JP2008225380A - 位相制御光学系、該光学系を備えたレーザ照射装置、及びレーザ照射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザビームの重ね合わせにより発生する干渉縞を防止して干渉性のよいレーザビームを生成する。
【解決手段】レーザ光源から得られるレーザビームを分割し、分割ビームのそれぞれの位相を制御し、配列された複数のアレイレンズに照射して所定形状の均一な強度分布を有するレーザビームを取得するための位相制御光学系において、前記レーザビームの断面を所定の大きさに調整する第１のビーム断面変更光学系と、前記第１のビーム断面変更光学系により得られるレーザビームを分割し、分割したレーザビームに所定の位相差を設けるために移動可能な複数の光学素子を有する位相調整光学系と、前記位相調整光学系により得られる分割ビームの断面を前記アレイレンズの形状に合わせて調整するための第２のビーム断面変更光学系とを有することにより、上記課題を解決する。
【選択図】図３

Description

本発明は、位相制御光学系、該光学系を備えたレーザ照射装置、及びレーザ照射方法に係り、特にレーザビームの重ね合わせにより発生する干渉縞を防止して干渉性のよいレーザビームを使用するための位相制御光学系、該光学系を備えたレーザ照射装置、及びレーザ照射方法に関する。

従来では、例えばガラス基板等を加工するためにエキシマレーザ等が使用されてきたが、近年では、安定性に優れメンテナンスがフリーな全固体レーザによるレーザアニールが導入されつつある。

また、レーザビームの照射方法としては、光学系等によりラインビームに成形し、照射位置を常時移動させながら加工対象物へスキャン照射する方法がある。このスキャン照射は、一般的なステップ&リピート照射に比べて照射に継ぎ目が発生せずスループットも大きいという利点がある。そのため、従来のエキシマレーザを用いたアニール処理においては採用されており、全固体レーザによるアニール処理においても採用される可能性が高い。

また、レーザビームをラインビームに成形する光学系は幾つか存在するが、従来のエキシマレーザを用いたアニール処理においては、アレイレンズでビームを分割し、コンデンサレンズで重ね合わせるタイプのビームホモジナイザ光学系（ビーム成形光学系）が採用されている。このビームホモジナイザ光学系は、エキシマレーザのように、例えばパワー、ポインティング、プロファイル、ジッター、パルス幅等に関するビーム品質が悪く、時間的に不安定であっても目的のビームプロファイルを安定して得られることが知られている。

しかしながら、このビームホモジナイザ光学系をビーム品質が高く干渉性のよい全固体レーザに使用すると、分割したビームを重ね合わせることにより干渉縞が発生し、均一な強度のラインビームが得られなくなる欠点がある。

そこで、近年では、上述の問題を解決するために、全固体レーザが直線偏光であることを利用する手法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。これは、従来型ビームホモジナイザ光学系（例えば、アレイレンズとコンデンサレンズとを有する光学系）に波長板等の偏光回転素子を追加して、隣り合う分割ビーム（アレイレンズにより分割されたビーム）間の干渉性を減少させることで均一性を上げている。具体的には、分割ビームに交互にλ／４板を入れて偏光を９０度回転させて、直交する直線偏光同士は干渉しないことを利用し、干渉縞のコントラストを減少させるものである。

また、均一な強度のラインビームを得るための他の手法としては、従来型ビームホモジナイザは用いずに、ＤＯＥ（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ：回折光学素子）を用いた光学系を用いた手法がある（例えば、非特許文献１参照。）。ＤＯＥは、均一ビームを含め任意のビームプロファイルを形成する手法として近年利用され始めている。また、ＤＯＥは、干渉縞パターンを積極的に利用する手法であり、ノイズとなる干渉縞は設計により最小化されている。
特開２００３−２８７７０５号公報 平井隆之他３名、「回折型ビームホモジナイザの開発」、ＳＥＩテクニカルレビュー 第１６６号，２００５年３月 Ｐ．１３〜１８．

しかしながら、上述したように分割ビームに交互にλ／４板を入れて偏光を９０度回転させて、直交する直線偏光同士は干渉しないことを利用し、干渉縞のコントラストを減少させる手法では、隣り合う分割ビーム間の干渉性は減少できるが、例えば隣接しない一つおきの分割ビーム同士の干渉性を減らすことはできないため、干渉縞を完全には取り除けない欠点を有している。

更に、上述したようにＤＯＥを用いる技術では、ＤＯＥ自体のビーム品質が悪いと所望のビームプロファイルに成形できないだけでなく、時間的に入力ビームが不安定であるとその影響を受けるため成形後のプロファイルも不安定となる欠点がある。

