WO2014030431A1 - レーザ照射装置 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a laser irradiation apparatus having a laser diode array as a light source.
  • Carbon dioxide laser, solid-state laser, excimer laser, etc. are used for laser annealing of semiconductor substrates.
  • the light intensity distribution (beam profile) of the laser beam emitted from these laser oscillators has a Gaussian shape.
  • High-quality annealing can be performed by making a laser beam having a beam profile uniformized by a homogenizer incident on a semiconductor substrate.
  • High-power laser diode arrays are used as light sources for laser welding, laser cutting, solid-state laser excitation, and the like.
  • the laser diode array has a structure in which a plurality of laser diodes are arranged one-dimensionally or two-dimensionally. Therefore, the beam profile of the laser beam emitted from the laser diode array does not have a Gaussian shape but has a shape that depends on the arrangement of the laser diodes. Since it is difficult to make the beam profile of such a laser beam uniform, the laser diode array is not used as a light source for laser annealing of a semiconductor substrate.
  • An object of the present invention is to provide a laser irradiation apparatus capable of enhancing the uniformity of the beam profile of a laser beam emitted from a laser diode array.
  • a semiconductor laser oscillator in which laser diodes are two-dimensionally arranged in the fast axis and slow axis directions;
  • a laser beam emitted from the semiconductor laser oscillator is incident, and has a homogenizer for condensing the laser beam in a long incident area on the irradiated surface;
  • the homogenizer divides the laser beam into a plurality of beams with respect to the minor axis direction of the incident region, and superimposes the divided beams on the irradiated surface to enter the incident region,
  • a laser irradiation apparatus in which a slow axis direction of the semiconductor laser oscillator is inclined with respect to a long axis direction of the incident region.
  • the uniformity of the beam profile can be improved.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a laser irradiation apparatus according to an embodiment.
  • 2A is a cross-sectional view of an IGBT manufactured by the laser irradiation apparatus according to the embodiment, and FIG. 2B is a cross-sectional view in the middle of manufacturing the IGBT.
  • 3A is a graph showing an example of time waveforms of the first and second laser pulses irradiated by the laser irradiation apparatus according to the embodiment
  • FIG. 3B is a plan view of an incident region of the laser pulse, and FIG. These are the top views of the other structural example of the incident area
  • FIG. 4A and 4B are cross-sectional views showing the configuration of the optical system from the semiconductor laser oscillator to the semiconductor substrate of the laser irradiation apparatus according to the embodiment.
  • 5A and 5B are schematic diagrams showing two-dimensional profiles of the laser beam at the emission position of the semiconductor laser oscillator and the incident position of the cylindrical lens array group, respectively, when the slow axis from the semiconductor laser oscillator is arranged parallel to the X direction.
  • FIG. 6A and 6B are schematic views showing two-dimensional profiles of laser beams at the emission position of the semiconductor laser oscillator and the incident position of the cylindrical lens array group, respectively, of the laser irradiation apparatus according to the embodiment.
  • FIGS. 7A and 7B are graphs showing the beam profile in the minor axis direction on the surface of the semiconductor substrate when the laser beam having the two-dimensional profile shown in FIGS. 5B and 6B is incident on the homogenizer.
  • FIG. 8A is a diagram showing a relative positional relationship between the two-dimensional profile of the laser beam at the incident position of the cylindrical lens array group, the rectangular opening of the cylindrical lens array group, and the XYZ coordinate system, and FIG. And a standard deviation ⁇ of the beam profile in the minor axis direction.
  • 9A, 9C, 9E, and 9G are schematic views showing the positional relationship between the two-dimensional profile and the XYZ coordinate system
  • FIGS. 9B, 9D, 9F, and 9H show the light intensity in the X direction. It is a graph which shows the waveform regarding the Y direction of the integrated value which integrated.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a laser irradiation apparatus according to an embodiment.
  • This laser irradiation apparatus is used, for example, for activation annealing of impurities implanted into a semiconductor wafer.
  • the semiconductor laser oscillator 21 emits a quasi-continuous oscillation (QCW) laser beam having a wavelength of 808 nm, for example.
  • QCW quasi-continuous oscillation
  • a semiconductor laser oscillator that emits a pulse laser beam having a wavelength of 950 nm or less may be used.
  • a laser diode array in which a plurality of laser diodes are two-dimensionally arrayed is used as the semiconductor laser oscillator 21, a laser diode array in which a plurality of laser diodes are two-dimensionally arrayed is used.
  • a plurality of laser diodes are monolithically arranged in a one-dimensional array to form a laser bar.
  • By stacking a plurality of laser bars a two-dimensional laser diode array is formed.
  • the direction in which a plurality of laser diodes constituting the laser bar are arranged is called a slow axis.
  • the direction in which a plurality of laser bars are stacked is called the fast axis.
  • a cylindrical lens is arranged for each laser bar. The cylindrical lens converges the laser beam emitted from the laser bar in the fast axis direction.
  • a solid-state laser oscillator 31 emits a pulsed laser beam in the green wavelength region.
  • an Nd: YAG laser, an Nd: YLF laser, an Nd: YVO 4 laser, or the like that emits a second harmonic is used.
  • the pulse laser beam emitted from the semiconductor laser oscillator 21 and the pulse laser beam emitted from the solid-state laser oscillator 31 are incident on the semiconductor substrate 50 to be annealed via the propagation optical system 27.
  • the pulse laser beam emitted from the semiconductor laser oscillator 21 and the pulse laser beam emitted from the solid-state laser oscillator 31 are incident on the same region on the surface of the semiconductor substrate 50.
  • the pulse laser beam emitted from the semiconductor laser oscillator 21 is incident on the semiconductor substrate 50 via the attenuator 22, the beam expander 23, the cylindrical lens array group 24, the dichroic mirror 25, and the condenser lens 26.
  • the pulsed laser beam emitted from the solid-state laser oscillator 31 is incident on the semiconductor substrate 50 via the attenuator 32, the beam expander 33, the cylindrical lens array group 34, the bending mirror 35, the dichroic mirror 25, and the condenser lens 26.
  • the beam expanders 23 and 33 collimate the incident pulse laser beam and expand the beam diameter.
  • the cylindrical lens array groups 24 and 34 and the condenser lens 26 shape the beam cross section on the surface of the semiconductor substrate 50 into a long shape and make the beam profile uniform.
  • the pulse laser beam emitted from the semiconductor laser oscillator 21 and the pulse laser beam emitted from the solid-state laser oscillator 31 are incident on substantially the same long region on the surface of the semiconductor substrate 50.
  • the cylindrical lens array group 24 and the condenser lens 26 function as a homogenizer for the laser beam emitted from the semiconductor laser oscillator 21, and the cylindrical lens array group 34 and the condenser lens 26 are for the laser beam emitted from the solid-state laser oscillator 31. It functions as a homogenizer.
  • the homogenizer focuses the pulse laser beam emitted from the semiconductor laser oscillator 21 and the pulse laser beam emitted from the solid laser oscillator 31 on the surface of the semiconductor substrate 50.
  • the semiconductor substrate 50 is held on the stage 41.
  • An XYZ orthogonal coordinate system is defined in which a plane parallel to the surface of the semiconductor substrate 50 is defined as an XY plane, and a normal direction of the surface of the semiconductor substrate 50 is defined as a Z direction.
  • the control device 20 controls the semiconductor laser oscillator 21, the solid state laser oscillator 31, and the stage 41.
