JP3563065B2 - レーザビーム均一照射光学系 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被照射物のレーザ処理に際して照射面における照射レーザビームの均質性を改善したレーザビーム均一照射用の光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ照射により加熱処理をする例として、多結晶ケイ素膜の製造に際して、予め、適当な基板、例えばガラス基板の上にＣＶＤなどの気相形成法により非晶質のケイ素膜を被着形成しておき、この非晶質ケイ素膜を、レーザビームで走査して、多結晶化する方法が知られている。
【０００３】
ケイ素膜の多結晶化方法では、例えば、レーザ光源からのレーザビームをレンズにより非晶質ケイ素膜上に集光してレーザ照射をし、照射の際にケイ素膜を走査させて、溶融凝固の過程で、結晶化させるものがある。このレーザビームは、照射位置でのビームの軸方向強度プロフイルがレーザ源にプロフィルに依存して、通常は、軸対称のガウス分布である。このようなビームの照射により成形した多結晶ケイ素膜は、結晶性の面方向への均一性が非常に低く、これを半導体基板として薄膜トランジスタを製造に使用するのは困難であった。
【０００４】
さらに、波長の短いエキシマレーザを用いて、照射ビームのプロフイルを矩形状の分布にして半導体膜に照射加熱する技術が知られている。例えば、特開平１１−１６８５１号及び同１０−３３３０７７号公報には、発振器からのレーザビームを、光軸に垂直な面内で互いに交叉する２つのシリンドリカルレンズダアレイを通して、その前方に収束レンズを通して、半導体膜表面に収束させるものであった。この方法は、ガウス分布を採るレーザビームを、２つのシリンドリカルレンズアレイにより、直交する２方向で均一な強度分布にするものであり、半導体膜表面での照射レーザビームは、半導体表面上で、直交する２方向で異なった幅となっており、照射レーザビームを掃引移動することにより、半導体膜上に一定幅の多結晶帯域を繰り返し成形するものであった。
【０００５】
レーザ光源からのレーザビームをこのようなシリンドリカルレンズアレイにより分割し、さらに照射面で合成すると、照射面でレーザ光の干渉が生じて、強度の高低の縞模様になる。このような照射面における重ね合わせたビームに生じる干渉は、長方形状の照射レーザビームを使用して半導体膜の加熱結晶化する場合、レーザビームの移動方向の強度プロフィルが結晶成長に大きく影響するので、ケイ素膜の結晶粒に大きく成長させるには好ましくない。
【０００６】
この干渉による照射レーザ強度の不均一性を除く方法が提案されており、特開２００１−１２７００３には、光源からビームをコリオメータにより平行光にして、段階状の反射面を有するミラーに照射し、ミラーにより分割したビームを合成するシリンドリカルレンズアレーと収束用のシリンドリカルレンズとにより照射する構成の光学系を開示している。これは、分割したビームに各反射面間の段差によって、レーザビームのコヒーレント長さ以上の光路差を設けて、照射面における分割ビーム間の干渉を防止するものである。
【０００７】
また、特開２００１−２４４２１３号は、光源からのレーザビームをビームコリメータにより平行光にして、小さな複数の反射鏡に照射し、各反射鏡からの反射光を照射面に照射して重ね合わせるもので、各平面鏡を反射するレーザビームの光路差をコヒーレント長さ以上確保することにより、同様に、干渉を防止するものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のビーム均一化の技術は、同一の光源からのレーザビームを分割して、照射面で重ね合わせる際の干渉を、複数の反射面を有する反射鏡を利用して光路差を設けて、防止するのであるが、これらの光学系は、特殊な反射鏡を必要としていた。特に、特開２００１−２４４２１３の光学系は、反射鏡による光学系の光軸を曲げる配置が必要であり、さらに、光学系の各反射鏡は、多数の分割ビームに対応して照射面に対して正確に特定の位置関係を満たすように配置する必要があり、反射鏡の配置が複雑となり、熱処理装置として配置すべき光学系の自由度が低くなる問題があった。特に、全ての分割ビームに光路差を設けるのは、時間的可干渉距離の大きいレーザ発振源に対しては、装置が大きく且つ複雑になり、現実的でなく、且つ、光学的調整が困難であった。
【０００９】
本発明は、上記の問題に鑑み、一般に、レーザビームを分割した分割ビームを重ね合わせて照射面上に均一な強度分布を備えた照射ビームを形成する光学系において、重ね合わせによる分割ビーム間の干渉を防止して、照射ビームの一層の均一化を図ることのできるレーザビーム均一照射光学系を提供するものである。本発明は、このような干渉を防止して照射ビームの均一化をするための構成と調整とが簡単で容易な均一照射光学系を提供しようとするものである。
さらに、本発明は、特に、被照射物として非晶質ケイ素膜に適用してその多結晶化をするためのレーザ加熱装置に適用して、結晶面域に亘って格子欠陥の少ない多結晶ケイ素膜を製造可能にする光学系を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザビーム均一照射光学系は、レーザ光源からのレーザビームをビーム断面において空間的に分割するレーザビーム分割手段と、分割した複数のビームを照射面上で重ね合わて照射する重ね合せ照射手段と、照射面上のビーム強度を均一にする均一化手段とから、成るものであり、上記のレーザビーム分割手段が、上記のビーム分割幅を、上記ビーム断面における断面方向の空間的可干渉距離の１／２倍以上とするように光源レーザビームをビーム分割して、分割ビームを照射面で重ね合わせたとき分割ビーム相互の干渉を軽減して、照射強度分布を均一化するものである。
