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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5963219
(24)【登録日】2016年7月8日
(45)【発行日】2016年8月3日
(54)【発明の名称】微小レンズアレイを使用してラインを生成する光学設計
(51)【国際特許分類】
H01L 21/268 20060101AFI20160721BHJP
H01L 21/265 20060101ALI20160721BHJP
H01L 21/20 20060101ALI20160721BHJP
G02B 13/00 20060101ALI20160721BHJP
B23K 26/073 20060101ALN20160721BHJP
【ＦＩ】
H01L21/268 J
H01L21/265 602C
H01L21/268 T
H01L21/20
G02B13/00
!B23K26/073
【請求項の数】21
【全頁数】19
(21)【出願番号】特願2014-539968(P2014-539968)
(86)(22)【出願日】2012年10月12日
(65)【公表番号】特表2015-503221(P2015-503221A)
(43)【公表日】2015年1月29日
(86)【国際出願番号】US2012059991
(87)【国際公開番号】WO2013066600
(87)【国際公開日】20130510
【審査請求日】2015年9月16日
(31)【優先権主張番号】61/555,938
(32)【優先日】2011年11月4日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】13/649,028
(32)【優先日】2012年10月10日
(33)【優先権主張国】US
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】390040660
【氏名又は名称】アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
(74)【代理人】
【識別番号】100109726
【弁理士】
【氏名又は名称】園田 吉隆
(74)【代理人】
【識別番号】100101199
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 義教
(72)【発明者】
【氏名】ホルムグレン， ダグラス イー．
(72)【発明者】
【氏名】ハウエルズ， サミュエル シー．
【審査官】
桑原 清
(56)【参考文献】
【文献】
米国特許第０６７７１６８６（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】
特開２００６−３３００７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００２−０７２１３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２００９−５４３１４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２００８−５２６５１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２００９／０８７７８４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開２００６−３０９２０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０９−２７５０８１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００８−２８３０６９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｌ ２１／２６８
Ｈ０１Ｌ ２１／２０
Ｈ０１Ｌ ２１／２６５
Ｇ０２Ｂ １３／００
Ｂ２３Ｋ ２６／０７３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体基板を処理する熱処理装置であって、
基板支持体と、
光路に沿ってレーザ放射を発射するレーザ放射源と、
前記光路に沿って配置された照明光学部品であり、
互いから間隔を置いて配置された第１の円柱レンズおよび第２の円柱レンズを少なくとも有する一組の遅軸レンズ、ならびに
互いから間隔を置いて配置された第１の円柱レンズおよび第２の円柱レンズを少なくとも有し、前記一組の遅軸レンズの前記第１の円柱レンズと前記第２の円柱レンズの間に配置された一組の速軸レンズ
を備える前記照明光学部品と、
前記光路に沿って前記照明光学部品と前記基板支持体の間に配置された、第１のレンズアレイと第２のレンズアレイとを備えるホモジナイザであり、前記第２のレンズアレイのレンズが前記第１のレンズアレイのレンズよりも相対的に大きいレンズピッチを有し、前記第１のレンズアレイのレンズ軸および前記第２のレンズアレイのレンズ軸が前記レーザ放射源の速軸に平行に配向されている、前記ホモジナイザと
を備える熱処理装置。
基板支持体と、
光路に沿ってレーザ放射を発射するレーザ放射源と、
前記光路に沿って配置された照明光学部品であり、
互いから間隔を置いて配置された第１の円柱レンズおよび第２の円柱レンズを少なくとも有する一組の遅軸レンズ、ならびに
互いから間隔を置いて配置された第１の円柱レンズおよび第２の円柱レンズを少なくとも有し、前記一組の遅軸レンズの前記第１の円柱レンズと前記第２の円柱レンズの間に配置された一組の速軸レンズ
を備える前記照明光学部品と、
前記光路に沿って前記照明光学部品と前記基板支持体の間に配置された、第１のレンズアレイと第２のレンズアレイとを備えるホモジナイザであり、前記第２のレンズアレイのレンズが前記第１のレンズアレイのレンズよりも相対的に大きいレンズピッチを有し、前記第１のレンズアレイのレンズ軸および前記第２のレンズアレイのレンズ軸が前記レーザ放射源の速軸に平行に配向されている、前記ホモジナイザと
を備える熱処理装置。
【請求項2】
前記光路に沿って前記ホモジナイザと前記基板支持体の間に配置された複数の集光レンズをさらに備え、前記複数の集光レンズが、少なくとも５つの球面レンズを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項3】
前記第１のレンズアレイおよび前記第２のレンズアレイがそれぞれ複数の曲面を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項4】
前記第１のレンズアレイおよび前記第２のレンズアレイが円柱レンズである、請求項１に記載の装置。
【請求項5】
前記レーザ放射源は、３×９アレイとしてまとめられた２７個のレーザダイオードバーを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項6】
