JP2014029965A - Method for monitoring surface of object to be processed, and monitoring device - Google Patents
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Description
この発明は、パルス状のレーザ光の照射により加熱処理されている被処理体の表面状態をモニタリングするモニタリング方法およびモニタリング装置に関する。 The present invention relates to a monitoring method and a monitoring apparatus for monitoring the surface state of an object to be processed that has been heat-treated by irradiation with pulsed laser light.
Si基板やSiC基板、GaN基板、ガラス基板上の薄膜などのデバイスを対象とした半導体の製造プロセス過程では、試料に対してパルス状のレーザ光を照射して結晶化や活性化などの目的で加熱処理するレーザアニールプロセスが一部で採用されている。 In the manufacturing process of semiconductors for devices such as thin films on Si substrates, SiC substrates, GaN substrates, and glass substrates, the sample is irradiated with pulsed laser light for the purpose of crystallization and activation. A laser annealing process for heat treatment is adopted in part.
ここでは特にレーザアニールによって半導体を活性化するものを対象として説明する。半導体の活性化とは、イオン注入機によってリンやボロンなどの不純物を注入したシリコンの真性半導体を加熱することにより拡散させて、pn接合層を形成することである。レーザアニールプロセスは半導体表面のみを加熱できることから、表層部にpn接合層を形成可能なプロセスであることに特徴を持つ。
レーザアニールプロセスにおいて、被処理体である半導体のウエハ照射面上でレーザ光のビームの空間プロファイルは、丸や四角、もしくはライン状などに整形されていて、ビームが走査される。レーザ光は時間的にパルス状に照射され、十分なエネルギのパルスが照射されるとウエハ表面は加熱され、固相から液相へと溶融し、レーザ光のパルスの立下りに伴って冷却され、液相から固相へと変化する。
Here, a description will be given especially for a semiconductor that is activated by laser annealing. The activation of the semiconductor means that a pn junction layer is formed by heating and diffusing an intrinsic semiconductor of silicon into which impurities such as phosphorus and boron are implanted by an ion implanter. Since the laser annealing process can heat only the semiconductor surface, it is characterized by being a process capable of forming a pn junction layer in the surface layer portion.
In the laser annealing process, the spatial profile of the laser light beam is shaped into a circle, square, or line on the surface of the semiconductor wafer to be processed, and the beam is scanned. The laser beam is irradiated in pulses in time, and when a pulse of sufficient energy is irradiated, the wafer surface is heated, melted from the solid phase to the liquid phase, and cooled as the laser beam pulse falls. , Change from liquid phase to solid phase.
レーザ活性化プロセスでは、シリコン中にドーピングした不純物の活性率は溶融している時間に関係している。一般に溶融されている期間が長いほど活性化率は向上し、シリコンの活性化深さも深くなる。
また、ビームの空間プロファイルに依存してシリコンの溶融する面積も変化する。溶融面積は、ビームの空間プロファイルにもよるが、レーザ光のパルスが照射される期間で、ビーム強度の最も強い箇所から溶融し始め、面方向に溶融部が広がっていく。レーザ光のパルスの照射が終了すると溶融部面積は減少しビーム強度が強い箇所が最後に固化する。
In the laser activation process, the activity rate of impurities doped in silicon is related to the melting time. In general, the longer the melting period, the higher the activation rate and the deeper the activation depth of silicon.
In addition, the area where silicon is melted varies depending on the spatial profile of the beam. Although the melting area depends on the spatial profile of the beam, in the period during which the laser light pulse is applied, the melting area starts to melt from the portion having the highest beam intensity, and the melted portion spreads in the surface direction. When the irradiation of the laser light pulse is completed, the area of the melted portion is reduced and the portion having a high beam intensity is finally solidified.
レーザアニールプロセスでは、レーザ光のエネルギ強度調整、レーザビームの空間プロファイルのサイズの変更、ビームの相対走査速度の調整などによって、プロセス条件を変化させる。プロセスの良否はアニールプロセス後に、シリコン表面の電気抵抗値を測定することなどによって評価する。そのため、活性化の状態は間接的な評価結果をもとにしたものとなり、いくつのも現象を含んだ複雑な現象から、レーザ照射時の様子を推察して、プロセスの条件設定を行う。 In the laser annealing process, process conditions are changed by adjusting the energy intensity of laser light, changing the size of the spatial profile of the laser beam, adjusting the relative scanning speed of the beam, and the like. The quality of the process is evaluated by measuring the electrical resistance value on the silicon surface after the annealing process. Therefore, the activation state is based on indirect evaluation results, and the process conditions are set by inferring the state of laser irradiation from complicated phenomena including several phenomena.
しかし、プロセスの条件設定だけでなく、レーザ光照射時の表面状態を観察することで、良好なプロセス制御を行う方法が提案されている(例えば特許文献1、2参照)。
特許文献1では、金属溶接などで、金属に溶融エネルギを投与して材料を溶融する溶融加工において、溶融加工の進行に伴って材料の特定の部位が溶融状態に達したか否かを判定し、溶接の品質の良否を大きく反映する溶融後の材料の溶融状態を加工中にリアルタイムで監視する方法が提案されている。
また、特許文献2では、薄膜を対象としたレーザアニールのプロセスにおいて、例えば非晶質シリコン薄膜であるとき、シリコンが溶融して固化および結晶化するまでの溶融結晶化時間と結晶成長の速度とを併せて計測する方法が提案されている。
However, a method for performing good process control by observing not only the process condition setting but also the surface state at the time of laser beam irradiation has been proposed (for example, see Patent Documents 1 and 2).
In Patent Document 1, it is determined whether or not a specific part of the material has reached a molten state with the progress of the melting process in the melting process in which melting energy is applied to the metal to melt the material by metal welding or the like. There has been proposed a method for monitoring in real time during processing the molten state of the material after melting, which largely reflects the quality of welding.
Further, in
レーザ光のパルス期間の現象が観察できるカメラを使用すると、1パルス内の溶融開始から、溶融面積の拡大/減少、固化までの一連の溶融から固化の現象を観察できて、アニールプロセスを直接把握することが可能となり、レーザプロセス中にインラインでの評価ができる。この現象を利用して、プロセス用のパルスレーザの1パルス照射時の溶融状態を観察する方法が特許文献1で提案されている。この方法では溶融状態を観察するためには、ストリークカメラなどの、時間分解能が高く、面の情報を取得できるカメラが必要である。現状、数nsec単位の時間分解能を有するカメラはストリークカメラなどのように高価であり、また、過度の光入射があると簡単に壊れてしまうようなものがほとんどである。 Using a camera that can observe the phenomenon of the pulse period of the laser beam, the annealing process can be observed directly from the start of melting within one pulse to the expansion / reduction of the melting area, solidification, and the annealing process can be directly grasped. In-line evaluation during the laser process. Patent Document 1 proposes a method of observing the molten state at the time of one-pulse irradiation of a process pulse laser using this phenomenon. In this method, in order to observe the molten state, a camera capable of acquiring surface information with high time resolution, such as a streak camera, is required. At present, cameras having a time resolution of several nsec are expensive, such as a streak camera, and most of them are easily broken when excessive light is incident.
このようなストリークカメラを生産ラインで使用することは、生産装置のコスト、メンテナンス頻度の点で現実的でない。また、実際に1パルス毎の溶融状態の情報を1枚のウエハ(基板)の照射面積全てでデータを取得しようとすると、そのデータ量は莫大となり、カメラから記録機器へのデータ転送速度も現実的な機器では不可能である。よって、実際にプロセス中の全ての溶融データをストリークカメラなどで記録して、その結果をアニールのレーザ光の照射条件に直に反映することは非現実的である。仮に離散的に1パルスの溶融状態を得て、その結果をプロセスに反映させたとしても、1パルス毎のバラツキの大きいアニール用のレーザでは、バラツキの大きい1データの結果を下にプロセス条件に反映することになってしまい、良好なプロセス制御を実現することは困難である。 Using such a streak camera in a production line is not realistic in terms of production device cost and maintenance frequency. In addition, when data on the melting state for each pulse is actually acquired from the entire irradiation area of one wafer (substrate), the amount of data becomes enormous, and the data transfer rate from the camera to the recording device is also real. This is not possible with typical equipment. Therefore, it is impractical to record all melting data during the process with a streak camera or the like and directly reflect the result on the irradiation condition of the laser beam for annealing. Even if the melting state of one pulse is obtained discretely and the result is reflected in the process, the annealing laser with a large variation for each pulse is used as a process condition based on the result of one data with a large variation. Therefore, it is difficult to realize good process control.
本発明は上記事情を背景としてなされたものであり、高価なストリークカメラなどを必要とすることなく、パルス状のレーザ光で加熱されている被処理体の表面状態を良好に観察することができる被処理体表面のモニタリング方法およびモニタリング装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made against the background of the above circumstances, and it is possible to satisfactorily observe the surface state of an object to be processed that is heated with a pulsed laser beam without requiring an expensive streak camera or the like. An object of the present invention is to provide a monitoring method and a monitoring apparatus for the surface of an object to be processed.
