JP4322359B2 - レーザ加工装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、照射光を所望のビーム形状で対象面に入射させるためのビーム形成装置を用いたレーザ加工装置に関するものであり、特にアニーリング装置、表面改質装置等に応用して好適である。
【０００２】
【従来の技術】
例えばアモルファスＳｉ膜を多結晶化するレーザアニーリング装置は、アモルファスＳｉ膜を形成した基板上にアニーリング光を照射させるためのビーム整形装置として、ホモジナイザと呼ばれる光学系を備える。特に、レーザアニーリング装置が線状のレーザビームを基板上で短軸方向に１軸スキャン照射するスキャンタイプのものである場合、矩形ビームから線条ビームを形成する線条ビームホモジナイザが用られる。
【０００３】
【解決しようとする課題】
しかし、上記のようなレーザアニーリング装置では、単一の光源を使用していたため、レーザ光源の特性に依存した加工光を照射せざるを得なかった。ここで、加工光の特性を多様に設定するためには、複数のレーザ光源を組み合わせることが考えられる。
【０００４】
例えば一対のレーザ光源を組み合わせて合成光を得る場合、ホモジナイザに入射させる前に、偏光ビームスプリッタを用いて一対の光源からの２本のビームを重ね合わせることが考えられる。このような構成をとった場合、例えば一方の光源からの第１ビームのうちｐ偏光成分が偏光ビームスプリッタの合成面を透過してホモジナイザに入射すると考えると、他方の光源からの第２ビームのうちｓ偏光成分が、この合成部で反射されてホモジナイザに入射することになる。つまり、第１ビームのｓ偏光成分と第２ビームのｐ偏光成分とはホモジナイザに入射せず、これらの偏光成分は使用されずロスされることになる。
【０００５】
そこで、本発明は、複数のレーザ光源を組み合わせた場合にも、効率的に加工光を照射することができ、精度の高い加工を可能にするレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のレーザ加工装置は、一対の異なる光源からの一対の照射光を空間的に継ぎ合わせて合成する合成光学系と、当該合成光学系からの合成光を一旦複数のビームに分割するとともに、当該複数のビームを略同一サイズの矩形ビームとしてそれぞれマスクに重畳して照射するホモジナイザとを含むビーム形成装置と、ワークを載置するステージと、マスクの像をステージ上のワークに投影する投影光学系と、マスクとワークとを相対的に移動させる走査手段と、ビーム形成装置の合成光学系の前に配置されるとともに、一対の異なる光源からの一対の照射光のうち一方の照射光のビーム形成装置に入射するビームサイズに、一対の照射光のうち他方の照射光のビーム形成装置に入射するビームサイズを一致させるテレスコープ光学系とを備える。
【０００７】
この装置では、ビーム形成装置が一対の異なる光源からの一対の照射光をそれぞれ略同一サイズのビームとしてマスクに重畳して照射するので、加工光の特性を多様に設定することができ、加工光の生成に際してのロスも少ない。
また、上記装置の好ましい態様では、ビーム形成装置の合成光学系の前に配置されるとともに、一対の異なる光源からの一方の照射光がビーム形成装置に入射する際のＮＡを変化させることによって、一方の照射光のフォーカス位置及びビームサイズを調整するダイバージェンス光学系をさらに備える。
また、上記装置の好ましい態様では、ダイバージェンス光学系は、凸レンズと凹レンズを組み合わせた略等倍のアフォーカル光学系であり、凸レンズ及び凹レンズの間隔を変化させることによって射出光のＮＡを僅かに変化させる。
【０００８】
また、上記装置の好ましい態様では、マスクが、所定方向に延びるスリットを有し、走査手段が、マスクを投影光学系に対して例えば所定方向と直交する方向に移動させる。
【０００９】
この場合、マスクによって簡易に線条ビームを形成することができ、スリットの移動によってこの線条ビームをワーク上で走査することができる。
【００１０】
また、上記装置の好ましい態様では、ビーム形成装置が、マスクが配置される所定面上の矩形の領域に一対の照射光をそれぞれ入射させる。
【００１１】
この場合、矩形のマスクを均一かつ効率的に照明することができ、かかるマスクに形成されたパターンをワーク上に均一に投影することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
【００１３】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザ加工装置であるレーザアニール装置の構造を説明する図である。
このレーザアニール装置は、アモルファス状Ｓｉ等の半導体薄膜を表面上に形成したガラス板であるワークＷを載置して３次元的に滑らかに移動可能なステージ１０と、一対の特性の異なるレーザビームＬＢ1、ＬＢ2をそれぞれ発生する一対のレーザ光源２１、２２と、これらのレーザビームＬＢ1、ＬＢ2を合成する合成光学系３０と、合成光学系３０によって合成された合成光ＣＬを線条ビームＡＢにして所定の照度でワークＷ上に入射させる照射光学系４０と、照射光学系４０中に設けたマスクを移動させてワーク上に投射した線条ビームＡＢをワークＷ上で走査させる走査手段であるマスク駆動装置５０と、ワークＷを載置したステージ１０を照射光学系４０等に対して必要量だけ適宜移動させるステージ駆動装置６０と、レーザアニール装置全体の各部の動作を統括的に制御する主制御装置１００とを備える。
【００１４】
一対のレーザ光源２１、２２は、ともにワークＷ上の半導体薄膜を加熱するためのエキシマレーザその他のパルス光源であり、発光時間やピーク強度、或いは波長等の特性が互いに異なる一対のレーザビームＬＢ1、ＬＢ2をそれぞれ個別に発生する。
【００１５】
