドリカルレンズアレイを用いたビーム品質変換光学系後のビームについて、品質を改善させた方向を照射面でのビーム短軸方向に対応させ、品質を悪化させた方向を照射面でのビーム長軸方向に対応させることで、ビーム長軸方向で干渉しにくくなるため、長軸方向において、より均一なビーム強度を有する細線ビームを成形することができる。

更に、前記ビーム品質変換光学系は、前記レーザビームの分割数に対応させた枚数のミラー群を複数有し、前記ミラー群の各ミラーにより分割させた前記レーザビームを複数のミラー群により回転させることで並べ替えることが好ましい。これにより、品質を改善させた方向を照射面でのビーム短軸方向に対応させ、品質を悪化させた方向を照射面でのビーム長軸方向に対応させることで、ビーム長軸方向で干渉しにくくなるため、長軸方向において、より均一なビーム強度を有する細線ビームを成形することができる。

更に、前記ビーム品質変換光学系は、前記ミラーのサイズ、配置、及び枚数、前記シリンドリカルレンズアレイのサイズ及び枚数、又は前記第１拡大光学系の倍率により前記レーザビームの分割数を可変にすることが好ましい。これにより、ビーム品質を可変にすることができる。そのため、加工対象等に応じてビーム品質を調整することができる。

また本発明は、前記請求項７乃至請求項１２の何れか１項に記載のラインビーム成形装置を具備したレーザ加工装置を提供する。これにより、前記請求項７乃至請求項１２の何れか１項に記載のラインビーム成形装置により成形されたレーザビームを短軸方向に走査して加工対象物に照射することで、１回の走査で大面積に一括照射するレーザ加工を実現することができる。

更に、前記ラインビーム成形装置は、ビーム品質の改善する方向及び悪化する方向が、それぞれ照射面に成形されるラインビームの短軸方向及び長軸方向になるように対応させることが好ましい。これにより、品質を改善させた方向を照射面でのビーム短軸方向に対応させ、品質を悪化させた方向を照射面でのビーム長軸方向に対応させることで、ビーム長軸方向で干渉しにくくなるため、長軸方向において、より均一なビーム強度を有する細線ビームを成形することができる。

本発明によれば、効率的に高品質なビーム成形を実現することができる。また、成形されたレーザビームを用いて、加工対象物への高精度なレーザ加工を実現することができる。

以下に、上述したような特徴を有する本発明におけるラインビーム成形方法、ラインビーム成形装置、及び該装置を具備したレーザ加工装置を好適に実施した形態について、図面を用いて詳細に説明する。

＜ラインビーム成形装置：第１の実施形態＞
図１は、本発明におけるラインビーム成形装置の第１の実施形態を示す図である。図１に示すラインビーム成形装置１は、ビーム品質変換光学系２と、ビームホモジナイザ３とを有するよう構成されている。

図１において、レーザ光源からのレーザビーム（例えば、固体レーザ等）がビーム品質変換光学系２に入射される。このとき、レーザビームの進行方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向に直交する平面軸方向Ｘ、Ｙにおけるサイズと広がり角をそれぞれ（Ｄ、θ）とする。

ビーム品質変換光学系２は、入射したレーザビームに対し、ある一方向を基準に所定数に分割し、分割したビームを入射したレーザビームとは異なる配列になるように並べ替える。具体的には、ビーム品質変換光学系２は、例えば分割したビームをそれぞれＸＹ平面で所定角度（例えば、９０度）まで回転させて配列する。

つまり、ビーム品質変換光学系２は、レーザビームの集光性の指標であるビーム品質を変えるため、ビームの進行方向Ｚに対して直交する２つの方向Ｘ、Ｙを異なる値に変える。また、ビーム品質変換光学系２は、変換されたレーザビームをビームホモジナイザ３に出力する。

ビームホモジナイザ３は、ビーム品質変換光学系２により入力されたレーザビームを均一な強度にする。つまり、ビームホモジナイザ３は、ビーム品質変換光学系２から得られる変換されたレーザビームからビーム強度が均一なラインビームを成形し、成形したラインビームを出力する。したがって、効率的に均一強度のラインビーム成形を実現することができる。

＜ラインビーム成形装置：第２の実施形態＞
次に、ラインビーム成形装置の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、第１の実施形態と比較すると、主に入力されるレーザビームの一方向を拡大する構成（拡大光学系）を少なくとも１つ含んでいる。

