チルト制御機構を有するレーザ照射装置及びレーザ照射装置におけるチルト制御方法
【課題】チルト制御機構を有するレーザ照射装置及びレーザ照射装置におけるチルト制御方法を提供する。
【解決手段】レーザ照射装置において一対の照射用光学系及び一対のＡＦ光学系を設け、各ＡＦ光学系において受光される戻り光の光量に基づいて光ヘッド部をチルト方向に駆動制御することにより、均一な照射を保ちつつ照射対象物の照射面のチルトに対する自動調整を行う。
【解決手段】レーザ照射装置において一対の照射用光学系及び一対のＡＦ光学系を設け、各ＡＦ光学系において受光される戻り光の光量に基づいて光ヘッド部をチルト方向に駆動制御することにより、均一な照射を保ちつつ照射対象物の照射面のチルトに対する自動調整を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照射対象物にフォーカス制御を行いながらレーザビームを照射するレーザ照射装置に関し、特に、照射対象物の被照射面の変位に応じて照射位置及び照射方向を自動的に制御するチルト制御方法及び同チルト制御機構を有するレーザ照射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般にレーザ照射装置は、照射対象物に合焦点したレーザスポットを照射することにより、照射対象物の物理的特性を変化させるレーザアニール装置等に使用されている。
【０００３】
従来技術によるレーザスポットのフォーカス制御を行うレーザ照射装置は、図９に示す如く、レーザビームを発光する複数の半導体レーザ素子１ａ〜１ｎと、該複数の半導体レーザ素子１ａ〜１ｎ各々から出射したレーザビームが一端において入射される複数の光ファイバ２と、各光ファイバ２の他端から出射する複数のレーザビームが一端側面において入射され、レーザビームを内部で乱反射させながら他端側面から出射する導光板１３と、導光板１３から出射されたレーザビームを平行光に変換するコリメートレンズ１４と、コリメートレンズ１４から出射される平行光であるレーザビームを集光して照射対象物２０に照射する対物レンズ１６と、照射対象物２０からの反射光の進行方向を４５度偏光させるＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ：入射した光をその偏光成分により分離させるフィルタ）１５と、ＰＢＳ１５により偏光されたレーザビームを集光するＡＦ（オートフォーカス）集光レンズ１２と、集光レンズ１２により集光された戻り光１７を受光するディテクタ１１と、ディテクタ１１により受光した戻り光１７に基づき非点収差法により照射対象物２０への焦点合わせを行うオートフォーカス（ＡＦ）制御部（図示せず）とから構成される。
【０００４】
前述した非点収差法とは、非点収差をもった光学系で結像した点像のひずみを検出することにより光軸方向の変位を非接触で測定する方法であって、レンズの焦点距離が光軸を含む直交する二つの断面で異なる値を持つことによる非点収差を利用し、この非点収差をもった光学系において点像を結合すると観測面の位置によって像が縦長、円形、横長と変化し、この変化を４分割光検出器を用いて検出することより、光軸方向の変位を測定する手法である。
【０００５】
このように構成されたレーザ照射装置は、照射対象物２０から反射したレーザビームをＰＢＳ１５により偏光し、ＡＦ集光レンズ１２によって絞り、これをディテクタ１１が受光し、オートフォーカス制御部からの制御信号に基づき対物レンズ１６を照射対象物２０に対して移動させることによって、照射対象物２０上のレーザスポットの焦点合わせを行うように制御するものである。
【０００６】
尚、前述したレーザアニール装置に関する技術が記載された文献としては、下記特許文献が挙げられる。特許文献１には、非晶質半導体膜にレーザを照射することによって半導体膜の結晶化を行う技術が記載され、特許文献２には、複数の半導体レーザ素子から照射されたレーザビームを光ファイバを介して板状の光導波路の一端に入射し、該光導波路の他端から出射したレーザビームを集束レンズにより集束したレーザスポットを照射対象物に照射する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２４１４２１号公報
【特許文献２】特開２００７−１１５７２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図９に示す従来のレーザ照射装置において、フォーカス制御の光学系は、光源である半導体レーザ素子１ａ〜１ｎから照射対象物２０に至るまで直線的に構成される照射用光学系とは異なるフォーカス制御用光路を設けなければならず、光ヘッド部１０の全体構造が複雑化、大型化、重量化してしまう。ここで、図９に示すに示すように、光ヘッド部１０は、導光板１３、コリメートレンズ１４、対物レンズ１６、ＡＦ集光レンズ１２、ディテクタ１１、対物レンズ１６の駆動部（図示せず）などから構成される。
光ヘッド部１０の重量が増加すると、光ヘッド部１０の移動による振動に起因してフォーカス制御が不安定となる可能性がある。特に、大型液晶パネルのアニール（結晶化）などに用いるレーザ照射装置においては、照射ビームの焦点をずらすことなく均一な照射を行うことが求められるため、光ヘッド部１０を軽量化してフォーカス制御を安定させることが重要な課題となっている。
【０００９】
そこで、本発明者らは、照射用光学系とは異なるフォーカス制御用光路を設ける必要のない装置構成のレーザ照射装置を考案するに至った。
図１０は、このレーザ照射装置の構成を概略的に示す図である。図１０に示す如く、このレーザ照射装置は、レーザビームを発光する半導体レーザ素子１ａ，１ｂ及びカップリングレンズ４ａ，４ｂをそれぞれ有する一対のレーザ発光部６ａ，６ｂと、レーザ発光部６ａ，６ｂそれぞれから発光されたレーザビームが一端において入射される一対の光ファイバ２と、光ファイバ２の各々の他端から出射される複数のレーザビームが一端側面において入射され、このレーザビームを内部で乱反射させながら他端側面から出射する導光板１３と、導光板１３から出射されたレーザビームを平行光に変換するコリメートレンズ１４と、コリメートレンズ１４から出射された平行光であるレーザビームを集光して照射対象物２０に照射する対物レンズ１６と、照射対象物２０から反射されて導光板１３に入射されたレーザビームを導光板１３の一端側面の略中央部から外部に導く戻り光ファイバ５と、戻り光ファイバ５の他端から出射されるレーザビームが入射されるＡＦ光学系３０と、ＡＦ光学系３０から出力される信号に基づいて、対物レンズ１６の駆動を制御する制御信号を出力するＡＦ制御部３５とから構成される。
ＡＦ光学系３０は、図９に示したのと同様のＡＦ集光レンズ及びディテクタを有している。
【００１０】
図１０に示すレーザ照射装置は、図９に示したレーザ照射装置と同様の動作により対物レンズ１６を照射対象物の照射面に対して垂直方向に駆動制御して自動焦点合わせを行うことができる。図１０と図９を比較すれば明らかなように、図１０に示すレーザ照射装置は、直線的に構成される照射用光学系内からＡＦ光学系３０を分離することにより、光ヘッド部７０の複雑化、大型化、重量化を回避している。
【００１１】
図１１は、ＡＦ光学系３０のディテクタから出力される信号ＭＯＮＣ（中央モニター信号）の波形を示す図である。信号ＭＯＮＣは、ディテクタにおいて受光した戻り光の光量に応じた値であり、レーザスポット７の焦点と照射対象物２０の表面とが一致した場合に最大値となる。したがって、ＡＦ制御部３５により、ディテクタからの信号ＭＯＮＣの値が最大値となるよう対物レンズ１６を駆動制御することにより、レーザスポット７の照射対象物２０表面への焦点合わせを行うことができる。実際には、ＡＦ制御部３５は、図１１に示すように、ディテクタからの信号ＭＯＮＣの値が所定の閾値ＶＣ（例えば、出力レベル最大値の９０％とする）を超えるように制御することとしてもよい。
【００１２】
ところで、レーザアニールを行うためのレーザ照射装置では、希ガスやハロゲンなどの混合ガスを用いて発生させたエキシマレーザや、半導体レーザなどの短波長でエネルギー密度が高いレーザ光を極めて高度に集光し焦点合わせして照射対象物に照射している。集光度が極めて高い照射光は焦点深度が極めて浅いものとなる。
