JP3437088B2 - ビーム回転機能付ホモジナイザ装置及びこれを用いたレーザ加工装置 - Google Patents

ビーム回転機能付ホモジナイザ装置及びこれを用いたレーザ加工装置

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JP3437088B2
JP3437088B2 JP15629898A JP15629898A JP3437088B2 JP 3437088 B2 JP3437088 B2 JP 3437088B2 JP 15629898 A JP15629898 A JP 15629898A JP 15629898 A JP15629898 A JP 15629898A JP 3437088 B2 JP3437088 B2 JP 3437088B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はビーム断面における
強度を均一化(ホモジナイズ)するホモジナイザ装置及
びこれを用いたレーザ加工装置に係る。
【0002】
【従来の技術】いわゆるTFT型の液晶表示装置におい
て、水素化アモルファスシリコンa−Si:H(以下で
は「アモルファスシリコン」という)薄膜を少なくとも
部分的に結晶化してなる多結晶シリコンを用いてアクテ
ィブマトリックスを形成することは知られている(例え
ば、特公平7−118443号公報)。
【0003】この多結晶化を低温で行うためには、紫外
域のレーザ光であるエキシマレーザビームの照射が有効
であり、エキシマレーザビームをビームホモジナイザで
均一化すると共にビーム断面形状を線状にして(例え
ば、特開平10−104545号参照)、アモルファス
シリコン薄膜上で線状ビームを走査することも知られて
いる(例えば、特開平9−293688号公報)。
【0004】線状ビームの走査は、線状ビームの長軸方
向に対して直交する方向に行われるが、ビームの走査を
制御したとしても、線状ビームの長軸方向と交差する方
向における多結晶化特性を厳密には一様にし難いことか
ら、線状ビームの長軸方向を変更し得ることが望まれ
る。ところが、エキシマレーザの場合、レーザ発振器の
放電方向(向き合った放電電極を結ぶ方向(以下では
「放電電極方向」ともいう))と該放電方向に直交する
方向とでは、ビームのサイズ、強度分布、拡がり角(発
散角)等が異なり、レーザ発振器からのロービームない
し原ビーム(raw beam)に対して単にホモジナイザを回
転させたのでは、線状ビームの特性自体が変わってしま
う。従って、回転させても特性が変わらないようにする
ためには、ホモジナイザをエキシマレーザビームに対し
て回転させると共に、ホモジナイザで線状化されるべき
レーザビーム自体をビーム軸のまわりで回転させる必要
がある。
【0005】レーザビームの回転は、従来、図5の
(a)に示したようなレーザビーム回転装置100によ
って行われている。このレーザビーム回転装置100で
は、レーザビームは、ミラーMH1,MH2で反射され
る光路OP1を通った後、位置103に配されたミラー
MH3で反射されて図の面に垂直に奥に進んでビームホ
モジナイザ(図示せず)でホモジナイズされて矩形化さ
れる(図5の(b)の上段において符号101で示し
た)か、又はミラーMV1で反射される光路OP2を通
った後、ミラーMV2で反射されて図の面の奥にあるビ
ームホモジナイザ(図示せず;光路OP1を通ったビー
ム入射の場合と比較して90度回転)でホモジナイズさ
れ矩形化された(図5の(b)の下段において符号10
2で示した)二種類の回転状態のレーザビーム101,
102が得られる。なお、図5の(a)において、レー
ザビームが光路OP2を通る場合、ミラーMH1は光路
OP2の外へ移動される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このレ
ーザビーム回転装置100では、図5の(b)に示した
ように、長軸が相対的に90度回転した二種類の矩形
(又は線状)ビーム101,102しか得られず、矩形
ビームの長軸を任意の向きに変えることはできない。ま
た、このレーザビーム回転装置100では、二つのビー
ム101,102を切り替えるために、多数の光学素子
(ミラーMH1,MH3,MV2及びホモジナイザ素
子)の位置制御を要する。
【0007】本発明は前記諸点に鑑みなされたものであ
り、その目的とするところは、ビームを任意の角度回転
した状態で均一化し得るビーム回転機能付ホモジナイザ
装置、及びこれを用いたレーザ加工装置を提供すること
