JPH11352419A - ビーム回転機能付ホモジナイザ装置及びこれを用いたレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ビームを任意の角度回転した状態で均一化し
得るビーム回転機能付ホモジナイザ装置、及びこれを用
いたレーザ加工装置を提供すること。 【解決手段】 入射ビームＢ０に対して実質上平行な軸
線Ｃ１のまわりでθ回転された際、出射ビームＢ１をビ
ーム軸のまわりで２θ回転させるビーム回転光学素子１
０ａと、このビーム回転光学素子１０ａからの出射ビー
ムＢ１が入射されるホモジナイザ素子１１と、ビーム回
転光学素子９がθ回転された際ホモジナイザ素子１１を
該ホモジナイザ素子１１への入射ビームＢ１のビーム軸
Ｃ２のまわりで２θ回転させるホモジナイザ素子回転制
御装置１０ｂとを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はビーム断面における
強度を均一化（ホモジナイズ）するホモジナイザ装置及
びこれを用いたレーザ加工装置に係る。

【０００２】

【従来の技術】いわゆるＴＦＴ型の液晶表示装置におい
て、水素化アモルファスシリコンａ−Ｓｉ：Ｈ（以下で
は「アモルファスシリコン」という）薄膜を少なくとも
部分的に結晶化してなる多結晶シリコンを用いてアクテ
ィブマトリックスを形成することは知られている（例え
ば、特公平７−１１８４４３号公報）。

【０００３】この多結晶化を低温で行うためには、紫外
域のレーザ光であるエキシマレーザビームの照射が有効
であり、エキシマレーザビームをビームホモジナイザで
均一化すると共にビーム断面形状を線状にして（例え
ば、特開平１０−１０４５４５号参照）、アモルファス
シリコン薄膜上で線状ビームを走査することも知られて
いる（例えば、特開平９−２９３６８８号公報）。

【０００４】線状ビームの走査は、線状ビームの長軸方
向に対して直交する方向に行われるが、ビームの走査を
制御したとしても、線状ビームの長軸方向と交差する方
向における多結晶化特性を厳密には一様にし難いことか
ら、線状ビームの長軸方向を変更し得ることが望まれ
る。ところが、エキシマレーザの場合、レーザ発振器の
放電方向（向き合った放電電極を結ぶ方向（以下では
「放電電極方向」ともいう））と該放電方向に直交する
方向とでは、ビームのサイズ、強度分布、拡がり角（発
散角）等が異なり、レーザ発振器からのロービームない
し原ビーム（raw beam）に対して単にホモジナイザを回
転させたのでは、線状ビームの特性自体が変わってしま
う。従って、回転させても特性が変わらないようにする
ためには、ホモジナイザをエキシマレーザビームに対し
て回転させると共に、ホモジナイザで線状化されるべき
レーザビーム自体をビーム軸のまわりで回転させる必要
がある。

【０００５】レーザビームの回転は、従来、図５の
（ａ）に示したようなレーザビーム回転装置１００によ
って行われている。このレーザビーム回転装置１００で
は、レーザビームは、ミラーＭＨ１，ＭＨ２で反射され
る光路ＯＰ１を通った後、位置１０３に配されたミラー
ＭＨ３で反射されて図の面に垂直に奥に進んでビームホ
モジナイザ（図示せず）でホモジナイズされて矩形化さ
れる（図５の（ｂ）の上段において符号１０１で示し
た）か、又はミラーＭＶ１で反射される光路ＯＰ２を通
った後、ミラーＭＶ２で反射されて図の面の奥にあるビ
ームホモジナイザ（図示せず；光路ＯＰ１を通ったビー
ム入射の場合と比較して９０度回転）でホモジナイズさ
れ矩形化された（図５の（ｂ）の下段において符号１０
２で示した）二種類の回転状態のレーザビーム１０１，
１０２が得られる。なお、図５の（ａ）において、レー
ザビームが光路ＯＰ２を通る場合、ミラーＭＨ１は光路
ＯＰ２の外へ移動される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このレ
ーザビーム回転装置１００では、図５の（ｂ）に示した
ように、長軸が相対的に９０度回転した二種類の矩形
（又は線状）ビーム１０１，１０２しか得られず、矩形
ビームの長軸を任意の向きに変えることはできない。ま
た、このレーザビーム回転装置１００では、二つのビー
ム１０１，１０２を切り替えるために、多数の光学素子
（ミラーＭＨ１，ＭＨ３，ＭＶ２及びホモジナイザ素
子）の位置制御を要する。

【０００７】本発明は前記諸点に鑑みなされたものであ
り、その目的とするところは、ビームを任意の角度回転
した状態で均一化し得るビーム回転機能付ホモジナイザ
装置、及びこれを用いたレーザ加工装置を提供すること
にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のビーム回転機能
付ホモジナイザ装置は、前記した目的を達成すべく、入
射ビームに対して実質上平行な軸線のまわりでθ回転さ
れた際、出射ビームを該ビームのビーム軸のまわりで２
θ回転させるビーム回転光学素子と、このビーム回転光
学素子からの出射ビームが入射されるビームホモジナイ
ザ素子と、ビーム回転光学素子がθ回転された際ホモジ
ナイザ素子を該ホモジナイザ素子への入射ビームのビー
ム軸のまわりで２θ回転させるホモジナイザ素子回転手
段とを有する。

