JP3891978B2

JP3891978B2 - 光学装置及び強度分布制御方法

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Publication number: JP3891978B2
Application number: JP2003386175A
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Inventors: 滋田口
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Publication date: 2007-03-14
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Description

本発明は、レーザ光のビーム断面内における強度分布を均一化するホモジナイザを備えた光学装置及び強度分布制御方法に関する。

レーザ光のビーム断面内における強度分布（以下、プロファイルという。）を均一化するものとしてホモジナイザが知られている。例えば、一対のシリンダアレイと、フォーカスレンズとを備えたホモジナイザがある。このホモジナイザに入射するレーザ光の光軸と平行な方向をＺ方向とするＸＹＺ直交座標系を考えたとき、シリンダアレイの各々は、レンズ光軸方向をＺ方向と平行にし、円柱面の母線方向をＹ方向と平行にしたシリンドリカルレンズが、Ｘ方向に複数個（Ｎ個とする。）配列されて構成される。このようなシリンダアレイが、Ｚ方向に前後２段に配置される。前段のシリンダアレイを構成するシリンドリカルレンズのレンズ光軸が、後段のシリンダアレイを構成する対応するシリンドリカルレンズのレンズ光軸と一致する。一対のシリンダアレイのＺ方向後段に、フォーカスレンズが配置される。

一対のシリンダアレイによって、１本のレーザ光が、そのビーム断面内の位置に関してＸ方向にＮ本のレーザ光に分割される。分割されたＮ本のレーザ光は、フォーカスレンズによって被照射面内の共通の領域に重ね合わされる。これにより、分割された各レーザ光のプロファイルが、その共通の領域内において足し合わされる。その結果、元のレーザ光のプロファイルよりも均一化されたプロファイルが得られる。

下記特許文献１には、ホモジナイザを用いて、所望形状のプロファイルを得る技術が開示されている。この技術では、上記一対のシリンダアレイによって構成されるＮ組の前後一対のシリンドリカルレンズのうち、ある前後一対のシリンドリカルレンズ間の光路長を、他の前後一対のシリンドリカルレンズ間の光路長とは異ならせる。分割された各レーザ光の被照射面におけるプロファイルは、そのレーザ光が通る前後一対のシリンドリカルレンズ間の光路長に依存する。そのため、ある前後一対のシリンドリカルレンズ間の最適な光路長を見い出すことにより、被照射面におけるプロファイルを所望形状とすることができる。

特開２００１−１５６０１６号公報（第３−４頁、第１図）

ホモジナイザに入射するレーザ光のプロファイルは経時的に変化する。従って、たとえ前後一対のシリンドリカルレンズ間の光路長を最適な値に設定したとしても、入射するレーザ光のプロファイルそのものが変動してしまえば、被照射面内におけるプロファイルも所期のものとは異なってくる。そこで、被照射面におけるプロファイルを、所望の目標プロファイルに近づけることができるように制御する技術が望まれる。

なお、上記特許文献１の技術を用いてプロファイルを制御しようとする場合、前後一対のシリンドリカルレンズ間の光路長を調節する必要がある。そのためには、例えば、シリンドリカルレンズの各々を個別にそのレンズ光軸方向に移動させる機構をホモジナイザに組み込まなければならない。従って、ホモジナイザの構成が複雑化してしまう。

また、上記特許文献１の技術では、所望形状のプロファイルを得るためには、Ｎ組の前後一対のシリンドリカルレンズのうち、どの前後一対のシリンドリカルレンズ間の光路長を、どの程度の範囲内で調節すればよいかが判然としない。そこで、より容易に所望形状のプロファイルを得ることのできる技術が望まれる。

本発明の目的は、ホモジナイザを用いて、レーザ光のプロファイルを制御する技術を提供することにある。本発明の他の目的は、ホモジナイザの構成を複雑化させることなく、レーザ光のプロファイルを制御する技術を提供することにある。本発明のさらに他の目的は、ホモジナイザを用いて、所望形状のプロファイルを容易に得る技術を提供することにある。

本発明の一観点によれば、自己に入射する入射レーザ光のビーム断面内における強度分布を、前記入射レーザ光を、そのビーム断面内の位置に関して複数本のレーザ光に分割するとともに、分割された複数本のレーザ光を共通の領域に重ね合わせることによって、均一化するホモジナイザと、前記ホモジナイザによって強度分布が均一化されたレーザ光の当該強度分布を測定する強度分布測定手段と、前記強度分布測定手段の測定結果に基づいて、前記入射レーザ光のビーム幅を拡大及び縮小する可動式エキスパンダとを備えた光学装置が提供される。

ホモジナイザによって均一化された強度分布が、そのホモジナイザに入射する入射レーザ光のビーム幅に依存して変化する。従って、ビーム幅制御手段は、ホモジナイザによって均一化された強度分布を変化させるように、入射レーザ光のビーム幅を変化させることができる。これにより、入射レーザ光の強度分布に関係なく、所望形状の強度分布を容易に得ることができる。所望形状の強度分布を得るには、入射レーザ光のビーム幅を変化させるだけでよいから、ホモジナイザ自体の構成が複雑化することはない。