【００１１】
また、このレーザビーム均一照射光学系は、レーザ光源からのレーザビームをビーム断面において空間的に分割ビームに分割するレーザビーム分割手段と、分割ビームを照射面上で重ね合せて照射する重ね合せ照射手段と、照射面上のビーム強度を均一にする均一化手段とから、成るものであり、上記のレーザビーム分割手段が、上記の分割ビーム幅を、レーザビーム断面における断面方向の空間的可干渉距離の１／２倍以上とするとともに、上記の均一化手段が、上記の分割したビームの互いに隣接する隣接分割ビームの一方を他方に対して該レーザビームの時間的可干渉距離よりも長く遅延させる光学的遅延手段を含むことによって、上記のレーザビームの断面方向の空間的可干渉距離の要素と、光軸方向の時間的可干渉距離の要素とを両方とも低減できるため、照射強度分布を極めて均一にすることができる。
【００１２】
上述の分割ビームの分割幅は、レーザビーム分割手段の出射面における分割ビームの幅として規定され、このとき、空間的可干渉距離は、光源からのレーザビームが当該出射面の位置に投射された時の断面内における空間的可干渉距離を言う。この空間的可干渉距離は、レーザビームが二つに分岐され、その後に照射面上で再び重ね合わせた時に生じる干渉が後述のビジビリティが１／ｅとなる時の２つのビームの最小の重なり距離を言う。
【００１３】
本発明においては、分割ビーム幅のビーム断面における断面方向の空間的可干渉距離に対する比を１／２以上とするが、好ましくは、１／√２以上、さらに、好ましくは、１以上とする。即ち、ビーム分割手段により分割される分割ビームの幅は、好ましくは、空間的可干渉距離の１／√２倍以上に、特に、１倍以上に設定される。分割ビーム幅の上限は、レーザビームを分割する分割数により決まるが、分割数は、少なくとも５であり、好ましくは、７以上である。分割数が大きいほど、照射レーザビームの強度の平坦化に有効ではあるが、分割数を大きくして、上記分割ビーム幅が、空間的可干渉距離に対する比１／２未満になるのは好ましくない。実用的な、分割数は、５〜７が利用され、分割ビーム幅を空間的可干渉距離に対して１倍以上に設定する。
【００１４】
レーザビーム分割手段には、導波路とシリンドリカルレンズアレイとを含む。いずれも、レーザビームを光軸に対して垂直な面におけるいずれか一方向に分割する。
【００１５】
導波路は、互いに対向する反射面を有する中空の又は中実の透光体を含む。中空の導波路は、２つの鏡面を一定間隔で対向して配置したものが利用できる。
中実の導波路は、板状で両方の主面を鏡面にした透光体であり、通常は、光学ガラスの板を利用することができる。このような導波路においては、レーザビーム分割手段には、レーザ源からの放射レーザビームを、導波路内の反射面間に入射させる集光レンズを含む。
【００１６】
導波路の出射面からは、導波路内を、反射面で反射しないで、透過する分割ビームと、対向する反射面で反射する反射回数ごとに２組の分割ビームとが得られる。
【００１７】
さらに、導波路は、反射しないで通過する分割ビームを生じさせないような構造ないし配置が好ましい。この配置は、単一の光学的遅延手段を、一定の群の分割ビームにだけ挿入することにより、他方の群に挿入することなく、照射面上での干渉を軽減でき、単一の光学的遅延手段の配置を簡便にできる利点がある。
【００１８】
このために、好ましくは、反射しないて通過した分割ビームに遮蔽体を挿入して、遮蔽することができる。
別の態様は、導波路への入射光を導波路中心軸に対して非対称に入射させる構造が採用できる。このために、導波路には、導波路に対する入射レーザ光の光軸が上記の導波路の反射面間の中心軸と斜交して、反射面の間を反射しないで通過する分割ビームを生じさせないこともできる。
さらに別の態様は、導波路には中実な透光体を用いて、当該導波路の入射面が導波路の中心軸と斜交する構成にして、入射光が斜交した入射面で屈折させて、少なくとも１回は反射面に反射させて、分割ビームを構成することができる。これらの態様では、反射しないて通過した分割ビームを斜光する構成に比して、全ての分割ビームを照射に利用できる利点がある。
【００１９】
他方、レーザビーム分割手段としてのシリンドリカルレンズアレイは、柱状で断面が凸レンズ状の複数のシリンドリカルレンズを平行にして光軸に実質的に直交する一方向に配列したものであり、各微小のシリンドリカルレンズごとに対応する分割ビームを得ることができる。シリンドリカルレンズアレイを使用するレーザビーム分割手段には、好ましくは、シリンドリカルレンズアレイに平行光を入射するコリメータを含む。
【００２０】
本発明においては、光学的遅延手段には、好ましくは、ビームの遅延用の透光体、即ち、遅延板を利用して、各分割ビームが互いに空間的に分離した光路に挿入される。このとき、各分割ビームをレーザビームに逆に投影した時の隣り合う分割ビームのうち少なくともいずれか一方に、遅延板を挿入して、互いに隣接する分割ビームの間に光学的に光路差を設ける。遅延板は、光路差をそのレーザビームの時間的可干渉距離より大きして、分離された分割ビームが照射面に照射し重ねあわ節時のレーザ光の干渉を防止することができる。光路差は、遅延板のビーム透過長さと、遅延板の屈折率と空気の屈折率との差とにより規定される。
【００２１】
このような遅延板は、重ね合せ照射手段にレーザビーム分割手段からの分割ビームを照射面に転写する転写レンズを含み、転写レンズにより形成した複数分割ビームを空間的分離した領域を形成するときは、このような領域に挿入される。例えば、レーザビーム分割手段が、導波路である場合には、転写レンズにより各分割ビームが収束した焦点位置に配置される。レーザビーム分割手段が、シリンドリカルレンズアレイである場合には、各シリンドリカルレンズの出射側光路上に配置することができる。
【００２２】
