WO2011158646A1 - レーザ発生装置及びレーザ発生方法 - Google Patents

Abstract

　本発明は、レーザ発生装置及びレーザ発生方法に関する。基本波と共に第２高調波，第３高調波を含むレーザ光を、ダイクロイックミラー３１，３２によって波長毎のレーザ光Ｌ１～Ｌ３に分離する。そして、レーザ光Ｌ１～Ｌ３それぞれを、偏光ビームスプリッタ５１(L1)～５１(L3)によってＰ偏光成分L1P～L3PとＳ偏光成分L1S～L3Sとに分離する。偏光ビームスプリッタ５１(L1)～５１(L3)で反射したＳ偏光成分L1S～L3Sを、一対の全反射ミラー４２(L1)～４２(L3)，４３(L1)～４３(L3)によって、Ｐ偏光成分L1P～L3Pに直交する方向に屈折させる。そして、Ｐ偏光成分L1P～L3PとＳ偏光成分L1S～L3Sとを、偏光ビームスプリッタ５２(L1)～５２(L3)で波長毎に同一光軸上に合成する。更に、偏光成分を合成した波長毎のレーザ光Ｌ１～Ｌ３を、ダイクロイックミラー３３，３４によって同一光軸上に合成して出力する。これにより、レーザ光を無駄なく利用でき、かつ、所期の波形のレーザ光を容易に得られ、しかも、複数の波長のレーザ光をそれぞれにパルス幅を延ばした上で出射させることができる。

Description

レーザ発生装置及びレーザ発生方法

　本発明は、レーザ発生装置及びレーザ発生方法に関し、詳しくは、分離させたレーザ光の間に光路長差をつけてから合成することで、レーザ光のパルス幅を延ばすレーザ発生装置及びレーザ発生方法に関する。

　従来から、パルスレーザ光を、光路長が異なる光路に分離し、その後、分離されたパルス光を合成して、時間的パルス幅を任意に変えるように波形整形するパルス照射装置が知られている。
　例えば、特許文献１に開示される装置では、第１ハーフミラーでレーザ光を２つのレーザ光に分離し、第１ハーフミラーで反射して進むレーザ光を、一対の全反射ミラーで、第１ハーフミラーを透過して進むレーザ光に直交する方向に向きを屈折させ、前記２つのレーザ光が交差する点に配置した第２ハーフミラーで、２つのレーザ光を合成させている。
　また、特許文献２に開示される装置では、レーザ光を、偏光ビームスプリッタに入射させ、ｓ偏光成分を反射させる一方、ｐ偏光成分を透過させ、ｓ偏光成分を、一対の全反射ミラーによって迂回させた後、偏光ビームスプリッタで再び同一光路上に戻すことで、光路長さが異なる２つのレーザ光を合成させている。

特開平１１－０７４２１６号公報 特開２００５－２２４８２７号公報

　しかし、特許文献１のように、ハーフミラー（ビームスプリッタ）で２つのレーザ光を合成させる場合、２つのレーザ光それぞれが、更に透過光と反射光とに分離されるため、実際には異なる方向に進む２つの合成光が発生することになり、半分の光を利用できなくなってしまう。
　即ち、ハーフミラーに入射する２つのレーザ光は、それぞれに透過光と反射光とに分離され、一方のレーザ光の透過光と他方のレーザ光の反射光とが合成され、また、一方のレーザ光の反射光と他方のレーザ光の透過光とが合成され、２つの合成光は２方向に分かれて出射することになるため、いずれか一方の合成光を利用することになってしまい、他方の合成光を利用できない。
　そこで、特許文献１のものでは、光路外に逃げる一部のレーザ光を一対の全反射ミラーを用いて光路に還流させているが、係る構成の場合、最終的な合成パルス光が、還流を行わない場合のパルス光とは異なった波形になってしまうという問題があった。
　また、例えばレーザ光を用いたアニール処理などでは、複数波長のレーザ光をそれぞれにパルス幅を延ばした上で照射させたい場合があるが、特許文献２の装置は、単一波長のレーザ光のパルス幅を延ばす装置であるため、前述の照射パターンの要求に対応することができないという問題があった。

　そこで、本発明は、このような問題点に対処し、分離したレーザ光間に光路長差を与えて合成することでレーザ光のパルス幅（発光時間）を延ばすレーザ発生装置及びレーザ発生方法において、レーザ光を無駄なく利用でき、かつ、所期の波形のレーザ光を容易に得られ、しかも、複数の波長のレーザ光をそれぞれにパルス幅を延ばした上で出射させることができるようにすることを目的とする。

　上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ発生装置は、複数波長のレーザ光を、波長に応じて分離する分離用波長変換ユニットと、前記波長毎のレーザ光を合成して、前記複数波長のレーザ光を出射する合成用波長変換ユニットと、を備えると共に、レーザ光を、偏光成分に応じて分離する分離用偏光変換ユニットと、前記分離用偏光変換ユニットが分離した複数の偏光成分を合成する合成用偏光変換ユニットと、前記分離用偏光変換ユニットが分離した偏光成分のうちの少なくとも１つを、他の偏光成分に対して光路長差を与えて前記合成用偏光変換ユニットに導く光路長差付与ユニットと、の組み合わせを、前記分離用波長変換ユニットが分離する波長毎に備え、前記分離用波長変換ユニットが分離した各波長のレーザ光それぞれを、前記分離用偏光変換ユニットで偏光成分に分離し、前記合成用偏光変換ユニットが合成した波長毎のレーザ光を前記合成用波長変換ユニットで合成するようにした。
　このような構成では、分離した波長毎に、偏光成分に応じた分離、光路長差の付与、光路長差を与えた偏光成分の合成が行われ、最終的に、パルス幅を延ばした波長毎のレーザ光を合成する。

　ここで、前記分離用波長変換ユニット及び合成用波長変換ユニットによって、各波長のレーザ光の間に光路長差を与え、該光路長差に応じて各波長のレーザ光を前記合成用波長変換ユニットから順次出射させることができる。
　このような構成では、パルス幅を延ばしたレーザ光が、異なる波長毎に時間差をもって出射されることになり、光路長差の設定によって波長毎の出射順を選択できる。

