JP4073592B2 - レーザ光ビームの整形方法および整形装置ならびにレーザ光薄膜結晶化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料の加工、表面改質などに利用されるレーザ光を用いた装置に好適であって、レーザ光のビーム形状を所望形状に整形する方法および整形装置に関するものである。さらには、上記整形方法により整形されたレーザ光を用いるレーザ光薄膜結晶化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザ光を整形する方法としては、ホモジナイザを用いた方法が知られている。例えば、図５に示す装置では、レーザ光源１より発生したレーザ光２は、途中で遮られることなく、ミラー４ａ、４ｂ、テレスコープレンズ４ｃを経て、シリンドリカルレンズ複数本で構成されたホモジナイザ５、６に入射する。このとき、レーザ光２は、その光軸３がホモジナイザ５、６のレンズ軸８と平行になるように入射させる。ホモジナイザ５、６を通過したレーザ光２は、ホモジナイザ６の一部を構成する、ビームより大きいシリンドリカル大レンズ７から出射され、該レンズ７の焦点位置にある試料面９（被照射薄膜等）に照射される。
【０００３】
上記レーザ光２は、ホモジナイザ５、６を通過する際にビーム形状が整形される。このホモジナイザ５、６は典型的な構造を有するものであり、その詳細構造を図６に基づいて説明する。ホモジナイザは、ビームより小さいシリンドリカル小レンズ１０…１０からなるレンズ群１４、レンズ群１５と、ビームより大きいシリンドリカル大レンズ７とで構成されている。このホモジナイザは、図７（ａ）に示すガウシアン形状のレーザ光強度分布を、ホモジナイザレンズ群１４によって複数個のビーム１１…１１に分割した後、シリンドリカル大レンズ７の焦点位置にある試料面９で複数個のビーム１１…１１を再結合して直線状のビーム形状を得る。なお、ホモジナイザはレンズ群１４のみで直線状のビーム形状を得ることができるが、レンズ群１４と同等の枚数を持つレンズ群１５を設置することでレンズ群１４とレンズ群１５の距離を変えてビーム形状を変える方法を採用することもできる。
【０００４】
また、ホモジナイザ５、６は、同様の構造を有しているが、その配置方向を異にすることによって整形する方向が互いに異なっており、ビームは直交する２方向に整形される。一般的には整形する方向は９０度異なる。
上記の結果、試料面９に照射されるレーザ光のビーム形状は、図７（ｂ）に示すように、均一部１２と傾斜部１３とを有しており、均一部１２は直線状になっている。ビーム形状を整形したレーザ光は、試料面に設置したプラスチックなどの試料に照射され、該試料の加工、非晶質Ｓｉからなる試料の結晶化などに利用される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記方法により整形されたレーザ光は上述のように均一部が直線状で平行となったビーム形状を有しているが、近年、様々な研究において、ビームの形状を変形させたレーザ光を使用した方がよい結果が得られる場合があることが分かってきている。例えば、特開平１０−６４８１５号公報では、レーザ光を用いた薄膜の結晶化に際し、ビームのエネルギ分布に傾きをもたせたレーザ光の使用が提唱されており、また、ＦＰＤ Intelligence １９９９年５月号７７頁では、ガウンシアン形状のビームの使用例が記載されている。
上記公報によれば、ビームに傾きを有するレーザ光の使用により、薄膜の結晶化をエネルギが高い方から低い方に移行させることができ、試料の最後に照射されるエネルギを一定値以下にして、性能が良い結晶化した薄膜を得ることができるとしている。
しかし、上記したようなビーム形状を容易かつ確実に得る方法は提案されておらず、したがって、整形されたビーム形状を有するレーザ光の照射による作用を効果的に得ることができない。
