JP2008016712A

JP2008016712A - レーザ光学系およびレーザアニール装置

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Publication number: JP2008016712A
Application number: JP2006187899A
Authority: JP
Inventors: Atsuhiro Sono; 淳弘園; Tatsuki Okamoto; 達樹岡本; Shinsuke Yura; 信介由良; Hiroyuki Kono; 裕之河野; Ichiji Yamayoshi; 一司山吉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-07-07
Filing date: 2006-07-07
Publication date: 2008-01-24

Abstract

【課題】短辺方向の光強度分布がトップフラット形状である線状の光ビームを簡単な構成で容易に実現できるレーザ光学系およびレーザアニール装置を提供する。
【解決手段】対象物６に向けて、光軸に対して垂直なＹ方向に長く、光軸およびＹ方向に対して垂直なＸ方向に狭い断面形状を有する線状ビームを照射するためのレーザ光学系であって、レーザ発振器１からの光ビーム２を、Ｙ方向に複数の光ビームに分岐し、かつ、Ｘ方向に各光ビームを相対変位させるためのビームシフト光学系３と、分岐された各光ビームに対してＹ方向に関する光強度分布を均一化するためのホモジナイズ光学系４と、均一化された光ビームを対象物６に集光するための集光光学系５などで構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、トップフラット形状の光強度分布を有する線状の光ビームを発生するためのレーザ光学系と、これを用いたレーザアニール装置に関する。

ガラス基板上に形成したシリコン膜などの半導体を多結晶化することにより、高い電子移動度を有する薄膜トランジスタを作製することは広く知られている。ガラス基板上にＣＶＤなどの気相形成法により形成したシリコン膜は非晶質であるため、そのままトランジス基板に使用したのでは電子移動度が低く、高速動作が要求される駆動回路基板には適用できない。そこで、レーザアニール装置を用いて、こうした非晶質シリコン膜へレーザビームを走査して、シリコン膜を局部的に融解し、冷却過程の再結晶化で多結晶シリコンを形成するレーザアニール方法が用いられる。

次に、従来のレーザアニール装置について説明する。レーザ発振器からのレーザビームは、一般に、ビーム断面がほぼ円形であって、光強度はビーム中心から半径方向にガウス分布を示す。特許文献１に開示するように、非晶質シリコン膜に向けて線状ビームを照射するために、レーザ発振器からのレーザビームを、第１方向（照射ビームの長辺方向）には長くて均一な光強度分布を示し、他方、第１方向に直交する第２方向（照射ビームの短辺方向）には幅狭で擬似ガウス分布の光強度分布を示す光ビームに変換するための特別なレーザ光学系を使用している。レーザ光学系は、いくつかの光学レンズの組み合わせで構成される。

第１方向にビーム強度を均一化するための光学系の一例は、特許文献１の図１に開示するように、導波路３１と転写レンズ１５との組み合わせが用いられる。この導波路３１は、互いに対向する一対の反射面を有して透明中実体であり、レーザビームの光軸に垂直な第１方向に関する光強度分布のみを均一化して、線状ビームを形成している。

レーザ発振器からのレーザビームは、一般に、ガウス分布に擬似した光強度分布を示す。このレーザビームが導波路を通過する際に、対向した反射面により多重反射を繰り返す。導波路を出射した多重反射ビームは、転写レンズによって基板上に重畳される。基板の照射面では、長辺方向が矩形形状で、短辺方向がガウス分布形状の光強度分布を有する線状ビームが得られる。

このようなレーザアニール装置を使用して、上記の線状化した照射ビームを走査しながら非晶質シリコン膜が形成されたガラス基板上に照射すると、多結晶シリコン膜が形成される。こうした走査を繰り返すことにより、大型のシリコン膜全体を効率的に処理することができる。

一方、レーザアニール処理では、最終的に、均一な結晶粒の多結晶シリコンが要求される。その一手段として、線状ビームの短辺方向（走査方向）の光強度分布をトップフラット形状にする方法があり、結晶サイズの均一性を向上できるだけでなく、照射ビームの最適エネルギーに関するマージンの拡大に有効である。

