JP4921643B2 - 照明光学系及びこれを備えるレーザー処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス基板等のアニール処理に好適な照明光学系及びこの光学系を備えるレーザー処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、非晶質珪素膜に対してレーザー光を照射することで結晶化する技術が知られている。また、不純物イオンの注入によって損傷した珪素膜の結晶性の回復や注入された不純物イオンの活性化のためにレーザー光を照射する技術が知られている。これらは、レーザーアニール技術と呼ばれている。
【０００３】
レーザーアニール法によるプロセスでは、基板に対する熱ダメージが殆ど無いという特徴を有している。この基板に対する熱ダメージの問題が無いという特徴は、たとえば、ガラスなどの耐熱性の低い基板上に半導体素子を形成する際に有利である。
【０００４】
近年、液晶表示素子、特に大型の動画用液晶表示素子では、コストの問題及び大面積化の要求から基板としてガラス基板を利用することが望まれている。このため、レーザーアニール法を用いれば、基板として耐熱性の低いガラスを使用した場合でも、ガラス基板への熱ダメージはほとんど無い。従って、ガラス基板を用いても結晶性珪素膜を用いた薄膜トランジスタ等の半導体素子を作成することができる。よって、レーザーアニール法は、ガラス基板上に半導体回路を作る技術要素として将来期待されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
半導体回路等が形成されるガラス基板は比較的大きな面積を持つものが多い。これに対して、レーザー光は光源から射出された直後の状態では、ビーム照射面積が小さい。このため、ビーム形状を方形状や線状に加工して、所定領域を走査することが行われている。例えば、線状のビームをその長手方向とは垂直に移動させ、ガラス基板上を走査させる。これにより、比較的に短時間にガラス基板全体にアニールを行う事が可能となる。
【０００６】
このようなレーザーアニールに用いる線状ビームを作る光学系が、例えば、特開平１０−２４４３９２号公報に開示されている。特開平１０−２４４３９２号公報では、ホモジナイザーと称される光学系を用いてレーザービームを線状のビームに変換している。ホモジナイザーには、非常に高い均一性を有する照度及び形状の線状ビームを作る事が要求される。該公報では、複数のシリンドリカルレンズからなる多シリンドリカルレンズ系がホモジナイザイザーとして用いられている。そして、ホモジナイザイザーがビーム照度の均一性において中心的な役割をする。
【０００７】
多シリンドリカルレンズ系は、短冊状の各シリンドリカルレンズを、その屈折力を有する方向に沿って一列に並べたレンズ系である。通常の均一照明の際に用いられるフライアイレンズと同様に、多シリンドリカルレンズ系に入射した光束は各シリンドリカルレンズで分割され、線状に集光される。この結果、シリンドリカルレンズの数と等しい数の線状像が形成される。この線状像が新たな複数の２次線光源となり、レンズ（他のシリンドリカルレンズ）を通して試料を照明する。試料の照射面では複数の２次線光源からの光が重なりあって平均化される。これにより、多シリンドリカルレンズ系が配列された方向（屈折力を有する方向）の照度分布が均一になる。
【０００８】
また、特開平１０−２４４３９２号公報では、線状ビームの長手方向だけでなく、その幅方向に関しても照度を均一にするため、多シリンドリカルレンズ系を二つ用いている。
【０００９】
しかしながら、上記公報に開示されたようにシリンドリカルレンズを多用することは以下に述べる問題がある。シリンドリカルレンズは、通常の球面レンズに比較して加工が困難であり、かつ製造コストも増加する。また、形状加工の精度も通常の球面レンズに比較して非常に低い。そのため、実際の装置の製造を考慮すると、シリンドリカルレンズを多用する光学系は、製造コストが増加することに加え、加工精度の点から高い要求性能を満足できないおそれがある。
