(57)【要約】【課題】結像レンズがレーザー光を吸収して熱膨張することによる焦点位置の位置ずれを補正する。【解決手段】基板の高さ変化量を換算して求めた結像レンズの位置ずれ量と、レーザー光の照射積算時間に基づいて求めた結像レンズの焦点の位置ずれ量とを加算して、結像レンズの熱膨張によるビーム集光位置の変動を補正するための補正移動量を算出し、この補正移動量を用いて結像レンズ移動部を駆動して結像レンズを移動することによって焦点位置の位置ずれを補正する。【選択図】図１
2010027933.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を連続照射して被処理基板を結晶化する照明光学系と、前記レーザー光を所定の光強度分布の光線に変調する光変調素子と、前記光変調素子の変調光を結像レンズにより基板上に結像させる結像光学系と、基板を支持する基板ステージとを備え、基板に設けられた薄膜を変調光により溶融して結晶化させる結晶化装置において、
当該結晶化装置は前記結像光学系が備える結像レンズの熱膨張によるビーム集光位置の変動を補正する結像レンズ熱膨張補正部と、結像レンズを移動する結像レンズ移動部とを備え、当該結像レンズ熱膨張補正部は、
基板の高さ変化量を求める測定工程と、
求めた基板の高さ変化量を結像レンズの位置ずれ量に換算する演算工程と、
レーザー光の照射積算時間に基づいて結像レンズの焦点の位置ずれ量を算出する演算工程と、
前記２つの演算工程で求めた結像レンズの位置ずれ量と結像レンズの焦点の位置ずれ量とを加算し、結像レンズの熱膨張によるビーム集光位置の変動を補正するための補正移動量を算出する演算工程と、
ビーム集光位置補正部で算出した補正移動量に基づいて結像レンズ移動部を駆動して結像レンズを移動する工程とを備えることを特徴とする、結像レンズ熱膨張補正方法。
【請求項２】
前記結像レンズの焦点の位置ずれ量を算出する演算は、
ａ×log（ｔ−ｂ）＋ｃ
（ｔはレーザー光の照射積算時間、ａ，ｂ，ｃはレーザー光のエネルギーおよびレーザー光を照射する繰り返し周波数を含むレーザー光の照射条件に依存するパラメータ）の演算式に基づいて行い、
前記結像レンズの焦点の位置ずれ量を換算する演算は、
ｄ×Ｚs＋ｅ
（Ｚsは測定で得られる基板の高さ変化量、ｄ，ｅはレーザー光のエネルギーおよびレーザー光を照射する繰り返し周波数を含むレーザー光の照射条件に依存するパラメータ）の演算式に基づいて行うことを特徴とする、請求項１に記載の結像レンズ熱膨張補正方法。
【請求項３】
レーザー光を連続照射して被処理基板を結晶化する照明光学系と、前記レーザー光を所定の光強度分布の光線に変調する光変調素子と、前記光変調素子の変調光を結像レンズにより基板上に結像させる結像光学系と、基板を支持する基板ステージとを備え、基板に設けられた薄膜を変調光により溶融して結晶化させる結晶化装置が備えた、前記結像光学系が備える結像レンズの熱膨張によるビーム集光位置の変動を補正する結像レンズ熱膨張補正装置であって、
前記結像レンズ熱膨張補正装置は、
基板の高さ変化量を結像レンズの位置ずれ量に換算する演算と、
レーザー光の照射積算時間に基づいて結像レンズの焦点の位置ずれ量を算出する演算とを行い、
当該２つの演算で求めた前記結像レンズの位置ずれ量と前記結像レンズの焦点の位置ずれ量とから、結像レンズの熱膨張によるビーム集光位置の変動を補正するための補正移動量を算出するビーム集光位置補正部と、
前記ビーム集光位置補正部で算出した補正移動量に基づいて結像レンズを移動する結像レンズ移動部とを備えることを特徴とする、結像レンズ熱膨張補正装置。
【請求項４】
前記ビーム集光位置補正部は、
ａ×log（ｔ−ｂ）＋ｃ
（ｔはレーザー光の照射積算時間、ａ，ｂ，ｃはレーザー光のエネルギーおよびレーザー光を照射する繰り返し周波数を含むレーザー光の照射条件に依存するパラメータ）の演算式に基づいて結像レンズの焦点の位置ずれ量を算出し、
ｄ×Ｚs＋ｅ
（Ｚsは測定で得られる基板の高さ変化量、ｄ，ｅはレーザー光のエネルギーおよびレーザー光を照射する繰り返し周波数を含むレーザー光の照射条件に依存するパラメータ）の演算式に基づいて結像レンズの焦点の位置ずれ量を換算することを特徴とする、請求項３に記載の結像レンズ熱膨張補正装置。
【請求項５】
前記結像レンズ移動部は、基板ステージに対して固定され、結像レンズをＺ軸方向に移動するピエゾステージであることを特徴とする、請求項３又は４に記載の結像レンズ熱膨張補正装置。