このようにして、複数の分割ビームは、その一部が、光学的遅延手段を透過し、重ね合せ照射手段が、分割ビームを照射面上で重ね合わて照射し、照射レーザのプロフィルが、矩形状ないし直線状と成るように投影する。照射されたビームのその長手方向の強度分布が一様となる。
【００２３】
このような光学系は、ガラス基板上に化学的気相形成法などにより被着形成した非晶質又は多結晶のシリコン皮膜を、加熱溶融して、多結晶化するか又はより粗大な結晶に成長させるためのアニーリング装置に利用するのに適している。
【００２４】
特に、上記のアニーリング用光学系においては、シリコン皮膜表面上に、細い広幅状にした線状の照射ビームを形成しビーム線に直交する方向に走査することにより、シリコン皮膜上をそのビーム幅で掃引して均一に加熱するようにして、結晶成長させることができ、ビームが干渉模様の少ない均一な強度分布であるので、均一な高い結晶性を備えた結晶シリコン膜を製造することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
本発明の実施の形態において、図１（Ａ）と図１（Ｂ）には、レーザビーム均一照射光学系を示すが、この光学系は、照射面上にｙ方向に均一な分布で広がり、ｘ方向に線状に収束した直線状の照射プロフィルを形成する例を示す。
光学系は、レーザビーム分割手段３と、重ね合せ照射手段６と、光学的遅延手段２とを含み、レーザビーム分割手段３は、導波路４を利用して、レーザビームを所望数の分割ビーム１６ａ〜１６ｅに分割し、分割ビームを重ね合せ照射手段６により照射面上に直線状プロフィルの照射ビーム１９として結像している。
【００２６】
この実施形態では、レーザビーム分割手段３は、レーザ発振器からのレーザビーム１を導波路４内に入射するための光学系を含み、平行ビームにするためのビーム拡大レンズ３１とｙ方向コリメートレンズ３２とｘ方向コリメートレンズ３３を含み、次いでｙ方向に集光して、導波路４内に入射させるシリンドリカルレンズの集光レンズ３４を含む。
【００２７】
導波路４は、互いに対向する平行な主表面が反射面４１、４２を有し、反射面４１、４２は、この図では、ｙ方向に垂直である。両反射面の間をレーザビーム１が貫通する入射端面４３と出射端面４４は、レーザビームの光軸と直交している。入射したレーザビーム１は、反射面間を通過して出射端から放射する成分の分割ビーム、反射面４１と４２のいずれかで１回反射（ｍ＝１）した成分の２つ分割ビーム（ｍ＝＋１，ｍ＝−１）と、両方の反射面で２回反射（ｍ＝２）の成分の２つの分割ビーム（ｍ＝＋２， ｍ＝−２）、さらに、３回ないしそれ以上の回数の反射したそれぞれ一対の分割ビームが、出射端から放射される各成分とに分割される。
【００２８】
導波路４からの分割ビームは、重ね合せ照射手段６により、照射面９０上に重ね合わせて投影されるが、重ね合せ照射手段６は、分割ビームを照射面上にｙ方向に転写するｙ方向の転写レンズ６１（シリンドリカルレンズ）と、ｘ方向に集光する集光レンズ６２（シリンドリカルレンズ）から構成することができる。ｙ方向転写レンズ６１は、ｘ方向集光レンズ６２を通して、照射面９０上にｙ方向に規定の長さに延ばし、ｘ方向集光レンズ６２が、ｘ方向に線状に収束させ、これにより、照射面上には直線状プロフイルの照射ビーム１９が得られる。
【００２９】
重ね合せ照射手段６のｙ方向の転写レンズ６１は、各分割ビームが実焦点を作って、照射面１９上に投影するように設定され、実焦点位置近傍で分割ビームが互いに空間的に分離した位置に、光学的遅延手段として、遅延用の透光体２を、配置するが、この遅延板２は、分割ビームが、分割前に互いに隣り合う領域に有る分割ビームについて、いずれか一方の光路を他方の光路に対して遅延させて、光学的に光路差を設けて、照射面１９上で重ね合わせた時の２つの分割ビーム間の干渉を防止するものである。図１の例は、転写レンズ６１の出射側での実焦点位置で、分割ビーム一つおきに遅延板２を配置している。
【００３０】
さらに詳しくは、図２は、レーザビーム分割手段の導波路について、、レーザ発振器からのレーザビームの分割の態様を示しているが、レーザ発振器（不図示）からのレーザビームは、シリンドリカルレンズの集光レンズ３４により焦点Ｆ_０を経て導波路４内に入射される。導波路内では、入射ビームの一部が、反射面での反射なしに透過する分割ビーム（反射回数ｍ＝０）があり、互いに対向する反射面４１又は４２で１回だけ反射した分割ビームがｙ方向に２種類あり（ｍ＝±１）、反射面４１及び４２で２回反射した分割ビームが同様にｙ方向に２種類あり（ｍ＝±２）、それぞれの分割ビームは、出射面４３から放射される。光軸に対して垂直で焦点Ｆ０を含む面には、出射面４３から放射される各分割ビームの虚像焦点Ｆ_＋１，Ｆ_−１，Ｆ_＋２，Ｆ_−２があり、各分割ビームは、これら虚像焦点Ｆ_＋１・・・・から出射面４３の開口を経て放射されるように見える。
【００３１】
導波路がないと仮定したときの集光レンズ３４により焦点を介して広がるレーザビームを、出射面４４の位置の面に投影したビームのプロフイルが円１４であるとすると、この投影したレーザビーム１４は、多数の分割ビームのそれぞれに対応した区分の成分に分解できる。レーザビーム１の断面での各成分を断面上で、ｙ方向に、ｍ＝−２，−１，０，＋１，＋２の順に区分すると、導波路４の出射面４４から放射する成分、即ち、分割ビームは、ｙ方向に、反射回数ｍ＝＋２，−１，０，＋１，−２の成分の順の配列になることに注意を要する。
【００３２】
図２では、導波路４の出射面４４から放射されるｍ＝０，＋１，＋２の成分の分割ビームの配置だけを示しており、ｍ＝＋１とｍ＝＋２の分割ビームは、反射面の中間面に対して、互いに反対方向に放射される。他方、ｍ＝−１、−２の分割ビームは、ｍ＝＋１，＋２の反射面の中心面に対して対称方向にあるが、図中には省略している。
