JP2009038060A - 多結晶膜の製造方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ２本のレーザビームを斜め入射させる場合でも、高品質の多結晶膜を製造することが可能な多結晶膜の製造方法を提供する。
【解決手段】 表面にシリコン膜が形成された加工対象物(30)の該表面をｘｙ面とするｘｙｚ直交座標系を定義したとき、該加工対象物の表面上のｙ方向に長い被照射領域に、該加工対象物の表面におけるパワー密度が相対的に大きく、かつｙ方向に関する光強度分布が均一化された第１のレーザビーム(L1)を、ｘ軸の正の向きに傾けた方向に沿って入射させると同時に、該加工対象物の表面におけるパワー密度が相対的に小さく、かつｙ方向に関する光強度分布が均一化された第２のレーザビーム(L2)を、ｘ軸の負の向きに傾けた方向に沿って入射させながら、前記加工対象物をｘ軸の正の向きに移動させることにより、前記シリコン膜を多結晶化させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、多結晶膜の製造方法及びレーザ加工装置に関し、特に基板上に形成されたシリコン膜にレーザビームを照射してシリコン膜を多結晶化する多結晶膜の製造方法、及びこの製造方法に用いるレーザ加工装置に関する。

シリコン膜にレーザビームを照射して多結晶シリコン膜を作成する技術が知られている。Ｎｄ：ＹＡＧ等の固体レーザの２倍高調波を用いてシリコン膜の多結晶化を行う場合には、十分なパワー密度のレーザビームを得るために、複数台のレーザ発振器を用いることが好ましい。２台のレーザ発振器を用いる場合には、レーザビームの偏光方向の違いを利用して、２本のレーザビームを同一経路に重畳させることができる。ところが、３台以上のレーザ発振器を用いる場合には、３本のレーザビームが同一経路を伝搬するように合成することはできない。

下記の特許文献１及び２に、３台以上のレーザ発振器から出射されたレーザビームを加工対象物上で重ね合わせてレーザ加工を行う方法が開示されている。この方法では、２本のレーザビームを回折光学素子に入射させて、回折光学素子の結像面上でビーム断面を重ね合わせる。この２本のレーザビームの各々は、２台のレーザ発振器から出射されたレーザビームを重畳したものである。回折光学素子の結像面上のビーム断面を、結像光学系を用いて加工対象物の表面に結像させる。これにより、４台のレーザ発振器から出射されたレーザビームを加工対象物の表面上で重ね合わせることができる。

特開２００５−２１７２６７号公報 特開２００６−６００８５号公報

上述の従来の方法では、４台のレーザ発振器から出射されたレーザビームを加工対象物の表面で重ね合わせることができるが、これらは厳密に同一の経路に沿って伝搬するレーザビームではない。このため、少なくとも一部のレーザビームは、加工対象物に斜め入射することになる。

本発明の目的は、２本のレーザビームを斜め入射させる場合でも、高品質の多結晶膜を製造することが可能な多結晶膜の製造方法を提供することである。本発明の他の目的は、この多結晶膜の製造方法に最適に用いられるレーザ加工装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
表面にシリコン膜が形成された加工対象物の該表面をｘｙ面とするｘｙｚ直交座標系を定義したとき、該加工対象物の表面上のｙ方向に長い被照射領域に、該加工対象物の表面におけるパワー密度が相対的に大きく、かつｙ方向に関する光強度分布が均一化された第１のレーザビームを、ｘ軸の正の向きに傾けた方向に沿って入射させると同時に、該加工対象物の表面におけるパワー密度が相対的に小さく、かつｙ方向に関する光強度分布が均一化された第２のレーザビームを、ｘ軸の負の向きに傾けた方向に沿って入射させながら、前記加工対象物をｘ軸の正の向きに移動させることにより、前記シリコン膜を多結晶化させる多結晶膜の製造方法が提供される。

