JP2018065148A - レーザ照射装置及びそれを用いたレーザリフトオフ装置 - Google Patents

レーザ照射装置及びそれを用いたレーザリフトオフ装置 Download PDF

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吉司 小川
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Abstract

【課題】線状のレーザスポットのエネルギー分布の平均化を安定的に実現する。【解決手段】同一平面内に平行に並んで進行する複数のレーザビームアレイ3の光路上に、互いに反対角度で傾いて配置され、前記光路の光軸を中心に互いに反対方向に同じ角速度で回転する透明な第1及び第2の回転板4A,4Bを備え、複数の前記レーザビームアレイ3のレーザスポットをその配列方向にシフトさせるようにしたものである。【選択図】図1

Description

本発明は、被照射物に線状のレーザスポットを照射するレーザ照射装置に関し、特に線状のレーザスポットのエネルギー分布の平均化を安定的に実現しようとするレーザ照射装置及びそれを用いたレーザリフトオフ装置に係るものである。
従来のこの種のレーザ照射装置は、レーザ発振器から射出するパルス状のレーザ光を整形器により線状のレーザスポットに整形するものとなっていた(例えば、特許文献1参照)。
線状のレーザスポットを生成する他のレーザ照射装置としては、複数のレーザ光源から射出したレーザ光を複数の光ファイバで導いて直線状に配列したものがある(例えば、特許文献2参照)。
特開2015−89565号公報 特開2016−87694号公報
しかし、上記のような従来のレーザ照射装置において、例えば特許文献1に記載の装置は、幅が数十μmで長さが数百mmのアスペクト比の極めて大きな線状のレーザスポットを生成することが困難であった。
また、特許文献2に記載の装置では、レーザ光源の配置数を増やすことにより、高アスペクト比のレーザスポットを生成することは容易であるが、レーザスポットの配列方向のエネルギー分布を平均化するために、図8(a)に示すように、照射対象物8側のステージ9又はレーザビームアレイ光源1側をレーザビームアレイ3の配列方向に搖動させたり、同図(b)に示すようにガルバノミラー10を使用してレーザビームアレイ3をその配列方向にスキャンさせたりする必要がある。
しかしながら、上記ステージ9又はレーザビームアレイ光源1を搖動さてエネルギー分布の平均化を図る方法では、上記搖動による振動が発生し、レーザスポットの直線性が維持できなかったり、輝度分布の均一性が乱れたりする問題がある。
また、ガルバノミラー10を使用してエネルギー分布の平均化を図る方法では、レーザビームアレイ3を照射対象物8に集光するためのレンズ11の収差により、線状のレーザスポットの両端部の輝度が低下し、エネルギー分布の均一性が悪化する問題がある。
そこで、本発明は、このような問題点に対処し、線状のレーザスポットのエネルギー分布の平均化を安定的に実現しようとするレーザ照射装置及びそれを用いたレーザリフトオフ装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によるレーザ照射装置は、同一平面内に平行に並んで進行する複数のレーザビームアレイの光路上に、互いに反対角度で傾いて配置され、前記光路の光軸を中心に互いに反対方向に同じ角速度で回転する二枚の透明な回転板を備え、複数の前記レーザビームアレイのレーザスポットをその配列方向にシフトさせるようにしたものである。
また、本発明によるレーザリフトオフ装置は、同一平面内に平行に並んで進行する複数のレーザビームアレイの光路上に、互いに反対角度で傾いて配置され、前記光路の光軸を中心に互いに反対方向に同じ角速度で回転する二枚の透明な回転板を備え、複数の前記レーザビームアレイのレーザスポットをその配列方向にシフトさせるようにしたレーザ照射装置と、透明な基板とを相対的に移動しながら、基板表面の被照射領域に前記基板の裏面側から前記レーザビームアレイを照射し、前記基板の表面に形成された被剥離層を剥離するものである。