　また、単一波長のレーザ光を発生するレーザ発振ユニットと、前記単一波長のレーザ光を波長変換して高調波を発生する高調波発生ユニットと、を更に備えることができる。
　そして、前記レーザ発振ユニットを、基本波長が1064nmのレーザ光を発生するＹＡＧレーザとし、前記高調波発生ユニットが、第２高調波を発生するＳＨＧ結晶及び第３高調波を発生するＴＨＧ結晶を含み、少なくとも1064nm、532nm、355nmの波長のレーザ光を出力することができる。

　更に、前記分離用波長変換ユニットで分離した基本波長のレーザ光の光路途中に、前記基本波長と同じ発振波長のレーザ発振ユニットを備えることができる。
　このような構成では、分離用波長変換ユニットで分離した基本波長のレーザ光の出力が、光路途中で増強できる。

　また、前記分離用波長変換ユニット及び合成用波長変換ユニットを、ダイクロイックミラー又はダイクロイックプリズムで構成でき、更に、前記分離用波長変換ユニット及び合成用波長変換ユニットが、透過・反射させる波長が相互に異なる複数のダイクロイックミラー又はダイクロイックプリズムを備え、この複数のダイクロイックミラー又はダイクロイックプリズムのうちの１つを光路上に選択的に設置するようにできる。

　また、前記分離用偏光変換ユニット及び合成用偏光変換ユニットを、偏光ビームスプリッタで構成でき、更に、前記光路長差付与ユニットを、全反射ミラーで構成できる。
　更に、前記光路長差付与ユニットを、幾何学的光路長を他に比べて長くした偏光成分の光路上に高屈折率光学媒質を配置して構成することができる。このような構成では、光路上に高屈折率光学媒質を配置することで、幾何学的光路長よりも光学的光路長をより長くでき、より大きな光路長差を与えることができる。

　また、本発明に係るレーザ発生装置は、基本波と共に少なくとも１つの高調波を含むレーザ光を、波長毎に分離する分離用のダイクロイックミラーと、各波長のレーザ光それぞれを２つの偏光成分に分離する分離用の偏光ビームスプリッタと、前記分離用の偏光ビームスプリッタで反射した偏光成分の光路を、前記分離用の偏光ビームスプリッタを透過した偏光成分に交差する方向に屈折させる一対の全反射ミラーと、前記分離用の偏光ビームスプリッタを透過した偏光成分と、前記分離用の偏光ビームスプリッタで反射し前記全反射ミラーで光路が屈折された偏光成分とを、同一光軸上に合成する合成用の偏光ビームスプリッタと、前記合成用の偏光ビームスプリッタで合成した波長毎のレーザ光を、同一光軸上に合成する合成用のダイクロイックミラーと、を含む。
　このような構成では、ダイクロイックミラーでレーザ光を波長に応じて分離し、波長毎のレーザ光は、それぞれに偏光ビームスプリッタによって２つの偏光成分に分離される。偏光ビームスプリッタで反射した偏光成分は、一対の全反射ミラーで反射することで、偏光ビームスプリッタを透過した偏光成分よりも長い光路を進み、光路長差が与えられた２つの偏光成分を偏光ビームスプリッタで合成し、更に、偏光成分を合成して得た波長毎のレーザ光を、合成用のダイクロイックミラーで合成する。

　また、本発明に係るレーザ発生方法は、基本波と共に少なくとも１つの高調波を含むレーザ光を、波長毎に分離するステップと、各波長のレーザ光それぞれを偏光成分に応じて分離するステップと、分離した偏光成分間に光路長差を与えるステップと、光路長差を与えた偏光成分を合成するステップと、偏光成分を合成した波長毎のレーザ光を合成するステップと、を含む。
　このような構成では、基本波と共に少なくとも１つの高調波を含むレーザ光を波長毎に分離し、分離した各波長のレーザ光それぞれを偏光成分に応じて分離し、分離した各偏光成分について光路長差を与えた上で合成し、この偏光成分を合成した後の波長毎のレーザ光を合成する。

　本発明に係るレーザ発生装置及びレーザ発生方法によれば、偏光成分の振動方向の違いを利用した偏光変換（反射・透過）によって、光路長差（位相差）を与えたレーザ光を合成できるため、合成後のレーザ光を１方向に出射させることが可能となり、光路長差を与えパルス幅を延ばしたレーザ光の利用効率を高めることができると共に、光路外へのレーザ光の逃げ出しが発生しないので、利用効率を確保するための還流が不要となり、還流による波形の変化を回避できる。
　更に、複数波長のレーザ光を、波長に応じて分離した後、偏光成分に分離して光路長差を与えて合成し、偏光成分を合成した後の各波長のレーザ光を合成するので、各波長のレーザ光のパルス幅を延ばし、かつ、各波長間での光路長差の設定によって、各波長のレーザ光の出射順を任意に設定できる。

本発明の実施形態におけるレーザアニール装置を示すブロック図である。 本発明に係るレーザ発生装置の第１実施形態を示す構成図である。 本発明に係るレーザ発生装置の第２実施形態を示す構成図である。 本発明に係るレーザ発生装置の第３実施形態を示す構成図である。 本発明に係るレーザ発生装置の第４実施形態を示す構成図である。 本発明に係るレーザ発生装置の第５実施形態を示す構成図である。

　以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
　図１は、本発明に係るレーザ発生装置を含み、また、本発明に係るレーザ発生方法を適用する、レーザアニール装置を示すブロック図である。
　図１に示すレーザアニール装置１は、基板２上に形成した半導体膜（図示省略）にレーザ光３を照射して、半導体膜を溶融・固化させることにより結晶化させるものであり、例えば、アモルファスシリコン膜をレーザ光の照射によってポリシリコン化するレーザアニールを行う。

　レーザアニール装置１は、レーザ発生装置４と、レーザ発生装置４からのレーザ光を整形し、半導体膜の表面に例えば線状ビームとして集光させるビーム整形光学系５と、基板２を載せる基板ステージ６とを備える。
　レーザ発生装置４は、レーザ光源としてのＹＡＧレーザ（レーザ発振ユニット）１１、第２高調波を発生するＳＨＧ結晶１２（高調波発生ユニット）、第３高調波を発生するＴＨＧ結晶１３（高調波発生ユニット）、更に、レーザ光のパルス幅を延ばすパルス幅延長器１４を備える。

