(57)【要約】　　　（修正有）【課題】特殊な材料の光学系を使用する必要が無く、均一な強度のレーザ光を照射してアニールを行うことができるレーザアニール装置を提供する。【解決手段】ファイバアレイ光源６６からＤＭＤ５０にレーザ光が照射されると、ＤＭＤ５０のマイクロミラーがオン状態のときに反射されたレーザ光は、レンズ系５４、５８により透明基板のアニール面５６上に結像される。ファイバアレイ光源６６から出射されたレーザ光が画素毎にオンオフされて、透明基板がＤＭＤ５０の使用画素数と略同数の画素単位でレーザ照射されアニールされる。【選択図】図５
2004064065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのＧａＮ系半導体レーザによって、波長３５０〜４５０ｎｍのレーザビームを出射する複数の発光点が生じるように構成されたレーザ光源と、各々制御信号に応じて光変調状態が変化する多数の画素部が基板上に２次元状に配列され、前記レーザ光源から出射されたレーザビームを変調する空間光変調素子と、各画素部で変調されたレーザビームでアニール面上を走査する走査手段と、を備え、
前記レーザ光源と前記空間光変調素子との間に、
前記レーザ光源からの光束を平行光束にするコリメータレンズと、
光軸に近い中心部の光束幅に対する周辺部の光束幅の比が、入射側に比べて出射側の方が小さくなるように、各出射位置における光束幅を変化させ、前記コリメータレンズにより平行光束化されたレーザ光の光量分布が、前記空間変調素子の被照射面において略均一になるように補正する光量分布補正光学系と、
を配置したレーザアニール装置。
【請求項２】
前記レーザ光源を、下記（１）〜（５）のいずれか１つの光源で構成した請求項１に記載のレーザアニール装置。
（１）複数のＧａＮ系半導体レーザと、１本の光ファイバと、前記複数のＧａＮ系半導体レーザの各々から出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えた合波レーザ光源。
（２）（１）の合波レーザ光源における前記ＧａＮ系半導体レーザを、複数の発光点を備えたＧａＮ系マルチキャビティレーザで構成した合波レーザ光源。
（３）複数の発光点を備えたＧａＮ系マルチキャビティレーザと、１本の光ファイバと、前記複数の発光点の各々から出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えた合波レーザ光源。
（４）前記合波レーザ光源を複数備え、該複数の合波レーザ光源の光ファイバの出射端における発光点の各々がアレイ状に配列されたファイバアレイ光源、又はバンドル状に配列されたファイババンドル光源。
（５）単一のＧａＮ系半導体レーザと、１本の光ファイバと、前記単一のＧａＮ系半導体レーザから出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えたファイバ光源を複数備え、該複数のファイバ光源の光ファイバの出射端における発光点の各々がアレイ状に配列されたファイバアレイ光源、又はバンドル状に配列されたファイババンドル光源。
【請求項３】
前記光ファイバの出射端が封止された請求項２に記載のレーザアニール装置。
【請求項４】
前記空間変調素子を、各々制御信号に応じて反射面の角度が変更可能な多数のマイクロミラーが基板上に２次元状に配列されて構成されたマイクロミラーデバイスで構成した請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザアニール装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザアニール装置に関し、特に、光源にＧａＮ（窒化ガリウム）系半導体レーザを用いたレーザアニール装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機ＥＬ（エレクトロ・ルミネッセンス）ディスプレイ等のフラットパネル・ディスプレイの小型軽量化、低コスト化の観点から、画素表示ゲート用の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）だけでなく、駆動回路や信号処理回路、画像処理回路などをＬＣＤのガラス基板上に直接形成するシステム・オン・ガラス（ＳＯＧ）−ＴＦＴが注目されている。
【０００３】
従来、画素表示ゲート用のＴＦＴにはアモルファスシリコンが使用されてきたが、ＳＯＧ−ＴＦＴにはキャリア移動度の大きいポリシリコンが必要である。しかしながら、ガラスの変形温度は６００°Ｃと低いことから、ポリシリコン膜の形成に６００℃以上の高温を利用した結晶成長技術を使用することができない。このため、ポリシリコン膜の形成には、アモルファスシリコン膜を低温（１００〜３００°Ｃ）で形成した後、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザによるパルス照射でアモルファスシリコン膜を熱溶融し、冷却過程で結晶化させるエキシマ・レーザ・アニール（ＥＬＡ）が一般的に用いられている。（非特許文献１）。このＥＬＡを用いることにより、ガラス基板に熱的損傷を与えずにポリシリコン膜を形成することができる。
【０００４】
【非特許文献１】
次田純一、外２名、「ＸｅＣｌエキシマレーザーによるポリシリコンＴＦＴアニーリング」、レーザー研究　２０００年１月
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ＥＬＡでは、均一な結晶特性のポリシリコン膜を得るために、エキシマレーザから出射されたレーザビームはホモジナイザ光学系により、トップがフラットなライン状のビームに整形される。
【０００６】
しかしながら、ＸｅＣｌエキシマレーザは、光出力が不安定で出力強度が±１０％の範囲で変動するため、ライン状に整形されたビームのプロファイルが不均一になるという問題がある。また、波長３０８ｎｍと紫外域のＸｅＣｌエキシマレーザを使用するため、ライン状のビームを得るために特殊な材料の光学系が必要であった。
【０００７】
本発明は上記問題を解決するために成されたものであり、本発明の目的は、特殊な材料の光学系を使用する必要が無く、均一な強度のレーザ光を照射してアニールを行うことができるレーザアニール装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明のレーザアニール装置は、少なくとも１つのＧａＮ系半導体レーザによって、波長３５０〜４５０ｎｍのレーザビームを出射する複数の発光点が生じるように構成されたレーザ光源と、各々制御信号に応じて光変調状態が変化する多数の画素部が基板上に２次元状に配列され、前記レーザ光源から出射されたレーザビームを変調する空間光変調素子と、各画素部で変調されたレーザビームでアニール面上を走査する走査手段と、を備え、前記レーザ光源と前記空間光変調素子との間に、前記レーザ光源からの光束を平行光束にするコリメータレンズと、光軸に近い中心部の光束幅に対する周辺部の光束幅の比が、入射側に比べて出射側の方が小さくなるように、各出射位置における光束幅を変化させ、前記コリメータレンズにより平行光束化されたレーザ光の光量分布が、前記空間変調素子の被照射面において略均一になるように補正する光量分布補正光学系と、を配置したことを特徴としている。
【０００９】
本発明のレーザアニール装置では、波長３５０〜４５０ｎｍのレーザビームを出射するレーザ光源と空間光変調素子との間に、コリメータレンズと光量分布補正光学系とが配置されている。この通り波長３５０〜４５０ｎｍのレーザビームを使用するので、ＥＬＡ装置のように紫外線対応の特殊な材料の光学系を使用する必要が無い。また、可視域のレーザ露光装置と同様に、ＤＭＤ等の空間光変調素子を用いて任意パターンでの高精細なアニールが可能である。
【００１０】
また、コリメータレンズにより平行光束化されたレーザ光は、光量分布補正光学系により、光軸に近い中心部の光束幅に対する周辺部の光束幅の比が、入射側に比べて出射側の方が小さくなるように、各出射位置における光束幅が変化され、空間変調素子の被照射面におけるレーザ光の光量分布が略均一になるように補正される。これにより、均一な強度のレーザ光でムラなくレーザアニールを行うことができる。
【００１１】
なお、本発明のレーザアニール装置では、レーザ光源からレーザビームが出射され、走査手段により出射されたレーザビームでアニール面上を走査する。レーザ光源は、少なくとも１つのＧａＮ系半導体レーザを用いて、波長３５０〜４５０ｎｍのレーザビームを出射する複数の発光点が生じるように構成されており、複数の発光点からの出力を合わせてアニールに必要な光出力を得ることができる。
【００１２】
また、連続駆動が可能で出力安定性に優れたＧａＮ系半導体レーザをレーザ光源に用いているので、良好な結晶特性を備えキャリア移動度の高いポリシリコン膜を再現性良く且つ高速に形成することができると共に、エキシマレーザを用いたレーザアニール装置と比べて小型で信頼性が高く、メンテナンスが容易でエネルギー効率も高い。
【００１３】
上記の複数の発光点が生じるように構成されたレーザ光源としては、以下の光源が好適に用いられる。この中でも、高出力化や高輝度化が容易な、合波レーザ光源、及び合波レーザ光源を複数用いたファイバアレイ光源やファイババンドル光源が特に好ましい。即ち、合波レーザ光源は、合波するレーザビームの本数を増やすことで、高輝度化を図ることができる。これにより、ポリシリコン膜の結晶特性を改善し低抵抗化して、キャリア移動度を更に上げることができる。また、ファイバアレイ光源やファイババンドル光源では、複数本の光ファイバを束ねて光源を構成するので、同時にレーザ照射できる面積が大きくなり、大面積を高速にアニールすることができる。即ち、更なる高速化が容易である。
【００１４】
上記の複数の発光点が生じるように構成されたレーザ光源としては、以下の光源が好適に用いられる。この中でも、高出力化や高輝度化が容易な、合波レーザ光源、及び合波レーザ光源を複数用いたファイバアレイ光源やファイババンドル光源が特に好ましい。即ち、合波レーザ光源は、合波するレーザビームの本数を増やすことで、高輝度化を図ることができる。これにより、ポリシリコン膜の結晶特性を改善し低抵抗化して、キャリア移動度を更に上げることができる。また、ファイバアレイ光源やファイババンドル光源では、複数本の光ファイバを束ねて光源を構成するので、同時にレーザ照射できる面積が大きくなり、大面積を高速にアニールすることができる。即ち、更なる高速化が容易である。
（１）複数のＧａＮ系半導体レーザがアレイ状に配列されたレーザアレイ
（２）１つのチップに複数の発光点を備えたＧａＮ系マルチキャビティレーザ
（３）複数のＧａＮ系半導体レーザと、１本の光ファイバと、前記複数のＧａＮ系半導体レーザの各々から出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えた合波レーザ光源
（４）複数のＧａＮ系マルチキャビティレーザと、１本の光ファイバと、前記複数のＧａＮ系マルチキャビティレーザの複数の発光点の各々から出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えた合波レーザ光源
（５）複数の発光点を備えたＧａＮ系マルチキャビティレーザと、１本の光ファイバと、前記複数の発光点の各々から出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えた合波レーザ光源
（６）前記合波レーザ光源を複数備え、該複数の合波レーザ光源の光ファイバの出射端における発光点の各々がアレイ状に配列されたファイバアレイ光源、又はバンドル状に配列されたファイババンドル光源