図１０に示すレーザ照射装置においては、ＡＦ光学系３０のディテクタにおいて検出される戻り光に基づいて照射光の焦点を照射対象物の照射面に対して垂直方向に変位させて焦点合わせを行うものであるが、照射対象物の照射面の変位が大きい場合（例えば、２０〜３０μｍの変位）には、対物レンズ１６の調整によって照射光のエネルギー密度などの性質が大きく変化してしまい、照射対象物に対して均一な照射を行うことができないという問題点があった。
【００１３】
また、照射対象物の微小な照射部分に焦点深度の極めて浅いレーザスポットを十分な強度分布で照射するためには、レーザスポットを照射対象物に対して垂直に照射する必要があるが、図１０に示すレーザ照射装置においては、照射対象物の照射面の傾き（チルト）を検出する手段もなければ、傾きに応じた照射方向（光軸）の調整を行うことも全くできないという問題点があった。また、図１０に示すレーザ照射装置においては、照射対象物の照射面に対して垂直方向の焦点調整を行うことができるのみであり、照射対象物の変動に応じた光ヘッド部７０の水平・垂直方向の位置調整ができないという問題点もあった。
【００１４】
上記の特許文献に記載の従来技術などにおいても、このような問題点は解決されていないばかりか、問題点として対処することすら意識されていない状況である。
以上のような実情に鑑みて、上記した従来のレーザ照射装置における課題を解決すべく、本発明は、チルト制御機構を有するレーザ照射装置及びレーザ照射装置におけるチルト制御方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記解決課題に鑑みて鋭意研究の結果、本発明者は、レーザスポットが一定の広がりをもつ（通常は楕円形）ことに着目し、レーザ照射装置において一対の照射用光学系及び一対のＡＦ光学系を設け、各ＡＦ光学系において受光される戻り光の光量に基づいて光ヘッド部をチルト方向に駆動制御することにより、均一な照射を保ちつつ照射対象物の照射面のチルトに対する自動調整を行うことができることに想到し、本発明を成すに至った。
【００１６】
すなわち、本発明は、照射対象物にレーザ光を集光したレーザスポットを照射するレーザ照射装置であって、レーザ光を発光する手段を備える複数の照射光学系と、前記照射光学系の各々から照射されるレーザ光を受光し平行光に集光するコリメートレンズと、前記コリメートレンズを通過したレーザ光を所定のレーザスポット形状に集光し、照射対象物の照射面上に焦点合わせする対物レンズと、照射対象物に照射されたレーザ光が反射され、前記対物レンズ及び前記コリメートレンズを通過してきた戻り光を受光する複数の戻り光学系と、前記戻り光学系の各々において受光された戻り光の光量を検出する手段と、前記検出された戻り光の光量に基づいて、照射対象物に対するレーザスポットの照射方向を調整する照射方向調整手段とを有するレーザ照射装置を提供するものである。
【００１７】
本発明のレーザ照射装置において、前記照射方向調整手段は、照射対象物の照射面上の焦点を固定しながらレーザスポットの照射方向を調整することを特徴とする。
これにより、照射対象物の照射面上の焦点位置をずらすことなく照射方向を調整して良好な照射を行うことが可能となる。
【００１８】
本発明のレーザ照射装置は、さらに、前記コリメートレンズ及び前記対物レンズを収容する光ヘッド部を有しており、前記照射方向調整手段は、照射対象物の照射面上の焦点を中心軸として、当該中心軸に対して前記光ヘッド部を周回させることにより、レーザスポットの照射方向を調整することを特徴とする。
【００１９】
本発明のレーザ照射装置において、前記照射方向調整手段は、前記光ヘッド部を照射対象物の照射面に平行な方向及び垂直な方向に位置調整することにより、照射対象物上の照射位置を調整することを特徴とする。
これにより、照射方向の調整のみならず、照射対象物上の焦点位置のずれをも調整することができる。
【００２０】
本発明のレーザ照射装置において、前記照射方向調整手段は、前記戻り光学系の各々において受光された戻り光の光量の合計値が最大値となるよう、照射対象物に対するレーザスポットの照射方向及び／又は照射対象物上の照射位置を調整することを特徴とする。
あるいは、前記照射方向調整手段は、前記戻り光学系の各々において受光された戻り光の光量の合計値が所定の閾値以上となるよう、照射対象物に対するレーザスポットの照射方向及び／又は照射対象物上の照射位置を調整することとしてもよい。
【００２１】
本発明のレーザ照射装置は、さらに、前記検出された戻り光の光量に基づいて前記対物レンズを照射対象物の照射面に略垂直な方向に移動させることにより、照射対象物に対するレーザスポットの焦点合わせを行う焦点調整手段を有していることを特徴とする。
【００２２】
本発明は、また、レーザ光を発光する手段を備える複数の照射光学系と、前記照射光学系の各々から照射されるレーザ光を受光し平行光に集光するコリメートレンズと、前記コリメートレンズを通過したレーザ光を所定のレーザスポット形状に集光し、照射対象物の照射面上に焦点合わせする対物レンズと、照射対象物に照射されたレーザ光が反射され、前記対物レンズ及び前記コリメートレンズを通過してきた戻り光を受光する複数の戻り光学系と、前記戻り光学系の各々において受光された戻り光の光量を検出する手段とを有するレーザ照射装置において、前記検出された戻り光の光量に基づいて、照射対象物に対するレーザスポットの照射方向を調整することを特徴とするレーザ照射方法を提供するものである。
【００２３】
本発明のレーザ照射方法は、照射対象物の照射面上の焦点を固定しながらレーザスポットの照射方向を調整することを特徴とする。
これにより、照射対象物の照射面上の焦点位置をずらすことなく照射方向を調整して良好な照射を行うことが可能となる。
【００２４】
本発明のレーザ照射方法は、前記レーザ照射装置において、前記コリメートレンズ及び前記対物レンズを収容する光ヘッド部を有しており、照射対象物の照射面上の焦点を中心軸として、当該中心軸に対して前記光ヘッド部を周回させることにより、レーザスポットの照射方向を調整することを特徴とする。
【００２５】
本発明のレーザ照射方法は、前記光ヘッド部を照射対象物の照射面に平行な方向及び垂直な方向に位置調整することにより、照射対象物上の照射位置を調整することを特徴とする。
これにより、照射方向の調整のみならず、照射対象物上の焦点位置のずれをも調整することができる。
【００２６】
本発明のレーザ照射方法は、前記戻り光学系の各々において受光された戻り光の光量の合計値が最大値となるよう、照射対象物に対するレーザスポットの照射方向及び／又は照射対象物上の照射位置を調整することを特徴とする。
【００２７】
あるいは、前記戻り光学系の各々において受光された戻り光の光量の合計値が所定の閾値以上となるよう、照射対象物に対するレーザスポットの照射方向及び／又は照射対象物上の照射位置を調整することとしてもよい。
【００２８】
本発明のレーザ照射方法は、前記検出された戻り光の光量に基づいて前記対物レンズを照射対象物の照射面に略垂直な方向に移動させることにより、照射対象物に対するレーザスポットの焦点合わせを行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
以上、説明したように、本発明のチルト制御機構を有するレーザ照射装置及びレーザ照射装置におけるチルト制御方法によれば、照射対象物の照射面の傾きに対してレーザ光の照射方向を自動調整して好適な照射を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態にかかるチルト制御機構を有するレーザ照射装置の全体構成を概略的に示す図である。
【図２】レーザ照射装置において生じる照射対象物の変動（チルト）とそれに対する対処法を説明するための模式図である。
【図３】図１に示すレーザ照射装置における照射対象物上のレーザスポット及び照射方法を説明するための模式図である。
【図４】図１に示すレーザ照射装置における一対のＡＦ光学系から出力される各信号の合成信号ＭＯＮＬ＋ＭＯＮＲの波形を示す図である。
【図５】図１に示すレーザ照射装置におけるチルト制御部による光ヘッド部のθ軸方向の駆動方法について説明するための模式図である。
