JP2005129916A

JP2005129916A - ビームホモジナイザ、レーザ照射装置、半導体装置の作製方法

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Publication number: JP2005129916A
Application number: JP2004282947A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Moriwaka; 智昭森若
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2005-05-19

Abstract

【課題】レーザの発振状態の変化や、メンテナンス前後において、被照射面におけるビームスポットのエネルギー分布が変化する。
【解決手段】本発明は、長方形状のビームスポットの形成用光学系において、被照射面における長方形状のビームスポットの長辺方向または短辺方向のエネルギー分布を均一化する光学系を、レーザビームの入射側面に曲面形状を有し、かつ向かい合う二つの反射面を有する光学素子に置き換えるものである。入射側面とは、光学素子を構成する面であって、レーザビームの入射側に配置され、レーザビームが最初に該光学素子に入射する面と定義する。
【選択図】図１

Description

本発明は被照射面におけるビームスポットのエネルギー分布をある特定の領域で均一化するビームホモジナイザ及びそれを用いたレーザ照射装置に関する。さらに、当該レーザ照射装置を用いた半導体装置の作製方法に関する。

近年、ガラス等の絶縁基板上に形成された非単結晶半導体膜（非単結晶半導体であって、すなわち単結晶ではなく多結晶、微結晶等の結晶性を有する半導体膜若しくは非晶質半導体）に対し、レーザアニールを施す技術が、広く研究されている。なお、ここでいうレーザアニールとは、半導体基板又は半導体膜に形成された損傷層や非晶質層を再結晶化する技術や、基板上に形成された非単結晶半導体膜を結晶化させる技術を指している。また、半導体基板又は半導体膜の平坦化や表面改質に適用される技術も含んでいる。

結晶化にレーザアニールが使用されるのは、ガラス基板の融点が低いからである。レーザは基板の温度をあまり変えずに非単結晶半導体膜にのみ高いエネルギーを与えることができる。

エキシマレーザ等の出力の大きいパルス発振式のレーザビームを、被照射面において、数ｃｍ角の四角いスポットや、長辺方向の長さ１０ｃｍ以上の長方形状となるように光学系にて加工し、ビームスポットの照射位置を被照射面に対して相対的に走査させて、レーザアニールを行う方法が、量産性が良く、工業的に優れているため、好んで使用される。なお、長方形状のビームスポットの内、特にアスペクト比が高いものを線状のビームスポットと呼ぶこととする。

特に、線状のビームスポットを用いると、前後左右の走査が必要な点状のビームスポットを用いた場合とは異なり、線状のビームスポットのビーム幅が長い方向に直角な方向だけの走査で大面積の被照射面にレーザビームを照射することができるため、高い量産性が得られる。ビーム幅の長い方向に直角な方向に走査するのは、それが最も効率のよい走査方向であるからである。この高い量産性により、現在のレーザアニールにはパルス発振のエキシマレーザのビームスポットを適当な光学系で加工した線状のビームスポットを使用することが主流になりつつある。

図１２に、被照射面においてビームスポットの断面形状を線状に加工するための光学系の例を示す。図１２中に示す光学系はきわめて一般的なものである。この光学系は、ビームスポットの断面形状を線状に変換するだけでなく、同時に、被照射面におけるビームスポットのエネルギー分布均一化を果たすものである。一般に、ビームスポットのエネルギー分布を均一化する光学系を、ビームホモジナイザと呼ぶ。図１２に示した光学系もビームホモジナイザである。

ＸｅＣｌエキシマレーザ（波長３０８ｎｍ）を光源に使用するならば、上記光学系の母材は石英で形成されている。その他のエキシマレーザで、さらに短波長のものを光源とする場合は、フローライトやＭｇＦ₂などの母材が用いられている。

図１２（ａ）の側面図では、ＸｅＣｌエキシマレーザであるレーザ発振器１２０１から発せられたレーザビームは、シリンドリカルレンズアレイ１２０２ａと１２０２ｂにより、レーザビームのスポットを１方向に分割されている。この分割された方向を、縦方向と呼ぶことにする。縦方向は、光学系の途中でミラーが入ったとき、ミラーが曲げた光の方向に曲がるものとする。この構成では、４分割となっている。これらの分割されたスポットは、シリンドリカルレンズ１２０４により、いったん１つのスポットにまとめられる。再び分離したスポットはミラー１２０６で反射され、その後、ダブレットシリンドリカルレンズ１２０７により、被照射面１２０８にて再び１つのスポットに集光される。ダブレットシリンドリカルレンズとは、２枚のシリンドリカルレンズで構成されているレンズのことをいう。これにより、線状のビームスポットの縦方向のエネルギー均一化がなされ、縦方向の長さが決定される。

図１２（ｂ）の平面図で見ると、レーザ発振器１２０１から発せられたレーザビームは、シリンドリカルレンズアレイ１２０３により、レーザビームのスポットを、縦方向に対し直角方向に分割する。この直角方向を、横方向と呼ぶことにする。横方向は、光学系の途中でミラーが入ったとき、前記ミラーが曲げた光の方向に曲がるものとする。この構成では、７分割となっている。その後、シリンドリカルレンズ１２０５にて、７分割されたスポットは被照射面１２０８にて１つに合成される。ミラー１２０６以降が破線で示されているが、破線は、ミラー１２０６を配置しなかった場合の正確な光路とレンズや被照射面の位置を示している。これにより、線状のビームスポットの横方向のエネルギーの均一化がなされ、横方向の長さが決定される。

上述したように、シリンドリカルレンズアレイ１２０２ａとシリンドリカルレンズアレイ１２０２ｂとシリンドリカルレンズアレイ１２０３とがレーザビームのスポットを分割するレンズとなる。これらの分割数により、得られる線状ビームスポットのエネルギー分布の均一性が決まる。

エキシマレーザの発生するレーザビームの形状は一般的に長方形状であり、アスペクト比で表現すると、１〜５位の範囲に入る。レーザビームのスポットの強度は、レーザビームのスポットの中央ほど強い、ガウシアンの分布を示す。前記レーザビームのスポットサイズは、図１２に示した光学系により、エネルギー分布が一様のスポット形状３２０ｍｍ×０．４ｍｍの線状のビームスポットに変換される。

上記の構成で加工された線状のビームスポットをそのビームスポットの縦方向に徐々にずらしながら重ねて照射する。そうすると、非単結晶珪素膜全面に対しレーザアニールを施して結晶化させたり結晶性を向上させることができる。現在は、量産工場において、上記のような光学系により長く線状に加工されたビームスポットを使って半導体膜のレーザアニールが行われている。

ビームホモジナイザには、反射鏡を用いているもの（例えば、特許文献１参照。）がある。
特開２００１−２９１６８１号公報

パルス発振式であるエキシマレーザの発振状態の変化によるビーム軸の変動やビーム広がり角の変化、エキシマレーザのレーザ媒質であるガスと外気を遮断するウインドウのクリーニングにより、被照射面におけるビームスポットの均一性が悪化するなど、量産装置としての完成度はあまり高いものとは言えない。なお、ビーム軸とはビームが通る道筋のことであり、ビーム軸の変動とは、ビームの平行移動を含むビームの進行方向の変化を意味する。本発明は上記の問題点を鑑みて、エキシマレーザの発振状態の変化や、メンテナンス前後において、被照射面におけるビームスポットのエネルギー分布の変化を極力抑えるビームホモジナイザを提供する。また、本発明は前記ビームホモジナイザを用いたレーザ照射装置及び半導体装置の作製方法を提供する。

