JPH08238585A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 レ−ザ発振器１から出射するレ−ザ光をカ
ライドスコ−プ７を用いて長方形レ−ザビ−ムに整形
し、光強度分布が均一な長方形のレ−ザスポットを形成
し、このレ−ザスポットを用いて被加工物１１上を走査
することによって表面処理加工を行うレ−ザ加工装置で
ある。このとき用いるカライドスコープ７の開口の大き
さａ，ｂ、長さＬは次のように決定される。 ３＝ＩＮＴ［Ｐ・tan(arcsin(Ｎ・sin(arctan(φ/2・f)/
Ｍ))−ａ/2)/ａ］ Ｐ-(ｂ/2・tan( φ/2・f))≦Ｌ ｂ＜ａ 【効果】 本発明のレ−ザ加工装置を用いることによ
り、高品質な表面処理加工を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレ−ザ加工装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】レ−ザを利用した表面処理加工として
は、近年コンデンサフィルムのマ−ジン加工、液晶デバ
イス表面の非晶質Ｓｉ薄膜のアニール、ＬＳＩの金属配
線の平坦化等が注目されている。

【０００３】例えばＴＦＴ−ＬＣＤにおいては、ガラス
基板上にＳｉ薄膜を形成し、これを加工することにより
ＴＦＴ素子とする。従来のＴＦＴ−ＬＣＤでは、このＴ
ＦＴ素子を駆動する駆動回路が別個に製作され、その後
ＴＦＴ素子と接続していた。しかし最近はこの駆動回路
をＴＦＴ−ＬＣＤのアレイ基板上に一体に形成しようと
いう研究（ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ；p.59〜p.63；Ｎｏ．
１；１９９４．）が行われている。

【０００４】このように駆動回路をＴＦＴ基板上に一体
に形成するとき、ガラス基板上に形成するＳｉ薄膜はモ
ビリティ等の問題から結晶化Ｓｉ薄膜でなければならな
い。しかし例えばプラズマＣＶＤ法等で形成するＳｉ薄
膜は非晶質Ｓｉなので、この非晶質Ｓｉ薄膜を結晶化Ｓ
ｉに改質する必要がある。こうしたＳｉ薄膜の改質を行
う手段として最も注目されている方法の一つにレ−ザア
ニール法がある。

【０００５】このレ−ザアニール法のようにレ−ザ光を
用いた表面処理加工においては、加工品質の均一化を図
るために加工表面に形成されるレ−ザスポット内の光強
度分布の均一化を施す必要がある。この均一化の方法と
してインテグレ−ションミラーによる方法やアレイレン
ズによる方法、あるいはカライドスコ−プによる方法な
どがある。

【０００６】インテグレ−ションミラーは多数のセグメ
ントミラーをひとつの凹面鏡状に並べることにより形成
される。レ−ザ光を受光したインテグレ−ションミラー
は多数のセグメントミラーによりこのレ−ザ光を細分化
する。各々のセグメントミラーで反射されたレ−ザ光は
インテグレ−ションミラーの曲率等によって定まる焦点
で重畳される。これにより強度分布の均一化を行う。

【０００７】アレイレンズはいくつかのシリンドリカル
レンズをレンズの側面部分でつなぎ合わせることによっ
て構成されている。このアレイレンズ２枚を平行に配置
し、レ−ザ光を入射させる。１枚目のアレイレンズに入
射したレ−ザ光は各シリンドリカルレンズにおいて細分
化され、アレイレンズによって決まる焦点距離を持つビ
−ムに変換される。このビ−ムをさらに２枚目のアレイ
レンズに入射させることにより、一層の光強度分布の均
一化を図る。このようにして得たレ−ザ光を集光レンズ
によって加工表面に結像する。

