CN101201414A - 光学装置和结晶装置 - Google Patents

Abstract

一种光学装置，包括：第一柱面透镜阵列(33a、34a)，其中设置多个第一透镜部分(L)，每个所述第一透镜部分具有第一曲率半径和第一宽度以便将激光分成多个光分量；以及多个第二透镜部分(S、S1、S2)，每个所述第二透镜部分具有第二曲率半径和第二宽度，并设置在第一柱面透镜阵列中的至少一个位置上以便将其设置在相邻的第一透镜部分(L)之间。

Description

光学装置和结晶装置

技术领域

本发明涉及一种用于将入射激光分成多个光分量的光学装置，更具体而言，涉及一种适于用作结晶装置的光学装置，该结晶装置用于通过以具有预定光强分布的脉冲激光照射诸如非晶硅(a-Si)膜的非单晶半导体膜来制造结晶半导体膜。

背景技术

在非晶硅膜或多晶硅膜上形成薄膜晶体管(TFT)，其用作开关元件以选择液晶显示器(LCD)的显示像素。多晶硅膜由大量的晶粒构成，因此当在多晶硅膜上形成TFT时，在沟道区中形成晶粒边界，并且晶粒边界变成阻挡电子和空穴运动的势垒。由此，存在一个问题，即，在多晶硅膜中，与单晶硅膜的情况相比，电子或空穴的迁移率变低。此外，形成在多晶硅膜上的大量TFT在形成于沟道区中的晶粒边界的数量、位置和形状等方面彼此不同，导致TFT特性的变化，在液晶显示器的情况下导致显示不均匀的问题。

为了改善电子或空穴的迁移率并减小TFT特性的变化，在Surface Science vol.2，No.5，pp.278-287(pp.32-41)，2000(非专利文献1)和公开号为2000-306859的日本专利申请(专利文献1)等中提出了相位控制ELA(准分子激光退火)方法。在相位控制ELA方法中，通过使用配备有用于使平面内光强分布均匀的匀化器和用于对入射激光进行相位调制以形成强弱的光强分布的移相器的照明光学系统，可以形成具有期望的强弱的光强分布的脉冲激光，并通过利用如此形成的脉冲激光照射非单晶硅薄膜的期望位置来形成大晶粒尺寸的结晶区。具体而言，利用具有期望的强弱的光强分布的脉冲激光照射的非单晶硅薄膜的光接收区被熔化，在激光关闭期间在熔化区的温度下降的过程中，随着固液分离位置根据强弱的光强分布而沿着横向移动，结晶的位置也沿着横向移动，并且可以形成由晶粒尺寸大到可以形成至少一个沟道区的晶粒构成的结晶硅。

在公开号为2005-311340的日本专利申请(专利文献2)中披露，为了提高相位控制ELA方法中的光学系统的设计自由度，将一种特殊类型的离轴柱面透镜用作匀化器。专利文献2所述的柱面透镜由透镜阵列构成，其中如图7A所示排列大小与形状相同的透镜部分M(通过沿轴向将圆柱切割成两半获得半圆柱形，且具有相同的光透射表面的曲率)。

然而，存在一个问题，即，在通过使用专利文献2所述的常规柱面透镜300使平面内光强分布均匀、并通过使用非专利文献1或专利文献1所述的结晶装置执行结晶过程时，无法形成具有如非专利文献1第284页(第38页)图9(a)所示的正弦波形状的强弱的光强分布。本发明人曾经认真研究过其因果关系。结果，发现在匀化器的透射光边缘产生了其中光强不稳定波动的振铃(瞬态振荡)现象，如图8A所示。发现在利用其中产生振铃现象的光照射的非单晶半导体区域中，期望尺寸的结晶并没有进行下去，因此，振铃区中的结晶区变小，并且无法形成大小与沟道区相应的结晶区，从而降低了制造的成品率。

作为消除其中产生振铃现象的光的手段，可以构思在匀化器的光透射路径中提供掩模，然而存在着不能有效利用来自激光源的激光的问题。

发明内容

做出本发明是为了解决上述问题，其目的在于提供一种能够抑制振铃并发射出均匀激光的光学装置和结晶装置。

根据本发明的光学装置的特征在于包括：第一柱面透镜阵列，其中设置多个第一透镜部分，每个所述第一透镜部分具有第一曲率半径和第一宽度以便将激光分成多个光分量；以及第二透镜部分，每个所述第二透镜部分具有分别与第一曲率半径和第一宽度不同的第二曲率半径和第二宽度，并设置在第一柱面透镜阵列中的至少一个位置上以便使其置于相邻的第一透镜部分之间。

根据本发明的结晶装置是这样一种装置，即，通过用于使入射脉冲激光的光强分布均匀化的光学装置使入射脉冲激光的光强分布均匀化，将所均匀化的脉冲激光变为具有倒峰图案的光分布的脉冲激光，并通过利用脉冲激光照射非单晶膜来使所述膜结晶，并且其特征在于，所述用于使光强分布均匀化的光学装置包括：第一柱面透镜阵列，其中设置多个第一透镜部分，每个所述第一透镜部分具有第一曲率半径和第一宽度以便将激光分成多个光分量；以及第二透镜部分，每个所述第二透镜部分具有不同于第一曲率半径的第二曲率半径和不同于第一宽度的第二宽度，并设置在第一柱面透镜阵列中的至少一个位置上以便使其置于相邻的第一透镜部分之间。

