(57)【要約】ハイパワー放射線に使用するビームスプリッター装置を開示する。装置は、中央開口部を有する熱伝導性フレームを含む。フレームは、ウィンドウを中央開口部においてウィンドウの周囲で保持する。ウィンドウは、任意のコーティングが形成されたダイヤモンド基板を含む。基板がダイヤモンドであり、フレームが熱伝導性であるため、ウィンドウはウィンドウによる入射放射線の吸収によって引き起こされる熱的な影響を受けることが少ない。従って、ウィンドウ表面の本来の平坦性が維持され、屈折率のばらつきは最小となる。その結果、ウィンドウによって反射及び透過されたハイパワー放射線ビームは実質的に歪みのない状態で維持される。
2007531282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハイパワー放射線ビームに使用されるビームスプリッター装置であって、
中央開口部を有する熱伝導性フレームと、
ウィンドウから前記フレームに熱を伝導することができるように前記中央開口部内に保持されたウィンドウと、
を含み、
前記ウィンドウは、ダイヤモンド基板を含むビームスプリッター装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記ウィンドウは、前記ダイヤモンド基板上に形成されたコーティングを含むビームスプリッター装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記コーティングは、前記ハイパワー放射線ビームの選択部分を反射するビームスプリッター装置。
【請求項４】
請求項１において、
前記フレームは、内部に形成された冷却導管を含み、
前記装置は、冷却流体を前記冷却導管に流すように前記冷却導管に接続された冷却装置をさらに含む、ビームスプリッター装置。
【請求項５】
請求項１において、
前記中央開口部及び前記ウィンドウは、細長いビームスプリッター装置。
【請求項６】
請求項１において、
前記ハイパワー放射線ビームは、第１及び第２の偏光成分を有し、
前記ウィンドウは、前記第１の偏光成分を反射し、前記第２の偏光成分を透過させるコーティングを含むビームスプリッター装置。
【請求項７】
請求項１において、
前記フレームは、
前記中央開口部の周囲に設けられた保持溝と、
前記保持溝内に保持されたＯリングと、を含み、
前記ウィンドウは、周囲部を含み、
前記保持溝と前記Ｏリングは、前記ウィンドウの周囲部またはその近傍で前記フレームに前記ウィンドウを押しつけるように動作するビームスプリッター装置。
【請求項８】
請求項１において、
前記フレームは、銅からなるビームスプリッター装置。
【請求項９】
請求項８において、
前記銅フレームは、金層で被覆されているビームスプリッター装置。
【請求項１０】
請求項１において、
前記フレームは、第１及び第２のフレーム部を含むビームスプリッター装置。
【請求項１１】
請求項１において、
前記フレームは、ベース板に取り付けられているビームスプリッター装置。
【請求項１２】
中央開口部を有する熱伝導性フレームと、
平坦な表面と周囲部を有し、ダイヤモンド基板を含むウィンドウと、
前記平坦な表面上に形成されたコーティングと、
を含み、
前記ウィンドウは、前記ウィンドウに入射したハイパワー放射線ビームから前記ウィンドウに吸収された熱を前記フレームに伝導して前記ウィンドウの平坦な表面が実質的に歪むことを防止するように、前記ウィンドウの周囲部またはその近傍で前記中央開口部内に保持されている、ビームスプリッター装置。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記コーティングは、ＴｈＦ４、Ｇｅ、ＺｎＳｅ、ＢａＦ２からなる群から選択される材料からなる１又は複数のフィルムを含むビームスプリッター装置。
【請求項１４】
請求項１２において、
前記フレームは、前記フレームを冷却するために冷却流体を通過させる冷却導管を含む、ビームスプリッター装置。
【請求項１５】
ハイパワー偏光放射線ビームから第１及び第２の偏光成分を分離するための方法であって、
前記ハイパワー放射線ビームを、熱伝導性フレームと、前記フレーム内に熱的に接触して保持された第１のウィンドウとを含み、前記第１のウィンドウがダイヤモンド基板上に形成された第１のコーティングを含む第１の偏光ビームスプリッターに向けること、
前記第１のウィンドウがハイパワー放射線ビームの一部を熱として吸収しながら、前記第１の偏光成分を前記第１のウィンドウによって反射させて第１の偏光放射線ビームを形成し、前記第２の偏光成分を前記第１のウィンドウを透過させて第２の放射線ビームを形成すること、
