(57)【要約】【課題】レーザアニール装置において、被照射物を均一な強度で照射することを可能にする。【解決手段】レーザ光源７１から発せられたレーザ光Ｌ７１の光軸に対して垂直な面内で直交するＸ，Ｙ方向に光束形状を略円形かつ平行光束化するコリメータ部７２を配置する。射出されたビーム光Ｌ７２を、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／合成する光分割結合部９８に入力する。これをさらに互いに干渉性のない１６本のビーム光に分割する光分割部１０２に入射させ、レンズアレイ１０３で２次光源化した後にコンデンサレンズ１０４を介して基板１１上で合成する。【選択図】        図１
2004356282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定波長の光束を発する光源部と、
前記光源部から出射された光束を平行光束とするとともに、前記光源部から出射された光束の光軸に対して垂直な面内における異なる複数の方向にそれぞれ独立にビーム径を所定の値に設定可能に構成されているビーム整形部と、
前記ビーム整形部から出射された光束が入射され、照射対象物に対して照射する照明部と
を備えたことを特徴とする光照射装置。
【請求項２】
前記光源部は、複数の光束を出射するものであり、
前記ビーム整形部は、前記光源部から出射されたそれぞれの光束に対して、それぞれ独立に前記平行光束とするとともに、整形対象方向にそれぞれ前記ビーム径を所定の値に設定可能に構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
【請求項３】
前記ビーム整形部は、何れの整形対象方向についても同一な光束径とすることで、それぞれの光束の形状を略円形にする
ことを特徴とする請求項２に記載の光照射装置。
【請求項４】
前記ビーム整形部は、前記ビーム径を前記所定の値に設定する設定対象方向にはパワーを有し、当該設定対象方向と直交する方向にはパワーを有しないシリンドリカルレンズを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
【請求項５】
前記ビーム整形部は、整形対象方向ごとに少なくとも３枚の前記シリンドリカルレンズを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
【請求項６】
前記ビーム整形部は、前記３枚のシリンドリカルレンズのうちの２枚の前記シリンドリカルレンズを光軸方向に変位可能に構成されている
ことを特徴とする請求項５に記載の光照射装置。
【請求項７】
前記３枚のシリンドリカルレンズのうちの２枚は、前記設定対象方向に対して正のパワーを有する
ことを特徴とする請求項５に記載の光照射装置。
【請求項８】
前記３枚のシリンドリカルレンズは、
そのうちの２枚は、前記設定対象方向に対して正のパワーを有するとともに、残りの１枚は前記設定対象方向に対して負のパワーを有し、かつ、
正→負→正のパワーの順に光軸方向に配置されている
ことを特徴とする請求項５に記載の光照射装置。
【請求項９】
前記ビーム整形部に入力される光束のパワーと入力タイミングとが所定の条件を満たすように、前記光源部を制御する制御部
を備えることを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
【請求項１０】
前記照明部は、前記ビーム整形部から出射された光束を複数の光束に分割する光分割部を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
【請求項１１】
前記光分割部は、
前記複数の光束の光路長が異なりかつ平行に出力するとともに、当該光路長の差が可干渉距離以上となるように配置された光学部材を有する
ことを特徴とする請求項１０に記載の光照射装置。
【請求項１２】
前記照明部は、
入射された複数の光束の一部を反射させるとともに残りを通過させ、かつ、当該反射および通過した各光束を所定の組合せにて同軸上に合成することで、複数の合成ビームを生成する第１の光学手段と、
前記第１の光学手段により生成された複数の合成ビームのうちの一部が入射され、当該一部の合成ビームが残りの合成ビームと平行となるように反射させる第２の光学手段と
を具備してなる光分割結合部を有し、
当該光分割結合部の前記第１の光学手段と前記第２の光学手段とは、平行になった前記複数の合成ビームの光路長の差が前記入射された複数の光束の可干渉距離以上となるように、所定の間隔をもつとともに前記平行になった複数の合成ビームの光軸に対して所定の角度を持って配置されている
ことを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
【請求項１３】
前記照明部は、
所定の光学面上の所定の入射点において、一方の側面から前記入射点に入射した第１の光束を反射するとともに透過させ、かつ他方の側面から前記入射点に入射した第２の光束を反射するとともに透過させることで、それぞれ反射した光束と透過した光束とを合成した第１および第２の合成ビームを生成する第１の光学手段と、
前記第１の光学手段の前記光学面に対して平行に設けられ、前記第２の合成ビームを反射し前記第１の合成ビームと平行な方向に出力可能な光学面を有する第２の光学手段と
を具備してなる光分割結合部を有し、
前記第１の光学手段の前記光学面と前記第２の光学手段の前記光学面とは、前記第１の合成ビームの光路と前記第２の合成ビームの光路との光路長の差が前記第１および第２の光束の可干渉距離以上となるように、前記第１の光束の入射角と前記第２の光束の入射角とが設定されている
ことを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
【請求項１４】
入力される複数の光束に対応し、各光束を集光する複数の集光レンズを含んで成る２次光源生成部と、
前記２次光源生成部により生成された２次光源からの光束が前記集光レンズを介して入射され、前記集光レンズのそれぞれについて平行光束に変換するとともに、被照射物面上で特定の間隔だけずらして重ね合わることで前記被照射物面を照射する照明レンズと
を有することを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
【請求項１５】
照射対象物を載置するステージと、
所定波長のレーザビームを出射するレーザ光源部、前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とともに、前記レーザ光源部から出射されたレーザビームの光軸に対して垂直な面内における異なる複数の方向にそれぞれ独立にビーム径を所定の値に設定可能に構成されているビーム整形部、および前記ビーム整形部から出射されたレーザビームが入射され前記照射対象物に対して照射する照明部を具備してなる照明装置と、
前記ステージに載置されている前記照射対象物の、前記照明部による前記レーザビームの照射位置を相対移動させる照射位置制御部と
を備えたことを特徴とするレーザアニール装置。
【請求項１６】
前記レーザ光源部は、複数のレーザビームを出射するものであり、
前記ビーム整形部は、前記レーザ光源部から出射されたそれぞれのレーザビームに対して、それぞれ独立に前記平行光束とするとともに、整形対象方向にそれぞれ前記ビーム径を所定の値に設定可能に構成されている
ことを特徴とする請求項１５に記載のレーザアニール装置。
【請求項１７】
前記ビーム整形部は、整形対象方向ごとに、前記ビーム径を前記所定の値に設定する設定対象方向にはパワーを有し、当該設定対象方向と直交する方向にはパワーを有しないシリンドリカルレンズを少なくとも３枚含み、その内の２枚は光軸方向に変位可能に構成されている
ことを特徴とする請求項１５に記載のレーザアニール装置。
【請求項１８】
前記ビーム整形部は、前記ビーム径を前記所定の値に設定する設定対象方向にはパワーを有し、当該設定対象方向と直交する方向にはパワーを有しないシリンドリカルレンズを少なくとも３枚含み、
その内の２枚は、前記設定対象方向に対して正のパワーを有する
ことを特徴とする請求項１５に記載のレーザアニール装置。
【請求項１９】
前記照明部は、前記ビーム整形部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部を有する
ことを特徴とする請求項１６に記載のレーザアニール装置。
【請求項２０】
前記複数の光束の光路長が異なりかつ平行に出力するとともに、当該光路長の差が可干渉距離以上となるように配置された光学部材を有する
ことを特徴とする請求項１５に記載のレーザアニール装置。
【請求項２１】
前記照明部は、
入射された複数のレーザビームの一部を反射させるとともに残りを通過させ、かつ、当該反射および通過した各レーザビームを所定の組合せにて同軸上に合成することで、複数の合成ビームを生成する第１の光学手段と、
前記第１の光学手段により生成された複数の合成ビームのうちの一部が入射され、当該一部の合成ビームが残りの合成ビームと平行となるように反射させる第２の光学手段と
を具備してなる光分割結合部を有し、
当該光分割結合部の前記第１の光学手段と前記第２の光学手段とは、平行になった前記複数の合成ビームの光路長の差が前記入射された複数のレーザビームの可干渉距離以上となるように、所定の間隔をもつとともに前記平行になった複数の合成ビームの光軸に対して所定の角度を持って配置されている
ことを特徴とする請求項１５に記載のレーザアニール装置。
【請求項２２】
前記照明部は、
所定の光学面上の所定の入射点において、一方の側面から前記入射点に入射した第１のレーザビームを反射するとともに透過させ、かつ他方の側面から前記入射点に入射した第２のレーザビームを反射するとともに透過させることで、それぞれ反射したレーザビームと透過したレーザビームとを合成した第１および第２の合成ビームを生成する第１の光学手段と、
前記第１の光学手段の前記光学面に対して平行に設けられ、前記第２の合成ビームを反射し前記第１の合成ビームと平行な方向に出力可能な光学面を有する第２の光学手段と
を具備してなる光分割結合部を有し、
前記第１の光学手段の前記光学面と前記第２の光学手段の前記光学面とは、前記第１の合成ビームの光路と前記第２の合成ビームの光路との光路長の差が前記第１および第２のレーザビームの可干渉距離以上となるように、前記第１のレーザビームの入射角と前記第２のレーザビームの入射角とが設定されている
ことを特徴とする請求項１５に記載のレーザアニール装置。
【請求項２３】
入力される複数の光束に対応し、各光束を集光する複数の集光レンズを含んで成る２次光源生成部と、
前記２次光源生成部により生成された２次光源からの光束が前記集光レンズを介して入射され、前記集光レンズのそれぞれについて平行光束に変換するとともに、被照射物面上で特定の間隔だけずらして重ね合わることで前記被照射物面を照射する照明レンズと
を有することを特徴とする請求項１５に記載のレーザアニール装置。
【請求項２４】
レーザ光源から発せられたレーザビームの光軸方向に変位可能に構成されている複数のレンズを有し、前記レーザ光源から発せられたレーザビームを平行光束にするとともに前記光軸に対して垂直な面内における異なる複数の方向にそれぞれ独立にビーム径を所定の値に設定可能に構成されているビーム整形部を通過したレーザビームが平行光束となっているか否かを画像パターン解析により検査する平行状態検査部と、
