JP3955587B2

JP3955587B2 - レーザ照射装置

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Publication number: JP3955587B2
Application number: JP2004241445A
Authority: JP
Inventors: 史郎浜田; 雅史萬
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2004-08-20
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2024-08-20
Also published as: JP2006060085A

Description

本発明は、レーザ照射装置に関し、特に、複数のレーザ光源から出射されたレーザビームの断面を、互いに重ねることができるレーザ照射装置に関する。

表面に非晶質シリコン膜が形成された基板に、レーザビームを照射して、非晶質シリコン膜を多結晶化するレーザアニールが行われている。なお、表面に多結晶シリコン膜が形成された基板に、レーザビームを照射して、結晶粒をさらに成長させることもできる。多結晶シリコン膜が形成された基板は、例えばアクティブマトリックス型液晶表示装置に用いられる。

ビーム断面が一方向に細長い長尺形状に整形され、ビーム断面内の光強度分布が長さ方向について均一化されたレーザビームを、基板表面上でビーム断面の長さ方向に直交する方向に走査しながら、レーザアニールを行う技術が知られている。ビーム断面内のパワー密度は、アニールを行える閾値以上であることが要求される。

ビーム断面内の光強度分布を均一化するために、例えば、アレイレンズを用いたホモジナイザが用いられる。このホモジナイザでは、それに入射したレーザビームが、アレイレンズによりビーム断面内で複数のビームに分割される。アレイレンズで分割された各ビームが、フォーカスレンズにより断面を拡大されて、ホモジナイズ面上で互いに重ね合わせられる。ホモジナイズ面において、ビーム断面内の光強度分布が均一化される。

特許文献１には、アレイレンズを用いたホモジナイザを有し、レーザアニールに用いることができるレーザ照射装置が開示されている。以下、この装置についてさらに説明する。

第１及び第２のレーザ光源から出射した直線偏光のレーザビームが、その偏光面が互いに直交するように調整された後、第１の偏光ビームスプリッタで同一光軸上に重畳される。第３及び第４のレーザ光源から出射した直線偏光のレーザビームが、その偏光面が互いに直交するように調整された後、第２の偏光ビームスプリッタで同一光軸上に重畳される。第１及び第２の偏光ビームスプリッタから出射した２本のレーザビームが、互いに近接して、平行に進行する。

この２本のレーザビームが、テレスコープ光学系に入射してビーム径を拡大される。これにより、両レーザビームの断面が互いにほぼ重なり合う。このようにして断面を重ねられたレーザビームが、アレイレンズを用いたホモジナイザに入射し、ビーム断面内の光強度分布が均一化される。ホモジナイザから出射したレーザビームが、加工基板に照射される。

このレーザ照射装置は、４台のレーザ光源から出射され、ビーム断面が重ねられたレーザビームを、ホモジナイザに入射させる。これにより、ホモジナイザに入射するレーザビームのパワーを向上させることができ、ホモジナイザで整形されたビーム断面内におけるパワー密度を向上させることができる。

なお、特許文献２には、光強度分布を均一化する他の装置として、回折光学素子（DOE、Diffractive Optical Element）を含むレーザ照射装置が開示されている。このレーザ照射装置では、回折光学素子が、それに入射したレーザビームを複数の光線束に分岐させ、回折光学素子から出射したレーザビームが、集光レンズで集光される。回折光学素子で分岐された各光線束の断面は、集光レンズの焦点面においては離散的に配置される。集光レンズの焦点から外れた位置に画定されるデフォーカス面においては、回折光学素子で分岐された各光線束の断面が互いに重なり合う。これにより、デフォーカス面におけるビーム断面内の光強度分布が均一に近づけられる。

特開２００２−１７６００６号公報特開２００３−１１４４００号公報

特許文献１に記載されたレーザ照射装置は、ホモジナイザへ入射する２本のレーザビームの断面を互いに重ね合わせるためにテレスコープ光学系を必要とし、光強度分布を均一化するためにアレイレンズを用いたホモジナイザを必要とする。

アレイレンズを用いたホモジナイザは、干渉性が高いレーザビーム（例えばＹＡＧレーザ等の固体レーザ光源の発するレーザビーム）に対しては、良好に機能しない。アレイレンズによりビーム断面内で分割された成分同士が、互いに干渉することに起因して、ホモジナイズ面上のビーム断面内で、光強度分布の強弱のパタンができやすい。

本発明の一目的は、複数のレーザ光源から出射されたレーザビームの断面を互いに重ね、ビーム断面が互いに重なった領域において、ビーム断面内の光強度分布を均一に近づけることができ、従来とは異なる構成を有するレーザ照射装置を提供することである。

本発明の第１の観点によれば、レーザビームの入射する入射表面が画定され、該入射表面に平行な第１の方向に関して、該入射表面に入射するレーザビームの光強度分布が、結像面上において均一に近づき、該第１の方向に直交する第２の方向に関しては、該結像面上に焦点を結ばせる回折光学素子と、進行方向が相互に平行な複数本のレーザビームを、前記回折光学素子の入射表面におけるビームスポットが前記第２の方向に並ぶようにして、前記回折光学素子に入射させるレーザビーム生成光学系とを有するレーザ照射装置が提供される。

本発明の第２の観点によれば、レーザビームの入射する入射表面が画定され、該入射表面に平行な第１の方向に関して、該入射表面に入射するレーザビームの光強度分布が、結像面上において均一に近づき、該第１の方向に直交する第２の方向に関しては、該結像面上に焦点を結ばせる回折光学素子と、前記回折光学素子の結像面において、ビーム断面が相互に重なりを持つように、進行方向が相互に平行でない２本のレーザビームを、該回折光学素子に入射させるレーザビーム生成光学系とを有するレーザ照射装置が提供される。

本発明の第３の観点によれば、第１のレーザビームを出射する第１のレーザ光源と、レーザビームの入射する入射表面が画定され、結像面におけるビーム断面の形状を、該入射表面におけるビーム断面の形状と異ならせるビーム断面の整形、及び該結像面におけるビーム断面内の光強度分布を、該入射表面におけるビーム断面内の光強度分布より均一な分布に近づける光強度分布の均一化の少なくとも一方を行い、前記第１のレーザ光源から出射した第１のレーザビームが入射するように配置された第１の回折光学素子と、第２のレーザビームを出射する第２のレーザ光源と、レーザビームの入射する入射表面が画定され、結像面におけるビーム断面の形状を、該入射表面におけるビーム断面の形状と異ならせるビーム断面の整形、及び該結像面におけるビーム断面内の光強度分布を、該入射表面におけるビーム断面内の光強度分布より均一な分布に近づける光強度分布の均一化の少なくとも一方を行い、前記第２のレーザ光源から出射した第２のレーザビームが入射するように配置された第２の回折光学素子とを有し、前記第１及び第２の回折光学素子の結像面が一致するかまたは交差するように、両回折光学素子が配置され、両回折光学素子の結像面が一致する場合は、該第１の回折光学素子を通過した前記第１のレーザビームの経路と、該第２の回折光学素子を通過した前記第２のレーザビームの経路とが、両回折光学素子の結像面上で互いに重なりを持ち、両回折光学素子の結像面が交差する場合は、該第１の回折光学素子を通過した前記第１のレーザビームの経路と、該第２の回折光学素子を通過した前記第２のレーザビームの経路とが、両回折光学素子の結像面が交差する位置で互いに重なりを持つように、両レーザビームの相対位置が調整されているレーザ照射装置が提供される。

上記第１の観点によるレーザ照射装置において、回折光学素子に入射した複数本のレーザビームは、第２の方向に関して収束し、結像面上で焦点を結ぶ。回折光学素子の入射表面において、ビームスポットの位置が異なっていても、結像面上の焦点位置で、第２の方向に関して、複数本のレーザビームの断面が互いに重なり合う。回折光学素子の入射表面において、第１の方向に関して、複数のビームスポットの位置が重なっているため、結像面において、ビーム断面内の第１の方向に関しても、複数のレーザビームの断面が互いに重なり合い、光強度分布が均一に近づけられる。

このレーザ照射装置を用いれば、複数台のレーザ光源から出射されたレーザビームの断面を互いに重ね、ビーム断面が互いに重なった領域において、ビーム断面内の光強度分布を均一に近づけることができる。

上記第２の観点によるレーザ照射装置において、回折光学素子に入射する２本のレーザビーム相互の位置関係を調整することにより、結像面における両レーザビームのビーム断面の重なり具合が調整される。結像面において、各ビーム断面内の第１の方向に関する光強度分布が均一に近づけられている。両ビームの断面が互いに重なっている領域において、第１の方向に関する光強度分布が均一に近づけられる。