【００３３】
図３（Ａ）は、レーザビームを焦点Ｆ０から、導波路４で反射させずに、導波路４の出射面４４の対応する平面上に投影したレーザビーム１４における分割ビームの分割幅を図式化したものである。これは、円形プロフイルのレーザビーム１４を、導波路により７分割する例である。
【００３４】
導波路４においては、導波路４の出射面４４では、互いに隣接する分割ビームが折り返されて重畳される。それで、レーザビーム１の分割による互いに隣接する成分は、その境界部位が、図３（Ｂ）において、導波路の出射面での分割ビームの折り返し部で一致する。例えば、図３（Ａ）において、ｍ＝＋１の成分の境界部ＩＩＩとこれに接するｍ＝０の境界部ｉｉｉとは、図３（Ｃ）に示すように、導波路の出射面４４では折り返されて重なり合う。
【００３５】
このような折り返した分割ビームを、ｙ方向転写レンズ６１とｘ方向集光レンズ６２などを介して、照射面９０上に重ね合わせて投影されると、照射面上で照射ビームに干渉を生じて、強度に波状分布が形成される。
【００３６】
図４は、導波路からの分割ビームの２つの成分だけ、例えば、反射回数ｍ＝＋１とｍ＝０の２つの成分を、ｙ方向転写レンズ６１とｘ方向集光レンズ６２などを介して、照射面９０上に重ね合わせて照射した時の照射面上での強度分布図の例を示すが、元のレーザビーム上で互いに隣接する分割ビーム境界部ｉｉｉとＩＩＩでは大きく干渉しあうが、同様にもとのレーザビーム上で互いに離れた分割ビーム境界部ＩＶとｉｉとでは、干渉のよる強度分布の変動が小さい。この図で、横軸には、分割幅ｄを取り、縦軸に相対的ビーム強度を取っている。但し、図４は、レーザビームの強度分布をガウス分布に近似させ、分割幅ｄが、空間的可干渉距離ｓと等しい場合である。
【００３７】
照射面上の重ね合わせによる干渉の程度は、分割幅ｄとその位置でのレーザビーム空間的可干渉距離ｓとの比に依存する。ここに、空間的可干渉距離ｓは、レーザビームのビーム断面における強度分布がガウス分布を保存するとしたとき、図５に模式的に示すように、ビーム直径Ｄを強度が光軸強度の１／ｅ^２（ここにｅは自然対数の底）になる時の円（１／ｅ^２円）の径Ｄであると規定し、単一のレーザビームを２つに分岐し照射面上で光軸を共通にして干渉させた状態から、光軸を互いにずらしてオーバラップした照射領域に干渉縞のビジビリティが１／ｅに低減した時の双方の１／ｅ^２円の中心間の距離と定義される。ここに、ビジビリティとは、干渉した強度分布の最高強度と最低強度の差を最高強度と最低強度との和で除した値であり、干渉の程度を示す尺度である。
【００３８】
レーザビームの分割幅ｄを、ｄ＝ｓ／２としたとき、互いに隣り合う分割ビームの互いに近接する領域の照射ビームの重なり部ではビジビリティは１に近く、離れた領域の照射ビームの重なり部ではビジビリティは１／ｅとなる。その中間領域では、１から１／ｅに漸減する。好ましい実施形態では、分割幅ｄは、ｄ＝ｓ／２以上であり、この場合の離れた領域の照射ビームの重なり部ではビジビリティは、１／ｅ以下に低減する。
【００３９】
さらに、レーザビームの分割幅ｄは、ｄ＝ｓ／√２以上としたときは、離れた領域の照射ビームの重なり部ではビジビリティは１／ｅ^２に低減する。
最も好ましい実施形態では、離れた領域の照射ビームの重なり部ではビジビリティは１／ｅ^４以下に低減する。
【００４０】
分割幅ｄをｄ＝ｓにとって、図２に示すように導波路４によりレーザビームを７分割して、照射面上に重ね合せた時の強度分布を図６に示すが、かなり改善された強度分布を示す。この図で、発生する干渉縞の周期Ｔは、Ｔ＝λ／ｓｉｎΔθで決まる。ここにλは、波長であり、Δθは干渉を生じる２つの分割ビーム照射面１９上での入射角の差である。
【００４１】
さらに、本発明の光学系は、上記の均一化手段が、上記の導波路により形成した分割ビームのうち互いに隣接する隣接分割ビームのいずれか一方を他方に対して時間的可干渉距離よりも長く遅延させる光学的遅延手段を含んでいる。
この光学的遅延手段は、中空なミラーでも、中実な透光体にも利用されるが、互いに隣接する領域からの分割ビームが互いに干渉をし合うのを、両者間に光路差をもうけて、干渉を防止するもののである。
【００４２】
レーザビームの時間的可干渉距離ΔＬが、
ΔＬ＝ ｃΔｔ≒ λ^２／Δλ
で与えられる。ここに、ｃは光速、Δｔは可干渉時間、Δλはレーザの波長幅（スペクトル幅）であり、レーザの波長幅が狭いほど、可干渉距離が長くなる。
例示すれば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザでは、中心波長のλ＝１．０６μｍのビームについてスペクトル幅Δλ＝０．１２〜０．３０ｎｍであるので、時間的可干渉距離ΔＬは、ΔＬ＝３．８〜９．４ｍｍとなる。
【００４３】
図７は、レーザビームの互いに隣接する領域から分割した２つの分割ビームの照射面におけるビジビリテイと、分割ビームの間に設けた光路の差の距離（即ち、光路差Δａ）、 との関係を示しているが、光路差が時間的可干渉距離ΔＬであるときには、ビジビリテイは、１／ｅに低減し、分割ビームの間からの光路差をさらに大きくすることにより、ビジビリテイは、さらに小さくなる。
【００４４】
図１には、複数の分割ビームが互いに分離した位置において、互いに干渉を生じやすい分割ビームのいずれかに、光学的遅延手段として、透光性の遅延板２、即ち、光学ガラス板２を挿入して、隣り合う分割ビームの間に光路差を形成している。この例は、導波路４により分割したビームをｙ方向転写レンズ６１により転写し、ｘ方向集光レンズ６２により照射面上に、照射ビーム１９を形成するが、ｙ方向転写レンズ６１とｘ方向集光レンズ６２との間に、ｙ方向転写レンズ６１により各ビームに焦点ｆを形成し、遅延板２としてのガラス板は、隣り合うビームのいずれか一方に焦点位置ｆ又はその前後に挿入して光路差を設ける。この例は、５つの分割ビームの１つおきにガラス板を挿入しており、互いに隣り合う遅延板２、２の間の空間には、他の分割ビームが通過する。このような配列の遅延板２により、照射面上に重ね合わされた照射ビームには、互いに隣接する分割ビーム間の干渉が生じないので、実質的に、強度分布が均一なプロフイルにすることができる。
