JPH10253916A - レーザー光学装置 - Google Patents

レーザー光学装置

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JPH10253916A
JPH10253916A JP9072741A JP7274197A JPH10253916A JP H10253916 A JPH10253916 A JP H10253916A JP 9072741 A JP9072741 A JP 9072741A JP 7274197 A JP7274197 A JP 7274197A JP H10253916 A JPH10253916 A JP H10253916A
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cylindrical lens
lenses
lens
homogenizer
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幸一郎 田中
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザー光の強度分布を均一にする光学装置
（ホモジナイザー）において、光の損失を低減する構造
を提供する。。 【構成】 ホモジナイザーに用いられるマルチシリンド
リカルレンズ（シリンドリカルレンズが多数形成された
ガラス基板）において、凸シリンドリカルレンズと凹シ
リンドリカルレンズを交互に配置し、かつ、上記シリン
ドリカルレンズ間を滑らかな構造とする。かくすること
により、従来、シリンドリカルレンズ間の境界部分生じ
た光の散乱を低減できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本明細書で開示する発明は、例え
ば、レーザー光の照射によるアニール処理を行う装置
（レーザーアニール装置）等のレーザーを用いた光学装
置に関する。特に、大面積ビームを照射するレーザーア
ニール装置等において、均一な照射効果が得られるよう
な装置に関する。このようなレーザーーニール装置は、
半導体製造工程等に使用される。
【０００２】また、大面積レーザービームは半導体回路
等の微細な回路パターンを形成するための露光装置等に
も使用される。特に、サブミクロンのデザインルールの
回路を形成するには、紫外線レーザー光が用いられる。
【０００３】
【従来の技術】従来より、非晶質珪素膜に対するレーザ
ー光の照射による結晶化の技術が知られている。また、
不純物イオンの注入によって損傷した珪素膜の結晶性の
回復や注入された不純物イオンの活性化のためにレーザ
ー光を照射する技術が知られている。これらはレーザー
アニール技術と称される。
【０００４】後者の技術の代表的な例として、薄膜トラ
ンジスタのソース及びドレイン領域に対するアニールの
例を挙げることができる。これは、当該領域に対するリ
ンやボロンで代表される不純物イオンの注入の後に、当
該領域のアニールをレーザー光の照射で行うものであ
る。
【０００５】このようなレーザー光の照射によるプロセ
スは、基板に対する熱ダメージがほとんど無いという特
徴を有している。基板に対する熱ダメージの問題がない
という特徴は、処理すべき材料の制約を低減し、例え
ば、ガラス等の耐熱性の低い基板上に半導体素子を形成
する際に有利である。特に、近年その利用範囲が拡大し
ているアクティブマトリスク型の液晶表示装置を作製す
る場合に重要となる。
【０００６】アクティブマトリクス型の液晶表示装置に
おいては、コストの問題及び大面積化の要求から基板と
してガラス基板を利用することが望まれている。ガラス
基板は６００℃以上、あるいは７００℃以上というよう
な高温度での加熱処理には耐えることができない。この
問題を回避する技術としては、上述の珪素膜の結晶化や
不純物イオンの後のアニールをレーザー光の照射で行う
技術が有効である。
【０００７】レーザー光の照射による方法においては、
基板としてガラス基板を用いた場合でも、ガラス基板へ
の熱ダメージはほとんどない。従って、ガラス基板を用
いても結晶性珪素膜を用いた薄膜トランジスタを作製す
ることができる。また、レーザー光がコヒーレント光で
あることを利用して、微細な回路パターンを形成するた
めの光源として用いることも提案されている。特に紫外
線レーザーを用いることにより、サブミクロン以下の微
細なパターンが得られる。
【０００８】しかしながら、一般に、レーザー光はレー
ザー装置から発生した状態（以下、原ビーム、と言う）
では、ビーム面積が小さいため、大面積に対してはレー
ザー光を走査することにより処理する方法が一般的であ
