JP4340203B2

JP4340203B2 - 光学装置

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Publication number: JP4340203B2
Application number: JP2004225481A
Authority: JP
Inventors: 克行小林
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-08-02
Filing date: 2004-08-02
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2024-08-02
Also published as: JP2006047471A

Description

本発明は、複数本のレーザ光の光軸を１つの共通の光軸上に重ね合わせて、１本のレーザ光を形成する光学装置に関する。

例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波をアモルファスシリコン膜に入射させ、アモルファスシリコン膜を多結晶化するアニール装置が知られている（特許文献１参照）。表面にアモルファスシリコン膜が形成された基板に、その基板の表面においてＹ方向を長手方向とする照射領域を有するレーザ光を入射させつつ、その照射領域が基板の表面上でＹ方向と直交するＸ方向に移動するように、基板をＸ方向に並進移動させる。基板の１回のＸ方向の並進移動で、できるだけ広い領域をアニール処理するためには照射領域のＹ方向の長さをできるだけ長くすることが望まれる。単位面積あたりに必要な光強度を維持したまま、レーザ光の照射領域を長尺化させるためには、それだけ強度の大きなレーザ光が必要となる。

強度の大きなレーザ光を得るためには、１台のレーザ発振器から出射されるレーザ光の強度の増大を図ることが考えられる。また、異なるレーザ発振器から出射された２本のレーザ光を１つの光軸上に重ね合わせることにより、各々のレーザ発振器から出射されたレーザ光よりも強度の大きなレーザ光を得ることができる。具体的には、共に直線偏光され、偏光ビームスプリッタに対して一方がＳ偏光、他方がＰ偏光となる２本のレーザ光を、その偏光ビームスプリッタに入射させて共通の１つの光軸上に重ね合わせる技術が知られている（特許文献２参照）。

特開２００３−２１８０２７号公報特開２００２−３５９７９号公報

１台のレーザ発振器から出射されるレーザ光の強度の増大を図ることには限界がある。また、固体レーザ発振器から出射されるレーザ光の強度を増大させる場合、その分だけレーザ媒質（Ｎｄ：ＹＡＧ）に生じる熱歪が大きくなること等に起因してレーザ光のビーム品質が低下してしまうことがある。レーザ光のビーム品質が悪化すると、第２高調波を得るための非線形結晶での波長変換効率が悪化するという問題も生じる。

一方、直線偏光されたレーザ光を１つの光軸上に重ね合わせる場合、その重ね合わせることのできるレーザ光の本数は原理的に２本に限られ、３本以上のレーザ光を重ね合わせることはできない。従って、結局のところ重ね合わされたレーザ光の強度の増大を図ることには限界がある。

本発明の目的は、レーザ光の強度の増大を図ることのできる技術を提供することにある。また、本発明の目的は、複数本のレーザ光の光軸を１つの光軸上に重ね合わせることのできる技術を提供することにある。また、本発明の目的は、アモルファス半導体膜のアニール処理を効率的に行える技術を提供することにある。

本発明の一観点によれば、第１の波長を有する第１のレーザ光を出射する第１のレーザ光出射装置と、前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２のレーザ光を出射する第２のレーザ光出射装置と、前記第１のレーザ光出射装置から出射された第１のレーザ光、及び前記第２のレーザ光出射装置から出射された第２のレーザ光の双方が入射する位置に配置され、前記第１の波長を有する光の偏向角と前記第２の波長を有する光の偏向角とが相互に異なるように波長によって異なる方向に光を偏向させる性質を有し、前記第１及び第２のレーザ光の光軸を共通の第１の光軸に重ね合わせる第１の光軸重ね合わせ素子と、前記第１の光軸上に配置され、前記第２の波長は実質的に変換せずに、前記第１の波長を前記第２の波長に変換する第１の波長変換素子とを備えた光学装置が提供される。

本明細書において、偏向とは、反射、透過、屈折、及び回折等によって、レーザ光の進行方向を制御することをいい、光軸重ね合わせ素子へのレーザ光の入射方向と、光軸重ね合わせ素子からのレーザ光の出射方向とが同一の場合も含む概念とする。

また、波長変換素子が第２の波長は実質的に変換しないとは、その波長変換素子による第２の波長の変換率が第１の波長の変換率よりも低いことを意味し、より具体的には第２の波長の変換率が１％以下であることを意味する。

