(57)【要約】【課題】パルス状レーザ光を含むレーザ光で加熱処理される被処理体の表面溶融状態を比較的安価な装置で把握することを可能にする。【解決手段】  パルス状レーザ光を含むレーザ光の照射により加熱処理する被処理体の表面状態をモニタリングする装置であって、参照光を発生する参照光光源と、参照光を参照光光源から導き、参照光を前記被処理体に照射する参照光光学系と、参照光が加熱された被処理体で反射した反射光を検出し、被処理体の表面像を取得する反射光検出部と、反射光を反射光検出部に導く反射光光学系を備え、パルス状レーザ光のタイミングに応じたパルス状の参照光を被処理体に照射するか、被処理体で反射した反射光をパルス状レーザ光のタイミングに応じてパルス状に受光するモニタリング装置とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス状レーザ光を含むレーザ光の照射により加熱されている被処理体表面に、参照光を照射し、前記参照光が前記被処理体表面で反射した反射光を受光して前記被処理体の表面状態をモニタリングする方法において、
前記パルス状レーザ光のパルスタイミングに応じて前記参照光を前記被処理体表面にパルス状に照射し、前記反射光の受光により前記被処理体の表面像を得て、該表面像により前記被処理体の表面状態をモニタリングすることを特徴とする被処理体表面のモニタリング方法。
【請求項２】
パルス状レーザ光を含むレーザ光の照射により加熱されている被処理体表面に、参照光を照射し、前記参照光が前記被処理体表面で反射した反射光を受光して前記被処理体の表面状態をモニタリングする方法において、
前記パルス状レーザ光のパルスタイミングに応じて前記反射光をパルス状に受光し、前記反射光の受光により前記被処理体の表面像を得て、該表面像により前記被処理体の表面状態をモニタリングすることを特徴とする被処理体表面のモニタリング方法。
【請求項３】
前記パルス状レーザ光を含むレーザ光として、パルス状レーザ光とともに連続発振レーザ光が前記被処理体表面に照射されて前記被処理体表面の加熱を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の被処理体表面のモニタリング方法。
【請求項４】
前記連続発振レーザ光を前記参照光として利用することを特徴とする請求項３記載の被処理体表面のモニタリング方法。
【請求項５】
前記表面像から２次元の数値データを得て、該数値データを用いて被処理体の加熱溶融によって変化する光学的な定数を求め、該定数から前記被処理体表面の溶融状態を判定することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の被処理体表面のモニタリング方法。
【請求項６】
前記参照光のパルス状の照射またはパルス状の受光に際し、前記照射または受光におけるパルス時間幅を、前記パルス状レーザ光のパルス時間幅よりも小さい所定の時間幅とし、かつ前記パルス状レーザ光のパルス時間幅に重ねて位置させることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の被処理体表面のモニタリング方法。
【請求項７】
前記参照光のパルス状の照射またはパルス状の受光に際し、前記照射または受光におけるパルス時間幅を、前記パルス状レーザ光の照射により前記被処理体表面が溶融している時間より短時間にすることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の被処理体表面のモニタリング方法。
【請求項８】
前記参照光における前記パルス状の照射または前記パルス状の受光は、前記パルス状レーザ光のパルス開始タイミングに対し、所定の位相差のパルス開始タイミングを有する周期的なものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の被処理体表面のモニタリング方法。
【請求項９】
前記パルス状レーザ光の照射による前記被処理体の加熱処理中に、前記パルス状レーザ光のパルス開始タイミングに対し、前記参照光における前記パルス状の照射または前記パルス状の受光のパルス開始タイミングの位相差を変え、複数の位相差における前記被処理体の表面像を得ることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の被処理体表面のモニタリング方法。
【請求項１０】
前記参照光における前記パルス状の照射または前記パルス状の受光を、複数の前記位相差で行うことによりパルス内における連続した時間の繋がりにおける前記過渡状態を得ることを特徴とする請求項９に記載の被処理体表面のモニタリング方法。
【請求項１１】
連続波からなる参照光を間欠的に開閉するシャッタを通すことによって、前記参照光を前記被処理体にパルス状に照射することを特徴とする請求項１記載の被処理体表面のモニタリング方法。
【請求項１２】
連続波からなる参照光を前記被処理体に照射し、前記反射光を間欠的に開閉するシャッタを通してパルス状に受光することを特徴とする請求項２記載の被処理体表面のモニタリング方法。
【請求項１３】
前記表面像は、前記パルス状レーザ光のパルス時間幅よりも長い記録時間を有するカメラの撮影により得られることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の被処理体表面のモニタリング方法。
【請求項１４】
パルス状レーザ光を含むレーザ光の照射により加熱処理する被処理体の表面状態をモニタリングする装置であって、
参照光を発生する参照光光源と、
前記参照光を前記参照光光源から導き、前記パルス状レーザ光のタイミングに応じたパルス状の前記参照光を前記被処理体に照射する参照光光学系と、
前記参照光が加熱された前記被処理体で反射した反射光を検出し、前記被処理体の表面像を取得する反射光検出部と、
前記反射光を前記反射光検出部に導く反射光光学系と、を備えることを特徴とする被処理体表面のモニタリング装置。
【請求項１５】
前記参参照光光源が、前記パルス状レーザ光のパルスタイミングに応じたパルス状の参照光を出力するものであることを特徴とする請求項１４記載の被処理体表面のモニタリング装置。
【請求項１６】
前記参照光光源が、連続波の参照光を発生するものであり、
前記参照光光学系に、前記パルス状レーザ光のパルスタイミングに応じて前記参照光を間欠的に通して、パルス状の参照光を得る照射光シャッタを有することを特徴とする請求項１４記載の被処理体表面のモニタリング装置。
【請求項１７】
パルス状レーザ光を含むレーザ光の照射により加熱処理する被処理体の表面状態をモニタリングする装置であって、
参照光を発生する参照光光源と、
前記参照光を前記参照光光源から導き、前記被処理体に照射する参照光光学系と、
前記参照光が加熱された前記被処理体で反射した反射光を前記パルス状レーザ光のパルスタイミングに応じたパルス状の反射光として検出し、前記被処理体の表面像を取得する反射光検出部と、
前記反射光を前記反射光検出部に導く反射光光学系と、を備えることを特徴とする被処理体表面のモニタリング装置。
【請求項１８】
前記参照光光源が、連続波の参照光を発生するものであり、
前記反射光光学系に、前記パルス状レーザ光のパルスタイミングに応じて前記反射光を間欠的に通して、パルス状の反射光を得る反射光シャッタを有することを特徴とする請求項１７記載の被処理体表面のモニタリング装置。
【請求項１９】
前記参照光光源が、前記被処理体を加熱処理する連続発振レーザ光を発生する光源であることを特徴とする請求項１４〜１８のいずれかに記載の被処理体表面のモニタリング装置。