　ＹＡＧレーザ１１は、ＹＡＧロッドとフラッシュランプとの組み合わせで構成される、発振波長が1064nmの固体レーザであり、また、ＳＨＧ結晶１２は、基本波長λの１／２である532nmの波長のレーザ光（第２高調波）を発生させ、ＴＨＧ結晶１３は、基本波長の１／３である355nmの波長のレーザ光（第３高調波）を発生させ、パルス幅延長器１４に、波長が1064nm，532nm，355nmのレーザ光を出射する。但し、レーザ光源を、ＹＡＧレーザ１１に限定するものではなく、例えば、エキシマレーザなどの他の固体レーザであっても良く、従って、レーザ光の基本波長λを1064nmに限定するものでもない。

　パルス幅延長器１４は、図２に示すように、ダイクロイックミラー３１～３４、偏光ビームスプリッタ５１，５２、全反射ミラー４１～４４などの光学素子を備える。
　図２において、ＴＨＧ結晶１３からの1064nm，532nm，355nmの波長を含むレーザ光ＬＳ（基本波，第２高調波，第３高調波の合成波）は、鏡面を斜め４５degに傾けてレーザ光ＬＳの光軸上に配置した第１ダイクロイックミラー３１（分離用波長変換ユニット）に入射する。尚、ダイクロイックミラー３１～３４に代えて、ダイクロイックプリズムを用いてもよい。

　第１ダイクロイックミラー３１は、波長355nm以下の光（レーザ光Ｌ３；第３高調波）を透過させ、355nmよりも長い波長の光（1064nm，532nmのレーザ光Ｌ１，Ｌ２；基本波，第２高調波）を反射させる特性のものである。
　従って、第１ダイクロイックミラー３１に入射する３つの波長1064nm，532nm，355nmのレーザ光ＬＳのうち、波長355nmのレーザ光Ｌ３は、第１ダイクロイックミラー３１を透過して直進する一方、波長1064nm，532nmのレーザ光Ｌ１，Ｌ２は、第１ダイクロイックミラー３１の鏡面に対し入射角４５degで入射して反射し、レーザ光Ｌ１，Ｌ２は、第１ダイクロイックミラー３１に対する入射方向に対して９０degだけ屈折して進む。
　これにより、1064nm，532nm，355nmの波長を含むレーザ光ＬＳは、波長355nmのレーザ光Ｌ３と、波長1064nm，532nmのレーザ光Ｌ１，Ｌ２との２つの光束に分離する。

　第１ダイクロイックミラー３１で反射したレーザ光Ｌ１，Ｌ２の光軸上であって、かつ、第１ダイクロイックミラー３１に対して鏡面が平行になるように、第２ダイクロイックミラー３２（分離用波長変換ユニット）を配置してあり、第１ダイクロイックミラー３１で反射したレーザ光Ｌ１，Ｌ２は、第２ダイクロイックミラー３２に入射する。
　第２ダイクロイックミラー３２は、波長1064nm以上の光（レーザ光Ｌ１；基本波）を透過させ、1064nmよりも短い波長の光（波長532nmのレーザ光Ｌ２；第２高調波）を反射させる特性のものである。

　従って、第２ダイクロイックミラー３２に入射する２つの波長1064nm，532nmのレーザ光Ｌ１，Ｌ２のうち、波長1064nmのレーザ光Ｌ１は、第２ダイクロイックミラー３２を透過して、第１，第２ダイクロイックミラー３１，３２の配列方向に沿って直進する一方、波長532nmのレーザ光Ｌ２は、第２ダイクロイックミラー３２の鏡面に対し入射角４５degで入射して反射し、レーザ光Ｌ２は、第２ダイクロイックミラー３２に対する入射方向に対して９０degだけ屈折し、図２で右側に向けて、即ち、第１ダイクロイックミラー３１に対するレーザ光ＬＳの入射方向と平行に進む。
　これにより、第２ダイクロイックミラー３２において、波長1064nmのレーザ光Ｌ１と、波長532nmのレーザ光Ｌ２との２つの光束に分離する。

　また、第２ダイクロイックミラー３２を透過したレーザ光Ｌ１の光軸上であって、かつ、第１ダイクロイックミラー３１及び第２ダイクロイックミラー３２に対して鏡面が平行になるように、第１全反射ミラー４１を配置してあり、第２ダイクロイックミラー３２を透過したレーザ光Ｌ１は、第１全反射ミラー４１の鏡面に対して４５degの入射角で入射して反射し、レーザ光Ｌ１は、第１全反射ミラー４１に対する入射方向に対して９０degだけ屈折し、図２で右側に向けて、即ち、第１ダイクロイックミラー３１に対するレーザ光ＬＳの入射方向と平行に進む。

　上記のように、第１ダイクロイックミラー３１及び第２ダイクロイックミラー３２（分離用波長変換ユニット）における透過・反射によって、３つの波長1064nm，532nm，355nmを含むレーザ光ＬＳが、波長1064nm（基本波長）のレーザ光Ｌ１（基本波）と、波長532nmのレーザ光Ｌ２（第２高調波）と、波長355nmのレーザ光Ｌ３（第３高調波）との３つの光束に分離する。
　更に、第１ダイクロイックミラー３１を透過したレーザ光Ｌ３と、第２ダイクロイックミラー３２で反射したレーザ光Ｌ２と、第１全反射ミラー４１で反射した波長1064nmのレーザ光Ｌ１とは、相互に平行でかつ同一方向（図２で右側）に進むレーザ光となる。

　このようにして、波長毎に３つの光束に分離したレーザ光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３それぞれのパルス幅を、偏光ビームスプリッタ５１，５２及び全反射ミラー４２，４３を用いて延ばす処理を施す。
　係るパルス幅を延ばす処理では、分離用の偏光ビームスプリッタ５１（分離用偏光変換ユニット）によって偏光成分に応じてレーザ光を２つに分離し、分離した偏光成分のうちの一方を、全反射ミラー４２，４３を用いて他方よりも長い光路上に進ませることで、光路長差（位相差）をつけた後に、合成用の偏光ビームスプリッタ５２（合成用偏光変換ユニット）を用いて合成させる。

　具体的には、第１ダイクロイックミラー３１を透過したレーザ光Ｌ３の光軸上に、偏光膜が第１ダイクロイックミラー３１の鏡面と平行になるように、第１偏光ビームスプリッタ５１(L3)を配置してある。
　尚、偏光ビームスプリッタ５１，５２としては、例えば、４５deg直角プリズムの斜面に偏光膜をコーティングして接着した立方体状のものを用いることができる。