本発明において、被照射面におけるビームスポットのエネルギー分布を均一化する方法に、レーザビームの入射側面に曲面形状を有し、かつ向い合う二つの反射面を有する光学素子を用いる。このような光学素子として、例えばライトパイプや光導波路があげられる。ライトパイプとは、通常、全反射によって一端から他端に光を伝送する直方体、円錐、ピラミッド形、円柱などの形状に形成された透明部材からなる光学素子のことを言い、照明光学の分野に属するものである。また、光導波路とは、光ファイバー等に代表されるような光通信分野に属し、放射光を一定領域に閉じ込め、その光線の流れを案内して目的の領域に光伝送する能力を持った光学素子である。なお、光伝送にはミラーによる反射を用いることもある。したがって、ライトパイプと光導波路は属する分野が異なるものの、光学的な作用はほぼ同じと見なすことができる。

本発明のビームホモジナイザは、被照射面におけるビームスポットを長方形状に形成するためのビームホモジナイザであって、前記長方形状の長辺方向または短辺方向のエネルギー分布を前記被照射面において均一化する光学素子を有し、前記光学素子はレーザビームの入射側面に曲面形状を有することを特徴とする。ここで、入射側面とは、光学素子を構成する面であって、レーザビームの入射側に配置され、レーザビームが最初に該光学素子に入射する面と定義する。曲面形状として例えばレンズがあげられる。

本発明において、前記光学素子のレーザビームの入射側面に曲面形状を有する理由は以下のとおりである。ビーム軸の中心軸が前記光学素子の中心軸と一致しない場合、レーザビームは前記光学素子の入射側面に対して斜め方向から入射することになる。レーザビームが前記光学素子の入射側面に対して斜め方向から入射すると、前記光学素子におけるレーザビームの反射が光学素子の中心軸に対して非対称となり、前記光学素子の射出口におけるレーザビームのビームスポットのエネルギー分布が十分に均一化されない。そこで、前記光学素子の入射側面に曲面形状を設け、前記光学素子内におけるレーザビームの反射を光学素子の中心軸に対称もしくは対称に近い状態に修正することでき、前記光学素子のレーザビームの射出口でのビームスポットのエネルギー分布を均一化することが可能となる。

本発明は、被照射面におけるビームスポットを長方形状に形成するためのビームホモジナイザであって、前記長方形状の長辺方向または短辺方向のエネルギー分布を前記被照射面において均一化する光学素子と、前記光学素子により形成されるエネルギー分布の均一な面を前記被照射面に投影する一つもしくは複数のシリンドリカルレンズとを有し、前記光学素子は、レーザビームの入射側面に曲面形状を有し、かつ向かい合う二つの反射面を有することを特徴する。

本発明は、被照射面におけるビームスポットを長方形状に形成するためのビームホモジナイザであって、前記ビームホモジナイザーは複数の光学素子を有し、前記複数の光学素子のうち少なくとも、前記長方形状の長辺方向のエネルギー分布を前記被照射面において均一化する第１の光学素子と、前記長方形状の短辺方向のエネルギー分布を前記被照射面において均一化する第２の光学素子とを有し、前記第１の光学素子及び前記第２の光学素子はレーザビームの入射側面に曲面形状を有し、かつ向かい合う二つの反射面を有することを特徴とする。

本発明は、上記の被照射面におけるビームスポットを長方形状に形成するビームホモジナイザにおいて、被照射面における前記長方形状のビームスポットの長辺方向または短辺方向のエネルギー分布を均一化する光学素子を、ライトパイプまたは光導波路に置き換えたものである。

本発明のビームホモジナイザにおいて、前記曲面形状はシリンドリカル面で構成され、前記光学素子が作用する方向に曲率を有することを特徴とする。

本発明は、上記のビームホモジナイザにおいて、被照射面におけるビームスポットのアスペクト比が１０以上、好ましくは１００以上の長方形状であることを特徴としている。

本発明のレーザ照射装置は、被照射面におけるビームスポットが長方形状であるレーザ照射装置であって、レーザ発振器と、ビームホモジナイザとを有し、前記ビームホモジナイザにおいて、前記長方形状の長辺方向または短辺方向のエネルギー分布を均一化する手段として光学素子を有し、前記光学素子は、レーザビームの入射側面に曲面形状を有し、かつ向い合う二つの反射面を有することを特徴とする。

本発明は、被照射面におけるビームスポットが長方形状であるレーザ照射装置であって、レーザ発振器と、ビームホモジナイザと、前記ビームホモジナイザにより形成されるエネルギー分布の均一な面を前記被照射面に投影する一つもしくは複数のシリンドリカルレンズとを有し、前記ビームホモジナイザにおいて、前記長方形状の長辺方向または短辺方向のエネルギー分布を均一化する手段として光学素子を有し、前記光学素子のレーザビームの入射側面に曲面形状を有し、かつ向かい合う二つの反射面を有することを特徴とする。

本発明は、被照射面におけるビームスポットが長方形状であるレーザ照射装置であって、レーザ発振器と、ビームホモジナイザとを有し、前記ビームホモジナイザーは複数の光学素子を有し、前記複数の光学素子のうち少なくとも、前記長方形状の長辺方向のエネルギー分布を均一化する手段として第１の光学素子と、前記長方形状の短辺方向のエネルギー分布を均一化する手段として第２の光学素子とを有し、前記第１の光学素子及び前記第２の光学素子のレーザビームの入射側面に曲面形状を有し、かつ向かい合う二つの反射面を有することを特徴とする。

本発明は、被照射面におけるビームスポットが長方形状であるレーザ照射装置であって、上記の長方形状のレーザビーム形成用光学系おいて、被照射面におけるビームスポットの長辺方向または短辺方向のエネルギー分布を均一化する光学素子を、ライトパイプまたは光導波路で実現するものである。

本発明のレーザ照射装置において、前記曲面形状は前記光学素子が作用する方向に曲率を持つシリンドリカル面で構成されることを特徴とする。

本発明は、上記のレーザ照射装置の発明において、被照射面におけるビームスポットのアスペクト比が１０以上、好ましくは１００以上の長方形状であることを特徴としている。

本発明は、上記のレーザ照射装置の発明において、前記被照射面を有する被照射体をビームスポットに対し相対的に移動させる走査ステージ、および前記被照射面を有する被照射体を前記走査ステージに運搬する自動搬送装置を有することを特徴としている。

本発明は、上記のレーザ照射装置の発明において、前記レーザ発振器は、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、ガラスレーザ、ＹＶＯ₄レーザ、ＹＬＦレーザ、Ａｒレーザ、ＧｄＶＯ₄レーザのいずれかであることを特徴としている。

本発明の半導体装置の作製方法は、基板上に非単結晶半導体膜を形成する工程と、レーザ発振器で発振したレーザビームを、前記非単結晶半導体膜を被照射面として、前記レーザビームを均一化する光学素子を有する光学系を用いて被照射面において長方形状のビームスポットに整形して、前記ビームスポットの位置を移動させながら前記非単結晶半導体膜をレーザアニールする工程とを有し、前記光学素子は前記長方形状のビームスポットの長辺方向または短辺方向に作用し、前記光学素子におけるレーザビームの入射側面には、曲面形状を有し、かつ向い合う二つの反射面を有することを特徴とする。

本発明の半導体装置の作製方法は、基板上に非単結晶半導体膜を形成する工程と、レーザ発振器で発振したレーザビームを、前記非単結晶半導体膜を被照射面として、前記レーザビームを均一化する光学素子と前記光学素子により形成されるエネルギー分布の均一な面を前記被照射面に投影する一つもしくは複数のシリンドリカルレンズとを有する光学系を用いて前記被照射面において長方形状のビームスポットに整形して、前記ビームスポットの位置を移動させながら前記非単結晶半導体膜をレーザアニールする工程とを有し、前記光学素子は前記長方形状のビームスポットの長辺方向または短辺方向に作用し、前記光学素子におけるレーザビームの入射側面には、前記光学素子が作用する方向に曲面形状を有し、かつ向い合う二つの反射面を有することを特徴とする。

