JP3947065B2 - 均一化レーザビーム照射装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、均一化レーザビーム照射装置に関し、特にレンズアレイを用いて１本のレーザビームを複数のビームに分割し、分割されたビームを共通の領域内に入射させて重ね合わせる均一化レーザビーム照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザビームは、種々の用途に用いられる。アモルファスシリコンの結晶化アニールやフォトリソグラフィにおいては、目的とする領域内で均一な強度分布を有するレーザビームが望まれる。レーザビームは本来可干渉性を有する。光路の異なるビームが重ね合わされると干渉が生じ、強度のうねり（スペックルパターン）が生じる。また、レーザビームは一般的にビーム断面内で強度が均一ではない。中央部の強度は高く、周辺部の強度は低い。
【０００３】
均一な強度分布を有するレーザビームを形成する技術として、レンズアレイを用いる方法が知られている。レーザ光源から出射されたレーザビームをレンズアレイで複数のビームに分割し、分割された複数のレーザビームを被照射面上に重ね合わせることにより、強度分布を均一化することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１６８５１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
干渉性のよいレーザビームをレンズアレイで均一化しようとする場合、分割されたレーザビームが重ね合わされる時に互いに干渉し、スペックルパターンを生じる場合がある。レーザ光源としてエキシマレーザを用いる場合には、その空間コヒーレンス長が短いため、スペックルパターンは生じにくい。ところが、空間コヒーレンス長の長いレーザ光源、例えばＮｄ：ＹＡＧ等の固体レーザを用いる場合には、スペックルパターンが生じやすい。
【０００６】
フォトリソグラフィ用のステッパ等ではレンズアレイの前段のミラーを振動させ、複数ショットのパワー密度を積算することにより、干渉による強度のうねりの影響を排除している。ところが、この方法では、１ショットのみを照射する場合に、強度のうねりの影響を排除することはできない。
【０００７】
本発明の目的は、複数のレーザビームを重ね合わせた時の干渉に起因する強度のうねりを低減させることが可能な均一化レーザビーム照射装置を提供することである。
【０００８】
本発明の一観点によると、直線偏光されたレーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームが入射し、該レーザビームの進行方向と交差する第１の方向に配列した複数のレンズによって、入射したレーザビームを第１の方向に関して複数のビームに分割する第１のレンズアレイと、前記第１のレンズアレイで分割された複数のレーザビームの経路のうち第１の方向に関して１つ置きの経路内に配置された１／２波長板を含み、前記第１のレンズアレイの相互に隣り合うレンズを通過した２本のレーザビームの偏光方向が相互に直交するように偏光状態を変化させる第１の偏光状態制御手段と、前記第１のレンズアレイによって分割された複数のビームを、被照射面上で重ね合わせる重ね合わせ光学系とを有し、前記第１のレンズアレイを構成する複数のレンズが、前記第１の方向と直交する第２の方向と平行な柱面を有するシリンドリカルレンズであり、前記第１のレンズアレイに入射するレーザビームの偏光方向が、該第２の方向から４５°傾いており、前記１／２波長板のスロー軸またはファースト軸が該第２の方向と平行である均一化レーザビーム照射装置が提供される。
【０００９】
相互に隣り合うレンズを通過した２本のレーザビームの偏光状態を相互に異ならせることにより、両者を重ね合わせた時の干渉による影響を軽減し、スペックルパターンの発生を抑制することができる
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１（Ａ）に、本発明の実施例によるビーム均一化光学系の断面図を示す。Ｎｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＬＦレーザ等の固体レーザ光源から出射されたレーザビーム１がレンズアレイ２に入射する。レンズアレイ２に入射するレーザビーム１は直線偏光されており、その直径はＤである。レンズアレイ２の入射位置におけるレーザビーム１の強度分布は、例えばガウス分布で近似される。レーザビーム１の進行方向をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を導入する。レーザビーム１の偏光方向がＸ軸に平行であるとする。
【００１１】
レンズアレイ２は、複数の凸シリンドリカルレンズで構成される。各シリンドリカルレンズは、Ｙ軸に平行な母線からなる凸の柱面を有し、Ｘ軸方向にピッチｈで相互に密接して配列されている。レーザビーム１は、レンズアレイ２によりＺＸ面内において収束する複数のレーザビーム３に分割される。各レーザビーム３は、シリンドリカルレンズの焦点においてＹ軸に平行な直線上に集光され、その後ＺＸ面内で発散する光線束になりコンデンサレンズ（重ね合わせ光学系）４に入射する。
【００１２】
コンデンサレンズ４は、複数のレーザビーム３を、ホモジナイズ面５上の共通の被照射領域５Ａに入射させる。強度分布の異なる複数のレーザビーム３がホモジナイズ面５上で重ね合わされることにより、強度分布を均一化することができる。
【００１３】
レンズアレイ２とコンデンサレンズ４との間に、偏光状態制御素子６が配置されている。偏光状態制御素子６は、レンズアレイ２を構成するレンズを通過した複数のレーザビーム３の経路のうちＸ軸方向に関して１つ置きの経路内に配置された１／２波長板６Ａにより構成される。図１（Ａ）では、図の下から上に向かって各レンズに１から順番に番号を振ったとき、奇数番目のレンズを通過したレーザビームの経路内に１／２波長板６Ａが配置されている。
【００１４】
図１（Ｂ）に、偏光状態制御素子６の正面図を示す。Ｙ軸方向に長い１／２波長板６ＡがＸ軸方向に４枚配列されている。各１／２波長板６Ａの幅、及び相互に隣り合う１／２波長板６Ａの間隔はレンズアレイ２のピッチｈに等しい。各１／２波長板６Ａのスロー軸６Ｓ及びファースト軸６Ｆは、Ｘ軸方向、すなわち入射するレーザビーム１の偏光方向から４５°傾いている。このため、１／２波長板６Ａを透過したレーザビームの偏光方向１０Ａは、Ｙ軸に平行になる。これに対し、１／２波長板の間を通過したレーザビームの偏光方向１０Ｂは、Ｘ軸に平行になる。
【００１５】
図１（Ａ）に戻って説明を続ける。Ｘ軸方向に隣り合う２つのレンズを通過したレーザビーム３の偏光方向が相互に直交するため、両者が重ね合わされたとしても干渉は生じない。
【００１６】
レンズアレイ３によって分割された複数のレーザビームに干渉性がある場合には、スペックルパターンが生じる。レンズアレイ２により分割された複数のレーザビームのうち任意の２つのレーザビームが重ね合わされる時の両者の中心光線の成す角をα、レーザビームの波長をλとすると、スペックルパターンのピッチＰは、
【００１７】
【数１】
Ｐ＝λ／（２×ｓｉｎ（α／２）） ・・・（１）
となる。
【００１８】
着目するレーザビームの組み合わせにより、中心光線の成す角αが異なるため、種々のピッチＰを有するスペックルパターンが形成される。偏光状態制御素子６が配置されていない場合には、相互に隣接するレーザビーム同士の組み合わせが最も多く、かつ干渉性が最も高いため、相互に隣接するレーザビームの中心光線の成す角αに基づくピッチＰのスペックルパターンが最も強く現れる。図１に示した均一化光学系には偏光状態制御素子６が配置されているため、相互に隣接するレーザビームに起因するスペックルパターンは現れない。