　第１ダイクロイックミラー３１を透過したレーザ光Ｌ３は、入射角４５degで第１偏光ビームスプリッタ５１(L3)の偏光膜に入射し、レーザ光Ｌ３のＰ偏光成分Ｌ３Ｐは第１偏光ビームスプリッタ５１(L3)を透過して進む一方、レーザ光Ｌ３のＳ偏光成分Ｌ３Ｓは第１偏光ビームスプリッタ５１(L3)で反射し、Ｓ偏光成分Ｌ３Ｓは、第１偏光ビームスプリッタ５１(L3)の偏光膜に対する入射方向に対して９０degだけ屈折し、図２で下方向に進む。これにより、波長355nmのレーザ光Ｌ３は、第１偏光ビームスプリッタ５１(L3)によって、Ｐ偏光成分Ｌ３ＰとＳ偏光成分Ｌ３Ｓとの２つの光束に分離する。

　第１偏光ビームスプリッタ５１(L3)で反射したＳ偏光成分Ｌ３Ｓの光軸上であって、かつ、第１偏光ビームスプリッタ５１(L3)の偏光膜と鏡面が平行になるように、第２全反射ミラー４２(L3)を配置してある。
　これにより、第１偏光ビームスプリッタ５１(L3)で反射したＳ偏光成分Ｌ３Ｓは、第２全反射ミラー４２(L3)に４５degの入射角で入射して反射し、第２全反射ミラー４２(L3)に対する入射方向に対して９０degだけ屈折し、図２で右側に向けて、即ち、第１偏光ビームスプリッタ５１(L3)に対するレーザ光Ｌ３の入射方向と平行に進む。

　また、第２全反射ミラー４２(L3)で反射したＳ偏光成分Ｌ３Ｓの光軸上に、第２全反射ミラー４２(L3)に対して鏡面が線対称となるように、第３全反射ミラー４３(L3)を設けてある。
　これにより、第２全反射ミラー４２(L3)で反射したレーザ光Ｌ３のＳ偏光成分Ｌ３Ｓは、第３全反射ミラー４３(L3)に４５degの入射角で入射して反射し、第３全反射ミラー４３(L3)に対する入射方向に対して９０degだけ屈折し、図２で上方に向けて、即ち、第１偏光ビームスプリッタ５１(L3)を透過したレーザ光Ｌ３のＰ偏光成分Ｌ３Ｐの光軸に直交（交差）する方向に進む。

　第１偏光ビームスプリッタ５１(L3)を透過したレーザ光Ｌ３のＰ偏光成分Ｌ３Ｐと、第３全反射ミラー４３(L3)で反射したレーザ光Ｌ３のＳ偏光成分Ｌ３Ｓとが交差する位置に、偏光膜が第３全反射ミラー４３(L3)の鏡面と平行になるように、第２偏光ビームスプリッタ５２(L3)（合成用偏光変換ユニット）を配置してある。
　第２偏光ビームスプリッタ５２(L3)では、第１偏光ビームスプリッタ５１(L3)を透過したレーザ光Ｌ３のＰ偏光成分Ｌ３Ｐがそのまま透過する一方、第３全反射ミラー４３(L3)で反射したレーザ光Ｌ３のＳ偏光成分Ｌ３Ｓは、第２偏光ビームスプリッタ５２(L3)に入射角４５degで入射して反射することで、９０degだけ屈折し、Ｐ偏光成分Ｌ３Ｐの光軸と平行な方向に進むようになり、結果、レーザ光Ｌ３のＳ偏光成分Ｌ３ＳとＰ偏光成分Ｌ３Ｐとが合成されて出射される。

　ここで、Ｓ偏光成分Ｌ３Ｓは、Ｐ偏光成分Ｌ３Ｐと分離された後、一対の全反射ミラー４２(L3)，４３(L3)（光路長差付与ユニット）によって反射する光路を経由して、再度Ｐ偏光成分Ｌ３Ｐに合成されるので、第１偏光ビームスプリッタ５１(L3)と第２全反射ミラー４２(L3)との距離Ｄ１（Ｄ１＝第３全反射ミラー４３(L3)と第２偏光ビームスプリッタ５２(L3)との距離）の２倍だけ、Ｓ偏光成分Ｌ３Ｓの幾何学的光路長は、Ｐ偏光成分Ｌ３Ｐよりも長い。

　このため、第２偏光ビームスプリッタ５２(L3)においてＳ偏光成分Ｌ３ＳとＰ偏光成分Ｌ３Ｐとを合成するときに、Ｓ偏光成分Ｌ３Ｓは、Ｐ偏光成分Ｌ３Ｐに対して位相が遅れていて、合成後のレーザ光Ｌ３パルス幅が、第１偏光ビームスプリッタ５１(L3)に対するレーザ光Ｌ３の入射時におけるパルス幅よりも位相差分（光路長差分）だけ延びることになる。
　換言すれば、第２偏光ビームスプリッタ５２(L3)からは、レーザ光Ｌ３のＰ偏光成分Ｌ３Ｐと、該Ｐ偏光成分Ｌ３Ｐよりも位相が遅れたレーザ光Ｌ３のＳ偏光成分Ｌ３Ｓとが、同一光軸上に合成されて出力される。

　上記のように、第１偏光ビームスプリッタ５１，第２偏光ビームスプリッタ５２，第２全反射ミラー４２，第３全反射ミラー４３の組み合わせによってパルス幅を延ばす光学系が、第２ダイクロイックミラー３２で反射する波長532nmのレーザ光Ｌ２を処理する光学系、及び、第１全反射ミラー４１で反射する波長1064nmのレーザ光Ｌ１を処理する光学系として、それぞれに設けてある。
　即ち、第２ダイクロイックミラー３２で反射した波長532nmのレーザ光Ｌ２は、第１偏光ビームスプリッタ５１(L2)でＰ偏光成分Ｌ２ＰとＳ偏光成分Ｌ２Ｓとに分離される。

