TW201350237A - 雷射加工裝置及雷射加工方法 - Google Patents

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Abstract

〔課題〕提供一種能夠降低工件距離的變動對加工品質帶來之影響之雷射加工裝置。〔解決手段〕從雷射光源射出之雷射光束射入到均一化光學系統。均一化光學系統，係使雷射光束射入到加工對象物上在第1方向上較長之長尺寸的區域。在均一化光學系統與加工對象物之間的雷射光束的路徑上，配置有傾斜光學元件。傾斜光學元件，係形成相對於加工對象物的表面向與第1方向正交之方向傾斜之折射率界面。

Description

雷射加工裝置及雷射加工方法
本發明係有關一種使截面為長尺寸之雷射光束射入到加工對象物的同時，使加工對象物移動在與長尺寸方向交叉之方向來進行加工之雷射加工裝置及雷射加工方法。
於專利文獻1中揭示有將雷射光束的光束截面長尺寸化來進行雷射退火之雷射加工裝置。在該雷射加工裝置中，關於在雷射截面的長軸方向及短軸方向這兩方向上，光強度分布被均一化。於專利文獻2中，揭示有在從均一化光學系統的焦點位置散焦之位置配置加工對象物，來進行雷射退火之技術。藉由散焦的方式，能夠得到週期性重複單調遞增和單調遞減之光強度分布。利用以具有該光強度分布之雷射光束將非晶質膜施以結晶化退火的方式，能夠增大晶粒。
〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕
[專利文獻1]日本特開2006-195325號專利公報
[專利文獻2]日本特開2010-263240號專利公報
為了形成高品質的多結晶膜，讓短軸方向上的光強度分布的兩端的傾斜和緩者為佳。一般而言，若藉由均一化光學系統使光強度分布均一化，則光強度分布的兩端的傾斜會變得陡峭。若在從均一化光學系統的焦點位置散焦之位置配置加工對象物，則光強度分布的兩端的傾斜變得和緩。但是，若從均一化光學系統到加工對象物為止的距離(工件距離)產生變動，則導致光強度分布的兩端的傾斜大幅變動。因此，若加工對象物的表面存在起伏等，則導致加工品質在平面上不均。
本發明之目的在於提供一種可以讓工件距離的變動對加工品質帶來之影響減低之雷射加工裝置及雷射加工方法。
根據本發明之一個觀點，提供一種雷射加工裝置，具有：雷射光源；均一化光學系統，係使從前述雷射光源所射出之雷射光束射入到加工對象物中在第1方向上較長之長尺寸形狀的區域；及傾斜光學元件，其配置於前述均一化光學系統與前述加工對象物之間的雷射光束的 路徑上，形成相對於前述加工對象物的表面朝與前述第1方向正交之方向傾斜之折射率界面。
根據本發明之另一觀點，提供一種雷射加工方法，該方法利用如下雷射加工裝置對前述加工對象物進行加工，該雷射加工裝置具有：雷射光源，其射出脈衝雷射光束；均一化光學系統，其使從前述雷射光源射出之雷射光束射入於加工對象物中在第1方向上較長之長尺寸的區域；及傾斜光學元件，其配置於前述均一化光學系統與前述加工對象物之間的雷射光束的光路上，形成相對於前述加工對象物的表面向與前述第1方向正交之方向傾斜之折射率界面；該雷射加工方法具有：第1加工製程，一邊使前述加工對象物向與前述第1方向正交之第2方向移動一邊從前述雷射光源射出脈衝雷射光束來進行加工；在前述第1加工製程之後向前述第1方向挪動前述加工對象物之製程；及第2加工製程，向前述第1方向挪動前述加工對象物之後，一邊使前述加工對象物向前述第1加工製程中前述加工對象物的移動方向相的反方向移動一邊從前述雷射光源射出脈衝雷射光束來進行加工；在前述第1加工製程與前述第2加工製程之間，進一步具有使前述折射率界面的傾斜方向反轉之製程。
藉由配置傾斜光學元件的方式，即使在對焦著的狀態下，亦能夠使在與第1方向正交之方向上之光強 度分布的兩端的傾斜和緩。若在對焦著的狀態下進行雷射加工，則由工件距離的變動引起之加工品質的變動減少。
