JP2009540570A - 材料加工用の低発散、高出力レーザビームを生成するためのデバイス及び方法 - Google Patents

Abstract

凸面反射器と平面出力カプラとを含む発振器を有する、パルスレーザ出力ビームを生成するレーザ源と、第１の軸方向でビームを集束し、第２の軸方向でビームを空間的に拡大して、膜との相互作用のためのラインビームを生成する光学装置とを有する、基板上に堆積された膜を選択的に溶融させるための薄ビームレーザ結晶化装置が開示される。

Description

本発明は、パルスガス放電レーザに関する。本発明はそれに限られるものではないが、特に１つの軸に沿って比較的低い発散を有する高出力レーザビームとして有用である。

（関連出願の相互参照）
本発明は、「材料加工用途のための低発散、高出力レーザビームを生成するためのデバイス及び方法（ＤＥＶＩＣＥ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＴＯ ＣＲＥＡＴＥ Ａ ＬＯＷ ＤＩＶＥＲＧＥＮＣＥ， ＨＩＧＨ ＰＯＷＥＲ ＬＡＳＥＲ ＢＥＡＭ ＦＯＲ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ）」という名称で２００７年５月２３日に出願された米国特許出願番号第１１／８０５，５９６号（代理人整理番号２００７−０００２−０１）に対する優先権を主張するものであり、かつ２００６年６月５日に出願された「材料加工用途のための低発散、高出力レーザビームを生成するためのデバイス及び方法（ＤＥＶＩＣＥ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＴＯ ＣＲＥＡＴＥ Ａ ＬＯＷ ＤＩＶＥＲＧＥＮＣＥ， ＨＩＧＨ ＰＯＷＥＲ ＬＡＳＥＲ ＢＥＡＭ ＦＯＲ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ）」という名称の、同時係属中の同一出願人による米国特許出願番号第１１／４４７，３７９号（代理人整理番号２００６−００３５−０１）の一部継続出願でもあり、これらの内容は、引用により本明細書に組み込まれる。

本発明はまた、２００６年６月５日に出願された、Ｈｏｆｍａｎｎによる「高エネルギー・パルスレーザ用途のためのビーム形状及び対称性を安定化するためのデバイス及び方法（ＤＥＶＩＣＥ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＴＯ ＳＴＡＢＩＬＩＺＥ ＢＥＡＭ ＳＨＡＰＥ ＡＮＤ ＳＹＭＭＥＴＲＹ ＦＯＲ ＨＩＧＨ ＥＮＥＲＧＹ ＰＵＬＳＥＤ ＬＡＳＥＲ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ）」という名称の同時係属中の同一出願人による米国特許出願番号第１１／４４７，３８０号（代理人整理番号２００６−００３９−０１）、２００６年６月５日に出願された、Ｈｏｆｍａｎｎ他に付与された「パルス・ストレッチャを有する高出力エキシマレーザ（ＨＩＧＨ ＰＯＷＥＲ ＥＸＣＩＭＥＲ ＬＡＳＥＲ ＷＩＴＨ ＰＵＬＳＥ ＳＴＲＥＴＣＨＥＲ）」という名称の同時係属中の同一出願人による米国特許出願番号第６０／８１１，２４２号（代理人整理番号２００６−００４０−０１）、２００５年１０月２８日に出願された「ラインビームとして形作られるレーザを生成するためのシステム及び方法（ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＧＥＮＥＲＡＴＩＮＧ Ａ ＬＡＳＥＲ ＳＨＡＰＥＤ ＡＳ Ａ ＬＩＮＥ ＢＥＡＭ）」という名称の米国特許出願番号第１１／２６１，９４８号（代理人整理番号２００５−００５８−０１）、２００４年２月１８日に出願された「超高出力、高安定性のガス放電レーザ表面処理システム（ＶＥＲＹ ＨＩＧＨ ＥＮＥＲＧＹ， ＨＩＧＨ ＳＴＡＢＩＬＩＴＹ ＧＡＳ ＤＩＳＣＨＡＲＧＥ ＬＡＳＥＲ ＳＵＲＦＡＣＥ ＴＲＥＡＴＭＥＮＴ ＳＹＳＴＥＭ）」という名称の米国特許出願番号第１０／７８１，２５１号、２００４年７月１日に出願された「レーザ薄膜ポリシリコン・アニール光学系（ＬＡＳＥＲ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭ ＰＯＬＹ− ＳＩＬＩＣＯＮ ＡＮＮＥＡＬＩＮＧ ＯＰＴＩＣＡＬ ＳＹＳＴＥＭ）」という名称の米国特許出願番号第１０／８８４，１０１号、及び２００５年５月２６日に出願された「ラインビームとして形作られるレーザと基板上に堆積された膜との間の相互作用を実現するためのシステム及び方法（ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ−ＩＭＰＬＥＭＥＮＴＩＮＧ ＡＮ ＩＮＴＥＲＡＣＴＩＯＮ ＢＥＴＷＥＥＮ Ａ ＬＡＳＥＲ ＳＨＡＰＥＤ ＡＳ Ａ ＬＩＮＥ ＢＥＡＭ ＡＮＤ Ａ ＦＩＬＭ ＤＥＰＯＳＩＴＥＤ ＯＮ Ａ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ）」という名称の米国特許出願番号第１１／１３８，００１号（代理人整理番号２００４−０１２８−０１）に関連し、これらの各々の開示は、引用により本明細書に組み込まれる。