【０００８】カライドスコ−プは内面が光反射部材で構
成されている筒状または柱状の光学装置である。発振器
から出射されたレ−ザ光は入射レンズによって集光さ
れ、カライドスコ−プの一端へ入射される。入射された
レ−ザ光はカライドスコ−プ内で複数回の反射を繰り返
しながら進行し、カライドスコ−プの他端から整形され
て出射する。必要に応じてこの出射光を結像レンズで集
光する事により、加工表面に円形や正方形のレ−ザスポ
ットを形成する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述のような構成を用
いた従来の装置では、以下に述べるような問題点が発生
してくる。インテグレ−ションミラーは原理が単純であ
り信頼性が高いという利点を持つが、非常に高価であ
る。また、レ−ザスポットの周縁部における光強度が弱
い。アレイレンズは前述のように複数のシリンドリカル
レンズにより構成されている。よってアレイレンズの精
度や効果は個々のシリンドリカルレンズの品質のばらつ
きに影響を受ける。また、シリンドリカルレンズを張り
合わせていくときの機械的精度の問題からアレイレンズ
全体の精度を高めることは非常に困難である。アレイレ
ンズによって得られるレ−ザスポットはその特徴を利用
して細長い長方形のレ−ザスポットにすることができる
が、長方形の長辺方向のホモジニティを高くする事はで
きるものの、短辺方向のホモジニティを高める事ができ
ない。このように光強度分布のホモジニティが低い部分
が存在すると、それを補うためにレ−ザスポットを重ね
合わせながら走査しなければならず、加工速度の高速化
にとって障壁となる。また、インテグレ−ションミラー
の場合もアレイレンズの場合もレ−ザスポットの形を整
形して使用したいときは、レ−ザ発振器から出射された
レ−ザ光をこれらに入射させる前の段階でマスク等によ
りこのレ−ザ光を整形しておかなければならない。した
がって方形のレ−ザスポットを得ようとする場合には方
形の開口を持つマスクを用意する事になるから、このマ
スクによる光エネルギの損失を免れる事ができない。し
たがって本来持っているレ−ザの能力を最大限に利用で
きないという問題点も抱えている。

【００１０】加工対象の形状や面積を考慮するとき、例
えば液晶セルのアレイ基板上を面状に覆う液晶駆動素子
を構成する部分を加工する場合では加工品質の均一さ
が、この液晶駆動素子が成す面の外周に線状に形成され
る液晶駆動素子用の駆動回路を構成する部分を加工する
場合では線速度が、それぞれ要求される。

【００１１】図２にＴＦＴアレイ基板の一例を示す。ガ
ラス基板に面状に広がるＴＦＴに対して、ＴＦＴを駆動
する駆動回路はＴＦＴを取り囲むようにしてガラス基板
の外周に形成されている。駆動回路はブロック単位で構
成されているが、この一つ一つにレ−ザスポットを当て
て走査する加工方法では、加工速度を速くできない。ま
た、ＴＦＴ部においては被処理表面における処理品質が
均一であるか否かが問題となる。このとき、走査方向に
対してはレ−ザスポットを重ね合わせながら走査してい
くので問題がないが、隣り合う走査線との境界線では処
理にムラができてしまうことがある。このムラを少なく
するためには走査線の幅を広くして走査線の数を減らせ
ば良いが、例えば正方形のレ−ザスポットを拡大して加
工に用いようとすると、レ−ザスポット内のエネルギ密
度が小さくなってしまい十分な加工ができなくなるとい
う問題がある。本発明の目的は簡素な構成の光学素子で
あるカライドスコ−プを用いることによって高品質な加
工を行う事ができるレ−ザ加工装置を提供することにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上記のような技
術的課題を解決するためになされたものであり、レ−ザ
光を出射するレ−ザ発振器と、前記レ−ザ光が入射する
入射レンズとこの入射レンズから出射するレ−ザ光を受
ける長方形の光導入口及び整形された光線を出射する長
方形の光出射口を有したカライドスコ−プと前記入射レ
ンズと前記カライドスコ−プとを保持する筐体とを少な
くとも備えたホモジナイザと、前記レ−ザ発振器から出
射したレ−ザ光を前記ホモジナイザへ導く光学手段と、
前記ホモジナイザから出射した前記光線が照射される被
加工物を保持する保持手段と、被加工物の加工箇所を移
動させる移動手段とを具備したレ−ザ加工装置におい
て、前記カライドスコ−プの光導入口と光出射口の寸法
ａ，ｂおよび長さＬが ３＝ＩＮＴ［Ｐ・tan(arcsin(Ｎ・sin(arctan(φ/2・f)/Ｍ))−ａ/2)/ａ］…（１ ） Ｐ-(ｂ/2・tan( φ/2・f))≦Ｌ …（２） ｂ＜ａ …（３） （ただし、ａはカライドスコ−プの開口の長辺の長さ、
ｂはカライドスコ−プの開口の短辺の長さ、Ｐは（１）
式と（２）式を結び付ける変数、Ｌはカライドスコ−プ
の長さ、φは前記入射レンズに入射する前記レ−ザ光の
径、ｆは前記入射レンズの焦点距離、Ｎはカライドスコ
ープ入射直前の媒質の屈折率、Ｍはカライドスコ−プ内
の屈折率）を満たすことを特徴とするレ−ザ加工装置で
ある。