前記ビーム整形部から出力されたレーザビームの形状を画像パターン解析により検査する形状検査部と、
前記平行状態検査部と前記形状検査部とから得られる各検査結果に基づき、前記ビーム整形部から出力されるレーザビームが平行光束となり、かつ当該レーザビームの形状が所定形状となるように、前記ビーム整形部の前記レンズを前記光軸方向に移動させるビーム整形制御部と
を備えることを特徴とするコリメータ調整装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリシリコンをチャネル層とした薄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、およびレーザアニール装置などに適用される光照射装置、並びにコリメート調整装置に関する。より詳細には、複数の光源により被照射物に対して均一照射する照射光学系に関し、特に、液晶表示装置、有機ＥＬ表示素子の駆動回路素子、スイッチング素子などに用いられる多結晶シリコン薄膜トランジスタの製造装置、非晶質シリコン薄膜を溶融・再結晶化して薄膜トランジスタ活性層となる多結晶シリコン膜に転換させるレーザアニール装置に用いるレーザ照射光学系への適用に有効な照射光学系の構成と当該照射光学系のコリメート調整に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、液晶ディスプレイなどに用いられる薄膜トランジスクでは、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。
【０００３】
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、高エネルギ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。しかしながら、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、非常に扱い難いデバイスである。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ーが安定であり、かつ寿命が長い、紫外光領域の固体レーザや半導体レーザなどを用いるのが望ましいと考えられる。
【０００４】
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などを用いた場合、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、照射領域が広くかつ必要な照射エネルギー密度が得られるに足る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。これらの要請に応える装置例として、たとえば、図１３に示すように、レーザ光を発する光源を２つ備える２ビーム構成のものが非特許文献１に開示されている。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｋａｚｕｎｏｒｉ  Ｙａｍａｚａｋｉ，  Ｔｏｓｈｉｏ  Ｋｕｄｏ，  Ｋｏｊｉ  Ｓｅｉｋｅ，  Ｄａｉｊｉ  ｌｃｈｉｓｈｉｍａ  ａｎｄ  Ｃｈｅｎｇ−Ｇｕｏ  Ｊｉｎ、“Ｄｏｕｂｌｅ−Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  Ｇｒｅｅｎ  ＤＰＳＳ  Ｌａｓｅｒｓ  ”、ＡＭ−ＬＣＤ  ’０２  ｐ．１４９〜１５２
【０００６】
非特許文献１に開示されているレーザアニール装置９００は、図１３に示すように、アニール対象となるガラス基板９１１が載置されるステージ９１２と、レーザ光を出射する２つのレーザ光源９７１ａ，９７１ｂと、これら２つのレーザ光源９７１ａ，９７１ｂから出射されたレーザ光を合成するビーム合成部９７３と、ビーム合成部９７３から出射されたレーザ光を所定方向に反射するミラー９７４（図ではそれぞれ９７４ａ，９７４ｂの２枚）とを備える。レーザ光源９７１ａ，９７１ｂとビーム合成部９７３との間には、レーザ光をビーム合成部９７３に導くためのミラー群９７２ａ，９７２ｂが設けられている。ミラー群９７２ａ，９７２ｂは、照射エネルギーを調整するアッテネータ９７２ｃが設けられてもよいようになっている。
【０００７】
また、レーザアニール装置９００は、ミラー９７４ｂにて反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９８０と、テレスコープ９８０を通過したレーザ光を均一な広がりを持ち基板９１１上の所定の照射領域に照射する光学部材（ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｅｒ  ）９８２およびミラー９８４とを備えている。さらに、レーザアニール装置９００は、レーザ光源９７１ａ，９７１ｂのそれぞれを制御するレーザコントローラ９９２ａ，９９２ｂ、レーザコントローラ９９２ａ，９９２ｂに供給する駆動パルスの遅延量やオン／オフを制御する遅延パルス制御部９９４、ステージ９１２を制御して基板９１１の照射位置を制御するステージ制御部９９６、およびこれらの各部を制御するパソコンなどからなる中央制御部９９８を有し、レーザ光の基板９１１上の照射領域の位置制御などを行なうコントローラ９９０を備えている。
【０００８】
以上のような従来のレーザアニール装置９００では、２つの光源からのレーザ光を合成し、それぞれ基板９１１上の所定の照射領域に照射している。２つのレーザ光を合成することで、照射エネルギー密度を保ちつつ均一照射領域を拡大できる。さらに、２つレーザ光の発振タイミングをずらすことで、粒径サイズをコントロールすることが可能となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レーザ光源９１１ａ，９７１ｂから射出される光束の光束径および射出広がり角は等しくなく、かつ製品個々にある範囲内でばらついてしまう。たとえば、図１４（Ａ）に示すように、ｘ軸方向の光束径φｘよりもｙ軸方向の光束径φｙの方が長い（φｘ＜φｙ）縦長の楕円光束が射出されたり、図１４（Ｂ）に示すようにｘ軸方向の光束径φｘの方がｙ軸方向の光束径φｙよりも長い（φｘ＞φｙ）横長の楕円で射出されたりする。このばらつきの中心値を狙ってコリメータを設計しても、実際はコリメートされない場合もしくはコリメータ射出後の光束径が異なることが殆どである。レーザ光源の現物に合わせてコリメータを設計する方法もあるが、レーザ光源の交換時にコリメータの再設計が必要となり現実的ではない。
【００１０】
また、２つのレーザのコリメート状態が異なる場合、それぞれのレーザで生じる均一照射領域が異なったり、そもそも均一になっていなかったりする。
【００１１】
それぞれのレーザ光に対してコリメート状態が異なる場合、照射強度分布にムラが生じ、たとえばレーザアニールを行なうことでポリシリコン膜を製造する場合には、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。
【００１２】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、均一な強度分布の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を目的とする。
【００１３】
また、本発明は、半導体レーザや固体レーザなどの可干渉性の高いレーザを用いてレーザアニールを行なうとともに、被照射物の全体を均一な強度分布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を目的とする。
【００１４】
さらに、本発明は、光源から発せられた光束（ビーム光）を平行光束にするとともに、そのビーム形状を所定の形状に設定するために使用されるコリメータ調整装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光照射装置やレーザアニール装置は、所定波長の光束を発する光源部と、光源部から出射された光束を平行光束とするとともに、光源部から出射された光束の光軸に対して垂直な面内における異なる複数の方向にそれぞれ独立にビーム径を所定の値に設定可能に構成されているビーム整形部と、ビーム整形部から出射された光束が入射され照射対象物に対して照射する照明部とを備えるものとした。
【００１６】
また従属項に記載された発明は、本発明に係る光照射装置やレーザアニール装置のさらなる有利な具体例を規定する。
【００１７】
たとえば、複数の光束を出射する光源部を使用する場合、ビーム整形部を、光源部から出射されたそれぞれの光束に対して、それぞれ独立に平行光束とするとともに、整形対象方向にそれぞれビーム径を所定の値に設定可能に構成する。
【００１８】
この場合、ビーム整形部は、それぞれのビーム形状を、整形対象方向ごとに同一な光束径を有するように平行光束化してもよいし、何れの整形対象方向についても同一な光束径とすることでそれぞれの光束の形状を略円形にするようにしてもよい。
【００１９】
また、固体レーザや半導体レーザなどの干渉性の高いレーザ光を発するレーザ光源を光源部に使用して、レーザ光源から発せられたレーザ光を分割し、あるいは分割かつ合成することで、複数の２次ビームを生成した後に、被照射物上で合成し照明するように構成してもよい。この場合、ビーム整形部は、分割する機能部分や、あるいは分割かつ合成する機能部分の前段に配置するのが好ましい。ビーム整形部の使用数を少なくするためである。
【００２０】
なお、前記照明部における、分割する機能部分やあるいは分割かつ合成する機能部分の構成（複数の２次ビームを生成する構成）としては、複数の２次ビームが互いに干渉しないような構成とするのがよい。さらにはこれら２次ビームを一旦点光源化し、この後平行ビームにして被照射物に照射する構成とするのがよい。これらの構成としては、たとえば、本出願人が、日本国において２００１年１２月７日に出願した日本特許出願番号２００１−３７４９２２号や、この日本出願を基礎として優先権主張して出願している国際出願番号：ＰＣＴ／ＪＰ０２／１２３４０号に提案した構成を適用するのが好ましい。
【００２１】
本発明に係るコリメータ調整装置は、本発明に係る上記光照射装置やレーザアニール装置を構成している前記ビーム整形部の調整装置であって、このビーム整形部を通過したレーザビームが平行光束となっているか否かを画像パターン解析により検査する平行状態検査部と、ビーム整形部から出力されたレーザビームの形状を画像パターン解析により検査する形状検査部と、平行状態検査部と形状検査部とから得られる各検査結果に基づき、ビーム整形部から出力されるレーザビームが平行光束となり、かつ当該レーザビームの形状が所定形状となるように、ビーム整形部のレンズを光軸方向に移動させるビーム整形制御部とを備えるものとした。
【００２２】
つまり、ビーム整形部から出力されるビーム光を画像パターン解析により検査しながら、ビーム整形部から出力されるレーザビームが平行光束かつ所定形状となるように、自動制御（フィードバック制御）する仕組みとすることで、ビーム整形部におけるコリメート調整の自動化を図ることを可能とするものである。