にある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明のビーム回転機能
付ホモジナイザ装置は、前記した目的を達成すべく、入
射ビームに対して実質上平行な軸線のまわりでθ回転さ
れた際、出射ビームを該ビームのビーム軸のまわりで2
θ回転させるビーム回転光学素子と、このビーム回転光
学素子からの出射ビームが入射されるビームホモジナイ
ザ素子と、ビーム回転光学素子がθ回転された際ホモジ
ナイザ素子を該ホモジナイザ素子への入射ビームのビー
ム軸のまわりで2θ回転させるホモジナイザ素子回転手
段とを有する。
【0009】本発明のビーム回転機能付ホモジナイザ装
置では、「入射ビームに対して実質上平行な軸線のまわ
りでθ回転された際、出射ビームを該ビームのビーム軸
のまわりで2θ回転させるビーム回転光学素子」が設け
られているから、このビーム回転光学素子を入射ビーム
に対して軸線のまわりでθ回転させることによって、該
素子からの出射ビームを該出射ビームのビーム軸のまわ
りで2θ回転させ得る。しかも、本発明のホモジナイザ
装置では、「ビーム回転光学素子がθ回転された際ビー
ムホモジナイザ素子を該ホモジナイザ素子への入射ビー
ムのビーム軸のまわりで2θ回転させるホモジナイザ素
子回転手段」が設けられているから、ホモジナイザ素子
回転手段によってホモジナイザ素子をビーム回転光学素
子の回転角θの二倍(2θ)回転させることによって、
任意の角度(2θ)回転した状態の均一化(ホモジナイ
ズ)ビームを出射し得る。ホモジナイザ素子に入射され
るビームの回転角(2θ)とホモジナイザ素子の回転角
(2θ)とは一致しているから、ロービームないし原ビ
ーム(raw beam)の特性がビーム断面内の方向に依存す
るような場合でも、該特性に影響を受けることなく、同
一の特性の均一化ビームを形成し得る。
【0010】従って、例えば、エキシマレーザ発振器か
らのビームのように、レーザ発振器の放電方向(放電電
極方向)とこれに直交する方向とで、ビームの強度分布
や拡がり角等が異なっていても、レーザー発振器からの
ロービームの断面に関して同一の方向に同一のホモジナ
イズ処理をしたビームを回転させて出射し得る。
【0011】ここで、ホモジナイザ素子回転手段による
ホモジナイザ素子の回転制御は、ビーム回転光学素子の
回転制御と同期させて行っても別個に行ってもよい。本
発明のホモジナイザ装置では、ビーム回転光学素子とホ
モジナイザ素子との二つの光学素子の回転位置を制御す
ればよいから、その制御も容易である。また、ビーム回
転光学素子とホモジナイザ素子とは隣接して位置するか
ら、回転制御を行い易い。
【0012】ビーム回転光学素子が光学素子として通常
要求される厳密さで回転位置制御される限り、その軸線
のまわりにおける支持の仕方や制御の仕方はどのような
ものでもよい。
【0013】この明細書において、ビーム回転光学素子
に関して、出射ビームの「ビーム軸」とは、典型的に
は、出射ビームのビーム断面の中心において出射ビーム
の進行方向に沿った線(ビーム中心軸)をいうが、出射
ビームが実際上コリメートされたビーム(平行光線)で
ある場合、回転角度にかかわらず出射ビームが実際に回
転されるべき角度範囲内でホモジナイザ素子に入射され
得る限り、該出射ビームの進行方向に沿った線であれば
よく、必ずしも、出射ビームのビーム中心軸と一致して
いなくてもよい。
【0014】ビーム回転光学素子は、該素子の角度θの
回転に応じて出射ビームをその軸線のまわりで二倍の角
度(2θ)回転させ得る限り、その詳細な構造は問わな
いが、好ましくは、ビーム回転光学素子が、該素子の回
転軸線に平行に入射する入射ビームを、該回転軸線を含
む一の平面に関して鏡映対称なビームに変換して出射す
るように構成される。
【0015】この場合、ビーム回転光学素子は、入射ビ
ームを、該ビーム回転光学素子に固定された仮想鏡映面
(ビーム回転光学素子の回転軸線を含む前記一の平面)
に関して鏡映対称なビームに変換して出射するから、回
転光学素子が入射ビームに対してθ回転されると、入射
ビームが回転光学素子の仮想鏡映面に対して−θ回転さ
れることになるので、出射ビームが仮想鏡映面に対して
θ回転されることになる。従って、回転光学素子が入射
ビームに対してθ回転されると、出射ビームは、入射ビ
ームに対して回転光学素子の回転方向に2θ回転される
ことになる。なお、ビーム回転光学素子の回転軸線は、
出射ビームの回転軸線及びホモジナイザ装置の回転軸線
とも一致する(一列になる)。従って、ビーム回転光学
素子に対する角度θの回転制御、及びホモジナイザ素子
