JP2002280325A

JP2002280325A - 照明光学系及びこれを備えるレーザー処理装置

Info

Publication number: JP2002280325A
Application number: JP2001083562A
Authority: JP
Inventors: Kiwa Sugiyama; 喜和杉山; Miyuki Masaki; みゆき正木; Taketo Yagi; 武人八木
Original assignee: IHI Corp; Nikon Corp
Current assignee: IHI Corp; Nikon Corp
Priority date: 2001-03-22
Filing date: 2001-03-22
Publication date: 2002-09-27
Anticipated expiration: 2021-03-22
Also published as: JP4754703B2

Abstract

(57)【要約】【課題】優れた結像性能を有し、照度均一性が良く、細
い線幅の大きなアスペクト比の線状ビームを照射できる
照明光学系等を提供すること。【解決手段】レーザー光源１からの照射ビームを、第１
の方向（ｘ方向）に対して複数の照射ビームに分割し、
所定面Ｉ１上で重ね合わせるプリズム部材３と、少なく
とも前記第１の方向（ｘ方向）に略直交する第２の方向
（ｙ方向）に屈折力を有し、前記分割された複数の照射
ビームを前記第１の方向（ｘ方向）に長手方向を有する
線状ビームに結像する線状ビーム形成レンズ系４と、前
記線状ビームを前記第１の方向（ｘ方向）に拡大して被
処理面Ｉ２上に照射する拡大光学系５とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガラス基板等のア
ニール処理に好適な照明光学系及びこの光学系を備える
レーザー処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、非晶質珪素膜に対してレーザー光
を照射することで結晶化する技術が知られている。ま
た、不純物イオンの注入によって損傷した珪素膜の結晶
性の回復や注入された不純物イオンの活性化のためにレ
ーザー光を照射する技術が知られている。これらは、レ
ーザーアニール技術と呼ばれている。

【０００３】レーザーアニール法によるプロセスでは、
基板に対する熱ダメージが殆ど無いという特徴を有して
いる。この基板に対する熱ダメージの問題が無いという
特徴は、たとえば、ガラスなどの耐熱性の低い基板上に
半導体素子を形成する際に有利である。

【０００４】近年、液晶表示素子、特に大型の動画用液
晶表示素子では、コストの問題及び大面積化の要求から
基板としてガラス基板を利用することが望まれている。
このため、レーザーアニール法を用いれば、基板として
耐熱性の低いガラスを使用した場合でも、ガラス基板へ
の熱ダメージはほとんど無い。従って、ガラス基板を用
いても結晶性珪素膜を用いた薄膜トランジスタ等の半導
体素子を作成することができる。よって、レーザーアニ
ール法は、ガラス基板上に半導体回路を作る技術要素と
して将来期待されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】半導体回路等が形成さ
れるガラス基板は比較的大きな面積を持つものが多い。
これに対して、レーザー光は光源から射出された直後の
状態では、ビーム照射面積が小さい。このため、ビーム
形状を方形状や線状に加工して、所定領域を走査するこ
とが行われている。例えば、線状のビームをその長手方
向とは垂直に移動させ、ガラス基板上を走査させる。こ
れにより、比較的に短時間にガラス基板全体にアニール
を行う事が可能となる。

【０００６】このようなレーザーアニールに用いる線状
ビームを作る光学系が、例えば、特開平１０−２４４３
９２号公報に開示されている。特開平１０−２４４３９
２号公報では、ホモジナイザーと称される光学系を用い
てレーザービームを線状のビームに変換している。ホモ
ジナイザーには、非常に高い均一性を有する照度及び形
状の線状ビームを作る事が要求される。該公報では、複
数のシリンドリカルレンズからなる多シリンドリカルレ
ンズ系がホモジナイザイザーとして用いられている。そ
して、ホモジナイザイザーがビーム照度の均一性におい
て中心的な役割をする。

【０００７】多シリンドリカルレンズ系は、短冊状の各
シリンドリカルレンズを、その屈折力を有する方向に沿
って一列に並べたレンズ系である。通常の均一照明の際
に用いられるフライアイレンズと同様に、多シリンドリ
カルレンズ系に入射した光束は各シリンドリカルレンズ
で分割され、線状に集光される。この結果、シリンドリ
カルレンズの数と等しい数の線状像が形成される。この
線状像が新たな複数の２次線光源となり、レンズ（他の
シリンドリカルレンズ）を通して試料を照明する。試料
の被照射面では複数の２次線光源からの光が重なりあっ
て平均化される。これにより、多シリンドリカルレンズ
系が配列された方向（屈折力を有する方向）の照度分布
が均一になる。

