JP2010263063A - Laser irradiation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数のレーザダイオードアレイを用いて、対象物の表面の共通の領域にレーザビームを照射するレーザ照射装置に関する。 The present invention relates to a laser irradiation apparatus that uses a plurality of laser diode arrays to irradiate a common region on the surface of an object with a laser beam.
絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)の背面に注入した不純物を活性化させるために、半導体レーザを用いてアニールを行う技術が知られている(特許文献1)。アニール用のレーザビームのパワーを高めるために、複数の半導体レーザから出射したレーザビームを重ね合わせることが有効である。 A technique is known in which annealing is performed using a semiconductor laser in order to activate impurities implanted into the back surface of an insulated gate bipolar transistor (IGBT) (Patent Document 1). In order to increase the power of the laser beam for annealing, it is effective to superimpose laser beams emitted from a plurality of semiconductor lasers.
偏光面が相互に直交する2つのレーザビームを、偏光ビームスプリッタを用いて合成することができる(特許文献2)。また、相互に少しずつ波長の異なる複数のレーザビームを、ダイクロイックミラーを用いて合成することができる(特許文献3)。 Two laser beams whose polarization planes are orthogonal to each other can be synthesized using a polarization beam splitter (Patent Document 2). In addition, a plurality of laser beams having slightly different wavelengths can be synthesized using a dichroic mirror (Patent Document 3).
照射対象物の表面で反射したレーザビームが半導体レーザ素子まで戻ると、半導体レーザ素子の発振が不安定になり、素子が破損する場合もある。戻り光が半導体レーザ素子まで到達しないようにするために、偏光ビームスプリッタと1/4波長板が用いられる場合がある。入射光は、偏光ビームスプリッタを透過し、1/4波長板で円偏光にされ、対象物に入射する。戻り光は、1/4波長板により、入射光の偏光面と直交する偏光面を持つ直線偏光にされる。この戻り光は、偏光ビームスプリッタで反射されるため、半導体レーザ素子に入射しない。 When the laser beam reflected by the surface of the irradiation object returns to the semiconductor laser element, the oscillation of the semiconductor laser element becomes unstable and the element may be damaged. In order to prevent the return light from reaching the semiconductor laser element, a polarization beam splitter and a quarter wavelength plate may be used. Incident light passes through the polarization beam splitter, is circularly polarized by the quarter-wave plate, and enters the object. The return light is converted into linearly polarized light having a polarization plane orthogonal to the polarization plane of the incident light by the quarter wavelength plate. Since this return light is reflected by the polarization beam splitter, it does not enter the semiconductor laser element.
偏光面が相互に直交するレーザビームを偏光ビームスプリッタを用いて合成した場合には、戻り光を遮断する上述の構成を適用することができない。 When laser beams whose polarization planes are orthogonal to each other are combined using a polarization beam splitter, the above-described configuration for blocking the return light cannot be applied.
ダイクロイックミラーを用いて合成されたレーザビームは、複数の波長を含むため、合成されたレーザビームを集光するレンズの色収差を取り除く必要がある。このため、光学系の設計が複雑になり、装置の低コスト化を図ることが困難になる。 Since a laser beam synthesized using a dichroic mirror includes a plurality of wavelengths, it is necessary to remove chromatic aberration of a lens that collects the synthesized laser beam. This complicates the design of the optical system and makes it difficult to reduce the cost of the apparatus.
