JP2008300601A - Laser beam irradiating device, laser control method, manufacturing method of thin film transistor, and manufacturing method of display device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ光源として半導体レーザを用いたレーザ光照射装置、レーザ制御方法、薄膜トランジスタの製造方法、及び表示装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a laser beam irradiation apparatus using a semiconductor laser as a laser light source, a laser control method, a thin film transistor manufacturing method, and a display device manufacturing method.
近年、半導体レーザ(LD)は、その出力が向上して1チップで数Wの出力が得られるようになったため、小型の形状を生かしてガスレーザや固体レーザの代替品として医療や産業の加工用途に使用され始めている。半導体レーザはガスレーザと異なりプラズマ放電を使って発振するものではない。このため、半導体レーザは発光強度(光出力)が安定しており、また固体レーザのように光源内部に複雑な光学系を必要としないため、振動や回転に比較的強く小型であるという利点がある。したがって、半導体レーザを加工ヘッドに直接搭載することで多ヘッド化や装置の小型化を実現することが可能である。また、半導体レーザは小型であることから光ディスクへの書き込みが可能なピックアップへの応用がなされ、また、その発光強度安定性や波長安定性から高速通信用途にも必須の光源となっている。 In recent years, the output of semiconductor lasers (LDs) has improved, and several watts of output can be obtained on a single chip. Therefore, medical and industrial processing applications can be used as substitutes for gas lasers and solid-state lasers by taking advantage of their compact shape. Has begun to be used. Unlike gas lasers, semiconductor lasers do not oscillate using plasma discharge. For this reason, the semiconductor laser has a stable emission intensity (light output) and does not require a complicated optical system inside the light source unlike a solid-state laser. is there. Therefore, by directly mounting the semiconductor laser on the processing head, it is possible to realize a large number of heads and downsizing of the apparatus. In addition, since the semiconductor laser is small, it is applied to a pickup capable of writing on an optical disk, and is also an indispensable light source for high-speed communication because of its emission intensity stability and wavelength stability.
加工技術においては、例えばレーザ溶接や切断では加工品質向上のために、ビーム形状の安定性はもとより、1%以下の照射光強度の時間的ばらつきが求められる。特に、照射領域が狭い微細加工になるほど、更なる光強度安定性が必要になってくる。これは主に熱的加工に見られる特徴であって、加工領域の大きさが体積の次元であるのに対して放熱効果が面積の次元であるために、加工領域が狭くなるほど照射エネルギーに対して加工に寄与するエネルギーの割合が減少していくことに起因する。このことにより、高出力且つ、0.5%以下の発光強度安定性を実現する技術が求められる。 In the processing technique, for example, in laser welding and cutting, in order to improve the processing quality, not only the stability of the beam shape but also the temporal variation of the irradiation light intensity of 1% or less is required. In particular, as the irradiation region becomes narrower and finer, further light intensity stability becomes necessary. This is a characteristic mainly seen in thermal processing. Since the size of the processing area is the volume dimension, the heat dissipation effect is the area dimension. This is because the ratio of energy contributing to processing decreases. Accordingly, a technique for realizing high output and stability of emission intensity of 0.5% or less is required.
半導体レーザは、その両電極間に流れた電流値によって発光強度が制御される素子である。このため、半導体レーザの発光強度は、図15に示すように、発振閾値電流Ith以上ではほぼ直線的な挙動を示す。図示した半導体レーザの駆動電流(注入電流)と発光強度(光出力)の関係をI−L(Injection Current-Light output)特性と呼ぶ。 A semiconductor laser is an element whose emission intensity is controlled by the value of current flowing between both electrodes. For this reason, as shown in FIG. 15, the emission intensity of the semiconductor laser behaves substantially linearly above the oscillation threshold current Ith. The relationship between the driving current (injection current) and the emission intensity (light output) of the semiconductor laser shown in the drawing is called IL (Injection Current-Light output) characteristics.
半導体レーザ自身の温度が変化すると、図16に示すように、発振閾値電流とスロープ効率(駆動電流値に対する発光強度の変化率)が変化するため、半導体レーザに一定の駆動電流を与えていても発光強度は一定にならない。図16において、Tl,Tm,Thは、それぞれ半導体レーザの温度を示し、Tl<Tm<Thの関係にある。 When the temperature of the semiconductor laser itself changes, as shown in FIG. 16, the oscillation threshold current and the slope efficiency (the rate of change of the emission intensity with respect to the drive current value) change, so even if a constant drive current is applied to the semiconductor laser. The emission intensity is not constant. In FIG. 16, Tl, Tm, and Th indicate the temperature of the semiconductor laser, respectively, and have a relationship of Tl <Tm <Th.
半導体レーザの用途が光ディスクの場合は数mW〜数10mW、通信の場合は数10mW〜数100mW、加工機の場合は数100mW〜数Wの出力を持つ半導体レーザを用い、更に大型の加工機では複数の半導体レーザを結合させた数10W〜数kWの光源を用いるのが一般的である。いずれの場合も、半導体レーザの発光強度を高精度に制御することが重要であり、そのために様々な提案がなされている。 If the application of the semiconductor laser is an optical disk, it uses several mW to several tens of mW, communication uses several tens of mW to several hundred mW, and in the case of a processing machine, a semiconductor laser having an output of several hundred mW to several W is used. It is common to use a light source of several tens of watts to several kW combined with a plurality of semiconductor lasers. In any case, it is important to control the emission intensity of the semiconductor laser with high accuracy, and various proposals have been made for this purpose.
例えば、特許文献1においては、予め2種類以上の温度環境下の発振閾値電流とスロープ効率を測定しておき、装置はそれらの値から、内部に保有している経験式のフィッティングを行なって、あらゆる温度での発振閾値電流とスロープ効率を算出できるようにしている。更に装置は半導体レーザの温度を測定しており、その温度に応じて発振閾値とスロープ効率を算出して安定した発振が行えるようになっている。これにより、半導体レーザの温度の影響を受けずに外部の交流信号に対応した強度で半導体レーザは発光する。ただし、この方法では半導体レーザの劣化によるスロープ効率の低下を頻繁には補償できないことや、数式の誤差など種々の要因で常時高精度の発光強度制御を行なうことができない。 For example, in Patent Document 1, the oscillation threshold current and slope efficiency under two or more types of temperature environments are measured in advance, and the apparatus performs fitting of the empirical formula held internally from those values, The oscillation threshold current and slope efficiency at any temperature can be calculated. Further, the apparatus measures the temperature of the semiconductor laser, and calculates the oscillation threshold value and the slope efficiency according to the temperature so that stable oscillation can be performed. As a result, the semiconductor laser emits light with an intensity corresponding to the external AC signal without being affected by the temperature of the semiconductor laser. However, this method cannot frequently compensate for the decrease in slope efficiency due to the deterioration of the semiconductor laser, and cannot always perform highly accurate emission intensity control due to various factors such as mathematical errors.
それを解決する手段の一つとして、例えば、フォトディテクタにて直接発光強度を観察して得た信号を駆動回路にフィードバックさせて半導体レーザの駆動電流を調整するAPC(Automatic Power Control)という方法が知られている。 As one means for solving this problem, for example, there is known a method called APC (Automatic Power Control) in which a signal obtained by directly observing emission intensity with a photodetector is fed back to a drive circuit to adjust the drive current of the semiconductor laser. It has been.
APCには大別して2種類の発光強度測定方法がある。第1の方法は、半導体レーザの後側端面からの発光を直接又は間接的にフォトディテクタで測定するものである。第2の方法は、半導体レーザの前側端面からの光の一部を光学系から取り出してフォトディテクタで測定するものである。第1の方法は、発光を直接測定するとフォトディテクタからの反射光が半導体レーザへの戻り光となって発振が安定せず、制御が困難になる場合がある。また、第1の方法では、光学系における光の透過率の経時変化などは考慮されないため、特に発光強度の強い半導体レーザには適さない。より高精度の、発光強度安定性が0.5%程度のAPCを行なうためには、第2の方法を選択するのがよい。 APC can be broadly divided into two types of light intensity measurement methods. The first method is to measure light emitted from the rear end face of the semiconductor laser directly or indirectly with a photodetector. In the second method, a part of light from the front end face of the semiconductor laser is taken out from the optical system and measured by a photodetector. In the first method, when light emission is directly measured, reflected light from the photodetector becomes return light to the semiconductor laser, oscillation may not be stable, and control may be difficult. Further, the first method is not suitable for a semiconductor laser having a particularly high emission intensity because it does not take into account a change in light transmittance with time in the optical system. In order to perform APC with higher accuracy and emission intensity stability of about 0.5%, the second method is preferably selected.
ただし、上記第2の方法のように、光学系から光の一部を取り出す場合でも、半導体レーザを発振させて立ち上げた直後には図17に示すように発光強度が安定しない。また、半導体レーザの発光強度が安定するまでに、1.5〜2%ほどのばらつきが生じる。ここで、800nm近傍の発光波長を持つ半導体レーザを用いた光学系の例を図18に示す。図示した光学系は、半導体レーザ401、レンズ402,404,406、ビームサンプラ403、フォトディテクタ405を用いて構成されている。この光学系においては、ビームサンプラ403の反射率を小さくすると、ビームサンプラ403を透過するレーザ光の量が増える。このため、ビームサンプラ403の反射率をできるだけ小さくした方が、実効的に使用できるレーザ光のエネルギーが大きくなる。図19に透過率99%を保証したビームサンプラの透過率の分光特性例を示す。上記の光学系の場合は、ビームサンプラ403の透過率が99%となると、フォトディテクタ405から見ると、ビームサンプラ403での反射率が約1%ということになる。図20にフォトディテクタの受光感度の分光特性例を示す。
However, even when part of the light is extracted from the optical system as in the second method, the emission intensity is not stable as shown in FIG. 17 immediately after the semiconductor laser is oscillated and started up. Further, a variation of about 1.5 to 2% occurs until the emission intensity of the semiconductor laser is stabilized. Here, FIG. 18 shows an example of an optical system using a semiconductor laser having an emission wavelength near 800 nm. The illustrated optical system includes a
半導体レーザの温度を一定に維持するために、半導体レーザに熱的に結合させたペルチェ素子などを用いて温調(温度調整)のサーボ制御を行なっても、数Wの出力を持つ半導体レーザを発振させた直後は、レーザ自身の温度が4℃程度上昇する。これは温調のサーボが急な発熱量増加に追いつかないために生じる現象である。一般的な赤外半導体レーザの場合は、温度変化に対する発振波長が0.2〜0.4nm/℃程度の変化率である。このため、数Wの出力を持つ半導体レーザを発振させた直後は、レーザ自身の温度が4℃程度上昇することで、その発振波長が0.8〜1.6nm程度変化することになる。半導体レーザは自身の温度によって発振波長が変化し、波長は温度が高くなるほど長くなる。 In order to keep the temperature of the semiconductor laser constant, a semiconductor laser having an output of several watts even if temperature control (temperature adjustment) servo control is performed using a Peltier element thermally coupled to the semiconductor laser. Immediately after oscillation, the temperature of the laser itself rises by about 4 ° C. This is a phenomenon that occurs because the temperature-controlled servo cannot keep up with the sudden increase in heat generation. In the case of a general infrared semiconductor laser, the oscillation wavelength with respect to a temperature change has a rate of change of about 0.2 to 0.4 nm / ° C. For this reason, immediately after oscillating a semiconductor laser having an output of several watts, the temperature of the laser itself rises by about 4 ° C., so that the oscillation wavelength changes by about 0.8 to 1.6 nm. The oscillation wavelength of a semiconductor laser changes depending on its own temperature, and the wavelength becomes longer as the temperature increases.