【請求項２０】
前記パルス状の参照光または前記パルス状の反射光のパルス時間幅を調整する制御部を有することを特徴とする請求項１４〜１９のいずれかに記載の被処理体表面のモニタリング装置。
【請求項２１】
前記パルス状レーザ光のパルス開始タイミングに対する、前記パルス状の参照光または前記パルス状の反射光のパルス開始タイミングの位相差を調整する制御部を有することを特徴とする請求項１４〜２０のいずれかに記載の被処理体表面のモニタリング装置。
【請求項２２】
前記制御部は、前記加熱処理中に、前記位相差を変更して複数の位相差において前記パルス状の参照光の照射または前記パルス状の反射光の受光を可能とすることを特徴とする請求項２１記載の被処理体表面のモニタリング装置。
【請求項２３】
前記反射光検出部で取得された表面像に基づいて、前記被処理体の表面状態を判定する表面状態判定部を備えることを特徴とする請求項１４〜２２のいずれかに記載のモニタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パルス状のレーザ光の照射により加熱処理されている被処理体の表面状態をモニタリングするモニタリング方法およびモニタリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｓｉ基板やＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、ガラス基板上の薄膜などのデバイスを対象とした半導体の製造プロセス過程では、試料に対してパルス状のレーザ光を照射して結晶化や活性化などの目的で加熱処理するレーザアニールプロセスが一部で採用されている。
【０００３】
ここでは特にレーザアニールによって半導体を活性化するものを対象として説明する。半導体の活性化とは、イオン注入機によってリンやボロンなどの不純物を注入したシリコンの真性半導体を加熱することにより拡散させて、ｐｎ接合層を形成することである。レーザアニールプロセスは半導体表面のみを加熱できることから、表層部にｐｎ接合層を形成可能なプロセスであることに特徴を持つ。
レーザアニールプロセスにおいて、被処理体である半導体のウエハ照射面上でレーザ光のビームの空間プロファイルは、丸や四角、もしくはライン状などに整形されていて、ビームが走査される。レーザ光は時間的にパルス状に照射され、十分なエネルギのパルスが照射されるとウエハ表面は加熱され、固相から液相へと溶融し、レーザ光のパルスの立下りに伴って冷却され、液相から固相へと変化する。
【０００４】
レーザ活性化プロセスでは、シリコン中にドーピングした不純物の活性率は溶融している時間に関係している。一般に溶融されている期間が長いほど活性化率は向上し、シリコンの活性化深さも深くなる。
また、ビームの空間プロファイルに依存してシリコンの溶融する面積も変化する。溶融面積は、ビームの空間プロファイルにもよるが、レーザ光のパルスが照射される期間で、ビーム強度の最も強い箇所から溶融し始め、面方向に溶融部が広がっていく。レーザ光のパルスの照射が終了すると溶融部面積は減少しビーム強度が強い箇所が最後に固化する。
【０００５】
レーザアニールプロセスでは、レーザ光のエネルギ強度調整、レーザビームの空間プロファイルのサイズの変更、ビームの相対走査速度の調整などによって、プロセス条件を変化させる。プロセスの良否はアニールプロセス後に、シリコン表面の電気抵抗値を測定することなどによって評価する。そのため、活性化の状態は間接的な評価結果をもとにしたものとなり、いくつのも現象を含んだ複雑な現象から、レーザ照射時の様子を推察して、プロセスの条件設定を行う。
【０００６】
しかし、プロセスの条件設定だけでなく、レーザ光照射時の表面状態を観察することで、良好なプロセス制御を行う方法が提案されている（例えば特許文献１、２参照）。
特許文献１では、金属溶接などで、金属に溶融エネルギを投与して材料を溶融する溶融加工において、溶融加工の進行に伴って材料の特定の部位が溶融状態に達したか否かを判定し、溶接の品質の良否を大きく反映する溶融後の材料の溶融状態を加工中にリアルタイムで監視する方法が提案されている。
また、特許文献２では、薄膜を対象としたレーザアニールのプロセスにおいて、例えば非晶質シリコン薄膜であるとき、シリコンが溶融して固化および結晶化するまでの溶融結晶化時間と結晶成長の速度とを併せて計測する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平７−２８４９３１号公報
【特許文献２】特開２００４−１４６７８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
レーザ光のパルス期間の現象が観察できるカメラを使用すると、１パルス内の溶融開始から、溶融面積の拡大／減少、固化までの一連の溶融から固化の現象を観察できて、アニールプロセスを直接把握することが可能となり、レーザプロセス中にインラインでの評価ができる。この現象を利用して、プロセス用のパルスレーザの１パルス照射時の溶融状態を観察する方法が特許文献１で提案されている。この方法では溶融状態を観察するためには、ストリークカメラなどの、時間分解能が高く、面の情報を取得できるカメラが必要である。現状、数ｎｓｅｃ単位の時間分解能を有するカメラはストリークカメラなどのように高価であり、また、過度の光入射があると簡単に壊れてしまうようなものがほとんどである。
【０００９】
このようなストリークカメラを生産ラインで使用することは、生産装置のコスト、メンテナンス頻度の点で現実的でない。また、実際に１パルス毎の溶融状態の情報を１枚のウエハ（基板）の照射面積全てでデータを取得しようとすると、そのデータ量は莫大となり、カメラから記録機器へのデータ転送速度も現実的な機器では不可能である。よって、実際にプロセス中の全ての溶融データをストリークカメラなどで記録して、その結果をアニールのレーザ光の照射条件に直に反映することは非現実的である。仮に離散的に１パルスの溶融状態を得て、その結果をプロセスに反映させたとしても、１パルス毎のバラツキの大きいアニール用のレーザでは、バラツキの大きい１データの結果を下にプロセス条件に反映することになってしまい、良好なプロセス制御を実現することは困難である。
【００１０】
本発明は上記事情を背景としてなされたものであり、高価なストリークカメラなどを必要とすることなく、パルス状のレーザ光で加熱されている被処理体の表面状態を良好に観察することができる被処理体表面のモニタリング方法およびモニタリング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
すなわち、本発明の被処理体表面のモニタリング方法のうち、第１の本発明は、パルス状レーザ光を含むレーザ光の照射により加熱されている被処理体表面に、参照光を照射し、前記参照光が前記被処理体表面で反射した反射光を受光して前記被処理体の表面状態をモニタリングする方法において、
前記パルス状レーザ光のパルスタイミングに応じて前記参照光を前記被処理体表面にパルス状に照射し、前記反射光の受光により前記被処理体の表面像を得て、該表面像により前記被処理体の表面状態をモニタリングすることを特徴とする。
【００１２】
第２の本発明の被処理体表面のモニタリング方法は、パルス状レーザ光を含むレーザ光の照射により加熱されている被処理体表面に、参照光を照射し、前記参照光が前記被処理体表面で反射した反射光を受光して前記被処理体の表面状態をモニタリングする方法において、