ガラス板による光路差Δａは、ガラス板の厚みａと、ガラスの屈折率ｎ_１、空気の屈折率ｎ_０から、
Δａ＝ａ（ｎ_１−ｎ_０）／ｎ_１
で与えられる。
【００４５】
ガラス板による光路差Δａは、時間的可干渉距離ΔＬ以上に設定する（Δａ≧ΔＬ）ので、これらの式から、互いに隣接する分割ビーム間に時間的可干渉距離ΔＬ以上の光路差を与えるガラス厚みａが求められる。遅延板の厚みは、好ましくは、遅延板により時間的可干渉距離ΔＬの２倍以上、さらに好ましくは、４倍以上の光路差を設けるように、設定される。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザでは、光学的遅延手段に石英（ｎ_１＝１．４６）を用いたとき、時間的干渉距離ΔＬは３．８〜９．４ｍｍに対して、光路差Δａは１２〜３０ｍｍになる。
【００４６】
実施の形態２．
図８は、上記実施形態の変形例であって、ｘ方向から見た光学系の配置を示すが、光学的遅延手段２の配置の相異を除いては、基本的に、図１（Ａ）と図１（Ｂ）の光学系と同じレーザビーム均一照射光学系を示す。
【００４７】
この実施の形態においては、特に、反射回数ｍ＝０の場合の直進ビームを、ｙ方向転写レンズの後の焦点位置ｆに配置した遮蔽体２９により遮断するものある。ｍ＝０の直進ビームは、照射面に到達しないので、これが干渉に寄与することはない。従って、光学的遅延手段２としては、直進ビーム（ｍ＝０）に対して対称な配置の分割ビームの群（ｍ＝＋１，−２）又は（ｍ＝−１，＋２）のいずれか一方のみに挿通して、他方の群れは、光学的遅延手段２を配置しないので、これにより、照射面上の分割ビーム相互間の干渉を軽減且つ、光学的遅延手段２は、一方の分割ビーム群（ｍ＝＋１，−２）を一括して透過させる一枚のガラス板又はガラスロッドが利用でき、光学システムを簡素化できる利点ある。
【００４８】
実施の形態３．
本発明の光学系においては、導波路内を、反射することなく直進する分割ビームを含まないように、全ての分割ビームが少なくとも一回は反射し且つ、２つ以上の反射分割ビームが、同数回反射するのを防止するようにした導波路によるレーザビーム分割手段を提供するものである。このようなレーザビーム分割手段は、図９に示すように、導波路の中心軸に対して、レーザビーム分割手段の入射光学系の光軸を所定の角度で、斜交して配置した構造が採用できる。
【００４９】
図１０と図１１に示すように、導波路４内に入射させるシリンドリカルレンズの集光レンズ３４のビームの周辺成分▲１▼が、導波路４の入射面に入射して、反射面で１回反射して出射面から放出され、集光レンズ３４からの他のビーム成分▲２▼▲３▼▲４▼が、それぞれ２回反射、３回反射、４回反射され、他の成分がさらに多数回反射されて、出射面から放射されるように、設定される。放射されて分割されたビームは、図１０の放出面側に、反射回数ｍの数字１〜８で表されている。
【００５０】
図１１には、出射面４４上の平面１５１におけるビーム断面の分割ビーム配置と、出射面における分割ビームの重ね合わせを記載している。反射回数の順番は、レーザビーム断面における分割ビームの配置の順番を表している。
従って、反射回数の順番が１つ違いの分割ビーム同士は、照射面上で干渉しやすいので、いずれか一方だけに、空間的遅延手段として、遅延板を配置するが、この配置は、図９に示すように、ｙ方向転写レンズによる焦点ｆ位置において、反射偶数回数（例えば、ｍ＝２、４、６）の分割ビームは、奇数回数の分割ビームに対して一方側に偏っているので、反射偶数回数の分割ビームを、単一の遅延板２１を挿入することによって、簡単に実現できる。
【００５１】
図１１において、分割ビームの幅ｄは、上記の実施形態に述べたように、空間的可干渉距離ｓの１／２以上、好ましくは、１／√２以上、特に、１以上に設定される。
【００５２】
図１２は、導波路内を直進する分割ビームを形成しない他の例を示すものであるが、この例は、導波路４の光軸４０を集光レンズ３４の光軸３０と一致させるが、導波路４の入射面４３を、光軸に対して直交させないで、適当な角度でもって斜交させ、斜交した入射面での入射ビームを屈折させることにより、０回反射をなくして、１回、２回、３回などの反射の分割ビームを得るものであり、この例においても、一つの遅延板２１を、ｙ方向転写レンズによる焦点ｆ位置において、偶数回反射（例えば、ｍ＝２、４、６）の分割ビームは、又は奇数回反射の分割ビームにまとめて挿入することにより、互いに隣接する分割ビーム間の光路差を設けることができる。
【００５３】
実施の形態４．
他のビーム分割手段として、シリンドリカルレンズアレイによる実施形態を以下に示すが、この例は、図１３に示すように、レーザビーム均一照射光学系は、レーザ発振器からのレーザビーム１をシリンドリカルレンズアレイ５に入射するための光学系を含み、平行ビームにするためのビーム拡大レンズ３１とｙ方向コリメートレンズ３２とｘ方向コリメートレンズ３３を含み、コリメートレンズ３３からの平行ビームをシリンドリカルレンズアレイ５に入射する。
【００５４】
シリンドリカルレンズアレイ５は、図中ｘ方向に柱状にして光軸に向けて断面凸レンズをｙ方向に積重ねたレンズを指すが、図例は、シリンドリカルレンズ５段から構成され、これにより５つ分割ビームが形成される。
【００５５】