すなわち、本発明の被処理体表面のモニタリング方法のうち、第1の本発明は、パルス状レーザ光を含むレーザ光の照射により加熱されている被処理体表面に、参照光を照射し、前記参照光が前記被処理体表面で反射した反射光を受光して前記被処理体の表面状態をモニタリングする方法において、
前記パルス状レーザ光のパルスタイミングに応じて前記参照光を前記被処理体表面にパルス状に照射し、前記反射光の受光により前記被処理体の表面像を得て、該表面像により前記被処理体の表面状態をモニタリングすることを特徴とする。
That is, in the monitoring method of the surface of the object to be processed according to the present invention, the first aspect of the present invention is that the surface of the object to be processed which is heated by irradiation with laser light including pulsed laser light is irradiated with reference light, In the method of monitoring the surface state of the object to be processed by receiving the reflected light reflected by the surface of the object to be processed by the reference light,
The surface of the object to be processed is irradiated in a pulsed manner on the surface of the object to be processed in accordance with the pulse timing of the pulsed laser light, and a surface image of the object to be processed is obtained by receiving the reflected light. It is characterized by monitoring the surface state of the treated body.
第2の本発明の被処理体表面のモニタリング方法は、パルス状レーザ光を含むレーザ光の照射により加熱されている被処理体表面に、参照光を照射し、前記参照光が前記被処理体表面で反射した反射光を受光して前記被処理体の表面状態をモニタリングする方法において、
前記パルス状レーザ光のパルスタイミングに応じて前記反射光をパルス状に受光し、前記反射光の受光により前記被処理体の表面像を得て、該表面像により前記被処理体の表面状態をモニタリングすることを特徴とする。
In the method for monitoring the surface of the object to be processed according to the second aspect of the present invention, the surface of the object to be processed heated by the irradiation of the laser beam including the pulsed laser beam is irradiated with the reference light, and the reference light is emitted from the object to be processed. In the method of monitoring the surface state of the object to be processed by receiving the reflected light reflected by the surface,
The reflected light is received in a pulse shape according to the pulse timing of the pulsed laser light, a surface image of the object to be processed is obtained by receiving the reflected light, and the surface state of the object to be processed is determined by the surface image. It is characterized by monitoring.
第3の本発明の被処理体表面のモニタリング方法は、前記第1または第2の本発明において、前記パルス状レーザ光を含むレーザ光として、パルス状レーザ光とともに連続発振レーザ光が前記被処理体表面に照射されて前記被処理体表面の加熱を行うことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, a continuous wave laser beam is used together with a pulsed laser beam as the laser beam including the pulsed laser beam. The surface of the object to be processed is heated by being irradiated on the surface of the body.
第4の本発明の被処理体表面のモニタリング方法は、前記第3の本発明において、前記連続発振レーザ光を前記参照光として利用することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for monitoring a surface of an object to be processed, wherein the continuous wave laser beam is used as the reference light in the third aspect of the present invention.
第5の本発明の被処理体表面のモニタリング方法は、前記第1〜第4の本発明のいずれかにおいて、前記表面像から2次元の数値データを得て、該数値データを用いて被処理体の加熱溶融によって変化する光学的な定数を求め、該定数から前記被処理体表面の溶融状態を判定することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a method for monitoring a surface of an object to be processed according to any one of the first to fourth aspects of the present invention, wherein two-dimensional numerical data is obtained from the surface image and processed using the numerical data. An optical constant that changes due to heat melting of the body is obtained, and a melting state of the surface of the object to be processed is determined from the constant.
第6の本発明の被処理体表面のモニタリング方法は、前記第1〜第5の本発明のいずれかにおいて、前記参照光のパルス状の照射またはパルス状の受光に際し、前記照射または受光におけるパルス時間幅を、前記パルス状レーザ光のパルス時間幅よりも小さい所定の時間幅とし、かつ前記パルス状レーザ光のパルス時間幅に重ねて位置させることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a method for monitoring a surface of an object to be processed according to any one of the first to fifth aspects of the present invention. The time width is set to be a predetermined time width smaller than the pulse time width of the pulsed laser beam, and is positioned so as to overlap the pulse time width of the pulsed laser beam.
第7の本発明の被処理体表面のモニタリング方法は、前記第1〜第6の本発明のいずれかにおいて、前記参照光のパルス状の照射またはパルス状の受光に際し、前記照射または受光におけるパルス時間幅を、前記パルス状レーザ光の照射により前記被処理体表面が溶融している時間より短時間にすることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a method for monitoring a surface of an object to be processed according to any one of the first to sixth aspects of the present invention. The time width is shorter than the time during which the surface of the object to be processed is melted by irradiation with the pulsed laser light.
第8の本発明の被処理体表面のモニタリング方法は、前記第1〜第7の本発明のいずれかにおいて、前記参照光における前記パルス状の照射または前記パルス状の受光は、前記パルス状レーザ光のパルス開始タイミングに対し、所定の位相差のパルス開始タイミングを有する周期的なものであることを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, there is provided the method for monitoring a surface of an object to be processed according to any one of the first to seventh aspects of the present invention, wherein the pulsed irradiation or the pulsed light reception in the reference light is performed by the pulsed laser. It is characterized by being periodic with a pulse start timing having a predetermined phase difference with respect to the light pulse start timing.
第9の本発明の被処理体表面のモニタリング方法は、前記第1〜第8の本発明のいずれかにおいて、前記パルス状レーザ光の照射による前記被処理体の加熱処理中に、前記パルス状レーザ光のパルス開始タイミングに対し、前記参照光における前記パルス状の照射または前記パルス状の受光のパルス開始タイミングの位相差を変え、複数の位相差における前記被処理体の表面像を得ることを特徴とする。 According to a ninth aspect of the present invention, there is provided the monitoring method of the surface of the object to be processed, in any one of the first to eighth aspects of the present invention, during the heat treatment of the object to be processed by irradiation with the pulsed laser beam. Changing the phase difference of the pulse start timing of the pulsed irradiation or the light receiving of the pulsed light with respect to the pulse start timing of the laser light to obtain a surface image of the object to be processed at a plurality of phase differences Features.
第10の本発明の被処理体表面のモニタリング方法は、前記第9の本発明において、前記参照光における前記パルス状の照射または前記パルス状の受光を、複数の前記位相差で行うことによりパルス内における連続した時間の繋がりにおける前記過渡状態を得ることを特徴とする。 According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a monitoring method of a surface of an object to be processed in the ninth aspect of the present invention, wherein the pulsed irradiation or the pulsed light reception of the reference light is performed with a plurality of the phase differences. It is characterized in that the transient state in a continuous time connection is obtained.
第11の本発明の被処理体表面のモニタリング方法は、前記第1の本発明において、連続波からなる参照光を間欠的に開閉するシャッタを通すことによって、前記参照光を前記被処理体にパルス状に照射することを特徴とする。 According to an eleventh aspect of the present invention, there is provided a method for monitoring a surface of an object to be processed, wherein the reference light is passed through the shutter to open and close the reference light composed of continuous waves intermittently. Irradiated in a pulsed manner.
第12の本発明の被処理体表面のモニタリング方法は、前記第2の本発明において、連続波からなる参照光を前記被処理体に照射し、前記反射光を間欠的に開閉するシャッタを通してパルス状に受光することを特徴とする。 According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided a method of monitoring a surface of a target object, wherein the reference target beam is irradiated with a continuous wave of reference light and the reflected light is pulsed through a shutter that opens and closes intermittently. It is characterized in that the light is received in a shape.
第13の本発明の被処理体表面のモニタリング方法は、前記第1〜第12の本発明のいずれかにおいて、前記表面像は、前記パルス状レーザ光のパルス時間幅よりも長い記録時間を有するカメラの撮影により得られることを特徴とする。 According to a thirteenth aspect of the present invention, there is provided the method for monitoring a surface of an object to be processed according to any one of the first to twelfth aspects, wherein the surface image has a recording time longer than a pulse time width of the pulsed laser beam. It is obtained by photographing with a camera.
第14の本発明の被処理体表面のモニタリング装置は、
パルス状レーザ光を含むレーザ光の照射により加熱処理する被処理体の表面状態をモニタリングする装置であって、
参照光を発生する参照光光源と、
前記参照光を前記参照光光源から導き、前記パルス状レーザ光のタイミングに応じたパルス状の前記参照光を前記被処理体に照射する参照光光学系と、
前記参照光が加熱された前記被処理体で反射した反射光を検出し、前記被処理体の表面像を取得する反射光検出部と、
前記反射光を前記反射光検出部に導く反射光光学系と、を備えることを特徴とする。
A monitoring apparatus for a surface of an object to be processed according to a fourteenth aspect of the present invention,
An apparatus for monitoring the surface state of an object to be heat-treated by irradiation with laser light including pulsed laser light,
A reference light source for generating reference light;
A reference light optical system that guides the reference light from the reference light source, and irradiates the object to be processed with the pulsed reference light according to the timing of the pulsed laser light;
A reflected light detection unit that detects reflected light reflected by the object to be processed heated by the reference light and acquires a surface image of the object to be processed;
A reflected light optical system that guides the reflected light to the reflected light detection unit.