（７）単一のＧａＮ系半導体レーザと、１本の光ファイバと、前記単一のＧａＮ系半導体レーザから出射されたレーザビームを集光し、集光ビームを前記光ファイバの入射端に結合させる集光光学系と、を備えたファイバ光源を複数備え、該複数のファイバ光源の光ファイバの出射端における発光点の各々がアレイ状に配列されたファイバアレイ光源、又はバンドル状に配列されたファイババンドル光源
上記の光源のうち光ファイバの出射端を発光点として使用する光源の場合には、前記光ファイバとして、コア径が均一で出射端のクラッド径が入射端のクラッド径より小さい光ファイバを用いることが好ましい。出射端のクラッド径が大きい光ファイバを用いたファイバ光源では、バンドル化した際の発光点の径が大きくなり、その結果、高解像度アニールを行う場合に、充分な焦点深度が得られない。出射端のクラッド径を小さくすることで、光源の高輝度化を図ることができる。これにより、より深い焦点深度を備えたレーザアニール装置を実現することができる。例えば、ビーム径１μｍ以下、解像度０．１μｍ以下の超高解像度でにアニールの場合にも、深い焦点深度を得ることができ、高速且つ高精細なアニールが可能となる。また、ポリシリコン膜の結晶特性を改善し低抵抗化して、キャリア移動度をより一層高くすることができる。
【００１５】
光ファイバの出射端のクラッド径は、発光点の径を小さくする観点から１２５μｍより小さい方が好ましく、８０μｍ以下がより好ましく、６０μｍ以下が特に好ましい。コア径が均一で出射端のクラッド径が入射端のクラッド径より小さい光ファイバは、例えば、コア径が同じでクラッド径が異なる複数の光ファイバを結合して構成することができる。また、複数の光ファイバをコネクタで着脱可能に接続して構成することにより、光源モジュールが部分的に破損した場合等に、交換が容易になる。
【００１６】
また、光ファイバの出射端が封止されていることが好ましい。光ファイバの出射端部は、光密度が高く集塵し易く劣化し易いが、封止することにより端面への塵埃の付着を防止することができると共に劣化を遅らせることができる。
【００１７】
空間変調素子としては、各々制御信号に応じて反射面の角度が変更可能な多数のマイクロミラーが基板（例えば、シリコン基板）上に２次元状に配列されて構成された、マイクロミラーデバイス（ＤＭＤ；デジタル・マイクロミラー・デバイス）を用いることができる。また、空間変調素子を、リボン状の反射面を備え且つ制御信号に応じて移動可能な可動格子と、リボン状の反射面を備えた固定格子と、を交互に多数個並列配置して構成したグレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）で構成してもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明のレーザアニール装置を低温ポリシリコンＴＦＴ形成に適用した実施の形態を詳細に説明する。
【００１９】
まず、低温ポリシリコンＴＦＴ形成プロセスについて簡単に説明する。図２５（Ａ）に示すように、ガラス製又はプラスチック製の透明基板１５０上に、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）絶縁膜１９０を堆積し、ＳｉＯｘ絶縁膜１９０上にアモルファスシリコン膜１９２を堆積する。このアモルファスシリコン膜１９２をレーザアニールにより多結晶化してポリシリコン膜を形成する。その後、フォトリソグラフィ技術を用いて、例えば、図２５（Ｂ）に示すように、透明基板１５０上に、ＳｉＯｘ絶縁膜１９０を介して、ポリシリコンゲート１９４、ポリシリコンソース／ポリシリコンドレイン１９６、ゲート電極１９８、ソース／ドレイン電極２００、及び層間絶縁膜２０２を備えたポリシリコンＴＦＴを形成する。
【００２０】
（第１の実施の形態）
［レーザアニール装置の構成］
本発明の実施の形態に係るレーザアニール装置は、図１に示すように、アモルファスシリコン膜が堆積された透明基板１５０を表面に吸着して保持する平板状のステージ１５２を備えている。４本の脚部１５４に支持された厚い板状の設置台１５６の上面には、ステージ移動方向に沿って延びた２本のガイド１５８が設置されている。ステージ１５２は、その長手方向がステージ移動方向を向くように配置されると共に、ガイド１５８によって往復移動可能に支持されている。なお、このレーザアニール装置には、ステージ１５２をガイド１５８に沿って駆動するための図示しない駆動装置が設けられている。
【００２１】
設置台１５６の中央部には、ステージ１５２の移動経路を跨ぐようにコ字状のゲート１６０が設けられている。コ字状のゲート１６０の端部の各々は、設置台１５６の両側面に固定されている。このゲート１６０を挟んで一方の側にはスキャナ１６２が設けられ、他方の側には透明基板１５０の先端及び後端を検知する複数（例えば、２個）の検知センサ１６４が設けられている。スキャナ１６２及び検知センサ１６４はゲート１６０に各々取り付けられて、ステージ１５２の移動経路の上方に固定配置されている。なお、スキャナ１６２及び検知センサ１６４は、これらを制御する図示しないコントローラに接続されている。
【００２２】
スキャナ１６２は、図２及び図３（Ｂ）に示すように、ｍ行ｎ列（例えば、３行５列）の略マトリックス状に配列された複数（例えば、１４個）のアニール用のレーザ照射ヘッド１６６を備えている。この例では、透明基板１５０の幅との関係で、３行目には４個の照射ヘッド１６６を配置した。なお、ｍ行目のｎ列目に配列された個々の照射ヘッドを示す場合は、照射ヘッド１６６ｍｎと表記する。
【００２３】
照射ヘッド１６６による照射エリア１６８は、副走査方向を短辺とする矩形状である。従って、ステージ１５２の移動に伴い、透明基板１５０には照射ヘッド１６６毎に帯状の照射済み領域１７０が形成される。なお、ｍ行目のｎ列目に配列された個々の照射ヘッドによる照射エリアを示す場合は、照射エリア１６８ｍｎと表記する。
【００２４】
また、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、帯状の照射済み領域１７０が副走査方向と直交する方向に隙間無く並ぶように、ライン状に配列された各行の照射ヘッドの各々は、配列方向に所定間隔（照射エリアの長辺の自然数倍、本実施の形態では２倍）ずらして配置されている。このため、１行目の照射エリア１６８１１と照射エリア１６８１２との間のレーザ照射できない部分は、２行目の照射エリア１６８２１と３行目の照射エリア１６８３１とによりレーザ照射することができる。
【００２５】
照射ヘッド１６６１１〜１６６ｍｎ各々は、図４、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、入射された光ビームを画像データに応じて各画素毎に変調する空間光変調素子として、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）５０を備えている。このＤＭＤ５０は、データ処理部とミラー駆動制御部とを備えた図示しないコントローラに接続されている。このコントローラのデータ処理部では、入力された画像データに基づいて、各照射ヘッド１６６毎にＤＭＤ５０の制御すべき領域内の各マイクロミラーを駆動制御する制御信号を生成する。なお、制御すべき領域については後述する。また、ミラー駆動制御部では、画像データ処理部で生成した制御信号に基づいて、各照射ヘッド１６６毎にＤＭＤ５０の各マイクロミラーの反射面の角度を制御する。なお、反射面の角度の制御に付いては後述する。
【００２６】
ＤＭＤ５０の光入射側には、光ファイバの出射端部（発光点）が照射エリア１６８の長辺方向と対応する方向に沿って一列に配列されたレーザ出射部を備えたファイバアレイ光源６６、ファイバアレイ光源６６から出射されたレーザ光を補正してＤＭＤ上に集光させるレンズ系６７、レンズ系６７を透過したレーザ光をＤＭＤ５０に向けて反射するミラー６９がこの順に配置されている。
【００２７】
レンズ系６７は、ファイバアレイ光源６６から出射されたレーザ光を平行光化する１対の組合せレンズ７１、平行光化されたレーザ光の光量分布が均一になるように補正する１対の組合せレンズ７３、及び光量分布が補正されたレーザ光をＤＭＤ上に集光する集光レンズ７５で構成されている。組合せレンズ７３は、レーザ出射端の配列方向に対しては、レンズの光軸に近い部分は光束を広げ且つ光軸から離れた部分は光束を縮め、且つこの配列方向と直交する方向に対しては光をそのまま通過させる機能を備えており、光量分布が均一となるようにレーザ光を補正する。
【００２８】
この光量分布補正光学系は、光軸に近い中心部の光束幅に対する周辺部の光束幅の比が入射側に比べて出射側の方が小さくなるように各出射位置における光束幅を変化させて、光源からの平行光束をＤＭＤに照射するときに、ＤＭＤの被照射面での光量分布が略均一になるように補正する。以下、この光量分布補正光学系の作用について説明する。
【００２９】
まず、図２７（Ａ）に示したように、入射光束と出射光束とで、その全体の光束幅（全光束幅）Ｈ０、Ｈ１が同じである場合について説明する。なお、図２７（Ａ）において、符号５１、５２で示した部分は、光量分布補正光学系における入射面および出射面を仮想的に示したものである。
【００３０】
光量分布補正光学系において、光軸Ｚ１に近い中心部に入射した光束と、周辺部に入射した光束とのそれぞれの光束幅ｈ０、ｈ１が、同一であるものとする（ｈ０＝ｈｌ）。光量分布補正光学系は、入射側において同一の光束幅ｈ０，ｈ１であった光に対し、中心部の入射光束については、その光束幅ｈ０を拡大し、逆に、周辺部の入射光束に対してはその光束幅ｈ１を縮小するような作用を施す。すなわち、中心部の出射光束の幅ｈ１０と、周辺部の出射光束の幅ｈ１１とについて、ｈ１１＜ｈ１０となるようにする。光束幅の比率で表すと、出射側における中心部の光束幅に対する周辺部の光束幅の比「ｈ１１／ｈ１０」が、入射側における比（ｈ１／ｈ０＝１）に比べて小さくなっている（（ｈ１１／ｈ１０）＜１）。
【００３１】
このように光束幅を変化させることにより、通常では光量分布が大きくなっている中央部の光束を、光量の不足している周辺部へと生かすことができ、全体として光の利用効率を落とさずに、ＤＭＤの被照射面での光量分布が略均一化される。均一化の度合いは、例えば、有効領域内における光量ムラが３０％以内、好ましくは２０％以内となるようにする。
【００３２】
このような光量分布補正光学系による作用、効果は、入射側と出射側とで、全体の光束幅を変える場合（図２７（Ｂ），（Ｃ））においても同様である。
【００３３】
図２７（Ｂ）は、入射側の全体の光束幅Ｈ０を、幅Ｈ２に“縮小”して出射する場合（Ｈ０＞Ｈ２）を示している。このような場合においても、光量分布補正光学系は、入射側において同一の光束幅ｈ０、ｈ１であった光を、出射側において、中央部の光束幅ｈ１０が周辺部に比べて大きくなり、逆に、周辺部の光束幅ｈ１１が中心部に比べて小さくなるようにする。光束の縮小率で考えると、中心部の入射光束に対する縮小率を周辺部に比べて小さくし、周辺部の入射光束に対する縮小率を中心部に比べて大きくするような作用を施している。この場合にも、中心部の光束幅に対する周辺部の光束幅の比「Ｈ１１／Ｈ１０」が、入射側における比（ｈ１／ｈ０＝１）に比べて小さくなる（（ｈ１１／ｈ１０）＜１）。
【００３４】
図２７（Ｃ）は、入射側の全体の光束幅Ｈ０を、幅Η３に“拡大”して出射する場合（Ｈ０＜Ｈ３）を示している。このような場合においても、光量分布補正光学系は、入射側において同一の光束幅ｈ０、ｈ１であった光を、出射側において、中央部の光束幅ｈ１０が周辺部に比べて大きくなり、逆に、周辺部の光束幅ｈ１１が中心部に比べて小さくなるようにする。光束の拡大率で考えると、中心部の入射光束に対する拡大率を周辺部に比べて大きくし、周辺部の入射光束に対する拡大率を中心部に比べて小さくするような作用を施している。この場合にも、中心部の光束幅に対する周辺部の光束幅の比「ｈ１１／ｈ１０」が、入射側における比（ｈ１／ｈ０＝１）に比べて小さくなる（（ｈ１１／ｈ１０）＜１）。
