JP2009018335A - ビーム照射装置、ビーム照射方法および機能素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】理想的なガウス分布から乖離したレーザビームを用いた場合においても、被照射物上（像面位置）に均一な強度分布を有するビームを照射できるビーム照射装置を提供する。
【解決手段】第１のビームＬ１ａを投光する第１の投光部１と、前記第１の投光部１から投光された前記第１のビームＬ１ａが透過する光学素子２と、を備え、前記光学素子２は、前記第１のビームが入射された場合に、出射ビームの被照射物９上での断面強度プロファイルの形状が、フラット部Ｓ１−ａと前記フラット部より傾きの大きな傾斜部Ｓ１−ｂとを有するように光学設計されており、前記光学素子２を透過した第１のビームのうち、前記断面強度プロファイルにおける前記傾斜部に相当する部分を遮断するマスク４と、前記第１のビームを被照射物９へと導いて照射する第１の照射光学系３と、をさらに備える。
【選択図】図１３

Description

本発明は、略ガウス分布のビームをトップフラットの均一強度分布を有するビームに変換して被照射物に照射するようにしたビーム照射装置、ビーム照射方法および前記のビーム照射装置を使用した機能素子の製造方法に関する。

穴あけ加工やアニール処理等のレーザ加工においては、その加工目的により、均一な強度分布（トップフラット）のレーザ照射が要求される場合がある。一般的なレーザ発振器では、その出力ビームの強度分布が、中央の強度が強いガウス分布をしているため、上記用途の場合には、このガウス分布のレーザビームを均一強度分布（トップフラット）のビームに変換するための光学素子が必要となる。

ガウス分布のレーザビームをトップフラットのビームに変換するための光学素子としては、干渉性の高いレーザに適用でき、また、任意のビーム形状を得ることが可能なことから回折光学素子（以下、ＤＯＥ，diffractive optical element）が好適であり、その技術内容が特開２００３−１１４４００号公報（特許文献１）や「ＳＥＩテクニカルレビュー」，住友電気工業株式会社，２００５年３月，第１６６号，ｐ．１３−ｐ．１８（非特許文献１）に開示されている。

前記ＤＯＥを用いると、その表面に形成された凹凸パターンによって発生する光路差により、ガウス分布のレーザビームを構成する各光線を、ＤＯＥへの入射位置に応じて各々異なる角度で回折させることができる。具体的には、ガウス分布のレーザビームを、その中央部では発散させ、外周部では収束させるように回折させ、これによって像面位置においてトップフラットの強度プロファイルを形成することができる。また、そのビーム形状を、円形に限らず四角形状とすることも可能である。

上記ＤＯＥの設計には、一般に、前記「ＳＥＩテクニカルレビュー」（非特許文献１）に記載の反復フーリエ変換法が用いられる。この手法では、レーザの像面位置において目標とする強度分布（トップフラット）が得られるように、ＤＯＥの入射面と像面位置で強度・位相の値を少しずつ変化させながらフーリエ変換とフーリエ逆変換とを交互に繰り返して、前記ＤＯＥの凹凸パターン（位相パターン）を最適化する。そして、このように設計された凹凸パターンに基づいて、フォトリソグラフィー技術を用いてＤＯＥが作製される。

ここで、上記「ＳＥＩテクニカルレビュー」（非特許文献１）や特開２００３−１１４４００号公報（特許文献１）に開示されているＤＯＥ、たとえば、「ＳＥＩテクニカルレビュー」の図６に記載の「矩形ビームホモジナイザ」は、これにガウス分布のビームを入射させた場合に、出力ビームの像面位置での強度分布（断面強度プロファイル）が、水平なフラット部と急峻な側壁部とを有する略矩形形状となるように設計されている。

上記のように、従来のＤＯＥは、加工精度を上げるために、ガウス分布のビームを入射させた場合の出力ビームの像面位置での断面強度プロファイルがフラット部と急峻な側壁部を有する矩形形状となるように設計されている。つまり、前記ＤＯＥは、設計通りの理想的なガウス分布のビームが入射されると、像面位置で非常に均一性の高い強度分布が得られる。
特開２００３−１１４４００号公報 特許第３２０４９８６号公報 「ＳＥＩテクニカルレビュー」，住友電気工業株式会社，２００５年３月，第１６６号，ｐ．１３−ｐ．１８

しかしながら、従来のＤＯＥに理想ガウスから乖離したプロファイルのビーム（設計からずれのあるビーム）を入射すると、前記ＤＯＥからの出射ビームの像面位置における強度プロファイルが大きく乱れるという課題があった。

しかも、一般的なレーザ発振器から出力されるレーザビームは、いくらガウス分布仕様（シングルモード）のビームといえども、ＤＯＥへの入射ビームとしての観点からは、理想的なガウス分布からの乖離が無視することができないほど大きなものである。本願発明者が、一般的なレーザビーム（市販のガウス分布仕様の炭酸ガスレーザビーム）を、従来のＤＯＥ（像面位置での断面強度プロファイルが、フラット部と急峻な側壁部を有する矩形形状となるように設計されたＤＯＥ)に入射して、像面位置での出射ビームの強度分布を調べたところ、ＰＶ値が１１４％である劣悪な強度分布であった。

本発明は前記課題を解決するためになされたものであって、本発明の主たる目的は、一般的なレーザ発振器から出力されるような、理想的なガウス分布から乖離したレーザビームを用いた場合においても、被照射物上（像面位置）での照射強度の不均一分布（強度プロファイルの乱れ）を抑制することが可能であって、被照射物に従来よりも均一な強度分布を有するビームを照射できるビーム照射装置、ビーム照射方法および前記ビーム照射装置を使用した機能素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るビーム照射装置は、第１のビームを投光する第１の投光部と、第１の投光部から投光された第１のビームが透過する光学素子と、を備え、光学素子は、第１のビームが入射された場合に、出射ビームの被照射物上での断面強度プロファイルがフラット部とフラット部よりも傾きの大きな傾斜部とを有するように光学設計されており、光学素子を透過した第１のビームのうち、断面強度プロファイルにおける傾斜部に相当する部分を遮断するマスクと、第１のビームを被照射物へと導いて照射する第１の照射光学系と、をさらに備える。

この場合には、一般的なレーザ発振器から出力されるような、たとえば理想的なガウス分布から乖離したレーザビームを用いた場合においても、被照射物上（像面位置）での照射強度の不均一分布（強度プロファイルの乱れ）を抑制することが可能であって、被照射物に従来よりも均一な強度分布を有するビームを照射できる。

好ましくは、第２のビームを投光する第２の投光部と、第２のビームが、第１のビームの被照射物に対する照射範囲内の、断面強度プロファイルにおけるフラット部に相当する部分と重複するように、第２のビームを被照射物へと導いて照射する第２の照射光学系と、をさらに備える。

好ましくは、マスクを配置しない状態で測定された、第１のビームの被照射物上での断面強度プロファイルにおいて、フラット部の平均強度の半値の強度となる領域の幅が、フラット部の領域の幅の１．５倍以上である。

好ましくは、マスクを配置しない状態で測定された、第１のビームの被照射物上での断面強度プロファイルにおいて、フラット部の平均強度の半値の強度となる領域の幅が、フラット部の領域の幅の１．６５倍以下である。

本発明のビーム照射装置は、第１のビームを投光する第１の投光部と、第１の投光部から投光された第１のビームが透過する光学素子と、を備え、光学素子は、第１のビームが入射された場合に、出射ビームの被照射物上での断面強度プロファイルがフラット部とフラット部よりも傾きの大きな傾斜部とを有するように光学設計されており、第１のビームを被照射物へと導いて照射する第１の照射光学系と、第２のビームを投光する第２の投光部と、第２のビームが、第１のビームの被照射物に対する照射範囲内の、断面強度プロファイルにおけるフラット部に相当する部分と重複するように、第２のビームを被照射物へと導いて照射する第２の照射光学系と、をさらに備える。

好ましくは、第１のビームの被照射物上での断面強度プロファイルにおいて、フラット部の平均強度の半値の強度となる領域の幅が、フラット部の領域の幅の１．５倍以上である。

好ましくは、第１のビームの被照射物上での断面強度プロファイルにおいて、フラット部の平均強度の半値の強度となる領域の幅が、フラット部の領域の幅の１．６５倍以下である。

好ましくは、第１のビームは、その断面強度プロファイルが略ガウス分布である。
好ましくは、第１の投光部は、ガウス分布仕様、または、Ｍ２値が１．５以下の仕様、のレーザ発振器を含む。