【００１９】
図１（Ａ）では、レーザビーム３が収束されて、そのＸ軸方向の厚さが薄くなった位置に、偏光状態制御素子６が配置されている。このため、隣のレーザビームの通過経路内に１／２波長板６Ａが侵入することなく、余裕をもって１／２波長板を配置することができる。１／２波長板６Ａを、レーザビーム３の集光位置に配置すると、より大きな余裕を確保することができる。
【００２０】
なお、１／２波長板の位置精度を高められる場合には、偏光状態制御素子６をレンズアレイ２の前方に配置してもよい。
【００２１】
以下、レンズアレイ２を構成するレンズのうち間隔ｈだけ隔てて配置された２つのレンズを通過したレーザビームによる干渉について考察する。レーザビームの特性を表すパラメータの一つに、空間コヒーレンス長がある。空間コヒーレンス長は、同一ビーム内で互いに干渉の及ぶ最大長のことである。すなわち、空間コヒーレンス長よりも大きな間隔を有する２点を通過するビーム要素同士は互いに干渉性を有しない。逆に、空間コヒーレンス長よりも小さな間隔を有する２点を通過するビーム要素同士は、互いに干渉する。
【００２２】
上述のように、偏光状態制御素子６を配置することにより、光路が相互に隣り合うレーザビーム同士の干渉を防止することができる。次に、レーザビームの光路１つ分を隔てて配置された２本のレーザビーム同士の干渉を防止する方法について説明する。
【００２３】
レンズアレイ２を構成する複数のシリンドリカルレンズのＸ軸方向のピッチをｈとし、レーザビームの空間コヒーレンス長をＸｃとする。間隔ｈだけ隔てて配置された２つのレンズの中心間距離は２ｈになるため、
【００２４】
【数２】
Ｘｃ＜２ｈ ・・・（２）
を満たすとき、２つのレーザビームは干渉しない。
【００２５】
焦点距離ｆの無収差レンズで集光できる最小のビームスポットをｄとすると、下記の関係式が成立する。
【００２６】
【数３】
ｄ≒２．４４λｆ／Ｘｃ ・・・（３）
また、集光できる最小のビームスポットをｄとすると、レーザビームの品質指標Ｍ2は下記の式で定義される。
【００２７】
【数４】
Ｍ2＝（π／４λ）ｄθ ・・・（４）
ここで、θは遠視野広がり角である。レンズアレイ２に入射するレーザビームの直径をＤとすると、
【００２８】
【数５】
θ≒Ｄ／ｆ ・・・（５）
であることを考慮すると、
【００２９】
【数６】
Ｘｃ≒０．６１πｆθ／Ｍ2＝０．６１πＤ／Ｍ2 ・・・（６）
が成立する。式（６）と干渉の生じない条件式（２）とから、
【００３０】
【数７】
Ｍ2＞０．６１πＤ／（２ｈ） ・・・（７）
が得られる。従って、レーザビームの品質指標Ｍ2、ビーム径Ｄ、レンズアレイ２のピッチｈが、条件式（７）を満足するように光学系を設計すると、レンズアレイ２の、間隔ｈを隔てて（中心間距離２ｈ）配置された２つのシリンドリカルレンズを通過したレーザビーム同士の干渉を防止し、ホモジナイズ面５上のビーム照射領域の強度の均一性を高めることができる。
【００３１】
なお、ビームの通過する２点の間隔が空間コヒーレンス長Ｘｃを超えると、完全に干渉性がなくなるわけではなく、わずかながら干渉性が残る場合もある。従って、安全係数をκ＞１として、
【００３２】
【数８】
Ｍ2＞０．６１κπＤ／（２ｈ） ・・・（８）
を満足するように設計してもよい。
【００３３】
例えば、レンズアレイ２に入射するレーザビームの直径Ｄを４５ｍｍ、レンズアレイのピッチｈを５ｍｍとすると、式（８）からＭ2＞８．６３κが得られる。安全係数κを１．２とすると、Ｍ2＞１０．４になる。すなわち、品質指標Ｍ2が１０．４よりも大きいレーザ光源を選択することにより、中心間距離２ｈのレーザビーム同士の干渉によるスペックルパターンの発生を防止することができる。
【００３４】
逆に、品質指標Ｍ2が１０のレーザ光源を使用し、安全係数κを１．２にすると、ｈ＞０．１２Ｄになる。すなわち、レンズアレイ２を構成するシリンドリカルレンズを９本にして、レーザビームを９分割すれば、スペックルパターンの発生を防止することができる。レーザ光源から出射されるレーザビームの直径が５ｍｍであり、それをテレスコープで８倍に拡大してビーム径を４０ｍｍにし、レンズアレイ２に入射させる場合には、ｈ＞４．８ｍｍとすればよい。
【００３５】
式（７）及び（８）では、レーザビームの品質指標Ｍ2の上限値が制限されない。ところが、品質指標Ｍ2が大きくなると、集光できる最小ビームスポットが大きくなってしまう。レーザビームを線状の領域に集光する場合には、集光される線状領域を細くすることができなくなる。集光される線状領域の幅をｗ、コンデンサレンズの焦点距離をｆとすると、品質指標Ｍ2の上限が下記の式で規定される。
【００３６】
【数９】
Ｍ2≦（π／４λ）ｗ（Ｄ／ｆ） ・・・（９）
図２に、偏光状態制御素子６の他の構成例を示す。図１（Ｂ）では、偏光状態制御素子６を構成する１／２波長板６Ａのスロー軸６Ｓ及びファースト軸６Ｆが、Ｘ軸から４５°傾いていた。図２に示した偏光状態制御素子６では、１／２波長板６Ａのスロー軸６ＳがＹ軸と平行であり、ファースト軸６ＦがＸ軸と平行である。その代わりに、レンズアレイ２に入射するレーザビーム１の偏光方向がＸ軸から４５°傾いている。
【００３７】
このため、１／２波長板６Ａの間を通過したレーザビームの偏光方向１０Ｂは、元のレーザビーム１の偏光方向の傾く方向と同じ方向に、Ｘ軸から４５°傾く。１／２波長板６Ａを通過したレーザビームの偏光方向１０Ａは、１／２波長板６Ａの間を通過したレーザビームの偏光方向１０Ｂとは反対向きに、Ｘ軸から４５°傾く。このため、相互に隣り合うレンズを通過した２本のレーザビームの偏光方向は、相互に直交する。なお、ファースト軸６ＦがＹ軸と平行になるように配置してもよい。
【００３８】
図２に示した１／２波長板６Ａにおいては、スロー軸６Ｓまたはファースト軸６Ｆが１／２波長板６Ａの長手方向と平行になるため、１／２波長板の製造が容易になる。
【００３９】
上記実施例では、レンズアレイ２の相互に隣り合うレンズを通過したレーザビームの偏光方向を直交させた。偏光方向を直交させることにより、２つのレーザビームの干渉による影響をほぼ完全に排除することができる。２つのレーザビームの偏光方向が直交しない場合であっても、両者の偏光状態が異なっている場合には、両者の偏光状態が同一である場合に比べて、干渉による影響を軽減することができる。
【００４０】
また、上記実施例では、レンズアレイ２を構成する複数のレンズを通過したレーザビームの経路のうちＸ軸方向に関して１つ置きに配置された経路内に１／２波長板６Ａを配置した。相互に隣り合うレーザビームが最も干渉しやすいため、１つ置きに１／２波長板６Ａを配置することにより、最も大きな効果が期待される。ただし、必ずしも１つ置きではなく、任意の一部のレンズを通過したレーザビームの経路内に１／２波長板を配置する場合でも、偏光状態制御素子を配置しない場合に比べて、干渉による影響を軽減することができるであろう。
【００４１】
図３（Ａ）及び（Ｂ）に、複数のレンズアレイを組み合わせたビーム均一化光学系（ビームホモジナイザ）の断面図を示す。レーザビームの進行方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を導入する。図３（Ａ）は、ｙｚ面に平行な断面図、図３（Ｂ）は、ｘｚ面に平行な断面図を示す。
【００４２】
