▶ イノバベント ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-07-25
(54)【発明の名称】半導体材料を処理するための方法及び光学系
(51)【国際特許分類】
H01L 21/20 20060101AFI20220715BHJP
【ＦＩ】
H01L21/20
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021566325
(86)(22)【出願日】2020-04-28
(85)【翻訳文提出日】2022-01-07
(86)【国際出願番号】 EP2020061677
(87)【国際公開番号】W WO2020225016
(87)【国際公開日】2020-11-12
(31)【優先権主張番号】102019112141.8
(32)【優先日】2019-05-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】520220951
【氏名又は名称】イノバベント ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100092624
【弁理士】
【氏名又は名称】鶴田 準一
(74)【代理人】
【識別番号】100114018
【弁理士】
【氏名又は名称】南山 知広
(74)【代理人】
【識別番号】100153729
【弁理士】
【氏名又は名称】森本 有一
(74)【代理人】
【識別番号】100151459
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 健一
(72)【発明者】
【氏名】ゼバスティアン ゲブルト
(72)【発明者】
【氏名】ハンス－ユルゲン カーラート
【テーマコード（参考）】
5F152
【Ｆターム（参考）】
5F152CE05
5F152EE02
5F152FF05
5F152FG03
5F152FG05
5F152FG22
5F152FG23
5F152FH03
(57)【要約】
半導体材料層を処理、特に結晶半導体層を生成するための方法及び光学系が開示される。第１のレーザーパルス７６を持つ第１のレーザービーム７４及び第２のレーザーパルス８６を持つ第２のレーザービーム８４を用意し、第１のレーザーパルス７６及び第２のレーザーパルス８６をビーム成形装置を用いて短軸及び長軸を有する線状のレーザーパルスに成形し、結像装置を用いて半導体材料層上に短軸及び長軸を有する照射ラインとして結像する。さらに、第１のレーザーパルス７６の偏光方向を照射ライン３６の短軸方向に調整し、第２のレーザーパルス８６の偏光方向を照射ラインの長軸方向に調整し、第２のレーザーパルス８６を第１のレーザーパルス７６に対して所定の時間間隔Δｔだけ時間遅延させ、時間間隔Δｔは半導体材料層上に結像された照射ラインが第１の最大値Ｍ１及び第２の最大値Ｍ２を持つパルスの形態の合成時間強度曲線９６を有するように選択される。
【選択図】図６
【選択図】図６
【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体材料層を処理するための、特に結晶半導体層を生成するための方法であって、第１のレーザーパルス（７６）を持つ第１のレーザービーム（７４）及び第２のレーザーパルス（８６）を持つ第２のレーザービーム（８４）を用意するステップと、
前記第１のレーザーパルス（７６）及び前記第２のレーザーパルス（８６）を、ビーム成形装置を用いて、短軸及び長軸を有する線状のレーザーパルスに成形するステップと、
こうして成形された線状のレーザーパルスを、結像装置（３４）を用いて、短軸及び長軸を有する照射ライン（３６）として半導体材料層（１２）上に結像するステップと、を有し、
さらに、前記方法は、
前記第１のレーザーパルス（７６）の偏光方向を前記照射ライン（３６）の短軸方向に調整するステップと、
前記第２のレーザーパルス（８６）の偏光方向を前記照射ライン（３６）の長軸方向に調整するステップと、
前記第２のレーザーパルス（８６）を前記第１のレーザーパルス（７６）に対して所定の時間間隔Δｔだけ時間遅延させるステップと、を有し、前記時間間隔Δｔは前記半導体材料層（１２）上に結像された前記照射ライン（３６）が第１の最大値（Ｍ１）及び第２の最大値（Ｍ２）を持つパルスの形態の合成時間強度曲線（９６）を有するように選択されている方法。
【請求項2】
前記照射ライン（３６）を前記半導体材料層（１２）に対して相対的に送り方向に動かすことを含み、前記第１のレーザーパルス（７６）は送り方向で直線偏光されている、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記第１のレーザーパルス（７６）と前記第２のレーザーパルス（８６）の相対強度は、前記合成時間強度曲線（９６）における前記第１の最大値（Ｍ１）と前記第２の最大値（Ｍ２）の比が、０．８～１．４の範囲、特に０．９～１．２の範囲にあり、特に１．０である、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項4】
前記照射ライン（３６）の前記合成時間強度曲線（９６）は、前記合成時間強度曲線の前記第１の最大値を基準として４０～５０ｎｓの時間半値幅（１０２）を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項5】
第１のレーザー（６６）及び第２のレーザー（７０）を用意することを含み、前記第１のレーザー（６６）及び前記第２のレーザー（７０）は、それぞれ前記第１のレーザービーム（７４）及び前記第２のレーザービーム（８４）を放出するように設計され、前記第２のレーザーパルス（８６）が前記第１のレーザーパルス（７６）に対して時間間隔Δｔだけ遅延して放出されるように制御される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項6】
パルスを持つレーザービーム（５２）を提供するように設計された第１のレーザーを用意することと、前記レーザービーム（５２）を第１のレーザービーム部分（５８）と第２のレーザービーム部分（６０）に分割することと、を含み、前記第１のレーザービーム部分（５８）は前記第１のレーザーパルス（７６）を備えた前記第１のレーザービーム（７４）を形成し、前記第２のレーザービーム部分（６０）は前記第２のレーザーパルス（８６）を備えた前記第２のレーザービーム（８４）を形成する、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項7】
前記第２のレーザービーム部分（６０）のビーム分割の位置から前記半導体材料層（１２）までの光路長は、前記第１のレーザービーム部分（５８）のビーム分割の位置から前記半導体材料層（１２）までの光路長よりも大きい、請求項６に記載の方法。
【請求項8】
前記第１のレーザーパルス（７６）は、前記第１のレーザービーム（７４）の複数の第１のレーザーパルスの内の１つのレーザーパルスであり、前記第２のレーザーパルス（８６）は、前記第２のレーザービーム（８４）の複数の第２のレーザーパルスのうちの１つのレーザーパルスであり、パルス化された第２のレーザービーム（８４）の複数のレーザーパルスの各々は、パルス化された前記第１のレーザービーム（７４）の他の複数のレーザーパルスに対してそれぞれ所定の時間間隔Δｔだけ時間遅延されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項9】
送り速度、前記第１のレーザービーム（７４）及び前記第２のレーザービーム（８４）のパルス繰り返し周波数、並びに短軸方向における前記照射ライン（３６）の幾何学的半値幅（３６）は、前記半導体材料層（１２）の箇所が前記照射ライン（３６）によって数回露光されるように選択される、請求項２から７のいずれか一項を参照して請求項８に記載の方法。
【請求項10】
第３のレーザーパルス（８０）を有する第３のレーザービーム（７８）及び第４のレーザーパルス（９０）を有する第４のレーザービーム（８８）を用意するステップと、第１のレーザーパルス（７６）、第２のレーザーパルス（８６）、前記第３のレーザーパルス（８０）、及び前記第４のレーザーパルス（９０）を、ビーム成形装置を用いて、短軸及び長軸を有する線状のレーザーパルスに成形するステップと、
こうして成形された線状のレーザーパルスを、結像装置（３６）を用いて、短軸及び長軸を有する照射ライン（３６）として半導体材料層（１２）上に結像するステップと、を有し、
さらに、
前記第３のレーザーパルス（８０）の偏光方向を前記照射ライン（３６）の短軸方向に調整するステップと、
前記第４のレーザーパルス（９０）の偏光方向を前記照射ライン（３６）の長軸方向に調整するステップと、
前記第４のレーザーパルス（９０）を前記第３のレーザーパルス（８０）に対して所定の時間間隔Δｔだけ時間遅延させるステップと、を有し、前記時間間隔Δｔは前記半導体材料層（１２）上に結像された前記照射ライン（２６）が第１の最大値（Ｍ１）及び第２の最大値（Ｍ２）を持つパルスの形態の合成時間強度曲線（９６）を有するように選択されている方法。
【請求項11】
半導体材料層（１２）を処理するための、特に結晶半導体層を生成するための光学系（３０）であって、第１のレーザービーム（７４、３８）の第１のレーザーパルス（７６）及び第２のレーザービーム（８４、４０）の第２のレーザーパルス（８６）を、短軸及び長軸を有する線状のレーザーパルスに成形するように設定されたビーム成形装置（３２）と、
こうして成形された線状のレーザーパルスを、短軸及び長軸を有する照射ライン（３６）として前記半導体材料層（１２）上に結像するように設定された結像装置（３４）と、を含み、
さらに、前記光学系（３０）は、
前記第１のレーザーパルス（７６）の偏光方向を前記照射ライン（３６）の短軸方向に位置合わせし、前記第２のレーザーパルス（８６）の偏光方向を前記照射ライン（３６）の長軸方向に位置合わせするように設定及び配置された偏光装置（５０）と、
前記第２のレーザーパルス（８６）を前記第１のレーザーパルス（７６）に対して所定の時間間隔Δｔだけ遅延させるように設定された遅延装置（９４）と、を含み、前記時間間隔Δｔは前記半導体材料層（１２）上に結像された前記照射ライン（２６）が第１の最大値（Ｍ１）及び第２の最大値（Ｍ２）を持つパルスの形態の合成時間強度曲線（９６）を有するように選択されている光学系（３０）。