好ましくは、光学素子は、断面強度プロファイルがガウス分布のビームが入射された場合に、出射ビームの像面位置での断面強度プロファイルが、フラット部とフラット部よりも傾きの大きな傾斜部とを有するように光学設計されている。

好ましくは、光学素子は、断面強度プロファイルがガウス分布のビームが入射された場合における出射ビームの像面位置での断面強度プロファイルにおいて、フラット部の平均強度の半値の強度となる領域の幅が、フラット部の領域の幅の１．５倍以上となるように光学設計されている。

好ましくは、光学素子は、断面強度プロファイルがガウス分布のビームが入射された場合における出射ビームの像面位置での断面強度プロファイルにおいて、フラット部の平均強度の半値の強度となる領域の幅が、フラット部の領域の幅の１．６５倍以下となるように光学設計されている。

好ましくは、光学素子は、断面強度プロファイルがガウス分布のビームが入射された場合において、出射ビームの像面位置で、出射ビームに垂直な断面における出射ビームの形状が、略方形となるように光学設計されている。

好ましくは、光学素子は、表面に凹凸パターンが形成された回折光学素子である。
好ましくは、第１の照射光学系は、第１のビームを、被照射物の表面に対して斜め方向から照射する。

本発明のビーム照射方法は、上記のビーム照射装置を使用したビーム照射方法であって、光学素子を透過した第１のビームのうち、断面強度プロファイルにおけるフラット部に相当する部分のみの寄与によって被照射物に処理を施すステップを備える。

好ましくは、上記の処理は、除去加工処理、アニール処理、改質処理、焼成処置、成膜処理のうちの少なくとも１つの処理を含む。

本発明の機能素子の製造方法は、上記のビーム照射装置を使用した機能素子の製造方法であって、光学素子を透過した第１のビームのうち、断面強度プロファイルにおけるフラット部に相当する部分のみの寄与によって、機能素子を製造するための処理を施すステップを備える。

この場合には、ビーム照射装置を用いて穴あけ加工やアニール処理などのビーム処理を均一に施すことができるため、高品質、高信頼性の機能素子を得ることができる。

一般的なレーザ発振器から出力されるような、たとえば理想的なガウス分布から乖離したレーザビームを用いた場合においても、被照射物上での照射強度の不均一分布（強度プロファイルの乱れ）を抑制することが可能であって、被照射物に従来よりも均一な強度分布を有するビームを照射できる。

また、光学素子から被照射物までの光路長が設計からずれている場合等、ビーム照射装置が設計条件から乖離した構成となっている場合においても、均一性の高いビームを照射できる。

すなわち、被照射物に対して、広いマージンを持ちながら、均一性の高いビーム照射（ビーム処理）を行うことができ、その結果、穴あけ加工やアニール処理などのビーム処理を被照射物に対して均一に行うことができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお以下の説明では、同一の部品については同一の符号を付すものとし、前記部品の名称や機能が同一である場合には、前記部品についての詳細な説明は繰り返さない。

［実施の形態１］
＜全体構成＞
本発明の実施の形態１に係るビーム照射装置１０の構成を、図１を参照して説明する。図１は本実施の形態に係るビーム照射装置１０の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施の形態に係るビーム照射装置１０は、略ガウス分布（厳密な意味においては必ずしも理想的なガウス分布ではなく、後述する理想的なガウス分布にある程度似通った強度分布を含む概念である。当該「略ガウス分布」は、代表的に、レーザ発振機のカタログや仕様書等の記載において、ガウス分布仕様となっているレーザ発振機や、Ｍ２値が１．５以下となっているレーザ発振機から照射されるレーザの強度分布に相当する。）の第１のビームＬ１ａを出力（投光）する第１のビーム出力部１（第１の投光部）と、入射される第１のビームＬ１ａを回折させて出射する光学素子２と、光学素子２から出射される回折後の第１のビームＬ１ｂを被照射物（機能素子）９上に導いて照射する第１の照射光学系３とから構成されている。尚、本実施の形態における被照射物９の一形態である機能素子とは、プリント基板や半導体デバイスなどのように、各種機能を有した素子のことをいう。

より具体的には、第１のビーム出力部１は、ガウス分布（シングルモード）のレーザ出力を基本とする（製品仕様とする）炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザなどのレーザ発振器であって、適宜に、このレーザ発振器から出力されるレーザビームのビーム径、発散収束角、光軸等を、光学素子２の仕様に合わせて補正可能な光学系を含む。第１のビーム出力部１は、レーザを光学素子２へと投光する。

本実施の形態に係る光学素子２は、第１のビーム出力部１の下流側に配置されて、第１のビーム出力部１から投光される略ガウス分布の第１のビームＬ１ａを、被照射物９上において、四角形状で均一強度分布（トップフラット）の第１のビームに変換する回折光学素子（ＤＯＥ）である。光学素子２の詳細については後述する。

第１の照射光学系３は、光学素子２の下流側に配置されて、光学素子２から出射される第１のビームＬ１ｂの光軸を変更する。本実施の形態に係る第１の照射光学系３は、入射される第１のビームＬ１ｂを被照射物９に対して垂直な方向から照射するミラーである。

上記の構成により、第１のビーム出力部１から出力された略ガウス分布の第１のビームＬ１ａが、光学素子２によって、被照射物９上において断面が四角形状で略均一強度分布（トップフラット形状）となる、第１のビームＬ１ｂに変換される。そして、この第１のビームＬ１ｂが、ミラー（第１の照射光学系）３によって被照射物９に垂直方向から照射される。その結果、被照射物９上に、四角形状で均一強度分布（トップフラット型）の照射領域Ｓ１が形成され、この照射領域Ｓ１におけるビーム強度に応じて、被照射物９に穴あけ加工やアニール処理などのレーザ処理（ビーム処理）が施される。

＜光学素子＞
次に、本実施の形態に係るビーム照射装置１０に用いられる光学素子（ＤＯＥ）２の設計方法について説明する。図２は本実施の形態に係る光学素子を示す斜視図と目標強度分布とを示した模式図である。図３（ａ）は本実施の形態に係る光学素子２を用いた場合の光線イメージと強度分布とを示す模式図であって、図３（ｂ）は従来の光学素子１０２を用いた場合の光線イメージと強度分布とを示す模式図である。図４、及び、図５は、それぞれ、本実施の形態に係る光学素子を設計する際の、像面位置における目標強度分布を示すコンター図、及び、断面強度プロファイル図である。

図２に示すように、この光学素子（ＤＯＥ）２の設計は、光学素子（ＤＯＥ）２への入射ビームの強度分布Ｌ１ｒｅｆと、像面９０における目標強度分布Ｓ１ｒｅｆと、に基づいて行われる。そして、非特許文献１に記載の反復フーリエ変換法（ＩＦＴＡ）に基づき、像面９０の位置で目標とする強度分布Ｓ１ｒｅｆが得られるように、入射面と像面９０の位置において強度・位相の値を少しずつ変化させながらフーリエ変換とフーリエ逆変換とを交互に繰り返し、これによって光学素子（ＤＯＥ）２の凹凸パターン（位相パターン）を最適化する。

ここで、本実施の形態に係る光学素子２の設計において、光学素子（ＤＯＥ）２への入射ビームの強度分布Ｌ１ｒｅｆは、理想的なガウス分布（厳密な意味で、第１のビームＬ１ａの強度分布とは異なる。）とし、光学素子（ＤＯＥ）２と像面９０との間の距離は、ビーム照射装置１０における光学素子（ＤＯＥ）２〜被照射物９までの光路長ｌと等しい距離に設定している。なお、「像面」９０とは、光学素子（ＤＯＥ）２の設計において目標強度分布を与える面（位置）のことを言い、本実施の形態においては、設置誤差がない限り、光学素子（ＤＯＥ）２に対する被照射物９の相対位置は、光学素子（ＤＯＥ）２に対する像面９０の位置と一致する。

また、本実施の形態に係る光学素子２の設計において、像面９０における目標強度分布Ｓ１ｒｅｆは、図３（ａ）に示すように、フラット部Ｓ１ｒｅｆ−ａと傾斜部Ｓ１ｒｅｆ−ｂとを有する台形状の断面強度プロファイルとなるようにしている。より具体的には、図４に示すように、フラット部Ｓ１ｒｅｆ−ａ（図４のコンター図において実線で囲まれた領域）の平均強度Ｉａｖｅに対して半値（Ｉａｖｅ／２）となる領域（図４のコンター図において点線上の領域）の幅（ｘ方向：ＳＬｘｂ、ｙ方向：ＳＬｙｂ）が、フラット部Ｓ１ｒｅｆ−ａの幅（ｘ方向：ＳＬｘａ、ｙ方向：ＳＬｙａ）の１．５倍となるように、傾斜部Ｓ１ｒｅｆ−ｂを設定し、光学素子（ＤＯＥ）２を設計している。

