(57)【要約】【課題】小型でランニングコストが低い、安定した性能のレーザー加工装置を提供する。【解決手段】複数個の平均出力１Ｗ以上、波長４００ｎｍ〜４７５ｎｍの青色レーザーダイオードを光源とし、各青色レーザーダイオードに光ファイバーが結合され、複数本の光ファイバーが１本の光ファイバーに溶着されて１単位の光伝送路となっており、１つの光ヘッド当たり３単位以上の光伝送路を備え、各光伝送路の光ファイバーの途中に、レーザーパワーを検出するレーザーパワー・センサーを備え、レーザーパワー・センサーの検出結果により光源の出力がフィードバック制御され、各光伝送路の光ファイバーが整列して光ヘッドに接続され、光ヘッド内で、レーザービームが整形され、対物レンズにより集光されて、被加工物に照射されるレーザー加工装置を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物にレーザー光を照射して、前記被加工物の加工を行うレーザー加工装置であって、
複数個の平均出力１Ｗ以上、波長４００ｎｍ〜４７５ｎｍの青色レーザーダイオードを光源とし、
前記青色レーザーダイオードのそれぞれに光ファイバーが結合され、
複数本の前記光ファイバーが１本の光ファイバーに溶着され、溶着された１本の光ファイバーを１単位の光伝送路として、１つの光ヘッド当たり３単位以上の前記光伝送路を備え、
各前記光伝送路の光ファイバーの途中に、レーザーパワーを検出するレーザーパワー・センサーを備え、前記レーザーパワー・センサーの検出結果により前記光源の出力がフィードバック制御され、
各前記光伝送路の光ファイバーが整列して前記光ヘッドに接続され、
前記光ヘッド内で、レーザービームが整形され、対物レンズにより集光されて、前記被加工物に照射される
レーザー加工装置。
【請求項２】
前記レーザーパワー・センサーは、前記光伝送路の光ファイバーからの漏れ光を検出する構成である請求項１に記載のレーザー加工装置。
【請求項３】
前記光伝送路の前記光ヘッドへの接続部と、前記対物レンズとの間に、前記レーザービームの形状を補正するための開口を有し、交換可能なスリットが設けられている、請求項１又は請求項２に記載のレーザー加工装置。
【請求項４】
１つの前記光ヘッド当たりの前記レーザービームの総照射パワーが６００μｍ×２．４μｍとする単位面積当たり６Ｗ以下である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のレーザー加工装置。
【請求項５】
１つの光ヘッド当たり３単位の前記光伝送路を備え、各前記光伝送路に７本の前記光ファイバーが溶着されている、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のレーザー加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザーを光源として使用して、対象物の形状や材質を変化させる加工を行うレーザー加工装置に係わる。
【背景技術】
【０００２】
レーザーを光源として使用して、対象物の形状や材質を変化させる加工を行うレーザー加工装置が提案されている（例えば、特許文献１〜特許文献１４を参照）。
このレーザー加工装置の光源のレーザーとしては、例えば、気体レーザーである炭酸ガスレーザー、エキシマレーザー、固体レーザーであるＮｄ：ＹＡＧレーザー、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー、ファイバーレーザー、ダイオードレーザー（以降、レーザーダイオードまたはＬＤと呼ぶ）等が挙げられる。
しかし、それぞれのレーザーは、全ての被加工物に対して万能ではないため、被加工物が吸収する最適な波長や繰り返し周波数及びエネルギーを選択する必要がある。
光源のレーザーの波長は、発振器の原理と構造によって決まった波長となるため、限られた条件で被加工物に対する最適な波長の光源を選択する必要がある。
レーザー加工装置の代表的なアプリケーションとしては、金属の切断、穴あけ、溶接、改質、スクライブ等が挙げられる。
【０００３】
上述したレーザーのうち、ＬＤは、技術の進歩が著しく、赤外領域による熱加工や、固体レーザーの励起用として良く知られている。
シングルエミッター型ＬＤでは数Ｗ以上の出力、マルチエミッター型ＬＤでは百Ｗ以上の出力、スタック型ＬＤではｋＷ級の出力のＬＤが入手可能である。
しかしながら、１個で２０Ｗ程度の高い出力が可能な青色ＬＤ（以下、ＢＬＤとする）は、入手不可能である。
そのため、従来は、入手可能な、１個の出力が１Ｗ未満のＢＬＤを複数個使用して、必要なエネルギーを得ていた（例えば、特許文献１１〜特許文献１４を参照）。
【０００４】
レーザーによる加工は、近年、半導体のプロセスにも多く用いられている。
例えば、シリコン基板のアニーリングには、例えば、波長３０８ｎｍのエキシマレーザー（ＸｅＣｌ）やＮｄ：ＹＡＧレーザーの波長１０６４ｎｍの２倍波、即ち、波長５３２ナノメーターのグリーンレーザーが用いられている。
これらのレーザーには、それぞれ長所と短所がある。
【０００５】
エキシマレーザーの発光波長は、シリコンにおける吸収率の高い波長帯を含んでいるが、シリコンの表面層のみに選択的に直接吸収されるため、エキシマレーザーの強いエネルギーによって、シリコンの表面に荒れを起こす。そのため、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）やエッチング等の後処理が必要となる。
また、エキシマレーザーは、発振パルスのパルス間隔にばらつきがある程度以上生じることがあり、ガスの劣化により出力が時間的変動で低下することがある。
【０００６】
グリーンレーザーは、シリコンにおける吸収率がエキシマレーザーよりも低いため、効率が悪くなることから、その分、高いエネルギーを必要とする。その結果、特にパルスモードでは、エキシマレーザーと同様に表面に荒れを生じると共に、装置の大型化が必要となる。
【０００７】