【請求項６】
レーザー光を連続照射して被処理基板を結晶化する照明光学系と、
前記レーザー光を所定の光強度分布の光線に変調する光変調素子と、
前記光変調素子の変調光を結像レンズにより基板上に結像させる結像光学系と、
基板を支持する基板ステージとを備えた、基板に設けられた薄膜を変調光により溶融して結晶化させる結晶化装置において、
前記結像光学系が備える結像レンズの熱膨張によるビーム集光位置の変動を補正する結像レンズ熱膨張補正部を備え、
前記結像レンズ熱膨張補正部は、
基板の高さ変化量を結像レンズの位置ずれ量に換算する演算と、
レーザー光の照射積算時間に基づいて結像レンズの焦点の位置ずれ量を算出する演算とを行い、
当該２つの演算で求めた前記結像レンズの位置ずれ量と前記結像レンズの焦点の位置ずれ量とから、結像レンズの熱膨張によるビーム集光位置の変動を補正するための補正移動量を算出するビーム集光位置補正部と、
前記ビーム集光位置補正部で算出した補正移動量に基づいて結像レンズを移動する結像レンズ移動部とを備えることを特徴とする、結晶化装置。
【請求項７】
前記ビーム集光位置補正部は、
ａ×log（ｔ−ｂ）＋ｃ
（ｔはレーザー光の照射積算時間、ａ，ｂ，ｃはレーザー光のエネルギーおよびレーザー光を照射する繰り返し周波数を含むレーザー光の照射条件に依存するパラメータ）の演算式に基づいて結像レンズの焦点の位置ずれ量を算出し、
ｄ×Ｚs＋ｅ
（Ｚsは測定で得られる基板の高さ変化量、ｄ，ｅはレーザー光のエネルギーおよびレーザー光を照射する繰り返し周波数を含むレーザー光の照射条件に依存するパラメータ）の演算式に基づいて結像レンズの焦点の位置ずれ量を換算することを特徴とする、請求項６に記載の結晶化装置。
【請求項８】
前記結像レンズ移動部は、基板ステージに対して固定され、結像レンズをＺ軸方向に移動するピエゾステージであることを特徴とする、請求項６又は７に記載の結晶化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非晶質もしくは多結晶半導体薄膜に光線を用いて溶融し結晶化させる方法および装置に関し、特に、レーザー照射による熱膨張の抑制に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス基板等の絶縁体上に形成された非結晶半導体層を結晶化させて結晶質半導体層を得、この結晶質半導体層を活性層とした薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：thin film transistor）を形成する技術が知られている。
【０００３】
例えば、アクティブマトリックス型液晶表示装置では、シリコン膜等の半導体膜を設けガラス基板上に薄膜トランジスタを形成し、この薄膜トランジスタを切換え表示を行うためのスイッチング素子として用いている。
【０００４】
薄膜トランジスタの形成は、非晶質又は多結晶などの非単結晶半導体薄膜の結晶化工程を含んでいる。この結晶化技術として、例えば、大エネルギーの短パルス・レーザー光を用いて非単結晶半導体薄膜の照射領域を溶融して、結晶化するレーザー結晶化技術が知られている。
【０００５】
現在、生産に供されているレーザー結晶化装置では、長尺ビーム（例えば、５００μｍ×３００ｍｍ）形状で均一な強度分布のレーザー光を非晶質シリコンに照射する手法を採用している。しかしながら、この手法では、得られた半導体膜の結晶粒径が０．５μｍ以下と小さく、そのため、ＴＦＴのチャネル領域に結晶粒界が存在することになり、ＴＦＴの特性が抑制されるなど性能に限界がある。
【０００６】
このＴＦＴの性能を向上させるために、大きな結晶粒を有する高品質な半導体膜を製造する技術が要求されている。この要求を満足させる結晶化法として、各種のレーザー結晶化技術の中で、特に、位相変調して形成した逆ピークパターン状の光強度分布を有するエキシマ・レーザー光を非単結晶半導体薄膜に照射して結晶化する技術（Phase Modulated Excimer Laser Annealing：ＰＭＥＬＡ）が注目されている。
【０００７】
ＰＭＥＬＡ技術は、所定の光強度分布を持つエキシマ・レーザー光を、非単結晶半導体薄膜に照射し、この半導体膜の照射部を溶融して、結晶化する方法である。所定の光強度分布を持つエキシマ・レーザー光は、位相変調素子等の光変調素子、例えば位相シフタ等の位相変調素子により入射レーザー光を位相変調させることにより得られる。非単結晶半導体薄膜は、例えば、ガラス基板上に形成した非晶質シリコン若しくは多結晶シリコンの薄膜である。