本発明によれば、二枚の回転板が互いに反対方向に定常回転しているため、従来技術におけるような振動の発生を抑制することができる。したがって、線状のレーザスポットのエネルギー分布の平均化を安定的に実現することができる。
本発明によるレーザ照射装置の一実施形態を示す概略構成図である。 二枚の回転板によるレーザスポットのシフト方向を示す説明図である。 一枚の回転板によるレーザスポットの軌跡を説明する正面図である。 図3をレーザビームの入射側から見た平面図である。 二枚の回転板によるレーザスポットの軌跡を説明する正面図である。 図5をレーザビームの入射側から見た平面図である。 本発明によるレーザリフトオフ装置の一実施形態を示す概略構成図である。 従来技術によるレーザスポットの平均化について示す説明図であり、(a)はステージ又は光源を搖動する方法を示し、(b)はガルバノミラーを使用する方法を示す。
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図1は本発明によるレーザ照射装置の一実施形態を示す概略構成図である。このレーザ照射装置は、被照射物に線状のレーザスポットを照射するもので、レーザビームアレイ光源1と、平均化手段2と、を備えて構成されている。
上記レーザビームアレイ光源1は、同一平面内に平行に並んで進行する複数のパルスレーザビームを生成して射出するもので、例えば複数の発光点を直線状に配列した半導体レーザや、複数のレーザ光源から射出したレーザ光を複数の光ファイバで導いて所定の配列ピッチで直線状に並んだ複数のレーザビームを生成するものである。
レーザ光の波長は、例えば約100nm〜約1200nmのうちから、レーザリフトオフ、レーザアニール又はレーザ加工等、使用目的に応じて適宜選択される。
同一平面内に平行に並んで進行する複数のレーザビーム(以下、「レーザビームアレイ3」という。)の光路上には、平均化手段2が設けられている。この平均化手段2は、レーザビームアレイ3をその配列方向にシフトさせて、線状のレーザスポットの長手方向のエネルギー分布を平均化するためのものであり、互いに反対角度で傾いて配置された第1及び第2の回転板4A,4Bを備えて構成されている。この第1及び第2の回転板4A,4Bは、光路の光軸を中心に互いに反対方向に同じ角速度で回転する、例えば石英ガラス等の透明な基板で形成されている。
ここで、上記第1及び第2の回転板4A,4Bの回転によりシフトされるレーザスポットの軌跡について図2を参照して説明する。
図2において、矢印Aは反時計回りに回転する第1の回転板4Aの時刻tにおける向きを示し、(cosωt,sinωt)で表される。また、矢印Bは時計回りに回転する第2の回転板4Bの時刻tにおける向きを示し、(cos(ωt−α),sin(ωt−α))で表される。さらに、破線はレーザスポットのシフト方向を示す。また、ωtは、第1及び第2の回転板4A,4Bの角速度を示し、αは第1及び第2の回転板4A,4Bのn回回転時点における回転位相差(nはゼロを含む正の整数)を示している。
この場合、レーザスポットの軌跡ベクトルのx成分は、
x=sinωt+sin(−(ωt−α))
=2cos((2ωt−α)/2)×sin(α/2) (1)
と表される。
また、レーザスポットの軌跡ベクトルのy成分は、
y=cosωt+cos(ωt−α)
=2cos((2ωt−α)/2)×cos(α/2) (2)
と表される。
そして、上記式(1)、(2)より
y={1/tan(α/2)}×x (3)
が導き出される。
上記式(3)から、レーザスポットの軌跡は、直線状となることが分かる。この場合、上記第1及び第2の回転板4A,4Bの回転位相差αが0°の時には、x=0となり、レーザスポットの軌跡は、Y軸方向となる。また、位相差αが180°の時には、y=0となり、レーザスポットの軌跡は、X軸方向となる。
したがって、レーザビームアレイ3がY軸方向に配列されている場合には、第1及び第2の回転板4A,4Bの回転位相差αは0°に設定される。また、レーザビームアレイ3がX軸方向に配列されている場合には、第1及び第2の回転板4の回転位相差αは180°に設定される。これにより、レーザビームアレイ3をその配列方向に搖動させることができる。
