JP2024032935A

JP2024032935A - レーザ焼鈍のためのダイオード励起固体レーザ装置

Info

Publication number: JP2024032935A
Application number: JP2024014032A
Authority: JP
Inventors: ホジソンノーマン; Hodgson Norman; カプララアンドレア; Caprara Andrea; シュミットカイ; Schmidt Kay
Original assignee: Coherent Inc
Current assignee: Coherent Inc
Priority date: 2019-01-22
Filing date: 2024-02-01
Publication date: 2024-03-12
Also published as: TW202100270A; CN113330651A; KR20210114400A; WO2020154136A9; JP2022518740A; EP3915174A1; EP4329112A3; EP4329112A2; KR20240136475A; JP7481349B2; US20200235544A1; WO2020154136A1; CN113330651B; KR102705837B1; EP3915174B1

Abstract

【課題】レーザ焼鈍のためのダイオード励起固体レーザ装置の提供。【解決手段】レーザ焼鈍装置は、複数の周波数３倍化される固体レーザを含み、複数の周波数３倍化される固体レーザの各々が３４０ｎｍ～３６０ｎｍの波長である放射の出力ビームを送達する。各出力ビームは、１つの横軸において５０を上回り、別の横軸において２０を上回るビーム品質係数（Ｍ２）を有する。出力ビームは、焼鈍される基板上に投射されるラインビームに合成され、かつ形成される。各々の出力ビームは、ラインビームの長さに寄与する。【選択図】図１２

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１９年１月２２日に出願された米国仮特許出願第６２／７９５，３４１号、および２０１９年９月２４日に出願された米国仮特許出願第６２／９０５，２５２号の優先権を主張し、これらの開示は、参照することによってそれらの全体として本明細書に援用される。

（本発明の技術分野）
本発明は、概して、ラインビームに投射される紫外線レーザ放射を使用したアモルファスシリコン層の焼鈍に関する。本発明は、特に、複数のレーザからのレーザ放射がラインビームに合成されて投射される焼鈍に関する。

レーザ焼鈍は、基板上の薄いアモルファスシリコン層（その上に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が画定されることになる）を融解し、その後、冷却シリコンの結晶化によって、大型の高分解能ＬＣＤディスプレイおよびＯＬＥＤディスプレイを生産するために使用される。焼鈍プロセスは、２８０ナノメートル（ｎｍ）～３６０ｎｍの範囲内の波長において約１％未満の低ＲＭＳパルスエネルギー雑音を伴う安定したパルス紫外線レーザを要求する。紫外線レーザによって発生させられるレーザビームは、シリコン層を横断して走査されるラインビームに形成される。レーザビームは、スペックルのない均質なラインビームを形成するために、非常に低いビーム品質を有していなければならない。ビーム品質は、単位のないビーム品質係数Ｍ^２によって測定される。非常に低いビーム品質は、Ｍ^２の非常に高い値に対応する。

現在のところ、そのようなレーザビームは、高パワーエキシマレーザまたはそのようなエキシマレーザの合成によって提供される。例えば、３０８ｎｍの波長を有するレーザ放射を発生させる塩化キセノン（ＸｅＣｌ）エキシマレーザ。エキシマレーザは、概して、超大気ガス排出レーザとして特徴付けられることができる。レーザビームは、長軸と短軸とによって特徴付けられる細長断面を有し、長軸は、ラインビームの長さに対応し、短軸は、ラインビームの幅寸法に対応する。ラインビームは、長さおよび幅寸法の両方に沿った一様または「フラットトップ」の強度分布を有する。

典型的に、焼鈍のために使用されるＸｅＣｌエキシマレーザからのレーザビームのＭ^２値は、短軸において約８０、長軸において約５００であり、短軸において約２０ミリメートル（ｍｍ）、長軸において約４５ｍｍの

全幅ビーム寸法を有する。いくつかのそのようなエキシマレーザからのレーザビームは、約０．４ｍｍの幅と約７５０ｍｍ～約１５００ｍｍの長さとを有するラインビームに合成され、投射される。ミリメートル長あたりの要求される紫外線パワーは、約６００ヘルツ（Ｈｚ）のパルス繰り返し周波数および約２５ナノ秒（ｎｓ）のパルス持続時間において、約２．５ワット（Ｗ）である。１５００ｍｍのラインビーム長にわたって、約３．６キロワット（ｋＷ）の紫外線パワーが要求され、これは、６つの個々の６００Ｗのレーザの出力を合成することによって達成されることができ、個々の６００Ｗのレーザの出力の各々が、１ジュール（Ｊ）のパルスエネルギーを提供する。

エキシマレーザの１つの欠点は、高い資本コストであり、これは、とりわけ、排出電極とこれらの電極に３０キロボルト（ｋＶ）を上回るピーク電圧を有する電気パルスを送達することが可能である電力供給源とを含む複雑なガス管に関する要件に起因する。エキシマレーザの別の欠点は、高い運用コストであり、これは、１年未満の限定されたガス管寿命およびその寿命の間のガス管窓の頻繁な交換に起因する。

エキシマレーザ焼鈍装置より低い資本コストと低い運用コストとを有する紫外線レーザ焼鈍装置の必要性が存在する。好ましくは、レーザ焼鈍装置は、上記に議論されるエキシマレーザ焼鈍装置によって提供されるものに匹敵するパルスエネルギーおよびビームパラメータを提供することが可能である。

