JP2013193110A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ワークディスタンスの変動が加工品質に与える影響を低減することが可能なレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】 レーザ光源から出射したレーザビームが均一化光学系に入射する。均一化光学系は、レーザビームを、加工対象物上において第１の方向に長い長尺形状の領域に入射させる。
均一化光学系と加工対象物との間のレーザビームの経路上に傾斜光学素子が配置されている。傾斜光学素子は、加工対象物の表面に対して第１の方向と直交する方向に傾斜した屈折率界面を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、断面が長尺のレーザビームを加工対象物に入射させながら、加工対象物を長尺方向と交差する方向に移動させて加工を行うレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

レーザビームのビーム断面を長尺化してレーザアニールを行うレーザ加工装置が特許文献１に開示されている。このレーザ加工装置では、ビーム断面の長軸方向及び短軸方向の両方向に関して、光強度分布が均一化される。特許文献２に、均一化光学系の焦点位置からデフォーカスした位置に加工対象物を配置して、レーザアニールを行う技術が開示されている。デフォーカスさせることにより、単調増加と単調減少とを周期的に繰り返す光強度分布が得られる。この光強度分布を有するレーザビームで非晶質膜を結晶化アニールすることにより、結晶粒を大きくすることができる。

特開２００６−１９５３２５号公報 特開２０１０−２６３２４０号公報

高品質な多結晶膜を形成するためには、短軸方向に関して光強度分布の両端の傾斜を緩やかにすることが好ましい。一般に、均一化光学系により光強度分布を均一化すると、光強度分布の両端の傾斜が急峻になる。均一化光学系の焦点位置からデフォーカスした位置に加工対象物を配置すると、光強度分布の両端の傾斜が緩やかになる。ところが、均一化光学系から加工対象物までの距離（ワークディスタンス）が変動すると、光強度分布の両端の傾斜が大きく変動してしまう。このため、加工対象物の表面にうねり等があると、加工品質が面内でばらついてしまう。
本発明の目的は、ワークディスタンスの変動が加工品質に与える影響を低減することが可能なレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することである。

本発明の一観点によると、
レーザ光源と、
前記レーザ光源から出射したレーザビームを、加工対象物上において第１の方向に長い長尺形状の領域に入射させる均一化光学系と、
前記均一化光学系と前記加工対象物との間のレーザビームの経路上に配置され、前記加工対象物の表面に対して前記第１の方向と直交する方向に傾斜した屈折率界面を形成する傾斜光学素子と
を有するレーザ加工装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
パルス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レーザビームを、加工対象物上において第１の方向に長い長尺形状の領域に入射させる均一化光学系と、
前記均一化光学系と前記加工対象物との間のレーザビームの光路上に配置され、前記加工対象物の表面に対して前記第１の方向と直交する方向に傾斜した屈折率界面を形成する
傾斜光学素子と
を有するレーザ加工装置を用いて、前記加工対象物を加工する方法であって、
前記加工対象物を前記第１の方向と直交する第２の方向に移動させながら、前記レーザ光源からパルスレーザビームを出射させて加工を行う第１加工工程と、
前記第１加工工程の後、前記加工対象物を前記第１の方向にずらす工程と、
前記加工対象物を前記第１の方向にずらした後、前記第１加工工程における前記加工対象物の移動方向とは反対方向に、前記加工対象物を移動させながら、前記レーザ光源からパルスレーザビームを出射させて加工を行う第２加工工程と
を有し、
前記第１加工工程と前記第２加工工程との間に、前記屈折率界面の傾斜方向を反転させる工程をさらに有するレーザ加工方法が提供される。

傾斜光学素子を配置することにより、ジャストフォーカス状態でも、第１の方向と直交する方向に関する光強度分布の両端の傾きを緩やかにすることができる。ジャストフォーカス状態でレーザ加工を行うと、ワークディスタンスの変動に起因する加工品質の変動が少なくなる。