本発明の他の観点によると、
加工対象物を保持し、該加工対象物の表面をｘｙ面とするｘｙｚ直交座標系を定義したとき、該加工対象物をｘ軸の正の向き及び負の向きのいずれの方向にも移動させることができるステージと、
前記ステージに保持された加工対象物の表面上のｙ軸方向に長い被照射領域に、ｙ方向に関する光強度分布が均一化された第１のレーザビームを、ｘ軸の正の向きに傾けた方向に沿って入射させると同時に、ｙ方向に関する光強度分布が均一化され、該第１のレーザビームとは該加工対象物の表面におけるパワー密度が異なる第２のレーザビームを、ｘ軸の負の向きに傾けた方向に沿って入射させ、該加工対象物の表面における該第１のレーザビームのパワー密度と該第２のレーザビームのパワー密度との大小関係を逆転させることができるレーザ光源と、
前記第１のレーザビームのパワー密度が前記第２のレーザビームのパワー密度よりも大きい状態のときに前記加工対象物がｘ軸の正の向きに移動し、前記第１のレーザビームのパワー密度が前記第２のレーザビームのパワー密度よりも小さい状態のときに前記加工対象物がｘ軸の負の向きに移動するように、前記レーザ光源及びステージを制御する制御装置と
を有するレーザ加工装置が提供される。

加工対象物をｘ軸の正の向きに移動させることにより、高品質の多結晶膜が得られる面積を大きくすることができる。また、第１のレーザビームと第２のレーザビームとのパワー密度の大小関係を逆転させることにより、加工対象物の移動方向を反転させても、高品質の多結晶膜が得られる面積を大きくすることができる。

図１に、実施例によるレーザ加工装置の概略図を示す。第１のレーザ光源９Ａが、第１の連続波（ＣＷ）レーザビームＬ１を出射し、第２のレーザ光源９Ｂが第２の連続波レーザビーム９Ｂを出射する。

第１のレーザ光源９Ａは、２台のレーザ発振器１０Ａ、１０Ｂ、半波長板１１、ビームエキスパンダ１２Ａ、１２Ｂ、折り返しミラー１３、及び偏光ビームスプリッタ１４により構成される。レーザ発振器１０Ａ及び１０Ｂが、それぞれ直線偏光された連続波レーザビームＬＡ及びＬＢを出射する。レーザ発振器１０Ａ及び１０Ｂとして、２倍高調波を出射するＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４等の固体レーザが用いられる。なお、そのほかに、緑色の波長域の連続波レーザビームを出射するレーザ発振器を用いてもよい。レーザビームＬＡ及びＬＢの各々の進行方向に直交するビーム断面は円形である。

レーザ発振器１０Ａから出射したレーザビームＬＡが、半波長板１１で偏光面を回転され、ビームエキスパンダ１２に入射する。ビームエキスパンダ１２は、ビーム径を拡大する。ビームエキスパンダ１２から出射したレーザビームＬＡが、折り返しミラー１３で反射されて、偏光ビームスプリッタ１４に入射する。折り返しミラー１３で反射されたレーザビームは、偏光ビームスプリッタ１４に対してＳ偏光である。

レーザ発振器１０Ｂから出射したレーザビームＬＢが、ビームエキスパンダ１２Ｂでビーム径を拡大された後、偏光ビームスプリッタ１４に入射する。このレーザビームＬＢは、偏光ビームスプリッタ１４に対してＰ偏光である。

偏光ビームスプリッタ１４は、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過させる。偏光ビームスプリッタ１４で反射されたレーザビームＬＡと、偏光ビームスプリッタ１４を透過したレーザビームＬＢとが、同一経路上に重畳される。第１のレーザ光源９Ａは、レーザビームＬＡとＬＢとが重畳された第１のレーザビームＬ１を出射する。

第２のレーザ光源９Ｂは、第１のレーザ光源９Ａと同様の構成を有し、２台のレーザ発振器から出射されたレーザビームが重畳された第２のレーザビームＬ２を出射する。ただし、第２のレーザ光源９Ｂを構成している２台のレーザ発振器の出力の合計は、第１のレーザ光源９Ａを構成している２台のレーザ発振器１０Ａ及び１０Ｂの出力の合計よりも小さい。このため、第２のレーザビームＬ２のパワーは、第１のレーザビームＬ１のパワーよりも小さい。

