JP5454968B2

JP5454968B2 - レーザ照射方法及びその装置

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Publication number: JP5454968B2
Application number: JP2012029493A
Authority: JP
Inventors: ソクファンジョン; 純一次田; 徹太郎河上
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2012-02-14
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2027-08-01
Also published as: JP2012119723A

Description

本発明は、レーザ照射方法及びその装置に関するものであり、詳しくはレーザ発振器からのレーザをレンズを通して集光又は結像させてステージに載せた被照射物に照射し、被照射物を改質させるものにおいて、レンズの温度ひいては焦点距離を維持するためのミラーを備えるレーザ照射方法及びその装置に関するものである。

従来、薄膜トランジスタの結晶化シリコンの製造に際し、ガラス基板上に薄いａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）膜を形成した被照射物にレーザ光を照射して、ａ−Ｓｉ膜を結晶化して薄いｐ−Ｓｉ（ポリシリコン）膜としている。このａ−Ｓｉ膜にレーザを照射して改質する方法の一つとして、均一な強度のレーザをマスクにあてて、それを光学機器の集光レンズで被照射物のａ−Ｓｉ膜に投影し結像して、照射する方法がある（例えば特許文献１）。

これは、エキシマレーザを発生させるレーザ発振器で生じさせたレーザを光学機器に導き、反射ミラーによつて適当に方向変換させると共に、強度の均一化を図つた後、マスク及び集光レンズを通すことにより方形のラインビーム（パルス・レーザ）に整形し、被照射物に集光して転写している。被照射物は、レーザアニール装置の真空室内に設置されている。

このようなレーザ照射方法及びその装置では、次の技術的課題を有している。すなわち、レーザ発振器で生じさせたパルス・レーザを集光レンズに通し、被照射物に照射しているため、レーザが集光レンズを通過する際、レーザの一部がレンズに吸収され熱に変換され、レンズの温度が上昇する。このレンズの温度は、一般に所定に維持し、焦点距離の変化を防止しているが、一連のパルス・レーザの照射を停止した後に照射を再開するとき、一旦冷却されたレンズの温度が所定温度に回復するまでの待ち時間に長時間を要し、作業能率が低下する原因となつている。

このような温度変化に起因する焦点距離の変化を防止するために、集光レンズを鏡筒に収容し、鏡筒に付属させた温度制御装置により集光レンズを間接的に保温し、レンズの温度を所定に維持することも行われている。この場合、レンズはレーザによつて主として直接加熱されて温度上昇し、一方、レンズの温度制御は側面から間接的に行われる。このため、レーザによるレンズの温度上昇の時定数は、温度制御装置による冷却の時定数よりも短くなる。従つて、一連のパルス・レーザの照射を停止した後に照射を再開するとき、レンズの温度は短時間に上昇し、やがて下降に転じ、その後、安定する。この温度が安定に至るまでの間、レンズの焦点距離が変化し続けるため、被照射物にレーザを照射するときはピントがぼけた状態で照射されることになる。

また、集光レンズの温度変化に伴う焦点距離の変化を抑制するため、温度特性の異なる複数の材質を用いて作製したレンズを組み合わせることも試みられているが、その抑制効果は不十分である。

そこで、レーザ照射方法及びその装置において、レンズの温度ひいては焦点距離を維持するためのミラーを備えるものを提案した（例えば、特許文献２）。

これについて、図１の符号を付して説明する。レーザ発振器（１）からの処理用のレーザ（ａ）をレンズ（２）に通して集光又は結像させ、被照射物（４）に照射させるレーザ照射方法において、レンズ（２）と被照射物（４）との間に、レンズ（２）と被照射物（４）との間の光路を遮つて処理用のレーザ（ａ）を所定の反射率で反射する反射位置（Ｉ）と、レンズ（２）と被照射物（４）との間の光路を開放する開放位置（ＩＩ）とを採ることができる第１のミラー（５）と、反射位置（Ｉ）を採る第１のミラー（５）によつて反射される処理用のレーザ（ａ）の光軸（Ｌ）に対して垂直に配置され、処理用のレーザ（ａ）を所定の反射率で反射する第２のミラー（６）とを配置し、第１のミラー（５）に反射位置（Ｉ）を採らせることにより、レンズ（２）を透過する処理用のレーザ（ａ）を、第１のミラー（５）及び第２のミラー（６）によつて次々に反射させると共に、第１のミラー（５）によつて再度反射される処理用のレーザ（ａ）の強度を、第１のミラー（５）が開放位置（ＩＩ）を採る状態で被照射物（４）から反射される処理用のレーザ（ａ）の強度に合致させて、レンズ（２）を透過させ、処理用のレーザ（ａ）を被照射物（４）に照射して処理を与えるときと同様にレンズ（２）を加熱することを特徴とするレーザ照射方法である。

第１のミラー（５）は全反射ミラーによつて構成させ、第２のミラー（６）は、被照射物（４）の反射率と等しい反射率を有するハーフミラーによつて構成させ、第２のミラー（６）は、第１のミラー（５）と被照射物（４）との間の距離（ｈ２）と等しい距離（ｈ１）だけ第１のミラー（５）から離隔させた位置に配置させることができる。また、レンズ（２）は、焦点距離を計測する計測手段（７）を備えることができ、レンズ（２）は、温度制御装置（３）を付属することができる。

これによれば、第１のミラーによつて再度反射される処理用のレーザの強度を、第１のミラーが開放位置を採る状態で被照射物から反射される処理用のレーザの強度に合致させて、レンズを透過させ、処理用のレーザを被照射物に照射して処理を与えるときと同様にレンズを加熱することが簡単に実現できる。

特許第３２０４９８６号公報特許第３８４５６５０号公報

しかしながら、このような従来のレーザ照射方法・装置にあつては、反射率の異なる被照射物への適用に困難を伴うという技術的課題があつた。すなわち、被照射物は、その被覆処理膜（例えばａ−Ｓｉ膜）の種類又は膜厚によつて異なる反射率を有し得るため、反射率の異なる被照射物に適用するときは、レンズの焦点距離が温度変化に起因して変動することを免れ得ない。その結果、レーザ照射の開始初期においてレンズの温度が変化し、被照射物への照射結果に影響を生じることになる。