本発明の半導体装置の作製方法は、基板上に非単結晶半導体膜を形成する工程と、レーザ発振器で発振したレーザビームを、前記非単結晶半導体膜を被照射面として、複数の光学素子を有する光学系を用いて前記被照射面において長方形状のビームスポットに整形して、前記ビームスポットの位置を移動させながら前記非単結晶半導体膜をレーザアニールする工程とを有し、前記複数の光学素子の内少なくとも、前記長方形状のビームスポットの長辺方向に作用する第１の光学素子と、前記長方形状のビームスポットの短辺方向に作用する第２の光学素子とを有し、前記第１の光学素子及び前記第２の光学素子におけるレーザビームの入射側面には、それぞれ前記第１の光学素子及び前記第２の光学素子が作用する方向に曲面形状を有し、かつ向い合う二つの反射面を有することを特徴とする。

本発明は、上記の半導体装置の作製方法の発明において、上記の長方形状のレーザビーム形成用光学系において、被照射面におけるビームスポットの短辺方向のエネルギー分布を均一化する光学素子を、ライトパイプまたは光導波路に置き換えたものである。

本発明の半導体装置の作製方法において、前記曲面は前記光学素子が作用する方向に曲面形状を有するシリンドリカル面であることを特徴としている。

本発明は、上記の半導体装置の作製方法の発明において、被照射面におけるビームスポットのアスペクト比が１０以上、好ましくは１００以上の長方形状であることを特徴としている。

本発明は、上記の半導体装置の作製方法の発明において、前記レーザ発振器は、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、ガラスレーザ、ＹＶＯ₄レーザ、ＹＬＦレーザ、Ａｒレーザ、ＧｄＶＯ₄レーザのいずれかであることを特徴としている。

本発明に係るレーザビームの入射側面に曲面形状を有し、レーザビームを均一化する光学素子を用いて長方形状のビームスポットを形成するビームホモジナイザを用いれば、エネルギー分布が均一な長方形状のビームスポットを被照射面において形成することが可能となる。また、被照射面上に形成されるビームスポットの位置及びエネルギー分布がレーザ発振器の発振状態の影響を受けにくくなるため、ビーム形状の安定性を高めることが可能となる。

本発明のビームホモジナイザを用いたレーザ照射装置から射出される長方形状のビームスポットを、半導体膜に長方形状の短辺方向に走査すると、ビームスポットのエネルギー分布の不均一性に起因する結晶性の不均一性の発生を抑制することができ、基板面内の結晶性の均一性を向上させることができる。また、本発明により、レーザ照射装置としての高い安定性が確保でき、またメンテナンス性の向上により、ランニングコストの低減が図れる。本発明を、ポリシリコンＴＦＴの量産ラインに適用すれば、動作特性の高い特性の揃ったＴＦＴを効率良く生産することができる。さらに、前記ポリシリコンＴＦＴを液晶表示装置や、ＥＬ素子に代表される発光素子を用いた発光装置に適用すると、表示むらの極めて少ない表示装置を作製することが可能となる。

本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する本発明の構成において、同じものを指す符号は異なる図面間で共通して用いる。

最初に、図１１を用いて、ビームスポットのエネルギー分布を均一化する方向にレーザビームを反射する向かい合う２つの反射面を有する光学素子によるエネルギー分布の均一化の方法を説明する。まず、図１１（ａ）の平面図について説明する。向い合う２つの反射面１１０２ａ、１１０２ｂを有する光学素子１１０２と、被照射面１１０３を用意し、光線を紙面左側から入射させる。前記光線は、光学素子１１０２が存在するときの光線を実線１１０１ａで、光学素子１１０２が存在しないときの光線を破線１１０１ｂで示す。光学素子１１０２が存在しないとき紙面左側から入射する光線は、破線１１０１ｂで示したように、被照射面１１０３の１１０３ａ、１１０３ｂ及び１１０３ｃの領域に到達する。

一方、光学素子１１０２が存在するときには、光線１１０１ａで示すように、光線は光学素子１１０２の反射面によって反射され、すべての光線が被照射面１１０３の１１０３ｂの領域に到達する。つまり、光学素子１１０２が存在するときには、光学素子１１０２が存在しないときに被照射面１１０３ａ及び１１０３ｃの領域に到達する光線が、すべて被照射面１１０３ｂの領域に到達する。従って、光学素子１１０２に光線を入射すると、前記光学素子内において反射を繰り返し、射出口に至る。つまり入射する光線が折りたたまれるように、同じ位置である被照射面１１０３ｂに重ね合わされることになる。この例において、光学素子がない場合の被照射面１１０３での光の拡がり１１０３ａ、１１０３ｂ、１１０３ｃをあわせた長さをＡとし、光学素子がある場合の被照射面１１０３での光の拡がり１１０３ｂの長さをＢとしたとき、Ａ／Ｂが背景技術で述べたホモジナイザの分割数に相当する。このように、入射する光線を分割し、分割される光線を同じ位置に重ね合わせることで、重ね合わされた位置における光線のエネルギー分布は均一化される。

ホモジナイザは一般的に光線の分割数が多くなるほど、分割された光線が重ね合わされた位置でのエネルギー分布の均一性は高くなる。上記光学素子１１０２において、光線の分割数を多くするには、上記光学素子１１０２内での反射回数を多くすることで可能となる。つまり、光学素子が有する２つの反射面の光線入射方向における長さを長くするとよい。また、向い合う反射面の間隔を小さくすることでも分割数を大きくすることができる。あるいは、入射する光線のＮＡ（開口数）を大きくすることによっても分割数を大きくすることができる。

上記光学素子にビームスポットのエネルギー分布を均一化する方向にレーザビームを反射する向かい合う２つの反射面を有するライトパイプまたは光導波路を用いても、光線のエネルギー分布は均一化される。

本発明で開示する長方形状のビームスポット形成光学系を、図３を用いて説明する。まず、図３（ｂ）の側面図について説明する。レーザ発振器３０１から出たレーザビームは図３中、矢印の方向に伝播される。まず、レーザビームは球面レンズ３０２ａ及び３０２ｂにより拡大される。この構成は、レーザ発振器３０１から出るビームスポットが十分に大きい場合には必要ない。

以降、長辺方向、短辺方向とは、それぞれ被照射面３０７上に形成される長方形状のビームスポットの長辺方向、短辺方向と同じ方向とする。レーザビームはシリンドリカルレンズ３０４により、短辺方向にビームスポットを絞られ、シリンドリカルレンズ３０４の後方に配置されたビームスポットのエネルギー分布を均一化する方向にレーザビームを反射する向かい合う２つの反射面および入射側面に曲面形状を有する光学素子３０５に入射する。ここで曲率の方向は、短辺方向、つまりエネルギー分布を均一化する方向である。レーザビームは、前記光学素子内にて全反射を繰り返しながら射出口に至り、前記光学素子３０５の射出側面に長方形状のビームスポットの短辺方向のエネルギー分布の均一面が形成される。ここで、射出側面とは、光学素子を構成する面であって、レーザビームの射出側に配置され、レーザビームが最後に該光学素子を通過する面と定義する。なお、光学素子３０５と空気の境界面においてレーザビームが全反射する条件を満たすようシリンドリカルレンズ３０４の曲率を考慮する必要がある。

図１及び図２を用いて、光学素子３０５のレーザビームの入射側面に曲面形状を設ける理由を説明する。図１、図２ともに、図示しないレーザ発振器から発せられたレーザビームをシリンドリカルレンズ１０１及び２０１で絞り、ビームスポットのエネルギー分布を均一化する方向に、レーザビームを反射する向かい合う２つの反射面を有する光学素子１０２及び２０２に入射している様子を、エネルギー分布を均一化しようとする方向に対して垂直方向からみた図である。レーザビームは図１、図２ともに光学素子の中心軸に対しある角度をもって斜め方向から、光学素子１０２及び２０２に入射する。

