JP4413528B2

JP4413528B2 - レーザ照射装置

Info

Publication number: JP4413528B2
Application number: JP2003138672A
Authority: JP
Inventors: 幹人石井; 淳伊澤; 健一郎西田; 紀仁河口; みゆき正木; 淳芳之内
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2023-05-16
Also published as: JP2004341299A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コヒーレント光であるレーザビームの干渉パターン強度を低減する干渉パターン強度低減装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、レーザ照射装置の模式図である。この図において、レーザコントローラー５１により制御されたレーザ光源５２により、レーザビーム１を発生・放射する。このレーザビーム１は、光学系５４とホモジナイザ５５を通り、ミラー５６で下向きに反射され、反応容器５７に設けられた開口（図示せず）を通して、基板５８の上面に照射される。
【０００３】
レーザビーム１は、例えばミラー５６の揺動又は光学系５４の移動により基板上を走査する。また、ステージコントローラー５９により、基板５８を二次元的に移動できるようになっている。更に、反応容器５７（チャンバー）内はポンプ系６０及びガス導入部６１により所定のガス雰囲気にコントロールされる。
【０００４】
図６は図５の光学系５４とホモジナイザ５５の平面図である。
【０００５】
この例において、光学系５４は、レーザビーム１の幅（図で上下方向）を広げるエキスパンダ５４ａ（シリンドリカル凹レンズ）とレーザビームを平行光に戻すシリンドリカル凸レンズ５４ｂからなる。また、ホモジナイザ５５は、複数のシリンドリカルレンズからなるシリンドリカルレンズアレイ５５ａとフォーカシングレンズ５５ｂからなる。焦点面Ｓは図５の例では基板５８の上面であり、ミラー５６は焦点面Ｓとフォーカシングレンズ５５ｂの間に位置する。
【０００６】
図６の構成により、レーザ光源５２から出射した円形断面のレーザビーム１ａは、エキスパンダ５４ａとシリンドリカル凸レンズ５４ｂにより細長いレーザビーム１ｂとなってシリンドリカルレンズアレイ５５ａに入射する。レンズアレイ５５ａに入射したコリーメート光（レーザビーム１ｂ）は、矩形レンズ群により矩形のビームプロファイルを持つビーム群１ｃに分割され、各ビーム群はレンズアレイ５５ａにより集光され、焦点面を越えたあと広がる。フォーカシングレンズ５５ｂ（凸レンズ）は各ビーム群１ｃを屈折させ焦点面Ｓ上に集光する。
【０００７】
従って、焦点面Ｓでは、すべてのビーム群５３ｃが重なり合って強度分布の均質化が生じ、平準化された強度分布を得ることができる。なお、シリンドリカル凸レンズ５４ｂの代わりにシリンドリカル凹レンズを用いることもできる。
【０００８】
なお、関連する技術として「スペックルパターン分散装置及びレーザ光照射システム」（特許文献１）、「レーザ照射装置並びに半導体装置の作製方法」（特許文献２）等が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−３３７８８８号公報
【特許文献２】
特開２００１−２４４２１３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のレーザ照射装置において、レーザ光源にＹＡＧレーザ等のコヒーレント性の高い光源を用いると、レーザビームがホモジナイザを透過した後で干渉作用が生じて照射対象物を均一に照射できないという問題点があった。
【００１１】
すなわち、レーザビームを分割して重ね合わせる光学系（例えばレンズアレイを用いたホモナイザ）ではコヒーレント性に起因した干渉が発生し、照射面にスペックルパターンを生じる。１次元方向のみにパワーを持つシリンドリカルレンズを用いた光学系では１次元のみに干渉が発生し、干渉縞が形成される。そのため、照射面への均一照射をするためには照射面の干渉を抑え、ビームプロファイルを均一化させることが必要となる。