本発明の一観点によると、
各々が、長軸方向に配列した複数の半導体レーザを含み、該長軸方向に長いビーム断面を持つレーザビームを出射する複数のレーザダイオードアレイと、
前記レーザダイオードアレイから出射されたレーザビームの各々が、第1の方向に向かって伝搬し、かつビーム断面の長軸方向同士が平行になり、かつ該長軸に直交する短軸方向に配列し、各レーザビームの偏光面が揃うように、前記レーザビームを再配置する再配置光学系と、
対象物を保持するステージと、
前記再配置光学系により再配置された前記複数のレーザビームが、前記ステージに保持された対象物の表面で重なり合うように該レーザビームを伝搬させる伝搬光学系と、
前記再配置光学系と、前記ステージとの間の前記レーザビームの経路内に、該レーザビームを透過させるか、または反射させる姿勢で配置された偏光ビームスプリッタと、
前記再配置光学系から見て前記偏光ビームスプリッタよりも後ろ側に配置された1/4波長板と
を有するレーザ照射装置が提供される。
According to one aspect of the invention,
A plurality of laser diode arrays each including a plurality of semiconductor lasers arranged in a major axis direction and emitting a laser beam having a long beam cross section in the major axis direction;
Each of the laser beams emitted from the laser diode array propagates in the first direction, and the major axis directions of the beam cross-sections are parallel to each other and arranged in the minor axis direction orthogonal to the major axis. A rearrangement optical system for rearranging the laser beams so that the polarization planes of the laser beams are aligned,
A stage for holding the object;
A propagation optical system for propagating the laser beams so that the plurality of laser beams rearranged by the rearrangement optical system overlap on the surface of the object held on the stage;
A polarization beam splitter disposed in a position for transmitting or reflecting the laser beam in a path of the laser beam between the rearrangement optical system and the stage;
There is provided a laser irradiation apparatus having a quarter wave plate disposed behind the polarizing beam splitter as viewed from the rearrangement optical system.
偏光ビームスプリッタと1/4波長板により、戻り光が入射レーザビームのビーム経路から逸れる。このため、戻り光がレーザダイオードアレイに入射することを防止できる。また、ダイクロイックミラーを用いないため、複数のレーザダイオードアレイに、同一波長のレーザビームを出射するものを用いることができる。 Due to the polarizing beam splitter and the quarter-wave plate, the return light deviates from the beam path of the incident laser beam. For this reason, it is possible to prevent the return light from entering the laser diode array. In addition, since no dichroic mirror is used, a plurality of laser diode arrays that emit laser beams having the same wavelength can be used.
図1Aに、実施例1によるレーザ照射装置の概略図を示す。このレーザ照射装置は、第1〜第4のレーザダイオードアレイ10A〜10Dを含む。
FIG. 1A shows a schematic diagram of a laser irradiation apparatus according to the first embodiment. This laser irradiation apparatus includes first to fourth
図1Bに、第1のレーザダイオードアレイ10Aの斜視図を示す。第2〜第4のレーザダイオードアレイ10B〜10Dの構成も、図1Bに示した第1のレーザダイオードアレイ10Aの構成と同一である。第1のレーザダイオードアレイ10Aは、複数の半導体レーザ素子30を含む。半導体レーザ素子30は、第1のレーザダイオードアレイ10Aの出射表面に一列に配列している。出射表面の法線方向をz軸、半導体レーザ素子30の配列方向をy軸とするxyz直交座標系を定義する。x軸が、各半導体レーザ素子30の厚さ方向に対応する。第1のレーザダイオードアレイ10Aから出射されるレーザビームは、y軸方向に長いビーム断面を有する。その波長は、例えば800nmである。
FIG. 1B shows a perspective view of the first
図1Aに戻って説明を続ける。図1Aにおいて、レーザビームの進行方向をz軸、ビーム断面の長軸方向をy軸とするxyz直交座標系を定義する。第1〜第4のレーザダイオードアレイ10A〜10Dの各々の前方に、それぞれ収束レンズ11A〜11Dが配置されている。収束レンズ11Aは、例えば凸シリンドリカルレンズで構成され、zx面内、すなわちビーム断面の長軸方向に直交する仮想平面内において、第1のレーザダイオードアレイ10Aから出射された第1のレーザビームL1をコリメートする。
Returning to FIG. 1A, the description will be continued. In FIG. 1A, an xyz orthogonal coordinate system is defined in which the traveling direction of the laser beam is the z axis and the major axis direction of the beam cross section is the y axis.
