JP2001075043A

JP2001075043A - 精密可変型長尺ビーム光学系

Info

Publication number: JP2001075043A
Application number: JP24848199A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Yamazaki; 和則山崎
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-09-02
Filing date: 1999-09-02
Publication date: 2001-03-23
Anticipated expiration: 2019-09-02
Also published as: JP4191334B2

Abstract

(57)【要約】【課題】像面湾曲が少なく、全長尺範囲で均一なビー
ムを形成することができる小型のビーム整形光学系を提
供すること。【解決手段】ここで、短軸イメージングレンズ５０は
シリンドリカルレンズであり、このシリンドリカルレン
ズを通過する光ビームの長軸断面はテレセントリックと
なっている。よって、イメージングレンズ５０を通過す
る主光線を光軸ＯＡに平行にすることができ、長軸方向
に沿った短軸断面の結像について像面湾曲は発生しな
い。また、デフォーカスが生じてもビーム長は変化しな
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術の分野】本発明は、ビームを整形す
るためのビーム整形光学系に関し、特にシリンダアレイ
タイプのビームホモジナイザーに関する。

【０００２】

【従来の技術】ビームホモジナイザーは、アモルファス
シリコンのレーザアニーリングに代表される用途に用い
られるが、基板の大型化と高スループット化の要求に伴
い、よりレーザビームの長尺化が要求されている。ま
た、長尺方向と直行するビーム幅方向に関しては、これ
までと同様のエネルギー密度を確保するため、ビーム長
が大きくなる分だけ、より線幅の小さなビームが要求さ
れている。すなわち、長尺方向はより長尺化、ビーム幅
方向はより細線化という極端なビーム形状が要求される
わけであるが、実用化のためには、ビーム幅方向のエッ
ジの急峻性と、全長尺範囲にわたる均一性という条件が
満たされる必要がある。

【０００３】ここで、シリンダアレイタイプのビームホ
モジナイザは、シリンダアレイで分割して形成した２次
光源をコンデンサレンズで重ね合わせて均一ビームを形
成するという構成をとっている。このようなビームホモ
ジナイザとしては、上記の均一面を直接加工面とするタ
イプと、この均一面を物面としてイメージングレンズで
加工面に再結像させるタイプとがある。特に０．５ｍｍ
以下の細いビームを形成しようとした場合、前者のタイ
プでは、レーザ拡がり角により絞り込める最小ビームサ
イズに限界がある。従って、安定して細いビームを形成
しようとした場合は、後者のタイプで縮小投影するほう
が確実である。

【０００４】後者のタイプを選択した場合、長軸方向に
ついては２００ｍｍあるいはそれ以上の長さのビームが
要求されるため、長軸方向についてはイメージングを行
わずにコンデンサレンズによって直接短軸方向のイメー
ジング結像面に均一ビームを形成する構成、すなわちシ
リンドリカルレンズによって短軸のみイメージングする
構成を用いることが多い。短軸用のイメージングレンズ
としては、長軸方向に母線をもったシリンドリカルレン
ズが使用される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
ビームホモジナイザでは、シリンドリカルレンズの母線
断面において、光軸に対してある程度以上の角度を有す
る斜入射光が入射する場合、見かけ上のパワーが光軸に
平行な直入射光よりも大きくなり、ガウス像面の手前で
短軸断面の光が集光してピントずれをおこす。このよう
なピントずれに対応する像面湾曲の量を実用上間題ない
程度に抑えるためには、加工面で同じビーム長を得るこ
とを前提として、長尺側のＮＡを充分小さくすることに
よってシリンドリカルレンズへの入射角度を抑えるしか
なかった。

【０００６】そこで、本発明は、像面湾曲を低減して、
全長尺範囲で均一なビームを形成することができる小型
のビーム整形光学系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】本発明のビーム整形光学
系は、線条ビームを形成するものであって、短軸方向に
関して、ビームを分割する短軸側シリンダアレイと、分
割することによって得た２次光源を重ね合わせる短軸側
コンデンサレンズと、前記２次光源を重ね合わせた位置
である物面を所定の加工面である像面に縮小投影するイ
メージングレンズとを備え、長軸方向に関して、ビーム
を分割する長軸側シリンダアレイと、分割することによ
って得た２次光源を前記所定の加工面上で重ね合わせる
長軸側コンデンサレンズとを備えるとともに、前記加工
面側でテレセントリックとなっていることを特徴とす
る。