本発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであり、レーザビームの重ね合わせにより発生する干渉縞を防止して干渉性のよいレーザビームを生成するための位相制御光学系、該光学系を備えたレーザ照射装置、及びレーザ照射方法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、レーザ光源から得られるレーザビームを分割し、分割ビームのそれぞれの位相を制御し、配列された複数のアレイレンズに照射して所定形状の均一な強度分布を有するレーザビームを取得するための位相制御光学系において、前記レーザビームの断面を所定の大きさに調整する第１のビーム断面変更光学系と、前記第１のビーム断面変更光学系により得られるレーザビームを分割し、分割したレーザビームに所定の位相差を設けるために移動可能な複数の光学素子を有する位相調整光学系と、前記位相調整光学系により得られる分割ビームの断面を前記アレイレンズの形状に合わせて調整するための第２のビーム断面変更光学系とを有することを特徴とする。これにより、ビームの重ね合わせにより発生する干渉縞を防止して干渉性のよいレーザビームを生成することができる。したがって、高品質の均一強度のラインビームを取得することができる。

更に、前記位相調整光学系は、前記アレイレンズの数に対応する分割数のレーザビームを生成することが好ましい。これにより、分割したレーザビームを各アレイレンズに対応して照射させることで、各アレイレンズにより分割されたレーザビームのそれぞれの位相を高精度に制御することができる。したがって、波面を揃えることによって干渉性がよく、細く絞ることができるビーム品質のよいレーザビームを生成することができる。

更に、前記位相調整光学系は、レーザビームの分割数に対応させた光学素子を有し、各光学素子から得られる分割ビームを所定の位相差を設けて干渉させるように各光学素子の位置を設置することが好ましい。これにより、干渉縞の発生を防止することができる。また、レーザビームの分割数に対応した光学素子を有するため、レーザビームの調整を効率よく且つ高精度に行うことができる。

更に、前記光学素子は、デフォーマブルミラー素子又は液晶素子であることが好ましい。これにより、レーザビームの位相差を容易に調整することができる。

また本発明は、前記位相制御光学系を備え、加工対象物に対して所定形状のレーザビームを照射するレーザ照射装置において、レーザビームを前記位相制御光学系に照射するレーザ光源と、前記レーザビームを前記位相制御光学系に照射して得られる所定数に分割された位相の異なる分割ビームを所定の形状に成形する前記アレイレンズを有するビーム成形光学系とを有することを特徴とする。これにより、ビームの重ね合わせにより発生する干渉縞を防止してビーム品質のよいレーザビームを生成することができる。また、高品質の均一強度のラインビームを取得することができる。したがって、品質のよいレーザビームを用いて、高精度なレーザ加工を実現することができる。

更に、前記位相制御光学系における各光学素子を駆動させる駆動手段と、前記駆動手段により、各光学素子から得られる分割ビームを所定の位相差を設けて干渉させるように各光学素子の位置を配置させるよう制御する制御手段とを有することが好ましい。これにより、干渉縞の発生を防止することができる。また、レーザビームの分割数に対応した光学素子を有するため、レーザビームの調整を効率よく且つ高精度に行うことができる。

また本発明は、レーザ光源から得られるレーザビームを分割し、分割ビームのそれぞれの位相を制御し、配列された複数のアレイレンズに照射して所定形状の均一な強度分布を有するレーザビームを加工対象物に照射するレーザ照射方法において、レーザ光源からレーザビームを照射する照射ステップと、前記位相制御光学系により所定の位相差を設けた分割ビームを生成する分割ビーム生成ステップと、前記分割ビームを前記アレイレンズを有するビーム成形光学系に照射して所定の形状に成形するビーム成形ステップとを有することを特徴とする特徴とする。これにより、ビームの重ね合わせにより発生する干渉縞を防止して干渉性のよいレーザビームを生成することができる。また、高品質の均一強度のラインビームを取得することができる。したがって、品質のよいレーザビームを用いて、高精度なレーザ加工を実現することができる。

本発明によれば、レーザビームの重ね合わせにより発生する干渉縞を防止して干渉性のよいレーザビームを生成することができる。したがって、高品質の均一強度のラインビームを取得することができる。