るが、この場合、処理効果の面内均一性が低い、処理に
時間がかかる、等の問題を有する。特に、一般的な原ビ
ームは、光強度分布が一様でないので、そのまま用いる
と、処理効果の均一性の点で著しく問題がある。
【０００９】そこで、原ビームを加工して、可能な限り
均一なビームとし、さらには、処理面積の形状等にあわ
せてビームの大きさも変更する技術が提唱されている。
ビームの形状としては、方形状や線状が一般的である。
かくすることにより、大面積にわたり均一なレーザーア
ニールを施すことができる。
【００１０】原ビームの加工をおこなうレーザー照射装
置の一例を図１（Ａ）に示す。レーザー発振器は、例え
ば、エキシマレーザー等が用いられる。これは、所定の
ガスを高周波放電によって分解し、エキシマ状態と呼ば
れる励起状態を作りだすことにより、レーザー光を発振
させる。
【００１１】例えばＫｒＦエキシマレーザーは、Ｋｒと
Ｆを原料ガスとして、高圧放電により、ＫｒＦ* という
励起状態を得る。この励起状態は、寿命が数ｎｓｅｃ〜
数μｓｅｃというように安定なものではないが、これに
対する基底状態、ＫｒＦは、さらに不安定な状態であ
り、励起状態の密度の方が基底状態の密度よりも高いと
いう逆転分布が生じる。この結果、誘導放射が発生し、
比較的高効率のレーザー光を得ることができる。
【００１２】もちろん、レーザー発振器は、エキシマレ
ーザーに限らず、その他のパルスレーザー、連続レーザ
ーでもよい。一般に高エネルギー密度を得るという目的
ではパルスレーザーが適している。図１（Ａ）に示され
るようにレーザー発振器から放射された原ビームは、凹
レーズや凸レンズによって構成されたビームエキスパン
ダーにより、適当な大きさに加工される。
【００１３】次に、ビームは、ホモジナイザーと称され
る光学装置に入る。これは、多数のシリンドリカルレン
ズ（一般に放物面形状を有している）を有する少なくと
も１枚のレンズ装置（マルチシリンドリカルレンズ）を
有する。従来のマルチシリンドリカルレンズは、図１
（Ｂ）に示すように、複数のシリンドリカルレンズ１〜
５（いずれも凸レンズ）を１枚のガラス上に形成したも
のである。
【００１４】一般には、マルチシリンドリカルレンズを
２枚使用し、互いに直交するように配置される。もちろ
ん、マルチシリンドリカルレンズは、１つでも、３つ以
上でもよい。マルチシリンドリカルレンズが１つの場合
は、原ビームの１つの方向の不均一性が分散される。ま
た、マルチシリンドリカルレンズを同じ向きに２枚以上
形成すると、シリンドリカルレンズの数を増加させたの
と同じ効果を得ることもできる。
【００１５】マルチシリンドリカルレンズを通過するこ
とにより、ビームはエネルギー密度の分散した均一性の
高いビームを得ることができる。この原理は後述する。
その後、ビームは、収束レンズにより目的とする形状に
加工され、あるいは、必要によってミラーによって方向
が変えられ、試料に照射される。（図１（Ａ））
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】次に、従来のホモジナ
イザー（マルチシリンドリカルレンズ）の原理と、問題
点について述べる。この問題点こそ、本発明の解決すべ
き課題である。以下では、煩雑さを避けるため、１つの
面における光学的な考察をおこなう。マルチシリンドリ
カルレンズを透過したレーザー光は、図２（Ａ）のよう
になる。
【００１７】ここでは、マルチシリンドリカルレンズＬ
は５つの凸シリンドリカルレンズｌを有し、それぞれの
シリンドリカルレンズに入射した光は、各シリンドリカ
ルレンズで屈折する。焦点で収束した後、ビームは拡散
する。その際、各シリンドリカルレンズを透過した光
が、全て混合する部分（混合領域）が得られる。
【００１８】ところで、ビームに光強度の分布に偏りが
あり、各シリンドリカルレンズに入射する光の強度がそ
れぞれ異なっていたとする。しかし、混合領域では、各
シリンドリカルレンズを透過した光が混合されるので、
その偏りは分散してしまう。すなわち、光強度の均一化
が図られる。このようにして光強度の分布の少ないビー
ムを得ることができる。（図２（Ａ））
【００１９】ところで、マルチシリンドリカルレンズを
透過した光路に着目すると、これは、等間隔（距離ａ）
に配列した点光源Ｆ（すなわち、焦点）から放射される
光である。（図２（Ｂ））
【００２０】同様な効果は、ガラス基板の両面に間隔ａ
だけ離して、一方の面に凸シリンドリカルレンズｌ1 、
他方の面に凸シリンドリカルレンズｌ2 を配置した場合
にも得られる。図３（Ａ）では、シリンドリカルレンズ
ｌ1 を通過した光路を実線で、シリンドリカルレンズｌ
