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JP3530484B2 - Laser processing apparatus and method - Google Patents
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JP3530484B2 - Laser processing apparatus and method - Google Patents

Laser processing apparatus and method

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JP3530484B2
JP3530484B2 JP2000373631A JP2000373631A JP3530484B2 JP 3530484 B2 JP3530484 B2 JP 3530484B2 JP 2000373631 A JP2000373631 A JP 2000373631A JP 2000373631 A JP2000373631 A JP 2000373631A JP 3530484 B2 JP3530484 B2 JP 3530484B2
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laser beams
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、パルスレーザを用
いたレーザ加工装置及び方法、特に半導体薄膜のアニー
ルに適したレーザ加工装置及び方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser processing apparatus and method using a pulse laser, and particularly to a laser processing apparatus and method suitable for annealing a semiconductor thin film.

【0002】[0002]

【従来の技術】アニーリング、リソグラフィ、ドーピン
グ等の半導体プロセスでは、光子エネルギーや微細化の
観点から有用として、紫外光が主に利用されている。
2. Description of the Related Art Ultraviolet light is mainly used in semiconductor processes such as annealing, lithography and doping because it is useful from the viewpoint of photon energy and miniaturization.

【0003】半導体プロセスに利用される従来のレーザ
加工装置として、例えばエキシマレーザを用いて非晶質
Siを多結晶Siに変換するレーザアニール装置が知ら
れている。このようなレーザアニール装置では、高出力
のエキシマレーザからのパルスレーザを均一化光学系で
一旦分割するとともに同一サイズの均一ビームとして加
工面に重畳して照射することが行なわれている。
As a conventional laser processing apparatus used in a semiconductor process, a laser annealing apparatus for converting amorphous Si into polycrystalline Si using an excimer laser is known. In such a laser annealing apparatus, a pulse laser from a high-power excimer laser is once divided by a homogenizing optical system, and a uniform beam of the same size is superposed and irradiated on a processed surface.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】上記のようなレーザ加
工装置では、レーザビームのパルス波形をほとんど制御
することができないので、プロセスに対する自由度が小
さくなる。また、エキシマレーザの性能の限界から、レ
ーザ出力の安定性が低く(通常、±3%程度に達す
る)、この影響を受けてプロセス精度が悪化するという
傾向がある。また、エキシマレーザを組み込むことで、
装置の設置面積が増大せざるを得ず、省スペース化の要
求に応じることができない。さらに、エキシマレーザ
は、高価でありガス交換等のメンテナンスコストも大で
ある。
In the above laser processing apparatus, the pulse waveform of the laser beam can hardly be controlled, so that the degree of freedom in the process becomes small. Further, the stability of the laser output is low (usually reaching about ± 3%) due to the limit of the performance of the excimer laser, and this tends to deteriorate the process accuracy. Also, by incorporating an excimer laser,
There is no choice but to increase the installation area of the device, and it is not possible to meet the demand for space saving. Furthermore, excimer lasers are expensive and maintenance costs such as gas exchange are high.

【0005】そこで、本発明は、レーザビームのパルス
波形を簡易に制御することができ、しかも、レーザ出力
の安定性を高めることができ、省スペース化及びコスト
低減の要求にも応えることができるレーザ加工装置及び
方法を提供することを目的とする。
Therefore, the present invention can easily control the pulse waveform of the laser beam, enhance the stability of the laser output, and meet the demands for space saving and cost reduction. An object is to provide a laser processing apparatus and method.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係るレーザ加工装置は、パルス状のレーザ
ビームを発生する複数の固体レーザ装置を有する光源装
置と、光源装置からの複数のレーザビームを結合して束
ねる結合光学系と、結合光学系を経た複数のレーザビー
ムを拡大して空間的に重ね合わせるテレスコープ光学系
と、重ね合わされたレーザビームを複数のレーザビーム
に分割するとともに略同一サイズの均一ビームとして加
工面上に重畳して入射させるホモジナイザと、複数の固
体レーザ装置の動作タイミングを調整して所定の時間的
波形を有するパルスを形成するタイミング調整装置とを
備える。
In order to solve the above problems, a laser processing apparatus according to the present invention includes a light source device having a plurality of solid-state laser devices for generating pulsed laser beams, and a plurality of light source devices. Combine and bundle laser beams
Healing coupling optics and multiple laser beams that go through the coupling optics
Telescope optical system that enlarges the frame and spatially overlaps
And multiple laser beams
And a uniform beam of approximately the same size.
A homogenizer for superimposing and entering the work surface and a timing adjusting device for adjusting operation timings of the plurality of solid-state laser devices to form a pulse having a predetermined temporal waveform are provided.

【0007】上記レーザ加工装置では、光源装置として
複数の固体レーザ装置を有するものを用いるので、レー
ザ出力の安定性を比較的高いものとすることができ、省
スペース化及びコスト低減を図ることができる。また
タイミング調整装置によって複数の固体レーザ装置の動
作タイミングを調節しつつ合成光学系を用いて対象面上
に各レーザビームを重畳して入射させるので、固体レー
ザでは従来比較的弱いとされてきたレーザ出力を見かけ
上増大させつつ任意のパルス形状を生成することができ
る。さらに、ホモジナイザによって、より均一なレーザ
加工が可能になる。尚、テレスコープ光学系の存在によ
って、ホモジナイザを比較的小型に保ちつつレーザビー
ムの十分な均一化を達成することができる。
In the above laser processing apparatus, since the one having a plurality of solid-state laser devices is used as the light source device, the stability of the laser output can be made relatively high, and space saving and cost reduction can be achieved. it can. Also ,
The laser output, which has been considered to be comparatively weak in the conventional solid-state laser, is used because the laser beams are made to overlap and enter the target surface by using the synthetic optical system while adjusting the operation timing of the plurality of solid-state laser devices by the timing adjustment device. Arbitrary pulse shapes can be generated with an apparent increase. In addition, the homogenizer provides a more uniform laser.
Processing becomes possible. The presence of the telescope optical system
The laser beam while keeping the homogenizer relatively small.
A sufficient homogenization of the system can be achieved.

【0008】なお、固体レーザ装置は、比較的低波長の
レーザビームを発生するレーザ発振素子を備えるものと
し、このレーザ発振素子からのレーザビームを適当な高
調波発生器で目標値まで短波長化して出射させることが
できる。
The solid-state laser device is provided with a laser oscillating element for generating a laser beam of a relatively low wavelength, and the laser beam from this laser oscillating element is shortened to a target value with an appropriate harmonic generator. Can be emitted.

【0009】また、レーザ加工装置は、通常、加工の対
象であるワークを載置して3次元的に移動するステージ
と、上記光源装置及び合成光学系に対してステージを移
動させレーザビームをワークの対象面上で適当なタイミ
ング及び距離だけ移動させる駆動手段と、光源装置や駆
動手段を統括的に制御するコンピュータ装置とを備える
構造をとる。
In addition, the laser processing apparatus normally moves a stage with respect to the light source device and the combining optical system, and a stage on which a work to be processed is placed and moves three-dimensionally. The driving means for moving the object surface by an appropriate timing and distance, and the computer device for integrally controlling the light source device and the driving means are adopted.