【００１０】
また、上述したように大型の液晶ディスプレイの需要が増えていることに伴い、走査領域面積が大型化している。このため、線状ビームの長さはより長いものが要求されるようになっている。ここで、ビーム線幅一定のまま、ビームの長手方向の長さを長くすると、照射面積が大きくなってしまう。従って、単位面積当たりのエネルギー密度が小さくなる。この結果、試料にビームを照射した時、アニールに必要な温度まで加熱する事が困難になってしまう。そこで、試料照射時のエネルギー密度を上げるため、ビームの長手方向の長さを長くするだけでなく、そのビーム線幅をも細くする事が必要になる。
【００１１】
さらに、細い線幅のビームが必要とされる他の理由を以下に述べる。従来、レーザー光源として出力パワーの大きいエキシマレーザーを使用することが多い。しかし、エキシマレーザーは、高価で装置自体が大型である。このため、より安価で、小型、かつ取扱いも容易な固体レーザーを光源として使用することが望まれている。この固体レーザーは、エキシマレーザーに比べると出力エネルギーが低い。このため、照射面のエネルギー密度を増加するためには、より細い線幅のビームで集光させる必要がある。よって、ビームの長手方向の長さを長くするだけでなく、そのビーム線幅をも細くする事が必要になる。
【００１２】
上述のように、細い線幅の線状ビームの必要性に伴い、これを達成するため線状ビームの長手方向に高い結像性能を有する光学系が必要となる。このような結像性能の要求の立場からも、上述の特開平１０−２４４３９２号公報に開示された光学系では十分な仕様ではない。
【００１３】
特開平１０−２４４３９２号公報では、上述したように短冊状のシリンドリカルレンズを複数有する多シリンドリカルレンズ系を二つ使用している。そして、多シリンドリカルレンズ系に続く一般にコンデンサーレンズと呼ばれる光学系も多シリンドリカルレンズ系から構成されている。
【００１４】
このように、シリンドリカルレンズ群で光学系を構成し、ビーム長手方向と短手方向とを各々異なるパワー配置で光学系を構成する事は、長方形（線状）のビームを作る際は、設計者にとって直感的に理解しやすく、有効な設計方法であると考えられる。
【００１５】
ところが、パワーの方向の異なるシリンドリカルレンズを組み合わせた光学系に、平行光束が入射すると各シリンドリカルレンズのパワーの方向と異なる方向に進む光線が現われる。この光線の収差は単に直交するパワーを組み合わせた光学系では容易に補正できない。従って、実際に光学系の収差を高いレベルで補正することを目的とする場合は、この設計方法は好ましくない。
【００１６】
例えば、単純に円形の断面を有する平行光束を仮定する。次に、負（凹）のパワーを持つ第１シリンドリカルレンズと、この第１シリンドリカルレンズの後ろ（像側）に第１シリンドリカルレンズのパワーの方向と直交する方向に正（凸）のパワーを持つ第２シリンドリカルレンズを配置する。そして、上記平行光束を、第１と第２シリンドリカルレンズへ入射させて、線状に集光する場合を考える。
【００１７】
この場合、初めの負パワーを持つ第１シリンドリカルレンズにより、光束は一方向にだけ発散する。また、次の正パワーを持つ第２シリンドリカルレンズにより、この発散光は、発散方向に垂直な方向に集光される。ここで、負の第１シリンドリカルレンズを射出した発散光のうち発散中心部の光は、正の第２シリンドリカルに入射するとき、第２シリンドリカルレンズの母線に対して垂直に入射する。一方、第１シリンドリカルレンズを射出した発散光のうち発散方向周辺部の光は、第２シリンドリカルレンズの母線に対して斜めに入射する。
【００１８】
その結果、負の第１シリンドリカルレンズを射出した発散光の発散方向中心部の光と周辺部の光とでは正の第２シリンドリカルレンズに入射した後の光の集光位置が異なる。この結果、線状に結像する際、線状像中心部と周辺部とでは線幅が異なることになる。そのため、シリンドリカルレンズから成る光学系ではこのようなシリンドリカルレンズ特有の収差を補正する必要がある。