【０００８】また、特開平１０−２４４３９２号公報で
は、線状ビームの長手方向だけでなく、その幅方向に関
しても照度を均一にするため、多シリンドリカルレンズ
系を二つ用いている。

【０００９】しかしながら、上記公報に開示されたよう
にシリンドリカルレンズを多用することは以下に述べる
問題がある。シリンドリカルレンズは、通常の球面レン
ズに比較して加工が困難であり、かつ製造コストも増加
する。また、形状加工の精度も通常の球面レンズに比較
して非常に低い。そのため、実際の装置の製造を考慮す
ると、シリンドリカルレンズを多用する光学系は、製造
コストが増加することに加え、加工精度の点から高い要
求性能を満足できないおそれがある。

【００１０】また、上述したように大型の液晶ディスプ
レイの需要が増えていることに伴い、走査領域面積が大
型化している。このため、線状ビームの長さはより長い
ものが要求されるようになっている。ここで、ビーム線
幅一定のまま、ビームの長手方向の長さを長くすると、
照射面積が大きくなってしまう。従って、単位面積当た
りのエネルギー密度が小さくなる。この結果、試料にビ
ームを照射した時、アニールに必要な温度まで加熱する
事が困難になってしまう。そこで、試料照射時のエネル
ギー密度を上げるため、ビームの長手方向の長さを長く
するだけでなく、そのビーム線幅をも細くする事が必要
になる。

【００１１】さらに、細い線幅のビームが必要とされる
他の理由を以下に述べる。従来、レーザー光源として出
力パワーの大きいエキシマレーザーを使用することが多
い。しかし、エキシマレーザーは、高価で装置自体が大
型である。このため、より安価で、小型、かつ取扱いも
容易なＹＡＧレーザーを光源として使用することが望ま
れている。このＹＡＧレーザーは、エキシマレーザーに
比べると出力エネルギーが低い。このため、被照射面の
エネルギー密度を増加するためには、より細い線幅のビ
ームで集光させる必要がある。よって、ビームの長手方
向の長さを長くするだけでなく、そのビーム線幅をも細
くする事が必要になる。

【００１２】上述のように、細い線幅の線状ビームの必
要性に伴い、これを達成するため線状ビームの長手方向
に高い結像性能を有する光学系が必要となる。このよう
な結像性能の要求の立場からも、上述の特開平１０−２
４４３９２号公報に開示された光学系では十分な仕様で
はない。

【００１３】特開平１０−２４４３９２号公報では、上
述したように短冊状のシリンドリカルレンズを複数有す
る多シリンドリカルレンズ系を二つ使用している。そし
て、多シリンドリカルレンズ系に続く一般にコンデンサ
ーレンズと呼ばれる光学系も多シリンドリカルレンズ系
から構成されている。

【００１４】このように、シリンドリカルレンズ群で光
学系を構成し、ビーム長手方向と短手方向とを各々異な
るパワー配置で光学系を構成する事は、長方形（線状）
のビームを作る際は、設計者にとって直感的に理解しや
すく、有効な設計方法であると考えられる。

【００１５】しかし、パワーの方向の異なるシリンドリ
カルレンズを組み合わせた光学系に、平行光束が入射す
ると各シリンドリカルレンズのパワーの方向と異なる方
向に進む光線が現われる。この光線の収差は単に直交す
るパワーを組み合わせた光学系では容易に補正できな
い。従って、実際に光学系の収差を高いレベルで補正す
ることを目的とする場合は、この設計方法は好ましくな
い。

【００１６】例えば、単純に円形の断面を有する平行光
束を仮定する。次に、負（凹）のパワーを持つ第１シリ
ンドリカルレンズと、この第１シリンドリカルレンズの
後ろ（像側）に第１シリンドリカルレンズのパワーの方
向と直交する方向に正（凸）のパワーを持つ第２シリン
ドリカルレンズを配置する。そして、上記平行光束を、
第１と第２シリンドリカルレンズへ入射させて、線状に
集光する場合を考える。

