JP2005217267A

JP2005217267A - レーザ照射装置

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Publication number: JP2005217267A
Application number: JP2004023344A
Authority: JP
Inventors: Shiro Hamada; 史郎浜田; Sachi Hachiwaka; 佐知八若
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2024-01-30
Also published as: JP4610201B2

Abstract

【課題】レーザ光源から出射したレーザ光の干渉性が高くても、光強度分布の均一化が良好に行われるレーザ照射装置を提供する。
【解決手段】レーザ照射装置は、加工対象物を保持する保持台と、連続波レーザ光を出射する第１のレーザ光源と、連続波レーザ光を出射する第２のレーザ光源と、前記第１及び第２のレーザ光源を出射したレーザ光が入射する回折光学素子であって、該回折光学素子に入射したレーザ光のビーム断面を、該回折光学素子の結像面において、一方向に長い形状にする整形、及び、該回折光学素子から出射したレーザ光の該結像面でのビーム断面内の光強度分布を、該回折光学素子に入射するレーザ光のビーム断面内の光強度分布より均一な分布に近づける光強度分布の均一化の少なくとも一方を行う該回折光学素子とを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ照射装置に関し、特に、複数のレーザ光源から出射されたレーザ光を加工対象物に照射することができるレーザ照射装置に関する。

表面に非晶質シリコン膜が形成された基板に、レーザ光の照射を断続的に繰り返し、非晶質シリコン膜を多結晶化するレーザアニールが行われている。レーザ照射により非晶質シリコン膜が一時的に溶融して、多結晶化が行われる。なお、表面に多結晶シリコン膜が形成された基板に、レーザ光の照射を断続的に繰り返し、結晶粒をさらに成長させることもできる。多結晶シリコン膜が形成された基板は、例えばアクティブマトリクス型液晶表示装置に用いられる。

断面が一方向に細長い長尺形状にされ、断面内の光強度分布が長尺方向について均一化されたレーザ光を、基板表面上でビーム断面の長尺方向に直交する方向に走査しながら、基板に照射するレーザアニール技術が知られている。このような走査を一度行っただけでは被加工面全体にレーザが照射されない場合は、その走査の終了後、レーザ未照射領域にレーザを照射できるように、基板をビーム断面の長尺方向に移動させ、再びビーム断面の長尺方向と直交する方向へのビーム走査を行い、一度目の走査でレーザが照射された領域と接する領域にビーム照射を行う。このような走査を必要な回数繰り返すことにより、被加工面全体へのレーザ照射が行われる。しかし、各回の走査でレーザが照射された領域同士の境界では、多結晶シリコン膜の品質を高めることが難しい。

基板上のビーム断面の長尺方向の長さが長いほど、被加工面全体にレーザ照射を行うために必要なレーザ光の走査回数を減らすことができる（上記のような境界の数を減らすことができる）ので好ましい。ただし、アニール処理を行うために、ビーム断面内のパワー密度は閾値以上としなくてはならない。被加工面に照射されるレーザ光のパワーを高めれば、ビーム断面をより長くすることができる。

被加工面に照射されるレーザ光の断面内の光強度分布の均一化のために、例えば、アレイレンズを用いたビームホモジナイザが用いられる。このビームホモジナイザは、入射したレーザ光を、アレイレンズによりビーム断面内で複数のビームに分割し、分割された各ビームを、フォーカスレンズで拡大して互いに重ね合わせることにより、ホモジナイズ面におけるビームの断面内の光強度分布を均一化する。例えば、特許文献１に開示されたレーザ照射装置では、エキシマレーザ光源の出射するパルスレーザ光の光強度分布を均一化するために、このようなビームホモジナイザが用いられている。

なお、特許文献２には、光強度分布を均一化する他の装置として、回折光学素子（DOE、Diffractive Optical Element）を含むレーザ照射装置が記載されている。このレーザ照射装置では、以下のようにして、光強度分布の均一化を行っている。回折光学素子により、入射したビームを複数のビームに分岐させ、分岐した各ビームを、集光レンズで集光する。回折光学素子で分岐された各ビームのビームスポットは、集光レンズの焦点面上では離散的に配置される。集光レンズの焦点から外れたデフォーカス面に像面が設置される。デフォーカス面において、回折光学素子で分岐された各ビームが互いに重なり合うことにより、デフォーカス面における光強度分布の均一化が図られる。

特許文献３には、４台の固体レーザ光源を有し、これらのレーザ光源から出射されたレーザ光を空間的に重ね合わせて、被加工面に照射されるレーザ光のパワーを高めることができるレーザ照射装置が記載されている。以下、この装置についてさらに説明する。

第１及び第２のレーザ光源から出射したレーザ光が、その偏光面が互いに直交するように調整された後、第１の偏光ビームスプリッタで同一光軸上に重畳される。第３及び第４のレーザ光源から出射したレーザ光が、その偏光面が互いに直交するように調整された後、第２の偏光ビームスプリッタで同一光軸上に重畳される。第１及び第２の偏光ビームスプリッタから出射した２本のレーザ光が、互いに近接して、平行に進行する。

両レーザ光が、テレスコープ光学系に入射してビーム径を拡大されることにより、両レーザ光の断面が互いにほぼ重なり合う。このようにして空間的に重ね合わされたレーザ光が、アレイレンズを用いたビームホモジナイザに入射して、断面内の光強度分布が均一化される。ビームホモジナイザから出射したレーザ光が、被加工面に照射される。

特開平９−３６０６０号公報特開２００３−１１４４００号公報特開２００２−１７６００６号公報

アレイレンズを用いたビームホモジナイザは、干渉性が高いレーザ光（例えば、ＹＡＧレーザ等の固体レーザ光源の発するレーザ光）に対しては、良好に機能しない。ビームホモジナイザに入射して、ビーム断面内で分割されたレーザ光同士が、互いに干渉することに起因して、ホモジナイズ面上のビーム断面内で、光強度分布の強弱のパタンができてしまう。