次に、上記のように設計された光学素子（ＤＯＥ）２の作用について説明する。前述したように、図３は、本実施の形態の光学素子（ＤＯＥ）２に理想的なガウス分布のビーム（強度分布Ｌ１ｒｅｆ）を入射させた場合の、光線イメージと像面９０位置での強度分布とを、従来の回折光学素子１０２を用いた場合と比較して示す模式図である。詳しくは、図３（ａ）は本実施の形態に係る光学素子を用いた場合の光線イメージと強度分布とを示す模式図であり、図３（ｂ）は従来の光学素子を用いた場合の光線イメージと強度分布とを示す模式図である。

なお、本実施の形態の光学素子（ＤＯＥ）２は、上記のように、像面９０の位置における目標強度分布Ｓ１ｒｅｆが、フラット部Ｓ１ｒｅｆ−ａと傾斜部Ｓ１ｒｅｆ−ｂとを有する台形状の断面強度プロファイルとなるように光学設計されており（図３（ａ））、傾斜部Ｓ１ｒｅｆ−ｂを設けている点に特徴がある。以下では、前記特徴を踏まえ、本実施の形態の光学素子（ＤＯＥ）２を側壁傾斜型ＤＯＥ２と呼ぶことにする。また、これと対比して、像面９０位置での目標断面強度プロファイルＳ１００ｒｅｆが、急峻な側壁部Ｓ１００ｒｅｆ−ｂを有する矩形形状となるように設計された、従来の回折光学素子１０２（図３（ｂ））を矩形型ＤＯＥ１０２と呼ぶことにする。

図３（ａ）を参照して、本実施の形態の側壁傾斜型ＤＯＥ２は、ガウス分布の入射ビーム（強度分布Ｌ１ｒｅｆ）を、その中央部では発散させ、外周部では収束させるように回折させている。これによって、本実施の形態に係る側壁傾斜型ＤＯＥ２は、像面９０の位置でトップフラット（フラット部Ｓ１ｒｅｆ−ａ）の強度プロファイルを形成しており、この点では、図３（ｂ）に示す従来の矩形型ＤＯＥ１０２と共通している。しかし、本実施の形態の側壁傾斜型ＤＯＥ２では、従来の矩形型ＤＯＥ１０２よりも、入射ビーム（強度分布Ｌ１ｒｅｆ（ガウス分布））の外周部の収束度合いを小さくしており、傾斜部Ｓ１ｒｅｆ−ｂを有する台形状の断面強度プロファイル（出力プロファイル）が得られるように設計されている。

このように設計された、本実施の形態の側壁傾斜型ＤＯＥ２の効果は、これに入射するビームの強度分布が理想的なガウス分布Ｌ１ｒｅｆから乖離している場合に顕著にあらわれる。すなわち、従来の矩形型ＤＯＥ１０２では、入射ビームが理想ガウス分布Ｌ１ｒｅｆから乖離していると（設計からずれていると）、高周波の乖離成分(ノイズ成分)の影響を強く受けて出力プロファイルが大きく乱れるのに対して、本実施の形態の側壁傾斜型ＤＯＥ２では、入射ビームの高周波ノイズ成分(理想ガウスからの乖離成分)の影響を受けにくい。すなわち、本実施の形態に係る側壁傾斜型ＤＯＥ２からの出射ビームは、理想ガウス分布Ｌ１ｒｅｆから乖離したプロファイルのビームが入射された場合であっても、出力プロファイルの変動が小さく、均一な強度分布を形成することができる。

上記のように、従来の矩形型ＤＯＥ１０２において、理想ガウス分布Ｌ１ｒｅｆから乖離したビームが入射された場合に出力プロファイルが大きく乱れるのは、矩形型ＤＯＥ１０２が、像面９０位置でのプロファイルが急峻な側壁部Ｓ１００ｒｅｆ−ｂを有する矩形形状となるように設計されていることに因る。つまり、矩形形状の出力プロファイルを形成するためには、この矩形形状をフーリエ変換するとイメージできるように、入射ビームの空間周波数成分を広帯域で扱わなければならず（広い帯域の成分を合成しなければならず）、その結果、入射ビームが理想ガウス分布Ｌ１ｒｅｆから乖離していると（設計条件からずれていると）、特に高周波の乖離成分(ノイズ成分)の影響を強く受けて、出力プロファイルが大きく乱れるのである。

これに対して、本実施の形態の側壁傾斜型ＤＯＥ２では、像面９０位置でのプロファイルが傾斜部Ｓ１ｒｅｆ−ｂを有する台形状の断面強度プロファイルとなるように設計されており、この台形形状をフーリエ変換するとイメージできるように、扱う空間周波数成分の帯域が、矩形型ＤＯＥ１０２に比べて狭くなっている（空間周波数成分の帯域が低周波数帯域に限定されている）。つまり、傾斜部Ｓ１ｒｅｆ−ｂを設けることにより、側壁傾斜型ＤＯＥ２の扱う帯域が、入射ビームの空間周波数成分の中の低周波数帯域に制限されるので、入射ビームの高周波ノイズ成分(ガウスからの乖離成分)の影響を受けにくく、理想ガウス分布Ｌ１ｒｅｆから乖離したプロファイルのビームが入射された場合においても、出力プロファイルの変動が小さく、均一な強度分布を得ることができる。

換言すれば、台形形状を有するプロファイルをフーリエ変換すると、矩形形状を有するプロファイルをフーリエ変換した場合と比べて、周波数帯域が狭くなり、低周波成分のみに限定することができる。つまり、台形形状を有するプロファイルは、低周波成分のみを合成して作成することができる。台形形状の断面強度プロファイルＳ１ｒｅｆが得られるように設計された本実施の形態に係る側壁傾斜型ＤＯＥ２は、入射ビームの強度プロファイルをフーリエ変換して得られる周波数帯域のうち、低周波成分のみを利用して台形形状を有する断面強度プロファイルＳ１ｒｅｆを作成している。

また、上述したように、傾斜部Ｓ１ｒｅｆ−ｂを設けることによって、扱う空間周波数帯域を制限しているから、側壁傾斜型ＤＯＥ２〜被照射物９までの光路長が、設計（側壁傾斜型ＤＯＥ２〜像面９０までの距離ｌ）からずれている場合においても、その影響が低周波の成分に限定され、均一性の劣化度合いが少なくて済む。

次に、側壁傾斜型ＤＯＥ２を適用した、ビーム照射装置１０の効果について説明する。図６は、本実施の形態に係る光学素子２を用いた場合の被照射物９上の照射強度の測定結果を示すグラフであって、図７は、従来の光学素子１０２を用いた場合の被照射物９上の照射強度の測定結果を示すグラフである。より詳しくは、図６は本実施の形態に係る側壁傾斜型ＤＯＥ２を使用した場合のビーム照射装置１０における被照射物９上の照射強度（フラット部Ｓ１−ａと傾斜部Ｓ１−ｂとからなる領域Ｓ１の照射強度分布）を測定した結果（被照射物９の位置にビームプロファイラを設置して照射強度を測定した結果）を示すグラフであって、図７は従来の矩形型ＤＯＥ１０２を使用した場合のビーム照射装置１０における被照射物９上の照射強度（フラット部Ｓ１００−ａと急峻な側壁部Ｓ１００−ｂとからなる領域Ｓ１００の照射強度分布）を測定した結果を示すグラフである。

図６に係る測定では、第１のビーム出力部１に市販の炭酸ガスレーザ発振器を用い、この第１のビーム出力部１からは、製品仕様として、波長：１０．６μｍ、ビーム径：Φ２０ｍｍ（１／ｅ²径）、ビーム品質：Ｋ＞０．９（Ｍ２＜１．１１）、の第１のビームＬ１ａが出力される。また、側壁傾斜型ＤＯＥ２には、側壁傾斜型ＤＯＥ２から６００ｍｍ離れた位置の像面９０において、目標強度分布Ｓ１ｒｅｆが図４に示す形状となるように光学設計されたものを用いる。