第15の本発明の被処理体表面のモニタリング装置は、前記第14の本発明において、前記参照光光源が、前記パルス状レーザ光のパルスタイミングに応じたパルス状の参照光を出力するものであることを特徴とする。 According to a fifteenth aspect of the present invention, in the fourteenth aspect of the invention, the reference light source outputs a pulsed reference light corresponding to a pulse timing of the pulsed laser light. It is characterized by being.
第16の本発明の被処理体表面のモニタリング装置は、前記第14の本発明において、前記参照光光源が、連続波の参照光を発生するものであり、
前記参照光光学系に、前記パルス状レーザ光のパルスタイミングに応じて前記参照光を間欠的に通して、パルス状の参照光を得る照射光シャッタを有することを特徴とする。
In the fourteenth aspect of the present invention, the monitoring device for the surface of the object to be processed according to the sixteenth aspect of the present invention is such that the reference light source generates continuous wave reference light,
The reference light optical system includes an irradiation light shutter that intermittently passes the reference light according to the pulse timing of the pulsed laser light to obtain pulsed reference light.
第17の本発明の被処理体表面のモニタリング装置は、
パルス状レーザ光を含むレーザ光の照射により加熱処理する被処理体の表面状態をモニタリングする装置であって、
参照光を発生する参照光光源と、
前記参照光を前記参照光光源から導き、前記被処理体に照射する参照光光学系と、
前記参照光が加熱された前記被処理体で反射した反射光を前記パルス状レーザ光のパルスタイミングに応じたパルス状の反射光として検出し、前記被処理体の表面像を取得する反射光検出部と、
前記反射光を前記反射光検出部に導く反射光光学系と、を備えることを特徴とする。
The monitoring apparatus for the surface of the object to be processed according to the seventeenth aspect of the present invention,
An apparatus for monitoring the surface state of an object to be heat-treated by irradiation with laser light including pulsed laser light,
A reference light source for generating reference light;
A reference light optical system for guiding the reference light from the reference light source and irradiating the object to be processed;
Reflected light detection for detecting a reflected light reflected by the object to be processed heated by the reference light as a pulsed reflected light corresponding to a pulse timing of the pulsed laser light and obtaining a surface image of the object to be processed And
A reflected light optical system that guides the reflected light to the reflected light detection unit.
第18の本発明の被処理体表面のモニタリング装置は、前記第17の本発明において、前記参照光光源が、連続波の参照光を発生するものであり、
前記反射光光学系に、前記パルス状レーザ光のパルスタイミングに応じて前記反射光を間欠的に通して、パルス状の反射光を得る反射光シャッタを有することを特徴とする。
According to an eighteenth aspect of the present invention, in the seventeenth aspect of the present invention, the reference light source generates continuous wave reference light.
The reflected light optical system includes a reflected light shutter that obtains pulsed reflected light by passing the reflected light intermittently according to the pulse timing of the pulsed laser light.
第19の本発明の被処理体表面のモニタリング装置は、前記第14〜第18の本発明のいずれかにおいて、前記参照光光源が、前記被処理体を加熱処理する連続発振レーザ光を発生する光源であることを特徴とする According to a nineteenth aspect of the present invention, there is provided the monitoring apparatus for a surface of an object to be processed, wherein the reference light source generates a continuous wave laser beam for heating the object to be processed. It is a light source
第20の本発明の被処理体表面のモニタリング装置は、前記第14〜19の本発明のいずれかにおいて、前記パルス状の参照光または前記パルス状の反射光のパルス時間幅を調整する制御部を有することを特徴とする。 A monitoring apparatus for a surface of an object to be processed according to a twentieth aspect of the present invention is the control unit for adjusting a pulse time width of the pulse-shaped reference light or the pulse-shaped reflected light according to any of the fourteenth to nineteenth aspects of the present invention. It is characterized by having.
第21の本発明の被処理体表面のモニタリング装置は、前記第14〜20の本発明のいずれかにおいて、前記パルス状レーザ光のパルス開始タイミングに対する、前記パルス状の参照光または前記パルス状の反射光のパルス開始タイミングの位相差を調整する制御部を有することを特徴とする。 According to a twenty-first aspect of the present invention, the monitoring apparatus for the surface of the object to be processed of the twenty-first aspect of the present invention provides the pulsed reference light or the pulse-shaped reference light with respect to the pulse start timing of the pulsed laser light. It has a control part which adjusts the phase difference of the pulse start timing of reflected light, It is characterized by the above-mentioned.
第22の本発明の被処理体表面のモニタリング装置は、前記第21の本発明において、前記制御部は、前記加熱処理中に、前記位相差を変更して複数の位相差において前記パルス状の参照光の照射または前記パルス状の反射光の受光を可能とすることを特徴とする。 According to a twenty-second aspect of the present invention, in the twenty-first aspect of the invention, the control unit is configured to change the phase difference during the heat treatment so that the pulse-like shape is changed in a plurality of phase differences. It is possible to irradiate reference light or receive the pulsed reflected light.
第23の本発明のモニタリング装置は、前記第14〜第22の本発明のいずれかにおいて、前記反射光検出部で取得された表面像に基づいて、前記被処理体の表面状態を判定する表面状態判定部を備えることを特徴とする。 A monitoring device according to a twenty-third aspect of the present invention provides the monitoring device according to any one of the fourteenth to twenty-second aspects of the present invention, wherein the surface state of the object to be processed is determined based on the surface image acquired by the reflected light detection unit. A state determination unit is provided.
以上説明したように、この発明によれば、アニール処理用のパルス状レーザ光に対して、高価な機器を使用することなく、所望のタイミングで被処理体が溶融している状態を直接的に観察できる効果がある。 As described above, according to the present invention, a state in which the object to be processed is melted directly at a desired timing without using an expensive device with respect to the pulsed laser light for annealing treatment. There is an effect that can be observed.
先ず、パルス状レーザ光を含むレーザ光が照射された際の被処理体表面の状態を図12に基づいて説明する。
図12では、シリコン(Si)薄膜に、ビーム断面形状が楕円形のパルス状レーザ光を照射した状態の部分的な平面視である。パルス状レーザ光は走査方向にスキャンされながら所定のオーバラップ率でシリコン薄膜に照射される。パルス状レーザ光が照射されたシリコン薄膜では、パルス状レーザ光のビームが直接照射された部分とその周辺で昇温し、ビームが直接照射された部分内で、過渡的に、シリコン薄膜表面の一部が溶融した溶融部となり、その他の部分で溶融に至らない非溶融部となり、その間には溶融・非溶融混在部が存在する。
First, the state of the surface of the object to be processed when irradiated with laser light including pulsed laser light will be described with reference to FIG.
FIG. 12 is a partial plan view of a state in which a silicon (Si) thin film is irradiated with pulsed laser light having an elliptical beam cross-sectional shape. The pulsed laser beam is applied to the silicon thin film at a predetermined overlap rate while being scanned in the scanning direction. In the silicon thin film irradiated with the pulsed laser beam, the temperature rises in and around the part directly irradiated with the pulsed laser beam, and the surface of the silicon thin film is transiently moved in the part directly irradiated with the beam. A melted part is partly melted and a non-melted part that does not melt in other parts, and a melted / non-melted mixed part exists between them.
シリコンでは、溶融、非溶融の状態により反射率が異なり、溶融部の反射率は相対的に高く、非溶融部の反射率は相対的に低くなる。シリコンの可視光での屈折率は固相で約3.3、液相で約4.1である。
図13は、シリコンにおける固相での反射率と液相での相対的な反射率を示すグラフであり、s-polは、s偏光、p-polは、p偏光を意味しており、各偏光を伴う光の入射角に応じた反射率が示されている。したがって、参照光の入射角を適切に定めることで、溶融と非溶融の状態に応じて明らかに相違する反射率を得ることができる。反射率は光学定数の1つである。
In silicon, the reflectivity varies depending on the melted and non-molten state, the reflectivity of the melted portion is relatively high, and the reflectivity of the non-melted portion is relatively low. The refractive index of silicon in visible light is about 3.3 in the solid phase and about 4.1 in the liquid phase.
FIG. 13 is a graph showing the reflectance in the solid phase and the relative reflectance in the liquid phase in silicon, where s-pol means s-polarized light and p-pol means p-polarized light. The reflectivity according to the incident angle of the light with polarization is shown. Therefore, by appropriately determining the incident angle of the reference light, it is possible to obtain reflectances that are clearly different depending on the melted and non-melted states. Reflectance is one of the optical constants.
なお、パルス状レーザ光を含むレーザ光としては、パルス状のレーザ光のみでもよく、これに連続発振のレーザ光が組み合わされたものであってもよい。連続発振のレーザ光は、パルス状のレーザ光と合波した後、被処理体に照射されるものでもよく、また、別の経路で被処理体に照射されるものであってもよい。なお、パルス状のレーザ光のみ照射する場合も、複数のパルス状レーザ光を組み合わせたものであってもよい。なお、連続発振レーザ光は、通常、パルス状レーザ光のアシストとして使用され、この場合にもパルス状レーザ光の照射に応じて被処理体表面で溶融が起こる。 Note that the laser light including the pulsed laser light may be only the pulsed laser light, or may be a combination of continuous-wave laser light. The continuous wave laser light may be irradiated with the object to be processed after being combined with the pulsed laser light, or may be irradiated with another path. Note that when only the pulsed laser beam is irradiated, a combination of a plurality of pulsed laser beams may be used. Note that the continuous wave laser beam is usually used as an assist for the pulsed laser beam, and in this case as well, melting occurs on the surface of the object to be processed in accordance with the irradiation of the pulsed laser beam.
