激光退火设备

摘要

一种激光退火设备，包括：激光振荡器，具有Q开关操作方式；一个或多个部分反射镜，用于将从激光振荡器发射的激光束分开为多个波束；多个光纤，分别发射由部分反射镜所分开的多个激光束，并且其各个发射端在一个方向上呈线性布置；第一光学系统，用于合成和均质化从光纤发射来的多个激光束；以及第二光学系统，用于将从第一光学系统发射来的激光束聚焦到工件表面上作为其波束形状在横向上较长并且在纵向上较短的矩形激光束。因此，甚至在其中使用由诸如具有Q开关操作方式等的Nd:YAG激光的第二谐波等的绿色激光作为加热光源的情况下，也可以通过细长光纤来发射激光功率。因此，能够在不需要任何激光放大器或高频生成设备的情况下获得具有较高质量工作性能的微型激光退火设备。

权利要求

1.一种激光退火设备，包括：

激光振荡器，具有Q开关操作方式；

一个或多个部分反射镜，用于将从所述激光振荡器发射来的激光束分开为多个激光束；

多个光纤，其分别发射由所述部分反射镜所分开的多个激光束，并且其各个发射端在一个方向上呈线性地布置；

第一光学系统，用于合成和均质化从所述光纤发射来的多个激光束；以及第二光学系统，用于将从所述第一光学系统发射来的激光束聚焦到工件表面上作为其波束形状在横向上较长并且在纵向上较短的矩形激光束。

2.如权利要求1所述的激光退火设备，其中

以单个光纤或多个光纤为单位，所述光纤设置为互不相同的长度；

使得从所述光纤发射的激光束的光学传输延迟量在所述光纤的发射端处改变；以及使从所述光纤发射的激光束波形与在从激光振荡器进行发射时的波形不同。

3.如权利要求2所述的激光退火设备，其中

提供所述多个所述激光振荡器；

以单个光纤或多个光纤为单位，所述光纤被连接到所述多个激光振荡器；以及从所述激光振荡器发射出的激光束的脉冲谐振时序被调整，并且使得从所述光纤发射出的激光束的脉冲波形随时间而变化。

4.如权利要求2所述的激光退火设备，其中通过改变所述部分反射镜的反射率，以单个光纤或多个光纤为单位改变入射到所述光纤上的激光束的强度。

5.如权利要求1所述的激光退火设备，其中

以单个光纤或多个光纤为单位，改变所述光纤的芯直径；并且调整在利用所述第二光学系统聚焦的激光束的波束形状的短纵向方向上的波束强度分布。

6.如权利要求1所述的激光退火设备，其中

以单个光纤或多个光纤为单位，在与所述一个方向相垂直的方向上移动所述光纤的发射端；以及在利用所述第二光学系统聚焦的波束形状的所述短纵向方向上移动由所述第二光学系统聚焦的激光束的脉冲波形。

7.如权利要求1所述的激光退火设备，其中

通过以单个光纤或多个光纤为单位改变所述光纤的芯直径，调节在由所述第二光学系统聚焦的所述激光束的波束形状的短纵向方向上的波束强度分布；以及通过布置所述发射端，使得这些发射端以单个光纤或多个光纤为单位在与所述一个方向相垂直的方向上移动，以将由所述第二光学系统聚焦的所述激光束的脉冲波形在所述波束形状的所述短纵向方向上进行移动。

说明书

激光退火设备

技术领域

[0001] 本发明涉及激光退火设备，更为确切地说，涉及用在低温多晶硅TFT(薄膜晶体管)等类的结晶退火处理过程中的激光退火设备。

背景技术

[0002] 在低温多晶硅TFT的结晶退火处理过程中，XeCl激光被广泛使用作为加热光源。最近，如由具有Q开关操作方式的Nd:YAG(钇铝石榴石)激光的第二谐波所表示的具有较高峰值功率的绿色激光可以用作加热光源的这一事实已经引起很大关注，因为这种激光具有以较低的运行成本来获得更大的晶体生长的能力。在使用具有较高峰值功率的绿色激光的退火处理过程中，最为广泛地使用了其中激光束形成为线性波束并且直接射到衬底上的系统。

[0003] 图1为示意图，示出了传统激光退火设备的结构的一个例子。在传统的设备中，从激光振荡器201发射的激光束206被直接引入到线性波束形成光学系统202。线性波束形成光学系统202被固定在适当位置处，并且激光束206使用镜等来传播。波束强度在长方向上是均一的，并且波束在短方向上被直接聚焦。激光束206通过线性波束形成光学系统202被转换成线性波束207。在平台208上执行将线性波束207直射到非晶硅衬底204上，并且非晶硅衬底204被线性波束207照射到的部分被改正为多晶硅205。激光振荡器201是在双轴操作平台203上执行的，并且非晶硅衬底204的整个表面由线性波束207通过在两维上扫描双轴操作平台203来进行照射。

