JP2014123754A - 半導体装置の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】２つのレーザ光源からのパルスレーザビームを同一の光路に案内してレーザ被照射体に照射する場合に、パルスレーザビーム毎の偏光状態の違いがレーザ照射体に与える影響を無くしまたは大幅に低減できるレーザ照射装置を提供する。
【解決手段】レーザ光源３，４と、これらレーザ光源からのパルスレーザビームを同じ光路上に案内する光路合成光学素子７と、を備えるレーザ照射装置であって、光路合成光学素子７からのパルスレーザビームの偏光状態を制御する偏光制御素子９を備える。偏光制御素子９は、パルスレーザビームのビーム成分がそれぞれ通過する第１および第２の偏光制御部１３、１５を有する。第１の偏光制御部１３を通過したビーム成分と、第２の偏光制御部１５を通過したビーム成分とが、それぞれ互いに異なる偏光状態となる。互いに異なる偏光状態の前記ビーム成分同士をレーザ被照射体上のレーザ照射面で重ね合わせる。
【選択図】図２

Description

本発明は、第１のレーザ光源からのパルスレーザビームと、第２のレーザ光源からのパ
ルスレーザビームを同一の光路に案内してレーザ被照射体に照射するレーザ照射装置に関
する。

従来において、所定の周波数でパルスレーザビームを射出するレーザ光源（レーザ共振
器）を２つ用いて、これらレーザ共振器からのパルスレーザビームをレーザ被照射体（例
えば、半導体基板）の所望の範囲に照射するレーザ照射装置が開発されている（例えば、
下記の特許文献１）。図９は、このようなレーザ照射装置の構成例を示している。図９に
示すように、レーザ照射装置は、２つのレーザ共振器３１，３２、パルス制御装置３３、
光路合成光学部材３５、ビームエキスパンダ３７、シリンドリカルレンズアレイ３９およ
びコンデンサレンズ４１を備える。

第１のレーザ共振器３１は、偏光方向が図９の紙面と垂直な方向である直線偏光のパル
スレーザビームを所定の周波数で射出し、第２のレーザ共振器３２は、偏光方向が図９の
上下方向である直線偏光のパルスレーザビームを所定の周波数で射出する。

パルス制御装置３３は、第１のレーザ共振器３１からパルスレーザビームが射出される
タイミングと、第２のレーザ共振器３２からパルスレーザビームが射出されるタイミング
とがずれるように、第１および第２のレーザ共振器３１，３２を制御する。

光路合成光学部材３５は、第１および第２のレーザ共振器３１，３２からのパルスレー
ザビームの偏光方向が９０度ずれていることを利用して、これらパルスレーザビームを同
一の光路へ案内する。光路合成光学部材３５は、例えば、図９の紙面と垂直な方向に直線
偏光したパルスレーザビームを反射させるが、図９の上下方向に直線偏光したパルスレー
ザビームを透過させる偏光ビームスプリッタである。このように、光路合成光学部材３５
により２つのレーザ共振器３１，３２からのパルスレーザビームを同一の光路に案内し、
これにより、パルスレーザビームの周波数を倍にし、パルスレーザビームのパワーを上げ
ることができる。

ビームエキスパンダ３７は、光路合成光学部材３５から各パルスレーザビームの形状を
横長に調節する。ビームエキスパンダ３７を通過した各パルスレーザビームは、その進行
方向と垂直な断面形状がレーザ被照射体（例えば、半導体基板）上のレーザ照射面におい
て、横長（例えば、線状または矩形）になるように調節される。図９の例では、上記断面
形状が図９の上下方向に横長になるように調節される。

シリンドリカルレンズアレイ３９は、入射されるパルスレーザビームを複数のビームに
分割し、コンデンサレンズ４１は、これら分割された複数のビームをレーザ被照射体上の
レーザ照射面で重ね合わせる。なお、符号４３は、図１の紙面と垂直な方向に関してパル
スレーザビームをレーザ照射面において集光させる短辺方向集光レンズを示す。

上述のレーザ照射装置によりパルスレーザビームが順次半導体基板表面に照射されてい
る時に、半導体基板を図９の紙面に垂直な方向へ搬送する。これにより、半導体基板表面
における所望の範囲にわたってパルスレーザビームが照射される。なお、特許文献１以外
の他の先行技術文献としては、例えば下記特許文献２がある。

特開２００７−１１００６４号公報（図１４） 特開２００４−９５７９２号公報

図９のレーザ照射装置を用いて、半導体基板に対しレーザ照射を行うことで、半導体基
板のレーザアニール処理を行う場合、パルスレーザビーム毎に偏光状態が異なることで、
パルスレーザビーム毎の偏光状態の違いがレーザ照射体に悪影響を与える可能性がある。

