(57)【要約】【課題】大出力のレーザーを用いて大面積の試料のアニールを行う場合、一台の大出力の固体レーザー発振器は、かなり製造が困難であり、また出力安定性、耐久性、信頼性などに問題がある。また、線状形レーザーのビーム強度分布の高度均一性に課題がある。【解決手段】Ｎ台のレーザー発振器１１１〜１１Ｎは、例えば十数ワットから数十ワットの出力の、市販されている信頼性が高い固体レーザー発振器出力であり、それらから出射されたレーザーは、ファイバ１４１〜１４Ｎ等からなるファイバ転送光学系、長手Ｘ方向に強度均一化する整形レンズ１７１〜１７Ｎ、長手Ｘ方向におけるコンデンサ円筒形レンズ１８等の光学系を通じて、Ｎ本の線状形均一ビームに整形されて試料面２０の一箇所に一つの線状形ビームになるように重ね合わせられ、更に円筒形レンズ１９を通じて試料面２０上で一つの高度な均一強度分布を持つ細長い線状形ビームにまとめられる。【選択図】図１
2008112953.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに同期してパルス駆動される複数台の固体レーザー発振器と、
前記複数台の固体レーザー発振器からそれぞれ出射された複数本のレーザービームを１本ずつ別々に伝送する複数の光学ファイバと、
前記複数の光学ファイバによりそれぞれ伝送された前記複数本のレーザービームを、別々に光強度分布均一の第１の線状形ビームに整形する複数の光学レンズ系と、
前記複数の光学レンズ系から取り出される複数の前記第１の線状形ビームがそのビーム長手方向に一列に並べて入射され、光強度分布が均一で細長い１本の第２の線状形ビームに整形する円筒形レンズ手段と、
を有することを特徴とするレーザービーム均一化システム。
【請求項２】
互いに同期してパルス駆動されるＮ台（Ｎは２以上の自然数）の固体レーザー発振器と、
前記Ｎ台の固体レーザー発振器からそれぞれ出射されたＮ本のレーザービームを１本ずつ別々に伝送するＮ本の第１の光学ファイバと、
前記Ｎ本の第１の光学ファイバにより別々に伝送される前記Ｎ本のレーザービームを、それぞれ１本当たり複数本のレーザービームに分波するＮ個のファイバ分波器と、
前記Ｎ個のファイバ分波器によりそれぞれ前記複数本ずつに分波されたレーザービームを１本ずつ別々に伝送するＬ本（ＬはＮ以上の自然数）の第２の光学ファイバと、
前記Ｌ本の第２の光学ファイバにより別々に伝送されるＬ本のレーザービームを所定の１又は２以上の本数ずつ合波するＭ個（Ｍは２以上でＬ未満の自然数）のファイバ合波器と、  前記Ｍ個のファイバ合波器から出射されたＭ本のレーザービームを１本ずつ別々に伝送するＭ本の第３の光学ファイバと、
前記第３の光学ファイバによりそれぞれ伝送された前記Ｍ本のレーザービームを、別々に光強度分布均一の第１の線状形ビームに整形するＭ個の光学レンズ系と、
前記Ｍ個の光学レンズ系から別々に取り出されるＭ本の前記第１の線状形ビームがそのビーム長手方向に一列に並べて入射され、光強度分布が均一で細長い１本の第２の線状形ビームに整形する円筒形レンズ手段と、
を有することを特徴とするレーザービーム均一化システム。
【請求項３】
前記複数の光学ファイバに機械的な振動を与えてスペックルのパターンをランダムで変化させる振動手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のレーザービーム均一化システム。
【請求項４】
前記複数の光学ファイバに入射する前記レーザービームの光路中に、前記レーザービームの光束中心に回転軸が一致する偏光解消板を設け、該偏光解消板を回転することにより、スペックルのパターンをランダムに変更することを特徴とする請求項１又は３記載のレーザービーム均一化システム。
【請求項５】
互いに同期してパルス駆動される複数台の固体レーザー発振器と、
前記複数台の固体レーザー発振器からそれぞれ出射され、フリースペースで伝送されてきた複数本のレーザービームが１本ずつ別々に入射され、１本のレーザービーム毎に均一強度分布の第１の線状形ビームに整形するマルチプリズムアレイと、
前記マルチプリズムアレイにより整形された均一強度分布の複数本の前記第１の線状形ビームを一箇所に重ね合わせた後、照射面の短軸方向にビームを集光し、幅方向に極めて細い線状形に整形し、光強度分布が均一で細長い１本の第２の線状形ビームに整形する光学系と