【０００９】本発明のビーム回転機能付ホモジナイザ装
置では、「入射ビームに対して実質上平行な軸線のまわ
りでθ回転された際、出射ビームを該ビームのビーム軸
のまわりで２θ回転させるビーム回転光学素子」が設け
られているから、このビーム回転光学素子を入射ビーム
に対して軸線のまわりでθ回転させることによって、該
素子からの出射ビームを該出射ビームのビーム軸のまわ
りで２θ回転させ得る。しかも、本発明のホモジナイザ
装置では、「ビーム回転光学素子がθ回転された際ビー
ムホモジナイザ素子を該ホモジナイザ素子への入射ビー
ムのビーム軸のまわりで２θ回転させるホモジナイザ素
子回転手段」が設けられているから、ホモジナイザ素子
回転手段によってホモジナイザ素子をビーム回転光学素
子の回転角θの二倍（２θ）回転させることによって、
任意の角度（２θ）回転した状態の均一化（ホモジナイ
ズ）ビームを出射し得る。ホモジナイザ素子に入射され
るビームの回転角（２θ）とホモジナイザ素子の回転角
（２θ）とは一致しているから、ロービームないし原ビ
ーム（raw beam）の特性がビーム断面内の方向に依存す
るような場合でも、該特性に影響を受けることなく、同
一の特性の均一化ビームを形成し得る。

【００１０】従って、例えば、エキシマレーザ発振器か
らのビームのように、レーザ発振器の放電方向（放電電
極方向）とこれに直交する方向とで、ビームの強度分布
や拡がり角等が異なっていても、レーザー発振器からの
ロービームの断面に関して同一の方向に同一のホモジナ
イズ処理をしたビームを回転させて出射し得る。

【００１１】ここで、ホモジナイザ素子回転手段による
ホモジナイザ素子の回転制御は、ビーム回転光学素子の
回転制御と同期させて行っても別個に行ってもよい。本
発明のホモジナイザ装置では、ビーム回転光学素子とホ
モジナイザ素子との二つの光学素子の回転位置を制御す
ればよいから、その制御も容易である。また、ビーム回
転光学素子とホモジナイザ素子とは隣接して位置するか
ら、回転制御を行い易い。

【００１２】ビーム回転光学素子が光学素子として通常
要求される厳密さで回転位置制御される限り、その軸線
のまわりにおける支持の仕方や制御の仕方はどのような
ものでもよい。

【００１３】この明細書において、ビーム回転光学素子
に関して、出射ビームの「ビーム軸」とは、典型的に
は、出射ビームのビーム断面の中心において出射ビーム
の進行方向に沿った線（ビーム中心軸）をいうが、出射
ビームが実際上コリメートされたビーム（平行光線）で
ある場合、回転角度にかかわらず出射ビームが実際に回
転されるべき角度範囲内でホモジナイザ素子に入射され
得る限り、該出射ビームの進行方向に沿った線であれば
よく、必ずしも、出射ビームのビーム中心軸と一致して
いなくてもよい。

【００１４】ビーム回転光学素子は、該素子の角度θの
回転に応じて出射ビームをその軸線のまわりで二倍の角
度（２θ）回転させ得る限り、その詳細な構造は問わな
いが、好ましくは、ビーム回転光学素子が、該素子の回
転軸線に平行に入射する入射ビームを、該回転軸線を含
む一の平面に関して鏡映対称なビームに変換して出射す
るように構成される。

【００１５】この場合、ビーム回転光学素子は、入射ビ
ームを、該ビーム回転光学素子に固定された仮想鏡映面
（ビーム回転光学素子の回転軸線を含む前記一の平面）
に関して鏡映対称なビームに変換して出射するから、回
転光学素子が入射ビームに対してθ回転されると、入射
ビームが回転光学素子の仮想鏡映面に対して−θ回転さ
れることになるので、出射ビームが仮想鏡映面に対して
θ回転されることになる。従って、回転光学素子が入射
ビームに対してθ回転されると、出射ビームは、入射ビ
ームに対して回転光学素子の回転方向に２θ回転される
ことになる。なお、ビーム回転光学素子の回転軸線は、
出射ビームの回転軸線及びホモジナイザ装置の回転軸線
とも一致する（一列になる）。従って、ビーム回転光学
素子に対する角度θの回転制御、及びホモジナイザ素子
に対する角度２θの回転制御をまとめて行い易い。

【００１６】ここで、ビーム回転光学素子への入射ビー
ムに関して、「ビーム回転光学素子の回転軸線に平行に
入射する」とは、「入射ビームが実際上平行なビームで
あって、そのビーム軸（ビームの進行方向に沿った線
で、好ましくはビーム中心軸）がビーム回転光学素子の
回転軸線に平行であることをいう。但し、ビームは厳密
には平行でなくてもよく、例えばエキシマレーザ発振器
から出射されるレーザビームが通常有する程度の拡がり
角（例えば０．１°のオーダー）で拡がっているような
ものでもよい。