に対する角度2θの回転制御をまとめて行い易い。
【0016】ここで、ビーム回転光学素子への入射ビー
ムに関して、「ビーム回転光学素子の回転軸線に平行に
入射する」とは、「入射ビームが実際上平行なビームで
あって、そのビーム軸(ビームの進行方向に沿った線
で、好ましくはビーム中心軸)がビーム回転光学素子の
回転軸線に平行であることをいう。但し、ビームは厳密
には平行でなくてもよく、例えばエキシマレーザ発振器
から出射されるレーザビームが通常有する程度の拡がり
角(例えば0.1°のオーダー)で拡がっているような
ものでもよい。
【0017】ビーム回転光学素子は、好ましくは、「三
つの反射面を有する」か、又は「入射及び出射屈折面並
びにこれら二つの屈折面の間に位置する反射面を有す
る」。
【0018】これらの反射面や屈折面は、平面であるこ
とが好ましいが、場合によっては、一方向又は二方向に
ある程度の曲率を有する曲面であってもよい。例えば、
入射ビームがある程度の拡がり角を有するエキシマレー
ザビームのようなものの場合、三つの反射面のうちの最
初にビームが入射する反射面又は入射屈折面が、平均的
なビーム拡がり角を補償する程度の曲率を有していても
よい。
【0019】ビーム回転光学素子が「三つの平面状反射
面」からなる場合、第二番目の反射面は、前記仮想鏡映
面と平行であり、入射ビームのビーム軸(ビーム回転光
学素子の回転軸線)と平行で且つ該回転軸線から離れた
平面上に位置する。一方、第一及び第三の反射面は、回
転軸線に垂直な面に関して相互に鏡映対称(第二番目の
反射面に対して等角度)で、且つ第二番目の反射面から
間隔を置いて位置する。勿論のことながら、三つの反射
面がビームの当たる領域において上記関係を維持し且つ
ビームの通過を妨げない限り、ビームの当たらない領域
(部分)は、どのような形状をしていてもよい。このよ
うな三つの平面状反射面は、回転可能な支持体上に反射
膜を塗布もしくは堆積形成したり反射体を固定すること
によって形成しても、又は支持体表面自体の研磨等によ
り形成してもよい。支持体は、一体物からなっていて
も、組立体であってもよい。
【0020】ビーム回転光学素子が、「入射及び出射屈
折面、並びにビームの光路に関してこれら二つの屈折面
の間に位置する反射面を有する」場合、ビーム回転光学
素子は、例えば、反射面が前記仮想鏡映面と平行になる
ように配置されたダブプリズムからなる。
【0021】ビームホモジナイザ素子は、該素子への入
射ビームのビーム断面における少なくとも一つの特性
(例えば強度)の分布を少なくとも一方向に関して少な
くとも部分的に均一化(ホモジナイズ)してなるビーム
を被照射面上に形成し得る限り、均一化のためにカレイ
ドスコープのような反射を利用するタイプのものでも、
フライアイのような屈折を利用するタイプのものでも、
反射と屈折とを組合せたタイプのものでも、どのような
タイプのものでもよい。ホモジナイザ素子が出射するビ
ーム形状も、線状若しくは細長い矩形状又は長円形状の
ものでも、円形や正方形など他の形状でもよい。
【0022】出射ビームとして細長い矩形状又は線状の
断面形状を有する均一化ビームを得るためには、例え
ば、特開平10−104545号公報に開示のように、
シリンドリカルレンズを母線に沿って密接・並設してな
る板状アレイを母線が相互に直角になる向きに且つ夫々
異なる所定距離だけ集光レンズから離して配置したもの
が用いられ得る。ホモジナイザ素子でビームを細長くな
るように幅方向に絞る場合、放電励起エキシマレーザ等
では、放電方向に発散角が大きく成り易いので、放電方
向に直角な方向にビームを絞るようにホモジナイザ素子
が配置されることが好ましいが、所望ならば、異なる向
き(例えば、放電方向にビームを絞るような向き又はこ
れに対して斜め方向にビームを絞るような向き)にホモ
ジナイザ素子を配置してもよい。
【0023】本発明のレーザ加工装置は、前記目的を達
成すべく、ビーム断面内の方向により異なる特性を有す
るビームを出射するレーザ発振器と、このレーザ発振器
から出射されたビームが入射される上述のようなホモジ
ナイザ装置と、ホモジナイザ装置とを有し、ホモジナイ
ザ装置から出射されたビームが被加工物に照射されるよ
うに構成されている。
【0024】本発明のレーザ加工装置では、上述のよう
なホモジナイザ装置が設けられているから、レーザ発振
器がエキシマレーザ発振器のようなビーム断面内の方向
により異なる特性を有するビームを出射するものであっ
ても、ホモジナイズ面でのビームの特性を変えることな
く任意の角度回転し得る。また、本発明のレーザ加工装
置では、「ホモジナイザ装置から出射されたビームが被