【００１２】
干渉を低減させる方法として分割したビームにコヒーレンス長以上光路長をつける方法がある。例えば、図４に例示するように、従来はミラー６２とプリズム６３を用いて分割ビームの一方の光路長を変化させ、光路長差をつける手段が用いられている。この構成により、光路長差をコヒーレンス長以上長くすれば、ビーム同士の干渉性がなくなり、ビームを重ね合わせても干渉しなくなる。
【００１３】
しかし、図４のように、ミラー６２とプリズム６３により光路長差をつける手段は、光源ビームを分割する手段と、ミラーにより光路長を変化させる手段と、ビームを元の光路に戻す手段が必要になり、装置構成が大掛かりになり、かつ光軸調整が煩雑となる等の欠点があった。
【００１４】
また、ビームの分割数を２以上のｎ分割に増やすと、ｎ分割したビームすべてにコヒーレンス長以上の光路長差をつけなければならなくなり、最も長いものでコヒーレンス長のｎ-１倍の光路長差をつけなければならなくなる。そのため、分割数が増えるほど多大なスペースが必要となり、実現が困難となる。
【００１５】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、コヒーレント性の高いレーザ光源を用いても、コンパクトかつ調整が容易な構成で、干渉縞のような干渉パターンの発生を効果的に低減することができるレーザビームの干渉パターン強度低減装置及び方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、レーザビームを焦点面に集光させる前部集光レンズと、該焦点面に集光したレーザビームを前面から入射し後面から出射する干渉低減素子と、該後面から出射するレーザビームを集光する後部集光レンズとを備え、
前記干渉低減素子は、互いに平行な全反射面を有し、該全反射面でレーザビームを入射角に応じて内部で多重反射させる、ことを特徴とするレーザビームの干渉パターン強度低減装置が提供される。
【００１７】
また本発明によれば、レーザビームを焦点面に集光させ、該焦点面からレーザ透過材料からなる干渉低減素子の前面にレーザビームを入射し、互いに平行な全反射面で入射角に応じて多重反射させてレーザビームに空間的な位相差を生じさせ、干渉低減素子の後面から空間的に位相の異なるビームが重なり合いながら出射する、ことを特徴とするレーザビームの干渉パターン強度低減方法が提供される。
【００１８】
上記本発明の装置及び方法によれば、前部集光レンズで焦点面に集光したレーザビームが干渉低減素子の前面から入射し、その内部で互いに平行な全反射面で入射角に応じて多重反射するので、入射角により異なる位相が混じり合うことにより、照射面では干渉パターンが微小にずれて重なり、干渉パターンを打ち消し合い、レーザビームの干渉パターン強度を低減することができる。
【００１９】
本発明の好ましい一実施形態によれば、前記前部集光レンズは、レーザビームを焦点面に線状に集光させるシリンドリカルレンズであり、前記後部集光レンズは、後面から出射する線状のレーザビームを集光するシリンドリカルレンズである。
【００２０】
この構成により、１軸方向のみにパワーを持つシリンドリカルレンズを用いることにより、レーザビームを干渉低減素子の１軸方向のみに多重反射させることができ、もう一方の軸方向のビーム形状を保存することができる。
【００２１】
また本発明の好ましい別の実施形態によれば、前記干渉低減素子は、互いに間隔を隔てて直列に配置された複数の素子セグメントと、隣接する素子セグメントの間にそれぞれ位置する複数の中間集光レンズとからなり、該中間集光レンズは、前側の素子セグメントから出射するレーザビームを後側の素子セグメントの前面に集光させる。
【００２２】
この構成により、単一の長い干渉低減素子に代えて複数の製作容易な短い素子セグメントを用い、多重反射を繰返すことにより、干渉パターン強度の低減効果を容易に高めることができる。
【００２３】