[0004] 例如，在日本未决专利申请第2001-156017号中公开了激光线性波束形成方法和使用该方法的激光退火设备，作为线性波束形成光学系统202的一个例子。图2A为侧视图，示出了如日本未决专利申请第2001-156017号中公开的形成线性激光波束的光学系统300的结构。图2B为上述结构的平面图，并且图3为示意性视图，示出了激光退火设备。从激光振荡器301发射的激光在纵向方向上被圆柱面透镜阵列302分开。在纵向方向上被分开的激光在横向方向上被圆柱面透镜阵列303进一步分开。具体地说，从激光振荡器301发射出的激光被圆柱面透镜阵列302和圆柱面透镜阵列303分开成矩阵的形式。

[0005] 接着，激光利用圆柱面透镜304来临时聚焦。在这种情况下，光在圆柱面透镜304之后立即穿过圆柱面透镜305。光然后从镜306反射，穿过圆柱面透镜307，穿过狭缝308，并且到达被照射的表面309。在这种情况下，被投射到被照射的表面309的激光展示出线性照射表面。具体地说，穿过圆柱面透镜307的激光的截面形状是线性的。狭缝308被用于调整线性激光在长度方向上的长度。

[0006] 这种经过线性转换的激光的波束形状在短方向上的均质化，是通过圆柱面透镜阵列302和圆柱面透镜304、307来实现的。进而，在长方向上的均质化是通过圆柱面透镜阵列303和圆柱面透镜305来实现的。这样，变得均匀的激光的线性波束直接照射到衬底311上，该衬底311携带在可移动平台310上。

[0007] 不过，在其中如图1所示的激光振荡器201具有极高输出的情况下，或者在其中安装了多个激光振荡器201的情况下，包括了线性波束形成光学系统202在内的光学系统的总重量达到了几百千克。进而，如果考虑到包括了激光振荡器201的光学系统的对齐的话，线性波束形成光学系统202的扫描缺乏稳定性，机动性(flexibility)比较差，并且不实用。因此，现在使用其中对非晶硅衬底204进行扫描的系统，而不是线性波束形成光学系统202(例如，参见日本未决专利申请第2001-156017号)。

[0008] 可以想到其中通过经由光纤传播激光来提高光学系统的机动性的方法。不过，随着激光振荡器的输出增加，由于光纤相对于激光功率密度有一定的损坏限度，因此存在光纤损坏的危险，并且小直径的光纤的使用比较困难。因此，为了将光聚焦在线性波束的波束形状的短方向上，需要极高比率缩小的光学系统。不过，这种光学系统的实际制造比较困难。进而，在由Q开关所操作的激光振荡器的情况下，激光脉冲波形和空间密度分布的任意控制比较难，并且因此不是总能获得用于工作的最佳条件。

[0009] 最近，为了解决上述问题，在日本未决专利申请第2002-280324号(第4～10页和图1)中公开了一种方法。在这种方法中，通过多个光纤导致在近红外区域内振荡的激光执行分开传播，光被光纤放大器所放大，并且被转换成第三谐波，并且然后光形成线性波束*并且照射[衬底](1)。

[0010] 在日本未决专利申请第2002-280324号中所公开的激光设备的结构如图4所示。例如，该激光设备400由振荡波长为914nm的近红外微型芯片激光构成；以及具有主激光器401，作为发射波长为914nm和脉宽为0.5ns的参考激光脉冲光RPref的激光光源；波束扩展器402，包括有两个透镜402a和402b，它们的焦点相重合；微型透镜阵列403，其将被波束扩展器402转换成大直径平行光射线束的参考激光脉冲光RPref分裂成N个光束；光纤放大器404-1至404-N，对所传播的分开的参考激光脉冲光束DRPref1至DRPrefN进行放大，并且对其长度顺次进行设置，以获得0.5ns的传播时延，该时延是分开的参考激光脉冲光束DRPref1至DRPrefN的脉冲宽度；光纤耦合激励激光光源405-1至405-N；激励光传播光纤406-1至406-N；第三谐波生成设备407，用于接收波长为914nm并且从光纤放大器
404-1至404-N的另一端面发射出的分开的参考激光脉冲光束DRPref1至DRPrefN，并且生成波长为305nm并且脉冲宽度为0.5ns的第三谐波TRD1至TRDN；以及照明光学系统408，其中在第三谐波生成设备407中通过波长转换获得的N个第三谐波TRD1至TRDN的激光脉冲光被连接起来平行放置，并且其脉宽为具有0.5ns脉宽的参考激光脉冲光RPref的脉宽的至少N倍的脉冲光被发射出来，并且受到所谓的时分多路复用。

[0011] 光波分开装置由波束扩展器402和微透镜阵列403构成，并且光合成装置由第三谐波生成设备407和照明光学系统408构成。进而，激励光供应装置由激励激光源405-1至405-N、激励光传播光纤406-1至406-N以及光纤耦合器414-1至414-N构成。

[0012] 进而，在日本未决专利申请第2002-280324号中指出，为了对使用了波长为308nm2
的XeCl受激准分子激光的TFT进行退火所需的能量流量是几百个J/cm，并且脉宽为大约
20ns。而且，在日本未决专利申请第2002-280324号中指出，当使用波长为914nm并且脉宽为0.5ns的微型芯片激光作为主激光时，需要通过光纤放大器404-1至404-N将波长为
914nm的分开的参考激光脉冲光束DRPref1至DRPrefN进行放大，并且通过第三谐波生成设备407将这些放大的激光脉冲光束转换成波长为305nm并且脉宽为0.5ns的第三谐波TRD1至TRDN，以获得上述所需的能量流量。

