JP2008159910A - レーザ照射装置およびレーザ照射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＯＥのデフォーカスの影響を抑制したレーザ照射装置およびレーザ照射方法を提供する。
【解決手段】レーザ照射装置２０は、第１レーザ照射部材と第２レーザ照射部材とを備える。第２レーザ照射部部は２つの照射光学系を有する。２つの照射光学系の各々は回折光学素子としてのＤＯＥ１０、１１を含む。２つの照射光学系のそれぞれに含まれるＤＯＥ１０、１１は、互いに同じ光学特性を有する。２つの照射光学系のそれぞれから照射される第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２は、互いに同じ強度を有する。第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２が基板１２の表面に対して斜め方向から入射するとともに、基板１２の表面に対する入射角度θが同じであって互いに反対方向から当該表面に入射し、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射領域が一致するように、２つの照射光学系は配置されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーザ照射装置およびレーザ照射方法に関し、より特定的には、半導体膜の結晶化に用いられるレーザ照射装置およびレーザ照射方法に関する。

従来、高性能ＴＦＴ（Thin Film Transistor）に用いられる結晶薄膜の作製技術として、非晶質半導体薄膜（非晶質シリコン膜）を結晶化するレーザアニール技術が知られている。このレーザアニール技術には、種々の改良を加えることが可能であり、たとえば特許文献１には、エキシマレーザと炭酸ガスレーザとを併用したレーザアニール技術が記載されている。以下、特許文献１に記載のレーザアニール技術について説明する。

図１４は、特許文献１に記載されたレーザアニール技術を説明するための模式図である。図１４に示すように、特許文献１に開示されたレーザアニール技術では、二酸化シリコンを主成分とするガラス基板１３０上に形成されたシリコン薄膜１３２にＸｅＣｌエキシマレーザ１０１を照射する。このＸｅＣｌエキシマレーザ１０１の照射と同時またはその前後に、炭酸ガスレーザ１０２をガラス基板１３０に向けて照射する。この場合に、たとえば、ガラス基板１３０とシリコン薄膜１３２との間に、ガラス基板１３０より二酸化シリコンの純度が高い、二酸化シリコン層等が存在していてもよい。また、シリコンに価電子制御を目的とした不純物が添加されていてもよい。

上述のように、シリコン薄膜１３２にＸｅＣｌエキシマレーザ１０１を照射することにより、シリコン薄膜１３２の溶融再結晶化による改質を行なうことができる。なお、シリコン薄膜１３２の改質とは、たとえば、非晶質シリコン膜から多結晶シリコン膜への結晶化、小粒径シリコン膜から大粒径シリコン膜への結晶粒巨大化、結晶欠陥が多い膜から結晶欠陥が少ない膜への欠陥低減などが挙げられる。

ここで、該特許文献１では、上記ＸｅＣｌエキシマレーザ１０１による結晶化プロセス中に、同時に炭酸ガスレーザ１０２を照射している。この炭酸ガスレーザ１０２の照射により、シリコン薄膜１３２とガラス基板１３０との間の界面、または、シリコン薄膜１３２とガラス基板１３０との間に配置された二酸化シリコン層が高温に加熱される。このため、シリコン薄膜１３２の再結晶化過程の冷却速度が遅くなり、その結果得られるシリコン薄膜１３２を構成する多結晶シリコンの粒径の増大が可能になる。

なお、該特許文献１では、ＸｅＣｌエキシマレーザ１０１と同時に炭酸ガスレーザ１０２を照射するため、アニール装置の構造上の制約から、図１４に示すように、ＸｅＣｌエキシマレーザ１０１をガラス基板１３０に対して垂直方向から照射する一方、炭酸ガスレーザ１０２をガラス基板１３０の表面に対して斜め方向から照射している。なお、このようにレーザを基板の表面に対して斜め方向から照射する技術としては、たとえば特許文献２に開示されたような技術も存在する。特許文献２では、光源から出射されたレーザ光を分割手段により複数に分割し、その後周期的なエネルギー分布を有するレーザ光の形成手段であるミラーによって当該レーザ光を反射し、それぞれの分割されたレーザ光を基板表面に斜め方向から左右対称な方向から照射することで、複数のレーザ光が合成されて干渉が生じ、結果的に周期的なエネルギー分布を有するレーザ光を形成するとしている。

上記特許文献１に示したようなレーザアニールにおいて、これらのレーザはガラス基板１３０の表面を走査させながら、繰り返し照射される。そのため、ＸｅＣｌエキシマレーザ１０１および炭酸ガスレーザ１０２は、ビームプロファイルが矩形状かつ照射強度が均一になるように照射される必要がある。このため、前記ＸｅＣｌエキシマレーザ１０１および炭酸ガスレーザ１０２などのレーザの発振器後段には、レーザの強度分布を均一にする光学系を配置することが一般的である。

ＸｅＣｌエキシマレーザなどの均一照射を行なうためには、一般にフライアイ型レンズによるホモジナイザが用いられており、既に実用化されている。一方、炭酸ガスレーザについては、発振器から出力されるレーザ光のビームプロファイルがガウス分布となっており、また、可干渉距離が長いため、上述したフライアイ型レンズによるホモジナイザとは異なる新たな光学系が均一照射のために必要となる。このような炭酸ガスレーザのガウス分布状のビームプロファイルを、矩形形状かつ強度が均一なものに整形するための一手法として、特許文献３の[０００４]には、均一照射光学系として回折光学素子（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ：ＤＯＥ）を用いることが記載されている。
特開平１１−３０７４５０号公報 特開２００３−１５８０８９号公報 特開２００５−２５７８２３号公報

特許文献３に開示されているＤＯＥは、炭酸ガスレーザを均一に照射するのに非常に有用なものであるが、一方、特許文献１や特許文献２に記載されているように、炭酸ガスレーザを斜方から入射する場合には、部分的にデフォーカスが生じるという問題があった。この問題を、図１５を参照して説明する。図１５は、従来の問題を説明するための模式図である。

ＤＯＥから出射されたビーム１０２は、図１５のｘ方向に幅を持っており、基板１１２に照射される際には、光軸に垂直な断面の強度分布が基板面に投影されることになる。図１５に記されているように、基板上の線分ｂｂ’がビーム１０２の焦点位置となるように基板１１２を配置したとすると、線分ａａ’にはビーム１０２の焦点面（ビーム１０２の進行方向に対して垂直な線分ｂｂ’を含む面）よりビーム１０２の進行方向において手前側にデフォーカスしたビームが照射される。また、基板１１２上の線分ｃｃ’には焦点面よりビーム１０２の進行方向において後方にデフォーカスしたビームが照射される。この結果、基板１１２の表面におけるビームの強度分布は不均一なものになる。なお、ここでは、像面が正しい焦点位置からずれることをデフォーカスと表現している。

ＤＯＥは、ガウス分布のレーザを入射、回折して、拡散、収束させることにより、焦点位置においてレーザの強度分布を均一な強度分布に変換するものである。そのため、上記のように斜方照射（照射対象である基板の表面に対して傾斜した方向からのレーザの照射）を行なう場合、レーザの照射方向においてレーザの焦点よりも手前あるいは後方に像面がずれることによりビーム乱れが生じて、基板表面においてレーザが照射される領域での強度分布が不均一になる。図１６〜図１８は、このことを模式的に示すグラフである。

具体的には、図１６は、図１５のＡ断面におけるｘ方向でのレーザの強度分布を示すグラフである。図１７は、図１５のＢ断面におけるｘ方向でのレーザの強度分布を示すグラフである。図１８は、図１５のＣ断面におけるｘ方向でのレーザの強度分布を示すグラフである。なお、ここでＡ断面とは、レーザの光軸に垂直で線分ａａ’を含む断面を意味する。また、Ｂ断面とは、レーザの光軸に垂直で線分ｂｂ’を含む断面を意味する。また、Ｃ断面とは、レーザの光軸に垂直で線分ｃｃ’を含む断面を意味する。