前記パルス状レーザ光のパルスタイミングに応じて前記反射光をパルス状に受光し、前記反射光の受光により前記被処理体の表面像を得て、該表面像により前記被処理体の表面状態をモニタリングすることを特徴とする。
【００１３】
第３の本発明の被処理体表面のモニタリング方法は、前記第１または第２の本発明において、前記パルス状レーザ光を含むレーザ光として、パルス状レーザ光とともに連続発振レーザ光が前記被処理体表面に照射されて前記被処理体表面の加熱を行うことを特徴とする。
【００１４】
第４の本発明の被処理体表面のモニタリング方法は、前記第３の本発明において、前記連続発振レーザ光を前記参照光として利用することを特徴とする。
【００１５】
第５の本発明の被処理体表面のモニタリング方法は、前記第１〜第４の本発明のいずれかにおいて、前記表面像から２次元の数値データを得て、該数値データを用いて被処理体の加熱溶融によって変化する光学的な定数を求め、該定数から前記被処理体表面の溶融状態を判定することを特徴とする。
【００１６】
第６の本発明の被処理体表面のモニタリング方法は、前記第１〜第５の本発明のいずれかにおいて、前記参照光のパルス状の照射またはパルス状の受光に際し、前記照射または受光におけるパルス時間幅を、前記パルス状レーザ光のパルス時間幅よりも小さい所定の時間幅とし、かつ前記パルス状レーザ光のパルス時間幅に重ねて位置させることを特徴とする。
【００１７】
第７の本発明の被処理体表面のモニタリング方法は、前記第１〜第６の本発明のいずれかにおいて、前記参照光のパルス状の照射またはパルス状の受光に際し、前記照射または受光におけるパルス時間幅を、前記パルス状レーザ光の照射により前記被処理体表面が溶融している時間より短時間にすることを特徴とする。
【００１８】
第８の本発明の被処理体表面のモニタリング方法は、前記第１〜第７の本発明のいずれかにおいて、前記参照光における前記パルス状の照射または前記パルス状の受光は、前記パルス状レーザ光のパルス開始タイミングに対し、所定の位相差のパルス開始タイミングを有する周期的なものであることを特徴とする。
【００１９】
第９の本発明の被処理体表面のモニタリング方法は、前記第１〜第８の本発明のいずれかにおいて、前記パルス状レーザ光の照射による前記被処理体の加熱処理中に、前記パルス状レーザ光のパルス開始タイミングに対し、前記参照光における前記パルス状の照射または前記パルス状の受光のパルス開始タイミングの位相差を変え、複数の位相差における前記被処理体の表面像を得ることを特徴とする。
【００２０】
第１０の本発明の被処理体表面のモニタリング方法は、前記第９の本発明において、前記参照光における前記パルス状の照射または前記パルス状の受光を、複数の前記位相差で行うことによりパルス内における連続した時間の繋がりにおける前記過渡状態を得ることを特徴とする。
【００２１】
第１１の本発明の被処理体表面のモニタリング方法は、前記第１の本発明において、連続波からなる参照光を間欠的に開閉するシャッタを通すことによって、前記参照光を前記被処理体にパルス状に照射することを特徴とする。
【００２２】
第１２の本発明の被処理体表面のモニタリング方法は、前記第２の本発明において、連続波からなる参照光を前記被処理体に照射し、前記反射光を間欠的に開閉するシャッタを通してパルス状に受光することを特徴とする。
【００２３】
第１３の本発明の被処理体表面のモニタリング方法は、前記第１〜第１２の本発明のいずれかにおいて、前記表面像は、前記パルス状レーザ光のパルス時間幅よりも長い記録時間を有するカメラの撮影により得られることを特徴とする。
【００２４】
第１４の本発明の被処理体表面のモニタリング装置は、
パルス状レーザ光を含むレーザ光の照射により加熱処理する被処理体の表面状態をモニタリングする装置であって、
参照光を発生する参照光光源と、
前記参照光を前記参照光光源から導き、前記パルス状レーザ光のタイミングに応じたパルス状の前記参照光を前記被処理体に照射する参照光光学系と、
前記参照光が加熱された前記被処理体で反射した反射光を検出し、前記被処理体の表面像を取得する反射光検出部と、
前記反射光を前記反射光検出部に導く反射光光学系と、を備えることを特徴とする。
【００２５】
第１５の本発明の被処理体表面のモニタリング装置は、前記第１４の本発明において、前記参照光光源が、前記パルス状レーザ光のパルスタイミングに応じたパルス状の参照光を出力するものであることを特徴とする。
【００２６】
第１６の本発明の被処理体表面のモニタリング装置は、前記第１４の本発明において、前記参照光光源が、連続波の参照光を発生するものであり、
前記参照光光学系に、前記パルス状レーザ光のパルスタイミングに応じて前記参照光を間欠的に通して、パルス状の参照光を得る照射光シャッタを有することを特徴とする。
【００２７】
第１７の本発明の被処理体表面のモニタリング装置は、
パルス状レーザ光を含むレーザ光の照射により加熱処理する被処理体の表面状態をモニタリングする装置であって、
参照光を発生する参照光光源と、
前記参照光を前記参照光光源から導き、前記被処理体に照射する参照光光学系と、
前記参照光が加熱された前記被処理体で反射した反射光を前記パルス状レーザ光のパルスタイミングに応じたパルス状の反射光として検出し、前記被処理体の表面像を取得する反射光検出部と、
前記反射光を前記反射光検出部に導く反射光光学系と、を備えることを特徴とする。
【００２８】
第１８の本発明の被処理体表面のモニタリング装置は、前記第１７の本発明において、前記参照光光源が、連続波の参照光を発生するものであり、
前記反射光光学系に、前記パルス状レーザ光のパルスタイミングに応じて前記反射光を間欠的に通して、パルス状の反射光を得る反射光シャッタを有することを特徴とする。
【００２９】
第１９の本発明の被処理体表面のモニタリング装置は、前記第１４〜第１８の本発明のいずれかにおいて、前記参照光光源が、前記被処理体を加熱処理する連続発振レーザ光を発生する光源であることを特徴とする
【００３０】
第２０の本発明の被処理体表面のモニタリング装置は、前記第１４〜１９の本発明のいずれかにおいて、前記パルス状の参照光または前記パルス状の反射光のパルス時間幅を調整する制御部を有することを特徴とする。
【００３１】
第２１の本発明の被処理体表面のモニタリング装置は、前記第１４〜２０の本発明のいずれかにおいて、前記パルス状レーザ光のパルス開始タイミングに対する、前記パルス状の参照光または前記パルス状の反射光のパルス開始タイミングの位相差を調整する制御部を有することを特徴とする。
【００３２】
第２２の本発明の被処理体表面のモニタリング装置は、前記第２１の本発明において、前記制御部は、前記加熱処理中に、前記位相差を変更して複数の位相差において前記パルス状の参照光の照射または前記パルス状の反射光の受光を可能とすることを特徴とする。
【００３３】
第２３の本発明のモニタリング装置は、前記第１４〜第２２の本発明のいずれかにおいて、前記反射光検出部で取得された表面像に基づいて、前記被処理体の表面状態を判定する表面状態判定部を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３４】
以上説明したように、この発明によれば、アニール処理用のパルス状レーザ光に対して、高価な機器を使用することなく、所望のタイミングで被処理体が溶融している状態を直接的に観察できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態のモニタリング装置を含むレーザ処理装置を示す図である。
【図２】同じく、被処理体表面上のパルス状レーザ光および参照光の照射状態を示す縦断面図である。