合成光学系３０は、両レーザ光源２１、２２からの一対のレーザビームＬＢ1、ＬＢ2を空間的に継ぎ合わせて合成光ＣＬを形成するためのもので、一対の平行に配置されたナイフエッジミラー３１、３２からなる。なお、合成光学系３０と両レーザ光源２１、２２との間には、それぞれダイバージェンス光学系７１とテレスコープ光学系７２とを調整装置として設けている。ダイバージェンス光学系７１は、レーザ光源２１からの第１ビームＬＢ1について、照射光学系４０に設けたホモジナイザ４１による光軸方向結像位置（ビーム形成位置）を微調整する調整光学系としての役割を有する。テレスコープ光学系７２は、レーザ光源２２からの第２ビームＬＢ2について、そのビームサイズを調節して合成光学系３０に入射する第１ビームＬＢ1のビームサイズと一致させるアフォーカル光学系としての役割を有する。
【００１６】
図２は、合成光学系３０によって形成される合成光ＣＬを説明する図である。合成光学系３０は、レーザ光源２１からの第１ビームＬＢ1を、照射光学系４０の入射瞳Ｐのうち光軸ＯＡを含む中央側瞳領域ＣＡに入射させる。また、合成光学系３０は、レーザ光源２２からの第２ビームＬＢ2を、２つに分割し、照射光学系４０の入射瞳Ｐのうち中央側瞳領域ＣＡの両端に設けた一対の外側瞳領域ＳＡ1、ＳＡ2にそれぞれ入射させる。
【００１７】
図１に戻って、照射光学系４０は、合成光学系３０からの合成光ＣＬを一旦複数に分割するとともにこれらの分割光を矩形のビームにして所定面上に重畳して均一に入射させるホモジナイザ４１と、スリット状の透過パターンを有するとともに、所定面上に配置されて合成光ＣＬを遮るマスク４２と、マスク４２に形成された透過パターンを線条ビームＡＢとしてワークＷ上に縮小投影する投影レンズ４３とを備える。
【００１８】
図３は、マスク４２に形成された透過パターンを説明する図である。図からも明らかなように、マスク４２には、透過パターンとして例えばＸ方向に延びる複数のスリット４２ａが形成されている。マスク４２が図１のマスク駆動装置５０に駆動されてＹ方向に滑らかに移動すると、ワークＷ上に投影されてＸ方向に延びる線条ビーム（スリット像）ＡＢは、その長手方向に直交するＹ方向に走査される。なお、かかる走査に際してマスク４２をＹ方向に移動させる量は、これらスリット４２ａ設ける周期距離とする。
【００１９】
図１に戻って、ステージ駆動装置６０は、ステージ１０を駆動してワークＷ上の所定領域を照射光学系４０に対して位置合わせするアライメントを行う。また、ステージ駆動装置６０は、マスク駆動装置５０によって線条ビームＡＢがワークＷ上の所定領域で走査されて所定領域のレーザアニールが終了した段階で、ワークＷを上記の所定領域に隣接する領域にステップ移動させるアライメントを行う。なお、ステージ駆動装置６０によるステージ１０の駆動量は、位置検出装置８０によって常時監視されている。
【００２０】
以下、図１の装置の動作について説明する。まず、レーザアニール装置のステージ１０上にワークＷを搬送して載置する。次に、照射光学系４０に対してステージ１０上のワークＷをアライメントする。次に、照射光学系４０のマスク４２を移動させながら、一対のレーザ光源２１、２２から得た合成光ＣＬを線条ビームＡＢにしてワークＷ上の所定領域に入射させる。ワークＷ上には、非晶質半導体のアモルファスＳｉ等の薄膜が形成されており、線条ビームＡＢの照射及び走査によって半導体の所定領域がアニール、再結晶化され、電気的特性の優れた半導体薄膜を提供することができる。以上のようなレーザアニールは、ワークＷに設けた複数の所定領域で繰返され、ワークＷに設けた複数の所定領域で半導体薄膜がアニールされる。
【００２１】
この際、上記装置では、合成光学系３０が一対のレーザ光源２１、２２からの一対のレーザビームＬＢ1、ＬＢ2を空間的に継ぎ合わせて合成光ＣＬを形成するので、一対のレーザビームＬＢ1、ＬＢ2をロスを最小限に抑えて合成することができ、合成後は、ホモジナイザ４１によって一対のレーザビームＬＢ1、ＬＢ2について均一な矩形ビームをそれぞれ所定面であるマスク４２上に形成することができる。さらに、ワークＷ上に入射する線条ビームＡＢは、レーザビームＬＢ1、ＬＢ2を効率的に合成したものであり、多様なレーザアニールが可能になる。
【００２２】
図４は、合成光学系３０及びその周辺の構造を説明する図である。既に説明したように、合成光学系３０は、一対のナイフエッジミラー３１、３２からなり、第１ビームＬＢ1を一対のナイフエッジ３１ａ、３２ａ間に通過させるとともに第２ビームＬＢ2を一対のナイフエッジ３１ａ、３２ａによって分割する。第１ビームＬＢ1についてホモジナイザ４１による結像位置を微調整するダイバージェンス光学系７１は、凸レンズ７１ａと凹レンズ７１ｂとを組み合わせたアフォーカル系となっている。第２ビームＬＢ2のビームサイズを第１ビームＬＢ1のビームサイズと一致させるテレスコープ光学系７２も、凹レンズ７２ａと凸レンズ７２ｂとを組み合わせたアフォーカル系となっている。テレスコープ光学系７２と合成光学系３０との間には、ターンミラー３３を設けて第２ビームＬＢ2を案内している。一方、両レーザビームＬＢ1、ＬＢ2を合成した合成光ＣＬが入射するホモジナイザ４１は、第１〜第４シリンドリカルレンズアレイＣＡ1〜ＣＡ4と、凸レンズのコンデンサレンズ４１ａとからなる。ここで、第１及び第３シリンドリカルレンズアレイＣＡ1、ＣＡ3は、紙面に平行な断面に曲率を有し、第２及び第４シリンドリカルレンズアレイＣＡ2、ＣＡ4は、紙面に垂直で光軸を含む断面に曲率を有する。
【００２３】
以下、動作の概要について説明する。第１ビームＬＢ1は、ナイフエッジ３１ａ、３２ａ間、すなわちホモジナイザ４１の光軸ＯＡを含む中央側瞳領域を通り、第２ビームＬＢ2は、ナイフエッジミラー３１、３２によって２つに分割されて第１ビームＬＢ1の両端、すなわちホモジナイザ４１の一対の外側瞳領域を通って、それぞれホモジナイザ４１に入射する。ホモジナイザ４１は、合成光ＣＬが入射できるようにビーム２つ分の入射瞳のサイズにしてあり、コンデンサレンズ４１ａ等のレンズ系はその入射瞳に合わせて収差補正がされている。
【００２４】