加工物上でホモジナイズされるように構成されている」
から、同一特性のまま任意の角度回転させたホモジナイ
ズ光を被加工物の表面上で所望の方向に走査等すること
によって、被加工物表面の加工を行い得る。従って、例
えば、薄膜上で、被加工特性を出来る限り一様にしたい
方向(ビームの長軸方向)を任意に設定し得る。
【0025】なお、「ビーム断面内の方向により異なる
特性を有するビームを出射するレーザ発振器」は、典型
的には、エキシマレーザからなるけれども、特性上の同
様な課題があり得る限り、他のガスレーザでも、半導体
レーザのような固体レーザでもよい。また、ビーム断面
内での「特性」は、典型的には、強度であるけれども、
場合によっては、拡がり角などの他の特性でもよい。
【0026】本発明のレーザ加工装置は、典型的には、
例えば、「ホモジナイザ装置からの出射ビームが薄膜上
で走査されて該薄膜をアニーリングするように構成され
たレーザ加工(アニーリング)装置」からなるが、加工
としては、アニーリングに限られず、「表面改質」でも
「その他の任意の加工」でもよい。また、被加工物も薄
膜の代わりに、バルクや複合材料でもよい。
【0027】なお、本明細書において、「アニーリン
グ」とは、物質を熱的に安定な状態にする処理をいい、
例えば、多結晶状態の物質をより熱的に安定な状態にす
るような処理に限られず、物質をアモルファスシリコン
のようなアモルファス状態から多結晶状態にすることな
ども含む。ここでは、「多結晶」という用語は、いわゆ
る微結晶(microcrystal)を含む。
【0028】 なお、本発明を、方法の観点でみれば、
本発明は、「入射ビームに対して実質上平行な軸線のま
わりにおける回転角の二倍の角度だけ出射ビームを該ビ
ームのビーム軸のまわりで回転させるビーム回転光学素
子を該素子に入射するレーザビームのビーム軸に平行な
軸線のまわりで回転させることにより該素子からの出射
レーザビームをそのビーム軸のまわりで回転させてホモ
ジナイザ素子に入射させると共に、該ホモジナイザ素子
に入射するレーザビームのビーム軸のまわりで該ホモジ
ナイザ素子をビーム回転光学素子の回転角の二倍の角度
回転させることからなる均一化レーザビーム回転方法」
を提供するものであり、また、この方法を用いて、「ホ
モジナイザ素子からのビームを被加工物上でホモジナイ
ズするようにして被加工物に対して走査するレーザ加工
方法」を提供するものである。
【0029】
【発明の実施の形態】次に本発明の一実施の形態を、添
付図面に示した好ましい一実施例に基づいて説明する。
【0030】
【実施例】図1の(a)は、本発明の好ましい一実施例
のレーザ加工装置1を示す。このレーザ加工装置1は、
レーザ発振器2と、ビーム回転機能付ホモジナイザ装置
3とを有する。レーザ発振器2とホモジナイザ装置3と
の間には、必要に応じて、発振器2からのロービームB
0の光路を変えるための偏向ミラーやビームB0の強度
を調整するためのアッテネータやビームB0の強度及び
分布等を各偏向ミラー等の上流側及び下流側の夫々でモ
ニタ可能にするためのビームスプリッタ等を含む光学系
4が設けられ、ホモジナイザ装置3の下流側には被加工
面5を備えた被加工物6が配設される。被加工物6が、
例えば、多結晶化されるべきアモルファスシリコン層を
備えた基板である場合、被加工物6はレーザビーム透過
窓を備えた処理チャンバ内で並進移動可能な支持体に担
持されて並進移動される。なお、ホモジナイザ装置3と
被加工物6との間にも、所望に応じて、光学系4と同様
な光学系が設けられる。
【0031】レーザ発振器2は、例えば、エキシマレー
ザ装置のように、放電電極7,8を結ぶ放電方向Y(図
1の(b))とこれに直交する方向Xとで、ロービーム
ないし原ビーム(raw beam)B0のサイズ、強度分布、
ビーム発散角等が異なるレーザ発振器からなる。
【0032】ビーム回転機能付ホモジナイザ装置3は、
ビーム回転光学素子9及びそのビーム回転光学素子回転
制御装置10aと、ホモジナイザ素子としてのホモジナ
イザ11及びその回転制御装置10bと、回転制御装置
10a,10bを同期的に制御する制御装置10cとか
らなる。
【0033】以下では、床(図示せず)に固定された三
次元直交座標系X,Y,Zを採り、光学系4を出たロー
ビームB0は、Z方向に進むと仮定する。また、ビーム
回転光学素子9に固定された三次元直交座標系ξ,η,
ζを図1に示すように採る。
【0034】ビーム回転光学素子9は、三つの平面状反
射面M1,M2,M3を備え、ロービームB0のビーム
中心軸C0に一致する回転軸線C1のまわりで回転可能