加えて、第１，第２のミラーの反射率が経時変化するが、この経時変化の確認や対応ができないとう技術的課題もあつた。

また、第１，第２のミラー等が熱影響を受け、処理用のレーザを被照射物に照射するときと同様にレンズを加熱することが困難になる。例えば、第１，第２のミラーでのレーザの反射又は透過により、第１，第２のミラーの温度が変化し、レンズ効果を生ずるなどして反射光又は透過光に影響を生じ、処理用のレーザを被照射物に照射するときと同様にレンズを加熱することが困難になるという技術的課題もある。

加えて、焦点距離を計測する計測手段（７）を備える場合、第１のミラー（５）は焦点距離計測用のレーザを透過するように構成しているため、処理用のレーザを被照射物に照射するようにレンズ（２）を透過させながら第２のミラー（６）から処理用のレーザの反射光を得るときのみ、レンズ（２）の焦点距離を計測し、その適否を判断することができる。

すなわち、従来の光シャッターでのレンズの焦点距離を計測する手段は、焦点距離計測用のレーザ（ｂ）をレンズを通して集光させ、第１のミラー５を透過させて被照射物の表面に照射し、その反射光を第１のミラー５、レンズを順次に通過させ、測定器に受光させて測定している。このため、光シャッターが処理用レーザを遮断してレンズの温度を安定させている間でレンズの温度を観測するとき、焦点距離計測用のレーザ（ｂ）がレンズを加熱することになり、レンズの温度を正確に観測することができないという技術的課題があつた。また、ステージ上に被照射物が載置されていない状態では、ステージ上面での反射光に基づいてレンズの焦点距離を測定することになり、同様にレンズの温度を正確に観測することができないという技術的課題があつた。なお、レンズの温度の制御を計算に基づく推定値で行うことは可能であるが、レンズの温度が安定している否かの確認を行うことはできなかつた。

本発明は、このような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、その構成は、次の通りである。
請求項１記載の発明は、レーザ発振器１からの処理用のレーザａをレンズ２に通して集光又は結像させ、被照射物４に照射させるレーザ照射方法において、
レンズ２と被照射物４との間に配置され、レンズ２と被照射物４との間の光路を遮つて処理用のレーザａを反射する反射位置Ｉと、レンズ２と被照射物４との間の光路を開放する開放位置ＩＩとを採ることができる第１のミラー５と、
反射位置Ｉを採る第１のミラー５によつて反射される処理用のレーザａの光軸Ｌに対して垂直に配置され、処理用のレーザａを所定の反射率で反射する第２のミラー６と、
焦点距離計測用のレーザｂをレンズ２を通して集光させ、第１のミラー５及び第２のミラー６によつて次々に反射させ、第１のミラー５によつて再度反射される焦点距離計測用のレーザｂをレンズ２を通して導き、レンズ２の焦点距離を計測する計測手段７とを設け、
第１のミラー５に反射位置Ｉを採らせることにより、レンズ２を透過する処理用のレーザａ及び焦点距離計測用のレーザｂを、第１のミラー５及び第２のミラー６によつて次々に反射させ、第１のミラー５によつて再度反射される処理用のレーザａ及び焦点距離計測用のレーザｂの強度を、第１のミラー５が開放位置ＩＩを採る状態で被照射物４から反射される処理用のレーザａの処理時の強度に合致させて、レンズ２を透過させ、処理用のレーザａを被照射物４に照射して処理を与えるときと同様にレンズ２を加熱することを特徴とするレーザ照射方法である。
請求項２記載の発明は、第２のミラー６を凹面鏡で構成し、第１のミラー５から反射される処理用のレーザａの集光又は結像位置を変えることなく第２のミラー６で反射されるように、第１のミラー５から反射される処理用のレーザａの集光又は結像位置よりも遠い位置に第２のミラー６を配設することを特徴とする請求項１のレーザ照射方法である。
請求項３記載の発明は、第２のミラー６又は第１のミラー５の少なくとも一方に温度制御手段２６，２７を付属させ、第２のミラー６又は第１のミラー５の温度を制御することにより、処理用のレーザａによる処理時に被照射物４から反射される処理用のレーザａの強度に合致させて、第１のミラー５によつて再度反射される処理用のレーザａ及び焦点距離計測用のレーザｂの強度を与えることを特徴とする請求項１又は２のレーザ照射方法である。
請求項４記載の発明は、レーザ発振器１からの処理用のレーザａをレンズ２に通して集光又は結像させ、被照射物４に照射させるレーザ照射装置において、
レンズ２と被照射物４との間に配置され、レンズ２と被照射物４との間の光路を遮つて処理用のレーザａを反射する反射位置Ｉと、レンズ２と被照射物４との間の光路を開放する開放位置ＩＩとを採ることができる第１のミラー５と、
反射位置Ｉを採る第１のミラー５によつて反射される処理用のレーザａの光軸Ｌに対して垂直に配置され、処理用のレーザａを所定の反射率で反射する第２のミラー６と、
焦点距離計測用のレーザｂをレンズ２を通して集光させ、第１のミラー５及び第２のミラー６によつて次々に反射させ、第１のミラー５によつて再度反射される焦点距離計測用のレーザｂをレンズ２を通して導き、レンズ２の焦点距離を計測する計測手段７とを設け、
第１のミラー５に反射位置Ｉを採らせることにより、レンズ２を透過する処理用のレーザａ及び焦点距離計測用のレーザｂを、第１のミラー５及び第２のミラー６によつて次々に反射させ、第１のミラー５によつて再度反射される処理用のレーザａ及び焦点距離計測用のレーザｂの強度を、第１のミラー５が開放位置ＩＩを採る状態で被照射物４から反射される処理用のレーザａの処理時の強度に合致させて、レンズ２を透過させ、処理用のレーザａを被照射物４に照射して処理を与えるときと同様にレンズ２を加熱することを特徴とするレーザ照射装置である。