特許文献３に記載されたレーザ照射装置は、レーザ光を空間的に重ね合わせるためにテレスコープ光学系を必要とし、光強度分布を均一化するためにビームホモジナイザを必要とする。より簡単な構成で、複数台のレーザ光源から出射したレーザ光を空間的に重ね合わせることができ（つまり、複数台のレーザ光源から出射したレーザ光を被加工面上の同一領域に照射することができ）、ビーム断面内の光強度分布の均一化を行うことができるレーザ照射装置があれば、光学系の調整の容易性の観点等から好ましい。なお、特許文献３に記載されたレーザ照射装置では、固体レーザ光源から出射したレーザ光の光強度分布を、アレイレンズを用いたビームホモジナイザで均一化しているので、上述したような問題が生じ得る。

本発明の一目的は、レーザ光源から出射したレーザ光の干渉性が高くても、光強度分布の均一化が良好に行われるレーザ照射装置を提供することである。

本発明の他の目的は、新規な構成によりビーム断面内の光強度分布の均一化を行うことができるレーザ照射装置を提供することである。

本発明の他の目的は、簡単な構成で、複数台のレーザ光源から出射したレーザ光を、被加工面上の同一領域に照射することができ、被加工面上のビーム断面内の光強度分布の均一化を行うことができるレーザ照射装置を提供することである。

本発明の他の目的は、新規な構成により、複数台のレーザ光源から出射したレーザ光を、被加工面上の同一領域に照射することができるレーザ照射装置を提供することである。

本発明の一観点によれば、加工対象物を保持する保持台と、連続波レーザ光を出射する第１のレーザ光源と、連続波レーザ光を出射する第２のレーザ光源と、前記第１及び第２のレーザ光源を出射したレーザ光が入射する回折光学素子であって、該回折光学素子に入射したレーザ光のビーム断面を、該回折光学素子の結像面において、一方向に長い形状にする整形、及び、該回折光学素子から出射したレーザ光の該結像面でのビーム断面内の光強度分布を、該回折光学素子に入射するレーザ光のビーム断面内の光強度分布より均一な分布に近づける光強度分布の均一化の少なくとも一方を行う該回折光学素子とを有するレーザ照射装置が提供される。

回折光学素子がビーム断面の整形を行うとき、第１及び第２のレーザ光源から出射したレーザ光の双方の断面が整形され、両レーザ光が結像面上の共通の領域を照射する。これにより、光照射領域内のパワーを高めることができる。回折光学素子が光強度分布の均一化を行うとき、レーザ光源の干渉性が高くても、光強度分布の均一化が良好に行われる。

まず、本発明の実施例によるレーザ照射装置に用いられる回折光学素子について説明する。この回折光学素子は、石英などの基板に、フォトエッチング工程を用いて微細な段差（１〜数種類の深さを有する凹部）からなる所定のパタンを形成することにより、作製できる。回折光学素子に入射したレーザ光が、この微細な段差パタンにより回折され、以下に説明するように伝搬する。

回折光学素子へ入射するレーザ光の進行方向に平行なＺ軸を有するＸＹＺ直交座標系を考える。入射するレーザ光の断面は例えば円形であり、断面内の光強度分布は例えばガウス分布である。回折光学素子上の段差パタン内の様々な位置で回折されたレーザ光が、Ｘ軸方向については拡がらないように、Ｙ軸方向については拡がるように、Ｚ軸方向に伝搬して、回折光学素子から所定距離だけ離れた仮想的な面（これを、結像面と呼ぶ）上の、Ｙ軸方向に細長くＸ軸方向に狭い光照射領域で重なる。この光照射領域の内部が、光照射領域の長尺方向についてほぼ均一な光強度で照射される。このようにして、結像面において、レーザ光の断面形状が長尺に整形され、ビーム断面内の光強度分布が長尺方向について均一化される。

ところで、回折光学素子は、１台のレーザ光源から出射するレーザ光を入射させて用いるように設計されている。このため、１つの回折光学素子に、２台以上のレーザ光源から出射したレーザ光を同時に入射させて利用することは想定されておらず、このような利用が可能であるかどうかは知られていなかった。光の屈折や反射を用いたレンズやミラー等の光学系であれば、入射光に対する出射光の挙動を、比較的容易に理解することが可能である。しかし、回折光学素子は、光の回折を利用した光学素子であり、入射光に対する出射光の挙動を理解することは容易ではない。

１つの回折光学素子に、２台以上のレーザ光源から出射したレーザ光を同時に入射させるような想定外の使い方をすれば、両レーザ光が互いに想定外の干渉を起こし、回折光学素子が所望の機能を果たさないことが考えられる。

次に、図１及び図２を参照して、１つの回折光学素子に、２台のレーザ光源から出射したレーザ光を同時に入射させた実験について説明する。図１（Ａ）及び図１（Ｂ）は、実験に用いた２種の光学系を示す概略図である。まず図１（Ａ）に対応する実験について説明する。

レーザ光源３１ａ及び３１ｂは、第２高調波（波長５３２ｎｍ）の連続波レーザ光を出射するＹＡＧレーザである。ＹＡＧレーザ光源から出射するレーザ光の干渉性は高い。レーザ光源３１ａを出射したレーザ光が、半波長板３２で偏光面を回転され、偏光ビームスプリッタ３４に対するＳ偏光にされる。半波長板３２を出射したレーザ光は、折り返しミラー３３で反射されて、偏光ビームスプリッタ３４に入射する。レーザ光源３１ｂが、偏光ビームスプリッタ３４に対するＰ偏光を出射し、このＰ偏光が偏光ビームスプリッタ３４に入射する。