なお、この目標強度分布Ｓ１ｒｅｆにおいて、フラット部Ｓ１ｒｅｆ−ａ（図４のコンター図において実線で囲まれた領域）の幅は、ｘ方向：ＳＬｘａ＝８．５ｍｍ、ｙ方向：ＳＬｙａ＝４ｍｍとし、フラット部Ｓ１ｒｅｆ−ａの平均強度Ｉａｖｅに対して半値（Ｉａｖｅ／２）となる領域（図４のコンター図において点線上の領域）の幅は、ｘ方向：ＳＬｘｂ＝１２．７５ｍｍ、ｙ方向：ＳＬｙｂ＝６ｍｍとした。被照射物９（ビームプロファイラ）は、側壁傾斜型ＤＯＥ２〜被照射物９（ビームプロファイラ）までの光路長が、ｌ＝６００ｍｍなる位置（像面９０と同じ位置）に配置した。

換言すれば、本実施の形態に係るビーム照射装置１０および後述するビーム照射装置２０，３０，４０は、図１に示すように、後述するマスク４等を配置しない状態で測定された、前記第１のビームＬ１ｃの前記被照射物９上での断面強度プロファイルにおいて、前記フラット部Ｓ１−ａの平均強度の半値の強度となる領域の幅が、前記フラット部Ｓ１−ａの領域の幅の１．５倍以上に構成されている。そして、前記マスク４等を配置しない状態で測定された、前記第１のビームＬ１ｃの前記被照射物９上での断面強度プロファイルにおいて、前記フラット部Ｓ１−ａの平均強度の半値の強度となる領域の幅が、前記フラット部Ｓ１−ａの領域の幅の１．６５倍以下に構成されている。

また、図７は、ビーム照射装置１０において、側壁傾斜型ＤＯＥ２に換えて、従来の矩形型ＤＯＥ１０２を用いた場合の測定結果を示すものであって、その他の条件は図６に係るものと同一である。

図６と図７とを比較して、側壁傾斜型ＤＯＥ２を用いた本実施形態のビーム照射装置１０（図６）では、従来の矩形型ＤＯＥ１０２を用いた場合（図７）に比べて、出力プロファイル（フラット部Ｓ１−ａ）の均一性が大幅に改善されていることを確認できる。定量的な評価結果としては、本実施形態の光学素子（側壁傾斜型ＤＯＥ２）を用いた場合のフラット部Ｓ１−ａの均一性はＰＶ：２８％で、従来の回折光学素子（矩形型ＤＯＥ）１０２を用いた場合のフラット部Ｓ１００−ａの均一性はＰＶ：１１４％であった。

ここで、ＰＶ値は、以下のようにして算出している。まず、前記フラット部Ｓ１−ａ（図６のコンター図において一点鎖線で囲まれた領域：ＳＬｘａ＝８．５ｍｍ、ＳＬｙａ＝４ｍｍ）における強度を微小面積単位で全面に渡って測定し、前記フラット部Ｓ１−ａにおける平均強度を算出する。また、前記フラット部Ｓ１−ａの内部で測定した各強度の中から最大値と最小値（最大強度と最小強度）とを抽出する。そして、前記平均強度と最大強度と最小強度とから、ＰＶ＝（最大強度−最小強度）／（平均強度）を算出する。

なお、従来の矩形型ＤＯＥ１０２を用いた場合に出力プロファイル（図７）が大きく乱れているのは、第１のビーム出力部１（市販のレーザ発振器）から出力される第１のビームＬ１ａ（ビーム品質：Ｋ＞０．９（Ｍ２＜１．１１））が、いくらガウス分布（シングルモード）の仕様といえども、光学素子（ＤＯＥ）１０２への入射ビームとして見ると、理想的なガウス分布からの乖離が十分に大きなものであることを意味している。

次に、本実施形態のビーム照射装置１０において、光学素子（側壁傾斜型ＤＯＥ２）〜被照射物９までの光路長を、設計値（光学素子（ＤＯＥ）２〜像面９０までの距離ｌ）からずらした場合の、被照射物９上での照射強度分布の変化について説明する。

図８は本実施の形態に係るビーム照射装置１０において、被照射物９の位置を設計値ｌ（＝６００ｍｍ：像面位置）から±Δｌ（＝±５ｍｍ）だけ変化させた場合のビーム照射装置１０を示す模式図である。図９は、側壁傾斜型ＤＯＥ２〜被照射物９までの光路長を設計値ｌ（＝６００ｍｍ：像面位置）から±Δｌ（＝±５ｍｍ）だけ変化させた場合のｘ方向およびｙ方向の断面強度プロファイルの変化を示す測定結果である。図９中の３本の線は、光路長：ｌ―Δｌ（５９５ｍｍ）、l（６００ｍｍ）、ｌ＋Δｌ（６０５ｍｍ）の各々に対応する。

図９から、本実施の形態のビーム照射装置１０においては、±５ｍｍ程度の光路長の変化（被照射物９の設置位置の誤差）があっても、被照射物９上での断面照射強度のプロファイル、及び、その均一性がほとんど変化しないことが確認できる。例えば、図９中の枠で囲んだ部分を参照して、光路長：ｌ―Δｌ（５９５ｍｍ）、l（６００ｍｍ）、ｌ＋Δｌ（６０５ｍｍ）の各線の分布とも、該枠の範囲内に収まっている。

以上のように、本実施形態に係るビーム照射装置１０では、ガウス分布のビームを入射させた場合の、出力ビームの像面位置での強度分布（断面強度プロファイル）が、フラット部Ｓ１ｒｅｆ−ａと傾斜部Ｓ１ｒｅｆ−ｂとを有する台形状となるように光学設計された側壁傾斜型ＤＯＥ２を用いているので、第１のビーム出力部１（レーザ発振器）から出力されるレーザビームＬ１ａが理想的なガウス分布Ｌ１ｒｅｆから乖離している場合においても、被照射物９に対して均一な強度分布でビーム照射を行うことができる。また、側壁傾斜型ＤＯＥ２〜被照射物９までの光路長が、設計（側壁傾斜型ＤＯＥ２〜像面９０までの距離ｌ）からずれている場合においても、均一性の劣化度合いが少なくて済む。すなわち、被照射物９に対して、広いマージンを持ちながら、均一性の高いビーム照射（ビーム処理）を行うことができる。そして、このことによって、穴あけ加工やアニール処理などのビーム処理を被照射物（機能素子）９に対して、均一に行うことができる。

本実施の形態１に係るビーム照射装置１０では、これに適用する光学素子（側壁傾斜型ＤＯＥ２）の目標強度分布Ｓ１ｒｅｆにおいて、フラット部Ｓ１ｒｅｆ−ａの平均強度Ｉａｖｅに対して半値（Ｉａｖｅ／２）となる領域の幅（半値幅、ｘ方向：ＳＬｘｂ＝１２．７５ｍｍ、ｙ方向：ＳＬｙｂ＝６ｍｍ）が、フラット部Ｓ１ｒｅｆ−ａの幅（フラット領域幅、ｘ方向：ＳＬｘａ＝８．５ｍｍ、ｙ方向：ＳＬｙａ＝４ｍｍ）に対して１．５倍となるように、傾斜部Ｓ１ｒｅｆ−ｂを設定していた。以下、フラット部Ｓ１ｒｅｆ−ａの平均強度Ｉａｖｅに対して半値（Ｉａｖｅ／２）となる領域の幅（半値幅）と、フラット部Ｓ１ｒｅｆ−ａの幅（フラット領域幅）と、の比を傾斜度という。

このような傾斜部Ｓ１ｒｅｆ−ｂの設定（傾斜度＝１．５の設定）は、被照射物９上のフラット部Ｓ１−ａにおける、均一性とパワーの利用率との双方を考慮した好適な設定であるが、ビーム照射装置１０への要求仕様によっては、所定の範囲内で前記傾斜度を変更することも可能である。なお、パワーの利用率は、（フラット部における総照射強度）／［（フラット部における総照射強度）＋（傾斜部における総照射強度）］で定義される。

以下では、上記傾斜度の許容範囲について説明する。図１０は、光学素子（側壁傾斜型ＤＯＥ２）の目標強度分布Ｓ１ｒｅｆの傾斜度（半値幅／フラット領域幅）を種々変化させたときの、被照射物９上のフラット部Ｓ１−ａにおける均一性およびパワーの利用率を示すグラフである。光学素子（側壁傾斜型ＤＯＥ２）の傾斜度以外の条件は、図６と同一である。なお、図１０の縦軸は、従来の回折光学素子（矩形型ＤＯＥ）１０２を用いた場合（傾斜度＝１．１８）の値で規格化して表している。