【００１３】

【作用】本発明のレ−ザ加工装置は上述した構成によ
り、レ−ザ発振器から発振されたレ−ザ光を（１）
（２）（３）各式を満たす開口ａ，ｂ及び長さＬのカラ
イドスコ−プに入射させ、その出力光を加工表面に照射
することで加工表面におけるレ−ザスポットの形状を略
長方形化し、かつレ−ザスポット内でのレ−ザ光強度分
布を均一にする。このときレ−ザスポットを加工表面に
対し相対的に回転させる手段を備えることにより、任意
にレ−ザスポットの向きを変えるようにすることが好ま
しい。

【００１４】カライドスコ−プから出射する出射光に±
５％範囲内のホモジニティを求めるならば、カライドス
コ−プに入射する入射光のカライドスコ−プ内における
反射回数は最低４回以上必要である。図３に示すように
入射レンズ及びカライドスコ−プを入射レ−ザ光の光軸
を中心におくとき、カライドスコープ入射直前の媒質の
屈折率Ｎ、カライドスコ−プ内光路の屈折率Ｍ、入射レ
−ザ光の直径φ、入射レンズの焦点距離ｆ、カライドス
コ−プの入射開口の長辺の長さａ、ビ−ムの入射角θ1
、ビーム入射後の角θ2 、カライドスコ−プの入射開
口に入射角θ1で入射したビ−ムにおいて、入射開口と
の交点から下ろす垂線と出射開口をなす辺の交点と、入
射したビ−ムをカライドスコ−プの出射開口をなす辺を
含む直線上まで延長したときの交点との距離Ｒとした時
の光学系のモデルを考える。このときθ1 でカライドス
コ−プに入射する光の反射回数Ｋは、Ｋが（Ｒ／ａ）＋
１の整数部分であることから（４）式で表される。

【００１５】 Ｋ＝ＩＮＴ［（Ｒ／ａ）＋１］ ＝ＩＮＴ［（Ｐ・tanθ2-ａ／２）／ａ］＋１ …（４） ここでＩＮＴ（Ｘ）は数Ｘの整数部分を表す関数、Ｐは
図３のモデルにおけるカライドスコ−プの長さの下限を
示す数である。（４）式が成り立つとき反射回数Ｋが４
以上であれば良いことから、長辺の長さａと数Ｐとの関
係は（１）式で求められる。装置に用いるレ−ザ発振器
の出力や、被加工物の大きさによって長辺長ａが決定さ
れるので、これに従って数Ｐを決定できる。入射開口の
大きさについては、入射光の短辺方向での反射回数が長
辺方向の反射回数より多いことは自明であることから、
±５％範囲内のホモジニティを求める長辺長ａの値のみ
を（１）式に適合するように考慮すれば良い。

【００１６】カライドスコ−プの入射開口を入射レンズ
の焦点距離においたとき、カライドスコ−プの長さはＰ
以上の量であればよい。しかし実際の装置で図３のよう
な配置を行った場合、カライドスコ−プを構成する材料
が溶けてしまう恐れがある。そこで一般的には入射され
るビ−ムがカライドスコ−プの入射開口からはみださな
い範囲で焦点の位置からずらして配置する。実際に用い
ることができるカライドスコ−プの長さの範囲を、図３
のモデル図にしたがって解いた数Ｐを用いて（２）式で
示す事ができる。（２）式に（３）式で決まるカライド
スコ−プの短辺長ｂの値を用いることで実際に使用する
カライドスコ−プの長さＬを決定できる。