図３（Ａ）に示すように、等価な７本のシリンドリカルレンズが、各々の母線方向をｘ軸と平行にし、かつｙ軸方向に配列し、ｘｙ面に平行な仮想平面に沿ったシリンダアレイ４５Ａと４５Ｂが構成されている。シリンダアレイ４５Ａ及び４５Ｂの各シリンドリカルレンズの光軸面はｘｚ面に平行である。ここで、光軸面とは、シリンドリカルレンズの面対称な結像系の対称面（シリンドリカルレンズの柱面の曲率中心線を含む結像系の対称面）を意味する。シリンダアレイ４５Ａは光の入射側（図の左方）に配置され、シリンダアレイ４５Ｂは出射側（図の右方）に配置されている。
【００４３】
図３（Ｂ）に示すように、等価な７本のシリンドリカルレンズが各々の母線方向をｙ軸と平行にし、かつｘ軸方向に配列し、ｘｙ面に平行な仮想平面に沿ったシリンダアレイ４６Ａと４６Ｂが構成されている。シリンダアレイ４６Ａ及び４６Ｂの各シリンドリカルレンズの光軸面はｙｚ面に平行である。シリンダアレイ４６Ａはシリンダアレイ４５Ａの前方（図の左方）に配置され、シリンダアレイ４６Ｂはシリンダアレイ４５Ａと４５Ｂとの間に配置されている。シリンダアレイ４５Ａと４５Ｂの対応するシリンドリカルレンズの光軸面は一致し、シリンダアレイ４６Ａと４６Ｂの対応するシリンドリカルレンズの光軸面も一致する。
【００４４】
レンズアレイ４５Ｂの後方（図の右方）に、偏光状態制御素子４５Ｃが配置されている。シリンダアレイ４６Ａと４６Ｂとの間に、偏光状態制御素子４６Ｃが配置されている。偏光状態制御素子４５Ｃ及び４６Ｃは、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示した偏光状態制御素子６、または図２に示した偏光状態制御素子６と同様の構成である。
【００４５】
偏光状態制御素子４５Ｃの後方に、コンデンサレンズ４９が配置されている。コンデンサレンズ４９の光軸は、ｚ軸に平行である。
【００４６】
図３（Ａ）を参照して、ｙｚ面内に関する光線束の伝搬の様子を説明する。ｙｚ面内においては、シリンダアレイ４６Ａ及び４６Ｂは単なる平板であるため、光線束の集束、発散に影響を与えない。また、ｙｚ面に平行な断面のｘ座標を固定して考えると、偏光状態制御素子４６Ｃを通過したレーザビームの偏光状態は、ｙ軸方向に関して一様である。
【００４７】
シリンダアレイ４６Ａの左方からｚ軸に平行な光軸を有する平行光線束４７がシリンダアレイ４６Ａに入射する。平行光線束４７は、例えば曲線５１ｙで示すように、中央部分で強く周辺部分で弱い光強度分布を有する。
【００４８】
平行光線束４７がシリンダアレイ４６Ａを透過し、シリンダアレイ４５Ａに入射する。入射光線束は、シリンダアレイ４５Ａにより各シリンドリカルレンズに対応した７つの集束光線束に分割される。図３（Ａ）では、中央と両端の光線束のみを代表して示している。７つの集束光線束は、それぞれ曲線５１ｙａ〜５１ｙｇで示す光強度分布を有する。シリンダアレイ４５Ａによって集束された光線束は、シリンダアレイ４５Ｂにより再度集束される。
【００４９】
シリンダアレイ４５Ｂにより集束した７つの集束光線束４８は、偏光状態制御素子４５Ｃによって偏光状態を制御され、集束レンズ４９の前方で結像する。この結像位置は、コンデンサレンズ４９の入射側焦点よりもレンズに近い。このため、コンデンサレンズ４９を透過した７つの光線束はそれぞれ発散光線束となり、ホモジナイズ面５０上において重なる。ホモジナイズ面５０を照射する７つの光線束のｙ軸方向の光強度分布は、それぞれ光強度分布５１ｙａ〜５１ｙｇをｙ軸方向に引き伸ばした分布に等しい。光強度分布５１ｙａと５１ｙｇ、５１ｙｂと５１ｙｆ、５１ｙｃと５１ｙｅは、それぞれｙ軸方向に関して反転させた関係を有するため、これらの光線束を重ね合わせた光強度分布は、実線５２ｙで示すように均一な分布に近づく。
【００５０】
また、偏光状態制御素子４５Ｃが配置されているため、シリンダアレイ４５Ａ及び４５Ｃの相互に隣り合うシリンドリカルレンズを通過したレーザビーム同士は干渉しない。このため、ｙ軸方向に関するスペックルパターンの発生を防止することができる。
【００５１】
図３（Ｂ）を参照して、ｘｚ面内に関する光線束の伝搬の様子を説明する。ｘｚ面内においては、シリンダアレイ４５Ａ及び４５Ｂは単なる平板であるため、光線束の集束、発散に影響を与えない。平行光線束４７がシリンダアレイ４６Ａに入射する。平行光線束４７は、例えば曲線５１ｘで示すように、中央部分で強く周辺部分で弱い光強度分布を有する。
【００５２】
平行光線束４７がシリンダアレイ４６Ａにより各シリンドリカルレンズに対応した７つの集束光線束に分割される。図３（Ｂ）では、中央と両端の光線束のみを代表して示している。７つの集束光線束は、それぞれ曲線５１ｘａ〜５１ｘｇで示す光強度分布を有する。
【００５３】
各光線束は、偏光状態制御素子４６Ｃによって偏光状態を制御され、シリンダアレイ４６Ｂの前方で結像し、発散光線束となってシリンダアレイ４６Ｂに入射する。シリンダアレイ４６Ｂに入射した各光線束は、それぞれある出射角を持って出射し、コンデンサレンズ４９に入射する。
【００５４】
コンデンサレンズ４９を透過した７つの光線束はそれぞれ集束光線束となり、ホモジナイズ面５０上において重なる。ホモジナイズ面５０を照射する７つの光線束のｘ軸方向の光強度分布は、図３（Ａ）の場合と同様に実線５２ｘで示すように均一な分布に近づく。また、偏光状態制御素子４６Ｃが配置されているため、ｘ軸方向に関するスペックルパターンの発生を防止することができる。
【００５５】
ホモジナイズ面５０上の光照射領域は、ｙ軸方向に長く、ｘ軸方向に短い線状の形状を有する。ホモジナイズ面５０の位置に、被照射物の表面を配置することにより、その表面内のｙ軸方向に長い線状の領域を、ほぼ均一に照射することができる。
【００５６】
シリンダアレイ４６Ａに入射するレーザビームの品質指標Ｍ2、ビーム径Ｄ、及び各シリンダアレイを構成するシリンドリカルレンズのピッチｈが、上述の条件式（７）または（８）を満たす場合、間隔ｈだけ離れたレーザビーム同士の干渉性がなくなり、ホモジナイズ面５０上における強度分布をより均一に近づけることができる。
【００５７】
図４に、図３のホモジナイザを用いたレーザアニーリング装置の平面図を示す。レーザアニーリング装置は、処理チャンバ４０、搬送チャンバ８２、搬出入チャンバ８３、８４、レーザ光源７１、ホモジナイザ７２、ＣＣＤカメラ８８、及びビデオモニタ８９を含んで構成される。ホモジナイザ７２は、図２に示したホモジナイザと同一のものである。処理チャンバ４０には、ベローズ６７、結合部材６３、６５、リニアガイド機構６４及びリニアモータ６６等を含む直動機構６０が取り付けられている。直動機構６０は、処理チャンバ６０内に配置されたステージ４４を並進移動させることができる。
【００５８】
処理チャンバ４０と搬送チャンバ８２がゲートバルブ８５を介して結合され、搬送チャンバ８２と搬出入チャンバ８３、及び搬送チャンバ８２と搬出入チャンバ８４が、それぞれゲートバルブ８６及び８７を介して結合されている。処理チャンバ４０、搬出入チャンバ８３及び８４には、それぞれ真空ポンプ９１、９２及び９３が取り付けられ、各チャンバの内部を真空排気することができる。
【００５９】
搬送チャンバ８２内には、搬送用ロボット９４が収容されている。搬送用ロボット９４は、処理チャンバ４０、搬出入チャンバ８３及び８４の各チャンバ相互間で処理基板を移送する。
【００６０】