を有することを特徴とするレーザービーム均一化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザービーム均一化システムに係り、特にアニーリングを行うために用いるレーザービームを、光強度分布が高度均一な線状形レーザービームとするレーザービーム均一化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、需要が高まっている液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）や有機ＥＬディスプレイ（ＯＬＥＤ）等のパネルに設けられる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作成するために、アモルファスシリコンの薄膜をポリシリコンの薄膜に結晶させる必要があり、そのためレーザービームでアモルファスシリコンをアニーリングする技術が用いられる。このレーザーアニーリングでは、高精度にポリシリコンの薄膜を結晶させるために、レーザービームに非常に均一な強度分布を要求されている。
【０００３】
現在、液晶ディスプレイパネルを作成するため、気体エキシマレーザー、或いは、固体Ｎｄ：ＹＡＧレーザーなどを用いている。また、特に液晶ディスプレイパネルを作成するためのアニールでは、レーザービーム強度分布に非常に均一性を要求され、一般には、アニール装置中、レーザー照射システムにホモジナイザーという光学系を用いてビーム強度分布を均一化にしている。
【０００４】
また、レーザーアニールプロセスの均一性と生産性を向上するため、一般には、ホモジナイザーでビームを細い幅の長い線状ビーム形状にし、その線状形ビーム長手方向に強度分布を均一化にして液晶パネル面のアモルファスシリコンの薄膜上に照射しながら、液晶パネルをビームの短軸方向のみにスキャンさせて試料面全面に均一にアニーリングしている。
【０００５】
ここで、レーザーアニールに一番使われているのはＫｒＦなどエキシマ気体レーザーである。しかし、このエキシマ気体レーザーは、フッ素など有毒ガスを使用している。このようなエキシマ気体レーザーを装置に取り込むと、生産の途中に、ガス交換とウインドークリア等の保守作業が必要で、使い難い。
【０００６】
一方、より安全性の高いＱスイッチパルスＮｄ：ＹＡＧなどの固体レーザーの方は、装置をまとめやすい利点がある。そこで、特に近年、ＹＡＧの二倍波、５３２ｎｍ波長のレーザーを用いるレーザーアニールが注目されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００７】
【非特許文献１】岡本達樹他，「液晶および有機ＥＬ向けポリシリコン用グリーンレーザアニール光学系」，第６５回レーザ加工学会講演論文集,229頁〜236頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）や有機ＥＬディスプレイ（ＯＬＥＤ）等のパネルは、ますます大型化が要求され、パネルの大型化に伴って、レーザーアニールプロセスの生産性を向上するため、一般には、液晶パネルのアニール装置に、大出力のレーザー発振器が必要となる。特に、上記の非特許文献１に記載のＱスイッチパルス５３２ｎｍ波長のＹＡＧレーザーを用いるアニール装置では、５３２ｎｍ波長のＹＡＧレーザーの出力パワーが２００ワットから３００ワット以上の大出力のレーザー発振器が必要となる。
【０００９】
しかし、このような５３２ｎｍ波長のＮｄ：ＹＡＧレーザーで、２００ワットから３００ワットを出力するものは、かなり製造が困難であり、また、このような数百ワットで高出力化のレーザー発振器は、出力安定性、耐久性、信頼性などに問題がある。一方、信頼性が高い市販Ｑスイッチパルス５３２ｎｍＹＡＧレーザー発振器の出力は、一般に、十数ワットから数十ワット程度であるため、液晶パネルや有機ＥＬパネルの大型化に伴って、生産性があるアニール装置を、一台の市販のＹＡＧ５３２ｎｍレーザー発振器で作ると、パワーが足りなくなる。
【００１０】
また、ＹＡＧレーザー液晶パネルアニール装置には、エキシマレーザーと同様、光強度分布を均一化するための線状形ビームホモジナイザー光学系が使われている。但し、５３２ｎｍのパルスＹＡＧレーザーは、ビームの干渉性は非常に高くて、エキシマレーザーと同様なビーム分割方法で作れるホモジナイザーは、分割したビームの干渉と回折によるスペックル縞模様が出て、ビームの均一性にかなりの悪影響が出る。
【００１１】
このように、固体レーザーを用いるレーザーアニール装置は、上記の出力パワーが足りないことと、ビーム強度分布の高度均一性の二つの課題を有している。
【００１２】
