(57)【要約】【課題】  レーザ光源から出射されたレーザビームの断面内の一方向に関する光強度分布が対称でない形状であっても、レーザビームの断面内のその方向に関する光強度分布を均一に近づけられる光学装置を提供する。【解決手段】  分岐光学素子が、レーザビームを、ビーム断面内の第１の方向に関する光強度分布の増減傾向が、該レーザビームの増減傾向と等しい第１及び第２のレーザビームに分岐させる。ホモジナイザが、第１及び第２のレーザビームを第１の方向に関して複数のビームに分割し、第１及び第２のレーザビームが分割された複数のビームをホモジナイズ面上に重ね合わせる。反転光学素子が、第１及び第２のレーザビームの、ホモジナイザに入射する位置における第１の方向に関する光強度分布の増減傾向が相互に反転した傾向となるように、両レーザビームのうちの一方の第１の方向に関する光強度分布を反転させる。【選択図】  図１
2006078655.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射するレーザビームを、ビーム断面内の第１の方向に関する光強度分布の増減傾向が、入射するレーザビームの増減傾向と等しい第１及び第２のレーザビームに分岐させる分岐光学素子と、
前記第１のレーザビーム及び第２のレーザビームが入射し、該第１及び第２のレーザビームを前記第１の方向に関して複数のビームに分割し、該第１のレーザビームが分割された複数のビームと、該第２のレーザビームが分割された複数のビームとをホモジナイズ面上に重ね合わせるビームホモジナイザと、
前記第１及び第２のレーザビームの、前記ビームホモジナイザに入射する位置における前記第１の方向に関する光強度分布の増減傾向が相互に反転した傾向となるように、該第１及び第２のレーザビームのうちの一方の、該第１の方向に関する光強度分布を反転させる反転光学素子と
を有する光学装置。
【請求項２】
前記第１及び第２のレーザビームは、相互に重なるか、または前記第１の方向にずれて前記ビームホモジナイザに入射する請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
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したレーザビームを、ビーム断面内の第１の方向に関する光強度分布の増減傾向が、該レーザビームの増減傾向と等しい第１及び第２のレーザビームに分岐させる分岐光学素子と、
前記第１のレーザビーム及び第２のレーザビームが入射し、該第１及び第２のレーザビームを前記第１の方向に関して複数のビームに分割し、該第１のレーザビームが分割された複数のビームと、該第２のレーザビームが分割された複数のビームとをホモジナイズ面上に重ね合わせるビームホモジナイザと、
前記第１及び第２のレーザビームの、前記ビームホモジナイザに入射する位置における前記第１の方向に関する光強度分布の増減傾向が相互に反転した傾向となるように、該第１及び第２のレーザビームのうちの一方の、該第１の方向に関する光強度分布を反転させる反転光学素子と
を有し、前記レーザ光源が出射するレーザビームのビーム断面内の一方向に関する光強度分布が、該一方向に関して対称形状でなく、前記分岐光学素子で分岐された前記第１及び第２のレーザビームのビーム断面内の前記第１の方向に関する光強度分布の増減傾向が、該レーザ光源が出射するレーザビームの該一方向に関する光強度分布の増減傾向と等しいレーザ照射装置。
【請求項４】
ビーム断面内の一方向に関する光強度分布が、該一方向に関して対称形状でないレーザビームを、ビーム断面内の第１の方向に関する光強度分布の増減傾向が、該レーザビームの該一方向に関する光強度分布の増減傾向と等しい第１及び第２のレーザビームに分岐させる工程と、
ビームホモジナイザに、前記第１及び第２のレーザビームを入射させ、該ビームホモジナイザにより、該第１及び第２のレーザビームを前記第１の方向に関して複数のビームに分割し、該第１のレーザビームが分割された複数のビームと、該第２のレーザビームが分割された複数のビームとをホモジナイズ面上に重ね合わせる工程と、
前記第１及び第２のレーザビームの、前記ビームホモジナイザに入射する位置における前記第１の方向に関する光強度分布の増減傾向が相互に反転した傾向となるように、前記第１及び第２のレーザビームのうちの一方の、前記第１の方向に関する光強度分布を反転させる工程と
を有するレーザ照射方法。
【請求項５】
入射するレーザビームを、ビーム断面内の第１の方向に関する光強度分布の増減傾向が、入射するレーザビームの増減傾向と等しい第１及び第２のレーザビームに分岐させる分岐光学素子と、
