JP5148730B2 - ファイバ転送レーザ光学系 - Google Patents

Description

本発明は、発振器から出力したレーザ光をファイバで転送し、ラインビームに成形するファイバ転送レーザ光学系に係り、薄膜シリコンのアニール処理に好適に利用できる。

レーザ光による結晶化、表面改質技術として、レーザアニール技術が知られている。レーザアニールに用いられるレーザ発振器から出射されるレーザ光としては、矩形状や線状のエキシマレーザなどが使用されることが多かった。これらは、特許文献１，２で提案されているように、レーザ発振器から出射されたレーザ光を、多数のシリンドリカルレンズアレイを直交に配置したことで、一方向の断面について強度分布が均一化される一方、これと直交する断面については極めて高い集光特性を有する、いわば細い線状の分布のレーザ光に成形する光学系を用いている。

このように、レーザ発振器から出射されたレーザ光を線状の分布に成形する光学系では、レーザ発振器の出射位置と線状分布レーザ光の成形位置との相対位置関係が定まってしまうため、アニール処理や露光処理を行う装置のレイアウト、装置面積、装置体積の自由度が制限される。そのため、近年ではレーザ出射端に光ファイバを装着したファイバ転送レーザ光学系が出現しており、光ファイバを用いることでレーザ発振器から出射されたレーザ光の伝送自由度が増し、上記のような装置レイアウトの問題が解消されつつある。

特開平１０−２４４３９２号公報 特開平１０−１５３７４６号公報

一方、レーザ発振器の性能は日々向上しており、その出力が高まっているため、レーザ発振器の出射端に装着する光ファイバが損傷を受ける恐れがある。この損傷は、主に光ファイバの入射端で生じ、入射するレーザ光の密度が高いほど損傷が生じ易い傾向にある。ここで、レーザ光の入力密度を低減する方法の一つとして、光ファイバのコア径を大きくする方法が挙げられる。すなわちレーザ発振器の出力に応じたコア径の光ファイバでレーザ光の集光を行い、出力密度を下げる方法である。

ところが、アニール処理や露光処理を行うレーザ装置では、処理を行うレーザ光のエネルギ密度が高いことが重要であり、アニール処理を行った加工品を安価に提供するためはスループットを向上させる必要がある。スループットの向上には、上述のような線状分布のレーザ光のエネルギ密度を大きくし、かつ大面積を処理可能にするためにレーザ光の長手方向の寸法を大きくする必要がある。

しかしながら、スループット向上のために、エネルギ密度を大きくすべくレーザ光の短手方向の寸法をより小さくしようとすると、光ファイバから出射されるレーザ光のＮＡ（Numerical Aperture：開口数）によっては、光学倍率からアッベの回折理論を超える場合があり、この場合にはエネルギロスが生じることになる。加えて光ファイバの損傷を避けるためにコア径を大きくする必要があるため、レーザ発振器から出射されるレーザ光を短手方向の寸法の小さなラインビームに成形することはできなかった。

本発明は、このような問題点を解消するべく案出されたものであり、レーザ発振器からのレーザ光を伝送する光ファイバが大きなコア径を有していても、光ファイバから出射されたレーザ光を短手方向の寸法の小さなラインビームに成形することのできるファイバ転送レーザ光学系を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るファイバ転送レーザ光学系（１）は、レーザ発振器（２）より出力されたレーザ光を伝送する第１の光ファイバ（３）と、当該第１の光ファイバより出射されたレーザ光をコリメートするコリメートレンズ（４）と、当該コリメートレンズより出射されたレーザ光を複数のセルによって多点スポットにするアレイレンズ（５）と、前記第１の光ファイバよりも小さなコア径を有し、前記アレイレンズにより多点に集光された各レーザ光を入射させ、且つ出射端（６ｂ）がその軸線を互いに平行にして直線状に一列に配列された複数の第２の光ファイバ（６）と、当該複数の第２の光ファイバより出射されたレーザ光を照射面（１２）で直線状をなすレーザ光に成形する線形化光学系（７〜１１）とを備えるものとする。

この構成によれば、第１の光ファイバより出射されたレーザ光をアレイレンズにより多点スポットにし、第２の光ファイバへ光を入射させてその出射端を一列に配列することで、第１の光ファイバのコア径を大きくしてその損傷を軽減でき、かつ長手方向の短手方向に対する寸法比率の大きなラインビームを得ることができる。また、アレイレンズのスポット数および第２の光ファイバの本数を変更することで、ラインビームの短手方向の寸法を自由に設定することもできる。

また、本発明の一側面によれば、前記第１の光ファイバのコア径をＡとし、前記照射面にレーザ光を集光する集光レンズの短手方向のＮＡをＮとし、前記照射面１２におけるレーザ光の短手方向の寸法をＣとしたとき、Ｎ＜１を満足する限りにおいてＣ＜Ａを満たす構成とすることができる。