[0013] 不过，在如日本未决专利申请第2002-280324号中公开的激光设备中，如上所述，需要通过光纤放大器404-1至404-N来对波长为914nm的分开的参考激光脉冲光束2
DRPref1至DRPrefN放大到几十MW/mm 或更大的功率密度。否则，在通过第三谐波生成设备407转换成第三谐波时无法获得足够的转换效率。

发明内容

[0014] 本发明的目标是提出一种微型激光退火设备，它可以通过细长的光纤来发射激光功率，甚至在其中使用诸如具有Q开关操作方式等的Nd:YAG激光的第二谐波的具有较高峰值功率的绿色激光来作为加热光源的情况下，并且因此能够在不需要任何激光放大器或高频生成设备的情况下执行高质量的工作。

[0015] 根据本发明的激光退火设备包括：激光振荡器，具有Q开关操作方式；一个或多个部分反射镜，用于将从激光振荡器发射的激光束分开为多个波束；多个光纤，分别传送由部分反射镜所分开的多个激光束，并且其各个发射端在一个方向上呈线性分布；第一光学系统，用于合成从光纤发射来的多个激光束并使之均匀；以及第二光学系统，用于将从第一光学系统发射来的激光束聚焦到工件表面上，作为其波束形状在横向上较长并且在纵向上较短的矩形激光束。

[0016] 以单个光纤或多个光纤为单位，所设置的光纤长度互不相同；可以使得所发射的激光束的光学传输延迟量在光纤的发射端处改变；并且可以使激光束波形与从激光振荡器进行发射时的波形不同。

[0017] 可以提供多个激光振荡器，以单个光纤或多个光纤为单位的光纤可以连接到多个激光振荡器，从激光振荡器发射出的激光束的脉冲振荡时序可以被调整，并且从光纤发射出的激光束的脉冲波形可以随着时间而变化。

[0018] 期望通过改变部分反射镜的反射性，可以改变入射到以单个光纤或多个光纤为单位的光纤上的激光束的强度。

[0019] 可以以单个光纤或多个光纤为单位改变光纤的芯直径，并且可以调整在由第二光学系统所聚焦的激光束的波束形状的短纵向方向上的波束强度分布。

[0020] 可以以单个光纤或多个光纤为单位在与上述单个方向相垂直的方向上移动光纤的发射端，并且可以在由第二光学系统所聚焦的波束形状的短纵向方向上移动激光束的脉冲波形。

[0021] 在激光束的波束形状的短纵向方向上的波束强度分布可以通过以单个光纤或多个光纤为单位改变芯直径而得到调整，并且通过以单个光纤或多个光纤为单位布置发射端使得这些端在与上述单个方向相垂直的方向上进行移动，可以将激光束的脉冲波形在波束形状的短纵向方向上进行移动。

[0022] 在本发明中，甚至在其中使用诸如由具有Q开关操作方式的Nd:YAG激光的第二谐波的具有较高峰值功率的绿色激光来作为在低温多晶硅TFT的结晶退火过程中的加热光源的情况下，可以在不损坏细长光纤的端面的情况下，完成激光功率发射。因此，可以实现不需要激光放大器或高频产生设备的具有较高质量工作性能的激光退火设备，并且可以使得激光退火设备的操作平台变得紧凑。

附图说明

[0023] 图1为示意性示图，示出了传统激光退火设备的结构的例子；

[0024] 图2为侧视图，示出了用于将激光转换成线性形式的传统光学系统的结构，并且图2B为它的平面图；

[0025] 图3为示意性示图，示出了传统激光退火设备；

[0026] 图4为示意性示图，示出了传统激光退火设备的结构；

[0027] 图5为示意性示图，示出了根据本发明第一实施例的激光退火设备的结构；

[0028] 图6为示意性示图，示出了线性光束形成光学系统6的结构的一个例子；

[0029] 图7为示意性示图，示出了构成本发明第一实施例的激光退火设备的整个视图；

[0030] 图8为示意性示图，示出了构成本发明的第四实施例的激光退火设备中的光纤的布置的一个例子；

[0031] 图9是示出了通过如图8中所示的光纤布置所得到的激光脉冲波形的一个例子的图；

[0032] 图10为示意性示图，示出了根据本发明的第六实施例的激光退火设备中的光纤布置的一个例子；

[0033] 图11是示出了通过如图10所示的光纤布置所得到的激光脉冲波形的一个例子。

具体实施方式

[0034] 下面参照附图来具体讲述本发明的实施例。图5为示意性示图，示出了根据本发明的第一实施例的激光退火设备的结构。首先，通过Q开关进行操作的k个(k为自然数)激光振荡器1-1至1-k并排布置，并且具有任意反射率并且其中在各个前表面上形成有电介质多层薄膜的m个(m为大于k的自然数)部分反射镜2-1至2-m以及多个全反射镜3，置于具有较高峰值功率并且从k个激光振荡器1-1至1-k所发射出的k个激光束的前面(在光学方面)。在本实施例中，从k个激光振荡器1-1至1-k发射的激光束的脉冲振荡时序都是同步的，并且m个部分反射镜2-1至2-m都具有相同的反射率。

