特許 5881382 レーザ照射装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5881382

(24)【登録日】2016年2月12日

(45)【発行日】2016年3月9日

(54)【発明の名称】レーザ照射装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/268 20060101AFI20160225BHJP

   B23K 26/064 20140101ALI20160225BHJP

   B23K 26/073 20060101ALI20160225BHJP

   H01L 21/20 20060101ALI20160225BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/268 J

   B23K26/064 A

   B23K26/064 Z

   B23K26/073

   H01L21/20

【請求項の数】2

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2011-249702(P2011-249702)

(22)【出願日】2011年11月15日

(65)【公開番号】特開2013-105943(P2013-105943A)

(43)【公開日】2013年5月30日

【審査請求日】2014年3月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105887

【弁理士】

【氏名又は名称】来山 幹雄

(74)【代理人】

【識別番号】100091340

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 敬四郎

(74)【代理人】

【識別番号】100141302

【弁理士】

【氏名又は名称】鵜飼 伸一

(72)【発明者】

【氏名】首藤 和正

【審査官】 右田 勝則

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−１４７４２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−１６４９１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３２３４２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−１２７１１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１７７３７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２８９０５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−００６９１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６３９３０４２（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特開平０９−１８４９９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５２４６６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／０２０９３１０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０４９６２９８３（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／２６８

Ｂ２３Ｋ ２６／０６４

Ｂ２３Ｋ ２６／０７３

Ｈ０１Ｌ ２１／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

相互に直交するＸ方向及びＹ方向に配列し、Ｚ方向にレーザビームを出射する複数のレーザ出射面を含む光源と、
前記Ｘ方向に並ぶ前記レーザ出射面の列に対応して配置され、対応する列の前記レーザ出射面から出射したレーザビームを、ＹＺ面内において平行光線束にする第１のシリンドリカルレンズと、
前記第１のシリンドリカルレンズを透過した複数のレーザビームが入射し、前記複数のレーザビームを、Ｘ方向に長い長尺領域に重ね合わせる第２のシリンドリカルレンズと、
前記複数の光学部材を支持するレンズホルダと
を有し、
前記第２のシリンドリカルレンズは、Ｘ方向に配列された複数の光学部材を含み、前記光学部材の各々は、Ｘ方向に平行な母線からなる柱面と、鏡面研磨されたＸ方向に垂直な端面とを含み、相互に隣り合う前記光学部材は、前記端面同士が密着しており、
前記レンズホルダは、Ｘ方向に配列した前記光学部材の列にＸ方向の圧縮力を印加する加圧機構を有し、
前記レンズホルダは、さらに、前記光学部材の各々に対して設けられたＺ方向微調機構を有し、前記Ｚ方向微調機構は、対応する前記光学部材のＺ方向の位置、及びＸ方向に平行な方向を回転中心とした回転方向の姿勢を微調整するレーザ照射装置。

【請求項2】

前記レンズホルダは、前記光学部材の各々に対して設けられたＹ方向微調機構を有し、前記Ｙ方向微調機構は、対応する前記光学部材のＹ方向の位置を微調整する請求項１に記載のレーザ照射装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザビームを線状領域に集光するレーザ照射装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ガラス基板上に形成されたアモルファスシリコン膜を結晶化するために、レーザアニールが用いられる。一般的には、アニール対象である基板の表面の線状領域にレーザビームを集光し、線状領域の長手方向と直交する方向に基板を移動させることにより、アニールが行われる。レーザビームが集光される線状領域の長手方向に関して、光強度に高い均一性が求められる。一般的に、線状のビーム断面を形成するために、シリンドリカルレンズが用いられる。光強度の高い均一性を確保するために、シリンドリカルレンズのレンズ硝材の物性に高い均一性が要求され、かつ高い研磨精度が要求される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８−１４７４２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

液晶パネルの大型化に伴い、アニール対象の基板も大型化が進んでいる。大きな基板を短時間にアニールするために、ビーム断面の長尺化が要求される。ビーム断面の長尺化を進めるためには、シリンドリカルレンズも長くしなければならない。ところが、高品質で大型の硝材を高い精度で研磨することは、コスト増に繋がる。

