JP2002025933A - ビームホモジナイザ及び半導体薄膜作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ビーム照射位置の変動の少ないビームホモジ
ナイザを提供する。 【解決手段】 角倍率変換光学系が、ホモジナイズ光学
系の入射側に配置され、光線束の角倍率を変換する。ｘ
ｙｚ直交座標系を考えたとき、ホモジナイズ光学系は、
シリンダアレイを有する。シリンダアレイを構成する複
数のシリンドリカルレンズは、ｙ軸方向に配列し、各々
の光軸がｚ軸に平行であり、柱面の母線がｘ軸に平行で
ある。収束光学系が、シリンダアレイを透過した光線束
を収束する。角倍率変換光学系の、ｙｚ平面内に関する
角倍率が１未満である。角倍率変換光学系は、共焦点系
を構成し、各々の光軸をｚ軸に平行にし、柱面の母線を
ｘ軸に平行にするように配置された１対の凸シリンドリ
カルレンズと、１対の凸シリンドリカルレンズの共焦点
に相当する位置に、ｘ軸に平行なスリットが形成された
遮光板とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光線束の断面内強
度分布を制御するビームホモジナイザ、及びそれを用い
た半導体薄膜の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリンダアレイ型のビームホモジナイザ
は、前段のシリンダアレイと後段のシリンダアレイ、及
びフォーカスレンズにより構成される。各シリンダアレ
イは、複数の等価な凸シリンドリカルレンズをその光軸
及び柱面の母線に垂直な方向に配列して構成される。前
段のシリンダアレイの各シリンドリカルレンズの光軸
が、後段のシリンダアレイの対応するシリンドリカルレ
ンズの光軸に一致するように配置される。本明細書にお
いて、シリンドリカルレンズの光軸とは、そのシリンド
リカルレンズの面対称な結像系の対称面に含まれ、かつ
柱面に直交する軸を意味するものとする。

【０００３】前段のシリンダアレイにその光軸に平行な
光線束が入射すると、入射した光線束が各シリンドリカ
ルレンズにより収束される。収束された各光線束が、後
段のシリンダアレイの各シリンドリカルレンズにより再
度収束される。このようにして、２つのシリンダアレイ
により、入射光線束がシリンドリカルレンズの個数分の
小光線束に分割される。

【０００４】得られた小光線束は、２つのシリンダアレ
イの相対位置によって、発散光、平行光、または収束光
になる。各小光線束を、フォーカスレンズ群を用いてあ
る面上に重ね合わせることにより、照射領域の光強度分
布を均一に近づける（ホモジナイズする）ことができ
る。

【０００５】このビームホモジナイザでホモジナイズさ
れたパルスレーザビームをアモルファスシリコン膜に照
射し、多結晶化する技術が知られている。以下、この多
結晶化技術について説明する。

【０００６】この技術では、通常２対のシリンダアレイ
が用いられる。ホモジナイズ面内にＸＹ直交座標系を考
えたとき、１対のシリンダアレイにより、ホモジナイズ
面内のＸ軸方向に関してホモジナイズし、他の１対のシ
リンダアレイによりＹ軸方向に関してホモジナイズす
る。各対のシリンダアレイの間隔を変化させることによ
り、ホモジナイズ面上の照射領域の大きさを変化させる
ことができる。

【０００７】各対のシリンダアレイの間隔を調節してホ
モジナイズ面上の照射領域がＸ軸方向に長い長尺ビーム
を形成する。この照射領域が、前回のパルス照射により
照射された領域と一部重なるように、アモルファスシリ
コン膜が形成された基板をＹ軸方向に移動させる。この
ようにして、広い範囲にレーザ光を照射し、アモルファ
スシリコン膜の所望の領域を多結晶化することができ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】アモルファスシリコン
膜上の照射領域は、例えば長さ２００ｍｍ、幅０．５ｍ
ｍ程度の細長い領域である。この領域を、パルス毎に
０．０５ｍｍだけ幅方向に移動させる。シリコン膜表面
における照射領域の位置が所望の位置からずれると、前
記のパルス照射により照射された領域と今回の照射領域
との重なり量が変動し、品質の高い多結晶シリコン膜を
得ることが困難になる。