多くの用途において、高エネルギーパルス列内のパルスの形状及び／又は対称性は、パルス同士で安定していることが望ましい。限定ではなく例として、このような用途の１つは、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を製造する目的で、アモルファスシリコン膜を溶融させて、再凝固したときの膜の結晶化を誘導するための、高エネルギー・パルスレーザビームの使用である。
多くのレーザ材料加工用途は、寸法が正確なビーム形状、例えば断面、を有する高出力レーザビームの使用を規定している。例えば、ガラスなどの基板上に堆積されたアモルファスシリコン膜のレーザ結晶化は、比較的高い電子移動度を有する材料膜を製造するための有望な技術を代表するものである。より具体的には、１つのプロセスにおいて、アモルファスシリコン膜を溶融させて、再凝固したときの膜の結晶化を誘導するために、高エネルギー・パルスレーザビームを用いることができる。結晶化されると、この材料は、ＴＦＴを製造するために用いることができ、１つの特定の用途においては、比較的大型の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）での使用に適したＴＦＴを製造するために用いることができる。結晶化されたシリコン膜の他の用途は、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）、システム・オン・パネル（ＳＯＰ）、フレキシブル・エレクトロニクス、及び光電装置を含むことができる。より量的な点では、厚さ約９０ｎｍ、幅約７００ｍｍ又はそれ以上の膜を迅速に結晶化することができる大量生産システムが、近い将来において商業化されるだろう。

レーザ結晶化は、光学的に形作られてラインビームとされたパルスレーザ光、例えば、第１の軸、例えば短軸方向に集束され、第２の軸、例えば長軸方向に拡大されたレーザ光を用いて行うことができる。典型的には、第１の軸及び第２の軸は互いに直交し、両軸は、膜に向かって進む中心光線に対してほぼ直交する。レーザ結晶化のための例示的なラインビームは、膜において約２０ミクロンより小さい、例えば３−４ミクロンのビーム幅と、約７００ｍｍ又はそれ以上のビーム長とを有することができる。この配置で、膜をビーム幅に平行な方向に走査して、又は段階的に前進し（ｓｔｅｐ）て、例えば９００ｍｍ又はそれ以上といったかなりの長さの膜を逐次的に溶融させ、続いて結晶化させることができる。
１つの構成において、ラインビームは、レーザ出力をフィールド定義ユニットに通すことによって形作ることができ、このフィールド定義ユニットは、最も単純な場合では、スリット形状の開口部とすることができる。次に、投影光学系を用いて、膜上にスリットを投影することができる。この構成のためには、スリットを形成するビームストップ上に入射する光の量を減少させるために、比較的低いビーム発散を有することが望ましい。浪費されることに加えて、ビームストップに当たる光は、発熱の問題をもたらすことがある。

エキシマガス放電レーザ源は、上述のように、レーザ結晶化ラインビームを発生させるのに適した高出力パルスを生成することができる。例えば、比較的高出力のエキシマレーザ源が、フォトリソグラフィ用途において首尾よく用いられている。これらのエキシマレーザ源は、典型的には、狭帯域化され（ｌｉｎｅ ｎａｒｒｏｗｅｄ）、短軸が約３ｍｍ、長軸が約１２ｍｍの断面を有するビームを放出する。一般に、リソグラフィのためのエキシマレーザ源は、（Ｌｉｔｔｒｏｖ型配置の）回折格子と平坦な出力カプラとによって確立される準安定共振器（すなわち平面−平面（ｐｌａｎｏ−ｐｌａｎｏ）共振器）を用いる。この配置で、比較的高発散のビームが生成される。
以上の考察を念頭において、出願者は、材料加工用途のための低発散で高出力なレーザビームを生成するためのデバイス及び方法を開示する。

本発明の実施形態の第１の態様において、基板上に堆積された膜を選択的に溶融させるための薄ビーム（ｔｈｉｎ ｂｅａｍ）レーザ結晶化装置は、凸面反射器と平面出力カプラとを含む発振器を有する、パルスレーザ出力ビームを生成するレーザ源と、第１の軸方向でビームを集束し、第２の軸方向でビームを空間的に拡大して、膜との相互作用のためのラインビームを生成する光学的配置とを含むことができる。
この態様については、凸面反射器は、円柱軸を定める円柱形とすることができ、第１のビーム寸法に対して平行な円柱軸によって位置決めされることができ、光学的配置は、第１のビーム寸法を第１の軸方向で集束する。１つの実施形態において、レーザ源は、増幅器をさらに含むことができ、特定の実施形態においては、発振器からの出力ビームを増幅器内に入力するために集束する光学素子、例えばレンズをさらに含むことができる。偏光子を、反射器と出力カプラとの間に設けることができる。
１つの配置において、装置は、ビーム混合器及び／又は時間的パルス・ストレッチャを含むことができる。発振器は、エキシマガス放電発振器とすることができる。１つの構成において、凸面反射器は、平出力カプラから距離Ｌだけ離間させることができ、凸面反射器は、曲率半径ｒを有することができ、比ｒ／Ｌは、０．５から５までの範囲内とすることができる。特定の構成において、距離Ｌは、１．０ｍから２．０ｍまでの範囲内とすることができ、曲率半径ｒは、２．０ｍから３．０ｍまでの範囲内とすることができる。