前記熱を前記フレームに伝達することによって、前記熱を前記第１のウィンドウから取り除き、前記第１のウィンドウが実質的に歪みのない状態に維持されるように前記フレームを冷却すること、
を含む方法。
【請求項１６】
請求項１５において、
前記第１及び第２の偏光放射線ビームの一方を第２のビームスプリッターに向け、前記一方の偏光放射線ビームの偏光を高めることをさらに含む方法。
【請求項１７】
入射放射線ビームを、フレーム内に熱的に接触して保持され、ダイヤモンド基板を含むウィンドウに向けること、
前記入射放射線ビームの一部を前記ウィンドウによって反射させて第１の放射線ビームを形成すること、
前記第１のウィンドウが入射放射線ビームの一部を熱として吸収しながら、前記入射放射線ビームの一部を、前記ウィンドウを透過させて第２の放射線ビームを形成すること、
前記熱を前記フレームに伝達することによって前記熱を前記ウィンドウから取り除き、前記ウィンドウが実質的に歪みのない状態に維持されるように前記フレームを冷却すること、
を含む方法。
【請求項１８】
請求項１７において、
前記ウィンドウにコーティングを設けることを含み、前記コーティングが、前記入射放射線ビームの選択量を反射及び透過させる方法。
【請求項１９】
請求項１８において、
前記コーティングを偏光コーティングとして形成する方法。
【請求項２０】
ワークピースに光を照射するための光学系であって、
ハイパワー放射線ビームを放出する放射線源と、
前記ハイパワー放射線ビームを受け、前記ハイパワー放射線ビームから透過ハイパワー放射線ビームを形成するように設けられたビームスプリッター装置と、
を含み、
前記ビームスプリッター装置が、
中央開口部を有する熱伝導性フレームと、
前記フレーム内に熱的に接触するように前記中央開口部内に保持され、ダイヤモンド基板を含むウィンドウと、
前記透過放射線ビーム及び反射放射線ビームの一方を受け、前記放射線ビームを前記ワークピースに向けるように配置されたレンズと、
を含む光学系。
【請求項２１】
請求項２０において、
前記ハイパワー放射線ビームが第１及び第２の偏光成分を含み、前記反射放射線ビームの大部分が前記第１の偏光成分を含み、前記透過放射線ビームの大部分が前記第２の偏光成分を含むように、前記ウィンドウが前記ダイヤモンド基板上にビーム分割コーティングを含む光学系。
【請求項２２】
請求項２０において、
前記透過放射線がＰ偏光であり、前記レンズが前記透過放射線をブリュースター角またはその近傍の入射角で前記ワークピースに向ける光学系。
【請求項２３】
第１の基板にハイパワー偏光放射線を照射するための光学系であって、
光軸に沿ってハイパワー放射線ビームを放出する放射線源と、
前記光軸に沿って前記放射線源の下流に配置され、前記ハイパワー放射線ビームを受け、前記ハイパワー放射線ビームから選択偏光を有する反射ハイパワー放射線ビームを形成するように位置合わせされた偏光ビームスプリッター装置と、
を含み、
前記偏光ビームスプリッター装置が、
中央開口部を有する熱伝導性フレームと、
ウィンドウから前記フレームに熱を伝導することができるように前記中央開口部内に保持され、ダイヤモンド基板と、前記ダイヤモンド基板上に形成されたビーム分割フィルムとを含むウィンドウと、
前記反射放射線ビームを受け、前記反射放射線ビームを前記第１の基板に向けるように配置されたレンズと、
を含む光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は放射線ビームを分割及び／又は結合するために使用される構成要素に関し、特に、ハイパワー放射線ビームに好適に使用される構成要素に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイパワー放射線（例えば、１００Ｗ以上のパワーを有する放射線）を使用する工業及び製造用途では、ビームの均一性を維持するか、放射線ビームの波面の完全性を維持することが重要である。例えば、レーザー熱アニール（ＬＴＡ）（「レーザー熱処理（ＬＴＰ）」ともいう）では、ワークピース（例えば、半導体ウェハ等の基板）の表面温度を迅速に上昇させてワークピースの特性を選択的に変化させるためにハイパワーレーザー放射線（例えば、ＣＯ２レーザーからの１０．６μｍの放射線）を使用する。温度の上昇は十分に高速であるために平均基板温度は実質的に変化せず、基板本体への熱伝導によって高い表面温度を非常に迅速に低下させることができる。ＬＴＡの適用例としては、集積装置または集積回路を形成するために基板に形成されるトランジスタのソース、ドレインまたはゲート領域のドーパントのアニール及び／又は活性化が挙げられる。また、ＬＴＡは、集積デバイスまたは回路のシリサイド領域を形成したり、ポリシリコンのランナー抵抗を低下させたり、基板（またはウェハ）に物質を成膜したり、基板から物質を除去するための化学反応を引き起こすためにも使用することができる。ＬＴＡの適用例は、米国特許第６，３００，２０８号、米国特許第６，３６５，４７６号、米国特許第６，５３１，６８１号に記載されている。