この場合、レーザビームアレイ3の片側シフト量は、該レーザビームアレイ3の配列ピッチの1/2以上となるようにするのが好ましい。これにより、線状のレーザスポットの長手方向の輝度分布を均一化することが可能となる。
上記レーザビームアレイ3のシフト量は、第1及び第2の回転板4A,4Bの厚み、屈折率、及び傾き角度のうちから選択された少なくとも1つのパラメータを変化させることによって決めることができる。
なお、レーザビームアレイ3がX軸又はY軸方向からずれている場合には、図示省略の制御手段で上記回転位相差αを調整することにより、レーザスポットのシフト方向をレーザビームアレイ3の配列方向に合せることができる。
次に、このように構成されたレーザ照射装置の動作について説明する。ここでは、光軸に沿って入射する一本のレーザビームによる一つのレーザスポットの軌跡に着目して説明する。
図3は一枚の回転板4によるレーザスポットの軌跡を説明する正面図である。また、図4は図3をレーザビームの入射側から見た平面図である。
図3(a)に示すように、光軸に対して傾いて配置された回転板4に同図の右方向からレーザビーム(実線)が入射すると、レーザビームは回転板4で屈折して光軸に対して下側にずれて回転板4を射出する。これにより、図4(a)に示すように、レーザスポットは、Y軸に沿って同図の下側(−y方向)にSだけシフトすることになる。なお、図4において、●(黒点)はレーザビームの入射位置(中心)を示し、○(白抜き丸)はレーザビームの出力位置(レーザスポットの位置)を示している。
回転板4が90°回転して図3(b)の位置に達すると、レーザビームは回転板4で屈折して同図の手前側にずれて回転板4を射出する。これにより、レーザスポットは、図4(b)に示すようにX軸に沿って同図の左側(−x方向)にSだけシフトすることになる。
回転板4がさらに90°回転して図3(c)の位置に達すると、レーザビームは回転板4で屈折して光軸に対して上側にずれて回転板4を射出する。これにより、レーザスポットは、図4(c)に示すようにY軸に沿って同図の上側(+y方向)にSだけシフトすることになる。
回転板4がさらに90°回転して図3(d)の位置に達すると、レーザビームは回転板4で屈折して同図の奥側にずれて回転板4を射出する。これにより、レーザスポットは、図4(d)に示すようにX軸に沿って同図の右側(+x方向)にSだけシフトすることになる。
このように、一枚の回転板4の場合には、レーザスポットは、光軸を中心に半径Sの円軌道を描くことになる。
図5は本発明のレーザ照射装置の平均化手段2によるレーザスポットの軌跡を説明する正面図である。また、図6は図5に対応してシフトするレーザスポットの位置を示す説明図であり、図5をレーザビームの入射側から見た図である。
ここでは、平均化手段2の第1及び第2の回転板4A,4Bの回転位相差αが0°の場合について説明する。また、レーザビームアレイ3のうち、第1及び第2の回転板4A,4Bの回転中心に入射するレーザビームに着目して説明する。
先ず、図5(a)に示すように、第1の回転板4Aに同図の右側から入射したレーザビームは、第1の回転板4Aで屈折して光軸に対して下側(−y方向)にSだけずれて第1の回転板4Aを射出し、第2の回転板4Bに入射する。
第2の回転板4Bに入射したレーザビームは、第2の回転板4Bでさらに屈折して光軸に対してさらに下側(−y方向)にSだけずれて第2の回転板4Bを射出する。これにより、図6(a)に示すように、レーザスポットは、Y軸に沿って同図の下側(−y方向)に2Sだけシフトすることになる。なお、図6において、●(黒点)はレーザビームの入射位置(中心)を示し、□(白抜き四角形)は第1及び第2の回転板4A,4Bの中間位置(図5のO−O線を含むXY平面内)におけるレーザビームの位置を示し、○(白抜き丸)はレーザビームの出力位置(レーザスポットの位置)を示している。
第1及び第2の回転板4A,4Bが夫々反対方向に90°回転した位置においては、図5(b)に示すように第1の回転板4Aに同図の右側から入射したレーザビームは、第1の回転板4Aで屈折して同図において奥側(+x方向)にSだけずれて第1の回転板4Aを射出し、第2の回転板4Bに入射する。
