(57)【要約】【課題】  波長変換効率を高めることが可能な高調波発生装置を提供する。【解決手段】  レーザ光源がレーザビームを出射する。第１及び第２の反射鏡が、相互に対向するように配置されている。レーザ光源から出射したレーザビームが、一方の反射鏡の脇を通って他方の反射鏡に入射し、入射したレーザビームが第１の反射鏡と第２の反射鏡との間を往復する。第１の反射鏡と第２の反射鏡との間を往復するレーザビームの通過する位置に波長変換素子が配置されている。波長変換素子は、入射したレーザビームの波長が変換された高調波ビーム、及び波長変換されていない波長未変換ビームを出射する。第１の反射鏡と第２の反射鏡とは、共に波長未変換ビームを反射し、少なくとも一方の反射鏡は高調波ビームを透過させる。【選択図】  図２
2005268780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを出射するレーザ光源と、
相互に対向するように配置された第１の反射鏡と第２の反射鏡であって、前記レーザ光源から出射したレーザビームが、一方の反射鏡の脇を通って他方の反射鏡に入射し、入射したレーザビームが該第１の反射鏡と第２の反射鏡との間を往復するように配置されている第１及び第２の反射鏡と、
前記第１の反射鏡と第２の反射鏡との間を往復するレーザビームの通過する位置に配置され、入射したレーザビームの波長が変換された高調波ビーム、及び波長変換されていない波長未変換ビームを出射する波長変換素子と
を有し、前記第１の反射鏡と第２の反射鏡とは、共に前記波長未変換ビームを反射し、少なくとも一方の反射鏡は前記高調波ビームを透過させる高調波発生装置。
【請求項２】
前記第１の反射鏡で反射したレーザビームが、前記波長変換素子に斜め入射し、前記第２の反射鏡で反射した第２のレーザビームが、該波長変換素子に垂直入射するように、該第１の反射鏡、第２の反射鏡、及び波長変換素子が配置され、該第１の反射鏡が前記高調波ビームを透過させる請求項１に記載の高調波発生装置。
【請求項３】
さらに、前記レーザ光源から出射したレーザビームを、ビーム断面が環状のビームに変換する変換光学系を有し、
前記第１の及び第２の反射鏡の一方が、前記環状断面を有するビームの中空部に配置されており、当該反射鏡の周辺を通過した環状断面を有するビームが他方の反射鏡に入射する請求項１に記載の高調波発生装置。
【請求項４】
前記第１の反射鏡が凹面鏡であり、前記第２の反射鏡が凹面鏡または凸面鏡であり、前記第１のレーザビームが集束光線束であり、前記第２のレーザビームが平行光線束である請求項２または３に記載の高調波発生装置。
【請求項５】
レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射する位置に配置された凹反射面を有する第１の反射鏡と、
前記第１の反射鏡に対向する曲面の反射面を有する第２の反射鏡であって、前記レーザ光源から出射したレーザビームが該第２の反射鏡の脇を通過して前記第１の反射鏡に入射し、前記第１の反射鏡に入射したレーザビームが、該第１の反射鏡と該第２の反射鏡との間を往復するように配置された第２の反射鏡と、
前記第１の反射鏡と第２の反射鏡との間を往復するレーザビームのうち、該第２の反射鏡から第１の反射鏡へ向かうレーザビームが入射する位置に配置され、入射したレーザビームの波長が変換された高調波ビームと、波長変換されていない波長未変換ビームとを出射する波長変換素子と
を有する高調波発生装置。
【請求項６】
前記第１の反射鏡の焦点距離がｆ1であり、前記第２の反射鏡が焦点距離ｆ2（ｆ2＜０）の凸反射面を有し、両者の間隔がｆ1＋ｆ2である請求項５に記載の高調波発生装置。
【請求項７】
前記第１の反射鏡の焦点距離がｆ1であり、前記第２の反射鏡が焦点距離ｆ2の凹反射面を有し、両者の間隔がｆ1＋ｆ2である請求項５に記載の高調波発生装置。
【請求項８】
前記第１の反射鏡から前記第２の反射鏡に向かって距離ｆ1−ｆ2だけ進んだ位置よりも前記第１の反射鏡側に、前記波長変換素子が配置されている請求項７に記載の高調波発生装置。
【請求項９】
前記第１の反射鏡で反射して前記第２の反射鏡へ向かう第１のレーザビームが、前記波長変換素子に斜め入射し、該第１のレーザビームが前記第２の反射鏡で反射して第１の反射鏡へ向かう第２のレーザビームが、前記波長変換素子に垂直入射する請求項６〜８のいずれかに記載の高調波発生装置。
【請求項１０】
前記第１の反射鏡が、前記波長未変換ビームを反射し、前記高調波ビームを透過させる請求項５〜９のいずれかに記載の高調波発生装置。
【請求項１１】
前記波長変換素子が、前記第１の反射鏡と第２の反射鏡との共焦点位置に配置されている請求項７に記載の高調波発生装置。
【請求項１２】
