(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
線条ビームを形成するビーム整形光学系であって、
短軸方向に関して、ビームを分割する短軸側シリンダアレイと、分割することによって得た２次光源を重ね合わせる短軸側コンデンサレンズと、前記２次光源を重ね合わせた位置である物面を所定の加工面である像面に縮小投影するイメージングレンズとを備え、
長軸方向に関して、ビームを分割する長軸側シリンダアレイと、分割することによって得た２次光源を前記所定の加工面上で重ね合わせる長軸側コンデンサレンズとを備えるとともに、前記加工面側でテレセントリックとなっており、
前記長軸側コンデンサレンズは、シリンドリカルレンズからなる第１群レンズと、シリンドリカルレンズからなり前記第１群レンズの前記加工面側に配置される第２群レンズとを有することを特徴とするビーム整形光学系。
【請求項２】
線条ビームを形成するビーム整形光学系であって、短軸方向に関して、ビームを分割する短軸側シリンダアレイと、分割することによって得た２次光源を重ね合わせる短軸側コンデンサレンズと、前記２次光源を重ね合わせた位置である物面を所定の加工面である像面に縮小投影するイメージングレンズとを備え、長軸方向に関して、ビームを分割する長軸側シリンダアレイと、分割することによって得た２次光源を前記所定の加工面上で重ね合わせるとともに当該所定の加工面における像面湾曲を補正するトーリックレンズを有する長軸側コンデンサレンズとを備えることを特徴とするビーム整形光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、ビームを整形するためのビーム整形光学系に関し、特にシリンダアレイタイプのビームホモジナイザーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ビームホモジナイザーは、アモルファスシリコンのレーザアニーリングに代表される用途に用いられるが、基板の大型化と高スループット化の要求に伴い、よりレーザビームの長尺化が要求されている。また、長尺方向と直行するビーム幅方向に関しては、これまでと同様のエネルギー密度を確保するため、ビーム長が大きくなる分だけ、より線幅の小さなビームが要求されている。すなわち、長尺方向はより長尺化、ビーム幅方向はより細線化という極端なビーム形状が要求されるわけであるが、実用化のためには、ビーム幅方向のエッジの急峻性と、全長尺範囲にわたる均一性という条件が満たされる必要がある。
【０００３】
ここで、シリンダアレイタイプのビームホモジナイザは、シリンダアレイで分割して形成した２次光源をコンデンサレンズで重ね合わせて均一ビームを形成するという構成をとっている。このようなビームホモジナイザとしては、上記の均一面を直接加工面とするタイプと、この均一面を物面としてイメージングレンズで加工面に再結像させるタイプとがある。特に０．５ｍｍ以下の細いビームを形成しようとした場合、前者のタイプでは、レーザ拡がり角により絞り込める最小ビームサイズに限界がある。従って、安定して細いビームを形成しようとした場合は、後者のタイプで縮小投影するほうが確実である。
【０００４】
後者のタイプを選択した場合、長軸方向については２００ｍｍあるいはそれ以上の長さのビームが要求されるため、長軸方向についてはイメージングを行わずにコンデンサレンズによって直接短軸方向のイメージング結像面に均一ビームを形成する構成、すなわちシリンドリカルレンズによって短軸のみイメージングする構成を用いることが多い。短軸用のイメージングレンズとしては、長軸方向に母線をもったシリンドリカルレンズが使用される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のようなビームホモジナイザでは、シリンドリカルレンズの母線断面において、光軸に対してある程度以上の角度を有する斜入射光が入射する場合、見かけ上のパワーが光軸に平行な直入射光よりも大きくなり、ガウス像面の手前で短軸断面の光が集光してピントずれをおこす。このようなピントずれに対応する像面湾曲の量を実用上間題ない程度に抑えるためには、加工面で同じビーム長を得ることを前提として、長尺側のＮＡを充分小さくすることによってシリンドリカルレンズへの入射角度を抑えるしかなかった。