半導体基板表面のレーザ照射面に対してＳ偏光であるパルスレーザビームのみをこの非
晶質半導体基板の所望範囲に照射してレーザアニールを行った場合と、半導体基板表面の
レーザ照射面に対してＰ偏光であるパルスレーザビームのみをこの非晶質半導体基板の所
望範囲に照射してレーザアニールを行った場合とでは、結晶化された半導体の結晶粒の平
均寸法が異なる。ここでＳ偏光とは図９のレーザ照射面においてビームの電場方向が紙面
の上下方向に平行な偏光状態を指し，Ｐ偏光とはビームの電場方向が紙面の垂直方向に平
行な偏光状態を指す。図１０は、この違いを示すグラフである。図１０において、横軸は
、非晶質半導体基板の表面に照射されるパルスレーザビームのエネルギー密度を示し、縦
軸は、レーザアニールにより結晶化された半導体結晶粒の平均寸法を示し、正方形は、Ｓ
偏光であるパルスレーザビームのみをこの非晶質半導体基板に照射した場合の各測定結果
を示し、菱形は、Ｐ偏光であるパルスレーザビームのみをこの非晶質半導体基板に照射し
た場合の各測定結果を示している。図１０から分かるように、Ｓ偏光のパルスレーザビー
ムにより成長した半導体結晶粒の寸法と、Ｐ偏光のパルスレーザビームにより成長した半
導体結晶粒の寸法とは異なる。従って、Ｓ偏光のパルスレーザビームとＰ偏光のパルスレ
ーザビームが交互に半導体基板に照射されると、Ｓ偏光のパルスレーザビームが照射され
た領域とＰ偏光のパルスレーザビームが照射された領域とが生じる場合がある。その結果
、結晶粒寸法が不均一になる可能性があり、安定した結晶性半導体が得られない可能性が
ある。このように、パルスレーザビーム毎の偏光状態の違いがレーザ照射体に悪影響を与
える可能性がある。

そこで、本発明の目的は、２つのレーザ光源からのパルスレーザビームを同一の光路に
案内してレーザ被照射体に照射する場合に、パルスレーザビーム毎の偏光状態の違いがレ
ーザ照射体に与える影響を無くしまたは大幅に低減できるレーザ照射装置を提供すること
にある。

上記目的を達成するため、本発明によると、偏光したパルスレーザビームを射出する第
１のレーザ光源と、
第１のレーザ光源からのパルスレーザビームと異なる偏光状態のパルスレーザビームを
射出する第２のレーザ光源と、
該第１および第２のレーザ光源からのパルスレーザビームを同じ光路上に案内する光路
合成光学部材と、を備えるレーザ照射装置であって、
前記光路合成光学部材からのパルスレーザビームの偏光状態を制御する偏光制御部材を
備え、
該偏光制御部材は、前記パルスレーザビームの進行方向と直交する配置方向に配置され
、前記パルスレーザビームのビーム成分がそれぞれ通過する第１および第２の偏光制御部
を有し、
第１の偏光制御部を通過した前記ビーム成分と、第２の偏光制御部を通過した前記ビー
ム成分とが、それぞれ互いに異なる偏光状態となるように、第１および第２の偏光制御部
が形成されており、
前記互いに異なる偏光状態の前記ビーム成分同士をレーザ被照射体上のレーザ照射面で
重ね合わせるビーム重ね合わせ光学部材を備える、ことを特徴とするレーザ照射装置が提
供される。

上記構成では、第１および第２のレーザ光源から射出された偏光状態が異なるパルスレ
ーザビームを同一の光路上に案内してレーザ被照射体に照射する場合に、第１および第２
のレーザ光源から射出されるパルスレーザビームのいずれも、偏光制御部材によりそれぞ
れ互いに異なる偏光状態（第１偏光状態と第２偏光状態）の複数のビーム成分に分離され
、ビーム重ね合わせ光学部材により前記互いに異なる偏光状態の前記ビーム成分同士がレ
ーザ被照射体上のレーザ照射面で重ね合わされるので、いずれのパルスレーザビームも、
レーザ照射面上で第１偏光状態と第２偏光状態とが混在した状態となる。これにより、パ
ルスレーザビーム毎の偏光状態の違いがレーザ照射体に与える影響を無くしまたは大幅に
低減できる。

本発明の好ましい実施形態によると、第１の偏光制御部を通過する前記ビーム成分のエ
ネルギー総量と、第２の偏光制御部を通過する前記ビーム成分のエネルギー総量とが同じ
またはほぼ同じになるように、前記配置方向における第１の偏光制御部の長さ、および、
前記配置方向における第２の偏光制御部の長さが設定されている。

このように、第１の偏光制御部を通過する前記ビーム成分のエネルギー総量と、第２の
偏光制御部を通過する前記ビーム成分のエネルギー総量とが同じまたはほぼ同じになるよ
うに、前記配置方向における第１の偏光制御部の長さ、および、前記配置方向における第
２の偏光制御部の長さが設定されているので、第１および第２のレーザ光源から射出され
るパルスレーザビームのいずれについても、レーザ照射面上において、第１偏光状態のビ
ーム成分のエネルギーと第２偏光状態のビーム成分のエネルギーとを同じにできる。これ
により、一層安定したレーザ照射（例えば、半導体基板のレーザアニール）が可能となる
。

本発明の好ましい実施形態によると、第１の偏光制御部と第２の偏光制御部のすくなく
とも一方が、他方の全部または一部を前記配置方向に挟むように複数に分割されている。

このように、第１の偏光制御部と第２の偏光制御部のすくなくとも一方が、他方の全部
または一部を前記配置方向に挟むように複数に分割されていてもよい。この構成であって
も、上述と同様の効果が得られる。

本発明の好ましい実施形態によると、第１のレーザ光源と第２のレーザ光源とは、それ
ぞれ互いに偏光方向が９０度ずれて直線偏光したパルスレーザビームを射出し、
第１の偏光制御部は、第１のレーザ光源および第２のレーザ光源からの前記ビーム成分
の偏光方向を９０度回転させる１／２波長板であり、
第２の偏光制御部は第１のレーザ光源および第２のレーザ光源からの前記ビーム成分の
偏光状態を変えないように形成されている。