図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ実施例１によるレーザ加工装置の長軸面及び短軸面の概略断面図を示す。 図２は、実施例１によるレーザ加工装置の短軸面に関するレーザビームの挙動に影響を与える光学素子の配置を示す図である。 図３Ａ及び図３Ｂは、加工対象物の表面における短軸方向の光強度分布を示すグラフである。 図４は、パルスエネルギの変動と、結晶化後の膜の明度との関係を示すグラフである。 図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれジャストフォーカス状態及びデフォーカス状態での光強度分布を示すグラフである。 図６は、加工対象物のｚ方向の位置と、光強度分布の両端の傾きとの関係を示すグラフである。 図７は、実施例２によるレーザ加工装置のコンデンサレンズ及び傾斜光学素子の取り付け部分の断面図である。 図８Ａ及び図８Ｂは、それぞれ加工対象物をｙ軸の正の方向及び負の方向に移動させながらレーザ照射を行うときの傾斜光学素子の姿勢を示す断面図である。 図９は、実施例３によるレーザ加工装置の短軸面に関するレーザビームの挙動に影響を与える光学素子の配置を示す図である。 図１０Ａ〜図１０Ｃは、実施例によるレーザ加工装置を用いた時の加工対象物の表面における光強度分布を示すグラフである。 図１１は、実施例３によるレーザ加工装置の傾斜光学素子及びその支持枠の斜視図である。

［実施例１］
図１Ａ及び図１Ｂに、実施例１によるレーザ加工装置の概略図を示す。実施例１によるレーザ加工装置は、加工対象物の表面において一方向に長い長尺のビーム断面を形成する。ビーム断面の長軸方向をｘ方向、短軸方向をｙ方向、レーザビームの進行方向をｚ方向とするｘｙｚ直交座標系を定義する。図１Ａは、ｚｘ面（長軸面）内におけるレーザビームの挙動を示し、図１Ｂはｙｚ面（短軸面）内におけるレーザビームの挙動を示す。

レーザ光源２０がパルスレーザビームを出射する。ビームエキスパンダ２１が、レーザ光源２０から出射されたレーザビームのビーム径を拡大する。ビーム径が拡大されたレーザビームが均一化光学系２２に入射する。加工対象物３０がステージ２３に保持されている。ステージ２３は、加工対象物３０をｘ方向及びｙ方向に移動させることができる。図１Ａ及び図１Ｂでは、レーザビームの経路が折れ曲がりの無い直線に沿う例を示しているが、必要に応じてベンディングミラーを配置して、レーザビームの経路を折り曲げてもよい。例えば、加工対象物３０の保持面が上方を向く姿勢でステージ２３を固定する場合、レーザ光源２０から水平方向に出射されたレーザビームの経路が、下方に向けて折り曲げられる。

均一化光学系２２は、加工対象物３０の表面において、レーザビームのビーム断面をｘ方向に長い長尺形状にする。さらに、加工対象物３０の表面における光強度を、ｘ方向及びｙ方向に関して均一化する。

均一化光学系２２と加工対象物３０との間のレーザビームの経路上に、傾斜光学素子２５が配置されている。傾斜光学素子２５には、例えば、レーザビームを透過させる平行平板が用いられる。傾斜光学素子２５は、加工対象物３０の表面に対して短軸方向（ｙ方向）に傾斜している。このため、加工対象物３０の表面に対して短軸方向（ｙ方向）に傾斜した屈折率界面が形成される。

図２に、ｙｚ面内に関するレーザビームの挙動に関与する光学素子の配置を示す。レーザビームの経路上に、光源側から順番に、第１のシリンドリカルレンズアレイ４０、第２のシリンドリカルレンズアレイ４１、及びコンデンサレンズ４２を含む。第１のシリンドリカルレンズアレイ４０及び第２のシリンドリカルレンズアレイ４１の各々は、複数の凸シリンドリカルレンズを含む。凸シリンドリカルレンズは、ｙ方向にパワーを持ち、ｙ方向に配列している。第１のシリンドリカルレンズアレイ４０の凸シリンドリカルレンズと、第２のシリンドリカルレンズアレイ４１の凸シリンドリカルレンズとが、一対一に対応する。図２では、第１のシリンドリカルレンズアレイ４０及び第２のシリンドリカルレンズアレイ４１の各々が、５本の凸シリンドリカルレンズを含む例を示している。