エキシマレーザーを用いたアニール装置は、非常に大型であり、定期的な調整や保守が不可欠であることから、ランニングコストが高い。
また、グリーンレーザーを用いたアニール装置は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーから２倍波を取り出す際に、２倍波発生ユニットでのレーザーの減衰が大きいため、基本波のレーザーの出力を大きくする必要があり、２倍波発生ユニットの定期的保守も必要となる。
【０００８】
パルスレーザーを用いたアニール装置の光源としては、上述したエキシマレーザーを使用することが提案されている（例えば、特許文献２、特許文献３を参照）。
【０００９】
また、パルスレーザーを用いたアニール装置の光源として、ＬＤ励起の固体レーザーを使用することも提案されている。そして、例えば光源にＢＬＤを用いて、光伝送系は光導波路としている。この光導波路は、実際には光ファイバーであると推測される。
一般的には、ＢＬＤと光ファイバーとの結合部では、エネルギー損失が非常に大きくなることから、伝送系及び光学系で大きなエネルギー損失を生じる。
そのため、被加工物に照射されるレーザーエネルギーの２倍以上のエネルギーを有する光源を使用している場合がある。一例として、多数のＬＤ、例えば４８個のＢＬＤ（最大出力５５０ｍＷ）に、それぞれ１本ずつ合計４８本の光ファイバーを接続して、束線した光ファイバーで光伝送を行い、ヘッドの直前で線状に整列させて光学系に接続し、ホモジナイズすることによって、長さ数百μｍ・幅数μｍ・数Ｗのラインビームを、被加工物に集光する例がある。
【００１０】
ここで、ＢＬＤの出力光から被加工物までの総エネルギー損失は５０％以上であると仮定し、ＢＬＤの寿命を考慮して最大出力の７０％以下の出力で使用すると仮定すると、被加工物上のエネルギーが７Ｗ必要であれば、光源のエネルギーは２０Ｗとなる。
例えば、薄膜トランジスタのアニーリングに必要なレーザーエネルギーは、被加工物上に極細線状ビームを照射する場合、ＣＷで最大エネルギーは６００μｍ×２．４μｍの面積当たり５Ｗから８Ｗ程度となる。極細線状ビームの照射面積が小さければ、６Ｗ以下でもアニーリングは可能である。
【００１１】
なお、レーザー出力に余裕がなく、最大規格で使用すると、ＢＬＤの寿命が短くなり、頻繁にＢＬＤの交換が必要になると思われる。その場合、簡単にＢＬＤを交換できる構造が望まれる。
【００１２】
ある例では、多数のＢＬＤ、光ファイバー、複雑なパワーフィードバック、オートフォーカス等を備えた例があり、その場合はさらに装置コストが増大し、トータルコストの増大をもたらすことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００３−８６５０５公報
【特許文献２】特開２００３−１０９９１２公報
【特許文献３】特開平９−１２９５７３公報
【特許文献４】特開２００６−１３５２５１公報
【特許文献５】特開２００７−０８８０５０公報
【特許文献６】特開２００７−２５１１９６公報
【特許文献７】国際公開番号第２００７／１１４０３１号
【特許文献８】特開２００８−８５２３６公報
【特許文献９】特開２００９−１６３７６公報
【特許文献１０】特開２００９−４９０３０公報
【特許文献１１】特開２００９−２０６３８６公報
【特許文献１２】特開２００９−２６０１３３公報
【特許文献１３】特開２０１０−１０３１７７公報
【特許文献１４】特開２０１１−７１３５１公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
光源にＬＤ励起の固体レーザーを使用していたり、または、光源に多くのＢＬＤ、例えば４８個のＢＬＤを使用していたりすると、装置が複雑になり大型化する。
また、多数のＢＬＤに１本ずつ光ファイバーを接続して光伝送路を構成した場合には、光伝送路の本数が多いため、加工ヘッドとの連結が困難になる。また、ＢＬＤのドライバーを個々に制御しているが、回路が複雑な割にフィードバックの効果が低い。
【００１５】
特許文献１２〜特許文献１４に記載された構成等では、オートパワーコントロールのセンサーを光ヘッド内部に設けているため、多数のＢＬＤドライバーを個々に正確にフィードバックすることが困難になる。そして、光ヘッドの構造が複雑化して重量が増大するため、可動ヘッド方式による装置には向かない。また、長いラインビームへの拡張性が低い。
この場合、光ヘッド内部のセンサーで、多数のＢＬＤからのレーザービームの全体を検出するので、１個のＢＬＤ又は伝送系が故障しても、出力の低下割合が小さく、不良個所を同定しにくい。
【００１６】
特許文献１０等には、細長い形状のラインビームを生成する構成が提案されている。
しかし、例えば、６００μｍ×２．４μｍのラインビームを生成する光学系は、焦点距離が数ｍｍ、焦点深度は数μｍと想定されることから、加工テーブル及び被加工物は超高精度であることが要求され、オートフォーカスも必要となる。
【００１７】
その他、光ファイバーを複数に分岐して線状に配列した構成も提案されているが、ファイバーの整列のみで均一な極細線状ビームを得ることは困難であり、結果として線状痕が残る。
【００１８】
エキシマレーザー、グリーンレーザーでアニーリングを行った場合には、強いエネルギーのために、表面荒れを起こすことが知られている。そのため、表面平坦性を改善すべく、ＣＭＰ装置やエッチング装置等による後処理を必要とする。
エキシマレーザーは非常に大型であると共に、定期交換部材が必要であるためにランニングコストが高くなる。
【００１９】
上述した問題の解決のために、本発明においては、小型でランニングコストが低い、安定した性能のレーザー加工装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明のレーザー加工装置は、被加工物にレーザー光を照射して、被加工物の加工を行うレーザー加工装置である。