【００１７】ビーム回転光学素子は、好ましくは、「三
つの反射面を有する」か、又は「入射及び出射屈折面並
びにこれら二つの屈折面の間に位置する反射面を有す
る」。

【００１８】これらの反射面や屈折面は、平面であるこ
とが好ましいが、場合によっては、一方向又は二方向に
ある程度の曲率を有する曲面であってもよい。例えば、
入射ビームがある程度の拡がり角を有するエキシマレー
ザビームのようなものの場合、三つの反射面のうちの最
初にビームが入射する反射面又は入射屈折面が、平均的
なビーム拡がり角を補償する程度の曲率を有していても
よい。

【００１９】ビーム回転光学素子が「三つの平面状反射
面」からなる場合、第二番目の反射面は、前記仮想鏡映
面と平行であり、入射ビームのビーム軸（ビーム回転光
学素子の回転軸線）と平行で且つ該回転軸線から離れた
平面上に位置する。一方、第一及び第三の反射面は、回
転軸線に垂直な面に関して相互に鏡映対称（第二番目の
反射面に対して等角度）で、且つ第二番目の反射面から
間隔を置いて位置する。勿論のことながら、三つの反射
面がビームの当たる領域において上記関係を維持し且つ
ビームの通過を妨げない限り、ビームの当たらない領域
（部分）は、どのような形状をしていてもよい。このよ
うな三つの平面状反射面は、回転可能な支持体上に反射
膜を塗布もしくは堆積形成したり反射体を固定すること
によって形成しても、又は支持体表面自体の研磨等によ
り形成してもよい。支持体は、一体物からなっていて
も、組立体であってもよい。

【００２０】ビーム回転光学素子が、「入射及び出射屈
折面、並びにビームの光路に関してこれら二つの屈折面
の間に位置する反射面を有する」場合、ビーム回転光学
素子は、例えば、反射面が前記仮想鏡映面と平行になる
ように配置されたダブプリズムからなる。

【００２１】ビームホモジナイザ素子は、該素子への入
射ビームのビーム断面における少なくとも一つの特性
（例えば強度）の分布を少なくとも一方向に関して少な
くとも部分的に均一化（ホモジナイズ）してなるビーム
を被照射面上に形成し得る限り、均一化のためにカレイ
ドスコープのような反射を利用するタイプのものでも、
フライアイのような屈折を利用するタイプのものでも、
反射と屈折とを組合せたタイプのものでも、どのような
タイプのものでもよい。ホモジナイザ素子が出射するビ
ーム形状も、線状若しくは細長い矩形状又は長円形状の
ものでも、円形や正方形など他の形状でもよい。

【００２２】出射ビームとして細長い矩形状又は線状の
断面形状を有する均一化ビームを得るためには、例え
ば、特開平１０−１０４５４５号公報に開示のように、
シリンドリカルレンズを母線に沿って密接・並設してな
る板状アレイを母線が相互に直角になる向きに且つ夫々
異なる所定距離だけ集光レンズから離して配置したもの
が用いられ得る。ホモジナイザ素子でビームを細長くな
るように幅方向に絞る場合、放電励起エキシマレーザ等
では、放電方向に発散角が大きく成り易いので、放電方
向に直角な方向にビームを絞るようにホモジナイザ素子
が配置されることが好ましいが、所望ならば、異なる向
き（例えば、放電方向にビームを絞るような向き又はこ
れに対して斜め方向にビームを絞るような向き）にホモ
ジナイザ素子を配置してもよい。

【００２３】本発明のレーザ加工装置は、前記目的を達
成すべく、ビーム断面内の方向により異なる特性を有す
るビームを出射するレーザ発振器と、このレーザ発振器
から出射されたビームが入射される上述のようなホモジ
ナイザ装置と、ホモジナイザ装置とを有し、ホモジナイ
ザ装置から出射されたビームが被加工物に照射されるよ
うに構成されている。

【００２４】本発明のレーザ加工装置では、上述のよう
なホモジナイザ装置が設けられているから、レーザ発振
器がエキシマレーザ発振器のようなビーム断面内の方向
により異なる特性を有するビームを出射するものであっ
ても、ホモジナイズ面でのビームの特性を変えることな
く任意の角度回転し得る。また、本発明のレーザ加工装
置では、「ホモジナイザ装置から出射されたビームが被
加工物上でホモジナイズされるように構成されている」
から、同一特性のまま任意の角度回転させたホモジナイ
ズ光を被加工物の表面上で所望の方向に走査等すること
によって、被加工物表面の加工を行い得る。従って、例
えば、薄膜上で、被加工特性を出来る限り一様にしたい
方向（ビームの長軸方向）を任意に設定し得る。