[0035] 从k个激光振荡器1-1至1-k发射出的k个激光束通过m个部分反射镜2-1至2-m被分开成具有任意强度的位于n个(n是大于k的自然数)光路径上的激光束，并且通过m个部分反射镜2-1至2-m和多个全反射镜3入射到n个耦合透镜4-1至4-n上。在本实施例中，沿着n个光路径的激光束都具有相同的强度。

[0036] 并且，n个光纤5-1至5-n根据n个激光束布置在表面上，其上被分开成n个光路径的各个激光束通过n个耦合透镜4-1至4-n进行聚焦。在本实施例中，n个光纤5-1至5-n都具有相同的芯直径。

[0037] 这些n个光纤5-1至5-n的芯直径和分开数n，可以根据k个激光振荡器1-1至1-k的输出、用于照射工作平面(非晶硅衬底)的线性光束的期望线宽、所使用的光纤可以传送的功率密度的上限等来随意地最优化。在这种情况下，只要激光束强度处于光纤端面的损坏阈值所限制的范围之内，由单个光纤针对单个激光振荡器进行发射是可以的。

[0038] 不过，一般而言，石英光纤用于高输出激光束的传送，并且对于脉冲宽度为10nsec的激光束来说，这种光纤的端面的损坏阈值在SI(阶越折射率)光纤的情况下约为100MW/2
mm，并且在GI(渐变折射率)光纤的情况下约为 另一方面，具有Q开关的
Nd:YAG激光第二谐波振荡器的激光输出在几十毫微秒的脉冲宽度上具有超过几百千瓦的极高峰值功率。因此，例如，当试图使用芯直径约为100μm的光纤进行传送时，存在损坏端面的危险，并且难以实现工业应用中的稳定使用。

[0039] 因此，在本实施例中，具有较高峰值功率并且从通过Q开关来操作的k个激光振荡器1-1至1-k进行发射的k个激光束被分开成n个激光束，这些激光束的激光功率密度基本上可以让具有任意反射率的m个部分反射镜2-1至2-m来执行光纤发射并且其中将电介质多层薄膜提供给它们的各个表面。这些n个激光束被导入n个光纤5-1至5-n，并且从而可以在不损坏光线端面的情况下进行稳定使用。

[0040] 进而，以单个光纤或多个光纤为单位，n个光纤5-1至5-n的长度被设置为互不相同，光传播延迟在n个光纤5-1至5-n的发射端上是变化的，并且在激光脉冲波形中产生了传播延迟。例如，在其中使用了折射率为1.45的石英光纤的情况下，约20cm的纤长度差别可以产生1nsec的光学激光脉冲波形延迟时间。因此，通过调整纤长度可以容易地实现在毫微秒级别上的脉冲波形的传播延迟控制。

[0041] 如图6中所示，位于n个光纤5-1至5-n的前面(从光学上讲)的是线性光束形成光学系统6，它包括：第一光学系统(长边(long-side)校准圆柱面透镜7-1至7-n、短边校准圆柱面透镜8、长边合成和聚焦圆柱面透镜9和板状光学波导10)，用于对从光纤5-1至5-n发射出的n个激光束进行合成和均质化处理；以及第二光学系统(长边校准圆柱面透镜11、长边聚焦圆柱面透镜12和短边聚焦圆柱面透镜13)，用于将从第一光学系统发射出的激光束聚焦到工件平面上，作为横向较长、纵向较短的矩形激光束。

[0042] 从短边聚焦圆柱面透镜13发射出的激光束的形状为横向较长、纵向较短的矩形。在如图所示的例子中，横向为水平方向。由于该激光束横向较长且纵向较短，因此形成了线性形状，并且长方向为激光束长度，而在纵向方向(短方向)上的线宽方向为光束宽度。

[0043] 图6为示意性示图，示出了线性光束形成光学系统6的结构的一个例子。n个光纤5-1至5-n的发射端在一个方向上呈直线。在本实施例中，在n个光纤5-1至5-n的发射端的布置方向(如上所述的单个方向)与来自短边聚焦圆柱面透镜13的线性光束14的光束形状的长方向之间存在匹配。并且，与n个光纤相对应的n个长边校准圆柱面透镜7-1至7-n置于位于n个光纤5-1至5-n的前面(从光学上讲)的同一光轴上，并且从n个光纤5-1至5-n发射的激光束通过与n个激光束相对应的长边校准圆柱面透镜7-1至7-n在长布置方向上以各种方式进行校准。

[0044] 短边校准圆柱面透镜8置于位于通过n个长边校准圆柱面透镜7-1至7-n在长布置方向上以各种方式进行校准的n个激光束的前面(从光学上讲)的同一光轴上，并且在短布置方向上以各种方式校准该n个激光束。