この構成によれば、集光レンズから照射面までの距離が適正な値に設定したうえで、Ｎを任意に選択できるとともに、Ｎ＜１を満足する限りにおいてＣ＜Ａを満たすラインビームを形成することができる。

また、本発明の一側面によれば、前記第１の光ファイバのコア径をＡとし、前記第１の光ファイバのＮＡをＢとし、前記第２の光ファイバのコア径をＬとし、前記第２の光ファイバのＮＡをＫとし、前記コリメートレンズのビーム径をＤ４とし、前記アレイレンズの前記セルに外接する円の径をＤ５としたとき、
Ｄ４／Ｄ５＝（Ａ×Ｂ）／（Ｌ×Ｋ）
を満たす構成とすることができる。

この構成によれば、第１の光ファイバから出射されたレーザ光を、エネルギロスを生じることなく第２の光ファイバに入射させ、より強度の高いラインビームを得ることができる。

また、本発明の一側面によれば、前記線形化光学系は、前記第２の光ファイバより出射されたレーザ光を前記第２の光ファイバの配列方向（Ｙ軸方向）について屈折させる第１のシリンドリカルレンズ（７）と、前記第２の光ファイバより出射されたレーザ光を前記第２の光ファイバの配列方向と直交する方向（Ｘ軸方向）について屈折させる第２のシリンドリカルレンズ（８）と、前記第１のシリンドリカルレンズおよび前記第２のシリンドリカルレンズから出射されたレーザ光を前記第２の光ファイバの配列方向について屈折させるシリンドリカルアレイレンズ（９）と、前記シリンドリカルアレイレンズから出射されたレーザ光を、前記シリンドリカルアレイレンズ（９）に対してケーラー照明の原理を利用して前記第２の光ファイバの配列方向について屈折させる第３のシリンドリカルレンズ（１０）と、前記シリンドリカルアレイレンズから出射されたレーザ光を、前記第２のシリンドリカルレンズ（８）に対する結像関係を利用して前記第２の光ファイバの配列方向と直交する方向について屈折させる第４のシリンドリカルレンズ（１１）とを含む構成とすることができる。

この構成によれば、複数の第２の光ファイバより出射されたレーザ光を、照射面で長手方向および短手方向について共に均一な強度分布を有するラインビームに成形することができる。

また、本発明の一側面によれば、ファイバ転送レーザ光学系をレーザアニール装置に適用する構成とすることができる。これによれば、短手方向の寸法が小さく（エネルギ密度が高く）、長手方向の寸法が大きな線状のレーザ光によってスループットの高いアニール処理を実現することができる。

このように本発明によれば、エネルギロスを生じることなく、光ファイバから出射されたレーザ光を短手方向の寸法の小さなラインビームに成形することができる。

実施形態に係るファイバ転送レーザ光学系の概略図である。 図１に示すファイバ転送レーザ光学系の斜視図である。 第２の光ファイバの入射端および出射端の配置図である。 照射面での光強度分布を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。

図１は実施形態に係るファイバ転送レーザ光学系１の概略図であり、（Ａ）は光学系の正面を示し、（Ｂ）は光学系の側面を示している。図１，２に示すように、ファイバ転送レーザ光学系１は、レーザ出射端に第１の光ファイバ３が装着されたレーザ発振器２を有している。第１の光ファイバ３は、レーザ発振器２から出射されるレーザ光を入射させても損傷しない比較的大きなコア径を有しており、その出射端からレーザ光が拡がり角をもって出射される。第１の光ファイバ３の出射側には、コリメートレンズ４が配置されており、第１の光ファイバ３から出射されたレーザ光がコリメートレンズ４によって平行光とされる。

コリメートレンズ４の出射側には、球面アレイレンズ５が配置されている。球面アレイレンズ５は、平面視で正方形を呈する球面レンズからなるセル５ａを平面上で互いに直行するＸ軸およびＹ軸方向に沿って連続させてＸ軸方向およびＹ軸方向共に複数列をなすマトリクス状に配置したものであり、本実施形態では、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に各３列に配置された９つのセル５ａから構成されている。球面アレイレンズ５に入射した平行光は、各セル５ａによって集光して複数（ここでは９つ）のスポットを形成する。

球面アレイレンズ５の出射側には、第１の光ファイバ３よりも小さなコア径を有する第２の光ファイバ６が、球面アレイレンズ５により形成されるスポット数に応じた数（本実施形態では、正方の３行３列、合計９本）だけ配置されている。第２の光ファイバ６の入射端６ａは、図３（Ａ）に示すように、各スポットの形成位置、すなわちアレイレンズの焦点に位置している。つまり、第２の光ファイバ６の入射端６ａはそれぞれ平面視で各セル５ａの中心に配置される。