前記一組の遅軸レンズの前記第１の円柱レンズが、前記レーザ放射源の方を向いた凸形のレンズ面を有し、前記一組の遅軸レンズの前記第２の円柱レンズが、前記基板の表面の方を向いた凸形のレンズ面を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項7】
前記一組の速軸レンズの前記第１の円柱レンズが、前記レーザ放射源の方を向いた凹形のレンズ面を有し、前記一組の速軸レンズの前記第２の円柱レンズが、前記基板の表面の方を向いた凸形のレンズ面を有する、請求項６に記載の装置。
【請求項8】
円柱レンズの第１のレンズアレイが０．１５の開口数ＮＡを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項9】
半導体基板を処理する熱処理装置であって、
基板支持体と、
第１の波長のレーザ放射を発射するレーザダイオードバーのアレイであり、前記レーザダイオードバーの前記アレイが、遅軸に沿って延びる複数の平行な列として配置されており、前記レーザダイオードバーの前記列が、速軸に沿ったスタックとして配置されており、前記遅軸および前記速軸が、前記レーザダイオードバーの前記アレイと前記基板支持体の間の光路と直交する前記レーザダイオードバーの前記アレイと、
前記光路に沿って前記レーザダイオードバーの前記アレイと前記基板支持体の間に配置された照明光学部品であり、
偏光ビームスプリッタ、
互いから間隔を置いて配置された第１の円柱レンズおよび第２の円柱レンズを少なくとも有する一組の遅軸レンズ、
互いから間隔を置いて配置された第１の円柱レンズおよび第２の円柱レンズを少なくとも有し、前記一組の遅軸レンズの前記第１の円柱レンズと前記第２の円柱レンズの間に配置された一組の速軸レンズ、
前記一組の速軸レンズの下流に配置され、加熱された前記基板から反射された第２および第３の波長のレーザ放射の方向を高温計へ変えるように構成されたダイクロイックミラー、ならびに
前記ダイクロイックミラーの下流に配置され、レーザ放射の直線偏光を円偏光に変換する波長板
を備える前記照明光学部品と、
レーザ放射を前記遅軸に沿って均質にするため、前記光路に沿って前記照明光学部品と前記基板支持体の間に配置されたホモジナイザであり、
第１のレンズアレイ、ならびに
第２のレンズアレイ
を備え、前記第２のレンズアレイのレンズが前記第１のレンズアレイのレンズよりも相対的に大きいレンズピッチを有する、前記ホモジナイザと、
前記基板の表面にライン像を焦束させるため、前記光路に沿って前記ホモジナイザと前記基板支持体の間に配置された集光レンズセットであり、少なくとも５つの球面レンズを有する前記集光レンズセットと
を備える熱処理装置。
基板支持体と、
第１の波長のレーザ放射を発射するレーザダイオードバーのアレイであり、前記レーザダイオードバーの前記アレイが、遅軸に沿って延びる複数の平行な列として配置されており、前記レーザダイオードバーの前記列が、速軸に沿ったスタックとして配置されており、前記遅軸および前記速軸が、前記レーザダイオードバーの前記アレイと前記基板支持体の間の光路と直交する前記レーザダイオードバーの前記アレイと、
前記光路に沿って前記レーザダイオードバーの前記アレイと前記基板支持体の間に配置された照明光学部品であり、
偏光ビームスプリッタ、
互いから間隔を置いて配置された第１の円柱レンズおよび第２の円柱レンズを少なくとも有する一組の遅軸レンズ、
互いから間隔を置いて配置された第１の円柱レンズおよび第２の円柱レンズを少なくとも有し、前記一組の遅軸レンズの前記第１の円柱レンズと前記第２の円柱レンズの間に配置された一組の速軸レンズ、
前記一組の速軸レンズの下流に配置され、加熱された前記基板から反射された第２および第３の波長のレーザ放射の方向を高温計へ変えるように構成されたダイクロイックミラー、ならびに
前記ダイクロイックミラーの下流に配置され、レーザ放射の直線偏光を円偏光に変換する波長板
を備える前記照明光学部品と、
レーザ放射を前記遅軸に沿って均質にするため、前記光路に沿って前記照明光学部品と前記基板支持体の間に配置されたホモジナイザであり、
第１のレンズアレイ、ならびに
第２のレンズアレイ
を備え、前記第２のレンズアレイのレンズが前記第１のレンズアレイのレンズよりも相対的に大きいレンズピッチを有する、前記ホモジナイザと、
前記基板の表面にライン像を焦束させるため、前記光路に沿って前記ホモジナイザと前記基板支持体の間に配置された集光レンズセットであり、少なくとも５つの球面レンズを有する前記集光レンズセットと
を備える熱処理装置。
【請求項10】
前記レーザダイオードバーの前記アレイは、３×９アレイとしてまとめられた２７個のダイオードバーを有する、請求項９に記載の装置。
【請求項11】
前記一組の遅軸レンズの前記第１の円柱レンズが、前記レーザダイオードバーの前記アレイの方を向いた凸形のレンズ面を有し、前記一組の遅軸レンズの前記第２の円柱レンズが、前記基板の表面の方を向いた凸形のレンズ面を有する、請求項９に記載の装置。
【請求項12】
前記一組の速軸レンズの前記第１の円柱レンズが、前記レーザダイオードバーの前記アレイの方を向いた凹形のレンズ面を有し、前記一組の速軸レンズの前記第２の円柱レンズが、前記基板の表面の方を向いた凸形のレンズ面を有する、請求項９に記載の装置。
【請求項13】
前記第１のレンズアレイの軸および前記第２のレンズアレイの軸が、前記レーザ放射源の速軸に平行な軸に沿って配向されている、請求項９に記載の装置。
【請求項14】
前記第１の波長が８０８ｎｍであり、前記第２の波長が９４０ｎｍであり、前記第３の波長が１５５０ｎｍである、請求項９に記載の装置。
【請求項15】
前記ホモジナイザが、
円柱レンズの前記第１のレンズアレイと円柱レンズの前記第２のレンズアレイの間に置かれた円柱レンズ
をさらに備える、請求項９に記載の装置。
円柱レンズの前記第１のレンズアレイと円柱レンズの前記第２のレンズアレイの間に置かれた円柱レンズ
をさらに備える、請求項９に記載の装置。
【請求項16】
半導体基板を処理する熱処理装置であって、
基板支持体と、
遅軸に沿って延びる複数の平行な列として配置されたレーザダイオードバーのアレイであり、前記レーザダイオードバーの前記列が、速軸に沿ったスタックとして配置されており、前記遅軸が、前記速軸に対して概ね垂直である前記レーザダイオードバーの前記アレイと、
前記レーザダイオードバーの前記アレイと前記基板支持体の間に配置された照明光学部品であり、
互いから間隔を置いて配置された第１の円柱レンズおよび第２の円柱レンズを少なくとも有し、前記遅軸におけるレーザビーム放射を平行にする一組の遅軸レンズ、ならびに
互いから間隔を置いて配置された第１の円柱レンズおよび第２の円柱レンズを少なくとも有し、前記一組の遅軸レンズの前記第１の円柱レンズと前記第２の円柱レンズの間に配置され、前記速軸におけるレーザビーム放射を平行にする一組の速軸レンズ