<本発明の概要>
本発明は、干渉性のよいレーザ光源を用いて従来型ビームホモジナイザ（例えば、アレイレンズとコンデンサレンズとを有する光学系）等によりラインビーム等の所定形状のビームを成形する場合、アレイレンズで分割されたビームを重ね合わせることにより発生する干渉縞を完全に消すために、干渉現象を積極的に利用してアレイレンズで分割された１つおきのビーム間の干渉縞を防止する。

<干渉現象について>
ここで、最初に本発明に適用される干渉現象について説明する。まず、従来型ビームホモジナイザの分割ビーム間の干渉現象を定式化する。図１は、従来型ビームホモジナイザの分割ビーム間の干渉現象を説明するための図である。

図１に示すビームホモジナイザ（ビーム成形光学系）１０は、シリンドリカルレンズ等からなる長軸アレイレンズ（最終的に出力されるラインビームの長軸方向を成形するもの）１１，１２と、シリンドリカルレンズ等からなる短軸アレイレンズ（最終的に出力されるラインビームの短軸方向を成形するもの）１３，１４と、コンデンサレンズ１５とを有するよう構成されている。なお、図１に示すビームホモジナイザ１０は、一例として５つのレンズが所定方向に配列されているが、本発明においてはこの限りではなく、複数のレンズが配列されていればよい。

ここで、以下の説明では、まず１次元（例えば長軸アレイレンズによる分割ビーム）のみについて説明する。コンデンサレンズ１５の焦点位置にアレイレンズ１１〜１４の集光点を配置すれば、分割ビームをそれぞれ入射角度の異なる５つの平面波とみなせるため、照射面の電場Ｅ（ｘ）は以下に示す式（１）で表される。

なお、ｋ（＝２π／λ）は波数、λは波長、α_ｍは各分割ビームのｘ方向の方向余弦（直線の方向を示す値）とし、Ａ_ｍは平面波の強度を示している。ここで、コンデンサレンズの焦点距離をｆとし，アレイレンズの幅をｈとすると、α_−２，α_−１，α_０，α_１，α_２は、それぞれ以下のようになる。
α_−２＝−２ｈ／√｛（−２ｈ）＾２＋ｆ＾２｝≒−２ｈ／ｆ
α_−１＝−ｈ／√｛（−ｈ）＾２＋ｆ＾２｝≒−ｈ／ｆ
α_０＝０
α_１＝ｈ／√｛（ｈ）＾２＋ｆ＾２｝≒ｈ／ｆ
α_２＝２ｈ／√｛（２ｈ）＾２＋ｆ＾２｝≒２ｈ／ｆ
また、図２は、図１に示す各アレイレンズ間における干渉の様子を説明するための図である。ここで、θ_ｍは、各レンズアレイの位相を示している。したがって、例えば図１では、５つのレンズアレイの位相は、それぞれθ_−２，θ_−１，θ_０，θ_１，θ_２と表される。

図２において、各アレイレンズの干渉により構成されるひし形１６の一辺は、（λ／ｓｉｎθ）とすることができ、各干渉縞１７のピッチは、Ｔ＝（λ／ｓｉｎθ）×ｃｏｓ（θ／２）＝λ／（２ｓｉｎ（θ／２））となる。また、θが十分小さい場合には、Ｔ≒λ／θとなる。

ここで、アレイレンズの厚みの製作精度が波長に比べて大きいため、位相θ_ｍはランダムな値となってしまい、その結果として周期Ｔが最大周期となるランダムな干渉縞強度を照射面に生じる。

更に、計算において簡単のためＡ_ｍ＝１とし、
θ_−２＝−θ_２
θ_−１＝−θ_１
とすると、式（１）は以下に示す式（２）のようになる。

ここで、ｅｘｐ（ｉθ）＋ｅｘｐ（−ｉθ）＝２ｃｏｓθより、上述の式（２）は、以下に示す式（３）となる。

次に、短軸アレイレンズによる分割ビームについて考える。ここで、上述した（１）式に短軸を含めた式は、以下に示す式（４）となる。

短軸アレイについては、上述した長軸アレイと同様に短軸アレイの分割数だけ上述した式（３）で表される干渉縞が存在することになる。ここで、同じピッチの正弦波は、位相を１８０度反転させて干渉させれば互いに打ち消し合う。つまり、上述した式（３）の第２項と第３項の位相θ_１と位相θ_２を１８０度遅らせた（又は進めた）短軸方向に分割ビーム同士を干渉させれば、干渉縞は消えることになる。

なお、上述の計算では、干渉の様子を分かり易くするために、仮定を多く用いて簡単化している。つまり、完全にコヒーレントな場合を示しており、ビーム品質が悪い場合は干渉性の度合いに基づいた計算を必要となる。

