(57)【要約】【課題】  偏光面が相互に直交するレーザビームを偏光ビームスプリッタを用いて合成した場合には、戻り光を遮断する構成を適用することが困難である。【解決手段】  複数のレーザダイオードアレイの各々が、長軸方向に長いビーム断面を持つレーザビームを出射する。レーザダイオードアレイから出射されたレーザビームの各々が、第１の方向に向かって伝搬し、かつビーム断面の長軸方向同士が平行になり、かつ該長軸に直交する短軸方向に配列し、各レーザビームの偏光面が揃うように、再配置光学系がレーザビームを再配置する。ステージが対象物を保持する。再配置された複数のレーザビームが、ステージに保持された対象物の表面で重なり合う。再配置されたレーザビームの経路内に、レーザビームを透過させるか、または反射させる姿勢で、偏光ビームスプリッタが配置されている。再配置光学系から見て偏光ビームスプリッタよりも後ろ側に１／４波長板が配置されている。【選択図】  図１
2010263063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が、長軸方向に配列した複数の半導体レーザを含み、該長軸方向に長いビーム断面を持つレーザビームを出射する複数のレーザダイオードアレイと、
前記レーザダイオードアレイから出射されたレーザビームの各々が、第１の方向に向かって伝搬し、かつビーム断面の長軸方向同士が平行になり、かつ該長軸に直交する短軸方向に配列し、各レーザビームの偏光面が揃うように、前記レーザビームを再配置する再配置光学系と、
対象物を保持するステージと、
前記再配置光学系により再配置された前記複数のレーザビームが、前記ステージに保持された対象物の表面で重なり合うように該レーザビームを伝搬させる伝搬光学系と、
前記再配置光学系と、前記ステージとの間の前記レーザビームの経路内に、該レーザビームを透過させるか、または反射させる姿勢で配置された偏光ビームスプリッタと、
前記再配置光学系から見て前記偏光ビームスプリッタよりも後ろ側に配置された１／４波長板と
を有するレーザ照射装置。
【請求項２】
さらに、
前記複数のレーザダイオードアレイの各々に対応して配置され、該レーザダイオードアレイから出射されたレーザビームを、前記長軸方向と直交する仮想平面内に関してコリメートする収束レンズを有し、
前記再配置光学系は、再配置された前記レーザビームの進行方向が相互に平行になるように、該レーザビームを再配置する請求項１に記載のレーザ照射装置。
【請求項３】
さらに、
前記複数のレーザダイオードアレイの各々に対応して配置され、該レーザダイオードアレイから出射されたレーザビームを、前記長軸方向と直交する仮想平面内に関して収束させる収束レンズを有し、
前記収束レンズ、前記再配置光学系、及び前記伝搬光学系は、前記長軸方向と直交する仮想平面内に関して、前記レーザダイオードアレイのレーザビームの出射表面を、前記ステージに保持された対象物の表面上の同一箇所に結像させる請求項１に記載のレーザ照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のレーザダイオードアレイを用いて、対象物の表面の共通の領域にレーザビームを照射するレーザ照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の背面に注入した不純物を活性化させるために、半導体レーザを用いてアニールを行う技術が知られている（特許文献１）。アニール用のレーザビームのパワーを高めるために、複数の半導体レーザから出射したレーザビームを重ね合わせることが有効である。
【０００３】
偏光面が相互に直交する２つのレーザビームを、偏光ビームスプリッタを用いて合成することができる（特許文献２）。また、相互に少しずつ波長の異なる複数のレーザビームを、ダイクロイックミラーを用いて合成することができる（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３５１６５９号公報
