(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
線形断面形状のビームにしたときに、前記線形断面形状のビームの短手方向の両端に大きな筋状のピークを形成させるパルスＹＡＧレーザを発振するレーザ光源からのビームの断面形状を光学系により線形に変形し、かつ、前記線形のビームの長手方向の光強度を均一にし、得られた線形断面形状のビームを試料に照射してアニールするレーザアニール方法であって、前記レーザ光源からのビームを回転手段により９０度だけ回転させた後で前記光学系により線形断面形状に変形することを特徴とするレーザアニール方法。
【請求項２】
線形断面形状のビームにしたときに、前記線形断面形状のビームの短手方向の両端に大きな筋状のピークを形成させるパルスＹＡＧレーザを発振するレーザ光源と、前記レーザ光源からのビームの断面形状を線形に変形し、かつ、前記線形のビームの長手方向の光強度を均一にし、得られた線形ビームを試料に照射してアニールする光学系とを備えたレーザアニール装置であって、前記レーザ光源からのビームを９０度だけ回転させる回転手段を前記レーザ光源と前記光学系との間に設けたことを特徴とするレーザアニール装置。
【請求項３】
前記光学系は、ビームの光軸と直交するように並列配置され前記ビームを配置方向に分割する複数のシリンドリカルレンズ群と、前記シリンドリカルレンズ群の透過側に配置され分割されたビームを混合するレンズとで構成されている請求項２に記載のレーザアニール装置。
【請求項４】
前記回転手段は、前記レーザ光源からのビームを前記ビームの光軸に対して直角に折曲げる第一のミラーと、前記第一のミラーからの反射ビームを前記レーザ光源からのビームの光軸と前記第一のミラーからの反射ビームの光軸とを含む第一の平面に対して直角に折曲げる第二のミラーと、前記第二のミラーからの反射ビームを前記第一のミラーからの反射ビームの光軸と前記第二のミラーからの反射ビームの光軸とを含む第二の平面と同一平面内で直角に折曲げる第三のミラーと、前記第三のミラーからの反射ビームを前記第二の平面内で直角に折曲げる第四のミラーとで構成されている請求項２又は３に記載のレーザアニール装置。
【請求項５】
前記第四のミラーは、前記第三のミラーからの反射ビームの光軸方向に沿って移動させる移動手段に設けられている請求項４に記載のレーザアニール装置。
【請求項６】
前記回転手段は、前記レーザ光源からのビームを前記ビームの光軸に対して直角に折曲げる第一のミラーと、前記第一のミラーからの反射ビームを前記レーザ光源からのビームの光軸と前記第一のミラーからの反射ビームの光軸とを含む第一の平面に対して直角に折曲げる第二のミラーとで構成されている請求項２又は３に記載のレーザアニール装置。
【請求項７】
前記第二のミラーは、前記第一のミラーからの反射ビームの光軸方向に沿って移動自在な移動手段に設けられている請求項６に記載のレーザアニール装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザアニール方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、エキシマレーザやＹＡＧレーザ等のハイパワーのレーザは、研究用途だけではなく産業用途にも広く普及している。その利用分野も一般的な材料加工だけでなく、医療分野や半導体分野にも広く利用されている。
【０００３】
エキシマレーザ等のビームを用いて材料加工を行う際には光学系により線状断面形状に変形させてその短手方向（幅方向）にスキャニングしている。
【０００４】
ここで、レーザビームを線状断面形状に変形させるとき、ビームパターンの長手方向及び短手方向に高い均一性を得るために、シリンドリカルレンズでビーム断面の長手方向及び短手方向をそれぞれ複数に分割することが行われている。
【０００５】
図７は従来のレーザアニール方法を適用した装置の概念図である（特開平８−１９５３５７号公報参照）。
【０００６】
同図に示す装置１は、図示しないＹＡＧレーザからのビーム２を４個のシリンドリカルレンズ３ａ〜３ｄからなるレンズ群３で鉛直方向に４分割し、７個のシリンドリカルレンズ４ａ〜４ｇからなるレンズ群４で水平方向に７分割した後、母線が直交するように配置された一対のシリンドリカルレンズ７ａ、７ｂからなるレンズ対７で混合し、ビームパターンの長手方向及び短手方向の光強度が均一になるようにしている（レンズ群３、７でホモジナイザ１５を構成している。）。光強度が均一化されたビーム８は反射ミラー９で試料１０側に折曲げられ、シリンドリカルレンズ１１で集束されて矢印１２方向に移動する移動台１３上に載置された試料１０に線状のビーム１４が照射されるようになっている。