このように、第１の偏光制御部の１／２波長板により、これを通過したビーム成分は偏
光方向を９０度回転し、第２の偏光制御部はこれを通過したビーム成分の偏光状態を変え
ない。これにより、各パルスレーザビームについて、第１の偏光制御部を通過した前記ビ
ーム成分と、第２の偏光制御部を通過した前記ビーム成分とを、それぞれ互いに異なる偏
光状態にすることができる。

好ましくは、第２の偏光制御部は、内部でパルスレーザビームが進行する光路長が第１
の偏光制御部と同じとなる材質で形成されている。

このように、第２の偏光制御部は、内部でパルスレーザビームが進行する光路長が第１
の偏光制御部と同じとなる材質で形成されているので、第１の偏光制御部内でビームが進
行する光路長と第２偏光制御部内でビームが進行する光路長との差が生じることがなく、
光路長の差による悪影響（例えば、レーザ照射面での結像位置エラー）を防止できる。

本発明の別の実施形態によると、第１のレーザ光源と第２のレーザ光源とは、それぞれ
互いに偏光方向が９０度ずれて直線偏光したパルスレーザビームを射出し、
第１および第２の偏光制御部は、第１のレーザ光源からのパルスレーザビームの前記偏
光方向と第２のレーザ光源からのパルスレーザビームの前記偏光方向とのいずれにも４５
度の角度をなす光学軸を持つ１／４波長板であり、
第１の偏光制御部の前記光学軸と第２の偏光制御部の前記光学軸とは互いに９０度ずれ
ている。

１／４波長板の光学軸が直線偏光レーザの偏光方向と一方の側に４５度の角度をなすと
、この１／４波長板は、通過する当該レーザを、偏光方向が第１方向に回転する円偏光に
する。１／４波長板の光学軸が直線偏光レーザの偏光方向と他方の側に４５度の角度をな
すと、この１／４波長板は、通過する当該レーザを、偏光方向が前記第１方向と逆方向に
回転する円偏光にする。
従って、上記構成では、第１および第２の偏光制御部は、第１のレーザ光源からのパル
スレーザビームの前記偏光方向と第２のレーザ光源からのパルスレーザビームの前記偏光
方向とのいずれにも４５度の角度をなす光学軸を持つ１／４波長板であり、第１の偏光制
御部の前記光学軸は第２の偏光制御部の前記光学軸とは互いに９０度ずれているので、第
１の偏光制御部を通過したビーム成分と、第２の偏光制御部を通過したビーム成分とが、
互いに逆方向に偏光方向が回転する円偏光状態となる。これにより、第１の偏光制御部を
通過した前記ビーム成分と、第２の偏光制御部を通過した前記ビーム成分とを、それぞれ
互いに異なる偏光状態にすることができる。

上述した本発明によると、２つのレーザ光源からのパルスレーザビームを同一の光路に
案内してレーザ被照射体に照射する場合に、パルスレーザビーム毎の偏光状態の違いがレ
ーザ照射体に与える影響を無くしまたは大幅に低減できる。これにより、本発明のレーザ
照射装置を用いて、半導体基板にレーザ照射を行うことで、安定した結晶性半導体が得ら
れる。

本発明の第１実施形態によるレーザ照射装置の構成図である。 図１の部分ＩＩの拡大図である。 レーザ照射面における各ビーム成分のエネルギー密度分布とこれらエネルギー密度分布を重ね合わせたエネルギー分布を示している。 第１実施形態により得られる効果を示すためのレーザ照射面の電子顕微鏡画像である。 第１実施形態により得られる効果を示すためのレーザ照射面の光学顕微鏡画像である。 図１の部分ＩＩの拡大図であるが、本発明の第２実施形態の場合を示している。 本発明の他の実施形態による偏光制御部材の変形例を示している。 本発明のさらに別の実施形態による偏光制御部材とシリンドリカルレンズアレイの変形例を示している。 ２つのレーザ共振器を用いたレーザ照射装置の構成図である。 半導体基板に対するレーザアニールにおいて、偏光方向による半導体結晶寸法の違いを示すグラフである。

本発明を実施するための最良の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図におい
て共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態によるレーザ照射装置１０の構成図である。図２は図１
における「ＩＩ」の部分の拡大図である。図１に示すように、レーザ照射装置１０は、第
１および第２のレーザ光源３、４、パルス制御装置５、光路合成光学部材７、ビームエキ
スパンダ８、偏光制御部材９、ビーム重ね合わせ光学部材１１を備える。

第１のレーザ光源３は、偏光したパルスレーザビームを所定の周波数で射出するレーザ
共振器である。第２のレーザ光源４は、第１のレーザ光源３からのパルスレーザビームと
異なる偏光状態のパルスレーザビームを所定の周波数で射出するレーザ共振器である。こ
の例では、第１のレーザ光源３がパルスレーザビームを射出する周波数は、第２のレーザ
光源４がパルスレーザビームを射出する周波数と同じである。本実施形態では、第１のレ
ーザ光源３は、偏光方向が図１、図２の紙面と垂直な方向である直線偏光（以下、第１直
線偏光状態という）のパルスレーザビームを所定の周波数で射出し、第２のレーザ光源４
は、偏光方向が図１、図２の上下方向である直線偏光（以下、第２直線偏光状態という）
のパルスレーザビームを所定の周波数で射出する。

パルス制御装置５は、第１のレーザ共振器３からパルスレーザビームが射出されるタイ
ミングと、第２のレーザ共振器４からパルスレーザビームが射出されるタイミングとがず
れるように、第１および第２のレーザ共振器３，４を制御する。