独立請求項１，４に係る発明によれば、被照射物に処理用のレーザを照射することなくレンズの温度が安定するため、レンズの焦点距離が温度変化に起因して変化することを防止でき、被照射物に照射するレーザの品質を常時一定に保つことができる。その結果、被照射物への処理用のレーザの照射開始初期に、被照射物にピンボケのレーザを当てることが回避され、被照射物の無駄を無くして高品質の被照射物のみを製作することができる。

なお、第２のミラー又は第１のミラーの少なくとも一方に温度制御手段を付属させ、第２のミラー又は第１のミラーの温度を制御することにより、熱影響を防止させ、処理用のレーザと相対移動する被照射物から反射される処理用のレーザの強度に合致させて、処理用のレーザを第２のミラーから反射させることが可能になる。これにより、温度制御手段を付属する第２のミラー又は第１のミラーの少なくとも一方が温度上昇するなどの熱影響を受けることが抑制され、処理用のレーザを被照射物に照射して処理を与えるときと同様にレンズを加熱することが可能になる。

独立請求項１，４に係る発明によれば、第１のミラーが焦点距離計測用のレーザを反射するように構成したため、第１のミラーが処理用のレーザを遮断し、レンズの温度を安定させているときであつても、レンズの焦点距離を計測する計測手段により、レンズの焦点距離を計測し、ひいてはレンズの温度を確認し、処理用のレーザの出力を増減調節することにより、レンズの温度制御ひいてはレンズの焦点距離の調節を行い、レンズに正しい焦点距離を維持させることができる。従つて、被照射物が処理用のレーザの照射位置に存在しないときであつても、レンズの焦点距離の調節を行うことができる。

このレンズに正しい焦点距離を維持する操作は、焦点距離計測用のレーザの強度を考慮し、第１のミラーによつて再度反射される処理用のレーザ及び焦点距離計測用のレーザの強度を、第１のミラーが開放位置を採る状態で被照射物から反射される処理用のレーザの処理時の強度に合致させて、レンズを透過させ、処理用のレーザを被照射物に照射して処理を与えるときと同様にレンズを加熱して行う。

特に、温度を安定させているときのレンズの温度のコントロールを計算結果ではなく、レンズの焦点距離を計測する計測手段の計測値に基づいて直接行うため、処理用のレーザの出力を増減調節することにより、より正確に温度のコントロールができる。このため、第１のミラーに開放位置を採らせて処理用のレーザを被照射物に照射させて処理を開始させるに際し、レンズの温度を安定させるための時間を短縮させることができる。また、第１のミラー及び第２のミラー等の光学系に経時劣化などによる状態変化を生じ、レンズに正しい焦点距離が与えられなくなつたときであつても、状態変化に関係なく、処理用のレーザの出力を増減調節することにより、レンズに正確な温度コントロールを与えることが可能になつた。

また、請求項２に係る発明によれば、第２のミラーを凹面鏡で構成し、第１のミラーから反射される処理用のレーザの集光又は結像位置を変えることなく第２のミラーで反射されるように、第１のミラーから反射される処理用のレーザの集光又は結像位置よりも遠い位置に第２のミラーを配設する。これにより、第２のミラーをレンズ、第１のミラー等の他の機器から熱的に離隔し、相互の熱影響を防止することができる。その結果、第２のミラーが温度上昇するなどの熱影響を受けることが抑制され、処理用のレーザを被照射物に照射して処理を与えるときと同様にレンズを加熱することが安定して可能になる。

請求項３に係る発明によれば、第１のミラー及び第２のミラーの内の少なくとも一方に、温度を制御する温度制御手段を設け、発生した熱を効果的に除去して熱影響を抑制することができる。
なお、ミラーの母体として、熱伝導率が大きい材料を使用することにより、温度変化を抑制することができる。

本発明の１実施の形態に係るレーザ照射装置を示す正面図。同じくレーザ照射装置に装備する計測手段を具体的に示す背面図。同じく測定器で受光した焦点距離計測用のレーザの形状を示す図。同じく第２のミラーを凹面鏡で構成した構造例の要部を示す図。

図１〜図４は、本発明に係る集光レンズ（レンズ）の焦点距離を維持するためのミラーを備えるレーザ照射装置の１実施の形態を示す。図１中において符号１はレーザ発振器を示し、レーザ発振器１からの処理用のパルス・レーザａ（波長：例えば３０８ｎｍ）は、処理用のレーザａを全反射するミラー１０によつて９０度方向転換させて集光レンズ２に導き、集光レンズ２を透過したレーザａは、集光（又は結像）させて被照射物４に照射させ、被照射物４に結晶化などの処理を与える。レーザａは、実際にはマスク（図示せず）等に通され、整形すると共に強度が均一をなす矩形状レーザにされて被照射物４に結像させる。集光レンズ２は、鏡筒１６に収容し、鏡筒１６の外側に付属させたペルチェ素子からなる温度制御装置３により集光レンズ２を間接的に冷却又は加熱し、レンズの温度を所定に維持するようになつている。

被照射物４は、ステージ１１に交換可能に載置され、ステージ１１には移動装置１２が付属されている。移動装置１２は、ステージ１１をレーザ発振器１に対して所定方向Ｘに相対移動させる。これにより、ステージ１１に載置された被照射物４は、所定間隔毎にレーザａが照射され、被照射物４が改質・処理される。

そして、集光レンズ２と被照射物４との間に、処理用のレーザａを所定の反射率で反射する第１のミラー５（反射ミラー）を配置可能にする。このミラー５は、集光レンズ２と被照射物４との間の光路を遮ることが可能であり、駆動装置１４によつて駆動することにより、集光レンズ２と被照射物４との間の光路を遮る反射位置Ｉ（実線で示す）と、集光レンズ２と被照射物４との間の光路を開放する開放位置ＩＩ（仮想線で示す）とを採ることができる。ミラー５は、通常、全反射ミラーによつて構成され、その場合には反射位置Ｉを採らせることにより、ステージ１１に向かう処理用のレーザａを遮断する光シャッタとして機能する。但し、この光シャッタによつて光路を閉じたときでも、処理用のレーザａは集光レンズ２を透過する。