前記第１の反射鏡及び第２の反射鏡で一回ずつ反射し、前記第２の反射鏡から第１の反射鏡へ向かうレーザビームが前記波長変換素子に入射しないように、該波長変換素子が配置されている請求項１１に記載の高調波発生装置。
【請求項１３】
前記第２の反射鏡が、前記波長未変換ビームを反射し、前記高調波ビームを透過させ、さらに、前記第２の反射鏡を透過した高調波ビームをコリメートする集光光学素子を有する請求項１１に記載の高調波発生装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかに記載の高調波発生装置と、
前記高調波発生装置から出射した高調波ビームのパワー密度を均一化するとともに、該高調波ビームのビーム断面形状を一方向に長い形状に長尺化する均一化光学系と、
前記均一化光学系により均一化され、長尺化された高調波ビームの入射する位置に、被照射物を保持するステージと
を有するレーザアニール装置。
【請求項１５】
第１のレーザビームを波長変換素子に、その第１の表面から斜め入射させ、該第１の表面とは反対側の第２の表面から第２のレーザビームを出射させる工程と、
前記第２のレーザビームを反射して、前記波長変換素子の第２の表面に垂直入射させ、波長変換された高調波ビームと、波長変換されなかった波長未変換ビームとを、前記第１の表面から出射させる工程と、
前記波長未変換ビームを反射して、前記波長変換素子に、その第１の表面から斜め入射させ、第２の表面から出射させる工程と、
前記第２の表面から出射した波長未変換ビームを反射して、前記波長変換素子に、その第２の表面から垂直入射させる工程と
を有する高調波発生方法。
【請求項１６】
集束光線束であるレーザビームを、波長変換素子に、その第１の表面から入射させて該波長変換素子の内部に集光させ、波長変換された第１の高調波ビームと、波長変換されていない第１の波長未変換ビームとを、該第１の表面とは反対側の第２の表面から出射させる工程と、
前記第１の波長未変換ビームを反射し、前記波長変換素子に、その第２の表面から入射させ、該波長変換素子の内部で集光させることなく、前記第１の表面から第２の波長未変換ビームを出射させる工程と、
前記第２の波長未変換ビームを反射して集束光線束とし、前記波長変換素子に、その第１の表面から入射させて該波長変換素子の内部に集光させ、波長変換された第２の高調波ビームと、波長変換されていない第２の波長未変換ビームとを、前記第２の表面から出射させる工程と
を有する高調波発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高調波発生装置、及びそれを用いたレーザアニール装置に関し、特に波長変換効率を高めることが可能な高調波発生装置及びそれを用いたレーザアニール装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス基板上に形成されたアモルファスシリコン膜にレーザビームを照射して、アモルファスシリコンを多結晶化させるレーザアニール技術が注目されている。このレーザアニールには、２００Ｗ程度のレーザビームが必要となるため、大出力のレーザビームを得るのに適したエキシマレーザが用いられている。例えば、波長３０８ｎｍ、パルスエネルギ約１０００ｍＪ／パルス、パルスの繰り返し周波数３００ＨｚのＸｅＣｌエキシマレーザが用いられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
エキシマレーザは、パルスごとのエネルギ安定性が低いという課題を有している。パルスごとのエネルギが変動すると、高品質の多結晶シリコン膜を得ることができない。Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等の固体レーザを用いることにより、エネルギ安定性を高めることができる。ところが、固体レーザの発振波長は赤外領域であるため、レーザ光源として固体レーザを採用する場合には、２倍もしくはそれ以上の高調波を用いなければならない。従来の波長変換装置では、高い波長変換効率を得ることが困難であるため、レーザアニールに必要な十分大きなパワーの高調波を得ることが困難である。
【０００４】
本発明の目的は、波長変換効率を高めることが可能な高調波発生装置、及びそれを用いたレーザアニール装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一観点によると、レーザビームを出射するレーザ光源と、相互に対向するように配置された第１の反射鏡と第２の反射鏡であって、前記レーザ光源から出射したレーザビームが、一方の反射鏡の脇を通って他方の反射鏡に入射し、入射したレーザビームが該第１の反射鏡と第２の反射鏡との間を往復するように配置されている第１及び第２の反射鏡と、前記第１の反射鏡と第２の反射鏡との間を往復するレーザビームの通過する位置に配置され、入射したレーザビームの波長が変換された高調波ビーム、及び波長変換されていない波長未変換ビームを出射する波長変換素子とを有し、前記第１の反射鏡と第２の反射鏡とは、共に前記波長未変換ビームを反射し、少なくとも一方の反射鏡は前記高調波ビームを透過させる高調波発生装置が提供される。
