(57)【要約】【課題】干渉の影響を無くし、レーザビームの強度分布を均一にする。【解決手段】ビームホモジナイザ１００は反射面を向かい合うように配置された２つの反射ミラー１０３、１０４を有する。レーザビームＬＢは、２つの反射ミラー１０３、１０４の間で反射しながら、これらの間を伝搬することで強度分布が均一にされるが、干渉もする。２つの反射ミラー１０３、１０４をレーザビームＬＢの走査方向と直交する方向に振動させることで、レーザビームＬＢの振動方向の強度分布を時間的に平均化する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射面が向かい合うように配置された第１の反射ミラーおよび第２の反射ミラーを有し、
前記第１の反射ミラーおよび前記第２の反射ミラーが振動することを特徴とするビームホモジナイザ。
【請求項２】
請求項１において、
前記ビームホモジナイザを通過させるレーザビームが、連続発振レーザまたは疑似連続発振レーザから射出されるレーザビームである場合、前記第１の反射ミラーおよび前記第２の反射ミラーの振動の周波数ｆ１、被照射面での前記レーザビーム走査速度Ｖ、および被照射面での前記レーザビームの走査方向の長さｄは、ｆ１≧Ｖ／ｄの関係を有することを特徴とするホモジナイザ。
【請求項３】
レーザ発振器と、
前記レーザ発振器の射出側に配置された、反射面が向かい合うように配置された第１の反射ミラーおよび第２の反射ミラーを含むビームホモジナイザと、
前記ビームホモジナイザの射出側に配置された投影レンズと、
を有し、
前記ビームホモジナイザの第１の反射ミラーおよび第２の反射ミラーが振動することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記投影レンズにより、前記ビームホモジナイザの射出口は、被照射面と共役関係にあることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項５】
請求項３又は４において、
前記第１の反射ミラーおよび前記第２の反射ミラーの振動の振幅は、前記レーザ発振器から射出されるレーザビームの波長以上１０μｍ以下とすることを特徴とするレーザ照射
装置。
【請求項６】
請求項３乃至５のいずれか１項において、
前記レーザ発振器が連続発振レーザまたは疑似連続発振レーザである場合、前記第１の反射ミラーおよび前記第２の反射ミラーの振動の周波数ｆ１、被照射面での前記レーザビームの走査速度Ｖ、および被照射面での前記レーザビームの走査方向の長さｄは、ｆ１≧Ｖ／ｄの関係を有することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項７】
請求項３乃至６のいずれか１項において、
前記投影レンズが振動することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項８】
請求項３乃至６のいずれか１項において、
前記投影レンズが振動し、
前記レーザ発振器が、連続発振レーザまたは疑似連続発振レーザである場合、前記投影レンズの振動の周波数ｆ２、被照射面での前記レーザビームの走査速度Ｖ、および被照射面での前記レーザビームの走査方向の長さｄは、ｆ２≧Ｖ／ｄの関係を有することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項９】
レーザ発振器と、
レーザ発振器の射出側に配置され、反射面が向かい合うように配置された第１の反射ミラーおよび第２の反射ミラーを含むビームホモジナイザと、
前記ビームホモジナイザの射出側に配置されたスリットと、
前記スリットの射出側に配置された投影レンズと、
を有し、
前記ビームホモジナイザの第１の反射ミラーおよび第２の反射ミラーが振動することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項１０】
請求項９において、
前記投影レンズにより、前記スリットは、被照射面と共役関係にあることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項１１】
請求項９又は１０において、
前記第１の反射ミラーおよび前記第２の反射ミラーの振動の振幅は、前記レーザ発振器から射出されるレーザビームの波長以上１０μｍ以下とすることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項１２】
請求項９乃至１１のいずれか１項において、
前記レーザ発振器が、連続発振レーザまたは疑似連続発振レーザである場合、前記第１の反射ミラーおよび前記第２の反射ミラーの振動の周波数ｆ１、被照射面での前記レーザビームの走査速度Ｖ、および被照射面での前記レーザビームの走査方向の長さｄは、ｆ１≧Ｖ／ｄの関係を有することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項１３】
レーザ発振器と、
前記レーザ発振器の射出側に配置されたスリットと、
前記スリットの射出側に配置された投影レンズと、
を有し、
前記スリットが振動することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項１４】
請求項１３において、
前記投影レンズにより、前記スリットは、前記レーザ発振器から射出されるレーザビームの被照射面と共役関係にあることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項１５】
請求項１３または１４において、
前記スリットの振動の振幅は、前記レーザ発振器から射出されるレーザビームの波長以上１０μｍ以下とすることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項１６】
請求項１３乃至１５のいずれか１項において、
前記レーザ発振器が、連続発振レーザまたは疑似連続発振レーザである場合、前記スリットの振動の周波数ｆ３、被照射面での前記レーザビームの走査速度Ｖ、および被照射面での前記レーザビームの走査方向の長さｄは、ｆ３≧Ｖ／ｄの関係を有することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項１７】
請求項１３乃至１５のいずれか１項において、
前記投影レンズが振動することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項１８】
請求項１３乃至１５のいずれか１項において、
前記投影レンズが振動し、
前記レーザ発振器が、連続発振レーザまたは疑似連続発振レーザである場合、前記投影レンズの振動の周波数ｆ２、被照射面での前記レーザビームの走査速度Ｖ、および被照射面での前記レーザビームの走査方向の長さｄは、ｆ２≧Ｖ／ｄの関係を有することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項１９】
レーザ発振器と、
前記レーザ発振器の射出側に配置され、反射面が向かい合うように配置された第１の反射ミラーおよび第２の反射ミラーを含むビームホモジナイザと、
前記ビームホモジナイザの射出側に配置された投影レンズと、
を有し、
前記投影レンズが振動することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２０】
請求項１９において、
前記投影レンズにより、前記ビームホモジナイザの射出口は、被照射面と共役関係にあることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２１】
レーザ発振器と、
前記レーザ発振器の射出側に配置されたとスリットと、
前記スリットの射出側に配置された投影レンズと、
を有し、
前記投影レンズが振動することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２２】
請求項２１において、
前記投影レンズにより、  前記スリットの射出口は、被照射面と共役関係にあることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２３】
請求項１９乃至２２のいずれか１項または１４において、
前記レーザ発振器が、連続発振レーザまたは疑似連続発振レーザである場合、前記投影レンズの振動の周波数ｆ２、被照射面での前記レーザビームの走査速度Ｖ、および被照射面での前記レーザビームの走査方向の長さｄは、ｆ２≧Ｖ／ｄの関係を有することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２４】
ビームホモジナイザをレーザビームに通過させ、前記ビームホモジナイザを通過したレーザビームを被照射物に照射するレーザ照射方法であり、