図１に、実施例に係るホモジナイザの構成を示す。このホモジナイザ３に入射するレーザ光（以下、入射レーザ光という。）Ｌの光軸と平行な方向をＺ方向とするＸＹＺ直交座標系を考える。図１(ａ)はＸＺ平面に平行な断面図であり、図１(ｂ)はＹＺ平面に平行な断面図である。ホモジナイザ３は、入射レーザ光Ｌのビーム幅を制限するビーム幅制限部材３０、一対のＸシリンダアレイ３１及び３２、一対のＹシリンダアレイ３３及び３４、並びにフォーカスレンズ３５を備える。

ビーム幅制限部材３０は、中央にレーザ光の通過を許容するレーザ光通過部としての開口３０ａが形成された遮光板からなる。ビーム幅制限部材３０の配置位置は、Ｚ方向に関して最前段である。Ｘ及びＹシリンダアレイ３１〜３４の各々は、複数個の互いに等価なシリンドリカルレンズからなる。１つのシリンドリカルレンズは、長手方向（円柱面の母線方向）に一様な断面形状をもち、その断面形状は、Ｚ方向に平行な直線に関して線対称である。

図１(ａ)に示すように、ビーム幅制限部材３０に形成された開口３０ａのＸ方向の幅は、Ｘシリンダアレイ３１及び３２のＸ方向の幅と等しい。Ｘシリンダアレイ３１及び３２の各々は、長手方向をＹ方向と平行にし、レンズ光軸方向をＺ方向と平行にしたシリンドリカルレンズが、Ｘ方向にＮ個（ここでは７個）配列されて構成されている。一対のＸシリンダアレイ３１及び３２は、Ｚ方向に前後２段に配置されている。前段のＸシリンダアレイ３１を構成する各シリンドリカルレンズのレンズ光軸が、後段のＸシリンダアレイ３２を構成する対応するシリンドリカルレンズのレンズ光軸と一致する。

これらＸシリンダアレイ３１及び３２が、ビーム幅制限部材３０に形成された開口３０ａを通過した入射レーザ光Ｌを、そのビーム断面内の位置に関して、Ｘ方向にＮ分割（ここでは７分割）する。なお、図１(ａ)には、分割されたレーザ光のうち、Ｘ方向中央と両端の３本のレーザ光のみを代表して示す。

図１(ｂ)に示すように、ビーム幅制限部材３０に形成された開口３０ａのＹ方向の幅は、Ｙシリンダアレイ３３及び３４のＹ方向の幅と等しい。Ｙシリンダアレイ３３及び３４の各々は、長手方向をＸ方向と平行にし、レンズ光軸方向をＺ方向と平行にしたシリンドリカルレンズが、Ｙ方向にＭ個（ここでは７個）配列されて構成されている。一対のＹシリンダアレイ３３及び３４は、Ｚ方向に前後２段に配置されている。前段のＹシリンダアレイ３３を構成する各シリンドリカルレンズのレンズ光軸が、後段のＹシリンダアレイ３４を構成する対応するシリンドリカルレンズのレンズ光軸と一致する。

これらＹシリンダアレイ３３及び３４が、ビーム幅制限部材３０に形成された開口３０ａを通過した入射レーザ光Ｌを、そのビーム断面内の位置に関して、Ｙ方向にＭ分割（ここでは７分割）する。なお、図１(ｂ)には、分割されたレーザ光のうち、Ｙ方向中央と両端の３本のレーザ光のみを代表して示す。

Ｚ方向に平行な視線で見て、Ｙシリンダアレイ３３及び３４を構成するシリンドリカルレンズの長手方向を、Ｘシリンダアレイ３１及び３２を構成するシリンドリカルレンズの長手方向と直交させたことにより、Ｙシリンダアレイ３３及び３４のレンズ作用と、Ｘシリンダアレイ３１及び３２のレンズ作用とが互いに独立のものとなる。Ｘシリンダアレイ３１及び３２は、ＹＺ平面内（図１(ｂ)参照）においてはレンズ作用をもたない透光板と等価であり、Ｙシリンダアレイ３３及び３４は、ＸＺ平面内（図１(ａ)参照）においてはレンズ作用をもたない透光板と等価である。

なお、前段のＹシリンダアレイ３３は、前段のＸシリンダアレイ３１よりもＺ方向に関して前段に配置され、後段のＹシリンダアレイ３４は、前段のＸシリンダアレイ３１と後段のＸシリンダアレイ３２との間に配置されている。但し、Ｘシリンダアレイ３１及び３２のレンズ作用と、Ｙシリンダアレイ３３及び３４のレンズ作用とは互いに独立であるため、これらＸ及びＹシリンダアレイ３１〜３４のＺ方向の配置順序は任意である。

Ｘ及びＹシリンダアレイ３１〜３４よりもＺ方向後段の位置に、フォーカスレンズ３５が配置されている。フォーカスレンズ３５が、Ｘ及びＹシリンダアレイ３１〜３４によって、ビーム断面内の位置に関して複数本に分割されたレーザ光群を、ホモジナイズ面Ｓ内の共通の照射領域に重ね合わせる。

図２に、図１に示したホモジナイザ３を備えたレーザ光照射装置を示す。光源１がレーザ光を放射する。光源１から放射されたレーザ光の光路上に、可動式エキスパンダ２、ホモジナイザ３、及びビームスプリッタ４がこの順に配置されている。

可動式エキスパンダ２は、光源１から放射されたレーザ光のビーム幅を可変に調節する。可動式エキスパンダ２を通過した入射レーザ光Ｌが、ホモジナイザ３に入射する。ホモジナイザ３は、ビーム幅が調節された入射レーザ光Ｌを、上述したように、そのビーム断面内の位置に関して複数本に分割するとともに、分割されたレーザ光群をホモジナイズ面に重ね合わせる。

