JP2018505568A - ラインビーム形成装置 - Google Patents

Abstract

複数のミラーからなる単一のミラーセットを用いて、入射したレーザービームを、レーザービームの進行方向（ｚ軸）に対して直角な第１方向（ｙ軸）に分割して一定の大きさのビームセグメントを出射し、前記レーザービームの進行方向（ｚ軸）に対して直角な第２方向（ｘ軸）に前記ビームセグメントを一定の間隔で配列して出射することができるように構成したラインビーム形成装置が提供される。本発明のラインビーム形成装置は、マルチモードレーザービームとして、ビームダイバージェンスの高いエキシマレーザー、高出力ＤＰＳＳレーザー、または、レーザーダイオード、に利用でき、ビームが密に集光されることで高密度のエネルギーを得ることができ、長軸と短軸の両方向において強度が均一なビームプロファイルを形成することができ、入射ビームの性質に影響を受けずに複数のレーザービームを組み合わせることができる。

Description

本発明は、ラインビーム形成装置に関する。より具体的には、複数のミラーからなる単一のミラーセットを用いて、レーザービームの進行方向（ｚ軸）に対して直角な第１方向（ｙ軸）に、ビームを一定の大きさのビームセグメントに分割し、前記レーザービームの進行方向（ｚ軸）に対して直角な第２方向（ｘ軸）に、前記ビームセグメントを一定の間隔で配列して出射することができるように構成したラインビーム形成装置に関する。

近年、発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などの素子を形成するために、レーザービームを用いて基板上の薄膜を分離するレーザーリフトオフ（ＬＬＯ：Ｌａｓｅｒ Ｌｉｆｔ Ｏｆｆ）工程において、ＵＶ高出力レーザーであるエキシマレーザーまたはＵＶ ＤＰＳＳ（Ｄｉｏｄｅ Ｐｕｍｐｅｄ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ）レーザーが使用される。また、液晶パネルのスイッチング素子として使用されるＬＴＰＳ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐｏｌｙ Ｓｉｌｉｃｏｎ）薄膜トランジスタの製造工程において、アモルファスシリコン層を蒸着した後、これを結晶化する方法にエキシマレーザーまたはＤＰＳＳレーザーが使用される。

高出力のエネルギーが必要な工程では、密に集光された、あるいは、高度に解像された、ビームスポットを得るために、ビームスポットのサイズを小さくする必要がある。併せて、均一な加工のためには、形成されたビーム内においてビームの強度が均一に分布する必要がある。

米国特許第７２８６３０８号明細書では、レーザーダイオードバー光源を集束させるためにプリズムアレイを使用することで長軸と短軸のビーム品質を交換する技法を紹介している。米国特許第７２８６３０８号明細書の方法に基づいてプリズムアレイを使用すると、製作、組立、および、整列、が複雑になり、精密な光学系の製造が難しく、光学系のサイズが非常に大きくなって実用性が低下する、という問題点がある。

また、米国特許第５５１３２０１号明細書では、レーザーダイオードアレイシステムで光源を光ファイバーに集束させるために光の経路を回転させるデバイスを使用している。この際、光の経路を回転させる手段として、レンズ、プリズム、および、ミラー、を複合的に使用する方法を提案しているが、やはり製作、組立、および、整列、が複雑であり、精密な光学系の製造が難しく、光学系のサイズが非常に大きくなる、という問題点がある。特に円筒状レンズアレイを使用する場合には、焦点距離が長ければ光損失が多くなり、焦点距離が短ければ光学収差が発生する、という問題点がある。

また、特定の値以上に高いパワー閾値を必要とするシステムでは、レーザー光源自体の最大出力値に限界があるため、二つのレーザーを組み合わせなければならない場合がある。したがって、二つ以上のレーザーを組み合わせて同時に全領域にわたって一定に加工することが可能なフラットトップラインビームプロファイルを形成する光学系が必要である。しかし、プリズムアレイを使用する米国特許第７２８６３０８号明細書または米国特許第５５１３２０１号明細書の方法では、一つの光学系で二つ以上のレーザーを組み合わせることが難しいため、別の光学系を備える必要がある。

また、高エネルギー密度のラインビームを形成し、その強度分布を均一にするためには、短軸（ｙ軸）方向のスポットサイズを非常に小さく維持するとともに、長軸（ｘ軸）と短軸（ｙ軸）との両方向にフラットトッププロファイルを持つ光学系を構築する必要がある。

米国特許第７２８６３０８号明細書 米国特許第５５１３２０１号明細書

本発明は、レーザーのエネルギー源に関係なく使用できるためメンテナンス費用を抑制でき、製作が簡便であり、さらに、光損失を小さくすることができ、ビームスポットサイズを小さくするとともに、短軸と長軸の両方向に均一なラインビームを形成する、ことができる装置を提示しようとする。

ところが、本発明が解決しようとする課題は上述した課題に制限されず、上述していない別の課題は以降の記載から当業者に明確に理解されるだろう。

上記の目的を達成するために、本発明は、作動面にラインビームを形成するビーム形成装置であって、レーザービームを放出するレーザー光源と、複数のミラーからなる単一のミラーセットと、を含んでなり、前記単一のミラーセットは、入射したレーザービームを前記レーザービームの進行方向（ｚ軸）に対して直角な第１方向（ｙ軸）に分割して一定の大きさのビームセグメントを出射し、残りのビームを前記単一のミラーセット内で再反射させて前記第１方向（ｙ軸）に一定の距離だけ前記残りのビームを移動させるプロセスを繰り返し行うことにより、一定の大きさのビームセグメントを順次出射し、前記レーザービームの進行方向（ｚ軸）に対して直角な第２方向（ｘ軸）に前記ビームセグメントを一定の間隔で配列することができるように前記ビーム形成装置内に配置されるラインビーム形成装置を提供する。

本発明のラインビーム形成装置は、マルチモードレーザービームとして、ビームダイバージェンスが大きいエキシマレーザー、高出力ＤＰＳＳレーザー、または、レーザーダイオード、に利用でき、ビームが密に集光されることで高密度のエネルギーを得ることができ、長軸と短軸の両方向において強度が均一なビームプロファイルを形成することができ、入射ビームの性質に影響を受けずに複数のレーザービームを組み合わせることができる。