処理チャンバ４０の上面に、レーザビーム透過用の石英窓３８が設けられている。なお、石英の代わりに、ＢＫ７等の可視光学ガラスを用いてもよい。連続発振したレーザ光源７１から出力されたレーザビームがアッテネータ７６を通ってホモジナイザ７２に入射する。ホモジナイザ７２は、レーザビームの断面形状を細長い形状にする。ホモジナイザ７２を通過したレーザビームは、ビームの断面形状に対応した細長い石英窓３８を透過し、処理チャンバ４０内のステージ４４上に保持された処理基板を照射する。基板の表面がホモジナイズ面に一致するように、ホモジナイザ７２と処理基板との相対位置が調節されている。
【００６１】
直動機構６０によりステージ４４が並進移動する方向は、石英窓３８の長尺方向に直交する向きである。これにより、基板表面の広い領域にレーザビームを照射し、基板の表面上に形成されたアモルファス半導体膜を多結晶化することができる。基板表面はＣＣＤカメラ８８により撮影され、処理中の基板表面をビデオモニタ８９で観察することができる。
【００６２】
レーザ光源７１及びホモジナイザ７２が上述の条件式（７）または（８）を満たす場合、処理基板上におけるスペックルパターンの発生を防止し、形成された多結晶膜の品質を高めることができる。
【００６３】
図４に示したレーザアニーリング装置は、アモルファス半導体の多結晶化のみならず、半導体膜に注入された不純物の活性化アニールにも使用することができる。
【００６４】
次に、図５（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、他の実施例によるレーザビーム均一化光学系について説明する。
【００６５】
図５（Ａ）にレンズアレイ２１の正面図を示し、図５（Ｂ）に偏光状態制御素子２０の正面図を示す。レンズアレイ２１及び偏光状態制御素子２０は、それぞれ図１（Ａ）に示したレンズアレイ２及び偏光状態制御素子６に代わるものである。
【００６６】
図５（Ａ）に示すように、Ｘ軸方向（列方向）及びＹ軸方向（行方向）に複数の凸レンズ２１Ａが配置されている。行方向及び列方向のピッチは共にｈである。行列状に配置された複数の凸レンズ２１Ａが、１本のレーザビームを、ビーム断面がＸＹ面内に行列状に配置された複数のレーザビームに分割する。
【００６７】
図５（Ｂ）に示すように、偏光状態制御素子２０に、レンズアレイ２１の複数のレンズ２１Ａの各々に対応した単位領域が画定されている。行方向及び列方向に関して１つ置きの単位領域２０Ａ（図５（Ｂ）でハッチが付された単位領域）に、１／２波長板が配置されている。単位領域２０Ａを通過するレーザビームは、その偏光方向を９０°旋回させる。その他の単位領域２０Ｂを通過するレーザビームの偏光方向は変化しない。
【００６８】
このため、行方向及び列方向に関して隣り合う単位領域を通過したレーザビームの偏光方向は相互に直交する。このため、両者の干渉を防止し、スペックルパターンの発生を防止することができる。
【００６９】
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。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、１つのレーザビームから分割された複数のレーザビームのうち相互に隣接する経路を進行するビームの偏光状態を異ならせることにより、両者の干渉を軽減させることができる。これにより、分割された複数のレーザビームを重ね合わせた時のスペックルパターンの発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例によるレーザビーム均一化光学系の断面図、及びそれに用いられる偏光状態制御素子の正面図である。
【図２】 偏光状態制御素子の他の構成例を示す正面図である。
【図３】 他の実施例によるレーザビーム均一化光学系の断面図である。
【図４】 実施例によるレーザビーム均一化光学系を用いたレーザアニーリング装置の平面図である。
【図５】 （Ａ）はレンズアレイの正面図、（Ｂ）は偏光状態制御素子の正面図である。
【符号の説明】
１、３ レーザビーム
２、２１、４５Ａ、４５Ｂ、４６Ａ、４６Ｂ レンズアレイ
４、４９ コンデンサレンズ
５、５０ ホモジナイズ面
６、２０、４５Ｃ、４６Ｃ 偏光状態制御素子
６Ａ １／２波長板
６Ｓ スロー軸
６Ｆ ファースト軸
１０Ａ、１０Ｂ 偏光方向
３８ 石英窓
４０ 処理チャンバ
４４ ステージ
６０ 直動機構
６３、６５ 結合部材
６４ リニアガイド機構
６６ リニアモータ
６７ ベローズ
７１ レーザ光源
７２ ホモジナイザ
７６ アッテネータ
８２ 搬送チャンバ
８３、８４ 搬出入チャンバ
８５、８６、８７ ゲートバルブ
８８ ＣＣＤカメラ
８９ ビデオモニタ
９１、９２、９３ 真空ポンプ
９４ 搬送用ロボット
【発明の属する技術分野】
本発明は、均一化レーザビーム照射装置に関し、特にレンズアレイを用いて１本のレーザビームを複数のビームに分割し、分割されたビームを共通の領域内に入射させて重ね合わせる均一化レーザビーム照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザビームは、種々の用途に用いられる。アモルファスシリコンの結晶化アニールやフォトリソグラフィにおいては、目的とする領域内で均一な強度分布を有するレーザビームが望まれる。レーザビームは本来可干渉性を有する。光路の異なるビームが重ね合わされると干渉が生じ、強度のうねり（スペックルパターン）が生じる。また、レーザビームは一般的にビーム断面内で強度が均一ではない。中央部の強度は高く、周辺部の強度は低い。
【０００３】
均一な強度分布を有するレーザビームを形成する技術として、レンズアレイを用いる方法が知られている。レーザ光源から出射されたレーザビームをレンズアレイで複数のビームに分割し、分割された複数のレーザビームを被照射面上に重ね合わせることにより、強度分布を均一化することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１６８５１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
干渉性のよいレーザビームをレンズアレイで均一化しようとする場合、分割されたレーザビームが重ね合わされる時に互いに干渉し、スペックルパターンを生じる場合がある。レーザ光源としてエキシマレーザを用いる場合には、その空間コヒーレンス長が短いため、スペックルパターンは生じにくい。ところが、空間コヒーレンス長の長いレーザ光源、例えばＮｄ：ＹＡＧ等の固体レーザを用いる場合には、スペックルパターンが生じやすい。
【０００６】
フォトリソグラフィ用のステッパ等ではレンズアレイの前段のミラーを振動させ、複数ショットのパワー密度を積算することにより、干渉による強度のうねりの影響を排除している。ところが、この方法では、１ショットのみを照射する場合に、強度のうねりの影響を排除することはできない。
【０００７】
本発明の目的は、複数のレーザビームを重ね合わせた時の干渉に起因する強度のうねりを低減させることが可能な均一化レーザビーム照射装置を提供することである。
【０００８】
本発明の一観点によると、直線偏光されたレーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザビームが入射し、該レーザビームの進行方向と交差する第１の方向に配列した複数のレンズによって、入射したレーザビームを第１の方向に関して複数のビームに分割する第１のレンズアレイと、前記第１のレンズアレイで分割された複数のレーザビームの経路のうち第１の方向に関して１つ置きの経路内に配置された１／２波長板を含み、前記第１のレンズアレイの相互に隣り合うレンズを通過した２本のレーザビームの偏光方向が相互に直交するように偏光状態を変化させる第１の偏光状態制御手段と、前記第１のレンズアレイによって分割された複数のビームを、被照射面上で重ね合わせる重ね合わせ光学系とを有し、前記第１のレンズアレイを構成する複数のレンズが、前記第１の方向と直交する第２の方向と平行な柱面を有するシリンドリカルレンズであり、前記第１のレンズアレイに入射するレーザビームの偏光方向が、該第２の方向から４５°傾いており、前記１／２波長板のスロー軸またはファースト軸が該第２の方向と平行である均一化レーザビーム照射装置が提供される。