【０００６】
そこで、本発明は、像面湾曲を低減して、全長尺範囲で均一なビームを形成することができる小型のビーム整形光学系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】
本発明のビーム整形光学系は、線条ビームを形成するものであって、短軸方向に関して、ビームを分割する短軸側シリンダアレイと、分割することによって得た２次光源を重ね合わせる短軸側コンデンサレンズと、前記２次光源を重ね合わせた位置である物面を所定の加工面である像面に縮小投影するイメージングレンズとを備え、長軸方向に関して、ビームを分割する長軸側シリンダアレイと、分割することによって得た２次光源を前記所定の加工面上で重ね合わせる長軸側コンデンサレンズとを備えるとともに、前記加工面側でテレセントリックとなっていることを特徴とする。
【０００８】
この場合、長軸方向では、前記加工面側でテレセントリックとなっているので、イメージングレンズに入射するビームをほぼ光軸に平行にすることができ、イメージングレンズへの入射角に依存して結像位置がずれることを防止できる。つまり、像面湾曲をなくして均一なビームを形成することができる。また、テレセン性により、長軸方向についてフォーカスがずれても、ビーム長はほとんど変化しない。なお、長軸側コンデンサレンズは、シリンダレンズ等からなり、イメージングレンズよりも光源側に配置される。
【０００９】
また、上記光学系の好ましい態様では、前記短軸方向に関して、前記加工面側でテレセントリックとなっていることを特徴とする。
【００１０】
この場合、短軸方向についてフォーカスがずれても、ビーム幅はほとんど変化しない。
【００１１】
本発明の別のビーム整形光学系は、線条ビームを形成するものであって、短軸方向に関して、ビームを分割する短軸側シリンダアレイと、分割することによって得た２次光源を重ね合わせる短軸側コンデンサレンズと、前記２次光源を重ね合わせた位置である物面を所定の加工面である像面に縮小投影するイメージングレンズとを備え、長軸方向に関して、ビームを分割する長軸側シリンダアレイと、分割することによって得た２次光源を前記所定の加工面上で重ね合わせるとともに当該所定の加工面における像面湾曲を補正するトーリックレンズを有する長軸側コンデンサレンズとを備えることを特徴とする。
【００１２】
この場合、長軸側コンデンサレンズが、所定の加工面における像面湾曲を補正するトーリックレンズを有するので、像面湾曲をなくして均一なビームを形成することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明に係る第１実施形態のビーム整形光学系の構造を説明する図である。図１（ａ）は、線条ビームの長軸方向（すなわち長尺方向）に関する図であり、図１（ｂ）は、線条ビームの短軸方向（すなわち幅方向）に関する図である。
【００１４】
このビーム整形光学系は、照射光である光ビームを発生するレーザ光源（図示を省略）からの光ビームを線状にして所定強度で所定の加工面である被照射面ＩＳ上に入射させる線条ビームホモジナイザであり、レーザ光源からの光ビームを長軸側に関して分割して複数の２次光源を形成する長軸側シリンダアレイ群１０と、レーザ光源からの光ビームを短軸側に関して分割して複数の２次光源を形成する短軸側シリンダアレイ群２０と、長軸側に関して分割された光ビームを重ね合わせて被照射面ＩＳ上に入射させる長軸側コンデンサレンズ系３０と、短軸側に関して分割された光ビームを重ね合わせてスリット状の短軸マスク６０に入射させる短軸側コンデンサレンズ系４０と、物面に配置された短軸マスク６０を像面に配置された被照射面ＩＳ上に縮小投影するイメージングレンズ５０とを備える。
【００１５】
長軸側シリンダアレイ群１０は、第１及び第２シリンドリカルレンズアレイ１０ａ、１０ｂからなる。ここで、第１シリンドリカルレンズアレイ１０ａは、線条ビームの長軸方向の断面に曲率を有し光源側に凸の複数のシリンドリカルレンズをそれらの母線に垂直な方向に連結した構造を有する。第２シリンドリカルレンズアレイ１０ｂも、第１シリンドリカルレンズアレイ１０ａと同一の構造を有する。両シリンドリカルレンズアレイ１０ａ、１０ｂの働きにより、長軸側に関して光ビームを５分割して５つの２次光源を形成することができる。なお、長軸側シリンダアレイ群１０を第１及び第２シリンドリカルレンズアレイ１０ａ、１０ｂに分けているのは、両者の相対距離を変えて合成焦点距離を変更することによって、ビームサイズ（ビーム長）を可変にするためである。