【００１７】この場合、初めの負パワーを持つ第１シリ
ンドリカルレンズにより、光束は一方向にだけ発散す
る。また、次の正パワーを持つ第２シリンドリカルレン
ズにより、この発散光は、発散方向に垂直な方向に集光
される。ここで、負の第１シリンドリカルレンズを射出
した発散光のうち発散中心部の光は、正の第２シリンド
リカルに入射するとき、第２シリンドリカルレンズの母
線に対して垂直に入射する。一方、第１シリンドリカル
レンズを射出した発散光のうち発散方向周辺部の光は、
第２シリンドリカルレンズの母線に対して斜めに入射す
る。

【００１８】その結果、負の第１シリンドリカルレンズ
を射出した発散光の発散方向中心部の光と周辺部の光と
では正の第２シリンドリカルレンズに入射した後の光の
集光位置が異なる。この結果、線状に結像する際、線状
像中心部と周辺部とでは線幅が異なることになる。その
ため、シリンドリカルレンズから成る光学系ではこのよ
うなシリンドリカルレンズ特有の収差を補正する必要が
ある。

【００１９】上述のシリンドリカルレンズ特有の収差に
対して、一般の光学設計者は不慣れである。上記光線の
振舞いは、単にビーム短手（短軸）方向を含む面と長手
（長軸）方向を含む面だけでは表わす事ができない。直
交するパワーを持つシリンドリカルレンズの組み合わせ
のみで、シリンドリカルレンズに特有な上記収差を補正
する事は極めて困難である。また、仮に、該収差が補正
されたとしても、非常に多くのシリンドリカルレンズが
必要とされる事が予想される。

【００２０】以上説明したように、より細い線幅の線状
ビームを加工する場合、光学設計の手法の立場からも直
交するシリンドリカルレンズを多用する光学系は望まし
くない。

【００２１】また、特開平１０−２４４３９２号公報に
開示された光学系では、ビーム短手方向の照度均一性を
確保する構成になっている。しかし、この構成も細い線
幅の線状ビームを加工する事を考えると以下の理由によ
り望ましくない。

【００２２】まず、線幅方向の照度均一性の必要性につ
いて説明する。線幅方向の照度均一性を高めることは、
線状ビームの走査速度を高速化する場合に有効である。
線状ビームの走査方向の線幅が広い場合は、線状ビーム
の走査速度を速くしても、基板試料上の単位面積を線状
ビームが通過するのべ時間は長くなる。従って、基板試
料上の線状ビーム照射時間は、結晶化等の反応に十分な
ものとなる。このため、線状ビーム線幅が広いほど走査
速度を上げることができるので、アニールエ程の時間を
短縮できる。

【００２３】ところが、線状ビームの照度均一性が低い
場合は、ビーム幅の周辺部でエネルギーが低くなってし
まう。このため、線状ビームを走査したとき、線状ビー
ムの周辺部ではアニールの反応が起きない場合がある。
この場合は、細い線幅の線状ビームを走査するのと等価
となるので、走査速度を上げられなくなってしまう。

【００２４】上述したように、近年、より大きな面積の
液晶表示素子（ディスプレイ）が求められるようになっ
ている。従って、液晶表示素子の製造工程のスピード化
を図り、より広い面積の基板を加工する技術が望まれて
いる。また、上述したように、線状ビームの線幅を細く
するためには、高度に収差補正をすることが望ましい。
さらに、高度に収差補正された線幅の細い線状ビームを
加工することと、線状ビームの短手（線幅）方向に高い
照度均一性を得ることとを両立する事は非常に困難であ
る。従って、線状ビームの長手方向には照度均一性を高
くすること、及び線状ビームの短手方向には線幅を細く
することに関する光学性能だけに特化した光学系が望ま
れる。かかる観点からも、特開平１０−２４４３９２号
公報に開示された光学系は十分であるとは言えない。

【００２５】また、非常に広範囲を走査してレーザー光
を照射する光学系では、照射側の光学系の開口数（Ｎ
Ａ）を大きくすることは困難である。このため、回折の
影響が生じ、幾何光学的な考察だけでは、線状像の照度
均一性を十分に解析できない。さらに、上述した光学系
では、線状ビームの短手方向の照度均一性を向上させる
ために、多シリンドリカルレンズ系を用いている。該レ
ンズ系の機能は、既に説明したように、光源からのビー
ムを線幅方向に分割し、その分割したビームの作る線状
像を被照射面で重ね合わせるものである。そのため、被
照射面での線状像の線幅が細くなると、線状像の重ね合
わせ精度は線状像幅より小さくする必要がある。即ち、
要求される線幅が細くなるに従って、線状像の重ね合わ
せ精度も厳しくなる。よって、レーザー処理装置の製造
を考慮に入れると、被照射面での線状像の照度分布の均
一性を多少犠牲にしても、ビームの分割数を減らした方
が望ましい。その際、アニール加工の速度を多少低下さ
せれば、線状像の線幅方向の照度均一性を低下できるた
め、ビームの分割数も減らす事ができ、より装置製造の
立場からは望ましくなる。

