JP2004114065A

JP2004114065A - レーザ照射装置

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Publication number: JP2004114065A
Application number: JP2002278222A
Authority: JP
Inventors: Kimihiro Taniguchi; 谷口　仁啓; Tetsuya Inui; 乾　哲也
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】レーザ光の利用効率の向上、照射領域の拡大および照射面の放射照度分布の均一化を図る。
【解決手段】レーザ光源１から出射されるレーザ光を導光体５を介して被照射物１１に照射するレーザ照射装置において、導光体５は、レーザ光源１からの光が入射する第一面と、入射されたレーザ光が反射を繰り返しながら進行する第二面および第三面とを有し、第二面もしくは第三面に、レーザ光の一部が導光体の外部へ出射される複数の光出射部が設けられている。また、導光体５の第二面もしくは第三面側に、複数のパターンを設けたマスクを配置して、各光出射部から出射された光がそれぞれ異なるパターンに照射されるようにすることができる。また、レーザ光源１と導光体５との間に、レーザ光のコヒーレンシーを維持したまま不均一な放射照度分布を均一化するための均一化光学素子を配置することが好ましい。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種材料の微細加工、マーキング、トリミング、表面改質などを行うために用いられるレーザ照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、プリンタヘッドの微細穴加工をはじめとする微細加工、アモルファスシリコンのアニールなどの表面改質を行うために、各種レーザ照射装置が用いられている。
【０００３】
図１１は、従来の代表的なレーザ照射装置の構成を模式的に示す断面図である。
【０００４】
このレーザ照射装置５００は、レーザ光源１、反射ミラー２、可変減衰器３、ビーム整形素子４、マスク６、対物レンズ７、均一照明素子９およびフィールドレンズ１０を有している。
【０００５】
レーザ光源１から出射されたレーザ光は、反射ミラー２によって進行方向が９０度変更され、可変減衰器３によって放射照度が調整された後、エキスパンダ等のビーム整形素子４によって適切なビームサイズに変換される。その後、反射ミラー２によって進行方向が９０度変更され、均一照明素子９によって光の放射照度が均一化されることによって、マスク６の有効領域に均一の放射照度で照射されるようになっている。
【０００６】
マスク６には、加工形状、表面改質の条件等に応じて、光透過部と非透過部とからなるマスクパターンが予め設けられており、マスク６の光透過部を透過したレーザ光は、フィールドレンズ１０によって集光され、反射ミラー２によって進行方向が９０度変更され、対物レンズ７によって被照射物１１に所定の倍率で結像されるようになっている。
【０００７】
このレーザ照射装置５００によれば、マスク面に照射されるレーザ光の強度が均一であるため、被照射物１１に照射されるレーザ光の強度も均一になり、高精度の加工、均質な表面改質などを行うことができる。
【０００８】
図１２は、図１１に示すレーザ照射装置に用いられる均一照明素子の構成例を模式的に示す断面図である。
【０００９】
この均一照明素子９は、レンズアレイ９ａおよび９ｂによってレーザ光を分割し、分割されたレーザ光のそれぞれをレンズ９ｃによって集光して、マスク有効領域６ｄの全体に照射するように構成されている。このように、レンズアレイ９ａおよび９ｂによって分割されたレーザ光を、レンズ９ｃによって集光して、同一領域（マスク有効領域６ｄ）に重ね合せることによって、光の放射照度が均一化される。
【００１０】
例えば、エキシマレーザの場合には、一般に、レーザ光源１から出射されるビームの形状が矩形形状であることから、レンズアレイ９ａおよび９ｂとしては、互いに直交する方向に配置された２組のシリンドリカルレンズアレイを用いるか、または矩形のレンズを縦横に配列したレンズアレイが用いられる。
【００１１】
上記図１１に示すレーザ照射装置５００は、マスク面に照射されるレーザ光の放射照度を均一化して、マスク像を被照射物１１上に結像する構成となっているため、マスク６の光透過部の面積によって、レーザ光源１から出射されたレーザ光に対して、披照射物１１上に照射されるレーザ光の割合（光利用効率）が大きく変化する。
【００１２】
一般的に行われているレーザ加工プロセスでは、マスク有効領域６ｄに対する光透過部の割合は数％〜２０％程度であり、照射光の大部分がマスク６に遮られるため、実際に被照射物１１に照射される光はごく僅かであり、光利用効率は極めて低くなっている。そこで、従来から、レーザ照射装置の光利用効率を向上させるために、種々の方法が提案されている。
【００１３】
