(57)【要約】レーザアニール装置（１０）は、１本のレーザ光を互いに干渉性のない４本のレーザ光に分割するため、平行に並べれられた第１及び第２のビームスプリッタ（２１，２２）と、反射鏡（２３）を有する光分割部（１４）を備えている。第２のビームスプリッタには、第１のビームスプリッタからの透過光と、反射鏡によって反射された後の第１のビームスプリッタのレーザ光とが入射される。第２のビームスプリッタは、２本の透過光を外部に出射し、反射鏡は、第２のビームスプリッタの反射光を更に反射して外部に出射する。２つのビームスプリッタ間の距離、及び第１のビームスプリッタと反射鏡との距離は、入射角をθとし、可干渉距離をＬとした時、Ｌ／（２ｃｏｓθ）以上とされている。
2003049175.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを出射するレーザ光源と、
上記レーザ光源から出射されたレーザビームを複数のレーザビームに分割する光分割手段と、
上記複数のレーザビームが入射され、照射対象物に対して照射する照射手段とを備え、
上記光分割手段は、
入射されるレーザビームを反射及び透過して反射光及び透過光の２つのレーザビームに分離する光分離面を有し、光分離面を互いに平行として並べられたｋ（但し、ｋは１以上の自然数。）個のビームスプリッタと、
光反射面が上記ビームスプリッタの光分離面と平行とされ、全ての上記ビームスプリッタからの反射光が入射される反射鏡とを備え、
上記レーザ光源側から１個目のビームスプリッタには、上記レーザ光源から出射されたレーザビームが入射され、
ｍ＋１（但し、ｍは自然数。）個目のビームスプリッタには、ｍ個目のビームスプリッタからの透過光と、ｍ個目のビームスプリッタで反射した後上記反射鏡によって反射されたレーザビームとが入射され、
ｋ個目のビームスプリッタは、２（ｋ−１）本の透過光を外部に出力し、
上記反射鏡は、ｋ個目のビームスプリッタから入射された２（ｋ−１）本の反射光を反射して外部に出力し、
１個目のビームスプリッタの光分離面と（ｍ＋１）個目のビームスプリッタの光分離面との間の距離、並びに、１個目のビームスプリッタの光分離面と上記反射鏡の光反射面の間の距離は、出射される２ｋ本のレーザビームのそれぞれの光路長の差が可干渉距離以上となるように調整されていること
を特徴とする光照射装置。
【請求項２】
上記光分割手段は、
ｍ個目のビームスプリッタの光分離面と（ｍ＋１）個目のビームスプリッタの光分離面との間の距離は、各ビームスプリッタに入射されるレーザビームの入射角をθ、上記レーザ光源から出射されるレーザビームの可干渉距離をＬとしたとき、（２（ｍ−１）×Ｌ）／（２ｃｏｓθ）以上とされ、
１個目のビームスプリッタの光分離面と上記反射鏡の光反射面の間の距離は、各ビームスプリッタに入射されるレーザビームの入射角をθ、上記レーザ光源から出射されるレーザビームの可干渉距離をＬとしたとき、Ｌ／（２ｃｏｓθ）以上とされていること
を特徴とする請求の範囲第１項記載の光照射装置。
【請求項３】
上記ビームスプリッタの光分離面で分離された反射光及び透過光は、光強度の比が１：１であること
を特徴とする請求の範囲第２項記載の光照射装置。
【請求項４】
上記各ビームスプリッタの間に光透過部材が配置されることによって、複数のビームスプリッタが一体とされていること
を特徴とする請求の範囲第２項記載の光照射装置。
【請求項５】
上記ビームスプリッタと反射鏡との間に光透過部材が配置されることによって、複数のビームスプリッタが一体化されていること
を特徴とする請求の範囲第２項記載の光照射装置。
【請求項６】
上記レーザ光源は固体レーザであること
を特徴とする請求の範囲第１項記載の光照射装置。
【請求項７】
上記レーザ光源は半導体レーザであること
を特徴とする請求の範囲第１項記載の光照射装置。
【請求項８】
上記レーザ光源はパルス発振すること
を特徴とする請求の範囲第１項記載の光照射装置。
【請求項９】
上記レーザ光源から出射されたレーザビームを平行光束とする平行化手段を備え、
上記照射手段は、上記光分割手段から出力された複数のレーザビームが入射される１つ以上のレンズから構成されていること
を特徴とする請求の範囲第１項記載の光照射装置。
【請求項１０】
上記光分割手段から出力された各レーザビームを集光する複数の集光レンズを備え、
上記照射手段には、上記複数の集光レンズを介して各レーザビームが入射されること
を特徴とする請求の範囲第１項記載の光照射装置。
【請求項１１】
上記照射手段は、上記複数のレーザビームを同一の照射領域に照射すること
を特徴とする請求の範囲第１項記載の光照射装置。
【請求項１２】
複数のレーザ光源と、
上記複数のレーザ光源がレーザビームを出射するタイミングを制御するタイミング制御手段とを備えること
を特徴とする請求の範囲第１項記載の光照射装置。
【請求項１３】
上記複数のレーザ光源は固体レーザであること
を特徴とする請求の範囲第１２項記載の光照射装置。
【請求項１４】
上記複数のレーザ光源は半導体レーザであること
を特徴とする請求の範囲第１２項記載の光照射装置。
【請求項１５】
上記複数のレーザ光源はパルス発振すること
を特徴とする請求の範囲第１２項記載の光照射装置。
【請求項１６】
照射対象物を載置するステージと、
レーザビームを出射するレーザ光源と、
上記レーザ光源から出射されたレーザビームを複数のレーザビームに分割する光分割手段と、
上記複数のレーザビームが入射され、上記照射対象物に対して照射する照射手段とを備え、
上記光分割手段は、
入射されるレーザビームを反射及び透過して反射光及び透過光の２つのレーザビームに分離する光分離面を有し、光分離面を互いに平行として並べられたｋ（但し、ｋは１以上の自然数。）個のビームスプリッタと、
光反射面が上記ビームスプリッタの光分離面と平行とされ、全ての上記ビームスプリッタからの反射光が入射される反射鏡とを備え、
上記レーザ光源側から１個目のビームスプリッタには、上記レーザ光源から出射されたレーザビームが入射され、
ｍ＋１（但し、ｍは自然数。）個目のビームスプリッタには、ｍ個目のビームスプリッタからの透過光と、ｍ個目のビームスプリッタで反射した後上記反射鏡によって反射されたレーザビームとが入射され、
ｋ個目のビームスプリッタは、２（ｋ−１）本の透過光を外部に出力し、
上記反射鏡は、ｋ個目のビームスプリッタから入射された２（ｋ−１）本の反射光を反射して外部に出力し、
１個目のビームスプリッタの光分離面と（ｍ＋１）個目のビームスプリッタの光分離面との間の距離、並びに、１個目のビームスプリッタの光分離面と上記反射鏡の光反射面の間の距離は、出射される２ｋ本のレーザビームのそれぞれの光路長の差が可干渉距離以上となるように調整されていること
を特徴とするレーザアニール装置。
【請求項１７】
上記光分割手段は、
ｍ個目のビームスプリッタの光分離面と（ｍ＋１）個目のビームスプリッタの光分離面との間の距離は、各ビームスプリッタに入射されるレーザビームの入射角をθ、上記レーザ光源から出射されるレーザビームの可干渉距離をＬとしたとき、（２（ｍ−１）×Ｌ）／（２ｃｏｓθ）以上とされ、
１個目のビームスプリッタの光分離面と上記反射鏡の光反射面の間の距離は、各ビームスプリッタに入射されるレーザビームの入射角をθ、上記レーザ光源から出射されるレーザビームの可干渉距離をＬとしたとき、Ｌ／（２ｃｏｓθ）以上とされていること
を特徴とする請求の範囲第１６項記載のレーザアニール装置。
【請求項１８】
上記ビームスプリッタの光分離面で分離された反射光及び透過光は、光強度の比が１：１であること
を特徴とする請求の範囲第１７項記載のレーザアニール装置。
【請求項１９】
上記各ビームスプリッタの間に光透過部材が配置されることによって、複数のビームスプリッタが一体とされていること
を特徴とする請求の範囲第１７項記載のレーザアニール装置。
【請求項２０】
上記ビームスプリッタと反射鏡との間に光透過部材が配置されることによって、複数のビームスプリッタが一体化されていること
を特徴とする請求の範囲第１７項記載のレーザアニール装置。
【請求項２１】
上記レーザ光源は固体レーザであること
を特徴とする請求の範囲第１６項記載のレーザアニール装置。
【請求項２２】
上記レーザ光源は半導体レーザであること
を特徴とする請求の範囲第１６項記載のレーザアニール装置。
【請求項２３】
上記レーザ光源はパルス発振すること
を特徴とする請求の範囲第１６項記載のレーザアニール装置。
【請求項２４】
上記レーザ光源から出射されたレーザビームを平行光束とする平行化手段を備え、
上記照射手段は、上記光分割手段から出力された複数のレーザビームが入射される１つ以上のレンズから構成されていること
を特徴とする請求の範囲第１６項記載のレーザアニール装置。
【請求項２５】
上記光分割手段から出力された各レーザビームを集光する複数の集光レンズを備え、
上記照射手段には、上記複数の集光レンズを介して各レーザビームが入射されること
を特徴とする請求の範囲第１６項記載のレーザアニール装置。
【請求項２６】
上記照射手段は、上記複数のレーザビームを同一の照射領域に照射すること
を特徴とする請求の範囲第１６項記載のレーザアニール装置。
【請求項２７】
複数のレーザ光源と、
上記複数のレーザ光源がレーザビームを出射するタイミングを制御するタイミング制御手段とを備えること
を特徴とする請求の範囲第１６項記載のレーザアニール装置。
【請求項２８】
上記複数のレーザ光源は固体レーザであること
を特徴とする請求の範囲第２７項記載のレーザアニール装置。
【請求項２９】
上記複数のレーザ光源は半導体レーザであること
を特徴とする請求の範囲第２７項記載のレーザアニール装置。
【請求項３０】
上記複数のレーザ光源はパルス発振すること
を特徴とする請求の範囲第２７項記載のレーザアニール装置。
【請求項３１】
一方の面から入射した第１の可干渉光束の一部を反射し且つ前記第１の可干渉光束の残部を透過するとともに、他方の面から入射した第２の可干渉光束の一部を透過し前記第１の光束の反射した一部と同軸上に合成し第１の合成光束を形成し且つ前記第２の可干渉光束の残部を反射し前記第１の可干渉光束の透過した残部と同軸上に合成し第２の合成光束を形成する光学面を有する第１の光学手段と、
前記第１の光学手段の光学面に対し平行に設けられ、前記第２の合成光束を前記第１の合成光束と平行な方向に反射する光学面を有する第２の光学手段とを有し、
第１の可干渉光束の入射角度が調整され、前記第１の光学手段の光学面と前記第２の光学手段の光学面とは、前記第１の合成光束の光路と前記第２の合成光束の光路との光路長の差が前記第１及び第２の可干渉光束の可干渉距離以上であり、且つ、前記第１の合成光束と前記第２の合成光束との間の距離が所定の値となるように配置されていること
を特徴とする光結合素子。
【請求項３２】
上記第１の光学手段の光学面と上記第２の光学手段の光学面との間に設けられた屈折率ｎの光伝達手段を有し、
上記第１の光学手段の光学面に対して入射角θ１で上記第１の可干渉光束が入射されるとともに、当該光学面に対して入射角θ２で上記第２の可干渉光束が入射され、
第１の可干渉光束と第２の可干渉光束とは同一波長で干渉性がない光束であり、上記θ１及びθ２は下記式（１）の関係を満たすこと
を特徴とする請求の範囲第３１項記載の光結合素子。
ｎｓｉｎθ１＝ｓｉｎθ２                                        …（１）
【請求項３３】
上記第１の光学手段の光学面は、反射率と透過率とが等しいこと
を特徴とする請求の範囲第３１項記載の光結合素子。
【請求項３４】
上記第１の光学手段の光学面と上記第２の光学手段の光学面との間の距離ｔを下記式（２）に示すように設定すること
を特徴とする請求の範囲第３２項記載の光結合素子。
2003049175.tif 000009
ただし、Ｌは第１の可干渉光束及び第２の可干渉光束の可干渉距離である。
【請求項３５】
上記第１の可干渉光束と第２の可干渉光束との光束径は同一であり、距離ｔを下記式（３）に示すように設定すること
を特徴とする請求の範囲第３２項記載の光結合素子。
2003049175.tif 000010
ただし、φは第１の可干渉光束及び第２の可干渉光束の光束径である。
【請求項３６】
屈折率ｎの光伝達材質からなる互いに平行な２つの平面である第１面及び第２面を有する基部と、
上記第１面上に形成された反射率及び透過率が等しい光分割膜と、
上記第１面上に形成された第１の反射防止膜と、
上記第２面上に形成された第２の反射防止膜と、
上記第２面上に形成された反射膜とを備え、
上記第１面には、第１面と第２面との対向方向と直交する任意の方向に領域を２分割して一方の端部側から第１の領域、第２の領域としたとき、第１の領域に光分割膜が形成され、第２の領域に第１の反射防止膜が形成され、
上記第２面には、上記任意の方向に領域を２分割して一方の端部側から第１の領域、第２の領域としたとき、第１の領域に第２の反射防止膜が形成され、第２の領域に反射膜が形成されていること
を特徴とする光結合素子。
【請求項３７】
屈折率ｎの光伝達材質からなる互いに平行な２つの平面である第１面及び第２面を有する基部と、
上記第１面上に形成された反射率及び透過率が等しい光分割膜と、
上記第１面上に形成された第１の反射防止膜と、
上記第１面上に形成された第２の反射防止膜と、
上記第２面上に形成された反射膜と、
上記第２面上に形成された第３の反射防止膜とを備え、
上記第１面には、第１面と第２面との対向方向と直交する任意の方向に領域を３分割して一方の端部側から第１の領域、第２の領域、第３の領域としたとき、第１の領域に第１の反射防止膜が形成され、第２の領域に光分割膜が形成され、第３の領域に第２の反射防止膜が形成され、
上記他方の平面には、上記任意の方向に領域を２分割して一方の端部側から第１の領域、第２の領域としたとき、第１の領域に反射膜が形成され、第２の領域に第３の反射防止膜が形成され、
上記第１面及び第２の面と並行で、第１面側に反射鏡が設けられていること
を特徴とする光結合素子。
【請求項３８】
第１の可干渉光束を出射する第１の出射手段と、
第２の可干渉光束を出射する第２の出射手段と、
光結合手段とを備え、
上記光結合手段は、
一方の面から入射した第１の可干渉光束の一部を反射し且つ前記第１の可干渉光束の残部を透過するとともに、他方の面から入射した第２の可干渉光束の一部を透過し前記第１の光束の反射した一部と同軸上に合成し第１の合成光束を形成し且つ前記第２の可干渉光束の残部を反射し前記第１の可干渉光束の透過した残部と同軸上に合成し第２の合成光束を形成する光学面を有する第１の光学手段と、
前記第１の光学手段の光学面に対し平行に設けられ、前記第２の合成光束を前記第１の合成光束と平行な方向に反射する光学面を有する第２の光学手段とを有し、
第１の可干渉光束の入射角度が調整され、前記第１の光学手段の光学面と前記第２の光学手段の光学面とは、前記第１の合成光束の光路と前記第２の合成光束の光路との光路長の差が前記第１及び第２の可干渉光束の可干渉距離以上であり、且つ、前記第１の合成光束と前記第２の合成光束との間の距離が所定の値となるように配置されていること
を特徴とする光照射装置。
【請求項３９】
上記光結合手段は、
上記第１の光学手段の光学面と上記第２の光学手段の光学面との間に設けられた屈折率ｎの光伝達手段を有し、
上記第１の光学手段の光学面に対して入射角θ１で上記第１の可干渉光束が入射されるとともに、当該光学面に対して入射角θ２で上記第２の可干渉光束が入射され、
第１の可干渉光束と第２の可干渉光束とは同一波長で干渉性がない光束であり、上記θ１及びθ２は下記式（１）の関係を満たすこと
を特徴とする請求の範囲第３８項記載の光照射装置。
ｎｓｉｎθ１＝ｓｉｎθ２      …（１）
【請求項４０】
上記第１の光学手段の光学面は、反射率と透過率とが等しいこと
を特徴とする請求の範囲第３８項記載の光照射装置。
【請求項４１】
上記第１の光学手段の光学面と上記第２の光学手段の光学面との間の距離ｔを下記式（２）に示すように設定すること
を特徴とする請求の範囲第３９項記載の光照射装置。
2003049175.tif 000011
ただし、Ｌは第１の可干渉光束及び第２の可干渉光束の可干渉距離である。
【請求項４２】
上記第１の可干渉光束と第２の可干渉光束との光束径は同一であり、距離ｔを下記式（３）に示すように設定すること
を特徴とする請求の範囲第３９項記載の光照射装置。
