JPH06102466A - レーザ光照射光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 １ショットで大面積の被照射体の処理を可能
にする。 【構成】 複数光源１からの各々の光束を均一光学系３
によって均一な強度分布を持つ１つの光束にするので、
その光束としては高出力となる。光束加工光学系２を備
える場合は、複数の光源１からの各々の光束間の距離を
短くして、均一光学系３の全入射領域を可及的に照射す
る光束に加工できるので、より均一な強度分布で均一光
学系３に光を照射することができる。ビームエキスパン
ダ及びシリンドリカルレンズで構成された光束整形光学
系を備える場合は、シリンドリカルレンズの設計を変え
ることで、光束整形光学系から出射する光の断面形状を
被照射体５に合わせるように変えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばエキシマレーザ
等を光源とするレーザ光照射光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、絶縁体基板上でアモルファス薄膜
の結晶化及び多結晶薄膜の再結晶化等の処理にはレーザ
光照射光学装置が用いられている。レーザ光照射光学装
置は、一般に、光源であるレーザからの光を光学系に導
き、その光学系によって出力光を絞って基板に照射する
ように構成されている。この照射光には、強度分布が均
一であること及び処理に必要なエネルギー密度であるこ
と等が要求される。

【０００３】従来は、出力光の強度分布を均一にするた
めに、蠅の目のような微小レンズ群やプリズム等のライ
トインテグレータが用いらている。しかし、この場合
は、出力光のエネルギーに制限があるので、処理に必要
なエネルギー密度を得るために、出力光を絞り照射部の
面積を小さくしなければならない。したがって、１ショ
ットで処理できる面積が小さくなるので、大面積の被照
射体を処理する場合は、小面積の照射部を重ね合わせな
がら連続的に移動させて照射する方法が採られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のような重ね合わ
せ照射を行う場合は、単位照射部の境界部で照射エネル
ギーが不均一となり、全処理領域を均一に処理できない
という問題がある。例えば、絶縁体基板としてガラス基
板を用いる時に有効なエキシマレーザを使用する場合を
例に挙げて説明すると、非晶質シリコンにエキシマレー
ザを照射して結晶化する場合に、通常は３００ｍＪ／ｃ
ｍ²程度のエネルギー密度が必要である。一般に入手し
易いエキシマレーザはその出力が５００ｍＪ／ｐｕｌｓ
ｅ級であり、そのため、１ショットで１ｃｍ角程度の領
域しか処理できない。従って、２ｃｍ角を処理する場合
は、４ショット以上照射しなければならず、ショットと
ショットとの境の結晶性がショット中心の結晶性と異な
ってくる。尚、ガラス基板にたいしてエキシマレーザが
有効なのは、エキシマレーザは基板上の試料のごく最表
面のみを処理することができるので、製造過程で基板の
温度をガラスの歪み点以下にすることができ、ガラス基
板に対するダメージを少なくすることが出来るからであ
る。

【０００５】一方、高出力のエキシマレーザも開発され
てはいる。しかし、１Ｊ／ｐｕｌｓｅ級以上のレーザの
場合には、予備電離方式を紫外線励起方式からＸ線励起
方式に変える必要があるので、装置としての安全性が問
題となると共に、価格も高価になる。又、出力も無制限
に大きくできるものでもないため、それに代わる技術が
望まれている。

【０００６】本発明は、上記従来技術の問題点を解決す
るためになされたものであり、１ショットで大面積の被
照射体の処理が可能であり、しかも低コストなレーザ光
照射光学装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザ光照射光
学装置は、複数の光源と、該複数の光源からの各光束を
平行にして導く光束加工光学系と、該光束加工光学系を
経た複数の光束を入射し、均一な強度分布を持つ１つの
光束にして出射する均一光学系と、該均一光学系からの
出射光を集光して被照射体に照射する集光光学系とを備
えておりそのことによって上記目的が達成される。

【０００８】前記光束加工光学系が、前記複数の光源か
らの各々の光を加工し、各光束間で挟まれた暗部の距離
を短くして又は隣合う光束をオーバーラップさせて前記
均一光学系の全入射領域に照射してもよい。

【０００９】前記均一光学系と前記集光光学系との間又
は該集光光学系の出射側に、ビームエキスパンダ及びシ
リンドリカレンスレンズから成る光束整形光学系を更に
備えていてもよい。