  • the stage 41 receives the control from the control device 20 and moves the semiconductor substrate 50 in the X direction and the Y direction.
  • FIG. 2A shows a cross-sectional view of an insulated gate bipolar transistor (IGBT) as an example of a semiconductor device manufactured by the laser irradiation apparatus according to the embodiment.
  • the IGBT has an emitter and a gate formed on one surface (hereinafter referred to as “first surface”) 50T of a semiconductor substrate 50 made of n-type silicon, and the other surface (hereinafter referred to as “second surface”). It is manufactured by forming a collector on 50B.
  • the semiconductor substrate 50 a silicon single crystal substrate is usually used.
  • the structure of the surface on which the emitter and the gate are formed is manufactured in the same process as a general MOSFET manufacturing process. For example, as shown in FIG.
  • a p-type base region 51, an n-type emitter region 52, a gate electrode 53, a gate insulating film 54, and an emitter electrode 55 are formed on the surface layer portion of the first surface 50T of the semiconductor substrate 50. Be placed. Current on / off control can be performed by the voltage between the gate and the emitter.
  • a p-type collector layer 57 and a low-concentration n-type buffer layer 56 are formed on the surface layer portion of the second surface 50B of the semiconductor substrate 50.
  • the buffer layer 56 is disposed in a region deeper than the collector layer 57.
  • the collector layer 57 and the buffer layer 56 are formed by implanting boron and phosphorus, for example, as impurities, and performing activation annealing.
  • the laser irradiation apparatus shown in FIG. 1 is applied to this activation annealing.
  • a collector electrode 58 is formed on the surface of the collector layer 57 after the activation annealing.
  • the depth from the second surface 50B to the interface between the collector layer 57 and the buffer layer 56 is, for example, about 0.3 ⁇ m.
  • the depth from the second surface to the deepest position of the buffer layer 56 is, for example, in the range of 1 ⁇ m to 5 ⁇ m.
  • FIG. 2B shows a cross-sectional view of the semiconductor substrate 50 at the stage of laser annealing.
  • Boron ions are implanted into the surface layer portion 57a of the second surface 50B of the semiconductor substrate 50.
  • Phosphorus ions are implanted into a region 56a deeper than the surface layer portion 57a. Boron in the surface layer portion 57a and phosphorus in the deep region 56a are not activated.
  • the boron concentration in the surface layer portion 57a is higher than the phosphorus concentration in the deep region 56a.
  • the surface layer portion 57a is referred to as a “high concentration layer”
  • the deep region 56a is referred to as a “low concentration layer”.
  • the high concentration layer 57a is in an amorphous state. A region deeper than the interface between the high concentration layer 57a and the low concentration layer 56a remains in a single crystal state.
  • the element structure shown in FIG. 2A is formed on the first surface 50T of the semiconductor substrate 50.
  • FIG. 3A shows an outline of a laser pulse waveform incident on the semiconductor substrate 50 (FIG. 2B).
  • the pulse waveform is represented by a rectangle, but the actual pulse waveform includes portions such as a rising edge, an attenuation, and a falling edge of the pulse.
  • the emission timing of the pulse waveform shown in FIG. 3A is determined by the control device 20 (FIG. 1) controlling the semiconductor laser oscillator 21 and the solid state laser oscillator 31.
  • the incidence of the first laser pulse LP1 emitted from the semiconductor laser oscillator 21 on the semiconductor substrate 50 starts.
  • the second laser pulse LP2 emitted from the solid state laser oscillator 31 is incident on the semiconductor substrate 50 at time t2 after time t1.
  • the regions where the first laser pulse LP1 and the second laser pulse LP2 are incident substantially overlap.
  • the peak power of the second laser pulse LP2 is higher than the peak power of the first laser pulse LP1, and the pulse width PW2 of the second laser pulse LP2 is shorter than the pulse width PW1 of the first laser pulse LP1.
  • the incidence of the second laser pulse LP2 ends.
  • the incidence of the first laser pulse LP1 ends.
  • the second laser pulse LP2 may be incident after the time t4.
  • the pulse width PW1 of the first laser pulse LP1 is, for example, 10 ⁇ s or more.
  • the pulse width PW2 of the second laser pulse LP2 is, for example, 1 ⁇ s or less.
  • the pulse width PW1 is in the range of 10 ⁇ s to 30 ⁇ s, and the pulse width PW2 is in the range of 100 ns to 200 ns.
  • the pulse width PW2 of the second laser pulse LP2 is preferably set to 1/10 or less of the pulse width PW1 of the first laser pulse LP1.
  • FIG. 3B shows a plan view of the incident region of the laser pulse on the second surface 50B (FIG. 2B) of the semiconductor substrate 50 (FIG. 2B).
  • the first laser pulse LP1 (FIG. 3A) and the second laser pulse LP2 (FIG. 3A) are incident on the same beam incident region 40 that is long in the X direction on the second surface 50B (FIG. 2B) of the semiconductor substrate 50.
  • the preferable length L and width Wt of the beam incident region 40 are 2 mm to 4 mm and 200 ⁇ m to 400 ⁇ m, respectively.
  • the first laser pulse LP1 and the second laser pulse LP2 (FIG. 3A) are incident on the semiconductor substrate 50 at a constant repetition frequency while moving the semiconductor substrate 50 (FIG. 2B) in the Y direction.
  • the distance that the semiconductor substrate 50 moves during one cycle of the repetition frequency of the first laser pulse LP1 and the second laser pulse LP2 is represented by Wo.
  • the beam incident regions 40 of two first laser pulses LP1 adjacent on the time axis partially overlap each other.
  • the overlap ratio Wo / Wt of both is, for example, 50%.
  • the temperature of the surface layer portion of the second surface 50B (FIG. 2B) of the semiconductor substrate 50 starts to rise.
  • the temperature of the second surface 50B of the semiconductor substrate 50 has not reached the melting point (1300K to 1430K) of amorphous silicon.
  • the second laser pulse LP2 is incident at time t2
  • the temperature of the surface layer portion of the second surface 50B of the semiconductor substrate 50 reaches the melting point of amorphous silicon, and the surface layer portion is melted.
  • the melted portion reaches the bottom surface of the high concentration layer 57a (FIG. 2B).
  • the temperature of the surface layer portion of the semiconductor substrate 50 is lowered and solidified.
  • the crystal is epitaxially grown from the single crystal low concentration layer 56a (FIG. 2B), so that the high concentration layer 57a becomes a single crystal.
  • the impurities implanted into the high concentration layer 57a are activated.
  • the second surface 50B of the semiconductor substrate 50 is heated to the deep low-concentration layer 56a (FIG. 2B), and the temperature rises. To do. Thereby, the impurity implanted in the low concentration layer 56a is activated.
  • the temperature of the second surface 50B of the semiconductor substrate 50 does not reach the melting point of single crystal silicon. For this reason, the surface layer portion of the second surface 50B of the recrystallized semiconductor substrate 50 is not remelted.
  • the impurities in the low concentration layer 56a are activated by the irradiation with the first laser pulse LP1. Thereafter, the high concentration layer 57a (FIG. 2B) is melted by irradiation with the second laser pulse LP2. When the high concentration layer 57a is recrystallized, the impurities in the high concentration layer 57a are activated.
  • the beam incident region 40 of the first laser pulse LP1 and the beam incident region 40 of the second laser pulse LP2 on the surface of the semiconductor substrate 50 are substantially matched, but it is not always necessary to match them.