【図６】図１に示すレーザ照射装置におけるチルト制御部による光ヘッド部のθ軸方向の駆動方法について説明するための模式図である。
【図７】図１に示すレーザ照射装置における光ヘッド部の駆動手段の例を模式的に示す図である。
【図８】図１に示すレーザ照射装置におけるチルト制御部による光ヘッド部のθ軸方向の駆動方法について説明するための模式図である。
【図９】従来のレーザ照射装置におけるオートフォーカス制御機構の原理を概略的に示す図である。
【図１０】本発明者らが考案した照射用光学系とは異なるフォーカス制御用光路を設ける必要のないレーザ照射装置の構成を概略的に示す図である。
【図１１】図１０に示すレーザ照射装置におけるＡＦ光学系のディテクタから出力される信号ＭＯＮＣの波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、添付図面を参照しながら、本発明のチルト制御機構を有するレーザ照射装置及びレーザ照射装置におけるチルト制御方法を実施するための最良の形態として、チルト制御機構を有するレーザ照射装置について詳細に説明する。図１〜図８は、本発明の実施の形態を例示する図であり、これらの図において、同一の符号を付した部分は同一物を表わし、基本的な構成及び動作は同様であるものとする。
【００３２】
[構成]
図１は、本実施形態のレーザ照射装置の全体構成を概略的に示す図である。
図１において、本実施形態のレーザ照射装置は、
（Ａ）レーザビームを発光する半導体レーザ素子及びカップリングレンズ（図示を省略）を有するレーザ発光部６ａ〜６ｄと、
（Ｂ）レーザ発光部６ａ，６ｂそれぞれから発光されたレーザビームが一端において入射される光ファイバ群２ａと、
（Ｃ）レーザ発光部６ｃ，６ｄそれぞれから発光されたレーザビームが一端において入射される光ファイバ群２ｂと、
（Ｄ）光ファイバ群２ａ，２ｂの各々の他端から出射される複数のレーザビームが一端側面において入射され、このレーザビームを内部で乱反射させながら他端側面から出射する一対の導光板１３ａ，１３ｂと、
（Ｅ）導光板１３ａ，１３ｂの各々から出射されたレーザビームを同一方向の平行光に変換するコリメートレンズ１４と、
（Ｆ）コリメートレンズ１４から出射された平行光であるレーザビームを集光して照射対象物２０に照射する対物レンズ１６と、
（Ｇ）照射対象物２０から反射されて各導光板１３ａ，１３ｂに入射されたレーザビームを導光板１３ａ，１３ｂ各々の一端側面の略中央部から外部に導く一対の戻り光ファイバ５ａ，５ｂと、
（Ｈ）戻り光ファイバ５ａ，５ｂ各々の他端から出射されるレーザビームが入射されるＡＦ光学系Ｌ（３１）及びＡＦ光学系Ｒ（３２）と、
（Ｉ）ＡＦ光学系Ｌ（３１）及びＡＦ光学系Ｒ（３２）から出力される信号に基づいて、対物レンズ１６の駆動を制御する制御信号を出力するＡＦ制御部３５と、
（Ｊ）ＡＦ光学系Ｌ（３１）及びＡＦ光学系Ｒ（３２）から出力される信号に基づいて、光ヘッド部８０の駆動手段（図示せず）に対しての駆動を制御する制御信号を出力するチルト制御部４０
とから構成される。
【００３３】
本実施形態のレーザ照射装置において、レーザ発光部６ａ〜６ｄ、光ファイバ群２ａ，２ｂ、コリメートレンズ１４、対物レンズ１６、戻り光ファイバ５ａ，５ｂ、ＡＦ光学系Ｌ（３１）、ＡＦ光学系Ｒ（３２）については、図１０に示した従来のレーザ照射装置における構成部品と同様に構成されているものとする。また、ＡＦ光学系Ｌ（３１）及びＡＦ光学系Ｒ（３２）は、図９に示したのと同様のＡＦ集光レンズ及びディテクタを有している。
【００３４】
本実施形態のレーザ照射装置において、図１に示すように、導光板１３ａ，１３ｂは、導光板１３ａ，１３ｂは、略同一の平板形状であって、照射光の光軸に対して互いに線対称に配置されており、それぞれ他端側面から出射する略同光量のレーザ光がコリメートレンズ１４に入射するようレーザ光の出射方向を調整しているが、それ以外については図１０に示した従来のレーザ照射装置におけるコリメートレンズ１４と同様である。
【００３５】
本実施形態のレーザ照射装置において、図１に示すように、ＡＦ制御部３５は、ＡＦ光学系Ｌ（３１）及びＡＦ光学系Ｒ（３２）から出力される２系等の信号に基づいて対物レンズ１６の駆動を制御する（その詳細については後述する）が、それ以外については図１０に示した従来のレーザ照射装置におけるＡＦ制御部３５と同様である。
【００３６】
尚、図示しないが、本実施形態のレーザ照射装置は、光ヘッド部８０が照射対象物２０の照射面上の照射点と一定の距離を保ちながら照射方向が変わるように、円弧状に移動させる駆動手段を有している（θ軸方向）。
また、本実施形態のレーザ照射装置は、光ヘッド部８０を照射対象物２０の照射面と垂直な方向（Ｚ軸方向）及び照射面と平行な一方向（Ｙ軸方向）に移動させる駆動手段を有していてもよい。
【００３７】
[動作]
本実施形態のレーザ照射装置において、フォーカス制御用光学系を利用して焦点合わせとチルト制御を行う動作の原理について説明する。
【００３８】
図２は、本実施形態のレーザ照射装置において生じる照射対象物の変動（チルト）とそれに対する対処法を説明するための模式図である。
一般的に、レーザーアニール用のレーザ照射装置における照射対象物はシリコン膜が上面に形成されたガラス基板であるが、その表面（照射面）はガラス基板表面の状態やシリコンの成膜状態によって厚さにムラが生じることが避けられず、場合によっては照射面の高さが２０〜３０μｍも変動することもある。
【００３９】
図２（ａ）に示すように、照射対象物の照射面に傾き（チルト）が生じている場合、本実施形態のレーザ照射装置において用いるレーザビームの焦点深度が極めて浅いこともあり、照射面に対して均一な照射を行うことができない。これは、図９や図１０に示す従来のレーザ照射装置における対物レンズによる焦点調整では対処できない。そこで、図２（ａ）に示すように、照射面に傾きに応じて照射の方向（光軸方向）を調整しなければならない。
【００４０】
上記したとおり、本実施形態のレーザ照射装置は、一対の照射用光学系及びフォーカス制御用光学系を有しており、導光板１３ａ，１３ｂとコリメートレンズ１４との位置関係から、各々の照射光は図１における上下方向で非対称である。尚、図１においては照射対象物２０上のレーザスポット７を点として表しているが、実際には、図３に示すように、走査方向と略垂直方向に一定の幅を有するスポット形状（典型的には楕円形状）のレーザスポットを照射している。導光板１３ａ，１３ｂとコリメートレンズ１４は、一対の照射用光学系からの照射光がこのレーザスポットの広幅方向において非対称となるよう配置されているものとする。これにより、一対のＡＦ光学系Ｌ（３１）及びＡＦ光学系Ｒ（３２）に入射される戻り光も同様の非対称性を有することとなる。
【００４１】
そこで、チルト制御部４０は、ＡＦ光学系Ｌ（３１）及びＡＦ光学系Ｒ（３２）からの信号に基づいて最適となる照射方向を求めることができる。例えば、ＡＦ光学系Ｌ（３１）及びＡＦ光学系Ｒ（３２）の各々から出力される信号ＭＯＮＬ及びＭＯＮＲを足し合わせた合成信号が最大値を取るよう、光ヘッド部８０の上記θ軸方向の駆動を制御すればよい。図４は、一対のＡＦ光学系から出力される各信号の合成信号ＭＯＮＬ＋ＭＯＮＲの波形を示す図である。実際には、図４に示すように、合成信号ＭＯＮＬ＋ＭＯＮＲの値が所定の閾値Ｖｔ（例えば、出力レベル最大値の９０％とする）を超えるように制御することとしてもよい。
【００４２】
ここで、チルト制御部４０による光ヘッド部８０のθ軸方向の駆動方法については、図５（ａ）に示すように光ヘッド部８０の略中心を回転軸とすると、図５（ｂ）に示すように焦点の位置がずれてしまう。そこで、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、チルト制御部４０は、照射対象物の照射面上の焦点を回転軸として光ヘッド部８０がθ方向に回転するよう駆動制御する。
このように光ヘッド部８０をθ軸方向に回転させる駆動手段としては、例えば、図７に示すようなステージ上に光ヘッド部８０を保持する方法が好適である。
【００４３】