上記図19に示すビームサンプラの透過率分光特性によれば、使用波長域でほぼ一定の透過率ではあるが、上記波長変化によって透過率が例えば99.20%から99.21%に変わった場合、反射光は0.80%から0.79%に変化することになる。これは同一の発光強度でも波長が変化することで、反射光にとって1.25%の強度変化をもたらすことを意味する。一方、上記図20に示すフォトディテクタの受光感度分光特性によれば、上記波長変化ではフォトディテクタの信号強度が0.1%変化するが、ビームサンプラの反射率変化に比べると小さいものである。 According to the transmittance spectral characteristics of the beam sampler shown in FIG. 19, the transmittance is almost constant in the wavelength range used, but the transmittance is changed from 99.20% to 99.21%, for example, due to the wavelength change. The reflected light changes from 0.80% to 0.79%. This means that the wavelength changes even with the same emission intensity, resulting in an intensity change of 1.25% for the reflected light. On the other hand, according to the light-receiving sensitivity spectral characteristic of the photodetector shown in FIG. 20, the signal intensity of the photodetector changes by 0.1% with the change in wavelength, but is smaller than the change in reflectance of the beam sampler.
この不安定性を回避するために、光学系中のビームサンプラ以降にシャッタを設けて半導体レーザをAPCで常に発光させて温調しておき、光照射をしたいときのみシャッタを開放する手法が考えられる。しかし、シャッタが光を吸収するものであると、光源となる半導体レーザの出力が数Wと高出力であるために、シャッタが閉じている間に過熱してしまい、シャッタが破損する恐れがある。 In order to avoid this instability, a method is considered in which a shutter is provided after the beam sampler in the optical system so that the temperature of the semiconductor laser is always emitted by APC and the shutter is opened only when light irradiation is desired. . However, if the shutter absorbs light, the output of the semiconductor laser serving as the light source is as high as several watts, so it may overheat while the shutter is closed, possibly damaging the shutter. .
また、シャッタが光を反射するものである場合は、半導体レーザへの戻り光や光学系の加熱を防止するため、例えば図21に示すような構成をとる必要がある。図21においては、アーム708に支持されたミラー707がシャッタの役割を果たす。ディフューザ710はミラー707で反射された光を吸収するものである。ミラー707は、ビームサンプラ403からレンズ406に至る光路の途中に設けられている。ミラー707は、モータ709の駆動にしたがって上記光路に進出した位置と、上記光路から退避した位置の間で移動するものである。このため、ミラー707が光路から退避した状態では、ビームサンプラ403を透過した光がレンズ406に入射し、ミラー707が光路に進出した状態では、ビームサンプラ403を透過した光がミラー707で全反射してディフューザ710に入射する。
Further, when the shutter reflects light, it is necessary to adopt a configuration as shown in FIG. 21, for example, in order to prevent return light to the semiconductor laser and heating of the optical system. In FIG. 21, the
かかる構成の光学系を採用した場合は、光学系筐体が肥大化してしまう。シャッタが電動の場合は、モータ部の発熱を考慮すると光学系筐体の更なる肥大化に繋がる。特に加工装置の場合は、そのスループット向上のために複数の光学系を搭載する。このため、光学系筐体が肥大化してしまうとスループット向上の妨げとなる。更に、シャッタはその開閉振動によって光照射位置精度の低下を招くだけでなく、半導体レーザを常に発振させるために寿命が不必要に短くなってしまうという問題もある。 When the optical system having such a configuration is employed, the optical system casing is enlarged. In the case where the shutter is electrically driven, the heat generation of the motor unit is taken into consideration, which leads to further enlargement of the optical system casing. Particularly in the case of a processing apparatus, a plurality of optical systems are mounted in order to improve the throughput. For this reason, if the optical system casing becomes enlarged, it hinders throughput improvement. Further, the shutter not only causes the light irradiation position accuracy to be lowered due to the opening and closing vibration, but also has a problem that the life is unnecessarily shortened because the semiconductor laser is always oscillated.
こうした事情から、半導体レーザを発振させて立ち上げた直後に発光強度を安定させる必要がある。そこで、例えば特許文献2では、半導体レーザの温調が安定しなくても、その発振波長が安定する方法を示している。これは温度ごとに波長維持のための最適駆動電流値を数式やテーブルの形で記憶しておき、温度に応じて駆動電流値を変化させるものである。このため、発光強度の安定化には繋がるものではない。また、特許文献3では、ビームサンプラで取り出した光を、波長シフト域内で反射率が大きく変動するバンドパスフィルタに通してその透過光と反射光の強度比から波長を間接的に測定する手法を示している。しかし、この手法を利用した場合には装置がビームサンプラとフォトディテクタの分光特性を正確に記憶しておく必要があり、これらを実測して装置に入力するという非現実的な作業が必要となってしまう。
For these reasons, it is necessary to stabilize the emission intensity immediately after the semiconductor laser is oscillated and started up. Thus, for example,
また、特許文献4には、半導体レーザを発振させて立ち上げた直後に発光強度を安定させる手法として、半導体レーザの停止中に半導体レーザの駆動中に発生する熱量とほぼ同じ熱量をヒータで加えておき、半導体レーザの駆動開始と同時にヒータによる加熱を停止させるという手法が示されている。
In
しかしながら、特許文献4に記載の手法は、半導体レーザの自然空冷による放熱が追いつかない場合、特に高出力の半導体レーザの場合は、ヒータによって与えられる熱量の影響で半導体レーザの温度が許容範囲をすぐに超えてしまい、半導体レーザが破損する恐れがある。また、発振開始から1秒後に安定するということから、シャッタが必要になるという問題もある。また、特許文献4には、半導体レーザの停止中に発振閾値電流程度の駆動電流を半導体レーザに流しておくことも示されている。これは高出力の半導体レーザを冷却して一定温度に保つ制御を行なっている場合でも効果が得られる手法であるが、それでも1.0%程度の照射光強度ばらつきが生じてしまう。
However, the technique described in
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、半導体レーザを駆動して発振させる場合に、半導体レーザの立ち上がり直後から安定した発光強度が得られるような仕組みを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and the object of the present invention is to provide a mechanism capable of obtaining stable emission intensity immediately after the semiconductor laser rises when the semiconductor laser is driven to oscillate. The purpose is to provide.
本発明に係るレーザ光照射装置は、被照射物に照射されるレーザ光を出射する半導体レーザと、半導体レーザに熱的に結合された温度可変素子と、半導体レーザの温度が目標温度となるように温度可変素子の駆動を制御するレーザ温度制御手段とを備え、レーザ温度制御手段は、半導体レーザを発振させるための駆動期間において、半導体レーザの駆動を開始してから所定時間が経過するまでの間は温度可変素子を用いたフィードフォワード制御によって半導体レーザの温度を制御し、所定時間が経過した後は温度可変素子を用いたサーボ制御によって半導体レーザの温度を制御することを特徴とするものである。 The laser beam irradiation apparatus according to the present invention includes a semiconductor laser that emits a laser beam irradiated to an irradiation object, a temperature variable element that is thermally coupled to the semiconductor laser, and a temperature of the semiconductor laser that is a target temperature. And a laser temperature control means for controlling the drive of the temperature variable element. The laser temperature control means is a drive period for oscillating the semiconductor laser until a predetermined time elapses after the semiconductor laser drive is started. The temperature of the semiconductor laser is controlled by feedforward control using a temperature variable element, and the temperature of the semiconductor laser is controlled by servo control using the temperature variable element after a predetermined time has elapsed. is there.
本発明に係るレーザ制御方法は、半導体レーザを発振させるための駆動期間において、半導体レーザの駆動を開始してから所定時間が経過するまでの間はフィードフォワード制御によって半導体レーザの温度を制御し、所定時間が経過した後はサーボ制御によって半導体レーザの温度を制御することを特徴とするものである。 The laser control method according to the present invention controls the temperature of the semiconductor laser by feedforward control during a driving period for oscillating the semiconductor laser until a predetermined time elapses after the driving of the semiconductor laser is started. After the predetermined time has elapsed, the temperature of the semiconductor laser is controlled by servo control.
本発明に係るレーザ光照射装置及びレーザ制御方法においては、半導体レーザの駆動期間において、半導体レーザの駆動開始から所定時間が経過するまでの間、フィードフォワード制御によって半導体レーザの温度を制御することにより、所定時間が経過した時点で半導体レーザの温度が目標温度に近づくようになる。このため、所定時間が経過した段階でフィードフォワード制御からサーボ制御に切り替えることにより、半導体レーザの温度を目標温度に素早く引き込むことが可能となる。 In the laser beam irradiation apparatus and the laser control method according to the present invention, in the semiconductor laser drive period, the temperature of the semiconductor laser is controlled by feedforward control until a predetermined time elapses from the start of driving of the semiconductor laser. When the predetermined time elapses, the temperature of the semiconductor laser approaches the target temperature. For this reason, it is possible to quickly pull the temperature of the semiconductor laser to the target temperature by switching from the feedforward control to the servo control when the predetermined time has elapsed.