第１のレーザ光源９Ａから出射された第１のレーザビームＬ１が、折り返しミラー１５Ａで反射されてナイフエッジプリズム１６に入射する。同様に、第２のレーザ光源９Ｂから出射された第２のレーザビームＬ２が、折り返しミラー１５Ｂで反射されてナイフエッジプリズム１６に入射する。

ナイフエッジプリズム１６は、第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２を反射し、両レーザビームを、互いに平行に進行させる。ナイフエッジプリズム１６で反射された両レーザビームが、プリズム１７ａ及び１７ｂから構成されるアナモルフィックプリズム１７に入射する。アナモルフィックプリズム１７が、第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２が並んでいる方向に関して、両レーザビームの断面の幅を縮小し、かつ両レーザビームの中心間隔を近づける。これにより、両レーザビームの進行方向に直交する断面の形状が、楕円形になる。両レーザビームの断面の幅及び両レーザビームの中心間隔は、例えば１／３に縮小される。

アナモルフィックプリズム１７を透過した第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２が、互いに平行に進行し、回折光学素子１８の入射表面１８ａに垂直に入射する。入射表面１８ａに平行な面をｕｖ面とし、第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２が並ぶ方向をｕ方向とし、レーザビームの進行方向と逆向きをｗ軸の正の向きとするｕｖｗ直交座標系を定義する。回折光学素子１８により、第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２の各々のビーム断面は、仮想的な第１の結像面１９上において重なり、ｕ方向に長い帯状形状になる。さらに、回折光学素子１８は、両ビーム断面内のｕ方向に関する光強度分布を均一に近づける（均一化する）。ビーム断面内のｖ方向に関する光強度分布はガウシアン分布で近似される。

シリンドリカルレンズ群２０が、第１の結像面１９上のビーム断面を、仮想的な第２の結像面２１上に結像させる。例えば、ｕ方向（長手方向）の結像倍率は１倍であり、ｖ方向（幅方向）の結像倍率は１／２倍である。

第２の結像面２１を通過した第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２は、第１のレンズ２２ａ、折り返しミラー２３、及び第２のレンズ２２ｂを経由して加工対象物３０に入射する。加工対象物３０はステージ２４に保持されている。第１のレンズ２２ａ及び第２のレンズ２２ｂは、第２の結像面２１上のビーム断面を加工対象物３０の表面に結像させる。結像倍率は、例えば１／５倍とする。加工対象物３０の表面に平行な面をｘｙ面とし、法線方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。ｘ、ｙ、ｚ軸を、それぞれｕ、ｖ、ｗ軸に対応させると、加工対象物３０の表面において、第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２が入射する被照射領域はｙ方向に長い帯状になる。

ステージ２４は、制御装置２５に制御されて、加工対象物３０をｘの正の向き及び負の向きのいずれの方向にも移動させることができる。

図２に、加工対象物３０の被照射領域近傍のレーザビームの伝搬経路を示す。図１に示した回折光学素子１８の入射表面１８ａの位置で、第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２がｕ方向に並んでいるため、第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２は、加工対象物３０の法線方向（ｚ方向）からｘ方向に傾いた経路に沿って加工対象物３０に入射する。例えば、第１のレーザビームＬ１は、ｘ軸の正の向きに傾いた経路に沿って入射し、第２のレーザビームＬ２は、ｘ軸の負の向きに傾いた経路に沿って入射する。第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２の中心光線の、ｚ方向からの傾き角θは、約１７°である。

加工対象物３０は、ガラス基板３０ａと、その表面上に成膜されたシリコン膜３０ｂとで構成される。シリコン膜３０ｂは、アモルファス状態または多結晶状態である。第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２を加工対象物３０に入射させながら、加工対象物３０をｘ方向に移動させると、シリコンがラテラル成長する。これにより、当初のシリコン膜３０ａがアモルファス状態であった場合には、アモルファスが多結晶化し、当初のシリコン膜３０ａが多結晶であった場合には、結晶粒が当初の結晶粒よりも大きくなる。なお、得られる多結晶膜の結晶粒の大きさは、当初のシリコン膜３０ａがアモルファス状態の場合と、多結晶状態の場合とで、大きな差はなかった。