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、線状形ビームでアニーリングする装置などに用いられ、生産性から考えるレーザーパワーの高出力化、装置信頼性から考える出力安定性と長寿命化、また、実用化から考える光強度分布高度均一性などの基本特性をクリアした固体レーザーを用いたレーザービーム均一化システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するため、第１の発明は、互いに同期してパルス駆動される複数台の固体レーザー発振器と、複数台の固体レーザー発振器からそれぞれ出射された複数本のレーザービームを１本ずつ別々に伝送する複数の光学ファイバと、複数の光学ファイバによりそれぞれ伝送された複数本のレーザービームを、別々に光強度分布均一の第１の線状形ビームに整形する複数の光学レンズ系と、複数の光学レンズ系から取り出される複数の第１の線状形ビームがそのビーム長手方向に一列に並べて入射され、光強度分布が均一で細長い１本の第２の線状形ビームに整形する円筒形レンズ手段と、を有することを特徴とする。
【００１４】
この発明では、Ｎ台の固定レーザー発振器を用いる。ＹＡＧレーザー発振器一台で数百ワットの出力を達成することは非常に困難であるが、Ｎ台のレーザー発振器を使うと一台あたりのレーザー発振器の出力のＮ倍の総出力が得られる。また、本発明で使用する固定レーザー発振器としては、商業ベースの製品として市販されている数十ワット程度出力の５３２ｎｍ波長のＮｄ：ＹＡＧレーザー発振器を用いることができ、この様な製品を装置に組み込みこむことで、一台の大出力レーザー発振器を用いるよりも装置の信頼性を高くできる。
【００１５】
また、固体レーザー発振器の出力レーザーの固有の可干渉性から出たスペックルによるビーム均一性の影響は、一台の高出力のレーザー発振器の場合、どうしても避けられないが、この発明では、Ｎ台のレーザー発振器を用いているため、各々のレーザーは、お互いに干渉しないので、一台のレーザー発振器ずつ持つスペック縞模様をＮ本のレーザービームの重ね合わせ平均効果で打ち消すことができる。また、この発明では、Ｎ台の数十ワット出力のレーザー発振器からそれぞれ出射されたＮ本のレーザービームを一つの高度均一化の線状形ビームにまとめることができる。
【００１６】
また、上記の目的を達成するため、第２の発明は、互いに同期してパルス駆動されるＮ台（Ｎは２以上の自然数）の固体レーザー発振器と、Ｎ台の固体レーザー発振器からそれぞれ出射されたＮ本のレーザービームを１本ずつ別々に伝送するＮ本の第１の光学ファイバと、Ｎ本の第１の光学ファイバにより別々に伝送されるＮ本のレーザービームを、それぞれ１本当たり複数本のレーザービームに分波するＮ個のファイバ分波器と、Ｎ個のファイバ分波器によりそれぞれ複数本ずつに分波されたレーザービームを１本ずつ別々に伝送するＬ本（ＬはＮ以上の自然数）の第２の光学ファイバと、Ｌ本の第２の光学ファイバにより別々に伝送されるＬ本のレーザービームを所定の１又は２以上の本数ずつ合波するＭ個（Ｍは２以上でＬ未満の自然数）のファイバ合波器と、Ｍ個のファイバ合波器から出射されたＭ本のレーザービームを１本ずつ別々に伝送するＭ本の第３の光学ファイバと、第３の光学ファイバによりそれぞれ伝送されたＭ本のレーザービームを、別々に光強度分布均一の第１の線状形ビームに整形するＭ個の光学レンズ系と、Ｍ個の光学レンズ系から別々に取り出されるＭ本の第１の線状形ビームがそのビーム長手方向に一列に並べて入射され、光強度分布が均一で細長い１本の第２の線状形ビームに整形する円筒形レンズ手段と、を有することを特徴とする。
【００１７】
この発明では、多数本のレーザービームをＭ個のファイバ合波器でそれぞれ１本のレーザービームに合波してＭ本の光学ファイバからＭ本の線状形ビームを整形することができる。
【００１８】
ここで、本発明は、複数の光学ファイバに機械的な振動を与えてスペックルのパターンをランダムで変化させる振動手段を設けるようにしてもよく、複数の光学ファイバに入射するレーザービームの光路中に、レーザービームの光束中心に回転軸が一致する偏光解消板を設け、偏光解消板を回転するようにしてもよい。本発明では、スペックルのパターンをランダムに変更することができる。
【００１９】
また、上記の目的を達成するため、本発明は、互いに同期してパルス駆動される複数台の固体レーザー発振器と、複数台の固体レーザー発振器からそれぞれ出射され、フリースペースで伝送されてきた複数本のレーザービームが１本ずつ別々に入射され、１本のレーザービーム毎に均一強度分布の第１の線状形ビームに整形するマルチプリズムアレイと、マルチプリズムアレイにより整形された均一強度分布の複数本の第１の線状形ビームを一箇所に重ね合わせた後、照射面の短軸方向にビームを集光し、幅方向に極めて細い線状形に整形し、光強度分布が均一で細長い１本の第２の線状形ビームに整形する光学系とを有することを特徴とする。