一側面では、本発明による基板上の層を焼鈍するための光学装置は、複数の周波数変換される繰り返しパルス固体レーザを備える。各レーザは、電磁スペクトルの紫外線領域内の波長と、相互に直交する第１の横軸および第２の横軸によって特徴付けられる断面と、第１の横軸における約５０を上回るビーム品質係数Ｍ^２と、第２の横軸における約２０を上回るビーム品質係数Ｍ^２とを有する出力ビームを送達する。各出力ビームにおけるレーザパルスは、約１００ミリジュールを上回るパルスエネルギーと、約１００ヘルツを上回るパルス繰り返し周波数とを有する。光学装置はさらに、ラインプロジェクタを含み、ラインプロジェクタは、出力ビームを受光し、出力ビームをラインビームに形成し、ラインビームを層上に投射するように配列される。ラインビームは、層上に長さと幅とを有する。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
基板上の層を焼鈍するための光学装置であって、
複数の周波数変換される繰り返しパルス固体レーザであって、前記複数の周波数変換される繰り返しパルス固体レーザの各々が、電磁スペクトルの紫外線領域内の波長を有する出力ビームを送達し、各出力ビームは、相互に直交する第１の横軸および第２の横軸によって特徴付けられる断面を有し、前記第１の横軸におけるビーム品質係数Ｍ^２が、約５０を上回り、前記第２の横軸におけるビーム品質係数Ｍ^２が、約２０を上回り、レーザパルスが、約１００ミリジュールを上回るパルスエネルギーを有し、パルス繰り返し周波数が、約１００ヘルツを上回る、複数の周波数変換される繰り返しパルス固体レーザと、
前記出力ビームを受光し、前記出力ビームをラインビームに形成し、前記ラインビームを前記層上に投射するように配列されるラインプロジェクタであって、前記ラインビームは、前記層上に長さと幅とを有する、ラインプロジェクタと
を備える、光学装置。
（項目２）
前記第１の横軸における前記ビーム品質係数Ｍ^２は、約２００を上回る、項目１に記載の装置。
（項目３）
各出力ビームは、前記ラインビームの全長に寄与する、項目１に記載の装置。
（項目４）
前記周波数変換される繰り返しパルス固体レーザの各々は、レーザ共振器を含み、前記レーザ共振器は、１つ以上のダイオードレーザアレイによって光学的に励起される利得要素を有し、前記１つ以上のダイオードレーザアレイは、前記第１の横軸における第１の寸法と前記第２の横軸における第２の寸法とを有する利得容積を前記利得要素内に提供するように配列されている、項目１に記載の装置。
（項目５）
前記第１の横軸の寸法は、前記第２の横軸の寸法の３倍以上である、項目４に記載の装置。
（項目６）
前記レーザ共振器は、前記第２の横軸においてのみ光パワーを有する第１の共振器ミラーと第２の共振器ミラーとの間に形成される、項目５に記載の装置。
（項目７）
前記レーザ共振器は、前記利得要素の特性である前記電磁スペクトルの近赤外線領域内の波長を有する基本放射ビームを生み出し、前記レーザ共振器は、番号順に第１の光学非線形結晶および第２の光学非線形結晶に前記基本放射ビームを送達し、前記第１の光学非線形結晶は、前記基本放射ビームから第２高調波放射ビームを発生させるように配列され、前記第２の光学非線形結晶は、前記第２高調波放射ビームの発生の後、前記第２高調波放射ビームを残留基本放射ビームと和周波数混合することによって前記出力ビームを発生させるように配列される、項目４に記載の装置。
（項目８）
前記第１の横軸および前記第２の横軸における前記第２高調波放射ビームのＭ^２値は、前記基本放射ビームの対応するＭ^２値を上回り、前記第１の横軸および前記第２の横軸における前記出力ビームのＭ^２値は、前記第２高調波放射ビームの対応する値を上回る、項目７に記載の装置。
（項目９）
前記第１の横軸における前記第２高調波放射ビームの前記Ｍ^２値は、前記第１の横軸における前記基本放射ビームの前記Ｍ^２値の少なくとも２倍である、項目８に記載の装置。
（項目１０）
前記第１の横軸における前記出力ビームの前記Ｍ^２値は、前記第１の横軸における前記第２高調波放射の前記Ｍ^２値の１．５倍を上回る、項目８に記載の装置。
（項目１１）
前記第１の横軸における前記出力ビームの前記Ｍ^２値は、前記第１の横軸における前記残留基本放射の前記Ｍ^２値の１．５倍を上回る、項目８に記載の装置。
（項目１２）
前記出力ビームは、３４０ナノメートル～３６０ナノメートルの範囲内の波長を有する、項目７に記載の装置。
（項目１３）
前記レーザパルスは、約１０ナノ秒を上回る半値全幅パルス持続時間を有する、項目１に記載の装置。
（項目１４）
前記出力ビームは、直線偏光させられる、項目１に記載の装置。
（項目１５）
前記層は、シリコンから作製される、項目１に記載の装置。
（項目１６）
固体レーザ装置であって、
２つの共振器ミラーの間に形成される共振器の中に位置する利得要素であって、前記利得要素は、スラブの形態であり、励起放射によってエネルギー付与され、エネルギー付与された共振器は、基本放射の繰り返しパルスビームを生み出し、前記基本放射のビームは、相互に直交する第１の横軸および第２の横軸を有し、前記第１の横軸におけるビーム品質係数Ｍ^２は、５０を上回り、前記第２の横軸におけるビーム品質係数Ｍ^２は、１０を上回る、利得要素と、
第１の非線形結晶であって、前記基本放射のビームは、前記第１の非線形結晶の中へ指向され、前記基本放射のビームの一部が、第２高調波発生によって第２高調波放射のビームに変換され、基本放射の残留ビームを残す、第１の非線形結晶と、
第２の非線形結晶であって、前記第２高調波放射のビームおよび前記基本放射の残留ビームは両方とも、前記第２の非線形結晶の中へ指向され、それによって、和周波数混合によって第３高調波放射のビームを発生させ、残留基本放射および残留第２高調波放射の共に伝搬するビームを残し、前記第３高調波放射のビームは、前記第１の横軸における５０を上回るビーム品質係数Ｍ^２と、前記第２の横軸における２０を上回るビーム品質係数Ｍ^２と、約１００ミリジュールを上回るパルスエネルギーとを有する、第２の非線形結晶と
を備える、固体レーザ装置。
（項目１７）
前記第３高調波放射のビームの前記ビーム品質係数Ｍ^２は、前記第１の横軸において約２００を上回る、項目１６に記載の装置。
（項目１８）
前記利得要素は、ネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ^３＋ドープＹＡＧ）結晶である、項目１６に記載の装置。
（項目１９）
前記第１の非線形結晶は、ＬＢＯから作製される、項目１６に記載の装置。
（項目２０）
前記第１の非線形結晶は、前記基本放射のビームのタイプ１周波数２倍化のために配列される、項目１６に記載の装置。
（項目２１）
前記第２の非線形結晶は、ＬＢＯから作製される、項目１６に記載の装置。
（項目２２）
前記第２の非線形結晶は、前記第２高調波放射のビームと前記残留基本放射のビームとのタイプ１和周波数混合のために配列される、項目１６に記載の装置。
（項目２３）
第３の非線形結晶をさらに備え、残留基本放射および残留第２高調波放射の前記共に伝搬するビームは、前記第３の非線形結晶の中へ指向され、それによって、和周波数混合によって第３高調波放射の別のビームを発生させる、項目１６に記載の装置。
（項目２４）
前記第３高調波放射の２つのビームが、偏光合成される、項目２３に記載の装置。
（項目２５）
前記第３高調波放射の２つのビームは、空間的に合成される、項目２３に記載の装置。
（項目２６）
Ｑスイッチ動作のために協働して配列されるポッケルスセルと４分の１波長板とをさらに含む、項目１６に記載の装置。
（項目２７）
固体レーザ装置であって、
２つの共振器ミラーの間に形成される共振器の中に位置する利得要素であって、前記利得要素は、第１の横軸において、直交する第２の横軸よりも長いスラブの形態であり、前記利得要素は、励起放射によってエネルギー付与され、エネルギー付与された共振器は、基本放射の繰り返しパルスビームを生み出し、前記基本放射のビームは、前記第１の横軸における５０を上回るビーム品質係数Ｍ^２と、前記第２の横軸における１０を上回るビーム品質係数Ｍ^２とを有する、利得要素と、
第１の非線形結晶であって、前記基本放射のビームは、前記第１の非線形結晶の中へ指向され、前記基本放射のビームの一部が、第２高調波発生によって第２高調波放射のビームに変換され、基本放射の残留ビームを残す、第１の非線形結晶と、
第２の非線形結晶であって、前記第２高調波放射のビームおよび前記基本放射の残留ビームは両方とも、前記第２の非線形結晶の中へ指向され、それによって、和周波数混合によって第３高調波放射のビームを発生させ、残留基本放射および残留第２高調波放射の共に伝搬するビームを残す、第２の非線形結晶と、
を備え、前記第１の横軸および前記第２の横軸における前記第２高調波放射ビームのビーム品質係数Ｍ^２は、前記基本放射ビームの対応するビーム品質係数Ｍ^２を上回り、前記第１の横軸および前記第２の横軸における前記第３高調波放射ビームのビーム品質係数Ｍ^２は、前記第２高調波放射ビームの対応するビーム品質係数Ｍ^２を上回る、固体レーザ装置。