【００１６】
短軸側シリンダアレイ群２０は、第３及び第４シリンドリカルレンズアレイ２０ａ、２０ｂからなる。ここで、第３シリンドリカルレンズアレイ２０ａは、線条ビームの短軸方向の断面に曲率を有し光源側に凸の複数のシリンドリカルレンズをそれらの母線に垂直な方向に連結した構造を有する。第４シリンドリカルレンズアレイ２０ｂは、線条ビームの短軸方向の断面に曲率を有し、像側に凹の複数のシリンドリカルレンズをそれらの母線に垂直な方向に連結した構造を有する。両シリンドリカルレンズアレイ２０ａ、２０ｂの働きにより、短軸側に関して光ビームを５分割して５倍の２次光源を形成することができる。なお、短軸側シリンダアレイ群２０を第３及び第４シリンドリカルレンズアレイ２０ａ、２０ｂに分けているのは、両者の相対距離を変えて合成焦点距離を変更することによって、ビームサイズ（線幅）を可変にするためである。
【００１７】
長軸側コンデンサレンズ系３０は、長軸方向の断面に曲率を有し光源側に凸のシリンドリカルレンズからなる第１群レンズ３１と、長軸方向の断面に曲率を有し像側に凸のシリンドリカルレンズからなる第２群レンズ３２とから構成される。長軸側コンデンサレンズ系３０は、長軸側シリンダアレイ群１０によって形成される複数の２次光源を被照射面ＩＳ上で重ね合わせる働きを有する。ここで、長軸側コンデンサレンズ系３０を第１群レンズ３１と第２群レンズ３２とに分けて、第１群レンズ３１の射出瞳位置に第２群レンズ３２の前側焦点位置を一致させることにより、長軸側では、被照射面ＩＳ側にテレセントリックとなる。これにより、イメージングレンズ５０を通過する主光線を光軸ＯＡに平行にすることができる。
【００１８】
短軸側コンデンサレンズ系４０は、短軸方向の断面に曲率を有し光源側に凸のシリンドリカルレンズからなる。この短軸側コンデンサレンズ系４０は、短軸側シリンダアレイ群２０によって形成された複数の２次光源を短軸マスク６０上で重ね合わせる働きを有する。
【００１９】
イメージングレンズ５０は、短軸方向の断面に曲率を有するシリンドリカルレンズからなる。このイメージングレンズ５０は、短軸側コンデンサレンズ系４０によって短軸マスク６０上に重ね合わされた光源像を被照射面ＩＳ上に縮小投影する働きを有する。
【００２０】
なお、短軸マスク６０は、二枚のナイフエッジ状の誘電体ミラーでできており、短軸方向の均一化面に配置される。この短軸マスク６０は、入射した光ビームの短軸方向に関する裾野部分をカットするためのものであるが、必須のものではない。
【００２１】
以下、図１のビームホモジナイザによる結像について説明する。この線条ビームホモジナイザに入射した光ビームは、まず長軸側シリンダアレイ群１０により長軸断面で分割される。分割された光ビームは、第１群レンズ３１に入射し、その後に配置されている第２群レンズ３２とセットで被照射面ＩＳ上に重ね合わせられ、ここに均一ビームを形成する。第１群レンズ３１を通った光ビームは、短軸側シリンダアレイ群２０に入射し、短軸断面で分割される。短軸側シリンダアレイ群２０を経た光ビームは、短軸コンデンサレンズ系４０に入射し、短軸マスク６０のマスク面上で短軸断面に関してのみ均一ビームを形成する。すなわちマスク面が短軸断面における２次光源の重ね合わせ面となり、ここに均一ビームが形成される。なお、このマスク面は、長軸断面における重ね合わせ面となっていないため、長軸方向については均一ビームが形成されていない。短軸マスク６０は、均一である範囲のみ透過し、裾野部分の均一ではない部分を遮光して短軸マスク６０の像側にビームが届くのを防止する。短軸マスク６０を通った光ビームは、第２群レンズ３２に入射し、長軸断面の主光線が光軸に対し平行となって出射する。第２群レンズ３２から出射した光ビームは、その後イメージングレンズ５０を通過して被照射面ＩＳ上で均一ビームを形成する。この際、長軸断面で２次光源が完全に重ね合わされるだけでなく、短軸断面でも、イメージングレンズ５０によって短軸マスク６０の縮小投影像が形成される。ここで、イメージングレンズ５０はシリンドリカルレンズであり、このシリンドリカルレンズを通過する光ビームの長軸断面はテレセントリックとなっている。よって、既に説明したように、イメージングレンズ５０を通過する主光線を光軸ＯＡに平行にすることができ、長軸方向に沿った短軸断面の結像について像面湾曲が発生しない。また、デフォーカスが生じてもビーム長は変化しない。