【０００９】
相互に隣り合うレンズを通過した２本のレーザビームの偏光状態を相互に異ならせることにより、両者を重ね合わせた時の干渉による影響を軽減し、スペックルパターンの発生を抑制することができる
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１（Ａ）に、本発明の実施例によるビーム均一化光学系の断面図を示す。Ｎｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＬＦレーザ等の固体レーザ光源から出射されたレーザビーム１がレンズアレイ２に入射する。レンズアレイ２に入射するレーザビーム１は直線偏光されており、その直径はＤである。レンズアレイ２の入射位置におけるレーザビーム１の強度分布は、例えばガウス分布で近似される。レーザビーム１の進行方向をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を導入する。レーザビーム１の偏光方向がＸ軸に平行であるとする。
【００１１】
レンズアレイ２は、複数の凸シリンドリカルレンズで構成される。各シリンドリカルレンズは、Ｙ軸に平行な母線からなる凸の柱面を有し、Ｘ軸方向にピッチｈで相互に密接して配列されている。レーザビーム１は、レンズアレイ２によりＺＸ面内において収束する複数のレーザビーム３に分割される。各レーザビーム３は、シリンドリカルレンズの焦点においてＹ軸に平行な直線上に集光され、その後ＺＸ面内で発散する光線束になりコンデンサレンズ（重ね合わせ光学系）４に入射する。
【００１２】
コンデンサレンズ４は、複数のレーザビーム３を、ホモジナイズ面５上の共通の被照射領域５Ａに入射させる。強度分布の異なる複数のレーザビーム３がホモジナイズ面５上で重ね合わされることにより、強度分布を均一化することができる。
【００１３】
レンズアレイ２とコンデンサレンズ４との間に、偏光状態制御素子６が配置されている。偏光状態制御素子６は、レンズアレイ２を構成するレンズを通過した複数のレーザビーム３の経路のうちＸ軸方向に関して１つ置きの経路内に配置された１／２波長板６Ａにより構成される。図１（Ａ）では、図の下から上に向かって各レンズに１から順番に番号を振ったとき、奇数番目のレンズを通過したレーザビームの経路内に１／２波長板６Ａが配置されている。
【００１４】
図１（Ｂ）に、偏光状態制御素子６の正面図を示す。Ｙ軸方向に長い１／２波長板６ＡがＸ軸方向に４枚配列されている。各１／２波長板６Ａの幅、及び相互に隣り合う１／２波長板６Ａの間隔はレンズアレイ２のピッチｈに等しい。各１／２波長板６Ａのスロー軸６Ｓ及びファースト軸６Ｆは、Ｘ軸方向、すなわち入射するレーザビーム１の偏光方向から４５°傾いている。このため、１／２波長板６Ａを透過したレーザビームの偏光方向１０Ａは、Ｙ軸に平行になる。これに対し、１／２波長板の間を通過したレーザビームの偏光方向１０Ｂは、Ｘ軸に平行になる。
【００１５】
図１（Ａ）に戻って説明を続ける。Ｘ軸方向に隣り合う２つのレンズを通過したレーザビーム３の偏光方向が相互に直交するため、両者が重ね合わされたとしても干渉は生じない。
【００１６】
レンズアレイ３によって分割された複数のレーザビームに干渉性がある場合には、スペックルパターンが生じる。レンズアレイ２により分割された複数のレーザビームのうち任意の２つのレーザビームが重ね合わされる時の両者の中心光線の成す角をα、レーザビームの波長をλとすると、スペックルパターンのピッチＰは、
【００１７】
【数１】
Ｐ＝λ／（２×ｓｉｎ（α／２）） ・・・（１）
となる。
【００１８】
着目するレーザビームの組み合わせにより、中心光線の成す角αが異なるため、種々のピッチＰを有するスペックルパターンが形成される。偏光状態制御素子６が配置されていない場合には、相互に隣接するレーザビーム同士の組み合わせが最も多く、かつ干渉性が最も高いため、相互に隣接するレーザビームの中心光線の成す角αに基づくピッチＰのスペックルパターンが最も強く現れる。図１に示した均一化光学系には偏光状態制御素子６が配置されているため、相互に隣接するレーザビームに起因するスペックルパターンは現れない。
【００１９】
図１（Ａ）では、レーザビーム３が収束されて、そのＸ軸方向の厚さが薄くなった位置に、偏光状態制御素子６が配置されている。このため、隣のレーザビームの通過経路内に１／２波長板６Ａが侵入することなく、余裕をもって１／２波長板を配置することができる。１／２波長板６Ａを、レーザビーム３の集光位置に配置すると、より大きな余裕を確保することができる。
【００２０】
なお、１／２波長板の位置精度を高められる場合には、偏光状態制御素子６をレンズアレイ２の前方に配置してもよい。
【００２１】
以下、レンズアレイ２を構成するレンズのうち間隔ｈだけ隔てて配置された２つのレンズを通過したレーザビームによる干渉について考察する。レーザビームの特性を表すパラメータの一つに、空間コヒーレンス長がある。空間コヒーレンス長は、同一ビーム内で互いに干渉の及ぶ最大長のことである。すなわち、空間コヒーレンス長よりも大きな間隔を有する２点を通過するビーム要素同士は互いに干渉性を有しない。逆に、空間コヒーレンス長よりも小さな間隔を有する２点を通過するビーム要素同士は、互いに干渉する。
【００２２】
上述のように、偏光状態制御素子６を配置することにより、光路が相互に隣り合うレーザビーム同士の干渉を防止することができる。次に、レーザビームの光路１つ分を隔てて配置された２本のレーザビーム同士の干渉を防止する方法について説明する。
【００２３】
レンズアレイ２を構成する複数のシリンドリカルレンズのＸ軸方向のピッチをｈとし、レーザビームの空間コヒーレンス長をＸｃとする。間隔ｈだけ隔てて配置された２つのレンズの中心間距離は２ｈになるため、
【００２４】
【数２】
Ｘｃ＜２ｈ ・・・（２）
を満たすとき、２つのレーザビームは干渉しない。
【００２５】
焦点距離ｆの無収差レンズで集光できる最小のビームスポットをｄとすると、下記の関係式が成立する。
【００２６】
【数３】
ｄ≒２．４４λｆ／Ｘｃ ・・・（３）
また、集光できる最小のビームスポットをｄとすると、レーザビームの品質指標Ｍ2は下記の式で定義される。
【００２７】
【数４】
Ｍ2＝（π／４λ）ｄθ ・・・（４）
ここで、θは遠視野広がり角である。レンズアレイ２に入射するレーザビームの直径をＤとすると、
【００２８】
【数５】
θ≒Ｄ／ｆ ・・・（５）
であることを考慮すると、
【００２９】
【数６】
Ｘｃ≒０．６１πｆθ／Ｍ2＝０．６１πＤ／Ｍ2 ・・・（６）
が成立する。式（６）と干渉の生じない条件式（２）とから、
【００３０】
【数７】
Ｍ2＞０．６１πＤ／（２ｈ） ・・・（７）
が得られる。従って、レーザビームの品質指標Ｍ2、ビーム径Ｄ、レンズアレイ２のピッチｈが、条件式（７）を満足するように光学系を設計すると、レンズアレイ２の、間隔ｈを隔てて（中心間距離２ｈ）配置された２つのシリンドリカルレンズを通過したレーザビーム同士の干渉を防止し、ホモジナイズ面５上のビーム照射領域の強度の均一性を高めることができる。