本明細書に組み込まれてその一部を構成する付随の図面は、本発明の好ましい実施形態を図式的に例証し、上記に与えられる一般的な説明および下記に与えられる好ましい実施形態の詳細な説明とともに、本発明の原理を解説する役割を果たす。

図１Ａは、本発明による外部的に周波数３倍化される繰り返しパルス固体レーザの好ましい実施形態を図式的に例証し、外部的に周波数３倍化される繰り返しパルス固体レーザは、高反射共振器ミラーと出力結合共振器ミラーとの間に形成される共振器の中に位置するスラブの形態の利得要素を有し、共振器は、長い横軸および短い横軸において高いビーム品質係数（Ｍ^２）値を有する近赤外線ビームを生み出し、近赤外線ビームは、非線形結晶によって可視ビームに変換され、近赤外線および可視ビームは、別の非線形結晶によって紫外線ビームに変換され、レーザは、伸長断面と高いＭ^２値とを有する紫外線出力ビームを送達するように配列および構成される。

図１Ｂは、図１Ａのレーザの中の利得要素および２つの共振器ミラーの詳細を図式的に例証する斜視図である。

図１Ｃは、窓を有する筐体の中の図１Ａのレーザを図式的に例証する斜視図であり、窓を通して、２つの示される横軸に関する例示的なＭ^２値および断面ビーム寸法を有する紫外線出力ビームが、送達される。

図２Ａは、平坦な共振器ミラーを有する図１Ａのレーザのある例において、利得要素内の異なる熱レンズに関して、共振器長の関数として近赤外線ビームに関する短軸における計算されたＭ^２値を図式的に例証するグラフである。

図２Ｂは、凹面形の共振器ミラーを有する図１Ａのレーザのある例において、利得要素内の異なる熱レンズに関して、共振器長の関数として近赤外線ビームに関する短軸における計算されたＭ^２値を図式的に例証する、グラフである。

図２Ｃは、図２Ａの例において、利得要素内の異なる熱レンズに関して、共振器長の関数として近赤外線ビームに関する長軸における計算されたＭ^２値を図式的に例証するグラフである。

図３は、図２Ａの例において、異なる共振器ミラー曲率に関して、共振器長の関数として近赤外線ビームに関する短軸における計算されたＭ^２値を図式的に例証するグラフである。

図４は、図２Ａの例において、異なるパルス繰り返し周波数に関して、出力結合共振器ミラー反射率の関数として計算された近赤外線出力パワーを図式的に例証するグラフである。

図５は、図４の例において、出力結合共振器ミラー反射率の関数としてＦＷＨＭパルス持続時間を図式的に例証するグラフである。

図６は、２つの異なるＬＢＯ結晶温度に関して、ＬＢＯ結晶内の伝搬距離の関数として、第２高調波発生によって生み出される可視ビームに関する長軸における計算されたＭ^２値と、タイプ１の非臨界の位相整合させられたＬＢＯ結晶内の第２高調波変換効率の計算されたパーセンテージとを図式的に例証するグラフである。

図７は、２つの異なる結晶温度に関して、図６のＬＢＯ結晶内の伝搬距離の関数として、近赤外線ビームに関する長軸における計算されたＭ^２値と、近赤外線ビームにおける未変換パワーの計算されたパーセンテージとを図式的に例証するグラフである。

図８Ａは、９０℃の温度における２つのＬＢＯ結晶内の伝搬距離の関数として、２つのＬＢＯ結晶における和周波数混合によって生み出される紫外線出力ビームに関する２つの横軸における計算されたＭ^２値と、変換効率の計算されたパーセンテージとを図式的に例証するグラフである。

図８Ｂは、１００℃の温度における２つのＬＢＯ結晶内の伝搬距離の関数として、２つのＬＢＯ結晶における和周波数混合によって生み出される紫外線出力ビームに関する２つの横軸における計算されたＭ^２値と、変換効率の計算されたパーセンテージとを図式的に例証するグラフである。

図９Ａおよび図９Ｂは、図１のレーザと同様であるが２つの非線形結晶によって近赤外線ビームおよび可視ビームが紫外線ビームに変換される、本発明による外部的に周波数３倍化される繰り返しパルス固体レーザの好ましい実施形態を図式的に例証する。図９Ａおよび図９Ｂは、図１のレーザと同様であるが２つの非線形結晶によって近赤外線ビームおよび可視ビームが紫外線ビームに変換される、本発明による外部的に周波数３倍化される繰り返しパルス固体レーザの好ましい実施形態を図式的に例証する。

図１０は、２つの外部的に周波数３倍化される繰り返しパルス固体レーザを有し、その各々が図９Ａのレーザと同様であり、空間的に合成された２つの偏光させられていない紫外線出力ビームを提供する、本発明による好ましい実施形態を図式的に例証する。

図１１は、本発明による内部的に周波数３倍化される繰り返しパルス固体レーザの好ましい実施形態を図式的に例証する。

図１２Ａ、図１２Ｂ、および図１２Ｃは、図１Ａの６つのレーザの紫外線出力ビームを合成し、焼鈍されるべきシリコン層上に投射されるラインビームを形成するためのラインプロジェクタの好ましい実施形態を図式的に例証する。