前記第１及び第２のレーザビームが入射し、ビーム断面が相互に重なって伝搬するように、両レーザビームを合成する合成光学素子と、
前記合成光学素子から出射した前記第１及び第２のレーザビームの、前記第１の方向に関する光強度分布の増減傾向が相互に反転した傾向となるように、該第１及び第２のレーザビームのうちの一方の、該第１の方向に関する光強度分布を反転させる反転光学素子と
を有する光学装置。
【請求項６】
前記分岐光学素子で分岐された前記第１及び第２のレーザビームにおいて、ビーム断面内の、前記第１の方向と交差する第２の方向に関する光強度分布の増減傾向も、入射するレーザビームの増減傾向と等しく、前記反転光学素子は、前記合成光学素子から出射した前記第１及び第２のレーザビームの、該第２の方向に関する光強度分布の増減傾向も相互に反転した傾向となるように、該第１及び第２のレーザビームのうちの一方の、前記第２の方向に関する光強度分布を反転させる請求項５に記載の光学装置。
【請求項７】
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したレーザビームを、ビーム断面内の第１の方向に関する光強度分布の増減傾向が、該レーザビームの増減傾向と等しい第１及び第２のレーザビームに分岐させる分岐光学素子と、
前記第１及び第２のレーザビームが入射し、ビーム断面が相互に重なって伝搬するように、両レーザビームを合成する合成光学素子と、
前記合成光学素子から出射した前記第１及び第２のレーザビームの、前記第１の方向に関する光強度分布の増減傾向が相互に反転した傾向となるように、前記第１及び第２のレーザビームのうちの一方の、前記第１の方向に関する光強度分布を反転させる反転光学素子と
を有し、前記レーザ光源が出射するレーザビームのビーム断面内の一方向に関する光強度分布が、該一方向に関して対称形状でなく、前記分岐光学素子で分岐された前記第１及び第２のレーザビームのビーム断面内の前記第１の方向に関する光強度分布の増減傾向が、該レーザ光源が出射するレーザビームの該一方向に関する光強度分布の増減傾向と等しいレーザ照射装置。
【請求項８】
ビーム断面内の一方向に関する光強度分布が、該一方向に関して対称形状でないレーザビームを、ビーム断面内の第１の方向に関する光強度分布の増減傾向が、該レーザビームの該一方向に関する光強度分布の増減傾向と等しい第１及び第２のレーザビームに分岐させる工程と、
前記第１及び第２のレーザビームを、ビーム断面が相互に重なって伝搬するように合成する合成工程と、
前記合成工程で合成された前記第１及び第２のレーザビームの、前記第１の方向に関する光強度分布の増減傾向が相互に反転した傾向となるように、該第１及び第２のレーザビームのうちの一方の、該第１の方向に関する光強度分布を反転させる工程と
を有するレーザ照射方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学装置、レーザ照射装置及びレーザ照射方法に関し、特にレーザビームの断面内の光強度分布を均一に近づけることができる光学装置、レーザ照射装置及びレーザ照射方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面に非晶質シリコン膜が形成された基板にレーザビームを照射して、非晶質シリコン膜を多結晶化するレーザアニールが行われている。ビーム断面内の光強度分布が均一化されたレーザビームを、基板表面に照射するレーザアニール技術が知られている。レーザビームの断面内の光強度分布を均一に近づけるために、例えばレンズアレイを用いたホモジナイザが用いられる。レンズアレイを用いたホモジナイザでは、ホモジナイザに入射したレーザビームが、ビーム断面内の少なくとも一方向について、レンズアレイで複数の光線束に分割され、分割された各光線束がホモジナイズ面上の共通の光照射領域に照射される。レンズアレイを用いたホモジナイザは、例えば特許文献１に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２５１２４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
レンズアレイを用いたホモジナイザへ入射するレーザビームの断面内の光強度分布が、レンズアレイがレーザビームを分割する方向に関して対称な形状であるとき（例えば、ガウス分布で近似される形状であるとき）、ホモジナイズ面上の光照射領域の、その方向に関する光強度分布が均一化される。
【０００５】
