JP5087002B2 - ビーム分離光学素子 - Google Patents

Description

本発明は、入射光ビームの照射フィールドを制限するためのビーム分離光学素子に関する。本発明は、さらに、例えばパネル上のアモルファスシリコンのような半導体薄膜を結晶化させるためのレーザアニーリング装置に関するものである。

本発明は、一般に、例えば基板のレーザアニーリングに用いられる高出力光源又は高出力光学系のビーム整形に関するものである。

本発明は、一般にレーザアニーリングプロセスを含むフラットスクリーン又は薄膜太陽電池処理技法に関するものである。

技術的現状によれば、フラットスクリーンは、一般にいわゆるアクティブマトリックス（ＡＭ）又は薄膜トランジスタ技術（ＴＦＴ）を利用して制御される。この技術は、多結晶シリコンに基づくものである。多結晶シリコン薄膜は、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）でコーティングされた基板を鋭い照射光を形成する均質レーザビームで走査することによって再現可能に製造することが可能である。レーザビームは、高強度紫外光を生じるエキシマレーザのような高強度レーザによって放出される。レーザ装置によって放出されるレーザビームの寸法は、一般に、長軸方向において数百ミリメートルで、短軸方向でせいぜい１０ミクロンである。レーザビームは、厚さが約５０〜１５０ｎｍの薄いアモルファスシリコン層の面で吸収され、基板が加熱されることはほとんどなく、基板が破壊されることもない。通過するレーザビームによってアモルファスシリコンフィルムが局所的に溶融する。溶融フィルムの冷却中に、シリコンは望みどおりの多結晶シリコン（ｐ−Ｓｉ）を形成して凝固する。

先行技術文献の１つ（特許文献１参照）には、こうした結晶化プロセスに利用することが可能な高出力レーザビームから照射面上に鋭い照射線を発生するための光学装置が開示されている。この鋭い照射線は長軸と短軸を含む。この光学装置には、長軸と短軸の方向にレーザビームを結像し、均質化するための結像及び均質化光学系のアナモフィック機構が含まれている。本書の図面には、光学装置にレーザビームの伝搬方向に配置された矩形の視野絞りが示されている。短軸方向において、この矩形視野絞りには１ミリメートルの何分の１かの寸法の比較的小さいスリットが形成されている。長軸方向において、この隙間は数桁大きくなる。短軸方向において、細いスリットが効率のよいやり方で均質に照射される（すなわち、レーザによって供給される放射エネルギの可能性のある最有効利用が行われる）。このスリットが像側においてテレセントリックな縮小光学素子によって照射面に結像する。レーザビームは、照射線の長軸に関する限り上述のスリットに収束しない。代わりに、レーザビームは、照射面すなわち処理される基板上において照射線が形成されることになる面に直接結像する。

この光学的均質性や上述の結像系が極めて有効に機能するにもかかわらず、先行技術文献には、矩形視野絞りによって遮断されるレーザビームの放射エネルギを消失させる方法についてはいかなるヒントも開示されていない。さらにこの文献では、視野絞りによって遮断される放射エネルギを視野絞りを破壊しない程度にまで制限することが可能な方法、及び、十分な放射エネルギによって照射線を生じさせることを必ず保証する、すなわち、レーザによって供給される放射エネルギの可能性のある最も有効な利用を必ず行う方法が示されていない。

先行技術文献の１つ（特許文献２参照）には、中出力又は高出力のレーザビームを制限するための装置が開示されている。それに開示されている装置には、鏡面をなし、それによって反射されたビーム部分がレーザビーム軸から離れる方向に向けられるようにレーザビームに対して配置された絞りが含まれている。

こうした視野絞りの鏡面は、一般に、エッジの近くで厚さが変化する誘電体コーティングから構成されている。こうした厚さの変化は、レーザビームの鮮鋭なエッジを発生させることができないことを意味する。さらに、ミラーによって反射されたレーザビームを集光して、残留エネルギを散逸させる極めて大きいビームダンプ(beam dump)が必要になる。

特許文献２によれば、レーザビームを閉じ込める先行技術では吸収タイプの絞りも周知のところである。こうした絞りは、レーザビームの不要部分を吸収する。しかしながら、レーザパワーが中以上の範囲内にある場合、すなわち、エネルギ密度が５０ｍＪ／ｃｍ²を超えるか又はパワー密度が１５０ｋＷ／ｃｍ²を超える場合、こうした絞りには問題が生じる。こうした絞りは、極めて高温になる可能性があり、１００℃を超える温度を示す場合もある。絞りのこの加熱によって周囲が加熱され、結果として、エッジに例えば周囲空気に脈理（すなわちガス密度の変動）が形成される可能性がある。そのような脈理によってレーザービームの直進伝搬が乱れることがある。

さらに、こうした吸収タイプの絞りは、エッジが極めて直線的で鋭い剃刀の刃のような物体を用いて形成される場合が非常に多い。大規模レーザシリコン結晶化機構において短軸方向のアスペクト比が高くなる照射線の拡大を制限するためのビーム分離光学素子としてこうした絞りを利用すると、結晶の成長が不良になることが分かった。さらに、短軸方向において光ビームを部分的に遮断すると、入射光エネルギの増大のために剃刀の刃状の絞りが破壊されることになりがちであることが観測されている。

米国特許第５，７２１，４１６号明細書 米国特許第５，１６１，２３８号明細書

本発明の目的は、直交する第１と第２の次元（長軸と短軸方向と呼ばれる）において延びていて、伝搬方向に対して横方向の線ビームを生成するために用いることが可能な入射光ビームの照射フィールドを制限又は限定して、アモルファスシリコンの薄膜でコーティングされた基板に沿った短軸方向に線ビームが伝達され、均質な多結晶シリコン薄膜が大規模に生成されるようにするためのビーム分離又は照射フィールド限定光学素子を提供することにある。

本発明のもう１つの目的は、高出力光源による照射中に熱の影響の増大によって故障する傾向を軽減する、入射光ビームの照射フィールドを制限する又は限定するためのビーム分離又は照射フィールド限定光学素子を提供することにある。

本発明のもう１つの目的は、高出力レーザによって放出されるレーザビームから生じる、長軸と短軸を持つ断面を有し、１０μｍ×７３０ｍｍを超える高アスペクト比の場合にも保証される鮮鋭な照射線をパネル上に生成するための光学装置を提供することにある。

本発明のさらにもう１つの目的は、結晶の質が向上した多結晶シリコン薄膜の大規模な生産さえ可能にする、パネル上にアモルファスシリコン層を結晶化するためのレーザアニーリング装置を提供することにある。

いくつかのケースで、反射タイプ素子を利用しただけではビーム分離光学素子に対する熱の影響を軽減するのが不可能であることが分かった。特に、ビームダンプの配置又は望ましくない遮断ビームの反射に十分なスペースがなければ、吸収タイプのビーム分離光学素子が利用されることになる。この場合、当該技術者は、第１の選択肢として上述の剃刀の刃状の物体を利用することになる。精密な検査によって、例えば、米国特許第５，７２１，４１６号明細書に記載のアモルファスシリコンを結晶化させるためのレーザアニーリング装置にこうした絞りを導入すると、絞りの破壊がレーザビームにさらされる絞りの全領域に対して主として局所的に同時ではなく始まるという結論が出た。同時に、照射線によって照射されるパネル上における結晶の成長が、パネル上における照射線の移動後、必ず同じ線に沿って妨げられることが分かった。絞りの局所的破損や局所的に不良の結晶の質には相関性があることが分かっている。すなわち、レーザビームの一部が絞りによって望ましくない形で遮断されたことが分かった。この発見によって、こうした剃刀の刃状の物体の直線性が、アモルファスシリコンを大規模に結晶化するためのレーザアニーリング装置に関する要件を満たすのに十分ではない可能性があるという結論に至った。すなわち、剃刀の刃状の物体のエッジの鋭さでは、アモルファスシリコン層から均質な多結晶シリコンを生産するのに不十分である。

本発明によれば、第１の面と第２の面を備える入射光ビームの照射フィールドを制限するためのビーム分離光学素子が提供されるが、第１の面と第２の面は、二面角を囲んでエッジを形成し、エッジは入射光ビームを少なくともサブビームに空間的に分離し、所定の形状からの変化が、長さが２０μｍ以下、できれば１０μｍ以下、最も望ましいのは５μｍ以下である。エッジが故意に直線形状である場合、エッジ長が１ｍであれば直線性の変化が２０μｍを超える可能性はない。

鋭いエッジを備えるビーム分離光学素子の望ましい製造方法は、面の少なくとも一方がラッピング及び／又はポリッシングによって製造されるということに基づいている。ラッピング及び／又はポリッシングは、両方とも面を平滑にするため粗粒を用いる技法であるが、技術的現状に従って剃刀の刃の製造に用いることが可能な研削技法は、研削装置に固着した粗粒に基づくものである。ポリッシング及び／又はラッピングプロセスによって、鋭さの最大変化がいつも得られる値未満である縁の鋭いエッジを形成することが可能になる。