しかしながら、実際には後述する本発明の手法による適切な最適化法を用いることにより、結果として干渉縞は完全に消え、ビーム品質のよいレーザを用いても均一強度のラインビームを取得することができる。

<実施形態：位相制御光学系>
ここで、本発明である位相制御光学系について図を用いて説明する。図３は、位相制御光学系とその周辺構成の一例を示す図である。なお、図３では、位相制御光学系２０の他にレーザ光源３１及び図１に示すビームホモジナイザ１０を示している。

図３に示す位相制御光学系２０は、第１のビーム断面変更光学系としての第１のテレスコープ２１と、位相調整光学系としてのデフォーマブルミラー２２と、第２のビーム断面変更光学系としての第２のテレスコープ２３とを有するよう構成されている。

なお、図３に示す第１のテレスコープ２１は、一例として凹レンズ２１−１と凸レンズ２１−２とを有し、第２のテレスコープ２３は、一例として２つの凸レンズ２３−１，２３−２とを有するよう構成されているが、本実施形態におけるテレスコープ２１，２３のレンズ形状や枚数等については特に限定されるものではない。

図３において、レーザ光源３１は、所定のタイミングで所定の強さのレーザビームを出力する。なお、レーザ光源としては、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：Ｇｌａｓｓ、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ等の固体レーザ、イッテリビウムファイバーレーザ、エルビウムファイバーレーザ等のファイバーレーザ、エキシマレーザやＣＯ_２レーザ等の気体レーザ等を用いることができ、本発明におけるレーザ光については特に限定されるものではない。

第１のテレスコープ２１は、レーザ光源３１からのレーザビームの断面をデフォーマブルミラー２２の大きさの平行光束に変換する。デフォーマブルミラー２２は、入射されたレーザビームを所定の方向に反射させる。

ここで、位相調整光学系としてのデフォーマブルミラー２２は、例えばレーザビームを反射する反射面の形状が変更可能な光学素子を有している。具体的には、デフォーマブルミラー２２は、例えば反射面が複数のミラー素子で構成され、個々のミラー素子を所定位置に移動させることで、表面強度等を均一化することができ、更にはミラー素子毎に分割した分割ビームの位相を調整することができる。ここで、デフォーマブルミラー２２としては、例えばフェースシート鏡やバイモルフ鏡等がある。なお、デフォーマブルミラー２２の具体的な構成については後述する。

また、光学素子としては、デフォーマブルミラー２２のミラー素子の他にも、例えば液晶素子等を用いることができる。このように、光学素子としてデフォーマブルミラー２２や液晶素子を用いることで、安価な構成でレーザビームの位相差を容易に調整することができる。

第２のテレスコープ２３は、デフォーマブルミラー２２からのレーザビームの断面をビームホモジナイザ１０における長軸アレイレンズ１１のそれぞれの開口の大きさの平行光に変換する。このとき、デフォーマブルミラー２２の素子数と、長軸アレイレンズ１１の素子数とは縦横同一であり、デフォーマブルミラー２２の素子１個から得られるレーザビームが長軸アレイレンズの１個に照射されるように設定される。そのため、第２のテレスコープ２３は、例えばケプラータイプを用い、デフォーマブルミラー２２により反射させたレーザビームを長軸アレイレンズ１１の開口面に結像させることが好ましい。

次に、ビームホモジナイザ１０に入力されたレーザビームは、上述したように、長軸アレイレンズ１１，１２や短軸アレイレンズ１３，１４により分割され、各アレイレンズにより分割されたレーザビームは、コンデンサレンズ１５により重ね合わされ、縦と横のビームサイズが異なるように調整することにより、均一なラインビームを形成することができる。

つまり、本実施形態では、干渉現象を消すのではなく積極的に利用しているため、アレイレンズで分割された分割ビームのうち、一つおきのビーム間の干渉縞による強度均一性が低下せず維持することができる。また、干渉現象を消すのではなく積極的に利用しているため、干渉性の高いレーザ、すなわちビーム品質のよいレーザを生成することが可能となる。また、ビーム品質のよいレーザは、小さく絞ることが可能であるため、レーザーパワー（パルスレーザであればパルスエネルギー）が同一の場合には、よりアスペクト比の大きい、長いラインビームの形成が可能となる。