[0045] 长边合成和聚焦圆柱面透镜9置于位于在长布置方向和短布置方向上以各种方式进行校准的n个激光束的前面(从光学上讲)的同一光轴上。结果，激光束通过置于更前面(从光学上讲)的平板状光学波导10在长方向上进行聚焦。在重复平板状光学波导10内部的临界反射的同时通过以z字型进行传播，以在长方向上对由平板状光学波导10所聚焦的激光束进行均质化处理。进而，在短方向上，激光束基本上作为平行光射线穿过平板状光学波导10的内部。由n个光纤5-1至5-n的芯直径和发射NA(数字孔径)所确定的光束区域得到了保持。还可以使用微型透镜阵列(蝇眼透镜)等来代替平板状光学波导10。

[0046] 如上所述，通过由长边校准圆柱面透镜7-1至7-n、短边校准圆柱面透镜8、长边合成和聚焦圆柱面透镜9和平板状光学波导10所构成的第一光学系统在长方向上对从n个光纤5-1至5-n所发射出的激光束进行均质化处理。

[0047] 长边校准圆柱面透镜11置于通过第一光学系统在长方向上进行了均质化的激光束的前面(从光学上讲)的同一光轴上，并且该激光束进一步通过长边校准圆柱面透镜11在长布置方向上进行校准。

[0048] 长边聚焦圆柱面透镜12置于从长边校准圆柱面透镜11发射出的激光束的前面(从光学上讲)，并且该激光束通过长边聚焦圆柱面透镜12在长方向上被调整到期望激光束长度。

[0049] 短边聚焦圆柱面透镜13置于在长方向上被调整到期望激光束长度的激光束的前面(从光学上讲)的同一光轴上，并且该激光束通过该短边聚焦圆柱面透镜13在短方向上被调整到期望线性光束宽度(线宽)。在这种情况下，短边校准圆柱面透镜8和短边聚焦圆柱面透镜13的焦距比率为短方向上的减少比率。n个光纤5-1至5-n的各个芯直径和在短方向上的减少比率的乘积就是矩形线性光束14在短方向上的宽度(线宽)。光束在横向方向较长且在纵向方向较短，并且从短边聚焦圆柱面透镜13发射出，并且被导入到非晶硅衬底上(图中未示出)。

[0050] 结果，通过由长边校准圆柱面透镜11、长边聚焦圆柱面透镜12和短边聚焦圆柱面透镜13构建的第二光学系统来将通过第一光学系统在长方向上进行了均质化的激光束聚焦为在工件平面(非晶硅衬底)上具有期望激光束长度和光束宽度(线宽)的线性光束14。

[0051] 这里，激光束在非晶衬底的晶体退火中所需的激光束线宽通常为几十微米。在短方向上，在其中例如光纤5-1至5-n的芯直径为100μm的情况下，通过宽度为50μm的线性光束进行照射所需的减少比率(短边校准圆柱面透镜8和短边聚焦圆柱面透镜13的焦距比率)为1/2倍，这是很容易实现的。另一方面，在其中激光束被导入线性光束形成光学系统6并且通过使用具有足够大芯直径以便不会损坏端面的单个光纤而形成线性光束的方法中，所形成的线性光束被指引到非晶衬底上，其上需要具有1/20的扩大倍数的光学系统，以在其中(例如)光纤的芯直径为1mm的情况下将光束减小到宽度为50μm的线性光束。因此，在其中在从光纤发射的时刻上的发射NA较大的情况中，难以制造光学系统。

[0052] 如上所述，具有较高峰值功率并且从通过Q开关进行操作的k个激光振荡器所发射的k个激光束被分开成沿着n个光路径的其中激光功率密度基本上可以执行光纤发射的激光束，并且这些n个激光束被导入n个光纤5-1至5-n。从而甚至在激光脉冲具有极高峰值功率的情况下也可以通过细长光纤进行发射。此外，由于n个光纤的发射端仅仅线性地布置在长方向上，因此短方向上的光束质量可以得到保持，并且在短方向上使用较低比率的减小光学系统，可以得到理想的线宽(几十微米)。

[0053] 此外，以单个光纤或多个光纤为单位，n个光纤5-1至5-n的长度被设置为互不相同，所发射的光束的光传播延迟在n个光纤5-1至5-n的发射端上是变化的，并且在激光脉冲波形中产生了传播延迟。结果，被指引到非晶硅衬底上的线性光束14具有保持该传播延迟的激光脉冲波形。因此，线性光束14在短方向上的脉冲波形通过改变n个光纤5-1至5-n的长度可以进行变化。此外，n个光纤5-1至5-n的各个长度也可以是相同的。在这种情况下，甚至在从n个光纤5-1至5-n进行发射之后，在不进行进一步修改的情况下也可以再生出(reproduce)从k个激光振荡器得到的激光脉冲波形。