【０００８】この場合、長軸方向では、前記加工面側で
テレセントリックとなっているので、イメージングレン
ズに入射するビームをほぼ光軸に平行にすることがで
き、イメージングレンズへの入射角に依存して結像位置
がずれることを防止できる。つまり、像面湾曲をなくし
て均一なビームを形成することができる。また、テレセ
ン性により、長軸方向についてフォーカスがずれても、
ビーム長はほとんど変化しない。なお、長軸側コンデン
サレンズは、シリンダレンズ等からなり、イメージング
レンズよりも光源側に配置される。

【０００９】また、上記光学系の好ましい態様では、前
記短軸方向に関して、前記加工面側でテレセントリック
となっていることを特徴とする。

【００１０】この場合、短軸方向についてフォーカスが
ずれても、ビーム幅はほとんど変化しない。

【００１１】本発明の別のビーム整形光学系は、線条ビ
ームを形成するものであって、短軸方向に関して、ビー
ムを分割する短軸側シリンダアレイと、分割することに
よって得た２次光源を重ね合わせる短軸側コンデンサレ
ンズと、前記２次光源を重ね合わせた位置である物面を
所定の加工面である像面に縮小投影するイメージングレ
ンズとを備え、長軸方向に関して、ビームを分割する長
軸側シリンダアレイと、分割することによって得た２次
光源を前記所定の加工面上で重ね合わせるとともに当該
所定の加工面における像面湾曲を補正するトーリックレ
ンズを有する長軸側コンデンサレンズとを備えることを
特徴とする。

【００１２】この場合、長軸側コンデンサレンズが、所
定の加工面における像面湾曲を補正するトーリックレン
ズを有するので、像面湾曲をなくして均一なビームを形
成することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】〔第１実施形態〕図１は、本発明
に係る第１実施形態のビーム整形光学系の構造を説明す
る図である。図１（ａ）は、線条ビームの長軸方向（す
なわち長尺方向）に関する図であり、図１（ｂ）は、線
条ビームの短軸方向（すなわち幅方向）に関する図であ
る。

【００１４】このビーム整形光学系は、照射光である光
ビームを発生するレーザ光源（図示を省略）からの光ビ
ームを線状にして所定強度で所定の加工面である被照射
面ＩＳ上に入射させる線条ビームホモジナイザであり、
レーザ光源からの光ビームを長軸側に関して分割して複
数の２次光源を形成する長軸側シリンダアレイ群１０
と、レーザ光源からの光ビームを短軸側に関して分割し
て複数の２次光源を形成する短軸側シリンダアレイ群２
０と、長軸側に関して分割された光ビームを重ね合わせ
て被照射面ＩＳ上に入射させる長軸側コンデンサレンズ
系３０と、短軸側に関して分割された光ビームを重ね合
わせてスリット状の短軸マスク６０に入射させる短軸側
コンデンサレンズ系４０と、物面に配置された短軸マス
ク６０を像面に配置された被照射面ＩＳ上に縮小投影す
るイメージングレンズ５０とを備える。

【００１５】長軸側シリンダアレイ群１０は、第１及び
第２シリンドリカルレンズアレイ１０ａ、１０ｂからな
る。ここで、第１シリンドリカルレンズアレイ１０ａ
は、線条ビームの長軸方向の断面に曲率を有し光源側に
凸の複数のシリンドリカルレンズをそれらの母線に垂直
な方向に連結した構造を有する。第２シリンドリカルレ
ンズアレイ１０ｂも、第１シリンドリカルレンズアレイ
１０ａと同一の構造を有する。両シリンドリカルレンズ
アレイ１０ａ、１０ｂの働きにより、長軸側に関して光
ビームを５分割して５つの２次光源を形成することがで
きる。なお、長軸側シリンダアレイ群１０を第１及び第
２シリンドリカルレンズアレイ１０ａ、１０ｂに分けて
いるのは、両者の相対距離を変えて合成焦点距離を変更
することによって、ビームサイズ（ビーム長）を可変に
するためである。

