線焦点を作成する光学システム、この光学システムを用いる走査システム、および基板のレーザ加工方法
【課題】基板の表面上の入力光ビームからできるだけ収差がない、特にボウタイ型誤差を示さない線焦点を作成する光学システムを提供する。
【解決手段】伝搬方向に伝搬する入力光ビームを放射する光源４４であって、入力光ビーム４２は、伝搬方向に対して直角の第１次元ｘにおける延長部分および第１次元ｘおよび伝搬方向に対して直角の第２次元ｙにおける延長部分を有する光源４４と、入力光ビームを第１次元ｘにおいて拡大するための少なくとも一つのビーム拡大光学素子４６と、第２次元ｙにおいて湾曲される集束光学素子であって、集束光学素子が入力光ビームを第２次元ｙにおいて表面上の線焦点Ｆに集束させる集束光学素子４８と、線焦点がまっすぐでありかつ線焦点の少なくともほぼ全長にわたって表面上の平坦な焦点面にあるように、線焦点を平らにするための少なくとも一つの補正光学素子５０とを備える。
【解決手段】伝搬方向に伝搬する入力光ビームを放射する光源４４であって、入力光ビーム４２は、伝搬方向に対して直角の第１次元ｘにおける延長部分および第１次元ｘおよび伝搬方向に対して直角の第２次元ｙにおける延長部分を有する光源４４と、入力光ビームを第１次元ｘにおいて拡大するための少なくとも一つのビーム拡大光学素子４６と、第２次元ｙにおいて湾曲される集束光学素子であって、集束光学素子が入力光ビームを第２次元ｙにおいて表面上の線焦点Ｆに集束させる集束光学素子４８と、線焦点がまっすぐでありかつ線焦点の少なくともほぼ全長にわたって表面上の平坦な焦点面にあるように、線焦点を平らにするための少なくとも一つの補正光学素子５０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ビームの線焦点を基板上に作成する光学システムに関する。
本発明は、さらに走査ビーム焦点を基板上に作成する走査システムに関する。
なおさらに、本発明は、基板のレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、基板のレーザ誘導結晶化の分野において、フラットパネルディスプレイまたは有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイ製造工程の分野において、例えば大基板の焼きなましに役立つ。
本明細書および本請求の範囲において用いられる「線焦点」という用語は、ビームの伝搬方向に直交するビームの２つの横方向次元間に大きなアスペクト比を有するビーム形状であると理解される。このようなアスペクト比は、特に１００より大きいこともある。
【０００３】
線焦点または線ビームを、例えば大基板のシリコン焼きなましで用いられるように作成する、例えば下記特許文献１に開示されるような先行技術による光学システムは、集束光学素子としてシリンドリカルレンズを備える屈折光学システムを用いている。
現在の光学システムでは、例えば２００ｍｍである線焦点の長さと、例えば１ｍｍである線焦点の幅との典型的な比は、およそ１００〜２００である。しかしながら、いくつかの応用としては、線焦点の長さと幅との比が６００〜１００００まで増加するように、非常に薄い（＜０．０５ｍｍ）および長い（＞３００ｍｍ）線焦点を持つことが望ましい。
【０００４】
しかしながら、線焦点の幅が減少するにつれて、補正の必要がある屈折シリンドリカルシステムの収差、特にいわゆるボウタイ型誤差（bow-tie error）が見られる。以下では、これらの欠陥を、先行技術による線焦点を作成する光学システムに関してより詳細に説明する。
図１〜図３は、先行技術に従って光ビームの線焦点を基板の表面上に作成する光学システムを示す。
【０００５】
光源は、通常、ほぼ正方形または円形断面を持つ直径Ｄの入力光ビーム１０を発する。細長い線ビームまたは線焦点を入力ビーム１０から作成するために、光学システムは、図１〜図３に図示されるように、光ビーム１０の伝搬方向に対して直角の１次元において（ｘ方向より下方という）光ビーム１０を拡大し、第１次元に対しても同じく直角の伝搬方向に対して直角の第２次元において（ｙ方向より下方という）入力光ビーム１０を集束させるのに必要とされる。図１は、ｙｚ平面での光ビーム１０を示し、図２は、ｘｚ平面での光ビーム１０を示し、図３は、光ビーム１０の斜視図である。図１〜図３に示されるような光学システムは、例えば、上述の下記特許文献１に記載されている。
【０００６】
集束は、ｙｚ平面で行われ、一方ビーム拡大は、ｘｚ平面で行われる。
入力光ビーム１０の集束は、通常、シリンドリカルレンズ１２によって行われる。最小達成可能線幅Ｗは、レンズ１２のＦ数ｆ＃に関する。最小（回折限界）線幅Ｗは、積Ｗ＝２ｆ＃・λによって与えられ、式中λは、入力光ビーム１０の動作波長である。したがって、小さいｆ＃＜２０は、非常に細い線焦点に必要とされる。レンズ１２のｘ方向の焦点距離ｆｘは、入力ビーム直径Ｄから追従してｆｘ＝Ｄ・ｚｙ＃となる。例えば、直径Ｄ＝２０ｍｍの入力ビーム１０は、約ｆｘ＜４００ｍｍの焦点距離を必要とする。したがって、レンズ１２と線焦点が形成される基板との間の距離は、典型的に短距離に限定される。
【０００７】
図２に示すような入力光ビーム１０のｘ方向の拡大は、通常ビーム拡散光学素子またはビーム拡大素子１４によって作成される。例えば、拡大素子１４は、負シリンドリカルレンズ、シリンドリカルレンズアレイ、回折光学素子、または１次元拡散板であってもよい。
全入力ビームを拡大する代わりに、該ビームを、線焦点が時間の関数として走査されうるように高速ステアリングミラー（例えば、ガルボミラー）によって偏向することもできる。しかしながら、時間平均では、ステアリングミラーは、素子１４と同じ機能となるだろう。
【０００８】
これらの上記素子のすべては、導入角度ω（図２参照）が小さい（およそ数度）場合、製造がより容易であり、収差が少なくなる。それにもかかわらず、入力ビーム直径Ｄの数倍の長さLの長い線焦点Ｆを達成するためには、拡大素子１４と基板Ｓとの間の距離Δｚは、Ｌ＝Ｄ＋２・Δｚ・ｔａｎ（ω）であるので、典型的に大きくなる。結果として、拡大または拡散素子１４は、光ビーム１０の伝搬方向（正ｚ方向）で見ると、集束素子１２の前に位置決めされる。
【０００９】
このことはまた、ｘ方向の入力光ビーム１０のエッジでの光線、例えば、端部光線１６および１８（図３参照）が、ｘ方向の非ゼロ角ω（図３参照）で集束素子１２に入射することを意味する。しかしながら、レンズ１２のようなシリンドリカルレンズが、ｙ方向である集束方向に直交する入射角ω、すなわち図３における角度θで用いられる場合、レンズ１２の後ろで結果として生じる屈折角θ’に関連する背面焦点距離は、ωに依存する。これは、屈折の法則に影響する正弦関数における非線形性によるものである。
【００１０】
ｎ・ｓｉｎ（ｉ）＝ｎ’・ｓｉｎ（ｉ’）であり、式中ｉ、ｉ’はそれぞれ合計入射角であり、ゆえにそれぞれωとθ、ω’とθとの組合せである。
結果として、入力光ビーム１０が集束する平面は平坦にはならず、湾曲する。このことは、基板Ｓが典型的に平坦であるので望ましくない。特に、入力光ビーム１０の端部光線１６，１８については、鮮明な焦点は中央光線の焦点よりもレンズ１２に近くなる。言い換えると、入力光ビーム１０は、ｘ方向の基板Ｓ上のビームのエッジでは焦点が外れる。この状況を、図５に示す。発生した収差は、基板Ｓ上の図４に示すビームフットプリントがボウタイ形状であるので、通常ボウタイ型誤差と呼ばれる。
【００１１】
したがって、上記欠陥を克服する、特にボウタイ型誤差を示さない線焦点を作成する光学システムの必要がある。
【特許文献１】米国特許第５，７２１，４１６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、基板の表面上の入力光ビームからできるだけ収差がない、特にボウタイ型誤差を示さない線焦点を作成する光学システムを提供することである。
本発明の他の目的は、前述した目的を達成する走査ビーム焦点を基板の表面上に作成する走査システムを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、できるだけ収差がない線ビームまたは線焦点を持つ基板のレーザ加工法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
これらのおよび他の目的は、線焦点を入力光ビームから基板の表面上に形成または作成する光学システムによって、本発明の第１態様に従って達成される。本光学システムは、伝搬方向に伝搬する入力光ビームを放射する光源であって、入力光ビームは、伝搬方向に対して直角の第１次元における延長部分および第１次元および伝搬方向に対して直角の第２次元における延長部分を有する光源と、入力光ビームを第１次元において拡大するための少なくとも一つのビーム拡大光学素子と、第２次元において湾曲される少なくとも一つの集束光学素子であって、集束光学素子が入力光ビームを第２次元において表面上の線焦点に集束させる集束光学素子と、線焦点がまっすぐであり、かつ線焦点の少なくともほぼ全長にわたって表面上の平坦な焦点面にあるように、線焦点を平らにするための少なくとも一つの補正光学素子とを備える。
【００１４】