【０００７】
ここで、ＹＡＧレーザを用いると、横方向成長が発生するため、短軸方向の形状はガウスビームでよい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図８（ａ）はレーザ光源としてのパルスＹＡＧレーザ（以下「ＹＡＧレーザ」という。）のブロック図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）に示したＹＡＧレーザの出力側のレーザ増幅器の矢印Ａ方向の矢視図である。図９（ａ）はＹＡＧレーザのビームパターンを示す図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）に示したビームパターンのＢ−Ｂ線上の強度分布図であり、図９（ｃ）は図９（ａ）に示したビームパターンのＣ−Ｃ線上の強度分布図である。図９（ｂ）、（ｃ）において、横軸が距離を示し、縦軸が光強度を示している。
【０００９】
図９（ｂ）よりＹＡＧレーザのビーム２４はガウシアン分布２４ａを有しており、図９（ｃ）より両端（図９（ａ）では上下端）に大きなピーク３６、３７を有する強度分布を示していることが分かる。
【００１０】
これは、励起用のフラッシュランプ３２、３５がＮｄＹＡＧロッド３１、３４の両側に配置されているためである。
【００１１】
ここで図８に示すＹＡＧレーザについて説明する。
【００１２】
ＹＡＧレーザ２０は、パルス状のＹＡＧレーザを発振する出力レーザ発振器２１と、二つのレーザ増幅器２２、２３と、出力レーザ発振器１からのビーム２４の光路を折曲げて前段のレーザ増幅器２２に入力する反射ミラー２５、２６とで構成されている。
【００１３】
出力レーザ発振器２１は、全反射ミラー２７及び半透過（出力）ミラー２８からなる共振器と、共振器間の中心軸上に配置されたＮｄＹＡＧロッド２９と、ＮｄＹＡＧロッド２９と平行かつ（ｙ軸上の）下側に配置され励起光としてのパルス状のフラッシュ光を発生するフラッシュランプ３０とで構成されている。
【００１４】
前段のレーザ増幅器２２は、反射ミラー２６からのビーム２４の光軸上に配置されたＮｄＹＡＧロッド３１と、ＮｄＹＡＧロッド３１と平行、かつ（ｙ軸上の）下側に配置されたフラッシュランプ３２とで構成されている。
【００１５】
後段のレーザ増幅器２３は、前段のレーザ増幅器２２からのビーム３３の光軸上に配置されたＮｄＹＡＧロッド３４と、ＮｄＹＡＧロッド３４と平行かつ、（ｙ軸上の）上側に配置されたフラッシュランプ３５とで構成されている。
【００１６】
このため、ＹＡＧレーザ２０から出射されるガウシアン分布２４ａを有するビーム（破線で示す）２４の両端にフラッシュランプ３２、３５の励起光による光強度の強い部分が重畳されて図９（ａ）に示すような大きなピーク３６、３７がビームパターン３８の上下端（ｙ軸上）に発生するのである。
【００１７】
このような大きなピーク３６、３７を有するビーム２４をそのまま図７に示すようなシリンドリカルレンズ群３〜６やレンズ対７を用いて線形断面形状に変形すると、図１０に示すような線形ビームの短手方向（矢印１２方向）の両端に大きな筋状のピークを有するビームが試料１０に照射される。その結果、試料１０にアブレーション（試料１０のビーム１４が照射された部分のうち筋状のピーク部が照射された部分、すなわち、長い方の端部が飛散し表面が荒れてしまう現象）が発生するという問題があった。尚、図１０は図７に示したレーザアニール装置から試料に照射された線形断面形状のビームのＤ−Ｄ線上の光強度を示す図であり、横軸は距離を示し、縦軸が光強度を示している。
【００１８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、均一なビーム照射を行うことができるレーザアニール方法及び装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明のレーザアニール方法は、線形断面形状のビームにしたときに、前記線形断面形状のビームの短手方向の両端に大きな筋状のピークを形成させるパルスＹＡＧレーザを発振するレーザ光源からのビームの断面形状を光学系により線形に変形し、かつ、前記線形のビームの長手方向の光強度を均一にし、得られた線形断面形状のビームを試料に照射してアニールするレーザアニール方法であって、前記レーザ光源からのビームを回転手段により９０度だけ回転させた後で前記光学系により線形断面形状に変形するものである。
【００２０】