図３Ａに、加工対象物３０をｘ軸の正の向きに移動させる場合の被照射領域３５の相対的な移動の向きを示す。被照射領域３５は加工対象物３０に対してｘ軸の負の向きに移動することになる。第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２の、加工対象物３０の表面におけるパワー密度をそれぞれ約２１６ｋＷ／ｃｍ^２及び約１４４ｋＷ／ｃｍ^２とし、加工対象物３０の移動速度を３００〜４００ｍｍ／ｓとして多結晶化を行った。なお、加工対象物３０の表面における被照射領域の幅（ｘ方向の寸法）は約４μｍである。

図３Ｂに、多結晶化後の加工対象物３０の表面を模式的に示す。被照射領域３５が通過した領域、すなわち第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２によって照射された領域４０内に、多数のシリコン結晶粒４１が形成された。シリコン結晶粒４１の各々の長さ（ｘ方向の寸法）は、数μｍ程度であり、幅（ｙ方向の寸法）は数百ｎｍ程度であった。この程度の大きさの多結晶粒が形成された領域を「タイル」と呼ぶこととする。

図３Ｃに、加工対象物３０をｘ軸の負の向きに移動させる場合の被照射領域３５の相対的な移動の向きを示す。被照射領域３５は加工対象物３０に対してｘ軸の正の向きに移動することになる。加工対象物３０をｘ軸の負の向きに移動させながら、図３Ａの場合と同じ条件で多結晶化を行った。

図３Ｄに、多結晶化後の加工対象物３０の表面を模式的に示す。被照射領域３５が通過した領域が多結晶化されるが、図３Ｂに示した結晶粒４１と同程度の寸法の結晶粒４１が分布する領域（タイル）４３の幅は、ｘ軸の正の向きに向かって徐々に狭くなり、最終的には０になった。被照射領域３５が通過した領域のうちタイル４３以外の領域４４には、非常に小さな結晶粒しか観察されなかった。タイル４３と、非常に小さな結晶粒しか観察されなかった領域４４との境界は、金属顕微鏡等で明確に認識することができる。

図２に示したレンズ２２ｂによる結像位置を厳密に検出することは困難である。そこで、結像位置と推測される位置を中心として加工対象物３０をｚ軸方向に変位させ、ｚ軸方向に関して種々の位置で多結晶化を行った。

図４に、加工対象物３０のｚ方向の位置を少しずつ変位させて、種々の位置でシリコン膜の多結晶化を行ったときに形成されたタイルの形状及び大きさを示す。図４の縦軸は、加工対象物３０の加工を行ったときのｚ方向に関する位置に対応する。横軸は、形成されたタイルのｘ方向の長さを、単位「ｍｍ」で表す。図４の左側及び右側のグラフは、それぞれ加工対象物３０をｘ軸の負の向き及び正の向きに移動させながらレーザビームを照射したときの結果を示す。なお、加工対象物３０のｘ方向への移動距離の最大値を５００ｍｍとした。

加工対象物３０をｘ軸の負の向きに移動させた場合には、ｚ方向の位置を最適位置に調整すると、５００ｍｍの長さのタイルを形成することができた。なお、タイルの形状はほぼ長方形であり、ラテラル成長が進んでもタイルの幅は狭くならず、一定であった。このため、加工対象物３０を５００ｍｍ移動させた時点で多結晶化処理を終了させず、そのまま多結晶化処理を続ければ、５００ｍｍ以上の長さのタイルを形成することも可能である。ｚ方向の位置が最適範囲から外れると、タイルの幅は、結晶の成長方向に向かって狭くなった。ほぼ長方形のタイルを形成することができるｚ方向の最適範囲は、約１２μｍであった。