【００２０】
なお、光学ファイバの種類には、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）があり、また普通の無偏光性ファイバや偏波特性保存ファイバ（ＰＭＦ）などがあるが、光学ファイバの種類としては、元の入射レーザービームの出力特性に対応したものが用いられる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、Ｎ台のレーザー発振器を使うことにより、一台あたりのレーザー発振器の出力のＮ倍の総出力が得られるため、高安定性と高信頼性のレーザー発振器により高出力が得られ、大面積の試料面を線状形ビームをスキャンさせてアニールする用途に使用して好適である。
【００２２】
また、本発明によれば、Ｎ台のレーザー発振器から出射されたＮ本のレーザービームから生成した均一の線状形ビームを照射面に重ね合わせるようにしており、Ｎ台のレーザー発振器から出射されたＮ本のレーザービームの各スペックル縞模様は、お互いに殆ど干渉しないため、Ｎ本のレーザービームの各スペックル縞模様はＮ本のレーザービームから得られるＮ本の線状形ビームの強度重ね合わせによる平均効果で打ち消すことができ、更に、多ビームの強度分布の平均化の作用もあり、更に照射レーザービームの強度分布の均一化を向上できる。
【００２３】
また、本発明によれば、Ｎ台のレーザー発振器を一緒に使用しているので、仮にその中の一台のレーザー発振器に問題があって保守作業に入っても、他のレーザー発振器の制御によりシステム全体の出力パワーは落ちないため、装置の運転が不停止状態の間に各々のレーザー発振器に対し保守も点検もでき、常に装置は最良の状態で運転可能であるので、システム全体の保守性と出力安定性の向上も期待できる。
【００２４】
また、本発明によれば、ファイバ分波器で分波された多数本のレーザービームをＭ個のファイバ合波器でそれぞれ１本のレーザービームに合波してＭ本の光学ファイバからＭ本の線状形ビームを整形するようにしたため、より安定なＭセットのホモジナイザービームを作成することができる。
【００２５】
更に、本発明によれば、複数の光学ファイバに機械的な振動を与えてスペックルのパターンをランダムで変化させる振動手段を設けるか、複数の光学ファイバに入射するレーザービームの光路中に、レーザービームの光束中心に回転軸が一致する偏光解消板を設け、偏光解消板を回転することにより、スペックルのパターンをランダムに変更するようにしたため、実際に試料面に照射されたビームの強度分布を平均化でき、スペックルによるパターン分布を打ち消すことができる。
【００２６】
また、本発明によれば、複数台の固体レーザー発振器からそれぞれ出射され、フリースペースで伝送されてきた複数本のレーザービームが１本ずつ別々に入射され、１本のレーザービーム毎にマルチプリズムアレイで均一強度分布の第１の線状形ビームに整形するようにしたため、レーザービームを転送し易く、システムをまとめ易い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。図１は本発明のレーザービーム均一化システムの第１の実施の形態のシステム構成図を示す。この実施の形態はＮ本（Ｎは２以上の自然数）のレーザーをファイバデリバリ光学系で導入し、光強度分布均一化される線状ビームレーザーアニール光学システムである。図１において、Ｎ台（Ｎは２以上の自然数）のレーザー発振器１１１〜１１Ｎは、それぞれ緑色光の波長で、最も製品化に優れたパルスＹＡＧ（５３２ｎｍ）レーザーか、ＹＬＦ（５２７ｎｍ）レーザーを発振出力する発振器で、互いに同期してパルス駆動される。これらのレーザー発振器１１１〜１１Ｎの各々は、例えば十数ワットから数十ワットの出力であり、信頼性が高い市販のＱスイッチパルス５３２ｎｍＹＡＧレーザー発振器を使用できる。例えば、各々２０ワットの２０台（Ｎ＝２０）のレーザー発振器１１１〜１１Ｎを用いた場合は、一台４００ワットのレーザー発振器と同等の出力が得られる。
【００２８】
レーザー発振器１１１〜１１Ｎからそれぞれ別々に出射されたレーザーは、１対１に対応して設けられた集光レンズ１２１〜１２Ｎで集光されて光学ファイバ（以下、単にファイバと略す）１４１〜１４Ｎの入力端コネクタ１３１〜１３Ｎに入射される。入力端コネクタ１３１〜１３Ｎに入射されたレーザーは、それぞれファイバ１４１〜１４Ｎにより図中、Ｚ方向に転送されて加工面付近に予定された場所にある出力端コネクタ１５１〜１５Ｎから取り出され、ファイバコリメータレンズ１６１〜１６Ｎにより平行光とされて非球面シリンドリカルレンズ１７１〜１７Ｎに入射される。