特許文献１の図１に開示されたレーザアニール装置では、導波路３１の後段において長辺方向にのみパワーを有する一対のシリンドリカルレンズからなる転写レンズ１５を使用しており、さらに、この転写レンズ１５を光軸回りに０．１°〜４５°の範囲で回転させることによって、短辺方向の光強度分布をトップフラット形状に近づけている。

特開２００２−１７４７６７号公報（図１）

従来のレーザアニール装置では、短辺方向の光強度分布をトップフラット形状にするために、転写レンズ１５を光軸回りに回転させている。しかしながら、転写レンズ１５を光軸回りに回転させると、結像面での光強度分布が大きく左右されるため、角度調整作業はデリケートになり、熟練した高い技術が要求される。

本発明の目的は、短辺方向の光強度分布がトップフラット形状である線状の光ビームを簡単な構成で容易に実現できるレーザ光学系およびレーザアニール装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ光学系は、対象物に向けて、光軸に対して垂直な第１方向に長く、光軸および該第１方向に対して垂直な第２方向に狭い断面形状を有する線状ビームを照射するためのレーザ光学系であって、
レーザ発振器からの光ビームを、第１方向に複数の光ビームに分岐し、かつ、第２方向に各光ビームを相対変位させるためのビームシフト光学系と、
分岐された各光ビームに対して、第１方向に関する光強度分布を均一化するためのホモジナイズ光学系と、
均一化された光ビームを対象物に集光するための集光光学系とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係るレーザ光学系は、対象物に向けて、光軸に対して垂直な第１方向に長く、光軸および該第１方向に対して垂直な第２方向に狭い断面形状を有する線状ビームを照射するためのレーザ光学系であって、
複数のレーザ発振器から供給される複数の光ビームを第１方向に分離した状態で、第２方向に各光ビームを相対変位させるためのビームシフト光学系と、
分岐された各光ビームに対して、第１方向に関する光強度分布を均一化するためのホモジナイズ光学系と、
均一化された光ビームを対象物に集光するための集光光学系とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、レーザ発振器からの光ビームは、一般に、ガウス形状の光強度分布を有することから、第１方向（線状ビームの長辺方向）については、ホモジナイズ光学系の均一化作用によってトップフラット形状の光強度分布が得られる。一方、第２方向（線状ビームの短辺方向）については、ビームシフト光学系により複数の光ビームが第２方向に相対変位し、続いてホモジナイズ光学系を通過すると、相対変位した複数のガウス分布が重畳することにより、ほぼトップフラット形状の光強度分布が得られる。従って、ガウス形状の光強度分布を持つ光ビームは、簡単な構成で、第１方向および第２方向の両方ともトップフラット形状の光強度分布を持つ光ビームに変換することができる。

また、各光ビームを第１方向と第２方向で独立に制御しているため、ビーム間距離の調整作業が比較的容易になり、再現性も確保しやすい。

実施の形態１．
図１は、本発明の第１実施形態を示す構成図である。本発明に係るレーザ光学系は、ビームシフト光学系３と、ホモジナイズ光学系４と、集光光学系５などで構成される。このレーザ光学系は、レーザ発振器１と対象物６との間に介在して、対象物６の照射面６ａに向けて線状ビームを照射する。

以下、理解容易のため、３次元座標系として、図１に示すように、Ｙ軸を線状ビームの長辺方向（第１方向）とし、Ｘ軸を線状ビームの短辺方向（第２方向）とし、Ｚ軸を線状ビームの光軸として定義する。

レーザ発振器１は、ガスレーザ、固体レーザ、エキシマレーザ等の高出力タイプのレーザが使用できる。特に、対象物６として非晶質シリコン膜にレーザアニール処理を施す場合は、３９０〜６４０ｎｍの可視光を発生する光源が好ましく、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの高調波、Ｎｄ：ガラスレーザの高調波、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザの高調波、Ｎｄ：ＹＬＦレーザの高調波、Ｙｂ：ＹＡＧレーザの高調波、Ｙｂ：ガラスレーザの高調波、又は、Ｔｉ：Ａｌ_２Ｏ_３（サファイア）レーザの基本波若しくは高調波が利用できる。