本発明によれば、半導体レーザを発振させる場合に、フィードフォワード制御とサーボ制御の組み合わせによって半導体レーザの温度を制御することにより、従来のようにサーボ制御だけで半導体レーザの温調を行なう場合に比較して、立ち上がり直後の発光強度のばらつきを低減することができるとともに、半導体レーザの駆動を開始してから発光強度が安定するまでの時間を短縮することができる。この結果、シャッタが不要となり光学系の小型化や振動低減効果、更には半導体レーザの寿命を延ばす効果が得られる。よって、小型・低メンテナンス頻度・高スループット・高精度のレーザ光照射装置を実現することが可能となる。 According to the present invention, when a semiconductor laser is oscillated, the temperature of the semiconductor laser is controlled only by servo control as in the prior art by controlling the temperature of the semiconductor laser by a combination of feedforward control and servo control. In comparison, it is possible to reduce the variation in the emission intensity immediately after the start-up, and to shorten the time from the start of driving the semiconductor laser to the stabilization of the emission intensity. As a result, the shutter is not required, and the optical system can be reduced in size and vibration can be reduced, and the life of the semiconductor laser can be extended. Therefore, it is possible to realize a compact, low maintenance frequency, high throughput, and highly accurate laser light irradiation apparatus.
以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<レーザ光照射装置の構成>
図1は本発明の実施形態に係るレーザ光照射装置の構成例を示す概略図である。図示したレーザ光照射装置は、システム制御回路1401と、表示器1402と、入力デバイス1403と、ペルチェ駆動回路1404と、APC(Automatic Power Control)制御回路1405と、光学系とを備えた構成となっている。
<Configuration of laser light irradiation device>
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of a laser beam irradiation apparatus according to an embodiment of the present invention. The illustrated laser beam irradiation apparatus includes a system control circuit 1401, a display device 1402, an input device 1403, a
システム制御回路1401は、表示すべき情報を表示器1402に与えるとともに、入力デバイス1403から入力される情報を受け付けるものである。また、システム制御回路1401は、ペルチェ駆動回路1404を介してペルチェ素子1407の駆動を制御するとともに、APC制御回路1405を介して半導体レーザ1408の駆動を制御するものである。
The system control circuit 1401 gives information to be displayed to the display device 1402 and receives information input from the input device 1403. The system control circuit 1401 controls driving of the
表示器1402は、レーザ光照射装置を使用する使用者に対し、必要に応じて種々の情報を表示するものである。表示器1402は、例えば、CRT、液晶ディスプレイ等によって構成される。 The display device 1402 displays various information as necessary to the user who uses the laser beam irradiation apparatus. The display device 1402 is configured by, for example, a CRT, a liquid crystal display, or the like.
入力デバイス1403は、レーザ光照射装置を使用する使用者が必要に応じて種々の情報を入力する際に用いるものである。入力デバイス1403は、例えば、操作パネル、キーボード等を用いて構成される。 The input device 1403 is used when a user who uses the laser beam irradiation apparatus inputs various information as necessary. The input device 1403 is configured using, for example, an operation panel and a keyboard.
光学系は、半導体レーザユニット1406と、コリメートレンズ1409と、ビームサンプラ1410と、集光レンズ1411と、フォトディテクタ1412と、対物レンズ1413とを用いて構成されている。この光学系において、対物レンズ1413を透過するレーザ光の強度とフォトディテクタ1412の出力信号強度は、半導体レーザ1408の発振するレーザ光の波長が一定である限り正比例する。
The optical system includes a
半導体レーザユニット1406は、ペルチェ素子1407と半導体レーザ1408を有するものである。半導体レーザユニット1406は、例えば6Wの光出力を有する半導体レーザ1408を用いて構成されている。半導体レーザユニット1406の内部には、温度検知手段となるサーミスタ(不図示)が内蔵されている。サーミスタは、半導体レーザユニット1406内で半導体レーザ1408の温度を検知(測定)するために設けられたものである。サーミスタの抵抗値は、半導体レーザ1408の温度に応じて変化する。このため、サーミスタの抵抗値を読み取ることで、半導体レーザ1408の温度を検知することが可能となっている。
The
ペルチェ素子1407は、半導体レーザ1408の温調を行なうための温度可変素子として設けられたものである。ペルチェ素子1407は、半導体レーザ1408と熱的に結合した状態で半導体レーザユニット1406内に設けられている。ここで記述する「熱的に結合」とは、ペルチェ素子1407と半導体レーザ1408との間でスムーズに熱の移動が可能な状態での結合をいう。具体的には、ペルチェ素子1407と半導体レーザ1408を面的に接触させた状態をいう。ペルチェ素子1407は温度を可変するときの応答性が高いため、温度可変素子としてペルチェ素子1407を用いることで、半導体レーザ1408の温度を精度良く制御することができる。
The
半導体レーザ1408は、チップ状に形成されたレーザ素子であって、レーザ発振によってレーザ光を出射するものである。コリメートレンズ1409は、半導体レーザ1408から出射されたレーザ光を透過して平行光に整形する光学素子である。ビームサンプラ1410は、コリメートレンズ1409を通して入射したレーザ光(レーザビーム)の一部を反射し、残りを透過する光学素子である。集光レンズ1411は、ビームサンプラ1410で反射したレーザ光を集光する光学素子である。フォトディテクタ1412は、集光レンズ1411で集光されたレーザ光を受光し、この受光量(受光強度)に応じた信号を出力するものである。対物レンズ1413は、ビームサンプラ1410を透過したレーザ光を集光しつつ、図示しない被照射物に向けてレーザ光を照射する光学素子である。
The
ペルチェ駆動回路1404は、半導体レーザユニット1406に内蔵してあるサーミスタの抵抗値を読み取ることで半導体レーザ1408の温度を認識するとともに、半導体レーザ1408の温度を目標温度で一定に保つようにペルチェ素子1407に駆動電圧を印加するものである。ペルチェ駆動回路1404は、システム制御回路1401からの指示にしたがってペルチェ素子1407に与える駆動電圧を制御する。システム制御回路1401とペルチェ駆動回路1404は、半導体レーザ1408の温度が目標温度となるようにペルチェ素子1407の駆動を制御するレーザ温度制御手段を構成する。
The
APC制御回路1405は、フォトディテクタ1412の出力信号を受け取り、その出力信号値が、目標とするレーザ光の照射強度、すなわち対物レンズ1413を通して被照射物に照射されるレーザ光の目標照射強度に対応した目標値となるように、半導体レーザ1408に供給する駆動電流を制御するものである。APC制御回路1405は、システム制御回路1401からの指示にしたがって半導体レーザ1408に与える駆動電流を制御する。システム制御回路1401とAPC制御回路1405は、半導体レーザ1408の発光強度が目標発光強度となるように半導体レーザ1408の駆動を制御するレーザ出力制御手段を構成する。
The
続いて、上記構成のレーザ光照射装置を用いたレーザ制御方法について説明する。本発明に係るレーザ制御方法では、半導体レーザの発光強度を制御する方式として、APC制御を採用し、半導体レーザの温度を制御する方式として、フィードフォワード制御とサーボ制御の両方を採用する。サーボ制御は、半導体レーザの現在の温度と目標温度との差分、さらには過去の温度履歴などに基づいて、半導体レーザの温度が目標温度となるように追従させる制御方式である。 Next, a laser control method using the laser beam irradiation apparatus having the above configuration will be described. In the laser control method according to the present invention, APC control is adopted as a method for controlling the emission intensity of the semiconductor laser, and both feedforward control and servo control are adopted as a method for controlling the temperature of the semiconductor laser. Servo control is a control method for tracking the temperature of the semiconductor laser to the target temperature based on the difference between the current temperature of the semiconductor laser and the target temperature, the past temperature history, and the like.
本発明に係るレーザ制御方法には、大きく2つの方法がある。以下に、第1のレーザ制御方法と第2のレーザ制御方法に分けて説明する。 There are roughly two laser control methods according to the present invention. Hereinafter, the first laser control method and the second laser control method will be described separately.