本発明のもう１つの態様によれば、高出力レーザから放出されるレーザビームから生じ、長軸と短軸のある断面を有する鮮鋭な照射線をパネル上に発生するための光学装置が提供されるが、光学装置には、入射光ビームの照射フィールドを制限するためのビーム分離光学素子が含まれており、ビーム分離光学素子には、第１の面と第２の面が含まれ、第１の面と第２の面はある角度を囲んでエッジを形成し、エッジによって入射光ビームが少なくとも２つのサブビームに空間的に分離され、エッジは、あるエッジ尖鋭度と最大でも２０ミクロン／ｍのその理想形状からの偏差を有しており、エッジはレーザビームによって照射され、短軸の少なくとも１つの方向においてレーザビームを空間的に制限する。

さらなる利点又は特徴については、本発明の望ましい実施形態が示された下記の説明及び添付の図面明らかになるであろう。

以下では、添付の図面に関連して典型的な望ましい実施形態について述べることにする。

図１には、パネル上に鮮鋭な照射線を発生するための光学装置が示されているが、この光学装置はパネル上にアモルファスシリコン層を結晶化させるためのレーザアニーリング装置の一部をなすことが可能である。

この光学装置には、ビーム分離光学素子２が含まれている。図１によるこのビーム分離光学素子２はその面４に入射し、面４によって反射されない光ビームのほぼ全エネルギを吸収することが可能である。以下では、このビーム分離素子２は吸収タイプのビーム分離素子２と呼ばれる。

図１に示す本事例の場合、吸収タイプのビーム分離光学素子２は、第１の面４と第２の面６の２つの面を備えたプリズムのように見えるが、第１の面４と第２の面６は二面角γを囲んでエッジ８を形成している。本事例の場合、第１と第２の面４、６は直交座標系のｘ−ｚ面を示す図面に対して垂直に配置されている。簡略化のため、第１と第２の面４、６は平面になっているが、その第１と第２の面４、６の一方又は両方を曲げるか湾曲させることも可能である。

本事例の場合、ビーム分離光学素子２はプリズムとして描かれている。それにもかかわらず、ビーム分離光学素子２はバー又はロッド又はプレート又は想像することが可能なあらゆる形状を備えた別の物体とすることも可能である。すなわち、２つの面４、６はまっすぐでも直線状でもない（本事例におけるように）エッジ８を形成することが可能であり、例えば、円、楕円、又は、所望の又は所定の任意の形状をなすことが可能である。さらに、同じか又は類似の形状を備え、プリズム（又はロッド又はバー又はプレート等）のエッジに対して平行か又は角度をなすように配置されて、スリット又はスリット状の開口部を形成する別のエッジを備えた別のプリズム（又はロッド又はバー又はプレート等）を設けることも可能である。

説明のため、入射ビーム１が図面の左側から図面の右側（ｚ方向）に伝搬するものと仮定する。本事例の場合、入射ビーム１はビームクラスタ（例えばコリメートされた光線）だけではなく、パネルの照射時に輪郭の明瞭な領域を形成しない光線も表わしている。それにもかかわらず、ビーム分離光学素子２は、入射ビーム１を空間的に閉じ込めるか又は限定することが可能でなければならない。

入射ビーム１は第１の面４をかすめる。縁の鋭いエッジ８によって、ビーム１は２つのサブビーム３ａと５に分離される。第１のサブビーム３ａはビーム分離光学素子２によって吸収される。第２のサブビーム５は、主軸７に沿ってほとんど妨げられることなく、その伝搬方向（ｚ方向）を変えずに伝搬する。エッジ８は、こうして入射光ビーム１を２つのサブビーム３ａと５に空間的に分離する。

エッジ８の形状の直線性に応じて、両方のサブビーム３ａ、５の強度プロフィールはｙ方向に沿って多かれ少なかれ直線状のエッジを備えることになる。エッジ８の形状の直線性（又は円又は楕円又は所望の又は所定の任意の形状）からの逸脱は、図２から分かるように、照射フィールド制限装置２の長軸に沿った湾曲１５に存在する可能性がある。図２には、エッジ８の形状１５が一方の端部９からもう一方の端部１１までのその全長ｌにわたって所定の直線形状１９から逸脱する、図１による照射フィールド制限装置２が示されている。所定の形状１９からの最大変化量すなわち偏差Δｘ_maxが図２の線１９に対して平行な線１３で表示されている。

エッジ８の形状の直線性（又は円又は楕円又は所望の又は所定の任意の形状）からの逸脱は、図３から分かるように（ほとんどの場合、さらに）照射フィールド制限装置２の長軸に沿って長さの短い残留不規則誤差にも存在する可能性がある。図３には、エッジ形状８の形状１７が、こうした残留誤差のために一方の端部９からもう一方の端部１１までのその全長ｌにわたって所定の直線形状１９から変化する図１による照射フィールド制限装置２が示されている。所定の形状１９からの最大変化量又は偏差Δｘ_maxが図３の線１９に対して平行な２本の線１３ａ、１３ｂによって表示されている。

本発明によれば、エッジは縁の鋭さと、図面に対する垂直方向（ｙ方向）において直線性の最大変化Δｘ_maxが１ｍの長さｌにつき２０μｍ未満（１０μｍ／ｍ未満が望ましい）のその理想形状からの逸脱の両方を備えている。こうした縁の鋭さは、第１と第２の面４、６の少なくとも一方にラッピング又はポリッシングを施すことによって得ることが可能である。こうした縁の鋭さは、質の高い多結晶シリコン薄膜をもたらすアモルファスシリコン層を結晶化するためのレーザアニーリング装置を構成するのに十分である。すなわち、こうした照射フィールド制限装置は、先行技術に従って剃刀の刃を使用する場合のように（少なくとも）局所的に均質な照射線のかなりの部分を遮断することなく、照射線の望ましくない不均質な部分だけを遮断するように調整することが可能である。

入射光ビームを２つのサブビームに分離するために必要なエッジを形成する剃刀の刃の隣接面の角度γは１０°未満であるが、本事例の場合、４０°を超える二面角γが望ましい。というのは、角度γがより鈍くなると、例えば、要望どおりに２０μｍ未満又は最も望ましい５μｍ未満といった縁の鋭さが改善されたエッジの形成に役立つからである。生産上の必要により、エッジを形成するために面をポリッシング又はラッピングを行う際、二面角γは９０°以下になるように選択するのが望ましい。それにもかかわらず、こうした製造プロセスを利用して、少なくとも１３５°までの二面角γを形成することが可能である。

ビーム分離光学素子２の吸収特性を改善するため、入射角εすなわち第１の（入射）面４の法線ベクトルと入射ビーム１の伝搬方向ｚ（すなわち主軸７）との間の角度εが、ブルースター角ε_p又は角度ε_pからあまりはずれない角度εになるように調整される。

ビーム分離光学素子２は、熱伝導率λが高く（できれば１００Ｗ／ｍＫを超えるか、最も望ましいのは３００Ｗ／ｍＫを超える）、熱膨張率αが低い（できれば１０^-6Ｋ^-1未満）材料で製造されるのが望ましい。本発明によれば、炭化ケイ素セラミックを用いるのが望ましい。こうしたセラミックは、約２〜４×１０^-6／ケルビンの熱膨張率αで１５０〜３４０Ｗ／ｍＫの熱伝導率λを有している。炭化ケイ素（ＳｉＣ）の代わりに、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、窒化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、又は、臭化ジルコニウム（ＺｒＢｒ₂）を利用することも可能である。すなわち、こうしたビーム分離光学素子２と水冷却のような対流冷却を組み合わせると、遮断された第１のサブビーム３ａによるビーム分離光学素子２の加熱に起因する脈理の形成を有効に回避することが可能になる。

図４には、本発明による光学装置のもう１つの実施形態が示されている。この場合、図１による吸収タイプのビーム分離光学素子２は、反射タイプのビーム分離光学素子２に置き換えられている。図１に示す例と同様（ただし本発明の範囲を制限するわけではないが）ビーム分離光学素子２には、第１の面４と第２の面６が含まれている。面４、６は両方とも平面状の面である。両面４、６とも互いに対して傾斜して、例えば３０°といったエッジ角γを形成している。第１の面４と第２の面６の交差線がエッジ８を形成している。このエッジ８は図面に対して垂直に（ｙ方向に）配置された直線である。

本事例の場合、ビーム分離光学素子２は、その熱伝導率λが優れているためサファイアから構成されている。それにもかかわらず、シリコン又は石英の利用も可能である。

第１の面４と第２の面６の２つの面は、ラッピングによって製作される。ラッピングは粗粒を利用して、極めて平らで艶のある面の形成を可能にする研磨技法である（ラッピングの代わりに、やはり粗粒を用いる研磨技法であるポリッシングを利用することも可能である）。これら平滑な面は、鋭さの最大変化が１ｍの長さにつき２０ミクロン未満である縁の尖鋭度を有するエッジ８を形成するための必須条件である。

入射ビーム１（上述の）が図面の左側から右側（ｚ方向）に伝搬するものと仮定する。エッジ８によって入射光ビーム１が特に２つのサブビーム３ｂと５に分離される。第１のサブビーム３ｂはビーム分離光学素子２の鏡面をなす第１の面４によって反射される。第２のサブビーム５は、入射ビーム１の伝搬方向ｚに変化することなく伝搬する。