図１６〜図１８では、いずれも横軸がｘ方向（幅方向）での位置を示し、縦軸がレーザの強度を示している。図１７は、Ｂ断面、すなわちレーザの焦点を含む平面でのレーザの強度分布を示している。図１７では、ｘ方向においてレーザの強度がほぼ一定になっていることが分かる。一方、図１６はＡ断面、すなわちレーザの焦点よりレーザの光軸方向において手前側の平面でのレーザの強度分布を示している。図１６から分かるように、幅方向でのレーザの強度分布は不均一になっている。また、図１８はＣ断面、すなわちレーザの焦点よりレーザの光軸方向において後方側の平面でのレーザの強度分布を示している。図１８から分かるように、幅方向でのレーザの強度分布は不均一になっている。このように、ＤＯＥを用いた場合には、焦点を含む平面からずれた位置の平面におけるレーザの強度分布が不均一になる。

図１６や図１８に示したようなレーザの強度分布が不均一になることは、上記ＤＯＥが、フライアイ型ホモジナイザ等、重畳方式の光学素子とは異なり、デフォーカスが生じると極端にレーザのプロファイル（強度分布）が悪化するという特有の性質を持つことに起因する。つまり、ＤＯＥを用いた場合には、焦点を含む平面からずれた位置の平面では、図１６や図１８に示すように、レーザの強度分布は激しい凹凸が繰り返されるプロファイルとなる。これは、単に像面がぼやけるだけの他の光学素子によるデフォーカスとは全く異なり、ＤＯＥを用いた場合の特徴的な現象である。このようなＤＯＥのデフォーカスを解消する手法については、上述した特許文献１〜特許文献３のいずれにも開示も示唆もされておらず、従来全く知られていなかった。

そして、図１６や図１８に示しているように、ＤＯＥのデフォーカスに起因して基板の表面（レーザの照射面）での炭酸ガスレーザの照射強度が不均一になることにより、当該炭酸ガスレーザとエキシマレーザとの併用によるレーザアニールが不均一となる。つまり、特許文献１および特許文献２を組み合わせた従来の結晶化技術では、レーザアニールが不均一となることにより均質な結晶が得られないという問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、ＤＯＥのデフォーカスの影響を抑制したレーザ照射装置およびレーザ照射方法を提供することである。

この発明の１の局面に従ったレーザ照射装置は、第１レーザ照射部材と第２レーザ照射部材とを備える。第１レーザ照射部材は、第１レーザ光を被処理物に照射して、被処理物に第１照射領域を形成する。第２レーザ照射部材は、第２レーザ光を被処理物に照射して、当該被処理物に、第１照射領域の少なくとも一部と重複する第２照射領域を形成する。第２レーザ照射部材は、複数組の第２レーザ光を基板に照射する複数組の照射光学系を有する。複数組の照射光学系の各々は、回折現象によりビームプロファイルを整形する回折光学素子を含む。複数組の照射光学系のそれぞれの組を構成する２つの照射光学系に含まれる回折光学素子は、互いに同じ光学特性を有する。それぞれの組を構成する２つの照射光学系から被処理物に照射される第２レーザ光は、互いに同じ強度を有する。それぞれの組を構成する２つの照射光学系から被処理物に照射される第２レーザ光が被処理物の表面に対して斜め方向から入射するとともに、被処理物の表面に対する入射角度が同じであって互いに反対方向から当該表面に入射し、２つの照射光学系のそれぞれから被処理物に照射される第２レーザ光の照射領域が一致するように、２つの照射光学系は配置されている。

このようにすれば、２つの照射光学系のそれぞれから被処理物に斜め方向から照射される第２レーザ光について、デフォーカスの影響により被処理物表面での強度分布が不均一になっている場合に、２つの照射光学系のそれぞれから照射される第２レーザ光を反対方向から同じ角度で被処理物表面に照射することにより、第２レーザ光のそれぞれのデフォーカスの影響による強度分布の不均一な状態を同様にすることができる。そして、その２つの第２レーザ光を反対方向から被処理物に照射することでそれぞれの不均一な強度分布を互いに打ち消すことができる。このようにして、第２レーザ光のデフォーカスの影響を軽減することができる。この結果、第２レーザ光により照射される第２照射領域でのレーザ光の強度分布を均一なものとすることができるので、第２レーザ光により第２照射領域全体を均一に加熱することができる。この結果、第１レーザ光と第２レーザ光との併用による被処理物の加熱処理（たとえばアニール処理）を均一に行なうことができるので、被処理物の加熱処理の品質を向上させることができる。

この発明の他の局面に従ったレーザ照射装置は、第１レーザ照射部材と第２レーザ照射部材とを備える。第１レーザ照射部材は、第１レーザ光を被処理物に照射して、被処理物に第１照射領域を形成する。第２レーザ照射部材は、２本の第２レーザ光を被処理物に照射して、当該被処理物に、第１照射領域の少なくとも一部と重複する第２照射領域を形成する。第２レーザ照射部材は、２本の第２レーザ光を基板に照射する２つの照射光学系を有する。２つの照射光学系の各々は、回折現象によりビームプロファイルを整形する回折光学素子を含む。２つの照射光学系のそれぞれに含まれる回折光学素子は、互いに同じ光学特性を有する。２つの照射光学系のそれぞれから被処理物に照射される第２レーザ光は、互いに同じ強度を有する。２つの照射光学系のそれぞれから被処理物に照射される第２レーザ光が被処理物の表面に対して斜め方向から入射するとともに、被処理物の表面に対する入射角度が同じであって互いに反対方向から当該表面に入射し、２つの照射光学系のそれぞれから被処理物に照射される第２レーザ光の照射領域が一致するように、２つの照射光学系は配置されている。

このようにすれば、２つの照射光学系のそれぞれから被処理物に斜め方向から照射される第２レーザ光について、デフォーカスの影響により被処理物表面での強度分布が不均一になっている場合に、２つの第２レーザ光を反対方向から同じ角度で被処理物表面に照射することにより、第２レーザ光のそれぞれのデフォーカスの影響による強度分布の不均一な状態を同様にすることができる。そして、その２つの第２レーザ光を反対方向から被処理物に照射することでそれぞれの不均一な強度分布を互いに打ち消すことができる。このようにして、第２レーザ光のデフォーカスの影響を軽減することができる。この結果、第２レーザ光により照射される第２照射領域でのレーザ光の強度分布を均一なものとすることができるので、第２レーザ光により第２照射領域全体を均一に加熱することができる。この結果、第１レーザ光と第２レーザ光との併用による被処理物の加熱処理（たとえばアニール処理）を均一に行なうことができるので、被処理物の加熱処理の品質を向上させることができる。

また、第２レーザ照射部材が２つの照射光学系を備えることから、上述した効果を最小限の装置構成で実現することができる。つまり、極力簡略化した装置構成で本発明によるレーザ照射装置を実現できる。

上記他の局面に従ったレーザ照射装置において、第２レーザ照射部材は、２本の第２レーザ光を互いに異なるタイミングで被処理物に照射してもよい。この場合、２本の第２レーザ光が重なることなく、それぞれ独立して被処理物の第２照射領域に照射される。そのため、２本の第２レーザ光が被処理物に到達する前に重なることを防止できる。そのため、２本の第２レーザ光が被処理物に到達する前に重なることに起因する、第２レーザ光の干渉による強度分布の不均一化といった問題の発生を防止することができる。

上記他の局面に従ったレーザ照射装置において、第２レーザ照射部材は、２本の第２レーザ光の光軸に垂直な断面におけるビームプロファイルを、焦点位置においてトップフラット形状としてもよい。この場合、第２レーザ光の第２照射領域での強度分布をより均一なものとすることができる。

上記１の局面または他の局面に従ったレーザ照射装置において、第１レーザ照射部材は、第１レーザ光を被処理物の表面に対して垂直方向から照射してもよい。この場合、第２レーザ光との干渉を極力抑制した状態で第１レーザ光を被処理物の表面に照射することができる。

上記他の局面に従ったレーザ照射装置において、第２レーザ照射部材は、１つのレーザ光源と分岐光学系とを含んでいてもよい。分岐光学系は、レーザ光源から出射したレーザ光を分岐し、当該分岐したレーザ光のそれぞれを第２レーザ光として２つの照射光学系の回折光学素子に入射させてもよい。２つの照射光学系では、回折光学素子から被処理物の照射領域までの第２レーザ光のそれぞれの軌跡長さが同じに設定されていてもよい。この場合、１つのレーザ光源から２つの第２レーザ光を生成するので、第２レーザ光それぞれについて個別にレーザ光源を準備する場合よりもレーザ照射装置の装置構成を簡略化することができる。