偏光ビームスプリッタ３４が、入射したＳ偏光を反射させ、入射したＰ偏光を透過させることにより、偏光ビームスプリッタ３４を出射した両レーザ光が、同一光軸上に重畳される。同一光軸上に重畳されたレーザ光が、ビーム径を拡大するビームエキスパンダ３５に入射する。

ビームエキスパンダ３５を出射したレーザ光が、回折光学素子３６に入射する。回折光学素子３６の結像面３６ａにおけるビーム断面が、結像レンズ３７により、結像面３７ａに縮小投影される。結像面３７ａ上の像の光強度分布（これは、回折光学素子３６の結像面３６ａにおけるビーム断面の光強度分布に対応する）を、対物レンズ３８を通して、ビームプロファイラ３９で観察する。

図２（Ａ）のグラフに、観察された光強度分布を示す。横軸がビーム断面の長尺方向の位置に対応する相対位置を示し、縦軸が相対光強度（任意単位で示した光強度）を示す。なお、光強度は、ビーム断面の短尺方向（ビーム断面の幅方向）について積算した値である。

グラフＬ１が、図１（Ａ）のレーザ光源３１ａのみから出射したレーザ光を回折光学素子３６に入射させた場合の光強度分布を示す。グラフＬ２が、レーザ光源３１ｂのみから出射したレーザ光を回折光学素子３６に入射させた場合の光強度分布を示す。グラフＬａが、レーザ光源３１ａ及び３１ｂから出射したレーザ光を、同時に回折光学素子３６に入射させた場合の光強度分布を示す。グラフＬｂが、グラフＬ１及びＬ２の値を加算した（計算上の）光強度分布を示す。

グラフＬ１及びＬ２からわかるように、１台のレーザ光源から出射したレーザ光を回折光学素子３６に入射させた場合、ビーム断面の長尺方向について、光強度は、両端で高く、両端から内部に向かって低下し、両端を除く内部でほぼ均一となる。グラフＬａからわかるように、２台のレーザ光源のレーザ光を同時に入射させた場合も、ビーム断面の長尺方向について、光強度は、両端で高く、両端から内部に向かって低下し、両端を除く内部でほぼ均一となる。この実験より、２台のレーザ光源から出射したレーザ光を、同時に回折光学素子に入射させた場合でも、ビーム断面の長尺化と、ビーム断面内の光強度分布の均一化とが行えることがわかった。

グラフＬａは、グラフＬ１及びＬ２の光強度の和であるグラフＬｂとほぼ一致する。これは、２台のレーザ光源から出射したレーザ光を同時に回折光学素子に入射させたとき、各々のレーザ光源が出射したレーザ光のパワーを、ほとんどロスなく合算できることを示す。

図１（Ｂ）に示す光学系では、レーザ光源３１ａ及び３１ｂから出射したレーザ光の光軸が、偏光ビームスプリッタ３４により、平行にされる。両レーザ光の光軸が一致していない点が、図１（Ａ）の光学系と異なる。

図１（Ｃ）は、回折光学素子３６のビーム入射面を示す正面図である。偏光ビームスプリッタ３４から出射した２本のレーザ光の光軸が一致しないので、回折光学素子３６上の２つのビーム断面ＬＢａ及びＬＢｂの位置が互いに異なる。この場合、２本のレーザ光の光軸が一致する場合と比べて、回折光学素子３６上のビーム断面の総面積が広がる。そのため、図に斜線部で示すように、ビーム断面の縁の光が、回折光学素子３６のビーム入射面からはみ出すことが起こる。

図１（Ｂ）に示すように、ビームエキスパンダ３５と回折光学素子３６との間に、アパーチャ４０を配置すれば、アパーチャ４０に入射したビームの断面の縁が遮光されて、回折光学素子３６に入射するレーザ光の断面を小さくすることができる。これにより、回折光学素子３６のビーム入射面内にビーム断面が収まるようにできる。図１（Ｂ）の光学系に関して、アパーチャ４０を配置しない場合と配置した場合の２つの実験を行った。

図２（Ｂ）のグラフが、アパーチャ４０を配置しない場合の結果を示す。グラフＬ１が、図１（Ｂ）のレーザ光源３１ａのみから出射したレーザ光を回折光学素子３６に入射させた場合の光強度分布を示す。グラフＬ２が、レーザ光源３１ｂのみから出射したレーザ光を回折光学素子３６に入射させた場合の光強度分布を示す。グラフＬａが、レーザ光源３１ａ及び３１ｂから出射したレーザ光を、同時に回折光学素子３６に入射させた場合の光強度分布を示す。グラフＬｂが、グラフＬ１及びＬ２の値を加算した（計算上の）光強度分布を示す。

グラフＬ１及びＬ２からわかるように、１台のレーザ光源から出射したレーザ光を回折光学素子３６に入射させた場合、ビーム断面の長尺方向について、光強度は、一端で高く、一端から内部に向かって低下し、他端に至るまでほぼ均一となる。グラフＬ１及びＬ２とで、互いに反対側の端の光強度が高くなっている。グラフＬａからわかるように、２台のレーザ光源のレーザ光を同時に入射させた場合は、ビーム断面の長尺方向について、光強度は、両端で高く、両端から内部に向かって低下し、両端を除く内部でほぼ均一となる。この実験より、平行な２本のレーザ光を、同時に回折光学素子に入射させた場合に、ビーム断面の長尺化と、ビーム断面内の光強度分布の均一化とが行えることがわかった。

この実験で、回折光学素子３６のビーム入射面に入射する２本のレーザ光のビーム断面は、互いに一致しない。しかし、回折光学素子３６の結像面３６ａにおいて、２本のレーザ光のビーム断面は一致する。つまり、回折光学素子３６により、２本のレーザ光が、共通の領域を照射する。この実験により、回折光学素子を、２本のレーザ光の合成に利用できることがわかった。なお、３本以上のレーザ光を入射させる場合であっても、回折光学素子により、共通の領域を照射するように合成することができるであろう。