  • the beam incident area 40A of the first laser pulse LP1 may be slightly larger than the beam incident area 40B of the second laser pulse LP2.
  • the beam incident region 40B of the second laser pulse LP2 is included in the beam incident region 40A of the first laser pulse LP1.
  • FIG. 4A and 4B are sectional views of the optical system on the path of the first laser pulse from the semiconductor laser oscillator 21 to the semiconductor substrate 50.
  • FIG. FIG. 4A shows a cross-sectional view parallel to the YZ plane, that is, a cross-sectional view parallel to the minor axis direction of the beam incident region 40 (FIG. 3B).
  • FIG. 4B shows a cross-sectional view parallel to the ZX plane, that is, a cross-sectional view parallel to the major axis direction of the beam incident region 40 (FIG. 3B).
  • the traveling direction of the laser beam is changed by the dichroic mirror 25 and the bending mirror 35.
  • the direction of each coordinate axis of the XYZ orthogonal coordinate system is also changed following the change of the traveling direction of the laser beam.
  • a laser diode array is used for the semiconductor laser oscillator 21.
  • This laser diode array includes a plurality of laser diodes arranged two-dimensionally in the X direction and the Y direction.
  • the fast axis and slow axis of the laser diode array are arranged substantially parallel to the Y direction and the X direction, respectively. As will be described later, strictly speaking, the fast axis and the Y direction, and the slow axis and the X direction are slightly deviated from the parallel relationship.
  • the laser beam emitted from the semiconductor laser oscillator 21 enters the fast axis cylindrical lens array 28.
  • the fast axis cylindrical lens array 28 is composed of cylindrical lenses arranged for each row of laser diodes arranged in the slow axis direction. As shown in FIG. 4A, the cylindrical lens converges the laser beam emitted from the semiconductor laser oscillator 21 in the fast axis direction (in the YZ plane). As shown in FIG. 4B, the laser beam propagates with a certain spread angle in the slow axis direction. The beam expander 23 expands the beam cross section of the laser beam and collimates the laser beam. The collimated laser beam is incident on the cylindrical lens array group 24.
  • FIG. 5A and 5B show a two-dimensional profile of the laser beam when the slow axis of the semiconductor laser oscillator 21 is arranged parallel to the X direction.
  • FIG. 5A shows a two-dimensional profile at the emission position from the semiconductor laser oscillator 21, and
  • FIG. 5B shows a two-dimensional profile at the incident position on the cylindrical lens array group 24.
  • a region with high light intensity is represented by a dark color.
  • the two-dimensional profile at the emission position of the semiconductor laser oscillator 21 includes two sets of striped patterns arranged at intervals in the X direction.
  • Each of the stripes constituting the stripe pattern corresponds to a laser bar composed of a plurality of laser diodes arranged in the X direction.
  • Each of the striped patterns corresponds to a laser stack including a plurality, for example, 25 laser bars stacked in the Y direction.
  • two laser stacks are arranged at an interval in the X direction.
  • the stripes of the two stripe patterns are extended in the X direction and are continuous with each other to form one stripe pattern.
  • FIG. 6A and 6B show a two-dimensional profile of the laser beam of the semiconductor laser oscillator 21 according to the embodiment.
  • FIG. 6A shows a two-dimensional profile at the emission position from the semiconductor laser oscillator 21, and
  • FIG. 6B shows a two-dimensional profile at the incident position on the cylindrical lens array group 24.
  • the slow axis of the laser diode array constituting the semiconductor laser oscillator 21 is slightly inclined with respect to the X direction.
  • the cylindrical lens array group 24 includes first to fourth cylindrical lens arrays 24A to 24D.
  • the first and second cylindrical lens arrays 24A and 24B have a configuration in which a plurality of cylindrical lenses having column surfaces parallel to the X direction are arranged in the Y direction.
  • the third and fourth cylindrical lens arrays 24C and 24D have a configuration in which a plurality of cylindrical lenses having column surfaces parallel to the Y direction are arranged in the X direction.
  • the first and second cylindrical lens arrays 24A and 24B divide a laser beam having a striped two-dimensional profile (FIG. 6B) into a plurality of beams in the Y direction.
  • Each of the first and second cylindrical lens arrays 24A and 24B includes, for example, five cylindrical lenses.
  • laser beams emitted from five laser bars of the 25 laser bars of the semiconductor laser oscillator 21 are incident on one cylindrical lens. Note that the correspondence relationship between the number of laser bars and cylindrical lenses is arbitrary, and the number of laser bars need not be divisible by the number of cylindrical lenses.
  • the third and fourth cylindrical lens arrays 24C and 24D do not affect the divergence and convergence of the laser beam in the Y direction.
  • the condenser lens 26 superimposes a plurality of beams divided in the Y direction on the surface of the semiconductor substrate 50.
  • the first and second cylindrical lens arrays 24A and 24B and the condenser lens 26 are arranged in the Y direction with respect to the semiconductor substrate 50 by the first cylindrical lens array 24A and the second cylindrical lens array 24B and the condenser lens 26. A positional relationship that is imaged on the surface.
  • the third and fourth cylindrical lens arrays 24C and 24D split the laser beam into a plurality of beams in the X direction.
  • the condenser lens 26 superimposes the laser beam divided in the X direction on the surface (irradiated surface) of the semiconductor substrate 50.
  • the third and fourth cylindrical lens arrays 24C and 24D, and the condenser lens 26 are configured such that the third cylindrical lens array 24C is replaced with the semiconductor substrate 50 by the fourth cylindrical lens array 24D and the condenser lens 26 in the X direction. Have a positional relationship of being imaged on the surface.
  • the laser beam can be incident in the beam incident region 40 (FIG. 3B) that is long in the X direction.
  • the beam profile of the laser beam incident on the cylindrical lens array group 24 has a Gaussian shape
  • a plurality of beams divided by the cylindrical lens array group 24 are superposed on the surface of the semiconductor substrate 50, whereby the X direction and the Y direction are related.
  • the beam profile can be made uniform.
  • the two-dimensional profile of the laser beam emitted from the semiconductor laser oscillator 21 used in the laser irradiation apparatus according to the embodiment is not a Gaussian shape as shown in FIG. 6A.
  • FIG. 7A shows a beam profile related to the Y direction (short axis direction) on the surface of the semiconductor substrate 50 when the laser beam having the two-dimensional profile shown in FIGS. 5A and 5B is used.
  • the Y direction (short axis direction) on the surface of the semiconductor substrate 50 is used.
  • the beam profile for is shown.
  • FIG. 7A is compared with FIG. 7B, it can be seen that the uniformity of the beam profile is higher in FIG. 7B.
  • FIGS. 6A and 6B it is considered that the uniformity is increased because the slow axis direction of the semiconductor laser oscillator 21 is tilted with respect to the X direction.
  • FIG. 8A shows the positional relationship between the two-dimensional profile of the laser beam at the incident position of the cylindrical lens array group 24, the rectangular opening of the cylindrical lens array group 24, and the XYZ coordinate system.
  • An inclination angle in the slow axis direction with respect to the X direction is represented by ⁇ .
  • a pair of sides of the rectangular opening 29 of the cylindrical lens array group 24 is parallel to the X direction, and the other pair of sides is parallel to the Y direction.
  • the laser beam incident in the rectangular opening 29 reaches the surface of the semiconductor substrate 50 without causing vignetting in the subsequent optical system.