【００３１】
なお、ビームの通過する２点の間隔が空間コヒーレンス長Ｘｃを超えると、完全に干渉性がなくなるわけではなく、わずかながら干渉性が残る場合もある。従って、安全係数をκ＞１として、
【００３２】
【数８】
Ｍ2＞０．６１κπＤ／（２ｈ） ・・・（８）
を満足するように設計してもよい。
【００３３】
例えば、レンズアレイ２に入射するレーザビームの直径Ｄを４５ｍｍ、レンズアレイのピッチｈを５ｍｍとすると、式（８）からＭ2＞８．６３κが得られる。安全係数κを１．２とすると、Ｍ2＞１０．４になる。すなわち、品質指標Ｍ2が１０．４よりも大きいレーザ光源を選択することにより、中心間距離２ｈのレーザビーム同士の干渉によるスペックルパターンの発生を防止することができる。
【００３４】
逆に、品質指標Ｍ2が１０のレーザ光源を使用し、安全係数κを１．２にすると、ｈ＞０．１２Ｄになる。すなわち、レンズアレイ２を構成するシリンドリカルレンズを９本にして、レーザビームを９分割すれば、スペックルパターンの発生を防止することができる。レーザ光源から出射されるレーザビームの直径が５ｍｍであり、それをテレスコープで８倍に拡大してビーム径を４０ｍｍにし、レンズアレイ２に入射させる場合には、ｈ＞４．８ｍｍとすればよい。
【００３５】
式（７）及び（８）では、レーザビームの品質指標Ｍ2の上限値が制限されない。ところが、品質指標Ｍ2が大きくなると、集光できる最小ビームスポットが大きくなってしまう。レーザビームを線状の領域に集光する場合には、集光される線状領域を細くすることができなくなる。集光される線状領域の幅をｗ、コンデンサレンズの焦点距離をｆとすると、品質指標Ｍ2の上限が下記の式で規定される。
【００３６】
【数９】
Ｍ2≦（π／４λ）ｗ（Ｄ／ｆ） ・・・（９）
図２に、偏光状態制御素子６の他の構成例を示す。図１（Ｂ）では、偏光状態制御素子６を構成する１／２波長板６Ａのスロー軸６Ｓ及びファースト軸６Ｆが、Ｘ軸から４５°傾いていた。図２に示した偏光状態制御素子６では、１／２波長板６Ａのスロー軸６ＳがＹ軸と平行であり、ファースト軸６ＦがＸ軸と平行である。その代わりに、レンズアレイ２に入射するレーザビーム１の偏光方向がＸ軸から４５°傾いている。
【００３７】
このため、１／２波長板６Ａの間を通過したレーザビームの偏光方向１０Ｂは、元のレーザビーム１の偏光方向の傾く方向と同じ方向に、Ｘ軸から４５°傾く。１／２波長板６Ａを通過したレーザビームの偏光方向１０Ａは、１／２波長板６Ａの間を通過したレーザビームの偏光方向１０Ｂとは反対向きに、Ｘ軸から４５°傾く。このため、相互に隣り合うレンズを通過した２本のレーザビームの偏光方向は、相互に直交する。なお、ファースト軸６ＦがＹ軸と平行になるように配置してもよい。
【００３８】
図２に示した１／２波長板６Ａにおいては、スロー軸６Ｓまたはファースト軸６Ｆが１／２波長板６Ａの長手方向と平行になるため、１／２波長板の製造が容易になる。
【００３９】
上記実施例では、レンズアレイ２の相互に隣り合うレンズを通過したレーザビームの偏光方向を直交させた。偏光方向を直交させることにより、２つのレーザビームの干渉による影響をほぼ完全に排除することができる。２つのレーザビームの偏光方向が直交しない場合であっても、両者の偏光状態が異なっている場合には、両者の偏光状態が同一である場合に比べて、干渉による影響を軽減することができる。
【００４０】
また、上記実施例では、レンズアレイ２を構成する複数のレンズを通過したレーザビームの経路のうちＸ軸方向に関して１つ置きに配置された経路内に１／２波長板６Ａを配置した。相互に隣り合うレーザビームが最も干渉しやすいため、１つ置きに１／２波長板６Ａを配置することにより、最も大きな効果が期待される。ただし、必ずしも１つ置きではなく、任意の一部のレンズを通過したレーザビームの経路内に１／２波長板を配置する場合でも、偏光状態制御素子を配置しない場合に比べて、干渉による影響を軽減することができるであろう。
【００４１】
図３（Ａ）及び（Ｂ）に、複数のレンズアレイを組み合わせたビーム均一化光学系（ビームホモジナイザ）の断面図を示す。レーザビームの進行方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を導入する。図３（Ａ）は、ｙｚ面に平行な断面図、図３（Ｂ）は、ｘｚ面に平行な断面図を示す。
【００４２】
図３（Ａ）に示すように、等価な７本のシリンドリカルレンズが、各々の母線方向をｘ軸と平行にし、かつｙ軸方向に配列し、ｘｙ面に平行な仮想平面に沿ったシリンダアレイ４５Ａと４５Ｂが構成されている。シリンダアレイ４５Ａ及び４５Ｂの各シリンドリカルレンズの光軸面はｘｚ面に平行である。ここで、光軸面とは、シリンドリカルレンズの面対称な結像系の対称面（シリンドリカルレンズの柱面の曲率中心線を含む結像系の対称面）を意味する。シリンダアレイ４５Ａは光の入射側（図の左方）に配置され、シリンダアレイ４５Ｂは出射側（図の右方）に配置されている。
【００４３】
図３（Ｂ）に示すように、等価な７本のシリンドリカルレンズが各々の母線方向をｙ軸と平行にし、かつｘ軸方向に配列し、ｘｙ面に平行な仮想平面に沿ったシリンダアレイ４６Ａと４６Ｂが構成されている。シリンダアレイ４６Ａ及び４６Ｂの各シリンドリカルレンズの光軸面はｙｚ面に平行である。シリンダアレイ４６Ａはシリンダアレイ４５Ａの前方（図の左方）に配置され、シリンダアレイ４６Ｂはシリンダアレイ４５Ａと４５Ｂとの間に配置されている。シリンダアレイ４５Ａと４５Ｂの対応するシリンドリカルレンズの光軸面は一致し、シリンダアレイ４６Ａと４６Ｂの対応するシリンドリカルレンズの光軸面も一致する。
【００４４】
レンズアレイ４５Ｂの後方（図の右方）に、偏光状態制御素子４５Ｃが配置されている。シリンダアレイ４６Ａと４６Ｂとの間に、偏光状態制御素子４６Ｃが配置されている。偏光状態制御素子４５Ｃ及び４６Ｃは、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示した偏光状態制御素子６、または図２に示した偏光状態制御素子６と同様の構成である。
【００４５】
偏光状態制御素子４５Ｃの後方に、コンデンサレンズ４９が配置されている。コンデンサレンズ４９の光軸は、ｚ軸に平行である。
【００４６】
図３（Ａ）を参照して、ｙｚ面内に関する光線束の伝搬の様子を説明する。ｙｚ面内においては、シリンダアレイ４６Ａ及び４６Ｂは単なる平板であるため、光線束の集束、発散に影響を与えない。また、ｙｚ面に平行な断面のｘ座標を固定して考えると、偏光状態制御素子４６Ｃを通過したレーザビームの偏光状態は、ｙ軸方向に関して一様である。
【００４７】
シリンダアレイ４６Ａの左方からｚ軸に平行な光軸を有する平行光線束４７がシリンダアレイ４６Ａに入射する。平行光線束４７は、例えば曲線５１ｙで示すように、中央部分で強く周辺部分で弱い光強度分布を有する。
【００４８】
平行光線束４７がシリンダアレイ４６Ａを透過し、シリンダアレイ４５Ａに入射する。入射光線束は、シリンダアレイ４５Ａにより各シリンドリカルレンズに対応した７つの集束光線束に分割される。図３（Ａ）では、中央と両端の光線束のみを代表して示している。７つの集束光線束は、それぞれ曲線５１ｙａ〜５１ｙｇで示す光強度分布を有する。シリンダアレイ４５Ａによって集束された光線束は、シリンダアレイ４５Ｂにより再度集束される。
【００４９】
