(57)【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、シリンドリカル小レンズからなるレンズ群で構成されるシリンドリカルレンズを含むシリンドリカルレンズ複数本からなるホモジナイザを通して被照射物に照射する際に、レーザ光源と被照射物との間でレーザ光の一部を前記シリンドリカル小レンズの１本以上で完全に遮光することによって被照射物に照射されるレーザ光のビーム形状を整形することを特徴とするレーザ光ビームの整形方法。
【請求項２】
レーザ光の一部遮光は、ホモジナイザへの入射前、またはホモジナイザ内空間、もしくはホモジナイザからの出射後のいずれかまたはこれらの２以上の組み合わせで行うことを特徴とする請求項１記載のレーザ光ビームの整形方法。
【請求項３】
レーザ光の一部遮光は、レーザ光の光路にレーザ光を遮蔽する物体を設置することにより行うことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ光ビームの整形方法。
【請求項４】
レーザ光の一部遮光は、ホモジナイザに入射するレーザ光の入射位置をホモジナイザ入射前の光路にある反射ミラーで調整してホモジナイザに入射するビーム光量を制限することによって行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ光ビームの整形方法。
【請求項５】
ホモジナイザが、ビームより小さいシリンドリカルレンズ複数本を結合した集合体複数組と、ビームより大きいシリンドリカルレンズ１枚以上とからなり、前記複数組の集合体間でレーザ光の一部遮光を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ光ビームの整形方法。
【請求項６】
ビーム形状の整形は、ビームの幅面を所定の傾斜角度に傾斜させるものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ光ビームの整形方法。
【請求項７】
ビーム形状の整形は、傾斜しているビームの幅面の傾斜角度を小さくするものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ光ビームの整形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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に関するものである。さらには、上記方法により整形されたレーザ光を用いたレーザ光薄膜結晶化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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９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１０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１１（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１１（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】
【発明が解決しようとする課題】
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、ビームの幅面に傾きを有する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、特開平１０−６４８１５号公報では、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いる。該公報によれば、この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。傾きを有するビーム形状を得る方法として、該公報では試料面の焦点位置を調整する方法が記載されている。しかしこの方法では、所望のビーム形状を容易に得ることが難しく、したがって、ビーム形状に傾きを有するレーザ光の使用による作用を効果的に得ることができない。
【０００６】
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を提供することを目的とし、さらには、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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のレーザ光ビームの整形方法のうち第１の発明は、レーザ光源から発せられたレーザ光を、シリンドリカル小レンズからなるレンズ群で構成されるシリンドリカルレンズを含むシリンドリカルレンズ複数本からなるホモジナイザを通して被照射物に照射する際に、レーザ光源と被照射物との間でレーザ光の一部を前記シリンドリカル小レンズの１本以上で完全に遮光することによって被照射物に照射されるレーザ光のビーム形状を整形することを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明のレーザ光ビームの整形方法において、レーザ光の一部遮光は、ホモジナイザへの入射前、またはホモジナイザ内空間、もしくはホモジナイザからの出射後のいずれかまたはこれらの２以上の組み合わせで行うことを特徴とする。
【０００９】
第３の発明は、第１または第２の発明のレーザ光ビームの整形方法において、レーザ光の一部遮光は、レーザ光の光路にレーザ光を遮蔽する物体を設置することにより行うことを特徴とする。
【００１０】
第４の発明は、第１〜第３の発明のレーザ光ビームの整形方法のいずれかにおいて、レーザ光の一部遮光は、ホモジナイザに入射するレーザ光の入射位置をホモジナイザ入射前の光路にある反射ミラーで調整してホモジナイザに入射するビーム光量を制限することによって行うことを特徴とする。