【００２３】
【作用】
本発明に係る上記構成においては、光源から発せられた光束（ビーム光）を平行光束にするだけでなく、そのビーム形状につても、所定形状に設定することで、たとえば複数のビーム形状を均一化する。均一化された光束径の間隔で平行に並んだ互いに干渉性のない複数本の光束を出射させることで、各光束での照射強度分布を均一化する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
＜＜レーザアニール装置および光照射装置の概要＞＞
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２５】
図１は、本発明に係る光照射装置の第１実施形態を搭載したレーザアニール装置の第１実施形態の構成を示す図である。このレーザアニール装置１０は、たとえば、アモルファスシリコン膜が形成された後の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などの目的で使用される装置である。
【００２６】
レーザアニール装置１０は、アニール対象となる基板１１を載置するステージ１２と、レーザ光を平行光束にして射出する光照射部７０と、光照射部７０から射出されたレーザ光を基板１１の所定の領域に導く導光照明部１００と、光照射部７０から射出されたレーザ光の基板１１上の照射領域の位置制御などを行なう制御部（コントローラ）１７とを備えている。なお、光照射部７０と導光照明部１００とで、光照射装置３が構成される。
【００２７】
コントローラ１７は、レーザ光の基板１１上の照射領域の位置制御を行なう位置制御部やレーザ光源７１ａ〜７１ｄのレーザ光の出射タイミングを制御するタイミング制御部（出射制御部）などを備えている構成とする。たとえば、従来技術の項で述べたコントローラ９９０と同様の構成および機能を備えるものを使用可能である。
【００２８】
第１実施形態の光照射部７０からは、平行に並んだ４本のレーザ光が出射されるようになっている。以下、この光照射部７０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方向およびＸ方向に直交する方向をＹ方向として、説明を行なう。なお、図１（Ａ）は、レーザアニール装置１０をＹ方向（装置の上方）から見たときの構成図であり、図１（Ｂ）は、レーザアニール装置１０をＸ方向（装置の横方向）から見たときの構成図である。
【００２９】
ステージ１２は、平板状の基板１１が載せられる平坦な主面を有している。ステージ１２に載置される基板１１は、たとえば、アモルファスシリコン膜が成膜された後のＴＦＴ基板である。このステージ１２は、主面上に載せられた基板１１を保持しながら、主面に平行な方向（図１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１２を移動させることによって、基板１１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１２を移動させることによって、基板１１上のアニール（熱処理）を行なう位置を制御することができる。なお、ステージ１２の移動制御は、制御部１７により行なわれる。
【００３０】
第１実施形態の光照射部７０は、図示するように、Ｘ方向に平行に並んだ４本のレーザ光（それぞれをＬ７１ａ〜Ｌ７１ｄとする）をパルス発振して出射するレーザ光源７１（それぞれを７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄとする）と、レーザ光源７１から出射されたレーザ光Ｌ７１ａ〜Ｌ７１ｄの各光路上に設けられ、レーザ光源７１から出射された各レーザ光Ｌ７１ａ〜Ｌ７１ｄを平行光束とするともにビーム形状を所定の形状に設定するビーム整形部７２と、ビーム整形部７２から出射されたレーザ光Ｌ７１ａ〜Ｌ７１ｄを結合して４つの合成光Ｌ４５〜Ｌ４８を出射する光分割結合部９８とを備えている。
【００３１】
光照射部７０の各レーザ光源７１ａ〜７１ｄは、同一波長のレーザ光Ｌ７１ａ〜Ｌ７１ｄを出射するものとする。制御部１７は、各レーザ光源７１ａ〜７１ｄに対して、レーザ光Ｌ７１ａ〜Ｌ７１ｄを出射するタイミングや出力パワーなどを制御する。レーザ光源７１としては、固体レーザや半導体レーザなどの、エキシマレーザよりも干渉性の高いレーザ光を発する光源を使用できる。たとえば、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。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。
【００３２】
ビーム整形部７２は、レーザ光源７１ａ〜７１ｄから射出されたレーザ光Ｌ７１ａ〜Ｌ７１ｄの光軸に対して垂直な面内のそれぞれ異なる方向に、そのレーザ光Ｌ７１ａ〜Ｌ７１ｄの光束（ビーム）形状を略円形かつ平行光束化（コリメート）して出力する複数のコリメータレンズ群を有する。
【００３３】
本実施形態では、前述の「それぞれ異なる方向」を、互いに直交するＸ方向とＹ方向の２つとし、Ｘ，Ｙの各方向にそれぞれ独立にビーム径を所定の値に設定可能で、かつ独立に平行光束化することが可能に構成されている。具体的には、レーザ光源７１ａ（レーザ光Ｌ７１ａ）に対しては、Ｘ方向にコリメータ７２ａｘ、Ｙ方向にコリメータ７２ａｙを有している。レーザ光源７１ｂ（レーザ光Ｌ７１ｂ）に対しては、Ｘ方向にコリメータ７２ｂｘ、Ｙ方向にコリメータ７２ｂｙを有している。レーザ光源７１ｃ（レーザ光Ｌ７１ｃ）に対しては、Ｘ方向にコリメータ７２ｃｘ、Ｙ方向にコリメータ７２ｃｙを有している。レーザ光源７１ｄ（レーザ光Ｌ７１ｄ）に対しては、Ｘ方向にコリメータ７２ｄｘ、Ｙ方向にコリメータ７２ｄｙを有している。
【００３４】
このような構成により、それぞれＸ方向，Ｙ方向に異なる射出光束径φｘ，φｙおよび射出広がり角を有するレーザ光源７１ａ〜７１ｄから射出された光束（レーザ光Ｌ７１ａ〜Ｌ７１ｄ）をＸ方向やＹ方向にコリメートするとともにビームサイズを調整する（纏めてビーム整形するという）ことで、ビーム形状を略円形（光束径φ）とし、互いに強度が同一なレーザ光Ｌ７２ａ〜Ｌ７２ｄを出射する。以下、Ｘ方向へコリメートするコリメータをｘコリメータ７２ｘ、Ｙ方向へコリメートするコリメータをｙコリメータ７２ｙという。ビーム整形部７２からビーム整形されて出射された４本のレーザ光Ｌ７２ａ〜Ｌ７２ｄは、光分割結合部９８に入射される。必要に応じて、ビームエキスパンダなどによって、ビーム整形部７２を通過したレーザ光のビーム径を拡大してもよい。
【００３５】
なお、ビーム整形部７２と光分割結合部９８との間には、後述するように、ビーム整形部７２内に配されているシリンドリカルレンズの位置を調整することで、光分割結合部９８に入射するレーザ光が平行光束となるとともに光束形状が略円形でかつその光束径がφとなるようにするためのコリメート調整装置２００が装着可能となっている。
【００３６】
光分割結合部９８は、光結合素子７３（それぞれを７３ａ，７３ｂ，７３ｃとする）と所定のレーザ光を光結合素子７３に導くミラー７４（それぞれを７４ａ，７４ｂ，７４ｃ）の対応するものを対にしてなる、入力されたレーザ光を結合して合成光を出射する３つの光分割結合部９８ａ，９８ｂ，９８ｃを有する。
【００３７】
光分割結合部９８ａは、コリメータ７２ａｘ，７２ａｙからのレーザ光Ｌ７２ａが入射されるミラー７４ａおよびコリメータ７２ｂ，７２ｂｙからのレーザ光Ｌ７２ｂが入射される光結合素子７３ａを含む。そして、光分割結合部９８ａは、光結合素子７３ａに直接入射したレーザ光Ｌ７２ｂとミラー７４ａにて反射した後に光結合素子７３ａに入射したレーザ光Ｌ７２ａとを結合して、それぞれ光束径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つの２次ビームとしての合成光Ｌ４１，Ｌ４２を出射する。
【００３８】
光分割結合部９８ｂは、コリメータ７２ｃｘ，７２ｃｙからのレーザ光Ｌ７２ｃが入射されるミラー７４ｂおよびコリメータ７２ｄｘ，７２ｄｙからのレーザ光Ｌ７２ｄが入射される光結合素子７３ｂを含む。そして光分割結合部９８ｂは、光結合素子７３ｂに直接入射したレーザ光Ｌ７２ｄとミラー７４ｂにて反射した後に光結合素子７３ｂに入射したレーザ光Ｌ７２ｃを結合して、それぞれ光束径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つの２次ビームとしての合成光Ｌ４３，Ｌ４４を出射する。
【００３９】
光分割結合部９８ｃは、光分割結合部９８ａから射出される２本のレーザ光Ｌ４１，Ｌ４２が入射される光結合素子７３ｃおよび光分割結合部９８ｂから射出される２本のレーザ光Ｌ４３，Ｌ４４が入射されるミラー７４ｃを含む。そして、光分割結合部９８ｃは、光結合素子７３ｃに直接入射したレーザ光Ｌ４１，Ｌ４２とミラー７４ｃにて反射した後に光結合素子７３ｃに入射したレーザ光Ｌ４３，Ｌ４４とを結合して、それぞれ光束径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４つの２次ビームとしての合成光Ｌ４５〜Ｌ４８を出射する。
【００４０】
このように、光分割結合部９８は、互いにインコヒーレントな関係の２本のレーザ光（Ｌ４１とＬ４２の対またはＬ４３とＬ４４の対）をそれぞれ出射する２つの光分割結合部９８ａ，９８ｂを並べ、これらから射出される４本のレーザ光Ｌ４１〜Ｌ４４を光分割結合部９８ｃに入射させることで、Ｘ方向に光束径φで平行に並んだ４本のレーザ光Ｌ４５〜Ｌ４８として出射するように構成されている。この光分割結合部９８から出射された４本のレーザ光Ｌ４５〜Ｌ４８は、導光照明部１００に入射される。
【００４１】
第１実施形態の導光照明部１００は、図示するように、光照射部７０から出射された４本の各レーザ光Ｌ４５〜Ｌ４８をＹ方向に４分割して合計１６本の２次ビームとして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本のレーザ光を集光する複数の集光レンズ（本例では１６個の凸レンズ）で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１１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。
【００４２】
光分割部１０２は、Ｘ方向に平行に並んだレーザ光Ｌ４５〜Ｌ４８を、それぞれＸ方向に直交する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。したがって、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。
【００４３】
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の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（点光源）とされてから、コンデンサレンズ１０４に入射される。すなわち、レンズアレイ１０３は、２次光源生成部の一例をなす。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１１上の所定の照射領域に集光する。このとき、レンズアレイ１０３をなす凸レンズのうちの同一のものからから射出されたレーザ光同士（たとえば図中のＬ１，Ｌ２）は、コンデンサレンズ１０４によりそれぞれ平行光束となり、ステージ１２に搭載された基板１１上に導かれる。