上記１の局面または他の局面に従ったレーザ照射装置において、被処理物の表面には複数の層が形成されていてもよい。第１レーザ照射部材は、第１レーザ光として複数の層のうちの１つの層に吸収される波長を有するレーザ光を被処理物の表面に照射してもよい。第２レーザ照射部材は、第２レーザ光として複数の層のうちの上記１つの層と異なる他の層に吸収される波長を有するレーザ光を被処理物の表面に照射してもよい。

この場合、第１レーザ光により上記１つの層を熱処理（たとえばアニール処理）する場合に、第２レーザ光によって他の層を加熱することができるので、結果的に上記１つの層の冷却速度を調整できる（冷却速度を第２レーザ光の照射が無い場合より遅くすることができる）。このため、上記１つの層の熱処理条件を調整することができる。また、このとき上記１つの層に隣接して他の層が形成されていることが好ましい。

上記１の局面または他の局面に従ったレーザ照射装置において、第１レーザ照射部材は、１つの層としての半導体層に吸収される波長を有するレーザ光を第１レーザ光として前記被処理物の表面に照射してもよい。第２レーザ照射部材は、他の層としての酸化物層または窒化物層に吸収される波長を有するレーザ光を第２レーザ光として被処理物の表面に照射してもよい。

この場合、半導体層に対する第１レーザ光による熱処理を行なう際、第２レーザ光によって酸化物層または窒化物層を加熱することができるので、半導体層の冷却速度を調整することができる。

上記１の局面または他の局面に従ったレーザ照射装置において、１つの層はシリコンを含む層であってもよく、他の層は酸化シリコンを含む層であってもよい。第１レーザ照射部材は、第１レーザ光としてエキシマレーザを被処理物の表面に照射してもよい。第２レーザ照射部材は、第２レーザ光として９μｍ以上１１μｍ以下の波長を有するレーザ光を被処理物の表面に照射してもよい。

この場合、１つの層としてのシリコンを含む層および他の層としての酸化シリコンを含む層を備える被処理物（たとえば基板）について、当該シリコンを含む層をアニールするときに、他の層としての酸化シリコンを第２レーザ光によって均一に加熱することができるので、第２レーザ光が照射された領域においてシリコンを含む層の冷却速度を均一に遅くすることができる。このため、シリコンを含む層のアニール後の結晶粒のサイズを、第２レーザ光による加熱を行なわない場合より大きくすることができる。

上記１の局面または他の局面に従ったレーザ照射装置を用いたレーザ照射方法であって、被処理物を準備する工程と凝固工程とを備える。凝固工程では、第１レーザ光を被処理物の第１照射領域に照射することにより、第１照射領域内の被処理物の表面を溶融後再凝固させる。凝固工程において、第１照射領域の少なくとも一部と重複する第２照射領域に第２レーザ光を照射する。

このようにすれば、第１レーザ光により被処理物の第１照射領域を熱処理するときに、第２レーザ光を（第１照射領域と重複する）第２照射領域に照射することによって当該部分の冷却速度を調整することができる。このため、第１レーザ光による熱処理の条件を第２レーザ光の照射によって調整することができる。

本発明によれば、第２レーザ光により照射される第２照射領域でのレーザ光の強度分布を均一なものとすることができるので、第２レーザ光により第２照射領域全体を均一に加熱することができる。この結果、第１レーザ光と第２レーザ光との併用による被処理物の加熱処理（たとえばアニール処理）を均一に行なうことができるので、被処理物の加熱処理の品質を向上させることができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

（実施の形態１）
図１は、本発明に従ったレーザ照射装置の実施の形態１の具体的な構成を示す模式図である。図２は、図１に示したレーザ照射装置の概略的な構成を示すブロック図である。図３は、図１に示したレーザ照射装置においてレーザを照射される基板の部分断面模式図である。図１〜図３を参照して、本発明に従ったレーザ照射装置の実施の形態１を説明する。

図１および図２を参照して、本発明に従ったレーザ照射装置２０は、半導体薄膜の結晶成長装置であって、図２に示すように第１レーザ照射部２１と、第２レーザ照射部２２と基板保持部２３とを備えている。第１レーザ照射部２１は、具体的には図１の第１レーザ発振器１、可変減衰器２、集光レンズ３、ミラー１４ａ、ホモジナイザ４、および投影レンズ５から構成されている。第２レーザ照射部２２は、図１の第２レーザ発振器６、可変減衰器７、集光レンズ８、ビームスプリッタ９、ミラー１４ｂ〜１４ｆ、回折光学素子（ＤＯＥ）１０、１１とから構成されている。基板保持部２３は図１のステージ１３を含む。ステージ１３上には被処理物である基板１２が搭載されている。基板１２は、図３に示すようにベース基板３０上に下地絶縁膜３１が形成され、当該下地絶縁膜３１上に半導体膜３２が形成された多層構造を有している。これらの下地絶縁膜３１や半導体膜３２は、前工程においてベース基板３０上に形成されたものである。

図１に示したレーザ照射装置２０では、第１レーザ発振器１から出射した第１レーザ光が、基板１２の表面に対して垂直方向から照射されるように、第１レーザ発振器１やミラー１４ａなどが配置されている。また、第２レーザ発振器６から出射した第２レーザ光は、基板１２の表面に対して斜め方向から、かつ２つに分岐された第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２がそれぞれ反対方向から（左右対称に）基板１２の表面に照射されるように、第２レーザ発振器６やミラー１４ｂ〜１４ｆが配置されている。なお、ミラー１４ａ〜１４ｆの配置や数量に特に制限は無く、レーザ照射装置２０の光学設計や機構設計に応じて適宜配置することが可能である。

次に、第１レーザ照射部２１について、具体的には第１レーザ発振器１から出射された第１レーザ光が基板１２に照射されるまでの光路を説明する。第１レーザ発振器１から出射した第１レーザ光は、可変減衰器２により適当な出力に調整される。その後、第１レーザ光は集光レンズ３によりその断面サイズ（光路に対して垂直な方向での断面積）を適当な大きさとなるように調整される。次いで、第１レーザ光はミラー１４ａによりその進行方向が変更される（第１レーザ光の進行方向が９０度曲げられる）。そして、フライアイ型レンズを用いたホモジナイザ４により、第１レーザ光の断面方向での強度分布が均一化される。強度分布を均一化した第１レーザ光は、投影レンズ５を介し、所定倍率に整形されて、基板１２に垂直方向から入射する。この第１レーザ光が照射された領域を第１照射領域とする。尚、投影レンズ５を介して、所定倍率に整形された第１レーザ光は、投影マスクを通して、所定の形状に整形された後基板１２に照射することも可能である。

次に、第２レーザ照射部２２について、具体的には第２レーザ発振器６から出射された第２レーザ光が基板１２に照射されるまでの光路を説明する。第２レーザ発振器６から出射した第２レーザ光は、可変減衰器７により適当な出力に調整された後、集光レンズ８によりその断面サイズが適当な大きさになるように調整される。次いで、ビームスプリッタ９により同一の２本の第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２に分岐する。分岐した２本の第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２は、それぞれミラー１４ｂ、１４ｄ、１４ｅによって進行方向が変更された後、別個の回折光学素子（ＤＯＥ）１０、１１に入射する。このＤＯＥ１０、１１において、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２はそれぞれ強度分布（ビームプロファイル）が矩形状に整形される。そして、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２は、ミラー１４ｃ、１４ｆにより進行方向が変更された後、基板１２の表面に対して斜め方向から照射される。このとき、２つの第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２は、基板１２の表面における同じ領域（第２照射領域）に照射される。また、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２は、上記照射領域の中央部に位置する法線に対して対称な方向から入射する。この２本の第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２は、基板１２の表面に同一位相で対称方向から斜方入射する。