を備える前記照明光学部品と、
前記照明光学部品によって平行になったレーザ放射を前記遅軸に沿って均質にするため、前記照明光学部品と前記基板支持体の間に配置されたホモジナイザであり、
円柱レンズの第１のレンズアレイ、ならびに
円柱レンズの前記第１のレンズアレイと平行に間隔を置いて配置された円柱レンズの第２のレンズアレイ
を備え、円柱レンズの前記第２のレンズアレイのレンズが円柱レンズの前記第１のレンズアレイよりも相対的に大きいレンズピッチを有し、前記第１のレンズアレイの軸および前記第２のレンズアレイの軸が、前記レーザ放射源の速軸に平行に配向されている、前記ホモジナイザと、
前記基板の表面にライン像を焦束させるため、前記基板支持体と交差する光路に沿って前記ホモジナイザと前記基板支持体の間に配置された集光レンズセットであり、少なくとも５つの球面レンズを有する前記集光レンズセットと
を備える熱処理装置。
基板支持体と、
遅軸に沿って延びる複数の平行な列として配置されたレーザダイオードバーのアレイであり、前記レーザダイオードバーの前記列が、速軸に沿ったスタックとして配置されており、前記遅軸が、前記速軸に対して概ね垂直である前記レーザダイオードバーの前記アレイと、
前記レーザダイオードバーの前記アレイと前記基板支持体の間に配置された照明光学部品であり、
互いから間隔を置いて配置された第１の円柱レンズおよび第２の円柱レンズを少なくとも有し、前記遅軸におけるレーザビーム放射を平行にする一組の遅軸レンズ、ならびに
互いから間隔を置いて配置された第１の円柱レンズおよび第２の円柱レンズを少なくとも有し、前記一組の遅軸レンズの前記第１の円柱レンズと前記第２の円柱レンズの間に配置され、前記速軸におけるレーザビーム放射を平行にする一組の速軸レンズ
を備える前記照明光学部品と、
前記照明光学部品によって平行になったレーザ放射を前記遅軸に沿って均質にするため、前記照明光学部品と前記基板支持体の間に配置されたホモジナイザであり、
円柱レンズの第１のレンズアレイ、ならびに
円柱レンズの前記第１のレンズアレイと平行に間隔を置いて配置された円柱レンズの第２のレンズアレイ
を備え、円柱レンズの前記第２のレンズアレイのレンズが円柱レンズの前記第１のレンズアレイよりも相対的に大きいレンズピッチを有し、前記第１のレンズアレイの軸および前記第２のレンズアレイの軸が、前記レーザ放射源の速軸に平行に配向されている、前記ホモジナイザと、
前記基板の表面にライン像を焦束させるため、前記基板支持体と交差する光路に沿って前記ホモジナイザと前記基板支持体の間に配置された集光レンズセットであり、少なくとも５つの球面レンズを有する前記集光レンズセットと
を備える熱処理装置。
【請求項17】
前記一組の遅軸レンズの前記第１の円柱レンズが、前記レーザダイオードバーの前記アレイの方を向いた凸形のレンズ面を有し、前記一組の遅軸レンズの前記第２の円柱レンズが、前記基板の表面の方を向いた凸形のレンズ面を有する、請求項１６に記載の装置。
【請求項18】
前記一組の速軸レンズの前記第１の円柱レンズが、前記レーザダイオードバーの前記アレイの方を向いた凹形のレンズ面を有し、前記一組の速軸レンズの前記第２の円柱レンズが、前記基板の表面の方を向いた凸形のレンズ面を有する、請求項１６に記載の装置。
【請求項19】
前記一組の遅軸および速軸レンズが、明細書の表１（Ｌ２−Ｌ５）に示された光学規定を有する、請求項１６に記載の装置。
【請求項20】
円柱レンズの前記第１のレンズアレイおよび円柱レンズの前記第２のレンズアレイが、明細書の表２に示された光学規定を有する、請求項１６に記載の装置。
【請求項21】
前記集光レンズセットが、明細書の表３（Ｌ１−Ｌ５）および表４に示された光学規定を有する、請求項１６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は一般に半導体基板の熱処理に関する。詳細には、本発明は、半導体基板のレーザ熱処理に関する。
【背景技術】
【0002】
シリコンウエハまたは他の基板、例えばディスプレイ装置用のガラスパネルに形成されたシリコン集積回路および他の半導体集積回路の製造には熱処理が必要である。必要な温度は、２５０℃未満の比較的に低い温度から、１０００℃超、１２００℃超または１４００℃超にも及ぶことがあり、熱処理は、ドーパント注入アニール、結晶化、酸化、窒化、ケイ化、化学気相堆積など、さまざまなプロセスに対して使用することができる。
【0003】
先進の集積回路に必要な非常に浅い回路フィーチャに関しては、必要な熱処理を達成するための全サーマルバジェット（ｔｏｔａｌ ｔｈｅｒｍａｌ ｂｕｄｇｅｔ）を低減させることが望ましい。サーマルバジェットは、所望の処理温度を達成するのに必要な高温にある時間の合計と考えることができる。ウエハを最高温度に維持する必要がある時間を非常に短くすることができる。例えば、高速熱処理（ｒａｐｉｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）（ＲＴＰ）は、非常に高速にオン／オフすることができる放射ランプを使用して、チャンバの他の部分を加熱せずにウエハだけを加熱する。非常に短い（約２０ｎｓ）レーザパルスを使用するパルスレーザアニールは、その下のウエハを加熱せずに表層だけを加熱するのに有効であり、したがって、非常に短いランプアップ（ｒａｍｐ ｕｐ）およびランプダウン（ｒａｍｐ ｄｏｗｎ）レートを可能にする。
【0004】
熱流束レーザアニールまたは動的表面アニール（ｄｙｎａｍｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）（ＤＳＡ）と時に呼ばれる、より最近になって開発された、さまざまな形態をとる１つの方法は、テーパの付いたライトパイプおよびアナモルフィック結像光学部品を使用して、細長い放射ラインとしてウエハに衝突する非常に強い光ビームを生み出す。次いで、この放射ラインを、ウエハの表面の上で放射ラインビームの長さ寸法に対して垂直の方向に走査する。しかしながら、像を遅軸（ｓｌｏｗ ａｘｉｓ）（すなわち放射ラインの長さ方向）に沿って均質にし、拡大／縮小する目的に使用されるライトパイプは壊れやすく、製造が難しく、システムの他の光学部品に対する不良軸合わせを引き起こしやすいことが報告されている。
【0005】
したがって、レーザライン像を投影するより効率的でより経済的な光学システムであって、軸合わせエラーに対する感度がより低く、より壊れにくい光学システムが求められている。
【発明の概要】
【0006】