2 を通過した光路を破線で示す。この場合も、図２の場
合と同様に、混合領域が得られる。（図３（Ａ））
【００２１】さらに、マルチシリンドリカルレンズを透
過した光路に着目すると、図３（Ｂ）に示すように、２
種類の点光源Ｆ1 、Ｆ2 （すなわち、焦点）から放射さ
れる光である。（図３（Ｂ））
【００２２】上記に示した従来のマルチシリンドリカル
レンズにおいては、各シリンドリカルレンズの端部（他
のシリンドリカルレンズとの境界）が屈折しているの
で、該部分において、光が散乱し、光の損失が発生し
た。このことは、レーザー光を有効に利用できないこと
を意味し、ビーム強度の低下を招く。
【００２３】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の問題点に
鑑みてなされたものである。本発明においては、マルチ
シリンドリカルレンズにおいて、凸シリンドリカルレン
ズだけでなく、凹シリンドリカルレンズをも使用し、凸
シリンドリカルレンズと凹シリンドリカルレンズとを交
互に配置し、かつ、各シリンドリカルレンズ間を滑らか
に連続せしめることを特徴とする。
【００２４】本発明の第１は、線状もしくは方形状のビ
ーム形状を有するレーザー光を形成する装置において、
レーザー発振装置と被照射物の間に挿入して用いられる
ホモジナイザーにおいて、上記の構成のマルチシリンド
リカルレンズを用いるものである。
【００２５】また、本発明の第２は、レーザー発振装置
と、レーザー発振装置より発せられたレーザー光が入力
されるホモジナイザーとを有するレーザー光学装置にお
いて、ホモジナイザーにおいて用いられるマルチシリン
ドリカルレンズを上記の構成のものとするものである。
【００２６】上記のマルチシリンドリカルレンズにおい
ては、凸シリンドリカルレンズの曲面状態と凹シリンド
リカルレンズの曲面状態とが同じとしてもよい。また、
ホモジナイザーにおいてマルチシリンドリカルレンズは
少なくとも２つ配置し、前記２つのマルチシリンドリカ
ルレンズの方向を直交して配置してもよい。
【００２７】本発明のマルチシリンドリカルレンズの形
態は、図１（Ｃ）に示されるようになる。これは、従来
のマルチシリンドリカルレンズが、いずれも凸シリンド
リカルレンズ１〜５から構成されていた（図１（Ｂ））
のに対し、凸シリンドリカルレンズ１と３、３と５の間
に凹シリンドリカルレンズ２と４を有することであり、
かつ、これらのシリンドリカルレンズの境界が滑らかに
連続していることである。（図１（Ｃ））
【００２８】各シリンドリカルレンズを相互に滑らかに
接続させるには、隣接する凹シリンドリカルレンズの曲
率と凸シリンドルカルレンズの曲率（曲面形状）を同じ
とすればよい。シリンドリカルレンズが放物面レンズの
場合には、向きの異なる放物面を組み合わせた構造とな
る。このようなマルチシリンドリカルレンズにおけるレ
ーザー光の光路を、図２および図３に示したのと同様に
示すと、図４のようになる。
【００２９】ここでは、マルチシリンドリカルレンズＬ
は、図１（Ｃ）に示されるように、３つの凸シリンドリ
カルレンズｌ1 と２つの凹シリンドリカルレンズｌ2 を
有する。凸シリンドリカルレンズに入射した光は、焦点
で収束した後、拡散する。一方、凹シリンドリカルレン
ズに入射した光は、ある点から拡散するように、一方的
に拡散する。この結果、各シリンドリカルレンズを透過
した光が、全て混合する部分（混合領域）が得られる。
【００３０】上記の効果は、凸シリンドリカルレンズと
凹シリンドリカルレンズの曲率（焦点距離を決定する要
素、またはレンズの曲面形状）が異なる場合でも同様に
得られる。しかも、このような構成のマルチシリンドリ
カルレンズにおいては、光が散乱するような構造（突起
等の滑らかでない部分）がないので、光の損失は低減で
きる。（図４（Ａ））
【００３１】マルチシリンドリカルレンズを透過した光
路に着目すると、これは図３（Ｂ）に示されたものと同
様に、２種類の点光源Ｆ1 、Ｆ2 （すなわち、焦点）か
ら放射される光と見なせる。（図４（Ｂ））
【００３２】ところで、凸シリンドリカルレンズと凹シ
リンドリカルレンズの曲率が同じ場合には、凹シリンド
リカルレンズを透過する光の光路の境界は、隣接する凸
シンドリカルレンズの焦点Ｆ1 を透過する。以下、その
ことを説明する。凸シリンドリカルレンズと凹シリンド
リカルレンズの曲率が同じということは、平行光線が入
射した場合の、前者における収束角度（焦点通過後の拡
がり角度）と後者における拡がり角度が同じということ
である。
【００３３】すなわち、図５（Ａ）に示すように、凸シ
リンドリカルレンズｌ1 の焦点距離をｘとすると、凹シ