図２は、本発明におけるラインビーム成形装置の第２の実施形態を示す図である。なお、以下の説明において、上述した第１の実施形態と略同様の構成部分については、同一の番号を付するものとし、ここでの詳細な説明は省略する。

図２に示すラインビーム成形装置１０は、アッテネータ１１と、ダイバージェンス補正光学系１２と、Ｘ軸テレスコープ（第１の拡大光学系）１３と、ビーム品質変換光学系２と、Ｙ軸テレスコープ（第２の拡大光学系）１５と、ビーム合成光学系１６と、ビームホモジナイザ３とを有するよう構成されている。

図１において、レーザ光源からのレーザビーム（例えば、固体レーザ等）がアッテネータ１１に入射される。アッテネータ１１は、入射されたレーザビームが照射対象物（例えば、基板等の加工対象物）に出力される際、最適な照射を実現するためにエネルギーを調節する。次に、アッテネータ１１によりエネルギー調節されたレーザビームは、ダイバージェンス補正光学系１２入力される。ダイバージェンス補正光学系１２は、入力したレーザビームの進行方向Ｚに対して直交するＸＹ両軸ともコリメート（平行）にする。なお、以下の説明を容易にするため、ダイバージェンス補正光学系１２から出力されるレーザビームは、例えばＸ軸方向及びＹ軸方向におけるサイズと広がり角をそれぞれ（Ｄ、θ）とする。

ビーム成形装置１０において、Ｘ軸テレスコープ１３は、入力されるレーザビームの一方向（例えばＸ軸方向）をα倍に拡大する。また、Ｘ軸テレスコープ１３は、拡大したレーザビームをビーム品質変換光学系２に入射する。このとき、Ｘ軸方向のビームサイズ及び広がり角は（αＤ、θ／α）となる。

ビーム品質変換光学系２は、上述したように入射したレーザビームを一方向で所定数に分割し、分割されたビームを入射したレーザビームとは異なる配列になるように並べ替える。なお、上述のＸ軸テレスコープ１３の倍率を変えることで、ビーム品質変換光学系２におけるレーザビームの分割数を可変にすることができる。また、ビーム品質変換光学系２は、回転されたレーザビームをＹ軸テレスコープ１５に出力する。

Ｙ軸テレスコープ１５は、ビーム品質変換光学系２により分割され、更に回転等により並べ替えられたそれぞれのレーザビームの一方向（例えばＹ軸方向）をβ倍に拡大する。また、Ｙ軸テレスコープ１５は、拡大したレーザビームをビーム合成光学系１６に出力する。ビーム合成光学系１６は、分割されたレーザビームを重ね合わせて合成する。また、ビーム合成光学系１６は、合成したレーザビームをビームホモジナイザ３に出力する。

ビームホモジナイザ３は、拡大され重ね合わされた合成ビームをビーム強度が均一なラインビームを成形し、成形したラインビームを出力する。

したがって、効率的に均一強度のラインビーム成形を実現することができる。また、第２の実施形態によれば、例えば短軸ビームサイズを小さくでき、長軸ビームサイズを大きくできるため、成形されたラインビームを元のビーム（オリジナルビーム）よりも長いビームにすることができる。したがって、例えばレーザ加工の分野において、成形されたラインビームを短軸方向に走査して加工対象物に照射することで、１回の走査で大面積に一括照射するレーザ加工を実現することができる。

＜ビーム品質変換光学系２＞
次に、上述したビーム品質変換光学系２について、具体的に説明する。図３は、ビーム品質変換光学系の一例について説明する図である。なお、図３では、一例として上述した第２の実施形態に基づき、入射するレーザビーム（オリジナルビーム）をＸ軸テレスコープ１３でα倍されたものを用いることとする。

図３において、入射するビームのＸ軸方向、Ｙ軸方向のサイズと広がり角がＸ：（αＤ、θ／α）、Ｙ：（Ｄ、θ）とし、ビーム品質変換光学系２での分割数をＭとする。このとき、変換後のビームは、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向のサイズと広がり角がそれぞれ異なりＸ：（ＭＤ、θ）、Ｙ：（αＤ／Ｍ、θ／α）となる。

また、ビーム品質は、ビームサイズとビーム広がり角の積に比例するため、上述したＸ軸方向、Ｙ軸方向のビーム品質は変換されたことになる。ここで、オリジナルビームのビーム品質に対して、Ｙ軸方向は１／Ｍ倍になり、Ｘ軸方向はＭ倍になるため、Ｙ軸方向は変換光学系に入れない場合と比較して１／Ｍ倍に絞れたことになる。また、Ｘ軸方向についてはビーム品質がＭ倍悪くなるため可干渉距離が小さくなる。