【請求項12】
前記偏光装置は、第１のλ／２板（５０）を含み、前記第１のλ／２板（５０）は、前記第１のレーザービーム（７４、３８）のビーム経路内に、特に前記ビーム成形装置（３２）の前に配置され、λ／２板（５０）に当たる前記第１のレーザーパルス（７６）に対して、前記第１のレーザーパルス（７６）がλ／２板（５０）を通過した後で短軸方向に直線偏光されるように向けられ、
第２のλ／２板（５０）を含み、前記第２のλ／２板（５０）は、前記第２のレーザービーム（８４、４０）のビーム経路内に、特に前記ビーム成形装置（３２）の前に配置され、λ／２板（５０）に当たる前記第２のレーザーパルス（８６）に対して、前記第２のレーザーパルス（８６）がλ／２板（５０）を通過した後に短軸方向に直線偏光されているように向けられている、請求項１１に記載の光学系（３０）。
【請求項13】
前記遅延装置は、遅延回路（９４）を含んでおり、前記遅延回路（９４）は、前記第２のレーザーパルス（８６）を持つ前記第２のレーザービーム（８４、４０）を第１のレーザー（６６）のトリガ信号（８２）に対して時間間隔Δｔだけ遅延させるように設定されたトリガ信号（９２）を発し、前記第１のレーザー（６６）は前記第１のレーザーパルス（７６）を持つ前記第１のレーザービーム（７４）を放出するように設定されている、請求項１１又は１２に記載の光学系（３０）。
【請求項14】
前記遅延装置は、前記第２のレーザービーム（８４、４０）の前記半導体材料層（１２）の画像面までの光路長を、前記第１のレーザービーム（７４、３８）の前記半導体材料層（１２）の画像面までの光路長より大きくするビーム迂回路（Δｓ）を含む、請求項１１又は１２に記載の光学系（３０）。
【請求項15】
前記ビーム成形装置（３２）は、前記第１のレーザービーム（７４）の前記第１のレーザーパルス（７６）、前記第２のレーザービーム（８４）の前記第２のレーザーパルス（８６）、第３のレーザービーム（７８）の第３のレーザーパルス（８０）、及び第４のレーザービーム（８８）の第４のレーザーパルス（９０）を、短軸及び長軸を有する線状のレーザーパルスに成形するように設定され、前記結像装置（３４）は、こうして成形された線状のレーザーパルスを、短軸及び長軸を有する前記照射ライン（３６）として前記半導体材料層（１２）上に結像するように設定され、
前記偏光装置（５０）は、前記第３のレーザーパルス（８０）の偏光方向を前記照射ライン（３６）の短軸方向に位置合わせし、前記第４のレーザーパルスの偏光方向（９０）を前記照射ライン（３６）の長軸方向に位置合わせするように設定及び配置され、
前記遅延装置（９４）は、前記第４のレーザーパルス（８０）を前記第３のレーザーパルス（８０）に対して所定の時間間隔Δｔだけ遅延させるように設定され、前記時間間隔Δｔは前記半導体材料層（１２）上に結像された前記照射ライン（３６）が前記第１の最大値（Ｍ１）及び前記第２の最大値（Ｍ２）を持つパルスの形態の前記合成時間強度曲線（９６）を有するように選択されている、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の光学系（３０）。
【請求項16】
前記半導体材料層（１２）を処理するための、特に結晶半導体層を生成するためのシステムであって、請求項１１から１５のいずれか一項に記載の光学系（３０）を含み、前記システムは、前記半導体材料層（１２）を前記照射ライン（３６）に対して相対的に送り方向に動かすように設計され、ここで送り方向は前記照射ライン（３６）の短軸方向に対応しているシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、半導体材料を処理するための、特に結晶半導体層を生成するための方法、及び半導体材料を処理するための、特に結晶半導体層を生成するための光学系に関する。
【背景技術】
【0002】
例えば薄膜トランジスタ（英語：Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、略称：ＴＦＴ）を製造するための薄膜層の結晶化にレーザーが使用される。処理される半導体として、シリコン（略称：Ｓｉ）、より正確にはアモルファスシリコン（略称：ａ－Ｓｉ）が使用される。半導体層の厚さは例えば５０ｎｍであり、これは典型的には基板、例えばガラス基板、又はその他の支持体上にある。
【0003】
この層は、レーザーの光、例えばパルス固体レーザーで照射される。例えば３４３ｎｍの波長を有する光が照射ラインに成形されて、半導体材料の画像面上に結像される。この照射ラインは短い（狭い）軸と均質な長いビーム軸を有する。短い若しくは狭い軸はガウス強度分布又は平坦な強度分布を有する。
【0004】
照射ラインは、通常約５～５０ｍｍ／ｓの送り速度で半導体層上を短軸方向に移動する。光線の電力密度（連続波レーザーの場合）又はパルスエネルギー密度（パルスレーザーの場合）は、例えばアモルファスシリコンの場合、シリコンが部分的に溶融し、続いて溶融したシリコンがガラス基板上の溶融していない固体シリコンから始まり結晶構造に固化するように調整される。この溶融と固化は通常１０～１００ｎｓの時間スケールで行われ、それに続くフィルムの室温下での冷却は通常数１００μｓかかる。
【0005】
アモルファスシリコンからなる層を照射して多結晶シリコンからなる層に変換する場合は、特に照射ラインの均一な強度、即ち短軸及び／又は長軸に沿って積分された空間強度分布の均質性が重要である。照射ラインの強度分布が均質若しくは均一であるほど、薄膜層の結晶構造（例えば多結晶層の粒径）は均質若しくは均一であり、例えば薄膜トランジスタなどの薄膜層から形成された最終製品は良好である。均質な結晶構造は、例えば、電子と正電荷の正孔の高い移動度により、高い導電率を生じさせる。
【0006】
照射ラインが半導体層上で短軸方向に移動すると、特に長いビーム軸に沿って、並びにそれと垂直に短いビーム軸に沿って不均一性が生じることがある。これらの不均一性は「ムラ」と呼ばれる。いわゆる「走査ムラ」は、ビーム軸に沿った不均一性に原因があり、走査方向又は送り方向に延びる縞状の不均質性として発生する。これに垂直に、いわゆる「ショットムラ」が発生するが、これらはパルス間の強度とエネルギー密度の変動に起因する。
【0007】
「ショットムラ」をできるだけ小さくするためには、レーザーパルス間のエネルギー密度や時間強度曲線の変動は、例えばパルス安定性が非常に良好なレーザーを使用し、複数のレーザー源のレーザービームを重ね合わせることによって可能な限り小さくする必要がある。「走査ムラ」をできるだけ小さくするためには、照射ラインの強度は長軸に沿ってできるだけ均質にする必要がある。さらに、走査中に、回転軸を中心に振動するミラーの助けを借りて、照射ラインを１０Ｈｚ～２００Ｈｚの周波数で１ｍｍ～２ｍｍ前後に動かして、長軸に沿って発生した不均質な部分を「塗りつぶす」ことによって、「走査ムラ」を減らすことも知られている。
【0008】
さらに、いわゆる「窒素ムラ」が知られているが、その原因は、照射中に、基板露光面、つまり処理される材料層、例えば半導体層の表面に窒素を流し、そこでの酸素濃度を１０ｐｐｍ～２０ｐｐｍの値まで低下させて、シリコンなどの材料の酸化を防止することにある。この目的のために、露光すべき材料層の上に直接層状の窒素層流を通す。その際に層流内の不均一性が、結晶構造中の不均一性、いわゆる「窒素ムラ」を招くことがある。
【0009】
結晶化の際に規則的な多結晶構造を生成するために、表面干渉効果を利用することが知られている。この効果により露光中に調節された強度分布が生じ、送り中に繰り返し露光することにより粒子構造がほぼ光の波長の大きさに伴って強化される。この効果は「レーザー誘起周期的表面構造」（略称：ＬＩＰＰＳ）と呼ばれる。例えば波長が３４３ｎｍの場合、約０．３μｍ～０．４μｍの粒子構造が生じる。直線偏光の場合、調節された強度分布は偏光の方向、即ち電界ベクトルの方向にのみ形成され得る。実験研究の結果、長いビーム軸に沿って規則的な構造が形成されるのは、光が長軸で偏光された場合であることが示された。同様に、光が送り方向に偏光されていると、その効果は送り方向で観察できる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
本開示は、半導体材料を処理するための改良された方法、特に均一に結晶化した半導体層を製造するための方法を提供する。本発明はさらに、半導体材料を処理するための改良された装置、特に均一に結晶化した半導体層を製造するための装置を提供する。ここで、均一に結晶化した半導体層とは、特に結晶粒径が均一な半導体層である。
【課題を解決するための手段】
【0011】
請求項１の特徴を有する方法、及び請求項１１の特徴を有する光学系が提供される。
【0012】
次のステップを含む、半導体材料層を処理するための、特に結晶半導体層を生成するための方法が開示される。
第１のレーザーパルスを持つ第１のレーザービーム及び第２のレーザーパルスを持つ第２のレーザービームを用意し、
第１のレーザーパルス及び第２のレーザーパルスを、ビーム成形装置を用いて、短軸及び長軸を有する線状のレーザーパルスに成形し、
こうして成形された線状のレーザーパルスを、結像装置を用いて、半導体材料層上に短軸及び長軸を有する照射ラインとして結像し、
第１のレーザーパルスの偏光方向を照射ラインの短軸方向に調整し、
第２のレーザーパルスの偏光方向を照射ラインの長軸方向に調整し、
第２のレーザーパルスを第１のレーザーパルスに対して所定の時間間隔Δｔだけ時間遅延させ、この時間間隔Δｔは半導体材料層上に結像された照射ラインが第１の最大値及び第２の最大値を持つパルスの形態の合成時間強度曲線を有するように選択されている。
第１のレーザーパルスを持つ第１のレーザービーム及び第２のレーザーパルスを持つ第２のレーザービームを用意し、
第１のレーザーパルス及び第２のレーザーパルスを、ビーム成形装置を用いて、短軸及び長軸を有する線状のレーザーパルスに成形し、
こうして成形された線状のレーザーパルスを、結像装置を用いて、半導体材料層上に短軸及び長軸を有する照射ラインとして結像し、
第１のレーザーパルスの偏光方向を照射ラインの短軸方向に調整し、