前記焦点面の位置は、干渉低減素子の前面に入射するレーザビームが干渉低減素子の全反射面においてその臨界角を超えないように設定されている。
この構成により、多重反射によるレーザビームの損失を低減することができる。
【００２４】
前記干渉低減素子の全反射面に、反射率の高い反射膜がコーティングされている、ことが好ましい。
この構成により、臨界角を超える場合でも、多重反射によるレーザビームの損失を低減することができる。
【００２５】
前記干渉低減素子は、レーザビームの透過率の高いレーザ透過材料からなるのがよい。
この構成により、レーザビームの吸収による損失を最小限に抑えることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２７】
図１は、本発明による干渉パターン強度低減装置の第１実施形態を示す光学系概略図である。この図において、（Ａ）は全体構成図、（Ｂ）はＢ部拡大図、（Ｃ）はＣ部拡大図である。
【００２８】
図１（Ａ）において、本発明の干渉パターン強度低減装置１０は、前部集光レンズ１２、干渉低減素子１４、及び後部集光レンズ１６を備える。
前部集光レンズ１２は、レーザビーム１を焦点面２に集光させる単一レンズ又は複合レンズである。
【００２９】
レーザビーム１は、例えば干渉パターン強度の高いＹＡＧレーザ光であるが、本発明はこれに限定されず、コヒーレンス性を有し干渉パターン強度のあるレーザ光、すなわちコヒーレント光であればよい。
【００３０】
焦点面２は、仮想的な焦点面であり、この位置に焦点板を設ける必要はないが、必要に応じて設けてもよい。焦点面に集光されたレーザビームの形状は、後述するように線状であるのが好ましいが、これに限定されず、点、円、矩形、その他の形状であってもよい。
【００３１】
干渉低減素子１４は、レーザビームの透過率の高い（透過率９２％以上）のレーザ透過材料（例えばＢＫ７、高屈折ガラス、等）からなる。
また、干渉低減素子１４は、好ましくは平板状の直方体であり、この図において、前面１４ａ、後面１４ｂ、右側面１４ｃ、左側面１４ｄ、上面と下面（図示せず）の６つの外面を有する。
【００３２】
干渉低減素子１４の前面１４ａは、焦点面２より後方に位置し、図１（Ｂ）に示すように、干渉低減素子１４の前面１４ａに入射するレーザビーム１が干渉低減素子１４の全反射面（右側面１４ｃと左側面１４ｄ）においてその臨界角φを超えないように設定されている。
【００３３】
右側面１４ｃと左側面１４ｄは全反射面であり、互いに平行に位置し、この全反射面１４ｃ，１４ｄで前面から入射したレーザビーム１をその入射角に応じて内部で多重反射し、後面から出射するようになっている。内部で互いに平行な全反射面１４ｃ，１４ｄで入射角に応じて多重反射するので、入射角により異なる位相が混じり合い、レーザビーム１の干渉パターン強度が低減される。
なお全反射面１４ｃ，１４ｄに、反射率の高い（反射率９９．５％以上）の反射膜（例えば銀）をコーティングするのがよい。また図示しない上面と下面は、右側面１４ｃ及び左側面１４ｄと同様の全反射面にしてもよく、或いは必要に応じて非反射処理をしてもよい。
【００３４】
後部集光レンズ１６は、干渉低減素子１４の後面１４ｂから出射するレーザビーム１を集光する単一レンズ又は複合レンズである。この後部集光レンズ１６は、後面１４ｂからランダムに出射するレーザビーム１を平行光に戻し、或いは図示しない焦点面に集光させる機能を有する。
【００３５】
図２は、本発明の第２実施形態を示す光学系概略図である。この図において、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。この例では、前部集光レンズ１２は、レーザビーム１を焦点面に線状に集光させるシリンドリカルレンズである。また、後部集光レンズ１６は、後面１４ｂから出射する線状のレーザビーム１を集光するシリンドリカルレンズである。
【００３６】
図２の例を５３２ｎｍの２倍波ＹＡＧレーザの場合を例として説明する。レーザビーム１はレーザ透過材料への透過率の高い（透過率９２％以上）レーザであればよい。この例では直径２０ｍｍのビームをｆ＝１５ｍｍのシリンドリカルレンズ１２を用いて絞る。