本说明书中的技术术语定义如下。

术语“移相器”表示一种用于调制光的相位的空间强度调制元件，并且不同于在光刻工艺中的曝光步骤中使用的相移掩模。移相器是通过例如在石英基板上形成梯状部分而形成的。

术语“匀化器”表示一种用于在平面中将入射光分成多个光分量、使这些分开的光分量会聚并使特定平面中的光强均匀的光学装置。

术语“结晶”表示这样一种过程，其中熔化结晶对象膜，并且在熔化物降温和固化的过程中，从作为起点的晶核开始进行晶体生长。

术语“横向生长”表示这样一种过程，其中熔化结晶对象膜，并且在熔化物降温和固化的过程中，并在固化位置沿着结晶对象膜表面在横向上移动时，晶粒生长沿着膜表面在横向上进行。

术语“光强分布(光束剖面)”表示为了结晶而入射在结晶对象膜(例如非单晶半导体膜)上的光的二维强度分布。换言之，“光强分布”是检测表面上的照射光(照明光)的光强(亮度)分布。

术语“激光流量”指表示特定位置处的激光能量密度的度量，即，通过对时间积分每单位面积的能量而获得的量。更具体而言，它是在光源处或照射区中测量到的激光的平均强度。术语“平均激光流量”表示在特定处理区域中被均匀化的激光流量。

术语“衰减器”表示一种用于衰减激光强度的光学元件。衰减器的功能是调节激光的光强水平以免在要被处理的基板上引起烧坏状态。

术语“处理方法”表示基于要被制造的产品的技术规格而为每个产品设定的各种处理条件。

术语“装置参数”表示根据用于结晶的处理方法结晶装置固有的用于结晶的最佳条件。

术语“透镜部分”表示构成柱面透镜的最小单元的功能性透镜部分。

术语“透镜部分的曲率”表示透镜部分的光入射面或光出射面的曲率。此外，术语“透镜部分的直径”表示透镜部分的光入射面或光出射面的直径。

附图说明

图1是示出整个激光照射装置概略的结构方框图；

图2是示出激光照射装置的主要部分的结构方框图；

图3是激光照射装置的控制方框图；

图4是示出根据本发明实施例的光学装置的柱面透镜阵列的透视图；

图5是图4所示的柱面透镜阵列的局部放大示意性截面图；

图6是其中使用本发明的光学装置的ELA结晶方法的流程图；

图7A是示出常规光学装置的柱面透镜阵列的示意性截面图，而图7B是示出本发明的光学装置的柱面透镜阵列的示意性截面图；

图8A是示出穿过常规光学装置的激光在移相器平面上的光强分布的示意图，而图8B是示出穿过本发明的光学装置的激光在移相器平面上的光强分布的示意图；

图9A、9B和9C是示出根据本发明另一实施例的光学装置的柱面透镜阵列的示意性截面图。

具体实施方式

以下将参照附图对用于实施本发明的各个实施例进行说明。

首先，以下将参照图1到5对本发明的结晶装置的实例进行说明。结晶装置1为投影型准分子激光照射装置，包括照明部分3、移相器2、成像光学系统4和基板台6。照明部分3设有激光源3a、设置在从光源3a开始的激光路径上的衰减器3b、以及设置在衰减器3b的透射光路上的照明光学系统3c，其中所述衰减器3b用作激光强度调节装置，所述照明光学系统3c包括用于使入射激光束的平面内光强均匀的匀化器33和34。对要被处理的基板5进行定位，并将其放置在基板台6上的预定位置中，所述基板5将会受到结晶处理步骤的处理。以如下方式构造结晶装置1：利用经过从光源3a→衰减器3b→包括匀化器33和34的照明光学系统3c→移相器2→成像光学系统4的路径的脉冲激光照射要被处理的基板5。以如下方式形成要被处理的基板5。即，在诸如玻璃基板的绝缘基板、半导体基板或金属基板上形成绝缘膜，然后在绝缘膜上形成作为结晶对象膜的非单晶半导体膜(例如，非晶硅膜)，然后在非单晶半导体膜上形成盖膜(例如，氧化硅膜和具有光吸收特性的绝缘膜)以覆盖半导体膜。

移相器2设置在照明部分3和成像光学系统4之间，并且具有预定的梯状部分，梯状部分使激光束发生菲涅耳衍射，由此调制入射光通量的相位。通过对入射光通量进行相位调制，移相器2形成期望的强弱的光强分布，以使脉冲激光以最佳方式使结晶对象膜熔化/结晶。