なお、上述した図３における位相制御光学系２０では、第１のテレスコープ２１と第２のテレスコープ２３とを有した構成にしているが、本発明においてはこれに限定されるものではなく、例えば第１のテレスコープ２１と第２のテレスコープ２３のうち、何れか１つ又は両方を除いた構成にしてもよく、また他の光学系を付加した構成にしてもよい。例えば、レーザ光源３１から所定の径からなるレーザビームが得られるのであれば、位相制御光学系２０から第１のテレスコープ２１を除くことができる。

<デフォーマブルミラー２２におけるミラー素子の位置調整について>
ここで、デフォーマブルミラー２２におけるミラー素子の位置調整について説明する。図４は、デフォーマブルミラーにおけるミラー素子の位置調整の一例を示す図である。

図４に示すように、デフォーマブルミラー２２は、一例として５つのミラー素子４１−１〜４１−５を有し、各ミラー素子４１−１〜４１−５は、それぞれが所定方向に対して往復移動が可能であり、移動範囲内で各ミラー素子４１−１〜４１−５を固定することが可能である。

したがって、デフォーマブルミラー２２の反射面を出し入れすることにより、入射されたレーザビーム４２の波面を調整して、レーザビーム４３―１〜４３−５として所定方向に照射することができる。つまり、第１のテレスコープ２１により得られる入射光としてのレーザビーム４２が、デフォーマブルミラー２２の各素子４１−１〜４１−５によりそれぞれ分割して所定方向に反射し、更にその分割ビーム４３−１〜４３−５は位相（波面）が調整されて出力される。

なお、各素子４１−１〜４１−５の移動は、それぞれを所定方向に駆動させるミラー駆動手段４４により実現することができる。具体的には、例えばピエゾ素子等を使用した駆動系を用いることで、各ミラー素子４１−１〜４１−５を駆動させることができる。

ここで、図５は、駆動により移動した各ミラー素子の配置例を示す図である。図５に示すように、各ミラー素子４１−１〜４１−５を所定の方向に移動させることで、反射光の波面（位相）が調整された分割ビーム４３−１〜４３−５がビームホモジナイザ１０に照射されることで、ビームホモジナイザ１０から出力されるレーザビームの照射面の高精度な均一化を実現することができる。

また、デフォーマブルミラー２２の各ミラー素子（ミラー要素）４１−１〜４１−５をレーザビームの径とビームホモジナイザ１０のレンズアレイの大きさにも基づいて、ある程度小さくすることで、例えば、図５に示すように、各ミラー素子４１−１〜４１−５の位置（ミラー要素）を配置して、反射光の方向を変えることができる。これにより、アレイレンズの製作誤差（例えば、母線方向テーパ等による誤差等）により、短軸方向の分割ビームが重ならないで干渉現象を補正することができる。

上述したように、本実施形態では、レーザビームの分割数に対応させたミラー素子４１−１〜４１−５を有し、各ミラー素子４１−１〜４１−５から得られる分割ビームを所定の位相差を設けて干渉させるように各ミラー素子４１−１〜４１−５のそれぞれの位置を設置する。これにより、デフォーマブルミラー２２の素子１個から得られる位相差を設けた分割ビームをビームホモジナイザ１０の長軸アレイレンズの１個に照射することで、ビームホモジナイザ１０から出力されるレーザビームの干渉縞の発生を防止することができる。また、レーザビームの分割数に対応した光学素子を有するため、レーザビームの調整を効率よく且つ高精度に行うことができる。また、本実施形態によれば、従来型ビームホモジナイザを用いているため高い信頼性を維持することができる。

<位相θ_ｍの決定方法>
次に、各ミラー素子における位相θ_ｍの決定方法について説明する。位相θ_ｍと照射面の電場Ｅは、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）の関係にある。つまり、フーリエ位相解析により光の干渉パターンから位相情報の抽出を行うことができる。

具体的に説明すると、光は強度（振幅）と位相で表現できるため、例えばビームホモジナイザとして、例えばＤＯＥ等を用いた場合、まず入射するレーザビームの強度分布、ガウス分布、ランダムなＤＯＥ初期表面形状を設定し、目的とする位置（像面）までビームを伝搬させた後、光の振幅のみを目標とする強度分布、例えば矩形均一強度（振幅）に入れ替える。次に、そのビームを逆伝搬させ、変化した表面形状はそのままとして、振幅を再度ガウス入射強度として入れ替える。これら像面とＤＯＥ間の計算を所定回数（例えば、数１００回等）繰り返すことにより、目標強度分布を得るための表面形状（位相パターン）が求められる。