【０００６】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、レーザ光のビーム形状を所望の形状に容易かつ確実に整形することができるレーザ光ビームの整形方法および整形装置を提供することを目的とし、さらには、該整形方法を利用したレーザ光薄膜結晶化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】
上記課題を解決するため、本発明のうち、第１の発明のレーザ光ビームの整形方法は、レーザ光源から発せられたレーザ光を、シリンドリカルレンズ複数本を光軸交差方向に並べたレンズ群を光軸に交差する同方向に沿って複数配置した、一または２以上のホモジナイザを通してレーザ光ビームを整形する方法において、一以上のホモジナイザで、隣接するレンズ群でのシリンドリカルレンズ間の光路長がシリンドリカルレンズ各々のうち一部のシリンドリカルレンズ各々又は全てのシリンドリカルレンズ各々で異なるようにし、該ホモジナイザにレーザ光を通してレーザ光のビーム形状を整形することを特徴とする。
【０００８】
第２の発明のレーザ光ビームの整形方法は、前記第１の発明において、前記シリンドリカルレンズの位置によってシリンドリカルレンズ各々間の距離を変えることで前記光路長が前記シリンドリカルレンズ各々のうち一部のシリンドリカルレンズ各々又は全てのシリンドリカルレンズ各々で異なるようにすることを特徴とする請求項１記載のレーザ光ビームの整形方法。
【０００９】
第３の発明のレーザ光ビームの整形方法は、前記第１の発明において、隣接するレンズ群での前記シリンドリカルレンズ間に光学部材を配置して前記シリンドリカルレンズ各々のうち一部のシリンドリカルレンズ各々又は全てのシリンドリカルレンズ各々で異なるようにすることを特徴とする請求項１記載のレーザ光ビームの整形方法。
【００１２】
第４の発明のレーザ光ビームの整形装置は、レーザ光源と被照射物との間の光路に設置されるホモジナイザレンズであって、該ホモジナイザは、複数本のシリンドリカルレンズを光軸交差同方向に並べたレンズ群が光軸方向に沿って複数配置されているとともに、隣接するレンズ群でのシリンドリカルレンズ間の光路長がシリンドリカルレンズ各々のうち一部のシリンドリカルレンズ各々又は全てのシリンドリカルレンズ各々で異なっていることを特徴とする。
【００１３】
第５の発明のレーザ光薄膜結晶化装置は、被照射薄膜にレーザ光を照射して結晶化させるためのレーザ光源と、該レーザ光が入出射する、第４の発明のホモジナイザとを備えていることを特徴とする。
【００１５】
本発明は、薄膜にレーザ光を照射して結晶化したり、改質化したりする用途に好適であるが、これら用途に限定されるものではなく、被照射物にレーザ光を照射する各種の用途に適用することが可能である。
また、整形の目的は、レーザの照射目的等によって異なり、得ようとするビーム形状も異なるが、ビーム形状における傾斜部の傾きや形状を変えたり、均一部に傾きを持たせたり、曲面に変えたり、曲面の曲率を変えたり、傾いている均一部の傾きを小さくする整形等が挙げられる。
【００１６】
本発明では、上記した整形目的に従って、隣接するシリンドリカルレンズ間の光路長を各々のうち一部または全部で異なるものとする。したがって、隣接するシリンドリカルレンズ間の光路長は一部だけ異なっていてもよく、また全部が異なるものであってもよい。
光路長を異なるものとするためには、シリンドリカルレンズの位置によって実際のシリンドリカルレンズ間の距離を変えることにより行うことができる。また、その光路に、光学部材を配置して光路長を変えるものであってもよい。この光学部材としては、例えば、光の反射や屈折によって光路の長さを現に変えるものであってもよく、また、所定の屈折率を有する光学部材を通過させることによって実効的な光路長を変えるものであってもよい。
シリンドリカルレンズ間の光路長が異なると、該シリンドリカルレンズ間を通って分割されたビーム光は、その後、照射面で結合される際にビームの幅、強度が異なっており、よって結合されたビームの形状が変わってくる。上記における光路長の変更の程度や、光路長を異なるものとするシリンドリカルレンズの選定等によって得られるビーム形状を制御することができる。
【００２３】
