(57)【要約】【課題】  重ね合わせによる分割ビーム間の干渉を防止して、照射ビームの一層の均一化するための構成と調整とが簡単で容易であり、しかも安定な均質照射を可能とするレーザプロセス装置を提供する。【解決手段】  レーザ発振器から発生するビームの集光性を表す指標であるＭ２値が１００以下であるレーザビームを発生する少なくとも１つのレーザ発振器と、上記レーザ発振器からのレーザビームをビーム断面において空間的にＮ個の分割ビームに分割するレーザビーム分割手段と、上記各分割ビームを照射面上で概略重ね合せて照射する重ね合せ照射手段と、上記Ｎ個に分割したビームの互いに隣り合う隣接分割ビームの光路長を違える光路長制御手段とを備え、上記Ｍ２値が、少なくとも上記ビームの分割方向において、Ｍ２≧Ｎ／２である。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器から発生するビームの集光性を表す指標であるＭ２値が１００以下であるレーザビームを発生する少なくとも１つのレーザ発振器と、上記レーザ発振器からのレーザビームをビーム断面において空間的にＮ個の分割ビームに分割するレーザビーム分割手段と、上記各分割ビームを照射面上で概略重ね合せて照射する重ね合せ照射手段と、上記Ｎ個に分割したビームの互いに隣り合う隣接分割ビームの光路長を違える光路長制御手段と、前記隣接分割ビームの一方を他方に対して該レーザビームの時間的可干渉距離よりも長く遅延させる光学的遅延手段とを備え、上記Ｍ２値が、少なくとも上記ビームの分割方向において
Ｍ２≧Ｎ／２
であることを特徴とするレーザプロセス装置。
【請求項２】
上記レーザビーム分割手段は、レーザ発振器からのレーザビームを互いに対向する反射面を用いてビーム断面において空間的にＮ個の分割ビームに分割することを特徴とする請求項１記載のレーザプロセス装置。
【請求項３】
上記レーザビーム分割手段は、レーザ発振器からのレーザビームを互いに対向する反射面を用いてビーム断面において一次元的または二次元的にＮ個の分割ビームに分割することを特徴とする請求項１記載のレーザプロセス装置。
【請求項４】
上記Ｍ２値が、少なくとも上記ビームの分割方向において
Ｍ２≧Ｎ
であることを特徴とする請求項２記載のレーザプロセス装置。
【請求項５】
上記レーザ発振器は、固体レーザまたは半導体レーザの基本波または高調波を発生するものであることを特徴とする請求項１記載のレーザプロセス装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被照射物のレーザ処理に際して照射面における照射レーザビームの均質性を改善したレーザプロセス装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ照射により加熱処理をする例として、多結晶ケイ素膜の製造に際して、予め、適当な基板、例えばガラス基板の上にＣＶＤなどの気相形成法により非晶質のケイ素膜を被着形成しておき、この非晶質ケイ素膜を、レーザビームで走査して、多結晶化する方法が知られている。
【０００３】
ケイ素膜の多結晶化方法では、例えば、レーザ光源からのレーザビームをレンズにより非晶質ケイ素膜上に集光してレーザ照射をし、照射の際にケイ素膜を走査させて、溶融凝固の過程で、結晶化させるものがある。このレーザビームは、照射位置でのビームの軸方向強度プロフイルがレーザ源にプロフィルに依存して、通常は、軸対称のガウス分布である。このようなビームの照射により成形した多結晶ケイ素膜は、結晶性の面方向への均一性が非常に低く、これを半導体基板として薄膜トランジスタを製造に使用するのは困難であった。
【０００４】
さらに、波長の短いエキシマレーザを用いて、照射ビームのプロフイルを矩形状の分布にして半導体膜に照射加熱する技術が知られている。例えば、発振器からのレーザビームを、光軸に垂直な面内で互いに交叉する２つのシリンドリカルレンズダアレイを通して、その前方に収束レンズを通して、半導体膜表面に収束させるものがあった。この方法は、ガウス分布を採るレーザビームを、２つのシリンドリカルレンズアレイにより、直交する２方向で均一な強度分布にするものであり、半導体膜表面での照射レーザビームは、半導体表面上で、直交する２方向で異なった幅となっており、照射レーザビームを掃引移動することにより、半導体膜上に一定幅の多結晶帯域を繰り返し成形するものであった（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００５】
最近、ＹＡＧレーザの最大出力が著しく向上している。ＹＡＧレーザは、固体レーザであるため、ガスレーザであるエキシマレーザと比較すると扱いやすく、保守が容易である。この特徴を兼ね備えた、ＹＡＧレーザの２倍高調波を使ったケイ素膜の多結晶化法が、その高移動度化に対する潜在的な可能性から注目されている。しかしながら、エキシマレーザのコヒーレント長は数ミクロン〜数十ミクロン程度であり、レーザビームを分割して１つにするような光学系を通したときの光干渉は非常に弱いのに対して、ＹＡＧレーザ、およびその２倍高調波のコヒーレント長は非常に長く１ｃｍ程度ある。これによる干渉の影響は、無視できない。
このような照射面における重ね合わせたビームに生じる干渉は、長方形状の照射レーザビームを使用して半導体膜の加熱結晶化する場合、レーザビームの移動方向の強度プロフィルが結晶成長に大きく影響するので、ケイ素膜の結晶粒に大きく成長させるには好ましくない。
【０００６】
この干渉による照射レーザ強度の不均一性を除く方法が提案されており、例えば、光源からビームをコリメータにより平行光にして、段階状の反射面を有するミラーに照射し、ミラーにより分割したビームを合成するシリンドリカルレンズアレーと収束用のシリンドリカルレンズとにより照射する構成の光学系が開示されている。これは、分割した各ビームに各反射面間の段差によって、レーザビームのコヒーレント長さ以上の光路差を設けて、照射面における分割ビーム間の干渉を防止するものである（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
また、光源からのレーザビームをビームコリメータにより平行光にして、小さな複数の反射鏡に照射し、各反射鏡からの反射光を照射面に照射して重ね合わせるもので、各平面鏡を反射するレーザビームの光路差をコヒーレント長さ以上確保することにより、同様に、干渉を防止するものがある（例えば、特許文献４参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−３３３０７７号公報（第２−５頁、第１および２図）
【特許文献２】特開平６−６９４１５号公報（第２−６頁、第１−１５図）
【特許文献３】特開２００１−１２７００３号公報（第２−１０頁、第６−１０図）
【特許文献４】特開２００１−２４４２１３号公報（第２−２０頁、第３−１３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のビーム均一化の技術は、同一の光源からのレーザビームを分割して、照射面で重ね合わせる際の干渉を、複数の反射面を有する反射鏡を利用して光路差を設けて、防止するのであるが、これらの光学系は、特殊な反射鏡を必要としていた。特に、特許文献４の光学系は、反射鏡による光学系の光軸を曲げる配置が必要であり、さらに、光学系の各反射鏡は、多数の分割ビームに対応して照射面に対して正確に特定の位置関係を満たすように配置する必要があり、反射鏡の配置が複雑となり、熱処理装置として配置すべき光学系の自由度が低くなるという問題があった。