<第1のレーザ制御方法>
第1のレーザ制御方法は、半導体レーザ1408の温度調整をフィードフォワード制御とサーボ制御で行なうにあたり、半導体レーザ1408の非駆動期間(半導体レーザ1408を発振させるための駆動電流を供給していない期間)はサーボ制御を行ない、半導体レーザ1408を発振させるための駆動期間(半導体レーザ1408を発振させるための駆動電流を供給している期間)はフィードフォワード制御とサーボ制御を行なう。また、半導体レーザ1408の駆動期間では、半導体レーザ1408の駆動を開始してから所定時間Δt1が経過するまでの間はフィードフォワード制御によって半導体レーザ1408の温度を制御し、半導体レーザ1408の駆動を開始してから所定時間Δt1が経過した後はサーボ制御によって半導体レーザ1408の温度を制御する。つまり、半導体レーザ1408の駆動期間内で所定時間Δt1を境に半導体レーザ1408の温調制御をフィードフォワード制御からサーボ制御に切り替える。以下に具体的な制御方法について説明する。
<First Laser Control Method>
In the first laser control method, when the temperature adjustment of the
第1のレーザ制御方法では、まず、半導体レーザ1408の駆動を開始してから所定時間Δt1が経過するまでの間の半導体レーザ1408の発熱量Qを、半導体レーザ1408の駆動を開始する前にシステム制御回路1401で演算によって予測する。所定時間Δt1は、フィードフォワード制御で半導体レーザ1408の温調を行なう時間として、予め入力デバイス1403を用いて使用者により指定されるものである。この所定時間Δt1は、少なくとも半導体レーザ1408の立ち上がり時間Δt0よりも長くなる条件(Δt1>Δt0)で、例えば0.1秒〜1秒の範囲内で指定される。
In the first laser control method, first, the amount of heat generated Q of the
また、上記発熱量Qの演算では、半導体レーザ1408の目標駆動電流Iと、半導体レーザ1408の駆動電圧Vと、光学系の透過率τと、半導体レーザ1408の目標照射光強度Pirと、半導体レーザ1408の目標発光強度Pemと、半導体レーザ1408の発振閾値電流Ithと、半導体レーザ1408の立ち上がり時間Δt0を、それぞれパラメータとして用いる。この発熱量Qの演算は、パラメータが変化しないかぎり、最初に1回だけ行なえばよい。
In the calculation of the calorific value Q, the target drive current I of the
半導体レーザ1408の目標駆動電流Iは、事前に半導体レーザ1408を目標温度に維持した状態で半導体レーザ1408のI−L特性を測定することによって得られるI−L特性データを用いて算出される。例えば、半導体レーザ1408を25℃で使用する場合は、目標温度を25℃に設定し、予め半導体レーザ1408を目標温度25℃に維持して校正を行なって、半導体レーザ1408のI−L特性を測定する。こうして測定した半導体レーザ1408のI−L特性データは、システム制御回路1401が備える記憶手段、例えばEEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)などに記憶される。I−L特性データを参照すれば、半導体レーザ1408の目標発光強度Pemから半導体レーザ1408の目標駆動電流Iを求めることができる。
The target drive current I of the
半導体レーザ1408の目標発光強度Pemは、目標照射光強度Pirと光学系透過率τから求めることができる。光学系透過率τは、光学系の設計で決まる値であって、事前に実験的に求めることができる既知の情報となる。目標照射光強度Pirは、レーザ光を被照射物に照射する場合に、どの程度の光強度で被照射物にレーザ光を照射したいかによって決まる値であって、既知の情報となる。したがって、目標発光強度Pemに関しては、Pem=Pir/τの計算式で算出可能である。
The target emission intensity Pem of the
一方、半導体レーザ1408は発振閾値電流Ith以上では発振時にかかる電圧がほぼ一定となる。このため、半導体レーザ1408の駆動電圧Vは事前に測定可能である。また、半導体レーザ1408をAPC(Automatic Power Control)制御で発振させる際の立ち上がり時間(半導体レーザ1408の駆動を開始してからフォトディテクタ1412の信号を目標値に一致させるまでに要する時間)Δt0は装置構成で決まる。このため、立ち上がり時間Δt0は事前に算出可能である。半導体レーザ1408の立ち上がり時間Δt0と所定時間Δt1は、いずれも半導体レーザ1408の駆動開始時(半導体レーザ1408に発振のための駆動電流を供給し始める時点)を時間軸上のゼロ基準としている。
On the other hand, the voltage applied to the
以上の目標駆動電流I、駆動電圧V、光学系透過率τ、目標照射光強度Pir、目標発光強度Pem、発振閾値電流Ithに対して、所定時間Δt1までの間の発熱量Qは、上述のようにΔt1>Δt0を前提とし、半導体レーザ1408の立ち上がり期間に駆動電流値が直線的に上昇し、駆動電圧Vが常に一定であると仮定すれば、次の(数1)式によって算出される。
With respect to the above target drive current I, drive voltage V, optical system transmittance τ, target irradiation light intensity Pir, target emission intensity Pem, and oscillation threshold current Ith, the calorific value Q up to a predetermined time Δt1 is as described above. Assuming that Δt 1> Δt 0, the drive current value rises linearly during the rising period of the
上記(数1)式においては、半導体レーザ1408の駆動開始から立ち上がり時間Δt0が経過するまでの間の半導体レーザ1408の発熱量と、半導体レーザ1408の立ち上がり時間Δt0から所定時間Δt1が経過するまでの間の半導体レーザ1408の発熱量を加算し、この加算値から、半導体レーザ1408の駆動開始から立ち上がり時間Δt0が経過するまでの間に光エネルギーとして消費される熱量と、半導体レーザ1408の立ち上がり時間Δt0から所定時間Δt1が経過するまでの間に光エネルギーとして消費される熱量をそれぞれ減算することにより、半導体レーザ1408の駆動を開始してから所定時間Δt1が経過するまでの間の半導体レーザ1408の発熱量Qを求めている。
In the above equation (1), the amount of heat generated by the
また、システム制御回路1401は、上記(数1)式にしたがって半導体レーザ1408の発熱量Qを求めたら、当該発熱量Qに基づいて、半導体レーザ1408の駆動開始から所定時間Δt1後に半導体レーザ1408の温度を目標温度Ttに一致させるために必要となる所要放熱量Qoutを演算によって求める。この所要放熱量Qoutの演算では、上記発熱量Qの他に、半導体レーザ1408の熱容量Cと、半導体レーザ1408の目標温度Ttと、半導体レーザ1408の駆動開始直前の温度T0をパラメータとして用いる。所要放熱量Qoutの演算は、半導体レーザ1408を駆動するたびに行なう。
In addition, when the system control circuit 1401 obtains the heat generation amount Q of the
半導体レーザ1408の熱容量Cは、半導体レーザ1408の質量と半導体レーザ1408を構成する物質の比熱から事前に算出可能である。半導体レーザ1408の目標温度Ttは、半導体レーザ1408の温度をサーボ制御によって調整するにあたって予め決められるものである。例えば、半導体レーザ1408を25℃で使用する場合は、半導体レーザ1408の温調サーボ制御を行なうにあたって、目標温度Ttが25℃に設定される。半導体レーザ1408の駆動開始直前の温度T0は、半導体レーザ1408を駆動する直前にサーミスタで半導体レーザ1408の温度を測定(検知)することにより得られるものである。
The heat capacity C of the
以上のように得られる半導体レーザ1408の駆動開始直前の温度T0、半導体レーザ1408の目標温度Tt、半導体レーザ1408の熱容量Cに対して、半導体レーザ1408の駆動開始から所定時間Δt1後に半導体レーザ1408の温度を目標温度Ttに一致させるために必要となる所要放熱量Qoutは、次の(数2)式によって算出される。
With respect to the temperature T0 immediately before the start of driving of the
上記(数2)式においては、上記(数1)式によって求められる半導体レーザ1408の発熱量Qから、半導体レーザ1408の温度を駆動開始直前の温度T0から目標温度Ttに変化(上昇)させるのに必要な熱量を差し引くことにより、所定時間Δt1内に半導体レーザ1408を冷却するために必要となる放熱量を求めている。こうして求められる所要放熱量Qoutを所定時間Δt1で除算した値が、ペルチェ素子1407の放熱仕事率となり、この放熱仕事率の放熱をなすようにシステム制御回路1401がペルチェ駆動回路1404に指令を出す。これにより、APC制御回路1405が半導体レーザ1408の駆動を開始するにあたって、ペルチェ駆動回路1404は、ペルチェ素子1407の放熱仕事率が、半導体レーザ1408の非駆動期間の放熱仕事率に上記指令を受けた放熱仕事率を足し合わせた値をなすように、ペルチェ素子1407に駆動電圧を印加する。
In the above equation (2), the temperature of the
また、ペルチェ駆動回路1404は、半導体レーザ1408の駆動期間において、半導体レーザ1408の駆動を開始してから所定時間Δt1が経過した時点で上記所要放熱量Qoutを達成するように、半導体レーザ1408の駆動開始から上記所定時間Δt1内でペルチェ素子1407に印加する電圧を制御する。こうしたフィードフォワード制御によって半導体レーザ1408の温度を制御することにより、半導体レーザ1408の駆動を開始してから所定時間Δt1が経過した時点で半導体レーザ1408の温度を目標温度Ttに近づけることができる。このため、半導体レーザ1408の駆動開始から所定時間Δt1後に、半導体レーザ1408の温調をフィードフォワード制御からサーボ制御に切り替えることにより、所定時間Δt1以降は殆ど半導体レーザ1408の温度変化なしにAPC制御をかけることができる。このため、半導体レーザ1408の立ち上がり直後から安定した発光強度で半導体レーザ1408を駆動することが可能となる。
In addition, the
ここで、本発明に係るレーザ制御方法を適用せずにAPC制御を行なった場合と、本発明に係るレーザ制御方法を適用してAPC制御を行なった場合の違いについて説明する。 Here, the difference between when the APC control is performed without applying the laser control method according to the present invention and when the APC control is performed with the laser control method according to the present invention will be described.
図2及び図3は本発明に係るレーザ制御方法を適用せずにAPC制御を行なった場合の、半導体レーザ1408の駆動電流、半導体レーザ1408の発熱仕事率、半導体レーザ1408の温度、ペルチェ素子1407の放熱仕事率、ビームサンプラ1410の反射率、半導体レーザ1408の発光強度、フォトディテクタ1412の信号の時間変化を模式的に示す図である。また、図4及び図5は本発明に係るレーザ制御方法(第1のレーザ制御方法)を適用してAPC制御を行なった場合の、半導体レーザ1408の駆動電流、半導体レーザ1408の発熱仕事率、半導体レーザ1408の温度、ペルチェ素子1407の放熱仕事率、ビームサンプラ1410の反射率、半導体レーザ1408の発光強度、フォトディテクタ1412の信号の時間変化を模式的に示す図である。ちなみに、半導体レーザ1408の発熱仕事率は、単位時間あたりの半導体レーザ1408の発熱量で表されるものである。ペルチェ素子1407の放熱仕事率は、単位時間あたりのペルチェ素子1407の放熱量で表されるものである。
2 and 3 show the driving current of the
図2〜図5においては、視覚的に分かりやすくするために、縦軸に線形性は無く、値が大きくなるほど誇張して広げて表記している。また、図2及び図4の横軸(時間軸)は電流立ち上がり付近を誇張して広げて表記し、図3及び図5の横軸(時間軸)には線形性を持たせている。 In FIG. 2 to FIG. 5, in order to make it easy to understand visually, the vertical axis has no linearity and is exaggerated and expanded as the value increases. Also, the horizontal axis (time axis) in FIGS. 2 and 4 is exaggerated and expanded in the vicinity of the current rise, and the horizontal axis (time axis) in FIGS. 3 and 5 has linearity.