【００１９】
上述のシリンドリカルレンズ特有の収差に対して、一般の光学設計者は不慣れである。上記光線の振舞いは、単にビーム短手（短軸）方向を含む面と長手（長軸）方向を含む面だけでは表わす事ができない。直交するパワーを持つシリンドリカルレンズの組み合わせのみで、シリンドリカルレンズに特有な上記収差を補正する事は極めて困難である。また、仮に、該収差が補正されたとしても、非常に多くのシリンドリカルレンズが必要とされる事が予想される。
【００２０】
以上説明したように、より細い線幅の線状ビームを加工する場合、光学設計の手法の立場からも直交するシリンドリカルレンズを多用する光学系は望ましくない。
【００２１】
また、特開平１０−２４４３９２号公報に開示された光学系では、ビーム短手方向の照度均一性を確保する構成になっている。しかし、この構成も細い線幅の線状ビームを加工する事を考えると以下の理由により望ましくない。
【００２２】
まず、線幅方向の照度均一性の必要性について説明する。線幅方向の照度均一性を高めることは、線状ビームの走査速度を高速化する場合に有効である。線状ビームの走査方向の線幅が広い場合は、線状ビームの走査速度を速くしても、基板試料上の単位面積を線状ビームが通過するのべ時間は長くなる。従って、基板試料上の線状ビーム照射時間は、結晶化等の反応に十分なものとなる。このため、線状ビーム線幅が広いほど走査速度を上げることができるので、アニールエ程の時間を短縮できる。
【００２３】
ところが、線状ビームの照度均一性が低い場合は、ビーム幅の周辺部でエネルギーが低くなってしまう。このため、線状ビームを走査したとき、線状ビームの周辺部ではアニールの反応が起きない場合がある。この場合は、細い線幅の線状ビームを走査するのと等価となるので、走査速度を上げられなくなってしまう。
【００２４】
上述したように、近年、より大きな面積の液晶表示素子（ディスプレイ）が求められるようになっている。従って、液晶表示素子の製造工程のスピード化を図り、より広い面積の基板を加工する技術が望まれている。また、上述したように、線状ビームの線幅を細くするためには、高度に収差補正をすることが望ましい。さらに、高度に収差補正された線幅の細い線状ビームを加工することと、線状ビームの短手（線幅）方向に高い照度均一性を得ることとを両立する事は非常に困難である。従って、線状ビームの長手方向には照度均一性を高くすること、及び線状ビームの短手方向には線幅を細くすることに関する光学性能だけに特化した光学系が望まれる。かかる観点からも、特開平１０−２４４３９２号公報に開示された光学系は十分であるとは言えない。
さらに、上述した光学系では、線状ビームの短手方向の照度均一性を向上させるために、多シリンドリカルレンズ系を用いている。該レンズ系の機能は、既に説明したように、光源からのビームを線幅方向に分割し、その分割したビームの作る線状像を照射面で重ね合わせるものである。そのため、照射面での線状像の線幅が細くなると、線状像の重ね合わせ精度は線状像幅より小さくする必要がある。即ち、要求される線幅が細くなるに従って、線状像の重ね合わせ精度も厳しくなる。よって、レーザー処理装置の製造を考慮に入れると、被照射面での線状像の照度分布の均一性を多少犠牲にしても、ビームの分割数を減らした方が望ましい。その際、アニール加工の速度を多少低下させれば、線状像の線幅方向の照度均一性を低下できるため、ビームの分割数も減らす事ができ、より装置製造の立場からは望ましくなる。
【００２５】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、優れた結像性能を有し、照度均一性が良く、細い線幅の大きなアスペクト比の線状ビームを照射できる照明光学系及び低コストで、製造容易、大面積を高速に処理できるレーザー処理装置を提供することを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、レーザー光源１側から順に、回転対称なレンズで構成されており前記レーザー光源１からの照射ビームの径を拡大するアフォーカルなビームエキスパンダ系２と、少なくとも第１の方向ｘに略直交する第２の方向ｙに屈折力を有し、前記ビームエキスパンダ系２からの照射ビームを前記第１の方向ｘに長手方向を有する線状ビームに結像する線状ビーム形成レンズ系３と、前記第１の方向ｘに沿って配列された回転対称な複数の要素レンズを有するレンズアレイ４と、回転対称なレンズで構成されており前記線状ビームの前記各要素レンズごとの像を被処理面Ｉ２に重ね合わせて照射するコンデンサ光学系５とを有することを特徴とする照明光学系を提供する。
