JP3654357B2 - レーザビーム長尺化装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビーム長尺化装置に関し、特にレーザアニールに用いられる線状の断面を有する光線束の形成に適したレーザビーム長尺化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図3に、特開2000−91231号公報に開示されたレーザアニール装置の概略図を示す。基板110の上に、複数の半導体レーザ装置111がアレイ状に配置されている。アレイ状の半導体レーザ装置111は、ビーム断面が直線状の光線束を形成する。半導体レーザ装置111から出射したレーザビームが、ホモジナイザ113に入射し、光強度が均一化される。
【0003】
ホモジナイザ113で光強度が均一化された光線束が、レンズ系114により収束され、走査用ミラー118で反射して被照射体115に入射する。走査用ミラー118で光線束を走査することにより、被照射体115の表面の広い領域に光線束を入射させることができる。
【0004】
レーザ光源として半導体レーザ装置を用いているため、ガスレーザ発振器を用いた場合に比べて出力の安定した光線束を得ることができる。また、複数の半導体レーザ装置をアレイ状に並べているため、容易に、一方向に長い長尺の断面を有する光線束を形成することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
図3に示したレーザアニール装置では、半導体レーザ装置111が配列したアレイの長さよりも長い長尺の光線束を形成することはできない。
【0006】
本発明の目的は、レーザビームのビーム断面をより長尺化することが可能なレーザビーム長尺化装置を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、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が入射し、入射したレーザビームを導波させる光導波部材とを有し、前記光導波部材は、前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射する入射表面と、前記入射表面から入射し、前記光導波部材内を伝搬するレーザビームを、該光導波部材内に向けて散乱させる散乱面と、前記散乱面で散乱された散乱光が外部に出射する一方向に長い出射表面と、前記散乱面で散乱された散乱光を前記出射表面まで導波させ、前記散乱面から前記出射表面に近づくに従って徐々に薄くなっている板状の導波構造とを有するレーザビーム長尺化装置が提供される。
【0008】
出射表面に近づくに従って、導波構造が徐々に薄くなっているため、断面が細長い光線束を出射表面から出射させることができる。
【0009】
本発明の他の観点によると、一方向に長い線状のビーム断面を有する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が入射し、入射したレーザビームを導波させる光導波部材とを有し、前記光導波部材は、前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射する入射表面と、前記入射表面から入射し、前記光導波部材内を伝搬するレーザビームを、該光導波部材内に向けて散乱させる散乱面と、前記散乱面で散乱された散乱光が外部に出射する一方向に長い出射表面とを有し、該光導波部材は、前記入射表面から入射したレーザビームと前記散乱面との交線の長さが、該光導波部材に入射する前のレーザビームのビーム断面の長尺方向の長さの2 1/2 倍よりも長くなるように配置されており、さらに、前記光導波部材から出射した散乱光を、前記出射表面の長さ方向と直交する方向に関して収束させ、直線状の領域に集光させる第1の収束レンズを有するレーザビーム長尺化装置が提供される。
【0010】
一方向に長い出射表面が線状の光源となり、断面が一方向に長い長尺の光線束を得ることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1に、本発明の第1の実施例によるレーザビーム長尺化装置の概略図を示す。レーザ光源1が、線状のビーム断面を有するレーザビームL1を出射する。レーザ光源1は、図3に示した従来例と同様に、複数の半導体レーザ装置をアレイ状に配置した構造を有する。半導体レーザ装置として、波長が約300nmのものから約1000nmのものまでがあり、出力が数十mWのものから1000W級のものまで使用することができる。なお、出力が1000W級の半導体レーザは、複数個のレーザダイオードをまとめてユニット化したものである。
【0012】
レーザ光源1から出射したレーザビームL1が、シリンドリカルレンズ2及び3を通過して光導波部材4に入射する。シリンドリカルレンズ2は、レーザビームL1を、その短尺方向に関して収束させ、ほぼ平行な光線束とする。シリンドリカルレンズ3は、レーザビームL1を、その長尺方向に関して収束させ、ほぼ平行な光線束L2とする。
【0013】
光導波部材4は、底面が等脚台形で、底面と側面とが直交する四角柱形状の光学媒質、例えば石英またはBK7等で形成されている。例えば、等脚台形の長い底辺は30mm、短い底辺は0.1mm、高さは100mmである。また、四角柱の高さは200mmである。
【0014】