図２において、レーザビームはシリンドリカルレンズ２０１により絞られ光学素子２０２に斜め方向から入射した後、光学素子内において光学素子の中心軸に対して非対称な反射を繰り返し、光学素子の射出口に至り、射出側面にエネルギー分布が不均一なビームスポットを形成する。一方、図１においては、レーザビームはシリンドリカルレンズ１０１によって絞られた後、入射側面に曲面形状を有する光学素子１０２に入射する。光学素子の入射側面に曲面形状を設けることにより、光学素子に対し斜め方向から入射されるレーザビームを広げ、光学素子に入射されたレーザビームの反射が光学素子の中心軸に対称もしくは対称に近くなるよう修正することで、光学素子の射出側面にはエネルギー分布の均一なビームスポットを形成することが可能となる。

この曲面形状は、前段にあるレンズの仕様（ＮＡ）即ち入射角、光学素子の長さおよび幅に基づいて決定される。

以上のように、入射側面に曲面形状を有する光学素子を用いることにより、レーザ発振器から射出されるビームのポインティングスタビリティーの影響やパルス毎及びメンテナンス等によるビーム軸の変化が発生しても、光学素子によって形成されるビームスポットのエネルギー分布を均一に保つことができる。また、光学素子を使用することにより、均一面の位置が光学系により完全に固定される利点が得られる。これにより、レーザ発振器の状態の変化に左右されない均一なビームを被照射面に得ることが可能となる。

光学素子３０５の入射方向への長さが長ければ長いほど、また、シリンドリカルレンズ３０４の焦点距離が短ければ短いほどエネルギー分布の均一化は進む。しかしながら、光学系の大きさを考えて実際の系は作製されなければならないため、前記光学素子の長さや、前記焦点距離は系の大きさに合わせて実際的なものとしなくてはならない。

図３中、光学素子３０５の後方に配置したダブレットシリンドリカルレンズ３０６により、前記ダブレットシリンドリカルレンズの後方に配置した被照射面３０７に光学素子３０５直後に形成された前記エネルギー分布の均一面を投影する。ダブレットシリンドリカルレンズとは、２枚のシリンドリカルレンズ３０６ａ、３０６ｂで構成されているレンズのことをいう。これにより、光学素子３０５の射出側面に形成された均一面を他の面（被照射面）に投影することができる。すなわち、前記均一面と、被照射面３０７とは、ダブレットシリンドリカルレンズ３０６に対して共役な位置にある。光学素子３０５とダブレットシリンドリカルレンズ３０６により、長方形状のビームスポットの短辺方向のエネルギー分布の均一化がなされ、短辺方向の長さが決定される。なお、被照射面においてビームスポットの均一性をあまり要求しない場合、あるいはダブレットシリンドリカルレンズのＦ値（Ｆ＝レンズ焦点距離／入射瞳径）が非常に大きい場合は、シングレットシリンドリカルレンズを用いても良い。

次に、図３（ａ）の平面図について説明する。レーザ発振器３０１から出たレーザビームは、シリンドリカルレンズアレイ３０３により、ビームスポットが長辺方向に分割される。シリンドリカルレンズアレイ３０３は、シリンドリカルレンズを曲率方向に並べたものである。本実施形態においては、シリンドリカルレンズを５個並べたシリンドリカルレンズアレイを用いている。これにより、長方形状のビームスポットの長辺方向のエネルギー分布の均一化がなされ、長辺方向の長さが決定される。なお、シリンドリカルレンズアレイの後方に前記シリンドリカルレンズアレイによって分割された光線を合成するシリンドリカルレンズを配置してもよい。

本発明のビームホモジナイザと組み合わせるレーザ発振器は、大出力でかつ半導体膜によく吸収される波長域が好ましい。半導体膜として珪素膜を用いた場合、吸収率を考慮し、用いるレーザ発振器の出すレーザビームの波長は６００ｎｍ以下であることが好ましい。このようなレーザビームを出すレーザ発振器には、例えば、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ（高調波）、ガラスレーザ（高調波）がある。

また、現在の技術ではまだ大出力は得られていないが、珪素膜の結晶化に適当な波長のレーザビームを発振するレーザ発振器として、例えば、ＹＶＯ₄レーザ（高調波）、ＹＬＦレーザ（高調波）、Ａｒレーザ、ＧｄＶＯ₄レーザがある。

本発明の光学系は、空気中で用いても良いし、高いエネルギーを持ったレーザ光によるライトパイプやレンズ表面の損傷を小さくするために窒素やＡｒ雰囲気下で使用してもよい。

本実施形態においては、ビームスポットのエネルギー分布の均一化に向かい合う二つの反射面を有する光学素子を用いる例を示したが、光学的に同等の効果をもつライトパイプまたは光導波路を用いてもよい。

以下、本発明のビームホモジナイザ及びレーザ照射装置を用いた本発明の半導体装置の作製方法について説明する。まず、基板としてガラス基板を用意する。この基板には６００℃までの温度であれば充分な耐久性のあるものを使用する。前記ガラス基板上に下地膜として酸化珪素膜を成膜し、さらに、その上から非単結晶珪素膜を成膜する。成膜は、共にスパッタ法にて行う。あるいはプラズマＣＶＤ法にて成膜してもよい。

上記成膜済の基板を、窒素雰囲気中で加熱処理を施し、非単結晶珪素膜中の水素濃度を減らす。膜中の水素が多すぎると膜がレーザのエネルギーに対して耐えきれないので本工程を入れる。前記膜内の水素の濃度は１０²⁰／ｃｍ³程度が適当である。ここで、１０²⁰／ｃｍ³とは、１ｃｍ³あたりに水素原子が１０²⁰個存在するという意味である。このとき、基板の加熱処理時間及び温度は、実施者が適宜決めればよい。ただし、加熱温度はガラス基板の耐久性を考慮したものでなければならない。

本実施の形態では、レーザ発振器として、ＸｅＣｌエキシマレーザを使う。前記エキシマレーザは、パルスレーザである。基板１枚をレーザ処理する間、該パルスレーザの１パルスごとのエネルギー変動は、±５％以内、好ましくは±２％以内に収まっていると、均一な結晶化が行える。なお、本実施形態で示したレンズ及びレーザビームの入射側面に曲面形状を有し、レーザビームを均一化する光学素子は、ＸｅＣｌエキシマレーザに対して高い透過率とレーザ耐性をもつ合成石英製とする。

ここで述べているレーザエネルギーの変動は、以下のように定義する。基板１枚を照射している期間のレーザエネルギーの平均値を基準とし、その期間の最小エネルギーまたは最大エネルギーと前記平均値との差を％で表したものである。

レーザビームの照射は例えば、図３に示した被照射面３０７をのせたステージを長方形状のビームスポットの短辺方向に走査させながら行う。このとき、被照射面におけるビームスポットのエネルギー密度や、走査のスピードは、実施者が適宜決めればよい。だいたいの目安は、エネルギー密度２００ｍＪ／ｃｍ²〜１０００ｍＪ／ｃｍ²の範囲である。走査のスピードは、長方形状のビームスポットの短辺方向の幅が好ましくは９０％程度、もしくは８０％以上で互いに重なり合う範囲で適当なものを選ぶと、均一なレーザアニールを行える可能性が高い。最適な走査スピードは、レーザ発振器の周波数に依存し、前記周波数に比例すると考えてよい。

こうして、レーザアニール工程が終了する。上記工程を繰り返すことにより、多数の基板を処理できる。前記基板を利用して例えばアクティブマトリクス型の液晶ディスプレイやＥＬ表示装置を公知の方法に従って作製することができる。