図５には、パネル上に鮮鋭な照射線を発生するための光学装置の第３の実施形態が示されている。上述の最初の２つの光学装置と同様、入射光ビーム１の照射フィールドを制限するためのビーム分離光学素子２が存在する。この実施形態におけるビーム分離光学素子２は屈折タイプである。ビーム分離光学素子２は通常タイプのプリズムによって形成されている。

プリズム２には、第１の入射面４と第２の射出面６が含まれている。入射面４と射出面６はやはり任意の所定の形状状を備えることが可能である。すなわち、面４、６は曲げるか又は湾曲させることもできるし、部分的に又は完全に平面状にすることも可能である。

入射面４と射出面６は互いに対して傾斜している。それらは、例えば約５５度のくさび角γといった二面角γを形成している。

入射面４と射出面６は平面なので、切り取り線は直線である。例えば、両方の面４、６が両方とも円錐を形成する場合、切り取り線は円形状又は楕円形状を備えることになる。本事例の場合には直線である切り取り線がエッジ８を構成する。上述の例と同様のエッジ８は、入射光ビーム１（図面の左側からの）を空間的に２つのサブビーム３ｃ、５に分離することが可能である。

プリズム２の第１の面４を貫通する入射ビーム１の（下方）部分は、プリズム２の入射面４と射出面６において屈折する。これは、入射ビーム１の入射角ε₁、ε₂が第１の面４と第２の面６においてゼロに等しくないという事実に起因する。それにもかかわらず、本発明の範囲を制限することなく、第１の面４又は第２の面６において入射角ε₁、ε₂がそれぞれゼロに等しいという可能性もある。

本事例の場合、プリズム形状を備えた屈折ビーム分離光学素子２はサファイアから製造される。サファイアはその高熱伝導率λを特徴とする。それにもかかわらず、プリズム２は、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化バリウム、石英、又は、光学ガラスを含む材料から製造することも可能である。

対応する吸収ビーム分離光学素子は、セレン化亜鉛又はシリコン単結晶のようなセラミック又は結晶材料から製造することが可能である。

図６には、図１〜３に示す実施形態と極めてよく似た光学装置が示されている。図６による光学装置には、屈折タイプと反射タイプのビーム分離光学素子が含まれている。ビーム分離光学素子２には、入射面を形成する第１の面４及び反射面を形成する第２の面６が含まれている。第１の面４と第２の面６の両方とも平面である。第１の面４と第２の面６は互いに対して傾斜しており、例えば６４度といった二面角γを形成している。第１の面４と第２の面６は直線状に延びるエッジ８を形成している。エッジによって、入射光ビーム１は空間的に２つのサブビーム３ｄ、５に分離されるが、その一方すなわちサブビーム５は入射ビーム１の方向すなわちｚ方向に伝搬し、もう一方すなわちサブビーム３ｄは入射面４において屈折し、背面６において反射させられる。

面４における入射ビーム１の入射角εは、前面４における反射をできるだけ減少させるためブルースター角ε_pになるように選択されるのが望ましい。反射サブビーム３ｄはビームダンプに導かれる。従って、ビーム分離光学素子２に対する入射ビーム１によって生じる熱負荷が低減する。

ビーム分離光学素子は、エッジ８が長さ１ｍ（この場合ｙ方向で測定される）につき多くても２０ミクロン（この場合ｘ方向で測定される）の縁又はエッジ尖鋭度を有することを特徴とする。こうしたエッジ尖鋭度は、やはり面４、６の少なくとも一方のラッピング又はポリッシングプロセスによって得られる。

ビーム分離光学素子２は、約４０Ｗ／（ｍＫ）という高熱伝導率λのためサファイアから製造される。この材料は、全反射中の高エネルギ強度によるビーム分離光学素子２の破壊を回避のに役立つ。サファイアの代わりに、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化バリウム、石英、セレン化亜鉛、シリコン単結晶、又は、光学ガラスのような材料を用いることも可能である。

図７には、高アスペクト比（線の長さを幅で割った値）の細い照射線を発生するための本発明による光学装置の第５の実施形態の概略図面が示されている。図７には、いわゆるビーム軸の短い照射線を発生するためのビーム光路が例示されている。

図７に例示の光学装置には、それ自体既知のやり方でレーザビーム１２を放出するエキシマレーザ１０が含まれている。発光するエキシマレーザの変わりに、ＣＯ₂レーザ、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、又は、固体レーザを用いることも可能である。レーザのパワーは、５０Ｗを超えることがある。放出されるエキシマレーザビーム１２の寸法は、例えば１５×４０ｃｍ²になる可能性がある。次に、このレーザビーム１２は、図７の右側に示す照射線７０を生じさせるため、下記で明らかにされることになる光学素子を用いて処理されることになる。

エキシマレーザ１０によって放出されるビーム１２は、ビーム調整及び入射アパーチャ適応装置１４に入射する。このビーム調整及び入射アパーチャ適応装置１４には、所望の場合、減衰器と、例えば線に沿って次の光学素子の入射アパーチャの寸法を調整するレンズテレスコープを含むことが可能である。

ビーム調整及び入射アパーチャ適応装置１４から出射する適応させられたビーム１６は、光入射アパーチャ１８に入射する。入射アパーチャ１８を通過するビーム２０は、特許文献１に記載のものに相当する結像及び均質化光学装置２２に導かれる。この結像及び均質化光学装置２２によって、幅が約０．００５〜１ｍｍ（短軸Ａ_s長さ）で長さが例えば１０〜１００ｍｍ（長軸Ａ_l長さ）の長軸と短軸を備えた結像及び均質化ビーム２４が送り出される。短軸Ａ_sの長さが図７の右側に示され（ｘ方向）、一方、長軸Ａ_l長さが図面に対して垂直に延びている（ｙ方向）。

短軸Ａ_s方向における結像及び均質化ビーム２４のエッジは、図７に示すビームプロフィール８４によって明らかなようにあまり急勾配ではない。処理関連した必要のため、短軸Ａ_s方向におけるエッジ又はエッジの少なくとも１つは鋭くなければならない。すなわち、本光学装置によって発生するレーザビームでアモルファスシリコン薄膜を照射した場合に、質の高い多結晶シリコン薄膜が生じるようにするには約１μｍの尖鋭度が必要になる。

本事例の場合、吸収タイプのビーム分離光学素子２６が、結像及び均質化ビーム２４の伝搬方向ｚに導入される。吸収タイプのこのビーム分離光学素子２６は、短軸方向Ａ_sの１つにおいて結像及び均質化ビーム２４のフラットなエッジを遮断するために用いられる。

吸収タイプのビーム分離光学素子２６は、炭化ケイ素セラミックの薄板から構成される。光学装置が十分に鮮鋭な線ビーム７０を発生できるようにするのに役立つ要件を満たすには、二面角γを閉じてエッジ３２を形成する２つの面２８、３０が必要になる。

本事例の場合、エッジ３２によって結像及び均質化ビーム２４は２つのサブビーム３４、３６に分離される。ビーム分離光学素子２６の第１の面２８に送られるサブビーム３４によって、結像及び均質化ビーム２４の望ましくない部分が遮断される。このサブビーム３４の主部はビーム分離光学素子２６によって吸収される。吸収エッジ３２によって部分的に制限されるサブビーム３６は、主軸３８に沿ってｚ方向に伝搬し、縮小光学素子６４に入射する。この縮小光学素子６４によって、上述のアモルファスシリコン層を備える基板６６とすることが可能なパネル上に吸収エッジ３２の像が形成される。

縮小光学素子６４は照射線７０のエッジの鋭い鮮明度（鮮鋭度）を生じさせるのに役立ち、その結果、参照番号８６によって示されたビーム強度プロフィールを得ることが可能になる。照射線７０の鮮鋭度が、本事例の場合ｘ方向であるビーム２４の伝搬方向に対して垂直なエッジ３２の形状によってかなりの影響を受けるという点に言及しておかなければならない。

これを考慮して、本発明ではエッジ尖鋭度（縁の尖鋭度）が２０ミクロン／メートル未満の吸収エッジ３２を備えたビーム分離光学素子２６が用いられる。これは、ｘ方向における所定の直線性の変化（すなわち一般にその理想形状からの偏差）がｙ軸方向の１ｍの長さにわたって２０μｍ以下であることを表わしている。こうした尖鋭度は、吸収エッジ３２を形成する第１の面２８及び／又は第２の面３０にラッピング又はポリッシングを施すことによって実現されるのが望ましい。縮小光学素子６４によって例えば１０：１の比率でこうした吸収エッジ３２を結像すると、縮小ビーム６８によって生じる照射線７０の１μｍまでのエッジ鮮明度を達成することが可能になる。

直線状に延びる吸収エッジ３２を備えたビーム分離素子２６は、照射すべき物体によって決まる要件に応じて、照射線７０だけではなく、円形又は楕円形といった他の所定の線のこうした鮮明度を実現するためにも製作することが可能であるということを心に留めておくべきである。

図１に示す吸収タイプのビーム分離光学素子２６は、ほとんどメンテナンスフリーであり、ビーム分離光学素子２６の冷却が十分に行われる限りにおいて、ビーム分離光学素子２６によって遮断される高レーザエネルギを蓄積するために追加ビームダンプを必要とすることはない。