次に、パルス状レーザ光が照射された際の、被処理体表面の一点における過渡的な表面状態を説明する。
図14の中段には、パルス状レーザ光の一パルスでの強度波形が示されている。この形態のパルス状レーザ光は、急峻な立ち上がりに伴って、短時間でピーク強度に達し、その後、徐々に強度が低下し、さらに急激に立ち下がって、ゼロレベルになる。このパルスの時間幅は適宜の基準で定めることができる。基準は特定のものに限定されるものではなく、同一の基準でパルスの時間幅を論じればよい。例えば、最大強度に対する50%以上の強度を有する時間間隔や、パルスのピーク値の立ち上がり半値点と立ち下がり半値点との間の時間間隔などでパルス時間幅を定めたりすることができる。
Next, a transient surface state at one point on the surface of the object to be processed when the pulsed laser beam is irradiated will be described.
The middle stage of FIG. 14 shows the intensity waveform of one pulse of the pulsed laser beam. With this form of pulsed laser light, the peak intensity is reached in a short time with a steep rise, and then the intensity gradually decreases and then falls abruptly to zero level. The time width of this pulse can be determined according to an appropriate standard. The reference is not limited to a specific one, and the time width of the pulse may be discussed based on the same reference. For example, the pulse time width can be determined by a time interval having an intensity of 50% or more of the maximum intensity, a time interval between the rising half-value point and the falling half-value point of the pulse peak value, and the like.
上記強度分布を有するパルス状レーザ光が被処理体に照射されると、図14の上段に示されるように被処理体の表面には過渡的な溶融状態が生じる。図14の上段には、各時間時点での被処理体の表面状態が示されている。レーザ光が被処理体表面のビーム断面中央部では、パルス強度が最大の時点で、ビーム断面の長尺方向に沿って、細い帯状の溶融部が位置し、該溶融部の走査方向外側に溶融、非溶融の混在領域、さらにその外側に非溶融領域が位置している。パルスは、時間の経過とともにレーザ光の強度がやや低下するが、パルス状レーザ光の加熱が継続されているため、溶融部の走査方向幅が拡がり、パルスの時間幅中間ほどで溶融部の走査方向幅は最大になる。さらに時間が経過するとともにレーザ光の強度が低下して加熱作用が弱まり、溶融部の走査方向幅が次第に狭くなる。図に示していないが、パルスが消失し、遂には被処理体表面は固相状態になる。次のパルスが照射される際には、パルス状レーザ光の相対的な走査に伴って、所定のオーバーラップ率で位置がずれて被処理体にパルス状レーザ光が照射される。 When the object to be processed is irradiated with the pulsed laser beam having the above intensity distribution, a transient molten state is generated on the surface of the object to be processed as shown in the upper part of FIG. The upper part of FIG. 14 shows the surface state of the object to be processed at each time point. At the center of the beam cross section on the surface of the object to be processed, the laser beam is located at the maximum pulse intensity, and a thin band-shaped melted part is located along the longitudinal direction of the beam cross section. The non-melting mixed region is located outside the non-melting region. In the pulse, the intensity of the laser beam slightly decreases with the passage of time, but since the heating of the pulsed laser beam is continued, the width of the melted portion in the scanning direction widens, and the melted portion is scanned in the middle of the time width of the pulse. The direction width is maximum. Further, as time elapses, the intensity of the laser beam is reduced, the heating action is weakened, and the width of the melted portion in the scanning direction is gradually narrowed. Although not shown in the figure, the pulse disappears, and the surface of the object to be processed finally becomes a solid phase. When the next pulse is irradiated, the position shifts at a predetermined overlap rate with the relative scanning of the pulsed laser beam, and the object to be processed is irradiated with the pulsed laser beam.
図14下段には、パルス状レーザ光を照射した際に、1パルス間に被処理体表面の一点のレーザ光照射領域から反射する反射光の強度変化が示されている。反射光の強度は平均化されており、照射領域における過渡的な溶融状態を示していない。したがって、被処理体表面の一点における反射光強度の変化を観察しても被処理体表面の過渡的な溶融状態の変化を把握することはできない。 The lower part of FIG. 14 shows a change in intensity of reflected light reflected from a laser light irradiation region at one point on the surface of the object to be processed during one pulse when pulsed laser light is irradiated. The intensity of the reflected light is averaged and does not indicate a transient melting state in the irradiated area. Therefore, even if the change in the reflected light intensity at one point on the surface of the object to be processed is observed, it is impossible to grasp the change in the transient melting state on the surface of the object to be processed.
次に、本発明の一実施形態におけるモニタリング装置を含むレーザ処理装置について図1に基づいて説明を行う。
モニタリング装置を含むレーザ処理装置1は、パルス状レーザ光2aを出力するレーザ発振器2と、パルス状レーザ光を被処理体100に導くプロセス光学系3とを有しており、図では、プロセス光学系3の一部としてミラー3a、集光レンズ3bが示されている。プロセス光学系3には、この他に、ホモジナイザ、シリンドリカルレンズなどの各種光学部材を備えるものであってもよい。本発明としては、プロセス光学系3の構成が特定のものに限定されるものではない。
また、レーザ処理装置1には、パルス状レーザ光2aを被処理体100に対し、相対的に移動させる走査装置(図示しない)を有している。走査装置は、パルス状レーザ光2a側を移動させるものであってもよく、また、被処理体100側を移動させるものであってもよく、両者を移動させて相対的な走査を行うものであってもよい。また、本発明としてはレーザ光の相対的な走査が必須とされるものではない。
Next, a laser processing apparatus including a monitoring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
A laser processing apparatus 1 including a monitoring apparatus includes a
Further, the laser processing apparatus 1 has a scanning device (not shown) that moves the
レーザ処理装置1は、被処理体としてシリコン基板、GaN基板、SiC基板、ガラス基板上の薄膜などの半導体デバイスや表示デバイスの製造の活性化や結晶化プロセス過程にて利用することができる。ただし、本発明としては、被処理体の種別やレーザ処理装置における加熱処理の内容が特に限定されるものではない。この実施形態では、シリコン基板の半導体デバイスの製造プロセス過程におけるアニール処理でレーザ処理装置1が用いられる。 The laser processing apparatus 1 can be used in the process of activating and crystallizing semiconductor devices and display devices such as silicon substrates, GaN substrates, SiC substrates, and thin films on glass substrates as objects to be processed. However, in the present invention, the type of the object to be processed and the content of the heat treatment in the laser processing apparatus are not particularly limited. In this embodiment, the laser processing apparatus 1 is used in an annealing process in the process of manufacturing a semiconductor device on a silicon substrate.
次に、モニタリング装置の構成を説明する。
モニタリング装置には、パルス状の参照光10aを出力する参照光光源10を有し、該参照光10aを前記パルス状レーザ光2aが照射される、被処理体100表面の照射領域100aに導く参照光光学系11を有している。図では、参照光光学系11の1つとして集光レンズ11aが示されている。なお、本発明としては参照光光学系の構成が特定のものに限定されるものではない。
なお、参照光10aは、パルス状レーザ光2aが照射される被処理体100上の照射領域100aの一部または全部に重ねて照射される。このため、パルス状レーザ光2aが被処理体100に対し相対的に走査される際には、参照光10aも同様に被処理体100に対し相対的に走査されるように、走査装置(図示しない)を有している。この走査装置は、パルス状レーザ光2aの相対的な走査を行う走査装置で兼用するものであってもよい。
Next, the configuration of the monitoring device will be described.