第１のシリンドリカルレンズアレイ４０は、均一化光学系２２に入射したレーザビームを、短軸方向（ｙ方向）に関して複数（図２においては５本）のレーザビームに分割する。第１のシリンドリカルレンズアレイ４０の凸シリンドリカルレンズで、ｙｚ面内に関して集束光線束とされたレーザビームが、第２のシリンドリカルレンズアレイ４１の対応する凸シリンドリカルレンズに入射する。図２では、分割されたレーザビームの各々の中心光線のみを示している。

第２のシリンドリカルレンズアレイ４１を透過したレーザビームがコンデンサレンズ４２に入射する。コンデンサレンズ４２は、短軸方向（ｙ方向）にパワーを持ち、ｙｚ面内に関して、入射したレーザビームを加工対象物３０の表面に集光する。ｙｚ面内に関して、コンデンサレンズ４２の光軸と加工対象物３０の表面とが直交する。すなわち、第１のシリンドリカルレンズアレイで分割されたレーザビームのうち中央のレーザビームが加工対象物３０に垂直入射する。

第１のシリンドリカルレンズアレイ４０の凸シリンドリカルレンズの各々は、第２のシリンドリカルレンズアレイ４１の対応する凸シリンドリカルレンズの前側焦点位置に配置されている。加工対象物３０の表面が、コンデンサレンズ４２の後側焦点位置に配置されている。このため、第２のシリンドリカルレンズアレイ４１とコンデンサレンズ４２とは、第１のシリンドリカルレンズアレイ４０の位置のビーム断面形状を、加工対象物３０の表面に結像させる。すなわち、第１のシリンドリカルレンズアレイ４０が配置された位置
を物点とし、加工対象物３０の表面を像点とする結像光学系が構成される。

コンデンサレンズ４２と加工対象物３０との間に、傾斜光学素子２５が配置されている。傾斜光学素子２５は、加工対象物３０の表面に対して、短軸方向（ｙ方向）に傾斜している。傾斜光学素子２５の傾斜角度をθで表す。傾斜光学素子２５は平行平板であるため、結像条件には影響を与えない。

図３Ａ及び図３Ｂに、加工対象物３０の表面における短軸方向（ｙ方向）の光強度分布のシミュレーション結果を示す。横軸は、コンデンサレンズ４２（図２）の焦点位置を基準としたｙ方向の位置を、単位「μｍ」で表す。縦軸は、光強度を、その最大値を１とした相対値で表す。図３Ａは、傾斜角θが３°の場合、図３Ｂは、傾斜角θが５°の場合を示す。

図３Ａ及び図３Ｂのいずれの場合も、ほぼトップフラットの光強度分布が得られている。傾斜角θを３°から５°に大きくすると、光強度分布の両端の傾きが緩やかになる。このように、傾斜角θを大きくすれば、光強度分布の両端の傾きを緩やかにすることができる。

光強度分布の形状は、中心に関して左右非対称である。加工対象物３０の表面に形成された非晶質シリコン膜の多結晶化アニールを行う場合には、加工対象物３０を、ビーム断面の短軸方向（ｙ方向）に移動させながら、パルスレーザビームの照射を行う。前回のショットの照射領域と、新たなショットの照射領域とが、部分的に重なるように、加工対象物３０の移動速度が設定される。

実施例１では、光強度分布の両端の傾きを緩やかにすることができるため、加工品質を高めることができる。傾斜光学素子２５の傾斜角θの好適な範囲は、傾斜角θを変えて複数の評価実験を行うことにより、決定することができる。

