JP2014534457A - レーザ処理設備においてスペックルを低減させるための装置および方法 - Google Patents

Abstract

本明細書において説明される実施形態は、均一なレーザエネルギーで半導体基板を処理するための装置および方法を提供する。レーザパルスまたはレーザビームが、空間均質化装置に送られる。この空間均質化装置は、レーザエネルギー光路に対して垂直な平面に沿って配置された複数のレンズであってもよく、一例は、マイクロレンズアレイである。空間均質化装置により生成された空間的に均質化されたエネルギーは、次いで複数の厚さを有する屈折媒体に送られる。これらの複数の厚さはそれぞれ、レーザエネルギーの少なくとも可干渉長さの分だけ他の厚さと異なる。【選択図】図２Ｄ

Description

本明細書において説明する実施形態は、半導体基板の熱処理に関する。より詳細には、本明細書において説明する実施形態は、半導体基板のレーザ熱処理に関する。

半導体製造において、熱処理は、半導体基板中のドーパントを溶融、アニール、結晶化、および活性化させるために一般的に利用される。一般的には、高パワーレベルを利用することによって半導体基板を処理するが、この高パワーレベルは、しばしばレーザを利用することにより実現される。レーザは、エネルギーの空間分布が不均一な可干渉光を生成する。この分布は、レージング媒体の構造に応じて、より高いエネルギー強度およびより低いエネルギー強度を結果的にもたらす極大値および極小値を有することとなるが、このことが、基板処理の不均一性をもたらす。さらに、レーザエネルギーフィールドの形状が、処理領域の所望の形状とはしばしば異なるものとなる。

レーザエネルギーフィールドの均一性を向上させ、その形状を所望の形状寸法に適合させることに向けて、多くの研究がなされており、その改良は、半導体デバイスのスケール縮小と大まかに歩調を合わせてきた。しかし、小型化の流れが継続することにより、さらなる改良が依然として必要とされる。

本明細書において説明される実施形態は、均一なレーザエネルギーで半導体基板を処理するための装置および方法を提供する。レーザパルスまたはレーザビームが、空間均質化装置に送られる。この空間均質化装置は、レーザエネルギー光路に対して垂直な平面に沿って配置された複数のレンズであってもよく、一例は、マイクロレンズアレイである。空間均質化装置により生成された空間的に均質化されたエネルギーは、次いで複数の厚さを有する屈折媒体に送られる。これらの複数の厚さはそれぞれ、レーザエネルギーの少なくとも可干渉長さの分だけ他の厚さと異なる。

いくつかの実施形態においては、屈折媒体は、プリズムなどの一体媒体である。プリズムは、複数の異なる長さのカラムを備えてもよい。屈折媒体は、典型的には、１つの受光表面と複数の透過表面とを有し、これらの表面は全て、レーザエネルギーの光路に対して垂直である。透過表面と受光表面との間の距離が異なることにより、プリズムの複数の厚さが構成される。別の実施形態においては、屈折媒体は、それぞれ異なる長さのロッドの集合体である。別の実施形態においては、屈折媒体は、複数の屈折プレートである。

本発明の上記特徴を詳細に理解することが可能となるように、上記では簡潔な要約として示した本発明のより具体的な説明を、一部が添付の図面に示される実施形態を参照として行う。しかし、添付の図面は、本発明の典型的な実施形態を示すに過ぎず、したがって本発明の範囲を限定するものとして見なされるべきではない点に留意されたい。なぜならば、本発明は、他の同様に有効な実施形態を許容し得るからである。

一実施形態による熱処理装置の概略図である。 一実施形態による均一化装置の平面図である。 別の実施形態による均一化装置の斜視図である。 一実施形態による屈折媒体の斜視図である。 別の実施形態による屈折媒体の斜視図である。 一方法の実施形態を概説する流れ図である。 一実施形態によるコンバイナの平面図である。

理解を容易にするために、可能な場合には、同一の参照数字を使用して、図面間で共通の同一要素を示している。ある実施形態において開示される要素は、具体的に列挙されることなく他の実施形態に有利に利用され得るものとする。

熱処理装置１００の一実施形態が、図１に概略的に示される。レーザなどの可干渉光源であり得るエネルギー源１０２が、筐体１１４内に配設される。このエネルギー源１０２は、オプションのコンバイナ１０４にエネルギーを送出する。このコンバイナ１０４は、複数のジェネレータが使用される場合に、エネルギー源１０２の２つ以上のジェネレータからのエネルギービームを結合するために使用される。エネルギービームは、コンバイナ１０４から均一化装置１０６に進み、均一化装置１０６は、このエネルギービームを均一なエネルギービームへと再編成し、この均一なエネルギービームは、開孔１１６を通されて所望のフィールド形状を形成し、次いでステージ１１０の作業表面１２０へと送られる。処理対象の基板が、作業表面１２０上に配設され、開孔１１６を通過するエネルギーは、典型的には実質的に垂直な配向で基板に衝突する。エネルギーは、基板の処理エリアに対応するエネルギーフィールドを形成する。第１の処理エリアの処理後に、基板は、次の処理エリアをエネルギーフィールドに曝すために、ステージ１１０を移動させることにより移動される。一例においては、ステージ１１０は、精密ｘ−ｙステージである。コントローラ１１２が、ステージ１１０の移動を制御するためにステージ１１０に対して結合され、作業表面１２０へのエネルギー送出を制御するためにエネルギー源１０２およびコンバイナ１０４に対して結合されてもよい。装置１００は、基板上の全ての処理エリアの均一な処理を促進するために、所望の寸法形状および高均一性のエネルギー密度分布を伴うエネルギーフィールドを形成する。