前記ビームホモジナイザは、反射面が向かい合うように配置された第１の反射ミラーおよび第２の反射ミラーを有し、
前記ビームホモジナイザの第１の反射ミラーおよび第２の反射ミラーを振動させながら、前記レーザビームを照射することを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項２５】
請求項２４において、
前記ビームホモジナイザを通過したレーザビームを振動している投影レンズを通過させることを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項２６】
請求項２４において、
前記ビームホモジナイザを通過したレーザビームを振動している投影レンズを通過させ、
レーザビームが連続発振レーザまたは疑似連続発振レーザから射出されるレーザビームである場合、前記投影レンズの振動の周波数ｆ２、被照射面でのレーザビームの走査速度Ｖ、および前記被照射面での走査方向における前記レーザビームの長さｄは、ｆ２≧Ｖ／ｄの関係を有することを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項２７】
ビームホモジナイザにレーザビームを入射させ、前記ビームホモジナイザから射出したレーザビームの端部を遮蔽し、端部を遮蔽された前記レーザビームを被照射物に照射するレーザ照射方法であり、
前記ビームホモジナイザは、反射面が向かい合うように配置された第１の反射ミラーおよび第２の反射ミラーを有し、
前記ビームホモジナイザの第１の反射ミラーおよび第２の反射ミラーを振動させながら、前記レーザビームを被照射物に照射することを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項２８】
請求項２４乃至２７のいずれか１項において、
前記第１の反射ミラーおよび前記第２の反射ミラーの振動の振幅は、前記レーザビームの波長以上１０μｍ以下とすることを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項２９】
請求項２４乃至２８のいずれか１項において、
前記レーザビームが、連続発振レーザまたは疑似連続発振レーザから射出されるレーザビームである場合、前記第１の反射ミラーおよび前記第２の反射ミラーの振動の周波数ｆ１、被照射面での前記レーザビームの走査速度Ｖ、および被照射面での前記レーザビームの走査方向の長さｄは、ｆ１≧Ｖ／ｄの関係を有することを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項３０】
振動するスリットを通過させて、レーザビームを被照射物に照射することを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項３１】
請求項３０において、
前記スリットの振動の振幅は、前記レーザビームの波長以上１０μｍ以下とすることを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項３２】
請求項３０又は３１において、
前記レーザビームが連続発振レーザまたは疑似連続発振レーザから射出されるレーザビームである場合、前記スリットの振動の周波数ｆ１、被照射面での前記レーザビームの走査速度Ｖ、および被照射面での前記レーザビームの走査方向の長さｄは、ｆ１≧Ｖ／ｄの関係を有することを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項３３】
請求項３０乃至３２のいずれか１項において、
前記スリットを通過したレーザビームを振動している投影レンズを通過させることを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項３４】
請求項３０乃至３２のいずれか１項において、
前記スリットを通過したレーザビームを振動している投影レンズを通過させ、
前記レーザビームが、連続発振レーザまたは疑似連続発振レーザから射出されるレーザビームである場合、前記投影レンズの振動の周波数ｆ２、被照射面での前記レーザビームの走査速度Ｖ、および被照射面での前記レーザビームの走査方向の長さｄは、ｆ２≧Ｖ／ｄの関係を有することを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項３５】
反射面が向かい合うように配置された第１の反射ミラーおよび第２の反射ミラーを含むビームホモジナイザをレーザビームに通過させ、投影レンズにより、前記ビームホモジナイザを通過したレーザビームを被照射物に投影するレーザ照射方法であり、
前記投影レンズを振動させながら、前記レーザビームを照射することを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項３６】
スリットをレーザビームに通過させ、投影レンズにより、前記スリットを通過したレーザビームを被照射物に投影するレーザ照射方法であり、
前記投影レンズを振動させながら、前記レーザビームを照射することを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項３７】
請求項３５又は３６において、
前記レーザビームが連続発振レーザまたは疑似連続発振レーザから射出されるレーザビームである場合、前記投影レンズの振動の周波数ｆ２、被照射面での前記レーザビームの走査速度Ｖ、および前記被照射面での前記レーザビームの走査方向の長さｄは、ｆ２≧Ｖ／ｄの関係を有することを特徴とするレーザ照射方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
レーザビームを被照射物に照射する装置およびその方法に関する。また、レーザビーム照射装置に用いられるビームホモジナイザに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス基板上に、高移動度の薄膜トランジスタ（以下、「ＴＦＴ」と記す。）で集積回路を製造するために、ガラス基板上にＣＶＤ法などで非晶質シリコン膜を堆積し、非晶質シリコン膜に熱エネルギーを与えて結晶化させて、結晶性シリコンを形成している。非晶質シリコン膜の結晶化には、熱によるガラス基板の変形を避けるためにレーザ照射処理が用いられている。
【０００３】
レーザ照射処理により結晶化された結晶性シリコン膜の結晶構造は、レーザビームの強度に依存する。レーザビームの照射により非晶質シリコン膜が完全に溶融する場合、シリコン膜で固相（溶融していない部分）と液相（溶融した部分）の界面がレーザビームの走査と共に移動するため、走査方向に結晶成長がすすみ、大粒径の結晶性シリコン膜を形成することができる。一方、レーザビームの強度が小さく、非晶質シリコン膜が完全に溶融せず、膜の表層だけ溶融する場合は、シリコン膜と下地との界面に無数の結晶核がランダムに発生し、この界面の結晶核からシリコン膜表面に向かって結晶が成長するため、完全に溶融させた場合よりも小粒径の結晶性シリコンが形成される。また、レーザビームの強度が小さ過ぎると結晶化できず、また、大き過ぎるとシリコン膜がアブレーションしてしまう。
【０００４】
従って、レーザ照射処理で非晶質シリコン膜を結晶化するには、レーザビームによって熱エネルギーを均一に、かつ適切な大きさで、非晶質シリコン膜に与えることが求められている。これによって、ガラス基板上に、結晶構造が均一で、大粒径の結晶性シリコン膜を形成することができる。
【０００５】
レーザ照射処理のスループットを向上させるため、光学系によりレーザ発振器から射出したビームを一方向に伸長し、伸長方向に直交する方向で集光させることで、線状ビームに加工している。レーザ発振器から射出されたビームの強度分布は均一ではない。例えば、シングルモードのレーザビームの場合、中心ほど強度が高いガウス分布であり、形状を線状に加工しても、レーザビームの強度分布は変化せず、ガウス分布のままであり、レーザビームの端部の強度が非晶質シリコンを完全に溶融するのに足りない。よって、このような線状レーザビームで非晶質シリコン膜を結晶化しても、得られた結晶性シリコン膜は結晶構造の違いによる周期的な縞模様が生じる。このような結晶性シリコン膜でＴＦＴを作製すると、結晶構造の違いにより、ＴＦＴごとに電気的特性が異なる。
【０００６】
本発明者は、レーザビームの強度分布を均一にするためのビームホモジナイザを開発した（特許文献１の図１参照）。図１２を用いて、特許文献１の図１に記載のビームホモジナイザを説明する。図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）はビームホモジナイザの平面図である。図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）の紙面垂直方向を含む平面の平面図である。