[0054] 接下来将讨论如上所述所构建的本实施例的操作。图7为示意性示图，示出了构成本发明第一实施例的整个激光退火设备。在图7中，与图5和6中相同的组件被标以相同的符号，并且省略了对这些元件的描述。首先，通过Q开关进行操作的k个(k为自然数)激光振荡器15-1至15-n并排进行放置，并且总共n个(n为大于k的自然数)光纤5-1至5-n被连接到这k个激光振荡器15-1至15-n的每一个的一端。这里，k个激光振荡器15-1至15-k实现了图5中的从k个激光振荡器1-1至1-k延伸到m个局部反射镜2-1至2-m的部件、多个全反射镜3和n个纤耦合透镜(fiber coupling lense)4-1至4-n的功能。

[0055] n个光纤5-1至5-n的另一端被连接到位于双轴操作台16上的线性光束形成光学系统6。其上携带了非晶硅衬底18的台面17被安装在线性光束形成光学系统6的前面(从光学上讲)。

[0056] k个(k为自然数)激光振荡器15-1至15-k发射k个激光束，并且这k个激光束被分开成具有基本上可以执行光纤发射的激光功率密度的n个激光束。另外，n个激光束输出被发射到n个光纤5-1至5-n(n为大于k的自然数)。从n个光纤5-1至5-n的发射端发射出n个激光束，并且入射在线性光束形成光学系统6上。

[0057] 通过第一光学系统在长方向上对入射在线性光束形成光学系统6上的激光束进行均质化处理，并且通过第二光学系统将其聚焦到在台面17上所携带的工件平面上(非晶硅衬底18)作为矩形激光束。光束在横向上较长、在纵方向上较短，并且具有期望激光束长度和光束宽度(线宽)的光束形状。非晶硅衬底18中被线性光束14所照射的部分被修改为多晶硅19。

[0058] 在本发明的激光退火设备中，通过Q开关进行操作的k个激光振荡器15-1至15-k发射具有较高峰值功率的k个激光束。k个激光束被分开成激光功率密度基本上可以执行光纤发射的n个激光束。n个激光束被导入到n个光纤5-1至5-n上，从而可以在不损坏光纤端面的情况下进行稳定使用。由于使用光纤改善了机动性，因此通过固定和支撑k个激光振荡器15-1至15-k、在双轴操作台16上携带线性光束形成光学系统6并且扫描双轴操作台16，可以采用线性光束14来照射非晶硅衬底18的整个平面。结果，提高了激光退火设备的稳定性，并且由于只需要移动线性光束形成光学系统6，因此双轴操作台16可以做得较为紧凑，其重量与k个激光振荡器15-1至15-k相比是较轻的。

[0059] 接下来讲述本发明的第二实施例。在如上所述的第一实施例中，对从k个激光振荡器发射出的所有激光束的脉冲振荡时序进行同步。本实施例的不同之处在于从k个激光振荡器发射出的激光束的脉冲振荡时序进行了调整，并且从n个光纤5-1至5-n的发射端所发射出的激光束的脉冲波形随着时间而变化。第二实施例的剩余结构是相同的。

[0060] 通过在从如图7所示的k个激光振荡器15-1至15-k发射出的激光束的脉冲振荡时序中产生差别，在激光脉冲波形中得到了传播延迟效果。例如，在其中通过折射率为1.45的石英纤的纤长度来控制100nsec或更大的光学脉冲波形延迟时间的情况中，需要20m或更大的纤长度差别。在这种情况下，需要控制从激光振荡器发射出的激光束的脉冲振荡时序。

[0061] 接下来讲述本发明的第三实施例。本实施例的不同之处在于，当从第一实施例中的k个激光振荡器1-1至1-k发射出的k个激光束通过m个部分反射镜2-1至2-m被分开成沿着具有任意激光强度的n个光路径的激光束时，m个部分反射镜2-1至2-m的反射率是变化的，从而入射在n个光纤5-1至5-n上的激光束的强度也是变化的。其余的结构是相同的。

[0062] 在其中m个部分反射镜2-1至2-m的反射率水平互不相同的情况下，激光束的分开比率是不同的。结果，入射到n个光纤5-1至5-n上的激光束的强度也不同。在短方向上的平板形光学波导10的内部，通过n个光纤5-1至5-n传送的并且从n个光纤5-1至5-n的发射端所发射的n个激光束被传播作为在短方向上的平板状光学波导10中的基本平行的光射线。由于由n个光纤5-1至5-n的芯直径和发射数字孔径(发射NA)所确定的光束区域得到了保持，因此横向较长、纵向较短并且被引导到工件平面(非晶硅衬底18)上的在矩形线性光束14的线宽方向上的强度是通过借助m个部分反射镜2-1至2-m由激光束的分开比率进行控制的。

[0063] 接下来讲述本发明的第四实施例。图8为示意性示图，示出了本实施例的光纤布置的一个例子。在第一实施例中，n个光纤5-1至5-n的所有芯直径都是相同的。另一方面，在本实施例中，如图8所示，n个光纤5-1至5-n的芯直径以单个光纤或者多个光纤为单位是变化的，并且其余结构与第一实施例中的类似。结果，可以调整通过由长边聚焦圆柱面透镜12和短边聚焦圆柱面透镜13构成的第二光学系统而聚焦到工件表面(非晶硅衬底)上的激光束的光束形状在短方向上的光束强度分布。