エネルギー源１０２は、複数のレーザを備えてもよい。典型的には、高出力持続波または高出力パルスレーザが使用される。レーザエネルギーは、本質的に単一モードのエネルギー（Ｍ^２≒１）から何百または何千もの空間モードを有する高モードエネルギー（Ｍ^２＞３０）までの範囲に及び得る。各ジェネレータからのレーザエネルギーは、エタンデュが大きい場合には、光学処理時の分散性エネルギー損失を防ぐために平行にされ得る。パルスレーザは、フェムト秒範囲からマイクロ秒範囲までのパルス持続時間を有し得る。一実施形態においては、約５００〜約１０００のＭ^２を有し、パルス当たり約５ナノ秒〜約３０ナノ秒の範囲に及ぶ、３０ＭＷ〜５０ＭＷの３５２ｎｍレーザエネルギーをパルスで発する、４つのＱスイッチ型２倍周波数Ｎｄ：ＹＡＧレーザが使用され得る。

エネルギー源１０２からのエネルギーは、２つ以上のジェネレータがエネルギー源１０２に含まれる場合には、コンバイナ１０４へと送られ得る。コンバイナ１０４は、２つ以上のエネルギービームまたはパルスから１つのエネルギービームまたはパルスを生成する。図４は、一実施形態によるコンバイナ４００の平面図であり、このコンバイナ４００は、オプションのコンバイナ１０４として使用し得る。光害を防ぐために筐体４９９内に収容された光学系を使用する場合には、コンバイナ４００は、エネルギー源１０２から受けた第１の入力４２４Ａとエネルギー源１０２から受けた第２の入力４２４Ｂとを結合して１つの出力４３８にする。２つの入力４２４Ａ／Ｂは、筐体４９９の開口内に配設された入力レンズ４０２Ａおよび４０２Ｂを通りコンバイナ４００に進入する。図４の実施形態においては、２つの入力レンズ４０２Ａ／Ｂは、筐体４９９の１つの表面に沿って整列され、入力４２４Ａ／Ｂは、実質的に平行な配向で筐体４９９に進入する。

２つの入力４２４Ａ／Ｂは、結合光学系４０８へと送られ、この結合光学系４０８は、２つのパルスを１つのパルス２３８へと結合する。結合光学系は、第１の送込み入力４２６Ａの進入経路に対して垂直に配向された第１の進入表面４０７Ａと、第２の送込み入力４２６Ｂの進入経路に対して垂直に配向された第２の進入表面２０７Ｂとを有して、結合光学系４０８への進入時におけるこれらの送込み入力４２６Ａ／Ｂのあらゆる屈折を回避する。図２Ａの結合光学系４０８は、第１の送込み入力４２６Ａおよび第２の送込み入力４２６Ｂがそれぞれ約４５°の角度で選択表面４０９に到達するように配向された選択表面４０９を有する水晶である。選択表面４０９は、光の特性に応じて光と選択的に相互作用する。結合光学系４０８の選択表面４０９は、第１の送込み入力４２６Ａを反射し、第２の送込み入力４２６Ｂを透過させることにより、結合出力４２８を生成し得る。これらの入力の結合を容易化するために、各送込み入力４２６Ａ／Ｂは、ある特定の様式で選択表面４０９と相互作用するように調整され得る。

一実施形態においては、選択表面４０９は、偏光表面である。この偏光表面は、線形偏光軸を有してもよく、これにより、送込み入力４２６Ｂを偏光表面の軸に対して平行に偏光することによって、偏光表面は送込み入力４２６Ｂを透過させることが可能となり、送込み入力４２６Ａを偏光表面の軸に対して垂直に偏光することによって、偏光表面は送込み入力４２６Ａを反射することが可能となる。２つの送込み入力４２６Ａ／Ｂを偏光表面上の同一スポットに整列されることにより、表面４０７Ｃに対して垂直な結合光学系４０８の第１の退出表面４０７Ｃから出る結合出力４２８が生成されて、この結合出力４２８のあらゆる屈折が回避される。代替的には、選択表面４０９は、円偏光子であってもよく、送込み入力４２６Ａは、反射については円偏光子の方向とは逆方向に円形に偏光され、送込み入力４２６Ｂは、透過については円偏光子と同一方向に円形に偏光される。別の実施形態においては、送込み入力４２６Ａ／Ｂは、それぞれ異なる波長を有してもよく、選択表面４０９は、誘電体ミラーを用いてなど、ある波長の光を反射するようにおよび別の波長の光を透過させるように構成されてもよい。

偏光の一実施形態においては、送込み入力４２６Ａ／Ｂの偏光は、偏光フィルタ４０６Ａ／Ｂを使用して実現される。偏光フィルタ４０６Ａ／Ｂは、入力４２４Ａ／Ｂを偏光し、これが、結合光学系４０８の選択表面４０９により選択的に反射または透過される。偏光フィルタ４０６Ａ／Ｂは、例えば半波長板または１／４波長板などの波長板であってもよく、それらの偏光軸は、選択表面４０９における選択的な反射および透過のために直交方向に偏光された光を生成するように、相互に対して直交に配向される。各偏光フィルタ４０６Ａ／Ｂの軸は、選択表面４０９の偏光軸に送込み入力４２６Ａ／Ｂの偏光を正確に整列させるために、または入力パルス４２６Ａ／Ｂの偏光軸と選択表面４０９の偏光軸との間に所望の偏角をもたらすために、例えば回転アクチュエータ４０５Ａ／Ｂなどを用いて個別に調節されてもよい。

