专利名称：纤维传送激光光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用纤维传送从振荡器输出的激光，并形成线状光束的纤维传送激光光学系统，适用于薄膜硅的退火处理。
背景技术：
作为利用激光的结晶化、表面改良技术，已知有激光退火技术。在激光退火装置中，作为从激光振荡器射出的激光，大多使用矩形或线状的准分子激光。在专利文献1、2中提出了使用准分子激光的退火装置。在这些装置中，使用了正交配置多个柱面透镜阵列的光学系统，利用该光学系统，把从激光振荡器射出的激光形成为如下的激光，即在截面的·一个方向上具有均勻强度分布，另一方面，在与此正交的方向上具有极高的会聚特性、可称为细线状分布的激光。这样，在把从激光振荡器射出的激光形成为线状分布的光学系统中，由于激光振荡器的射出位置与线状分布激光的形成位置的相对位置关系确定，所以进行退火处理、曝光处理的装置的布局、装置面积、装置体积的自由度受到限制。因此，近年来，出现了在激光射出端安装光纤，并用纤维传送激光的纤维传送激光光学系统。纤维传送激光光学系统通过使用光纤，能增加从激光振荡器射出的激光的传送自由度，所以上述的装置布局问题逐渐被消除。在先技术文献专利文献专利文献I :日本特开平10-244392号公报专利文献2 日本特开平10-153746号公报
发明内容
另一方面，激光振荡器的性能日渐提高，其输出功率不断升高，所以安装在激光振荡器的射出端的光纤有可能受到损伤。该损伤主要在光纤的射入端产生，并存在射入的激光的密度越高越容易产生损伤的倾向。在这里，作为一种降低激光的输入密度的方法，可以列举加大光纤芯径的方法。即，用芯径与激光振荡器的输出功率相应的光纤来进行激光的会聚，并降低输出功率密度的方法。但是，在进行退火处理或曝光处理的激光装置中，进行处理的激光的能量密度较高是很重要的，为了廉价地提供进行了退火处理的加工品，需要使吞吐能力提高。为了提高吞吐能力，要提高上述线状分布的激光能量密度且使其可处理较大面积，为此需要加大激光截面的长边方向的尺寸。然而，为了提高吞吐能力，若想要进一步减小激光短边方向的尺寸以提高能量密度，则根据从光纤射出的激光的射出角度，存在光学倍率超过阿贝衍射理论的情况，在该情况下，会产生能量损失。除此之外，为了避免光纤的损伤，还需要加大芯径，所以无法把从激光振荡器射出的激光形成为短边方向的尺寸较小的线状光束。
本发明为克服这样的问题而研究出，其目的在于提供一种纤维传送激光光学系统，即使传送从激光振荡器射出的激光的光纤具有较大的芯径，也能把从光纤射出的激光形成为短边方向的尺寸小的线状光束。为了解决上述问题，本发明的纤维传送激光光学系统I包括第一光纤3，其传送从激光振荡器2输出的激光；准直透镜4,其校准(collimate)从该第一光纤射出的激光；阵列透镜5，其利用多个单元(cell)把从该准直透镜射出的激光会聚成多点光点；多个第二光纤6，其具有比上述第一光纤小的芯径，使由上述阵列透镜会聚成多点光点的各激光入射，且使射出端6b的轴线相互平行而排列成直线状的一列；以及线性化光学系统7 11，其把从该多个第二光纤射出的激光形成为在照射面12上构成直线状的激光。根据该结构，通过利用阵列透镜把从第一光纤射出的激光会聚成多点光点，并使光射入第二光纤，将第二光纤的射出端排列成一列，能加大第一光纤的芯径并减轻其损伤， 且能得到长边方向相对于短边方向的尺寸比很大的线状光束。另外，通过变更阵列透镜的光点数和第二光纤的条数，也能自由地设定线状光束的短边方向的尺寸。