JPH0899186A

JPH0899186A - レーザ加工装置

Info

Publication number: JPH0899186A
Application number: JP6237822A
Authority: JP
Inventors: Kunio Masushige; 邦雄増茂; Yoshiharu Oi; 好晴大井
Original assignee: AG Technology Co Ltd
Current assignee: AG Technology Co Ltd
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1994-09-30
Publication date: 1996-04-16

Abstract

(57)【要約】【目的】レーザ加工装置のビームスポットを精密に測定
する。【構成】レーザ光源１０、走査ミラー２、シャッター
３、集光レンズ４、試料台８、及び透明性平面基板５と
ビームスポット形状測定器６とが備えられ、ビームスポ
ット測定の直前までシャッタ３でレーザ光１Ｐが集光レ
ンズ４を通過しないようにし、大気と透明性平面基板５
の屈折率差による反射光１Ｒをビームスポット形状測定
器６で測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体薄膜の膜質改善
や電子部品の加工や機械部品の加工などに用いられるレ
ーザ加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来よりレーザ技術を用いた各種の加工
が行われているが、そのほとんどは熱的な加工であっ
て、ビーム照射により誘起される熱現象は、総エネルギ
ー量でほぼ決り、被照射体上でのビームスポットの形状
にそれほど依存しないと考えられている。

【０００３】また、レーザ光を収束したビームスポット
を被照射体に走査照射し、被照射体に一定のエネルギー
を与えることで被照射体のビームアニールを行うレーザ
加工装置も知られている。例えば、アモルファスシリコ
ン膜を効率よく多結晶化又は単結晶化する手法も公知で
ある。

【０００４】一般的にレーザ加工において、収束された
ビームスポットの径と被照射体の物性（熱伝導率、比
熱、密度、融点、沸点）などとの関係によって実際の加
工の状態が変わり得る。そのため、レーザ光のパワー密
度の適切な制御が少なくとも必要となる。基本的にはレ
ーザ出力［Ｗ］、収束されたビームスポットの大きさ
（面積）、そして単位時間当たりに照射される総エネル
ギー量などである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来技術にお
いては、一定の水準以上のエネルギーを有するレーザ光
を照射するだけであって、ビームスポット形状の精密な
測定はあまり行われていなかった。言い換えれば、高出
力レーザ光のビームスポットに対する高精度測定を行う
方法がまだ見い出せていなかった。

【０００６】実際にレーザ加工を行う際に、高出力レー
ザの場合は低出力の場合と比べてレーザ出射口でのビー
ム形状が若干異なり、またレーザ光を導く光学部品の熱
変形の程度も異なる。そのため実際のレーザ加工時と同
じレーザ出力で測定を行う必要がある。しかし高出力レ
ーザのビームスポットはエネルギー密度が高すぎ通常の
測定器では直接測定できなかった。

【０００７】例えば、レーザ光の光路にフィルタ等を設
けて減光するとフィルタ自体が加熱し、測定結果は異常
な値となってしまうことがある。場合によってはフィル
タ等が焼損してしまう。また、４Ｗ程度のレーザ出力で
もビームスポットの測定値の時間変化を測定したとこ
ろ、集光レンズ上でレーザビームを固定していると集光
レンズの昇温によりビーム形状が時間とともに変化し、
或るところで安定する様子が観察された。

【０００８】さらに、走査型のレーザ加工装置における
実際の加工時には集光レンズの特定の位置をレーザビー
ムが照射するのは一瞬だけであり、集光レンズが昇温し
その後に安定した状態は実際の加工時とは異なる状態で
ある。

【０００９】このように従来のレーザ加工装置におい
て、そのビームスポット形状の測定では実際の加工時よ
り低いレーザ出力で測定していたこと、及び集光レンズ
の昇温した状態で測定していたことの少なくとも二つの
点で実際の加工時と状態が異なっていた。そのため測定
結果はより精密なレーザ加工の制御には用いられにくい
ものであった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、レーザ光源と
レーザ光の収束手段とが少なくとも備えられ、レーザ光
源から発したレーザ光は収束手段によって被照射体に照
射せしめられるレーザ加工装置であって、ビームスポッ
トの測定時には収束手段と被照射体との間に透明性平面
基板がレーザ光の光路に挿入せしめられ、周辺媒質と透
明平面基板との屈折率差による反射レーザ光のビームス
ポットを測定することを特徴とするレーザ加工装置を提
供する。これを本願の第１の発明と呼ぶ。