2003049175.tif 000012
ただし、φは第１の可干渉光束及び第２の可干渉光束の光束径である。
【請求項４３】
上記光結合手段には、一方の平面上に光分割膜及び第１の反射防止膜が形成され、他方の面に上記反射手段となる反射面と第２の反射防止膜とが形成され、
上記第１の出射手段は、上記第２の反射防止膜に対して入射角θ２で第１の可干渉光束を出射することによって、上記基部の内部を通過させて上記光分割膜に第１の可干渉光束を入射し、
上記第２の出射手段は、上記基部の外部から上記光分割膜に第２の可干渉光束を入射し、
上記光分割膜は、第１の合成光束を出射するとともに、第２の合成光束を上記基部を通過させて上記反射手段となる反射面に入射し、
上記反射手段となる反射面は、第２の合成光束を反射し、反射した第２の合成光束を上記第１の反射防止膜を通過させて外部に出射すること
を特徴とする請求の範囲第３８項記載の光照射装置。
【請求項４４】
上記光結合手段には、一方の平面上に光分割膜、第１の反射防止膜及び第２の反射防止膜が形成され、他方の平面上に反射膜と第３の反射防止膜とが形成され、
上記第１の出射手段は、上記第１の反射防止膜に対して入射角θ２で第１の可干渉光束を出射することによって、上記第１の反射防止膜及び反射膜とを通過させて、上記光分割膜に第１の可干渉光束を入射し、
上記第２の光束出射手段は、上記基部の外部から上記光分割膜に第２の可干渉光束を入射し、
上記光分割膜は、上記第２の合成光束を上記第３の反射防止膜を通過させて外部に出射するとともに、第１の合成光束を上記反射手段に入射し、
上記反射手段は、第１の合成光束を反射し、反射した第１の合成光束を上記第２の反射防止膜及び第３の反射防止膜を通過させて外部に出射すること
を特徴とする請求の範囲第３８項記載の光照射装置。
【請求項４５】
上記第１の出射手段は、上記光分割膜と直交する平面に沿って平行にｇ（ｇは２以上の整数）本並んだ第１の可干渉光束を出射し、
上記第２の出射手段は、上記光分割膜と直交する平面に沿って平行にｇ本並んだ第２の可干渉光束を出射し、
ｈ番目（ｈは１以上ｇ以下の整数）の第１の可干渉光束と、ｈ番目の第２の可干渉光束とが上記光分割膜上で同一の位置に入射されること
を特徴とする請求の範囲第３８項記載の光照射装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、ポリシリコンをチャネル層とした簿膜トランジスタの製造などに用いられるレーザアニール装置、レーザアニール装置等に適用される光照射装置、並びに、レーザアニール装置等に適用される光結合素子に関するものである。
本出願は、日本国において２００１年１２月７日に出願された日本特許出願番号２００１−３７４９２２を基礎として優先権を主張するものであり、これらの出願は参照することにより、本出願に援用される。
背景技術
近年、液晶ディスプレイ等に用いられる薄膜トランジスタでは、チャネル層にキャリア移動度の高いポリシリコン膜が用いられている。薄膜トランジスタのポリシリコン膜は、一般に、ガラス基板上にアモルファスシリコンを成膜し、そのアモルファスシリコンにレーザ光を照射することによってアニールして製造される。物質にレーザ光を照射して、その物質をアニールする装置のことを、レーザアニール装置という。
薄膜トランジスタを製造する際に用いられるレーザアニール装置には、従来、光源として、高パワーの紫外領域のレーザ光を照射できるエキシマレーザが採用されている。図１に、光源にエキシマレーザを採用した従来のレーザアニール装置の構成を示す。
図１に示すように、従来のレーザアニール装置２００は、アニール対象となる基板２０１が載置されるステージ２０２と、レーザ光を出射するレーザ光源２０３と、レーザ光源２０３から出射されたレーザ光を所定の径の平行光束とするテレスコープ２０４と、テレスコープ２０４を通過したレーザ光を複数に分割した後にそれぞれ集光して点光源群とする第１のフライアイレンズ２０５及び第２のフライアイレンズ２０６と、第２のフライアイレンズ２０６を通過した各レーザ光を基板２０１上の所定の照射領域に合成して照射するコンデンサレンズ２０７とを備える。
以上のような従来のレーザアニール装置２００では、第１及び第２のフライアイレンズ２０５，２０６によって、１本の光束を分割して複数の２次光源を生成し、その２次光源から生じる複数のレーザ光をそれぞれ基板２０１上の所定の照射領域に照射している。そのため、従来のレーザアニール装置２００では、１本の光束をそのまま照射した場合には強度分布がガウス分布状となり基板２０１に対して均一なエネルギを与えることができないところを、第１及び第２のフライアイレンズ２０５，２０６を用いてレーザ光を分割した後に合成して照射している、基板２０１に対して照射するレーザ光の強度分布を均一にすることができる。
このような均一な強度分布のレーザ光によりレーザアニールを行うと、基板２０１の全面に対して均一なエネルギが与えられ、粒径サイズが均一化されたポリシリコン膜を製造することができる。
ところで、従来のレーザアニール装置の光源として用いられているエキシマレーザは、出力安定性に欠け、非常に扱いづらいデバイスである。そのため、出力安定性の観点から、レーザアニール装置の光源として、レーザ光のエネルギが安定であり、且つ寿命が長い、紫外光領域の固体レーザや半導体レーザ等を用いるのが望ましいと考えられる。
しかしながら、固体レーザ及び半導体レーザから出射されたレーザ光は、エキシマレーザから出射されたレーザ光と比較して干渉性が高い。従って、レーザ光源２０３として固体レーザ又は半導体レーザを採用したときには、第１のフライアイレンズ２０５及び第２のフライアイレンズ２０６によって複数の２次光源に分割された各レーザ光は、合成して照射したときに互いに干渉してしまい、基板２０１に照射したとき、図２に示すような干渉パターンが生じてしまう。従って、従来のレーザアニール装置２００の光源を、そのまま可干渉性の高い半導体レーザや固体レーザに置き換えたとしても、照射するレーザ光の強度分布を均一とすることができずに、粒径サイズが均一化されたポリシリコン膜を製造することができない。
また、レーザアニール装置の光源として固体レーザや半導体レーザ等を用いた場合、１つの光源のみでは充分なパワーを得ることは困難である。そこで、レーザアニール装置のレーザ光源に固体レーザや半導体レーザを適用できるようにするため、複数の光源から出射されたレーザを合成して、照射領域が広く且つパワーが高いレーザ光を生成することが考えられる。ただし、ポリシリコン膜を製造する場合には、光束径内の強度分布が均一となっているレーザ光によりレーザアニールをしなければ、結晶粒径にばらつきが生じ薄膜トランジスタの特性が悪化してしまう。そのため、複数の光源から出射されたレーザ光を合成する際には、照射領域内の強度分布を均一化する必要もある。
発明の開示
本発明の目的は、例えば可干渉性の高いレーザ光を用いた場合であっても、均一な強度分布のレーザ光を照射対象物に対して照射することが可能な光照射装置を提供することである。
また、本発明は、半導体レーザや固体レーザ等の可干渉性の高いレーザを用いてレーザアニールを行うとともに、被照射物の全体を均一な強度でアニールすることが可能なレーザアニール装置を提供することである。
また、本発明は、簡易な構成で複数のレーザ光を合成することが可能な光合成素子、及び、簡易な構成で複数のレーザ光を合成するとともに、合成したレーザ光を均一な強度分布で照射対象物に対して照射することが可能な光照射装置を提供することである。
本発明にかかる光照射装置及びレーザアニール装置は、レーザビームを出射するレーザ光源と、上記レーザ光源から出射されたレーザビームを複数のレーザビームに分割する光分割手段と、上記複数のレーザビームが入射され、照射対象物に対して照射する照射手段とを備えている。
上記光分割手段は、入射されるレーザビームを反射及び透過して反射光及び透過光の２つのレーザビームに分離する光分離面を有し、光分離面を互いに平行として並べられたｋ（但し、ｋは１以上の自然数。）個のビームスプリッタと、光反射面が上記ビームスプリッタの光分離面と平行とされ、全ての上記ビームスプリッタからの反射光が入射される反射鏡とを備え、上記レーザ光源側から１個目のビームスプリッタには、上記レーザ光源から出射されたレーザビームが入射され、ｍ＋１（但し、ｍは自然数。）個目のビームスプリッタには、ｍ個目のビームスプリッタからの透過光と、ｍ個目のビームスプリッタで反射した後上記反射鏡によって反射されたレーザビームとが入射され、ｋ個目のビームスプリッタは、２（ｋ−１）本の透過光を外部に出力し、
上記反射鏡は、ｋ個目のビームスプリッタから入射された２（ｋ−１）本の反射光を反射して外部に出力し、１個目のビームスプリッタの光分離面と（ｍ＋１）個目のビームスプリッタの光分離面との間の距離、並びに、１個目のビームスプリッタの光分離面と上記反射鏡の光反射面の間の距離は、出射される２ｋ本のレーザビームのそれぞれの光路長の差が可干渉距離以上となるように調整されている。
本発明にかかる光結合素子及び光照射装置は、一方の面から入射した第１の可干渉光束の一部を反射し且つ前記第１の可干渉光束の残部を透過するとともに、他方の面から入射した第２の可干渉光束の一部を透過し前記第１の光束の反射した一部と同軸上に合成し第１の合成光束を形成し且つ前記第２の可干渉光束の残部を反射し前記第１の可干渉光束の透過した残部と同軸上に合成し第２の合成光束を形成する光学面を有する第１の光学手段と、前記第１の光学手段の光学面に対し平行に設けられ、前記第２の合成光束を前記第１の合成光束と平行な方向に反射する光学面を有する第２の光学手段とを有し、第１の可干渉光束の入射角度が調整され、前記第１の光学手段の光学面と前記第２の光学手段の光学面とは、前記第１の合成光束の光路と前記第２の合成光束の光路との光路長の差が前記第１及び第２の可干渉光束の可干渉距離以上であり、且つ、前記第１の合成光束と前記第２の合成光束との間の距離が所定の値となるように配置されている。
発明を実施するための最良の形態
（１）  第１の実施の形態
本発明の第１の実施の形態について説明する。本発明の第１の実施の形態のレーザアニール装置は、例えば、アモルファスシリコン膜が形成されたのちのＴＦＴ基板に対してレーザ光を照射して当該ＴＦＴ基板を熱処理することによって、アモルファスシリコン膜をポリシリコン膜に転換する装置である。
図３に、第１の実施の形態のレーザアニール装置１０の構成を示す。
レーザアニール装置１０は、アニール対象となる基板１を載置するステージ１１と、レーザ光を出射するレーザ光源１２と、レーザ光源１２から出射されたレーザ光の光路上に設けられたコリメータ１３と、コリメータ１３から出射された１本のレーザ光を４本のレーザ光に分割する光分割部１４と、４個の凸レンズから構成されたレンズアレイ１５と、レンズアレイ１５から出射された４本のレーザ光を基板１の所定の領域に導くコンデンサレンズ１６と、ステージ１１の位置制御等を行う制御部１７とを備えている。
ステージ１１は、平板状の基板１が載せられる平坦な主面を有している。ステージ１１に載置される基板１は、例えば、アモルファスシリコン膜が成膜されたのちのＴＦＴ基板である。ステージ１１は、主面上に載せられた基板１を保持しながら、主面に平行な方向（図３中のＸ方向，Ｙ方向）に移動する。レーザアニール装置１０では、ステージ１１を移動させることによって、基板１に対するレーザ光の照射位置を移動させることができる。つまり、ステージ１１を移動させることによって、基板１上のアニールを行う位置を制御することができる。なお、ステージ１１の移動制御は、制御部１７により行われる。
レーザ光源１２は、レーザ光をパルス発振して出力する装置である。レーザアニール装置１０では、レーザ光源１２として固体レーザを採用している。固体レーザは、半導体を除く結晶やガラスなどの透明物質を母体材料とし、母体材料中に希土類イオンや遷移金属イオンなどをドープした固体レーザ材料を、光によって励起して、レーザビームを出射する装置である。固体レーザの例としては、母体材料にガラスを用いてＮｄ３＋をドープしたガラスレーザや、ルビーにＣｒ３＋をドープしたルビーレーザ、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）にＮｄ３＋をドープしたＹＡＧレーザ、さらに、それらのレーザの波長を非線形光学結晶を用いて波長変換したレーザなどが挙げられる。また、レーザ光源１２として、固定レーザではなく、半導体レーザ等も用いてもよい。
レーザ光源１２から出射されたレーザ光は、コリメータ１３に入射される。
コリメータ１３は、入射されたレーザ光を所定のビーム径の平行光束とする。コリメータ１３から出射されたレーザ光は、光分割部１４に入射される。なお、コリメータ１３を通過したレーザ光は、ビームエキスパンダなどによって、ビーム径を拡大しても良い。
以下、コリメータ１３から光分割部１４へ入射されるレーザ光を、レーザ光Ｌ１という。
光分割部１４は、レーザ光Ｌ１を分割して、等間隔に平行に並んだ４本のレーザ光を出射する。光分割部１４から出射される４本のレーザ光は、例えば図３中のＸ方向に並んでいる。また、光分割部１４から出射される４本のレーザ光は、互いに干渉性のないレーザ光とされている。例えば、光分割部１４では、レーザ光の分割を行うために形成された光路の長さが、出射するレーザ光毎に異なっている。つまり、レーザ光Ｌ１の入射口から、分割されたレーザ光の出射口までの光路の長さが、４本のレーザ光毎に全て異なっている。さらに、その各光路にレーザ光源１２により規定される可干渉距離以上の差がつけられている。このため、出射される各レーザ光は、互いに干渉性がない状態とされる。
なお、光分割部１４の具体的な構成例については、その詳細を後述する。
光分割部１４から出射された４本のレーザ光は、レンズアレイ１５に入射される。
レンズアレイ１５は、光分割部１４から出射された４本のレーザ光が並んでいる方向（例えば図３中Ｘ方向）に等間隔に一列に配列された、４個の凸レンズ１５ａ〜１５ｄから構成されている。凸レンズ１５ａ〜１５ｄの配列間隔は、光分割部１４から出射される４本のレーザ光の間隔と同一で、各凸レンズ１５ａ〜１５ｄが各レーザ光の光軸上に設けられている。レンズアレイ１５は、入射された４本のレーザ光を、それぞれ集光して４つの２次光源を生成する。レンズアレイ１５から出射された４本のレーザ光は、一旦集光して２次光源となったのち、コンデンサレンズ１６に入射される。
コンデンサレンズ１６は、レンズアレイ１５によって集光された４本のレーザ光が入射され、入射された４本のレーザ光を基板１上の同一の照射位置に照射し、その位置上で４本のレーザ光を合成する。
制御部１７は、ステージ１１を図３中Ｘ方向及びＹ方向に移動制御することによって、基板１に対するレーザ光の照射位置を制御する。
以上のような構成のレーザアニール装置１０では、ステージ１１上に基板１が載置され、その後、レーザアニール処理が開始される。レーザアニール装置１０は、レーザアニール処理が開始されると、レーザ光源１２からパルスレーザを出射する。
レーザ光源１２から出射されたレーザ光は、コリメータ１３及び光分割部１４を通過することによって、互いに干渉性がなく同一強度の４本の平行光束とされる。
光分割部１４から出射された４本のレーザ光は、レンズアレイ１５によって４つの２次光源とされる。２次光源から出射された４つのレーザ光は、コンデンサレンズ１６を介して合成され、基板１上の所定の領域に照射される。
そして、レーザアニール装置１０では、ステージ１１を平行移動させて、平板状の基板１を、主面に対して平行な方向（図３中Ｘ−Ｙ方向）に移動させ、基板１の全領域にレーザ光を照射してアニール処理を行う。
つぎに、光分割部１４の構成についてさらに詳細に説明をする。図４に光分割部１４の構成を示す。なお、光分割部１４に入射されるレーザ光Ｌ１の光軸の方向をＺ方向とする。また、光分割部１４から出射される４本のレーザ光の光軸の方向も、Ｚ方向である。Ｚ方向は、ここではステージ１１の主面に対して直交する方向である。光分割部１４から出射される４本のレーザ光は、所定の方向に平行に並んで出射されるが、そのレーザ光の配列方向をＸ方向とする。Ｘ方向は、ここではステージ１１の主面に対して平行な方向である。なお、Ｙ方向は、Ｘ方向及びＺ方向に直交する方向である。
光分割部１４は、図４に示すように、平面状の光分離面がＺ方向に並ぶように配置された第１のビームスプリッタ（ＢＳ）２１及び第２のＢＳ２２を備えている。第１のＢＳ２１及び第２のＢＳ２２は、光分離面に入射されたレーザ光を透過及び反射し、２つのレーザ光に分離する素子である。透過と反射の分離比率は、設計上は１：１となっている。