加工対象物３０をｘ軸の正の向きに移動させた場合には、ｚ方向の位置を調整しても、タイルの長さは高々５０ｍｍ程度であった。

発明者らは、加工対象物３０のｘ方向に関する移動方向によって、多結晶化処理の結果がこのように異なるとは予測していなかった。以下、加工対象物３０の移動の向きによって多結晶化処理の結果が大きく異なった理由について考察する。

図５Ａに、レンズ２２ｂの結像面５Ｃ近傍の第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２の経路を模式的に示す。結像面５Ｃの位置で、第１のレーザビームＬ１と第２のレーザビームＬ２とのビーム断面がほぼ一致する。結像面５Ｃよりも上方の仮想面５Ｂの位置では、第１のレーザビームＬ１のビーム断面が、第２のレーザビームＬ２のビーム断面よりもｘ方向の正の向きにずれている。逆に、結像面５Ｃよりも下方の仮想面５Ｄの位置では、第１のレーザビームＬ１のビーム断面が、第２のレーザビームＬ２のビーム断面よりもｘ方向の負の向きにずれている。

図５Ｂ〜図５Ｄに、それぞれ仮想面５Ｂ、結像面５Ｃ、及び仮想面５Ｄの位置におけるｘ方向の光強度分布の一例を示す。第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２の各々の光強度は、ほぼガウシアン分布に従う。第１のレーザビームＬ１のパワー密度が第２のレーザビームＬ２のパワー密度よりも高くなるように設定されているため、第１のレーザビームＬ１のピーク強度が第２のレーザビームＬ２のピーク強度よりも高い。

結像面５Ｃの位置においては、図５Ｃに示すように光強度分布はほぼ対称になる。結像面５Ｃよりも上方の仮想面５Ｂの位置においては、図５Ｂに示すように、光強度分布がｘ軸の正の向きに偏った形状になり、結像面５Ｃよりも下方の仮想面５Ｄの位置においては、図５Ｄに示すように、光強度分布がｘ軸の負の向きに偏った形状になる。

図５Ｄに示した光強度分布は、図５Ｄに示した光強度分布をｘ軸方向に関して反転させた分布に近い形状になると予想される。この場合、仮想面５Ｂの位置で加工対象物３０をｘ軸の正の向きに移動させながら多結晶化を行う処理と、仮想面５Ｄの位置で加工対象物３０をｘ軸の負の向きに移動させながら多結晶化を行う処理とで、ほぼ同等の品質の多結晶が形成されると期待される。ところが、図４に示したように、加工対象物３０をｘ軸の正の向きに移動させながらレーザビームを照射した場合には、ｚ方向の位置を変化させて、最も大きなタイルが形成されるように最適位置に設定しても、そのｘ方向の長さは高々５０ｍｍであった。

上記考察から、大きなタイルを形成するためには、相対的に大きなパワー密度を持つ第１のレーザビームＬ１が傾斜している向きと同じ向きに加工対象物３０を移動させることが好ましいことがわかる。ｚ方向に関する複数の位置において、相対的に大きなパワー密度を持つ第１のレーザビームＬ１が傾斜している向きに加工対象物３０を移動させながら加工を行い、加工結果を評価することにより、ｚ方向に関する最適位置を見出すことができる。

上記実施例では、第１のレーザビームＬ１のパワー密度を、第２のレーザビームＬ２のパワー密度の約１．５倍にしたが、１．２〜４倍の範囲内としてもよい。また、上記実施例では、加工対象物３０に入射するレーザビームの中心光線の、ｚ方向からの傾き角θを約１７°としたが、１０〜３０°の範囲内としてもよい。

上記実施例では、第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２の各々を、２台のレーザ発振器から出射されたレーザビームを重畳させて生成したが、１台で十分なパワーのレーザビームを出射することができる発振器を用いる場合には、第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２の各々を、１台のレーザ発振器で生成してもよい。また、相対的にパワーの大きな第１のレーザビームＬ１を２台のレーザ発振器を用いて生成し、相対的にパワーの小さな第２のレーザビームＬ２を１台のレーザ発振器を用いて生成してもよい。