【図３】同じく、被処理体表面上のパルス状レーザ光および参照光の照射状態およびカメラによる撮像領域を示す平面図である。
【図４】同じく、パルス状レーザ光のパルスタイミングと位相差を有する参照光のパルスタイミングと、被処理体表面の反射光強度変化を示す図である。
【図５】同じく、パルス状レーザ光のパルスタイミングと位相差を変えた参照光のパルスタイミングと、被処理体表面の反射光強度変化を示す図である。
【図６】同じく、他の実施形態のモニタリング装置を含むレーザ処理装置を示す図である。
【図７】同じく、さらに他の実施形態のモニタリング装置を含むレーザ処理装置を示す図である。
【図８】同じく、さらに他の実施形態のモニタリング装置を含むレーザ処理装置を示す図である。
【図９】同じく、さらに他の実施形態のモニタリング装置を含むレーザ処理装置を示す図である。
【図１０】同じく、さらに他の実施形態のモニタリング装置を含むレーザ処理装置を示す図である。
【図１１】同じく、さらに他の実施形態のモニタリング装置を含むレーザ処理装置を示す図である。
【図１２】被処理体表面にプロセス用のパルス状レーザ光が走査されつつ照射される状態を示す図である。
【図１３】シリコンにおける液相と固相とにおける反射率を示す図である。
【図１４】被処理体表面にプロセス用のパルス状レーザ光が照射された際の被処理体の過渡的な溶融状態と被処理体表面の反射光強度変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
先ず、パルス状レーザ光を含むレーザ光が照射された際の被処理体表面の状態を図１２に基づいて説明する。
図１２では、シリコン（Ｓｉ）薄膜に、ビーム断面形状が楕円形のパルス状レーザ光を照射した状態の部分的な平面視である。パルス状レーザ光は走査方向にスキャンされながら所定のオーバラップ率でシリコン薄膜に照射される。パルス状レーザ光が照射されたシリコン薄膜では、パルス状レーザ光のビームが直接照射された部分とその周辺で昇温し、ビームが直接照射された部分内で、過渡的に、シリコン薄膜表面の一部が溶融した溶融部となり、その他の部分で溶融に至らない非溶融部となり、その間には溶融・非溶融混在部が存在する。
【００３７】
シリコンでは、溶融、非溶融の状態により反射率が異なり、溶融部の反射率は相対的に高く、非溶融部の反射率は相対的に低くなる。シリコンの可視光での屈折率は固相で約３．３、液相で約４．１である。
図１３は、シリコンにおける固相での反射率と液相での相対的な反射率を示すグラフであり、s-polは、ｓ偏光、p-polは、ｐ偏光を意味しており、各偏光を伴う光の入射角に応じた反射率が示されている。したがって、参照光の入射角を適切に定めることで、溶融と非溶融の状態に応じて明らかに相違する反射率を得ることができる。反射率は光学定数の１つである。
【００３８】
なお、パルス状レーザ光を含むレーザ光としては、パルス状のレーザ光のみでもよく、これに連続発振のレーザ光が組み合わされたものであってもよい。連続発振のレーザ光は、パルス状のレーザ光と合波した後、被処理体に照射されるものでもよく、また、別の経路で被処理体に照射されるものであってもよい。なお、パルス状のレーザ光のみ照射する場合も、複数のパルス状レーザ光を組み合わせたものであってもよい。なお、連続発振レーザ光は、通常、パルス状レーザ光のアシストとして使用され、この場合にもパルス状レーザ光の照射に応じて被処理体表面で溶融が起こる。
【００３９】
次に、パルス状レーザ光が照射された際の、被処理体表面の一点における過渡的な表面状態を説明する。
図１４の中段には、パルス状レーザ光の一パルスでの強度波形が示されている。この形態のパルス状レーザ光は、急峻な立ち上がりに伴って、短時間でピーク強度に達し、その後、徐々に強度が低下し、さらに急激に立ち下がって、ゼロレベルになる。このパルスの時間幅は適宜の基準で定めることができる。基準は特定のものに限定されるものではなく、同一の基準でパルスの時間幅を論じればよい。例えば、最大強度に対する５０％以上の強度を有する時間間隔や、パルスのピーク値の立ち上がり半値点と立ち下がり半値点との間の時間間隔などでパルス時間幅を定めたりすることができる。
【００４０】
上記強度分布を有するパルス状レーザ光が被処理体に照射されると、図１４の上段に示されるように被処理体の表面には過渡的な溶融状態が生じる。図１４の上段には、各時間時点での被処理体の表面状態が示されている。レーザ光が被処理体表面のビーム断面中央部では、パルス強度が最大の時点で、ビーム断面の長尺方向に沿って、細い帯状の溶融部が位置し、該溶融部の走査方向外側に溶融、非溶融の混在領域、さらにその外側に非溶融領域が位置している。パルスは、時間の経過とともにレーザ光の強度がやや低下するが、パルス状レーザ光の加熱が継続されているため、溶融部の走査方向幅が拡がり、パルスの時間幅中間ほどで溶融部の走査方向幅は最大になる。さらに時間が経過するとともにレーザ光の強度が低下して加熱作用が弱まり、溶融部の走査方向幅が次第に狭くなる。図に示していないが、パルスが消失し、遂には被処理体表面は固相状態になる。次のパルスが照射される際には、パルス状レーザ光の相対的な走査に伴って、所定のオーバーラップ率で位置がずれて被処理体にパルス状レーザ光が照射される。
【００４１】
図１４下段には、パルス状レーザ光を照射した際に、１パルス間に被処理体表面の一点のレーザ光照射領域から反射する反射光の強度変化が示されている。反射光の強度は平均化されており、照射領域における過渡的な溶融状態を示していない。したがって、被処理体表面の一点における反射光強度の変化を観察しても被処理体表面の過渡的な溶融状態の変化を把握することはできない。
【００４２】
次に、本発明の一実施形態におけるモニタリング装置を含むレーザ処理装置について図１に基づいて説明を行う。
モニタリング装置を含むレーザ処理装置１は、パルス状レーザ光２ａを出力するレーザ発振器２と、パルス状レーザ光を被処理体１００に導くプロセス光学系３とを有しており、図では、プロセス光学系３の一部としてミラー３ａ、集光レンズ３ｂが示されている。プロセス光学系３には、この他に、ホモジナイザ、シリンドリカルレンズなどの各種光学部材を備えるものであってもよい。本発明としては、プロセス光学系３の構成が特定のものに限定されるものではない。
また、レーザ処理装置１には、パルス状レーザ光２ａを被処理体１００に対し、相対的に移動させる走査装置（図示しない）を有している。走査装置は、パルス状レーザ光２ａ側を移動させるものであってもよく、また、被処理体１００側を移動させるものであってもよく、両者を移動させて相対的な走査を行うものであってもよい。また、本発明としてはレーザ光の相対的な走査が必須とされるものではない。
【００４３】
レーザ処理装置１は、被処理体としてシリコン基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、ガラス基板上の薄膜などの半導体デバイスや表示デバイスの製造の活性化や結晶化プロセス過程にて利用することができる。ただし、本発明としては、被処理体の種別やレーザ処理装置における加熱処理の内容が特に限定されるものではない。この実施形態では、シリコン基板の半導体デバイスの製造プロセス過程におけるアニール処理でレーザ処理装置１が用いられる。
【００４４】
次に、モニタリング装置の構成を説明する。
モニタリング装置には、パルス状の参照光１０ａを出力する参照光光源１０を有し、該参照光１０ａを前記パルス状レーザ光２ａが照射される、被処理体１００表面の照射領域１００ａに導く参照光光学系１１を有している。図では、参照光光学系１１の１つとして集光レンズ１１ａが示されている。なお、本発明としては参照光光学系の構成が特定のものに限定されるものではない。