ここで、光の伝搬、逆伝搬は、全て高速フーリエ変換、逆変換を用いることで位相パターンの最適化を図ることができる。なお、この反復フーリエ変換最適化アルゴリズム（ＩＦＴＡ：Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ａｌｇｏｒｉｓｍ）は、様々な最適化手法の中で、最適化に要する計算時間が短いという特徴がある。

したがって、本実施形態では、位相分布θ_ｍの離散フーリエ逆変換（ＩＤＦＴ）が照射面の電場分布Ｅとなるため、例えば照射面の干渉縞パターンのプロファイルを図３に示すように計測手段４５等で計測することで、フーリエ反復法（Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎ法）により、その干渉縞パターンを生じる位相θ_ｍを推定することができる。

また同様にして、フーリエ反復法により照射面の強度分布がフラットになるような位相分布θ_ｍ'を求める。そして、これらの位相分布の差Δθ_ｍ＝（θ_ｍ'−θ_ｍ）に基づいて、デフォーマブルミラー２２の各ミラー素子４１−１〜４１−５をミラー駆動手段４４等により所定位置に移動させ、各ミラー素子４１−１〜４１−５の反射面をずらす。これにより、反射面にて反射するレーザビームの位相を変化させて、フラットな照射面強度を有するレーザビームを得ることができる。

このように、本実施形態では、干渉現象を消すのではなく積極的に利用しているため、例えばアレイレンズで分割された一つおきのビーム間の干渉縞による強度均一性が低下せず維持することができる。また、干渉現象を消すのではなく積極的に利用しているため、干渉性の高いレーザ、すなわちビーム品質のよいレーザを用いることが可能となる。ここで、ビーム品質のよいレーザは小さく絞ることが可能であり、レーザーパワー（パルスレーザであればパルスエネルギー）が同じとしたとき、よりアスペクト比の大きい、長いラインビームの形成が可能となる。

また、上述したように、デフォーマブルミラー２２は、波面の乱れを補正してビーム品質を改善することができるため、干渉縞を消す前に波面の乱れを消してラインビームの幅を細く絞れば、上記の同様の理由からよりアスペクト比の大きい、長いラインビームの成形が可能となる。

その際、例えば図３に示すようにビームサンプラーとしての反射率の低い（例えば、１％程度を反射し、残りを透過させる）ミラー４６を第２のテレスコープ２３内に設置し、第２のテレスコープ２３の集光点のプロファイルを光検出手段４７等でモニターしながら、その検出結果に応じてデフォーマブルミラー２２の形状を調整すればよい。また、集光点は、第２のテレスコープ２３の集光点より前の光学系の後ろ側の焦点面にあるため、同様にフーリエ変換の関係が成り立つ。したがって、例えば集光点のプロファイルをＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラ等で検出し、集光点の大きさが最小になるように位相を調整する（波面がフラットになるとき、集光点は最小となるため）。

<位相制御光学系の適用例：レーザ照射装置>
ここで、上述した本発明における位相制御光学系の適用例として、位相制御光学系を備えたレーザ照射装置の一例について説明する。なお、以下の説明では、レーザ照射装置の一例としてレーザビームを所定の形状に結像し、結像されたレーザビームを用いてガラス等の加工対象物の表面にアニーリング加工を行うレーザアニール装置について説明する。

図６は、本発明における位相制御光学系を備えたレーザ照射装置の機能構成の一例を示す図である。図６に示すレーザ照射装置５０は、レーザ発振器５１と、位相制御光学系５２と、ミラー駆動手段５３と、ビームホモジナイザ５４と、反射ミラー５５と、ステージ駆動手段５６と、ステージ５７と、制御手段５８とを有するよう構成されている。

レーザ照射装置５０におけるレーザ光源としてのレーザ発振器５１は、加工対象物６０に所定のパターン成形を行うため、制御手段５８から得られる制御信号に基づいて、所定のタイミングで所定の強さのパルスレーザビームを出射する。

ここで、本実施形態におけるレーザビームは、上述したように全固体レーザを用いることができ、その他にもエキシマレーザ等の一般的なレーザビームを用いることができる。つまり、加工対象物６０の材質や厚み、レーザビームを用いてどのような処理（アニール、穴あけ、溶接、露光等）を行うか等の各種処理条件等により任意に選択することができる。

位相制御光学系５２は、上述した位相制御光学系２２と同様の処理を行うものであり、レーザ発振器５１から入射されたレーザビームを、後段のビームホモジナイザ５４が有するレンズアレイの数に基づいて分割し、その分割ビームの位相をそれぞれ調整して出力する。これにより、ビームホモジナイザ５４を介して生成されるレーザビームの照射面の高精度な均一化を実現することができる。