しかし、レーザ光源から出射されるレーザビームの光強度分布が、レーザビームが分割される方向について対称でない形状であるとき、該レーザビームを、レンズアレイを用いたホモジナイザに入射させても、ビーム断面内の所定方向の光強度分布を均一に近づけることができない。
【０００６】
本発明の一目的は、レーザ光源から出射されたレーザビームの断面内の一方向に関する光強度分布が対称でない形状であっても、レーザビームの断面内のその方向に関する光強度分布を均一に近づけることができる光学装置、レーザ照射装置及びレーザ照射方法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れば、入射するレーザビームを、ビーム断面内の第１の方向に関する光強度分布の増減傾向が、入射するレーザビームの増減傾向と等しい第１及び第２のレーザビームに分岐させる分岐光学素子と、前記第１のレーザビーム及び第２のレーザビームが入射し、該第１及び第２のレーザビームを前記第１の方向に関して複数のビームに分割し、該第１のレーザビームが分割された複数のビームと、該第２のレーザビームが分割された複数のビームとをホモジナイズ面上に重ね合わせるビームホモジナイザと、前記第１及び第２のレーザビームの、前記ビームホモジナイザに入射する位置における前記第１の方向に関する光強度分布の増減傾向が相互に反転した傾向となるように、該第１及び第２のレーザビームのうちの一方の、該第１の方向に関する光強度分布を反転させる反転光学素子とを有する光学装置が提供される。
【０００８】
本発明の他の観点によれば、入射するレーザビームを、ビーム断面内の第１の方向に関する光強度分布の増減傾向が、入射するレーザビームの増減傾向と等しい第１及び第２のレーザビームに分岐させる分岐光学素子と、前記第１及び第２のレーザビームが入射し、ビーム断面が相互に重なって伝搬するように、両レーザビームを合成する合成光学素子と、前記合成光学素子から出射した前記第１及び第２のレーザビームの、前記第１の方向に関する光強度分布の増減傾向が相互に反転した傾向となるように、該第１及び第２のレーザビームのうちの一方の、該第１の方向に関する光強度分布を反転させる反転光学素子と
を有する光学装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一観点による光学装置では、ビームホモジナイザに入射する位置において、第１及び第２のレーザビームの断面内の第１の方向に関する光強度分布の増減傾向が相互に反転した傾向となる。これにより、第１及び第２のレーザビームをまとめたレーザビームにおいて、ビーム断面内の第１の方向に関する光強度分布が対称な形状となる。ビームホモジナイザが、第１及び第２のレーザビームを第１の方向に関して複数のビームに分割し、第１のレーザビームが分割された複数のビームと、第２のレーザビームが分割された複数のビームとをホモジナイズ面上に重ね合わせる。これにより、ホモジナイズ面上の光照射領域の第１の方向に関する光強度分布を均一に近づけることができる。
【００１０】
本発明の他の観点による光学装置では、第１及び第２のレーザビームが相互に重なったレーザビームにおいて、第１及び第２のレーザビームの第１の方向に関する光強度分布の増減傾向が相互に反転した傾向となる。第１及び第２のレーザビームが相互に重なったレーザビームにおいて、例えば、第１のレーザビームの光強度分布が第１の方向に関して漸減傾向を有するとき、第２のレーザビームの光強度分布は第１の方向に関して漸増傾向を有する。これらの漸減傾向と漸増傾向とが相殺されることにより、第１及び第２のレーザビームが相互に重なったレーザビームにおいて、第１の方向に関する光強度分布が均一に近づけられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明の第１の実施例によるレーザ照射装置の概略図である。例えばエキシマレーザであるレーザ光源１が、レーザビームｐを出射する。レーザ光源１から出射されたレーザビームｐの進行方向をＺ軸正方向とするＸＹＺ直交座標系を考える。
【００１２】
レーザビームｐが、入射光の半分を透過させ、残りの半分を反射するハーフミラー２に入射する。ハーフミラー２を透過したレーザビームｐ１が、折り返しミラー３で反射され、折り返しミラー３で反射されたレーザビームｐ１が、Ｙ軸負方向に進行し、ハーフミラー４に入射する。レーザビームｐ１の半分がハーフミラー４で反射されて、Ｚ軸正方向に進行し、ホモジナイザ５に入射する。レーザビームｐ１の残りの半分がハーフミラー４を透過して、レーザビームを吸収し光路の終端となるダンパｄに入射する。