【0010】また、本発明に係る別のレーザ加工装置
は、パルス状のレーザビームを発生する複数の固体レー
ザ装置を有する光源装置と、光源装置からの複数のレー
ザビームを重畳して対象面に入射させる合成光学系とを
備えるレーザ加工装置において、光源装置が、Nを自然
数として、直線偏光を発生する2N台の固体レーザ装置
を含むとともに、nをN以下の自然数として、所定偏光
面に設定された第(2n−1)番目の固体レーザ装置と
所定偏光面と異なる偏光面に設定された第(2n)番目
の固体レーザ装置とが、第n番目の光源ユニットを構成
し、合成光学系が、各光源ユニットから出射する一対の
レーザビームをそれぞれ結合してN組のレーザビームを
出射するN個の偏光ビームスプリッタと、N個の偏光ビ
ームスプリッタを経たN組のレーザビームを拡大して空
間的に重ね合わせるテレスコープ光学系と、N組のレー
ザビームを重ね合わせたレーザビームを複数のレーザビ
ームに分割するとともに分割されたレーザビームを略同
一サイズの均一ビームとして対象面上に重畳して入射さ
せる均一化光学系とを備える。
Another laser processing apparatus according to the present invention is a light source device having a plurality of solid-state laser devices for generating a pulsed laser beam, and a plurality of laser beams from the light source device superimposed on a target surface. In a laser processing device including a combining optical system for making incident light, a light source device includes 2N solid-state laser devices that generate linearly polarized light, where N is a natural number, and n is a natural number equal to or less than N and is set to a predetermined polarization plane. The (2n-1) th solid-state laser device and the (2n) th solid-state laser device set to a polarization plane different from the predetermined polarization plane constitute the n-th light source unit, and the combining optical system. , N polarization beam splitters that combine a pair of laser beams emitted from each light source unit to emit N sets of laser beams, and N polarization beamsplitters.
The N sets of laser beams that have passed through the beam splitter
Telescope optics that overlap each other and N sets of lasers
And a homogenizing optical system for splitting a laser beam in which the the beams are overlapped into a plurality of laser beams and for superposing the split laser beams as a uniform beam of substantially the same size on a target surface.

【0011】上記レーザ加工装置では、複数の固体レー
ザ装置を用いるので、レーザ出力の安定性を比較的高い
ものとすることができ、省スペース化及びコスト低減を
図ることができる。また、発生した複数のレーザビーム
を空間的に重ね合わせるので、レーザ出力を見かけ上増
大させたパルスを生成することができる。さらに、重ね
合わせた複数のレーザビームを分割後に略同一サイズの
均一ビームとして重畳して対象面に入射させるので、対
象面に入射するレーザビームの光量分布の均一性を確保
することができ、より均一なレーザ加工が可能になる。
さらに、上記レーザ加工装置では、光源装置が、偏光面
の異なる一対の固体レーザ装置からなる光源ユニットを
複数備え、合成光学系が、各光源ユニットから出射する
一対のレーザビームをそれぞれ結合してN組のレーザビ
ームを出射するN個の偏光ビームスプリッタと、N個の
偏光ビームスプリッタを経たN組のレーザビームを拡大
して空間的に重ね合わせるテレスコープ光学系と、N組
のレーザビームを重ね合わせたレーザビームを複数のレ
ーザビームに分割するとともに分割されたレーザビーム
を略同一サイズの均一ビームとして対象面上に重畳して
入射させる均一化光学系とを備えるので、対象面に入射
するレーザビームの偏光面の偏よりを低減しつつ光量分
布の均一性を確保することができ、さらに均一なレーザ
加工が可能になる。尚、このテレスコープ光学系の存在
によって、均一光学系を比較的小型に保ちつつレーザビ
ームの十分な均一化を達成することができる。
Since a plurality of solid-state laser devices are used in the above laser processing apparatus, the stability of laser output can be made relatively high, and space saving and cost reduction can be achieved. Further, since the generated laser beams are spatially overlapped with each other, it is possible to generate pulses in which the laser output is apparently increased. Further, since a plurality of laser beams that have been overlapped are divided and superposed as a uniform beam of substantially the same size to be incident on the target surface, it is possible to secure the uniformity of the light amount distribution of the laser beam incident on the target surface. Uniform laser processing becomes possible.
Further, in the above laser processing apparatus, the light source device includes a plurality of light source units each including a pair of solid-state laser devices having different polarization planes, and the combining optical system couples a pair of laser beams emitted from the respective light source units, respectively, to generate N laser beams. and N of the polarization beam splitter for emitting a set of laser beams, the N
Enlarge N sets of laser beams that have passed through the polarization beam splitter
And a spatially superimposing telescopic optical system, and a laser beam obtained by superimposing N sets of laser beams is divided into a plurality of laser beams, and the divided laser beams are formed on the target surface as a uniform beam of substantially the same size. Since it is equipped with a homogenizing optical system that makes the laser beams incident on top of each other, it is possible to secure the uniformity of the light amount distribution while reducing the deviation of the polarization plane of the laser beam incident on the target surface, and it is possible to perform more uniform laser processing. become. The existence of this telescope optical system
Keeps the uniform optical system relatively small while
Sufficient homogenization of the membrane can be achieved.

【0012】上記装置の好ましい態様では、光源装置に
含まれる固体レーザ装置が、奇数台であり、光源ユニッ
トを構成しない固体レーザ装置が、円偏光のレーザビー
ムを合成光学系に入射させることを特徴とする。
In a preferred aspect of the above apparatus, the number of solid-state laser devices included in the light source device is an odd number, and the solid-state laser device that does not form a light source unit causes a circularly polarized laser beam to enter the combining optical system. And

【0013】上記レーザ加工装置では、光源ユニットを
構成しない固体レーザ装置が円偏光のレーザビームを合
成光学系に入射させるので、対象面に入射するレーザビ
ームの偏光特性の偏よりを低減することができる。
In the above laser processing apparatus, since the solid-state laser apparatus that does not form the light source unit causes the circularly polarized laser beam to enter the combining optical system, it is possible to reduce the deviation of the polarization characteristics of the laser beam entering the target surface. it can.

【0014】上記装置の好ましい態様では、光源ユニッ
トを構成しない固体レーザ装置が、直線偏光を円偏光に
変更する1/4波長板を備えることを特徴とする。この
場合、簡易に円偏光を得ることができる。
In a preferred aspect of the above-mentioned device, the solid-state laser device which does not constitute the light source unit is equipped with a quarter-wave plate which changes linearly polarized light into circularly polarized light. In this case, circularly polarized light can be easily obtained.

【0015】上記装置の好ましい態様では、第(2n)
番目の固体レーザ装置が、レーザビームの偏光面を変更
する1/2波長板を備えることを特徴とする。この場
合、レーザビームの偏光面を簡易に直交方向に変更する
ことができる。
In a preferred embodiment of the above apparatus, the second (2n)
The th solid-state laser device is equipped with a half-wave plate that changes the plane of polarization of the laser beam. In this case, the plane of polarization of the laser beam can be easily changed to the orthogonal direction.

【0016】上記装置の好ましい態様では、タイミング
調整装置が、複数のレーザビームを時系列的につないで
所定の時間的波形を有するパルスを形成することを特徴
とする。この場合、パルス波形を経時的に減衰するもの
とすることができ、冷却時間の制御が必要となるレーザ
アニーリング装置への応用に好適である。
In a preferred aspect of the above device, the timing adjusting device is characterized in that a plurality of laser beams are connected in time series to form a pulse having a predetermined temporal waveform. In this case, the pulse waveform can be attenuated with time, which is suitable for application to a laser annealing device that requires control of the cooling time.

【0017】上記装置の好ましい態様では、固体レーザ
装置が、レーザビームの出射口に光路長を調整する光学
素子をそれぞれ備えることを特徴とする。この場合、対
象面上にスペックルパターンが発生して均一な加工の妨
げとなることを防止することができる。
In a preferred aspect of the above-mentioned device, the solid-state laser device is provided with an optical element for adjusting the optical path length at the exit of the laser beam. In this case, it is possible to prevent a speckle pattern from being generated on the target surface and hindering uniform processing.

【0018】本発明に係るレーザ加工方法は、複数の固
体レーザ装置を準備してこれら複数の固体レーザ装置か
らパルス状のレーザビームを所定の時間差でそれぞれ発
生させる工程と、複数の固体レーザ装置からの複数のレ
ーザビームを結合して束ねる工程と、結合して束ねられ
た複数のレーザビームを拡大して空間的に重ね合わせる
工程と、重ね合わせた複数のレーザビームを分割後に略
同一サイズの均一ビームとして重畳して対象面に入射さ
せる工程とを備えることを特徴とする。
The laser processing method according to the present invention comprises the steps of preparing a plurality of solid-state laser devices and generating pulsed laser beams from the plurality of solid-state laser devices with a predetermined time difference, respectively. The process of combining and bundling multiple laser beams of
A step of enlarging and spatially superimposing a plurality of laser beams, and a step of dividing the superposed laser beams into a uniform beam of substantially the same size after the division and making the laser beams incident on a target surface. To do.