The monitoring apparatus includes a
Note that the
さらに、モニタリング装置では、前記参照光光源10を制御する制御部12を有している。制御部12は、CPUおよびこれを動作させるプログラム、ワークエリアとなるRAM、不揮発メモリなどにより構成されている。制御部12には、位相調整器12aと時間幅調整器12bが含まれており、例えば、制御部12の一部機能により位相調整器12aと時間幅調整器12bとを構成し、動作を実現することができる。
制御部12には、レーザ発振器2の回路から、パルス状レーザ光2aのパルス開始タイミングを示すトリガー信号が入力されている。なお、制御部12でレーザ発振器のパルスタイミングを制御している場合、レーザ発振器2からのトリガー信号を受けることなく、制御部12内でパルス状レーザ光に関するトリガー信号を得ることができる。
制御部12では、パルス状レーザ光2aに関するトリガー信号を基準にして、位相調整器12aにおいて、パルス状レーザ光2aのパルス開始タイミングに対し所定の位相差を有し、参照光10aのパルス開始タイミングを示すトリガー信号を生成し、参照光光源10に出力する。また、レーザ発振器2で出力されるパルス状レーザ光2aのパルス時間幅を基準にして、時間幅調整器12bで所定の時間幅指令信号を生成し、参照光光源10に出力する。パルス状レーザ光2aのパルス時間幅の情報は、レーザ発振器2から得ることができ、また、制御部12でレーザ発振器2を制御している場合、制御部12内で、パルス状レーザ光2aのパルス時間幅の情報を取得することができる。
Furthermore, the monitoring apparatus has a
A trigger signal indicating the pulse start timing of the
The
参照光光源10では、制御部12からトリガー信号と時間幅指令信号とを受け、パルス状レーザ光2aに対し、所定の位相差を有し、パルス状レーザ光のパルス時間幅よりも小さくした所定の時間幅でパルス状の参照光10aを出力する。この際に、参照光10aのパルス時間幅が、パルス状レーザ光2aのパルス時間幅内の所定位置に位置するように前記位相差が定められている。
The
参照光10aが被処理体100上の照射領域100aに照射されて反射光10bが反射される方向には、反射光受光部としてカメラ14が配置されている。カメラ14は、反射光10bによって照射領域100aにおける表面像を得ることができ、パルス状レーザ光2aのパルス時間幅を超えた時間で撮像することができる。カメラ14は、ストリークカメラほどの時間分解能を有していることは必要とされず、比較的安価なCCDやCMOSにより構成することができ、残像効果によって反射光10bを利用した被処理体100表面の表面像を取得することができる。
A
カメラ14には、表示部付きデータ処理機15が接続されており、カメラ14の撮像データが表示部付きデータ処理機15に出力される。表示部付きデータ処理機15は、表面状態判定部に相当する。
表示部付きデータ処理機15では、表面像を示す撮像データから、画像処理によって2次元の数値データを算出したり、表示用の画像データを作成したりすることができる。本発明としては、表示部付きデータ処理機15の処理内容が特定のものに限定されるものではなく、被処理体100表面の表面状態をモニタリングできるものであればよい。表面状態のモニタリングは、表示部付きデータ処理機15によって行ってもよく、また、表示画像を観て操作者が観察、判定するものであってもよい。
A
The
次に、レーザ処理装置1の動作について説明する。
レーザ発振器2では、予め設定された繰り返し周波数、パルス時間幅で、所定波長のパルス状レーザ光2aが出力される。この実施形態では、例えばパルス状レーザ光2aの発振繰り返し周波数を10kHz、パルス時間幅を約1000nsecとすることができる。
この際に、レーザ発振器2では、パルス開始タイミングに応じたトリガー信号が制御部12に出力される。パルス状レーザ光2aは、図示しないアテネッタなどによりエネルギ調整がされ、プロセス光学系3で所定形状のビーム断面形状に整形される。さらにパルス状レーザ光2aは、プロセス光学系3のうち、ミラー3aで反射され、集光レンズ3bで集光されて、被処理体100に照射される。集光レンズ3bは、被処理体100表面近傍にパルス状レーザ光2aの焦点もしくは結像面を合わせる。被処理体100は、図示しない走査装置で移動され、この結果、パルス状レーザ光2aは、被処理体100に対し相対的に走査されつつ被処理体100上に照射されて、所望の加熱処理がされる。
Next, the operation of the laser processing apparatus 1 will be described.
The
At this time, the
なお、パルス状レーザ光2aの被処理体表面におけるビームのサイズは特に限定されるものではなく、実施する処理内容に合わせて数十μから数mmの円形、楕円形、矩形、もしくは線状の光強度プロファイルを有するものを利用することができる。パルス状レーザ光にパルス状に発するため、例えば溶融、固化を繰り返して被処理体の処理がされる。
パルス状レーザ光2aの照射によって被処理体100表面はその材料の融点近傍、もしくは融点以上まで加熱され、屈折率の変化から、表面の反射率は図13に示すように変化する。
The size of the beam of the
The surface of the object to be processed 100 is heated to near the melting point of the material or above the melting point by irradiation with the
パルス状レーザ光2aが被処理体100に照射開始され、被処理体100表面は加熱され、融点以上に加熱されるとビーム強度の強い箇所から溶融が開始する。パルス状レーザ光2aが照射され続けると、溶融している面積は拡大する。パルス状レーザ光2aの強度が弱くなるとビーム強度が弱い箇所から固化が始まり溶融部の面積は減少する。融点以下の温度になると全ては固化する。
When the object to be processed 100 is started to be irradiated with the
一方、モニタリング装置では、レーザ発振器2から出力されるトリガー信号によって、制御部12の位相調整器12aで、レーザ発振器2によるトリガー信号と所定の位相差を有するトリガー信号が生成されている。所定の位相差は、予め設定した固定のものでもよく、また、適宜変更するように設定されているものであってもよい。
また、制御部12では、時間幅調整器12bで、パルス状レーザ光2aのパルス時間幅よりも小さい所定のパルス時間幅指令が生成される。パルス状レーザ光2aのパルス時間幅は、トリガー信号とともにレーザ発振器2から情報を取得してもよく、また、予め対比用に情報を取得しておいてもよい。さらに、対比を行うことなく、パルス状レーザ光2aのパルス時間幅よりも小さい所定のパルス時間幅データが与えられているものであってもよい。
On the other hand, in the monitoring device, a trigger signal having a predetermined phase difference from the trigger signal from the
In the
上記した位相差を与えたトリガー信号と時間幅指令とは参照光光源10に送信され、参照光光源10では、上記トリガー信号と時間幅指令とによって、所定のパルス開始タイミング、所定のパルス時間幅で、パルス状の参照光10aが参照光光源10から出力される。例えば、パルス状レーザ光2aに対し、1/4パルス分の位相差を有し、パルス状レーザ光2aの約1/4のパルス時間幅に設定される。
なお、参照光10aは、パルス状レーザ光2aを出力している間中、出力してもよく、また、予め定めた時機や、操作者による任意の時機に出力するようにしてもよい。
The trigger signal giving the phase difference and the time width command are transmitted to the
The
参照光10aは、参照光光学系11で所定のビーム断面形状に整形されつつ導かれ、そのうちの集光レンズ11aで集光されて、被処理体100の表面に照射される。参照光10aは、被処理体100の表面で、パルス状レーザ光2aが照射されている照射領域100aを少なくとも照射および反射面方向で超える大きさで被処理体100表面に照射されるのが望ましい。
なお、この実施形態では、参照光光源10でパルス幅を変更するものとして説明をしているが、参照光光学系11でパルス幅の調整を行う構成を有するものであってもよい。
また、モニタリング装置では、参照光のパルス幅を調整する機能を有しておらず、予め固定されたパルス時間幅のみで参照光を出力する参照光光源を用いるものであってもよい。この形態では、固定されているパルス時間幅が、パルス状レーザ光のパルス時間幅よりも短くなっている。
The reference light 10 a is guided while being shaped into a predetermined beam cross-sectional shape by the reference light
In this embodiment, the
Further, the monitoring device may not have a function of adjusting the pulse width of the reference light, and may use a reference light source that outputs the reference light only with a pulse time width fixed in advance. In this embodiment, the fixed pulse time width is shorter than the pulse time width of the pulsed laser beam.