【００３５】
このように、光量分布補正光学系は、各出射位置における光束幅を変化させ、光軸Ｚ１に近い中心部の光束幅に対する周辺部の光束幅の比を入射側に比べて出射側の方が小さくなるようにしたので、入射側において同一の光束幅であった光が、出射側においては、中央部の光束幅が周辺部に比べて大きくなり、周辺部の光束幅は中心部に比べて小さくなる。これにより、中央部の光束を周辺部へと生かすことができ、光学系全体としての光の利用効率を落とさずに、光量分布の略均一化された光束断面を形成することができる。
【００３６】
次に、光量分布補正光学系として使用する１対の組合せレンズの具体的なレンズデータの１例を示す。この例では、光源がレーザアレイ光源である場合のように、出射光束の断面での光量分布がガウス分布である場合のレンズデータを示す。なお、シングルモード光ファイバの入射端に１個の半導体レーザを接続した場合には、光ファイバからの射出光束の光量分布がガウス分布になる。本実施の形態はこのような場合にも適用可能である。また、マルチモード光ファイバのコア径を小さくしてシングルモード光ファイバの構成に近付ける等により光軸に近い中心部の光量が周辺部の光量よりも大きい場合にも適用可能である。
【００３７】
下記表１に基本レンズデータを示す。
【００３８】
【表１】
2004064065.tif 000003
【００３９】
表１から分かるように、１対の組合せレンズは、回転対称の２つの非球面レンズから構成されている。光入射側に配置された第１のレンズの光入射側の面を第１面、光出射側の面を第２面とすると、第１面は非球面形状である。また、光出射側に配置された第２のレンズの光入射側の面を第３面、光出射側の面を第４面とすると、第４面が非球面形状である。
【００４０】
表１において、面番号Ｓｉはｉ番目（ｉ＝１〜４）の面の番号を示し、曲率半径ｒｉはｉ番目の面の曲率半径を示し、面間隔ｄｉはｉ番目の面とｉ＋１番目の面との光軸上の面間隔を示す。面間隔ｄｉ値の単位はミリメートル（ｍｍ）である。屈折率Ｎｉはｉ番目の面を備えた光学要素の波長４０５ｎｍに対する屈折率の値を示す。
【００４１】
下記表２に、第１面及び第４面の非球面データを示す。
【００４２】
【表２】
2004064065.tif 000004
【００４３】
上記の非球面データは、非球面形状を表す下記式（Ａ）における係数で表される。
【００４４】
【数１】
2004064065.tif 000005
【００４５】
上記式（Ａ）において各係数を以下の通り定義する。
Ｚ：光軸から高さρの位置にある非球面上の点から、非球面の頂点の接平面（光軸に垂直な平面）に下ろした垂線の長さ（ｍｍ）
ρ：光軸からの距離（ｍｍ）
Ｋ：円錐係数
Ｃ：近軸曲率（１／ｒ、ｒ：近軸曲率半径）
ａｉ：第ｉ次（ｉ＝３〜１０）の非球面係数
表２に示した数値において、記号“Ｅ”は、その次に続く数値が１０を底とした“ぺき指数″であることを示し、その１０を底とした指数関数で表される数値が“Ｅ”の前の数値に乗算されることを示す。例えば、「１．０Ｅ−０２」であれば、「１．０×１０−２」であることを示す。
【００４６】
図２９は、上記表１及び表２に示す１対の組合せレンズによって得られる照明光の光量分布を示している。横軸は光軸からの座標を示し、縦軸は光量比（％）を示す。なお、比較のために、図２８に、補正を行わなかった場合の照明光の光量分布（ガウス分布）を示す。図２８及び図２９から分かるように、光量分布補正光学系で補正を行うことにより、補正を行わなかった場合と比べて、略均一化された光量分布が得られている。これにより、照射ヘッドにおける光の利用効率を落とさずに、均一なレーザ光でムラなくレーザアニールを行うことができる。
【００４７】
また、ＤＭＤ５０の光反射側には、ＤＭＤ５０で反射されたレーザ光を透明基板１５０の走査面（アニール面）５６上に結像するレンズ系５４、５８が配置されている。レンズ系５４及び５８は、ＤＭＤ５０と走査面５６とが共役な関係となるように配置されている。
【００４８】
ＤＭＤ５０は、図６に示すように、ＳＲＡＭセル（メモリセル）６０上に、微小ミラー（マイクロミラー）６２が支柱により支持されて配置されたものであり、画素（ピクセル）を構成する多数の（例えば、６００個×８００個）の微小ミラーを格子状に配列して構成されたミラーデバイスである。各ピクセルには、最上部に支柱に支えられたマイクロミラー６２が設けられており、マイクロミラー６２の表面にはアルミニウム等の反射率の高い材料が蒸着されている。なお、マイクロミラー６２の反射率は９０％以上である。また、マイクロミラー６２の直下には、ヒンジ及びヨークを含む支柱を介して通常の半導体メモリの製造ラインで製造されるシリコンゲートのＣＭＯＳのＳＲＡＭセル６０が配置されており、全体はモノリシック（一体型）に構成されている。
【００４９】
ＤＭＤ５０のＳＲＡＭセル６０にデジタル信号が書き込まれると、支柱に支えられたマイクロミラー６２が、対角線を中心としてＤＭＤ５０が配置された基板側に対して±α度（例えば±１０度）の範囲で傾けられる。図７（Ａ）は、マイクロミラー６２がオン状態である＋α度に傾いた状態を示し、図７（Ｂ）は、マイクロミラー６２がオフ状態である−α度に傾いた状態を示す。従って、画像信号に応じて、ＤＭＤ５０の各ピクセルにおけるマイクロミラー６２の傾きを、図６に示すように制御することによって、ＤＭＤ５０に入射された光はそれぞれのマイクロミラー６２の傾き方向へ反射される。
【００５０】
なお、図６には、ＤＭＤ５０の一部を拡大し、マイクロミラー６２が＋α度又は−α度に制御されている状態の一例を示す。それぞれのマイクロミラー６２のオンオフ制御は、ＤＭＤ５０に接続された図示しないコントローラによって行われる。なお、オフ状態のマイクロミラー６２により光ビームが反射される方向には、光吸収体（図示せず）が配置されている。
【００５１】
また、ＤＭＤ５０は、その短辺が副走査方向と所定角度θ（例えば、０．１°〜５°）を成すように僅かに傾斜させて配置するのが好ましい。図８（Ａ）はＤＭＤ５０を傾斜させない場合の各マイクロミラーによる反射光像（照射ビーム）５３の走査軌跡を示し、図８（Ｂ）はＤＭＤ５０を傾斜させた場合の照射ビーム５３の走査軌跡を示している。
【００５２】
ＤＭＤ５０には、長手方向にマイクロミラーが多数個（例えば、８００個）配列されたマイクロミラー列が、短手方向に多数組（例えば、６００組）配列されているが、図８（Ｂ）に示すように、ＤＭＤ５０を傾斜させることにより、各マイクロミラーによる照射ビーム５３の走査軌跡（走査線）のピッチＰ２が、ＤＭＤ５０を傾斜させない場合の走査線のピッチＰ１より狭くなり、解像度を大幅に向上させることができる。一方、ＤＭＤ５０の傾斜角は微小であるので、ＤＭＤ５０を傾斜させた場合の走査幅Ｗ２と、ＤＭＤ５０を傾斜させない場合の走査幅Ｗ１とは略同一である。
【００５３】
また、異なるマイクロミラー列により同じ走査線上が重ねてレーザ照射（多重露光）されることになる。このように、多重露光されることで、レーザ照射位置の微少量をコントロールすることができ、高精細なアニールを実現することができる。また、主走査方向に配列された複数の照射ヘッドの間のつなぎ目を微少量のレーザ照射位置制御により段差無くつなぐことができる。
【００５４】
なお、ＤＭＤ５０を傾斜させる代わりに、各マイクロミラー列を副走査方向と直交する方向に所定間隔ずらして千鳥状に配置しても、同様の効果を得ることができる。
【００５５】
ファイバアレイ光源６６は、図９（Ａ）に示すように、多数のレーザモジュール６４を備えており、各レーザモジュール６４には、マルチモード光ファイバ３０の一端が結合されている。マルチモード光ファイバ３０の他端には、コア径がマルチモード光ファイバ３０と同一で且つクラッド径がマルチモード光ファイバ３０より小さい光ファイバ３１が結合され、光ファイバ３１の出射端部（発光点）が副走査方向と直交する主走査方向に沿って１列に配列されてレーザ出射部６８が構成されている。なお、発光点を主走査方向に沿って２列に配列することもできる。
【００５６】
光ファイバ３１の出射端部は、図９（Ｂ）に示すように、表面が平坦な２枚の支持板６５に挟み込まれて固定されている。また、光ファイバ３１の光出射側には、光ファイバ３１の端面を保護するために、ガラス等の透明な保護板６３が配置されている。保護板６３は、光ファイバ３１の端面と密着させて配置してもよく、また、保護板６３を光ファイバ３１の端面から離して、保護板６３と周辺の支持板６５とにより光ファイバ３１の端面が封止されるように配置してもよい。この場合、光ファイバ３１の端面を封止ガスと共に密封する。光ファイバ３１の出射端部は、光密度が高く集塵し易く劣化し易いが、保護板６３を配置することにより端面への塵埃の付着を防止することができると共に劣化を遅らせることができる。
【００５７】
この例では、クラッド径が小さい光ファイバ３１の出射端を隙間無く１列に配列するために、クラッド径が大きい部分で隣接する２本のマルチモード光ファイバ３０の間にマルチモード光ファイバ３０を積み重ね、積み重ねられたマルチモード光ファイバ３０に結合された光ファイバ３１の出射端が、クラッド径が大きい部分で隣接する２本のマルチモード光ファイバ３０に結合された光ファイバ３１の２つの出射端の間に挟まれるように配列されている。
【００５８】
このような光ファイバは、例えば、図１０に示すように、クラッド径が大きいマルチモード光ファイバ３０のレーザ光出射側の先端部分に、長さ１〜３０ｃｍのクラッド径が小さい光ファイバ３１を同軸的に結合することにより得ることができる。２本の光ファイバは、光ファイバ３１の入射端面が、マルチモード光ファイバ３０の出射端面に、両光ファイバの中心軸が一致するように融着されて結合されている。上述した通り、光ファイバ３１のコア３１ａの径は、マルチモード光ファイバ３０のコア３０ａの径と同じ大きさである。
【００５９】
また、長さが短くクラッド径が大きい光ファイバにクラッド径が小さい光ファイバを融着させた短尺光ファイバを、フェルールや光コネクタ等を介してマルチモード光ファイバ３０の出射端に結合してもよい。コネクタ等を用いて着脱可能に結合することで、クラッド径が小さい光ファイバが破損した場合等に先端部分の交換が容易になり、照射ヘッドのメンテナンスに要するコストを低減できる。なお、以下では、光ファイバ３１を、マルチモード光ファイバ３０の出射端部と称する場合がある。
【００６０】
マルチモード光ファイバ３０及び光ファイバ３１としては、ステップインデックス型光ファイバ、グレーテッドインデックス型光ファイバ、及び複合型光ファイバの何れでもよい。例えば、三菱電線工業株式会社製のステップインデックス型光ファイバを用いることができる。本実施の形態では、マルチモード光ファイバ３０及び光ファイバ３１は、ステップインデックス型光ファイバであり、マルチモード光ファイバ３０は、クラッド径＝１２５μｍ、コア径＝２５μｍ、ＮＡ＝０．２、入射端面コートの透過率＝９９．５％以上であり、光ファイバ３１は、クラッド径＝６０μｍ、コア径＝２５μｍ、ＮＡ＝０．２である。
【００６１】
一般に、赤外領域のレーザ光では、光ファイバのクラッド径を小さくすると伝搬損失が増加する。このため、レーザ光の波長帯域に応じて好適なクラッド径が決定されている。しかしながら、波長が短いほど伝搬損失は少なくなり、ＧａＮ系半導体レーザから出射された波長４０５ｎｍのレーザ光では、クラッドの厚み｛（クラッド径−コア径）／２｝を８００ｎｍの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の１／２程度、通信用の１．５μｍの波長帯域の赤外光を伝搬させる場合の約１／４にしても、伝搬損失は殆ど増加しない。従って、クラッド径を６０μｍと小さくすることができる。