送込み入力４２６Ａ／Ｂの偏光軸を調節することにより、結合出力４２８の強度が制御される。なぜならば、偏光フィルタは、マリュスの法則にしたがって入射光を透過させるため、これにより、偏光フィルタを透過した光の強度が、入射強度と、フィルタの偏光軸と入射光の偏光軸との間の角度の余弦の２乗とに比例することが確保されるからである。したがって、偏光フィルタ４０６Ａの偏光軸が選択表面４０９の偏光軸に対して垂直な配向から偏向するように偏光フィルタ４０６Ａを回転させることにより、送込み入力４２６Ａの一部分が、結果的に選択表面４０９を透過することとなる。同様に、偏光フィルタ４０６Ｂの偏光軸が選択表面４０９の軸に対して平行な配向から偏向するように偏光フィルタ４０６Ｂを回転させることにより、送込み入力４２６Ｂの一部分が、結果的に選択表面４０９から反射されることとなる。各送込み入力４２６Ａ／Ｂからのこの「非選択」光は、結合されて不採用エネルギー４３０となり、これは、結合光学系４０８から第２の退出表面４０７Ｄを通り出て、エネルギーダンプ４１０内へと進む。このようにすることで、各偏光フィルタは、偏光フィルタを通過するエネルギーの強度を減衰するための調光スイッチとして機能する。

結合光学系４０８により結合されることとなる２つの送込み入力４２６Ａ／Ｂは、選択的な反射および透過のために選択表面４０９のそれぞれ逆の側に向かって送られる点に留意されたい。したがって、第１の入力４０２Ａは、リフレクタ４０４により選択表面４０９の反射側に向かって第１の入力４０２を運ぶ経路に沿って送られ、第２の入力４０２Ｂは、選択表面４０９の透過側に向かって送られる。当然ながら、リフレクタの任意の組合せを使用して、コンバイナ４００内において所望の経路に沿って光を導くことができる。

結合出力４２８は、結合出力２２８を出力４３８およびサンプル４３２に分波する第１のスプリッタ４１２と相互作用してもよい。スプリッタ４１２は、パーシャルミラーまたはパルススプリッタであってもよい。サンプル４３２は、診断モジュール４３３に送られてもよく、この診断モジュール４３３は、サンプル４３２の特性を分析して出力４３８の特性を表す。図２Ａの実施形態においては、診断モジュール４３３は、サンプルの時間形状およびサンプルの総エネルギー含量のそれぞれを検出する２つの検出器４１６および４１８を有する。第２のスプリッタ４１４は、これらの各検出器に入力するための第１のサブサンプル４３６および第２のサブサンプル４３４を形成する。時間形状検出器４１６は、非常に短い時間スケールでモニタに当たるエネルギーの強度を合図する強度モニタである。時間形状検出器に入射するエネルギーパルスは、１ピコ秒（ｐｓｅｃ）から１００ナノ秒の総持続時間を有してもよく、そのため、かかる時間スケールで時間形状を記録するのに適したフォトダイオードまたはフォトダイオードアレイであり得る時間形状検出器は、これらの時間スケールの有用な下位区分にて強度信号をもたらす。エネルギー検出器４１８は、入射電磁放射をサブサンプル４３４のエネルギー含量を示すために測定し得る電圧へと変換する、熱電対などの焦電デバイスであってもよい。第１のスプリッタ４１２および第２のスプリッタ４１４が、第１のスプリッタ４１２および第２のスプリッタ４１４の透過割合に基づき既知の割合の入射光をサンプリングするため、出力４３８のエネルギー含量は、サブサンプル４３４のエネルギー含量から算出され得る。

診断モジュール４３３からの信号は、図１のコントローラ１１２に送られてもよく、このコントローラ１１２が、所望の結果が達成されるように、エネルギー源１０２またはコンバイナ４００の動作を調節してもよい。コントローラ１１２は、各レーザのアクティブＱスイッチに対して結合された電子タイマーを調節することにより、時間形状検出器４１６からの結果に応答してパルスタイミングを制御してもよい。アクティブＱスイッチをより高速でサイクル動作させることにより、より短いパルスが得られ、逆の場合には、逆の結果が得られる。コントローラ１１２は、回転アクチュエータ４０５Ａ／Ｂに対して結合されることにより、エネルギー検出器４１８からの結果に基づき、偏光フィルタ４０６Ａ／Ｂを通過する光の偏光角度を調節することによって出力４３８の強度を調節し得る。このようにすることで、出力４３８の持続期間およびエネルギー含量が、個別に制御され得る。また、コントローラ１１２は、各レーザへの入力電力を調節するように構成されてもよい。

出力４３８は、所望に応じてシャッター４２０により遮断されてもよい。シャッター４２０は、コンバイナ４００から出るレーザエネルギーを遮断してコンバイナ４００に続く構成要素に対する調節を行おうとする場合には、安全デバイスとして機能し得る。出力４３８は、出力レンズ４２２を通りコンバイナ４００から出る。

出力４３８は、２つの送込み入力４２６Ａ／Ｂの結合されたものである。したがって出力４３８は、２つの送込み入力４２６Ａ／Ｂの特性の組合せに相当する特性を有する。上述の偏光の例においては、出力４３８は、選択表面４０９における各送込み入力４２６Ａ／Ｂの透過度／反射度に応じて異なる強度を有する２つの直交方向に偏光された送込み入力４２６Ａ／Ｂの結合したものに相当する楕円偏光を有し得る。選択表面４０９の入射波長を利用して２つの入力を結合する一例においては、出力４３８は、２つの送込み入力４２６Ａ／Ｂのそれぞれの強度に応じたそれらの入力の結合波長を表す波長を有することになる。