図１０を参照して分かるように、傾斜度（半値幅／フラット領域幅）を増加させると、これに伴ってフラット部Ｓ１−ａのＰＶ値が減少（均一性が向上）しており、このことは、傾斜度の増加により光学素子（側壁傾斜型ＤＯＥ２）の扱う空間周波数帯域が狭くなり、光学素子（側壁傾斜型ＤＯＥ２）が、入射ビームの高周波ノイズ成分(ガウスからの乖離成分)の影響を受けにくくなることに対応している。一方、傾斜度の増加は、その形状変化から類推できるように、フラット部Ｓ１−ａにおけるパワーの利用率を低下させる（傾斜部Ｓ１−ｂでのロスを増加させる）ことになり、傾斜度は、図１０に示すように、フラット部Ｓ１−ａにおける均一性とパワーの利用率のトレードオフ関係を考慮して設定する必要がある。

図１０に示すように、傾斜度の増加に伴うＰＶ値の減少度合い（均一性の向上度合い）は傾斜度が１．５以上になると飽和してくるが、一方で、パワーの利用率は傾斜度の増加に伴って単調に減少している。このことから、傾斜度は１．５以上で、なるべく小さい値に設定することが好ましい。傾斜度の上限については、従来の回折光学素子（矩形型ＤＯＥ）１０２のパワー利用率の１／２となるときの傾斜度＝１．６５程度が適切である。

以上のことから、ビーム照射装置１０の光学素子（側壁傾斜型ＤＯＥ２）における、目標強度分布の傾斜度の許容範囲は、１．５〜１．６５となり、このような設定を行うことにより、被照射物に対して、広いマージンを持ちながら、均一性の高いビーム照射（ビーム処理）を行うことができるといった効果を、パワー利用率の低下を招くことなく実現することができる。

すなわち、本実施の形態に係るビーム照射装置１０および後述するビーム照射装置２０，３０，４０は、図１に示すように、後述するマスク４等を配置しない状態で測定された、前記第１のビームＬ１ｃの前記被照射物９上での断面強度プロファイルにおいて、前記フラット部Ｓ１−ａの平均強度の半値の強度となる領域の幅が、前記フラット部Ｓ１−ａの領域の幅の１．５倍以上に構成されている。そして、前記マスク４等を配置しない状態で測定された、前記第１のビームＬ１ｃの前記被照射物９上での断面強度プロファイルにおいて、前記フラット部Ｓ１−ａの平均強度の半値の強度となる領域の幅が、前記フラット部Ｓ１−ａの領域の幅の１．６５倍以下に構成されている。この構成によって、被照射物に対して、広いマージンを持ちながら、均一性の高いビーム照射（ビーム処理）を行うことができるといった効果を、パワー利用率の低下を招くことなく実現することができる。

［実施の形態２］
実施の形態２に係るビーム照射装置２０の構成を、図１１を参照して説明する。図１１は本実施の形態に係るビーム照射装置２０の全体構成を示す模式図である。図１２は本実施の形態に係る被照射物９近傍を示した拡大側面図である。本実施形態に係るビーム照射装置２０では、実施の形態１に係るビーム照射装置１０のミラー３（第１の照射光学系）に替えて、斜方照射ミラー３ｂを第１の照射光学系として用いている。本実施の形態においても、光学素子には、実施の形態１に用いた回折光学素子（側壁傾斜型ＤＯＥ２）を用いるものとし、この構成により、側壁傾斜型ＤＯＥ２から出射される第１のビームＬ１ｂが、斜方照射ミラー３ｂによって光軸を変えられ、第１のビームＬ１ｃとして、被照射物９に対して斜め方向（垂直方向からずれた方向、たとえば４５度方向）から照射され、照射領域Ｓ２が形成される。

ビーム照射装置２０の側壁傾斜型ＤＯＥ２は、実施の形態１（図２〜図６）と同様に、入射ビーム強度分布（ガウス分布）Ｌ１ｒｅｆおよび目標強度分布Ｓ１ｒｅｆ（フラット部Ｓ１ｒｅｆ−ａと傾斜部Ｓ１ｒｅｆ−ｂとを有する台形状）に基づいて設計されるものであり、この目標強度分布Ｓ１ｒｅｆを与える像面位置としては、照射領域Ｓ２の中心を通り、かつ、第１のビームＬ１ｃに垂直な仮想面９１ａ（図１２参照）が想定されている。つまり、当該側壁傾斜型ＤＯＥ２の設計における、側壁傾斜型ＤＯＥ２と像面９０との間の距離は、本実施の形態に係るビーム照射装置２０における側壁傾斜型ＤＯＥ２から仮想面９１ａまでの光路長ｌと等しい距離に設定されている。ビーム照射装置２０のその他の構成は実施の形態１のビーム照射装置１０と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。

上記の構成により、本実施の形態のビーム照射装置２０においては、仮想面９１ａにおける照射強度分布が図６に示す実施の形態１の照射領域Ｓ１の強度分布と同様のものとなり、この強度分布が斜め方向（例えば、４５度方向）に投影されて、照射領域Ｓ２が形成される。この照射領域Ｓ２の強度分布は、図１２に示すように、ｙ方向の幅：ＳＬｙａ（たとえば、４ｍｍとする。）の第１のビームＬ１ｃが垂直方向から４５度傾いた方向から被照射物９に照射される場合、仮想面９１ｂ（光路長：ｌ−ＳＬｙａ／２）、９１ａ（光路長：ｌ）、９１ｃ（光路長：ｌ＋ＳＬｙａ／２）の各強度分布が複合されたものとなる。すなわち、被照射物における強度分布は、±２ｍｍの光路長変化に対する強度分布変化が反映されたものとなる。

ここで、このビーム照射装置２０に用いた側壁傾斜型ＤＯＥ２は、実施の形態１と同様のもの（像面位置での目標強度分布の形状を、傾斜部Ｓ１ｒｅｆ−ｂを有する台形状としたもの）であるため、実施の形態１における図８、図９に示したように、±５ｍｍ程度の光路長の変化があっても、照射強度のプロファイルはほとんど変化しない。したがって、照射領域Ｓ２上の強度分布は、仮想面９１ａにおける照射強度分布、すなわち図６に示す強度分布と同様のものにすることができる。

以上のように、本実施の形態に係るビーム照射装置２０では、被照射物９に対して斜め方向から第１のビームＬ１ｃを照射する場合においても、斜め照射の影響をほとんど受けずに、実施の形態１と同様に広マージンで均一性の高いビーム照射（ビーム処理）を行うことができる。その結果、本実施の形態に係るビーム照射装置２０は、穴あけ加工やアニール処理などのビーム処理を被照射物に対して均一に行うことができる。

さらに、第１のビームＬ１ｃを斜めから照射できることにより、本実施の形態に係るビーム照射装置２０に別の構成要素を付加する場合においても、当該構成要素の設置の自由度を大きくできる。

［実施の形態３］
本発明の第３の実施の形態に係るビーム照射装置３０の構成を図１３を参照して説明する。図１３は本実施の形態に係るビーム照射装置３０の全体構成を示す模式図である。図１４は、本実施の形態における、被照射物上の照射強度分布を示すグラフである。本実施の形態に係るビーム照射装置３０は、実施の形態１に係るビーム照射装置１０の構成に加えて、新たに、アパーチャー（マスキング部）４を付加したものである。本実施の形態に係るビーム照射装置３０のその他の構成は、実施の形態１のビーム照射装置１０と同様であるので説明を省略する。

ビーム照射装置３０は、実施の形態１のビーム照射装置１０と同様に、第１のビーム出力部１から出力された略ガウス分布の第１のビームＬ１ａが、光学素子（側壁傾斜型ＤＯＥ２）により、被照射物９上において四角形状で均一強度分布（トップフラット）となる第１のビームＬ１ｂに変換される。第１のビームＬ１ｂは、更に、ミラー（第１の照射光学系）３によって被照射物９に対して垂直な方向に向けられる（第１のビームＬ１ｃ）。そして、この第１のビームＬ１ｃが、アパーチャー（マスキング部）４の開口部４ａを通って被照射物９に照射され、照射領域Ｓ３が形成される。なお、照射領域Ｓ３の強度分布は、仮に、アパーチャー（マスキング部）４が設けられていないものとすると、図６に示した、ビーム照射装置１０の照射領域Ｓ１と同じく、フラット部Ｓ１−ａと傾斜部Ｓ１−ｂとを有する台形状の断面強度プロファイルとなる。