例えば、従来、マスクの非透過部を高反射材料にて構成し、かつ、マスク面と対向する位置に反射ミラーを配置したレーザ照射装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このレーザ照射装置によれば、マスクの非透過部で反射された光を反射ミラーで反射させて再度マスクの光透過部へ導くことによって、これまで利用されていなかった光を積極的に活用して、レーザ光の利用効率を向上することができる。
【００１４】
しかしながら、この従来のレーザ照射装置では、図１２に示すような均一照明素子９を用いても、反射ミラーで反射された光を再度マスクの光透過部に導くため、マスク面に照射されるレーザ光の放射照度は均一にならない。このように、レーザ光源１から出射されるレーザ光の放射照度分布に加えて、マスク部で多重反射させることによる光損失が生じるために、被照射物１１に照射されるレーザ光の放射照度ムラが極めて大きくなり、高精度な加工を行うことができないという問題がある。
【００１５】
この問題を解決するために、従来、マスク面と反射ミラーとで多重反射されるレーザ光の反射移動方向に被照射物とマスクとを移動させるレーザ照射装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。このレーザ照射装置によれば、マスク部で多重反射されたレーザ光の強度分布が均一でない場合であっても、被照射物とマスクとを移動させることによって、被照射物に照射されるレーザ光の照度ムラを低減することができる。
【００１６】
しかしながら、この従来のレーザ照射装置では、同一箇所に極めて多数のレーザパルスを照射することによって加工ムラを低減するためのものであり、数ショットでレーザ照射が完了するものについては、加工ムラを十分に低減することができない。また、被照射物の移動量とマスク６の移動量との誤差によって、加工精度が低下するという問題もある。
【００１７】
【特許文献１】
特開平３−２１０９８７号公報
【特許文献２】
特開平８−６６７８１号公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、レーザ照射装置の光利用効率を向上させるために、マスクの非透過部を高反射材料にて構成し、かつ、マスク面と対向する位置に反射ミラーを配置した従来のレーザ照射装置では、被照射物に照射されるレーザ光の放射照度ムラが極めて大きくなるため、高精度な加工を行うことができないという問題がある。
【００１９】
また、マスク面と反射ミラーとで多重反射されるレーザ光の反射移動方向に被照射物とマスクとを移動させる従来のレーザ照射装置では、数ショットでレーザ照射が完了するものについては、加工ムラを十分に低減することができず、被照射物の移動量とマスクの移動量との誤差によって、加工精度が低下するという問題がある。
【００２０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、レーザ光の利用効率を向上させて加工、表面処理等の効率を向上することが可能であり、さらに、高精度な加工および均質な表面改質等を行うことが可能なレーザ照射装置を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザ照射装置は、レーザ光源から出射されたレーザ光を導光体を介して被照射物に照射するレーザ照射装置であって、該導光体は、レーザ光が入射する第一面と、レーザ光が反射を繰り返しながら進行するように相互に対向して配置された第二面および第三面とを備え、該第二面もしくは第三面には、レーザ光の一部を該導光体の外部に出射させる複数の光出射部が設けられており、そのことにより上記目的が達成される。
【００２２】
好ましくは、前記光出射部は、該第二面もしくは第三面に対して所定角度で配置された光出射面を有する。
【００２３】
好ましくは、前記各光出射面は、それぞれが平行になっている。
【００２４】
好ましくは、前記導光体の第二面および第三面は、前記光出射部以外の部分が鏡面からなる。
【００２５】
好ましくは、前記光出射部は、該導光体内部を進行するレーザ光の進行方向と垂直な方向にストライプ状に配置されている。
【００２６】
好ましくは、前記導光体の第二面もしくは第三面側に、複数の光透過部が設けられたマスクが配置され、該導光体の光出射部は、各光出射部から外部に出射されたレーザ光が異なる光透過部を照射するように配置されており、光透過部の像が被照射物上に投影される。
【００２７】
好ましくは、前記導光体の第二面もしくは第三面は、該導光体内部を進行するレーザ光の寸法に対応した複数の領域に分割され、各領域内の光出射部は、他の領域内の光出射部とは異なる位置に配置されている。
【００２８】
好ましくは、前記レーザ光源と前記導光体との間に、レーザ光のコヒーレンシーを維持したまま、レーザ光の不均一な放射照度分布を均一化するための均一化光学素子が配置されている。
【００２９】
以下に、本発明の作用について説明する。
【００３０】
本発明にあっては、導光体に入射されたレーザ光が第二面と第三面との間で反射を繰り返しながら進行し、光の第二面もしくは第三面に設けられた光出射部から導光体の外部に出射される。レーザ光が第二面と第三面との間で反射を繰り返し、その一部が光出射部で出射されながら進行することによって、光の照射領域面、がレーザ光の進行方向に広げられるため、光の利用効率を向上することができる。
【００３１】