しかも、全ての分割ビームに光路差を設けると、各ビームに対する転写条件が大きく異なるため分割したビームを照射面上で同じように重ね合わせられないという問題があり、さらに、時間的可干渉距離の大きいレーザ発振源に対しては、装置が大きく且つ複雑になり、現実的でなく、且つ、光学的調整が困難であった。
【００１０】
本発明は、Ｍ２値（レーザ発振器から発生するビームの集光性を表す指標である。）が１００以下であるレーザビームを分割した分割ビームを重ね合わせて照射面上に均一な強度分布を備えた照射ビームを形成するレーザプロセス装置において、重ね合わせによる分割ビーム間の干渉を防止して、照射ビームの一層の均一化を図ることを目的とするものであり、特に、このような干渉を防止して照射ビームの均一化をするための構成と調整とが簡単で容易であり、しかも安定な均質照射を可能とするレーザプロセス装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るレーザプロセス装置は、レーザ発振器から発生するビームの集光性を表す指標であるＭ２値が１００以下であるレーザビームを発生する少なくとも１つのレーザ発振器と、上記レーザ発振器からのレーザビームをビーム断面において空間的にＮ個の分割ビームに分割するレーザビーム分割手段と、上記各分割ビームを照射面上で概略重ね合せて照射する重ね合せ照射手段と、上記Ｎ個に分割したビームの互いに隣り合う隣接分割ビームの光路長を違える光路長制御手段と、前記隣接分割ビームの一方を他方に対して該レーザビームの時間的可干渉距離よりも長く遅延させる光学的遅延手段とを備え、上記Ｍ２値が、少なくとも上記ビームの分割方向においてＭ２≧Ｎ／２であるものである。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明によれば、レーザ発振器から発生するビームの集光性を表す指標であるＭ２値が１００以下であるレーザビームを発生する少なくとも１つのレーザ発振器と、上記レーザ発振器からのレーザビームをビーム断面において空間的にＮ個の分割ビームに分割するレーザビーム分割手段と、上記各分割ビームを照射面上で概略重ね合せて照射する重ね合せ照射手段と、上記Ｎ個に分割したビームの互いに隣り合う隣接分割ビームの光路長を違える光路長制御手段と、前記隣接分割ビームの一方を他方に対して該レーザビームの時間的可干渉距離よりも長く遅延させる光学的遅延手段とを備え、上記Ｍ２値が、少なくとも上記ビームの分割方向においてＭ２≧Ｎ／２であるので、重ね合わせによる分割ビーム間の干渉を防止して、照射ビームの一層の均一化するための構成と調整とが簡単で容易であり、しかも安定な均質照射を可能とするレーザプロセス装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、（Ａ）はｙ方向から見た図、（Ｂ）はｘ方向から見た図である。
本実施の形態において、図１（Ａ）と図１（Ｂ）に示すレーザプロセス装置は、照射面上にｙ方向に均一な分布で広がり、ｘ方向に線状に収束した直線状の照射プロフィルを形成する例を示している。
【００１４】
レーザプロセス装置は、レーザ発振器１００と、レーザビーム分割手段３と、重ね合せ照射手段６と、光学的遅延手段２とを含み、レーザビーム分割手段３は、導波路４を利用して、レーザビームを所望数の分割ビーム１６ａ〜１６ｅに分割し、分割ビームを重ね合せ照射手段６により被照射物９の照射面９０上に直線状プロフィルの照射ビーム１９として結像している。
【００１５】
本実施の形態では、レーザビーム分割手段３は、レーザ発振器１００からのレーザビーム１を導波路４内に入射するための光学系を含み、平行ビームにするためのビーム拡大レンズ３１とｙ方向コリメートレンズ３２とｘ方向コリメートレンズ３３を含み、次いでｙ方向に集光して、導波路４内に入射させるシリンドリカルレンズの集光レンズ３４を含む。
【００１６】
導波路４は、互いに対向する平行な主表面が反射面４１、４２を有し、反射面４１、４２は、この図では、ｙ方向に垂直である。両反射面の間をレーザビーム１が貫通する入射端面４３と出射端面４４は、レーザビームの光軸と直交している。入射したレーザビーム１は、反射面間を通過して出射端から放射する成分の分割ビーム、反射面４１と４２のいずれかで１回反射（ｍ＝１）した成分の２つ分割ビーム（ｍ＝＋１，ｍ＝−１）と、両方の反射面で２回反射（ｍ＝２）の成分の２つの分割ビーム（ｍ＝＋２， ｍ＝−２）、さらに、３回ないしそれ以上の回数反射したそれぞれ一対の分割ビームが、出射端から放射される各成分とに分割される。
【００１７】
導波路４からの分割ビームは、重ね合せ照射手段６により、照射面９０上に重ね合わせて投影されるが、重ね合せ照射手段６は、分割ビームを照射面９０上にｙ方向に転写するｙ方向の転写レンズ６１（シリンドリカルレンズ）と、ｘ方向に集光する集光レンズ６２（シリンドリカルレンズ）から構成することができる。ｙ方向転写レンズ６１は、ｘ方向集光レンズ６２を通して、照射面９０上にｙ方向に規定の長さに延ばし、ｘ方向集光レンズ６２が、ｘ方向に線状に収束させ、これにより、照射面上には直線状プロフイルの照射ビーム１９が得られる。
【００１８】
重ね合せ照射手段６のｙ方向の転写レンズ６１は、各分割ビームが実焦点を作って、照射面１９上に投影するように設定され、実焦点位置近傍で分割ビームが互いに空間的に分離した位置に、光学的遅延手段として、遅延用の透光体２を、配置するが、この遅延板２は、分割ビームが、分割前に互いに隣り合う領域に有る分割ビームについて、いずれか一方の光路を他方の光路に対して遅延させて、光学的に光路差を設けて、照射面１９上で重ね合わせた時の２つの分割ビーム間の干渉を防止するものである。図１の例は、転写レンズ６１の出射側での実焦点位置で、分割ビーム一つおきに遅延板２を配置している。
【００１９】
さらに詳しくは、図２は、レーザビーム分割手段の導波路について、レーザ発振器１００からのレーザビームの分割の態様を示しているが、レーザ発振器１００からのレーザビームは、シリンドリカルレンズの集光レンズ３４により焦点Ｆ０を経て導波路４内に入射される。導波路内では、入射ビームの一部が、反射面での反射なしに透過する分割ビーム（反射回数ｍ＝０）があり、互いに対向する反射面４１または４２で１回だけ反射した分割ビームがｙ方向に２種類あり（ｍ＝±１）、反射面４１および４２で２回反射した分割ビームが同様にｙ方向に２種類あり（ｍ＝±２）、それぞれの分割ビームは、出射面４３から放射される。光軸に対して垂直で焦点Ｆ０を含む面には、出射面４３から放射される各分割ビームの虚像焦点Ｆ＋１，Ｆ−１，Ｆ＋２，Ｆ−２があり、各分割ビームは、これら虚像焦点Ｆ＋１・・・・から出射面４３の開口を経て放射されるように見える。
【００２０】
導波路がないと仮定したときの集光レンズ３４により焦点を介して広がるレーザビームを、出射面４４の位置の面に投影したビームのプロフイルが円１４であるとすると、この投影したレーザビーム１４は、多数の分割ビームのそれぞれに対応した区分の成分に分解できる。レーザビーム１の断面での各成分を断面上で、ｙ方向に、ｍ＝−２，−１，０，＋１，＋２の順に区分すると、導波路４の出射面４４から放射する成分、即ち、分割ビームは、ｙ方向に、反射回数ｍ＝＋２，−１，０，＋１，−２の成分の順の配列になることに注意を要する。