【００１１】また、上記の第１の発明において、用いる
透明性平明基板の軟化温度が９００℃以上であり、かつ
面精度がレーザ光の波長λに対しておよそλ／４以上で
あることを特徴とするレーザ加工装置を提供する。この
レーザ加工装置を本願の第２の発明と呼ぶ。

【００１２】また、上記の第１又は第２の発明におい
て、レーザ光の走査手段がレーザ光源と収束手段との間
に設けられ、走査手段へのレーザ光の反射率が入射角度
＝４５°±１０°の範囲で９９％以上とされ、レーザ光
の被照射体への入射角度を１°以上とし被照射体に斜め
にレーザ光を照射するように設けてなることを特徴とす
るレーザ加工装置を提供する。これを本願の第３の発明
と呼ぶ。次に図を参照しながら本発明を説明する。

【００１３】図１に本発明のレーザ加工装置のビームス
ポット測定時の基本的配置の一例を示す。レーザ光源１
０、走査ミラー２、シャッター３などが設けられてい
る。収束手段として用いる集光レンズ４と試料台８の間
に透明性平面基板５をレーザ光１Ｐの光路に対して斜め
に挿入し、大気と透明性平面基板５の屈折率差による反
射光１Ｒを測定するようにビームスポット形状測定器６
を設置する。たとえば透明性平面基板として石英板を用
いれば、一回での反射率は約４％であり、直接測定する
場合の１／２５にエネルギー密度を減少させて測定する
ことができる。

【００１４】現在入手できるビーム形状測定器の測定可
能な最大エネルギーは直径１００μｍではおよそ４Ｗ程
度である。レーザ加工時のレーザ出力（例えば、７Ｗ）
以上のものはそのままでは測定できなかった。しかし、
本発明によりレーザ出力を絞ることなく、実際の加工時
のレーザ出力で測定することが可能になった。さらに、
透明性平面基板を複数枚設け、その反射を二回以上行う
ことによって、測定可能エネルギーレンジが低いが種々
の情報が得られる他の各種測定器を利用することもでき
る。

【００１５】本発明におけるビームスポットの測定は以
下のように行う。走査ミラーと集光レンズの間にシャッ
ターを設けるか、又は走査ミラー自体を利用することに
より測定器の位置あわせの後、一旦シャッターを閉じる
か走査ミラーの角度を変え、集光レンズの測定時通過位
置をレーザ光が通過しないようにする。図２にその一例
を示す。図２において、走査ミラー２Ａの角度が大きく
せしめられレーザ光１Ｑは本来の光路からそれるように
なっている。そして、再び定常位置に戻した後、極めて
短い時間内に測定を行う。

【００１６】つまり、集光レンズが室温に戻った後シャ
ッター開又は走査ミラーの角度を元に戻すと同時に測定
を行う。図３に測定結果の時間変化を示す。測定開始直
後よりビームスポットの径の測定値は増大し、数十秒で
安定した。このとき集光レンズのビーム通過位置の表面
温度は約７℃上昇していた。

【００１７】高速走査型のレーザ加工装置における実際
の加工時にはレーザ光の収束手段として用いる集光レン
ズの特定の位置をレーザビームが照射するのは一瞬だけ
であり、昇温し安定した状態は実際の加工時とは異なる
状態である。したがって最初の測定値を採用すべきであ
る。集光レンズの手前までの光学部品に関しては実際の
加工時も常時ビームが照射され安定した状態で使用され
るので、走査ミラーと集光レンズの間にシャッターを設
けるか、又は走査ミラー自体を利用する方法により集光
レンズの昇温を防ぐ機構が好ましい。

【００１８】また本発明で用いる透明性平面基板には反
射率を調節する等の目的の誘電体膜等は成膜されていな
いほうがむしろ好ましい。本発明の対象である高エネル
ギーレーザビームの精密測定においてはそのような付加
的な膜によるごくわずかな光吸収であっても局所的な温
度上昇・温度分布すなわち反射率の変化・分布を生じ、
測定結果に大きな影響を与える。

【００１９】透明性平面基板の材料としてはレーザ光に
耐え得るような軟化点の高いものを用いる。例えば、石
英板や透光性の酸化物結晶体の平板（セラミックス
板）、又は薄板状に形成された人工サファイヤなどが用
いられ得る。用いるレーザパワーとビームスポットの大
きさ（エネルギー密度）との関係もあるが２０Ｗ以上で
あるならば好ましくは軟化点が１２００℃以上の透明性
平面基板を用いる。そして、表面に十分な光学的平面が
形成されていればよい。