【００２２】
図２は、参考のための図であり、図１のビームホモジナイザから第２群レンズ３２を除いた場合に発生する像面湾曲を説明する図である。図からも明らかなように、シリンドリカルレンズであるイメージングレンズ５０の母線断面において、光軸ＯＡに対して角θを有する斜入射光Ｌ’が入射する場合、見かけ上のパワーが光軸ＯＡに平行な直入射光Ｌよりも大きくなり、ガウス像面上の結像位置ＦＬよりも手前側の位置ＦＬ’で短軸断面の光が集光してピントずれをおこす。このようなピントずれによって像面湾曲が発生し、斜入射光Ｌ’の入射する角θが大きくなる程、像面湾曲の量も増加する。
【００２３】
しかしながら、上記実施形態のビームホモジナイザでは、長軸断面で像側テレセントリックとなっており、イメージングレンズ５０を通過する主光線が光軸ＯＡに平行となっているので、短軸断面の結像については像面湾曲が発生しない。
【００２４】
〔第２実施形態〕
図３は、第２実施形態のビーム整形光学系の構造を説明する図である。図３（ａ）は、長軸方向に関する図であり、図３（ｂ）は、短軸方向に関する図である。なお、第２実施形態のビーム整形光学系は、第１実施形態のビーム整形光学系の変形例であり、同一部分には同一の符号を付して重複説明を省略する。
【００２５】
このビーム整形光学系は、第１実施形態の光学系に短軸方向に作用するフィールドレンズ７０を追加したもので、このフィールドレンズ７０の働きにより、短軸用のイメージングレンズ５０の前側焦点位置に分割した２次光源を再結像させて像側（加工面である被照射面ＩＳ側）にテレセントリックとしている。すなわち、図示のホモジナイザの場合、長軸・短軸両断面においてテレセントリックな構成となっている。これにより、長軸方向においては上記第１実施形態と同様の特徴を有するとともに、短軸断面においても、フォーカスがずれても線幅が変化しなくなる。
【００２６】
結像について説明すると、フィールドレンズ７０を通過した光ビームは、このフィールドレンズ７０で光線の向きを変え、短軸マスク６０を通過した後イメージングレンズ５０の前側焦点位置に分割した２次光源を再結像する。ここで、イメージングレンズ５０の射出瞳は入射側の無限遠方に位置し、イメージングレンズ５０を出射した後の光線は主光線が光軸ＯＡと平行に出射しテレセントリックとなる。つまり、長軸・短軸両断面においてテレセントリックであるため、デフォーカスしても、ビーム長及びビーム幅ともに変化しない。
【００２７】
〔第３実施形態〕
図４は、第３実施形態のビーム整形光学系の構造を説明する図である。図４（ａ）は、長軸方向に関する図であり、図４（ｂ）は、短軸方向に関する図である。なお、第３実施形態のビーム整形光学系は、第１実施形態のビーム整形光学系の変形例である。
【００２８】
このビーム整形光学系は、第１実施形態の光学系に設けた長軸側コンデンサレンズ系３０を構成する第２群レンズ３２をシリンドリカルレンズの代わりにトーリックレンズからなる別のタイプの第２群レンズ１３２としている。トーリックレンズは、長軸断面と短軸断面双方に曲率を有しており、その曲率が両者で異なるという特徴を有している。したがって、この第２群レンズ１３２は、長軸断面のコンデンサとしてのみならず、短軸断面のイメージングレンズの一部としての作用もする。つまり、トーリックレンズを用いることにより、長軸断面をテレセントリックとしなくても、短軸方向の結像位置を調整して像面湾曲を除くことができ、被照射面ＩＳに投影されるビーム全体をほぼ同一の特性とすることができる。
【００２９】
〔第４実施形態〕
図５は、第１〜第３実施形態と同様のビーム整形光学系を組み込んだレーザアニール装置の構造を説明する図である。
【００３０】
