(57)【要約】【課題】レーザ光のビーム形状を容易かつ確実に整形する。【解決手段】レーザ光源から発せられたレーザ光を、シリンドリカルレンズ複数本からなり、整形する方向が個別に異なる複数のホモジナイザを通して、二方向以上で整形するレーザ光ビームの整形方法において、ホモジナイザに入射する四角形のビームの一辺が、シリンドリカルレンズの主切断面方向に対して１度〜８９度の角度差を有するように傾かせてホモジナイザに入射させることにより、ホモジナイザを通過するレーザ光のビームを整形する。ホモジナイザを通過したレーザ光のビーム形状が確実にかつ容易に整形され、良質の結晶化薄膜の製造に適用することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源から発せられたレーザ光を、シリンドリカルレンズ複数本からなり、整形する方向が個別に異なる複数のホモジナイザを通して、二方向以上で整形するレーザ光ビームの整形方法において、前記ホモジナイザに入射する四角形のビームの一辺が、シリンドリカルレンズの主切断面方向に対して１度〜８９度の角度差を有するように傾かせてホモジナイザに入射させることにより、該ホモジナイザを通過するレーザ光のビームを整形することを特徴とするレーザ光のビーム整形方法。
【請求項２】
レーザ光源とシリンドリカルレンズとの間の光路にあるテレスコープレンズを光軸方向を中心軸とする回転方向に傾けて、ホモジナイザに入射するレーザ光を傾けることを特徴とする請求項１記載のレーザ光のビーム整形方法。
【請求項３】
被照射薄膜にレーザ光を照射して結晶化させるためのレーザ光源と、テレスコープレンズと、ホモジナイザレンズとを備えており、前記テレスコープレンズは、ホモジナイザに入射するレーザ光ビームがホモジナイザのシリンドリカルレンズ主切断面方向に対し傾くように、光軸方向を中心軸とする回転方向に傾斜して配置されていることを特徴とするレーザ光薄膜結晶化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料の加工、表面改質などに利用されるレーザ光を用いた装置に好適であって、レーザ光のビーム形状を所望形状に整形する方法および上記整形方法により整形されたレーザ光を用いるレーザ光薄膜結晶化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ光を整形する方法としては、ホモジナイザを用いた方法が知られている。例えば、図５に示す装置では、レーザ光源１より発生したレーザ光２は、途中で遮られることなく、ミラー４ａ、４ｂ、テレスコープレンズ４ｃを経て、シリンドリカルレンズ複数本で構成されたホモジナイザ５、６に入射する。このとき、レーザ光２は、その光軸３がホモジナイザ５、６のレンズ軸８と平行になるように入射させる。ホモジナイザ５、６を通過したレーザ光２は、ホモジナイザ６の一部を構成する、ビームより大きいシリンドリカル大レンズ７から出射され、該レンズ７の焦点位置にある試料面９（被照射薄膜等）に照射される。
【０００３】
上記レーザ光２は、ホモジナイザ５、６を通過する際にビーム形状が整形される。このホモジナイザ５、６は典型的な構造を有するものであり、その詳細構造を図６に基づいて説明する。ホモジナイザは、ビームより小さいシリンドリカル小レンズ１０…１０からなるレンズ群１４、レンズ群１５と、ビームより大きいシリンドリカル大レンズ７とで構成されている。このホモジナイザは、図７（ａ）に示すガウシアン形状のレーザ光強度分布を、ホモジナイザレンズ群１４によって複数個のビーム１１…１１に分割した後、シリンドリカル大レンズ７の焦点位置にある試料面９で複数個のビーム１１…１１を再結合して直線状のビーム形状を得る。なお、ホモジナイザはレンズ群１４のみで直線状のビーム形状を得ることができるが、レンズ群１４と同等の枚数を持つレンズ群１５を設置することでレンズ群１４とレンズ群１５の距離を変えてビーム形状を変える方法を採用することもできる。
【０００４】
また、ホモジナイザ５、６は、同様の構造を有しているが、その配置方向を異にすることによって整形する方向が互いに異なっており、ビームは直交する２方向に整形される。一般的には整形する方向は９０度異なる。
上記の結果、試料面９に照射されるレーザ光のビーム形状は、図７（ｂ）に示すように、均一部１２と傾斜部１３とを有しており、均一部１２は直線状になっている。ビーム形状を整形したレーザ光は、試料面に設置したプラスチックなどの試料に照射され、該試料の加工、非晶質Ｓｉからなる試料の結晶化などに利用される。
【０００５】
上記方法により整形されたレーザ光は上述のように均一部が直線状で平行となったビーム形状を有しているが、近年、様々な研究において、ビームの形状を変形させたレーザ光を使用した方がよい結果が得られる場合があることが分かってきている。例えば、特許文献１では、レーザ光を用いた薄膜の結晶化に際し、ビームのエネルギ分布に傾きをもたせたレーザ光の使用が提唱されており、また、非特許文献１では、ガウンシアン形状のビームの使用例が記載されている。