照明部分3设有用作光源3a的XeCl准分子激光振荡器，其用于输出能量光，以熔化要被处理的基板5的非单晶半导体膜的照射区。光源3a是具有如下固有特性的光源，即，其振荡产生的脉冲激光具有适于非单晶半导体膜的吸收波长特征的308nm波长和30nsec的脉冲宽度(半值宽度)。顺便指出，在本实施例中，将XeCl准分子激光振荡器作为光源3a的例子来进行说明，作为除此之外的光源，可以使用KrF准分子激光振荡器、ArF准分子激光振荡器、YAG激光振荡器等。

衰减器3b用于调节电介质多层膜涂层滤波器的角度，以便在光学上调制激光的光强(激光注量)，并且衰减器3b设有传感器、马达和控制系统，由稍后所述的控制部分8对其操作进行控制。

接下来，以下将参照图2对照明部分3的结构进行具体说明。将照明部分3的照明光学系统3c设置成使其与移相器2相对。通过衰减器3b调节从光源3a发出的脉冲激光的光强，之后，使脉冲激光入射在照明光学系统3c上，以便对其进行扩大调整和光强均匀化。通过光束扩展器31将入射在照明光学系统3c上的光束的光束直径扩大到期望的尺寸，由光阑32截断光束扩展器31的周边光，然后将光束入射在匀化器上。

匀化器是由两级构成的光学装置，其中第二匀化器34随后设置在第一匀化器33的透射光路上，由此使平面内光强分布和入射角均匀。从照明光学系统3c出射的已均匀化的激光以叠加方式照射移相器2的虚拟平面(移相器平面)2a，并且作为具有期望光束剖面的光强分布的激光照射要被处理的基板5的照射区表面。该光的具有期望光束剖面的光强分布是这样的，一个或多个(例如几十个)具有倒峰图案的光强分布以二维方式排列在激光平面中，其中光强例如从最小光强连续变化到最大光强。

随后，使由移相器2进行了相位调制的激光入射在要被处理的基板5的非单晶半导体膜上。这里，在成像光学系统4中，将移相器2的图案平面和要被处理的基板5(确切地说，是非单晶半导体膜的顶表面)设置成在光学上是共轭的。换言之，将要被处理的基板5设置在与移相器2的图案平面光学共轭的平面(成像光学系统4的图像平面)中。

成像光学系统4在前正透镜组4a和后正透镜组4b之间设有孔径光阑4c。孔径光阑4c由多个例如在开口部分(透光部分)的大小方面彼此不同的孔径光阑构成。可以配置这些孔径光阑4c，使得它们相对于光路可互换。或者，可以将能够连续改变开口部分大小的虹彩光阑用作孔径光阑4c。在任何情况下，如下所述，以在要被处理的基板5的半导体层上产生期望的光强分布的方式设置孔径光阑4c的开口部分的大小(最终为图像侧的数值孔径NA)。该成像光学系统4可以是折射型光学系统、反射型光学系统或折射/反射型光学系统。

在该实施例的结晶装置1中，在基板台6上平行设置要被处理的基板5和光束剖面测量仪77(参见图3)(未示出)以便可以替换。以如下方式对光束剖面测量仪77进行定位：使其光轴平行于成像光学系统4的激光光轴。使用基板台6和对准机构(未示出)进行光束剖面测量仪77和成像光学系统4的定位。

接下来，以下将参照图3对该装置的控制系统进行说明。

结晶装置1设有作为控制装置和记录装置的计算机8。计算机8设有输入接口8a、系统总线8b、CPU 8c、存储器(记录装置)8d和输出接口8e。

光束剖面测量仪77、高度传感器78和输入装置79连接到输入接口8a，并且激光源3a、衰减器3b、照明光学系统3c、移相器2的定位机构(未示出)、基板台6、显示装置81等分别连接到输出接口8e。输入接口8a和输出接口8e分别通过系统总线8b连接到CPU8c和存储器8d。

上述光束剖面测量仪77是可以显示和监测光束剖面的机构。高度传感器8为高度检测机构，用于测量从成像光学系统4到要被处理的基板5的距离。

存储器8d为记录装置，用于存储和保持从诸如键盘等的输入装置79输入的装置参数。CPU 8c为控制装置，用于在需要时根据输入装置79向其输入的处理方法或根据从光束剖面测量仪77和高度传感器78直接向其输入的每个检测数据项从存储器8d读取装置参数，对所读取的装置参数进行算数处理，并且通过输出接口8e向每个装置部分发送预定的指令信号。

显示装置81是用于显示计算机8向其输出的各种数据项的装置，以如下方式配置显示装置81：在其第一显示部分上以列举的方式显示以表格形式排列的装置参数，在第二显示部分上显示基板定位图形(substrate map graphic)，其表示要被处理的基板5上的激光照射位置，并且在第三显示部分上显示照射激光的光束剖面波形。顺便指出，最好为显示装置81配备报警机构，用于在脉冲激光照射装置1中发生异常时发出警报。例如，可以配置报警机构以在显示装置81的屏幕上闪烁红灯，或从扬声器输出警报声或语音。