また、第２の光ファイバ６の入射端６ａはその軸線が光軸に平行となるように配置されている。なお、ここで光軸に平行とは、各セル５ａを通過する実際の光束の中心ではなく、各セル５ａの回転対称軸（ここではこれを光軸と称する。）と平行であることを意味する。各セル５ａにより集光されたレーザ光は、スポット位置に配置された入射端６ａから第２の光ファイバ６に入射し、第２の光ファイバ６中を伝搬する。

なお、球面アレイレンズ５によりスポットを形成する際には、第２の光ファイバ６に入射するレーザ光の角度が第２の光ファイバ６のＮＡを超えないものとし、またスポットの径が第２の光ファイバ６のコア径を超えないものとする。

ここで、第１の光ファイバ３のコア径をＡ、ＮＡをＢとし、第２の光ファイバ６のコア径をＬ、ＮＡをＫとすると、Ａ＞Ｌ、且つＢ＞Ｋの関係となっている。また、コリメートレンズ４のビーム径をＤ４とし、球面アレイレンズ５の各セル５ａに外接する円の径をＤ５とすると、下式（１）が満たされるようになっている。
Ｄ４／Ｄ５＝（Ａ×Ｂ）／（Ｌ×Ｋ） ・・・（１）
第２の光ファイバ６のコア径およびＮＡがこのような設定とされることにより、第１の光ファイバ３から出射されたレーザ光がエネルギロスを生じることなく第２の光ファイバ６に入射することとなる。

第２の光ファイバ６は、それぞれ緩やかに湾曲するように配置されており、その出射端６ｂが、照射面１２で線状のレーザ光を得るため、図３（Ｂ）に示すようにＹ軸に平行な直線状の一列に配列されている。また、第２の光ファイバ６の出射端６ｂは、その軸線が互いに平行をなすように配置されており、本実施形態では等間隔で配置されている。

第２の光ファイバ６から出射されたレーザ光は、長手方向（Ｙ軸方向）についてコリメートするためのシリンドリカルレンズ７および短手方向（Ｘ軸方向）についてコリメートするためのシリンドリカルレンズ８により長円形状の平行光にコリメートされる。

シリンドリカルレンズ８により長円形状にコリメートされたレーザ光は、長手方向について照射面１２で均一なエネルギ分布を得るために、ケーラー照明の原理を利用したシリンドリカルアレイレンズ９およびシリンドリカルレンズ１０に入射する。照射面１２に照射されるレーザ光の長手方向の寸法Ｍは、シリンドリカルアレイレンズ９の焦点距離とシリンドリカルレンズ１０の焦点距離とから決まる光学倍率を、シリンドリカルアレイレンズ９のセルの寸法に乗ずることで決定される。

シリンドリカルレンズ８により長円形状にコリメートされたレーザ光は、短手方向についてはシリンドリカルレンズ８とシリンドリカルレンズ１１との結像関係に基づいて集光される。照射面１２に照射されるレーザ光の短手方向の寸法Ｃは、シリンドリカルレンズ８の焦点距離とシリンドリカルレンズ１１の焦点距離から決まる光学倍率を、第２の光ファイバ６のコア径に乗ずることで決定される。なお、短手方向の寸法Ｃは、Ｃ＜Ｌ＜Ａの関係となる。

このように構成されたファイバ転送レーザ光学系１によれば、短手方向について照射面１２にレーザ光を集光するシリンドリカルレンズ１１の短手方向のＮＡをＮとすると、シリンドリカルレンズ１１から照射面１２までの距離が適正な値に設定されていれば、Ｎ＜１を満足する範囲でＮを変更することにより、照射面１２に照射されるレーザ光の短手方向の寸法Ｃを選択でき、かつ寸法Ｃをエネルギのロス無くＡに比して小さくすることができる。

このように構成されたファイバ転送レーザ光学系１によれば、照射面１２で図４に示すような光強度分布を得ることができる。なお、図４（Ａ）は、レーザ光の短手方向（Ｘ軸方向）の光強度分布を示し、図４（Ｂ）は、レーザ光の長手方向（Ｙ軸方向）の光強度分布を示している。図４に示すように、実施形態に係るファイバ転送レーザ光学系１によれば、短手方向の寸法Ｃにわたって略均一な光強度分布を示し、且つ長手方向の寸法Ｍにわたって略均一な光強度分布を示すレーザ光を照射面１２で得ることができる。