【０００９】本発明の目的は、ビーム照射位置の変動の
少ないビームホモジナイザ、及びそれを用いた半導体薄
膜の作製方法を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、平行光線束が入射すると、入射した光線束の光軸に
垂直な断面内における光強度分布を均一に近づけるホモ
ジナイズ光学系と、前記ホモジナイズ光学系の入射側に
配置され、光線束の角倍率を変換し、該光線束の光軸を
含む少なくとも１つの仮想平面内に関する角倍率が１未
満である角倍率変換光学系とを有し、ｘｙｚ直交座標系
を考えたとき、前記ホモジナイズ光学系が、複数の第１
のシリンドリカルレンズを有する第１のシリンダアレイ
であって、該第１のシリンドリカルレンズが、各々の光
軸をｚ軸に平行にし、柱面の母線をｘ軸に平行にし、か
つｙ軸方向に配列した第１のシリンダアレイと、前記第
１のシリンダアレイを透過した光線束を収束する収束光
学系とを有し、前記仮想平面が、ｙｚ平面に平行であ
り、前記角倍率変換光学系が、共焦点系を構成し、各々
の光軸をｚ軸に平行にし、柱面の母線をｘ軸に平行にす
るように配置された１対の凸シリンドリカルレンズと、
前記１対の凸シリンドリカルレンズの共焦点に相当する
位置に、ｘ軸に平行なスリットが形成された遮光板とを
有するビームホモジナイザが提供される。

【００１１】角倍率変換光学系に入射する平行光線束の
光軸が基準の方向からずれた場合、出射する平行光線束
の光軸の基準の方向からのずれ角は、入射光線束のずれ
角よりも小さくなる。このため、ホモジナイズ光学系に
よるホモジナイズ面上の照射領域の位置ずれを少なくす
ることができる。

【００１２】照射領域の位置ずれを少なくできるため、
半導体薄膜に照射されるレーザ光の位置ずれが少なくな
り、安定したレーザ光照射が可能になる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施例によるビ
ームホモジナイザの断面図を示す。ビームホモジナイザ
に入射する光線束の光軸に平行な方向をｚ軸とするｘｙ
ｚ直交座標系を考える。図１（Ａ）は、ｘｚ面に平行な
断面図、図１（Ｂ）は、ｙｚ面に平行な断面図を示す。
実施例によるビームホモジナイザは、角倍率変換光学系
ＡＦとホモジナイズ光学系ＨＮにより構成される。ホモ
ジナイズ光学系ＨＮは、シリンダアレイ１Ａ、１Ｂ、２
Ａ、２Ｂ、収束レンズ３、及び相対位置調節機構５を含
んで構成される。

【００１４】図１（Ａ）に示すように、シリンダアレイ
１Ａ及び１Ｂの各々は、等価な７本のシリンドリカルレ
ンズにより構成される。各シリンドリカルレンズの光軸
はｚ軸に平行であり、柱面の母線はｙ軸に平行である。
ここで、シリンドリカルレンズの光軸とは、シリンドリ
カルレンズの面対称な結像系の対称面に含まれ、柱面に
垂直な軸のことを意味する。このように配置されたシリ
ンドリカルレンズが、コバ面同士を密着させてｘｙ面に
平行な仮想平面に沿って配列している。シリンダアレイ
１Ａは光の入射側（図の左方）に配置され、シリンダア
レイ１Ｂは出射側（図の右方）に配置されている。ま
た、シリンダアレイ１Ａの各シリンドリカルレンズは、
シリンダアレイ１Ｂの対応するシリンドリカルレンズと
光軸を共有するように配置されている。