接下来，以下将参照图2、4和5对第一匀化器33和第二匀化器34的第一实施例的照明光学系统3c的细节进行说明。

照明光学系统3c设有如上所述的光束扩展器31、光阑32、第一匀化器33和第二匀化器34。光束扩展器31是用于将来自光源3a的激光扩展到期望尺寸以照射光阑32的装置。光阑32是具有开口部分的用于截断光束扩展器31的周边光的装置，所述开口部分具有预定尺寸，并且该光阑32用于截断被扩展的激光的周边光。光阑32的开口部分的尺寸例如为直径20mm。第一匀化器33是用于将光阑32修整的激光沿X方向和Y方向分开的装置。第二匀化器34是用于将沿X方向和Y方向分开的光聚合的装置。在本实施例中，通过第一和第二匀化器33和34使激光的平面内光强分布和入射角分布均匀化。

通过以使其中一个处于另一个之上的方式组合第一柱面透镜阵列33a和第二柱面透镜阵列33b来形成第一匀化器33，其中阵列33a在阵列33b之上。“以使其中一个处于另一个之上的方式”这一措辞暗示沿透射光路设置阵列，并且第二柱面透镜阵列33b可以设置在入射光侧，而第一柱面透镜阵列33a可以设置在阵列33b的出射光路上。

如图4所示，在该阵列组合中，第一柱面透镜阵列33a的纵轴沿X方向延伸，而第二柱面透镜阵列33b的纵轴沿Y方向延伸。即，第一柱面透镜阵列33a的纵轴和第二柱面透镜阵列33b的纵轴彼此垂直。将第一柱面透镜阵列33a设置成与光阑32的开口部分相对。此外，将第二柱面透镜阵列33b设置成与第二匀化器34的第三柱面透镜阵列34a相对。

通过以使其中一个处于另一个之上的方式组合第三柱面透镜阵列34a和第四柱面透镜阵列34b来形成第二匀化器34，其中阵列34a在阵列34b之上。如图4所示，如上述组合那样，在该阵列组合中，第三柱面透镜阵列34a的纵轴沿X方向延伸，而第四柱面透镜阵列34b的纵轴沿Y方向延伸。即，第三柱面透镜阵列34a的纵轴和第四柱面透镜阵列34b的纵轴彼此垂直。顺便指出，第三柱面透镜阵列34a具有在光学上等效于第一柱面透镜阵列33a的结构和功能，而第四柱面透镜阵列34b具有在光学上等效于第二柱面透镜阵列33b的结构和功能。

在第一匀化器33中，第一柱面透镜阵列33a沿Y方向对激光进行分割，而第二柱面透镜阵列33b沿X方向对通过第一柱面透镜阵列33a的激光进行分割。此外，在第二匀化器34中，第三柱面透镜阵列34a沿Y方向聚合通过第二柱面透镜阵列33b的激光，而第四柱面透镜阵列34b沿X方向会聚通过第三柱面透镜阵列34a的激光。此外，利用激光以叠加的方式照射移相器平面2a，该移相器平面2a在光学上与要被处理的基板5的照射区表面共轭。顺便指出，移相器平面2a不是物理存在的平面，而是从光学理论上讲的虚拟平面。

如图5所示，图5是图4的放大图，第一、第二、第三和第四柱面透镜阵列33a、33b、34a和34b中的每一个都具有多个第一透镜部分L和多个第二透镜部分S，其中所述第一透镜部分L各自具有预定的垂直于纵轴的截面形状，而所述第二透镜部分S各自具有与第一透镜部分L的垂直于纵轴的截面形状不同的垂直于纵轴的截面形状。第一透镜部分L和第二透镜部分S交替设置。结果，将第一透镜部分L置于一对第二透镜部分S之间，反之，将第二透镜部分S置于一对第一透镜部分之间。

在第一透镜部分L中，垂直于纵轴的截面形状为楔形形状，并且透射光从其出射的出射部分35p的宽度大于光入射在其上的入射部分35c的宽度。此外，在第二透镜部分S中，垂直于纵轴的截面形状为设置在与第一透镜部分L的方向相反的方向上的楔形形状，并且透射光从其出射的出射部分36p的宽度小于光入射在其上的入射部分36c的宽度。

在本实施例中，使第一透镜部分L的出射部35p的宽度与第二透镜部分S的出射部36p的宽度之比为9∶1。希望该比率在1∶1到50∶1的范围之内。这是因为如果该比率超过50∶1，则会导致发生光会聚等现象从而扰乱均匀性的问题。

在第一透镜部分L中，凸面出射部分35p的曲率半径R1大于凹面入射部分35c的曲率半径R2(R1＞R2)。另一方面，在第二透镜部分S中，凸面出射部分36p的曲率半径R3小于凹面入射部分36c的曲率半径R4(R3＜R4)。