【0019】上記レーザ加工方法では、複数の固体レー
ザ装置を用いるので、レーザ出力の安定性を比較的高い
ものとすることができ、省スペース化及びコスト低減を
図ることができる。また、複数の固体レーザ装置からパ
ルス状のレーザビームを所定の時間差でそれぞれ発生さ
せるとともに、発生した複数のレーザビームを空間的に
重ね合わせるので、レーザ出力を見かけ上増大させつつ
任意のパルス形状を生成することができる。さらに、重
ね合わせた複数のレーザビームを分割後に略同一サイズ
の均一ビームとして重畳して対象面に入射させるので、
対象面に入射するレーザビームの光量分布の均一性を確
保することができ、より均一なレーザ加工が可能にな
る。尚、束ねられた複数のレーザビームを拡大して空間
的に重ね合わせるので、均一化のための光学系を比較的
小型に保ちつつレーザビームの十分な均一化を達成する
ことができる。
In the above laser processing method, since a plurality of solid-state laser devices are used, the stability of laser output can be made relatively high, and space saving and cost reduction can be achieved. Further, since a plurality of solid-state laser devices generate pulsed laser beams with a predetermined time difference and spatially overlap the generated laser beams, the laser output can be increased in appearance to produce an arbitrary pulse shape. Can be generated. Furthermore, since a plurality of superposed laser beams are split and superposed as a uniform beam of approximately the same size to be incident on the target surface,
The uniformity of the light amount distribution of the laser beam incident on the target surface can be ensured, and more uniform laser processing becomes possible. It should be noted that the multiple laser beams bundled together are expanded to create a space.
The optical system for homogenization is relatively
Achieve sufficient homogenization of the laser beam while keeping it small
be able to.

【0020】[0020]

【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実施形態のレーザ加工装置の構造を説明する
図である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [First Embodiment] FIG. 1 is a diagram for explaining the structure of a laser processing apparatus according to a first embodiment of the present invention.

【0021】このレーザ加工装置は、紫外域のレーザビ
ームを発生する4つの固体レーザ装置21〜24を備え
る光源装置20と、各固体レーザ装置21〜24から出
射したレーザビームを適宜結合して2組のレーザビーム
L1、L2を発生する結合光学系30と、結合光学系30
を経た2組のレーザビームL1、L2を拡大して空間的に
重ね合わせるテレスコープ光学系40と、テレスコープ
光学系40で重ね合わされたレーザビームL1、L2を複
数のレーザビームに分解するとともに分割されたレーザ
ビームを同一サイズの均一ビームとして加工面IS上に
重畳して入射させる均一化光学系であるホモジナイザ5
0と、光源装置20を構成する各固体レーザ装置21〜
24の動作タイミングを調整するタイミング調整装置で
ある制御用コンピュータ60とを備える。なお、結合光
学系30、テレスコープ光学系40、及びホモジナイザ
50は、合成光学系を構成する。
In this laser processing apparatus, a light source device 20 having four solid-state laser devices 21 to 24 for generating a laser beam in the ultraviolet region and a laser beam emitted from each of the solid-state laser devices 21 to 24 are appropriately combined to obtain 2 Combined optical system 30 for generating a pair of laser beams L1 and L2, and combined optical system 30
Telescope optical system 40 that magnifies and spatially superimposes two sets of laser beams L1 and L2 that have passed through, and laser beams L1 and L2 superposed by telescope optical system 40 are decomposed into a plurality of laser beams and split. A homogenizer 5 which is a homogenizing optical system that superimposes the generated laser beam on the processing surface IS as a uniform beam having the same size.
0, and the solid-state laser devices 21 to 21 that configure the light source device 20.
A control computer 60, which is a timing adjustment device for adjusting the operation timing of 24, is provided. The coupling optical system 30, the telescope optical system 40, and the homogenizer 50 form a synthetic optical system.

【0022】光源装置20は、同一構造の偶数の第1〜
4固体レーザ装置21〜24を備える。第1及び第2固
体レーザ装置21、22は、第1番目の光源ユニットを
構成し、第3及び第4固体レーザ装置23、24は、第
2番目の光源ユニットを構成する。各固体レーザ装置2
1〜24は、その本体がYZ面内に偏光面を有する直線
偏光を発生するように配置されているが、偶数番目の第
2及び第4固体レーザ装置22、24については、ビー
ム出射口の近傍に偏光面を90度回転させる1/2波長
板28、29を設けている。結果的に、第1及び第3固
体レーザ装置21、23から結合光学系30に入射する
レーザビームL11、L21は、YZ面内に偏光面を有する
直線偏光となり、第2及び第4固体レーザ装置22、2
4から結合光学系30に入射するレーザビームL12、L
22は、XZ面内に偏光面を有する直線偏光となる。
The light source device 20 includes first to even first light sources having the same structure.
Four solid-state laser devices 21 to 24 are provided. The first and second solid-state laser devices 21 and 22 form a first light source unit, and the third and fourth solid-state laser devices 23 and 24 form a second light source unit. Each solid-state laser device 2
1 to 24 are arranged so that their main bodies generate linearly polarized light having a plane of polarization in the YZ plane, but for the even-numbered second and fourth solid-state laser devices 22 and 24, Half-wave plates 28 and 29 for rotating the plane of polarization by 90 degrees are provided in the vicinity. As a result, the laser beams L11 and L21 incident on the coupling optical system 30 from the first and third solid-state laser devices 21 and 23 become linearly polarized light having a polarization plane in the YZ plane, and the second and fourth solid-state laser devices. 22, 2
Laser beams L12, L incident on the coupling optical system 30 from 4
22 is linearly polarized light having a plane of polarization in the XZ plane.

【0023】各固体レーザ装置21〜24は、波長約
1.053μmの直線偏光であるレーザ光を発生するY
LF等の固体レーザ素子26と、この固体レーザ素子2
6から出射されたレーザ光を3倍の高調波に高効率で変
換する高調波発生器である波長変換素子27とを備え
る。
Each of the solid-state laser devices 21 to 24 emits Y which is a linearly polarized laser beam having a wavelength of about 1.053 μm.
A solid-state laser element 26 such as LF, and this solid-state laser element 2
The wavelength conversion element 27, which is a harmonic generator that converts the laser light emitted from the laser diode 6 into a tripled harmonic with high efficiency.

【0024】結合光学系30は、偏向用のターンミラー
31、32と、ビーム結合用の偏光ビームスプリッタ3
4とを備える。第1光源ユニットを構成する第1及び第
2固体レーザ装置21、22からのレーザビームL11、
L12は、ターンミラー31、32で偏向されて一方の偏
光ビームスプリッタ34の一対の入射面に入射し、ここ
で結合されてレーザビームL1となる。第2光源ユニッ
トを構成する第3及び第4固体レーザ装置23、24か
らのレーザビームL21、L22も、ターンミラー31、3
2で偏向されて他方の偏光ビームスプリッタ34の一対
の入射面に入射し、ここで結合されてレーザビームL2
となる。
The combining optical system 30 includes turn mirrors 31 and 32 for deflection and a polarization beam splitter 3 for beam combination.
4 and. Laser beams L11 from the first and second solid-state laser devices 21 and 22 which constitute the first light source unit,
L12 is deflected by the turn mirrors 31 and 32 and is incident on a pair of incident surfaces of one polarization beam splitter 34, and is combined here to become a laser beam L1. The laser beams L21 and L22 from the third and fourth solid-state laser devices 23 and 24 which form the second light source unit are also turned mirrors 31 and 3.
The light beam is deflected by 2 and is incident on a pair of incident surfaces of the other polarization beam splitter 34, where it is combined to form a laser beam L2.
Becomes

【0025】図2は、偏光ビームスプリッタ34の働き
を説明する図である。第1固体レーザ装置21からのレ
ーザビームL11は、P偏光として第1偏光ビームスプリ
ッタ34に入射して偏光分離面43aで反射され、第2
固体レーザ装置22からのレーザビームL12は、S偏光
として第1偏光ビームスプリッタ34に入射して偏光分
離面43aを通過する。これにより、両レーザビームL
11、L12が結合されて偏光方向に偏りのないランダム偏
光(自然偏光)状態のレーザビームL1となる。
FIG. 2 is a diagram for explaining the function of the polarization beam splitter 34. The laser beam L11 from the first solid-state laser device 21 enters the first polarization beam splitter 34 as P-polarized light, is reflected by the polarization splitting surface 43a, and
The laser beam L12 from the solid-state laser device 22 enters the first polarization beam splitter 34 as S-polarized light and passes through the polarization splitting surface 43a. As a result, both laser beams L
11 and L12 are combined to form a laser beam L1 in a randomly polarized (naturally polarized) state in which the polarization direction is not biased.