本発明の一実施形態に係る、二つのミラーからなる単一のミラーセットにおけるビームの入射、反射、および、出射過程、の模式図（側面図（図１ａ）および平面図（図１ｂ））。 本発明の一実施形態に係る、三つのミラーからなる単一のミラーセットにおけるビームの入射、反射、および、出射過程、の模式図（側面図（図２ａ）および平面図（図２ｂ））。 本発明の一実施形態に係る、四つのミラーからなる単一のミラーセットにおけるビームの入射、反射、および、出射過程、の模式図（側面図（図３ａ）および平面図（図３ｂ））。 本発明の一実施形態に係る、単一のミラーセットが光軸に対して傾いて位置する光学系におけるビームの入射、反射、および、出射過程、の模式図（平面図）。 本発明の一実施形態に係る、ビームを第１方向（ｙ軸）に拡大した後に単一のミラーセットを通過した後の、ビームの整列模様を示す模式図。 本発明の一実施形態に係る、単一のミラーセットの出射ビーム経路に無反射コーティングを施して光損失を最小化した光学系の構成図（図６ａおよび図６ｂ）。 本発明の一実施形態に係る、二つの単一のミラーセットを用いて入射ビームを二分して通過させる光学系の構成図（平面図（図７ａ）および正面図（図７ｂ））。 本発明の一実施形態に係る、隣接する複数のビームを入射ビームとして利用する光学系の構成図。 本発明の一実施形態に係るラインビーム形成装置の構成概略図。 本発明の一実施形態に係る、ビームを第１方向（ｙ軸）に拡大した後のビームプロファイル（図１０ａ）と、その後に単一のミラーセットを通過した後のビームプロファイル（図１０ｂ）。 本発明の一実施形態に係るレーザーパルスストレッチャーの原理を説明する図。 本発明の一実施形態に係る、円筒状ミラーアレイを用いたレーザーパルスストレッチャーの模式図。 本発明の一実施形態に係る、単一のミラーセットを第２方向（ｘ軸）のホモジナイザーとして用いた光学系の模式図である。 本発明の一実施形態に係る、単一のミラーセットを円筒状ミラーアレイで構成した光学系の例（図１４ａ、図１４ｂ、図１４ｃ）。

以下、添付図面を参照して、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を容易に実施し得るように、本発明の実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明は、様々な異なる形態で実現でき、ここで説明する実施形態に限定されるものではない。そして、図面において、本発明を明確に説明するために、説明と関係のない部分は省略し、明細書全体にわたり、類似している部分については同様の図面符号を付した。

本願明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とするとき、これは特に反対される記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

本明細書において、「構成される」または「含む」などの用語は、明細書上に記載された種々の構成要素または種々の段階を必ず全て含むものと解釈されてはならず、その中の一部の構成要素または一部の段階を含まなくてもよく、追加的な構成要素または段階をさらに含んでもよい、と解釈されるべきである。

また、本明細書で使用される「第１」、「第２」などの序数を含む用語は様々な構成要素を説明するために使用できるが、これらの構成要素はこれらの用語により限定されてはならない。これらの用語は、ある構成要素を他の構成要素と区別するために使用されるだけである。例えば、本発明の権利範囲を逸脱しない範疇内で、第１構成要素は第２構成要素と命名することができ、これと同様に、第２構成要素も第１構成要素と命名することができる。

本発明は、レーザー光源を用いて高エネルギー密度のラインビームを形成する光学系を含むビーム形成装置に関する。

前述したような光学系の大きな特徴は、ビームの進行方向（ｚ軸）に対して垂直な第１方向（ｙ軸または短軸）と、第２方向（ｘ軸または長軸）と、のビーム強度分布が異なることである。物質の均一な加工のためにはビーム強度分布を均一にする必要があり、そのために、第２方向（ｘ軸）にホモジナイザーを用いて、システムに適合する幅（５〜１５００ｍｍ）で強度が均一なビームに視準する必要がある。また、効果的な物質加工のためには高エネルギー密度のラインビームを形成する必要があり、そのためには第１方向（ｙ軸）に集光または集束してスポットサイズを小さくする必要がある。

レーザービームはガウス分布を有するが、そのスポットサイズはビームウエストサイズ（ｗ_０）の２倍に相当する大きさと定義される。レンズによって集光されるスポットサイズ（２ｗ_０）は、レーザー波長（λ）、レンズに入射するビームサイズ（Ｄ）、レンズ焦点距離（Ｆ）、および、ビーム品質因子（Ｍ^２）の関係から、数式１によって決定される。

数式１を参照すると、スポットサイズ（２ｗ_０）を小さくするための方法として、次の方法が考えられる。

第一の方法は、レンズに入射するビームサイズ（Ｄ）を大きくする方法である。この場合、光学系が大きくなり、レンズ収差が大きくなるため、ビームサイズ（Ｄ）を大きくすることには限界がある。よって、スポットサイズを一定以上に小さくすることができない。

第二の方法は、レンズ焦点距離（Ｆ）が小さいレンズを使用する方法である。この場合には、レンズ収差が大きくなるため、スポットサイズを小さくするには限界がある。また、レンズと加工物質との距離が小さくなり、加工時の使いやすさが損なわれる。

第三の方法は、ビームサイズ（Ｄ）とレンズ焦点距離（Ｆ）とは変化させずに、ビーム品質因子（Ｍ^２）を小さくすることによる方法である。本発明では、ビーム品質因子を小さくする方法により、上述のビームサイズ（Ｄ）またはレンズ焦点距離（Ｆ）を変化させることによりスポットサイズを小さくする方法の問題点を克服しようとする。

前記ビーム品質因子（Ｍ^２）はビームダイバージェンス（Θ）が大きいほど大きくなる特性があるが、ＴＥＭ_００モードのガウシアンビーム（Ｍ^２＝１）と、通常のレーザービーム（Ｍ^２＞１）と、におけるビーム品質因子（Ｍ^２）およびビームダイバージェンス（Θ）は、それぞれ数式２および数式３で定義される。

したがって、ビームダイバージェンスを小さくすることによりビーム品質因子を小さくすることができ、結果としてスポットサイズも小さくなり、高エネルギー密度のビームを形成することができる。