【００１０】

【作用】本発明のレーザ光照射光学装置では、複数光源
からの各々の光束を均一光学系によって均一な強度分布
を持つ１つの光束にするので、その光束としては高出力
となる。

【００１１】光束加工光学系を備える場合は、複数の光
源からの各々の光束間の距離を短くして、均一光学系の
全入射領域を可及的に照射する光束に加工できるので、
より均一な強度分布で均一光学系に光を照射することが
できる。

【００１２】ビームエキスパンダ及びシリンドリカルレ
ンズで構成された光束整形光学系を備える場合は、シリ
ンドリカルレンズの設計を変えることで、光束整形光学
系から出射する光の断面形状を被照射体に合わせるよう
に変えることができる。

【００１３】

【実施例】本発明を実施例について以下に説明する。

【００１４】＜第１実施例＞図１（ａ）は、第１実施例
のレーザ光照射光学装置を模式的に示す正面図であり、
図１（ｂ）は均一光学系における光束の断面形状を示す
平面図であり、図１（ｃ）は被照射体における光束の断
面形状を示す平面図である。このレーザ光照射光学装置
は、３つの光源１と、各光源１からの光を入射して均一
光学系３に適した光束に加工する光束加工光学系２と、
光束加工光学系２により加工された光を入射してその強
度分布を均一にして１つの光束にする均一光学系３と、
均一光学系３から光を入射してその光を集光し被照射体
５へ出射する集光光学系４とを備えている。

【００１５】光源１は、エキシマレーザ装置から構成さ
れており、エキシマレーザ光を発振する。光束加工光学
系２は、光源１の個数に応じて３系統の光路を有し、各
光路には光源１からのレーザ光が入射する凸レンズ系を
用いたビームエキスパンダ２１と、ビームエキスパンダ
２１の透過光が入射するシリンドリカルレンズ系を用い
たビームエキスパンダ２２と、ビームエキスパンダ２２
からの光が入射するミラー２３とが設けられている。更
に、各光路のミラー２３を経た光を均一光学系３に導く
ミラー２４が設けられている。

【００１６】凸レンズ系を用いたビームエキスパンダ２
１は、図２に示すように、焦点距離の異なる２つの凸レ
ンズ２１ａ、２１ｂからなる。シリンドリカルレンズ系
を用いたビームエキスパンダ２２は、図３に示すよう
に、焦点距離の異なる２つのシリンドリカルレンズ２２
ａ、２２ｂからなる。各ミラー２３は、その反射光がミ
ラー２４に集まるように配置されている。但し、図左側
の光路では、ミラー２３は２つ設けられている。各光源
１から均一光学系３までの光路長は同一になるように配
されている。均一光学系３は、縄の目のような微小レン
ズ群からなるライトインテグレータからなる。均一光学
系３としては、自己結合型ファイバー束又はプリズム等
からなる他のライトインテグレータを用いてもよい。集
光光学系４は、コリメータレンズからなり、コリメータ
レンズの焦点は均一光学系３を構成するライトインテグ
レータの各焦点を通る焦平面上にほぼ位置させている。
集光光学系４から出射した光は被照射体５に照射され
る。その被照射面５ａは、上記コリメータレンズの焦点
距離だけコリメータレンズと離隔されている。

【００１７】上記構成を有するレーザ光照射光学装置に
おける動作を説明する。

【００１８】先ず、光源１である３つのレーザ装置を同
時に発振させる。光源１から発振された３つのエキシマ
レーザ光は、光束加工光学系２を構成する凸レンズ系を
用いたビームエキスパンダ２１へ与えられ、ここで断面
積の大きい光束にされ出射する。次に、その各出射光は
シリンドリカルレンズ系を用いたビームエキスパンダ２
２に与えられ、ここで、図１（ｂ）に破線及び斜線Ａで
示すように、短冊状をした断面形状に整形される。その
後、ミラー２３及びミラー２４を経て、均一光学系３の
ライトインテグレータに照射される。この時、各光源１
から導かれた３つの短冊状の光束は、図１（ｂ）に示す
ように、各光束間の暗部Ｂの距離が短い状態となってお
り、しかも３つの光束の合体がライトインテグレータの
全入射領域に対応した面積になっている。又、上述した
ように各光路長が同一になっているので、各レーザ光に
位相差が生じない。

【００１９】よって、光束加工光学系２を経た光は、暗
部が少なく、且つ前記全入射領域に対して入射する状態
で均一光学系３に照射され、ここで強度分布が均一化さ
れ且つ１つの光束にされて出射される。均一光学系３の
出射光は集光光学系４によって集光されて、図１（ｃ）
に示すように被照射面５ａに照射される。