そして、複数個の平均出力１Ｗ以上、波長４００ｎｍ〜４７５ｎｍの青色レーザーダイオードを光源とし、この青色レーザーダイオードのそれぞれに光ファイバーが結合され、複数本の光ファイバーが１本の光ファイバーに溶着され、溶着された１本の光ファイバーを１単位の光伝送路として、１つの光ヘッド当たり３単位以上の光伝送路を備え、各光伝送路の光ファイバーの途中に、レーザーパワーを検出するレーザーパワー・センサーを備え、このレーザーパワー・センサーの検出結果により光源の出力がフィードバック制御され、各光伝送路の光ファイバーが整列して光ヘッドに接続され、この光ヘッド内で、レーザービームが整形され、対物レンズにより集光されて、被加工物に照射されるものである。
【００２１】
本発明のレーザー加工装置において、さらに、レーザーパワー・センサーが光伝送路の光ファイバーからの漏れ光を検出する構成とすることが可能である。
本発明のレーザー加工装置において、さらに、光伝送路の光ヘッドへの接続部と、対物レンズとの間に、レーザービームの形状を補正するための開口を有し、交換可能なスリットが設けられている構成とすることが可能である。
本発明のレーザー加工装置において、さらに、１つの光ヘッド当たりのレーザービームの総照射パワーが６００μｍ×２．４μｍとする単位面積当たり６Ｗ以下である構成とすることが可能である。
本発明のレーザー加工装置において、さらに、１つの光ヘッド当たり３単位の光伝送路を備え、各光伝送路に７本の光ファイバーが溶着されている構成とすることが可能である。
【００２２】
本発明のレーザー加工装置によって行われる「加工」としては、例えば、アニールによる改質（結晶化等）、銅等の局所熱加工、微細溶接加工、切断加工等を挙げることができる。
【００２３】
本発明のレーザー加工装置によって加工される対象の材料としては、シリコン等の半導体、誘電体、銅等の金属等の材料を挙げることができる。
このうち、シリコン材料としては、例えば、ガラス（石英ガラスも含む）又はフレキシブルプラスチック又は金属上に形成された、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、薄膜光センサー、シリコンウエハー、ガラス又はフレキシブルプラスチック又は金属上に形成された薄膜太陽電池に代表される、厚さ１０ｎｍ〜１．４μｍの薄膜半導体素子が挙げられる。
誘電体材料としては、例えば、シリコンウエハー基板上の薄膜誘電体が挙げられる。
その他、ＳｉＣ基板、薄膜金属、ガラス基板等の材料にも適用することが可能である。
【００２４】
本発明のレーザー加工装置では、光源として、複数個の平均出力１Ｗ以上、波長４００ｎｍ〜４７５ｎｍの青色レーザーダイオード（ＢＬＤ）を採用する。
以下、その理由について述べる。
ガラス基板上のバッファー層（ＳｉＯ２層、厚さ５０μｍ）の上に、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンのいずれかが５０ｎｍ成膜されているときの吸収、透過、反射を計算した、図７を用いて説明する。
図７に示すように、アモルファスシリコンの吸収率曲線のピークは４５０ｎｍ近傍であり、本発明で採用するＢＬＤの中心波長５２は４４５ｎｍであり、エキシマレーザーの中心波長５１では、同等又はそれ以下の吸収特性を持つ。グリーンレーザーの中心波長５３では、ＢＬＤやエキシマレーザーよりも低い吸収特性を持つ。
【００２５】
さらに、ＢＬＤは、エキシマレーザーやＮｄ：ＹＡＧレーザーと比較して、広いスペクトラムを持っているので、光学系における干渉の心配が少ない。
また、ＢＬＤ以外のレーザー光源では、４４５ｎｍの波長を得ることが困難である。
従って、ＢＬＤがシリコン系材料のアニーリングに最適な光源といえる。
【００２６】
本発明装置のＢＬＤとしては、例えば、日亜化学工業株式会社製のＮＤＢ７８７５（定格出力１．６Ｗ）を使用することができる。このＮＤＢ７８７５の波長は、４３５ｎｍ〜４５５ｎｍであり、アモルファスシリコンのアニーリング用として最適である。
また、このＢＬＤは、マルチモードであり、シングルモード特有の各ＢＬＤ間の干渉が無いため、光学系を簡単にすることができる。
【００２７】
本発明装置では、光源として青色レーザーダイオード（ＢＬＤ）を採用することにより、ＣＷ又は１０ｋＨｚまでの周波数で変調されたＣＷレーザーの弱いエネルギーではあるが、アモルファスシリコンにおける吸収率の高い、集中したエネルギーのレーザーを照射することが可能になる。
これにより、表面荒れを回避することが可能となり、ＣＭＰ装置やエッチング装置等による後処理を必要としないアニールプロセスが可能となる。
さらにまた、ＢＬＤは、エキシマレーザーのような定期交換部材が必要なく、ランニングコストが低い。
【００２８】
そして、本発明装置では、ＢＬＤを複数個使用し、各ＢＬＤに１本ずつ光ファイバー（ピッグテール・ファイバー）を接続する。
さらに、ＢＬＤに接続された、ＢＬＤの個数と同じ本数の光ファイバー（ピッグテール・ファイバー）を、複数本ずつまとめて、光伝送路の１本の光ファイバーに溶着して、コンバインする。この光伝送路の１本光ファイバーを１単位とする。
そして、１つの光ヘッド当たり３単位以上の光伝送路を構成する。
【００２９】
例えば、ＢＬＤを２１個使用する。そして、各ＢＬＤに１本ずつ、合計２１本の光ファイバーを接続して、２１本の光ファイバーを７本ずつ、光伝送路の１本の光ファイバーに溶着して、コンバインすることにより、３本の光伝送路にまとめることができる。
このコンバインする際の損失は、１０％以下と低くすることができる。また、元の光ファイバー２１本から、３本の光伝送路にまとめるので、大幅に光伝送ライン数を低減することができる。
このようにＢＬＤを２１個使用した場合には、ＢＬＤの１個当たり最大出力１Ｗで使用すれば、損失を考慮しても、余裕をもって半数以下のＢＬＤから２１Ｗの出力を得ることが可能である。
【００３０】
シングルモードのＢＬＤを用いてファイバーでコンバインすれば、マルチモードとなるので、本発明では、シングルモード、マルチモード両方のＢＬＤを使用することが可能である。
【００３１】