一般なレーザーのビーム品質因子（Ｍ^２）は２以下であるが、高出力レーザーの場合は、ビームダイバージェンスが非常に大きいため、高出力ＤＰＳＳレーザーまたはエキシマレーザーのビーム品質因子（Ｍ^２）は２５以上であって、ビームダイバージェンスに換算すると２ｍｒａｄ以上である。

高出力レーザーにおける波長を０．５μｍ、ビームサイズを５ｍｍ、集光レンズの焦点距離を１００ｍｍ、と仮定すると、集光レンズによって集光されるスポットサイズは３００μｍ以上になる。上述したように、スポットサイズが大きいと、エネルギー（またはパワー）密度が低いため、基板または物質の加工に適さない。高いエネルギー密度を得るためには、集光されるスポットサイズを数十μｍまたは数μｍ以内にしなければならない。

一般なレンズを用いた光学系では、エテンデュの保存則（エテンデュ＝光学系長さ×光学系ＮＡ）に基づいてレーザービームダイバージェンスを小さくするためにはビームサイズを増加させなければならない。よって、レーザーのビームサイズを維持しながらビームダイバージェンスを小さくすることはできない。

したがって、本発明では、単一のミラーセットによってレーザービームを繰り返し反射させることでレーザービームの位置を一定の距離だけ移動させながら分割して一定の大きさのビームセグメントを透過させる方法によって、レンズを用いた前記光学系との差別化を図ろうとする。

このため、本発明で提供される作動面にラインビームを形成するビーム形成装置は、
レーザービームを放出するレーザー光源と、
複数のミラーからなる単一のミラーセットと、を含み、
前記単一のミラーセットは、
入射したレーザービームを前記レーザービームの進行方向（ｚ軸）に対して直角な第１方向（ｙ軸）に分割して一定の大きさのビームセグメントを出射し、
残りのビームを前記単一のミラーセット内で再反射して前記第１方向（ｙ軸）に一定の距離だけ前記残りのビームを移動させる過程を繰り返し行うことにより、一定の大きさのビームセグメントを順次出射し、
前記レーザービームの進行方向（ｚ軸）に対して直角な第２方向（ｘ軸）に前記ビームセグメントを一定の間隔で配列することができる
ように前記ビーム形成装置内に配置される。

前記単一のミラーセットの前段にビーム変換手段をさらに備え、前記レーザービームが前記ビーム変換手段を通過することにより、前記レーザービームの第１方向（ｙ軸）の大きさが拡大し、前記第１方向（ｙ軸）のビームダイバージェンスが小さくなる、ように変形する。

前記ビーム変換手段としては、円筒状レンズセットまたは異なる光学系を用いることができる。例えば、光源から放出される原レーザービーム（図５ａ）の幅が第１方向（ｙ軸）および第２方向（ｘ軸）にそれぞれ５ｍｍであり、ビームダイバージェンスは第１方向（ｙ軸）および第２方向（ｘ軸）においてそれぞれ０．５°であると仮定したとき、前記ビーム変換手段を通過したビーム（図５ｂ）は、第１方向（ｙ軸）の幅が２５ｍｍ（５倍）に増し、第２方向（ｘ軸）の幅は５ｍｍのままであり、ビームダイバージェンスは、第１方向（ｙ軸）においては０．１°（１／５倍）に低下し、第２方向（ｘ軸）においては０．５°のままでありうる。

したがって、前記単一のミラーセットに入射するビームは、光源から放出される原レーザービーム（図５ａ）と比較して、第２方向（ｘ軸）のビームサイズとビームダイバージェンスは変化せず、第１方向（ｙ軸）のビームサイズは拡大し、ビームダイバージェンスは低下した状態（図５ｂ）に変形したものである。

図１〜図３に例示するように、前記単一のミラーセットは、
前記第１方向（ｙ軸）に水平（入射角度０°）に入射したレーザービームを受け入れ、分割されたビームセグメントを出射部を介して出射し、残りのビームを反射する第１ミラー（Ｍ_１１、Ｍ_２１、Ｍ_３１）と、
前記第１ミラーに反射されたビームを受け入れて再反射する第２ミラー（Ｍ_１２、Ｍ_２３、Ｍ_３４）と、を含み、
前記第１ミラーは前記第２ミラーから前記レーザービームの進行方向（ｚ軸）に離隔して位置し、前記第１方向（ｙ軸）に前記出射部の幅（ｄ）だけ差が生じるように位置することができる。前記出射部の幅（ｄ）を調節することにより、前記ビームセグメントの前記第１方向（ｙ軸）の幅を調節することができる。

つまり、出射するビームセグメントの第１方向（ｙ軸）の幅は、前記第１ミラーと前記第２ミラーとの第１方向（ｙ軸）の高さの差によって調節可能である。第１ミラーと第２ミラーとの第１方向（ｙ軸）の高さの差が大きければビームセグメントの第１方向（ｙ軸）の幅が大きくなり、高さの差が小さければ第１方向（ｙ軸）の幅が小さくなる。

前記出射部は、空気で満たされた空間であってもよい。この場合、前記分割されたビームセグメントは前記空間を介して出射する。

しかし、図１〜図３の単一のミラーセットでは、出射部からビームが出射するとき、ミラーの端部における微細クラックまたは角部などによる乱反射により光損失が発生するおそれがある。このような点を補完するために、図６ａに示すような方法を提案する。

つまり、ビームが出射する出射部を、空気で満たされた空間ではなく、出射側ミラー（すなわち、第１ミラー）が延長されたもので構成し、出射部の透過率を大幅に改善させる反射防止（ＡＲ；ａｎｔｉ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ）コーティング処理を施すことにより、端部で発生する光損失を防ぐことができる。

しかし、図６ｂに示すように、スネルの法則によって、屈折率の異なる表面を通過するとビームが屈折して進行する。この現象により、出射ビームの位置が移動するおそれがある。これを防止するために、前記ビームセグメントの出射経路上に屈折補正手段（Ｇ１）がさらに配置される。前記屈折補正手段（Ｇ１）は、前記反射防止コーティング処理された、前記出射部（Ｍ_１’）と同じ厚さの同一物質からなり、前記出射部と反対の角度を形成するように配置され、ビームを元の位置に出射することができる。