另外，根据本发明的一个方面，在假设上述第一光纤的芯径为A，把激光会聚到上述照射面上的会聚透镜的短边方向的NA(NumericalAperture :数值孔径)为N,上述照射面12的激光的短边方向的尺寸为C时，在满SN < I的条件下，满足C <A。根据该结构，在把从会聚透镜到照射面的距离设定为适当值后，能任意地选择N，并且能在满足N < I的条件下形成满足C < A的线状光束。另外，根据本发明的一个方面，在假设上述第一光纤的芯径为A，上述第一光纤的NA为B，上述第二光纤的芯径为L，上述第二光纤的NA为K，上述准直透镜的光束直径为D4，与上述阵列透镜的上述单元外切的圆的直径为D5时，能满足D4/D5 = (A X B) / (L X K)。根据该结构，能得到使从第一光纤射出的激光射入到第二光纤中而不产生能量损失，并得到强度(能量密度)更高的线状光束。另外，根据本发明的一个方面，上述线性化光学系统包含第一柱面透镜7，其使从上述第二光纤射出的激光在上述第二光纤的排列方向(Y轴方向)上折射；第二柱面透镜8，其使从上述第二光纤射出的激光在与上述第二光纤的排列方向正交的方向(X轴方向)上折射；柱面阵列透镜9，其使从上述第一柱面透镜和上述第二柱面透镜射出的激光在上述第二光纤的排列方向上折射；第三柱面透镜10，其针对上述柱面阵列透镜9利用柯勒照明原理，使从上述柱面阵列透镜射出的激光在上述第二光纤的排列方向上折射，以及第四柱面透镜11，其利用针对上述第二柱面透镜8的成像关系，使从上述柱面阵列透镜射出的激光在与上述第二光纤的排列方向正交的方向上折射。根据该结构，能把从多个第二光纤射出的激光在照射面上形成为在长边方向和短边方向上都具有均匀的强度分布的线状光束。另外，根据本发明的一个方面，能把纤维传送激光光学系统作为适用于激光退火装置上的构成。由此，能利用短边方向的尺寸较小(能量密度高)、长边方向的尺寸较大的线状激光，实现吞吐能力高的退火处理。这样，根据本发明，能把从光纤射出的激光形成为短边方向的尺寸较小的线状光束，而不使能量损失产生。
图I是实施方式的纤维传送激光光学系统的示意图。图2是在图I中示出的纤维传送激光光学系统的透视图。图3是第二光纤的射入端和射出端的配置图。图4是表示在照射面的光强度分布的图。标号说明I纤维传送激光光学系统2激光振荡器3第一光纤4准直透镜5球面阵列透镜5a 单元6第二光纤6a射入端6b射出端7柱面透镜(第一柱面透镜) 8柱面透镜(第二柱面透镜)9柱面阵列透镜10柱面透镜(第三柱面透镜)11柱面透镜(第四柱面透镜)12照射面A第一光纤3的芯径B第一光纤3的NAL第二光纤6的芯径K第二光纤6的NAN把激光会聚到照射面12上的透镜的短边方向的NAC照射面12上激光的短边方向的尺寸M照射面12上激光的长边方向的尺寸D4准直透镜4的光束直径D5与球面阵列透镜5的单元5a外切的圆的直径
具体实施例方式以下，参照
本发明的实施方式。图I是实施方式的纤维传送激光光学系统I的示意图，(A)示出光学系统的正面，(B)示出了光学系统的侧面。如图I、图2所示，纤维传送激光光学系统I包括在激光射出端安装了第一光纤3的激光振荡器2。第一光纤3具有即使从激光振荡器2射出的激光射入也不会损伤的较大芯径，激光具有发散角而从第一光纤3的射出端射出。在第一光纤3的射出侧配置有准直透镜4，从第一光纤3射出的激光由准直透镜4转变成平行光。