例えば、１，０６４ｎｍ反射誘電体ミラーが、結合光学系４０８の選択表面４０９に配設されてもよい。送込み入力４２６Ａは、選択表面４０９からの反射について強度Ａを有する約１，０６４ｎｍの波長を有してもよく、送込み入力４２６Ｂは、選択表面４０９の透過について強度Ｂを有する５３２ｎｍの波長を有してもよい。結合出力４２８は、送込み入力４２６Ａ／Ｂの波長および強度を有する２つのフォトンの共伝播二重パルスとなり、その総エネルギー含量は、２つのパルスエネルギーの和となる。

図４のコンバイナ４００は、２つの入力を結合して１つの出力にするために使用され得る。所望に応じて、コンバイナ４００からの出力をさらに結合するために、同様の要素を異なる構成において備える光学コンバイナを使用してもよい。例えば、一対のコンバイナ４００などのコンバイナが、偏光に基づき４つの入力を２つの中間物へと結合してもよく、第３のコンバイナが、波長に基づきこの２つの中間物を１つの出力へと結合してもよい。

光学コンバイナ１０４からの（または直接的にエネルギー源１０２からの）エネルギーは、均一化装置１０６へと送られる。図２Ａは、一実施形態による均一化装置２００の平面図であり、この均一化装置２００は、図１の装置１００において均一化装置１０６として使用することができる。均一化装置２００は、空間デコリレータ２０２および時間デコリレータ２０４を備える。これらのデコリレータ２０２および２０４は、図２Ａにおいて概略的に示され、この図は、空間デコリレータ２０２が、殆どの実施形態については光路に沿って時間デコリレータ２０４の前に位置決めされることを示す。デコリレータ２０２および２０４は、図２Ａに示唆するように物理的に接触状態にあってもよく、または、所望に応じて、デコリレータ２０２と２０４との間の一部距離については異なる媒体を通り伝播し得るように離間されてもよい。

空間デコリレータ２０２は、空間デコリレータ２０２の受光表面２２６に入射する断面像の様々なエリアからのエネルギーを混合する。断面像の各構成エリアは、より大きなフィールドへと、いくつかの例では結果的に得られる像フィールド全体に対して投影されて、空間デコリレータ２０２の透過表面２２８を透過した構成エリアの合成像を生成する。入射エネルギーに存在する空間モードは、結果的に得られる合成像へと重畳されて、空間的に均一化された像が生成される。強度極大値および強度極小値は、重畳されることにより、空間モードの優勢および空間モードから生じるエネルギー分布不均一性を低減させる。

時間デコリレータ２０４は、時間デコリレータ２０４の受光表面２３０に入射するエネルギーの時間相関性を低減させることにより、時間デコリレータ２０４の透過表面２３２を透過する脱相関された像を生成する。この脱相関像は、入射エネルギーに対して位相均一化されることにより、時間可干渉性エネルギーに付随する干渉パターンを低減させる。時間デコリレータ２０４は、一般的には、屈折媒体内の複数の異なる経路長を通して入射エネルギーを送ることにより、入射エネルギーを脱相関させる。

図２Ｂは、別の実施形態による均一化装置２４０の斜視図である。この均一化装置２４０は、複数のレンズ２０２Ａを有し、これらは、入力エネルギー２０６の光路と交差するように配置されたマイクロレンズアレイであってもよい。複数のレンズ２０２Ａは、入力エネルギー２０６の伝播方向に対して実質的に垂直である平面に沿って配設される。複数のレンズ２０２Ａの各レンズ２０８は、入力エネルギーの一部分を受け、これを入射エネルギーの受けられた部分の面積よりも大きな面積を有する合成像２１０に投影する。したがって、あるレンズ２０８からの像の一部分は、全ての他のレンズ２０８からの各像の一部分と重畳することにより、合成像２１０を形成する。このように形成された合成像２１０は、レンズ２０８の特徴および複数のレンズ２０２Ａの構成によっては、合成像２１０の周縁領域２１４よりも高い強度および／または空間均一性を有する中心領域２１２を有し得る。図２Ｂにおいては矩形断面が示されるが、実施形態は、円形、楕円形、正方形、六角形、あるいは他の多角形および／または変則的な形状などの、任意の所望の断面形状を有し得る点に留意されたい。さらに、いくつかの実施形態においては、複数のレンズ２０２Ａの平面は、入力エネルギー２０６の伝播方向に対して角度をつけられてもよい。代替的には、レンズ２０８は、スタッガ状に配置されてもよい。すなわち、各レンズ２０８は、基準平面から幾分かの距離をおいて配置されてもよく、この基準平面からの各レンズ２０８の距離が、異なってもよい。かかる一実施形態は、大半のレンズ２０８の透過像の一部分を別のレンズに通過させて空間的に均一化された像２１０を生成することによって、さらなる空間均一化を実現し得る。