これにより、例えば、成形されたビームをイメージング光学系により結像することでステージ上の基板上面に均一な長尺細線ビームを成形することができる。したがって、照射面に成形される長尺細線ビームの短軸方向を上述のＹ軸方向に対応させることにより、マスクを用いることなく細線ビームが成形可能となり、長軸方向をＸ軸方向に対応させることにより干渉の影響を低減させることができる。

なお、上述の説明では、Ｘ軸テレスコープ１３でα倍されたレーザビームを用いてビーム品質変換の内容を説明したが、例えば上述した第１の実施形態に示すように拡大光学系を有していない場合、ビーム品質変換光学系２に入射されるレーザビームは、図３に示すＸ軸テレスコープ１３の倍率αが１倍（α＝１）のときにレーザビームに相当する。したがって、結果としてオリジナルビームのビーム品質に対して、Ｙ軸方向は１／Ｍ倍になり、Ｘ軸方向はＭ倍になるため、Ｙ軸方向は変換光学系に入れない場合と比較して１／Ｍ倍に絞れたことになる。

このように、上述したラインビーム成形装置１，１０を用いてビーム品質を変換させることで、マスク等を用いずに細線ビーム等のビーム成形を実現することができる。つまり、マスクを用いないため、エネルギー利用効率を格段に向上させることができる。また、ビーム品質を変換しビーム品質が悪化する方向をビーム長軸方向とすれば、干渉の影響を低減させることができる。したがって、効率的に均一強度のビーム成形を実現することができる。

＜レーザ加工装置＞
また、上述したラインビーム成形装置１０を例えばレーザ加工装置に適用することで、例えば長尺ビームを用いたレーザアニール処理等において、成形されたラインビームを短軸方向に走査して加工対象物に照射することで、１回の走査で大面積に一括照射するレーザ加工を実現することができる。ここで、図４は、レーザ加工装置の一構成例を示す図である。図４に示すレーザ加工装置２０は、レーザ発振器２１と、上述した第２の実施形態におけるラインビーム成形装置１０と、反射ミラー２２と、イメージング光学系２３と、ステージ２４と、ステージドライバ２５と、制御手段２６とを有するよう構成されている。なお、図４に示すレーザ加工装置２０におけるライン成形装置１０は、上述した第１の実施形態におけるラインビーム成形装置１であってもよい。

図４に示すレーザ加工装置２０において、レーザ発振器２１は、制御手段２６から得られる加工対象物２７の所定の加工領域を加工するためのレーザビームの周波数やパワー、ショット数、パルス幅、照射タイミング情報等に基づいて、レーザビームの照射条件を設定する。また、レーザ発振器２１は、制御手段２６から得られる照射制御情報等に基づいて所定のレーザビームを照射する。

ここで、レーザビームの種類としては、ルビーレーザやＹＡＧレーザ等の固体レーザを用いることができるが、その他にもエキシマレーザ、ＣＯ_２レーザ等のレーザビームを用いることができる。本発明におけるレーザビームの強度等については特に制限されない。

ラインビーム成形装置１０は、レーザ発振器２１からのレーザビームを本発明におけるビーム成形手法によりラインビームを成形し、成形されたラインビームを出力する。反射ミラー２２は、ラインビーム成形装置１０から得られるラインビームを加工対象物２７に照射させるために所定の方向に導く。

イメージング光学系２３は、入力されたレーザビームを結像し、加工対象物２７に照射する。また、ステージ２４は、加工対象物２７を吸着等により固定する。また、ステージドライバ２５によりＸＹ平面状やＺ軸等への移動を行い、イメージング光学系２３からのレーザビームが所定の加工位置に照射されるように移動する。

ステージドライバ２５は、加工対象物２７を吸着等により固定したステージ２４を加工条件に対応した所定の高さ（Ｚ方向）及び／又は水平方向（ＸＹ方向）に位置付けるため、制御手段２６から得られるステージ移動制御情報等に基づいて、ステージ２４を移動させる。

制御手段２６は、レーザ加工装置２０全体の制御を行う。具体的には、制御手段２６は、加工対象物２７をどのように加工するかを定めた各種制御情報等に基づいて、レーザ発振器２１及びステージドライバ２５に対してそれぞれ対応する制御情報を出力する。また、制御手段２６は、エラー発生時の装置の停止等の制御を行う。