在准直透镜4的射出侧配置有球面阵列透镜5。球面阵列透镜5是使单元5a沿着在平面上相互正交的X轴和Y轴方向连续、呈X轴方向和Y轴方向都形成多列的矩阵状配置，单元5a由俯视呈正方形的球面透镜构成。在本实施方式中，球面阵列透镜5由配置成在X轴方向和Y轴方向上各3列共9个单元5a构成。射入球面阵列透镜5中的平行光由各单元5a会聚，形成多个(在这里为9个)光点。在球面阵列透镜5的射出侧，配置了具有小于第一光纤3的芯径的第二光纤6，其数量与由球面阵列透镜5形成的光点数相对应(在本实施方式中为正方形3行3列合计9条)。如图3的(A)所示，第二光纤6的射入端6a位于各光点的形成位置，即阵列透镜的焦点处。也就是说，第二光纤6的射入端6a分别配置在俯视时在各单元5a的中心。另外，第二光纤6的射入端6a被配置成其轴线与光轴平行。此外，在这里，与光轴平行的意思并不是与通过各单元5a的实际光束的中心平行，而是与各单元5a的旋转对称
轴(在这里将其称为光轴。)平行。由各单元5a会聚的激光从配置在光点位置的射入端6a射入到第二光纤6中，并在第二光纤6中传播。此外，在由球面阵列透镜5形成光点时，使射入到第二光纤6中的激光的角度不超过第二光纤6的NA，且使光点的直径不超过第二光纤6的芯径。在这里，如果假设第一光纤3的芯径为A，第一光纤3的NA为B，第二光纤6的芯径为L，第二光纤6的NA为K，则形成如下关系A > L且B > K。另外，如果假设准直透镜4的光束直径为D4，与球面阵列透镜5的各单元5a外切的圆的直径为D5，则满足下式(I)。D4/D5 = (AXB)/(LXK) ... (I)通过这样设定第二光纤6的芯径和NA，从第一光纤3射出的激光射入到第二光纤6中，而不使能量损失产生。第二光纤6分别配置成平缓地弯曲，并且如图3的⑶所示，为了在照射面12上得到线状的激光，其射出端6b排列成与Y轴平行的直线状的一列。另外，第二光纤6的射出端6b被配置成其轴线相互平行，且在本实施方式中以等间隔配置。从第二光纤6射出的激光被柱面透镜7和柱面透镜8校准成长圆截面形状的平行光，其中，柱面透镜7用于在长边方向(Y轴方向)上进行校准，而柱面透镜8用于在短边方向(X轴方向)上进行校准。为了得到在照射面12上沿长边方向的均匀的能量分布，由柱面透镜8校准成长圆截面形状的激光射入到利用了柯勒照明原理的柱面阵列透镜9和柱面透镜10中。照射在照射面12上的激光的长边方向的尺寸M通过光学倍率与柱面阵列透镜9的单元的尺寸相乘而决定，其中，光学倍率由柱面阵列透镜9的焦距和柱面透镜10的焦距决定。由柱面透镜8校准成长圆截面形状的激光在短边方向上基于柱面透镜8与柱面透镜11的成像关系而被会聚。照射在照射面12上的激光的短边方向的尺寸C通过光学倍率与第二光纤6的芯径相乘而决定，其中，光学倍率由柱面透镜8的焦距和柱面透镜11的焦距决定。此外，照射到照射面12上的激光的短边方向的尺寸C成为如下关系C < L < A。根据这样构成的纤维传送激光光学系统1，若假设在短边方向上把激光会聚到照射面12上的柱面透镜11的短边方向的NA为N，则如果把从柱面透镜11到照射面12的距离设定为适当值，通过在满意N < I的范围内变更N，能选择照射到照射面12上的激光的短边方向的尺寸C，且能使尺寸C比不会使能量损失产生的A小。根据这样构成的纤维传送激光光学系统1，能在照射面12上得到在图4中示出的光强度分布。此外，图4的(A)示出激光的短边方向(X轴方向)的光强度分布，而图4的(B)不出了激光的长边方向(Y轴方向)的光强度分布。如图4所不,根据实施方式的纤维传送激光光学系统1，能在照射面12上得到在整个短边方向的尺寸C中显示出大致均匀的光强度分布，且在整个长边方向的尺寸M中显示出大致均匀的光强度分布的激光。这样，通过用准直透镜4校准从第一光纤3射出的激光，并用球面阵列透镜5使其射入芯径较小的第二光纤6，且把芯径较小的第二光纤6的射出端6b呈直线状地排列成一列，在射出端6b的排列长边方向(Y轴方向)上利用柯勒照明原理，而在射出端6b的排列短边方向(X轴方向)上利用2个透镜的成像关系，能得到在照射面12具有在未使用从球面阵列透镜5到第二光纤6的光学系统时不能得到的形状和均匀强度分布的线状光束。 这样的能把激光照射到照射面12上的纤维传送激光光学系统1，其适合作为进行薄膜硅的退火处理的装置。以上，结束