【0005】

本発明の目的は、ビーム断面が長尺化しても、シリンドリカルレンズのコスト増を抑制することができるレーザ照射装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一観点によると、
相互に直交するＸ方向及びＹ方向に配列し、Ｚ方向にレーザビームを出射する複数のレーザ出射面を含む光源と、
前記Ｘ方向に並ぶ前記レーザ出射面の列に対応して配置され、対応する列の前記レーザ出射面から出射したレーザビームを、ＹＺ面内において平行光線束にする第１のシリンドリカルレンズと、
前記第１のシリンドリカルレンズを透過した複数のレーザビームが入射し、前記複数のレーザビームを、Ｘ方向に長い長尺領域に重ね合わせる第２のシリンドリカルレンズと、
前記複数の光学部材を支持するレンズホルダと
を有し、
前記第２のシリンドリカルレンズは、Ｘ方向に配列された複数の光学部材を含み、前記光学部材の各々は、Ｘ方向に平行な母線からなる柱面と、鏡面研磨されたＸ方向に垂直な端面とを含み、相互に隣り合う前記光学部材は、前記端面同士が密着しており、
前記レンズホルダは、Ｘ方向に配列した前記光学部材の列にＸ方向の圧縮力を印加する加圧機構を有し、
前記レンズホルダは、さらに、前記光学部材の各々に対して設けられたＺ方向微調機構を有し、前記Ｚ方向微調機構は、対応する前記光学部材のＺ方向の位置、及びＸ方向に平行な方向を回転中心とした回転方向の姿勢を微調整するレーザ照射装置が提供される。

【発明の効果】

【0007】

第２のシリンドリカルレンズを複数の光学部材で構成しているため、シリンドリカルレンズのコスト増を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１Ａは、実施例によるレーザ照射装置の斜視図であり、図１Ｂは、実施例によるレーザ照射装置のシリンドリカルレンズを構成する光学部材の斜視図である。

【図2】図２Ａは、実施例によるレーザ照射装置の正面図であり、図２Ｂは、基板上における光強度分布を示すグラフである。

【図3】図３Ａは、実施例によるレーザ照射装置の側面図であり、図３Ｂは、基板上における光強度分布を示すグラフである。

【図4】図４Ａ〜図４Ｃは、実施例によるレーザ照射装置のシリンドリカルレンズとレンズホルダとの断面図である。

【図5】図５は、他の実施例によるレーザ照射装置の正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図１Ａに、実施例によるレーザ照射装置の斜視図を示す。レーザ照射装置が配置される空間に、ＸＹＺ直交座標系を定義する。

【0010】

複数の光ファイバ１１の出射端が、ＸＹ面に平行な平面上に配置されている。光ファイバ１１の各々の出射端は、レーザ出射面として機能する。光ファイバ１１の他端は、レーザ光源（図１Ａでは図示されていない）、例えばレーザダイオードに結合している。レーザ光源から出射されたレーザビームが光ファイバ１１内を導光され、レーザ出射面から、Ｚ軸の負の向きに出射される。レーザ出射面は、Ｘ方向及びＹ方向に、行列状に配置されている。

【0011】

Ｘ方向に並ぶレーザ出射面の列（以下、「Ｘ列」という。）に対応して、第１のシリンドリカルレンズ１２が配置されている。図１Ａでは、レーザ出射面のＸ列が４列である場合を示している。Ｘ列の数と同一の４個の第１のシリンドリカルレンズ１２が配置される。第１のシリンドリカルレンズ１２の各々は、Ｘ軸に平行な母線を有する柱面を含む。レーザ出射面から出射されたレーザビームが、第１のシリンドリカルレンズ１２によって、ＹＺ面内において収束され、平行光線束になる。具体的には、第１のシリンドリカルレンズ１２の前側焦点の位置に、レーザ出射面が配置されている。