実施形態の別の態様において、基板上に堆積された膜を選択的に溶融させるための薄ビームレーザ結晶化装置は、パルス出力ビームを生成するエキシマガス放電レーザ源と、光学的配置とを含むことができ、レーザ源は、選択されたビーム軸方向で低発散の発振器出力ビームを生成する、低発散不安定共振器構成を持つ発振器を有し、光学的配置は、選択されたビーム軸方向でビームを集束し、選択されたビーム軸に直交する軸方向でビームを空間的に拡大して、膜との相互作用のためのラインビームを生成する。１つの実施形態において、発振器は、凸面反射器と平面出力カプラとを含むことができ、特定の実施形態においては、凸面反射器は、円柱軸を定める円柱形とすることができ、反射器は、第１のビーム寸法に対して平行な円柱軸によって位置決めされることができ、第１のビーム方向は、選択されたビーム軸に対応する。
この態様について、レーザ源は、増幅器を含むことができ、１つの配置においては、レーザ源は、増幅器内に入力する前に発振器からの出力ビームを操作するレンズを含むことができる。

実施形態の別の態様については、基板上に堆積された膜を選択的に溶融させるための薄ビームレーザ結晶化装置は、選択されたビーム軸方向で、同等の平面−平面発振器を用いて得られる発散より低い発散を有するパルス出力ビームを生成するための手段と、膜との相互作用のためのラインビームを生成するために、選択されたビーム軸方向でビームを集束し、かつ選択されたビーム軸に直交する軸方向でビームを空間的に拡大する手段とを含むことができる。１つの実施において、生成手段は、円柱形凸面反射器と、実質的に平坦な出力カプラとを含むことができ、特定の実施においては、生成手段は、発振器と増幅器とを有するエキシマガス放電レーザ源を含むことができる。この態様については、レーザ源は、発振器からの出力ビームを増幅器内に入力するために集束する光学素子をさらに含むことができる。

最初に図１を参照すると、レーザビームで材料を加工するための、例えばアモルファスシリコン膜１２の結晶化のための、全体としてシステム１０で示される生成システムの主要構成要素の一定の縮小比ではない略図が示される。以下の説明は、シリコン膜の結晶化に関連して説明されるが、この原理は、レーザビームを用いて材料を加工する他の用途にも等しく適用可能であることを認識されたい。
図１に示されるように、システム１０は、パルスレーザビームを発生させるためのレーザ源２０を含むことができる。システム１０は、ビームの１つ又はそれ以上の選択された横軸に沿った強度の対称性を増大させるためのビーム混合器２１、パルス持続時間を増大させるためのパルス・ストレッチャ２２、及び／又は、ビームを能動的に操縦するための機構及び／又は能動ビーム拡大器を有することができるビーム送出ユニット２４をさらに含むことができる。

ビーム混合器に関するそれ以上の詳細は、２００６年６月５日に出願された、Ｈｏｆｍａｎｎに付与された「高エネルギーパルスレーザ用途のためのビーム形状及び対称性を安定化するためのデバイス及び方法」という名称の同時係属中の同一出願人による米国特許出願番号第１１／４４７，３８０号（代理人整理番号２００６−００３９−０１）で見ることができ、その内容全体が、引用により本明細書に組み込まれる。
パルス・ストレッチャに関するそれ以上の詳細は、２００６年６月５日に出願された、Ｈｏｆｍａｎｎ他に付与された「パルス・ストレッチャを有する高出力エキシマレーザ」という名称の同時係属中の同一出願人による米国特許出願番号第６０／８１１，２４２号（代理人整理番号２００６−００４０−０１）で見ることができ、その内容全体が、引用により本明細書に組み込まれる。

図１を続けると、システム１０は、例えば波面及び／又はビーム照準などの１つ又はそれ以上のビーム特性を測定するための、並びに能動操縦ユニット及び／又は能動ビーム拡大器によって用いられる生成制御信号を生成するための、安定化計測モジュール２６をさらに含むことができる。システム１０はまた、ビームの均質化、ビーム成形、及び／又はビーム集束のための光学モジュール２８と、例えばガラスとすることができる基板３２上に堆積されたシリコン膜１２を保持し、位置決めするための可動ステージシステム３０とを含むこともできる。バッファ材料層（図示せず）をガラスとシリコン層との間に設けることができる。
より詳細には、光学モジュール２８は、均質化ユニットと、スリット形状の開口部を確立する対向したビームストップを有するフィールド定義ユニットと、スリット形状の開口部を膜に投影する、短軸集束／長軸拡大の光学素子ユニットとを含むことができる。モジュールのユニットの全てを共通のビーム経路に沿って配置することができる。用いられる場合、均質化ユニットは、短軸方向でビームを均質化するための、例えばレンズアレイ、分散遅延デバイス等の１つ又はそれ以上の光学素子と、長軸方向でビームを均質化するための、例えばレンズアレイ、分散遅延デバイス等の１つ又はそれ以上の光学素子とを含むことができる。
ビーム送出ユニット、安定化計測モジュール及び光学モジュールに関するそれ以上の詳細は、２００５年５月２６日に出願された「ラインビームとして形作られるレーザと基板上に堆積された膜との間の相互作用を実現するためのシステム及び方法」という名称の同時係属中の同一出願人による米国特許出願番号第１１／１３８，００１号で見ることができ、その内容全体が、引用により組み込まれる。