対称方向から入射する２本の第二レーザ光Ｌ１、Ｌ２により形成される第２照射領域は、上記第１照射領域を含むように設定されている。なお、第２照射領域は、第１照射領域の少なくとも一部と重なるように設定されていてもよい。

また、図１に示したレーザ照射装置２０では、ビームスプリッタ９からＤＯＥ１０、およびビームスプリッタ９からＤＯＥ１１までの光路長が等しくなるように、上記ビームスプリッタ９やＤＯＥ１０、１１などの配置を設定することが好ましい。また、図１に示したレーザ照射装置２０では、ＤＯＥ１０、１１から基板１２の表面までの光路長が等しくなるようにＤＯＥ１０、１１およびミラー１４ｃ、１４ｆの配置が設定されている。

なお、図１および図２に示したレーザ照射装置２０では、第１レーザ光がたとえばエキシマレーザであり、第２レーザ光がたとえば炭酸ガスレーザであってもよい。第２レーザ発振器６から出射した第２レーザ光としての炭酸ガスレーザの断面プロファイル（強度分布）を図４に示す。ここで、図４は、第２レーザ発振器６から出射した第２レーザ光としての炭酸ガスレーザの強度分布を示す図である。図４では、横軸が第２レーザ光の進行方向に垂直な幅方向での位置を示しており、縦軸が強度を示している。図４に示すように、第２レーザ発振器６から出射した第２レーザ光としての炭酸ガスレーザの断面プロファイル（強度分布）はガウス型プロファイルを示している。

このようなガウス型プロファイルを示す第２レーザ光としての炭酸ガスレーザは、ＤＯＥ１０、１１を通過することにより、図５に示すような断面プロファイル（強度分布）に変換される。図５は、ＤＯＥを通過した後の炭酸ガスレーザの強度分布を示す図である。図５では、図４と同様に、横軸が第２レーザ光の進行方向に垂直な幅方向での位置を示しており、縦軸が強度を示している。図５に示すように、ＤＯＥ１０、１１を通過することにより、炭酸ガスレーザの断面プロファイルは、矩形状であってその強度が均一なプロファイルに変換される。

図１および図２に示したレーザ照射装置２０では、２本の第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２としての炭酸ガスレーザを基板１２に対して斜方から（基板の表面に対して傾斜した方向から）互いに対称に照射している点に特徴がある。このような構成により、従来のＤＯＥを用いて炭酸ガスレーザを基板１２に斜方から照射する系において課題であったデフォーカスの影響を解消することが可能となる。図６〜図９を参照して、以下、具体的に説明する。

図６は、炭酸ガスレーザがＤＯＥ１０、１１を通過してから、基板１２に照射されるまでの光路を示した模式図である。図７は、図６の炭酸ガスレーザＬ１ａの強度分布を示す図である。図８は、図６の炭酸ガスレーザＬ２ａの強度分布を示す図である。図９は、図７および図８に示した炭酸ガスレーザＬ１ａ、Ｌ２ａを合成した強度分布を示す図である。

図６を参照して、第２レーザ発振器６（図１参照）から出射した第２レーザ光としての炭酸ガスレーザは、ビームスプリッタ９によって２本の第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２に分岐された後、ＤＯＥ１０、１１を通過することにより強度分布が図５に示すような矩形状に整形される。そして、図６に示すように、基板１２の表面となす角θである斜め方向から基板１２の表面に入射する。なお、図６は、基板１２の表面に斜め方向から入射する第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２の軌跡を横方向から見た模式図になっている。

基板１２の表面に入射する第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２としての炭酸ガスレーザは、図６のｘ方向に幅を有している。図６は、ＤＯＥ１０を通過した炭酸ガスレーザＬ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ１ｃが、基板１２の表面上のａライン、ｂライン、ｃラインにそれぞれ入射し、ＤＯＥ１１を通過した炭酸ガスレーザＬ２ａ、Ｌ２ｂ、Ｌ２ｃが、基板１２の表面上のａライン、ｂライン、ｃラインにそれぞれ入射する様子を示している。炭酸ガスレーザＬ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ１ｃの間は距離Ｗだけ離れている。炭酸ガスレーザＬ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ１ｃは互いに平行になるように基板１２に対して照射されている。

図６に示すように、照射領域（ａラインとｃラインとの間の領域）の中心ラインであるｂラインを、ＤＯＥ１０、１１からの焦点位置となるように、基板を配置する。この場合、ａラインには、焦点面よりも手前に長さ（Ｗ／ｔａｎθ）だけデフォーカスした炭酸ガスレーザＬ１ａと、焦点面より後方に長さ（Ｗ／ｔａｎθ）だけデフォーカスした炭酸ガスレーザＬ２ａが入射する。また、ｃラインには、焦点面よりも後方に長さ（Ｗ／ｔａｎθ）だけデフォーカスした炭酸ガスレーザＬ１ｃと、焦点面より手前に長さ（Ｗ／ｔａｎθ）だけデフォーカスした炭酸ガスレーザＬ２ｃが入射する。焦点面より手前、あるいは後方にデフォーカスした炭酸ガスレーザが基板に入射した場合、基板面における強度分布は、不均一になる。そして、その不均一の程度は、焦点面からのずれ量（手前または後方への照射面の位置ずれ量、以下デフォーカス量とも言う）に比例する。しかし、照射領域内のいずれの位置においても焦点面からの手前のデフォーカス量と後方のデフォーカス量が等しい、２本の第２レーザ光を（同時に）照射することにより、この強度分布の不均一を解消することができる。以下、図７〜図９を用いてより詳しく説明する。

図７〜図９において、横軸は幅方向（ｘ軸方向）での位置を示し、縦軸はレーザの強度を示している。図７に示したａラインに入射する炭酸ガスレーザＬ１ａのｘ方向の強度分布と、図８に示したａラインに入射する炭酸ガスレーザＬ２ａのｘ方向の強度分布とは、ちょうど強度についての強弱の変動が逆の位相になっていることが分かる。そして、炭酸ガスレーザＬ１ａと炭酸ガスレーザＬ２ａとを図６に示すようにａライン上に逆方向から同じ角度で照射すると、その結果ａライン上での炭酸ガスレーザＬ１ａ、Ｌ２ａの合成強度分布は図９に示したような均一な分布となる。

また、ｂラインに入射する炭酸ガスレーザＬ１ｂ、Ｌ２ｂは、ともに図９に示すようなｘ方向での強度分布を示す。図９に示した強度分布は、矩形状であってその強度がほぼ均一になっている。そのため、ｂラインに炭酸ガスレーザＬ１ｂ、Ｌ２ｂを照射した場合の、両者を合成した強度分布（合成強度分布）も図９に示した強度分布と同様になる。

また、ｃラインに入射する炭酸ガスレーザＬ１ｃは、図８に示すようなｘ方向の強度分布を示し、ｃラインに入射する炭酸ガスレーザＬ２ｃは図７に示すようなｘ方向の強度分布を示す。そのため、図６に示すように炭酸ガスレーザＬ１ｃと炭酸ガスレーザＬ２ｃとをｃライン上に逆方向から同じ角度で照射すると、ｃライン上での炭酸ガスレーザＬ１ｃ、Ｌ２ｃの合成強度分布は図９に示したような均一な分布となる。

このように、レーザの照射方向における前後に同じ量デフォーカスした炭酸ガスレーザを２本、基板１２の表面の同じ場所に入射させることによって、基板１２の表面における炭酸ガスレーザの強度分布を均一にすることが可能となる。すなわち、基板１２の表面に対して対称方向から、２本の炭酸ガスレーザを入射させることにより、デフォーカスの影響を解消することが可能となる。この結果、基板１２の表面に、結果的に矩形で均一な強度分布のレーザを照射した場合と同様に、基板１２の表面をレーザによって均一に加熱することができる。このため、当該レーザを用いて基板１２の表面において材料の溶融・再結晶によって結晶を形成する場合、レーザの照射領域における加熱条件を均一化できることから、均質な結晶を得ることが可能となる。