20‧‧‧雷射光源
21‧‧‧光束擴展器
22‧‧‧均一化光學系統
23‧‧‧載物台
25‧‧‧傾斜光學元件
26‧‧‧楔形基板
30‧‧‧加工對象物
40‧‧‧第1柱面透鏡陣列
41‧‧‧第2柱面透鏡陣列
42‧‧‧聚光透鏡
45‧‧‧鏡筒
46‧‧‧支撐框
47‧‧‧波紋管
48‧‧‧旋轉軸
49‧‧‧旋轉驅動機構
〔圖1〕圖1A及圖1B係分別表示利用實施例1所得之雷射加工裝置的長軸面及短軸面的概略圖。
〔圖2〕圖2係表示對利用實施例1所得之雷射加工裝置的短軸面上的雷射光束的舉動帶來影響之光學元件的配置之圖。
〔圖3〕圖3A及圖3B係表示加工對象物表面中的短軸方向的光強度分布之曲線圖。
〔圖4〕圖4係表示脈衝能量的變動與結晶化後的膜的明度之間的關係之曲線圖。
〔圖5〕圖5A及圖5B係分別表示對焦著的狀態及散焦狀態下的光強度分布之曲線圖。
〔圖6〕圖6係表示加工對象物的z方向的位置與光強度分布的兩端的傾斜之間的關係之曲線圖。
〔圖7〕圖7係利用實施例2所得之雷射加工裝置的聚光透鏡及傾斜光學元件的安裝部分之剖面圖。
〔圖8〕圖8A及圖8B係表示在分別使加工對象物向y軸的正方向及負方向移動之同時進行雷射照射時的傾斜光學元件的姿勢之剖面圖。
〔圖9〕圖9係表示對根據實施例3之雷射加工裝置 的短軸面上的雷射光束的舉動帶來影響之光學元件的配置之圖。
〔圖10〕圖10A~圖10C係表示使用利用實施例3所得之雷射加工裝置時的加工對象物的表面之光強度分布之曲線圖。
〔圖11〕圖11係利用實施例3所得之雷射加工裝置的傾斜光學元件及其支撐框之立體圖。
〔實施例1〕
於圖1A及圖1B，表示利用實施例1所得之雷射加工裝置的概略圖。利用實施例1所得之雷射加工裝置，係在加工對象物的表面形成向一方向較長之長尺寸的光束截面。定義將光束截面的長軸方向設為x方向，將短軸方向設為y方向，將雷射光束的進行方向設為z方向之xyz直角座標系。圖1A係表示zx面(長軸面)內之雷射光束的舉動，圖1B係表示yz面(短軸面)內之雷射光束的舉動。
雷射光源20射出脈衝雷射光束。光束擴展器21為擴大從雷射光源20射出之雷射光束的光束束徑。被擴大光束束徑之雷射光束射入到均一化光學系統22。加工對象物30被保持在載物台23。載物台23能夠使加工對象物30朝x方向及y方向移動。雖然圖1A及圖1B 中，示出有雷射光束的路徑沿著無彎曲之直線之例子，但是亦可依需要配置彎曲鏡來曲折雷射光束的路徑。例如，當以加工對象物30的保持面朝向上方之姿勢固定載物台23時，從雷射光源20向水平方向射出之雷射光束的路徑朝向下方彎曲。
均一化光學系統22在加工對象物30的表面將雷射光束的光束截面設為在x方向上較長之長尺寸。並且，在x方向及y方向上均一化加工對象物30的表面之光強度。
在均一化光學系統22和加工對象物30之間的雷射光束的路徑上，配置有傾斜光學元件25。有關傾斜光學元件25方面，例如，使用使雷射光束透射之平行平板。傾斜光學元件25，係相對於加工對象物30的表面朝短軸方向(y方向)傾斜。因此，形成相對於加工對象物30的表面朝短軸方向(y方向)傾斜之折射率界面。
於圖2，示出有關在yz面內之雷射光束的舉動之光學元件的配置。在雷射光束的路徑上，從光源側依次包括第1柱面透鏡陣列40、第2柱面透鏡陣列41及聚光透鏡42。第1柱面透鏡陣列40及第2柱面透鏡陣列41分別包括複數個凸柱面透鏡。凸柱面透鏡在y方向上持有功率並朝y方向排列。第1柱面透鏡陣列40的凸柱面透鏡和第2柱面透鏡陣列41的凸柱面透鏡，為一對一對應。在圖2中，示出第1柱面透鏡陣列40及第2柱面透鏡陣列41分別包括5個凸柱面透鏡之例子。
第1柱面透鏡陣列40，係把射入到均一化光學系統22之雷射光束，在短軸方向(y方向)上分割成複數個(在圖2中為5條)雷射光束。以第1柱面透鏡陣列40的凸柱面透鏡，在yz面內設為聚焦光線束之雷射光束射入到與第2柱面透鏡陣列41對應之凸柱面透鏡。在圖2中，僅示出被分割之各個雷射光束的中心光線。