ホモジナイザ４１に入射した合成光ＣＬは、第１〜第４シリンドリカルレンズアレイＣＡ1〜ＣＡ4によって、シリンドリカルレンズを構成するセグメント数に分割された２次光源を形成する。分割された２次光源からの光ビームは、コンデンサレンズ４１ａに入射し、コンデンサレンズ４１ａのバックフォーカス位置に配置された被照射面ＩＳで重ね合わされて均一な矩形ビームを形成する。
【００２５】
ここで、ダイバージェンス光学系７１やテレスコープ光学系７２は、第１ビームＬＢ1と第２ビームＬＢ2のビーム特性やその相違等に起因して、ホモジナイザ４１によって形成される矩形ビームについてフォーカス位置の違いやビームサイズの違い、さらにユニフォーミティの違いが生じてしまうことを防止している。
【００２６】
前者のダイバージェンス光学系７１は、ホモジナイザ４１に入射する第１ビームＬＢ1のＮＡを僅かに変えてホモジナイザ４１によるベストフォーカス位置及びビームサイズを調整する。後者のテレスコープ光学系７２は、ホモジナイザ４１に入射する第１ビームＬＢ1のビームサイズに第２ビームＬＢ2のビームサイズを一致させる。これにより、両レーザビームＬＢ1、ＬＢ2について、シリンドリカルレンズアレイＣＡ1〜ＣＡ4による分割数を一致させて同様のユニフォーミティを得ることができる。
【００２７】
以下、動作の詳細について説明する。第１ビームＬＢ1は、図示してないビームデリバリー（ターンミラー等）を経て第１ビーム用のダイバージェンス光学系７１に入射する。このダイバージェンス光学系７１は、ほぼ等倍のアフォーカル系であり、２つのレンズ７１ａ、７１ｂのレンズ間距離を変えることにより、このダイバージェンス光学系７１から出射する第１ビームＬＢ1のビームサイズをほとんど変えることなく、この第１ビームＬＢ1のＮＡを僅かに変えることができる。具体的な実施例では、ダイバージェンス光学系７１による出射ＮＡ（第１ビームＬＢ1の広がり角）の可変調節範囲を数ｍｒａｄ程度とした。なお、２枚のレンズ７１ａ、７１ｂは凸凹の２群系であり、各々のパワーも小さいため、両レンズ７１ａ、７１ｂの間隔を変えても収差の変化はほとんど生じない。
【００２８】
ダイバージェンス光学系７１を出射した第１ビームＬＢ1は、２枚のナイフエッジミラー３１、３２の間、すなわちホモジナイザ４１の光軸中心側を通過するのみである。ナイフエッジミラー３１、３２間を通過した第１ビームＬＢ1は、その後ホモジナイザ４１のシリンドリカルレンズアレイＣＡ1の中央部（第１ビームＬＢ1に割り当てられたシリンドリカルレンズ）に入射し、シリンドリカルレンズの個数（図４では６本）に分割される。分割された各ビームは、コンデンサレンズ４１ａにより重ね合わされて被照射面ＩＳで均一ビームを形成する。
【００２９】
一方、第２ビームＬＢ2は、図示していないビームデリバリーを経て第２ビーム用のテレスコープ光学系７２に入射する。このテレスコープ光学系７２に入射した第２ビームＬＢ2は、本光学系で拡大または縮小されて第１ビームＬＢ1と同一のビームサイズとなってここから出射して合成光学系３０に向かう。合成光学系３０では、ナイフエッジミラー３１、３２によって第２ビームＬＢ2が２つのビーム部分ＬＢ2a、ＬＢ2bに分割され、それぞれ第１ビームＬＢ1の両端を通過してホモジナイザ４１へと向かう。両ビーム部分ＬＢ2a、ＬＢ2bは、ホモジナイザ４１の光軸中心の外側、すなわちホモジナイザ４１のシリンドリカルレンズアレイＣＡ1の両端部（第２ビームＬＢ2に割り当てられたシリンドリカルレンズ）に入射し、シリンドリカルレンズの個数（図４では上下３本ずつの計６本）に分割される。分割された各ビームは、コンデンサレンズ４１ａにより重ね合わせられて被照射面ＩＳで均一ビームを形成する。
【００３０】
以上の説明では、第１ビームＬＢ1及び第２ビームＬＢ2共に「被照射面ＩＳで均一ビームを形成する」と記したが、実は両者のベストフォーカス位置は、主に光源から出射するビームの拡がり角等の特性の違いにより異なることがある。また、このようにベストフォーカスが異なっている場合、ビームサイズも異なっていることが多い。したがって、第１ビームＬＢ1及び第２ビームＬＢ2の特性の差を補償する必要がある。このため、第２ビームＬＢ2のベストフォーカス位置を真の被照射面ＩＳ（基準面）として、この基準面に第１ビームＬＢ1のベストフォーカス位置を一致させる。具体的には、ダイバージェンス光学系７１により第１ビームＬＢ1の出射ＮＡ、すなわちホモジナイザ４１から見た場合の入射ＮＡを変える。ホモジナイザ４１から見た入射ＮＡを変更すると、それに応じてホモジナイザ４１通過後のベストフォーカス位置が変わる。これにより、第１ビームＬＢ1のベストフォーカス位置を微調し、第２ビームＬＢ2のそれに一致させることができる。なお、ホモジナイザ４１のレンズ構成によって出射ＮＡとベストフォーカス位置のずれとの対応は異なるのでかかる調整の詳細な説明は省略する。
【００３１】
〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態のレーザ加工装置について説明する。第２実施形態の装置は、第１実施形態の装置の一部として組み込まれたビーム形成装置を変形したものであり、同一部分には同一の符号を付して重複説明を省略する。
図５は、ビーム形成装置の要部を説明する図である。このビーム形成装置は、第１実施形態の図４に対応するものであるが、同図において第１ビームＬＢ1の光路中に配置されているダイバージェンス光学系７１を除いた構成となっている。
【００３２】
この場合、テレスコープ光学系７２を構成する一対のレンズ７２ａ、７２ｂのレンズ間隔を変えることにより、ホモジナイザ４１に入射する第２ビームＬＢ2のＮＡを微妙に変えることができる。この実施形態では、テレスコープ光学系７２が、図４の第１ビーム用のダイバージェンス光学系７１の役割、すなわち第１ビームＬＢ1と第２ビームＬＢ2とのフォーカス位置の調整も行う。
【００３３】
〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態のレーザ加工装置について説明する。第３実施形態の装置は、第１実施形態の装置の一部を変形したものである。
図６は、第３実施形態のレーザ加工装置を構成するビーム形成装置の要部を説明する図である。このビーム形成装置は、第１実施形態の図４に対応するものであるが、同図において第２ビームＬＢ2中に配置されているテレスコープ光学系７２を除いた構成となっている。
【００３４】
使用する２つのレーザビームＬＢ1、ＬＢ2のビームサイズがほとんど同じ場合、ビームサイズを一致させるための図４に示すようなテレスコープ光学系７２を配置する必要がなくなる。また、使用する２つのレーザビームＬＢ1、ＬＢ2のビームサイズが異なっていてもよい用途の場合も、図４に示すようなテレスコープ光学系７２は不要となる。
【００３５】
〔第４実施形態〕
以下、第４実施形態のレーザ加工装置について説明する。第４実施形態の装置は、第１実施形態の装置の一部を変形したものである。
図７は、第４実施形態のビーム形成装置を構成するビーム形成装置の要部を説明する図である。このビーム形成装置では、分割光学系１３０として、一対のナイフエッジミラーの代わりにナイフエッジプリズム１３５を用いる。ホモジナイザ４１通過後のビームの均一性に関して対称性等が間題にならない場合、本実施形態のようにナイフエッジプリズム１３５のナイフエッジ部１３５ａを利用して、ホモジナイザ４１の光軸ＯＡから上側に第１ビームＬＢ1を入射させ、ホモジナイザ４１の光軸ＯＡから下側に第２ビームＬＢ2を入射させる。つまり、両レーザビームＬＢ1、ＬＢ2を単に並べて配置しただけのものとすることができる。なお、第１ビームＬＢ1と第２ビームＬＢ2とを対向する方向からナイフエッジプリズム１３５に入射させるためのビームデリバリーについては図示を省略している。
【００３６】
〔第５実施形態〕
以下、第５実施形態のレーザ加工装置について説明する。第５実施形態の装置は、第１実施形態の装置の一部を変形したものである。
図８は、第５実施形態のレーザ加工装置を構成するビーム形成装置の要部を説明する図である。このビーム形成装置では、分割光学系２３０として、一対のナイフエッジミラー１３１、１３２のナイフエッジ部１３１ａ、１３２ａ同士を突き合わせるようにしたものを用いる。
【００３７】
以上、実施形態に即してこの発明を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では、ダイバージェンス光学系７１やテレスコープ光学系７２が球面系であるように説明したが、Ｘ軸若しくはＹ軸に直交する断面の一方に作用するシリンドリカルレンズ系とすることができる。シリンドリカルレンズ系とした場合は、より重要な断面に注目して、その断面でのフォーカス調整を行うことになる。通常のエキシマレーザの場合、電極方向とそれに直行する方向とでは拡がり角等のビーム特性が異なり、一方の断面に注目してシリンドリカル系を配置することが多い。さらに、両断面のベストフォーカスを個別に一致させるために、シリンドリカルレンズ系で構成したダイバージェンス光学系やテレスコープ光学系を直交する断面ごとに個別に配置しても良い。
【００３８】
また、上記実施形態の照射光学系４０は、ホモジナイザ４１によってマスク４２を照明し、マスク４２の像を投影レンズ４３に照射することとしたが、ホモジナイザ４１の被照射面ＩＳに直接ワークＷを配置することもできる。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のレーザ加工装置によれば、ビーム形成装置が一対の異なる光源からの一対の照射光をそれぞれ略同一サイズのビームとしてマスクに重畳して照射するので、加工光の特性を多様に設定することができ、加工光の生成に際してのロスも少ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のレーザアニール装置の構造を示す図である。
【図２】図１の合成光学系によって形成される合成光を説明する図である。
【図３】照射光学系を構成するマスクの透過パターンを説明する図である。
【図４】合成光学系３０及びその周辺の詳細な構造を説明する図である。
【図５】第２実施形態のビーム形成装置の要部を説明する図である。
【図６】第３実施形態のビーム形成装置の要部を説明する図である。
【図７】第４実施形態のビーム形成装置の要部を説明する図である。
【図８】第５実施形態のビーム形成装置の要部を説明する図である。
【符号の説明】
１０ ステージ
２１,２２ レーザ光源
３０ 合成光学系
３１,３２ ナイフエッジミラー
４０ 照射光学系
４１ ホモジナイザ
４２ マスク
４３ 投影レンズ
５０ マスク駆動装置
６０ ステージ駆動装置
７１ ダイバージェンス光学系
７１ａ,７１ｂ レンズ
７２ テレスコープ光学系
７２ａ,７２ｂ レンズ
８０ 位置検出装置
１００ 主制御装置
ＡＢ 線条ビーム
ＣＬ 合成光
ＬＢ1 第１ビーム
ＬＢ2 第２ビーム
Ｗ ワーク
【発明の属する技術の分野】
本発明は、照射光を所望のビーム形状で対象面に入射させるためのビーム形成装置を用いたレーザ加工装置に関するものであり、特にアニーリング装置、表面改質装置等に応用して好適である。
【０００２】
【従来の技術】
例えばアモルファスＳｉ膜を多結晶化するレーザアニーリング装置は、アモルファスＳｉ膜を形成した基板上にアニーリング光を照射させるためのビーム整形装置として、ホモジナイザと呼ばれる光学系を備える。特に、レーザアニーリング装置が線状のレーザビームを基板上で短軸方向に１軸スキャン照射するスキャンタイプのものである場合、矩形ビームから線条ビームを形成する線条ビームホモジナイザが用られる。
【０００３】
【解決しようとする課題】
しかし、上記のようなレーザアニーリング装置では、単一の光源を使用していたため、レーザ光源の特性に依存した加工光を照射せざるを得なかった。ここで、加工光の特性を多様に設定するためには、複数のレーザ光源を組み合わせることが考えられる。