なお、上記レーザ照射装置でのレーザ照射を行なう条件としては、たとえば第１レーザ光として波長３０８ｎｍのエキシマレーザを、パルス幅５０ｎｓ、エネルギー密度を２００ｍＪ／ｃｍ^２以上５００ｍＪ／ｃｍ^２以下という条件で照射することができる。また、この場合、第２レーザ光として、波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザを、パルス幅２０μｓ以上２００μｓ以下、エネルギー密度を７５０ｍＪ／ｃｍ^２以上１０００ｍＪ／ｃｍ^２以下という条件で照射することができる。また、上記照射条件は一例であり、照射に際しては基板１２の表面に形成される半導体膜３２（図３参照）の凝集や基板損傷が発生しないようなエネルギー量を設定することが好ましく、半導体膜３２の材質や種類、膜厚等、基板１２の条件に合わせて適当なエネルギー量を設定すればよい。

また、上記レーザ照射装置２０では、レーザを照射する被処理物として図３に示すようにベース基板３０上に下地絶縁膜３１と半導体膜３２とを積層させて形成した半導体デバイスにレーザを照射する。ベース基板３０は絶縁性であることが好ましく、ガラス基板や石英基板を用いることができる。特に、安価であることと大面積基板を容易に入手し得る観点からベース基板３０としてガラス基板を用いることが好ましい。

下地絶縁膜３１には、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜などを用いることができる。その膜厚は５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下にすることが好ましいが、当該膜厚はこのような値に限定されない。この下地絶縁膜３１を形成することにより、主としてレーザによる溶融、再結晶化の際に、溶融した半導体膜３２の熱影響がベース基板３０に及ばないようにすることが可能となる。さらに、下地絶縁膜３１に、ベース基板３０から半導体膜３２への不純物拡散を防止するバッファ層の働きをさせることが可能となる。この下地絶縁膜３１は、原料化合物をプラズマエンハンスド化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、蒸着あるいはスパッタリングなどを用いて堆積することによって形成し得る。

半導体膜３２は、膜厚が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下となるように、プラズマエンハンスド化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、触媒化学気相堆積（Catalytic Chemical Vapor Deposition：Ｃａｔ−ＣＶＤ）、蒸着あるいはスパッタリングなどの手法を用いて堆積することによって形成できる。半導体膜３２の材料としては、半導体特性を示す従来公知のものであれば特に限定されないが、後の工程で結晶化された際に結晶成長距離を長くでき、種々の特性が顕著に向上する非晶質シリコン膜を用いることが好ましい。

次に、図１に示したレーザ照射装置２０を用いたレーザ照射方法である結晶成長方法を簡単に説明する。図１０は、図１に示したレーザ照射装置を用いたレーザ照射方法である結晶成長方法を説明するためのフローチャートである。

図１０に示すように、本発明による結晶成長方法では、まず基板準備工程（Ｓ１０）を実施する。この工程（Ｓ１０）では、図３に示すようなベース基板３０上に下地絶縁膜３１および半導体膜３２を形成した基板１２を準備する。そして、この基板１２を、図１に示したレーザ照射装置２０のステージ１３上に搭載する。

次に、レーザ照射工程（Ｓ２０）を実施する。この工程（Ｓ２０）では、基板１２の表面に第１レーザ発振器１から出射した第１レーザ光を照射するとともに、第２レーザ発振器６から出射した第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２を基板１２の表面に同時に照射する。第１レーザ光により基板１２の半導体膜３２を溶融後、再凝固させることにより、半導体膜３２において結晶を生成させる。また、このとき、第２レーザ光によって主に下地絶縁膜３１が加熱されることによって、半導体膜３２の冷却速度を遅くすることができる。このため、半導体膜３２において形成される結晶の粒径を大きくすることができる。また、上述したように第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２が照射される領域（第２照射領域）では、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２が照射された結果としての合成強度分布を均一なものとすることができるので、第２照射領域の全体を均一に加熱することができる。このため、当該領域の下地絶縁膜３１を均一に加熱することができるので、結果的に当該領域に位置する半導体膜３２の冷却条件を均一にすることができる。このため、半導体膜３２において結晶粒の粒径分布がばらつくことを抑制できる（つまり、半導体膜３２において結晶粒を均一に大きくすることができる）。

（実施の形態２）
図１１は、本発明に従ったレーザ照射装置を用いたレーザ照射方法の実施の形態２を説明するためのフローチャートである。図１２は、図１１に示したレーザ照射方法における第２レーザ光の照射タイミングを示すタイミングチャートである。図１１および図１２を参照して、本発明によるレーザ照射方法の実施の形態２を説明する。

本発明によるレーザ照射方法の実施の形態２は、結晶成長方法であって、基本的には図１および図２に示したレーザ照射装置を用いており、図１０に示したレーザ照射方法と同様の構成を備えるが、レーザ照射工程の具体的な内容が異なっている。すなわち、図１０で説明したレーザ照射方法では、上記２本の第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２を同時に照射していた。このように第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２を同時に照射する場合よりも、更にレーザの強度分布の均一性を向上させる必要がある場合には、可能な限り２本の第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２を基板１２の表面に到達する前に重ねない方が好ましい。この実施の形態２では、上記のように第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２を極力重ねないようにしたレーザ照射方法を説明する。

まず図１０の基板準備工程（Ｓ１０）を実施する。その後、レーザ照射工程として図１１に示すような工程を実施する。具体的には、第１レーザ発振器１（図１参照）から出射した第１レーザ光を基板１２の表面に照射する第１レーザ照射工程（Ｓ２１）を実施する。また、並行して、第２レーザの一方を照射する工程（Ｓ２２）を実施する。このとき、具体的にはたとえば第２レーザ光Ｌ１（図１参照）を基板１２の表面に照射する。そして、第２レーザ光Ｌ１を所定時間照射した後、第２レーザの他方を照射する工程（Ｓ２３）を実施する。具体的には、たとえば第２レーザ光Ｌ２（図１参照）を基板１２の表面に所定時間だけ照射する。このとき、第２レーザ光Ｌ２を照射する領域の基板１２の表面における位置は、第２レーザ光Ｌ１を照射した領域の位置と同じとする。

次に、第１レーザ照射工程（Ｓ２１）が終了したかどうかを判定する工程（Ｓ２４）を実施する。この工程（Ｓ２４）では、たとえば第１レーザ発振器１の動作状態を電源電力などの値から判別し、第１レーザ光の照射が終わっているかどうかを確認する。そして、工程（Ｓ２４）においてＮＯと判定された場合（つまり、第１レーザ光の照射がまだ続いている場合）には、再び工程（Ｓ２２）および工程（Ｓ２３）を繰返す。一方、工程（Ｓ２４）においてＹＥＳと判定された場合（つまり、第１レーザ光の照射が終了している場合）には、熱処理が完了するためにレーザ照射工程を終了する。

図１２を参照して、工程（Ｓ２２）および工程（Ｓ２３）での２本の第２レーザの一方および他方である第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射タイミングについて説明する。図１２の横軸は時間を示し、縦軸は第２レーザの一方（第２レーザ光Ｌ１）および第２レーザの他方（第２レーザ光Ｌ２）のそれぞれについてのＯＮ／ＯＦＦの状態を示している。

図１２では、図１１において工程（Ｓ２２）〜工程（Ｓ２４）が繰返されている状態、つまり第２レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２とが交互に照射される場合を示している。すなわち、図１２の時点Ｔ１において、第２レーザの一方（第２レーザ光Ｌ１）の照射が開示される。この時点Ｔ１は、図１１の工程（Ｓ２２）が開始された時点に対応する。そして、第２レーザの一方の照射が時間Ｐ１だけ続いた後、時点Ｔ２において第２レーザの一方の照射が終了する。この時点Ｔ２は、図１１における工程（Ｓ２２）が終了した時点に対応する。

次に、上述した時点Ｔ１から時間Ｐ２だけ経過した時点Ｔ３において、第２レーザの他方（第２レーザ光Ｌ２）の照射が開示される。この時点Ｔ３は、図１１の工程（Ｓ２３）が開始された時点に対応する。そして、第２レーザの他方の照射が所定の時間（たとえば上記時間Ｐ１と同じ時間）だけ続いた後、時点Ｔ４において第２レーザの他方の照射が終了する。この時点Ｔ４は、図１１における工程（Ｓ２３）が終了した時点に対応する。