このレーザ照射装置を用いれば、少なくとも２台のレーザ光源から出射されたレーザビームの断面を互いに重ね、ビーム断面が互いに重なった領域において、ビーム断面内の光強度分布を均一に近づけることができる。

上記第３の観点によるレーザ照射装置において、第１及び第２の回折光学素子の結像面が一致する場合は結像面上で、または第１及び第２の回折光学素子の結像面が交差する場合はそれらの交線を含む平面上で、第１及び第２のレーザビームの断面が互いに重なりを持つ。第１及び第２の回折光学素子が、それぞれビーム断面を整形したか、またはビーム断面内の光強度分布を均一化したレーザビームを、所定領域に重ねて照射することができる。

第１及び第２の回折光学素子が、ともにビーム断面内の光強度分布の均一化を行うとき、このレーザ照射装置を用いて、２台のレーザ光源から出射されたレーザビームの断面を互いに重ね、ビーム断面が互いに重なった領域において、ビーム断面内の光強度分布を均一に近づけることができる。

図１を参照して、本発明の第１の実施例によるレーザ照射装置について説明する。レーザ光源１ａが、直線偏光されたレーザビームＬ１ａを出射する。レーザ光源１ａから出射したレーザビームＬ１ａが、半波長板２ａで偏光面を回転され、ビーム径を変化させるエキスパンダ３ａに入射する。エキスパンダ３ａから出射したレーザビームＬ１ａが、折り返しミラー４ａで反射されて、偏光ビームスプリッタ５ａに入射する。折り返しミラー４ａで反射されたレーザビームは、偏光ビームスプリッタ５ａに対してＳ偏光にされている。

レーザ光源１ｂが、偏光ビームスプリッタ５ａに対するＰ偏光のレーザビームＬ１ｂを出射する。レーザビームＬ１ｂが、エキスパンダ３ｂを通過し、偏光ビームスプリッタ５ａに入射する。

レーザ光源１ａ及び１ｂとして、例えば第２高調波発生ユニットを備えたＹＡＧレーザが用いられる。レーザビームＬ１ａ及びＬ１ｂの進行方向に直交する断面はともに円形である。

偏光ビームスプリッタ５ａが、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過させる。偏光ビームスプリッタ５ａで反射されたレーザビームＬ１ａと、偏光ビームスプリッタ５ａを透過したレーザビームＬ１ｂとが、同一光軸上に重畳される。レーザビームＬ１ａ及びＬ１ｂが重畳されたレーザビームＬ１が、折り返しミラー６ａで反射され、ナイフエッジプリズム７に入射する。

レーザ光源１ｃ、１ｄ、半波長板２ｂ、エキスパンダ３ｃ、３ｄ、折り返しミラー４ｂ、偏光ビームスプリッタ５ｂ、及び折り返しミラー６ｂからなる光学系が、レーザ光源１ａ、１ｂ、半波長板２ａ、エキスパンダ３ａ、３ｂ、折り返しミラー４ａ、偏光ビームスプリッタ５ａ、及び折り返しミラー６ａからなる光学系と同一の構成を有する。レーザ光源１ｃ及び１ｄからそれぞれ出射されたレーザビームＬ２ａ及びＬ２ｂが、偏光ビームスプリッタ５ｂで同一光軸上に重畳される。レーザビームＬ２ａ及びＬ２ｂが重畳されたレーザビームＬ２が、折り返しミラー６ｂで反射されて、ナイフエッジプリズム７に入射する。

ナイフエッジプリズム７が、レーザビームＬ１及びＬ２を反射し、両レーザビームを、互いに平行に進行させる。ナイフエッジプリズム７で反射された両レーザビームが、プリズム８ａ及び８ｂから構成されるアナモルフィックプリズム８に入射する。アナモルフィックプリズム８が、レーザビームＬ１及びＬ２が並んでいる方向に関して、両レーザビームの断面の幅を縮小し、かつ両レーザビームの中心間隔を近づける。これにより、両レーザビームの進行方向に直交する断面の形状が、楕円形に変形される。両レーザビームの断面の幅及び両レーザビームの中心間隔は、例えば１／３に縮小される。

アナモルフィックプリズム８を透過したレーザビームＬ１及びＬ２が、互いに平行に進行し、回折光学素子９の入射表面９ａに垂直に入射する。入射表面９ａにおいて両レーザビームのビーム断面が並ぶ方向をＸ軸方向とし、入射表面９ａに平行なＸＹ直交座標系を考える。両レーザビームの入射表面９ａ上のビーム断面（ビームスポット）は、それぞれＹ軸方向に細長い楕円形である。なお、エキスパンダ３ａ〜３ｄにより、入射表面９ａ上のビームの断面の大きさを調整することができる。

回折光学素子９は、レーザビームＬ１及びＬ２それぞれのビーム断面を、結像面９ｂ上でＹ軸方向に細長い線状形状に整形し、かつ両ビーム断面内のＹ軸方向（長さ方向）に関する光強度分布を均一に近づける（均一化する）。また、回折光学素子９により、両ビーム断面が、結像面９ｂ上で重ね合わされる。両レーザビームが、結像面９ｂ上の共通領域を照射する。

回折光学素子９が、レーザビームＬ１及びＬ２をＸ軸方向に関して収束させ、結像面９ｂ上の焦点において、両ビームの断面のＸ軸方向に関する幅を最小にする（焦点を結ばせる）。これにより、結像面９ｂにおいて、両ビーム断面のＸ軸方向に関する幅が狭くされるとともに、両ビーム断面が重なり合う。

結像レンズ１０が、複数のシリンドリカルレンズから構成される。なお、図ではこれを１枚のレンズで示す。結像レンズ１０が、結像面９ｂ上のビーム断面を、Ｘ軸方向（結像面９ｂ上のビーム断面の幅方向）について、例えば１／３に縮小し、Ｙ軸方向（結像面９ｂ上のビーム断面の長さ方向）については、縮小も拡大もせずに、結像面１０ａに結像させる。

結像レンズ１１ａ及び１１ｂが、それぞれ、複数の球面レンズから構成される。なお、図では、両結像レンズをそれぞれ１枚のレンズで示す。結像面１０ａを通過したレーザビームが、結像レンズ１１ａを透過し、折り返しミラー１２で反射され、結像レンズ１１ｂを透過して加工基板１３に照射される。結像レンズ１１ａ及び１１ｂが、結像面１０ａ上のビーム断面を、幅方向及び長さ方向について、例えば１／５に縮小して、加工基板１３の表面に結像させる。加工基板１３の表面におけるビーム断面は、例えば、長さが１ｍｍであり、幅が３μｍである。

加工基板１３は、例えば、表面に非晶質シリコン膜が形成されたガラス基板である。ＸＹステージ１４が、加工基板１３を保持し、加工基板１３を、被加工面に平行な方向に移動させる。被加工面上の光照射領域が、ビーム断面の長さ方向に直交する方向に移動するように、加工基板１３を移動させることにより、基板全面にレーザビームを照射する。このようにして、被加工面上の非晶質シリコン膜を多結晶化できる。

なお、後述するように、回折光学素子９は、入射したレーザビームを回折させる。回折光学素子９で回折された光は、直線的な光路に沿っては進行しない（回折光学素子９で回折された光について、直線的な光路を定められない）。図では、回折光学素子９から出射して結像面９ｂに到達する光の経路を、回折光学素子９の機能に対応するように、あえて直線的に表示している。また、結像面９ｂから加工基板１３までの光の経路も、それに対応するように直線的に表示している。

第１の実施例によるレーザ照射装置を用いれば、各レーザ光源より出射されたレーザビームのビーム断面を線状形状に整形し、整形されたビーム断面内の長さ方向に関する光強度分布を均一化できる。各レーザ光源から出射され、断面内の光強度分布が均一化されたレーザビームを、共通領域に照射できるので、断面内の光強度分布が均一化され、かつパワー密度の高いレーザビームを生成できる。

回折光学素子９に入射する２本のレーザビームの断面は、互いに重なりを持たない。回折光学素子９は、両レーザビームの断面内の光強度分布を均一化する機能を持つとともに、回折光学素子９に入射した２本のレーザビームを共通の領域に照射する機能も有する。

アナモルフィックプリズム８により、レーザビームの断面をＹ軸方向に細長い形状に変形できる。これにより、回折光学素子９の入射表面９ａの内部に、Ｘ軸方向に並ぶ複数のビーム断面を配置しやすくなる。なお、アナモルフィックプリズム８の代わりに、例えばシリンドリカルレンズを用いて、ビーム断面をＹ軸方向に細長い形状に変形させても構わない。