第1のレーザダイオードアレイ10Aから出射され、コリメートされた第1のレーザビームL1の経路の側方に、ナイフエッジミラー12Bが配置されている。第2のレーザダイオードアレイ10Bから出射し、収束レンズ11Bでコリメートされた第2のレーザビームL2が、ナイフエッジミラー12Bで反射される。反射によって、第2のレーザビームL2の進行方向が、第1のレーザビームL1の進行方向と平行になり、かつ第1のレーザビームL1のビーム断面の長軸方向と、第2のレーザビームL2のビーム断面の長軸方向とが、相互に平行になるように、第1及び第2のレーザビームL1、L2が再配置される。
A
再配置された第1及び第2のレーザビームL1、L2の経路の側方に、ナイフエッジミラー12Cが配置されている。第3のレーザダイオードアレイ10Cから出射し、収束レンズ11Cでコリメートされた第3のレーザビームL3が、ナイフエッジミラー12Cで反射されることにより、再配置される。再配置された第1〜第3のレーザビームL1〜L3の経路の側方にナイフエッジミラー12Dが配置されている。第4のレーザダイオードアレイ10Dから出射し、収束レンズ11Dでコリメートされた第4のレーザビームL4が、ナイフエッジミラー12Dで反射されることにより、再配置される。
A
図2Aに、図1Aに示した再配置後の第1〜第4のレーザビームL1〜L4の一点鎖線2A−2Aにおける断面図を示す。第1〜第4のレーザビームL1〜L4の各々のビーム断面は、y軸方向に長い形状を有し、x軸方向(短軸方向)に微小な間隔で配列している。第1〜第4のレーザビームL1〜L4は直線偏光であり、それらの偏光面の方向は揃っている。例えば、第1〜第4のレーザビームL1〜L4は、zx面に平行な偏光面を持つ。
FIG. 2A shows a cross-sectional view taken along the alternate long and
図1Aに示すように、再配置された第1〜第4のレーザビームL1〜L4は、偏光ビームスプリッタ15を透過し、1/4波長板16により円偏光に変換される。円偏光に変換された第1〜第4のレーザビームL1〜L4は、ミラー17で反射され、アナモルフィックプリズムペア18に入射する。アナモルフィックプリズムペア18は、第1〜第4のレーザビームL1〜L4のビーム断面を、短軸方向(x軸方向)に拡大する。
As shown in FIG. 1A, the rearranged first to fourth laser beams L <b> 1 to L <b> 4 pass through the
図2Bに、アナモルフィックプリズムペア18を経由した後の第1〜第4のレーザビームL1〜L4の一点鎖線2B−2Bにおけるビーム断面を示す。第1〜第4のレーザビームL1〜L4の各ビーム断面が、図2Aに示したビーム断面に比べて、x軸方向に拡大されている。ビーム断面の拡大に伴って、ビーム断面同士の間隔も広くなる。
FIG. 2B shows a beam cross section taken along the alternate long and
図1Aに示すように、アナモルフィックプリズムペア18を経由した後、第1〜第4のレーザビームL1〜L4は、アレイレンズテレスコープ19に入射する。アレイレンズテレスコープ19は、第1〜第4のレーザビームL1〜L4の光強度分布を、y軸方向(長軸方向)に関して均一化する。
As shown in FIG. 1A, after passing through the
均一化された第1〜第4のレーザビームL1〜L4は、コンデンサレンズ20により集光される。
The uniformized first to fourth laser beams L <b> 1 to L <b> 4 are collected by the
XYステージ25に対象物26が保持されている。対象物26は、例えば、IGBTの基板である。コンデンサレンズ20は、第1〜第4のレーザビームL1〜L4が、対象物26の表面で重なり合うように、レーザビームを集光させる。
An
図2Cに、対象物26の表面(図1Aの一点鎖線2C−2C)におけるビーム断面を示す。第1〜第4のレーザビームL1〜L4のビーム断面が重なり、1つの細長いビーム入射領域が形成されている。対象物26の表面において、ビーム断面内のy軸方向に関する光強度分布はほぼ均一である。x軸方向の光強度分布は、例えばガウス分布である。