【００６２】
但し、光ファイバ３１のクラッド径は６０μｍには限定されない。従来のファイバ光源に使用されている光ファイバのクラッド径は１２５μｍであるが、クラッド径が小さくなるほど焦点深度がより深くなるので、マルチモード光ファイバのクラッド径は８０μｍ以下が好ましく、６０μｍ以下がより好ましく、４０μｍ以下が更に好ましい。一方、コア径は少なくとも３〜４μｍ必要であることから、光ファイバ３１のクラッド径は１０μｍ以上が好ましい。
【００６３】
レーザモジュール６４は、図１１に示す合波レーザ光源（ファイバ光源）によって構成されている。この合波レーザ光源は、ヒートブロック１０上に配列固定された複数（例えば、７個）のチップ状の横マルチモード又はシングルモードのＧａＮ系半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６，及びＬＤ７と、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各々に対応して設けられたコリメータレンズ１１，１２，１３，１４，１５，１６，及び１７と、１つの集光レンズ２０と、１本のマルチモード光ファイバ３０と、から構成されている。なお、半導体レーザの個数は７個には限定されない。例えば、クラッド径＝６０μｍ、コア径＝５０μｍ、ＮＡ＝０．２のマルチモード光ファイバには、２０個もの半導体レーザ光を入射することが可能であり、照射ヘッドの必要光量を実現して、且つ光ファイバ本数をより減らすことができる。
【００６４】
ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、発振波長が総て共通（例えば、４０５ｎｍ）であり、最大出力も総て共通（例えば、マルチモードレーザでは１００ｍＷ、シングルモードレーザでは３０ｍＷとすることができるが、レーザ出力はこれに限定されるものではない。）である。なお、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７としては、３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの波長範囲で、上記の４０５ｎｍ以外の発振波長を備えるレーザを用いてもよい。なお、好適な波長範囲については後述する。
【００６５】
上記の合波レーザ光源は、図１２及び図１３に示すように、他の光学要素と共に、上方が開口した箱状のパッケージ４０内に収納されている。パッケージ４０は、その開口を閉じるように作成されたパッケージ蓋４１を備えており、脱気処理後に封止ガスを導入し、パッケージ４０の開口をパッケージ蓋４１で閉じることにより、パッケージ４０とパッケージ蓋４１とにより形成される閉空間（封止空間）内に上記合波レーザ光源が気密封止されている。
【００６６】
パッケージ４０の底面にはベース板４２が固定されており、このベース板４２の上面には、前記ヒートブロック１０と、集光レンズ２０を保持する集光レンズホルダー４５と、マルチモード光ファイバ３０の入射端部を保持するファイバホルダー４６とが取り付けられている。マルチモード光ファイバ３０の出射端部は、パッケージ４０の壁面に形成された開口からパッケージ外に引き出されている。
【００６７】
また、ヒートブロック１０の側面にはコリメータレンズホルダー４４が取り付けられており、コリメータレンズ１１〜１７が保持されている。パッケージ４０の横壁面には開口が形成され、この開口を通してＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７に駆動電流を供給する配線４７がパッケージ外に引き出されている。
【００６８】
なお、図１３においては、図の煩雑化を避けるために、複数のＧａＮ系半導体レーザのうちＧａＮ系半導体レーザＬＤ７にのみ番号を付し、複数のコリメータレンズのうちコリメータレンズ１７にのみ番号を付している。
【００６９】
図１４は、上記コリメータレンズ１１〜１７の取り付け部分の正面形状を示すものである。コリメータレンズ１１〜１７の各々は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取った形状に形成されている。この細長形状のコリメータレンズは、例えば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形することによって形成することができる。コリメータレンズ１１〜１７は、長さ方向がＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の発光点の配列方向（図１４の左右方向）と直交するように、上記発光点の配列方向に密接配置されている。
【００７０】
一方、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７としては、発光幅が２μｍの活性層を備え、活性層と平行な方向、直角な方向の拡がり角が各々例えば１０°、３０°の状態で各々レーザビームＢ１〜Ｂ７を発するレーザが用いられている。これらＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７は、活性層と平行な方向に発光点が１列に並ぶように配設されている。
【００７１】
従って、各発光点から発せられたレーザビームＢ１〜Ｂ７は、上述のように細長形状の各コリメータレンズ１１〜１７に対して、拡がり角度が大きい方向が長さ方向と一致し、拡がり角度が小さい方向が幅方向（長さ方向と直交する方向）と一致する状態で入射することになる。つまり、各コリメータレンズ１１〜１７の幅が１．１ｍｍ、長さが４．６ｍｍであり、それらに入射するレーザビームＢ１〜Ｂ７の水平方向、垂直方向のビーム径は各々０．９ｍｍ、２．６ｍｍである。また、コリメータレンズ１１〜１７の各々は、焦点距離ｆ１＝３ｍｍ、ＮＡ＝０．６、レンズ配置ピッチ＝１．２５ｍｍである。
【００７２】
集光レンズ２０は、非球面を備えた円形レンズの光軸を含む領域を平行な平面で細長く切り取って、コリメータレンズ１１〜１７の配列方向、つまり水平方向に長く、それと直角な方向に短い形状に形成されている。この集光レンズ２０は、焦点距離ｆ２＝２３ｍｍ、ＮＡ＝０．２である。この集光レンズ２０も、例えば、樹脂又は光学ガラスをモールド成形することにより形成される。
【００７３】
［レーザアニール装置の動作］
次に、上記レーザアニール装置の動作について説明する。
【００７４】
スキャナ１６２の各照射ヘッド１６６において、ファイバアレイ光源６６の合波レーザ光源を構成するＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各々から発散光状態で出射したレーザビームＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６，及びＢ７の各々は、対応するコリメータレンズ１１〜１７によって平行光化される。平行光化されたレーザビームＢ１〜Ｂ７は、集光レンズ２０によって集光され、マルチモード光ファイバ３０のコア３０ａの入射端面に収束する。
【００７５】
本例では、コリメータレンズ１１〜１７及び集光レンズ２０によって集光光学系が構成され、その集光光学系とマルチモード光ファイバ３０とによって合波光学系が構成されている。即ち、集光レンズ２０によって上述のように集光されたレーザビームＢ１〜Ｂ７が、このマルチモード光ファイバ３０のコア３０ａに入射して光ファイバ内を伝搬し、１本のレーザビームＢに合波されてマルチモード光ファイバ３０の出射端部に結合された光ファイバ３１から出射する。
【００７６】
各レーザモジュールにおいて、レーザビームＢ１〜Ｂ７のマルチモード光ファイバ３０への結合効率が０．８５で、ＧａＮ系半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７の各出力が３０ｍＷの場合（シングルモードレーザを使用する場合）には、アレイ状に配列された光ファイバ３１の各々について、出力１８０ｍＷ（＝３０ｍＷ×０．８５×７）の合波レーザビームＢを得ることができる。従って、１００本の光ファイバ３１がアレイ状に配列されたレーザ出射部６８での出力は約１８Ｗ（＝１８０ｍＷ×１００）である。
【００７７】
ファイバアレイ光源６６のレーザ出射部６８には、この通り高輝度の発光点が主走査方向に沿って一列に配列されている。単一のシングルモード半導体レーザからのレーザ光を１本の光ファイバに結合させる従来のファイバ光源は低出力であるため、多数列配列しなければ所望の出力を得ることができなかったが、本実施の形態で使用する合波レーザ光源は高出力であるため、少数列、例えば１列でも所望の出力を得ることができる。
【００７８】
例えば、半導体レーザと光ファイバを１対１で結合させた従来のファイバ光源では、通常、半導体レーザとしては出力３０ｍＷ（ミリワット）程度のレーザが使用され、光ファイバとしてはコア径５０μｍ、クラッド径１２５μｍ、ＮＡ（開口数）０．２のマルチモード光ファイバが使用されているので、約１８Ｗ（ワット）の出力を得ようとすれば、マルチモード光ファイバを８６４本（８×１０８）束ねなければならず、発光領域の面積は１３．５ｍｍ２（１ｍｍ×１３．５ｍｍ）であるから、レーザ出射部６８での輝度は１．３（ＭＷ（メガワット）／ｍ２）、光ファイバ１本当りの輝度は８（ＭＷ／ｍ２）である。
【００７９】
これに対し、本実施の形態では、上述した通り、マルチモード光ファイバ１００本で約１８Ｗの出力を得ることができ、レーザ出射部６８での発光領域の面積は０．３１２５ｍｍ２（０．０２５ｍｍ×１２．５ｍｍ）であるから、レーザ出射部６８での輝度は５７．６（ＭＷ／ｍ２）となり、従来に比べ約４４倍の高輝度化を図ることができる。また、光ファイバ１本当りの輝度は２８８（ＭＷ／ｍ２）であり、従来に比べ約３６倍の高輝度化を図ることができる。
【００８０】
ここで、図１５（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、低輝度照射ヘッドと本実施の形態の高輝度照射ヘッドとの焦点深度の違いについて説明する。低輝度の照射ヘッドのバンドル状ファイバ光源の発光領域の副走査方向の径は１．０ｍｍであり、本実施の形態の高輝度照射ヘッドのファイバアレイ光源の発光領域の副走査方向の径は０．０２５ｍｍである。図１５（Ａ）に示すように、低輝度照射ヘッドでは、光源（バンドル状ファイバ光源）１の発光領域が大きいので、ＤＭＤ３へ入射する光束の角度が大きくなり、結果として走査面５へ入射する光束の角度が大きくなる。このため、集光方向（ピント方向のずれ）に対してビーム径が太りやすい。
【００８１】
一方、図１５（Ｂ）に示すように、本実施の形態の高輝度照射ヘッドでは、ファイバアレイ光源６６の発光領域の副走査方向の径が小さいので、レンズ系６７を通過してＤＭＤ５０へ入射する光束の角度が小さくなり、結果として走査面５６へ入射する光束の角度が小さくなる。即ち、焦点深度が深くなる。この例では、発光領域の副走査方向の径は従来の約３０倍になっており、略回折限界に相当する焦点深度を得ることができる。従って、微小スポットでのレーザアニールに好適である。この焦点深度への効果は、照射ヘッドの必要光量が大きいほど顕著であり有効である。この例では、アニール面に投影された１画素サイズは１０μｍ×１０μｍである。なお、ＤＭＤは反射型の空間変調素子であるが、図１５（Ａ）及び（Ｂ）は、光学的な関係を説明するために展開図とした。
【００８２】
