JP2014049456A

JP2014049456A - 加熱装置及び加熱方法

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Publication number: JP2014049456A
Application number: JP2012188416A
Authority: JP
Inventors: Yuta Komura; 雄太古村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-08-29
Filing date: 2012-08-29
Publication date: 2014-03-17

Abstract

【課題】所望の深さ領域を効率良く加熱することができる加熱装置を提供する。
【解決手段】本発明の一形態に係る加熱装置１は、レーザー光によって被加熱体Ａを加熱する加熱装置であって、第１のレーザー光を第１のパルス幅Ｔ１で出射する第１のレーザー光出射部２と、第２のレーザー光を第１のパルス幅Ｔ１より長い第２のパルス幅Ｔ２で出射する第２のレーザー光出射部３と、を備える。このとき、第１のレーザー光は、被加熱体Ａ内にプラズマを発生させることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、加熱装置及び加熱方法に関し、例えばレーザー光によって被加熱体を加熱する加熱装置及び加熱方法に関する。

例えば特許文献１には、短い波長のレーザー光によって被加熱体の表面近傍を加熱し、長い波長のレーザー光によって被加熱体の深い領域を加熱する技術が開示されている。つまり、波長による吸収率の違いで深さ方向への加熱を制御している。

特開平６−７７１５５号公報

特許文献１の技術は、被加熱体の所望の深さ領域を効率良く加熱することが難しい。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、所望の深さ領域を効率良く加熱することができる加熱装置及び加熱方法を提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る加熱装置は、レーザー光によって被加熱体を加熱する加熱装置であって、第１のレーザー光を第１のパルス幅で出射する第１のレーザー光出射部と、第２のレーザー光を前記第１のパルス幅より長い第２のパルス幅で出射する第２のレーザー光出射部と、を備える。

上述の加熱装置において、前記第１のレーザー光は、前記被加熱体内にプラズマを発生させることが好ましい。

本発明の一形態に係る加熱装置は、レーザー光によって被加熱体を加熱する加熱装置であって、前記被加熱体内にプラズマを発生させるべく、第１のレーザー光を出射する第１のレーザー光出射部と、前記被加熱体内における前記プラズマが発生した領域を加熱するべく、第２のレーザー光を出射する第２のレーザー光出射部と、を備える。

上述の加熱装置において、前記第１のレーザー光と前記第２のレーザー光とは波長が略等しく、前記波長は約８００〜１００ｎｍであることが好ましい。

上述の加熱装置において、前記第１のレーザー光を前記第１のパルス幅で出射して、フェムト秒レーザー光とすることが好ましい。

上述の加熱装置において、前記第１のレーザー光と前記第２のレーザー光とを合成する合成用光学系をさらに備えることが好ましい。

上述の加熱装置において、前記第２のレーザー光における前記被加熱体への到達時間を前記第１のレーザー光における前記被加熱体への到達時間に対して遅くする時間差用光学系をさらに備えることが好ましい。

本発明の一形態に係る加熱方法は、レーザー光によって被加熱体を加熱する加熱方法であって、第１のレーザー光を第１のパルス幅で出射して前記被加熱体内にプラズマを発生させる工程と、第２のレーザー光を前記第１のパルス幅より長い第２のパルス幅で出射して前記被加熱体内におけるプラズマが発生した領域を加熱する工程と、を備える。

以上、説明したように、本発明によると、所望の深さ領域を効率良く加熱することができる加熱装置及び加熱方法を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る加熱装置を概略的に示す図である。（ａ）乃至（ｄ）は被加熱体の加熱工程を示す図である。（ｅ）は被加熱体の加熱工程とレーザー光の出力との関係を示す図である。（ｆ）は被加熱体の加熱工程と被加熱体における所望の深さの温度との関係を示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

本実施の形態の加熱装置及び加熱方法は、例えばＳＩＣ素子やＩＧＢＴ素子等の半導体素子を加熱する際に好適に用いることができる。この加熱装置及び加熱方法は、第１のパルス幅でレーザー光を被加熱体に照射して当該被加熱体の所望の深さを加熱し、さらに第１のパルス幅より長い第２のパルス幅でレーザー光を被加熱体に照射して当該被加熱体の所望の深さ領域を加熱する。言い換えると、レーザー光のパルス幅の違いによって生じる、レーザー光のエネルギー密度の違い、即ちレーザー光の出力（強度）の違いを利用して、被加熱体の所望の深さ領域を効率良く加熱する。