第１の波長変換素子が、第２の波長は実質的に変換せずに、第１の波長を第２の波長に変換することにより、波長は第２の波長と同一であって強度は第２のレーザ光の強度よりも大きなレーザ光を得ることが可能となる。また、その得られたレーザ光を前記第２のレーザ光として用い、その第２のレーザ光に、第１の波長を有するレーザ光を重ね合わせることに基づいて、波長は第２の波長と同一であって強度はその第２のレーザ光として用いたレーザ光の強度よりも大きなレーザ光を得ることが可能となる。このようにして、原理的には無限段階のレーザ光の重ね合わせが可能である。これにより、レーザ光の強度の増大を図ることができる。

図１に、実施例による光学装置の概略図を示す。第１の光源部１が、波長５３２ｎｍの第１の緑色レーザ光Ｌ１を出射する。第１の光源部１は、波長１０６４ｎｍの赤外レーザ光（基本波）を出射する第１のＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器１ａと、この第１のＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器１ａから出射された基本波の波長をその１／２倍の５３２ｎｍに変換する非線形結晶１ｂとによって構成されている。即ち、第１の光源部１から出射される第１の緑色レーザ光Ｌ１は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波である。なお、図１では、赤外レーザ光（基本波）の周波数をωと表記し、緑色レーザ光（第２高調波）の周波数を２ωと表記している。

第２の光源部２が、波長１０６４ｎｍの第１の赤外レーザ光Ｌ２を出射する。第２の光源部２は、第２のＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器２ａによって構成されており、この第２のＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器２ａから出射されるレーザ光（基本波）が、第１の赤外レーザ光Ｌ２である。

ダイクロイックミラー３ａが、第１の光源部１から出射された第１の緑色レーザ光Ｌ１、及び第２の光源部２から出射された第１の赤外レーザ光Ｌ２の双方が入射する位置に配置されている。ダイクロイックミラー３ａは、緑色レーザ光と赤外レーザ光との波長の相違を利用してこれら２本のレーザ光の光軸を１つの共通の光軸に重ね合わせる。即ち、ダイクロイックミラー３ａは、第１の緑色レーザ光Ｌ１は透過させ、第１の赤外レーザ光Ｌ２は反射することにより、これら２つのレーザ光Ｌ１及びＬ２の光軸を共通の第１の光軸Ｓ１に重ね合わせる。

非線形結晶３ｂが、ダイクロイックミラー３ａによって第１の光軸Ｓ１上に重ね合わされた合成光が入射する位置に配置されている。非線形結晶３ｂは、緑色レーザ光の波長は殆ど変換せずに、赤外レーザ光の波長はその１／２倍の５３２ｎｍに変換する。具体的には、非線形結晶３ｂはＬｉＢ_３Ｏ_５（ＬＢＯ）からなる。ＬＢＯは、位相整合条件に基づいて、特定の周波数だけを選択的に変換する機能を発揮する。詳細には、ＬＢＯをある一定の温度に保った状態で、ＬＢＯが赤外レーザ光の波長は５３２ｎｍに変換し、緑色レーザ光の波長は殆ど変換しない機能を発揮する。これにより、非線形結晶３ｂからは、波長が５３２ｎｍであって強度が第１の緑色レーザ光Ｌ１の強度よりも大きな第２の緑色レーザ光Ｌ３が出射される。

以上のように、第１の緑色レーザ光Ｌ１に、第１の赤外レーザ光Ｌ２を重ね合わせることに基づいて、元の第１の緑色のレーザ光Ｌ１よりも強度の大きな第２の緑色レーザ光Ｌ３を得ることができる。そこで、第１の光源部１、第２の光源部２、ダイクロイックミラー３ａ、及び非線形結晶３ｂによって構成される光学系を第３の光源部３とみなし、この第３の光源部３から出射される第２の緑色レーザ光Ｌ３に、さらに第２の赤外レーザ光Ｌ４を重ね合わせることに基づいて、第２の緑色レーザ光Ｌ３よりも強度の大きな第３の緑色レーザ光Ｌ５を得ることができる。以下、詳細に説明する。

第４の光源部４が、波長１０６４ｎｍの第２の赤外レーザ光Ｌ４を出射する。第４の光源部４は、第２の光源部２と同様に、第３のＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器４ａによって構成されており、この第３のＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器４ａから出射される基本波が、第２の赤外レーザ光Ｌ４である。

ダイクロイックミラー５ａが、第３の光源部３から出射された第２の緑色レーザ光Ｌ３、及び第４の光源部４から出射された第２の赤外レーザ光Ｌ４の双方が入射する位置に配置されている。ダイクロイックミラー５ａは、第２の緑色レーザ光Ｌ３は透過させ、第２の赤外レーザ光Ｌ４は反射することにより、これら２つのレーザ光Ｌ３及びＬ４の光軸を共通の第２の光軸Ｓ２に重ね合わせる。