【０００４】
例えば一対のレーザ光源を組み合わせて合成光を得る場合、ホモジナイザに入射させる前に、偏光ビームスプリッタを用いて一対の光源からの２本のビームを重ね合わせることが考えられる。このような構成をとった場合、例えば一方の光源からの第１ビームのうちｐ偏光成分が偏光ビームスプリッタの合成面を透過してホモジナイザに入射すると考えると、他方の光源からの第２ビームのうちｓ偏光成分が、この合成部で反射されてホモジナイザに入射することになる。つまり、第１ビームのｓ偏光成分と第２ビームのｐ偏光成分とはホモジナイザに入射せず、これらの偏光成分は使用されずロスされることになる。
【０００５】
そこで、本発明は、複数のレーザ光源を組み合わせた場合にも、効率的に加工光を照射することができ、精度の高い加工を可能にするレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のレーザ加工装置は、一対の異なる光源からの一対の照射光を空間的に継ぎ合わせて合成する合成光学系と、当該合成光学系からの合成光を一旦複数のビームに分割するとともに、当該複数のビームを略同一サイズの矩形ビームとしてそれぞれマスクに重畳して照射するホモジナイザとを含むビーム形成装置と、ワークを載置するステージと、マスクの像をステージ上のワークに投影する投影光学系と、マスクとワークとを相対的に移動させる走査手段と、ビーム形成装置の合成光学系の前に配置されるとともに、一対の異なる光源からの一対の照射光のうち一方の照射光のビーム形成装置に入射するビームサイズに、一対の照射光のうち他方の照射光のビーム形成装置に入射するビームサイズを一致させるテレスコープ光学系とを備える。
【０００７】
この装置では、ビーム形成装置が一対の異なる光源からの一対の照射光をそれぞれ略同一サイズのビームとしてマスクに重畳して照射するので、加工光の特性を多様に設定することができ、加工光の生成に際してのロスも少ない。
また、上記装置の好ましい態様では、ビーム形成装置の合成光学系の前に配置されるとともに、一対の異なる光源からの一方の照射光がビーム形成装置に入射する際のＮＡを変化させることによって、一方の照射光のフォーカス位置及びビームサイズを調整するダイバージェンス光学系をさらに備える。
また、上記装置の好ましい態様では、ダイバージェンス光学系は、凸レンズと凹レンズを組み合わせた略等倍のアフォーカル光学系であり、凸レンズ及び凹レンズの間隔を変化させることによって射出光のＮＡを僅かに変化させる。
【０００８】
また、上記装置の好ましい態様では、マスクが、所定方向に延びるスリットを有し、走査手段が、マスクを投影光学系に対して例えば所定方向と直交する方向に移動させる。
【０００９】
この場合、マスクによって簡易に線条ビームを形成することができ、スリットの移動によってこの線条ビームをワーク上で走査することができる。
【００１０】
また、上記装置の好ましい態様では、ビーム形成装置が、マスクが配置される所定面上の矩形の領域に一対の照射光をそれぞれ入射させる。
【００１１】
この場合、矩形のマスクを均一かつ効率的に照明することができ、かかるマスクに形成されたパターンをワーク上に均一に投影することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
【００１３】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザ加工装置であるレーザアニール装置の構造を説明する図である。
このレーザアニール装置は、アモルファス状Ｓｉ等の半導体薄膜を表面上に形成したガラス板であるワークＷを載置して３次元的に滑らかに移動可能なステージ１０と、一対の特性の異なるレーザビームＬＢ1、ＬＢ2をそれぞれ発生する一対のレーザ光源２１、２２と、これらのレーザビームＬＢ1、ＬＢ2を合成する合成光学系３０と、合成光学系３０によって合成された合成光ＣＬを線条ビームＡＢにして所定の照度でワークＷ上に入射させる照射光学系４０と、照射光学系４０中に設けたマスクを移動させてワーク上に投射した線条ビームＡＢをワークＷ上で走査させる走査手段であるマスク駆動装置５０と、ワークＷを載置したステージ１０を照射光学系４０等に対して必要量だけ適宜移動させるステージ駆動装置６０と、レーザアニール装置全体の各部の動作を統括的に制御する主制御装置１００とを備える。
【００１４】
一対のレーザ光源２１、２２は、ともにワークＷ上の半導体薄膜を加熱するためのエキシマレーザその他のパルス光源であり、発光時間やピーク強度、或いは波長等の特性が互いに異なる一対のレーザビームＬＢ1、ＬＢ2をそれぞれ個別に発生する。
【００１５】
合成光学系３０は、両レーザ光源２１、２２からの一対のレーザビームＬＢ1、ＬＢ2を空間的に継ぎ合わせて合成光ＣＬを形成するためのもので、一対の平行に配置されたナイフエッジミラー３１、３２からなる。なお、合成光学系３０と両レーザ光源２１、２２との間には、それぞれダイバージェンス光学系７１とテレスコープ光学系７２とを調整装置として設けている。ダイバージェンス光学系７１は、レーザ光源２１からの第１ビームＬＢ1について、照射光学系４０に設けたホモジナイザ４１による光軸方向結像位置（ビーム形成位置）を微調整する調整光学系としての役割を有する。テレスコープ光学系７２は、レーザ光源２２からの第２ビームＬＢ2について、そのビームサイズを調節して合成光学系３０に入射する第１ビームＬＢ1のビームサイズと一致させるアフォーカル光学系としての役割を有する。
【００１６】
図２は、合成光学系３０によって形成される合成光ＣＬを説明する図である。合成光学系３０は、レーザ光源２１からの第１ビームＬＢ1を、照射光学系４０の入射瞳Ｐのうち光軸ＯＡを含む中央側瞳領域ＣＡに入射させる。また、合成光学系３０は、レーザ光源２２からの第２ビームＬＢ2を、２つに分割し、照射光学系４０の入射瞳Ｐのうち中央側瞳領域ＣＡの両端に設けた一対の外側瞳領域ＳＡ1、ＳＡ2にそれぞれ入射させる。