【0026】また、第3固体レーザ装置23からのレー
ザビームL21は、P偏光として第2偏光ビームスプリッ
タ34に入射して偏光分離面43aで反射され、第4固
体レーザ装置24からのレーザビームL22は、S偏光と
して第2偏光ビームスプリッタ34に入射して偏光分離
面43aを通過する。これにより、両レーザビームL2
1、L22が結合されて偏光方向に偏りのないランダム偏
光のレーザビームL2となる。
The laser beam L21 from the third solid-state laser device 23 enters the second polarization beam splitter 34 as P-polarized light, is reflected by the polarization splitting surface 43a, and is laser beam L22 from the fourth solid-state laser device 24. Enters the second polarization beam splitter 34 as S-polarized light and passes through the polarization splitting surface 43a. As a result, both laser beams L2
1, L22 are combined to form a randomly polarized laser beam L2 having no polarization direction deviation.

【0027】図1に戻って、テレスコープ光学系40
は、凹レンズ41と凸レンズ42とを備える。結合光学
系30を出射した2組のレーザビームL1、L2は、近接
して並進し、凹レンズ41を経て発散された後、凸レン
ズ42を平行光束にされる。この結果、各レーザビーム
L1、L2のビーム径が増大し、両レーザビームL1、L2
は、ほぼ全体に亘って空間的に重複して束ねられた状態
となる。両レーザビームL1、L2の拡大率は、ホモジナ
イザ50の開口サイズに合わせて適宜調整されている。
なお以上の説明では、テレスコープ光学系40を凹凸レ
ンズからなるガリレオタイプとしたが、テレスコープ光
学系40は、一対の凸レンズからなるケプラータイプと
することもでき、これによっても上記と同様に、各レー
ザビームL1、L2のビーム径を増大させつつこれらを空
間的に略重複させることができる。
Returning to FIG. 1, the telescope optical system 40
Includes a concave lens 41 and a convex lens 42. The two sets of laser beams L1 and L2 emitted from the coupling optical system 30 are translated close to each other, diverged via the concave lens 41, and then made into a parallel light flux by the convex lens 42. As a result, the beam diameters of the laser beams L1 and L2 are increased, and both laser beams L1 and L2 are
Are in a state of being bundled so as to be spatially overlapped almost all over. The expansion rates of both laser beams L1 and L2 are appropriately adjusted according to the opening size of the homogenizer 50.
In the above description, the telescope optical system 40 is the Galileo type consisting of the concave and convex lenses, but the telescope optical system 40 can also be the Kepler type consisting of a pair of convex lenses, and by this, similarly to the above, The laser beams L1 and L2 can be spatially overlapped while increasing the beam diameters thereof.

【0028】ホモジナイザ50は、シリンドリカルレン
ズアレイCA1〜CA4によりレーザビームL1、L2を一
旦2次元的に分解して多数の2次光源を形成するととも
に、これらの2次光源を加工面IS上に重畳して入射さ
せ、レーザ照射の均一化を図る働きを有する。
The homogenizer 50 temporarily decomposes the laser beams L1 and L2 two-dimensionally by the cylindrical lens arrays CA1 to CA4 to form a large number of secondary light sources, and superimposes these secondary light sources on the processed surface IS. Then, it has a function of making the laser irradiation uniform.

【0029】図3は、ホモジナイザ50の構造をより詳
細に説明する図である。図からも明らかなように、ホモ
ジナイザ20は、第1〜第4シリンドリカルレンズアレ
イCA1〜CA4と、凸レンズのコンデンサレンズ52と
からなる。ここで、第1及び第3シリンドリカルレンズ
アレイCA1、CA3は、YZ断面に曲率を有し、第2及
び第4シリンドリカルレンズアレイCA2、CA4は、X
Z断面に曲率を有する。なおこの場合、ホモジナイザ2
0を4つのシリンドリカルレンズアレイで構成して被照
射面ISに投影されるビームサイズを各軸(X,Y)に
関して調整できるようにしているが、ビームサイズを可
変にする必要がなければ、ホモジナイザ20は、XZ断
面及びYZ断面にそれぞれ曲率を持つシリンドリカルレ
ンズアレイを一個ずつ用いた、計2枚のレンズアレイ構
成とすることもできる。
FIG. 3 is a diagram for explaining the structure of the homogenizer 50 in more detail. As is clear from the figure, the homogenizer 20 includes first to fourth cylindrical lens arrays CA1 to CA4 and a convex condenser lens 52. Here, the first and third cylindrical lens arrays CA1 and CA3 have a curvature in the YZ section, and the second and fourth cylindrical lens arrays CA2 and CA4 are X.
It has a curvature in the Z section. In this case, homogenizer 2
0 is composed of four cylindrical lens arrays so that the beam size projected on the illuminated surface IS can be adjusted with respect to each axis (X, Y). However, if the beam size does not need to be variable, the homogenizer can be used. The lens 20 may have a total of two lens array configurations using one cylindrical lens array each having a curvature in the XZ section and the YZ section.

【0030】ホモジナイザ50に入射したレーザビーム
L1、L2は、第1及び第3シリンドリカルレンズアレイ
CA1、CA3によって、Y方向に関し、アレイを構成す
るセグメント数に対応して6分割される。また、レーザ
ビームL1、L2は、第2及び第4シリンドリカルレンズ
アレイCA2、CA4によって、X方向に関しても、アレ
イを構成するセグメント数に対応して6分割される。こ
の結果、6×6に分割された2次光源が形成される。分
割された2次光源からの光ビームは、コンデンサレンズ
21に入射する。コンデンサレンズ21に入射した各2
次光源からの光ビームは、コンデンサレンズ21のバッ
クフォーカス位置に配置された被照射面ISで重ね合わ
されて矩形領域を均一に照射する。なお以上の説明で
は、シリンドリカルレンズアレイCA1〜CA4を用いて
各軸(X,Y)に関してレーザビームを6分割している
が、分割数は任意である。分割数が多くなれば、通常形
成される均一ビームの均一度は向上するが、光量ロスが
逆に大きくなる。
The laser beams L1 and L2 incident on the homogenizer 50 are divided into six in the Y direction by the first and third cylindrical lens arrays CA1 and CA3 corresponding to the number of segments forming the array. Further, the laser beams L1 and L2 are also divided by the second and fourth cylindrical lens arrays CA2 and CA4 into six in the X direction corresponding to the number of segments forming the array. As a result, a 6 × 6 divided secondary light source is formed. The split light beam from the secondary light source enters the condenser lens 21. Each 2 incident on condenser lens 21
The light beam from the next light source is superposed on the illuminated surface IS arranged at the back focus position of the condenser lens 21 and uniformly illuminates the rectangular area. In the above description, the laser beam is divided into 6 with respect to each axis (X, Y) using the cylindrical lens arrays CA1 to CA4, but the number of divisions is arbitrary. If the number of divisions is large, the uniformity of a uniform beam that is usually formed is improved, but the light amount loss is increased.