ここで、本実施の形態のビーム照射装置３０では、アパーチャー（マスキング部）４の開口部４ａを、フラット部Ｓ１−ａ（ｘ方向幅：ＳＬｘａ、ｙ方向幅：ＳＬｙａ）の大きさ（形状）と同じか、または、それに含まれる大きさとしている。これによって、上記台形状の断面強度プロファイルのうち傾斜部Ｓ１−ｂの部分に相当するビーム（第１のビームＬ１ｃの外周部）が遮蔽（遮断）され、フラット部Ｓ１−ａの部分に相当するビームのみが透過する。その結果、照射領域Ｓ３の強度分布を、図１４に示すように、フラット部Ｓ１−ａの強度分布のみを反映したものとすることができる。

したがって、本実施の形態に係るビーム照射装置３０では、実施の形態１のビーム照射装置１０よりも、さらに均一性の高いビーム照射（ビーム処理）を行うことができる。その結果、穴あけ加工やアニール処理などのビーム処理を、被照射物に対して一層均一に行うことができる。

なお、上記のアパーチャー（マスキング部）４の構成は、第１のビームＬ１ｃの強度に応じて、適宜に、アパーチャー４を直接水冷等により冷却する構成や、開口部４ａの周囲を反射面として、開口部４ａ周囲によって反射されたビームを図示しないダンパーにて減衰させるような構成とするようにしてもよい。

［実施の形態４］
本発明の第４の実施形態に係るビーム照射装置４０の構成を、図１５を参照して説明する。図１５は本実施の形態に係るビーム照射装置４０の全体構成を示す模式図である。図１６は本実施の形態において、照射領域Ｓ４における第１のビームＬ１ｃの照射強度分布を示すグラフである。

本実施の形態に係るビーム照射装置４０は、実施の形態２に係るビーム照射装置２０(図１１)の構成に加えて、新たにマスキング部５０を付加したものである。マスキング部５０は、前記第１のビームＬ１ｃとは別の第２ビームＬ２を投光する出力部と、第２のビームＬ２を被照射物９上へと導いて照射する第２の照射光学系として機能する。詳しくは、マスキング部５０は、第２のビームＬ２を投光する第２のビーム出力部５と、第２のビームＬ２の光路を変更して被照射物上へと導くミラー（第２の照射光学系）６と、アパーチャー（マスク）７とから構成されている。ビーム照射装置４０のその他の構成は、実施の形態２のビーム照射装置２０と同様であるので説明を省略する。

このビーム照射装置４０では、実施の形態２のビーム照射装置２０と同様に、被照射物９に対して斜め方向（例えば４５度方向）から第１のビームＬ１ｃが照射される（照射領域Ｓ２）。また、これと同時に、マスキング部５０から投光される第２ビームＬ２も被照射物９上に照射される（照射領域Ｓ４）。そして、被照射物９上の照射領域Ｓ２と照射領域Ｓ４とが重複した領域において、穴あけ加工やアニール処理などのレーザ処理（ビーム処理）が施される。

上記の照射領域Ｓ２は、第１のビーム出力部１から投光されて側壁傾斜型ＤＯＥ２とミラー（第１の照射光学系）３ｂとを介して導かれる第１のビームＬ１ｃが斜め方向から被照射物へと照射されて形成されるものである。当該照射位置における強度分布の形状は、ビーム照射装置２０（第２の実施形態）と同様に、図６に示すような、フラット部Ｓ１−ａと傾斜部Ｓ１−ｂとを有する台形状の断面強度プロファイルとなる。

一方、照射領域Ｓ４は、第２のビーム出力部５から投光されてミラー６を介して導かれるビームのうちのマスク７の開口部７ａを通過した第２のビームＬ２が照射される領域である。ここで、マスク７の開口部７ａは、照射領域Ｓ４が、照射領域Ｓ２の強度分布におけるフラット部Ｓ１−ａ（ｘ方向幅：ＳＬｘａ、ｙ方向幅：ＳＬｙａ）に相当する部分と同じか、またはそれに含まれるような大きさ（形状）に形成されている。

上記の構成により、被照射物９上で、照射領域Ｓ２と照射領域Ｓ４とが重複する領域（すなわち、照射領域Ｓ４）は、第１のビームＬ１ｃのうち、断面強度プロファイルにおけるフラット部Ｓ１−ａ（ｘ方向幅：ＳＬｘａ、ｙ方向幅：ＳＬｙａ）に相当する領域内であって、かつ、第２のビームＬ２が照射された領域となる。

本実施の形態においては、被照射物９に対する穴あけ加工やアニール処理などの所望のレーザ処理（ビーム処理）が第１のビームＬ１ｃと第２のビームＬ２との双方の寄与によって始めて行われるように、第１のビーム出力部１と第２のビーム出力部５から出射される各々のビームの強度が、被照射物９の物性（被処理特性）に応じて調整されている。すなわち、本実施の形態に係るビーム照射装置４０は、第１のビームＬ１ｃと第２のビームＬ２との、双方のビームの寄与によって、被照射物９の処理（穴あけ加工やアニール処理）の閾値を越えるように構成されている。

また、第２のビームＬ２の寄与によって行われるレーザ処理（ビーム処理）が、第１のビームＬ１ｃによってアシストされるように、第１のビーム出力部１と第２のビーム出力部５から出射される各々のビームの強度を、被照射物９の物性（被処理特性）に応じて調整する構成であってもよい。

つまり、図１６に示すように、マスキング部５０は、第１のビームＬ１ｃの強度分布の中のフラット部Ｓ１−ａに相当する部分（照射領域Ｓ４と重複する部分）のみの寄与により被照射物９に対するビーム処理が施されるように、第１のビームＬ１ｃの断面強度プロファイルにおける傾斜部Ｓ１−ｂに相当する部分を実効的にマスキングする機能を果たすべく、構成されている。

＜適用例＞
より詳細には、本実施の形態に係るビーム照射装置の適用例として、例えば、以下のような形態があげられる。たとえば、第１の具体例として、第１のビームＬ１ｃが炭酸ガスレーザ、第２のビームＬ２が、均一強度分布のＹＡＧレーザであって、双方のビーム照射による温度上昇によって被照射物９（例えば、鉄材やアルミ材などの金属）がその加工閾値温度を超えて、被照射物９への穴あけ加工がなされる形態があげられる。

また、第２の具体例として、第２ビームＬ２がエキシマレーザやＹＡＧレーザ（２次高調波、３次高調波）などのシリコン膜に吸収されるレーザであり、第１のビームＬ１ｃが絶縁膜に吸収される炭酸ガスレーザであって、ＳｉＯ₂、ＳｉＮやＳｉＯＮなどの絶縁膜上に形成されたアモルファスシリコン膜（被照射物９）にアニール処理を施すことによって、該アモルファスシリコン膜を結晶化させるような形態があげられる。すなわち、第２のビームＬ２（エキシマレーザやＹＡＧレーザ（２次高調波、３次高調波））の照射によりアモルファスシリコン膜をアニール処理して結晶化させるに際して、第１のビームＬ１ｃ（炭酸ガスレーザ）が下層の絶縁膜を加熱することにより結晶成長の過程での徐冷効果を与え、これによって大きな結晶を作製しようとする場合があげられる。なお、この場合には、マスキング部５０を構成するマスク７として、特許第３２０４９８６号公報（特許文献２）に記載されているような微細スリットからなるマスク（ＳＬＳ用のマスク）を用いて、上記結晶成長を横方向の成長とすることも可能である。

本実施の形態に係るビーム照射装置４０では、上記の構成により、照射領域Ｓ２における台形状の断面強度プロファイルのうち、フラット部Ｓ１−ａに相当する強度分布（照射領域Ｓ４と重複する部分の強度分布）のみを反映したレーザ処理を行うことができ、したがって、第２の実施形態のビーム照射装置２０よりも、さらに均一性の高いビーム照射（ビーム処理）を行うことができる。その結果、穴あけ加工やアニール処理などのビーム処理を被照射物に対して一層均一に行うことができる。

また、第１のビームＬ１ｃの照射と併せて第２ビームＬ２の照射を行うことができるので、その相乗効果によって、一層、効率的に（高い処理速度で）高品質のビーム処理を行うことができる。

なお、本実施の形態に係るビーム照射装置４０の構成において、第１のビームＬ１ｃの照射領域Ｓ２に含まれるように、マスキング部５０による第２のビームＬ２の照射領域Ｓ４を配置することができるのは、第２の実施形態で記載したように、第１のビームＬ１ｃを被照射物９に対して斜め方向から照射しても、この影響をほとんど受けずに均一性の高い照射強度分布が得られるように光学設計された側壁傾斜型ＤＯＥ２を用いていることに因るものである。すなわち、第１のビームＬ１ｃを被照射物９に対して斜めから照射できることにより、ビーム照射装置２０に別の構成要素であるマスキング部５０を付加した、本実施の形態に係るビーム照射装置４０において、マスキング部５０の設置の自由度を大きくできた（第２ビームＬ２の照射領域Ｓ４が、第１ビームＬ１ｃの照射領域Ｓ２に含まれるように、マスキング部５０を配置できた）ことに因るのである。