また、レーザ光をマスクに照射してマスクの光透過部の像を被照射物に投影するレーザ照射装置では、レーザ光源とマスクとの間に導光体を設けて、光出射部のそれぞれから外部に出射されたレーザ光を、異なるパターンに照射させることによって、マスクの光透過部に有効に光を照射させることができるので、光の照射領域面積を広くすると共に、光の利用効率を向上することができる。
【００３２】
また、第二面もしくは第三面をレーザ光の寸法に対応した複数の領域に分割し、各領域内の光出射部を、他の領域内の光出射部と異なる位置に配置することによって、前の領域で既に出射されたレーザ光部分は光出射部に入射されないため、レーザ光の強度の均一性を向上させることができる。
【００３３】
さらに、レーザ光源と導光体との間に、レーザ光のコヒーレンシーを維持したまま、レーザ光の不均一な放射照度分布を均一化するための均一化光学素子を配置することによって、被照射物に照射されるレーザ光の放射照度分布を均一化して、高精度な加工および均質な表面改質などを行うことができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態において、同じ機能を有する構成部分については、同じ符号を付して説明を省略している。
【００３５】
（実施形態１）
図１は、本発明の一実施形態であるレーザ照射装置１００の構成を模式的に示す断面図である。
【００３６】
このレーザ照射装置１００は、レーザ光源１、複数の反射ミラー２、可変減衰器３、ビーム整形素子４、導光体５およびアパーチャー８を有している。
【００３７】
レーザ光源１は、特に限定されるものではなく、ＹＡＧレーザに代表される固体レーザ、エキシマレーザなどのレーザ発振器を被照射物１１に応じて選定することが可能である。本実施形態においては、波長３５５ｎｍのＹＡＧレーザを用いた。
【００３８】
反射ミラー２は、レーザ光の進行方向を変化させるために用いられる。反射ミラー２の配置箇所、数量に制限はなく、レーザ照射装置の光学設計および機構設計に応じて適切に配置することが可能である。
【００３９】
可変減衰器３は、光照射面に到達するレーザ光の放射照度を調整するために用いられる。また、ビーム整形素子（エキスパンダー）４は、被照射物１１に応じて、レーザ光のサイズを調整するために用いられる。なお、可変減衰器３およびビーム整形素子４は、必要に応じて設置される。
【００４０】
アパーチャー８は、円形形状のレーザ光の一部をマスキングすることによって矩形形状に変換するために用いられる。
【００４１】
レーザ照射装置１００において、レーザ光源（レーザ発振器）１から出射されたレーザ光は、第１の反射ミラー２によって進行方向が９０度変更され、可変減衰器３によって放射照度が調整された後、エキスパンダ等のビーム整形素子４によって適切なビームサイズに変換される。その後、第２の反射ミラー２によって進行方向が９０度変更され、アパーチャー８によって円形形状のビームが矩形形状に変換され、第３の反射ミラー２によって進行方向が９０度変更された後、導光体５によって照射領域が広げられて被照射物１１に照射されるようになっている。
【００４２】
図２（ａ）は、本実施形態のレーザ照射装置における導光体の構成を示す斜視図であり、図２（ｂ）はその断面図である。
【００４３】
この導光体５は、図２（ａ）に示すように、偏平な直方体形状となっており、一方の側面がレーザ光が入射される第一面２１となっている。この第一面２１は、相互に対向する広い面積の第二面および第三面に対して所定の角度で傾斜している。第二面２２および第三面２３は、それぞれ、反射面になっている。第一面２１から入射されたレーザ光は、第二面２２および第三面２３にて反射を繰り返しながら導光体５の内部を進行するようになっている。
【００４４】
第二面２２には、図２（ｂ）に示すように、導光体５の内部を進行するレーザ光の一部を外部に出射する複数の微細な光出射部２５が設けられている。各光出射部２５は、第二面２２に対して所定の角度で傾斜した光出射面３５を有する凹形状にそれぞれ形成されている。各光出射面３５は、第二面２２に対してそれぞれ同じ方向に傾斜されており、導光体５の内部を進行するレーザ光の一部が光出射部２５の各光出射面３５から導光体５の外部に、同方向に出射されるようになっている。
【００４５】
また、第一面２１と対向する第四面２４は、第一面２１と平行になっており、第二面から出射されずに第四面まで到達したレーザ光が出射されるようになっている。
【００４６】
以下に、本実施形態で用いられる導光体５の形状について、さらに詳しく説明する。
【００４７】
図３（ａ）は、導光体に入射されるレーザ光と導光体を構成する面との角度関係、および導光体の内部を進行するレーザ光の進行状態を説明するための断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の○で囲んだ部分を示す拡大図であり、図３（ｃ）は、図３（ｂ）の○で囲んだ部分を示す拡大図である。図３（ａ）にハッチングで示し、図３（ｂ）の点線で囲んだ部分が、第一面２１から入射されて導光体５の内部を進行するレーザ光束である。
【００４８】