さらに、本実施形態のレーザ照射装置において、光ヘッド部８０を照射対象物２０の照射面と垂直な方向（Ｚ軸方向）及び照射面と平行な一方向（Ｙ軸方向）に移動させる駆動手段を備えている場合には、図８（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、チルト制御部４０が光ヘッド部８０をそれぞれＹ軸、Ｚ軸、θ軸方向に駆動することにより、焦点の位置ずれを調整することができる。この場合、焦点の位置ずれ量及びチルト量とＹ軸、Ｚ軸、θ軸方向の移動量との関係を予め求めて記憶しておくのが好ましい。
【００４４】
上記したフォーカス制御用光学系を利用してチルト制御を行う方法は、ＡＦ制御部３５による焦点制御にも同様に適用可能である。すなわち、ＡＦ光学系Ｌ（３１）及びＡＦ光学系Ｒ（３２）の各々から出力される信号ＭＯＮＬ及びＭＯＮＲを足し合わせた合成信号が最大値を取るように対物レンズ１６を駆動制御することにより、焦点合わせを好適に行うことができる。
尚、本実施形態のレーザ照射装置における焦点制御方法は上記の例に限定されるわけではなく、例えば、ＡＦ光学系Ｌ（３１）及びＡＦ光学系Ｒ（３２）が非点収差法によるフォーカスエラー信号を出力し、ＡＦ制御部３５が当該フォーカスエラー信号を基に対物レンズ１６の制御を行うこととしてもよい。
【００４５】
以上、本発明のチルト制御機構を有するレーザ照射装置及びレーザ照射装置におけるチルト制御方法について、具体的な実施の形態を示して説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。当業者であれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、上記各実施形態における光学系、ディテクタ、焦点制御系、チルト制御系などの構成及び機能に様々な変更・改良を加えることが可能である。
例えば、上記の実施形態にかかるレーザ照射装置においては、照射対象物２０からの戻り光を受光する一対のＡＦ光学系を設けているが、この形態に限られず、ＡＦ光学系を任意の偶数個設けてもよい。
また、上記の実施形態にかかるレーザ照射装置においては、半導体レーザ素子を用いているが、他の種類の光源を用いることももちろん可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明のチルト制御機構を有するレーザ照射装置及びレーザ照射装置におけるチルト制御方法は、照射対象物の表面に形成されたシリコン膜を改質させるレーザアニール装置において実装可能であり、相変化光ディスク、フラットパネルディスプレイ、太陽電池などの製造工程において利用することができるものである。
【符号の説明】
【００４７】
１ａ，１ｂ，…，１ｎ 半導体レーザ素子
２，２ａ，２ｂ 光ファイバ
４ａ，４ｂ カップリングレンズ
５，５ａ，５ｂ 光ファイバ
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ レーザ発光部
７ レーザスポット
１０ 光ヘッド部
１１ ディテクタ
１２ 集光レンズ
１３，１３ａ，１３ｂ 導光板
１４ コリメートレンズ
１６ 対物レンズ
１７ 戻り光
２０ 照射対象物
３０ ＡＦ光学系
３５ ＡＦ制御部
４０ チルト制御部
７０，８０ 光ヘッド部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照射対象物にフォーカス制御を行いながらレーザビームを照射するレーザ照射装置に関し、特に、照射対象物の被照射面の変位に応じて照射位置及び照射方向を自動的に制御するチルト制御方法及び同チルト制御機構を有するレーザ照射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般にレーザ照射装置は、照射対象物に合焦点したレーザスポットを照射することにより、照射対象物の物理的特性を変化させるレーザアニール装置等に使用されている。
【０００３】
従来技術によるレーザスポットのフォーカス制御を行うレーザ照射装置は、図９に示す如く、レーザビームを発光する複数の半導体レーザ素子１ａ〜１ｎと、該複数の半導体レーザ素子１ａ〜１ｎ各々から出射したレーザビームが一端において入射される複数の光ファイバ２と、各光ファイバ２の他端から出射する複数のレーザビームが一端側面において入射され、レーザビームを内部で乱反射させながら他端側面から出射する導光板１３と、導光板１３から出射されたレーザビームを平行光に変換するコリメートレンズ１４と、コリメートレンズ１４から出射される平行光であるレーザビームを集光して照射対象物２０に照射する対物レンズ１６と、照射対象物２０からの反射光の進行方向を４５度偏光させるＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ：入射した光をその偏光成分により分離させるフィルタ）１５と、ＰＢＳ１５により偏光されたレーザビームを集光するＡＦ（オートフォーカス）集光レンズ１２と、集光レンズ１２により集光された戻り光１７を受光するディテクタ１１と、ディテクタ１１により受光した戻り光１７に基づき非点収差法により照射対象物２０への焦点合わせを行うオートフォーカス（ＡＦ）制御部（図示せず）とから構成される。
【０００４】
前述した非点収差法とは、非点収差をもった光学系で結像した点像のひずみを検出することにより光軸方向の変位を非接触で測定する方法であって、レンズの焦点距離が光軸を含む直交する二つの断面で異なる値を持つことによる非点収差を利用し、この非点収差をもった光学系において点像を結合すると観測面の位置によって像が縦長、円形、横長と変化し、この変化を４分割光検出器を用いて検出することより、光軸方向の変位を測定する手法である。
【０００５】
このように構成されたレーザ照射装置は、照射対象物２０から反射したレーザビームをＰＢＳ１５により偏光し、ＡＦ集光レンズ１２によって絞り、これをディテクタ１１が受光し、オートフォーカス制御部からの制御信号に基づき対物レンズ１６を照射対象物２０に対して移動させることによって、照射対象物２０上のレーザスポットの焦点合わせを行うように制御するものである。
【０００６】
尚、前述したレーザアニール装置に関する技術が記載された文献としては、下記特許文献が挙げられる。特許文献１には、非晶質半導体膜にレーザを照射することによって半導体膜の結晶化を行う技術が記載され、特許文献２には、複数の半導体レーザ素子から照射されたレーザビームを光ファイバを介して板状の光導波路の一端に入射し、該光導波路の他端から出射したレーザビームを集束レンズにより集束したレーザスポットを照射対象物に照射する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２４１４２１号公報
【特許文献２】特開２００７−１１５７２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図９に示す従来のレーザ照射装置において、フォーカス制御の光学系は、光源である半導体レーザ素子１ａ〜１ｎから照射対象物２０に至るまで直線的に構成される照射用光学系とは異なるフォーカス制御用光路を設けなければならず、光ヘッド部１０の全体構造が複雑化、大型化、重量化してしまう。ここで、図９に示すに示すように、光ヘッド部１０は、導光板１３、コリメートレンズ１４、対物レンズ１６、ＡＦ集光レンズ１２、ディテクタ１１、対物レンズ１６の駆動部（図示せず）などから構成される。
光ヘッド部１０の重量が増加すると、光ヘッド部１０の移動による振動に起因してフォーカス制御が不安定となる可能性がある。特に、大型液晶パネルのアニール（結晶化）などに用いるレーザ照射装置においては、照射ビームの焦点をずらすことなく均一な照射を行うことが求められるため、光ヘッド部１０を軽量化してフォーカス制御を安定させることが重要な課題となっている。
【０００９】
そこで、本発明者らは、照射用光学系とは異なるフォーカス制御用光路を設ける必要のない装置構成のレーザ照射装置を考案するに至った。