シリンダアレイ４５Ｂにより集束した７つの集束光線束４８は、偏光状態制御素子４５Ｃによって偏光状態を制御され、集束レンズ４９の前方で結像する。この結像位置は、コンデンサレンズ４９の入射側焦点よりもレンズに近い。このため、コンデンサレンズ４９を透過した７つの光線束はそれぞれ発散光線束となり、ホモジナイズ面５０上において重なる。ホモジナイズ面５０を照射する７つの光線束のｙ軸方向の光強度分布は、それぞれ光強度分布５１ｙａ〜５１ｙｇをｙ軸方向に引き伸ばした分布に等しい。光強度分布５１ｙａと５１ｙｇ、５１ｙｂと５１ｙｆ、５１ｙｃと５１ｙｅは、それぞれｙ軸方向に関して反転させた関係を有するため、これらの光線束を重ね合わせた光強度分布は、実線５２ｙで示すように均一な分布に近づく。
【００５０】
また、偏光状態制御素子４５Ｃが配置されているため、シリンダアレイ４５Ａ及び４５Ｃの相互に隣り合うシリンドリカルレンズを通過したレーザビーム同士は干渉しない。このため、ｙ軸方向に関するスペックルパターンの発生を防止することができる。
【００５１】
図３（Ｂ）を参照して、ｘｚ面内に関する光線束の伝搬の様子を説明する。ｘｚ面内においては、シリンダアレイ４５Ａ及び４５Ｂは単なる平板であるため、光線束の集束、発散に影響を与えない。平行光線束４７がシリンダアレイ４６Ａに入射する。平行光線束４７は、例えば曲線５１ｘで示すように、中央部分で強く周辺部分で弱い光強度分布を有する。
【００５２】
平行光線束４７がシリンダアレイ４６Ａにより各シリンドリカルレンズに対応した７つの集束光線束に分割される。図３（Ｂ）では、中央と両端の光線束のみを代表して示している。７つの集束光線束は、それぞれ曲線５１ｘａ〜５１ｘｇで示す光強度分布を有する。
【００５３】
各光線束は、偏光状態制御素子４６Ｃによって偏光状態を制御され、シリンダアレイ４６Ｂの前方で結像し、発散光線束となってシリンダアレイ４６Ｂに入射する。シリンダアレイ４６Ｂに入射した各光線束は、それぞれある出射角を持って出射し、コンデンサレンズ４９に入射する。
【００５４】
コンデンサレンズ４９を透過した７つの光線束はそれぞれ集束光線束となり、ホモジナイズ面５０上において重なる。ホモジナイズ面５０を照射する７つの光線束のｘ軸方向の光強度分布は、図３（Ａ）の場合と同様に実線５２ｘで示すように均一な分布に近づく。また、偏光状態制御素子４６Ｃが配置されているため、ｘ軸方向に関するスペックルパターンの発生を防止することができる。
【００５５】
ホモジナイズ面５０上の光照射領域は、ｙ軸方向に長く、ｘ軸方向に短い線状の形状を有する。ホモジナイズ面５０の位置に、被照射物の表面を配置することにより、その表面内のｙ軸方向に長い線状の領域を、ほぼ均一に照射することができる。
【００５６】
シリンダアレイ４６Ａに入射するレーザビームの品質指標Ｍ2、ビーム径Ｄ、及び各シリンダアレイを構成するシリンドリカルレンズのピッチｈが、上述の条件式（７）または（８）を満たす場合、間隔ｈだけ離れたレーザビーム同士の干渉性がなくなり、ホモジナイズ面５０上における強度分布をより均一に近づけることができる。
【００５７】
図４に、図３のホモジナイザを用いたレーザアニーリング装置の平面図を示す。レーザアニーリング装置は、処理チャンバ４０、搬送チャンバ８２、搬出入チャンバ８３、８４、レーザ光源７１、ホモジナイザ７２、ＣＣＤカメラ８８、及びビデオモニタ８９を含んで構成される。ホモジナイザ７２は、図２に示したホモジナイザと同一のものである。処理チャンバ４０には、ベローズ６７、結合部材６３、６５、リニアガイド機構６４及びリニアモータ６６等を含む直動機構６０が取り付けられている。直動機構６０は、処理チャンバ６０内に配置されたステージ４４を並進移動させることができる。
【００５８】
処理チャンバ４０と搬送チャンバ８２がゲートバルブ８５を介して結合され、搬送チャンバ８２と搬出入チャンバ８３、及び搬送チャンバ８２と搬出入チャンバ８４が、それぞれゲートバルブ８６及び８７を介して結合されている。処理チャンバ４０、搬出入チャンバ８３及び８４には、それぞれ真空ポンプ９１、９２及び９３が取り付けられ、各チャンバの内部を真空排気することができる。
【００５９】
搬送チャンバ８２内には、搬送用ロボット９４が収容されている。搬送用ロボット９４は、処理チャンバ４０、搬出入チャンバ８３及び８４の各チャンバ相互間で処理基板を移送する。
【００６０】
処理チャンバ４０の上面に、レーザビーム透過用の石英窓３８が設けられている。なお、石英の代わりに、ＢＫ７等の可視光学ガラスを用いてもよい。連続発振したレーザ光源７１から出力されたレーザビームがアッテネータ７６を通ってホモジナイザ７２に入射する。ホモジナイザ７２は、レーザビームの断面形状を細長い形状にする。ホモジナイザ７２を通過したレーザビームは、ビームの断面形状に対応した細長い石英窓３８を透過し、処理チャンバ４０内のステージ４４上に保持された処理基板を照射する。基板の表面がホモジナイズ面に一致するように、ホモジナイザ７２と処理基板との相対位置が調節されている。
【００６１】
直動機構６０によりステージ４４が並進移動する方向は、石英窓３８の長尺方向に直交する向きである。これにより、基板表面の広い領域にレーザビームを照射し、基板の表面上に形成されたアモルファス半導体膜を多結晶化することができる。基板表面はＣＣＤカメラ８８により撮影され、処理中の基板表面をビデオモニタ８９で観察することができる。
【００６２】
レーザ光源７１及びホモジナイザ７２が上述の条件式（７）または（８）を満たす場合、処理基板上におけるスペックルパターンの発生を防止し、形成された多結晶膜の品質を高めることができる。
【００６３】
図４に示したレーザアニーリング装置は、アモルファス半導体の多結晶化のみならず、半導体膜に注入された不純物の活性化アニールにも使用することができる。
【００６４】
次に、図５（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、他の実施例によるレーザビーム均一化光学系について説明する。
【００６５】
図５（Ａ）にレンズアレイ２１の正面図を示し、図５（Ｂ）に偏光状態制御素子２０の正面図を示す。レンズアレイ２１及び偏光状態制御素子２０は、それぞれ図１（Ａ）に示したレンズアレイ２及び偏光状態制御素子６に代わるものである。
【００６６】
図５（Ａ）に示すように、Ｘ軸方向（列方向）及びＹ軸方向（行方向）に複数の凸レンズ２１Ａが配置されている。行方向及び列方向のピッチは共にｈである。行列状に配置された複数の凸レンズ２１Ａが、１本のレーザビームを、ビーム断面がＸＹ面内に行列状に配置された複数のレーザビームに分割する。
【００６７】
図５（Ｂ）に示すように、偏光状態制御素子２０に、レンズアレイ２１の複数のレンズ２１Ａの各々に対応した単位領域が画定されている。行方向及び列方向に関して１つ置きの単位領域２０Ａ（図５（Ｂ）でハッチが付された単位領域）に、１／２波長板が配置されている。単位領域２０Ａを通過するレーザビームは、その偏光方向を９０°旋回させる。その他の単位領域２０Ｂを通過するレーザビームの偏光方向は変化しない。
【００６８】
このため、行方向及び列方向に関して隣り合う単位領域を通過したレーザビームの偏光方向は相互に直交する。このため、両者の干渉を防止し、スペックルパターンの発生を防止することができる。
【００６９】
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。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、１つのレーザビームから分割された複数のレーザビームのうち相互に隣接する経路を進行するビームの偏光状態を異ならせることにより、両者の干渉を軽減させることができる。これにより、分割された複数のレーザビームを重ね合わせた時のスペックルパターンの発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例によるレーザビーム均一化光学系の断面図、及びそれに用いられる偏光状態制御素子の正面図である。