【００２６】本発明は上記問題に鑑みてなされたもので
あり、優れた結像性能を有し、照度均一性が良く、細い
線幅の大きなアスペクト比の線状ビームを照射できる照
明光学系及び低コストで、製造容易、大面積を高速に処
理できるレーザー処理装置を提供することを目的とす
る。

【００２７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、レーザー光源１からの照射ビームを、第
１の方向（ｘ方向）に対して複数の照射ビームに分割
し、所定面Ｉ１上で重ね合わせるプリズム部材３と、少
なくとも前記第１の方向（ｘ方向）に略直交する第２の
方向（ｙ方向）に屈折力を有し、前記分割された複数の
照射ビームを前記第１の方向（ｘ方向）に長手方向を有
する線状ビームに結像する線状ビーム形成レンズ系４
と、前記線状ビームを前記第１の方向（ｘ方向）に拡大
して被処理面Ｉ２上に照射する拡大光学系５とを有する
ことを特徴とする照明光学系を提供する。

【００２８】また、本発明の好ましい態様では、前記プ
リズム部材３は台形型プリズム３であり、該台形型プリ
ズム３により分割された前記複数の照射ビームが重ね合
わされる前記所定面Ｉ１の位置と、前記線状ビーム形成
レンズ系４の前記第２の方向（ｙ方向）の焦点位置Ｉ
１，Ｉ１２とが略一致していることが望ましい。

【００２９】また、本発明の好ましい態様では、前記拡
大光学系５は、光軸ＡＸに対して回転対称な光学系であ
ることが望ましい。

【００３０】また、本発明の好ましい態様では、前記線
状ビーム形成レンズ系４は、前記第２の方向（ｙ方向）
に正の屈折力を有する第１シリンドリカルレンズ４であ
ることが望ましい。

【００３１】また、本発明の好ましい態様では、前記拡
大光学系５は、前記被処理面Ｉ２側に、前記第２の方向
（ｙ方向）に正の屈折力を有する第２シリンドリカルレ
ンズ７を有することが望ましい。

【００３２】また、本発明の好ましい態様では、前記第
１シリンドリカルレンズ４と前記第２シリンドリカルレ
ンズ７との少なくとも１つは前記光軸ＡＸに沿って移動
可能であることが望ましい。

【００３３】また、本発明の好ましい態様では、前記レ
ーザー光源１からの照射ビーム径を、前記第２の方向
（ｙ方向）よりも前記第１の方向（ｘ方向）に大きく拡
大するビームエクスパンダ系２をさらに有することが望
ましい。

【００３４】また、本発明は、レーザー光を供給するレ
ーザー光源１と、請求項１乃至７の何れか一項に記載の
照明光学系と、前記被処理面Ｉ２上の線状ビームと前記
被処理面Ｉ２とを相対的に移動する走査移動部６とを有
するレーザ処理装置を提供する。

【００３５】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段の項では、本発明を分かり易くする
ために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本
発明が実施の形態に限定されるものではない。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づいて実施の
形態を説明をする。（第１実施形態）図１（ａ），
（ｂ）は第１実施形態にかかるレーザー処理装置の概略
構成を示す図である。ＹＡＧレーザー１から射出した断
面がほぼ円形のレーザービームは、ビームエクスパンダ
２により断面が楕円形状のコリメート光に変換される。
このとき、楕円の長軸がｘ方向、短軸がｙ方向である。
ビームエクスパンダ２の構成及びビームの断面形状変換
に関しては後述する。

【００３７】次に、このビームは台形型のプリズム３に
入射し、３分割され、それぞれ異なる方向に射出する。
このとき、ビームの分割方向は楕円ビームの長軸方向
（ｘ方向）に一致させる。３分割されたビームはシリン
ドリカルレンズ４に入射する。シリンドリカルレンズ４
は、ｘ方向に直交するｙ方向に正の屈折力を有してい
る。ここで、台形型プリズム３の形状と位置とは、３分
割されたビームがそれぞれ中間像面Ｉ１上で重なりあう
ように決めておく。また、シリンドリカルレンズ４の焦
点位置も中間像面Ｉ１上に一致させておく。これによ
り、シリンドリカルレンズ４を射出したビームは、それ
ぞれ中間像面Ｉ１上で線状に集光しながら、相互に重な
り合い線状像を形成する。