本発明は一般に半導体基板の熱処理に関する。一実施形態では、半導体基板を処理する熱処理装置が提供される。この装置は、基板支持体と、レーザ放射源と基板支持体の間の光路に沿ってレーザ放射を発射するレーザ放射源と、光路に沿って配置された照明光学部品であり、互いから間隔を置いて配置された第１の円柱レンズおよび第２の円柱レンズを少なくとも有する一組の遅軸レンズ、ならびに互いから間隔を置いて配置された第１の円柱レンズおよび第２の円柱レンズを少なくとも有し、一組の遅軸レンズの第１の円柱レンズと第２の円柱レンズの間に配置された一組の速軸（ｆａｓｔ ａｘｉｓ）レンズを備える照明光学部品と、光路に沿って照明光学部品と基板支持体の間に配置された、レーザ放射源からのレーザ放射を均質にするホモジナイザであり、円柱レンズの第１の微小光学小型レンズアレイ、ならびに円柱レンズの第１の微小光学小型レンズアレイの小型レンズピッチよりも相対的に大きい小型レンズピッチを有する円柱レンズの第２の微小光学小型レンズアレイを備えるホモジナイザとを含む。一例では、第１の微小光学小型レンズアレイの小型レンズ軸および第２の微小光学小型レンズアレイの小型レンズ軸が、レーザ放射源の速軸に平行な軸に沿って配向されている。この装置はさらに、光路に沿ってホモジナイザと基板支持体の間に配置された、基板の表面にライン像を焦束させる複数の集光レンズを備え、この複数の集光レンズは、全ての面が球面である少なくとも５つのレンズを有する。
【0007】
他の実施形態では、半導体基板を処理する熱処理装置が提供される。この装置は、基板支持体と、第１の波長のレーザ放射を発射するレーザダイオードバーのアレイであり、遅軸に沿って延びる複数の平行な列として配置されており、レーザダイオードバーの列が、速軸に沿ったスタックとして配置されており、遅軸および速軸が、レーザダイオードバーのアレイと基板支持体の間の光路と直交するレーザダイオードバーのアレイと、光路に沿ってレーザダイオードバーのアレイと基板支持体の間に配置された照明光学部品であり、偏光ビームスプリッタ、互いから間隔を置いて配置された第１の円柱レンズおよび第２の円柱レンズを少なくとも有する一組の遅軸レンズ、互いから間隔を置いて配置された第１の円柱レンズおよび第２の円柱レンズを少なくとも有し、一組の遅軸レンズの第１の円柱レンズと第２の円柱レンズの間に配置された一組の速軸レンズ、一組の速軸レンズの下流に配置され、加熱された基板から反射された第２および第３の波長のレーザ放射の方向を高温計へ変えるように構成されたダイクロイックミラー、ならびにダイクロイックミラーの下流に配置され、レーザ放射の偏光を９０度回転させる波長板を備える照明光学部品と、遅軸に沿ってレーザ放射を均質にするため、光路に沿って照明光学部品と基板支持体の間に配置されたホモジナイザであり、円柱レンズの第１の微小光学小型レンズアレイ、ならびに円柱レンズの第１の微小光学小型レンズアレイの小型レンズピッチよりも相対的に大きい小型レンズピッチを有する円柱レンズの第２の微小光学小型レンズアレイを備えるホモジナイザと、基板の表面にライン像を焦束させるため、光路に沿ってホモジナイザと基板支持体の間に配置された集光レンズセットであり、全ての面が球面である少なくとも５つのレンズを有する集光レンズセットとを含む。
【0008】
他の実施形態では、半導体基板を処理する熱処理装置が提供される。この装置は、基板支持体と、遅軸に沿って延びる複数の平行な列として配置されたレーザダイオードバーのアレイであり、レーザダイオードバーの列が、速軸に沿ったスタックとして配置されており、遅軸が、速軸に対して概ね垂直であるレーザダイオードバーのアレイと、レーザダイオードバーのアレイと基板支持体の間に配置された照明光学部品であり、互いから間隔を置いて配置された第１の円柱レンズおよび第２の円柱レンズを少なくとも有し、遅軸におけるレーザビーム放射を平行にする一組の遅軸レンズ、ならびに互いから間隔を置いて配置された第１の円柱レンズおよび第２の円柱レンズを少なくとも有し、一組の遅軸レンズの第１の円柱レンズと第２の円柱レンズの間に配置され、速軸におけるレーザビーム放射を平行にする一組の速軸レンズを備える照明光学部品と、照明光学部品によって平行になったレーザビーム放射を遅軸に沿って均質にするため、照明光学部品と基板支持体の間に配置されたホモジナイザであり、円柱レンズの第１の微小光学小型レンズアレイ、ならびに円柱レンズの第１の微小光学小型レンズアレイに対して平行に配置され、円柱レンズの第１の微小光学小型レンズアレイから間隔を置いて配置された円柱レンズの第２の微小光学小型レンズアレイであり、円柱レンズの第１の微小光学小型レンズアレイの小型レンズピッチよりも相対的に大きい小型レンズピッチを有する円柱レンズの第２の微小光学小型レンズアレイを備えるホモジナイザと、基板の表面にライン像を焦束させるため、光路に沿ってホモジナイザと基板支持体の間に配置された集光レンズセットであり、全ての面が球面である少なくとも５つのレンズを有する集光レンズセットとを含む。
【0009】
本発明の上記の特徴を詳細に理解することができるように、そのうちのいくつかが添付図面に示された実施形態を参照することによって、上で簡単に概説した発明のより具体的な説明を得ることができる。しかしながら、添付図面は本発明の典型的な実施形態だけを示したものであり、したがって、添付図面を、本発明の範囲を限定するものと考えるべきではない。等しく有効な別の実施形態を本発明が受け入れる可能性があるためである。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明の一実施形態に基づく熱流束レーザアニール装置の例示的な透視図である。
【図2】レーザダイオードバーアレイと、全体として機能して、ウエハの表面に導くレーザ光の均一な分布を生み出し、それをウエハの表面に集束させるいくつかの光学部品とを有する光学システムを概念的に示す図である。
【図3】レーザダイオードバーアレイの端面図である。
【図4A】例示的な照明光学部品内を伝搬する出力ビームの速軸図および遅軸図である。
【図4B】例示的な照明光学部品内を伝搬する出力ビームの速軸図および遅軸図である。
【図5A】微小レンズアレイホモジナイザの遅軸図である。
【図5B】予備均質化レンズアレイの小型レンズアレイの一部分の拡大遅軸図である。
【図6A】例示的なフーリエ変換レンズ内を伝搬するレーザビームの遅軸図である。
【図6B】フーリエ変換レンズの歪み関数と正規化された放射強度Ｉ（θ）および放射照度関数Ｈ（ｙ）との関係を示す図である。
【図7】レーザダイオードバーアレイ、照明光学部品、微小レンズアレイホモジナイザ、フーリエ変換レンズおよび高温計集光光学部品を含む本発明の一実施形態に基づく光学システムのレンズ配置の遅軸図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