在本实施例中，例如，曲率半径R1为2mm，曲率半径R2为1mm，曲率半径R3为1mm，而曲率半径R4为2mm。此外，第一透镜部分L的高度(沿Z方向的长度)L1为30mm，而第二透镜部分S的高度(沿Z方向的长度)L2为30mm。希望曲率半径R1在0.2到10mm的范围内。希望曲率半径R2在0.2到10mm的范围内。希望曲率半径R3在0.2到10mm的范围内。希望曲率半径R4在0.2到10mm的范围内。希望曲率半径R1与曲率半径R3之比R1/R3在1∶1到50∶1的范围内。这是因为如果该比率R1/R3超过50∶1，则会导致发生光会聚等现象从而扰乱均匀性的问题。

例如，以如下方式制造上述柱面透镜阵列33a、33b、34a和34b。

在真空炉中加热/熔化工业纯的石英(SiO₂的纯度为99.999％)，将熔化的石英倒入具有预定形状的铸模中，然后通过花去足够长的时间来慢慢地冷却熔化的石英。在石英完全固化之后，从铸模中取出石英柱面透镜阵列的初级产品，对初级产品进行抛光以便使其具有表面粗糙度为λ/5(λ＝632.8nm)或更高的镜面。使最终完成的尺寸的误差容限为±5μm或更小。

接下来，以下将参照图6对实际通过使用上述结晶设备1、即投影型准分子激光照射装置(PJELA)使非晶硅膜结晶的情况。

当打开PJELA1的主开关时，控制部分8自动读取装置参数的数据，并且在显示装置81的屏幕上以列表的形式显示各种装置参数(步骤K1)。在使要被处理的基板5保持在其上的状态下，基板台6自动行进到照射位置(与激光光轴对准)(步骤K2)。此时，将要被处理的基板5的入射面移动到用于结晶的位置，以便与光源侧的激光光轴对准(步骤K3)。基于包括在所读取的装置参数中的目标偏差量值，计算机8通过利用来自高度传感器78的检测信号控制基板台6的Z方向操作，以使基板台6和要被处理的基板5的偏差量与目标偏差量值一致(步骤K4)。此时使用的装置参数可以是上次使用的最佳装置参数，或者是通过仿真而假设为理想的值。

接下来，在所读取的装置参数的基础上，自动调节衰减器3b(步骤K5)。具体而言，相互比较通过使用光束剖面测量仪77测量的光强和预先设定的目标光强，由此计算衰减器操作量，并以高精度调节衰减器3b的角度，同时以如下方式进行反馈：通过向衰减器3b输出启动信号而测得的强度变成目标强度。

将基板台6构造成使其可以通过在X-Y平面中以预定间隔进行步进移动来改变其位置，由此可以将要被处理的基板5的期望部分定位于照射位置，并通过重复X-Y步进移动步骤K6和结晶(退火)步骤K7(步骤K6和K7)来使具有大面积的非晶硅膜结晶。该状态显示在显示装置81的屏幕上，操作员因此可以实时地知道要被处理的基板5上的哪一个部分现在正受到激光照射。

在结晶步骤K7中，从用作光源的XeCl准分子激光装置发射波长为308nm、脉冲宽度为30nsec的激光。通过衰减器3b、照明光学系统3c、移相器2和成像光学系统4以光学方式调节脉冲激光以便得到具有期望的倒峰图案的光束剖面波形。最后，利用上述调节后的脉冲激光照射要被处理的基板5上的非晶薄膜。结果，使非晶薄膜熔化，并且在凝固过程中使其结晶。在要被处理的基板5中，通过化学气相淀积(CVD)例如在用于液晶显示器的玻璃基板上依次形成基膜、非晶硅膜(半导体层)和盖膜。绝缘基膜由诸如SiO₂的绝缘材料形成，防止玻璃基板中诸如Na的杂质通过非晶硅膜和玻璃基板的直接接触而混入到非晶硅膜中，并防止非晶硅膜的熔化温度直接传到玻璃基板。非晶硅膜是要被结晶的半导体膜，并且是诸如非晶半导体膜和多晶半导体的非单晶膜。

非单晶膜不限于上述半导体膜，可以是由诸如非单晶金属的非单晶材料构成的膜。优选在非晶硅膜上形成诸如SiO₂膜的绝缘膜作为盖膜。盖膜由入射在非晶硅膜上的激光束的一部分加热并存储加热温度。即使未提供盖膜，当截断入射光束时该蓄热效应也可以缓和温度的下降梯度并促进沿横向的大晶粒尺寸的晶体生长，并且当截断入射光束时，非晶硅膜的照射表面上的高温部分的温度相对地且快速降低。顺便指出，通过真空吸盘或静电吸盘将要被处理的基板5定位并保持在预先设定在基板台6上的预定位置中。

判断前一照射区是否是最后的区域(步骤K8)，并且当步骤K8的判断结果为“否”时，反复执行步骤K6到K7的操作，并相继使要被处理的基板5的其它区域结晶。通过如上所述经由移动照射区重复进行结晶，可以使大面积结晶。当步骤K8的判断结果为“是”时，假设检测到结束点，使基板台6返回到原位并终止结晶过程。