上述のレーザ照射装置に用いた回折光学素子について、以下、さらに説明する。上述のレーザ照射装置では、回折光学素子に、断面が楕円形である２本のレーザビームを入射させたが、この回折光学素子は本来、断面が円形である１本のレーザビームを入射させるように設計されたものである。

図２を参照して、この回折光学素子の設計時に想定された作用について説明する。上述のレーザ照射装置の回折光学素子９が、光強度分布を均一化する方向をＹ軸方向とし、入射表面９ａに平行なＸＹ直交座標系を考える。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、回折光学素子９の入射表面９ａに、１本のレーザビームＬが垂直に入射する。回折光学素子９の表面に、微細な段差からなる所定パタンが形成されており、これにより、レーザビームＬが回折される。回折されたレーザビームＬに、所定パタンに対応した位相差が生じ、結像面９ｂに回折像が形成される。結像面９ｂは、回折光学素子９から所定距離だけ離れた位置に画定され、入射表面９ａに平行な面である。

図２（Ａ）に示すように、回折光学素子９で回折された成分は、Ｙ軸方向に関して、拡がるように伝搬して、結像面９ｂ上に照射される。図２（Ｂ）に示すように、回折光学素子９で回折された成分は、Ｘ軸方向に関しては収束し、結像面９ｂ上の焦点においてＸ軸方向の断面の幅を最小にする（焦点を結ぶ）。Ｘ軸方向に関して、回折光学素子９は、１枚の凸レンズと同様な作用を有する。結像面９ｂ上のビーム断面Ｉは、Ｙ軸方向に細長く、Ｘ軸方向に狭い線状形状となる。

図２（Ｃ）を参照して、回折光学素子９の設計時に想定されているレーザビームＬの条件について説明する。レーザビームＬの設計波長は、例えば５３２ｎｍであり、これは例えば、ＹＡＧレーザの第２高調波の波長である。入射表面９ａにおけるレーザビームＬの断面は円形であり、設計上の直径は例えば２ｍｍである。ビーム断面内の光強度分布はＸ軸方向及びＹ軸方向についてともにガウス分布である。ビーム断面の中心が、入射表面９ａ上のＸ軸及びＹ軸方向に関して定まった位置（例えば、正方形の入射表面９ａの中心位置）に配置される。

図２（Ｄ）に示すように、上述のような条件でレーザビームＬを回折光学素子９へ入射させたとき、ビーム断面Ｉ内のＹ軸方向（長さ方向）に関する光強度分布は、均一に近づけられる。ビーム断面Ｉ内のＸ軸方向（幅方向）に関する光強度分布は、ガウス分布のままである。

次に、図３を参照して、この回折光学素子の入射表面上のビーム断面が、Ｙ軸方向に関して設計上定められた位置から変位した場合に、結像面上のビーム断面内のＹ軸方向に関する光強度分布がどのように変化するか調べたシミュレーションについて説明する。

図３のグラフの横軸がＹ軸方向に関する位置を示し、縦軸が任意単位で示した光強度を示す。このシミュレーションでは、入射表面におけるビーム断面の設計上の直径を２ｍｍとし、入射ビーム断面のＹ軸方向に関する変位量を３０μｍとした。入射ビーム断面の変位に伴い、光強度分布は、ビーム断面の一端の光強度が相対的に上昇し、他端の光強度が相対的に低下するように、均一な分布からやや歪む。

次に、図４及び図５を参照して、上述の回折光学素子に、２本のレーザビームを、入射表面上でビーム断面がＸ軸方向に並ぶように入射させた実験について説明する。この実験は、第１の実施例によるレーザ照射装置の機能を基礎付けるものである。

図４（Ａ）に、この実験で用いた光学系の概略図を示す。この光学系は、図１のレーザ照射装置のナイフエッジプリズム７に入射する２本のレーザビームを、１台のレーザ光源１０１から出射したレーザビームが部分反射鏡１０２で２本に分岐されたレーザビームＬＢ１及びＬＢ２に置き換えた光学系である。回折光学素子９の結像面９ｂ上の光強度分布が、ＣＣＤカメラ１０３で観察される。レーザ光源１０１が出射するレーザビームの進行方向に垂直な断面の形状は円形である。レーザ光源１０１として、第２高調波発生ユニットを含むＹＡＧレーザを用いた。レーザ光源１０１が出射するレーザビームの干渉性は高い。

図４（Ｂ）に示すように、入射表面９ｂ上でレーザビームＬＢ１及びＬＢ２の断面がＸ軸方向に並ぶように、両レーザビームと回折光学素子９との相対位置が調整されている。両ビーム断面のＹ軸方向に関する中心位置は、設計上定められた位置に一致する。両ビーム断面は、Ｙ軸方向に細長い楕円形状を有し、Ｙ軸方向の断面の幅は、設計仕様の円形断面のビームの直径に等しい。Ｘ軸方向の断面の幅は、Ｙ軸方向の断面の幅の１／３に縮小されている。両ビーム双方の断面内で、Ｘ軸及びＹ軸方向に関する光強度分布は、ともにガウス分布で近似される。

図４（Ｃ）は、回折光学素子９に入射するレーザビームＬＢ１及びＬＢ２のＸ軸方向に関する光強度分布を示すグラフである。横軸がＸ軸方向の位置を示し、縦軸が任意単位で表した光強度を示す。曲線Ｃ１が、回折光学素子９への入射位置における光強度分布を示し、曲線Ｃ２が、アナモルフィックプリズム８から回折光学素子９までの光路上のある位置の光強度分布を示す。

両光強度分布とも、レーザビームＬＢ１及びＬＢ２にそれぞれ対応する２つのピークを有し、２つのピーク間の距離は、両光強度分布で変わらない。このことより、アナモルフィックプリズム８から出射して回折光学素子９に入射するレーザビームＬＢ１及びＬＢ２が、互いに平行に進行していることがわかる。グラフに示す両レーザビームの中心間隔は１．３ｍｍである。

図５（Ａ）に、結像面９ｂにおけるビーム断面Ｉ１を示す。レーザビームＬＢ１及びＬＢ２は、Ｙ軸方向に細長い共通の領域を照射する。

図５（Ｂ）に、ビーム断面Ｉ１内のＹ軸方向の光強度分布を示す。グラフの横軸がＹ軸方向の位置を示し、縦軸が任意単位で示した光強度を示す。曲線Ｃ３が、レーザビームＬＢ１のみを回折光学素子９に入射させた場合の光強度分布を示し、曲線Ｃ４が、レーザビームＬＢ２のみを回折光学素子９に入射させた場合の光強度分布を示す。曲線Ｃａが、レーザビームＬＢ１及びＬＢ２を同時に回折光学素子９に入射させた場合の光強度分布を示す。

なお、曲線Ｃ５は、アナモルフィックプリズム８で変形させる以前の、レーザビームＬＢ１またはＬＢ２の断面と同一の円形断面を有する１本のレーザビームを、回折光学素子９に入射させた場合の光強度分布を示す。曲線Ｃ５は、設計仕様の条件のレーザビームを回折光学素子９に入射させた場合の光強度分布に対応する。曲線Ｃ５に示すように、ビーム断面の長さ方向の一端から他端まで、光強度がほぼ均一にされている。

曲線Ｃ３及びＣ４に示す光強度分布はそれぞれ、曲線Ｃ５の光強度分布と同様に、ビーム断面の長さ方向の一端から他端までの光強度がほぼ均一な分布である。このように、ビーム断面をＸ軸方向に縮小して楕円形に変形させても、光強度の均一化が良好に行えることがわかった。

曲線Ｃａに示すように、両レーザビームを同時照射した場合の光強度分布も、均一に近い分布である。曲線Ｃａは、曲線Ｃ３及びＣ４の対応する位置の光強度を加算した光強度分布にほぼ一致する。

なお、曲線Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５及びＣａに示す光強度分布において、ビーム断面の長さ方向の一端（グラフの横軸の右方の端）で、光強度がやや高くなっている。これは、回折光学素子９への入射ビームのＹ軸方向に関する位置が、設計上定められた位置よりややずれていたためだと考えられる。この位置ずれを低減させれば、光強度分布はより均一な形状に近づくと考えられる。

図５（Ｃ）に、ビーム断面Ｉ１内のＸ軸方向の光強度分布を示す。グラフの横軸がＸ軸方向の位置を示し、縦軸が任意単位で示した光強度を示す。曲線Ｃ６が、レーザビームＬＢ１のみを回折光学素子９に入射させた場合の光強度分布を示し、曲線Ｃ７が、レーザビームＬＢ２のみを回折光学素子９に入射させた場合の光強度分布を示す。曲線Ｃｂが、レーザビームＬＢ１及びＬＢ２を同時に回折光学素子９に入射させた場合の光強度分布を示す。なお、曲線Ｃ８は、図５（Ｂ）の曲線Ｃ５と同様に、設計仕様の条件のレーザビームを回折光学素子９に入射させた場合の光強度分布を示す。