光路合成光学部材７は、第１および第２のレーザ光源３，４からのパルスレーザビーム
を同じ光路上に案内する。これにより、パルスレーザビームの周波数を倍にし、パルスレ
ーザビームのパワーを上げることができる。光路合成光学部材７は、図９に示す光路合成
光学部材３５と同じものであってよい。図１の例では、光路合成光学部材７は、第１のレ
ーザ共振器３からのパルスレーザビームを反射し、第２のレーザ共振器４からのパルスレ
ーザビームを透過させる偏光ビームスプリッタである。

ビームエキスパンダ８は、光路合成光学部材７から各パルスレーザビームの形状を横長
になるように調節する。ビームエキスパンダ８を通過した各パルスレーザビームは、その
進行方向と垂直な断面形状がレーザ被照射体上のレーザ照射面において、横長（例えば、
線状または矩形）になるように調節される。図１、図２では、図１、図２の上下方向に横
長になるように調節される。

偏光制御部材９は、光路合成光学部材７、ビームエキスパンダ８からのパルスレーザビ
ームの偏光状態を制御する。偏光制御部材９は、パルスレーザビームの進行方向と直交す
る配置方向（図２の上下方向）に配置され、光路合成光学部材７からのパルスレーザビー
ムのビーム成分がそれぞれ通過する第１および第２の偏光制御部１３、１５を有する。第
１の偏光制御部１３（図２において斜線で示される部分）を通過した前記ビーム成分と、
第２の偏光制御部１５を通過した前記ビーム成分とが、それぞれ互いに異なる第１偏光状
態と第２偏光状態となるように、第１および第２の偏光制御部１３，１５が形成されてい
る。第１の偏光制御部１３と第２の偏光制御部１５のすくなくとも一方が、他方の全部ま
たは一部を前記配置方向に挟むように複数に分割されていてよい。図２の例では、第１の
偏光制御部１３は３つの偏光制御要素１３ａ，１３ｂ，１３ｃに分割され、第２の偏光制
御部１５は２つの偏光制御要素１５ａ，１５ｂに分割されており、偏光制御要素１３ａ，
１３ｂが前記配置方向に偏光制御要素１５ａを挟み、偏光制御要素１３ａ，１３ｃが配置
方向に偏光制御要素１５ｂを挟み、偏光制御要素１５ａ，１５ｂが配置方向に偏光制御要
素１３ａを挟むようにこれらが配置されている。
本実施形態では、第１の偏光制御部１３を通過する前記ビーム成分のエネルギー総量と
、第２の偏光制御部１５を通過する前記ビーム成分のエネルギー総量とが同じまたはほぼ
同じになるように、前記配置方向における第１の偏光制御部１３の長さ、および、前記配
置方向における第２の偏光制御部１５の長さが設定されている。
また、本実施形態では、第１の偏光制御部１３（偏光制御要素１３ａ〜１３ｃ）は１／
２波長板であり、第２の偏光制御部１５（偏光制御要素１５ａ，１５ｂ）は通過するビー
ム成分の偏光状態を変えない波長板（全波長板）または石英板である。１／２波長板１３
、１３ａ〜１３ｃは、第１のレーザ共振器３からのパルスレーザビームの偏光方向も第２
のレーザ共振器４からのパルスレーザビームの偏光方向も９０度回転させるように配置さ
れる。即ち、１／２波長板の光学軸が、第１のレーザ共振器３からのパルスレーザビーム
の偏光方向に対し４５度となるようにし、第２のレーザ共振器４からのパルスレーザビー
ムの偏光方向に対しても４５度となるようにすることで、いずれのレーザ共振器３，４か
らのパルスレーザビームの偏光方向も１／２波長板１３により、偏光方向が９０度回転さ
せられる。これにより、第１直線偏光状態のビーム成分が、１／２波長板１３を通過する
と第２直線偏光状態（第２偏光状態）となり、第２直線偏光状態のビーム成分が、１／２
波長板１３を通過すると第１直線偏光状態（第１偏光状態）となる。
第２の偏光制御部１５，１５ａ，１５ｂは、パルスレーザビームが透過し、内部でパル
スレーザビームが進行する光路長が第１の偏光制御部１３と同じとなる材質で形成されて
いる。即ち、第２の偏光制御部１５の材質は第１の偏光制御部１３の材質と同じである。
例えば、第２の偏光制御部１５は、全波長板または石英で形成された石英板であってよい
。従って、第１直線偏光状態のビーム成分が、第２の偏光制御部１５を通過すると第１直
線偏光状態（第１偏光状態）のままであり、第２直線偏光状態のビーム成分が、第２の偏
光制御部１５を通過すると第２直線偏光状態（第２偏光状態）のままである。