【００４４】
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１２上に被照射対象物としての基板１１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７１からパルスレーザを出射する。
【００４５】
レーザ光源７１から出射されたレーザ光は、ビーム整形部７２、光分割結合部９８、および光分割部１０２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。光分割部１０２から出射された１６本のレーザ光は、レンズアレイ１０３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１０４を介して合成され、基板１１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１２を平行移動させて、平板状の基板１１を、主面に対して平行な方向（図中Ｘ−Ｙ方向）に移動させ、基板１１の全領域にレーザ光を照射してアニール処理を行なう。
【００４６】
以下、光照射部７０を構成する各機能部分の構成と作用について詳細に説明する。先ず、ビーム整形部７２について説明する。
【００４７】
＜コリメータ部の第１実施形態＞
図２は、ビーム整形部７２の第１実施形態の構成例を示す図である。ここで、図２（Ａ）は、レーザアニール装置１０をＹ方向（装置の上方）から見たときの構成図であり、図２（Ｂ）は、レーザアニール装置１０をＸ方向（装置の横方向）から見たときの構成図である。
【００４８】
第１実施形態のｘコリメータ７２ｘは、図２（Ａ）に示すように、凸面が入射側を向きｘ軸方向に正のパワーを持つシリンドリカルレンズ２２０、凹面が出射側を向きｘ軸方向に負のパワーを持つシリンドリカルレンズ２２１、凸面が出射側を向きｘ軸方向に正のパワーを持つシリンドリカルレンズ２２２の順番で光軸上（ｚ軸方向）に配置されている。
【００４９】
また、第１実施形態のｙコリメータ７２ｙは、図２（Ｂ）に示すように、凸面が入射側を向きｙ軸方向に正のパワーを持つシリンドリカルレンズ２２３、凹面が出射側を向きｙ軸方向に負のパワーを持つシリンドリカルレンズ２２４、凸面が出射側を向きｙ軸方向に正のパワーを持つシリンドリカルレンズ２２５の順番で光軸上（ｚ軸方向）に配置されている。
【００５０】
このように、第１実施形態のビーム整形部７２は、コリメータ７２ｘ，７２ｙ何れについても、両端の２枚の正のパワーを持つシリンドリカルレンズの間に配されているレンズを負のパワーを持つシリンドリカルレンズとしている点に特徴を有する。中間のレンズについては負のパワーを持つシリンドリカルレンズとしたことで、光路長を短くすることができ、後述する第２実施形態よりも光照射部７０の光学系を小さくすることができる。
【００５１】
ここで、ｘ軸方向とｙ軸方向とに異なる射出光束径φｘ，φｙおよび射出広がり角を有するレーザ光源７１からの光束（レーザ光Ｌ７１）を、光束径φに保ちながらコリメートするために、ｘコリメータ７２ｘ用のシリンドリカルレンズ２２１，２２２、およびｙコリメータ７２ｙ用のシリンドリカルレンズ２２４，２２５を、それぞれ光軸（ｚ軸）方向に変位させる必要がある。
【００５２】
図３および図４は、シリンドリカルレンズ２２１，２２２あるいはシリンドリカルレンズ２２４，２２５を、それぞれ光軸（ｚ軸）方向に変位させるためのコリメート調整機構を説明する図である。ここで、図３は、コリメート調整装置２００の構成例を示す図である。図４（Ａ）は、ｘコリメータ制御部２１０ｘにおけるコリメート調整の手法を説明する図、図４（Ｂ）は、コリメート調整後の光照射装置３により得られた照射強度分布の一例を示す図である。
【００５３】
図３に示すように、コリメート調整装置２００は、ｘコリメータ７２ｘ用のシリンドリカルレンズ２２１，２２２の位置を制御するｘコリメータ制御部２１０ｘ、およびシリンドリカルレンズ２２４，２２５の位置を制御するｙコリメータ制御部２１０ｙを備える。さらに、コリメート調整装置２００は、光束径がφとなるように観測するための機構として、ＣＣＤ撮像素子などを含むカメラ部２１２と、コリメートを観測するシアリングプレート２１４およびスクリーン２１６により構成されるシアリング干渉計２１７とを備える。シアリングプレート２１４は、光軸に対して４５°の傾きをもって光路上に配され、入射されたレーザ光に対し、表裏面反射光が同等となるようになっている。
【００５４】
カメラ部２１２とシアリング干渉計２１７とを取り除き、カメラ部２１２のｚ軸方向の位置を変えて、各位置での光束径がともに同一であるか否かを判定することでビームの平行度合いを測定する手法を用いると、カメラ部２１２のみを使用することでもコリメート調整は可能である。しかしこの場合、カメラ部２１２のｚ軸方向の位置を変える必要があるので、ｚ軸方向にカメラ部２１２を移動可能な大きな機構が必要になる。これに対して、シアリング干渉計２１７を用いる調整機構では、短い光路長でビームの平行度合いを測定することが可能となり、コリメート調整装置２００をコンパクトにできる。
【００５５】
また、スクリーン２１６を、ＣＣＤ撮像素子などを含むカメラ部２１８に置き換えることもできる。この場合、形状検査部の一例をなす２つのカメラ部２１２，２１８により得られる画像信号に基づき画像パターンを解析し、平行光束かつ略円形（たとえば光束径φ＝３）のコリメート光束を得るようにコリメータ制御部２１０ｘ，２１０ｙに対してフィードバック制御を行なう解析制御部２１９をビーム整形制御部の一例として設けることで、コリメート調整（ビーム整形の調整）を自動化することもできる。
【００５６】
このような構成のコリメート調整装置２００において、ｘコリメータ制御部２１０ｘは、シリンドリカルレンズ２２１の変位Δｘ１に対して、シリンドリカルレンズ２２２の変位がΔｘ２となるように制御する。このとき、Δｘ１とデルタｘ２の関係は図４（Ａ）のようになる。ここで図４（Ａ）は、個々のレーザ光源７１ａ〜７１ｄの射出広がり角（全角）が１．４ｍｒａｄ〜２．２ｍｒａｄまで存在する場合、シリンドリカルレンズ２２０，２２１，２２２のそれぞれのパワーが３８．６５，−２８．９９，３８．６５としたとき、ｘコリメータ７２ｘを射出する光束のｘ軸方向の光束径がφ＝３となるようにする場合のΔｘ１とΔｘ２の関係を示している。この関係はΔｘ２＝ｆ（Δｘ１）と近似的に関係式としてｘコリメータ制御部２１０ｘに与える。
【００５７】
同様に、ｙコリメータ制御部２１０ｙは、シリンドリカルレンズ２２４の変位Δｙ１に対して、シリンドリカルレンズ２２５の変位がΔｙ２となるように制御する。ｘコリメータ制御部２１０ｘについての上記コリメート調整をｙコリメータ制御部２１０ｙに対しても行なうことで、ｘコリメータ７２ｘおよびｙコリメータ７２ｙを通過した４つの光束（レーザ光Ｌ７２ａ〜Ｌ７２ｄ）を同一の光束径φ（＝３）のコリメート光束とすることができる。
【００５８】
この光束径が等しい４光束（レーザ光Ｌ７２ａ〜Ｌ７２ｄ）を、光分割結合部９８に入射させ、その後、光分割部１０２、レンズアレイ１０３、コンデンサレンズ１０４を介して被照射物としての基板１１に照射する。基板１１上での照射強度は図４（Ｂ）に示すように、照射領域中央部が均一化される。
【００５９】
以上説明したように、第１実施形態のビーム整形部７２の構成によれば、異なる射出光束径および射出広がり角を有するレーザ光源７１ａ〜７１ｄから射出された光束をＸ方向およびＹ方向に光束径φに保ちながらコリメートすることができる。そして、それぞれ同一の光束径φを有するコリメート光束に変換することで、導光照明部１００により基板１１上における照射強度を均一化する。
【００６０】
すなわち、レーザ光源７１ａ〜７１ｄから射出される光束が異なったとしても、ｘコリメータ７２ａｘ，７２ｂｘ，７２ｃｘ，７２ｄｘ、およびｙコリメータ７２ａｙ，７２ｂｙ，７２ｃｙ，７２ｄｙにより、同一光束径としてコリメートすることができるため、各レーザ光源７１ａ〜７１ｄからの光束により基板１１を均一に照射することができる。このように基盤１１を均一に照射することで、全光束を有効に利用することができる。したがって、複数のレーザ光源により照射密度を保ちつつ照射領域を拡大することが可能となり、装置の照射能力を向上することができる。
【００６１】
また、レーザ光源の現物に合わせてコリメータを設計する必要はなく、コリメート調整装置２００を利用してコリメート調整を行なうことにより、光分割結合部９８に入射されるレーザ光の光束径を略円形にかつそれぞれの光束径を均一にすることができる。加えて、レーザ光源のレーザ光源の交換時にも、コリメータの再設計は不要であり、コリメート調整を行なうことにより、新たに取り付けらレーザ光源を不都合無く使用することができる。
【００６２】
＜光分割結合部の構成と作用＞
次に、光分割結合部９８および導光照明部１００の構成と作用について説明する。図１に示したように、光分割結合部９８ａ，９８ｂにおいては、コリメータ部７２ｂｙ，７２ｄｙから出射されたレーザ光Ｌ７２ｂ，Ｌ７２ｄは、対応する光結合素子７３ａ，７３ｂに入射され、コリメータ部７２ａｙ，７２ｃｙから出射されたレーザ光Ｌ７２ａ，Ｌ７２ｃは、対応するミラー７４ａ，７４ｂにより反射された後に対応する光結合素子７３ａ，７３ｂの反対側の面に入射される。また、光分割結合部９８ｃにおいては、光分割結合部９８ａから出射されたレーザ光Ｌ４１，４２が、光結合素子７３ｃに入射され、光分割結合部９８ｂから出射されたレーザ光Ｌ４３，Ｌ４４が、ミラー７４ｃにより反射された後に光結合素子７３ｃの反対側の面に入射される。
【００６３】
後述するように、各光結合素子７３ａ〜７３ｃの光路上の両端面には、光分割膜（半透過膜）、反射防止膜、あるいは全反射膜と言った、それぞれ異なる薄膜が蒸着されている。光結合素子７３は、光軸の方向であるＺ方向に対して所定の角度で傾いて配置されている。レーザ光は、光結合素子７３の前端面側の反射防止膜を透過し、後端面側の光分割膜で透過光と反射光に分割される。反射光は光結合素子７３内部を通り前端面側の全反射膜で反射された後に後端面側の反射防止膜を透過する。これにより、光結合素子７３の前端面側に入射されたレーザ光は、それぞれ後端面側に設けられた光分割膜からの透過光と反射防止膜からの透過光の２つの光束に分割される。
【００６４】
また、ミラー７４にて反射された光束は、後端面側に設けられた光分割膜に入射され、透過光と反射光に分割されるようになっている。この透過光は、光結合素子７３内部を通り前端面側の全反射膜で反射された後に後端面側の反射防止膜を透過する。これにより、光結合素子７３の後端面側に入射されたレーザ光は、それぞれ後端面側に設けられた光分割膜からの反射光と反射防止膜からの透過光の２つの光束に分割される。
【００６５】