ビームスプリッタ４は、ホモジナイザ３から出射されたレーザ光、即ち図１のフォーカスレンズ３５から出射する複数本のレーザ光群を２分岐する。分岐された一方のレーザ光群Ｌａは被照射面５に入射する。被照射面５には、レーザ光を照射すべき照射対象物が配置される。分岐された他方のレーザ光群Ｌｂは、モニタ用としてプロファイラ６に入射する。なお、レーザ光群Ｌａに対応するホモジナイズ面Ｓの位置が被照射面５となっており、レーザ光群Ｌｂに対応するホモジナイズ面Ｓの位置にプロファイラ６が配置されている。

プロファイラ６は、レーザ光群Ｌｂのホモジナイズ面におけるプロファイルを表すプロファイルデータ６１を測定する。プロファイルデータ６１は、レーザ光群Ｌｂのビーム断面内における位置と、その位置における光強度とを対応付けたデータである。レーザ光群Ｌｂのホモジナイズ面におけるプロファイルは、レーザ光群Ｌａの被照射面５におけるプロファイルと等しい。従って、プロファイルデータ６１から、被照射面５におけるプロファイルを知ることができる。

コントローラ７は、プロファイラ６の測定結果であるプロファイルデータ６１に基づいて、可動式エキスパンダ２を制御することにより、入射レーザ光Ｌのビーム幅を変化させる。

図３を参照して、入射レーザ光Ｌのビーム幅と、ホモジナイズ面（被照射面５）におけるプロファイルとの関係について説明する。図１を参照して説明したように、ホモジナイザ３では、ＸＺ面内のレンズ作用と、ＹＺ面内のレンズ作用とが互いに独立である。そこで、例としてＸＺ面内のみに着目して説明する。

図３(ａ)〜(ｃ)では、説明を簡単にするために、図１(ａ)に示した７つのシリンドリカルレンズからなるＸシリンダアレイ３１の代わりに、３つのシリンドリカルレンズからなるＸシリンダアレイ４０を用いた例を示す。つまり、入射レーザ光がＸ方向に３分割されることを想定する。なお、Ｘシリンダアレイ４０と対をなす等価なＸシリンダアレイ及びフォーカスレンズの図示は省略する。

図３(ａ)〜(ｃ)中、波形Ｐ_１〜Ｐ_６及びＡ_２〜Ｊ_２は、それぞれレーザ光のビーム断面内における位置をＸＹ平面内にとり、その面内の位置における光強度をＺ方向にとって表した二次元プロファイルの、ＸＺ平面に平行な断面と等価な一次元プロファイルを模式的に示す。これらのプロファイルにおいてＸ方向の軸は、ビーム断面内におけるＸ方向のビーム幅を表す直線上の位置を示す。

図３(ａ)は、図２の可動式エキスパンダ２によって、入射レーザ光ＬのＸ方向のビーム幅が、Ｘシリンダアレイ４０のＸ方向の幅と等しく調節された状態を示す。入射レーザ光Ｌは、Ｘ方向端部に近づくに従って強度が低下したプロファイルＰ_１をもつ。入射レーザ光ＬがＸ方向に３分割されることに対応して、プロファイルＰ_１がＸ方向に３分割される。入射レーザ光ＬのＸ方向のビーム幅が、Ｘシリンダアレイ４０のＸ方向の幅と等しいので、プロファイルＰ_１は、Ｘシリンダアレイ４０を構成する各シリンドリカルレンズのＸ方向の幅ずつ均等に、プロファイルＡ_１、Ｂ_１、及びＣ_１に３分割される。

プロファイルＡ_１、Ｂ_１、及びＣ_１をもつレーザ光が、それぞれホモジナイズ面においてプロファイルＡ_２、Ｂ_２、及びＣ_２をもつ。これらのプロファイルＡ_２、Ｂ_２、及びＣ_２は、それぞれ元のプロファイルＡ_１、Ｂ_１、及びＣ_１をＸ方向に引き伸ばしたものに等しい。Ｘ方向に３分割されたレーザ光群が、ホモジナイズ面内の共通の照射領域に重ね合わされることに対応して、プロファイルＡ_２、Ｂ_２、及びＣ_２がその照射領域で足し合わされる。その結果、プロファイルＰ_２が得られる。

プロファイルＢ_２は、元のプロファイルＰ_１の略平坦なＸ方向中央部分のプロファイルＢ_１を引き伸ばしたものであるため、略平坦な形状をなす。プロファイルＡ_２とＣ_２とは、ともにＸ方向一端部から他端部にかけて次第に減少しているが、両者はＸ方向に関して反転させた関係にある。従って、プロファイルＡ_２、Ｂ_２、及びＣ_２を足し合わせた結果、Ｘ方向の強度分布が略平坦なプロファイルＰ_２が得られている。

図３(ｂ)は、図２の可動式エキスパンダ２によって、入射レーザ光ＬのＸ方向のビーム幅が、Ｘシリンダアレイ４０のＸ方向の幅よりも大きく調節された状態を示す。入射レーザ光Ｌの中心光軸を移動させることなくそのＸ方向のビーム幅を拡大させている。入射レーザ光ＬのＸ方向のビーム幅が、Ｘシリンダアレイ４０のＸ方向の幅よりも大きい場合には、入射レーザ光の一部が、図１のビーム幅制限部材３０によって遮光される。