一方、本発明によれば、前記第２方向（ｘ軸）に前記レーザービームが入射する角度、または、前記単一のミラーセットの組立角度、を調節することにより、前記第２方向（ｘ軸）に前記ビームセグメントが配列される間隔、および、前記第２方向（ｘ軸）の出射ビームの全幅、を調節することができる。すなわち、前記角度が大きくなると、前記ビームセグメントが配列される間隔、および、前記第２方向（ｘ軸）の出射ビームの全幅が大きくなり、前記角度が小さくなると、前記ビームセグメントが配列される間隔、および、前記第２方向（ｘ軸）の出射ビームの全幅が小さくなる。

前記単一のミラーセットを構成するそれぞれのミラーに入射するレーザービームは、前記第２方向（ｘ軸）には第１ミラーに対して垂直ではない一定の角度で入射し、前記単一のミラーセット内で反射または再反射が１サイクル行われるたびに第１方向（ｙ軸）に一定の幅（ｄ）、例えば５ｍｍだけ位置移動する。位置移動した部分は、前記一定の幅（ｄ）だけの空間、すなわち出射部を介して出射する。このようにして、前記第１方向（ｙ軸）に一定の大きさ（ｄ、例えば、５ｍｍ）に分割されたビームセグメントが形成される。

また、分割されたビームセグメントが前記第２方向（ｘ軸）に一定の間隔（ｗ、例えば、５ｍｍ）で配列され、全幅は２５ｍｍに拡大する。よって、前記単一のミラーセットを通過したビームは、５ｍｍ（ｘ軸）×２５ｍｍ（ｙ軸）から２５ｍｍ（ｘ軸）×５ｍｍ（ｙ軸）に変わるが、前記第２方向（ｘ軸）と前記第１方向（ｙ軸）のビームダイバージェンスはそのまま維持されるので、前記第１方向（ｙ軸）のビームダイバージェンスは０．１°となる。

その結果、前記ビーム変換手段と前記単一のミラーセットをすべて通過したビームは、原レーザービームと比較すると、前記第１方向（ｙ軸）については、ビームサイズは変化せず、ビームダイバージェンスが１／５に低下し、前記第２方向（ｘ軸）については、ビームサイズが拡大し、ビームダイバージェンスは変化しない。

前記第１ミラーに反射されるビームは、前記第２ミラーに直接入射して前記第１ミラーへ向けて再反射されるか、あるいは、
前記単一のミラーセット内に配置された少なくとも一つの追加的なミラーを経て前記第２ミラーに入射して前記第１ミラーへ向けて再反射されてもよい。

すなわち、図１ａおよび図１ｂに示すように、単一のミラーセットが向かい合う二つのミラーから構成された場合には、前記第１ミラーに入射したビームは一部ビームセグメントが出射し、残りのビームが前記第１ミラーに反射されて前記第２ミラーに直接入射した後に、前記第１ミラーへ向けて再反射される過程を繰り返し行うことにより、ビームの分割および位置移動が行われる。

一方、前記単一のミラーセットは、第１ミラーおよび第２ミラーに加えて、さらに一つ以上のミラーを含むことができる。

図２および図３に示すように、単一のミラーセットが、第１ミラーおよび第２ミラー以外に、ミラーをさらに一つまたは二つ配置して、三つまたは四つのミラーから構成された場合には、前記第１ミラーに入射したビームは、一部のビームセグメントが出射し、残りのビームは前記第１ミラーから反射されて追加的なミラーを経て前記第２ミラーに入射した後に、前記第１ミラーへ向けて再反射される過程を繰り返し行うことにより、ビームの分割および位置移動が行われる。

次に、四つのミラーから構成された単一のミラーセットにおけるビームの分割および位置移動（図３ａおよび図３ｂ）を、さらに具体的に説明する。

上述したビーム変換手段を通過して第１方向（ｙ軸）にビームサイズが拡大しビームダイバージェンスが低下するように変形したビームを、第２方向（ｘ軸）に垂直ではない一定の角度で単一のミラーセットに入射させる。単一のミラーセット内で１サイクルの反射または再反射が行われるたびに、前記第１方向（ｙ軸）に一定の幅ｄ（５ｍｍ）だけ移動する。

また、図３ａに示すように、単一のミラーセットにおいてミラーＭ_３３とミラーＭ_３４との位置を一定の幅ｄ（５ｍｍ）だけずらして配置すると、レーザービームは、前記第１方向（ｙ軸）の下にｄだけ移動し、幅ｄ（５ｍｍ）だけ前記第１方向（ｙ軸）に分割されたビームセグメントがＭ_３１ミラーの外へ出射する。このような過程を繰り返し行うと、単一のミラーセットに最初に入射したレーザービームと比較して、出射するレーザービームのサイズは５ｍｍ（ｘ軸）×２５ｍｍ（ｙ軸）から２５ｍｍ（ｘ軸）×５ｍｍ（ｙ軸）に変わるが、第１方向（ｙ軸）と第２方向（ｘ軸）とのビームダイバージェンスは変化しない。また、前記第１方向（ｙ軸）へのビーム移動距離に該当する空間（ｄ）、すなわち、出射部の幅を調節すると、出射ビームの第１方向（ｙ軸）の幅を調節することができる。

したがって、前述の方法によれば、レーザービームを一定の間隔で第１方向（ｙ軸）に移動させた後、同じ高さまたは位置で一部を通過させる方法で、第１方向（ｙ軸）のビームダイバージェンスを小さくすることができる。

次に、三つのミラーから構成された単一のミラーセットにおけるビームの分割および位置移動（図２ａおよび図２ｂ）を、より具体的に説明する。

図２ａの単一のミラーセットは、ミラーＭ_２１の位置と、ミラーＭ_２２の角度と、を調節して、ビームをＭ_２３に入射し、反射する過程を繰り返し行うことにより、第１方向（ｙ軸）に距離ｄだけ移動するようにする。よって、ミラーＭ_２１の出射部を介して透過されるレーザービームは、図３ａおよび図３ｂの光学系と同じ形状で平行ビームとして出射する。