第２のレーザーパルスの偏光方向を照射ラインの長軸方向に調整し、
第２のレーザーパルスを第１のレーザーパルスに対して所定の時間間隔Δｔだけ時間遅延させ、この時間間隔Δｔは半導体材料層上に結像された照射ラインが第１の最大値及び第２の最大値を持つパルスの形態の合成時間強度曲線を有するように選択されている。
【0013】
ここで、上記の方法ステップの順序は、ステップが実行される時間的順序を表していない。典型的には、例えばビーム経路における偏光方向の調整は、個々のビーム、即ち第１のレーザービームと第２のレーザービームが分離されているところで行われる。個々のビームの成形、均質化及び重ね合わせは、必ず第１のレーザービーム及び第２のレーザービームが用意された後に行われる。時間遅延のステップは、第１のレーザービームと第２のレーザービームの偏光の位置合わせの前又は後に行うことができる。しかし原則として上記のステップの時間的順序は異なることもある。
【0014】
処理される半導体材料は、ガラス基板などの支持体に塗布された、例えば、厚み約５０ｎｍのアモルファスシリコンを有する薄層であってよい。
【0015】
第１のレーザービーム及び第２のレーザービームは、後で詳細に説明されるように、少なくとも１つのレーザーによって用意される。レーザーは、例えば波長３４３ｎｍの光を放出する固体ＵＶレーザーであってよい。第１のレーザーパルス及び第２のレーザーパルスの典型的な時間半値幅（ＦＷＨＭ、Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）は、１５ｎｓ～２０ｎｓである。ここで、第１のレーザービーム及び第２のレーザービームは、典型的には直線偏光されている。
【0016】
別の方法ステップでは、第１のパルス及び第２のパルスの偏光は、例えば偏光装置を用いて、それぞれ事前に定義された特定の方向に調整される。このように、第１のレーザーパルスは照射ラインの短軸方向に直線偏光され、第２のレーザーパルスは照射ラインの長軸方向に直線偏光される。固体レーザーによって放出されるパルスは、典型的には直線偏光されている。放出されたパルスが直線偏光されている場合、開示された方法に従って放出された第１のパルス及び第２のパルスの偏光方向は、事前に規定された特定の方向に回転する。これはλ／２板に当たるビーム又はパルスに対して相応の向きを持つλ／２板などの偏光装置を用いて行うことができる。具体的には、第１のパルスの偏光方向は、後でより詳しく説明する短軸方向に回転する。したがって第１のパルスの偏光は短軸方向に位置合わせされて、偏光がほぼ専ら短軸方向に位置合わせされているように、例えば短軸に対して垂直な方向に直線偏光された光の割合が１％（偏光比１００：１）であるか、又は例えば偏光比が９５：５となるようにする。第２のパルスの偏光方向は、後でより詳しく説明する、短軸に対して垂直な長軸方向に回転する。したがって第２のパルスの偏光は短軸方向に位置合わせされて、偏光がほぼ専ら長軸方向に位置合わせされているように、例えば長軸に対して垂直な方向に直線偏光された光の割合が１％（偏光比１００：１）であるか、又は例えば偏光比が９５：５となるようにする。
【0017】
さらに、第２のパルスは第１のパルスに対して所定の時間間隔Δｔだけ遅延される。典型的な時間的な遅延時間は５ｎｓ～２０ｎｓである。ごく一般的に時間間隔Δｔは、後でより詳しく説明される照射ラインが半導体材料層上に結像される際に、両パルスが単一のパルスに時間的に重ね合わされるように選択される。この時間的な重ね合わせの結果、第１の最大値及び第２の最大値を持つ合成強度曲線が生じる。
【0018】
別の方法ステップで、第１のパルス及び第２のパルスは、ビーム成形装置を用いて、レーザーライン、即ち線状のレーザーパルスに成形される。ビーム成形装置はアナモルフィック光学系を形成できる。アナモルフィック光学系は、例えば、レンズアレイホモジナイザーを有してよいが、これは入射レーザービームを多くの部分ビームに分解してから空間的に重ね合わせるという原理に基づいている。レーザーラインは短軸及び長軸を有する。
【0019】
こうして形成されたレーザーラインは、結像装置によって半導体材料の画像面上に照射ラインとして結像される。この照射ラインも同様に短軸及び長軸を有し、それらの方向が第１のパルス及び第２のパルスの偏光を指定する。典型的には、照射ラインの短軸及び長軸方向は、線状のレーザーパルスの短軸及び長軸方向と合致する。照射ラインの長さ、つまり長軸方向における幾何学的延長は、典型的には１００ｍｍ～１０００ｍｍ、例えば１００ｍｍ、２５０ｍｍ、７５０ｍｍ又は１０００ｍｍである。照射ラインの長さは、ビーム成形装置及び／又は結像装置が相応に設計されていれば、これより長くすることもできる。照射ラインの幅、つまり短軸方向における幾何学的延長は、ガウス分布の半値幅（ＦＷＨＭ）として示され、典型的に２０μｍ～２００μｍである。平坦な分布では、幅は強度９０％（「全幅の９０％」）で測定され、典型的に２０μｍ～２００μｍである。
【0020】
別の方法ステップでは、照射ラインは半導体材料層に対して相対的に送り方向に移動できる。次いで、送り方向が短軸方向に対応しているため、第１のパルスは送り方向に直線偏光されている。照射ラインが半導体材料層を擦過することにより、半導体材料層全体又は少なくとも半導体材料層のより大きい範囲を露光し、それによって処理することができる。半導体材料を載せた支持体は、例えば送り方向に移動するテーブル上に配置されて、照射ラインに対して相対的に可動させることができる。典型的な送り速度は５ｍｍ／ｓ～５０ｍｍ／ｓである。
【0021】
別の態様によれば、第１のレーザーパルスと第２のレーザーパルスの相対強度は、合成時間強度曲線における第１の最大値と第２の最大値の比が０．８～１．４の範囲、特に０．９～１．２の範囲にあるように、特に１．０となるように選択することができる。合成時間強度曲線は第１のパルスと第２のパルスの時間強度曲線の重ね合わせによって生じるため、合成時間強度曲線における第１の最大値と第２の最大値の比は、第１のパルスと第２のパルスの強度によって時間間隔Δｔを考慮して調整できる。上述したように第１のパルス及び第２のパルスの定義された偏光方向と組み合わせると、上記の第１の最大値と第２の最大値の比の範囲に対して、形成された（多）結晶半導体層に特に均質な粒子構造が生じたことが明らかになった。
【0022】
照射ラインの合成時間強度曲線は、合成時間強度曲線の第１の最大値を基準として４０～５０ｎｓの時間半値幅を持つことができる。比較的長いパルス持続時間によって、結晶化プロセスは数１０ｎｓにわたって影響され、均一な粒子構造の形成が促進される。
【0023】
別の態様によれば、それぞれ第１のレーザービーム及び第２のレーザービームを放出するように設計された第１のレーザー及び第２のレーザーが用意され、第２のレーザーパルスが第１のレーザーパルスに対して時間間隔Δｔだけ遅延して放出されるように制御される。遅延は、例えば第１のレーザーのトリガ信号に対して第２のレーザーのトリガ信号を電子的に遅延させることによって達成できる。
【0024】
この代替として、パルスを持つレーザービームを提供するように設計された第１のレーザーを用意すること、及び第１のレーザーのレーザービームが第１のレーザービーム部分と第２のレーザービーム部分に分割され、第１のレーザービーム部分は第１のレーザーパルスを持つ第１のレーザービームを形成し、第２のレーザービーム部分は第２のレーザーパルスを持つ第２のレーザービームを形成することが提供される。したがってこの代替例では、パルスモードで駆動されるレーザーが用意され、その放出されたレーザービームがビームスプリッターによって第１のレーザービームと第２のレーザービームに分割される。
【0025】
この代替例において、第１のパルスに対する第２のパルスの時間遅延は、第２のレーザービームのビーム分割の位置から半導体材料の画像面までの光路長が、第１のレーザービームのビーム分割の位置から半導体材料の画像面までの光路長よりも大きいことによって達成され、その結果として第２のパルスに対する第１のパルスの位相シフトが生じる。
【0026】
原理的には２つのレーザーを有する変形例においても、第１のパルスに対する第２のパルスの時間遅延が第２のパルスの光路長の方が大きいことによって提供されることはもちろん可能である。
【0027】
別の態様によれば、第１のレーザーパルスは、第１のレーザービームの複数の第１のレーザーパルスのうちの１つのレーザーパルスであり、第２のレーザーパルスは、第２のレーザービームの複数の第２のレーザーパルスのうちの１つのレーザーパルスであってよく、パルス化された第２のレーザービームの複数のレーザーパルスの各々は、パルス化された第１のレーザービームの複数のレーザーパルスの各々に対してそれぞれ所定の時間間隔Δｔだけ時間遅延されている。したがってレーザーはパルス駆動されて、複数のレーザーパルスを特定のパルス繰り返し周波数、例えば１０ｋＨｚで放出する。この場合、第２のレーザービームのレーザーパルスは第１のレーザーパルスに対して時間遅延されて、常に第１のレーザーパルスと第２のレーザーパルスが重ね合わされて第１の最大値及び第２の最大値を持つパルスの形態の照射ラインとして半導体材料上で結像されるようにされる。換言すれば、半導体材料は、レーザーのパルス繰り返し周波数でパルス化されて照射ラインで露光される。
【0028】
ここで、送り速度、第１のレーザービーム及び第２のレーザービームのパルス繰り返し周波数、及び照射ラインの短軸方向における幾何学的半値幅は、半導体材料の箇所が照射ラインによって数回露光されるように選択することができる。換言すれば、半導体材料は照射ラインに対してそのようにゆっくり移動し、短軸方向における照射ラインの幾何学的半値幅が非常に大きいため、レーザービームのパルス繰り返し周波数若しくはパルス繰り返し周波数の倍数に相当する時間の後で、半導体材料はごく小さい距離を移動しており、そのため前に露光された箇所が再度若しくは複数回露光される。
【0029】