上記の例ではレーザ発振器にエキシマレーザを用いた。エキシマレーザはコヒーレント長が数μｍと非常に小さいため、上記例の光学系に適している。以下に示すレーザにはコヒーレント長が長いものもあるが、作為的にコヒーレント長を変えたものを用いればよい。ＹＡＧレーザの高調波やガラスレーザの高調波を用いても珪素膜にレーザビームのエネルギーが良く吸収されるので好ましい。珪素膜の結晶化に適当なレーザ発振器として、ＹＶＯ₄レーザ（高調波）、ＹＬＦレーザ（高調波）、Ａｒレーザ、ＧｄＶＯ₄レーザなどがある。これらのレーザビームの波長域は珪素膜によく吸収される。

上記の例では、非単結晶半導体膜には非単結晶珪素膜を使ったが、本発明は他の非単結晶半導体にも適用できることが容易に推測できる。例えば、非単結晶半導体膜に非単結晶珪素ゲルマニウム膜や多結晶珪素ゲルマニウム膜などの化合物半導体膜を使用しても良い。あるいは、非単結晶半導体膜に多結晶珪素膜を使用してもよく、以下に示すように形成する多結晶珪素膜を使用してもよい。

ガラス基板上に下地膜として酸化珪素膜を成膜し、さらにその上から非単結晶珪素膜を成膜する。前記酸化珪素膜及び前記非単結晶珪素膜は共にスパッタ法もしくはＣＶＤ法にて形成する。またプラズマＣＶＤ法を用いてもよい。なお、この後、前記非単結晶珪素膜上にヒドロ処理を行って酸化珪素膜を形成してもよい。ここで、酸化珪素膜を形成するのは、後のニッケルを含んだ酢酸塩溶液を塗布する工程で、非単結晶珪素膜の表面全体に酢酸塩溶液を行き渡らせるためである。例えば、非単結晶珪素膜の表面に直接酢酸塩溶液を塗布した場合には非単結晶珪素が酢酸塩溶液を弾いてしまい、非単結晶珪素膜の表面全体に均一にニッケルを導入することができず、結晶化を均一に行うことができない。従って、酸化珪素膜を形成することにより濡れ性を改善する。次に、前記非単結晶珪素膜に、酢酸塩溶液中のニッケル濃度を１〜１００ｐｐｍとした酢酸塩溶液を添加し、加熱処理を行って結晶化し、結晶性珪素膜とする。

図４に本実施例で説明する光学系の例を示す。まず、図４（ｂ）の側面図について説明する。ＸｅＣｌエキシマレーザ発振器４０１から出たレーザビームは図４中、矢印の方向に伝播される。まず、レーザビームは球面レンズ４０２ａ及び４０２ｂにより拡大される。この構成は、レーザ発振器４０１から出るビームスポットが十分に大きい場合には必要ない。なお、本実施例で示すレンズ及びレーザビームの入射側面に曲面形状を有し、レーザビームを均一化するライトパイプは、ＸｅＣｌエキシマレーザに対して高い透過率とレーザ耐性をもつ合成石英製とする。

以降、長辺方向、短辺方向とは、それぞれ被照射面４０８上に形成される長方形状のビームスポットの長辺方向、短辺方向と同じ方向とする。第１面が曲率半径４８６ｍｍ、厚さ２０ｍｍ、第２面が平面のシリンドリカルレンズ４０５により、短辺方向にビームスポットを絞る。レンズ面は光が入射する面を第１面、射出する面を第２面とする。また、曲率半径の符号は、曲率中心がレンズ面に対して光線の射出側にある時が正、曲率中心がレンズ面に対して入射側にある時を負とする。シリンドリカルレンズ４０５の後方１０００ｍｍに配置された、ビームスポットのエネルギー分布を均一化する方向にレーザビームを反射する向かい合う２つの反射面および入射側面に曲率半径−３８ｍｍの円筒状の曲面形状を有するライトパイプ４０６に入射したレーザビームは、ライトパイプ４０６内で全反射を繰り返し射出口に至る。これにより、被照射面における長方形状のビームスポットの短辺方向のエネルギー分布が均一化される。なお、ここで円筒状の曲率の方向は、短辺方向、つまりエネルギー分布を均一化する方向である。前記ライトパイプ４０６は光線の入射方向に長さ２５０ｍｍ、全反射面間の距離が２ｍｍとする。

なお、本実施例においては、ライトパイプ４０６は媒質である合成石英の波長３０８ｎｍの光に対する屈折率が約１．４８６と外気である空気（屈折率は約１）より大きく、光線が臨界角以上の角度でライトパイプ４０６に入射するため、反射面において光線は全反射する。つまり、このときはライトパイプの光線の透過率は全反射しない場合と比べて高くなる。従って、より高効率で光源であるレーザ発振器４０１からの光線を被照射面４０８に集光することができる。

ライトパイプ４０６の１２５０ｍｍ後方に配置した第１面の曲率半径が９７ｍｍ、第２面が平面、厚さ３０ｍｍシリンドリカルレンズ４０７により、前記シリンドリカルレンズ４０７から後方２２０ｍｍに配置した被照射面４０８に長方形の短辺方向にライトパイプ４０６から射出される光線を集光する。つまり、ライトパイプ４０６の射出側面に形成されるエネルギー分布の均一な面をシリンドリカルレンズ４０７により、被照射面４０８に投影する。これにより、長方形状のビームスポットの短辺方向のエネルギー分布の均一化がなされ、短辺方向の長さが決定される。

次に、図４（ａ）の平面図について説明する。レーザ発振器４０１から出たレーザビームは、シリンドリカルレンズアレイ４０３により、スポットが長方形の長辺方向に分割される。シリンドリカルレンズアレイ４０３は、第１面の曲率半径が２４．５ｍｍで、厚さが５ｍｍ、長辺方向の幅６．５ｍｍのシリンドリカルレンズを曲率方向に７個並べたものである。

シリンドリカルレンズアレイ４０３の後方５００ｍｍに配置された第１面の曲率半径が２１４０ｍｍ、第２面が平面のシリンドリカルレンズ４０４によって前記シリンドリカルレンズアレイ４０３によって分割された光線が被照射面４０８上で重ね合わされる。これにより、長方形状のビームスポットの長辺方向のエネルギー分布の均一化がなされ、長辺方向の長さが決定される。シリンドリカルレンズ４０４は、発明実施の形態においては、用いていない。このレンズが入ることにより長方形のビームスポットの長辺方向における両端で発生する、エネルギーの減衰部分を少なくすることが可能になる。しかしながら、装置構成上、本レンズの焦点距離が著しく長くなる場合があり、このようなときは、本レンズの効果が薄くなるため用いなくてもよいことがある。

以上のように、入射側面に曲面形状を有する光学素子を用いたビームホモジナイザを使用することにより、ビーム軸に変化が起きても被照射面上にエネルギー分布が均一化な長辺方向の長さが３２０ｍｍ、短辺方向の長さが０．４ｍｍの長方形状のビームスポットを成形することができる。

本実施例で示した光学系を利用して、例えば発明実施の形態に従った方法にて、半導体膜のレーザアニールを行う。また、前記半導体膜を利用して例えばアクティブマトリクス型の液晶ディスプレイやＥＬ表示装置を作製することができる。前記作製は、実施者が公知の方法に従って行えばよい。

本実施例では、以上で記載した光学系とは別の光学系の例を挙げる。図６に本実施例で説明する光学系の例を示す。なお、本実施例で示すレンズは、ＸｅＣｌエキシマレーザに対して高い透過率とレーザ耐性をもつ合成石英製とする。