【0031】なお、レーザビームL1、L2はY方向に位
置ずれを有しており、完全に重なり合っておらず、一部
がはみ出した状態となっている。しかし、ホモジナイザ
50からビームが溢れなければ、光量ロスは生じない。
この際、レーザビームL1、L2のY方向の位置ずれは、
第1シリンドリカルレンズアレイCA1の1セグメント
分の間隔とすることが望ましい。これにより、各セグメ
ント、特に上下両端のセグメントに入射するレーザビー
ムの空間的強度分布を均一にすることができる。
The laser beams L1 and L2 are displaced in the Y direction, do not completely overlap with each other, and are partly protruding. However, if the beam does not overflow from the homogenizer 50, no light amount loss occurs.
At this time, the positional deviation of the laser beams L1 and L2 in the Y direction is
It is desirable to set the interval for one segment of the first cylindrical lens array CA1. This makes it possible to make the spatial intensity distribution of the laser beam incident on each segment, especially on the upper and lower ends, uniform.

【0032】図1に戻って、制御用コンピュータ60
は、光源装置20を構成する各固体レーザ装置21〜2
4にトリガ信号を出力することにより、これら固体レー
ザ装置21〜24の発振タイミングを調整する。これに
より、各固体レーザ装置21〜24からのレーザビーム
L11〜L22の出射タイミングが調整され、全体として1
つのパルス形状を形成することができる。
Returning to FIG. 1, the control computer 60.
Are the solid-state laser devices 21 to 2 that constitute the light source device 20.
By outputting a trigger signal to No. 4, the oscillation timing of these solid-state laser devices 21 to 24 is adjusted. As a result, the emission timings of the laser beams L11 to L22 from the solid-state laser devices 21 to 24 are adjusted, and the total of 1
Two pulse shapes can be formed.

【0033】図4は、レーザビームL11〜L22を適当な
時間差でつなげて1つのパルスを形成する方法を説明す
る図である。最初に、第1固体レーザ装置21からレー
ザビームL11が出射する。次に、遅延時間t1で、第2
固体レーザ装置22からレーザビームL12が出射する。
次に、遅延時間t2で、第3固体レーザ装置23からレ
ーザビームL21が出射する。次に、遅延時間t3で、第
4固体レーザ装置24からレーザビームL22が出射す
る。各レーザビームL11〜L22の強度や遅延時間t1〜
t3を適宜調節することにより、等価的に任意の波形を
有するパルスPLを形成することができる。このような
長いパルスPLによる加工は、冷却時間を制御する必要
があるレーザアニ−リング装置で特に有効な照射方法で
ある。
FIG. 4 is a diagram for explaining a method of connecting the laser beams L11 to L22 with an appropriate time difference to form one pulse. First, the laser beam L11 is emitted from the first solid-state laser device 21. Next, at the delay time t1, the second
A laser beam L12 is emitted from the solid-state laser device 22.
Next, at the delay time t2, the laser beam L21 is emitted from the third solid-state laser device 23. Next, at the delay time t3, the laser beam L22 is emitted from the fourth solid-state laser device 24. The intensity of each laser beam L11 to L22 and the delay time t1 to
By appropriately adjusting t3, it is possible to equivalently form a pulse PL having an arbitrary waveform. The processing with such a long pulse PL is a particularly effective irradiation method in a laser annealing apparatus that needs to control the cooling time.

【0034】各レーザビームL11〜L22の強度は、各固
体レーザ装置21〜24の出力をフィルタを用いて減衰
させること等によって適宜調節可能である。遅延時間t
1〜t3は、制御用コンピュータ60から各固体レーザ装
置21〜24に供給するトリガ信号のタイミングによっ
て調整することができる。
The intensity of each of the laser beams L11 to L22 can be appropriately adjusted by attenuating the output of each of the solid-state laser devices 21 to 24 using a filter or the like. Delay time t
1 to t3 can be adjusted by the timing of the trigger signal supplied from the control computer 60 to each solid-state laser device 21 to 24.

【0035】以下、図1に示す第1実施形態のレーザ加
工装置の動作について説明する。まず、制御用コンピュ
ータ60から各固体レーザ装置21〜24に適当なタイ
ミングでトリガ信号を出力して、各固体レーザ装置21
〜24から適当な時間差及び偏光面でレーザビームL11
〜L22を出射させる。各レーザビームL11〜L22は、結
合光学系30で結合され、僅かに離れて並進する2組の
レーザビームL1、L2となる。両レーザビームL1、L2
は、テレスコープ光学系40を経て平行光束のままビー
ム径が拡大されて空間的に重ね合わされる。テレスコー
プ光学系40を経たレーザビームL1、L2は、ホモジナ
イザ50によって6×6の2次光源に分解され、加工面
IS上に重畳して入射する。
The operation of the laser processing apparatus of the first embodiment shown in FIG. 1 will be described below. First, a trigger signal is output from the control computer 60 to each of the solid-state laser devices 21 to 24 at an appropriate timing, and each solid-state laser device 21 is output.
Laser beam L11 with appropriate time difference and polarization plane from ~ 24
~ L22 is emitted. The laser beams L11 to L22 are combined by the combining optical system 30 to form two sets of laser beams L1 and L2 which are slightly separated and are translated. Both laser beams L1 and L2
The beam diameter of the beam is expanded as it is through the telescope optical system 40 as it is and the beams are spatially overlapped. The laser beams L1 and L2 that have passed through the telescope optical system 40 are decomposed into a 6 × 6 secondary light source by the homogenizer 50, and are superimposed and incident on the processed surface IS.

【0036】この際、光源装置20として固体レーザ装
置21〜24を用いているので、エキシマレーザ等の気
体レーザを用いた場合に比較して、レーザ出力の安定性
が高まる(通常±1%程度以下)。よって、レーザビー
ムの強度及びパルス波形を安定したものとできる。ま
た、固体レーザ装置21〜24は、気体レーザ等に比較
して小型かつ安価であるので、レーザ加工装置の省スペ
ース化及びコスト低減を図ることができ、メンテナンス
も簡単かつ安価である。また、4つの固体レーザ装置2
1〜24からレーザビームL11〜L22を所定の時間差で
それぞれ発生させるとともに、発生した複数のレーザビ
ームL11〜L22を空間的に重ね合わせるので、レーザ出
力を見かけ上増大させつつ任意のパルス形状を生成する
ことができる。これにより、加工面ISおける照射面積
をある程度大きくすることができるとともに、プロセス
の自由度を高めることができる。また、ホモジナイザ5
0を用いて加工面ISに入射するレーザビームの光量分
布を均一なものとしているので、対象領域の均一なレー
ザ加工が可能になる。
At this time, since the solid-state laser devices 21 to 24 are used as the light source device 20, the stability of the laser output is improved (usually about ± 1% as compared with the case where a gas laser such as an excimer laser is used. Less than). Therefore, the intensity and pulse waveform of the laser beam can be made stable. Further, since the solid-state laser devices 21 to 24 are smaller and cheaper than gas lasers and the like, space saving and cost reduction of the laser processing device can be achieved, and maintenance is simple and inexpensive. In addition, four solid-state laser devices 2
Laser beams L11 to L22 from 1 to 24 are generated with a predetermined time difference, respectively, and a plurality of generated laser beams L11 to L22 are spatially superposed, so that an arbitrary pulse shape is generated while apparently increasing the laser output. can do. Thereby, the irradiation area on the processed surface IS can be increased to some extent, and the degree of freedom of the process can be increased. Also, the homogenizer 5
Since 0 is used to make the light quantity distribution of the laser beam incident on the processing surface IS uniform, it is possible to perform uniform laser processing of the target region.