概要において、図１に示され、より詳細に後述されるシステム１０は、集束された薄ビーム３４、例えば、膜１２において約２０ミクロン又はそれ以下、例えば３−４ミクロンの幅（短軸）と、７００ｍｍ又はそれ以上の長さ（長軸）と、約＋／−３０から５０ミクロンまでの焦点深度（ＤＯＦ）とを有するラインビームを発生させるように構成することができる。集束された薄ビームの各パルスを用いて、アモルファスシリコンのストリップを溶融させることができ、パルス終了後に、溶融したストリップが結晶化する。特に、溶融したストリップは、結晶粒が短軸に平行な方向に成長する横方向の成長プロセスで結晶化する。結晶粒は、両縁部から内向きに（短軸に平行に）成長して互いに接触し、ストリップの中央に沿ってシリコン膜の平面から外向きに延びるリッジ（いわゆる粒界隆起部）を生成する。次に、ステージは、漸増的又は連続的のいずれかで移動され、第１のストリップに平行で、その一部の上に重なる第２のストリップを露光する。露光の間に、第２のストリップが溶融し、続いて結晶化する。リッジを再溶融させるのに十分な重なりを用いることができる。リッジを再溶融させることによって、比較的平坦な膜表面（例えば、ピークからピークまでの値が〜１５ｎｍ）を維持することができる。以下、薄ビーム指向性結晶化（ｔｈｉｎ ｂｅａｍ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ（ＴＤＸ））と呼ばれるこのプロセスは、典型的には、膜全体が結晶化されるまで繰り返される。

図２に示されるように、レーザ源２０は、発振器３６、例えば電力発振器と、増幅器３８、例えば電力増幅器とを有する２チャンバ・システムとすることができ、よっていわゆるＰＯＰＡレーザ源と呼ぶことができる。上述の結晶化プロセスの１つの実施において、６ＫＨｚ（６０００パルス／秒）ＰＯＰＡレーザを、およそ１５０ｍＪ−２２５ｍＪのパルスエネルギーで用いることができる。単光路増幅器３８が図示されているが、用途に応じて、多光路増幅器、又は場合によってはリング型増幅器を用いることができることを認識されたい。図２は、発振器３６が、２つの細長い電極４２ａ、４２ｂと、例えばＸｅＣｌ、ＸｅＦ等の適切なレーザガスとを収容することができる、放電チャンバ４０を形成することができることを示す。同様に、増幅器３８は、２つの細長い電極４６ａ、４６ｂと、例えばＸｅＣｌ、ＸｅＦ等の適切なレーザガスとを収容することができる、放電チャンバ４４を形成することができる。チャンバ４０、４４はまた、電極間に電気放電を生成するための高電圧源（図示せず）と、前期イオン化装置システム（図示せず）と、電極間にレーザガスを循環させるための横流ファン（図示せず）と、１つ又はそれ以上の水冷式フィン付き熱交換器（図示せず）と、例えばパルスエネルギーなどの種々のパルスパラメータを測定するための測定装置（図示せず）と、制御システム（図示せず）とを含むこともできる。

図２はさらに、発振器３６が、凸面反射器４８と平面出力カプラ５０とを含むことができることを示す。例えば、凸面反射器は、３．００＋／−０．０３ｍ（例えば、約１．５ｍの長さＬを有するキャビティで用いる場合）の凸面の曲率半径を有し、入射角ゼロ度において９９％を超える反射率のエキシマグレードの反射コーティングを表面上に有するＵＶグレード溶融シリカ反射器のような、円柱軸５２を定める円柱形とすることができる（図３及び図４参照）。平面出力カプラ５０については、片側がＵＶグレード反射防止コーティングでコーティングされ、もう片側が入射角ゼロ度において反射率が約３０％＋／−４％のＵＶグレード反射コーティングでコーティングされた、ウェッジが５分未満のＵＶグレード溶融シリカ・カプラを用いることができる。あるいは、反射器４８は、１つより多い軸方向で凸面であってもよく、例えば、球面又は非球面を有する。
図２に示される配置によって、発振器３６は、１つ又はそれ以上の横ビーム軸方向で低発散の発振器出力ビームを生成する、低発散不安定共振器構成を有することができる。特に、図示された発振器３６は、１つ又はそれ以上の選択されたビーム軸方向で、同等の平面−平面発振器（図示せず）を用いて得られる発散より低い、場合によっては相当低い、発散を有することができる。