【００１６】短軸側シリンダアレイ群２０は、第３及び
第４シリンドリカルレンズアレイ２０ａ、２０ｂからな
る。ここで、第３シリンドリカルレンズアレイ２０ａ
は、線条ビームの短軸方向の断面に曲率を有し光源側に
凸の複数のシリンドリカルレンズをそれらの母線に垂直
な方向に連結した構造を有する。第４シリンドリカルレ
ンズアレイ２０ｂは、線条ビームの短軸方向の断面に曲
率を有し、像側に凹の複数のシリンドリカルレンズをそ
れらの母線に垂直な方向に連結した構造を有する。両シ
リンドリカルレンズアレイ２０ａ、２０ｂの働きによ
り、短軸側に関して光ビームを５分割して５倍の２次光
源を形成することができる。なお、短軸側シリンダアレ
イ群２０を第３及び第４シリンドリカルレンズアレイ２
０ａ、２０ｂに分けているのは、両者の相対距離を変え
て合成焦点距離を変更することによって、ビームサイズ
（線幅）を可変にするためである。

【００１７】長軸側コンデンサレンズ系３０は、長軸方
向の断面に曲率を有し光源側に凸のシリンドリカルレン
ズからなる第１群レンズ３１と、長軸方向の断面に曲率
を有し像側に凸のシリンドリカルレンズからなる第２群
レンズ３２とから構成される。長軸側コンデンサレンズ
系３０は、長軸側シリンダアレイ群１０によって形成さ
れる複数の２次光源を被照射面ＩＳ上で重ね合わせる働
きを有する。ここで、長軸側コンデンサレンズ系３０を
第１群レンズ３１と第２群レンズ３２とに分けて、第１
群レンズ３１の射出瞳位置に第２群レンズ３２の前側焦
点位置を一致させることにより、長軸側では、被照射面
ＩＳ側にテレセントリックとなる。これにより、イメー
ジングレンズ５０を通過する主光線を光軸ＯＡに平行に
することができる。

【００１８】短軸側コンデンサレンズ系４０は、短軸方
向の断面に曲率を有し光源側に凸のシリンドリカルレン
ズからなる。この短軸側コンデンサレンズ系４０は、短
軸側シリンダアレイ群２０によって形成された複数の２
次光源を短軸マスク６０上で重ね合わせる働きを有す
る。

【００１９】イメージングレンズ５０は、短軸方向の断
面に曲率を有するシリンドリカルレンズからなる。この
イメージングレンズ５０は、短軸側コンデンサレンズ系
４０によって短軸マスク６０上に重ね合わされた光源像
を被照射面ＩＳ上に縮小投影する働きを有する。

【００２０】なお、短軸マスク６０は、二枚のナイフエ
ッジ状の誘電体ミラーでできており、短軸方向の均一化
面に配置される。この短軸マスク６０は、入射した光ビ
ームの短軸方向に関する裾野部分をカットするためのも
のであるが、必須のものではない。

【００２１】以下、図１のビームホモジナイザによる結
像について説明する。この線条ビームホモジナイザに入
射した光ビームは、まず長軸側シリンダアレイ群１０に
より長軸断面で分割される。分割された光ビームは、第
１群レンズ３１に入射し、その後に配置されている第２
群レンズ３２とセットで被照射面ＩＳ上に重ね合わせら
れ、ここに均一ビームを形成する。第１群レンズ３１を
通った光ビームは、短軸側シリンダアレイ群２０に入射
し、短軸断面で分割される。短軸側シリンダアレイ群２
０を経た光ビームは、短軸コンデンサレンズ系４０に入
射し、短軸マスク６０のマスク面上で短軸断面に関して
のみ均一ビームを形成する。すなわちマスク面が短軸断
面における２次光源の重ね合わせ面となり、ここに均一
ビームが形成される。なお、このマスク面は、長軸断面
における重ね合わせ面となっていないため、長軸方向に
ついては均一ビームが形成されていない。短軸マスク６
０は、均一である範囲のみ透過し、裾野部分の均一では
ない部分を遮光して短軸マスク６０の像側にビームが届
くのを防止する。短軸マスク６０を通った光ビームは、
第２群レンズ３２に入射し、長軸断面の主光線が光軸に
対し平行となって出射する。第２群レンズ３２から出射
した光ビームは、その後イメージングレンズ５０を通過
して被照射面ＩＳ上で均一ビームを形成する。この際、
長軸断面で２次光源が完全に重ね合わされるだけでな
く、短軸断面でも、イメージングレンズ５０によって短
軸マスク６０の縮小投影像が形成される。ここで、イメ
ージングレンズ５０はシリンドリカルレンズであり、こ
のシリンドリカルレンズを通過する光ビームの長軸断面
はテレセントリックとなっている。よって、既に説明し
たように、イメージングレンズ５０を通過する主光線を
光軸ＯＡに平行にすることができ、長軸方向に沿った短
軸断面の結像について像面湾曲が発生しない。また、デ
フォーカスが生じてもビーム長は変化しない。