このように、第１の光ファイバ３をコリメートレンズ４でコリメートし、球面アレイレンズ５でコア径の小さい第２の光ファイバ６へレーザ光を入射させ、且つコア径の小さい第２の光ファイバ６の出射端６ｂを直線状に一列に配列し、出射端６ｂの配列長手方向（Ｙ軸方向）についてはケーラー照明の原理を利用し、出射端６ｂの配列短手方向（Ｘ軸方向）については２枚のレンズの結像関係を利用することで、球面アレイレンズ５および第２の光ファイバ６までの光学系を用いない場合には得ることのできなかった形状および均一な強度分布を照射面１２で有するラインビームを得ることができる。

このようなレーザ光を照射面１２に照射することのできるファイバ転送レーザ光学系１は、薄膜シリコンのアニール処理を行う装置として好適である。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、セル５ａを３行３列に配列して球面アレイレンズ５を構成したが、これ以外の行列数に配列してもよい。また、各セル５ａは正方形に限られるものではなく、長方形や六角形などの形状にすることも可能である。さらに、他の部材の具体的形状や配置なども、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ ファイバ転送レーザ光学系
２ レーザ発振器
３ 第１の光ファイバ
４ コリメートレンズ
５ 球面アレイレンズ
５ａ セル
６ 第２の光ファイバ
６ａ 入射端
６ｂ 出射端
７ シリンドリカルレンズ（第１のシリンドリカルレンズ）
８ シリンドリカルレンズ（第２のシリンドリカルレンズ）
９ シリンドリカルアレイレンズ
１０ シリンドリカルレンズ（第３のシリンドリカルレンズ）
１１ シリンドリカルレンズ（第４のシリンドリカルレンズ）
１２ 照射面
Ａ 第１の光ファイバ３のコア径
Ｂ 第１の光ファイバ３のＮＡ
Ｌ 第２の光ファイバ６のコア径
Ｋ 第２の光ファイバ６のＮＡ
Ｎ 照射面１２にレーザ光を集光するレンズの短手方向のＮＡ
Ｃ 照射面１２におけるレーザ光の短手方向の寸法
Ｍ 照射面１２におけるレーザ光の長手方向の寸法
Ｄ４ コリメートレンズ４のビーム径
Ｄ５ 球面アレイレンズ５のセル５ａに外接する円の径

Claims (4)

1. レーザ発振器より出力されたレーザ光を伝送する第１の光ファイバと、当該第１の光ファイバより出射されたレーザ光をコリメートするコリメートレンズと、当該コリメートレンズより出射されたレーザ光を複数のセルによって多点スポットにするアレイレンズと、前記第１の光ファイバよりも小さなコア径を有し、前記アレイレンズにより多点に集光された各レーザ光を入射させ、且つ出射端がその軸線を互いに平行にして直線状に一列に配列された複数の第２の光ファイバと、当該複数の第２の光ファイバより出射されたレーザ光を照射面で直線状をなすレーザ光に成形する線形化光学系とを備えることを特徴とするファイバ転送レーザ光学系。
2. 前記第１の光ファイバのコア径をＡとし、前記照射面にレーザ光を集光する集光レンズの短手方向のＮＡをＮとし、前記照射面におけるレーザ光の短手方向の寸法をＣとしたとき、Ｎ＜１を満足する限りにおいてＣ＜Ａを満たすことを特徴とする請求項１に記載のファイバ転送レーザ光学系。
3. 前記第１の光ファイバのコア径をＡとし、前記第１の光ファイバのＮＡをＢとし、前記第２の光ファイバのコア径をＬとし、前記第２の光ファイバのＮＡをＫとし、前記コリメートレンズのビーム径をＤ４とし、前記アレイレンズの前記セルに外接する円の径をＤ５としたとき、
   Ｄ４／Ｄ５＝（Ａ×Ｂ）／（Ｌ×Ｋ）
   を満たすことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のファイバ転送レーザ光学系。
4. 前記線形化光学系は、
   前記第２の光ファイバより出射されたレーザ光を前記第２の光ファイバの配列方向について屈折させる第１のシリンドリカルレンズと、
   前記第２の光ファイバより出射されたレーザ光を前記第２の光ファイバの配列方向と直交する方向について屈折させる第２のシリンドリカルレンズと、
   前記第１のシリンドリカルレンズおよび前記第２のシリンドリカルレンズから出射されたレーザ光を前記第２の光ファイバの配列方向について屈折させるシリンドリカルアレイレンズと、
   前記シリンドリカルアレイレンズから出射されたレーザ光を、前記シリンドリカルアレイレンズに対してケーラー照明の原理を利用して前記第２の光ファイバの配列方向について屈折させる第３のシリンドリカルレンズと、
   前記シリンドリカルアレイレンズから出射されたレーザ光を、前記第２のシリンドリカルレンズに対して結像関係を利用して前記第２の光ファイバの配列方向と直交する方向について屈折させる第４のシリンドリカルレンズと
   を含むことを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のファイバ転送レーザ光学系。

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