なお、参照光１０ａは、パルス状レーザ光２ａが照射される被処理体１００上の照射領域１００ａの一部または全部に重ねて照射される。このため、パルス状レーザ光２ａが被処理体１００に対し相対的に走査される際には、参照光１０ａも同様に被処理体１００に対し相対的に走査されるように、走査装置（図示しない）を有している。この走査装置は、パルス状レーザ光２ａの相対的な走査を行う走査装置で兼用するものであってもよい。
【００４５】
さらに、モニタリング装置では、前記参照光光源１０を制御する制御部１２を有している。制御部１２は、ＣＰＵおよびこれを動作させるプログラム、ワークエリアとなるＲＡＭ、不揮発メモリなどにより構成されている。制御部１２には、位相調整器１２ａと時間幅調整器１２ｂが含まれており、例えば、制御部１２の一部機能により位相調整器１２ａと時間幅調整器１２ｂとを構成し、動作を実現することができる。
制御部１２には、レーザ発振器２の回路から、パルス状レーザ光２ａのパルス開始タイミングを示すトリガー信号が入力されている。なお、制御部１２でレーザ発振器のパルスタイミングを制御している場合、レーザ発振器２からのトリガー信号を受けることなく、制御部１２内でパルス状レーザ光に関するトリガー信号を得ることができる。
制御部１２では、パルス状レーザ光２ａに関するトリガー信号を基準にして、位相調整器１２ａにおいて、パルス状レーザ光２ａのパルス開始タイミングに対し所定の位相差を有し、参照光１０ａのパルス開始タイミングを示すトリガー信号を生成し、参照光光源１０に出力する。また、レーザ発振器２で出力されるパルス状レーザ光２ａのパルス時間幅を基準にして、時間幅調整器１２ｂで所定の時間幅指令信号を生成し、参照光光源１０に出力する。パルス状レーザ光２ａのパルス時間幅の情報は、レーザ発振器２から得ることができ、また、制御部１２でレーザ発振器２を制御している場合、制御部１２内で、パルス状レーザ光２ａのパルス時間幅の情報を取得することができる。
【００４６】
参照光光源１０では、制御部１２からトリガー信号と時間幅指令信号とを受け、パルス状レーザ光２ａに対し、所定の位相差を有し、パルス状レーザ光のパルス時間幅よりも小さくした所定の時間幅でパルス状の参照光１０ａを出力する。この際に、参照光１０ａのパルス時間幅が、パルス状レーザ光２ａのパルス時間幅内の所定位置に位置するように前記位相差が定められている。
【００４７】
参照光１０ａが被処理体１００上の照射領域１００ａに照射されて反射光１０ｂが反射される方向には、反射光受光部としてカメラ１４が配置されている。カメラ１４は、反射光１０ｂによって照射領域１００ａにおける表面像を得ることができ、パルス状レーザ光２ａのパルス時間幅を超えた時間で撮像することができる。カメラ１４は、ストリークカメラほどの時間分解能を有していることは必要とされず、比較的安価なＣＣＤやＣＭＯＳにより構成することができ、残像効果によって反射光１０ｂを利用した被処理体１００表面の表面像を取得することができる。
【００４８】
カメラ１４には、表示部付きデータ処理機１５が接続されており、カメラ１４の撮像データが表示部付きデータ処理機１５に出力される。表示部付きデータ処理機１５は、表面状態判定部に相当する。
表示部付きデータ処理機１５では、表面像を示す撮像データから、画像処理によって２次元の数値データを算出したり、表示用の画像データを作成したりすることができる。本発明としては、表示部付きデータ処理機１５の処理内容が特定のものに限定されるものではなく、被処理体１００表面の表面状態をモニタリングできるものであればよい。表面状態のモニタリングは、表示部付きデータ処理機１５によって行ってもよく、また、表示画像を観て操作者が観察、判定するものであってもよい。
【００４９】
次に、レーザ処理装置１の動作について説明する。
レーザ発振器２では、予め設定された繰り返し周波数、パルス時間幅で、所定波長のパルス状レーザ光２ａが出力される。この実施形態では、例えばパルス状レーザ光２ａの発振繰り返し周波数を１０ｋＨｚ、パルス時間幅を約１０００ｎｓｅｃとすることができる。
この際に、レーザ発振器２では、パルス開始タイミングに応じたトリガー信号が制御部１２に出力される。パルス状レーザ光２ａは、図示しないアテネッタなどによりエネルギ調整がされ、プロセス光学系３で所定形状のビーム断面形状に整形される。さらにパルス状レーザ光２ａは、プロセス光学系３のうち、ミラー３ａで反射され、集光レンズ３ｂで集光されて、被処理体１００に照射される。集光レンズ３ｂは、被処理体１００表面近傍にパルス状レーザ光２ａの焦点もしくは結像面を合わせる。被処理体１００は、図示しない走査装置で移動され、この結果、パルス状レーザ光２ａは、被処理体１００に対し相対的に走査されつつ被処理体１００上に照射されて、所望の加熱処理がされる。
【００５０】
なお、パルス状レーザ光２ａの被処理体表面におけるビームのサイズは特に限定されるものではなく、実施する処理内容に合わせて数十μから数ｍｍの円形、楕円形、矩形、もしくは線状の光強度プロファイルを有するものを利用することができる。パルス状レーザ光にパルス状に発するため、例えば溶融、固化を繰り返して被処理体の処理がされる。
パルス状レーザ光２ａの照射によって被処理体１００表面はその材料の融点近傍、もしくは融点以上まで加熱され、屈折率の変化から、表面の反射率は図１３に示すように変化する。
【００５１】
パルス状レーザ光２ａが被処理体１００に照射開始され、被処理体１００表面は加熱され、融点以上に加熱されるとビーム強度の強い箇所から溶融が開始する。パルス状レーザ光２ａが照射され続けると、溶融している面積は拡大する。パルス状レーザ光２ａの強度が弱くなるとビーム強度が弱い箇所から固化が始まり溶融部の面積は減少する。融点以下の温度になると全ては固化する。
【００５２】
一方、モニタリング装置では、レーザ発振器２から出力されるトリガー信号によって、制御部１２の位相調整器１２ａで、レーザ発振器２によるトリガー信号と所定の位相差を有するトリガー信号が生成されている。所定の位相差は、予め設定した固定のものでもよく、また、適宜変更するように設定されているものであってもよい。
また、制御部１２では、時間幅調整器１２ｂで、パルス状レーザ光２ａのパルス時間幅よりも小さい所定のパルス時間幅指令が生成される。パルス状レーザ光２ａのパルス時間幅は、トリガー信号とともにレーザ発振器２から情報を取得してもよく、また、予め対比用に情報を取得しておいてもよい。さらに、対比を行うことなく、パルス状レーザ光２ａのパルス時間幅よりも小さい所定のパルス時間幅データが与えられているものであってもよい。
【００５３】
上記した位相差を与えたトリガー信号と時間幅指令とは参照光光源１０に送信され、参照光光源１０では、上記トリガー信号と時間幅指令とによって、所定のパルス開始タイミング、所定のパルス時間幅で、パルス状の参照光１０ａが参照光光源１０から出力される。例えば、パルス状レーザ光２ａに対し、１／４パルス分の位相差を有し、パルス状レーザ光２ａの約１／４のパルス時間幅に設定される。
なお、参照光１０ａは、パルス状レーザ光２ａを出力している間中、出力してもよく、また、予め定めた時機や、操作者による任意の時機に出力するようにしてもよい。
【００５４】
参照光１０ａは、参照光光学系１１で所定のビーム断面形状に整形されつつ導かれ、そのうちの集光レンズ１１ａで集光されて、被処理体１００の表面に照射される。参照光１０ａは、被処理体１００の表面で、パルス状レーザ光２ａが照射されている照射領域１００ａを少なくとも照射および反射面方向で超える大きさで被処理体１００表面に照射されるのが望ましい。