【０００７】
ビームホモジナイザは、反射面が向かい合って配置されている矩形状の２つの反射ミラー１１、１２でなる。ビームホモジナイザに入射したビーム１３は、実線の矢印で示すように、反射ミラー１１および反射ミラー１２で反射を繰り返しながら、反射ミラー１１と反射ミラー１２の間の空間を伝搬し、ビームホモジナイザから射出する。ビームホモジナイザの射出口を含む平面Ｐにおいて、ビーム１３の照射領域はビームホモジナイザの射出口に相当する領域１４である。ビームホモジナイザが光路に存在しないときは、ビーム１３は、点線の矢印で示すように、空間を伝搬する。平面Ｐにおいて、ビーム１３による照射領域は領域１５となる。つまり、ビームホモジナイザによって、照射領域１５（ビームホモジナイザがないときの照射領域）中の領域１５ａおよび領域１５ｂに到達するビーム１３を全て照射領域１４に到達させている。
【０００８】
ビームホモジナイザでは、入射したビームを反射させながら伝搬させることで、ビームが複数に分割され、これら分割されたビーム全てが射出口で重ね合わせるため、ビームの強度分布が均一化される。
【０００９】
また、本願の発明者は、レーザビームを線状に加工でき、かつレーザビームの強度分布がガウス分布であることの影響をなくすためのレーザ照射装置の光学系を開発した（例えば、特許文献２）。特許文献２には、スリットを通過させることでレーザビームの端部を遮蔽して、レーザビームに強度の弱い部分を照射しないようにしている。つまり、特許文献２では、記載のスリットを含む光学系により、確実に結晶化でき、また大粒径の結晶が得られるような大きさの熱エネルギーを非晶質シリコン膜に供給するようにしている。
【特許文献１】特開２００４―１３４７８５号公報
【特許文献２】国際公開２００６／０２２１９６号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図１２に示すビームホモジナイザによる強度分布の均一化の効果を高めるためには、ビームの光路を長くして、ビームの反射回数を増やせばよい。しかしながら、光路を長くし、反射ミラー１１と反射ミラー１２の間で反射を繰り返すことで、レーザビームが干渉してしまう。レーザ照射処理に用いられるシングルモードのレーザビームは、マルチモードのレーザよりも干渉しやすい。
【００１１】
ビームホモジナイザによってレーザビームが干渉すると、ビームホモジナイザの射出口でのレーザビームの強度分布が周期的に変動し、被照射面では干渉縞として確認される。干渉によって、被照射面でレーザビームの強度が非晶質シリコン膜を完全に溶融するのに足りない部分が周期的に現れる場合、このようなレーザビームで非晶質シリコンを結晶化すると、結晶性シリコン膜の結晶構造がレーザビームの強度分布を反映し、結晶性シリコン膜に縞模様が生じてしまう。
【００１２】
また、特許文献２のようなスリットを用いた光学系では回折の問題がある。回折によって、レーザビーム端部近傍の強度が非晶質シリコン膜を完全に溶融させるのに不足したり、過剰になるおそれがある。
【００１３】
図１２のビームホモジナイザやスリットは、レーザビームで被照射物を処理するための重要な光学部材であるが、照射光にレーザビームを用いる場合、干渉や回折は不可避的な物理現象である。そこで、本発明は、光学部材で干渉や回折が生じても、レーザビームを照射することによる作用を被照射物に均一にかつ確実に与えることを可能にするビームホモジナイザ、レーザ照射装置およびレーザ照射方法を提供すること課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、干渉または回折が生ずる光学部材を振動させることで、レーザビームの強度分布を時間的に平均化し、その結果として、レーザビームの強度分布を均一化するというものである。また、本発明は、被照射面に投影するためのレンズを振動させ、光学部材によって干渉した、または回折したレーザビームをこの振動するレンズを通過させることで、レーザビームの強度分布を時間的に平均化し、その結果として、レーザビームの強度分布を均一化するというものである。
【００１５】
本発明は、レーザ照射装置に用いられるビームホモジナイザであって、反射面が向かい合うように配置された第１の反射ミラーおよび第２の反射ミラーを有し、第１の反射ミラーおよび第２の反射ミラーが振動する。
【００１６】
本発明のレーザ照射装置は、上記ビームホモジナイザを光学系に有することを特徴とする。光学系は、第１の反射ミラーおよび第２の反射ミラーが振動するビームホモジナイザ、およびビームホモジナイザの射出側に配置された投影レンズを有する。さらに、投影レンズを振動させてもよい。
【００１７】
本発明の他のレーザ照射装置の光学系は、第１の反射ミラーおよび第２の反射ミラーが振動するビームホモジナイザ、ビームホモジナイザの射出側に配置されたスリット、およびスリットの射出側に配置された投影レンズを有する。
【００１８】
本発明の他のレーザ照射装置は、振動するスリットを光学系に有する。光学系は、振動するスリット、およびスリットの射出側に配置された投影レンズを含む。この投影レンズを振動させてもよい。
【００１９】
本発明の他のレーザ照射装置は、振動する投影レンズを光学系に有する。光学系は、反射面が向かい合うように配置された第１および第２の反射ミラーを含むビームホモジナイザ、およびビームホモジナイザの射出側に配置された振動する投影レンズを含む。
【００２０】
本発明の他のレーザ照射装置は、振動する投影レンズを光学系に有する。光学系は、スリット、およびスリットの射出側に配置された振動する投影レンズを含む。
【００２１】
レーザ発振器に連続発振レーザまたは疑似連続発振レーザを用いた場合、ビームホモジナイザ、スリットおよび投影レンズの振動の周波数ｆ、被照射面でのレーザビームの走査速度Ｖ、および被照射面でのレーザビームの走査方向の長さｄは、ｆ≧  Ｖ／ｄの関係を有することにより、レーザビームの強度分布を時間的に平均化するという効果が、顕在化する。
【００２２】
また、本発明のレーザ照射方法の１つは、ビームホモジナイザをレーザビームが通過し、ビームホモジナイザを通過したレーザビームを被照射物に照射するレーザ照射方法であり、ビームホモジナイザは反射面が向かい合うように配置された第１の反射ミラーおよび第２の反射ミラーを含み、第１の反射ミラーおよび第２の反射ミラーを振動させながら、レーザビームを被照射物に照射する。
【００２３】
また、上記構成のレーザビームの照射方法において、ビームホモジナイザを通過したレーザビームの端部を遮蔽してから、被照射物にレーザビームを照射することができる。また、投影レンズも振動させながら、レーザビームを照射することもできる。
【００２４】
また、本発明のレーザ照射方法の他の１つは、振動するスリットを通過させて、レーザビームを被照射物に照射する。
【００２５】
本発明のレーザ照射方法の他の１つは、レーザビームをビームホモジナイザを通過させ、ビームホモジナイザを通過したレーザビームを振動する投影レンズを通過させて、被照射物に照射する。
【００２６】
本発明のレーザ照射方法の他の１つは、レーザビームをスリットを通過させ、スリットを通過したレーザビームを振動する投影レンズを通過させて、被照射物に照射する。
【００２７】
レーザビームが連続発振レーザまたは連続発振レーザから射出されたレーザビームである場合、ビームホモジナイザ、スリットおよび投影レンズの振動の周波数ｆ、被照射面でのレーザビームの走査速度Ｖ、および被照射面でのレーザビームの走査方向の長さｄは、ｆ≧  Ｖ／ｄの関係を有することにより、レーザビームの強度分布を時間的に平均化するという効果が、顕在化する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明のビームホモジナイザは、第１および第２の反射ミラーが振動するため、ビームホモジナイザの射出口でのレーザビームの強度分布を時間的に平均化することができる。従って、本発明の振動するビームホモジナイザを用いることで、レーザビームの強度分布から、干渉によって生じた強度不足の部分をなくして、均一な分布とすることができるため、レーザビームによって被照射物を均一に加熱することが可能になる。
【００２９】
本発明ではスリットを振動させることにより、回折によるレーザビームの強度分布の変動を無くす、または少なくすることができる。従って、本発明の振動するスリットを用いることで、レーザビームによって、被照射物に必要な大きさの熱エネルギーを確実に供給することができるようになるため、レーザビームによって被照射物を均一に加熱することが可能になる。
【００３０】