非線形結晶５ｂが、ダイクロイックミラー５ａによって第２の光軸Ｓ２上に重ね合わされた合成光が入射する位置に配置されている。非線形結晶５ｂも、非線形結晶３ｂと同様にＬＢＯによって構成され、位相整合条件に基づいて緑色レーザ光の波長は殆ど変換せずに、赤外レーザ光の波長はその１／２倍の５３２ｎｍに変換する。これにより、非線形結晶５ｂからは、波長が５３２ｎｍであって強度が第２の緑色レーザ光Ｌ３の強度よりも大きな第３の緑色レーザ光Ｌ５が出射される。

なお、図１には、第１〜第４の光源部１、２、３、及び４のみを示すが、第３の光源部３、第４の光源部４、ダイクロイックミラー５ａ、及び非線形結晶５ｂによって構成される光学系を第５の光源部とみなし、この第５の光源部３から出射される第３の緑色レーザ光Ｌ５に、図示しない赤外レーザ光を重ね合わせることに基づいて、第３の緑色レーザ光Ｌ５よりもさらに強度の大きな緑色レーザ光を得ることもできる。レーザ光の波長の相違を利用するので、このようにして原理的には無限段階のレーザ光の重ね合わせが可能である。

以上説明した光学装置によれば、第１〜第３のレーザ発振器１ａ、２ａ、及び４ａから出射されるレーザ光Ｌ１、Ｌ２、及びＬ４の各々の強度は最大定格未満に設定しておいても、これらレーザ光Ｌ１、Ｌ２、及びＬ４を重ね合わせることに基づいて、レーザ発振器１ａ、２ａ、及び４ａの各々の最大定格以上の強度を有するレーザ光Ｌ５を得ることが可能となる。

また、第１〜第３のレーザ発振器１ａ、２ａ、及び４ａの出力には余裕をもたせておくことができ、これらレーザ発振器１ａ、２ａ、及び４ａを構成するレーザ媒質（Ｎｄ：ＹＡＧ）の熱歪を抑えることができるため、これらレーザ発振器１ａ、２ａ、及び４ａの各々から出射されるレーザ光のビーム品質の低下を防止できる。これにより、非線形結晶１ｂ、３ｂ、及び５ｂにおける波長の変換効率の悪化も防止されるため、結果的にレーザ光を有効に利用できる。

また、それぞれ別体の第１〜第３のレーザ発振器１ａ、２ａ、及び４ａから出射されるレーザ光Ｌ１、Ｌ２、及びＬ４の各々の強度の時間的な揺らぎは相互に無相関であると考えられるので、これらのレーザ光Ｌ１、Ｌ２、及びＬ４を重ね合わせて１本のレーザ光Ｌ５を形成する場合、レーザ光Ｌ５の強度の時間的なばらつきの度合いを表す標準偏差を、レーザ光Ｌ１、Ｌ２、及びＬ４の各々の強度の時間的なばらつきの度合いを表す標準偏差よりも小さくし得る。なお、重ね合わせるレーザ光の本数が多い程、重ね合わされたレーザ光の強度の時間的なばらつきの度合いを表す標準偏差が小さくなるので、重ね合わされたレーザ光の強度の安定度を図ることができる。

次に、上記光学装置の他の機能について説明する。図１において、第１のビームスプリッタ１０が、第１のＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器１ａからダイクロイックミラー３ａまでの間の光路上に配置されている。第１のビームスプリッタ１０によって分岐されたモニタ用レーザ光が、第１の光強度検出器１１に入射する。第１の光強度検出器１１は、自己に入射したレーザ光の強度を表すデータを制御部２０に出力する。

第２のビームスプリッタ１２が、第２のＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器２ａからダイクロイックミラー３ａまでの間の光路上に配置されている。第２のビームスプリッタ１２によって分岐されたモニタ用レーザ光が、第２の光強度検出器１３に入射する。第２の光強度検出器１３は、自己に入射したレーザ光の強度を表すデータを制御部２０に出力する。

第３のビームスプリッタ１４が、第３のＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器４ａからダイクロイックミラー５ａまでの間の光路上に配置されている。第３のビームスプリッタ１４によって分岐されたモニタ用レーザ光が、第３の光強度検出器１５に入射する。第３の光強度検出器１５は、自己に入射したレーザ光の強度を表すデータを制御部２０に出力する。

制御部２０は、第１〜第３の光強度検出器１１、１３、及び１５の検出結果に基づいて、第１〜第３のレーザ発振器１ａ、２ａ、及び４ａの各々が故障したか否かを判別する。そして、制御部２０は、これらレーザ発振器１ａ、２ａ、及び４ａのうちのいずれかのレーザ発振器が故障したと判別した場合には、その故障したと判別したレーザ発振器の稼動を停止させるとともに、第３の緑色レーザ光Ｌ５の強度の低下が防止されるように、これら第１〜第３のレーザ発振器１ａ、２ａ、及び４ａのうち当該故障したと判別されたレーザ発振器以外の全てのレーザ発振器から出射されるレーザ光の強度を上昇させる制御を行う。