なお、この実施形態では、参照光光源１０でパルス幅を変更するものとして説明をしているが、参照光光学系１１でパルス幅の調整を行う構成を有するものであってもよい。
また、モニタリング装置では、参照光のパルス幅を調整する機能を有しておらず、予め固定されたパルス時間幅のみで参照光を出力する参照光光源を用いるものであってもよい。この形態では、固定されているパルス時間幅が、パルス状レーザ光のパルス時間幅よりも短くなっている。
【００５５】
参照光１０ａは、パルス状レーザ光２ａが照射されている被処理体１００の表面で反射し、反射光１０ｂとしてカメラ１４で受光される。
図２は、被処理体１００表面におけるレーザ光の照射と反射の状況を説明する概要図である。
パルス状レーザ光２ａが被処理体１００表面に照射されて照射領域１００ａの内側に溶融領域１１０が形成され、その外側で照射領域１００ａの外縁付近で非溶融領域１１１が形成される。非溶融領域１１１が、パルス状レーザ光２ａの照射により昇温しているものの、溶融状態に至っていない領域であり、伝熱によって照射領域１００ａのやや外側および照射領域１００ａの深さ方向側に至っている。
【００５６】
参照光１０ａは、少なくとも走査方向において照射領域１００ａを超える照射領域を有している。
参照光１０ａは、被処理体１００の表面で反射して反射光１０ｂが反射方向に進行する。反射光１０ｂでは、反射率が相対的に高い溶融領域１１０に照射されて反射した反射光１０ｂ１と、反射率が相対的に低い非溶融領域１１１に照射された反射した反射光１０ｂ２とからなり、反射光１０ｂ１は、相対的に高い強度を有し、反射光１０ｂ２は、相対的に低い強度を有している。これら反射光１０ｂ１、１０ｂ２からなる反射光１０ｂが、カメラ１４で受光される。
【００５７】
図３は、被処理体１００表面の平面視と、カメラ１４による撮像領域１４ａを示すものである。
パルス状レーザ光２ａのビーム断面は長尺な楕円形状を有しており、パルス状レーザ光２ａが照射された照射領域１００ａの内側に、溶融部１１０が形成され、溶融部１１０の外側であって照射領域１００ａのやや外側に至るまでに非溶融領域１１１が形成されている。参照光１０ａは、走査方向で照射領域を超えるビームサイズを有し、パルス状レーザ光２ａの長尺方向では、パルス状レーザ光よりも小さいサイズになっている。
カメラ１４の撮像領域１４ａは、参照光１０ａが照射された領域をカバーし、参照光１０ａの走査方向において参照光１０ａによる照射領域を超える大きさを有している。撮像領域１４ａの升目は、カメラ１４における各画素エリアをイメージしており、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの光学素子が配列されている。
【００５８】
次に、図４は、パルス状レーザ光２ａと参照光１０ａのパルス開始タイミングとパルス時間幅との関係を示すものである。
参照光１０ａは、パルス状レーザ光２ａに対し、約１／４パルス分の位相差を有したパルス開始タイミングを有しており、この時機における被処理体１００の過渡的な溶融状態を得ることができる。参照光１０ａのパルス時間幅は、パルス状レーザ光２ａのパルス時間幅に対し、１／４程度であり、表面状態の取得情報がパルス時間幅全体で平均化されるのを抑制して一時の過渡的状態を的確に取得することを可能にする。すなわち、溶融状態を観察するために、参照光１０ａをプロセス用のパルス状レーザ光２ａのパルス時間幅より短い時間照射する。また、参照光１０ａのパルス照射時間は、パルス状レーザ光２ａのパルス照射時間に重なり、さらにはパルス状レーザ光２ａのパルス照射時間に重なっているのが望ましい。一般的なＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラで１画像を記録するのに必要な時間は１／３０秒程度であるが、パルス状の参照光１０ａでも複数パルスをカメラ１４に入射させると、カメラ１４は参照光１０ａが照射されている時間のみの状態を残像として観察できる。プロセス用のパルス状レーザ光２ａと参照光１０ａのパルスの位相を適宜設定することにより、一連の溶融現象中の所望の一瞬を観察できる。また、位相を変更すれば、異なる一瞬の過渡現象を観察することができる。
一方で、照射領域の一点での反射光強度は、図４下段に示すように、溶融時の反射率によりほぼ一定した値を示している。
【００５９】
カメラ１４では、上記したように、溶融部１１０と非溶融部１１１とで反射した光強度分布が生じている表面像が得られる。すなわち、カメラ１４では、被処理体１００表面で溶融している部分は明るく観察される。この表面像からは、二次元の強度分布の数値を算出することができる。この数値からは光学定数である屈折率の変化を示す二次元データを得ることができる。このデータは、シリコンの固相時と液相時の光学定数である屈折率の変化を示すものであり、被処理体１００表面の溶融状態を面状に把握することが可能になる。
【００６０】
すなわち、この実施形態によれば、パルス状レーザ光のパルス周期よりも桁違いに時間分解能が低く、観察用のカメラとして従来一般的に使用されている安価なＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラを利用して、被処理体１００の一定範囲内で、表面の溶融現象を、残像効果も利用して、参照光１０ａのパルス時間幅という極短時間の一定の照射期間の平均として観察することが可能となる。
【００６１】
なお、上記実施形態では、図４に示すように、参照光１０ａは、パルス状レーザ光２ａに対し、パルス開始タイミングが一定の位相差を有するものとして説明している。これにより溶融状態の過渡的な変化において、同一の時機での表面状態を各パルス毎に把握することができる。
図５は、パルス状レーザ光２ａに対する参照光１０ａのパルス開始タイミングをパルス毎に変更した場合のパルス開始タイミングとパルス時間幅との関係を示すものである。これにより異なる時機の過渡的な現象を把握できる。
【００６２】
さらに、図５に示すように、各パルスでの位相差を順次位相差Ａ、位相差Ｂ、位相差Ｃ、位相差Ｄとし、各位相差間の時間差が参照光１０ａの各パルス時間幅に一致するようにして、参照光１０ａのパルス照射によって得られる表面像を、表示部付きデータ処理機１５で繋ぎ合わせることで過渡的な溶融状態の変化をより的確に把握することができ、時間的に連続した過渡的変化を得ることができる。
また、上記では、位相差を調整する形態について説明を行ったが、時間幅を調整することで、溶融現象の時間軸の分解能を変えることができる。
【００６３】
次に、他の実施形態を図６に基づいて説明する。なお、前記実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略または簡略化する。
この実施形態のレーザ処理装置１ａでは、連続発振を行う参照光光源２０を備えており、参照光光学系１１に、参照光の透過、開閉を行う照射光シャッタ２１が配置されている。照射光シャッタ２１には、制御部１２が制御可能に接続されている。
この実施形態でも、レーザ発振器２からパルス開始タイミングを示すトリガー信号が制御部１２に送信されている。制御部１２では、このトリガー信号に対し、所定の位相差でシャッタ開の開始タイミングを示すトリガー信号を生成する。また、パルス状レーザ光２ａのパルス時間幅に応じて設定されるパルス時間幅を設定する。パルス時間幅は、照射光シャッタ２１が開いた後、閉じるまでのシャッタ開放継続時間を示す。
【００６４】
次に、この実施形態における動作について説明する。