第2の回転板4Bに入射したレーザビームは、第2の回転板4Bでさらに屈折して図5(b)において手前側(−x方向)にSだけずれて第2の回転板4Bを射出する。これにより、図6(c)に示すように、レーザスポットは、元に戻って光軸上に位置することになる。
なお、図6(b)は、図5(a)と図5(b)の中間状態、即ち、図5(a)の状態から第1及び第2の回転板4A,4Bが夫々反対方向に45°回転した状態におけるレーザスポットの位置を示している。この場合、レーザスポットは、第1の回転板4Aによって(+x,−y)方向に(S/√2,S/√2)ずらされた後、第2の回転板4Bによって(−x,−y)方向に(S/√2,S/√2)ずらされる。その結果、第2の回転板4Bから射出するレーザビームのレーザスポットは、Y軸に沿って−y方向に√2Sだけシフトすることになる。
さらに、第1及び第2の回転板4A,4Bが図5(b)の状態から夫々反対方向に90°回転すると、図5(c)に示すように、第1の回転板4Aに同図の右側から入射したレーザビームは、第1の回転板4Aで屈折して光軸に対して上側(+y方向)にSだけずれて第1の回転板4Aを射出し、第2の回転板4Bに入射する。
第2の回転板4Bに入射したレーザビームは、第2の回転板4Bでさらに屈折して光軸に対してさらに上側(+y方向)にSだけずれて第2の回転板4Bを射出する。これにより、図6(e)に示すように、レーザスポットは、Y軸に沿って同図の上側(+y方向)に2Sだけシフトすることになる。
図6(d)は、図5(b)と図5(c)の中間状態、即ち、図5(b)の状態から第1及び第2の回転板4A,4Bが夫々反対方向に45°回転した状態におけるレーザスポットの位置を示している。この場合、レーザスポットは、第1の回転板4Aによって(+x,+y)方向に(S/√2,S/√2)ずらされた後、第2の回転板4Bによって(−x,+y)方向に(S/√2,S/√2)ずらされる。その結果、第2の回転板4Bから射出するレーザビームのレーザスポットは、Y軸に沿って+y方向に√2Sだけシフトすることになる。
さらに、第1及び第2の回転板4A,4Bが図5(c)の状態から夫々反対方向に90°回転すると、図5(b)に示すように第1の回転板4Aに同図の右側から入射したレーザビームは、第1の回転板4Aで屈折して同図において手前側(−x方向)にSだけずれて第1の回転板4Aを射出し、第2の回転板4Bに入射する。
第2の回転板4Bに入射したレーザビームは、第2の回転板4Bでさらに屈折して図5(d)において奥側(+x方向)にSだけずれて第2の回転板4Bを射出する。これにより、図6(g)に示すように、レーザスポットは、元に戻って光軸上に位置することになる。
図6(f)は、図5(c)と図5(d)の中間位置、即ち、図5(c)の状態から第1及び第2の回転板4A,4Bが夫々反対方向に45°回転した状態におけるレーザスポットの位置を示している。この場合、レーザスポットは、第1の回転板4Aによって(−x,+y)方向に(S/√2,S/√2)ずらされた後、第2の回転板4Bによって(+x,+y)方向に(S/√2,S/√2)ずらされる。その結果、第2の回転板4Bから射出するレーザビームのレーザスポットは、Y軸に沿って+y方向に√2Sだけシフトすることになる。
さらに、第1及び第2の回転板4A,4Bが図5(d)の状態から夫々反対方向に90°回転すると、図5(a)の状態に戻り、レーザスポットは、図6(a)に示すようにY軸に沿って−y方向に2Sだけシフトすることになる。
図6(h)は、図5(d)と図5(a)の中間状態、即ち、図5(d)の状態から第1及び第2の回転板4A,4Bが夫々反対方向に45°回転した状態におけるレーザスポットの位置を示している。この場合、レーザスポットは、第1の回転板4Aによって(−x,−y)方向に(S/√2,S/√2)ずらされた後、第2の回転板4Bによって(+x,−y)方向に(S/√2,S/√2)ずらされる。その結果、第2の回転板4Bから射出するレーザビームのレーザスポットは、Y軸に沿って−y方向に√2Sだけシフトすることになる。
このようにして、図5(a)〜図5(d)が繰り返されることにより、第2の回転板4Bから射出するレーザビームのレーザスポットは、図6に示すようにY軸に沿って光軸を中心に搖動する。したがって、レーザビームアレイ3をY軸に沿って配置すれば、レーザビームアレイ3の配列方向におけるレーザスポットのエネルギー分布を平均化することができる。