【００２７】
また、本発明の好ましい態様では、前記線状ビーム形成レンズ系３は、前記第２の方向ｙに正の屈折力を有するシリンドリカルレンズ３であることが望ましい。
【００２８】
また、本発明の好ましい態様では、前記シリンドリカルレンズ３と前記レンズアレイ４と前記コンデンサ光学系５との少なくとも１つを光軸ＡＸに沿って移動可能であることが望ましい。
【００２９】
また、本発明の好ましい態様では、前記レンズアレイ４は、少なくとも第１サブアレイ部ＬＡ１と第２サブアレイ部ＬＡ２とを有し、前記第１サブアレイ部ＬＡ１と前記第２サブアレイ部ＬＡ２とは、前記各サブアレイ部ＬＡ１，ＬＡ２の対応する前記各要素レンズＥＬ１１とＥＬ２１，ＥＬ１２とＥＬ２２，ＥＬ１３とＥＬ２３の光軸ＡＸ１１とＡＸ１２，ＡＸ，ＡＸ１３とＡＸ２３どうしがほぼ一致するように配列されていることが望ましい。
【００３０】
また、本発明の好ましい態様では、前記コンデンサ光学系５は、前記被処理面Ｉ２側に、前記第２の方向ｙに正の屈折力を有するシリンドリカルレンズ７を有することが望ましい。
【００３１】
また、本発明は、レーザー光を供給するレーザー光源１と、請求項１乃至５の何れか一項に記載の照明光学系と、前記被処理面Ｉ２と前記照射された線状ビームとを相対的に移動する走査移動部６とを有するレーザー処理装置を提供する。
【００３２】
なお、本発明の構成を説明する上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が実施の形態に限定されるものではない。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
（第１実施形態）
図１（ａ），（ｂ）は第１実施形態にかかるレーザー処理装置の概略構成を示す図である。固体レーザー１から射出した断面がほぼ円形のレーザービームは、アフォーカルなビームエクスパンダー２により光束径を拡大され、直径の大きなコリメート光に変換される。コリメート光Ｌは、シリンドリカルレンズ３に入射する。シリンドリカルレンズ３は、ｘ方向には屈折力を有せず（ノンパワーな面）、該ｘ方向にほぼ直交するｙ方向に正の屈折力を有している。このため、シリンドリカルレンズ３を透過した光は、中間結像面Ｉ１にｘ方向を長手方向とする線状に集光される。
【００３４】
ここで、固体レーザー１から射出された断面がほぼ円形のレーザービームの強度分布は、ガウス分布を有している。そして、円形ビームをシリンドリカルレンズ３で線状像に変換しているため、線状像の中心部分の照度が強く、周辺部分の照度が低くなっている。従って、中間像面Ｉ１で形成された線状像はｘ方向に照度分布を持つ不均一な線状像である。
【００３５】
中間結像面Ｉ１のすぐ最終像側には、第１サブレンズアレイ部ＬＡ１と第２サブレンズアレイ部ＬＡ２とからなるレンズアレイ４が設けられている。図３はレンズアレイ４の構成を示す図である。ここで、第１サブレンズアレイ部ＬＡ１と、第２サブレンズアレイ部ＬＡ２とは同一の構成であるので、第１サブレンズアレイ部ＬＡ１を例にして説明し、重複する説明は省略する、第１サブレンズアレイ部ＬＡ１は、複数の要素レンズＥＬ１１，ＥＬ１２，ＥＬ１３を有している。各要素レンズＥＬ１１等は、その光軸ＡＸ１１等に関して回転対称な形状である。これら各要素レンズＥＬ１１等は、シリンドリカルレンズ３が屈折力を有していないｘ方向に沿って一列に配列されている。
【００３６】