本事例の場合、ビーム分離光学素子２６の吸収特性を最適化させることが可能である。第１の面２８には、反射防止コーティングを施すことによって、又は、反射が最小限に抑えられるように入射ビーム２４に対して第１の面２８を調整することによって対応することが可能である。本事例の場合、ビーム分離光学素子２６は反射防止コーティングによって被覆されない。というのは、こうしたコーティングは吸収エッジ３２の最適化された尖鋭度を乱すか又は高エネルギ放射線による損傷を被る可能性があるためである。現在のところ、第１の面２８と入射結像及び均質化ビーム２４の主軸３８によって形成される平面の法線ベクトルは、ブルースター角ε_pに近い入射角εを形成する。吸収特性が向上し、残留反射率が最小限に抑えられる。

入射角εはブルースター角ε_pにできるだけ近くなるように調整しなければならない。ブルースター角ε_pからの偏差は５度以下あるいは最も望ましいのは２度以下であることが必要とされる。均質化ビーム２４の伝搬方向ｚに対するビーム分離光学素子２６のこうした配向を実現するため、傾斜角調整装置５２が導入される。入射角εは所定の値すなわちブルースター角ε_pに合わせて調整することが可能である。この調整は手動で実現することもできるし、あるいは、モータ又は圧電結晶のような他の任意のアクチュエータによって遂行させることも可能である。図８には、回転軸４２まわりでビーム分離光学素子２６を回転方向４４に回転させることによる典型的な入射角ε_pの調整が示されている。本事例の場合の傾斜角調整装置５２は開ループ又は閉ループ制御装置５６によって駆動される。

場合によっては、均質化ビーム２４の伝搬方向ｚに垂直な平面に対してビーム分離光学素子２６の位置を調整することが必要になる。すなわち、吸収エッジ３２は要求通りに長軸方向Ａ_lに対応することができない。もう１つの問題は、要求通りにビーム分離光学素子２６によってビーム２４の一方の端部を遮断することができないという点である。従ってできればということであるが、入射均質化ビーム２４に対してビーム分離光学素子２６の位置を調整するためには、位置調整装置５４が必要である。

こうした位置調整装置５４によれば、図８に示す矢印４８、５０で表示のようにビーム分離光学素子２６の位置調整を行えるようにすることが可能になる。第１の面２８の方向に平行なｘ−ｚ面におけるビーム分離光学素子の直線シフト及び矢印４８で表示のような第１の面２８に垂直な軸まわりでの回転が可能である。こうした解決法の代わりに、ビーム分離光学素子２６をそれぞれｘ方向又はｚ方向に移動させることについても検討することが可能である。

図７による光学装置には、さらに、ビーム分離光学素子２６の吸収エッジ３２の近くにおける入射光ビームの強度を監視するための強度監視装置６２も含まれている。本事例の場合、強度監視装置６２は、ビーム分離光学素子２６の第１の面２８から生じる残留反射ビーム６０の強度を検出する光検出器６２で構成されている。すなわち、この第３の残留反射サブビーム６０の強度分布が長軸Ａ_lに沿って測定される。制御装置５８は、検出器６２によって監視される強度に従って位置調整を制御する。残留反射６０は、ビーム分離光学素子２６の長辺の両エッジで測定されるのが望ましい。両信号の和は、入射ビーム２４とぶつかるビーム分離光学素子２６の全深度を制御するのに役立つが、ビーム分離光学素子２６の両端で測定された強度間の差は、長軸方向Ａ_lに対する吸収エッジ３２の配向の偏差を調整するのに役立つ。

図９には、本発明による光学装置の第６の実施形態が示されている。例えば図７に示す結像及び均質化光学素子２２から放出することが可能な均質化ビーム８８は、反射鏡９２に送られる。ビーム８８は短軸Ａ_sに沿って均質化される。短軸Ａ_sに沿ったビーム形状を表わすビームプロフィール９０から分かるように、ビーム８８のエッジだけが不均一である。反射鏡９２はＵＬＥ^TMから構成される。ＵＬＥ^TMの代わりに、ＺＥＲＯＤＵＲ^TM、溶融石英、フッ化カルシウム、又は、光学ガラスのような反射鏡に適した任意の他の材料を用いることも可能である。

反射鏡９２の役割はプロフィール９０の均一部分と不均一部分の分離である。これは、均一部分だけが反射され、不均一部分は反射鏡の参照番号９６で表示された有効領域に当たらないように反射鏡９２をオーバフィルすることによって実現可能である。反射鏡９２は、下記において第１の面９４、第２の面９６、及び、もう１つの第１の面９８として表示される３つの特性面を備えた平板の形状を有している。第２の面９６は、反射鏡９２の有効領域を形成しており、他の両方の面すなわち第１の面９４ともう１つの第１の面９８は、第２の面９６に対する傾きが垂直である。第１の面９４と第２の面９６とでエッジ１００を形成している。同様に、第２の面９６ともう１つの第１の面９８とでエッジ１０２を形成している。エッジ１００、１０２は両方とも２０μｍ／ｍ未満のエッジ尖鋭度を備えている。この尖鋭度は面９４、９６、９８のラッピングによって得られる。

両エッジによって、とりわけ入射光ビーム８８がそれぞれ２つのサブビーム１０４、１０６、及び、１０６、１０８に分離される。第１のサブビーム１０４は、第１の面９４において反射されるか、吸収されるか、又は、透過される。第２のサブビーム１０６は第２の面９６において反射される。もう１つの第１のサブビーム１０８は、入射ビーム８８と比べて同じ直接伝搬方向を有する反射鏡９２を通過する。

上述のように、均一部分すなわち第２のサブビーム１０６だけが反射される（伝搬方向におけるビームプロフィール１１０によって分かるように）、一方、プロフィール９０の不均一部分は分離される（ビームプロフィール１２２、１２４のサブビーム１０４、１０８）。

反射鏡９２に対する入射ビーム８８の望ましい入射角εは、例えば７５°以上といったように極めてフラットである。この利点は、短軸Ａ_sへの方向において反射鏡９２の物理的面積が増大するということである。それによって、層に対する熱負荷をかなり低減させることが可能になる。例えば、反射鏡９２の第２の面９６の法線ベクトルに関する入射角εが８４度であれば、短軸Ａ_sに沿ったビーム８８の寸法と反射鏡９２の幅との比は１：１０になる。すなわち、短軸Ａ_sへの方向において幅が１５０μｍのビーム８８が、１．５ｍｍ幅の反射鏡９２によって反射可能になる。

反射鏡９２としては、厚さが１．５ｍｍのガラス板（不図示）を利用することが可能である。ガラス板は、アクティブミラーすなわち参照番号９６で示される面がガラス板の底面になるように用いられる。反射鏡９２の代替解決手段としては、ビームが第１の面を通ってプリズムに入射すると、プリズム内で第２の面における全内反射によって反射され、第３の面を通って再び出射する反射プリズムも可能である。

長軸Ａ_lに沿ってビーム１０６の一定幅を得るためには、ガラス板の厚さは一定でなければならず、エッジは極めて鋭くなければならない。しかし、要件のうちのフラットな入射角のため、アクティブミラーの幅は約１／１０に縮小される。反射ビーム１０６は、縮小光学素子１１２によってパネル１１４の面に結像させられる（縮小ビームは参照番号１１６で表示され、短軸に沿った対応するビームプロフィールが参照番号１２０で表示されている）。縮小光学素子としては、図９に示すように１つ以上の屈折レンズ１１２又は１つ以上の反射鏡を含むか、あるいは、それらの組合せを具備することが可能である。必要とされるのは１次元における縮小だけなので、縮小光学素子はできれば円柱状にすべきである。

反射鏡９２を回転させることにより、反射ビーム１０６の一部を変化させることが可能である。これによって線ビーム１０６の幅を調整する可能性が得られる。これは、幅の縮小率に比例したパワー損失をもたらすことになる。

既述の解決法を敷衍したもう１つの方法は、長軸Ａ_lに沿ったアクティブミラー９２すなわち上述のガラス板の変形を安定化させるか、おそらくもっとよいのは阻止するための能動的安定化装置を利用することである。図９に示すように、反射鏡９２に当たらない不均一ビームの一部すなわちもう１つの第１のサブビーム１０８が、ガラス板１２６に当たる。ビーム１０８は高パワーであるため、ほんのわずかな割合のエネルギだけしか光検出器１３２に対して反射されないように、ガラス板１２６はブルースター角ε_pに近い配向が施される。望ましい解決法の１つでは、光検出器１３２は長軸Ａ_lの全長にわたってカバーし、ビーム１０８の不均一部分の強度分布を監視する電化結合素子アレイである。