【００１３】
ハーフミラー２で反射されたレーザビームｐ２が、Ｙ軸負方向に進行し、折り返しミラー６で反射されて、Ｚ軸正方向に進行し、２枚の凸レンズ７０ａ及び７０ｂを含んで構成される反転器７に入射する。レーザビームｐ２はレンズ７０ａを透過して収束した後に発散し、発散光となったレーザビームｐ２がレンズ７０ｂを透過して平行光にされる。レンズ７０ｂに入射する発散光のレーザビームｐ２の断面内の光強度分布は、レンズ７０ａに入射するレーザビームｐ２の断面内の光強度分布が、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に関して反転された形状を有する。反転器７からレーザビームｐ２の光強度分布が反転されたレーザビームｐ３が出射される。
【００１４】
反転器７から出射したレーザビームｐ３が、Ｚ軸正方向に進行し、ハーフミラー４に入射する。レーザビームｐ３の半分がハーフミラー４を透過し、ホモジナイザ５に入射する。レーザビームｐ３の残りの半分がハーフミラー４で反射されてダンパｄに入射する。
【００１５】
ハーフミラー４で反射されてホモジナイザ５に入射するレーザビームｐ１の断面と、ハーフミラー４を透過してホモジナイザ５に入射するレーザビームｐ３の断面とが完全に重なり合うように、ハーフミラー４、折り返しミラー６、反転器７の位置が調整されている。レーザビームｐ１のうち、ハーフミラー４で反射された成分と、レーザビームｐ３のうち、ハーフミラー４を透過した成分とが重ね合わされた（合成された）レーザビームｐ４が、ホモジナイザ５に入射する。
【００１６】
ホモジナイザ５が、入射したレーザビームｐ４の断面を一方向に長い形状に整形し、ビーム断面内の光強度分布を調節する。ビーム断面の形状が整形され、断面内の光強度分布が調節されたレーザビームが、ホモジナイズ面２０に照射される。
【００１７】
次に、図２（Ａ）を参照して、レーザ光源１から出射したレーザビームｐの断面内の光強度分布の一例について説明する。グラフｇｘがＸ軸方向の光強度分布を示し、グラフｇｙがＹ軸方向の光強度分布を示す。ビーム断面内のＸ軸方向に関する光強度分布は、Ｘ軸方向に関して対称ではなく、光強度がＸ軸正方向に漸減する形状を有する。ビーム断面内のＹ軸方向に関する光強度分布は、Ｙ軸方向に関して対称ではなく、光強度がＹ軸正方向に漸減する形状を有する。
【００１８】
次に、図２（Ｂ）を参照して、図１のハーフミラー２を透過したレーザビームｐ１の断面内の光強度分布について説明する。グラフｇｘ１がＸ軸方向の光強度分布を示し、グラフｇｙ１がＹ軸方向の光強度分布を示す。レーザビームｐ１の断面内のある位置の光強度は、レーザビームｐの断面内の対応する位置の光強度の半分である。なお、図１のハーフミラー２で反射され、折り返しミラー６で反射されて、反転器７に入射するレーザビームｐ２も、レーザビームｐ１と同様な光強度分布を有する。
【００１９】
次に、図２（Ｃ）を参照して、反転器７から出射したレーザビームｐ３の断面内の光強度分布について説明する。グラフｇｘ３がＸ軸方向の光強度分布を示し、グラフｇｙ３がＹ軸方向の光強度分布を示す。レーザビームｐ３の断面内の光強度分布は、図２（Ｂ）に示したレーザビームｐ１の断面内の光強度分布を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に反転させた形状を有する。ビーム断面内の光強度は、Ｘ軸正方向に漸増し、Ｙ軸正方向に漸増する。
【００２０】
次に、図２（Ｄ）を参照して、ホモジナイザ５に入射するレーザビームｐ４の断面内の光強度分布について説明する。グラフｇｘ４がＸ軸方向の光強度分布を示し、グラフｇｙ４がＹ軸方向の光強度分布を示す。
【００２１】
レーザビームｐ４の断面内のある位置の光強度は、レーザビームｐ１の対応する位置の光強度と、レーザビームｐ３の対応する位置の光強度とを加算し、それを半分にした値となる。レーザビームｐ１及びｐ３のＸ軸方向に関する光強度分布は、Ｘ軸方向に関して互いに反転した関係を有するので、レーザビームｐ４のＸ軸方向に関する光強度分布は、Ｘ軸方向に関して対称な形状となる。レーザビームｐ１及びｐ３のＹ軸方向に関する光強度分布は、Ｙ軸方向に関して互いに反転した関係を有するので、レーザビームｐ４のＹ軸方向に関する光強度分布は、Ｙ軸方向に関して対称な形状となる。
【００２２】
次に、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）を参照して、ホモジナイザ５の構成及び作用について説明する。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。