第一面２１から入射されたレーザ光が第二面２２および第三面２３で全反射を繰り返しながら導光体５の内部を進行するとき、図３（ｂ）に示す第一面２１へのレーザ光の入射角θ_１、第一面２１における屈折角θ_２、第二面２２および第三面２３における反射角θ_３、および第一面２１と第二面２３とのなす角α_１の間には、スネルの法則（ｎｓｉｎθ＝ｎ’ｓｉｎθ’）によって、
ｓｉｎθ_１＝ｎｓｉｎθ_２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）
θ_３−θ_２＝α_１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）
θ_３＞ｓｉｎ⁻ ^１（１／ｎ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）
の関係が成立する。ここで、ｎは導光体５の屈折率である。
【００４９】
なお、光出射部２５を除く第二面２２および第三面２３は、レーザ光が効率良く反射されるように鏡面としてもよい。この場合には、上記式（３）を必ずしも満たしている必要はない。
【００５０】
また、光出射部２５からレーザ光が出射されるとき、図３（ｃ）に示す光出射部２５へのレーザ光の入射角θ_４、光出射部２５での屈折角θ_５、および光出射部２５の光出射面３５と第二面２２とのなす角α_２の間には、
ｓｉｎθ_５＝ｎｓｉｎθ_４　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（４）
θ_３−θ_４＝α_２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（５）
θ_４＜ｓｉｎ^−１（１／ｎ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（６）
の関係が成立する。
【００５１】
また、レーザ照射装置１００の光路中において、レーザ光が屈折しないことが望ましいため、図３（ｂ）に示す第一面２１に入射されるレーザ光と水平面とのなす角β_１、および図３（ｃ）に示す光出射部２５から出射されるレーザ光と水平面とのなす角β_２は、レーザ照射装置の設計および製造の容易性等の観点から、β_１＝β_２となっていることが好ましい。従って、
９０°−（θ_１＋α_１）＝９０°−（θ_５＋α_２）　　　　　　　　　　（７）
となる。
【００５２】
また、同様に、各光出射部２５の光出射面３５から出射されるレーザ光の出射方向は、レーザ照射装置の設計および製造の容易性等の観点から、同一方向であることが好ましい。従って、各光出射部２５の光出射面３５は、それぞれ、互いに平行であることが好ましい。
【００５３】
また、図３（ｂ）に示すように、導光体５に入射される前のレーザ光の幅をｗとすると、第一面２１におけるレーザ光束の幅ｗ_１は、
ｗ_１＝ｗ／ｃｏｓθ_１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（８）
のように表される。また、第二面２２におけるレーザ光束の幅ｗ_２は、

のように表される。
【００５４】
また、導光体５の内部を進行するレーザ光は、第二面２２において重ならないように構成する必要がある。このためには、第二面２２もしくは第三面２３において、レーザ光の中心が距離ｗ_２以上離れていることが必要である。この条件は、導光体５の厚さをｄとすると、
２ｄｔａｎθ_３＞ｗ_２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１１）
のように表される。
【００５５】
次に、本実施形態の導光体５について、さらに具体的な構成を説明する。
【００５６】
図４（ａ）は、本実施形態の導光体５の構成を示す断面図であり、図４（ｂ）は、光出射面３５から出る光の出射方向（すなわち、第二面２２の法線からは４５°斜め方向）から見た第二面２２の構成を示す図であり、図４（ｃ）は、図４（ｂ）の拡大図である。
【００５７】
導光体５の材料としては、使用するレーザ光の波長に対して透過率の高い材料を使用することが望ましく、本実施形態では、３５５ｎｍのＹＡＧレーザ光に対して、９５％以上の透過率を有する石英ガラスを用いた。波長３５５ｎｍでの石英ガラスの屈折率は１．４８［ｔａｓａｋｉ１］　であるので、上記式（３）により、θ_３＞４２．５１°であればよい。本実施形態において、第一面２１に垂直にレーザ光が入射され、かつα_１＝４５°とすると、上記式（１）および上記式（２）により、θ_１＝０°、θ_２＝０°、θ_３＝４５°となる。また、α_２＝４５°とすると、上記式（４）および上記式（５）により、θ_４＝０°、θ_５＝０　°となる。このように設定した場合、上記式（６）および上記式（７）についても満たされる。
【００５８】
また、第一面２１に入射されるレーザ光の幅ｗは、レーザ発振器１から出射されたレーザ光のサイズをビーム整形素子４にて調整し、ｗ＝２０ｍｍとした。この場合、上記式（８）〜上記式（１０）により、第一面２１におけるレーザ光の幅ｗ_１はｗ_１＝２０ｍｍとなり、第二面２２におけるレーザ光の幅ｗ_２はｗ_２＝２８．２８ｍｍとなる。上記式（１１）により、ｄ＞１４．１４ｍｍであればよいので、ｄ＝１５ｍｍとした。なお、本実施形態では第四面２４からレーザ光が導光体５の外部に出射されるように構成している。
【００５９】