【０００６】
波長未変換ビームが、第１の反射鏡と第２の反射鏡との間を往復する。このとき、波長変換素子に繰り返し入射するため、波長変換効率を高めることができる。レーザビームが、一方の反射鏡の脇を通って他方の反射鏡に入射するため、双方の反射鏡の反射率を、波長未変換ビームの波長域においてほぼ１００％とすることができる。
【０００７】
本発明の他の観点によると、レーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射する位置に配置された凹反射面を有する第１の反射鏡と、前記第１の反射鏡に対向する曲面の反射面を有する第２の反射鏡であって、前記レーザ光源から出射したレーザビームが該第２の反射鏡の脇を通過して前記第１の反射鏡に入射し、前記第１の反射鏡に入射したレーザビームが、該第１の反射鏡と該第２の反射鏡との間を往復するように配置された第２の反射鏡と、前記第１の反射鏡と第２の反射鏡との間を往復するレーザビームのうち、該第２の反射鏡から第１の反射鏡へ向かうレーザビームが入射する位置に配置され、入射したレーザビームの波長が変換された高調波ビームと、波長変換されていない波長未変換ビームとを出射する波長変換素子とを有する高調波発生装置が提供される。
【０００８】
波長未変換ビームが、第１の反射鏡と第２の反射鏡との間を往復する。このとき、波長変換素子に繰り返し入射するため、波長変換効率を高めることができる。
【０００９】
本発明の他の観点によると、上述の高調波発生装置と、前記高調波発生装置から出射した高調波ビームのパワー密度を均一化するとともに、該高調波ビームのビーム断面形状を一方向に長い形状に長尺化する均一化光学系と、前記均一化光学系により均一化され、長尺化された高調波ビームの入射する位置に、被照射物を保持するステージとを有するレーザアニール装置が提供される。
【００１０】
本発明の他の観点によると、第１のレーザビームを波長変換素子に、その第１の表面から斜め入射させ、該第１の表面とは反対側の第２の表面から第２のレーザビームを出射させる工程と、前記第２のレーザビームを反射して、前記波長変換素子の第２の表面に垂直入射させ、波長変換された高調波ビームと、波長変換されなかった波長未変換ビームとを、前記第１の表面から出射させる工程と、前記波長未変換ビームを反射して、前記波長変換素子に、その第１の表面から斜め入射させ、第２の表面から出射させる工程と、前記第２の表面から出射した波長未変換ビームを反射して、前記波長変換素子に、その第２の表面から垂直入射させる工程とを有する高調波発生方法が提供される。
【００１１】
第２の表面から波長変換素子に垂直入射する第２のレーザビームに対する波長変換効率が、第１の表面から斜め入射する第１のレーザビームに対する波長変換効率よりも高い。このため、高効率で波長変換された高調波ビームが、主として第１の表面から出射する。波長未変換ビームが、波長変換素子に再入射するため、波長変換効率を高めることができる。
【００１２】
本発明の他の観点によると、集束光線束であるレーザビームを、波長変換素子に、その第１の表面から入射させて該波長変換素子の内部に集光させ、波長変換された第１の高調波ビームと、波長変換されていない第１の波長未変換ビームとを、該第１の表面とは反対側の第２の表面から出射させる工程と、前記第１の波長未変換ビームを反射し、前記波長変換素子に、その第２の表面から入射させ、該波長変換素子の内部で集光させることなく、前記第１の表面から第２の波長未変換ビームを出射させる工程と、前記第２の波長未変換ビームを反射して集束光線束とし、前記波長変換素子に、その第１の表面から入射させて該波長変換素子の内部に集光させ、波長変換された第２の高調波ビームと、波長変換されていない第２の波長未変換ビームとを、前記第２の表面から出射させる工程とを有する高調波発生方法が提供される。
【００１３】