本発明のレーザアニール装置は、線形断面形状のビームにしたときに、前記線形断面形状のビームの短手方向の両端に大きな筋状のピークを形成させるパルスＹＡＧレーザを発振するレーザ光源と、前記レーザ光源からのビームの断面形状を線形に変形し、かつ、前記線形のビームの長手方向の光強度を均一にし、得られた線形ビームを試料に照射してアニールする光学系とを備えたレーザアニール装置であって、前記レーザ光源からのビームを９０度だけ回転させる回転手段を前記レーザ光源と前記光学系との間に設けたものである。
【００２１】
上記構成に加え本発明のレーザアニール装置の光学系は、ビームの光軸と直交するように並列配置され前記ビームを配置方向に分割する複数のシリンドリカルレンズ群と、前記シリンドリカルレンズ群の透過側に配置され分割されたビームを混合するレンズとで構成されていてもよい。
【００２２】
上記構成に加え本発明のレーザアニール装置の回転手段は、前記レーザ光源からのビームを前記ビームの光軸に対して直角に折曲げる第一のミラーと、前記第一のミラーからの反射ビームを前記レーザ光源からのビームの光軸と前記第一のミラーからの反射ビームの光軸とを含む第一の平面に対して直角に折曲げる第二のミラーと、前記第二のミラーからの反射ビームを前記第一のミラーからの反射ビームの光軸と前記第二のミラーからの反射ビームの光軸とを含む第二の平面と同一平面内で直角に折曲げる第三のミラーと、前記第三のミラーからの反射ビームを前記第二の平面内で直角に折曲げる第四のミラーとで構成されていてもよい。
【００２３】
上記構成に加え本発明のレーザアニール装置の第四のミラーは、前記第三のミラーからの反射ビームの光軸方向に沿って移動させる移動手段に設けられていてもよい。
【００２４】
上記構成に加え本発明のレーザアニール装置の回転手段は、前記レーザ光源からのビームを前記ビームの光軸に対して直角に折曲げる第一のミラーと、前記第一のミラーからの反射ビームを前記レーザ光源からのビームの光軸と前記第一のミラーからの反射ビームの光軸とを含む第一の平面に対して直角に折曲げる第二のミラーとで構成されていてもよい。
【００２５】
上記構成に加え本発明のレーザアニール装置の第二のミラーは、前記第一のミラーからの反射ビームの光軸方向に沿って移動自在な移動手段に設けられていてもよい。
【００２６】
本発明によれば、レーザ光源からのビームのビームパターンに不均一な強度分布があってもレーザ光源からのビームを回転手段により所定の角度だけ回転させることにより、ガウシアン分布を有するビームを利用して光学系で線形断面形状にすることができるので、均一なビーム照射を行うことができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２８】
図１は本発明のレーザアニール方法を適用したレーザアニール装置の一実施の形態を示す概念図である。本実施の形態ではレーザ光源としてＮｅａｒ  ＦｉｅｌｄパルスＹＡＧレーザを用いた場合で説明する。
【００２９】
同図に示すレーザアニール装置４０は、図には示されていないレーザ光源としてのＮｅａｒ  ＦｉｅｌｄパルスＹＡＧレーザ（以下「ＹＡＧレーザ」という。）２０と、ＹＡＧレーザ２０からのビーム４１を所定の角度だけ回転する回転手段４２と、回転手段４２からのビーム４３を水平方向に４分割（分割数は限定されない。）するシリンドリカルレンズ４４ａ〜４４ｄからなるレンズ群４４と、母線が直交するように配置され、レンズ群４４からのビームを混合することにより線形断面形状に変形するシリンドリカルレンズ４６と、シリンドリカルレンズ４６からのビーム４９を試料５０側に折曲げる全反射ミラー５１と、全反射ミラー５１からのビーム５２を集光して試料５０に照射してレーザアニールするシリンドリカルレンズ５３と、試料５０を集光された線形断面形状のビーム５４の短手方向（矢印５５方向）に移動する移動台５６とで構成されている。尚、レンズ群４４とシリンドリカルレンズ４６とで光学系としてのホモジナイザ５７を構成している。
【００３０】
図２（ａ）は図１に示したレーザアニール装置に用いられる回転手段の側面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の平面図である。図３（ａ）は図２（ａ）に示した回転手段に入射されるビームの断面図であり、図３（ｂ）は図２（ａ）に示した回転手段から出射されるビームの断面図である。
【００３１】