上述したように、第１〜第３のレーザ発振器１ａ、２ａ、及び４ａの各々を、出射するレーザ光の強度が最大定格未満となる条件で運転させておくことができるので、それらレーザ発振器１ａ、２ａ、及び４ａのうちの一部が故障した場合であっても、第３の緑色レーザ光Ｌ５の強度の低下が防止されるように、残余のレーザ発振器から出射されるレーザ光の強度を上昇させることが可能となる。従って、一部のレーザ発振器が故障したとしても、光学装置全体としての稼動は停止させることなく、その故障したレーザ発振器のメンテナンス作業を行うことが可能となる。この結果、光学装置のダウンタイムの短縮が図られる。

制御部２０は、例えば第１のレーザ発振器１ａが故障したと判別した場合には、第２及び第３のレーザ発振器２ａ及び４ａから出射されるレーザ光の強度を上昇させる。このようにして、第３の緑色レーザ光Ｌ５の強度低下を防止するための負担を、第２及び第３のレーザ発振器２ａ及び４ａに分担させるので、第２及び第３のレーザ発振器２ａ及び４ａのうちの一方のレーザ発振器だけに過重な負担がかかってしまうことを防止できる。

図２に、図１に示した光学装置から出射されるレーザ光の波形を示す。図１のレーザ発振器１ａ、２ａ、及び４ａから出射されるレーザ光Ｌ１、Ｌ２、及びＬ４はそれぞれパルスレーザ光である。図２(ａ)〜(ｃ)において、パルス波形ａが、パルスレーザ光Ｌ１の波形に対応する。パルス波形ｂが、非線形結晶３ｂによって波長変換されたパルスレーザ光Ｌ２の波形に対応する。パルス波形ｃが、非線形結晶５ｂによって波長変換されたパルスレーザ光Ｌ４の波形に対応する。図１の制御部２０が、レーザ発振器１ａ、２ａ、及び４ａの各々に、相互に同一の繰り返し周波数を有する条件でパルスレーザ光を出射させる制御を行う。このため、パルス波形ａ、ｂ、及びｃの繰り返し周波数は相互に同一となっている。また、重ね合わせ波形ｄが、パルスレーザ光Ｌ１、Ｌ２、及びＬ４を重ね合わせることにより得られる図１に示した緑色レーザ光Ｌ５のパルス波形に対応する。

図２(ａ)に示すように、パルス波形ａ、ｂ、及びｃのタイミングを一致させた場合、重ね合わせ波形ｄのピーク強度を、パルス波形ａ、ｂ、及びｃの各々のピーク強度の和に近づけることができる。また、この場合、重ね合わせ波形ｄのパルス幅は、パルス波形ａ、ｂ、及びｃの各々のパルス幅と略一致させることができる。

図２(ｂ)に示すように、パルス波形ａ、ｂ、及びｃのタイミングを、パルスの立ち上がり時刻がパルス波形ａ、ｂ、ｃの順となるように相互にずらすとともに、そのうちの中央のパルス波形ｂのピーク強度をパルス波形ａ及びｃのピーク強度よりも大きくし、タイミングのずれ量を調節することにより、パルス幅がパルス波形ａ、ｂ、ｃの各々のパルス幅よりも長いなだらかな山型のパルス重ね合わせ波形ｄが得られる。

図２(ｃ)に示すように、パルス波形ａ、ｂ、及びｃのタイミングを、パルスの立ち上がり時刻がパルス波形ａ、ｂ、ｃの順となるように相互にずらすとともに、全てのパルス波形ａ、ｂ、及びｃのピーク強度を揃え、タイミングのずれ量を調節することにより、パルス幅がパルス波形ａ、ｂ、ｃの各々のパルス幅よりも長い略矩形状のパルス重ね合わせ波形ｄが得られる。

以上のように、パルス波形ａ、ｂ、及びｃのタイミング差及びピーク強度によって種々の形状のパルス重ね合わせ波形ｄを得ることができる。図１の制御部２０が、パルス重ね合わせ波形ｄが目的とする波形に近づくように、パルス波形ａ、ｂ、及びｃのタイミング及びピーク強度を制御する。