【００２９】
非球面シリンドリカルレンズ１７１〜１７Ｎは入射したレーザーをそれぞれ図中、Ｘ方向に一方向展開し、ビーム長手Ｘ方向に均一な光強度分布の１番目〜Ｎ番目の線状形ビームに整形してコンデンサ円筒形レンズ１８にそれぞれ入射する。非球面シリンドリカルレンズ１７１〜１７Ｎは、強度が光束の中心部分で非常に強いガウシャン分布のような光強度分布を持つ入射レーザービームに対し、レーザービーム中心部の強い強度の光をレーザービームの周辺部へ展開し、均一の光強度のレーザービームとするような設計のものである。
【００３０】
この様にして、Ｎ台のレーザー発振器１１１〜１１Ｎから出射されたＮ本のレーザーは、各々の集光レンズ１２１〜１２Ｎ、ファイバ１４１〜１４Ｎ、コリメータレンズ１６１〜１６Ｎ、及びホモジナイザー非球面レンズ１７１〜１７Ｎ等の光学系を通じて、Ｘ方向に同じ長さで、かつ、図中、Ｙ方向（紙面に垂直な方向）に同じ発散角及び同じ幅になるＮ本の均一な光強度分布の線状形ビームに整形される。
【００３１】
このＮ本の均一光強度分布の線状形ビームは、Ｘ方向に一列に横並びで試料面長手方向（Ｘ方向）に沿ってよく重ね合わせる為のコンデンサ円筒形レンズ１８を通して一箇所に重ね合わせられ、更にＮ本の線状形ビームに対して照射面の短軸Ｙ方向にビームを集光し、幅Ｙ方向に極めて細い線状形ビーム整形するための円筒形レンズ１９を通して、Ｎ本のレーザービームがビーム短軸方向（Ｙ方向）で試料面２０に重ね合わせて集光される。試料面２０に照射するレーザーは、短軸Ｙ方向に数十から数百ミクロン、長手Ｘ方向に十数から数十センチメートルの極めて細くて長い線状形均一ビームになる。なお、コンデンサ円筒形レンズ１８は、Ｘ方向ビームの長さに応じて、場合によって、省略することもできる。試料面２０のある試料は液晶フラットパネル等であり、試料面２０は液晶フラットパネルに設けられるＴＦＴを作成するためのアモルファスシリコンの薄膜等である。
【００３２】
なお、前述した固体レーザーに固有の可干渉性による一台のレーザー発振器から分割されるレーザービームのスペックル縞模様によるビーム均一性の影響は一台の高出力レーザー発振器の場合はどうしても避けられないが、本実施の形態では、Ｎ台のレーザー発振器１１１〜１１Ｎから出射されたＮ本のレーザービームから生成した均一の線状形ビームを照射面に重ね合わせるようにしており、Ｎ台のレーザー発振器１１１〜１１Ｎから出射されたＮ本のレーザービームの各スペックル縞模様は、お互いに殆ど干渉しないため、Ｎ本のレーザービームの各スペックル縞模様はＮ本のレーザービームから得られるＮ本の線状形ビームの強度重ね合わせによる平均効果で打ち消される。更に本実施の形態では、多ビームの強度分布の平均化の作用もあり、更に照射レーザービームの強度分布の均一化の向上にもつながる。
【００３３】
このように、本実施の形態によれば、図１の様に、複数Ｎ台のレーザー発振器１１１〜１１Ｎから互いに同期してパルス駆動して出射したレーザーを、ファイバ１４１〜１４Ｎ等からなるＮセットのファイバ転送光学系、ビーム長手Ｘ方向に強度均一化する整形レンズ１７１〜１７Ｎ、及び長手Ｘ方向におけるコンデンサ円筒形レンズ１８等の光学系を通じて、Ｎ本の線状形均一ビームに整形して試料面２０の一箇所に一つの線状形ビームになるように重ね合わせられ、その後設けるビーム短軸Ｙ方向に集光する円筒形レンズ１９を通じてビームをＹ方向に極めて細い幅にし、試料面２０に一つの高度な均一強度分布を持つ細長い線状形ビームにまとめられるように構成し、試料面２０にこの線状形ビームを照射しながら、アモルファスシリコンの薄膜等の試料面２０をビームの短軸Ｙ方向にスキャンすることにより、数百ワットの大出力の一台のレーザー発振器を用いなくても、大面積の試料面２０の全面に渡って、スペックル縞模様の影響が殆どなく、高度均一な効果で試料面２０を高精度にアニールすることができる。
【００３４】
また、本実施の形態では、レーザー発振器１１１〜１１Ｎとして数十ワット程度出力の商業ベースの製品として市販されているレーザー発振器を使用しているので、装置の信頼性は高く、しかもＮ台を同時使用することで全体として数百ワットの高出力を得ることができると同時に、装置の実用性はかなり高くできる。その上、一つのシステムに一台の高出力レーザー発振器のみ使う場合は、保守面の問題があるが、本実施の形態では複数Ｎ台のレーザー発振器１１１〜１１Ｎを一緒に使用しているので、仮にその中の一台のレーザー発振器に問題があって保守作業に入っても、他のレーザー発振器の制御によりシステム全体の出力パワーは落ちない。このようなＮ台のレーザー発振器を使用して全体として数百ワットの高出力を得る装置全体の運転を不停止状態としたまま、各々のレーザー発振器に対し個別に保守も点検もでき、常に装置は最良の状態で運転可能であるので、システム全体の保守性と出力安定性の向上も期待できる。