【００２２】図２は、参考のための図であり、図１のビ
ームホモジナイザから第２群レンズ３２を除いた場合に
発生する像面湾曲を説明する図である。図からも明らか
なように、シリンドリカルレンズであるイメージングレ
ンズ５０の母線断面において、光軸ＯＡに対して角θを
有する斜入射光Ｌ’が入射する場合、見かけ上のパワー
が光軸ＯＡに平行な直入射光Ｌよりも大きくなり、ガウ
ス像面上の結像位置ＦＬよりも手前側の位置ＦＬ’で短
軸断面の光が集光してピントずれをおこす。このような
ピントずれによって像面湾曲が発生し、斜入射光Ｌ’の
入射する角θが大きくなる程、像面湾曲の量も増加す
る。

【００２３】しかしながら、上記実施形態のビームホモ
ジナイザでは、長軸断面で像側テレセントリックとなっ
ており、イメージングレンズ５０を通過する主光線が光
軸ＯＡに平行となっているので、短軸断面の結像につい
ては像面湾曲が発生しない。

【００２４】〔第２実施形態〕図３は、第２実施形態の
ビーム整形光学系の構造を説明する図である。図３
（ａ）は、長軸方向に関する図であり、図３（ｂ）は、
短軸方向に関する図である。なお、第２実施形態のビー
ム整形光学系は、第１実施形態のビーム整形光学系の変
形例であり、同一部分には同一の符号を付して重複説明
を省略する。

【００２５】このビーム整形光学系は、第１実施形態の
光学系に短軸方向に作用するフィールドレンズ７０を追
加したもので、このフィールドレンズ７０の働きによ
り、短軸用のイメージングレンズ５０の前側焦点位置に
分割した２次光源を再結像させて像側（加工面である被
照射面ＩＳ側）にテレセントリックとしている。すなわ
ち、図示のホモジナイザの場合、長軸・短軸両断面にお
いてテレセントリックな構成となっている。これによ
り、長軸方向においては上記第１実施形態と同様の特徴
を有するとともに、短軸断面においても、フォーカスが
ずれても線幅が変化しなくなる。

【００２６】結像について説明すると、フィールドレン
ズ７０を通過した光ビームは、このフィールドレンズ７
０で光線の向きを変え、短軸マスク６０を通過した後イ
メージングレンズ５０の前側焦点位置に分割した２次光
源を再結像する。ここで、イメージングレンズ５０の射
出瞳は入射側の無限遠方に位置し、イメージングレンズ
５０を出射した後の光線は主光線が光軸ＯＡと平行に出
射しテレセントリックとなる。つまり、長軸・短軸両断
面においてテレセントリックであるため、デフォーカス
しても、ビーム長及びビーム幅ともに変化しない。

【００２７】〔第３実施形態〕図４は、第３実施形態の
ビーム整形光学系の構造を説明する図である。図４
（ａ）は、長軸方向に関する図であり、図４（ｂ）は、
短軸方向に関する図である。なお、第３実施形態のビー
ム整形光学系は、第１実施形態のビーム整形光学系の変
形例である。

【００２８】このビーム整形光学系は、第１実施形態の
光学系に設けた長軸側コンデンサレンズ系３０を構成す
る第２群レンズ３２をシリンドリカルレンズの代わりに
トーリックレンズからなる別のタイプの第２群レンズ１
３２としている。トーリックレンズは、長軸断面と短軸
断面双方に曲率を有しており、その曲率が両者で異なる
という特徴を有している。したがって、この第２群レン
ズ１３２は、長軸断面のコンデンサとしてのみならず、
短軸断面のイメージングレンズの一部としての作用もす
る。つまり、トーリックレンズを用いることにより、長
軸断面をテレセントリックとしなくても、短軸方向の結
像位置を調整して像面湾曲を除くことができ、被照射面
ＩＳに投影されるビーム全体をほぼ同一の特性とするこ
とができる。

【００２９】〔第４実施形態〕図５は、第１〜第３実施
形態と同様のビーム整形光学系を組み込んだレーザアニ
ール装置の構造を説明する図である。

【００３０】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８１と、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レーザビームＬＢを発生する
レーザ光源８２と、このレーザビームＬＢを線条にして
所定の照度でワークＷ上に入射させるビーム整形光学系
１００と、ワークＷを載置したステー８１をビーム整形
光学系１００等に対して必要量だけ相対的に移動させる
駆動手段であるステージ駆動装置８３と、ステージ８１
の移動位置を検出する位置センサ８４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
８５とを備える。