複数のレンズ２０２Ａは、図２Ｂにおいては入力エネルギー２０６の伝播方向に対して垂直な平面を画定する表面に沿って配設されるように示される。代替的な実施形態においては、複数のレンズ２０２Ａは、複数のレンズ２０２Ａの透過側における入射エネルギー２０６の伝播軸上に曲率軌跡が位置する曲線を規定する表面に沿って配設されてもよい。かかる構成は、複数のレンズ２０２Ａと時間デコリレータ２０４Ａとの間に空間が存在する場合には、複数のレンズ２０２Ａからの光の分散を低減させるのに有用となり得る。複数のレンズ２０２Ａと時間デコリレータ２０４Ａとの間に空間が存在しない場合には、分散性エネルギーは、時間デコリレータ２０４Ａの屈折エッジにより反射され得るか、または、反射性材料が、複数のレンズ２０２Ａおよび時間デコリレータ２０４Ａの一方または両方を囲んでもよい。

複数のレンズ２０２Ａは、図２Ｂにおいては単一物体の一部として示される。代替的には、レンズ２０８の中の１つまたは複数が、所望に応じて他のレンズ２０８から脱着されてもよい。複数の脱着されたレンズの使用は、レンズの調節により性能を時折向上させる実施形態においては有益となり得る。また、これらのレンズ２０８は、上述のようにレンズが基準平面からそれぞれ異なる距離に位置する場合には、脱着されてもよい。

複数のレンズ２０２Ａからの合成像２１０は、時間デコリレータ２０４Ａの受光表面２２０へと進む。時間デコリレータ２０４Ａは、境界表面２１４に接触状態の複数の屈折鏡面２１２を備える屈折媒体である。各屈折鏡面２１２は、厚さ「ｔ」を有し、これらは同一であってもまたは異なってもよい。屈折媒体の受光表面２２０に進入するエネルギーは、屈折媒体を通過して第１の境界表面２１４へと進む。このエネルギーの小部分が、第１の境界表面２１４において反射されて受光表面２２０へと戻り、そこでこの小部分の一部分が、反射されて屈折媒体へと戻り、結果的に、入射エネルギーの各部分が、屈折媒体中でそれぞれ異なる経路長を進む。同一の反射／再反射パターンが、全ての境界表面２１４において生じることにより、非常に多様な種々の経路長が屈折媒体中に結果的に得られる。屈折媒体中でそれぞれ異なる経路長を進む可干渉光は、経路長の差異が可干渉光の波長の整数倍数ではない場合には、位相脱相関されて現れる。これらの異なる経路長が、時として入射エネルギーのｐｉおよび光学帯域幅で除算した光の速さで表される可干渉長さを上回る量だけ長さに差異がある場合には、脱相関は向上する。

鏡面２１２は、同一の材料または異なる材料であってもよく、光透過性の任意の屈折性材料であってもよい。鏡面は、固体、液体、または気体であってもよく、例えば内部に屈折性の液体または気体を有する鏡面形状コンテナなどであってもよい。例示的な屈折性材料は、ガラス、石英、およびサファイアである。水などの透明液体、および空気とは比較的異なる屈折率を有し得る空気以外の気体もまた使用し得る。図２Ｂにおける鏡面２１２は、境界表面２１２において接触状態において示されるが、境界表面２１４の中の１つまたは複数が、空間により分離された２つの隣り合う鏡面２１２の２つの表面を備えるように、これらの鏡面２１２の中の１つまたは複数が、他から離間されてもよい。かかる構成は、それらの空間における幾分かのエネルギー損失を犠牲にして時間脱相関を上昇させ得る。いくつかの事例においては、反射性材料を用いて鏡面２１２のエッジを囲むことにより、かかる損失を低減させることができる。

時間デコリレータ２０４Ａの透過表面２２２から出る脱相関された像２３４は、受光表面２２０に進入するエネルギーと同様の断面形状を有し、中心エリア２１８は、脱相関された像２３４の周縁エリア２１６よりも複数のレンズ２０２Ａからのより重畳した像部分を、およびしたがってより高い空間均一性を有する。

図２Ｃは、別の実施形態による時間デコリレータ２０４Ｂの斜視図である。図２Ｃの時間デコリレータ２０４Ｂは、図２Ａの均一化装置２００の時間デコリレータ２０４として使用し得る。図２Ｃの時間デコリレータ２０４Ｂは、図２Ｂの時間デコリレータ２０４Ａと多数の点において同様であるが、鏡面２１２が入射エネルギー２０６の伝播方向に対して横方向へとスタッガ状に配置される点において異なる（図２Ａ）。鏡面２１２のスタッガ状配置により、入射エネルギーの各部分を通して伝播させるための複数の厚さｔ_１〜ｔ_５を有する屈折媒体が得られる。したがって、入射エネルギーの一部分は、この屈折媒体の厚さｔ_１を通り進み、それによりｔ_１の光路長に基づく屈折効果を被る。入射エネルギーの別の部分は、屈折媒体の厚さｔ_２を通り進み、それによりｔ_２＞ｔ_１の光路長に基づく屈折効果を被る。さらにｔ_３、ｔ_４、およびｔ_５についても同様となる。鏡面２１２が、それぞれ異なる厚さを有する場合には、屈折媒体は、最大で２ｎ−１の厚さを有し得る。ここで、ｎは、鏡面の個数である。特に全ての光路長間の全ての差異が、入射放射の可干渉長さを上回る場合には、異なる光路長の個数を増加させることにより、得られる時間脱相関が増加する。