上記各方法によってビームの形状を容易に整形することができる。又、各方法を組み合わせてビーム形状の整形を広範に行うこともできる。
その際に、本発明のビーム整形装置を用いれば、確実にビーム整形がなされる整形手段を得ることができる。
この整形装置では、整形しようとするビーム形状等に従って、シリンドリカルレンズ間の光路長を異なるものとすることができる。この場合、光軸を中心として、各光路長が対称に分布していれば、対称的な形状を有するビーム形状が得られる。また、この場合、光軸側の光路長を最大にして、周縁側の光路長が漸減するように設定すれば、均一部をなだらかな凸形状にすることができる。
【００２４】
さらに、薄膜結晶化においては最も効果的なレーザ光照射は、レーザ光が単なる矩形状のビーム形状を有するものではなく、均一部の形状を変形させたものが有効であることが確認されているが、本発明のレーザ光薄膜化装置では、整形によって所望のビーム形状が確実かつ容易に得られるので、薄膜結晶化において、整形されたビーム形状を有するレーザ光の照射効果が確実かつ効率的に得られる。
また、本発明の整形方法が上記したような薄膜結晶化に限定されないことも当然である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
以下に本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明するが、各実施形態では図５に示すレーザ光照射装置を基本構造としている。
この実施形態では、図１に示すように、第２のホモジナイザ６０が、シリンドリカル小レンズ１０１〜１０５で構成された第１のレンズ群１４と、シリンドリカル小レンズ１１１〜１１５で構成された第２のレンズ群１５と、さらにシリンドリカル大レンズ７で構成されている。このホモジナイザ６０はビーム整形装置に相当する。
【００２６】
上記第１のレンズ群１４と第２のレンズ群１５の各シリンドリカルレンズ間の光路長は、シリンドリカル小レンズ１１１〜１１５をずらして設置することにより、異なるものとなっている。すなわち、光軸に位置するシリンドリカル小レンズ１０３とシリンドリカル小レンズ１１３間の光路長が最大となり、シリンドリカル小レンズ１０２、シリンドリカル小レンズ１１２間およびシリンドリカル小レンズ１０４、シリンドリカル小レンズ１１４間で多少光路長が短くなり、シリンドリカル小レンズ１０１、シリンドリカル小レンズ１１１間およびシリンドリカル小レンズ１０５、シリンドリカル小レンズ１１５間で最小の光路長となる。
レーザ光源１から放出されたレーザ光２は、ホモジナイザ５を通過した後、ホモジナイザ６に代わる上記ホモジナイザ６０に入射し、ビーム形状が整形された後、試料面９に照射される。このレーザ光はホモジナイザ６０で整形され、試料面９に照射されたときには、図２に示すように均一部がなだらかな凸状部１２ａになったビーム形状を有している。
【００２７】
（実施形態２）
この実施形態２では、図３に示すように、実施形態１とは異なり、第２のホモジナイザ６１における各レンズ群１４、１５のシリンドリカル小レンズ１０、１０間の間隔を一定にしており、その一方で、中央のシリンドリカル小レンズ１０、１０間の光路に、ＡＲコートした厚さ５ｍｍの石英ガラス２０を配置する。この石英ガラス２０は、レンズ間空間よりも屈折率が高いため、中央のシリンドリカル小レンズ間の実効的な光路長を増大させる。
上記ホモジナイザ６１を通過したレーザ光は、実施形態１と同様に均一部が突条になるようにビーム形状が整形される。
【００３１】
なお、上記した各実施形態の装置は、試料面に薄膜を配置し、この薄膜に上記の整形したレーザ光を照射して薄膜の結晶化を行う、レーザ光薄膜結晶化装置として使用することができる。
【００３２】
【実施例】
エキシマレーザにより発生した３０８ｎｍ、４０×１５ｍｍのビーム形状のレーザ光を使用して、上記実施形態２におけるホモジナイザ光学系によりビーム形状の整形を行った。
図５に示すようにレーザ光源１より発生したレーザ光２はテレスコープレンズ４ｃを透過した後、方向の異なる２つのホモジナイザを透過するが、各整形方法によってビーム形状の整形がなされ、試料面９で所望のビーム形状となった。ビーム形状の測定は、試料面の位置にＣＣＤカメラを設置して行った。