【００３５】
また、このようなＮ台のレーザー発振器のためのホモジナイザ光学系は、フリースペースの固体レーザービームを一旦ファイバ１４１〜１４Ｎに入力し、ファイバ１４１〜１４Ｎで転送すると、転送し易く、システムをまとめ易いという特長がある。
【００３６】
なお、ファイバ１４１〜１４Ｎの種類には、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）があり、また普通の無偏光性ファイバや偏波特性保存ファイバ（ＰＭＦ）などがあるが、ファイバ１４１〜１４Ｎの種類としては、元の入射レーザービームの出力特性に対応したものが用いられる。
【００３７】
すなわち、レーザービームのダメージの閾値に対し、高い出力をファイバ１４１〜１４Ｎに入力する場合には、ビーム径を大きくしなければ、ファイバにダメージを与えるので、コア径の大きい数十μｍから数百μｍオーダーのマルチモードファイバ（ＭＭＦ）を使用し、直線偏光ビーム特性が有するＹＡＧ等固体レーザーで、アニーリングされる試料に直線偏光ビームでの照射が必要の場合、パンダファイバなどレーザービーム偏波特性を保存するＰＭＦファイバが必要になる。
【００３８】
また、照射ビームの直線偏光性が要求されない場合、普通のマルチモードかシングルモードのファイバを転送用として使用できる。この場合、直線偏光特性を有するＹＡＧの二倍波５３２ｎｍレーザーに対し、前記スペックルの問題を避けるため、ビームの直線偏光特性を解消することもできる。逆に、偏光方向ランダムの無偏光ビームでの照射を要求される場合、偏光解消板でＹＡＧの５３２ｎｍ等直線偏光ビームを用いてビームを無偏光にして試料に照射することもできる。
【００３９】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図２は本発明のレーザービーム均一化システムの第２の実施の形態のシステム構成図を示す。同図中、図１と同一構成部分には同一符号を付してある。図１に示した第１の実施の形態は、ファイバを用いてＮ台の市販のレーザー発振器１１１〜１１Ｎからの固体レーザーを導入するシステムであったが、図２に示すこの実施の形態では、ミラーとプリズムを用いる最も簡単なデリバリ光学系で複数本のレーザービームを導入し、１個の線状形ビームを作成する光学システムである。なお、図２ではレーザー発振器は一例として７台としたが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４０】
図２において、７台のレーザー発振器１１１〜１１７は、それぞれ緑色光の波長で、最も製品化に優れたパルスＹＡＧ（５３２ｎｍ）レーザーか、ＹＬＦ（５２７ｎｍ）レーザーを発振出力する発振器で、互いに同期してパルス駆動される。これらのレーザー発振器１１１〜１１７の各々は、例えば十数ワットから数十ワットの出力であり、信頼性が高い市販のＱスイッチパルス５３２ｎｍＹＡＧレーザー発振器を使用できる。
【００４１】
ミラー等フリースペース光学系で、レーザー発振器１１１〜１１７からそれぞれ別々に出射された７本のレーザーは、一列に並んでいる７個の特殊プリズム（ビームホモジナイザープリズムアレイ）３０１〜３０７にそれぞれ導入され、特殊プリズム３０１〜３０７のビーム入射端に設けた４５度反射面３１１〜３１７で試料面２０方向（Ｚ方向）に向かって折り返し全反射された後、特殊プリズム３０１〜３０７のビーム出射端に設けたビームホモジナイザー非球面レンズ３２１〜３２７でＸ方向に均一的に展開されて、それぞれ均一強度分布の線状形ビームに整形される。
【００４２】
この様なＸ方向に均一的に展開されて整形された７個の線状形ビームは、Ｘ方向に一列に横並びで試料面長手方向（Ｘ方向）に沿ってよく重ね合わせる為のコンデンサ円筒形レンズ１８を通して一箇所に重ね合わせられ、更にＮ本の線状形ビームに対して照射面の短軸Ｙ方向にビームを集光し、幅Ｙ方向に極めて細い線状形ビーム整形するための円筒形レンズ１９を通して、Ｎ本のレーザービームがビーム短軸方向（Ｙ方向）で試料面２０に重ね合わせて集光され、試料面２０をアニールする。
【００４３】