反射鏡９２の鋭いエッジ１０２によれば、ビームプロフィール１３０の片側には急峻な強度ランプ（ビームプロフィール１２２を備えたビーム１０８の反射）も生じるはずである。図１１のｂ）にも示された短軸Ａ_sに沿ったこの強度ランプ及び図１１のａ）にも示された長軸Ａ_lに沿ったこの強度ランプは、検出器１３２によって監視することが可能である。理想的な事例の場合、このランプ１３０、１３８は、図１１ａに示すように軸Ａ_lに沿った直線である。反射鏡９２にいくつかの変形がある場合、これは検出器１３２によって明らかになるであろう。この情報によって、変形調整装置１３４の制御下で反射鏡９２の形状を調整することが可能になる。変形調整装置１３４には、図１０に示すアクチュエータ１３６のようないくつかの機械的要素を含むことが可能である。機械的アクチュエータ１３６（例えば圧電結晶）は反射鏡９２（又は例えば上述の反射背面をもたらすガラス板）の両側に配置され、長軸方向に沿って互いに偏位させられる。

光検出器１３２と調整装置１３４の組み合わせは、変形の調整又は均等化だけではなく、入射ビーム８８に対する反射鏡９２の位置調整にも利用することが可能である。

図１２には、パネル上に鮮鋭な照射線を発生することが可能な光学素子の第７の実施形態が示されている。図１２による解決手段には２つのビーム分離光学素子１６６、１６８が含まれている。ビーム分離光学素子１６６、１６８は両方とも同じ形状のプリズムである。異なる形状のプリズムを用いることも可能である。

プリズム１６６、１６８は入射ビーム１４０の伝搬方向に対して直列に配置されている。両方のプリズムとも第１と第２の面１７０、１７２、１７４、１７６を含んでいる。両プリズム１６６、１６８の入射ビーム１４０の伝搬方向における第１の面１７０、１７４は入射面を形成し、プリズム１６６、１６８の第２の面１７２、１７６は射出面を形成している。第１のプリズム１６６の第１の入射面１７０と第２の射出面１７２は、互いに対して傾斜し、例えば６０度といったくさび角γ₁を形成している。第２のプリズム１６８の入射面１７４と射出面１７６も互いに対して傾斜し、本事例の場合くさび角γ₁と同一のくさび角γ₂を形成している。図１２にはくさび角γ₁及びγ₂が示されている。

長軸Ａ_lと短軸Ａ_sを有し、アスペクト比の高い入射均質化ビーム１４０から再開すると、図１２には短軸Ａ_sに沿ったビームプロフィールが示され、参照番号１４２で表示されている。短軸Ａ_sに沿ったビーム形状１４２は、本事例ではほぼ強度の一定した短軸Ａ_sの中心における均一部分と、ビーム１４０の均一部分の両側における不均一部分から構成さている。

本発明の役割は、均質化ビーム１４０の均一部分の両側に急な強度ランプを発生することにある。これは２つのプリズム１６６、１６８を用いてビーム１４０の不均一部分を空間的に分離することによって実現される。

図面の左側から右側に伝搬するビーム１４０が、部分的に第１のプリズム１６６の第１の面１７０に当たる。入射ビーム１４０は、空間的に２つのサブビーム１４４、１４６に分離される。第１のサブビーム１４４は第１のプリズム１６６の第１の面１７０で屈折する。第２のサブビーム１４６は第１のプリズム１６６の第１の面１７０に当たらない。この第２のサブビーム１４６は入射ビーム１４０の主方向に沿って伝搬する。

エッジ１７８が鋭ければ鋭いほど、入射ビーム１４０の分離部分、すなわち、第１の屈折サブビーム１４４と第２の妨害されないサブビーム１４６のそれぞれの側における強度ランプの勾配が急になる。従って、本発明に従って入射光ビームを空間的に分離するエッジ１７８は、２０μｍ／ｍより鋭い縁又はエッジの尖鋭度を有している。これは、とりわけエッジ１７８を形成する領域において第１と第２の面１７０、１７２にラッピング及び／又はポリッシングを施すことによって実現可能である。

図面の右側に伝搬すると、第２のサブビームは第２のプリズム１６８の第１の面１７４に当たる。第２のサブビーム１４６は、この面１７４において屈折し、屈折サブビーム１５８を形成する。屈折サブビームは、第２のプリズム１６８の第２の面１７６においてもう一度屈折し、２回屈折した第２のサブビーム１６０を形成する。このサブビーム１６０は、図１２に概略が例示され、参照番号１６２で表示された短軸に沿ったビームプロフィールを備えている。

第１のプリズム１６６の第１の面１７０に当たる第１のサブビーム１４４は、第１の面１７１で屈折する。第１のプリズム１６６の第１の面１７０における残留反射を低減させるため、入射角εはブルースター角ε_pに等しくなるように選択するのが望ましい。屈折した第１のサブビーム１４４は、できるだけ吸収が少なくなるようにプリズム１６６を通って伝搬する。第１のサブビーム１４４が第２の面１７２に当たると、ビームは再び屈折して、ビーム１４８を形成する。図１２によれば２回屈折した第１のサブビーム１４８の上部がプリズム１６８の第１の面１７４に当たる。２つの面１７４、１７６によって形成されるエッジ１８０によって、入射光サブビームと２回屈折したサブビーム１４８がさらに２つのサブビーム１５０、１５２に空間的に分離される。第１のサブビーム１５０の第１の部分は、いかなる物体にも妨げられることなくサブビーム１４８の主軸に沿って伝搬する。第１のサブビーム１４８の第２の部分１５２は、第２のプリズム１６８の第１の面１７４において屈折する。

エッジ１８０が鋭ければ鋭いほど、第１のサブビーム１４８の分離部分１５０、１５２における強度ランプが急峻になる。後述する要件を満たすため、第２のプリズム１６８の傾斜した第１と第２の面１７４、１７６によって形成されるエッジ１８０は、エッジ尖鋭度が２０μ／ｍ以下である。

第１のサブビームの第２の部分は、プリズム１６８の第１の面１７４で屈折して、ビーム１５２を形成する。残留屈折をできるだけ低減させるためには、第１の面１７４に当たるビーム１４８の入射角εはブルースター角εｐに等しくなるのが望ましい。

ビームの屈折部分１５２は、プリズム１６８の第２の面１７６に当たり、それによって屈折して、図１２に示すものに近い、参照番号１５６で示された短軸に沿った強度分布を有する２回屈折したビーム１５４を形成する。理想的な事例では、短軸Ａ_sに沿ったビームプロフィールの両側における強度ランプは回折が制限され、従って、２つのプリズム１６６、１６８のエッジ１７８、１８０の尖鋭度に強く左右される。

図７、９にそれぞれ示された先行例と同様、入射ビーム１４０に対して及び互いに対して、プリズム１６６、１６８の一方又は両方の入射角ε、傾斜角δ、及び／又は、位置ｘ、ｙ、ｚを調整するための調整装置を組み込むことが可能である。さらに、係員がビーム１４０及び／又は互いに対するプリズム１６６、１６８の調整を制御できるようにするため、図７、９に示すものと同様の監視システムを取り入れることも可能である。

有用なビーム１５４と有用でないビーム１５０、１６０は異なる方向に向けられる。有用ではないビーム１６０、１５０をビームダンプに導くことができ、例えばアモルファスシリコンを基板上に結晶化させるため、例えば縮小光学素子によって有用なビーム１５４だけをパネルに結像させることができるのが望ましい。

図１３には、パネル上に鮮鋭な照射線を発生するための光学素子の第８の実施形態が示されている。やはり、照射線は、例えば波長が１９３ｎｍのエキシマレーザのような高出力レーザによるレーザビーム１８２から発生する。照射線１８２は、上述のような、図１３に参照番号２００で示す短軸Ａ_sに沿ったビーム形状を備えている。均質化ビーム１８２は本事例ではロッドである第１のビーム分離素子２０４に送られる。ロッドは直方体に似ている。直方体２０４には、本事例では図面に垂直に（直交座標系におけるｙ方向に）配置された４つの面が含まれている。

均質化ビーム１８２がロッド２０４に当たると、隣接面２０８、２１０によって形成されたエッジ２１４によって、ビーム１８２は参照番号１８４、１８６で表示のサブビームに再分割される。第２のサブビーム１８４は利用されずに、ビームダンプに送られる。第１のサブビーム１８６は第１の面２０８で回折され、第２の面２１０で反射して、第２の面２１０に隣接した第３の面３１２に送られる。反射した第１のサブビーム１８８は第３の面２１２において屈折する。反射し屈折した第１のサブビーム１９０は、図面に対して同様の配向（関連面のｙ軸方向）をなすロッド形態の第２のビーム分離素子に導かれる。サブビーム１９０は第２のビーム分離素子２０６の第１の面２１６に当たる。２つの隣接面２１６、２１８によって形成されたエッジ１１５によって、入射する第１のサブビーム１９０が２つの部分１９２、１９４に再分割される。反射し屈折した第１のサブビーム１９０の第１の部分１９２は利用されずに、ビームダンプに導かれる。反射し屈折した第１のサブビームの第２の部分１９４は、第２のロッド２０６の第１の面２１６で屈折する。第２の部分１９４は、第２のビーム分離素子２０６の第２の面２１８に当たると、第２の面２１８に隣接した第３の面１２０の方向に反射する。反射ビーム１９６は、ロッド２０６の第３の面２２０でさらに屈折する。第１のサブビーム１９０のこの繰返し反射した第２の部分１９８は、所定の及び所望のビームプロフィール２０２を備えた有用なビームを構成する。