図１に示した第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２のパワー密度の大小関係が固定されている場合には、加工対象物３０をｘ軸の正の向きに移動させながら高品質の加工を行うことができるが、反対向きに移動させながら高品質の加工を行うことができない。第１のレーザビームＬ１と第２のレーザビームＬ２とのパワー密度の大小関係を逆転させることができれば、加工対象物３０をｘ軸の負の向きに移動させながら高品質の加工を行うことが可能になる。

図６Ａ及び図６Ｂに、第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２のパワー密度の大小関係を逆転させることができる切り替え光学系の例を示す。ＸＹＺ直交座標系を定義したとき、Ｘ方向の正の向きに向かって４台のレーザ発振器４８ａ〜４８ｄがこの順番に配列している。各レーザ発振器４８ａ〜４８ｄは、ＺＸ面に平行な偏波面を持つレーザビームをＺ軸の正の向きに出射する。

さらに、この切り替え光学系は、偏光ビームスプリッタ５０ａ〜５０ｄ、５１ａ〜５１ｄ、及び半波長板５２ａ〜５２ｄ、５３〜５６を含む。これらの光学素子は、レーザ発振器４８ａ〜４８ｄの配置された平面と同一のＹ座標を持つ平面上に配置されている。

偏光ビームスプリッタ５０ａ及び５１ａは、レーザ発振器４８ａから出射されたレーザビームの経路上にこの順番に配置され、偏光ビームスプリッタ５０ｂ及び５１ｂは、レーザ発振器４８ｂから出射されたレーザビームの経路上にこの順番に配置され、偏光ビームスプリッタ５０ｃ及び５１ｃは、レーザ発振器４８ｃから出射されたレーザビームの経路上にこの順番に配置され、偏光ビームスプリッタ５０ｄ及び５１ｄは、レーザ発振器４８ｄから出射されたレーザビームの経路上にこの順番に配置されている。４個の偏光ビームスプリッタ５０ａ〜５０ｄは、Ｚ軸方向に関して同一の位置に配置されており、その反射界面は、Ｘ軸をＺ軸の正の向きに４５°傾けた直線に垂直である。他の４個の偏光ビームスプリッタ５１ａ〜５１ｄは、Ｚ軸方向に関して同一の位置に配置されており、その反射界面は、Ｘ軸をＺ軸の負の向きに４５°傾けた直線に垂直である。

半波長板５２ａは、偏光ビームスプリッタ５０ａと５１ａとの間のビーム経路上に配置され、半波長板５２ｂは、偏光ビームスプリッタ５０ｂと５１ｂとの間のビーム経路上に配置されている。半波長板５２ｃは、レーザ発振器４８ｃと偏光ビームスプリッタ５０ｃとの間のビーム経路上に配置され、半波長板５２ｄは、レーザ発振器４８ｄと偏光ビームスプリッタ５０ｄとの間のビーム経路上に配置されている。

半波長板５３は、偏光ビームスプリッタ５０ａと５０ｂとの間のビーム経路上に配置され、半波長板５４は、偏光ビームスプリッタ５０ｃと５０ｄとの間のビーム経路上に配置され、半波長板５５は、偏光ビームスプリッタ５１ａと５１ｂとの間のビーム経路上に配置され、半波長板５６は、偏光ビームスプリッタ５１ｃと５１ｄとの間のビーム経路上に配置されている。各半波長板は、制御装置２５からの制御を受けて、レーザビームの経路を中心として回転可能であり、レーザビームの偏波面を９０°旋回させる動作状態と、旋回させない非動作状態とを選択的にとることができる。

図６Ａに示すように、半波長板５２ａ〜５２ｄを非動作状態にすると、各レーザ発振器４８ａ〜４８ｄから出射したレーザビームは、各偏光ビームスプリッタをそのまま直進する。レーザ発振器４８ａと４８ｂとの出力は等しく、レーザ発振器４８ｃと４８ｄとの出力も等しい。また、レーザ発振器４８ａ及び４８ｂの各々の出力は、レーザ発振器４８ｃ及び４８ｄの各々の出力よりも小さい。

