JP2004198513A

JP2004198513A - Transmission method of laser beams and beam intensity converter

Info

Publication number: JP2004198513A
Application number: JP2002364046A
Authority: JP
Inventors: Akira Tsunemi; 明良常見
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-12-16
Filing date: 2002-12-16
Publication date: 2004-07-15

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve uniformity of the intensity distribution of the laser beams in a laser annealing device at a low cost. <P>SOLUTION: To make it possible to obtain a desired intensity distribution of the laser beams at the side of an exit by converting the beam intensity distribution of the side of an entrance by changing the arrangement of the fibers in the side of the entrance and in the side of the exit while using fiber bundles 20, 21, 22. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームの伝送方法及びビーム強度分布変換器に係り、特に、ガラス基板上のアモルファス層を結晶化するためのレーザアニール装置等のレーザ加工装置のビームホモジナイザとして用いるのに好適な、レーザアニール装置におけるレーザビームの強度分布の均一性を安価に向上することが可能な、レーザビームの伝送方法及び装置、レーザの運転方法、ビーム強度分布変換器、ビームホモジナイザ、レーザ光学系及びレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ加工装置、特にレーザアニール装置においては、できるだけ強度分布が均一なレーザビームを半導体基板等の加工対象物に照射することが望ましい。
【０００３】
そこで、レーザビームの強度分布を均一化するため、特許文献１に記載されているように、ビームホモジナイザと呼ばれる光学系が利用されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２４４０７８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、小さなレンズを多数並べた、フライアイ方式と呼ばれる従来のビームホモジナイザ１０は、例えば図１に示す如く、片面が平面で、もう一方の面に複数の凸部が配列して形成された２枚のアレイレンズ１１、１２および（複数枚の）集光レンズ１３で形成されており、複雑な光学設計計算、高額な光学部品、精密な部品製作と組立調整等が必要であるという問題点を有していた。
【０００６】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、レーザビームの任意の強度分布を安価に得ることを第１の課題とする。
【０００７】
本発明は、又、レーザビームの強度分布の均一性を安価に向上することを第２の課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レーザビームの伝送に際して、ファイババンドルを用い、入口側と出口側のファイバの配列を異なるようにして入口側のビーム強度分布を変換し、出口側で任意の強度分布が得られるようにして、前記第１の課題を解決したものである。
【０００９】
又、出口側のビーム強度分布がマクロ的に見て均一となるように、出口側のファイバをランダム又はビーム強度が異なるファイバが出口面内で均等になるように配置して、前記第２の課題を解決したものである。
【００１０】
又、出口側のファイバを１列又は数列の直線上に並べることにより、レーザビームの強度分布を線状としたものである。
【００１１】
又、複数系統のファイババンドルにそれぞれ別のレーザからレーザパルスビームを同時又は所定の時間差を設けて入射し、これらの別系統のファイババンドルの出口側を束ねて１系統とし、強度分布がマクロ的に均一となるように１本１本のファイバを並べて配置するようして、複数のレーザを同時に運転し、完全同時照射することによってピークパワーを倍増させたり、あるいは、一方を所定時間遅延させて、実質的にパルス幅の長いレーザ光を作り出すことができるようにしたものである。
【００１２】
又、複数のレーザを同時に動作させず、交互に動作させることにより、レーザ発振器のメンテナンス時間等のダウンタイムを補間するようにレーザを交互に運転できるようにしたものである。即ち、１台のレーザ発振器を数時間乃至数十時間運転した後、メンテナンス等のために停止するときに、もう１台のレーザを運転することにより、実質上無停止で加工対象にレーザを照射することが可能となる。
【００１３】
本発明は、又、ファイババンドルを用い、入口側と出口側のファイバの配列を異なるようにして入口側のビーム強度分布を変換し、出口側で任意の強度分布が得られるようにされていることを特徴とするビーム強度分布変換器を提供するものである。
【００１４】
又、出口側のビーム強度分布がマクロ的に見て均一となるように、出口側のファイバをランダム又はビーム強度が異なるファイバが出口面内で均等になるように配置されていることを特徴とするビームホモジナイザを提供するものである。
【００１５】
又、出口側のファイバを１列又は複数列の直線上に並べることにより、レーザビームの強度分布が線状にされていることを特徴とするビームホモジナイザを提供するものである。
【００１６】
本発明は、又、複数系統のファイババンドルと、各ファイババンドルにレーザパルスビームを同時又は所定の時間差を設けて入射するための複数のレーザとを備え、別系統のファイババンドルの出口側を束ねて１系統とし、強度分布がマクロ的に均一となるように１本１本のファイバが並べて配置されていることを特徴とするレーザビームの伝送装置を提供するものである。
【００１７】
又、前記のビーム強度分布変換器、ビームホモジナイザ、又は、伝送装置を備えたことを特徴とするレーザ光学系を提供するものである。
【００１８】
又、前記のレーザ光学系を備えたことを特徴とするレーザ加工装置を提供するものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２０】
本発明においては、レーザ光強度分布の均一化のため、従来のようなアレイレンズを用いたホモジナイザではなく、図２に示す第１実施形態の如く光ファイババンドル２０を用いる。通常、ファイババンドル２０は、ファイバの束ね方を入口と出口で同一にするため、出口の強度分布は、入口のレーザの強度分布と全く同じになる。しかし本発明では、ファイババンドルの入口と出口での個々のファイバの配置を、必要な強度分布に応じて、意図的に並べ替えた構成とする。
【００２１】
出口側のファイバの束ね方を敢えて崩し、ランダムに並べ替えることにより、入口における強度分布を、出口ではマクロ的に均一にすることが可能となる。