本発明では投影レンズを振動させることにより、レーザビームの干渉、および回折によるレーザビームの強度分布の変動を無くす、または少なくすることができる。従って、本発明の振動する投影レンズを用いることで、レーザビームによって、被照射物に必要な大きさの熱エネルギーを確実に供給することができるようになるため、レーザビームによって被照射物を均一に加熱することが可能になる。
【００３１】
従って、本発明のように、振動するビームホモジナイザ、振動するスリットまたは振動する投影レンズを通過させてレーザビームを照射することで、被照射物に対するレーザビームによる加熱の効果を均一に、また確実に得ることが可能になる。例えば、レーザビームを照射して非晶質シリコン膜を結晶化する場合、本発明を適用することで、均一な結晶構造の結晶性シリコン膜を形成することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
図面を参照しながら、本発明のレーザ照射装置の光学系、およびレーザ照射方法を説明する。なお、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、各実施の形態および各実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。
【００３３】
（実施の形態１）
本実施の形態では、振動するビームホモジナイザを有する光学系について説明する。図１は、本実施の形態の光学系の平面図であり、左側にｘｚ平面図を示し、右側にｙｚ平面図を示している。ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向は互いに直交する。図１には、被照射面がｘｙ平面に平行な平面であり、レーザビームをｙ方向に平行に走査するような光学系を示している。
【００３４】
図１の光学系は、ビームホモジナイザ１００と、投影レンズ１０１を有する。ビームホモジナイザは、矩形状の第１の反射ミラー１０３および第２の反射ミラー１０４を有する。図２はビームホモジナイザ１００の立体斜視図である。第１の反射ミラー１０３には振動子１０５ａが取り付けられ、第２の反射ミラー１０４には振動子１０５ｂが取り付けられている。振動子１０５ａ、１０５ｂの振動を第１の反射ミラー１０３、第２の反射ミラー１０４に伝えて、これらの反射ミラー１０３、１０４を振動させる。振動子１０５ａ、１０５ｂには圧電素子を用いればよい。
【００３５】
ビームホモジナイザ１００において、第１の反射ミラー１０３と第２の反射ミラー１０４は、反射面を内側に、ｘ方向に間隔を開けて対向して配置されている。第１の反射ミラー１０３と第２の反射ミラー１０４の間隔は５００μｍ以上１ｍｍ以下が好ましい範囲である。図１には、第１の反射ミラー１０３および第２の反射ミラー１０４の反射面がｙｚ平面に平行になるように対向している状態を図示している。
【００３６】
第１の反射ミラー１０３と第２の反射ミラー１０４の間に入射したレーザビームＬＢは、反射ミラー１０３および反射ミラー１０４で反射しながら、第１の反射ミラー１０３と第２の反射ミラー１０４の間の空間を伝搬し、第１の反射ミラー１０３と第２の反射ミラー１０４の間から射出される。つまり、第１の反射ミラー１０３と第２の反射ミラー１０４により光導波路が構成されている。
【００３７】
投影レンズ１０１はビームホモジナイザ１００の射出口の像を平面Ｐａに投影するレンズである。ビームホモジナイザ１００を通過したレーザビームＬＢは、投影レンズ１０１により、平面Ｐａに投影される。平面Ｐａは被照射物の被照射面に相当し、ｘｙ平面に平行である。投影レンズ１０１により、ビームホモジナイザ１００の射出口は、被照射面である平面Ｐａと共役の関係にある。
【００３８】
上述したように、ビームホモジナイザ１００（光導波路）をレーザビームが通過することで、ビームホモジナイザ１００の射出口に干渉縞が生ずる。投影レンズ１０１ではこの干渉縞を投影するため、平面ＰａにおけるレーザビームＬＢの強度分布は、射出口での干渉縞を反映し、温度分布を均一にして被照射物を加熱することができなくなる。このような問題点を解消するため、振動子１０５ａ、１０５ｂにより、第１の反射ミラー１０３および第２の反射ミラー１０４をそれぞれ振動させる。振動により、ビームホモジナイザ１００の射出口で干渉縞が振動するため、レーザビームＬＢの射出口でのｘ方向の強度分布は時間的に平均化される。つまり、レーザビームＬＢの強度が干渉によってｘ方向で周期的に変化していたのを、ビームホモジナイザ１００の振動により、レーザビームＬＢの強度の変動幅を小さくし、ｘ方向の強度分布を均一化している。よって、ビームホモジナイザ１００を振動させることで、レーザビームＬＢのｘ方向の強度分布に強度不足の部分をなくすことができる。
【００３９】
ビームホモジナイザ１００の射出口の像は強度分布が均一な像として、投影レンズ１０１により被照射物に投影されるため、レーザビームＬＢによって被照射物を均一に加熱することができる。
【００４０】
第１の反射ミラー１０３と第２の反射ミラー１０４の振動は、直線運動でもよいし、反射面を傾ける回転運動でもよい。ビームホモジナイザ１００による干渉縞を、平面ＰａにおいてレーザビームＬＢの走査方向（ｙ方向）と直交する方向（ｘ方向）に振動させることができればよい。
【００４１】
第１の反射ミラー１０３と第２の反射ミラー１０４を直線運動させる場合、図３（Ａ）に示すように、第１の反射ミラー１０３の移動方向が第２の反射ミラー１０４移動方向と同じ方向でもよいし、図３（Ｂ）に示すように、第１の反射ミラー１０３の移動方向が第２の反射ミラー１０４と逆方向でもよい。また、回転運動の場合も、図３（Ｃ）に示すように第１の反射ミラー１０３と第２の反射ミラー１０４を同じ方向に傾けてもよいし、図３（Ｃ）に示すように異なる方向に傾けてもよい。
【００４２】
なお、反射ミラー１０３、１０４（またはビームホモジナイザ１００）を同じ方向に振動させるとは、図３（Ａ）または図３（Ｃ）のように反射ミラー１０３、１０４を動かすことをいうこととする。また、反射ミラー１０３、１０４（またはビームホモジナイザ１００）を異なる方向に振動させるとは、図３（Ｂ）または図３（Ｄ）のように反射ミラー１０３、１０４を動かすことをいうこととする。
【００４３】
図３（Ａ）〜（Ｄ）に示すようにビームホモジナイザ１００を振動させることで、ビームホモジナイザ１００の射出口で干渉縞がｘ方向に振動する。その結果として、ビームホモジナイザ１００の射出口で、レーザビームＬＢのｘ方向の強度分布が時間的に平均化されるため、レーザビームＬＢのｘ方向の強度分布に強度不足の部分をなくすことができる。
【００４４】
以上述べたように、図１の光学系では、ビームホモジナイザ１００による平面Ｐａでの干渉縞が、平面ＰａでレーザビームＬＢを走査する方向と直交する方向に振動するように、ビームホモジナイザ１００を振動させることにより、走査方向と直交する方向のレーザビームＬＢの強度分布を時間的に平均化することができる。従って、図１の光学系を用いて、所定の一方向（ｙ方向）に走査しながらレーザビームを照射することで、被照射物の温度を均一に上昇させることができるので、レーザビームＬＢの照射による作用を均一に被照射物に与えることができる。
【００４５】
レーザビームの強度分布を時間的に平均化する効果を顕在化するには、第１の反射ミラー１０３と第２の反射ミラー１０４の振動の振幅ｄａｍ、つまり振動の１周期における変位は上限を１０μｍ程度とし、下限はレーザビームＬＢの波長とするのが好ましい。振動の振幅ｄａｍは、振動しないときに平面Ｐａに投影される干渉縞の間隔と、投影レンズ１０１の倍率をもとに決めることができる。なお、第１の反射ミラー１０３、第２の反射ミラー１０４の反射面を傾けるような振動の場合、振幅ｄａｍは、第１の反射ミラー１０３、第２の反射ミラー１０４それぞれの端部のｘ方向の変位の最大値である（図３（Ｃ）および図３（Ｄ）参照）。
【００４６】
ビームホモジナイザ１００を振動することによる効果を顕在化するには、ビームホモジナイザ１００の振動の１周期は、平面ＰａにおけるレーザビームＬＢのｙ方向の長さと同じ距離をレーザビームＬＢが走査するのに要する時間と同じか、その時間よりも短くすることが好ましい。よって、振動の周波数ｆ１、平面Ｐａにおけるｙ方向のレーザビームＬＢの長さｄ、およびレーザビームＬＢの平面Ｐａにおけるｙ方向の走査速度Ｖの関係が、ｆ１≧Ｖ／ｄであるのが好ましい。なお、この数式で周波数ｆ１を決めることができるのは、レーザビームＬＢが連続発振レーザ（以下、「ＣＷレーザ」という。）、または疑似連続発振レーザ（以下、「疑似ＣＷレーザ」という。）から射出されるビームの場合である。例えば、ｄ＝２０μｍ、Ｖ＝５００ｍｍ／ｓｅｃであれば、周波数ｆ１を２５０００Ｈｚ以上とすることで、ビームホモジナイザ１００の振動の効果が顕著になる。
【００４７】