【００１５】図１（Ｂ）に示すように、シリンダアレイ
２Ａ及び２Ｂの各々は、等価な７本のシリンドリカルレ
ンズにより構成される。各シリンドリカルレンズの光軸
はｚ軸に平行であり、柱面の母線はｘ軸に平行である。
このように配置されたシリンドリカルレンズが、コバ面
同士を密着させてｘｙ面に平行な仮想平面に沿って配列
している。シリンダアレイ２Ａはシリンダアレイ１Ａの
入射側に配置され、シリンダアレイ２Ｂはシリンダアレ
イ１Ａと１Ｂとの間に配置されている。また、シリンダ
アレイ２Ａの各シリンドリカルレンズは、シリンダアレ
イ２Ｂの対応するシリンドリカルレンズと光軸を共有す
るように配置されている。

【００１６】シリンダアレイ１Ａと１Ｂとの間隔、及び
シリンダアレイ２Ａと２Ｂとの間隔が、相対位置調節機
構５により所望の値に設定される。

【００１７】シリンダアレイ１Ｂの出射側に、収束レン
ズ３が配置されている。収束レンズ３の光軸も、ｚ軸に
平行である。

【００１８】ホモジナイズ光学系ＨＮの前方に角倍率変
換光学系ＡＦが配置されている。角倍率変換光学系ＡＦ
は、光線束の角倍率を変換する。その角倍率γは１未満
である。角倍率変換光学系ＡＦの構成例については後述
する。

【００１９】図１（Ａ）を参照して、ｘｚ面内に関する
光線束の伝搬の様子を説明する。ｘｚ面内においては、
シリンダアレイ２Ａ、２Ｂは単なる平板と等価であるた
め、光線束の収束、発散に影響を与えない。ｚ軸に平行
な光軸を有する平行光線束１０が角倍率変換光学系ＡＦ
に入射する。角倍率変換光学系ＡＦは、角倍率を変換し
平行光線束１１を出射する。入射光線束１０は、例えば
中央部分で強く周辺部分で弱い光強度分布を有する。

【００２０】角倍率変換光学系ＡＦを透過した平行光線
束１１がシリンダアレイ２Ａを透過し、シリンダアレイ
１Ａに入射する。入射光線束は、シリンダアレイ１Ａに
より各シリンドリカルレンズに対応した７つの収束光線
束に分割される。図１（Ａ）では、中央と両端の光線束
のみを代表して示している。シリンダアレイ１Ａによっ
て収束された光線束は、シリンダアレイ１Ｂによりさら
に収束される。

【００２１】シリンダアレイ１Ｂにより収束された７つ
の収束光線束１２は、それぞれ収束レンズ３の前方で集
光する。この集光位置は、収束レンズ３の入射側焦点よ
りもレンズに近い。このため、収束レンズ３を透過した
７つの光線束はそれぞれ発散光線束となり、ホモジナイ
ズ面４上において重なる。

【００２２】ホモジナイズ面４を照射する各光線束のｘ
軸方向の光強度分布は、それぞれ光線束１０の対応する
部分の光強度分布と相似の関係にある。光線束１０の光
強度は、中心近傍において強く、周辺近傍において弱い
が、この光線束１０を小光線束に分割し、各光線束を重
ね合わせることにより、照射領域の光強度分布を均一に
近づける（ホモジナイズする）ことができる。

【００２３】図１（Ｂ）を参照して、ｙｚ面内に関する
光線束の伝搬の様子を説明する。入射光線束１０が角倍
率変換光学系ＡＦに入射する。角倍率変換光学系ＡＦ
は、角倍率を変換し平行光線束１１を出射する。

【００２４】平行光線束１１がシリンダアレイ２Ａに入
射する。平行光線束１１はシリンダアレイ２Ａにより各
シリンドリカルレンズに対応した７つの収束光線束に分
割される。図１（Ｂ）では、中央と両端の光線束のみを
代表して示している。ｙｚ面内においては、シリンダア
レイ１Ａ及び１Ｂは単なる平板と等価であるため、光線
束の収束、発散に影響を与えない。

【００２５】各光線束は、シリンダアレイ２Ｂの前方で
集光し、発散光線束となってシリンダアレイ２Ｂに入射
する。シリンダアレイ２Ｂに入射した各光線束は、それ
ぞれ相互に等しいある出射角を持って出射し、収束レン
ズ３に入射する。