本実施形態の導光体５においては、第一面２１から入射したレーザ光が第二面２２および第三面２３で４回の全反射を繰り返して導光体５の内部を進行するように、導光体５のレーザ光進行方向の長さが１２０ｍｍとなっている。
【００６０】
また、図４（ｂ）に示すように、第二面２２は、第一面から入射されたレーザ光が入射される領域２２ａ、１回目に第二面２２および第三面２３で全反射されたレーザ光が再度第二面２２に入射される領域２２ｂ、２回目に第二面２２および第三面２３で全反射されたレーザ光が再度第二面２２に入射される領域２２ｃ、および３回目に第二面２２および第三面２３で全反射されたレーザ光が再度第二面２２に入射される領域２２ｄの４つの領域に分割されており、各領域２２ａ〜２２ｄ内に光出射部２５が設けられている。各領域２２ａ〜２２ｄのレーザ光の進行方向の間隔ＡはＡ＝ｄ／ｓｉｎθ_３＝２１．２１ｍｍである。また、レーザ光の進行方向と垂直な方向（紙面縦方向）の導光体２５の長さＣは各領域の長さ２２ａ〜２２ｄの長さ以上である必要があり、例えば、３０〜３５ｍｍ程度であある。各領域２２ａ〜２２ｄの長さは３０ｍｍである。
【００６１】
また、図４（ｃ）に示すように第二面２２には、ピッチ１４１μｍ、レーザ光の進行方向の長さ１０μｍ×レーザ光の進行方向に垂直な方向の長さ３０ｍｍの微細な光出射部２５が設けられており、１０μｍ×３０ｍｍの微細なストライプ状スリットとなっている。また、各領域２２ａ〜２２ｄ内に形成される光出射部２５は、レーザ光束が既に出射された部分が光出射部２５に入射されないように、各領域毎に２０μｍずつずらした位置に配置されている。これによって、被照射物１１の被照射面には、ピッチ１００μｍ、紙面横方向の長さ１０μｍ、紙面奥行き方向の長さ３０ｍｍのストライプ状のパターンでレーザ光が照射され、各領域毎のパターンのずれは、１０μｍとなる。
【００６２】
下記表１に、実施形態１のレーザ照射装置１００および比較例１のレーザ照射装置について、レーザ光の照射領域面積および光利用効率を示す。
【００６３】
【表１】

上記表１に示す比較例１のレーザ照射装置は、図１に示すレーザ照射装置１００から導光体５を除いた構成とし、被照射面にレーザ照射装置１００と同等のストライプ状パターンでレーザ光が照射されるように、被照射物１１上に所定のマスクパターンを形成したマスクを密着させてレーザ照射を行った。また、上記表１において、照射領域面積は、被照射面における最大有効領域の面積であり、光利用効率は、（上記ストライプ状パターンの総面積／レーザ光の面積）×１００で計算される値である。
【００６４】
上記表１に示すように、本実施形態１のレーザ照射装置１００は、比較例１のレーザ照射装置と比べて、照射領域面積および光利用効率が共に４倍になり、レーザ加工などの処理時間が大幅に短縮される。なお、本実施形態においては、アパーチャー８による損失は考慮していない。
【００６５】
（実施形態２）
図５は、実施形態２のレーザ照射装置２００の構成を模式的に示す断面図である。
【００６６】
このレーザ照射装置２００は、レーザ光源１、複数の反射ミラー２、可変減衰器３、ビーム整形素子４、放射照度分布変換素子３３および導光体５を有している。
【００６７】
レーザ発振器から出射されるレーザ光束は、通常、ガウシアン型の放射照度プロファイルを有しており、図１に示す実施形態１のレーザ照射装置１００において、被照射物１１上に照射されるレーザ光は、これに対応した放射照度分布を有する。従って、高精度の加工、表面改質等を行う場合には、レーザ光の照射ムラによる悪影響が生じる。
【００６８】
この問題を解決するために、本実施形態２では、均一化光学素子として、レーザ光源１から出射されたガウシアン型の放射照度プロファイルを有するレーザ光を、フラットトップ型の放射照度プロファイルを有するレーザ光に変換するための放射照度分布変換素子３３を用いている。
【００６９】
レーザ照射装置２００において、レーザ光源（レーザ発振器）１から出射されたレーザ光は、第１の反射ミラー２によって進行方向が９０度変更され、可変減衰器３によって放射照度が調整された後、エキスパンダ等のビーム整形素子４によって適切なビームサイズに変換される。その後、放射照度分布変換素子３３によって放射照度分布が変換されると共に進行方向が９０度変更され、第２の反射ミラー２によって進行方向が９０度変更された後、導光体５によって照射領域が広げられて被照射物１１に照射されるようになっている。
【００７０】
図６（ａ）〜図６（ｃ）は、本実施形態のレーザ照射装置に用いられる放射照度分布変換素子の例を示す断面図である。
【００７１】
以下に、放射照度分布変換素子の基本的な原理について、図６（ａ）に示す放射照度分布変換素子を用いて説明する。
【００７２】
図６（ａ）に示す放射照度分布変換素子１３３は、非球面レンズ３１ａおよび３１ｂを組み合せて構成されている。レーザ発振器から出射したレーザ光束は、通常、ガウシアン型の放射照度分布を有しており、中央部は放射照度が高く、周辺部では放射照度が低いため、放射照度分布を均一化するためには、中央部の放射照度を低減させ、周辺部の放射照度を増大させる必要がある。従って、この放射照度分布変換素子では、２枚の非球面レンズ３１ａおよび３１ｂによって、中央部の光を発散し、周辺部の光を収束し、かつ、コリメートするようになっている。図６（ｂ）および図６（ｃ）に示す放射照度分布変換素子についても、同様の原理により放射照度分布を変換している。