【００２５】なお、「ビーム断面内の方向により異なる
特性を有するビームを出射するレーザ発振器」は、典型
的には、エキシマレーザからなるけれども、特性上の同
様な課題があり得る限り、他のガスレーザでも、半導体
レーザのような固体レーザでもよい。また、ビーム断面
内での「特性」は、典型的には、強度であるけれども、
場合によっては、拡がり角などの他の特性でもよい。

【００２６】本発明のレーザ加工装置は、典型的には、
例えば、「ホモジナイザ装置からの出射ビームが薄膜上
で走査されて該薄膜をアニーリングするように構成され
たレーザ加工（アニーリング）装置」からなるが、加工
としては、アニーリングに限られず、「表面改質」でも
「その他の任意の加工」でもよい。また、被加工物も薄
膜の代わりに、バルクや複合材料でもよい。

【００２７】なお、本明細書において、「アニーリン
グ」とは、物質を熱的に安定な状態にする処理をいい、
例えば、多結晶状態の物質をより熱的に安定な状態にす
るような処理に限られず、物質をアモルファスシリコン
のようなアモルファス状態から多結晶状態にすることな
ども含む。ここでは、「多結晶」という用語は、いわゆ
る微結晶（microcrystal）を含む。

【００２８】なお、本発明を、方法の観点でみれば、本
発明は、「ビーム回転光学素子を該素子に入射するレー
ザビームのビーム軸に平行な軸線のまわりで回転させる
ことにより該素子からの出射レーザビームをそのビーム
軸のまわりで回転させてホモジナイザ素子に入射させる
と共に、該ホモジナイザ素子に入射するレーザビームの
ビーム軸のまわりで該ホモジナイザ素子をビーム回転光
学素子の回転角の二倍の角度回転させることからなる均
一化レーザビーム回転方法」を提供するものであり、ま
た、この方法を用いて、「ホモジナイザ素子からのビー
ムを被加工物上でホモジナイズするようにして被加工物
に対して走査するレーザ加工方法」を提供するものであ
る。

【００２９】

【発明の実施の形態】次に本発明の一実施の形態を、添
付図面に示した好ましい一実施例に基づいて説明する。

【００３０】

【実施例】図１の（ａ）は、本発明の好ましい一実施例
のレーザ加工装置１を示す。このレーザ加工装置１は、
レーザ発振器２と、ビーム回転機能付ホモジナイザ装置
３とを有する。レーザ発振器２とホモジナイザ装置３と
の間には、必要に応じて、発振器２からのロービームＢ
０の光路を変えるための偏向ミラーやビームＢ０の強度
を調整するためのアッテネータやビームＢ０の強度及び
分布等を各偏向ミラー等の上流側及び下流側の夫々でモ
ニタ可能にするためのビームスプリッタ等を含む光学系
４が設けられ、ホモジナイザ装置３の下流側には被加工
面５を備えた被加工物６が配設される。被加工物６が、
例えば、多結晶化されるべきアモルファスシリコン層を
備えた基板である場合、被加工物６はレーザビーム透過
窓を備えた処理チャンバ内で並進移動可能な支持体に担
持されて並進移動される。なお、ホモジナイザ装置３と
被加工物６との間にも、所望に応じて、光学系４と同様
な光学系が設けられる。

【００３１】レーザ発振器２は、例えば、エキシマレー
ザ装置のように、放電電極７，８を結ぶ放電方向Ｙ（図
1の（ｂ））とこれに直交する方向Ｘとで、ロービーム
ないし原ビーム（raw beam）Ｂ０のサイズ、強度分布、
ビーム発散角等が異なるレーザ発振器からなる。

【００３２】ビーム回転機能付ホモジナイザ装置３は、
ビーム回転光学素子９及びそのビーム回転光学素子回転
制御装置１０ａと、ホモジナイザ素子としてのホモジナ
イザ１１及びその回転制御装置１０ｂと、回転制御装置
１０ａ，１０ｂを同期的に制御する制御装置１０ｃとか
らなる。

【００３３】以下では、床（図示せず）に固定された三
次元直交座標系Ｘ，Ｙ，Ｚを採り、光学系４を出たロー
ビームＢ０は、Ｚ方向に進むと仮定する。また、ビーム
回転光学素子９に固定された三次元直交座標系ξ，η，
ζを図１に示すように採る。

【００３４】ビーム回転光学素子９は、三つの平面状反
射面Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３を備え、ロービームＢ０のビーム
中心軸Ｃ０に一致する回転軸線Ｃ１のまわりで回転可能
に支持された回転体１５からなる。Ｚ軸に一致するζ軸
上の回転軸線Ｃ１は、ビーム中心軸Ｃ０と平行であれ
ば、該中心軸Ｃ０からずれていてもよい。第一及び第三
の反射面Ｍ１，Ｍ３はζ軸（Ｚ軸）に垂直なξ−η面上
の仮想平面Ｓに関して対称である。面Ｍ１，Ｍ３は、平
面Ｓ上でη軸に平行な直線１６に沿って交わる。なお、
各面Ｍ１，Ｍ３と面Ｓ間との間の角φは、４５°＜φ＜
９０°を満たす所望の角度である。第二の反射面Ｍ２
は、η−ζ面に平行である。従って、反射面Ｍ２は、平
面Ｓに対して直角で、直線１６及び回転軸線Ｃ１と平行
である。