図２（Ｃ）のグラフが、アパーチャ４０を配置した場合の結果を示す。グラフＬ１が、図１（Ｂ）のレーザ光源３１ａのみから出射したレーザ光を回折光学素子３６に入射させた場合の光強度分布を示す。グラフＬ２が、レーザ光源３１ｂのみから出射したレーザ光を回折光学素子３６に入射させた場合の光強度分布を示す。グラフＬａが、レーザ光源３１ａ及び３１ｂから出射したレーザ光を、同時に回折光学素子３６に入射させた場合の光強度分布を示す。グラフＬｂが、グラフＬ１及びＬ２の値を加算した（計算上の）光強度分布を示す。

図２（Ｃ）のグラフは、図２（Ｂ）のグラフの長尺方向の両端を除く部分に対応している。回折光学素子７の手前に（レーザ光源側に）アパーチャ４０を配置することにより、端部の光強度が高い部分が少ないように、光強度の均一化を行うことができる。

アパーチャ４０が配置されないとき、図１（Ｃ）を参照して説明したように、回折光学素子３６に入射するレーザ光の断面の縁の光が、回折光学素子３６のビーム入射面からはみ出す場合がある。その光がそのまま進行し、回折光学素子３６で整形されたレーザ光と混ざってしまう。アパーチャ４０を配置することにより、このような問題を防げる。

次に、図３を参照して、本発明の実施例によるレーザ照射装置について説明する。このレーザ照射装置は、例えば、非晶質または多結晶のシリコン膜が表面に形成された基板のアニール処理に用いることができる。

このレーザ照射装置は、連続波レーザ光を出射する４台のレーザ光源１ａ〜１ｄを有する。アニール処理を行うとき、連続波レーザ光の波長は、非晶質及び多結晶シリコン膜により吸収される波長、即ち紫外波長から可視波長であることが望ましい。このようなレーザ光として、例えば、ＡｒレーザまたはＫｒレーザの基本波または第２高調波、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの第２高調波または第３高調波を用いることができる。出力の大きさ及び安定性を考慮すると、ＬＤ（レーザダイオード）励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザや、ＬＤ励起Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザの第２高調波を用いることが望ましい。Ｎｄ：ＹＡＧレーザ及びＮｄ：ＹＶＯ_４レーザの第２高調波の波長は５３２ｎｍである。

レーザ光源１ａ及び１ｂ、半波長板２５ａ、折り返しミラー２６ａ、及び、偏光ビームスプリッタ２７ａが、それぞれ、図１（Ａ）に示すレーザ光源３１ａ及び３１ｂ、半波長板３２、折り返しミラー３３、及び、偏光ビームスプリッタ３４と同様に機能する。レーザ光源１ａ及び１ｂから出射したレーザ光が、偏光ビームスプリッタ２７ａで同一光軸上に重畳される。偏光ビームスプリッタ２７ａで同一光軸上に重畳されたレーザ光ＬＢ１が、折り返しミラー２８ａ及び２８ｂで反射され、シャッタ２に入射する。

レーザ光源１ｄ及び１ｃ、半波長板２５ｂ、折り返しミラー２６ｂ、及び、偏光ビームスプリッタ２７ｂが、それぞれ、図１（Ａ）に示すレーザ光源３１ａ及び３１ｂ、半波長板３２、折り返しミラー３３、及び、偏光ビームスプリッタ３４と同様に機能する。レーザ光源１ｃ及び１ｄから出射したレーザ光が、偏光ビームスプリッタ２７ｂで同一光軸上に重畳される。偏光ビームスプリッタ２７ｂで同一光軸上に重畳されたレーザ光ＬＢ２が、シャッタ２に入射する。シャッタ２に入射するレーザ光ＬＢ１及びＬＢ２の光軸は、互いに平行である。

シャッタ２は、レーザ光源１ａ〜１ｄからＮＤフィルタ３までの光路中に配置されており、レーザ光がＮＤフィルタ３に入射する状態と、入射しない状態とを切り換える。ＮＤフィルタ３は、その透過率を連続的に変化させることにより、レーザ光のパワーを変化させる。なお、シャッタ２を配置しなくとも、ＮＤフィルタ３にレーザ光を入射させるかどうかは、レーザ光源１ａ〜１ｄの出力を変化させることによって制御できる。しかし、そうすると、各レーザ光源の出力の安定性を確保することが難しくなる。そのため、シャッタ２を配置することが望ましい。

ＮＤフィルタ３を透過したレーザ光は、ＮＤフィルタ３から折り返しミラー５までの光路上に配置されたシャッタ４に入射する。シャッタ４は、レーザ光が折り返しミラー５に入射する状態と、入射しない状態とを切り換える。シャッタ４は、例えば、音響光学変調器及びダンパを含んで構成される。音響光学変調器は、所定の高周波信号が印加されることにより、それに入射したレーザ光を偏向させることができる。高周波信号が印加されないとき、レーザ光は偏向されない。音響光学変調器で偏向されたレーザ光及び偏向されなかったレーザ光の一方が、折り返しミラー５に入射するようにし、他方がダンパに入射するようにする。シャッタ４へ印加する信号を制御することにより、連続波レーザ光から、所望のタイミングで、所望の照射時間幅（パルス幅）を有するレーザ光を切り取って、加工対象物に照射することができる。

シャッタ４を出射して折り返しミラー５で反射されたレーザ光ＬＢ１及びＬＢ２は、ビームエキスパンダ（またはビームリデューサ）６でビーム断面の大きさを調整され、アパーチャ２９を透過する。アパーチャ２９は、遮光領域と、遮光領域中に形成された開口とを有し、回折光学素子７に入射するレーザ光のビーム断面を開口に対応した形状及び大きさにする。アパーチャ２９を出射したレーザ光が、回折光学素子７に入射する。両レーザ光の光軸が平行であるので、回折光学素子７上のレーザ光ＬＢ１及びＬＢ２の入射位置が、互いに異なる。回折光学素子７が、結像面７ａにおいて、レーザ光の断面を長尺に整形し、ビーム断面内の長尺方向の光強度分布を均一化する。４台のレーザ光源１ａ〜１ｄから出射して回折光学素子７を透過したレーザ光が、結像面７ａ上の同一領域を照射する。