【００７３】
図６（ｂ）に示す放射照度分布変換素子２３３は、１枚のレンズ３２からなり、このレンズ３２によって、図６（ａ）に示す２枚の非球面レンズ３１ａおよび３１ｂと同様に、中央部の光が発散され、周辺部の光が収束され、かつ、コリメートされる。
【００７４】
また、図６（ｃ）に示す放射照度分布変換素子３３は、あらかじめ定められた反射面形状を自由に変化させることができる、いわゆるデフォーマブル・ミラーを用いている。この放射照度分布変換素子３３は、薄膜ミラー３３ａが多数のアクチュエータ３３ｂによって支持されており、このアクチュエータ３３ｂによって、薄膜ミラー３３ａが変形されるようになっている。その他にも、回折格子を用いた放射照度分布変換素子、および透過率分布型フィルターを用いた放射照度分布変換素子などを用いることが可能である。
【００７５】
このような放射照度分布変換素子を、レーザ光源１と導光体５との間に配置することによって、レーザ光の放射照度分布の均一化を図ることが可能になる。
【００７６】
本実施形態においては、図５に示すように、ビーム整形素子４と導光体５との間にデフォーマブル・ミラーを用いた放射照度分布変換素子３３を配置している。これによって、レーザ光の放射照度分布の均一化を図るとともに、円形形状のレーザビームを矩形形状に変換することも可能である。また、本実施形態２において、導光体５としては、実施形態１と同様の構成のものを用いている。
【００７７】
下記表２に、実施形態２のレーザ照射装置２００および比較例１のレーザ照射装置について、レーザ光の照射領域面積および光利用効率を示す。
【００７８】
【表２】

上記表２に示す比較例１のレーザ照射装置は、上記表１に示す比較例１のレーザ照射装置と同様である。また、照射領域面積および光利用効率は、上記表１と同様に定義し、放射照度分布は、平均放射照度に対する放射照度の最大値と最小値との比によって定義した。
【００７９】
上記表２に示すように、本実施形態２のレーザ照射装置２００は、比較例１のレーザ照射装置と比べて、照射領域面積および光利用効率が共に４倍になり、かつ、被照射面における放射照度分布も従来の１／２と改善されており、レーザ加工などの処理時間が大幅に短縮されると共に、加工品質を向上することが可能になる。
【００８０】
（実施形態３）
図７は、実施形態３のレーザ照射装置３００の構成を模式的に示す断面図である。
【００８１】
このレーザ照射装置３００は、レーザ光源１、複数の反射ミラー２、可変減衰器３、ビーム整形素子４、アパーチャー８、導光体５、マスク６および対物レンズ７を有している。
【００８２】
本実施形態３においては、導光体５から出射されたレーザ光をマスク６に照射し、マスク６に予め設けられたマスクパターンの像を対物レンズ７によって被照射物１１上に結像させる、いわゆるマスクイメージング法を用いている。その他の構成は、図１に示す実施形態１のレーザ照射装置１００と同様である。
【００８３】
レーザ照射装置３００において、レーザ光源（レーザ発振器）１から出射されたレーザ光は、第１の反射ミラー２によって進行方向が９０度変更され、可変減衰器３によって放射照度が調整された後、エキスパンダ等のビーム整形素子４によって適切なビームサイズに変換される。次に、第２の反射ミラー２によって進行方向が９０度変更され、アパーチャー８によって円形形状のビームが矩形形状に変換され、導光体５によって照射領域が広げられてマスク６に照射される。マスクパターンの光透過部を透過したレーザ光は、第３の反射ミラー２によって進行方向が９０度変更され、対物レンズ７によって被照射物１１に所定の倍率（本実施形態では倍率１／４）で結像されるようになっている。
【００８４】
図８（ａ）は、本実施形態のレーザ照射装置における導光体とマスクとの関係を説明するための断面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）に○で示す部分の拡大図であり、図８（ｃ）は、本実施形態のマスク６の構成を示す平面図であり、図８（ｄ）は、図８（ｃ）の拡大図である。
【００８５】
図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、導光体５の個々の光出射部から出射されたレーザ光２５ａは、個々のマスクパターンの光透過部２６に照射されるようになっている。
【００８６】
このとき、レーザ光２５ａの照射領域は、マスクパターンの光透過部２６に対して、寸法上の余裕が必要である。本実施形態３において、導光体５は、実施形態１と同様の構成であり、図４（ｂ）および図４（ｃ）に示すように、導光体５の光出射部２５は１０μ幅×３０ｍｍ長のストライプ状スリットになっている。
これに対して、マスク６は、図８（ｃ）および図８（ｄ）に示すように、個々のマスクパターンの光透過部２６が８μｍ幅×２８ｍｍ長のストライプ状スリットになっている。光透過部２６は、導光体５の光出射部２５の領域２２ａ〜２２ｄに対応して、複数の領域に分割されており、各領域毎に２０μｍずつずらした位置に配置されている。
【００８７】