【００１１】
第５の発明は、第１〜第４の発明のレーザ光ビームの整形方法のいずれかにおいて、ホモジナイザが、ビームより小さいシリンドリカルレンズ複数本を結合した集合体複数組と、ビームより大きいシリンドリカルレンズ１枚以上とからなり、前記複数組の集合体間でレーザ光の一部遮光を行うことを特徴とする。
【００１２】
第６の発明は、第１〜第５の発明のレーザ光ビームの整形方法のいずれかにおいて、ビーム形状の整形は、ビームの幅面を所定の傾斜角度に傾斜させるものであることを特徴とする。
【００１３】
第７の発明は、第１〜第６の発明のレーザ光ビームの整形方法のいずれかにおいて、ビーム形状の整形は、傾斜しているビームの幅面の傾斜角度を小さくするものであることを特徴とする。
【００１５】
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、整形の目的とするビーム形状も上記したように、幅面を所定の角度に傾斜させる（傾きのないものを傾かせる、または傾きの小さいものを大きくする、傾きを定角度にする等）場合に好適であるが、傾斜を小さくしたい場合（例えば極力０にする場合）に利用することも可能である。
【００１６】
本発明では、上記した整形目的に従って、被照射物にレーザ光が照射されるまでにレーザ光の一部を遮光又は減衰する。
このレーザ光の遮光または減衰は、レーザ光源から被照射物に至る間の光路のいずれの箇所で行ってもよく、また２カ所以上で行ってもよい。
整形を行う箇所としては、レーザ光源とホモジナイザとの間、ホモジナイザ内空間、またはホモジナイザと被照射物との間、複数のホモジナイザ内を備える場合、ホモジナイザ間が挙げられる。
【００１７】
レーザ光の一部遮光または減衰は、第３の発明に示すように、レーザ光の光路にレーザ光を遮蔽又は減衰する物体を設置することにより行うことができる。
遮蔽物としてアルミなどの反射率１００％のもの、減衰用物として反射率数％の石英ガラスなどを用いることができる。
遮蔽領域や減衰領域は上記物体の大きさ、形状、設置位置によって選定することができ、また、減衰の程度については減衰用の物質の選択によって選定することができる。なお、物体の部位によって遮蔽と減衰の機能が現れる両機能物体を用いることも可能である。
【００１８】
なお、ホモジナイザに入射するレーザ光を遮光又は減衰する場合、ホモジナイザに入射するビーム位置を、ホモジナイザ入射前の光路にある反射ミラーにより調整してホモジナイザに入射するビーム光量を制限することによってレーザ光の遮光または減衰を行うことができる。
また、ホモジナイザが、ビームより小さいシリンドリカルレンズ複数本を結合した集合体２組と、ビームより大きいシリンドリカルレンズ１枚以上からなるとき、前記集合体２組の間に遮蔽又は減衰する物体を設置することによってレーザ光の遮光または減衰を行うこともできる。
【００１９】
上記レーザ光の遮光または減衰によってビームの形状を容易に整形することができる。又、整形する方向が異なる複数のホモジナイザを備える場合、それぞれのホモジナイザに関し、入射または出射したレーザ光に対し、遮光または減衰を行うことでビーム形状の整形を広範に行うこともできる。
本発明者は、薄膜結晶化においては最も効果的なビーム整形は、幅面を所定の角度に傾斜させることであるのを確認しており、該目的に沿ってビーム整形されるように上記遮光物または減衰用物を配置することができ、さらには他の目的に沿って所望のビーム形状に整形することもできる。
また、目的によっては、幅面の傾斜角度ができるだけ０に近くなるように、整形するものであってもよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（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９に示すレーザ光照射装置を基本構造としている。
この実施形態では、図１に示すように、レーザ光２の光路にビーム幅面傾斜手段として遮蔽物１６を配置し、図２（ａ）に示すビーム形状を有するレーザ光２の一部を除去すなわち遮蔽する。これにより、本来、ホモジナイザ５により分割される光線の一部がホモジナイザ５に入射せず、試料面９に到達しなくなるために、図２（ｂ）に示すように、試料面９における直線状の強度分布が傾斜する。このビームの幅面は、図１１（ｂ）のビームに比べて幅面が所定の角度で傾斜している。
なお、遮蔽物１６を石英ガラスなどの半透過物に置きかえることにより傾斜量の制御も可能である。また、遮蔽物を設置する場所はレーザ光源と試料面９（被照射薄膜）との間のいかなる場所に設置しても良い。
実施形態１の方法ではビーム位置を固定して遮蔽物１６によりレーザ光を遮蔽するが、遮蔽物の位置がシリンドリカル小レンズ１０のうちの１本以上を完全に遮蔽したときは、ビームの均一部１２が直線状のビーム形状が得られるが、遮蔽物１６がシリンドリカル小レンズ１０を完全に覆わないと、ビーム形状が階段状になる問題がある。従って、ビーム傾斜量をシリンドリカル小レンズ１０の数だけの段階的な調整を行う。
【００２２】
（実施形態２）
この実施形態２では、図３に示すように、ホモジナイザ５において、シリンドリカル小レンズ１０…１０で構成されるレンズ群１４（集合体に相当）の周縁部に、光を遮光、分散する、例えば表面を荒らした石英で構成された遮蔽物１６１が配置されており、レンズ群１４の周辺では光が透過しないようにしてある。そして、ホモジナイザ５の前方にビーム幅面傾斜手段として反射ミラー１７を設置し、該反射ミラー１７を移動、調整することで、ホモジナイザ５に入射するレーザ光の光量を調整する。
【００２３】
この方法は実施形態１で示す方法よりも優れている。すなわち、実施形態１の方法ではビーム位置を固定して遮蔽物１６によりレーザ光を遮蔽するが、遮蔽物の位置がシリンドリカル小レンズ１０のうちの１本以上を完全に遮蔽したときは、ビームの均一部１２が直線状のビーム形状が得られるが、遮蔽物１６がシリンドリカル小レンズ１０を完全に覆わないと、ビーム形状が階段状になる問題がある。従って、ビーム傾斜量をシリンドリカル小レンズ１０の数だけの段階的な調整を行う。遮蔽物１６の設置位置を微調整する必要がありこれは容易ではない。しかし、この実施形態の方法は反射ミラー１７の位置によって自由に傾斜量を調整することが可能であり、位置調整も容易である。