【００２６】収束レンズ３を透過した各光線束はそれぞ
れ収束光線束となり、ホモジナイズ面４上において重な
る。ホモジナイズ面４を照射する７つの光線束のｙ軸方
向の光強度分布は、図１（Ａ）の場合と同様に均一な分
布に近づく。収束レンズ３を透過した各光線束は収束光
線束であるため、ホモジナイズ面４上における照射領域
のｙ軸方向の長さは、ｘ軸方向の長さよりも短くなる。
このため、ホモジナイズ面４上の光照射領域は、ｘ軸方
向に長く、ｙ軸方向に短い線状の形状を有することにな
る。

【００２７】ホモジナイズ面におけるビーム幅、すなわ
ち光照射領域の幅Ｗは、収束レンズ３の焦点距離を
ｆ_F 、シリンダアレイを構成するシリンドリカルレンズ
の合成焦点距離をｆ_C 、シリンダアレイを構成する各シ
リンドリカルレンズのレンズ幅をｄとして、Ｗ＝（ｆ_F
／ｆ_C ）ｄとなる。対応するシリンダアレイの間隔を調
節してシリンダアレイの合成焦点距離ｆ_C を変化させる
ことにより、光照射領域の幅を変化させることができ
る。

【００２８】図１（Ａ）及び１（Ｂ）に示すビームホモ
ジナイザの場合には、シリンダアレイ１Ａと１Ｂとの間
隔を変えることにより、光照射領域の長軸方向の長さを
変化させ、シリンダアレイ２Ａと２Ｂとの間隔を変える
ことにより、短軸方向の幅を変化させることができる。
図１（Ａ）及び１（Ｂ）に示すビームホモジナイザを用
いることにより、ｙ軸方向に長い軸状の領域を、ほぼ均
一に照射することができる。

【００２９】レーザ発振器の光共振器を構成するミラー
の振動、レーザ発振器から角倍率変換光学系ＡＦまでの
光学系の振動等により、平行光線束１０の進行方向がｚ
軸からずれる場合がある。角倍率変換光学系ＡＦの角倍
率は１未満であるため、角倍率変換光学系ＡＦを透過し
た平行光線束１１の進行方向とｚ軸とのずれ角は、平行
光線束１０の進行方向とｚ軸とのずれ角よりも小さくな
る。

【００３０】ホモジナイズ光学系ＨＮに入射する光線束
１１の進行方向がｚ軸からずれると、ホモジナイズ面４
上の照射位置が基準位置からずれる。入射光線束１０の
進行方向がｚ軸からずれても、角倍率変換光学系ＡＦに
より光線束１１のずれ角を小さくできる。このため、照
射位置のずれ量が少なくなり、照射領域の位置安定性を
高めることができる。

【００３１】なお、図１（Ａ）及び１（Ｂ）に示す収束
レンズ３の焦点距離を短くしても、照射領域の位置ずれ
を少なくすることができる。しかし、照射領域の長軸方
向の長さを変えることなく収束レンズ３の焦点距離を短
くしようとすると、照射領域の長軸方向（ｘｚ面内）に
関する画角が大きくなり好ましくない。また、ホモジナ
イズ光学系ＨＮとホモジナイズ面４とを距離を短くする
必要があるため、装置の配置に関して制約が多くなる。
上記実施例のように、角倍率変換光学系ＡＦを挿入する
ことにより、収束レンズ３の焦点距離を短くすることな
く、照射領域の位置安定性を高めることができる。

【００３２】次に、図１（Ａ）及び１（Ｂ）に示すビー
ムホモジナイザを用いて、アモルファスシリコン膜を多
結晶化する方法について説明する。表面にアモルファス
シリコン膜が形成された基板を、その表面がホモジナイ
ズ面４に一致するように配置する。なお、収束レンズ３
の被写界深度の範囲内であれば、ホモジナイズ面から前
後にずれてもよい。シリンダアレイ１Ａと１Ｂとの間隔
及びシリンダアレイ２Ａと２Ｂとの間隔を調節してホモ
ジナイズ面４上の照射領域を、所望の長さと幅を有する
形状にする。レーザ光の照射領域が、前回のパルス照射
で照射された領域と一部重なるように、基板をｙ軸方向
に移動させる。アモルファスシリコン膜のレーザ照射さ
れた領域が溶融固化し、多結晶化する。