図１は、本発明の一実施形態に基づく熱流束レーザアニール装置の例示的な透視図である。装置２は一般に、２次元走査用のガントリ構造体１０を含む。ガントリ構造体１０は、固定された一対の平行レール１２、１４を含むことができる。２本の平行ガントリ梁１６、１８が、固定されたある距離だけ離して一緒に固定されており、平行ガントリ梁１６、１８は、固定されたレール１２、１４上に支持されており、モータ（図示せず）および駆動機構（図示せず）によって制御されて、ローラまたは玉軸受（図示せず）上を、固定されたレール１２、１４に沿って一緒にスライドする。ガントリ梁１６、１８にはビーム源２０がスライド可能に支持されており、ビーム源２０は、図示されていないモータおよび駆動機構によって制御された梁１６、１８から吊り下げられて、梁１６、１８に沿ってスライドすることができる。ガントリ構造体１０の下方に、基板、例えばシリコンウエハ２２を動かないように支持することができる。後により詳細に論じるビーム源２０は一般に、レーザ光源と、ラインビーム２６としてウエハ２２に衝突するビーム２４を生み出す光学部品とを含み、ラインビーム２６は、以後、遅方向と呼ぶ、固定されたレール１２、１４に対して概ね平行な方向（すなわちラインの長さの方向）に延びる。
【0012】
この図には示されていないが、ガントリ構造体１０はさらに、扇形のビーム２４に対して概ね平行な方向にレーザ光源および光学部品を移動させ、それによってビーム源２０とウエハ２２の間の距離を制御可能に変化させ、そのようにしてウエハ２２の表面へのラインビーム２６の集束を制御するＺ軸ステージを含むことができる。ラインビーム２６の例示的な寸法は、約５ｍｍから約１ｃｍ、例えば約１２ｍｍの長さ、および約５０μｍから約９０μｍ、例えば約７５μｍの幅を含み、例示的なパワー密度は２２０ｋＷ／ｃｍ２である。あるいは、ビーム源および関連光学部品を固定し、ステージ（例えばＸ−Ｙステージ）上にウエハを支持し、ステージがウエハを２次元で走査することもできる。
【0013】
一実施形態では、ガントリ梁１６、１８を、固定されたレール１２、１４に沿ったある特定の位置に固定し、ビーム源２０を、ガントリ梁１６、１８に沿って均一な速度で移動させて、ラインビーム２６を、速方向と呼ぶ方向（すなわちライン幅方向）に、ラインビーム２６の長さ寸法に対して垂直に走査する。あるいは、ビーム源２０を固定し、ウエハ２２をビーム源２０に対して移動させ、それによってウエハ２２の一方の側からもう一方の側までラインビーム２６を走査して、ウエハ２２の１ｃｍの帯に照射することもできる。ラインビーム２６は十分に細く、速方向の走査速度は十分に速いため、ウエハの特定のエリアがラインビーム２６の光放射にさらされるのは一瞬だけだが、ラインビームのピーク強度は、その表面領域を非常に高い温度に加熱するのに十分である。しかしながら、ウエハ２２のより深い部分はあまり加熱されず、したがって、ウエハ２２のより深い部分は、表面領域を急速に冷却するヒートシンクの役目を果たす。高速走査が完了した後、遅軸に沿って延びるラインビーム２６の長さ寸法に沿ってラインビーム２６が移動するような態様で、ガントリ梁１６、１８またはＸ−Ｙステージによって移動するウエハ２２を新たな位置へ移動させる。次いで、高速走査を再び実行して、ウエハ２２の隣接する帯に照射する。ウエハ２２全体が熱処理されるまで、この高速走査と遅速走査を交互に繰り返す。このときビーム源２０はおそらく蛇行経路に沿って移動する。
【0014】
例示的なビーム源２０が図２に概念的に示されている。図２は、レーザダイオードバーアレイと、一緒に機能して、ウエハ２２の表面に焦束させるレーザ光の均一な分布を生み出すいくつかの光学部品とを備える光学システム２００を示す。一実施形態では、光学システム２００が一般に、レーザダイオードバーアレイ２０２、照明光学部品２０４、微小レンズアレイとすることができるホモジナイザ２０６、フーリエ変換レンズ（または視野レンズ）２０８、および高温計集光光学部品２１０を含む。矢印「Ａ」は、レーザダイオードバーアレイ２０２から約８０８ｎｍのレーザ放射が発射され、このレーザ放射が、順に照明光学部品２０４、微小レンズアレイホモジナイザ２０６、フーリエ変換レンズ２０８を通過してウエハに伝わることを示している。加熱されたウエハから放出された熱放射の一部は、フーリエ変換レンズ２０８によって集められ、微小レンズアレイホモジナイザ２０６、照明光学部品２０４を通過して、レーザダイオードバーアレイ２０２の方へ向かう。微小レンズアレイホモジナイザ２０６と照明光学部品２０４の間にビームリフレクタ（図示せず）を配置して、加熱されたウエハから高温計波長（９４０ｎｍ、１５５０ｎｍ、矢印「Ｂ」）で放出された熱放射の一部を高温計集光光学部品２１０へ導き、それによって熱処理中のウエハの温度を監視することができる。レーザダイオードバーアレイ２０２に対する熱の影響を回避または最小化するため、照明光学部品２０４は、加熱されたウエハから反射された熱放射を集める１つまたは複数のビームダンプ（図示せず）を含むことができる。光学システム２００については後により詳細に論じる。
【0015】
図３は、レーザダイオードバーアレイ２０２の端面図を示す。レーザダイオードバーアレイ２０２は複数のダイオードバー３０２を有することができ、ダイオードバー３０２はそれぞれ、ダイオードバー３０２上に取り付けられ、４００μｍのピッチで分離された所望の数のレーザダイオード（図示せず）、例えば約２５個のレーザダイオードを含む。ダイオードバー３０２を互いに平行に配置してレーザバースタック３０４を形成することができる。処理に必要な出力パワーに応じて、ダイオードバー３０２およびスタック３０４の数は変更することができる。出力要件が、ダイオードバーアレイ全体から少なくとも１６００Ｗを得ることができることである場合には、所与のダイオードバーからの全パワーを制限して、レーザダイオードの有効寿命を延ばすことが有利なことがある。例えば、それぞれのダイオードバー３０２の全体の出力パワーを約６０Ｗに制限することができる。ピッチが約１．８ｍｍ（高さ）、ダイオードバーの長さが約１０ｍｍである一実施形態では、パワー密度／バーが約３３０Ｗ／ｃｍ２である。全体のパワー要件を満たすためには、この低い光出力を補償するのに、（速軸方向の）９つのダイオードバー３０２の合計３つの（遅軸方向の）スタック３０４が必要であることが分かった。したがって、レーザダイオードバーアレイ２０２は、図示されているように３×９アレイとしてまとめられた合計２７個のダイオードバー３０２を有する。
【0016】
それぞれのダイオードバー３０２は一般に、熱処理用途に適した波長のビーム、例えば約１９０ｎｍから約９５０ｎｍの間の波長、特定の用途では波長８０８ｎｍのビームを発射するように構成されたｐｎ接合に対応する。ダイオードバー３０２の形状寸法のため、分離したそれぞれのダイオードバー３０２からの未処理の出力ビームは、発散が大きく、（ともにビーム方向に対して垂直な）速軸と遅軸の両方について非対称である。典型的な速軸発散は約４０°ＦＷＨＭ（Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ、半値全幅）であり、遅軸発散は約１０°ＦＷＨＭである。大部分の用途では、１つまたは複数の光学要素を使用して、出力ビームを再整形して長方形断面を有するビームにした方が有利である。速軸方向ではより高い発散が観察されるため、発散角Φ（出力ビームの発散角Φの遅軸図が図４に示されている）を有する出力ビームを速軸方向に沿って平行にするために、円柱レンズ（図示せず）などの光学要素がそれぞれのレーザダイオードをカバーすることができる。一実施形態では、光学システム２００を通過する出力ビームの発散は、全ての動作電流に対して、遅軸に沿って７．５°ＦＷＨＭ（半値全幅）未満、速軸に沿って０．２°ＦＷＨＭ未満である。