光分割部１４は、光反射面が第１のＢＳ２１及び第２のＢＳ２２の光分離面と平行とされ、第１のＢＳ２１及び第２のＢＳ２２とＺ方向に並んで配置されたミラー２３を備えている。ミラー２３は、平面状の光反射面に入射されたレーザ光を反射する素子である。ミラー２３は、第１のＢＳ２１よりもレーザ光Ｌ１の入射側に配置されている。
第１のＢＳ２１及び第２のＢＳ２２の光分離面、並びに、ミラー２３の光反射面は、Ｘ−Ｚ軸で形成される平面に対して垂直に配置され、且つ、入射されるレーザ光Ｌ１の入射方向（すなわち、Ｚ方向）に対して所定の角度（９０°−θ）（０°＜θ＜９０°）をもって配置されている。つまり、レーザ光Ｌ１は、第１のＢＳ２１及び第２のＢＳ２２の光分離面に対して入射角θで入射される。
第１のＢＳ２１は、レーザ光Ｌ１の光軸上に配置されている。また、第２のＢＳ２２も、レーザ光Ｌ１の光軸上に配置されている。また、第１のＢＳ２１は、レーザ光Ｌ１のみが入射され、他の光が入射されないような配置及び大きさとなっている。第２のＢＳ２２は、第１のＢＳ２１の透過光、及び、ミラー２３で反射された後の第１のＢＳ２１の反射光が入射され、他の光が入射されないような配置及び大きさとなっている。ミラー２３は、第１のＢＳ２１の反射光、及び、第２のＢＳ２２の２つの反射光が入射され、レーザ光Ｌ１を遮らないような配置及び大きさとなっている。
さらに、第１のＢＳ２１とミラー２３との間の距離ｔ０は、レーザ光源１２により設定されている可干渉距離をＬとしたとき、Ｌ／（２ｃｏｓθ）以上とされている。また、第１のＢＳ２１と第２のＢＳ２２との間の距離ｔ１も、レーザ光源１２により設定されている可干渉距離をＬとしたとき、Ｌ／（２ｃｏｓθ）以上とされている。
光分割部１４は、以上のような構成となっていることにより、Ｘ方向に平行に並んだ互いに干渉性のない４本のレーザ光を出射することができる。
具体的に、光分割部１４から出射される４本のレーザ光を、第１のレーザ光Ｌ１＿１、第２のレーザ光Ｌ１＿２、第３のレーザ光Ｌ１＿３及び第４のレーザ光Ｌ１＿４としたとすると、以上の第１〜第４のレーザ光Ｌ１＿１〜Ｌ１＿４は、次のような経路で生成される。すなわち、第１のレーザ光Ｌ１＿１は、第１のＢＳ２１を透過し、第２のＢＳ２２を透過して外部に出射する経路で生成される。第２のレーザ光Ｌ１＿２は、第１のＢＳ２１を反射し、ミラー２３を反射し、第２のＢＳ２２を透過して外部に出射する経路で生成される。第３のレーザ光Ｌ１＿３は、第１のＢＳ２１を透過し、第２のＢＳ２２を反射し、ミラー２３を反射して外部に出射する経路で生成される。第４のレーザ光Ｌ１＿４は、第１のＢＳ２１を反射し、第２のＢＳ２２を反射し、ミラー２３を反射して外部に出射する経路で生成される。
従って、光分割部１４から出射される４本のレーザ光（第１〜第４のレーザ光Ｌ１＿１〜Ｌ１＿４）は、互いに可干渉距離以上の光路を通過して生成され、合成されても干渉が生じない。
つまり、第１のレーザ光Ｌ１＿１が通過する光路の長さと第２のレーザ光Ｌ１＿２が通過する光路の長さを比較すると、第１のＢＳ２１とミラー２３との間の距離ｔ０がＬ／（２ｃｏｓθ）以上となっているので（Ｌは可干渉距離）、第２のレーザ光Ｌ１＿２の光路の長さの方が第１のレーザ光Ｌ１＿１の光路の長さよりも可干渉距離Ｌ以上長くなる。第２のレーザ光Ｌ１＿２が通過する光路の長さと第３のレーザ光Ｌ１＿３が通過する光路の長さを比較すると、第１のＢＳ２１と第２のＢＳ２２との間の距離ｔ１がＬ／（２ｃｏｓθ）以上となっているので（Ｌは可干渉距離）、第３のレーザ光Ｌ１＿３の光路の長さの方が第２のレーザ光Ｌ１＿２の光路の長さよりも可干渉距離Ｌ以上長くなる。第３のレーザ光Ｌ１＿３通過する光路の長さと第４のレーザ光Ｌ１＿４が通過する光路の長さを比較すると、第１のＢＳ２１とミラー２３との間の距離ｔ０がＬ／（２ｃｏｓθ）以上となっているので（Ｌは可干渉距離）、第４のレーザ光Ｌ１＿４の光路の長さの方が第３のレーザ光Ｌ１＿３の光路の長さよりも可干渉距離Ｌ以上長くなる。
第１の実施の形態のレーザアニール装置１０では、以上のような、簡易な構成によって１本のレーザ光を互いに可干渉性のない４本のレーザ光に分割することができる光分割部１４を備えている。
従って、第１の実施の形態のレーザアニール装置１０では、互いに干渉の影響を最小限に抑えられた４本のレーザ光を、基板１上の同一の照射位置へ照射することができる。このため、第１の実施の形態のレーザアニール装置１０では、４本のレーザ光を基板１上で合成したときに、４本のレーザ光が互いに干渉しないため、図５に示すように、その照射領域内を均一な強度にすることができる。
このように、レーザアニール装置１０では、基板１に対して均一なエネルギを与えることができ、粒径サイズが均一なポリシリコン膜を生成することができる。すなわち、レーザアニール装置１０では、良好な特性のＴＦＴを製造することができ、例えば当該ＴＦＴを使用して表示装置などを作成したときには、欠陥が少なく、画像上に筋や輝点などが生じにくいものとすることができる。
さらにまた、レーザアニール装置１０では、レーザ光源１２として固体レーザ等を使用することができるようになるので、そのレーザ光源１２の寿命を長くし、さらに出力変動が小さくすることができる。従って、レーザアニール装置１０は、稼働時間を長くするとともに安定した強度のレーザ光を出射することが可能となり、生産効率を向上することができる。
なお、図６に示すように、光分割部１４内に、レーザ光を透過する例えばガラス等の光透過部材２４を設け、この光透過部材２４に第１のＢＳ２１と第２のＢＳ２２を取り付け、第１のＢＳ２１と第２のＢＳ２２と光透過部材２４とを一体的に構成してもよい。こうすることによって、第１のＢＳ２１、第２のＢＳ２２及びミラー２３の位置調整が容易になる。
（２）  第２の実施の形態
本発明の第２の実施の形態について説明する。本発明の第２の実施の形態のレーザアニール装置は、第１の実施の形態と同様に、例えば、アモルファスシリコン膜が形成されたのちのＴＦＴ基板に対してレーザ光を照射して当該ＴＦＴ基板を熱処理することによって、アモルファスシリコン膜をポリシリコン膜に転換する装置である。
なお、第２の実施の形態のレーザアニール装置の説明をするにあたり、上述した第１の実施の形態のレーザアニール装置１０と同一の構成要素については同一の符号を付けて、その詳細な説明を省略する。また、第２の実施の形態の説明で用いているＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向も、第１の実施の形態と同一の方向である。
図７に、第２の実施の形態のレーザアニール装置３０の構成を示す。
レーザアニール装置３０は、アニール対象となる基板１を載置するステージ１１と、レーザ光を出射するレーザ光源１２と、レーザ光源１２から出射されたレーザ光の光路上に設けられたコリメータ１３と、コリメータ１３から出射された１本のレーザ光を４本のレーザ光に分割する光分割部１４（以下、第２の実施の形態では光分割部１４のことを第１の光分割部１４と言い換える。）と、第１の光分割部１４から出射された４本のレーザ光をそれぞれ４本のレーザ光に分割して１６本のレーザ光を出射する第２の光分割部３１と、１６個の凸レンズから構成されたレンズアレイ３２と、レンズアレイ３２から出射された１６本のレーザ光を基板１の所定の領域に導くコンデンサレンズ１６と、ステージ１１の位置制御等を行う制御部１７とを備えている。
第１の光分割部１４は、レーザ光Ｌ１を分割して、等間隔に平行に並んだ４本のレーザ光を出射する。第１の光分割部１４から出射される４本のレーザ光は、Ｘ方向に並んでいる。第１の光分割部１４から出射された４本のレーザ光は、第２の光分割部３１に入射される。
第２の光分割部３１は、Ｘ方向に平行に並んだ４本のレーザ光をそれぞれ独立にＹ方向に並んだ４本のレーザ光に分割して出力する。従って、第２の光分割部３１からは、合計１６本のレーザ光が出射される。第２の光分割部３１から出射される１６本のレーザ光は、Ｘ方向に４列、Ｙ方向に４列並んだマトリクス状に光軸が配置されている。また、第２の光分割部３１から出射される１６本のレーザ光は、互いに干渉性のないレーザ光とされている。すなわち、第１の光分割部１４のレーザ光の入射口から、第２の光分割部３１のレーザ光の出射口までの光路の長さが、１６本のレーザ光毎に全て異なっている。さらに、その各光路の光路長差として、レーザ光源１２により規定される可干渉距離以上の差がつけられている。
第２の光分割部３１から出射された１６本のレーザ光は、レンズアレイ３２に入射される。
レンズアレイ３２は、図８に示すように、Ｘ方向，Ｙ方向にそれぞれ４個ずつのマトリクス状に配列された１６個の凸レンズ３２ａ〜３２ｐから構成されている。凸レンズ３２ａ〜３２ｐの配列間隔は、第２の光分割部３１から出射される１６本のレーザ光の間隔と同一で、各凸レンズ３２ａ〜３２ｐが各レーザ光の光軸上に設けられている。レンズアレイ３２は、入射された１６本のレーザ光を、それぞれ集光して１６個の２次光源を生成する。レンズアレイ３２から出射された１６本のレーザ光は、一旦集光して２次光源となったのち、コンデンサレンズ１６に入射される。
コンデンサレンズ１６は、レンズアレイ３２によって集光された１６本のレーザ光を基板１上の同一の照射位置に照射し、その位置上で１６本のレーザ光を合成する。
以上のような構成のレーザアニール装置３０では、ステージ１１上に基板１が載置され、その後、レーザアニール処理が開始される。レーザアニール装置３０は、レーザアニール処理が開始されると、レーザ光源１２からパルスレーザを出射する。
レーザ光源１２から出射されたレーザ光は、コリメータ１３、第１の光分割部１４及び第２の光分割部３１を通過することによって、互いに干渉性がなく同一強度の１６本の平行光束とされる。
第２の光分割部３１から出射された１６本のレーザ光は、レンズアレイ３２によって、１６個の２次光源とされる。２次光源から出射された１６本のレーザ光は、コンデンサレンズ１６を介して合成され、基板１上の所定の領域に照射される。
そして、レーザアニール装置３０では、ステージ１１を平行移動させて、平板状の基板１を、主面に対して平行な方向（図７中Ｘ−Ｙ方向）に移動させ、基板１の全領域にレーザ光を照射してアニール処理を行う。
つぎに、第２の光分割部３１の構成についてさらに詳細に説明をする。図９に第１の光分割部１４及び第２の光分割部３１の構成を示す。なお、図９は、第１の光分割部１４及び第２の光分割部３１をＸ方向から見た図である。
第２の光分割部３１は、第１の光分割部１４をＺ方向に平行な軸を中心に９０度回転させたもので実現することができる。もっとも、第２の光分割部３１には、Ｘ方向に並んだ４本のレーザ光が入射されるので、Ｘ方向の幅の長さは、これら４本のレーザ光が入射されるように充分な長さが必要となる。
以下、第２の光分割部３１の構成について具体的に説明をする。
第２の光分割部３１は、図９に示すように、平面状の光分離面がＺ方向に並ぶように配置された第１のＢＳ３４及び第２のＢＳ３５を備えている。第１のＢＳ３４及び第２のＢＳ３５は、光分離面に入射されたレーザ光を透過及び反射し、２つのレーザ光に分離する素子である。透過と反射の分離比率は、設計上は１：１となっている。
第２の光分割部３１は、光反射面が第１のＢＳ３４及び第２のＢＳ３５の光分離面と平行とされ、第１のＢＳ３４及び第２のＢＳ３５とＺ方向に並んで配置されたミラー３６を備えている。ミラー３６は、平面状の光反射面に入射されたレーザ光を反射する素子である。ミラー３６は、第１のＢＳ３４よりもレーザ光Ｌ１の入射側に配置されている。
第１のＢＳ３４及び第２のＢＳ３５の光分離面、並びに、ミラー３６の光反射面は、Ｙ−Ｚ軸で形成される平面に対して垂直に配置され、且つ、入射されるレーザ光Ｌ１＿１〜Ｌ１＿４の入射方向（すなわち、Ｚ方向）に対して所定の角度（９０°−θ′）（０°＜θ′＜９０°）をもって配置されている。つまり、レーザ光Ｌ１＿１〜Ｌ１＿４は、第１のＢＳ３４及び第２のＢＳ３５の光分離面に対して入射角θ′で入射される。
第１のＢＳ３４は、レーザ光Ｌ１＿１〜Ｌ１＿４の光軸上に配置されている。また、第２のＢＳ３５も、レーザ光Ｌ１＿１〜Ｌ１＿４の光軸上に配置されている。また、第１のＢＳ３４は、レーザ光Ｌ１＿１〜Ｌ１＿４のみが入射され、他の光が入射されないような配置及び大きさとなっている。第２のＢＳ３５は、第１のＢＳ３４の透過光、及び、ミラー３６で反射された後の第１のＢＳ３４の反射光が入射され、他の光が入射されないような配置及び大きさとなっている。ミラー３６は、第１のＢＳ３４の反射光、及び、第２のＢＳ３５の２つの反射光が入射され、入射されたレーザ光Ｌ１＿１〜Ｌ１＿４を遮らないような配置及び大きさとなっている。
なお、第２の光分割部３１の第１のＢＳ３４とミラー３６との間の距離ｔ′０、及び、第１のＢＳ３４と第２のＢＳ３５との間の距離ｔ′１は、次の式（１），式（２）に示すようにされる。
ｔ′０≧｛（Ｌｍａｘ−Ｌｍｉｎ）＋Ｌ｝／（２ｃｏｓθ′）        …（１）
ｔ′１≧｛（Ｌｍａｘ−Ｌｍｉｎ）＋Ｌ｝／（２ｃｏｓθ′）        …（２）
上式（１），（２）に用いられているＬｍｉｎ及びＬｍａｘは、前段の第１の光分割部１４の構成から定まる値である。Ｌｍｉｎは、第１の光分割部１４から得られた複数のレーザ光のうち、最も光路長が短いレーザ光の光路長である。Ｌｍａｘは、第１の光分割部１４から得られた複数のレーザ光のうち、最も光路長が長いレーザ光の光路長である。
第２の光分割部３１は、以上のような構成となっていることにより、Ｘ方向及びＹ方向にマトリクス状に並んだ１６本のレーザ光を、互いに干渉性のない光として出射することができる。
第２の実施の形態のレーザアニール装置３０では、以上のような、簡易な構成によって１本のレーザ光を互いに可干渉性のないマトリクス状の１６本のレーザ光に分割することができる第１の光分割部１４及び第２の光分割部３１を備えている。
従って、第２の実施の形態のレーザアニール装置３０では、互いに干渉の影響を最小限に抑えられた１６本のレーザ光を、基板１上の同一の照射位置へ照射することができる。このため、第２の実施の形態のレーザアニール装置３０では、１６本のレーザ光を基板１上で合成したときに、４本のレーザ光が互いに干渉しないため、その照射領域内を均一な強度にすることができる。
また、第２の実施の形態のレーザアニール装置３０では、第２の光分割部３１を備えることによって、第１の実施の形態のレーザアニール装置１０と比較して、分割されるレーザ光の数が増加し、より均一な照射を行うことができる。
また、第２の実施の形態のレーザアニール装置３０では、第１の実施の形態のレーザアニール装置１０が４つのレーザビームが１列に並んで照射していたのに対して、レーザ光が２次元のマトリクス状に分割される。そのため、第１の実施の形態のレーザアニール装置１０によって照射したときには、図１０Ａに示すように照射領域Ｕ１が所謂ライン状となるのに対して、レーザアニール装置３０によって照射したときには図１０Ｂに示すように照射領域Ｕ２が矩形状となり、照射領域を広げることができる。
また、第２の実施の形態のレーザアニール装置３０でも、第１の実施の形態と同様に、第２の光分割部３１内に、レーザ光を透過する例えばガラス等の光透過部材を設け、この光透過部材に第１のＢＳ３４と第２のＢＳ３５を取り付け、第１のＢＳ３４と第２のＢＳ３５と光透過部材とを一体的に構成してもよい。こうすることによって、第１のＢＳ３４、第２のＢＳ３５及びミラー３６の位置調整が容易になる。
（３）  第３の実施の形態
本発明の第３の実施の形態について説明する。本発明の第３の実施の形態のレーザアニール装置は、第１の実施の形態と同様に、例えば、アモルファスシリコン膜が形成されたのちのＴＦＴ基板に対してレーザ光を照射して当該ＴＦＴ基板を熱処理することによって、アモルファスシリコン膜をポリシリコン膜に転換する装置である。
なお、第３の実施の形態のレーザアニール装置の説明をするにあたり、上述した第１の実施の形態のレーザアニール装置１０と同一の構成要素については同一の符号を付けて、その詳細な説明を省略する。また、第３の実施の形態の説明で用いているＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向も、第１の実施の形態と同一の方向である。