つまり、レーザ加工装置２０は、制御手段２６によりレーザ発振器２１及びステージドライバ２５を制御しながら、ステージ２４を所定の方向に移動させつつ、ラインビーム成形装置１０により成形され、イメージング光学系２３により長尺細線化されたビームを照射することで、高精度なアニール処理を実現することができる。

このように、レーザ加工装置２０は、上述したラインビーム成形装置１０を具備することにより得られるビーム損失の少ない高品質のレーザビームを用いて大面積に一括照射するレーザ加工を実現することができる。

＜実施例１＞
次に、上述したビーム成形と、その成形されたレーザビームを用いたレーザ加工の具体的な実施例について説明する。図５は、実施例１におけるビーム品質変換光学系の概略構成の一例を示す図である。また、図６は、図５の立体概略構成の一例を示す図である。なお、実施例１は、ミラー方式を用いたビーム品質変換光学系を示している。

実施例１では、一例として固体レーザ（Ｎｄ：ＹＬＦ、波長：５２７ｎｍ、繰り返し周波数：１ｋＨｚ）からＺ軸方向に出射したビーム３０（ビームサイズ：Ｘ軸方向５ｍｍ、Ｙ軸方向５ｍｍ）がダイバージェンス補正光学系１２によりコリメートされ、テレスコープ１３（×７倍）によりＹ軸方向に３５ｍｍに拡大されて、ビーム品質変換光学系２に入射される。

ビーム品質変換光学系２は、サイズ５０ｍｍ×５６ｍｍ、厚さ１０ｍｍの２枚の矩形ミラー３１（第１矩形ミラー３１−１、第２矩形ミラー３１−２）から構成されており、例えばミラー間隔９．２ｍｍでミラー面を平行に向き合わせた状態で配置されている。

また、ミラー面はＹ軸まわりに２０°、Ｘ軸まわりに１６．７°傾いており、第１矩形ミラー３１−１と第２矩形ミラー３１−２は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に所定の距離をずらした状態で配置されている。この所定の距離は、ビーム３０の入射角度や分割数等に依存して設定される。

ここで、Ｚ軸方向に沿ってビーム品質変換光学系２に入射したビームは、Ｙ軸方向上端の５ｍｍにおいては第２矩形ミラー３１−２に反射されることなく通過し、残りの部分においては第２矩形ミラー３１−２によって反射される。また、第２矩形ミラー３１−２で反射したビームは、更に第１矩形ミラー３１−１で反射して再度Ｚ軸方向に進む。このとき、第１矩形ミラー３１−１及び第２矩形ミラー３１−２の各ミラー面がＸＹ平面に対して傾いているため、第２矩形ミラー３１−２の入射位置は初めに入射した位置に対してＸＹ方向ともに５ｍｍシフト（移動）することになる。

したがって、第２矩形ミラー３１−２に入射したビームは、Ｙ軸方向の上端５ｍｍが透過し、残りの部分は反射して再び第１矩形ミラー３１−１で反射する。このような工程を繰り返すことにより、分割されたビームを連続的に出力させることができる。

ここで、図７は、実施例１におけるビーム品質変換光学系の使用前後のシミュレーション結果を示す図である。なお、図７（ａ）は、品質変換前のレーザビームのビーム強度のシミュレーション結果の図を示し、図７（ｂ）は、品質変換後のレーザビームのビーム強度のシミュレーション結果の図を示したものである。また、図７に示す略楕円状の波紋形状は、それぞれビーム強度分布を示している。

図７のシミュレーション結果が示すように、ビーム品質変換光学系２を通過後は、図７（ｂ）に示すように、分割されたビームがＸ軸方向に並列する。また、変換光学系による品質変換後のビームは、Ｙ軸方向はテレスコープ１５で２倍に拡大され、Ｘ軸方向は２組のテレスコープ（倍率は１／５倍と２．５倍）からなるビーム合成光学系１６により合成されてラインビームホモジナイザ３に入射され、均一のラインビームに成形される。

また、レーザビームは、イメージング光学系２３により長尺細線化されステージ２４上の加工対象物２７の照射面に結像される。上述したステージ２４をビーム短軸方向に走査しながらレーザ照射することで、例えば加工対象物２７としてのａ−Ｓｉ薄膜の結晶化を行うことができる。