第１の表面から波長変換素子に入射したレーザビームが、その内部で集光され、パワー密度が高くなるため、波長変換効率を高めることができる。第２の表面から波長変換素子に入射するレーザビームは集光されないため、このレーザビームに対する波長変換効率は低い。これにより、効率的に波長変換された高調波ビームを、主として第２の表面から出射させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、波長変換素子を通過したレーザビームのうち、波長変換されなかったレーザビームを、再度波長変換素子に入射させることにより、波長変換効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１に、本発明の第１の実施例による高調波発生装置の概略図を示す。レーザ光源１がレーザビームを出射する。レーザ光源１は、例えば連続発振（ＣＷ発振）するＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器であり、その発振波長は１０６４ｎｍである。光ファイバ２が、レーザ光源１から出射したレーザビームを導波する。なお、レーザ光源１として、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ発振器やＮｄ：ＹＶＯ4レーザ発振器を用いることもできる。
【００１６】
重ね合わせ光学系５が、小凸レンズ３Ａ、３Ｂ及び大凸レンズ４を含んで構成される。光ファイバ２の出射端から出射した発散レーザビームが、重ね合わせ光学系５の小凸レンズ３Ａに入射する。小凸レンズ３Ａは、入射する発散レーザビームをコリメートする。小凸レンズ３Ａで集束されたレーザビームが、大凸レンズ４の、光軸からずれた位置に入射する。
【００１７】
大凸レンズ４で集束されたレーザビームＬＢ１が、波長変換素子６に入射する。波長変換素子６は、例えばＫＴｉＯＰＯ4（ＫＴＰ）、非臨界位相整合条件（ＮＣＰＭ）のＫＴＰ、周期的分極反転型ＬｉＮｂＯ3（ＰＰＬＮ）等を用いることができる。波長変換素子６は、レーザビームの入射する入射表面と、その反対側の出射表面を有する。波長変換素子６は、入射表面から入射したレーザビームＬＢ１の２倍高調波を発生させ、高調波ビームを出射表面から出射する。高調波ビームの波長は５３２ｎｍである。なお、波長変換されていない波長未変換ビームも、出射表面から出射する。
【００１８】
波長変換素子６から出射した波長未変換のレーザビーム及び波長変換された高調波ビームが、凸レンズ７に入射する。凸レンズ７は、入射したレーザビームをコリメートする。コリメートされたレーザビームがダイクロイックミラー８に入射する。ダイクロイックミラー８は、高調波ビームを透過させ、波長未変換のレーザビームを反射する。
【００１９】
ダイクロイックミラー８で反射したレーザビームが、折返しミラー９で反射し、凸レンズ１０で集束されて、帰還用光ファイバ１１に入射する。帰還用光ファイバ１１の出射端から出射したレーザビームが、重ね合わせ光学系５の小凸レンズ３Ｂに入射する。小凸レンズ３Ｂでコリメートされたレーザビームが、大凸レンズ４に入射する。この入射位置は、レーザ光源１から出射したレーザビームが、大凸レンズ４に最初に入射する位置から離れている。
【００２０】
大凸レンズ４で集束されたレーザビームＬＢ２が、波長変換素子６の入射表面に再入射する。このように、ダイクロイックミラー８、折返しミラー９、凸レンズ１０、及び帰還用光ファイバ１１が、波長未変換のレーザビームを波長変換素子６に再入射させる帰還光学系を構成している。小凸レンズ３Ａを透過したレーザビームＬＢ１を初期レーザビームと呼び、小凸レンズ３Ｂを透過したレーザビームＬＢ２を、再入射レーザビームと呼ぶこととする。
【００２１】
再入射レーザビームＬＢ２が波長変換されることによって発生した高調波ビームが、凸レンズ７でコリメートされ、ダイクロイックミラー８を透過して、外部に出射される。この高調波ビームは、初期レーザビームＬＢ１が波長変換されることによって発生した高調波ビームの伝搬方向と平行になる。
【００２２】
再入射レーザビームＬＢ２のうち波長変換されなかったレーザビームは、再度帰還光学系を通って、波長変換素子６に再入射する。このように、波長変換されなかったレーザビームが、波長変換素子６への入射を繰り返すことにより、波長変換効率を高めることができる。
【００２３】
初期レーザビームＬＢ１は、波長変換素子６の入射表面に斜めに入射し、再入射レーザビームＬＢ２は、波長変換素子６の入射表面に垂直入射する。一般的に、波長変換素子６にレーザビームが垂直入射すると、高い波長変換効率が得られ、斜め入射すると、波長変換効率は低くなる。
【００２４】
第１の実施例の場合には、初期レーザビームＬＢ１が波長変換素子６に斜め入射するため、最大の波長変換効率は得られない。しかし、再入射レーザビームＬＢ２の入射条件が最適化されているため、再入射レーザビームＬＢ２に対しては、高い波長変換効率が得られる。このため、ある波長変換効率に到達するまでの再入射の回数を少なくすることができる。これにより、ダイクロイックミラー８や帰還用光ファイバ１１による伝搬ロスの影響を少なくすることができる。
【００２５】
