JP4582779B2 - レーザ加熱装置 - Google Patents

Description

本発明はレーザ加熱装置、特に半導体基板等を高温で均一に加熱することができるレーザ加熱装置に関するものである。

従来、半導体基板等を加熱するためにＹＡＧレーザや炭酸ガスレーザ加熱装置を用いてスポット移動方式、線状ビーム照射方式、スキャニング方式で加熱したり、ストライプ幅の広い高出力半導体レーザ加熱装置を用いて加熱していた（特許文献１）。
特開平１０−９４８９２号

然しながら、上記スポット移動方式及びスキャニング方式はいずれも加熱すべき部分をレーザ光で走査する方式であるから加熱すべき部分の全体にレーザ光を一度に照射することができず、処理効率が落ちる。また、線状ビーム照射方式やストライプ幅の広い高出力半導体レーザ加熱装置においては、線状でしか加熱することができず一度に大きな面積を所望の温度分布で加熱することができないという欠点があった。

また、半導体基板等の被加熱物にレーザ光を垂直に照射した場合に、被加熱物からの反射光で半導体レーザ素子が破損するおそれがあった。

また、レーザ光で発熱した被加熱物が発する輻射熱がレーザ発振器側に戻り、半導体レーザ素子の寿命を縮め、長期安定性能が劣っていた。

また、従来のレーザ加熱装置では速軸方向での被加熱物の照射領域と、遅軸方向での被加熱物の照射領域とが大きく異なる不都合があった。

本発明は上記の欠点を除くようにしたものである。

本発明の加熱装置は、レーザダイオードバーを複数積層せしめて形成したレーザ発振器と、上記レーザ発振器と被加熱物との間に介挿した光学レンズ系とより成り、この光学レンズ系は、上記レーザ発振器の速軸方向では上記各レーザダイオードバーのレーザ出口に設けたコリメートレンズと、このコリメートレンズと上記被加熱物間に、上記被加熱物に向かう方向に順次に配置せしめた凸レンズと、フライアイレンズと、第２の絞りより成り、上記コリメートレンズより出た平行光を集光せしめてから焦点（集光）位置よりも遠くに位置する被加熱物に照射せしめ、上記光学レンズ系は、上記レーザ発振器の遅軸方向では上記レーザ発振器と上記被加熱物間に、上記被加熱物に向かう方向に順次に配置せしめた第１及び第２の絞りより成り、上記レーザダイオードバーから出たレーザ光を出射角度のまま上記第１及び第２の絞りにより整形し被加熱物に照射せしめ、上記第１絞りでは、上記半導体レーザ発振器側の開口面積を大きくし、上記第２絞りでは、上記被加熱物側の開口面積を大きくしたことを特徴とする。

本発明のレーザ加熱装置においては、上記レーザ発振器の速軸方向では、上記集光されたレーザ光を、そのデフォーカス量を減少するための、または平行光にするための１または複数個の凸レンズを介して被加熱物に照射せしめることを特徴とする。

また、本発明のレーザ加熱装置においては、上記レーザ発振器の遅軸方向では、上記レーザ出口から出たレーザ光を凹レンズにより更に広げることを特徴とする。

また、上記レーザ発振器の遅軸方向では、上記第２の絞りにより整形したあと、平行光にするための凸レンズを介して被加熱物に照射せしめることを特徴とする。

また、上記第２の絞りが、熱伝導性の良い材料で形成されていることを特徴とする。

また、上記第２の絞りの被加熱物側の面がセラミックでコートされていることを特徴とする。

また、上記光学レンズ系及びその集光点近傍の第２の絞りまでを同一レンズホルダ内に設け、上記レンズホルダ部から出たレーザ光をデフォーカス光としたことを特徴とする。

本発明のレーザ加熱装置においては、速軸方向のレーザ光を凸レンズを通過させたあとフライアイレンズに通したのでレーザ光を均質化できる。

本発明のレーザ加熱装置においては、デフォーカス光を被加熱物に照射せしめたので、一度の照射で被加熱物を短時間に均一に加熱することができる。

また、上記第２の絞りにより遅軸方向のレーザ光を整形すると共に、上記被加熱物からの反射光がレーザ発振器側に戻るのを軽減せしめ、被加熱物自身の加熱により発する輻射光がレーザ発振器側に入射するのを軽減せしめることができ、レーザ素子の破損を防止することができ、半導体レーザの寿命・性能を著しく向上せしめることができる。

また、本発明のレーザ加熱装置においては、速軸方向、遅軸方向とも必要な照射面積が得られた位置に凸レンズを設け、平行光とすることで、レーザ光が無駄なく、被加熱物に照射できるため、装置の余計な箇所を加熱することが少なく、熱ロスがなくなる。

また、通常は、集光点の光は、絞られずに通過するが、速軸方向での上記光学レンズ系の集光点近傍に第２の絞りを設けたので必要に応じて、レーザ光を必要な形状に整形することも可能である。