【００２２】
又、例えばガウス分布型のレーザ強度分布の光を入射する場合、各ファイバに取り込まれた光のみがファイバを伝播し、当然中央部のビームを伝播したファイバはエネルギが強く、端部のビームを伝播したエネルギが弱い。よって各ファイバの取り回しを強弱強弱・・・とすれば、近接したビーム強度の波は相殺され、均一性の良いビームを作り出すことができる。又、バンドル入口では中心部にあったファイバを、出口では外側に配置し、外側にあったファイバは中心部に配置すれば、通常とは逆に、中央が低く周辺が高いリング状の強度分布を得ることも可能である。
【００２３】
この際、ファイバの並べ替えを容易とするために、ファイバを色分けしたり、番号を付けることが可能である。
【００２４】
又、出口でのファイバの並べ方を、図３に示す第２実施形態のように１列又は必要な長さに応じて折り返して複数列に並べることにより、線状のビーム強度分布を作り出すことも可能である。図において３０は（例えばエキシマまたは固体または高調波固体）レーザ（発振器）である。
【００２５】
このように、レーザビームの強度分布を線状にする場合も、第１実施形態と同様の方法で容易に均一化することができる。即ち、入口での強度が強い部分と弱い部分のファイバを出口で交互に直線上に並べることにより、エネルギ強度分布の均一度の高い線状ビームを作り出すことができる。
【００２６】
次に、本発明の第３実施形態を図４に示す。本実施形態は、複数系統（図では２系統）のファイババンドル２１、２２に、それぞれ別のレーザ３１、３２からレーザパルスビームを同時又は所定の時間差を設けて入射し、これらの別系統のファイババンドル２１、２２の出口側を束ねて１系統とし、強度分布がマクロ的に均一となるように、１本１本のファイバの交互に並べて配置したものである。
【００２７】
本実施形態においては、図５に示す如く、完全に同時照射した場合には、ピークパワーＡを２倍にできる。又、図６に示す如く、一方を、所定時間、例えば数十ナノ秒遅延させれば、実質的にパルス幅Ｔの長い（図６の例では２倍）レーザ光を作り出すことができる。
【００２８】
あるいは、複数台（図４では２台）のレーザ３１、３２を同時に動作させずに、交互に動作させることも可能である。即ち、レーザのパルス動作を交互に行なうのではなく、１台のレーザ発振器を数時間乃至数十時間運転した後、メンテナンス等のために停止するときに、もう一方のレーザを運転することにより、実質上、半導体基板等の加工対象にとっては無停止にすることが可能となる。また、複数のレーザを交互または順番に発振させることにより、実質的に高繰り返し照射が可能となる。
【００２９】
なお、ファイババンドルの本数やレーザの台数は２に限定されない。
【００３０】
前記実施形態においては、出口側の強度分布が均一となるようにファイバを並べ替えていたが、ファイバを並べ替える方法はこれに限定されず、出口側で必要な強度分布に応じて任意の配置に並べ替えることが可能である。
【００３１】
又、前記実施形態において、本発明が、レーザアニール装置に適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、他のレーザ加工装置にも同様に適用できる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、任意の強度分布を有するレーザビームを安価に得ることができる。特に、出口側のファイバをランダム又はビーム強度が異なるファイバが出口面内で均等になるように配置することによって、マクロ的に見て均一なビーム強度を安価に得ることができる。又、線状のレーザビームも容易に得ることができる。
【００３３】
本発明により、ビームホモジナイザ等の複雑な光学系を設計製作する必要が無く、自在な強度分布を作り出すことができる。特に、均一強度分布を作り出す場合に非常に有効である。
【００３４】
又、ファイバを用いた伝送光学系であるから、ミラーやレンズの部品点数を大幅に削減することができるため、低コスト化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のフライアイ方式のビームホモジナイザの一例の基本的な構成を示す斜視図
【図２】本発明の第１実施形態の構成を示す図
【図３】同じく第２実施形態の構成を示す正面図
【図４】同じく第３実施形態の構成を示す正面図
【図５】第３実施形態の一つの動作形態を示すタイムチャート
【図６】第３実施形態の他の動作形態を示すタイムチャート
【符号の説明】
２０、２１、２２…（光）ファイババンドル
３０、３１、３２…レーザ（発振器）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser beam transmission method and a beam intensity distribution converter, and is particularly suitable for use as a beam homogenizer of a laser processing apparatus such as a laser annealing apparatus for crystallizing an amorphous layer on a glass substrate. Laser beam transmission method and apparatus, laser operating method, beam intensity distribution converter, beam homogenizer, laser optical system and laser processing capable of improving the uniformity of the intensity distribution of the laser beam in a laser annealing apparatus at low cost Relates to the device.
[0002]
[Prior art]
In a laser processing apparatus, particularly a laser annealing apparatus, it is desirable to irradiate a processing target such as a semiconductor substrate with a laser beam having a uniform intensity distribution as much as possible.
[0003]
In order to make the intensity distribution of the laser beam uniform, an optical system called a beam homogenizer is used as described in Patent Document 1.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-244078
[Problems to be solved by the invention]