本発明の他の態様によれば、走査ビーム焦点を基板上に作成する走査システムが提供される。本走査システムは、伝搬方向に伝搬する入力光ビームを放射する光源であって、入力光ビームは、伝搬方向に対して直角の第１次元における延長部分および第１次元および伝搬方向に対して直角の第２次元における延長部分を有する光源と、 入力光ビームを第１次元において拡大するための少なくとも一つのビーム拡大光学素子と、第２次元において湾曲される少なくとも一つの集束光学素子であって、集束光学素子が入力光ビームを第２次元において平面上の線焦点に集束させる集束光学素子と、線焦点がまっすぐであり、かつ線焦点の少なくともほぼ全長にわたって表面上の平坦な焦点面にあるように、線焦点を平らにするための少なくとも一つの補正光学素子とを備える。
【００１５】
本発明のさらに他の態様によれば、基板のレーザ加工方法が提供される。本レーザ加工方法は、伝搬方向に伝搬する入力光ビームを放射する光源であって、入力光ビームは、伝搬方向に対して直角の第１次元における延長部分および第１次元および伝搬方向に対して直角の第２次元における延長部分を有する光源と、入力光ビームを第１次元において拡大するための少なくとも一つのビーム拡大光学素子と、第２次元において湾曲される少なくとも一つの集束光学素子であって、集束光学素子が入力光ビームを第２次元において平面上の線焦点に集束させる集束光学素子と、線焦点がまっすぐであり、かつ線焦点の少なくともほぼ全長にわたって表面上の平坦な焦点面にあるように、線焦点を平らにするための少なくとも一つの補正光学素子とを使用する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施形態を図面に示し、かつ図面を参照して以下でより詳細に説明する。
以下では、光ビームの線焦点を基板上に形成または作成する光学システムの好ましい実施形態を説明する。
本発明に従って入力光ビームから線焦点を基板の表面上に作成する光学システムは、一般に、入力光ビームを発する光源を備えている。入力光ビームは伝搬方向に伝搬し、入力光ビームは、伝搬方向に対して直角の第１次元における延長部分および第１次元および伝搬方向に対して直角の第２次元における延長部分を有している。
【００１７】
少なくとも一つのビーム拡大光学素子が、入力光ビームを第１次元において拡大するために設けられている。
さらに、第２次元において湾曲される少なくとも一つの集束光学素子は、該集束光学素子が入力光ビームを第２次元において基板の表面上の線焦点または線ビームに集束するように設けられている。
【００１８】
以下でより詳細に説明する本発明による光学システムの実施形態は、少なくとも一つの補正光学素子が、線焦点がまっすぐであり、かつ線焦点の少なくともほぼ全長にわたって基板の表面上の平坦な焦点面にあるように、線焦点を平らにするために設けられるという共通点がある。
第１の種類の実施形態において、少なくとも一つの補正光学素子は、少なくとも一つの集束素子と基板の表面との間に位置決めされ、入力光ビームの集束素子への斜め入射によって生じる線焦点での収差を補正するために負出力を有している。好ましくは、少なくとも一つの補正光学素子は、この場合入力光ビームの伝搬方向において見ると、基板の表面の前の最後の光学素子である。補正光学「素子」は、主に表面、特に集束レンズの光出口面にすぎないことを理解されたい。
【００１９】
補正光学素子は、第１次元もしくは第２次元、または必要な場合にはその両方、すなわち第１次元および第２次元において負出力を有することができる。
他の種類の実施形態では、少なくとも一つの補正光学素子は、少なくとも一つの集束光学素子の前に位置決めされ、入力光ビームが少なくとも一つの集束光学素子に少なくともほぼ直角に入射するように入力光ビームを平行にする平行光学素子である。図１〜図５を参照して上で説明したように、ボウタイ型誤差は、集束光学素子上およびそれを通過する入力光ビームの斜め入射によって生じる。入力光ビームが集束光学素子に入射する前に入力光ビームを平行にすることによって、このような斜め入射を回避し、ひいてはボウタイ型誤差のような収差も回避する。
【００２０】
この場合、少なくとも一つの補正光学素子を、第１次元もしくは第２次元において、または好ましくは、必要な場合には第１次元および第２次元において入力光ビームを平行にし、その結果第１次元ならびに第２次元において入力光ビームが直角に入射するように設計することができる。
以下で説明するさらなる好ましい実施形態では、中間焦点を基板と光源との間に作成するように光学システムを設計することができる。このような光学システムに好ましくは中間焦点を設ける理由は、光源によって放出される入力光ビームは平行になっていないことがよくあるが、収束性または発散性であるからである。入力光ビームは回折限界ではないことがよくあるが、ある固有ビーム発散を有してもよい。このような非回折限界ビームを集束させた場合、積Ｗ＝２・ｆ＃・λによって与えられる最小（回折限界）線幅にはならないが、限界ビーム品質のため大きくなる。したがって、ビームを中間位置に集束させること、および中間焦点領域に配置され、入力光ビームのシャープエッジを第１次元および第２次元のうち少なくとも一方において作成するためのマスク（開口）を用いることが望ましい。
【００２１】
このような開口（マスク）は、例えば、長方形のスリットを有することができる。
中間焦点を第２次元において作成する光学システムでは、入力光ビームは、入力光ビームを第２次元において基板上に集束させる集束光学素子上に斜めに入射し、それによりボウタイ型誤差の形の収差が再び生じることになる。
したがって、本問題を解決するために、中間焦点を作成するさらなる集束光学素子には、（入力光ビームの伝搬方向で見ると）中間焦点の後ろに配置され、第２次元において入力ビームを平行にするためのさらなる平行光学素子が割り当てられる。したがって、入力光ビームは、該入力光ビームを第２次元においても少なくともほぼ直角に基板の表面上に集束させる集束光学素子に入射され、それによって斜め入射およびこのような斜め入射によって生じる収差を回避する。
【００２２】
好ましくは、中間焦点を作成するさらなる集束光学素子およびさらなる平行光学素子を構成して、例えば歪像ケプラー望遠鏡状の無限焦点望遠鏡を形成することができる。「無限焦点」は、さらなる集束光学素子およびさらなる平行光学素子の焦点距離が互いに異なり、その差を第１次元ビームエクスパンダまたはコンプレッサを形成するために用いることができるということを意味し、それゆえ同時に、入力光ビームの大きさを光学システムに必要な大きさに合わせるために入力レーザビームを拡大または圧縮するために用いてもよい。
【００２３】
前述したすべての種類の実施形態では、少なくとも一つのビーム拡大光学素子は、高速ステアリングミラー、例えば、ガルボミラー、また好ましくは、負シリンドリカルレンズ、シリンドリカルレンズアレイ、回折素子、または１次元拡散板であってもよい。
さらに、少なくとも一つの集束光学素子はシリンドリカルレンズであってもよく、前述したさらなる集束光学素子もシリンドリカルレンズであってもよい。
【００２４】
本発明による光学システムは、屈折素子、または屈折素子と反射素子との組合せのみを用いることができる。屈折素子はフッ化カルシウム（ＣａＦ２）を含むことがある。
さらに、入力光ビームは、波長が、線焦点を持つ処理対象基板の波長に対する吸収係数が高くなるように選択される光を備えることができる。
基板自体は半導体膜を備えることができ、または例えばアモルファスシリコンを含むことができる。
【００２５】
前述したような光学システムで用いられる光源は、好ましくは、５０Ｗ以上の光学出力を与える高出力レーザである。好ましくは、光源は、エキシマレーザである。
ボウタイ型誤差の補正が、入力光ビームを基板の表面上に直角で集束させる集束光学素子に入力光ビームを入射させる主構に基づく場合には、線焦点は、本発明の光学システムのさらなる利点としては、多くの場合に望ましいように、基板の表面上ではテレセントリックである。「テレセントリック」は、光が基板の表面に直角で入射することも意味している。
【００２６】
「線焦点」という用語は上記または以下で用いる限りでは、大略的には光ビームの伝搬方向に対して直角の光ビームの２つの横方向次元間に大きなアスペクト比を有するビーム形状について述べる。特に、上述のアスペクト比は、１００より大きい。
「シリンドリカル光学素子」という用語は以下の説明で用いる限りでは、簡略化のために用いられ、光ビームの伝搬方向に対して直角の１次元においては必ずしも球面ではない湾曲面を有し、および第１次元および光ビームの伝搬方向に対して直角である他の次元においてはまったくまたは実質的に湾曲がない光学素子（レンズおよび鏡）のすべての形状を含んでいる。「シリンドリカル光学素子」という用語は、原則として、非球面湾曲を有する光学素子（レンズおよび鏡）も含んでいる。本発明では、「シリンドリカル光学素子」の湾曲の特定の形状は、多項式または円錐面によって説明することができる放物線状、楕円状、または非球面状である。
【００２７】
さて図６を参照して、入力光ビーム２２の線焦点Ｆを基板の表面Ｓ上に作成する光学システム２０を示す。
入力光ビーム２２は、入力光ビーム２２を図６のｚ方向である伝搬方向に放射する光源２４によって放射される。入力光ビーム２２は、図６のｘ方向でありかつ光ビーム２２の伝搬方向に対して直角である第１次元における延長部分および図６のｙ方向でありかつ第１次元および入力光ビーム２２の伝搬方向に対して直角である第２次元における延長部分を有している。光源２４によって放射されるような入力光ビーム２２の断面の形状は正方形であってもよいが、異なる形状、例えば、円形、楕円形、長方形、または任意の他の形状であってもよい。