回転手段４２は、例えばＹＡＧレーザからのビーム４１をビーム４１の光軸に対して直角上方に折曲げる第一のミラー６０と、第一のミラー６０で反射したビーム６１をビーム４１の光軸と第一のミラー６０で反射したビーム６１の光軸とを含む第一の平面に対して直角に折曲げる第二のミラー６２と、第二のミラー６２で反射したビーム６３を第一のミラー６０で反射したビーム６１の光軸と第二のミラー６２で反射したビーム６３の光軸とを含む第二の平面と同一平面内で直角下側に折曲げる第三のミラー６４と、第三のミラー６４で反射したビーム６５を第二の平面内で直角に折曲げる第四のミラー６６と、第四のミラー６６を第三のミラー６４で反射したビーム６５の光軸方向に沿って上下に移動させる移動手段６７とで構成されている。
【００３２】
移動手段６７は、回転手段４２のブレッドボード６８に沿って取付けられたレール６９と、第四のミラー６６を支持すると共にレール６９に摺動自在に取付けられた支持具７０とで構成されており、ビーム４３の高さを調整するものである。尚、破線で示す７１はカバーである。
【００３３】
図１に示したレーザアニール装置４０が作動すると、ＹＡＧレーザ（図８参照）２０からのビーム（図３（ａ）参照。）４１は回転手段４２の第一のミラー６０に入射して鉛直上側に反射され第二のミラー６２に入射する。第二のミラー６２に入射したビーム６１はブレッドボード６８に沿って水平に反射されることにより９０度回転される（図３（ｂ）参照。）。回転されたビームは第三のミラー６４に入射する。第三のミラー６４に入射したビーム６３は鉛直下側に反射され第四のミラー６６に入射する。第四のミラー６６に入射したビーム６５はブレッドボード６８に沿って水平に反射され、ビーム４３としてレンズ群４４に入射する。
【００３４】
レンズ群４４に入射したビーム４３は４つに分割された後、シリンドリカルレンズ４６に入射する。シリンドリカルレンズ４６に入射したビームはビームパターンが長手方向に光強度が均一な線状となる（図５参照。）。
【００３５】
ここで、ホモジナイザ５７の原理について説明する。
【００３６】
図４はホモジナイザの原理図である。ここではガウシアン状の強度分布を有するビームが入射した場合を考えている。図４（ａ）は入射光の強度分布を示す図であり、図４（ｂ）はホモジナイザを通過するビームの光路を示す図であり、図４（ｃ）はホモジナイザを通過した後のＢ−Ｂ線上のビームの強度分布を示す図である。図４（ａ）、（ｃ）において横軸は光強度を示し、縦軸は距離を示す。
【００３７】
図４（ａ）に示すようなガウシアン分布を有するビームが、図４（ｂ）に示す３枚のシリンドリカルレンズ８０ａ〜８０ｃからなるレンズ群８０及びレンズ８１を通過する際に光路Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ２ａ、Ｌ２ｂ、Ｌ３ａ、Ｌ３ｂを通ってＢ−Ｂ線上に集束する。Ｂ−Ｂ線上では光路Ｌ１ａ、Ｌ１ｂを通過したビームＢ１と、光路Ｌ２ａ、Ｌ２ｂを通過したビームＢ２と、光路Ｌ３ａ、Ｌ３ｂを通過したビームＢ３とが重畳して略平坦な光強度を有するビームＢ４となる。
【００３８】
このようにホモジナイザは、ビームをシリンドリカルレンズ群８０で分割して、さらに組み合わせることにより、異なる強度分布を有するビームを形成することができる。また、分割後の光路を調整することによって、Ｂ−Ｂ線上のビームの強度分布を自由に調整することができる。
【００３９】
図７のホモジナイザ１５では、ビームのｘ軸方向、ｙ軸方向をそれぞれ分割して、略平坦な特性ビームを得ている。
【００４０】
ここで、図１のようにｘ軸方向のみを分割するホモジナイザ５７を用いた時を考える。このホモジナイザに、図３（ａ）に示すようなビームパターン３８を上下端に光強度の大きなピーク３６、３７を有するビームを入射すると、ｙ軸方向には分割されないので、前述したように短手方向の両側に強い光強度を有する線形断面形状のビームが得られる。しかし、ホモジナイザに図３（ｂ）に示すような９０度回転したビームが入射すると、ｙ軸方向の光強度がガウシアン分布になるので、短手方向はそのままガウシアン分布の光強度を有する特性のビームが得られる。また、ｘ軸方向の両端に光強度の大きなピークを持つことになるが、ホモジナイザによって分割されるので、最終的に図５に示すような略平坦な特性のビームが得られる。
【００４１】
図１に示すレンズ群４４及びシリンドリカル４６からのビーム４９は反射ミラー５１で試料５０側（図では下側）に反射され、シリンドリカルレンズ５３で集束されて試料５０に照射される。試料５０には光強度が均一な線形断面形状のビームが照射されるのでアブレーションが生じることがない。また、図７に示した従来のレーザアニール装置に比べてレンズの数が少なくてすむのでその分だけ小型化できる。
【００４２】
図６（ａ）、（ｂ）は図２（ａ）、（ｂ）に示した回転手段の他の実施の形態を示す概念図である。