やはりロッド２０４、２０６のエッジ２１４、２１５の尖鋭度に従って、射出サブビーム１９８は、ｍｅａｎｌｙ回折が制限される短軸Ａ_sに沿ったビームプロフィールを備える。

ロッドの材料は溶融石英が望ましい。エッジ２１４、２１５をできるだけ鋭く製造できるようにするため、ロッド面のコーティングは利用されない。エッジは、隣接面２０８、２１０、及び、２１６、２１８にそれぞれポリッシング又はラッピングを施すことによって形成されるのが望ましい。

ビーム１８２、１９０の入射面２０８、２１６における残留反射をそれぞれ低減させるため、入射角ε₁、ε₂はできるだけブルースター角に近くなるように選択される。

上述のように、結像及び均質化光学素子によって、参照番号２００で表示の短軸に沿ったビームプロフィールを備える照射線を発生させることが可能である。結果得られる有用なビーム１９８は、短軸方向においてアスペクト比が高く、エッジの鮮鋭な線ビームを生じさせるために縮小光学素子によって結像させることができる。こうした照射線は、レーザアニーリングによってａ−Ｓｉから高質のｐ−Ｓｉを製造するのに利用可能である。

図１４には、質の高い多結晶シリコン薄膜の製造にとって望ましい鮮鋭な照射線を発生する光学素子のもう１つの解決法が示されている。

既知タイプでプロフィール２２４を持つ均質化レーザビーム２２２が、溶融シリコン製の、図１３に示すロッドと同様の配向を施されたロッドの第１の面２４４に送られる。均質化ビーム２２２は、ロッド２３６の第３の面２４４で反射されて、互いに隣接して配置された第１と第２の面２４０、２４２に導かれる。屈折ビーム２４４は、隣接面２４０、２４２で形成されたエッジ２４６によって２つのサブビームすなわち第１のサブビーム２２８と第２のサブビーム２２６に空間的に分離される。第１のサブビーム２２８は、第１のビーム分離素子２３６の第１の面２４０で反射し、第１のビーム分離素子２３６の第２の面２４２で屈折して、ビームダンプ（不図示）に導かれる。第２のサブビーム２２６は第１のビーム分離素子２３６の第２の面２４２で屈折し、第２のビーム分離素子２３８の第３の面２５４に送られる。第２のサブビーム２２６はこの面２５４で屈折し、第２のビーム分離素子２３８の第３の面２５４と対向する２つの面２５０、２５２に送られる。２つの隣接面２５０、２５２で形成されたエッジ２４８によって、入射光ビーム２２６は、さらなる２つのサブビームすなわち第１のサブビーム２２６の第１の部分２３０と第１のサブビーム２２６の第２の部分２３２に空間的に分離される。第１のサブビーム２２６の第１の部分２３０は第１の面２５０で反射し、ロッド２３８の第２の面２５２で屈折する。この部分２３０は有用ではなく、従ってビームダンプ（不図示）に送られる。第１のサブビーム２２６の第２の部分２３２は第２のビーム分離素子２３８の第２の面２５２で屈折する。第１のサブビーム２２６のこの第２の部分２３２は有用なビームを構成する。このビーム２３２を４：１の比で縮小して、アモルファスシリコン層で被覆されたパネルに送り、この材料を結晶化させることが可能である。

ロッド２３６、２３８の傾斜面すなわちロッド２３６、２３８の第３の面２４４と第３の面２５４における残留反射を低減させるため、傾斜角ε₁、ε₂すなわち入射ビーム２２２、２２６の伝搬方向と面２４４、２５４の法線ベクトルとの間の角度は、それぞれブルースター角ε_pに等しくなるのが望ましい。

本事例の場合、用いられないビーム２２８、２３０はビームダンプに送られる。それらは、入射ビーム２２２、２２６に対するロッド２３６、２３８の位置をそれぞれ監視するといった検出目的に用いることも可能である。入射ビーム２２２、２２６に対するロッド２３６、２５０の一方又は両方の位置をそれぞれ確認すると、所望の配向及び／又は位置を調整するため、ロッド２３６、２５０の一方又は両方を調整することが可能になる。本発明によれば、それぞれエッジ１４６、２４８。短軸プロフィール２５５に沿った強度ランプの険しさ又は急峻さは、エッジの尖鋭度に大きく左右される。エッジ２４６、２４８を形成するそれぞれの面２４０、２４２、２５０、２５２にラッピング又はポリッシングを施すことによって、２０μｍ／ｍ以下のエッジ尖鋭度を実現することが可能である。

図１５には、本発明による、やはり２つのロッド２７２、２７４に基づく光学素子の第１０の実施形態が示されている。

短軸に沿った上述のタイプとプロフィール２５８を持った均質化ビーム２５６が、第１のビーム分離素子２７２すなわち前述のロッド２７２の第３の面２８０に送られる。完全ビームが第３の面２８０で屈折し、対向する第１と第２の面２７６、２７８に導かれる。隣接する第１と第２の面２７６、２７８で形成されるエッジ２８２によって、屈折ビーム２８０が２つのサブビーム２６０、２６２に分離される。第１のサブビーム２６０すなわち均質化ビーム２５６の有用ではない部分が、第１の面２７６で反射し、第２の面２７８で屈折して、ビームダンプ（不図示）に送られる。残りの第２のサブビーム２６２は第２の面２７８で屈折し、第２のロッド２７６に送られる。９０度の二面角γを囲む２つの隣接面２８４、２８６で形成されるエッジ２１９によって、第２のサブビーム２６２はさらに２つのサブビーム２６４、２６６に分離される。第１のサブビーム２６２の第１の部分２６４すなわち入射ビーム２５６のもう１つの有用ではない部分が、従ってビームダンプに送られる。第１のサブビーム２６２の第２の部分２６６は、第２のビーム分離素子２７４の第２の面２６８で屈折する。屈折ビームは、第２のビーム分離素子２７４の第１の面２８４で反射し、さらに伝搬すると、第２のビーム分離素子２７４の第３の面２８８で屈折して、短軸に沿った所望のビームプロフィール２７０を備える、入射ビーム２５６の有用な部分２６８を形成する。

ロッド２７２、２７４の製造に用いられる材料、ビーム２６５、２６２に対するロッド２７２、２７４の配向、及び、ビーム２５６の分離部分又は非分離部分の調整、監視、結像の可能性については、上述の例を考慮に入れることが可能である。

図１６には、本発明による光学素子の第１１の実施形態が示されている。前に示した短軸に沿ったビーム形状を備える有用なビームの分離は、２つのロッド３０８、３１０を含むもう１つの構成に基づいている。

既知タイプと形状２９４を持つ均質化ビーム２９２が第１のビーム分離素子３０８の第３の面に送られる。均質化ビーム２９２は、第１のビーム分離素子３０８の第３の面３１６において全体として屈折する。図１５に示す例と同様、屈折ビーム２９２は２つの隣接面３１２、３１４によって形成されたエッジ３８０で２つのサブビーム２９４、２９６に分離される。第１のサブビーム２９４は、第１の面３１２で反射し、第２の面３１４で屈折して、第２のビーム分離素子３１０の第１の面３２０に送られ、第１の面３２０で屈折して、第３の面３２４に送られ、そこで屈折して、ビームダンプ（不図示）に送ることが可能な有用ではないビーム３０４を形成する。第２のサブビーム２９６は、第１のビーム分離素子３０８の第２の面３１４で屈折し、第２のビーム分離素子３１０に送られる。第２のビーム分離素子３１０の２つの隣接面３２０、３２２で形成されたエッジ３２６によって、ビーム２９６は２つのさらなるサブビーム２９８、３００に分離される。第２のサブビーム２９６の第１の部分２９８は、第２のビーム分離素子の第１の面３２０で屈折し、引き続き第２のビーム分離素子３１０の第２の面３２２で反射する。第２のサブビーム２９６の第１の部分２９８の後続伝搬方向において、第１の部分２９８は第２のビーム分離素子３１０の第３の面３２４で屈折して、やはりビームダンプに送られるもう１つの有用ではないビーム３０６を形成する。

第２のサブビーム２９６の第２の部分３００は、図１６に示す所望のビームプロフィール３０２を備えた有用なビームを形成する。

上述の例と同様、図１６による実施形態はパネル上のアモルファスシリコン層を結晶化させるためのレーザアニーリング装置に実装することが可能である。この機能に要求されるのは、２０μｍ／ｍより鋭い、上述と同じように再現可能なエッジ尖鋭度の鋭いエッジ３１８、３２６である。

図１７には、本発明による光学装置の第１２の実施形態が示されている。

図１２〜１６による光学構成からはずれて、入射光ビームの残留部分は、図１７に示す実施形態によるビーム分離光学素子の１つを通過した後、遮断されない。入射ビームの有用ではない部分が有用な部分から別個に分離される。