【0017】
一実施形態では、ダイオードバー３０２の遅軸方向の長さが約２ｍｍから約２０ｍｍ、例えば約１０ｍｍであり、ダイオードバー３０２が、隣接するダイオードバーから、速軸方向に、約０．５ｍｍから約３ｍｍ、例えば約１．８ｍｍ以下のバーピッチ「ｐ」だけ離れている。スタック間隔「ｄ」（スタックの中心からスタックの中心まで）は約５ｍｍから約２５ｍｍの間、例えば約１２ｍｍ以下とすることができる。レーザダイオードバーアレイ２０２の高さ「Ｈ」（これはバーの数およびバー間隔によって定まる）は約５ｍｍから約３０ｍｍ、例えば約１４．４ｍｍとすることができ、幅「Ｗ」（これもやはりバーの数およびバー間隔によって定まる）は約１５ｍｍから約５０ｍｍ、例えば約３４ｍｍとすることができる。ダイオードバー３０２の間隔、ピッチおよび／またはサイズを含む構成を出力パワー要件に応じて変更することが企図される。後により詳細に論じるように、この特定の形状寸法を有するレーザダイオードバーアレイ２０２は、１つまたは複数の微小円柱レンズアレイによる均質化および球面を有するレンズを使用したビームラインの結像のために有利なアスペクト比を有する光学ビームを提供すると考えられる。
【0018】
図４Ａおよび４Ｂは、例示的な照明光学部品４００内を伝搬する出力ビームの遅軸図および速軸図を示す。照明光学部品４００は、レーザダイオードバーアレイ２０２からの出力ビームを平行にし、出力ビームが微小レンズアレイホモジナイザ２０６に到達するときに、適切な遅軸発散および開口数（ＮＡ）でビームを集光する。照明光学部品４００はさらに、レーザダイオード電流に対するホモジナイザ照明の依存性を排除し、微小レンズアレイホモジナイザ２０６の一定角度の遅軸照明を提供するのに役立つ。一実施形態では、照明光学部品４００が、偏光ビームスプリッタ４０２（図面では「Ｌ１」として識別される）、高温計ダイクロイックミラー４０４（「Ｌ６」として識別される）、波長板４０６（「Ｌ７」として識別される）、一組の遅軸レンズ４０８（「Ｌ２」および「Ｌ５」として識別される）、および一組の速軸レンズ４１０（「Ｌ３」および「Ｌ４」として識別される）を含む。偏光ビームスプリッタ４０２は、レーザダイオードバーアレイ２０２の下流に配置することができ、直交する偏光方向を有する一方または両方の成分を生み出すように構成することができる。偏光ビームスプリッタ４０２は、レーザダイオードバーアレイ２０２からの指定された直線偏光を有する出力ビームが偏光ビームスプリッタ４０２に到達し、偏光ビームスプリッタ４０２がその出力ビームを光軸Ｚ（光路）に沿って透過させることを保証し、指定された直線偏光以外の光を光路から逸らしてビームダンプ（図示せず）へ導くように構成される。一例では、偏光ビームスプリッタ４０２が、遅軸に対して約４５度の角度で配置される。ビーム経路上の偏光ビームスプリッタ４０２と微小レンズアレイホモジナイザ２０６の間の位置などに、１／４（λ／４）波長板などの波長板４０６を、波長板４０６を通過した直線偏光ビームが円偏光になるように配置することができる。一例では、波長板４０６が、高温計ダイクロイックミラー４０４と微小レンズアレイホモジナイザ２０６の間に配置される。
【0019】
偏光ビームが、一組の遅軸レンズ４０８、一組の速軸レンズ４１０、高温計ダイクロイックミラー４０４、波長板４０６、および光学システム２００の残りの部分（すなわち図２に示されているように微小レンズアレイホモジナイザ２０６およびフーリエ変換レンズ２０８）を通過した後、ビームの一部がウエハ２２の表面から反射されて、光学システム２００内を逆方向へ進むことがある。このような逆方向への透過の間に、ビームは、波長板４０６との２度目の遭遇によって再び直線偏光になる。ただし、このときには９０°回転している。偏光ビームスプリッタ４０２と２度目に遭遇すると、レーザ放射はビームダンプへ導かれ、これによって、レーザダイオードバーアレイ２０２は潜在的な損傷から保護される。
【0020】
加熱されたウエハ２２から放出された波長９５０ｎｍ以上の熱放射は、高温計ダイクロイックミラー４０４によって方向が変えられて高温計へ導かれる（図７）。高温計の出力はコントローラ（図示せず）に供給され、コントローラは、検出された光電流をウエハ温度に変換し、それを所望の温度と比較し、それによって、レーザダイオードバーアレイ２０２に供給する電力を調整する（これについては後に詳細に論じる）。
【0021】
一組の遅軸レンズ４０８は、物体側Ａから像側Ｂに向かって順に、互いから間隔を置いて配置された、有効焦点距離ｆが約１２０ｍｍの円柱レンズ４０８ａおよび円柱レンズ４０８ｂを含むことができる。円柱レンズ４０８ａと４０８ｂの間には一組の速軸レンズ４１０が配置されており、一組の速軸レンズ４１０は、物体側Ａから像側Ｂに向かって順に、速軸方向の倍率が１．１８倍の焦点望遠鏡（ｆｏｃａｌ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ）またはビームエクスパンダを構成するように間隔を置いて配置された円柱レンズ４１０ａおよび円柱レンズ４１０ｂを含むことができる。一実施形態では、円柱レンズ４０８ａが、物体側Ａの方を向いた凸形のレンズ面４２０を有し、円柱レンズ４０８ｂが、像側Ｂの方を向いた凸形のレンズ面４２２を有する。円柱レンズ４１０ａは、物体側Ａの方を向いた凹形のレンズ面４２６を有し、円柱レンズ４１０ｂは、像側Ｂの方を向いた凸形のレンズ面４２８を有する（図４Ｂ）。本発明の一実施形態に基づく遅軸レンズ４０８（すなわち円柱レンズ４０８ａおよび円柱レンズ４０８ｂ）および速軸レンズ４１０（すなわち円柱レンズ４１０ａおよび円柱レンズ４１０ｂ）に対する詳細な規定を下表１に示す。
【0022】
【表1】
【0023】
レーザダイオードバーアレイ２０２は、焦点距離ｆの一組の遅軸レンズ４０８の前焦点面に位置し、微小レンズアレイホモジナイザ２０６は後焦点面に位置する。動作時、遅軸レンズ４０８は、遅軸に沿って一定の発散角を有するビームを生み出す。このビームは、図４Ａに示されているように、集光され、収束して、光軸Ｚの方向の微小レンズアレイホモジナイザ２０６の入力端、すなわち予備均質化レンズアレイ５０２に入る。内側の速軸レンズ４１０は、レーザダイオード上の円柱レンズに起因する残留発散を除去しまたは低下させる。このビームは、図４Ｂに示されているように、速軸の方向に拡大され、平行にされて、微小レンズアレイホモジナイザ２０６に入る（分かりやすくするため偏光ビームスプリッタ４０２、高温計ダイクロイックミラー４０４および波長板４０６は省略されている）。一組の遅軸および速軸レンズ４０８、４１０は、遅軸方向の発散が大きく一定となり（次の段落論じる）、速軸方向に沿った発散角Φがより小さくなるように、レーザダイオードバーアレイ２０２のビーム出力を変換する。微小レンズアレイホモジナイザ２０６に入る速軸の発散角がより小さいことは、ウエハ２２におけるラインの集束がより密であることを意味する。