図３及び図４は、円柱形の凸面反射器４８を有する発振器についてのビーム軸を示す。図示されるように、円柱は、その軸５２が１つの電極４２ａから４２ｂへの経路に対応する方向５４に対して平行になるように、位置合わせすることができる。この構造が、短軸５６方向で低発散のビームをもたらす。このビームの短軸５６が次に、光学的に操作されて、ラインビーム３４（図１）の短軸を生成することができる。
図２は、凸面反射器４８の頂点を距離Ｌだけ平面出力カプラから離間することができることを示す。また、図４からわかるように、凸面反射器４８は、曲率半径ｒを有することができる。発振器３６について、比ｒ／Ｌは、約０．５から５までの範囲内とすることができる。典型的な構成において、距離Ｌは、約１．０ｍから２．０ｍまでの範囲内とすることができ、曲率半径ｒは、２．０ｍから３．０ｍまでの範囲内とすることができる。

偏光子５７を反射器と出力カプラとの間に置くことができ、例えば、とりわけ回転鏡５８ａ、ｂのような反射光学素子における反射率を増大させるために、主にｓ偏光を有するビームを確立する。例えば、偏光子は、平坦な、ＣａＦ₂製の４０ｍｍＯＤ、厚さ７ｍｍのものとすることができ、クロック制御され、適切な角度で位置合わせされ、取り付けられることができる。
図２はさらに、レーザ源が、増幅器に向けて方向付けられた集束入力ビーム６４を生成するために発振器３６からの出力ビーム６２を集束させる、例えば１つ又はそれ以上のレンズ、鏡、プリズム、ウェッジ等の光学素子６０を含むことができることを示す。例えば、光学素子６０を用いて、レーザ効率を向上させることができる。１つの実施において、ｆ＝４．３ｍの球面レンズを発振器３６と増幅器３８との間に配置した。場合によっては、例えばｆ＝１．６５ｍの円柱レンズを、光学素子６０として用いることができる。レンズからシステムの開口部までの距離は、約２．０ｍとすることができ、レンズから増幅器３８の中心までの距離は、約１．２ｍとすることができる。光学素子６０の目的は、発振器３６のエネルギーのうち、より多くを増幅器３８へと注ぎ込み、これにより全体としてのレーザエネルギーを増大させることである。焦点距離は、長軸ビームウエスト発散＊焦点距離が、発振器３６チャンバ及び増幅器３８チャンバの開放開口部（電極間隙）とほぼ同等のままであるように選択された。このことは、レンズが実際にビームを集束させるのではなく、むしろビームを収容することを意味する。光学素子６０はまた、短軸の波面の曲率を減少させて、出力をより平行光にするように働くこともできる。光学素子の使用は、発振器３６及び増幅器３８が同じ電極間隔を有する場合に特に有用である。この場合、光学素子６０が存在しないと、発振器３６から出た発散したビームが増幅器３８から溢出して、電力を浪費することになりかねない。発振器３６及び増幅器３８が同じ電極間隔を有するシステムを用いると、両チャンバは同じ放電電圧を用いることが可能になるので、レーザ源２０のタイミング及び制御を単純化することができる。

他の不安定共振器構成
幾つかの用途、例えば、約２０ミクロン又はそれ以下、例えば３−４ミクロンといった比較的小さい幅と、約７００ｍｍ又はそれ以上、例えば９００ｍｍといった比較的長いビーム長とを有するラインビームの生成において、第１の軸方向で比較的低発散の、例えば第１の軸に沿ったビーム寸法に対して制限された回折の約３倍未満の発散の、レーザ出力ビームを生成することが望ましい場合がある。このことにより、ビームを、第１の軸方向で密に、例えば３−４ミクロンに集束させることができる。また、ビームのコヒーレンス及び関連するスペックルを低減させるために、レーザ出力ビームが、第１の軸に直交する第２の軸方向で比較的高い発散、例えば第２の軸（集束が要求されてはならない）に沿ったビーム寸法に対して制限された回折の約３倍より大きい発散、を有することが望ましい場合もある。

エキシマレーザ及び幾つかの他のレーザタイプにおいては、エキシマレーザ・キャビティにおいて必要とされる光の往復の回数が一般的に少ないため、例えば、平坦な出力カプラと、対向する鏡又は回折格子とによって形成される、ほぼ安定なキャビティを用いることができる。その一方で、安定なキャビティは、低利得の長持続時間レーザにおいてより良好に作動する傾向がある。従って、第１の軸方向でほぼ安定な平坦／平坦キャビティをシミュレートし、第１の軸に直交する第２の軸方向で不安定共振器をシミュレートする円柱形構成要素を有する不安定共振器をエキシマ利得媒体と共に用いて、１つの軸方向で比較的高い発散及び低いコヒーレンスを有し、もう１つの軸方向で比較的低い発散を有する出力ビームを生成することができる。