【0037】以上説明した第1実施形態では、光源装置
20を構成する固体レーザ装置21〜24を4台とした
が、Nを任意の自然数として2N台(つまり任意の偶数
台)の固体レーザ装置によって光源装置を構成すること
ができる。この場合、nをN以下の自然数として、第
(2n−1)番目の固体レーザ装置からのレーザビーム
を例えばP偏光とし、第(2n)番目の固体レーザ装置
からのレーザビームをS偏光とする。結合光学系30で
は、これを構成するN個の偏光ビームスプリッタのうち
n番目のものを用いて第(2n−1)番目と第(2n)
番目の固体レーザ装置からの一対のレーザビームを結合
してランダム偏光とし、かかるランダム偏光のレーザビ
ームをN組得る。テレスコープ光学系40では、N組の
レーザビームをそれぞれ拡大して束ね、ホモジナイザ5
0では、束ねられたレーザビームを多数の2次光源に分
解して加工面IS上に重畳して均一に入射させる。
In the first embodiment described above, the number of the solid-state laser devices 21 to 24 constituting the light source device 20 is four, but 2N (that is, any even-numbered) solid-state laser devices where N is an arbitrary natural number. The light source device can be configured by. In this case, n is a natural number equal to or less than N, the laser beam from the (2n-1) th solid-state laser device is P-polarized, and the laser beam from the (2n) th solid-state laser device is S-polarized. . In the coupling optical system 30, the (2n-1) th and the (2n) th are used by using the n-th one of the N polarization beam splitters constituting the coupling optical system 30.
The pair of laser beams from the th solid-state laser device are combined into random polarized light, and N sets of such randomly polarized laser beams can be obtained. In the telescope optical system 40, the N sets of laser beams are expanded and bundled, and the homogenizer 5
At 0, the bundled laser beams are decomposed into a large number of secondary light sources, and the laser beams are superposed on the processing surface IS and uniformly incident.

【0038】このように多数の固体レーザ装置を用いて
光源装置を構成し、各固体レーザ装置の発振タイミング
等を調節するならば、等価的に生成できるパルスは、さ
らに長くなり、種々の波形を有するものとできる。 〔第2実施形態〕図5は、本発明に係る第2実施形態の
レーザ加工装置の構造を説明する図である。
If the light source device is constructed by using a large number of solid-state laser devices and the oscillation timing of each solid-state laser device is adjusted, the pulse that can be equivalently generated becomes longer and various waveforms are generated. Can have. [Second Embodiment] FIG. 5 is a view for explaining the structure of a laser processing apparatus according to the second embodiment of the present invention.

【0039】第2実施形態のレーザ加工装置は、第1実
施形態の光源装置20を変形して3つの固体レーザ装置
21、22、123からなる光源装置120としたもの
であり、第1実施形態と共通する部分には同一の符号を
付して重複説明を省略する。
The laser processing apparatus of the second embodiment is a modification of the light source apparatus 20 of the first embodiment to obtain a light source apparatus 120 composed of three solid-state laser apparatuses 21, 22, 123. The same parts as those in FIG.

【0040】この場合、光源装置120は、第1及び第
2固体レーザ装置21、22のほか、適当な偏光面の直
線偏光を発生する第3固体レーザ装置123を備える。
第3固体レーザ装置123は、ビーム出射口の近傍に1
/4波長板129を設けている。これにより、結合光学
系130に入射するレーザビームL20は直線偏光から円
偏光に変換される。結合光学系130に入射したレーザ
ビームL20は、ターンミラー31、32を経て光路を変
更され、偏光ビームスプリッタ34で結合されたレーザ
ビームL1と近接して平行に進行することとなる。
In this case, the light source device 120 includes, in addition to the first and second solid-state laser devices 21 and 22, a third solid-state laser device 123 for generating linearly polarized light having an appropriate polarization plane.
The third solid-state laser device 123 has a 1
A quarter wave plate 129 is provided. As a result, the laser beam L20 entering the coupling optical system 130 is converted from linearly polarized light to circularly polarized light. The laser beam L20 incident on the coupling optical system 130 has its optical path changed through the turn mirrors 31 and 32, and travels in parallel to the laser beam L1 coupled by the polarization beam splitter 34.

【0041】以上説明した第2実施形態では、ランダム
偏光を発生するための光源ユニット21、22を構成し
ない半端な第3固体レーザ装置123からのレーザビー
ムL20を円偏光に変換している。これは、加工面ISに
入射する偏光方向によって吸収率、反射率等に差が出る
ため、プロセス上の問題が発生する可能性があることを
考慮したものである。したがって、プロセス上直線偏光
でも問題がなければ、1/4波長板129を省略しても
よい。
In the second embodiment described above, the laser beam L20 from the semi-solid third solid-state laser device 123 which does not form the light source units 21 and 22 for generating random polarization is converted into circular polarization. This is because there is a possibility that a process problem may occur because the absorptance, the reflectivity, and the like differ depending on the polarization direction incident on the processed surface IS. Therefore, if there is no problem even with linearly polarized light in the process, the quarter wavelength plate 129 may be omitted.

【0042】また、上記第2実施形態では、光源装置1
20を構成する固体レーザ装置を3台としたが、Nを任
意の自然数として2N+1台(つまり任意の奇数台)の
固体レーザ装置によって光源装置を構成することができ
る。この場合、2N台までは、光源装置120及び結合
光学系130を第1実施形態の光源装置及び結合光学系
と同様に配置・構成し、残りの1台の固体レーザ装置か
らの直線偏光は、1/4波長板129によって円偏光と
して、結合光学系130に入射させる。 〔第3実施形態〕図6は、第3実施形態のレーザ加工装
置の構造を説明する図である。第3実施形態の装置は、
第1実施形態のレーザ加工装置を組み込んだシステムで
ある。
In the second embodiment, the light source device 1
Although the number of solid-state laser devices constituting 20 is three, the light source device can be configured by 2N + 1 (that is, any odd number) solid-state laser devices, where N is an arbitrary natural number. In this case, up to 2N units, the light source device 120 and the coupling optical system 130 are arranged and configured similarly to the light source device and the coupling optical system of the first embodiment, and the linearly polarized light from the remaining one solid-state laser device is Circularly polarized light is made incident on the coupling optical system 130 by the quarter-wave plate 129. [Third Embodiment] FIG. 6 is a view for explaining the structure of a laser processing apparatus according to the third embodiment. The device of the third embodiment is
It is a system incorporating the laser processing apparatus of the first embodiment.

【0043】図示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10と、ワークW上の半導体薄膜を加熱するた
め紫外域のレーザビームを発生する複数の固体レーザ装
置21〜24を内蔵する光源装置20と、各固体レーザ
装置21〜24からの複数のレーザビームを結合して束
ねる結合光学系30と、結合光学系30を経たレーザビ
ームを拡大して空間的に重ね合わせるテレスコープ光学
系40と、重ね合わされたレーザビームを複数のレーザ
ビームに分解するとともに同一サイズの均一ビームとし
て加工面IS上に重畳して入射させるホモジナイザ50
と、ワークWを載置したステージ10の位置を検出する
位置センサ70と、位置センサ70の検出結果に基づい
てステージ10をホモジナイザ50等に対して必要量だ
け適宜移動させる駆動手段であるステージ駆動装置80
と、レーザアニール装置全体の各部の動作を統括的に制
御するコンピュータ主制御装置160とを備える。
The illustrated laser annealing apparatus has a stage 10 on which a work W, which is a glass plate having a semiconductor thin film of amorphous Si or the like formed on its surface, is placed, and which can be smoothly moved three-dimensionally, and the work W. Light source device 20 having a plurality of solid-state laser devices 21 to 24 for generating a laser beam in the ultraviolet region for heating the semiconductor thin film, and a plurality of laser beams from each solid-state laser device 21 to 24 The optical system 30, the telescope optical system 40 that expands the laser beams that have passed through the coupling optical system 30 and spatially superimposes them, and decomposes the superimposed laser beams into a plurality of laser beams and processes them into a uniform beam of the same size. Homogenizer 50 for superimposing and entering the surface IS
And a position sensor 70 that detects the position of the stage 10 on which the work W is placed, and a stage drive that is a drive unit that appropriately moves the stage 10 with respect to the homogenizer 50 and the like based on the detection result of the position sensor 70. Device 80
And a computer main controller 160 for integrally controlling the operation of each part of the entire laser annealing apparatus.