レーザ発振器１から出射される光ビーム２は、図１の断面Ａで示すように、ビーム断面がほぼ円形で、光強度はビーム中心から半径方向にガウス分布を示し、即ち、Ｙ方向およびＸ方向に関して同一のガウス形状の光強度分布Ａｙ，Ａｘを示している。

ビームシフト光学系３は、レーザ発振器１からの光ビーム２を、Ｙ方向に複数（ここでは、２本）の光ビームに分岐し、かつ、Ｘ方向に各光ビームを相対変位させる機能を有する。その具体的な構成例は、後述する。

図１の断面Ｂで示すように、光ビーム２がビームシフト光学系３を通過すると、２本の光ビームに分かれ、各光ビームの断面はＹ方向に短く、Ｘ方向に長い楕円形状を示している。Ｙ方向の光強度分布Ｂｙを見ると、所定の距離だけ離れた２つのガウス形状を示している。Ｘ方向の光強度分布Ｂｘを見ると、各ガウス形状の中心は変位しており、一方のガウス形状に対して他方のガウス形状がＸ方向に相対的にシフトしている。

ホモジナイズ光学系４の入射面では、図１の断面Ｂ’で示すように、Ｙ方向の光強度分布Ｂ’ｙはあまり変化していないが、Ｘ方向の光強度分布Ｂ’ｘを見ると、各ガウス形状の中心間距離が断面Ｂよりも増加している。このことから、ビームシフト光学系３によって分岐した２本の光ビームは、ビーム間距離が広がるような光軸ベクトルを有し、一方の光ビーム光軸を基準として、他方の光ビーム光軸はＸ方向の角度成分を有することが判る。また、Ｘ方向の光強度分布Ｂ’ｘは、光強度分布Ｂｘと比べてよりブロードなガウス分布形状となる。

ホモジナイズ光学系４は、ビームシフト光学系３によって分岐した各光ビームに対して、Ｙ方向に関する光強度分布を均一化する機能を有する。ホモジナイズ光学系４は、平面導波路やレンチキュラレンズ等で構成でき、その具体的な構成例は後述する。

図１の断面Ｃで示すように、分岐した各光ビームがホモジナイズ光学系４を通過すると、１本の光ビームに合成される。Ｙ方向の光強度分布Ｃｙを見ると、光強度分布が均一化されて、理想的なトップフラット形状を示している。Ｘ方向の光強度分布Ｃｘを見ると、相対変位した２つのガウス形状が重畳して、ほぼトップフラット形状を示している。

集光光学系５は、回転対称レンズやシリンドリカルレンズ等の組合せで構成でき、ホモジナイズ光学系４によって均一化された光ビーム（図１の断面Ｃ）を対象物６に集光する機能を有する。典型的には、ホモジナイズ光学系４の光射出面と対象物６の照射面６ａとの間でＹ方向について拡大光学系、Ｘ方向について縮小光学系となるように構成される。

対象物６の照射面６ａでは、図１の断面Ｄで示すように、Ｙ方向の光強度分布Ｃｙが所定のＹ倍率で拡大され、トップフラット形状の光強度分布Ｄｙが得られている。一方、Ｘ方向の光強度分布Ｃｘは、所定のＸ倍率で縮小され、ほぼトップフラット形状の光強度分布Ｄｘが得られている。

このように本実施形態では、ビームシフト光学系３によってＸ方向に相対変位する複数の光ビームを生成している。こうした簡単な構成により、対象物６の照射面６ａにおいて、Ｙ方向およびＸ方向ともにトップフラット形状の光強度分布を有する線状ビームが得られる。

さらに、本実施形態に係るレーザ光学系を用いたレーザアニール装置は、対象物６として、非晶質または多結晶の半導体（例えば、Ｓｉ）膜が形成された基板に向けて、線状の光ビームを照射することによってアニール処理を行う場合、Ｙ方向およびＸ方向ともにトップフラット形状の光強度分布で照射できるため、結晶サイズの均一性を向上できるだけでなく、照射ビームの最適エネルギーに関するマージンの拡大に有効である。