開示された方法の別の態様によれば、第３のレーザーパルスを持つ第３のレーザービーム及び第４のレーザーパルスを持つ第４のレーザービームが用意され、第１のレーザーパルス、第２のレーザーパルス、第３のレーザーパルス、及び第４のレーザーパルスは、ビーム成形装置を用いて、短軸及び長軸を有する線状のレーザーパルスに成形され、こうして成形された線状のレーザーパルスが、結像装置を用いて、照射ラインとして半導体材料層の画面上に結像される。さらに、第３のレーザーパルスの偏光方向は照射ラインの短軸方向に調整され、第４のレーザーパルスの偏光方向は照射ラインの長軸方向に調整され、第４のレーザーパルスが第３のレーザーパルスに対して所定の時間間隔Δｔだけ時間遅延され、この時間間隔Δｔは半導体材料層上に結像された照射ラインが第１の最大値及び第２の最大値を持つパルスの形態の合成時間強度曲線を有するように選択されている。
【0030】
したがって本方法のこの態様によれば、４本のレーザービームは均一に重ね合わされて結像され、４本のレーザービームのうちそれぞれ２本のレーザービームは、それぞれ照射ラインの短軸方向に直線偏光されたパルスを持ち、時間同期されており、４本のレーザービームのうち他の２本のレーザービームは、それぞれ照射ラインの長軸方向に直線偏光されたパルスを持ち、これらのパルスは最初の２本のレーザービームのパルスに対して時間遅延されている。
【0031】
本開示の別の態様により、半導体材料層を処理するための、特に結晶半導体層を生成するための光学系が提供され、この光学系は、
第１のレーザービームの第１のレーザーパルス及び第２のレーザービームの第２のレーザーパルスを、短軸及び長軸を有する線状のレーザーパルスに成形するように設定されたビーム成形装置と、
こうして成形された線状のレーザーパルスを照射ラインとして半導体材料層上に結像するように設定された結像装置と、
第１のレーザーパルスの偏光方向を照射ラインの短軸方向に位置合わせし、第２のレーザーパルスの偏光方向を照射ラインの長軸方向に位置合わせするように設定された偏光装置と、
第２のレーザーパルスを第１のレーザーパルスに対して所定の時間間隔Δｔだけ遅延させるように設定された遅延装置と、を含んでおり、この時間間隔Δｔは半導体材料層上に結像された照射ラインが第１の最大値及び第２の最大値を持つパルスの形態の合成時間強度曲線を有するように選択されている。
第１のレーザービームの第１のレーザーパルス及び第２のレーザービームの第２のレーザーパルスを、短軸及び長軸を有する線状のレーザーパルスに成形するように設定されたビーム成形装置と、
こうして成形された線状のレーザーパルスを照射ラインとして半導体材料層上に結像するように設定された結像装置と、
第１のレーザーパルスの偏光方向を照射ラインの短軸方向に位置合わせし、第２のレーザーパルスの偏光方向を照射ラインの長軸方向に位置合わせするように設定された偏光装置と、
第２のレーザーパルスを第１のレーザーパルスに対して所定の時間間隔Δｔだけ遅延させるように設定された遅延装置と、を含んでおり、この時間間隔Δｔは半導体材料層上に結像された照射ラインが第１の最大値及び第２の最大値を持つパルスの形態の合成時間強度曲線を有するように選択されている。
【0032】
したがって偏光装置は、第１のレーザーパルスがほぼ専ら照射ラインの短軸方向への偏光成分を含み（偏光比は例えば１：１００となる）、第２のレーザーパルスがほぼ専ら照射ラインの長軸方向への偏光成分を含む（偏光比は例えば１：１００となる）ように設計及び配置されている。ここで偏光装置は、第１のレーザーパルスを持つ第１のレーザービームのための第１の偏光装置と、第２のレーザーパルスを持つ第２のレーザービームのための第２の偏光装置を有してよい。第１の偏光装置は、特に第１のレーザービームのビーム経路内に配置され、第２の偏光装置は特に第２のレーザービームのビーム経路内に配置されている。
【0033】
ビーム成形装置はアナモルフィック光学系を形成することができる。アナモルフィック光学系は、例えばレンズアレイホモジナイザーを有してよいが、これは入射レーザービームを多くの部分ビームに分解してから空間的に重ね合わせるという原理に基づいている。レーザーラインは短軸及び長軸を有する。
【0034】
こうして形成されたレーザーラインは、結像装置によって半導体材料の画像面上に照射ラインとして結像される。この照射ラインも同様に短軸及び長軸を有し、それらの方向が第１のパルス及び第２のパルスの偏光を指定する。典型的には、照射ラインの短軸及び長軸方向は、線状のレーザーパルスの短軸及び長軸方向と合致する。
【0035】
光学系の偏光装置は、特に第１のλ／２板を含んでよく、この第１のλ／２板は、第１のレーザービームのビーム経路内に、特にビーム成形装置の前に配置されていて、λ／２板に当たる第１のレーザーパルスに対して、第１のレーザーパルスがλ／２板を通過した後で短軸方向に直線偏光されているように向けられており、及び第２のλ／２板を含んでよく、この第２のλ／２板は、第２のレーザービームのビーム経路内に、特にビーム成形装置の前に配置されていて、λ／２板に当たる第１のレーザーパルスに対して、第２のレーザーパルスがλ／２板を通過した後で長軸方向に直線偏光されているように向けられている。
【0036】
したがって第１のλ／２板は、第１のレーザーパルスを持つ直線偏光された第１のレーザービームの偏光方向を短軸方向に回転させるように向けられている。第２のλ／２板は、第２のレーザーパルスを持つ直線偏光された第２のレーザービームの偏光方向を長軸方向に回転させるように向けられている。
【0037】
変形例によれば、遅延装置は遅延回路を含んでおり、この遅延回路は、第２のレーザーパルスを持つ第２のレーザービームを第１のレーザーのトリガ信号に対して時間間隔Δｔだけ遅延させるように設定されたトリガ信号を発し、第１のレーザーは第１のレーザーパルスを持つ第１のレーザービームを放出するように設定されている。したがって第２トリガ信号は、第１トリガ信号に対して電子的に遅延させることができる。
【0038】
代替変形例によれば、遅延装置は、第２のレーザービームの半導体材料層の画像面までの光路長を、第１のレーザービームの半導体材料層の画像面までの光路長より大きくするビーム迂回路を含んでよい。したがってこの変形例によれば、時間遅延は、第２のレーザーパルスが重ね合わせまで第１のパルスより大きい光路長を通過したことによる経路差によって引き起こされる。
【0039】
光学系の第１のレーザービーム及び第２のレーザービームは、第１のレーザー源及び第２のレーザー源によって提供でき、又は代替的に放出されたレーザービームがビームスプリッターを用いて第１のレーザービームと第２のレーザービームに分割されるレーザー源によって提供できる。
【0040】
別の態様によれば、ビーム成形装置は、第１のレーザービームの第１のレーザーパルス、第２のレーザービームの第２のレーザーパルス、第３のレーザービームの第３のレーザーパルス、及び第４のレーザービームの第４のレーザーパルスを、短軸及び長軸を有する線状のレーザーパルスに成形するように設定されており、結像装置は、こうして成形された線状のレーザーパルスを照射ラインとして半導体材料層上に結像するように設定されており、偏光装置は、第３のレーザーパルスを照射ラインの短軸方向に直線偏光し、第４のレーザーパルスを照射ラインの長軸方向に直線偏光するように設定されており、遅延装置は、第４のレーザーパルスを第３のレーザーパルスに対して所定の時間間隔Δｔだけ遅延させるように設定されていて、この時間間隔Δｔは半導体材料層上に結像された照射ラインが第１の最大値及び第２の最大値を持つパルスの形態の合成時間強度曲線を有するように選択されている。
【0041】
したがってこの態様によれば、光学系は、４本のレーザービームが均一に重ね合わされて照射ラインとして半導体材料層に結像され４ビーム構成を含んでおり、４本のレーザービームのうちそれぞれ２本のレーザービームは、それぞれ照射ラインの短軸方向に直線偏光されたパルスを持ち、時間同期されており、４本のレーザービームのうち他の２本のレーザービームは、それぞれ照射ラインの長軸方向に直線偏光されたパルスを持ち、これらのパルスは最初の２本のレーザービームのパルスに対して時間遅延されている。
【0042】
本開示はさらに、上記の態様に従う光学系を含む、半導体材料層を処理するための、特に結晶半導体層を生成するためのシステムを含んでおり、このシステムは、半導体材料層を照射ラインに対して相対的に送り方向に動かすように設計されており、ここで送り方向は照射ラインの短軸方向に対応している。半導体材料層は、例えば送り方向に可動なテーブルなどの送り装置を用いて照射ラインに対して相対的に移動させることができるため、半導体材料層の広い範囲ないし全体を照射ラインによって露光でき、ひいては処理できる。この場合、送り方向は短軸方向に対応しているため、第１のパルス及び／又は第３のパルスの偏光の向きは送り方向に対応している。
【0043】
以下に本開示を添付図面に基づいて詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【0044】
【発明を実施するための形態】
【0045】
図１には、開示された方法に従って均質な結晶化層を生成するために半導体材料がレーザービームによって照射される様子が概略的に示されている。支持体１０、例えばガラス基板が、処理される半導体材料からなる層１２で被覆されている。本例では、処理される半導体材料はアモルファスシリコンである。半導体材料層１２の厚さは、典型的には約５０ｎｍである。
【0046】
線状のレーザービーム１４は、半導体材料上に結像されて、半導体材料に対して相対的に送り方向ｘに移動するため、レーザーライン１４は半導体材料層１２の少なくとも部分範囲を擦過して照射する。ここに示す例では、半導体材料層１２を載せた支持体１０は空間内を、静止しているレーザービーム１４に対して相対的に移動される。レーザーライン１４は、半導体材料層１２全体がレーザーライン１４によって照射されるように半導体材料層１２に対して相対的に動かすことができる。典型的には、レーザーライン１４は半導体材料層１２に対して相対的に移動されて、特定の範囲がレーザーライン１４によって複数回照射される。典型的な送り速度は、５ｍｍ／ｓ～５０ｍｍ／ｓの範囲にある。
【0047】
レーザービーム１４の伝搬方向は、ここに示す実施形態では半導体材料層１２の表面に対して垂直である。即ち、レーザービーム１４は、ここでは半導体材料層１２の表面に０°の入射角度で垂直に当たる。
【0048】
【0049】