本発明装置では、１つの光ヘッド当たり３単位以上の光伝送路を構成するので、ＢＬＤのドライバーは３台以上となり、それぞれ１単位以上の光伝送路を１つのゾーンに割り当てて、３ゾーン制御を行うことが可能になる。
また、本発明装置では、レーザーパワーをフィードバック制御するためのレーザーパワー・センサーが、光伝送路の光ファイバーの途中に設けられているため、各単位の光伝送路に対応する複数個のＢＬＤのレーザーパワーを独立して監視して、ＢＬＤのドライバーにフィードバックすることが可能である。さらにまた、光ヘッドにセンサーを設けた構成と比較して、１つのセンサーに対応するＢＬＤの数が少なくなるため、仮に１個のＢＬＤや、ＢＬＤに接続された１本の光ファイバーが破損した場合に、センサーで検出される出力低下の割合が大きくなり、異常検出が容易になる。
また、本発明装置では、光ヘッドにレーザーパワー・センサーやオートフォーカス機構を設けた構成と比較して、電気系配線を必要とせず、光ヘッドの構成を簡略化して、光ヘッドを小型化かつ軽量化することが可能になる。これにより、複数台の光ヘッドを設置して長いラインビームへの拡張性が高い。また、可動式ヘッドやガントリー式にも搭載可能になる。
【００３２】
また、本発明装置において、光伝送路の光ヘッドへの接続部と対物レンズとの間に、レーザービームの形状を補正するための開口を有する、交換可能なスリットを設けた構成としたときには、例えば６００μｍ×２．４μｍのラインビームを生成する場合等、加工仕様に応じた形状にレーザービームを修正または補正可能となる。スリットは、エキシマレーザーで使用されているようなレーザービームの辺縁を除去する目的ではなく、プロセスに必要な形状を得る目的で設置される。従って、低倍率の対物レンズを使用するために、焦点深度を大きくすることが可能であり、焦点調整が容易になる。
【発明の効果】
【００３３】
上述の本発明のレーザー加工装置によれば、従来の装置と比較して、光ヘッドを小型化かつ軽量化することが可能になるため、加工装置全体も小型で安価に構成することが可能になる。
これにより、複数の光ヘッドを加工テーブルに設置することが可能となり、並列のレーザー照射が可能となるので、加工時間の短縮が可能となる。
また、光源として、ＣＷ発振が可能な青色レーザーダイオードを使用するため、パルス発振するエキシマレーザーと比較して、ピークパワーを低減することができるため、処理の際の被加工物上の面荒れが軽減される。これにより、ＣＭＰやエッチング等の後処理の必要がなくなる。
【００３４】
従って、本発明により、小型でランニングコストが低い、安定した性能のレーザー加工装置を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明のレーザー加工装置の一の実施の形態の概略構成図（ブロック図）である。
【図２】Ａ、Ｂ  図１の光ヘッドの概略平面図である。
【図３】図１のファイバーパワーセンサーユニット付近の拡大図である。
【図４】図１のファイバー溶着モジュール内のファイバーの状態を示す断面図である。
【図５】図１のファイバー溶着モジュール内のファイバーの状態を示す正面図である。
【図６】ファイバーの溶着の他の例の断面図である。
【図７】単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンに対する、光の波長と吸収率との関係を示す図である。
【図８】表面改質、アニールの場合の、被加工物の移動の例を示す平面図である。
【図９】本発明のレーザー加工装置によって結晶化を行ったシリコン層のＫ−スペクトルの分析結果を示す図である。
【図１０】本発明のレーザー加工装置によって結晶化を行ったシリコン層のＸ線回折法の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、発明を実施するための最良の形態（以下、実施の形態とする）について説明する。
本発明のレーザー加工装置の一の実施の形態の概略構成図（ブロック図）を、図１に示す。
図１に示すレーザー加工装置は、大別して、レーザーダイオードを光源として用いた光源部２と、レーザー光を被加工物に照射するための光ヘッド１５と、光源部２及び光ヘッド１５の間を接続する光ファイバーと、被加工物を保持して動かす加工テーブル２７と、レーザーの出力を制御する出力制御部４３と、コンピューター４１とを備えている。
【００３７】
光源部２は、ドライバーユニット１と、ＢＬＤユニット３と、ＢＬＤ電源・制御ユニット４を備えている。
ドライバーユニット１には、３台のＢＬＤドライバー１−１，１−２，１−３を備えている。各ＢＬＤドライバー１−１，１−２，１−３は、独立して、７台のＢＬＤをドライブする。
ＢＬＤユニット３は、それぞれ７台のＢＬＤから成る、第１のＢＬＤユニット（ＢＬＤ１−７）３−１、第２のＢＬＤユニット（ＢＬＤ８−１４）３−２、第３のＢＬＤユニット（ＢＬＤ１５−２１）３−３を備えている。
各ＢＬＤ（１−２１）は、光コネクター５によって、光ファイバーと結合しており、所謂ピッグテールの状態となっている。光コネクター５は、３つのＢＬＤユニット３−１，３−２，３−３及びそのＢＬＤの個数に対応して、７個を１組とした、３組２１個により構成されている。
光コネクター５によって結合していることにより、ＢＬＤと光ファイバーとの着脱が容易に行えるため、保守作業が容易に行える。
【００３８】
ＢＬＤとしては、例えば、前述した日亜化学工業株式会社製のＮＤＢ７８７５（定格出力１．６Ｗ）を使用することができる。
【００３９】
ピッグテール・ファイバー１〜７（６−１）と、ピッグテール・ファイバー８〜１４（６−２）と、ピッグテール・ファイバー１５〜２１（６−３）は、１本の光ファイバー保護管１３に収納されて、ファイバーコンバイナーＢＯＸ１０に接続されている。
このファイバーコンバイナーＢＯＸ１０は、内部に、ファイバー溶着モジュール７とファイバーパワーセンサーユニット８とファイバーパワーセンサーアンプ１１を備えている。また、右端部に、３組の光コネクター１２−１，１２−２，１２−３が設けられている。