透射第2柱面透鏡陣列41之雷射光束射入到聚光透鏡42。聚光透鏡42，係在短軸方向(y方向)上持有功率，在yz面內，將射入之雷射光束集光於加工對象物30的表面。在yz面內，聚光透鏡42的光軸與加工對象物30的表面正交。亦即，被第1柱面透鏡陣列分割之雷射光束中的中央的雷射光束垂直射入於加工對象物30。
第1柱面透鏡陣列40的各個凸柱面透鏡，係分別配置於與第2柱面透鏡陣列41對應之凸柱面透鏡的前側焦點位置。加工對象物30的表面配置在聚光透鏡42的後側焦點位置。因此，第2柱面透鏡陣列41與聚光透鏡42，在加工對象物30的表面成像第1柱面透鏡陣列40的位置的光束截面形狀。亦即，構成以配置有第1柱面透鏡陣列40之位置為目標點並以加工對象物30的表面為像點之成像光學系統。
在聚光透鏡42與加工對象物30之間，配置傾斜光學元件25。傾斜光學元件25，係相對於加工對象物30的表面，朝短軸方向(y方向)傾斜。用θ表示傾 斜光學元件25的傾斜角度。傾斜光學元件25係平行平板，因此不會對成像條件帶來影響。
在圖3A及圖3B，示出加工對象物30的表面之短軸方向(y方向)的光強度分布的模擬結果。橫軸用單位「μm」表示以聚光透鏡42(圖2)的焦點位置為基準之y方向的位置。縱軸用將其最大值設為1之相對值表示光強度。圖3A，係表示傾斜角θ為3°之情況，圖3B，係表示傾斜角θ為5°之情況。
圖3A及圖3B的情況均可得到大致頂部平坦的光強度分布。若將傾斜角θ從3°增大至5°，則光強度分布的兩端的傾斜變和緩°如此，若增大傾斜角θ，則能夠使光強度分布的兩端的傾斜變和緩。
光強度分布的形狀相對於中心左右不對稱。進行形成於加工對象物30的表面之非晶質矽膜的多結晶化退火時，一邊使加工對象物30朝光束截面的短軸方向(y方向)移動一邊進行脈衝雷射光束的照射。以前一次發射的照射區域與新發射的照射區域局部重疊之方式設定加工對象物30的移動速度。
在實施例1中，由於能夠使光強度分布的兩端的傾斜和緩，因此能夠提高加工品質。傾斜光學元件25的傾斜角θ的適當範圍能夠藉由改變傾斜角θ進行複數個評價實驗來決定。
在實施例1中，由於短軸方向的光強度分布左右不對稱，因此認為加工對象物30的移動方向對加工 品質帶來影響。因此，為了降低加工品質的平面不均，將加工對象物30的移動方向固定為y軸的正方向及負方向中的任意一個者為佳。可藉由實際進行評價實驗來決定固定為哪個方向。
於圖4，示出使光強度分布的兩端的傾斜不同來進行結晶化退火時的結晶化膜的明度的測定結果。在該評價實驗中，朝非晶質矽膜照射1發雷射脈衝，並測定結晶化之區域的明度。橫軸係以相對值表示射入到非晶質矽膜之雷射脈衝的脈衝能量，縱軸係以相對值表示照射後的結晶化矽膜的明度。隨著向縱軸下方，透明度變高。圖4中的四角記號及圓圈記號分別表示將光強度分布的兩端的傾斜部分的寬度設為100μm及0μm而進行退火之結果。在此，「傾斜部分的寬度」，係定義為從峰值功率的10%的位置到90%的位置為止的寬度。
若使傾斜光學元件25(圖2)傾斜，則相對於脈衝能的變動，明度的變化變小。因為起因於雷射振盪器本身的脈衝能量變動或由指向穩定性所造成之傳送效率的變動，加工對象物30的表面之脈衝能量發生變動。使傾斜光學元件25傾斜的話，則即使脈衝能量發生變動亦能夠抑制明度的平面不均。
接著，參閱圖5A、圖5B、圖6，對使用利用實施例1所得之雷射加工裝置之效果進行說明。
於圖5A，示出將傾斜光學元件25(圖2)的傾斜角θ設為0°時的短軸方向的光強度分布。於圖5B， 示出散焦時的光強度分布。於圖2，藉由向z方向挪動加工對象物30，能夠得到散焦狀態。設為散焦狀態的話，則光強度分布的兩端的傾斜變和緩。亦即，可得到與插入傾斜光學元件25(圖2)之狀態相同之效果。
於圖6，示出加工對象物30的z方向的位置與短軸方向的光強度分布的兩端的傾斜的關係。橫軸係表示z方向的位置；縱軸係表示光強度分布的兩端的傾斜。圖6中的較細之實線係表示將傾斜光學元件25的傾斜角θ設為0°之情況，較粗之實線係表示使傾斜光學元件25傾斜之情況下的光強度分布的兩端的傾斜。