図２ａは、長軸方向におけるレーザーラインの強度、即ち短軸に沿って（ｘ軸に沿って）積分された強度分布１６を示しており、このように積分された強度分布１６が長軸に沿って（ｙ軸に沿って）示されている。慣例に従い、図では短軸はｘ軸に対して平行に延び、長軸はｙ軸に対して平行に延びている。この図に見られるように、分布１６はほぼ長方形であり、したがって長軸に沿って理想的には均質に形成されている。ｙ方向における照射ラインの長さは、通常１００ｍｍ～１０００ｍｍ、例えば１００ｍｍ、２５０ｍｍ、７５０ｍｍ又は１０００ｍｍ、又は１０００ｍｍ以上であってよい。
【0050】
図２ｂ及び図２ｃには、それぞれ短軸方向におけるレーザーラインの強度、即ち長軸に沿って（したがってｙ軸に沿って）積分された強度分布１８、２０を示しており、このように積分された強度分布が短軸に沿って（即ちｘ軸に沿って）示されている。この場合、図２ｂにおける強度はガウス曲線１８を有する。これと代替的に、強度は、図２ｃに示すように、平坦な曲線２０（「フラットトップ」）、即ちほぼ長方形の曲線を有してよい。
【0051】
ｘ方向における強度の典型的な幅は、２０μｍ～２００μｍである。図２ｂのガウス曲線１８では、幅は半値幅（英語：Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ、ＦＷＨＭ）として示され、図２ｃの平坦化された曲線２０では、最大強度の９０％（ＦＷ９０％：９０％での全幅）に相当する強度で曲線が持つ幅として示されている。
【0052】
照射ライン１４がａ－Ｓｉなどの処理される半導体材料層１２上に案内されると、半導体材料層１２が短時間溶融して、電気的特性が改善された結晶層として固化する。
【0053】
図３ａ及び図３ｂには、半導体層を処理するシステムのための光学系３０が概略的に示されており、このシステムにより、図１及び図２に関して説明したように、照射ライン１４を成形して半導体材料上に結像することができる。
【0054】
光学系３０は、後述するように、レーザービームのビームプロファイルが長軸及び短軸を有するようにレーザービームを成形するように設定されたビーム成形装置３２と、このように成形されたレーザービームを照射ライン３６として結像するように設定された、レーザービームのビーム経路内でビーム成形装置３２の後に配置された結像装置３４を含んでいる。ここに示す例では、後で例を用いて説明するように、４本のレーザービーム、即ち第１のレーザービーム３８、第２のレーザービーム４０、第３のレーザービーム４２及び第４のレーザービーム４４がビーム成形装置３２に当たることが示されている。しかしまた本開示によれば、後で例を用いて説明するように、２本のレーザービームがビーム成形装置３２に当たってもよい。原則として、レーザービームの数は４本にも２本にも制限されておらず、他のいかなる数も可能であり、本開示に包含されている。
【0055】
ここに示す例では、レーザービームは、複数の固体ＵＶレーザーによって放出される波長３４３ｎｍのレーザービームである。しかしながら原理的には、他のレーザー源、特に他の固体レーザー源、例えば、緑色のスペクトル範囲で放出される固体レーザーを使用することも可能である。
【0056】
【0057】
図３ａは、ｙ方向における、即ち成形されたレーザービームと照射ラインの長軸に沿った光学系３０の結像特性を示し、図３ｂは、ｘ方向における、即ち成形されたレーザービームと照射ラインの短軸に沿った光学系３０の結像特性を示す。
【0058】
図３ａ及び図３ｂの光学系３０のビーム成形装置３２は、入射レーザービームの強度をｙ軸方向に均質化するアナモルフィック均質化光学系４６を有する。このアナモルフィック均質化光学系４６は、例えば互いに平行に配置された２つのシリンダーレンズアレイを含む。シリンダーレンズアレイは、入射ビームを個々の部分ビームに分割して、これらを全面的に重ね合わせ、その結果としてレーザービームはほぼ均質化される。複数の入射レーザービームの場合は、各レーザービームは個々の部分ビームに分割され、均質化されて重ね合わせされる。このような種類の均質化光学は、例えばここで本開示に包含される独国特許出願ＤＥ４２２０７０５Ａ１、独国特許出願ＤＥ３８２９７２８Ａ１又は独国特許出願ＤＥ１０２２５６７４Ａ１でより詳細に説明される。
【0059】
光学系３０のビーム成形装置３２は、さらにビーム経路内でアナモルフィック均質化光学系４６の後に集光用シリンダーレンズ４８を有しており、これはアナモルフィック均質化光学系４６を用いて再分散及び均質化されたレーザービームをテレセントリックに照射ライン３６に誘導し、そこで長軸に関して、即ちｙ方向で重ね合わせるように設定されている。したがって、アナモルフィック均質化光学系４６と集光用シリンダーレンズ４８の組合せにより、入射レーザービームが画像面上で照射ライン３６として均質化される。
【0060】
集光用シリンダーレンズ４８の後のビーム経路には、結像装置３４が配置されており、これはレーザービームを短軸に関して、即ちｘ方向で照射ライン３６に集束するように設定されている。又は換言すれば、結像装置３４はレーザービームを照射ライン３６として結像し、その際に専らビームプロファイルの短軸が均質化されるが、ビームプロファイルの均質化されている長軸は均質化されない。結像装置３４は、例えば集束シリンダーレンズ光学系であってもよい。
【0061】
アナモルフィック均質化光学系４６と集光用シリンダーレンズ４８の組合せは、アナモルフィック光学系又はそのような光学系の一部であってよい。それらは特にアナモルフィック光学系４２に関して本開示に包含される独国特許出願ＤＥ１０２０１２００７６０１Ａ１の図４～６に記載されているアナモルフィック光学の一部であってよい。
【0062】
ビーム成形装置３２は、さらに以下の光学素子を１つ以上含むことができる。
・ｘ軸に関して放出されたレーザービームのコリメーションのための、独国特許出願ＤＥ１０２０１２００７６０１Ａ１で参照符号５４が付されている第１のコリメーションシリンダーレンズ
・ｙ軸に関して放出されたレーザービームのコリメーションのための、独国特許出願ＤＥ１０２０１２００７６０１Ａ１で参照符号５６が付されている第２のコリメーションシリンダーレンズ
・光線をｘ軸に関して、独国特許出願ＤＥ１０２０１２００７６０１Ａ１で参照符号６０が付されている中間像に集束させるために、ビーム経路内で第１のコリメーションシリンダーレンズの後に配置された、独国特許出願ＤＥ１０２０１２００７６０１Ａ１で参照符号５８が付されているシリンダーレンズ
・第１の中間像の光線のコリメーションのために、ビーム経路内で第１のコリメーションシリンダーレンズ５４の後に配置された、独国特許出願ＤＥ１０２０１２００７６０１Ａ１で参照符号５８´が付されている中間コリメーションシリンダーレンズ、及び／又は
・光線をｘ軸に関して、独国特許出願ＤＥ１０２０１２００７６０１Ａ１で参照符号６０が付されている中間像に集束させるために、ビーム経路内で第１の中間像の後、特に中間コリメーションシリンダーレンズの後に配置された、独国特許出願ＤＥ１０２０１２００７６０１Ａ１で参照符号６２が付されている別のシリンダーレンズ。
・ｘ軸に関して放出されたレーザービームのコリメーションのための、独国特許出願ＤＥ１０２０１２００７６０１Ａ１で参照符号５４が付されている第１のコリメーションシリンダーレンズ
・ｙ軸に関して放出されたレーザービームのコリメーションのための、独国特許出願ＤＥ１０２０１２００７６０１Ａ１で参照符号５６が付されている第２のコリメーションシリンダーレンズ
・光線をｘ軸に関して、独国特許出願ＤＥ１０２０１２００７６０１Ａ１で参照符号６０が付されている中間像に集束させるために、ビーム経路内で第１のコリメーションシリンダーレンズの後に配置された、独国特許出願ＤＥ１０２０１２００７６０１Ａ１で参照符号５８が付されているシリンダーレンズ
・第１の中間像の光線のコリメーションのために、ビーム経路内で第１のコリメーションシリンダーレンズ５４の後に配置された、独国特許出願ＤＥ１０２０１２００７６０１Ａ１で参照符号５８´が付されている中間コリメーションシリンダーレンズ、及び／又は
・光線をｘ軸に関して、独国特許出願ＤＥ１０２０１２００７６０１Ａ１で参照符号６０が付されている中間像に集束させるために、ビーム経路内で第１の中間像の後、特に中間コリメーションシリンダーレンズの後に配置された、独国特許出願ＤＥ１０２０１２００７６０１Ａ１で参照符号６２が付されている別のシリンダーレンズ。
【0063】
【0064】
【0065】
【0066】
光学系はさらに、アナモルフィック光学系に入射するレーザービーム３８、４０、４２、４４の各々に対して偏光装置５０を有する。偏光装置は、ここでは偏光方向５０を調整するための光学系であり、例えば各入射レーザービーム３８、４０、４２、４４のビーム経路内のλ／２板である。光学系５０は、ビーム経路内でアナモルフィック光学系若しくはアナモルフィック均質化光学系４６の前に配置されている。各入射レーザービームは光学系５０を通過し、光学系５０を通過するレーザービーム３８、４０、４２、４４は定義された方向に直線偏光されている。より正確に言えば、レーザーから放出されたレーザービームは、例えばここで示す固体ＵＶレーザーの例におけるように既に直線偏光されており、偏光の向きは光学系５０により定義された方向に回転される。この場合、光学系５０、例えばλ／２板は、直線偏光された入射光の偏光方向に対して、４本のレーザービームのうち２本が長軸方向に光学系５０を通過した後に直線偏光されるように、そして４本のレーザービームのうちの残りの２本は光学系５０を通過した後に短軸方向に直線偏光されるように向けられている。その際に、送り方向は短軸方向に対応し、４本のレーザービームのうちの残りの２本は送り方向に直線偏光されている。より正確に述べると、本開示によれば、第１のレーザービーム３８及び第２のレーザービーム４０のビーム経路内に配置された光学系５０、例えばλ／２板は、第１のレーザービーム３８及び第２のレーザービーム４０がそれぞれ短軸方向、即ちｘ方向若しくは送り方向に偏光され、第３のレーザービーム４２及び第４のレーザービーム４４のビーム経路内に配置された光学系５０、例えばλ／２板は、第３のレーザービーム４２及び第４のレーザービーム４４がそれぞれ長軸方向、即ちｙ方向に偏光されているように向けられている。本例ではレーザーはさらにパルス駆動され、それぞれのレーザービームの個々のパルスが、それぞれのレーザービームの上述した偏光方向を有する。