【０００３】
ＬＴＡを行う際には、アニールするワークピース（基板またはウェハ）に入射する放射線ビームが、選択された処理領域全体で均一であるか、ガウス形状等において一貫し、予測できる形状を有することが重要である。従って、放射線ビームを透過、反射、分割または結合するために使用する光学系の構成要素が、望ましくない非均一性を導入するようにビームを変化させないことが重要である。そのような非均一性は、例えば、光学部品が変形したり、放射線ビームの波面を歪ませる屈折率がばらついたり、ビーム開口部で放射線を非均一に吸収したりする場合に発生する。
【０００４】
しかし、ハイパワーレーザー放射線を処理するために利用できる光学部品が不足している。特に、波面を実質的に歪ませない（例えば、歪みが１５０ｎｍ未満）ようにハイパワーＣＯ２レーザー放射線ビームを偏光させるための市販の偏光板はないようである。
【０００５】
従来の偏光板を製造するための方法では、適当な薄膜コーティングを１以上のセレン化亜鉛ウィンドウ（基板）に配置する。次に、放射線ビーム入射方向に対して斜角（例えば４５°）で偏光板を配置する。コーティングはある偏光の大部分を反射し、直交する偏光の大部分を透過させる。
【０００６】
偏光板は、ＣＯ２レーザー放射線ビームの出力パワーを独立して減衰させるために役立つ。レーザーからの出力放射線ビームは、通常は直線偏光させる。偏光方向は、伝搬方向を変化させずにビーム軸を中心として回転する３ミラー（ｋ−ミラー）アセンブリによって容易に回転させることができる。固定偏光板に対してビーム偏光方向を変化させることにより、パワーを広範囲に調整することができる２つの分離された直線偏光成分にビームを分割することができる。
【０００７】
しかし、従来のビームスプリッター（ビーム結合部としても機能する）を使用した場合には、ウィンドウ材料と関連するコーティングの吸収によって、ウィンドウの中央近傍で高温をもたらす著しい加熱が生じる。このため、ウィンドウの屈折率が変化するとともにウィンドウの表面の歪みが生じる。その結果、反射放射線ビームと透過放射線ビームの波面が歪むことになる。波面歪みの程度は、放射線ビームの強度及びビームスプリッターへの入射時間に応じて異なる。
【０００８】
しかし、波面歪みの程度は、非常に均一な偏光放射線ビームを必要とするハイパワーレーザー放射線用途のほとんどでは通常は非常に大きい。
【０００９】
従って、放射線ビームの波面を大きく歪ませることのないハイパワー放射線ビームに好適に使用することのできるビーム分割構成要素が求められている。
【発明の開示】
【００１０】
本発明の第１の態様は、ハイパワー放射線のためのビームスプリッター装置である。装置は、中央開口部を有する熱伝導性冷却フレームと、ウィンドウからフレームへの熱の伝導を容易にするように中央開口部内に保持されたウィンドウと、を含む。ウィンドウはダイヤモンド基板を含み、一実施形態では、ダイヤモンド基板の表面に形成された任意のコーティングを含む。場合によっては、ダイヤモンド基板の固有の特性は、コーティングを使用することなくビーム分割及びビーム結合機能を行うために十分である。コーティングはビーム分割コーティングであってもよく、入射ハイパワー放射線ビームの選択量を反射及び透過させるように設計されたコーティングであってもよい。
【００１１】
本発明の第２の態様は、偏光ハイパワー放射線ビームから第１及び第２の偏光成分を分離するための方法である。方法は、ハイパワー放射線ビームを、熱伝導性フレームと、フレーム内に熱的に接触して保持されたウィンドウとを有する偏光ビームスプリッターに向けることを含む。ウィンドウは、ダイヤモンド基板の表面に形成されたコーティングを有する。方法は、ハイパワー放射線ビームの一部をウィンドウから反射させて第１の偏光成分を有する第１の偏光放射線ビームを形成し、ハイパワー放射線ビームの一部をウィンドウを透過させて第２の放射線ビームを形成することも含む。ウィンドウはハイパワー偏光放射線ビームの一部を熱として吸収する。方法は、熱をフレームに伝達することによって熱をウィンドウから取り除き、ウィンドウの温度が冷媒の温度近傍に維持されるようにフレームを冷却することをさらに含む。ダイヤモンドの優れた熱伝導性によって、ウィンドウの平坦な表面は実質的に歪みのない状態で維持される。これにより、反射（第１の）放射線の波面歪みを低く維持することができる。また、基板の優れた熱伝導性及びダイヤモンドの低い温度依存屈折率変化係数のために、中心から端部への熱及び屈折率勾配を小さく維持することができる。これにより、透過（第２の）放射線の波面歪みを低く維持することができる。
