JP2004251979A - Beam intensity conversion method and device - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To simply form required energy intensity distribution without changing each fiber position in a bundle fiber. <P>SOLUTION: An incident beam to the bundle fiber 20 is preliminarily divided using a micro mirror device 40 and made incident to a prescribed fiber. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビーム強度変換方法及び装置に係り、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で、バンドルファイバを用いてビーム強度を変換する際に用いるのに好適な、バンドルファイバの各ファイバの配置を変えることなく、要求されるエネルギ強度分布の成形を簡単に行なうことが可能なビーム強度変換方法及び装置、レーザ光学系及びレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術分野】
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
【特許文献２】
特開平７−３０６３６８号公報
【特許文献３】
特開平５−２６８５５７号公報
【特許文献４】
特開平８−１４６９１１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】
このような問題点を解決するべく、図２に示す如く、バンドルファイバ２０でビームを分割し、該バンドルファイバ２０の各ファイバを例えばランダムに配置して照射することが考えられる。例えばガウス分布のビームをバンドルファイバへ入射すると、各ファイバに取り込まれた光のみがファイバを伝播する。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ファイバはエネルギが弱い。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。
【０００７】
しかしながら、バンドルファイバ２０を出射したビーム強度を例えば均一化するために、直径約１００μｍのファイバを数百から数万本、正確に並べ替えるのは容易でないという問題点を有していた。
【０００８】
更に、図３に示す如く、レーザビームをレンズ３０を介して、直接、バンドルファイバ２０に入射した場合、図４に横断面を示す如く、バンドルファイバの結合（溶融）部分２１に入射されたビームは伝達されないという問題点もあった。バンドルファイバの伝達効率は７０〜８０％程度であるため、２０〜３０％は伝達ロスとなる。
【０００９】
なお、特許文献２、特許文献３、特許文献４には、図５に示す如く、コントローラ４４より角度制御可能な微小（マイクロ）ミラー４１が２次元的に多数備えられたデジタルマイクロミラーデバイス４０が記載されているが、いずれも、バンドルファイバとの組合せについては、全く記載されておらず、示唆すらされていなかった。
【００１０】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、バンドルファイバの各ファイバの位置を変えることなく、要求されるエネルギ強度分布の成形を簡単に行なうことを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、バンドルファイバを用いてビーム強度を変換する際に、前記バンドルファイバに入射するビームを、マイクロミラーデバイスを用いて予め分割し、所定のファイバに入射するようにして、前記課題を解決したものである。
【００１２】
又、前記マイクロミラーデバイスの各マイクロミラーの角度を変えることにより、出射ビームの強度分布を変えるようにして、任意の強度分布が迅速且つ容易に得られるようにしたものである。
【００１３】
又、ビーム強度を変換するためのバンドルファイバと、該バンドルファイバに入射するビームを予め分割して、所定のファイバに入射させるためのマイクロミラーデバイスと、を備えたことを特徴とするビーム強度変換装置を提供するものである。
【００１４】
更に、前記マイクロミラーデバイスの各マイクロミラーの角度を変える手段を備えたものである。
【００１５】
本発明は、又、前記のビーム強度変換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。
【００１６】
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。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、ビームホモジナイザに適用した本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１８】
本発明の第１実施形態は、図６に示す如く、バンドルファイバ２０に入射するビームをマイクロミラーデバイス４０で分割し、各ビームが狙いのファイバへ入射するように、各マイクロミラー４１の角度を調整するようにしたものである。図において、４６は、マイクロミラー４１で反射されたビームの各ファイバへの入射を確実とするための集束レンズである。
【００１９】
このように、デジタルマイクロミラーデバイス４０を使用すれば、各ミラー４１の角度調整を電気信号で行なうため、出射ビームの均一性の調整も簡単に行なえる。又、使用途中での強度分布の変更も迅速且つ容易に行なえる。
【００２０】
以下作用を説明する。図６に示したように、ビームを各ファイバに入射されるように調整されたマイクロミラー４１に照射する。反射したビームは各マイクロミラー４１で分割され、各ファイバへ入射される。マイクロミラー４１の角度を変えることで、ビームを入射するファイバのパスを変更し、出射ビームの強度分布を迅速且つ簡単に変えることができる。
【００２１】
この際、ビームを分けて各々のファイバに入射するので、図３、図４に示した如く、ビームを直接バンドルファイバに入射する場合のような伝達ロスも無い。
【００２２】
本実施形態では、集束レンズ４６を用いているので、マイクロミラーデバイス４０で反射されたビームを、対応する各ファイバに確実に入射できる。なお、図７に示す第２実施形態のように、集束レンズ４６をデジタルマイクロミラーデバイス４０の入側に配設したり、ファイバのサイズが大きい場合や、何本かにまとめて入射する場合は、集束レンズ４６を省略することもできる。
【００２３】
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していたが、ファイバへの入射位置を変更す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マイクロミラー４１の角度を制御して、任意のファイバに入射することが可能である。
【００２４】
又、前記実施形態において、本発明が、レーザアニール装置のビームホモジナイザ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のビーム強度制御器にも同様に適用できることは明らかである。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、マイクロミラーデバイスの各マイクロミラーの角度を調整するだけで、任意のエネルギ強度分布を得ることができ、特にエネルギ強度分布を均一化したい場合に有効である。この際、各ファイバの取り回しを変えることなく、各ミラー角度の変更で、迅速に且つ簡単、自在にエネルギ強度分布を変えることができる。
【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】本発明の比較例の構成を示す斜視図
【図３】レーザビームを直接バンドルファイバに入射する場合の問題点を説明するための断面図
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う横断面図
【図５】本発明で用いたマイクロミラーデバイスの構成を示す斜視図
【図６】本発明の第１実施形態の構成を示す断面図
【図７】本発明の第２実施形態の要部構成を示す断面図
【符号の説明】
２０…バンドルファイバ
４０…マイクロミラーデバイス
４１…マイクロミラー
４４…コントローラ