ここで、同様の特徴が同様の参照番号によって指定される図面に目を向けると、図１Ａは、本発明による外部周波数３倍化繰り返しパルス固体レーザの好ましい実施形態１０を図式的に例証する。レーザ１０は、高反射共振器ミラー１４（ＨＲミラー）と部分透過性出力結合共振器ミラー１６（ＯＣミラー）との間に形成される直線共振器１２を有する。デカルトｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸が、参照のために図面上に示される。

共振器１２は、共振器ミラー１４と共振器ミラー１６との間に位置するスラブの形態の利得要素１８を含む。共振器１２が、図１Ｂにおいて斜視図で図式的に描写される。共振器内の他の構成要素は、例証の単純化のために、図１Ｂから省略されている。利得要素１８は、２次元のダイオードレーザアレイ２０Ａおよびダイオードレーザアレイ２０Ｂからの励起放射によってエネルギー付与される。励起放射は、図１Ａにおいて、矢印Ｅによって示される。励起放射は、それぞれ、ダイクロイックミラー２２Ａおよびダイクロイックミラー２２Ｂによって利得要素の中へ折り曲げられる。例として、利得要素は、ネオジム（Ｎｄ^３＋）ドープもしくはイッテルビウム（Ｙｂ^３＋）ドープのイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）、またはオルトバナジン酸イットリウム（ＹＶＯ_４）の結晶であり得る。これらの結晶は、電磁スペクトルの近赤外線領域において、ドーパントイオンおよび結晶材料の特性である約１０２０ｎｍ～約１０８０ｎｍの波長での光学利得を提供する。

エネルギー付与された利得要素１８は、共振器１２内で循環する近赤外波長を有する基本放射のビームを生み出す。この基本放射は、矢印Ｆによって示される。循環基本放射は、直線偏光させられ、矢印Ｐ_Ｆによって示される偏光の向きを有する。この偏光の向きは、共振器の中に位置する薄膜偏光器２４によって確立される。共振器のＱスイッチパルス動作が、共振器１２の中に位置するポッケルスセル２６および４分の１波長板２８によって協働的に実行される。

好ましい利得要素の端面励起およびＱスイッチパルス動作は、例示的であり、本発明を限定するものとして見なされるべきではない。当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、利得要素１８が側面励起され得ること、および「キャビティダンプされる」パルス動作が利用され得ることを認識し得る。

共振器１２からの出力基本放射のビームは、ＯＣミラー１６を通して透過され、レンズ３０によって、基本放射のタイプ１周波数倍化のために配列された光学非線形結晶３２の中に集束される。半波長板３４は、非線形結晶３２の中へ指向される基本放射の偏光の向きを、９０°回転させる。基本放射の一部は、非線形結晶３２によって、電磁スペクトルの可視領域内の波長を有する第２高調波放射のビームに変換され、基本放射の残留ビームを残す。例えば、基本放射の最高約５０％が変換される。第２高調波放射が、図において、二重矢印２Ｈによって示される。第２高調波放射は、基本放射のものに対して直交する偏光の向きを有し、矢印Ｐ_２Ｈによって示される。

第２高調波放射および残留する基本放射は両方とも、レンズ３６によって、選択的波長板３８を通して、光学非線形結晶４０の中へ集束される。非線形結晶４０は、残留基本放射との第２高調波放射のタイプ１和周波数混合のために配列され、第３高調波放射のビームを発生させる。第３高調波放射は、図に、三重矢印３Ｈによって示される。第２高調波発生および和周波数混合のための好適な結晶は、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）、ベータホウ酸バリウム（ＢＢＯ）、ホウ酸セシウム（ＣＢ）、およびホウ酸セシウムリチウム（ＣＬＢＯ）を含む。１０２０ｎｍ～１０８０ｎｍの上記に議論される波長の周波数３倍化は、約３４０ｎｍ～約３６０ｎｍの出力波長を提供する。

選択的波長板３８は、基本放射の偏光回転を提供せず、第２高調波放射の９０度の偏光回転を提供し、それによって、タイプ１和周波数混合のために偏光の向きを位置合わせするように構成される。第３高調波放射は、基本放射および第２高調波放射の向きに対して直交する偏光の向きを有し、矢印Ｐ_３Ｈによって示される。出力第３高調波放射の偏光の向きは、用途のために要求される場合、別の半波長板（例証せず）によって回転され得る。出力第３高調波放射は、レンズ４２によってコリメートされ、コリメートされた紫外線出力ビーム４４を形成する。和周波数混合の後、いくらかの残存基本放射および残存第２高調波放射（例証せず）が、存在する。この残存放射は、薄膜干渉フィルタ等のフィルタ（これも、示されず）によって、出力第３高調波放射から分離され得る。残存放射は、好ましくは、大部分の用途のために除去される。

共振器１２からの出力基本放射のビームおよび紫外線出力ビーム４４は、図１Ａおよび図１Ｂに描写されるように、ｘ軸に対して平行な第１の横軸と、ｙ軸に対して平行な第２の横軸とを有し、ｚ軸に沿って伝搬する。横方向のｘ軸および横方向のｙ軸は、相互に直交する。ＨＲミラー１４およびＯＣミラー１６は、平坦であることも、第２の横軸においてのみ反射光パワーを有する円筒形であることもある。

第１の横軸は、本明細書中で以降、「水平軸」または「長軸」と称される。第２の横軸は、本明細書中で以降、「鉛直軸」または「短軸」と称される。ｚ軸は、「伝搬軸」と称される。「水平」、「鉛直」、「長い」、および「短い」等の用語は、本明細書において、説明の便宜のために使用される。「水平」および「鉛直」は、使用時のレーザ装置の空間的向きを限定する意図はない。同様に、「長い」および「短い」は、ビームのアスペクト比を限定する意図はなく、アスペクト比は、レンズおよびミラーによって容易に変形させられる。当業者は、出力ビームの短軸および長軸が潜望鏡を使用して入れ替えられ得ること、およびビーム寸法が１つ以上の望遠鏡を使用して調節され得ることを認識し得る。これらの変更は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく行われ得る。

図１Ｃは、窓５０を有する筐体４８内の図１Ａの周波数３倍化パルス固体レーザを図式的に例証する斜視図であり、窓５０を通して紫外線出力ビーム４４が送達される。紫外線出力ビームの短軸および長軸に関する例示的なＭ^２値および例示的な断面寸法が、図面に示される。例示的なＭ^２値は、それぞれ、２０を上回り、２００を上回る。紫外線出力ビーム４４の例示的な断面寸法は、それぞれ、約５ｍｍ、約４６ｍｍである。スラブ形状の利得要素１８を有する本発明のレーザ１０からの紫外線出力ビーム４４は、断面が長方形であることも、楕円形であることもある。断面形状は、例えば、利得要素が側面励起されるかまたは端面励起されるかに依存する。