【００２３】
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レンズアレイ１５Ａと１５Ｂが構成されている。レンズアレイ１５Ａ及び１５Ｂ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のことを意味する。レンズアレイ１５Ａは光の入射側（図の左方）に配置され、レンズアレイ１５Ｂは出射側（図の右方）に配置されている。
【００２４】
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レンズアレイ１６Ａと１６Ｂが構成されている。レンズアレイ１６Ａ及び１６Ｂ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。レンズアレイ１６Ａはレンズアレイ１５Ａの前方（図の左方）に配置され、レンズアレイ１６Ｂはレンズアレイ１５Ａと１５Ｂとの間に配置されている。レンズアレイ１５Ａと１５Ｂの対応するシリンドリカルレンズの光軸面は一致し、レンズアレイ１６Ａと１６Ｂの対応するシリンドリカルレンズの光軸面も一致する。
【００２５】
レンズアレイ１５Ｂの後方に、収束レンズ１９が配置されている。収束レンズ１９の光軸は、Ｚ軸に平行である。
【００２６】
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、レンズアレイ１６Ａ及び１６Ｂは単なる平板であるため、光線束の収束、発散に影響を与えない。レンズアレイ１６Ａの左方から、Ｚ軸に平行な光軸を有するレーザビームｐ４が、レンズアレイ１６Ａに入射する。曲線２１ｙが、レーザビームｐ４のＹ軸方向の光強度分布を示す。
【００２７】
レーザビームｐ４がレンズアレイ１６Ａを透過し、レンズアレイ１５Ａに入射する。入射光線束は、レンズアレイ１５Ａにより各シリンドリカルレンズに対応した７つの収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つの収束光線束は、それぞれ曲線２１ｙａ〜２１ｙｇで示す光強度分布を有する。レンズアレイ１５Ａによって収束された光線束は、レンズアレイ１５Ｂにより再度収束される。
【００２８】
レンズアレイ１５Ｂにより収束した７つの収束光線束１８は、それぞれ収束レンズ１９の前方で、ビーム断面が最小となる。この位置は、収束レンズ１９の入射側焦点よりもレンズに近い。このため、収束レンズ１９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２０上において重なる。ホモジナイズ面２０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２１ｙａ〜２１ｙｇをＹ軸方向に関して反転させ、引き伸ばした分布に等しい。
【００２９】
図２（Ｄ）を参照して説明したように、レーザビームｐ４の光強度分布は、Ｙ軸方向に関して対称な形状にされており、光強度分布２１ｙａと２１ｙｇ、２１ｙｂと２１ｙｆ、２１ｙｃと２１ｙｅは、それぞれＹ軸方向に関して反転させた関係を有する。このため、これらの光線束を重ね合わせた光強度分布は、実線２２ｙで示すように均一な分布に近づく。
【００３０】
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、レンズアレイ１５Ａ及び１５Ｂは単なる平板であるため、光線束の収束、発散に影響を与えない。レーザビームｐ４がレンズアレイ１６Ａに入射する。曲線２１ｘが、レーザビームｐ４のＸ軸方向の光強度分布を示す。
【００３１】
レーザビームｐ４がレンズアレイ１６Ａにより各シリンドリカルレンズに対応した７つの収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つの収束光線束は、それぞれ曲線２１ｘａ〜２１ｘｇで示す光強度分布を有する。
【００３２】
各光線束は、レンズアレイ１６Ｂの前方でビーム断面が最小となり、発散光線束となってレンズアレイ１６Ｂに入射する。レンズアレイ１６Ｂ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、収束レンズ１９に入射する。
【００３３】
収束レンズ１９を透過した７つの光線束はそれぞれ収束光線束となり、ホモジナイズ面２０上において重なる。ホモジナイズ面２０を照射する７つの光線束のＸ軸方向の光強度分布は、それぞれ光強度分布２１ｘａ〜２１ｘｇをＸ軸方向に関して反転させ、引き伸ばした分布に等しい。