また、反射率の異なる被照射物４から反射されてレンズ２に入射する処理用のレーザａの強度に合致させて、第２のミラー６から反射する処理用のレーザａが集光レンズ２に入射するように、処理用のレーザａの強度を増減調整することが可能な処理用のレーザａの強度の調整機構９を設けると共に、処理用のレーザａを所定の反射率で反射する第２のミラー６を配置する。このミラー６は、反射位置Ｉを採る第１のミラー５によつて反射される処理用のレーザａの光軸Ｌに対し、垂直に配置されていると共に、第１のミラー５からの距離ｈ１が、第１のミラー５と被照射物４との間の距離ｈ２に等しくなるように設定してある。この第２のミラー６は、通常、ハーフミラーによつて構成され、ミラー５を全反射ミラーによつて構成したとき、反射率（約６０％）が被照射物４の反射率と同じにしてある。第２のミラー６には、水冷のダンパー１７を付属させ、透過する処理用のレーザａを吸収させる。調整機構９は、第１のミラー５と第２のミラー６との間に配置され、レーザ発振器１と被照射物４との間の処理用のレーザａの光路Ａ１を外れた位置で第２のミラー６に入射・反射されて集光レンズ２に戻る処理用のレーザａの強度を増減調整する機能を有する。つまり、調整機構９は、被照射物４に処理を与えるための光路Ａ１上の処理用のレーザａの強度に影響を与えることなく、第２のミラー６に入射・反射されて第１のミラー５ひいては集光レンズ２に向かう処理用のレーザａの強度を増減調整する。これにより、第２のミラー６の反射率を実質的に変更することができる。すなわち、第２のミラー６の反射率を変更したときと同じ強度の処理用のレーザａを、集光レンズ２に向かわせることができる。

また、第１のミラー５に開放位置ＩＩを採らせた状態で、被照射物４から反射されてレンズ２に達する処理用のレーザａの反射光ｃの強度を計測することができ、かつ、第１のミラー５に反射位置Ｉを採らせた状態で、第２のミラー６から反射されてレンズ２に達する処理用のレーザａの反射光ｃの強度を計測することができる光強度計測手段８を設ける。この光強度計測手段８は、レーザ発振器１から出て表面から入射する処理用のレーザａを透過し、裏面で反射する第３のミラー２０の反射光ｃの強度を計測することができる。反射光ｃは、処理用のレーザａの反射光であり、被照射物４での反射光と、第２のミラー６での反射光とがある。すなわち、ミラー５が開放位置ＩＩを採る状態で、レーザ発振器１から出る処理用のレーザａが第３のミラー２０を透過し、ミラー１０によつて方向転換されて集光レンズ２を透過し、被照射物４に照射・反射された後、集光レンズ２を透過し、ミラー１０で反射され、更に第３のミラー２０で反射する反射光ｃの強度を計測することができる。また、ミラー５が反射位置Ｉを採る状態で、レーザ発振器１から出力される処理用のレーザａが第３のミラー２０を透過し、ミラー１０によつて方向転換されて集光レンズ２を透過し、ミラー５及び第２のミラー６で反射された後、ミラー５で反射され、集光レンズ２を透過し、ミラー１０で反射され、更に第３のミラー２０で反射する反射光ｃの強度を計測することができる。

なお、処理用のレーザａの強度の調整機構９は、反射率の異なる被照射物４と交換した際に、新たな被照射物４からの処理時の処理用のレーザａの反射光と同様の処理用のレーザａの第２のミラー６からの反射光が集光レンズ２に照射されるように集光レンズ２に入射する処理用のレーザａの強度を調整すればよく、集光レンズ２と第１のミラー５との間に設けることも可能である。但し、集光レンズ２と第１のミラー５との間に調整機構９を設ける場合には、調整機構９を光路Ａ１から外れた位置と光路Ａ１に位置して処理用のレーザａの強度を調整可能な位置とを取り得る構造つまり進退可能な構造にし、被照射物４に処理を与えるための光路Ａ１上の処理用のレーザａの強度に影響を与えない構造にする。また、調整機構９には、往復する処理用のレーザａが通過することになるが、調整機構９に入る前の往きのレーザａのパワー（強度）に対して調整機構９から出た後の帰りのレーザａのパワーが適正に調整されていればよい。

調整機構９は、レーザ発振器１と集光レンズ２との間の光路に対して進退可能として設置することも可能である。レーザ発振器１と集光レンズ２との間に調整機構９を移動させたとき、集光レンズ２には、レーザ発振器１から出力されて調整機構９を透過して所定の強度にされた処理用のレーザａと、第１のミラー５によつて再度反射される処理用のレーザａとが透過する。

この第１のミラー５によつて再度反射されて集光レンズ２を透過する処理用のレーザａは、調整機構９を透過前であるので、調整機構９の存在が集光レンズ２の加熱には影響を与えない。従つて、調整機構９により、レーザ発振器１から出力されて集光レンズ２を透過する前の処理用のレーザａの強度を調整するようにする。