先ず、本実施の形態の加熱装置の構成を説明する。図１は、本実施の形態の加熱装置を概略的に示している。図１に示すように、加熱装置１は、第１のレーザー光出射部２、第２のレーザー光出射部３、時間差用光学系４、合成用光学系５、集光用光学系６及び反射ミラー７の他に、図示を省略したステージ等を備えている。

第１のレーザー光出射部２は、所謂レーザー発振器であり、図示を省略した制御装置の制御信号に基づいて、所定の波長のレーザー光（第１のレーザー光）を所定のパルス幅（第１のパルス幅）で出射する。第１のレーザー光出射部２から第１のレーザー光を第１のパルス幅で出射したレーザー光Ｌ１は、合成用光学系５に入射する。

第１のレーザー光としては、例えばＹＡＧ、ＹＶＯ４等の固体レーザーやＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＩｎＡｓ等の半導体レーザーを用いることができる。なお、第１のレーザー光の波長や第１のパルス幅については後述する。

第２のレーザー光出射部３も、所謂レーザー光発振器であり、図示を省略した制御装置の制御信号に基づいて、所定の波長のレーザー光（第２のレーザー光）を所定のパルス幅（第２のパルス幅）で出射する。第２のレーザー光出射部３から第２のレーザー光を第２のパルス幅で出射したレーザー光Ｌ２は、時間差用光学系４に入射する。

第２のレーザー光としても、例えばＹＡＧ、ＹＶＯ４等の固体レーザーやＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＩｎＡｓ等の半導体レーザーを用いることができる。なお、第２のレーザー光の波長や第２のパルス幅については後述する。

時間差用光学系４は、レーザー光Ｌ２の被加熱体Ａへの到達時間を、レーザー光Ｌ１の被加熱体Ａへの到達時間に対して所定の時間、遅延させる。

具体的に説明すると、後述するように、レーザー光Ｌ１によって被加熱体Ａの所望の深さ領域にプラズマが発生する前に、レーザー光Ｌ２が被加熱体Ａの所望の深さ領域に到達しても当該レーザー光Ｌ２は略透過してしまう。そのため、被加熱体Ａの所望の深さ領域にプラズマが発生した後であって、且つプラズマが消滅する前に、レーザー光Ｌ２がプラズマ発生領域に到達するように、第２のレーザー光出射部３から被加熱体Ａまでの光路長を調整する。

本実施の形態の時間差用光学系４は、第１の反射ミラー４１及び第２の反射ミラー４２を備えている。第１の反射ミラー４１は、第２のレーザー光出射部３から入射するレーザー光Ｌ２が第２の反射ミラー４２に向けて反射するように、例えば第２のレーザー光出射部３から入射するレーザー光Ｌ２に対して４５°傾斜して配置されている。第２の反射ミラー４２は、第１の反射ミラー４１から入射するレーザー光Ｌ２が合成用光学系５に向けて反射するように、例えば第１の反射ミラー４１から入射するレーザー光Ｌ２に対して４５°傾斜して配置されている。

これにより、レーザー光Ｌ２は、第１の反射ミラー４１で反射して第２の反射ミラー４２に導かれ、さらに第２の反射ミラー４２で反射して合成用光学系５に入射する。このとき、第１の反射ミラー４１と第２の反射ミラー４２との間隔を調整することで、レーザー光Ｌ２の光路長を調整する。このように反射ミラーの配置を調整することで、簡単にレーザー光の光路長を調整することができ、レーザー光Ｌ２の出射タイミングを調整する場合に比べて、レーザー光Ｌ２の被加熱体Ａへの到達時間を、レーザー光Ｌ１の被加熱体Ａへの到達時間に対して簡単に所定の時間、遅延させることができる。

合成用光学系５は、レーザー光Ｌ１とレーザー光Ｌ２とを合成する。本実施の形態の合成用光学系５は、第１のダイバージェンスレンズ５１、第１の１／２波長板５２、第２のダイバージェンスレンズ５３、第２の１／２波長板５４、反射ミラー５５、ビームスプレッタ５６及び１／４波長板５７を備えている。

第１のダイバージェンスレンズ５１は、第１のレーザー光出射部２から入射するレーザー光Ｌ１の拡がりを抑制する。第１の１／２波長板５２は、第１のダイバージェンスレンズ５１から入射するレーザー光Ｌ１の振動角度を調整する。詳細には、第１の１／２波長板５２は、第１のダイバージェンスレンズ５１から入射するレーザー光Ｌ１の振幅の水平度を調整する。