また、レンズおよび絞りを同一レンズホルダ内に設けたので、コンパクト化を図ることができる。

また、レーザダイオードバーの数を増やすことにより、レーザ出力を増やすことができ被加熱物を広範囲に加熱せしめることができ、また、各レーザダイオードの出力を異ならしめたり、ヒータシンク板の厚さを適宜変えて重ねるレーザダイオードバーの間隔を異ならしめたり、レーザダイオードバーを一列でなく、複数列にすることにより、被加熱物を所望の温度分布で加熱することができる。

また、デフォーカス光から必要な面積の箇所で速軸方向、遅軸方向ともに凸レンズを設置し平行光としたので、被加熱物４以外の照射面積を減らしたので、熱ロスを減少できる。

以下図面によって本発明の実施例を説明する。

本発明のレーザ加熱装置は、例えば、図１に示すように厚さ０．１ｍｍ〜３ｍｍの出力４０Ｗ〜１００Ｗの連続発振（ＣＷ）のレーザダイオードバー１を厚さ１ｍｍ〜３ｍｍの銅板からなるヒートシンク板２により挟み込んだものを２０枚重ねて構成せしめた出力０．８ｋＷ〜２ｋＷのレーザスタックからなるレーザ発振器３と、このレーザ発振器３と被加熱物４間に介挿した光学レンズ系５とにより構成する。

また、図２に示すようにレーザ発振器の速軸方向では上記光学レンズ系５を上記各レーザダイオードバー１のレーザ出口に夫々設けたコリメートレンズ６と、上記レーザ発振器３からのレーザが照射される直径２インチのシリコン基板などの被加熱物４と上記コリメートレンズ６との間に、上記被加熱物４側に向って順次に配置せしめた凸レンズ７、フライアイレンズ８、第２の絞り９とにより構成し、上記コリメートレンズ６により平行にされたレーザ光が、上記凸レンズ７を通過し、フライアイレンズ８により、各隣り合うレーザダイオードバー１のピッチ間のレーザ分布が均一とされたあと、レーザ光が集光され、デフォーカスされ、上記被加熱物４に照射されこれを加熱せしめるようにする。

また、図３に示すようにレーザ発振器の遅軸方向では上記レーザダイオードバー１から出たレーザ光を、出射角（約１０度）のまま上記第２の絞り９より上記レーザ発振器側に配置した第１の絞り１０と第２の絞り９で形を整え上記被加熱物４に照射せしめ加熱せしめるようにする。

なお、上記第１の絞り１０の開口１１は、レーザ光の遅軸方向の整形を良くするため、図４に示すように被加熱物側から発振器側に向うに従って徐々に開口面積が大きくなるように構成せしめる。

また、上記第２の絞り９の開口１２は図５に示すように、上記レーザ発振器側から上記被加熱物側に向うに従って徐々に開口面積が大きくなるように構成せしめる。上記第２の絞り９は遅軸方向のレーザ光を整形すると共に被加熱物４からの反射光や輻射光を広く拡散せしめるために、アルミ板などの熱伝導性の良い材料で構成し、被加熱物側表面をセラミックコートし、微小な凹凸を形成せしめるのが好ましい。

なお、上記第２の絞り９の開口１２は出来るだけ小さくし速軸側集光点位置に設けることが好ましい。

本発明のレーザ加熱装置においては、上記第２の絞り９により、遅軸側レーザ光を整形すると共に上記被加熱物４からの反射光がレーザ発振器３側に戻るのが軽減され、また、被加熱物４自身の加熱により発する輻射光がレーザ発振器３側に入射するのを軽減せしめることができ、レーザ素子の破損を防止することができ、半導体レーザの寿命・性能を著しく向上せしめることができる。

なお、上記コリメートレンズ６、凸レンズ７、フライアイレンズ８、第１の絞り１０、集光点近傍の第２の絞り９までを筒状のレンズホルダ（図示せず）内に設け、レーザ発振器の速軸の集光点を上記レンズホルダ内とし、このレンズホルダを上記レーザ発振器３と一体化することで、レンズホルダから出た光の速軸と遅軸が夫々デフォーカス光となり、このデフォーカス光を被加熱物４に照射せしめた結果、一度の照射で被加熱物を短時間に、例えば１０００度まで均一に加熱することができ、被加熱物に均一で良好な酸化膜を形成せしめることができる。

また、レーザ発振器の速軸において凸レンズの後にフライアイレンズを設けたので、レーザ光を均一化できる。

また、集光点近傍に第２の絞り９を設けたので、レーザ光を必要な形状に整形できる。

なお、速軸方向での被加熱物４の照射領域を遅軸方向でのそれと略一致せしめるため、本発明の第２実施例においては、図６に示すように、上記レーザ発振器３の速軸方向で、上記第２の絞り９と上記被加熱物４との間に１または複数個の凸レンズ１３を設け、集光されたレーザ光を上記凸レンズ１３を通過させてより小さくデフォーカスさせ被加熱物４に照射せしめるようにする。