図６中、レーザビームの入射側面に曲面形状を有し、レーザビームを均一化する光学素子６０６以外は、実施例１で図４に示した光学系と全く同じ光路を通る。光学素子６０６は、ライトパイプ４０６同様に向い合う２つの反射面を有する。図４においてレーザビームは、入射側面に曲率を持ち、媒質がＸｅＣｌエキシマレーザに対し屈折率が約１．４８６である合成石英であるライトパイプ４０６の媒質中を伝播し、全反射を繰り返し射出口に至るのに対し、図６に示す光学素子６０６は、反射面が向い合う２つのミラー６０６ａ及び６０６ｂと光学素子６０６のレーザビームの入射位置に配置したシリンドリカルレンズ６０７から構成され、シリンドリカルレンズ６０７以外の前記ミラーに挟まれた空間が中空である。この点で両者は異なる。光学素子６０６は、ミラー間の距離が２ｍｍ、ビーム軸方向の長さが２５０ｍｍで、シリンドリカルレンズ６０７は、第１面の曲率半径が−３８ｍｍ、第２面が平面、厚さが５ｍｍとする。光学素子６０６に入射したレーザビームは、シリンドリカルレンズ６０７によって長方形状のビームスポットの短辺方向に広げられ、光学素子６０６内を光学素子６０６の中心軸対称に反射しながら、射出口に至り、エネルギー分布が均一化される。

本実施例で示した光学系の光学シミュレーションを行い、長方形状のビームスポットを確認した。光学素子６０６の入射角が０度となるよう光学系を設定し、光学シミュレーションを行なった結果を図５（ａ）に示す。ここでいう入射角は図１６を用いて次のように定義される。なお、図１６はシリンドリカルレンズ４０５及び光学素子６０６の拡大図である。入射角とは、長方形状ビームスポットの短辺方向を含みかつ光学素子６０６の中心軸に平行な面内において、シリンドリカルレンズ４０５のレンズ頂点、光学素子の中心軸および入射側面との交点とを結ぶ線（図１６中点線で示す）と、光学素子６０６の中心軸（図１６中鎖線で示す）とがなす角θである。短辺方向に対するエネルギー分布は、図５（ａ）に示されるように均一な分布が得られた。次に、レーザビームの光学素子６０６への入射角が０．０８６度となるよう光学系を設定し、光学シミュレーションを行なったところ、図５（ｂ）のように均一な分布が得られた。一方、光学素子６０６の入射側面を平面とし、同様に入射角が０．０８６度となるよう光学系を設定し、光学シミュレーションを行なったところ、図５（ｃ）に示されるような不均一な分布のビームスポットが得られた。

また、レーザビームの光学素子６０６への入射角が０．１７度となるように光学系を設定し、入射側面の曲率半径が異なる光学素子６０６を用いて短辺方向における光学シミュレーションを行った結果を図１３、図１４および図１５に示す。図１３ａ）、ｂ）、図１４ａ）、ｂ）および図１５ａ）、ｂ）の曲率半径は、各々−３００、−１００、−５０、−３８、−２６、−２０ｍｍである。図１３ａ）およびｂ）では不均一なエネルギー分布であったのに対し、図１３ａ）−図１５ｂ）の曲率半径−５０から−２０ｍｍでは均一なエネルギー分布が得られた。しかしながら、図１５ｂ）の曲率半径−２０ｍｍの光学素子を通過したレーザは、次のシリンドリカルレンズ４０７の大きさ以上に拡大されており、シリンドリカルレンズ４０７に入射されたレーザのみが均一化されていた。これは、シリンドリカルレンズ４０７を大きく、もしくは光学素子６０６との距離を短くすることで解決できる。

以上のように、曲率半径−５０ｍｍ以下を有する光学素子を用いることで、ビーム軸に変化が起きても被照射面上のレーザのエネルギー分布を均一化することが可能である。

本実施例では、以上に記載した光学系とは別の光学系の例を挙げる。図７に本実施例で説明する光学系の例を示す。なお、本実施例で示すレンズは、ＸｅＣｌエキシマレーザに対して高い透過率とレーザ耐性をもつ合成石英製とする。

図７中、シリンドリカルレンズ７０７以外は、実施例２で図６に示した光学系と全く同じ光路を通る。レーザビームの入射側面に曲面形状を有し、レーザビームを均一化する光学素子７０６は、光学素子６０６同様に向い合う２つの反射面を有する。図６において、光学素子６０６に入射したレーザビームは、光学素子６０６中の入射位置付近に設置された凹型のシリンドリカルレンズ６０７によって、長方形状のビームスポットの短辺方向に広げられるのに対し、図７において、光学素子７０６に入射したレーザビームは、光学素子７０６中の入射位置付近に設置された凸型のシリンドリカルレンズ７０７によって、長方形状のビームスポットの短辺方向にいったん絞られた後に広げられる。この点で両者は異なる。光学素子７０６は、ミラー間の距離が２ｍｍ、光軸方向の長さが２５０ｍｍで、シリンドリカルレンズ７０７は、第１面の曲率半径が３８ｍｍ、第２面が平面、厚さが５ｍｍとする。光学素子７０６に入射したレーザビームは、シリンドリカルレンズ７０７によって長方形状のビームスポットの短辺方向にいったん絞られた後に広げられ、光学素子７０６内を光学素子７０６の中心軸対称に反射しながら、射出口に至り、エネルギー分布が均一化される。

図７に示した光学系により、被照射面７０９上に短辺方向の長さが０．４ｍｍ、長辺方向の長さが３２０ｍｍのエネルギー分布が均一な長方形状ビームスポットを形成することができる。

本実施例では、ライトパイプを長方形状のビームスポットの長辺方向の均一化に用いた光学系の例を挙げる。図８に本実施例で説明する光学系の例を示す。なお、本実施例で示すレンズ及びレーザビームの入射側面に曲面形状を有し、レーザビームを均一化するライトパイプは、ＸｅＣｌエキシマレーザに対して高い透過率とレーザ耐性をもつ合成石英製とする。以降、長辺方向、短辺方向とは、それぞれ被照射面８０８上に形成される長方形状のビームスポットの長辺方向、短辺方向と同じ方向とする。

まず、図８（ａ）の平面図に沿って説明する。ＸｅＣｌエキシマレーザ発振器８０１から出たレーザビームは図８中、矢印の方向に伝播され、第１面が曲率半径１９４．２５ｍｍ、第２面が平面、厚さ２０ｍｍのシリンドリカルレンズ８０２により、長辺方向にビームスポットを絞る。シリンドリカルレンズ８０２の後方４００ｍｍに配置された、ビームスポットのエネルギー分布を均一化する方向にレーザビームを反射する向かい合う２つの反射面および入射側面に曲率半径−５０ｍｍの円筒状の曲面形状を有するライトパイプ８０３に入射したレーザビームは、ライトパイプ８０３内で全反射を繰り返し射出口に至る。これにより、被照射面における長方形状のビームスポットの長辺方向のエネルギー分布が均一化される。なお、ここで曲率の方向は、長辺方向、つまりエネルギー分布を均一化する方向である。前記ライトパイプ８０３は光線の入射方向に長さ３００ｍｍ、全反射面間の距離が２ｍｍとする。

ライトパイプ８０３の２０ｍｍ後方に配置した第１面の曲率半径が９．７ｍｍ、第２面が平面、厚さ５ｍｍシリンドリカルレンズ８０４により、前記シリンドリカルレンズ８０４から後方３６００ｍｍに配置した被照射面８０８にライトパイプ８０３から射出される光線を集光する。つまり、ライトパイプ８０３の射出側面に形成されるエネルギー分布の均一な面をシリンドリカルレンズ８０４により、被照射面８０８に投影する。これにより、長方形状のビームスポットの長辺方向のエネルギー分布の均一化がなされ、長辺方向の長さが決定される。