図１０は、このレーザ照射装置の構成を概略的に示す図である。図１０に示す如く、このレーザ照射装置は、レーザビームを発光する半導体レーザ素子１ａ，１ｂ及びカップリングレンズ４ａ，４ｂをそれぞれ有する一対のレーザ発光部６ａ，６ｂと、レーザ発光部６ａ，６ｂそれぞれから発光されたレーザビームが一端において入射される一対の光ファイバ２と、光ファイバ２の各々の他端から出射される複数のレーザビームが一端側面において入射され、このレーザビームを内部で乱反射させながら他端側面から出射する導光板１３と、導光板１３から出射されたレーザビームを平行光に変換するコリメートレンズ１４と、コリメートレンズ１４から出射された平行光であるレーザビームを集光して照射対象物２０に照射する対物レンズ１６と、照射対象物２０から反射されて導光板１３に入射されたレーザビームを導光板１３の一端側面の略中央部から外部に導く戻り光ファイバ５と、戻り光ファイバ５の他端から出射されるレーザビームが入射されるＡＦ光学系３０と、ＡＦ光学系３０から出力される信号に基づいて、対物レンズ１６の駆動を制御する制御信号を出力するＡＦ制御部３５とから構成される。
ＡＦ光学系３０は、図９に示したのと同様のＡＦ集光レンズ及びディテクタを有している。
【００１０】
図１０に示すレーザ照射装置は、図９に示したレーザ照射装置と同様の動作により対物レンズ１６を照射対象物の照射面に対して垂直方向に駆動制御して自動焦点合わせを行うことができる。図１０と図９を比較すれば明らかなように、図１０に示すレーザ照射装置は、直線的に構成される照射用光学系内からＡＦ光学系３０を分離することにより、光ヘッド部７０の複雑化、大型化、重量化を回避している。
【００１１】
図１１は、ＡＦ光学系３０のディテクタから出力される信号ＭＯＮＣ（中央モニター信号）の波形を示す図である。信号ＭＯＮＣは、ディテクタにおいて受光した戻り光の光量に応じた値であり、レーザスポット７の焦点と照射対象物２０の表面とが一致した場合に最大値となる。したがって、ＡＦ制御部３５により、ディテクタからの信号ＭＯＮＣの値が最大値となるよう対物レンズ１６を駆動制御することにより、レーザスポット７の照射対象物２０表面への焦点合わせを行うことができる。実際には、ＡＦ制御部３５は、図１１に示すように、ディテクタからの信号ＭＯＮＣの値が所定の閾値ＶＣ（例えば、出力レベル最大値の９０％とする）を超えるように制御することとしてもよい。
【００１２】
ところで、レーザアニールを行うためのレーザ照射装置では、希ガスやハロゲンなどの混合ガスを用いて発生させたエキシマレーザや、半導体レーザなどの短波長でエネルギー密度が高いレーザ光を極めて高度に集光し焦点合わせして照射対象物に照射している。集光度が極めて高い照射光は焦点深度が極めて浅いものとなる。
図１０に示すレーザ照射装置においては、ＡＦ光学系３０のディテクタにおいて検出される戻り光に基づいて照射光の焦点を照射対象物の照射面に対して垂直方向に変位させて焦点合わせを行うものであるが、照射対象物の照射面の変位が大きい場合（例えば、２０〜３０μｍの変位）には、対物レンズ１６の調整によって照射光のエネルギー密度などの性質が大きく変化してしまい、照射対象物に対して均一な照射を行うことができないという問題点があった。
【００１３】
また、照射対象物の微小な照射部分に焦点深度の極めて浅いレーザスポットを十分な強度分布で照射するためには、レーザスポットを照射対象物に対して垂直に照射する必要があるが、図１０に示すレーザ照射装置においては、照射対象物の照射面の傾き（チルト）を検出する手段もなければ、傾きに応じた照射方向（光軸）の調整を行うことも全くできないという問題点があった。また、図１０に示すレーザ照射装置においては、照射対象物の照射面に対して垂直方向の焦点調整を行うことができるのみであり、照射対象物の変動に応じた光ヘッド部７０の水平・垂直方向の位置調整ができないという問題点もあった。
【００１４】
上記の特許文献に記載の従来技術などにおいても、このような問題点は解決されていないばかりか、問題点として対処することすら意識されていない状況である。
以上のような実情に鑑みて、上記した従来のレーザ照射装置における課題を解決すべく、本発明は、チルト制御機構を有するレーザ照射装置及びレーザ照射装置におけるチルト制御方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記解決課題に鑑みて鋭意研究の結果、本発明者は、レーザスポットが一定の広がりをもつ（通常は楕円形）ことに着目し、レーザ照射装置において一対の照射用光学系及び一対のＡＦ光学系を設け、各ＡＦ光学系において受光される戻り光の光量に基づいて光ヘッド部をチルト方向に駆動制御することにより、均一な照射を保ちつつ照射対象物の照射面のチルトに対する自動調整を行うことができることに想到し、本発明を成すに至った。
【００１６】
すなわち、本発明は、照射対象物にレーザ光を集光したレーザスポットを照射するレーザ照射装置であって、レーザ光を発光する手段を備える複数の照射光学系と、前記照射光学系の各々から照射されるレーザ光を受光し平行光に集光するコリメートレンズと、前記コリメートレンズを通過したレーザ光を所定のレーザスポット形状に集光し、照射対象物の照射面上に焦点合わせする対物レンズと、照射対象物に照射されたレーザ光が反射され、前記対物レンズ及び前記コリメートレンズを通過してきた戻り光を受光する複数の戻り光学系と、前記戻り光学系の各々において受光された戻り光の光量を検出する手段と、前記検出された戻り光の光量に基づいて、照射対象物に対するレーザスポットの照射方向を調整する照射方向調整手段とを有するレーザ照射装置を提供するものである。
【００１７】
本発明のレーザ照射装置において、前記照射方向調整手段は、照射対象物の照射面上の焦点を固定しながらレーザスポットの照射方向を調整することを特徴とする。
これにより、照射対象物の照射面上の焦点位置をずらすことなく照射方向を調整して良好な照射を行うことが可能となる。
【００１８】
本発明のレーザ照射装置は、さらに、前記コリメートレンズ及び前記対物レンズを収容する光ヘッド部を有しており、前記照射方向調整手段は、照射対象物の照射面上の焦点を中心軸として、当該中心軸に対して前記光ヘッド部を周回させることにより、レーザスポットの照射方向を調整することを特徴とする。
【００１９】
本発明のレーザ照射装置において、前記照射方向調整手段は、前記光ヘッド部を照射対象物の照射面に平行な方向及び垂直な方向に位置調整することにより、照射対象物上の照射位置を調整することを特徴とする。
これにより、照射方向の調整のみならず、照射対象物上の焦点位置のずれをも調整することができる。
【００２０】
本発明のレーザ照射装置において、前記照射方向調整手段は、前記戻り光学系の各々において受光された戻り光の光量の合計値が最大値となるよう、照射対象物に対するレーザスポットの照射方向及び／又は照射対象物上の照射位置を調整することを特徴とする。
あるいは、前記照射方向調整手段は、前記戻り光学系の各々において受光された戻り光の光量の合計値が所定の閾値以上となるよう、照射対象物に対するレーザスポットの照射方向及び／又は照射対象物上の照射位置を調整することとしてもよい。
【００２１】
本発明のレーザ照射装置は、さらに、前記検出された戻り光の光量に基づいて前記対物レンズを照射対象物の照射面に略垂直な方向に移動させることにより、照射対象物に対するレーザスポットの焦点合わせを行う焦点調整手段を有していることを特徴とする。
【００２２】
本発明は、また、レーザ光を発光する手段を備える複数の照射光学系と、前記照射光学系の各々から照射されるレーザ光を受光し平行光に集光するコリメートレンズと、前記コリメートレンズを通過したレーザ光を所定のレーザスポット形状に集光し、照射対象物の照射面上に焦点合わせする対物レンズと、照射対象物に照射されたレーザ光が反射され、前記対物レンズ及び前記コリメートレンズを通過してきた戻り光を受光する複数の戻り光学系と、前記戻り光学系の各々において受光された戻り光の光量を検出する手段とを有するレーザ照射装置において、前記検出された戻り光の光量に基づいて、照射対象物に対するレーザスポットの照射方向を調整することを特徴とするレーザ照射方法を提供するものである。
【００２３】
本発明のレーザ照射方法は、照射対象物の照射面上の焦点を固定しながらレーザスポットの照射方向を調整することを特徴とする。
これにより、照射対象物の照射面上の焦点位置をずらすことなく照射方向を調整して良好な照射を行うことが可能となる。
【００２４】
本発明のレーザ照射方法は、前記レーザ照射装置において、前記コリメートレンズ及び前記対物レンズを収容する光ヘッド部を有しており、照射対象物の照射面上の焦点を中心軸として、当該中心軸に対して前記光ヘッド部を周回させることにより、レーザスポットの照射方向を調整することを特徴とする。