加工對象物30的位置為z0時，可得到對焦著的狀態。若在對焦著的狀態時使傾斜光學元件25傾斜，則與傾斜角θ為0°時相比，光強度分布的兩端的傾斜變大。將加工對象物30的位置挪動至z1來設為散焦狀態的話，則即使在傾斜角θ為0°時，亦能夠使光強度分布的兩端的傾斜與使傾斜光學元件25傾斜之情況相同地變和緩。
當為對焦著的狀態時，相對於加工對象物30在z方向上的位置的變動，光強度分布的兩端的傾斜的變動量較小。但是，當為散焦狀態時，相對於加工對象物30在z方向上的位置變動，光強度分布的兩端的傾斜的變動較大。因此，若在散焦狀態下進行雷射照射，則容易受到加工對象物30表面的起伏的影響。如實施例1，藉由在對焦狀態下進行雷射照射，能夠使其不易受到加工對 象物30表面的起伏的影響。
〔實施例2〕
於圖7，示出利用實施例2所得之雷射加工裝置的聚光透鏡42及傾斜光學元件25的安裝部分的剖面圖。聚光透鏡42被支撐於鏡筒45內。傾斜光學元件25被支撐在支撐框46。支撐框46經波紋管47連結於鏡筒45。波紋管47係容許支撐框46相對於鏡筒45之姿勢的變動。
支撐框46被與x方向平行之旋轉軸48支撐。旋轉驅動機構49使旋轉軸48在某個角度範圍內旋轉。藉由旋轉軸48旋轉，能夠使傾斜光學元件25相對於加工對象物30之傾斜方向反轉。
傾斜光學元件25，係兼具起到防止來自雷射光束的射入位置之飛散物附著於聚光透鏡42之防護窗的功能。波紋管47防止飛散物從雷射光束的路徑的側方繞進而附著於聚光透鏡42。
於圖8A及圖8B，示出分別使加工對象物30朝y軸的正方向及負方向移動之同時進行雷射照射時的傾斜光學元件25的姿勢。加工對象物30朝y軸的負方向移動時的傾斜光學元件25的傾斜方向，係與加工對象物30朝y軸的正方向移動時的傾斜光學元件25的傾斜方向相反。因此，如圖3A及圖3B所示，即使光強度分布的形狀左右不對稱，亦能夠在使加工對象物30的移動方向反轉時以相同的條件進行退火。
接著，對進行雷射加工時的具體順序進行說明。首先，如圖8A所示，使加工對象物30朝y軸的正方向移動之同時從雷射光源20(圖1A、圖1B)射出脈衝雷射光束來進行加工。之後，向x方向挪動加工對象物30。向x方向挪動加工對象物30之後，如圖8B所示，使加工對象物30朝y軸的負方向移動之同時從雷射光源20射出脈衝雷射光束來進行加工。
在使加工對象物30向y軸的正方向移動之同時進行雷射照射之製程與使加工對象物30向y軸的負方向移動之同時進行雷射照射之製程之間，使旋轉驅動機構49(圖7)工作來使傾斜光學元件25的傾斜方向反轉。
在利用實施例2所得之雷射加工裝置中，即便使加工對象物30的移動方向反轉，亦能夠以與反轉前相同之條件進行雷射加工。能夠在加工對象物30的去路和回路雙方進行雷射加工，因此能夠縮短雷射加工時間。
〔實施例3〕
於圖9，示出從利用實施例3所得之雷射加工裝置的均一化光學系統22遍及載物台23配置之光學元件的剖面圖。以下，對於圖2中示出之與實施例1的差異點進行說明，對於相同的結構省略說明。
在實施例1中，傾斜光學元件25中使用了平行平板，而實施例3中使用了楔形基板。楔形基板的其中一方的表面與加工對象物30的表面平行，且另一方的表 面相對於加工對象物30的表面朝短軸方向(y方向)傾斜。用θ表示該傾斜角。於實施例3中，楔形基板26的1個折射率界面相對於加工對象物30的表面朝短軸方向(y方向)傾斜。另外，亦可使楔形基板的雙方的折射率界面相對於加工對象物30的表面傾斜。
於圖10A~圖10C，示出保持於利用實施例3所得之雷射加工裝置的載物台23之加工對象物30的表面之短軸方向的光強度分布的模擬結果。橫軸係用單位「μm」表示以聚光透鏡42(圖2)的焦點位置為基準之y方向的位置。圖10A、圖10B及圖10C，係分別表示傾斜角θ為1°、3°及5°時的光強度分布。可知隨著傾斜角θ變大，光強度分布的兩端的傾斜變小。因此，與實施例1的情況相同，能夠抑制被多結晶化之膜的亮度的平面不均。並且，在實施例3中亦在對焦狀態下進行雷射照射，因此與實施例1的情況相同，不易受到加工對象物30表面的起伏的影響。