FIG. 2C shows a beam cross section on the surface of the object 26 (a
対象物26の表面で反射した戻り光は、1/4波長板16により、直線偏光に変換される。戻り光の偏光面はyz面に平行であり、入射光の偏光面と直交する。このため、戻り光は偏光ビームスプリッタ15で反射される。反射された戻り光は、ビームダンパ22に吸収される。
The return light reflected from the surface of the
戻り光が第1〜第4のレーザダイオードアレイ10A〜10Dに到達しないため、戻り光に起因する半導体レーザ素子の発振の乱れを防止することができる。また、第1〜第4のレーザダイオードアレイ10A〜10Dから出射された第1〜第4のレーザビームL1〜L4を重ね合わせることにより、1つのレーザダイオードアレイを用いる場合に比べて4倍のパワーを得ることができる。なお、レーザダイオードアレイの個数は4個に限らない。2〜3個、または5個以上のレーザダイオードアレイから出射したレーザビームを重ね合わせることも可能である。
Since the return light does not reach the first to fourth
また、ダイクロイックミラーを用いないため、第1〜第4のレーザダイオードアレイ10A〜10Dに、同一波長のレーザビームを出射する素子を用いることができる。このため、光学素子の色収差補正を行う必要がない。
Further, since no dichroic mirror is used, elements that emit laser beams having the same wavelength can be used for the first to fourth
偏光ビームスプリッタ15及び1/4波長板16は、第1〜第4のレーザビームL1〜L4が再配置された後の経路内に配置される。このため、複数のレーザビームに対して、一組の偏光ビームスプリッタ15及び1/4波長板16を準備すればよい。なお、大型(大口径)の光学素子は一般に高価であるため、レーザビームL1〜L4ごとに、偏光ビームスプリッタと1/4波長板とを配置してもよい。この場合には、第1〜第4のレーザビームL1〜L4が再配置された後の経路内に配置する場合に比べて、偏光ビームスプリッタ及び1/4波長板の各々を小型化することができる。
The
図3に、実施例2によるレーザ照射装置の概略図を示す。以下の説明では、図1Aに示した実施例1によるレーザ照射装置との相違点に着目する。 FIG. 3 shows a schematic diagram of a laser irradiation apparatus according to the second embodiment. In the following description, attention is focused on differences from the laser irradiation apparatus according to the first embodiment shown in FIG. 1A.
実施例1では、再配置された第1〜第4のレーザビームL1〜L4の進行方向が相互に平行であったが、実施例2では、レーザビームの進行方向に向かって第1〜第4のレーザビームL1〜L4の間隔が徐々に狭まるような構成とされている。 In the first embodiment, the traveling directions of the rearranged first to fourth laser beams L1 to L4 are parallel to each other, but in the second embodiment, the first to fourth laser beams travel in the traveling direction of the laser beam. The intervals between the laser beams L1 to L4 are gradually reduced.