また、光結合素子７３の前端面側の反射防止膜に入射することで分割された２つの光束と、ミラー７４にて反射された後に光結合素子７３の後端面側に入射することで分割された２つの光束についてみれば、それぞれ対応する透過光と反射光とは、光軸が一致しており、光結合素子７３から合成して出力される。このため、光結合素子７３ａ，７３ｂでは、光軸が平行とされた２つの合成光Ｌ４１，Ｌ４２あるいはＬ４３，Ｌ４４を、また、光結合素子７３ｃでは、光軸が平行とされた４つの合成光Ｌ４５〜Ｌ４８を、それぞれ出射することができる。なお、光結合素子７３ａ，７３ｂから出射される合成光Ｌ４１，Ｌ４２の対や合成光Ｌ４３，Ｌ４４の対、および光結合素子７３ｃから出射される合成光Ｌ４５〜Ｌ４８は、それぞれインコヒーレントな関係となっている。
【００６６】
＜光結合素子の構成＞
図５は、光結合素子７３の構成例を示す図である。ここでは、光結合素子７３ｃにおける光路を用いて示している。各光結合素子７３（７３ａ〜７３ｃ）は、直方体の形状で、屈折率ｎ１の透明部材（光伝達媒質）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、直方体の巾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。
【００６７】
基部７５には、長辺方向（ｉ方向）に直交する一方の側面（後端面）７５ａに、入射されたレーザ光を１：１の割合で透過および反射する光分割膜７６および入射された光を反射させず全透過させる反射防止膜７７が形成されている。また、基部７５には、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（前端面）７５ｂに入射された光を反射させず全透過させる反射防止膜７８および入射された光を透過させず全反射させる全反射膜７９が形成されている。これらの各膜は、たとえば、蒸着などにより側面７５ａ，７５ｂに形成される。
【００６８】
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。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、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、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および反射防止膜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→反射防止膜７７の順となっていれば、反射防止膜７８および全反射膜７９の上記任意の一方向に対する並び順が、反射防止膜７８→全反射膜７９の順となる。
【００６９】
以上のような光結合素子７３は、基部７５の長辺方向（ｉ方向）が概ねＺ方向に向けられ、基部７５の短辺方向（ｊ方向）が概ね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、光照射部７０内に配置される。
【００７０】
このように配置された光結合素子７３においては、レーザ光Ｌ４１〜Ｌ４４が、基部７５の側面７５ａおよび側面７５ｂに垂直な平面に沿って入射される。すなわち、レーザ光Ｌ４１〜Ｌ４４は、Ｘ−Ｚ平面状に沿って光結合素子７３に入射される。
【００７１】
たとえば光結合素子７３ｃにおいては、図５に示すように、レーザ光Ｌ４１，Ｌ４２が、光軸間距離（＝光束径）φａをもって、それぞれ光結合素子７３ｃの外部側から、反射防膜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（１）に示すような屈折関係が発生する。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、式（１）は式（２）のように変形することができる。
【数１】
2004356282.tif 000003
【数２】
2004356282.tif 000004
【００７２】
したがって、反射防止膜７８に角度θ２で屈折率“１”の光伝達媒質側から入射されたレーザ光Ｌ４１，Ｌ４２は、基部７５内に入射する際に角度θ１で屈折する。
【００７３】
光結合素子７３ｃに入射されたレーザ光Ｌ４１，４２は、基部７５内を通過して、光結合素子７３ｃの内部側から、光分割膜７６に角度θ１で入射する。レーザ光Ｌ４１は、光分割膜７６上の位置Ａに入射し、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φａ（＝レーザ光Ｌ４１，４２の光軸間距離）となっている。
【００７４】
光分割膜７６は、入射されたレーザ光Ｌ４１，４２を、１：１の割合で透過および反射し、透過光と反射光とに分割する。レーザ光Ｌ４１の光分割膜７６での透過光Ｌ４１＿ｔ（参照子ｔは通過伝搬；Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎを示す）およびレーザ光Ｌ４２の光分割膜７６での透過光は、上述した式（１）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。レーザ光Ｌ４１の光分割膜７６での反射光Ｌ４１＿ｒ（参照子“ｒ”は反射；Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎを示す）およびレーザ光Ｌ４２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。
【００７５】
一方、レーザ光Ｌ４３，Ｌ４４は、ミラー７４ｃにより光路が調整され、光結合素子７３の外部である屈折率“１”の光伝達媒質（空気）側から、光軸間距離（＝光束径）φｂをもって、かつ、基部７５内を通過したレーザ光Ｌ４３，Ｌ４４の射出点にて法線を挟んだ反対側から光分割膜７６に角度θ２で入射される。光軸間距離φｂを光軸間距離φａと等しく設定することで、レーザ光Ｌ４３を光分割膜７６上の位置Ａに入射させ、レーザ光Ｌ４４を光分割膜７６上の位置Ｂに入射させる。
【００７６】
光分割膜７６は、入射されたレーザ光Ｌ４３，Ｌ４４を、１：１の割合で透過および反射し、透過光と反射光とに分割する。レーザ光Ｌ４３の光分割膜７６での透過光Ｌ４３＿ｔおよびレーザ光Ｌ４４の光分割膜７６での透過光Ｌ４４＿ｔは、上述した式（１）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。レーザ光Ｌ４３の反射光Ｌ４３＿ｒおよびレーザ光Ｌ４４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。
【００７７】
ここで、レーザ光Ｌ４１の透過光Ｌ４１＿ｔとレーザ光Ｌ４３の反射光Ｌ４３＿ｒとは、上述した式（１）に従っているので光軸が一致しており、両者を合成して合成光Ｌ４５として光結合素子７３ｃから外部に出力される。同様に、レーザ光Ｌ４２の透過光Ｌ４２＿ｔとレーザ光Ｌ４４の反射光Ｌ４４＿ｒも、上述した式（１）に従っているので光軸が一致しており、両者を合成して合成光Ｌ４６として光結合素子７３ｃから外部に出力される。すなわち、合成光Ｌ４５，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。
【００７８】
一方、レーザ光Ｌ４１の反射光Ｌ４１＿ｒとレーザ光Ｌ４３の透過光Ｌ４３＿ｔとは、上述した式（１）に従っているので光軸が一致しており、両者を合成して合成光Ｌ４７として光結合素子７３ｃの内部に反射される。同様に、レーザ光Ｌ４２の反射光Ｌ４２＿ｒとレーザ光Ｌ４４の透過光Ｌ４４＿ｔも、上述した式（１）に従っているので光軸が一致しており、両者を合成して合成光Ｌ４８として光結合素子７３ｃの内部に反射される。すなわち、合成光Ｌ４７，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にて反射される。
【００７９】
全反射膜７９により反射された合成光Ｌ４７，Ｌ４８は、基部７５を通過して反射防止膜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。合成光Ｌ４７は、反射防止膜７７上の位置Ｃに入射し、合成光Ｌ４８は、反射防止膜７７上の位置Ｄに入射する。合成光Ｌ４７，Ｌ４８は、上述した式（１）に従い、角度θ２で反射防止膜７７から、基部７５の外部に出射される。
【００８０】
したがって、光結合素子７３ｃでは、光軸が平行とされた４つの合成光Ｌ４５〜Ｌ４８を、光結合素子７３ｃからＺ方向に出射することができる。なお、位置Ｃと位置ＤとのＸ方向の距離は、光束径φ（＝φａ＝φｂ）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。つまり、合成光Ｌ４５〜Ｌ４８は、互いにＸ方向に平行に並んで出射され、合成光Ｌ４５〜Ｌ４８の光軸の間隔Ｐ２は、元のレーザ光Ｌ４１〜Ｌ４４の光束径φ（＝φａ＝φｂ）と一致している。
【００８１】
ところで、光分割結合部９８ｃの光結合素子７３ｃから出射される合成光Ｌ４５〜Ｌ４８をインコヒーレントな関係とするには、合成光Ｌ４５〜Ｌ４８の光路長の差を、レーザ光源７１ａ〜７１ｄ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、レーザ光Ｌ４１の反射光Ｌ４１＿ｒおよびレーザ光Ｌ４３の透過光Ｌ４３＿ｔの全反射膜７９上における反射位置を位置Ｅとする。合成光Ｌ４５の光軸上の一点を位置Ｆとする。なお、位置Ｅと位置Ｃとを結んだ直線は、合成光Ｌ４５の光軸に対して垂直となる。同様に、レーザ光Ｌ４２の反射光Ｌ４１＿ｒおよびレーザ光Ｌ４３の透過光Ｌ４３＿ｔの全反射膜７９上における反射位置を位置Ｇとする。合成光Ｌ４６の光軸上の一点を位置Ｈとする。なお、位置Ｇと位置Ｄを結んだ直線は、合成光Ｌ４６の光軸に対して垂直となる。
【００８２】
この場合、光路ＡＥＣと光路ＡＦとの差、および光路ＢＧＤと光路ＢＨとの差を、可干渉距離Ｌ以上とすれば、光結合素子７３ｃから出射される合成光Ｌ４５〜Ｌ４８をインコヒーレントな関係とすることができる。このためには、光分割結合部９８ａ，９８ｂから得られた複数の合成レーザ光のうち、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７１ａ〜７１ｄ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ｔｃ、つまり、光結合素子７３ｃの長辺方向（ｉ方向）の長さｔｃを、式（３）に示すように設定すればよい。なおここではｎ＝ｎ１とする。
【数３】
2004356282.tif 000005
【００８３】
したがって、光結合素子７３は、合成光Ｌ４５〜Ｌ４８をインコヒーレントな関係となるように距離ｔｃを設定したとしても、合成光Ｌ４５〜Ｌ４８の各間隔Ｐ１あるいはＰ２を、たとえば光束径φ（＝φａ＝φｂ）に一致させることができる。ここで、合成光Ｌ４５〜Ｌ４８の各間隔Ｐ２を、光束径φに一致させる条件は、式（４）に示すように設定すればよい。なおここではｎ＝ｎ１とする。また、ｄは、光結合素子７３を複数段構成にする際の段数であり、本例では光結合素子７３ａと７３ｂが１段目、光結合素子７３ｃが２段目となるため、ｄ＝２となる。
【数４】
2004356282.tif 000006
【００８４】
このように、ミラー７４や光結合素子７３を使用して、レーザ光の分割や合成を行なう構成としているので、簡易な構成で複数のレーザ光を合成することが可能となる。
【００８５】