【００３４】
図２（Ｄ）を参照して説明したように、レーザビームｐ４の光強度分布は、Ｘ軸方向に関して対称な形状にされており、光強度分布２１ｘａと２１ｘｇ、２１ｘｂと２１ｘｆ、２１ｘｃと２１ｘｅは、それぞれＸ軸方向に関して反転させた関係を有する。このため、これらの光線束を重ね合わせた光強度分布は、実線２２ｘで示すように均一な分布に近づく。ホモジナイズ面２０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。
【００３５】
このようにして、ホモジナイザ５が、レーザビームｐ４のビーム断面を整形し、ビーム断面内の光強度分布を均一に近づける（均一化する）。
【００３６】
なお、レーザ光源１から出射したレーザビームｐと同様な光強度分布を有するレーザビームを、ホモジナイザ５に入射させた場合について考えると、以下に説明するように、光強度分布がうまく均一化されない。この場合、ホモジナイザ５に入射するレーザビームの断面内のＹ軸方向に関する光強度は、Ｙ軸正方向に漸減する。レンズアレイ１５Ａ及び１５Ｂで分割された各光線束の光強度分布は、すべてＹ軸正方向に漸減する形状を有する。各光線束の光強度分布は、レンズアレイ１５Ｂと収束レンズ１９との間でＹ軸方向について反転される。各光線束が、ホモジナイズ面２０で重ね合わされる。ホモジナイズ面２０で重ね合わされる各光線束の光強度分布は、すべてＹ軸正方向に漸増する形状を有しているので、これらの光線束を重ね合わせたビームの光強度分布は、Ｙ軸正方向に漸増する形状である。このように、光強度分布の均一化がうまく行われない。Ｘ軸方向についても同様である。
【００３７】
以上説明したレーザ照射装置では、レーザ光源から出射されたレーザビームの断面内の光強度分布が、ビーム断面内の一方向に関して対称でない場合でも、光強度分布がその一方向について反転されたレーザビームと、光強度分布が反転されないレーザビームとを重ね合わせることにより、その一方向に関する光強度分布が対称なレーザビームを生成することができる。
【００３８】
このように光強度分布が対称にされたレーザビームを、その一方向に関してレンズアレイがレーザビームを分割するように、ホモジナイザに入射させることにより、ホモジナイズ面に照射されるレーザビームの断面内の光強度分布を均一化できる。
【００３９】
上述したレーザ照射装置は、例えば、表面に非晶質シリコン膜が形成された基板にレーザビームを照射して、非結晶シリコン膜を多結晶化するレーザアニールに用いることができる。ビーム断面内の光強度分布が均一化されたレーザビームを照射することにより、基板表面内における品質のばらつきが小さい多結晶シリコン膜を形成できる。なお、上述したレーザ照射装置を、レーザアニール以外に用いても構わない。
【００４０】
なお、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）に示したように、レーザビームｐ１及びｐ３のＹ軸方向に関する光強度分布は、増減傾向が互いに反転した形状を有する。Ｘ軸方向に関する光強度分布についても同様である。図２（Ｄ）に示したように、両レーザビームを重ね合わせたレーザビームｐ４において、レーザビームｐ１のＹ軸正方向に関する漸減傾向と、レーザビームｐ３のＹ軸正方向に関する漸増傾向とが相殺し、レーザビームｐ１のＸ軸正方向に関する漸減傾向と、レーザビームｐ３のＸ軸正方向に関する漸増傾向とが相殺して、光強度分布が均一に近づいている。このように、光強度分布の増減傾向が互いに反転したレーザビーム同士を重ね合わせることのみによっても、ある程度まで光強度分布を均一化できる。
【００４１】
なお、ビーム断面内の光強度分布を反転させるためにレンズを用いる例を説明したが、プリズム（例えばコーナーキューブプリズム、ペンタプリズム、ダブプリズム等）を用いて光強度分布を反転させることもできる。なお、例えばコーナーキューブプリズム、ペンタプリズム、ダブプリズムのいずれか１つを透過させることにより、ビーム断面内の一方向の光強度分布を反転させることができる。ビーム断面内の他の方向についても光強度分布を反転させたい場合には、その方向についての光強度分布が反転されるように、レーザビームの光路上にもう１つのプリズムを配置すればよい。
【００４２】
第１の実施例では、レーザ光源から出射したレーザビームをハーフミラーで分岐し、分岐されたレーザビームをハーフミラーで合成したが、以下に説明するように、レーザビームを他の方法で分岐し、他の方法で合成することもできる。
【００４３】