【図２】 偏光状態制御素子の他の構成例を示す正面図である。
【図３】 他の実施例によるレーザビーム均一化光学系の断面図である。
【図４】 実施例によるレーザビーム均一化光学系を用いたレーザアニーリング装置の平面図である。
【図５】 （Ａ）はレンズアレイの正面図、（Ｂ）は偏光状態制御素子の正面図である。
【符号の説明】
１、３ レーザビーム
２、２１、４５Ａ、４５Ｂ、４６Ａ、４６Ｂ レンズアレイ
４、４９ コンデンサレンズ
５、５０ ホモジナイズ面
６、２０、４５Ｃ、４６Ｃ 偏光状態制御素子
６Ａ １／２波長板
６Ｓ スロー軸
６Ｆ ファースト軸
１０Ａ、１０Ｂ 偏光方向
３８ 石英窓
４０ 処理チャンバ
４４ ステージ
６０ 直動機構
６３、６５ 結合部材
６４ リニアガイド機構
６６ リニアモータ
６７ ベローズ
７１ レーザ光源
７２ ホモジナイザ
７６ アッテネータ
８２ 搬送チャンバ
８３、８４ 搬出入チャンバ
８５、８６、８７ ゲートバルブ
８８ ＣＣＤカメラ
８９ ビデオモニタ
９１、９２、９３ 真空ポンプ
９４ 搬送用ロボット
Claims (9)
- 直線偏光されたレーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザビームが入射し、該レーザビームの進行方向と交差する第１の方向に配列した複数のレンズによって、入射したレーザビームを第１の方向に関して複数のビームに分割する第１のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイで分割された複数のレーザビームの経路のうち第１の方向に関して１つ置きの経路内に配置された１／２波長板を含み、前記第１のレンズアレイの相互に隣り合うレンズを通過した２本のレーザビームの偏光方向が相互に直交するように偏光状態を変化させる第１の偏光状態制御手段と、
前記第１のレンズアレイによって分割された複数のビームを、被照射面上で重ね合わせる重ね合わせ光学系と
を有し、
前記第１のレンズアレイを構成する複数のレンズが、前記第１の方向と直交する第２の方向と平行な柱面を有するシリンドリカルレンズであり、前記第１のレンズアレイに入射するレーザビームの偏光方向が、該第２の方向から４５°傾いており、前記１／２波長板のスロー軸またはファースト軸が該第２の方向と平行である均一化レーザビーム照射装置。 - 前記第１のレンズアレイを構成する複数のレンズの各々が集光レンズであり、前記第１の偏光状態制御手段が、前記第１のレンズアレイの後方に配置されている請求項１に記載の均一化レーザビーム照射装置。
- 前記レーザ光源が、品質指標Ｍ２のレーザビームを出射し、
前記第１のレンズアレイに入射するレーザビームの直径をＤ、前記第１のレンズアレイを構成する複数のレンズの配列ピッチをｈとしたとき、Ｍ２＞（０．６１πＤ／（２ｈ））を満足する請求項１または２に記載の均一化レーザビーム照射装置。 - レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザビームが入射し、該レーザビームの進行方向と交差する第１の方向に配列した複数のレンズによって、入射したレーザビームを第１の方向に関して複数のビームに分割する第１のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイの、相互に隣り合うレンズを通過した２本のレーザビームの偏光状態が相互に異なるように、レーザビームの偏光状態を変える第１の偏光状態制御手段と、
前記第１のレンズアレイによって分割された複数のビームを、被照射面上で重ね合わせる重ね合わせ光学系と
を有し、
前記第１の偏光状態制御手段が、前記第１のレンズアレイを構成する集光レンズによる集光位置に配置されている均一化レーザビーム照射装置。 - 前記レーザ光源が、品質指標Ｍ２のレーザビームを出射し、
前記第１のレンズアレイに入射するレーザビームの直径をＤ、前記第１のレンズアレイを構成する複数のレンズの配列ピッチをｈとしたとき、Ｍ２＞（０．６１πＤ／（２ｈ））を満足する請求項４に記載の均一化レーザビーム照射装置。 - レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザビームが入射し、該レーザビームの進行方向と交差する第１の方向に配列した複数のレンズによって、入射したレーザビームを第１の方向に関して複数のビームに分割する第１のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイの、相互に隣り合うレンズを通過した２本のレーザビームの偏光状態が相互に異なるように、レーザビームの偏光状態を変える第１の偏光状態制御手段と、
前記第１のレンズアレイによって分割された複数のビームを、被照射面上で重ね合わせる重ね合わせ光学系と、
前記第１のレンズアレイにより分割された複数のレーザビームが入射し、前記第１の方向と直交する第２の方向に配列した複数のレンズによって、入射した複数のレーザビームの各々を、第２の方向に関して複数のビームに分割する第２のレンズアレイと、
前記第２のレンズアレイの、相互に隣り合うレンズを通過した２本のレーザビームの偏光状態が相互に異なるように、レーザビームの偏光状態を変える第２の偏光状態制御手段と
を有し、
前記第１の偏光状態制御手段は、前記第１のレンズアレイによって分割されたレーザビームの経路のうち第１の方向に関して１つ置きの経路内に配置された１／２波長板を含み、前記第２の偏光状態制御手段は、前記第２のレンズアレイによって分割されたレーザビームの経路のうち第２の方向に関して１つ置きの経路内に配置された１／２波長板を含み、
前記重ね合わせ光学系が、前記第２のレンズアレイによって分割された複数のビームを、被照射面上で重ね合わせる均一化レーザビーム照射装置。 - 前記レーザ光源が、品質指標Ｍ２のレーザビームを出射し、
前記第１のレンズアレイに入射するレーザビームの直径をＤ、前記第１のレンズアレイを構成する複数のレンズの配列ピッチをｈとしたとき、Ｍ２＞（０．６１πＤ／（２ｈ））を満足する請求項６に記載の均一化レーザビーム照射装置。 - レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザビームが入射し、該レーザビームの進行方向と交差する第１の面の沿って行列状に配置された複数のレンズによって、入射したレーザビームを行方向及び列方向に関して複数のビームに分割するレンズアレイと、
前記レンズアレイの、行方向及び列方向に相互に隣り合うレンズを通過した２本のレーザビームの偏光状態が相互に異なるように、レーザビームの偏光状態を変える偏光状態制御手段と、
前記レンズアレイによって分割された複数のビームを、被照射面上で重ね合わせる重ね合わせ光学系と
を有する均一化レーザビーム照射装置。 - 前記レーザ光源から出射されるレーザビームが直線偏光されており、
前記偏光状態制御手段に、前記レンズアレイを構成する複数のレンズの各々に対応して行列状に配置された複数の単位領域が画定されており、行方向及び列方向に関して１つ置きの単位領域内に１／２波長板が配置されている請求項８に記載の均一化レーザビーム照射装置。
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