【0024】
照明光学部品４００は、予備均質化レンズアレイ５０２の開口数（ＮＡ）が約０．１５である微小レンズアレイホモジナイザ２０６に、適切な遅軸発散を有するレーザビームを送達するのに役立つ。微小レンズアレイホモジナイザ２０６からの出力の均一性を良好にするためには、入射遅軸発散が、微小レンズアレイホモジナイザ２０６の開口数（ＮＡ）を超えないことが重要である。微小レンズアレイホモジナイザ２０６に入射する遅軸発散を制御するため（レーザダイオードバーアレイ２０２からのＳＡ発散は、電流／電力出力の関数であることに留意されたい）、有効焦点距離ｆが約１２０ｍｍの一対の円柱レンズ４０８ａ、４０８ｂによって、ダイオードアレイの発光平面を、遅軸方向において、光学的にフーリエ変換する。光学フーリエ変換の特性（後に論じる）のため、後焦点面における光の角度は、レーザダイオードバーアレイ２０２における光の空間位置によって決まる。レーザダイオードバーアレイ２０２の空間発光パターンは均一であり、ダイオードのパワーから独立しており、幾何学的に対称であるため、微小レンズアレイホモジナイザ２０６に入射する発散も同様に均一であり、ダイオードのパワーから独立している。一方、微小レンズアレイホモジナイザ２０６におけるビームの遅軸の空間的広がりは、レーザダイオードバーアレイ２０２からの遅軸発散によって定まり、処理スキームに応じて変更することができる。照明光学部品４００は、速軸の発散を約１／１．１８に低下させる。ある種の実施形態では、ダイオードアレイの速軸発散が０．１３５°である場合に、ウエハ２２の像平面における最終的なライン幅が＜８０μｍＦＷＨＭである要件を満たすことを保証するのに、このことが必要である。ダイオードアレイの速軸発散が＜０．１２°の目標を満たす場合には、速軸レンズ４１０を省くことができることに留意されたい。
【0025】
図５Ａは、図２に関して上で論じた微小レンズアレイホモジナイザ２０６などの微小レンズアレイホモジナイザ５００の遅軸図を示す。微小レンズアレイホモジナイザ５００は一般に、予備均質化レンズアレイ５０２（図面では「Ｌ８」として識別される）、予備均質化レンズアレイ５０２に対して平行に配置され、予備均質化レンズアレイ５０２からこのレンズの焦点距離だけ離隔した最終均質化レンズアレイ５０４（「Ｌ１０」として識別される）などの微小レンズアレイを使用して、レーザビームを遅軸に沿って均質にする。予備均質化レンズアレイ５０２および最終均質化レンズアレイ５０４が小型円柱レンズのアレイである場合には、予備均質化レンズアレイ５０２の小型円柱レンズ軸および最終均質化レンズアレイ５０４の小型円柱レンズ軸を、レーザダイオードバーアレイ２０２の速軸に平行な軸に沿って配向することができる。微小レンズアレイホモジナイザ５００の開口数（ＮＡ）は特に、全ての面が球面であるフーリエ変換レンズ２０８を可能にするように選択することができる。２つの微小レンズアレイ（すなわち５０２、５０４）が示されているが、ウエハ位置における最終ライン像のスペックルを低減させるため、微小レンズアレイホモジナイザ５００が３つ以上の微小レンズアレイを含むこともできる。
【0026】
動作時、光源、すなわちレーザダイオードバーアレイ２０２からの出力ビームを、上で論じた照明光学部品２０４の円柱レンズによって集束させ、微小レンズアレイホモジナイザ５００に、遅軸に沿った有限の収束角で、しかし速軸に沿って実質的に平行に入射させる。微小レンズアレイホモジナイザ５００は、遅軸上に間隔を置いて配置されたレーザバースタック３０４（図３）内の複数のレーザダイオードによって導入された遅軸に沿ったビーム構造を低減させ、光源の可能な不均一性を平滑化する。予備均質化レンズアレイ５０２および最終均質化レンズアレイ５０４は、円柱レンズまたは複数の曲面を有するレンズとすることができる。図５Ａに示された一実施形態では、予備均質化レンズアレイ５０２および最終均質化レンズアレイ５０４が一般に、それぞれ円柱レンズ５０３、５０５からなる微小光学小型レンズアレイを含む。図５Ｂは、例えば予備均質化レンズアレイ５０２の小型レンズアレイの一部分の拡大遅軸図を示す。図示された小型レンズアレイは２つの隣接した円柱レンズ５０３ａ、５０３ｂを含み、円柱レンズ５０３ａと５０３ｂの間には遷移領域５１０が位置する。遷移領域５１０では、表面の輪郭が、凸面円柱レンズ５０３ａ、５０３ｂになめらかに接続する凹形円柱レンズに近い。この遷移領域５１０の幅は、ライン像の端におけるラインの長さおよび縁の傾斜に影響を及ぼす。一例では、遷移領域５１０の長さが約２０μｍから約６０μｍ、例えば約４０μｍであり、円柱レンズ５０３ａ、５０３ｂの長さがそれぞれ約１８０μｍから約３００μｍ、例えば約２５０μｍである。
【0027】
微小レンズアレイに入射する光には、最終的なライン像における望ましくないコヒーレントアーチファクトにつながる可能性がある十分な空間的コヒーレンスがあるため、予備均質化レンズアレイ５０２と最終均質化レンズアレイ５０４の間に追加のレンズ、例えば弱い円柱レンズ５０６（図面では「Ｌ９」として識別される）を置いて、このコヒーレント不均一性を小さくするのに役立てることができる。弱い円柱レンズ５０６の焦点距離は約５００ｍｍとすることができる。後続のフーリエ変換レンズ２０８内の球面光学部品を使用して像ライン長の要件を満たすためには、微小レンズアレイホモジナイザ２０６に、遅軸の開口数ＮＡが約０．１６である微小レンズアレイ（すなわちレンズアレイ５０２、５０４）が必要なことがあることは上で示した。レンズアレイの開口数は下式によって表すことができる。
【0028】
【数1】
【0029】
これらの光学パラメータは、十分な数の小型レンズ、すなわち円柱レンズ５０３、５０５からなる微小光学小型レンズアレイが、レーザダイオードバーアレイ２０２および照明光学部品２０４によって照明されるのに十分な小さいピッチを提供するように選択した。一例では、予備均質化レンズアレイ５０２および最終均質化レンズアレイ５０４のそれぞれに、微小レンズアレイホモジナイザ２０６内で約１５ｍｍのビーム幅をカバーする約５０個の円柱レンズ５０３、５０５がある。
【0030】
【表2】
【0031】