この場合、集光レンズ２の加熱には、レーザ発振器１から出力されて調整機構９を透過して所定強度が与えられた処理用のレーザａの強度と、第１のミラー５によつて再度反射される処理用のレーザａの強度との和が関係するので、この強度の和が、レーザ発振器１から出力されて調整機構９を透過することなく集光レンズ２を透過し、その後、次に処理すべき被照射物４から反射されて集光レンズ２に入射する処理用のレーザａの強度の和に合致するように、調整機構９を操作する。このような調整機構９の操作は、次に処理すべき被照射物４の反射率を予め把握しておくことで可能である。勿論、次に処理すべき被照射物４への処理を開始する前に、調整機構９は、レーザ発振器１と集光レンズ２との間の光路から退避させると共に、レーザ発振器１からの出力を次に処理すべき被照射物４の処理に適するものに設定する。要するに、レーザ発振器１から出力されてレンズ２を透過する処理用のレーザａの強度と、反射率の異なる被照射物４から反射されてレンズ２に入射する処理用のレーザａの強度との和に合致させて、第１のミラー５によつて再度反射されることになる処理用のレーザａをレンズ２に往復で入射させれば、集光レンズ２を次に処理すべき反射率の異なる被照射物４の反射率に合わせて加熱することができる。

更に、集光レンズ２の焦点距離を計測する計測手段７を設ける。この計測手段７は、具体的には図２に示すように焦点距離計測用のレーザｂ（波長：例えば６３５ｎｍ）をシリンドリカルレンズ２１に通した後にハーフミラーからなる反射ミラー２２で反射させて方向転換させると共にミラー１０を透過させ、集光レンズ２を通して集光させ、第１のミラー５を透過させて被照射物４の表面に照射し、その反射光を第１のミラー５、集光レンズ２及びミラー１０，２２を順次に通過させ、測定器２４に受光させている。従つて、ミラー１０及び第１のミラー５は、処理用のレーザａを全反射できるが、焦点距離計測用のレーザｂを透過する。処理用のレーザａの被照射物４上の集光位置は、焦点距離計測用のレーザｂの集光位置に合致している。

そして、測定器２４で受光した光ｂの形状から、集光レンズ２と被照射物４との間の光軸上での距離ひいては集光レンズ２の焦点距離の適否を判定することができる。集光レンズ２の焦点距離は、集光レンズ２と被照射物４との間の光軸上での距離の差Ｂ−Ａとして計測される。測定器２４で受光した光の形状は、図３に示すようであり、図３（イ）は集光レンズ２の焦点距離が長すぎ、図３（ロ）は適正状態、図３（ハ）は集光レンズ２の焦点距離が短すぎを示す。

次に、作用について説明する。
先ず、反射率の同じ被照射物４を交換しながら次々に処理を与える場合の作用について説明する。
レーザ発振器１からの処理用のパルス・レーザａは、第３のミラー２０を透過し、全反射するミラー１０によつて９０度方向転換させて集光レンズ２に導き、集光レンズ２を透過したレーザａは、集光して被照射物４に照射され、被照射物４が改質される。被照射物４がガラス基板上に薄いａ−Ｓｉ膜を形成したものであれば、レーザａの照射により、ａ−Ｓｉ膜が結晶化されて薄いｐ−Ｓｉ膜に改質される。このとき、第１のミラー５は、集光レンズ２と被照射物４との間の光路を開放する開放位置ＩＩを採つている。

１枚の被照射物４に対するレーザａの照射処理が終了したなら、ステージ１１上の被照射物４を新しい被照射物４と交換する。その際、第１のミラー５（反射ミラー）を駆動装置１４によつて駆動し、集光レンズ２と被照射物４との間の光路を遮つて処理用のレーザａを所定の反射率で反射する反射位置Ｉを採らせる。

これにより、集光レンズ２を透過する処理用のパルス・レーザａは、反射位置Ｉを採る第１のミラー５によつて反射され、第２のミラー６に垂直に入射及び一部反射され、再度、第１のミラー５によつて反射され、集光レンズ２を透過する。従つて、第１のミラー５によつて反射されて集光レンズ２に向かうレーザａの強度を被照射物４から反射されるレーザａの強度に合致させることにより、被照射物４にレーザａを照射するときと同様に集光レンズ２が加熱され、集光レンズ２の冷却に伴う焦点距離の変動が防止される。なお、第１のミラー５を透過する処理用のレーザａは、被照射物４の改質処理に影響を与えない程度が望ましい。

特に、第１のミラー５を全反射ミラーによつて構成するときは、第２のミラー６を第１のミラー５と被照射物４との間の距離ｈ２と等しい距離ｈ１だけ離隔させた位置に置き、かつ、第２のミラー６の反射率を被照射物４の反射率と等しくすることにより、簡単に、第１のミラー５によつて反射されて集光レンズ２に向かうレーザａの強度を被照射物４から反射されるパルス・レーザａの強度に合致させることが可能である。

なお、第１のミラー５に反射位置Ｉを採らせる場合としては、同一種類の被照射物４の交換時に限られず、ステージ１１上から被照射物４を取り除いたときであつて、集光レンズ２の温度を維持する必要性がある場合を広く含むものである。

また、集光レンズ２を鏡筒１６に収容し、鏡筒１６に付属させた温度制御装置３により鏡筒１６を介して集光レンズ２を冷却し、レンズ２の温度を所定に維持するため、処理用のレーザａを被照射物４に導く場合と同様に、レンズ２はレーザａによつて直接加熱されて温度上昇し、一方、レンズａの温度制御は側面から間接的に行われる。但し、温度制御装置３は省略が可能であり、温度制御装置３を省略した場合には、集光レンズ２が処理用のレーザａによつて加熱されて温度上昇が収まつた状態で、被照射物４に対する処理用のレーザａの照射を開始すればよい。

集光レンズ２の焦点距離を計測する計測手段７は、焦点距離計測用のレーザｂを被照射物４の表面に照射し、その反射光ｂを集光レンズ２及びミラー５，１０，２２を通過させ、測定器２４に受光させるので、測定器２４で受光したレーザｂの形状から、集光レンズ２の焦点距離が適正状態にあることを知ることができる。集光レンズ２の焦点距離が適正であることから、集光レンズ２の温度が適正であることを知ることができる。

温度制御装置３を備える場合には、温度上昇を抑制させながら、集光レンズ２が処理用のレーザａによつて加熱されて平衡温度に達した状態で、集光レンズ２の焦点距離が適正状態にあるか否かを測定器２４で測定する。温度制御装置３を省略した場合には、集光レンズ２が処理用のレーザａによつて加熱されて温度上昇が収まつた状態で、集光レンズ２の焦点距離が適正状態にあるか否かを測定器２４で測定する。