【0067】
４本のレーザービーム３８、４０、４２、４４は、４つのレーザー源から放出されたレーザービームであってよく、したがって各レーザービームは別々のレーザー源に割り当てられている。
【0068】
代替的に、レーザービーム３８、４０、４２、４４は、ビームスプリッターを用いて１つのレーザー源から放出されたレーザービームを第１の部分ビームと第２の部分ビームに分割することによって生じたものであってよい。ビームスプリッターは、第１の部分ビーム、即ち透過ビームと、第２の部分ビーム、即ち伝導ビームに、例えばそれぞれ約５０％ずつ分割するように設計することができる。このために例えば偏光光学、例えばいわゆる薄膜偏光子を用いることができる。薄膜偏光子は、ｐ偏光（入射ビームと基板表面上の垂線からなる面に対して平行な電気ベクトルの振動面）を通過させ、ｓ偏光（入射ビームと基板表面上の垂線からなる面に対して垂直な電気ベクトルの振動面）を有する光を反射する特殊なコーティングを施した光学基板である。ビーム経路内で薄膜偏光子の前にあるλ／２板によってレーザー源から放出されるレーザービームの偏光方向を回転させることにより、ビーム経路内で薄膜偏光子の前にｐ偏光とｓ偏光の等しい割合が生じて約５０％ずつの分割を達成することができる。しかしながら薄膜偏光子の前のλ／２板を回転させて、ビーム経路内で薄膜偏光子の前にｐ偏光とｓ偏光の異なる割合が生じて、５０％とは異なる分割を達成することもできる。原理的には、λ／２板の向きによって第１の部分ビームの第２の部分ビームに対する相対強度を調整することができる。
【0069】
このような構成は図４に概略的に示されている。レーザー源から放出され直線偏光されたレーザービーム５２は、ビーム経路内でビームスプリッター５６、ここでは薄膜偏光子の前に配置されたλ／２板５４に当たる。λ／２板５４は、一般的に上述したように、ビーム経路内でλ／２板後のレーザービームのｓ偏光とｐ偏光の相対割合が、ビームスプリッター５６後の両部分ビーム５８、６０の所望の相対強度に対応するように向けられている。この場合、第１の部分ビーム５８は、例えば、図３ａ及び図３ｂの構成の第１のレーザービーム３８であってよく、第２の部分ビーム６０は、例えば図３ａ及び図３ｂの第３のレーザービーム４２であってよい。第２の部分ビーム６０は反射素子６２によって、第１の部分ビーム５８に対して平行に進むように偏向される。これに加えて、ビーム経路でビームスプリッター５６の後では、第１の部分ビーム及び第２の部分ビームのビーム経路内にそれぞれλ／２板６４が配置されており、これらは図３ａ及び図３ｂで第１のレーザービーム３８及び第３のレーザービーム４２のビーム経路内のλ／２板５０に対応している。即ち、第１の部分ビーム５８のビーム経路で後に配置されたλ／２板６４は、短軸方向での偏光に用いられる。その場合、第２の部分ビーム６０のビーム経路で後に配置されたλ／２板６４は、長軸方向での偏光に用いられる。
【0070】
第２のレーザービーム４０と第４のレーザービーム４４は、図４の構成に対応しているがビームスプリッター５６を有する別の構成によりビーム分割によって提供できる。その後に配置されたλ／２板６４は再び、第３の部分ビームと第４の部分ビームをそれぞれ短軸方向と長軸方向に偏光するように向けられている。代替的に、図３ａ及び図３ｂの４本のレーザービームは２つのレーザー源によって提供でき、それらから放出されたレーザービームは、それぞれ第１の部分ビーム５８と第２の部分ビーム６０、若しくは第３の部分ビームと第４の部分ビームに分割される。
【0071】
図３ａ及び図３ｂの光学系３０は、既に上述したように、４本のレーザービーム以外の数、例えば２本のレーザービームを重ね合わせるためにも使用することができる。この場合、２本のレーザービームは、４本のレーザービームに対応して２つのレーザー源によって提供でき、又は１つのレーザー源によって、図４に対応する構成又は同じ構成を用いて、ビーム分割により第１の部分ビームと第２の部分ビームに分割することによって提供できる。
【0072】
さらに図３ａ及び図３ｂの光学系３０は、異なる偏光のパルスがそれぞれ所定の時間間隔Δｔで互いに時間的にずれるように設定されている。これは、各レーザービームに対してそれぞれ別個のレーザー源を使用する場合に、レーザー源のトリガ信号を電子的に遅延させることで達成できる。部分ビームを用いてレーザービームを提供する場合、時間遅延はビーム迂回路によって達成することができる。図４に示すように、第２の部分ビーム６０は、第１の部分ビーム５８よりも長い距離を移動する。経路Δｓは、第１の部分ビーム５８に対して第２の部分ビーム６０の所定の時間間隔Δｔによる時間遅延が生じるように選択することができる。この所定の時間間隔は、１０ｎｓ～２０ｎｓであることが好ましい。
【0073】
上述した光学系３０を用いて、それぞれ短軸方向に偏光された少なくとも１つのレーザーパルスと、長軸方向に偏光されたレーザーパルスを、照射ライン上で均質に重ね合わせて結像され、その際に長軸方向に偏光されたパルスは短軸方向に偏光されたパルスに対して時間間隔Δｔだけ遅延されている。４本のレーザービームを重ね合わせると、２本のレーザービームは短軸方向に偏光され、２本のレーザービームは長軸方向に偏光されており、その際に長軸方向に偏光されたレーザービームは時間同期されており、短軸方向に偏光されたレーザービームは同じ時間間隔Δｔで時間遅延されている。２つ（又はそれ以上の）異なるレーザー源からの２本（又はそれ以上）の時間同期されたレーザービームを重ね合わせることにより、場合によって生じるパルス間のエネルギー密度の変動を減らすことができる。このような変動は照射ラインがパルス間で短軸方向にずれると異なる結晶化の結果を招き、移動方向に沿って結晶構造の不均一性（「ショットムラ」）につながる可能性がある。この場合に注意すべきは、このように重ね合わされた２本（又はそれ以上）のレーザービーム（レーザーパルス）の合成強度分布は、存在する時間ジッタ、即ち強度の理想的な値からの短期的な時間的偏差により、時間の経過とともに（合成強度分布間で）変化し得ることである。具体的には、これらの不均一性は２つ（又はそれ以上）のレーザー源を組み合わせる場合に、各レーザー源が互いに独立した時間ジッタを有することに起因する。それゆえｎｓ範囲のできる限り小さい時間ジッタを有する（パルス化された）レーザー源を使用することが有利である。
【0074】
アナモルフィック均質化光学系４６は、各入射光線が部分的な光線に分解され、長軸方向で均質化されて重ね合わされるように設計されている。即ち、個々のビームが均質な線を生じる。上述した２本のレーザービームを用いるパルス化された構成では、短軸方向に偏光されて時間的に先行するレーザーパルスも、長軸方向に偏光されて最初のパルスに対して時間遅延されているレーザーパルスも、均質な線として重ね合わされて結像される。したがって４本のレーザービームを用いる構成では、短軸方向に偏光されて時間的に先行する各レーザーパルスも、長軸方向に偏光されて最初のパルスに対して時間遅延されている各レーザーパルスも、それぞれ均質な線として重ね合わされて結像される。
【0075】
以上のことを開示された方法に基づき再度より詳細に説明する。
【0076】
図５には開示された方法が、例として４つのレーザー源、即ち第１のレーザー源６６、第２のレーザー源６８、第３のレーザー源７０及び第４のレーザー源７２を有する構成に基づいて記載されている。第１のレーザー源６６及び第２のレーザー源６８はそれぞれ、第１のレーザーパルス７６を有する第１のレーザービーム７４と、第２のレーザーパルス８０を有する第２のレーザーパルス７８を提供するようになっており、第１のレーザーパルス７６及び第２のレーザーパルス８０は、第１のレーザー源６６及び第２のレーザー源６８の同期トリガ信号８２によって同時に放出される。第３のレーザー源７０及び第４のレーザー源７２は、それぞれ第３のレーザーパルス８６を有する第３のレーザービーム８４と、第４のレーザーパルス９０を有する第４のレーザービーム８８を提供するようになっており、第３のレーザー源７０及び第４のレーザー源７２のトリガ信号９２は、それぞれ例えば電子遅延回路９４によって時間間隔Δｔだけ電子的に遅延されて、第３のレーザーパルス８６及び第４のレーザーパルス９０は、それぞれ第１のパルス７６及び第２のパルス８０に対して時間間隔Δｔだけ時間遅延されて放出され、時間遅延されて伝搬する。開示された方法によればさらに、例えば図３ａ及び図３ｂに関して説明されたλ／２板５０を用いて、第１のレーザーパルス７６及び第２のレーザーパルス８０は、送り方向、即ちｘ軸方向に直線偏光され、したがって偏光は送り方向に位置合わせされ、第３のレーザーパルス８６及び第４のレーザーパルス９０は長軸方向に直線偏光され、したがって偏光は長軸方向に位置合わせされる。第１のレーザーパルス～第４のレーザーパルス７６、８０、８６、９０は、通常１５ｎｓ～２０ｎｓの範囲の時間半値幅（ＦＷＨＭ）を有する。時間間隔Δｔの典型的な時間は１０ｎｓ～２０ｎｓである。
【0077】
次いで、４つのレーザーパルス７６、８０、８６、９０を有する４本のレーザービーム７４、７８、８４、８８は、例えば図３ａ及び図３ｂに基づいて説明したビーム成形装置３２を用いて、短軸及び長軸を有する線状のレーザーパルスに成形される。こうして成形された線状のレーザーパルスは続いて、例えば図３ａ及び図３ｂに基づいて説明した結像装置３４を用いて、半導体材料の画像面に照射ライン３６として結像される。
【0078】
図６には、開示された方法が例として２つのレーザー源を有する構成に基づいて記載されている。ここで第１のレーザー源６６は図５の第１のレーザー源に対応し、第２のレーザー源７０は図５の第３のレーザー源に対応している。これにより第２のレーザー源７０のトリガ信号９２は、第１のレーザー源６６のトリガ信号８２に対して電子的に時間間隔Δｔだけ遅延されるため、第２のレーザーパルス８６は第１のレーザーパルス７６に対して時間間隔Δｔだけ遅延されて伝搬する。さらに第１のレーザーパルス７６は、例えば図３ａ及び図３ｂに関して説明したλ／２板８０を用いて、後に成形される線状のレーザーパルス若しくは照射ラインの短軸方向に直線偏光され、第２のレーザーパルス８６はこれと垂直に長軸方向に直線偏光される。ここで短軸方向は、処理される半導体材料１２に対して、後に成形される照射ライン３６が移動する送り方向に対応している。次いで、図５の方法と同様に、２つのレーザーパルス７６、８６を持つ２本のレーザービーム７４、８４は、例えば図３ａ及び図３ｂに基づいて説明したビーム成形装置３２を用いて、短軸及び長軸を有する線状のレーザーパルスに成形される。こうして成形されたレーザーパルスは続いて、例えば図３ａ及び図３ｂに基づいて説明した結像装置３４を用いて、半導体材料１２の画像面に照射ライン３６として結像される。