また、図１ａに示すように、二つのミラーから構成された単一のミラーセットの場合でも、同様の効果を奏する光学系を構成することが可能である。図１においてミラーＭ_１１とミラーＭ_１２との角度を同一に上方または下方に傾け、ミラーＭ_１２の位置をミラーＭ_１１よりも上または下に幅ｄだけ移動させると、ミラーＭ_１１の出射部を介して透過されるレーザービームは図３の光学系と同じ形状で平行ビームとして出射する。

入射ビームの角度を傾けて単一のミラーセットの光学系に入射させる代わりに、図４に示すように、単一のミラーセット光学系を入射ビームに対して傾けることによっても、同様の効果を奏することができる。

上記で提示した単一のミラーセット光学系を通過したレーザービームは、第１方向（ｙ軸）のビームダイバージェンスを小さくするだけでなく、第１方向（ｙ軸）に強度が均一なフラットトッププロファイルを形成する役割も果たす。

前記単一のミラーセットの後段に、第２方向（ｘ軸）にホモジナイザーをさらに備え、前記第２方向（ｘ軸）に配列されたビームセグメントが通過すると、前記第１方向（ｙ軸）および前記第２方向（ｘ軸）にビーム強度が均一なフラットトッププロファイルを形成する。つまり、単一のミラーセット光学系を通過した平行ビームが、第２方向（ｘ軸）の円筒状レンズアレイを用いたホモジナイザーを通過すると、第２方向（ｘ軸）についてシステムに適合する幅にわたって強度が均一なラインビームになる。また、第２方向（ｘ軸）についてのみ広がりを持ったビームが互いに均一化され、第１方向（ｙ軸）については平行ビームであることを維持するので、第１方向（ｙ軸）にも強度が均一なフラットトッププロファイルになる。これは、単一のミラーセット光学系が第１方向（ｙ軸）に一定の大きさに分割されたビームセグメントが同じ高さで均一化されるようにする円筒状レンズアレイと同様の役割を果たすことで可能になる。しかも、単一のミラーセット光学系を通過したビームは、円筒状レンズアレイ方式のホモジナイザーとは異なり、平行ビームとして出射し、第１方向（ｙ軸）に広がりを持たない。

本発明の一実施形態によれば、図７ａおよび図７ｂに示すように、前記単一のミラーセットと同じ構造の追加的な単一のミラーセットを備え、前記単一のミラーセットと前記追加的な単一のミラーセットは、前記第２方向（ｘ軸）に互いに反対の角度を形成するように配置され、入射ビームを二分して、それぞれが再反射と出射プロセスを行うようにすることもできる。

単一のミラーセットと追加的な単一のミラーセットは、第２方向（ｘ軸）に互いに反対の角度を形成するように配置され、入射したレーザービームは、二つに分割され、第２方向（ｘ軸）について互いに反対の方向に向かう。第１方向（ｙ軸）にも、単一のミラーセットと追加的な単一のミラーセットは互いに反対の方向にレーザービームを移動させ、最終的には同じ第１方向（ｙ軸）の高さ（入射ビームの中央）から第２方向（ｘ軸）に整列されたレーザービームを出射する。この方式によれば、ミラー反射回数を半減してミラー反射による光損失を小さくする効果、に加えて、入射ビームの高さと出射ビームの高さとを同一にしてレーザービームの整列を容易にする効果が得られる。単一のミラーセットと追加的な単一のミラーセットとして、それぞれ図１ａおよび図１ｂに示すような二つの向かい合う単一のミラーセット光学系を採用すると、四つのミラーからなる光学系を構成することができる。構成された光学系は、ミラー反射回数を最小にしてミラー反射による光損失を最小限に抑えることができる。たとえば、ミラー反射率が９９．８％であり、分割されたレーザービームがそれぞれ１０回ずつ反射するとすれば、光損失は２％である。または、ミラー反射率が９９．５％であれば、光損失は５％未満になる。

上記で提示した単一のミラーセットを介して一定の幅（ｄ）のみ通過したレーザービームは、上述したように、第１方向（ｙ軸）に同一の高さで通過するので、第１方向（ｙ軸）には幅が小さくなるが、ビームダイバージェンスは変化しない。また、第２方向（ｘ軸）は、ミラーで繰り返し反射しながら横に一定の幅（ｗ）だけ移動してビームセグメントが配列するため、幅は大きくなるが、ビームダイバージェンスは変化しない。第１方向（ｙ軸）に集光レンズを使用する場合、本発明の単一のミラーセットを使用しない従来の光学系と比較してスポットサイズを大幅に小さくすることができるため、高エネルギー密度を得ることができる。

本発明の他の実施形態によれば、図８に示すように、隣接する複数のレーザービーム（第１入射ビームと第２入射ビーム）を同じ位置、および、同じ角度、で、単一のミラーセットに入射することができる。

これは、一つのレーザービームで物質を加工するにはパワーが足りない場合に、レーザー最大出力の限界を克服するためである。既存の光学系では、複数のレーザービームを結合して光学系に導入するには別の追加的な光学系が必要である問題、入射ビームの特性、特に偏光特性により、組み合わせることが可能なビームの数には限界がある問題、および、同じ位置にレーザービームを出射するために光学系への入射前に使用するビームスプリッタなどの光学部品における吸収または反射などにより光損失が発生する問題、があった。

異なる角度で入射する方法で複数のレーザーを組み合わせる場合、入射する角度は円筒状レンズアレイのＮＡ制限を受けることができる。よって、図８の方法を用いて複数のレーザービームを単純に組み合わせる場合、単一のミラーセット光学系の後段に位置した円筒状レンズアレイの光学系特性に関係なく、複数のレーザーを組み合わせることができる。二つ以上の複数のレーザーを隣接するようにした後、単一のミラーセット光学系を通過させると、複数のレーザービームは同じ位置、同じ角度で単一のミラーセット光学系から出射する。

本発明の一実施形態によれば、単一のミラーセット内でビームが進行する距離を調節して前記ビームセグメントの出射時間間隔を調節することにより、レーザーパルス持続時間を調節することができる。