【００１２】
本発明の第３の態様は、第１及び第２の偏光放射線ビームを、第１のビームスプリッターと同様または同一の第２のビームスプリッターで処理し、第１及び第２の偏光放射線ビームの偏光の純度を高めることをさらに含む。
【００１３】
図面に示す構成要素は例示のみを目的とするものであり、縮尺に必ずしも制限されるものではない。ある部分の縮尺を誇張し、その他の部分を最小化している場合もある。図面は、当業者が理解し、適切に実施することができる本発明の様々な実施形態を例示することを意図するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、大きな波面歪みを生じさせることなく、ハイパワー放射線ビームを分割及び／又は２以上のハイパワー放射線ビームを結合するための構成要素に関する。１つの放射線ビームを２つのビームに分割するために使用する装置を、２つのビームを１つのビームに結合するために使用することができる。従って、本明細書で使用する「ビームスプリッター」という用語は、ビーム分割及びビーム結合のいずれかを行うことができる本発明の装置（構成要素）を意味する。
【００１５】
本発明の一実施形態では、本発明のビームスプリッターは非偏光性である。すなわち、単一の放射線ビームを受け、２つの異なる放射線ビームに分割することができ、その反対の動作も行うことができる。別の実施形態では、ビームスプリッターは偏光性である。すなわち、偏光放射線ビームを受け、２つの偏光放射線ビームに分割することができ、その反対の動作も行うことができる。
【００１６】
図１は、本発明に係るビームスプリッター装置（「ビームスプリッター」）１０の一実施形態の上面図である。図２は、図１の２−２線に沿った装置１０の断面図である。図３は、図２の装置１０の一部の拡大図である。入射放射線ビームＢ１を、反射放射線ビームＢ２及び透過放射線ビームＢ３とともに図２に示す。一実施形態では、入射放射線ビームＢ１は、例えば１００ワット以上のハイパワーを有する。
【００１７】
図１、図２、図３を参照すると、装置１０は、中央開口部２６を有するフレーム２０を含む。一実施形態では、フレーム２０は金属（例えば銅）等の剛性を有する熱伝導材料からなる。一実施形態では、図２及び図３に示すように、フレーム２０は２つの部分２０Ａ，２０Ｂで形成されている。以下の説明は、説明の便宜上、フレーム２０が２つの部分からなる実施形態に基づいている。フレーム部２０Ａは上面３０と下面３２とを有し、フレーム部２０Ｂは上面４０と下面４２とを有する。フレーム部２０Ａは境界５０を有し、フレーム部２０Ｂは周囲５２を有する。フレーム部２０Ａ，２０Ｂは表面３２，４０で連結されている。一実施形態では、フレーム部２０Ａ，２０Ｂはねじ５１（図１）によって保持されている。
【００１８】
図３を参照すると、一実施形態では、フレーム部２０Ｂは、中央開口部の周囲のシェルフ部５３を含む。シェルフ部５３は、リップまたはリム５４と、保持エッジ５５と、リム５４に隣接するシェルフの保持溝５６と、を含む。保持エッジ５５と保持溝５６は、中央開口部を取り囲むようにシェルフに設けられている。保持溝５６は、Ｏリング５８を収容する大きさを有する。Ｏリング５８の目的は後述する。
【００１９】
図２を参照すると、一実施形態では、フレーム部２０Ｂは、周囲５２またはその近傍に形成された下部保持ベース部６２も含む。一実施形態では、ベース部６２はベース板７０に固定されており、例えば、詳細に後述するように、装置１０を光学系に組み込むために装置１０を別の物体（図示せず）に実装することが容易となる。一実施形態では、ベース板７０はステンレス鋼などの金属である。
【００２０】
図４を参照すると、一実施形態では、フレーム部２０Ａ，２０Ｂは、外側表面７５が薄い金層７６で被覆された銅本体７４からなる。このような構成によって、ハイパワー放射線ビームによる処理時に半導体基板（図示せず）等の対象物を銅で汚染する可能性を制限しながら、熱伝導性を与えることができる。
【００２１】