【００２８】
光学システム２０は、入力光ビーム２２を第１次元において、すなわちｘ方向に拡大するためのビーム拡大光学素子２６をさらに備えている。ビーム拡大光学素子２６は、例えば、負シリンドリカルレンズである。
光学システム２０は、入力光ビーム２２を、拡大の後基板の表面Ｓ上の線焦点Ｆに集束させる集束光学素子２８をさらに備えている。集束光学素子２８は、例えば、Y方向に正出力を持つシリンドリカルレンズである。
【００２９】
図６で分かるように、入力光ビーム２２は、拡大後、入力光ビーム２２の中央部分３０でのみ直角に集束光学素子２８に入射し、一方入力光ビーム２２のエッジ、すなわち端部光線３２，３４は、中央部分３０から端部光線３２，３４までの傾きの増加に伴って、集束光学素子２８に斜めに入射する。入力光ビーム２２のエッジの領域における斜め入射は、通常、図５に示すような焦点面または線焦点Ｆの湾曲の結果である、図４に示すようなビームフットプリントを生じさせる。線焦点Ｆの湾曲を補正するために、補正光学素子３６は基板の表面Ｓと集束光学素子２８との間に位置決めされ、図７および図８に示すように線焦点Ｆを基板の表面Ｓ上でまっすぐにするために負出力を有している。図８において、ｘ軸は基板の表面Ｓに依存するように選択されている。
【００３０】
図９および図１０は、本発明に従う光学システム４０の他の実施形態を示す。
図６に示す実施形態と同じように、光学システム４０はｚ方向に伝搬する入力光ビーム４２を放射する光源４４、入力光ビーム４２をｘ方向に拡大するビーム拡大光学素子４６、および拡大された入力光ビームをｙ方向に集束させる集束光学素子４８を備えている。
光学システム４０は、入力光ビーム４２の伝搬方向において見ると、集束光学素子４８の前に配置される平行光学素子として構成される補正光学素子５０をさらに備えている。平行光学素子５０は、入力光ビーム４８がｘ方向の入力光ビームの全延長部分にわたって直角に集束光学素子４８に入射するように拡大された入力光ビーム４２を平行にする。簡単な本実施形態では、平行光学素子５０は、入力光ビーム４２を、このようにしてｘ方向において平行にする。図２の角度ωはこのようにしてゼロとなり、スネルの屈折の法則は、もはやωに依存していない。
【００３１】
基板の表面Ｓ上の線焦点Ｆは、このようにまっすぐかつ一平面にあり、その結果線焦点Ｆのビームフットプリントは、図７に示すものと同じである。
光学システム４０のさらなる利点は、集束された後の入力光ビーム４２が基板の表面Ｓにも直角に入射し、それにより光学システム４０はテレセントリック光学システムになるということである。
【００３２】
線焦点Ｆは、図７および図８に示すように、線焦点の全長にわたって均一な細線である。
図１１は、他の光学システム６０を示している。光学システム６０は、入力光ビーム６２を発する光源６４、入力光ビーム６２をｘ方向に拡大するビーム拡大光学素子６６、入力光ビーム６２を基板の表面Ｓ上においてｙ方向に集束させる集束光学素子６８、およびｘ方向の拡大後の入力光ビーム６２を、ｘ方向に平行にする平行光学素子の形の補正光学素子７０を備えている。
【００３３】
光学システム６０は、中間焦点ＦＩを中間焦点面に作成するために、入ってくる入力光ビーム６２をｙ方向に集束させるさらなる集束素子７２をさらに備えている。開口７６を持つマスク７４は、すでに上述したように、線焦点Ｆのシャープエッジまたはシャープラインを作成するために、中間焦点ＦＩにまたはその近くに配置されている。開口７６は、例えば長方形のスリットとして構成することができ、よって入力光ビーム６２のシャープエッジをｘ方向およびｙ方向に作成する。
【００３４】
さらなる集束素子７２は、図１１に示すように、入力光ビーム６２をｙ方向に集束させる。
中間焦点ＦＩに起因して、入力光ビーム６２は、入力光ビーム６２がビーム拡大光学素子６６を通過、および入力光ビーム６２が平行光学素子７０を通過するにつれて、ｙ方向の斜め入射角（図３では、θとされている）を有している。したがって、入力光ビーム６２が基板の表面Ｓ上に集束する平面は、図１２に示すように、要望したように、再び湾曲されかつ平坦ではない。線焦点の曲がりの影響は、図１〜図３の場合におけるように、入力光ビームのｘ方向の斜め入射の影響としては重要ではないが、線焦点Ｆの擾乱として考えるには十分大きいだろう。
【００３５】
図１１の光学システム６０に関して生じる問題を解決する他の光学システム８０を、図１３および図１４に示す。
光学システム８０は、入力光ビーム８２を放射する光源、入力光ビーム８２をｘ方向に拡大するためのビーム拡大光学素子８６、拡大された入力光ビーム８２を基板の表面Ｓ上に集束させるための集束光学素子８８、拡大された入力光ビーム８２をｘ方向に平行にするための平行光学素子９０、中間焦点ＦＩを中間焦点面に作成するさらなる焦点光学素子９２、および中間焦点ＦＩに配置される開口９６を有するマスク９４を備えている。
【００３６】
さらなる集束光学素子９２には、入力光ビーム８２の伝搬方向において見ると、中間焦点ＦＩの後ろであって、かつビーム拡大光学素子８６の前に配置されるさらなる平行光学素子９８が割り当てられている。さらなる平行光学素子９８は、入力光ビーム８２をｙ方向に平行にし、よって入力光ビーム８２が集束光学素子８８にｙ方向に非ゼロ角で入射するのを回避する。したがって、光学システム８０は、すべてのシリンドリカル光学素子８６および８８について、入力光ビーム８２がｘ方向およびｙ方向に、すなわちそれぞれの素子８６および８８の集束方向に直交する方向に、非ゼロ角ではなくこれらの素子８６および８８に入るように、つまり、入力光ビーム８２が出力（集束）方向に直交する方向に常に平行になるように設計されている。
【００３７】
光学システム８０は、図７および図８に示すように、ボウタイ収差がなく、線焦点Ｆを示している。
さらなる集束光学素子８２およびさらなる平行光学素子９８は、ともに歪像ケプラー型無限焦点望遠鏡を形成する。素子９２および９８の焦点距離が互いに異なるように選択される場合、光学システム８０の当該部分は、１次元無限焦点ビームエクスパンダまたはコンプレッサを形成し、したがって同時に、出ていく入力光ビーム８２の大きさを光学システム８０にとって必要な大きさに適合させるために、入ってくる入力光ビーム８２を拡大または圧縮するために用いられてもよい。
【００３８】
光学システム２０，４０，８０は、走査ビーム焦点を基板上に作成する走査システムの一部またはそのものであってもよい。「走査」は、好ましくは、線焦点が、基板を線焦点に対して機械的に移動させること、または線焦点を基板上で移動させるための光学手段によって、線焦点に垂直な方向に基板全体にわたって走査または掃引されることを意味している。
【００３９】
このような走査システムは、好ましくは、例えば、基板をレーザ加工、好ましくは、アモルファスシリコンまたは半導体膜のレーザ焼きなまし、半導体膜のレーザ誘導結晶化、フラットパネルまたはＯＬＥＤ、ディスプレイ製造、または任意の他の種類のレーザ材料加工のためのさまざまな方法において使用される。
以上で説明したような光学システムの応用に従って、光源によって放射される光の波長は、基板の本波長についての吸収係数が高くなるように選択される。特に、レーザ源２４，４４，８４は、高出力エキシマレーザまたは他の高出力光源であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】先行技術に従って線焦点を作成する光学システムのｙｚ平面における平面図である。
【図２】図１の光学システムのｘｚ平面における平面図である。
【図３】図１および図２の光学システムの斜視図である。
【図４】図１〜図３の光学システムによって作成された基板の表面上の線焦点のビームフットプリントである。
【図５】図１〜図３の光学システムによって作成されたｘｚ平面における焦点線を示すグラフである。
【図６】本発明の第１実施形態による光学システムのｘｚ平面における平面図である。
【図７】図６の光学システムによって得られる基板の表面上の線焦点のビームフットプリントである。
【図８】図６の光学システムによって作成される線焦点のｘｚ平面におけるグラフである。
【図９】本発明の他の実施形態による光学システムのｘｚ平面における平面図である。
【図１０】図９の光学システムの斜視図である。
【図１１】本発明の他の態様を図示する光学システムの他の実施形態のｙｚ平面における平面図である。
【図１２】図１１の光学システムによって得られるｘｚ平面における線焦点を示すグラフである。
【図１３】図１１の光学システムに関して改良される本発明の他の実施形態による光学システムのｙｚ平面における平面図である。
【図１４】図１３の光学システムのｘｚ平面における平面図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ビームの線焦点を基板上に作成する光学システムに関する。
本発明は、さらに走査ビーム焦点を基板上に作成する走査システムに関する。
なおさらに、本発明は、基板のレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、基板のレーザ誘導結晶化の分野において、フラットパネルディスプレイまたは有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイ製造工程の分野において、例えば大基板の焼きなましに役立つ。