に支持された回転体15からなる。Z軸に一致するζ軸
上の回転軸線C1は、ビーム中心軸C0と平行であれ
ば、該中心軸C0からずれていてもよい。第一及び第三
の反射面M1,M3はζ軸(Z軸)に垂直なξ−η面上
の仮想平面Sに関して対称である。面M1,M3は、平
面S上でη軸に平行な直線16に沿って交わる。なお、
各面M1,M3と面S間との間の角φは、45°<φ<
90°を満たす所望の角度である。第二の反射面M2
は、η−ζ面に平行である。従って、反射面M2は、平
面Sに対して直角で、直線16及び回転軸線C1と平行
である。
【0035】この回転光学素子9では、Z(ζ)方向に
進んで反射面M1に入射角φで入射するほぼ平行光線か
らなるレーザロービームB0は、面M1で反射された後
反射面M2に(2φ−90°)の角度で入射し、反射面
M2で反射された後反射面M3に入射角φで入射し、反
射面M3で反射されてZ(ζ)方向の出射ビームB1と
してに回転光学素子から出る。この例では、ビーム中心
軸C0に沿って反射面M1に入射したビーム中央部分B
00が仮想平面Sの延長上の線M20において反射面M
2で反射されて反射面M3に入り回転軸線C1に沿った
ビームB10として反射面M3から出るように反射面M
1(M3)と反射面M2とのξ方向の距離が調整されて
いる。ロービームB0のうち反射面M2からξ方向に最
も離れたところで反射面M1に入射したビーム部分B0
1は、反射面M1,M2で反射された後、反射面M2に
最も近いところで反射面M3に入射し反射面M2に最も
近いビーム部分B11としてZ(ζ)方向に出射され
る。一方、ロービームB0のうち反射面M2に最も近い
ところで反射面M1に入射したビーム部分B02は、反
射面M1,M2,M3で反射された後、反射面M2から
ξ方向に最も離れたビーム部分B12としてZ方向に出
射される。すなわち、回転光学素子9から出射されるビ
ームB1は、入射ロービームB0に対してξ方向に反転
されている。なお、ビーム部分のη方向の位置関係は、
入射ビームB0と出射ビームB1とで同一である。従っ
て、ビーム回転光学素子9は、入射したロービームB0
を、η−ζ面に一致する仮想鏡映面S1(ビーム回転光
学素子9の回転軸線C1を含み第二の反射面M2と平行
な面)に関して鏡映対称な断面分布を有するビームB1
に変換して出射することになる。
【0036】従って、回転光学素子9が入射ビームB0
に対してZ(ζ)軸のまわりでθ回転されると、入射ビ
ームB0が回転光学素子9の仮想鏡映面S1に対して−
θ回転されることになるので、出射ビームB1が仮想鏡
映面S1に対して回転光学素子9の回転方向にθ回転さ
れることになる。これを、入射ビームB0と出射ビーム
B1との関係で見ると、出射ビームB1は、入射ビーム
B0に対して回転光学素子9の回転方向に2θ回転され
ることになる。すなわち、回転光学素子9が入射ビーム
B0に対してθ回転されると、床やレーザ発振器2に固
定された座標系X,Y,Zでみて、出射ビームB1は、
入射ビームB0に対して、下記の(式1)の行列に従っ
て変換されたビームになる。
【0037】
【式1】 ・・・・・・・・・・・(式1)
【0038】ビームホモジナイザ11は、例えば、特開
平10−104545号公報に開示のビームホモジナイ
ザと同様に、多数のシリンドリカルレンズを母線に沿っ
て密接・並設してなる四つの板状アレイ18a,18
b,18c,18dをシリンドリカルレンズの母線が相
互に平行又は直角になる向きに且つ夫々異なる所定距離
だけ集光レンズ19から離して配置してなる。以下で
は、ホモジナイザ11に固定された三次元直交座標系
U,V,Wを考える。W軸は、ホモジナイザ11の回転
軸線C2に一致し、Z軸及びζ軸と一致する。
【0039】シリンドリカルレンズアレイ18a,18
cは、夫々、母線がV方向に延びたシリンドリカルレン
ズを組合せてなり、シリンドリカルレンズアレイ18
b,18dは、夫々、母線がU方向に延びたシリンドリ
カルレンズを組合せてなる。
【0040】アレイ18a,18cは、該アレイを構成
する各シリンドリカルレンズに入射したビーム部分をU
W面内で集光すべく働く。すなわち、ビームB1の複数
のビーム部分は、アレイ18aの各シリンドリカルレン
ズによってアレイ18cの手前で別々に集束された後拡
がってアレイ18cに入射し、アレイ18cで発散角が
低減された後、アレイ18cから少し離れて位置する集
光レンズ19によって被加工物6の被加工表面5上の同
一領域5aに細く集光され該領域5a上で重なり合って
ホモジナイズされる。すなわち、ビームB1は、アレイ
18a,18c及び集光レンズ19によってU方向に重