第２のダイバージェンスレンズ５３は、時間差用光学系４から入射するレーザー光Ｌ２の拡がりを抑制する。第２の１／２波長板５４は、第２のダイバージェンスレンズ５３から入射するレーザー光Ｌ２の振動角度を調整する。詳細には、第２の１／２波長板５４は、第２のダイバージェンスレンズ５３から入射する水平振動のレーザー光Ｌ２を垂直振動のレーザー光Ｌ２にする。反射ミラー５５は、第２の１／２波長板５４から入射する垂直振動のレーザー光Ｌ２をビームスプレッタ５６に向けて反射する。

ビームスプレッタ５６は、第１の１／２波長板５２から入射する水平振動のレーザー光Ｌ１と、反射ミラー５５から入射する垂直振動のレーザー光Ｌ２と、を合成する。本実施の形態のビームスプレッタ５６は、水平振動のレーザー光は透過し、垂直振動のレーザー光は反射する。そのため、第１の１／２波長板５２から入射する水平振動のレーザー光Ｌ１は、ビームスプレッタ５６を透過して１／４波長板５７に出射される。一方、反射ミラー５５から入射する垂直振動のレーザー光Ｌ２は、ビームスプレッタ５６で反射して１／４波長板５７に出射される。このとき、ビームスプレッタ５６は、第１の１／２波長板５２から入射する水平振動のレーザー光Ｌ１と、反射ミラー５５から入射する垂直振動のレーザー光Ｌ２と、を等しい軸上で合成する。これにより、第１のレーザー光出射部２から出射されるレーザー光Ｌ１と、第２のレーザー光出射部３から出射されるレーザー光Ｌ２と、を被加熱体Ａの等しい位置に照射することができる。

１／４波長板５７は、ビームスプレッタ５６で合成されたレーザー光Ｌ３の特性を均一化する。詳細には、ビームスプレッタ５６から入射するレーザー光Ｌ３は異方性のある直線偏光なので、１／４波長板５７は当該レーザー光Ｌ３を異方性のない円偏光にし、集光用光学系６に出射する。

集光用光学系６は、１／４波長板５７から入射するレーザー光Ｌ３を絞る。詳細には、集光用光学系６は、例えばシリンドリカルレンズ６１を備えている。シリンドリカルレンズ６１は、１／４波長板５７から入射するレーザー光Ｌ３が予め設定されている出力になるように絞り、反射ミラー７を介して被加熱体Ａに照射する。

次に、本実施の形態の加熱装置１を用いた、被加熱体Ａの加熱方法を説明する。ここで、図２の（ａ）乃至（ｄ）は被加熱体Ａの加熱工程を示している。そして、図２（ｅ）は、被加熱体Ａの加熱工程とレーザー光の出力との関係を示している。図２（ｆ）は、被加熱体Ａの加熱工程と被加熱体Ａにおける所望の深さＨの温度との関係を示している。

先ず、図２（ａ）、（ｂ）及び図２（ｅ）に示すように、第１のレーザー光出射部２から第１のレーザー光を第１のパルス幅Ｔ１で出射したレーザー光Ｌ１を、図示を省略したステージ上に載置された被加熱体Ａに照射する。このとき、被加熱体Ａの所望の深さＨの領域近傍に、局所的にエネルギーを集中させ、被加熱体Ａの所望の深さＨにプラズマを発生させる。

ここで、第１のレーザー光の波長や第１のパルス幅Ｔ１は、被加熱体Ａの所望の深さＨにプラズマが発生するように設定されている。つまり、被加熱体Ａの所望の深さＨにプラズマが発生する、レーザー光Ｌ１のエネルギー密度、即ち出力を満たすように、第１のレーザー光の波長や第１のパルス幅Ｔ１が設定される。

例えば、第１のレーザー光の波長は、被加熱体Ａの表面を被覆する被覆部材（例えばシリコン層）への影響や加熱を所望する深さＨ等を考慮して、例えば８００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましい。そして、第１のパルス幅Ｔ１は、被加熱体Ａの所望の深さＨの領域にプラズマを発生させることができるように、レーザー光Ｌ１がフェムト秒レーザーとなるように設定され、例えば５０ｆｓ以上５００ｆｓ以下に設定されることが好ましい。