【００２０】透明性平面基板の表面の面精度は集光に影
響を与えないように十分良好な平面である必要がある
が、製造が容易なλ／４程度の面精度で十分である。ま
た透明性平面基板の厚さを十分にとり表面と角度を設け
るなどして、裏面からの反射光が測定に影響を与えない
ようにする必要がある。図２に示すように透明性平面基
板５の裏面からの反射光１Ｓはビームスポット形状測定
器６には到達しないようにしている。なお、λは用いる
レーザ光の波長である。

【００２１】レーザ光源としては例えば、可視光域〜近
赤外領域の各種のレーザ光源を用いることができる。波
長１．０６μｍのＹＡＧレーザや、短波長可視光域のエ
キシマレーザを用いることもできる。基本的には被照射
体の物性との関係で波長を選択して用いる。例えば、非
晶質シリコン薄膜をアニールする場合には非晶質シリコ
ンの光の波長に対する吸収特性から４８８ｎｍ、５１
４．５ｎｍ及びその近傍の連続発振アルゴンイオンレー
ザが好ましい。

【００２２】本発明で用いるレーザ光源のエネルギー密
度は、連続発振レーザでおよそ１０³ 〜１０⁹ ［Ｗ／ｃ
ｍ² ］、パルス出力レーザでおよそ１０⁷ 〜１０¹³［Ｗ
／ｃｍ² ］である。そのレーザパワーに応じて透明性基
板を一枚又は複数枚を組み合わせて用いる。なお、透明
性平面基板を透過した高エネルギービームが試料台上に
焦点を結び試料台を損傷しないように透明性基板と試料
台との間に散乱板等を設置するのが好ましい。

【００２３】以上のようにして、ビームスポットのエネ
ルギー分布を光ピーク強度の５０〜９０％の間の値で管
理する。好ましくは６０％を指標値として用いてビーム
スポットの径Ｓ₆₀及び滞留時間Ｔ₆₀を管理する。エネル
ギー分布のプロファイルが良好であれば、光ピーク強度
の５０％におけるＳ₅₀及びＴ₅₀を用いることができる。
本発明の重要な点はビームアニールに実効的に寄与する
レーザ光のエネルギー値の高い部分が如何に照射される
かを適切に管理できる点にある。

【００２４】なお、ビームスポット形状測定とは、パワ
ーメータのようにいわゆるレーザパワーのみを測定する
ものではない。ビームスポットの大きさや、指向性、楕
円率、焦点深度、及びエネルギーの空間分布などを詳細
に測定するものである。また、実際には５μｍ程度のス
リットを高速で移動して測定が行われる。したがって、
この場合は、ビームスポットを一方向に積分した値を用
いている。

【００２５】図６に走査型のレーザ加工装置を用いて、
ビームアニールを行う際の様子を模式的に示す。非照射
体の表面に照射されたビームスポットが走査され、その
軌跡を部分的に示す。この際、各ビームスポットの形状
は適切に制御されている。そして、それぞれ線走査速度
（Ｖ１〜Ｖ４）によって走査される。

【００２６】同図においてエネルギーとしてピーク光強
度の６０％を有するビームスポットＳ₆₀を示す。用いる
ビームスポットのＤ方向の長さＢＳ_D と走査方向におけ
る長さＢＳ_L を精密に調整することができる。図４、５
に示すようにレーザ光の空間エネルギー分布を詳細に知
り得て初めて可能となる。図４は、良好なガウス分布を
示すプロファイル２１、そのビームスポット径Ｓ₈₀（符
号３１）、Ｓ₆₀（符号３２）、１／ｅ² のレベルのビー
ムスポット径Ｓ_1/e ²を示す。図５の符号２２は非対称形
のプロファイル、符号２３は分布が緩やかな裾引形状の
プロファイルを示す。

【００２７】以上説明を行った本発明のレーザ加工装置
は、数Ｗ〜１００Ｗクラスのレーザ光源と組み合わせて
用いることが好ましい。高いエネルギーを与えると同時
にレーザ光のビームスポットを適切に制御することが好
ましい種々の用途に適している。例えば、レーザマーカ
や、レーザスクライビング装置、トリミング装置、パタ
ーン・マスク修正装置、そして、特に物体のアニールを
行う際の表面処理に適している。以下に、本発明の実施
例を説明する。