【００２１】
図２では、導波路４の出射面４４から放射されるｍ＝０，＋１，＋２の成分の分割ビームの配置だけを示しており、ｍ＝＋１とｍ＝＋２の分割ビームは、反射面の中間面に対して、互いに反対方向に放射される。他方、ｍ＝−１、−２の分割ビームは、ｍ＝＋１，＋２の反射面の中心面に対して対称方向にあるが、図中には省略している。
【００２２】
図３（Ａ）は、レーザビームを焦点Ｆ０から、導波路４で反射させずに、導波路４の出射面４４の対応する平面上に投影したレーザビーム１４における分割ビームの分割幅を図式化したものである。これは、円形プロフイルのレーザビーム１４を、導波路により７分割する例である。
【００２３】
導波路４においては、導波路４の出射面４４では、互いに隣接する分割ビームが折り返されて重畳される。それで、レーザビーム１の分割による互いに隣接する成分は、その境界部位が、図３（Ｂ）において、導波路の出射面での分割ビームの折り返し部で一致する。例えば、図３（Ａ）において、ｍ＝＋１の成分の境界部IIIとこれに接するｍ＝０の境界部iiiとは、図３（Ｂ）に示すように、導波路の出射面４４では折り返されて重なり合う。
【００２４】
このような折り返した分割ビームを、ｙ方向転写レンズ６１とｘ方向集光レンズ６２などを介して、照射面９０上に重ね合わせて投影されると、照射面上で照射ビームに干渉を生じて、強度に波状分布が形成される。
【００２５】
さらに、この実施の形態では、上記の導波路により形成した分割ビームのうち互いに隣接する隣接分割ビームのいずれか一方を他方に対して時間的可干渉距離よりも長く遅延させる光学的遅延手段を含んでいる。
この光学的遅延手段は、中空なミラーでも、中実な透光体にも利用されるが、互いに隣接する領域からの分割ビームが互いに干渉をし合うのを、両者間に光路差をもうけて、干渉を防止するものである。
【００２６】
レーザビームの時間的可干渉距離ΔＬは、
ΔＬ＝  ｃΔｔ≒  λ２／Δλ
で与えられる。ここに、ｃは光速、Δｔは可干渉時間、Δλはレーザの波長幅（スペクトル幅）であり、レーザの波長幅が狭いほど、可干渉距離が長くなる。
例示すれば、ＹＡＧレーザ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）では、中心波長のλ＝１．０６μｍのビームについてスペクトル幅Δλ＝０．１２〜０．３０ｎｍであるので、時間的可干渉距離ΔＬは、ΔＬ＝３．８〜９．４ｍｍとなる。このΔＬの値は、ＹＡＧレーザの２倍高調波レーザ（ＹＡＧ２ωレーザ）でも同程度となる。
【００２７】
図１には、複数の分割ビームが互いに分離した位置において、互いに干渉を生じやすい分割ビームのいずれかに、光学的遅延手段として、透光性の遅延板２、即ち、光学ガラス板２を挿入して、隣り合う分割ビームの間に光路差を形成している。この例は、導波路４により分割したビームをｙ方向転写レンズ６１により転写し、ｘ方向集光レンズ６２により照射面上に、照射ビーム１９を形成するが、ｙ方向転写レンズ６１とｘ方向集光レンズ６２との間に、ｙ方向転写レンズ６１により各ビームに焦点ｆを形成し、遅延板２としてのガラス板は、隣り合うビームのいずれか一方に焦点位置ｆまたはその前後に挿入して光路差を設ける。この例は、５つの分割ビームの１つおきにガラス板を挿入しており、互いに隣り合う遅延板２、２の間の空間には、他の分割ビームが通過する。このような配列の遅延板２により、照射面上に重ね合わされた照射ビームには、互いに隣接する分割ビーム間の干渉が生じないので、実質的に、強度分布が均一なプロフイルにすることができる。
ガラス板による光路差Δａは、ガラス板の厚みａと、ガラスの屈折率ｎ１、空気の屈折率ｎ０から、
Δａ＝ａ（ｎ１−ｎ０）
で与えられる。
【００２８】
ガラス板による光路差Δａは、時間的可干渉距離ΔＬ以上に設定する（Δａ≧ΔＬ）ので、これらの式から、互いに隣接する分割ビーム間に時間的可干渉距離ΔＬ以上の光路差を与えるガラス厚みａが求められる。遅延板の厚みは、好ましくは、遅延板により時間的可干渉距離ΔＬの２倍以上、さらに好ましくは、４倍以上の光路差を設けるように設定される。例えば、ＹＡＧレーザ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）やＹＡＧ２ωレーザでは、光学的遅延手段に石英（ｎ１＝１．４６）を用いたとき、時間的干渉距離ΔＬは３．８〜９．４ｍｍに対して、光路差Δａは１２〜３０ｍｍになる。
【００２９】
本実施の形態では、レーザ発振器１００は、波長５３２ｎｍのＹＡＧの２倍高調波レーザ（ＹＡＧ２ωレーザ）を発生する。また、レーザ発振器１００から発生するビームの集光性を表す指標であるＭ２値が少なくともビームの分割方向（ｙ方向）において、ビーム分割数Ｎとする時Ｎ／２以上である。なお、Ｍ２値は同一の集光光学系を用いた場合にシングルモード（ＴＥＭ００）のビームに対し集光ビーム径が何倍大きくなるかを表す、すなわち集光性を表す指標である。当然、Ｍ２値が大きいほど集光ビーム径が大きく、ビーム品質が悪いということになる。
【００３０】
上記のように、分割されたビームに対し１つおきに遅延板２を挿入した場合、互いに隣り合うどのような組み合わせの２つの分割ビーム間（例えば反射回数ｍ＝＋１とｍ＝０の分割ビーム間）での干渉は防止されるが、互いに隣り合う以外の２つのビーム間（例えば反射回数ｍ＝−２とｍ＝０の分割ビーム間）での干渉を防止することはできない。
そこで、本実施の形態では、以下に詳細に説明するように、Ｍ２値をビームの分割数Ｎとした場合、Ｎ／２以上に設定することにより、全ての分割ビーム間での干渉を防止している。
【００３１】
図４は、分割数Ｎを概ね７とした場合の導波路からの分割ビームの２つの成分だけ、例えば、反射回数ｍ＝＋１とｍ＝０の２つの成分を、ｙ方向転写レンズ６１とｘ方向集光レンズ６２などを介して、照射面９０上に重ね合わせて照射した時の照射面上での強度分布の計測結果を示している。ここにおいて、隣接する分割ビームに対して光路差を与えるような遅延板２は挿入されていない。図４（ａ）はＭ２＝５．７、図４（ｂ）はＭ２＝１１．３の場合の結果である。図４より、Ｍ２を、５．７から１１．３に増大させることにより、空間的可干渉距離は明らかに小さくなっていることがわかる。
【００３２】
ビーム直径をピーク強度が１／ｅ２（ここにｅは自然対数の底）における径と定義する時、そのビーム直径を１００％とした時のＭ２値に対する空間的可干渉性距離を図５に示す。ここで、空間的な可干渉性距離Ｘは、同じ位置でのレーザ光を重ね合わせた時に生じる干渉の強度に対し、１／ｅまで減衰する２点間の距離で定義し、ビーム直径で規格化した距離としている。図５は、図１に示す構成のレーザプロセス装置において、レーザ発振器１００として３つのパワーレベルの異なるＹＡＧ２ωレーザ発振器Ａ、Ｂ、Ｃを用いてそれぞれのレーザ発振器のＭ２値を変化させた場合の空間的可干渉性距離Ｘの測定結果について示している。いずれも分割数Ｎが７で、反射回数ｍ＝＋１とｍ＝０の２つの成分間の可干渉距離を示している。同図から明らかなように、空間的可干渉性距離Ｘは１／Ｍ２以下の値となることが判明した。同図の例では反射回数ｍ＝＋１とｍ＝０の２つの成分間の可干渉距離の測定結果を示しているが、他の隣接する成分間のデータを用いた場合においても、空間的可干渉距離で規定されている数字であるので結果は同じである。