  • the dimension of the rectangular opening 29 in the X direction is represented by L.
  • the pitch (cycle) in the fast axis direction of the striped pattern is represented by P.
  • FIG. 8B shows the relationship between the tilt angle ⁇ and the standard deviation ⁇ of the beam profile in the Y direction (short axis direction) in the beam incident region 40 (FIG. 3B).
  • the horizontal axis represents the tilt angle ⁇ in the unit “°”
  • the vertical axis represents the standard deviation ⁇ in the unit “%”.
  • the point where the inclination angle ⁇ is 0 ° corresponds to the reference example shown in FIGS. 5A and 5B.
  • the standard deviation ⁇ repeats decreasing and increasing.
  • the minimum value is shown when the inclination angle ⁇ is about 1.5 °, about 4 °, and the maximum value is shown about 2.5 °.
  • FIGS. 9A to 9H the reason why the standard deviation ⁇ repeatedly increases and decreases as the tilt angle ⁇ increases will be described.
  • 9A, 9C, 9E, and 9G show the positional relationship between the two-dimensional profile of the laser beam and the XYZ coordinate system
  • FIGS. 9B, 9D, 9F, and 9H show the integration of the light intensity in the X direction. The waveform regarding the Y direction of the integrated value which showed is shown.
  • the integrated value shows a periodic waveform in the Y direction as shown in FIG. 9B.
  • This period is equal to the pitch P in the fast axis direction of the striped pattern (FIG. 8A). That is, the two-dimensional profile of the laser beam periodically exhibits a maximum value at the pitch P with respect to the fast axis direction.
  • the inclination angle ⁇ is increased until the Y coordinate of the left end of one stripe in the rectangular opening 29 is equal to the Y coordinate of the right end of the adjacent stripe.
  • the amplitude of the waveform of the integrated value obtained by integrating the light intensity in the X direction becomes small.
  • the tilt angle ⁇ at this time is expressed by sin ⁇ 1 (P / L).
  • the amplitude of the waveform of the integrated value is increased as shown in FIG. 9F.
  • the inclination angle ⁇ is increased until the Y coordinate of the left end of one stripe in the rectangular opening 29 is equal to the Y coordinate of the right end of the adjacent stripe across the one stripe. Then, as shown in FIG. 9H, the amplitude of the waveform of the integral value becomes small.
  • the inclination angle ⁇ at which the standard deviation ⁇ first exhibits a minimum value corresponds to the state shown in FIG. 9C and is approximately equal to sin ⁇ 1 (P / L).
  • the tilt angle ⁇ is preferably set to sin ⁇ 1 (P / L).
  • a laser beam emitted from a general laser diode array has a lower beam quality in a cross section perpendicular to the fast axis direction than that in a cross section perpendicular to the slow axis direction.
  • the beam components with poor quality increase in the cross section parallel to the minor axis direction (YZ cross section shown in FIG. 4A).
  • the inclination angle ⁇ in the vicinity of an angle of 1.5 ° at which the standard deviation ⁇ takes the minimum value first, rather than in the vicinity of an angle of 4 ° at which the standard deviation ⁇ takes the second minimum value.
  • the periodicity of the light intensity distribution is weak in the long axis direction (X direction). For this reason, in the major axis direction (X direction), a sufficiently uniform beam profile equivalent to that obtained when a Gaussian beam is used can be obtained.