【００２０】上述のように、本実施例のレーザ光照射光
学装置は、複数の光源１からの光を用いて、強度分布が
均一な１つの光束を得るようになっている。これによ
り、光源１のエキシマレーザ装置の出力は低出力でも、
結果的に高出力の光束を得ることが出来る。従って、エ
キシマレーザ装置を高出力にする必要がないので、安全
性を損なうことなく且つ低コストに出来る。

【００２１】尚、光束加工光学系２によって均一光学系
３のライトインテグレータの全入射領域に光を照射させ
ているので、効率よく強度分布を均一化できる。又、均
一光学系３への入射状態が暗部が少なく且つ前記全入射
領域にわたっているので、ライトインテグレータの劣化
が低減される。

【００２２】この様な動作をするレーザ光照射光学装置
を用いて実験を行った。例えば、ガラス基板上に堆積し
た膜厚が約１０００オングストロームのアモルファスシ
リコン層に対し結晶化アニールを行った。その結果、ア
モルファスシリコン層を多結晶化するのに、従来の３倍
の面積に対応した処理が可能となり、しかも従来と同一
の結晶性を有する多結晶が得られた。

【００２３】本実施例において、光源１を構成するレー
ザ装置の数は変更することが出来る。例えば、２個以上
のレーザ装置を使用して上記実験と同様の実験を行え
ば、レーザ装置の数に応じた面積を、１ショットで単一
のレーザ装置を光源とする従来のレーザ光照射光学装置
を使用する場合と同一の結晶性を有する多結晶に均一に
処理することができる。

【００２４】又、均一光学系３と集光光学系４との間又
は集光光学系４と被照射面５との間に、図４に示すよう
な光束整形光学系を挿入することにより被照射面５ａの
形状を整形することが出来る。具体的には、この光束整
形光学系は、凸レンズ系を用いたビームエキスパンダ６
１及びシリンドリカルレンズ６２からなり、シリンドリ
カルレンズ６２の設計を変えることで、光束整形光学系
から出射する光の断面形状を被照射体５に合わせるよう
に変えることができる。この形状としては、例えば長方
形又は正方形等任意なものが相当する。

【００２５】＜第２実施例＞図５（ａ）は、第２実施例
のレーザ光照射光学装置を模式的に示す正面図であり、
図５（ｂ）は均一光学系における光束の断面形状を示す
平面図であり、図５（ｃ）は被照射体における光束の断
面形状を示す平面図である。このレーザ光照射光学装置
は、４つの光源１と、各光源１からの光を入射して均一
光学系３に適した光束に加工する光束加工光学系１２
と、光束加工光学系１２により加工された光を入射して
その強度分布を均一にし、１つの光束にする均一光学系
３と、均一光学系３から光を入射してその光を集光して
被照射体５へ出射する集光光学系４とを備えている。

【００２６】光源１は、エキシマレーザ装置から構成さ
れており、エキシマレーザ光を発振する。光束加工光学
系１２は、光源１の個数に応じて４系統の光路を有し、
各光路には光源１からのレーザ光が入射する凸レンズ系
を用いたビームエキスパンダ２１と、ミラー２３と、ミ
ラー２３に反射されたビームエキスパンダ２１の光が入
射する凸レンズ２５とが設けられている。更に、各光路
の凸レンズ２５を通過した光を均一光学系３に導く凸レ
ンズ２６が設けられている。各々の凸レンズ２５は、ミ
ラー２３を経た光を凸レンズ２６の焦点に集光するよう
配されている。各光源１から均一光学系３までの光路長
は同一になるように配置してある。均一光学系３及び集
光光学系４は、第１実施例と同様の構成を有している。

【００２７】上記構成を有するレーザ光照射光学装置に
おける動作を説明する。

【００２８】先ず、光源１である４つのレーザ装置を同
時に発振させる。光源１から発振された４つのエキシマ
レーザ光は、光束加工光学系２を構成する凸レンズ系を
用いたビームエキスパンダ２１へ与えられる。ここで、
断面積の大きい光束にされ出射する。その各出射光はそ
れぞれ対応するミラー２３で反射され、凸レンズ２５に
入射する。ここで、凸レンズ２６の焦点に集光され、凸
レンズ２６に入射する。入射光は凸レンズ２６によって
平行にされ、均一光学系３のライトインテグレータの全
入射領域に可及的に照射される。この時、各光源１から
導かれた４つの短冊状の光束は、図５（ｂ）に示すよう
に、各々の光束で挟まれた暗部Ｂの距離が短くなってお
り、しかも３つの光束の合体がライトインテグレータの
全入射領域に対応した面積になっている。又、上述した
ように各光路長が同一になっているので、各レーザ光に
位相差が生じない。