【００３３】
先に説明したように、遅延板２を入れた図１の構成では、隣接するビーム間の干渉は遅延板２を挿入することにより抑制できるが、さらに一つ先の分割されたビーム間、例えばｍ＝０とｍ＝±２間では時間的に同位相であるため干渉は抑制できない。この、さらに一つ先の分割されたビーム間の干渉を抑制するためには、空間的な可干渉性距離を分割された１個飛ばし以上の成分間（２隣接間）の距離（すなわち２／Ｎ）以下にしておけばよい。遅延板２を分割されたビームに対し一つおきに挿入した場合、干渉を出現させないための必要条件は、
Ｘ＝１／Ｍ２≦２／Ｎ  （Ｎは正の数）
すなわち
Ｍ２≧Ｎ／２
であることがわかる。
【００３４】
このように、本発明者らは、Ｍ２値が最大でも１００以下と比較的低いレーザビームを発生するレーザ発振器を使用する場合において、そのビームをＮ個の分割ビームに分割し、各分割ビームを照射面上で重ね合せて照射する場合に、レーザ発振器から発生するビームの集光性を表す指標であるＭ２値と空間的可干渉性距離とに密接な関係があることを見出して本願発明に至ったものである。一般的にＭ２値は、小さいほど集光ビーム径が小さく、ビーム品質が良いのであるが、本願発明では、ビームの分割数に応じて最適なＭ２値があることを見出したものである。
【００３５】
以上説明したように、本実施の形態によれば、レーザ発振器からのレーザビームを互いに対向する反射面を用いてビーム断面において空間的にＮ個の分割ビームに分割し、Ｎ個に分割したビームに対し１つおきに光路長または偏光方向制御手段として遅延板２を挿入し、各分割ビームを照射面上で重ね合せて照射する場合、レーザ発振器１００から発生するビームの集光性を表す指標であるＭ２値を、ビームの分割数Ｎとした場合Ｎ／２以上とすることにより、重ね合わせによる全ての分割ビーム間での干渉を防止することができる。特に、Ｎ個に分割したビームに対し１つおきに遅延板２を挿入し、Ｍ２値をビームの分割数Ｎとした場合Ｎ／２以上とするのみであり、特許文献３および４に示されるように、分割ビームの全てに光路差を設けなくて良いので、構成と調整とが簡単で容易である。しかも、Ｍ２値をビームの分割数Ｎとした場合Ｎ／２以上とすることにより、互いに隣り合う以外の２つのビーム間での干渉を確実に抑制することができるので、安定な均質照射が可能となる。
なお、均質化において同技術の適用が必要となるのは、本実施の形態で示したＹＡＧ２ωレーザが代表的であるが、それ以外のレーザであっても工業分野で多用されている、Ｍ２値が１００以下の比較的ビーム品質の良いレーザに対しても必要となる。現実にはより集光性を要求される、５０以下のレーザに対してより本特許の構成が必要となる。
【００３６】
実施の形態２．
図６は本発明の実施の形態２によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、（Ａ）はｙ方向から見た図、（Ｂ）はｘ方向から見た図である。
本実施の形態において、図６（Ａ）と図６（Ｂ）に示すレーザプロセス装置は、実施の形態１の場合と同様に、照射面上にｙ方向に均一な分布で広がり、ｘ方向に線状に収束した直線状の照射プロフィルを形成する例を示している。
【００３７】
上記実施の形態１では、Ｎ個に分割したビームの互いに隣接する隣接分割ビームの光路長または偏光方向を違える光路長または偏光方向制御手段として、遅延板（光学的遅延手段）２を用いた場合について説明したが、本実施の形態では、Ｎ個に分割したビームの互いに隣接する隣接分割ビームの一方を他方に対して偏光方向を実質的に直交させる旋光手段７を用いている。
他の構成は、実施の形態１と同様であるので、以下では、実施の形態１と異なる点について主に説明する。
【００３８】
重ね合せ照射手段６のｙ方向の転写レンズ６１は、各分割ビームが実焦点を作って、照射面１９上に投影するように設定され、実焦点位置近傍で分割ビームが互いに空間的に分離した位置に、旋光手段７として、偏光旋回用の半波長板を、配置するが、旋光手段７は、分割前に互いに隣り合う領域に有る分割ビームについて、いずれか一方を他方に対して偏光角度を実質的に直交させ、照射面１９上で重ね合わせた時の２つの分割ビーム間の干渉を防止するものである。図６の例は、転写レンズ６１の出射側での実焦点位置で、分割ビーム一つおきに波長板７を配置している。
【００３９】
旋光手段７には、２つの分割ビームの相互に干渉が実質的に起こらない程度に偏光角度を実質的に直交するように旋光させるもので、好ましくは、石英から成る半波長板が利用される。図６においては、導波路４の前方のｙ方向転写レンズ６１（シリンドリカルレンズ）の前方に焦点ｆを形成させ、半波長板７を、この焦点位置に配置するが、５つの分割ビームのうち、反射回数ｍ＝０，ｍ＝＋２およびｍ＝−２の三つの分割ビームにのみ半波長板７を挿入し、他の反射回数ｍ＝＋１とｍ＝−１には挿入していない。この構成は、ｙ方向に配列した分割ビームの１つおきに半波長板７を介在させている。これにより、図３（Ａ）を参照して、互いに隣り合う２つの分割ビームのうちのいずれか一方にのみ半波長板７を挿入して、他方の分割ビームに対して偏光角度を実質的に直交させている。これにより、互いに隣り合うどのような組み合わせの２つの分割ビームにも、照射面９０で重ね合わせても干渉を生じない。従って、実質的にする偏光ビームの重ね合わせにより、照射ビームの均一性が改善される。
【００４０】
尤も、この明細書においては、偏光角度（偏光方向）が実質的に直交するとは、一の分割ビームに対して、他方の分割ビームが、直交状態から±３０°の範囲に偏移することも含み、これにより実質的に、分割ビーム間の干渉を軽減することができる。
【００４１】
上記のように、分割されたビームに対し１つおきに半波長板７を挿入した場合、互いに隣り合うどのような組み合わせの２つの分割ビーム間（例えば反射回数ｍ＝＋１とｍ＝０の分割ビーム間）でも干渉は防止されるが、互いに隣り合う以外の２つのビーム間（例えば反射回数ｍ＝−２とｍ＝０の分割ビーム間）での干渉を防止することはできない。
そこで、本実施の形態においても、実施の形態１で説明したのと同様に、レーザ発振器１００から発生するビームの集光性を表す指標であるＭ２値を、ビームの分割数Ｎとした場合Ｎ／２以上とすることにより、全ての分割ビーム間での干渉を抑制している。
【００４２】
実施の形態３．
上記実施の形態１で説明したように、レーザ発振器からのレーザビームを互いに対向する反射面を用いてビーム断面において空間的にＮ個の分割ビームに分割し、Ｎ個に分割したビームに対し１つおきに遅延板２を挿入し、各分割ビームを照射面上で重ね合せて照射する場合、レーザ発振器１００から発生するビームの集光性を表す指標であるＭ２値を、ビームの分割数Ｎとした場合Ｎ／２以上とすることにより、全ての分割ビーム間での干渉を抑制することができる。
【００４３】
この際の干渉抑制度合いは、隣接する分割ビームの光路差Δａに大きく依存する。光路差が大きい時は干渉抑制効果により完全となるが、一方で各分割ビームに対する転写条件がずれ、加工テーブル上において良好な転写を行うことができなくなる。そこで空間的可干渉距離をより短くしておくことが望ましく、実験的には、
Ｍ２≧Ｎ