  • Control Device 21 Semiconductor Laser Oscillator 22 Attenuator 23 Beam Expander 24 Cylindrical Lens Array Group 24A First Cylindrical Lens Array 24B Second Cylindrical Lens Array 24C Third Cylindrical Lens Array 24D Fourth Cylindrical Lens Array 25 Dichroic Mirror 26 Condenser lens 27 Propagating optical system 28 Fast axis cylindrical lens array 29 Rectangular aperture 31 Solid state laser oscillator 32 Attenuator 33 Beam expander 34 Cylindrical lens array group 35 Bending mirror 40 Beam incident area 40A First laser pulse incident area 40B Second Laser pulse incident region 41 stage 50 semiconductor substrate 50T first surface 50B second surface 51 p-type base region 52 n-type emitter The gate region 53 The gate electrode 54 The gate insulating film 55 The emitter electrode 56 The n-type buffer layer 56a The low concentration layer 57 The p-type collector layer 57a The high concentration layer 58 The collector electrode

Abstract

　レーザダイオードが速軸及び遅軸方向に二次元的に配置されて、半導体レーザ発振器が構成される。半導体レーザ発振器から射出したレーザビームがホモジナイザに入射する。ホモジナイザは、被照射面において長尺の入射領域にレーザビームを集光させる。ホモジナイザは、入射領域の短軸方向に関してレーザビームを複数のビームに分割し、分割された複数のビームを被照射面において重ね合わせて入射領域に入射させる。半導体レーザ発振器の遅軸方向が、入射領域の長軸方向に対して傾斜している。

Description

レーザ照射装置
　本発明は、レーザダイオードアレイを光源に持つレーザ照射装置に関する。
　半導体基板のレーザアニールに、炭酸ガスレーザ、固体レーザ、エキシマレーザ等が用いられている。これらのレーザ発振器から射出されるレーザビームの光強度分布（ビームプロファイル）は概ねガウシアン形状を有する。ビームプロファイルがホモジナイザによって均一化されたレーザビームを、半導体基板に入射させることにより、高品質のアニールを行うことができる。
　近年、レーザダイオードアレイの高出力化が進んでいる。高出力のレーザダイオードアレイは、レーザ溶接、レーザ切断、固体レーザの励起等の光源として用いられている。
特開２０１２－１５６３９０号公報 特開２００９－１６５４１号公報
　レーザダイオードアレイは、複数のレーザダイオードが一次元または二次元に配列された構造を有する。このため、レーザダイオードアレイから射出されたレーザビームのビームプロファイルはガウシアン形状にならず、レーザダイオードの配置に依存する形状を有する。このようなレーザビームのビームプロファイルを均一化することは困難であるため、レーザダイオードアレイは、半導体基板のレーザアニール用の光源として使用されていない。
　本発明の目的は、レーザダイオードアレイから射出したレーザビームのビームプロファイルの均一化を高めることが可能なレーザ照射装置を提供することである。
　本発明の一観点によると、
　レーザダイオードが速軸及び遅軸方向に二次元的に配置された半導体レーザ発振器と、
　前記半導体レーザ発振器から射出したレーザビームが入射し、被照射面において長尺の入射領域にレーザビームを集光させるホモジナイザと
を有し、
　前記ホモジナイザは、前記入射領域の短軸方向に関して前記レーザビームを複数のビームに分割し、分割された複数のビームを前記被照射面において重ね合わせて前記入射領域に入射させ、
　前記半導体レーザ発振器の遅軸方向が、前記入射領域の長軸方向に対して傾斜しているレーザ照射装置が提供される。
　半導体レーザ発振器の遅軸方向を、入射領域の長軸方向に対して傾斜させることにより、ビームプロファイルの均一性を高めることができる。
図１は、実施例によるレーザ照射装置の概略図である。 図２Ａは、実施例によるレーザ照射装置で製造されるＩＧＢＴの断面図であり、図２Ｂは、ＩＧＢＴの製造途中段階における断面図である。 図３Ａは、実施例によるレーザ照射装置で照射される第１及び第２のレーザパルスの時間波形の一例を示すグラフであり、図３Ｂは、レーザパルスの入射領域の平面図であり、図３Ｃは、レーザパルスの入射領域の他の構成例の平面図である。 図４Ａ及び図４Ｂは、実施例によるレーザ照射装置の半導体レーザ発振器から半導体基板までの光学系の構成を示す断面図である。 図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ半導体レーザ発振器からの遅軸をＸ方向と平行に配置した場合の、半導体レーザ発振器の出射位置及びシリンドリカルレンズアレイ群の入射位置におけるレーザビームの二次元プロファイルを示す概略図である。 図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ実施例によるレーザ照射装置の、半導体レーザ発振器の出射位置及びシリンドリカルレンズアレイ群の入射位置におけるレーザビームの二次元プロファイルを示す概略図である。 図７Ａ及び図７Ｂは、それぞれ図５Ｂ及び図６Ｂに示した二次元プロファイルのレーザビームがホモジナイザに入射したときの、半導体基板表面における短軸方向のビームプロファイルを示すグラフである。 図８Ａは、シリンドリカルレンズアレイ群の入射位置におけるレーザビームの二次元プロファイル、シリンドリカルレンズアレイ群の矩形開口部、及びＸＹＺ座標系との相対位置関係を示す図であり、図８Ｂは、傾斜角θと、短軸方向に関するビームプロファイルの標準偏差σとの関係を示すグラフである。 図９Ａ、図９Ｃ、図９Ｅ、図９Ｇは、二次元プロファイルとＸＹＺ座標系との位置関係を示す概略図であり、図９Ｂ、図９Ｄ、図９Ｆ、図９Ｈは、光強度をＸ方向に積分した積分値のＹ方向に関する波形を示すグラフである。
　図１に、実施例によるレーザ照射装置の概略図を示す。このレーザ照射装置は、例えば半導体ウエハに注入された不純物の活性化アニールに用いられる。半導体レーザ発振器２１が、例えば波長８０８ｎｍの準連続発振（ＱＣＷ）レーザビームを射出する。なお、波長９５０ｎｍ以下のパルスレーザビームを射出する半導体レーザ発振器を用いてもよい。
　半導体レーザ発振器２１には、複数のレーザダイオードを二次元にアレイ化したレーザダイオードアレイが用いられる。以下、レーザダイオードアレイの構造について説明する。複数のレーザダイオードがモノリシックに一次元アレイ化されてレーザバーが構成される。複数のレーザバーを積み重ねることにより、二次元アレイ化したレーザダイオードアレイが構成される。レーザバーを構成する複数のレーザダイオードが配列する方向を遅軸という。複数のレーザバーが積み重ねられた方向を速軸という。レーザバーごとにシリンドリカルレンズが配置されている。シリンドリカルレンズは、レーザバーから射出されたレーザビームを、速軸方向に関して収束させる。