例えば、図１１に示すように、単一のミラーセット光学系を構成するミラー間の間隔を調節すると、レーザーパルス持続時間を調節することができる。第１レーザービームが前記単一のミラーセット光学系から出射した後、第２レーザービームは、前記単一のミラーセット光学系で反射される距離（Ｌ）のために時間（τ）だけ遅延して前記単一のミラーセット光学系から出射する。同じ方式で第３レーザービームは２τだけ、第４レーザービームは３τだけ、第５レーザービームは４τだけ、それぞれ遅延して前記単一のミラーセットから出射する。遅延する時間は単一のミラーセット光学系で反射される距離（Ｌ）と光の速度（ｖ）によってτ＝Ｌ／ｖと決定される。よって、遅延して出射したレーザービームは、単一のミラーセット光学系の後段に位置したホモジナイザーによって均一化され、レーザーパルス持続時間が長くなる。

一般に、作動面でピークエネルギー（またはパワー）が必要な工程では、レーザーパルス持続時間が短いほうが工程に有利である。このような工程では、単一のミラーセット光学系で反射される距離をできる限り短くする必要がある。一例として、単一のミラーセット光学系で反射される幅を３０ｍｍと仮定すると、単一のミラーセット光学系から出射するビームセグメント間の遅延時間は０．１ｎｓに過ぎないので、一般な原レーザーパルス持続時間である１５ｎｓ〜２０ｎｓに比べて短い。よって、単一のミラーセット光学系で反射される幅を短くすれば、レーザーパルス持続時間には影響を与えない。

しかし、高いピークエネルギー（またはパワー）によって加工物質または界面に損傷が生じる工程、あるいは、長いレーザーパルス持続時間が必要な工程、では、レーザーパルス持続時間を延長するストレッチャー光学系が必要である。シリコン基板のアニーリング工程やリソグラフィー工程などは、レーザーパルスストレッチャー光学系が必要な工程であって、原レーザーパルス持続時間である１５ｎｓ〜２０ｎｓよりも長い３０ｎｓ以上が必要である。よって、単一のミラーセット光学系で反射される距離が少なくとも１ｍ以上である必要がある。単一のミラーセット光学系におけるミラー間の距離が長く、ビームダイバージェンスが大きい場合、ミラーによる反射に伴ってレーザービームのサイズがますます拡大するため、レーザービームの一部分が単一のミラーセット光学系を通過せず、光損失が大きくなる。

したがって、前記単一のミラーセットを構成する複数のミラーのうち少なくとも一つを円筒状ミラーアレイとして構成することができる。

例えば、図１２に示すように、平面ミラーの代わりに円筒状ミラーアレイを使用すると、レーザービームが単一のミラーセット光学系による反射に伴って拡大することを防ぐことができる。円筒状ミラーアレイの焦点距離が、単一のミラーセット光学系の長さの１／２となるように、円筒状ミラーアレイの曲率を設定する。平行に入射されたレーザービームは、第１円筒状ミラーアレイによって反射されて単一のミラーセット光学系の中心に焦点を結んだ後、第２円筒状ミラーアレイに入射する。第２円筒状ミラーアレイは、第２円筒状ミラーアレイと焦点距離が同じ光学系である第１円筒状ミラーアレイに向けて平行ビームとなるように反射させた後、レーザービームの一部分であるビームセグメントを単一のミラーセットから出射させる。出射されたビームセグメントは、単一のミラーセット光学系の後段に位置したホモジナイザーによって均一化され、パルス持続時間が長くなる。

したがって、単一のミラーセットを構成するミラーを円筒状ミラーアレイに置き換えた場合、レーザーパルス持続時間ストレッチャー光学系の役割を果たすことができる。

上記で提示した単一のミラーセットから出射された一定の大きさのビームセグメントは、第２方向（ｘ軸）に一定の間隔で整列される。よって、図１３に示すように、単一のミラーセットの前段に第２方向（ｘ軸）の集光レンズ（例えば、第２方向（ｘ軸）の円筒状レンズ）を位置させると、単一のミラーセットから一定の大きさで出射するビームセグメントは一定の角度で広がる。

単一のミラーセットの後段に第２方向（ｘ軸）に視準レンズをさらに備え、前記一定の角度で広がって出射するビームセグメントから同じ幅の平行ビームを形成することで、第２方向（ｘ軸）にビーム強度が均一なフラットトッププロファイルを形成することができる。

しかし、図１３の方式において、集光されて単一のミラーセットから出射するビームが広がり始める位置は、単一のミラーセット光学系で反射される回数に応じて変わる。単一のミラーセットを図１４ａの如く円筒状ミラーアレイで構成すると、円筒状レンズアレイ方式のホモジナイザーにおける位置と同じ位置で焦点を結んだ後にビームが広がり、第２方向（ｘ軸）のホモジナイザー光学系を実現することができる。

このとき、単一のミラーセット光学系の前段に位置した集光レンズの焦点距離は、単一のミラーセット光学系の中央にくるように設定する。また、円筒状ミラーアレイの焦点距離が、単一のミラーセット光学系の長さの１／２となるように、円筒状ミラーアレイの曲率を設定する。集光レンズによって単一のミラーセット光学系の中心で焦点を結んだ後に広がったビームは、第１円筒状ミラーアレイによって平行ビームとして第２円筒状ミラーアレイへ向けて反射される。第２円筒状ミラーアレイは、第２円筒状ミラーアレイと焦点距離が同じ光学系である第１円筒状ミラーアレイへ、再び単一のミラーセット光学系の中央に焦点を結び、反射させた後、ビームセグメントを単一のミラーセット光学系から出射する。このような方式で反射されて単一のミラーセット光学系を通過した平行ビームは、単一のミラーセット光学系の中央で焦点が結ばれて広がるようになり、円筒状レンズアレイによるホモジナイザーと同じ方式で強度が均一なラインビームを形成する。

したがって、第１方向（ｙ軸）にも上述の如くガウス分布がフラットトップをなすため、別途のホモジナイザーを用いることなく、単一のミラーセット自体で第１方向（ｙ軸）と第２方向（ｘ軸）についてのホモジナイザー光学系の役割を兼ねることができる。

図１４ａは二つの円筒状ミラーアレイの焦点距離が同じ光学系で構成された方法を示すが、二つの円筒状ミラーアレイの焦点距離が異なるように設計して使用してもよい。

図１４ｂのように二つの円筒状ミラーアレイの焦点距離が異なる場合は、第２円筒状ミラーアレイによって結ばれる焦点が単一のミラーセット光学系の中心ではないところに位置するようにすることができる。