ここで、第１実施形態の光照射部７０は、光結合素子７３の光分割膜７６を２段縦続に備えた構成であるが、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。
【００８６】
このように、第１実施形態の光照射部７０では、光結合素子７３を複数個用いて、複数段のレーザ光の結合を行なう際に、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。
【００８７】
なお、光分割結合部９８ａ，９８ｂは、光結合素子７３の段数を“１”としたものと考えればよい。この場合、光分割結合部９８ａ，９８ｂの光結合素子７３ａ，７３ｂから出射される合成光Ｌ４１，Ｌ４２の対、あるいは合成光Ｌ４３，Ｌ４４の対をインコヒーレントな関係とするには、光分割膜７６から全反射膜７９までの距離ｔａ，ｔｂを式（５）に示すように設定すればよい。この式（５）は、式（３）において、Ｌｍａｘ−Ｌｍｉｎ＝０と変形したものと等価である。
【数５】
2004356282.tif 000007
【００８８】
また、合成光Ｌ４１，Ｌ４２の間隔Ｐ１ａあるいは合成光Ｌ４３，Ｌ４４の間隔Ｐ１ｂを、光束径φに一致させる条件は、次の式（６）に示すように設定すればよい。この式（６）は、式（４）において、ｄ＝１と変形したものと等価である。
【数６】
2004356282.tif 000008
【００８９】
上記構成の光結合素子７３では、光分割膜７６と全反射膜７９との間に屈折率ｎ１の光伝達媒質からなる基部７５を設けることで、これらが一体的に形成しているので、光分割膜７６と全反射膜７９、さらには反射防止膜７７，７８の光軸に対する角度調整が容易となる。
【００９０】
なお、角度調整が少々困難にはなるが、光分割膜７６と全反射膜７９の間、さらには反射防止膜７７，７８との間に光伝達媒質（光透過部材）を設けることなく、光結合素子７３を構成してもよい。この場合、実質的に屈折率“１”の空気が光分割膜７６と全反射膜７９との間の光伝達媒質となる。
【００９１】
＜導光照明部の構成＞
図６は、導光照明部１００を構成する光分割部１０２の構成例を示す図である。なお、図６は、光分割部１０２をＸ方向から見た図である。
【００９２】
図示するように、光分割部１０２は、直方体の形状で、たとえばガラスなどの屈折率ｎの透明部材（光伝達媒質）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６中のｉ方向）に直交する一側面１１１ａに膜状のＢＳ（ビームスプリッタ）１１２が形成され、もう一方の側面１１１ｂに膜状のＢＳ１１３が形成されている。ＢＳ１１２，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。ＢＳ１１２，ＢＳ１１３の透過と反射の分離比率、すなわちビームスプリッタの光分離面で分離された反射光および透過光は、光強度の比が１：１となるように設計されている。ＢＳ１１２は、ＢＳ１１３よりもレーザ光の入射側に配置されている。
【００９３】
さらに、光分割部１０２は、光反射面がＢＳ１１２，ＢＳ１１３の光分離面と平行とされ、ＢＳ１１２，ＢＳ１１３とＺ方向に並んで配置された、平面状の光反射面に入射されたレーザ光を反射するミラー１１４を備えている。ミラー１１４は、ＢＳ１１２よりもレーザ光の入射側に配置されている。ＢＳ１１２，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、かつ、入射されるレーザ光の入射方向（すなわちＺ方向）に対して所定の入射角θ（０°＜θ＜９０゜）をもって配置されている。
【００９４】
ＢＳ１１２，ＢＳ１１３は、レーザ光Ｌ４５〜Ｌ４８の光軸上に配置されている。また、ＢＳ１１２は、レーザ光Ｌ４５〜Ｌ４８のみが入射され、他の光が入射されないような配置および大きさとなっている。ＢＳ１１３は、ＢＳ１１２の透過光およびミラー１１４で反射された後のＢＳ１１２の反射光が入射され、他の光が入射されないような配置および大きさとなっている。ミラー１１４は、ＢＳ１１２，ＢＳ３５の対応する２つの反射光が入射され、入射されたレーザ光Ｌ４５〜Ｌ４８を遮らないような配置および大きさとなっている。
【００９５】
つまり、光分割部１０２は、光反射面がＢＳ１１２，１１３の光分離面と平行とされ、ＢＳ１１２，１１３とＺ方向に並んでミラー１１４を備えるとともに、ミラー１１４の光反射面が全てのビームスプリッタ（本例ではＢＳ１１２，１１３）からの反射光が入射されるように構成されている。加えて、光分割部１０２内に、レーザ光を透過する光透過部材（本例では基部１１１）を設け、この光透過部材にＢＳ１１２，１１３を取り付け、ＢＳ１１２，１１３と光透過部材とを一体的に構成している。こうすることによって、ＢＳ１１２，１１３およびミラー１１４の位置調整が容易となるようにしている。
【００９６】
なお、ＢＳ１１２，１１３の間に光透過部材を配置することに代えて、ＢＳ１１２とミラー１１４との間に光透過部材を配置することで、ＢＳ１１２とミラー１１４と光透過部材とを一体的に構成してもよい。この場合にも、ＢＳ１１２，１１３およびミラー１１４の位置調整が容易となる。
【００９７】
なお、位置調整が少々困難にはなるが、ＢＳ１１２，１１３の間、およびＢＳ１１２とミラー１１４との間に光透過部材を設けることなく、光分割部１０２を構成してもよい。この場合、実質的に屈折率“１”の空気がＢＳ１１２，１１３の間やＢＳ１１２とミラー１１４との間の光伝達媒質となる。
【００９８】
ここで、光分割部１０２に入射されるレーザ光Ｌ４５〜Ｌ４８のうち、任意の１本のレーザ光を、レーザ光Ｌ５１とし、以下説明を行なう。ＢＳ１１２は、レーザ光Ｌ５１の光路上に設けられている。ＢＳ１１２は、入射されたＢＳ１１２をレーザ光Ｌ５２（透過光）とレーザ光Ｌ５３（反射光）とに１：１の割合で分離する。
【００９９】
レーザ光Ｌ５２は、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ＢＳ１１３に入射される。また、レーザ光Ｌ５３は、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ＢＳ１１３に入射される。
【０１００】
ＢＳ１１３は、レーザ光Ｌ５２およびレーザ光Ｌ５３の光路上に設けられている。ＢＳ１１３は、入射されたレーザ光Ｌ５２を１：１の割合でレーザ光Ｌ５４（透過光）とレーザ光Ｌ５５（反射光）とに分離する。同様に、ＢＳ１１３は、入射されたレーザ光Ｌ５３を１：１の割合でレーザ光Ｌ５６（透過光）とレーザ光Ｌ５７（反射光）とに分離する。
【０１０１】
レーザ光Ｌ５４，Ｌ５６は、ＢＳ１１３を透過し、所定の角度で屈折して、基部１１１の外部に出射される。レーザ光Ｌ５５，Ｌ５７は、ＢＳ１１３を反射して基部１１１の内部を通過して、側面１１１ａから所定の角度で屈折して、基部１１１の外部に出射され、ミラー１１４に入射される。そして、レーザ光Ｌ５５，Ｌ５７は、ミラー１１４により反射された後、基部１１１に所定の角度で屈折して、再度入射する。このレーザ光Ｌ５５，Ｌ５７は、基部１１１を通過して、側面１１１ｂから所定の角度で屈折して、基部１１１の外部に出射される。
【０１０２】
これにより、光分割部１０２は、Ｘ方向に平行に並んだ４本のレーザ光Ｌ５４〜Ｌ５７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。したがって、光分割部１０２からは、合計１６本のレーザ光が出射される。光分割部１０２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。光分割部１０２の側面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。
【０１０３】
なお、ＢＳ１１２からミラー１１４までの距離ｔ０並びにＢＳ１１２から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、光照射部７０の構成から決まる。光照射部７０から得られた複数のレーザ光Ｌ４５〜Ｌ４８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は式（７）、ｔ１は式（８）にそれぞれ示すように設定すればよい。なお、ｎは基部１１１の屈折率である。
【数７】
2004356282.tif 000009
【数８】
2004356282.tif 000010
【０１０４】
式（７）および式（８）は、ＢＳ１１２のレーザ光の入射口から、ＢＳ１１３のレーザ光の出射口までの光路の長さが、１６本のレーザ光ごとに全て異なっている場合に、その各光路の光路長差として、レーザ光源７１により規定される可干渉距離以上の差を付けることを意味する。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、Ｘ方向に平行に並んだ４本のレーザ光Ｌ４５〜Ｌ４８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、Ｘ方向および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。光分割部１０２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。
【０１０５】
このように、第１実施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１６本のレーザ光を、基板１１上の同一の照射位置へ照射することができる。このため、レーザアニール装置１０では、レーザ光を基板１１上で合成したときに、Ｙ方向に並んだ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。加えて、光分割部１０２にはＸ方向に並んだ互いに干渉しない４本のレーザ光Ｌ４５〜Ｌ４８が入射されるので、結果として、１６本のレーザ光を基板１１上で合成したときに、１６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。
【０１０６】
なお、単一のレーザ光を光分割部１０２に入射させる場合には、式（７）および式（８）は、それぞれ式（９）あるいは式（１０）に示すように変形すればよい。この式（９）および式（１０）は、式（７）および式（８）において、Ｌｍａｘ−Ｌｍｉｎ＝０と変形したものと等価である。
【数９】
2004356282.tif 000011
【数１０】
2004356282.tif 000012
【０１０７】
また、上記光分割部１０２の構成では、Ｙ方向に分割するレーザ光の数は４本であるが、これに限らず、以下に示す式（１１）〜式（１４）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。
【０１０８】
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、ビーム整形部７２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。このような多段構成の光分割部１０２に単一のレーザ光を入射させる場合、ｊとｋとの関係は、以下の式（４）に示す通りとなる。
【数１１】
2004356282.tif 000013
【０１０９】