ここで、パルス波形ａ、ｂ、及びｃのピーク強度は、制御部２０が、レーザ発振器１ａ、２ａ、及び４ａの各々を構成するレーザ媒質励起用光源（例えば、半導体レーザ）に供給する駆動電流によって制御できる。なお、パルス波形ａ、ｂ、及びｃのピーク強度は、アッテネータ等を用いて調整するようにしてもよい。また、パルス波形ａ、ｂ、及びｃのタイミングは、制御部２０が、レーザ発振器１ａ、２ａ、及び４ａの各々を構成するＱスイッチに与えるトリガパルス信号によって制御できる。

図３に、他の実施例による光学装置の概略図を示す。この光学装置は、緑色レーザ光と赤外レーザ光との波長の相違に基づいてこれら２本のレーザ光の光軸を１つの共通の光軸に重ね合わせる光軸重ね合わせ素子として、図１のダイクロイックミラー３ａ及び５ａに代えて、それぞれプリズム３１及び３２を用いて構成したものである。この点以外の構成は、図１の光学装置と同様である。

図４に、さらに他の実施例による光学装置の概略図を示す。この光学装置は、光軸重ね合わせ素子として、図１のダイクロイックミラー３ａ及び５ａに代えて、それぞれ回折格子４１及び４２を用いて構成したものである。この点以外の構成は、図１の光学装置と同様である。

なお、光軸重ね合わせ素子としては、緑色レーザ光の偏向角と赤外レーザ光の偏向角とが相互に異なるようにレーザ光を偏向させる性質を有するものを用いることができる。ここで偏向角とは、光軸重ね合わせ素子に入射するレーザ光の当該入射方向と、その光軸重ね合わせ素子から出射するレーザ光の当該出射方向とのなす角度をいい、偏向は当該入射方向と当該出射方向とが同一の場合も含む概念とする。例えば、図１のダイクロイックミラー３ａによる緑色レーザ光の偏向角は０度と考える。

図５に、さらに他の実施例による光学装置の概略図を示す。第１の光源部５１が、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの基本波と第２高調波との二つの波長成分を有する第１の混合波レーザ光Ｌ５１を出射する。第１の光源部５１は、基本波を出射するＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器５１ａと、このＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器５１ａから出射した基本波が入射する非線形結晶５１ｂとを有する。非線形結晶５１ｂに入射した基本波の全てが第２高調波に変換される訳ではない。非線形結晶５１ｂからは、基本波と第２高調波とを含む混合波が出射する。なお、混合波を構成する基本波成分と第２高調波成分との位相は揃っている。この混合波が、第１の混合波レーザ光Ｌ５１である。

第２の光源部５２が、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波である第１の第３高調波レーザ光Ｌ５２を出射する。第２の光源部５２は、基本波を出射するＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器５２ａと、このＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器５２ａから出射した基本波が入射する非線形結晶５２ｂと、この非線形結晶５２ｂから出射したレーザ光が入射する非線形結晶５２ｃとを有する。非線形結晶５２ｂからは、基本波と第２高調波とを含む混合波が出射する。非線形結晶５２ｃが、その混合波から、基本波の周波数（ω）と第２高調波の周波数（２ω）との和の周波数（３ω）を有する第３高調波をつくりだす。非線形結晶から出射される第３高調波が、第１の第３高調波レーザ光Ｌ５２である。

ダイクロイックミラー５３ａが、第１の光源部５１から出射した第１の混合波レーザ光Ｌ５１、及び第２の光源部５２から出射した第１の第３高調波レーザ光Ｌ５２の双方が入射する位置に配置されている。ダイクロイックミラー５３ａは、第１の混合波レーザ光Ｌ５１は透過させ、第１の第３高調波レーザ光Ｌ５２は反射させることにより、これら２つのレーザ光Ｌ５１及びＬ５２の光軸を共通の第１の光軸Ｓ５１上に重ね合わせる。

非線形結晶５３ｂが、ダイクロイックミラー５３ａによって第１の光軸Ｓ５１上に重ね合わされた合成光が入射する位置に配置されている。非線形結晶５３ｂは、第１の第３高調波レーザ光Ｌ５２の波長は殆ど変換せずに、第１の混合波レーザ光Ｌ５１を第３高調波に変換する。これにより、非線形結晶５３ｂからは、周波数がＮｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波と同一であって強度が第１の第３高調波レーザ光Ｌ５２よりも大きな第２の第３高調波レーザ光Ｌ５３が出射される。

第３の光源部５３が、上述した第１の光源部５１、第２の光源部５２、ダイクロイックミラー５３ａ、及び非線形結晶５３ｂによって構成されている。

第４の光源部５４が、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの基本波と第２高調波との二つの波長成分を有する第２の混合波レーザ光Ｌ５４を出射する。第４の光源部５４も、第１の光源部５１と同様に、基本波を出射するＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器５４ａと、このＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器５４ａから出射した基本波が入射する非線形結晶５４ｂとを有する。