これによって、導光体５の光出射部２５から出射されたレーザ光は、マスク６に照射されて光透過部２６を通り、被照射物１１に有効に照射される。
【００８８】
下記表３に、実施形態３のレーザ照射装置３００および比較例２のレーザ照射装置について、レーザ光の照射領域面積および光利用効率を示す。
【００８９】
【表３】

上記表３に示す比較例２のレーザ照射装置は、図１１に示す従来のレーザ照射装置５００から均一照明素子９を除いた構成とした。また、照射領域面積および光利用効率は、上記表１と同様に定義した。
【００９０】
上記表３に示すように、本実施形態３のレーザ照射装置３００は、比較例２のレーザ照射装置と比べて、照射領域面積および光利用効率が共に４倍になり、レーザ加工などの処理時間が大幅に短縮される。なお、本実施形態においては、アパーチャー８による損失は考慮していない。
【００９１】
（実施形態４）
図９は、実施形態４のレーザ照射装置４００の構成を模式的に示す断面図である。
【００９２】
このレーザ照射装置４００は、レーザ光源１、複数の反射ミラー２、可変減衰器３、ビーム整形素子４、放射照度分布変換素子３３、導光体５、マスク６および対物レンズ７を有している。
【００９３】
本実施形態４では、実施形態２と同様に、均一化光学素子として、レーザ光源１から出射されたガウシアン型の放射照度プロファイルを有するレーザ光を、フラットトップ型の放射照度プロファイルを有するレーザ光に変換するための放射照度分布変換素子３３を用いている。また、実施形態３と同様に、導光体５から出射されたレーザ光をマスク６に照射し、マスク６に予め設けられたマスクパターンの像を対物レンズ７によって被照射物１１上に結像させる、いわゆるマスクイメージング法を用いている。また、本実施形態４において、導光体５としては、実施形態１と同様の構成のものを用い。マスク６としては、実施形態３と同様の構成のものを用いている。
【００９４】
レーザ照射装置４００において、レーザ光源（レーザ発振器）１から出射されたレーザ光は、第１の反射ミラー２によって進行方向が９０度変更され、可変減衰器３によって放射照度が調整された後、エキスパンダ等のビーム整形素子４によって適切なビームサイズに変換される。その後、放射照度分布変換素子３３によって放射照度分布が変換されると共に進行方向が９０度変更され、導光体５によって照射領域が広げられてマスク６に照射される。マスクパターンの光透過部を透過したレーザ光は、第２の反射ミラー２によって進行方向が９０度変更され、対物レンズ７によって被照射物１１に所定の倍率（本実施形態では倍率１／４）で結像されるようになっている。
【００９５】
下記表４に、実施形態４のレーザ照射装置４００、比較例２のレーザ照射装置および比較例３のレーザ照射装置について、レーザ光の照射領域面積、光利用効率および放射照度分布を示す。
【００９６】
【表４】

上記表４に示す比較例２のレーザ照射装置は、上記表３に示す比較例２のレーザ照射装置と同様である。また、上記表４に示す比較例３のレーザ照射装置は、図１１に示す従来のレーザ照射装置５００を用いた。また、照射領域面積、光利用効率および放射照度分布は、上記表２と同様に定義した。
【００９７】
上記表４に示すように、本実施形態４のレーザ照射装置４００は、比較例２のレーザ照射装置と比べて、照射領域面積および光利用効率が共に４倍になり、かつ、被照射面における放射照度分布も従来の１／２と改善されており、レーザ加工などの処理時間が大幅に短縮されると共に、加工品質を向上することが可能になる。また、本実施形態４のレーザ照射装置４００は、比較例３のレーザ照射装置と比べて、照射領域面積および光利用効率が共に４倍になり、レーザ加工などの処理時間が大幅に短縮される。
【００９８】
なお、上記実施形態では、ストライプ状スリット形状のレーザ光を被照射物１１に照射するために、導光体に形成する微細な光出射部２５を矩形状としているが、光出射部２５の形状は、これに限られず、被照射物１１に応じて適宜設定することが可能である。
【００９９】
図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、本発明のレーザ照射装置の導光体における光出射部の例を示す斜視図である。
【０１００】
図１０（ａ）に示す導光体５ａは、第二面２２に円形の光出射部２５ｂが設けられており、例えば、被照射物１１に丸穴を加工する場合に用いられる。また、図１０（ｂ）に示す導光体５ｂは、第二面２２に文字「Ａ」形状に光出射部２５ｃが設けられており、例えば、被照射物１１にマーキングを行う場合に用いられる。
【０１０１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、レーザ光を被照射物に照射するレーザ照射装置において、光出射部を設けた導光体を介して被照射物にレーザ光を照射することによって、レーザ光の照射領域面積および光利用効率を向上することができるので、レーザ光による処理（加工、表面改質など）の処理時間を短縮して効率を向上することが可能になる。
【０１０２】
また、マスクイメージング法を用いたレーザ照射装置において、レーザ光源とマスクとの間に導光体を配置して、光出射部のそれぞれから外部に出射されたレーザ光を、異なるパターンに照射することによって、レーザ光の照射領域面積および光利用効率を向上することができるので、レーザ光による処理（加工、表面改質など）の処理時間を短縮して効率を向上することが可能になる。