また、第１サブレンズアレイ部ＬＡ１と第２サブレンズアレイ部ＬＡ２とは、第１サブレンズアレイ部ＬＡ１の要素レンズＥＬ１１の光軸ＡＸ１１と、第２サブレンズアレイ部ＬＡ２の対応する要素レンズＥＬ２１の光軸ＡＸ２１とが一致するように配置されている。その他の要素レンズＥ１２等に関しても同様である。
【００３７】
図１（ａ），（ｂ）に戻って、レンズアレイ４の像側には、コンデンサーレンズ５が配置されている。レンズアレイ４とコンデンサーレンズ５とで結像系を構成する。この結像系により、シリンドリカルレンズ３が中間像面Ｉ１に形成した線状像を、ガラス基板Ｇ上の被照射面（被処理面）Ｉ２に結像する。即ち、シリンドリカルレンズ３が形成した線状像の位置と被照射面Ｉ２の位置とが共役になっている。
【００３８】
また、レンズアレイ４とコンデンサーレンズ５とから成る光学系は、結像系であると共に、シリンドリカルレンズ３が形成した中間像面Ｉ１における照度が不均一な線状像を、最終像面である被照射面Ｉ２において均一な照度分布を有する線状像に変換する役割を有している。被照射面Ｉ２において、均一な照度分布の線状像を作る原理は、上述した一般の均一照明をする際用いられるフライアイレンズの原理と同様である。即ち、レンズアレイ４は、シリンドリカルレンズ３が形成した面Ｉ１の線状像からの光を分割する。本実施形態では、３つの要素レンズＥＬ１１，ＥＬ１２，ＥＬ１３で３分割している。そして、分割された線状像をコンデンサーレンズ５で被照射面Ｉ２上で重ね合わせて結像する。この結果、各要素レンズに対応するそれぞれの線状像の平均化の効果により、均一な照度の線状像を得ることができる。
【００３９】
次に、この重ね合わせによる照度均一化について図１（ａ），（ｂ）をもとにさらに詳しく説明する。
【００４０】
図１（ａ）に示すように、シリンドリカルレンズ３が屈折力を有さないｘ方向では、平行光束Ｌがレンズアレイ４に入射する。そして、各要素レンズに対応して集光位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３へ集光する。また、図１（ｂ）に示すように、シリンドリカルレンズ３が屈折力を有するｙ方向では、シリンドリカルレンズ３の焦点位置とレンズアレイ４の焦点位置は略一致するように配置されている。これにより、シリンドリカルレンズ３で線状に集光された光は、レンズアレイ４でアフォーカルな平行光束に変換されて射出する。そして、図１（ａ），（ｂ）から分かるように、集光位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に線状に集光した光は、それぞれ新たな線光源を形成する。そして、これらの線光源からの光は、それぞれコンデンサーレンズ５を経て、ガラス基板Ｇ上の被照射面Ｉ２上の同じ位置に重なり合って線状像を形成する。
【００４１】
被照射面Ｉ２上における線状像の照度分布は、レンズアレイ４の要素レンズＥＬ１１等によって３分割された光の照度分布を重ね合わせたものとなる。例えば、要素レンズＥＬ１１とＥＬ２１とを透過した光が被照射面Ｉ２に形成する線状像は、シリンドリカルレンズ３が中間像面Ｉ１に形成した線状像を３分割したときの１／３の部分Ｌ１の像である。光軸ＡＸ上の要素レンズＥＬ１２とＥＬ２２とを透過した光が被照射面Ｉ２に形成する線状像は、シリンドリカルレンズ３が中間像面Ｉ１に形成した線状像を３分割したときの１／３の部分Ｌ２の像である。要素レンズＥＬ１３とＥＬ２３とを透過した光が被照射面Ｉ２に形成する線状像は、シリンドリカルレンズ３が中間像面Ｉ１に形成した線状像を３分割したときの１／３の部分Ｌ３の像である。このため、レンズアレイ４により３分割された光が被照射面Ｉ２に形成する線状像の照度分布は、光束Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が有する互いに異なる照度分布の重ね合わせであることが分かる。
【００４２】