【0044】以下、図6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10上にワー
クWを搬送して載置する。次に、ホモジナイザ50等の
照射光学系に対してステージ10をX軸方向に移動させ
ながら、照射光学系からのレーザビームLBをワーク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の主走査が行われる。さらに、主走査の終了ご
とにステージ10をY軸方向にステップ移動させる副走
査を行なえば、ワークW全面のレーザアニ−ルが可能に
なる。なお、ホモジナイザ50等によって矩形ではなく
線状のレーザビームLBを形成すれば、ステージ10を
X軸方向に移動させるだけで、ワークW全面のレーザア
ニ−ルが可能になる。
The operation of the apparatus shown in FIG. 6 will be described below. First, the work W is transported and placed on the stage 10 of the laser annealing apparatus. Next, while moving the stage 10 in the X-axis direction with respect to the irradiation optical system such as the homogenizer 50, the laser beam LB from the irradiation optical system is applied to the work W.
Make it incident on top. Thereby, the main scanning of the work W by the laser beam LB is performed. Further, by performing sub-scanning in which the stage 10 is stepwise moved in the Y-axis direction each time main scanning is completed, laser annealing of the entire surface of the work W becomes possible. If the homogenizer 50 or the like forms a linear laser beam LB instead of a rectangle, the laser annealing of the entire surface of the work W becomes possible only by moving the stage 10 in the X-axis direction.

【0045】レーザビームLBの走査に際しては、各固
体レーザ装置21〜24の動作タイミングを調節するこ
とにより、経時的に所望の分布を有するパルス波形を形
成する。これにより、冷却時間の制御が可能になり、多
様なニーズに応えることができる。なお、連続する一対
のレーザビームLBの照射領域は、ステージ10の駆動
を適宜制御することによって適当量重複したものとする
こともできるが、隙間無くつなぎ合わせたものとするこ
ともできる。
When the laser beam LB is scanned, the pulse waveform having a desired distribution with time is formed by adjusting the operation timing of each solid-state laser device 21-24. As a result, the cooling time can be controlled and various needs can be met. The irradiation areas of the pair of continuous laser beams LB may be overlapped by an appropriate amount by appropriately controlling the driving of the stage 10, or may be connected without a gap.

【0046】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では、1/2波長板28、29
を用いて偏光面を回転させているが、第2及び第4固体
レーザ装置22、24自体をを光軸の回りに90度回転
させれば、1/2波長板28、29は不要となる。つま
り、何らかの方法で、レーザビームL11、L21の偏光面
と、レーザビームL12、L22の偏光面とを直交した状態
として結合光学系30に入射させればよい。
Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments. For example, in the above embodiment, the half-wave plates 28 and 29 are used.
Although the plane of polarization is rotated by using, the half-wave plates 28 and 29 are unnecessary if the second and fourth solid-state laser devices 22 and 24 themselves are rotated 90 degrees around the optical axis. . That is, the polarization planes of the laser beams L11 and L21 and the polarization planes of the laser beams L12 and L22 may be made to enter the coupling optical system 30 in a state of being orthogonal to each other by some method.

【0047】また、上記実施形態では、波長変換素子2
7とを用いて紫外光を発生しているが、それ自体で紫外
光を発生する固体レーザ素子26を用いるならば、波長
変換素子27を用いることによるエネルギー密度のロス
を低減することができる。
In the above embodiment, the wavelength conversion element 2
7 is used to generate ultraviolet light, but if the solid-state laser element 26 that itself generates ultraviolet light is used, the loss of energy density due to the use of the wavelength conversion element 27 can be reduced.

【0048】また、加工面IS上にレーザビームによっ
てスペックルパターンが形成されるような場合は、図7
に示すように、各固体レーザ装置21〜24の出射口に
光路長すなわち位相を調節する素子21a〜24aを設
けることができる。図示していないが、第2実施形態の
場合も各固体レーザ装置21、22、123の出射口に
光路長調節用の素子を配置することができる。各素子2
1a〜24aは、単なる石英ガラス板とすることがで
き、固体レーザ装置21〜24相互の位相を調整するこ
とにより、スペックルパターンを目立たなくすることが
できる。
In the case where a speckle pattern is formed by a laser beam on the processed surface IS, FIG.
As shown in FIG. 5, the solid-state laser devices 21 to 24 can be provided with the elements 21a to 24a for adjusting the optical path lengths, that is, the phases, at the emission ports thereof. Although not shown, also in the case of the second embodiment, an element for adjusting the optical path length can be arranged at the emission port of each solid-state laser device 21, 22, 123. Each element 2
1a to 24a can be simple quartz glass plates, and the speckle pattern can be made inconspicuous by adjusting the mutual phase of the solid-state laser devices 21 to 24.

【0049】また、上記実施形態のレーザ加工装置は、
液晶や半導体のレーザアニ−リング装置としてのみ使用
されるものではなく、多様な材料の表面改質その他の様
々な加工に応用可能である。
Further, the laser processing apparatus of the above embodiment is
It is not only used as a laser annealing device for liquid crystals and semiconductors, but can be applied to various processing such as surface modification of various materials.

【0050】[0050]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のレーザ加工装置によれば、レーザ出力の安定性を比較
的高いものとすることができ、省スペース化及びコスト
低減を図ることができる。さらに、レーザ出力を見かけ
上増大させつつ任意のパルス形状を生成することができ
る。さらに、ホモジナイザによってより均一なレーザ加
工が可能になる。またここで、レーザビームの拡大及び
重ね合わせによって、ホモジナイザを比較的小型に保ち
つつレーザビームの十分な均一化を達成することができ
る。
As is apparent from the above description, according to the laser processing apparatus of the present invention, the stability of laser output can be made relatively high, and space saving and cost reduction can be achieved. it can. Further, it is possible to generate an arbitrary pulse shape while apparently increasing the laser output. In addition, a homogenizer provides more uniform laser
It becomes possible to work. Also here, the expansion of the laser beam and
The superposition keeps the homogenizer relatively small
While achieving sufficient homogenization of the laser beam
It

【0051】また、本発明の別のレーザ加工装置によれ
ば、レーザ出力の安定性を比較的高いものとすることが
でき、省スペース化及びコスト低減を図ることができ
る。さらに、レーザ出力を見かけ上増大させたパルスを
生成することができ、しかも、より均一なレーザ加工が
可能になる。またここで、レーザ加工装置内のテレスコ
ープ光学系によって、均一化光学系を比較的小型に保ち
つつレーザビームの十分な均一化を達成することができ
る。
Further, according to another laser processing apparatus of the present invention, the stability of laser output can be made relatively high, and space saving and cost reduction can be achieved. Further, it is possible to generate a pulse having an apparently increased laser output, and more uniform laser processing becomes possible. Also, here, there is a telescopic
Loop optics keep the homogenization optics relatively small
While achieving sufficient homogenization of the laser beam
It

【0052】また、本発明のレーザ加工方法によって
も、レーザ出力の安定性を比較的高いものとすることが
でき、省スペース化及びコスト低減を図ることができ
る。また、レーザ出力を見かけ上増大させつつ任意のパ
ルス形状を生成することができる。さらに、対象面に入
射するレーザビームの光量分布の均一性を確保すること
ができ、より均一なレーザ加工が可能になる。またここ
で、レーザビームの拡大及び重ね合わせによって、均一
化光学系を比較的小型に保ちつつレーザビームの十分な
均一化を達成することができる。
Further, according to the laser processing method of the present invention, the stability of laser output can be made relatively high, and space saving and cost reduction can be achieved. Further, it is possible to generate an arbitrary pulse shape while apparently increasing the laser output. Further, it is possible to secure the uniformity of the light amount distribution of the laser beam incident on the target surface, and it becomes possible to perform more uniform laser processing. Again here
Uniform by expanding and superimposing the laser beam
Of the laser beam while keeping the optical system relatively small.
Uniformity can be achieved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】第1実施形態のレーザ加工装置の構造を説明す
る図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating a structure of a laser processing apparatus according to a first embodiment.

【図2】結合光学系を構成する偏光ビームスプリッタの
働きを説明する図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a function of a polarization beam splitter that constitutes a coupling optical system.