または、図１４ｃのように、単一のミラーセット光学系の外側の、円筒状ミラーアレイの焦点距離だけ離れた位置に、焦点を位置させることもできる。この場合、図１４ｂにおける第１円筒状ミラーアレイの代わりに平面ミラーを使用しても、光学系の構成が可能である。また、円筒状ミラーアレイと平面ミラーの位置を入れ替えても、効果は同様である。このような光学系の構成によって円筒状ミラーアレイの使用個数を一つ減らすことにより、光学系の構成を単純化する効果に加え、円筒状ミラーアレイによる収差を小さくする効果が得られる。

単一のミラーセット光学系の外側に位置した第２方向（ｘ軸）の円筒状レンズアレイは、フィールドレンズであって、三つの役割がある。

第一は、ラインビームの均一度を高める役割である。第二は、ビーム変換光学系と単一のミラーセット光学系を通過した後、第２方向（ｘ軸）に非平行ビームとして出射する場合、円筒状レンズアレイの通過後に平行ビームとして入射するようにする役割である。第三は、円筒状レンズアレイの位置調整により、ラインビームのサイズを調節する役割である。円筒状レンズアレイを、円筒状ミラーアレイによって結ばれる焦点よりも前方に位置させると、ラインビームの幅は設計値よりも拡大し、焦点位置よりも後方に位置させると、ラインビームの幅は設計値よりも縮小する。

本発明に係る単一のミラーセットを含むラインビーム形成装置は、図９に示すように、５つの光学系から構成できる。レーザー光源１から放出された原レーザービームをビームサイズおよびビームダイバージェンスの変動なしにラインビーム光学系へ移動させるリレー光学系２、単一のミラーセットに入射する前に第１方向（ｙ軸）に原レーザービームのサイズを拡大して短軸（ｙ軸）のビームダイバージェンスを小さくするビーム形成光学系３、第１方向（ｙ軸）の低下したビームダイバージェンスを変化させずに第１方向（ｙ軸）のビーム幅を小さくする単一のミラーセット光学系４、および、第２方向（ｘ軸）と第１方向（ｙ軸）の強度を均一にするホモジナイザー光学系５、から構成される。最後に、第１方向（ｙ軸）に集光してスポットサイズを小さくするフォーカシング光学系６が必要である。フォーカシング光学系は、一つのレンズまたは一つ以上のレンズ群を用いてスポットサイズを数μｍ〜数十μｍにすることができる。

リレー光学系２はテレセントリック光学系を用いる。一つのレンズまたは一つのレンズ群を用いると、レンズの焦点距離の２倍の距離である２Ｆで原レーザービームとサイズおよびビームダイバージェンスが同じイメージを得ることができる。ダブルテレセントリック光学系は二つのレンズまたは二つのレンズ群を用いる。ダブルテレセントリック光学系は、原レーザービームの位置に敏感ではない特徴があるため、レーザービームとビーム形成光学系３との距離が遠い場合に使用しやすい。

ビーム形成光学系３は、単一のミラーセット光学系に入射する前にビームのサイズを変形させる光学系であって、一般に円筒状レンズを用いて第２方向（ｘ軸）と第１方向（ｙ軸）のビームのサイズが異なるように変形させる。

第１方向（ｙ軸）のビームダイバージェンスを小さくするために、第１方向（ｙ軸）のビームのサイズを拡大し、第２方向（ｘ軸）の幅は変化しないか、または、単一のミラーセット光学系４を通過し易いように変形させることができる。

単一のミラーセット光学系４は、上述したように、第１方向（ｙ軸）の幅およびビームダイバージェンスを小さくし、複数のレーザービームを組み合わせることができ、第１方向（ｙ軸）に均一な強度を有するようにフラットトッププロファイルを形成する。

単一のミラーセット光学系４を通過したレーザービームは、第２方向（ｘ軸）に強度を均一にする光学系が必要である。このため、ホモジナイザー光学系５を使用することができる。ホモジナイザー光学系５は、第２方向（ｘ軸）について円筒状レンズアレイと視準レンズとを設けることで構成できる。

円筒状レンズアレイによってセグメント化されたレーザービームは、視準レンズを介して所望の幅に調整され、強度の均一なラインビームになる。

最後に、フォーカシング光学系６は、一つのレンズまたは一つ以上のレンズ群から構成されており、スポットサイズを数μｍ〜数十μｍに集束または縮小結像する。単一のミラーセット光学系４とホモジナイザー光学系５を通過したフラットトッププロファイルのレーザービームを、レンズを介して集束すると、焦点面においてＳｉｎｃ関数の強度プロファイルになる。Ｓｉｎｃ関数の強度プロファイルはガウスプロファイルに類似しており、損傷閾値の高い物質または界面加工に有用である。しかし、レーザー加工方式によっては、加工面でフラットトッププロファイルが必要な場合がある。その場合は、単一のミラーセット光学系を通過したフラットトッププロファイルのレーザービームに縮小結像光学系を使用すると、結像面で数μｍ〜数十μｍのフラットトッププロファイルのラインビームを形成することができる。

図１０は上述した光学系をシミュレートした結果である。ビーム形成光学系を通過したレーザービーム（図１０ａ）は、第１方向（ｙ軸）および第２方向（ｘ軸）にガウス強度プロファイルを示すが、単一のミラーセット光学系と円筒状レンズアレイを通過したレーザービーム（図１０ｂ）は、第２方向（ｘ軸）だけではなく、第１方向（ｙ軸）にもフラットトッププロファイルを示すことが確認できる。