なり合ってホモジナイズされつつ細く絞られる。一方、
アレイ18b,18dは、該アレイを構成する各シリン
ドリカルレンズに入射したビーム部分をVW面内で集光
すべく働く。ビームB1の複数のビーム部分は、アレイ
18bの各シリンドリカルレンズによって集束されつつ
アレイ18bに近接したアレイ18dに入射し、アレイ
18dによって集光レンズ19の焦点よりもレンズ19
に近接したところで一旦集束された後拡がりつつ集光レ
ンズ19に入り、該集光レンズ19で少し集光された発
散性又は収束性ビームの形で被加工物6の被加工面5の
同一領域5aに重ね合わされてホモジナイズされる。す
なわち、ビームB1は、アレイ18b,18d及び集光
レンズ19によってV方向に、重ね合わされホモジナイ
ズされて被加工面5上に照射される。その結果、ホモジ
ナイザ11は、ビームB1を、U方向及びV方向の両方
向に混ぜ合わせてビームB1のビーム断面内での強度を
均一化(ホモジナイズ)しつつ、U方向には細くV方向
に長い線状又は細長矩形状断面のビームB2として被加
工物6の被加工面5に照射される。従って、ホモジナイ
ザ11がその回転軸線C2(すなわちW軸)のまわりで
ある角度(例えば2θ)回転すると、V軸方向に細長い
領域5aも軸線C2のまわりで、同じ角度(例えば2
θ)回転することになる。
【0041】以上のように構成された本発明による好ま
しい一実施例のレーザ加工装置1において、当初、ξ方
向がX方向と一致するように回転光学素子9が配置さ
れ、U方向がX方向と一致するようにホモジナイザ11
が配置されているとして、次に、レーザ加工装置1の動
作について説明する。
【0042】X,ξ,U軸が同一方向を向いている場
合、エキシマレーザ発振器2から図2の(a1)で示し
たようなほぼ矩形のビーム断面で、(b1)及び(c
1)に示したようなY,X方向の強度(I)分布を有す
るロービームB0が光学系4を介して出されたとする。
ここでは、エキシマレーザ発振器2の放電方向Yに直交
する方向Xの強度Iの分布(c1)が疑似ガウシアンタ
イプの強度Iの分布(c1)であるのに対して、放電方
向Yについての強度Iの分布(b1)は、X方向よりも
拡がりが大きい(わずかにトップフラット)と想定して
いる。ロービームB0がX軸に対して対称な分布を有す
るとすると、回転光学素子9でξ方向について反転され
た結果得られるビームB1のビーム断面、η方向に一致
するY方向の強度分布、及びξ方向に一致するX方向の
強度分布は、図2の(a2),(b2)及び(c2)に
示すように、ビームB0と実際上同様である。従って、
X軸と一致する向きにU軸を有するホモジナイザ11
は、ビームB1をX軸(U軸)方向にホモジナイズし且
つ集光すると共にV軸に一致するY軸方向にホモジナイ
ズしてなる細長い断面のビームB2を、図2の(a
3),(b3)及び(c3)に示したようなビーム断
面、Y(V)軸方向強度分布、及びU(X)軸方向強度
分布で被加工面5の領域5aに照射する。
【0043】この場合、ビームB2は、図3の(a)で
示したように、アモルファスシリコン膜のように、処理
チャンバ内においてXY平面内で並進移動可能に支持体
上に載置された被加工物6の被加工表面5に対して、処
理チャンパのレーザビーム透過窓を介して、Y方向に延
びた細長い領域5a1に照射される。従って、例えば被
加工物6を担持した支持体などを−X方向に並進移動さ
せることによって、帯状の照射軌跡20aに沿ってアモ
ルファスシリコン膜の多結晶化を行ったり、該多結晶シ
リコンを安定化させるようなアニーリングを行い得る。
なお、ここで、被加工物6の被加工表面5についての走
査方向X,Yは、ビームホモジナイザ11と被加工物6
との間に配置される光学系に応じて読み替えるべきもの
である。すなわち、例えば、図1において想像線M5で
示すように45°傾斜した偏向(ターン)ミラーをビー
ムホモジナイザ11と被加工物6との間に配置してY又
は−Y方向にビームB2の向きを変えて被加工面5にビ
ームB2を照射するようにする場合、被加工面5上の
X,Y方向は、床に固定した系ではX,Z方向と読み替
えるべきであることは明らかであろう。
【0044】次に、例えば、回転制御装置10aによっ
てビーム回転光学素子9をζ軸(Z軸)に沿った回転軸
線C1のまわりでθ回転させると、ロービームB0は、
回転光学素子9によって前述の(式1)で示した変換行
列に従って変換され、ビームB1として出射される。こ
の出射ビームB1は、図2の(d2)に示したようなビ
ーム断面を有し、元の状態に対して2θ回転されてい