どの曲線が示す光強度分布も、ガウス分布で近似される。曲線Ｃ６及び曲線Ｃ７に示すように、Ｘ軸方向に関して互いに異なる位置で入射表面９ａに入射したレーザビームＬＢ１及びＬＢ２は、結像面９ｂ上のＸ軸方向に関する共通の位置で焦点を結ぶ。Ｘ軸方向に関して設計上定められた位置からずれた位置にレーザビームを入射させても、結像面上の焦点の位置が変わらない。

曲線Ｃｂは、曲線Ｃ６及びＣ７の対応する位置の光強度を加算した光強度分布にほぼ一致する。曲線Ｃ６、Ｃ７及びＣｂに示すビーム断面の幅は、互いに等しい。これらのビーム断面の幅は、曲線Ｃ８に示すビーム断面の幅の約３倍の太さである。なお、ビーム断面の幅は、例えば、光強度がピーク強度の１／ｅ^２（ｅは自然対数の底）以上である範囲の幅で定義することができる。

設計仕様の直径を有する円形断面のビームを入射させた場合よりも、楕円形断面のビームを入射させた場合に幅が太いビーム断面が得られる理由は、例えば以下のように理解される。凸レンズでレーザビームを収束させるとき、主焦点におけるビーム径は、レンズへの入射ビーム径に反比例することが知られている。上述の実験で楕円形状にされた入射ビーム断面のＸ軸方向に関する幅は、設計仕様の条件の円形断面のＸ軸方向に関する幅の１／３に縮小されている。回折光学素子９は、Ｘ軸方向について、凸レンズと同様な、焦点を結ばせる作用を有している。このため、入射表面におけるＸ軸方向の幅が１／３に縮小されると、結像面におけるＸ軸方向の幅は、設計仕様のビーム断面のそれの３倍に太くなると考えられる。

なお、図１に示したレーザ照射装置では、結像レンズ１０により、回折光学素子９で整形されたビーム断面のＸ軸方向に関する幅を適当な倍率で縮小した像を生成できる。結像面１０ａにおけるビーム断面の幅を、設計仕様の条件の円形断面のビームを回折光学素子９に入射させたときに得られるビーム断面の幅と一致させることができる。

次に、図６を参照して、上述の回折光学素子へ楕円形断面のレーザビームを入射させた場合に、結像面上のビーム断面内でどのような光強度分布が得られるか調べたシミュレーションについて説明する。このシミュレーションも、第１の実施例によるレーザ照射装置の機能を基礎付けるものである。

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、回折光学素子へ１本のレーザビームを入射させた場合の結果を示す。このシミュレーションでは、入射レーザビームの設計上の断面形状が、直径２ｍｍの円形である。この円形をＸ軸方向に１／３に縮小した楕円形の断面のレーザビームを、回折光学素子に入射させた。

楕円形断面の入射ビームの断面内におけるＹ軸方向に関する光強度分布は、設計仕様の円形断面の入射ビームのそれと一致するガウス分布である。楕円形断面の入射ビームの断面内におけるＸ軸方向に関する光強度分布は、設計仕様の円形断面の入射ビームのそれの幅をＸ軸方向に関して１／３に縮小したガウス分布である。

図６（Ａ）はＹ軸方向の光強度分布を示し、横軸がＹ軸方向の位置を示し、縦軸が任意単位で表した光強度を示す。ビーム断面の長さ方向の一端から他端まで均一な光強度を有する分布が得られる。

図６（Ｂ）はＸ軸方向の光強度分布を示し、横軸がＸ軸方向の位置を示し、縦軸が任意単位で表した光強度を示す。ビーム断面の幅方向の光強度分布は、ガウス分布のままである。

図６（Ｃ）及び図６（Ｄ）は、回折光学素子へ２本のレーザビームを入射させた場合の結果を示す。入射レーザビームの設計上の断面形状が、直径２ｍｍの円形である。この円形をＸ軸方向に１／３に縮小した楕円形断面を持つ２本のレーザビームを、Ｘ軸方向に１．３ｍｍの中心間隔を隔てて並べ、互いに平行に回折光学素子へ入射させた。

図６（Ｃ）はＹ軸方向の光強度分布を示し、図６（Ｄ）はＸ軸方向の光強度分布を示す。Ｙ軸及びＸ軸の双方向に関して、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示す１本のビームを入射させた場合の光強度分布とほとんど一致する形状の光強度分布が得られる。

なお、図６（Ｂ）及び図６（Ｄ）に示すビーム断面のＸ軸方向の幅は、設計仕様の円形断面のビームを入射させた場合のＸ軸方向の幅の約３倍の太さになっている。

なお、図６を参照して説明したシミュレーションで、入射ビームの断面のＹ軸方向に関する中心位置は、設計上定められた位置に配置されている。

次に、図７を参照して、上述の回折光学素子に、２本のレーザビームを、入射表面上でビーム断面がＹ軸方向に並ぶように入射させた実験について説明する。

図７（Ａ）に、この実験に用いた光学系の概略図を示す。レーザ光源２０１ａから出射したレーザビームＬＢ３が、半波長板２０２により偏光ビームスプリッタ２０４に対するＳ偏光にされた後、折り返しミラー２０３で反射されて、偏光ビームスプリッタ２０４に入射する。レーザ光源２０１ｂから出射され、偏光ビームスプリッタ２０４に対するＰ偏光であるレーザビームＬＢ４が、偏光ビームスプリッタ２０４に入射する。レーザビームＬＢ３及びＬＢ４の進行方向に直交する断面の形状は円形である。

偏光ビームスプリッタ２０４で反射したレーザビームＬＢ３と、偏光ビームスプリッタ２０４を透過したレーザビームＬＢ４とが、互いに平行に進行し、エキスパンダ２０５を通過して、回折光学素子９に入射する。入射表面９ａにおいて両レーザビームの断面がＹ軸方向に並ぶように、両レーザビームと回折光学素子９との相対位置が調整されている。

回折光学素子９の結像面９ｂにおけるビーム断面が、レンズ２０６により、結像面２０６ａ上に結像される。結像面２０６ａ上の像の光強度分布を、対物レンズ２０７を通して、ビームプロファイラ２０８で観察する。結像面２０６ａ上の像の光強度分布は、結像面９ｂにおけるビーム断面の光強度分布に対応する。両レーザビームは、結像面９ｂ上のＹ軸方向に細長い共通の線状領域を照射していた。

図７（Ｂ）に、観察されたＹ軸方向の光強度分布を示す。横軸がＹ軸方向の位置を示し、縦軸が任意単位で示した光強度を示す。曲線Ｃ９が、レーザビームＬＢ３のみを回折光学素子９に入射させた場合の光強度分布を示し、曲線Ｃ１０が、レーザビームＬＢ４のみを回折光学素子９に入射させた場合の光強度分布を示す。曲線Ｃｃが、レーザビームＬＢ３及びＬＢ４を同時に回折光学素子９に入射させた場合の光強度分布を示す。曲線Ｃｄが、曲線Ｃ９及びＣ１０の対応する位置の光強度を加算した光強度分布を示す。

レーザビームＬＢ３とＬＢ４とは、入射表面９ａ上の、Ｙ軸方向に関して互いに異なる位置に入射するが、両レーザビームは、結像面９ｂのＹ軸方向に関する共通の領域を照射する。レーザビームＬＢ３またはＬＢ４のみを入射させた場合の光強度は、ビーム断面の長さ方向の一端で突出して高く、一端から内部に向かって低下し、他端に至るまでほぼ均一となる。曲線Ｃ９及びＣ１０とで、互いに反対側の端の光強度が高くなっている。

レーザビームＬＢ３及びＬＢ４を同時入射させた場合の結果を示す曲線Ｃｃは、曲線Ｃ９及びＣ１０の光強度の和である曲線Ｃｄと、ほぼ一致する。両レーザビームを同時入射させた場合の光強度は、ビーム断面の長さ方向の両端で突出して高く、両端から内部に向かって低下し、両端を除く内部でほぼ均一となる。

図７を参照して説明した実験では、２本のレーザビームを、ビーム断面がＹ軸方向に並ぶようにして、回折光学素子９に入射させた。このため、各レーザビームの断面は、Ｙ軸方向に関して設計上定められた位置に配置されていない。これにより、各レーザビームの結像面上におけるビーム断面の長さ方向に関する光強度分布が、均一な分布からずれ、端部の光強度が高くなったと考えられる。これに伴い、両レーザビームを同時照射した場合の光強度分布において、ビーム断面の両端の光強度が高くなったと考えられる。