本発明のレーザ１０は、約１０ｎｓを上回る半値全幅（ＦＷＨＭ）パルス持続時間と、約１００Ｈｚを上回るパルス繰り返し周波数におけるパルスあたり約１００ｍＪを上回るパルスエネルギーとを有する紫外線出力パルスを送達することが可能である。

ここで、本発明のレーザ１０の設計が従来の固体レーザ設計からの根本的な逸脱を表し、レーザ切断およびレーザ穿孔等の動作のためにビーム品質を最大化する（Ｍ^２を最小化する）ことに努力が向けられることに留意されたい。これらの動作では、レーザ放射の精密な集束が要求される。そのような従来の固体レーザは、典型的に、公称上円形の断面と、両方の横軸において約１．５未満のＭ^２値とを有するレーザビームを送達する。紫外線放射を放出するマルチモード固体レーザはまた、所与の出力パワーのための最低可能Ｍ^２値を有するように設計される。典型的に、これらのレーザは、両方の横軸において２０未満のＭ^２値を有する紫外線出力ビームを生み出す。

本発明のレーザ１０を設計することの目的は、長軸のＭ^２値が短軸のＭ^２値を上回る状態で、短軸において約２０を上回り、長軸において約２００を上回る値に達するように、Ｍ^２を最大化することである。これらの大きいビーム品質係数は、本発明のレーザが置換することを意図する上記に議論されるエキシマレーザの特性である。Ｍ^２値を最大化するための鍵は、上記に議論される円筒形共振器ミラー１４および円筒形共振器ミラー１６と協働可能であるスラブ形状利得要素１８である。利得要素１８は、図１Ｂに描写されるように、水平幅Ｗと、鉛直厚Ｔと、長さＬとを有する。

２次元ダイオードレーザアレイ２０Ａおよび２次元ダイオードレーザアレイ２０Ｂからの細長ビームを用いる上記に説明される端面励起は、水平幅ｗと、鉛直高ｈと、長さＬ（利得要素の長さ）とを有する細長の利得容積を提供する。寸法幅ｗ×高さｈを有する断面利得面積４６が、利得要素１８内の基本放射のビームの断面を画定する。利得面積４６は、共振器１２内の軟質開口として作用する。幅ｗは、高さｈを大きく上回り、好ましくは、少なくとも３倍より大きい。これらの代表的な寸法は、計算される本発明のレーザ１０の例の性能を説明することにおいて、下記で言及される。

図２Ａおよび図２Ｂは、図１Ａの本発明のレーザ１０のある例における、共振器長に対する、鉛直軸における共振器１２からの出力基本放射に関して計算されたビーム品質係数Ｍ^２をグラフで例証する。共振器長は、共振器ミラー１４と共振器ミラー１６との間の距離である。共振器ミラー１４および共振器ミラー１６は、図２Ａの計算では、平坦である。共振器ミラー１４および共振器ミラー１６は、図２Ｂの計算では、凹面形であり、１ｍの曲率半径を有する。利得要素１８は、共振器の中心に位置する。Ｍ^２値は、鉛直軸において、利得要素内の異なる熱レンズ（１ディオプトリ（Ｄ）～５Ｄ）に関して描写される。この例では、約１０６４ｎｍの波長を有する基本放射が、発生させられる。利得要素１８の寸法幅Ｗが５０ｍｍ、長さＬが５０ｍｍ、および厚さＴが５．０ｍｍであると仮定される。利得面積４６は、４０ｍｍの幅ｗと、３．０ｍｍの高さｈとを有する。

図２Ｃは、平坦な共振器ミラーを有する図２Ａの共振器における、共振器長に対する、水平軸における出力基本放射に関して計算されたビーム品質係数Ｍ^２をグラフで例証する。利得要素１８の中の熱レンズは、水平軸においておよそ０Ｄである。しかしながら、キャビティ内集束または脱集束が、水平軸における屈折光パワーを有する円筒形レンズを追加することによって、導入され得る。Ｍ^２値は、利得要素の各端部に隣接して対称的に位置する０．０５Ｄ～０．２５Ｄの総屈折光パワーの異なる対の円筒形レンズに関して描写される。共振器に正の屈折光パワーを追加することは、水平軸におけるＭ^２値を増加させる。

図３は、図２Ａの共振器における、共振器長に対する、鉛直軸における出力基本放射に関して計算されたビーム品質係数Ｍ^２をグラフで例証する。ここで、利得要素１８の中の熱レンズは、垂直軸において２．７５Ｄである。Ｍ^２値は、鉛直軸において、０．２ｍ～０．６ｍの共振器ミラーの異なる曲率半径に関して描写される。図２Ａは、共振器に正の屈折光パワーを追加することが、鉛直軸におけるＭ^２値を増加させることを示す。同様に、図３は、共振器に正の反射光パワーを追加することが、鉛直軸におけるアクセス可能なＭ^２値を大幅に増加させることを示す。

例は、共振器長、利得面積、キャビティ内レンズ、および共振器ミラーの曲率によって決定されるビーム品質係数を有する発振共振器モードが確立されることを実証する。熱レンズは、鉛直軸において最も強力であり、水平軸においてごくわずかである。結果として生じるＭ^２値は、スラブ形状の利得要素１８および利得面積４６の伸長に起因して、水平軸におけるよりも垂直軸においてさらに小さい。横軸の各々における屈折光パワーまたは反射光パワーは、キャビティ内レンズもしくは湾曲した共振器ミラーを使用して独立して修正され、出力基本放射のための所望のＭ^２値を達成し得る。また、例示的レーザでは、鉛直軸は、基本放射の短軸に対応し、水平軸は、その長軸に対応する。

さらに、利得要素１８がＮｄ^３＋ドープＹＡＧ結晶であると仮定される。利得要素がパルスあたり４．８Ｊの吸光される励起放射によってエネルギー付与される場合、スラブ形状利得要素の屈折光パワーは、短軸において約４．７５Ｄ、長軸において約０Ｄである。これらの条件下において、共振器１２は、短軸において１０を上回り長軸において５０を上回る出力基本放射に関するＭ^２値を確実に生み出すように構成され得る。好ましくは、共振器１２は、短軸において２０を上回り長軸において２００を上回るＭ^２値を生み出すように構成され得る。