【００３３】光線束１０の進行方向のずれによる照射位
置のずれは、照射領域の長軸方向と短軸方向の両者で発
生し得る。ただし、長軸方向に関するずれは、アモルフ
ァスシリコン膜の多結晶化の際にほとんど問題とはなら
ない。従って、角倍率変換光学系ＡＦを、図１（Ｂ）に
示すｙｚ面に関する角倍率が１未満になり、図１（Ａ）
に示すｘｚ面に関する角倍率が１となるように構成して
もよい。

【００３４】次に、図２を参照して、角倍率変換光学系
の構成例について説明する。図２（Ａ）〜２（Ｄ）中に
示すｘｙｚ座標は、図１（Ａ）及び１（Ｂ）に示すｘｙ
ｚ座標と同一のものである。

【００３５】図２（Ａ）は、ケプラータイプのアフォー
カル系を用いた例である。凸シリンドリカルレンズ２１
と２２とが、相互に共焦点系を構成するように配置され
ている。シリンドリカルレンズ２１、２２の光軸はｚ軸
と平行であり、柱面の母線はｘ軸と平行である。

【００３６】シリンドリカルレンズ２１と２２の共焦点
を含む焦平面に沿って、遮光板２３が配置されている。
遮光板２３には、シリンドリカルレンズ２１と２２の光
軸に対応する位置に、ｘ軸に平行なスリットが設けられ
ている。入射側のシリンドリカルレンズ２１の焦点距離
が出射側のシリンドリカルレンズ２２の焦点距離よりも
短くなるような構成にすることにより、角倍率を１未満
にすることができる。

【００３７】入射光線束１０は、通常その光軸に平行な
成分以外のノイズ成分を含む。ノイズ成分は、光源が有
限の大きさを有すること、及び空気中のゴミによる散乱
等により発生する。入射光線束１０のノイズ成分は、シ
リンドリカルレンズ２１により収束されても、その焦点
を通過しない。光軸からある角度以上ずれて進行するノ
イズ成分は、遮光板２３により遮光され、シリンドリカ
ルレンズ２２に到達しない。このため、この角倍率変換
光学系を透過した平行光線束１１は、入射光線束１０よ
りもノイズ成分の少ない光線束になる。このように、ケ
プラータイプの角倍率変換光学系は、角倍率を変換する
ことに加え、遮光板を配置することにより、入射光線束
のノイズを低減する機能を持たせることができる。

【００３８】なお、シリンドリカルレンズ２１、２２の
代わりに球面レンズを用いてもよい。この場合には、遮
光板２３の焦点に対応する位置にピンホールを設ける。

【００３９】図２（Ｂ）は、ガリレオタイプのアフォー
カル系を用いた例である。凹シリンドリカルレンズ２５
と凸シリンドリカルレンズ２６が、共に光軸をｚ軸に平
行にするように配置されている。シリンドリカルレンズ
２５と２６の柱面の母線はｘ軸に平行である。凹シリン
ドリカルレンズ２５が入射側に配置され、凸シリンドリ
カルレンズ２６が出射側に配置されている。

【００４０】なお、この場合も、図２（Ａ）の場合と同
様に、シリンドリカルレンズの代わりに球面レンズを用
いてもよい。

【００４１】図２（Ｃ）は、１つのプリズム２７を用い
た例であり、図２（Ｄ）は２つのプリズム２７と２８を
用いた例である。各プリズムは、入射光線束が斜めに入
射し、出射光線束が垂直方向に出射するように配置され
ている。図２（Ｃ）の場合には、入射光線束１０と出射
光線束１１との進行方向は異なる。図２（Ｄ）の場合に
は、入射光線束１０と出射光線束１１とは偏心している
が、その進行方向は相互に平行である。