実施例１においては、短軸方向の光強度分布が左右非対称であるため、加工対象物３０の移動方向が加工品質に影響を及ぼすと考えられる。従って、加工品質の面内ばらつきを低減させるために、加工対象物３０の移動方向をｙ軸の正の方向及び負の方向のいずれかに固定することが好ましい。いずれの方向に固定するかは、実際に評価実験を行なって決定すればよい。

図４に、光強度分布の両端の傾きを異ならせて結晶化アニールを行ったときの、結晶化膜の明度の測定結果を示す。この評価実験では、非晶質シリコン膜に１ショットのレーザパルスを照射し、結晶化した領域の明度を測定した。横軸は、非晶質シリコン膜に入射させたレーザパルスのパルスエネルギを相対値で表し、縦軸は、照射後の結晶化シリコン膜の明度を相対値で表す。縦軸の下向きに、透明度が高くなる。図４中の四角記号及び丸記号は、それぞれ光強度分布の両端の傾斜部分の幅を１００μｍ及び０μｍとしてアニールを行った結果を示す。ここで、「傾斜部分の幅」は、ピークパワーの１０％の位置から９０％の位置までの幅で定義される。

傾斜光学素子２５（図２）を傾斜させると、パルスエネルギの変動に対して、明度の変化が小さくなる。レーザ発振器自体のパルスエネルギ変動や、ポインティングスタビリティに起因する伝送効率の変動により、加工対象物３０の表面におけるパルスエネルギが変動する。傾斜光学素子２５を傾斜させると、パルスエネルギが変動しても、明度の面内ばらつきを抑制することができる。

次に、図５Ａ、図５Ｂ、図６を参照して、実施例１によるレーザ加工装置を用いること
の効果について説明する。

図５Ａに、傾斜光学素子２５（図２）の傾斜角θを０°としたときの、短軸方向の光強度分布を示す。図５Ｂに、デフォーカス時の光強度分布を示す。図２において、加工対象物３０をｚ方向にずらすことにより、デフォーカス状態を得ることができる。デフォーカス状態にすると、光強度分布の両端の傾きが緩やかになる。すなわち、傾斜光学素子２５（図２）を挿入した状態と同様の効果が得られる。

図６に、加工対象物３０のｚ方向の位置と、短軸方向の光強度分布の両端の傾きとの関係を示す。横軸はｚ方向の位置を表し、縦軸は光強度分布の両端の傾きを表す。図６中の細い実線は、傾斜光学素子２５の傾斜角θを０°とした場合、太い実線は、傾斜光学素子２５を傾斜させた場合の、光強度分布の両端の傾きを示す。

加工対象物３０の位置がｚ_０のとき、ジャストフォーカス状態が得られる。ジャストフォーカス状態のとき、傾斜光学素子２５を傾斜させると、傾斜角θが０°の場合に比べて、光強度分布の両端の傾きが大きくなる。加工対象物３０の位置をｚ_１までずらしてデフォーカス状態にすると、傾斜角θが０°の場合でも、光強度分布の両端の傾きを、傾斜光学素子２５を傾斜させた場合と同様に、緩やかにすることができる。

ジャストフォーカス状態の場合には、加工対象物３０のｚ方向の位置の変動に対して、光強度分布の両端の傾きの変動量は小さい。ところが、デフォーカス状態の場合には、加工対象物３０のｚ方向の位置の変動に対して、光強度分布の両端の傾きの変動が大きい。このため、デフォーカス状態でレーザ照射を行うと、加工対象物３０の表面のうねりの影響を受けやすい。実施例１のように、ジャストフォーカス状態でレーザ照射を行うことにより、加工対象物３０の表面のうねりの影響を受けにくくすることができる。

［実施例２］
図７に、実施例２によるレーザ加工装置のコンデンサレンズ４２及び傾斜光学素子２５の取り付け部分の断面図を示す。コンデンサレンズ４２が鏡筒４５内に支持されている。傾斜光学素子２５が支持枠４６に支持されている。支持枠４６は、ベローズ４７を介して鏡筒４５に連結されている。ベローズ４７は、鏡筒４５に対する支持枠４６の姿勢の変動を許容する。