アニールパターンに応じた画像データが、ＤＭＤ５０に接続された図示しないコントローラに入力され、コントローラ内のフレームメモリに一旦記憶される。この画像データは、画像を構成する各画素の濃度を２値（ドットの記録の有無）で表したデータである。
【００８３】
透明基板１５０を表面に吸着したステージ１５２は、図示しない駆動装置により、ガイド１５８に沿ってゲート１６０の上流側から下流側に一定速度で移動される。ステージ１５２がゲート１６０下を通過する際に、ゲート１６０に取り付けられた検知センサ１６４により透明基板１５０の先端が検出されると、フレームメモリに記憶された画像データが複数ライン分ずつ順次読み出され、データ処理部で読み出された画像データに基づいて各照射ヘッド１６６毎に制御信号が生成される。そして、ミラー駆動制御部により、生成された制御信号に基づいて各照射ヘッド１６６毎にＤＭＤ５０のマイクロミラーの各々がオンオフ制御される。
【００８４】
ファイバアレイ光源６６から出射されたレーザ光は、組合せレンズ７１により平行光化され、組合せレンズ７３によりＤＭＤ５０の被照射面での光量分布が略均一になるように補正され、集光レンズ７５によりＤＭＤ５０上に集光される。ＤＭＤ５０にレーザ光が照射されると、ＤＭＤ５０のマイクロミラーがオン状態のときに反射されたレーザ光は、レンズ系５４、５８により透明基板１５０のアニール面５６上に結像される。このようにして、ファイバアレイ光源６６から出射されたレーザ光が画素毎にオンオフされて、透明基板１５０がＤＭＤ５０の使用画素数と略同数の画素単位（照射エリア１６８）でレーザ照射されアニールされる。また、透明基板１５０がステージ１５２と共に一定速度で移動されることにより、透明基板１５０がスキャナ１６２によりステージ移動方向と反対の方向に副走査され、各照射ヘッド１６６毎に帯状の照射済み領域１７０が形成される。
【００８５】
アモルファスシリコン等は、「アモルファス半導体の基礎」森垣和夫著、オーム社、ｐ９０（１９８２）に記載されているように、図２６に示す吸収特性を有している。図２６から分かるように、アモルファスシリコン等の光吸収係数は照射する光の波長に応じて変化する。本実施の形態では波長４０５ｎｍのＧａＮ系半導体レーザを使用しているが、図２６に示すように、波長４００ｎｍの波長帯のレーザ光に対しても、水素化アモルファスシリコン（ａ−ＳｉＨ０．１６）で１０５ｃｍ−１以上の十分な吸収特性を有しており、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）においても１０５ｃｍ−１以上の吸収特性を有していると推定することができる。従って、３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの波長帯域のレーザ光により、効率良くアニールを実施することができる。但し、吸収効率の点からは、３７０ｎｍ〜４１０ｎｍの波長帯域のレーザ光がより好ましく、比較的ＧａＮ系半導体レーザの出力が大きく且つアモルファスシリコンの吸収が大きい３７０ｎｍ〜３７５ｎｍの波長帯域のレーザ光が特に好ましい。なお、光子エネルギーと波長との関係は１ｅＶ＝８．０６５５×１０３ｃｍ−１であり、波長５３２ｎｍは２．３ｅＶ、波長４００ｎｍは３．１ｅＶに相当する。
【００８６】
また、図１６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ＤＭＤ５０には、主走査方向にマイクロミラーが８００個配列されたマイクロミラー列が、副走査方向に６００組配列されているが、本実施の形態では、コントローラにより一部のマイクロミラー列（例えば、８００個×１０列）だけが駆動されるように制御することができる。
【００８７】
図１６（Ａ）に示すように、ＤＭＤ５０の中央部に配置されたマイクロミラー列を使用してもよく、図１６（Ｂ）に示すように、ＤＭＤ５０の端部に配置されたマイクロミラー列を使用してもよい。また、一部のマイクロミラーに欠陥が発生した場合は、欠陥が発生していないマイクロミラー列を使用するなど、状況に応じて使用するマイクロミラー列を適宜変更してもよい。
【００８８】
ＤＭＤ５０のデータ処理速度には限界があり、使用する画素数に比例して１ライン当りの変調速度が決定されるので、一部のマイクロミラー列だけを使用することで１ライン当りの変調速度が速くなる。一方、連続的に照射ヘッドをアニール面に対して相対移動させる走査方式の場合には、副走査方向の画素を全部使用する必要はない。
【００８９】
例えば、６００組のマイクロミラー列の内、３００組だけ使用する場合には、６００組全部使用する場合と比較すると１ライン当り２倍速く変調することができる。また、６００組のマイクロミラー列の内、２００組だけ使用する場合には、６００組全部使用する場合と比較すると１ライン当り３倍速く変調することができる。即ち、副走査方向に５００ｍｍの領域を１７秒でレーザ照射できる。更に、１００組だけ使用する場合には、１ライン当り６倍速く変調することができる。即ち、副走査方向に５００ｍｍの領域を９秒でレーザ照射できる。
【００９０】
使用するマイクロミラー列の数、即ち、副走査方向に配列されたマイクロミラーの個数は、１０以上で且つ２００以下が好ましく、１０以上で且つ１００以下がより好ましい。１画素に相当するマイクロミラー１個当りの面積は１５μｍ×１５μｍであるから、ＤＭＤ５０の使用領域に換算すると、１２ｍｍ×１５０μｍ以上で且つ１２ｍｍ×３ｍｍ以下の領域が好ましく、１２ｍｍ×１５０μｍ以上で且つ１２ｍｍ×１．５ｍｍ以下の領域がより好ましい。
【００９１】
使用するマイクロミラー列の数が上記範囲にあれば、図１７（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ファイバアレイ光源６６から出射されたレーザ光をレンズ系６７で略平行光化して、ＤＭＤ５０に照射することができる。ＤＭＤ５０によりレーザ光を照射する照射領域は、ＤＭＤ５０の使用領域と一致することが好ましい。照射領域が使用領域よりも広いとレーザ光の利用効率が低下する。
【００９２】
一方、ＤＭＤ５０上に集光させる光ビームの副走査方向の径を、レンズ系６７により副走査方向に配列されたマイクロミラーの個数に応じて小さくする必要があるが、使用するマイクロミラー列の数が１０未満であると、ＤＭＤ５０に入射する光束の角度が大きくなり、走査面５６における光ビームの焦点深度が浅くなるので好ましくない。また、使用するマイクロミラー列の数が２００以下が変調速度の観点から好ましい。なお、ＤＭＤは反射型の空間変調素子であるが、図１７（Ａ）及び（Ｂ）は、光学的な関係を説明するために展開図とした。
【００９３】
ここで、露光面上での光密度を算出する。上記の通り、各照射ヘッド１６６の出力は約１８Ｗである。また、ＤＭＤ５０の一部のマイクロミラー列（例えば、８００個×１０列）だけを使用するので、各照射ヘッド１６６による照射エリア１６８の面積（露光面上でのビームサイズ）は１５０μｍ×１２ｍｍとなる。１５０μｍ領域を１ｍｓｅｃで露光する場合は、露光面上での光密度は１０００ｍＪ／ｃｍ２である。更に光学系による損失を約５０％と見積っても、露光面上での光密度は５００ｍＪ／ｃｍ２である。１４個の照射ヘッド１６６を備えたスキャナ１６２全体では、アレイ化される光ファイバ３１の本数は１４００本になり、総出力は２５２Ｗとなる。また、照射エリア１６８の面積の合計は１５０μｍ×１６８ｍｍであり、露光面上での光密度は５００ｍＪ／ｃｍ２である。
【００９４】
なお、照射ヘッドの合波レーザ光源に出力が１００ｍＷのマルチモードレーザを使用する場合には、７個のＬＤにより出力６００ｍＷの合波レーザビームＢを得ることができる。従って、３０本の光ファイバ３１で約１８Ｗの出力を得ることができる。１４個の照射ヘッド１６６を備えたスキャナ１６２全体では、アレイ化される光ファイバ３１の本数は４２０本になり、総出力は２５２Ｗとなる。また、照射エリア１６８の面積の合計は１５０μｍ×１６８ｍｍであり、露光面上での光密度は５００ｍＪ／ｃｍ２となる。
【００９５】
スキャナ１６２による透明基板１５０の副走査が終了し、検知センサ１６４で透明基板１５０の後端が検出されると、ステージ１５２は、図示しない駆動装置により、ガイド１５８に沿ってゲート１６０の最上流側にある原点に復帰し、再度、ガイド１５８に沿ってゲート１６０の上流側から下流側に一定速度で移動される。
【００９６】
以上説明した通り、本実施の形態のレーザアニール装置では、光量分布補正光学系を用いて光量分布が略均一の光で空間変調素子を照明することができるので、被露光面においてムラ無くレーザアニールを行うことができる。
【００９７】
また、本実施の形態のレーザアニール装置は、波長３５０〜４５０ｎｍの波長帯のＧａＮ系半導体レーザを用いているので、ＥＬＡ装置のように紫外線対応の特殊な材料の光学系を用いてラインビームを生成する必要が無く、可視域のレーザ露光装置と同様に、ＤＭＤのオンオフ制御により任意パターンでの高精細なアニールが可能である。
【００９８】
特に、本実施の形態では、光ファイバの出射端のクラッド径を入射端のクラッド径よりも小さくしているので、発光部径がより小さくなり、ファイバアレイ光源の高輝度化が図られる。これにより、より深い焦点深度を備えたレーザアニール装置を実現することができる。例えば、ビーム径１μｍ以下、解像度０．１μｍ以下の超高解像度でにアニールの場合にも、深い焦点深度を得ることができ、高速且つ高精細なアニールが可能となる。
【００９９】
また、本実施の形態のレーザアニール装置は、ガスレーザであるエキシマレーザに代えて高品位なＧａＮ系半導体レーザをレーザ光源に用いているので、以下の１）〜６）の利点がある。
【０１００】
１）光出力が安定化し、結晶粒径サイズの揃ったポリシリコン膜を再現性良く作製することができる。
【０１０１】
２）ＧａＮ系半導体レーザは、全部固体の半導体レーザであるため、数万時間に亘り駆動可能で高信頼性を有している。また、ＧａＮ系半導体レーザは、共有結合性であるため、ＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｄａｍａｇｅ）と呼ばれる光出射端面の破損が生じ難く、高信頼性であり、高ピークパワーを実現できる。
【０１０２】
３）ガスレーザであるエキシマレーザを用いる場合と比べると、小型化が可能で、メンテナンスが非常に簡便になる。また、エネルギー効率も１０％〜２０％と高い。
【０１０３】
４）ＧａＮ系半導体レーザは、基本的にＣＷ（連続）駆動が可能なレーザであるため、パルス駆動する場合にも、アモルファスシリコンの吸収量、発熱量に応じて繰り返し周波数、パルス幅（ｄｕｔｙ）を自由に設定することができる。例えば、数Ｈｚ〜数ＭＨｚまでの任意の繰り返し動作を実現でき、数ｐｓｅｃ〜数１００ｍｓｅｃの任意のパルス幅を実現できる。特に、繰り返し周波数を数１０ＭＨｚ帯程度までとすることができ、ＣＷ駆動する場合と同様に、連続的な結晶粒界を形成することができる。また、繰り返し周波数を大きくすることができるので、高速アニールが可能である。
【０１０４】
５）ＧａＮ系半導体レーザをＣＷ駆動して連続したレーザ光でアニール面上を所定方向に走査することができるので、結晶成長の方向が制御され、連続的な結晶粒界を形成することができ、高キャリア移動度のポリシリコン膜を形成することが可能になる。
【０１０５】
６）波長３５０〜４５０ｎｍのレーザ光を得ることができる。特に、アモルファスシリコンの光吸収率が高い、波長３７０〜４１０ｎｍの範囲（特に４０５ｎｍにおいて）で高出力を得ることができ、アモルファスシリコンを効率良く結晶化することができる。なお、ＧａＮ系半導体レーザは、将来的に更なる高出力化が期待できる。
【０１０６】
また、本実施の形態のレーザアニール装置は、レーザ光源に、合波レーザ光源の光ファイバの出射端部をアレイ状に配列したファイバアレイ光源を用いている。従って、以下の１）〜３）の利点がある。