【００２８】

【実施例】

（実施例１）半導体ＩＣのパッケージ上に文字や記号を
印字したり、商品ラベルのバーコードなどを印字するレ
ーザマーカ装置に応用した。レーザ光源としておよそ出
力２５Ｗの連続発振アルゴンイオンレーザ（波長＝４８
８ｎｍ）を用い、走査ミラーをガルバノスキャナにより
駆動し、集光レンズとしてｆ・θレンズを用いた。図１
に示すようにビームスポット形状の測定時には集光レン
ズ４と試料台８の間に透明性平面基板５、測定器感光
部、散乱板７からなる測定ユニットを挿入する。透明性
平面基板として何も成膜されていない面精度λ／１０、
１０ｍｍ厚の石英板を用いた。

【００２９】大気と透明性平面基板の屈折率差による反
射光を測定するように測定器感光部を配置した。図２に
示すように透明性平面基板の裏面からの反射光１Ｓは測
定器感光部の外に当たる。透明性平面基板５を透過した
高エネルギーのレーザビームが試料台８上に焦点を結び
試料台８を損傷しないように散乱板７として粗面のシリ
コン基板を設置した。

【００３０】図２に示すように走査ミラー２Ａの角度を
測定位置と集光レンズ４Ａが降温するまでの待機位置と
切り替えられるようにし、測定位置へ切り替えた瞬間に
測定を行うようにした。石英板一枚での反射率は約４％
であり、複数枚組み合わせることで直接測定する場合の
（１／２５）ⁿ にエネルギー密度を減少させて測定する
ことができる。また、透光性（９９％）の高い透明性基
板を用いて加工時に連続してビームスポットの形状をモ
ニターすることもできる。

【００３１】本実施例においては透明性平面基板を二枚
用いてｎ＝２とし加工前に調整を行った。なお、ビーム
形状測定器として米国フォトン社製ビームスキャン２１
８０ＨＰを用いた。

【００３２】その測定可能な最大エネルギーは直径１０
０μｍでは４Ｗ程度であり、本発明により初めて加工時
のレーザ出力として１０Ｗを超えるビームスポットの形
状を直接測定することができた。そして、レーザ光のＸ
Ｙ走査機構（液晶シャッターやＡＯ素子などの電気光学
素子）と収束手段とを組み合わせて、微細なパターンラ
インや記号などを半導体ＩＣパッケージの表面や、電子
回路基板上に高精細に描くことができた。

【００３３】（実施例２）レーザ光源として連続発振レ
ーザ光源を用い、高速度でビームスポットを被照射体に
走査せしめ、被照射体のビームアニールを行うレーザ加
工装置を作成した。被照射体は非晶質半導体薄膜であっ
てその多結晶化を行うビームアニール加工に用いた。実
施例１と同様に加工する前にビームスポットの調整を行
った。

【００３４】上述したビームスキャン２１８０ＨＰの測
定可能な最大エネルギーは直径１００μｍでは４Ｗ程度
であり、本発明により初めて非晶質半導体（シリコン）
薄膜に対する高速走査ビームアニール法の加工時の調整
を好ましく行うことができた。そして、調整後に非晶質
シリコン薄膜の高速ビームアニールを行った。

【００３５】その様子を図６に示す。ビームスポット４
はエネルギー分布が整えられた楕円形状又は円形形状で
あって、走査方向に直線状に走査され多結晶シリコン層
のストライプ１０を形成する。通常、液晶表示素子に用
いる多結晶半導体ＴＦＴを形成するには、行又は列方向
に画素及び／又は周辺駆動回路に設けられるＴＦＴの配
列に応じてストライプ１０を直線状に形成していく。

【００３６】この際のビームスポットは図４及び図５に
示したＳ₆₀（符号３２）を用いて行った。符号３３に示
す今まで通常よく用いられていたレーザ光の１／ｅ² に
おけるビームスポット径Ｓ_13.5（いわゆるビームスポッ
トの公称値）では真に実効的なエネルギー量を定めるこ
とが困難であった。あるいは、符号３１に示すＳ₈₀を用
いることもできる。

【００３７】本発明をビームアニールに応用した場合、
実際のビームスポットサイズＳ₆₀の値としては、走査方
向の長さＢＳ_L として３０〜１００μｍの範囲で用い
る。３０μｍ未満にビームスポットを安定して細く絞る
ことが一般的に困難となるからである。また、走査方向
に長くすると本発明における多結晶化の条件を満たしに
くくなる。より好ましくは５０〜８０μｍを用いる。通
常用いられる一般のレーザ光源から安定した良好なビー
ムスポットを得られるからである。