【００２５】
本発明のレーザ照射方法は、前記光ヘッド部を照射対象物の照射面に平行な方向及び垂直な方向に位置調整することにより、照射対象物上の照射位置を調整することを特徴とする。
これにより、照射方向の調整のみならず、照射対象物上の焦点位置のずれをも調整することができる。
【００２６】
本発明のレーザ照射方法は、前記戻り光学系の各々において受光された戻り光の光量の合計値が最大値となるよう、照射対象物に対するレーザスポットの照射方向及び／又は照射対象物上の照射位置を調整することを特徴とする。
【００２７】
あるいは、前記戻り光学系の各々において受光された戻り光の光量の合計値が所定の閾値以上となるよう、照射対象物に対するレーザスポットの照射方向及び／又は照射対象物上の照射位置を調整することとしてもよい。
【００２８】
本発明のレーザ照射方法は、前記検出された戻り光の光量に基づいて前記対物レンズを照射対象物の照射面に略垂直な方向に移動させることにより、照射対象物に対するレーザスポットの焦点合わせを行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
以上、説明したように、本発明のチルト制御機構を有するレーザ照射装置及びレーザ照射装置におけるチルト制御方法によれば、照射対象物の照射面の傾きに対してレーザ光の照射方向を自動調整して好適な照射を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態にかかるチルト制御機構を有するレーザ照射装置の全体構成を概略的に示す図である。
【図２】レーザ照射装置において生じる照射対象物の変動（チルト）とそれに対する対処法を説明するための模式図である。
【図３】図１に示すレーザ照射装置における照射対象物上のレーザスポット及び照射方法を説明するための模式図である。
【図４】図１に示すレーザ照射装置における一対のＡＦ光学系から出力される各信号の合成信号ＭＯＮＬ＋ＭＯＮＲの波形を示す図である。
【図５】図１に示すレーザ照射装置におけるチルト制御部による光ヘッド部のθ軸方向の駆動方法について説明するための模式図である。
【図６】図１に示すレーザ照射装置におけるチルト制御部による光ヘッド部のθ軸方向の駆動方法について説明するための模式図である。
【図７】図１に示すレーザ照射装置における光ヘッド部の駆動手段の例を模式的に示す図である。
【図８】図１に示すレーザ照射装置におけるチルト制御部による光ヘッド部のθ軸方向の駆動方法について説明するための模式図である。
【図９】従来のレーザ照射装置におけるオートフォーカス制御機構の原理を概略的に示す図である。
【図１０】本発明者らが考案した照射用光学系とは異なるフォーカス制御用光路を設ける必要のないレーザ照射装置の構成を概略的に示す図である。
【図１１】図１０に示すレーザ照射装置におけるＡＦ光学系のディテクタから出力される信号ＭＯＮＣの波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、添付図面を参照しながら、本発明のチルト制御機構を有するレーザ照射装置及びレーザ照射装置におけるチルト制御方法を実施するための最良の形態として、チルト制御機構を有するレーザ照射装置について詳細に説明する。図１〜図８は、本発明の実施の形態を例示する図であり、これらの図において、同一の符号を付した部分は同一物を表わし、基本的な構成及び動作は同様であるものとする。
【００３２】
[構成]
図１は、本実施形態のレーザ照射装置の全体構成を概略的に示す図である。
図１において、本実施形態のレーザ照射装置は、
（Ａ）レーザビームを発光する半導体レーザ素子及びカップリングレンズ（図示を省略）を有するレーザ発光部６ａ〜６ｄと、
（Ｂ）レーザ発光部６ａ，６ｂそれぞれから発光されたレーザビームが一端において入射される光ファイバ群２ａと、
（Ｃ）レーザ発光部６ｃ，６ｄそれぞれから発光されたレーザビームが一端において入射される光ファイバ群２ｂと、
（Ｄ）光ファイバ群２ａ，２ｂの各々の他端から出射される複数のレーザビームが一端側面において入射され、このレーザビームを内部で乱反射させながら他端側面から出射する一対の導光板１３ａ，１３ｂと、
（Ｅ）導光板１３ａ，１３ｂの各々から出射されたレーザビームを同一方向の平行光に変換するコリメートレンズ１４と、
（Ｆ）コリメートレンズ１４から出射された平行光であるレーザビームを集光して照射対象物２０に照射する対物レンズ１６と、
（Ｇ）照射対象物２０から反射されて各導光板１３ａ，１３ｂに入射されたレーザビームを導光板１３ａ，１３ｂ各々の一端側面の略中央部から外部に導く一対の戻り光ファイバ５ａ，５ｂと、
（Ｈ）戻り光ファイバ５ａ，５ｂ各々の他端から出射されるレーザビームが入射されるＡＦ光学系Ｌ（３１）及びＡＦ光学系Ｒ（３２）と、
（Ｉ）ＡＦ光学系Ｌ（３１）及びＡＦ光学系Ｒ（３２）から出力される信号に基づいて、対物レンズ１６の駆動を制御する制御信号を出力するＡＦ制御部３５と、
（Ｊ）ＡＦ光学系Ｌ（３１）及びＡＦ光学系Ｒ（３２）から出力される信号に基づいて、光ヘッド部８０の駆動手段（図示せず）に対しての駆動を制御する制御信号を出力するチルト制御部４０
とから構成される。
【００３３】
本実施形態のレーザ照射装置において、レーザ発光部６ａ〜６ｄ、光ファイバ群２ａ，２ｂ、コリメートレンズ１４、対物レンズ１６、戻り光ファイバ５ａ，５ｂ、ＡＦ光学系Ｌ（３１）、ＡＦ光学系Ｒ（３２）については、図１０に示した従来のレーザ照射装置における構成部品と同様に構成されているものとする。また、ＡＦ光学系Ｌ（３１）及びＡＦ光学系Ｒ（３２）は、図９に示したのと同様のＡＦ集光レンズ及びディテクタを有している。
【００３４】
本実施形態のレーザ照射装置において、図１に示すように、導光板１３ａ，１３ｂは、導光板１３ａ，１３ｂは、略同一の平板形状であって、照射光の光軸に対して互いに線対称に配置されており、それぞれ他端側面から出射する略同光量のレーザ光がコリメートレンズ１４に入射するようレーザ光の出射方向を調整しているが、それ以外については図１０に示した従来のレーザ照射装置におけるコリメートレンズ１４と同様である。
【００３５】
本実施形態のレーザ照射装置において、図１に示すように、ＡＦ制御部３５は、ＡＦ光学系Ｌ（３１）及びＡＦ光学系Ｒ（３２）から出力される２系等の信号に基づいて対物レンズ１６の駆動を制御する（その詳細については後述する）が、それ以外については図１０に示した従来のレーザ照射装置におけるＡＦ制御部３５と同様である。
【００３６】
尚、図示しないが、本実施形態のレーザ照射装置は、光ヘッド部８０が照射対象物２０の照射面上の照射点と一定の距離を保ちながら照射方向が変わるように、円弧状に移動させる駆動手段を有している（θ軸方向）。
また、本実施形態のレーザ照射装置は、光ヘッド部８０を照射対象物２０の照射面と垂直な方向（Ｚ軸方向）及び照射面と平行な一方向（Ｙ軸方向）に移動させる駆動手段を有していてもよい。
【００３７】
[動作]
本実施形態のレーザ照射装置において、フォーカス制御用光学系を利用して焦点合わせとチルト制御を行う動作の原理について説明する。
【００３８】
図２は、本実施形態のレーザ照射装置において生じる照射対象物の変動（チルト）とそれに対する対処法を説明するための模式図である。
一般的に、レーザーアニール用のレーザ照射装置における照射対象物はシリコン膜が上面に形成されたガラス基板であるが、その表面（照射面）はガラス基板表面の状態やシリコンの成膜状態によって厚さにムラが生じることが避けられず、場合によっては照射面の高さが２０〜３０μｍも変動することもある。
【００３９】
図２（ａ）に示すように、照射対象物の照射面に傾き（チルト）が生じている場合、本実施形態のレーザ照射装置において用いるレーザビームの焦点深度が極めて浅いこともあり、照射面に対して均一な照射を行うことができない。これは、図９や図１０に示す従来のレーザ照射装置における対物レンズによる焦点調整では対処できない。そこで、図２（ａ）に示すように、照射面に傾きに応じて照射の方向（光軸方向）を調整しなければならない。
【００４０】