図２−図４（前述）、図５−図１１及び図１１Ａは、第１の軸方向で比較的低い発散を有し、第１の軸に直交する第２の軸方向で比較的高い発散を有するビームを生成するために用いることができる不安定共振器キャビティを示す。図示された各々のキャビティは、反射鏡と、対向する出力カプラとを含む。一般に、不安定共振器キャビティは、Ｓｉｅｇｍａｎによる教科書「Ｌａｓｅｒｓ」（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｂｏｏｋｓ、カリフォルニア州、Ｍｉｌｌ Ｖａｌｌｅｙ、１９８６年出版）に記載されており、例えば、第２２章及び第２３章を参照されたい。光が出力カプラのエッジの周囲のレーザキャビティの外で結合される場合には、これは、エッジ結合型不安定共振器と呼ばれることが多い。その一方で、出力ビームは、部分反射出力カプラを通って結合されることもある。それらの配置は、「連続結合型不安定共振器」と呼ばれることが多い。場合によっては、光は、出力カプラを横切る位置に応じてその反射率が変化するコーティングを通って結合され、これは、「可変反射率出力鏡」又はＶＲＭと呼ばれることがある。これに加えて、各パス上の光線位置が共振器光軸の同じ側に維持される場合には、不安定共振器は、正分枝型不安定共振器として分類することができ、或いは、各パス上の光線位置が各パスにおいて共振器光軸を横切って行ったり来たり変動する場合には、負分枝型不安定共振器として分類することができる。
本明細書において用いられる「共焦点不安定共振器」という用語及びその派生語は、共振器を形成する２つの湾曲鏡が、平行な入射光に対するそれらの焦点が同じ点にくるように位置決めされていることを意味する。

ここで、図５を参照すると、凸面の部分反射出力カプラ６６ａと、対向する実質的に平坦な完全反射鏡６６ｂとを有する、連続結合型不安定共振器の構成６６が示される。
図６は、凸面部分反射出力カプラ６８ａと、対向する凸面完全反射鏡６８ｂとを有する、連続結合型不安定共振器の構成６８を示す。
図７は、凸面部分反射出力カプラ７０ａと、対向する凹面完全反射鏡７０ｂとを有する、連続結合型共焦点不安定共振器の構成７０を示す。
図８は、凸面完全反射出力カプラ７２ａと、対向する凹面完全反射鏡７２ｂとを有する、エッジ結合型共焦点不安定共振器の構成７２を示す。
図９は、軸外し凸面完全反射出力カプラ７４ａと、対向する軸外し凹面完全反射鏡７４ｂとを有する、エッジ結合型軸外し共焦点不安定共振器の構成７４を示す。

図１０は、前述（すなわち、図２−図４及び図５−図１１）の不安定共振器キャビティの各々について、出力カプラ７６ａと完全反射鏡７６ｂとの間に配置されるキャビティ内レンズ７６ｃを用いて、等価なキャビティ（７６で表される）を構成することができることを示す。
図１１は、前述（すなわち、図２−図４及び図５−図１１）の不安定共振器キャビティの各々について、湾曲した背面を有する出力カプラ７８ａと完全反射鏡７８ｂとを用いて、平行な出力を生成するキャビティ（７８で表される）を構成することができることを示す。
図１１Ａは、半径Ｒ₁の凹面完全反射出力カプラ８０ａと、対向する半径Ｒ₂の凹面完全反射出鏡８０ｂとを有する、エッジ結合型不安定共振器の構成８０を示す。この配置は、共焦点、同軸、軸外し等として構成することができ、ｇ₁ｇ₂＜０又はｇ₁ｇ₂＞１ならば不安定となり得、ここで、ｇ₁＝１−（Ｌ／Ｒ₁）及びｇ₂＝１−（Ｌ／Ｒ₂）である。

チャンバの共振スペクトルを揃えることにより発散を減少させるための、異なる温度でのチャンバの作動
出願人は、２つのレーザチャンバが同一であるように設計及び製造された場合でも、これらの２つのチャンバ間には依然として小さな差異が存在することがあり、その結果として、これらのチャンバがパルス放電中に異なる音響反射を生じさせることがあることを見出した。この違いは、製造上の欠陥／ばらつきのため生じることもあり、また、例えば、一方のチャンバが他方のチャンバよりかなり長く作動させられた場合に生じることもある。例えば、図１２は、同じチャンバであるが、チャンバの耐用寿命内の２つの異なる時点において、パルス繰返し数の関数として測定された発散のプロットを示す（プロット１００は１０億パルス後の関係を示し、グラフ１０２は約６０億パルス後の関係を示す）。この結果は、多段レーザにおけるどの２つのチャンバについても、パルス繰返し数（ｒｅｐ数）に伴う出力ビームの特性（発散など）の変動は、これらの２つのチャンバごとに異なり得るということである。従って、例えばＭＯＰＡのような多段レーザにおいて、１つのチャンバにおける発散を最小にするパルス繰返し数を選択することで、必ずしも、もう１つの「同一の」チャンバにおける発散を最小にすることができるとは限らず、どちらのチャンバも発散に影響を及ぼすことがある。しかしながら、出願人は、チャンバ作動温度、例えばガス温度を変化させることによって、発散−ｒｅｐ数の変動をｒｅｐ数に対してシフトさせることができることも確認した。例えば、図１３は、同じチャンバについて、２つの異なるチャンバ作動温度においてパルス繰返し数の関数としての測定された発散を示し、プロット１０４は、摂氏約５０度の温度で作動するチャンバについての関係を示し、プロット１０６は、摂氏約５０度の温度で作動するチャンバについての関係を示す。プロット１０４は、プロット１０６と同様の形状を有するが、絶対ｒｅｐ数軸に沿って約１００Ｈｚだけシフトしていることが分かる。このことは、周波数軸がガス温度の平方根に応じて補正された後の２つのプロット１０４、１０６を示す図１４において、さらに明白である。