入射レーザ光Ｌのうちビーム幅制限部材３０に形成された開口３０ａを通過したレーザ光のプロファイルが、Ｘシリンダアレイ４０を構成する各シリンドリカルレンズのＸ方向の幅ずつ均等に、プロファイルＤ_１、Ｅ_１及びＦ_１に３分割される。なお、入射レーザ光のプロファイルＰ_３の末端部分のプロファイルＧ_１及びＨ_１は、それぞれビーム幅制限部材３０によって遮光されるレーザ光のプロファイルである。

プロファイルＤ_１、Ｅ_１、及びＦ_１をもつレーザ光が、それぞれホモジナイズ面においてプロファイルＤ_２、Ｅ_２、及びＦ_２をもつ。これらのプロファイルＤ_２、Ｅ_２、及びＦ_２は、それぞれ元のプロファイルＤ_１、Ｅ_１、及びＦ_１をＸ方向に引き伸ばしたものに等しい。プロファイルＥ_２は、元のプロファイルＰ_３の略平坦なＸ方向中央部分のプロファイルＥ_１を引き伸ばしたものであるため、略平坦な形状をなす。プロファイルＤ_２とＦ_２とは、ともにＸ方向一端部から他端部にかけて次第に減少しており、両者はＸ方向に関して反転させた関係にある。

しかし、元のプロファイルＰ_３の末端部分のプロファイルＧ_１及びＨ_１を利用しない結果、プロファイルＤ_２及びＦ_２の各々が、そのＸ方向中央部の強度がＸ方向一端部と他端部との平均強度よりも大きくなった分布をもつ。そのため、プロファイルＤ_２、Ｅ_２、及びＦ_２を足し合わせた結果、Ｘ方向中央部分がふくらんだプロファイルＰ_４が得られている。

図３(ｃ)は、図２の可動式エキスパンダ２によって、入射レーザ光ＬのＸ方向のビーム幅が、Ｘシリンダアレイ４０のＸ方向の幅よりも小さく調節された状態を示す。入射レーザ光Ｌの中心光軸を移動させることなくそのＸ方向のビーム幅を縮小させている。入射レーザ光ＬがＸ方向に３分割されることに対応して、入射レーザ光のプロファイルＰ_５がＸ方向にプロファイルＩ_１、Ｊ_１、及びＫ_１に３分割される。但し、入射レーザ光はシリンダアレイ４０の全領域に入射する訳ではないから、プロファイルＰ_５は均等には３分割されない。

プロファイルＩ_１、Ｊ_１、及びＫ_１をもつレーザ光が、それぞれホモジナイズ面においてプロファイルＩ_２、Ｊ_２、及びＫ_２をもつ。プロファイルＪ_２は、元のプロファイルＰ_５の略平坦なＸ方向中央部分のプロファイルＪ_１を引き伸ばしたものであるため、略平坦な形状をなす。プロファイルＩ_２及びＫ_２は、ともにＸ方向一端部から他端部にかけて次第に減少しており、両者はＸ方向に関して反転させた関係にある。

しかし、プロファイルＩ_１及びプロファイルＫ_１のＸ方向の幅が、プロファイルＪ_１のＸ方向の幅よりも短くなるようにプロファイルＰ_５が不均等に３分割された結果、プロファイルＩ_２及びＫ_２のＸ方向の幅が、ホモジナイズ面における共通の照射領域のＸ方向の幅よりも短くなっている。かかるプロファイルＩ_２及びＫ_２が、プロファイルＩ_２が共通の照射領域のＸ方向一端から他端へ向かって延在し、プロファイルＫ_２が共通の照射領域のＸ方向他端から一端に向かって延在するように配置される。そのため、プロファイルＩ_２、Ｊ_２、及びＫ_２を足し合わせた結果、Ｘ方向中央部分がへこんだプロファイルＰ_６が得られている。

以上のように、入射レーザ光ＬのＸ方向のビーム幅に依存して、ホモジナイズ面における二次元プロファイルの、ＸＺ平面に平行な断面と等価な一次元プロファイル（以下、Ｘ方向のプロファイルという。）が変化する。即ち、入射レーザ光のＸ方向のビーム幅によって、Ｘ方向のプロファイルを、プロファイルＰ_２のような平坦型、プロファイルＰ_４のような中ふくらみ型、及びプロファイルＰ_６のような中へこみ型のいずれにも整形できる。

なお、図３では、ＸＺ面内のレンズ作用に着目して説明たが、ＹＺ面内のレンズ作用に着目しても同様の結果が得られる。つまり、入射レーザ光ＬのＹ方向のビーム幅によって、ホモジナイズ面Ｓにおける二次元プロファイルの、ＹＺ平面に平行な断面と等価な一次元プロファイル（以下、Ｙ方向のプロファイルという。）も平坦型、中ふくらみ型、及び中へこみ型のいずれにも整形できる。

そこで、図２において、コントローラ７は、可動式エキスパンダ２を用いて入射レーザ光Ｌのビーム幅を変化させることにより、被照射面５（ホモジナイズ面）におけるプロファイルを制御できる。詳細には、コントローラ７は、プロファイルデータ６１によって特定される被照射面５における現在のプロファイルと、目標とするプロファイルとの比較結果に基づいて、被照射面５におけるプロファイルが目標とするプロファイルに近づくように、入射レーザ光Ｌのビーム幅を制御する。