図１〜図３を再び参照すると、一実施形態では、フレーム２０の中央開口部２６は放射線ビームＢ１の断面形状を収容する大きさを有する。一実施形態では、中央開口部２６は細長く（例えば楕円または楕円形）、装置に角度をなして入射した円形放射線ビームを収容することができる。中央開口部２６は、上面３０の第１の外側リム１００、下面３２の第１の内側リム１０２、上面４０の第２の外側リム１１０、下面４２の第２の内側リム１１２によって、フレーム２０内で限定されている。好ましい実施形態では、中央開口部２６は内側リム１０２で外側リム１００よりも小さくなっており、内側リム１１２で外側リム１１０よりも小さくなっている。第１の外側及び内側リム１００，１０２は斜面１３０で接続され、第２の外側及び内側リム１１０，１１２は斜面１３２で接続されている。従って、好ましい実施形態では、中央開口部２６は、フレームの（破線Ｍで示す）中間部分またはその近傍でフレームの上面３０又は下面４２よりも小さくなっている（図２）。
【００２２】
図５を参照すると、装置１０は、周辺部１５２と、上面１５４と、下面１５６とを有するウィンドウ１５０（図３には図示せず）をさらに含む。ウィンドウ１５０は、中央開口部２６内において、周辺部１５２またはその近傍及びフレームの中間Ｍまたはその近傍で支持されており、周辺部１５２が好ましくは保持エッジ５５に当接し、フレームとウィンドウとの熱的な接触を容易に行うことができる。従って、フレーム部２０Ａ，２０Ｂはウィンドウ１５０のフランジとして機能する。ウィンドウ１５０については詳細に後述する。
【００２３】
図２、図３、図５を再び参照すると、弾性Ｏリング５８が保持溝５６に配置されている。一実施形態では、Ｏリング５８は、合成ゴム等の粒子を含まず、耐温性を有する圧縮性材料からなる。フレーム部２０Ａ，２０Ｂが接続・固定されてフレーム２０を形成すると、Ｏリング５８がウィンドウ表面１５６に押し付けられ、周辺部１５２に隣接するウィンドウの上面１５４の一部１７８が、内側リム１０２に隣接するフレーム部２０Ａの下面３２の一部１８０に強く押し付けられる。各表面部１７８，１８０でのウィンドウ１５０とフレーム部２０Ａのぴったりとした適合により、ウィンドウとフレームとの間の良好な熱的な接触が得られ、ウィンドウに吸収された熱を効率的にフレームに伝達することができる。
【００２４】
一実施形態では、ウィンドウ１５０とフレーム２０との間の熱的な接触を増加させるために、フレーム部２０Ａの下面１８０と周囲のウィンドウ表面部１７８はなめらかに形成されている。一実施形態では、ラップ仕上げまたはダイヤモンド旋削によって下面１８０とウィンドウ表面部１７８をなめらかに形成する。一実施形態では、表面部１７８，１８０は約５０ｎｍの二乗平均（ＲＭＳ）以下の平滑度を有する。
【００２５】
一実施形態では（図１及び図２）、フレーム２０は、入力端２０２と出力端２０４とを有する冷却路２００を含む。一実施形態では、装置１０は、入力端２０２に接続された第１の導管２１８と出力端２０４に接続された第２の導管２２０によって冷却路２００に接続された冷却装置２１０を含む。冷却装置２１０は、導管２１８から冷却路２００の入力端２０２に冷却流体（水等）を流入させ、導管２２０を介して出力端２０４から流れる冷却流体を受ける。冷却装置２１０は、冷却流体を冷却路２００に再び導入する前に冷却流体に吸収された熱を除去する。通常、冷却路２００は、冷却装置２１０がフレーム２０を冷却することを可能とするフレーム２０のあらゆる場所に形成することができる。例えば、実施形態では、冷却路２００をベース板７０、フレーム部２０Ｂまたはフレーム部２０Ａ（図２を参照）に形成し、あるいは冷却路２００の一部をフレーム部２０Ａ，２０Ｂに形成する。
【００２６】
図５を再び参照すると、ウィンドウ１５０はダイヤモンド基板２５０を含み、「ビームスプリッターコーティング」を構成する１以上のフィルムまたはコーティング２５６がダイヤモンド基板２５０上に形成されている。一実施形態では、ビームスプリッターコーティング２５６は、入射放射線ビームＢ１の一部を選択的に反射して反射放射線ビームＢ２と透過放射線ビームＢ３を形成するように設計された反射防止コーティングである。
【００２７】
別の実施形態では、コーティング２５６は、Ｓ偏光とＰ偏光を有する入射放射線ビームＢ１を受け、入射放射線ビームＢ１の所与の波長と入射角に対して、選択偏光（例えばＳ偏光）を有する反射放射線ビームＢ２と残りの偏光（例えばＰ偏光）を有する透過放射線ビームＢ３を形成するように設計されている。
【００２８】