以上のように、実施の形態１〜４にて説明したビーム照射装置１０、２０、３０、４０では、ガウス分布Ｌ１ｒｅｆのビームを入射させた場合の、出射ビームＬ１ｂの像面位置での強度分布（断面強度プロファイル）の形状が、水平のフラット部Ｓ１ｒｅｆ−ａと前記フラット部Ｓ１ｒｅｆ−ａよりも傾きが大きい傾斜部Ｓ１ｒｅｆ−ｂとを有する台形状となるように光学設計された光学素子（側壁傾斜型ＤＯＥ２）を用いている。そのため、第１のビーム出力部（第１の投光部：レーザ発振器）１から出力されるレーザビームＬ１ａが理想的なガウス分布Ｌ１ｒｅｆから乖離している場合においても、被照射物９に対して均一な強度分布でビーム照射を行うことができる。ここで、第１のビームＬ１ａは、ガウス分布のビームに限定するものではなく、図２に示したように、像面位置で目標とする強度分布を与えるように光学素子２を設計する際に用いたビームの強度分布に似通った強度分布を有するビームであればよいものとする。

このような第１のビームＬ１ａの強度分布のことを、本明細書（および特許請求の範囲）では、理想的なガウス分布も含めた概念として「略ガウス分布」と呼んでおり、当該「略ガウス分布」は、代表的に、レーザ発振機のカタログや仕様書等の記載において、ガウス分布仕様となっているレーザ発振機や、Ｍ２値が１．５以下となっているレーザ発振機から照射されるレーザの強度分布に相当する。

また、上記の「第１のビーム出力部（第１の投光部：レーザ発振器）１から出力されるレーザビームＬ１ａが理想的なガウス分布Ｌ１ｒｅｆから乖離している場合」には、レーザ発振機の出荷時の特性の他、経時変化や、パワー設定条件の変化等によりレーザ発振機の特性が変化し、光学素子の設計に用いた、理想的なガウス分布Ｌ１ｒｅｆから乖離した強度分布となる場合も含まれている。

また、実施の形態１〜４にて説明したビーム照射装置１０、２０、３０、４０では、光学素子（側壁傾斜型ＤＯＥ２）から被照射物９までの光路長が、設計（光学素子（側壁傾斜型ＤＯＥ２）から像面９０までの距離ｌ）からずれている場合や、被照射物９に対して斜め方向から第１のビームＬ１ｃが照射される場合においても、均一性の劣化度合いが少なくて済む。

尚、被照射物９上において傾斜部Ｓ１−ｂを有する台形状の断面強度プロファイルとなるようなビーム照射を行う場合には、当該傾斜部Ｓ１−ｂに相当する部分のビームによって、ビーム処理の精度が低下してしまうことも懸念される。そこで、上記のように実施の形態３，４においては、マスキング部４，５０（７）を設けることによって、上記台形状の断面強度プロファイルのうちのフラット部Ｓ１−ａの強度分布のみをビーム処理（穴あけ加工やアニール処理）に反映させるようにしている。

その結果として、第１のビームＬ１ａが理想的なガウス分布Ｌ１ｒｅｆから乖離している場合や、光学素子（側壁傾斜型ＤＯＥ２）から被照射物９までの光路長が、設計（光学素子（側壁傾斜型ＤＯＥ２）から像面９０までの距離ｌ）からずれている場合等、ビーム照射装置が設計条件から乖離した構成となっている場合において、傾斜部Ｓ１−ｂの影響によりビーム処理の精度を低下させることなく、均一性の高いビーム処理を行うことができる。

なお、「ＳＥＩテクニカルレビュー」（非特許文献１）の図１６には、ＤＯＥ出力ビームの目標強度分布（断面強度プロファイル）を裾野の広がった形状とした例が記載されているが、これは複数のＤＯＥ（重畳式ＤＯＥホモジナイザ）から出力されるビームの各々を位置をずらして重畳させ、その結果としてトップフラット形状のビームを形成する場合に用いられるものであり、一つのＤＯＥによってトップフラット形状のビームを形成する場合に適用されるものではない。

また、この非特許文献１において、各々のＤＯＥから出力されるビームの断面強度プロファイルを裾野の広がった形状としているのは、本願の図１７に示すように、略矩形形状のプロファイルのビームを重畳した場合に生じる各ビームの間の隙間を防止するためであって、加えて、断面強度プロファイルが重複部分でピークを持つことがないようにするためである。すなわち、上記の裾野の広がった形状の断面強度プロファイルを形成するＤＯＥは、第１のビームＬ１ａが理想的なガウス分布Ｌ１ｒｅｆから乖離している場合や、光学素子から被照射物までの光路長が設計からずれている場合等、ビーム照射装置が設計条件から乖離した構成となっている場合においても、均一性の高いビーム処理を行うように設計されたものではない。

上記したように、本発明の実施の形態に係るビーム照射装置１０，２０，３０，４０によれば、被照射物９に対して、広いマージンを持ちながら均一性の高いビーム照射（ビーム処理）を行うことができ、その結果、穴あけ加工やアニール処理などのビーム処理を被照射物に対して均一に行うことができる。

換言すれば、本実施の形態に係るビーム照射装置１０，２０，３０，４０を使用したビーム照射方法は、前記光学素子（側壁傾斜型ＤＯＥ）２を透過した第１のビームＬ１ｂのうち、前記台形状の断面強度プロファイルにおける前記フラット部Ｓ１−ａに相当する部分のみの寄与によって被照射物９に処理を施すステップを備えるものである。

このような処理ステップには、除去加工処理、アニール処理、改質処理、焼成処理、成膜処理のうちの何れかの処理、または、前記各処理のいくつかを複合した処理がある。例えば、除去加工処理としては、穴あけ加工、ライン加工、パターニング加工等が挙げられる。

アニール処理としては、所謂、歪緩和や構造緩和の他、レーザ照射により非結晶材料を結晶化する処理や、半導体に注入された不純物をレーザ照射により拡散する処理等が挙げられる。

改質処理としては、レーザ照射による撥水処理等の表面処理や、レーザ照射により非結晶材料内にＨ原子等を拡散させ、ダングリングボンドをターミネートする内部処理等が挙げられる。焼成処理としては、溶液状やペースト状の材料にレーザ照射して、溶媒を揮発させたり結晶析出させたりする処理が挙げられる。

また、成膜処理としては、レーザ照射により成膜用ガスを分解して被膜を形成するレーザＣＶＤ処理や、転写材にレーザ照射することにより転写材上に形成された材料を基板に転写成膜する処理等が挙げられる。

なお、上記の各処理は、適宜に処理パターンに応じたマスクを併用して任意のパターン状になされるものでも良い。

そして、このような本実施の形態に係るビーム照射装置１０，２０，３０，４０を用いて作製される機能素子（被照射物９）は、均一な穴のあいたプリント基板や、均一なアニール処理を施された半導体デバイスをはじめ、上記の各処理が施された高品質、高信頼性の機能素子として有用である。

換言すれば、本実施の形態に係るビーム照射装置１０，２０，３０，４０を使用した機能素子（被照射物９）の製造方法は、前記光学素子（側壁傾斜型ＤＯＥ）２を透過した第１のビームＬ１ｂのうち、前記台形状の断面強度プロファイルにおける前記フラット部Ｓ１−ａに相当する部分のみの寄与によって前記機能素子（被照射物９）に処理を施すステップを備えるものである。

なお、上記の実施の形態１〜４においては、像面９０位置でのビーム形状が四角形状となるように設計された光学素子（側壁傾斜型ＤＯＥ２）を用いた場合について説明してきたが、前記ビーム形状は被照射物９に要求されるビーム処理に応じて長尺ライン状、円状、楕円状、菱形状など如何なる形状のものでもよい。但し、このビームを被照射物に対して相対的に走査して隙間なく１行の照射を行ったり、この１行の照射を繰り返したりする場合には、照射の過程で隙間が空いたり、照射痕の重複の仕方が変わったりしないように、四角形状や長尺ライン状であることが好ましい。