However, a conventional beam homogenizer 10 called a fly-eye system in which a large number of small lenses are arranged is, for example, as shown in FIG. 1, formed by arranging one convex surface and a plurality of convex portions on the other surface. It is formed by a single array lens 11 and 12 and a plurality of condensing lenses 13 and requires complicated optical design calculation, expensive optical parts, precise parts production and assembly adjustment, etc. Had.
[0006]
The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and a first object is to obtain an arbitrary intensity distribution of a laser beam at a low cost.
[0007]
The second object of the present invention is to improve the uniformity of the intensity distribution of the laser beam at a low cost.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, when transmitting a laser beam, a fiber bundle is used to convert the beam intensity distribution on the entrance side by changing the arrangement of the fibers on the entrance side and the exit side so that an arbitrary intensity distribution can be obtained on the exit side. Thus, the first problem is solved.
[0009]
Further, in order to make the beam intensity distribution on the exit side uniform when viewed macroscopically, the fibers on the exit side are arranged randomly or fibers having different beam intensities are arranged uniformly in the exit surface, and the second It solves the problem.
[0010]
Further, the intensity distribution of the laser beam is made linear by arranging the fibers on the exit side on one or several straight lines.
[0011]
In addition, laser pulse beams from different lasers are incident on a plurality of fiber bundles at the same time or with a predetermined time difference, and the exit side of these different fiber bundles is bundled into one system, and the intensity distribution is macroscopic. Each fiber is arranged side by side so as to be uniform, and a plurality of lasers are operated at the same time, and the peak power is doubled by irradiating completely simultaneously, or one of them is delayed for a predetermined time. The laser beam having a substantially long pulse width can be produced.
[0012]
Further, the lasers can be operated alternately so as to interpolate the down time such as the maintenance time of the laser oscillator by operating the plurality of lasers alternately instead of simultaneously. In other words, when one laser oscillator is operated for several hours to several tens of hours and then stopped for maintenance, etc., the other laser is operated to irradiate the laser beam to the workpiece substantially without stopping. It becomes possible to do.
[0013]
The present invention also uses a fiber bundle to change the beam intensity distribution on the entrance side by changing the arrangement of the fibers on the entrance side and the exit side so that an arbitrary intensity distribution can be obtained on the exit side. A beam intensity distribution converter characterized by the above is provided.
[0014]
Also, the exit side fibers are randomly arranged or the fibers having different beam intensities are arranged uniformly in the exit surface so that the exit side beam intensity distribution is uniform when viewed macroscopically. A beam homogenizer is provided.
[0015]
Further, the present invention provides a beam homogenizer characterized in that the intensity distribution of the laser beam is linearized by arranging the fibers on the exit side on one or more straight lines.