ビーム重ね合わせ光学部材１１は、第１偏光状態の前記ビーム成分と、第２偏光状態の
前記ビーム成分とを、レーザ被照射体上のレーザ照射面で重ね合わせる。本実施形態では
、ビーム重ね合わせ光学部材１１は、シリンドリカルレンズアレイ１７と、コンデンサレ
ンズ１８とで構成される。シリンドリカルレンズアレイ１７は、前記配置方向に配置され
た複数の凸シリンドリカルレンズ１７ａを有する。従って、シリンドリカルレンズアレイ
１７に入射したパルスレーザビームは、複数の凸シリンドリカルレンズ１７ａにより複数
のビームに分割される。これら分割された複数のビームは、コンデンサレンズ１８により
レーザ被照射体上のレーザ照射面で重ね合わされる。これにより、ビーム重ね合わせ光学
部材１１を通過する前のパルスレーザビームが、不均一なエネルギー密度分布を持ってい
ても、レーザ被照射体上のレーザ照射面において、均一なまたは均一に近いエネルギー密
度分布を有するようになる。図２の例では、各偏光制御要素１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１
５ａ，１５ｄに対応して、これらと同数の凸シリンドリカルレンズ１７ａが設けられる。
これにより、各凸シリンドリカルレンズ１７ａを通過した各偏光制御要素からのビーム成
分は、コンデンサレンズ１８によりレーザ照射面におけるレーザ照射領域全体に照射され
る。
なお、レーザ被照射体は、本実施形態では半導体基板である。半導体基板は、シリコン
ウエハなどの半導体で形成された基板や、絶縁性基板の表面に半導体膜が形成されたもの
を意味する。また、符号１２は、図１の紙面と垂直な方向に関してパルスレーザビームを
レーザ照射面において集光させる短辺方向集光レンズを示す。

次に上述の構成を有するレーザ照射装置１０の作用について説明する。偏光制御部材９
からの第１偏光状態のビーム成分と第２偏光状態のビーム成分が、そのエネルギー密度分
布がそれぞれレーザ照射面上においてレーザ照射領域全体にわたって引き延ばされるよう
にレーザ照射面に照射させる。これにより、レーザ照射領域の各位置において、第１偏光
状態と第２偏光状態とが混在した状態となる。
上述のように、第１直線偏光状態のビーム成分が、１／２波長板（偏光制御要素１３ａ
〜１３ｃ）を通過すると第２直線偏光状態（第２偏光状態）となり、第２直線偏光状態の
ビーム成分が、１／２波長板を通過すると第１直線偏光状態（第１偏光状態）となる一方
、偏光制御要素１５ａ，１５ｂは通過するビーム成分の偏光状態を変えない。従って、第
１直線偏光状態のパルスレーザビームおよび第２直線偏光状態のパルスレーザビームのい
ずれも、偏光制御部材９を通過することで、第１偏光状態のビーム成分と第２偏光状態の
ビーム成分との両方を持つようになる。
図２において、偏光制御部材９を通過する前のパルスレーザビームのエネルギー密度分
布を、偏光制御要素１３ａ〜１３ｃ、１５ａ，１５ｂの位置に対応させて示している。図
２に示すエネルギー密度分布を有する第１直線偏光状態のパルスレーザビームが、偏光制
御部材９を通過すると、各偏光制御要素１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１５ａ，１５ｂを通過
したビーム成分のエネルギー密度分布は、それぞれ、ビーム重ね合わせ光学部材１１の作
用により、レーザ照射面において図３の（ａ）〜（ｅ）に示すエネルギー密度分布となる
。図３において、各縦軸は、レーザ照射面上における前記配置方向の位置を示し、各横軸
は、ビーム成分のエネルギー密度を示す。詳しく説明すると、図３において、（ａ）は偏
光制御要素１３ａを通過した第２偏光状態のビーム成分がレーザ照射面上において有する
エネルギー密度分布を示し、（ｂ）は偏光制御要素１３ｂを通過した第２偏光状態のビー
ム成分がレーザ照射面上において有するエネルギー密度分布を示し、（ｃ）は偏光制御要
素１３ｃを通過した第２偏光状態のビーム成分がレーザ照射面上において有するエネルギ
ー密度分布を示し、（ｄ）は偏光制御要素１５ａを通過した第１偏光状態のビーム成分が
レーザ照射面上において有するエネルギー密度分布を示し、（ｅ）は偏光制御要素１５ｂ
を通過した第１偏光状態のビーム成分がレーザ照射面上において有するエネルギー密度分
布を示し、（ｆ）は、これら（ａ）〜（ｅ）のエネルギー密度分布を重ね合わせた概略エ
ネルギー密度分布を示す。このようなエネルギー密度分布により、レーザ照射面上のレー
ザ照射領域の各位置で第１偏光状態と第２偏光状態とが混在した状態となる。
また、本実施形態では、図３において、（ａ），（ｂ），（ｃ）のエネルギー総量と（
ｄ）、（ｅ）のエネルギー総量とが同じになっている。

また、図２と図３は第１直線偏光状態のパルスレーザビームが偏光制御部材９を通過す
る場合を示したが、第２偏光状態のパルスレーザビームが偏光制御部材９を通過する場合
も同様である。この場合、図３において、（ａ）は偏光制御要素１３ａを通過した第１偏
光状態のビーム成分のエネルギー密度分布となり、（ｂ）は偏光制御要素１３ｂを通過し
た第１偏光状態のビーム成分のエネルギー密度分布となり、（ｃ）は偏光制御要素１３ｃ
を通過した第１偏光状態のビーム成分のエネルギー密度分布となり、（ｄ）は偏光制御要
素１５ａを通過した第２偏光状態のビーム成分のエネルギー密度分布となり、（ｅ）は偏
光制御要素１５ｂを通過した第２偏光状態のビーム成分のエネルギー密度分布となる。

なお、レーザ照射装置１０によりレーザ被照射体上のレーザ照射面にパルスレーザビー
ムを照射しながら、図示しない搬送装置によりレーザ被照射体を、図１、２の紙面と垂直
な方向に搬送する。これにより、レーザ被照射体上の所望の範囲にわたってパルスレーザ
ビームが照射される。