なお、円状のビームを形成する場合には、光学素子（側壁傾斜型ＤＯＥ２）は、回折光学素子に限らず非球面レンズとしてもよく、この場合にも、像面位置での目標強度分布の形状が、フラット部と傾斜部を有する台形状の断面強度プロファイルとなるように、非球面レンズが光学設計されればよい。

上記に示す変形例（実施の形態）は、その本質を変容させることなく、互いに組み合わせ可能であり、他の実施形態にも適用することができる。そして、前記開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内においてのすべての変更が含まれることが意図される。

本実施の形態に係るビーム照射装置の全体構成を示す模式図である。 本実施の形態に係る光学素子を示す斜視図と目標強度分布とを示した模式図である。 光学素子を用いた場合の光線イメージおよび強度分布を、本実施の形態に係る光学素子と従来の光学素子とを比較して示す模式図である。 本実施の形態に係る光学素子を用いた場合の像面位置における目標強度分布を示すコンター図である。 本実施の形態に係る光学素子を用いた場合の像面位置における目標強度分布を示す断面強度プロファイルである。 本実施の形態に係る光学素子を用いた場合の被照射物上の照射強度の測定結果を示すグラフである。 従来の光学素子を用いた場合の被照射物上の照射強度の測定結果を示すグラフである。 本実施の形態に係るビーム照射装置における被照射物の位置を設計値ｌから±Δｌだけ変化させた場合のビーム照射装置を示す模式図である。 光学素子から被照射物までの光路長を設計値ｌから±Δｌだけ変化させた場合のｘ方向およびｙ方向の断面強度プロファイルの変化を示す測定結果である。 光学素子設計における目標強度分布の傾斜度を変化させたときの、被照射物上のフラット部における均一性およびパワーの利用率を示すグラフである。 本実施の形態２に係るビーム照射装置の全体構成を示す模式図である。 本実施の形態２に係る被照射物近傍を示した拡大側面図である。 本実施の形態３に係るビーム照射装置の全体構成を示す模式図である。 本実施の形態３における被照射物上の照射強度分布を示すグラフである。 本実施の形態４に係るビーム照射装置の全体構成を示す模式図である。 本実施の形態４における被照射物上の照射強度分布を示すグラフである。 複数の光学素子を並べて配置した場合の強度プロファイルの一例を示すイメージ図である。

符号の説明

１ ビーム出力部、２ 光学素子（側壁傾斜型ＤＯＥ）、３ 第１の照射光学系（ミラー）、３ｂ 斜方照射ミラー、４ アパーチャー、４ａ 開口部、５ ビーム出力部、６ ミラー、７ マスク、７ａ 開口部、９ 被照射物、１０，２０，３０，４０ ビーム照射装置、５０ マスキング部、９０ 像面、Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃ ビーム、Ｓ１ｒｅｆ 像面位置における目標強度分布、Ｓ１ｒｅｆ−ａ 像面位置における目標強度分布のフラット部、Ｓ１ｒｅｆ−ｂ 像面位置における目標強度分布の傾斜部、Ｓ１−ａ 被照射物上の強度分布におけるフラット部、Ｓ１−ｂ 被照射物上の強度分布における傾斜部。

Claims (18)

1. 第１のビームを投光する第１の投光部と、
   前記第１の投光部から投光された前記第１のビームが透過する光学素子と、を備え、
   前記光学素子は、前記第１のビームが入射された場合に、出射ビームの被照射物上での断面強度プロファイルがフラット部と前記フラット部よりも傾きの大きな傾斜部とを有するように光学設計されており、
   前記光学素子を透過した第１のビームのうち、前記断面強度プロファイルにおける前記傾斜部に相当する部分を遮断するマスクと、
   前記第１のビームを前記被照射物へと導いて照射する第１の照射光学系と、をさらに備える、ビーム照射装置。
2. 第２のビームを投光する第２の投光部と、
   前記第２のビームが、前記第１のビームの前記被照射物に対する照射範囲内の、前記断面強度プロファイルにおける前記フラット部に相当する部分と重複するように、前記第２のビームを被照射物へと導いて照射する第２の照射光学系と、をさらに備える、請求項１に記載のビーム照射装置。
3. 前記マスクを配置しない状態で測定された、前記第１のビームの前記被照射物上での断面強度プロファイルにおいて、前記フラット部の平均強度の半値の強度となる領域の幅が、前記フラット部の領域の幅の１．５倍以上である、請求項１または２に記載のビーム照射装置。
4. 前記マスクを配置しない状態で測定された、前記第１のビームの前記被照射物上での断面強度プロファイルにおいて、前記フラット部の平均強度の半値の強度となる領域の幅が、前記フラット部の領域の幅の１．６５倍以下である、請求項３に記載のビーム照射装置。
5. 第１のビームを投光する第１の投光部と、
   前記第１の投光部から投光された前記第１のビームが透過する光学素子と、を備え、
   前記光学素子は、前記第１のビームが入射された場合に、出射ビームの被照射物上での断面強度プロファイルがフラット部と前記フラット部よりも傾きの大きな傾斜部とを有するように光学設計されており、
   前記第１のビームを前記被照射物へと導いて照射する第１の照射光学系と、
   第２のビームを投光する第２の投光部と、
   前記第２のビームが、前記第１のビームの前記被照射物に対する照射範囲内の、前記断面強度プロファイルにおける前記フラット部に相当する部分と重複するように、前記第２のビームを前記被照射物へと導いて照射する第２の照射光学系と、をさらに備える、ビーム照射装置。
6. 前記第１のビームの前記被照射物上での断面強度プロファイルにおいて、前記フラット部の平均強度の半値の強度となる領域の幅が、前記フラット部の領域の幅の１．５倍以上である、請求項５に記載のビーム照射装置。
7. 前記第１のビームの前記被照射物上での断面強度プロファイルにおいて、前記フラット部の平均強度の半値の強度となる領域の幅が、前記フラット部の領域の幅の１．６５倍以下である、請求項６に記載のビーム照射装置。
8. 前記第１のビームは、その断面強度プロファイルが略ガウス分布である、請求項１から７のいずれか１項に記載のビーム照射装置。
9. 前記第１の投光部は、ガウス分布仕様、または、Ｍ２値が１．５以下の仕様、のレーザ発振器を含む、請求項１から８のいずれか１項に記載のビーム照射装置。
10. 前記光学素子は、断面強度プロファイルがガウス分布のビームが入射された場合に、出射ビームの像面位置での断面強度プロファイルが、フラット部と前記フラット部よりも傾きの大きな傾斜部とを有するように光学設計されている、請求項１から９のいずれか１項に記載のビーム照射装置。
11. 前記光学素子は、断面強度プロファイルがガウス分布のビームが入射された場合における出射ビームの像面位置での断面強度プロファイルにおいて、前記フラット部の平均強度の半値の強度となる領域の幅が、前記フラット部の領域の幅の１．５倍以上となるように光学設計されている、請求項１０に記載のビーム照射装置。
12. 前記光学素子は、断面強度プロファイルがガウス分布のビームが入射された場合における出射ビームの像面位置での断面強度プロファイルにおいて、前記フラット部の平均強度の半値の強度となる領域の幅が、前記フラット部の領域の幅の１．６５倍以下となるように光学設計されている、請求項１１に記載のビーム照射装置。
13. 前記光学素子は、断面強度プロファイルがガウス分布のビームが入射された場合において、出射ビームの像面位置で、前記出射ビームに垂直な断面における前記出射ビームの形状が、略方形となるように光学設計されている、請求項１から１２のいずれか１項に記載のビーム照射装置。
14. 前記光学素子は、表面に凹凸パターンが形成された回折光学素子である、請求項１から１３のいずれか１項に記載のビーム照射装置。
15. 前記第１の照射光学系は、前記第１のビームを、前記被照射物の表面に対して斜め方向から照射する、請求項１から１４のいずれか１項に記載のビーム照射装置。
16. 請求項１から１５のいずれか１項に記載のビーム照射装置を使用したビーム照射方法であって、
    前記光学素子を透過した第１のビームのうち、前記断面強度プロファイルにおける前記フラット部に相当する部分のみの寄与によって被照射物に処理を施すステップを備える、ビーム照射方法。
17. 前記処理は、除去加工処理、アニール処理、改質処理、焼成処置、成膜処理のうちの少なくとも１つの処理を含む、請求項１６に記載のビーム照射方法。
18. 請求項１から１５のいずれか１項に記載のビーム照射装置を使用した機能素子の製造方法であって、
    前記光学素子を透過した第１のビームのうち、前記断面強度プロファイルにおける前記フラット部に相当する部分のみの寄与によって、前記機能素子を製造するための処理を施すステップを備える、機能素子の製造方法。