図１１に、第３の実施の形態のレーザアニール装置４０の構成を示す。
レーザアニール装置４０は、アニール対象となる基板１を載置するステージ１１と、レーザ光を出射するレーザ光源１２と、レーザ光源１２から出射されたレーザ光の光路上に設けられたコリメータ１３と、コリメータ１３から出射された１本のレーザ光を８本のレーザ光に分割する光分割部４１と、８個の凸レンズから構成されたレンズアレイ４２と、レンズアレイ４２から出射された８本のレーザ光を基板１の所定の領域に導くコンデンサレンズ４３と、ステージ１１の位置制御等を行う制御部１７とを備えている。
光分割部４１は、レーザ光Ｌ１を分割して、等間隔に平行に並んだ８本のレーザ光を出射する。光分割部４１から出射される８本のレーザ光は、Ｘ方向に並んでいる。光分割部４１から出射される８本のレーザ光は、互いに干渉性のないレーザ光とされている。すなわち、光分割部４１のレーザ光Ｌ１の入射口から、光分割部４１のレーザ光の出射口までの光路の長さが、８本のレーザ光毎に全て異なっている。さらに、その各光路にレーザ光源１２により規定される可干渉距離以上の差がつけられている。
なお、光分割部４１の具体的な構成例については、その詳細を後述する。
光分割部４１から出射された８本のレーザ光は、レンズアレイ４２に入射される。
レンズアレイ４２は、図１２に示すように、光分割部４１から出射された８本のレーザ光が並んでいる方向に等間隔に一列に配列された、８個の凸レンズ４２ａ〜４２ｈから構成されている。凸レンズ４２ａ〜４２ｈの配列間隔は、光分割部４１から出射される８本のレーザ光の間隔と同一で、各凸レンズ４２ａ〜４２ｈが各レーザ光の光軸上に設けられている。レンズアレイ４２は、入射された８本のレーザ光を、それぞれ集光して８つの２次光源を生成する。レンズアレイ４２から出射された８本のレーザ光は、一旦集光して２次光源となったのち、コンデンサレンズ４３に入射される。
コンデンサレンズ４３は、レンズアレイ４２によって集光された８本のレーザ光を基板１上の同一の照射位置に照射し、その位置上で８本のレーザ光を合成する。
以上のような構成のレーザアニール装置４０では、ステージ１１上に基板１が載置され、その後、レーザアニール処理が開始される。レーザアニール装置４０は、レーザアニール処理が開始されると、レーザ光源１２からパルスレーザを出射する。
レーザ光源１２から出射されたレーザ光は、コリメータ１３、光分割部４１を通過することによって、互いに干渉性がなく同一強度の８本の平行光束とされる。
光分割部４１から出射された８本のレーザ光は、レンズアレイ４２によって、８個の２次光源とされる。２次光源から出射された８本のレーザ光は、コンデンサレンズ４３を介して合成され、基板１上の所定の領域に照射される。
そして、レーザアニール装置４０では、ステージ１１を平行移動させて、平板状の基板１を、主面に対して平行な方向（図１１中Ｘ−Ｙ方向）に移動させ、基板１の全領域にレーザ光を照射してアニール処理を行う。
つぎに、光分割部４１の構成についてさらに詳細に説明をする。図１３に光分割部４１の構成を示す。なお、図１３は、光分割部４１をＹ方向から見た図である。
光分割部４１は、図１３に示すように、平面状の光分離面がＺ方向に並ぶように配置された第１のＢＳ４４と、第２のＢＳ４５と、第３のＢＳ４６とを備えている。第１のＢＳ４４、第２のＢＳ４５及び第３のＢＳ４６は、光分離面に入射されたレーザ光を透過及び反射し、２つのレーザ光に分離する素子である。透過と反射の分離比率は、設計上は１：１となっている。
光分割部４１は、第１のＢＳ４４、第２のＢＳ４５及び第３のＢＳ４６の光分離面と、光反射面が平行とされ、第１のＢＳ４４、第２のＢＳ４５及び第３のＢＳ４６とＺ方向に並んで配置されたミラー４７を備えている。ミラー４７は、平面状の光反射面に入射されたレーザ光を反射する素子である。ミラー４７は、第１のＢＳ４４よりもレーザ光Ｌ１の入射側に配置されている。
第１のＢＳ４４、第２のＢＳ４５及び第３のＢＳ４６の光分離面、並びに、ミラー４７の光反射面は、Ｘ−Ｚ軸で形成される平面に対して垂直に配置され、且つ、入射されるレーザ光Ｌ１の入射方向（すなわち、Ｚ方向）に対して所定の角度（９０°−θ）（０°＜θ＜９０°）をもって配置されている。つまり、レーザ光Ｌ１は、第１のＢＳ４４、第２のＢＳ４５及び第３のＢＳ４６の光分離面に対して入射角θで入射される。
第１のＢＳ４４は、レーザ光Ｌ１の光軸上に配置されている。また、第２のＢＳ４５及び第３のＢＳ４６も、レーザ光Ｌ１の光軸上に配置されている。また、第１のＢＳ４４は、レーザ光Ｌ１のみが入射され、他の光が入射されないような配置及び大きさとなっている。第２のＢＳ４５は、第１のＢＳ４４の透過光、及び、ミラー４７で反射された後の第１のＢＳ４４の反射光が入射され、他の光が入射されないような配置及び大きさとなっている。また、第３のＢＳ４６は、第２のＢＳ４５の２本の透過光、及び、ミラー４７で反射された後の第２のＢＳ４５の２本の反射光が入射され、他の光が入射されないような配置及び大きさとなっている。ミラー４７は、第１のＢＳ４４の１本の反射光、第２のＢＳ４５の２本の反射光、及び、第３のＢＳ４６の４本の反射光が入射され、レーザ光Ｌ１を遮らないような配置及び大きさとなっている。
さらに、第１のＢＳ４４とミラー４７との間の距離ｔ０は、レーザ光源１２により設定されている可干渉距離をＬとしたとき、Ｌ／（２ｃｏｓθ）以上とされている。また、第１のＢＳ４４と第２のＢＳ４５との間の距離ｔ１も、レーザ光源１２により設定されている可干渉距離をＬとしたとき、Ｌ／（２ｃｏｓθ）以上とされている。また、第２のＢＳ４５と第３のＢＳ４６の間の距離ｔ２は、レーザ光源１２により設定されている可干渉距離をＬとしたとき、（２×Ｌ）／（２ｃｏｓθ）以上とされている。
光分割部４１は、以上のような構成となっていることにより、Ｘ方向に平行に並んだ互いに干渉性のない８本のレーザ光を出射することができる。
具体的に、光分割部４１から出射される８本のレーザ光を、第１のレーザ光Ｌ１＿１、第２のレーザ光Ｌ１＿２、第３のレーザ光Ｌ１＿３、第４のレーザ光Ｌ１＿４、第１のレーザ光Ｌ１＿１、第２のレーザ光Ｌ１＿２、第３のレーザ光Ｌ１＿３、第４のレーザ光Ｌ１＿４、第５のレーザ光Ｌ１＿５、第６のレーザ光Ｌ１＿６、第７のレーザ光Ｌ１＿７及び第８のレーザ光Ｌ１＿８としたとすると、以上の第１〜第８のレーザ光Ｌ１＿１〜Ｌ１＿８は、次のような経路で生成される。
すなわち、第１のレーザ光Ｌ１＿１は、第１のＢＳ４４（透過）→第２のＢＳ４５（透過）→第３のＢＳ４６（透過）→出射という経路で生成される。第２のレーザ光Ｌ１＿２は、第１のＢＳ４４（反射）→ミラー４７→第２のＢＳ４５（透過）→第３のＢＳ４６（透過）→出射という経路で生成される。第３のレーザ光Ｌ１＿３は、第１のＢＳ４４（透過）→第２のＢＳ４５（反射）→ミラー４７→第３のＢＳ４６（透過）→出射という経路で生成される。第４のレーザ光Ｌ１＿４は、第１のＢＳ４４（反射）→ミラー４７→第２のＢＳ４５（反射）→ミラー４７→第３のＢＳ４６（透過）→出射という経路で生成される。第５のレーザ光Ｌ１＿５は、第１のＢＳ４４（透過）→第２のＢＳ４５（透過）→第３のＢＳ４６（反射）→ミラー４７→出射という経路で生成される。第６のレーザ光Ｌ１＿６は、第１のＢＳ４４（反射）→ミラー４７→第２のＢＳ４５（透過）→第３のＢＳ４６（反射）→ミラー４７→出射という経路で生成される。第７のレーザ光Ｌ１＿７は、第１のＢＳ４４（透過）→第２のＢＳ４５（反射）→ミラー４７→第３のＢＳ４６（反射）→ミラー４７→出射という経路で生成される。第８のレーザ光Ｌ１＿８は、第１のＢＳ４４（反射）→ミラー４７→第２のＢＳ４５（反射）→ミラー４７→第３のＢＳ４６（反射）→ミラー４７→出射という経路で生成される。
従って、光分割部４１から出射される８本のレーザ光（第１〜第８のレーザ光Ｌ１＿１〜Ｌ１＿８）は、互いに可干渉距離以上の光路を通過して生成され、合成されても干渉が生じない。
第３の実施の形態のレーザアニール装置４０では、以上のような、簡易な構成によって１本のレーザ光を互いに可干渉性のない８本のレーザ光に分割することができる光分割部４１を備えている。
従って、第３の実施の形態のレーザアニール装置４０では、互いに干渉の影響を最小限に抑えられた８本のレーザ光を、基板１上の同一の照射位置へ照射することができる。このため、第３の実施の形態のレーザアニール装置４０では、８本のレーザ光を基板１上で合成したときに、８本のレーザ光が互いに干渉しないため、その照射領域内を均一な強度にすることができる。
また、第３の実施の形態のレーザアニール装置４０では、光分割部４１を備えることによって、第１の実施の形態のレーザアニール装置１０と比較して、分割されるレーザ光の数が増加し、より均一な照射を行うことができる。
また、第３の実施の形態のレーザアニール装置４０では、第１の実施の形態のレーザアニール装置１０が４つのレーザビームを１列に並んで照射していたのに対して、８つのレーザビームを１列に並べて照射する。そのため、第１の実施の形態のレーザアニール装置１０によって照射したときには、図１４Ａに示すような照射領域Ｕ１となるが、第３の実施の形態のレーザアニール装置４０によって照射したときには図１４Ｂに示すように照射領域Ｕ３の長さが２倍程度に広がり、照射領域を広げることができる。
なお、第３の実施の形態では、光分割部４１によって分割するレーザ光の数は８本であるが、本発明では、以下に示す式（４）〜式（７）に基づいて平行に配置されるビームスプリッタの数を増やすことにより、レーザ光の分割数をさらに増やすことができる。
まず、光分割部によって分割されるレーザビームの数をｊとし、光分割部内に備えられるビームスプリッタの数をｋとし、コリメータ１３側（光分割部内のミラー側）からｍ番目に配置されるビームスプリッタをＢＳｍとする。なお、ｍは、自然数であり、その最大値はｊとなる。
まず、ｊとｋとの関係は、以下の式（４）に示す通りとなる。
ｊ＝２ｋ                                                      …（４）
また、各ビームスプリッタの透過率Ｔ及び反射率Ｒを、全て５０％とすると、分割された後の１本のレーザ光の光量Ｐ２は、分割前のレーザ光の光量をＰ１としたときに、以下の式（５）に示すようになる。
Ｐ２＝Ｐ１／ｊ                                                …（５）
また、出力されるｊ本レーザ光を互いに干渉をしないインコヒーレントな光とするためには、各ビームスプリッタ及び反射鏡を次のように配置をする必要がある。なお、各ビームスプリッタへ入射されるレーザ光の入射角をθとし、また、そのレーザ光の可干渉距離をＬとする。
１番目のビームスプリッタＢＳ１と反射鏡との間の距離ｔ０は、次の式（６）に示すと通りに設定をする。
ｔ０≧Ｌ／（２ｃｏｓθ）                                      …（６）
また、第ｍ番目に配置されるビームスプリッタＢＳｍ、と、第（ｍ＋１）番目に配置されるビームスプリッタＢＳ（ｍ＋１）との間の距離ｔｍを、次の式（７）に示す通りに設定をする。
ｔｍ≧（２（ｍ−１）×Ｌ）／（２ｃｏｓθ）                    …（７）
このようにビームスプリッタを配置することによって、１本のレーザビームを、互いにインコヒーレントであり且つ強度が同一のｊ本の平行なレーザビームに分割することがでぎる。
（４）  第４の実施の形態
本発明の第４の実施の形態について説明する。本発明の第４の実施の形態のレーザアニール装置は、第１の実施の形態と同様に、例えば、アモルファスシリコン膜が形成されたのちのＴＦＴ基板に対してレーザ光を照射して当該ＴＦＴ基板を熱処理することによって、アモルファスシリコン膜をポリシリコン膜に転換する装置である。
この第４の実施の形態のレーザアニール装置は、２つのレーザ光源が用いられ、これら２つのレーザ光源から出射されたレーザ光をそれぞれ分割し、分割した各レーザ光を基板上の同一の領域に照射するものである。
なお、第４の実施の形態のレーザアニール装置の説明をするにあたり、上述した第１の実施の形態のレーザアニール装置１０と同一の構成要素については同一の符号を付けて、その詳細な説明を省略する。また、第４の実施の形態の説明で用いているＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向も、第１の実施の形態と同一の方向である。
図１５に、第４の実施の形態のレーザアニール装置５０の構成を示す。
第４の実施の形態のレーザアニール装置５０は、図１５に示すように、アニール対象となる基板１を載置するステージ１１と、レーザ光を出射するレーザ光源１２と、レーザ光源１２から出射されたレーザ光の光路上に設けられたコリメータ１３と、コリメータ１３から出射された１本のレーザ光を４本のレーザ光に分割する光分割部１４と、４個の凸レンズから構成されたレンズアレイ１５と、レンズアレイ１５から出射された４本のレーザ光を基板１の所定の領域に導くコンデンサレンズ１６と、ステージ１１の位置制御等を行う制御部１７とを備えている。
なお、以上のステージ１１、第１のレーザ光源１２、第１のコリメータ１３、第１の光分割部１４、レンズアレイ１５及びコンデンサレンズ１６の構成及び位置関係は、第１の実施の形態と同一である。以下、第４の実施の形態の説明では、レーザ光源１２のことを第１のレーザ光源１２と言い換え、コリメータ１３のことを第１のコリメータ１３と言い換え、光分割部１４のことを第１の光分割部１４と言い換えるものとする。また、第１のコリメータ１３から第１の光分割部１４へ出射されるレーザ光のことを、以下、第１のレーザ光Ｌ１という。
さらに、第４の実施の形態のレーザアニール装置５０は、レーザ光を出射する第２のレーザ光源５１と、第２のレーザ光源５１から出射されたレーザ光の光路上に設けられた第２のコリメータ５２と、第２のコリメータ５２から出射されたレーザ光を反射する導光ミラー５３と、導光ミラー５３から反射された１本のレーザ光を２本のレーザ光に分割する第２の光分割部５４と、第１及び第２のレーザ光源１２，５１のレーザ光の出射制御を行う出射制御部５５とを備えている。
第２のレーザ光源５１は、第１の実施の形態のレーザアニール装置１０で用いられたレーザ光源１２と同一の機能の装置である。第２のレーザ光源５１から出射されたレーザ光は、第２のコリメータ５２に入射される。
第２のコリメータ５２は、第２のレーザ光源５１から入射されたレーザ光を所定のビーム径の平行光束とする。第２のコリメータ５２から出射されたレーザ光は、導光ミラー５３により反射された後、第２の光分割部５４に入射される。なお、第２のコリメータ５２から第２の光分割部５４へ出射されるレーザ光のことを、以下、第２のレーザ光Ｌ２という。
第２の光分割部５４は、第２のレーザ光Ｌ２を分割して、等間隔に平行に並んだ２本のレーザ光を出射する。第２の光分割部５４から出射される２本のレーザ光は、互いに干渉性のないレーザ光とされている。例えば、第２の光分割部５４では、第２のレーザ光Ｌ２の入射口から、分割されたレーザ光の出射口までの光路の長さが、２本のレーザ光同士互いに異なっており、その光路長の差が第２のレーザ光源５１により規定される可干渉距離以上の差がつけられている。なお、この第２の光分割部５４の具体的な構成については、詳細を後述する。
第２の光分割部５４から出射された２本のレーザ光は、第１の光分割部１４に入射される。
ここで、第１の光分割部１４は、第２の光分割部５４から２本のレーザ光が入射され、この２本のレーザ光を４本のレーザ光に分割して出射している。すなわち、第１の光分割部１４は、第１のレーザ光Ｌ１を４分割して４本のレーザ光を出射するとともに、第２のレーザ光Ｌ２を４分割して４本のレーザ光も出射している。そして、第１の光分割部１４は、第１のレーザ光Ｌ１を分割した４本のレーザ光と、第２のレーザ光Ｌ２を分割した４本のレーザ光とを、同軸上に合成して、出射している。
第１の光分割部１４から出射されるレーザ光については、その詳細を後述する。
出射制御部５５は、第１及び第２のレーザ光源１２，５１から出射されるパルス光の出射タイミングの制御を行う。なお、出射制御部５５の制御例については、その詳細を後述する。
以上のような構成のレーザアニール装置５０では、ステージ１１上に基板１が載置され、その後、レーザアニール処理が開始される。レーザアニール装置５０は、レーザアニール処理が開始されると、第１及び第２レーザ光源１２，５１からパルスレーザを出射する。