　固体レーザ発振器３１が、緑色の波長域のパルスレーザビームを射出する。固体レーザ発振器３１には、例えば第２高調波を射出するＮｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ等が用いられる。
　半導体レーザ発振器２１から射出したパルスレーザビーム及び固体レーザ発振器３１から射出したパルスレーザビームが、伝搬光学系２７を経由して、アニールの対象の半導体基板５０に入射する。半導体レーザ発振器２１から射出したパルスレーザビームと固体レーザ発振器３１から射出したパルスレーザビームとは、半導体基板５０の表面の同一の領域に入射する。
　次に、伝搬光学系２７の構成及び作用について説明する。半導体レーザ発振器２１から射出したパルスレーザビームが、アッテネータ２２、ビームエキスパンダ２３、シリンドリカルレンズアレイ群２４、ダイクロイックミラー２５、及びコンデンサレンズ２６を経由して、半導体基板５０に入射する。
　固体レーザ発振器３１から射出したパルスレーザビームが、アッテネータ３２、ビームエキスパンダ３３、シリンドリカルレンズアレイ群３４、ベンディングミラー３５、ダイクロイックミラー２５、及びコンデンサレンズ２６を経由して、半導体基板５０に入射する。
　ビームエキスパンダ２３、３３は、入射したパルスレーザビームをコリメートするとともに、ビーム径を拡大する。シリンドリカルレンズアレイ群２４、３４及びコンデンサレンズ２６は、半導体基板５０の表面におけるビーム断面を長尺形状に整形するとともに、ビームプロファイルを均一化する。半導体レーザ発振器２１から射出したパルスレーザビームと、固体レーザ発振器３１から射出したパルスレーザビームとは、半導体基板５０の表面において、ほぼ同一の長尺領域に入射する。シリンドリカルレンズアレイ群２４及びコンデンサレンズ２６が、半導体レーザ発振器２１から射出されたレーザビーム用のホモジナイザとして機能し、シリンドリカルレンズアレイ群３４及びコンデンサレンズ２６が、固体レーザ発振器３１から射出されたレーザビーム用のホモジナイザとして機能する。ホモジナイザは、半導体レーザ発振器２１から射出したパルスレーザビーム及び個体レーザ発振器３１から射出したパルスレーザビームを、半導体基板５０の表面に集光する。
　半導体基板５０は、ステージ４１に保持されている。半導体基板５０の表面に平行な面をＸＹ面とし、半導体基板５０の表面の法線方向をＺ方向とするＸＹＺ直交座標系を定義する。制御装置２０が、半導体レーザ発振器２１、固体レーザ発振器３１、及びステージ４１を制御する。ステージ４１は、制御装置２０からの制御を受けて、半導体基板５０をＸ方向及びＹ方向に移動させる。
　図２Ａに、実施例によるレーザ照射装置で製造される半導体装置の例として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の断面図を示す。ＩＧＢＴは、ｎ型のシリコンからなる半導体基板５０の一方の面（以下、「第１の面」という。）５０Ｔにエミッタとゲートとを形成し、もう一方の面（以下、「第２の面」という。）５０Ｂにコレクタを形成することで作製される。半導体基板５０として、通常はシリコン単結晶基板が用いられる。エミッタとゲートを形成する面の構造は、一般的なＭＯＳＦＥＴの作製工程と同様の工程で作製される。例えば、図２Ａに示すように、半導体基板５０の第１の面５０Ｔの表層部に、ｐ型のベース領域５１、ｎ型のエミッタ領域５２、ゲート電極５３、ゲート絶縁膜５４、エミッタ電極５５が配置される。ゲート－エミッタ間の電圧で、電流のオンオフ制御を行うことができる。
　半導体基板５０の第２の面５０Ｂの表層部に、ｐ型のコレクタ層５７及び低濃度のｎ型のバッファ層５６が形成されている。バッファ層５６は、コレクタ層５７よりも深い領域に配置される。コレクタ層５７及びバッファ層５６は、それぞれ不純物として、例えばボロン及びリンをイオン注入し、活性化アニールを行うことにより形成される。この活性化アニールに、図１に示したレーザ照射装置が適用される。コレクタ電極５８が、活性化アニールの後に、コレクタ層５７の表面に形成される。
　第２の面５０Ｂからコレクタ層５７とバッファ層５６との界面までの深さは、例えば約０．３μｍである。第２の面からバッファ層５６の最も深い位置までの深さは、例えば１μｍ～５μｍの範囲内である。
　図２Ｂに、レーザアニールを行う段階の半導体基板５０の断面図を示す。半導体基板５０の第２の面５０Ｂの表層部５７ａに、ボロンがイオン注入されている。表層部５７ａより深い領域５６ａに、リンがイオン注入されている。表層部５７ａ内のボロン、及び深い領域５６ａ内のリンは、活性化していない。表層部５７ａのボロン濃度は、深い領域５６ａのリン濃度より高い。本明細書において、表層部５７ａを「高濃度層」といい、深い領域５６ａを「低濃度層」という。ボロンのドーズ量が多いため、高濃度層５７ａはアモルファス状態になっている。高濃度層５７ａと低濃度層５６ａとの界面より深い領域は、単結晶状態のままである。半導体基板５０の第１の面５０Ｔには、図２Ａに示した素子構造が形成されている。
　図３Ａに、半導体基板５０（図２Ｂ）に入射するレーザパルス波形の概略を示す。図３Ａでは、パルス波形を長方形で表しているが、実際のパルス波形は、パルスの立ち上がり、減衰、及び立ち下がり等の部分を含む。図３Ａに示されたパルス波形の射出タイミングは、制御装置２０（図１）が半導体レーザ発振器２１及び固体レーザ発振器３１を制御することにより決定される。
　時刻ｔ１に、半導体レーザ発振器２１から射出した第１のレーザパルスＬＰ１の、半導体基板５０への入射が開始する。時刻ｔ１の後の時刻ｔ２に、固体レーザ発振器３１から射出した第２のレーザパルスＬＰ２が半導体基板５０に入射する。第１のレーザパルスＬＰ１と第２のレーザパルスＬＰ２とが入射する領域は、ほぼ重なる。第２のレーザパルスＬＰ２のピークパワーは、第１のレーザパルスＬＰ１のピークパワーより高く、第２のレーザパルスＬＰ２のパルス幅ＰＷ２は、第１のレーザパルスＬＰ１のパルス幅ＰＷ１より短い。時刻ｔ３で、第２のレーザパルスＬＰ２の入射が終了する。その後、時刻ｔ４で、第１のレーザパルスＬＰ１の入射が終了する。なお、時刻ｔ４の後に、第２のレーザパルスＬＰ２を入射させる場合もある。
　第１のレーザパルスＬＰ１のパルス幅ＰＷ１は、例えば１０μｓ以上である。第２のレーザパルスＬＰ２のパルス幅ＰＷ２は、例えば１μｓ以下である。一例として、パルス幅ＰＷ１が１０μｓ～３０μｓの範囲内であり、パルス幅ＰＷ２が１００ｎｓ～２００ｎｓの範囲内である。第２のレーザパルスＬＰ２のパルス幅ＰＷ２を、第１のレーザパルスＬＰ１のパルス幅ＰＷ１の１／１０以下とすることが好ましい。
　図３Ｂに、半導体基板５０（図２Ｂ）の第２の面５０Ｂ（図２Ｂ）におけるレーザパルスの入射領域の平面図を示す。第１のレーザパルスＬＰ１（図３Ａ）及び第２のレーザパルスＬＰ２（図３Ａ）は、半導体基板５０の第２の面５０Ｂ（図２Ｂ）において、Ｘ方向に長い同一のビーム入射領域４０に入射する。例えば、ビーム入射領域４０の好適な長さＬ及び幅Ｗｔは、それぞれ２ｍｍ～４ｍｍ及び２００μｍ～４００μｍである。
　アニール中は、半導体基板５０（図２Ｂ）をＹ方向に移動させながら、第１のレーザパルスＬＰ１及び第２のレーザパルスＬＰ２（図３Ａ）を、一定の繰り返し周波数で半導体基板５０に入射させる。第１のレーザパルスＬＰ１及び第２のレーザパルスＬＰ２の繰り返し周波数の１周期の間に半導体基板５０が移動する距離をＷｏで表す。時間軸上で隣り合う２つの第１のレーザパルスＬＰ１のビーム入射領域４０は、相互に部分的に重なる。両者の重複率Ｗｏ／Ｗｔは、例えば５０％である。