【特許文献２】特公平７−９４１７１号公報
【特許文献３】特開２００６−３２９３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
照射対象物の表面で反射したレーザビームが半導体レーザ素子まで戻ると、半導体レーザ素子の発振が不安定になり、素子が破損する場合もある。戻り光が半導体レーザ素子まで到達しないようにするために、偏光ビームスプリッタと１／４波長板が用いられる場合がある。入射光は、偏光ビームスプリッタを透過し、１／４波長板で円偏光にされ、対象物に入射する。戻り光は、１／４波長板により、入射光の偏光面と直交する偏光面を持つ直線偏光にされる。この戻り光は、偏光ビームスプリッタで反射されるため、半導体レーザ素子に入射しない。
【０００６】
偏光面が相互に直交するレーザビームを偏光ビームスプリッタを用いて合成した場合には、戻り光を遮断する上述の構成を適用することができない。
【０００７】
ダイクロイックミラーを用いて合成されたレーザビームは、複数の波長を含むため、合成されたレーザビームを集光するレンズの色収差を取り除く必要がある。このため、光学系の設計が複雑になり、装置の低コスト化を図ることが困難になる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一観点によると、
各々が、長軸方向に配列した複数の半導体レーザを含み、該長軸方向に長いビーム断面を持つレーザビームを出射する複数のレーザダイオードアレイと、
前記レーザダイオードアレイから出射されたレーザビームの各々が、第１の方向に向かって伝搬し、かつビーム断面の長軸方向同士が平行になり、かつ該長軸に直交する短軸方向に配列し、各レーザビームの偏光面が揃うように、前記レーザビームを再配置する再配置光学系と、
対象物を保持するステージと、
前記再配置光学系により再配置された前記複数のレーザビームが、前記ステージに保持された対象物の表面で重なり合うように該レーザビームを伝搬させる伝搬光学系と、
前記再配置光学系と、前記ステージとの間の前記レーザビームの経路内に、該レーザビームを透過させるか、または反射させる姿勢で配置された偏光ビームスプリッタと、
前記再配置光学系から見て前記偏光ビームスプリッタよりも後ろ側に配置された１／４波長板と
を有するレーザ照射装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
偏光ビームスプリッタと１／４波長板により、戻り光が入射レーザビームのビーム経路から逸れる。このため、戻り光がレーザダイオードアレイに入射することを防止できる。また、ダイクロイックミラーを用いないため、複数のレーザダイオードアレイに、同一波長のレーザビームを出射するものを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１によるレーザ照射装置の概略図である。
【図２】（２Ａ）〜（２Ｃ）は、それぞれ図１の一点鎖線２Ａ−２Ａ、２Ｂ−２Ｂ、及び２Ｃ−２Ｃにおけるビーム断面を示す図である。
【図３】実施例２によるレーザ照射装置の概略図である。
【図４】実施例２によるレーザ照射装置のレーザダイオードアレイ、収束レンズ、及びナイフエッジミラーの配置例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１Ａに、実施例１によるレーザ照射装置の概略図を示す。このレーザ照射装置は、第１〜第４のレーザダイオードアレイ１０Ａ〜１０Ｄを含む。
【００１２】