これにより、例えば光源１のメンテナンス等に起因して入射レーザ光Ｌのプロファイルが変動した場合であっても、入射レーザ光Ｌのプロファイルに関係なく、被照射面５におけるプロファイルをリアルタイムに整形して、目標とするプロファイルの形状に一致させることができる。

なお、可動式エキスパンダ２は、入射レーザ光ＬのＸ方向のビーム幅を変化させるときには、同時にＹ方向のビーム幅も変化させる。従って、コントローラ７は、可動式エキスパンダ２を用いて入射レーザ光ＬのＸ方向及びＹ方向のビーム幅を同時に変化させることにより、ホモジナイズ面におけるＸ方向及びＹ方向のプロファイルを同時に制御できる。

以下、入射レーザ光Ｌのビーム幅と、ホモジナイズ面Ｓにおけるプロファイル形状との関係を具体的に調べた実験について説明する。

図４に、ホモジナイズ面におけるＸ方向のプロファイルを模式的に示す。このプロファイルは、図３のプロファイルＰ_２、Ｐ_４、及びＰ_６に対応する。横軸は共通の照射領域内におけるＸ方向の位置を示し、縦軸は光強度を示す。このプロファイルのＸ方向中央部の強度をＩ_ＯＸとし、Ｘ方向両肩部の強度（例えば、一方の肩部の強度と他方の肩部の強度との平均）をＩ_ｍＸとするとき、ホモジナイズ面におけるＸ方向のプロファイル均一度Ｋ_Ｘを次式で定義する。Ｋ_Ｘ＝（Ｉ_ＯＸ−Ｉ_ｍＸ）／（Ｉ_ＯＸ＋Ｉ_ｍＸ）

Ｉ_ＯＸ＞Ｉ_ｍＸのとき、即ちホモジナイズ面におけるＸ方向のプロファイルが中ふくらみ型のときは、Ｋ_Ｘの値が正となる。このとき、Ｋ_Ｘの絶対値が大きい程、プロファイルのＸ方向中央部のふくらみ方が大きいことを示す。

Ｉ_ＯＸ＜Ｉ_ｍＸのとき、即ちホモジナイズ面におけるＸ方向のプロファイルが中へこみ型のときは、Ｋ_Ｘの値が負となる。このとき、Ｋ_Ｘの絶対値が大きい程、プロファイルのＸ方向中央部のへこみ方が大きいことを示す。

Ｉ_ＯＸ＝Ｉ_ｍＸのとき、即ちホモジナイズ面におけるＸ方向のプロファイルが平坦型のときは、Ｋ_Ｘの値がゼロとなる。Ｉ_ＯＸの値がＩ_ｍＸの値に近づく程、即ちプロファイルが平坦型に近づく程、Ｋ_Ｘの値がゼロに近づく。

このように、Ｘ方向のプロファイル均一度Ｋ_Ｘによれば、その絶対値によってＸ方向のプロファイルの均一さの度合いが定量化され、さらにその符号によってＸ方向のプロファイルの型が中ふくらみ型なのか、或いは中へこみ型なのかが判別される。

図５に、入射レーザ光Ｌの実測されたプロファイルを示す。このプロファイルは、図３のプロファイルＰ_１、Ｐ_３、及びＰ_５に対応する。横軸はビーム断面内におけるＸ方向の位置を示し、縦軸は光強度を示す。このプロファイルをもつ入射レーザ光Ｌを上記ホモジナイザ３に入射させる。そして、その入射レーザ光ＬのＸ方向のビーム幅を上記可動式エキスパンダ２を用いて変化させながら、ホモジナイズ面ＳにおいてＸ方向のプロファイル均一度Ｋ_Ｘがどのように変化するかを調べた。その結果を図６に示す。

図６は、図５に示したプロファイルをもつ入射レーザ光ＬのＸ方向のビーム幅Ｄ_Ｘと、ホモジナイズ面ＳにおけるＸ方向のプロファイル均一度Ｋ_Ｘとの関係を示すグラフである。横軸がビーム幅Ｄ_Ｘを示し、縦軸が均一度Ｋ_Ｘを示す。この実験に用いたホモジナイザ３を構成する一対のＸシリンダアレイの各々は、１３個のシリンドリカルレンズからなる。Ｘシリンダアレイを構成する各シリンドリカルレンズのＸ方向の幅は８ｍｍである。即ち、各ＸシリンダアレイのＸ方向の幅は１０４ｍｍである。ビーム幅Ｄ_Ｘの値は４０ｍｍ〜１２０ｍｍの範囲内で変化させた。ビーム幅Ｄ_Ｘに対する均一度Ｋ_Ｘの値をプロットし、プロット間を滑らかな曲線でつないでこのグラフを得た。

ビーム幅Ｄ_Ｘが増加するに従って、均一度Ｋ_Ｘが振動するとともに、その振動が減衰している。振動の任意の１周期内における均一度Ｋ_Ｘの最大値は正の値であり、最小値は負の値である。任意の１周期内において均一度Ｋ_Ｘが最大値をとるときに、Ｘ方向のプロファイルがその１周期内において最もふくらんだ形状になり、均一度Ｋ_Ｘが最小値をとるときに、Ｘ方向のプロファイルがその１周期内において最もへこんだ形状になる。

ビーム幅Ｄ_Ｘに対する均一度Ｋ_Ｘの変化の仕方が連続的であるということは、任意の１周期内において、Ｘ方向のプロファイルの形状が最もふくらんだ状態と最もへこんだ状態との間で連続的に推移することを示す。その推移の過程で均一度Ｋ_Ｘがゼロになるときに、Ｘ方向のプロファイルの形状が平坦型になる。