【0012】

第１のシリンドリカルレンズ１２によって平行光線束にされたレーザビームが、第２のシリンドリカルレンズ１０に入射する。４個の第１のシリンドリカルレンズ１２に対して１個の第２のシリンドリカルレンズ１０が配置されている。第２のシリンドリカルレンズ１０も、Ｘ軸に平行な母線を有する柱面を含む。

【0013】

第２のシリンドリカルレンズ１０は、第１のシリンドリカルレンズ１２を透過したレーザビームを、アニール対象である基板１５の表面において、Ｘ方向に長い線状領域１６に重ね合わせる。第２のシリンドリカルレンズ１２は、Ｘ方向に並ぶ複数の光学部材１４を含む。

【0014】

図１Ｂに、１つの光学部材１４の斜視図を示す。光学部材１４は、レーザビームの入射側の表面（Ｚ軸の正の方向を向く表面）１４Ａ、レーザビームの出射側の表面（Ｚ軸の負の方向を向く表面）１４Ｂ、Ｙ軸に垂直な一対の側面１４Ｃ、及びＸ軸に垂直な一対の端面１４Ｄを有する。入射側の表面１４Ａは、Ｘ軸に平行な母線の集合からなる円柱面であり、出射側の表面１４Ｂは、Ｚ軸に垂直な平面である。すなわち、光学部材１４の各々も、シリンドリカルレンズとして機能する。光学部材１４のＸ軸に垂直な断面の形状及び寸法は、すべて同一である。なお、入射側の表面を平面とし、出射側の表面を円柱面としてもよい。

【0015】

一対の端面１４Ｄは鏡面研磨されている。図１Ａに示したように、相互に隣り合う光学部材１４の端面１４Ｄ同士が密着している。複数の光学部材１４がＸ方向に配列した状態では、光学部材１４の円柱面１４Ａが、相互に滑らかに連続してＸ方向に長い１つの円柱面を構成する。また、出射側の表面１４Ｂは、Ｚ軸に垂直な１枚の平面を構成する。ここで、「密着」は、接着剤等で脱離不可能に接着されていることを意味するのではなく、２つの端面が隙間なく接触していることを意味する。

【0016】

第１のシリンドリカルレンズ１２及び第２のシリンドリカルレンズ１０の各々を、Ｚ方向に２枚以上のシリンドリカルレンズを配置した組レンズとしてもよい。

【0017】

図２Ａに、実施例によるレーザ照射装置の、Ｙ軸に平行な視線で見た正面図を示す。光ファイバ１１の出射端とは反対側の入射端が、レーザ光源１３に結合している。レーザ光源１３は、光ファイバ１１の本数と同数配置されており、光ファイバ１１と１対１に対応する。レーザ光源１３には、青色半導体レーザ等を用いることができる。レーザ光源１３から出射したレーザビームが、対応する光ファイバ１１の入射端に入射する。

【0018】

Ｘ方向に、７個のレーザ出射面１８が並んでいる。なお、Ｘ方向に配列するレーザ出射面１８の個数は７個に限定されず、２〜６個でもよいし、８個以上でもよい。

【0019】

ＺＸ面内に関して、第１のシリンドリカルレンズ１２及び第２のシリンドリカルレンズ１０は、収束及び発散作用を有しない。従って、レーザ出射面１８から出射したレーザビームは、Ｚ軸の負の方向に伝搬するに従って。Ｘ方向に広がる。Ｘ方向に隣り合うレーザ出射面１８から出射したレーザビームは、基板１５の表面の線状領域１６において、Ｘ方向に関して相互に部分的に重なる。基板１５は、ＸＹステージ２０に保持されている。基板１５をＹ方向に移動させながらレーザ照射を行うことにより、広い領域をアニールすることができる。

【0020】

図２Ｂに、基板１５の表面におけるＸ方向の光強度分布を示す。１つのレーザ出射面１８から出射したレーザビームのビームプロファイルは、例えばガウス分布で近似される。複数のレーザビームが重なることにより、Ｘ方向に関してほぼフラットな光強度分布が得られる。