第１のレーザ光源１２及び第２のレーザ光源５１から出射されたレーザ光は、第１の光分割部１４を通過することによって、互いに干渉性がなく同一強度の４本の平行光束とされる。
第１の光分割部１４から出射された４本のレーザ光は、レンズアレイ１５によって、４個の２次光源とされる。２次光源から出射された４本のレーザ光は、コンデンサレンズ１６を介して合成され、基板１上の所定の領域に照射される。
そして、レーザアニール装置５０では、ステージ１１を平行移動させて、平板状の基板１を、主面に対して平行な方向（図１５中Ｘ−Ｙ方向）に移動させ、基板１の全領域にレーザ光を照射してアニール処理を行う。
つぎに、第１の光分割部１４及び第２の光分割部５４についてさらに詳細に説明をする。図１６に第１の光分割部１４及び第２の光分割部５４の構成を示す。
第２の光分割部５４は、図１６に示すように、平面状の光分離面がＺ方向に並ぶように配置されたＢＳ５７を備えている。ＢＳ５７は、光分離面に入射されたレーザ光を透過及び反射し、２つのレーザ光に分離する素子である。透過と反射の分離比率は、設計上は１：１となっている。
第２の光分割部５４は、ＢＳ５７の光分離面と、光反射面が平行とされ、ＢＳ５７とＺ方向に並んで配置されたミラー５８を備えている。ミラー５８は、平面状の光反射面に入射されたレーザ光を反射する素子である。ミラー５８は、ＢＳ５７よりもレーザ光Ｌ２の入射側に配置されている。
ＢＳ５７の光分離面、並びに、ミラー５８の光反射面は、Ｘ−Ｚ軸で形成される平面に対して垂直に配置され、且つ、レーザ光Ｌ２の入射方向に対して所定の角度（９０°−θ″）（０°＜θ″＜９０°）をもって配置されている。つまり、レーザ光Ｌ２は、ＢＳ５７の光分離面に対して入射角θ″で入射される。
ＢＳ５７は、レーザ光Ｌ２の光軸上に配置されている。また、ＢＳ５７は、レーザ光Ｌ２のみが入射され、他の光が入射されないような配置及び大きさとなっている。ミラー５８は、ＢＳ５７の１本の反射光が入射され、レーザ光Ｌ２を遮らないような配置及び大きさとなっている。
さらに、ＢＳ５７とミラー５８との間の距離ｔ″０は、第２のレーザ光源５１により設定されている可干渉距離をＬ″としたとき、Ｌ″／（２ｃｏｓθ″）以上とされている。
第２の光分割部５４は、以上のような構成となっていることにより、互いに干渉性のない２本のレーザ光を出射することができる。
つぎに、第１の光分割部１４に対して入射されるレーザ光、並びに、第１の光分割部１４から出射されるレーザ光の生成経路について説明をする。
なお、第１の光分割部１４の第１のＢＳ２１を透過して第２のＢＳ２２へ入射する光を第１の光ａ１とし、第１の光分割部１４の第１のＢＳ２１を反射したのちミラー２３を介して第２のＢＳ２２へ入射する光を第２の光ａ２とする。また、第２の光分割部５４からは、２本のレーザ光が出射され、この２本のレーザ光が第１の光分割部１４の第２のＢＳ２２に入射される。第２の光分割部５４の第１のビームＢＳ５７を透過して出射された光を第３の光ａ３とし、第２の光分割部５４の第１のビームＢＳ５７を反射したのちミラー２３を反射して出射された光を第４の光ａ４とする。
まず、第１の光ａ１及び第２の光ａ２は、第２のＢＳ２２の一方の面（以下、表面という。）から入射される。第１の光ａ１は、第２のＢＳ２２により２本のレーザ光に分割され、その透過光がレーザ光Ｌ１＿１として外部に出射され、その反射光がミラー２３により反射されたのちレーザ光Ｌ１＿３として外部に出射される。第２の光ａ２は、第２のＢＳ２２により２本のレーザ光に分割され、その透過光がレーザ光Ｌ１＿２として外部に出射され、その反射光がミラー２３により反射されたのちレーザ光Ｌ１＿４として外部に出射される。
一方、第３の光ａ３及び第４の光ａ４は、第１の光ａ１及び第２の光ａ２が入射された面と反対側の面（以下、裏面という。）から第２のＢＳ２２に入射される。第３の光ａ３は、第２のＢＳ２２により２本のレーザ光に分割され、その反射光がレーザ光Ｌ２＿１として外部に出射され、その透過光がミラー２３により反射されたのちレーザ光Ｌ２＿３として外部に出射される。第４の光ａ４は、第２のＢＳ２２により２本のレーザ光に分割され、その反射光がレーザ光Ｌ２＿２として外部に出射され、その透過光がミラー２３により反射されたのちレーザ光Ｌ２＿４として外部に出射される。
また、第１〜第４の光ａ１〜ａ４は、全て第２のＢＳ２２の光分割面と直交する平面（すなわち、Ｘ−Ｚ平面）に沿って、当該第２のＢＳ２２に入射される。また、第１〜第４の光ａ１〜ａ４は、第２のＢＳ２２の光分離面に対して、所定の角度θ（０°＜θ＜９０°）で入射される。
さらに、第１の光ａ１と第３の光ａ３とは、第２のＢＳ２２の光分離面上の同一の位置（もっとも、表面と裏面との違いはある）に入射され、且つ、その光軸が一致しないように入射される。また、第２の光ａ２と第４の光ａ４とは、第２のＢＳ２２の光分離面上の同一の位置（もっとも、表面と裏面との違いはある）に入射され、且つ、その光軸が一致しないように入射される。
従って、第１の光ａ１の透過光であるレーザ光Ｌ１＿１と、第３の光ａ３の反射光であるレーザ光Ｌ２＿１とが同軸上に合成されて出射される。第１の光ａ１の反射光であるレーザ光Ｌ１＿３と、第３の光ａ３の透過光であるレーザ光Ｌ２＿３とが同軸上に合成されて出射される。第２の光ａ２の透過光であるレーザ光Ｌ１＿２と、第４の光ａ４の反射光であるレーザ光Ｌ２＿２とが同軸上に合成されて出射される。第２の光ａ２の反射光であるレーザ光Ｌ１＿４と、第４の光ａ４の透過光であるレーザ光Ｌ２＿４とが同軸上に合成されて出射される。
従って、第１の光分割部１４及び第２の光分割部５４では、２つのレーザ光源から出射されたレーザ光をそれぞれ可干渉性のない４つのレーザ光に分割するとともに、それら４つのレーザ光を１本ずつ同軸上に合成して出射することができる。
なお、第１の光分割部１４の各ビームスプリッタ及びミラーの配置は、第１のレーザ光源１２から出射されるレーザ光の可干渉距離と、第２のレーザ光源５１から出射されるレーザビームの可干渉距離が異なる場合、可干渉距離が長いレーザ光源に基づき設定がされる。
つぎに、第１のレーザ光源１２及び第２のレーザ光源５１のパルス光の出射タイミングについて説明をする。
出射制御部５５は、第１のレーザ光源１２がパルス光を出射するタイミングと、第２のレーザ光源５１がパルス光を出射するタイミングとを制御する。出射制御部５５は、第１のレーザ光源１２から出射されたパルス光と、第２のレーザ光源５１から出射されたパルス光の発光タイミングを所定時間（Δｔ）をずらす。
具体的に説明すると、出射制御部５５は、例えば図１７に示すように、基板１上で、第１のレーザ光源１２から出射されたレーザ光Ｌ１の強度がピークとなった直後に、第２のレーザ光源５１から出射されたレーザ光Ｌ２の強度が増加するように、第１のレーザ光源１２がレーザ光Ｌ１を出射するタイミングと、第２のレーザ光源５１がレーザ光Ｌ２を出射するタイミングとを制御する。図１７中Δｔは、第１のレーザ光源１２からレーザ光Ｌ１を出射する時間と第２のレーザ光源５１からレーザ光Ｌ２を出射する時間との時間ずれを示している。このように、第１のレーザ光源１２から出射されたレーザ光が基板１上を照射する時間と、第２のレーザ光源５１から出射されたレーザ光が基板１上を照射する時間とをずらすことで、基板１上に照射されるレーザ光の実効的なパルス幅を長くすることが可能となる。すなわち、レーザ光が基板１上を照射する時間を長くすることが可能となる。また、図１７に示すように、先行するパルス光のピークの強度よりも、後のパルス光のピークの強度を弱くすることによって、基板１の冷却速度を遅くすることができる。基板１の冷却速度を遅くすると、生成されるポリシリコンの結晶粒径のサイズを大きくすることが可能である。
第４の実施の形態のレーザアニール装置５０では、以上のような簡易な構成によって、２つのレーザ光源から出射された２本のレーザ光をそれぞれ４本のレーザ光に分割することができるとともに、それらの４本のレーザ光を１本ずつ同軸上に合成することができる。
従って、第４の実施の形態のレーザアニール装置５０では、互いに干渉の影響を最小限に抑えられた４本のレーザ光を、基板１上の同一の照射位置へ照射することができ、さらに、照射するレーザ光の強度を増加することができ、或いは、パルス光のパルス幅を長くすることができる。
（５）  第５の実施の形態
本発明の第５の実施の形態について説明する。本発明の第５の実施の形態のレーザアニール装置は、第１の実施の形態と同様に、例えば、アモルファスシリコン膜が形成されたのちのＴＦＴ基板に対してレーザ光を照射して当該ＴＦＴ基板を熱処理することによって、アモルファスシリコン膜をポリシリコン膜に転換する装置である。
この第５の実施の形態のレーザアニール装置は、４つのレーザ光源が用いられ、これら４つのレーザ光源から出射されたレーザ光をそれぞれ２分割するとともに、他のレーザ光と合成し、合成した各レーザ光を基板上の同一の領域に照射するものである。
なお、第５の実施の形態のレーザアニール装置の説明をするにあたり、上述した第１の実施の形態のレーザアニール装置１０と同一の構成要素については同一の符号を付けて、その詳細な説明を省略する。また、第５の実施の形態の説明で用いているＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向も、第１の実施の形態と同一の方向である。
図１８に、第５の実施の形態のレーザアニール装置６０の構成を示す。
第５の実施の形態のレーザアニール装置６０は、図１８に示すように、アニール対象となる基板１を載置するステージ１１と、レーザ光を出射する第１〜第４のレーザ光源６１−１〜６１−４と、第１〜第４のレーザ光源６１−１〜６１−４から出射されたレーザ光の光路上に設けられた第１〜第４のコリメータ６２−１〜６２−４と、第１のコリメータ６２−１から出射されたレーザ光を導光する第１の導光部６３−１と、第４のコリメータ６２−４から出射されたレーザ光を導光する第２の導光部６３−２と、第３のコリメータ６２−３から出射されたレーザ光及び第２の導光部６３−２を通過したレーザ光とを反射する導光ミラー６４と、第１〜第４のレーザ光源６１−１〜６１−４から出射されたレーザ光の分割及び合成を行い４本のレーザ光を出射する光分割合成部６５と、４個の凸レンズから構成されたレンズアレイ１５と、レンズアレイ１５から出射された４本のレーザ光を基板１の所定の領域に導くコンデンサレンズ６６と、ステージ１１の位置制御等を行う制御部１７と、第１〜第４のレーザ光源６１−１〜６４−４のレーザ光の出射制御を行う出射制御部６７とを備えている。
なお、以下、第５の実施の形態の説明では、第１のコリメータ６２−１から出射されたレーザ光をレーザ光Ｌ１１とし、第２のコリメータ６２−２から出射されたレーザ光をレーザ光Ｌ１２とし、第３のコリメータ６２−３から出射されたレーザ光をレーザ光Ｌ１３とし、第４のコリメータ６２−４から出射されたレーザ光をレーザ光Ｌ１４とする。
第１〜第４のレーザ光源６１−１〜６１−４は、第１の実施の形態のレーザアニール装置１０で用いられたレーザ光源１２と同一の機能の装置である。第１のレーザ光源６１−１から出射されたレーザ光は第１のコリメータ６２−１に入射され、第２のレーザ光源６１−２から出射されたレーザ光は第２のコリメータ６２−２に入射され、第３のレーザ光源６１−３から出射されたレーザ光は第３のコリメータ６２−３に入射され、第４のレーザ光源６１−４から出射されたレーザ光は第４のコリメータ６２−４に入射される。
第１〜第４のコリメータ６２−１〜６２−４は、入射されたレーザ光を所定のビーム径の平行光束とする。第１のコリメータ６２−１から出射されたレーザ光Ｌ１１は、第１の導光部６３−１を介して光分割合成部６５に入射される。第２のコリメータ６２−２から出射されたレーザ光Ｌ１２は、光分割合成部６５に入射される。第３のコリメータ６２−３から出射されたレーザ光Ｌ１３は、導光ミラー６４を介して光分割合成部６５に入射される。第４のコリメータ６２−４から出射されたレーザ光Ｌ１４は、第２の導光部６３−２及び導光ミラー６４を介して光分割合成部６５に入射される。
光分割合成部６５には、第１〜第４のレーザ光Ｌ１１〜Ｌ１４が入射される。光分割合成部６５は、入射されたレーザ光Ｌ１１〜Ｌ１４を混合して、等間隔に並んだ４本のレーザ光を出射する。光分割合成部６５から出射される４本のレーザ光は、互いに可干渉性のない光とされている。光分割合成部６５から出射される４本のレーザ光は、その光軸が図１８に示すＸ方向に並んでいる。
以下、光分割合成部６５から出射される４本のレーザ光に対して、そのＸ方向の並び順序に従い番号を付ける。具体的には、光分割合成部６５から出力される第１番目のレーザ光をレーザ光Ｌ２１とし、第２番目のレーザ光をレーザ光Ｌ２２とし、第３番目のレーザ光Ｌ２３とし、第４番目のレーザ光をレーザ光Ｌ２４とする。なお、光分割合成部６５の詳細な構成については、後述する。
レンズアレイ１５は、光分割合成部６５から出射された４本のレーザ光が並んでいる方向（例えば図１８中Ｘ方向）に等間隔に一列に配列された、４個の凸レンズ１５ａ〜１５ｄから構成されている。各凸レンズ１５ａ〜１５ｄは、各レーザ光の光軸上に設けられている。レンズアレイ１５は、入射された４本のレーザ光を、それぞれ集光して４つの２次光源を生成する。レンズアレイ１５から出射された４本のレーザ光は、一旦集光して２次光源となったのち、コンデンサレンズ６６に入射される。
コンデンサレンズ６６は、レンズアレイ１５によって集光された４本のレーザ光を基板１上の同一の照射位置に照射し、その位置上で４本のレーザ光を合成する。
出射制御部６７は、第１〜第６のレーザ光源６１−１〜６１−４から出射されるパルス光の出射タイミングの制御を行う。
以上のような構成のレーザアニール装置６０では、ステージ１１上に基板１が載置され、その後、レーザアニール処理が開始される。レーザアニール装置６０は、レーザアニール処理が開始されると、第１〜第４のレーザ光源６１−１〜６１−４からパルスレーザを出射する。
第１〜第４のレーザ光源６１−１〜６１−４から出射されたレーザ光は、光分割合成部６５を通過することによって、互いに干渉性がなく同一強度の４本の平行光束とされる。
光分割合成部６５から出射された４本のレーザ光は、レンズアレイ１５によって、４個の２次光源とされる。２次光源から出射された４本のレーザ光は、コンデンサレンズ６６を介して合成され、基板１上の所定の領域に照射される。
そして、レーザアニール装置６０では、ステージ１１を平行移動させて、平板状の基板１を、主面に対して平行な方向（図１８中Ｘ−Ｙ方向）に移動させ、基板１の全領域にレーザ光を照射してアニール処理を行う。
つぎに、光分割合成部６５について詳細に説明する。図１９に、光分割合成部６５及び導光ミラー６４を拡大した図を示す。
光分割合成部６５は、図１９に示すように、入射されたレーザ光を反射及び透過して強度が等しい２つのレーザ光に分離するＢＳ６８と、入射されたレーザ光を反射する出射用ミラー６９とを備えている。
ＢＳ６８、出射用ミラー６９及び導光ミラー６４は、第１〜第４のコリメータ６２−１〜６２−４側から、出射用ミラー６９、ＢＳ６８、導光ミラー６４の順で並ぶ配置とされる。また、ＢＳ６８の光分離面及び出射用ミラー６９の光反射面は、互いに平行となるように備えられる。また、ＢＳ６８の光分離面及び出射用ミラー６９の光反射面は、導光ミラー６４とも平行とされている。
第１のレーザ光源６１−１から出射されたレーザ光Ｌ１１は、第１のコリメータ６２−１及び第１の導光部６３−１を通過して、一方の面（以下、表面という。）側からＢＳ６８に入射される。第２のレーザ光源６１−２から出射されたレーザ光Ｌ１２は、第２のコリメータ６２−２を通過して、表面側からＢＳ６８に入射される。レーザ光Ｌ１１とレーザ光Ｌ１２とは平行とされて、ＢＳ６８に入射される。
第３のレーザ光源６１−３から出射されたレーザ光Ｌ１３は、第３のコリメータ６２−３及び導光ミラー６４を通過して、上記表面と反対側の面（以下、裏面という。）側からＢＳ６８に入射される。第４のレーザ光源６１−４から出射されたレーザ光Ｌ１４は、第４のコリメータ６２−４、第２の導光部６３−３及び導光ミラー６４を通過して、裏面側からＢＳ６８に入射される。レーザ光Ｌ１３とレーザ光Ｌ１４とは平行とされて、ＢＳ６８に入射される。
４本のレーザ光Ｌ１１〜Ｌ１４は、全てＢＳ６８の光分割面と直交する平面（図１９中のＸ−Ｚ平面）に沿って、当該ＢＳ６８に入射される。