実際に、レーザ発振器１としてラムダフィジック社製のレーザ発振器ＬＳ２０００を用いて処理用のレーザａ（波長３０８ｎｍ、繰り返し発振数３００Ｈｚ）を発振させ、そのレーザａを全反射する誘電体多層膜を石英に蒸着した第１のミラー５を集光レンズ２と被照射物４との間に光軸に対して４５度傾けて設置した。第１のミラー５は、焦点距離計測用のレーザｂである波長６３５ｎｍのダイオードレーザを透過することができる。

第１のミラー５で反射した処理用のレーザａの進行方向にミラー５から被照射物４までの距離ｈ２と等しい距離ｈ１だけ離れた位置としてハーフミラーからなる第２のミラー６を設置した。第２のミラー６は、第１のミラー５によつて９０度曲げられた光軸Ｌに垂直に配置した。

第２のミラー６は、波長３０８ｎｍの光（処理用のレーザａ）に対して６０％の反射率を持つようにし、被照射物４である膜厚５０ｎｍのアモルファスシリコンを厚さ０．５ｍｍのガラス板に蒸着した基板の波長３０８ｎｍの光ａに対する反射率と等しくした。

また、波長６３５ｎｍの光（焦点距離計測用のレーザｂ）をミラー５越しに被照射物４に照射し、その反射光ｂを利用して、集光レンズ２の焦点距離を計測する計測手段７を設けた。

集光レンズ２の鏡筒１６の外側には、ペルチェ素子（温度制御装置３）を設置し、レンズ２の温度を制御した。

このようなレーザ照射装置により、第１，第２のミラー５，６によつて集光レンズ２の温度をほぼ一定に維持することができることを確認した。但し、同一種類の被照射物４の交換時には、集光レンズ２の焦点距離を変更する必要が通常はないため、第１のミラー５を焦点距離計測用のレーザｂを反射可能なものとし、焦点距離計測用のレーザｂをミラー５越しに被照射物４に照射し、計測手段７によつて集光レンズ２の焦点距離を直接計測することに代えて、計測手段７によつて第１，第２のミラー５，６からの焦点距離計測用のレーザｂの反射光を計測し、集光レンズ２の焦点距離を間接的に計測することも可能である。

次に、被照射物４を反射率の異なる異種類のものに交換して、同じ被照射物４を交換しながら次々に処理を与える場合の作用について説明する。先ず、交換して処理を行う予定のステージ１１上の被照射物４の反射率を反射光ｃの強度として計測する。つまり、光強度計測手段８により、上述したように被照射物４での処理用のレーザａの反射光ｃの強度を計測する。次に、光強度計測手段８により、上述したように第２のミラー６で反射された処理用のレーザａの反射光ｃの強度を計測し、この反射光ｃの強度を被照射物４での処理用のレーザａの反射光ｃの強度に合致させるように処理用のレーザａの強度の調整機構９を操作する。この状態で反射率が同じ被照射物４を交換させて次々に処理を行うに際しては、被照射物４の交換のためにステージ１１上から被照射物４を取り除いたときに、上述した反射率の同じ被照射物４を交換しながら次々に処理を与える場合の作用により、集光レンズ２の温度を維持することができる。

反射率が既知の第２のミラー６の複数枚を準備しておけば、光強度計測手段８により、被照射物４からの処理用のレーザａの反射光ｃの強度を計測し、この強度から処理を行う予定の被照射物４の反射率を把握した後、同じ反射率を与える第２のミラー６と交換することにより、処理用のレーザａの強度の調整機構９を操作する場合と同様に第２のミラー６で反射された処理用のレーザａの反射光ｃの強度を、被照射物４での処理用のレーザａの反射光ｃの強度に合致させることができる。従つて、調整機構９は省略することが可能である。

このようなレーザ照射装置を用い、光強度計測手段８によつて第２のミラー６で反射された処理用のレーザａの反射光ｃの強度を計測し、この反射光ｃの強度を被照射物４での処理用のレーザａの反射光ｃの強度に合致させるように処理用のレーザａの強度の調整機構９を操作することにより、第１，第２のミラー５，６によつて集光レンズ２の温度をほぼ一定に維持することができることを確認した。

上述したように、処理用のレーザａの強度の調整機構９は、反射率の異なる被照射物４と交換した際に、新たな被照射物４と同様の処理用のレーザａの反射光が集光レンズ２に照射されるように集光レンズ２に入射する処理用のレーザａの強度を調整すればよく、集光レンズ２と第１のミラー５との間に設けることも可能である。そのとき、第１のミラー５及び調整機構９に光路から外れた位置を採らせて新たな処理を行う予定の反射率の異なる被照射物４の反射率を光強度計測手段８によつて把握した後、第１のミラー５及び調整機構９に光路に位置して処理用のレーザａの強度を調整可能な位置を採らせて、調整機構９の操作によつて集光レンズ２に入射する処理用のレーザａの強度を調整する。

これにより、反射率の異なる被照射物４に変えた後、この被照射物４を次々に交換しながら処理を行うとき、上述した反射率の同じ被照射物４を交換しながら次々に処理を与える場合と同様に第１のミラー５によつて反射されて集光レンズ２に向かうレーザａの強度を被照射物４から反射されるパルス・レーザａの強度に合致させて集光レンズ２の温度を維持することが可能である。勿論、集光レンズ２の温度を維持するときには、第１のミラー５及び調整機構９に、光路Ａ１に位置して処理用のレーザａの強度を調整可能な位置を採らせる。