【００４０】
各ピッグテール・ファイバーは、ファイバー溶着モジュール７の内部で、７本のピッグテール・ファイバーから、１本のファイバーラインに溶着されている。
このファイバー溶着モジュール７内のファイバーの状態を、図４の断面図及び図５の正面図に示す。
図５に示すように、７本のピッグテール・ファイバーが、１本のファイバーライン（伝送ファイバー）に溶着されている。
そして、図４に示すように、７本のピッグテール・ファイバーのコア４６及びクラッド４６−１が、１本のファイバーラインのコア４５の部分に溶着されている。
それぞれのファイバーのコア及びクラッドの径は、例えば、ピッグテール・ファイバーのコア４６の径は１０５μｍであり、ピッグテール・ファイバーのクラッド４６−１の径は１２５μｍであり、伝送ファイバーのコア４５の径は３００μｍであり、伝送ファイバーのクラッド４５−１の径は３３０μｍである。
なお、ファイバー１〜７の溶着箇所７−１、ファイバー８〜１４の溶着箇所７−２、ファイバー１５〜２１の溶着箇所７−３では、７本のピッグテール・ファイバーのコア４６の先端部が、伝送ファイバーのコア４５内に含まれるように、研磨されている。
【００４１】
ここで、ファイバーの溶着の他の例の断面図を、図６に示す。
図６には、５本、３本、２本、１９本のファイバーを、それぞれ１本の伝送ファイバーに溶着した場合の断面図を示している。
１９本のファイバーを１本に溶着した場合には、７本のファイバーを１本に溶着した場合よりも、さらに高出力のＢＬＤ光源を構成することができる。
また、図４及び図６からわかるように、７本や１９本のファイバーをまとめて１本に溶着した場合には、円形に近い形にまとめることができるため、面積の利用効率が良くなる利点を有する。
【００４２】
次に、図１のファイバーコンバイナーＢＯＸ１０のファイバーパワーセンサーユニット８付近の拡大図を、図３に示す。
図１及び図３に示すように、３本のファイバーライン９−１，９−２，９−３には、それぞれ、ファイバーパワーセンサー８−１，８−２，８−３が設けられている。
ファイバーパワーセンサー８−１，８−２，８−３は、それぞれのファイバーライン９−１，９−２，９−３を通るエネルギーを、ファイバーライン９−１，９−２，９−３からの漏れ光７３をフォトセンサー７４で計測することによって、検出する。
そして、フォトセンサー７４で得られた微小信号７５は、図１に示すファイバーセンサーアンプ１１で、測定が容易な０Ｖ〜１０Ｖに変換されて、ファイバーパワーセンサー信号１１−１となる。
そして、このファイバーパワーセンサー信号１１−１は、ファイバーコンバイナーＢＯＸ１０から出力制御部４３に送出され、出力制御部４３内の、Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ、ＤＩＯ（ディジタル入出力）ユニット２９にて受信される。
【００４３】
また、図１に示すように、３組のファイバーライン９−１，９−２，９−３は、３組の光コネクター１２−１，１２−２，１２−３によって、それぞれ、伝送ファイバー１４−１，１４−２，１４−３に接続されている。
そして、伝送ファイバー１４−１，１４−２，１４−３は、光ファイバー保護管１３を通り、光ヘッド１５に結合されている。
【００４４】
光ヘッド１５は、ホモジナイザー１６、組レンズ１７、スリット１８、対物レンズ１９を備えている。
【００４５】
図１に示すように、光ヘッド１５の内部で、それぞれの伝送ファイバー１４−１，１４−２，１４−３は、ホモジナイザー１６に接続されている。
ホモジナイザー１６は、伝送ファイバー１４−１，１４−２，１４−３からのレーザー光をホモジナイズする。
組レンズ１７は、ホモジナイザー１６の後段に配置され、複数のレンズを組み合わせて構成される。複数のレンズの隣同士のレンズは、接触していても、接触していなくても、どちらも可能である。
【００４６】
スリット１８は、組レンズ１７と対物レンズ１９との間に配置され、レーザービームの形状を補正するための開口を有する。
また、スリット１８は、引き出し用のつまみが光ヘッド１５の外に突出しており、このつまみを利用して、スリット１８を引き出して交換することが可能な構成となっている。
スリット１８の開口の形状は、円形、楕円形、紡錘形、正方形、長方形、極細線状等、各種の形状とすることができる。
【００４７】
伝送ファイバー１４−１，１４−２，１４−３からのレーザービームは、組レンズ１７によって、加工プロセスに必要な形状に整形される。さらに、レーザービームは、スリット１８によっても整形される。
そして、整形されたレーザービーム２０は、対物レンズ１９で集光されて、図１の被加工物２１に照射される。
【００４８】
ここで、光ヘッド１５を、直交する２つの方向のそれぞれから見た概略平面図を、図２Ａ及び図２Ｂに示す。
図２Ａでは、３本の伝送ファイバー１４−１，１４−２，１４−３が並んでいる。
そして、ホモジナイザー１６、組レンズ１７、スリット１８、対物レンズ１９を経たレーザービームは、例えば長さ６００μｍの細長いスポット７０となっている。ここでは、図２Ａの右端に示すように、図２Ａの縦方向をＸ方向とする。
図２Ｂでは、３本の伝送ファイバー１４−１，１４−２，１４−３が重なっている。
そして、ホモジナイザー１６、組レンズ１７、スリット１８、対物レンズ１９を経たレーザービームは、例えば長さ２．４μｍの短いスポット７１となっている。ここでは、図２Ｂの右端に示すように、図２Ｂの縦方向をＹ方向とする。
また、より好ましくは、この６００μｍ×２．４μｍのスポットを単位面積として、この単位面積当たりの光ヘッドからのレーザービームの総照射パワーが６Ｗ以下であるように、各ＢＬＤの出力を設定する。
【００４９】
なお、図１及び図２に示したホモジナイザー１６及び組レンズ１７の代わりに、特許文献１２等に記載されているような光導波路、もしくは、光導波路と組レンズを使用することも可能である。
【００５０】