具体实施方式
的说明，但本发明并不限定于上述实施方式。例如，在上述实施方式中，把单元5a排列成3行3列而构成球面阵列透镜5，但也可排列成其他行列数。另外，各单元5a并不局限于正方形，也可以是长方形或六边形等形状。并且，其他部件的具体形状或配置等也可在不脱离本发明宗旨的范围内进行适当变更。
权利要求
1.一种纤维传送激光光学系统，其特征在于，包括 第一光纤，其传送从激光振荡器输出的激光； 准直透镜，其校准从该第一光纤射出的激光； 阵列透镜，其利用多个单元将从该准直透镜射出的激光会聚成多点光点； 多个第二光纤，其具有比上述第一光纤小的芯径，使利用上述阵列透镜会聚成多点光点的各激光入射，且使射出端的轴线相互平行而排列成直线状的一列；以及 线性化光学系统，其将从该多个第二光纤射出的激光形成为在照射面上构成直线状的激光。
2.根据权利要求1所述的纤维传送激光光学系统，其特征在干， 在将上述第一光纤的芯径设为A，将激光会聚到上述照射面上的会聚透镜的短边方向的NA设为N，将上述照射面中激光的短边方向的尺寸设为C时，在满足N< 1的条件下，满足 C < A。
3.根据权利要求1或2所述的纤维传送激光光学系统，其特征在干， 在将上述第一光纤的芯径设为A，将上述第一光纤的NA设为B，将上述第二光纤的芯径设为L，将上述第二光纤的NA设为K，将上述准直透镜的光束直径设为D4，将与上述阵列透镜的上述単元外切的圆的直径设为D5时，满足 D4/D5 = (AXB)/(LXK)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的纤维传送激光光学系统，其特征在干，上述线性化光学系统包含 第一柱面透镜，其使从上述第二光纤射出的激光在上述第二光纤的排列方向上折射；第二柱面透镜，其使从上述第二光纤射出的激光在与上述第二光纤的排列方向正交的方向上折射； 柱面阵列透镜，其使从上述第一柱面透镜和上述第二柱面透镜射出的激光在上述第二光纤的排列方向上折射； 第三柱面透镜，其针对上述柱面阵列透镜利用柯勒照明原理，使从上述柱面阵列透镜射出的激光在上述第二光纤的排列方向上折射，以及 第四柱面透镜，其针对上述第二柱面透镜利用成像关系，使从上述柱面阵列透镜射出的激光在与上述第二光纤的排列方向正交的方向上折射。
全文摘要
本发明提供一种纤维传送激光光学系统(1)，其包括第一光纤(3)，其传送从激光振荡器(2)输出的激光；准直透镜(4)，其校准从第一光纤(3)射出的激光；球面阵列透镜(5)，其利用多个单元(5a)把从准直透镜(4)射出的激光会聚成多点光点；多个第二光纤(6)，其具有比第一光纤(3)小的芯径，使由球面阵列透镜(5)会聚成多点光点的各激光入射，且使射出端(6b)的轴线相互平行而排列成直线状的一列；以及光学系统(7～11)，其把从多个第二光纤(6)射出的激光形成为在照射面(12)上构成直线状的激光。即使传送来自激光振荡器的激光的光纤具有较大的芯径，也能形成短边方向的尺寸较小的线状光束。
文档编号H01L21/20GK102959685SQ20128000161
公开日2013年3月6日 申请日期2012年4月27日 优先权日2011年5月18日
发明者矢幡祯也, 相田善明, 富樫陵太郎, 佐藤亮介, 井波俊夫, 草间秀晃 申请人:昭和光电株式会社, 株式会社日本制钢所