　そして、Ｓ偏光成分Ｌ２Ｓは、一対の全反射ミラー４２(L2)，４３(L2)で反射して迂回光路を進み、直進するＰ偏光成分Ｌ２Ｐとの間に光路長差（位相差）が付与された後、第２偏光ビームスプリッタ５２(L2)でＳ偏光成分Ｌ２ＳとＰ偏光成分Ｌ２Ｐとが合成され、第２偏光ビームスプリッタ５２(L2)から、パルス幅が延びたレーザ光Ｌ２が出射される。
　同様に、第１全反射ミラー４１で反射した波長1064nmのレーザ光Ｌ１は、第１偏光ビームスプリッタ５１(L1)でＰ偏光成分Ｌ１ＰとＳ偏光成分Ｌ１Ｓとに分離される。そして、Ｓ偏光成分Ｌ１Ｓは、一対の全反射ミラー４２(L1)，４３(L1)で反射して迂回光路を進み、直進するＰ偏光成分Ｌ１Ｐとの間に光路長差（位相差）が付与された後、第２偏光ビームスプリッタ５２(L1)でＳ偏光成分Ｌ１ＳとＰ偏光成分Ｌ１Ｐとが合成され、第２偏光ビームスプリッタ５２(L1)から、パルス幅が延びたレーザ光Ｌ１が出射される。

　上記のようにして、波長毎のレーザ光Ｌ１～Ｌ３について、それぞれにパルス幅を延ばす処理を施すと、波長毎のレーザ光Ｌ１～Ｌ３を合成して出力する処理を、以下の構成によって行う。
　第２偏光ビームスプリッタ５２(L1)から出射されるレーザ光Ｌ１の光軸上に、第２偏光ビームスプリッタ５２(L1)の偏光膜と鏡面が平行になるように、第４全反射ミラー４４を設けてあり、第２偏光ビームスプリッタ５２(L1)から出射されるレーザ光Ｌ１は、第４全反射ミラー４４に対して入射角４５degで入射して反射することで、９０degだけ屈折し、図２で上方に向けて進むようになる。
　換言すれば、Ｐ偏光成分Ｌ１Ｐと、該Ｐ偏光成分Ｌ１Ｐに対して位相が遅れたＳ偏光成分Ｌ１Ｓとからなるレーザ光Ｌ１は、第４全反射ミラー４４で反射して、レーザ光ＬＳ（レーザ光Ｌ３）の光軸に直交（交差）する方向に向きを転じる。

　更に、第４全反射ミラー４４における反射光の光軸と、第２偏光ビームスプリッタ５２(L2)からの出射光の光軸とが交わる点に、第４全反射ミラー４４に対して鏡面が平行になるように、第３ダイクロイックミラー３３（合成用波長変換ユニット）を配置してある。
　第３ダイクロイックミラー３３は、第２ダイクロイックミラー３２と同様に、波長1064nmのレーザ光Ｌ１を透過し、波長532nmのレーザ光Ｌ２を反射させる特性のものである。
　従って、第４全反射ミラー４４で反射して第３ダイクロイックミラー３３に入射するレーザ光Ｌ１は、第３ダイクロイックミラー３３を透過するが、第２偏光ビームスプリッタ５２(L2)から出射されるレーザ光Ｌ２（Ｐ偏光成分Ｌ２Ｐと該Ｐ偏光成分Ｌ２Ｐに対して位相が遅れたＳ偏光成分Ｌ２Ｓとからなるレーザ光Ｌ２）は、第３ダイクロイックミラー３３に入射角４５degで入射して反射することで、９０degだけ屈折し、第３ダイクロイックミラー３３を透過して進むレーザ光Ｌ１と同軸上に合成される。

　ここで、第３ダイクロイックミラー３３に対する入射時において、レーザ光Ｌ１は、レーザ光Ｌ２よりも、第２ダイクロイックミラー３２と第１全反射ミラー４１との距離Ｄ２（Ｄ２＝第４全反射ミラー４４と第ダイクロイックミラー３３との距離）の２倍の距離だけ、幾何学的光路長が長く、第３ダイクロイックミラー３３からは、レーザ光Ｌ２に対してレーザ光Ｌ１が遅れて出射されることになる。
　更に、レーザ光Ｌ２は、Ｐ偏光成分Ｌ２Ｐと該Ｐ偏光成分Ｌ２Ｐに対して位相が遅れたＳ偏光成分Ｌ２Ｓとからなり、レーザ光Ｌ１は、Ｐ偏光成分Ｌ１Ｐと該Ｐ偏光成分Ｌ１Ｐに対して位相が遅れたＳ偏光成分Ｌ１Ｓとからなるから、第３ダイクロイックミラー３３からは、Ｐ偏光成分Ｌ２Ｐ，Ｓ偏光成分Ｌ２Ｓ，Ｐ偏光成分Ｌ１Ｐ，Ｓ偏光成分Ｌ１Ｓの順で出力されることになる。

　また、第３ダイクロイックミラー３３からの出射光（レーザ光Ｌ１，Ｌ２の合成光）の光軸と、第２偏光ビームスプリッタ５２(L3)からの出射光（レーザ光Ｌ３）の光軸とが交わる点に、第３ダイクロイックミラー３３に対して偏光面が平行になるように、第４ダイクロイックミラー３４（合成用波長変換ユニット）を配置してある。
　第４ダイクロイックミラー３４は、第１ダイクロイックミラー３１と同様に、波長355nmのレーザ光Ｌ３を透過させ、1064nm，532nmのレーザ光Ｌ１，Ｌ２を反射させる特性のものである。

　従って、第３ダイクロイックミラー３３から出射されるレーザ光Ｌ１，Ｌ２は、第４ダイクロイックミラー３４に入射角４５degで入射して反射することで、９０degだけ屈折し、図２で右方向に進むことになる一方、第２偏光ビームスプリッタ５２(L3)から出射されるレーザ光Ｌ３は、第４ダイクロイックミラー３４を透過して進む。
　これにより、第４ダイクロイックミラー３４からの出射光は、レーザ光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の合成となる。

　ここで、第４ダイクロイックミラー３４に対する入射時において、レーザ光Ｌ２は、レーザ光Ｌ３よりも、第１ダイクロイックミラー３１と第２ダイクロイックミラー３２との距離Ｄ３（Ｄ３＝第３ダイクロイックミラー３３と第４ダイクロイックミラー３４との距離）の２倍の距離だけ、幾何学的光路長が長く、第４ダイクロイックミラー３４からは、レーザ光Ｌ３に対してレーザ光Ｌ２が遅れて出射されることになる。
　従って、第４ダイクロイックミラー３４からの出射順は、レーザ光Ｌ３，レーザ光Ｌ２，レーザ光Ｌ１の順になり、更に詳細には、Ｐ偏光成分Ｌ３Ｐ，Ｓ偏光成分Ｌ３Ｓ，Ｐ偏光成分Ｌ２Ｐ，Ｓ偏光成分Ｌ２Ｓ，Ｐ偏光成分Ｌ１Ｐ，Ｓ偏光成分Ｌ１Ｓの順で出力されることになる。