回折光学素子７の結像面７ａ上に、スリット８が配置される。スリット８は、遮光領域と、その内部に形成された矩形形状の開口とを有している。図２（Ｂ）のグラフを参照して説明したように、回折光学素子７で整形したビーム断面内の長尺方向の光強度分布は、均一化されているものの、両端で高くなる不均一さを有する。スリット８により、ビーム断面の長尺方向の両端の部分（光強度分布の均一性が低い部分）を遮光し、ビーム断面の長さ方向の両端を除く内部（光強度分布の均一性が高い部分）のみを透過させることができる。なお、必要に応じて、ビーム断面の短尺方向についても、ビーム断面の両端の部分を遮光し、両端以外の内部を透過させることができる。

スリット８の開口を透過したレーザ光は、結像レンズ１０で収束されて、基板１１に入射する。基板１１の表面に、非晶質または多結晶のシリコン膜が形成されている。結像レンズ１０は、スリット８の開口が、基板１１の表面に結像するような位置に配置されている。これにより、基板表面上の、スリット８の開口と相似な領域にレーザ光が照射される。なお、スリット８を取り除いたとすると、回折光学素子７で整形されたビーム断面が、基板１１の表面に結像する。

なお、現在のフォトエッチング技術では、波長の数倍程度以下の範囲にレーザ光を集光できる回折光学素子を作製することは難しい（つまり、回折光学素子で整形できるレーザ光の短尺方向の長さ（ビーム断面の幅）には下限がある）。例えばレーザ光の波長が５３２ｎｍである場合、回折光学素子のみを用いて５μｍ程度以下の幅のビーム断面を得ることは容易でない。しかし、ビーム断面の幅をそれより細くして、加工対象物に照射したい場合もある。

結像レンズ１０を用いることにより、以下に説明するように、基板表面におけるビーム断面の幅を細くすることが容易になる。回折光学素子７が整形したビーム断面の幅と、スリット８の開口の幅が同程度とする。結像レンズ１０は、結像面７ａ上のビーム断面（またはスリット８の開口）を、基板１１の表面上に縮小投影することができる。例えば、基板表面上のビーム断面の幅を３μｍとしたいとき、倍率が５倍である結像レンズ１０を用いれば、結像面７ａ上のビーム断面の幅は、１５μｍ程度であればよい。倍率が数倍から数十倍の結像レンズ１０を用いるとき、回折光学素子７が整形したビーム断面の幅は、基板表面上のビーム断面の幅の数倍〜数十倍の太さであればよい。

なお、回折光学素子７のみでビーム断面の幅を所望の細さにできるのであれば、結像面７ａに被加工面が配置されるように、基板１１を配置しても構わない。このとき、ビーム断面の縁を遮光するスリット８が必要であれば、結像面７ａに近接するように配置すればよい。

基板１１は、ＸＹステージ１２に保持されており、ＸＹステージ１２は、基板１１の表面に平行な２次元方向に、基板１１を移動させることができる。ＸＹステージ１２で基板１１を移動させることにより、基板表面のレーザ光の入射位置が移動する（レーザ光が基板表面で走査される）。基板表面におけるビーム断面の長尺方向に直交する方向にレーザ光を走査することにより、非晶質または多結晶シリコン膜のアニール処理が行われる。

なお、必要に応じて、スリット８から結像レンズ１０までの光路中に、イメージローテータ９が配置される。イメージローテータ９が、レーザ光の光軸を中心として回転することにより、基板１１の表面内で、ビーム断面を回転させることができる。これにより、レーザ光の走査方向（ビーム断面の長尺方向と直交する方向）を、基板表面上の任意の方向と一致させられる。

上述したレーザ照射装置では、回折光学素子７により、レーザ光の断面の長尺化と、断面内の光強度分布の均一化が行われる。干渉性の高いレーザ光を用いた場合でも、光強度分布の均一化が良好に行われる。

上述したレーザ照射装置では、回折光学素子７により、回折光学素子７に入射した複数本のレーザ光を、基板表面上の共通の領域に照射することができ、さらに、基板表面に照射されるレーザ光の断面内の光強度分布の均一化を行うことができる。複数本のレーザ光を基板表面上の共通の領域に照射するための光学系と、レーザ光の断面内の光強度分布の均一化を行うための光学系とを、個別に配置する必要がなく、レーザ照射装置の構成が簡単になり、光学系の調整等が容易になる。

上述したレーザ照射装置では、４台のレーザ光源から出射したレーザ光の出力を合算して、被加工面上の同一領域に照射することができる。被加工面上に照射されるパワーの向上が図れるので、アニール処理を行うレーザ光の断面の長さを伸ばすことができる。なお、アニール処理に必要とするパワーに応じて、レーザ光源の台数を減らしても構わない（または、１台当たりの出力を低くしても構わない）。

図３のレーザ照射装置から、例えば、レーザ光源１ａ、半波長板２５ａ、折り返しミラー２６ａ、偏光ビームスプリッタ２７ａを取り除けば、３台のレーザ光源１ｂ〜１ｄを有するレーザ照射装置の一構成例となる。さらに、レーザ光源１ｂ、折り返しミラー２８ａ及び２８ｂを取り除けば、２台のレーザ光源を有するレーザ照射装置の一構成例となる。この装置では、２台のレーザ光源１ｃ及び１ｄから出射されたレーザ光が、同一光軸上に重畳されて、回折光学素子７に入射する。