本明細書および本請求の範囲において用いられる「線焦点」という用語は、ビームの伝搬方向に直交するビームの２つの横方向次元間に大きなアスペクト比を有するビーム形状であると理解される。このようなアスペクト比は、特に１００より大きいこともある。
【０００３】
線焦点または線ビームを、例えば大基板のシリコン焼きなましで用いられるように作成する、例えば下記特許文献１に開示されるような先行技術による光学システムは、集束光学素子としてシリンドリカルレンズを備える屈折光学システムを用いている。
現在の光学システムでは、例えば２００ｍｍである線焦点の長さと、例えば１ｍｍである線焦点の幅との典型的な比は、およそ１００〜２００である。しかしながら、いくつかの応用としては、線焦点の長さと幅との比が６００〜１００００まで増加するように、非常に薄い（＜０．０５ｍｍ）および長い（＞３００ｍｍ）線焦点を持つことが望ましい。
【０００４】
しかしながら、線焦点の幅が減少するにつれて、補正の必要がある屈折シリンドリカルシステムの収差、特にいわゆるボウタイ型誤差（bow-tie error）が見られる。以下では、これらの欠陥を、先行技術による線焦点を作成する光学システムに関してより詳細に説明する。
図１〜図３は、先行技術に従って光ビームの線焦点を基板の表面上に作成する光学システムを示す。
【０００５】
光源は、通常、ほぼ正方形または円形断面を持つ直径Ｄの入力光ビーム１０を発する。細長い線ビームまたは線焦点を入力ビーム１０から作成するために、光学システムは、図１〜図３に図示されるように、光ビーム１０の伝搬方向に対して直角の１次元において（ｘ方向より下方という）光ビーム１０を拡大し、第１次元に対しても同じく直角の伝搬方向に対して直角の第２次元において（ｙ方向より下方という）入力光ビーム１０を集束させるのに必要とされる。図１は、ｙｚ平面での光ビーム１０を示し、図２は、ｘｚ平面での光ビーム１０を示し、図３は、光ビーム１０の斜視図である。図１〜図３に示されるような光学システムは、例えば、上述の下記特許文献１に記載されている。
【０００６】
集束は、ｙｚ平面で行われ、一方ビーム拡大は、ｘｚ平面で行われる。
入力光ビーム１０の集束は、通常、シリンドリカルレンズ１２によって行われる。最小達成可能線幅Ｗは、レンズ１２のＦ数ｆ＃に関する。最小（回折限界）線幅Ｗは、積Ｗ＝２ｆ＃・λによって与えられ、式中λは、入力光ビーム１０の動作波長である。したがって、小さいｆ＃＜２０は、非常に細い線焦点に必要とされる。レンズ１２のｘ方向の焦点距離ｆｘは、入力ビーム直径Ｄから追従してｆｘ＝Ｄ・ｚｙ＃となる。例えば、直径Ｄ＝２０ｍｍの入力ビーム１０は、約ｆｘ＜４００ｍｍの焦点距離を必要とする。したがって、レンズ１２と線焦点が形成される基板との間の距離は、典型的に短距離に限定される。
【０００７】
図２に示すような入力光ビーム１０のｘ方向の拡大は、通常ビーム拡散光学素子またはビーム拡大素子１４によって作成される。例えば、拡大素子１４は、負シリンドリカルレンズ、シリンドリカルレンズアレイ、回折光学素子、または１次元拡散板であってもよい。
全入力ビームを拡大する代わりに、該ビームを、線焦点が時間の関数として走査されうるように高速ステアリングミラー（例えば、ガルボミラー）によって偏向することもできる。しかしながら、時間平均では、ステアリングミラーは、素子１４と同じ機能となるだろう。
【０００８】
これらの上記素子のすべては、導入角度ω（図２参照）が小さい（およそ数度）場合、製造がより容易であり、収差が少なくなる。それにもかかわらず、入力ビーム直径Ｄの数倍の長さLの長い線焦点Ｆを達成するためには、拡大素子１４と基板Ｓとの間の距離Δｚは、Ｌ＝Ｄ＋２・Δｚ・ｔａｎ（ω）であるので、典型的に大きくなる。結果として、拡大または拡散素子１４は、光ビーム１０の伝搬方向（正ｚ方向）で見ると、集束素子１２の前に位置決めされる。
【０００９】
このことはまた、ｘ方向の入力光ビーム１０のエッジでの光線、例えば、端部光線１６および１８（図３参照）が、ｘ方向の非ゼロ角ω（図３参照）で集束素子１２に入射することを意味する。しかしながら、レンズ１２のようなシリンドリカルレンズが、ｙ方向である集束方向に直交する入射角ω、すなわち図３における角度θで用いられる場合、レンズ１２の後ろで結果として生じる屈折角θ’に関連する背面焦点距離は、ωに依存する。これは、屈折の法則に影響する正弦関数における非線形性によるものである。
【００１０】
ｎ・ｓｉｎ（ｉ）＝ｎ’・ｓｉｎ（ｉ’）であり、式中ｉ、ｉ’はそれぞれ合計入射角であり、ゆえにそれぞれωとθ、ω’とθとの組合せである。
結果として、入力光ビーム１０が集束する平面は平坦にはならず、湾曲する。このことは、基板Ｓが典型的に平坦であるので望ましくない。特に、入力光ビーム１０の端部光線１６，１８については、鮮明な焦点は中央光線の焦点よりもレンズ１２に近くなる。言い換えると、入力光ビーム１０は、ｘ方向の基板Ｓ上のビームのエッジでは焦点が外れる。この状況を、図５に示す。発生した収差は、基板Ｓ上の図４に示すビームフットプリントがボウタイ形状であるので、通常ボウタイ型誤差と呼ばれる。
【００１１】
したがって、上記欠陥を克服する、特にボウタイ型誤差を示さない線焦点を作成する光学システムの必要がある。
【特許文献１】米国特許第５，７２１，４１６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、基板の表面上の入力光ビームからできるだけ収差がない、特にボウタイ型誤差を示さない線焦点を作成する光学システムを提供することである。
本発明の他の目的は、前述した目的を達成する走査ビーム焦点を基板の表面上に作成する走査システムを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、できるだけ収差がない線ビームまたは線焦点を持つ基板のレーザ加工法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
これらのおよび他の目的は、線焦点を入力光ビームから基板の表面上に形成または作成する光学システムによって、本発明の第１態様に従って達成される。本光学システムは、伝搬方向に伝搬する入力光ビームを放射する光源であって、入力光ビームは、伝搬方向に対して直角の第１次元における延長部分および第１次元および伝搬方向に対して直角の第２次元における延長部分を有する光源と、入力光ビームを第１次元において拡大するための少なくとも一つのビーム拡大光学素子と、第２次元において湾曲される少なくとも一つの集束光学素子であって、集束光学素子が入力光ビームを第２次元において表面上の線焦点に集束させる集束光学素子と、線焦点がまっすぐであり、かつ線焦点の少なくともほぼ全長にわたって表面上の平坦な焦点面にあるように、線焦点を平らにするための少なくとも一つの補正光学素子とを備える。
【００１４】
本発明の他の態様によれば、走査ビーム焦点を基板上に作成する走査システムが提供される。本走査システムは、伝搬方向に伝搬する入力光ビームを放射する光源であって、入力光ビームは、伝搬方向に対して直角の第１次元における延長部分および第１次元および伝搬方向に対して直角の第２次元における延長部分を有する光源と、 入力光ビームを第１次元において拡大するための少なくとも一つのビーム拡大光学素子と、第２次元において湾曲される少なくとも一つの集束光学素子であって、集束光学素子が入力光ビームを第２次元において平面上の線焦点に集束させる集束光学素子と、線焦点がまっすぐであり、かつ線焦点の少なくともほぼ全長にわたって表面上の平坦な焦点面にあるように、線焦点を平らにするための少なくとも一つの補正光学素子とを備える。
【００１５】
本発明のさらに他の態様によれば、基板のレーザ加工方法が提供される。本レーザ加工方法は、伝搬方向に伝搬する入力光ビームを放射する光源であって、入力光ビームは、伝搬方向に対して直角の第１次元における延長部分および第１次元および伝搬方向に対して直角の第２次元における延長部分を有する光源と、入力光ビームを第１次元において拡大するための少なくとも一つのビーム拡大光学素子と、第２次元において湾曲される少なくとも一つの集束光学素子であって、集束光学素子が入力光ビームを第２次元において平面上の線焦点に集束させる集束光学素子と、線焦点がまっすぐであり、かつ線焦点の少なくともほぼ全長にわたって表面上の平坦な焦点面にあるように、線焦点を平らにするための少なくとも一つの補正光学素子とを使用する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施形態を図面に示し、かつ図面を参照して以下でより詳細に説明する。
以下では、光ビームの線焦点を基板上に形成または作成する光学システムの好ましい実施形態を説明する。
本発明に従って入力光ビームから線焦点を基板の表面上に作成する光学システムは、一般に、入力光ビームを発する光源を備えている。入力光ビームは伝搬方向に伝搬し、入力光ビームは、伝搬方向に対して直角の第１次元における延長部分および第１次元および伝搬方向に対して直角の第２次元における延長部分を有している。
【００１７】
少なくとも一つのビーム拡大光学素子が、入力光ビームを第１次元において拡大するために設けられている。
さらに、第２次元において湾曲される少なくとも一つの集束光学素子は、該集束光学素子が入力光ビームを第２次元において基板の表面上の線焦点または線ビームに集束するように設けられている。
【００１８】