図１Ｂに、第１のレーザダイオードアレイ１０Ａの斜視図を示す。第２〜第４のレーザダイオードアレイ１０Ｂ〜１０Ｄの構成も、図１Ｂに示した第１のレーザダイオードアレイ１０Ａの構成と同一である。第１のレーザダイオードアレイ１０Ａは、複数の半導体レーザ素子３０を含む。半導体レーザ素子３０は、第１のレーザダイオードアレイ１０Ａの出射表面に一列に配列している。出射表面の法線方向をｚ軸、半導体レーザ素子３０の配列方向をｙ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。ｘ軸が、各半導体レーザ素子３０の厚さ方向に対応する。第１のレーザダイオードアレイ１０Ａから出射されるレーザビームは、ｙ軸方向に長いビーム断面を有する。その波長は、例えば８００ｎｍである。
【００１３】
図１Ａに戻って説明を続ける。図１Ａにおいて、レーザビームの進行方向をｚ軸、ビーム断面の長軸方向をｙ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。第１〜第４のレーザダイオードアレイ１０Ａ〜１０Ｄの各々の前方に、それぞれ収束レンズ１１Ａ〜１１Ｄが配置されている。収束レンズ１１Ａは、例えば凸シリンドリカルレンズで構成され、ｚｘ面内、すなわちビーム断面の長軸方向に直交する仮想平面内において、第１のレーザダイオードアレイ１０Ａから出射された第１のレーザビームＬ１をコリメートする。
【００１４】
第１のレーザダイオードアレイ１０Ａから出射され、コリメートされた第１のレーザビームＬ１の経路の側方に、ナイフエッジミラー１２Ｂが配置されている。第２のレーザダイオードアレイ１０Ｂから出射し、収束レンズ１１Ｂでコリメートされた第２のレーザビームＬ２が、ナイフエッジミラー１２Ｂで反射される。反射によって、第２のレーザビームＬ２の進行方向が、第１のレーザビームＬ１の進行方向と平行になり、かつ第１のレーザビームＬ１のビーム断面の長軸方向と、第２のレーザビームＬ２のビーム断面の長軸方向とが、相互に平行になるように、第１及び第２のレーザビームＬ１、Ｌ２が再配置される。
【００１５】
再配置された第１及び第２のレーザビームＬ１、Ｌ２の経路の側方に、ナイフエッジミラー１２Ｃが配置されている。第３のレーザダイオードアレイ１０Ｃから出射し、収束レンズ１１Ｃでコリメートされた第３のレーザビームＬ３が、ナイフエッジミラー１２Ｃで反射されることにより、再配置される。再配置された第１〜第３のレーザビームＬ１〜Ｌ３の経路の側方にナイフエッジミラー１２Ｄが配置されている。第４のレーザダイオードアレイ１０Ｄから出射し、収束レンズ１１Ｄでコリメートされた第４のレーザビームＬ４が、ナイフエッジミラー１２Ｄで反射されることにより、再配置される。
【００１６】
図２Ａに、図１Ａに示した再配置後の第１〜第４のレーザビームＬ１〜Ｌ４の一点鎖線２Ａ−２Ａにおける断面図を示す。第１〜第４のレーザビームＬ１〜Ｌ４の各々のビーム断面は、ｙ軸方向に長い形状を有し、ｘ軸方向（短軸方向）に微小な間隔で配列している。第１〜第４のレーザビームＬ１〜Ｌ４は直線偏光であり、それらの偏光面の方向は揃っている。例えば、第１〜第４のレーザビームＬ１〜Ｌ４は、ｚｘ面に平行な偏光面を持つ。
【００１７】
図１Ａに示すように、再配置された第１〜第４のレーザビームＬ１〜Ｌ４は、偏光ビームスプリッタ１５を透過し、１／４波長板１６により円偏光に変換される。円偏光に変換された第１〜第４のレーザビームＬ１〜Ｌ４は、ミラー１７で反射され、アナモルフィックプリズムペア１８に入射する。アナモルフィックプリズムペア１８は、第１〜第４のレーザビームＬ１〜Ｌ４のビーム断面を、短軸方向（ｘ軸方向）に拡大する。
【００１８】
図２Ｂに、アナモルフィックプリズムペア１８を経由した後の第１〜第４のレーザビームＬ１〜Ｌ４の一点鎖線２Ｂ−２Ｂにおけるビーム断面を示す。第１〜第４のレーザビームＬ１〜Ｌ４の各ビーム断面が、図２Ａに示したビーム断面に比べて、ｘ軸方向に拡大されている。ビーム断面の拡大に伴って、ビーム断面同士の間隔も広くなる。
【００１９】
図１Ａに示すように、アナモルフィックプリズムペア１８を経由した後、第１〜第４のレーザビームＬ１〜Ｌ４は、アレイレンズテレスコープ１９に入射する。アレイレンズテレスコープ１９は、第１〜第４のレーザビームＬ１〜Ｌ４の光強度分布を、ｙ軸方向（長軸方向）に関して均一化する。