レーザ発振器４８ａ及び４８ｂから出力された２本のレーザビームを重畳させることによって相対的にパワーの小さな第２のレーザビームＬ２が生成され、レーザ発振器４８ｃ及び４８ｃから出力された２本のレーザビームを重畳させることによって相対的にパワーの大きな第１のレーザビームＬ１が生成される。

図６Ｂに、すべての半波長板５２ａ〜５２ｄ、５３〜５６を動作状態にしたときのレーザビームの伝搬経路を示す。例えば、レーザ発振器４８ａから出射されたレーザビームは、半波長板５２ａによって偏波面が９０°旋回し、偏光ビームスプリッタ５１ａで反射される。その後、半波長板５５によって偏波面が９０°旋回するため、偏光ビームスプリッタ５１ｂ及び５１ｃを直進する。その後、半波長板５６により偏波面が９０°旋回し、偏光ビームスプリッタ５１ｄで反射されて、Ｚ軸の正の向きに伝搬する。このレーザビームは、図６Ａの状態のときにレーザ発振器４８ｄから出射されたレーザビームの経路と同一である。

また、レーザ発振器４８ｄから出射されたレーザビームは、最終的に、レーザ発振器４８ａから出射されたレーザビームの直進経路に沿って伝搬する。このように、レーザ発振器４８ａ及び４８ｄから出射されたレーザビームの経路が相互に入れ替わる。

同様に、レーザ発振器４８ｂ及び４８ｃから出射されたレーザビームの経路が相互に入れ替わる。

このため、レーザ発振器４８ａ及び４８ｂからの出力により第１のレーザビームＬ１が生成され、レーザ発振器４８ｃ及び４８ｄからの出力により第２のレーザビームＬ２が生成される。このとき、第２のレーザビームＬ２のパワーが第１のレーザビームＬ１のパワーよりも大きくなる。このため、加工対象物３０の表面における第１のレーザビームＬ１と第２のレーザビームＬ２とのパワー密度の大小関係を逆転させることができる。

制御装置２５は、第１のレーザビームＬ１のパワー密度が第２のレーザビームＬ２のパワー密度よりも大きくなる状態にして、加工対象物３０をｘ軸の正の向きに移動させながら加工を行う。その後、加工対象物３０をｙ軸方向にずらして、未加工領域にレーザビームが入射する状態にする。さらに、第１のレーザビームＬ１と第２のレーザビームＬ２とのパワー密度の大小関係を逆転させ、加工対象物３０をｘ軸の負の向きに移動させながら加工を行う。

このように、２本の第１のレーザビームＬ１と第２のレーザビームＬ２とのパワー密度の大小関係を逆転させ、加工対象物３０の移動方向を反転させることにより、一方向に移動させながら加工を行う場合に比べて加工時間を短くすることができる。

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。

実施例によるレーザ加工装置の概略図である。 加工対象物に入射するレーザビームを経路を模式的に示す図である。 （３Ａ）及び（３Ｂ）は、被照射領域をｘ軸の負の向きに移動させながら加工を行うときの多結晶化した領域を示す模式図であり、（３Ｃ）及び（３Ｄ）は、被照射領域をｘ軸の正の向きに移動させながら加工を行うときの多結晶化した領域を示す模式図である。 形成されたタイルの形状及び寸法を、加工対象物のｚ方向の位置、及び被照射領域の移動方向ごとに示すグラフである。 （５Ａ）は、結像面近傍のレーザビームの経路を模式的に示す図であり、（５Ｂ）〜（５Ｄ）は、それぞれ（５Ａ）の仮想面５Ｂ〜５Ｄにおける光強度分布を示すグラフである。 （６Ａ）及び（６Ｂ）は、ビーム経路切替器を示す概略図である。