重ね合わせ光学系５は、初期レーザビームＬＢ１と再入射レーザビームＬＢ２とを、波長変換素子６の入射表面上または内部のある仮想平面上で重ね合わせる。一般に、波長変換素子６の波長変換効率は、それに入射するレーザビームのパワー密度が大きくなるに従って増大する。初期レーザビームＬＢ１と再入射レーザビームＬＢ２とを重ね合わせると、重ね合わせられた領域のパワー密度が大きくなる。このため、波長変換効率を、より高めることができる。
【００２６】
大凸レンズ４を配置することにより、小凸レンズ３Ａ及び３Ｂの位置調節を簡単に行うことができる。大凸レンズ４を配置しない場合には、レーザビームＬＢ１とＬＢ２との集光点が波長変換素子６内に位置するように、小凸レンズ３Ａ及び３Ｂの光軸調整を行う必要がある。大凸レンズ４を配置すると、小凸レンズ３Ａ及び３Ｂを通過したレーザビームが、大凸レンズ４に垂直入射するように調節するのみでよい。
【００２７】
図２に、第２の実施例による高調波発生装置の概略図を示す。焦点距離ｆ1の凹面鏡２０と、焦点距離ｆ2（ｆ2＜０）の凸面鏡２１とが、相互に対向するように配置されている。両者の間隔はｆ1＋ｆ2である。レーザ光源１から出射し、コリメートされたレーザビームＬＢ１０が、凸面鏡２１の脇を通過して凹面鏡２０に入射する。レーザビームＬＢ１０の進行方向は、凹面鏡２０の曲率中心と凸面鏡２１の曲率中心とを結ぶ中心軸２３に平行である。凸面鏡２１がレーザビームＬＢ１０を遮らないように、凸面鏡２１は凹面鏡２０よりも小さくされている。
【００２８】
レーザビームＬＢ１０は、凹面鏡２０で反射し、集束ビームＬＢ１１となって凸面鏡２１に入射する。集束ビームＬＢ１１は、凸面鏡２１で反射し、中心軸２３と平行な方向に進行する平行ビームＬＢ１２となる。凹面鏡２０と凸面鏡２１との間に波長変換素子２５が配置されており、平行ビームＬＢ１２は、波長変換素子２５に入射する。波長変換素子２５は、凸面鏡２１に対向する入射表面と、凹面鏡２０に対向する出射表面とを有する。入射表面及び出射表面は、中心軸２３に対して垂直である。このため、平行ビームＬＢ１２は、波長変換素子２５の入射表面に垂直入射する。
【００２９】
波長変換素子２５は、レーザビームＬＢ１２の波長を変換する。波長変換された高調波ビーム及び、波長変換されなかった波長未変換ビームが、出射表面から出射し、凹面鏡２０に入射する。凹面鏡２０の反射面はダイクロイックコーティングされており、波長未変換ビームを反射し、高調波ビームを透過させる。
【００３０】
波長変換されなかった波長未変換ビームは、凹面鏡２０で反射し、波長変換素子２５の出射表面に斜め入射する。このため、パワー密度が同一であると仮定すると、凹面鏡２０から凸面鏡２１へ向かうレーザビームに対する波長変換効率は、凸面鏡２１から凹面鏡２０へ向かうレーザビームに対する波長変換効率よりも低い。
【００３１】
また、波長変換素子２５内に、その入射表面から垂直入射するビームに対して、波長変換効率が最大になるように、波長変換素子２５の光軸方向の長さが決定されている。波長変換素子２５に斜め入射するビームの、波長変換素子２５内の光路長は、垂直入射するビームの光路長よりも長くなり、最適光路長からずれる。このため、光路長の観点でも、凹面鏡２０から凸面鏡２１へ向かうレーザビームに対する波長変換効率が低くなる。
【００３２】
波長変換素子２５を通過し、その入射表面から出射した波長未変換ビームは、凸面鏡２１で反射して平行ビームとされ、波長変換素子２５の入射表面に再入射する。このように、波長変換されなかった波長未変換ビームが凹面鏡２０と凸面鏡２１との間を往復し、波長変換素子２５に繰り返し入射することにより、波長変換効率を高めることができる。凹面鏡２０を透過し、中心軸２３に平行な方向に進行する高調波ビームが得られる。
【００３３】
図２では、波長変換素子２５を凸面鏡２１の近傍に配置した場合を示したが、凹面鏡２０と凸面鏡２１との間の中心軸２３上のどの位置に配置してもよい。
【００３４】
図３を参照して、第２の実施例の変形例について説明する。図３（Ａ）に示すように、レーザ光源１から出射したレーザビームが、アキシコンレンズ２６に入射する。アキシコンレンズ２６は、一対の円錐レンズを含んで構成され、入射ビームを、図３（Ｂ）に示すような円環状のビームに変換する。
【００３５】
アキシコンレンズ２６を透過した円環状ビームＬＢ１０が、凹面鏡２０に入射する。凸面鏡２１及び波長変換素子２５は、円環状ビームＬＢ１０の中空部分に配置されている。その他の構成は、第２の実施例の構成と同様である。
【００３６】
第２の実施例の変形例の場合には、出力される高調波ビームの断面内のプロファイルが、回転対称になる。また、凹面鏡２０及び凸面鏡２１のほぼ全面を有効利用することができる。
【００３７】