以下でより詳細に説明する本発明による光学システムの実施形態は、少なくとも一つの補正光学素子が、線焦点がまっすぐであり、かつ線焦点の少なくともほぼ全長にわたって基板の表面上の平坦な焦点面にあるように、線焦点を平らにするために設けられるという共通点がある。
第１の種類の実施形態において、少なくとも一つの補正光学素子は、少なくとも一つの集束素子と基板の表面との間に位置決めされ、入力光ビームの集束素子への斜め入射によって生じる線焦点での収差を補正するために負出力を有している。好ましくは、少なくとも一つの補正光学素子は、この場合入力光ビームの伝搬方向において見ると、基板の表面の前の最後の光学素子である。補正光学「素子」は、主に表面、特に集束レンズの光出口面にすぎないことを理解されたい。
【００１９】
補正光学素子は、第１次元もしくは第２次元、または必要な場合にはその両方、すなわち第１次元および第２次元において負出力を有することができる。
他の種類の実施形態では、少なくとも一つの補正光学素子は、少なくとも一つの集束光学素子の前に位置決めされ、入力光ビームが少なくとも一つの集束光学素子に少なくともほぼ直角に入射するように入力光ビームを平行にする平行光学素子である。図１〜図５を参照して上で説明したように、ボウタイ型誤差は、集束光学素子上およびそれを通過する入力光ビームの斜め入射によって生じる。入力光ビームが集束光学素子に入射する前に入力光ビームを平行にすることによって、このような斜め入射を回避し、ひいてはボウタイ型誤差のような収差も回避する。
【００２０】
この場合、少なくとも一つの補正光学素子を、第１次元もしくは第２次元において、または好ましくは、必要な場合には第１次元および第２次元において入力光ビームを平行にし、その結果第１次元ならびに第２次元において入力光ビームが直角に入射するように設計することができる。
以下で説明するさらなる好ましい実施形態では、中間焦点を基板と光源との間に作成するように光学システムを設計することができる。このような光学システムに好ましくは中間焦点を設ける理由は、光源によって放出される入力光ビームは平行になっていないことがよくあるが、収束性または発散性であるからである。入力光ビームは回折限界ではないことがよくあるが、ある固有ビーム発散を有してもよい。このような非回折限界ビームを集束させた場合、積Ｗ＝２・ｆ＃・λによって与えられる最小（回折限界）線幅にはならないが、限界ビーム品質のため大きくなる。したがって、ビームを中間位置に集束させること、および中間焦点領域に配置され、入力光ビームのシャープエッジを第１次元および第２次元のうち少なくとも一方において作成するためのマスク（開口）を用いることが望ましい。
【００２１】
このような開口（マスク）は、例えば、長方形のスリットを有することができる。
中間焦点を第２次元において作成する光学システムでは、入力光ビームは、入力光ビームを第２次元において基板上に集束させる集束光学素子上に斜めに入射し、それによりボウタイ型誤差の形の収差が再び生じることになる。
したがって、本問題を解決するために、中間焦点を作成するさらなる集束光学素子には、（入力光ビームの伝搬方向で見ると）中間焦点の後ろに配置され、第２次元において入力ビームを平行にするためのさらなる平行光学素子が割り当てられる。したがって、入力光ビームは、該入力光ビームを第２次元においても少なくともほぼ直角に基板の表面上に集束させる集束光学素子に入射され、それによって斜め入射およびこのような斜め入射によって生じる収差を回避する。
【００２２】
好ましくは、中間焦点を作成するさらなる集束光学素子およびさらなる平行光学素子を構成して、例えば歪像ケプラー望遠鏡状の無限焦点望遠鏡を形成することができる。「無限焦点」は、さらなる集束光学素子およびさらなる平行光学素子の焦点距離が互いに異なり、その差を第１次元ビームエクスパンダまたはコンプレッサを形成するために用いることができるということを意味し、それゆえ同時に、入力光ビームの大きさを光学システムに必要な大きさに合わせるために入力レーザビームを拡大または圧縮するために用いてもよい。
【００２３】
前述したすべての種類の実施形態では、少なくとも一つのビーム拡大光学素子は、高速ステアリングミラー、例えば、ガルボミラー、また好ましくは、負シリンドリカルレンズ、シリンドリカルレンズアレイ、回折素子、または１次元拡散板であってもよい。
さらに、少なくとも一つの集束光学素子はシリンドリカルレンズであってもよく、前述したさらなる集束光学素子もシリンドリカルレンズであってもよい。
【００２４】
本発明による光学システムは、屈折素子、または屈折素子と反射素子との組合せのみを用いることができる。屈折素子はフッ化カルシウム（ＣａＦ２）を含むことがある。
さらに、入力光ビームは、波長が、線焦点を持つ処理対象基板の波長に対する吸収係数が高くなるように選択される光を備えることができる。
基板自体は半導体膜を備えることができ、または例えばアモルファスシリコンを含むことができる。
【００２５】
前述したような光学システムで用いられる光源は、好ましくは、５０Ｗ以上の光学出力を与える高出力レーザである。好ましくは、光源は、エキシマレーザである。
ボウタイ型誤差の補正が、入力光ビームを基板の表面上に直角で集束させる集束光学素子に入力光ビームを入射させる主構に基づく場合には、線焦点は、本発明の光学システムのさらなる利点としては、多くの場合に望ましいように、基板の表面上ではテレセントリックである。「テレセントリック」は、光が基板の表面に直角で入射することも意味している。
【００２６】
「線焦点」という用語は上記または以下で用いる限りでは、大略的には光ビームの伝搬方向に対して直角の光ビームの２つの横方向次元間に大きなアスペクト比を有するビーム形状について述べる。特に、上述のアスペクト比は、１００より大きい。
「シリンドリカル光学素子」という用語は以下の説明で用いる限りでは、簡略化のために用いられ、光ビームの伝搬方向に対して直角の１次元においては必ずしも球面ではない湾曲面を有し、および第１次元および光ビームの伝搬方向に対して直角である他の次元においてはまったくまたは実質的に湾曲がない光学素子（レンズおよび鏡）のすべての形状を含んでいる。「シリンドリカル光学素子」という用語は、原則として、非球面湾曲を有する光学素子（レンズおよび鏡）も含んでいる。本発明では、「シリンドリカル光学素子」の湾曲の特定の形状は、多項式または円錐面によって説明することができる放物線状、楕円状、または非球面状である。
【００２７】
さて図６を参照して、入力光ビーム２２の線焦点Ｆを基板の表面Ｓ上に作成する光学システム２０を示す。
入力光ビーム２２は、入力光ビーム２２を図６のｚ方向である伝搬方向に放射する光源２４によって放射される。入力光ビーム２２は、図６のｘ方向でありかつ光ビーム２２の伝搬方向に対して直角である第１次元における延長部分および図６のｙ方向でありかつ第１次元および入力光ビーム２２の伝搬方向に対して直角である第２次元における延長部分を有している。光源２４によって放射されるような入力光ビーム２２の断面の形状は正方形であってもよいが、異なる形状、例えば、円形、楕円形、長方形、または任意の他の形状であってもよい。
【００２８】
光学システム２０は、入力光ビーム２２を第１次元において、すなわちｘ方向に拡大するためのビーム拡大光学素子２６をさらに備えている。ビーム拡大光学素子２６は、例えば、負シリンドリカルレンズである。
光学システム２０は、入力光ビーム２２を、拡大の後基板の表面Ｓ上の線焦点Ｆに集束させる集束光学素子２８をさらに備えている。集束光学素子２８は、例えば、Y方向に正出力を持つシリンドリカルレンズである。
【００２９】
図６で分かるように、入力光ビーム２２は、拡大後、入力光ビーム２２の中央部分３０でのみ直角に集束光学素子２８に入射し、一方入力光ビーム２２のエッジ、すなわち端部光線３２，３４は、中央部分３０から端部光線３２，３４までの傾きの増加に伴って、集束光学素子２８に斜めに入射する。入力光ビーム２２のエッジの領域における斜め入射は、通常、図５に示すような焦点面または線焦点Ｆの湾曲の結果である、図４に示すようなビームフットプリントを生じさせる。線焦点Ｆの湾曲を補正するために、補正光学素子３６は基板の表面Ｓと集束光学素子２８との間に位置決めされ、図７および図８に示すように線焦点Ｆを基板の表面Ｓ上でまっすぐにするために負出力を有している。図８において、ｘ軸は基板の表面Ｓに依存するように選択されている。
【００３０】
図９および図１０は、本発明に従う光学システム４０の他の実施形態を示す。
図６に示す実施形態と同じように、光学システム４０はｚ方向に伝搬する入力光ビーム４２を放射する光源４４、入力光ビーム４２をｘ方向に拡大するビーム拡大光学素子４６、および拡大された入力光ビームをｙ方向に集束させる集束光学素子４８を備えている。
光学システム４０は、入力光ビーム４２の伝搬方向において見ると、集束光学素子４８の前に配置される平行光学素子として構成される補正光学素子５０をさらに備えている。平行光学素子５０は、入力光ビーム４８がｘ方向の入力光ビームの全延長部分にわたって直角に集束光学素子４８に入射するように拡大された入力光ビーム４２を平行にする。簡単な本実施形態では、平行光学素子５０は、入力光ビーム４２を、このようにしてｘ方向において平行にする。図２の角度ωはこのようにしてゼロとなり、スネルの屈折の法則は、もはやωに依存していない。
【００３１】
基板の表面Ｓ上の線焦点Ｆは、このようにまっすぐかつ一平面にあり、その結果線焦点Ｆのビームフットプリントは、図７に示すものと同じである。