シリンドリカルレンズ１２により線状に集光されたビームを幅１〜５ｍｍ、高さ３０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの干渉低減素子１４に入射させる。線状に集光したビームは広がりながら干渉低減素子１４に入射し、干渉低減素子１４の両側面１４ｃ，１４ｄで反射される。干渉低減素子１４の形状は幅を狭く、長さを長くするほど反射回数が増加し、光路長差がつきやすい。高さは入射ビーム径より大きければよい。干渉低減素子１４は、レーザ透過材料（例えばＢＫ７、高屈折ガラス）である。レーザ透過材料がＢＫ７（ｎ＝１．５１９）の場合、臨界反射角は４１．２８°なので入射ＮＡを０．９６未満に設定し、レーザ透過材料の壁面から外部への損失を防止する。
干渉低減素子１４で多重反射されたレーザビームは広がりをもってレーザ透過材料の後面１４ｂから出射する。後部集光レンズ１６（像転写レンズ）を用いて出射ビームの結像面を照射面に像転写すれば、図２（Ａ）に示すように、照射面に均一なビームプロファイルが形成される。
【００３７】
図３は、本発明の第３実施形態を示す光学系概略図である。この例において、干渉低減素子１４は、互いに間隔を隔てて直列に配置された複数の素子セグメント１５ａと、隣接する素子セグメントの間にそれぞれ位置する複数の中間集光レンズ１５ｂとからなる。中間集光レンズ１５は、前側の素子セグメント１５ａから出射するレーザビームを後側の素子セグメント１５ａの前面に集光させるようになっている。
【００３８】
干渉低減素子１４を構成するガラス板の製作できる長さには限界があるので、コヒーレント性の良いレーザは１つのガラス板ではインコヒーレントなビームにすることができない場合がある。その場合は素子セグメント１４ａ（ガラス板）を複数用意し、１つの素子セグメント１４ａを通ったビームを中間集光レンズ１５（像転写レンズ）で転送し、次の素子セグメント１４ａに入射させればよい。すなわち、原理的にはインコヒーレントなビームになるまで素子セグメント１４ａに繰返し入射させれば必ずインコヒーレントなビームになる。
【００３９】
上述した光学系は図２のように、シリンドリカルレンズを用いた１次元のみにパワーを持つものでなくても適用できる。例えば、シリンドリカルレンズを球面レンズにし、干渉低減素子１４を幅１〜５ｍｍ、高さ１〜５ｍｍ、長さ１５０ｍｍのもの、若しくは直径１〜５ｍｍの円筒形状のものを用いることで、１次元に限定されない光学系を構成することもできる。
【００４０】
上述した装置を用い、本発明のレーザビームの干渉パターン強度低減方法では、レーザビーム１を焦点面に集光させ、この焦点面からレーザ透過材料からなる干渉低減素子１４の前面にレーザビーム１を入射し、互いに平行な全反射面１４ｃ，１４ｄで入射角に応じて多重反射させてレーザビームの干渉パターン強度を低減し、干渉低減素子１４の後面１４ｂから出射する。
【００４１】
本発明は、レーザビームの集光角度によってレーザ透過材料の壁面での反射回数が変化することを利用して分布的に光路長差を発生させ、干渉性を低減させるものである。
出射側では干渉パターン強度が低減された発散ビームが出射されるので、結像面を照射面に転写させる。干渉性のないビームは照射面で干渉せず、均一な照射が可能となる。
【００４２】
また図２に示したように、本発明により、ビーム形状の成形効果も得られる。すなわち従来であれば、入射ビーム形状がガウシアン形状から大きく外れた複雑形状の場合、ホモジナイズの効果が減少し、均一性が低下していたが、本発明を用いることにより、入射ビームは任意形状であっても、レーザ透過材料で多重反射させることによってビームが平滑化され、ファイバーからの出射ビームのようにトップハット形状となる。
【００４３】
また１軸方向のみにパワーを持つシリンドリカルレンズを用いた光学系では、レーザ透過材料の１軸方向のみに多重反射させればよく、もう一方の軸方向はビーム形状が保存される。
【００４４】
なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００４５】