上記のことを念頭において、パルス多段レーザ、例えば２つ又はそれ以上のチャンバを有するチャンバを用いて、少なくとも１つのビーム軸方向で選択された発散、例えば最小発散を有するビームを生成するために、以下のステップ／行為を実行することができる。最初に、所望の範囲のパルス繰返し数にわたって、発散とレーザパルス繰返し数との間の関係をチャンバ毎に測定することができる。次に、測定された関係を比較して、段毎の適切な作動温度、例えばガス温度制御設定値のような制御設定値を決定することができる。この決定は、例えば、ガス温度の平方根に対する周波数シフトの比例といった数式を用いて、アルゴリズムを処理するコンピュータによって行うことができる。あるいは、図１３に示されるプロットに対応するデータを、例えばコンピュータ・プロセッサのようなプロセッサによってアクセス可能な「ルックアップ表」に提供して、適切な作動温度を決定することができる。段の間の温度差は、摂氏５度を超えてもよく、摂氏１度Ｃを超えてもよく、場合によっては摂氏１５度Ｃを超えてもよい。上記のプロセスは、多段レーザの耐用寿命にわたって種々の時点で繰り返すこともできるし、或いはチャンバがスワップアウトされるか又は修理・点検される場合には、選択された発散を生じさせるように多段レーザをリセットするために繰り返すこともできる。

典型的なエキシマレーザチャンバにおいて、ガス温度の制御は、１つ又はそれ以上の熱交換器及び１つ又はそれ以上のヒータを用いて確立し、維持することができる。例えば、熱交換器は、熱交換流体がその中を通る冷却水路を有するフィン付き部材を含むことができる。この場合、フィン付き部材は、レーザガス流内に配置される。熱交換流体がフィン付き部材の中を通る速度を制御することによってチャンバ温度を制御するために、プロセッサ制御信号に応答する弁を設けることができる。ヒータを、例えばレーザの停止期間の間にチャンバを加熱するために、設けることもできる。チャンバハウジングを加熱するために、例えば、プロセッサ制御信号に応答する加熱ロッドを組み込むことができる。

本特許出願において、米国特許法第１１２条（３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ． §１１２）を満たすのに必要な詳細をもって記載され、図示された実施形態の特定の態様は、上述された実施形態の態様に関するいかなる目的、これにより解決されるべきいかなる問題、又はこれに関する他のいかなる理由又は目的のいずれをも十分に達成できるが、当業者であれば、本発明の記載された実施形態の現在記載された態様は、本発明により広く意図されている主題を単に例示し、説明し、代表するものに過ぎないと理解すべきである。現在記載され、特許請求された実施形態の態様の範囲は、当業者にとって本明細書の教示に基づき現時点で明白であり、又は明白となり得る他の実施形態を完全に包含する。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲のみによって唯一且つ完全に限定され、添付の特許請求の範囲の記載以外の何物によっても限定されない。このような特許請求の範囲における１つの要素への単数形での言及は、このような特許請求の範囲の要素を解釈するに当たり、明示的に記載されない限り、「１つ、且つ唯一」を意味するように意図されておらず、また意味するべきではなく、寧ろ「１つ又はそれ以上」を意味するように意図される。当業者には公知であるか又は今後において公知となる、上述された実施形態の態様の要素のいずれかに対する構造的及び機能的な均等物は、引用によりここに明確に組み入れられ、且つ本特許請求の範囲に含まれることが意図される。本出願における明細書及び／又は特許請求の範囲において用いられ、且つ明細書及び／又は特許請求の範囲において明確に意味を与えられたいかなる用語も、こうした用語に対するいかなる辞書的意味又は他の一般に用いられる意味とも関わりなく、その意味を持つものとされる。本出願において開示される実施形態の態様により解決されることが求められる各々の且つ全ての問題に対処するための実施形態のいずれかの態様として本明細書において論じられる装置又は方法に関しては、それが本特許請求の範囲に含まれることは意図されておらず、また必要でもない。本開示におけるいかなる要素、成分、又は方法ステップも、本特許請求の範囲にその要素、成分、又は方法ステップが明示的に記載されているか否かを問わず、公共に提供されるべきものであることは意図されていない。添付の特許請求の範囲におけるいかなる請求項の要素も、その要素が「するための手段」という語句を用いて明示的に記載されない限り、又は方法の請求項の場合においてその要素が「行為」ではなく「ステップ」として記載されない限り、米国特許法第１１２条第６段落の定めるところに従うと解釈されるべきではない。