このレーザアニール装置は、アモルファス状Ｓｉ等の半導体薄膜を表面上に形成したガラス板であるワークＷを載置して３次元的に滑らかに移動可能なステージ８１と、ワークＷ上の半導体薄膜を加熱するためのエキシマレーザその他のレーザビームＬＢを発生するレーザ光源８２と、このレーザビームＬＢを線条にして所定の照度でワークＷ上に入射させるビーム整形光学系１００と、ワークＷを載置したステー８１をビーム整形光学系１００等に対して必要量だけ相対的に移動させる駆動手段であるステージ駆動装置８３と、ステージ８１の移動位置を検出する位置センサ８４と、レーザアニール装置全体の各部の動作を統括的に制御する主制御装置８５とを備える。
【００３１】
ビーム整形光学系１００は、レーザビームＬＢをＹ軸方向に延びる所定断面形状及び強度の線条ビーム像としてワークＷ上に入射させる線条ビームホモジナイザーであり、光学系の構成については、図１、図３、及び図４に示すものと同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００３２】
以下、図５の装置の動作について説明する。まず、レーザアニール装置のステージ８１上にワークＷを搬送して載置する。次に、位置センサ８４の出力に基づいてステージ駆動装置８３を動作させることにより、ビーム整形装置１００に対してステージ８１をＸ軸方向に移動させながら、ビーム整形装置１００からのレーザビームＬＢをＹ方向に延びる線条ビーム像としてワークＷ上に入射させる。これにより、レーザビームＬＢによるワークＷ全面の走査が行われることになる。この際、簡単な構造で小型のビーム整形装置１００によって、像面湾曲がなく均一な状態で線条ビーム像を長尺化しかつ細線化できるので、ワークＷの大型化に対応でき、レーザアニールのスループットを高めることができる。
【００３３】
以上、実施形態に即してこの発明を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態のビーム整形装置１００は、レーザアニーリング装置だけでなく、例えば液晶や半導体装置の表面改質等に用いられる各種加工装置に応用可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のビーム整形光学系によれば、長軸方向では、前記加工面側でテレセントリックとなっているので、イメージングレンズに入射するビームをほぼ光軸に平行にすることができ、イメージングレンズへの入射角に依存して結像位置がずれることを防止できる。つまり、像面湾曲をなくして均一なビームを形成することができる。また、長軸方向に関してフォーカスがずれても、ビーム長はほとんど変化しない。
【００３５】
また、本発明の別のビーム整形光学系によれば、長軸側コンデンサレンズが、所定の加工面における像面湾曲を補正するトーリックレンズを有するので、像面湾曲をなくして均一なビームを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態のビーム整形装置の構造を示す図である。
【図２】図１の光学系の働きを説明するための図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態のビーム整形装置の構造を示す図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は、第３実施形態のビーム整形装置の構造を示す図である。
【図５】第４実施形態のレーザアニール装置の構造を説明する図である。
【符号の説明】
１０  長軸側シリンダアレイ群
１０ａ,１０ｂ  第１、第２シリンドリカルレンズアレイ
２０  短軸側シリンダアレイ群
２０ａ,２０ｂ  第３、第４シリンドリカルレンズアレイ
３０  長軸側コンデンサレンズ系
３１  第１群レンズ
３２  第２群レンズ
４０  短軸側コンデンサレンズ系
５０  イメージングレンズ
６０  短軸マスク
７０  フィールドレンズ
８１  ステージ
８２  レーザ光源
８３  ステージ駆動装置
ＬＢ  レーザビーム
ＯＡ  光軸
Ｗ    ワーク
【図１】
0004191334.tif 000002
【図２】
0004191334.tif 000003
【図３】
0004191334.tif 000004
【図４】
0004191334.tif 000005
【図５】
0004191334.tif 000006