分割用のシリンドリカルレンズアレイ５からのｙ方向への分割ビームは、その前方に配置して別体の転写用のシリンドリカルレンズアレイ５１に入射され、転写用シリンドリカルレンズアレイ５１からの分割ビームは、ｘ方向に集光する集光レンズ６２（シリンドリカルレンズ）により照射面９０上に投射されて、ｙ方向に均一で、ｘ方向には細く収束した線状プロフィルを有する照射ビーム１９に成形するものである。さらにフィールドレンズ６３が、転写用のシリンドリカルレンズアレイ５１と集光レンズ６２との間に配置されている。
【００５６】
分割用のシリンドリカルレンズアレイ５からｙ方向に分割した分割ビーム１５ａ〜１５ｅには、光学的遅延手段として、遅延板２が挿入されるが、遅延板２は、１つおきの分割ビーム１５ａ，１５ｃ，１５ｄに挿入され、他の
分割ビーム１５ｂ，１５ｄには、挿入されない。これにより、互いに隣合う分割ビーム間（例えば、分割ビーム１５ａと１５ｂの間、あるいは分割ビーム１５ｂと１５ｃとの間）の照射面９０上での干渉が押さえられ、重ね合わせた照射ビームの干渉のよる強度分布を均一化することができる。
【００５７】
図１５（Ａ、Ｂ）は、シリンドリカルレンズアレイ５におけるレーザビームの分割の態様を示すものであるが、各微小シリンドリカルレンズで分割されたビームは、先の導波路による分割と異なって、照射面での重ね合わせの際に、折り返しがなくて、単に重畳されるだけであり、従って、２つの隣接する分割ビームを転写用シリンドリカルレンズアレイ５１とｘ方向集光レンズ６２を介して照射面上にの重ね合わせでも、合成後の強度分布は、ｙ方向での干渉に差異がない。図１６は、分割幅ｄを、上述の空間的可干渉距離ｓと等しいとした時の互いに隣接する２つの分割ビームの照射面上での重ね合わせによる強度分布がｙ方向で一定で、そのビジビリティが、１／ｅで一定であることを示している。図１７は、上記の７分割した分割ビームについて、分割幅ｄをｄ＝ｓとして、照射面上で重ね合わせた時の強度分布を示すが、ｙ方向で、かなり良い分布を示す。
【００５８】
実施の形態５．
図１４は、図１３に示したレーザビーム均一照射光学系の変形例であるが、分割用のシリンドリカルレンズアレイ５の分割ビームと、その前方の転写用シリンドリカルレンズアレイ５１の前方の焦点位置に、それぞれ一対の遅延板２２と２３を配置したものである。この例では、転写用シリンドリカルレンズアレイ５１の前後に遅延板を分けて配置したので、転写される面と転写する面とが共役関係になるようにすることができ、これにより、照射面での回折の影響を最小にすることができる利点がある。
【００５９】
実施の形態６．
図１８は、図１３に示したレーザビーム均一照射光学系の変形例であるが、遅延板２を挿入した分割ビームについての転写用シリンドリカルレンズアレイ５１の微小レンズ５１２と、遅延板を挿入していない分割ビームについての転写用シリンドリカルレンズアレイ５１の微小レンズ５１１とは、照射面での結像が一様になるように異なる焦点距離を有するように調製されている。分割用シリンドリカルレンズアレイ５によりｙ方向に配列分割された分割ビームの１つおきの分割ビームに光路長さ用の遅延板２を挿入することにより、挿入しない分割ビームに対して焦点位置ｆのずれが生ずるが、焦点位置のずれを転写用シリンドリカルレンズアレイ５１の各微小レンズの焦点距離で補償するものであり、これにより、照射面上に結像される各分割ビームの強度分布を均一にすることができる。
【００６０】
実施の形態７．
図１９（Ａ）は、図１３に示したレーザビーム均一照射光学系の変形例であるが、この例は、ｙ方向に分割されてビーム１つおきに遅延板２が挿入された分割ビームを転写用レンズにより照射面９０に照射するに際して、フィールドレンズ６３により照射面上ｙ方向にずらして、重ね合せることにより、分割ビーム間の干渉を防止するものである。
【００６１】
図１９（Ｂ）には、照射面９０上に、分割ビームをずらして照射した時の照射ビーム１９の強度分布を示すが、ｙ方向の照射ビーム１９の両端部では、強度分布が階段状に低減するけれども、両端部を除く主要な部分は、干渉の少ない均一な分布が得られる。
【００６２】
【発明の効果】
本発明のレーザビーム均一照射光学系は、レーザビーム分割手段を上記の分割ビーム幅を、レーザビーム断面における断面方向の空間的可干渉距離の１／２倍以上とするので、照射面における分割ビームによる干渉を低減して、均一な強度分布の照射ビームを照射面に形成することができる。
【００６３】
レーザビーム分割手段により分割したビームを照射面上に照射するときのビーム強度を均一にする均一化手段を含み、上記の均一化手段が、上記の分割したビームの互いに隣接する隣接分割ビームの一方を他方に対して該レーザビームの時間的可干渉距離よりも長く遅延させる光学的遅延手段を含むので、分割ビームを照射面上に照射したとき、互いに隣り合うビーム間の時間的可干渉距離に起因する干渉を防止することができる
【００６４】
レーザビーム分割手段に互いに対向する反射面を有する一次元方向の導波路を使用すれば、これにより分割したビームの照射面上での干渉を軽減できる。
【００６５】
また、レーザビーム分割手段に、レーザビームを一次元的に分割する分割用のシリンドリカルレンズアレイを使用すれば、これにより分割したビームの照射面上での干渉を軽減できる。
【００６６】
レーザビーム分割手段を上記の分割ビーム幅を、レーザビーム断面における断面方向の空間的可干渉距離の１／２倍以上とし、且つ均一化手段が、上記の分割したビームの互いに隣接する隣接分割ビームの一方を他方に対して該レーザビームの時間的可干渉距離よりも長く遅延させる光学的遅延手段を含むようにするので、レーザビーム均一照射光学系は、空間的可干渉距離による干渉と時間的可干渉距離とを効果的に低減できる利点がある。
【００６７】
上記のビーム分割幅を空間的可干渉距離の１／√２倍以上とすれば、時間的可干渉距離とともに、空間的可干渉距離に起因する照射面上の照射ビームの干渉による強度分布の不均一を軽減することができる。