この場合、レーザスポットの最大シフト量(2S)は、第1及び第2の回転板4A,4Bの厚み、屈折率、及び傾き角度のうちから選択された少なくとも1つのパラメータを変化させて、レーザビームアレイ3の配列ピッチの1/2以上となるように設定される。
図7は本発明によるレーザ照射装置を用いたレーザリフトオフ装置の概略構成図である。
このレーザリフトオフ装置は、本発明によるレーザ照射装置と、透明な基板5とを相対的に移動しながら、基板表面の被照射領域に基板5の裏面側からレーザビームアレイ3を照射し、基板5の表面に形成された被剥離層6を剥離するものである。
図7に示すように、上記相対的な移動方向をXY平面内のX軸方向とすれば、レーザビームアレイ3はY軸に沿って配置される。この場合、第1及び第2の回転板4A,4Bの回転位相差αは0°に設定される。
なお、図7においては、基板5側をX軸方向に移動する場合を示しているが、レーザ照射装置側をX軸方向に移動してもよく、両者を互いに反対方向に移動してもよい。
また、図7において符号7は線状のレーザスポットの長軸方向両端を遮光してエネルギー分布のより高い均一性を得るためのビーム整形マスクである。しかし、ビーム整形マスク7は、無くてもよい。
本発明のレーザ照射装置は、レーザリフトオフ装置だけでなく、レーザアニール装置、またはレーザカッティング装置にも適用することができ、線状のレーザスポットを使用する如何なる装置にも適用することができる。
2…平均化手段
3…レーザビームアレイ
4…回転板
4A…第1の回転板
4B…第2の回転板
5…基板
6…被剥離層
また、特許文献2に記載の装置では、レーザ光源の配置数を増やすことにより、高アスペクト比のレーザスポットを生成することは容易であるが、レーザスポットの配列方向のエネルギー分布を平均化するために、図8(a)に示すように、照射対象物8側のステージ9又はレーザビームアレイ光源1側をレーザビームアレイ3のレーザスポットの配列方向に搖動させたり、同図(b)に示すようにガルバノミラー10を使用してレーザビームアレイ3をレーザスポットの配列方向にスキャンさせたりする必要がある。
また、ガルバノミラー10を使用してエネルギー分布の平均化を図る方法では、レーザビームアレイ3を照射対象物8に集光するためのレンズ11の収差により、線状のレーザスポットの両端部の輝度が低下し、エネルギー分布の均一性が悪化するという問題がある。
上記目的を達成するために、本発明によるレーザ照射装置は、同一平面内に平行に並んで進行する複数のレーザビームから成るレーザビームアレイの光路上に、互いに反対角度で傾いて配置され、前記光路の光軸を中心に互いに反対方向に同じ角速度で回転する二枚の透明な回転板を備え、前記レーザビームアレイのレーザスポットをその配列方向にシフトさせるようにしたものである。
また、本発明によるレーザリフトオフ装置は、同一平面内に平行に並んで進行する複数のレーザビームから成るレーザビームアレイの光路上に、互いに反対角度で傾いて配置され、前記光路の光軸を中心に互いに反対方向に同じ角速度で回転する二枚の透明な回転板を備え、前記レーザビームアレイのレーザスポットをその配列方向にシフトさせるようにしたレーザ照射装置と、透明な基板とを相対的に移動しながら、基板表面の被照射領域に前記基板の裏面側から前記レーザビームアレイを照射し、前記基板の表面に形成された被剥離層を剥離するものである。
同一平面内に平行に並んで進行する複数のレーザビームから成るレーザビームアレイ3の光路上には、平均化手段2が設けられている。この平均化手段2は、レーザビームアレイ3の各レーザスポットをその配列方向にシフトさせて、線状のレーザスポットの長手方向のエネルギー分布を平均化するためのものであり、互いに反対角度で傾いて配置された第1及び第2の回転板4A,4Bを備えて構成されている。この第1及び第2の回転板4A,4Bは、光路の光軸を中心に互いに反対方向に同じ角速度で回転する、例えば石英ガラス等の透明な基板で形成されている。