まず、本発明に係るレーザ制御方法を適用しなかった場合は、図2に示すように、半導体レーザ1408の駆動を開始すると、温調のサーボ制御が半導体レーザ1408の急激な発熱に追いつかず、ペルチェ素子1407の放熱仕事率の変化が半導体レーザ1408の温度変化に対して遅れる。このため、ビームサンプラ1410の反射率が変動し、APC精度が悪化する。この結果、半導体レーザ1408の発光強度のばらつきは1.5〜2%になる。また、半導体レーザ1408の駆動状態(駆動電流、発熱仕事率、温度、発光強度など)が安定するのは、半導体レーザ1408の駆動を開始してから約5秒後と非常に遅くなる。
First, when the laser control method according to the present invention is not applied, as shown in FIG. 2, when the driving of the
これに対して、本発明に係るレーザ制御方法(第1のレーザ制御方法)を適用した場合は、半導体レーザ1408の駆動を開始する前に上記(数2)式にしたがって所要放熱量Qoutを求め、半導体レーザ1408の駆動を開始してから所定時間Δt1が経過するまでの間に所要放熱量Qoutが達成されるように、例えば図4に示すように半導体レーザ1408の駆動開始と同時にペルチェ素子1407の放熱仕事率を所定のレベルに立ち上げて、その状態を所定時間Δt1まで維持するため、所定時間Δt1が経過した段階で半導体レーザ1408の温度が目標温度Tt付近に収束するようになる。
On the other hand, when the laser control method according to the present invention (first laser control method) is applied, the required heat radiation amount Qout is obtained according to the above equation (2) before the driving of the
このため、使用者が6W発振で所定時間Δt1を0.1秒で指定した場合は、半導体レーザ1408の駆動を開始してから所定時間Δt1に至るまでの間、半導体レーザ1408の温度は24.5℃〜25.5℃の間で変動するにとどまる。よって、所定時間Δt1に達した時点でシステム制御回路1401がペルチェ駆動回路1404に25℃で温調をかけるサーボ制御を指示したときには、半導体レーザ1408の温度を25℃に引き込むのに殆ど時間を要しない。したがって、半導体レーザ1408を駆動するときに、その駆動期間内で所定時間Δt1が経過した段階で半導体レーザ1408の温調をフィードフォワード制御から通常のサーボ制御に切り替えれば、APC制御を行なう場合の半導体レーザ1408の温度変化が非常に小さくなる。この結果、半導体レーザ1408の発光強度のばらつきを0.3〜0.5%に低減することができる。また、半導体レーザ1408の駆動状態が安定するまでの時間も、例えばT0<T1の条件でΔt1を0.1秒とすると、0.15〜0.20秒と非常に短くなる。
For this reason, when the user designates the predetermined time Δt1 in 0.1 seconds with 6W oscillation, the temperature of the
ちなみに、図4において、半導体レーザ1408の温度は、半導体レーザ1408が発振するまでは徐々に低下するものの、半導体レーザ1408が発振した後は、これに伴う発熱量の急激な増大によって徐々に上昇し、所定時間Δt1が経過した段階で目標温度Ttに落ち着くことになる。また、ビームサンプラ1410の反射率は、半導体レーザ1408の駆動開始から半導体レーザ1408の温度変化に応じて変化し、半導体レーザ1408の発光強度は、半導体レーザ1408の発振直後から半導体レーザ1408の温度変化に応じて変化することになる。
Incidentally, in FIG. 4, the temperature of the
なお、図4及び図5においては、半導体レーザ1408の駆動を開始すると同時にペルチェ素子1407に電圧をかけ始めているが、これ以外にも、半導体レーザ1408を駆動する前からペルチェ素子1407に電圧をかけることも可能である。その場合は、ペルチェ素子1407に電圧をかけ始めてから半導体レーザ1408を駆動するまでの時間と所定時間Δt1を足し合わせた時間で、上記(数2)式により所要放熱量を求めるようにすればよい。
4 and 5, the voltage is applied to the
<第2のレーザ制御方法>
第2のレーザ制御方法は、半導体レーザ1408の温度調整をフィードフォワード制御とサーボ制御で行なうにあたり、半導体レーザ1408の非駆動期間はサーボ制御を行ない、半導体レーザ1408を発振させるための駆動期間はフィードフォワード制御とサーボ制御を行なう。また、半導体レーザ1408の駆動期間では、半導体レーザ1408の駆動を開始してから所定時間Δt1が経過するまでの間はフィードフォワード制御によって半導体レーザ1408の温度を制御し、半導体レーザ1408の駆動を開始してから所定時間Δt1が経過した後はサーボ制御によって半導体レーザ1408の温度を制御する。つまり、半導体レーザ1408の駆動期間内で所定時間Δt1を境に半導体レーザ1408の温調制御をフィードフォワード制御からサーボ制御に切り替える。以上の点は、前述した第1のレーザ制御方法と同様である。ただし、第2のレーザ制御方法は、フィードフォワード制御で半導体レーザ1408を温調する場合のペルチェ素子1407の駆動方法が異なる。以下に具体的な制御方法について説明する。
<Second Laser Control Method>
In the second laser control method, when temperature adjustment of the
第2のレーザ制御方法は、半導体レーザ1408の駆動期間内において、半導体レーザ1408の駆動を開始してから立ち上がり時間Δt0が経過するまでは、半導体レーザ1408の非駆動期間(駆動開始直前)と同じ電圧をペルチェ素子1407に印加し、半導体レーザ1408の立ち上がり時間Δt0から所定時間Δt1までの間は、それまでより高い電圧をペルチェ素子1407に印加することにより、半導体レーザ1408の駆動開始から所定時間Δt1までの間にフィードフォワード制御によって半導体レーザ1408の温調を行なう。立ち上がり時間Δt0は、前述の通り装置構成で決まるため、事前に算出可能である。また、所定時間Δt1は、前述の通り予め入力デバイス1403を用いて使用者により指定される時間である。
The second laser control method is the same as the non-driving period of the semiconductor laser 1408 (immediately before the start of driving) until the rise time Δt0 elapses after the driving of the
第2のレーザ制御方法では、まず、半導体レーザ1408の発振直前の温度T0をシステム制御回路1401の記憶手段(EEPROM等)に記憶するとともに、半導体レーザ1408が発振してから立ち上がり時間Δt0が経過するまでの間の半導体レーザ1408の発熱量Qを、半導体レーザ1408の立ち上がり時にシステム制御回路1401で算出する。この発熱量Qの演算では上記立ち上がり時間Δt0後の半導体レーザ1408の実際の駆動電流I及び駆動電圧Vと、フォトディテクタ1412の信号から算出された発光強度Pemと、半導体レーザ1408の発振閾値電流Ithを、それぞれパラメータとして用いる。この発熱量Qの演算は、半導体レーザ1408を駆動するたびに行なう。
In the second laser control method, first, the temperature T0 immediately before the oscillation of the
半導体レーザ1408の発振直前の温度T0は、半導体レーザ1408が発振する直前にサーミスタで半導体レーザ1408の温度を測定(検知)することにより得られる。立ち上がり時間Δt0後の半導体レーザ1408の実際の駆動電流I及び駆動電圧Vは、それぞれ半導体レーザ1408の立ち上がり時にAPC制御回路1405から半導体レーザ1408に供給されている駆動電流及び駆動電圧を測定することにより得られる。発光強度Pemは、半導体レーザ1408の立ち上がり時にフォトディテクタ1412からの信号を取り込むことにより算出される。このため、発光強度Pemは、フォトディテクタ1412の信号が目標値に一致したときの半導体レーザ1408の発光強度を表すものとなる。実際は半導体レーザ1408の温度が目標温度Ttとは異なるため、算出された発光強度Pemは実際の発光強度から数%ずれていると考えられるが、以下の計算においては無視して構わない。
The temperature T0 immediately before the oscillation of the
以上の駆動電流I、駆動電圧V、発光強度Pem、発振閾値電流Ithに対して、上記立ち上がり時間Δt0までの間の発熱量Qは、半導体レーザ1408の立ち上がり期間に駆動電流値が直線的に上昇すると仮定すれば、次の(数3)式によって算出される。
With respect to the drive current I, drive voltage V, light emission intensity Pem, and oscillation threshold current Ith, the amount of heat generated Q until the rise time Δt0 increases linearly during the rise period of the
また、半導体レーザ1408の発振直前の温度T0、半導体レーザ1408の立ち上がり直後の温度T1、半導体レーザ1408の熱容量Cに対して、半導体レーザ1408の発振直後(半導体レーザ1408の駆動開始から立ち上がり時間Δt0までの間)に必要となる放熱量Qout0は、次の(数4)式によって算出される。
Further, with respect to the temperature T0 immediately before the oscillation of the
その後、半導体レーザ1408の立ち上がり時間Δt0から所定時間Δt1までの間に必要となる放熱量Qout1は、半導体レーザ1408の目標温度Ttに対して、次の(数5)式によって算出される。
Thereafter, the heat radiation amount Qout1 required between the rising time Δt0 of the
このため、半導体レーザ1408の駆動開始から所定時間Δt1後に半導体レーザ1408の温度を目標温度Ttに一致させるために必要となる所要放熱量Qoutは、次の(数6)式によって算出される。この所要放熱量Qoutの演算は、半導体レーザ1408を駆動するたびにシステム制御回路1401で行なわれる。
For this reason, the required heat dissipation amount Qout required to make the temperature of the
上記(数6)式においては、半導体レーザ1408の立ち上がり直後の温度T1が打ち消されている。このため、フィードフォワード制御で温調する場合に、レーザ温度T1を測定する必要はない。また、(数6)式においては、上記(数4)式で求めた放熱量Qout0と上記(数5)式で求めた放熱量Qout1を足し合わせることにより、所定時間Δt1内に半導体レーザ1408を冷却するために必要となる合計の放熱量を求めている。こうして求められる所要放熱量Qoutを(Δt1−Δt0)で除算した値が、ペルチェ素子1407の放熱仕事率となり、この放熱仕事率の放熱をなすようにシステム制御回路1401がペルチェ駆動回路1404に指令を出す。これにより、APC制御回路1405が半導体レーザ1408の駆動を開始した場合に、半導体レーザ1408が立ち上がった段階で、ペルチェ駆動回路1404は、ペルチェ素子1407の放熱仕事率が、半導体レーザ1408の非駆動期間の放熱仕事率に上記指令を受けた放熱仕事率を足し合わせた値をなすように、ペルチェ素子1407に駆動電圧を印加する。
In the above formula (6), the temperature T1 immediately after the rise of the
また、ペルチェ駆動回路1404は、半導体レーザ1408の駆動期間において、半導体レーザ1408の駆動を開始してから所定時間Δt1が経過した時点で上記所要放熱量Qoutを達成するように、半導体レーザ1408の立ち上がり時間Δt0が経過してから記所定時間Δt1が経過するまでの間にペルチェ素子1407に印加する電圧を制御する。こうしたフィードフォワード制御によって半導体レーザ1408の温度を制御することにより、半導体レーザ1408の駆動を開始してから所定時間Δt1が経過した時点で半導体レーザ1408の温度を目標温度Ttに近づけることができる。このため、半導体レーザ1408の駆動開始から所定時間Δt1後に、半導体レーザ1408の温調をフィードフォワード制御からサーボ制御に切り替えることにより、所定時間Δt1以降は殆ど半導体レーザ1408の温度変化なしにAPC制御をかけることができる。このため、半導体レーザ1408の立ち上がり直後から安定した発光強度で半導体レーザ1408を駆動することが可能となる。
In addition, the
また、第2のレーザ制御方法を適用した場合は、第1のレーザ制御方法に比較して、ペルチェ素子1407の放熱仕事率を高めて温調制御する期間が短く制限されるため、精度面で若干劣るものの、半導体レーザ1408のL−I特性データを予め記憶しておく必要はなくなる。このため、半導体レーザ1408に経時的な特性変化があっても、それに影響されることなく、半導体レーザ1408の温調を行なうことができる。
Also, when the second laser control method is applied, the period of temperature control by increasing the heat dissipation power of the
図6及び図7は本発明に係るレーザ制御方法(第2のレーザ制御方法)を適用してAPC制御を行なった場合の、半導体レーザ1408の駆動電流、半導体レーザ1408の発熱仕事率、半導体レーザ1408の温度、ペルチェ素子1407の放熱仕事率、ビームサンプラ1410の反射率、半導体レーザ1408の発光強度、フォトディテクタ1412の信号の時間変化を模式的に示す図である。図6及び図7においては、視覚的に分かりやすくするために、縦軸に線形性は無く、値が大きくなるほど誇張して広げて表記している。また、図6の横軸(時間軸)は電流立ち上がり付近を誇張して広げて表記し、図7の横軸(時間軸)には線形性を持たせている。
6 and 7 show the driving current of the