【０１０７】
１）一般に、レーザアニール装置では、アニール面（露光面）において４００ｍＪ／ｃｍ２〜７００ｍＪ／ｃｍ２の範囲の高い光密度が必要であるが、本実施の形態では、アレイ化するファイバ本数、合波するレーザビームの本数を増加することで、容易にマルチビームでの高出力化、高光密度化を図ることができる。例えば、１本の合波レーザ光源のファイバ出力を１８０ｍＷとすると、５５６本をバンドルすれば１００Ｗの高出力を安定に得ることができる。加えて、ビーム品位も安定しており、高パワー密度である。従って、将来の低温ポリシリコンの成膜面積の大面積化やハイスループット化へも対応することができる。
【０１０８】
２）光ファイバの出射端部はコネクタ等を用いて交換可能に取り付けることが可能であり、メンテナンスが容易になる。
【０１０９】
３）小型の半導体レーザを合波した小型の合波モジュールなので、光源部がエキシマレーザより非常に小型化することができる。
【０１１０】
また、本実施の形態のレーザアニール装置は、主走査方向にマイクロミラーが８００個配列されたマイクロミラー列が、副走査方向に６００組配列されたＤＭＤを備えているが、コントローラにより一部のマイクロミラー列だけが駆動されるように制御するので、全部のマイクロミラー列を駆動する場合に比べて、１ライン当りの変調速度が速くなる。これにより高速でのレーザアニールが可能になる。
【０１１１】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係るレーザアニール装置は、各照射ヘッド１６６１１〜１６６ｍｎに使用される空間光変調素子としてグレーティング・ライト・バルブ（ＧＬＶ）を用いたものである。ＧＬＶは、例えば米国特許第５，３１１，３６０号に開示されているように、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）タイプの空間光変調素子（ＳＬＭ；Ｓｐａｃｉａｌ　Ｌｉｇｈｔ　Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）の一種であり、反射回折格子型の空間光変調素子である。その他の点は、図１〜図１４を参照して説明した第１の実施の形態に係るレーザアニール装置と略同様の構成であるため、同一部分については説明を省略する。
【０１１２】
本実施の形態では、図２に示す照射ヘッド１６６１１〜１６６ｍｎ各々は、図３１、図３２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、入射された光ビームを画像データに応じて各画素毎に変調する空間光変調素子として、所定方向に長い形状（ライン状）をしたＧＬＶ３００を備えている。そして、第１の実施の形態と同様に、ＧＬＶ３００の光入射側には、第１の実施の形態と同様に、ファイバアレイ光源６６、レンズ系６７、ミラー６９がこの順に配置され、ＧＬＶ３００の光出射側には、レンズ系５４とレンズ系５８とが配置されている。
【０１１３】
ライン状のＧＬＶ３００は、その長手方向がファイバアレイ光源６６の光ファイバの配列方向と平行になり且つＧＬＶ３００のリボン状のマイクロブリッジの反射面がミラー６９の反射面と略平行になるように配置されている。また、ＧＬＶ３００は、これを制御する図示しないコントローラに接続されている。
【０１１４】
このＧＬＶ３００は、図３３に示すように、シリコン等からなる長尺状の基板２０３上に、リボン状の反射面を備えたマイクロブリッジ２０９が多数個（例えば、６４８０個）平行に配列されたものであり、隣接するマイクロブリッジ２０９間には多数のスリット２１１が形成されている。通常、１画素は複数（例えば、６個）のマイクロブリッジ２０９で構成されており、１画素を６個のマイクロブリッジ列で構成すると仮定すると、６４８０個のマイクロブリッジで１０８０画素での露光が可能である。
【０１１５】
各マイクロブリッジ２０９は、図３４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）等からなる可撓性梁２０９ａの表面に、アルミニウム（又は、金、銀、銅等）の単層金属膜からなる反射電極膜２０９ｂを形成したものである。反射電極膜２０９ｂの各々は、図示しない配線により図示しないスイッチを介して電源に接続されている。
【０１１６】
ここで、ＧＬＶ３００の動作原理を簡単に説明する。電圧を印加していない状態では、マイクロブリッジ２０９は基板２０３から所定間隔離間されているが、マイクロブリッジ２０９と基板２０３との間に電圧を印加すると、静電誘導された電荷によってマイクロブリッジ２０９と基板２０３との間に静電吸引力が発生し、マイクロブリッジ２０９が基板２０３側に撓む。そして、電圧の印加を止めると、撓みが解消し、マイクロブリッジ２０９は弾性復帰により基板２０３から離間する。従って、電圧を印加するマイクロブリッジと電圧を印加しないマイクロブリッジとを交互に配置することで、電圧の印加により回折格子を形成することができる。
【０１１７】
図３４（Ａ）は、画素単位のマイクロブリッジ列に電圧が印加されておらず、オフ状態にある場合を示している。オフ状態では、マイクロブリッジ２０９の反射面の高さが総て揃い、反射光には光路差が生じず正反射される。即ち、０次回折光しか得ることができない。一方、図３４（Ｂ）は、画素単位のマイクロブリッジ列に電圧が印加され、オン状態にある場合を示している。なお、電圧は１つおきのマイクロブリッジ２０９に印加される。オン状態では、前述した原理によりマイクロブリッジ２０９の中央部が撓み、交互に段差のある反射面が形成される。即ち、回折格子が形成される。この反射面にレーザ光を入射させると、撓みのあるマイクロブリッジ２０９で反射された光と、撓みのないマイクロブリッジ２０９で反射された光との間に光路差が生じ、所定方向に±１次回折光が出射される。
【０１１８】
従って、図示しないコントローラにより、制御信号に応じて、ＧＬＶ３００の各画素におけるマイクロブリッジ列を、印加される電圧のオン／オフで駆動制御することによって、ＧＬＶ３００に入射されたレーザ光は画素毎に変調されて所定方向に回折される。
【０１１９】
また、ＧＬＶ３００の光反射側、即ち、回折光（０次回折光及び±１次回折光）が出射される側には、回折光を走査面（被露光面）５６上に結像するレンズ系５４、５８が、ＧＬＶ３００と被露光面５６とが共役な関係となるように配置されている。また、回折光がレンズ系５４に入射されるように、ＧＬＶ３００はそのリボン状の反射面を予めレンズ系５４の光軸に対し所定角度（例えば４５°）傾斜させて配置されている。
【０１２０】
図３２（Ａ）及び（Ｂ）では、０次回折光は点線で図示し、±１次回折光は実線で図示している。レンズ系５４は、入射された回折光をＧＬＶ３００の長手方向に集光し且つ副走査方向に平行光化する。レンズ系５４とレンズ系５８との間の０次回折光の焦点位置には、０次回折光を走査面５６への光路から除外するための長尺状の遮蔽板５５がその長手方向がＧＬＶの長手方向と直交するように配置されている。これにより、０次回折光だけが選択的に排除される。
【０１２１】
このレーザアニール装置では、アニールパターンに応じた画像データが、ＧＬＶ３００に接続された図示しないコントローラに入力されると、この画像データに基づいて制御信号が生成され、生成された制御信号に基づいて各照射ヘッド毎にＧＬＶ３００のマイクロブリッジの各々が画素単位でオンオフ制御される。ファイバアレイ光源６６からＧＬＶ３００にレーザ光が照射されると、ＧＬＶ３００のマイクロブリッジがオン状態のときに反射されたレーザ光は、レンズ系５４、５８により透明基板１５０のアニール面５６上に結像される。
【０１２２】
このようにファイバアレイ光源６６から出射されたレーザ光が画素毎にオンオフされて、アモルファスシリコン膜が堆積された透明基板１５０がＧＬＶ３００の画素数と略同数の画素単位でレーザ照射されアニールされる。また、透明基板１５０がステージ１５２と共に一定速度で移動されることにより、透明基板１５０がスキャナ１６２によりステージ移動方向と反対の方向に副走査され、各照射ヘッド毎に帯状の照射済み領域１７０が形成される。
【０１２３】
ここで、露光面上での光密度を算出する。第１の実施の形態と同様に、照射ヘッドの合波レーザ光源に出力が３０ｍＷのシングルモードレーザを使用する場合には、７個のＬＤにより出力１８０ｍＷの合波レーザビームＢを得ることができる。従って、５０本の光ファイバ３１が１次元アレイ状に配列されたファイバアレイ光源の場合、レーザ出射部６８での出力は約９Ｗである。
【０１２４】
また、ＧＬＶ３００の全画素（例えば、１０００個×１列）を使用した場合、各照射ヘッド１６６による照射エリア１６８の面積は２５μｍ×２５ｍｍとなる。２５μｍ領域を１ｍｓｅｃで露光する場合は、露光面上での光密度は１４４０ｍＪ／ｃｍ２である。更に光学系による損失を約５０％と見積っても、露光面上での光密度は７２０ｍＪ／ｃｍ２である。１４個の照射ヘッド１６６を備えたスキャナ１６２全体では、アレイ化される光ファイバ３１の本数は７００本になり、総出力は１２６Ｗとなる。また、照射エリア１６８の面積の合計は２５μｍ×３５０ｍｍであり、露光面上での光密度は７２０ｍＪ／ｃｍ２である。
なお、照射ヘッドの合波レーザ光源に出力が１００ｍＷのマルチモードレーザを使用する場合には、７個のＬＤにより出力６００ｍＷの合波レーザビームＢを得ることができる。従って、１５本の光ファイバ３１で約９Ｗの出力を得ることができる。１４個の照射ヘッド１６６を備えたスキャナ１６２全体では、アレイ化される光ファイバ３１の本数は２１０本になり、総出力は１２６Ｗとなる。また、照射エリア１６８の面積の合計は２５μｍ×３５０ｍｍであり、露光面上での光密度は７２０ｍＪ／ｃｍ２である。
【０１２５】
以上説明した通り、本実施の形態のレーザアニール装置では、光量分布補正光学系を用いて光量分布が略均一の光で空間変調素子を照明することができるので、被露光面においてムラ無くレーザアニールを行うことができる。
【０１２６】
また、本実施の形態のレーザアニール装置は、波長３５０〜４５０ｎｍの波長帯のＧａＮ系半導体レーザを用いているので、ＥＬＡ装置のように紫外線対応の特殊な材料の光学系を用いてラインビームを生成する必要が無く、可視域のレーザ露光装置と同様に、ＧＬＶのオンオフ制御により任意パターンでの高精細なアニールが可能である。
【０１２７】
また、本実施の形態のレーザアニール装置では、ＧＬＶ３００は短辺方向の幅が狭い長尺状の空間光変調素子であるため、効率良く照明するのが難しいが、第１の実施の形態で説明した通り、ＧＬＶを照明する光源に、合波レーザ光源の光ファイバの出射端部をアレイ状に配列した高輝度のファイバアレイ光源を用いると共に、光ファイバの出射端のクラッド径を入射端のクラッド径よりも小さくしているので、レーザ出射部６８から出射されるビームの副走査方向の径が小さくなり、レンズ系６７等を通過してＧＬＶ３００へ入射する光束の角度が小さくなる。これにより、効率良くＧＬＶ３００を照明することができると共に、深い焦点深度を得ることができる。また、合波レーザ光源を用いているので高出力でのアニールが可能となり、レーザアニール装置の低コスト化が図られる。
【０１２８】
また、本実施の形態のレーザアニール装置は、第１の実施の形態に係るレーザアニール装置と同様に、ＧａＮ系半導体レーザを用いたことによる利点、及び合波レーザ光源の光ファイバの出射端部をアレイ状に配列したファイバアレイ光源を用いたことによる利点を備えている。
【０１２９】
次に、以上説明したレーザアニール装置の変形例等について説明する。
［空間光変調素子の代わりにミラーを使用する例］