また、シリンドリカルレンズ３が中間像面Ｉ１に形成する線状像の照度分布は光軸ＡＸに対して対称である。このため、図１（ａ）に示すように、線状像を３分割すると、レンズアレイ４の光軸ＡＸから遠い両端の二つの要素レンズＥＬ１１，ＥＬ１３が形成する線状像の照度分布は、互いに反対称の照度分布となる。従って、３分割された３つの線状像が被照射面Ｉ２上で重なり合うと照度分布が平均化され、非常に均一性の高い照度分布を得ることができる。
【００４３】
なお、本実施形態では、要素レンズが３個の場合を示したが、２個の場合でも同様の効果が得られる。また、要素レンズの数を多くしてビームの分割数を多くすればするほど、平均化の効果が向上し、均一な照度分布の線状像を形成する事ができる。
【００４４】
次に、より細い線幅を有する線状像を形成するために必要な結像性能（収差）について説明する。
【００４５】
シリンドリカルレンズ３で形成した線状像を、レンズアレイ４とコンデンサーレンズ５とからなる光学系で被照射面Ｉ２に結像している。このため、諸収差の発生源は、シリンドリカルレンズ３と、レンズアレイ４と、コンデンサーレンズ５とである。
【００４６】
この中で、シリンドリカルレンズ３に入射する光は平行光であること、その入射方向も一方向のみであることから、当該シリンドリカルレンズ３で発生する収差は単に球面収差に相当するものだけである。従って、シリンドリカルレンズ３の収差の補正は、通常の軸対称な光学系のように、正負（凸凹）の二枚のシリンドリカルレンズを組み合わせる事により容易に補正できる。
【００４７】
次に、レンズアレイ４とコンデンサーレンズ５とからなる光学系については、上述したように結像系を構成している。従って、この結像光学系全体で収差が補正されていなげればならない。そして、この結像光学系全体の収差補正を行う場合、レンズアレイ４で発生する収差量が問題となる。
【００４８】
レンズアレイ４は、上述のように、均一照明の際に用いられるフライアイレンズの機能と同様の機能を果たしている。そして、通常のフライアイレンズが構造上やむをえないように、個々の要素レンズは一つの単レンズ成分から構成されている。そのため、レンズアレイ４の要素レンズＥＬ１１等を一つの単レンズ成分から構成する場合、該レンズで大きな収差が発生する。そこで、このレンズアレイ４で発生した収差をコンデンサーレンズ５で補正する事を試みる。しかしながら、一列に配置された各要素レンズＥＬ１１等の収差を同時に補正することは非常に困難である。図１（ａ）から分かるように、レンズアレイ４から射出した光は線状に結像してコンデンサーレンズ５に入射する。そして、レンズアレイ４のそれぞれの要素レンズから射出した光は、異なる高さからコンデンサーレンズ５に入射する。しかし、各要素レンズで発生する収差の形は同じなので、コンデンサーレンズ５において異なる光路を通過する光に対して同じ形の収差を補正しなければならない。かかる収差補正は非常に困難なことである。
【００４９】
そこで、本実施形態のように、レンズアレイ４を第１サブレンズアレイＬＡ１と第２サブレンズアレイＬＡ２とからなる二枚ダブレットレンズで構成する事により、レンズアレイ４での収差を十分補正する事ができる。また、二枚ダブレットレンズのレンズアレイ４と、収差が十分補正されたコンデンサーレンズ５と組み合わせれば、レンズアレイ４とコンデンサーレンズ５とから成る結像系は十分な結像性能を有することができる。このため、シリンドリカルレンズ４で形成された線状像を十分に細く被照射面Ｉ２に結像する事が可能となる。なお、コンデンサーレンズ５の収差を十分補正する事が、容易であるのはこれが軸対称な通常の光学系であることから明らかである。
【００５０】
また、本実施形態の場合、レンズアレイ４をダブレットレンズから構成する事が容易なのは、通常のフライアイレンズが二次元の配置であるのに対して、本実施形態のレンズアレイ４は一次元の配列だからである。一次元のレンズアレイの場合、各レンズの保持をレンズ側面から行うことができるので、個々のレンズを２枚構成にしてもその保持が容易である。加えて、要素レンズの並ぶｙ方向（シリンドリカルレンズ３が屈折力を有する方向）にレンズアレイをシフトすることができる。これにより、線状像の幅方向（ｙ方向）のレンズのアライメントによる収差を取ることができる。