次に、図４（Ａ）を参照して、第２の実施例によるレーザ照射装置について説明する。レーザ光源１ａが、円偏光のレーザビームｐａを出射する。レーザビームｐａは、図２（Ａ）に示したような、第１の実施例のレーザビームｐと同様の光強度分布を有する。レーザビームｐａが、Ｐ偏光成分を透過させ、Ｓ偏光成分を反射させる偏光ビームスプリッタ２ａに入射して分岐される。偏光ビームスプリッタ２ａを透過したレーザビームｐ１ａ及び偏光ビームスプリッタ２ａで反射されたレーザビームｐ２ａのビーム断面内の光強度分布は相互に等しく、そのビーム断面内のある位置の光強度は、レーザビームｐａの対応する位置の光強度の半分である。
【００４４】
偏光ビームスプリッタ２ａを透過したレーザビームｐ１ａが、折り返しミラー３ａで反射され、１／２波長板８ａに入射し、偏光面が回転されて偏光ビームスプリッタ４ａに対するＳ偏光にされる。Ｓ偏光にされたレーザビームｐ１ａが、偏光ビームスプリッタ４ａで反射されて、ホモジナイザ５ａに入射する。
【００４５】
偏光ビームスプリッタ２ａで反射されたレーザビームｐ２ａが、１／２波長板９ａに入射し、偏光面が回転されて偏光ビームスプリッタ４ａに対するＰ偏光にされる。Ｐ偏光にされたレーザビームｐ２ａが、折り返しミラー６ａで反射されて、反転器７ａに入射し、レーザビームｐ２ａの断面内の光強度分布が反転される。レーザビームｐ２ａの光強度分布が反転されたレーザビームｐ３ａが、偏光ビームスプリッタ４ａを透過して、ホモジナイザ５ａに入射する。
【００４６】
偏光ビームスプリッタ４ａで反射されてホモジナイザ５ａに入射するレーザビームｐ１ａの断面と、偏光ビームスプリッタ４ａを透過してホモジナイザ５ａに入射するレーザビームｐ３ａの断面とが完全に重なり合うように、偏光ビームスプリッタ４ａ、折り返しミラー６ａ、反転器７ａの位置が調整されている。偏光ビームスプリッタ４ａで反射されたレーザビームｐ１ａと、偏光ビームスプリッタ４ａを透過したレーザビームｐ３ａとが合成されたレーザビームｐ４ａが、ホモジナイザ５ａに入射する。
【００４７】
第１の実施例では、２本のレーザビームｐ１及びｐ３を、ハーフミラー４で合成した。その際、レーザビームｐ１及びｐ３の半分の成分は、ダンパｄに入射し、ホモジナイザ５に入射させることができなかった。第２の実施例の方法では、偏光ビームスプリッタ４ａが、レーザビームｐ１ａの成分をすべて反射し、レーザビームｐ３ａの成分をすべて透過させる。これにより、両レーザビームのすべての成分を合成したレーザビームｐ４ａを、ホモジナイザ５ａに入射させることができる。レーザビームｐ４ａの光強度は、図２（Ｄ）に示した第１の実施例のレーザビームｐ４の光強度の２倍になる。
【００４８】
ホモジナイザ５ａに入射したレーザビーム４ａが、ビーム断面を整形され、ビーム断面内の光強度分布を均一化されて、ホモジナイズ面２０ａに照射される。
【００４９】
次に、図４（Ｂ）を参照して、第２の実施例の変形例によるレーザ照射装置について説明する。レーザ光源１ｂが、偏光ビームスプリッタ４ａに対するＰ偏光となるように直線偏光されたレーザビームｐｂを出射する。レーザビームｐｂは、図２（Ａ）に示したような、第１の実施例のレーザビームｐと同様の光強度分布を有する。レーザビームｐｂが、ハーフミラー２ｂに入射して分岐される。
【００５０】
ハーフミラー２ｂを透過したレーザビームｐ１ｂが、第２の実施例のレーザビームｐ１ａと同様に、折り返しミラー３ａ、１／２波長板８ａを経て、偏光ビームスプリッタ４ａで反射され、ホモジナイザ５ａに入射する。ハーフミラー２ｂで反射されたレーザビームｐ２ｂが、第２の実施例で１／２波長板９ａから出射したレーザビームｐ１ｂと同様に、折り返しミラー６ａで反射されて、反転器７ａでビーム断面内の光強度分布を反転される。レーザビームｐ２ｂの光強度分布が反転されたレーザビームｐ３ｂが、偏光ビームスプリッタ４ａを透過し、ホモジナイザ５ａに入射する。第２の実施例と同様に、偏光ビームスプリッタ４ａでレーザビームｐ１ｂ及びｐ３ｂの断面が重ね合わされる。レーザビームｐ１ｂ及びｐ３ｂのすべての成分を合成したレーザビームｐ４ｂを、ホモジナイザ５ａに入射させることができる。
【００５１】
以上の第１及び第２の実施例では、分岐した２本のレーザビームの断面を重ね合わせたレーザビームをホモジナイザに入射させたが、以下のように、分岐した２本のレーザビームの断面を重ね合わせずにホモジナイザに入射させることもできる。
【００５２】