加工テーブル２７上には、被加工物２１を保持する保持部と、被加工物２１に照射されるレーザー光を検出する、レーザーパワー・センサー２２が設けられている。このレーザーパワー・センサー２２には、レーザーパワー・センサーアンプ２３が接続されている。
【００５１】
図１に示すように、対物レンズ１９から出射したレーザービーム２０を、被加工物２１上に、照射する。このとき、第１のフォーカス調整２５と第２のフォーカス調整２５−１を用いて、被加工物２１に焦点を合わせる。第１のフォーカス調整２５は、加工テーブル２７側、例えば、被加工物２１の保持部等を、上下に動かす。第２のフォーカス調整２５−１は、光ヘッド１５側、例えば、対物レンズ１９、もしくは、光ヘッド１５全体等を、上下に動かす。
被加工物２１のＸＹ方向の移動２６は、加工プロセスに応じて、加工テーブル２７のプログラムで設定する。
【００５２】
ここで、本実施の形態のレーザー加工装置によって、表面改質やアニールを行う場合の、被加工物の移動の例を、図８の平面図に示す。
光ヘッド１５から照射されるレーザーラインビーム５６を、被加工物６３に照射する。図８の縦方向が図２Ａに示したＸ方向に対応し、図８の横方向が図２Ｂに示したＹ方向に対応する。
図８に示すように、被加工物のＹ方向の移動５８は、移動距離が長いため、３００ｍｍから５００ｍｍ／秒程度の高速で行う。被加工物のＸ方向の移動６０は、移動距離が短いため、５０ｍｍ／秒程度の低速で行う。
被加工物６３の全面改質及びアニールを行う場合は、図中破線で囲った領域で示すように、レーザーのオーバーラップ５９が必要である。
オーバーラップ５９の量とレーザーエネルギーとレーザービームの両端の形状とを、面均一性を得るように調整する。
被加工物のＸＹ方向の移動５８，６０により、アニールされた範囲５７が得られる。
【００５３】
図８では、被加工物の移動による加工の例を示したが、本発明装置は光ヘッドの構造が簡単で軽量になるため、光ヘッドを移動してレーザーの走査を行う構造としても良い。
【００５４】
出力制御部４３は、Ａ／Ｄ，Ｄ／Ａ，ＤＩＯユニット２９、レーザーパワー・設定・フィードバック回路３０、リモート／ローカル切り替え・安全回路３１、ＤＣ２４Ｖ電源３３、コンピューター・インターフェース３４、変調信号インターフェースロジック３５、変調／ＣＷ切り替え回路３６を備えている。
【００５５】
Ａ／Ｄ，Ｄ／Ａ，ＤＩＯユニット２９は、前述したように、ファイバーパワーセンサーアンプ１１で増幅したファイバーパワーセンサー信号１１−１を受信する。そして、Ａ／Ｄ，Ｄ／Ａ，ＤＩＯユニット２９において、ファイバーパワーセンサー信号１１−１から、レーザー出力の補正値が得られる。また、Ａ／Ｄ，Ｄ／Ａ，ＤＩＯユニット２９と加工テーブル２７との間は、加工テーブル・インターフェース２８で接続されており、Ａ／Ｄ，Ｄ／Ａ，ＤＩＯユニット２９と光源部２のＢＬＤ電源・制御ユニット４との間は、ＬＤ電源・制御ユニット・インターフェース３９で接続されている。
レーザー出力の補正値は、レーザーパワー・設定・フィードバック回路３０によって、光源部２のＢＬＤ電源・制御ユニット４にフィードバックされる。なお、レーザーパワー・設定・フィードバック回路３０と、光源部２のＢＬＤ電源・制御ユニット４との間には、リモート／ローカル切り替え・安全回路３１と、レーザーパワー設定インターフェース３２が設けられている。
リモート／ローカル切り替え・安全回路３１は、電源投入時と非常停止時のレーザー出力を抑制する。またレーザーパワーの設定値をダイアルで設定するか、ＰＣのレシピーを使うか切り替えることが可能である。
コンピューター・インターフェース３４は、出力制御部４３外のコンピューター・インターフェース４０を通じて、コンピューター４１に接続されている。また、このコンピューター・インターフェース３４と、加工テーブル２７のレーザーパワー・センサー２２に接続された、レーザーパワー・センサーアンプ２３との間は、レーザーパワー・センサー・インターフェース２４で接続されている。
【００５６】
本装置は、基本的にはＣＷレーザーを発振するが、ＣＷと、疑似的パルス、即ちＱＣＷを、切り換えることが可能な構成としている。
そのために、出力制御部４３に、変調信号インターフェースロジック３５及び変調／ＣＷ切り替え回路３６が設けられ、変調／ＣＷ切り替え回路３６に接続して、ファンクション・ジェネレーター３７が設けられている。
変調信号インターフェースロジック３５は、ワンショット信号又はバースト信号により、局所アニールの設定を行う。
変調／ＣＷ切り替え回路３６は、変調信号インターフェースロジック３５からの信号を、ファンクション・ジェネレーター３７からの変調信号によって変調して、光源部２のＢＬＤ電源・制御ユニット４に送出する。変調／ＣＷ切り替え回路３６と、光源部２のＢＬＤ電源・制御ユニット４との間は、変調インターフェース３８で接続されている。
【００５７】
採用するファンクション・ジェネレーター３７によって、０．１Ｈｚから４ＭＨｚまで、発振周波数による変調は可能であるが、ＢＬＤドライバー１−１，１−２，１−３の応答性を考慮して、アニーリング時の上限周波数は１００ｋＨｚとする。
【００５８】
変調によって得られるエネルギーは、ＣＷレーザーのピークエネルギーを超えるものではなく、エキシマレーザーやＹＡＧレーザーのようなパルスレーザーとは異なる。
この変調によるＣＷレーザーのパルス化のメリットは、アニーリング時における熱量の制御である。変調周波数とデューディサイクルを調整することによって、熱量を制御することが可能である。
【００５９】
加工プロセスのレシピーは、コンピューター４１に格納する。
コンピューター４１には、レーザー・テーブル制御ソフトウエアを備えておき、このレーザー・テーブル制御ソフトウエアにより、コンピューター・インターフェース４０を経由して、出力制御部４３内のコンピューター・インターフェース３４から、Ａ／Ｄ，Ｄ／Ａ，ＤＩＯユニット２９に分配され、レーザーパワーの設定、オフセット値、ゲイン、フィードバック比率等の設定を行う。