また、レーザビームＬＢがパルス発振レーザから射出されるビームの場合は、振動の周期はレーザのパルス幅τ以下とするのが好ましい。よって、振動の周波数ｆ１はパルス幅τの逆数以上、つまりｆ１≧τ−１を満たすと、ビームホモジナイザ１００の振動による効果を顕在化することができる。
【００４８】
数万Ｈｚ以上の周波数で振動させるため、反射ミラー１０３、１０４は、軽量で、かつ振動により反射面が歪むことのない強度のある構造物とする。反射ミラー１０３、１０４には、例えば、ポーラスシリコンの薄い板、表面に反射性の被膜をコーティングしたセラミックの薄い板、および、内部が中空構造またはハニカム構造で、表面に反射性の被膜をコーティングした板などを用いることができる。
【００４９】
図１の光学系で、第１の反射ミラー１０３および第２の反射ミラー１０４を同じ方向に振動させると、ビームホモジナイザ１００の光軸も振動してしまう。そこで、投影レンズ１０１も振動させることで、ビームホモジナイザ１００の光軸の振動を補償することができる。第１の反射ミラー１０３および第２の反射ミラー１０４の振動に同期させて投影レンズ１０１を振動させることで、レーザビームＬＢによる平面Ｐａでの照射領域を振動させないようにする。投影レンズ１０１を振動させるには、投影レンズ１０１に、圧電素子等でなる振動子を取り付けることで可能である。
【００５０】
投影レンズ１０１の移動方向、ならびに振動の周期および振幅は、レーザビームＬＢの照射領域が平面Ｐａで変動しないように設定する。投影レンズ１０１の振動の周波数ｆ２は第１の反射ミラー１０３および第２の反射ミラー１０４の振動の周波数ｆ１と同じにすればよい。投影レンズ１０１の振動の振幅は、第１の反射ミラー１０３および第２の反射ミラー１０４の振動の振幅、投影レンズ１０１の倍率をもとに決めることができる。投影レンズ１０１を振動させるための振動子には圧電素子を用いることができる。
【００５１】
（実施の形態２）
本実施の形態では、振動するビームホモジナイザを有する光学系を説明する。図４は本実施の形態の光学系の平面図である。図４でも、図１と同様に、左側にｘｚ平面図を示し、右側にｙｚ平面図を示している。また、図４の光学系も、被照射面がｘｙ平面に平行な平面であり、レーザビームをｙ方向に平行に走査するような光学系である。
【００５２】
図４の光学系は、図１の光学系にスリット１２０を追加した光学系に相当する。スリット１２０はビームホモジナイザ１００の射出側と投影レンズ１０１の間に配置される。投影レンズ１０１は、スリット１２０の像を平面Ｐａに投影する。図１の光学系と同様、図４の光学系も、ビームホモジナイザ１００を振動させながら、かつレーザビームＬＢをｙ方向に走査しながら、被照射物にレーザビームＬＢを照射することにより、ビームホモジナイザ１００での干渉の影響を抑えて、被照射物を均一に加熱することができる。
【００５３】
図１の光学系では、第１の反射ミラー１０３および第２の反射ミラー１０４を同じ方向に振動させると、ビームホモジナイザ１００の光軸が振動するため、被照射領域の位置も振動する。また、第１の反射ミラー１０３および第２の反射ミラー１０４を異なる方向に振動させると、ビームホモジナイザ１００の射出口の大きさが変わるため、平面ＰａでのレーザビームＬＢの被照射領域の範囲が変動する。図４の光学系では、ビームホモジナイザ１００の振動によって、被照射領域が変化しないようにするため、ビームホモジナイザ１００の射出口側にスリット１２０が配置されている。投影レンズ１０１はスリット１２０の射出側に配置される。投影レンズ１０１により、スリット１２０は被照射面である平面Ｐａと共役関係にある。
【００５４】
スリット１２０の間隔は、第１の反射ミラー１０３および第２の反射ミラー１０４の間隔と同程度とすればよい。レーザビームＬＢがスリットを通過することで、強度分布が均一化された部分が選択的に取り出されるように、スリット１２０の間隔はビームホモジナイザ１００の振動の振幅ｄａｍや、レーザビームＬＢの広がりを考慮して決定される。
【００５５】
ビームホモジナイザ１００の射出口から射出されたレーザビームＬＢはスリット１２０で端部が遮蔽される。投影レンズ１０１はスリット１２０の像を平面Ｐａに投影する。スリット１２０は振動しないため、ビームホモジナイザ１００が振動していても、平面ＰａでのレーザビームＬＢの被照射領域の範囲および位置が変動しない。また、レーザビームＬＢをスリット１２０を通過させることにより、ビームホモジナイザ１００の振動により強度分布が均一化された部分が、レーザビームＬＢから選択的に取り出されるため、レーザビームＬＢにより均一に被照射物を加熱することができる。
【００５６】
（実施の形態３）
本実施の形態では、振動するスリットを有する光学系について説明する。図５は本実施の形態の光学系の平面図である。図５でも、図１と同様に、左側にｘｚ平面図を示し、右側にｙｚ平面図を示している。また、図５の光学系も、被照射面がｘｙ平面に平行な平面であり、レーザビームをｙ方向に平行に走査するような光学系である。
【００５７】
図５に示すように、光学系は振動するスリット１３０、およびスリット１３０の射出側に配置された投影レンズ１０１を有する。投影レンズ１０１はスリット１３０の像を平面Ｐａに投影するためのレンズである。投影レンズ１０１により、スリット１３０は被照射面である平面Ｐａと共役関係にある。
【００５８】
レーザ照射処理に使用されるレーザビームＬＢは、一般的に、シングルモードのレーザビームであり、その強度分布はガウシアン分布である。そのため、レーザビームＬＢの端部の強度はレーザ照射処理に必要な値に不足する。スリット１３０により、強度が不足しているレーザビームＬＢの端部を遮蔽しているため、一定値以上の強度のレーザビームＬＢを照射することができる。
【００５９】
スリット１３０は遮蔽板１３１、１３２を有する。遮蔽板１３１、１３２は平面ＰａでレーザビームＬＢのｘ方向の長さを規定するように配置されている。遮蔽板１３１、１３２はｘ方向に間隔を開けて配置されている。遮蔽板１３１、１３２の間隔は５００μｍ以上５ｍｍ以下が好ましい。遮蔽板１３１、１３２には、それぞれ、振動子１３５ａ、１３５ｂが取り付けられている。振動子１３５ａ、１３５ｂの振動を遮蔽板１３１、１３２に伝えて、これら遮蔽板１３１、１３２を振動させている。振動子１３５ａ、１３５ｂには圧電素子などを用いることができる。
【００６０】
レーザビームＬＢはスリット１３０を通過することで回折する。回折の影響で、平面ＰａでのレーザビームＬＢの端部近傍の強度が必要な値よりも小さく、または大きくなるおそれがある。図５の光学系ではスリット１３０をｘ方向に振動させることによって、平面ＰａでのレーザビームＬＢの端部近傍のｘ方向の強度分布を時間的に平均化できるため、レーザビームＬＢの端部近傍で強度が不均一になることを回避することができる。レーザビームＬＢを平面Ｐａにおいてｙ方向に走査することで、レーザビームＬＢの端部近傍が照射される部分も、温度を十分に上昇させることができるため、レーザビームＬＢの照射領域全体で均一に温度を上昇させることができる。
【００６１】
つまり、図５の光学系では、平面ＰａでレーザビームＬＢが走査される方向に直交する方向（ｘ方向）にレーザビームＬＢ端部が振動するように、スリット１３０を振動させることで、レーザビームＬＢによって被照射物が均一に加熱されるようにしている。
【００６２】
遮蔽板１３１、１３２はｘ方向に直線運動するように振動される。別の言い方をすると、スリット１３０をレーザビームの走査方向（ｙ方向）と直交する方向（ｘ方向）に振動させる。遮蔽板１３１、１３２の移動の方向は、図６（Ａ）に示すように同じ方向でもよいし、図６（Ｂ）に示すように逆方向でもよい。なお、スリット１３０（遮蔽板１３１、１３２）を同じ方向に振動させるとは、図３（Ａ）のように遮蔽板１３１、１３２を動かすことをいうこととする。また、スリット１３０（遮蔽板１３１、１３２）を異なる方向に振動させるとは、図６（Ｂ）ように遮蔽板１３１、１３２を動かすことをいうこととする。
【００６３】
スリット１３０を振動することによる効果を顕在化するには、スリット１３０の振動の周波数ｆ３および振幅ｄａｍは、図１のビームホモジナイザ１００の振動の条件と同様とすればよい。すなわち、スリット１３０の振幅ｄａｍの好ましい範囲は１０μｍ以下、レーザビームＬＢの波長以上である。周波数ｆ３は、レーザビームＬＢがＣＷレーザまたは疑似ＣＷレーザから射出されるレーザビームの場合、ｆ３≧Ｖ／ｄとするのが好ましい。ｄは、平面ＰａにおけるレーザビームＬＢのｙ方向の長さであり、ＶはレーザビームＬＢの平面Ｐａにおけるｙ方向の走査速度である。また、レーザビームＬＢがパルス発振レーザから射出されるレーザビームの場合、周波数ｆ３はパルス幅τの逆数以上、ｆ３≧τ−１とするのが好ましい。
【００６４】