【００３１】ビーム整形光学系１００は、レーザビーム
ＬＢをＹ軸方向に延びる所定断面形状及び強度の線条ビ
ーム像としてワークＷ上に入射させる線条ビームホモジ
ナイザーであり、光学系の構成については、図１、図
３、及び図４に示すものと同様であるので、詳細な説明
は省略する。

【００３２】以下、図５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８１上にワー
クＷを搬送して載置する。次に、位置センサ８４の出力
に基づいてステージ駆動装置８３を動作させることによ
り、ビーム整形装置１００に対してステージ８１をＸ軸
方向に移動させながら、ビーム整形装置１００からのレ
ーザビームＬＢをＹ方向に延びる線条ビーム像としてワ
ークＷ上に入射させる。これにより、レーザビームＬＢ
によるワークＷ全面の走査が行われることになる。この
際、簡単な構造で小型のビーム整形装置１００によっ
て、像面湾曲がなく均一な状態で線条ビーム像を長尺化
しかつ細線化できるので、ワークＷの大型化に対応で
き、レーザアニールのスループットを高めることができ
る。

【００３３】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。例えば上記実施形態のビーム整形装置１００は、レ
ーザアニーリング装置だけでなく、例えば液晶や半導体
装置の表面改質等に用いられる各種加工装置に応用可能
である。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のビーム整形光学系によれば、長軸方向では、前記加工
面側でテレセントリックとなっているので、イメージン
グレンズに入射するビームをほぼ光軸に平行にすること
ができ、イメージングレンズへの入射角に依存して結像
位置がずれることを防止できる。つまり、像面湾曲をな
くして均一なビームを形成することができる。また、長
軸方向に関してフォーカスがずれても、ビーム長はほと
んど変化しない。

【００３５】また、本発明の別のビーム整形光学系によ
れば、長軸側コンデンサレンズが、所定の加工面におけ
る像面湾曲を補正するトーリックレンズを有するので、
像面湾曲をなくして均一なビームを形成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態のビーム整形
装置の構造を示す図である。

【図２】図１の光学系の働きを説明するための図であ
る。

【図３】（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態のビーム整形
装置の構造を示す図である。

【図４】（ａ）、（ｂ）は、第３実施形態のビーム整形
装置の構造を示す図である。

【図５】第４実施形態のレーザアニール装置の構造を説
明する図である。

【符号の説明】

１０長軸側シリンダアレイ群１０ａ,１０ｂ第１、第２シリンドリカルレンズアレ
イ２０短軸側シリンダアレイ群２０ａ,２０ｂ第３、第４シリンドリカルレンズアレ
イ３０長軸側コンデンサレンズ系３１第１群レンズ３２第２群レンズ４０短軸側コンデンサレンズ系５０イメージングレンズ６０短軸マスク７０フィールドレンズ８１ステージ８２レーザ光源８３ステージ駆動装置ＬＢレーザビームＯＡ光軸Ｗワーク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】線条ビームを形成するビーム整形光学系
であって、短軸方向に関して、ビームを分割する短軸側シリンダア
レイと、分割することによって得た２次光源を重ね合わ
せる短軸側コンデンサレンズと、前記２次光源を重ね合
わせた位置である物面を所定の加工面である像面に縮小
投影するイメージングレンズとを備え、長軸方向に関して、ビームを分割する長軸側シリンダア
レイと、分割することによって得た２次光源を前記所定
の加工面上で重ね合わせる長軸側コンデンサレンズとを
備えるとともに、前記加工面側でテレセントリックとな
っていることを特徴とするビーム整形光学系。
【請求項２】前記短軸方向に関して、前記加工面側で
テレセントリックとなっていることを特徴とする請求項
１記載のビーム整形光学系。
【請求項３】線条ビームを形成するビーム整形光学系
であって、短軸方向に関して、ビームを分割する短軸側シリンダア
レイと、分割することによって得た２次光源を重ね合わ
せる短軸側コンデンサレンズと、前記２次光源を重ね合
わせた位置である物面を所定の加工面である像面に縮小
投影するイメージングレンズとを備え、長軸方向に関して、ビームを分割する長軸側シリンダア
レイと、分割することによって得た２次光源を前記所定
の加工面上で重ね合わせるとともに当該所定の加工面に
おける像面湾曲を補正するトーリックレンズを有する長
軸側コンデンサレンズとを備えることを特徴とするビー
ム整形光学系。