第１及び第２の実施の形態では、アニールパターンに応じて空間光変調素子で変調したレーザ光を照射してレーザアニールを実施する例について説明したが、全面をアニールする場合のようにアニールパターンが単純な場合は、空間光変調素子に代えて反射ミラーを用いてもよい。
【０１３０】
［レーザアニール装置の他の用途］
上記の実施の形態では、本発明のレーザアニール装置を用いて低温ポリシリコンＴＦＴを形成する例について説明したが、本発明のレーザアニール装置は、ＩＴＯ（インジウム−スズ酸化物）、ＳｎＯ２（二酸化スズ）等で構成された透明電極膜のアニール等、他の材料のアニールにも使用することができる。
【０１３１】
［他の空間変調素子］
第１及び第２の実施の形態では、ＤＭＤやＧＬＶを空間光変調素子として使用する例について説明したが、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）タイプの空間変調素子（ＳＬＭ；Ｓｐａｃｉａｌ　Ｌｉｇｈｔ　Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）や、電気光学効果により透過光を変調する光学素子（ＰＬＺＴ素子）や液晶光シャッタ（ＦＬＣ）等、ＭＥＭＳタイプ以外の空間変調素子を用いてもよい。なお、ＭＥＭＳとは、ＩＣ製造プロセスを基盤としたマイクロマシニング技術によるマイクロサイズのセンサ、アクチュエータ、そして制御回路を集積化した微細システムの総称であり、ＭＥＭＳタイプの空間変調素子とは、静電気力を利用した電気機械動作により駆動される空間変調素子を意味している。
【０１３２】
また、第１の実施の形態では、ＤＭＤのマイクロミラーを部分的に駆動する例について説明したが、所定方向に対応する方向の長さが前記所定方向と交差する方向の長さより長い基板上に、各々制御信号に応じて反射面の角度が変更可能な多数のマイクロミラーが２次元状に配列された細長いＤＭＤを用いても、反射面の角度を制御するマイクロミラーの個数が少なくなるので、同様に変調速度を速くすることができる。また、ＭＥＭＳタイプの空間変調素子や、ＭＥＭＳタイプ以外の空間変調素子を用いた場合にも、基板上に配列された全画素部に対し一部の画素部を使用することで、１画素当り、１主走査ライン当たりの変調速度を速くすることができるので、同様の効果を得ることができる。
【０１３３】
［他の露光方式］
図１８に示すように、上記の実施の形態と同様に、スキャナ１６２によるＸ方向への１回の走査で透明基板１５０の全面をアニールしてもよく、図１９（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、スキャナ１６２により透明基板１５０をＸ方向へ走査した後、スキャナ１６２をＹ方向に１ステップ移動し、Ｘ方向へ走査を行うというように、走査と移動を繰り返して、複数回の走査で透明基板１５０の全面をアニールするようにしてもよい。なお、この例では、スキャナ１６２は１８個の照射ヘッド１６６を備えている。
【０１３４】
［他のレーザ装置（光源）］
上記の実施の形態では、合波レーザ光源を複数備えたファイバアレイ光源を用いる例について説明したが、レーザ光源は、合波レーザ光源をアレイ化したファイバアレイ光源には限定されない。例えば、１個の発光点を有する単一の半導体レーザから入射されたレーザ光を出射する１本の光ファイバを備えたファイバ光源をアレイ化したファイバアレイ光源を用いることができる。
【０１３５】
（ブロードストライプレーザ）
ブロードストライプレーザは、積層方向と直交する方向（水平方向）に長い発光領域を備えたレーザであり、発光領域が大きいことから高出力である。従って、ブロードストライプレーザを用いることで、１個の発光点を有する単一の半導体レーザと、この半導体レーザから入射されたレーザ光を出射する１本の光ファイバとを備えた高出力且つ高輝度のファイバ光源、ひいてはこのファイバ光源をアレイ化したファイバアレイ光源やファイババンドル光源を実現することができる。
【０１３６】
例えば、図３５及び図３６に示すように、照明光源にブロードストライプレーザ１８０を用い、ブロードストライプレーザ１８０とマルチモード光ファイバ３０の入射端との間に、ビーム整形光学系として、第１シリンドリカルレンズ１８２、第２シリンドリカルレンズ１８４、第３シリンドリカルレンズ１８６、及び第４シリンドリカルレンズ１８８をブロードストライプレーザ１８０側から順に配置する。
【０１３７】
ブロードストライプレーザ１８０から出射された光ビームは、第１シリンドリカルレンズ１８２及び第３シリンドリカルレンズ１８６によって、積層方向（垂直方向）の光ビームのＮＡ（開口数）がマルチモード光ファイバ３０のＮＡ以下に変換され、第１シリンドリカルレンズ１８２及び第３シリンドリカルレンズ１８６によって、水平方向の光ビームのＮＡが等倍に維持されて、マルチモード光ファイバ３０の入射端に結像される。
【０１３８】
ブロードストライプレーザ１８０の発光層の幅（垂直方向の長さ）を０．５μｍ、発光層の長さ（水平方向の長さ）を３０μｍ、光ビームの波長を４００〜４２０ｎｍとすると、発光点において約５００ｍＷの出力を得ることができる。この５００ｍＷの光ビームを集光して、１本のマルチモード光ファイバ３０に入射させる。結合効率を９６％と仮定すると、個々のマルチモード光ファイバ３０の出射端は４８０ｍＷの光源となる。このマルチモード光ファイバ３０の出射端をアレイ化又はバンドル化して光源として用いることができる。
【０１３９】
マルチモード光ファイバ３０としては、例えばクラッド径１２５μｍ、コア径５０μｍの光ファイバを使用することができる。また、このマルチモード光ファイバ３０の出射端に、例えばクラッド径６０μｍ、コア径５０μｍの小径の光ファイバを接続することで、出射端の面積を小さくして、高輝度化を図ることができる。なお、マルチモード光ファイバ３０に、クラッド径６０μｍ、コア径５０μｍの小径の光ファイバを使用してもよい。即ち、ブロードストライプレーザ１８０のビームを、直接、小径のマルチモード光ファイバ３０に入射させることで、マルチモード光ファイバ３０の出射端をそのままの径で出射端として使用することができる。
【０１４０】
ブロードストライプレーザ１８０の発光層の幅を５〜２００μｍとした場合に、マルチモード光ファイバ３０のＮＡを０．１５〜０．３、マルチモード光ファイバ３０のコア径を１０〜８０μｍとすることで、マルチモード光ファイバ３０への結合効率が高くなり好ましい。また、シリンドリカルレンズ以外の光学部品を用いてビーム整形光学系を構成することもできる。
【０１４１】
なお、上記では１個のブロードストライプレーザからの光ビームを１本の光ファイバに結合する例について説明したが、複数のブロードストライプレーザからの光ビームを合波して１本の光ファイバに結合することで、更に高出力且つ高輝度なレーザ光源を得ることができる。
【０１４２】
（レーザアレイ）
また、複数の発光点を備えた光源としては、例えば、図２０に示すように、ヒートブロック１００上に、複数（例えば、７個）のチップ状の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ７を配列したレーザアレイを用いることができる。
【０１４３】
（マルチキャビティレーザ及びそのアレイ）
【０１４４】
また、図２１（Ａ）に示す、複数（例えば、５個）の発光点１１０ａが所定方向に配列されたチップ状のマルチキャビティレーザ１１０が知られている。マルチキャビティレーザ１１０は、チップ状の半導体レーザを配列する場合と比べ、発光点を位置精度良く配列できるので、各発光点から出射されるレーザビームを合波し易い。但し、発光点が多くなるとレーザ製造時にマルチキャビティレーザ１１０に撓みが発生し易くなるため、発光点１１０ａの個数は５個以下とするのが好ましい。本発明の照射ヘッドでは、このマルチキャビティレーザ１１０や、図２１（Ｂ）に示すように、ヒートブロック１００上に、複数のマルチキヤビティレーザ１１０が各チップの発光点１１０ａの配列方向と同じ方向に配列されたマルチキャビティレーザアレイを、レーザ光源として用いることができる。
【０１４５】
（マルチキャビティレーザ利用の合波レーザ光源）
また、合波レーザ光源は、複数のチップ状の半導体レーザから出射されたレーザ光を合波するものには限定されない。例えば、図２２に示すように、複数（例えば、３個）の発光点１１０ａを有するチップ状のマルチキャビティレーザ１１０を備えた合波レーザ光源を用いることができる。この合波レーザ光源は、マルチキャビティレーザ１１０と、１本のマルチモード光ファイバ１３０と、集光レンズ１２０と、を備えて構成されている。マルチキャビティレーザ１１０は、例えば、発振波長が４０５ｎｍのＧａＮ系レーザダイオードで構成することができる。
【０１４６】
上記の構成では、マルチキャビティレーザ１１０の複数の発光点１１０ａの各々から出射したレーザビームＢの各々は、集光レンズ１２０によって集光され、マルチモード光ファイバ１３０のコア１３０ａに入射する。コア１３０ａに入射したレーザ光は、光ファイバ内を伝搬し、１本に合波されて出射する。
【０１４７】
マルチキャビテイレーザ１１０の複数の発光点１１０ａを、上記マルチモード光ファイバ１３０のコア径と略等しい幅内に並設すると共に、集光レンズ１２０として、マルチモード光ファイバ１３０のコア径と略等しい焦点距離の凸レンズや、マルチキャビティレーザ１１０からの出射ビームをその活性層に垂直な面内のみでコリメートするロッドレンズを用いることにより、レーザビームＢのマルチモード光ファイバ１３０への結合効率を上げることができる。
【０１４８】
また、図２３に示すように、複数（例えば、３個）の発光点を備えたマルチキャビティレーザ１１０を用い、ヒートブロック１１１上に複数（例えば、９個）のマルチキャビティレーザ１１０が互いに等間隔で配列されたレーザアレイ１４０を備えた合波レーザ光源を用いることができる。複数のマルチキヤビティレーザ１１０は、各チップの発光点１１０ａの配列方向と同じ方向に配列されて固定されている。
【０１４９】
この合波レーザ光源は、レーザアレイ１４０と、各マルチキヤビティレーザ１１０に対応させて配置した複数のレンズアレイ１１４と、レーザアレイ１４０と複数のレンズアレイ１１４との間に配置された１本のロッドレンズ１１３と、１本のマルチモード光ファイバ１３０と、集光レンズ１２０と、を備えて構成されている。レンズアレイ１１４は、マルチキヤビティレーザ１１０の発光点に対応した複数のマイクロレンズを備えている。
【０１５０】
上記の構成では、複数のマルチキヤビティレーザ１１０の複数の発光点１１０ａの各々から出射したレーザビームＢの各々は、ロッドレンズ１１３により所定方向に集光された後、レンズアレイ１１４の各マイクロレンズにより平行光化される。平行光化されたレーザビームＬは、集光レンズ１２０によって集光され、マルチモード光フアイバ１３０のコア１３０ａに入射する。コア１３０ａに入射したレーザ光は、光フアイバ内を伝搬し、１本に合波されて出射する。
（多段構造のレーザアレイ利用の合波レーザ光源）
更に他の合波レーザ光源の例を示す。この合波レーザ光源は、図２４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、略矩形状のヒートブロック１８０上に光軸方向の断面がＬ字状のヒートブロック１８２が搭載され、２つのヒートブロック間に収納空間が形成されている。Ｌ字状のヒートブロック１８２の上面には、複数の発光点（例えば、５個）がアレイ状に配列された複数（例えば、２個）のマルチキャビティレーザ１１０が、各チップの発光点１１０ａの配列方向と同じ方向に等間隔で配列されて固定されている。
【０１５１】
略矩形状のヒートブロック１８０には凹部が形成されており、ヒートブロック１８０の空間側上面には、複数の発光点（例えば、５個）がアレイ状に配列された複数（例えば、２個）のマルチキャビティレーザ１１０が、その発光点がヒートブロック１８２の上面に配置されたレーザチップの発光点と同じ鉛直面上に位置するように配置されている。