【００３５】この回転光学素子９では、Ｚ（ζ）方向に
進んで反射面Ｍ１に入射角φで入射するほぼ平行光線か
らなるレーザロービームＢ０は、面Ｍ１で反射された後
反射面Ｍ２に（２φ−９０°）の角度で入射し、反射面
Ｍ２で反射された後反射面Ｍ３に入射角φで入射し、反
射面Ｍ３で反射されてＺ（ζ）方向の出射ビームＢ１と
してに回転光学素子から出る。この例では、ビーム中心
軸Ｃ０に沿って反射面Ｍ１に入射したビーム中央部分Ｂ
００が仮想平面Ｓの延長上の線Ｍ２０において反射面Ｍ
２で反射されて反射面Ｍ３に入り回転軸線Ｃ１に沿った
ビームＢ１０として反射面Ｍ３から出るように反射面Ｍ
１（Ｍ３）と反射面Ｍ２とのξ方向の距離が調整されて
いる。ロービームＢ０のうち反射面Ｍ２からξ方向に最
も離れたところで反射面Ｍ１に入射したビーム部分Ｂ０
１は、反射面Ｍ１，Ｍ２で反射された後、反射面Ｍ２に
最も近いところで反射面Ｍ３に入射し反射面Ｍ２に最も
近いビーム部分Ｂ１１としてＺ（ζ）方向に出射され
る。一方、ロービームＢ０のうち反射面Ｍ２に最も近い
ところで反射面Ｍ１に入射したビーム部分Ｂ０２は、反
射面Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３で反射された後、反射面Ｍ２から
ξ方向に最も離れたビーム部分Ｂ１２としてＺ方向に出
射される。すなわち、回転光学素子９から出射されるビ
ームＢ１は、入射ロービームＢ０に対してξ方向に反転
されている。なお、ビーム部分のη方向の位置関係は、
入射ビームＢ０と出射ビームＢ１とで同一である。従っ
て、ビーム回転光学素子９は、入射したロービームＢ０
を、η−ζ面に一致する仮想鏡映面Ｓ１（ビーム回転光
学素子９の回転軸線Ｃ１を含み第二の反射面Ｍ２と平行
な面）に関して鏡映対称な断面分布を有するビームＢ１
に変換して出射することになる。

【００３６】従って、回転光学素子９が入射ビームＢ０
に対してＺ（ζ）軸のまわりでθ回転されると、入射ビ
ームＢ０が回転光学素子９の仮想鏡映面Ｓ１に対して−
θ回転されることになるので、出射ビームＢ１が仮想鏡
映面Ｓ１に対して回転光学素子９の回転方向にθ回転さ
れることになる。これを、入射ビームＢ０と出射ビーム
Ｂ１との関係で見ると、出射ビームＢ１は、入射ビーム
Ｂ０に対して回転光学素子９の回転方向に２θ回転され
ることになる。すなわち、回転光学素子９が入射ビーム
Ｂ０に対してθ回転されると、床やレーザ発振器２に固
定された座標系Ｘ，Ｙ，Ｚでみて、出射ビームＢ１は、
入射ビームＢ０に対して、下記の（式１）の行列に従っ
て変換されたビームになる。

【００３７】

【式１】 ・・・・・・・・・・・（式１）

【００３８】ビームホモジナイザ１１は、例えば、特開
平１０−１０４５４５号公報に開示のビームホモジナイ
ザと同様に、多数のシリンドリカルレンズを母線に沿っ
て密接・並設してなる四つの板状アレイ１８ａ，１８
ｂ，１８ｃ，１８ｄをシリンドリカルレンズの母線が相
互に平行又は直角になる向きに且つ夫々異なる所定距離
だけ集光レンズ１９から離して配置してなる。以下で
は、ホモジナイザ１１に固定された三次元直交座標系
Ｕ，Ｖ，Ｗを考える。Ｗ軸は、ホモジナイザ１１の回転
軸線Ｃ２に一致し、Ｚ軸及びζ軸と一致する。

【００３９】シリンドリカルレンズアレイ１８ａ，１８
ｃは、夫々、母線がＶ方向に延びたシリンドリカルレン
ズを組合せてなり、シリンドリカルレンズアレイ１８
ｂ，１８ｄは、夫々、母線がＵ方向に延びたシリンドリ
カルレンズを組合せてなる。