ここで、図２に示した光学系構成で照射面のビームプロファイルを計算した結果について図を用いて説明する。図８は、実施例１における照射面ビームプロファイルを計算した結果の一例を示す図である。なお、図８（ａ）は、比較のためビーム品質変換光学系がない場合のビームプロファイルの計算結果の一例であり、図８（ｂ）は、実施例１のビーム品質変換光学系を適用したビームプロファイルの計算結果の一例を示している。また、図８（ａ）、（ｂ）は共に、長軸方向と短軸方向のビームプロファイルを示し、横軸にはレーザ光の中心からの距離（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ）を示し、縦軸にはレーザ強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を示している。

図８によれば、ビーム長尺方向は１６１ｍｍの均一なビームが成形されている。また、短軸方向は図８（ｂ）では、ビームサイズが１１．２ｕｍに絞れており、図８（ａ）に示す変換光学系がない場合（ビームサイズ：３７．４ｕｍ）に比べて絞れている。

したがって、本実施例を適用することにより、２枚のミラーから構成されるビーム品質変換光学系を適用して、レーザビームをミラー間で複数回反射させてレーザビームの所定の範囲を分割して並べ替えることで、より均一なビーム強度を有する長尺細線ビームを効率的に成形することができる。また、このレーザビームを用いて大面積に一括照射するレーザ加工を実現することができる。なお、実施例１では、２枚のミラーを用いたが、上述したビーム成形を実現するためのミラーの枚数については特に制限はなく、３枚以上でもよい。したがって、実施例１では、ミラーのサイズ、配置（例えば、ミラーの間隔又はビームに対するミラーの角度）、及び枚数によりレーザビームの分割数を可変にすることができ、これにより、ビーム品質を可変にすることができる。そのため、加工対象等に応じてビーム品質を調整することができる。

＜実施例２＞
次に、上述したビーム成形と、その成形されたレーザビームを用いたレーザ加工の他の実施例（実施例２）について説明する。図９は、実施例２におけるビーム品質変換光学系の概略構成の一例を示す図である。なお、実施例２は、シリンドリカルレンズを複数用いたビーム品質変換光学系を示している。

実施例２では、一例として固体レーザ（Ｎｄ：ＹＬＦ、波長：５２７ｎｍ、繰り返し周波数：１ｋＨｚ）から出射したビーム（Ｘ軸方向サイズ：５ｍｍ、Ｙ軸方向サイズ：５ｍｍ）がダイバージェンス補正光学系１２によりコリメートされ、テレスコープ１３（×７倍）によりＸ軸方向に３５ｍｍに拡大されて、ビーム品質変換光学系２に入射される。

ビーム品質変換光学系２は、図９（ａ）に示すように、例えばサイズ２．５ｍｍ×３５ｍｍ、焦点距離ｆが５０ｍｍのシリンドリカルレンズ４１を１３枚配列されたレンズアレイ４２が２組（第１レンズアレイ４２−１、第２レンズアレイ４２−２）から構成されている。

また、実施例２では、図９（ｂ）に示すようにシリンドリカルレンズ４１の母線方向がＸＹ平面内においてＸ軸に対して４５度傾いた状態で配置されている。ビーム品質変換光学系２に入射したビームは、第１レンズアレイ４２−１により７分割されてＺ軸方向に進むが、アレイ間距離を９６．２ｍｍにすることで、各ビームはＸＹ平面で９０度回転した状態で第２レンズアレイ４２−２から出射する。なお、ビーム品質変換光学系２から先の処理については、上述した実施例１と同様に行うことで、加工対象物２７の照射面上で長尺細線ビームが成形される。

ここで、図１０は、実施例２におけるビーム品質変換光学系の使用前後のシミュレーション結果を示す図である。なお、図１０（ａ）は、品質変換前のレーザビームのビーム強度のシミュレーション結果の図を示し、図１０（ｂ）は、品質変換後のレーザビームのビーム強度のシミュレーション結果の図を示したものである。また、図１０に示す略楕円状の波紋形状は、それぞれビーム強度分布を示している。

図１０のシミュレーション結果が示すように、実施例２では、実施例１とは異なり変換光学系前後でビームの長尺方向（Ｘ軸方向）が変わらずにビームを出射させることができる。