図４は、例示的なＮｄ^３＋：ＹＡＧ共振器が５００Ｈｚ～９００Ｈｚの異なるパルス繰り返し周波数で動作させられるＯＣミラー反射率の関数としての計算された出力基本放射パワーのグラフである。ここで、共振器長は、１ｍであり、共振器ミラーは、平坦である。他の共振器パラメータは、図２Ａに関するものと同一である。６００Ｈｚのパルス繰り返し周波数および約６０％のＯＣミラー反射率に関して、出力基本放射パワーは、約１．８６ジュールのパルスエネルギーに対応する、約１，１００Ｗにおいて最大になることが見られ得る。本明細書において下記に提示される例では、共振器が６００Ｈｚのパルス繰り返し周波数において励起され動作すると仮定される。図５は、図４の例における、ＯＣミラー反射率の関数としてのＦＷＨＭパルス持続時間のグラフである。最適な６０％のＯＣミラー反射率が約２５ｎｓのパルス持続時間をもたらすことが見られ得る。

モデル計算は、高調波変換効率が最適化されているとき、本発明のレーザ１０からの出力第３高調波放射パワーが共振器１２からの出力基本放射パワーの約３２％であることが予期され得ることを示す。故に、本発明の周波数３倍化固体レーザは、３５５ｎｍの波長における約３５０Ｗの紫外線出力パワーを送達することが予期され得る。より高いパワーが、本発明の近赤外線共振器のさらなる洗練を通して達成され得る。この紫外線出力パワーにおいて、本発明のレーザの約１２個の組合せられた出力が、６つのエキシマレーザによって生み出されるものと同一のパワーを提供することが要求され得る。

図６は、タイプ１の非臨界の位相整合させられたＬＢＯ結晶の伝搬距離の関数としての、計算された第２高調波発生効率をグラフで例証する。変換効率は、パーセンテージとして表現される。基本放射のビームウエストは、ＬＢＯ結晶の中心に位置する。ビームウエストの断面寸法は、短軸において１ｍｍ、長軸において１０ｍｍであると仮定される。入射パルスエネルギーは、０．３７５Ｊであると仮定され、パルス持続時間は、２５ｎｓであると仮定される。Ｔ_ＮＣＰＭは、平面波に関する非臨界位相整合温度であり、これは、典型的に、約１５０℃～約１６０℃の範囲内にあるように計算される。精密な温度は、計算において使用されるセルマイヤー係数に依存する。計算は、２つの結晶温度、すなわち、Ｔ_ＮＣＰＭ＋０．４℃およびＴ_ＮＣＰＭ＋０．９℃に関して示される。例における集束ビームに関する最適な結晶温度は、約Ｔ_ＮＣＰＭ＋０．９℃である。Ｔ_ＮＣＰＭからのこのわずかな離調は、ビームウエストの両側における基本放射の波面曲率を部分的に補償する。

共振器１２からの出力基本放射のすでに高いＭ^２値が、非線形結晶３２によって大いに増加させられ得ることが、決定された。第２高調波放射は、非線形結晶内での第２高調波発生によって、出力基本放射から発生させられる。図６はまた、結晶内の伝搬距離の関数としての、長軸における計算された第２高調波放射ビーム品質係数Ｍ^２も例証する。マルチモード基本放射の入射ビームが、１０６４ｎｍの波長と、短軸において１０のＭ^２値と、長軸において５０のＭ^２値とを有すると仮定される。計算は、長軸におけるＭ^２値が、最適な結晶温度において、基本放射の入射ビームに関する５０から、ＬＢＯ結晶から出現する第２高調波放射のビームに関する１０８まで、２倍より高くなることを示す。さらにＬＢＯ結晶内の数ミリの短い伝搬距離に関して、Ｍ^２値は、第２高調波放射のビームに関して約６７まで増加する。

図７は、図６の非臨界の位相整合させられたＬＢＯ結晶の中の伝搬距離の関数としての、未変換基本放射に関する長軸における計算されたビーム品質係数Ｍ^２のグラフである。図７はまた、ＬＢＯ結晶内の伝搬距離の関数として、計算された未変換基本放射パワーも例証する。未変換パワーは、ＬＢＯ結晶上への入射基本放射パワーのパーセンテージとして表現される。ＬＢＯ結晶から出射する未変換基本放射は、非線形結晶４０の中へ指向される残留基本放射になる。計算が、図６と同一の結晶温度に関して示される。長軸における未変換基本放射のＭ^２値も、ビームが非線形結晶３２を通って伝搬するにつれて、最適な結晶温度において、最大約１０６まで、２倍より高く上昇する。故に、非線形結晶４０は、各々長軸において１００を上回るＭ^２値を有する残留基本放射のビームと第２高調波放射のビームとを和周波数混合することによって、第３高調波放射を発生させる。

図６および図７は、レーザ焼鈍のために有益である発生させられた第２高調波ビームおよび残留基本ビームのビーム品質係数Ｍ^２の増加を例証する。これらの増加は、基本放射から第２高調波放射への変換、および第２高調波放射から基本放射への逆変換と結合される伝搬ビームの波面曲率の変化から生じる。概して、周波数倍化は、基本ビームと第２高調波ビームとが同一の波面曲率を有するときに最も効率的である。フラットトップの強度分布を伴うマルチモードビームに関して、波面曲率の精密な整合は、第２高調波ビームのＭ^２値が基本ビームのＭ^２値の２倍であるときに起こる。ビームが非線形結晶を通って伝搬するときのＭ^２値の変動は、種々の横モード間での継続的な変換および逆変換によって生み出される。

図８Ａおよび図８Ｂは、非線形結晶４０を通る伝搬距離の関数として、第３高調波放射に関する計算されたビーム品質係数Ｍ^２をグラフで例証し、非線形結晶４０は、各々が３０ｍｍの長さを有する２つの別個のＬＢＯ結晶の形態を有する。２つのＬＢＯ結晶は、ウォークオフ補償のために構成および配列される。図８Ａは、９０℃の各結晶内温度を有し、図８Ｂは、１００℃の各結晶内温度を有する。図８Ａおよび図８Ｂはまた、２つのＬＢＯ結晶内の伝搬距離の関数として、計算された第３高調波変換効率も例証する。また、基本放射から第３高調波放射への全体的変換は、ビームの全ての波面曲率が整合されているときに最も効率的である。精密な整合は、第３高調波ビームのＭ^２値が基本ビームのものの３倍であり、第２高調波ビームのＭ^２値が基本ビームのものの２倍であるときに起こる。