【００５１】
また、本実施形態で一次元レンズアレイを用いる事ができるのは、上述したように、本発明が線状像の照度均一性を長手方向のみ優先し、線幅方向の均一性を犠牲に、線幅を細くすることに特化したものであるからである。そして以上から分かるように本発明のこのような選択が正しい事が分かる。
【００５２】
なお、コストは増加するがレンズアレイ４の個々の要素レンズを４枚以上とし、さらに結像性能を上げることも可能である。
【００５３】
また、本実施形態では、シリンドリカルレンズ３を光軸ＡＸに沿って移動する第１移動機構部ＭＶ１、レンズアレイ４を光軸ＡＸに沿って移動する第２移動機構部ＭＶ２、コンデンサレンズ５を光軸ＡＸに沿って移動する第３移動機構部ＭＶ３を有することが望ましい。これにより、各レンズ３，４，５の位置を変えることで、デフォーカスさせて線状像の線幅を変えることができるという効果を奏する。なお、何れか一つのレンズを移動させても良いことはいうまでもない。
（第２実施形態）
図２（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態にかかるレーザー処理装置の概略構成を示す図である。コンデンサーレンズ５と被照射面Ｉ２との間に、正（凸）パワーを持つシリンドリカルレンズ７が新たに付加されている。その他の構成は上記第１実施形態と同様であるので同一部分には同様の符号を用い、重複する説明は省略する。
【００５４】
本実施形態では、シリンドリカルレンズ３によって形成される線状像が再度被照射面Ｉ２上に形成されるように構成する。即ち、シリンドリカルレンズ３が作る線状像と被照射面Ｉ２とが共役になるようにする。このため、上記第１実施形態に比較してシリンドリカルレンズ３が形成する線状像の位置（中間像面）Ｉ１をレンズアレイ４側にデフォーカスしている。
【００５５】
かかるシリンドリカルレンズ７を設けたことにより、レンズ設計する上で線状像の線幅方向の焦点距離を更に自由に変える事ができる。
【００５６】
線状像の線幅を問題にする場合、レーザー光源１の射出特性等のため線幅方向（ｙ方向）の焦点距離は重要である。一般には、レーザー光源１からの光は理想的な平行光が一定の方向に射出されると考えられる。しかし、実際はレーザー光源１からの光は完全な平行光でない。また、光源１から発振される光の方向にも時間的なばらつきがある。
【００５７】
次に、本レーザー処理装置の場合、このようなレーザー光源１の発振特性が光学系の性能に影響する度合いを説明する。例えば、レーザー光源１から射出された光が完全な平行光でなく、その波面がうねっており、角度θのスロープの収差を持っていると仮定する。また、この時、レーザー光源１の開口ＡＰから被照射面Ｉ２までの光学系の焦点距離をｆとする。この場合、レーザー光の収差は照射面Ｉ２上で、ｆ・θの横収差となる。この結果、被照射面Ｉ２での線状像の線幅がｆ・θ分だけ大きくなる。
【００５８】
同様に、光源１のビームの出射角のばらつきをΦとする。この場合、被照射面Ｉ２での線状像の位置のばらつきはｆ・Φとなる。このため、レーザーの波面の乱れなどの影響を抑えるためには、光学系の焦点距離はなるべく短いことが望ましい。しかし、光学系の焦点距離が短いと作動距離（ワーキングディスタンス）を確保するのが困難になる。従って、機械的な制約を満足するのが難しくなる。このように、光学系を設計する際、焦点距離を最適な値にする事は必須である。
【００５９】
上記第１実施形態において焦点距離を変える場合、レンズアレイ４とコンデンサーレンズ５とから成る結像光学系の倍率（レンズアレイ４から被照射面Ｉ２までの倍率）を変えること、又はシリンドリカルレンズ３の焦点距離を変えることの何れかを行う必要がある。しかし、レンズアレイ４とコンデンサーレンズ５とは共に光軸ＡＸに対して対称な光学系である。このため、図１（ａ）のｘ方向の焦点距離を変えるために結像光学系の倍率を変更すると、同時に被照射面Ｉ２に形成される線状像の長さも変わってしまう。また、シリンドリカルレンズ３の焦点距離を変えた場合、レンズアレイ４に入射する光の開口数（ＮＡ）が変わる。そのためレーザー光源１から被照射面Ｉ２までの焦点距離を短くしようとすると、このＮＡが大きくなる。このため、ここで発生する収差の補正が困難となると同時に、レンズアレイ４で発生する収差も増加する。