レーザ処理装置１ａでは、レーザ発振器２からパルス状レーザ光２ａを出力して処理を開始する。上記実施形態で説明したように、パルス状レーザ光２ａは、予め設定された繰り返し周波数、パルス時間幅で、所定波長で出力される。パルス状レーザ光２ａは、プロセス光学系３で所定形状のビーム断面形状に整形され、プロセス光学系３のうち、ミラー３ａで反射され、集光レンズ３ｂで集光されて、被処理体１００に照射される。
【００６５】
レーザ発振器２では、パルス発振のトリガー信号が制御部１２に出力されており、制御部１２では、上記したように位相調整器１２ａでトリガー信号が生成され、時間幅調整器１２ｂでパルス時間幅指令が生成される。また、制御部１２では、参照光光源２０から連続発振によって参照光２０ａを出力する。参照光２０ａの出力は、パルス状レーザ光２ａを出力している間中、行ってもよく、また、予め定めた時機や、操作者による任意の時機に行うようにしてもよい。
【００６６】
上記したトリガー信号とパルス時間幅指令は、照射光シャッタ２１に制御信号として送信され、照射光シャッタ２１の開閉が制御される。これにより参照光２０ａは、被処理体１００に対しパルス状に照射されることになる。照射においては、パルス状レーザ光２ａに対し、所定の位相差でパルス状の照射における開始タイミングとなり、パルス状レーザ光２ａのパルス時間幅よりも短い時間でパルス状の照射がなされる。被処理体１００の照射領域１００ａで参照光２０が反射した反射光２０ｂは、カメラ１４で受光され、前記実施形態と同様に表示部付きデータ処理機１５で画像処理等を行うことができる。
この実施形態でも、前記実施形態と同様に、被処理体１００の溶融状態の過渡的な変化において、同一の時期での表面状態を各パルス毎に把握することができる。
また、この実施形態では、連続発振の参照光を用いているため、出力が安定したレーザ光を参照用に用いることができ、得られた表面像と被処理体の表面状態との関連が、より精度よく得られる。
【００６７】
さらに、他の実施形態を図７に基づいて説明する。なお、前記実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略または簡略化する。
上記各実施形態では、パルス状レーザ光２ａの被処理体１００への入射角に対し、参照光の入射角を異なるものとし、その結果、参照光の反射光がパルス状レーザ光２ａの反射方向とは異なるものにしている。これにより、反射光を受光した際に、パルス状レーザ光２ａの反射光をできるだけ受光しないようにして参照精度を上げることができる。しかし、本発明としては、このような構成が必須となるものではなく、パルス状レーザ光の入射角と参照光の入射角とが同じものであってもよい。
【００６８】
図７のレーザ処理装置１ｂでは、プロセス光学系３の１つとして前記ミラー３ａに替えてハーフミラー３ｃが設けられており、ハーフミラー３ｃの下方反射側にさらにハーフミラー１１ｂが配置され、その下方透過側に集光レンズ３ｂが配置されている。ハーフミラー３ｃ、３ｄ、集光レンズ３ｂは、プロセス光学系３の一部および参照光光学系１１の一部を兼用する。
【００６９】
また、ハーフミラー３ｃの上方に向いた透過方向には、参照光光学系１１の１つであるミラー１１ｂが配置され、その反射方向にカメラ１４が配置されている。カメラ１４には、前記各実施形態と同様に表示部付きデータ処理機１５が電気的に接続されている。
【００７０】
この実施形態では、レーザ発振器２から出力されたパルス状レーザ光２ａは、ハーフミラー３ｃで下方に向けて反射され、ハーフミラー３ｄを下方に透過し、集光レンズ３ｂで集光されて被処理体１００に照射される。
一方、参照光光源１０から出力された参照光１０ａは、ハーフミラー３ｄで下方に反射され、集光レンズ３ｂで集光された後、被処理体１００に照射される。したがって、参照光１０ａは、集光レンズ３ｂで集光されて所望のビーム断面サイズになるように集光レンズ３ｂに入射される。参照光１０ａは、被処理体１００表面で反射されて反射光１０ｂとなる。反射光１０ｂは、上方に進み、集光レンズ３ｂを透過した後、ハーフミラー３ｄを上方に透過し、さらにハーフミラー３ｃを上方に透過してミラー１１ｂの反射面に至る。反射光１０ｂは、ミラー１１ｂで反射されてカメラ１４で受光される。
【００７１】
すなわち、パルス状レーザ光２ａが照射されている被処理体１００に、パルス状レーザ光２ａと同一の入射角で参照光１０ａが照射され、被処理体１００で反射されて反射光１０ｂが同一光路で反射される。この際に、パルス状レーザ光２ａの反射光も同様に進行するが、参照光１０ｂを用いた表面像を取得することができる。波長フィルタなどを介することで、参照光１０ｂによる表面像の取得はより精度よく行うことができる。なお、この実施形態でも、ハーフミラー３ｄに至る前に照射光シャッタを設ければ、連続発振する参照光光源２０と照射光シャッタ２１を用いた構成とすることができる。
【００７２】
さらに、他の実施形態のモニタリング装置を備えるレーザ処理装置１ｃを図８に基づいて説明する。なお、前記実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略または簡略化する。
上記各実施形態では、制御部１２においてパルス状レーザ光２ａに対し位相差を有するトリガー信号を生成するものとしたが、ケーブル長などを利用して位相差を設けることが可能である。
【００７３】
すなわち、この実施形態では、レーザ発振器２のトリガー信号を伝送ケーブル１２ｃで取り出し、この伝送ケーブル１２ｃを参照光光源１０に接続してトリガー信号を入力している。伝送ケーブル１２ｃを流れるトリガー信号は、伝送ケーブル１２ｃのケーブル長に応じて位相差が生じ、これが位相差を有するトリガー信号として参照光光源１０に与えられ、参照光１０ａのパルス開始タイミングが設定される。位相差は、ケーブル長の調整により行うことができる。なお、参照光におけるパルス時間幅は、予め固定されたものとして設定しておく。この際に設定値は、パルス状レーザ光２ａのパルス時間幅よりも小さいものにしておく。
この実施形態においても、前記各実施形態と同様に被処理体表面の溶融状態の過渡的変化を精度よく把握することができる。
【００７４】
さらに、他の実施形態のモニタリング装置を備えるレーザ処理装置１ｄを図９に基づいて説明する。なお、前記実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略または簡略化する。
上記各実施形態では、被処理体に照射される参照光がパルス状に照射されているものとして説明したが、被処理体１００への参照光の照射は連続的になされ、反射光をパルス状に受光するものとしてもよい。
図９に示すレーザ処理装置１ｄでは、連続発信の参照光光源２０を備え、被処理体１００で参照光２０ａが反射した反射光２０ｂの光路に開閉自在な反射光シャッタ２２が配置されている。反射光シャッタ２２は、制御部１２で開閉制御される。
【００７５】
この実施形態でも、レーザ発振器２からパルス開始タイミングを示すトリガー信号が制御部１２に送信されている。制御部１２では、このトリガー信号に対し、所定の位相差でシャッタ開の開始タイミングを示すトリガー信号を生成する。また、パルス状レーザ光２ａのパルス時間幅に応じて設定されるパルス時間幅を設定する。パルス時間幅は、反射光シャッタ２２が開いた後、閉じるまでのシャッタ開放時間を示す。
【００７６】
次に、この実施形態における動作について説明する。
レーザ処理装置１ｄでは、レーザ発振器２からパルス状レーザ光２ａを出力して処理を開始する。パルス状レーザ光２ａは、プロセス光学系３で所定形状のビーム断面形状に整形され、プロセス光学系３のうち、ミラー３ａで反射され、集光レンズ３ｂで集光されて、被処理体１００に照射される。