[0016]
The present invention also includes a plurality of fiber bundles and a plurality of lasers for allowing laser pulse beams to enter each fiber bundle at the same time or with a predetermined time difference, and bundling the exit side of another fiber bundle. Therefore, the present invention provides a laser beam transmission device characterized in that one fiber is arranged side by side so that the intensity distribution is macroscopically uniform.
[0017]
Further, the present invention provides a laser optical system comprising the beam intensity distribution converter, beam homogenizer, or transmission device.
[0018]
The present invention also provides a laser processing apparatus comprising the above-described laser optical system.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0020]
In the present invention, in order to make the laser light intensity distribution uniform, an optical fiber bundle 20 as in the first embodiment shown in FIG. 2 is used instead of a conventional homogenizer using an array lens. Normally, the fiber bundle 20 uses the same fiber bundling method at the entrance and exit, so the exit intensity distribution is exactly the same as the entrance laser intensity distribution. However, in the present invention, the arrangement of the individual fibers at the entrance and exit of the fiber bundle is intentionally rearranged according to the required intensity distribution.
[0021]
By deliberately breaking the bundle of fibers on the exit side and rearranging them randomly, the intensity distribution at the entrance can be made macroscopically uniform at the exit.
[0022]
In addition, for example, when light having a Gaussian distribution type laser intensity distribution is incident, only the light taken into each fiber propagates through the fiber. The transmitted energy is weak. Therefore, if the handling of each fiber is strong, weak, strong, and so on, the waves with close beam intensities are canceled out, and a beam with good uniformity can be created. Also, if the fiber at the center at the bundle entrance is placed outside at the exit and the fiber at the outside is placed in the center, contrary to normal, the ring-shaped intensity distribution is low at the center and high at the periphery. It is also possible to obtain
[0023]
At this time, the fibers can be color-coded or numbered to facilitate rearrangement of the fibers.
[0024]
Further, the arrangement of the fibers at the exit may be folded back in accordance with one row or a required length and arranged in a plurality of rows as in the second embodiment shown in FIG. 3 to create a linear beam intensity distribution. Is possible. In the figure, 30 is a laser (oscillator) (eg excimer or solid or harmonic solid).
[0025]
Thus, even when the intensity distribution of the laser beam is linear, it can be easily uniformized by the same method as in the first embodiment. In other words, a linear beam with a high degree of uniformity of energy intensity distribution can be created by arranging fibers of strong and weak portions at the entrance alternately on a straight line at the exit.
[0026]