レーザーパワー・センサー２２で検出されたレーザーパワーは、レーザーパワー・センサー・インターフェース２４、出力制御部４３内のコンピューター・インターフェース４０を通じて、コンピューター４１に送られて、コンピューター４１に接続して設けられた表示画面（図示せず）に表示される。
【００６０】
なお、光源部２、ファイバーコンバイナーＢＯＸ１０、加工テーブル２７、出力制御部４３、コンピューター４１には、図示しない交流電源により電源が供給される。
【００６１】
光源部２のＢＬＤから発振させるレーザー光は、シングルモード、マルチモードのどちらを使用することも可能である。
シングルモードは、波長成分が１つであるため、光ヘッド１５で集光しやすい、という利点がある。
マルチモードは、干渉性がなく取り扱いしやすい、１単位にファイバーをまとめる際にレーザー光が混ざりやすい、という利点がある。
【００６２】
図８では、Ｙ方向に走査させるときに、連続してレーザーを発振させて、連続した領域にアニール等の加工を行う場合を示していた。
本実施の形態のレーザー加工装置では、Ｙ方向に走査しながらレーザー発振のオン・オフのスイッチングを行うことにより、離散した領域にレーザービームを照射して、アニールによる改質等の加工を行うことも可能になる。これにより、半導体層のうち、回路素子を形成する部分のみをカバーして離散的にレーザービームを照射して、その領域のみにアニールを行うことも可能になる。
【００６３】
図１では、加工テーブル２７に１個の光ヘッド１５を設けているが、１つの加工テーブル２７当たり、複数個の光ヘッドを設けてもよい。
【００６４】
本実施の形態のレーザー加工装置を使用して、非晶質の半導体層（シリコン層等）に対して、青色半導体レーザー光を照射することにより、非晶質の半導体層を結晶化することができる。
このとき、レーザー光の照射により結晶化を行うので、比較的短い時間で結晶化を行うことができる。
また、レーザー光の発振が連続発振ＣＷである、青色半導体レーザー光を照射するので、平坦性、均一性、結晶性に優れた、結晶質の半導体層が、安定に再現性良く得られる。
【００６５】
本実施の形態のレーザー加工装置を使用することにより、青色半導体レーザー光を照射するので、エキシマレーザーの照射では結晶化が困難であった、厚さ３００ｎｍ〜１．４μｍの比較的厚い半導体層に対しても、平坦性良く結晶化を行うことができる。
また、青色半導体レーザー光のシリコン膜への吸収効率は比較的高いので、膜厚が２０〜４００ｎｍと薄いシリコン膜に対しても、平坦性良く結晶化することが可能になる。
【００６６】
なお、本実施の形態のレーザー加工装置は、上述した非晶質の半導体層の結晶化等の改質やアニールに限らず、各種の材料（半導体、金属、誘電体）に対する、各種の加工（表面又は内部の改質、熱加工、溶接加工、切断、基板のスクライブ等）にも使用することが可能である。
【００６７】
本実施の形態のレーザー加工装置の構成によれば、青色半導体レーザーダイオード（ＢＬＤ）を光源に使用するため、エキシマレーザーのような定期交換部材が必要なく、ランニングコストを低くすることができる。
また、非晶質シリコンに照射した場合、非晶質シリコンにおける吸収率が高く、また、集中したエネルギーを照射することができるため、エキシマレーザーを照射した場合に生じる表面荒れを回避することが可能となり、ＣＭＰ装置やエッチング装置等による後処理が不要になる。
【００６８】
本実施の形態のレーザー加工装置の構成によれば、２１個のＢＬＤにそれぞれ接続された２１本ピッグテール・ファイバーを、１単位７本ずつまとめて溶着して１本のファイバーにして、３単位の伝送ファイバーにしてから、光ヘッド１５に接続している。
これにより、２１本ピッグテール・ファイバーを光ヘッドに接続した場合と比較して、光ヘッドの構成を簡略化して、軽量化及び小型化することが可能になる。
また、２１個のＢＬＤからのレーザー光を３単位に集約して被加工物に照射するので、各単位のレーザースポットを制御して、所謂３ゾーン方式による制御を行うことが可能になる。
【００６９】
さらに、本実施の形態のレーザー加工装置では、レーザーパワーをフィードバック制御するためのファイバーパワーセンサー８−１，８−２，８−３が、３単位３本のファイバーライン９−１，９−２，９−３の途中に設けられている。
このため、各単位のファイバーラインに対応する７個のＢＬＤのレーザーパワーを独立して監視して、ＢＬＤドライバーにフィードバックすることが可能になる。そして、光ヘッドにセンサーを設けた構成と比較して、１つのセンサーに対応するＢＬＤの数が２１個から７個に減るため、仮に１個のＢＬＤや、ＢＬＤに接続された１本の光ファイバーが破損した場合に、センサーで検出される出力低下の割合が大きくなり、異常検出が容易になる。また、光ヘッドにレーザーパワー・センサーやオートフォーカス機構を設けた構成と比較して、電気系配線を必要とせず、この観点においても、光ヘッド１５の構成を簡略化して、光ヘッド１５を小型化かつ軽量化することが可能になる。
そして、光ヘッド１５を小型化かつ軽量化することが可能になることから、１台の加工テーブル２７に複数台の光ヘッド１５を設置して長いラインビームを形成することや、光ヘッド１５を可動式として光ヘッド１５を走査させることも、容易に実現可能となる。
また、例えば、複数の光ヘッド１５を加工テーブル２７に設置することによって、並列のレーザー照射を行う構成とすれば、加工時間の短縮が可能となる。
【００７０】
また、本実施の形態のレーザー加工装置では、光ヘッド１５の組レンズ１７と対物レンズ１９との間に、レーザービームの形状を補正するための開口を有する、交換可能なスリット１８を設けている。これにより、例えば６００μｍ×２．４μｍのラインビームを生成する場合等、加工仕様に応じた形状にレーザービームを修正または補正可能となる。
【００７１】
以上のことから、本実施の形態のレーザー加工装置によって、加工装置全体も小型で安価に構成することが可能になる。
そして、小型でランニングコストが低い、安定した性能のレーザー加工装置を実現することが可能となる。