そして、時点Ｔ４から所定時間が経過した後（あるいは、時点Ｔ３から上記時間Ｐ２だけ経過した後）の時点Ｔ５において、時点Ｔ１と同様に第２レーザの一方の照射が再び開始される。以下、上記した時点Ｔ１〜時点Ｔ４について説明した工程と同様の工程が、図１１の工程（Ｓ２４）においてＹＥＳと判断されるまで（つまり第１レーザ照射工程（Ｓ２１）が終了するまで）順番に繰返される。

なお、一回のレーザ照射時間に対応する上記時間Ｐ１（パルス幅）や第２のレーザの一方と他方との照射開始タイミングのインターバルに対応する時間Ｐ２は、交互に照射される該２本の第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２によって、基板１２に蓄熱を生じ、基板１２の表面における均一な温度分布を維持できるよう適当に設定できる。

上述した本発明の実施の形態１、２の特徴的な構成を要約すれば、レーザ照射装置２０は、第１レーザ照射部材としての第１レーザ照射部２１と第２レーザ照射部材としての第２レーザ照射部２２とを備える。第１レーザ照射部２１は、第１レーザ光を被処理物としての基板１２に照射して、基板１２に第１照射領域を形成する。第２レーザ照射部２２は、２本の第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２を基板１２に照射して、当該基板１２に、第１照射領域の少なくとも一部と重複する第２照射領域（図６のａラインとｃラインとに挟まれた領域）を形成する。第２レーザ照射部２２は、２本の第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２を基板１２に照射する２つの照射光学系２４ａ、２４ｂを有する。２つの照射光学系２４ａ、２４ｂの各々は、回折現象によりビームプロファイルを整形する回折光学素子としてのＤＯＥ１０、１１を含む。２つの照射光学系２４ａ、２４ｂのそれぞれに含まれるＤＯＥ１０、１１は、互いに同じ光学特性を有する。２つの照射光学系２４ａ、２４ｂのそれぞれから基板１２に照射される第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２は、互いに同じ強度を有する。２つの照射光学系２４ａ、２４ｂのそれぞれから基板１２に照射される第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２が基板１２の表面に対して斜め方向から入射するとともに、基板１２の表面に対する入射角度θが同じであって互いに反対方向から当該表面に入射し、２つの照射光学系２４ａ、２４ｂのそれぞれから基板１２に照射される第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射領域が一致するように、２つの照射光学系は配置されている。

このようにすれば、２つの照射光学系２４ａ、２４ｂのそれぞれから基板１２に斜め方向から照射される第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２について、デフォーカスの影響により基板１２表面での強度分布が不均一になっている場合に、２つの第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２を反対方向から同じ角度で基板１２表面に照射することにより、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２のそれぞれのデフォーカスの影響による強度分布の不均一な状態を同様にすることができる。そして、その２つの第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２を反対方向から基板１２に照射することでそれぞれの不均一な強度分布を互いに打ち消すことができる。このようにして、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２のデフォーカスの影響を軽減することができる。この結果、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２により照射される第２照射領域でのレーザ光の強度分布を均一なものとすることができるので、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２により第２照射領域全体を均一に加熱することができる。この結果、第１レーザ光と第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２との併用による基板１２の加熱処理（たとえばアニール処理や溶融再結晶による結晶化処理）を均一に行なうことができるので、基板１２の加熱処理の品質を向上させることができる。

また、第２レーザ照射部２２が２つの照射光学系２４ａ、２４ｂを備えることから、上述した効果を最小限の装置構成で実現することができる。つまり、極力簡略化した装置構成で本発明によるレーザ照射装置２０を実現できる。

上記レーザ照射装置２０において、第２レーザ照射部２２は、実施の形態２で示したように２本の第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２を互いに異なるタイミングで被処理物に照射してもよい。この場合、２本の第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２が重なることなく、それぞれ独立して基板１２の第２照射領域に照射される。そのため、２本の第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２が基板１２に到達する前に重なることを防止できる。そのため、２本の第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２が基板１２に到達する前に重なることに起因する、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２の干渉による強度分布の不均一化といった問題の発生を防止することができる。

上記レーザ照射装置２０において、第２レーザ照射部２２は、２本の第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２の光軸に垂直な断面におけるビームプロファイルを、焦点位置において図５に示すようなトップフラット形状としてもよい。この場合、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２の第２照射領域での強度分布をより均一なものとすることができる。

（実施の形態３）
図１３は、本発明に従ったレーザ照射装置の実施の形態３の概略的な構成を示すブロック図である。図１３を参照して、本発明に従ったレーザ照射装置の実施の形態３を説明する。なお、図１３は図２に対応する。

図１３を参照して、レーザ照射装置２０は、基本的には図１および図２に示したレーザ照射装置２０と同様の構成を備えるが、照射光学系２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂを１組ではなく２組備えている点が、図１および図２に示したレーザ照射装置２０と異なる。図１および図２に示されたレーザ照射装置２０に比べて追加されている１組の照射光学系２５ａ、２５ｂは、照射光学系２４ａ、２４ｂと同様に、互いに反対方向から、基板１２の表面に対して斜め方向からそれぞれ第２レーザ光を照射する。また、照射光学系２５ａ、２５ｂの構成は、基本的に照射光学系２４ａ、２４ｂと同様である。このようにしても、照射光学系２５ａ、２５ｂから基板１２の表面に照射した第２レーザ光について、合成強度分布を照射光学系２４ａ、２４ｂの場合と同様に均一化することができる。また、照射光学系２４ａ、２４ｂから照射される第２レーザ光とは異なる方向から基板１２の表面に照射光学系２５ａ、２５ｂによる第２レーザ光を照射するので、基板１２の表面での第２レーザ光に起因する加熱をより均一に行なうことができる。

なお、照射光学系の数は、図１３に示したように２組（４つ）以上の任意の組数とすることができる。たとえば、３組（６つ）、４組（８つ）あるいは５組（１０）以上とすることができる。

また、上記図１３に示したレーザ照射装置２０を用いたレーザ照射方法は、基本的には図１０または図１１を用いて説明したレーザ照射方法と同様である。なお、図１１および図１２を参照して説明したように、第２レーザ光が極力重ならないように基板へ第２レーザ光を照射する場合には、図１３に示したレーザ照射装置を用いた場合であれば、たとえば照射光学系２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂというように順番に第２レーザ光を基板に照射する工程を複数回繰返すようにしてもよい。

上述した実施の形態３の特徴的な構成を要約すれば、レーザ照射装置２０は、図１３に示すように第１レーザ照射部材としての第１レーザ照射部２１と第２レーザ照射部材としての第２レーザ照射部２２とを備える。第１レーザ照射部２１は、第１レーザ光を被処理物としての基板１２に照射して、基板１２に第１照射領域を形成する。第２レーザ照射部２２は、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２を基板１２に照射して、当該基板１２に、第１照射領域の少なくとも一部と重複する第２照射領域（図６のａラインとｃラインとに挟まれた領域）を形成する。第２レーザ照射部２２は、複数組の第２レーザ光を基板１２に照射する複数組の照射光学系２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂを有する。複数組の照射光学系２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂの各々は、回折現象によりビームプロファイルを整形する回折光学素子（ＤＯＥ１０、１１）を含む。複数組の照射光学系２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂのそれぞれの組を構成する２つの照射光学系２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂに含まれる回折光学素子ＤＯＥ１０、１１は、互いに同じ光学特性を有する。それぞれの組を構成する２つの照射光学系２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂから被処理物に照射される第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２は、互いに同じ強度を有する。それぞれの組を構成する２つの照射光学系２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂから基板１２に照射される第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２が基板１２の表面に対して斜め方向から入射するとともに、基板１２の表面に対する入射角度θが同じであって互いに反対方向から当該表面に入射し、２つの照射光学系（照射光学系２４ａ、２４ｂまたは照射光学系２５ａ、２５ｂ）のそれぞれから基板１２に照射される第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射領域が一致するように、２つの照射光学系２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂは配置されている。