また、各レーザ光Ｌ１１〜Ｌ１４は、ＢＳ６８の光分離面に対して、所定の角度θ（０°＜θ＜９０°）で入射される。ただし、ＢＳ６８の表面側から入射されるレーザ光（Ｌ１１〜Ｌ１２）と、ＢＳ６８の裏面側から入射されるレーザ光（Ｌ１３〜Ｌ１４）との光軸は一致しないように入射される。
さらに、第１のレーザ光源６１−１から出射されたレーザ光Ｌ１１と、第３のレーザ光源６１−３から出射されたレーザ光Ｌ１３とは、ＢＳ６８の光分離面上の同一の位置（もっとも、表面と裏面との違いはある）に入射される。また、第２のレーザ光源６１−２から出射されたレーザ光Ｌ１２と、第４のレーザ光源６１−４から出射されたレーザ光Ｌ１４とは、ＢＳ６８の光分離面上の同一の位置（もっとも、表面と裏面との違いはある）に入射される。
従って、第１のレーザ光源６１−１から出射されたレーザ光Ｌ１１のＢＳ６８での反射光（Ｌ１１＿ｒ）と、第３のレーザ光源６１−３からレーザ光Ｌ１３のＢＳ６８での透過光（Ｌ１３＿ｔ）とが、同軸上に合成され、出力光Ｌ２１として出射される。また、第２のレーザ光源６１−２からレーザ光Ｌ１２のＢＳ６８での反射光（Ｌ１２＿ｒ）と、第４のレーザ光源６１−４からレーザ光Ｌ１４のＢＳ６８での透過光（Ｌ１４＿ｔ）とが、同軸上に合成され、出力光Ｌ２２として出射される。また、第１のレーザ光源６１−１からレーザ光Ｌ１のＢＳ６８での透過光（Ｌ１１＿ｔ）と、第３のレーザ光源６１−３からレーザ光Ｌ１３のＢＳ６８での反射光（Ｌ１３＿ｒ）とが、同軸上に合成され、出力光Ｌ２３として出射される。また、第２のレーザ光源６１−２からレーザ光Ｌ１２のＢＳ６８での透過光（Ｌ１２＿ｔ）と、第４のレーザ光源６１−４からレーザ光Ｌ１４のＢＳ６８での反射光（Ｌ１４＿ｒ）とが、同軸上に合成され、出力光Ｌ２４として出射される。
さらに、出力光Ｌ２１及び出力光Ｌ２２は、出射用ミラー６９により反射され、出力光Ｌ２３及び出力光Ｌ２４と平行とされて出射される。
また、ＢＳ６８と出射用ミラー６９は、出力光Ｌ２１〜Ｌ２４の光路長差が、第１〜第４のレーザ光源６１−１〜６１−４から出射された各レーザ光Ｌ１１〜Ｌ１４の可干渉距離うちの最も長い可干渉距離以上となるように配置されている。
具体的には、ＢＳ６８と出射用ミラー６９との間の距離ｔ０を、Ｌ／（２ｃｏｓθ）以上とするように配置すればよい。この式でのＬは、第１〜第４のレーザ光源６１−１〜６１−４で設定されている可干渉距離のうち、最も長い可干渉距離である。
以上のように光分割合成部６５では、ＢＳ６８の表面側及び裏面側から、それぞれレーザ光を入射することによって、２つのレーザ光をそれぞれ２つに分離し、分離したのちのレーザ光同士を合成することができる。
以上説明したレーザアニール装置６０の動作例について説明をする。
まず、出射制御部６７は、第１のレーザ光源６１−１及び第２のレーザ光源６１−２を制御して、レーザ光Ｌ１１及びレーザ光Ｌ１２をパルス発振させ、それぞれ１つのパルス光を出射する。レーザ光Ｌ１１は、第１のコリメータ６２−１によって所定のビーム径の平行光束とされる。また、レーザ光Ｌ１２は、第２のコリメータ６２−２によって所定のビーム径の平行光束とされる。
第１のコリメータ６２−１を通過したレーザ光Ｌ１１及び第２のコリメータ６２−２を通過したレーザ光Ｌ１２はＢＳ６８へ入射される。
レーザ光Ｌ１１及びレーザ光Ｌ１２は、ＢＳ６８によって、それぞれ透過光と反射光とに分離される。詳述すると、レーザ光Ｌ１１は、透過光Ｌ１１＿ｔと反射光Ｌ１１＿ｒとに分離され、透過光Ｌ１１＿ｔが第３の凸レンズ１５ｃへ入射し、反射光Ｌ１１＿ｒが出射用ミラー６９によって反射された後に第１の凸レンズ１５ａへ入射する。また、レーザ光Ｌ１２は、透過光Ｌ１２＿ｔと反射光Ｌ１２＿ｒに分離され、透過光Ｌ１２＿ｔが第４の凸レンズ１５ｄへ入射し、反射光Ｌ１２＿ｒが出射用ミラー６９によって反射された後に第２の凸レンズ１５ｂへ入射する。
レンズアレイ１５を構成する４つの凸レンズ１５ａ〜１５ｄは、入射された４本のレーザ光（Ｌ１１＿ｒ，Ｌ１１＿ｔ、Ｌ１２＿ｒ、Ｌ１２＿ｔ）をそれぞれ集光する。集光された４本のレーザ光（Ｌ１１＿ｒ，Ｌ１１＿ｔ、Ｌ１２＿ｒ、Ｌ１２＿ｔ）は、コンデンサレンズ６６へ入射される。
そして、コンデンサレンズ６６は、レーザ光（Ｌ１１＿ｒ，Ｌ１１＿ｔ、Ｌ１２＿ｒ、Ｌ１２＿ｔ）を合成して、基板１上の同一の照射範囲に略均一な照射強度で照射する。基板１上に載置されたａ−Ｓｉ基板などは、コンデンサレンズ６６を介した均一なエネルギのレーザ光によってアニールされる。
続いて、出射制御部６７は、レーザ光Ｌ１１及びレーザ光Ｌ１２をパルス出射されてから所定時間経過したのちに、第３のレーザ光源６１−３及び第４のレーザ光源６１−４を制御して、レーザ光Ｌ１３及びレーザ光Ｌ１４をパルス発振させ、それぞれ１つのパルス光を出射する。
レーザ光Ｌ１３は、第３のコリメータ６２−３によって所定のビーム径の平行光束とされる。また、レーザ光Ｌ１４は、第４のコリメータ６２−４によって所定のビーム径の平行光束とされる。
第３のコリメータ６２−３を通過したレーザ光Ｌ１３及び第４のコリメータ６２−４を通過したレーザ光Ｌ１４はＢＳ６８へ入射される。
レーザ光Ｌ１３及びレーザ光Ｌ１４は、ＢＳ６８によって、それぞれ透過光と反射光とに分離される。詳述すると、レーザ光Ｌ１３は、透過光Ｌ１３＿ｔと反射光Ｌ１３＿ｒとに分離され、反射光Ｌ１３＿ｒが第３の凸レンズ１５ｃへ入射し、透過光Ｌ１３＿ｔが出射用ミラー６９によって反射された後に第１の凸レンズ１５ａへ入射する。また、レーザ光Ｌ１４は、透過光Ｌ１４＿ｔと反射光Ｌ１４＿ｒに分離され、反射光Ｌ１４＿ｒが第４の凸レンズ１５ｄへ入射し、透過光Ｌ１４＿ｔが出射用ミラー６９によって反射された後に第２の凸レンズ１５ｂへ入射する。
レンズアレイ１５を構成する４つの凸レンズは、入射された４本のレーザ光（Ｌ１３＿ｒ，Ｌ１３＿ｔ，Ｌ１４＿ｒ，Ｌ１４＿ｔ）をそれぞれ集光する。集光された各レーザ光（Ｌ１３＿ｒ，Ｌ１３＿ｔ，Ｌ１４＿ｒ，Ｌ１４＿ｔ）は、コンデンサレンズ６６へ入射される。
そして、コンデンサレンズ６６が、レーザ光（Ｌ１３＿ｒ，Ｌ１３＿ｔ，Ｌ１４＿ｒ，Ｌ１４＿ｔ）を合成して、基板１上の同一の照射範囲に略均一な照射強度で照射する。
以上説明したように、レーザアニール装置６０は、出射制御部６７による制御に基づいて、第１のレーザ光源６１−１及び第２のレーザ光源６１−２から同時にパルス光を出射し、所定時間経過した後、第３のレーザ光源６１−３及び第４のレーザ光源６１−４から同時にパルス光を出射する。すなわち、レーザアニール装置６０では、一度に複数のレーザ光源からレーザ光を出射している。従って、単独の固体レーザが出射するレーザ光のエネルギが弱いときにも、基板１上を照射するレーザ光の照射強度を充分に強くすることが可能となる。また、レーザ光源の数を増やすことによってレーザ光の照射強度を強くすることができるために、コンデンサレンズ６６に入射させるレーザ光の照射強度を増やすことが可能となり、照射領域を拡大することが可能となる。
（６）  第６の実施の形態
本発明の第６の実施の形態について説明する。本発明の第６の実施の形態の光照射装置は、例えば、レーザアニール装置の光照射手段として用いられる装置である。
本発明の第６の実施の形態について説明をする。図２０に本発明の第６の実施の形態の光照射装置の構成図を示す。
なお、第６の実施の形態の光照射装置からは、平行に並んだ２本のレーザ光が出射される。以下、この光照射装置から出射されるレーザ光の光軸方向をＺ方向とし、２本のレーザ光が平行に並んでいる方向をＸ方向とし、Ｚ方向及びＸ方向に直交する方向をＹ方向として、説明を行う。
第６の実施の形態の光照射装置７０は、第１のレーザ光Ｌ１１を出射する第１のレーザ光源７１と、第２のレーザ光Ｌ１２を出射する第２のレーザ光源７２と、第１のレーザ光Ｌ１１と第２のレーザ光Ｌ１２とを結合して２つの合成光を出射する結合素子７３と、第２のレーザ光Ｌ１２を結合素子７３に導くミラー７４とを備えている。
第１のレーザ光源７１と第２のレーザ光源７２とは、同一の波長のレーザ光Ｌ１１，Ｌ１２を出射する。また、第１のレーザ光源７１及び第２のレーザ光源７２は、コリメータレンズ等でビーム形状を円形とし、互いに強度が同一なレーザ光を出射する。レーザ光Ｌ１１及びレーザ光Ｌ１２の光束径は、ともにφである。なお、第１のレーザ光源７１と第２のレーザ光源７２は、異なるレーザ光源となっているため、レーザ光Ｌ１１とレーザ光Ｌ１２とは、互いにインコヒーレントなレーザ光となる。
第１のレーザ光源７１から出射された第１のレーザ光Ｌ１１は、結合素子７３に入射され、第２のレーザ光源７２から出射された第２のレーザ光Ｌ１２は、ミラー７４により反射された後に結合素子７３に入射される。
結合素子７３には、光分割膜７６が設けられている。結合素子７３に入射された第１のレーザ光Ｌ１１及び第２のレーザ光Ｌ１２は、光分割膜７６によりそれぞれ透過光と反射光とに分離される。なお、結合素子７３の構成、並びに、結合素子７３内のレーザ光の光路等は、後で詳細に説明をする。
結合素子７３からは、第１のレーザ光の光分割膜７６での透過光Ｌ１１＿ｔ、第１のレーザ光の光分割膜７６での反射光Ｌ１１＿ｒ、第２のレーザ光の光分割膜７６での透過光Ｌ１２＿ｔ、及び、第２のレーザ光の光分割膜７６での反射光Ｌ１２＿ｒが出射される。
第１のレーザ光の光分割膜７６での透過光Ｌ１１＿ｔと第２のレーザ光の光分割膜７６での反射光Ｌ１２＿ｒとは、光軸が一致しており、結合素子７３から合成して出力される。第１のレーザ光の光分割膜７６での透過光Ｌ１１＿ｔと第２のレーザ光の光分割膜７６での反射光Ｌ１２＿ｒとの合成光を、第１の合成光Ｌ１３とする。また、第１のレーザ光の光分割膜７６での反射光Ｌ１１＿ｒと第２のレーザ光の光分割膜７６での透過光Ｌ１２＿ｔとは、光軸が一致しており、結合素子７３から合成して出力される。第１のレーザ光の光分割膜７６での反射光Ｌ１１＿ｒと第２のレーザ光の光分割膜７６での透過光Ｌ１２＿ｔとの合成光を、第２の合成光Ｌ１４とする。
第１の合成光Ｌ１３及び第２の合成光Ｌ１４は、結合素子７３からＺ方向に出射される。また、第１の合成光Ｌ１３と第２の合成光Ｌ１４とは、互いに、Ｘ方向に平行に並んで出射される。そして、合成光Ｌ１３と合成光Ｌ１４との光軸の間隔Ｐは、元のレーザ光Ｌ１１，Ｌ１２の光束径φと一致している。
続いて、結合素子７３について、図２１を参照して説明をする。
結合素子７３は、直方体の形状で、屈折率ｎ１の透明部材からなる基部７５を備えている。なお、基部７５の任意の一辺に平行な方向を、長辺方向（ｉ方向）と定義する。基部７５の長辺方向の一辺の長さは、直方体の中で最も長い辺でなくてもよい。また、長辺方向（ｉ方向）に直交する任意の一辺の方向を以下、短辺方向（ｊ方向）と定義する。
基部７５には、長辺方向（ｉ方向）に直交する一方の側面７５ａに、光分割膜７６及び第１の反射防止膜７７が形成されている。また、基部７５には、上記側面７５ａに平行な長辺方向（ｉ方向）に直交するもう一方の側面７５ｂに第２の反射防止膜７８及び全反射膜７９が形成されている。光分割膜７６は、入射されたレーザ光を１：１の割合で透過及び反射する膜である。第１及び第２の反射防止膜７７，７８は、入射された光を反射させず全透過させる膜である。全反射膜７９は、入射された光を透過させず全反射させる膜である。これらの各膜は、例えば、蒸着等により側面７５ａ，７５ｂに形成される。
光分割膜７６は、基部７５の側面７５ａを短辺方向（ｊ方向）に２つの領域に分割し、分割した一方の領域上に形成されている。第１の反射防止膜７７は、側面７５ａの光分割膜７６が形成されていない他方の領域に形成されている。また、第２の反射防止膜７８は、基部７５の側面７５ｂを短辺方向（ｊ方向）に２つの領域に分割し、分割した一方の領域に形成されている。全反射膜７９は、側面７５ｂの第２の反射防止膜７８が形成されていない他方の領域に形成されている。なお、光分割膜７６と第２の反射防止膜７８とは、互いに対向する位置に形成されており、第１の反射防止膜７７と全反射膜７９とが互いに対向する位置に形成される。つまり、光分割膜７６及び第１の反射防止膜７７の短辺方向（ｊ方向）における任意の一方向に対する並び順が、光分割膜７６→第１の反射防止膜７７の順となっていれば、第２の反射防止膜７８及び全反射膜７９の上記任意の一方向に対する並び順が、第２の反射防止膜７８→全反射膜７９の順となる。
なお、基部７５の形状は、ここでは直方体形状としているが、少なくとも互いに平行する平面状の側面７５ａ，側面７５ｂを有する形状であれば、直方体形状でなくてもよい。
以上のような結合素子７３は、基部７５の長辺方向（ｉ方向）がＺ方向に向けられ、基部７５の短辺方向（ｊ方向）がＸ方向に向けられ、さらに、基部７５がＹ方向を中心軸として所定の角度θ２（０＜θ２＜９０°）回転移動された状態で、光照射装置７０内に配置される。
このように配置された結合素子７３には、第１のレーザ光Ｌ１１及び第２のレーザ光Ｌ１２が、基部７５の側面７５ａ及び側面７５ｂに垂直な平面に沿って入射される。すなわち、第１のレーザ光Ｌ１１及び第２のレーザ光Ｌ１２は、Ｘ−Ｚ平面状に沿って結合素子７３に入射される。
第１のレーザ光Ｌ１１は、結合素子７３の外部から、第２の反射防止膜７８に角度θ２で入射される。
ここで、空気の屈折率をｎ２とすると、基部７５に対して入出射する光には、以下の式（１１）に示すような屈折関係が発生する。
ｎ１ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２                                …（１１）
なお、空気の屈折率は、通常“１”とみなすことができるので、この場合、上記式（１１）は次のように変形することができる。
ｎ１ｓｉｎθ１＝ｓｉｎθ２                                    …（１２）
従って、第２の反射防止膜７８に角度θ２で入射された第１のレーザ光Ｌ１１は、基部７５内に入射する際に角度θ１で屈折する。
入射された第１のレーザ光Ｌ１１は、基部７５内を通過して、結合素子７３の内部側から、光分割膜７６上の位置Ａに角度θ１で入射する。光分割膜７６は、入射された第１のレーザ光Ｌ１１を、１：１の割合で透過及び反射し、透過光Ｌ１１＿ｔと反射光Ｌ１１＿ｒとに分割する。第１のレーザ光の透過光Ｌ１１＿ｔは、上述した式（１１）に従い、角度θ２で光分割膜７６から基部７５の外部に向かって出射される。第１のレーザ光の反射光Ｌ１１＿ｒは、角度θ１で基部７５内に向かって反射される。
一方、第２のレーザ光Ｌ１２は、ミラー７４により光路が調整され、結合素子７３の外部側から、光分割膜７６上の位置Ａに角度θ２で入射する。
光分割膜７６は、入射された第２のレーザ光Ｌ１２を、１：１の割合で透過及び反射し、透過光Ｌ１２＿ｔと反射光Ｌ１２＿ｒとに分割する。第２のレーザ光の透過光Ｌ１２＿ｔは、上述した式（１１）に従い、角度θ１で光分割膜７６から、基部７５の内部に向かって入射される。第２のレーザ光の反射光Ｌ１２＿ｒは、角度θ２で基部７５の外部に向かって反射される。
このため、光分割膜７６は、第１のレーザ光の透過光Ｌ１１＿ｔと第２のレーザ光の反射光Ｌ１２＿ｒとを合成した第１の合成光Ｌ１３を出力し、第１のレーザ光の反射光Ｌ１１＿ｒと第２のレーザ光の透過光Ｌ１２＿ｔとを合成した第２の合成光Ｌ１４を出力することができる。
第１の合成光Ｌ１３は、光分割膜７６からそのまま基部７５の外部に出射される。
第２の合成光Ｌ１４は、光分割膜７６から基部７５の内部へ向けて出射され、基部７５を通過して、全反射膜７９に反射される。第２の合成光Ｌ１４は、全反射膜７９により反射された後、第１の反射防止膜７７の位置Ｂに角度θ１で入射する。すなわち、再度光分割膜７６と平行な境界面を通過する。第２の合成光Ｌ１４は、上述した式（１１）に従い、角度θ２で第１の反射防止膜７７から、基部７５の外部に出射される。
従って、以上の光結合素子７３では、光軸が平行とされた２つの合成光Ｌ１３，Ｌ１４を出射することができる。
ところで、光結合素子７３から出射される第１の合成光Ｌ１３と第２の合成光Ｌ１４とをインコヒーレントな関係とするには、第１の合成光Ｌ１３と第２の合成光Ｌ１３の光路長の差を、レーザ光源１１及びレーザ光源１２で定められている可干渉距離Ｌ以上とすればよい。
ここで、第１のレーザ光の反射光Ｌ１１＿ｒ及び第２のレーザ光の透過光Ｌ１２＿ｔの全反射膜７９上における反射位置を位置Ｃとする。第１の合成光Ｌ１３の光軸上の一点を位置Ｄとする。なお、位置Ｄと位置Ｂとを結んだ直線は、第１の合成光Ｌ１３の光軸に対して垂直となる。