実施の形態２．
図２は、本発明の第２実施形態を示す構成図であり、図２（ａ）はＸ方向から見た図、図２（ｂ）はＹ方向から見た図である。レーザ光学系は、ビームシフト光学系３と、ホモジナイズ光学系４と、集光光学系５などで構成され、レーザ発振器１と対象物６との間に介在して、対象物６の照射面６ａに向けて線状ビームを照射する。

３次元座標系は、第１実施形態と同様に、Ｙ軸を線状ビームの長辺方向（第１方向）とし、Ｘ軸を線状ビームの短辺方向（第２方向）とし、Ｚ軸を線状ビームの光軸として定義する。

レーザ発振器１は、第１実施形態と同様であり、ガスレーザ、固体レーザ、エキシマレーザ等、高出力の基本波レーザおよび高調波レーザが使用できる。

ビームシフト光学系３は、ハーフミラー３１と、入射角調整ミラー３２と、ビーム間距離補正機構３３などで構成され、Ｙ方向に複数（ここでは、２本）の光ビームに分岐し、かつ、Ｘ方向に各光ビームを相対変位させる機能を有する。

レーザ発振器１からの光ビーム２は、ハーフミラー３１によって２本の光ビームに分割される。ハーフミラー３１を通過した光ビームは、ビーム間距離補正機構３３に入る。ハーフミラー３１でＹ方向に反射した光ビームは、入射角調整ミラー３２によってＺ方向に反射され、ビーム間距離補正機構３３に入る。

ビーム間距離補正機構３３は、入射する２つの光ビーム間距離を所望の距離に補正して出射する機能を有し、その具体的な構成例は後述する。Ｙ方向に関して、図２（ａ）に示すように、２つの光ビーム間距離は、ビーム間距離補正機構３３によって縮小している。またＸ方向に関して、図２（ｂ）に示すように、２本の光ビームは、ビーム間距離が広がるような光軸ベクトルを有し、一方の光ビーム光軸を基準として、他方の光ビーム光軸はＸ方向の角度成分を有する。このＸ方向の角度成分は、入射角調整ミラー３２の角度調整によって適切に設定することができる。

こうして図１の断面Ｂに示した光強度分布Ｂｘ，Ｂｙと同様な光強度分布を持つ光ビームがビームシフト光学系３から出射する。

ホモジナイズ光学系４は、ビームシフト光学系３によって分岐した各光ビームに対して、Ｙ方向に関する光強度分布を均一化する機能を有し、例えば、入射集光レンズ４２と、導波路４１と、転写レンズ４３等で構成される。入射集光レンズ４２および転写レンズ４３は、Ｙ方向にパワーを有し、Ｘ方向にパワーが無い光学素子、例えば、シリンドリカルレンズ等で構成される。導波路４１は、Ｙ方向の辺長よりＸ方向の辺長が大きい矩形断面を有するスラブ導波路として構成される。

Ｙ方向に関して、図２（ａ）に示すように、所定の光ビーム間距離を持ち、互いに平行な２本の光ビームは、入射集光レンズ４２によって集光され、導波路４１に入る。導波路４１では、対向面の間で多重反射が生じ、Ｙ方向に関する光強度分布が均一化される。均一化された光ビームは、転写レンズ４３によって集光され、後段の集光光学系５に入る。ビーム間距離補正機構３３を用いて、導波路４１の入射開口角（ＮＡ）を一定以上に設定することによって、導波路４１での光強度分布の均一性を確保できる。

一方、Ｘ方向に関して、図２（ｂ）に示すように、角度的に相対変位した各光ビームは、入射集光レンズ４２、導波路４１、転写レンズ４３による光学的な作用は受けずに、そのまま通過して、後段の集光光学系５に入る。

こうした導波路４１を用いることにより、図１の断面Ｃに示した光強度分布Ｃｘ，Ｃｙと同様な光強度分布を持つ光ビームがホモジナイズ光学系４から出射する。

集光光学系５は、ホモジナイズ光学系４によって均一化された光ビームを対象物６に集光する機能を有し、例えば、図２に示すように、Ｘ方向にパワーを有し、Ｙ方向にパワーが無いアナモフィック光学素子、例えば、シリンドリカルレンズ群などで構成される。