ダイクロイックミラー５５ａが、第３の光源部５３から出射した第２の第３高調波レーザ光Ｌ５３、及び第４の光源部５４から出射された第２の混合波レーザ光Ｌ５４の双方が入射する位置に配置されている。ダイクロイックミラー５５ａは、第２の混合波レーザ光Ｌ５４は透過させ、第２の第３高調波レーザ光Ｌ５３は反射することにより、これら２つのレーザ光Ｌ５３及びＬ５４の光軸を共通の第２の光軸Ｓ２上に重ね合わせる。

非線形結晶５５ｂが、ダイクロイックミラー５５ａによって第２の光軸Ｓ５２上に重ね合わされた合成光が入射する位置に配置されている。非線形結晶５５ｂは、第２の第３高調波レーザ光Ｌ５３の波長は殆ど変換せずに、第２の混合波レーザ光Ｌ５４を第３高調波に変換する。これにより、非線形結晶５５ｂからは、周波数がＮｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波と同一であって強度が第２の第３高調波レーザ光Ｌ５３よりも大きな第２の第３高調波レーザ光Ｌ５５が出射される。

図６に、さらに他の実施例による光学装置の概略図を示す。第１の光源部６１が、波長２６６ｎｍの第１の紫外レーザ光Ｌ６１を出射する。第１の光源部６１は、波長１０６４ｎｍの基本波を出射する第１のＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器６１ａと、この第１のＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器６１ａから出射した基本波の波長をその１／２倍の５３２ｎｍに変換する非線形結晶６１ｂと、この非線形結晶６１ｂから出射した第２高調波の波長をその１／２倍の２６６ｎｍに変換する非線形結晶６１ｃとによって構成されている。即ち、第１の光源部６１から出射される第１の紫外レーザ光Ｌ６１は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第４高調波である。

第２の光源部６２が、波長５３２ｎｍの第１の緑色レーザ光Ｌ６２を出射する。第２の光源部６２は、図１に示した第３の光源部３と同一の光学系によって構成されている。対応する構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。なお、第２の光源部６２は、図１の光学装置全体によって構成してもよい。

ダイクロイックミラー６３ａが、第１の光源部６１から出射した第１の紫外レーザ光Ｌ６１、及び第２の光源部２から出射した第１の緑色レーザ光Ｌ６２の双方が入射する位置に配置されている。ダイクロイックミラー６３ａは、第１の紫外レーザ光Ｌ６１は透過させ、第１の緑色レーザ光Ｌ６２は反射することにより、これら２つのレーザ光Ｌ６１及びＬ６２の光軸を共通の第１の光軸Ｓ６１に重ね合わせる。

非線形結晶６３ｂが、ダイクロイックミラー６３ａによって第１の光軸Ｓ６１上に重ね合わされた合成光が入射する位置に配置されている。非線形結晶６３ｂは、紫外レーザ光の波長は殆ど変換せずに、緑色レーザ光の波長を２６６ｎｍに変換する。非線形結晶６３ｂは、β−ＢａＢ_２Ｏ_４（ＢＢＯ）やＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０（ＣＬＢＯ）等によって構成され、位相整合条件に基づいて紫外レーザ光の波長は殆ど変換せずに、緑色レーザ光の波長を２６６ｎｍに変換する機能を発揮する。これにより、非線形結晶６３ｂからは、波長が２６６ｎｍであって強度が第１の紫外レーザ光Ｌ６１の強度よりも大きな第２の紫外レーザ光Ｌ６３が出射される。

第４の光源部６４が、波長５３２ｎｍの第２の緑色レーザ光Ｌ６４を出射する。第４の光源部６２も、第２の光源部６２と同様に、図１に示した第３の光源部３と同様の光学系によって構成されている。対応する構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。なお、第４の光源部６２も、図１の光学装置全体によって構成してもよい。

ダイクロイックミラー６５ａが、第２の紫外レーザ光Ｌ６３及び第２の緑色レーザ光Ｌ６４の双方が入射する位置に配置されている。ダイクロイックミラー６５ａは、第２の紫外レーザ光Ｌ６３は透過させ、第２の緑色レーザ光Ｌ６４は反射することにより、これら２つのレーザ光Ｌ６３及びＬ６４の光軸を共通の第２の光軸Ｓ６２に重ね合わせる。