【００２０】
均一化された第１〜第４のレーザビームＬ１〜Ｌ４は、コンデンサレンズ２０により集光される。
【００２１】
ＸＹステージ２５に対象物２６が保持されている。対象物２６は、例えば、ＩＧＢＴの基板である。コンデンサレンズ２０は、第１〜第４のレーザビームＬ１〜Ｌ４が、対象物２６の表面で重なり合うように、レーザビームを集光させる。
【００２２】
図２Ｃに、対象物２６の表面（図１Ａの一点鎖線２Ｃ−２Ｃ）におけるビーム断面を示す。第１〜第４のレーザビームＬ１〜Ｌ４のビーム断面が重なり、１つの細長いビーム入射領域が形成されている。対象物２６の表面において、ビーム断面内のｙ軸方向に関する光強度分布はほぼ均一である。ｘ軸方向の光強度分布は、例えばガウス分布である。
【００２３】
対象物２６の表面で反射した戻り光は、１／４波長板１６により、直線偏光に変換される。戻り光の偏光面はｙｚ面に平行であり、入射光の偏光面と直交する。このため、戻り光は偏光ビームスプリッタ１５で反射される。反射された戻り光は、ビームダンパ２２に吸収される。
【００２４】
戻り光が第１〜第４のレーザダイオードアレイ１０Ａ〜１０Ｄに到達しないため、戻り光に起因する半導体レーザ素子の発振の乱れを防止することができる。また、第１〜第４のレーザダイオードアレイ１０Ａ〜１０Ｄから出射された第１〜第４のレーザビームＬ１〜Ｌ４を重ね合わせることにより、１つのレーザダイオードアレイを用いる場合に比べて４倍のパワーを得ることができる。なお、レーザダイオードアレイの個数は４個に限らない。２〜３個、または５個以上のレーザダイオードアレイから出射したレーザビームを重ね合わせることも可能である。
【００２５】
また、ダイクロイックミラーを用いないため、第１〜第４のレーザダイオードアレイ１０Ａ〜１０Ｄに、同一波長のレーザビームを出射する素子を用いることができる。このため、光学素子の色収差補正を行う必要がない。
【００２６】
偏光ビームスプリッタ１５及び１／４波長板１６は、第１〜第４のレーザビームＬ１〜Ｌ４が再配置された後の経路内に配置される。このため、複数のレーザビームに対して、一組の偏光ビームスプリッタ１５及び１／４波長板１６を準備すればよい。なお、大型（大口径）の光学素子は一般に高価であるため、レーザビームＬ１〜Ｌ４ごとに、偏光ビームスプリッタと１／４波長板とを配置してもよい。この場合には、第１〜第４のレーザビームＬ１〜Ｌ４が再配置された後の経路内に配置する場合に比べて、偏光ビームスプリッタ及び１／４波長板の各々を小型化することができる。
【００２７】
図３に、実施例２によるレーザ照射装置の概略図を示す。以下の説明では、図１Ａに示した実施例１によるレーザ照射装置との相違点に着目する。
【００２８】
実施例１では、再配置された第１〜第４のレーザビームＬ１〜Ｌ４の進行方向が相互に平行であったが、実施例２では、レーザビームの進行方向に向かって第１〜第４のレーザビームＬ１〜Ｌ４の間隔が徐々に狭まるような構成とされている。
【００２９】
収束レンズ１１Ａは、第１のレーザダイオードアレイ１０Ａから出射されたレーザビームを平行光線束にするのではなく、収束光線束にする。第１レンズ１１Ａ及びコンデンサレンズ２０が、ｚｘ面内に関して、第１のレーザダイオードアレイ１０Ａの出射表面上の出射部を対象物２６の表面に結像させる。同様に、ｚｘ面内に関して、第２〜第４のレーザダイオードアレイ１０Ｂ〜１０Ｄの出射表面上の出射部Ｐ２〜Ｐ４が、対象物２６の表面に結像する。
【００３０】
図４に、第１〜第４のレーザダイオードアレイ１０Ａ〜１０Ｄ、第１〜第４の収束レンズ１１Ａ〜１１Ｄ、及びナイフエッジミラー１２Ｂ〜１２Ｄの構成の一例を示す。
【００３１】
第１のレーザダイオードアレイ１０Ａから出射した第１のレーザビームＬ１が、第１の収束レンズ１１Ａで収束される。第２のレーザダイオードアレイ１０Ｂから出射した第２のレーザビームＬ２が、第２の収束レンズ１１Ｂで収束され、ナイフエッジミラー１２Ｂで反射される。