次に、図５及び図６を参照して、第３の実施例によるレーザ照射装置について説明する。レーザ光源１ｃが、レーザビームｐｃを出射する。レーザビームｐｃの進行方向をＺ軸正方向とするＸＹＺ直交座標系を考える。レーザビームｐｃの光強度分布は、Ｙ軸方向については図２（Ａ）のグラフｇｙに示したような形状を有し、Ｘ軸方向については対称な形状（例えば、ガウス分布で近似される形状）を有する。レーザビームｐｃが、ハーフミラー２ｃに入射して分岐される。
【００５３】
ハーフミラー２ｃを透過したレーザビームｐ１ｃが、Ｚ軸正方向に進行し、折り返しミラー３ｃで反射されて、Ｙ軸負方向に進行し、折り返しミラー４ｃで反射され、Ｚ軸正方向に進行してホモジナイザ５ｃに入射する。ハーフミラー２ｃで反射されたレーザビームが、Ｙ軸負方向に進行し、折り返しミラー６ｃで反射され、Ｚ軸正方向に進行して、反転器７ｃに入射し、レーザビームｐ２ｃの断面内の光強度分布が反転される。レーザビームｐ２ｃの光強度分布が反転されたレーザビームｐ３ｃが、Ｚ軸正方向に進行し、ホモジナイザ５ｃに入射する。
【００５４】
折り返しミラー４ｃで反射されたレーザビームｐ１ｃと、反転器７ｃから出射したレーザビームｐ３ｃとが、ビーム断面を互いに接して進行するように、折り返しミラー４ｃ、折り返しミラー６ｃ、反転器７ｃの位置が調節されている。ホモジナイザ５ｃに入射する両レーザビームは、Ｙ軸方向に並ぶ。折り返しミラー４ａで反射されたレーザビームｐ１ｃと、反転器７ｃを出射したレーザビームｐ３ｃとがＹ軸方向に並んだレーザビームｐ４ｃ（レーザビームｐ１ｃとｐ３ｃとをまとめたレーザビームｐ４ｃ）が、ホモジナイザ５ｃに入射する。
【００５５】
図６（Ａ）に示すように、レーザ光源１ｃから出射されたレーザビームｐｃのＹ軸方向に関する光強度分布は、例えば、Ｙ軸正方向に漸減する形状を有する。図６（Ｂ）に示すように、ハーフミラー２ｃを透過したレーザビームｐ１ｃのビーム断面内のある位置の光強度は、レーザビームｐｃの対応する位置の光強度の半分になる。図６（Ｃ）に示すように、反転器７から出射したレーザビームｐ３ｃのＹ軸方向に関する光強度分布は、レーザビームｐ１ｃの光強度分布をＹ軸方向に反転させた形状を有する。図６（Ｄ）に示すように、ホモジナイザ５ｃに入射するレーザビームｐ４ｃのＹ軸方向に関する光強度分布は、レーザビームｐ１ｃ及びｐ３ｃの光強度分布をＹ軸方向に並べた形状を有する。レーザビームｐ１ｃ及びｐ３ｃの光強度分布が、Ｙ軸方向に関して互いに反転した形状を有するので、レーザビームｐ４ｃの光強度分布は、Ｙ軸方向に関して対称な形状となる。
【００５６】
光強度分布がＹ軸方向に関して対称な形状のレーザビームｐ４ｃがホモジナイザ５ｃに入射するので、ホモジナイズ面２０ｃの光照射領域において、Ｙ軸方向の光強度分布が均一化される。なお、レーザビームｐｃのＸ軸方向に関する光強度分布は対称な形状であるので、レーザビームｐ３ｃのＸ軸方向に関する光強度分布も対称形であり、レーザビームｐ４ｃのＸ軸方向に関する光強度分布も対称形となる。このため、ホモジナイザ５ｃにより、ホモジナイズ面２０ｃの光照射領域のＸ軸方向に関する光強度分布も均一化される。
【００５７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の第１の実施例によるレーザ照射装置の概略図である。
【図２】図２（Ａ）〜図２（Ｄ）は、第１の実施例によるレーザ照射装置における、レーザビームの断面内の光強度分布について示すグラフである。
【図３】図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、ビームホモジナイザの構成例を示す概略図である。
【図４】図４（Ａ）は、第２の実施例によるレーザ照射装置の概略図であり、図４（Ｂ）は、第２の実施例の変形例によるレーザ照射装置の概略図である。
【図５】第３の実施例によるレーザ照射装置の概略図である。
【図６】図６（Ａ）〜図６（Ｄ）は、第３の実施例によるレーザ照射装置における、レーザビームの断面内の光強度分布について示すグラフである。
【符号の説明】
【００５９】
１  レーザ光源
２、４  ハーフミラー
３、６  折り返しミラー
５  ホモジナイザ
２０  ホモジナイズ面
７  反転器
７０ａ、７０ｂ  レンズ
ｄ  ダンパ
【図１】
2006078655.tif 000003
【図２】
2006078655.tif 000004
【図３】
2006078655.tif 000005
【図４】
2006078655.tif 000006
【図５】
2006078655.tif 000007
【図６】
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