第１のＬＢＯ結晶の中へ指向される残留基本放射の入射ビームが、短軸において１０．５、および長軸において１０６のＭ^２値を有すると仮定される。第１のＬＢＯ結晶の中へ指向される第２高調波放射の入射ビームは、短軸において１７、および長軸において９２のＭ^２値を有する。各ＬＢＯ結晶の中心におけるビームウエストの断面寸法は、短軸において０．５ｍｍ、長軸において１０ｍｍであると仮定される。入射パルスエネルギーは、０．２０６Ｊの残留基本放射および０．１６９Ｊの第２高調波放射であると仮定される。すなわち、第２高調波放射内のパルスエネルギーに対する基本放射内のパルスエネルギーの比率は、５５％から４５％である。パルス持続時間は、依然として、２５ｎｓであると仮定される。

出力第３高調波放射のＭ^２値がさらに、９０℃における両方のＬＢＯ結晶を通る伝搬の後、短軸において２２まで、長軸において１７６まで増加させられることが決定された。すなわち、長軸におけるＭ^２値は、入射する第２高調波放射および残留基本放射のＭ^２値の１．５倍を上回る。全体的な変換効率は、３０％である。モデル計算の結果を要約すると、１０および５０のＭ^２値を有する共振器からの出力基本放射は、それぞれ、約２２および１７６のＭ^２値を有する出力第３高調波放射に変換される。パルスあたり０．３７５Ｊの基本放射が、パルスあたり約０．１１３Ｊの第３高調波放射に変換される。

モデル計算は、非線形結晶３２の中での第２高調波発生に続いて、短軸において約１５～２５、長軸において約１５０～２００の基本放射Ｍ^２値が、短軸において約３０～５０、長軸において約３００～４００まで増加し得ることを示す。すなわち、ビーム品質係数は、各軸において値が約２倍になる。非線形結晶４０の中での和周波数混合に続いて、第３高調波放射Ｍ^２値はさらに、短軸において約４５～６５、長軸において約４５０～６００まで増加し得る。最終的には、和周波数混合に続く長軸におけるＭ^２値は、非線形結晶の受光角限界によって制約され得る。それにもかかわらず、出力第３高調波ビームのＭ^２値は、短軸において約６０を上回り、長軸において約４００を上回り得る。これは、上記に議論されるレーザ焼鈍のために現在使用されているエキシマレーザによって生み出される紫外線ビームに関する短軸において８０、長軸において５００のＭ^２値に匹敵する。

図８Ａおよび図８Ｂは、第３高調波放射を発生させるために直接に配列される複数の非線形結晶を有することが、所望のビーム品質係数を達成するために十分な伝搬距離を提供し得ることを実証する。図９Ａは、本発明による外部的に周波数３倍化される繰り返しパルス固体レーザの別の好ましい実施形態８０を図式的に例証する。レーザ８０は、図１のレーザ１０にと同様であるが、和周波数混合によって第３高調波放射を発生させるための２つの非線形結晶４０および８２を有する。非線形結晶４０および８２は、同一の長さを有することも、異なる長さを有することもあり、これは、基本放射から第３高調波放射への全体的変換を最適化し、所望のビーム品質係数を提供するように選択される。実施形態８０の波長板３４の左の光学要素は、図１の実施形態におけるものと同一であり、例証の便宜のために省略される。

出力基本放射の一部は、非線形結晶３２によって、第２高調波放射のビームに変換される。第２高調波放射および残留基本放射の両方が、レンズ９２によって非線形結晶４０の中に集束され、和周波数混合によって第３高調波放射の１つのビームを発生させる。この第３高調波ビームは、ミラー８４によって残留基本ビームおよび残留第２高調波ビームから分離され、ミラー８６によって、半波長板８８を通ってキューブプリズム偏光器９０の上へ指向される。ミラー８４は、基本放射および第２高調波放射に対して透過性である。ミラー８４およびミラー８６は、第３高調波放射に対して反射性である。

ミラー８４を通して透過された共に伝搬する残留基本ビームおよび残留第２高調波ビームは、非線形結晶８２の中へ集束され、第３高調波放射の別のビームを発生させる。この第３高調波ビームは、別のミラー８４によって、残存基本ビームおよび残存第２高調波ビームから分離され、それによって、偏光器９０上に指向される。偏光器９０上に入射する第３高調波放射の２つのビームは、直交性の直線偏光を有し、それによって合成され、紫外線放射４４の出力ビームを形成する。偏光器９０は、１つの偏光に対して透過性であり直交性の偏光に対して反射性である偏光選択表面を有する。したがって、紫外線出力ビーム４４は、両方の直線偏光を含む。種々のレンズは、描写されるように、ビームを非線形結晶の中へ集束し、ビームをコリメートする。例えば、レンズ９２である。

図９Ｂは、本発明による外部的に周波数３倍化される繰り返しパルス固体レーザのさらに別の好ましい実施形態１００を図式的に例証する。レーザ１００は、レーザ８０と同様であるが、ビームを集束し、コリメートするために、レンズの代わりに主にミラーを使用する。例えば、レーザ８０内のレンズ９２の代わりの、レーザ１００内のミラー１０２である。再び、２つの第３高調波ビームが、別個の非線形結晶の中で発生させられる。レーザ１００において、これらの第３高調波ビームは、第３高調波放射に対して反射性であるミラー１０４によって空間的に合成され、紫外線出力ビーム４４を形成する。レーザ１００の１つの利点は、紫外線出力ビーム４４が直線偏光させられることである。

本明細書において上記に説明される本発明の原理を実証するために、図９Ａの実施形態８０と同様の２つの外部的に周波数３倍化される繰り返しパルス固体レーザが、モデル化された。各レーザは、寸法２ｍｍ×４０ｍｍと短軸×長軸におけるビーム品質係数２５×１００とを有する１０６４ｎｍの出力基本放射のビームを生み出す共振器を有する。ＬＢＯから作製される１つの非線形結晶が、タイプ１周波数２倍化によって、５３２ｎｍの第２高調波放射のビームを発生させる。ＬＢＯから作製された２つの直列に配列される非線形結晶が、タイプ１和周波数混合によって、第３高調波放射の２つのビームを発生させる。第３高調波放射のこれらの２つのビームは、図９Ａに描写されるように、コリメートされ、偏光合成され、偏光されていない紫外線放射の出力ビームを形成する。各レーザの偏光合成された出力ビームは、５ｍｍ×４０ｍｍの寸法と、短軸×長軸における７０×２２５のビーム品質係数とを有する。

図１０は、２つの外部的に周波数３倍化される繰り返しパルス固体レーザの出力ビームを空間的に合成するための、本発明による好ましい実施形態１２０を図式的に例証する。各レーザは、筐体４８と、窓５０とを有し、窓５０を通して出力ビーム４４が送達される。出力ビームのうちの一方は、ミラー１２２によってミラー１２４上に指向され、ミラー１２４は、２つの出力ビームを偏光されていない紫外線放射１２６の１つの合成されたビームに空間的に合成するために精密に位置する。合成されたビーム１２６は、約５ｍｍ×８０ｍｍの寸法と、短軸×長軸における約７０×４５０のビーム品質係数とを有する。合成されたビーム１２６はまた、各出力ビーム４４の２倍のパワーも有する。