とすることがよりこのましい結果が得られることが判明した。
【００４４】
また、実施の形態２で説明した、半波長板７を隣接するビーム間に交互に挿入して干渉を抑制する場合においても、半波長板７で完全に９０度回転できるわけではないため、わずかな干渉が残る。この際においても
Ｍ２≧Ｎ
の条件で空間的な可干渉性距離を短くしておけば、より均質なビームを照射面９０上で得ることができる。
【００４５】
実施の形態４．
図７は本発明の実施の形態４によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、ｘ方向から見た光学系の配置を示すが、光路長または偏光方向制御手段（光学的遅延手段２）の配置の相異を除いては、基本的に、図１（Ａ）と図１（Ｂ）で示したレーザプロセス装置と同じである。以下では、実施の形態１と異なる点について主に説明する。
【００４６】
本実施の形態においては、特に、光路長または偏光方向制御手段が遮蔽体２９を含んでおり、反射回数ｍ＝０の場合の直進ビームを、ｙ方向転写レンズ６１の後の焦点位置ｆに配置した遮蔽体２９により遮断するものである。ｍ＝０の直進ビームは、照射面に到達しないので、これが干渉に寄与することはない。従って、光学的遅延手段２としては、直進ビーム（ｍ＝０）に対して対称な配置の分割ビームの群（ｍ＝＋１，−２）または（ｍ＝−１，＋２）のいずれか一方のみに挿通して、他方の群は、光学的遅延手段２を配置しないので、これにより、照射面上の分割ビーム相互間の干渉を軽減且つ、光学的遅延手段２は、一方の分割ビーム群（ｍ＝＋１，−２）を一括して透過させる一枚のガラス板またはガラスロッドが利用でき、光学システムを簡素化できる利点ある。遮蔽体２９には、レーザビームを吸収ないし反射させる固体、例えば、黒鉛、セラミックス、金属など、が利用できる。
【００４７】
実施の形態５．
図８は本発明の実施の形態５によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、ｘ方向から見た光学系の配置を示すが、光路長または偏光方向制御手段（旋光手段７）の配置の相異を除いては、基本的に、図６（Ａ）と図６（Ｂ）で示したレーザプロセス装置と同じである。以下では、実施の形態２と異なる点について主に説明する。
【００４８】
上記実施の形態２は、Ｎ個に分割したビームの互いに隣接する隣接分割ビームの光路長または偏光方向を違える光路長または偏光方向制御手段として、ｙ方向に配列した分割ビームの１つおきに半波長板７を介在させているが、半波長板７、７の間は隙間を設けて、他の分割ビームを透過させる必要があり、この半波長板の構造はいくらか複雑である。
これを解消するために、本実施の形態では、特に、光路長または偏光方向制御手段が遮蔽体２９を含んでおり、反射回数ｍ＝０の場合の直進ビームを、ｙ方向転写レンズの後の焦点位置ｆに配置した遮蔽体２９により遮断するものである。ｍ＝０の直進ビームは、照射面に到達しないので、これが干渉に寄与することはない。従って、旋光手段７としては、直進ビーム（ｍ＝０）に対して対称な配置の分割ビームの群（ｍ＝＋１，−２）または（ｍ＝−１，＋２）のいずれか一方のみに挿通して、他方の群れは、旋光手段７を配置しないので、これにより、照射面上の分割ビーム相互間の干渉を軽減且つ、旋光手段７は、一方の分割ビーム群（ｍ＝＋１，−２）をまとめて透過させる一枚の半波長板が利用でき、光学系を簡素化できる利点ある。遮蔽体２９には、レーザビームを吸収ないし反射させる固体、例えば、黒鉛、セラミックス、金属などが、が利用でき、旋光手段７と一体化して焦点位置ｆに配置できる。
【００４９】
実施の形態６．
図９は本発明の実施の形態６によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、ｘ方向から見た光学系の配置を示すが、光路長または偏光方向制御手段の配置の相異を除いては、基本的に、図６（Ａ）と図６（Ｂ）で示したレーザプロセス装置と同じである。以下では、実施の形態２と異なる点について主に説明する。
【００５０】
本実施の形態では、図６に示した実施の形態２において、当該他方の分割ビームに光路長補償手段として、ガラス体の遅延板２を挿入している。上記の一方の分割ビームは、上述の如く、旋光手段として半波長板７が配置されるが、半波長板７の介装は、その分割ビームの光路長を延長することになる。２種類の分割ビームで光路長が異なると、照射面上の結像位置が互いにずれて、プロフイルが不鮮明になる。これを修正するために、他方の分割ビームに、光路長補償手段として光路長を延長する遅延板２を入れてある。遅延板２としては、実施の形態１で説明したのと同様のものが用いられ、例えば、光学ガラス板をその厚みが、半波長板７による光路長と同じ光路を生じる厚みに設定する。
【００５１】
実施の形態７．
図１０は本発明の実施の形態７によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、（Ａ）はｙ方向から見た図、（Ｂ）はｘ方向から見た図である。
本実施の形態において、図１０（Ａ）と図１（Ｂ）に示すレーザプロセス装置は、照射面上にｙ方向に均一な分布で広がり、ｘ方向に線状に収束した直線状の照射プロフィルを形成する例を示している。
【００５２】
レーザプロセス装置は、レーザ発振器１００と、レーザビーム分割手段と、重ね合せ照射手段と、光学的遅延手段２とを含み、レーザビーム分割手段は、シリンドリカルレンズアレイ５を利用して、レーザビームを所望数の分割ビーム１５ａ〜１５ｅに分割し、分割ビームを重ね合せ照射手段により被照射物９の照射面９０上に直線状プロフィルの照射ビーム１９として結像している。
【００５３】
本実施の形態では、レーザビーム分割手段は、レーザ発振器１００からのレーザビーム１を分割用のシリンドリカルレンズアレイ５に入射するための光学系を含み、平行ビームにするためのビーム拡大レンズ３１とｙ方向コリメートレンズ３２とｘ方向コリメートレンズ３３を含み、コリメートレンズ３３からの平行ビームをシリンドリカルレンズアレイ５に入射する。
【００５４】
分割用シリンドリカルレンズアレイ５は、図中ｘ方向に柱状にして光軸に向けて断面凸レンズをｙ方向に積重ねたレンズを指すが、図例は、５段のシリンドリカルレンズ５ａ〜５ｅから構成され、これにより、レーザ発振器１００からのレーザビーム１がビーム断面において一次元的に５つの分割ビーム１５ａ〜１５ｅに分割される。
【００５５】
分割用シリンドリカルレンズアレイ５からの分割ビームは、重ね合せ照射手段により、照射面９０上に重ね合わせて投影されるが、重ね合せ照射手段は、分割用シリンドリカルレンズアレイ５からの分割ビームを照射面９０上にｙ方向に転写する転写用シリンドリカルレンズアレイ５１（５段のシリンドリカルレンズ５１ａ〜５１ｅから構成される。）と、ｘ方向に集光する集光レンズ６２と、フィールドレンズ６３とを含む。
【００５６】
分割用シリンドリカルレンズアレイ５からのｙ方向への分割ビームは、その前方に配置して別体の転写用シリンドリカルレンズアレイ５１に入射され、転写用シリンドリカルレンズアレイ５１からの分割ビームは、焦点ｆａ〜ｆｅを経て、ｘ方向に集光する集光レンズ６２（シリンドリカルレンズ）により照射面９０上に投射されて、ｙ方向に均一で、ｘ方向には細く収束した線状プロフィルを有する照射ビーム１９に成形するものである。さらにフィールドレンズ６３が、転写用のシリンドリカルレンズアレイ５１と集光レンズ６２との間に配置されている。