【００３８】中間像面Ｉ１に形成された線状像は、分割
された３つの線状像の平均化の効果により、光源１から
射出された直後のビームＬ（以下、「原ビーム」とい
う。）を直接集光する場合に比較して照度の均一性が高
い像となる。そして、中間像面Ｉ１の線状像を拡大光学
系５によりガラス基板上の被照射面Ｉ２に拡大投影す
る。これにより、被照射面Ｉ２に照度均一性の良い線状
像を形成する。また、中間像面Ｉ１に開口を設けると、
フレアーや台形型プリズムでの回折の影響を除く事がで
きるので望ましい。

【００３９】次に、中間像面Ｉ１の線状像の照度均一性
について、具体的にかつ定量的に説明する。

【００４０】まず、原ビームを理想的なシリンドリカル
レンズで線状に集光したとき光の強度分布を図３（ａ）
〜（ｅ）に基づいて説明する。図３（ａ）は、光軸ＡＸ
方向（ｚ方向）から見た原ビームを通過させる開口ＡＰ
の断面形状を示す図である。開口ＡＰは、直径φの円形
断面を有している。図３（ｂ）は、開口ＡＰを通過した
原ビームを線状に集光したときの照度分布を示す図であ
る。図３（ｂ）に示す照度分布は、ビーム開口ＡＰ上の
照度分布を通常のレーザーのようにガウス分布であると
仮定し、次式から算出される。

【００４１】

【００４２】ここで、ｘｙ座標は図３（ａ）のようにレ
ーザー開口ＡＰ面上の座標である。ｘ方向を線状像の長
手方向、ｙ方向を線状像の線幅方向としている。上記式
から明らかなように、図３（ｂ）の線状像上の位置ｘ０
での光の強度は、図３（ａ）のビーム開口ＡＰ上の位置
ｘ０を通りｙ軸に平行な直線ＬＬに沿って、開口ＡＰの
範囲内の照度分布を積分したものと等しい。なお、ビー
ム径φは、通常の場合と同様に光の強度分布が中心のｅ
２乗分の１になるまでの範囲としている。図３（ｂ）か
ら明らかなように、線状像の強度分布は、線状像中心
（ｘ＝０）が最も高く、周辺部へ行くに従って強度が低
下する。そして、最周辺部では照度は０（ゼロ）にな
る。

【００４３】次に、図３（ｂ）の照度分布を台形型プリ
ズムで３分割したのち線状に集光したときの光の照度分
布について考える。このときの照度分布は、線状に集光
されたビームを３分割し、その後さらに重ね合わせた場
合の照度分布と考えることができる。そのため、３分割
された各ビームの照度分布は、図３（ｂ）に示す照度分
布を３分割したものと等価である。ここで、３分割され
たビームを、第１ビームＬ１、第２ビームＬ２、第３ビ
ームＬ３とそれぞれする（図１（ａ）参照）。これら分
割された各ビームの照度分布を図３（ｃ）に示す。そし
て、中間像面Ｉ１では各ビームＬ１，Ｌ２，Ｌ３が図３
（ｄ）に示すように重なり合う。この結果、最終的な照
度分布は図３（ｅ）に示すような形状となる。図３
（ｅ）から明らかなように、重ね合わされた後の線状像
の照度分布の均一性は非常に高くなっている。図３
（ｂ）と図３（ｅ）とを比較すれば重ね合わせの効果が
極めて大きいことがわかる。例えば、図３（ｅ）の中心
部（ｘ＝０）の照度を１００％とすると、最周辺部での
照度は約９０％程度である。

【００４４】また、上述のように中間像面Ｉ１上に形成
された線状像は、原ビームをそのままの状態で分割せず
に線状像に集光した場合に比べて非常に照度均一性が高
い。しかし、かかる高い照度均一性を有する線状像で
も、実際のレーザー処理装置に要求される仕様を満足し
ていない場合がある。この場合は、拡大光学系５の諸収
差を制御することで、線状像の中心部の照度を減らし、
周辺部の照度をさらに上げることができる。例えば、拡
大光学系５の歪曲収差を負の値にすることにより上記制
御ができる。これによれば、照度均一性を数％まで高め
ることができる。