図６（Ａ）に示すようにスリット１３０を同じ方向に振動させると、スリット１３０の光軸も振動するが、投影レンズ１０１を振動させることで、スリット１３０の光軸の振動を補償することができる。スリット１３０の振動に同期させて投影レンズ１０１を振動させることで、レーザビームＬＢによる平面Ｐａでの照射領域を振動させないようにすることができる。
【００６５】
レーザビームＬＢの照射領域が平面Ｐａで変動しないように、投影レンズ１０１の移動方向、並びに振動の振幅および周波数を設定する。周波数はスリットの振動の周波数と同じにすればよい。振幅は、スリットの振動の振幅ｄａｍ、投影レンズ１０１の倍率をもとに決めることができる。投影レンズ１０１に圧電素子などでなる振動子を取り付けることで、投影レンズ１０１を振動させることができる。
【００６６】
（実施の形態４）
本実施の形態では、振動する投影レンズを有する光学系について説明する。図７は、本実施の形態の光学系の平面図であり、左側にｘｚ平面図を示し、右側にｙｚ平面図を示している。ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向は互いに直交する。図７には、被照射面がｘｙ平面に平行な平面であり、レーザビームをｙ方向に平行に走査するような光学系を示している。
【００６７】
本実施の形態の光学系は、図１の光学系で、ビームホモジナイザ１００を固定し、投影レンズ１０１のみを振動させた光学系である。図１の光学系と異なるのは、ビームホモジナイザ１００を振動させる振動子１０５ａ、１０５ｂを取り外し、投影レンズを振動させるための圧電素子などでなる振動子１４５が投影レンズ１０１に取り付けられている点である。
【００６８】
ビームホモジナイザ１００をレーザビームＬＢが通過することで干渉が生じ、投影レンズ１０１は干渉縞を平面Ｐａする。そこで、図７の光学系では、平面Ｐａでｘ方向の干渉縞がなくなるように、投影レンズ１０１をｘ方向に振動する。投影レンズ１０１の振動は、ｘｙ平面でｘ方向に直線運動させればよい。
【００６９】
投影レンズ１０１を走査方向と直交する方向（ｘ方向）に振動させることにより、平面Ｐａにおいて走査方向と直交する方向のレーザビームＬＢの強度分布を時間的に平均化することができる。従って、図７の光学系を用いて、所定の一方向（ｙ方向）に走査しながらレーザビームＬＢを照射することで、被照射物の温度を均一に上昇させることができるので、レーザビームＬＢの照射による作用を均一に被照射物に与えることができる。投影レンズ１０１を振動させることで、図１の光学系と同様の効果を得ることができる。
【００７０】
レーザビームの強度分布を時間的に平均化する効果を顕在化するには、投影レンズ１０１の振動の振幅ｄａｍ、つまり振動の１周期における変位は上限を１０μｍ程度とし、下限はレーザビームＬＢの波長とするのが好ましい。また、投影レンズ１０１の振動の振幅ｄａｍは、振動しないときに平面Ｐａに投影される干渉縞の間隔とすればよい。
【００７１】
レーザビームの強度分布を時間的に平均化する効果を顕在化するには、投影レンズ１０１の振動の周波数ｆ２は、レーザビームＬＢがＣＷレーザまたは疑似ＣＷレーザから射出されたビームの場合、ｆ３≧Ｖ／ｄとするのが好ましい。ｄは、平面ＰａにおけるレーザビームＬＢのｙ方向の長さであり、ＶはレーザビームＬＢの平面Ｐａにおけるｙ方向の走査速度である。また、レーザビームＬＢがパルス発振レーザから射出されたビームの場合、周波数ｆ３はパルス幅τの逆数以上、ｆ≧τ−１とするのが好ましい。
【００７２】
（実施の形態５）
本実施の形態では、振動する投影レンズを有する光学系について説明する。図８は、本実施の形態の光学系の平面図であり、左側にｘｚ平面図を示し、右側にｙｚ平面図を示している。ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向は互いに直交する。図８には、被照射面がｘｙ平面に平行な平面であり、レーザビームをｙ方向に平行に走査するような光学系を示している。
【００７３】
本実施の形態の光学系は、図５の光学系で、スリット１３０を固定し、投影レンズ１０１のみを振動させた光学系である。図８の光学系が、図５の光学系と異なる点は、スリット１３０を振動させる振動子１３５ａ、１３５ｂを取り外し、投影レンズを振動させるために圧電素子などでなる振動子１４５が、投影レンズ１０１に取り付けられている点である。
【００７４】
図８の光学系ではスリット１３０を有するため、スリット１３０での回折の影響で、平面ＰａでのレーザビームＬＢの端部近傍の強度が必要な値よりも小さくなる、または大きくなるおそれがある。そこで、図８の光学系では、投影レンズ１０１をｘ方向に振動させて、平面ＰａでレーザビームＬＢの端部近傍で強度分布が均一になるようにしている。つまり、投影レンズ１０１を振動させることで、図５の光学系と同様の効果を得ることができる。
【００７５】
投影レンズ１０１の振動は、ｘｙ平面でｘ方向に直線運動させればよい。図８の光学系では、平面ＰａでレーザビームＬＢが走査される方向に直交する方向（ｘ方向）にレーザビームＬＢ端部が振動するように、投影レンズ１０１を振動させることで、平面ＰａでのレーザビームＬＢの端部近傍のｘ方向の強度分布を時間的に平均化させることが可能である。よって、所定の一方向（ｙ方向）に走査しながらレーザビームＬＢを照射することで、被照射物の温度を均一に上昇させることができるので、レーザビームＬＢの照射による作用を均一に被照射物に与えることができる。
【００７６】
レーザビームの強度分布を時間的に平均化する効果を顕在化するには、投影レンズ１０１の振動の振幅ｄａｍ、つまり振動の１周期における変位は上限を１０μｍ程度とし、下限はレーザビームＬＢの波長である。また、投影レンズ１０１の振動の振幅ｄａｍは、振動しないときに平面Ｐａに投影される干渉縞の間隔とすればよい。
【００７７】
レーザビームの強度分布を時間的に平均化する効果を顕在化するには、投影レンズ１０１の振動の周波数ｆ２は、レーザビームＬＢがＣＷレーザまたは疑似ＣＷレーザから射出されるレーザビームの場合、ｆ２≧Ｖ／ｄとするのが好ましい。ｄは、平面ＰａにおけるレーザビームＬＢのｙ方向の長さであり、ＶはレーザビームＬＢの平面Ｐａにおけるｙ方向の走査速度である。また、レーザビームＬＢがパルス発振レーザから射出されるレーザビームの場合、周波数ｆ２はパルス幅τの逆数以上、ｆ２≧τ−１とするのが好ましい。
【００７８】
図１、図４、図５、図７および図８に示す光学系を有するレーザ照射装置は、非晶質シリコンなどの非晶質材料を結晶化する加熱処理に用いることができる。これらの光学系を通してレーザビームを照射して、非晶質材料を結晶化することにより、均一な結晶構造の結晶性材料を得ることができる。例えば、非晶質シリコン膜を結晶化することで、結晶構造が均一で、大粒径の結晶性シリコン膜を形成することができる。
【００７９】
また、図１、図４、図５、図７および図８の光学系を有するレーザ照射装置は、結晶化のための加熱処理の他、半導体材料に添加したｎ型不純物やｐ型不純物を活性化するための加熱処理、シリコンと金属を反応させてシリサイドを形成するための加熱処理、レーザスクライブ処理など、様々な加熱処理に用いることができる。
【００８０】
図１、図４、図５、図７および図８の光学系でレーザビームＬＢを走査するには、レーザビームＬＢを被照射物に対して相対的に移動できればよい。よって、レーザビームＬＢのみを移動する、被照射物のみを移動する、またはレーザビームＬＢおよび被照射物双方を移動する、いずれの方法でもレーザビームＬＢを走査することができる。
【００８１】
図１、図４、図５、図７および図８の光学系では、投影レンズ１０１に凸シリンドリカルレンズを用い、ｘ方向でレーザビームを集光するように配置しているが、投影レンズ１０１に凸球面レンズを用いることもできる。
【００８２】
図１、図４および図７ビームホモジナイザ１００を有する光学系において、ビームホモジナイザ１００の入射側に、少なくともｘ方向にパワーを有する集光レンズを配置するのが好ましい。集光レンズによって、レーザビームＬＢを集光させることで、レーザビームＬＢをビームホモジナイザ１００に入射させやすくすることができる。集光レンズには、例えば、凸シリンドリカルレンズ、凸球面レンズが用いられる。
【００８３】
図１および図９のように、ビームホモジナイザ１００を有する光学系において、ビームホモジナイザ１００の射出側に、平面ＰａにおいてレーザビームＬＢをｙ方向に集光する集光レンズを配置するのが好ましい。また、図４の光学系ではスリット１２０の射出側に、図５の光学系ではスリット１３０の射出側に、平面ＰａにおいてレーザビームＬＢをｙ方向に集光する集光レンズを配置するのが好ましい。ｙ方向にレーザビームＬＢを集光させることで、レーザビームＬＢの平面Ｐａでの強度を高くすることができ、レーザビームＬＢのエネルギーを効率良く被照射物に供給できる。集光レンズは投影レンズ１０１の入射側でも、射出側のいずれでもよい。集光レンズには、例えば、凸シリンドリカルレンズ、凸球面レンズが用いられる。