[0064] 如图8所示，具有不同芯直径和纤长度的三组光纤置于单个直线中。细长光纤组101的各个芯直径R101是最小的，并且各个纤长度L101也是最小的。在具有芯直径R102的中间光纤组102中，各个芯直径R102要大于细长光纤组101的各个芯直径R101，并且各个纤长度L102要长于细长光纤组101的各个纤长度L101。在厚光纤组103中，各个芯直径R103要大于中间光纤组102的各个芯直径R102，并且各个纤长度L103要长于中间光纤组102的各个纤长度L102。

[0065] 在其中n个光纤5-1至5-n的各个芯直径被设置为不同直径的情况下，从更多细长光纤发射出的激光束被聚焦在更纤细的线宽上，并且从较厚光纤发射出的激光束被聚焦在较宽的线宽上。结果，在短方向上的激光束强度分布也就是在线性光束14的线宽方向上的光束强度分布可以由n个光纤5-1至5-n的芯直径进行控制。

[0066] 图9示出了通过如图8所示布置光纤所得到的激光脉冲波形的一个例子。首先，使用通过由具有最细直径和最短长度(激光脉冲强度分布111)的细长光纤组101所得到的激光脉冲来执行照射。接下来，使用通过由具有中间直径和中间长度(激光脉冲强度分布112)的中间光纤组102所得到的激光脉冲来执行照射。最后，使用通过由具有最大直径和最长长度(激光脉冲强度分布113)的较厚光纤组103所得到的激光脉冲来执行照射，从而获取合成的激光脉冲强度分布110作为暂时合成的激光脉冲强度。

[0067] 在如上所述的例子中，通过改变各个直径的光纤个数来控制所发射的激光束的功率。不过，如果功率处于由光纤端面的损坏阈值所限制的范围之内，也可以与如上所述的第三实施例一样，通过采用用于m个(m为大于k的自然数)部分反射镜2-1至2-m的分开比率来调整所发射的激光束的功率。

[0068] 接下来讲述本发明的第五实施例。在如上所述的第一实施例中，n个光纤5-1至5-n的发射端的布置方向与从短边聚焦圆柱面透镜13发射出的线性光束14的光束形状的长方向一致。另一方面，在本实施例中，放置n个光纤5-1至5-n的发射端，以便这些发射端在与来自短边聚焦圆柱面透镜13的线性光束14的光束形状的长方向相垂直的方向上以单个纤或多个纤为单位进行移位。其余结构与第一实施例的相似。结果，可以调整通过由长边聚焦圆柱面透镜12和短边聚焦圆柱面透镜13构成的第二光学系统而聚焦到工件表面(非晶硅衬底)上的激光束的光束形状在短方向上的光束强度分布。

[0069] n个光纤5-1至5-n的发射端以单个纤或多个纤为单位在与来自短边聚焦圆柱面透镜13的线性光束14的束形状的长方向相垂直的方向上进行移位，而不是布置n个光纤5-1至5-n的发射端使得其与来自短边聚焦圆柱面透镜13的线性光束14的光束形状的长方向一致。结果，其中在短方向上聚焦线性光束14的位置进行平行移位一定距离，且移位的距离是通过在激光束入射到短边校准圆柱面透镜8上时的移位量乘以减少比率(短边校准圆柱面透镜8和短边聚焦圆柱面透镜13的焦距比率)得到的。

[0070] 在这种情况下，以单个光纤或多个光纤为单位，n个光纤5-1至5-n的长度被设置为互不相同，因此所发射的光束的光传播延迟在n个光纤5-1至5-n的发射端上是变化的，从而在激光脉冲波形中产生了传播延迟，以便在线宽方向上扫描线性光束14。在这种情况下，如果n个光纤5-1至5-n的各个长度是相同的，则其中线性光束14在短方向上聚焦的位置被平行移位一定的距离，且该移位的距离是通过在激光束入射到短边校准圆柱面透镜8上时的移位量乘以减少比率(短边校准圆柱面透镜8和短边聚焦圆柱面透镜13的焦距比率)得到的。进而，n个光纤5-1至5-n的各个长度是相同的，并且调整从k个激光振荡器发射出的激光束的脉冲振荡时序，以便在从n个光纤5-1至5-n的发射端所发射出的激光束的脉冲波形中产生传播延迟。从而线性光束14还可以通过执行激光脉冲波形的时间控制来在线宽方向上进行扫描。

[0071] 进而，例如在如上所述的第一实施例中，n个光纤5-1至5-n的发射端线性地布置在图6中的长方向上的单个行中。不过，该布置并不限于单个行。例如，在其中以使用固定间隔的线性光束来同时照射非晶硅衬底的情况下，也可以使用在多个行中的线性布置。在这种情况下，被指引到非晶硅衬底上的线性光束的间隔是通过将光纤的布置间隔乘以短方向上的减少比率(短边校准圆柱面透镜8和短边聚焦圆柱面透镜13的焦距比率)得到的。