符号の説明

９Ａ、９Ｂ レーザ光源
１０Ａ、１０Ｂ レーザ発振器
１１ 半波長板
１２Ａ、１２Ｂ ビームエキスパンダ
１３ 折り返しミラー
１４ 偏光ビームスプリッタ
１５Ａ、１５Ｂ 折り返しミラー
１６ ナイフエッジプリズム
１７ アナモルフィックプリズム
１８ 回折光学素子
１９ 第１の結像面
２０ シリンドリカルレンズ群
２１ 第２の結像面
２２ａ、２２ｂ レンズ
２３ 折り返しミラー
２４ ステージ
２５ 制御装置
３０ 加工対象物
３５ 被照射領域
４０ タイル
４１ 結晶粒
４３ タイル
４４ タイル以外の領域
４８ａ〜４８ｄ レーザ発振器
５０ａ〜５０ｄ、５１ａ〜５１ｄ 偏光ビームスプリッタ
５２ａ〜５２ｄ、５３〜５６ 半波長板

Claims (7)

1. 表面にシリコン膜が形成された加工対象物の該表面をｘｙ面とするｘｙｚ直交座標系を定義したとき、該加工対象物の表面上のｙ方向に長い被照射領域に、該加工対象物の表面におけるパワー密度が相対的に大きく、かつｙ方向に関する光強度分布が均一化された第１のレーザビームを、ｘ軸の正の向きに傾けた方向に沿って入射させると同時に、該加工対象物の表面におけるパワー密度が相対的に小さく、かつｙ方向に関する光強度分布が均一化された第２のレーザビームを、ｘ軸の負の向きに傾けた方向に沿って入射させながら、前記加工対象物をｘ軸の正の向きに移動させることにより、前記シリコン膜を多結晶化させる多結晶膜の製造方法。
2. 前記加工対象物の表面における前記第１のレーザビームのパワー密度が、前記第２のレーザビームのパワー密度の１．２〜４倍の範囲内である請求項１に記載の多結晶膜の製造方法。
3. 前記第１のレーザビーム及び第２のレーザビームの各々の、前記加工対象物表面におけるｘ方向の光強度分布がガウシアン分布である請求項１または２に記載の多結晶膜の製造方法。
4. 前記第１のレーザビーム及び第２のレーザビームの中心光線の、ｚ軸方向からの傾け角が１０〜３０°の範囲内である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の多結晶膜の製造方法。
5. 前記第１及び第２のレーザビームは、緑色の波長域のレーザビームである請求項１乃至４のいずれか１項に記載の多結晶膜の製造方法。
6. 加工対象物を保持し、該加工対象物の表面をｘｙ面とするｘｙｚ直交座標系を定義したとき、該加工対象物をｘ軸の正の向き及び負の向きのいずれの方向にも移動させることができるステージと、
   前記ステージに保持された加工対象物の表面上のｙ軸方向に長い被照射領域に、ｙ方向に関する光強度分布が均一化された第１のレーザビームを、ｘ軸の正の向きに傾けた方向に沿って入射させると同時に、ｙ方向に関する光強度分布が均一化され、該第１のレーザビームとは該加工対象物の表面におけるパワー密度が異なる第２のレーザビームを、ｘ軸の負の向きに傾けた方向に沿って入射させ、該加工対象物の表面における該第１のレーザビームのパワー密度と該第２のレーザビームのパワー密度との大小関係を逆転させることができるレーザ光源と、
   前記第１のレーザビームのパワー密度が前記第２のレーザビームのパワー密度よりも大きい状態のときに前記加工対象物がｘ軸の正の向きに移動し、前記第１のレーザビームのパワー密度が前記第２のレーザビームのパワー密度よりも小さい状態のときに前記加工対象物がｘ軸の負の向きに移動するように、前記レーザ光源及びステージを制御する制御装置と
   を有するレーザ加工装置。
7. 前記レーザ光源は、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、またはＮｄ：ＹＶＯ_４レーザの２倍高調波を出射する少なくとも２台のレーザ発振器を含む請求項６に記載のレーザ加工装置。

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