要するに、光強度計測手段８は、被照射物４で反射して集光レンズ２に入射する処理用のレーザａの強度と、第２のミラー６で反射して集光レンズ２に入射する処理用のレーザａの強度とを測定することができればよく、また、処理用のレーザａの強度の調整機構９は、被照射物４で反射して集光レンズ２に入射する処理用のレーザａの処理中の強度に影響を与えることなく、第２のミラー６で反射して集光レンズ２に入射する処理用のレーザａの強度を増減調整することができればよい。変更した反射率の異なる被照射物４の反射率が既知で、被照射物４から反射される処理用のレーザａの強度が既知の場合には、その強度に合致するように、第２のミラー６から反射されて集光レンズ２に入射する処理用のレーザａの強度を調整機構９の操作によつて調整すればよいから、光強度計測手段８についても省略が可能である。

ところで、上記１実施の形態にあつては、焦点距離計測用のレーザｂを、集光レンズ２を通して集光させ、被照射物４で反射させたが、第１のミラー５及び第２のミラー６を次々に反射させ、測定器２４に受光させることも可能である。このとき、第２のミラー６は、第１のミラー５に対し、被照射物４と等価距離の位置に配置する。

すなわち、焦点距離計測用のレーザｂを集光レンズ２を通して集光させ、第１のミラー５及び第２のミラー６によつて次々に反射させ、第１のミラー５によつて再度反射される焦点距離計測用のレーザｂを集光レンズ２に通して導き、集光レンズ２の焦点距離を計測する計測手段７の測定器２４に受光させる。つまり、計測手段７は、焦点距離計測用のレーザｂ（波長：例えば６３５ｎｍ）をシリンドリカルレンズ２１に通した後にハーフミラーからなる反射ミラー２２で反射させて方向転換させると共にミラー１０を透過させ、集光レンズ２を通して集光させ、第１のミラー５及び第２のミラー６によつて次々に反射させ、図２に破線で示すように第１のミラー５に入射して再度反射される焦点距離計測用のレーザｂを集光レンズ２及びミラー１０，２２を順次に通過させ、測定器２４に受光させる。従つて、ミラー１０は、処理用のレーザａを全反射できるが、焦点距離計測用のレーザｂを透過する。第１のミラー５は、焦点距離計測用のレーザｂを全反射するもので構成することができるが、第２のミラー６から反射してくる焦点距離計測用のレーザｂと第１のミラー５を透過して集光レンズ２に戻る焦点距離計測用のレーザｂとを区別して測定可能な限りは、焦点距離計測用のレーザｂの一部を反射するもので構成することができる。

そして、処理用のレーザａの強度を増減変更しながら集光レンズ２の温度を調節し、集光レンズ２の焦点距離が温度変化に起因して変化することを防止し、被照射物４に照射するレーザの品質を常時一定に保つ。これにより、第１のミラー５に開放位置ＩＩを採らせて、ステージ１１上の被照射物４に処理用のレーザａの照射・処理を開始する初期に、被照射物４にピンボケのレーザを当てることが回避され、被照射物４の無駄を無くして高品質の被照射物４のみを製作することができる。

すなわち、第１のミラー５に反射位置Ｉを採らせることにより、集光レンズ２を透過する処理用のレーザａ及び焦点距離計測用のレーザｂが、第１のミラー５及び第２のミラー６によつて次々に反射するので、第１のミラー５によつて再度反射される処理用のレーザａ及び焦点距離計測用のレーザｂの強度を、第１のミラー５が開放位置ＩＩを採る状態で被照射物４から反射される処理用のレーザａの処理時の強度に合致させて、集光レンズ２を透過させ、処理用のレーザａを被照射物４に照射して処理を与えるときと同様に集光レンズ２を加熱することにより、集光レンズ２の焦点距離を所定に維持することができる。焦点距離計測用のレーザｂの強度は既知かつ微小であるので、焦点距離計測用のレーザｂの強度に応じて、レーザ発振器１を操作し、レーザ発振器１から出力される処理用のレーザａの強度を低下させる。処理用のレーザａの強度は、その反射光ｃの強度を計測することができる光強度計測手段８によつて把握することができる。上述したように、測定器２４で受光したレーザｂの形状から、集光レンズ２の焦点距離が適正状態にあることを知ることができる。集光レンズ２の焦点距離が適正であることから、集光レンズ２の温度が適正であることを知ることができる。
これによれば、被照射物４をステージ１１に載置することなく、集光レンズ２の焦点距離の適否を判定することができる。

また、第１のミラー５及び第２のミラー６で処理用のレーザａなどを長時間反射させると、第１のミラー５及び第２のミラー６の温度が局部的に上昇し、レンズ効果を生じるなどして、処理用のレーザａの反射光の形状に変動を生じたり、第１のミラー５及び第２のミラー６で反射させる焦点距離計測用のレーザｂの形状に変動を生じたりする。この変動を防止するために、第１のミラー５及び第２のミラー６の内の少なくとも一方に、温度を制御する温度制御手段２６，２７を設けることができる。温度制御手段２６，２７は、例えば、温度を一定に維持する水冷却手段、ペルチェ素子等によつて構成され、処理用のレーザａ及び焦点距離計測用のレーザｂの進行を阻害しない位置に設ける。焦点距離計測用のレーザｂについても温度変化による影響を防止することができる。

これにより、第１のミラー５によつて再度反射される処理用のレーザａ、及び焦点距離計測用のレーザｂの強度を、処理用のレーザａと相対移動する一定温度の被照射物４から反射される処理時の処理用のレーザａの強度分布に可及的に合致させて、処理用のレーザａ及び焦点距離計測用のレーザｂをミラー５，６から反射させることが可能になる。ミラー５，６の母体として、熱伝導率が大きい材料を使用し、温度変化を抑制することも有効である。