したがって、レーザビームアレイ3の複数のレーザビームがY軸方向に配列されている場合には、第1及び第2の回転板4A,4Bの回転位相差αは0°に設定される。また、レーザビームアレイ3の複数のレーザビームがX軸方向に配列されている場合には、第1及び第2の回転板4の回転位相差αは180°に設定される。これにより、レーザビームアレイ3をレーザビームの配列方向に搖動させることができる。
この場合、レーザビームアレイ3の片側シフト量は、該レーザビームアレイ3のレーザビームの配列ピッチの1/2以上となるようにするのが好ましい。これにより、線状のレーザスポットの長手方向の輝度分布を均一化することが可能となる。
なお、レーザビームアレイ3のレーザビームの配列方向がX軸又はY軸方向からずれている場合には、図示省略の制御手段で上記回転位相差αを調整することにより、レーザスポットのシフト方向をレーザビームアレイ3のレーザビームの配列方向に合せることができる。
さらに、第1及び第2の回転板4A,4Bが図5(c)の状態から夫々反対方向に90°回転すると、図5()に示すように第1の回転板4Aに同図の右側から入射したレーザビームは、第1の回転板4Aで屈折して同図において手前側(−x方向)にSだけずれて第1の回転板4Aを射出し、第2の回転板4Bに入射する。
このようにして、図5(a)〜図5(d)が繰り返されることにより、第2の回転板4Bから射出するレーザビームのレーザスポットは、図6に示すように光軸を中心にY軸に沿って搖動する。したがって、レーザビームアレイ3のレーザビームをY軸に沿って配置すれば、レーザビームアレイ3のレーザビームの配列方向におけるレーザスポットのエネルギー分布を平均化することができる。
この場合、レーザスポットの最大シフト量(2S)は、第1及び第2の回転板4A,4Bの厚み、屈折率、及び傾き角度のうちから選択された少なくとも1つのパラメータを変化させて、レーザビームアレイ3のレーザビームの配列ピッチの1/2以上となるように設定される。
図7に示すように、上記相対的な移動方向をXY平面内のX軸方向とすれば、レーザビームアレイ3のレーザビームはY軸に沿って配置される。この場合、第1及び第2の回転板4A,4Bの回転位相差αは0°に設定される。

Claims (6)

  1. 同一平面内に平行に並んで進行する複数のレーザビームアレイの光路上に、互いに反対角度で傾いて配置され、前記光路の光軸を中心に互いに反対方向に同じ角速度で回転する二枚の透明な回転板を備え、複数の前記レーザビームアレイのレーザスポットをその配列方向にシフトさせるようにしたことを特徴とするレーザ照射装置。
  2. 前記レーザスポットのシフト方向の設定は、二枚の前記回転板のn回回転時点における回転位相差(nはゼロを含む正の整数)を調整して行われることを特徴とする請求項1記載のレーザ照射装置。
  3. 前記レーザスポットの最大シフト量は、前記二枚の回転板の厚み、屈折率、及び傾き角度のうちから選択された少なくとも1つのパラメータを変化させて、前記レーザビームアレイの配列ピッチの1/2以上となるように設定されることを特徴とする請求項1又は2記載のレーザ照射装置。
  4. 同一平面内に平行に並んで進行する複数のレーザビームアレイの光路上に、互いに反対角度で傾いて配置され、前記光路の光軸を中心に互いに反対方向に同じ角速度で回転する二枚の透明な回転板を備え、複数の前記レーザビームアレイのレーザスポットをその配列方向にシフトさせるようにしたレーザ照射装置と、透明な基板とを相対的に移動しながら、基板表面の被照射領域に前記基板の裏面側から前記レーザビームアレイを照射し、前記基板の表面に形成された被剥離層を剥離することを特徴とするレーザリフトオフ装置。
  5. 前記レーザスポットのシフト方向の設定は、二枚の前記回転板のn回回転時点における回転位相差(nはゼロを含む正の整数)を調整して行われることを特徴とする請求項4記載のレーザリフトオフ装置。
  6. 前記レーザスポットの最大シフト量は、前記二枚の回転板の厚み、屈折率、及び傾き角度のうちから選択された少なくとも1つのパラメータを変化させて、前記レーザビームアレイの配列ピッチの1/2以上となるように設定されることを特徴とする請求項4又は5記載のレーザリフトオフ装置。
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