【0021】

図３Ａに、実施例によるレーザ照射装置の、Ｘ軸に平行な視線で見た側面図を示す。Ｙ方向に４個のレーザ出射面１８が並んでいる。Ｙ方向に並ぶレーザ出射面１８の列を、Ｙ列ということとする。なお、レーザ出射面１８のＹ列の数は４個に限定されず、２〜３個でもよいし、５個以上でもよい。レーザ出射面１８の１つのＸ列に対して、１つの第１のシリンドリカルレンズ１２が配置されている。

【0022】

レーザ出射面１８から出射したレーザビームが、対応する第１のシリンドリカルレンズ１２に入射する。第１のシリンドリカルレンズ１２は、ＹＺ面内に関してレーザビームをコリメートする。コリメートされたレーザビームが第２のシリンドリカルレンズ１０に入射する。第２のシリンドリカルレンズ１０は、入射したレーザビームを収束し、基板１５の表面において複数のレーザビームを重ね合わせる。例えば、ＹＺ面内に関して、第１のシリンドリカルレンズ１２と第２のシリンドリカルレンズ１０とが、光ファイバ１１のレーザ出射面１８を、基板１５の表面に結像させる。これにより、基板１５の表面において、レーザビームが、Ｘ方向に長い線状領域１６に重ね合わされる。

【0023】

図３Ｂに、基板１５の表面におけるＹ方向の光強度分布を示す。Ｙ方向に関しては、光ファイバ１１のレーザ出射面１８が基板１５の表面に結像する。このため、レーザ出射面１８におけるＹ方向の光強度分布が、基板１５の表面に投影される。

【0024】

図４Ａに、第２のシリンドリカルレンズ１０及びレンズホルダ３０の平断面図を示す。図４Ｂ及び図４Ｃに、それぞれ図４Ａの一点鎖線４Ｂ−４Ｂにおける断面図、及び一点鎖線４Ｃ−４Ｃにおける断面図を示す。図４Ａは、図４Ｂの一点鎖線４Ａ−４Ａにおける断面図、及び図４Ｃの一点鎖線４Ａ−４Ａにおける断面図に相当する。

【0025】

複数の光学部材１４がＸ方向に配列されて、レンズホルダ３０内に収容されている。レンズホルダ３０は、枠３０Ａと、枠３０Ａの内周面から内側に向かって張り出した張り出し部３０Ｂとを含む。枠３０Ａは、Ｙ軸に垂直で相互に対向する一対の側面、及びＸ軸に垂直で相互に対する一対の側面を有する。張り出し部３０Ｂは、枠３０ＡのＹ軸に垂直な側面から内側に向かって張り出しており、Ｚ軸に垂直な支持面を有する。光学部材１４の側面１４Ｃが、枠３０ＡのＹ軸に垂直な側面に接触することにより、Ｙ方向の位置が拘束される。光学部材１４の出射側の表面１４Ｂの両端が張り出し部３０Ｂの支持面に接触することにより、光学部材１４がレンズホルダ３０に支持される。

【0026】

枠３０Ａに取り付けられた押さえ機構３４が、光学部材１４に、張り出し部３０Ｂの支持面に向う力を印加する。この力により、光学部材１４のＺ方向の位置が固定される。押さえ機構３４は、例えば板ばねと、板ばねを枠３０Ａに固定するネジとで構成される。

【0027】

加圧機構３１が、光学部材１４の列に、Ｘ方向の圧縮力を印加する。これにより、光学部材１４の端面１４Ｄ（図１Ｂ）同士が、隙間なく密着する。加圧機構３１には、例えばコイルばねが用いられる。

【0028】

光学部材１４のそれぞれに対応して、Ｙ方向微調機構３２及びＺ方向微調機構３３が設けられている。Ｙ方向微調機構３２は、枠３０Ａの、Ｙ軸に垂直な側面を有する部分をＹ方向に貫通するネジを含む。ネジの先端を光学部材１４の側面１４Ｃに接触させることにより、光学部材１４のＹ方向の位置を微調整することができる。