【００４０】アレイ１８ａ，１８ｃは、該アレイを構成
する各シリンドリカルレンズに入射したビーム部分をＵ
Ｗ面内で集光すべく働く。すなわち、ビームＢ１の複数
のビーム部分は、アレイ１８ａの各シリンドリカルレン
ズによってアレイ１８ｃの手前で別々に集束された後拡
がってアレイ１８ｃに入射し、アレイ１８ｃで発散角が
低減された後、アレイ１８ｃから少し離れて位置する集
光レンズ１９によって被加工物６の被加工表面５上の同
一領域５ａに細く集光され該領域５ａ上で重なり合って
ホモジナイズされる。すなわち、ビームＢ１は、アレイ
１８ａ，１８ｃ及び集光レンズ１９によってＵ方向に重
なり合ってホモジナイズされつつ細く絞られる。一方、
アレイ１８ｂ，１８ｄは、該アレイを構成する各シリン
ドリカルレンズに入射したビーム部分をＶＷ面内で集光
すべく働く。ビームＢ１の複数のビーム部分は、アレイ
１８ｂの各シリンドリカルレンズによって集束されつつ
アレイ１８ｂに近接したアレイ１８ｄに入射し、アレイ
１８ｄによって集光レンズ１９の焦点よりもレンズ１９
に近接したところで一旦集束された後拡がりつつ集光レ
ンズ１９に入り、該集光レンズ１９で少し集光された発
散性又は収束性ビームの形で被加工物６の被加工面５の
同一領域５ａに重ね合わされてホモジナイズされる。す
なわち、ビームＢ１は、アレイ１８ｂ，１８ｄ及び集光
レンズ１９によってＶ方向に、重ね合わされホモジナイ
ズされて被加工面５上に照射される。その結果、ホモジ
ナイザ１１は、ビームＢ１を、Ｕ方向及びＶ方向の両方
向に混ぜ合わせてビームＢ１のビーム断面内での強度を
均一化（ホモジナイズ）しつつ、Ｕ方向には細くＶ方向
に長い線状又は細長矩形状断面のビームＢ２として被加
工物６の被加工面５に照射される。従って、ホモジナイ
ザ１１がその回転軸線Ｃ２（すなわちＷ軸）のまわりで
ある角度（例えば２θ）回転すると、Ｖ軸方向に細長い
領域５ａも軸線Ｃ２のまわりで、同じ角度（例えば２
θ）回転することになる。

【００４１】以上のように構成された本発明による好ま
しい一実施例のレーザ加工装置１において、当初、ξ方
向がＸ方向と一致するように回転光学素子９が配置さ
れ、Ｕ方向がＸ方向と一致するようにホモジナイザ１１
が配置されているとして、次に、レーザ加工装置１の動
作について説明する。

【００４２】Ｘ，ξ，Ｕ軸が同一方向を向いている場
合、エキシマレーザ発振器２から図２の（ａ１）で示し
たようなほぼ矩形のビーム断面で、（ｂ１）及び（ｃ
１）に示したようなＹ，Ｘ方向の強度（Ｉ）分布を有す
るロービームＢ０が光学系４を介して出されたとする。
ここでは、エキシマレーザ発振器２の放電方向Ｙに直交
する方向Ｘの強度Ｉの分布（ｃ１）が疑似ガウシアンタ
イプの強度Ｉの分布（ｃ１）であるのに対して、放電方
向Ｙについての強度Ｉの分布（ｂ１）は、Ｘ方向よりも
拡がりが大きい（わずかにトップフラット）と想定して
いる。ロービームＢ０がＸ軸に対して対称な分布を有す
るとすると、回転光学素子９でξ方向について反転され
た結果得られるビームＢ１のビーム断面、η方向に一致
するＹ方向の強度分布、及びξ方向に一致するＸ方向の
強度分布は、図２の（ａ２），（ｂ２）及び（ｃ２）に
示すように、ビームＢ０と実際上同様である。従って、
Ｘ軸と一致する向きにＵ軸を有するホモジナイザ１１
は、ビームＢ１をＸ軸（Ｕ軸）方向にホモジナイズし且
つ集光すると共にＶ軸に一致するＹ軸方向にホモジナイ
ズしてなる細長い断面のビームＢ２を、図２の（ａ
３），（ｂ３）及び（ｃ３）に示したようなビーム断
面、Ｙ（Ｖ）軸方向強度分布、及びＵ（Ｘ）軸方向強度
分布で被加工面５の領域５ａに照射する。

【００４３】この場合、ビームＢ２は、図３の（ａ）で
示したように、アモルファスシリコン膜のように、処理
チャンバ内においてＸＹ平面内で並進移動可能に支持体
上に載置された被加工物６の被加工表面５に対して、処
理チャンパのレーザビーム透過窓を介して、Ｙ方向に延
びた細長い領域５ａ１に照射される。従って、例えば被
加工物６を担持した支持体などを−Ｘ方向に並進移動さ
せることによって、帯状の照射軌跡２０ａに沿ってアモ
ルファスシリコン膜の多結晶化を行ったり、該多結晶シ
リコンを安定化させるようなアニーリングを行い得る。
なお、ここで、被加工物６の被加工表面５についての走
査方向Ｘ，Ｙは、ビームホモジナイザ１１と被加工物６
との間に配置される光学系に応じて読み替えるべきもの
である。すなわち、例えば、図１において想像線Ｍ５で
示すように４５°傾斜した偏向（ターン）ミラーをビー
ムホモジナイザ１１と被加工物６との間に配置してＹ又
は−Ｙ方向にビームＢ２の向きを変えて被加工面５にビ
ームＢ２を照射するようにする場合、被加工面５上の
Ｘ，Ｙ方向は、床に固定した系ではＸ，Ｚ方向と読み替
えるべきであることは明らかであろう。