上述したように、本発明の単一のミラーセットを含むラインビーム形成装置は、一つのレーザーを使用することも、複数のレーザーを簡単に組み合わせることも可能な光学系として提供できる。また、レーザービームの短軸（ｙ軸）方向にフラットトッププロファイルを作成するホモジナイザーの役割も兼ねることができ、単一のミラーセット内での繰り返し反射とビームセグメントの順次的な出射プロセスによって、短軸（ｙ軸）方向にビームを一定の距離だけ移動させながら一定の幅のビームセグメントを出射し、長軸（ｘ軸）方向に前記ビームセグメントを一定の間隔で配列することができる。また、前記単一のミラーセットの前段にビーム変換手段を追加して短軸（ｙ軸）方向の幅を拡大し、ビームダイバージェンスを小さくして前記単一のミラーセットにビームを入射することにより、最終的に短軸（ｙ軸）方向のビームダイバージェンスを小さくして高エネルギー密度のビームを形成することができる。また、長軸（ｘ軸）方向に円筒状レンズアレイまたはこれに類似したホモジナイザー光学系と組み合わせることで、長軸（ｘ軸）および短軸（ｙ軸）の両方向についてフラットトッププロファイルを実現することができるため、活用度が大きいものと予想される。

Claims (17)

1. 作動面にラインビームを形成するビーム形成装置であって、
   レーザービームを放出するレーザー光源と、
   複数のミラーからなる単一のミラーセットと、を含み、
   前記単一のミラーセットは、
   入射した前記レーザービームを前記レーザービームの進行方向（ｚ軸）に対して直角な第１方向（ｙ軸）に分割して一定の大きさのビームセグメントを出射し、
   残りのビームを前記単一のミラーセット内で再反射して前記第１方向（ｙ軸）に一定の距離だけ前記残りのビームを移動させる過程を繰り返し行うことにより、一定の大きさの前記ビームセグメントを順次出射し、
   前記レーザービームの進行方向（ｚ軸）に対して直角な第２方向（ｘ軸）に前記ビームセグメントを一定の間隔で配列することができる
   ように前記ビーム形成装置内に配置されるものであるラインビーム形成装置。
2. 前記単一のミラーセットの前段にビーム変換手段をさらに備え、前記レーザービームが前記ビーム変換手段を通過することにより、前記レーザービームの前記第１方向（ｙ軸）の大きさが拡大し、前記第１方向（ｙ軸）のビームダイバージェンスが小さくなる、ように変形し、変形したレーザービームが前記単一のミラーセットに入射する請求項１に記載のラインビーム形成装置。
3. 前記単一のミラーセットは、
   入射した前記レーザービームを受け入れ、分割されたビームセグメントを出射部を介して出射し、残りのビームを反射する第１ミラーと、
   前記第１ミラーに反射されたビームを受け入れて再反射する第２ミラーと、を含み、
   前記第１ミラーは、前記第２ミラーから前記レーザービームの進行方向（ｚ軸）に離隔して位置し、前記第１方向（ｙ軸）に前記出射部の幅（ｄ）だけ差が生じるように位置する請求項１に記載のラインビーム形成装置。
4. 前記出射部の幅（ｄ）を調節することにより、前記ビームセグメントの前記第１方向（ｙ軸）の幅を調節する請求項３に記載のラインビーム形成装置。
5. 前記出射部は空気で満たされた空間である請求項３に記載のラインビーム形成装置。
6. 前記出射部は前記第１ミラーが延長されたもので構成され、反射防止コーティング処理されたものである請求項３に記載のラインビーム形成装置。
7. 前記ビームセグメントの出射経路上に屈折補正手段がさらに配置され、
   前記屈折補正手段は、前記反射防止コーティング処理された、前記出射部と同じ厚さの同一物質からなり、前記出射部と反対の角度を形成するように配置されたものである請求項６に記載のラインビーム形成装置。
8. 前記第２方向（ｘ軸）に前記レーザービームが入射する角度、または、前記単一のミラーセットの組立角度、を調節することにより、前記第２方向（ｘ軸）に前記ビームセグメントが配列される間隔、および、前記第２方向（ｘ軸）の出射ビームの全幅を調節する請求項１に記載のラインビーム形成装置。
9. 前記レーザービームは、前記第２方向（ｘ軸）には前記単一のミラーセットを構成するミラーに垂直ではない角度で入射する請求項１に記載のラインビーム形成装置。
10. 前記第１ミラーから反射されるビームは、前記第２ミラーに直接入射して前記第１ミラーへ向けて再反射されるか、あるいは、
    前記単一のミラーセット内に配置された少なくとも一つの追加的なミラーを経て前記第２ミラーに入射して前記第１ミラーへ向けて再反射される請求項３に記載のラインビーム形成装置。
11. 前記ラインビーム形成装置は、前記単一のミラーセットと同じ構造の追加的な単一のミラーセットを備え、
    前記単一のミラーセットと前記追加的な単一のミラーセットは、前記第２方向（ｘ軸）に互いに反対の角度を形成するように配置され、
    入射した前記レーザービームを二つに分割して、それぞれ再反射と出射プロセスを行う請求項１に記載のラインビーム形成装置。
12. 前記単一のミラーセットの後段に、前記第２方向（ｘ軸）にホモジナイザーをさらに備え、前記第２方向（ｘ軸）に配列されたビームセグメントが通過すると、前記第１方向（ｙ軸）および前記第２方向（ｘ軸）にビーム強度が均一なフラットトッププロファイルを形成する請求項１に記載のラインビーム形成装置。
13. 前記単一のミラーセットに入射する前記レーザービームは、隣接する複数のレーザービームを同じ位置、および、同じ角度、で、前記単一のミラーセットに入射する請求項１に記載のラインビーム形成装置。
14. 前記単一のミラーセット内でビームが進行する距離を調節して前記ビームセグメントの出射時間間隔を調節することにより、レーザーパルス持続時間を調節する請求項１に記載のラインビーム形成装置。
15. 前記単一のミラーセットを構成する複数のミラーのうち少なくとも一つが円筒状ミラーアレイとして構成された請求項１に記載のラインビーム形成装置。
16. 前記単一のミラーセットの前段に前記第２方向（ｘ軸）の集光レンズをさらに備え、出射するビームセグメントが一定の角度で広がる請求項１５に記載のラインビーム形成装置。
17. 前記単一のミラーセットの後段に前記第２方向（ｘ軸）に視準レンズをさらに備え、前記一定の角度で広がって出射するビームセグメントから同じ幅の平行ビームを形成することで、前記第２方向（ｘ軸）にビーム強度が均一なフラットトッププロファイルを形成する請求項１６に記載のラインビーム形成装置。