リンドリカルレンズｌ2 と透過する平行光線は、図５
（Ｂ）に示すように、入射側に距離ｘだけ離れた点Ｆ2
から放射された光と見なせる。ここで、凸シリンドリカ
ルレンズｌ1 の下端を通過する光の光路Ｆ1 Ａと、凹シ
リンドリカルレンズｌ2 の上端を通過する光の光路Ｆ2
Ａとに着目すると、両レンズを透過する光の拡がり角度
・収束角度は同じであるので、直線Ｆ2 Ａは直線Ｆ1 Ａ
と重なる。すなわち、凹シリンドリカルレンズを透過す
る光の光路の境界は、隣接する凸シンドリカルレンズの
焦点Ｆ1 を透過する。（図５）
【００３４】
【実施例】本実施例の光学系について説明する。本実施
例のレーザー照射装置の基本構成は図１（Ａ）と同様で
ある。ホモジナイザー入射前のレーザー光の形状は、６
ｃｍ×５ｃｍである。本実施例では、ホモジナイザーに
は、１枚のマルチシリンドリカルレンズを用いた。以下
では、マルチシリンドリカルレンズについてのみ説明す
る。
【００３５】本実施例に示す構成においては、マルチシ
リンドリカルレンズは６個の凹シリンドリカルレンズ
（幅５ｍｍ）と、５個の凸シリンドリカルレンズ（幅５
ｍｍ）を交互に配置して構成し、入射するレーザー光を
およそ１０分割するものとしている。シリンドリカルレ
ンズの長尺方向の長さは７ｃｍとした。マルチシリンド
リカルレンズは石英製である。
【００３６】本実施例においては、最終的に照射される
線状のレーザー光の長尺方向の長さは１２ｃｍ、幅０．
５ｍｍである。このため、ホモジナイザーを通過した後
に、レーザー光を長尺方向に２倍拡大し、それに垂直な
方向に１／１００に縮小した。凸シリンドリカルレンズ
と凹シリンドリカルレンズは、いずれも球面レンズと
し、その曲率は同じとした。そして、凸シリンドリカル
レンズの焦点距離は５ｃｍとした。（図１（Ａ）参照）
【００３７】
【発明の効果】本明細書で開示する発明を利用すること
により、半導体装置の作製等に利用されるレーザープロ
セスにおいて必要な、大面積・均一レーザー光を得るこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 レーザー照射装置の光学系の概略および従来
および本発明のマルチシリンドリカルレンズの概要を示
す図。
【図２】 従来のマルチシリンドリカルレンズの光路を
示す概略図。
【図３】 従来のマルチシリンドリカルレンズの光路を
示す概略図。
【図４】 本発明のマルチシリンドリカルレンズの光路
を示す概略図。
【図５】 凸レンズの光路と凹レンズの光路を示す図。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 線状もしくは方形状のビーム形状を有す
    るレーザー光を形成する装置において、レーザー発振装
    置と被照射物の間に挿入して用いられるホモジナイザー
    において、 該ホモジナイザーにおいて用いられるマルチシリンドリ
    カルレンズは、凸シリンドリカルレンズと凹シリンドリ
    カルレンズが交互に配置され、 かつ、前記シリンドリカルレンズ間は滑らかに連続して
    いることを特徴とするレーザー光学装置。
  2. 【請求項２】 レーザー発振装置と、 前記レーザー発振装置より発せられたレーザー光が入力
    されるホモジナイザーとを有し、 該ホモジナイザーにおいて用いられるマルチシリンドリ
    カルレンズは、凸シリンドリカルレンズと凹シリンドリ
    カルレンズが交互に配置され、かつ、前記シリンドリカ
    ルレンズ間は滑らかに連続していることを特徴とするレ
    ーザー光学装置。
  3. 【請求項３】 請求項１もしくは請求項２において、凸
    シリンドリカルレンズの曲率半径と凹シリンドリカルレ
    ンズの曲率半径が同じことを特徴とするレーザー光学装
    置。
  4. 【請求項４】 請求項１もしくは請求項２において、シ
    リンドリカルレンズはいずれも球面レンズであることを
    特徴とするレーザー光学装置。
  5. 【請求項５】 請求項１もしくは請求項２において、ホ
    モジナイザーにおいてマルチシリンドリカルレンズは少
    なくとも２つ配置されており、前記２つのマルチシリン
    ドリカルレンズの方向は直交して配置されていることを
    特徴とするレーザー光学装置。
JP9072741A 1997-03-10 1997-03-10 レーザー光学装置 Withdrawn JPH10253916A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
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