図２Ｃの鏡面２１２は、一方向、例えば「正のｘ」方向における前の鏡面２１２に対する各鏡面２１２の距離またはピッチ「ｐ」が均一な状態で、スタッガ状に配置される。代替的な実施形態においては、いくつかの鏡面が、「負のｘ」方向および「正のｘ」方向においてもスタッガ状に配置されることにより、伝播方向に対して直交するある軸の両側へと延在する部分を有する屈折媒体をもたらしてもよい。他の代替的な実施形態においては、いくつかの鏡面が、さらに正および／または負の方向においてｙ方向に沿ってスタッガ状に配置されてもよい。さらに、図２Ｃのデコリレータ２０４Ｂは、鏡面２１２の集合体として示されるが、デコリレータ２０４Ｂは、溶合された鏡面の集合体などの単体媒体か、または上述のモードのいずれかにしたがって構成された複数の厚さを有するプリズムであってもよい。同一材料の溶合される鏡面は、所望に応じて鏡面同士の間の屈折境界を維持することにより、スタック鏡面の集合体と同様の結果が得られるような方法で溶合されてもよい。

スタッガ状に配置された鏡面のピッチ「ｐ」は、同様のサイズおよび形状を有する鏡面のコンテクストにおいては、全ての鏡面２１２について一定であってもよく、または異なってもよい。平均ピッチ

が、関係

を満たす場合には（ここで、ｎは鏡面の個数であり、ｗはスタック内の第１の鏡面および第２の鏡面の幅の和である）、次いで、スタック内の全ての鏡面がある程度まで重畳することとなる。屈折効果による任意の光路変化がその特定の実施形態に応じて管理される限りにおいては、鏡面２１２は、全てが同一の形状またはサイズである必要はない点に留意されたい。一実施形態においては、各厚さｔ_１〜ｔ_ｎは、入射エネルギーフィールドの均等面積が屈折媒体２０４Ｂの各厚さを通過するように、均等な面積範囲を有する。当然ながら、他の実施形態においては、厚さｔ_１〜ｔ_ｎの面積範囲は、それぞれ異なってもよい。

一実施形態においては、デコリレータ２０４Ｂは、５個のガラス鏡面の集合体であり、これらのガラス鏡面はそれぞれ、約１ｃｍの厚さを有し、鏡面当たり約１ｃｍのピッチで一方向に均等にスタッガ状に配置される。これらの鏡面は、約１．０ｃｍ×０．６ｃｍ×１ｃｍであり、それにより、約１ｃｍの断面寸法を有する入射エネルギーの光路に対応する。

図２Ｄは、別の実施形態による時間デコリレータ２０４Ｃの斜視図である。この時間デコリレータ２０４Ｃは、図２Ａの均一化装置２００における時間デコリレータ２０４として使用し得る。図２Ｃのデコリレータ２０４Ｂにより具現化される同一の一般的原理によれば、デコリレータ２０４Ｃは、入射エネルギーフィールドの各部分が通過する複数の光路長を画定することにより、入射エネルギーフィールドの時間脱相関をもたらす、屈折媒体である。図２Ｃの実施形態においては、複数のカラム２２４が、結合された像２１０の光路と交差して配設される（図２Ｂ）。これらのカラム２２４は、殆どの場合には、結合像２１０の伝播方向に対して平行な軸に沿って延在するように配向される。これらのカラム２２４は、入射エネルギーフィールドの各部分が通過する複数の厚さを有する屈折媒体２２６を、一体的に形成する。

カラム２２４は、図２Ｃに示すように本質的にランダムな長さを有してもよく、各カラム２２４は、全ての他のカラム２２４と異なる長さを有してもよいが、カラムの個数に等しいだけの異なる長さのランダム性もまた数も必要ではない。異なる厚さまたはカラム長の数がより多いほど、結果的により良好な全体的な脱相関が得られ、入射エネルギーの可干渉長さを上回る分だけ他の長さと異なる厚さまたはカラム長がより多いほど、得られる結果はさらに一層向上する。

それぞれ異なる長さを有するカラム２２４は、受光表面２２０の対向側に複数の透過表面２２２を形成する。受光表面２２０に入射するエネルギーは、様々なカラム２２４をそれらの長さに応じた分だけ通過して進み、それぞれ異なる時点において各透過表面２２２から出る。カラム２２４は、図２Ｃに示すように平坦受光表面２２０を有して構成される必要はなく、複数のスタッガ状透過表面２２２に加えてまたはその代りとして複数のスタッガ状受光表面を形成するように構成されてもよい点に留意されたい。

デコリレータ２０４Ｂと同様に、カラム２２４は、それぞれ同一の材料であってもまたは異なる材料であってもよく、共に溶合されてもまたは他の方法で結合されてもよい。一実施形態においては、個別のカラム２２４の集合体が、反射性トンネル内のカラムの周囲側部を囲むと共に受光表面２２０および透過表面２２２を覆い隠さない状態に残す、反射性結合剤によって物理的接触状態へと共に結合されてもよい。カラム２２４は、物理的接触を成すそれら同士の間に境界表面を形成し、この境界表面は、モードの脱相関を向上させる反射条件および屈折条件を与える。反射性結合は、あらゆる屈折損失を低減させる。さらに、デコリレータ２０４Ｃは、カラム様式で種々の厚さを実現するようになされたプリズムなどの一体媒体であってもよい。

均一化装置２００および２４０は、単一の空間均一化装置および単一の時間均一化装置をそれぞれ有するものとして説明される。代替的な実施形態においては、各空間均一化装置が他の空間均一化装置と同一であるかまたは異なり、各時間均一化装置が他の時間均一化装置と同一であるかまたは異なる、複数の空間均一化装置および／または時間均一化装置が使用されてもよい。他の代替的な実施形態においては、時間均一化装置の透過表面が、例えばこの表面に微細テクスチャを施すことなどにより拡散性を有してもよい。さらに、時間均一化装置の屈折媒体が、任意の度合いまで分散性を有する場合には、時間均一化装置の透過表面は、所望に応じて分散性を相殺するために角度をつけられてもよく、または平行化レンズが、透過したエネルギーに対して適用されてもよい。