【００１７】
図１に戻って、照射光学系４０は、合成光学系３０からの合成光ＣＬを一旦複数に分割するとともにこれらの分割光を矩形のビームにして所定面上に重畳して均一に入射させるホモジナイザ４１と、スリット状の透過パターンを有するとともに、所定面上に配置されて合成光ＣＬを遮るマスク４２と、マスク４２に形成された透過パターンを線条ビームＡＢとしてワークＷ上に縮小投影する投影レンズ４３とを備える。
【００１８】
図３は、マスク４２に形成された透過パターンを説明する図である。図からも明らかなように、マスク４２には、透過パターンとして例えばＸ方向に延びる複数のスリット４２ａが形成されている。マスク４２が図１のマスク駆動装置５０に駆動されてＹ方向に滑らかに移動すると、ワークＷ上に投影されてＸ方向に延びる線条ビーム（スリット像）ＡＢは、その長手方向に直交するＹ方向に走査される。なお、かかる走査に際してマスク４２をＹ方向に移動させる量は、これらスリット４２ａ設ける周期距離とする。
【００１９】
図１に戻って、ステージ駆動装置６０は、ステージ１０を駆動してワークＷ上の所定領域を照射光学系４０に対して位置合わせするアライメントを行う。また、ステージ駆動装置６０は、マスク駆動装置５０によって線条ビームＡＢがワークＷ上の所定領域で走査されて所定領域のレーザアニールが終了した段階で、ワークＷを上記の所定領域に隣接する領域にステップ移動させるアライメントを行う。なお、ステージ駆動装置６０によるステージ１０の駆動量は、位置検出装置８０によって常時監視されている。
【００２０】
以下、図１の装置の動作について説明する。まず、レーザアニール装置のステージ１０上にワークＷを搬送して載置する。次に、照射光学系４０に対してステージ１０上のワークＷをアライメントする。次に、照射光学系４０のマスク４２を移動させながら、一対のレーザ光源２１、２２から得た合成光ＣＬを線条ビームＡＢにしてワークＷ上の所定領域に入射させる。ワークＷ上には、非晶質半導体のアモルファスＳｉ等の薄膜が形成されており、線条ビームＡＢの照射及び走査によって半導体の所定領域がアニール、再結晶化され、電気的特性の優れた半導体薄膜を提供することができる。以上のようなレーザアニールは、ワークＷに設けた複数の所定領域で繰返され、ワークＷに設けた複数の所定領域で半導体薄膜がアニールされる。
【００２１】
この際、上記装置では、合成光学系３０が一対のレーザ光源２１、２２からの一対のレーザビームＬＢ1、ＬＢ2を空間的に継ぎ合わせて合成光ＣＬを形成するので、一対のレーザビームＬＢ1、ＬＢ2をロスを最小限に抑えて合成することができ、合成後は、ホモジナイザ４１によって一対のレーザビームＬＢ1、ＬＢ2について均一な矩形ビームをそれぞれ所定面であるマスク４２上に形成することができる。さらに、ワークＷ上に入射する線条ビームＡＢは、レーザビームＬＢ1、ＬＢ2を効率的に合成したものであり、多様なレーザアニールが可能になる。
【００２２】
図４は、合成光学系３０及びその周辺の構造を説明する図である。既に説明したように、合成光学系３０は、一対のナイフエッジミラー３１、３２からなり、第１ビームＬＢ1を一対のナイフエッジ３１ａ、３２ａ間に通過させるとともに第２ビームＬＢ2を一対のナイフエッジ３１ａ、３２ａによって分割する。第１ビームＬＢ1についてホモジナイザ４１による結像位置を微調整するダイバージェンス光学系７１は、凸レンズ７１ａと凹レンズ７１ｂとを組み合わせたアフォーカル系となっている。第２ビームＬＢ2のビームサイズを第１ビームＬＢ1のビームサイズと一致させるテレスコープ光学系７２も、凹レンズ７２ａと凸レンズ７２ｂとを組み合わせたアフォーカル系となっている。テレスコープ光学系７２と合成光学系３０との間には、ターンミラー３３を設けて第２ビームＬＢ2を案内している。一方、両レーザビームＬＢ1、ＬＢ2を合成した合成光ＣＬが入射するホモジナイザ４１は、第１〜第４シリンドリカルレンズアレイＣＡ1〜ＣＡ4と、凸レンズのコンデンサレンズ４１ａとからなる。ここで、第１及び第３シリンドリカルレンズアレイＣＡ1、ＣＡ3は、紙面に平行な断面に曲率を有し、第２及び第４シリンドリカルレンズアレイＣＡ2、ＣＡ4は、紙面に垂直で光軸を含む断面に曲率を有する。
【００２３】
以下、動作の概要について説明する。第１ビームＬＢ1は、ナイフエッジ３１ａ、３２ａ間、すなわちホモジナイザ４１の光軸ＯＡを含む中央側瞳領域を通り、第２ビームＬＢ2は、ナイフエッジミラー３１、３２によって２つに分割されて第１ビームＬＢ1の両端、すなわちホモジナイザ４１の一対の外側瞳領域を通って、それぞれホモジナイザ４１に入射する。ホモジナイザ４１は、合成光ＣＬが入射できるようにビーム２つ分の入射瞳のサイズにしてあり、コンデンサレンズ４１ａ等のレンズ系はその入射瞳に合わせて収差補正がされている。
【００２４】
ホモジナイザ４１に入射した合成光ＣＬは、第１〜第４シリンドリカルレンズアレイＣＡ1〜ＣＡ4によって、シリンドリカルレンズを構成するセグメント数に分割された２次光源を形成する。分割された２次光源からの光ビームは、コンデンサレンズ４１ａに入射し、コンデンサレンズ４１ａのバックフォーカス位置に配置された被照射面ＩＳで重ね合わされて均一な矩形ビームを形成する。
【００２５】
ここで、ダイバージェンス光学系７１やテレスコープ光学系７２は、第１ビームＬＢ1と第２ビームＬＢ2のビーム特性やその相違等に起因して、ホモジナイザ４１によって形成される矩形ビームについてフォーカス位置の違いやビームサイズの違い、さらにユニフォーミティの違いが生じてしまうことを防止している。
【００２６】
前者のダイバージェンス光学系７１は、ホモジナイザ４１に入射する第１ビームＬＢ1のＮＡを僅かに変えてホモジナイザ４１によるベストフォーカス位置及びビームサイズを調整する。後者のテレスコープ光学系７２は、ホモジナイザ４１に入射する第１ビームＬＢ1のビームサイズに第２ビームＬＢ2のビームサイズを一致させる。これにより、両レーザビームＬＢ1、ＬＢ2について、シリンドリカルレンズアレイＣＡ1〜ＣＡ4による分割数を一致させて同様のユニフォーミティを得ることができる。