本発明に係るレーザ制御方法(第2のレーザ制御方法)を適用した場合は、半導体レーザ1408の駆動を開始してから所定時間Δt1が経過するまでの間に、上記(数6)式で求めた所要放熱量Qoutが達成されるように、例えば図6に示すように半導体レーザ1408の立ち上がりと同時にペルチェ素子1407の放熱仕事率を所定のレベルに立ち上げ、その状態を所定時間Δt1まで維持するため、所定時間Δt1が経過した段階で半導体レーザ1408の温度が目標温度Tt付近に収束するようになる。
When the laser control method according to the present invention (second laser control method) is applied, it is obtained by the above equation (6) between the start of driving of the
このため、半導体レーザ1408を駆動するときに、その駆動期間内で所定時間Δt1が経過した段階で半導体レーザ1408の温調をフィードフォワード制御から通常のサーボ制御に切り替えれば、APC制御を行なう場合の半導体レーザ1408の温度変化が非常に小さくなる。この結果、半導体レーザ1408の発光強度のばらつきを0.4〜0.6%に低減することができる。また、半導体レーザ1408の駆動状態が安定するまでの時間も、例えばT0<T1の条件でΔt1を0.1秒とすると、0.15〜0.20秒と非常に短くなる。
Therefore, when the
ちなみに、前述した第1のレーザ制御方法を適用した場合は、ペルチェ素子1407への負担は小さいが、半導体レーザ1408の発振と同時に放熱を始める場合はシステムに高速処理を要求し、半導体レーザ1408の発振前に放熱を始める場合は半導体レーザ1408の温度変化が大きくなるために、半導体レーザ1408への負荷が大きくなる。一方、第2のレーザ制御方法を適用した場合は、システムの処理速度への要求が軽くなる代わりに、ペルチェ素子1407への負担が大きくなる。したがって、システムの処理速度、ペルチェ素子1407の吸熱能力、半導体レーザ1408の熱容量を考慮して、第1のレーザ制御方法又は第2のレーザ制御方法を選択し、それぞれに適切な所定時間Δt1を予め実験的に求めるのがよい。
Incidentally, when the first laser control method described above is applied, the burden on the
また、半導体レーザ1408の温調を上述した第1のレーザ制御方法及び第2のレーザ制御方法のいずれで行なう場合でも、システム処理の時間誤差を考慮して、所要放熱量Qoutの算出に補正定数の追加などを行なってもよい。
In addition, regardless of whether the temperature control of the
さらに好ましい形態として、第1のレーザ制御方法及び第2のレーザ制御方法のいずれを適用する場合でも、半導体レーザ1408の非駆動期間に半導体レーザ1408に供給する電流を発振閾値電流(半導体レーザ1408が発振しないギリギリの電流値)に設定し、この状態で半導体レーザ1408の温度が目標温度に一致するようにサーボ制御を行なうようにすれば、半導体レーザ1408の発振直後に放熱のために必要な仕事率が小さくて済む。このため、ペルチェ素子1407に要求される吸熱能力を低く抑えることができる。また、半導体レーザ1408の非駆動期間に半導体レーザ1408に電流を供給しない場合(非駆動期間の供給電流=0の場合)に比較すると、半導体レーザ1408を発振させたときに、半導体レーザ1408の温度変化を小さく押さえ込むことができる。このため、半導体レーザ1408の寿命を延ばす効果も得られる。
As a more preferable mode, even when either the first laser control method or the second laser control method is applied, the current supplied to the
なお、上述した第1のレーザ制御方法及び第2のレーザ制御方法においては、いずれもサーミスタで測定したレーザ温度T0が目標温度Ttよりも低い場合を想定したが、本発明はこれに限らず、レーザ温度T0が目標温度Tt以上であっても適用可能である。実際の制御では、半導体レーザ1408の非駆動期間もレーザ温度が目標温度Ttとなるようにサーボ制御をかけるため、半導体レーザ1408の駆動開始前や発振直前にサーミスタによって測定されるレーザ温度T0は目標温度Ttに近い値となる。
In the first laser control method and the second laser control method described above, it is assumed that the laser temperature T0 measured by the thermistor is lower than the target temperature Tt, but the present invention is not limited to this. This is applicable even when the laser temperature T0 is equal to or higher than the target temperature Tt. In actual control, servo control is performed so that the laser temperature becomes the target temperature Tt even during the non-drive period of the
また、本発明は、薄膜トランジスタの製造方法やこれを含む表示装置の製造方法にも適用可能である。薄膜トランジスタの製造方法に関しては、複数の半導体レーザを所定の間隔で一列に並べて多ヘッド化し、それら複数の半導体レーザを用いてレーザアニール処理を行なう場合に適用可能である。また、薄膜トランジスタは、液晶表示装置や有機EL(Electro Luminescence)表示装置などのスイッチング素子として広く用いられている。このため、本発明は薄膜トランジスタの製造工程を含む表示装置の製造方法としても適用可能である。 The present invention is also applicable to a method for manufacturing a thin film transistor and a method for manufacturing a display device including the same. The thin film transistor manufacturing method can be applied to a case where a plurality of semiconductor lasers are arranged in a line at a predetermined interval to form a multi-head and laser annealing is performed using the plurality of semiconductor lasers. Thin film transistors are widely used as switching elements in liquid crystal display devices and organic EL (Electro Luminescence) display devices. For this reason, the present invention can also be applied as a manufacturing method of a display device including a manufacturing process of a thin film transistor.
さらに詳述すると、薄膜トランジスタの中にはチャネル層に多結晶シリコン膜を用いたものがある。多結晶シリコン膜を基板上に形成する方法としては、レーザアニール処理を用いた方法が知られている。レーザアニール処理は、例えばガラスや石英等からなる基板上に成膜された非晶質シリコン膜にレーザ光を照射することにより、レーザ光の熱エネルギーを利用して非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に転換させるものである。 More specifically, some thin film transistors use a polycrystalline silicon film for the channel layer. As a method for forming a polycrystalline silicon film on a substrate, a method using laser annealing is known. Laser annealing is performed by, for example, irradiating an amorphous silicon film formed on a substrate made of glass, quartz, or the like with a laser beam to make the amorphous silicon film polycrystalline by utilizing the thermal energy of the laser beam. It is converted into a silicon film.
薄膜トランジスタの製造工程の中では、上記のレーザアニール処理を行なう工程(以下、「アニール工程」とも記す)の前に、基板上に非晶質シリコン膜を成膜する工程が存在し、アニール工程の後には、多結晶シリコン膜を活性層として基板上の所定の領域に薄膜トランジスタを形成する工程が存在する。また、薄膜トランジスタの製造工程を含む表示装置の製造工程の中には、薄膜トランジスタが形成された基板上に液晶層や有機EL層を形成する工程が存在する。 In the thin film transistor manufacturing process, there is a process of forming an amorphous silicon film on the substrate before the laser annealing process (hereinafter also referred to as “annealing process”). Later, there is a step of forming a thin film transistor in a predetermined region on the substrate using the polycrystalline silicon film as an active layer. In addition, in the manufacturing process of the display device including the manufacturing process of the thin film transistor, there is a process of forming a liquid crystal layer or an organic EL layer on the substrate on which the thin film transistor is formed.
レーザ光源として半導体レーザを備えるレーザアニール装置では、上述のように多ヘッド化された複数の半導体レーザを用いて、被照射物となる基板上の非晶質シリコン膜にレーザ光を照射する。その際、非晶質シリコン膜が形成された基板を移動ステージに載せて支持し、半導体レーザから出射されたレーザ光の照射位置を非晶質シリコン膜が通過するように移動ステージを移動させることにより、非晶質シリコン膜にレーザ光を照射するため、非晶質シリコン膜の所望の位置にレーザ光を照射するには、移動ステージの移動に合わせて半導体レーザを所定のタイミングでオン・オフする必要がある。また、非晶質シリコン膜にレーザ光を照射する場合に、半導体レーザの発光強度にばらつきがあると、これが薄膜トランジスタの特性のばらつきとなって現れる。さらにこうしたトランジスタ特性のばらつきは、例えば表示装置で輝度のばらつきとなって現れる。 In a laser annealing apparatus including a semiconductor laser as a laser light source, a laser beam is irradiated onto an amorphous silicon film on a substrate to be irradiated using a plurality of semiconductor lasers with multiple heads as described above. At that time, the substrate on which the amorphous silicon film is formed is placed on and supported by the moving stage, and the moving stage is moved so that the amorphous silicon film passes through the irradiation position of the laser beam emitted from the semiconductor laser. In order to irradiate the amorphous silicon film with laser light, the semiconductor laser is turned on / off at a predetermined timing in accordance with the movement of the moving stage in order to irradiate the desired position of the amorphous silicon film with the laser light. There is a need to. Further, when the amorphous silicon film is irradiated with laser light, if there is a variation in the emission intensity of the semiconductor laser, this appears as a variation in characteristics of the thin film transistor. Furthermore, such variations in transistor characteristics appear as variations in luminance in display devices, for example.