また、各ビームスプリッタの透過率Ｔおよび反射率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Ｑ２は、分割前のレーザ光の光量をＱ１としたときに、以下の式（１２）に示すようになる。
【数１２】
2004356282.tif 000014
【０１１０】
また、出力されるｊ本レーザ光を互いに干渉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およ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ヘ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。
【０１１１】
１番目のビームスプリッタＢＳ１と反射鏡との問の距離ｔ０は、次の式（１３）に示すと通りに設定する。
【数１３】
2004356282.tif 000015
【０１１２】
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ブリッタＢＳ（ｍ＋１）との間の距離ｔｍを、次の式（１４）に示す通りに設定をする。
【数１４】
2004356282.tif 000016
【０１１３】
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かつ強度が同一のｊ本の平行なレーザビームに分割することができる。
【０１１４】
多段構成の光分割部１０２において、１個目のビームスプリッタに入射させるビーム数を増加させる場合には、上記式（１１）〜（１４）に対して、上記式（７）および式（８）に準じて、（Ｌｍａｘ−Ｌｍｉｎ）の補正を加えるとよい。
【０１１５】
図７は、第１実施形態のレーザアニール装置１０（光照射装置３）に用いられるレンズアレイ１０３の一構成例を示す図である。レンズアレイ１０３は、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（フライアイ）１０３ａ〜１０３ｐから構成されている。凸レンズ１０３ａ〜１０３ｐの配列間隔は、光分割部１０２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１０３ａ〜１０３ｐが各レーザ光の光軸上に設けられている。すなわち、光束１つに対して、フライアイのエレメント１つが対応している。レンズアレイ１０３は、入射された１６本のレーザ光をそれぞれ集光して、レンズアレイ１０３とコンデンサレンズ１０４の間に１６個の２次光源を作る。
【０１１６】
図８は、第１実施形態のレーザアニール装置１０により得られる効果を説明する図である。ここで、図８（Ａ）は、光分割部１０２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８（Ｂ）〜図８（Ｄ）は、それぞれレーザアニール装置１０から基板１１に照射されるレーザ光のＸ方向あるいはＹ方向の強度分布を示す図である。
【０１１７】
光分割部１０２は、上記のような構成となっていることにより、図８（Ａ）に示すように、Ｘ−Ｙ方向に２次元マトリクス状に光束径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。この１６本のレーザ光（光束）は、レンズアレイ１０３に入射され、さらにレンズアレイ１０３から出射された１６本のレーザ光が、一旦集光されて２次光源となった後、コンデンサレンズ１０４に入射される。
【０１１８】
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基板１１上の略同一（詳しくは所定間隔だけずれて重合せる）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。これにより、被照射物としての基板１１上では、１６個の平行光束が所定の間隔だけずらされて２次元マトリクス状に重ねられる。よって、基板１１上を均一に照射する。ステージ１２は被照射物をＸＹ２軸に移動させることで、時間的に照射領域を拡大する。また、レーザ光源７１を複数台（本例では、７１ａ〜７１ｄの４つ）用いている理由は、照射密度を保ちつつ照射領域を拡大し、レーザアニール装置１０の照射能力を向上するためである。また、従来技術同様に、複数のレーザ光束を完全に同軸化できるため、後述する発振タイミングを調整することで、被照射物のアニール状態をコントロールすることができる。
【０１１９】
このように、第１実施形態のレーザアニール装置１０では、レーザ光の結合および分割を２次元的に行ない、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１１に対してレーザアニール処理を行なっている。そのため、基板１１に照射されるレーザスポットの強度分布（照射領域内の強度分布）を、たとえば、図８（Ｂ）および図８（Ｃ）に示すように、Ｘ方向およびＹ方向に対して均一にできる。
【０１２０】
上記構成のビーム整形部７２を備えることで、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被照射物の全体に対して均一なエネルギーを与えてアニール処理をすることができ、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、第１実施形態の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、たとえばこの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難いものとすることができる。
【０１２１】
さらに、複数の光源から出射されたレーザを合成して照射領域を広くかつエネルギーがパワーが高いレーザ光を生成する際に、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固体レーザおよび半導体レーザから出射されたレーザ光を用いる場合であっても、合成光をインコヒーレントな関係となるように、分割あるいは合成するための光学系をなす部材の配置を設定できる。これにより、第１実施形態のレーザアニール装置１０では、固体レーザや半導体レーザなどをレーザ光源７１として使用することができるようになるので、そのレーザ光源７１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。したがって、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。
【０１２２】
また、制御部１７にてレーザ光源７１ａ〜７１ｄから出射されるパルス光の出射タイミングの制御を行なう際に、たとえば、各レーザ光源７１から出射されるパルス光の発光タイミングを所定時間（Δｔ）だけずらすことも可能である。たとえばレーザ光Ｌ７１ａの強度がピークとなった直後に、次のレーザ光源７１ｂから出射されたレーザ光Ｌ７１ｂの強度が増加するようにという具合に、強度ピークを契機として次の光源の発光時点のタイミングを調整すれば、基板１１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１１上を照射する時間を長くすることが可能となる。また、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１１の冷却速度を遅くすることもできる。基板１１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。
【０１２３】
また、たとえば制御部１７による制御に基づいて、レーザ光源７１ａ，７１ｂから同時にパルス光を出射し、所定時間経過した後、レーザ光源７１ｃ，７１ｄから同時にパルス光を出射することも可能である。すなわち、レーザアニール装置１０では、一度に複数のレーザ光源からレーザ光を出射することも可能である。したがって、単独のレーザ光源が出射するレーザ光のエネルギーが弱いときにも、基板１１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１０４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。
【０１２４】
このように、第１実施形態のレーザアニール装置１０では、複数のレーザ光源を用いた構成とすることで、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１１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、あるいはパルス光のパルス幅を長くするなど、様々なアニール処理手法に対応可能となる。
【０１２５】
＜コリメータ部の第２実施形態＞
図９は、ビーム整形部７２の第２実施形態の構成例を示す図である。ここで、図９（Ａ）は、レーザアニール装置１０をＹ方向（装置の上方）から見たときの構成図であり、図９（Ｂ）は、レーザアニール装置１０をＸ方向（装置の横方向）から見たときの構成図である。
【０１２６】
第２実施形態のビーム整形部７２は、ｘコリメータ７２ｘおよびｙコリメータ７２ｙを構成する３枚のレンズのパワー配置を第１実施形態とは変えている。すなわち、第２実施形態のｘコリメータ７２ｘは、図９（Ａ）に示すように、凸面が入射側を向きｘ軸方向に正のパワーを持つシリンドリカルレンズ２３０、ｘ軸方向に正のパワーを持つシリンドリカルレンズ２３１、ｘ軸方向に正のパワーを持つシリンドリカルレンズ２３２の順番で光軸（ｚ軸）上に配置されている。
【０１２７】
また、第２実施形態のｙコリメータ７２ｙは、図９（Ｂ）に示すように、凸面が入射側を向きｙ軸方向に正のパワーを持つシリンドリカルレンズ２３３、凸面が出射側を向きｙ軸方向に正のパワーを持つシリンドリカルレンズ２３４、凸面が出射側を向きｙ軸方向に正のパワーを持つシリンドリカルレンズ２３５の順番で光軸上に配置されている。
【０１２８】
このように、第２実施形態のビーム整形部７２は、コリメータ７２ｘ，７２ｙ何れについても、両端の２枚の正のパワーを持つシリンドリカルレンズの間に配されているレンズを正のパワーを持つシリンドリカルレンズに置き換えている点が、第１実施形態の構成と異なる。
【０１２９】
中間のレンズについても正のパワーを持つシリンドリカルレンズとしたことで、第１実施形態のビーム整形部７２よりも光路長が長くなるので、光照射部７０の光学系が第１実施形態よりも大きくなる。しかしながら、正のパワーを持つシリンドリカルレンズで構成することで、組み立て偏心精度を緩くすることが可能となり、製造上および調整時の負荷を軽減することができる。
【０１３０】
＜レーザアニール装置の第２実施形態＞
図１０は、レーザアニール装置１０の第２実施形態の構成例を示す図である。ここで、図１０（Ａ）は、レーザアニール装置１０をＹ方向（装置の上方）から見たときの構成図である。第２実施形態のレーザアニール装置１０は、第１実施形態の光照射部７０における光分割結合部９８と光分割部１０２を取り除くとともに、レンズアレイ１０３をこれに応じた構成のものとすることで、各レーザ光源７１ａ〜７１ｄから射出される光束（レーザ光Ｌ７１ａ〜Ｌ７１ｄ）を直接被照射物上にずらしてライン状に重ね合わせることにより、基板１１を均一に照射するようにしている点に特徴を有する。ビーム整形部７２は、上記第１あるいは第２実施形態のビーム整形部７２を使用することができる。