Ｙ方向に関して、図２（ａ）に示すように、ホモジナイズ光学系４を出射した各光ビームは、光学的な作用は受けずにそのまま通過して、対象物６の照射面６ａに到達する。従って、導波路４１の射出面におけるＹ方向の光強度分布は、転写レンズ４３のＹ倍率によって集光されることになる。

一方、Ｘ方向に関して、図２（ｂ）に示すように、ホモジナイズ光学系４を出射した各光ビームは、集光光学系５のシリンドリカルレンズ群によって集光され、対象物６の照射面６ａに到達する。従って、導波路４１の射出面におけるＸ方向の光強度分布は、シリンドリカルレンズ群のＸ倍率によって集光されることになる。

さらに、ビームシフト光学系３によりＸ方向に角度的に相対変位した２本の光ビームは、この相対変位量と集光光学系５のＸ倍率に応じて、照射面６ａにおいて適切な間隔でシフトした位置で重畳されるため、理想的なトップフラット形状を持つＸ方向の光強度分布が得られる。

こうして図１の断面Ｄに示した光強度分布Ｄｘ，Ｄｙと同様に、Ｙ方向およびＸ方向ともにトップフラット形状の光強度分布を持つ光ビームが対象物６の照射面６ａに集光される。また、こうしたＹ方向およびＸ方向ともにトップフラット形状の光強度分布を持つ光ビームを用いて、非晶質または多結晶の半導体（例えば、Ｓｉ）膜にアニール処理を施した場合、結晶サイズの均一性を向上できるだけでなく、照射ビームの最適エネルギーに関するマージンの拡大に有効である。

実施の形態３．
図３は、本発明の第３実施形態を示す構成図であり、図３（ａ）はＸ方向から見た図、図３（ｂ）はＹ方向から見た図である。レーザ光学系は、ビームシフト光学系３と、ホモジナイズ光学系４と、集光光学系５などで構成され、レーザ発振器１と対象物６との間に介在して、対象物６の照射面６ａに向けて線状ビームを照射する。

本実施形態は、ホモジナイズ光学系４においてレンチキュラレンズ４５を使用した例を説明する。

ビームシフト光学系３は、第２実施形態と同様な構成を有し、ハーフミラー３１と、入射角調整ミラー３２と、ビーム間距離補正機構３３などで構成され、Ｙ方向に複数（ここでは、２本）の光ビームに分岐し、かつ、Ｘ方向に各光ビームを相対変位させる機能を有する。

ビーム間距離補正機構３３は、入射する２つの光ビーム間距離を所望の距離に補正して出射する機能を有し、その具体的な構成例は後述する。Ｙ方向に関して、図３（ａ）に示すように、２つの光ビーム間距離は、ビーム間距離補正機構３３によって縮小している。またＸ方向に関して、図３（ｂ）に示すように、２本の光ビームは、ビーム間距離が広がるような光軸ベクトルを有し、一方の光ビーム光軸を基準として、他方の光ビーム光軸はＸ方向の角度成分を有する。このＸ方向の角度成分は、入射角調整ミラー３２の角度調整によって適切に設定することができる。

ホモジナイズ光学系４は、ビームシフト光学系３によって分岐した各光ビームに対して、Ｙ方向に関する光強度分布を均一化する機能を有し、例えば、ビーム拡大入射系４６と、レンチキュラレンズ４５と、フィールドレンズ４７等で構成される。これらは、Ｙ方向にパワーを有し、Ｘ方向にパワーが無い光学素子、例えば、シリンドリカルレンズ等で構成される。

ビーム拡大入射系４６は、分岐した各光ビームごとに設けられた複数の拡大レンズと、拡大した各光ビームを平行化する単一のコリメートレンズとを備え、Ｙ方向に関するアフォーカル光学系を構成している。