収束レンズ11Aは、第1のレーザダイオードアレイ10Aから出射されたレーザビームを平行光線束にするのではなく、収束光線束にする。第1レンズ11A及びコンデンサレンズ20が、zx面内に関して、第1のレーザダイオードアレイ10Aの出射表面上の出射部を対象物26の表面に結像させる。同様に、zx面内に関して、第2〜第4のレーザダイオードアレイ10B〜10Dの出射表面上の出射部P2〜P4が、対象物26の表面に結像する。
The converging
図4に、第1〜第4のレーザダイオードアレイ10A〜10D、第1〜第4の収束レンズ11A〜11D、及びナイフエッジミラー12B〜12Dの構成の一例を示す。
FIG. 4 shows an example of the configuration of the first to fourth
第1のレーザダイオードアレイ10Aから出射した第1のレーザビームL1が、第1の収束レンズ11Aで収束される。第2のレーザダイオードアレイ10Bから出射した第2のレーザビームL2が、第2の収束レンズ11Bで収束され、ナイフエッジミラー12Bで反射される。
The first laser beam L1 emitted from the first
zx面内において、第1のレーザダイオードアレイ10Aの出射表面上の発光部P1と、第2のレーザダイオードアレイ10Bの出射表面上の発光部P2とが、ナイフエッジミラー12Bの反射表面を含む仮想平面13Bに関して、面対称の位置関係にある。第1の収束レンズ11A及び第2の収束レンズ11Bは、他のビーム経路との干渉を回避するために、一般的な収束レンズを部分的に切り落とした形状を持つ。図4において、切り落とす前の一般的な収束レンズを破線で示している。第1の収束レンズ11Aを一部分にもつ仮想的な収束レンズと、第2の収束レンズ11Bを一部分に持つ仮想的な収束レンズとが、仮想平面13Bに関して、面対称の位置関係にある。このため、ナイフエッジミラー12Bで反射された第2のレーザビームL2は、第1のレーダイオードアレイ10Aの発光部P1と同じ位置から出射し、第1の収束レンズ11Aを一部に含む仮想的な収束レンズで収束されたレーザビームと同一である。
In the zx plane, the light emitting portion P1 on the emitting surface of the first
同様に、第3のレーザダイオードアレイ11Cの発光部P3は、ナイフエッジミラー12Cの反射表面を含む仮想平面13Cに関して、第1のレーザダイオードアレイ10Aの発光部P1と面対称の位置に配置されている。第3の収束レンズ11Cを一部に含む仮想的な収束レンズは、仮想平面13Cに関して、第1の収束レンズ11Aを一部に含む仮想的な収束レンズと面対称の位置関係にある。
Similarly, the light emitting part P3 of the third
第4のレーザダイオードアレイ11Dの発光部P4は、ナイフエッジミラー12Dの反射表面を含む仮想平面13Dに関して、第1のレーザダイオードアレイ10Aの発光部P1と面対称の位置に配置されている。第4の収束レンズ11Dを一部に含む仮想的な収束レンズは、仮想平面13Dに関して、第1の収束レンズ11Aを一部に含む仮想的な収束レンズと面対称の位置関係にある。
The light emitting part P4 of the fourth
このため、ナイフエッジミラー12B〜12Dで反射されて再配置された第1〜第4のレーザビームL1〜L4は、すべて第1のレーザダイオードアレイ10Aの発光部P1から出射されたものと同等として扱うことができる。第1の収束レンズ11A及びコンデンサレンズ20が、第1のレーザダイオードアレイ10Aの発光部P1を対象物26の表面に結像させる構成の場合、第2〜第4のレーザダイオードアレイ10B〜10Dの発光部P2〜P4も、対象物26の表面に結像することになる。
Therefore, the first to fourth laser beams L1 to L4 reflected and rearranged by the knife edge mirrors 12B to 12D are all assumed to be equivalent to those emitted from the light emitting part P1 of the first
実施例2においても実施例1と同様に、戻り光による半導体レーザ素子の発振の乱れを防止することができる。 In the second embodiment, as in the first embodiment, the oscillation of the semiconductor laser element due to the return light can be prevented from being disturbed.
上記実施例で用いたナイフエッジミラーに代えて、透明領域の一部分に反射領域が設けられた誘電体多層反射膜を用いることもできる。この場合には、反射領域が、ナイフエッジミラーの反射表面として機能する。 In place of the knife edge mirror used in the above embodiment, a dielectric multilayer reflective film in which a reflective region is provided in a part of the transparent region can be used. In this case, the reflective region functions as a reflective surface of the knife edge mirror.