Next, a third embodiment of the present invention is shown in FIG. In the present embodiment, laser pulse beams from different lasers 31 and 32 are incident on a plurality of (two in the figure) fiber bundles 21 and 22 at the same time or with a predetermined time difference, respectively. The exit sides of the bundles 21 and 22 are bundled to form one system, and the fibers are arranged alternately one by one so that the intensity distribution is macroscopically uniform.
[0027]
In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the peak power A can be doubled when completely simultaneously irradiated. As shown in FIG. 6, if one of them is delayed for a predetermined time, for example, several tens of nanoseconds, a laser beam having a substantially long pulse width T (twice in the example of FIG. 6) can be produced.
[0028]
Alternatively, a plurality of (two in FIG. 4) lasers 31 and 32 can be operated alternately without operating simultaneously. That is, instead of alternately performing the pulse operation of the laser, when one laser oscillator is operated for several hours to several tens of hours and then stopped for maintenance or the like, by operating the other laser, In practice, it is possible to make the operation non-stop for a processing target such as a semiconductor substrate. Further, by oscillating a plurality of lasers alternately or sequentially, it is possible to perform substantially high repetition irradiation.
[0029]
The number of fiber bundles and the number of lasers are not limited to two.
[0030]
In the above embodiment, the fibers are rearranged so that the intensity distribution on the outlet side is uniform. However, the method of rearranging the fibers is not limited to this, and any arrangement according to the required intensity distribution on the outlet side. Can be sorted.
[0031]
Moreover, in the said embodiment, although this invention was applied to the laser annealing apparatus, the application object of this invention is not limited to this, It can apply similarly to another laser processing apparatus.
[0032]
【The invention's effect】
According to the present invention, a laser beam having an arbitrary intensity distribution can be obtained at low cost. In particular, by arranging the fibers on the exit side so that the fibers having different random or different beam intensities are uniform in the exit surface, it is possible to obtain a uniform beam intensity at a low cost in a macro view. A linear laser beam can also be easily obtained.
[0033]
According to the present invention, it is not necessary to design and manufacture a complicated optical system such as a beam homogenizer, and a free intensity distribution can be created. This is particularly effective when creating a uniform intensity distribution.
[0034]
In addition, since the transmission optical system uses a fiber, the number of parts of the mirror and lens can be greatly reduced, so that the cost can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a basic configuration of an example of a conventional fly-eye beam homogenizer. FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a configuration of the second embodiment. Fig. 4 is a front view showing the configuration of the third embodiment. Fig. 5 is a time chart showing one operation mode of the third embodiment. Fig. 6 is another operation mode of the third embodiment. Time chart shown 【Explanation of symbols】
20, 21, 22 ... (optical) fiber bundles 30, 31, 32 ... laser (oscillator)