Ｋ_Ｘの振動の１周期は、一つのシリンドリカルレンズのＸ方向の幅の２倍（１６ｍｍ）に等しい。従って、入射レーザ光ＬのＸ方向のビーム幅Ｄ_Ｘを、少なくともシリンドリカルレンズのＸ方向の幅の２倍分だけ変化させれば、その変化の過程で、ホモジナイズ面ＳにおけるＸ方向のプロファイルを、中ふくらみ型、平坦型、及び中へこみ型のいずれにも整形できる。同様に、入射レーザ光ＬのＹ方向のビーム幅を、Ｙシリンダアレイを構成する各シリンドリカルレンズのＹ方向の幅の２倍分だけ変化させれば、その過程でホモジナイズ面におけるＹ方向のプロファイルを、中ふくらみ型、平坦型、及び中へこみ型のいずれにも整形できる。

そこで、図２において、被照射面（ホモジナイズ面）５におけるプロファイルを所望形状に整形するためには、コントローラ７による入射レーザ光ＬのＸ方向のビーム幅の変化量が、Ｘシリンダアレイを構成するシリンドリカルレンズのＸ方向の幅の２倍以下であれば足りる。Ｙ方向のビーム幅の変化量は、Ｙシリンダアレイを構成するシリンドリカルレンズのＹ方向の幅の２倍以下であれば足りる。このように、所望形状のプロファイルを得るための、入射レーザ光Ｌのビーム幅の変化量の上限が分かっているから、所望形状のプロファイルを容易に得ることができる。

なお、コントローラ７によるビーム幅Ｄ_Ｘの変化量を、例えばＫ_Ｘの振動の半周期、即ちシリンドリカルレンズのＸ方向の幅と一致させてもよい。均一度Ｋ_Ｘは、ビーム幅Ｄ_Ｘの増加に伴なって極大値と極小値とを交互にとるように振動してる。均一度Ｋ_Ｘの極大値は正の値であり、極小値は負の値である。そこで、ビーム幅Ｄ_Ｘの変化量をＫ_Ｘの振動の半周期に一致させる場合には、ビーム幅Ｄ_ＸをＤ_Ｘ１以上、Ｄ_Ｘ２以下の範囲で変化させるとしたときの両端点Ｄ_Ｘ１及びＤ_Ｘ２の値が、均一度Ｋ_Ｘの極値となるように、ビーム幅Ｄ_Ｘの変化範囲を選択するとよい。これにより、ビーム幅Ｄ_Ｘを均一度Ｋ_Ｘの振動の半周期分だけ変化させる過程で、Ｘ方向のプロファイルを中ふくらみ型、平坦型、及び中へこみ型のいずれにも整形できる。

但し、光源１の出力特性の経時変化等に起因して、入射レーザ光Ｌのプロファイルは変動する。そのため、ビーム幅Ｄ_Ｘが、Ｄ_Ｘ１及びＤ_Ｘ２のときに均一度Ｋ_Ｘが極値をとるという条件が常に保たれる訳ではない。そこで、Ｄ_Ｘ１からＤ_Ｘ２までの変化量を、シリンドリカルレンズのＸ方向の幅の２倍に一致させるのが好ましい。

また、図６において、均一度Ｋ_Ｘの振動は、ビーム幅Ｄ_ＸがＸシリンダアレイのＸ方向の幅（１０４ｍｍ）に近づくに従って減衰している。ビーム幅Ｄ_ＸがＸシリンダアレイのＸ方向の幅と一致する点の近傍では、ビーム幅Ｄ_Ｘの変動に対する均一度Ｋ_Ｘの変動が小さい。そこで、ビーム幅Ｄ_Ｘを、Ｄ_Ｘ１以上、Ｄ_Ｘ２以下の範囲で変化させるとしたとき、例えばＤ_Ｘ１とＤ_Ｘ２との間にＸシリンダアレイのＸ方向の幅を表す点が含まれるようにＤ_Ｘ１及びＤ_Ｘ２を決定すれば（例えばＤ_Ｘ１＝９２ｍｍ、Ｄ_Ｘ２＝１０８ｍｍとすれば）、Ｘ方向のプロファイルの形状をきめ細かく調整できる。一方、Ｄ_Ｘ１及びＤ_Ｘ２がＸシリンダアレイのＸ方向の幅未満となるようにＤ_Ｘ１及びＤ_Ｘ２を決定すれば、Ｄ_ＸをＤ_Ｘ１からＤ_Ｘ２まで変化させる間に、Ｘ方向のプロファイルの形状を大幅に変更できる。

以上、実施例について説明したが、本発明はこれに限られない。実施例では、ホモジナイザ３がビーム幅制限部材３０を備えたが、例えば可動式エキスパンダ２から出射される入射レーザＬのＸ方向のビーム幅の最大値がＸシリンダアレイ３１及び３２のＸ方向の幅以下であり、Ｙ方向のビーム幅の最大値がＹシリンダアレイ３３及び３４のＹ方向の幅以下である場合には、ホモジナイザ３はビーム幅制限部材３０を備えなくてもよい。