上記公報によれば、ビームに傾きを有するレーザ光の使用により、薄膜の結晶化をエネルギが高い方から低い方に移行させることができ、試料の最後に照射されるエネルギを一定値以下にして、性能が良い結晶化した薄膜を得ることができるとしている。
【特許文献１】特開平１０−６４８１５号公報
【非特許文献１】ＦＰＤ Intelligence、 １９９９年５月号、７７頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記したようなビーム形状を容易かつ確実に得る方法は提案されておらず、したがって、整形されたビーム形状を有するレーザ光の照射による作用を効果的に得ることができない。
【０００７】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、レーザ光のビーム形状を所望の形状に容易かつ確実に整形することができるレーザ光ビームの整形方法および該整形方法を利用したレーザ光薄膜結晶化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】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明のうち、第１の発明のレーザ光ビームの整形方法は、レーザ光源から発せられたレーザ光を、シリンドリカルレンズ複数本からなり、整形する方向が個別に異なる複数のホモジナイザを通して、二方向以上で整形するレーザ光ビームの整形方法において、前記ホモジナイザに入射する四角形のビームの一辺が、シリンドリカルレンズの主切断面方向に対して１度〜８９度の角度差を有するように傾かせてホモジナイザに入射させることにより、該ホモジナイザを通過するレーザ光のビームを整形することを特徴とする。
【０００９】
第２の発明のレーザ光ビームの整形方法は、第１の発明のレーザ光ビームの整形方法において、レーザ光源とシリンドリカルレンズとの間の光路にあるテレスコープレンズを光軸方向を中心軸とする回転方向に傾けて、ホモジナイザに入射するレーザ光を傾けることを特徴とする。
【００１０】
第３の発明のレーザ光薄膜結晶化装置は、被照射薄膜にレーザ光を照射して結晶化させるためのレーザ光源と、テレスコープレンズと、ホモジナイザレンズとを備えており、前記テレスコープレンズは、ホモジナイザに入射するレーザ光ビームがホモジナイザのシリンドリカルレンズ主切断面方向に対し傾くように、光軸に対し傾斜して配置されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明は、薄膜にレーザ光を照射して結晶化したり、改質化したりする用途に好適であるが、これら用途に限定されるものではなく、被照射物にレーザ光を照射する各種の用途に適用することが可能である。
また、整形の目的は、レーザの照射目的等によって異なり、得ようとするビーム形状も異なるが、ビーム形状における傾斜部の傾きや形状を変えたり、均一部に傾きを持たせたり、曲面に変えたり、曲面の曲率を変えたり、傾いている均一部の傾きを小さくする整形等が挙げられる。
【００１２】
本発明の整形方法は、レーザ光を、ホモジナイザに対し光軸を中心として回転方向にずれた状態で入射させる方法である。通常、ホモジナイザにレーザ光を入射させる場合、ビームの辺がシリンドリカルレンズの主切断面（曲率方向）に沿うようにする。本発明では、これに角度差をもたせるものである。すなわち、四角形状のビームでは、そのビームの一辺が、シリンドリカルレンズの主切断面（曲率方向）方向に対して角度差を有するように入射させる。
上記傾き角度は、１〜８９度の範囲内で任意に選定することができ、例えば、整形前のビーム形状、整形後のビーム形状、ホモジナイザの構造等を勘案して傾き角度を決定する。
【００１３】
レーザ光を傾いた状態でホモジナイザに入射させるためには、レーザ光源から放出されるレーザ光がホモジナイザに対し傾いた状態にあるように、レーザ光源やホモジナイザの位置関係を定めるものであってもよく、また、レーザ光源からホモジナイザに至る間にレーザ光を傾かせる光学部材等を設置するものであってもよい。この光学部材は、傾きを持たせる目的で特に設置したものであってもよく、また、本来、レーザ照射装置に組み込まれている光学部材を利用するものであってもよい。例えば、元々、レーザ光源とホモジナイザとの間に設置されているテレスコープを、光軸を中心軸とする回転方向に傾いた（回転した）状態に置くことにより、光軸方向にあるホモジナイザに対し、レーザ光ビームを傾かせることができる。
この方法によれば、均一部が凸形状に整形されたビーム形状が得られる。その詳細な原理は明らかでないが、発明者は以下のように理解している。すなわち、ホモジナイザに入射するビームが傾いていれば、ホモジナイザに入射する条件（位置、角度）が異なるために照射面でのビーム位置が異なり、したがって、照射におけるビーム形状は凸形状になる。