【００２７】
以下、動作の詳細について説明する。第１ビームＬＢ1は、図示してないビームデリバリー（ターンミラー等）を経て第１ビーム用のダイバージェンス光学系７１に入射する。このダイバージェンス光学系７１は、ほぼ等倍のアフォーカル系であり、２つのレンズ７１ａ、７１ｂのレンズ間距離を変えることにより、このダイバージェンス光学系７１から出射する第１ビームＬＢ1のビームサイズをほとんど変えることなく、この第１ビームＬＢ1のＮＡを僅かに変えることができる。具体的な実施例では、ダイバージェンス光学系７１による出射ＮＡ（第１ビームＬＢ1の広がり角）の可変調節範囲を数ｍｒａｄ程度とした。なお、２枚のレンズ７１ａ、７１ｂは凸凹の２群系であり、各々のパワーも小さいため、両レンズ７１ａ、７１ｂの間隔を変えても収差の変化はほとんど生じない。
【００２８】
ダイバージェンス光学系７１を出射した第１ビームＬＢ1は、２枚のナイフエッジミラー３１、３２の間、すなわちホモジナイザ４１の光軸中心側を通過するのみである。ナイフエッジミラー３１、３２間を通過した第１ビームＬＢ1は、その後ホモジナイザ４１のシリンドリカルレンズアレイＣＡ1の中央部（第１ビームＬＢ1に割り当てられたシリンドリカルレンズ）に入射し、シリンドリカルレンズの個数（図４では６本）に分割される。分割された各ビームは、コンデンサレンズ４１ａにより重ね合わされて被照射面ＩＳで均一ビームを形成する。
【００２９】
一方、第２ビームＬＢ2は、図示していないビームデリバリーを経て第２ビーム用のテレスコープ光学系７２に入射する。このテレスコープ光学系７２に入射した第２ビームＬＢ2は、本光学系で拡大または縮小されて第１ビームＬＢ1と同一のビームサイズとなってここから出射して合成光学系３０に向かう。合成光学系３０では、ナイフエッジミラー３１、３２によって第２ビームＬＢ2が２つのビーム部分ＬＢ2a、ＬＢ2bに分割され、それぞれ第１ビームＬＢ1の両端を通過してホモジナイザ４１へと向かう。両ビーム部分ＬＢ2a、ＬＢ2bは、ホモジナイザ４１の光軸中心の外側、すなわちホモジナイザ４１のシリンドリカルレンズアレイＣＡ1の両端部（第２ビームＬＢ2に割り当てられたシリンドリカルレンズ）に入射し、シリンドリカルレンズの個数（図４では上下３本ずつの計６本）に分割される。分割された各ビームは、コンデンサレンズ４１ａにより重ね合わせられて被照射面ＩＳで均一ビームを形成する。
【００３０】
以上の説明では、第１ビームＬＢ1及び第２ビームＬＢ2共に「被照射面ＩＳで均一ビームを形成する」と記したが、実は両者のベストフォーカス位置は、主に光源から出射するビームの拡がり角等の特性の違いにより異なることがある。また、このようにベストフォーカスが異なっている場合、ビームサイズも異なっていることが多い。したがって、第１ビームＬＢ1及び第２ビームＬＢ2の特性の差を補償する必要がある。このため、第２ビームＬＢ2のベストフォーカス位置を真の被照射面ＩＳ（基準面）として、この基準面に第１ビームＬＢ1のベストフォーカス位置を一致させる。具体的には、ダイバージェンス光学系７１により第１ビームＬＢ1の出射ＮＡ、すなわちホモジナイザ４１から見た場合の入射ＮＡを変える。ホモジナイザ４１から見た入射ＮＡを変更すると、それに応じてホモジナイザ４１通過後のベストフォーカス位置が変わる。これにより、第１ビームＬＢ1のベストフォーカス位置を微調し、第２ビームＬＢ2のそれに一致させることができる。なお、ホモジナイザ４１のレンズ構成によって出射ＮＡとベストフォーカス位置のずれとの対応は異なるのでかかる調整の詳細な説明は省略する。
【００３１】
〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態のレーザ加工装置について説明する。第２実施形態の装置は、第１実施形態の装置の一部として組み込まれたビーム形成装置を変形したものであり、同一部分には同一の符号を付して重複説明を省略する。
図５は、ビーム形成装置の要部を説明する図である。このビーム形成装置は、第１実施形態の図４に対応するものであるが、同図において第１ビームＬＢ1の光路中に配置されているダイバージェンス光学系７１を除いた構成となっている。
【００３２】
この場合、テレスコープ光学系７２を構成する一対のレンズ７２ａ、７２ｂのレンズ間隔を変えることにより、ホモジナイザ４１に入射する第２ビームＬＢ2のＮＡを微妙に変えることができる。この実施形態では、テレスコープ光学系７２が、図４の第１ビーム用のダイバージェンス光学系７１の役割、すなわち第１ビームＬＢ1と第２ビームＬＢ2とのフォーカス位置の調整も行う。
【００３３】
〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態のレーザ加工装置について説明する。第３実施形態の装置は、第１実施形態の装置の一部を変形したものである。
図６は、第３実施形態のレーザ加工装置を構成するビーム形成装置の要部を説明する図である。このビーム形成装置は、第１実施形態の図４に対応するものであるが、同図において第２ビームＬＢ2中に配置されているテレスコープ光学系７２を除いた構成となっている。
【００３４】
使用する２つのレーザビームＬＢ1、ＬＢ2のビームサイズがほとんど同じ場合、ビームサイズを一致させるための図４に示すようなテレスコープ光学系７２を配置する必要がなくなる。また、使用する２つのレーザビームＬＢ1、ＬＢ2のビームサイズが異なっていてもよい用途の場合も、図４に示すようなテレスコープ光学系７２は不要となる。
【００３５】
〔第４実施形態〕
以下、第４実施形態のレーザ加工装置について説明する。第４実施形態の装置は、第１実施形態の装置の一部を変形したものである。