通过以上述方式定位被结晶的结晶区域可以形成薄膜晶体管。即，在结晶区域上形成栅极氧化物膜，且在栅极氧化物膜上形成栅电极。通过利用栅电极作为掩模来形成用于形成源电极/漏电极的接触孔。然后，通过利用栅电极作为掩模离子注入用于形成源极区/漏极区的杂质，并执行激活过程。然后，在接触孔中形成源电极/漏电极，由此可以形成薄膜晶体管。

在上述实施例中，已经对在结晶步骤之前执行一次检测和确认光强分布的步骤的情况进行了说明。然而，可以在一系列工艺的开始进行光强分布的检测和确认，之后可以使要被处理的一个基板5的整个表面结晶。或者，可以每几个、每几十个、每几百个和每几千个结晶区域执行一次光强分布的检测和确认。顺便指出，光强分布的检测和确认步骤的次数越多，可以执行的结晶变得越均匀。结果，可以实现再现性极好的激光照射，并且可以稳定地执行非晶硅膜的结晶。

此外，在上述实施例中，对于匀化器而言，第一匀化器33和第二匀化器34设置在透射光路上，由此形成具有两级结构的匀化器，并分别向匀化器33和34提供纵轴彼此垂直的柱面透镜阵列33a和33b、以及柱面透镜阵列34a和34b。然而，本发明不限于上述实施例。振铃现象仅发生在柱面透镜阵列33a和34a之一中，或者仅发生在柱面透镜阵列33b和34b之一中，因此仅具有一级结构的匀化器也可实现相同的效果。

第二实施例

接下来，以下将参照图7A、7B、8A和8B对在第二实施例的照明光学系统中使用的匀化器的柱面透镜阵列进行说明。这里，将通过将其与常规匀化器的柱面透镜阵列比较来对第二实施例的匀化器的柱面透镜阵列进行说明。顺便指出，将省略对本实施例中与上述实施例相重叠的部分所进行的说明。

在常规匀化器的柱面透镜阵列300中，将具有相同形状和尺寸的透镜部分M设置成彼此相邻。即，透镜部分M各自具有垂直于纵轴的半圆柱形横截面(半圆形或半椭圆形与矩形的组合形状或者半圆柱形或伪半圆柱形形状)，并且将其形成为出射部分具有相同的宽度W₀和相同的曲率半径R₀。

另一方面，在本实施例的柱面透镜阵列30中，将形状和尺寸彼此不同的透镜部分L、S1、L、S2和L设置成彼此相邻。即，大透镜部分L和小透镜部分S1与S2在形状和尺寸上彼此不同。大透镜部分L的出射部分的宽度W1和曲率半径R1大于出射部分的宽度W2和W3以及曲率半径R2和R3。

在本实施例中，例如，曲率半径R1为2mm，并且曲率半径R2为0.5mm。希望曲率半径R1在0.2到20mm的范围内。希望曲率半径R2在0.2到20mm的范围内。希望曲率半径R3在0.2到20mm的范围内。

此外，在本实施例中，宽度W1为1.5mm，宽度W2为0.6mm，宽度W3为0.5mm。希望宽度W4在0.2到10mm的范围内。希望宽度W5在0.2到10mm的范围内。希望宽度W6在0.2到10mm的范围内。

接下来，以下将参照图8A和8B说明图7A和7B的柱面透镜阵列30具有振铃抑制效果。

在透射通过常规柱面透镜阵列300的激光中，如图8A所示，在移相器平面2a的两个端部区域中显著地出现了大的振铃41。由于光源侧的光的形状和由透镜部分导致的干涉等而发生这种显著的大振铃41。

另一方面，在已经通过本实施例的柱面透镜阵列30的激光中，如图8B所示，通过透镜部分S1的功能使发生在移相器平面2a上的振铃41A保持得很小。这是因为使相邻的透镜部分L、S1和S2在垂直于纵轴的截面形状(宽度和曲率半径)上彼此不同，由此通过大透镜部分L的激光与通过小透镜部分S1和S2的激光在移相器平面2a上彼此干涉，在所述移相器平面2a上这些光分量在同一区域中彼此叠加。此外，出现在移相器平面两端上的振铃分量通过光的干涉行为而分散。由此，提高了移相器平面2a上的激光均匀性。

在上述实施例中，已经说明了这样一个光学装置的实例，即，使相邻的透镜部分L、S1和S2在垂直于纵轴的截面形状(宽度和曲率半径)上彼此不同。然而，本发明不仅仅限于上述实施例。

例如，可以在图8A的透镜部分M之间在适当的位置插入一个或多个透镜部分S3。此外，图9A所示的光学装置30A是这样的实例，其中，将两个大透镜部分L设置在柱面透镜阵列的中央，并且将五个小透镜部分S设置在透镜部分L的两侧。大透镜部分L的曲率半径和宽度大于小透镜部分S的曲率半径和宽度。

在本实施例中，例如，大透镜部分L的曲率半径R1为2mm，小透镜部分S的曲率半径R2为0.5mm。希望曲率半径R1在0.2到20mm的范围内。希望曲率半径R2在0.2到20mm的范围内。