また、ミラー駆動手段５３は、位相制御光学系５２が有する上述したデフォーマブルミラー２２の各ミラー素子（ミラー要素）のそれぞれの位相を調整するために所定位置に移動させる。

ビームホモジナイザ５４は、上述したビームホモジナイザ１０と同様に、入力されたレーザビームを均一強度を有する所定形状のレーザビーム（例えば、ラインビーム等）に変換する。また、反射ミラー５５は、レーザビームを加工対象物６０の方向へと反射させ、入力したレーザビームを加工対象物６０に所定の形状にて照射させる。

ステージ駆動手段５６は、制御手段５８からの制御信号等により、ステージ５７を水平方向（Ｘ軸、Ｙ軸）へ移動させる。なお、ステージ駆動手段５６は、水平方向以外にも、例えば高さ方向（Ｚ軸）や、水平面に対して所定の角度θ分の傾斜を持たせるようにステージ５７を移動させることもできる。また、ステージ５７は、加工対象物６０を吸着等により固定し、ステージ駆動手段５６により所定位置に移動する。

制御手段５８は、レーザ照射装置５０における各機能構成全体の制御を行う。具体的には、制御手段５８は、ミラー駆動手段５３やステージ駆動手段５６における駆動等の制御を行う。更に、制御手段５８は、レーザ発振器５１によるレーザビームの照射のタイミングやレーザビームの強さ等の制御を行う。また、制御手段５８は、予め設定される加工条件に応じて、レーザ発振器５１から出射されるレーザビームの形状を所定形状にビーム成形するため、ミラー駆動手段５３により、例えば位相制御光学系５２が有するデフォーマブルミラー２２の各ミラー素子４１−１〜４１−５のうち、少なくとも１つを所定のタイミングで適切な位置に移動させる等の制御を行う。

なお、各ミラー素子４１−１〜４１−５の移動させる位置については、上述したように予め計測手段４５等により照射面の干渉縞パターンを計測したり、光検出手段４７等により第２のテレスコープ２３の集光点のプロファイルをモニターすることで、得られた各種データから上述した式（４）に示すようなフーリエ変換等の数式等により位相を求め、その干渉の度合い等に基づいて、ミラー駆動手段５３により、位相制御光学系５２が有するデフォーマブルミラー２２の各ミラー素子（ミラー要素）のうち、少なくとも１つについて移動させる位置を設定する。

また、制御手段５８は、ステージ駆動手段５６による加工対象物６０の移動の開始、終了のタイミング、移動速度、移動位置等の制御を行う。これにより、レーザビームをエネルギーの損失が少なく容易に複数の所定形状に成形することができる。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。

また、位相制御光学系をレーザビームの重ね合わせにより発生する干渉縞を防止して干渉性のよいレーザビームを生成することができる。したがって、高品質の均一強度のラインビームを取得することができる。

上述したように本発明によれば、レーザビームの重ね合わせにより発生する干渉縞を防止して干渉性のよいレーザビームを生成することができる。したがって、高品質の均一強度のラインビームを取得することができる。

具体的には、本発明によれば、干渉現象を消すのではなく積極的に利用しているため、例えばアレイレンズで分割された一つおきのビーム間の干渉縞による強度均一性が低下せず維持することができる。また、干渉現象を消すのではなく積極的に利用しているため、干渉性の高いレーザ、すなわちビーム品質のよいレーザを用いることが可能となる。ここで、ビーム品質のよいレーザは小さく絞ることが可能であり、レーザーパワー（パルスレーザであればパルスエネルギー）が同じとしたとき、よりアスペクト比の大きい、長いラインビームの形成が可能となる。

また、本発明によれば、位相調整光学系は、アレイレンズの数に対応する分割数のレーザビームを生成し、分割したレーザビームを各アレイレンズに対応して照射させることで、各アレイレンズにより分割されたレーザビームのそれぞれの位相を高精度に制御することができる。したがって、干渉性のよいレーザビームを生成することができる。

更に、本発明によれば、位相調整光学系は、レーザビームの分割数に対応させた光学素子を有し、各光学素子から得られる分割ビームを所定の位相差を設けて干渉させるように各光学素子の位置を設置するため、干渉縞の発生を防止することができる。また、レーザビームの分割数に対応した光学素子を有するため、レーザビームの調整を効率よく且つ高精度に行うことができる。