図４に、本発明の第３の実施例による高調波発生装置の概略図を示す。焦点距離ｆ3の第１の凹面鏡３０と、焦点距離ｆ4の第２の凹面鏡３１とが、相互に対向配置されている。焦点距離ｆ4は焦点距離ｆ3よりも短く、第１の凹面鏡３０と第２の凹面鏡３１との間隔はｆ3＋ｆ4である。レーザ光源１から出射し、コリメートされたレーザビームＬＢ２０が、第２の凹面鏡３１の脇を通って第１の凹面鏡３０に入射する。レーザビームＬＢ２０の進行方向は、第１の凹面鏡３０の曲率中心と第２の凹面鏡３１の曲率中心とを結ぶ中心軸３３と平行である。第２の凹面鏡３１は、レーザビームＬＢ２０を遮らないように、第１の凹面鏡３０よりも小さくされている。
【００３８】
レーザビームＬＢ２０は、第１の凹面鏡３０で反射し、集束ビームＬＢ２１となる。集束ビームＬＢ２１は、第１の凹面鏡３０の焦点に集光され、その後は発散ビームとなって第２の凹面鏡３１に入射する。第２の凹面鏡３１で反射したレーザビームＬＢ２２は、平行光線束となり、中心軸３３と平行な方向に進行する。
【００３９】
レーザビームＬＢ２２は、第１の凹面鏡３０と第２の凹面鏡３１との間に配置された波長変換素子３５の入射表面に垂直入射する。波長変換素子３５は、入射したレーザビームＬＢ２２の波長を変換する。波長が変換された高調波ビームと、波長変換されなかった波長未変換ビームとが、波長変換素子３５の出射表面から出射する。
【００４０】
この高調波ビームと波長未変換ビームとは、第１の凹面鏡３０に入射する。第１の凹面鏡３０は、波長未変換ビームを反射し、高調波ビームを透過させる。第１の凹面鏡３０で反射した波長未変換ビームは、波長変換素子３５に斜め入射する。波長変換素子３５を通過した波長未変換ビームは、第１の凹面鏡３０の焦点に集光された後、第２の凹面鏡３１で反射し、平行光線束となって、波長変換素子３５の入射表面に再度垂直入射する。
【００４１】
このように、波長変換されなかった波長未変換ビームが、第１の凹面鏡３０と第２の凹面鏡３１との間を往復し、波長変換素子３５に繰り返し入射することにより、波長変換効率を高めることが可能になる。
【００４２】
波長変換素子３５は、中心軸３３上において、第１の凹面鏡３０から第２の凹面鏡３１の方へｆ３−ｆ４だけ進んだ位置よりも、第１の凹面鏡３０側に配置することが好ましい。この位置においては、第１の凹面鏡３０で反射したレーザビームＬＢ２１のパワー密度が、当該レーザビームＬＢ２１が第２の凹面鏡３１で反射して波長変換素子３５に入射するレーザビームＬＢ２２のパワー密度よりも低い。このため、レーザビームＬＢ２２に対する波長変換効率に比べて、レーザビームＬＢ２１に対する波長変換効率を、より低くすることができる。これにより、第１の凹面鏡３０を透過して外部に出射する高調波ビームの強度を高めることができる。
【００４３】
図５（Ａ）に、本発明の第４の実施例による高調波発生装置の概略図を示す。レーザ光源１、第１の凹面鏡３０ａ、第２の凹面鏡３１ａの配置は、図４に示した第３の実施例におけるレーザ光源１、第１の凹面鏡３０、及び第２の凹面鏡３１の配置と同様である。第４の実施例では、波長変換素子３５が、第１の凹面鏡３０ａ及び第２の凹面鏡３１ａの共通の焦点の位置に配置されている。また、第３の実施例では、第１の凹面鏡３０が高調波ビームを透過させたが、第４の実施例では第２の凹面鏡３１ａが高調波ビームを透過させる。
【００４４】
第１の凹面鏡３０ａで反射したレーザビームＬＢ２１が、波長変換素子３５の内部に集光される。この集光点におけるパワー密度が高くなるため、高い波長変換効率を実現することができる。波長変換された高調波ビームは、発散光線束となり第２の凹面鏡３１ａを透過する。第２の凹面鏡３１ａを透過した高調波ビームは、凸レンズ３６でコリメートされ、外部に出射される。
【００４５】
第４の実施例は、レーザビームのパワーが低く、集束させなければ波長変換を行うのに十分なパワー密度を得られない場合に特に有効である。図５（Ａ）において、第２の凹面鏡３１ａから第１の凹面鏡３０ａに向かうレーザビームは集束されないため、このようなレーザビームに対する波長変換効率は低い。従って、第１の凹面鏡３０ａから第２の凹面鏡３１ａに向かうレーザビームに対する波長変換が支配的となる。
【００４６】
なお、凸レンズ３６と第２の凹面鏡３１ａとを、１つのメニスカス凸レンズとしてもよい。メニスカス凸レンズの凹面側を第１の凹面鏡３０ａに向けて配置する。凹面側に、基本波ビームを反射させ、高調波ビームを透過させるコーティングを行えばよい。
【００４７】
図５（Ｂ）に示すように、波長変換素子３５をレーザビームの集光点近傍にのみ配置してもよい。このとき、第２の凹面鏡３１ａから第１の凹面鏡３０ａに向かうレーザビームが、波長変換素子３５を通過しないようにすることができる。
【００４８】
次に、図６及び図７を参照して、上記実施例による高調波発生装置を用いたレーザアニーリング装置について説明する。