上記したとおり、本実施形態のレーザ照射装置は、一対の照射用光学系及びフォーカス制御用光学系を有しており、導光板１３ａ，１３ｂとコリメートレンズ１４との位置関係から、各々の照射光は図１における上下方向で非対称である。尚、図１においては照射対象物２０上のレーザスポット７を点として表しているが、実際には、図３に示すように、走査方向と略垂直方向に一定の幅を有するスポット形状（典型的には楕円形状）のレーザスポットを照射している。導光板１３ａ，１３ｂとコリメートレンズ１４は、一対の照射用光学系からの照射光がこのレーザスポットの広幅方向において非対称となるよう配置されているものとする。これにより、一対のＡＦ光学系Ｌ（３１）及びＡＦ光学系Ｒ（３２）に入射される戻り光も同様の非対称性を有することとなる。
【００４１】
そこで、チルト制御部４０は、ＡＦ光学系Ｌ（３１）及びＡＦ光学系Ｒ（３２）からの信号に基づいて最適となる照射方向を求めることができる。例えば、ＡＦ光学系Ｌ（３１）及びＡＦ光学系Ｒ（３２）の各々から出力される信号ＭＯＮＬ及びＭＯＮＲを足し合わせた合成信号が最大値を取るよう、光ヘッド部８０の上記θ軸方向の駆動を制御すればよい。図４は、一対のＡＦ光学系から出力される各信号の合成信号ＭＯＮＬ＋ＭＯＮＲの波形を示す図である。実際には、図４に示すように、合成信号ＭＯＮＬ＋ＭＯＮＲの値が所定の閾値Ｖｔ（例えば、出力レベル最大値の９０％とする）を超えるように制御することとしてもよい。
【００４２】
ここで、チルト制御部４０による光ヘッド部８０のθ軸方向の駆動方法については、図５（ａ）に示すように光ヘッド部８０の略中心を回転軸とすると、図５（ｂ）に示すように焦点の位置がずれてしまう。そこで、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、チルト制御部４０は、照射対象物の照射面上の焦点を回転軸として光ヘッド部８０がθ方向に回転するよう駆動制御する。
このように光ヘッド部８０をθ軸方向に回転させる駆動手段としては、例えば、図７に示すようなステージ上に光ヘッド部８０を保持する方法が好適である。
【００４３】
さらに、本実施形態のレーザ照射装置において、光ヘッド部８０を照射対象物２０の照射面と垂直な方向（Ｚ軸方向）及び照射面と平行な一方向（Ｙ軸方向）に移動させる駆動手段を備えている場合には、図８（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、チルト制御部４０が光ヘッド部８０をそれぞれＹ軸、Ｚ軸、θ軸方向に駆動することにより、焦点の位置ずれを調整することができる。この場合、焦点の位置ずれ量及びチルト量とＹ軸、Ｚ軸、θ軸方向の移動量との関係を予め求めて記憶しておくのが好ましい。
【００４４】
上記したフォーカス制御用光学系を利用してチルト制御を行う方法は、ＡＦ制御部３５による焦点制御にも同様に適用可能である。すなわち、ＡＦ光学系Ｌ（３１）及びＡＦ光学系Ｒ（３２）の各々から出力される信号ＭＯＮＬ及びＭＯＮＲを足し合わせた合成信号が最大値を取るように対物レンズ１６を駆動制御することにより、焦点合わせを好適に行うことができる。
尚、本実施形態のレーザ照射装置における焦点制御方法は上記の例に限定されるわけではなく、例えば、ＡＦ光学系Ｌ（３１）及びＡＦ光学系Ｒ（３２）が非点収差法によるフォーカスエラー信号を出力し、ＡＦ制御部３５が当該フォーカスエラー信号を基に対物レンズ１６の制御を行うこととしてもよい。
【００４５】
以上、本発明のチルト制御機構を有するレーザ照射装置及びレーザ照射装置におけるチルト制御方法について、具体的な実施の形態を示して説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。当業者であれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、上記各実施形態における光学系、ディテクタ、焦点制御系、チルト制御系などの構成及び機能に様々な変更・改良を加えることが可能である。
例えば、上記の実施形態にかかるレーザ照射装置においては、照射対象物２０からの戻り光を受光する一対のＡＦ光学系を設けているが、この形態に限られず、ＡＦ光学系を任意の偶数個設けてもよい。
また、上記の実施形態にかかるレーザ照射装置においては、半導体レーザ素子を用いているが、他の種類の光源を用いることももちろん可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明のチルト制御機構を有するレーザ照射装置及びレーザ照射装置におけるチルト制御方法は、照射対象物の表面に形成されたシリコン膜を改質させるレーザアニール装置において実装可能であり、相変化光ディスク、フラットパネルディスプレイ、太陽電池などの製造工程において利用することができるものである。
【符号の説明】
【００４７】
１ａ，１ｂ，…，１ｎ 半導体レーザ素子
２，２ａ，２ｂ 光ファイバ
４ａ，４ｂ カップリングレンズ
５，５ａ，５ｂ 光ファイバ
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ レーザ発光部
７ レーザスポット
１０ 光ヘッド部
１１ ディテクタ
１２ 集光レンズ
１３，１３ａ，１３ｂ 導光板
１４ コリメートレンズ
１６ 対物レンズ
１７ 戻り光
２０ 照射対象物
３０ ＡＦ光学系
３５ ＡＦ制御部
４０ チルト制御部
７０，８０ 光ヘッド部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射対象物にレーザ光を集光したレーザスポットを照射するレーザ照射装置であって、
レーザ光を発光する手段を備える複数の照射光学系と、
前記照射光学系の各々から照射されるレーザ光を受光し平行光に集光するコリメートレンズと、
前記コリメートレンズを通過したレーザ光を所定のレーザスポット形状に集光し、照射対象物の照射面上に焦点合わせする対物レンズと、
照射対象物に照射されたレーザ光が反射され、前記対物レンズ及び前記コリメートレンズを通過してきた戻り光を受光する複数の戻り光学系と、
前記戻り光学系の各々において受光された戻り光の光量を検出する手段と、
前記検出された戻り光の光量に基づいて、照射対象物に対するレーザスポットの照射方向を調整する照射方向調整手段とを有するレーザ照射装置。
【請求項２】
前記照射方向調整手段は、照射対象物の照射面上の焦点を固定しながらレーザスポットの照射方向を調整することを特徴とする請求項１に記載のレーザ照射装置。
【請求項３】
前記レーザ照射装置において、前記コリメートレンズ及び前記対物レンズを収容する光ヘッド部を有しており、
前記照射方向調整手段は、照射対象物の照射面上の焦点を中心軸として、当該中心軸に対して前記光ヘッド部を周回させることにより、レーザスポットの照射方向を調整することを特徴とする請求項２に記載のレーザ照射装置。
【請求項４】
前記照射方向調整手段は、前記光ヘッド部を照射対象物の照射面に平行な方向及び垂直な方向に位置調整することにより、照射対象物上の照射位置を調整することを特徴とする請求項３に記載のレーザ照射装置。
【請求項５】
前記照射方向調整手段は、前記戻り光学系の各々において受光された戻り光の光量の合計値が最大値となるよう、照射対象物に対するレーザスポットの照射方向及び／又は照射対象物上の照射位置を調整することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
【請求項６】
前記照射方向調整手段は、前記戻り光学系の各々において受光された戻り光の光量の合計値が所定の閾値以上となるよう、照射対象物に対するレーザスポットの照射方向及び／又は照射対象物上の照射位置を調整することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
【請求項７】
前記レーザ照射装置において、前記検出された戻り光の光量に基づいて前記対物レンズを照射対象物の照射面に略垂直な方向に移動させることにより、照射対象物に対するレーザスポットの焦点合わせを行う焦点調整手段を有していることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
【請求項８】