このようにすれば、２つの照射光学系２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂのそれぞれから基板１２に斜め方向から照射される第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２について、デフォーカスの影響により基板１２表面での強度分布が不均一になっている場合に、２つの照射光学系２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂのそれぞれから照射される第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２を反対方向から同じ角度で基板１２表面に照射することにより、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２のそれぞれのデフォーカスの影響による強度分布の不均一な状態を同様にすることができる。そして、その２つの第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２を反対方向から基板１２に照射することでそれぞれの不均一な強度分布を互いに打ち消すことができる。このようにして、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２のデフォーカスの影響を軽減することができる。この結果、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２により照射される第２照射領域でのレーザ光の強度分布を均一なものとすることができるので、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２により第２照射領域全体を均一に加熱することができる。この結果、第１レーザ光と第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２との併用による基板１２の加熱処理（たとえばアニール処理や溶融再結晶による結晶化処理）を均一に行なうことができるので、基板１２の加熱処理の品質を向上させることができる。

上記図１３に示されたレーザ照射装置２０において、第２レーザ照射部２２に含まれる複数組の照射光学系２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂのそれぞれの組を構成する２つの照射光学系（照射光学系２４ａ、２４ｂまたは照射光学系２５ａ、２５ｂ）から基板１２に照射される第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２は、互いに異なるタイミングで基板１２に照射されてもよい。この場合、２つの照射光学系２４ａ、２４ｂまたは照射光学系２５ａ、２５ｂのそれぞれから基板１２に照射される第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２が重なることなく、それぞれ独立して基板１２の第２照射領域に照射される。そのため、２つの照射光学系２４ａ、２４ｂまたは照射光学系２５ａ、２５ｂからの第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２を同時に照射することでこれらの第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２が基板１２に到達する前に重なることを防止できる。そのため、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２が基板１２に到達する前に重なることに起因する、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２の干渉による強度分布の不均一化といった問題の発生を防止することができる。

上記レーザ照射装置２０において、第２レーザ照射部２２は、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２の光軸に垂直な断面におけるビームプロファイルを、焦点位置においてトップフラット形状としてもよい。この場合、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２の第２照射領域での強度分布をより均一なものとすることができる。

上記レーザ照射装置２０において、第２レーザ照射部２２は、複数組の照射光学系２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂのそれぞれの組（照射光学系２４ａ、２４ｂの組と、照射光学系２５ａ、２５ｂの組）について、１つのレーザ光源（第２レーザ発振器６）から出射したレーザ光を分岐し、当該分岐したレーザ光のそれぞれを第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２としてそれぞれの組の照射光学系の回折光学素子（ＤＯＥ１０、１１）に入射させる分岐光学系（ビームスプリッタ９）をさらに含んでいてもよい。それぞれの組の照射光学系２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂでは、ＤＯＥ１０、１１から基板１２の第２照射領域までの第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２のそれぞれの軌跡長さが同じに設定されていてもよい。この場合、１つの第２レーザ発振器６から複数の第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２を生成するので、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２それぞれについて個別にレーザ光源を準備する場合よりもレーザ照射装置２０の装置構成を簡略化することができる。

また、上述した実施の形態１〜３に示したレーザ照射装置２０において、第１レーザ照射部２１は、第１レーザ光を基板１２の表面に対して垂直方向から照射する。この場合、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２との干渉を極力抑制した状態で第１レーザ光を基板１２の表面に照射することができる。

上述した実施の形態１〜３に示したレーザ照射装置２０において、第２レーザ照射部２２は、１つのレーザ光源（第２レーザ発振器６）と分岐光学系（ビームスプリッタ９）とを含んでいてもよい。ビームスプリッタ９は、第２レーザ発振器６から出射したレーザ光を分岐し、当該分岐したレーザ光のそれぞれを第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２として２つの照射光学系２４ａ、２４ｂ（および／または照射光学系２５ａ、２５ｂ）のＤＯＥ１０、１１に入射させてもよい。２つの照射光学系２４ａ、２４ｂでは、ＤＯＥ１０、１１から基板１２の照射領域までの第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２のそれぞれの軌跡長さが同じに設定されていてもよい。この場合、１つのレーザ光源である第２レーザ発振器６から２つの第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２を生成するので、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２それぞれについて個別にレーザ光源を準備する場合よりもレーザ照射装置２０の装置構成を簡略化することができる。

上述した実施の形態１〜３に示したレーザ照射装置２０において、基板１２の表面には図３に示すように複数の層（下地絶縁膜３１および半導体膜３２）が形成されていてもよい。第１レーザ照射部２１は、第１レーザ光として複数の層のうちの１つの層（半導体膜３２）に吸収される波長を有するレーザ光を基板１２の表面に照射する。第２レーザ照射部２２は、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２として複数の層のうちの上記１つの層と異なる他の層（下地絶縁膜３１）に吸収される波長を有するレーザ光を基板１２の表面に照射する。

この場合、第１レーザ光により上記半導体膜３２を熱処理（たとえばアニール処理）する場合に、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２によって下地絶縁膜３１を加熱することができるので、結果的に上記半導体膜３２の冷却速度を調整できる（冷却速度を第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射が無い場合より遅くすることができる）。このため、上記半導体膜３２の熱処理条件を調整することができる。また、このとき上記半導体膜３２に隣接して（たとえば接触するように）他の層としての下地絶縁膜３１が形成されていることが好ましい。

上述した実施の形態１〜３に示したレーザ照射装置２０において、第１レーザ照射部２１は、１つの層としての半導体層（半導体膜３２）に吸収される波長を有するレーザ光を第１レーザ光として前記基板１２の表面に照射する。第２レーザ照射部２２は、他の層（下地絶縁膜３１）としての酸化物層または窒化物層に吸収される波長を有するレーザ光を第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２として被処理物の表面に照射してもよい。

この場合、半導体膜３２に対する第１レーザ光による熱処理を行なう際、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２によって酸化物層または窒化物層（下地絶縁膜３１）を加熱することができるので、半導体膜３２の冷却速度を調整することができる。

上述した実施の形態１〜３に示したレーザ照射装置２０において、１つの層（半導体膜３２）はシリコンを含む層であってもよく、他の層（下地絶縁膜３１）は酸化シリコンを含む層であってもよい。第１レーザ照射部２１は、第１レーザ光としてエキシマレーザを基板１２の表面に照射する。第２レーザ照射部２２は、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２として９μｍ以上１１μｍ以下の波長を有するレーザ光を基板１２の表面に照射する。

この場合、半導体膜３２としてのシリコンを含む層および下地絶縁膜３１としての酸化シリコンを含む層を備える基板１２について、当該シリコンを含む層をアニールするときに、他の層としての酸化シリコンを含む層を第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２によって均一に加熱することができるので、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２が照射された領域においてシリコンを含む層の冷却速度を均一に遅くすることができる。このため、シリコンを含む層のアニール後の結晶粒のサイズを、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２による加熱を行なわない場合より大きくすることができる。

上記レーザ照射装置２０において、照射光学系２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂの組が複数存在する場合、照射光学系２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂの個々の組を構成する２つの照射光学系２４ａ、２４ｂでの第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２の基板１２に対する照射方向を結ぶ線分を、各組の照射方向軸と規定した場合、各組の照射方向軸は１つの点（第２照射領域の中央部に位置する点：以下、中心点と呼ぶ）で交差し、その中心点にいて交差する照射方向軸のうち、隣接する照射方向軸の組の間の交差角度は、隣接する照射方向軸の各組について同じになっていることが好ましい。たとえば、照射光学系が２組（４つ）存在する場合、照射光学系２４ａ、２４ｂの組の照射方向軸と、照射光学系２５ａ、２５ｂの組の照射方光軸との交差する角度は９０°とする。また、たとえば照射光学系が３組（６つ）存在する場合には、当該角度は６０°とすることが好ましい。

上述した実施の形態１〜３に示したレーザ照射装置２０を用いたレーザ照射方法であって、被処理物としての基板１２を準備する工程と凝固工程（レーザ照射工程（Ｓ２０））とを備える。レーザ照射工程（Ｓ２０）では、第１レーザ光を基板１２の第１照射領域に照射することにより、第１照射領域内の基板１２の表面を溶融後再凝固させる。工程（Ｓ２０）において、第１照射領域の少なくとも一部と重複する第２照射領域（図６のａラインとｃラインとに挟まれた領域）に第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２を照射する。