【００３８】また、幅方向Ｄの長さＢＳ_D としては３０
〜２００μｍの範囲で用いる。２００μｍ以上にするに
はより高出力のレーザ光源を用いなければならず、また
光学系の負担も増えてしまう。より好ましくは５０〜１
００μｍを用いる。通常の光学系を用いて安定して良好
なビームスポットを得ることができるからである。本実
施例においてはＢＳ_L ＝１００μｍ、ＢＳ_D ＝１４０μ
ｍとした。

【００３９】そして、電気的特性が高く（移動度が２５
ｃｍ² ／Ｖ・ｓｅｃ以上）、かつ均質な多結晶シリコン
層のストライプ１０をビームアニールによって得ること
ができた。さらに、駆動回路及び液晶層、周辺シールな
どを形成して液晶表示素子を完成した。

【００４０】（実施例３）レーザ光の走査速度を１〜３
０ｃｍ／ｓとし、他の条件は実施例２とほぼ同様にして
非晶質シリコン薄膜の単結晶化を行なった。その結果、
パターン性が良好であるストライプ状の単結晶層が得ら
れた。また、その膜質は均一であった。

【００４１】

【発明の効果】本発明は、従来測定できなかった高出力
レーザビームの集光されたビームスポット形状を測定可
能にする。そして、高出力かつ高精度に制御されたビー
ムスポットを用いて加工を行う。

【００４２】すなわち熱変形の恐れのない透明性平面基
板の反射光を測定することにより、従来測定できなかっ
た高出力レーザビームの高精度の測定が可能になり、ま
た従来利用できなかった各種測定器の利用を可能にす
る。

【００４３】また測定直前まで集光レンズの測定時通過
位置の加熱を防ぐことにより、実際の高速ビームアニー
ル法加工時のビームスポット形状をより正確に測定する
ことを可能にする。

【００４４】ビームスポットのエネルギー分布が高精度
に保たれているので、レーザ加工によって得られた切
断、膜性改質、パターン焼き付けなどの加工部における
エッジ荒れが少なくなる。そして加工部がきれいな直線
状に形成される。

【００４５】さらに本発明の方法によれば従来のように
ビームスポット形状測定時に測定器を設置するために試
料台を取り外す必要がなく、少なくとも透明性平面基板
と測定器からなるビームスポットの測定用ユニットを挿
入するだけで測定が可能となり、測定作業の効率化が図
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明におけるビームスポット測定時の配置を
示す模式図。

【図２】走査ミラーによるレーザ光の切り替えを示す模
式図。

【図３】ビームスポット測定値の時間変化を示すグラ
フ。

【図４】ガウスビームのエネルギー分布を示すグラフ。

【図５】非ガウスビームのエネルギー分布を示すグラ
フ。

【図６】円形ビームスポット（ａ）、走査方向に短い楕
円形状のビームスポット（ｂ）、線走査速度の遅い場合
の円形ビームスポット（ｃ）、走査方向に長い楕円形状
のビームスポット（ｄ）の各種ビームスポットによる照
射走査の軌跡を示す模式図。

【符号の説明】

１：レーザビーム２：走査ミラー３：シャッター４：集光レンズ（ｆ・θレンズ）５：透明性平面基板６：ビームスポット形状測定器７：散乱板８：試料台

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光源とレーザ光の収束手段とが少な
くとも備えられ、レーザ光源から発したレーザ光は収束
手段によって被照射体に照射せしめられるレーザ加工装
置であって、ビームスポットの測定時には収束手段と被照射体との間
に透明性平面基板がレーザ光の光路に挿入せしめられ、
周辺媒質と透明平面基板との屈折率差による反射レーザ
光のビームスポットを測定することを特徴とするレーザ
加工装置。
【請求項２】用いる透明性平明基板の軟化温度が９００
℃以上であり、かつ面精度がレーザ光の波長λに対して
およそλ／４以上であることを特徴とする請求項１のレ
ーザ加工装置。
【請求項３】レーザ光の走査手段がレーザ光源と収束手
段との間に設けられ、走査手段へのレーザ光の反射率が
入射角度＝４５°±１０°の範囲で９９％以上とされ、
レーザ光の被照射体への入射角度を１°以上とし被照射
体に斜めにレーザ光を照射するように設けてなることを
特徴とする請求項１又は２のレーザ加工装置。
【請求項４】被照射体が非単結晶半導体薄膜であって、
レーザ光のビームスポットが該非単結晶半導体薄膜に照
射せしめられ、該非単結晶半導体薄膜のビームアニール
による結晶性改良が行われることを特徴とする請求項１
〜３のいずれか１項記載のレーザ加工装置。