なお、本発明における位相制御光学系は、干渉性の高い光源（例えば、レーザビーム等）を、従来型ビームホモジナイザを用いて均一な照射を行うもの全てに適用することができる。また、例えば、露光装置（ＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ），ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ），半導体）、ファイバー入力光学系、顕微鏡の照明、プロジェクター、画像処理等の様々な照明光学系に適用することができる。

また、本発明におけるレーザビームの照射によるレーザ加工は、液晶用基板や半導体用基板、ウェハ等の加工対象物に対するアニール処理や、穴あけ、溶接、切断等のレーザ加工全般や、露光装置等に広く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。

従来型ビームホモジナイザの分割ビーム間の干渉現象を説明するための図である。 図１に示す各アレイレンズ間における干渉の様子を説明するための図である。 位相制御光学系とその周辺構成の一例を示す図である。 デフォーマブルミラーにおける素子の位置調整の一例を示す図である。 駆動により移動した各ミラー素子の配置例を示す図である。 本発明における位相制御光学系を備えたレーザ照射装置の機能構成の一例を示す図である。

符号の説明

１０ ビームホモジナイザ
１１，１２ 長軸アレイレンズ
１３，１４ 短軸アレイレンズ
１５ コンデンサレンズ
１６ ひし形
１７ 干渉縞
２０，５２ 位相制御光学系
２１ 第１のテレスコープ（第１のビーム断面変更光学系）
２２ デフォーマブルミラー
２３ 第２のテレスコープ（第２のビーム断面変更光学系）
３１ レーザ光源
４１ ミラー素子
４２，４３ レーザビーム
４４，５３ ミラー駆動手段
４５ 計測手段
４６ ミラー
４７ 光検出手段
５０ レーザ照射装置
５１ レーザ発振器
５４ ビームホモジナイザ
５５ 反射ミラー
５６ ステージ駆動手段
５７ ステージ
５８ 制御手段
６０ 加工対象物

Claims (7)

1. レーザ光源から得られるレーザビームを分割し、分割ビームのそれぞれの位相を制御し、配列された複数のアレイレンズに照射して所定形状の均一な強度分布を有するレーザビームを取得するための位相制御光学系において、
   前記レーザビームの断面を所定の大きさに調整する第１のビーム断面変更光学系と、
   前記第１のビーム断面変更光学系により得られるレーザビームを分割し、分割したレーザビームに所定の位相差を設けるために移動可能な複数の光学素子を有する位相調整光学系と、
   前記位相調整光学系により得られる分割ビームの断面を前記アレイレンズの形状に合わせて調整するための第２のビーム断面変更光学系とを有することを特徴とする位相制御光学系。
2. 前記位相調整光学系は、
   前記アレイレンズの数に対応する分割数のレーザビームを生成することを特徴とする請求項１に記載の位相制御光学系。
3. 前記位相調整光学系は、
   レーザビームの分割数に対応させた光学素子を有し、各光学素子から得られる分割ビームを所定の位相差を設けて干渉させるように各光学素子の位置を設置することを特徴とする請求項２に記載の位相制御光学系。
4. 前記光学素子は、
   デフォーマブルミラー素子又は液晶素子であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の位相制御光学系。
5. 前記請求項１乃至４の何れか１項に記載の位相制御光学系を備え、加工対象物に対して所定形状のレーザビームを照射するレーザ照射装置において、
   レーザビームを前記位相制御光学系に照射するレーザ光源と、
   前記レーザビームを前記位相制御光学系に照射して得られる所定数に分割された位相の異なる分割ビームを所定の形状に成形する前記アレイレンズを有するビーム成形光学系とを有することを特徴とするレーザ照射装置。
6. 前記位相制御光学系における各光学素子を駆動させる駆動手段と、
   前記駆動手段により、各光学素子から得られる分割ビームを所定の位相差を設けて干渉させるように各光学素子の位置を配置させるよう制御する制御手段とを有することを特徴とする請求項５に記載のレーザ照射装置。
7. レーザ光源から得られるレーザビームを分割し、分割ビームのそれぞれの位相を制御し、配列された複数のアレイレンズに照射して所定形状の均一な強度分布を有するレーザビームを加工対象物に照射するレーザ照射方法において、
   レーザ光源からレーザビームを照射する照射ステップと、
   前記請求項１乃至４の何れか１項に記載の位相制御光学系により所定の位相差を設けた分割ビームを生成する分割ビーム生成ステップと、
   前記分割ビームを、前記アレイレンズを有するビーム成形光学系に照射して所定の形状に成形するビーム成形ステップとを有することを特徴とするレーザ照射方法。

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