支持枠４６は、ｘ方向と平行な回転軸４８により支持されている。回転駆動機構４９が、回転軸４８を、ある角度範囲内で回転させる。回転軸４８が回転することにより、加工対象物３０に対する傾斜光学素子２５の傾斜方向を反転させることができる。

傾斜光学素子２５は、レーザビームの入射位置からの飛散物がコンデンサレンズ４２に付着することを防止する保護ウィンドウとしての機能を併せ持つ。ベローズ４７は、飛散物がレーザビームの経路の側方から回り込んでコンデンサレンズ４２に付着することを防止する。

図８Ａ及び図８Ｂに、それぞれ加工対象物３０をｙ軸の正の方向及び負の方向に移動させながらレーザ照射を行っているときの傾斜光学素子２５の姿勢を示す。加工対象物３０がｙ軸の負の方向に移動しているときの傾斜光学素子２５の傾斜方向は、加工対象物３０がｙ軸の正の方向に移動しているときの傾斜光学素子２５の傾斜方向と逆向きである。このため、図３Ａ及び図３Ｂに示したように、光強度分布の形状が左右非対称であっても、加工対象物３０の移動方向を反転させたときに、同一の条件でアニールを行うことができる。

次に、レーザ加工を行うときの具体的な手順について説明する。まず、図８Ａに示したように、加工対象物３０をｙ軸の正の方向に移動させながら、レーザ光源２０（図１Ａ、図１Ｂ）からパルスレーザビームを出射させて加工を行う。その後、加工対象物３０をｘ方向にずらす。加工対象物３０をｘ方向にずらした後、図８Ｂに示したように、加工対象物３０をｙ軸の負の方向に移動させながら、レーザ光源２０からパルスレーザビームを出射させて加工を行う。

加工対象物３０をｙ軸の正の方向に移動させながらレーザ照射を行う工程と、加工対象物３０をｙ軸の負の方向に移動させながらレーザ照射を行う工程との間に、回転駆動機構４９（図７）を動作させて、傾斜光学素子２５の傾斜方向を反転させる。

実施例２によるレーザ加工装置では、加工対象物３０の移動方向を反転させても、反転前と同一の条件でレーザ加工を行うことができる。加工対象物３０の往路と復路との両方でレーザ加工を行うことができるため、レーザ加工時間を短縮することができる。

［実施例３］
図９に、実施例３によるレーザ加工装置の均一化光学系２２からステージ２３までに配置された光学素子の断面図を示す。以下、図２に示した実施例１との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。

実施例１では、傾斜光学素子２５に平行平板が用いられていたが、実施例３では、ウェッジ基板が用いられている。ウェッジ基板の一方の表面は加工対象物３０の表面と平行であり、他方の表面は、加工対象物３０の表面に対して短軸方向（ｙ方向）に傾斜している。この傾斜角をθで表す。実施例３においては、傾斜光学素子２５の１つの屈折率界面が、加工対象物３０の表面に対して短軸方向（ｙ方向）に傾斜している。なお、ウェッジ基板の両方の屈折率界面を、加工対象物３０の表面に対して傾斜させてもよい。

図１０Ａ〜図１０Ｃに、実施例３によるレーザ加工装置のステージ２３に保持された加工対象物３０の表面における短軸方向の光強度分布のシミュレーション結果を示す。横軸は、コンデンサレンズ４２（図２）の焦点位置を基準としたｙ方向の位置を、単位「μｍ」で表す。図１０Ａ、図１０Ｂ、及び図１０Ｃは、それぞれ傾斜角θが１°、３°、及び５°のときの光強度分布を示す。傾斜角θが大きくなるに従って、光強度分布の両端の傾きが緩やかになることがわかる。このため、実施例１の場合と同様に、多結晶化された膜の明度の面内ばらつきを抑制することができる。また、実施例３においても、ジャストフォーカス状態でレーザ照射を行うため、実施例１の場合と同様に、加工対象物３０の表面のうねりの影響を受けにくい。