【００４９】
図６は、レーザアニーリング装置の概略図を示す。レーザアニーリング装置は、処理チャンバ４０、搬送チャンバ８２、搬出入チャンバ８３、８４、高調波発生装置７１、ホモジナイザ７２、ＣＣＤカメラ８８、及びビデオモニタ８９を含んで構成される。処理チャンバ４０には、ベローズ６７、結合部材６３、６５、リニアガイド機構６４及びリニアモータ６６等を含む直動機構６０が取り付けられている。直動機構６０は、処理チャンバ４０内に配置されたステージ４４を並進移動させることができる。
【００５０】
処理チャンバ４０と搬送チャンバ８２がゲートバルブ８５を介して結合され、搬送チャンバ８２と搬出入チャンバ８３、及び搬送チャンバ８２と搬出入チャンバ８４が、それぞれゲートバルブ８６及び８７を介して結合されている。処理チャンバ４０、搬出入チャンバ８３及び８４には、それぞれ真空ポンプ９１、９２及び９３が取り付けられ、各チャンバの内部を真空排気することができる。
【００５１】
搬送チャンバ８２内には、搬送用ロボット９４が収容されている。搬送用ロボット９４は、処理チャンバ４０、搬出入チャンバ８３及び８４の各チャンバ相互間で処理基板を移送する。
【００５２】
処理チャンバ４０の上面に、レーザビーム透過用の石英窓３８が設けられている。なお、石英の代わりに、ＢＫ７等の可視光学ガラスを用いてもよい。連続発振した高調波発生装置７１から出力されたレーザビームがアッテネータ７６を通ってホモジナイザ７２に入射する。ホモジナイザ７２は、レーザビームの断面形状を細長い形状にする。ホモジナイザ７２を通過したレーザビームは、ビームの断面形状に対応した細長い石英窓３８を透過し、処理チャンバ４０内のステージ４４上に保持された処理基板を照射する。基板の表面がホモジナイズ面に一致するように、ホモジナイザ７２と処理基板との相対位置が調節されている。
【００５３】
直動機構６０によりステージ４４が並進移動する方向は、石英窓３８の長尺方向に直交する向きである。これにより、基板表面の広い領域にレーザビームを照射し、基板の表面上に形成されたアモルファス半導体膜を多結晶化することができる。基板表面はＣＣＤカメラ８８により撮影され、処理中の基板表面をビデオモニタ８９で観察することができる。
【００５４】
次に、図７を参照して、図６に示したホモジナイザ（均一化光学系）７２の構成及び作用について説明する。ホモジナイザ７２に入射する光線束の光軸に平行なｚ軸を有するｘｙｚ直交座標系を考える。図７（Ａ）は、ｙｚ面に平行な断面図、図７（Ｂ）は、ｘｚ面に平行な断面図を示す。
【００５５】
図７（Ａ）に示すように、等価な７本のシリンドリカルレンズが、各々の母線方向をｘ軸と平行にし、かつｙ軸方向に配列し、ｘｙ面に平行な仮想平面に沿ったシリンダアレイ４５Ａと４５Ｂが構成されている。シリンダアレイ４５Ａ及び４５Ｂの各シリンドリカルレンズの光軸面はｘｚ面に平行である。ここで、光軸面とは、シリンドリカルレンズの面対称な結像系の対称面のことを意味する。シリンダアレイ４５Ａは光の入射側（図の左方）に配置され、シリンダアレイ４５Ｂは出射側（図の右方）に配置されている。
【００５６】
図７（Ｂ）に示すように、等価な７本のシリンドリカルレンズが各々の母線方向をｙ軸と平行にし、かつｘ軸方向に配列し、ｘｙ面に平行な仮想平面に沿ったシリンダアレイ４６Ａと４６Ｂが構成されている。シリンダアレイ４６Ａ及び４６Ｂの各シリンドリカルレンズの光軸面はｙｚ面に平行である。シリンダアレイ４６Ａはシリンダアレイ４５Ａの前方（図の左方）に配置され、シリンダアレイ４６Ｂはシリンダアレイ４５Ａと４５Ｂとの間に配置されている。シリンダアレイ４５Ａと４５Ｂの対応するシリンドリカルレンズの光軸面は一致し、シリンダアレイ４６Ａと４６Ｂの対応するシリンドリカルレンズの光軸面も一致する。
【００５７】
シリンダアレイ４５Ｂの後方に、集束レンズ４９が配置されている。集束レンズ４９の光軸は、ｚ軸に平行である。
【００５８】
図７（Ａ）を参照して、ｙｚ面内に関する光線束の伝搬の様子を説明する。ｙｚ面内においては、シリンダアレイ４６Ａ及び４６Ｂは単なる平板であるため、光線束の集束、発散に影響を与えない。シリンダアレイ４６Ａの左方からｚ軸に平行な光軸を有する平行光線束４７がシリンダアレイ４６Ａに入射する。平行光線束４７は、例えば曲線５１ｙで示すように、中央部分で強く周辺部分で弱い光強度分布を有する。
【００５９】
平行光線束４７がシリンダアレイ４６Ａを透過し、シリンダアレイ４５Ａに入射する。入射光線束は、シリンダアレイ４５Ａにより各シリンドリカルレンズに対応した７つの集束光線束に分割される。図７（Ａ）では、中央と両端の光線束のみを代表して示している。７つの集束光線束は、それぞれ曲線５１ｙａ〜５１ｙｇで示す光強度分布を有する。シリンダアレイ４５Ａによって集束された光線束は、シリンダアレイ４５Ｂにより再度集束される。