光学システム４０のさらなる利点は、集束された後の入力光ビーム４２が基板の表面Ｓにも直角に入射し、それにより光学システム４０はテレセントリック光学システムになるということである。
【００３２】
線焦点Ｆは、図７および図８に示すように、線焦点の全長にわたって均一な細線である。
図１１は、他の光学システム６０を示している。光学システム６０は、入力光ビーム６２を発する光源６４、入力光ビーム６２をｘ方向に拡大するビーム拡大光学素子６６、入力光ビーム６２を基板の表面Ｓ上においてｙ方向に集束させる集束光学素子６８、およびｘ方向の拡大後の入力光ビーム６２を、ｘ方向に平行にする平行光学素子の形の補正光学素子７０を備えている。
【００３３】
光学システム６０は、中間焦点ＦＩを中間焦点面に作成するために、入ってくる入力光ビーム６２をｙ方向に集束させるさらなる集束素子７２をさらに備えている。開口７６を持つマスク７４は、すでに上述したように、線焦点Ｆのシャープエッジまたはシャープラインを作成するために、中間焦点ＦＩにまたはその近くに配置されている。開口７６は、例えば長方形のスリットとして構成することができ、よって入力光ビーム６２のシャープエッジをｘ方向およびｙ方向に作成する。
【００３４】
さらなる集束素子７２は、図１１に示すように、入力光ビーム６２をｙ方向に集束させる。
中間焦点ＦＩに起因して、入力光ビーム６２は、入力光ビーム６２がビーム拡大光学素子６６を通過、および入力光ビーム６２が平行光学素子７０を通過するにつれて、ｙ方向の斜め入射角（図３では、θとされている）を有している。したがって、入力光ビーム６２が基板の表面Ｓ上に集束する平面は、図１２に示すように、要望したように、再び湾曲されかつ平坦ではない。線焦点の曲がりの影響は、図１〜図３の場合におけるように、入力光ビームのｘ方向の斜め入射の影響としては重要ではないが、線焦点Ｆの擾乱として考えるには十分大きいだろう。
【００３５】
図１１の光学システム６０に関して生じる問題を解決する他の光学システム８０を、図１３および図１４に示す。
光学システム８０は、入力光ビーム８２を放射する光源、入力光ビーム８２をｘ方向に拡大するためのビーム拡大光学素子８６、拡大された入力光ビーム８２を基板の表面Ｓ上に集束させるための集束光学素子８８、拡大された入力光ビーム８２をｘ方向に平行にするための平行光学素子９０、中間焦点ＦＩを中間焦点面に作成するさらなる焦点光学素子９２、および中間焦点ＦＩに配置される開口９６を有するマスク９４を備えている。
【００３６】
さらなる集束光学素子９２には、入力光ビーム８２の伝搬方向において見ると、中間焦点ＦＩの後ろであって、かつビーム拡大光学素子８６の前に配置されるさらなる平行光学素子９８が割り当てられている。さらなる平行光学素子９８は、入力光ビーム８２をｙ方向に平行にし、よって入力光ビーム８２が集束光学素子８８にｙ方向に非ゼロ角で入射するのを回避する。したがって、光学システム８０は、すべてのシリンドリカル光学素子８６および８８について、入力光ビーム８２がｘ方向およびｙ方向に、すなわちそれぞれの素子８６および８８の集束方向に直交する方向に、非ゼロ角ではなくこれらの素子８６および８８に入るように、つまり、入力光ビーム８２が出力（集束）方向に直交する方向に常に平行になるように設計されている。
【００３７】
光学システム８０は、図７および図８に示すように、ボウタイ収差がなく、線焦点Ｆを示している。
さらなる集束光学素子８２およびさらなる平行光学素子９８は、ともに歪像ケプラー型無限焦点望遠鏡を形成する。素子９２および９８の焦点距離が互いに異なるように選択される場合、光学システム８０の当該部分は、１次元無限焦点ビームエクスパンダまたはコンプレッサを形成し、したがって同時に、出ていく入力光ビーム８２の大きさを光学システム８０にとって必要な大きさに適合させるために、入ってくる入力光ビーム８２を拡大または圧縮するために用いられてもよい。
【００３８】
光学システム２０，４０，８０は、走査ビーム焦点を基板上に作成する走査システムの一部またはそのものであってもよい。「走査」は、好ましくは、線焦点が、基板を線焦点に対して機械的に移動させること、または線焦点を基板上で移動させるための光学手段によって、線焦点に垂直な方向に基板全体にわたって走査または掃引されることを意味している。
【００３９】
このような走査システムは、好ましくは、例えば、基板をレーザ加工、好ましくは、アモルファスシリコンまたは半導体膜のレーザ焼きなまし、半導体膜のレーザ誘導結晶化、フラットパネルまたはＯＬＥＤ、ディスプレイ製造、または任意の他の種類のレーザ材料加工のためのさまざまな方法において使用される。
以上で説明したような光学システムの応用に従って、光源によって放射される光の波長は、基板の本波長についての吸収係数が高くなるように選択される。特に、レーザ源２４，４４，８４は、高出力エキシマレーザまたは他の高出力光源であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】先行技術に従って線焦点を作成する光学システムのｙｚ平面における平面図である。
【図２】図１の光学システムのｘｚ平面における平面図である。
【図３】図１および図２の光学システムの斜視図である。
【図４】図１〜図３の光学システムによって作成された基板の表面上の線焦点のビームフットプリントである。
【図５】図１〜図３の光学システムによって作成されたｘｚ平面における焦点線を示すグラフである。
【図６】本発明の第１実施形態による光学システムのｘｚ平面における平面図である。
【図７】図６の光学システムによって得られる基板の表面上の線焦点のビームフットプリントである。
【図８】図６の光学システムによって作成される線焦点のｘｚ平面におけるグラフである。
【図９】本発明の他の実施形態による光学システムのｘｚ平面における平面図である。
【図１０】図９の光学システムの斜視図である。
【図１１】本発明の他の態様を図示する光学システムの他の実施形態のｙｚ平面における平面図である。
【図１２】図１１の光学システムによって得られるｘｚ平面における線焦点を示すグラフである。
【図１３】図１１の光学システムに関して改良される本発明の他の実施形態による光学システムのｙｚ平面における平面図である。
【図１４】図１３の光学システムのｘｚ平面における平面図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
線焦点を入力光ビームから基板の表面上に作成する光学システムであって、
伝搬方向に伝搬する前記入力光ビームを放射する光源であって、前記入力光ビームは、前記伝搬方向に対して直角の第１次元における延長部分および前記第１次元および前記伝搬方向に対して直角の第２次元における延長部分を有する光源と、
前記入力光ビームを前記第１次元において拡大するための少なくとも一つのビーム拡大光学素子と、
前記第２次元において湾曲される少なくとも一つの集束光学素子であって、前記集束光学素子が前記入力光ビームを前記第２次元において前記基板の表面上の前記線焦点に集束させる集束光学素子と、
前記線焦点がまっすぐであり、かつ前記線焦点の少なくともほぼ全長にわたって前記基板の表面上の平坦な焦点面にあるように、前記線焦点を平らにするための少なくとも一つの補正光学素子とを備える、光学システム。
【請求項２】
前記少なくとも一つの補正光学素子は、前記少なくとも一つの集束素子と前記表面との間に位置決めされ、負出力を有する、請求項１に記載の光学システム。
【請求項３】
前記少なくとも一つの補正光学素子は、前記第１次元および前記第２次元のうち少なくとも一方において前記負出力を有する、請求項２に記載の光学システム。
【請求項４】
前記少なくとも一つの補正光学素子は、前記入力光ビームが前記少なくとも一つの集束光学素子に前記第１次元および前記第２次元のうち少なくとも一方において少なくともほぼ直角に入射するように前記少なくとも一つの集束光学素子の前に位置決めされ、前記入力光ビームを前記第１次元および前記第２次元のうち少なくとも一方において平行にする平行光学素子である、請求項１に記載の光学システム。
【請求項５】
前記少なくとも一つの集束光学素子と前記光源との間に配置され、中間焦点を前記第１次元および前記第２次元のうち少なくとも一方において作成するための少なくとも一つのさらなる集束光学素子をさらに備える、請求項１に記載の光学システム。
【請求項６】
開口が前記入力光ビームのシャープエッジを前記第１次元および前記第２次元のうち少なくとも一方において作成する前記中間焦点の領域に配置される、請求項５に記載の光学システム。
【請求項７】
前記開口は長方形のスリットを有している、請求項６に記載の光学システム。
【請求項８】
前記さらなる集束光学素子には、前記中間焦点の後ろに配置され、前記入力光ビームを前記第２次元において平行にするためのさらなる平行光学素子が割り当てられる、請求項５に記載の光学システム。
【請求項９】
前記さらなる集束光学素子および前記さらなる平行光学素子は、無限焦点望遠鏡を形成するように配置される、請求項８に記載の光学システム。
【請求項１０】
前記さらなる平行光学素子は、前記少なくとも一つのビーム拡大光学素子の前に配置される、請求項８に記載の光学システム。
【請求項１１】
前記少なくとも一つのビーム拡大光学素子は、高速ステアリングミラー、例えば、ガルボミラーである、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１２】