一方の底面(入射表面4a)は無反射コーティングされており、レーザビームL2が入射表面4aを通って光導波部材4内に入射する。入射したレーザビームL2が、等脚台形の2つの底面の中心軸を含む仮想平面(中心面)に沿って伝搬し、等脚台形の長い底辺に連続する側面(散乱面4b)に入射するように、光導波部材4が配置されている。
【0015】
レーザビームL1及びL2の波長をλとしたとき、散乱面4bの面粗度はλ/2〜5λ程度である。散乱面4bへのレーザビームL1の入射角は、45°よりも大きい。すなわち、レーザビームL2と散乱面4bとの交線の長さが、シリンドリカルレンズ3を通過した後のレーザビームL2のビーム断面の長尺方向の長さの21/2倍よりも長くなる。例えば、入射角は60°に設定される。
【0016】
散乱面4bに入射したレーザビームL2は、光導波部材4の内部に向かって散乱される。等脚台形の底面の斜辺に連続する2つの側面(反射面4d及び4e)は高反射コーティングされており、散乱光を全反射する。等脚台形の短い底辺に連続する側面(出射表面4c)は無反射コーティングされている。
【0017】
散乱面4bで散乱された散乱光は、図1(B)に示すように、2枚の反射面4d及び4eで反射を繰り返しながら出射表面4cまで到達する。出射表面4cまで到達した散乱光は、光導波部材4の外部に出射する。出射表面4cが線光源となり、ビーム断面が一方向に長い長尺光線束が得られる。
【0018】
XYテーブル5が、被照射体10を、その被照射面が出射表面4cに微小間隙を隔てて対向するように保持する。被照射体10は、例えば、表面上にアモルファスシリコン膜が形成されたガラス基板である。出射表面4cから出射した光線束が被照射体10に入射する。入射した光線束のエネルギにより、アモルファスシリコン膜が多結晶化される。XYテーブル5を駆動して、被照射体10を、出射表面4cの短尺方向に移動させることにより、被照射体10の広い領域に光線束を入射させることができる。
【0019】
散乱面4bでレーザビームL1を散乱させることにより、ビーム断面の長尺方向に関する光強度を均一化させることができる。また、光導波部材4の出射表面4cの幅を変えることにより、長尺光線束の断面の幅を変えることができる。
【0020】
また、散乱面4bへのレーザビームL2の入射角を変えると、レーザビームL2と散乱面4bとの交線の長さが変わる。この交線が長くなるような配置(すなわち、入射角を90°に近づける)とすることにより、断面がより長い光線束を形成することができる。
【0021】
図1(C)に示すように、等脚台形の長い底面4bをシリンドリカルな凹面の散乱面とし、側面4d及び4eを、シリンドリカル凸面鏡としてもよい。このような形状とすることにより、光学部材4内を伝搬する光を出射表面4cまで到達させやすくなる。
【0022】
また、光学部材4を、光学媒体の内部を光が伝搬する構造ではなく、散乱面と反射鏡で構成した中空の構造としてもよい。例えば、図1(B)の等脚台形の長い底面4bを散乱面とし、側面4d及び4eを反射鏡とし、短い底面4cを開口部とした光導波部材を用いることができる。
【0023】
上記第1の実施例では、光導波部材4の底面を等脚台形としたが、その他の形状としてもよい。例えば、散乱面4bから出射表面4cに近づくに従って、2枚の反射面の間隔が徐々に狭くなるような形状であればよい。
【0024】
また、等脚台形の2つの底面の中心軸を含む平面(中心平面)上で屈折率が最大になり、この中心平面から離れるに従って屈折率が小さくなるような光学媒質を用いることも可能である。このような光学媒質を用いる場合、中心平面の両側の等屈折率面の間隔が、散乱面4bから出射表面4cに近づくに従って徐々に狭くなるような屈折率分布とすることにより、光線束の断面を細長く整形することができる。このように、散乱面から出射表面に近づくに従って徐々に薄くなるような板状の導波構造としてもよい。
【0025】
なお、第1の実施例では、シリンドリカルレンズ3でレーザビームL1を、その長尺方向に関して収束(平行化)させた後に、光導波部材4に入射させたが、シリンドリカルレンズ3を配置しなくてもよい。シリンドリカルレンズ3を配置しない場合には、レーザビームL1は、その長尺方向に関して広がりながら散乱面4bに入射する。散乱面4bで散乱された後の光線束の伝搬の様子は、上記第1の実施例の場合と同様である。
【0026】
また、第1の実施例では、光導波部材4の形状を、2つの底面の形状及び大きさが等しい四角柱としたが、必ずしも2つの底面の形状及び大きさを等しくする必要はない。例えば、入射表面4aの等脚台形の高さを、他方の底面の等脚台形の高さより高くしてもよい。また、散乱面4bの幅を、入射表面4aから遠ざかるに従って広くしてもよい。
【0027】
図2に、第2の実施例によるレーザビーム長尺化装置の概略図を示す。第1の実施例の構成と同様のレーザ光源1、シリンドリカルレンズ2及び3により、一方向に長いビーム断面を有する平板状のレーザビームL2が形成される。レーザビームL2が、光導波部材20に入射する。
【0028】
光導波部材20は、底面が直角三角形の三角柱形状の光学媒質で形成されている。底面の直角三角形の直角を挟む2つの辺の長さは、それぞれ30mm、及び200mmであり、斜辺の長さは(302+2002)1/2mmである。三角柱の高さ(厚さ)は、10mmである。
【0029】
直角三角形の底面の直角を挟む短い方の辺に連続する側面(入射表面20a)が無反射コーティングされており、レーザビームL2が入射表面20aに垂直入射する。光導波部材20に入射したレーザビームは、直角三角形の斜辺に連続する側面(散乱面20b)に入射し、光導波部材20内に向かって散乱される。第1の実施例の場合と同様に、散乱面20bへの入射角は45°よりも大きい。