る。なお、このビームB1は、回転光学素子9に固定し
た座標軸ξ,ηに対してθ回転した座標系U,Vでみた
場合、図2の(c2)及び(b2)においてξをUと読
み替え、ηをVと読み替えたような強度分布を有する。
角度2θ回転したビームB1は、ホモジナイザ11に入
射されるが、ホモジナイザ11も回転制御装置10bに
よって2θ回転されるのでビームB1とホモジナイザ1
1との相対的な位置関係は変わらないから、元の状態に
対して2θ回転している点を除いて回転前と同様な、
(d3)に示したビーム断面のビームB2がホモジナイ
ザ11から出射される。このビームB2は、ホモジナイ
ザ11に固定された座標系U,Vでみて(b3),(c
3)に示した強度分布のビームを2θ回転させたもので
ある。従って、エキシマレーザ発振器2のように出射ロ
ービームB0のビーム断面での特性に方向依存性がある
場合でも、該方向依存性に影響を受けることなく、均一
化ビームB2を回転させ得る。
【0045】ここで得られるビームB2は、図3の
(c)で示したように、アモルファスシリコン膜5の被
加工表面5上でY方向に対して2θ傾いた方向に延びた
細長い領域5a2に照射される。従って、例えば被加工
物6を担持した支持体などを−X方向に並進移動させる
ことによって、帯状の照射軌跡20bに沿ってアモルフ
ァスシリコンを多結晶化したり、多結晶シリコンを安定
化させるようなアニーリングを行ない得る。この場合、
例えばシリコン膜上でX,Y方向に対して斜め方向(Y
方向に対して2θ傾いた方向)に沿ってシリコン膜の多
結晶化特性をほぼ一様にし得、走査の際、ロービームB
0の強度の変動等によって隣接走査部分のアニーリング
特性がばらついても、同一特性を有する線状の部分が
X,Y軸方向に対して傾くことになるから、例えば液晶
表示の際、X,Y軸方向に沿って表示にムラがでるのを
避け得る。
【0046】なお、上記の角度θとしては任意の大きさ
を採り得るから、例えばθを45°にすることによっ
て、図3の(b)に示したように、Y方向に対して90
°の方向(X軸方向)に延びた領域5a3に照射するよ
うにすることも勿論可能である(走査はY方向)。
【0047】上記の動作は、初期状態として軸X,軸ξ
及び軸Uの相対回転位置をどうとるかには依存しないこ
とは明らかであろう。従って、ホモジナイザ11からの
射出ビームB2のビーム部分が重なり合ってホモジナイ
ズされるような光路長のところに被加工物6が配置され
るようにレーザ加工装置1が構成されているという前提
で考えると、予めなすべきことは、ロービームB0のビ
ーム断面の方向依存性を考慮してホモジナイザ11に入
射すべきビーム断面の向き(ビーム軸のまわりでの回
転)を決めておくことである。ホモジナイザ11で均一
化されるべきビーム断面の取り方が一旦決まると、この
条件を満たすように、回転光学素子9の初期回転角及び
ホモジナイザ11の初期回転角を決めればよい。その後
は、回転光学素子9の初期位置からの回転角の二倍の角
度でホモジナイザ11を回転するように夫々の回転制御
装置10a,10bの回転制御動作を制御装置10cで
制御すればよい。
【0048】レーザビームB0,B1,B2の分散が実
際上問題にならない場合には、ビーム回転光学素子とし
ては、図1に示したように、三つの反射面を有するタイ
プのもの9の代わりに、図4に示したように、入射屈折
面R1及び出射屈折面R2と中間の反射面M4とを有す
るタイプのもの25を用いてもよい。このダブプリズム
形式のビーム回転光学素子25において、反射面M4は
図1の反射面M2と同様に機能し、屈折面R1,R2
は、図1の反射面M1,M3と同様に機能する。ダブプ
リズム25の頂角の大きさや各面のサイズは、回転軸線
C1に平行に入射したロービームB0が軸線C1に一致
する回転軸線C2に平行に出射するようにしておけばよ
い。なお、反射面M4で全反射が起こるような形状にし
ておくことが好ましいが、場合によっては、面M4に反
射膜を形成するようにしてもよい。ビーム回転光学素子
9の代わりにビーム回転光学素子25を備えたレーザ加
工装置30も、レーザ加工装置1と実際上同様に機能し
得ることは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による好ましい一実施例のレーザ加工装
置の模式的説明図。
【図2】図1の装置におけるビームの種々の特性の説明
図。
【図3】図1の装置を用いたレーザ加工の一例の模式的
説明図。
【図4】図1の装置の変形例の説明図。
【図5】従来のレーザビーム回転装置の模式的説明図。
【符号の説明】