非線形結晶６５ｂが、ダイクロイックミラー６５ａによって第２の光軸Ｓ６２上に重ね合わされた合成光が入射する位置に配置されている。非線形結晶６５ｂも、非線形結晶６３ｂと同様に、ＢＢＯやＣＬＢＯ等によって構成され、位相整合条件に基づいて紫外レーザ光の波長は変換せずに、緑色レーザ光の波長を２６６ｎｍに変換する。これにより、非線形結晶６５ｂからは、波長が２６６ｎｍであって強度が第２の紫外レーザ光Ｌ６３の強度よりも大きな第３の紫外レーザ光Ｌ６５が出射される。

図７(ａ)に、実施例によるアニール装置の概略図を示す。このアニール装置は、光源部７１、ホモジナイザ７２、定盤７４、及びＸＹステージ７５を備える。光源部７１は、図１に示した光学装置によって構成されており、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波として、図１に示した第３の緑色レーザ光Ｌ５に相当するレーザ光を出射する。なお、光源部７１は、図３〜図６のいずれかに示した光学装置によって構成してもよい。

ホモジナイザ７２は、光源部７１から出射したレーザ光のビーム断面内における強度分布を均一に近づけるとともに、そのレーザ光が照射面においてＹ方向を長手方向とする線状の照射領域Ｒ（図６(ｂ)参照）を有するようにそのビーム断面形状を整形する。定盤７４が、ホモジナイザ７２によって整形されたレーザ光の照射面となる位置に、表面にアモルファスシリコン膜が形成された被処理基板７３を保持する。レーザ光がアモルファスシリコン膜に入射することにより、アモルファスシリコン膜がポリシリコン化する。定盤７４は、ＸＹステージ７５上に配置されている。

図７(ｂ)に示すように、図７(ａ)のＸＹステージ７５は、被処理基板７３の表面上においてレーザ光の照射領域ＲがＹ方向と直交するＸ方向に移動するように、定盤７４をＸ方向に並進移動させる。このアニール装置によれば、光源部７１から強度の大きな緑色レーザ光を出射させることができるので、単位面積あたりに必要な光強度は確保したまま、照射領域ＲのＹ方向の長さを従来に比べて長くすることができる。そのため、定盤７４の一回の並進移動によってアニール処理できる領域を従来よりも広くすることができる。その結果、アニール処理を効率的に行うことができる。

以上、実施例について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、実施例では非線形結晶の材料としてＬＢＯを採用したが、ＬｉｂＮＯ_３（ＬＮ）、ＬｉＴａＯ_３（ＬＴ）、ＫＮｂＯ_３（ＫＮ）、ＫＴｉＯＰＯ_４（ＫＴＰ）、ＫＨ_２ＰＯ_４（ＫＤＰ）等を採用してもよい。また、実施例ではレーザ発振器がパルスレーザ光を出射することとしたが、レーザ発振器が連続波レーザ光（ＣＷレーザ光）を出射するようにしてもよい。また、固体レーザ発振器として、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ発振器やＮｄ：ＹＶＯ_４レーザ発振器等を用いてもよい。また、例えば図１において非線形結晶５ｂの後段に赤外レーザ光を遮断し、緑色レーザ光を透過させるフィルタを配置してもよい。この他、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。

実施例による光学装置の構成を模式的に示した概略図である。実施例による光学装置から出射されるパルスレーザ光の波形を示したグラフである。他の実施例による光学装置の構成を模式的に示した概略図である。さらに他の実施例による光学装置の構成を模式的に示した概略図である。さらに他の実施例による光学装置の構成を模式的に示した概略図である。さらに他の実施例による光学装置の構成を模式的に示した概略図である。 (ａ)は実施例によるアニール装置光学装置の構成を模式的に示した概略図であり、(ｂ)は被処理基板の平面図である。

符号の説明

１、６１第１の光源部
１ａ、２ａ、４ａ、６１ａＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器（レーザ発振器）
１ｂ、６１ｂ、６１ｃ非線形結晶
２、６２第２の光源部
３、６３第３の光源部（第２のレーザ光出射装置）
３ａ、６３ａダイクロイックミラー（第２の光軸重ね合わせ素子）
３ｂ、６３ｂ非線形結晶（第２の波長変換素子）
４、６４第４の光源部（第１のレーザ光出射装置）
５ａ、６５ａダイクロイックミラー（第１の光軸重ね合わせ素子）
５ｂ、６５ｂ非線形結晶（第１の波長変換素子）
２０制御部（制御手段）
７２ホモジナイザ（整形光学系）
７３被処理基板
７４定盤（保持台）
７５ＸＹステージ（移動機構）