[0072] 接下来讲述本发明的第六实施例。图10为示意性示图，示出了在本实施例中光纤布置的一个例子。在本实施例中，如图10所示，n个光纤5-1至5-n的发射端以单个纤或多个纤为单位在与来自短边聚焦圆柱面透镜13的线性光束14的光束形状的长方向垂直的方向上进行移位，并且n个光纤5-1至5-n的芯直径以单个纤或多个纤为单位也是变化的。

[0073] 如图10所示，提供了具有不同芯直径和纤长度的三组光纤。在细长光纤组101中，各个芯直径R101是最短的，并且各个纤长度L101也是最短的。

[0074] 线性放置具有芯直径R102的中间光纤组102，以便该光纤组稍微偏离连接细长光纤组101的各个中心的直线。连接细长光纤组101的各中心的直线和连接中间光纤组102的各个中心的直线是相互平行的。中间光纤组102的各个芯直径R102要大于细长光纤组101的各个芯直径R101，并且中间光纤组102的各个纤长度L102要长于细长光纤组101的各个纤长度L101。

[0075] 以位于连接细长光纤组101的各个中心的直线和连接中间光纤组102的各个中心的直线之间的直线形式来放置厚光纤组103。其各个芯直径R103要大于中间光纤组102的各个芯直径R102，并且各个纤长度L103要长于中间光纤组102的各个纤长度L102。

[0076] 图11示出了通过如图10所示的光纤布置所得到的激光脉冲的空间强度分布的一个例子。首先，通过使用由具有最细直径和最短纤长度的细长光纤组101所得到的激光脉冲111来执行照射。接下来，通过使用具有中间直径和中间长度的中间光纤组102来执行照射，且相对于用于之前照射的激光脉冲111有部分重叠。最后，通过使用利用具有最大直径和最长长度的厚光纤组103所得到的激光脉冲113来执行照射，以便对在之前照射中所使用的激光脉冲111和112进行封装(envelope)。

[0077] 首先，使用具有足以在单个处理中将非晶硅衬底从固体融化到液体的功率密度的激光脉冲来初始地执行照射。因此，具有最细直径和最短长度的细长光纤组101用于激光脉冲111的发射。在随后的照射中所使用的激光脉冲112是通过具有中间直径和中间长度的中间光纤组102来发射的，并且该中间光纤组102被布置成稍微偏离其中生长了晶体的横向方向(衬底表面的方向)。在再后面的照射中所使用的并且通过具有最大直径和最长长度的厚光纤组103所发射的激光脉冲113具有较大的纤芯直径，并且因此在最低的功率密度上对整个照射表面进行加热，以便防止液化硅骤然冷却，从而进一步促进了晶体生长。结果，在厚度约为100nm的非晶硅薄膜的极短热弛豫时间内，可以实现在几微米到几十微米的区域中的激光脉冲在空间强度分布中的变化，并且可以实现更佳的激光加热控制。

[0078] 在以上例子中，通过改变各个直径的光纤个数来控制所发射的激光束的功率，但是如果该功率处于由光纤端面的损坏阈值所限制的范围之内，还可以通过m个(m为大于k的自然数)部分反射镜2-1至2-m的分开比率来调节所发射的激光束的功率。

[0079] 在本发明的激光退火设备中，通过将具有较高峰值功率并且从通过Q开关进行操作的k个激光振荡器1-1至1-k所发射的k个激光束分开成具有基本上允许通过m个部分反射镜2-1至2-m进行光纤发射的激光功率密度的n个激光束，并且将这些n个激光束导入到n个光纤5-1至5-n，可以在不损坏光纤端面的情况下，通过细长光纤发射具有极高峰值功率的激光脉冲。此外，由于n个光纤5-1至5-n只在长方向上进行线性分布，因此短方向上的光束质量可以得到保持，并且因此可以使用短方向上的低比率减小光学系统来得到期望线宽(几十微米)。

[0080] 还可以通过使用n个光纤5-1至5-n的纤长度来在激光脉冲波形中光学产生传播延迟，并且还可以通过调节从k个激光振荡器1-1至1-k发射出的激光束的脉冲振荡时序来获取激光脉冲波形的传播延迟效果。

[0081] n个光纤5-1至5-n的激光束分开比率和芯直径还可以通过调节m个部分反射镜2-1至2-m的反射率来进行调整，使得可以控制在线宽方向上的线性光束14的光束强度分布。

[0082] 此外，通过布置n个光纤的发射端使得这些发射端在与平行于短边校准圆柱面透镜8的透镜主平面的直线相垂直的方向上移位，可以对其中线性光束14在短方向上所聚焦的位置进行移位。

[0083] 通过组合n个光纤5-1至5-n的纤长度、从k个激光振荡器1-1至1-k发射出的激光束的脉冲振荡时序、通过调节m个部分反射镜2-1至2-m的反射率水平来得到的激光束的分开比率，以及n个光纤的发射端布置等的调节，线性光束14的激光脉冲波形和强度分布可以以较高的自由度进行任意变化。

[0084] 从而可以同时地在以毫微秒级别的时间上控制线性光束14的光束强度并且在微米级别上控制空间光束强度，以便用于通过激光束对非晶硅衬底进行结晶退火的强度达到最佳。