図１７による光学装置は、ロッド４８４、４９２の形態をなす２つのビーム分離光学素子に基づくものである。既知タイプの入射均質化ビーム４６６、すなわち、長軸Ａ_l及び短軸Ａ_sと図１７に参照番号４６８で表示の短軸Ａ_sに沿ったビームプロフィールを備える照射線が、短軸Ａ_sに沿った両端でロッド４８４、４９２の第１の面４８６、４９４に当たる。下記において第２のサブビーム４７２及び第３のサブビーム４７４と呼ばれるこれら有用ではないビーム部分が、入射均質化ビーム４６６の有用な部分である第１のサブビーム４７０から分離される。分離は、それぞれロッド４８４、４９２の二面角をなす第１と第２の面４８６と４８８及び４９４と４９６で形成されるそれぞれのエッジ４７２、４７４によって実施される。第２と第３のサブビーム４７２、４７４は、２つのロッド４８４、４９２の第１の面４８６、４９４で屈折し、引き続き第２の面４８８、４９６で反射して、サブビーム４７６、４８０を形成し、ロッド４８４、４９２の第３の面４９０、４９８で少なくとも屈折して、ビーム４７８、４８２を生じる。これらのサブビーム４７８、４８２はビームダンプに送られる。残留反射をできるだけ低減させるためには、２つのロッド４８４、４９２の第１の面４８６、４９４に対する入射ビーム４６６の傾斜角ε₁、ε₂がブルースター角εｐに等しくなるのが望ましい。

ロッドに選択されるのが望ましい材料は、上記で示された例と同様、溶融石英である。しかしながら、例えばフッ化カルシウム又は光学ガラスのような任意の他の透明な材料を用いることも可能である。参照番号５００で表示の線ビームの短軸幅の両側に所望の急峻な強度ランプをもたらす要因となるエッジ４７２、４７４が、少なくとも一方が２０μｍ／ｍ以下のエッジ尖鋭度になるように本発明に従って準備される。これは、上述の教示に従い、エッジを形成する隣接面にラッピング又はポリッシングを施すことによって実現することが可能である。

ここで、傾斜角調整装置、位置調整装置、強度監視装置、任意のビーム調整装置といった上記例に関連して解説の任意の付加装置を導入することができるのは明らかである。

図１８には、本発明に従ってパネル上に鮮鋭な照射線を発生する光学装置の第１３の実施形態が示されている。

ここに示すシステムには、入射ビーム３２８の伝搬方向に対して直列に配置された直方体の２つの板が含まれている。既知タイプと形状３３０の入射ビーム３２８が第１の板３４６の第１の面３５２に当たる。入射ビーム３２８は第１の面３５２で屈折する。図１８に示すビーム３２８の上部は、第３の面３５２に隣接した第１の面３４８に当たり、一方、入射し反射したビーム３２８の残りの下部は、第３の面３５２に対して平行な板３４６の第２の面３５０に当たる。

第１と第２の面３４８、３５０の角配置のため、入射ビーム３２８は、２つの隣接面３４８、３５０によって形成されたエッジ３５４で分離される。ビーム３２８の上部は、第１の面３４８で反射して、上方ビーム３３２を形成する。上方ビーム３３２は、引き続き第２の面３５０で屈折して、サブビーム３４０を形成する。サブビーム３４０は、さらにビームダンプ（不図示）に導かれる。残りの主ビームは板３４６の第２の面３５０で屈折して、第２のサブビーム３３４を形成する。この第２のサブビーム３３４は、第２の板３５６に送られる。サブビーム３３４の下部は第２の面３６０に導かれる。第２のサブビーム３３４の中心部分３５８は、第２の面３６０に対して角配置をなす板３５６の第１の面３５８に当たる。隣接する第１と第２の面３５８、３６０で形成されたエッジ３６４によって、入射サブビーム３３４が、さらに２つのサブビームすなわち第２のサブビーム３３４の第１の部分３３６と第２のサブビーム３３４の第２の部分３３８に分離される。第１の部分３３６は第２の板３５６の第２の面３６０で反射し、不図示のビームダンプに導かれるが、第２の部分３３８は第１の面３５８で屈折する。第２の部分３３８が第１の面３５８に平行に配置された第３の面３６２に当たると、この第２の部分３３８は屈折し、質の高いｐ−Ｓｉの製造にとって望ましいビーム形状３４４のビーム３４２を形成する。

図１９には、本発明による光学装置の第１４の実施形態が示されている。

短軸Ａ_sに沿った周知のタイプと形状３９２の均質化ビーム９３がミラー４２２の反射面４２６に送られる。ビーム３１９は、短軸Ａ_sの方向におけるその全範囲が反射面４２６に当たるわけではない。ビーム３９０の望ましくない上部３９４は、ミラー４２２を通過し、変化することなく伝搬する。この部分３９４はビームダンプ（不図示）に導かれる。下方サブビームは２つの直交するように配置された隣接面４２６、４２８で形成されたミラー４２２のエッジ４３０によって分離される。入射ビーム３９０のこの主部は、第１の面４２６で反射して、第２のサブビーム３９６を形成する。第２のサブビーム３９６の不均一部分は第２のミラー４２４の第１の面４３２に導かれるが、第２のサブビーム３９６の均質部分は、第２の面４３４に当たり、第１の面４３２に対して直角をなす。従って、２つの隣接面４３２、４３４で形成されたエッジ４３６によって両方の部分３９８、４００が空間的に分離される。第２のサブビーム３９６の第１の部分３９８は、所望のビーム形状４２０を備えているが、第２の部分４００は、例えばミラー４２４（不図示）によって吸収されるか又は反射され（図１９に示すように）、（第１のサブビーム３９４と同様に）ビームダンプ（不図示）に導かれる。

線幅すなわち短軸に沿ったプロフィール４２０の範囲は、ミラー４２２、４２４の一方又は両方を互いに対してシフトすることによって調整できるという点については言及する価値がある。

図２０には、本発明による光学装置の第１５の実施形態が示されている。所定の形状とタイプ（図２０には、やはり短軸に沿ったビーム形状が示され、参照番号４４０で表示されている）の均質化ビーム４３８がゼロではない入射角εでミラー４６２に導かれる。有用ではないビームの上部は、ビーム分離素子４５０の第１の面４５２に当たる。残りのビームはミラー４６２の反射面４６４に当たる。従って、ビーム分離素子４５０の第１の面４５２と第２の面４５４で形成されるエッジ４５８によって、入射ビーム４３８が２つのサブビーム４４０、４４２に空間的に分離される。第１のサブビーム４４２はミラー４６２の反射面４６４でビーム分離素子４５０の方向に反射されるが、第２のサブビーム４４４は、ビーム分離素子４５０の材料及び／又はビーム分離素子４５０の第１の面４５２に対する入射ビーム４３８の入射角に応じて、ビーム分離素子４５０から吸収されるか又はミラー４６２の方向に反射される可能性がある。

第１のサブビームの望ましくない不均一部分はビーム分離素子４５０の第２の面４５４に当たるが、ここでは第１のサブビーム４４２の第１の部分４４６と称するビームの主部はビーム分離素子４５０を通過する。従って、２つの隣接面４５４、４５６で形成されたエッジ４６０によって、サブビーム４４２は、さらに２つのサブビームすなわち第１のサブビーム４４２の第１と第２の部分４４６、４４８に分離される。第１の部分４４６はビーム分離素子４５０によって吸収されるか又は反射されるが、第１のサブビーム４４２の第１の部分４４６は、光によって誘発されるアモルファスシリコンフィルムの結晶化による多結晶シリコンの製造に用いることが可能な所望のビームを構成する。留意すべきは、ミラー４６２と入射ビーム４３８に対してビーム分離素子４５０をシフトするだけで（例えば、図２０に示す矢印で表示のように）、入射ビーム４３８の遮断される部分、及び、例えば、さらに光によって誘発される結晶化に用いられることになるビームを形成することが可能なビーム部分の調整が可能になるという点である。

上記で示された例と同様に、エッジ４５８、４６０によって利用されるビーム４４６のビームプロフィールがはっきりと決定される。すなわち、エッジ４５８、４６０が鋭ければ鋭いほど、ビームプロフィールの片側又は両側に生じるランプが急峻になる。従って、本発明によれば、エッジの縁の尖鋭度は２０μｍ／ｍか又はそれより鋭いことになる。この場合も、面４５２、４５４、４５６に対するラッピング又はポリッシングがこうした縁の尖鋭度を得るための方法になる。

図２１には、本発明による光学装置の第１６の実施形態が示されている。この構成は、図９に示すものと極めてよく似ている。平面９６を備えたミラー９２の代わりに、回折格子５２２を備えた光学素子５１４が用いられる。短軸５０４に沿った上述タイプと形状の均質化ビーム５０２が、回折格子５２２を備えた光学素子５１４の面に導かれる。回折格子５２２を備えた面と対応する隣接面５１８、５２０のいずれかで形成される２つのエッジ５２４、５２６によって、ビーム５０２の不均一部分が所望の均一部分から空間的に分離される。ビーム５０２の均一部分は、回折格子５２２で回折し、第２のサブビーム５０８を形成する。回折格子５２２は、屈折して一次サブビームを形成するように最適化されている。この場合入射角εと射出角βは異なっている。これによって、ビームは１次元において縮小されることになる。回折格子の寸法は、回折によって生じる発散が入射ビームの発散より小さくなるように決定しなければならない。光学素子５１４を回転させることによって、射出ビームの幅を調整することが可能である。従って、回折格子はパネル（ここでは不図示）における線幅の調整が可能な線ビームを実現するための優れた解決法である。図９に示すミラーによる解決法に比べると、ビーム幅が変化しても総パワーが減少することはない。