【0079】
こうして成形された照射ライン３６の線形状は、図２ａ～図２ｃに基づいて説明された。こうして成形された照射ライン３６の合成時間強度曲線、即ち重ね合わされて互いに時間遅延されたパルスの時間の関数としての強度を、図７に基づいて説明する。図７には、図６で開示された２本のレーザービームを用いる方法の例として、合成時間強度曲線９６が示されている。図７にはさらに、両レーザービーム７４、８４の合成強度と並んで、個々のレーザービームのパルスの強度も時間の関数として示されている。
【0080】
図７で、参照符号９８で表示された強度曲線は、第１のレーザービーム７４の第１のレーザーパルス７６の強度曲線に対応し、参照符号１００で表示された強度曲線は、第２のレーザービーム８４の第２のレーザーパルス８６の強度曲線に対応し、参照符号９６で表示された強度曲線は、第１のパルス７６と第２のパルス８６の合成時間強度に対応する。第１のレーザーパルス７６及び第２のレーザーパルス８６は、それぞれ１５ｎｓ～２０ｎｓである時間半値幅（ＦＷＨＭ）を有する。さらに図７に見られるように、第２のレーザーパルス８６は、第１のレーザーパルス７６に対して、約１０ｎｓ～２０ｎｓの持続時間で時間遅延されている。図７では、この持続時間は約２０ｎｓである。これにより合成時間強度曲線９６に第１の最大値Ｍ１及び第２の最大値Ｍ２を持つパルス曲線が生じる。このパルス曲線は単一のパルス持続時間よりも幅の広いパルス持続時間１０２を持ち、総パルス長は４０ｎｓ～５０ｎｓとなる。総パルス長１０２は、再び時間半値幅、即ち第１の最大値に関する半値全幅（「Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ ｏｆ Ｆｉｒｓｔ Ｍａｘｉｍｕｍ」）、つまり第１のパルスの強度が最大値Ｍ１の半分を有する時点でのパルス幅に対応する。
【0081】
図７にも示されているように、第１のレーザーパルス７６の最大強度Ｍ１は、第２の時間遅延されたレーザーパルス８６の最大強度Ｍ２よりも大きい。具体的には、第１のレーザーパルス７６の強度は第２のレーザーパルス８６の強度に対して相対的に、合成時間強度曲線９６の第１の最大値Ｍ１と第２の最大値Ｍ２の比、即ち比Ｍ１／Ｍ２が１／１．２～１／０．７、即ち０．８～１．４となるように調整される。これは、各レーザービームが別々のレーザー源によって提供される実施形態において、個々のレーザービームの強度が互いに同調されることによって達成することができる。図４に概略的に示した、１本のレーザービームを分割することによって２本のレーザービームが提供される構成では、薄膜偏光子５６の前でλ／２板５４を相応に回転させることにより光線のｓ成分とｐ成分を変化させることにより相対強度を達成できる。
【0082】
既に詳細に上述したように、本開示によれば第１のレーザーパルス７６は短軸方向、即ち送り方向に直線偏光されており、第２のレーザーパルス８６は長軸方向に直線偏光されている。
【0083】
本開示の根底にある知見の一つは、上述した第１のパルス７６及び第２のパルス８６の直線偏光は、レーザーラインで処理される半導体材料層１２の均質性に肯定的な効果を有することである。例えば時間的に最初のパルスが送り方向に偏光され、時間的に遅延されたパルスが長軸方向に偏光されていると、規則的な粒子構造を有する非常に均質な層厚５０ｎｍ～６０ｎｍの結晶シリコンが生じることが分かった。この場合、合成時間強度曲線の第１の最大値Ｍ１と第２の最大値Ｍ２の比は、約１：１、即ち０．８～１．４であった。
【0084】
これに対して逆の偏光、つまり即ち第１のパルスが長軸方向に直線偏光され、第２の遅延されたパルスが短軸方向に直線偏光される場合は、この肯定的な効果は観察できなかった。
【0085】
この知見を、次の実験データに基づいて明確にする。
【0086】
処理される半導体材料は、支持体としてガラス基板上に塗布されたアモルファスシリコンの５０ｎｍ薄層であった。使用した光学的構成は、波長３４３ｎｍの光を放出する４つの固体ＵＶレーザーを備えるラインビーム構成であった。４つのレーザーは１０ｋＨｚのパルス繰返し速度で駆動された。放出されるパルスのパルス長、即ち時間半値幅は、１５ｎｓ～２０ｎｓであった。レーザーパルスのエネルギーは最大２０ｍＪであった。基板、即ちシリコン層のエネルギー密度は２２０ｍＪ／ｃｍ2であった。図５の方法と同様に、４つのレーザーのうちの第１のレーザー及び第２のレーザーの複数の第１のレーザーパルス及び第２のレーザーパルスを、レーザー源の同期されたトリガ信号によって時間同期して、それぞれ第１のレーザーパルスが第２のレーザーパルスと同時に放出されるようにした。第３のレーザー及び第４のレーザーの複数の第３のレーザーパルス及び第４のレーザーパルスが、それぞれ複数の第１のレーザーパルス及び第２のレーザーパルスに対して１０ｎｓ～２０ｎｓだけ時間遅延された。４本のレーザービームの強度は、合成時間強度曲線における第１の最大値及び第２最大値の比（Ｍ１／Ｍ２）が１／１になるように調整された。
【0087】
４本のレーザービームのレーザーパルスが、図３ａ及び図３ｂに対応する構成によってレーザーラインに成形され、アモルファスシリコン上の照射ラインとして結像された。照射ラインは、半導体層に対して２０ｍｍ／ｓの送り速度で、照射ラインの短軸方向に移動された。照射ラインの長軸方向における長さは、均質性１．５％（２σ）で９０ｍｍであった。照射ラインの短軸方向における長さは、均質性３％（２σ）で６７μｍであった。合成時間強度曲線の総パルスは長４５ｎｓ（「第１の最大値に関する半値全幅」）であった。
【0088】
第１回の実験（実験ａ））では、第１のレーザービーム７４及び第２のレーザービーム７８のパルス７６、８０を短軸方向に直線偏光させ、遅延された第３のレーザービーム８４及び第４のレーザービーム８８のパルス８６、９０を長軸方向に偏光させた。
【0089】
第２回の実験（実験ｂ））では、第１のレーザービーム及び第２のレーザービームのパルスを長軸方向に直線偏光させ、遅延された第３のレーザービーム８４及び第４のレーザービームのパルスを短軸方向に偏光させた。
【0090】
図８ａは、実験ａ）によりレーザー露光後に走査型電子顕微鏡で撮影したシリコン表面の画像を示し、図８ｂは実験ｂ）によりレーザー露光後に走査型電子顕微鏡で撮影したシリコン表面の画像を示す。両画像において、送り方向はｘ軸（照射ラインの短軸）の方向、即ち図８ａ及び図８ｂで垂直方向であった。
【0091】
図８ａは、送り方向に対して垂直に、即ちｙ方向若しくは長軸方向に規則的な粒子構造が生じていることを示す。特に粒子は、ＵＶレーザーの波長に対応して約１．５μｍのほぼ等間隔で垂直に延びる列内に配置されていることが分かる。言い換えれば、粒子構造は送り方向に延びる縞模様を示しており、縞は等間隔であるため長軸方向に均質性が生じている。したがって長軸方向（ｙ方向）における粒径は大きな均質性を有する。短軸方向（ｘ方向）では．長軸に比べて均質性が少ない。
【0092】
【0093】
既に上述したように、レーザー結晶化プロセスは、ａ－Ｓｉ層が部分的に溶融し、続いてガラス基板上の溶融していない固体シリコンから始まり結晶構造に固化することに基づいている。この溶融及び固化は１０～１００ｎｓの時間スケールで行われ、それに続くフィルムの室温下での冷却は通常数１００μｓかかる。１０ｋＨｚのパルス繰り返し周波数は１００μｓの期間に相当する。パルス繰り返し周波数、送り速度、及び送り方向における照射ラインのパルス幅は、半導体材料の１箇所が露光プロセス中に複数回、即ち連続する複数のパルスによって露光されるように、且つ、パルス繰り返し周波数に対応する期間はフィルムを室温に冷却するのに必要な時間よりも短くなるように寸法が設定されているため、半導体材料は結晶化プロセス中に繰り返しＵＶ光で照射される。これに加えてレーザーパルスの時間的推移が数１０ｎｓと比較的長いためにパルスによる露光が比較的長い。この多重露光は均一な粒子構造の形成を促進する。
【0094】
冒頭で述べたように、さらにレーザービームの偏光は、特に上述の多重露光と組み合わせると、規則的な多結晶シリコン粒子構造に肯定的な効果を及ぼすことができることが知られている。これは調節された強度分布を生じさせる表面干渉効果（「レーザー誘起周期的表面構造」、ＬＩＰＰＳ）に起因する。このように光が長軸方向に直線偏光されていると長軸に沿って規則的な構造が形成され、光が短軸方向（送り方向）に直線偏光されていると送り方向で相応の効果が観察できることが分かった。
【0095】
ＬＩＰＰＳ効果は、例えば以下に掲げる参考文献（１）～（４）など複数の文献で議論されている。これらの文献において、調節された強度分布は、入射光線と表面上で及び表面方向に偏光された光線との相互作用と、それによって引き起こされるパルスエネルギー密度の周期的分布によって発生すると仮定されている。周期的パルスエネルギー密度分布は、いわゆる「リップル」の形を有しており、これらは波長λと入射角Θを有する光線レーザービームについてλ／（１±ｓｉｎΘ）の大きさで離間している。したがって垂直入射（Θ＝０°）に対しては、波長λのオーダーの離間が生じる。この場合、「リップル」は電界ベクトルに対して垂直な方向、即ち光線若しくは光パルスの偏光方向に延びて、電界ベクトルの方向に周期性を有する。パルスエネルギー密度は、「リップル」に沿って最小又は最大である。周期パルスエネルギー密度は、露光された半導体材料層上に空間的に周期的な温度分布を引き起こし、この周期的温度分布は周期的パルスエネルギー密度分布と類似している。さらに周期的温度分布においては、半導体材料層内の熱拡散も考慮に入れなければならない。また、パルスエネルギー密度の周期的分布は、半導体材料層の内部における多重反射に基づき半導体材料層の厚みによって変化することが確認された。