前記少なくとも一つのビーム拡大素子は、少なくとも一つの負シリンドリカルレンズ、シリンドリカルレンズアレイ、少なくとも一つの回折素子、第１次元拡散板を含むグループから選択される、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１３】
前記ビーム拡大素子は前記ビームも均質にする、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１４】
前記少なくとも一つの集束光学素子はシリンドリカルレンズである、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１５】
前記少なくとも一つのさらなる集束光学素子はシリンドリカルレンズである、請求項５に記載の光学システム。
【請求項１６】
前記少なくとも一つのビーム拡大光学素子の少なくとも一つ、前記少なくとも一つの集束光学素子、および前記少なくとも一つの補正光学素子のうち少なくとも一つはフッ化カルシウムを含む、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１７】
前記入力光ビームは、波長が、前記基板の前記波長に対する吸収係数が高くなるように選択される光を備える、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１８】
前記基板は半導体膜を備える、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１９】
前記基板はアモルファスシリコンを含む、請求項１に記載の光学システム。
【請求項２０】
前記光源は５０Ｗ以上の光出力を与える高出力レーザである、請求項１に記載の光学システム。
【請求項２１】
前記光源はエキシマレーザである、請求項１に記載の光学システム。
【請求項２２】
前記線焦点は前記基板の前記表面上でテレセントリックである、請求項１に記載の光学システム。
【請求項２３】
走査ビーム焦点を基板上に作成する走査システムであって、
伝搬方向に伝搬する入力光ビームを放射する光源であって、前記入力光ビームは、前記伝搬方向に対して直角の第１次元における延長部分および前記第１次元および前記伝搬方向に対して直角の第２次元における延長部分を有する光源と、
前記入力光ビームを前記第１次元において拡大するための少なくとも一つのビーム拡大光学素子と、
前記第２次元において湾曲される少なくとも一つの集束光学素子であって、前記集束光学素子が前記入力光ビームを前記第２次元において前記平面上の前記線焦点に集束させる集束光学素子と、
前記線焦点がまっすぐであり、かつ前記線焦点の少なくともほぼ全長にわたって前記表面上の平坦な焦点面にあるように、前記線焦点を平らにするための少なくとも一つの補正光学素子とを備える、走査システム。
【請求項２４】
前記少なくとも一つの補正光学素子は、前記少なくとも一つの集束素子と前記表面との間に位置決めされ、負出力を有する、請求項２３に記載の走査システム。
【請求項２５】
前記少なくとも一つの補正光学素子は、前記第１次元および前記第２次元のうち少なくとも一方において前記負出力を有する、請求項２４に記載の走査システム。
【請求項２６】
前記少なくとも一つの補正光学素子は、前記入力光ビームが前記少なくとも一つの集束光学素子に前記第１次元および前記第２次元のうち少なくとも一方において少なくともほぼ直角に入射するように前記少なくとも一つの集束光学素子の前に位置決めされ、前記入力光ビームを前記第１次元および前記第２次元のうち少なくとも一方において平行にする平行光学素子である、請求項２３に記載の走査システム。
【請求項２７】
前記少なくとも一つの集束光学素子と前記光源との間に配置され、中間焦点を前記２次元において作成するための少なくとも一つのさらなる集束光学素子をさらに備える、請求項２３に記載の走査システム。
【請求項２８】
開口が前記入力光ビームのシャープエッジを前記第１次元および前記第２次元のうち少なくとも一方において作成する前記中間焦点の領域に配置される、請求項２７に記載の走査システム。
【請求項２９】
前記開口は長方形のスリットを有している、請求項２８に記載の走査システム。
【請求項３０】
前記さらなる集束光学素子には、前記中間焦点の後ろに配置され、前記入力光ビームを前記第２次元において平行にするためのさらなる平行光学素子が割り当てられる、請求項２７に記載の走査システム。
【請求項３１】
前記さらなる集束光学素子および前記さらなる平行光学素子は、無限焦点望遠鏡を形成するように配置される、請求項３０に記載の走査システム。
【請求項３２】
前記さらなる平行光学素子は、前記少なくとも一つのビーム拡大光学素子の前に配置される、請求項３０に記載の走査システム。
【請求項３３】
前記線焦点を前記基板全体にわたって走査する手段をさらに備える、請求項２３に記載の走査システム。
【請求項３４】
基板のレーザ加工方法であって、走査ビーム焦点を前記基板の表面上に作成する走査システムを使用し、前記走査システムは、
伝搬方向に伝搬する入力光ビームを放射する光源であって、前記入力光ビームは、前記伝搬方向に対して直角の第１次元における延長部分および前記第１次元および前記伝搬方向に対して直角の第２次元における延長部分を有する光源と、
前記入力光ビームを前記第１次元において拡大するための少なくとも一つのビーム拡大光学素子と、
前記第２次元において湾曲される少なくとも一つの集束光学素子であって、前記集束光学素子が前記入力光ビームを前記２次元において前記平面上の前記線焦点に集束させる集束光学素子と、
前記線焦点がまっすぐであり、かつ前記線焦点の少なくともほぼ全長にわたって前記表面上の平坦な焦点面にあるように、前記線焦点を平らにするための少なくとも一つの補正光学素子とを備える、方法。
【請求項３５】
前記線焦点を前記基板全体にわたって走査するステップをさらに含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記線焦点を前記基板全体にわたって機械的に走査するステップをさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記線焦点を前記基板全体にわたって光学的に走査するステップをさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記基板はシリコン基板である、請求項３４に記載の方法。
【請求項３９】
前記基板は半導体膜である、請求項３４に記載の方法。
【請求項４０】
前記レーザ加工は前記基板を焼きなますステップを含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項４１】
前記レーザ加工は前記基板のレーザ誘導結晶化を含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項４２】
前記レーザ加工はフラットパネルディスプレイ製造工程で行われる、請求項３４に記載の方法。
【請求項４３】
前記レーザ加工は有機ＬＥＤディスプレイ製造工程で行われる、請求項３４に記載の方法。
【請求項１】
線焦点を入力光ビームから基板の表面上に作成する光学システムであって、
伝搬方向に伝搬する前記入力光ビームを放射する光源であって、前記入力光ビームは、前記伝搬方向に対して直角の第１次元における延長部分および前記第１次元および前記伝搬方向に対して直角の第２次元における延長部分を有する光源と、
前記入力光ビームを前記第１次元において拡大するための少なくとも一つのビーム拡大光学素子と、
前記第２次元において湾曲される少なくとも一つの集束光学素子であって、前記集束光学素子が前記入力光ビームを前記第２次元において前記基板の表面上の前記線焦点に集束させる集束光学素子と、
前記線焦点がまっすぐであり、かつ前記線焦点の少なくともほぼ全長にわたって前記基板の表面上の平坦な焦点面にあるように、前記線焦点を平らにするための少なくとも一つの補正光学素子とを備える、光学システム。
【請求項２】
前記少なくとも一つの補正光学素子は、前記少なくとも一つの集束素子と前記表面との間に位置決めされ、負出力を有する、請求項１に記載の光学システム。
【請求項３】
前記少なくとも一つの補正光学素子は、前記第１次元および前記第２次元のうち少なくとも一方において前記負出力を有する、請求項２に記載の光学システム。
【請求項４】
前記少なくとも一つの補正光学素子は、前記入力光ビームが前記少なくとも一つの集束光学素子に前記第１次元および前記第２次元のうち少なくとも一方において少なくともほぼ直角に入射するように前記少なくとも一つの集束光学素子の前に位置決めされ、前記入力光ビームを前記第１次元および前記第２次元のうち少なくとも一方において平行にする平行光学素子である、請求項１に記載の光学システム。
【請求項５】
前記少なくとも一つの集束光学素子と前記光源との間に配置され、中間焦点を前記第１次元および前記第２次元のうち少なくとも一方において作成するための少なくとも一つのさらなる集束光学素子をさらに備える、請求項１に記載の光学システム。
【請求項６】
開口が前記入力光ビームのシャープエッジを前記第１次元および前記第２次元のうち少なくとも一方において作成する前記中間焦点の領域に配置される、請求項５に記載の光学システム。
【請求項７】
前記開口は長方形のスリットを有している、請求項６に記載の光学システム。
【請求項８】