参照光10aは、パルス状レーザ光2aが照射されている被処理体100の表面で反射し、反射光10bとしてカメラ14で受光される。
図2は、被処理体100表面におけるレーザ光の照射と反射の状況を説明する概要図である。
パルス状レーザ光2aが被処理体100表面に照射されて照射領域100aの内側に溶融領域110が形成され、その外側で照射領域100aの外縁付近で非溶融領域111が形成される。非溶融領域111が、パルス状レーザ光2aの照射により昇温しているものの、溶融状態に至っていない領域であり、伝熱によって照射領域100aのやや外側および照射領域100aの深さ方向側に至っている。
The
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the state of irradiation and reflection of laser light on the surface of the
The surface of the
参照光10aは、少なくとも走査方向において照射領域100aを超える照射領域を有している。
参照光10aは、被処理体100の表面で反射して反射光10bが反射方向に進行する。反射光10bでは、反射率が相対的に高い溶融領域110に照射されて反射した反射光10b1と、反射率が相対的に低い非溶融領域111に照射された反射した反射光10b2とからなり、反射光10b1は、相対的に高い強度を有し、反射光10b2は、相対的に低い強度を有している。これら反射光10b1、10b2からなる反射光10bが、カメラ14で受光される。
The
The
図3は、被処理体100表面の平面視と、カメラ14による撮像領域14aを示すものである。
パルス状レーザ光2aのビーム断面は長尺な楕円形状を有しており、パルス状レーザ光2aが照射された照射領域100aの内側に、溶融部110が形成され、溶融部110の外側であって照射領域100aのやや外側に至るまでに非溶融領域111が形成されている。参照光10aは、走査方向で照射領域を超えるビームサイズを有し、パルス状レーザ光2aの長尺方向では、パルス状レーザ光よりも小さいサイズになっている。
カメラ14の撮像領域14aは、参照光10aが照射された領域をカバーし、参照光10aの走査方向において参照光10aによる照射領域を超える大きさを有している。撮像領域14aの升目は、カメラ14における各画素エリアをイメージしており、CCDやCMOSなどの光学素子が配列されている。
FIG. 3 shows a plan view of the surface of the object to be processed 100 and an
The beam cross section of the
The
次に、図4は、パルス状レーザ光2aと参照光10aのパルス開始タイミングとパルス時間幅との関係を示すものである。
参照光10aは、パルス状レーザ光2aに対し、約1/4パルス分の位相差を有したパルス開始タイミングを有しており、この時機における被処理体100の過渡的な溶融状態を得ることができる。参照光10aのパルス時間幅は、パルス状レーザ光2aのパルス時間幅に対し、1/4程度であり、表面状態の取得情報がパルス時間幅全体で平均化されるのを抑制して一時の過渡的状態を的確に取得することを可能にする。すなわち、溶融状態を観察するために、参照光10aをプロセス用のパルス状レーザ光2aのパルス時間幅より短い時間照射する。また、参照光10aのパルス照射時間は、パルス状レーザ光2aのパルス照射時間に重なり、さらにはパルス状レーザ光2aのパルス照射時間に重なっているのが望ましい。一般的なCCDカメラやCMOSカメラで1画像を記録するのに必要な時間は1/30秒程度であるが、パルス状の参照光10aでも複数パルスをカメラ14に入射させると、カメラ14は参照光10aが照射されている時間のみの状態を残像として観察できる。プロセス用のパルス状レーザ光2aと参照光10aのパルスの位相を適宜設定することにより、一連の溶融現象中の所望の一瞬を観察できる。また、位相を変更すれば、異なる一瞬の過渡現象を観察することができる。
一方で、照射領域の一点での反射光強度は、図4下段に示すように、溶融時の反射率によりほぼ一定した値を示している。
Next, FIG. 4 shows the relationship between the pulse start timing and pulse time width of the
The
On the other hand, the reflected light intensity at one point of the irradiation region shows a substantially constant value depending on the reflectance at the time of melting, as shown in the lower part of FIG.
カメラ14では、上記したように、溶融部110と非溶融部111とで反射した光強度分布が生じている表面像が得られる。すなわち、カメラ14では、被処理体100表面で溶融している部分は明るく観察される。この表面像からは、二次元の強度分布の数値を算出することができる。この数値からは光学定数である屈折率の変化を示す二次元データを得ることができる。このデータは、シリコンの固相時と液相時の光学定数である屈折率の変化を示すものであり、被処理体100表面の溶融状態を面状に把握することが可能になる。
As described above, the
すなわち、この実施形態によれば、パルス状レーザ光のパルス周期よりも桁違いに時間分解能が低く、観察用のカメラとして従来一般的に使用されている安価なCCDカメラやCMOSカメラを利用して、被処理体100の一定範囲内で、表面の溶融現象を、残像効果も利用して、参照光10aのパルス時間幅という極短時間の一定の照射期間の平均として観察することが可能となる。
That is, according to this embodiment, the time resolution is orders of magnitude lower than the pulse period of the pulsed laser beam, and an inexpensive CCD camera or CMOS camera that is conventionally used as an observation camera is used. The surface melting phenomenon can be observed as an average of a very short period of irradiation called a pulse time width of the
なお、上記実施形態では、図4に示すように、参照光10aは、パルス状レーザ光2aに対し、パルス開始タイミングが一定の位相差を有するものとして説明している。これにより溶融状態の過渡的な変化において、同一の時機での表面状態を各パルス毎に把握することができる。
図5は、パルス状レーザ光2aに対する参照光10aのパルス開始タイミングをパルス毎に変更した場合のパルス開始タイミングとパルス時間幅との関係を示すものである。これにより異なる時機の過渡的な現象を把握できる。
In the above embodiment, as shown in FIG. 4, the
FIG. 5 shows the relationship between the pulse start timing and the pulse time width when the pulse start timing of the
さらに、図5に示すように、各パルスでの位相差を順次位相差A、位相差B、位相差C、位相差Dとし、各位相差間の時間差が参照光10aの各パルス時間幅に一致するようにして、参照光10aのパルス照射によって得られる表面像を、表示部付きデータ処理機15で繋ぎ合わせることで過渡的な溶融状態の変化をより的確に把握することができ、時間的に連続した過渡的変化を得ることができる。
また、上記では、位相差を調整する形態について説明を行ったが、時間幅を調整することで、溶融現象の時間軸の分解能を変えることができる。
Furthermore, as shown in FIG. 5, the phase difference in each pulse is sequentially set to phase difference A, phase difference B, phase difference C, and phase difference D, and the time difference between the phase differences matches the pulse time width of
Moreover, although the form which adjusts a phase difference was demonstrated above, the resolution of the time axis of a melting phenomenon can be changed by adjusting a time width.
次に、他の実施形態を図6に基づいて説明する。なお、前記実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略または簡略化する。
この実施形態のレーザ処理装置1aでは、連続発振を行う参照光光源20を備えており、参照光光学系11に、参照光の透過、開閉を行う照射光シャッタ21が配置されている。照射光シャッタ21には、制御部12が制御可能に接続されている。
この実施形態でも、レーザ発振器2からパルス開始タイミングを示すトリガー信号が制御部12に送信されている。制御部12では、このトリガー信号に対し、所定の位相差でシャッタ開の開始タイミングを示すトリガー信号を生成する。また、パルス状レーザ光2aのパルス時間幅に応じて設定されるパルス時間幅を設定する。パルス時間幅は、照射光シャッタ21が開いた後、閉じるまでのシャッタ開放継続時間を示す。
Next, another embodiment will be described with reference to FIG. In addition, about the structure similar to the said embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted or simplified.
The
Also in this embodiment, the trigger signal indicating the pulse start timing is transmitted from the
次に、この実施形態における動作について説明する。
レーザ処理装置1aでは、レーザ発振器2からパルス状レーザ光2aを出力して処理を開始する。上記実施形態で説明したように、パルス状レーザ光2aは、予め設定された繰り返し周波数、パルス時間幅で、所定波長で出力される。パルス状レーザ光2aは、プロセス光学系3で所定形状のビーム断面形状に整形され、プロセス光学系3のうち、ミラー3aで反射され、集光レンズ3bで集光されて、被処理体100に照射される。
Next, the operation in this embodiment will be described.
In the
レーザ発振器2では、パルス発振のトリガー信号が制御部12に出力されており、制御部12では、上記したように位相調整器12aでトリガー信号が生成され、時間幅調整器12bでパルス時間幅指令が生成される。また、制御部12では、参照光光源20から連続発振によって参照光20aを出力する。参照光20aの出力は、パルス状レーザ光2aを出力している間中、行ってもよく、また、予め定めた時機や、操作者による任意の時機に行うようにしてもよい。
In the
上記したトリガー信号とパルス時間幅指令は、照射光シャッタ21に制御信号として送信され、照射光シャッタ21の開閉が制御される。これにより参照光20aは、被処理体100に対しパルス状に照射されることになる。照射においては、パルス状レーザ光2aに対し、所定の位相差でパルス状の照射における開始タイミングとなり、パルス状レーザ光2aのパルス時間幅よりも短い時間でパルス状の照射がなされる。被処理体100の照射領域100aで参照光20が反射した反射光20bは、カメラ14で受光され、前記実施形態と同様に表示部付きデータ処理機15で画像処理等を行うことができる。
この実施形態でも、前記実施形態と同様に、被処理体100の溶融状態の過渡的な変化において、同一の時期での表面状態を各パルス毎に把握することができる。
また、この実施形態では、連続発振の参照光を用いているため、出力が安定したレーザ光を参照用に用いることができ、得られた表面像と被処理体の表面状態との関連が、より精度よく得られる。
The trigger signal and the pulse time width command described above are transmitted as a control signal to the irradiation
Also in this embodiment, similarly to the above-described embodiment, the surface state at the same time can be grasped for each pulse in the transitional change of the molten state of the
Further, in this embodiment, since continuous oscillation reference light is used, laser light with stable output can be used for reference, and the relationship between the obtained surface image and the surface state of the object to be processed is More accurate.
さらに、他の実施形態を図7に基づいて説明する。なお、前記実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略または簡略化する。
上記各実施形態では、パルス状レーザ光2aの被処理体100への入射角に対し、参照光の入射角を異なるものとし、その結果、参照光の反射光がパルス状レーザ光2aの反射方向とは異なるものにしている。これにより、反射光を受光した際に、パルス状レーザ光2aの反射光をできるだけ受光しないようにして参照精度を上げることができる。しかし、本発明としては、このような構成が必須となるものではなく、パルス状レーザ光の入射角と参照光の入射角とが同じものであってもよい。
Furthermore, another embodiment is described based on FIG. In addition, about the structure similar to the said embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted or simplified.