この場合、光路ＡＣＢと光路ＡＤとの差を、上記可干渉距離Ｌ以上とすれば、光結合素子７３から出射される第１の合成光Ｌ１３と第２の合成光Ｌ１４とをインコヒーレントな関係とすることができる。
従って、光分割膜７６から全反射膜７９までの距離ｔ、つまり、光結合素子７３の長辺方向（ｉ方向）の長さｔを、次の式（１３）に示すように設定すればよい。
2003049175.tif 000003
なお、上記式（１３）では、ｎ＝ｎ１とする。
また、このような光結合素子７３では、屈折率ｎ１の光透過部材により、第２の合成光Ｌ１４を屈折させているので、第１の合成光Ｌ１３と第２の合成光Ｌ１４との間の間隔Ｐと、光分割膜７６から全反射膜７９までの距離ｔとの比、すなわちＰ／ｔを、従来の光照射装置よりも、小さくすることができる。
従って、光結合素子７３は、第１の合成光Ｌ１３と第２の合成光Ｌ１４とをインコヒーレントな関係となるように距離ｔを設定したとしても、間隔Ｐを例えば光束径φに一致させることができる。
第１の合成光Ｌ１３と第２の合成光Ｌ１４との間隔Ｐを、光束径φに一致させる条件は、次の式（１４）に示すように設定すればよい。
2003049175.tif 000004
なお、ｎ＝ｎ１とする。
（７）  第７の実施の形態
本発明の第７の実施の形態について説明をする。図２２に本発明の第７の実施の形態の光照射装置の構成図を示す。
なお、第７の実施の形態の光照射装置からは、平行に並んだ２本のレーザ光が出射される。以下、この光照射装置から出射されるレーザ光の光軸方向をＺ方向とし、２本のレーザ光が平行に並んでいる方向をＸ方向とし、Ｚ方向及びＸ方向に直交する方向をＹ方向として、説明を行う。
第７の実施の形態の光照射装置８０は、第１のレーザ光Ｌ２１を出射する第１のレーザ光源８１と、第２のレーザ光Ｌ２２を出射する第２のレーザ光源８２と、第１のレーザ光Ｌ２１と第２のレーザ光Ｌ２２とを結合して２つの合成光を出射する結合素子８３と、結合素子８３により合成された一方のレーザ光を反射するミラー８４とを備えている。
第１のレーザ光源８１と第２のレーザ光源８２とは、同一の波長のレーザ光Ｌ２１，Ｌ２２を出射する。また、第１のレーザ光源８１及び第２のレーザ光源８２は、コリメータレンズ等でビーム形状を円形とし、互いに強度が同一なレーザ光Ｌ２１，Ｌ２２を出射する。レーザ光Ｌ２１及びレーザ光Ｌ２２の光束径は、ともにφである。なお、第１のレーザ光源８１と第２のレーザ光源８２は、異なるレーザ光源となっているため、レーザ光Ｌ２１とレーザ光Ｌ２２とは、互いにインコヒーレントなレーザ光となる。
第１のレーザ光源８１から出射された第１のレーザ光Ｌ２１及び第２のレーザ光源８２から出射された第２のレーザ光Ｌ２２は、ともに結合素子８３に入射される。
結合素子８３には、光分割膜８７が設けられている。結合素子８３に入射された第１のレーザ光Ｌ２１及び第２のレーザ光Ｌ２２は、光分割膜８７によりそれぞれ透過光と反射光とに分離される。なお、結合素子８３の構成、並びに、結合素子８３内のレーザ光の光路等は、後で詳細に説明をする。
結合素子８３からは、第１のレーザ光の光分割膜８７での透過光Ｌ２１＿ｔ、第１のレーザ光の光分割膜８７での反射光Ｌ２１＿ｒ、第２のレーザ光の光分割膜８７での透過光Ｌ２２＿ｔ、及び、第２のレーザ光Ｌ２２の光分割膜８７での反射光Ｌ２２＿ｒが出射される。第１のレーザ光の光分割膜８７での透過光Ｌ２１＿ｔと第２のレーザ光の光分割膜８７での反射光Ｌ２２＿ｒとは、光軸が一致しており、結合素子８３から合成して出力される。第１のレーザ光の光分割膜８７での透過光Ｌ２１＿ｔと第２のレーザ光の光分割膜８７での反射光Ｌ２２＿ｒとの合成光を、第１の合成光Ｌ２３とする。また、第１のレーザ光の反射光Ｌ２１＿ｒと第２のレーザ光の透過光Ｌ２２＿ｔとは、光軸が一致しており、結合素子８３から合成して出力される。第１のレーザ光の光分割膜８７での反射光Ｌ２１＿ｒと第２のレーザ光の光分割膜８７での透過光Ｌ２２＿ｔの合成光を、第２の合成光Ｌ２４とする。
第１の合成光Ｌ２３は、一旦ミラー８４により反射された後、再度、結合素子８３を通過し、この結合素子８３から外部へ出射される。外部に出力される第１の合成光Ｌ２３及び第２の合成光Ｌ２４は、結合素子８３からＺ方向に出射される。また、第１の合成光Ｌ２３と第２の合成光Ｌ２４とは、互いに、Ｘ方向に平行に並んで出射される。そして、合成光Ｌ２３と合成光Ｌ２４との光軸の間隔Ｐは、元のレーザ光Ｌ２１，Ｌ２２の光束径φと一致している。
続いて、結合素子８３及びミラー８４について、図２３を参照して説明をする。
結合素子８３は、直方体の形状で、屈折率ｎ１の透明部材からなる基部８５を備えている。なお、基部８５の任意の一辺に平行な方向を、短辺方向（ｉ方向）と定義する。基部８５の長辺方向の一辺の長さは、直方体の中で最も長い辺でなくてもよい。また、短辺方向（ｉ方向）に直交する任意の一辺の方向を以下、長辺方向（ｊ方向）と定義する。
基部８５には、短辺方向（ｉ方向）に直交する一方の側面８５ａに、第１の反射防止膜８６，光分割膜８７及び第２の反射防止膜８８が形成されている。また、基部８５には、上記側面８５ａに平行な短辺方向（ｉ方向）に直交するもう一方の側面８５ｂに全反射膜８９及び第３の反射防止膜９０が形成されている。光分割膜８７は、入射されたレーザ光を１：１で透過及び反射する膜である。第１，第２及び第３の反射防止膜８６，８８，９０は、入射された光を反射させず全透過させる膜である。全反射膜８９は、入射された光を透過させず全反射させる膜である。これらの各膜は、例えば、蒸着等により側面８５ａ，８５ｂに形成される。
第１の反射防止膜８６は、基部８５の側面８５ａを長辺方向（ｊ方向）に３つの領域に分割し、分割した端の領域上に形成されている。光分割膜８７は、基部８５の側面８５ａを長辺方向（ｊ方向）に３つの領域に分割し、分割した真ん中の領域上に形成されている。第２の反射防止膜８８は、基部８５の側面８５ａを長辺方向（ｊ方向）に３つの領域に分割し、上記第１の反射防止膜８６が形成されていない一方の端の領域上に形成されている。
全反射膜８９は、基部８５の側面８５ｂを長辺方向（ｊ方向）に２つの領域に分割し、分割した一方の領域に形成されている。第３の反射防止膜９０は、側面８５ｂの第２の全反射膜８９が形成されていない他方の領域に形成されている。なお、第１の反射防止膜８６、光分割膜８７及び第２の反射防止膜８８の長辺方向（ｊ方向）における任意の一方向に対する並び順が、第１の反射防止膜８６→光分割膜８７→第２の反射防止膜８８の順となっていれば、全反射膜８９及び第３の反射防止膜９０の上記任意の一方向に対する並び順が、全反射膜８９→第３の反射防止膜９０の順となる。
また、ミラー８４は、光結合素子８３に対して短辺方向（ｉ方向）の側面８５ａ側に、側面８５ａ及び側面８５ｂに対して平行に設けられている。
以上のような結合素子８３は、基部８５の短辺方向（ｉ方向）がＺ方向に向けられ、基部８５の長辺方向（ｊ方向）がＸ方向に向けられ、さらに、基部８５がＹ方向を中心軸として所定の角度θ２（０＜θ２＜９０°）回転移動された状態で、光照射装置８０内に配置される。また、ミラー８４も、結合素子８３の側面８５ａ及び側面８５ｂと平行となるように、光照射装置８０内に配置される。
このように配置された結合素子８３には、第１のレーザ光Ｌ２１及び第２のレーザ光Ｌ２２が、基部８５の側面８５ａ及び側面８５ｂに垂直な平面に沿って入射される。すなわち、第１のレーザ光Ｌ２１及び第２のレーザ光Ｌ２２は、Ｘ−Ｚ平面状に沿って結合素子８３に入射される。
第１のレーザ光Ｌ２１は、結合素子８３の外部側から、第１の反射防止膜８６に角度θ２で入射される。
第１の反射防止膜８６に角度θ２で入射された第１のレーザ光Ｌ２１は、基部８５内に入射する際に、上述した式（１１）に従って、角度θ１で屈折する。結合素子８３に入射された第１のレーザ光Ｌ２１は、基部８５内を通過して、全反射膜８９により反射される。全反射膜８９により反射された第１のレーザ光Ｌ２１は、結合素子８３の内部側から、光分割膜８７上の位置Ａに角度θ１で入射する。
光分割膜８７は、入射された第１のレーザ光Ｌ２１を、１：１の割合で透過及び反射し、透過光Ｌ２１＿ｔと反射光Ｌ２１＿ｒとに分割する。第１のレーザ光の透過光Ｌ２１＿ｔは、上述した式（１１）に従い、角度θ２で光分割膜８７から基部８５の外部に向かって出射される。第１のレーザ光の反射光Ｌ２１＿ｒは、角度θ１で基部８５内に向かって反射される。
一方、第２のレーザ光Ｌ２２は、結合素子８３の外部から、光分割膜８７上の位置Ａに角度θ２で入射される。
光分割膜８７は、入射された第２のレーザ光Ｌ２２を、１：１の割合で透過及び反射し、透過光Ｌ２２＿ｔと反射光Ｌ２２＿ｒとに分割する。第２のレーザ光の透過光Ｌ２２＿ｔは、上述した式（１１）に従い、角度θ１で光分割膜８７から、基部８５の内部に向かって入射される。第２のレーザ光の反射光Ｌ２２＿ｒは、角度θ２で基部８５の外部に向かって反射される。
このため、光分割膜８７は、第１のレーザ光の透過光Ｌ２１＿ｔと第２のレーザ光の反射光Ｌ２２＿ｒとを合成した第１の合成光Ｌ２３を出力し、第１のレーザ光の反射光Ｌ２１＿ｒと第２のレーザ光の透過光Ｌ２２＿ｔとを合成した第２の合成光Ｌ２４を出力することができる。
第１の合成光Ｌ２３は、光分割膜８７からそのまま基部８５の外部に出射され、ミラー８４により反射される。ミラー８４に反射された第１の合成光Ｌ２３は、第２の反射防止膜８８の位置Ｂに角度θ２で入射する。
第１の合成光Ｌ２３及び第２の合成光Ｌ２４は、基部８５の内部を平行の状態で通過し、ともに基部８５の内部側から第３の反射防止膜９０へ角度θ１で入射される。第１の合成光Ｌ２３及び第２の合成光Ｌ２４は、上述した式（１１）に従い、角度θ２で第３の反射防止膜９０から、基部８５の外部に出射される。
従って、以上の光結合素子８３では、光軸が平行とされた２つの合成光Ｌ２３，Ｌ２４を出射することができる。
また、光結合素子８３から出射される第１の合成光Ｌ２３と第２の合成光Ｌ２４とをインコヒーレントな関係とするには、第１の合成光Ｌ２３と第２の合成光Ｌ２４との光路長の差を、レーザ光源２１及びレーザ光源２２で定められている可干渉距離Ｌ以上とすればよい。
従って、光分割膜８７からミラー８４までの距離ｔを、上述した式（１３）に示すように設定すればよい。
また、このような光結合素子８３では、屈折率ｎ１の光透過部材により、第１の合成光Ｌ２３及び第２の合成光Ｌ２４を屈折させているので、第１の合成光Ｌ２３と第２の合成光Ｌ２４との間の間隔Ｐと、光分割膜８７からミラー８４までの距離ｔとの比、すなわちＰ／ｔを、従来の光照射装置よりも、小さくすることができる。
従って、光結合素子８３は、第１の合成光Ｌ２３と第２の合成光Ｌ２４とをインコヒーレントな関係となるように距離ｔを設定したとしても、間隔Ｐを例えば光束径φに一致させることができる。
第１の合成光Ｌ２３と第２の合成光Ｌ２４との間隔Ｐを、光束径φに一致させる条件は、上述した式（１４）に示すように設定すればよい。
（８）  第８の実施の形態
本発明の第８の実施の形態について説明をする。図２４に本発明の第８の実施の形態の光照射装置の構成図を示す。
なお、この第８の実施の形態の光照射装置からは、平行に並んだ４本のレーザ光が出射される。以下、この光照射装置から出射されるレーザ光の光軸方向をＺ方向とし、４本のレーザ光が平行に並んでいる方向をＸ方向とし、Ｚ方向及びＸ方向に直交する方向をＹ方向として、説明を行う。
第８の実施の形態の光照射装置９５は、平行な２本のレーザ光（第１のレーザ光Ｌ４１及び第２のレーザ光Ｌ４２）を出射する第１のレーザ出射装置９６と、平行な２本のレーザ光（第３のレーザ光Ｌ４３及び第４のレーザ光Ｌ４４）を出射する第２のレーザ出射装置９７と、第１〜第４のレーザ光Ｌ４１〜Ｌ４４を結合して４つの合成光を出射する結合素子７３と、第２及び第４のレーザ光Ｌ４３，Ｌ４４を結合素子７３に導くミラー９８とを備えている。
第１のレーザ出射装置９６及び第２のレーザ出射装置９７は、上述した第６の実施の形態の光照射装置７０と同一の構成の装置である。従って、第１のレーザ出射装置９６及び第２のレーザ出射装置９７は、光束径φのレーザ光を間隔φで平行に並べ、互いにインコヒーレントな関係の２本のレーザ光をそれぞれ出射する。
第１のレーザ出射装置９６から出射された第１のレーザ光Ｌ４１及び第２のレーザ光４２は、結合素子７３に入射される。また、第２のレーザ出射装置９７から出射された第３のレーザ光Ｌ４３及び第４のレーザ光Ｌ４４は、ミラー９８により反射された後結合素子７３に入射される。
結合素子７３は、第６の実施の形態の結合素子７３と同一の構成となっている。すなわち、結合素子７３には、光分割膜７６が設けられている。結合素子７３に入射された第１〜第４のレーザ光Ｌ４１〜Ｌ４４は、その光分割膜７６によりそれぞれ透過光と反射光とに分離される。なお、結合素子７３の構成、並びに、結合素子７３内のレーザ光の光路等は、後で詳細に説明をする。
結合素子７３からは、第１のレーザ光Ｌ４１〜第４のレーザ光Ｌ４４の透過光及び反射光が出射される。第１のレーザ光の透過光Ｌ４１＿ｔと第３のレーザ光の反射光Ｌ４３＿ｒとは、光軸が一致しており、結合素子７３から合成して出力される。第２のレーザ光の透過光Ｌ４２＿ｔと第４のレーザ光の反射光Ｌ４４＿ｒとは、光軸が一致しており、結合素子７３から合成して出力される。第１のレーザ光の反射光Ｌ４１＿ｒと第３のレーザ光の透過光Ｌ４３＿ｔとは、光軸が一致しており、結合素子７３から合成して出力される。第２のレーザ光の反射光Ｌ４２＿ｒと第４のレーザ光の透過光Ｌ４４＿ｔとは、光軸が一致しており、結合素子７３から合成して出力される。
以下、第１のレーザ光の透過光Ｌ４１＿ｔと第３のレーザの反射光Ｌ４３＿ｒとの合成光を第１の合成光Ｌ４５といい、第２のレーザ光の透過光Ｌ４２＿ｔと第４のレーザ光の反射光Ｌ４４＿ｒとの合成光を第２の合成光Ｌ４６といい、第１のレーザ光の反射光Ｌ４１＿ｒと第３のレーザ光の透過光Ｌ４３＿ｔとの合成光を第３の合成光Ｌ４７といい、第２のレーザ光の反射光Ｌ４２＿ｒと第４のレーザ光の透過光Ｌ４４＿ｔとの合成光を第４の合成光Ｌ４８という。
第１〜第４の合成光Ｌ４５〜Ｌ４８は、結合素子７３からＺ方向に出射される。また、第１〜第４の合成光Ｌ４５〜Ｌ４８は、互いに、Ｘ方向に平行に並んで出射される。そして、第１〜第４の合成光Ｌ４５〜Ｌ４８の光軸の間隔Ｐは、元のレーザ光Ｌ４１〜Ｌ４４の光束径φと一致している。
続いて、この第８の実施の形態での結合素子７３について図２５を参照して説明をする。
上述したように結合素子７３の構成は、第６の実施の形態の結合素子７３と同一である。
結合素子７３は、基部７５の長辺方向（ｉ方向）がＺ方向に向けられ、基部７５の短辺方向（ｊ方向）がＸ方向に向けられ、さらに、基部７５がＹ方向を中心軸として所定の角度θ２（０＜θ２＜９０°）回転移動された状態で、光照射装置９５内に配置される。
このように配置された結合素子７３には、第１〜第４のレーザ光Ｌ４１〜Ｌ４４が、基部７５の側面７５ａ及び側面７５ｂに垂直な平面に沿って入射される。すなわち、第１〜第４のレーザ光Ｌ４１〜Ｌ４４は、Ｘ−Ｚ平面状に沿って結合素子７３に入射される。
第１のレーザ光Ｌ４１及び第２のレーザ光Ｌ４２は、結合素子７３の外部側から、第２の反射防止膜７８に角度θ２で入射される。第２の反射防止膜７８に入射された第１のレーザ光Ｌ４１及び第２のレーザ光Ｌ４２は、基部７５内に入射する際に、角度θ１で屈折する。
結合素子７３に入射された第１のレーザ光Ｌ４１及び第２のレーザ光Ｌ４２は、基部７５内を通過して、結合素子７３の内部側から、光分割膜７６に角度θ１で入射する。第１のレーザ光Ｌ４１は、光分割膜７６上の位置Ａに入射し、第２のレーザ光Ｌ４２は、光分割膜７６上の位置Ｂに入射する。なお、位置Ａと位置ＢとのＸ方向の距離は、光束径φとなっている。
光分割膜７６は、入射された第１のレーザ光Ｌ４１及び第２のレーザ光Ｌ４２を、１：１の割合で透過及び反射し、透過光と反射光とに分割する。第１のレーザ光の光分割膜７６での透過光Ｌ４１＿ｔ及び第２のレーザ光Ｌ４２の分割膜１６での透過光は、上述した式（１１）に従い、角度θ２で光分割膜７６から基部７５の外部に向かって出射される。第１のレーザ光の光分割膜７６での反射光Ｌ４１＿ｒ及び第２のレーザ光の光分割膜７６での反射光Ｌ４２＿ｒは、角度θ１で基部７５内に向かって反射される。
一方、第３のレーザ光Ｌ４３及び第４のレーザ光Ｌ４４は、ミラー９８により光路が調整され、結合素子７３の外部から、光分割膜７６の角度θ２で入射される。第３のレーザ光Ｌ４３は、光分割膜７６上の位置Ａに入射し、第４のレーザ光Ｌ４４は、光分割膜７６上の位置Ｂに入射する。