また、図４に示すように第２のミラー６を凹面鏡６’で構成し、第１のミラー５から反射される処理用のレーザａ及び焦点距離計測用のレーザｂの集光又は結像位置を変えることなく第２のミラー６で反射されるように、第２のミラー６（６’）を配設することができる。これによれば、第１のミラー５から反射される処理用のレーザａ及び焦点距離計測用のレーザｂの集光又は結像位置よりも遠い位置に凹面鏡６’を配置して第１のミラー５から反射される処理用のレーザａ及び焦点距離計測用のレーザｂを図１に示す平面鏡からなる第２のミラー６と同様の経路で戻すことができる。かくして、第２のミラー６（凹面鏡６’）及びダンパー１７を第１のミラー５及び集光レンズ２から離して配置するようになり、第２のミラー６及びダンパー１７が温度上昇して第１のミラー５及び集光レンズ２に熱影響を与えることが良好に抑制される。焦点距離計測用のレーザｂを凹面鏡６’で反射させる場合、凹面鏡６’で反射する焦点距離計測用のレーザｂについても、第２のミラー６を平面鏡で構成する場合とほぼ同様に反射される。

１：レーザ発振器
２：集光レンズ（レンズ）
３：温度制御装置
４：被照射物
５：第１のミラー
６：第２のミラー
６’：凹面鏡（第２のミラー）
７：計測手段
８：光強度計測手段
９：調整機構
１１：ステージ
１２：移動装置
２４：測定器
ａ：処理用のレーザ
ｂ：焦点距離計測用のレーザ
ｃ：反射光
ｈ１，ｈ２：距離
Ｉ：反射位置
ＩＩ：開放位置
Ｌ：光軸
Ｘ：所定方向

Claims

レーザ発振器（１）からの処理用のレーザ（ａ）をレンズ（２）に通して集光又は結像させ、被照射物（４）に照射させるレーザ照射方法において、
レンズ（２）と被照射物（４）との間に配置され、レンズ（２）と被照射物（４）との間の光路を遮つて処理用のレーザ（ａ）を反射する反射位置（Ｉ）と、レンズ（２）と被照射物（４）との間の光路を開放する開放位置（ＩＩ）とを採ることができる第１のミラー（５）と、
反射位置（Ｉ）を採る第１のミラー（５）によつて反射される処理用のレーザ（ａ）の光軸（Ｌ）に対して垂直に配置され、処理用のレーザ（ａ）を所定の反射率で反射する第２のミラー（６）と、
焦点距離計測用のレーザ（ｂ）をレンズ（２）を通して集光させ、第１のミラー（５）及び第２のミラー（６）によつて次々に反射させ、第１のミラー（５）によつて再度反射される焦点距離計測用のレーザ（ｂ）をレンズ（２）を通して導き、レンズ（２）の焦点距離を計測する計測手段（７）とを設け、
第１のミラー（５）に反射位置（Ｉ）を採らせることにより、レンズ（２）を透過する処理用のレーザ（ａ）及び焦点距離計測用のレーザ（ｂ）を、第１のミラー（５）及び第２のミラー（６）によつて次々に反射させ、第１のミラー（５）によつて再度反射される処理用のレーザ（ａ）及び焦点距離計測用のレーザ（ｂ）の強度を、第１のミラー（５）が開放位置（ＩＩ）を採る状態で被照射物（４）から反射される処理用のレーザ（ａ）の処理時の強度に合致させて、レンズ（２）を透過させ、処理用のレーザ（ａ）を被照射物（４）に照射して処理を与えるときと同様にレンズ（２）を加熱することを特徴とするレーザ照射方法。
第２のミラー（６）を凹面鏡で構成し、第１のミラー（５）から反射される処理用のレーザ（ａ）の集光又は結像位置を変えることなく第２のミラー（６）で反射されるように、第１のミラー（５）から反射される処理用のレーザ（ａ）の集光又は結像位置よりも遠い位置に第２のミラー（６）を配設することを特徴とする請求項１のレーザ照射方法。
第２のミラー（６）又は第１のミラー（５）の少なくとも一方に温度制御手段（２６，２７）を付属させ、第２のミラー（６）又は第１のミラー（５）の温度を制御することにより、処理用のレーザ（ａ）による処理時に被照射物（４）から反射される処理用のレーザ（ａ）の強度に合致させて、第１のミラー（５）によつて再度反射される処理用のレーザ（ａ）及び焦点距離計測用のレーザ（ｂ）の強度を与えることを特徴とする請求項１または２のレーザ照射方法。
レーザ発振器（１）からの処理用のレーザ（ａ）をレンズ（２）に通して集光又は結像させ、被照射物（４）に照射させるレーザ照射装置において、
レンズ（２）と被照射物（４）との間に配置され、レンズ（２）と被照射物（４）との間の光路を遮つて処理用のレーザ（ａ）を反射する反射位置（Ｉ）と、レンズ（２）と被照射物（４）との間の光路を開放する開放位置（ＩＩ）とを採ることができる第１のミラー（５）と、
反射位置（Ｉ）を採る第１のミラー（５）によつて反射される処理用のレーザ（ａ）の光軸（Ｌ）に対して垂直に配置され、処理用のレーザ（ａ）を所定の反射率で反射する第２のミラー（６）と、
焦点距離計測用のレーザ（ｂ）をレンズ（２）を通して集光させ、第１のミラー（５）及び第２のミラー（６）によつて次々に反射させ、第１のミラー（５）によつて再度反射される焦点距離計測用のレーザ（ｂ）をレンズ（２）を通して導き、レンズ（２）の焦点距離を計測する計測手段（７）とを設け、
第１のミラー（５）に反射位置（Ｉ）を採らせることにより、レンズ（２）を透過する処理用のレーザ（ａ）及び焦点距離計測用のレーザ（ｂ）を、第１のミラー（５）及び第２のミラー（６）によつて次々に反射させ、第１のミラー（５）によつて再度反射される処理用のレーザ（ａ）及び焦点距離計測用のレーザ（ｂ）の強度を、第１のミラー（５）が開放位置（ＩＩ）を採る状態で被照射物（４）から反射される処理用のレーザ（ａ）の処理時の強度に合致させて、レンズ（２）を透過させ、処理用のレーザ（ａ）を被照射物（４）に照射して処理を与えるときと同様にレンズ（２）を加熱することを特徴とするレーザ照射装置。