【実施例１】
【００８４】
本実施例では、光学系に振動するビームホモジナイザを有するレーザ照射装置、および振動するビームホモジナイザを用いたレーザ照射方法について説明する。図９に、本実施例のレーザ照射装置の構成例を示す。図９のレーザ照射装置の光学系に、図４の光学系が適用されている。図９において、図４と同じ符号は同じ構成要素を示している。後述するが、ｙ方向がレーザビームの走査方向に平行な方向であり、ｘ方向がレーザビームの走査方向に直交する方向である。
【００８５】
図９に示すように、レーザ照射装置は、レーザ発振器２０１、被照射物Ｏｂの保持手段である吸着ステージ２０２を有する。レーザ発振器２０１には、ＣＷレーザ、疑似ＣＷレーザまたはパルス発振レーザが用いられる。
【００８６】
レーザ照射装置には、吸着ステージ２０２をｘ方向に移動するためのＸステージ２０３、吸着ステージ２０２をｙ方向に移動するためのＹステージ２０４を有する。Ｘステージ２０３、Ｙステージ２０４によって、被照射物Ｏｂをｘｙ平面で２次元的に移動する。つまり、Ｘステージ２０３、Ｙステージ２０４によって被照射物Ｏｂを移動することにより、被照射物Ｏｂの被照射面におけるレーザビームＬＢのビームスポットＳｏｂをｘｙ平面で走査する。
【００８７】
レーザ照射装置の光学系は、レーザ発振器２０１の射出側から、集光レンズ１５０、ビームホモジナイザ１００、スリット１２０、偏向ミラー１５１、投影レンズ１０１、集光レンズ１５２が配置されている。投影レンズ１０１を集光レンズ１５２の射出側に配置してもよい。
【００８８】
ビームホモジナイザ１００は矩形状の第１の反射ミラー１０３および第２の反射ミラー１０４を有し、ビームスポットＳｏｂのｘ方向の強度分布を均一にするように配置されている。第１の反射ミラー１０３と第２の反射ミラー１０４の間隔は５００μｍ以上１ｍｍ以下とすればよい。第１の反射ミラー１０３および第２の反射ミラー１０４には、図１と同様、それぞれ振動子が取り付けられている。振動子の振動により、第１の反射ミラー１０３および第２の反射ミラー１０４はｘ方向、つまりビームスポットＳｏｂの長尺方向に振動する。
【００８９】
スリット１２０は、ビームスポットＳｏｂのｘ方向の両端を遮蔽するように配置されている。偏向ミラー１５１は、レーザビームＬＢの光路を偏向するために配置されている。偏向ミラー１５１は、光路を偏向する必要がある箇所に適宜配置される。従って、本発明の光学系において、偏向ミラー１５１の位置、および数は図９に限定されるものではない。投影レンズ１０１はスリット１２０の像を被照射物Ｏｂに投影するためのレンズである。投影レンズ１０１により、スリット１２０は被照射面と共役の関係となっている。集光レンズ１５２は、ビームスポットＳｏｂをｙ方向、つまりビームスポットＳｏｂをその短尺方向に集光するためのレンズである。
【００９０】
図９の光学系では、投影レンズ１０１、集光レンズ１５０、１５２に全て凸型シリンドリカルレンズが用いられている。集光レンズ１５０は、レーザビームＬＢをｘ方向に集光してビームスポットＳｏｂが形成されるように配置されている。集光レンズ１５０はレーザビームＬＢを集光してビームホモジナイザ１００に入射するためのレンズである。投影レンズ１０１はスリット１２０の像を被照射物Ｏｂに投影するためのレンズであり、ビームスポットＳｏｂをｘ方向に集光するように配置されている。集光レンズ１５２はビームスポットＳｏｂをｙ方向に集光するためのレンズである。集光レンズ１５２により、ビームスポットＳｏｂはその短尺方向に集光される。ビームスポットＳｏｂをｙ方向に集光することで、被照射物Ｏｂに熱エネルギーを効率良く供給することができる。
【００９１】
レーザ発振器２０１から射出されたレーザビームＬＢは、集光レンズ１５０で集光され、ビームホモジナイザ１００に入射する。ビームホモジナイザ１００に入射したレーザビームＬＢは、第１の反射ミラー１０３および第２の反射ミラー１０４の間を反射しながら伝搬し、ｘ方向の強度分布が均一化される。また、第１の反射ミラー１０３および第２の反射ミラー１０４がｘ方向に振動しているため、ビームホモジナイザ１００の射出口のｘ方向の強度分布が時間的に平均化される。つまり、ビームホモジナイザ１００の射出口において、レーザビームＬＢの干渉による周期的な強度分布が均一化される。第１の反射ミラー１０３および第２の反射ミラー１０４の振動の条件は、実施の形態１で述べたとおりである。レーザ発振器２０１がＣＷレーザまたは疑似ＣＷレーザであるか、もしくはパルス発振レーザであるかによって、振動の周波数を最適化する。
【００９２】
ビームホモジナイザ１００から射出されたレーザＬＢは、スリット１２０を通過することで端部が遮蔽される。スリット１２０を通過したレーザＬＢは、偏向ミラー１５１で偏向された後、投影レンズ１０１でｘ方向に集光され、集光レンズ１５２でｙ方向に集光され、被照射物Ｏｂに照射される。Ｙステージ２０４によりビームスポットＳｏｂをｙ方向に走査しながら、レーザビームＬＢを被照射物Ｏｂに照射する。
【００９３】
レーザビームＬＢは図９の光学系を経ることで、被照射面でのビームスポットＳｏｂの形状がｘ方向の長さがｙ方向の長さよりも長くなるような形状に加工される。より具体的には、ビームスポットＳｏｂの形状は線状、長円状または矩形状となる。なお、図９の光学系において、ビームスポットＳｏｂの形状は、アスペクト比（ｘ方向の長さ／ｙ方向の長さ）が１０以上となるような形状が好ましい。アスペクト比は１００以上がより好ましい。
【００９４】
図９のレーザ照射装置において、ビームホモジナイザ１００において、レーザビームＬＢの走査方向と直交する方向（ｘ方向、ビームスポットＳｏｂの長尺方向）のビームスポットＳｏｂの強度分布を均一化しているため、ビームスポットＳｏｂを所定の一方向（ｙ方向、ビームスポットＳｏｂの短尺方向）に走査することにより、被照射物Ｏｂを均一に加熱することができ、均一に温度上昇させることができる。
【００９５】
なお、本実施例では、図４の光学系（実施の形態６）を適用した光学系の構成例を説明したが、図１の光学系を適用することもできる。図１の光学系を適用するには、図９において、スリット１２０を省けばよい。この場合、投影レンズ１０１は、ビームホモジナイザ１００の射出口が被照射面と共役の関係になるように配置される。また、ビームホモジナイザ１００を同じ方向に振動させるならば、投影レンズ１０１に振動子を取り付けるとよい。ビームホモジナイザ１００と共に、投影レンズ１０１をｘ方向に振動させることで、ビームスポットＳｏｂが振動しないようにすることができる。
【実施例２】
【００９６】
本実施例では、光学系に振動するスリットを有するレーザ照射装置、および振動するスリットを用いたレーザ照射方法について説明する。図１０に、本実施例のレーザ照射装置の構成例を示す。図１０のレーザ照射装置の光学系に、図５の光学系が適用されている。図１０において、図５および図９と同じ符号は、これらの図面と同じ構成要素を示している。図１０のレーザ照射装置も、図９と同様、ｙ方向がレーザビームの走査方向に平行な方向であり、ｘ方向がレーザビームの走査方向に直交する方向である。
【００９７】
図１０に示すように、レーザ照射装置は、レーザ発振器２０１、吸着ステージ２０２、Ｘステージ２０３、Ｙステージ２０４を有する。
【００９８】
レーザ照射装置の光学系は、レーザ発振器２０１の射出側から、ｘ方向に振動するスリット１３０、偏向ミラー１５１、投影レンズ１０１、集光レンズ１５２が順次配置されている。なお、投影レンズ１０１を集光レンズ１５２の射出側に配置してもよい。偏向ミラー１５１は、光路を偏向する必要がある箇所に適宜配置される。従って、本発明の光学系において、偏向ミラー１５１の位置、および数は図１０に限定されるものではない。
【００９９】
スリット１３０は２つの遮蔽板１３１、１３２を有する。遮蔽板１３１、１３２はビームスポットＳｏｂのｘ方向の両端を遮蔽するように配置されている。遮蔽板１３１、１３２には、それぞれ、振動子が取り付けられ、振動子によってｘ方向に振動される。
【０１００】
図１０では、投影レンズ１０１、集光レンズ１５２に凸型シリンドリカルレンズが用いられている。投影レンズ１０１はスリット１３０の像を被照射物Ｏｂに投影するためのレンズであり、レーザビームＬＢをｘ方向に集光してビームスポットＳｏｂを形成するように配置されている。スリット１３０が被照射面と共役の関係になるように、投影レンズ１０１が配置されている。集光レンズ１５２はビームスポットＳｏｂをｙ方向に集光するためのレンズである。
【０１０１】