　即ち、レーザ光Ｌ１は、第１ダイクロイックミラー３１、第２ダイクロイックミラー３２、第１全反射ミラー４１、第４全反射ミラー４４、第３ダイクロイックミラー３３を介して第４ダイクロイックミラー３４に至るのに対し、レーザ光Ｌ２は、第１ダイクロイックミラー３１、第２ダイクロイックミラー３２、第３ダイクロイックミラー３３を介して第４ダイクロイックミラー３４に至り、レーザ光Ｌ３は、第１ダイクロイックミラー３１から第４ダイクロイックミラー３４に至るため、「レーザ光Ｌ１の光路長」＞「レーザ光Ｌ２の光路長」＞「レーザ光Ｌ３の光路長」となる。

　そして、前記光路長差により、レーザ光Ｌ３に対してレーザ光Ｌ２の位相が遅れ、更に、レーザ光Ｌ２に対してレーザ光Ｌ１の位相が遅れるために、第４ダイクロイックミラー３４からの出射順は、前述のように、レーザ光Ｌ３（波長355nm），レーザ光Ｌ２（波長532nm），レーザＬ１（波長1064nm）の順となり、本実施形態のレーザアニール装置１では、半導体膜に対してレーザ光Ｌ３（波長355nm），レーザ光Ｌ２（波長532nm），レーザＬ１（波長1064nm）の順で照射されることになる。

　更に、各レーザ光Ｌ１～Ｌ３は、Ｐ偏光成分Ｌ１Ｐ～Ｌ３Ｐと、該Ｐ偏光成分Ｌ１Ｐ～Ｌ３Ｐよりも位相が遅れたＳ偏光成分Ｌ１Ｓ～Ｌ３Ｓとを、同一光軸上に合成して出力するから、第４ダイクロイックミラー３４からの出射順は、レーザ光Ｌ３のＰ偏光成分Ｌ３Ｐ、レーザ光Ｌ３のＳ偏光成分Ｌ３Ｓ、レーザ光Ｌ２のＰ偏光成分Ｌ２Ｐ、レーザ光Ｌ２のＳ偏光成分Ｌ２Ｓ、レーザ光Ｌ１のＰ偏光成分Ｌ１Ｐ、レーザ光Ｌ１のＳ偏光成分Ｌ１Ｓの順となる。

　上記構成によると、第１偏光ビームスプリッタ５１で偏光成分に応じて単一波長のレーザ光を分離し、一方の偏光成分を、全反射ミラー４２，４３を用いて迂回光路を進ませ、この迂回させた（光路長差を与えた）一方の偏光成分と、直進する他方の偏光成分とを、第２偏光ビームスプリッタ５２で合成させることで、パルス幅を延ばすから、パルス幅を延ばしたレーザ光を、１方向の光束として出射させて有効に利用できる。
　即ち、光路長差を付与した２つのレーザ光を、ビームスプリッタ（ハーフミラー）に入射させて合成する場合、合成する２つのレーザ光は、合成用のビームスプリッタにおいて反射・透過して２方向にそれぞれ分離されることになるため、合成光も２方向に分かれることになり、合成光の一方を利用できなくなってしまう。

　これに対し、レーザ光を第１偏光ビームスプリッタ５１で偏光成分に応じて分離し、光路長差を与えてから第２偏光ビームスプリッタ５２で合成させる構成であれば、偏光方向によって、第２偏光ビームスプリッタ５２を透過するか、又は、第２偏光ビームスプリッタ５２で反射するかのいずれか一方に決まるから、光路長差を与えた２つのレーザ光を１方向の光束に合成して出射させることができ、レーザ光を有効利用できると共に、光路外へのレーザ光の逃げ出しが発生しないので、利用効率を確保するための還流が不要となり、還流による波形の変化を回避できる。
　また、本実施形態のように、基本波Ｌ１と共に、第２高調波Ｌ２及び第３高調波Ｌ３を含むレーザ光を、ダイクロイックミラー３１，３２を用いて波長毎に分離し、分離後のレーザ光Ｌ１～Ｌ３のそれぞれについてパルス幅を延ばす処理を行わせると、分離後のレーザ光Ｌ１～Ｌ３を、各レーザ光Ｌ１～Ｌ３に対応して設けたパルス幅を延ばすための光学系に導くために、レーザ光Ｌ１～Ｌ３間で光路長差が付与され、レーザ光Ｌ１～Ｌ３を合成したときに、前記光路長差に応じた順で出射することになる。

　ここで、ダイクロイックミラーが透過する波長を選択することで、レーザ光Ｌ１～Ｌ３の光路長の順番を任意に設定できるから、例えば、アニールにおいて、各レーザ光Ｌ１～Ｌ３のパワーや吸収率などの差などに基づく適切な照射順で、レーザ光Ｌ１～Ｌ３を出射させることができる。
　本実施形態の場合、最もパワーの大きな基本波長のレーザ光Ｌ１を最後に照射するから、パワーの大きなレーザ光Ｌ１を最初に照射することで、アモルファスシリコン膜の下層膜を損傷させてしまうことを回避できる。尚、ダイクロイックミラーが透過・反射する波長の設定によって、基本波長のレーザ光Ｌ１を２番目に照射させるようにしても、アモルファスシリコン膜の下層膜の損傷を回避できる。

　尚、例えば、第２高調波と第３高調波とのいずれか一方と、基本波とを含むレーザ光について、パルス幅を延ばす装置であってもよい。
　即ち、レーザ光が含む波長の種類を３つに限定するものではなく、波長の種類の増減に応じてダイクロイックミラーによる分離段数を増減させ、かつ、前記分離段数に応じて、偏光ビームスプリッタ５１，５２及び全反射ミラー４２，４３からなる光学系を設ければよい。