このようにすれば、第１レーザ光により基板１２の第１照射領域を熱処理するときに、第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２を（第１照射領域と重複する）第２照射領域に照射することによって当該部分の冷却速度を調整することができる。このため、第１レーザ光による熱処理の条件を第２レーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射によって調整することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、特に基板上に形成された層についてレーザを用いた熱処理を行なうためのレーザ照射装置およびレーザ照射方法に適用でき、特に表面に複数の層が形成された基板についての熱処理を行なう場合に、効果的である。

本発明に従ったレーザ照射装置の実施の形態１の具体的な構成を示す模式図である。 図１に示したレーザ照射装置の概略的な構成を示すブロック図である。 図１に示したレーザ照射装置においてレーザを照射される基板の部分断面模式図である。 第２レーザ発振器６から出射した第２レーザ光としての炭酸ガスレーザの強度分布を示す図である。 ＤＯＥを通過した後の炭酸ガスレーザの強度分布を示す図である。 炭酸ガスレーザがＤＯＥ１０、１１を通過してから、基板１２に照射されるまでの光路を示した模式図である。 図６の炭酸ガスレーザＬ１ａの強度分布を示す図である。 図６の炭酸ガスレーザＬ２ａの強度分布を示す図である。 図７および図８に示した炭酸ガスレーザＬ１ａ、Ｌ２ａを合成した強度分布を示す図である。 図１に示したレーザ照射装置を用いたレーザ照射方法である結晶成長方法を説明するためのフローチャートである。 本発明に従ったレーザ照射装置を用いたレーザ照射方法の実施の形態２を説明するためのフローチャートである。 図１１に示したレーザ照射方法における第２レーザ光の照射タイミングを示すタイミングチャートである。 本発明に従ったレーザ照射装置の実施の形態３の概略的な構成を示すブロック図である。 特許文献１に記載されたレーザアニール技術を説明するための模式図である。 従来の問題を説明するための模式図である。 図１５のＡ断面におけるｘ方向でのレーザの強度分布を示すグラフである。 図１５のＢ断面におけるｘ方向でのレーザの強度分布を示すグラフである。 図１５のＣ断面におけるｘ方向でのレーザの強度分布を示すグラフである。

符号の説明

１ 第１レーザ発振器、２，７ 可変減衰器、３，８ 集光レンズ、４ ホモジナイザ、５ 投影レンズ、６ 第２レーザ発振器、９ ビームスプリッタ、１０，１１ ＤＯＥ、１２ 基板、１３ ステージ、１４ａ〜１４ｆ ミラー、２０ レーザ照射装置、２１ 第１レーザ照射部、２２ 第２レーザ照射部、２３ 基板保持部、２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ 照射光学系、３０ ベース基板、３１ 下地絶縁膜、３２ 半導体膜。

Claims (10)

1. 第１レーザ光を被処理物に照射して、前記被処理物に第１照射領域を形成する第１レーザ照射部材と、
   第２レーザ光を前記被処理物に照射して、前記被処理物に、前記第１照射領域の少なくとも一部と重複する第２照射領域を形成する第２レーザ照射部材とを備え、
   該第２レーザ照射部材は、複数組の前記第２レーザ光を前記被処理物に照射する複数組の照射光学系を有し、
   該複数組の照射光学系の各々は、回折現象によりビームプロファイルを整形する回折光学素子を含み、
   前記複数組の照射光学系のそれぞれの組を構成する２つの照射光学系に含まれる前記回折光学素子は、互いに同じ光学特性を有し、
   前記それぞれの組を構成する２つの照射光学系から前記被処理物に照射される前記第２レーザ光は、互いに同じ強度を有し、
   前記それぞれの組を構成する２つの照射光学系から前記被処理物に照射される前記第２レーザ光が前記被処理物の表面に対して斜め方向から入射するとともに、前記被処理物の表面に対する入射角度が同じであって互いに反対方向から前記表面に入射し、前記２つの照射光学系のそれぞれから前記被処理物に照射される前記第２レーザ光の照射領域が一致するように、前記２つの照射光学系は配置されている、レーザ照射装置。
2. 第１レーザ光を被処理物に照射して、前記被処理物に第１照射領域を形成する第１レーザ照射部材と、
   ２本の第２レーザ光を前記被処理物に照射して、前記被処理物に、前記第１照射領域の少なくとも一部と重複する第２照射領域を形成する第２レーザ照射部材とを備え、
   該第２レーザ照射部材は、前記２本の第２レーザ光を前記被処理物に照射する２つの照射光学系を有し、
   前記２つの照射光学系の各々は、回折現象によりビームプロファイルを整形する回折光学素子を含み、
   前記２つの照射光学系のそれぞれに含まれる前記回折光学素子は、互いに同じ光学特性を有し、
   前記２つの照射光学系のそれぞれから前記被処理物に照射される前記第２レーザ光は、互いに同じ強度を有し、
   前記２つの照射光学系のそれぞれから前記被処理物に照射される前記第２レーザ光が前記被処理物の表面に対して斜め方向から入射するとともに、前記被処理物の表面に対する入射角度が同じであって互いに反対方向から前記表面に入射し、前記２つの照射光学系のそれぞれから前記被処理物に照射される前記第２レーザ光の照射領域が一致するように、前記２つの照射光学系は配置されている、レーザ照射装置。
3. 前記第２レーザ照射部材は、２本の前記第２レーザ光を互いに異なるタイミングで前記被処理物に照射する、請求項２に記載のレーザ照射装置。
4. 前記第２レーザ照射部材は、２本の前記第２レーザ光の光軸に垂直な断面におけるビームプロファイルを、焦点位置においてトップフラット形状とする、請求項２または３に記載のレーザ照射装置。
5. 前記第１レーザ照射部材は、前記第１レーザ光を前記被処理物の表面に対して垂直方向から照射する、請求項２〜４のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
6. 前記第２レーザ照射部材は、
   １つのレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射したレーザ光を分岐し、当該分岐したレーザ光のそれぞれを前記第２レーザ光として前記２つの照射光学系の回折光学素子に入射させる分岐光学系をさらに含み、
   前記２つの照射光学系では、前記回折光学素子から前記被処理物の前記照射領域までの前記第２レーザ光のそれぞれの軌跡長さが同じに設定されている、請求項２〜５のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
7. 前記被処理物の表面には複数の層が形成され、
   前記第１レーザ照射部材は、前記第１レーザ光として前記複数の層のうちの１つの層に吸収される波長を有するレーザ光を前記被処理物の表面に照射し、
   前記第２レーザ照射部材は、前記第２レーザ光として前記複数の層のうちの前記１つの層と異なる他の層に吸収される波長を有するレーザ光を前記被処理物の表面に照射する、請求項２〜６のいずれか１項に記載のレーザ照射装置。
8. 前記第１レーザ照射部材は、前記１つの層としての半導体層に吸収される波長を有するレーザ光を前記第１レーザ光として前記被処理物の表面に照射し、
   前記第２レーザ照射部材は、前記他の層としての酸化物層または窒化物層に吸収される波長を有するレーザ光を前記第２レーザ光として前記被処理物の表面に照射する、請求項７に記載のレーザ照射装置。
9. 前記１つの層はシリコンを含む層であり、
   前記他の層は酸化シリコンを含む層であり、
   前記第１レーザ照射部材は、前記第１レーザ光としてエキシマレーザを前記被処理物の表面に照射し、
   前記第２レーザ照射部材は、前記第２レーザ光として９μｍ以上１１μｍ以下の波長を有するレーザ光を前記被処理物の表面に照射する、請求項８に記載のレーザ照射装置。
10. 請求項１〜９に記載のレーザ照射装置を用いたレーザ照射方法であって、
    被処理物を準備する工程と、
    前記第１レーザ光を前記被処理物の第１照射領域に照射することにより、前記第１照射領域内の前記被処理物の表面を溶融後再凝固させる凝固工程とを備え、
    前記凝固工程において、前記第１照射領域の少なくとも一部と重複する第２照射領域に前記第２レーザ光を照射する、レーザ照射方法。

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