【００１７】

【実施例】本発明を実施するための装置の構成例を図１
を用いて説明する。レ−ザ出力制御装置２が接続されて
いるレ−ザ発振器１から出射したレ−ザ光を光学手段に
よってホモジナイザに導く。光学手段はこの場合ミラー
３である。ホモジナイザは入射レンズ６とカライドスコ
−プ７とこれらを保持する筐体８とから構成されてい
る。ホモジナイザとミラー３は変位手段である光学系駆
動装置４と接続されており、加工対象に対して縦横に移
動できる。入射レンズ６には単レンズを用いても良い
し、複数のレンズを組み合わせて用いても良い。また、
カライドスコ−プ７の光出射口側に結像レンズを設けて
も良い。

【００１８】ミラー５から出射するレ−ザ光は、入射レ
ンズ６を通して（１）（２）（３）各式を満たす長方形
の開口を持つカライドスコープ７に導入される。例えば
焦点距離ｆが２ｃｍ，入射ビーム径φが８ｍｍの入射レ
ンズと、光路が中空（すなわちＮ＝Ｍ＝１）で開口の長
辺長ａが１．５ｃｍ，開口の短辺長ｂが０．５ｃｍの大
きさのカライドスコ−プを使用するには、カライドスコ
−プ長Ｌは３０ｃｍ程度になる。

【００１９】被加工物の例を示す図を図２に示す。図２
において、例えばアレイ基板１７上の駆動回路１８はブ
ロック状に集積されており、これが複数連なる事によっ
て列を成している。ホモジナイザは入射してくるレ−ザ
光を駆動回路列の幅方向を含むほどの大きさの短辺を有
した長方形レ−ザビームに整形して加工対象に照射す
る。このことにより駆動回路列に対する加工は１回の走
査によって目的を完了する。また、レ−ザスポットの長
辺の大きさを駆動回路ブロック１８を複数個含む大きさ
に整形すれば、１回の走査時間を大幅に短縮できる。あ
るいは駆動回路１８がブロック状でなく帯状になってい
る場合もあるが、同様に加工することが可能である。走
査の方法としては駆動回路ブロックのみに点線状に照射
していく方法や駆動ブロックのないところも含めて直線
状に走査する方法などがある。

【００２０】加工対象は、例えば真空容器１０にいれら
れ、被加工物１１が載置される台１２の下に設けられる
温度制御装置１３により最適な加工温度に制御される。
また、装置全体の動作は統合制御装置１５により一元的
管理をうけるのが好ましい。真空容器１０のホモジナイ
ザと対向する面には本装置に用いるレ−ザ光を吸収しな
い窓９が設けられており、この窓９を通して加工を行
う。

【００２１】上記装置を用い、レ−ザ繰り返し周波数１
００Ｈｚ、基板温度４００℃、走査速度２００ｍｍ／
ｓ、真空度７×１０^-4Ｐａ、オーバーラップ率８７％な
どの条件でレ−ザスポットの長辺方向に走査しながら非
結晶Ｓｉ薄膜のレ−ザアニールを行ったところ、粒径の
大きい良質の結晶化Ｓｉが形成できた。

【００２２】さて、図２に示す駆動回路一体型ＬＣＤの
ように線状の部材と面状の部材が一体に形成される場
合、長方形のレ−ザスポットを用いている利点を生かす
ためにレ−ザスポットの走査法を変える事が好ましい。
すなわち、線状に連なる素子の加工においては長方形の
レ−ザスポットの長辺方向に走査し、面状に広がる素子
の加工においては長方形のレ−ザスポットの短辺方向に
走査する。また、線状に連なる素子を加工するときには
走査方向の変節点においてレ−ザスポットをその方向に
合わせるように回転させるとさらに加工速度が向上す
る。レ−ザスポットを回転させる方法としては、カライ
ドスコ−プやホモジナイザを回転自在に設置しこの回転
を図示せぬ回転制御装置により制御する方法や、加工対
象を保持する手段である保持台を回転することにより相
対的にレ−ザスポットを回転させる方法がある。この回
転機構を備えた本加工装置によって、レ−ザ繰り返し周
波数１００Ｈｚ、基板温度４００℃、走査速度２００ｍ
ｍ／ｓ、真空度７×１０^-4Ｐａ、オーバーラップ率６０
％などの条件でレ−ザスポットの長辺方向に走査しなが
ら非結晶Ｓｉ薄膜のレ−ザアニールを行ったところ従来
の装置で加工したものよりも良質の結晶化Ｓｉ薄膜が形
成できた。