【００３３】
実施形態２に従って、ホモジナイザ６のシリンドリカルレンズ間に石英ガラス２０を配置したものである。試料面では図４に示すように均一部が凸状になったビーム形状を得た。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のレーザ光ビームの整形方法によれば、一以上の該ホモジナイザで、隣接するレンズ群でのシリンドリカルレンズ間の光路長がシリンドリカルレンズ各々のうちの一部又は全てで異なるようにするので、ホモジナイザで分割され、その後、照射面で結合するレーザ光のビーム形状が所望の形状に変わる。これにより、所望のビーム形状を容易かつ確実に得ることができ、これを薄膜の結晶化等に用いることにより整形されたレーザ光による作用を効率的に得ることができる。また、上記方法に加えてレーザ光の一部をレーザ光光源と照射物との間で遮蔽又は減衰させれば、ビームの整形を一層広範に行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態を示す概略図である。
【図２】 同じく該実施形態によって得られた整形後のビーム形状を示す図である。
【図３】 同じく他の実施形態を示す概略図である。
【図４】 同じく実施例により得られた整形後のビーム形状を示す図である。
【図５】 従来の、ホモジナイザを備えたレーザ照射装置の主要構造を示す概略図である。
【図６】 同じくホモジナイザの詳細構造を示すグラフである。
【図７】 同じく従来のホモジナイザによって得られる、ホモジナイザ入射前のビーム形状と、ホモジナイザによって整形されたビーム形状を示す図である。
【符号の説明】
１ レーザ光源
２ レーザ光
３ 光軸
５ ホモジナイザ
６ ホモジナイザ
７ シリンドリカル大レンズ
８ レンズ軸
１０ シリンドリカル小レンズ
１１ ビーム
１２ 均一部
１２ａ 凸状部
１３ 傾斜部
１４ レンズ群
１５ レンズ群
２０ 石英ガラス
２１ 遮蔽物
６０ ホモジナイザ
６１ ホモジナイザ

Claims (5)

1. レーザ光源から発せられたレーザ光を、シリンドリカルレンズ複数本を光軸に交差する同方向に並べたレンズ群を光軸方向に沿って複数配置した、一または２以上のホモジナイザを通してレーザ光ビームを整形する方法において、一以上の該ホモジナイザで、隣接するレンズ群でのシリンドリカルレンズ間の光路長がシリンドリカルレンズ各々のうち一部のシリンドリカルレンズ各々又は全てのシリンドリカルレンズ各々で異なるようにし、該ホモジナイザにレーザ光を通してレーザ光のビーム形状を整形することを特徴とするレーザ光ビームの整形方法。
2. 前記シリンドリカルレンズの位置によってシリンドリカルレンズ間の距離を変えることで前記光路長が前記シリンドリカルレンズ各々のうち一部のシリンドリカルレンズ各々又は全てのシリンドリカルレンズ各々で異なるようにすることを特徴とする請求項１記載のレーザ光ビームの整形方法。
3. 隣接するレンズ群での前記シリンドリカルレンズ間に光学部材を配置して前記シリンドリカルレンズ各々のうち一部のシリンドリカルレンズ各々又は全てのシリンドリカルレンズ各々で異なるようにすることを特徴とする請求項１記載のレーザ光ビームの整形方法。
4. レーザ光源と被照射物との間の光路に設置されるホモジナイザであって、該ホモジナイザは、複数本のシリンドリカルレンズを光軸交差同方向に並べたレンズ群が光軸方向に沿って複数配置されているとともに、隣接するレンズ群でのシリンドリカルレンズ間の光路長がシリンドリカルレンズ各々のうち一部のシリンドリカルレンズ各々又は全てのシリンドリカルレンズ各々で異なっていることを特徴とするレーザ光のビーム整形装置。
5. 被照射薄膜にレーザ光を照射して結晶化させるためのレーザ光源と、該レーザ光が入出射する請求項４記載のホモジナイザを備えていることを特徴とするレーザ光薄膜結晶化装置。

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