【図3】ホモジナイザの構造を説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a structure of a homogenizer.

【図4】加工面上に投影されるレーザビームの合成パル
ス波形を説明する図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating a composite pulse waveform of a laser beam projected on a processed surface.

【図5】第2実施形態のレーザ加工装置の構造を説明す
る図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating a structure of a laser processing device according to a second embodiment.

【図6】第3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。
FIG. 6 is a diagram illustrating a structure of a laser annealing apparatus according to a third embodiment.

【図7】第1実施形態のレーザ加工装置の変形を説明す
る図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating a modification of the laser processing apparatus according to the first embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 ステージ 20 ホモジナイザ 20 光源装置 21〜24 固体レーザ装置 26 固体レーザ素子 27 波長変換素子 28,29 1/2波長板 30 結合光学系 34 偏光ビームスプリッタ 40 テレスコープ光学系 50 ホモジナイザ 60 制御用コンピュータ 10 stages 20 Homogenizer 20 Light source device 21-24 Solid-state laser device 26 Solid-state laser device 27 Wavelength conversion element 28,29 1/2 wave plate 30 Coupled optical system 34 Polarizing beam splitter 40 Telescope optical system 50 homogenizer 60 Control computer

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 パルス状のレーザビームを発生する複数
の固体レーザ装置を有する光源装置と、 前記光源装置からの複数のレーザビームを結合して束ね
る結合光学系と、 前記結合光学系を経た複数のレーザビームを拡大して空
間的に重ね合わせるテレスコープ光学系と、 前記重ね合わされたレーザビームを複数のレーザビーム
に分割するとともに略同一サイズの均一ビームとして加
工面上に重畳して入射させるホモジナイザと、 前記複数の固体レーザ装置の動作タイミングを調整して
所定の時間的波形を有するパルスを形成するタイミング
調整装置と、 を備えるレーザ加工装置。
1. A light source device having a plurality of solid-state laser devices for generating a pulsed laser beam, and a plurality of laser beams from the light source device are combined and bundled.
Coupling optical system and a plurality of laser beams that have passed through the coupling optical system are expanded and
Telescope optical system for superimposing a plurality of laser beams
And a uniform beam of approximately the same size.
A laser processing apparatus comprising: a homogenizer for superimposing incident light on a work surface; and a timing adjusting device for adjusting operation timings of the plurality of solid-state laser devices to form a pulse having a predetermined temporal waveform.
【請求項2】 パルス状のレーザビームを発生する複数
の固体レーザ装置を有する光源装置と、前記光源装置か
らの複数のレーザビームを重畳して対象面に入射させる
合成光学系と、を備えるレーザ加工装置において、 前記光源装置は、Nを自然数として、直線偏光を発生す
る2N台の固体レーザ装置を含むとともに、nをN以下
の自然数として、所定偏光面に設定された第(2n−1)
番目の固体レーザ装置と前記所定偏光面と異なる偏光面
に設定された第(2n)番目の固体レーザ装置とは、第n
番目の光源ユニットを構成し、 前記合成光学系は、各光源ユニットから出射する一対の
レーザビームをそれぞれ結合してN組のレーザビームを
出射するN個の偏光ビームスプリッタと、N個の偏光ビ
ームスプリッタを経たN組のレーザビームを拡大して空
間的に重ね合わせるテレスコープ光学系と、前記N組の
レーザビームを重ね合わせたレーザビームを複数のレー
ザビームに分割するとともに分割されたレーザビームを
略同一サイズの均一ビームとして前記対象面上に重畳し
て入射させる均一化光学系とを備えることを特徴とする
レーザ加工装置。
2. A laser comprising a light source device having a plurality of solid-state laser devices for generating a pulsed laser beam, and a synthetic optical system for superposing a plurality of laser beams from the light source device and making the laser beams incident on a target surface. In the processing device, the light source device includes 2N solid-state laser devices that generate linearly polarized light, where N is a natural number, and n is a natural number equal to or less than N and is set to a predetermined polarization plane (2n-1).
The n-th solid-state laser device and the (2n) -th solid-state laser device having a polarization plane different from the predetermined polarization plane are
Th light source unit constitutes a, the combining optical system, and N of the polarization beam splitter for emitting the N sets of the laser beam a pair of laser beams emitted from the light source units bonded to each, the N a polarizing
The N sets of laser beams that have passed through the beam splitter
A telescopic optical system for superimposing the laser beams on each other, and dividing the laser beam obtained by superposing the N sets of laser beams into a plurality of laser beams, and dividing the divided laser beams into uniform beams of substantially the same size on the target surface. A laser processing apparatus, comprising: a homogenizing optical system for superimposing and entering the laser beam.
【請求項3】 前記光源装置に含まれる前記固体レーザ
装置は、奇数台であり、前記光源ユニットを構成しない
固体レーザ装置は、円偏光のレーザビームを前記合成光
学系に入射させることを特徴とする請求項2記載のレー
ザ加工装置。
3. The solid-state laser device included in the light source device is an odd number, and the solid-state laser device that does not form the light source unit makes a circularly polarized laser beam incident on the combining optical system. The laser processing apparatus according to claim 2.
【請求項4】 前記光源ユニットを構成しない固体レー
ザ装置は、直線偏光を円偏光に変更する1/4波長板を
備えることを特徴とする請求項3記載のレーザ加工装
置。
4. The laser processing apparatus according to claim 3, wherein the solid-state laser device that does not form the light source unit includes a quarter-wave plate that changes linearly polarized light into circularly polarized light.
【請求項5】 前記第(2n)番目の固体レーザ装置
は、レーザビームの偏光面を変更する1/2波長板を備
えることを特徴とする請求項2から4のいずれか記載の
レーザ加工装置。
5. The laser processing apparatus according to claim 2, wherein the (2n) th solid-state laser device includes a half-wave plate that changes a polarization plane of a laser beam. .
【請求項6】 前記レーザ加工装置は、前記複数の固体
レーザ装置の動作タイミングを調整して所定の時間的波
形を有するパルスを形成するタイミング調整装置を備え
ることを特徴とする請求項2から5のいずれか記載のレ
ーザ加工装置。
6. The laser processing apparatus comprises a timing adjusting device that adjusts the operation timing of the plurality of solid-state laser devices to form a pulse having a predetermined temporal waveform. The laser processing apparatus according to any one of 1.
【請求項7】 前記タイミング調整装置は、前記複数の
レーザビームを時系列的につないで所定の時間的波形を
有するパルスを形成することを特徴とする請求項1及び
6のいずれか記載のレーザ加工装置。
7. The laser according to claim 1, wherein the timing adjustment device connects the plurality of laser beams in time series to form a pulse having a predetermined temporal waveform. Processing equipment.
【請求項8】 前記固体レーザ装置は、レーザビームの
出射口に光路長を調整する光学素子をそれぞれ備えるこ
とを特徴とする請求項1から7のいずれか記載のレーザ
加工装置。
8. The laser processing device according to claim 1, wherein the solid-state laser device is provided with an optical element for adjusting an optical path length at a laser beam emission port.
【請求項9】 複数の固体レーザ装置を準備して当該複
数の固体レーザ装置からパルス状のレーザビームを所定
の時間差でそれぞれ発生させる工程と、 前記複数の固体レーザ装置からの複数のレーザビームを
結合して束ねる工程と、 前記結合して束ねられた複数のレーザビームを拡大して
空間的に重ね合わせる工程と、 重ね合わせた前記複数のレーザビームを分割後に略同一
サイズの均一ビームとして重畳して対象面に入射させる
工程と、 を備えることを特徴とするレーザ加工法。
9. A step of preparing a plurality of solid-state laser devices to respectively generate pulsed laser beams from the plurality of solid-state laser devices with a predetermined time difference, and a plurality of laser beams from the plurality of solid-state laser devices.
Combining and bundling ; expanding and spatially superposing the combined and bundled laser beams; and dividing the superposed laser beams into a uniform size having substantially the same size. A laser processing method comprising: a step of superimposing as a beam and making the beam incident on a target surface.
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