次に、図８（ｂ）の側面図について説明する。レーザ発振器８０１から出たレーザビームは、シリンドリカルレンズアレイ８０５ａ及び８０５ｂにより、スポットが短辺方向に分割される。シリンドリカルレンズアレイ８０５ａは、第１面の曲率半径が２００ｍｍ、第２面が平面、厚さが５ｍｍ、短辺方向の幅が４ｍｍのシリンドリカルレンズを曲率方向に７個並べたもので、シリンドリカルレンズアレイ８０５ｂは、第１面が平面、第２面の曲率半径が１６０ｍｍ、厚さが５ｍｍ、短辺方向の幅が４ｍｍのシリンドリカルレンズを曲率方向に７個並べたものである。シリンドリカルレンズアレイ８０５ａ及び８０５ｂによって分割されたスポットは、第１面の曲率半径が４８６ｍｍ、第２面が平面、厚さが２０ｍｍシリンドリカルレンズ８０６によって集光され、シリンドリカルレンズ８０６から後方１０００ｍｍの位置に短辺方向の長さが２ｍｍのエネルギー分布の均一な面が形成される。

さらに、前記エネルギー分布の均一な面を、シリンドリカルレンズ８０６の後方１２５０ｍｍに配置したダブレットシリンドリカルレンズ８０７によって、ダブレットシリンドリカルレンズ８０７の後方２３０ｍｍにある被照射面８０８に投影する。これにより、長方形状のビームスポットの短辺方向のエネルギー分布の均一化がなされ、短辺方向の長さが決定される。ダブレットシリンドリカルレンズ８０７は、シリンドリカルレンズ８０７ａとシリンドリカルレンズ８０７ｂから構成される。シリンドリカルレンズ８０７ａは、第１面の曲率半径が１２５ｍｍ、第２面の曲率半径が７７ｍｍ、厚さ１０ｍｍのシリンドリカルレンズで、シリンドリカルレンズ８０７ｂは、第１面の曲率半径が９７ｍｍ、第２面の曲率半径が−２００ｍｍ、厚さ２０ｍｍのシリンドリカルレンズで、シリンドリカルレンズ８０７ａとシリンドリカルレンズ８０７ｂとの間隔は５．５ｍｍである。

図８に示した光学系により、被照射面８０８上に短辺方向の長さが０．４ｍｍ、長辺方向の長さが３２０ｍｍのエネルギー分布が均一な長方形状ビームスポットを形成することができる。

本実施例では、以上で記載した光学系とは別の光学系の例を挙げる。図１７に本実施例で説明する光学系の例を示す。なお、本実施例で示すレンズは、ＸｅＣｌエキシマレーザに対して高い透過率とレーザ耐性をもつ合成石英製とする。

図１７中、レーザビームの入射側面に曲面形状を有し、レーザビームを均一化する光学素子１５０３以外は、実施例４で図８に示した光学系と全く同じ光路を通る。光学素子１５０３は、ライトパイプ８０３と同様に向い合う２つの反射面を有する。図４においてレーザビームは、入射側面に曲面形状を有し、媒質がＸｅＣｌエキシマレーザに対し屈折率が約１．４８６である合成石英であるライトパイプ４０６の媒質中を伝播し、全反射を繰り返し射出口に至るのに対し、図８に示す光学素子１５０３は、反射面が向い合う２つのミラー１５０３ａ及び１５０３ｂと光学素子１５０３のレーザビームの入射位置に配置したシリンドリカルレンズ１５０４から構成され、シリンドリカルレンズ１５０４以外の前記ミラーに挟まれた空間が中空である。この点で両者は異なる。光学素子１５０３は、ミラー間の距離が２ｍｍ、ビーム軸方向の長さが３００ｍｍで、シリンドリカルレンズ１５０４は、第１面の曲率半径が−５０ｍｍ、第２面が平面、厚さが５ｍｍとする。光学素子１５０３に入射したレーザビームは、シリンドリカルレンズ１５０４によって長方形状のビームスポットの長辺方向に広げられ、光学素子１５０３内を光学素子１５０３の中心軸対称に反射しながら、射出口に至り、エネルギー分布が均一化される。

図１７に示した光学系により、被照射面８０８上に短辺方向の長さが０．４ｍｍ、長辺方向の長さが３２０ｍｍのエネルギー分布が均一な長方形状ビームスポットを形成することができる。図９に、図１７に示した光学系で形成された長方形状のビームスポットの長辺方向のエネルギー分布を示す。

本実施例では、ライトパイプを長方形状のビームスポットの短辺方向と長辺方向の均一化に用いた光学系の例を挙げる。図１０に本実施例で説明する光学系の例を示す。なお、本実施例で示すレンズ及びレーザビームの入射側面に曲面形状を有し、レーザビームを均一化するライトパイプは、ＸｅＣｌエキシマレーザに対して高い透過率とレーザ耐性をもつ合成石英製とする。以降、長辺方向、短辺方向とは、それぞれ被照射面１００８上に形成される長方形状のビームスポットの長辺方向、短辺方向と同じ方向とする。

まず、図１０（ａ）の平面図に沿って説明する。ＸｅＣｌエキシマレーザ発振器１００１から出たレーザビームは図１０中、矢印の方向に伝播される。第１面が曲率半径１９４．２５ｍｍ、第２面が平面、厚さ２０ｍｍ、のシリンドリカルレンズ１００２により、長辺方向にビームスポットを絞る。シリンドリカルレンズ１００２の後方４００ｍｍに配置された、ビームスポットのエネルギー分布を均一化する方向にレーザビームを反射する向かい合う２つの反射面および入射側面に曲率半径−３８ｍｍの円筒状の曲面形状を有するライトパイプ１００３に入射したレーザビームは、ライトパイプ１００３内で全反射を繰り返し射出口に至る。これにより、被照射面における長方形状のビームスポットの長辺方向のエネルギー分布が均一化される。なお、ここで曲率の方向は、長辺方向、つまりエネルギー分布を均一化する方向である。前記ライトパイプ１００３は光線の入射方向に長さ３００ｍｍ、全反射面間の距離が２ｍｍとする。

ライトパイプ１００３の２０ｍｍ後方に配置した第１面の曲率半径が９．７ｍｍ、第２面が平面、厚さ５ｍｍシリンドリカルレンズ１００４により、前記シリンドリカルレンズ１００４から後方３６００ｍｍに配置した被照射面１００８にライトパイプ１００３から射出される光線を集光する。つまり、ライトパイプ１００３の射出側面に形成されるエネルギー分布の均一な面をシリンドリカルレンズ１００４により、被照射面１００８に投影する。これにより、長方形状のビームスポットの長辺方向のエネルギー分布の均一化がなされ、長辺方向の長さが決定される。

次に、図１０（ｂ）の側面図について説明する。ＸｅＣｌエキシマレーザ発振器１００１から発せられたレーザビームを、第１面が曲率半径４８６ｍｍ、厚さ２０ｍｍ、第２面が平面のシリンドリカルレンズ１００５により、短辺方向にビームスポットを絞る。シリンドリカルレンズ１００５の後方１０００ｍｍに配置された、ビームスポットのエネルギー分布を均一化する方向にレーザビームを反射する向かい合う２つの反射面および入射側面に曲率半径−３８ｍｍの円筒状の曲面形状を有するライトパイプ１００６に入射したレーザビームは、ライトパイプ１００６内で全反射を繰り返し射出口に至る。これにより、被照射面における長方形状のビームスポットの短辺方向のエネルギー分布が均一化される。なお、ここで曲率の方向は、短辺方向、つまりエネルギー分布を均一化する方向である。前記ライトパイプ１００６は光線の入射方向に長さ２５０ｍｍ、全反射面間の距離が２ｍｍとする。

なお、本実施例においては、ライトパイプ１００３及び１００６は媒質である合成石英の波長３０８ｎｍの光に対する屈折率が約１．４８６と外気である空気（屈折率は約１）より大きく、光線が臨界角以上の角度でライトパイプ１００３及び１００６に入射するため、反射面において光線は全反射する。つまり、このときはライトパイプの光線の透過率は全反射しない場合と比べて高くなる。従って、より高効率で光源であるレーザ発振器１００１からの光線を被照射面１００８に集光することができる。