一方、図４及び図５を参照して説明した実験では、２本のレーザビームを、ビーム断面がＸ軸方向に並ぶようにして、回折光学素子９に入射させた。入射表面９ｂ上の２つのビーム断面が、Ｙ軸方向に関して設計上定められた位置に配置されている。これにより、２本の入射レーザビーム双方に対して、ビーム断面の長さ方向の端部に至るまで均一化された光強度分布を得られ、両レーザビームを同時照射した場合にも、ビーム断面の端部に至るまで均一化された光強度分布を得られたと考えられる。

次に、図８を参照し、図４（Ａ）に示した実験光学系において、回折光学素子９の入射表面に並んだレーザビームＬＢ１及びＬＢ２の断面の中心間隔を変化させた場合に、結像面９ｂ上のビーム断面内の光強度分布がどのように変化するか調べた実験について説明する。両レーザビームの中心間隔を、０．９８ｍｍ、１．１３ｍｍ、１．２８ｍｍ、１．４３ｍｍ及び１．５８ｍｍとして光強度分布を測定した。

図８（Ａ）に、各中心間隔におけるＹ軸方向の光強度分布を示し、図８（Ｂ）に、各中心間隔におけるＸ軸方向の光強度分布を示す。中心間隔が変化しても、ビーム断面の長さ方向及び幅方向に関する光強度分布はあまり変化しない。

この実験より、入射表面上のビーム断面が、Ｘ軸方向に関して変位しても、結像面上の光強度分布にあまり影響を与えないと考えられる。Ｘ軸方向の任意の位置にビーム断面を配置して構わないのであれば、さらに多くのビーム断面を入射表面上のＸ軸方向に並べて、回折光学素子にレーザビームを入射させることができるであろう。

次に、図９を参照して、第１の実施例の変形例によるレーザ照射装置について説明する。レーザ光源２１ａ〜２１ｄが、それぞれ、円形断面のレーザビームＬ３〜Ｌ６を出射する。レーザビームＬ３〜Ｌ６が、それぞれエキスパンダ２２ａ〜２２ｄを通過し、折り返しミラー２３ａ〜２３ｄで反射され、ナイフエッジプリズム７に入射する。ナイフエッジプリズム７より下流の光学系は、図１に示した第１の実施例のレーザ照射装置が有するそれと同一の構成である。

ナイフエッジプリズム７が、レーザビームＬ３〜Ｌ６を反射し、これら４本のレーザビームを互いに平行に進行させる。これら４本のレーザビームが、アナモルフィックプリズム８で、断面を楕円形にされ、相互の中心間隔を近づけられる。アナモルフィックプリズム８から出射したレーザビームＬ３〜Ｌ６が、回折光学素子９の入射平面９ａに、互いに平行に入射する。入射表面９ａ上で、Ｙ軸方向に細長い楕円形の４つのビーム断面が、Ｘ軸方向に並ぶ。

回折光学素子９から出射したこれら４本のレーザビームが、結像面９ｂのＹ軸方向に細長い共通の線状領域を照射する。この光照射領域内の長さ方向の光強度分布が均一化されている。結像レンズ１０、結像レンズ１１ａ及び１１ｂにより、結像面９ｂ上のビーム断面が、その幅方向及び長さ方向についてそれぞれ適当な倍率で縮小されて、加工基板１３の表面に結像される。なお、結像レンズ１０、結像レンズ１１ａ及び１１ｂにより、ビーム断面の幅または長さを拡大しても構わない。

本変形例のレーザ照射装置を用いても、第１の実施例のレーザ照射装置と同様に、各レーザ光源より出射されたレーザビームのビーム断面を線状形状に整形し、整形されたビーム断面内の長さ方向に関する光強度分布を均一化できる。各レーザ光源から出射され、断面内の光強度分布が均一化されたレーザビームを、共通領域に照射できるので、断面内の光強度分布が均一化され、かつパワー密度の高いレーザビームを生成できる。

なお、本変形例では回折光学素子に４本のレーザビームを入射させたが、入射させるレーザビームの本数は、５本以上であっても、３本であっても構わない。

上述の実施例では、互いに平行に進行する複数本のレーザビームを回折光学素子へ入射させたが、以下に説明するように、互いに平行に進行しない複数本のレーザビームを回折光学素子へ入射させるレーザ照射装置を作製することも可能である。

次に、図１０を参照して、第２の実施例によるレーザ照射装置について説明する。このレーザ照射装置は、図１に示した第１の実施例のレーザ照射装置において、レーザ光源１ａ及び１ｂから出射されたレーザビームＬ１ａ及びＬ１ｂを同一光軸上に重畳した光学系と同一構成の光学系を含み、第１の実施例のレーザ照射装置において、レーザ光源１ｃ及び１ｄから出射されたレーザビームＬ２ａ及びＬ２ｂを同一光軸上に重畳した光学系と同一構成の光学系を含む。

偏光ビームスプリッタ５ａから出射し、レーザビームＬ１ａ及びＬ１ｂが同一光軸上に重畳されたレーザビームＬ７が、折り返しミラー６０ａで反射されて、ナイフエッジプリズム７０に入射する。偏光ビームスプリッタ５ｂから出射し、レーザビームＬ２ａ及びＬ２ｂが同一光軸上に重畳されたレーザビームＬ８が、折り返しミラー６０ｂで反射されて、ナイフエッジプリズム７０に入射する。

レーザビームＬ７及びＬ８が、ナイフエッジプリズム７０で反射され、回折光学素子９に入射する。ナイフエッジプリズム７０で反射された両レーザビームの進行方向は、互いに平行でない。

レーザビームＬ７及びＬ８の光軸が、回折光学素子９の入射表面９ａで交わり、Ｘ軸に垂直な面に沿って両レーザビームが進行するように、レーザビームＬ７、Ｌ８及び回折光学素子９の相対位置が調整されている。入射表面９ａ上で、両レーザビームのビーム断面のＹ軸方向に関する中心位置が、設計上定められた位置に配置される。

レーザビームＬ７及びＬ８はそれぞれ、結像面９ｂ上で断面をＹ軸方向に細長い線状に整形される。整形されたビーム断面内の長さ方向に関する光強度分布が均一化されている。結像面９ｂ上の両ビーム断面の位置は、Ｘ軸方向に関しては一致するが、Ｙ軸方向に関しては一致しない。

結像面９ｂ上の両ビーム断面のＹ軸方向に関する位置のずれは、回折光学素子９に入射する両レーザビームのなす角が小さいほど小さくなる。両レーザビームの進行方向が一致するような極限で、両レーザビームの断面は一致する。結像面９ｂにおいて、両レーザビームの断面が互いに重なりを持つように、回折光学素子９に入射するレーザビームＬ７及びＬ８のなす角が調整される。

結像面９ｂ上に配置され、遮光領域内に開口が形成されたマスク３１が、レーザビームＬ７及びＬ８の断面が互いに重なる部分の光を透過させ、残りの部分の光を遮蔽する。マスク３１を透過したレーザビームが、結像レンズ３２ａを透過し、折り返しミラー３３で反射され、結像レンズ３２ｂを透過した後、加工基板３４に入射する。結像レンズ３２ａ及び３２ｂは、マスク３１の開口を適当な倍率で縮小または拡大して、加工基板３４の表面に結像させる。ＸＹステージ３５が、加工基板３４を保持する。

第２の実施例によるレーザ照射装置を用いれば、各レーザ光源より出射されたレーザビームのビーム断面を線状形状に整形し、整形されたビーム断面内の長さ方向に関する光強度分布を均一化できる。各レーザ光源から出射され、断面内の光強度分布が均一化されたレーザビームを、ビーム断面が互いに重なりを持つように、結像面上に照射できる。ビーム断面が互いに重なる領域において、断面内の光強度分布が均一化され、かつパワー密度の高いレーザビームを生成できる。

回折光学素子９に入射する２本のレーザビームが互いに平行でないので、入射表面９ａ上で両レーザビームの断面を重ねられる。ビーム断面を互いに重ねられれば、入射表面９ａの内部に２本のレーザビームを収めることが容易である。例えば、両レーザビームの中心位置を設計上の所望の位置に重ねて照射することもできる。

結像面９ｂ上でレーザビームＬ７及びＬ８のビーム断面が互いに重なる部分の光のみを、マスク３１により透過させ、加工基板３４に照射できる。

次に、図１１を参照して、互いに平行でなく、Ｘ軸に垂直な一平面に沿って進行する２本のレーザビームを、回折光学素子に入射させた実験について説明する。この実験は、第２の実施例によるレーザ照射装置の機能を基礎付けるものである。