上述の実施形態のいずれかにしたがって均一化装置１０６を透過するエネルギーは、開孔１１６を通過して、所望の形状およびサイズを有するエネルギーフィールドをもたらす。開孔１１６は、図２Ｂのエネルギーフィールド２３４の周縁エリア２１６など、所望の均一性を有さないエネルギーフィールドの任意の部分を切り捨てるために使用されてもよい。結果的に得られる均一化されたエネルギーフィールドは、作業表面１２０上に配設された基板へと送られる。

図２Ａ〜図２Ｃに関連して説明される光学素子は、入射エネルギー２０６の伝播方向に対して平行な光軸とほぼ位置合わせされるものとして示される。代替的な実施形態においては、光学素子の中の１つまたは複数が、この伝播方向との間に角度を形成する軸に沿って配向されてもよい。かかる実施形態においては、受光表面および透過表面は、伝播軸に対して垂直であるか、または伝播軸に対して角度をつけられてもよい。当然ながら、ある角度で屈折境界に到達する光は、ある程度まで反射される。例えば可能な場合には内部反射を利用することによって、および屈折媒体の周囲に反射素子を配設することによってなど、反射光学系を使用することによりかかる反射を最小限に抑えてもよい。屈折媒体２０４Ａ〜２０４Ｃなどの光学素子は、所望に応じて、伝播軸を調節するための曲率を有してもよい。

時間デコリレータ２０４Ａ／Ｂ／Ｃは、時間デコリレータを構成する屈折媒体中においてそれぞれ異なる距離にわたり光を進ませることによって、これらのデコリレータを経由する光の通過に影響を及ぼすものとして図示される。代替的な実施形態においては、光通過時間は、種々の屈折率を有する種々の材料を経由して光を送出することによって影響を被り得る点に、留意されたい。一般的には、時間デコリレータ２０４Ａ／Ｂ／Ｃは、光の通過について複数の異なる経路を有し、これらの異なる経路は、媒体中の進行距離により、または種々の屈折率を有する種々の材料の通過により、またはそれらの両方により、異なる通過時間を有する。時間デコリレータは、屈折媒体中をそれぞれ異なる距離にわたって進むこと、異なる屈折媒体中を同一距離にわたって進むこと、またはそれらの任意の組合せのいずれかにより、それぞれ異なる速度にて所与の距離にわたり光を進ませることによって実現される。

一実施形態においては、矩形固体などの正規形状を有する一体の媒体またはプリズムが、種々の屈折率を有する多様な材料から作製されることにより、種々の通過時間を有する経路を実現してもよい。いくつかの実施形態においては、２つのみの材料が使用され、これら２つの材料の間の境界は、一体媒体内の種々の位置に位置する。第１の材料が、厚さｄ_１および屈折率ｎ_１を有し、第２の材料が、厚さｄ_２および屈折率ｎ_２を有する場合には、これらの２つの屈折媒体中の合計光路の有効屈折率は、ｎ_１＋ｎ_２の加重平均となり、すなわち（ｎ_１ｄ_１＋ｎ_２ｄ_２）／（ｄ_１＋ｄ_２）となる。媒体中の種々の経路に対して種々の距離ｄ_１およびｄ_２を与えることにより、様々な経路に沿った通過時間の差動制御が実現され得る。いくつかの実施形態においては、光路は、全ての他の通過時間とは光の可干渉時間の分だけそれぞれ異なる通過時間を有し得る。

図３は、別の実施形態による方法３００を概説した流れ図である。図３の方法３００は、基板を熱処理するための均一なエネルギーフィールドを形成するのに有用である。３０２では、レーザエネルギーが、レーザエネルギーの光路に交差する複数のレンズを通して送られて、合成像を形成する。レーザエネルギーは、レーザエネルギーの単一の伝播であってもよく、または例えば２つの結合ビームまたは２つの結合パルスなど、２つ以上の伝播の結合されたものであってもよい。複数のレンズは、図２Ａ〜図２Ｃに関連して上述した実施形態のいずれにも適合し得る。各レンズは、入射エネルギーの一部分を、全ての他のレンズの像フィールドに重畳する像フィールドに投影する。典型的には合成像の中心エリアである像フィールドの重畳部分は、空間的に非常に均一であり、合成像の周縁部分は、空間的に均一性がより低い場合がある。

３０４では、合成像が、合成像の光路に交差する複数の厚さを有する屈折媒体を通して送られることにより、脱相関された像を形成する。屈折媒体は、図２Ａ〜図２Ｃに関連して上述した実施形態のいずれにも適合し得る。屈折媒体は、合成像の一部分が進む種々の長さを有する複数の光路を形成する。屈折媒体中のそれぞれ異なる経路長により、合成像のある部分の位相変位が別の部分に対して相対的なものとなる。いくつかの実施形態においては、屈折媒体の全ての光路長が、入射エネルギーの可干渉長さを上回る量だけ、全ての他の光路長と異なる。他の実施形態においては、一部の光路長が、入射エネルギーの可干渉長さを上回る量だけ、他の光路長と異なる一方で、他については、入射エネルギーの可干渉長さを下回る量だけ異なり得る。いくつかの実施形態においては、一部の光路長が、他と同一である一方で、一部は、時間脱相関をもたらすように異なり得る。