【0030】
直角三角形の直角を挟む長い方の辺に連続する側面(出射表面20c)が無反射コーティングされている。また、光導波部材20の2つの底面は高反射コーティングされている。散乱面20bで散乱された散乱光は、光導波部材20内を伝搬し、出射表面20cを通って外部に出射される。このため、出射表面20cが線状の光源となる。この光源の長さは、入射表面20aにおけるレーザビームL2の幅よりも長い。
【0031】
出射表面20cから出射された光線束は、凸シリンドリカルレンズ21に入射する。凸シリンドリカルレンズ21は、出射表面20cを、その短尺方向に関して結像させる。結像位置にマスク22が配置されている。マスク22には、出射表面20cの像に対応するスリットが形成されている。
【0032】
マスク22のスリットを通過した光線束が凸シリンドリカルレンズ23に入射する。凸シリンドリカルレンズ23は、マスク22のスリットを、その短尺方向に関して、XYテーブル5の上に保持された被照射体10の表面上に結像させる。
【0033】
マスク22により、光線束の断面を整形することができる。また、シリンドリカルレンズ23の結像倍率を変えることにより、被照射体10の表面における光線束の単位時間あたりのエネルギ密度を調整することができる。
【0034】
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。
【0035】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、レーザビームを散乱させ、板状の光導波部材内を伝搬させることにより、断面が長尺の光線束を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施例によるレーザビーム長尺化装置の概略図である。
【図2】 本発明の第2の実施例によるレーザビーム長尺化装置の概略図である。
【図3】 従来のレーザアニール装置の概略図である。
【符号の説明】
1 レーザ光源
2、3、21、23 シリンドリカルレンズ
4、20 光導波部材
5 XYテーブル
10 被照射体
22 マスク
Claims (5)
- 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が入射し、入射したレーザビームを導波させる光導波部材と
を有し、
前記光導波部材は、
前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射する入射表面と、
前記入射表面から入射し、前記光導波部材内を伝搬するレーザビームを、該光導波部材内に向けて散乱させる散乱面と、
前記散乱面で散乱された散乱光が外部に出射する一方向に長い出射表面と、
前記散乱面で散乱された散乱光を前記出射表面まで導波させ、前記散乱面から前記出射表面に近づくに従って徐々に薄くなっている板状の導波構造と
を有するレーザビーム長尺化装置。 - 前記導波構造が、前記光導波部材の表面で画定された相互に向かい合う一対の反射面を含み、前記散乱面で散乱された散乱光が該一対の反射面で反射を繰り返しながら前記出射表面まで導波され、前記散乱面から前記出射表面に近づくに従って該一対の反射面の間隔が徐々に狭くなっている請求項1に記載のレーザビーム長尺化装置。
- 前記レーザ光源が、直線状に配列した複数の半導体レーザ装置を含み、複数の半導体レーザ装置から出射したレーザビームが平板状のレーザビームを形成し、
前記散乱面と前記平板状のレーザビームとの交線の長さが、前記入射表面における前記平板状のレーザビームの幅の21/2倍よりも長い請求項1または2に記載のレーザビーム長尺化装置。 - 一方向に長い線状のビーム断面を有する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が入射し、入射したレーザビームを導波させる光導波部材と
を有し、
前記光導波部材は、
前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射する入射表面と、
前記入射表面から入射し、前記光導波部材内を伝搬するレーザビームを、該光導波部材内に向けて散乱させる散乱面と、
前記散乱面で散乱された散乱光が外部に出射する一方向に長い出射表面と
を有し、
該光導波部材は、前記入射表面から入射したレーザビームと前記散乱面との交線の長さが、該光導波部材に入射する前のレーザビームのビーム断面の長尺方向の長さの2 1/2 倍よりも長くなるように配置されており、
さらに、前記光導波部材から出射した散乱光を、前記出射表面の長さ方向と直交する方向に関して収束させ、直線状の領域に集光させる第1の収束レンズを有するレーザビーム長尺化装置。 - 前記第1の収束レンズは、前記出射表面の長さ方向と直交する方向に関して、前記出射表面の像を形成し、さらに、
前記出射表面の像が形成される位置に配置され、該出射表面の像に沿ったスリットが形成されたマスクと、
レーザビームを照射すべき被照射物を保持するテーブルと、
前記スリットの長さ方向と直交する方向に関して、前記マスクのスリットを、前記テーブル上に保持された被照射物の表面上に結像させる第2の収束レンズとを有する請求項4に記載のレーザビーム長尺化装置。
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