【００５７】
分割用のシリンドリカルレンズアレイ５からｙ方向に分割した分割ビーム１５ａ〜１５ｅには、光学的遅延手段として、遅延板２が挿入されるが、遅延板２（遅延板２ａ，２ｃ，２ｅ）は、１つおきの分割ビーム１５ａ，１５ｃ，１５ｅに挿入され、他の分割ビーム１５ｂ，１５ｄには、挿入されない。これにより、互いに隣り合う分割ビーム間（例えば、分割ビーム１５ａと１５ｂの間、あるいは分割ビーム１５ｂと１５ｃとの間）の照射面９０上での干渉が押さえられ、重ね合わせた照射ビームの干渉のよる強度分布を均一化することができる。
【００５８】
また、分割数Ｎに対し、レーザ発振器１００のＭ２値が少なくともＮ／２以上の値に設定されているため、実施の形態１で説明したように、空間的なコヒーレント長ＸはＮ／２以下であり、光路長の差はないにも関らず、分割された１個飛ばし以上の成分間の干渉、例えば、分割ビーム１５ａと１５ｃの間、分割ビーム１５ａと１５ｄの間、分割ビーム１５ａと１５ｅの間、分割ビーム１５ｂと１５ｄの間、分割ビーム１５ｂと１５ｅの間、分割ビーム１５ｃと１５ｅの間、の干渉は抑制される。結果として均質なトップハットビームを得ることができる。
【００５９】
さて、先の実施の形態１で示した導波路による分割の場合には、各分割ビームは境界線で折り返される形で重ねられた。この結果、境界部では空間的に同じ場所の光成分が重ね合わされるため、図４に見るごとく、端部において強い干渉が観測されている。一方、シリンドリカルレンズアレー５を用いた図１０に示す本実施の形態による構成では、分割されたビームは平行に重ね合わされる。換言すれば、照射面９０での重ね合わせの際に、折り返しがなくて、単に重畳されるだけである。すなわち、空間的に同じ位置の光が重ね合わされることはなく、ビーム直径を１とすれば、常に１／Ｎ以上離れた成分が重ね合わされることになる。これによる干渉抑制効果は大きく、実効的には、
Ｍ２≧Ｎ／２
の条件が成り立てば、分割された１個飛ばし以上の成分間（２隣接間）における干渉は十分抑制できることが判明した。
【００６０】
なお、上記では、レーザビームの分割および各分割ビームの照射面上での重ね合せ照射にレンズアレーを用いた場合について説明したが、これに限るものではない。例えばプリズム、回折格子、ホログラム等を用いた光学系のように、分割されたビームを平行に重ね、均質化を図る光学系であればどのような光学系であっても、分割したビームの互いに隣り合う隣接分割ビームの一方を他方に対して該レーザビームの時間的可干渉距離よりも長く遅延させる光学的遅延手段を備え、かつ
Ｍ２≧Ｎ／２
とすることにより、重ね合わせによる全ての分割ビーム間での干渉を防止することができる。
また、Ｎ個に分割したビームに対し１つおきに遅延板２を挿入し、Ｍ２値をＮ／２以上とするのみであり、特許文献３および４に示されるように、分割ビームの全てに光路差を設けなくて良いので、構成と調整とが簡単で容易である。しかも、Ｍ２値をＮ／２以上とすることにより、互いに隣り合う以外の２つのビーム間での干渉を確実に抑制することができるので、安定な均質照射が可能となる。
【００６１】
実施の形態８．
図１１は本発明の実施の形態８によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、（Ａ）はｙ方向から見た図、（Ｂ）はｘ方向から見た図である。
本実施の形態において、図１１（Ａ）と図１１（Ｂ）に示すレーザプロセス装置は、実施の形態７の場合と同様に、照射面上にｙ方向に均一な分布で広がり、ｘ方向に線状に収束した直線状の照射プロフィルを形成する例を示している。
【００６２】
上記実施の形態７では、Ｎ個に分割したビームの互いに隣接する隣接分割ビームの光路長または偏光方向を違える光路長または偏光方向制御手段として、遅延板（光学的遅延手段）２を用いた場合について説明したが、本実施の形態では、Ｎ個に分割したビームの互いに隣接する隣接分割ビームの一方を他方に対して偏光方向を実質的に直交させる旋光手段７を用いている。
他の構成は、実施の形態７と同様であるので、以下では、実施の形態７と異なる点について主に説明する。
【００６３】
分割用シリンドリカルレンズアレイ５からｙ方向に分割した分割ビーム１５ａ〜１５ｅには、旋光手段として、半波長板７が挿入されるが、半波長板７は、１つおきの分割ビーム１５ａ，１５ｃ，１５ｄに挿入され、他の分割ビーム１５ｂ，１５ｄには、挿入しない。これにより、互いに隣合う分割ビーム間（例えば、分割ビーム１５ａと１５ｂの間、分割ビーム１５ｂと１５ｃとの間、あるいはその他の隣り合う分割ビーム間）では、偏光角度が実質的に直交して、照射面９０上での干渉が押さえられ、重ね合わせた照射ビーム１９の干渉による強度分布を均一化することができる。
【００６４】
上記のように、分割されたビームに対し１つおきに半波長板７を挿入した場合、互いに隣り合うどのような組み合わせの２つの分割ビーム間（例えば分割ビーム１５ａと１５ｃ間）でも干渉は防止されるが、互いに隣り合う以外の２つのビーム間（例えば分割ビーム１５ａと１５ｃ間）での干渉を防止することはできない。
そこで、本実施の形態においても、実施の形態７で説明したのと同様に、レーザ発振器１００から発生するビームの集光性を表す指標であるＭ２値を、Ｎ／２以上とすることにより、全ての分割ビーム間での干渉を抑制している。
【００６５】
実施の形態９．
図１２は本発明の実施の形態９によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、ｘ方向から見た光学系の配置を示すが、光路長または偏光方向制御手段の配置の相異を除いては、基本的に、図１１（Ａ）と図１１（Ｂ）で示したレーザプロセス装置と同じである。以下では、実施の形態８と異なる点について主に説明する。
【００６６】
本実施の形態では、図１１に示した実施の形態８において、旋光手段を挿入していない当該他方の分割ビーム（この例では、１５ｂ、１５ｄ）に光路長補償手段として遅延板２用のガラス体を挿入している。上記の一方の分割ビームは、上述の如く、旋光手段として半波長板７が配置されるが、半波長板７の介装は、その分割ビームの光路長を延長することになり、２種類の分割ビームで光路長が異なると、照射面上の結像位置が互いにずれて、プロフイルが不鮮明になる。これを修正するために、他方の分割ビームに光路長を補償する手段として光路長を延長する遅延板７２を入れてある。遅延板２としては、実施の形態１で説明したのと同様のものが用いられ、例えば、光学ガラス板を、半波長板７による光路長と同じ光路長を生じる厚みに設定する。
【００６７】
なお、ｙ方向転写用シリンドリカルレンズアレイ５１において、半波長板７を挿入した分割ビームについての微小シリンドリカルレンズと、半波長板７を挿入していない分割ビームについての微小シリンドリカルレンズとに、異なる焦点距離を設けることにより光路長の補償を行なってもよい。
【００６８】
実施の形態１０．
図１３は本発明の実施の形態１０によるレーザプロセス装置の構成を示す図であり、（Ａ）はｙ方向から見た平面図、（Ｂ）はｘ方向から見た平面図、（Ｃ）は遅延板の断面図である。
本実施の形態において、図１３（Ａ）と図１３（Ｂ）に示すレーザプロセス装置は、実施の形態１の場合と同様に、照射面上にｙ方向に均一な分布で広がり、ｘ方向に線状に収束した直線状の照射プロフィルを形成する例を示している。