図１１は、本発明による、内部的に周波数３倍化される繰り返しパルス固体レーザの好ましい実施形態１１０を図式的に例証する。レーザ１１０は、レーザ１０と同様であり、ＨＲミラー１４と別の高反射共振器ミラー１１２との間に形成される共振器１２を有し、高反射共振器ミラー１１２は、基本放射および第２高調波放射の両方に対して高い反射性である。レーザ１１０において、非線形結晶３２および非線形結晶４０は、共振器１２内に位置する。基本放射のビームは、共振器１２の中で循環する。出力結合は、出力結合ミラーを通した基本放射の部分的透過ではなく、基本放射から高調波放射への部分的な変換による。

図面内の左から右に伝搬する間、キャビティ内基本放射のビームは、半波長板３４、非線形結晶４０、非線形結晶３２を通過し、ＨＲミラー１１２によって反射される。半波長板３４が、基本放射の偏光の向きを回転させ、次いで、非線形結晶３２が、部分的に、基本放射を第２高調波放射のビームに変換し、第２高調波放射のビームも、ＨＲミラー１１２によって反射される。反射された基本放射および第２高調波放射は、非線形結晶３２、選択的波長板３８、非線形結晶４０を通り、出力ミラー１１４上へ右から左に共に伝搬する。反射された基本放射はさらに、非線形結晶３２によって第２高調波放射に変換され、第２高調波放射のビームのパワーを増加させる。選択的波長板３８は、第２高調波放射の偏光のみを回転させる。非線形結晶４０は、部分的に、基本放射および第２高調波放射を第３高調波放射のビームに変換する。出力ミラー１１４は、基本放射に対して高い透過性であり、第２高調波放射および第３高調波放射に対して反射性である。コリメートされた紫外線出力ビーム４４が、出力ミラー１１４によって共振器１２から外に指向される。出力第３高調波放射の偏光は、矢印Ｐ_３Ｈによって示される。３つのレンズは、描写されるように、ビームを非線形結晶の中に集束し、ビームをコリメートする。

図１２Ａ、図１２Ｂ、および図１２Ｃは、６つの図１Ａの周波数３倍化される固体レーザの出力を合成および均質化するためのラインプロジェクタの好ましい実施形態６０を図式的に例証する。ラインプロジェクタ６０は、基板６４上に支持された焼鈍されるべきシリコン層６２上に投射されるラインビームに合成された出力を形成する。投射されたラインビームの中での偏光の向きの分布は、選択可能である。

６つのレーザは、レーザ１０_Ａ、１０_Ｂ、１０_Ｃ、１０_Ｄ、１０_Ｅ、および１０_Ｆとして指定される。６つのレーザは、公称上同一の出力特性を有すると仮定される。レーザの各々によって放出される紫外線放射は、直線偏光させられ、ここでは、Ｓ－偏光させられる。各レーザは、放射のビームを、６つの対応する偏光回転子６６のうちの１つを通して指向する。描写される例において、偏光回転子は、レーザ１０_Ａおよびレーザ１０_Ｆからの放射が、偏光回転させられず、Ｓ－偏光させられたままであるように調節される。レーザ１０_Ｃおよびレーザ１０_Ｄからの放射は、９０°偏光回転され、Ｐ－偏光させられた状態になる。レーザ１０_Ｂおよびレーザ１０_Ｅからの放射は、０°～９０°の間のある角度だけ偏光回転させられ、Ｐ偏光とＳ偏光との間の（Ｉ偏光された）中間の向きになる。例えば、放射は、４５°回転させられる。

種々の偏光の向きを有する放射のビームは、次いで、６つの長軸ビームホモジナイザのうちの対応するものを横断し、６つの長軸ビームホモジナイザの各々は、２つの円筒形レンズアレイ６８Ａおよび６８Ｂを含む。ビームホモジナイザの全てからの出力が、球状レンズ７０によって収集される。球状レンズ７０は、円筒形レンズ７２、球状レンズ７４、および円筒形レンズ７６と協働して、レーザ１０_Ａ－Ｆの出力を基板６４上のラインビームに合成する。球状レンズ７０および球状レンズ７４は、ラインビームの長さＬＬを決定する。レンズ７０、７２、７４、および７６は、図１２Ｃに描写されるラインビームの幅ＬＷを画定する。レーザの各々は、シリコン層６２を照明する均質化されたラインビームの全長に放射を送達する。図１２Ａのラインプロジェクタは、複数の（ここでは６つの）レーザ１０からのビームを合成および均質化し、約１．０ｍｍ未満の幅ＬＷを有するラインビームを形成することが可能である。

図１２Ｂは、ラインビーム長上の任意の点における放射の偏光が角度のある状態で分散させられている様子を図式的に例証する。描写される例において、偏光の向きは、最大入射角にあるＳ偏光から、Ｉ偏光を通り、ほぼ垂直の入射角にあるＰ偏光に変形する。

ラインプロジェクタ６０の十分な詳細のみが、本発明の原理を理解するためにここに提示されることに留意されたい。複数の紫外線エキシマレーザからの出力を偏光し、合成し、均質化し、投射するための特定の装置の詳細な説明は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願公開第２０１６／０２５９１７４号において提供され、その完全な開示が、参照することによって本明細書に援用される。当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、他のビーム合成および投射の装置を使用し得る。

要約すると、上記に説明されるものは、エキシマレーザのものに匹敵する平均パワーと、パルスエネルギーと、ビームパラメータとを有する紫外線出力ビームを生み出す発明性のある周波数３倍化される固体レーザである。周波数３倍化は、内部的または外部的であり得る。本発明のレーザの共振器に対する設計アプローチは、従来の先行技術固体レーザのものと根本的に異なり、細長の断面と、１つの横軸において１０を大いに上回り、直交する横軸において５０を大いに上回るＭ^２値とを有する近赤外線ビームの生産を可能にする。この設計アプローチは、近赤外線ビームのＭ^２値が、周波数３倍化プロセスにおいて、１つの横軸において６０、直交する横軸において４００ほど高い値まで増大させられることを提供する。本発明のレーザのいくつかの紫外線出力ビームは、先行技術の紫外線エキシマレーザの出力ビームを合成するために使用される態様で合成され得る。

本発明は、上記において、好ましい実施形態の観点から説明される。しかしながら、本発明は、本明細書に説明および描写される実施形態によって限定されるものではない。むしろ、本発明は、本明細書に添付される請求項によってのみ限定される。

Claims

本明細書に記載の発明。