図１１（Ａ）は、この実験に用いた光学系の概略図を示す。この光学系は、図１０のレーザ照射装置のナイフエッジプリズム７０に入射する２本のレーザビームを、１台のレーザ光源３０１から出射したレーザビームが部分反射鏡３０２で２本に分岐されたレーザビームＬＢ５及びＬＢ６に置き換えた光学系である。回折光学素子９の結像面９ｂ上の光強度分布が、ＣＣＤカメラ３０３で観察される。両ビーム双方の断面内で、Ｘ軸及びＹ軸方向の光強度分布は、ともにガウス分布で近似される。

図１１（Ｂ）に、ビーム断面内のＹ軸方向の光強度分布を示す。グラフの横軸がＹ軸方向の位置を示し、縦軸が任意単位で示した光強度を示す。曲線Ｃ１１が、レーザビームＬＢ５のみを回折光学素子９に入射させた場合の光強度分布を示し、曲線Ｃ１２が、レーザビームＬＢ６のみを回折光学素子９に入射させた場合の光強度分布を示す。曲線Ｃｅが、レーザビームＬＢ５及びＬＢ６を同時に回折光学素子９に入射させた場合の光強度分布を示す。

レーザビームＬＢ５及びＬＢ６のビーム断面内の長さ方向に関する光強度分布は、それぞれ良好に均一化されている。ただし、両ビーム断面のＹ軸方向の位置は一致していない。両レーザビームを同時照射した場合の光強度分布は、両ビームの断面が互いに重なっている部分の光強度が高い凸型の形状となる。レーザビームＬＢ５及びＬＢ６がなす角を小さくするほど、両レーザビームの断面同士の重なりを大きくできる。

この実験では、入射表面９ｂ上の２つのビーム断面のＹ軸方向に関する中心位置が、設計上定められた位置に配置されている。ビーム断面のこのような配置により、両レーザビーム双方に対して光強度分布の均一化が良好に行えると考えられる。

なお、曲線Ｃｅにおいて光強度がＹ軸方向に振動的に変化しているのは、同一のレーザビームを分岐して生成したレーザビームＬＢ５及びＬＢ６が互いに干渉しているためだと考えられる。回折光学素子９に互いに異なるレーザ光源から出射された２本のレーザビームを入射させれば、このような強度変化は生じないと考えられる。

図１１（Ｃ）に、ビーム断面内のＸ軸方向の光強度分布を示す。グラフの横軸がＸ軸方向の位置を示し、縦軸が任意単位で示した光強度を示す。曲線Ｃ１３が、レーザビームＬＢ５のみを回折光学素子９に入射させた場合の光強度分布を示し、曲線Ｃ１４が、レーザビームＬＢ６のみを回折光学素子９に入射させた場合の光強度分布を示す。曲線Ｃｆが、レーザビームＬＢ５及びＬＢ６を同時に回折光学素子９に入射させた場合の光強度分布を示す。

どの曲線が示す光強度分布も、ガウス分布で近似される。曲線１３で示すビーム断面のＸ軸方向の中心位置と、曲線１４で示すビーム断面のＸ軸方向の中心位置とは、ほぼ一致している。曲線Ｃｆは、曲線Ｃ１３及びＣ１４の対応する位置の光強度を加算した光強度分布にほぼ一致する。曲線Ｃ１３、Ｃ１４及びＣｆに示すビーム断面の幅は、互いに等しい。

なお、この実験では入射ビーム断面のＸ軸方向の幅を縮小させていないので、それを縮小させた実験（図５（Ｃ）に示した実験）よりも、結像面上のビーム断面の幅が狭い。

なお、曲線１３及び曲線１４で示すビーム断面のＸ軸方向の中心がややずれているのは、両曲線に対応する入射ビームの進行方向のＸ軸に平行な成分が互いに一致しないような、進行方向のずれが生じていたためだと考えられる。このずれが小さくなるように両入射ビームの進行方向を調整すれば、結像面での両ビームの断面のＸ軸方向の中心位置をより近づけられる。

次に、図１２を参照して、第３の実施例によるレーザ照射装置について説明する。このレーザ照射装置は、図１に示した第１の実施例のレーザ照射装置において、レーザ光源１ａ及び１ｂから出射されたレーザビームＬ１ａ及びＬ１ｂを同一光軸上に重畳した光学系と同一構成の光学系を含み、第１の実施例のレーザ照射装置において、レーザ光源１ｃ及び１ｄから出射されたレーザビームＬ２ａ及びＬ２ｂを同一光軸上に重畳した光学系と同一構成の光学系を含む。

偏光ビームスプリッタ５ａから出射し、レーザビームＬ１ａ及びＬ１ｂが同一光軸上に重畳されたレーザビームＬ９が、回折光学素子９_１に入射する。偏光ビームスプリッタ５ｂから出射し、レーザビームＬ２ａ及びＬ２ｂが同一光軸上に重畳されたレーザビームＬ１０が、回折光学素子９_２に入射する。回折光学素子９_１及び９_２は、それぞれ第１の実施例のレーザ照射装置が有する回折光学素子９と同様なものである。

回折光学素子９_１及び９_２は、それぞれの入射表面９ａ_１及び９ａ_２が、同一平面上に配置されるように、かつ光強度分布を均一化する方向が互いに平行になるように並べられている。両回折光学素子の結像面９ｂ_１及び９ｂ_２が一致する。両回折光学素子が光強度分布を均一化する方向に平行な方向をＹ軸方向とし、両入射表面に平行なＸＹ直交座標系を考える。

レーザビームＬ９及びＬ１０が、Ｙ軸に垂直な一平面に沿って進行し、それぞれ入射表面９ａ_１及び９ａ_２へ斜めに入射する。両レーザビームは、入射面を共有する。両入射レーザビームは、入射表面９ａ_１及び９ａ_２の法線方向に対して互いに反対向きに傾いて進行する。レーザビームＬ９及びＬ１０と、両回折光学素子の相対位置が、このように調整されている。

さらに、両レーザビームのなす角は、回折光学素子９_１でＹ軸方向に細長い線状形状に整形されたレーザビームＬ９のビーム断面と、回折光学素子９_２でＹ軸方向に細長い線状形状に整形されたレーザビームＬ１０のビーム断面とが、結像面９ｂ_１及び９ｂ_２において互いに重なり合うように調整されている。

結像面９ｂ_１及び９ｂ_２を通過したレーザビームＬ９及びＬ１０が、結像レンズ４１ａを透過し、折り返しミラー４２で反射され、結像レンズ４１ｂを透過して、加工基板４３に入射する。結像レンズ４１ａ及び４１ｂは、結像面９ｂ_１及び９ｂ_２上のビーム断面を、適当な倍率で縮小または拡大して、加工基板４３の表面に結像させる。ＸＹステージ４４が、加工基板４３を保持する。

第３の実施例によるレーザ照射装置を用いれば、各レーザ光源より出射されたレーザビームのビーム断面を線状形状に整形し、整形されたビーム断面内の長さ方向に関する光強度分布を均一化できる。各レーザ光源から出射され、断面内の光強度分布が均一化されたレーザビームを、ビーム断面が互いに重なりを持つように、ある面上に照射できる。ビーム断面が互いに重なる領域において、断面内の光強度分布が均一化され、かつパワー密度の高いレーザビームを生成できる。

次に、図１３を参照して、互いに平行でなく、Ｙ軸に垂直な一平面に沿って進行する２本のレーザビームを、回折光学素子に入射させた説明する。

図１３（Ａ）に、この実験に用いた光学系の概略図を示す。この光学系は、図１１（Ａ）に示した実験光学系において、回折光学素子９を、入射表面９ａに平行な面内で９０度回転させた構成を有する。ナイフエッジプリズム７０から出射したレーザビームＬＢ５及びＬＢ６が、Ｙ軸に垂直な一平面に沿って進行し、回折光学素子９に入射する。

図１３（Ｂ）に、結像面９ｂ上のビーム断面Ｉ２を示す。２本の入射ビームに対応する２つのビーム断面がＸ軸方向に並んでいる。両ビーム断面の間隔は約２７５μｍであり、２本の入射レーザビームのなす角は約６．４ｍｒａｄであり、回折光学素子９から結像面９ｂまでの距離は４３ｍｍである。