本実施の形態も第１の実施の形態と同様に一般市販の比較的小出力の固体レーザー発振器を用いて、大出力を得ることができるため、大面積の試料面２０を高品質にアニールすることができる。また、本実施の形態は、レーザービームは、フリースペース光学系しか通させていないので、ファイバのようなウェブガイド光学系でレーザーの可干渉性から発生するスペックスによるビーム分布の縞模様不均一性を避けられる。但し、図２の様なフリースペース光学系では、レーザービームを導入する調整が難しい。また、光学系がずれ易くてシステムの保守点検に問題もあるので、システムの安定性と可保守性の観点から、図１の様なファイバを用いるデリバリ光学系の方が実用化の可能性が高い。
【００４４】
ところで、前述の様に、ビームの可干渉性を持つＮｄ：ＹＡＧレーザーをファイバに通させるとスペックルで光分布の縞模様が発生する。この光分布の縞模様の問題を解決するため、第１の実施の形態では、お互い干渉し合わないＮ本のレーザービームから作られる照射面の細長い線状形ビームに対し、重ね合わせられたビームの光強度分布の平均効果でこのスペックルによる光分布の縞模様をほぼ打ち消すようにしている。
【００４５】
しかし、スペックルの縞模様を完全に消失させる為には、もっと有力な手段が必要である。スペックルの縞模様分布は、ビームの可干渉性に依存する。レーザービームの可干渉性を低下させるのは、スペックルの縞模様分布も低下させる。更に、スペックルの様な縞模様分布は、完全に不規則なランダムパターンであるので、このようなパターンの打消しの一つの手段は、レーザー発振パルス周波数より速い速度でランダム的にスペックルによるパターンを動かす様にさせることである。パルス駆動されるレーザー発振器からパルス毎に出射するレーザービームのパターンがランダムで変わることにより、実際に試料面に照射されたビームの強度分布が平均化され、スペックルによるパターン分布が打ち消される。
【００４６】
この考えに沿って、先ず簡単な方法としては、転送ファイバを高い周波数で機械的に振動させることである。ファイバの振動により、ファイバ中に転送されているレーザービームは、スペックルパターンが常に変化し続ける。それにより、照射レーザーのビームパターンは、パルス毎にランダムで変化し続けるので、スペックルの縞模様のパターンは、時間の平均で消去される。
【００４７】
また、別の方法としては、図４に示す様に、レーザー発振器（図示せず）から出射された直線偏光のレーザービーム４１をファイバ４４に導入する前の光路中に、レーザービーム４１の光軸が中心の回転軸に一致するように偏光解消板４２という光学部品を設けて、偏光解消板４２を回転することにより、レーザービーム４１の偏光方向と偏光特性を変化させてランダム偏光にさせる方法がある。偏光解消板４２によりランダム偏光とされたレーザームは集光レンズ４３により集光されて、ビームデリバリ転送系のファイバ４４の入力端に入射する。
【００４８】
図４に示す方法では、レーザービームの偏光の解消により、レーザービームのスペックル効果を低下する効果がある。更に、この偏光解消板４２の高速な回転により、レーザービームの位相と偏光特性はかなり激しく変化するので、照射ビームのスペックルによる不均一のパターンもパルス毎に変化する。この様に、図４の方法によって、ファイバを用いるデリバリ光学系に起こるスペックルで発生するビームパターンによる不均一性をパターンの経時変化の平均効果で解消することができる。
【００４９】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図３は本発明のレーザービーム均一化システムの第３の実施の形態のシステム構成図を示す。同図中、図１と同一構成部分には同一符号を付してある。図３に示す実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に比べて、更に信頼性を向上することを目的とし、ファイバデリバリ系にビームの分波と合波を行うコリメータを設け、導入した複数台のレーザー発振器の出力レーザーを平均化する構成としたものである。
【００５０】
図３のシステムは、図１のシステムと比較すると、光を一本のファイバから数本（図３では２本）のファイバへスプリットして出力するファイバ分波器（分波コリメータ）３５１〜３５Ｎと、数本（図３では２本）のファイバからの光をまとめて１本のファイバへ出力するファイバ合波器（合波コリメータ）３６１〜３６Ｍとを設けた点に特徴がある。
【００５１】
図３において、レーザー発振器１１１〜１１Ｎからそれぞれ別々に出射されたレーザーは、１対１に対応して設けられた集光レンズ１２１〜１２Ｎで集光されてファイバ１４１〜１４Ｎの入力端コネクタ１３１〜１３Ｎに入射される。入力端コネクタ１３１〜１３Ｎに入射されたレーザーは、それぞれファイバ１４１〜１４Ｎにより図中、Ｚ方向に転送されて分波コリメータ３５１〜３５Ｎに入射し、それぞれのパワーが均等に２本のレーザービームに分波される。