　図３Ａに示した時刻ｔ１で第１のレーザパルスＬＰ１の入射が開始すると、半導体基板５０の第２の面５０Ｂ（図２Ｂ）の表層部の温度が上昇し始める。時刻ｔ２の時点で、半導体基板５０の第２の面５０Ｂの温度は、アモルファスシリコンの融点（１３００Ｋ～１４３０Ｋ）まで達していない。時刻ｔ２で第２のレーザパルスＬＰ２を入射させると、半導体基板５０の第２の面５０Ｂの表層部の温度がアモルファスシリコンの融点まで達し、表層部が溶融する。溶融した部分は、高濃度層５７ａ（図２Ｂ）の底面まで達する。
　第２のレーザパルスＬＰ２の入射が終了すると、半導体基板５０の表層部の温度が低下し、固化する。このとき、単結晶の低濃度層５６ａ（図２Ｂ）から結晶がエピタキシャル成長することにより、高濃度層５７ａが単結晶になる。同時に、高濃度層５７ａに注入されている不純物が活性化する。
　時刻ｔ３以降も、第１のレーザパルスＬＰ１（図３Ａ）の入射が継続しているため、半導体基板５０の第２の面５０Ｂから深い低濃度層５６ａ（図２Ｂ）まで加熱され、温度が上昇する。これにより、低濃度層５６ａに注入されている不純物が活性化する。時刻ｔ４で第１のレーザパルスＬＰ１の入射が終了する時点で、半導体基板５０の第２の面５０Ｂの温度は、単結晶シリコンの融点まで到達しない。このため、再結晶化した半導体基板５０の第２の面５０Ｂの表層部は再溶融しない。
　時刻ｔ４よりも後に第２のレーザパルスＬＰ２を入射させる場合には、第１のレーザパルスＬＰ１の照射によって低濃度層５６ａ（図２Ｂ）内の不純物が活性化する。その後、第２のレーザパルスＬＰ２の照射によって高濃度層５７ａ（図２Ｂ）を溶融させる。高濃度層５７ａが再結晶化する時に、高濃度層５７ａ内の不純物が活性化する。
　図３Ｂでは、半導体基板５０の表面における第１のレーザパルスＬＰ１のビーム入射領域４０と第２のレーザパルスＬＰ２のビーム入射領域４０とを、ほぼ一致させたが、必ずしも両者を一致させる必要はない。図３Ｃに示すように、第１のレーザパルスＬＰ１のビーム入射領域４０Ａを第２のレーザパルスＬＰ２のビーム入射領域４０Ｂよりもやや大きくしてもよい。このとき、第２のレーザパルスＬＰ２のビーム入射領域４０Ｂが、第１のレーザパルスＬＰ１のビーム入射領域４０Ａに含まれる。
　図４Ａ及び図４Ｂに、半導体レーザ発振器２１から半導体基板５０までの第１のレーザパルスの経路上の光学系の断面図を示す。図４Ａは、ＹＺ面に平行な断面図、すなわちビーム入射領域４０（図３Ｂ）の短軸方向に平行な断面図を示す。図４Ｂは、ＺＸ面に平行な断面図、すなわちビーム入射領域４０（図３Ｂ）の長軸方向に平行な断面図を示す。図１に示したように、レーザビームの進行方向は、ダイクロイックミラー２５及びベンディングミラー３５によって変化する。ＸＹＺ直交座標系の各座標軸の方向も、レーザビームの進行方向の変化に追随して変化させることとする。
　半導体レーザ発振器２１に、レーザダイオードアレイが用いられる。このレーザダイオードアレイは、Ｘ方向及びＹ方向に二次元的に配置された複数のレーザダイオードを含む。レーザダイオードアレイの速軸及び遅軸が、それぞれＹ方向及びＸ方向にほぼ平行に配置される。後述するように、速軸とＹ方向、及び遅軸とＸ方向とは、厳密には、平行の関係からややずれている。半導体レーザ発振器２１から射出したレーザビームが、速軸シリンドリカルレンズアレイ２８に入射する。
　速軸シリンドリカルレンズアレイ２８は、遅軸方向に並ぶレーザダイオードの列ごとに配置されたシリンドリカルレンズで構成される。図４Ａに示すように、シリンドリカルレンズは、速軸方向に関して（ＹＺ面内に関して）、半導体レーザ発振器２１から射出されたレーザビームを収束させる。図４Ｂに示すように、遅軸方向に関しては、ある広がり角をもってレーザビームが伝搬する。ビームエキスパンダ２３が、レーザビームのビーム断面を拡大するとともに、レーザビームをコリメートする。コリメートされたレーザビームがシリンドリカルレンズアレイ群２４に入射する。
　図５Ａ及び図５Ｂに、半導体レーザ発振器２１の遅軸をＸ方向と平行に配置した場合のレーザビームの二次元プロファイルを示す。図５Ａは、半導体レーザ発振器２１からの出射位置における二次元プロファイルを示し、図５Ｂは、シリンドリカルレンズアレイ群２４への入射位置における二次元プロファイルを示す。光強度の強い領域が、濃い色で表されている。
　図５Ａに示すように、半導体レーザ発振器２１の出射位置における二次元プロファイルは、Ｘ方向に間隔を隔てて配置された２組の縞状パターンを含む。縞状パターンを構成する縞の各々は、Ｘ方向に配列した複数のレーザダイオードからなるレーザバーに対応する。縞状パターンの各々は、Ｙ方向にスタックされた複数、例えば２５個のレーザバーを含むレーザスタックに対応する。図５Ａに示した例では、２個のレーザスタックが、Ｘ方向に間隔を隔てて配置されている。
　図５Ｂに示すように、シリンドリカルレンズアレイ群２４の入射位置においては、２つの縞状パターンの各縞がＸ方向に延長されて相互に連続し、１つの縞状パターンを構成している。
　図６Ａ及び図６Ｂに、実施例による半導体レーザ発振器２１のレーザビームの二次元プロファイルを示す。図６Ａは、半導体レーザ発振器２１からの出射位置における二次元プロファイルを示し、図６Ｂは、シリンドリカルレンズアレイ群２４への入射位置における二次元プロファイルを示す。半導体レーザ発振器２１を構成するレーザダイオードアレイの遅軸が、Ｘ方向に対してやや傾いている。
　図４Ａに示すように、シリンドリカルレンズアレイ群２４は、第１～第４のシリンドリカルレンズアレイ２４Ａ～２４Ｄを含む。第１及び第２のシリンドリカルレンズアレイ２４Ａ、２４Ｂは、Ｘ方向に平行な柱面を有する複数のシリンドリカルレンズがＹ方向に配列した構成を有する。第３及び第４のシリンドリカルレンズアレイ２４Ｃ、２４Ｄは、Ｙ方向に平行な柱面を有する複数のシリンドリカルレンズがＸ方向に配列した構成を有する。
　第１及び第２のシリンドリカルレンズアレイ２４Ａ、２４Ｂは、縞状の二次元プロファイル（図６Ｂ）を持つレーザビームを、Ｙ方向に関して複数のビームに分割する。第１及び第２のシリンドリカルレンズアレイ２４Ａ、２４Ｂの各々は、例えば５本のシリンドリカルレンズで構成される。この場合、半導体レーザ発振器２１の２５本のレーザバーのうち５本のレーザバーから射出されたレーザビームが、１本のシリンドリカルレンズに入射する。なお、レーザバーとシリンドリカルレンズとの本数の対応関係は任意であり、レーザバーの本数がシリンドリカルレンズの本数で割り切れる必要はない。
　第３及び第４のシリンドリカルレンズアレイ２４Ｃ、２４Ｄは、Ｙ方向に関するレーザビームの発散収束に影響を及ぼさない。コンデンサレンズ２６が、Ｙ方向に関して分割された複数のビームを半導体基板５０の表面において重ね合わせる。一例として、第１及び第２のシリンドリカルレンズアレイ２４Ａ、２４Ｂ、及びコンデンサレンズ２６は、Ｙ方向に関して、第１のシリンドリカルレンズアレイ２４Ａが、第２のシリンドリカルレンズアレイ２４Ｂ及びコンデンサレンズ２６によって半導体基板５０の表面上に結像される位置関係を有する。
　図４Ｂに示すように、第３及び第４のシリンドリカルレンズアレイ２４Ｃ、２４Ｄが、レーザビームをＸ方向に関して複数のビームに分割する。コンデンサレンズ２６が、Ｘ方向に分割されたレーザビームを半導体基板５０の表面（被照射面）上で重ね合わせる。一例として、第３及び第４のシリンドリカルレンズアレイ２４Ｃ、２４Ｄ、及びコンデンサレンズ２６は、Ｘ方向に関して、第３のシリンドリカルレンズアレイ２４Ｃが、第４のシリンドリカルレンズアレイ２４Ｄ及びコンデンサレンズ２６によって半導体基板５０の表面に結像される位置関係を有する。
　Ｙ方向に関する結像倍率を、Ｘ方向に関する結像倍率よりも小さくすることにより、Ｘ方向に長いビーム入射領域４０（図３Ｂ）内にレーザビームを入射させることができる。
　シリンドリカルレンズアレイ群２４に入射するレーザビームのビームプロファイルがガウシアン形状である場合、シリンドリカルレンズアレイ群２４で分割された複数のビームを半導体基板５０の表面で重ね合わせることにより、Ｘ方向及びＹ方向に関してビームプロファイルを均一化することができる。ところが、実施例によるレーザ照射装置に用いられている半導体レーザ発振器２１から射出されるレーザビームの二次元プロファイルは、図６Ａに示したように、ガウシアン形状ではない。