レーザ発振器２０１から射出されたレーザビームＬＢは、スリット１３０において、ｘ方向の端部が遮蔽される。スリット１３０を通過したレーザビームＬＢは、偏向ミラー１５１で偏向された後、投影レンズ１０１でｘ方向に集光され、集光レンズ１５２でｙ方向に集光され被照射物Ｏｂに照射される。ビームスポットＳｏｂをＹステージ２０４にｙ方向に走査しながら、レーザビームＬＢを照射する。
【０１０２】
レーザビームＬＢが図１０の光学系を経ることで、被照射面でのビームスポットＳｏｂの形状は、ｘ方向の長さがｙ方向の長さよりも長くなるような形状に加工される。より具体的には、ビームスポットＳｏｂの形状は線状、長円状または矩形状となる。なお、図１０の光学系において、ビームスポットＳｏｂの形状は、アスペクト比（ｙ方向の長さ／ｘ方向の長さ）が１０以上となるような形状が好ましい。アスペクト比は１００以上がより好ましい。
【０１０３】
スリット１３０の回折により、ビームスポットＳｏｂ端部近傍の強度が影響を受けるが、スリット１３０を振動させることにより、ビームスポットＳｏｂの端部近傍のｘ方向の強度分布が時間的に平均化されるため、ビームスポットＳｏｂの端部近傍での強度が不足する、あるいは過剰になることを回避することができる。スリット１３０の振動の条件は、実施の形態３で述べたとおりである。レーザ発振器２０１がＣＷレーザまたは疑似ＣＷレーザであるか、もしくはパルス発振レーザであるかによって、振動の周波数を最適化する。
【０１０４】
つまり、図１０の光学系では、レーザビームＬＢを所定の一方向（ｙ方向、ビームスポットＳｏｂの短尺方向）に走査しながら、被照射面でスリット１３０の像がレーザビームＬＢの走査方向に直交する方向（ｘ方向、ビームスポットＳｏｂの長尺方向）に振動するように、スリット１３０を振動させることで、被照射物Ｏｂを均一に加熱することを可能にしている。
【０１０５】
なお、スリット１３０を同じ方向に振動させる場合、実施の形態３で説明したように、スリット１３０と同期させて、投影レンズ１０１を振動させるようにして、スリット１３０の光軸のずれを補償するようにすることもできる。
【実施例３】
【０１０６】
本実施例では、光学系に振動する投影レンズを有するレーザ照射装置、および振動する投影レンズを用いたレーザ照射方法について説明する。図１１に、本実施例のレーザ照射装置の構成例を示す。図１１のレーザ照射装置の光学系に、図７の光学系が適用されている。図１１において、図７および図９と同じ符号は、これらの図面と同じ構成要素を示している。図７のレーザ照射装置も、図９と同様、ｙ方向がレーザビームの走査方向に平行な方向であり、ｘ方向がレーザビームの走査方向に直交する方向である。
【０１０７】
図１１に示すように、レーザ照射装置は、レーザ発振器２０１、吸着ステージ２０２、Ｘステージ２０３、Ｙステージ２０４を有する。
【０１０８】
レーザ照射装置の光学系は、レーザ発振器２０１の射出側から、固定されたスリット１３０、偏向ミラー１５１、投影レンズ１０１、集光レンズ１５２が順次配置されている。なお、投影レンズ１０１を集光レンズ１５２の射出側に配置してもよい。偏向ミラー１５１は、光路を偏向する必要がある箇所に適宜配置される。従って、本発明の光学系において、偏向ミラー１５１の位置、および数は図１１に限定されるものではない。
【０１０９】
投影レンズ１０１には、図７と同様、振動子が取り付けられ、振動子によってｘ方向に振動される。投影レンズ１０１の振動の条件は、実施の形態４で述べたとおりである。レーザ発振器２０１がＣＷレーザまたは疑似ＣＷレーザであるか、もしくはパルス発振レーザであるかによって、振動の周波数を最適化する。
【０１１０】
レーザビームＬＢは図１１の光学系を経ることで、図９の光学系と同様、被照射面でのビームスポットＳｏｂの形状がｘ方向の長さがｙ方向の長さよりも長くなるような形状に加工される。より具体的には、ビームスポットＳｏｂの形状は線状、長円状または矩形状となる。なお、図１０の光学系において、ビームスポットＳｏｂの形状は、アスペクト比（ｙ方向の長さ／ｘ方向の長さ）が１０以上となるような形状が好ましい。アスペクト比は１００以上がより好ましい。
【０１１１】
スリット１３０の回折により、ビームスポットＳｏｂ端部近傍の強度が影響を受け、不均一になるが、投影レンズ１０１を振動させることにより、図９のレーザ照射装置と同様、ビームスポットＳｏｂの端部近傍のｘ方向の強度分布が時間的に平均化されるため、ビームスポットＳｏｂの端部近傍で強度が不均一になることを回避することができる。
【０１１２】
図１１の光学系では、レーザビームＬＢを所定の一方向（ｙ方向、ビームスポットＳｏｂの短尺方向）に走査しながら、投影レンズ１０１をレーザビームＬＢの走査方向に直交する方向（ｘ方向、ビームスポットＳｏｂの長尺方向）に振動させることで、ビームスポットＳｏｂを走査方向に直交する方向（ｘ方向、ビームスポットＳｏｂの長尺方向）振動させ、ビームスポットＳｏｂの端部近傍での強度分布を均一化している。そのため、図１１のレーザ照射装置では、被照射物Ｏｂを均一に加熱することが可能である。
【０１１３】
なお、本実施例では、振動する投影レンズを有するレーザ照射装置として、図７の光学系を有するレーザ照射装置を示したが、レーザ照射装置に図８の光学系を適用することもできる。この場合、図１０に示すレーザ照射装置において、スリット１３０の振動子を取り外し、投影レンズ１０１に振動子を取り付け、ｘ方向に振動されるように構成する。投影レンズ１０１の振動の条件は、実施の形態５と同様である。このように、図１０のレーザ照射装置の構成を変更することでも、図１０のレーザ照射装置と同様に、被照射物Ｏｂを均一に加熱することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】振動するビームホモジナイザを有する光学系の構成例を示す図であり、ｘｚ平面およびｚｙ平面の平面図を示す。
【図２】ビームホモジナイザの立体斜視図である。
【図３】ビームホモジナイザの振動を説明する図、（Ａ）は同じ方向に直線運動する場合、（Ｂ）は異なる方向に直線運動する場合、（Ｃ）は同じ方向に回転運動する場合、（Ｄ）は異なる方向に回転運動する場合を示す。
【図４】振動するビームホモジナイザを有する光学系の構成例を示す図であり、ｘｚ平面およびｚｙ平面の平面図を示す。
【図５】振動するスリットを有する光学系の構成例を示す図であり、ｘｚ平面およびｚｙ平面の平面図を示す。
【図６】スリットの振動を説明する図であり、（Ａ）は同じ方向に直線運動する場合を示し、（Ｂ）は異なる方向に直線運動する場合を示す。
【図７】振動する投影レンズを有する光学系の構成例を示す図であり、ｘｚ平面およびｚｙ平面の平面図を示す。
【図８】振動する投影レンズを有する光学系の構成例を示す図であり、ｘｚ平面およびｚｙ平面の平面図を示す。
【図９】振動するビームホモジナイザを有するレーザ照射装置の構成例を示す立体斜視図である。
【図１０】振動するスリットを有するレーザ照射装置の構成例を示す立体斜視図である。
【図１１】振動するスリットを有するレーザ照射装置の構成例を示す立体斜視図である。
【図１２】（Ａ）、（Ｂ）特許文献１に記載されたビームホモジナイザの平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）と直交する方向の平面図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１１、１２  反射ミラー
１００  ビームホモジナイザ
１０１  投影レンズ
１０３  第１の反射ミラー
１０４  第２の反射ミラー
１０５ａ、１０５ｂ  振動子
１２０  スリット
１３０  スリット
１３１、１３２  遮蔽板
１３５ａ、１３５ｂ  振動子
１４５  振動子
１５０  集光レンズ
１５１  偏向ミラー
１５２  集光レンズ
２０１  レーザ発振器
２０２  吸着ステージ
２０３  Ｘステージ
２０４  Ｙステージ
ＬＢ  レーザビーム
Ｐａ  平面（被照射面）
Ｏｂ  被照射物
Ｓｏｂ  被照射面におけるレーザビームスポット
【図１】
2008147643.tif 000003
【図２】
2008147643.tif 000004
【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】
2008147643.tif 000009
【図８】
2008147643.tif 000010
【図９】
2008147643.tif 000011
【図１０】
2008147643.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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