In each of the above embodiments, the incident angle of the reference light is different from the incident angle of the
図7のレーザ処理装置1bでは、プロセス光学系3の1つとして前記ミラー3aに替えてハーフミラー3cが設けられており、ハーフミラー3cの下方反射側にさらにハーフミラー11bが配置され、その下方透過側に集光レンズ3bが配置されている。ハーフミラー3c、3d、集光レンズ3bは、プロセス光学系3の一部および参照光光学系11の一部を兼用する。
In the
また、ハーフミラー3cの上方に向いた透過方向には、参照光光学系11の1つであるミラー11bが配置され、その反射方向にカメラ14が配置されている。カメラ14には、前記各実施形態と同様に表示部付きデータ処理機15が電気的に接続されている。
Further, a
この実施形態では、レーザ発振器2から出力されたパルス状レーザ光2aは、ハーフミラー3cで下方に向けて反射され、ハーフミラー3dを下方に透過し、集光レンズ3bで集光されて被処理体100に照射される。
一方、参照光光源10から出力された参照光10aは、ハーフミラー3dで下方に反射され、集光レンズ3bで集光された後、被処理体100に照射される。したがって、参照光10aは、集光レンズ3bで集光されて所望のビーム断面サイズになるように集光レンズ3bに入射される。参照光10aは、被処理体100表面で反射されて反射光10bとなる。反射光10bは、上方に進み、集光レンズ3bを透過した後、ハーフミラー3dを上方に透過し、さらにハーフミラー3cを上方に透過してミラー11bの反射面に至る。反射光10bは、ミラー11bで反射されてカメラ14で受光される。
In this embodiment, the
On the other hand, the
すなわち、パルス状レーザ光2aが照射されている被処理体100に、パルス状レーザ光2aと同一の入射角で参照光10aが照射され、被処理体100で反射されて反射光10bが同一光路で反射される。この際に、パルス状レーザ光2aの反射光も同様に進行するが、参照光10bを用いた表面像を取得することができる。波長フィルタなどを介することで、参照光10bによる表面像の取得はより精度よく行うことができる。なお、この実施形態でも、ハーフミラー3dに至る前に照射光シャッタを設ければ、連続発振する参照光光源20と照射光シャッタ21を用いた構成とすることができる。
That is, the object to be processed 100 irradiated with the
さらに、他の実施形態のモニタリング装置を備えるレーザ処理装置1cを図8に基づいて説明する。なお、前記実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略または簡略化する。
上記各実施形態では、制御部12においてパルス状レーザ光2aに対し位相差を有するトリガー信号を生成するものとしたが、ケーブル長などを利用して位相差を設けることが可能である。
Furthermore, the
In each of the above embodiments, the
すなわち、この実施形態では、レーザ発振器2のトリガー信号を伝送ケーブル12cで取り出し、この伝送ケーブル12cを参照光光源10に接続してトリガー信号を入力している。伝送ケーブル12cを流れるトリガー信号は、伝送ケーブル12cのケーブル長に応じて位相差が生じ、これが位相差を有するトリガー信号として参照光光源10に与えられ、参照光10aのパルス開始タイミングが設定される。位相差は、ケーブル長の調整により行うことができる。なお、参照光におけるパルス時間幅は、予め固定されたものとして設定しておく。この際に設定値は、パルス状レーザ光2aのパルス時間幅よりも小さいものにしておく。
この実施形態においても、前記各実施形態と同様に被処理体表面の溶融状態の過渡的変化を精度よく把握することができる。
That is, in this embodiment, the trigger signal of the
Also in this embodiment, the transitional change in the molten state of the surface of the object to be processed can be grasped with high accuracy as in the above embodiments.
さらに、他の実施形態のモニタリング装置を備えるレーザ処理装置1dを図9に基づいて説明する。なお、前記実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略または簡略化する。
上記各実施形態では、被処理体に照射される参照光がパルス状に照射されているものとして説明したが、被処理体100への参照光の照射は連続的になされ、反射光をパルス状に受光するものとしてもよい。
図9に示すレーザ処理装置1dでは、連続発信の参照光光源20を備え、被処理体100で参照光20aが反射した反射光20bの光路に開閉自在な反射光シャッタ22が配置されている。反射光シャッタ22は、制御部12で開閉制御される。
Furthermore, the
In each of the above-described embodiments, the description has been made on the assumption that the reference light applied to the object to be processed is irradiated in a pulse shape. However, the reference light is continuously applied to the object to be processed 100, and the reflected light is pulsed. It is good also as what receives light.
In the
この実施形態でも、レーザ発振器2からパルス開始タイミングを示すトリガー信号が制御部12に送信されている。制御部12では、このトリガー信号に対し、所定の位相差でシャッタ開の開始タイミングを示すトリガー信号を生成する。また、パルス状レーザ光2aのパルス時間幅に応じて設定されるパルス時間幅を設定する。パルス時間幅は、反射光シャッタ22が開いた後、閉じるまでのシャッタ開放時間を示す。
Also in this embodiment, the trigger signal indicating the pulse start timing is transmitted from the
次に、この実施形態における動作について説明する。
レーザ処理装置1dでは、レーザ発振器2からパルス状レーザ光2aを出力して処理を開始する。パルス状レーザ光2aは、プロセス光学系3で所定形状のビーム断面形状に整形され、プロセス光学系3のうち、ミラー3aで反射され、集光レンズ3bで集光されて、被処理体100に照射される。
Next, the operation in this embodiment will be described.
In the
レーザ発振器2では、パルス発振のトリガー信号が制御部12に出力されており、制御部12では、上記したように位相調整器12aでトリガー信号が生成され、時間幅調整器12bでパルス時間幅指令が生成される。また、制御部12では、参照光光源20から連続発振によって参照光20aを出力する。
In the
上記したトリガー信号とパルス時間幅指令は、反射光シャッタ22に制御信号として送信され、反射光シャッタ22の開閉が制御される。参照光20aは、被処理体100に対し連続的に照射され、反射光シャッタ22を通してパルス状にカメラ14で受光することになる。受光においては、パルス状レーザ光2aに対し、所定の位相差でパルス状の受光における開始タイミングとなり、パルス状レーザ光2aのパルス時間幅よりも短い時間でパルス状の受光がなされる。すなわち、被処理体100の照射領域100aで参照光20aが反射した反射光20bは、カメラ14でパルス状に受光され、前記実施形態と同様に表示部付きデータ処理機15で画像処理等を行うことができる。
この実施形態でも、前記実施形態と同様に、被処理体100の溶融状態の過渡的な変化において、同一の時期での表面状態を各パルス毎に把握することができる。
The trigger signal and the pulse time width command described above are transmitted as control signals to the reflected
Also in this embodiment, similarly to the above-described embodiment, the surface state at the same time can be grasped for each pulse in the transitional change of the molten state of the
上記各実施形態では、パルス状レーザ光を含むレーザ光としてパルス状のレーザ光のみが使用されるものについて説明したが、本発明では、前記したように、少なくともパルス状のレーザ光が用いられるものでもよく、パルス状のレーザ光に加えて連続発振のレーザ光を用いることができる。以下に、連続発振のレーザ光を加熱処理用に用いる形態を図10に基づいて説明する。 In each of the above embodiments, the description has been given of the case where only the pulsed laser beam is used as the laser beam including the pulsed laser beam. However, in the present invention, as described above, at least the pulsed laser beam is used. Alternatively, continuous wave laser light can be used in addition to pulsed laser light. Hereinafter, a mode in which continuous wave laser light is used for heat treatment will be described with reference to FIG.
図10で示すレーザ処理装置1eは、図1に示すレーザ処理装置1と共通する構成を有しており、共通構成については同一の符号を付して説明を簡略化または省略する。
この形態では、レーザ発振器2の出射側に、図1のミラー3aに代えて合波ミラー3eが配置されている。レーザ発振器2から出力されたパルス状レーザ光2aは、合波ミラー3eの反射面側(図示下面側)で反射されて集光レンズ3b側に導波される。一方、この実施形態では、連続発振のレーザ光を出力するCWレーザ発振器30をさらに備えている。CWレーザ発振器30は、制御部12に制御可能に接続されている。
The
In this embodiment, a
CWレーザ発振器30の出射側には、ミラ−3fが配置されている。CWレーザ発振器30から出力された連続発振レーザ光30aは、ミラー3fで反射された後、合波ミラー3eの透過面側(図示上面側)から合波ミラー3eを透過してパルス状レーザ光2aと合波され、集光レンズ3bで集光されて被処理体100に照射される。
被処理体100では、連続発振レーザ光30aで加熱アシストされつつ、前記各実施形態で説明したように、パルス状レーザ光2aのパルスの立ち上がりに応じて表面が溶融する。この表面には、参照光光源10からパルス状に参照光10aが照射され、前記各実施形態で説明したように、参照光の反射光をカメラ14で受光して被処理体表面のモニタリングを行うことができる。
On the emission side of the
In the
なお、連続発振レーザ光をパルス状レーザ光と組み合わせて使用する方法は、上記各実施形態に適用が可能であり、その詳細な説明は省略する。
なお、上記説明では、連続発振レーザ光をパルス状レーザ光に合波して被処理体に照射するものとして説明したが、パルス状レーザ光と連続発振レーザ光とを合波することなく異なる経路で被処理体表面に照射するものであってもよい。照射位置は、パルス状レーザ光と連続発振レーザ光とが被処理体表面で完全に重なるものであってもよく、また、一部で重なるもの、重なりがないもののいずれであってもよい。
Note that a method of using continuous wave laser light in combination with pulsed laser light can be applied to each of the above embodiments, and detailed description thereof is omitted.