【００６９】
レーザプロセス装置は、レーザ発振器１００と、レーザビーム分割手段と、重ね合せ照射手段と、光学的遅延手段とからなり、レーザビーム分割手段は、ｘ方向シリンドリカルレンズアレイとｙ方向シリンドリカルレンズアレイとを直交して配置して、二次元的に分割した分割ビームを形成している。別のレーザビーム分割手段としては、二次元的レンズアレイも利用可能であり、この場合は、ｘ方向シリンドリカルレンズアレイ５とｙ方向シリンドリカルレンズアレイ５２に代えて、単一の二次元的レンズアレイを配置して、ｘ−ｙ方向に二次元的に分割ビームを形成することができる。また、入射面と出射面と、入射面と出射面とを結ぶ軸回りに主要な４面の反射面を有する直方体で、入射面から導入されたレーザビームを４面の反射面で反射させて、出射面からは、分割されたビームを放射する、二次元導波路を用いることもできる。
【００７０】
本実施の形態では、ｘ方向シリンドリカルレンズアレイ５とｙ方向シリンドリカルレンズアレイ５２とを直交して配置して、二次元的に分離した多数の分割ビームを平行に形成している。
レーザビーム分割手段は、さらに、レーザビームをシリンドリカルレンズアレイ５に入射するための拡大レンズ５１とコリメートレンズ３２とを含み、拡径した平行なレーザビームを、シリンドリカルレンズアレイ５に入射している。
【００７１】
重ね合せ照射手段は、多数の分割ビームを、被照射物９の照射面９０上で重ね合わせて、照射ビームにするものであるが、ここでは、重ね合せ照射手段は、ｙ方向の転写用シリンドリカルレンズアレイ５１により照射面上に所定の長さに渡って転写できるように、ｘ方向にはシリンドリカルレンズアレイ５とｘ方向集光レンズ６２（シリンドリカルレンズ）によりｘ方向には集光している。この結果、照射面上に直線状のプロフィルの照射ビームに結像している。
【００７２】
本実施形態では、レーザビーム１は、レーザビーム分割手段としての拡大レンズ３１とコリメートレンズ３２により、分割用のシリンドリカルレンズアレイ５に入射されて、この例では、ｘ方向に５分割された分割ビームを形成して、次いで、ｙ方向シリンドリカルレンズアレイ５２により、さらに、ｙ方向に分割されて、ｘ方向とｙ方向の２つの方向に、分割数Ｎｘ×Ｎｙの分割可能な二次元分割ビームを得る。分割数Ｎｘ、Ｎｙは、いずれか一方または両方共に、５以上の適当な数とするのが好ましく、特に、共に７以上とするのが好ましい。この実施形態では、分割数Ｎｘ×Ｎｙを５×５の組み合わせの二次元分割ビームとしている。
【００７３】
二次元分割ビームの各々は、断面が矩形で、互いに平行であり、次いで、光学的遅延手段として遅延板２を通過させて、ｙ方向転写シリンドリカルレンズアレイ５１に入射して、被照射物９の照射面９０上に一定長さに転写する。
【００７４】
遅延板２は、図１３（Ｃ）に示すように、遅延素子２０と空隙２９０とが互い違いに配列されて構成され、遅延素子２０は、一定厚みの微小ガラス板から成り、空隙２９０は単なる空気層である。詳しくは、遅延板上のｙ方向に向けて、遅延素子２０と空隙２９０とが交互に配列され、ｘ方向についても、遅延素子２０と空隙２９０とが交互に配列されている。
【００７５】
遅延板２におけるこれら遅延素子２０の配列においては、互いに隣り合った分割ビームは、その一方が遅延素子を通過し、他方が空隙の空気層を透過し、両者間には、光路差を設けている。本来は、互いに隣合う分割ビームは、照射面に照射されると互いに干渉するのであるが、上記遅延板の遅延素子の配列は、ｙ方向の転写用シリンドリカルレンズアレイ５１を含む重ね合せ照射手段により照射面上に照射した分割ビーム相互の干渉が軽減され、合成した照射ビームの変動が防止される。
【００７６】
上記のように、分割されたビームに対し１つおきに遅延素子２０を挿入した場合、互いに隣り合うどのような組み合わせの２つの分割ビーム間でも干渉は防止されるが、互いに隣り合う以外の２つのビーム間での干渉を防止することはできない。
そこで、本実施の形態においても、実施の形態７で説明したのと同様に、レーザ発振器１００から発生するビームの集光性を表す指標であるＭ２値を、各分割方向においてそれぞれＮｘ／２以上およびＮｙ／２以上とすることにより、全ての分割ビーム間での干渉を抑制している。
【００７７】
なお、二次元導波路を用いてレーザ発振器からのレーザビームをビーム断面において二次元的にＮｘ×Ｎｙ個の分割ビームに分割した場合には、各分割方向におけるＭ２値をＮｘ／２以上およびＮｙ／２以上、より望ましくはＮｘ以上およびＮｙ以上とすることにより、全ての分割ビーム間での干渉を抑制することができる。
【００７８】
なお、転写用シリンドリカルレンズアレイ５１の前後に光学的遅延手段を第１の遅延板と第２の遅延板とに分けて配置することにより、分割ビームが転写される面と転写する面とが共役関係になるように配置することができ、これにより、照射面での回折の影響を最小にすることができる利点がある。さらに、シリンドリカルレンズアレイ５３とｘ方向集光レンズ６２との間に遅延手段として第３の遅延板を配置して、ｘ方向には分離して隣り合った分割ビームの間に光路差Δａを設けて、照射面での相互干渉を軽減してもよい。
【００７９】
実施の形態１１．
図１４は本発明の実施の形態１１によるレーザプロセス装置の構成を示す図であり、（Ａ）はｙ方向から見た平面図、（Ｂ）はｘ方向から見た平面図、（Ｃ）は半波長板の断面図である。
上記実施の形態１０では、互いに隣り合う隣接分割ビームの光路長または偏光方向を違える光路長または偏光方向制御手段として光学的遅延手段（遅延板２）を用いた場合について説明したが、隣接分割ビームの一方を他方に対して偏光方向を実質的に直交させる旋光手段を用いてもよく、この場合にも、各分割方向におけるＭ２値をＮｘ／２以上およびＮｙ／２以上とすることにより、全ての分割ビーム間での干渉を抑制することができる。
【００８０】
このような旋光手段７には、図１４（Ｃ）に示すように、旋光素子７０と空隙２９０とをｘ方向およびｙ方向に交互に配列した旋光板７が利用される。旋光板７は、分割用シリンドリカルレンズアレイ５、５２の前方に、分割ビームが、旋光素子７０を、これに隣合う分割ビームが空隙２９０を、それぞれ通過するように配置される。これにより、隣合う分割ビームは偏光面が実質的に直交する。旋光板７の旋光素子７０には、旋光性材料から、好ましくは、水晶単結晶が利用され、光学的に半波長板として、上記図１４（Ｃ）の如く、空気層である空隙と互い違いに配列している。
【００８１】
なお、旋光板７の旋光素子７０を挿入した分割ビームは、空隙のみを通過する分割ビームと対比すると、旋光面を回転させると共に、その光路長も大きくするので、被照射物９の照射面９０上には、分割ビームとの光路長の差に起因する結像位置のずれを生じる。
そこで、図１４（Ｃ）における空隙２９０を、光路長補償遅延素子に代え、旋光素子７０と光路長補償遅延素子とを互い違いに配置してもよい。光路長補償遅延素子には、光学ガラス板を使用して、光路長補償遅延素子の厚みａは、旋光素子７０である水晶の半波長板により生ずる光路長さと実質的に等しい光路長さになるように決められる。光路長の補償により、互いに隣合う分割ビームの間には、転写用シリンドリカルレンズアレイによる結像位置の偏移がなく、これにより、鮮明な結像が得られ、照射面上の照射ビームにはより均一な強度分布が得られる。