次に、図２（ｃ）及び図２（ｅ）に示すように、第２のレーザー光出射部３から第２のレーザー光を第２のパルス幅Ｔ２で出射したレーザー光Ｌ２を被加熱体Ａに照射し、被加熱体Ａにおけるプラズマ発生領域Ｒを加熱する。プラズマ発生領域Ｒは、レーザー光の吸収率が高い。そのため、レーザー光Ｌ２は良好にプラズマ発生領域Ｒに吸収され、図２（ｆ）に示すように、プラズマ発生領域Ｒの温度が上昇する。その結果、図２（ｄ）に示すように、被加熱体Ａの所望の深さＨの領域を加熱することができる。

ここで、第２のレーザー光の波長は、第１のレーザー光の波長と略等しいことが好ましい。また、第２のパルス幅Ｔ２は、所望するエネルギー総量等を考慮して、例えば１００ｎｓ以上５００ｎｓ以下に設定されることが好ましい。

そして、図示を省略した制御装置でステージを制御してレーザー光の被加熱体Ａへの照射位置を制御しつつ、上述の工程を繰り返すことによって、被加熱体Ａの所望の深さＨの領域を加熱する。

このような加熱装置及び加熱方法は、パルス幅が短く、それ故に大きな出力のレーザー光Ｌ１を被加熱体Ａに照射することで、被加熱体Ａの所望の深さＨの領域に、局所的に、しかも短時間に多くのエネルギーを注入することができ、被加熱体Ａの所望の深さＨの領域にプラズマを発生させることができる。そして、パルス幅が長く、それ故に大きなエネルギー総量のレーザー光Ｌ２を被加熱体Ａに照射する。プラズマ発生領域Ｒはエネルギー吸収率が高いので、レーザー光Ｌ２はプラズマ発生領域Ｒに効率良く吸収される。そのため、被加熱体Ａの所望の深さＨの領域に多くのエネルギーを断続的に注入して加熱することができる。よって、短時間に所望の深さＨの領域を加熱することができる。

以上、本発明に係る加熱装置及び加熱方法の実施の形態を説明したが、上記に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。

１加熱装置
２第１のレーザー光出射部
３第２のレーザー光出射部
４時間差用光学系、４１第１の反射ミラー、４２第２の反射ミラー
５合成用光学系、５１第１のダイバージェンスレンズ、５２第１の１／２波長板、５３第２のダイバージェンスレンズ、５４第２の１／２波長板、５５反射ミラー、５６ビームスプレッタ、５７１／４波長板
６集光用光学系、６１シリンドリカルレンズ
７反射ミラー
Ｌ１レーザー光
Ｌ２レーザー光
Ｌ３レーザー光
Ｒプラズマ発生領域
Ｔ１第１のパルス幅
Ｔ２第２のパルス幅

Claims

レーザー光によって被加熱体を加熱する加熱装置であって、
第１のレーザー光を第１のパルス幅で出射する第１のレーザー光出射部と、
第２のレーザー光を前記第１のパルス幅より長い第２のパルス幅で出射する第２のレーザー光出射部と、
を備える加熱装置。
前記第１のレーザー光は、前記被加熱体内にプラズマを発生させる請求項１に記載の加熱装置。
レーザー光によって被加熱体を加熱する加熱装置であって、
前記被加熱体内にプラズマを発生させるべく、第１のレーザー光を出射する第１のレーザー光出射部と、
前記被加熱体内における前記プラズマが発生した領域を加熱するべく、第２のレーザー光を出射する第２のレーザー光出射部と、
を備える加熱装置。
前記第１のレーザー光と前記第２のレーザー光とは波長が略等しく、前記波長は約８００〜１００ｎｍである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の加熱装置。
前記第１のレーザー光を前記第１のパルス幅で出射して、フェムト秒レーザー光とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の加熱装置。
前記第１のレーザー光と前記第２のレーザー光とを合成する合成用光学系をさらに備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載の加熱装置。
前記第２のレーザー光における前記被加熱体への到達時間を前記第１のレーザー光における前記被加熱体への到達時間に対して遅くする時間差用光学系をさらに備える請求項１乃至６のいずれか１項に記載の加熱装置。
レーザー光によって被加熱体を加熱する加熱方法であって、
第１のレーザー光を第１のパルス幅で出射して前記被加熱体内にプラズマを発生させる工程と、
第２のレーザー光を前記第１のパルス幅より長い第２のパルス幅で出射して前記被加熱体内におけるプラズマが発生した領域を加熱する工程と、
を備える加熱方法。