４６…集束レンズ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a beam intensity conversion method and apparatus, and more particularly to a laser processing apparatus such as a laser annealing apparatus for crystallizing an amorphous layer on a glass substrate, which is used when converting beam intensity using a bundle fiber. The present invention relates to a beam intensity conversion method and apparatus, a laser optical system, and a laser processing apparatus that can easily form a required energy intensity distribution without changing the arrangement of each fiber of a bundle fiber.
[0002]
[Prior art field]
In a laser processing apparatus, particularly a laser annealing apparatus, it is desirable to irradiate a processing object such as a semiconductor substrate with a laser beam having an intensity distribution as uniform as possible.
[0003]
Therefore, 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]
JP 2002-244078 A [Patent Document 2]
JP-A-7-306368 [Patent Document 3]
JP-A-5-268557 [Patent Document 4]
JP-A-8-146911
[Problems to be solved by the invention]
However, a conventional beam homogenizer 10 called a fly-eye system in which a number of small lenses are arranged has a flat surface on one side and a plurality of convex portions arranged on the other surface as shown in FIG. 1, for example. It is formed by the array lenses 11 and 12, and has a problem that complicated optical design calculations, expensive optical components, precise production and assembly adjustment are required.
[0006]
In order to solve such a problem, as shown in FIG. 2, it is conceivable to split the beam with the bundle fiber 20 and irradiate the fibers of the bundle fiber 20 by arranging them randomly, for example. For example, when a beam having a Gaussian distribution is incident on a bundle fiber, only light captured by each fiber propagates through the fiber. Naturally, the fiber that propagates the beam at the center has high energy, and the fiber that propagates the beam at the end has low energy. Therefore, if the routing of each fiber is set to be strong, weak,..., Waves of adjacent beam intensities are cancelled, and a beam with good uniformity can be produced.
[0007]
However, there is a problem that it is not easy to accurately rearrange hundreds to tens of thousands of fibers having a diameter of about 100 μm in order to make the beam intensity emitted from the bundle fiber 20 uniform, for example.
[0008]
Further, as shown in FIG. 3, when the laser beam is directly incident on the bundle fiber 20 via the lens 30, as shown in the cross section in FIG. Was not transmitted. Since the transmission efficiency of the bundle fiber is about 70 to 80%, the transmission loss is 20 to 30%.
[0009]
Patent Documents 2, 3, and 4 disclose a digital micromirror device 40 having a large number of two-dimensional micromirrors 41 that can be angle-controlled by a controller 44, as shown in FIG. Although they are described, none of them described a combination with a bundle fiber at all, and was not even suggested.
[0010]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and has as its object to easily form a required energy intensity distribution without changing the position of each fiber of a bundle fiber.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention solves the above problem by converting a beam incident on the bundle fiber into a predetermined fiber using a micromirror device and converting the beam into a predetermined fiber when converting the beam intensity using the bundle fiber. It was done.
[0012]
Further, by changing the angle of each micromirror of the micromirror device, the intensity distribution of the output beam is changed, so that an arbitrary intensity distribution can be obtained quickly and easily.
[0013]
A beam intensity converter comprising: a bundle fiber for converting a beam intensity; and a micromirror device for splitting a beam incident on the bundle fiber in advance and causing the beam to enter a predetermined fiber. An apparatus is provided.