そこで、上述したレーザ光照射装置の構成(図1参照)をレーザアニール装置に適用し、多ヘッド化された各々の半導体レーザの制御方法として、上記第1のレーザ制御方法又は上記第2のレーザ制御方法を適用すれば、半導体レーザの立ち上がり直後から安定した発光強度が得られる。このため、レーザアニール処理によって均質な多結晶シリコン膜を得ることができる。したがって、多結晶シリコン膜の製造歩留まりを高めて生産性を向上させることができる。また、表示装置の製造方法に適用した場合は、表示特性(輝度等)のばらつきを低減することができる。 Therefore, the configuration of the above-described laser beam irradiation apparatus (see FIG. 1) is applied to a laser annealing apparatus, and the first laser control method or the second laser is used as a control method for each of the multi-head semiconductor lasers. If the control method is applied, a stable emission intensity can be obtained immediately after the semiconductor laser rises. For this reason, a homogeneous polycrystalline silicon film can be obtained by laser annealing. Therefore, the production yield of the polycrystalline silicon film can be increased and the productivity can be improved. In addition, when applied to a method for manufacturing a display device, variations in display characteristics (such as luminance) can be reduced.
図8は上記の薄膜トランジスタの製造工程を含む表示装置の製造方法を用いて得られる表示装置の一例として、有機EL表示装置の構成を示す断面図である。図示した有機EL表示装置1は複数(多数)の有機EL素子2を用いて構成されるものである。有機EL素子2は、R(赤),G(緑),B(青)の発光色の違いで単位画素ごとに区分されている。ただし、図8では、そのうちの1つだけを示している。
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a configuration of an organic EL display device as an example of a display device obtained by using the display device manufacturing method including the above-described thin film transistor manufacturing process. The illustrated organic EL display device 1 is configured using a plurality (large number) of
有機EL素子2は素子形成用基板3を用いて構成されている。素子形成用基板3上には、図示しないスイッチング素子(例えば、薄膜トランジスタ)とともに、下部電極4、絶縁層5、有機層6及び上部電極7が順に積層されている。さらに、上部電極7は保護層8によって覆われ、この保護層8の上に接着層9を介して対向基板10が配置されている。
The
素子形成用基板3と対向基板10は、それぞれ透明なガラス基板によって構成されるものである。有機EL素子2と対向基板10は、それら2枚の基板の間に、下部電極4、絶縁層5、有機層6、上部電極7、保護層8、接着層9を挟み込むかたちで、互いに対向する状態に配置されている。
The
下部電極4及び上部電極7は、一方がアノード電極となり、他方がカソード電極となる。下部電極4は、有機EL表示装置1が上面発光型である場合には高反射性材料で構成され、有機EL表示装置1が透過型である場合は透明材料で構成される。
One of the
ここでは、一例として、有機EL表示装置1が上面発光型で、下部電極4がアノード電極である場合を想定している。この場合、下部電極4は、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、プラチナ(Pt)さらには金(Au)のように、反射率の高い導電性材料、又はその合金で構成される。
Here, as an example, it is assumed that the organic EL display device 1 is a top emission type and the
なお、有機EL表示装置1が上面発光型で、下部電極4がカソード電極である場合は、下部電極4は、アルミニウム(Al),インジウム(In),マグネシウム(Mg)−銀(Ag)合金,リチウム(Li)−フッ素(F)化合物、リチウム-酸素(O)化合物のように、仕事関数が小さく、かつ、光反射率の高い導電性材料で構成される。
When the organic EL display device 1 is a top emission type and the
また、有機EL表示装置1が透過型で、下部電極4がアノード電極である場合は、ITO(Indium−Tin−Oxide)やIZO(Inidium−Zinc−Oxide)のように、透過率の高い導電性材料で下部電極4を構成する。また、有機EL表示装置1が透過型で、下部電極4がカソード電極である場合は、仕事関数が小さく、かつ、光透過率の高い導電性材料で下部電極4を構成する。
Further, when the organic EL display device 1 is a transmissive type and the
絶縁層5は、下部電極4の周辺部を覆う状態で素子形成用基板3の上面に形成されている。絶縁層5には単位画素ごとに窓が形成されており、この窓の開口部分で下部電極4が露出している。絶縁層5は、例えばポリイミドやフォトレジスト等の有機絶縁材料や、酸化シリコンのような無機絶縁材料を用いて形成されるものである。
The insulating
有機層6は、例えば図9に示すように、素子形成用基板3側から順に、正孔注入層61、正孔輸送層62、発光層63及び電子輸送層64を積層した4層の積層構造を有するものである。
For example, as shown in FIG. 9, the organic layer 6 has a four-layer structure in which a
正孔注入層61は、例えば、m−MTDATA〔4,4,4 -tris(3-methylphenylphenylamino)triphenylamine〕によって形成されるものである。正孔輸送層62は、例えば、α−NPD[4,4-bis(N-1-naphthyl-N-phenylamino)biphenyl]によって形成されるものである。なお、材料はこれに限定されず、例えばベンジジン誘導体、スチリルアミン誘導体、トリフェニルメタン誘導体、ヒドラゾン誘導体などの正孔輸送材料を用いることができる。また、正孔注入層61及び正孔輸送層62は、それぞれ複数層からなる積層構造であってもよい。
The
発光層63は、RGBの色成分ごとに異なる有機発光材料によって形成されるものである。具体的には、赤色発光層63rは、例えば、ホスト材料となるADNに、ドーパント材料として2,6≡ビス[(4’≡メトキシジフェニルアミノ)スチリル]≡1,5≡ジシアノナフタレン(BSN)を30重量%混合したものにより構成される。緑色発光層63gは、例えば、ホスト材料となるADNに、ドーパント材料としてクマリン6を5重量%混合したものにより構成される。青色発光層63bは、例えば、ゲスト材料となるADNに、ドーパント材料として4,4’≡ビス[2≡{4≡(N,N≡ジフェニルアミノ)フェニル}ビニル]ビフェニル(DPAVBi)を2.5重量%混合したものにより構成される。各色の発光層63r,63g,63bは、画素の色配列に応じてマトリクス状に配置される。
The light emitting layer 63 is formed of a different organic light emitting material for each RGB color component. Specifically, the red
電子輸送層64は、例えば、8≡ヒドロキシキノリンアルミニウム(Alq3 )によって形成されるものである。
The
上部電極7は、有機EL表示装置1が上面発光型である場合は、透明又は半透明の導電性材料で構成され、有機EL表示装置1が透過型である場合は、高反射性材料で構成される。
The
以上の素子形成用基板3、下部電極4、絶縁層5、有機層6、上部電極7により、有機EL素子2(赤色有機EL素子2r、緑色有機EL素子2g、青色有機EL素子2b)が構成されている。
The
保護層8は、上部電極7や有機層6への水分の到達を防止するなどの目的で形成されるものである。このため、保護層8は、透水性及び吸水性の低い材料を用いて十分な膜厚で形成される。また、保護層8は、有機EL表示装置1が上面発光型である場合には、有機層6で発光させた光を透過させる必要があるため、例えば80%程度の光透過率を有する材料で構成される。
The
また、上部電極7を金属薄膜で形成し、この金属薄膜の上に直接、絶縁性の保護層8を形成するものとすると、保護層8の形成材料として、無機アモルファス性の絶縁性材料、例えばアモルファスシリコン(α−Si)、アモルファス炭化シリコン(α−SiC)、アモルファス窒化シリコン(α−Si1-x Nx )、さらにはアモルファスカーボン(α−C)等を好適に用いることができる。このような無機アモルファス性の絶縁性材料は、グレインを構成しないため透水性が低く、良好な保護層8となる。
If the
接着層9は、例えばUV(紫外線)硬化型樹脂によって形成されるものである。接着層9は、対向基板10を固着させるためのものである。
The
なお、ここでの図示は省略したが、このような構成の有機EL表示装置1にカラーフィルタを組み合わせて設ける場合には、RGBの各色に対応する有機EL素子2r,2g,2bから発せられる発光のスペクトルのピーク波長近傍の光のみを透過するカラーフィルタを、各色の有機EL素子2r,2g,2bの光取り出し面側に設けることとする。
Although illustration is omitted here, when the organic EL display device 1 having such a configuration is provided with a combination of color filters, light emission emitted from the
<適用例>
上記構成からなる有機EL表示装置1は、図10〜図14に示す様々な電子機器、例えば、デジタルカメラ、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話等の携帯端末装置、ビデオカメラなど、電子機器に入力された映像信号、若しくは、電子機器内で生成した映像信号を、画像若しくは映像として表示するあらゆる分野の電子機器に適用可能である。
<Application example>
The organic EL display device 1 having the above configuration is input to various electronic devices shown in FIGS. 10 to 14, for example, electronic devices such as a digital camera, a notebook personal computer, a mobile terminal device such as a mobile phone, and a video camera. The present invention can be applied to electronic devices in various fields that display a video signal or a video signal generated in the electronic device as an image or video.
図10は第1適用例となるテレビを示す斜視図である。本適用例に係るテレビは、フロントパネル102やフィルターガラス103等から構成される映像表示画面部101を含み、その映像表示画面部101に上記の有機EL表示装置1を適用可能である。 FIG. 10 is a perspective view showing a television as a first application example. The television according to this application example includes a video display screen unit 101 including a front panel 102, a filter glass 103, and the like, and the organic EL display device 1 can be applied to the video display screen unit 101.
図11は第2適用例となるデジタルカメラを示す図であり、(A)は表側から見た斜視図、(B)は裏側から見た斜視図である。本適用例に係るデジタルカメラは、フラッシュ用の発光部111、表示部112、メニュースイッチ113、シャッターボタン114等を含み、その表示部112に上記の有機EL表示装置1を適用可能である。 11A and 11B are diagrams showing a digital camera according to a second application example. FIG. 11A is a perspective view seen from the front side, and FIG. 11B is a perspective view seen from the back side. The digital camera according to this application example includes a light emitting unit 111 for flash, a display unit 112, a menu switch 113, a shutter button 114, and the like, and the organic EL display device 1 can be applied to the display unit 112.