上述した本発明の第１実施形態によるレーザ照射装置１０によると、第１および第２の
レーザ光源３，４から射出された偏光状態が異なるパルスレーザビームを同一の光路上に
案内してレーザ被照射体に照射する場合に、第１および第２のレーザ光源３，４から射出
されるパルスレーザビームのいずれも、偏光制御部材９によりそれぞれ互いに異なる偏光
状態（第１偏光状態と第２偏光状態）の複数のビーム成分に分離され、ビーム重ね合わせ
光学部材１１により前記互いに異なる偏光状態の前記ビーム成分同士がレーザ被照射体上
のレーザ照射面で重ね合わされるので、いずれのパルスレーザビームも、レーザ照射面上
で第１偏光状態と第２偏光状態とが混在した状態となる。これにより、パルスレーザビー
ム毎の偏光状態の違いがレーザ照射体に与える影響を無くしまたは大幅に低減できる。

また、第１の偏光制御部１３を通過する前記ビーム成分のエネルギー総量と、第２の偏
光制御部１５を通過する前記ビーム成分のエネルギー総量とが同じまたはほぼ同じになる
ように、前記配置方向における第１の偏光制御部１３の長さ、および、前記配置方向にお
ける第２の偏光制御部１５の長さが設定されているので、第１および第２のレーザ光源３
，４から射出されるパルスレーザビームのいずれについても、レーザ照射面上において、
第１偏光状態のビーム成分のエネルギー総量と第２偏光状態のビーム成分のエネルギー総
量とを同じにできる。これにより、一層安定したレーザ照射（例えば、半導体基板のレー
ザアニール）が可能となる。

さらに、第２の偏光制御部１５は、内部でパルスレーザビームが進行する光路長が第１
の偏光制御部１３と同じとなる材質で形成されているので、第１の偏光制御部１３内でビ
ームが進行する光路長と第２偏光制御部内でビームが進行する光路長さとの差が生じるこ
とがなく、光路長の差による悪影響（例えば、レーザ照射面での結像位置エラー）を防止
できる。

（実施例）
図４、図５は、第１実施形態により得られる効果を示すためのレーザ照射面の画像であ
る。図４は電子顕微鏡画像であり、図５は、光学顕微鏡画像である。
図４、図５の各々において、比較の対象となる上側の（Ａ）〜（Ｃ）の画像は、偏光制
御部材９を用いずに半導体基板にレーザ照射して得られた半導体基板上のレーザ照射面の
画像であり、このうち、（Ａ）は、Ｐ偏光のパルスレーザビームで照射した場合であり、
（Ｂ）は、Ｓ偏光のパルスレーザビームを照射した場合であり、（Ｃ）は、Ｐ偏光とＳ偏
光のパルスレーザビームを合成したものを照射した場合（即ち、図１において偏光制御部
材９を省略した構成でレーザ照射を行った場合）の低倍率の画像である。
一方、図４、図５の各々において、本実施形態に対応する下側の（Ｄ）〜（Ｆ）の画像
は、偏光制御部材９を用いて半導体基板にレーザ照射して得られた半導体基板上のレーザ
照射面の画像であり、このうち、（Ｄ）は、Ｐ偏光のパルスレーザビームで照射した場合
（即ち、図１において、第１および第２のレーザ光源３、４のうち第１のレーザ光源３を
使用した場合）であり、（Ｅ）は、Ｓ偏光のパルスレーザビームを照射した場合（即ち、
図１において、第１および第２のレーザ光源３、４のうち第２のレーザ光源４を使用した
場合）であり、（Ｆ）は、Ｐ偏光とＳ偏光のパルスレーザビームを合成したものを照射し
た場合（即ち、図１の構成でレーザ照射を行った場合）の低倍率の画像である。
比較すると、図４、図５において、（Ａ）と（Ｂ）とでは偏光状態による違いがあるた
め、（Ｃ）のように、合成パルスレーザビームでは偏光状態の違いに起因するムラが発生
する。これに対し、本実施形態の場合には、（Ｄ）と（Ｅ）とでは偏光状態による違いが
ほとんど無いため、（Ｆ）のように、合成パルスレーザビームでは偏光状態の違いに起因
するムラが無くなる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態によるレーザ照射装置は、偏光制御部材の構成が第１実施形態の
偏光制御部材９の構成と異なる。第２実施形態の他の構成は、第１実施形態の場合と同じ
であってよい。図６は、図１における部分「ＩＩ」の拡大図であるが、第２実施形態の構
成を示す。

偏光制御部材１９の構成のうち第１実施形態と同様である部分について説明する。
図６に示すように、偏光制御部材１９は、光路合成光学部材７からのパルスレーザビー
ムの偏光状態を制御する。偏光制御部材１９は、前記配置方向（図４の上下方向）に配置
され、光路合成光学部材７からのパルスレーザビームのビーム成分がそれぞれ通過する第
１および第２の偏光制御部２１，２３を有する。第１の偏光制御部２１を通過した前記ビ
ーム成分と、第２の偏光制御部２３を通過した前記ビーム成分とが、それぞれ互いに異な
る第１偏光状態と第２偏光状態となるように、第１および第２の偏光制御部２１，２３が
形成されている。第１の偏光制御部２１と第２の偏光制御部２３のすくなくとも一方が、
他方の全部または一部を前記配置方向に挟むように複数に分割されていてよい。図６の例
では、第１の偏光制御部２１は３つの偏光制御要素２１ａ〜２１ｃに分割され、第２の偏
光制御部２３は２つの偏光制御要素２３ａ，２３ｂに分割されており、偏光制御要素２１
ａ，２１ｂが配置方向に偏光制御要素２３ａを挟み、偏光制御要素２１ａ，２１ｃが配置
方向に偏光制御要素２３ｂを挟み、偏光制御要素２３ａ，２３ｂが配置方向に偏光制御要
素２１ａを挟むようにこれらが配置されている。
また、第１の偏光制御部２１を通過する前記ビーム成分のエネルギー総量と、第２の偏
光制御部２３を通過する前記ビーム成分のエネルギー総量とが同じまたはほぼ同じになる
ように、前記配置方向における第１の偏光制御部２１の長さ、および、前記配置方向にお
ける第２の偏光制御部２３の長さが設定されている。