【００７７】
レーザ発振器２では、パルス発振のトリガー信号が制御部１２に出力されており、制御部１２では、上記したように位相調整器１２ａでトリガー信号が生成され、時間幅調整器１２ｂでパルス時間幅指令が生成される。また、制御部１２では、参照光光源２０から連続発振によって参照光２０ａを出力する。
【００７８】
上記したトリガー信号とパルス時間幅指令は、反射光シャッタ２２に制御信号として送信され、反射光シャッタ２２の開閉が制御される。参照光２０ａは、被処理体１００に対し連続的に照射され、反射光シャッタ２２を通してパルス状にカメラ１４で受光することになる。受光においては、パルス状レーザ光２ａに対し、所定の位相差でパルス状の受光における開始タイミングとなり、パルス状レーザ光２ａのパルス時間幅よりも短い時間でパルス状の受光がなされる。すなわち、被処理体１００の照射領域１００ａで参照光２０ａが反射した反射光２０ｂは、カメラ１４でパルス状に受光され、前記実施形態と同様に表示部付きデータ処理機１５で画像処理等を行うことができる。
この実施形態でも、前記実施形態と同様に、被処理体１００の溶融状態の過渡的な変化において、同一の時期での表面状態を各パルス毎に把握することができる。
【００７９】
上記各実施形態では、パルス状レーザ光を含むレーザ光としてパルス状のレーザ光のみが使用されるものについて説明したが、本発明では、前記したように、少なくともパルス状のレーザ光が用いられるものでもよく、パルス状のレーザ光に加えて連続発振のレーザ光を用いることができる。以下に、連続発振のレーザ光を加熱処理用に用いる形態を図１０に基づいて説明する。
【００８０】
図１０で示すレーザ処理装置１ｅは、図１に示すレーザ処理装置１と共通する構成を有しており、共通構成については同一の符号を付して説明を簡略化または省略する。
この形態では、レーザ発振器２の出射側に、図１のミラー３ａに代えて合波ミラー３ｅが配置されている。レーザ発振器２から出力されたパルス状レーザ光２ａは、合波ミラー３ｅの反射面側（図示下面側）で反射されて集光レンズ３ｂ側に導波される。一方、この実施形態では、連続発振のレーザ光を出力するＣＷレーザ発振器３０をさらに備えている。ＣＷレーザ発振器３０は、制御部１２に制御可能に接続されている。
【００８１】
ＣＷレーザ発振器３０の出射側には、ミラ−３ｆが配置されている。ＣＷレーザ発振器３０から出力された連続発振レーザ光３０ａは、ミラー３ｆで反射された後、合波ミラー３ｅの透過面側（図示上面側）から合波ミラー３ｅを透過してパルス状レーザ光２ａと合波され、集光レンズ３ｂで集光されて被処理体１００に照射される。
被処理体１００では、連続発振レーザ光３０ａで加熱アシストされつつ、前記各実施形態で説明したように、パルス状レーザ光２ａのパルスの立ち上がりに応じて表面が溶融する。この表面には、参照光光源１０からパルス状に参照光１０ａが照射され、前記各実施形態で説明したように、参照光の反射光をカメラ１４で受光して被処理体表面のモニタリングを行うことができる。
【００８２】
なお、連続発振レーザ光をパルス状レーザ光と組み合わせて使用する方法は、上記各実施形態に適用が可能であり、その詳細な説明は省略する。
なお、上記説明では、連続発振レーザ光をパルス状レーザ光に合波して被処理体に照射するものとして説明したが、パルス状レーザ光と連続発振レーザ光とを合波することなく異なる経路で被処理体表面に照射するものであってもよい。照射位置は、パルス状レーザ光と連続発振レーザ光とが被処理体表面で完全に重なるものであってもよく、また、一部で重なるもの、重なりがないもののいずれであってもよい。
【００８３】
上記連続発振レーザ光を加熱処理用に使用する形態では、連続発振レーザ光を参照光として使用し、その反射光をモニタリングに用いることができる。この形態を図１１に基づいて説明する。
図１１で示すレーザ処理装置１ｆは、図９に示すレーザ処理装置１ｄと共通する構成を有しており、共通構成については同一の符号を付して説明を簡略化または省略する。
この形態では、パルス状レーザ光２ａと別の経路で連続発振レーザ光３０ａを被処理体１００に照射するＣＷレーザ発振器３０を備えている。ＣＷレーザ発振器３０は、制御部１２に制御可能に接続されている。
ＣＷレーザ発振器３０の連続発振レーザ光３０ａの出射方向には、集光レンズ３１ａを含むＣＷ光学系３１が設けられており、ＣＷ光学系３１で連続発振レーザ光３０ａが導波されて、パルス状レーザ光２ａとともに被処理体１００の表面に照射され、被処理体１００の加熱処理がなされる。
【００８４】
また、連続発振レーザ光３０ａの反射光３０ｂの反射方向には、制御部１２で生成されたトリガー信号とパルス時間幅指令とが送信される反射光シャッタ２２が配置されており、さらに反射光シャッタ２２を超えた反射光３０ｂの進行方向にはカメラ１４が配置されている。これにより、反射光３０ｂを反射光シャッタ２２の開閉を通してパルス状にカメラ１４で受光することになる。受光においては、前記したように、パルス状レーザ光２ａに対し、所定の位相差でパルス状の受光における開始タイミングとなり、パルス状レーザ光２ａのパルス時間幅よりも短い時間でパルス状の受光がなされ、前記各実施形態で説明したように、連続発振レーザ光３０ａの反射光３０ｂをカメラ１４で受光して被処理体１００表面のモニタリングを行うことができる。
したがって、ＣＷレーザ発振器３０は参照光光学系を兼用し、ＣＷ光学系３１は参照光光学系を兼用し、連続発振レーザ光３０ａは参照光を兼用する。
【００８５】
この実施形態でも、前記各実施形態と同様に、被処理体１００の溶融状態の過渡的な変化において、被処理体１００の表面状態を各パルス毎に把握することができる。
なお、この実施形態では、パルス状レーザ光と連続発振レーザ光とを別の経路で被処理体表面に照射するものとして説明したが、パルス状レーザ光と連続発振レーザ光とを合波して加熱処理する場合にも、反射波を利用して被処理体表面のモニタリングを行うようにしてもよい。
【００８６】
以上、本発明について上記各実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明は、上記実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは適宜の変更が可能である。
【符号の説明】
【００８７】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ  レーザ処理装置
２    レーザ発振器
２ａ  パルス状レーザ光
３    プロセス光学系
３ａ  ミラー
３ｂ  集光レンズ
３ｅ  合波ミラー
１０    参照光光源
１０ａ  参照光
１０ｂ  反射光
１１    参照光光学系
１１ａ  集光レンズ
１２    制御部
１２ａ  位相調整器
１２ｂ  時間幅調整器
１２ｃ  伝送ケーブル
１４    カメラ
１５    表示部付きデータ処理機
２０    参照光光源
２０ａ  参照光
２０ｂ  反射光
２１    照射光シャッタ
２２    反射光シャッタ
３０    ＣＷレーザ発振器
３０ａ  連続発振レーザ光
３０ｂ  反射光
３１    ＣＷ光学系
１００    被処理体
１００ａ  照射領域
１１０    溶融部
１１１    非溶融部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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