実施例では、可動エキスパンダ２を用いて、入射レーザ光のＸ方向のビーム幅とＹ方向のビーム幅とを同時に調節することとしたが、Ｘ方向のビーム幅とＹ方向のビーム幅とを独立に調節するようにしてもよい。入射レーザ光のビーム幅をＸ方向に変化させることは、ホモジナイズ面におけるＹ方向のプロファイルの形状に影響を与えず、入射レーザ光のビーム幅をＹ方向に変化させることは、ホモジナイズ面におけるＸ方向のプロファイルの形状に影響を与えない。従って、Ｘ方向のビーム幅とＹ方向のビーム幅とを独立に調節すれば、ホモジナイズ面におけるＸ方向のプロファイルとＹ方向のプロファイルとを独立に制御できる。従って、被照射面におけるプロファイルをより柔軟に制御できるから、レーザ光照射装置の汎用性を向上できる。

実施例では、シリンダアレイ型のホモジナイザを用いたが、これに限られない。レーザ光のビーム断面内における強度分布を均一化するホモジナイザであって、その均一化された強度分布が、このホモジナイザに入射する入射レーザ光のビーム幅に依存して変化するホジナイザを用いることができる。従って、反射型のホモジナイザ、例えば放物面鏡アレイ型のホモジナイザを用いてもよい。放物面鏡アレイ型のホモジナイザは、複数の微小な放物面鏡が入射レーザ光の入射方向と交差する方向に配列されて構成された放物面鏡アレイと、その放物面鏡アレイによって放物面鏡の配列方向に分割されたレーザ光を共通の領域に重ね合わせるレンズとを備えて構成される。

コントローラ７によってプロファイルが制御されたレーザ光の用途は特に限定されない。例えば、対象物の表面の改質、材料の加工、又は露光等に利用できる。具体的には、図２において、被照射面５にアモルファスシリコン膜を配置し、そのアモルファスシリコン膜に、整形されたプロファイルをもつレーザ光を照射して結晶化アニールを施すこともできる。

また、被照射面５に多層基板を配置し、プロフィルが調整されたレーザ光をその多層基板の穴あけ加工に用いてもよい。プロファイルを中へこみ型に整形したレーザ光を用いれば、開口率の大きな穴を形成できるとの報告がある（特開２００３−２３６６９０号公報参照）。なお、開口率とは、穴の開口部の直径をＤｔ、底面の直径をＤｂとしたとき、Ｄｂ／Ｄｔで定義される値である。図１には、ホモジナイズ面Ｓ上のビーム形状がＸ方向に長尺化されている状態を示したが、ホモジナイズ面Ｓ上のビーム形状はＸシリンダアレイ３１と３２との間の距離、及びＹシリンダアレイ３３と３４との間の距離等によって任意に整形できる。

また、被照射面５にレチクルを配置し、レチクルの後段にそのレチクルの像をウエハに縮小投影する投影レンズをさらに備えれば露光装置を構成できる。この他、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。

実施例に係るホモジナイザの構成を模式的に示す概略図である。レーザ光照射装置の構成を示す概略図である。ホモジナイザに入射する入射レーザ光のＸ方向のビーム幅と、ホモジナイズ面におけるプロファイルとの関係を示す概念図である。ホモジナイズ面におけるＸ方向のプロファイルを模式的に示す線図である。ホモジナイザに入射させる入射レーザ光の実測されたプロファイルを示すグラフである。ホモジナイザに入射させる入射レーザ光のＸ方向のビーム幅Ｄ_Ｘと、ホモジナイズ面におけるＸ方向のプロファイル均一度Ｋ_Ｘとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１光源
２可動式エキスパンダ
３ホモジナイザ
４ビームスプリッタ
５被照射面
６プロファイラ（強度分布測定手段）
７コントローラ（ビーム幅制御手段）
３０ビーム幅制限部材（遮光板）
３０ａ開口（レーザ光通過部）
３１前段のＸシリンダアレイ（第１の光学系）
３２後段のＸシリンダアレイ
３３前段のＹシリンダアレイ（第２の光学系）
３４後段のＹシリンダアレイ
３５フォーカスレンズ
Ｓホモジナイズ面
Ｌ入射レーザ光