一実施形態では、入射放射線ビームＢ１は、１００ワット以上のパワー、１０．６μｍの波長、ウィンドウの表面法線Ｎ１に対して３０〜８０°の入射角θ１を有するハイパワー放射線ビームである。
【００２９】
ダイヤモンド基板２５０は１０．６μｍの放射線に対して透明であり、非常に高い熱伝導性（２１００Ｗ／ｍＫ）、小さな膨張係数（１．３５×１０−６／Ｋ）、小さな温度依存屈折率変化係数（１０×１０−６）を有する。従って、ウィンドウ１５０はハイパワー放射線によって著しく変化することはなく、反射放射線ビームＢ２と透過放射線ビームＢ３の波面を著しく歪ませることはない。
【００３０】
一実施形態では、ウィンドウ１５０とフレーム２０との間の熱伝導を向上させるために、ウィンドウ表面の周囲部１７８はビームスプリッターコーティング２５６で被覆されていない。一実施形態では、コーティングで被覆されていないウィンドウ表面の周囲部はウィンドウ周囲１５２から約１．５ｍｍ内側に延びている。
【００３１】
図６は、コンピュータシミュレーションに基づく、５ｋＷ  ＣＯ２レーザー放射線ビームＢ１を装置１０のウィンドウに照射した場合の、Ｙ方向に沿ったウィンドウの中心への距離（ｍｍ）の関数としてのウィンドウ１５０における変形量（単位：ナノメートル（ｎｍ））のプロットである。装置１０を冷媒導入温度１５℃で２．５リットル／分の冷媒によって冷却するものとしてシミュレートした。ウィンドウの最大変形は、１０．６μｍのＣＯ２レーザー波長では０．００２２波という低い値に対応する。同じシミュレーションは、吸収による対応するウィンドウ温度の分布が、ウィンドウ周囲における約５２．５℃の最低温度からウィンドウ中心における約７０℃の最大温度の範囲であることを示している。ダイヤモンド基板は小さな温度依存屈折率変化係数を有するため、ウィンドウ温度の変動によるウィンドウの屈折率の空間的変動によって生じる波面変形量は非常に小さい。一実施形態では、ウィンドウ１５０は、Ｘ方向の大きさが約３６ｍｍであり、Ｙ方向の大きさが約５０ｍｍである。別の実施形態では、ウィンドウ１５０は約０．５ｍｍから約２ｍｍの厚みを有する。
【００３２】
表１は、ウィンドウ１５０上の偏光ビームスプリッターコーティング２５６の構造例を示す。表１において、ダイヤモンド基板は化学蒸着（ＣＶＤ）によって形成され、コーティングは複数のフィルム層を含む。
【００３３】
【表１】
2007531282.tif 000003
【００３４】
表１におけるビームスプリッターコーティングの設計は、１／４波長近傍の光学膜厚における一対の高・低屈折率材料を使用している。ダイヤモンド基板の厚みは、コーティング２５６を構成する層に対して実質的に非常に大きい。表１のコーティングは、９９％を超えるＳ偏光反射率（ＲＳ）、０．５％未満のＰ偏光反射率（ＲＰ）、入射角４５°の１０．６μｍのレーザービームに対して２００：１を超える吸光率比を有する。ビームスプリッターコーティングの他の実施形態としては、低屈折率材料としてのＴｈＦ４にＢａＦ２を使用し、吸収をさらに減少させるためにＺｎＳｅをＧｅの代わりに使用する。
【００３５】
表２は、１０．６μｍの波長で動作するウィンドウ１５０上の非偏光広帯域ビームスプリッターコーティング２５６の構造例を示す。以下の例において、ダイヤモンド基板は化学蒸着（ＣＶＤ）によって形成され、コーティング層の厚みはナノメートルのオーダーである。屈折率は次の通りである。ダイヤモンド：２．３７，ゲルマニウム：４．０，ＺｎＳｅ：２．４０２８，ＴｈＦ４：１．３３。
【００３６】
【表２】
2007531282.tif 000004
【００３７】
（動作方法）
図５を再び参照して、ハイパワー放射線ビームＢ１の偏光成分を分離するための装置１０の動作方法の一実施形態を説明する。放射線ビームＢ１は、入射角度θ１でウィンドウ１５０上のビームスプリッターコーティング２５６に入射する。本実施形態では、放射線ビームＢ１はＰ偏光とＳ偏光の両方を含む。放射線ビームＢ１の一部が反射され、単一の（または実質的に単一の）選択偏光（例えばＳ偏光）を含む反射放射線ビームＢ２を形成する。同様に、放射線ビームＢ１の残りの部分はウィンドウ１５０を通過し、単一の（または実質的に単一の）他方の偏光（例えばＰ偏光）を含む。
【００３８】
放射線ビームＢ１が装置１０のウィンドウ１５０に入射する際に、ウィンドウ表面周囲部１７８とフレーム部２０Ａの下面部１８０との近接した接触（「熱接触」）（図３）のために、ウィンドウ１５０に吸収された熱がフレーム２０に伝達される。フレーム２０とウィンドウ１５０が過熱され、ウィンドウを変形させる（その結果として反射・透過放射線ビームＢ１，Ｂ２の波面を変形させる）ことを防止するために、図１の冷却装置２１０を作動させ、ウィンドウに照射している間にフレーム２０に冷媒を流す。