【００２４】
（実施形態３）
次に、実施形態３では、図４に示すように、ビームより小さいシリンドリカル小レンズ複数本を結合したレンズ群１４、１５の集合体２組と、ビームより大きいシリンドリカル大レンズ７の１枚からなるホモジナイザ５において、ホモジナイザ５内にビーム幅面傾斜手段として遮蔽物を配置する。
すなわち、レンズ群１４とレンズ群１５の間であって、レンズ群１４のシリンドリカル小レンズ１０…１０を透過したレーザ光の集光する位置に遮蔽物１８を設置し、レーザ光量を遮蔽する。この方法は実施形態１の方法より優れている。すなわち、前述のように実施形態１の方法では遮蔽物１６の設置位置を微調整する困難な作業が必要であるが、この実施形態の方法ではレーザ光が集光した位置に遮蔽物１８を設置するため位置調整が容易である。
なお、本発明を適用するホモジナイザは、集合体が２組を超えるものであってもよく、また、シリンドリカル大レンズが２枚以上のものであってもよい。
【００２５】
（実施形態４）
次の実施形態では、図５に示すように、ホモジナイザ５の出射側の光路にビーム幅面傾斜手段として遮蔽物２６を配置し、レーザ光２の一部を遮蔽する。これにより、上記各実施形態のようにホモジナイザの入射側、もしくは、ホモジナイザ内で光線の一部を遮蔽する場合と同様に、ビーム形状が整形される。
なお、これら実施形態の装置は、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。
【００２６】
【実施例】
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１、２、４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９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５、６を透過するが、ビーム幅面傾斜手段を備えたホモジナイザ５におい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。
【００２７】
まず第１の方法では、ホモジナイザ５の前方に、実施形態１と同様にして、アルミの遮蔽物１６を設置した。試料面では図６に示すように幅面に傾きを有するビーム形状を得た。第２の方法では、実施形態２と同様にホモジナイザ５の前方に反射ミラー１７を配置し、該ミラー１７をスライドさせてホモジナイザ５に入射するビーム量を調整した。この方法においても図７に見られるように反射ミラーの位置を調整することでビーム形状の傾きを調整することが可能であった。第３の方法では、実施形態４に示すように、アルミの遮蔽物２６をホモジナイザ５の後に設置した。試料面では図８に示すように、幅面に傾きを有するビーム形状が得られた。
以上のように、いずれの方法においても、ビームの幅面に、所定の角度の傾きをもたせることが容易かつ確実にできた。
【００２８】
【発明の効果】
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、レーザ光源から発せられたレーザ光を、シリンドリカル小レンズからなるレンズ群で構成されるシリンドリカルレンズを含むシリンドリカルレンズ複数本からなるホモジナイザを通して被照射物に照射する際に、レーザ光源と被照射物との間でレーザ光の一部を前記シリンドリカル小レンズの１本以上で完全に遮光することによって被照射物に照射されるレーザ光のビーム形状を整形するので、確実にかつ容易にビーム形状の整形を行うことができ、ビーム形状も所望の形状に正確に整形することができる。
【００２９】
また、本発明のレーザ光薄膜結晶化装置によれば、正確に整形された、幅面傾斜を有するビーム形状が得られるので、薄膜を良質に結晶化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】    本発明の一実施形態を示す概略図である。
【図２】    同じく該実施形態によって得られる整形前のビーム形状と、整形後のビーム形状を示す図である。
【図３】    同じく他の実施形態を示す概略図である。
【図４】    同じくさらに他の実施形態を示す概略図である。
【図５】    同じくさらに他の実施形態を示す概略図である。
【図６】    同じく実施例により得られる整形後のビーム形状を示す図である。
【図７】    同じく他の実施例により得られる整形後のビーム形状を示す図である。
【図８】    同じくさらに他の実施例により得られる整形後のビーム形状を示す図である。
【図９】    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１０】  同じくホモジナイザの詳細構造を示すグラフである。
【図１１】  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】
１    レーザ光源
２    レーザ光
３    光軸
５    ホモジナイザ
５    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
１２    均一部
１３    傾斜部
１４    レンズ群
１５    レンズ群
１６    遮蔽物
１７    反射ミラー
１８    遮蔽物
２６    遮蔽物
【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】
0004073591.tif 000010
【図１０】
0004073591.tif 000011
【図１１】
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