【００４４】次に、例えば、回転制御装置１０ａによっ
てビーム回転光学素子９をζ軸（Ｚ軸）に沿った回転軸
線Ｃ１のまわりでθ回転させると、ロービームＢ０は、
回転光学素子９によって前述の（式１）で示した変換行
列に従って変換され、ビームＢ１として出射される。こ
の出射ビームＢ１は、図２の（ｄ２）に示したようなビ
ーム断面を有し、元の状態に対して２θ回転されてい
る。なお、このビームＢ１は、回転光学素子９に固定し
た座標軸ξ，ηに対してθ回転した座標系Ｕ，Ｖでみた
場合、図２の（ｃ２）及び（ｂ２）においてξをＵと読
み替え、ηをＶと読み替えたような強度分布を有する。
角度２θ回転したビームＢ１は、ホモジナイザ１１に入
射されるが、ホモジナイザ１１も回転制御装置１０ｂに
よって２θ回転されるのでビームＢ１とホモジナイザ１
１との相対的な位置関係は変わらないから、元の状態に
対して２θ回転している点を除いて回転前と同様な、
（ｄ３）に示したビーム断面のビームＢ２がホモジナイ
ザ１１から出射される。このビームＢ２は、ホモジナイ
ザ１１に固定された座標系Ｕ，Ｖでみて（ｂ３），（ｃ
３）に示した強度分布のビームを２θ回転させたもので
ある。従って、エキシマレーザ発振器２のように出射ロ
ービームＢ０のビーム断面での特性に方向依存性がある
場合でも、該方向依存性に影響を受けることなく、均一
化ビームＢ２を回転させ得る。

【００４５】ここで得られるビームＢ２は、図３の
（ｃ）で示したように、アモルファスシリコン膜５の被
加工表面５上でＹ方向に対して２θ傾いた方向に延びた
細長い領域５ａ２に照射される。従って、例えば被加工
物６を担持した支持体などを−Ｘ方向に並進移動させる
ことによって、帯状の照射軌跡２０ｂに沿ってアモルフ
ァスシリコンを多結晶化したり、多結晶シリコンを安定
化させるようなアニーリングを行ない得る。この場合、
例えばシリコン膜上でＸ，Ｙ方向に対して斜め方向（Ｙ
方向に対して２θ傾いた方向）に沿ってシリコン膜の多
結晶化特性をほぼ一様にし得、走査の際、ロービームＢ
０の強度の変動等によって隣接走査部分のアニーリング
特性がばらついても、同一特性を有する線状の部分が
Ｘ，Ｙ軸方向に対して傾くことになるから、例えば液晶
表示の際、Ｘ，Ｙ軸方向に沿って表示にムラがでるのを
避け得る。

【００４６】なお、上記の角度θとしては任意の大きさ
を採り得るから、例えばθを４５°にすることによっ
て、図３の（ｂ）に示したように、Ｙ方向に対して９０
°の方向（Ｘ軸方向）に延びた領域５ａ３に照射するよ
うにすることも勿論可能である（走査はＹ方向）。

【００４７】上記の動作は、初期状態として軸Ｘ，軸ξ
及び軸Ｕの相対回転位置をどうとるかには依存しないこ
とは明らかであろう。従って、ホモジナイザ１１からの
射出ビームＢ２のビーム部分が重なり合ってホモジナイ
ズされるような光路長のところに被加工物６が配置され
るようにレーザ加工装置１が構成されているという前提
で考えると、予めなすべきことは、ロービームＢ０のビ
ーム断面の方向依存性を考慮してホモジナイザ１１に入
射すべきビーム断面の向き（ビーム軸のまわりでの回
転）を決めておくことである。ホモジナイザ１１で均一
化されるべきビーム断面の取り方が一旦決まると、この
条件を満たすように、回転光学素子９の初期回転角及び
ホモジナイザ１１の初期回転角を決めればよい。その後
は、回転光学素子９の初期位置からの回転角の二倍の角
度でホモジナイザ１１を回転するように夫々の回転制御
装置１０ａ，１０ｂの回転制御動作を制御装置１０ｃで
制御すればよい。