【００４２】角倍率変換光学系の角倍率をγとすると、
出射光線束１１のビームサイズは、入射光線束１０のビ
ームサイズの１／γ倍になる。角倍率γが１未満になる
ような構成とすると、出射光線束１１のビームサイズが
入射光線束１０のビームサイズよりも大きくなる。角倍
率変換光学系ＡＦを透過した光線束１１の大部分がホモ
ジナイズ光学系ＨＮに入射するように、ホモジナイズ光
学系ＨＮの開口を考慮して角倍率変換光学系ＡＦを設計
することが好ましい。

【００４３】これらを考慮すると、角倍率γを１／１．
５〜１／３程度とすることが好ましい。

【００４４】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
入射光線束の進行方向のずれによるホモジナイズ面上の
照射領域の位置ずれを抑制することができる。照射領域
の位置安定性が向上するため、安定して半導体膜の結晶
性を改善することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるビームホモジナイザの概
略断面図である。

【図２】図１に示すビームホモジナイザの角倍率変換光
学系の構成例を示す断面図である。

【符号の説明】

１Ａ、１Ｂ、２Ａ、２Ｂ シリンダアレイ ３ 収束レンズ ４ ホモジナイズ面 ５ 相対位置調節機構 １０ 入射光線束 １１、１２ 光線束 ２１、２２、２５、２６ シリンドリカルレンズ ２３ 遮光板 ２７、２８ プリズム

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平行光線束が入射すると、入射した光線
   束の光軸に垂直な断面内における光強度分布を均一に近
   づけるホモジナイズ光学系と、 前記ホモジナイズ光学系の入射側に配置され、光線束の
   角倍率を変換し、該光線束の光軸を含む少なくとも１つ
   の仮想平面内に関する角倍率が１未満である角倍率変換
   光学系とを有し、 ｘｙｚ直交座標系を考えたとき、前記ホモジナイズ光学
   系が、 複数の第１のシリンドリカルレンズを有する第１のシリ
   ンダアレイであって、該第１のシリンドリカルレンズ
   が、各々の光軸をｚ軸に平行にし、柱面の母線をｘ軸に
   平行にし、かつｙ軸方向に配列した第１のシリンダアレ
   イと、 前記第１のシリンダアレイを透過した光線束を収束する
   収束光学系とを有し、 前記仮想平面が、ｙｚ平面に平行であり、 前記角倍率変換光学系が、 共焦点系を構成し、各々の光軸をｚ軸に平行にし、柱面
   の母線をｘ軸に平行にするように配置された１対の凸シ
   リンドリカルレンズと、 前記１対の凸シリンドリカルレンズの共焦点に相当する
   位置に、ｘ軸に平行なスリットが形成された遮光板とを
   有するビームホモジナイザ。
2. 【請求項２】 前記ホモジナイズ光学系が、さらに、複
   数の第２のシリンドリカルレンズを有する第２のシリン
   ダアレイであって、該第２のシリンドリカルレンズが、
   各々の光軸を、対応する前記第１のシリンドリカルレン
   ズの光軸と共通にし、かつｙ軸方向に配列した第２のシ
   リンダアレイを有する請求項１に記載のビームホモジナ
   イザ。
3. 【請求項３】 さらに、前記第１のシリンダアレイと第
   ２のシリンダアレイとの間隔が変化するように、前記第
   １及び第２のシリンダアレイの相対位置を変化させる相
   対位置調節機構を有する請求項２に記載のビームホモジ
   ナイザ。
4. 【請求項４】 表面に半導体薄膜を有する処理対象物の
   表面が、請求項１〜３のいずれかに記載のビームホモジ
   ナイザのホモジナイズ面にほぼ一致するように該処理対
   象物を配置する工程と、 請求項１〜３のいずれかに記載のビームホモジナイザに
   よりホモジナイズされたレーザ光を、前記半導体薄膜に
   照射して結晶性を変化させる工程とを有する半導体薄膜
   の製造方法。