レンチキュラレンズ４５は、Ｙ方向にパワーを有し、Ｘ方向にパワーの無い複数のシリンドリカルレンズアレイからなる、入射側のレンチキュラレンズ４５ａおよび射出側のレンチキュラレンズ４５ｂで構成される。ビーム拡大入射系４６からのＹ方向に細長い光ビームは、レンチキュラレンズ４５ａによって各レンズごとに波面分割され、分割された各光ビームは後段のレンチキュラレンズ４５ｂによってＹ方向に拡大される。

フィールドレンズ４７は、Ｙ方向に拡大された各光ビームを、対象物６の照射面６ａにおいて所定の長さの線状ビームに集光する。

一方、Ｘ方向に関して、図３（ｂ）に示すように、角度的に相対変位した各光ビームは、ビーム拡大入射系４６、レンチキュラレンズ４５、フィールドレンズ４７による光学的な作用は受けずに、そのまま通過して、後段の集光光学系５に入る。

こうしたレンチキュラレンズ４５を用いることにより、図１の断面Ｃに示した光強度分布Ｃｘ，Ｃｙと同様な光強度分布を持つ光ビームがホモジナイズ光学系４から出射する。

集光光学系５は、第２実施形態と同様な構成を有し、ホモジナイズ光学系４によって均一化された光ビームを対象物６に集光する機能を有し、例えば、図３に示すように、Ｘ方向にパワーを有し、Ｙ方向にパワーが無いアナモフィック光学素子、例えば、シリンドリカルレンズ群などで構成される。

Ｙ方向に関して、図３（ａ）に示すように、ホモジナイズ光学系４を出射した各光ビームは、光学的な作用は受けずにそのまま通過して、対象物６の照射面６ａに到達する。従って、レンチキュラレンズ４５ｂの射出面におけるＹ方向の光強度分布は、フィールドレンズ４７のＹ倍率によって集光されることになる。

一方、Ｘ方向に関して、図３（ｂ）に示すように、ホモジナイズ光学系４を出射した各光ビームは、集光光学系５のシリンドリカルレンズ群によって集光され、対象物６の照射面６ａに到達する。従って、レンチキュラレンズ４５ｂの射出面におけるＸ方向の光強度分布は、シリンドリカルレンズ群のＸ倍率によって集光されることになる。

実施の形態４．
図４は、本発明の第４実施形態を示す構成図であり、図４（ａ）はＸ方向から見た図、図４（ｂ）はＹ方向から見た図である。レーザ光学系は、ビームシフト光学系３と、ホモジナイズ光学系４と、集光光学系５などで構成され、レーザ発振器１ａ，１ｂと対象物６との間に介在して、対象物６の照射面６ａに向けて線状ビームを照射する。

本実施形態は、複数のレーザ発振器１ａ，１ｂを使用した例を説明する。以下、２台のレーザ発振器１ａ，１ｂについて例示するが、３台以上のレーザ発振器も使用することも可能である。

レーザ発振器１ａ，１ｂは、第１実施形態と同様であり、ガスレーザ、固体レーザ、エキシマレーザ等、高出力の基本波レーザおよび高調波レーザが使用できる。各レーザ発振器１ａ，１ｂの発振波長は同一でもよいが、アニール処理の内容および対象物６の材料に応じてそれぞれ異なる発振波長に設定することも可能である。

ビームシフト光学系３は、２つの入射角調整ミラー３２と、ビーム間距離補正機構３３などで構成され、複数（ここでは、２本）の光ビームをＹ方向に分離した状態で、Ｘ方向に各光ビームを相対変位させる機能を有する。

各レーザ発振器１ａ，１ｂからの光ビーム２ａ，２ｂは、入射角調整ミラー３２によってそれぞれＺ方向に反射され、ビーム間距離補正機構３３に入る。

ビーム間距離補正機構３３は、入射する２つの光ビーム間距離を所望の距離に補正して出射する機能を有し、その具体的な構成例は後述する。Ｙ方向に関して、図４（ａ）に示すように、２つの光ビーム間距離は、ビーム間距離補正機構３３によって縮小している。またＸ方向に関して、図４（ｂ）に示すように、２本の光ビームは、ビーム間距離が広がるような光軸ベクトルを有し、一方の光ビーム光軸を基準として、他方の光ビーム光軸はＸ方向の角度成分を有する。このＸ方向の角度成分は、入射角調整ミラー３２の角度調整によって適切に設定することができる。