【０１３１】
ビーム整形部７２にてビーム整形されたレーザ光Ｌ７２ａ〜Ｌ７２ｄは、それぞれレンズアレイ１０３のそれぞれのエレメントに入射され、レンズアレイ１０３により２次光源が生成される。
【０１３２】
図１１は、第２実施形態のレーザアニール装置１０（光照射装置３）に用いられるレンズアレイ１０３の一構成例を示す図である。レンズアレイ１０３は、Ｘ方向のみに４個のライン状に配列された４個の凸レンズ（フライアイ）１０３ａ〜１０３ｄから構成されている。凸レンズ１０３ａ〜１０３ｄの配列間隔は、光束１つに対してフライアイのエレメント１つが対応するように、ビーム整形部７２から出射される４本のレーザ光Ｌ７２ａ〜Ｌ７２ｄの間隔（光束径φ）と同一で、各凸レンズ１０３ａ〜１０３ｄが各レーザ光Ｌ７２ａ〜Ｌ７２ｄの光軸上に設けられている。このレンズアレイ１０３は、入射された４本のレーザ光Ｌ７２ａ〜Ｌ７２ｄをそれぞれ集光して、レンズアレイ１０３とコンデンサレンズ１０４の間に４個の２次光源をライン状に作る。
【０１３３】
図１２は、第２実施形態のレーザアニール装置１０により得られる効果を説明する図である。ここで、図１２（Ａ）は、レンズアレイ１０３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１２（Ｂ）は、レーザアニール装置１０から基板１１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。
【０１３４】
図１２（Ｂ）に示すように、レンズアレイ１０３は、Ｘ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４本のレーザ光を出射することができる。この４本のレーザ光（光束）は、第１実施形態の構成と同様に一旦集光されて２次光源となった後、コンデンサレンズ１０４に入射される。
【０１３５】
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４本の出力レーザ光を基板１１上の略同一の照射位置に照射し、所定の間隔だけずらして重ね合わせることで、その照射位置上で４本のレーザ光を合成する。このとき、第１実施形態の構成と同様に、レンズアレイ１０３をなす凸レンズのうちの同一のものからから射出されたレーザ光同士は、コンデンサレンズ１０４によりそれぞれ平行光束となり、ステージ１２に搭載された基板１１上に導かれる。
【０１３６】
よって、第２実施形態のレーザアニール装置１０では、ステージ１２上の被照射物をＸＹ２軸に移動させることで、第２実施形態の構成でも、時間的に照射領域を拡大することができる。このように第２実施形態のレーザアニール装置１０では、ライン状に配列されたインコヒーレントな４本のレーザ光を光束径φの間隔で並べた光束群をビーム整形部７２にて生成し、この光束群により基板１１に対してレーザアニール処理を行なっている。
【０１３７】
ここで、レンズアレイ１０３に入射する４つのレーザ光Ｌ７２ａ〜Ｌ７２ｄが、ｘコリメータ７２ｘおよびｙコリメータ７２ｙにより同一光束径φとなっているため、基板１１を均一に照射できることは、第１もしくは第２実施形態のビーム整形部７２について述べた通りである。よって、第２実施形態の構成でも、第１実施形態のレーザアニール装置１０と同様に、基板１１に照射されるレーザスポットの強度分布を、たとえば、図１２（Ｂ）に示すように、Ｘ方向に対して均一にできる。
【０１３８】
なお、このことから分かるように、第２実施形態のレーザアニール装置１０によって基板１１を照射したときには、図１２（Ｂ）に示すように照射領域がライン状となるのに対して、第１実施形態のレーザアニール装置１０によって基板１１を照射したときには図８（Ｂ），図８（Ｃ）に示すように照射領域が矩形状となり、照射領域を広げることができる。
【０１３９】
以上、本発明を実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【０１４０】
また、上記の実施形態は、クレーム（請求項）に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組合せの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。前述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜の組合せにより種々の発明を抽出できる。実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、効果が得られる限りにおいて、この幾つかの構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【０１４１】
たとえば、ビーム整形部７２としてｘコリメータ７２ｘとｙコリメータ７２ｙの２つを設け、これによりコリメート調整軸を直交するＸ方向とＹ方向の２つとしていたが、必ずしもこれに限らない。たとえば、レーザ光源７１ａ〜７１ｄから射出されたレーザ光Ｌ７１ａ〜Ｌ７１ｄの光軸に対して垂直な面内のそれぞれ６０°ずつ異なる方向をコリメート調整軸としてもよい。この場合、各軸に対応する３つのコリメータ部を設ける。調整軸の数が多くなるほど、ビーム形状の調整を細かく設定でき、結果としてビーム形状をより真円に近い状態とすることができる。
【０１４２】
また、上記実施形態では、コリメート調整軸に対応する各コリメータ部には３つのシリンドリカルレンズを配していたが、その数は必ずしも３つである必要はない。ただし、少なくとも正のパワーを持つシリンドリカルレンズが２枚以上必要である。また、第１あるいは第２実施形態のビーム整形部７２として説明したように、レンズのパワー配置を変えてもよい。
【０１４３】
また、レーザアニール装置の構成としては、光照射装置から発せられたレーザ光の被照射物上の位置を相対的に移動させることができるものであればよく、その手段は光照射装置３を固定しステージ１２を用いて被照射物を移動させる構成に限らず、これとは逆に、被照射物を固定配置しておき光照射装置３を移動させる構成であってもよい。
【０１４４】
また、ビーム整形部７２を除く光照射装置３の構成は、上記実施形態の構成に限らず、様々なものを適用可能である。たとえば、本出願人が、日本国において２００１年１２月７日に出願した日本特許出願番号２００１−３７４９２２号や、この日本出願を基礎として優先権を主張して出願している国際出願番号：ＰＣＴ／ＪＰ０２／１２３４０号に提案した構成を適用可能である。たとえば、上記第１実施形態で示した光分割結合部９８および光分割部１０２の構成に代えて、１つの光分割部１０２を配した構成とすることもできる。
【０１４５】
この場合、光照射装置３やレーザアニール装置１０は、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して、入射されるレーザビームを反射および透過して反射光および透過光の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、光反射面がビームスプリッタの光分離面と平行とされ、全ての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る構成となる。分割されて出力される複数のビーム光が干渉しないようにするなどの点は、たとえば上記式（７）および式（８）に従うなど、上記実施形態で示した通りである。
【０１４６】
また、上記実施形態では、複数のレーザ光源を用いた光照射装置におけるレーザ光を平行光束化する機能部分について、『異なる射出光束および射出広がり角を有する複数のレーザ光源に対して、光軸に対して垂直な面内のそれぞれ異なる方向に光束（ビーム）形状を略円形かつ平行光束化（コリメート）するレンズ群（コリメータ）を配置し、かつコリメータを構成するレンズ（たとえばシリンドリカルレンズ）の配置を調整することで、コリメータを射出し平行光束化したビーム形状を全て略円形にする』技術について説明したが、この技術思想は、単一のビーム（光束）を発するレーザ光源を用いた光照射装置についても同様に適用可能である。
【０１４７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、光軸に対して垂直な面内のそれぞれ異なる方向に光束（ビーム）形状を略円形かつ平行光束化（コリメート）するレンズ群（コリメータ）を配置し、当該コリメータを射出し平行光束化したビーム形状を略円形にするようにしたので、被照射物を均一に照射することが可能となる。たとえば、この光束を用いることで、複数のレーザ光源を用いた照射装置およびアニール装置において、分割／合成しても、被照射物を均一に照射することが可能となる。複数のレーザ光源を用いることで、照射密度を保ちつつ照射領域を拡大できるために、装置の処理能力を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光照射装置の一実施形態を搭載したレーザアニール装置の一実施形態の構成を示す図である。
【図２】コリメータ部の第１実施形態の構成例を示す図である。
【図３】コリメート調整装置の構成例を示す図である。
【図４】コリメート調整の手法と、コリメート調整後の光照射装置により得られた照射強度分布の一例を示す図である。
【図５】光結合素子の構成例を示す図である。
【図６】導光照明部を構成する光分割部の構成例を示す図である。
【図７】第１実施形態のレーザアニール装置（光照射装置）に用いられるレンズアレイの一構成例を示す図である。
【図８】第１実施形態のレーザアニール装置により得られる効果を説明する図である。
【図９】コリメータ部の第２実施形態の構成例を示す図である。
【図１０】レーザアニール装置の第２実施形態の構成例を示す図である。
【図１１】第２実施形態のレーザアニール装置（光照射装置）に用いられるレンズアレイの一構成例を示す図である。
【図１２】第２実施形態のレーザアニール装置により得られる効果を説明する図である。
【図１３】２ビーム構成の従来のレーザアニール装置の一例を示す図である。
【図１４】従来の装置におけるビーム形状の問題を説明する図である（その１）。
【図１５】従来の装置におけるビーム形状の問題を説明する図である（その２）。
【図１６】従来の装置における照射強度分布の問題を説明する図である。
【符号の説明】
３…光照射装置、１０…レーザアニール装置、１２…ステージ、１７…制御部、７０…光照射部、７１…レーザ光源、７２…コリメータ部、７３…光結合素子、７４…ミラー、７５…基部、７６…光分割膜、７７…反射防止膜、７８…反射防止膜、７９…全反射膜、９８…光分割結合部、１００…導光照明部、１０２…光分割部、１０３…レンズアレイ、１０４…コンデンサレンズ、１１１…基部、１１２，１１３…ＢＳ（ビームスプリッタ）、１１４…ミラー、２００…コリメート調整装置２００、２１２，２１８…カメラ部（形状検査部）、２１７…シアリング干渉計、２１９…解析制御部（ビーム整形制御部）
【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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