In the above description, the continuous wave laser beam is combined with the pulsed laser beam to irradiate the object to be processed. However, different paths can be used without combining the pulsed laser beam and the continuous wave laser beam. In this case, the surface of the object to be processed may be irradiated. The irradiation position may be such that the pulsed laser beam and the continuous wave laser beam are completely overlapped on the surface of the object to be processed, and may be either partially overlapping or not overlapping.
上記連続発振レーザ光を加熱処理用に使用する形態では、連続発振レーザ光を参照光として使用し、その反射光をモニタリングに用いることができる。この形態を図11に基づいて説明する。
図11で示すレーザ処理装置1fは、図9に示すレーザ処理装置1dと共通する構成を有しており、共通構成については同一の符号を付して説明を簡略化または省略する。
この形態では、パルス状レーザ光2aと別の経路で連続発振レーザ光30aを被処理体100に照射するCWレーザ発振器30を備えている。CWレーザ発振器30は、制御部12に制御可能に接続されている。
CWレーザ発振器30の連続発振レーザ光30aの出射方向には、集光レンズ31aを含むCW光学系31が設けられており、CW光学系31で連続発振レーザ光30aが導波されて、パルス状レーザ光2aとともに被処理体100の表面に照射され、被処理体100の加熱処理がなされる。
In the embodiment in which the continuous wave laser beam is used for heat treatment, the continuous wave laser beam can be used as reference light and the reflected light can be used for monitoring. This form is demonstrated based on FIG.
The laser processing apparatus 1f shown in FIG. 11 has the same configuration as the
In this embodiment, the
A CW
また、連続発振レーザ光30aの反射光30bの反射方向には、制御部12で生成されたトリガー信号とパルス時間幅指令とが送信される反射光シャッタ22が配置されており、さらに反射光シャッタ22を超えた反射光30bの進行方向にはカメラ14が配置されている。これにより、反射光30bを反射光シャッタ22の開閉を通してパルス状にカメラ14で受光することになる。受光においては、前記したように、パルス状レーザ光2aに対し、所定の位相差でパルス状の受光における開始タイミングとなり、パルス状レーザ光2aのパルス時間幅よりも短い時間でパルス状の受光がなされ、前記各実施形態で説明したように、連続発振レーザ光30aの反射光30bをカメラ14で受光して被処理体100表面のモニタリングを行うことができる。
したがって、CWレーザ発振器30は参照光光学系を兼用し、CW光学系31は参照光光学系を兼用し、連続発振レーザ光30aは参照光を兼用する。
In addition, a reflected
Therefore, the
この実施形態でも、前記各実施形態と同様に、被処理体100の溶融状態の過渡的な変化において、被処理体100の表面状態を各パルス毎に把握することができる。
なお、この実施形態では、パルス状レーザ光と連続発振レーザ光とを別の経路で被処理体表面に照射するものとして説明したが、パルス状レーザ光と連続発振レーザ光とを合波して加熱処理する場合にも、反射波を利用して被処理体表面のモニタリングを行うようにしてもよい。
Also in this embodiment, the surface state of the object to be processed 100 can be grasped for each pulse in the transitional change of the molten state of the object to be processed 100, as in the above embodiments.
In this embodiment, the pulsed laser beam and the continuous wave laser beam are described as being irradiated onto the surface of the object to be processed by different paths. However, the pulsed laser beam and the continuous wave laser beam are combined. Even when heat treatment is performed, the surface of the object to be processed may be monitored using a reflected wave.
以上、本発明について上記各実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明は、上記実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは適宜の変更が可能である。 As described above, the present invention has been described based on the above embodiments, but the present invention is not limited to the contents of the above embodiments, and appropriate modifications can be made without departing from the scope of the present invention. is there.
1、1a、1b、1c、1d、1e、1f レーザ処理装置
2 レーザ発振器
2a パルス状レーザ光
3 プロセス光学系
3a ミラー
3b 集光レンズ
3e 合波ミラー
10 参照光光源
10a 参照光
10b 反射光
11 参照光光学系
11a 集光レンズ
12 制御部
12a 位相調整器
12b 時間幅調整器
12c 伝送ケーブル
14 カメラ
15 表示部付きデータ処理機
20 参照光光源
20a 参照光
20b 反射光
21 照射光シャッタ
22 反射光シャッタ
30 CWレーザ発振器
30a 連続発振レーザ光
30b 反射光
31 CW光学系
100 被処理体
100a 照射領域
110 溶融部
111 非溶融部
DESCRIPTION OF
Claims (23)
前記パルス状レーザ光のパルスタイミングに応じて前記参照光を前記被処理体表面にパルス状に照射し、前記反射光の受光により前記被処理体の表面像を得て、該表面像により前記被処理体の表面状態をモニタリングすることを特徴とする被処理体表面のモニタリング方法。 The surface of the object to be processed which is heated by the irradiation of the laser beam including the pulsed laser light is irradiated with the reference light, and the reference light is received by the reflected light reflected by the surface of the object to be processed. In the method of monitoring the surface condition,
The surface of the object to be processed is irradiated in a pulsed manner on the surface of the object to be processed in accordance with the pulse timing of the pulsed laser light, and a surface image of the object to be processed is obtained by receiving the reflected light. A method for monitoring the surface of an object to be processed, comprising monitoring the surface state of the object to be processed.
前記パルス状レーザ光のパルスタイミングに応じて前記反射光をパルス状に受光し、前記反射光の受光により前記被処理体の表面像を得て、該表面像により前記被処理体の表面状態をモニタリングすることを特徴とする被処理体表面のモニタリング方法。 The surface of the object to be processed which is heated by the irradiation of the laser beam including the pulsed laser light is irradiated with the reference light, and the reference light is received by the reflected light reflected by the surface of the object to be processed. In the method of monitoring the surface condition,
The reflected light is received in a pulse shape according to the pulse timing of the pulsed laser light, a surface image of the object to be processed is obtained by receiving the reflected light, and the surface state of the object to be processed is determined by the surface image. A method for monitoring the surface of an object to be processed, characterized by monitoring.
参照光を発生する参照光光源と、
前記参照光を前記参照光光源から導き、前記パルス状レーザ光のタイミングに応じたパルス状の前記参照光を前記被処理体に照射する参照光光学系と、
前記参照光が加熱された前記被処理体で反射した反射光を検出し、前記被処理体の表面像を取得する反射光検出部と、
前記反射光を前記反射光検出部に導く反射光光学系と、を備えることを特徴とする被処理体表面のモニタリング装置。 An apparatus for monitoring the surface state of an object to be heat-treated by irradiation with laser light including pulsed laser light,
A reference light source for generating reference light;
A reference light optical system that guides the reference light from the reference light source, and irradiates the object to be processed with the pulsed reference light according to the timing of the pulsed laser light;
A reflected light detection unit that detects reflected light reflected by the object to be processed heated by the reference light and acquires a surface image of the object to be processed;
And a reflected light optical system that guides the reflected light to the reflected light detection unit.
前記参照光光学系に、前記パルス状レーザ光のパルスタイミングに応じて前記参照光を間欠的に通して、パルス状の参照光を得る照射光シャッタを有することを特徴とする請求項14記載の被処理体表面のモニタリング装置。 The reference light source generates continuous wave reference light;
15. The irradiation light shutter according to claim 14, further comprising an irradiation light shutter that obtains pulsed reference light by intermittently passing the reference light through the reference light optical system according to a pulse timing of the pulsed laser light. Monitoring device for the surface of the workpiece.
参照光を発生する参照光光源と、
前記参照光を前記参照光光源から導き、前記被処理体に照射する参照光光学系と、
前記参照光が加熱された前記被処理体で反射した反射光を前記パルス状レーザ光のパルスタイミングに応じたパルス状の反射光として検出し、前記被処理体の表面像を取得する反射光検出部と、
前記反射光を前記反射光検出部に導く反射光光学系と、を備えることを特徴とする被処理体表面のモニタリング装置。 An apparatus for monitoring the surface state of an object to be heat-treated by irradiation with laser light including pulsed laser light,
A reference light source for generating reference light;
A reference light optical system for guiding the reference light from the reference light source and irradiating the object to be processed;
Reflected light detection for detecting a reflected light reflected by the object to be processed heated by the reference light as a pulsed reflected light corresponding to a pulse timing of the pulsed laser light and obtaining a surface image of the object to be processed And
And a reflected light optical system that guides the reflected light to the reflected light detection unit.
前記反射光光学系に、前記パルス状レーザ光のパルスタイミングに応じて前記反射光を間欠的に通して、パルス状の反射光を得る反射光シャッタを有することを特徴とする請求項17記載の被処理体表面のモニタリング装置。 The reference light source generates continuous wave reference light;
18. The reflected light optical system includes a reflected light shutter that intermittently passes the reflected light according to a pulse timing of the pulsed laser light to obtain pulsed reflected light. Monitoring device for the surface of the workpiece.
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