此外，在本实施例中，大透镜部分L的宽度W1为1.5mm，而小透镜部分S的宽度W2为0.4mm。希望宽度W1在0.1到2mm的范围内。希望宽度W2在0.1到2mm的范围内。

根据本实施例的光学装置30A，将各自具有大曲率半径的透镜部分设置在中央，而将各自具有小曲率半径的透镜部分设置在端部位置。因此，根据光源的形状，可以通过将光精细地会聚在两端而获得消除光强不均匀(例如发生在两端的振铃)的效果。

此外，在图9B所示的匀化器30B中，将六个小透镜部分S1和S2设置在柱面透镜阵列的中央，并且在柱面透镜阵列的每一侧设置一个大透镜部分。在小透镜部分处在中央的设置中，设置第二小透镜部分S2使其靠近一侧。该第二小透镜部分所具有的曲率半径和宽度都大于其他五个第一小透镜部分S1中的任何一个的曲率半径和宽度。

在本实施例中，例如，大透镜部分L的曲率半径R1为2mm，第一小透镜部分S1的曲率半径R2为0.5mm，而第二小透镜部分S2的曲率半径R3为0.3mm。顺便指出，希望曲率半径R1在0.2到2mm的范围内。希望曲率半径R2在0.2到2mm的范围内。希望曲率半径R3在0.2到2mm的范围内。

此外，在本实施例中，大透镜部分L的宽度W1为1.5mm，第一小透镜部分S1的宽度W2为0.4mm，第二小透镜部分S2的宽度W3为0.2mm。希望宽度W1在0.1到2mm的范围内。希望宽度W2在0.1到2mm的范围内。希望宽度W3在0.1到2mm的范围内。

根据本实施例的光学装置30B，将各自具有小曲率半径的透镜部分设置在中央，而将各自具有大曲率半径的透镜部分设置在两端。因此，根据光源的形状，可以通过将光精细地会聚在中央，来获得抑制由振铃或干涉造成的光强不均匀的效果。

此外，在图9C所示的光学装置30C中，通过交替设置大透镜部分L和由小透镜部分S构成的组(在本实施例中四个透镜部分S构成为一组)形成柱面透镜阵列。即，在本实施例的光学装置30C的柱面透镜阵列中，设置大小透镜部分L和S以便使它们分散开。

在本实施例中，例如，大透镜部分L的曲率半径R1为2mm，小透镜部分S的曲率半径R2为0.5mm。希望曲率半径R1在0.2到2mm的范围内。希望曲率半径R2在0.2到2mm的范围内。

此外，在本实施例中，大透镜部分L的宽度W1为1.5mm，而小透镜部分S的宽度W2为0.4mm。希望宽度W1在0.1到20mm的范围内。希望宽度W2在0.1到20mm的范围内。

根据本实施例的光学装置30C，随机设置具有大曲率半径的透镜部分和具有小曲率半径的透镜部分。因此，根据光源的形状，可以通过随机地会聚光来获得完全抑制光强不均匀(例如振铃)的效果。

虽然以上已经不同的实施例进行了说明，但是本发明不仅仅限于上述实施例，而是可以进行各种修改或组合。

可以将本发明用于薄膜晶体管(TFT)的结晶，该薄膜晶体管用作开关元件，用于选择液晶显示器(LCD)的显示像素。

根据本发明，可以获得一种光学装置和结晶装置，其能够抑制振铃并发射出均匀的激光。在每个柱面透镜阵列中，将相邻的第一和第二透镜部分的垂直于纵轴的截面形状(宽度和曲率半径)设置成彼此不同，由此透射通过第一透镜部分的激光和透射通过第二透镜部分的激光在虚拟平面(移相器平面)上彼此干涉，在所述虚拟平面上在同一区域中这两个光分量彼此叠加，因此振铃分量通过光的干涉行为而分散。由此，可以获得这样的光学装置，其中在移相器平面中入射光的平面内光强分布的均匀性很高。此外，在该结晶装置中，在照射区的整个区域内促进了所希望的熔化和结晶，可以形成大晶粒尺寸的结晶区，并可以获得能以高成品率和小损耗获得的单晶区，例如单晶硅膜。

Claims (12)

1.一种光学装置，其特征在于包括：

第一柱面透镜阵列(33a、34a)，其中设置多个第一透镜部分(L)，每个所述第一透镜部分具有第一曲率半径和第一宽度以便将激光分成多个光分量；以及

第二透镜部分(S、S1、S2)，每个所述第二透镜部分具有分别与所述第一曲率半径和所述第一宽度不同的第二曲率半径和第二宽度，并且设置在所述第一柱面透镜阵列(33a、34a)中的至少一个位置上，以便使其置于相邻的第一透镜部分(L)之间。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于所述第一和第二透镜部分(L、S、S1、S2)为具有半圆柱形或伪半圆柱形的透镜。

3.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于：

在所述第一透镜部分(L)中，其垂直于纵轴的截面形状为楔形形状，并且透射光从其出射的出射部分的宽度大于光入射在其上的入射部分的宽度，以及

在所述第二透镜部分(S)中，其垂直于纵轴的截面形状为设置在与所述第一透镜部分(L)的方向相反的方向上的楔形形状，并且透射光从其出射的出射部分的宽度小于光入射在其上的入射部分的宽度。