また、アナモルフィックプリズムペア18に代えて、ビーム断面形状を一方向にのみ拡大する他の光学素子を用いてもよい。また、アレイレンズテレスコープ19に代えて、他の均一化光学素子を用いてもよい。
Further, instead of the
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。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
10A〜10D 第1〜第4のレーザダイオードアレイ
11A〜11D 第1〜第4の収束レンズ
12B〜12D ナイフエッジミラー
15 偏光ビームスプリッタ
16 1/4波長板
17 ミラー
18 アナモルフィックプリズムペア
19 アレイレンズテレスコープ
20 コンデンサレンズ
22 ダンパ
25 XYステージ
26 対象物
30 半導体レーザ素子
10A to 10D First to fourth
Claims (3)
前記レーザダイオードアレイから出射されたレーザビームの各々が、第1の方向に向かって伝搬し、かつビーム断面の長軸方向同士が平行になり、かつ該長軸に直交する短軸方向に配列し、各レーザビームの偏光面が揃うように、前記レーザビームを再配置する再配置光学系と、
対象物を保持するステージと、
前記再配置光学系により再配置された前記複数のレーザビームが、前記ステージに保持された対象物の表面で重なり合うように該レーザビームを伝搬させる伝搬光学系と、
前記再配置光学系と、前記ステージとの間の前記レーザビームの経路内に、該レーザビームを透過させるか、または反射させる姿勢で配置された偏光ビームスプリッタと、
前記再配置光学系から見て前記偏光ビームスプリッタよりも後ろ側に配置された1/4波長板と
を有するレーザ照射装置。 A plurality of laser diode arrays each including a plurality of semiconductor lasers arranged in a major axis direction and emitting a laser beam having a long beam cross section in the major axis direction;
Each of the laser beams emitted from the laser diode array propagates in the first direction, and the major axis directions of the beam cross-sections are parallel to each other and arranged in the minor axis direction orthogonal to the major axis. A rearrangement optical system for rearranging the laser beams so that the polarization planes of the laser beams are aligned,
A stage for holding the object;
A propagation optical system for propagating the laser beams so that the plurality of laser beams rearranged by the rearrangement optical system overlap on the surface of the object held on the stage;
A polarization beam splitter disposed in a position for transmitting or reflecting the laser beam in a path of the laser beam between the rearrangement optical system and the stage;
A laser irradiation apparatus comprising: a quarter-wave plate disposed behind the polarizing beam splitter as viewed from the rearrangement optical system.
前記複数のレーザダイオードアレイの各々に対応して配置され、該レーザダイオードアレイから出射されたレーザビームを、前記長軸方向と直交する仮想平面内に関してコリメートする収束レンズを有し、
前記再配置光学系は、再配置された前記レーザビームの進行方向が相互に平行になるように、該レーザビームを再配置する請求項1に記載のレーザ照射装置。 further,
A converging lens arranged corresponding to each of the plurality of laser diode arrays and collimating a laser beam emitted from the laser diode array in a virtual plane orthogonal to the major axis direction;
The laser irradiation apparatus according to claim 1, wherein the rearrangement optical system rearranges the laser beams so that traveling directions of the rearranged laser beams are parallel to each other.
前記複数のレーザダイオードアレイの各々に対応して配置され、該レーザダイオードアレイから出射されたレーザビームを、前記長軸方向と直交する仮想平面内に関して収束させる収束レンズを有し、
前記収束レンズ、前記再配置光学系、及び前記伝搬光学系は、前記長軸方向と直交する仮想平面内に関して、前記レーザダイオードアレイのレーザビームの出射表面を、前記ステージに保持された対象物の表面上の同一箇所に結像させる請求項1に記載のレーザ照射装置。 further,
A converging lens that is arranged corresponding to each of the plurality of laser diode arrays and converges a laser beam emitted from the laser diode array in a virtual plane perpendicular to the major axis direction;
The converging lens, the rearrangement optical system, and the propagation optical system are configured so that an emission surface of a laser beam of the laser diode array is an object held on the stage with respect to a virtual plane orthogonal to the major axis direction. The laser irradiation apparatus according to claim 1, wherein an image is formed at the same location on the surface.
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