【発明の効果】
上述した本発明で生成されたインコヒーレントビームはホモジナイズ後も干渉せず、均一なビームプロファイルを生成することができる。
また、本発明の手段は、インコヒーレントビームが必要な場所の直前に干渉低減光学系を配置すればよく、それ以前の系はコヒーレントなビームで転送することができ、全系の転送効率を高く維持できる。
さらに本発明の手段は、集光レンズ、レーザ透過材料、像転写レンズのみで構成することができ、ミラー方式に比べてコンパクトで低コストである。
またミラー方式のようにビームを分割して合成するという手間がかからず、調整が非常に簡単である。
【００４６】
上述したように、本発明のレーザビームの干渉パターン強度低減装置及び方法は、コヒーレント性の高いレーザ光源を用いても、コンパクトかつ調整が容易な構成で、干渉縞のような干渉パターンの発生を効果的に低減することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による干渉パターン強度低減装置の第１実施形態を示す光学系概略図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す光学系概略図である。
【図３】本発明の第３実施形態を示す光学系概略図である。
【図４】従来の干渉パターン強度低減装置の模式図である。
【図５】従来のレーザ照射装置の模式図である。
【図６】図５の主要部の構成図である。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ、１ｃレーザビーム、２焦点面、
１０干渉パターン強度低減装置、１２前部集光レンズ、
１４干渉低減素子、１４ａ前面、１４ｂ後面、
１４ｃ全反射面（右側面）、１４ｄ全反射面（左側面）、
１５ａ素子セグメント、１５ｂ中間集光レンズ、
１６後部集光レンズ、
５１レーザコントローラー、５２レーザ光源、
５４光学系、５４ａエキスパンダ、
５４ｂシリンドリカル凸レンズ、
５５ホモジナイザ、５５ａシリンドリカルレンズアレイ、
５５ｂフォーカシングレンズ、５６ミラー、
５７反応容器、５８基板、５９ステージコントローラー、
６０ポンプ系、６１ガス導入部

Claims

レーザビームを焦点面で第１の線状レーザビームに集光させる前部集光レンズと、該焦点面に集光した前記レーザビームを前面から入射し後面から出射する干渉低減素子と、該後面から出射する前記レーザビームを集光する後部集光レンズと、ホモジナイザとを有し、前記後部集光レンズから出射された前記レーザビームを前記ホモジナイザに通すことにより第２の線状レーザビームに加工するレーザ照射装置であって、
前記干渉低減素子は、互いに平行な全反射面を有し、該全反射面でレーザビームを入射角に応じて内部で前記第１の線状レーザビームの短軸方向で多重反射させ、
前記第２の線状レーザビームの長軸方向を前記第１の線状のレーザビームの短軸方向と一致させ、前記第２の線状レーザビームの短軸方向を前記第１の線状のレーザビームの長軸方向と一致させるように構成したことを特徴とするレーザ照射装置。
前記前部集光レンズおよび前記後部集光レンズは、シリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ照射装置。
前記干渉低減素子は、互いに間隔を隔てて直列に配置された複数の素子セグメントと、隣接する素子セグメントの間にそれぞれ位置する複数の中間集光レンズとからなり、
該中間集光レンズは、前側の素子セグメントから出射するレーザビームを後側の素子セグメントの前面に集光させる、ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ照射装置。
前記干渉低減素子の前記全反射面に銀の反射膜がコーティングされていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のレーザ照射装置。
前記干渉低減素子はＢＫ７からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のレーザ照射装置。