それぞれ異なる厚さは、均一分布または不均一分布にしたがって、単一軸に沿ってまたは２つの軸に沿って分布してもよい。これらの異なる厚さにより、複数対の受光表面および透過表面が得られ、各受光表面／透過表面対は、少なくとも１つの他の受光表面／透過表面対の距離とは異なる距離だけ離間される。いくつかの実施形態においては、全ての受光表面／透過表面対の離間距離は、異なってもよく、いくつかの実施形態においては、これらの表面対は、それらの離間距離により規定される群へと分類され得る。いくつかの実施形態においては、これらの距離は、受光表面に入射するエネルギーの可干渉長さを上回る分だけ異なる。

３０６では、基板の処理エリアが、脱相関された像に曝される。この脱相関像は、所望に応じて開孔を通過することにより、像を形状設定、サイズ設定、および／または切り捨てして、例えば所望の均一性に適合しない像フィールドのいかなる部分も除去してもよい。基板全体を処理するために、第１の処理エリアは、典型的には上述のように同定され処理される。次いで、次の処理エリアが、通常は第１の処理エリアに隣接して同定され、いくつかの例においては、第１の処理エリアと境界で重畳するかまたは境界を共有する。基板は、処理対象の次の処理エリアを位置決めするために移動され、次の処理エリアは、３０２の送込み、３０４の送込み、および３０６の曝しを繰り返すことによって処理される。この工程は、基板の全ての所望の処理エリアが処理されるまで、繰り返される。

前述は、本発明の実施形態を対象とするが、本発明の基本範囲から逸脱することなく、本発明の他のおよびさらなる実施形態を考案し得る。

Claims (21)

1. 可干渉光のエネルギー均一性を向上させるための装置であって、
   合成投影フィールドを生成するために位置決めされた複数のレンズと、
   １つまたは複数の第１の表面および複数の第２の表面を有する屈折媒体であって、各第２の表面は、前記１つまたは複数の第１の表面から複数の距離をおいて配置され、前記屈折媒体は、前記１つまたは複数の第１の表面において前記合成投影フィールドを受けるように、および前記複数の第２の表面からエネルギーフィールドを透過させるように、位置決めされるか、または、前記屈折媒体は、前記複数の第２の表面において前記合成投影フィールドを受けるように、および前記１つまたは複数の第１の表面から前記エネルギーフィールドを透過させるように、位置決めされる、屈折媒体と
   を備える、装置。
2. 前記複数のレンズは、マイクロレンズアレイである、請求項１に記載の装置。
3. 前記屈折媒体は、プリズムである、請求項１に記載の装置。
4. 前記屈折媒体は、複数のプレートである、請求項１に記載の装置。
5. 前記屈折媒体は、複数のロッドである、請求項１に記載の装置。
6. 前記屈折媒体は、プリズムである、請求項２に記載の装置。
7. 前記プリズムは、複数の異なる長さを有する複数のカラムを備える、請求項３に記載の装置。
8. 各プレートが、前記可干渉光の可干渉長さより大きい厚さを有する、請求項４に記載の装置。
9. ２つのロッドが、同一の長さを有さない、請求項５に記載の装置。
10. 前記１つまたは複数の第１の表面および前記複数の第２の表面以外の前記屈折媒体の表面が、反射性材料で被覆される、請求項１に記載の装置。
11. 前記エネルギーフィールドを透過させる前記屈折媒体の各表面が、拡散性を有する、請求項１に記載の装置。
12. 均一な照明フィールドを発生させるための装置であって、
    光路に沿って放射を投影するレーザと、
    前記光路に対して垂直な平面に沿って配設された複数のレンズと、
    前記光路に沿って配設された屈折光学系であって、前記屈折光学系は、前記光路に交差する第１の表面および前記光路に交差する第２の表面を有し、前記第１の表面は、前記光路に対して垂直な平面を画定し、前記第２の表面は、前記光路に対して垂直な平面をそれぞれ画定する複数の小面を備え、２つの小面が第１の表面から同じ距離ではなく、前記複数のレンズは、前記レーザと前記屈折光学系との間に配設される、屈折光学系と
    を備える、装置。
13. 前記第１の表面からの各小面の距離が、前記レーザの可干渉長さより大きい量だけ前記第１の表面からの全ての他の小面の距離と異なる、請求項１２に記載の装置。
14. 前記複数のレンズと前記屈折光学系との間の距離が、前記複数のレンズの中のいずれかの焦点距離よりも大きい、請求項１２に記載の装置。
15. 第２のレーザと、前記第１のレーザおよび前記第２のレーザと前記複数のレンズとの間のビームコンバイナとをさらに備える、請求項１２に記載の装置。
16. 前記屈折光学系により透過された放射を受けるように配設されたパルス成形器をさらに備える、請求項１２に記載の装置。
17. 前記屈折光学系は、複数のエタロンを備える、請求項１２に記載の装置。
18. 前記レーザからの照射により処理されるべき工作物を受けるための作業表面をさらに備え、前記作業表面は、前記レーザの前記光路に対して実質的に垂直に配設される、請求項１２に記載の装置。
19. 可干渉光のエネルギー均一性を向上させるための装置であって、
    合成投影フィールドを生成するために位置決めされた複数のレンズと、
    前記可干渉光用の複数の通過経路を有する屈折媒体であって、前記通過経路は、前記屈折媒体中に複数の通過時間を有する、屈折媒体と
    を備える、装置。
20. 前記通過経路は、異なる屈折率を有する複数の材料を含む、請求項１９に記載の装置。
21. 前記通過経路は、複数の異なる距離を有する、請求項１９に記載の装置。

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