当業者であれば、上記で開示された本発明の実施形態の態様は、単に好ましい実施形態であることが意図されており、本発明の開示をいかなる形においても限定せず、特に、特定の好ましい実施形態のみに限定しないように意図されていることを理解するであろう。開示された発明の実施形態の開示された態様には、当業者であれば理解し認識するであろう、多数の変更及び修正を為すことが可能である。添付の特許請求の範囲は、範囲及び意味において、本発明の実施形態の開示された態様のみならず、当業者には明らかとなるような均等物並びに他の修正及び変更をも包含することが意図される。

アモルファスシリコン膜を結晶化するための例示的な生成システムの主要構成要素の概略図を示す。 ２チャンバ・レーザ源の概略図を示す。 図２の線３−３に沿って見た概略的な断面図を示す。 図２の線４−４に沿って見た概略的な断面図を示す。 不安定共振器の構成を示す。 不安定共振器の構成を示す。 不安定共振器の構成を示す。 不安定共振器の構成を示す。 不安定共振器の構成を示す。 不安定共振器の構成を示す。 不安定共振器の構成を示す。 不安定共振器の構成を示す。 同じチャンバであるが、チャンバの耐用寿命内の２つの異なる時点において、パルス繰返し数の関数として測定された発散のプロットを示す。 同じチャンバについて、２つの異なるチャンバ作動温度において、パルス繰返し数の関数として測定された発散を示す。 周波数軸がガス温度の平方根に応じて補正された後の図１３の２つのプロットを示す。

Claims (20)

1. 基板上に堆積された膜を選択的に溶融させるための薄ビームレーザ結晶化装置であって、
   凸面反射器と平面出力カプラとを備えた発振器を有する、パルスレーザ出力ビームを生成するレーザ源と、
   第１の軸方向で前記ビームを集束し、第２の軸方向で該ビームを空間的に拡大して、前記膜との相互作用のためのラインビームを生成する光学的配置と、
   を備えることを特徴とする装置。
2. 前記凸面反射器は、円柱軸を定める円柱形であり、該反射器は、第１のビーム寸法に対して平行な軸によって位置決めされ、前記第１のビーム寸法は、前記第１の軸に対応することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記レーザ源は、増幅器をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記レーザ源は、前記発振器からの出力ビームを前記増幅器内に入力するために集束する光学素子をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記光学素子はレンズであることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. ビーム混合器をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 時間的パルス・ストレッチャをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記発振器は、エキシマガス放電発振器であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記凸面反射器は、前記平面出力カプラから距離Ｌだけ離間され、曲率半径ｒを有し、比ｒ／Ｌが０．５から５までの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. 前記距離Ｌは、１．０ｍから２．０ｍまでの範囲内であり、前記曲率半径ｒは、２．０ｍから３．０ｍまでの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
11. 前記反射器と前記出力カプラとの間に設けられた偏光子をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
12. 基板上に堆積された膜を選択的に溶融させるための薄ビームレーザ結晶化装置であって、
    パルスレーザ出力ビームを生成するレーザ源を備え、前記レーザ源は、第１の軸方向のビーム幅ｗと前記第１の軸方向の前記幅ｗに対して制限された回折の３倍未満の発散とを有する発振器出力を生成する、不安定共振器キャビティを含む発振器を有し、
    前記第１の軸方向で前記ビームを拡大し、第２の軸方向で空間的に該ビームを集束して、前記膜との相互作用のためのラインビームを生成する光学的配置を備える
    ことを特徴とする装置。
13. 前記発振器出力は、前記第２の軸方向のビーム幅Ｗと、前記幅Ｗに対して制限された回折の３倍より大きい該第２の軸方向の発散とを有することを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 前記発振器は、凸面状反射器と平面出力カプラとを含むことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
15. 前記凸面反射器は、円柱形であることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
16. 前記レーザ源は、増幅器をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
17. 前記レーザ源は、前記増幅器内に入力する前に前記発振器からの出力ビームを操作するレンズをさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
18. パルス多段レーザを用いて、少なくとも１つの軸方向に選択された発散を有するビームを生成するための方法であって、
    第１のレーザ段について、パルス繰返し数の範囲にわたって、発散とレーザパルス繰返し数との間の関係を測定し、
    第２のレーザ段について、パルス繰返し数の範囲にわたって、発散とレーザパルス繰返し数との間の関係を測定し、
    前記第１のレーザ段についての前記関係と前記第２のレーザ段についての前記関係とを比較して、選択された発散を生成するために温度デルタ及びパルス繰返し数を決定する行為を含み、
    前記温度デルタは、前記第１のレーザ段の作動温度設定値と前記第２のレーザ段の作動温度設定値との間の差であることを特徴とする方法。
19. 前記比較する行為は、前記パルス繰返し数の範囲内での最小発散を生成するために、温度デルタ及びパルス繰返し数を決定することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 決定された温度デルタは、摂氏５度を超えることを特徴とする請求項１８に記載の方法。

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