ホモジナイズ光学系４は、第２実施形態と同様な構成を有し、ビームシフト光学系３からの各光ビームに対して、Ｙ方向に関する光強度分布を均一化する機能を有し、例えば、入射集光レンズ４２と、導波路４１と、転写レンズ４３等で構成される。入射集光レンズ４２および転写レンズ４３は、Ｙ方向にパワーを有し、Ｘ方向にパワーが無い光学素子、例えば、シリンドリカルレンズ等で構成される。導波路４１は、Ｙ方向の辺長よりＸ方向の辺長が大きい矩形断面を有するスラブ導波路として構成される。

Ｙ方向に関して、図４（ａ）に示すように、所定の光ビーム間距離を持ち、互いに平行な２本の光ビームは、入射集光レンズ４２によって集光され、導波路４１に入る。導波路４１では、対向面の間で多重反射が生じ、Ｙ方向に関する光強度分布が均一化される。均一化された光ビームは、転写レンズ４３によって集光され、後段の集光光学系５に入る。ビーム間距離補正機構３３を用いて、導波路４１の入射開口角（ＮＡ）を一定以上に設定することによって、導波路４１での光強度分布の均一性を確保できる。

一方、Ｘ方向に関して、図４（ｂ）に示すように、角度的に相対変位した各光ビームは、入射集光レンズ４２、導波路４１、転写レンズ４３による光学的な作用は受けずに、そのまま通過して、後段の集光光学系５に入る。

集光光学系５は、第２実施形態と同様な構成を有し、ホモジナイズ光学系４によって均一化された光ビームを対象物６に集光する機能を有し、例えば、図４に示すように、Ｘ方向にパワーを有し、Ｙ方向にパワーが無いアナモフィック光学素子、例えば、シリンドリカルレンズ群などで構成される。

Ｙ方向に関して、図４（ａ）に示すように、ホモジナイズ光学系４を出射した各光ビームは、光学的な作用は受けずにそのまま通過して、対象物６の照射面６ａに到達する。従って、導波路４１の射出面におけるＹ方向の光強度分布は、転写レンズ４３のＹ倍率によって集光されることになる。

一方、Ｘ方向に関して、図４（ｂ）に示すように、ホモジナイズ光学系４を出射した各光ビームは、集光光学系５のシリンドリカルレンズ群によって集光され、対象物６の照射面６ａに到達する。従って、導波路４１の射出面におけるＸ方向の光強度分布は、シリンドリカルレンズ群のＸ倍率によって集光されることになる。

本実施形態では、ホモジナイズ光学系４において導波路４１を使用した例を説明したが、代替として、第３実施形態と同様なレンチキュラレンズ４５を使用することも可能である。

また、複数のレーザ発振器を使用することにより、照射面６ａでの照射ビーム強度が増大して、アニール処理の温度や処理時間をより多様に制御することが可能になる。

実施の形態５．
図５は、本発明の第５実施形態を示す構成図であり、Ｘ方向から見た図を示す。本実施形態では、ビームシフト光学系３におけるビーム間距離補正機構３３の具体的な構成例について説明する。この間距離補正機構３３は、上述した第１〜第４実施形態において使用可能である。

ビーム間距離補正機構３３は、Ｙ方向にそれぞれパワーを有する、平凸シリンドリカルレンズ３３ａと、平凹シリンドリカルレンズ３３ｂとを備え、Ｙ方向に関するアフォーカル光学系を構成している。射出側のビーム間距離は、各レンズの曲率半径およびレンズ間距離を最適化するとともに、入射側のビーム間距離を適切に調整することによって、任意に設定できる。その結果、対象物６の照射面６ａにおいて、複数のガウス強度分布のＹ方向間隔を容易に調整できるため、理想的なトップフラット形状の光強度分布が実現する。

実施の形態６．
図６は、本発明の第６実施形態を示す構成図であり、Ｘ方向から見た図を示す。本実施形態では、ビームシフト光学系３におけるビーム間距離補正機構３３の他の構成例について説明する。この間距離補正機構３３は、上述した第１〜第４実施形態において使用可能である。