【００６０】
そこで、本実施形態のように、コンデンサーレンズ５と被照射面Ｉ２との間にシリンドリカルレンズ７を追加すると、シリンドリカルレンズ３、レンズアレイ４、コンデンサーレンズ５の各焦点距離を収差補正を優先に選択した場合にあっても、シリンドリカルレンズ７で全体の焦点距離を設定できる。このため、線状像の長さを一定のまま、諸収差も増加させることなく、光源１の特性に応じた光学系を得られるという効果を奏する。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、優れた結像性能を有し、照度均一性が良く、細い線幅の大きなアスペクト比の線状ビームを照射できる照明光学系を提供できる。また、本発明では、低コストで、製造容易、大面積を高速に処理できるレーザー処理装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ），（ｂ）は第１実施形態にかかるレーザー処理装置の概略構成を示す図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は第２実施形態にかかるレーザー処理装置の概略構成を示す図である。
【図３】レンズアレイの構成を示す図である。
【符号の説明】
１…レーザー光源
２…ビームエクスパンダー
３…シリンドリカルレンズ
４…レンズアレイ
ＬＡ１，ＬＡ２…サブレンズアレイ部
ＥＬ１１〜ＥＬ２３…要素レンズ
５…コンデンサーレンズ
６…走査移動部
７…シリンドリカルレンズ
Ｉ１、Ｉ２…像面
Ｇ…ガラス基板
ＡＸ…光軸
ＡＰ…レーザー開口部

Claims (6)

1. レーザー光源側から順に、
   回転対称なレンズで構成されており、前記レーザー光源からの照射ビームの径を拡大するアフォーカルなビームエキスパンダ系と、
   少なくとも第１の方向に略直交する第２の方向に屈折力を有し、前記ビームエキスパンダ系からの照射ビームを前記第１の方向に長手方向を有する線状ビームに結像する線状ビーム形成レンズ系と、
   前記第１の方向に沿って配列された回転対称な複数の要素レンズを有するレンズアレイ部と、
   回転対称なレンズで構成されており、前記線状ビームの前記各要素レンズごとの像を被処理面に重ね合わせて照射するコンデンサ光学系と、
   を有することを特徴とする照明光学系。
2. 前記線状ビーム形成レンズ系は、前記第２の方向に正の屈折力を有する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に記載の照明光学系。
3. 前記シリンドリカルレンズと前記レンズアレイ部と前記コンデンサ光学系との少なくとも１つを光軸に沿って移動可能であることを特徴とする請求項２に記載の照明光学系。
4. 前記レンズアレイ部は、少なくとも第１サブアレイ部と第２サブアレイ部とを有し、
   前記第１サブアレイ部と前記第２サブアレイ部とは、前記各サブアレイ部の対応する前記各要素レンズの光軸どうしがほぼ一致するように配列されていることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
5. 前記コンデンサ光学系は、前記被処理面側に、前記第２の方向に正の屈折力を有するシリンドリカルレンズを有することを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
6. レーザー光を供給するレーザー光源と、
   請求項１乃至５の何れか一項に記載の照明光学系と、
   前記被処理面上の線状ビームと前記被処理面とを相対的に移動する走査移動部とを有することをレーザー処理装置。

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