【００３９】
ここで、「ウィンドウを変形させる」とは、表面の平坦性の変形及びウィンドウにおける不均一な屈折率変化を引き起こすことを含む。
【００４０】
図１に関連して説明したように、冷却装置２１０は、導管２１８から冷却路２００の入力端２０２に冷却流体（水またはグリセリン等）を流入させ、導管２２０を介して出力端２０４から戻ってくる冷却流体を受ける。また、冷却装置２１０は、冷却流体を冷却路２００に再び導入する前に冷却流体に吸収された熱を除去する。実施形態では、コンピュータシミュレーションまたは経験的研究を、フレーム２０内を流れる冷却流体の必要量を設定するために使用し、ウィンドウ１５０を実質的に歪みのない状態に維持され、例えば、透過及び反射波面歪みは許容される歪み閾値よりも低い。波長が１０．６μｍであるとすると、最大許容波面歪み値の一例は１／４波であり、別の例は１／１０波である。
【００４１】
偏光成分を別々に処理することなく、ビームＢ１を分割するか、ビームＢ２，Ｂ３を結合するための本発明の方法は、コーティング２５６が両方の偏光成分を同様に処理するように設計されていることを除いては上述した方法と同様である。従って、ビームＢ１は反射ビームＢ２と透過ビームＢ３に分割され、ビームＢ２，Ｂ３は実質的に同じ偏光（例えばランダム偏光）を有する。
【００４２】
（直列の装置）
偏光ビームスプリッター装置に共通するように、ビームスプリッター１０の偏光ビームスプリッター実施形態では、Ｐ及びＳ偏光成分の完全に「純粋な」分離は通常行われない。例えば、偏光ビームスプリッター１０の偏光効率は９９％である場合がある。より高い偏光の純粋さが必要な用途においては、一実施形態では、２以上の装置１０を直列に使用して、反射放射線ビームＢ２または透過放射線ビームＢ３の偏光含有量をさらに高めるまたは「純粋にする」ことができる。
【００４３】
図７Ａを参照すると、一実施形態では、放射線ビームＢ１は第１の装置１０によって反射放射線ビームＢ２と透過放射線ビームＢ３に分割される。第１の放射線ビーム吸収器３００を、放射線ビームＢ３を吸収するために任意に配置する。次に、反射放射線ビームＢ２が新たな入射放射線ビームＢ１’となり、第２の装置１０に入射する。第１の装置１０と実質的に同様な第２の装置１０は、ビームＢ１’を反射放射線ビームＢ２’と透過放射線ビームＢ３’に分割する。第２の放射線ビーム吸収器３００’を、透過放射線ビームＢ３’を吸収するために任意に配置する。その結果、二倍反射されたビームＢ２’が１０，０００分の９９９９に近い純粋さで偏光される。
【００４４】
同様に、図７Ｂに示す別の実施形態では、実質的に同一の装置１０を直列に接続し、放射線ビームＢ３のＰ偏光純度を高めている。
【００４５】
（光学系）
図８Ａは、偏光ビームスプリッター１０の実施形態を含む光学系４００の第１の実施形態の概略図である。光学系４００は、ハイパワーレーザー放射線ビームＢ１を光軸Ａ１に沿って放出することができるハイパワーレーザー光源４１０を含む。装置１０は軸Ａ１に沿ってレーザー光源４１０の下流に配置され、表面法線Ｎ１は光軸と（入射角）θ１を形成し、θ１は装置１０が放射線ビームＢ１を受ける最適の向きを表す。
【００４６】
光学系４００は、光軸Ａ１に沿って装置１０の下流に配置されたレンズ４２０をさらに含む。レンズ４２０は、ハイパワーレーザー放射線を受け、透過させる。ワークピースホルダ４３０が、軸Ａｌに沿ってレンズ４２０の下流に配置されている。ワークピースホルダ４３０は、ハイパワーレーザー放射線で処理されるワークピース４５０を保持または支持することができる。一実施形態では、ワークピース４５０は半導体ウェハである。
【００４７】
一実施形態では、光学系４００は、屈曲光軸Ａｌ’に沿って配置された「ビームダンプ」４６０も含む。ビームダンプ４６０は、放射線ビームＢ２の反射部分を遮るように配置され、放射線ビームは基板４５０または光学系のその他の部品に入射することはない。一実施形態では、ビームダンプ４６０は円錐ビームコレクターなどの吸収部材である。
【００４８】
一実施形態の動作では、レーザー光源４１０はＳ偏光及びＰ偏光成分を有するハイパワー放射線ビームＢ１でを放出する。放射線ビームＢ１は、入射角度θ１で装置１０のウィンドウ１５０（図１及び図２）に入射する。放射線ビームＢ１のＳ偏光部分はウィンドウ１５０から反射され、Ｓ偏光（または実質的にＳ偏光）の放射線ビームＢ２を形成する。放射線ビームＢ１のＰ偏光部分はウィンドウ１５０を透過し、Ｐ偏光（または実質的にＰ偏光）の放射線ビームＢ３を形成する。図８の光学系４００では、偏光放射線ビームＢ２は屈曲光軸Ａｌ’に沿ってビームダンプ４６０に向かい、吸収される。一方、レンズ４２０はＰ偏光放射線ビームＢ３を受け、ビームをワークピース４５０に向ける（例えば焦点合わせする）。