【００４３】
図２（ａ）、（ｂ）に示した回転手段との相違点は、二つのミラーだけで構成されている点である。
【００４４】
すなわち、この回転手段９０は、レーザ光源からのビーム４１をビーム４１の光軸に対して直角に折曲げる第一のミラー９１と、第一のミラー９１で反射したビーム９２をレーザ光源からのビーム４１の光軸と第一のミラー９１で反射したビーム９２の光軸とを含む第一の平面に対して直角に折曲げる第二のミラー９３とで構成されている。第二のミラー９３は、第一のミラー９１で反射したビーム９２の光軸方向に沿って移動自在な移動手段９４に設けられている。移動手段９４は、図２（ａ）、（ｂ）に示したものと同様に回転手段９０のブレッドボード９５に沿って取付けられたレール９６と、第２のミラー９３を支持すると共にレール９６に摺動自在に取付けられた支持具９７とで構成されており、ビーム４３の高さを調整するものである。尚、破線で示す９８はカバーである。
【００４５】
このような回転手段９０を用いても図２（ａ）、（ｂ）に示した回転手段４２と同様の効果が得られるだけでなく、ミラーの数が２枚ですむのでその分だけ小型化することができる。
【００４６】
以上において本発明によれば、
(1) ＹＡＧレーザのビームパターンに見られる、両端の強度の強い領域が引き起こす線状ビームの不均一な分布状態を改善することができる。
(2) ビームパターンの強度分布の方向を回転できるため、元のビームが有するガウシアン分布の方向を、分割、加工することなくそのまま利用することができる。
【００４７】
尚、本実施の形態では回転角度が９０度の場合で説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ビームの強度分布の偏りを補正できるような回転角度が得られればよい。また、本実施の形態では、レーザ光源としてＮｅａｒ  ＦｉｅｌｄパルスＹＡＧレーザを用いた場合で説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＮｄガラスレーザやＱスイッチ固体レーザ等のようにビームパターンに不均一な強度分布を有するレーザ光源に適用してもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００４９】
均一なビーム照射を行うことができるレーザアニール方法及び装置の提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザアニール方法を適用したレーザアニール装置の一実施の形態を示す概念図である。
【図２】（ａ）は図１に示したレーザアニール装置に用いられる回転手段の側面図であり、（ｂ）は（ａ）の平面図である。
【図３】（ａ）は図２（ａ）に示した回転手段に入射されるビームの断面図であり、（ｂ）は図２（ａ）に示した回転手段から出射されるビームの断面図である。
【図４】ホモジナイザの原理図であり、（ａ）は回転手段からのビームの強度分布を示す図であり、（ｂ）はホモジナイザを通過するビームの光路を示す図であり、（ｃ）はホモジナイザを通過した後のＢ−Ｂ線上のビームの強度分布を示す図である。
【図５】図１に示したレーザアニール装置から試料に照射された線形断面形状のビームのＥ−Ｅ線上の光強度を示す図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は図２（ａ）、（ｂ）に示した回転手段の他の実施の形態を示す概念図である。
【図７】従来のレーザアニール方法を適用した装置の概念図である。
【図８】（ａ）はレーザ光源としてのパルスＹＡＧレーザ（以下「ＹＡＧレーザ」という。）のブロック図であり、（ｂ）は（ａ）に示したＹＡＧレーザの出力側のレーザ増幅器の矢印Ａ方向の矢視図である。
【図９】（ａ）はＹＡＧレーザのビームパターンを示す図であり、（ｂ）は（ａ）に示したビームパターンのＢ−Ｂ線上の強度分布図であり、（ｃ）は（ａ）に示したビームパターンのＣ−Ｃ線上の強度分布図である。
【図１０】図７に示したレーザアニール装置から試料に照射された線形断面形状のビームのＤ−Ｄ線上の光強度を示す図である。
【符号の説明】
４１  ビーム
４２  回転手段
４４  レンズ群
４６  シリンドリカルレンズ
５０  試料
５１  反射ミラー
５３  シリンドリカルレンズ
５６  移動台
５７  ホモジナイザ（光学系）
【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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