また、ｙ方向転写用シリンドリカルレンズアレイ５１において、旋光板７の旋光素子７０を通過する分割ビームを通過させる微小シリンドリカルレンズと、空気層である空隙２９０を通過する分割ビームを通過させる微小シリンドリカルレンズとに、異なる焦点距離を設けることにより光路長の補償を行なってもよい。
【００８２】
実施の形態１２．
図１５は本発明の実施の形態１２によるレーザプロセス装置の構成を示す図であり、（Ａ）はｙ方向から見た平面図、（Ｂ）はｘ方向から見た平面図、（Ｃ）は半波長板の断面図、（Ｄ）は遅延板の断面図である。
【００８３】
レーザビーム分割手段の前方に分割ビームを透過する遅延手段と旋光手段とをを配置して、互いに隣合う分割ビーム間の照射面上での干渉を防止するができる。図７（Ａ）と図７（Ｂ）に示す例は、分割用シリンドリカルレンズアレイ５、５２の前方に旋光板７と、その前方に遅延板２と、の両方を配置し、その前方には、ｙ方向転写用のシリンドリカルレンズアレイ５１、フィールドレンズ６３、ｘ方向の転写シリンドリカルレンズアレイ６２、およびｘ方向集光レンズ６２を配置して、通過する分割ビームを照射面９０に照射させて、線状プロヒィルの照射ビーム１９を得ている。
【００８４】
この例では、旋光板７は、旋光素子７０と空隙２９０とを、ｘ方向には交互に、且つ、ｙ方向にはそれぞれ別に列をなして、配置している。これにより、分割用シリンドリカルレンズアレイ５、５２からの分割ビームは、この旋光板７により、ｘ方向については隣合う分割ビーム間に偏光角度を直交させるが、ｙ方向には偏光角度を変えない。そして、その結果、ある分割ビームとこれに対して斜め方向で隣合う分割ビームとの間においても、偏光角度を旋光させることができる。  旋光板７の旋光素子７０は、ｙ方向には偏光角度を変えないので、これを補償するために、旋光板７の前方に配置した遅延板２には、実施の形態１０と同様の構成で、遅延素子２０と空隙２９０とを、ｘ方向およびｙ方向に交互に配置しており、ｘ方向およびｙ方向に隣合う分割ビームに、光路差Δａを設けている。
【００８５】
それ故、旋光板７と遅延板２との配置は、ｘ方向とｙ方向とに隣合う分割ビームについては、遅延板２による光路差により干渉を軽減させ、斜め方向に隣合う分割ビームについては、旋光板による旋光により干渉を防止し、これにより、ある分割ビームと、これを取り巻く全ての隣り合わせの分割ビームとが、相互の干渉を軽減することができる。
【００８６】
なお、上記各実施の形態においては、空間的な可干渉距離が長い固体レーザ、およびその高調波レーザをレーザ光源の例として説明したが、固体レーザと同様に可干渉性が高いＣＯ２レーザ、Ａｒレーザ他、他のガスレーザ、および半導体レーザに適用しても同様の効果を得ることができる。一方、現状エキシマレーザがケイ素の多結晶化法に対して適用されているが、ここでは単純にレンズアレーを用いて分割し、単純に重ねるだけでレーザ光源の均質化が図られている。エキシマレーザはその発振波長が紫外域にある一方、構造的にビームの取り出し断面が数センチメートルオーダーと大きく、Ｍ２値としては通常の安定型発振器が適用されている系では少なくとも１００を十分に超える大きさで、大きい場合には１０００を超えるオーダにあり、空間的なコヒレント長が極端に短い。また、スペクトル幅が極端に広いため時間的なコヒーレント長も短い。その意味で、エキシマレーザは、時間的、空間的なコヒーレンス長が長いことを特徴とするレーザ光源としては例外的なものであり、エキシマレーザ以外の殆んどのレーザでは均質ビームを照射する上で本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の実施の形態１によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、（Ａ）はｙ方向から見た図、（Ｂ）はｘ方向から見た図である。
【図２】導波路におけるレーザビームの分割の態様を説明する断面図である。
【図３】導波路におけるレーザビームの分割の態様を説明する図である。
【図４】導波路により分割した互いに隣接する２つの分割ビームを照射面上で重ね合わせたときの合成照射ビームの強度分布を示す図である。
【図５】Ｍ２値と空間的可干渉性距離との関係を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、（Ａ）はｙ方向から見た図、（Ｂ）はｘ方向から見た図である。
【図７】本発明の実施の形態４によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、（Ａ）はｙ方向から見た図、（Ｂ）はｘ方向から見た図である。
【図８】本発明の実施の形態５によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、（Ａ）はｙ方向から見た図、（Ｂ）はｘ方向から見た図である。
【図９】本発明の実施の形態６によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、（Ａ）はｙ方向から見た図、（Ｂ）はｘ方向から見た図である。
【図１０】本発明の実施の形態７によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、（Ａ）はｙ方向から見た図、（Ｂ）はｘ方向から見た図である。
【図１１】本発明の実施の形態８によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、（Ａ）はｙ方向から見た図、（Ｂ）はｘ方向から見た図である。
【図１２】本発明の実施の形態９によるレーザプロセス装置の構成を示す平面図であり、（Ａ）はｙ方向から見た図、（Ｂ）はｘ方向から見た図である。
【図１３】本発明の実施の形態１０によるレーザプロセス装置の構成を示す図であり、（Ａ）はｙ方向から見た平面図、（Ｂ）はｘ方向から見た平面図、（Ｃ）は遅延板の断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態１１によるレーザプロセス装置の構成を示す図であり、（Ａ）はｙ方向から見た平面図、（Ｂ）はｘ方向から見た平面図、（Ｃ）は半波長板の断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態１２によるレーザプロセス装置の構成を示す図であり、（Ａ）はｙ方向から見た平面図、（Ｂ）はｘ方向から見た平面図、（Ｃ）は半波長板の断面図、（Ｄ）は遅延板の断面図である。
【符号の説明】
【００８８】
１００  レーザ発振器、２  遅延板、２０  遅延素子、２９  遮蔽体、２９０  空隙、３１  ビーム拡大レンズ、３２  ｙ方向コリメートレンズ、３３  ｘ方向コリメートレンズ、３４  集光レンズ、４  導波路、４１  反射面、４２  反射面、５  分割用シリンドリカルレンズアレイ、５１  転写用シリンドリカルレンズアレイ、６１  転写レンズ、６２  集光レンズ、７  半波長板（旋光板）、７０  旋光素子、９  被照射物、９０  照射面。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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