【００６８】
上記のビーム分割幅を空間的可干渉距離以上とすれば、、空間的可干渉距離に起因する照射面上の照射ビームの干渉による強度分布の不均一を一層軽減することができる。
【００６９】
上記のレーザビーム分割手段が、互いに対向する反射面を有する一次元方向の導波路とすれば、導波路による分割ビーム間の空間的可干渉距離による干渉と時間的可干渉距離とを効果的に低減できる。
【００７０】
重ね合せ照射手段としてレーザビーム分割手段からの分割ビームを照射面に転写する転写レンズを含み、上記の光学的遅延手段が、転写レンズにより形成した複数の分割ビームを空間的分離した領域で、該空間的に分離した隣接分割ビームのいずれかを透光するように配置された遅延板とすれば、遅延板の配置が容易になり、構造が比較的簡単で、干渉の少ない均一な強度分布の照射ビームを形成することができる。
【００７１】
上記の導波路の反射面の間を反射しないで通過した分割ビームを遮断するようにすれば、一個の遅延板により、所要の分割ビームの光路差を設けることができ、構造が比較的簡単で、干渉の少ない均一な強度分布の照射ビームを形成することができる。
【００７２】
導波路に対する入射レーザ光の光軸が上記の導波路の反射面間の中心軸と斜交して、反射面の間を反射しないで通過する分割ビームを生じさせない要にすれば、レーザビームのエネルギーを損失させることなく、所要の分割ビーム全部の光路差を設けることができ、構造が比較的簡単で、干渉の少ない均一な強度分布の照射ビームを形成することができる。
【００７３】
導波路が、中実な透光体からなり、当該導波路の入射面が導波路の中心軸と斜交して、反射面の間を反射しないで通過する分割ビームを生じさせない要にすれば、光学系を光軸に共軸状に配置することができ、同様に、所要の分割ビーム全部の光路差を設けることができ、構造が比較的簡単で、干渉の少ない均一な強度分布の照射ビームを形成することができる。
【００７４】
上記のレーザビーム分割手段が、レーザビームを一次元的に分割する分割用のシリンドリカルレンズアレイとすれば、特に、分割ビームは、互いに離間した平行ビームとして、遅延手段の配置が容易になる利点がある。
【００７５】
上記の光学的遅延手段が、分割用のシリンドリカルレンズアレイにより形成した複数の分割ビームを空間的分離した領域で、互いに隣接する分割ビームのいずれかを透光するように配置された遅延板とすれば、互いに離間した平行ビームとして、遅延手段の配置が容易になる利点がある。
【００７６】
重ね合せ照射手段が、上記分割用のシリンドリカルレンズアレイからの分割ビームを照射面に転写する転写用シリンドリカルレンズアレイを含むようにすれば、互いに光路差を設けた分割ビームの照射面上への転写が容易に行なえる
【００７７】
上記の光学的遅延手段を、該転写用のシリンドリカルレンズアレイの後方と前方とに分割して配置すれば、転写される面と転写する面とが共役関係になるようにすることができ、これにより、照射面での回折の影響を最小にすることができる利点がある。
【００７８】
転写用シリンドリカルレンズアレイは、光学的遅延手段を通過する分割ビームを転写する微小シリンドリカルレンズと、光学的遅延手段を通過しない分割ビームを転写する微小シリンドリカルレンズとが、異なる焦点距離を有するようにして、全ての分割ビームが、照射面において、シャープに結像して合成することができる。
【００７９】
遅延板が、レーザ光に対して透明なガラスから成るようにすれば、光学系を簡便に構成するにすることができる利点がある。
【００８０】
レーザ源を、固体レーザ又は半導体レーザの基本波又は高調波とすれば、良質のレーザ光源を用いて、照射面上に均質な強度分布の照射ビームを形成することができる。特に、高調波レーザは、半導体層に吸収しやすい波長光を利用して、加熱効率を高めることができる利点がある。
【００８１】
照射面を基板上に形成された非晶質若しくは多結晶質の半導体膜であり、上記光学系が半導体膜アニーリング用光学系とすれば、半導体膜の結晶化に有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の導波路を利用した実施形態に係るレーザビーム均一照射光学系の配置を示す図で、（Ａ）は、ｙ方向から見た図、（Ｂ）は、ｘ方向から見た図を示す。
【図２】導波路におけるレーザビームの分割の態様を説明する断面図。
【図３】導波路におけるレーザビームの分割の態様を説明する図（Ａ、Ｂ）。
【図４】導波路により分割した互いに隣接する２つの分割ビームを照射面上で重ね合わせたときの合成照射ビームの強度分布とビジビリテイとを示す図（ｄ＝ｓのとき）。
【図５】レーザビームの空間的可干渉距離ｓの定義を説明する図。
【図６】導波路により７つに分割した分割ビームを照射面上で重ね合わせたときの合成照射ビームの強度分布とビジビリテイとを示す図（ｄ＝ｓのとき）。
【図７】レーザビームの光路差とビジビリテイとの関係を示す図。
【図８】本発明の他の実施の形態に係るレーザビーム均一照射光学系の配置を示す図１（Ｂ）相当の側面図。
【図９】本発明の他の実施の形態に係るレーザビーム均一照射光学系の配置を示す図１（Ｂ）類似の図で、入射光の光軸と導波路中心軸とを斜交した配置を示す。
【図１０】入射光の光軸と導波路中心軸とを斜交した配置におけるビーム分割を示す図。
【図１１】入射光の光軸と導波路中心軸とを斜交しして配置した導波路におけるレーザビームの分割の態様を説明する図３同様図（Ａ、Ｂ）。
【図１２】本発明の他の実施の形態に係るレーザビーム均一照射光学系の配置を示す図１（Ｂ）相当の図で、導波路入射面を導波路中心軸に斜光するように配置してある。
【図１３】本発明の分割用シリンドリカルレンズアレイと遅延板とを利用した他の実施の形態に係るレーザビーム均一照射光学系の配置を示す図で、（Ａ）はｙ方向から見た図、（Ｂ）はｘ方向から見た図をそれぞれ示す。