【０１０３】
さらに、レーザ光源と導光体との間に、レーザ光のコヒーレンシーを維持したまま、レーザ光の不均一な放射照度分布を均一化するための均一化光学素子を配置することによって、被照射物に照射されるレーザ光の放射照度分布を均一化して、高精度な加工および均質な表面改質などを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１のレーザ照射装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】（ａ）は、本実施形態のレーザ照射装置における導光体の構成を示す斜視図であり、（ｂ）はその断面図である。
【図３】（ａ）は、導光体に入射されるレーザ光と導光体を構成する面との角度関係、および導光体の内部を進行するレーザ光の進行状態を説明するための断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の○で囲んだ部分を示す拡大図であり、（ｃ）は、（ｂ）の○で囲んだ部分を示す拡大図である。
【図４】（ａ）は、本実施形態の導光体の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、その第二面の構成を示す平面図であり、（ｃ）は、（ｂ）の拡大図である。
【図５】実施形態２のレーザ照射装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態のレーザ照射装置に用いられる放射照度分布変換素子の例を示す断面図である。
【図７】実施形態３のレーザ照射装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図８】（ａ）は、本実施形態のレーザ照射装置における導光体とマスクとの関係を説明するための断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に○で示す部分の拡大図であり、（ｃ）は、本実施形態のマスクの構成を示す平面図であり、（ｄ）は、（ｃ）の拡大図である。
【図９】実施形態４のレーザ照射装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図１０】（ａ）および（ｂ）は、本発明のレーザ照射装置の導光体における光出射部の例を示す斜視図である。
【図１１】従来のレーザ照射装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図１２】従来のレーザ照射装置に用いられる均一照明素子の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１　レーザ光源
２　反射ミラー
３　可変減衰器
４　ビーム整形素子
５、５ａ、５ｂ　導光体
６　マスク
６ｄ　マスクの有効領域
７　対物レンズ
８　アパーチャー
９　均一照明素子
９ａ、９ｂ　レンズアレイ
９ｃ　レンズ
１０　フィールドレンズ
１１　被照射物
２１　第一面
２２　第二面
２２ａ〜２２ｄ　第二面の分割領域
２３　第三面
２４　第四面
２５、２５ｂ、２５ｃ　光出射部
２５ａ　光出射部から出射されたレーザ光
２６　マスクの光透過部
３１ａ、３１ｂ　非球面レンズ
３２　レンズ
３３、１３３、２３３　放射照度分布変換素子
３３ａ　薄膜ミラー
３３ｂ　アクチュエーター
３５　光出射面
１００、２００、３００、４００、５００　レーザ照射装置

Claims

レーザ光源から出射されたレーザ光を導光体を介して被照射物に照射するレーザ照射装置であって、
該導光体は、レーザ光が入射する第一面と、レーザ光が反射を繰り返しながら進行するように相互に対向して配置された第二面および第三面とを備え、
該第二面もしくは第三面には、レーザ光の一部を該導光体の外部に出射させる複数の光出射部が設けられているレーザ照射装置。
前記光出射部は、該第二面もしくは第三面に対して所定角度で配置された光出射面を有する請求項１に記載のレーザ照射装置。
前記各光出射面は、それぞれが平行になっている請求項２に記載のレーザ照射装置。
前記導光体の第二面および第三面は、前記光出射部以外の部分が鏡面からなる請求項１に記載のレーザ照射装置。
前記光出射部は、該導光体内部を進行するレーザ光の進行方向と垂直な方向にストライプ状に配置されている請求項１に記載のレーザ照射装置。
前記導光体の第二面もしくは第三面側に、複数の光透過部が設けられたマスクが配置され、該導光体の光出射部は、各光出射部から外部に出射されたレーザ光が異なる光透過部を照射するように配置されており、光透過部の像が被照射物上に投影される請求項１に記載のレーザ照射装置。
前記導光体の第二面もしくは第三面は、該導光体内部を進行するレーザ光の寸法に対応した複数の領域に分割され、各領域内の光出射部は、他の領域内の光出射部とは異なる位置に配置されている請求項１に記載のレーザ照射装置。
前記レーザ光源と前記導光体との間に、レーザ光のコヒーレンシーを維持したまま、レーザ光の不均一な放射照度分布を均一化するための均一化光学素子が配置されている請求項１に記載のレーザ照射装置。