図１１に、傾斜光学素子２５、及びそれを支持する支持枠４６の斜視図を示す。支持枠４６は、ｚ軸に平行な直線を中心軸とする円環状の形状を有する。回転駆動機構４９が、支持枠４６を、その中心軸を回転中心として回転させる。支持枠４６を１８０°回転させることにより、傾斜光学素子２５の屈折率界面の傾斜方向を反転させることができる。これにより、実施例２の場合と同様に、加工対象物３０の移動方向を反転させても、反転前と同一の条件でレーザ加工を行うことができる。

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。

２０ レーザ光源
２１ ビームエキスパンダ
２２ 均一化光学系
２３ ステージ
２５ 傾斜光学素子
２６ ウェッジ基板
３０ 加工対象物
４０ 第１のシリンドリカルレンズアレイ
４１ 第２のシリンドリカルレンズアレイ
４２ コンデンサレンズ
４５ 鏡筒
４６ 支持枠
４７ ベローズ
４８ 回転軸
４９ 回転駆動機構

Claims (6)

1. レーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射したレーザビームを、加工対象物上において第１の方向に長い長尺形状の領域に入射させる均一化光学系と、
   前記均一化光学系と前記加工対象物との間のレーザビームの経路上に配置され、前記加工対象物の表面に対して前記第１の方向と直交する方向に傾斜した屈折率界面を形成する傾斜光学素子と
   を有するレーザ加工装置。
2. 前記傾斜光学素子は、前記加工対象物の表面に対して傾斜した平行平板を含む請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記傾斜光学系は、ウェッジ基板を含む請求項１に記載のレーザ加工装置。
4. 前記均一化光学系は、
   前記第１の方向と直交する短軸断面内において、前記レーザビームを短軸方向に分割する第１のシリンドリカルレンズアレイと、
   前記第１のシリンドリカルレンズアレイの後方に配置され、前記第１のシリンドリカルレンズアレイを構成する複数のシリンドリカルレンズにそれぞれ対応する複数のシリンドリカルレンズを有する第２のシリンドリカルレンズアレイと、
   前記第２のシリンドリカルレンズアレイの後方に配置され、前記短軸方向にパワーを持つコンデンサレンズと
   を含み、
   前記第２のシリンドリカルレンズアレイの各シリンドリカルレンズと前記コンデンサレンズとは、前記第１のシリンドリカルレンズアレイが配置された位置を物点とし、前記加工対象物の表面を像点とする結像光学系を構成する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
5. さらに、前記屈折率界面の傾斜方向が反転するように前記傾斜光学系を回転させる回転駆動機構を有する請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
6. パルス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レーザビームを、加工対象物上において第１の方向に長い長尺形状の領域に入射させる均一化光学系と、
   前記均一化光学系と前記加工対象物との間のレーザビームの光路上に配置され、前記加工対象物の表面に対して前記第１の方向と直交する方向に傾斜した屈折率界面を形成する傾斜光学素子と
   を有するレーザ加工装置を用いて、前記加工対象物を加工する方法であって、
   前記加工対象物を前記第１の方向と直交する第２の方向に移動させながら、前記レーザ光源からパルスレーザビームを出射させて加工を行う第１加工工程と、
   前記第１加工工程の後、前記加工対象物を前記第１の方向にずらす工程と、
   前記加工対象物を前記第１の方向にずらした後、前記第１加工工程における前記加工対象物の移動方向とは反対方向に、前記加工対象物を移動させながら、前記レーザ光源からパルスレーザビームを出射させて加工を行う第２加工工程と
   を有し、
   前記第１加工工程と前記第２加工工程との間に、前記屈折率界面の傾斜方向を反転させる工程をさらに有するレーザ加工方法。

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