【００５２】
分波コリメータ３５１〜３５Ｎのそれぞれによりパワーが均等に分波された２本のレーザービームは、それぞれファイバ１４１ａ〜１４Ｎａ、１４１ｂ〜１４Ｎｂにより伝送されてＭ個（Ｍは２以上の自然数）の合波コリメータ３６１〜３６Ｍに入射される。合波コリメータ３６１〜３６Ｍは２本のファイバからの光をまとめて１本のファイバ３７１〜３７Ｍへ出力する。例えば、合波コリメータ３６２はファイバ１４１ｂからのレーザービームと、ファイバ１４２ａからのレーザービームとを１本のレーザービームに合波して１本のファイバ３７２へ出射する。なお、合波コリメータ３６１と３６Ｍには、１本のファイバ１４１ａ、１４Ｎｂからの光が入射する。
【００５３】
ファイバ３７１〜３７ＭをＺ方向に伝送されたレーザービームは、Ｚ方向に転送されて加工面付近に予定された場所にある出力端コネクタ１５１〜１５Ｍから取り出され、ファイバコリメータレンズ１６１〜１６Ｍにより平行光とされて非球面シリンドリカルレンズ１７１〜１７Ｍに入射される。
【００５４】
非球面シリンドリカルレンズ１７１〜１７Ｍは入射したレーザーをそれぞれ図中、Ｘ方向に一方向展開し、ビーム長手Ｘ方向に均一な光強度分布の１番目〜Ｍ番目の線状形ビームに整形して円筒形レンズ１９に入射する。円筒形レンズ１９はＭ本の線状形ビームに対して照射面の短軸Ｙ方向にビームを集光し、幅Ｙ方向に極めて細い線状形ビーム整形して、そのＭ本のレーザービームをビーム短軸方向（Ｙ方向）で試料面２０に重ね合わせて集光する。試料面２０のある試料は液晶フラットパネル等であり、試料面２０は液晶フラットパネルに設けられるＴＦＴを作成するためのアモルファスシリコンの薄膜等である。
【００５５】
Ｎ本のファイバの出力端から一本ずつ取り出されるレーザービームに対し、均一な線状形ビームになる為のホモジナイザー光学系を独自に設けている図１に示した第１の実施の形態のシステムでは、Ｎ台のレーザー発振器のレーザー出力のバラツキなどの問題により、レーザー毎に設けるホモジナイザー光学系でビームの分布のバラツキも大きい。これに対し、図３に示す本実施の形態のシステムでは、多数本のレーザービームをＭ個の合波コリメータでそれぞれ１本のレーザービームに合波してＭ本のファイバからＭ本の線状形ビームを整形するようにしたため、より安定なＭセットのホモジナイザービームを作成することができる。
【００５６】
なお、本発明は以上の実施の形態に限定されるものではなく、例えば図４の構成を図１、図３の実施の形態と組み合わせることもできる。また、図４の構成において、ファイバ４４を機械的に振動させる手段を併用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明のレーザービーム均一化システムの第１の実施の形態のシステム構成図である。
【図２】本発明のレーザービーム均一化システムの第２の実施の形態のシステム構成図である。
【図３】本発明のレーザービーム均一化システムの第３の実施の形態のシステム構成図である。
【図４】スペックルによるビーム強度分布の不均一性を解消するシステムの一例の構成図である。
【符号の説明】
【００５８】
１１１〜１１Ｎ  固体レーザーを出射する市販のレーザー発振器
１２１〜１２Ｎ  集光レンズ
１３１〜１３Ｎ  光学ファイバの入力端コネクタ
１４１〜１４Ｎ  光学ファイバ（ファイバ）
１５１〜１５Ｎ  光学ファイバの出力端コネクタ
１６１〜１６Ｎ  コリメータレンズ
１７１〜１７Ｎ  レーザーを長手方向（Ｘ方向）に光強度高度均一分布の線状形ビームに整形する非球面レンズ
１８  円筒形コンデンサレンズ
１９  入射する全ての線状形ビームに対して、照射面の短軸方向（Ｙ方向）にビームを集光し、幅方向（Ｙ方向）に極めて細い線状形ビームを整形するための円筒形レンズ
２０  試料面
３０１〜３０７  特殊プリズム（ビームホモジナイザープリズムアレイ）
３１１〜３１７  ４５度反射面
３２１〜３２７  ビームホモジナイザー非球面レンズ
３５１〜３５Ｎ  ファイバ分波器（分波コリメータ）
３６１〜３６Ｍ  ファイバ合波器（合波コリメータ）
４１  入射レーザービーム
４２  偏光解消板
４３  集光レンズ
４４  ビームデリバリ転送系の光学ファイバ
【図１】
2008112953.tif 000003
【図２】
2008112953.tif 000004
【図３】
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【図４】
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