【００２９】よって、光束加工光学系１２を経た光は、
暗部が少なく、且つ前記全入射領域に対して入射する状
態で均一光学系３に照射され、ここで強度分布が均一化
され且つ１つの光束にされて出射される。均一光学系３
の出射光は集光光学系４によって集光されて、図５
（ｃ）に示すように被照射面５ａに照射される。但し、
均一光学系３に照射される複数の光束は、隣合う光束が
オーバーラップしてもよい。その場合は、実使用上、強
度がより均一な光束を均一光学系３に与えることが出来
るように、オーバーラップ部は小さい方がよい。

【００３０】上述のように、本実施例のレーザ光照射光
学装置においても、４つの低出力の光源１からのレーザ
光を高出力で強度分布が均一な１つの光束にすることが
出来る。

【００３１】従って、本実施例のレーザ光照射光学装置
においてエキシマレーザを光源に用いてアモルファスシ
リコンのレーザアニールを行う場合には、１ショットで
処理できる面積が大きいので、均一で良好な多結晶を得
ることが出来る。

【００３２】本実施例においても、光源１の数を変更す
ることは可能であり、図４に示す光束整形光学系を用い
て照射面の形状を整形することも可能である。

【００３３】上記２つの実施例では、光源１としてエキ
シマレーザを用いたが、他のパルスレーザを用いてもよ
い。その場合も、同様に複数の低出力のレーザ装置を用
いても、強度分布が均一な１つの高出力の光束を被照射
体に照射できる。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のレーザ光照射光学装置によれば、均一で且つ１ショッ
トで大面積部分の処理が可能となるのみならず、光源に
低出力のレーザを用いているので、コストの低廉価を図
れる。又、エキシマレーザを使用する場合は、アモルフ
ァスシリコンの結晶化ができ、良好な多結晶を得ること
が出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は第１実施例のレーザ光照射光学装置を
模式的に示す正面図であり、（ｂ）は均一光学系におけ
る光束の断面形状を示す平面図であり、（ｃ）は被照射
体における光束の断面形状を示す平面図である。

【図２】凸レンズ系を用いたビームエキスパンダを模式
的に示す正面図である。

【図３】シリンドリカルレンズ系を用いたビームエキス
パンダを模式的に示す正面図である。

【図４】光束整形光学系を模式的に示す正面図である。

【図５】（ａ）は第２実施例のレーザ光照射光学装置を
模式的に示す正面図であり、（ｂ）は均一光学系におけ
る光束の断面形状を示す平面図であり、（ｃ）は被照射
体における光束の断面形状を示す平面図である。

【符号の説明】

１ 光源 ２、１２ 光束加工光学系 ３ 均一光学系（ライトインテグレータ） ４ 集光光学系（コリメータレンズ） ５ 被照射体 ５ａ 被照射面 ２１、６１ 凸レンズ系を用いたビームエキスパンダ ２１ａ、２１ｂ、２５、２６ 凸レンズ ２２ シリンドリカルレンズ系を用いたビームエキスパ
ンダ ２２ａ、２２ｂ、６２ シリンドリカルレンズ ２３、２４ ミラー

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の光源と、 該複数の光源からの各光束を平行にして導く光束加工光
   学系と、 該光束加工光学系を経た複数の光束を入射し、均一な強
   度分布を持つ１つの光束にして出射する均一光学系と、 該均一光学系からの出射光を集光して被照射体に照射す
   る集光光学系とを備えたレーザ光照射光学装置。
2. 【請求項２】 前記光束加工光学系が、前記複数の光源
   からの各々の光を加工し、各光束間で挟まれた暗部の距
   離を短くして又は隣合う光束をオーバーラップさせて前
   記均一光学系の全入射領域に照射する請求項１に記載の
   レーザ光照射光学装置。
3. 【請求項３】 前記均一光学系と前記集光光学系との間
   又は該集光光学系の出射側に、ビームエキスパンダ及び
   シリンドリカレンスレンズから成る光束整形光学系を更
   に備えた請求項１又は２に記載のレーザ光照射光学装
   置。