1,30 レーザ加工装置 2 レーザ発振器 3 ビーム回転機能付ホモジナイザ装置 5 被加工物 5a 被加工領域 6 被加工面 7,8 放電電極 9,25 ビーム回転光学素子 10a,10b 回転制御装置 11 ビームホモジナイザ(素子) 15 回転体 16 交線 18a,18b,18c,18d シリンドリカルレン
ズアレイ 19 集光レンズ 20a,20b 走査軌跡 B0 レーザロービーム B00,B01,B02 ビーム部分 B1 ビーム回転光学素子からの出射ビーム B10,B11,B12 ビーム部分 B2 ホモジナイザでホモジナイズされたビーム C0 ロービームのビーム中心軸 C1 ビーム回転光学素子の回転軸線 C2 ホモジナイザの回転軸線 I 強度 M1,M2,M3,M4 反射面 R1,R2 屈折面 S,S1 鏡映対称面 U,V,W 三次元直交座標系(ホモジナイザ) X,Y,Z 三次元直交座標系(床) ξ,η,ζ 三次元直交座標系(ビーム回転光学素子) φ 角度(入射角) θ 回転角
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−291318(JP,A) 特開 平7−47481(JP,A) 特開 平5−102062(JP,A) 特開 平8−286382(JP,A) 特開 平6−327710(JP,A) 特開 平5−217851(JP,A) 特開 平1−152411(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02B 27/09 G02B 26/00 H01L 21/268 G03F 7/20

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入射ビームに対して実質上平行な軸線の
    まわりでθ回転された際、出射ビームを該ビームのビー
    ム軸のまわりで2θ回転させるビーム回転光学素子と、 このビーム回転光学素子からの出射ビームが入射される
    ビームホモジナイザ素子と、 ビーム回転光学素子がθ回転された際ホモジナイザ素子
    を該ホモジナイザ素子への入射ビームのビーム軸のまわ
    りで2θ回転させるホモジナイザ素子回転手段とを有す
    るビーム回転機能付ホモジナイザ装置。
  2. 【請求項2】 ビーム回転光学素子が、該素子の回転軸
    線に平行に入射する入射ビームを、該回転軸線を含む一
    平面に関して鏡映対称なビームに変換して出射するよう
    に構成されている請求項1に記載のホモジナイザ装置。
  3. 【請求項3】 ビーム回転光学素子が、三つの反射面を
    有する請求項2に記載のホモジナイザ装置。
  4. 【請求項4】 ビーム回転光学素子が、入射及び出射屈
    折面、並びにこれら二つの屈折面の間に位置する反射面
    を有する請求項2に記載のホモジナイザ装置。
  5. 【請求項5】 ビーム断面内の方向により異なる特性を
    有するビームを出射するレーザ発振器と、このレーザ発
    振器から出射されたビームが入射される請求項1から4
    までのいずれか一つの項に記載のホモジナイザ装置とを
    有し、ホモジナイザ装置からの出射ビームが被加工物上
    でホモジナイズされるように構成されているレーザ加工
    装置。
  6. 【請求項6】 レーザ発振器がエキシマレーザ発振器か
    らなり、ホモジナイザ装置からの出射ビームが薄膜上で
    走査されて該薄膜をアニーリングするように構成されて
    いる請求項5に記載のレーザ加工装置。
  7. 【請求項7】 入射ビームに対して実質上平行な軸線の
    まわりにおける回転角の二倍の角度だけ出射ビームを該
    ビームのビーム軸のまわりで回転させるビーム回転光学
    素子を該素子に入射するレーザビームのビーム軸に平行
    な軸線のまわりで回転させることにより該素子からの出
    射レーザビームをそのビーム軸のまわりで回転させてビ
    ームホモジナイザ素子に入射させると共に、該ホモジナ
    イザ素子に入射するレーザビームのビーム軸のまわりで
    該ホモジナイザ素子をビーム回転光学素子の回転角の二
    倍の角度回転させることからなるレーザビーム回転方
    法。
  8. 【請求項8】 請求項7に記載のビーム回転方法を用い
    たレーザ加工方法であって、ホモジナイザ素子からのビ
    ームを被加工物上でホモジナイズするようにして被加工
    物に対して走査することからなるレーザ加工方法。
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