(57)【要約】【課題】  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。【解決手段】  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。【選択図】  図４
2014041909.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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または２に記載のレーザ照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１５６３９０号公報
【特許文献２】特開２００９−１６５４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【発明の効果】
【０００８】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施例によるレーザ照射装置の概略図である。
【図２】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３】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４】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５】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６】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７】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８】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９】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。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、制御措置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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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の入射領域４０と第２のレーザパルスＬＰ２の入射領域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の入射領域４０Ａを第２のレーザパルスＬＰ２の入射領域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の入射領域４０Ｂが、第１のレーザパルスＬＰ１の入射領域４０Ａに含まれる。
【００３２】
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。
【００３３】
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。レーザダイオードアレイ２１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。
【００３４】
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。
【００３５】
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２
４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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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、及びコデンサンレンズ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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
図８Ｂに、傾斜角θと、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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【符号の説明】
【００５７】
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５１
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図５】
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【図６】
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