また、図３のレーザ照射装置から、レーザ光源１ａ及び１ｄ、半波長板２５ａ及び２５ｂ、折り返しミラー２６ａ及び２６ｂ、偏光ビームスプリッタ２７ａ及び２７ｂを取り除けば、２台のレーザ光源を有するレーザ照射装置の他の構成例となる。この装置では、２台のレーザ光源１ｂ及び１ｃから出射されたレーザ光が、互いに平行な光軸に沿って進行して、回折光学素子７に入射する。

ところで、以下に説明するように、基板表面上のレーザ光の光強度分布は、回折光学素子に入射するレーザ光の拡がり角、入射位置、ビーム径の変動に伴って変化する。

レーザ光源の出力は、経時変化する。レーザ光源の出力が変動すると、出射するレーザ光の拡がり角が変動する（一般に、レーザ光源の経時的な劣化により、その出力は低下し、出力低下により拡がり角が大きくなる。）。回折光学素子の結像面の位置（回折光学素子からその結像面までの距離）は、入射するレーザ光の拡がり角に依存して変化する。回折光学素子から結像レンズまでの距離及び結像レンズから基板表面までの距離が一定であるとする。拡がり角の変動によって、回折光学素子の結像面の位置が変動すると、整形されたビーム断面が結像レンズにより結像する面が、基板表面と一致しなくなる。基板表面上で、所望の光強度分布が得られなくなる。整形されたビーム断面が結像レンズにより結像する位置と、基板表面との距離をデフォーカス量と呼ぶ。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、デフォーカス量と、基板表面上の光強度分布との関係について調べたシミュレーションの結果を示すグラフである。デフォーカス量を１００μｍずつ変化させた場合の結果を示す。このシミュレーションでは、回折光学素子に、波長が５３２ｎｍ、ビーム断面形状が円形、ビーム断面内の強度分布がガウス分布であるレーザ光を入射させた。なお、この入射光の条件は、以下で図５及び図６を参照して説明するシミュレーションについても同様である。

両グラフとも、横軸がデフォーカス量を示し、縦軸が光強度を示す。横軸の正側が、回折光学素子から見て、基板表面より遠い側に結像面がずれた場合を示し、横軸の負側が、回折光学素子から見て、基板表面より近い側に結像面がずれた場合を示す。各デフォーカス量を示す位置に、そのデフォーカス量に対応する光強度分布を示す。図４（Ａ）が長尺方向に関する光強度分布を示し、図４（Ｂ）が短尺方向（ビーム断面の幅方向）に関する光強度分布を示す。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）からわかるように、デフォーカスが発生していないとき（デフォーカス量がゼロのとき）、長尺方向に均一化され、短尺方向の幅が狭い光強度分布が得られる。デフォーカスが発生すると（デフォーカス量の大きさが１００μｍ以上になると）、基板表面上の光強度が急激に低下する。また、デフォーカスにより分布形状も変化し、例えば、ビーム断面の幅が太くなる。

レーザ光源から出射するレーザ光の方向は、ある範囲（ポインティングスタビリティ）内で変動する。これに起因して、回折光学素子７に入射するレーザ光の入射位置が変動する。回折光学素子に入射するレーザ光の入射位置が変動すると、回折光学素子の結像面におけるビーム断面の光強度分布が変化する。

図５は、レーザ光の入射位置が、回折光学素子上の入射面内で、所定位置からある距離（３０μｍ）だけずれた場合に、回折光学素子の結像面でのビーム断面の長尺方向の光強度分布がどのような形状となるかについて調べたシミュレーションの結果を示すグラフである。横軸がビーム断面の長尺方向の位置に対応する相対位置を示し、縦軸が相対光強度（任意単位で示した光強度）を示す。レーザ光が所定位置に入射したとき、回折光学素子の結像面上の光強度が、ビーム断面の一端から他端まで一定となるように、回折光学素子が設計されている（この結果は図示せず）。

図５からわかるように、入射位置がずれた場合、ビーム断面の一端（図では右端）から他端（図では左端）に向けて、光強度が漸増する分布になる。このように、回折光学素子へのレーザ光の入射位置が変動すると、結像面での光強度分布が変化する。

レーザ光源の出力は、経時変化する。レーザ光源の出力が変動すると、出射するレーザ光のビーム断面の大きさが変動する（一般に、レーザ光源の経時的な劣化により、その出力は低下し、出力低下によりビーム径が小さくなる）。回折光学素子の結像面におけるビーム断面の光強度分布は、回折光学素子に入射するレーザ光のビーム断面の大きさが変動した場合にも変化する。

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、回折光学素子への入射光の断面の大きさが所定の大きさから変動した場合に、回折光学素子の結像面でのビーム断面の長尺方向の光強度分布がどのように変化するかについて調べたシミュレーションの結果を示すグラフである。両グラフとも、横軸がビーム断面の長尺方向の位置に対応する相対位置を示し、縦軸が相対光強度（任意単位で示した光強度）を示す。

入射ビーム径が２ｍｍのとき、回折光学素子の結像面上の光強度が、ビーム断面の一端から他端まで一定となるように、回折光学素子が設計されている（この結果は図示せず）。図６（Ａ）は、入射ビーム径を１．９ｍｍとした場合の光強度分布を示し、図６（Ｂ）は、入射ビーム径を２．１ｍｍとした場合の光強度分布を示す。

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）からわかるように、入射ビーム径が設計値より細くなった場合は、ビーム断面の中央の光強度が相対的に上昇し（分布が凸型になり）、入射ビーム径が設計値より太くなった場合は、ビーム断面の中央の光強度が相対的に低下する（分布が凹型になる）。このように、回折光学素子へ入射するレーザ光の断面の大きさが変動すると、結像面での光強度分布が変化する。

次に図７を参照して、以上説明したような、回折光学素子に入射するレーザ光の拡がり角、入射位置、ビーム径の変動に伴う光強度分布の変化を抑制することができるレーザ照射装置について説明する。