レーザ光を発光する手段を備える複数の照射光学系と、前記照射光学系の各々から照射されるレーザ光を受光し平行光に集光するコリメートレンズと、前記コリメートレンズを通過したレーザ光を所定のレーザスポット形状に集光し、照射対象物の照射面上に焦点合わせする対物レンズと、照射対象物に照射されたレーザ光が反射され、前記対物レンズ及び前記コリメートレンズを通過してきた戻り光を受光する複数の戻り光学系と、前記戻り光学系の各々において受光された戻り光の光量を検出する手段とを有するレーザ照射装置において、
前記検出された戻り光の光量に基づいて、照射対象物に対するレーザスポットの照射方向を調整することを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項９】
照射対象物の照射面上の焦点を固定しながらレーザスポットの照射方向を調整することを特徴とする請求項８に記載のレーザ照射方法。
【請求項１０】
前記レーザ照射装置において、前記コリメートレンズ及び前記対物レンズを収容する光ヘッド部を有しており、
照射対象物の照射面上の焦点を中心軸として、当該中心軸に対して前記光ヘッド部を周回させることにより、レーザスポットの照射方向を調整することを特徴とする請求項９に記載のレーザ照射方法。
【請求項１１】
前記光ヘッド部を照射対象物の照射面に平行な方向及び垂直な方向に位置調整することにより、照射対象物上の照射位置を調整することを特徴とする請求項１０に記載のレーザ照射方法。
【請求項１２】
前記戻り光学系の各々において受光された戻り光の光量の合計値が最大値となるよう、照射対象物に対するレーザスポットの照射方向及び／又は照射対象物上の照射位置を調整することを特徴とする請求項８から１１のいずれか１項に記載のレーザ照射方法。
【請求項１３】
前記戻り光学系の各々において受光された戻り光の光量の合計値が所定の閾値以上となるよう、照射対象物に対するレーザスポットの照射方向及び／又は照射対象物上の照射位置を調整することを特徴とする請求項８から１１のいずれか１項に記載のレーザ照射方法。
【請求項１４】
前記検出された戻り光の光量に基づいて前記対物レンズを照射対象物の照射面に略垂直な方向に移動させることにより、照射対象物に対するレーザスポットの焦点合わせを行うことを特徴とする請求項８から１３のいずれか１項に記載のレーザ照射方法。
【請求項１】
照射対象物にレーザ光を集光したレーザスポットを照射するレーザ照射装置であって、
レーザ光を発光する手段を備える複数の照射光学系と、
前記照射光学系の各々から照射されるレーザ光を受光し平行光に集光するコリメートレンズと、
前記コリメートレンズを通過したレーザ光を所定のレーザスポット形状に集光し、照射対象物の照射面上に焦点合わせする対物レンズと、
照射対象物に照射されたレーザ光が反射され、前記対物レンズ及び前記コリメートレンズを通過してきた戻り光を受光する複数の戻り光学系と、
前記戻り光学系の各々において受光された戻り光の光量を検出する手段と、
前記検出された戻り光の光量に基づいて、照射対象物に対するレーザスポットの照射方向を調整する照射方向調整手段とを有するレーザ照射装置。
【請求項２】
前記照射方向調整手段は、照射対象物の照射面上の焦点を固定しながらレーザスポットの照射方向を調整することを特徴とする請求項１に記載のレーザ照射装置。
【請求項３】
前記レーザ照射装置において、前記コリメートレンズ及び前記対物レンズを収容する光ヘッド部を有しており、
前記照射方向調整手段は、照射対象物の照射面上の焦点を中心軸として、当該中心軸に対して前記光ヘッド部を周回させることにより、レーザスポットの照射方向を調整することを特徴とする請求項２に記載のレーザ照射装置。
【請求項４】
前記照射方向調整手段は、前記光ヘッド部を照射対象物の照射面に平行な方向及び垂直な方向に位置調整することにより、照射対象物上の照射位置を調整することを特徴とする請求項３に記載のレーザ照射装置。
【請求項５】
前記照射方向調整手段は、前記戻り光学系の各々において受光された戻り光の光量の合計値が最大値となるよう、照射対象物に対するレーザスポットの照射方向及び／又は照射対象物上の照射位置を調整することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
【請求項６】
前記照射方向調整手段は、前記戻り光学系の各々において受光された戻り光の光量の合計値が所定の閾値以上となるよう、照射対象物に対するレーザスポットの照射方向及び／又は照射対象物上の照射位置を調整することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
【請求項７】
前記レーザ照射装置において、前記検出された戻り光の光量に基づいて前記対物レンズを照射対象物の照射面に略垂直な方向に移動させることにより、照射対象物に対するレーザスポットの焦点合わせを行う焦点調整手段を有していることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
【請求項８】
レーザ光を発光する手段を備える複数の照射光学系と、前記照射光学系の各々から照射されるレーザ光を受光し平行光に集光するコリメートレンズと、前記コリメートレンズを通過したレーザ光を所定のレーザスポット形状に集光し、照射対象物の照射面上に焦点合わせする対物レンズと、照射対象物に照射されたレーザ光が反射され、前記対物レンズ及び前記コリメートレンズを通過してきた戻り光を受光する複数の戻り光学系と、前記戻り光学系の各々において受光された戻り光の光量を検出する手段とを有するレーザ照射装置において、
前記検出された戻り光の光量に基づいて、照射対象物に対するレーザスポットの照射方向を調整することを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項９】
照射対象物の照射面上の焦点を固定しながらレーザスポットの照射方向を調整することを特徴とする請求項８に記載のレーザ照射方法。
【請求項１０】
前記レーザ照射装置において、前記コリメートレンズ及び前記対物レンズを収容する光ヘッド部を有しており、
照射対象物の照射面上の焦点を中心軸として、当該中心軸に対して前記光ヘッド部を周回させることにより、レーザスポットの照射方向を調整することを特徴とする請求項９に記載のレーザ照射方法。
【請求項１１】
前記光ヘッド部を照射対象物の照射面に平行な方向及び垂直な方向に位置調整することにより、照射対象物上の照射位置を調整することを特徴とする請求項１０に記載のレーザ照射方法。
【請求項１２】
前記戻り光学系の各々において受光された戻り光の光量の合計値が最大値となるよう、照射対象物に対するレーザスポットの照射方向及び／又は照射対象物上の照射位置を調整することを特徴とする請求項８から１１のいずれか１項に記載のレーザ照射方法。
【請求項１３】
前記戻り光学系の各々において受光された戻り光の光量の合計値が所定の閾値以上となるよう、照射対象物に対するレーザスポットの照射方向及び／又は照射対象物上の照射位置を調整することを特徴とする請求項８から１１のいずれか１項に記載のレーザ照射方法。
【請求項１４】
前記検出された戻り光の光量に基づいて前記対物レンズを照射対象物の照射面に略垂直な方向に移動させることにより、照射対象物に対するレーザスポットの焦点合わせを行うことを特徴とする請求項８から１３のいずれか１項に記載のレーザ照射方法。
【図１】
【図４】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図４】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−６０８３２（Ｐ２０１１−６０８３２Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０５９６６（Ｐ２００９−２０５９６６）
【出願日】平成２１年９月７日（２００９．９．７）
【出願人】（０００２３３０３３）日立コンピュータ機器株式会社 (253)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月７日（２００９．９．７）
【出願人】（０００２３３０３３）日立コンピュータ機器株式会社 (253)
【Ｆターム（参考）】
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