　また、各レーザ光Ｌ１～Ｌ３のＰ偏光成分Ｌ１Ｐ～Ｌ３ＰとＳ偏光成分Ｌ１Ｓ～Ｌ３Ｓとの間に、幾何学的光路長差を超える光学的光路長差を与えるために、図３に示すように、例えば全反射ミラー４２と全反射ミラー４３との間の光路上に、高屈折率光学媒質６１を配置することができる。
　前記光学的光路長とは、ある媒質内を光が通過するときに、その経路に沿った幾何学的な長さと前記媒質の屈折率との積として表すことができ、光路上に屈折率の高い光学媒質６１を配置することで、より大きな光学的光路長差を与えることができ、幾何学的光路長差を短くして装置寸法を抑制しつつ、パルス幅を延ばすことができる。

　光学的光路長を長くするために、迂回させる偏光成分の迂回光路上に配置する高屈折率光学媒質６１として、例えば、光学ガラスのロッドを配置したり、イットリウム・バナデート（ＹＶＯ₄）結晶を光路上に配置したりすることができる。
　上記のように高屈折率光学媒質６１を設ける場合、長い幾何学的光路を設定するための一対の全反射ミラー４２，４３と、前記高屈折率光学媒質６１とが、光路長差付与ユニットを構成する。

　また、図４に示すように、第２ダイクロイックミラー３２で分離した基本波長（波長1064nm）のレーザ光Ｌ１の光路に、ＹＡＧロッド７１とフラッシュランプ７２とを備えたレーザチャンバ（レーザ発振ユニット）７３を配置し、このレーザチャンバ７３をＹＡＧレーザ１１と同期させて発振させれば、レーザ光Ｌ１を光路途中で増強することができ、最終的に、第４ダイクロイックミラー３４から出射するレーザ光Ｌ１の強度を高めることができる。
　更に、前記レーザチャンバ７３で増強した後のレーザ光Ｌ１を、ＳＨＧ結晶、ＴＨＧ結晶を通過させることで、基本波、第２高調波、第３高調波を含むレーザ光ＬＳを再度発生させ、前記ダイクロイックミラー３１～３４、全反射ミラー４１，４４、及び、波長毎の偏光ビームスプリッタ５１，５２と全反射ミラー４２，４３からなる光学系に、レーザ光ＬＳを入射させ、より多段にパルス幅を延ばすことができる。

　また、前記レーザチャンバ７３を備える構成において、更に、前記高屈折率光学媒質６１を設けることができる。
　また、分離した各レーザ光Ｌ１～Ｌ３の光路上の少なくとも１つに減衰フィルタを配置することで、最終的に合成して出射するときのレーザ光Ｌ１～Ｌ３間における強度バランスを調整することもできる。
　更に、上記実施形態では、本願発明に係るレーザ発生装置及びレーザ発生方法を、レーザアニール装置１に適用した例を示したが、適用対象をレーザアニール装置１に限定するものではない。

　また、上記実施形態では、全反射ミラー，偏光ビームスプリッタ，ダイクロイックミラーにおいて、レーザ光が９０degだけ屈折する構成としたが、屈折角度を９０deg（入射角を４５deg）に限定するものではなく、例えば図５（Ａ），（Ｂ）に示すように、入射光の光軸に対して斜めに交差する方向に屈折させることができる。
　図５（Ａ）に示した例では、偏光ビームスプリッタ５１及び全反射ミラー４２を、入射光の光軸に対して偏光面・反射面が４５degだけ傾くように設置して、入射角が４５degになるようにしてあり、偏光ビームスプリッタ５１での反射光及び全反射ミラー４２での反射光は、入射光の光軸に対して９０degに交差する方向、即ち、直交する方向に進むが、全反射ミラー４２からの反射光が入射する全反射ミラー４３は、入射角が４５degよりも大きくなるように設置され、全反射ミラー４３では、入射光の光軸に対して反射光が斜めに交差するようになっている。

　そして、偏光ビームスプリッタ５２は、全反射ミラー４３と平行に配置され、偏光ビームスプリッタ５１の透過光及び全反射ミラー４２の反射光に対して斜めに交差する、全反射ミラー４３の反射光は、偏光ビームスプリッタ５２での反射で偏光ビームスプリッタ５１の透過光の光軸と同一方向に屈折する。
　また、図５（Ｂ）は、偏光ビームスプリッタ５１及び全反射ミラー４２の組み合わせについても、入射角が４５degよりも大きくなるように設定した例を示す。

　また、図２～図４に示した構成では、レーザ光Ｌ１～Ｌ３の出射順は固定されるが、第１ダイクロイックミラー３１～第４ダイクロイックミラー３４に代えて、例えば図６に示したように、円盤状ホルダ８１の同一円周上に、反射・透過させる波長が相互に異なる複数のダイクロイックミラー８２ａ～８２ｃを備え、前記円盤状ホルダ８１をモータなどのアクチュエータによって軸周りに回転させることで、複数のダイクロイックミラー８２ａ～８２ｃのうちの１つを光路上に位置させることができるように構成した分離用波長変換ユニット及び合成用波長変換ユニットを設ければ、レーザ光Ｌ１～Ｌ３の出射順を任意に変更することが可能となる。

　図６において、ダイクロイックミラー８２ａは、レーザ光Ｌ１のみが透過し、レーザ光Ｌ２，Ｌ３が反射する特性であり、ダイクロイックミラー８２ｂは、レーザ光Ｌ２のみが透過し、レーザ光Ｌ１，Ｌ３が反射する特性であり、ダイクロイックミラー８２ｃは、レーザ光Ｌ３のみが透過し、レーザ光Ｌ１，Ｌ２が反射する特性である。
　従って、図２のものと同じ出射順（Ｌ３，Ｌ２，Ｌ１）とする場合には、レーザ光ＬＳをまずダイクロイックミラー８２ｃで分離し、ダイクロイックミラー８２ｃで反射したレーザ光Ｌ１，Ｌ２を、ダイクロイックミラー８２ａで、レーザ光Ｌ１とレーザ光Ｌ２とに分離し、全反射ミラー４４の出射光と偏光ビームスプリッタ５２の出射光とを、ダイクロイックミラー８２ａで合成し、当該合成後のレーザ光と偏光ビームスプリッタ５１の出射光とを、ダイクロイックミラー８２ｃで合成するようにすればよい。