また、図１１は、実施例２における照射面ビームプロファイルを計算した結果の一例を示す図である。なお、図１１は共に、長軸方向と短軸方向のビームプロファイルを示し、横軸にはレーザ光の中心からの距離（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ）を示し、縦軸にはレーザ強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を示している。図１１に示すように、実施例２によれば、照射面で１６１ｍｍ×１１．７ｕｍの均一な長尺細線ビームを得ることができる。

したがって、ＸＹ軸に対して母線方向が４５度傾いて設置された２組のシリンドリカルレンズアレイから構成されるビーム品質変換光学系を用い、ビーム品質変換光学系後のビームが、品質の改善させた方向を照射面でのビーム短軸方向に対応させ、品質を悪化させた方向を照射面でのビーム長軸方向に対応させることで、より均一なビーム強度を有する長尺細線ビームを成形することができる。また、このレーザビームを用いて大面積に一括照射するレーザ加工を実現することができる。なお、実施例２では、シリンドリカルレンズを１３枚配列させてレンズアレイを構成したが、上述したビーム成形を実現するためのレンズの枚数については特に制限はない。したがって、実施例２では、シリンドリカルレンズアレイのサイズ及び枚数によりレーザビームの分割数を可変にすることができ、これにより、ビーム品質を可変にすることができる。そのため、加工対象等に応じてビーム品質を調整することができる。

＜実施例３＞
次に、上述したビーム成形と、その成形されたレーザビームを用いたレーザ加工の他の実施例（実施例３）について説明する。図１２は、実施例３におけるビーム品質変換光学系の概略構成の一例を示す図である。なお、実施例３は、レーザビームを分割、並べ替え（回転）させるための複数のミラーから構成されたミラー群を用いたビーム品質変換光学系を示している。

実施例３では、一例として固体レーザ（Ｎｄ：ＹＬＦ、波長：５２７ｎｍ、繰り返し周波数：１ｋＨｚ）から出射されたビーム（Ｘ軸方向サイズ：５ｍｍ、Ｙ軸方向サイズ：５ｍｍ）がダイバージェンス補正光学系１２によりコリメートされ、テレスコープ１３（×７倍）によりＸ軸方向に３５ｍｍに拡大されて、ビーム品質変換光学系２に入射される。

また、図１２に示すように、ビーム品質変換光学系２は、３つのミラー群５１〜５３から構成されている。第１矩形ミラー群５１は、一例として７ｍｍ×７ｍｍのミラー７枚をそれぞれＺ軸方向に５ｍｍずらして配置され、第２矩形ミラー群５２は、５ｍｍ×７ｍｍのミラー７枚をそれぞれＸ軸方向に６ｍｍずらして配置され、また第３ミラー群５３は、５ｍｍ×７ｍｍのミラー７枚をそれぞれＺ軸方向に５ｍｍずらして配置されている。

第１矩形ミラー群５１に入射されたビームは、７枚の各ミラーにより７分割されＸ軸の正方向に反射される。また第１矩形ミラー群５１により反射されたビームは、第２矩形ミラー群５２によりＹ軸の正方向に反射され、更に第２矩形ミラー群５２により反射されたビームは、第３ミラー群５３によりＺ軸の正方向に反射されて出力される。なお、ビーム品質変換光学系２から先の処理については、上述した実施例１と同様に行うことで、加工対象物２７の照射面上で長尺細線ビームが成形される。

ここで、図１３は、実施例３におけるビーム品質変換光学系の使用前後のシミュレーション結果を示す図である。なお、図１３（ａ）は、品質変換前のレーザビームのビーム強度のシミュレーション結果の図を示し、図１３（ｂ）は、品質変換後のレーザビームのビーム強度のシミュレーション結果の図を示したものである。また、図１３に示す略楕円状の波紋形状は、それぞれビーム強度分布を示している。

図１３のシミュレーション結果が示すように、実施例３では、ビーム品質変換光学系２から出射されたビームは、入射ビームに対して各分割ビームがＺ軸を中心に９０度回転した状態となる。

また、図１４は、実施例３における照射面ビームプロファイルを計算した結果の一例を示す図である。なお、図１４は共に、長軸方向と短軸方向のビームプロファイルを示し、横軸にはレーザ光の中心からの距離（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ）を示し、縦軸にはレーザ強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を示している。図１４に示すように、実施例３によれば、照射面で１６１ｍｍ×１１．２ｕｍの均一な長尺細線ビームを得ることができる。