【００３２】
ｚｘ面内において、第１のレーザダイオードアレイ１０Ａの出射表面上の発光部Ｐ１と、第２のレーザダイオードアレイ１０Ｂの出射表面上の発光部Ｐ２とが、ナイフエッジミラー１２Ｂの反射表面を含む仮想平面１３Ｂに関して、面対称の位置関係にある。第１の収束レンズ１１Ａ及び第２の収束レンズ１１Ｂは、他のビーム経路との干渉を回避するために、一般的な収束レンズを部分的に切り落とした形状を持つ。図４において、切り落とす前の一般的な収束レンズを破線で示している。第１の収束レンズ１１Ａを一部分にもつ仮想的な収束レンズと、第２の収束レンズ１１Ｂを一部分に持つ仮想的な収束レンズとが、仮想平面１３Ｂに関して、面対称の位置関係にある。このため、ナイフエッジミラー１２Ｂで反射された第２のレーザビームＬ２は、第１のレーダイオードアレイ１０Ａの発光部Ｐ１と同じ位置から出射し、第１の収束レンズ１１Ａを一部に含む仮想的な収束レンズで収束されたレーザビームと同一である。
【００３３】
同様に、第３のレーザダイオードアレイ１１Ｃの発光部Ｐ３は、ナイフエッジミラー１２Ｃの反射表面を含む仮想平面１３Ｃに関して、第１のレーザダイオードアレイ１０Ａの発光部Ｐ１と面対称の位置に配置されている。第３の収束レンズ１１Ｃを一部に含む仮想的な収束レンズは、仮想平面１３Ｃに関して、第１の収束レンズ１１Ａを一部に含む仮想的な収束レンズと面対称の位置関係にある。
【００３４】
第４のレーザダイオードアレイ１１Ｄの発光部Ｐ４は、ナイフエッジミラー１２Ｄの反射表面を含む仮想平面１３Ｄに関して、第１のレーザダイオードアレイ１０Ａの発光部Ｐ１と面対称の位置に配置されている。第４の収束レンズ１１Ｄを一部に含む仮想的な収束レンズは、仮想平面１３Ｄに関して、第１の収束レンズ１１Ａを一部に含む仮想的な収束レンズと面対称の位置関係にある。
【００３５】
このため、ナイフエッジミラー１２Ｂ〜１２Ｄで反射されて再配置された第１〜第４のレーザビームＬ１〜Ｌ４は、すべて第１のレーザダイオードアレイ１０Ａの発光部Ｐ１から出射されたものと同等として扱うことができる。第１の収束レンズ１１Ａ及びコンデンサレンズ２０が、第１のレーザダイオードアレイ１０Ａの発光部Ｐ１を対象物２６の表面に結像させる構成の場合、第２〜第４のレーザダイオードアレイ１０Ｂ〜１０Ｄの発光部Ｐ２〜Ｐ４も、対象物２６の表面に結像することになる。
【００３６】
実施例２においても実施例１と同様に、戻り光による半導体レーザ素子の発振の乱れを防止することができる。
【００３７】
上記実施例で用いたナイフエッジミラーに代えて、透明領域の一部分に反射領域が設けられた誘電体多層反射膜を用いることもできる。この場合には、反射領域が、ナイフエッジミラーの反射表面として機能する。
【００３８】
また、アナモルフィックプリズムペア１８に代えて、ビーム断面形状を一方向にのみ拡大する他の光学素子を用いてもよい。また、アレイレンズテレスコープ１９に代えて、他の均一化光学素子を用いてもよい。
【００３９】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００４０】
１０Ａ〜１０Ｄ  第１〜第４のレーザダイオードアレイ
１１Ａ〜１１Ｄ  第１〜第４の収束レンズ
１２Ｂ〜１２Ｄ  ナイフエッジミラー
１５  偏光ビームスプリッタ
１６  １／４波長板
１７  ミラー
１８  アナモルフィックプリズムペア
１９  アレイレンズテレスコープ
２０  コンデンサレンズ
２２  ダンパ
２５  ＸＹステージ
２６  対象物
３０  半導体レーザ素子
【図１】
2010263063.tif 000003
【図２】
2010263063.tif 000004
【図３】
2010263063.tif 000005
【図４】
2010263063.tif 000006