次に、図１４を参照し、Ｙ軸に垂直な面に沿って進行するレーザビームの回折光学素子の入射表面への入射角を変化させて、結像面上のビーム断面がどのように移動するか調べた実験について説明する。この実験も図１３（Ａ）に示した光学系を用いて行った。この実験は、図１２に示した第３の実施例によるレーザ照射装置の機能を基礎付けるものである。入射角を変化させると、ビーム断面はＸ軸方向へ移動した。

図１４（Ａ）に、入射角の変化量とビーム断面の移動量との関係を示す。入射角の変化量が微小であるとき、ビーム断面の移動量は、回折光学素子から結像面までの距離（ここでは４３ｍｍ）と入射角の変化量との積で表される。例えば４６．５ｍｒａｄの入射角でレーザビームを入射させるとき、結像面上のビーム断面のＸ軸方向の位置は、入射表面に垂直入射したビームのそれから２ｍｍずれる。

図１２に示したレーザ照射装置において、両回折光学素子の入射表面のそれぞれが、４ｍｍ角の正方形であるとし、両入射表面が１辺を共有するように配置されているとする。回折光学素子の入射表面から結像面までの距離を４３ｍｍとする。各入射表面の中心に、４６．５ｍｒａｄの入射角でレーザビームを入射させる。このとき、両レーザビームは、それぞれの入射位置から、Ｘ軸方向に関して互いに反対向きに２ｍｍずつ進行し、結像面において、Ｘ軸方向に関するビーム断面の中心位置を互いに一致させるように重なり合う。

さらに、入射角を変化させて結像面上でＸ軸方向にビーム断面が移動したときに、ビーム断面内のＸ軸方向の光強度分布がどのように変化するかについて調べた。

図１４（Ｂ）に、入射角が０ｍｒａｄのときのビーム断面と、入射角が１１６ｍｒａｄのとき（図１４（Ａ）で移動量が５ｍｍのとき）のビーム断面の、Ｘ軸方向に関する光強度分布を、Ｘ軸方向の中心位置を一致させて示す。２つの光強度分布はほぼ一致する。入射角が変化して、ビーム断面が移動しても、ビーム断面の幅はあまり変化しないことがわかった。

次に、図１５を参照し、第３の実施例の変形例によるレーザ照射装置について説明する。第３の実施例によるレーザ照射装置との違いは、２つの回折光学素子の配置であり、それ以外の構成は第３の実施例のレーザ照射装置と同様である。

偏光ビームスプリッタ５ａで、レーザビームＬ１ａ及びＬ１ｂが重畳されたレーザビームＬ１１が、回折光学素子９_３に入射し、偏光ビームスプリッタ５ｂで、レーザビームＬ２ａ及びＬ２ｂが重畳されたレーザビームＬ１２が、回折光学素子９_４に入射する。回折光学素子９_３及び９_４は、それぞれ第１の実施例のレーザ照射装置が有する回折光学素子９と同様なものである。

回折光学素子９_３が光強度分布を均一化する方向と、回折光学素子９_４が光強度分布を均一化する方向とが平行になるように、両回折光学素子が配置される。ただし、本変形例では、両回折光学素子の入射表面９ａ_３及び９ａ_４が互いに平行に配置されない。これにより、両回折光学素子の結像面９ｂ_３及び９ｂ_４は互いに一致せず、交差する。両回折光学素子が光強度分布を均一化する方向に平行な方向を、Ｙ軸方向とする。

両回折光学素子に入射するレーザビームＬ１１及びＬ１２がＹ軸に垂直な一平面に沿って進行するように、両レーザビームと両回折光学素子との相対位置が調整されている。回折光学素子９_３から出射したレーザビームＬ１１の断面、及び回折光学素子９_４から出射したレーザビームＬ１２の断面が、それぞれ結像面９ｂ_３及び結像面９ｂ_４において、Ｙ軸方向に細長い線状領域に整形され、ビーム断面内の長さ方向の光強度分布が均一化される。

結像面９ｂ_３及び９ｂ_４が交差する位置で、レーザビームＬ１１及びＬ１２の経路が、ビーム断面の幅方向の中心位置を互いに一致させて交差するように、レーザビームＬ１１とＬ１２とのなす角が調整されている。

結像面９ｂ_３及び９ｂ_４の交線を含む仮想的な面５１を考える。面５１上で、レーザビームＬ１１及びＬ１２の断面が重なり合う。面５１を通過したレーザビームＬ１１及びＬ１２が、結像レンズ４１ａを透過し、折り返しミラー４２で反射され、結像レンズ４１ｂを透過して、加工基板４３に入射する。結像レンズ４１ａ及び４１ｂは、面５１上のビーム断面を、適当な倍率で縮小または拡大して、加工基板４３の表面に結像させる。

本変形例のレーザ照射装置を用いても、第３の実施例のレーザ照射装置と同様に、各レーザ光源より出射されたレーザビームのビーム断面を線状形状に整形し、整形されたビーム断面内の長さ方向に関する光強度分布を均一化できる。各レーザ光源から出射され、断面内の光強度分布が均一化されたレーザビームを、ビーム断面が互いに重なりを持つように、ある面上に照射できる。ビーム断面が互いに重なる領域において、断面内の光強度分布が均一化され、かつパワー密度の高いレーザビームを生成できる。

なお、図１３（Ａ）に示した光学系において、２本の入射ビームのなす角を非常に小さくすれば、結像面上の２本のビーム断面が重なりを持つようにすることが可能である。図１０に示したレーザ照射装置において、回折光学素子９を、入射表面９ａに平行な面内で９０度回転させた構成のレーザ照射装置を考える。このレーザ照射装置では、ナイフエッジプリズム７０から出射したレーザビームＬ７及びＬ８が、Ｙ軸に垂直な一平面に沿って進行し、回折光学素子９に入射する。回折光学素子９に入射するレーザビームＬ７及びＬ８のなす角がある程度大きければ、図１３（Ｂ）に示した場合と同様に、両レーザビームの結像面９ｂにおけるビーム断面は互いに離れる。しかし、両レーザビームのなす角を充分に小さくすれば、結像面９ｂ上のビーム断面は互いに重なりを持つ。

よって、このようなレーザ照射装置であっても、各レーザ光源から出射され、断面内の光強度分布が均一化されたレーザビームを、ビーム断面が互いに重なりを持つように、ある面上に照射できる。ビーム断面が互いに重なる領域において、断面内の光強度分布が均一化され、かつパワー密度の高いレーザビームを生成することが可能である。

なお、以下のようなレーザ照射装置を作製してもよい。図１２に示したレーザ照射装置において、回折光学素子９_１及び９_２を、入射表面９ａ_１及び９ａ_２に平行な面内で９０度回転させた構成のレーザ照射装置を考える。このレーザ照射装置では、レーザビームＬ９及びＬ１０が、Ｘ軸に垂直な一平面に沿って進行し、それぞれ入射表面９ｂ_１及び９ｂ_２に斜めから入射する。両レーザビームの結像面上におけるビーム断面のＹ軸方向の位置は、各レーザビームの入射表面への入射角で調整できる。結像面上で両レーザビームの断面が互いに重なり合うように、両レーザビームのなす角を調整する。このようなレーザ照射装置も、ビーム断面が互いに重なる領域において、断面内の光強度分布が均一化され、かつパワー密度の高いレーザビームを生成できる。

なお、互いに平行でない３本以上のレーザビームを、結像面上のビーム断面が互いに重なりを持つように、回折光学素子に入射させても構わない。

以上の実施例で説明したレーザ照射装置は、例えば多結晶化シリコン膜を生成するアニールに用いることができるが、その他、レーザビームにより加工対象物に穴や溝を形成するようなレーザ加工に応用しても構わない。半導体基板に添加された不純物を活性化するアニールに用いても構わない。