ライトパイプ１００６の１２５０ｍｍ後方に配置した第１面の曲率半径が９７ｍｍ、第２面が平面、厚さ３０ｍｍシリンドリカルレンズ１００７により、前記シリンドリカルレンズ１００７から後方２００ｍｍに配置した被照射面１００８にライトパイプ１００６から射出される光線を集光する。つまり、ライトパイプ１００６の射出側面に形成されるエネルギー分布の均一な面をシリンドリカルレンズ１００７により、被照射面１００８に投影する。これにより、長方形状のビームスポットの短辺方向のエネルギー分布の均一化がなされ、短辺方向の長さが決定される。

以上に示した光学系によって、長辺方向の長さが３２０ｍｍ、短辺方向の長さが０．４ｍｍのエネルギー分布が均一な長方形状のビームスポットを形成することができる。

本発明の手段を説明する図。本発明の手段を説明する図。本発明が開示するビームホモジナイザの例を示す図。本発明が開示するビームホモジナイザの例を示す図。ビームスポットのエネルギー分布を示す図。本発明が開示するビームホモジナイザの例を示す図。本発明が開示するビームホモジナイザの例を示す図。本発明が開示するビームホモジナイザの例を示す図。ビームスポットのエネルギー分布を示す図。本発明が開示するビームホモジナイザの例を示す図。光学素子によるエネルギー分布の均一化を説明する図。背景技術を説明する図。ビームスポットのエネルギー分布を示す図。ビームスポットのエネルギー分布を示す図。ビームスポットのエネルギー分布を示す図。入射角を説明する図。本発明が開示するビームホモジナイザの例を示す図。

Claims

被照射面においてビームスポットの長方形状の長辺方向または短辺方向のエネルギー分布を均一化する光学素子を有し、
前記光学素子は前記エネルギー分布を均一化する方向にレーザビームを反射する向い合う二つの反射面および前記レーザビームの入射側面に曲面形状を有することを特徴とするビームホモジナイザ。
被照射面においてビームスポットの長方形状の長辺方向または短辺方向のエネルギー分布を均一化する光学素子と、
前記光学素子により形成されるエネルギー分布の均一な面を前記被照射面に投影する一つもしくは複数のシリンドリカルレンズとを有し、
前記光学素子は前記エネルギー分布を均一化する方向にレーザビームを反射する向い合う二つの反射面および前記レーザビームの入射側面に曲面形状を有することを特徴とするビームホモジナイザ。
請求項１または２において、前記光学素子はライトパイプであることを特徴とするビームホモジナイザ。
請求項１または２において、前記光学素子は光導波路であることを特徴とするビームホモジナイザ。
請求項１乃至４のいずれか一項において、前記曲面形状はシリンドリカル面であることを特徴とするビームホモジナイザ。
請求項１乃至５のいずれか一項において、前記曲面形状は、前記光学素子が作用する方向に曲率をもつことを特徴とするビームホモジナイザ。
請求項１乃至６のいずれか一項において、前記長方形状のビームスポットのアスペクト比は１０以上であることを特徴とするビームホモジナイザ。
請求項１乃至６のいずれか一項において、前記長方形状のビームスポットのアスペクト比は１００以上であることを特徴とするビームホモジナイザ。
レーザ発振器と、
被照射面において長方形状のビームスポットの長辺方向または短辺方向のエネルギー分布を均一化する光学素子とを有し、
前記光学素子は前記エネルギー分布を均一化する方向にレーザビームを反射する向い合う二つの反射面および前記レーザビームの入射側面に曲面形状を有することを特徴とするレーザ照射装置。
レーザ発振器と、
被照射面において長方形状のビームスポットの長辺方向または短辺方向のエネルギー分布を均一化する光学素子と、
前記光学素子により形成されるエネルギー分布の均一な面を前記被照射面に投影する一つもしくは複数のシリンドリカルレンズとを有し、
前記光学素子は前記エネルギー分布を均一化する方向にレーザビームを反射する向い合う二つの反射面および前記レーザビームの入射側面に曲面形状を有することを特徴とするレーザ照射装置。
請求項９または１０において、前記光学素子はライトパイプであることを特徴とするレーザ照射装置。
請求項９又は１０において、前記光学素子は光導波路であることを特徴とするレーザ照射装置。
請求項９乃至１２のいずれか一項において、前記曲面形状はシリンドリカル面であることを特徴とするレーザ照射装置。
請求項９乃至１３のいずれか一項において、前記曲面形状は、前記光学素子が作用する方向に曲率を持つことを特徴とするレーザ照射装置。
請求項９乃至１４のいずれか一項において、前記長方形状のビームスポットのアスペクト比は１０以上であることを特徴とするレーザ照射装置。
請求項９乃至１４のいずれか一項において、前記長方形状のビームスポットのアスペクト比は１００以上であることを特徴とするレーザ照射装置。
請求項９乃至１６のいずれか一項において、前記レーザ発振器は、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、ガラスレーザ、ＹＶＯ₄レーザ、ＹＬＦレーザ、Ａｒレーザ、ＧｄＶＯ₄レーザのいずれかであることを特徴とするレーザ照射装置。
請求項９乃至１７のいずれか一項において、前記被照射面を有する被照射体をビームスポットに対し相対的に移動させる走査ステージを有することを特徴とするレーザ照射装置。
請求項１８において、前記被照射面を有する被照射体を前記走査ステージに運搬する自動搬送装置を有することを特徴とするレーザ照射装置。
基板上に非単結晶半導体膜を形成する工程と、
レーザ発振器で発振したレーザビームを、前記非単結晶半導体膜を被照射面として、前記照射面において長方形状のビームスポットの長辺方向または短辺方向に前記レーザビームのエネルギー分布を均一化する光学素子を有する光学系を用いて前記被照射面に長方形状のビームスポットに整形して、前記ビームスポットの位置を移動させながら前記非単結晶半導体膜をレーザアニールする工程とを有し、
前記光学素子は前記エネルギー分布を均一化する方向にレーザビームを反射する向い合う二つの反射面および光学素子は前記レーザビームの入射側面に曲面形状を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
基板上に非単結晶半導体膜を形成する工程と、
レーザ発振器で発振したレーザビームを、前記非単結晶半導体膜を被照射面として、照射面において長方形状のビームスポットの長辺方向または短辺方向に前記レーザビームのエネルギー分布を均一化する光学素子と前記光学素子により形成されるエネルギー分布の均一な面を前記被照射面に投影する一つまたは複数のシリンドリカルレンズとを有する光学系を用いて前記被照射面において長方形状のビームスポットに整形して、前記ビームスポットの位置を移動させながら前記非単結晶半導体膜をレーザアニールする工程とを有し、
前記光学素子は前記エネルギー分布を均一化する方向にレーザビームを反射する向い合う二つの反射面および前記レーザビームの入射側面に曲面形状を有することを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項２０又は２１において、前記光学素子はライトパイプであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項２０又は２１において、前記光学素子は光導波路であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項２０乃至２３のいずれか一項において、前記曲面形状はシリンドリカル面であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項２０乃至２４のいずれか一項において、前記曲面形状は前記光学素子が作用する方向に曲率をもつことを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項２０乃至２５のいずれか一項において、前記長方形状のビームスポットのアスペクト比は１０以上であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項２０乃至２５のいずれか一項において、前記長方形状のビームスポットのアスペクト比は１００以上であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項２０乃至２７のいずれか一項において、前記レーザ発振器は、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、ガラスレーザ、ＹＶＯ₄レーザ、ＹＬＦレーザ、Ａｒレーザ、ＧｄＶＯ₄レーザのいずれかであることを特徴とする半導体装置の作製方法。