本発明の原理を明らかにするため、本発明による入射光ビームの照射フィールドを制限するための吸収タイプのビーム分離光学素子を含む、パネル上に鮮鋭な照射線を発生するための光学装置に関する第１の実施形態の直交座標のｘ−ｚ面における断面を示した図である。 ビーム分離光学素子のエッジがｙ方向においてかなり湾曲している図１によるビーム分離素子のｘ−ｙ面における断面を示した図である。 ビーム分離光学素子のエッジがｙ方向においてかなりの残留誤差（例えばパワーｙ誤差を引いた後に生じる）を有している図１によるビーム分離素子のｘ−ｙ面における断面を示した図である。 本発明の原理を明らかにするため、本発明による入射光ビームの照射フィールドを制限するための反射タイプのビーム分離光学素子を含む、パネル上に鮮鋭な照射線を発生するための光学装置に関する第２の実施形態の概略を示した図である。 本発明の原理を明らかにするため、本発明による入射光ビームの照射フィールドを制限するための屈折タイプのビーム分離光学素子を含む、パネル上に鮮鋭な照射線を発生するための光学装置に関する第３の実施形態の概略を示した図である。 本発明の原理を明らかにするため、本発明による入射光ビームの照射フィールドを制限するための屈折タイプのもう１つのビーム分離光学素子を含む、パネル上に鮮鋭な照射線を発生するための光学装置に関する第４の実施形態の概略を示した図である。 いわゆるビーム短軸を発生するためのビーム光路を例示する、基板上に鮮鋭な照射線を発生するための本発明による光学装置に関する第５の実施形態の概略を示した図である。 入射ビームに対する吸収タイプのビーム分離光学素子の配向を例示する、図７による光学装置の構成部品である吸収タイプのビーム分離光学素子を大比率で示した図である。 入射光ビームの照射フィールドを制限するための本発明による反射タイプのビーム分離光学素子を含む、パネル上に鮮鋭な照射線を発生するための光学装置に関する第６の実施形態を示した図である。 反射タイプのビーム分離光学素子の位置及び／又は変形を調整することが可能ないくつかのアクチュエータを含む、図９に示す反射タイプのビーム分離光学素子の長軸方向における断面図である。 ａ）図９による光学装置の一部である光検出器によって測定されるｘ−ｙ面における強度分布を示す図と、ｂ）Ａ−Ａに沿った図１１ａ）による強度分布の断面を示す図である。 入射光ビームの照射フィールドを制限するための本発明による屈折タイプのビーム分離光学素子を２つ含んでいる、パネル上に鮮鋭な照射線を発生するための光学装置の第７の実施形態の概略図である。 入射光ビームの照射フィールドを制限するための本発明による屈折タイプのビーム分離光学素子を２つ含んでいる、パネル上に鮮鋭な照射線を発生するための本発明による光学装置の第８の実施形態の概略図である。 入射光ビームの照射フィールドを制限するための本発明による屈折タイプのビーム分離光学素子を２つ含んでいる、パネル上に鮮鋭な照射線を発生するための本発明による光学装置の第９の実施形態の概略図である。 入射光ビームの照射フィールドを制限するための本発明による屈折タイプのビーム分離光学素子を２つ含んでいる、パネル上に鮮鋭な照射線を発生するための本発明による光学装置の第１０の実施形態の概略図である。 入射光ビームの照射フィールドを制限するための本発明による屈折タイプのビーム分離光学素子を２つ含んでいる、パネル上に鮮鋭な照射線を発生するための本発明による光学装置の第１１の実施形態の概略図である。 入射光ビームの照射フィールドを制限するための本発明による屈折タイプのビーム分離光学素子を２つ含んでいる、パネル上に鮮鋭な照射線を発生するための本発明による光学装置の第１２の実施形態の概略図である。 入射光ビームの照射フィールドを制限するための本発明による屈折タイプのビーム分離光学素子を１つ含んでいる、パネル上に鮮鋭な照射線を発生するための本発明による光学装置の第１３の実施形態の概略図である。 入射光ビームの照射フィールドを制限するための屈折タイプのビーム分離光学素子を２つ含んでいる、パネル上に鮮鋭な照射線を発生するための本発明による光学装置の第１４の実施形態の概略図である。 入射光ビームの照射フィールドを制限するために吸収タイプのビーム分離光学素子（上部＃４５０は反射タイプとすることも可能である）と１つのミラーを含んでいる、パネル上に鮮鋭な照射線を発生するための本発明による光学装置の第１５の実施形態の概略図である。 入射光ビームの照射フィールドを制限するための本発明による回折タイプのビーム分離光学素子を含んでいる、パネル上に鮮鋭な照射線を発生するための本発明による光学装置の第１６の実施形態の概略図である。

Claims (14)

1. 高出力レーザによって放出されるレーザビームから生じ、長軸と短軸を備えた断面を有する鮮鋭な照射線を、パネル上に発生させるための光学装置であって、
   入射光ビームの照射フィールドを制限するためのビーム分離光学素子を含み、前記ビーム分離光学素子に、
   ある角度を囲んで、エッジを形成する第１の面と第２の面が含まれており、前記エッジが前記入射光ビームを少なくとも２つのサブビームに空間的に分離し、
   前記エッジが前記レーザビームによって照射され、前記短軸の少なくとも１つの方向において前記レーザビームを空間的に制限し、前記入射ビームの前記長軸と前記ビーム分離光学素子の前記直線状エッジが前記入射ビームの伝搬方向に対して垂直な平面において傾斜角を形成し、
   さらに、
   傾斜角を所定の値に調整するための傾斜角調整装置と、
   前記ビーム分離光学素子の前記エッジ近くにおける前記入射光ビームの強度を監視するための強度監視装置と、
   前記強度監視装置によって監視される強度に応じて前記調整による前記傾斜角の調整を制御するための制御装置と
   を含むことを特徴とする、光学装置。
2. 前記エッジが所定の形状からの偏差が長さ１ｍにつき２０μｍ以下である請求項１記載の光学装置。
3. 前記エッジが直線形状を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学装置。
4. 前記第１の面と前記第２の面の一方が入射面を形成し、前記入射面の法線ベクトルと前記ビームの伝搬方向が入射角を形成することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光学装置。
5. 前記分離が前記少なくとも２つのサブビームの少なくとも１つを吸収することによって実施されるか、又は、前記分離が前記少なくとも２つのサブビームの少なくとも１つを屈折させることによって実施され、前記入射角がブルースター角か、又は、ブルースター角からのずれが５度以下又は最も望ましいのは２度以下の角度であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光学装置。
6. 前記分離が前記少なくとも２つのサブビームの少なくとも１つを反射することによって実施されるか、又は、前記分離が前記少なくとも２つのサブビームの少なくとも１つを回折させることによって実施され、前記入射角が８０度に近いか、又は、８０度からのずれが９度以下又は望ましいのは５度以下の角度であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光学装置。
7. さらに、前記入射角を所定の値に調整するための入射角調整装置が含まれることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の光学装置。
8. 前記入射角の前記所定の値がブルースター角であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の光学装置。
9. 前記傾斜角の前記所定の値が０度であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の光学装置。
10. さらに、前記短軸の方向において前記ビーム分離素子を調整するための及び／又は前記長軸の方向において前記ビーム分離素子を調整するための位置調整装置が含まれることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の光学装置。
11. 前記分離が前記少なくとも２つのサブビームの少なくとも１つを屈折させることによって実施されるか、又は、前記分離が前記少なくとも２つのサブビームの少なくとも１つを反射させることによって実施されるか、又は、前記分離が前記少なくとも２つのサブビームの少なくとも１つを回折させることによって実施され、前記レーザアニーリング装置にさらに前記少なくとも２つのサブビームの少なくとも１つを処理するためのビームダンプが含まれることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の光学装置。
12. 前記ビーム分離光学素子に、さらに、
    もう１つの第１の面ともう１つの第２の面が含まれており、前記もう１つの第１の面と前記もう１つの第２の面がもう１つの二面角を囲んで、もう１つのエッジを形成し、前記もう１つのエッジによって、前記入射光ビームが少なくとももう２つのサブビームに空間的に分離され、前記もう１つのエッジが直線形状を有し、前記もう１つのエッジが前記レーザビームによって照射され、前記短軸のもう１つの方向において前記レーザビームを空間的に制限することを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の光学装置。
13. さらにもう１つのビーム分離光学素子が含まれており、前記もう１つのビーム分離光学素子に、もう１つの第１の面ともう１つの第２の面が含まれており、前記もう１つの第１の面と前記もう１つの第２の面がもう１つの二面角を囲んで、もう１つのエッジを形成し、前記もう１つのエッジによって、前記入射光ビームが少なくとももう２つのサブビームに空間的に分離され、前記もう１つのエッジが直線形状を有し、前記もう１つのエッジが前記レーザビームによって照射され、前記短軸のもう１つの方向において前記レーザビームを空間的に制限することを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の光学装置。
14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載された光学装置を含む、パネル上のアモルファスシリコン層の結晶化のためのレーザアニーリング装置。

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