したがって、実施例３では、このレーザビームを用いて大面積に一括照射するレーザ加工を実現することができる。なお、実施例３では、７枚のミラーからなるミラー群を３組用いた構成としたが、上述したビーム成形を実現するためのミラー及びミラー群の枚数については特に制限はない。したがって、実施例３では、ミラーのサイズ、配置、及び枚数によりレーザビームの分割数を可変にすることができ、これにより、ビーム品質を可変にすることができる。そのため、加工対象等に応じてビーム品質を調整することができる。

なお、上述した実施例１〜３によれば、ビーム分割数を容易に可変とするビーム品質変換光学系を提供することができる。また、ビーム品質も容易に変えることができる。更に、ビーム品質変換光学系２におけるビーム分割数を変えることにより照射面でのビームサイズを変えることができる。

上述したように、本発明によれば、効率的に均一強度のラインビーム成形を実現することができる。また、成形されたレーザビームを用いて、加工対象物の大面積に一括照射するレーザ加工を実現することができる。

具体的には、レーザ光源から得られるレーザビームの品質をＸ軸方向とＹ軸方向とで変えることにより、均一な長尺細線ビームをロスが少なく効率的に成形することができる。また、ビーム品質を変換させることでマスク等を用いずに細線ビーム等の成形を実現することができる。つまり、マスクを用いないため、エネルギー利用効率を格段に向上させることができる。また、ビーム品質を変換しビーム品質が悪化する方向をビーム長軸方向とすれば、干渉の影響を低減することができる。

また、短軸ビームサイズを小さくでき、長軸ビームサイズを大きくできるため、成形されたラインビームを元のビームよりも長いビームにすることができる。したがって、例えばレーザ加工の分野において、成形されたラインビームを短軸方向に走査して加工対象物に照射することで、１回の走査で大面積に一括照射するレーザ加工を実現することができる。

なお、本発明におけるビーム成形は他の分野でも適用することができ、また本発明におけるビーム成形を用いたレーザ加工は、アニール処理の他にも露光処理や溶接、切断、ビア成形等のレーザ加工全般に適用することができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

本発明におけるラインビーム成形装置の第１の実施形態を示す図である。 本発明におけるラインビーム成形装置の第２の実施形態を示す図である。 ビーム品質変換光学系の一例について説明する図である。 レーザ加工装置の一構成例を示す図である。 実施例１におけるビーム品質変換光学系の概略構成の一例を示す図である。 図５の立体概略構成の一例を示す図である。 実施例１におけるビーム品質変換光学系の使用前後のシミュレーション結果を示す図である。 実施例１における照射面ビームプロファイルを計算した結果の一例を示す図である。 実施例２におけるビーム品質変換光学系の概略構成の一例を示す図である。 実施例２におけるビーム品質変換光学系の使用前後のシミュレーション結果を示す図である。 実施例２における照射面ビームプロファイルを計算した結果の一例を示す図である。 実施例３におけるビーム品質変換光学系の概略構成の一例を示す図である。 実施例３におけるビーム品質変換光学系の使用前後のシミュレーション結果を示す図である。 実施例３における照射面ビームプロファイルを計算した結果の一例を示す図である。

符号の説明

１，１０ ラインビーム成形装置
２ ビーム品質変換光学系
３ ビームホモジナイザ
１１ アッテネータ
１２ ダイバージェンス補正光学系
１３ Ｘ軸テレスコープ
１５ Ｙ軸テレスコープ
１６ ビーム合成光学系
２０ レーザ加工装置
２１ レーザ発振器
２２ 反射ミラー
２３ イメージング光学系
２４ ステージ
２５ ステージドライバ
２６ 制御手段
２７ 加工対象物
３０ ビーム
３１ 矩形ミラー
４１ シリンドリカルレンズ
４２ レンズアレイ
５１〜５３ ミラー群

Claims (14)