　図７Ａに、図５Ａ及び図５Ｂに示した二次元プロファイルを有するレーザビームを用いた場合の、半導体基板５０の表面におけるＹ方向（短軸方向）に関するビームプロファイルを示す。図７Ｂに、図６Ａ及び図６Ｂに示した二次元プロファイルを有するレーザビームを用いた場合、すなわち実施例によるレーザ照射装置を用いた場合の、半導体基板５０の表面におけるＹ方向（短軸方向）に関するビームプロファイルを示す。図７Ａと図７Ｂとを比較すると、図７Ｂの方が、ビームプロファイルの均一性が高いことがわかる。図６Ａ及び図６Ｂに示したように、半導体レーザ発振器２１の遅軸方向をＸ方向に対しけ傾けたために、均一性が高くなったと考えられる。
　図８Ａ及び図８Ｂを参照して、Ｘ方向に対する遅軸方向の傾斜角と、ビームプロファイルの均一性との関係について説明する。
　図８Ａに、シリンドリカルレンズアレイ群２４の入射位置におけるレーザビームの二次元プロファイル、シリンドリカルレンズアレイ群２４の矩形開口部、及びＸＹＺ座標系との位置関係を示す。Ｘ方向に対する遅軸方向の傾斜角をθで表す。シリンドリカルレンズアレイ群２４の矩形開口部２９の一対の辺は、Ｘ方向に平行であり、他の一対の辺はＹ方向に平行である。矩形開口部２９内に入射したレーザビームが、後段の光学系でケラレが生じることなく、半導体基板５０の表面まで到達する。矩形開口部２９のＸ方向の寸法をＬで表す。縞状パターンの速軸方向のピッチ（周期）をＰで表す。
　図８Ｂに、傾斜角θと、ビーム入射領域４０（図３Ｂ）におけるＹ方向（短軸方向）のビームプロファイルの標準偏差σとの関係を示す。横軸は傾斜角θを単位「°」で表し、縦軸は標準偏差σを単位「％」で表す。傾斜角θが０°の点が、図５Ａ及び図５Ｂに示した参考例に対応する。傾斜角θを０°から大きくしていくと、標準偏差σは減少と増加とを繰り返す。図８Ｂに示した例では、傾斜角θが約１．５°、約４°で極小値を示し、約２．５°で極大値を示す。
　図９Ａ～図９Ｈを参照して、傾斜角θの増加に伴い、標準偏差σが増減を繰り返す理由について説明する。図９Ａ、図９Ｃ、図９Ｅ、図９Ｇは、レーザビームの二次元プロファイルとＸＹＺ座標系との位置関係を示し、図９Ｂ、図９Ｄ、図９Ｆ、図９Ｈは、光強度をＸ方向に積分した積分値のＹ方向に関する波形を示す。
　図９Ａに示すように、傾斜角θが０°であるとき、光強度をＸ方向に積分すると、図９Ｂに示すように、積分値はＹ方向に関して周期的な波形を示す。この周期は、縞状パターンの速軸方向のピッチＰ（図８Ａ）と等しい。すなわち、レーザビームの二次元プロファイルが、速軸方向に関してピッチＰで周期的に極大値を示す。
　図９Ｃに、矩形開口部２９内の１本の縞の左端のＹ座標と、それに隣接する縞の右端のＹ座標とが等しくなるまで、傾斜角θを大きくする。このとき、図９Ｄに示すように、光強度をＸ方向に積分して得られた積分値の波形の振幅が小さくなる。このときの傾斜角θは、ｓｉｎ－１（Ｐ／Ｌ）で表される。
　図９Ｅに示すように、傾斜角θをさらに大きくすると、図９Ｆに示すように、積分値の波形の振幅が大きくなる。図９Ｇに示すように、矩形開口部２９内の１本の縞の左端のＹ座標と、それに１本の縞を挟んで隣り合う縞の右端のＹ座標とが等しくなるまで傾斜角θを大きくすると、図９Ｈに示すように、積分値の波形の振幅が小さくなる。
　上述のように、傾斜角θを０°から大きくしていくと、積分値の波形の振幅が増減を繰り返す。この積分値の波形の振幅の増減が、図８Ｂに示した標準偏差σの増減に反映されていると考えられる。図８Ｂにおいて、標準偏差σが最初に極小値を示す傾斜角θは、図９Ｃに示した状態に対応し、ｓｉｎ－１（Ｐ／Ｌ）とほぼ等しい。Ｙ方向に関するビームプロファイルの均一性を高めるために、傾斜角θをｓｉｎ－１（Ｐ／Ｌ）とすることが好ましい。また、図８Ｂに示した結果から、傾斜角θがｓｉｎ－１（Ｐ／Ｌ）の０．５倍～１．５倍の範囲内で、十分高い均一性を有するビームプロファイルが得られることがわかる。
　傾斜角θが４°の近傍においても、十分高い均一性を有するビームプロファイルが得られている。ところが、一般的なレーザダイオードアレイから射出されるレーザビームは、速軸方向に垂直な断面内に関するビーム品質が、遅軸方向に垂直な断面内に関するビーム品質より悪い。傾斜角θが大きくなると、短軸方向に平行な断面（図４Ａに示したＹＺ断面）内に関して、品質の悪いビーム成分が多くなる。短軸方向に関して高品質のレーザビームを得るために、傾斜角θをなるべく小さくすることが好ましい。具体的には、傾斜角θを、標準偏差σが２番目に極小値をとる角度４°の近傍とするよりも、最初に極小値をとる角度１．５°の近傍とすることが好ましい。
　図６Ｂに示したように、長軸方向（Ｘ方向）に関しては、光強度分布の周期性が弱い。このため、長軸方向（Ｘ方向）に関しては、ガウシアンビームを用いた場合と同等の十分均一性の高いビームプロファイルが得られる。
　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。
２０　制御装置
２１　半導体レーザ発振器
２２　アッテネータ
２３　ビームエキスパンダ
２４　シリンドリカルレンズアレイ群
２４Ａ　第１のシリンドリカルレンズアレイ
２４Ｂ　第２のシリンドリカルレンズアレイ
２４Ｃ　第３のシリンドリカルレンズアレイ
２４Ｄ　第４のシリンドリカルレンズアレイ
２５　ダイクロイックミラー
２６　コンデンサレンズ
２７　伝搬光学系
２８　速軸シリンドリカルレンズアレイ
２９　矩形開口部
３１　固体レーザ発振器
３２　アッテネータ
３３　ビームエキスパンダ
３４　シリンドリカルレンズアレイ群
３５　ベンディングミラー
４０　ビーム入射領域
４０Ａ　第１のレーザパルスの入射領域
４０Ｂ　第２のレーザパルスの入射領域
４１　ステージ
５０　半導体基板
５０Ｔ　第１の面
５０Ｂ　第２の面
５１　ｐ型のベース領域
５２　ｎ型のエミッタ領域
５３　ゲート電極
５４　ゲート絶縁膜
５５　エミッタ電極
５６　ｎ型バッファ層
５６ａ　低濃度層
５７　ｐ型コレクタ層
５７ａ　高濃度層
５８　コレクタ電極

Claims (4)

  1. 　レーザダイオードが速軸及び遅軸方向に二次元的に配置された半導体レーザ発振器と、
    　前記半導体レーザ発振器から射出したレーザビームが入射し、被照射面において長尺の入射領域にレーザビームを集光させるホモジナイザと
    を有し、
    　前記ホモジナイザは、前記入射領域の短軸方向に関して前記レーザビームを複数のビームに分割し、分割された複数のビームを前記被照射面において重ね合わせて前記入射領域に入射させ、
    　前記半導体レーザ発振器の遅軸方向が、前記入射領域の長軸方向に対して傾斜しているレーザ照射装置。
  2. 　前記ホモジナイザへの入射位置において、前記レーザビームのプロファイルが、速軸方向に関してピッチＰで周期的に極大値を示し、前記ホモジナイザへの入射位置におけるレーザビームのビーム断面の、前記長軸方向の寸法をＬで表し、前記半導体レーザ発振器の遅軸方向と前記長軸方向とのなす傾斜角をθで表したとき、傾斜角θは、ｓｉｎ－１（Ｐ／Ｌ）の０．５倍～１．５倍の範囲内である請求項１に記載のレーザ照射装置。
  3. 　前記ホモジナイザは、さらに、前記長軸方向に関して前記レーザビームを複数のビームに分割し、分割された複数のビームを前記被照射面において重ね合わせて前記入射領域に入射させる請求項１に記載のレーザ照射装置。
  4. 　前記ホモジナイザは、さらに、前記長軸方向に関して前記レーザビームを複数のビームに分割し、分割された複数のビームを前記被照射面において重ね合わせて前記入射領域に入射させる請求項２に記載のレーザ照射装置。
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