図７は、第４実施形態のビーム形成装置を構成するビーム形成装置の要部を説明する図である。このビーム形成装置では、分割光学系１３０として、一対のナイフエッジミラーの代わりにナイフエッジプリズム１３５を用いる。ホモジナイザ４１通過後のビームの均一性に関して対称性等が間題にならない場合、本実施形態のようにナイフエッジプリズム１３５のナイフエッジ部１３５ａを利用して、ホモジナイザ４１の光軸ＯＡから上側に第１ビームＬＢ1を入射させ、ホモジナイザ４１の光軸ＯＡから下側に第２ビームＬＢ2を入射させる。つまり、両レーザビームＬＢ1、ＬＢ2を単に並べて配置しただけのものとすることができる。なお、第１ビームＬＢ1と第２ビームＬＢ2とを対向する方向からナイフエッジプリズム１３５に入射させるためのビームデリバリーについては図示を省略している。
【００３６】
〔第５実施形態〕
以下、第５実施形態のレーザ加工装置について説明する。第５実施形態の装置は、第１実施形態の装置の一部を変形したものである。
図８は、第５実施形態のレーザ加工装置を構成するビーム形成装置の要部を説明する図である。このビーム形成装置では、分割光学系２３０として、一対のナイフエッジミラー１３１、１３２のナイフエッジ部１３１ａ、１３２ａ同士を突き合わせるようにしたものを用いる。
【００３７】
以上、実施形態に即してこの発明を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では、ダイバージェンス光学系７１やテレスコープ光学系７２が球面系であるように説明したが、Ｘ軸若しくはＹ軸に直交する断面の一方に作用するシリンドリカルレンズ系とすることができる。シリンドリカルレンズ系とした場合は、より重要な断面に注目して、その断面でのフォーカス調整を行うことになる。通常のエキシマレーザの場合、電極方向とそれに直行する方向とでは拡がり角等のビーム特性が異なり、一方の断面に注目してシリンドリカル系を配置することが多い。さらに、両断面のベストフォーカスを個別に一致させるために、シリンドリカルレンズ系で構成したダイバージェンス光学系やテレスコープ光学系を直交する断面ごとに個別に配置しても良い。
【００３８】
また、上記実施形態の照射光学系４０は、ホモジナイザ４１によってマスク４２を照明し、マスク４２の像を投影レンズ４３に照射することとしたが、ホモジナイザ４１の被照射面ＩＳに直接ワークＷを配置することもできる。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のレーザ加工装置によれば、ビーム形成装置が一対の異なる光源からの一対の照射光をそれぞれ略同一サイズのビームとしてマスクに重畳して照射するので、加工光の特性を多様に設定することができ、加工光の生成に際してのロスも少ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のレーザアニール装置の構造を示す図である。
【図２】図１の合成光学系によって形成される合成光を説明する図である。
【図３】照射光学系を構成するマスクの透過パターンを説明する図である。
【図４】合成光学系３０及びその周辺の詳細な構造を説明する図である。
【図５】第２実施形態のビーム形成装置の要部を説明する図である。
【図６】第３実施形態のビーム形成装置の要部を説明する図である。
【図７】第４実施形態のビーム形成装置の要部を説明する図である。
【図８】第５実施形態のビーム形成装置の要部を説明する図である。
【符号の説明】
１０ ステージ
２１,２２ レーザ光源
３０ 合成光学系
３１,３２ ナイフエッジミラー
４０ 照射光学系
４１ ホモジナイザ
４２ マスク
４３ 投影レンズ
５０ マスク駆動装置
６０ ステージ駆動装置
７１ ダイバージェンス光学系
７１ａ,７１ｂ レンズ
７２ テレスコープ光学系
７２ａ,７２ｂ レンズ
８０ 位置検出装置
１００ 主制御装置
ＡＢ 線条ビーム
ＣＬ 合成光
ＬＢ1 第１ビーム
ＬＢ2 第２ビーム
Ｗ ワーク
Claims (5)
- 一対の異なる光源からの一対の照射光を空間的に継ぎ合わせて合成する合成光学系と、当該合成光学系からの合成光を一旦複数のビームに分割するとともに、当該複数のビームを略同一サイズの矩形ビームとしてそれぞれマスクに重畳して照射するホモジナイザとを含むビーム形成装置と、
ワークを載置するステージと、
前記マスクの像を前記ステージ上のワークに投影する投影光学系と、
前記マスクと前記ワークとを相対的に移動させる走査手段と、
前記ビーム形成装置の前記合成光学系の前に配置されるとともに、前記一対の異なる光源からの前記一対の照射光のうち一方の照射光の前記ビーム形成装置に入射するビームサイズに、前記一対の照射光のうち他方の照射光の前記ビーム形成装置に入射するビームサイズを一致させるテレスコープ光学系と
を備えるレーザ加工装置。 - 前記ビーム形成装置の前記合成光学系の前に配置されるとともに、前記一対の異なる光源からの前記一方の照射光が前記ビーム形成装置に入射する際のＮＡを変化させることによって、前記一方の照射光のフォーカス位置及びビームサイズを調整するダイバージェンス光学系をさらに備える請求項１記載のレーザ加工装置。
- 前記ダイバージェンス光学系は、凸レンズと凹レンズを組み合わせた略等倍のアフォーカル光学系であり、前記凸レンズ及び前記凹レンズの間隔を変化させることによって射出光のＮＡを僅かに変化させることを特徴とする請求項２記載のレーザ加工装置。
- 前記マスクは、スリットを有し、前記走査手段は、前記マスクを前記投影光学系に対して移動させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項記載のレーザ加工装置。
- 前記ビーム形成装置は、前記マスクが配置される所定面上の矩形の領域に前記一対の照射光をそれぞれ入射させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項記載のレーザ加工装置。
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