偏光制御部材１９の構成のうち第１実施形態と異なる部分について説明する。
第２実施形態によると、偏光制御部材１９の第１および第２の偏光制御部２１，２３は
、第１のレーザ光源３からのパルスレーザビームの前記偏光方向（図６の紙面と垂直な方
向）と第２のレーザ光源４からのパルスレーザビームの前記偏光方向（図６の上下方向）
とのいずれにも４５度の角度をなす光学軸を持つ１／４波長板である。第１の偏光制御部
２１の前記光学軸と第２の偏光制御部２３の前記光学軸とは互いに９０度ずれている。
従って、第１のレーザ共振器３からの第１直線偏光状態のビーム成分が、第１の偏光制
御部２１を通過すると、偏光方向が図６の矢印Ａの向きに回転する円偏光（第１偏光状態
）のビーム成分となる。図６は、第１直線偏光状態のパルスレーザが偏光制御部材１９に
入射する場合を示しているが、第２のレーザ共振器４からの第２直線偏光状態のビーム成
分が、第１の偏光制御部２１を通過した場合には、偏光方向が図６の矢印Ａと逆向きであ
る図６の矢印Ｂの向きに回転する円偏光（第２偏光状態）のビーム成分となる。一方、第
１のレーザ共振器３からの第１直線偏光状態のビーム成分が、第２の偏光制御部２３を通
過すると、偏光方向が図６の矢印Ａと逆向きである矢印Ｂの向きに回転する円偏光（第２
偏光状態）のビーム成分となる。図６は、第１直線偏光状態のパルスレーザが偏光制御部
材１９に入射する場合を示しているが、第２のレーザ共振器４からの第２直線偏光状態の
ビーム成分が、第２の偏光制御部２３を通過した場合には、偏光方向が図６の矢印Ａの向
きに回転する円偏光（第１偏光状態）のビーム成分となる。

上述した第２実施形態のレーザ照射装置よると、第１および第２のレーザ光源３，４か
ら射出されるパルスレーザビームのいずれも、光路合成光学部材７により第１偏光状態の
ビーム成分と第２偏光状態のビーム成分とに分離され、ビーム重ね合わせ光学部材１１に
より第１偏光状態の前記ビーム成分と第２偏光状態の前記ビーム成分とをレーザ被照射体
上のレーザ照射面で重ね合わされるので、いずれのパルスレーザビームも、レーザ照射面
上で第１偏光状態と第２偏光状態とが混在した状態となる。これにより、パルスレーザビ
ーム毎の偏光状態の違いがレーザ照射体に与える影響を無くしまたは大幅に低減できる。
この効果以外について、第１実施形態において上述したレーザ照射装置１０の効果、作
用と同様の効果、作用が第２実施形態でも得られる。

［他の実施形態］
第１実施形態または第２実施形態において、以下の変形例を採用することができる。以
下において、第１実施形態の変形例について説明するが、第２実施形態においても同じ変
形例を採用できる。
第１実施形態の偏光制御部材９は、図７（Ａ）〜（Ｃ）のように、偏光制御要素１３ａ
，１３ｂと偏光制御要素１５ａ，１５ｂ，１５ｃとにより構成されていてもよい。（Ａ）
では、偏光制御部材９は、２つの偏光制御要素１３ａ，１３ｂと１つの偏光制御要素１５
ａを有し、（Ｂ）では、偏光制御部材９は、１つの偏光制御要素１３ａを有し１つの偏光
制御要素１５ａを有し、（Ｃ）では、偏光制御部材９は、２つの偏光制御要素１３ａ、１
３ｂを有し３つの偏光制御要素１５ａ，１５ｂ，１５ｃを有する。図７（Ａ）〜（Ｃ）に
おいて、前記配置方向における偏光制御要素１３ａ，１３ｂを合わせた第１の偏光制御部
１３の長さ、および、前記配置方向における偏光制御要素１５ａ，１５ｂ，１５ｃを合わ
せた第２の偏光制御部１５の長さは、上述のように、第１の偏光制御部１３を通過する前
記ビーム成分のエネルギー総量と、第２の偏光制御部１５を通過する前記ビーム成分のエ
ネルギー総量とが同じまたはほぼ同じになるように設定される。
また、第１実施形態において、図８に示すように、第１の偏光制御部１３は、１つの偏
光制御要素１３ａにより構成され、第２の偏光制御部１５も１つの偏光制御要素１５ａに
より構成されている。偏光制御要素１３ａの前記配置方向における幅Ｗａ１および偏光制
御要素１５ｂの前記配置方向における幅Ｗａ２（図８では、Ｗａ１＝Ｗａ２）を、シリン
ドリカルレンズアレイ１７の凸シリンドリカルレンズ１７ａの幅Ｗｂのｎ倍（ただし、ｎ
は２以上の整数）にすることができる。この場合、偏光制御部材９へのパルスレーザビー
ムの入射面における当該ビームの前記配置方向の幅Ｗｃを、凸シリンドリカルレンズ１７
ａの幅Ｗｂのｍ倍（ただし、ｍは２以上の整数）にすることが好ましい。これにより、偏
光制御要素１３ａ，１５ａの数を少なくできるだけでなく、各偏光制御要素１３ａ，１５
ａを通過したビーム成分が、前記配置方向に関して、レーザ照射面上におけるレーザ照射
領域全体にわたって照射されるようにできる。これにより、偏光制御要素１３ａ，１５ａ
の数を少なくしても、レーザ照射領域において第１偏光状態または第２偏光状態のエネル
ギー密度が相対的に高くなる部分が生じることを防げる。図８の例では、偏光制御要素１
３および偏光制御要素１５がそれぞれ１つずつ設けられた場合であるが、他の数の偏光制
御要素を設ける場合も、Ｗａ１＝ｎ１×Ｗｂ，Ｗａ２＝ｎ２×Ｗｂ、Ｗｃ＝ｍ×Ｗｂ（た
だし、ｎ１，ｎ２，ｍは２以上の整数）とすることで、同様の効果が得られる。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更
を加え得ることは勿論である。