【００４５】さらに、被照射面Ｉ２での照度の均一性の
障害となるレンズや鏡筒などでの不要な反射で生じるフ
レアーや、分割プリズム開口で生じるフレアーを除くた
めに中間像面Ｉ１に絞り（不図示）を設けることが望ま
しい。

【００４６】次に、本照明光学系の結像性能について説
明する。従来技術でも述べたように、細い線状像を形成
するためには、高い結像性能が要求され、光学系の諸収
差は良好に補正されている必要がある。このような観点
から見ると、本実施形態では、中間像面Ｉ１で線状に一
度集光し、さらに、これを拡大光学系５で再度結像して
いる。この光学系の収差の主な発生源は、中間像面Ｉ１
に光を集光するシリンドリカルレンズ４と、その線状像
を再び被照射面Ｉ２に結像する拡大光学系５であること
が分かる。そこで、この両者の収差補正について考え
る。まず、後者の拡大光学系５については、通常の投影
光学系であり、光軸ＡＸに対称な球面レンズから構成さ
れる。そのため収差を補正するには、通常の補正手順と
同様に行えば良いので高度な収差補正が達成できる。

【００４７】また、上述したように、拡大光学系５の歪
曲収差を制御することにより、被照射面Ｉ２での線状像
の照度均一性を補正している。この歪曲収差の制御は、
球面収差などの結像に関する収差に比べると容易であ
る。従って、これが収差補正（球面収差などの結像に影
響するもの）を困難にする要因にはならない。さらに加
工の観点からも、拡大光学系５は光軸ＡＸに対称な光学
系なので、従来の加工技術を用いれば十分な仕様の光学
系が得られる。

【００４８】次に、図１（ａ），（ｂ）に戻ってシリン
ドリカルレンズ４の収差について説明する。シリンドリ
カルレンズ４は、台形型プリズム３で３分割された平行
光束を単に線状に集光している。このため、収差の補正
が困難であることはない。

【００４９】シリンドリカルレンズ４へは入射角が異な
る３つ光束Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が入射するので、ここで発
生する収差も当然入射角に依存する。なお、光軸ＡＸと
平行でない方向に進む２つの光線Ｌ１，Ｌ３の方向は、
互いに光軸ＡＸに対して対称である。従って、光軸ＡＸ
方向へ進行する光束Ｌ２と、もう一つの方向へ進行する
光束Ｌ１（又はＬ３）との２つの光束を考えれば良い。

【００５０】これらの入射角に依存する収差は、軸対称
光学系でいうところのコマ収差とサジタル像面の湾曲な
どと同じものである。このため、軸対称な光学系からの
類推から容易に入射角に依存する収差を補正する事がで
きる。また、光学系の寸法が多少大きくなる事が許容さ
れる場合は、分割プリズム３から射出する周辺部の２つ
の光束Ｌ１，Ｌ３の角度を小さくしてやれば、シリンド
リカルレンズ４で発生する入射角に依存する収差をより
小さくできる。

【００５１】以上のように本実施形態では、収差の主な
発生源と考えられるシリンドリカルレンズ４と拡大光学
系５とにおいて容易に収差補正することができるので、
系全体として高い結像性能が達成できる。

【００５２】さらに、本実施形態ではビームエクスパン
ダ２をプリズムから構成する事により、光学系全体の収
差を減らしている。上述したように、シリンドリカルレ
ンズ４には、楕円ビームを入射させている。これによ
り、シリンドリカルレンズ４に入射するビームの集光方
向（ｙ方向）の明るさを暗くすると同時に、線状像の長
手方向（ｘ方向）の光束径を長くしている。シリンドリ
カルレンズ４の集光方向（ｙ方向）の明るさを大きくす
ると、収差がより大きく発生してしまうので好ましくな
い。一方、線状像の長手方向のビーム径を小さくする
と、中間像面Ｉ１に形成される線状像の長さが小さくな
る。このため、被照射面Ｉ２で要求される長さの線状像
を形成するために、拡大光学系５の倍率を大きくしなけ
ればならない。よって、拡大光学系５での収差が大きく
なってしまうので好ましくない。

【００５３】本実施形態のように、原ビームを楕円ビー
ムへ拡大・変換する事は、収差を発生させないためには
望ましい。一般には、円形断面の原ビームを楕円ビーム
に拡大・変換する場合にシリンドリカルレンズを用い
る。しかし、シリンドリカルレンズは、上述したように
製造コストが高く、高精度な加工も困難である。そこで
本実施形態では、プリズム素子を用いる事により、収差
を発生せずに、円形断面の原ビームを楕円ビームへ拡大
・変換している。