ビーム間距離補正機構３３は、光ビームの光軸をＹ方向に偏向させる複数の屈折面を有するプリズム３３ｃを備える。プリズム３３ｃは、２つの平行６面体を接合したような形状を有する。図６に示すように、上側の光ビームがＺ方向に進行して、上側の平行６面体を通過すると、下方に変位してＺ方向に出射する。下側の光ビームがＺ方向に進行して、下側の平行６面体を通過すると、上方に変位してＺ方向に出射する。こうして射出側のビーム間距離は、プリズム３３ｃの屈折率、入射面角度、射出面角度を最適化するとともに、入射側のビーム間距離を適切に調整することによって、任意に設定できる。その結果、対象物６の照射面６ａにおいて、複数のガウス強度分布のＹ方向間隔を容易に調整できるため、理想的なトップフラット形状の光強度分布が実現する。

本発明の第１実施形態を示す構成図である。本発明の第２実施形態を示す構成図である。本発明の第３実施形態を示す構成図である。本発明の第４実施形態を示す構成図である。本発明の第５実施形態を示す構成図である。本発明の第６実施形態を示す構成図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂレーザ発振器、２，２ａ，２ｂ光ビーム、
３ビームシフト光学系、４ホモジナイズ光学系、５集光光学系、
６対象物、６ａ照射面、３１ハーフミラー、３２入射角調整ミラー、
３３ビーム間距離補正機構、３３ａ平凸シリンドリカルレンズ、
３３ｂ平凹シリンドリカルレンズ、３３ｃプリズム、４１導波路、
４２入射集光レンズ、４３転写レンズ、４５レンチキュラレンズ、
４６ビーム拡大入射系、４７フィールドレンズ。

Claims

対象物に向けて、光軸に対して垂直な第１方向に長く、光軸および該第１方向に対して垂直な第２方向に狭い断面形状を有する線状ビームを照射するためのレーザ光学系であって、
レーザ発振器からの光ビームを、第１方向に複数の光ビームに分岐し、かつ、第２方向に各光ビームを相対変位させるためのビームシフト光学系と、
分岐された各光ビームに対して、第１方向に関する光強度分布を均一化するためのホモジナイズ光学系と、
均一化された光ビームを対象物に集光するための集光光学系とを備えることを特徴とするレーザ光学系。
対象物に向けて、光軸に対して垂直な第１方向に長く、光軸および該第１方向に対して垂直な第２方向に狭い断面形状を有する線状ビームを照射するためのレーザ光学系であって、
複数のレーザ発振器から供給される複数の光ビームを第１方向に分離した状態で、第２方向に各光ビームを相対変位させるためのビームシフト光学系と、
分岐された各光ビームに対して、第１方向に関する光強度分布を均一化するためのホモジナイズ光学系と、
均一化された光ビームを対象物に集光するための集光光学系とを備えることを特徴とするレーザ光学系。
前記ビームシフト光学系により複数の光ビームを角度的に相対変位させることを特徴とする請求項1または２記載のレーザ光学系。
前記ホモジナイズ光学系は、第１方向の辺長より第２方向の辺長が大きい矩形断面を有する導波路を含むことを特徴とする請求項１または２記載のレーザ光学系。
前記ホモジナイズ光学系は、第１方向にパワーを有し、第２方向のパワーが無いレンチキュラレンズを含むことを特徴とする請求項１または２記載のレーザ光学系。
前記ビームシフト光学系は、ビーム間距離を調整するための、平凸シリンドリカルレンズおよび平凹シリンドリカルレンズを含むことを特徴とする請求項１または２記載のレーザ光学系。
前記ビームシフト光学系は、ビーム間距離を調整するためのプリズムを含むことを特徴とする請求項１または２記載のレーザ光学系。
１つ又は複数のレーザ発振器と、
請求項１〜７のいずれかに記載されたレーザ光学系とを備え、
対象物として、非晶質または多結晶の半導体膜が形成された基板に向けて、線状の光ビームを照射することによって、アニール処理を行うことを特徴とするレーザアニール装置。