【００４８】レーザビームＢ０，Ｂ１，Ｂ２の分散が実
際上問題にならない場合には、ビーム回転光学素子とし
ては、図１に示したように、三つの反射面を有するタイ
プのもの９の代わりに、図４に示したように、入射屈折
面Ｒ１及び出射屈折面Ｒ２と中間の反射面Ｍ４とを有す
るタイプのもの２５を用いてもよい。このダブプリズム
形式のビーム回転光学素子２５において、反射面Ｍ４は
図１の反射面Ｍ２と同様に機能し、屈折面Ｒ１，Ｒ２
は、図１の反射面Ｍ１，Ｍ３と同様に機能する。ダブプ
リズム２５の頂角の大きさや各面のサイズは、回転軸線
Ｃ１に平行に入射したロービームＢ０が軸線Ｃ１に一致
する回転軸線Ｃ２に平行に出射するようにしておけばよ
い。なお、反射面Ｍ４で全反射が起こるような形状にし
ておくことが好ましいが、場合によっては、面Ｍ４に反
射膜を形成するようにしてもよい。ビーム回転光学素子
９の代わりにビーム回転光学素子２５を備えたレーザ加
工装置３０も、レーザ加工装置１と実際上同様に機能し
得ることは明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による好ましい一実施例のレーザ加工装
置の模式的説明図。

【図２】図１の装置におけるビームの種々の特性の説明
図。

【図３】図１の装置を用いたレーザ加工の一例の模式的
説明図。

【図４】図１の装置の変形例の説明図。

【図５】従来のレーザビーム回転装置の模式的説明図。

【符号の説明】

１，３０ レーザ加工装置 ２ レーザ発振器 ３ ビーム回転機能付ホモジナイザ装置 ５ 被加工物 ５ａ 被加工領域 ６ 被加工面 ７，８ 放電電極 ９，２５ ビーム回転光学素子 １０ａ，１０ｂ 回転制御装置 １１ ビームホモジナイザ（素子） １５ 回転体 １６ 交線 １８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ シリンドリカルレン
ズアレイ １９ 集光レンズ ２０ａ，２０ｂ 走査軌跡 Ｂ０ レーザロービーム Ｂ００，Ｂ０１，Ｂ０２ ビーム部分 Ｂ１ ビーム回転光学素子からの出射ビーム Ｂ１０，Ｂ１１，Ｂ１２ ビーム部分 Ｂ２ ホモジナイザでホモジナイズされたビーム Ｃ０ ロービームのビーム中心軸 Ｃ１ ビーム回転光学素子の回転軸線 Ｃ２ ホモジナイザの回転軸線 Ｉ 強度 Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４ 反射面 Ｒ１，Ｒ２ 屈折面 Ｓ，Ｓ１ 鏡映対称面 Ｕ，Ｖ，Ｗ 三次元直交座標系（ホモジナイザ） Ｘ，Ｙ，Ｚ 三次元直交座標系（床） ξ，η，ζ 三次元直交座標系（ビーム回転光学素子） φ 角度（入射角） θ 回転角

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射ビームに対して実質上平行な軸線の
   まわりでθ回転された際、出射ビームを該ビームのビー
   ム軸のまわりで２θ回転させるビーム回転光学素子と、 このビーム回転光学素子からの出射ビームが入射される
   ビームホモジナイザ素子と、 ビーム回転光学素子がθ回転された際ホモジナイザ素子
   を該ホモジナイザ素子への入射ビームのビーム軸のまわ
   りで２θ回転させるホモジナイザ素子回転手段とを有す
   るビーム回転機能付ホモジナイザ装置。
2. 【請求項２】 ビーム回転光学素子が、該素子の回転軸
   線に平行に入射する入射ビームを、該回転軸線を含む一
   平面に関して鏡映対称なビームに変換して出射するよう
   に構成されている請求項１に記載のホモジナイザ装置。
3. 【請求項３】 ビーム回転光学素子が、三つの反射面を
   有する請求項２に記載のホモジナイザ装置。
4. 【請求項４】 ビーム回転光学素子が、入射及び出射屈
   折面、並びにこれら二つの屈折面の間に位置する反射面
   を有する請求項２に記載のホモジナイザ装置。
5. 【請求項５】 ビーム断面内の方向により異なる特性を
   有するビームを出射するレーザ発振器と、このレーザ発
   振器から出射されたビームが入射される請求項１から４
   までのいずれか一つの項に記載のホモジナイザ装置とを
   有し、ホモジナイザ装置からの出射ビームが被加工物上
   でホモジナイズされるように構成されているレーザ加工
   装置。
6. 【請求項６】 レーザ発振器がエキシマレーザ発振器か
   らなり、ホモジナイザ装置からの出射ビームが薄膜上で
   走査されて該薄膜をアニーリングするように構成されて
   いる請求項５に記載のレーザ加工装置。
7. 【請求項７】 ビーム回転光学素子を該素子に入射する
   レーザビームのビーム軸に平行な軸線のまわりで回転さ
   せることにより該素子からの出射レーザビームをそのビ
   ーム軸のまわりで回転させてビームホモジナイザ素子に
   入射させると共に、該ホモジナイザ素子に入射するレー
   ザビームのビーム軸のまわりで該ホモジナイザ素子をビ
   ーム回転光学素子の回転角の二倍の角度回転させること
   からなるレーザビーム回転方法。
8. 【請求項８】 請求項７に記載のビーム回転方法を用い
   たレーザ加工方法であって、ホモジナイザ素子からのビ
   ームを被加工物上でホモジナイズするようにして被加工
   物に対して走査することからなるレーザ加工方法。