【００５４】図４は、ビームエクスパンダ２の構成を示
す図である。ビームエクスパンダ２は、３つの直角プリ
ズム８，９，１０とを組合わせて構成される。レーザー
光源１からの原ビームは、プリズム８の面ＰＲ１へ斜入
射し、面ＰＲ２から略垂直に射出する。プリズム８の面
ＰＲ２から略垂直に射出した光は、プリズム９の面ＰＲ
３に斜入射し、面ＰＲ４から略垂直に射出する。プリズ
ム９の面ＰＲ４から射出した光は、プリズム１０の面Ｐ
Ｒ５に斜入射し、面ＰＲ６から略垂直に射出する。かか
る構成により、図５（ａ）に示すような円形の断面形状
を有する原ビームは、図５（ｂ）に示すような楕円の断
面形状を有する光へ拡大・変換される。

【００５５】また、本実施形態では、シリンドリカルレ
ンズ４を光軸ＡＸに沿って移動する第１移動機構部ＭＶ
１を有することが望ましい。これにより、レンズ３の位
置を変えることで、デフォーカスさせて線状像の線幅を
変えることができるという効果を奏する。

【００５６】また、本実施形態では、ガラス基板Ｇを移
動する走査移動部６を備える。これにより、被照射面
（被処理面）Ｉ２上の線状ビームと被照射面Ｉ２とを相
対的に移動することができる。よって、ガラス基板Ｇ上
の大きい面積の被処理面を高速にアニール処理すること
ができるという効果を奏する。（第２実施形態）図２（ａ），（ｂ）は、第２実施形態
にかかるレーザー処理装置の概略構成を示す図である。
拡大光学系５と被照射面Ｉ２との間に、ｙ方向に正
（凸）パワーを持つシリンドリカルレンズ７が新たに付
加されている。その他の構成は上記第１実施形態と同様
であるので同一部分には同様の符号を用い、重複する説
明は省略する。このような配置のため、線状像の線幅方
向の結像関係は上記第１実施形態と異なり、中間像面Ｉ
１と被照射面Ｉ２とは共役でなくなる。そのため、被照
射面Ｉ２上にビームを線状に集光するためシリンドリカ
ルレンズ４を光軸ＡＸ方向に移動し、その焦点位置を中
間像面Ｉ１から、図２（ｂ）中の面Ｉ１２に移動してい
る。ここで、面Ｉ１２の位置は線幅方向（ｙ方向）で見
ると被照射面Ｉ２と共役な位置である。この構成によ
り、シリンドリカルレンズ４と拡大光学系５とが形成し
た線状像は、線幅方向だけシリンドリカルレンズ７によ
り縮小されている。この結果、収差も縮小され、より細
い線状像を被照射面Ｉ２に形成する事ができる。

【００５７】また、上記構成はレーザー光の波面の乱れ
や、射出方向の乱れなどに対しても非常に有効である。
一般にレーザー光源からは平行光が一定の方向に射出さ
れると考えられる。しかし、実際はレーザー光源からの
光は完全な平行光ではない。さらに、発振される方向に
も時間的なばらつきがある。そして、これらのため被照
射面Ｉ２では、線状像の幅が広くなること、又は全体像
の位置が被照射面Ｉ２上で動くことが生ずる。これらの
被照射面Ｉ２での収差に相当する量は、レーザー光源の
開口ＡＰから被照射面Ｉ２までの線状像の線幅方向の光
学系の焦点距離をｆ、レーザー光源１からの原ビームの
波面のスロープエラーをθとそれぞれすると、ｆ×θと
なる。また、ビーム射出方向のばらつきをθとした場合
も、その収差量はｆ×θとなる。このように、ともに焦
点距離ｆに比例する。このため、線幅方向（ｙ方向）の
焦点距離は短いほうが望ましい。