前記さらなる集束光学素子には、前記中間焦点の後ろに配置され、前記入力光ビームを前記第２次元において平行にするためのさらなる平行光学素子が割り当てられる、請求項５に記載の光学システム。
【請求項９】
前記さらなる集束光学素子および前記さらなる平行光学素子は、無限焦点望遠鏡を形成するように配置される、請求項８に記載の光学システム。
【請求項１０】
前記さらなる平行光学素子は、前記少なくとも一つのビーム拡大光学素子の前に配置される、請求項８に記載の光学システム。
【請求項１１】
前記少なくとも一つのビーム拡大光学素子は、高速ステアリングミラー、例えば、ガルボミラーである、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１２】
前記少なくとも一つのビーム拡大素子は、少なくとも一つの負シリンドリカルレンズ、シリンドリカルレンズアレイ、少なくとも一つの回折素子、第１次元拡散板を含むグループから選択される、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１３】
前記ビーム拡大素子は前記ビームも均質にする、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１４】
前記少なくとも一つの集束光学素子はシリンドリカルレンズである、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１５】
前記少なくとも一つのさらなる集束光学素子はシリンドリカルレンズである、請求項５に記載の光学システム。
【請求項１６】
前記少なくとも一つのビーム拡大光学素子の少なくとも一つ、前記少なくとも一つの集束光学素子、および前記少なくとも一つの補正光学素子のうち少なくとも一つはフッ化カルシウムを含む、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１７】
前記入力光ビームは、波長が、前記基板の前記波長に対する吸収係数が高くなるように選択される光を備える、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１８】
前記基板は半導体膜を備える、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１９】
前記基板はアモルファスシリコンを含む、請求項１に記載の光学システム。
【請求項２０】
前記光源は５０Ｗ以上の光出力を与える高出力レーザである、請求項１に記載の光学システム。
【請求項２１】
前記光源はエキシマレーザである、請求項１に記載の光学システム。
【請求項２２】
前記線焦点は前記基板の前記表面上でテレセントリックである、請求項１に記載の光学システム。
【請求項２３】
走査ビーム焦点を基板上に作成する走査システムであって、
伝搬方向に伝搬する入力光ビームを放射する光源であって、前記入力光ビームは、前記伝搬方向に対して直角の第１次元における延長部分および前記第１次元および前記伝搬方向に対して直角の第２次元における延長部分を有する光源と、
前記入力光ビームを前記第１次元において拡大するための少なくとも一つのビーム拡大光学素子と、
前記第２次元において湾曲される少なくとも一つの集束光学素子であって、前記集束光学素子が前記入力光ビームを前記第２次元において前記平面上の前記線焦点に集束させる集束光学素子と、
前記線焦点がまっすぐであり、かつ前記線焦点の少なくともほぼ全長にわたって前記表面上の平坦な焦点面にあるように、前記線焦点を平らにするための少なくとも一つの補正光学素子とを備える、走査システム。
【請求項２４】
前記少なくとも一つの補正光学素子は、前記少なくとも一つの集束素子と前記表面との間に位置決めされ、負出力を有する、請求項２３に記載の走査システム。
【請求項２５】
前記少なくとも一つの補正光学素子は、前記第１次元および前記第２次元のうち少なくとも一方において前記負出力を有する、請求項２４に記載の走査システム。
【請求項２６】
前記少なくとも一つの補正光学素子は、前記入力光ビームが前記少なくとも一つの集束光学素子に前記第１次元および前記第２次元のうち少なくとも一方において少なくともほぼ直角に入射するように前記少なくとも一つの集束光学素子の前に位置決めされ、前記入力光ビームを前記第１次元および前記第２次元のうち少なくとも一方において平行にする平行光学素子である、請求項２３に記載の走査システム。
【請求項２７】
前記少なくとも一つの集束光学素子と前記光源との間に配置され、中間焦点を前記２次元において作成するための少なくとも一つのさらなる集束光学素子をさらに備える、請求項２３に記載の走査システム。
【請求項２８】
開口が前記入力光ビームのシャープエッジを前記第１次元および前記第２次元のうち少なくとも一方において作成する前記中間焦点の領域に配置される、請求項２７に記載の走査システム。
【請求項２９】
前記開口は長方形のスリットを有している、請求項２８に記載の走査システム。
【請求項３０】
前記さらなる集束光学素子には、前記中間焦点の後ろに配置され、前記入力光ビームを前記第２次元において平行にするためのさらなる平行光学素子が割り当てられる、請求項２７に記載の走査システム。
【請求項３１】
前記さらなる集束光学素子および前記さらなる平行光学素子は、無限焦点望遠鏡を形成するように配置される、請求項３０に記載の走査システム。
【請求項３２】
前記さらなる平行光学素子は、前記少なくとも一つのビーム拡大光学素子の前に配置される、請求項３０に記載の走査システム。
【請求項３３】
前記線焦点を前記基板全体にわたって走査する手段をさらに備える、請求項２３に記載の走査システム。
【請求項３４】
基板のレーザ加工方法であって、走査ビーム焦点を前記基板の表面上に作成する走査システムを使用し、前記走査システムは、
伝搬方向に伝搬する入力光ビームを放射する光源であって、前記入力光ビームは、前記伝搬方向に対して直角の第１次元における延長部分および前記第１次元および前記伝搬方向に対して直角の第２次元における延長部分を有する光源と、
前記入力光ビームを前記第１次元において拡大するための少なくとも一つのビーム拡大光学素子と、
前記第２次元において湾曲される少なくとも一つの集束光学素子であって、前記集束光学素子が前記入力光ビームを前記２次元において前記平面上の前記線焦点に集束させる集束光学素子と、
前記線焦点がまっすぐであり、かつ前記線焦点の少なくともほぼ全長にわたって前記表面上の平坦な焦点面にあるように、前記線焦点を平らにするための少なくとも一つの補正光学素子とを備える、方法。
【請求項３５】
前記線焦点を前記基板全体にわたって走査するステップをさらに含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記線焦点を前記基板全体にわたって機械的に走査するステップをさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記線焦点を前記基板全体にわたって光学的に走査するステップをさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記基板はシリコン基板である、請求項３４に記載の方法。
【請求項３９】
前記基板は半導体膜である、請求項３４に記載の方法。
【請求項４０】
前記レーザ加工は前記基板を焼きなますステップを含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項４１】
前記レーザ加工は前記基板のレーザ誘導結晶化を含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項４２】
前記レーザ加工はフラットパネルディスプレイ製造工程で行われる、請求項３４に記載の方法。
【請求項４３】
前記レーザ加工は有機ＬＥＤディスプレイ製造工程で行われる、請求項３４に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公表番号】特表２００９−５０３５９３（Ｐ２００９−５０３５９３Ａ）
【公表日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５２４３９５（Ｐ２００８−５２４３９５）
【出願日】平成１８年７月２２日（２００６．７．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００６／００７２３３
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０１４６６２
【国際公開日】平成１９年２月８日（２００７．２．８）
【出願人】（５０３１８７０８４）カール ツァイス レーザー オプティクス ゲーエムベーハー (14)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月２２日（２００６．７．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００６／００７２３３
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０１４６６２
【国際公開日】平成１９年２月８日（２００７．２．８）
【出願人】（５０３１８７０８４）カール ツァイス レーザー オプティクス ゲーエムベーハー (14)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]