図７（Ａ）に示したレーザ照射装置は、図３に示したレーザ照射装置に、拡がり角を調節することができる光学装置１５ａ〜１５ｄを追加した構成である。レーザ光源１ａ〜１ｄから出射したレーザ光が、それぞれ、光学装置１５ａ〜１５ｄに入射するように、光学装置１５ａ〜１５ｄが配置される。各光学装置１５ａ〜１５ｄは、同等な機能を有する。

図７（Ｂ）に、光学装置１５ｂを例に、同装置の構成例を示す。レーザ光源１ｂから出射したレーザ光が、凹レンズ１６ａ及び凸レンズ１６ｂを通過して、そのビーム径が拡大され、（ほぼ）平行光にされる。凸レンズ１６が、例えばボイスコイル機構を含んで構成されるレンズ移動機構１６ｃに保持されている。レンズ移動機構１６ｃが、凸レンズ１６ｂを、レーザ光の光軸に平行な方向に変位させることにより、ビーム径の拡大率を調節することができる。制御装置１６ｉが、レンズ移動機構１６ｃを制御する。

凹レンズ１６ａ及び凸レンズ１６ｂでビーム径が拡大されると、そのレーザ光の拡がり角が減少する。例えば、ビーム径を２倍に拡大すると、拡がり角は、ビーム径拡大前のそれにくらべて１／２になる。ビーム径の拡大率を調節することにより、ビーム径拡大後のレーザ光の拡がり角を調節することができる。

凸レンズ１６ｂを出射したレーザ光が、部分反射鏡１６ｄに入射する。部分反射鏡１６ｄが、入射光の大部分（例えば９９％）を透過させ、残り（例えば１％）を反射させる。部分反射鏡１６ｄを透過したレーザ光が、偏光ビームスプリッタ２７ａに入射し、部分反射鏡１６ｄで反射されたレーザ光が、アパーチャ１６ｅを通過し、レンズ１６ｆに入射して収束される。なお、部分反射鏡１６ｄが入射光の大部分を反射させ、残りを透過させるようにし、反射光が偏光ビームスプリッタ２７ａに入射し、透過光がアパーチャ１６ｅを経てレンズ１６ｆに入射するようにしても構わない。

アパーチャ１６ｅにより、レンズ１６ｆに入射するレーザ光の直径が規定される。レンズ１６ｆを透過したレーザ光が、レーザ光のパワーを減衰させるフィルタ１６ｇを透過して、ＣＣＤカメラ１６ｈに入射する。ＣＣＤカメラ１６ｈは、レンズ１６ｆで収束されたレーザ光のビーム径が最も細くなる位置（ビームウエストの位置）に配置される。フィルタ１６ｇにより、ＣＣＤカメラ１６ｈに過剰なパワーのレーザ光が入射しないようにできる。

ＣＣＤカメラ１６ｈが撮像した画像のデータが、制御装置１６ｉに送出される。この画像データは、ＣＣＤカメラ１６ｈに入射したレーザ光の断面内の光強度分布に対応する。制御装置１６ｉが、この画像データから、レーザ光の断面の太さを求める。レーザ光の断面の太さは、例えば、光強度分布の半値全幅や、強度がピーク強度の１／ｅ^２倍以上（ｅは自然対数の底）である範囲の幅で定義することができる。以下に説明するような原理に従い、ＣＣＤカメラ１６ｈを用いて検出したビーム断面の太さに基づいて、レーザ光の拡がり角を求めることができる。

図８を参照して、レンズ１６ｆを透過するレーザ光の太さと拡がり角との関係について説明する。レンズ１６ｆのレーザ光の入射側（図の左方）の焦点距離、及びレーザ光の出射側（図の右方）の焦点距離が、ともにｆである。入射側の焦点位置から入射光のビームウエスト（ビーム径が最も細くなる位置）までの距離がｚであり、出射側の焦点位置から出射光のビームウエストまでの距離がｚ_ａである。入射光のビームウエストでの半径がＷ_０であり、出射光のビームウエストでの半径がＷである。

レーザ光の波長をλとし、円周率をπとしたとき、

と表され、

と表される。

レーザ光の拡がり角θは、

と表される（定義される）。

式（３）を式（１）に代入すると、

と表される。

式（４）より、拡がり角θが大きいほど、式（４）の右辺の分母が小さくなり、出射光のビームウエストでの半径Ｗが大きくなることがわかる。図７（Ｂ）のＣＣＤカメラ１６ｈで半径Ｗを測定することにより、式（４）に基づいて、拡がり角θを求めることができる。

レーザ光の拡がり角が変動すると（ＣＣＤカメラ１６ｈで観察されるレーザ光の太さが変動すると）、上述したように、回折光学素子７の結像面７ａの位置がずれる。レーザ光の拡がり角が、所定値から変動した場合は、制御装置１６ｉが、拡がり角の変動を打ち消すように、レンズ移動機構１６ｃを動作させる。これにより、レーザ光の拡がり角が変動することに起因して、回折光学素子７の結像面７ａの位置がずれることを抑制できる。なお、上述の説明では、レンズ移動機構１６ｃで凸レンズ１６ｂを変位させることにより、レーザ光の拡がり角を調節したが、他の方法で拡がり角を調節しても構わない。

図７（Ａ）に戻って説明を続ける。各レーザ光源１ａ〜１ｄから出射したレーザ光が、それぞれ、光学装置１５ａ〜１５ｄを通過し、図３のレーザ照射装置について説明したのと同様にして、偏光ビームスプリッタ２７ａ及び２７ｂで２本のレーザ光にまとめられて、シャッタ２等を通過した後、アパーチャ２９に入射する。