例えば、図２の上下方向に、第１の偏光制御部１３（偏光制御要素１３ａ〜１３ｃ）と
第２の偏光制御部１５（偏光制御要素１５ａ、１５ｂ）を配列したが、本発明はこれに限
定されない。例えば、図２において、偏光制御部材９に入射するパルスレーザビームのそ
の進行方向と垂直な断面形状が、図２の紙面と垂直な方向にも広がりを持つ場合には、第
１の偏光制御部１３（偏光制御要素１３ａ〜１３ｃ）と第２の偏光制御部１５（偏光制御
要素１５ａ、１５ｂ）を図２の上下方向と同様に図２の紙面と垂直な方向にも配列してよ
い。図６など他の場合も同様である。

３・・・第１のレーザ共振器（第１のレーザ光源）、４・・・第２のレーザ共振器（第２
のレーザ光源）、５・・・パルス制御装置、７・・・光路合成光学部材、８・・・ビーム
エキスパンダ、９・・・偏光制御部材、１０・・・レーザ照射装置、１１・・・ビーム重
ね合わせ光学部材、１２・・・短辺方向集光レンズ、１３・・・第１の偏光制御部、１３
ａ，１３ｂ，１３ｃ・・・偏光制御要素、１５・・・第２の偏光制御部、１５ａ，１５ｂ
・・・偏光制御要素、１７・・・シリンドリカルレンズアレイ、１７ａ・・・凸シリンド
リカルレンズ、１８・・・コンデンサレンズ、１９・・・偏光制御部材、２１・・・第１
の偏光制御部、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ・・・偏光制御要素，２３・・・第２の偏光制御
部、２３ａ，２３ｂ・・・偏光制御要素

Claims (3)

1. 第１のレーザ光源から直線偏光した第１のパルスレーザビームを射出し、
   第２のレーザ光源から、前記第１のパルスレーザビームの偏光方向と９０度異なる偏光方向を有する直線偏光した第２のパルスレーザビームを射出し、
   前記第１のパルスレーザビームおよび前記第２のパルスレーザビームを同じ光路上に合成し、
   前記合成されたパルスレーザビームを第１の偏光制御部および第２の偏光制御部を通過させ、
   前記通過したパルスレーザビームを半導体膜のレーザ照射面で重ね合わせる半導体装置の作製方法であって、
   前記第１の偏光制御部および前記第２の偏光制御部は、前記第１のパルスレーザビームの偏光方向および前記第２のパルスレーザビームの偏光方向のいずれにも４５度の角度をなす光学軸を有する１／４波長板であり、
   前記第１の偏光制御部の前記光学軸と前記第２の偏光制御部の前記光学軸とは互いに９０度ずれていることを特徴とする半導体装置の作製方法。
2. 第１のレーザ光源から直線偏光した第１のパルスレーザビームを射出し、
   第２のレーザ光源から、前記第１のパルスレーザビームの偏光方向と９０度異なる偏光方向を有する直線偏光した第２のパルスレーザビームを射出し、
   前記第１のパルスレーザビームおよび前記第２のパルスレーザビームを同じ光路上に合成し、
   前記合成されたパルスレーザビームを第１の偏光制御部および第２の偏光制御部を通過させ、
   前記通過したパルスレーザビームを半導体膜のレーザ照射面で重ね合わせる半導体装置の作製方法であって、
   前記第１の偏光制御部および前記第２の偏光制御部は、前記第１のパルスレーザビームの偏光方向および前記第２のパルスレーザビームの偏光方向のいずれにも４５度の角度をなす光学軸を有する１／４波長板であり、
   前記第１の偏光制御部と前記第２の偏光制御部の少なくとも一方が他方の全部または一部を挟むように複数に分割されており、
   前記第１の偏光制御部の前記光学軸と前記第２の偏光制御部の前記光学軸とは互いに９０度ずれていることを特徴とする半導体装置の作製方法。
3. 第１のレーザ光源から偏光した第１のパルスレーザビームを射出し、
   第２のレーザ光源から、前記第１のパルスレーザビームの偏光方向と異なる偏光方向を有する偏光した第２のパルスレーザビームを射出し、
   前記第１のパルスレーザビームおよび前記第２のパルスレーザビームを同じ光路上に合成し、
   前記合成されたパルスレーザビームを第１の偏光制御部および第２の偏光制御部を通過させ、
   前記通過したパルスレーザビームを半導体膜のレーザ照射面で重ね合わせる半導体装置の作製方法。