在圖11示出傾斜光學元件25及支撐它之支撐框46的立體圖。支撐框46，係具有以與z軸平行之直線為中心軸之圓環狀形狀。旋轉驅動機構49使支撐框46以其中心軸作為旋轉中心進行旋轉。利用使支撐框46旋轉180°的方式，可以使傾斜光學元件25的折射率界面的傾斜方向反轉。藉此，與實施例2的情況相同，即便使加工對象物30的移動方向反轉，亦能夠以與反轉前相同之條件進行雷射加工。
根據以上實施例對本發明進行了說明，但是本發明不限於此。例如，能夠進行各種變更、改良、組合等，這對本案發明所屬技術領域中具有通常知識者來講是為理所當然。
20‧‧‧雷射光源
21‧‧‧光束擴展器
22‧‧‧均勻化光學系統
23‧‧‧載物台
25‧‧‧傾斜光學元件
30‧‧‧加工對象物

Claims (6)

  1. 一種雷射加工裝置，具有：雷射光源，均一化光學系統，其使從前述雷射光源射出之雷射光束射入到加工對象物上在第1方向上較長之長尺寸的區域，及傾斜光學元件，其配置於前述均一化光學系統與前述加工對象物之間的雷射光束的路徑上，形成相對於前述加工對象物的表面朝與前述第1方向正交之方向傾斜之折射率界面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之雷射加工裝置，其中，前述傾斜光學元件包括相對於前述加工對象物的表面傾斜之平行平板。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之雷射加工裝置，其中，前述傾斜光學元件包括楔形基板。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任1項所述之雷射加工裝置，其中，前述均勻光化學系統包括：第1柱面透鏡陣列，其在與前述第1方向正交之短軸截面內，向短軸方向分割前述雷射光束，第2柱面透鏡陣列，其配置於前述第1柱面透鏡陣列的後方，且具有分別與構成前述第1柱面透鏡陣列之複數個柱面透鏡對應之複數個柱面透鏡；及 聚光透鏡，其配置於前述第2柱面透鏡陣列的後方，且向前述短軸方向持有功率，前述第2柱面透鏡陣列的各柱面透鏡和前述聚光透鏡，係構成以配置有前述第1柱面透鏡陣列之位置為目標點並以前述加工對象物的表面為像點之成像光學系統。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任1項所述之雷射加工裝置，其中，進一步具有：旋轉驅動機構，其使前述傾斜光學元件旋轉，以使前述折射率界面的傾斜方向反轉。
  6. 一種雷射加工方法，該方法利用如下雷射加工裝置對前述加工對象物進行加工，該雷射加工裝置具有：雷射光源，其射出脈衝雷射光束，均一化光學系統，其使從前述雷射光源射出之雷射光束射入於加工對象物中在第1方向上較長之長尺寸的區域，及傾斜光學元件，其配置於前述均一化光學系統與前述加工對象物之間的雷射光束的光路上，形成相對於前述加工對象物的表面向與前述第1方向正交之方向傾斜之折射率界面；該雷射加工方法具有：第1加工製程，一邊使前述加工對象物向與前述第1方向正交之第2方向移動一邊從前述雷射光源射出脈衝雷射光束來進行加工，在前述第1加工製程之後向前述第1方向挪動前述加 工對象物之製程，及第2加工製程，向前述第1方向挪動前述加工對象物之後，一邊使前述加工對象物向前述第1加工製程中前述加工對象物的移動方向的相反方向移動一邊從前述雷射光源射出脈衝雷射光束來進行加工；在前述第1加工製程與前述第2加工製程之間，進一步具有使前述折射率界面的傾斜方向反轉之製程。
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