図12は第3適用例となるノート型パーソナルコンピュータを示す斜視図である。本適用例に係るノート型パーソナルコンピュータは、本体121に、文字等を入力するとき操作されるキーボード122、画像を表示する表示部123等を含み、その表示部123に上記の有機EL表示装置1を適用可能である。 FIG. 12 is a perspective view showing a notebook personal computer as a third application example. The notebook personal computer according to this application example includes a main body 121 that includes a keyboard 122 that is operated when characters and the like are input, a display unit 123 that displays an image, and the like. The display unit 123 includes the organic EL display device 1 described above. Is applicable.
図13は第4適用例となるビデオカメラを示す斜視図である。本適用例に係るビデオカメラは、本体部131、前方を向いた側面に被写体撮影用のレンズ132、撮影時のスタート/ストップスイッチ133、表示部134等を含み、その表示部134に上記の有機EL表示装置1を適用可能である。 FIG. 13 is a perspective view showing a video camera as a fourth application example. The video camera according to this application example includes a main body 131, a lens 132 for shooting an object on a side facing forward, a start / stop switch 133 at the time of shooting, a display unit 134, and the like. The EL display device 1 can be applied.
図14は第5適用例となる携帯端末装置、例えば携帯電話機を示す図であり、(A)は開いた状態での正面図、(B)はその側面図、(C)は閉じた状態での正面図、(D)は左側面図、(E)は右側面図、(F)は上面図、(G)は下面図である。本適用例に係る携帯電話機は、上側筐体141、下側筐体142、連結部(ここではヒンジ部)143、ディスプレイ144、サブディスプレイ145、ピクチャーライト146、カメラ147等を含み、そのディスプレイ144やサブディスプレイ145に上記の有機EL表示装置1を適用可能である。 14A and 14B are diagrams showing a mobile terminal device, for example, a mobile phone, as a fifth application example. FIG. 14A is a front view in an opened state, FIG. 14B is a side view thereof, and FIG. 14C is a closed state. (D) is a left side view, (E) is a right side view, (F) is a top view, and (G) is a bottom view. The mobile phone according to this application example includes an upper housing 141, a lower housing 142, a connecting portion (here, a hinge portion) 143, a display 144, a sub display 145, a picture light 146, a camera 147, and the like. In addition, the organic EL display device 1 described above can be applied to the sub display 145.
1401…システム制御回路、1404…ペルチェ駆動回路、1405…APC制御回路、1407…ペルチェ素子、1408…半導体レーザ、1410…ビームサンプラ、1412…フォトディテクタ 1401 ... System control circuit, 1404 ... Peltier drive circuit, 1405 ... APC control circuit, 1407 ... Peltier element, 1408 ... Semiconductor laser, 1410 ... Beam sampler, 1412 ... Photo detector
Claims (9)
前記半導体レーザに熱的に結合された温度可変素子と、
前記半導体レーザの温度が目標温度となるように前記温度可変素子の駆動を制御するレーザ温度制御手段とを備え、
前記レーザ温度制御手段は、前記半導体レーザを発振させるための駆動期間において、前記半導体レーザの駆動を開始してから所定時間が経過するまでの間は前記温度可変素子を用いたフィードフォワード制御によって前記半導体レーザの温度を制御し、前記所定時間が経過した後は前記温度可変素子を用いたサーボ制御によって前記半導体レーザの温度を制御する
ことを特徴とするレーザ光照射装置。 A semiconductor laser that emits laser light to be irradiated on the object;
A temperature variable element thermally coupled to the semiconductor laser;
Laser temperature control means for controlling the drive of the temperature variable element so that the temperature of the semiconductor laser becomes a target temperature,
In the driving period for oscillating the semiconductor laser, the laser temperature control means performs the feed-forward control using the temperature variable element until a predetermined time elapses after the driving of the semiconductor laser is started. A laser light irradiation apparatus, wherein the temperature of the semiconductor laser is controlled, and after the predetermined time has elapsed, the temperature of the semiconductor laser is controlled by servo control using the temperature variable element.
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ光照射装置。 When the laser temperature control means controls the temperature of the semiconductor laser by the feedforward control, the laser temperature control means controls the amount of heat generated by the semiconductor laser from the start of driving the semiconductor laser until the predetermined time elapses. Based on this, a required heat dissipation amount required to set the temperature of the semiconductor laser to the target temperature after the predetermined time from the start of driving of the semiconductor laser is obtained, and the required heat dissipation amount is achieved within the predetermined time. The laser beam irradiation apparatus according to claim 1, wherein the temperature variable element is driven.
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ光照射装置。 The laser light irradiation apparatus according to claim 1, wherein the temperature variable element is a Peltier element.
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ照射装置。 The laser irradiation apparatus according to claim 1, wherein a supply current during a non-driving period of the semiconductor laser is set to an oscillation threshold current.
事前に前記半導体レーザを前記目標温度に維持した状態で測定したI−L(Injection Current-Light output)特性データを記憶する記憶手段とを備え、
前記レーザ温度制御手段は、前記半導体レーザの駆動を開始する前に、前記記憶手段に記憶した前記I−L特性データを参照して前記所定時間が経過するまでの前記半導体レーザの発熱量を求めるとともに、前記半導体レーザの駆動開始直前に前記温度検知手段で検知した前記半導体レーザの温度と前記目標温度との差分に基づいて前記所要発熱量を求める
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ光照射装置。 Temperature detecting means for detecting the temperature of the semiconductor laser;
Storage means for storing IL (Injection Current-Light output) characteristic data measured in a state where the semiconductor laser is maintained at the target temperature in advance.
The laser temperature control means obtains the amount of heat generated by the semiconductor laser until the predetermined time elapses with reference to the IL characteristic data stored in the storage means before starting the driving of the semiconductor laser. The laser light according to claim 1, wherein the required heat generation amount is obtained based on a difference between the temperature of the semiconductor laser detected by the temperature detecting means and the target temperature immediately before the start of driving of the semiconductor laser. Irradiation device.
事前に測定した前記半導体レーザの発振閾値電流を記憶する記憶手段とを備え、
前記レーザ温度制御手段は、前記半導体レーザの立ち上がり時に、前記記憶手段に記憶した前記発振閾値電流を参照して前記半導体レーザの立ち上がり時間が経過するまでの前記半導体レーザの発熱量を求めるとともに、前記半導体レーザの発振直前に前記温度検知手段で検知した前記半導体レーザの温度と前記目標温度との差分に基づいて前記所要発熱量を求める
ことを特徴とする請求項1記載のレーザ光照射装置。 Temperature detecting means for detecting the temperature of the semiconductor laser;
Storage means for storing the oscillation threshold current of the semiconductor laser measured in advance,
The laser temperature control means refers to the oscillation threshold current stored in the storage means at the time of startup of the semiconductor laser to determine the amount of heat generated by the semiconductor laser until the semiconductor laser rise time elapses, and The laser light irradiation apparatus according to claim 1, wherein the required heat generation amount is obtained based on a difference between the temperature of the semiconductor laser detected by the temperature detection unit and the target temperature immediately before oscillation of the semiconductor laser.
前記半導体レーザの駆動を開始してから所定時間が経過するまでの間はフィードフォワード制御によって前記半導体レーザの温度を制御し、
前記所定時間が経過した後はサーボ制御によって前記半導体レーザの温度を制御する
ことを特徴とするレーザ制御方法。 In the drive period for oscillating the semiconductor laser,
The temperature of the semiconductor laser is controlled by feedforward control until a predetermined time elapses after the driving of the semiconductor laser is started.
After the predetermined time has elapsed, the temperature of the semiconductor laser is controlled by servo control.
前記レーザアニール処理を行なう場合に、前記非晶質シリコン膜に照射されるレーザ光を出射する半導体レーザを発振させるための駆動期間において、前記半導体レーザの駆動を開始してから所定時間が経過するまでの間はフィードフォワード制御によって前記半導体レーザの温度を制御し、前記所定時間が経過した後はサーボ制御によって前記半導体レーザの温度を制御する
ことを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。 A method of manufacturing a thin film transistor, wherein after forming an amorphous silicon film on a substrate, the amorphous silicon film is converted into a polycrystalline silicon film by laser annealing,
When performing the laser annealing treatment, a predetermined time elapses from the start of the driving of the semiconductor laser in the driving period for oscillating the semiconductor laser that emits the laser light applied to the amorphous silicon film. The method of manufacturing a thin film transistor, wherein the temperature of the semiconductor laser is controlled by feedforward control until a predetermined time, and the temperature of the semiconductor laser is controlled by servo control after the predetermined time has elapsed.
前記レーザアニール処理を行なう場合に、前記非晶質シリコン膜に照射されるレーザ光を出射する半導体レーザを発振させるための駆動期間において、前記半導体レーザの駆動を開始してから所定時間が経過するまでの間はフィードフォワード制御によって前記半導体レーザの温度を制御し、前記所定時間が経過した後はサーボ制御によって前記半導体レーザの温度を制御する
ことを特徴とする表示装置の製造方法。 A method of manufacturing a display device including a thin film transistor manufacturing process in which after forming an amorphous silicon film on a substrate, the amorphous silicon film is converted into a polycrystalline silicon film by laser annealing treatment,
When performing the laser annealing treatment, a predetermined time elapses from the start of the driving of the semiconductor laser in the driving period for oscillating the semiconductor laser that emits the laser light applied to the amorphous silicon film. The temperature of the semiconductor laser is controlled by feedforward control until the time until, and the temperature of the semiconductor laser is controlled by servo control after the predetermined time has elapsed.
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JP2011018833A (en) * | 2009-07-10 | 2011-01-27 | Fujitsu Ltd | Temperature control method, temperature control apparatus, and optical device |
CN111383916A (en) * | 2018-12-28 | 2020-07-07 | 上海微电子装备(集团)股份有限公司 | Laser annealing device for SiC substrate |
-
2007
- 2007-05-31 JP JP2007144691A patent/JP2008300601A/en active Pending
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JP2011018833A (en) * | 2009-07-10 | 2011-01-27 | Fujitsu Ltd | Temperature control method, temperature control apparatus, and optical device |
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