Claims

ファイババンドルを用い、入口側と出口側のファイバの配列を異なるようにして入口側のビーム強度分布を変換し、出口側で任意の強度分布を得られるようにすることを特徴とするレーザビームの伝送方法。A fiber bundle is used to convert the beam intensity distribution on the entrance side by changing the arrangement of the fibers on the entrance side and the exit side so that an arbitrary intensity distribution can be obtained on the exit side. Transmission method.

請求項１において、出口側のビーム強度分布がマクロ的に見て均一となるように、出口側のファイバをランダム又はビーム強度が異なるファイバが出口面内で均等になるように配置することを特徴とするレーザビームの伝送方法。3. The exit side fiber according to claim 1, wherein the exit side fibers are arranged so that random or fibers having different beam intensities are uniform in the exit plane so that the exit side beam intensity distribution is uniform when viewed macroscopically. And a laser beam transmission method.

請求項２において、出口側のファイバを１列又は複数列の直線上に並べることにより、レーザビームの強度分布を線状にすることを特徴とするレーザビームの伝送方法。3. The laser beam transmission method according to claim 2, wherein the intensity distribution of the laser beam is made linear by arranging the fibers on the exit side on one or more straight lines.

請求項１乃至３のいずれかにおいて、複数系統のファイババンドルにそれぞれ別のレーザからレーザパルスビームを同時又は所定の時間差を設けて入射し、
これらの別系統のファイババンドルの出口側を束ねて１系統とし、
強度分布がマクロ的に均一となるように１本１本のファイバを並べて配置することを特徴とするレーザビームの伝送方法。In any one of Claims 1 thru | or 3, the laser pulse beam from each another laser beam injects into the fiber bundle of a several system | strain simultaneously or providing a predetermined time difference,
Bundling the exit side of these separate fiber bundles into one system,
A laser beam transmission method comprising arranging fibers one by one so that the intensity distribution is macroscopically uniform.

請求項１乃至４のいずれかにおいて、複数のレーザを同時に動作させず、交互に動作させることを特徴とするレーザの運転方法。5. The laser operating method according to claim 1, wherein a plurality of lasers are operated alternately instead of simultaneously.

ファイババンドルを用い、入口側と出口側のファイバの配列を異なるようにして入口側のビーム強度分布を変換し、出口側で任意の強度分布が得られるようにされていることを特徴とするビーム強度分布変換器。A beam characterized by using a fiber bundle and converting the beam intensity distribution on the entrance side by changing the arrangement of the fibers on the entrance side and the exit side so that an arbitrary intensity distribution can be obtained on the exit side. Intensity distribution converter.

請求項６において、出口側のビーム強度分布がマクロ的に見て均一となるように、出口側のファイバをランダム又はビーム強度が異なるファイバが出口面内で均等になるように配置されていることを特徴とするビームホモジナイザ。7. The outlet side fiber according to claim 6, wherein the outlet side fibers are arranged randomly or fibers having different beam intensities are uniform in the outlet plane so that the beam intensity distribution on the outlet side is uniform when viewed macroscopically. A beam homogenizer characterized by

請求項７において、出口側のファイバを１列又は複数列の直線上に並べることにより、レーザビームの強度分布が線状にされていることを特徴とするビームホモジナイザ。8. The beam homogenizer according to claim 7, wherein the intensity distribution of the laser beam is made linear by arranging the fibers on the exit side on one or more straight lines.

請求項６乃至８のいずれかに記載の複数系統のファイババンドルと、
各ファイババンドルにレーザパルスビームを同時又は所定の時間差を設けて入射するための複数のレーザとを備え、
別系統のファイババンドルの出口側を束ねて１系統とし、強度分布がマクロ的に均一となるように１本１本のファイバが並べて配置されていることを特徴とするレーザビームの伝送装置。A plurality of fiber bundles according to any one of claims 6 to 8,
A plurality of lasers for entering a laser pulse beam simultaneously or with a predetermined time difference to each fiber bundle;
An apparatus for transmitting a laser beam, characterized in that the exit side of another fiber bundle is bundled into one system, and each fiber is arranged side by side so that the intensity distribution is macroscopically uniform.

請求項６に記載のビーム強度分布変換器、請求項７又は８に記載のビームホモジナイザ、又は、請求項９に記載の伝送装置を備えたことを特徴とするレーザ光学系。A laser optical system comprising the beam intensity distribution converter according to claim 6, the beam homogenizer according to claim 7 or 8, or the transmission device according to claim 9.

請求項１０に記載のレーザ光学系を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。A laser processing apparatus comprising the laser optical system according to claim 10.