Claims

第１の波長を有する第１のレーザ光を出射する第１のレーザ光出射装置と、
前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２のレーザ光を出射する第２のレーザ光出射装置と、
前記第１のレーザ光出射装置から出射された第１のレーザ光、及び前記第２のレーザ光出射装置から出射された第２のレーザ光の双方が入射する位置に配置され、前記第１の波長を有する光の偏向角と前記第２の波長を有する光の偏向角とが相互に異なるように波長によって異なる方向に光を偏向させる性質を有し、前記第１及び第２のレーザ光の光軸を共通の第１の光軸に重ね合わせる第１の光軸重ね合わせ素子と、
前記第１の光軸上に配置され、前記第２の波長は実質的に変換せずに、前記第１の波長を前記第２の波長に変換する第１の波長変換素子と
を備えた光学装置。
前記第２のレーザ光出射装置が、
前記第１の波長と同一の波長を有する第３のレーザ光を出射するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射されたレーザ光が入射する位置に配置され、前記第１の波長を前記第２の波長に変換する第２の波長変換素子と
を有する請求項１に記載の光学装置。
前記第２のレーザ光出射装置が、さらに、
前記第２の波長を有する第４のレーザ光を出射する第３のレーザ光出射装置と、
前記レーザ発振器から前記第２の波長変換素子までの間の光路上の位置であって、該レーザ発振器から出射された第３のレーザ光、及び前記第３のレーザ光出射装置から出射された第４のレーザ光の双方が入射する位置に配置され、前記第１の波長を有する光の偏向角と前記第２の波長を有する光の偏向角とが相互に異なるように波長によって異なる方向に光を偏向させる性質を有し、前記第３及び第４のレーザ光の光軸を共通の第２の光軸に重ね合わせる第２の光軸重ね合わせ素子とを有し、
前記第２の波長変換素子が、前記第２の光軸上に配置され、前記第２の波長は実質的に変換せずに、前記第１の波長を前記第２の波長に変換する請求項２に記載の光学装置。
前記第１及び第２のレーザ光出射装置が、合計ｎ台（ｎは自然数とする。）のパルスレーザ発振器を含み、
さらに、前記ｎ台のパルスレーザ発振器相互間でのパルスレーザ光の出射のタイミングのずれ量、及び前記ｎ台のパルスレーザ発振器から出射されるパルスレーザ光相互間でのピーク強度の差の少なくともいずれか一方を制御する制御手段を備えた請求項１〜３のいずれかに記載の光学装置。
前記第１及び第２のレーザ光出射装置が、合計ｎ台（ｎは自然数とする。）のレーザ発振器を含んで構成され、
さらに、前記ｎ台のレーザ発振器の各々から出射されるレーザ光の強度を検出する強度検出手段と、
前記強度検出手段の検出結果に基づいて、前記ｎ台のレーザ発振器の各々が故障したか否かを判別し、該ｎ台のレーザ発振器のいずれかが故障したと判別した場合に、該ｎ台のレーザ発振器のうち故障したと判別されたレーザ発振器以外のレーザ発振器から出射されるレーザ光の強度を上昇させる制御を行う制御手段と
を備えた請求項１〜３のいずれかに記載の光学装置。
相互に異なる第１の周波数及び第２の周波数の二つの周波数成分を有する混合波レーザ光を出射する第１のレーザ光出射装置と、
前記第１の周波数と前記第２の周波数との和である第３の周波数を有する和周波レーザ光を出射する第２のレーザ光出射装置と、
前記第１のレーザ光出射装置から出射された混合波レーザ光、及び前記第２のレーザ光出射装置から出射された和周波レーザ光の双方が入射する位置に配置され、前記混合波レーザ光の偏向角と前記和周波レーザ光の偏向角とが相互に異なるように波長によって異なる方向にレーザ光を偏向させる性質を有し、前記混合波レーザ光及び和周波レーザ光の光軸を共通の光軸に重ね合わせる光軸重ね合わせ素子と、
前記光軸重ね合わせ素子によって前記共通の光軸上に重ね合わされた合成光が入射する位置に配置され、前記和周波レーザ光の波長は実質的に変換せずに、前記混合波レーザ光の波長を前記和周波レーザ光の波長に変換する波長変換素子と
を備えた光学装置。
さらに、自己に入射したレーザ光のビーム断面形状を、該レーザ光がその照射面において第１の方向を長手方向とする照射領域を有するように整形する整形光学系と、
前記整形光学系によって整形されたレーザ光の前記照射面となる位置に被処理基板を保持する保持台と、
前記保持台に保持された被処理基板の表面上において、前記整形光学系によって整形されたレーザ光の照射領域が前記第１の方向と交差する第２の方向に移動するように、該レーザ光及び該保持台の一方を他方に対して相対的に移動させる移動機構と
を備えた請求項１〜７のいずれかに記載の光学装置。