【図１４】変形例にレーザビーム均一照射光学系の配置を示す図１３（Ｂ）に同様の図。
【図１５】分割用シリンドリカルレンズアレイにおけるレーザビームの分割の態様を説明する図（Ａ、Ｂ）。
【図１６】分割用シリンドリカルレンズアレイにより分割した互いに隣接する２つの分割ビームを照射面上で重ね合わせたときの合成照射ビームの強度分布とビジビリテイとを示す図（ｄ＝ｓのとき）。
【図１７】分割用シリンドリカルレンズアレイにより７つに分割した分割ビームを照射面上で重ね合わせたときの合成照射ビームの強度分布とビジビリテイとを示す図（ｄ＝ｓのとき）。
【図１８】分割用シリンドリカルレンズアレイを使用して、転写用シリンドリカルレンズアレイの微小シリンドリカルレンズの異なる焦点距離を有する用にした図１３（Ｂ）同様図。
【図１９】さらに、各分割ビームを照射面上でずらして重ね合わせる図１８同様の図（Ａ）と、照射面上の照射ビームの強度分布を示す図（Ｂ）。
【符号の説明】
１ レーザビーム、２ 遅延板、２１ 遅延板、２９ 遮蔽体、３１ ビーム拡大レンズ、３２ ｙ方向コリメートレンズ、３３ ｘ方向コリメートレンズ、３４ 集光レンズ、４ 導波路、４１ 反射面、４２ 反射面、５ 分割用シリンドリカルレンズアレイ、５１ 転写用シリンドリカルレンズアレイ、６１ 転写レンズ、６２ 集光レンズ、９ 照射体、９０ 照射面。

Claims (19)

1. レーザ光源からのレーザビームをビーム断面において空間的に分割ビームに分割するレーザビーム分割手段と、分割ビームを照射面上で重ね合せて照射する重ね合せ照射手段と、から成るレーザビーム均一照射光学系であって、
   上記のレーザビーム分割手段が、上記の分割ビーム幅を、レーザビーム断面における断面方向の空間的可干渉距離の１／２倍以上とすることを特徴とするレーザビーム均一照射光学系。
2. 上記のレーザビーム分割手段が、互いに対向する反射面を有する一次元方向の導波路である請求項１に記載の光学系。
3. 上記のレーザビーム分割手段が、レーザビームを一次元的に分割する分割用のシリンドリカルレンズアレイである請求項１に記載の光学系。
4. レーザ光源からのレーザビームをビーム断面において空間的に分割ビームに分割するレーザビーム分割手段と、分割ビームを照射面上で重ね合せて照射する重ね合せ照射手段と、照射面上のビーム強度を均一にする均一化手段とから、成るレーザビーム均一照射光学系であって、
   上記のレーザビーム分割手段が、上記の分割ビーム幅を、レーザビーム断面における断面方向の空間的可干渉距離の１／２倍以上とし、且つ上記の均一化手段が、上記の分割したビームの互いに隣接する隣接分割ビームの一方を他方に対して該レーザビームの時間的可干渉距離よりも長く遅延させる光学的遅延手段を含むことを特徴とするレーザビーム均一照射光学系。
5. 上記のビーム分割幅が、空間的可干渉距離の１／√２倍以上である請求項１ないし４いずれかに記載の光学系。
6. 上記のビーム分割幅が、空間的可干渉距離以上である請求項１ないし５いずれかに記載の光学系。
7. 上記のレーザビーム分割手段が、互いに対向する反射面を有する一次元方向の導波路である請求項４ないし６いずれかに記載の光学系。
8. 重ね合せ照射手段が、レーザビーム分割手段からの分割ビームを照射面に転写する転写レンズを含み、
   上記の光学的遅延手段が、転写レンズにより形成した複数の分割ビームを空間的分離した領域で、該空間的に分離した隣接分割ビームのいずれかを透光するように配置された遅延板である請求項７に記載の光学系。
9. 上記の導波路の反射面の間を反射しないで通過した分割ビームを遮断するようにした請求項７又は８に記載の光学系。
10. 導波路に対する入射レーザ光の光軸が上記の導波路の反射面間の中心軸と斜交して、反射面の間を反射しないで通過する分割ビームを生じさせないことを特徴とする請求項７又は８に記載の光学系。
11. 導波路が、中実な透光体からなり、当該導波路の入射面が導波路の中心軸と斜交して、反射面の間を反射しないで通過する分割ビームを生じさせないことを特徴とする請求項７又は８に記載の光学系。
12. 上記のレーザビーム分割手段が、レーザビームを一次元的に分割する分割用のシリンドリカルレンズアレイである請求項４ないし６いずれかに記載の光学系。
13. 上記の光学的遅延手段が、分割用のシリンドリカルレンズアレイにより形成した複数の分割ビームを空間的分離した領域で、互いに隣接する分割ビームのいずれかを透光するように配置された遅延板である請求項１２に記載の光学系。
14. 重ね合せ照射手段が、上記分割用のシリンドリカルレンズアレイからの分割ビームを照射面に転写する転写用シリンドリカルレンズアレイを含む請求項１２又は１３に記載の光学系。
15. 上記の光学的遅延手段が、該転写用のシリンドリカルレンズアレイの後方と前方とに分割して配置されている請求項１４に記載の光学系。
16. 上記の転写用シリンドリカルレンズアレイは、光学的遅延手段を通過する分割ビームを転写する微小シリンドリカルレンズと、光学的遅延手段を通過しない分割ビームを転写する微小シリンドリカルレンズとが、異なる焦点距離を有する請求項１２ないし１５いずれかに記載の光学系。
17. 上記遅延板が、レーザ光に対して透明なガラスから成る請求項８又は１３に記載の光学系。
18. レーザ源が、固体レーザ又は半導体レーザの基本波又は高調波である請求項１ないし１６いずれかに記載の光学系。
19. 照射面が、基板上に形成された非晶質若しくは多結晶質の半導体膜であり、上記光学系が半導体膜アニーリング用光学系である請求項１ないし１７いずれかに記載の光学系。

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