【００６０】
シリンダアレイ４５Ｂにより集束した７つの集束光線束４８は、それぞれ集束レンズ４９の前方で結像する。この結像位置は、集束レンズ４９の入射側焦点よりもレンズに近い。このため、集束レンズ４９を透過した７つの光線束はそれぞれ発散光線束となり、ホモジナイズ面５０上において重なる。ホモジナイズ面５０を照射する７つの光線束のｙ軸方向の光強度分布は、それぞれ光強度分布５１ｙａ〜５１ｙｇをｙ軸方向に引き伸ばした分布に等しい。光強度分布５１ｙａと５１ｙｇ、５１ｙｂと５１ｙｆ、５１ｙｃと５１ｙｅは、それぞれｙ軸方向に関して反転させた関係を有するため、これらの光線束を重ね合わせた光強度分布は、実線５２ｙで示すように均一な分布に近づく。
【００６１】
図７（Ｂ）を参照して、ｘｚ面内に関する光線束の伝搬の様子を説明する。ｘｚ面内においては、シリンダアレイ４５Ａ及び４５Ｂは単なる平板であるため、光線束の集束、発散に影響を与えない。平行光線束４７がシリンダアレイ４６Ａに入射する。平行光線束４７は、例えば曲線５１ｘで示すように、中央部分で強く周辺部分で弱い光強度分布を有する。
【００６２】
平行光線束４７がシリンダアレイ４６Ａにより各シリンドリカルレンズに対応した７つの集束光線束に分割される。図７（Ｂ）では、中央と両端の光線束のみを代表して示している。７つの集束光線束は、それぞれ曲線５１ｘａ〜５１ｘｇで示す光強度分布を有する。
【００６３】
各光線束は、シリンダアレイ４６Ｂの前方で結像し、発散光線束となってシリンダアレイ４６Ｂに入射する。シリンダアレイ４６Ｂに入射した各光線束は、それぞれある出射角を持って出射し、集束レンズ４９に入射する。
【００６４】
集束レンズ４９を透過した７つの光線束はそれぞれ集束光線束となり、ホモジナイズ面５０上において重なる。ホモジナイズ面５０を照射する７つの光線束のｘ軸方向の光強度分布は、図７（Ａ）の場合と同様に実線５２ｘで示すように均一な分布に近づく。
【００６５】
ホモジナイズ面５０上の光照射領域は、ｙ軸方向に長く、ｘ軸方向に短い線状の形状を有する。ホモジナイズ面５０の位置に、被照射物の表面を配置することにより、その表面内のｙ軸方向に長い線状の領域を、ほぼ均一に照射することができる。
【００６６】
波長変換効率の高い高調波発生装置７１を用いているため、処理基板の表面において、従来の高調波発生装置では困難であった高いパワー密度の高調波ビームを得ることができる。レーザ光源として、固体レーザを用いることができるため、ガスレーザを用いる場合に比べて、レーザビームのパワーの時間変動を小さくし、かつビーム照射位置の安定度を高めることができる。
【００６７】
上記実施例では、アモルファスシリコン膜を多結晶化する場合を例に説明したが、その他のアモルファス半導体膜を多結晶する場合にも、上記実施例が応用可能である。例えば、Ｇｅ、ＳｉＧｅ等を多結晶化する場合にも適用できるであろう。
【００６８】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１の実施例による高調波発生装置の概略図である。
【図２】本発明の第２の実施例による高調波発生装置の概略図である。
【図３】本発明の第２の実施例の変形例による高調波発生装置の概略図である。
【図４】本発明の第３の実施例による高調波発生装置の概略図である。
【図５】本発明の第４の実施例による高調波発生装置の概略図である。
【図６】実施例による高調波発生装置を用いたレーザアニーリング装置の概略図である。
【図７】レーザアニーリング装置に用いられているホモジナイザの断面図である。
【符号の説明】
【００７０】
１ レーザ光源
２ 光ファイバ
３Ａ、３Ｂ 小凸レンズ
４ 大凸レンズ
５ 重ね合わせ光学系
６、２５、３５ 波長変換素子
７ 凸レンズ
８ ダイクロイックミラー
９ 折り返しミラー
１０、３６ 凸レンズ
１１ 帰還用光ファイバ
２０、３０、３０ａ、３１、３１ａ 凹面鏡
２１ 凸面鏡
２３、３３ 中心軸
２６ アキシコンレンズ
３８ 石英窓
４０ 処理チャンバ
４４ ステージ
６０ 直動機構
６３、６５ 結合部材
６４ リニアガイド機構
６６ リニアモータ
６７ ベローズ
７１ 高調波発生装置
７２ ホモジナイザ
７６ アッテネータ
８２ 搬送チャンバ
８３、８４ 搬出入チャンバ
８５、８６、８７ ゲートバルブ
８８ ＣＣＤカメラ
８９ ビデオモニタ
９１、９２、９３ 真空ポンプ
９４ 搬送用ロボット
【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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