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。

本発明の第１の実施例によるレーザ照射装置の概略図である。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、回折光学素子を透過するレーザビームの経路を概略的に示す図であり、図２（Ｃ）は、回折光学素子の入射表面上のビーム断面を示す図であり、図２（Ｄ）は、回折光学素子の結像面上のビーム断面を示す図である。レーザビームの回折光学素子への入射位置が変位したときに、結像面上の光強度分布がどのように変化するかについて調べたシミュレーションの結果を示すグラフである。図４（Ａ）は、２本のレーザビームをＸ軸方向に並べて回折光学素子へ入射させた実験に用いた光学系を概略的に示す図であり、図４（Ｂ）は、入射表面上のビーム断面を示す図であり、図４（Ｃ）は、回折光学素子に入射する２本のレーザビームのＸ軸方向の光強度分布を示すグラフである。図５（Ａ）は、２本のレーザビームをＸ軸方向に並べて回折光学素子へ入射させた実験で観察された結像面上のビーム断面を示す図であり、図５（Ｂ）は、結像面上のビーム断面内のＹ軸方向の光強度分布を示すグラフであり、図５（Ｃ）は、結像面上のビーム断面内のＸ軸方向の光強度分布を示すグラフである。図６（Ａ）は、楕円形断面の１本のレーザビームを回折光学素子へ入射させたシミュレーションにおける結像面上のＹ軸方向の光強度分布を示すグラフであり、図６（Ｂ）は、楕円形断面の１本のレーザビームを回折光学素子へ入射させたシミュレーションにおける結像面上のＸ軸方向の光強度分布を示すグラフであり、図６（Ｃ）は、楕円形断面の２本のレーザビームを回折光学素子へ入射させたシミュレーションにおける結像面上のＹ軸方向の光強度分布を示すグラフであり、図６（Ｄ）は、楕円形断面の２本のレーザビームを回折光学素子へ入射させたシミュレーションにおける結像面上のＸ軸方向の光強度分布を示すグラフである。図７（Ａ）は、２本のレーザビームをＹ軸方向に並べて回折光学素子へ入射させた実験に用いた光学系を概略的に示す図であり、図７（Ｂ）は、結像面上のビーム断面内のＹ軸方向の光強度分布を示すグラフである。図８（Ａ）は、Ｘ軸方向に並んで回折光学素子へ入射する２本のレーザビームの中心間隔を変化させた実験における結像面上のＹ軸方向の光強度分布を示すグラフであり、図８（Ｂ）は、この実験における結像面上のＸ軸方向の光強度分布を示すグラフである。第１の実施例の変形例によるレーザ照射装置を概略的に示す図である。第２の実施例によるレーザ照射装置を概略的に示す図である。図１１（Ａ）は、Ｘ軸に垂直な一平面に沿って進行し、互いに平行でない２本のレーザビームを回折光学素子に入射させた実験に用いた光学系を概略的に示す図であり、図１１（Ｂ）は、結像面上のビーム断面内のＹ軸方向の光強度分布を示すグラフであり、図１１（Ｃ）は、結像面上のビーム断面内のＸ軸方向の光強度分布を示すグラフである。第３の実施例によるレーザ照射装置を概略的に示す図である。図１３（Ａ）は、Ｙ軸に垂直な一平面に沿って進行し、互いに平行でない２本のレーザビームを回折光学素子に入射させた実験に用いた光学系を概略的に示す図であり、図１３（Ｂ）は、結像面上のビーム断面を示す図である。図１４（Ａ）は、入射角の変化量と結像面上のビーム断面の移動量との関係を示すグラフであり、図１４（Ｂ）は、結像面上のビーム断面内のＸ軸方向に関する光強度分布を示すグラフである。第３の実施例の変形例によるレーザ照射装置を概略的に示す図である。

符号の説明

１ａ〜１ｄレーザ光源
２ａ、２ｂ半波長板
３ａ〜３ｄエキスパンダ
４ａ、４ｂ折り返しミラー
５ａ、５ｂ偏光ビームスプリッタ
６ａ、６ｂ折り返しミラー
７ナイフエッジプリズム
８ａ、８ｂ（アナモルフィックプリズム８を構成する）プリズム
８アナモルフィックプリズム
９回折光学素子
９ａ（回折光学素子９の）入射表面
９ｂ（回折光学素子９の）結像面
１０結像レンズ
１０ａ結像面
１１ａ、１１ｂ結像レンズ
１２折り返しミラー
１３加工基板
１４ＸＹステージ

Claims

レーザビームの入射する入射表面が画定され、該入射表面に平行な第１の方向に関して、該入射表面に入射するレーザビームの光強度分布が、結像面上において均一に近づき、該第１の方向に直交する第２の方向に関しては、該結像面上に焦点を結ばせる回折光学素子と、
進行方向が相互に平行な複数本のレーザビームを、前記回折光学素子の入射表面におけるビームスポットが前記第２の方向に並ぶようにして、前記回折光学素子に入射させるレーザビーム生成光学系と
を有するレーザ照射装置。
前記レーザビーム生成光学系は、前記回折光学素子の入射表面における複数のビームスポットの少なくとも１つが、前記第１の方向に細長い形状となるように、レーザビームの断面形状を変化させる変形光学系を有する請求項１に記載のレーザ照射装置。
前記回折光学素子の入射表面における各ビームスポットは、長軸方向が前記第１の方向と平行で、短軸方向が前記第２の方向と平行な楕円形状である請求項１または２に記載のレーザ照射装置。
レーザビームの入射する入射表面が画定され、該入射表面に平行な第１の方向に関して、該入射表面に入射するレーザビームの光強度分布が、結像面上において均一に近づき、該第１の方向に直交する第２の方向に関しては、該結像面上に焦点を結ばせる回折光学素子と、
前記回折光学素子の結像面において、ビーム断面が相互に重なりを持つように、進行方向が相互に平行でない２本のレーザビームを、該回折光学素子に入射させるレーザビーム生成光学系と
を有するレーザ照射装置。
前記レーザビーム生成光学系は、前記回折光学素子の結像面における前記２本のレーザビームの断面の前記第２の方向に関する位置が一致するように、両レーザビームを該回折光学素子に入射させる請求項４に記載のレーザ照射装置。
前記レーザビーム生成光学系は、前記回折光学素子の入射表面における前記２本のレーザビームのビームスポットの、前記第１の方向に関する位置が一致するように、両レーザビームを該回折光学素子に入射させる請求項４または５に記載のレーザ照射装置。
第１のレーザビームを出射する第１のレーザ光源と、
レーザビームの入射する入射表面が画定され、結像面におけるビーム断面の形状を、該入射表面におけるビーム断面の形状と異ならせるビーム断面の整形、及び該結像面におけるビーム断面内の光強度分布を、該入射表面におけるビーム断面内の光強度分布より均一な分布に近づける光強度分布の均一化の少なくとも一方を行い、前記第１のレーザ光源から出射した第１のレーザビームが入射するように配置された第１の回折光学素子と、
第２のレーザビームを出射する第２のレーザ光源と、
レーザビームの入射する入射表面が画定され、結像面におけるビーム断面の形状を、該入射表面におけるビーム断面の形状と異ならせるビーム断面の整形、及び該結像面におけるビーム断面内の光強度分布を、該入射表面におけるビーム断面内の光強度分布より均一な分布に近づける光強度分布の均一化の少なくとも一方を行い、前記第２のレーザ光源から出射した第２のレーザビームが入射するように配置された第２の回折光学素子と
を有し、
前記第１及び第２の回折光学素子の結像面が一致するかまたは交差するように、両回折光学素子が配置され、両回折光学素子の結像面が一致する場合は、該第１の回折光学素子を通過した前記第１のレーザビームの経路と、該第２の回折光学素子を通過した前記第２のレーザビームの経路とが、両回折光学素子の結像面上で互いに重なりを持ち、両回折光学素子の結像面が交差する場合は、該第１の回折光学素子を通過した前記第１のレーザビームの経路と、該第２の回折光学素子を通過した前記第２のレーザビームの経路とが、両回折光学素子の結像面が交差する位置で互いに重なりを持つように、両レーザビームの相対位置が調整されているレーザ照射装置。
前記第１の回折光学素子は、その入射表面に平行な第１の方向に関して、該入射表面に入射するレーザビームの光強度分布が、結像面上において均一に近づき、該第１の方向に直交する第２の方向に関しては、該結像面上に焦点を結ばせ、
前記第２の回折光学素子は、その入射表面に平行な第３の方向に関して、該入射表面に入射するレーザビームの光強度分布が、結像面上において均一に近づき、該第３の方向に直交する第４の方向に関しては、該結像面上に焦点を結ばせ、
前記第１及び第３の方向が互いに平行になるように、前記第１及び第２の回折光学素子が配置されており、前記第１及び第２のレーザビームの経路が交差する位置で、前記第１のレーザビームの前記第１の回折光学素子の結像面上におけるビーム断面の第２の方向に関する中心位置と、前記第２のレーザビームの前記第２の回折光学素子の結像面上におけるビーム断面の前記第４の方向に関する中心位置とが一致するように、前記第１及び第２のレーザビームの相対位置が調整されている請求項７に記載のレーザ照射装置。
前記第１の回折光学素子の入射表面から結像面までの距離と、前記第２の回折光学素子の入射表面から結像面までの距離とが等しく、両回折光学素子の入射表面が同一平面上に配置され、両回折光学素子の入射表面に対しそれぞれ斜めに前記第１及び第２のレーザビームが入射し、両レーザビームは入射面を共有し、両レーザビームの進行方向は、該入射表面の法線方向に対して相互に反対向きに傾いている請求項７または８に記載のレーザ照射装置。