【００２３】ａ，ｂ，Ｌ，Ｐ，ｆ，θ，φ等の各物理量
は（１）（２）（３）各式の範囲内において任意に変動
可能である。実際には装置に用いるレ−ザ発振器のレ−
ザ光出力強度や被加工物の大きさ等によって支配され
る。

【００２４】本発明は用いるレ−ザ光の出力やカライド
スコ−プの形状を調整する事によって金属部材の平坦化
やコンデンサフィルムのマージン加工又は、薄膜に対す
る加工全般等にも応用することが可能である。このとき
加工対象の性質に合わせて加工対象を収める室や温度制
御装置等の有無・形状などを決定する。

【００２５】

【発明の効果】本発明のレ−ザ加工装置を用いることに
より、高品質な表面処理加工を行うことができるように
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレ−ザ加工装置の構成の一例を示した
模式図。

【図２】ＴＦＴアレイ基板上の素子の配置の様子を示す
模式図。

【図３】ホモジナイザ及びレ−ザ光の光学系を示すモデ
ル図。

【符号の説明】

１…レ−ザ発振器 ２…レ−ザ出力制御装置 ３…ミラー ４…光学系駆動装置 ５…ミラー ６…入射レンズ ７…カライドスコ−プ ８…筐体 ９…窓 １０…真空容器 １１…被加工物 １２…台 １３…温度制御装置 １４…真空ポンプ １５…統合制御装置 １６…Ｓｉ薄膜 １７…アレイ基板 １８…駆動回路（駆動回路ブロック）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レ−ザ光を出射するレ−ザ発振器と、 前記レ−ザ光が入射する入射レンズと、この入射レンズ
   から出射するレ−ザ光を受ける長方形の光導入口及びこ
   の光導入口から入射したレ−ザ光を出射する長方形の光
   出射口を有したカライドスコ−プと、前記入射レンズと
   前記カライドスコ−プとを保持する筐体と、を少なくと
   も備えたホモジナイザと、 前記レ−ザ発振器から出射したレ−ザ光を前記ホモジナ
   イザへ導く光学手段と、 前記ホモジナイザから出射し
   た前記レ−ザ光が照射される被加工物を保持する保持手
   段と、 被加工物の加工箇所を移動させる移動手段と、を具備し
   たレ−ザ加工装置において、 前記カライドスコ−プの光導入口と光出射口の寸法ａ，
   ｂおよび長さＬが ３＝ＩＮＴ［Ｐ・tan(arcsin(Ｎ・sin(arctan(φ/2・f)/Ｍ))−ａ/2)/ａ］…（１ ） Ｐ-(ｂ/2・tan( φ/2・f))≦Ｌ …（２） ｂ＜ａ …（３） （ただし、ａはカライドスコ−プの開口の長辺の長さ、
   ｂはカライドスコ−プの開口の短辺の長さ、Ｐは（１）
   式と（２）式を結び付ける変数、Ｌはカライドスコ−プ
   の長さ、φは前記入射レンズに入射する前記レ−ザ光の
   径、ｆは前記入射レンズの焦点距離、Ｎはカライドスコ
   ープ入射直前の媒質の屈折率、Ｍはカライドスコ−プ内
   の屈折率）を満たすことを特徴とするレ−ザ加工装置。
2. 【請求項２】 入射レンズに入射するレ−ザ光の光軸
   を中心とし、筐体に対して回動自在に取り付けられたカ
   ライドスコ−プを備えることを特徴とする請求項１記載
   のレ−ザ加工装置。
3. 【請求項３】 入射するレ−ザ光の光軸を中心として
   回動自在に取り付けられたホモジナイザを備えることを
   特徴とする請求項１記載のレ−ザ加工装置。
4. 【請求項４】 加工対象上のレ−ザスポットの向きに
   対して回動自在に取り付けられている保持手段を備える
   ことを特徴とする請求項１記載のレ−ザ加工装置。