　一方、例えば、レーザ光ＬＳをまずダイクロイックミラー８２ａで分離し、ダイクロイックミラー８２ａで反射したレーザ光Ｌ２，Ｌ３を、ダイクロイックミラー８２ｂで、レーザ光Ｌ２とレーザ光Ｌ３とに分離し、全反射ミラー４４の出射光と偏光ビームスプリッタ５２の出射光とを、ダイクロイックミラー８２ｂで合成し、当該合成後のレーザ光と偏光ビームスプリッタ５１の出射光とを、ダイクロイックミラー８２ａで合成するようにすれば、レーザ光Ｌ１～Ｌ３の出射順はＬ１，Ｌ３，Ｌ２となり、出射順を任意に変更することができる。
　尚、ダイクロイックミラー８２ａ～８２ｃのうちの１つを光路上に選択的に位置させるための手段を、上記の円盤状ホルダ８１を回転させる手段に限定するものではない。

１…レーザアニール装置
２…基板
３…レーザ光
４…レーザ発生装置
５…ビーム整形光学系
６…ステージ
１１…ＹＡＧレーザ（レーザ発振ユニット）
１２…ＳＨＧ（高調波発生ユニット）
１３…ＴＨＧ（高調波発生ユニット）
１４…パルス幅延長器
３１…第１ダイクロイックミラー（分離用波長変換ユニット）
３２…第２ダイクロイックミラー（分離用波長変換ユニット）
３３…第３ダイクロイックミラー（合成用波長変換ユニット）
３４…第４ダイクロイックミラー（合成用波長変換ユニット）
４１…第１全反射ミラー
４２…第２全反射ミラー（光路長差付与ユニット）
４３…第３全反射ミラー（光路長差付与ユニット）
４４…第４全反射ミラー
５１…第１偏光ビームスプリッタ（分離用偏光変換ユニット）
５２…第２偏光ビームスプリッタ（分離用偏光変換ユニット）
６１…高屈折率光学媒質（光路長差付与ユニット）
７３…レーザチャンバ（レーザ発振ユニット）

Claims (12)

1. 　複数波長のレーザ光を、波長に応じて分離する分離用波長変換ユニットと、
   　前記波長毎のレーザ光を合成して、前記複数波長のレーザ光を出射する合成用波長変換ユニットと、
   　を備えると共に、
   　レーザ光を、偏光成分に応じて分離する分離用偏光変換ユニットと、
   　前記分離用偏光変換ユニットが分離した複数の偏光成分を合成する合成用偏光変換ユニットと、
   　前記分離用偏光変換ユニットが分離した偏光成分のうちの少なくとも１つを、他の偏光成分に対して光路長差を与えて前記合成用偏光変換ユニットに導く光路長差付与ユニットと、の組み合わせを、前記分離用波長変換ユニットが分離する波長毎に備え、
   　前記分離用波長変換ユニットが分離した各波長のレーザ光それぞれを、前記分離用偏光変換ユニットで偏光成分に分離し、前記合成用偏光変換ユニットが合成した波長毎のレーザ光を前記合成用波長変換ユニットで合成するレーザ発生装置。
2. 　前記分離用波長変換ユニット及び合成用波長変換ユニットによって、各波長のレーザ光の間に光路長差を与え、該光路長差に応じて各波長のレーザ光を前記合成用波長変換ユニットから順次出射させる請求項１記載のレーザ発生装置。
3. 　単一波長のレーザ光を発生するレーザ発振ユニットと、
   　前記単一波長のレーザ光を波長変換して高調波を発生する高調波発生ユニットと、
   　を更に備えた請求項１記載のレーザ発生装置。
4. 　前記レーザ発振ユニットが、基本波長が1064nmのレーザ光を発生するＹＡＧレーザであり、
   　前記高調波発生ユニットが、第２高調波を発生するＳＨＧ結晶及び第３高調波を発生するＴＨＧ結晶を含み、少なくとも1064nm、532nm、355nmの波長のレーザ光を出力する請求項３記載のレーザ発生装置。
5. 　前記分離用波長変換ユニットで分離した基本波長のレーザ光の光路途中に、前記基本波長と同じ発振波長のレーザ発振ユニットを備える請求項３記載のレーザ発生装置。
6. 　前記分離用波長変換ユニット及び合成用波長変換ユニットを、ダイクロイックミラー又はダイクロイックプリズムで構成した請求項１記載のレーザ発生装置。
7. 　前記分離用波長変換ユニット及び合成用波長変換ユニットが、透過・反射させる波長が相互に異なる複数のダイクロイックミラー又はダイクロイックプリズムを備え、この複数のダイクロイックミラー又はダイクロイックプリズムのうちの１つを光路上に選択的に設置する請求項６記載のレーザ発生装置。
8. 　前記分離用偏光変換ユニット及び合成用偏光変換ユニットを、偏光ビームスプリッタで構成した請求項１記載のレーザ発生装置。
9. 　前記光路長差付与ユニットを、全反射ミラーで構成した請求項１記載のレーザ発生装置。
10. 　前記光路長差付与ユニットが、幾何学的光路長を他に比べて長くした偏光成分の光路上に高屈折率光学媒質を配置してなる請求項１記載のレーザ発生装置。
11. 　基本波と共に少なくとも１つの高調波を含むレーザ光を、波長毎に分離する分離用のダイクロイックミラーと、
    　各波長のレーザ光それぞれを２つの偏光成分に分離する分離用の偏光ビームスプリッタと、
    　前記分離用の偏光ビームスプリッタで反射した偏光成分の光路を、前記分離用の偏光ビームスプリッタを透過した偏光成分に交差する方向に屈折させる一対の全反射ミラーと、
    　前記分離用の偏光ビームスプリッタを透過した偏光成分と、前記分離用の偏光ビームスプリッタで反射し前記全反射ミラーで光路が屈折された偏光成分とを、同一光軸上に合成する合成用の偏光ビームスプリッタと、
    　前記合成用の偏光ビームスプリッタで合成した波長毎のレーザ光を、同一光軸上に合成する合成用のダイクロイックミラーと、
    　を含むレーザ発生装置。
12. 　基本波と共に少なくとも１つの高調波を含むレーザ光を、波長毎に分離するステップと、
    　各波長のレーザ光それぞれを偏光成分に応じて分離するステップと、
    　分離した偏光成分間に光路長差を与えるステップと、
    　光路長差を与えた偏光成分を合成するステップと、
    　偏光成分を合成した波長毎のレーザ光を合成するステップと、
    　を含むレーザ発生方法。

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