Claims

自己に入射する入射レーザ光のビーム断面内における強度分布を、前記入射レーザ光を、そのビーム断面内の位置に関して複数本のレーザ光に分割するとともに、分割された複数本のレーザ光を共通の領域に重ね合わせることによって、均一化するホモジナイザと、
前記ホモジナイザによって強度分布が均一化されたレーザ光の当該強度分布を測定する強度分布測定手段と、
前記強度分布測定手段の測定結果に基づいて、前記入射レーザ光のビーム幅を拡大及び縮小する可動式エキスパンダと
を備えた光学装置。
前記ホモジナイザが、それぞれレーザ光を集光する複数の第１の集光素子が前記入射レーザ光の入射方向と交差するＸ方向に配列されて構成された第１の光学系を含み、
前記可動式エキスパンダが、前記入射レーザ光のビーム幅を少なくとも前記Ｘ方向に変化させる請求項１に記載の光学装置。
前記第１の光学系を構成する前記第１の集光素子の前記Ｘ方向の幅がそれぞれ等しく、
前記可動式エキスパンダによる前記入射レーザ光のビーム幅の前記Ｘ方向の変化量が、一つの前記第１の集光素子の前記Ｘ方向の幅の２倍以下である請求項２に記載の光学装置。
前記Ｘ方向が、前記入射レーザ光の入射方向と直交する方向であり、
該入射レーザ光の入射方向をＺ方向とし、該Ｚ方向及び前記Ｘ方向の双方に直交する方向をＹ方向としたとき、前記第１の集光素子の各々が、前記Ｙ方向に垂直な断面の形状が該Ｙ方向に関して一様で、かつ該断面の形状が前記Ｚ方向と平行な直線に関して線対称なシリンドリカルレンズからなる請求項２又は３に記載の光学装置。
自己に入射する入射レーザ光のビーム断面内における強度分布を、前記入射レーザ光を、そのビーム断面内の位置に関して複数本のレーザ光に分割するとともに、分割された複数本のレーザ光を共通の領域に重ね合わせることによって、均一化するホモジナイザと、
前記ホモジナイザによって強度分布が均一化されたレーザ光の当該強度分布を測定する強度分布測定手段と、
前記強度分布測定手段の測定結果に基づいて、前記入射レーザ光のビーム幅を拡大及び縮小する可動式エキスパンダと
を有し、
前記ホモジナイザが、それぞれレーザ光を集光する複数の第１の集光素子が前記入射レーザ光の入射方向と交差するＸ方向に配列されて構成された第１の光学系を含み、
前記可動式エキスパンダが、前記入射レーザ光のビーム幅を少なくとも前記Ｘ方向に変化させ、
さらに、前記ホモジナイザが、それぞれレーザ光を集光する複数の第２の集光素子が前記入射レーザ光の入射方向及び前記Ｘ方向の双方と直交するＹ方向に配列されて構成された第２の光学系を含み、
前記可動式エキスパンダが、前記入射レーザ光のビーム幅を前記Ｙ方向にも変化させる光学装置。
前記第２の光学系を構成する前記第２の集光素子の前記Ｙ方向の幅がそれぞれ等しく、
前記可動式エキスパンダによる前記入射レーザ光のビーム幅の前記Ｙ方向の変化量が、一つの前記第２の集光素子の前記Ｙ方向の幅の２倍以下である請求項５に記載の光学装置。
前記第２の集光素子の各々が、前記Ｘ方向に垂直な断面の形状が該Ｘ方向に関して一様で、かつ該断面の形状が前記Ｚ方向と平行な直線に関して線対称なシリンドリカルレンズからなる請求項５又は６に記載の光学装置。
（ａ）自己に入射する入射レーザ光のビーム断面内における強度分布を、前記入射レーザ光を、そのビーム断面内の位置に関して複数本のレーザ光に分割するとともに、分割された複数本のレーザ光を共通の領域に重ね合わせることによって、均一化するホモジナイザに、前記入射レーザ光を入射させることにより、該入射レーザ光の強度分布よりも均一化された強度分布をもつレーザ光を得る工程と、
（ｂ）得られたレーザ光の当該強度分布を測定する工程と、
（ｃ）測定された前記強度分布に基づいて、前記ホモジナイザに入射させる前記入射レーザ光のビーム幅を、ビーム幅を拡大及び縮小する可動エキスパンダを用いて変化させる工程と
を含む強度分布制御方法。
前記ホモジナイザが、それぞれレーザ光を集光する複数の第１の集光素子が前記入射レーザ光の入射方向と交差するＸ方向に配列されて構成された第１の光学系を含み、
前記工程（ｃ）が、（ｃ１）前記工程（ｂ）で測定された強度分布に基づいて、前記入射レーザ光のビーム幅を前記Ｘ方向に変化させる工程を含む請求項８に記載の強度分布制御方法。
前記工程（ｃ１）において前記入射レーザ光のビーム幅を前記Ｘ方向に変化させる際の当該変化量が、一つの前記第１の集光素子の前記Ｘ方向の幅の２倍以下である請求項９に記載の強度分布制御方法。
（ａ）自己に入射する入射レーザ光のビーム断面内における強度分布を、前記入射レーザ光を、そのビーム断面内の位置に関して複数本のレーザ光に分割するとともに、分割された複数本のレーザ光を共通の領域に重ね合わせることによって、均一化するホモジナイザに、前記入射レーザ光を入射させることにより、該入射レーザ光の強度分布よりも均一化された強度分布をもつレーザ光を得る工程と、
（ｂ）得られたレーザ光の当該強度分布を測定する工程と、
（ｃ）測定された前記強度分布に基づいて、前記ホモジナイザに入射させる前記入射レーザ光のビーム幅を、ビーム幅を拡大及び縮小する可動式エキスパンダを用いて変化させる工程と
を含み、
前記ホモジナイザが、それぞれレーザ光を集光する複数の第１の集光素子が前記入射レーザ光の入射方向と直交するＸ方向に配列されて構成された第１の光学系、及びそれぞれレーザ光を集光する複数の第２の集光素子が前記入射レーザ光の入射方向及び前記Ｘ方向の双方と直交するＹ方向に配列されて構成された第２の光学系を含み、
前記工程（ｃ）が、（ｃ１）前記工程（ｂ）で測定された強度分布に基づいて、前記入射レーザ光のビーム幅を前記Ｘ方向に変化させる工程、及び（ｃ２）前記工程（ｂ）で測定された前記強度分布に基づいて、前記入射レーザ光のビーム幅を前記Ｙ方向にも変化させる工程を含む強度分布制御方法。
前記工程（ｃ２）において前記入射レーザ光のビーム幅を前記Ｙ方向に変化させる際の当該変化量が、一つの前記第２の集光素子の前記Ｙ方向の幅の２倍以下である請求項１１に記載の強度分布制御方法。