【００７２】
上述の実施の形態では、２１個のＢＬＤを７個毎に１単位の光伝送路にまとめて、３単位の光伝送路として光ヘッド１５に接続した構成であった。
本発明では、１単位の光伝送路当たりのＢＬＤの個数は複数個（２個以上）とすることが可能であり、光ヘッドに接続される光伝送路の単位数は３単位以上とすることが可能である。
光伝送路の単位数が３単位以上であれば、１つのゾーンに１単位以上を割り当てて、３ゾーン方式による制御を行うことができる。
また、光伝送路の単位数が５単位以上であれば、５ゾーン方式（両端部と中心部とそれらの間の部分）による制御を行うことができる。
光伝送路の単位数を３単位以上とする場合でも、ＢＬＤの個数と同じ本数の光ファイバーを光ヘッドに接続した構成と比較して、光ヘッドの構成の簡略化や軽量化を図ることができる。
【実施例】
【００７３】
次に、青色半導体レーザーダイオードを用いた本発明のレーザー加工装置によって、実際に非晶質の半導体層の結晶化を行い、特性を調べた。
【００７４】
まず、ガラス基板上に、ＲＦスパッタ法により、スパッタ放電不活性ガスとしてＡｒガスを用いて、高純度のＳｉターゲットをスパッタし、厚さ５０ｎｍの非晶質シリコン層を形成した。
そして、この非晶質シリコン層に対して、本発明のレーザー加工装置を使用して、結晶化を行った。
出射光の波長を４４５ｎｍとして、出力を４．０Ｗとして、図８に示したレーザーラインビーム５６のスキャン速度を５００ｍｍ／ｓとして、図８に示したようにオーバーラップ５９を設けてスキャンさせて、結晶化を行った。
また、出力を５．０Ｗ、７．０Ｗとして、それぞれ同様に結晶化を行った。
【００７５】
厚さ５０ｎｍの厚膜の場合、結晶化の際に、膜の上下方向に温度勾配がほとんどみられないため、膜全体の均一な加熱ができる。これによって、結晶粒径が５０ｎｍ程度の均一な微結晶が生成する。
【００７６】
さらに、得られたシリコン層について、分光エリプソメトリによる吸収率であるＫ−スペクトルの分析と、Ｘ線回折法による結晶方位の同定を行った。
それぞれの出力の場合のＫ−スペクトルを重ねて、図９に示す。
また、出力４．０ＷのときのＸ線回折法の結果を、図１０に示す。
【００７７】
図９から、Ｋ−スペクトルにはっきりとしたピークが現れており、膜全体が充分に結晶化していることがわかる。
また、図１０から、（１１１）面のピークが鋭いピークで明確に現れており、充分に結晶化していることがわかる。
【００７８】
さらに、得られたシリコン層について、ＡＦＭにより表面荒れの評価を行った。
その結果、表面荒れの大きさが５ｎｍ（ｒｍｓ）以下であった。
一般的に紫外光パルスのエキシマーレーザアニールで知られている表面荒れの大きさは、１０ｎｍ（ｒｍｓ）以上である。
従って、紫外光パルスのエキシマーレーザアニールと比較すると、表面荒れの非常に少ないシリコン層が得られていることがわかった。
【００７９】
本発明は、上述の実施の形態や実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、その他様々な構成が取り得る。
【符号の説明】
【００８０】
１  ドライバーユニット、１−１，１−２，１−３  ＢＬＤドライバー、２  光源部、３  ＢＬＤユニット、４  ＢＬＤ電源・制御ユニット、５  光コネクター、６−１，６−２，６−３  ピッグテール・ファイバー、７  ファイバー溶着モジュール、７−１  ファイバー１〜７の溶着箇所、７−２  ファイバー８〜１４の溶着箇所、７−３  ファイバー１５〜２１の溶着箇所、８  ファイバーパワーセンサーユニット、８−１，８−２，８−３  ファイバーパワーセンサー、９−１，９−２，９−３  ファイバーライン、１０  ファイバーコンバイナーＢＯＸ、１１  ファイバーパワーセンサーアンプ、１１−１  ファイバーパワーセンサー信号、１２−１，１２−２，１２−３  光コネクター、１３  光ファイバー保護管、１４−１，１４−２，１４−３  伝送ファイバー、１５  光ヘッド、１６  ホモジナイザー、１７  組レンズ、１８  スリット、１９  対物レンズ、２０  レーザービーム、２１  被加工物、２２  レーザーパワー・センサー、２３  レーザーパワー・センサーアンプ、２４  レーザーパワー・センサー・インターフェース、２５  第１のフォーカス調整、２５−１  第２のフォーカス調整、２７  加工テーブル、２８  加工テーブル・インターフェース、２９  Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ、ＤＩＯユニット、３０  レーザーパワー・設定・フィードバック回路、３１  リモート／ローカル切り替え・安全回路、３２  レーザーパワー設定インターフェース、３３  ＤＣ２４Ｖ電源、３４，４０  コンピューター・インターフェース、３５  変調信号インターフェースロジック、３６  変調／ＣＷ切り替え回路、３７  ファンクション・ジェネレーター、３８  変調インターフェース、３９  ＬＤ電源・制御ユニット・インターフェース、４１  コンピューター、４３  出力制御部、４５  伝送ファイバーのコア、４５−１  伝送ファイバーのクラッド、４６  ピッグテール・ファイバーのコア、４６−１  ピッグテール・ファイバーのクラッド、５６  レーザーラインビーム、５８  被加工物のＹ方向の移動、５９  オーバーラップ、６０  被加工物のＸ方向、６３  被加工物、７０，７１  スポット、７３  漏れ光、７４  フォトセンサー、７５  微小信号
【図１】
2013233556.tif 000003
【図２】
2013233556.tif 000004
【図３】
2013233556.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2013233556.tif 000009
【図８】
2013233556.tif 000010
【図９】
2013233556.tif 000011
【図１０】
2013233556.tif 000012