光分割膜７６は、入射された第３のレーザ光Ｌ４３及び第４のレーザ光Ｌ４４を、１：１の割合で透過及び反射し、透過光と反射光とに分割する。第３のレーザ光の光分割膜７６での透過光Ｌ４３＿ｔ及び第４のレーザ光の光分割膜７６での透過光Ｌ４４＿ｔは、上述した式（１１）に従い、角度θ１で光分割膜７６から、基部７５の内部に向かって入射される。第３のレーザ光の反射光Ｌ４３＿ｒ及び第４のレーザ光の反射光Ｌ４４＿ｒは、角度θ２で基部７５の外部に向かって反射される。
このため、光分割膜７６は、第１のレーザ光の透過光Ｌ４１＿ｔと第３のレーザ光の反射光Ｌ４３＿ｒとを合成した第１の合成光Ｌ４５を出力し、第２のレーザ光の透過光Ｌ４２＿ｔと第４のレーザ光の反射光Ｌ４４＿ｒとを合成した第２の合成光Ｌ４６を出力し、第１のレーザ光の反射光Ｌ４１＿ｒと第３のレーザ光の透過光Ｌ４３＿ｔとを合成した第３の合成光Ｌ４７を出力し、第２のレーザ光の反射光Ｌ４２＿ｒと第４のレーザ光の透過光Ｌ４４＿ｔとを合成した第４の合成光Ｌ４８を出力することができる。
第１の合成光Ｌ４５及び第２の合成光Ｌ４６は、光分割膜７６からそのまま基部７５の外部に出射される。
第３の合成光Ｌ４７第４の合成光Ｌ４８は、光分割膜７６から基部７５の内部へ向けて出射され、基部７５を通過して、全反射膜７９に反射される。第３の合成光Ｌ４７及び第４の合成光Ｌ４８は、全反射膜７９により反射された後、第１の反射防止膜７７に角度θ１で入射する。すなわち、再度光分割膜７６と平行な境界面を通過する。第３の合成光Ｌ４７は、第１の反射防止膜７７上の位置Ｃに入射し、第４の合成光４８は、第１の反射防止膜７７上の位置Ｄに入射する。なお、位置Ｃと位置ＤとのＸ方向の距離は、光束径φとなっている。また、位置Ｂと位置ＣとのＸ方向の距離も、光束径φとなっている。第３の合成光Ｌ４７第４の合成光Ｌ４８は、上述した式（１１）に従い、角度θ２で第１の反射防止膜７７から、基部７５の外部に出射される。
従って、以上の光結合素子７３では、光軸が平行とされた４つの合成光Ｌ４５〜Ｌ４８を出射することができる。
ところで、光結合素子７３から出射される第１〜第４の合成光Ｌ４５〜Ｌ４８をインコヒーレントな関係とするには、照射装置９６及び９７から得られた複数のレーザ光のうち、最も光路長が短いレーザ光の光路長をＬｍｉｎとし、最も光路長が長いレーザ光の光路長をＬｍａｘとし、４個のレーザ光源のうち最も短い可干渉距離のレーザ光源の可干渉距離をＬとしたとき、光分割膜７６から全反射膜７９までの距離ｔ、つまり、光結合素子７３の長辺方向（ｉ方向）の長さｔを、式（１５）に示すように設定すればよい。
2003049175.tif 000005
また、第１〜第４の合成光Ｌ４５〜Ｌ４８の各間隔Ｐを、光束径φに一致させる条件は、次の式（１６）に示すように設定すればよい。
2003049175.tif 000006
なお、ｎ＝ｎ１とする。
また、ｄは、結合素子７３を複数段構成にする際の段数である。第８の実施の形態では、２段構成であるが、この数は、３段であっても、４段であってもよい。すなわち、光結合素子７３は、短辺方向（ｊ方向）の長さを調整しさえすれば、平行に配列された複数本のレーザ光同士を合成することが可能である。
このように、第８の実施の形態の光照射装置９５では、結合素子７３を複数個用いて、複数段のレーザ光の結合を行っている。従って、本発明では、結合する段数を増加させることによって、結合するレーザ光の本数を増加させることが可能となる。
（９）  第９の実施の形態
つぎに、本発明の第９の実施の形態のレーザアニール装置について説明する。なお、第９の実施の形態のレーザアニール装置には、内部に上述した第８の実施の形態の光照射装置９５が設けられている。この光照射装置９５からは、平行に並んだ４本のレーザ光が出射される。以下、この光照射装置９５から出射されるレーザ光の光軸方向をＺ方向とし、４本のレーザ光が平行に並んでいる方向をＸ方向とし、Ｚ方向及びＸ方向に直交する方向をＹ方向として、説明を行う。
図２６及び図２７に、第９の実施の形態のレーザアニール装置１００の構成図を示す。図２６は、レーザアニール装置１００をＹ方向から見たときの構成図であり、図２７は、レーザアニール装置１００をＸ方向から見たときの構成図である。
第９の実施の形態のレーザアニール装置１００は、基板１を載置するステージ１０１と、Ｘ方向に平行に並んだ４本のレーザ光を出射する光照射装置９５と、光照射装置９５から出射された４本の各レーザ光をＹ方向に４分割して合計１６本のレーザ光を出力する光分割部１０２と、光分割部１０２から出射された１６本のレーザ光が入射され１６個の凸レンズから構成されたレンズアレイ１０３と、レンズアレイ１０３から出射された１６本のレーザ光を基板１の所定の領域に導くコンデンサレンズ１０４とを備えている。
ステージ１０１は、上述した第１の実施の形態のレーザアニール装置１０に用いられているステージ１１と同一である。すなわち、ステージ１０１は、主面上に載せられた基板１を保持しながら、主面に平行な方向（図２６，図２７中のＸ方向，Ｙ方向）に移動する。レーザアニール装置１００では、ステージ１０１を移動させることによって、基板１とレーザ光の照射スポットとの相対位置を移動させることができる。つまり、ステージ１０１を移動させることによって、基板１上のアニールを行う位置を制御することができる。なお、ステージ１０１の移動制御は、図示しないコントローラにより行われる。
光照射装置９５は、上述した第８の実施の形態の光照射装置である。すなわち、Ｘ方向に光束径φで平行に並んだ４本のレーザ光を出射する装置である。光照射装置９５から出射される４本のレーザ光は、互いにインコヒーレントな関係となっている。光照射装置９５から出射された４本のレーザ光は、光分割部１０２に入射される。
光分割部１０２は、Ｘ方向に平行に並んだ４本レーザ光を、それぞれＹ方向に４分割して、Ｙ方向に光束径φ間隔で平行に並んだレーザ光に分割する。従って、光分割部１０２からは、Ｘ−Ｙ平面上に間隔φで４×４のマトリクス状に並んだ合計１６本のレーザ光が出射される。この光分割部１０２の構成については詳細を後述する。
光分割部１０２から出力された１６本の出力レーザ光は、レンズアレイ１０３に入射される。
レンズアレイ１０３は、マトリクス状に配列された１６個の凸レンズから構成されている。凸レンズの配列間隔は、光分割部１０２から出射される出力レーザ光の間隔と同一で、各凸レンズが各出力レーザ光の光軸上に設けられている。レンズアレイ１０３から出射された出力レーザ光は、一旦集光して２次光源とされてから、コンデンサレンズ１０４に入射される。
コンデンサレンズ１０４は、レンズアレイ１０３によって集光された１６本の出力レーザ光を合成して、基板１上の所定の照射領域に集光する。
つぎに、光分割部１０２の構成を具体的に図２８に示す。なお、図２８は、光分割部１０２をＸ方向から見た図である。
光分割部１０２は、直方体の形状で、屈折率ｎ１の透明部材からなる基部１１１を備えている。基部１１１には、任意の一辺に平行な方向（図２８中のｉ方向）に直交する一側面１１１ａに膜状の第１のビームスプリッタ（ＢＳ）１１２が形成され、もう一方の側面１１１ｂに膜状の第２のＢＳ１１３が形成されている。第１のＢＳ１１２及び第２のＢＳ１１３は、光分離面が平行とされ、Ｚ方向に並ぶように配置される。第１のＢＳ１１２及び第２のＢＳ１１３の透過と反射の分離比率は、１：１となっている。第１のＢＳ１１２は、第２のＢＳ１１３よりもレーザ光の入射側に配置されている。
さらに、光分割部１０２は、光反射面が第１のＢＳ１１２及び第２のＢＳ１１３の光分離面と平行とされ、第１のＢＳ１１２及び第２のＢＳ１１３とＺ方向に並んで配置されたミラー１１４を備えている。ミラー１１４は、平面状の光反射面に入射されたレーザ光を反射する素子である。ミラー１１４は、第１のＢＳ１１２よりもレーザ光の入射側に配置されている。
第１のＢＳ１１２及び第２のＢＳ１１３の光分離面、並びに、ミラー１１４の光反射面は、Ｘ−Ｚ軸で形成される平面に対して垂直に配置され、且つ、入射されるレーザ光の入射方向（すなわち、Ｚ方向）に対して所定の角度θ（０°＜θ＜９０°）をもって配置されている。
ここで、光分割部１０２に入射されるレーザ光のうち、任意の１本のレーザ光を、レーザ光Ｌ５１とし、以下説明を行う。
第１のＢＳ１１２は、レーザ光Ｌ５１の光路上に設けられている。第１のＢＳ１１２は、入射された第１のＢＳ１１２を透過光と反射光とに１：１の割合で分離する。レーザ光Ｌ５１の透過光をレーザ光Ｌ５２とし、反射光をレーザ光Ｌ５３とする。
レーザ光Ｌ５２は、第１のＢＳ１１２を透過して基部１１１内に入射される。レーザ光Ｌ５２は、基部１１１内に入射することにより所定の角度で屈折する。屈折したレーザ光Ｌ５２は、基部１１１内を通過して第２のＢＳ１１３に入射される。また、レーザ光Ｌ５３は、第１のＢＳ１１２から反射してミラー１１４に入射される。レーザ光５３は、ミラー１１４により反射された後、基部１１１に入射する。レーザ光Ｌ５３は、基部１１１に入射することにより所定の角度で屈折する。屈折したレーザ光Ｌ５３は、基部１１１内を通過して第２のＢＳ１１３に入射される。
第２のＢＳ１１３は、レーザ光Ｌ５２及びレーザ光Ｌ５３の光路上に設けられている。第２のＢＳ１１３は、入射されたレーザ光Ｌ５２及びレーザ光Ｌ５３を１：１の割合で透過光と反射光とに分離する。レーザ光Ｌ５２の透過光をレーザ光Ｌ５４とし、反射光をレーザ光Ｌ５５とする。レーザ光Ｌ５３の透過光をレーザ光Ｌ５６とし、反射光をレーザ光Ｌ５７とする。
レーザ光Ｌ５４は、第２のＢＳ１１３を透過して基部１１１の外部に出射される。レーザ光Ｌ５４は、基部１１１の外部に出射することにより所定の角度で屈折する。
レーザ光Ｌ５５は、第２のＢＳ１１３を反射して基部１１１の内部を通過して、側面１１１ａから基部１１１の外部に出射される。レーザ光Ｌ５５は、基部１１１の外部に出射されるときに所定の角度で屈折し、ミラー１１４に入射される。レーザ光Ｌ５５は、ミラー１１４により反射された後、基部１１１に再度入射する。レーザ光Ｌ５５は、基部１１１に入射するときに屈折する。レーザ光Ｌ５５は、基部１１１を通過して、側面１１１ｂから基部１１１の外部に出射される。レーザ光Ｌ５５は、基部１１１の外部に出射することにより所定の角度で屈折する。
レーザ光Ｌ５６は、第２のＢＳ１１３を透過して基部１１１の外部に出射される。レーザ光Ｌ５６は、基部１１１の外部に出射することにより所定の角度で屈折する。
レーザ光Ｌ５７は、第２のＢＳ１１３を反射して基部１１１の内部を通過して、側面１１１ａから基部１１１の外部に出射される。レーザ光Ｌ５５は、基部１１１の外部に出射されるときに所定の角度で屈折し、ミラー１１４に入射される。レーザ光Ｌ５７は、ミラー１１４により反射された後、基部１１１に再度入射する。レーザ光Ｌ５７は、基部１１１に入射するときに屈折する。レーザ光Ｌ５７は、基部１１１を通過して、側面１１１ｂから基部１１１の外部に出射される。レーザ光Ｌ５７は、基部１１１の外部に出射することにより所定の角度で屈折する。
なお、第１のＢＳ１１２からミラー１１４までの距離ｔ０、並びに、第１のＢＳ１１２から第２のＢＳ１１３までの距離ｔ１は、レーザ光源により設定される可干渉距離Ｌと、光照射装置９５の構成から決まる。光照射装置９５から得られた複数のレーザ光のうち、最も光路長が短いレーザ光の光路長Ｌｍｉｎと最も光路長が長いレーザ光の光路長Ｌｍａｘとしたとき、ｔ０は次の式（１７）に示すように設定すればよい。
2003049175.tif 000007
ここで、ｎは基部１１１の屈折率である。
また、ｔ１は次の式（１８）に示すように設定すればよい。
2003049175.tif 000008
また、さらに、側面１１１から出射される各レーザ光Ｌ５４〜Ｌ５７の間隔は、光束径φに設定されている。
光分割部１０２は、以上のような構成となっていることにより、図２９に示すように、Ｘ−Ｙ方向に光束径φの間隔で平行に並んだ互いに干渉性のない１６本のレーザ光を出射することができる。
以上のような構成の本発明の第９の実施の形態のレーザアニール装置１００では、レーザ光の結合及び分割を２次元的に行い、マトリクス状に配列されたインコヒーレントな１６本のレーザ光を光束径φの間隔で並べた光束群を生成し、この光束群により基板１に対してレーザアニール処理を行っている。そのため、基板１に照射されるレーザスポットの強度分布を、例えば、図３０及び図３１に示すように、Ｘ方向及びＹ方向に対して均一にすることができる。
なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の各実施の形態に限定されるものではなく、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な変更、置換又はその同等のものを行うことができることは当業者にとって明らかである。
【図面の簡単な説明】
図１は、従来のレーザアニール装置の構成を示す図である。
図２は、従来のレーザアニール装置の光源に固体レーザを適用した場合に生じてしまう干渉縞を示す図である。
図３は、第１の実施の形態のレーザアニール装置の構成を示す図である。
図４は、上記第１の実施の形態のレーザアニール装置の光分割部の構成を示す図である。
図５は、上記第１のレーザアニール装置から照射されるレーザ光の強度分布を示す図である。
図６は、上記第１の実施の形態のレーザアニール装置の光分割部の変形例を示す図である。
図７は、第２の実施の形態のレーザアニール装置の構成を示す図である。
図８は、上記第２の実施の形態のレーザアニール装置のレンズアレイの図である。
図９は、上記第２の実施の形態のレーザアニール装置の第１の光分割部及び第２の光分割部の構成を示す図である。
図１０Ａは、上記第１の実施の形態のレーザアニール装置による照射領域を示す図である。図１０Ｂは、上記第２の実施の形態のレーザアニール装置よる照射領域を示す図である。
図１１は、第３の実施の形態のレーザアニール装置の構成を示す図である。
図１２は、上記第３の実施の形態のレーザアニール装置のレンズアレイの図である。
図１３は、上記第３の実施の形態のレーザアニール装置の光分割部の構成を示す図である。
図１４Ａは、上記第１の実施の形態のレーザアニール装置による照射領域を示す図である。図１４Ｂは、上記第３の実施の形態のレーザアニール装置よる照射領域を示す図である。
図１５は、第４の実施の形態のレーザアニール装置の構成を示す図である。
図１６は、上記第４の実施の形態のレーザアニール装置の第１の光分割部及び第２の光分割部の構成を示す図である。
図１７は、上記第４の実施の形態のレーザアニール装置から出射されるレーザ光の出射タイミングを示す図である。
図１８は、第５の実施の形態のレーザアニール装置の構成を示す図である。
図１９は、上記第５の実施の形態のレーザアニール装置の光分割合成部の構成を示す図である。
図２０は、第６の実施の形態の光照射装置の構成を示す図である。
図２１は、上記第６の実施の形態の光照射装置の光結合素子の構成を示す図である。
図２２は、第７の実施の形態の光照射装置の構成を示す図である。
図２３は、上記第７の実施の形態の光照射装置の光結合素子の構成を示す図である。
図２４は、第８の実施の形態の光照射装置の構成を示す図である。
図２５は、上記第８の実施の形態の光照射装置の光結合素子の構成を示す図である。
図２６は、第９の実施の形態のレーザアニール装置をＹ方向からみた構成を示す図である。
図２７は、上記第９の実施の形態のレーザアニール装置をＸ方向からみた構成を示す図である。
図２８は、上記第９の実施の形態のレーザアニール装置の光分割部の構成を示す図である。
図２９は、上記第９の実施の形態のレーザアニール装置から出射されるレーザ光の光軸の配置を示す図である。
図３０は、上記第９の実施の形態のレーザアニール装置から基板に照射されるレーザ光のＸ方向の強度分布を示す図である。
図３１は、上記第９の実施の形態のレーザアニール装置から基板に照射されるレーザ光のＹ方向の強度分布を示す図である。
【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８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【国際調査報告】
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