【0096】
したがって総括的に確認できるのは、これらの観察によれば、長軸方向の周期性若しくは規則性を得るためには、電界ベクトルは長軸方向になければならず、したがって光若しくは光パルスは長軸方向に直線偏光されていなければならないということである。
【0097】
そのため従来、長軸方向に規則的な粒子構造を生成できるようにするためには、各パルスは長軸方向の偏光成分を含んでいなければならないことが前提とされてきた。
【0098】
さて、本開示により明らかになったのは、時間的に第１のパルス７６又は時間的に第１のパルス７６、８０が短軸方向、即ち送り方向に偏光されており、第２の遅延されたパルス８６又は第２の遅延されたパルス８６、９０が長軸方向に偏光されていると、多結晶シリコン粒子構造の均質性に関して特に有利なことである。
【0099】
第２のパルスが長軸において偏光されていると規則的な粒子構造が促進されることの１つの考えられる説明は、この長軸の光がレーザー波長の干渉調節（ＬＩＰＰＳ）を生み出し、それによってこの方向の構造化された粒子形成を助長するというものである。第２のパルスが送り方向に直線偏光されている場合、長軸において干渉調節は形成されない。
【0100】
第１の最大値における光、したがって第１のパルスの短軸方向（送り方向）への偏光が粒子構造にとって有利である理由の説明の試みは、この照射の時間区分にフィルムは長軸において、長軸方向の偏光成分がある場合よりも均一に加熱されるというものであろう。なぜならそこでは干渉調節は起こらず、第２のパルス成分が初めて部分的な液相を構造化して生成し粒子構造を促進するからである。
【0101】
さらに、実験ａ）に従って第１のパルスの偏光を送り方向、即ち短軸方向に調整し、第２の遅延されたパルスの偏光を長軸方向に調整すると、エネルギー密度プロセスウィンドウの大きさは２０～２５ｍＪ／ｃｍ2（エネルギー密度プロセスウィンドウは２１０～２３０～２３５ｍＪ／ｃｍ2）に拡大することが観察された。第１のパルスと第２の遅延されたパルスが両方向に同じ偏光分布を有する露光と比較すると、この場合はエネルギー密度プロセスウィンドウの大きさは約１０ｍＪ／ｃｍ2（エネルギー密度プロセスウィンドウは２１５～２２５ｍＪ／ｃｍ2）しか観察されなかった。
【0102】
最後に、例えば図４に示す「光遅延」において、例えば図５及び図６に示す「電子遅延」と比較して有利な結果が得られることを確認することができた。特に、「光遅延」においては運動方向における結晶構造の不均一性（「ショットムラ」）が、「電子遅延」に比べて低減できることを確認することができた。
【0103】
既に上述したように、２つの（又はそれ以上）の異なるレーザー源からの２本（又はそれ以上）の時間同期されたレーザービームの重ね合わせは、レーザー源に時間ジッタが存在することにより互いに強度分布の変動を生じる可能性がある。
【0104】
例えば、図７で２つのレーザーパルス７６、８６について示されている合成時間強度曲線９６を観察して４つのレーザーパルスについて形成すると、第１のレーザーパルス７６の強度曲線９８は、２つの第１のレーザーパルス７６、８０の合成強度曲線９８から構成され、第２のレーザーパルス８６の合成強度曲線１００は２つの第２のレーザーパルス８６、９０の合成強度曲線１００から構成される。この場合、可能な限り最小の時間ジッタ（例えばｎｓ範囲）を有するパルス化されたレーザー源によって、合成強度曲線９８間若しくは合成強度曲線１００間の変動を最小化することが可能である。第１の両レーザーパルス７６、８０及び第２の両レーザーパルス８６、９０は、光遅延を有する装置においても電子遅延を有する装置においても異なるレーザー源から発生するため、この時間ジッタの存在による「スミア化」に関しては、電子遅延と光遅延で異なる状況は生じない。
【0105】
図７の合成時間強度曲線９６は、（合成された）強度曲線９８、１００の重ね合わせによって得られる。図７に示されているように、パルス幅及び遅延は、先行するパルス９８若しくは先行する合成パルス９８が後続のパルス１００若しくは後続の合成パルス１００と重ね合わされるように選択されている。その結果として生じる第１の最大値Ｍ１は、遅延されたパルス１００若しくは遅延された合成パルス１００にほとんど影響されず（遅延されたパルス１００若しくは遅延された合成パルス１００は、合成強度曲線９６の最大値Ｍ１に全く又はほとんど寄与しないため）、第２の最大値Ｍ２の位置と発現は遅延されたパルス１００又は遅延された合成パルスによって明確に影響を受ける。
【0106】
このように存在していて変化する時間ジッタが、第１のパルス９８と第２の時間遅延されたパルス１００との間で最大値Ｍ２の変化する位置及び発現において、特に合成強度曲線９６間で変化する最大値Ｍ２の位置及び発現において結像する。結晶化プロセスはこれらの強度変化に粒子構造の偏差、例えば粒径の偏差によって反応することができる。
【0107】
この場合、光遅延において電子遅延とは異なりビーム分割と、光遅延区間を設けることにより（例えば可能な限り最小の時間ジッタを有するパルス化されたレーザー源と組み合わせて）、先行するパルス９８と遅延されたパルス１００がほぼ同じ時間ジッタを有することを達成することができる。そうすることによってパルス９８、１００若しくは合成パルス９８、１００を重ね合わせたときに強度曲線の変動が最小化され、非晶質半導体層の多結晶半導体層への均質な変換が大面積で達成される。
【0108】
第１のパルス９８に対して第２のパルス１００の典型的な時間遅延２０ｎｓを達成するために、約６ｍの追加の光路が必要である。この追加の光路は、例えば長焦点距離の球面望遠鏡を用いて達成できる。これは遅延区間内（例えば図４の第２の部分ビーム６０のビーム経路内）に配置され、遅延区間の入口及び出口に共役面を有する。このようにしてレーザービーム（図４の部分ビーム６０）は長距離にわたって制御されて結像され得る。例えば１：１の結像に対して、レンズの焦点距離が接眼レンズの焦点距離と同じ望遠鏡を設けることができる。さらに遅延区間は、（その長さが）例えば移動可能に配置された鏡のような偏向素子によってその変化可能であるように設計することができる。これにより結晶化プロセスに最適なパルス長を調整することができる。
【0109】
ビーム分割とそれに続く光遅延によって時間遅延されたレーザービーム若しくはレーザーパルスを得る代わりに、本開示により、ＵＶレーザー源を利用して、ＩＲレーザービーム（１０３０ｎｍ）から第３高調波（３４３ｎｍ）を生成することによりＩＲ光源から２つのＵＶレーザービームを得ることが想定されている。このようなＵＶレーザー源は、第１のＳＨＧ（「第２高調波発生」）／ＴＨＧ（「第３高調波発生」）結晶で変換されていないＩＲパルスエネルギー（通常５０％）を利用して、第２のＳＨＧ／ＴＨＧ結晶で第２のＵＶレーザービームを生成する。これらの両ＵＶビームは、互いに変化する時間ジッタを持たない。次いで両ＵＶレーザービームのうちの１本は、例えば長焦点距離の球面望遠鏡を用いて、上記のように光学的に遅延させることができる。したがってこの解決策においてビーム分割は必要ない。
【0110】
さらに、長軸における周期構造の形成は、遅延されたパルス１００で長軸におけるレーザービームの角度分布が小さいほど成功しやすいことが分かった。これは、ＬＩＰＰＳ効果に関して上述したように、周期的なパルスエネルギー密度分布は表面に沿って発生する干渉に依存している（λ／（１±ｓｉｎθ）、ここで、θは表面法線に対する入射角）と考えられている。その変化が少ないほど、つまり鋭角であるほど、入射光の角度分布は小さくなる。遅延されたパルスにおけるビームは長軸方向に直線偏光されている。それゆえ遅延は、光軸に近く結像されるレーザービームに対して調整されることが好ましい。逆に言えば、このことは光軸から離れて結像されたビームは、主に長軸に対して垂直な偏光を有する先行パルスのビームでなければならないことを意味する。
【0111】
参考文献（１）～（４）
（１）Ｐ．ファン・デル・ウィルト、「エキシマレーザーアニール：微細構造の進化と新しい特性化技術」、ＳＩＤ２０１４、ダイジェスト、ｐ．１９４
（２）Ｓ．堀田、Ｈ．河貴、Ｋ．西岡、「直線偏光Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザービームによって結晶化したアモルファスＳｉ薄膜の表面改変」、応用物理学誌、１０２、０１３５０１（２００７）
（３）Ｈ．Ｍ.ファン・ドリエル、Ｊ．Ｅ．サイプ、Ｊ．Ｆ．ヤング、「固体のレーザー誘起周期的表面構造：普遍的現象」、フィジカルレビューレターズ、４９、１９５５－１９５８（１９８２）、及び、Ｓ．Ｅ．クラーク、Ｄ．Ｃ．エモニー、「紫外レーザー誘起周期的表面構造、」フィジカルレビューＢ、４０、２０３１－２０４１（１９８９）
（４）Ｊ．Ｆ．ヤング、Ｊ．Ｓ．プレストン、Ｈ．Ｍ．ファン・ドリエル、Ｊ．Ｅ．サイプ、「レーザー誘起周期的表面構造、Ｇｅ、Ｓｉ、Ａｌ及び真鍮を用いた第２実験」、フィジカルレビューＢ、２７、１１５５－１１７２（１９８３）
（１）Ｐ．ファン・デル・ウィルト、「エキシマレーザーアニール：微細構造の進化と新しい特性化技術」、ＳＩＤ２０１４、ダイジェスト、ｐ．１９４
（２）Ｓ．堀田、Ｈ．河貴、Ｋ．西岡、「直線偏光Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザービームによって結晶化したアモルファスＳｉ薄膜の表面改変」、応用物理学誌、１０２、０１３５０１（２００７）
（３）Ｈ．Ｍ.ファン・ドリエル、Ｊ．Ｅ．サイプ、Ｊ．Ｆ．ヤング、「固体のレーザー誘起周期的表面構造：普遍的現象」、フィジカルレビューレターズ、４９、１９５５－１９５８（１９８２）、及び、Ｓ．Ｅ．クラーク、Ｄ．Ｃ．エモニー、「紫外レーザー誘起周期的表面構造、」フィジカルレビューＢ、４０、２０３１－２０４１（１９８９）
（４）Ｊ．Ｆ．ヤング、Ｊ．Ｓ．プレストン、Ｈ．Ｍ．ファン・ドリエル、Ｊ．Ｅ．サイプ、「レーザー誘起周期的表面構造、Ｇｅ、Ｓｉ、Ａｌ及び真鍮を用いた第２実験」、フィジカルレビューＢ、２７、１１５５－１１７２（１９８３）
【図1】
【図2a】
【図2b】
【図2c】
【図3a-3b】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8a】
【図8b】
【国際調査報告】