図３を参照して説明したように、アパーチャ２９の開口を透過したレーザ光が回折光学素子７に入射する。アパーチャ２９を、回折光学素子７に近接して（例えば１０ｍｍ以内に）配置すれば、回折光学素子７上の、アパーチャ２９の開口が配置された位置にレーザ光が入射し、照射領域が、アパーチャ２９の開口とほぼ合同となるようにできる。なお、アパーチャ２９と、回折光学素子７との距離は、近いほど良い。

アパーチャ２９の開口を、回折光学素子７の表面上のレーザを入射させたい所定領域に対応した形状及び大きさにする。アパーチャ２９に入射するレーザ光の断面を、開口よりも大きくする。該所定領域以外のレーザ光が遮光され、該所定領域にレーザ光が入射する。図１（Ｃ）に示したように、回折光学素子７の表面上に、ビーム断面が互いに接しない２本のレーザ光が入射するとき、各レーザ光毎にアパーチャを設置しても構わない。

このようにして、レーザ光源１ａ〜１ｄから出射するレーザ光の方向が変動しても、または、レーザ光源１ａ〜１ｄから出射するレーザ光の断面の大きさが変動しても、回折光学素子７の所定領域にレーザ光が入射するようにできる。

以上説明したように、図７（Ａ）に示したレーザ照射装置は、回折光学素子７に入射するレーザ光の拡がり角、入射位置、ビーム径の変動に起因して、基板表面上の光強度分布が変化することを抑制できる。

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。

図１（Ａ）は、回折光学素子に２台のレーザ光源から出射したレーザ光を入射させる実験に用いた一光学系を示す概略図であり、図１（Ｂ）は、回折光学素子に２台のレーザ光源から出射したレーザ光を入射させる実験に用いた他の光学系を示す概略図であり、図１（Ｃ）は、回折光学素子の正面図である。図２（Ａ）は、図１（Ａ）の実験光学系に対応する実験結果を示す光強度分布のグラフであり、図２（Ｂ）は、図１（Ｂ）の実験光学系でアパーチャを配置しない場合に対応する実験結果を示す光強度分布のグラフであり、図２（Ｃ）は、図１（Ｂ）の実験光学系でアパーチャを配置した場合に対応する実験結果を示す光強度分布のグラフである。本発明の実施例によるレーザ照射装置を示す概略図である。図４（Ａ）は、デフォーカスにより、基板表面上の光強度分布がどのように変化するかについて調べたシミュレーション結果（ビーム断面の長尺方向の強度分布）を示すグラフであり、図４（Ｂ）は、デフォーカスにより、基板表面上の光強度分布がどのように変化するかについて調べたシミュレーション結果（ビーム断面の短尺方向の強度分布）を示すグラフである。回折光学素子に入射するレーザ光の入射位置の変動により、回折光学素子の結像面上の光強度分布がどのように変化するかについて調べたシミュレーション結果を示すグラフである。図６（Ａ）は、回折光学素子に入射するレーザ光のビーム径の変動により、回折光学素子の結像面上の光強度分布がどのように変化するかについて調べたシミュレーション結果（ビーム径が細くなった場合）を示すグラフであり、図６（Ｂ）は、回折光学素子に入射するレーザ光のビーム径の変動により、回折光学素子の結像面上の光強度分布がどのように変化するかについて調べたシミュレーション結果（ビーム径が太くなった場合）を示すグラフである。図７（Ａ）は、変形例によるレーザ照射装置を示す概略図であり、図７（Ｂ）は、（拡がり角を調節できる）光学装置の構成例を示す概略図である。レンズを透過するレーザ光の太さと拡がり角との関係について説明するための図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄレーザ光源
２シャッタ
３ＮＤフィルタ
４シャッタ
５折り返しミラー
６ビームエキスパンダ
７回折光学素子
７ａ（回折光学素子の）結像面
８スリット
９イメージローテータ
１０結像レンズ
１１基板
１２ＸＹステージ
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ（拡がり角を調節できる）光学装置
２５ａ、２５ｂ半波長板
２６ａ、２６ｂ、２８ａ、２８ｂ折り返しミラー
２７ａ、２７ｂ偏光ビームスプリッタ
２９アパーチャ

Claims

加工対象物を保持する保持台と、
連続波レーザ光を出射する第１のレーザ光源と、
連続波レーザ光を出射する第２のレーザ光源と、
前記第１及び第２のレーザ光源を出射したレーザ光が入射する回折光学素子であって、該回折光学素子に入射したレーザ光のビーム断面を、該回折光学素子の結像面において、一方向に長い形状にする整形、及び、該回折光学素子から出射したレーザ光の該結像面でのビーム断面内の光強度分布を、該回折光学素子に入射するレーザ光のビーム断面内の光強度分布より均一な分布に近づける光強度分布の均一化の少なくとも一方を行う該回折光学素子と
を有するレーザ照射装置。
前記第１及び第２のレーザ光源から出射し、前記回折光学素子に入射するレーザ光の光軸が、互いに平行である請求項１に記載のレーザ照射装置。
さらに、前記回折光学素子の結像面におけるビーム断面を、前記保持台に保持された加工対象物の表面上に縮小投影することができる位置に配置されたレンズを有する請求項１または２に記載のレーザ照射装置。
さらに、前記第１及び第２のレーザ光源と、前記回折光学素子との間の光路中に配置され、該回折光学素子の表面上の特定領域にレーザ光を入射させるように、該特定領域以外のレーザ光を遮光する遮光装置を有する請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ照射装置。
さらに、外部から入力される制御信号に基づいて、前記第１または第２のレーザ光源から出射したレーザ光の拡がり角を変化させる拡がり角調節装置と、
前記拡がり角調節装置から出射したレーザ光の拡がり角を検出することができる検出器と、
前記検出器が検出した拡がり角に基づいて、該拡がり角が予め与えられた値からずれた場合は、そのずれを小さくするように、前記拡がり角調節装置を制御する制御装置と
を有し、前記拡がり角調節装置から出射したレーザ光が、前記回折光学素子に入射する請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ照射装置。