【００５８】上記第１実施形態の構成の場合に、焦点距
離を短くするために拡大光学系５の光学パラメータを変
更すると線状像の長さも同時に変わってしまう。このた
め、シリンドリカルレンズ４の焦点距離や位置を変化さ
せる事により、全系の焦点距離を短くさせることにな
る。シリンドリカルレンズ４の焦点距離を短くする場合
は、このシリンドリカルレンズ４の開口数（ＮＡ）が大
きくなり、また同時に拡大光学系５に入射する光の開口
数（ＮＡ）も大きくなる。これは大きな収差の発生の原
因になる。そこで、本実施形態では、拡大光学系５の被
照射面Ｉ２側に他のシリンドリカルレンズ７を追加し、
線状像の線幅方向（ｙ方向）の焦点距離を短くしてい
る。この構成により、さらに優れた結像性能を持つ光学
系を提供することができる。また、本実施形態では、シ
リンドリカルレンズ４を光軸ＡＸに沿って移動する第１
移動機構部ＭＶ１に加えて、シリンドリカルレンズ７を
光軸ＡＸに沿って移動する第２移動機構部ＭＶ２を有す
ることが望ましい。これにより、各レンズ４，７の位置
を変えることで、デフォーカスさせて線状像の線幅を変
えることができるという効果を奏する。なお、何れか一
つのレンズを移動させても良いことはいうまでもない。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
優れた結像性能を有し、照度均一性が良く、細い線幅の
大きなアスペクト比の線状ビームを照射できる照明光学
系を提供できる。また、本発明によれば、低コストで、
製造容易、大面積を高速に処理できるレーザー処理装置
を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ），（ｂ）は第１実施形態にかかるレーザ
ー処理装置の概略構成を示す図である。

【図２】（ａ），（ｂ）は第２実施形態にかかるレーザ
ー処理装置の概略構成を示す図である。

【図３】（ａ）〜（ｅ）は重ね合わせの効果を説明する
図である。

【図４】ビームエクスパンダの構成を示す図である。

【図５】（ａ），（ｂ）はビームの断面形状変換を説明
する図である。

【符号の説明】

１…レーザー光源２…ビームエクスパンダー３…台形型プリズム４…シリンドリカルレンズ５…拡大光学系６…走査移動部７…シリンドリカルレンズＩ１、Ｉ２…像面Ｇ…ガラス基板ＡＸ…光軸ＡＰ…レーザー開口部ＭＶ１，ＭＶ２…第１、第２移動部

フロントページの続き (72)発明者正木みゆき東京都江東区豊洲三丁目１番15号石川島播磨重工業株式会社東京エンジニアリングセンター内 (72)発明者八木武人東京都江東区豊洲三丁目１番15号石川島播磨重工業株式会社東京エンジニアリングセンター内Ｆターム(参考） 4E068 AH00 CA05 CD05 CD08 DA10 5F052 AA02 BA07 BA14 BB02 JA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザー光源からの照射ビームを、第１
の方向に対して複数の照射ビームに分割し、所定面上で
重ね合わせるプリズム部材と、少なくとも前記第１の方向に略直交する第２の方向に屈
折力を有し、前記分割された複数の照射ビームを前記第
１の方向に長手方向を有する線状ビームに結像する線状
ビーム形成レンズ系と、前記線状ビームを前記第１の方向に拡大して被処理面上
に照射する拡大光学系とを有することを特徴とする照明
光学系。
【請求項２】前記プリズム部材は台形型プリズムであ
り、該台形型プリズムにより分割された前記複数の照射ビー
ムが重ね合わされる前記所定面の位置と、前記線状ビー
ム形成レンズ系の前記第２の方向の焦点位置とが略一致
していることを特徴とする請求項１に記載の照明光学
系。
【請求項３】前記拡大光学系は、光軸に対して回転対
称な光学系であることを特徴とする請求項１に記載の照
明光学系。
【請求項４】前記線状ビーム形成レンズ系は、前記第
２の方向に正の屈折力を有する第１シリンドリカルレン
ズであることを特徴とする請求項１に記載の照明光学
系。
【請求項５】前記拡大光学系は、前記被処理面側に、
前記第２の方向に正の屈折力を有する第２シリンドリカ
ルレンズを有することを特徴とする請求項１に記載の照
明光学系。
【請求項６】前記第１シリンドリカルレンズと前記第
２シリンドリカルレンズとの少なくとも１つは前記光軸
に沿って移動可能であることを特徴とする請求項５に記
載の照明光学系。
【請求項７】前記レーザー光源からの照射ビーム径
を、前記第２の方向よりも前記第１の方向に大きく拡大
するビームエクスパンダ系をさらに有することを特徴と
する請求項１に記載の照明光学系。
【請求項８】レーザー光を供給するレーザー光源と、請求項１乃至７の何れか一項に記載の照明光学系と、前記被処理面上の線状ビームと前記被処理面とを相対的
に移動する走査移動部とを有することをレーザ処理装
置。