また、図７に示すように、上記レーザ発振器３の遅軸方向で、上記レーザ発振器３と上記第１の絞り１０との間に凹レンズ１４を設け、レーザ発振器３から出たレーザ光を、上記凹レンズ１４を通して広げたあと、上記第１の絞り１０と第２の絞り９とでレーザ光の形を整え上記被加熱物４に照射せしめ加熱せしめるようにする。

このようにすれば被加熱物４の照射領域を略正方形となし得る。

なお、更に上記凸レンズ１３、凹レンズ１４を上記レンズホルダ内に設けてもよい。

なお、速軸方向での被加熱物４の照射領域以外の部分にレーザ光が漏れないように、本発明の第３の実施例においては、図８に示すように、レーザ発振器３の速軸方向では、上記凸レンズ１３により範囲を狭めてデフォーカスされたレーザ光から必要な領域範囲の箇所に１または複数個の凸レンズ１５を設けて平行光とし、上記被加熱物４に照射せしめるようにする。

また、図９に示すように、上記レーザ発振器３の遅軸方向では、第２の絞り９でレーザ光の形を整えたあと、レーザ光の必要な領域範囲の箇所に凸レンズ１６を設けて平行光とし、上記被加熱物４に照射せしめるようにする。このようにすれば、被加熱物４の照射光をレーザの平行光とすることができ、レーザ光の広がりによって被加熱物以外の箇所が加熱されることがなく、熱ロスを少なくするこができる。

なお、速軸の凸レンズ１５、遅軸の凸レンズ１６は上記レンズホルダとは別のレンズホルダで位置決めする。

本発明のレーザ加熱装置のレーザ発振器の斜視図である。 本発明のレーザ加熱装置の速軸方向説明図である。 本発明のレーザ加熱装置の遅軸方向説明図である。 図２に示す第１の絞りの縦断側面図である。 図２に示す第２の絞りの縦断側面図である。 本発明のレーザ加熱装置の第２実施例の速軸方向説明図である。 本発明のレーザ加熱装置の第２実施例の遅軸方向説明図である。 本発明のレーザ加熱装置の第３実施例の速軸方向説明図である。 本発明のレーザ加熱装置の第３実施例の遅軸方向説明図である。

符号の説明

１ レーザダイオードバー
２ ヒートシンク板
３ レーザ発振器
４ 被加熱物
５ 光学レンズ系
６ コリメートレンズ
７ 凸レンズ
８ フライアイレンズ
９ 第２の絞り
１０ 第１の絞り
１１ 開口
１２ 開口
１３ 凸レンズ
１４ 凹レンズ
１５ 凸レンズ
１６ 凸レンズ

Claims (7)

1. レーザダイオードバーを複数積層せしめて形成したレーザ発振器と、上記レーザ発振器と被加熱物との間に介挿した光学レンズ系とより成り、この光学レンズ系は、上記レーザ発振器の速軸方向では上記各レーザダイオードバーのレーザ出口に設けたコリメートレンズと、このコリメートレンズと上記被加熱物間に、上記被加熱物に向かう方向に順次に配置せしめた凸レンズと、フライアイレンズと、第２の絞りより成り、上記コリメートレンズより出た平行光を集光せしめてから焦点（集光）位置よりも遠くに位置する被加熱物に照射せしめ、上記光学レンズ系は、上記レーザ発振器の遅軸方向では上記レーザ発振器と上記被加熱物間に、上記被加熱物に向かう方向に順次に配置せしめた第１及び第２の絞りより成り、上記レーザダイオードバーから出たレーザ光を出射角度のまま上記第１及び第２の絞りにより整形し被加熱物に照射せしめ、上記第１絞りでは、上記半導体レーザ発振器側の開口面積を大きくし、上記第２絞りでは、上記被加熱物側の開口面積を大きくしたことを特徴とするレーザ加熱装置。
2. 上記レーザ発振器の速軸方向では、上記集光されたレーザ光のデフォーカス量を減少するための１または複数個の凸レンズを介して被加熱物に照射せしめることを特徴とする請求項１記載のレーザ加熱装置。
3. 上記レーザ発振器の遅軸方向では、上記レーザ出口から出たレーザ光を凹レンズにより更に広げることを特徴とする請求項１または２記載レーザ加熱装置。
4. 上記レーザ発振器の遅軸方向では、上記第２の絞りにより整形したあと、平行光にするための凸レンズを介して被加熱物に照射せしめることを特徴とする請求項１、２または３記載のレーザ加熱装置。
5. 上記第２の絞りが熱伝導性の良い材料で形成されていることを特徴とする請求項１、２、３または４記載のレーザ加熱装置。
6. 上記第２の絞りの被加熱物側の面がセラミックでコートされていることを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載のレーザ加熱装置。
7. 上記光学レンズ系及びその集光点近傍の第２の絞りまでを同一レンズホルダ内に設け、上記レンズホルダ部から出たレーザ光をデフォーカス光としたことを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載のレーザ加熱装置。

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