1. レーザビームをライン状に成形するためのラインビーム成形方法において、
   入射したレーザビームを所定数に分割し、分割されたビームを入射したレーザビームとは異なる配列に並べ替えるビーム品質変換ステップと、
   前記ビーム品質変換ステップにより得られるレーザビームを均一な強度にする均一化ステップとを有することを特徴とするラインビーム成形方法。
2. レーザビームをライン状に成形するためのラインビーム成形方法において、
   拡大光学系により前記レーザビームの一方向を所定の倍率で拡大する第１拡大ステップと、
   入射したレーザビームを所定数に分割し、分割されたビームを入射したレーザビームとは異なる配列に並べ替えるビーム品質変換ステップと、
   前記ビーム品質変換ステップにより得られる分割されたレーザビームを拡大光学系により、前記一方向と垂直方向に所定の倍率で拡大する第２拡大ステップと、
   前記第２拡大ステップから得られる分割されたレーザビームを合成する合成ステップと、
   前記合成ステップから得られる合成ビームを均一な強度にする均一化ステップとを有することを特徴とするラインビーム成形方法。
3. 前記ビーム品質変換ステップは、
   ２枚以上のミラーを用いてレーザビームをミラー間で複数回反射させることでレーザビームの所定の範囲を、分割して並べ替えることを特徴とする請求項１又は２に記載のラインビーム成形方法。
4. 前記ビーム品質変換ステップは、
   シリンドリカルレンズアレイをＸＹ軸に対して所定の角度分傾かせて設置し、ビーム品質が改善する方向が前記レーザビームから最終的に成形されるラインビームのビーム短軸方向になるようにレーザビームを前記シリンドリカルレンズアレイに入射させることを特徴とする請求項１又は２に記載のラインビーム成形方法。
5. 前記ビーム品質変換ステップは、
   前記レーザビームの分割数に対応させた枚数のミラー群を複数有し、
   前記ミラー群の各ミラーにより分割させた前記レーザビームを複数のミラー群により回転させることで並べ替えることを特徴とする請求項１又は２に記載のラインビーム成形方法。
6. 前記ビーム品質変換ステップは、
   前記ミラーのサイズ、配置、及び枚数、前記シリンドリカルレンズアレイのサイズ及び枚数、又は前記第１拡大ステップにおける拡大光学系の倍率により前記レーザビームの分割数を可変にすることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のラインビーム成形方法。
7. レーザビームをラインビーム状に成形するためのラインビーム成形装置において、
   入射したレーザビームを所定数に分割し、分割されたビームを入射したレーザビームとは異なる配列に並べ替えるビーム品質変換光学系と、
   前記ビーム品質変換光学系により得られるレーザビームを均一な強度にするビームホモジナイザを有することを特徴とするラインビーム成形装置。
8. レーザビームをラインビーム状に成形するためのラインビーム成形装置において、
   前記レーザビームの一方向を所定の倍率で拡大する第１拡大光学系と、
   入射したレーザビームを所定数に分割し、分割されたビームを入射したレーザビームとは異なる配列に並べ替えるビーム品質変換光学系と、
   前記ビーム品質変換光学系により得られる分割されたレーザビームを前記一方向と垂直方向に所定の倍率で拡大する第２拡大光学系と、
   前記第２拡大光学系から得られる分割されたレーザビームを合成する合成光学系と、
   前記合成光学系より得られる合成ビームを均一な強度にするビームホモジナイザとを有することを特徴とするラインビーム成形装置。
9. 前記ビーム品質変換光学系は、
   ２枚以上のミラーを用いてレーザビームをミラー間で複数回反射させることでレーザビームの所定の範囲を、分割して並べ替えることを特徴とする請求項７又は８に記載のラインビーム成形装置。
10. 前記ビーム品質変換光学系は、
    ＸＹ軸に対して所定の角度分傾かせて設置したシリンドリカルレンズアレイを有し、
    前記シリンドリカルレンズアレイは、ビーム品質が改善する方向が前記レーザビームから最終的に成形されるラインビームのビーム短軸方向になるようにレーザビームを入射することを特徴とする請求項７又は８に記載のラインビーム成形装置。
11. 前記ビーム品質変換光学系は、
    前記レーザビームの分割数に対応させた枚数のミラー群を複数有し、
    前記ミラー群の各ミラーにより分割させた前記レーザビームを複数のミラー群により回転させることで並べ替えることを特徴とする請求項７又は８に記載のラインビーム成形装置。
12. 前記ビーム品質変換光学系は、
    前記ミラーのサイズ、配置、及び枚数、前記シリンドリカルレンズアレイのサイズ及び枚数、又は前記第１拡大光学系の倍率により前記レーザビームの分割数を可変にすることを特徴とする請求項７又は８に記載のラインビーム成形装置。
13. 前記請求項７乃至請求項１２の何れか１項に記載のラインビーム成形装置を具備したレーザ加工装置。
14. 前記ラインビーム成形装置は、
    ビーム品質の改善する方向及び悪化する方向が、それぞれ照射面に成形されるラインビームの短軸方向及び長軸方向になるように対応させることを特徴とする請求項１３に記載のレーザ加工装置。