【0029】

Ｚ方向微調機構３３は、張り出し部３０ＢをＺ方向に貫通するネジを含む。ネジの先端を、光学部材１４の出射側の表面１４Ｂに接触させることにより、光学部材１４のＺ方向の位置、及びＸ軸に平行な直線を回転中心とした回転方向の姿勢を微調整することができる。

【0030】

上記実施例では、光学部材１４の端面１４Ｄ同士が密着している。このため、光学部材１４の端面１４Ｄにおけるレーザビームの反射、屈折、損失等を防止することができる。これにより、光学部材１４の集合が、単体の硝材を研磨して形成した１つの大きなシリンドリカルレンズと同等の機能を持つことになる。光学部材１４の各々は、１つの大きなシリンドリカルレンズに比べて小さな硝材を研磨して形成することができる。このため、研磨コストの低減を図ることが可能になる。単体の硝材を研磨する方法では、長さが１ｍ程度のシリンドリカルレンズを形成することが困難であった。実施例による構造を採用することにより、長さが１ｍ以上のシリンドリカルレンズを形成することも可能である。

【0031】

また、レンズが大きくなると、レンズの自重による歪みが懸念される。実施例の場合には、個々の光学部材１４の自重による歪みはほとんど生じない。従って、レンズの歪み対策の煩わしさが軽減される。

【0032】

図５に、他の実施例によるレーザ照射装置の正面図を示す。以下、図２Ａに示した実施例によるレーザ照射装置との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。

【0033】

図２Ａに示した実施例では、Ｘ方向に関して、レーザ出射面１８のＹ列と光学部材１４との相対的な位置関係は、特に規定されていない。また、レーザ出射面１８のＹ列の数と、光学部材１４の個数とを等しくする必要もない。

【0034】

図５に示した実施例では、Ｘ方向に関して、レーザ出射面１８のＹ列と光学部材１４とが１対１に対応する。レーザ出射面１８から出射したレーザビームは、当該レーザ出射面１８に対応する光学部材１４に入射する。レーザビームは、Ｚ軸の負の向きに進むに従ってＸ方向に広がり、Ｚ軸に垂直な仮想的な平面１７よりも基板１５側では、相互に隣り合うレーザビームの経路が部分的に重なる。第２のシリンドリカルレンズ１０は、仮想的な平面１７よりもレーザ出射面１８側に配置されている。このため、１つのＹ列のレーザ出射面１８から出射したレーザビームは、１つの光学部材１４のみを通過する。

【0035】

レーザビームが、光学部材１４の端面１４Ｄ（図１Ｂ）と交差しないため、レーザビームが、光学部材１４の端面１４Ｄの影響を受けない。例えば、端面１４Ｄに起因する屈折や反射が生じない。この場合、複数の光学部材１４が１つのレンズホルダ３０（図４Ａ〜図４Ｃ）で支持されているため、光学部材１４ごとに光軸調整を行う場合に比べて、光軸の調整が容易である。

【0036】

上記実施例では、第２のシリンドリカルレンズ１０を複数の光学部材１４で構成したが、第１のシリンドリカルレンズ１２の各々も、第２のシリンドリカルレンズ１０と同様に、複数の光学部材で構成してもよい。

【0037】

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

【符号の説明】

【0038】

１０ 第２のシリンドリカルレンズ
１１ 光ファイバ
１２ 第１のシリンドリカルレンズ
１３ レーザ光源
１４ 光学部材
１４Ａ 入射側の表面
１４Ｂ 出射側の表面
１４Ｃ 側面
１４Ｄ 端面
１５ 基板
１６ 線状領域
１７ レーザビームが重なる位置
１８ レーザ出射面
２０ テーブル
２１ ＸＹステージ
３０ レンズホルダ
３０Ａ 枠
３０Ｂ 張り出し部
３１ 加圧機構（コイルばね）
３２ Ｙ方向微調機構
３３ Ｚ方向微調機構
３４ 押さえ機構

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】