4.一种光学装置，其特征在于包括：

多个第一柱面透镜阵列(33a、34a)，其中设置第一透镜部分(L)，每个所述第一透镜部分具有第一曲率半径和第一宽度以便将激光分成多个光分量；

设置在所述第一柱面透镜阵列(33a、34a)中的每一个的所述第一透镜部分(L)之间的第二柱面透镜阵列(33b、34b)，在每个所述第二柱面透镜阵列中，设置多个第二透镜部分(S)，每个所述第二透镜部分具有不同于所述第一曲率半径的第二曲率半径和不同于所述第一宽度的第二宽度。

5.根据权利要求4所述的光学装置，其特征在于所述第一和第二透镜部分(L、S、S1、S2)为具有半圆柱形或伪半圆柱形的透镜。

6.根据权利要求4所述的光学装置，其特征在于：

在所述第一透镜部分(L)中，其垂直于纵轴的截面形状为楔形形状，并且透射光从其出射的出射部分的宽度大于光入射在其上的入射部分的宽度，以及

在所述第二透镜部分(S)中，其垂直于纵轴的截面形状为设置在与所述第一透镜部分(L)的方向相反的方向上的楔形形状，并且透射光从其出射的出射部分的宽度小于光入射在其上的入射部分的宽度。

7.一种光学装置，包括：

第一柱面透镜阵列(33a)，其中设置多个第一透镜部分(L)，每个所述第一透镜部分具有第一曲率半径和第一宽度以便沿一个方向将入射激光分成多个光分量；

第二柱面透镜(33b)阵列，其中设置多个第二透镜部分(S、S1、S2)，每个所述第二透镜部分具有分别与所述第一曲率半径和所述第一宽度不同的第二曲率半径和第二宽度，以便沿垂直于所述一个方向的方向对透射通过所述第一柱面透镜阵列(33a)的激光进行分割；

第三柱面透镜阵列(34a)，其中设置多个第一透镜部分(L)，每个所述第一透镜部分具有所述第一曲率半径和所述第一宽度，以便沿所述一个方向会聚透射通过所述第二柱面透镜阵列的激光；以及

第四柱面透镜阵列(34b)，其中设置多个第二透镜部分(S、S1、S2)，每个所述第二透镜部分具有所述第二曲率半径和所述第二宽度，以便沿垂直于所述一个方向的所述方向会聚透射通过所述第三柱面透镜阵列(34a)的激光，其特征在于：

所述第一、第二、第三和第四柱面透镜阵列(33a、33b、34a、34b)中的每一个具有设置在所述柱面透镜阵列中的至少一个位置上的第二透镜部分，以便使其置于相邻的第一透镜部分(L)之间。

8.根据权利要求7所述的光学装置，其特征在于所述第一和第二透镜部分(L、S、S1、S2)为具有半圆柱形或伪半圆柱形的透镜。

9.根据权利要求7所述的光学装置，其特征在于：

在所述第一透镜部分(L)中，其垂直于纵轴的截面形状为楔形形状，并且透射光从其出射的出射部分的宽度大于光入射在其上的入射部分的宽度，以及

在所述第二透镜部分(S)中，其垂直于纵轴的截面形状为设置在与所述第一透镜部分(L)的方向相反的方向上的楔形形状，并且透射光从其出射的出射部分的宽度小于光入射在其上的入射部分的宽度。

10.一种结晶装置，其通过用于使入射脉冲激光的光强分布均匀化的光学装置使入射激光的光强分布均匀化，将所均匀化的脉冲激光变为具有倒峰图案的光分布的脉冲激光，并通过利用所述脉冲激光照射非单晶膜来使所述膜结晶，其特征在于：

所述用于使光强分布均匀化的光学装置(33、34)包括：

第一柱面透镜阵列(33a、34a)，其中设置多个第一透镜部分(L)，每个所述第一透镜部分具有第一曲率半径和第一宽度以便将激光分成多个光分量；以及

第二透镜部分(S)，每个所述第二透镜部分具有不同于所述第一曲率半径的第二曲率半径和不同于所述第一宽度的第二宽度，并且设置在所述第一柱面透镜阵列中的至少一个位置上以便使其置于相邻的第一透镜部分(L)之间。

11.根据权利要求10所述的光学装置，其特征在于所述第一和第二透镜部分(L、S、S1、S2)为具有半圆柱形或伪半圆柱形的透镜。

12.根据权利要求10所述的光学装置，其特征在于：

在所述第一透镜部分(L)中，其垂直于纵轴的截面形状为楔形形状，并且透射光从其出射的出射部分的宽度大于光入射在其上的入射部分的宽度，以及

在所述第二透镜部分(S)中，其垂直于纵轴的截面形状为设置在与所述第一透镜部分(L)的方向相反的方向上的楔形形状，并且透射光从其出射的出射部分的宽度小于光入射在其上的入射部分的宽度。

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