【００１４】
上記方法によってビームの形状を容易に整形することができる。
さらに、薄膜結晶化においては最も効果的なレーザ光照射は、レーザ光が単なる矩形状のビーム形状を有するものではなく、均一部の形状を変形させたものが有効であることが確認されているが、本発明のレーザ光薄膜化装置では、整形によって所望のビーム形状が確実かつ容易に得られるので、薄膜結晶化において、整形されたビーム形状を有するレーザ光の照射効果が確実かつ効率的に得られる。
また、本発明の整形方法が上記したような薄膜結晶化に限定されないことも当然である。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明のレーザ光ビームの整形方法によれば、一以上の該ホモジナイザで、隣接するレンズ群でのシリンドリカルレンズ間の光路長がシリンドリカルレンズ各々のうちの一部又は全てで異なるようにし、または、レーザ光を、シリンドリカルレンズの主切断面方向に対して１度〜８９度の角度差を有するように傾かせてホモジナイザに入射させ、もしくは、ホモジナイザによる焦点位置と被照射物の被照射面とを１ｍｍ以上異なるようにするので、ホモジナイザで分割され、その後、照射面で結合するレーザ光のビーム形状が所望の形状に変わる。これにより、所望のビーム形状を容易かつ確実に得ることができ、これを薄膜の結晶化等に用いることにより整形されたレーザ光による作用を効率的に得ることができる。また、上記方法に加えてレーザ光の一部をレーザ光光源と照射物との間で遮蔽又は減衰させれば、ビームの整形を一層広範に行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（実施形態１）
以下に本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明するが、各実施形態では図５に示すレーザ光照射装置を基本構造としている。
実施形態１では、図５に示すテレスコープ４ｃを光軸に対し傾ける等して、図１に示すように、レーザ光２がホモジナイザ５、６に入射する際に、ビームの一辺が、ホモジナイザ５、６のシリンドリカル小レンズ１０の主切断面方向と所定の角度差を有するようにしたものである。
レーザ光は、図２に示すようにホモジナイザへの傾斜入射によって傾斜位置、角度が変化して分割光１１ａの幅および位置が変わる。この分割光１１ａが試料面９で結合することによって、図３に示すように、均一部が凸状部１２ｂになったビーム形状が得られる。
【００１７】
なお、上記した実施形態の装置は、試料面に薄膜を配置し、この薄膜に上記の整形したレーザ光を照射して薄膜の結晶化を行う、レーザ光薄膜結晶化装置として使用することができる。
【実施例１】
【００１８】
エキシマレーザにより発生した３０８ｎｍ、４０×１５ｍｍのビーム形状のレーザ光を使用して、上記実施形態におけるホモジナイザ光学系によりビーム形状の整形を行った。
図５に示すようにレーザ光源１より発生したレーザ光２はテレスコープレンズ４ｃを透過した後、方向の異なる２つのホモジナイザを透過するが、各整形方法によってビーム形状の整形がなされ、試料面９で所望のビーム形状となった。ビーム形状の測定は、試料面の位置にＣＣＤカメラを設置して行った。
【００１９】
実施形態１と同様にテレスコープ４ｃを光軸に対し２度傾け、ホモジナイザ５に入射するレーザ光のビームを２度傾けた。その結果、試料面には、図４に示すように、均一部が滑らかな凸状になったビーム形状が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態を示す概略図である。
【図２】同じく他の実施形態を示す概略図である。
【図３】同じく該実施形態によって得られた整形後のビーム形状を示す図である。
【図４】同じく他の実施例により得られた整形後のビーム形状を示す図である。
【図５】従来の、ホモジナイザを備えたレーザ照射装置の主要構造を示す概略図である。
【図６】同じくホモジナイザの詳細構造を示すグラフである。
【図７】同じく従来のホモジナイザによって得られる、ホモジナイザ入射前のビーム形状と、ホモジナイザによって整形されたビーム形状を示す図である。
【符号の説明】
【００２１】
１    レーザ光源
２    レーザ光
３    光軸
４ｃ  テレスコープ
５    ホモジナイザ
６    ホモジナイザ
７    シリンドリカル大レンズ
８    レンズ軸
１０    シリンドリカル小レンズ
１１    ビーム
１１ａ  分割光
１２    均一部
１３    傾斜部
１２ｂ  凸状部
１４    レンズ群
１５    レンズ群
【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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