【０１５２】
マルチキャビティレーザ１１０のレーザ光出射側には、各チップの発光点１１０ａに対応してコリメートレンズが配列されたコリメートレンズアレイ１８４が配置されている。コリメートレンズアレイ１８４は、各コリメートレンズの長さ方向とレーザビームの拡がり角が大きい方向（速軸方向）とが一致し、各コリメートレンズの幅方向が拡がり角が小さい方向（遅軸方向）と一致するように配置されている。このように、コリメートレンズをアレイ化して一体化することで、レーザ光の空間利用効率が向上し合波レーザ光源の高出力化が図られると共に、部品点数が減少し低コスト化を図ることができる。
【０１５３】
また、コリメートレンズアレイ１８４のレーザ光出射側には、１本のマルチモード光ファイバ１３０と、このマルチモード光ファイバ１３０の入射端にレーザビームを集光して結合する集光レンズ１２０と、が配置されている。
【０１５４】
上記の構成では、レーザブロック１８０、１８２上に配置された複数のマルチキヤビティレーザ１１０の複数の発光点１１０ａの各々から出射したレーザビームの各々は、コリメートレンズアレイ１８４により平行光化され、集光レンズ１２０によって集光されて、マルチモード光フアイバ１３０のコア１３０ａに入射する。コア１３０ａに入射したレーザ光は、光フアイバ内を伝搬し、１本に合波されて出射する。
【０１５５】
この合波レーザ光源は、上記の通り、マルチキャビティレーザの多段配置とコリメートレンズのアレイ化とにより、特に高出力化を図ることができる。この合波レーザ光源を用いることにより、より高輝度なファイバアレイ光源やバンドルファイバ光源を構成することができるので、本実施の形態の照射ヘッドのレーザ光源を構成するファイバ光源として特に好適である。
【０１５６】
なお、上記の各合波レーザ光源をケーシング内に収納し、マルチモード光ファイバ１３０の出射端部をそのケーシングから引き出したレーザモジュールを構成することができる。
【０１５７】
また、上記の実施の形態では、合波レーザ光源のマルチモード光ファイバの出射端に、コア径がマルチモード光ファイバと同一で且つクラッド径がマルチモード光ファイバより小さい他の光ファイバを結合してファイバアレイ光源の高輝度化を図る例について説明したが、例えば、クラッド径が１２５μｍ、８０μｍ、６０μｍ等のマルチモード光ファイバを、出射端に他の光ファイバを結合せずに使用してもよい。
【０１５８】
［他の結像光学系］
第１の実施の形態では、照射ヘッドに使用するＤＭＤの光反射側に、結像光学系として２組のレンズを配置したが、レーザ光を拡大して結像する結像光学系を配置してもよい。ＤＭＤにより反射される光束線の断面積を拡大することで、被照射面における照射エリア面積を所望の大きさに拡大することができる。
【０１５９】
例えば、照射ヘッドを、図３０（Ａ）に示すように、ＤＭＤ５０、ＤＭＤ５０にレーザ光を照射する照明装置１４４、ＤＭＤ５０で反射されたレーザ光を拡大して結像するレンズ系４５４、４５８、ＤＭＤ５０の各画素に対応して多数のマイクロレンズ４７４が配置されたマイクロレンズアレイ４７２、マイクロレンズアレイ４７２の各マイクロレンズに対応して多数のアパーチャ４７８が設けられたアパーチャアレイ４７６、アパーチャを通過したレーザ光を被露光面５６に結像するレンズ系４８０、４８２で構成することができる。
【０１６０】
この照射ヘッドでは、照明装置１４４からレーザ光が照射されると、ＤＭＤ５０によりオン方向に反射される光束線の断面積が、レンズ系４５４、４５８により数倍（例えば、２倍）に拡大される。拡大されたレーザ光は、マイクロレンズアレイ４７２の各マイクロレンズによりＤＭＤ５０の各画素に対応して集光され、アパーチャアレイ４７６の対応するアパーチャを通過する。アパーチャを通過したレーザ光は、レンズ系４８０、４８２により被露光面５６上に結像される。
【０１６１】
この結像光学系では、ＤＭＤ５０により反射されたレーザ光は、拡大レンズ４５４、４５８により数倍に拡大されて走査面５６に投影されるので、全体の画像領域が広くなる。このとき、マイクロレンズアレイ４７２及びアパーチャアレイ４７６が配置されていなければ、図３０（Ｂ）に示すように、走査面５６に投影される各ビームスポットＢＳの１画素サイズ（スポットサイズ）が照射エリア４６８のサイズに応じて大きなものとなり、照射エリア４６８の鮮鋭度を表すＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）特性が低下する。
【０１６２】
一方、マイクロレンズアレイ４７２及びアパーチャアレイ４７６を配置した場合には、ＤＭＤ５０により反射されたレーザ光は、マイクロレンズアレイ４７２の各マイクロレンズによりＤＭＤ５０の各画素に対応して集光される。これにより、図３０（Ｃ）に示すように、照射エリアが拡大された場合でも、各ビームスポットＢＳのスポットサイズを所望の大きさ（例えば、１０μｍ×１０μｍ）に縮小することができ、ＭＴＦ特性の低下を防止して高精細な露光を行うことができる。なお、照射エリア４６８が傾いているのは、画素間の隙間を無くす為にＤＭＤ５０を傾けて配置しているからである。
【０１６３】
また、マイクロレンズの収差によるビームの太りがあっても、アパーチャによって走査面５６上でのスポットサイズが一定の大きさになるようにビームを整形することができると共に、各画素に対応して設けられたアパーチャを通過させることにより、隣接する画素間でのクロストークを防止することができる。
【０１６４】
更に、照明装置１４４に上記実施の形態と同様に高輝度光源を使用することにより、レンズ４５８からマイクロレンズアレイ４７２の各マイクロレンズに入射する光束の角度が小さくなるので、隣接する画素の光束の一部が入射するのを防止することができる。即ち、高消光比を実現することができる。
【０１６５】
【発明の効果】
本発明のレーザアニール装置は、特殊な材料の光学系を使用することなく、均一な強度のレーザ光を照射してアニールを行うことができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係るレーザアニール装置の外観を示す斜視図である。
【図２】第１の実施の形態に係るレーザアニール装置のスキャナの構成を示す斜視図である。
【図３】（Ａ）は感光材料に形成される照射済み領域を示す平面図であり、（Ｂ）は各照射ヘッドによる照射エリアの配列を示す図である。
【図４】第１の実施の形態に係るレーザアニール装置の照射ヘッドの概略構成を示す斜視図である。
【図５】（Ａ）は図４に示す照射ヘッドの構成を示す光軸に沿った副走査方向の断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の側面図である。
【図６】デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）の構成を示す部分拡大図である。
【図７】（Ａ）及び（Ｂ）はＤＭＤの動作を説明するための説明図である。
【図８】（Ａ）及び（Ｂ）は、ＤＭＤを傾斜配置しない場合と傾斜配置する場合とで、走査ビームの配置及び走査線を比較して示す平面図である。
【図９】（Ａ）はファイバアレイ光源の構成を示す斜視図であり、（Ｂ）は（Ａの部分拡大図である。
【図１０】マルチモード光ファイバの構成を示す図である。
【図１１】合波レーザ光源の構成を示す平面図である。
【図１２】レーザモジュールの構成を示す平面図である。
【図１３】図１２に示すレーザモジュールの構成を示す側面図である。
【図１４】図１２に示すレーザモジュールの構成を示す部分側面図である。
【図１５】（Ａ）及び（Ｂ）は、低輝度照射ヘッドにおける焦点深度と高輝度照射ヘッドにおける焦点深度との相違を示す光軸に沿った断面図である。
【図１６】（Ａ）及び（Ｂ）は、ＤＭＤの使用領域の例を示す図である。
【図１７】（Ａ）はＤＭＤの使用領域が適正である場合の側面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の光軸に沿った副走査方向の断面図である。
【図１８】スキャナによる１回の走査で透明基板をアニールするアニール方式を説明するための平面図である。
【図１９】（Ａ）及び（Ｂ）はスキャナによる複数回の走査で透明基板をアニールするアニール方式を説明するための平面図である。
【図２０】レーザアレイの構成を示す斜視図である。
【図２１】（Ａ）はマルチキャビティレーザの構成を示す斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示すマルチキャビティレーザをアレイ状に配列したマルチキャビティレーザアレイの斜視図である。
【図２２】合波レーザ光源の他の構成を示す平面図である。
【図２３】合波レーザ光源の他の構成を示す平面図である。
【図２４】（Ａ）は合波レーザ光源の他の構成を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の光軸に沿った断面図である。
【図２５】（Ａ）及び（Ｂ）は、低温ポリシリコンＴＦＴ形成プロセスを説明するための図である。
【図２６】アモルファスシリコンの吸収特性を示す図である。
【図２７】光量分布補正光学系による補正の概念についての説明図である。
【図２８】光源がガウス分布で且つ光量分布の補正を行わない場合の光量分布を示すグラフである。
【図２９】光量分布補正光学系による補正後の光量分布を示すグラフである。
【図３０】（Ａ）は結合光学系の異なる他の照射ヘッドの構成を示す光軸に沿った断面図であり、（Ｂ）はマイクロレンズアレイ等を使用しない場合に走査面に投影される光像を示す平面図であり、（Ｃ）はマイクロレンズアレイ等を使用した場合に走査面に投影される光像を示す平面図である。
【図３１】第２の実施の形態に係るレーザアニール装置の照射ヘッドの概略構成を示す斜視図である。
【図３２】（Ａ）は図３１に示す照射ヘッドの構成を示す光軸に沿った断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の側面図である。
【図３３】グレーティング・ライト・バルブ（ＧＬＶ）の構成を示す部分拡大図である。
【図３４】（Ａ）及び（Ｂ）はＧＬＶの動作を説明するための説明図である。
【図３５】半導体レーザと光ファイバとを１対１で結合したファイバ光源の構成を示す側面図である。
【図３６】図３５のファイバ光源を上方から見た平面図である。
【符号の説明】
ＬＤ１〜ＬＤ７　ＧａＮ系半導体レーザ
１０　ヒートブロック
１１〜１７　コリメータレンズ
２０　集光レンズ
３０　マルチモード光ファイバ
５０　デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）
５３　反射光像（走査ビーム）
５４、５８　レンズ系
５６　走査面（アニール面）
６４　レーザモジュール
６６　ファイバアレイ光源
６８　レーザ出射部
７３　組合せレンズ
１５０　透明基板
１５２　ステージ
１６２　スキャナ
１６６　照射ヘッド
１６８　照射エリア
１７０　照射済み領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【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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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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