【００４９】
レーザー熱アニール（ＬＴＡ）に関連する一実施形態では、放射線ビームＢ３はワークピースの表面法線Ｎ２に対して入射角度θ２でワークピース４５０に入射する。ハイパワー選択Ｐ偏光放射線ビームＢ３によって、基板は最適な方法でレーザー熱アニールされる。米国特許出願第１０／２８７，８６４号は、アニール放射線ビームをＰ偏光させ、ブルースター角またはその近傍の入射角（θ２）でワークピースに入射させるＬＴＡを開示している。これは、アニールするワークピース（例えば半導体ウェハ）上に形成されるフィルム積層体及び基板は、基板のブルースター角で低い反射率と反射率の小さなばらつきを有するために好ましい。
【００５０】
図８Ｂは、ビームスプリッター装置１０の偏光実施形態を含む光学系５００の第２の実施形態の概略図である。図８Ｂの光学系５００は図８Ａの装置４００と同一の部材を含むが、レンズ４２０、ワークピースホルダ４３０、ワークピース４５０は反射光軸Ａｌ’に沿って装置１０の下流に配置されており、ビームダンプ４６０は光軸Ａｌに沿って装置１０の下流に配置されている。装置５００では、レンズ４２０は放射線ビームＢ２を受け、ハイパワー放射線を基板４５０に向ける（例えば焦点合わせする）。
【００５１】
また、光学系４００はビームスプリッター１０が非偏光である場合と同様に動作する。この場合、ウィンドウ１５０は入射放射線ビームの一部を反射して放射線ビームＢ２を形成し、一部を透過させて放射線ビームＢ３を形成する。また、ウィンドウ１５０は入射放射線ビームＢ１の一部を熱として吸収する。熱は冷却されたフレームに伝達され、ウィンドウの温度はウィンドウの歪みを防止するレベルに維持される（例えば、フレーム内を流れる冷媒の温度またはその近傍の温度）。
【００５２】
以上の詳細な説明では、各種特徴が容易に理解できるように各種実施形態に分類した。本発明の多くの特徴及び利点は詳細な明細書から明らかであり、添付の請求項によって本発明の精神と範囲に従う上述した装置の特徴と利点を全て網羅することを意図するものである。
【００５３】
また、当業者は多くの変形や変更に容易に想到するものと考えられるため、本発明を上述した構造、動作、実施形態のみに限定することは望ましいものではない。従って、その他の実施形態も添付の請求項の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係るビームスプリッター装置の一実施形態の上面図である。
【図２】図１のビームスプリッター装置の図１の２−２線に沿った断面図であり、入射した反射及び透過ハイパワー放射線ビームも示している。
【図３】図２のビームスプリッター装置の一部の拡大図であり、装置にはウィンドウが存在しない。
【図４】図２のビームスプリッター装置の右側の上下フレーム部の一部の拡大図であり、フレームが金フィルム層でコーティングされた銅からなる実施形態を示している。
【図５】偏光ビームスプリッター装置の拡大図であり、入射した反射及び透過ハイパワー放射線ビームも示している。
【図６】コンピュータシミュレーションに基づく、図１に示すように構成された偏光ビームスプリッター装置のウィンドウの変形量（単位：ナノメートル（ｎｍ））のプロットであり、変形（ｎｍ）は、装置を冷却装置で冷却しながら５ｋＷ  ＣＯ２レーザー放射線ビームをウィンドウに照射した場合の、Ｙ方向に沿って測定したウィンドウの中心への距離（ｍｍ）の関数として示している。
【図７】図７Ａは、２以上の偏光装置を直列に接続してハイパワー放射線ビームのＳ偏光／Ｐ偏光比を高める実施形態の概略図である。図７Ｂは、２以上の偏光ビームスプリッターを直列に接続してハイパワー放射線ビームのＰ偏光／Ｓ偏光比を高める実施形態の概略図である。
【図８Ａ】本発明の偏光ビームスプリッター装置を含む光学系の第１の実施形態の概略図である。
【図８Ｂ】本発明のビームスプリッター装置の偏光実施形態を含む光学系の第２の実施形態にかかる概略図である。
【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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【国際調査報告】
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