図６Ａは、図２に関して上で論じたフーリエ変換レンズ２０８などの例示的な集光レンズセット６００内を伝搬するレーザビームの遅軸図を示す。集光レンズセット６００は、適当なフーリエ変換レンズ、または図６Ａに関して後述する特定のレンズ配置を有する集光レンズセット６００とすることができる。このフーリエ変換レンズは、ライン像をウエハ２２に焦束させるように設計されており、最終微小レンズアレイによって生み出された放射強度分布にマッチした特定の光学歪みを有する。このレンズ設計は意図的に非点収差を生じさせ、それによって個々のレンズ要素の数がより少ないより単純な設計を可能にし、それにもかかわらず、ラインの均一性に負の影響を与えないライン像の高品質結像を可能にする。一実施形態では、集光レンズセット６００が一般に、物体側Ａから像側Ｂへ順に、光軸Ｚに沿って配置され、全ての面が球面である５つの個々のレンズ、例えば第１のレンズ６０２、第２のレンズ６０４、第３のレンズ６０６、第４のレンズ６０８および第５のレンズ６１０（図面ではそれぞれ「Ｌ１１」、「Ｌ１２」、「Ｌ１３」、「Ｌ１４」および「Ｌ１５」として識別される）を含むレンズアレイを含む。全てのレンズが球面レンズである集光レンズセット６００は、円柱光学部品と球面光学部品の両方を使用するアナモルフィック設計に比べてより経済的な製造およびより簡単な軸合わせを可能にする。本発明の一実施形態に基づく個々のそれぞれのレンズ６０２、６０４、６０６、６０８および６１０に対する詳細な規定を下表３に示す。
【0032】
【表3】
【0033】
図６Ａはさらに、交換可能な出力窓６１２（図面ではＷ１として識別される）およびチャンバ窓６１４（図面ではＷ２として識別される）を含むことができる。交換可能な出力窓６１２は光学システム２００の内部を保護する。平行になったレーザビームは、チャンバ窓６１４を通ってチャンバに入ることができる。熱処理用途では、チャンバ窓６１４を、処理中のウエハ２２よりも大きくすることができる。これは、処理の一部として、ウエハの全領域に光が到達する必要がある場合があるためである。本発明がこの特定の数のレンズだけに限定されないこと、および代替実施形態はさまざまな数のレンズを含むことができることに留意されたい。それぞれのレンズの特定の光学特性およびレンズを組み合わせる方式が、ウエハ２２の表面に提供される重ねられた像の形状を規定することがある。
【0034】
フーリエ変換レンズ２０８などの集光レンズセット６００は、ウエハ２２（図２）の位置に最終ライン像を形成する。このレンズがフーリエ変換レンズと呼ばれるのは、その後焦点面に像が形成されるためである。そのようなレンズとして、このレンズは、無限共役で動作し、所与の入射角の入力ビームをウエハ２２の像平面上の位置にマップする。レンズの一般化された歪み関数ｇ（θ）は、ｙ＝ｆｇ（θ）によって定義される入力角θから像位置ｙへのマッピングを決定する。最終均質化レンズアレイ５０４の直後に生み出される正規化された放射強度Ｉ（θ）は、１ラジアン当たりの光強度の尺度であり、すなわち、Ｉ（θ）ｄθは、ビーム角θとθ＋ｄθの間に含まれる光強度である（便宜上Ｉ（θ）＝１と仮定する）。ＮＡが適度に大きい微小レンズアレイに固有の収差により、関数Ｉ（θ）は、トップハット（ｔｏｐ ｈａｔ）形（図６Ｂの（ａ）参照）ではなく、２次方程式Ｉ（θ）＝１＋ｃ２θ２によってうまく表される（図６Ｂの（ｂ）参照）。ウエハ２２の像平面における正規化された放射照度関数Ｈ（ｙ）は、Ｈ（ｙ）ｄｙが、ｙからｙ＋ｄｙの領域内の光強度であるような態様で定義される。非常に均一な放射照度に関してはＨ（ｙ）が一定であり、Ｈ（ｙ）は便宜上１と仮定され、歪みマッピングｙ＝ｇ（θ）は、Ｈ（ｙ）＝１となるマッピングである。エネルギー保存の法則により、角度θを位置ｙに変換するマッピングｇ（θ）の下で、式Ｉ（θ）ｄθ＝Ｈ（ｙ）ｄｙ、または均一なトップハット形の放射照度についてはＨ（ｙ）＝１であるため式【0035】
最終均質化レンズアレイ５０４によって生み出される正規化された放射強度は、２次方程式Ｉ（θ）＝１＋ｃ２θ２によって表すことができるため、方程式【0036】
【数2】
【0037】
【表4】
【0038】
集光レンズセット６００は、速軸方向の像スポットサイズを最小化するように構築することができるが、球面レンズだけを使用することによって、レンズが非点収差を示すことを可能にすることができる。遅軸方向の像スポットの成長は、ラインの端における重大でないラインの伸びおよび軟化を引き起こす。しかしながら、このようなレンズ設計は、速軸方向のライン幅に対して不利にはならず、個々のレンズ要素の数がより少ないより単純な設計、およびラインの均一性に負の影響を与えないライン像の高品質結像を可能にすることが示されている。集光レンズセット６００で使用されるレンズの数が、上で論じた５つの球面要素だけに限定されないことが企図される。当業者は、必要に応じて、上記の方程式を使用してレンズを追加または除去して、集光レンズセット６００の個々のそれぞれのレンズに必要な歪みを最適化することができる。
【0039】
図７は、上で論じたレーザダイオードバーアレイ２０２、照明光学部品（４０２、４０８ａ〜ｂ ４１０ａ〜ｂ、４０４および４０６）、微小レンズアレイホモジナイザ（５０２、５０４および５０６）および集光レンズセット（６０２、６０４、６０６、６０８、６１０、６１２および６１４）、ならびに高温計集光光学部品（７０２、７０４、７０６および７０８）を含む本発明の一実施形態に基づく光学システム７００のレンズ配置の遅軸図を示す。図７では、１つまたは複数の電磁波源（すなわちレーザダイオードバーアレイ２０２）からウエハ２２の表面までの光軸をＺ軸と称する。この図面では光学システム７００の遅軸（「ＳＡ」）が識別される。図示されているように速軸（「ＦＡ」）は紙面に対して直角である。図４Ａに関して上で簡単に論じたとおり、ウエハ温度を調整または制御するため、ウエハ２２の照明された部分の温度が、高温計集光光学部品によって絶えず監視される。レーザ源ビームを平行にしウエハ２２の表面に焦束させるのに使用する光学部品と同じ光学部品を使用して、加熱されたウエハ２２から放出された熱放射を逆方向に高温計７０２まで導く。この熱放射を、集光レンズセット（６０２、６０４、６０６、６０８、６１０、６１２および６１４）、微小レンズアレイホモジナイザ（５０２、５０４および５０６）を通して、高温計ダイクロイックミラー４０４まで逆方向へ伝搬させることができる。高温計ダイクロイックミラー４０４は、高温測定波長（例えば９４０ｎｍおよび１５５０ｎｍ）に対する高い反射率と主レーザ波長８０８ｎｍに対する高い透過率とを同時に有するコーティング（例えばＳｉＯ２および／またはＴａ２Ｏ５）を有する。加熱されたウエハ２２から放出された波長９４０±５ｎｍまたは１５５０±５ｎｍの熱放射は、高温計ダイクロイックミラー４０４と２度目に遭遇すると、高温計ダイクロイックミラー４０４によって方向が変えられて光学フィルタ７０４へ導かれる。光学フィルタ７０４は、レーザ放射の波長、例えば波長８０８ｎｍを遮断する。高温測定波長を有するレーザ放射は、任意選択のプリズム７０６によって反射されてレンズ７０８に達し、レンズ７０８は、このレーザ放射を高温計７０２の面に焦束させる。高温計の出力はコントローラ（図示せず）に供給され、コントローラは、検出された光電流をウエハ温度に変換し、それを所望の温度と比較し、それによって、レーザダイオードバーアレイ２０２に供給する電力を調整する。
【0040】
以上の説明は本発明の実施形態を対象としているが、本発明の基本的な範囲を逸脱することなく本発明の他の追加の実施形態を考案することができ、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。