[0014]
Further, there is provided means for changing the angle of each micro mirror of the micro mirror device.
[0015]
The present invention also provides a laser optical system including the above-mentioned beam intensity converter.
[0016]
Another object of the present invention is to provide a laser processing apparatus comprising the above laser optical system.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention applied to a beam homogenizer will be described in detail with reference to the drawings.
[0018]
In the first embodiment of the present invention, as shown in FIG. 6, the beam incident on the bundle fiber 20 is split by the micromirror device 40, and the angle of each micromirror 41 is adjusted so that each beam is incident on the target fiber. It is intended to be adjusted. In the drawing, reference numeral 46 denotes a converging lens for ensuring that the beam reflected by the micromirror 41 enters each fiber.
[0019]
As described above, if the digital micromirror device 40 is used, the angle of each mirror 41 is adjusted by an electric signal, so that the uniformity of the output beam can be easily adjusted. Also, the intensity distribution can be changed quickly and easily during use.
[0020]
The operation will be described below. As shown in FIG. 6, the beam is irradiated on the micro mirror 41 adjusted so as to be incident on each fiber. The reflected beam is split by each micromirror 41 and is incident on each fiber. By changing the angle of the micromirror 41, the path of the fiber into which the beam is incident can be changed, and the intensity distribution of the output beam can be changed quickly and easily.
[0021]
At this time, since the beam is divided and incident on each fiber, there is no transmission loss as in the case where the beam is directly incident on the bundle fiber as shown in FIGS.
[0022]
In the present embodiment, since the focusing lens 46 is used, the beam reflected by the micromirror device 40 can be surely incident on each corresponding fiber. Note that, as in the second embodiment shown in FIG. 7, the focusing lens 46 is disposed on the input side of the digital micromirror device 40, when the size of the fiber is large, or when several fibers are collectively incident. Alternatively, the focusing lens 46 can be omitted.
[0023]
In the above embodiment, the intensity distribution on the exit side is made uniform. However, the method of changing the incident position on the fiber is not limited to this, and the micromirror 41 may be changed according to the intensity distribution required on the exit side. Can be incident on an arbitrary fiber by controlling the angle.
[0024]
Further, in the above-described embodiment, the present invention is applied to the beam homogenizer of the laser annealing apparatus. However, the application object of the present invention is not limited to this, and the same applies to the beam intensity controller of another laser processing apparatus. Clearly applicable.
[0025]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, arbitrary energy intensity distributions can be obtained only by adjusting the angle of each micromirror of a micromirror device, and it is effective especially when it is desired to make an energy intensity distribution uniform. At this time, the energy intensity distribution can be changed quickly, easily, and freely by changing each mirror angle without changing the routing of each fiber.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a basic configuration of an example of a conventional fly-eye type beam homogenizer. FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of a comparative example of the present invention. FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV in FIG. 3; FIG. 5 is a perspective view showing a configuration of a micromirror device used in the present invention. FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a first embodiment of the present invention. FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a main part configuration of a second embodiment of the present invention.
20 bundle fiber 40 micromirror device 41 micromirror 44 controller 46 focusing lens

Claims (6)

バンドルファイバを用いてビーム強度を変換する際に、
前記バンドルファイバに入射するビームを、マイクロミラーデバイスを用いて予め分割し、所定のファイバに入射することを特徴とするビーム強度変換方法。When converting beam intensity using bundle fiber,
A beam intensity conversion method characterized in that a beam incident on the bundle fiber is split in advance using a micromirror device and is incident on a predetermined fiber. 請求項１において、前記マイクロミラーデバイスの各マイクロミラーの角度を変えることにより、出射ビームの強度分布を変えることを特徴とするビーム強度変換方法。2. The beam intensity conversion method according to claim 1, wherein an intensity distribution of the output beam is changed by changing an angle of each micromirror of the micromirror device. ビーム強度を変換するためのバンドルファイバと、
該バンドルファイバに入射するビームを予め分割して、所定のファイバに入射させるためのマイクロミラーデバイスと、
を備えたことを特徴とするビーム強度変換装置。A bundle fiber for converting beam intensity,
A micromirror device for splitting a beam incident on the bundle fiber in advance and causing the beam to enter a predetermined fiber,
A beam intensity conversion device comprising: 請求項３において、更に、前記マイクロミラーデバイスの各マイクロミラーの角度を変える手段を備えたことを特徴とするビーム強度変換装置。4. The beam intensity converter according to claim 3, further comprising means for changing an angle of each micro mirror of the micro mirror device. 請求項３又は４に記載のビーム強度変換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 converter according to claim 3. 請求項５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 5.

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