【０００８】
現在開発されているＰＭＥＬＡ技術では、１回のエキシマ・レーザー光の照射で数ｍｍ角程度の大きさの領域を溶融・結晶化させる。この結晶化非単結晶半導体薄膜処理により、数μｍから１０μｍ程度の大きさで比較的一様な結晶粒を有する品質の優れた結晶化シリコン薄膜が形成されている（例えば、非特許文献１参照）。この手法で形成した結晶化シリコン薄膜に作成されたＴＦＴは、優れた電気特性を有することが示されている。
【０００９】
【非特許文献１】井上弘毅、中田充、松村正清；電子情報通信学会論文誌 Vol.J85-C,No.8, pp.624-629, 2002、「シリコン薄膜の振幅・位相制御エキシマ・レーザー溶融再結晶化方法−新しい２−Ｄ位置制御大結晶粒形成法−」
【特許文献１】特開２００８−１３５４５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このＰＭＥＬＡ結晶化技術は、レーザー光の使用効率が高く、大粒径の結晶が得られるという優れた特徴を有する。しかしながら、安定した電気特性を得るためには結晶粒を高い精度で位置決めする必要がある。また、大面積の半導体膜を結晶化させるには、いわゆるステップ・アンド・リピート照射方式と呼ばれる、非単結晶半導体膜にレーザー光を照射後、次の照射位置までガラス基板を移動させ停止させた後再びレーザー光を照射する工程を繰り返す照射方式が用いられている。
【００１１】
結晶粒を高い精度で位置決めするには、光変調素子のパターンを精密に基板上に投影する必要があるが、レーザー光を高い頻度で繰り返して連続照射すると、光学系の雰囲気温度が上昇してレンズ系が熱膨張し、焦点位置の位置ずれを引き起こし、所定の光プロファイルを基板上に形成できなくなる。
【００１２】
また、ガラス基板自体がミリオーダーで熱膨張することにより、基板平面内に形成される数ミクロンの疑似単結晶粒が所定の位置座標に形成されなくなり、後工程のトランジスタ形成が結晶粒界をまたがり、スイッチング特性等の低下を引き起こす要因となる。
【００１３】
従来知られている一般的な結晶化技術においても、繰り返し連続照射を高い頻度で行う必要がある。この際、その光学系の性質上から焦点深度（Ｄ．Ｏ．Ｆ）が数十ミクロンあり、かつ形成される結晶粒がトランジスタよりも十分に小さい場合には、レンズの熱膨張、あるいは基板の熱膨張による顕著な性能低下はそれほど大きくない。
【００１４】
これに対して、ＰＭＥＬＡ結晶化の技術などでは数ミクロンの疑似単結晶粒を形成することが求められる。このように数ミクロンの疑似単結晶粒を形成する場合には、レンズの熱膨張や基板の熱膨張が大きく影響する。
【００１５】
熱膨張による影響を緩和する手法として、例えば、結像レンズの熱吸収が飽和するまでレーザー光をダミーの吸収体に連続的に照射した後、実基板への照射を行うことも可能であるが、この場合には、レンズを通過してダミー照射される吸収体が必要であり、吸収体に照射した際に吸収体から発生する飛散物が汚染物質としてレンズ側に付着するという問題がある。
【００１６】
光学系が備えるレンズの中でも、特に結像レンズは光プロファイルに大きな影響を与えるため、この結像レンズの熱膨張を抑制することが求められている。出願人は、この結像レンズの熱膨張を抑制する冷却機構を先に出願している（特許文献１参照）。結像レンズを冷却することで熱膨張を抑制する構成では、冷却機構を設ける必要がある。
【００１７】
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、結像レンズがレーザー光を吸収して熱膨張することによる焦点位置の位置ずれを補正することを目的とする。
【００１８】
また、焦点位置の位置ずれ補正を冷却機構を要することなく行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、結像レンズ熱膨張補正方法の態様、結像レンズ熱膨張補正装置の態様、および結晶化装置の態様の各態様とすることができる。いずれの態様においても、基板の高さ変化量を換算して求めた結像レンズの位置ずれ量と、レーザー光の照射積算時間に基づいて求めた結像レンズの焦点の位置ずれ量とを加算して、結像レンズの熱膨張によるビーム集光位置の変動を補正するための補正移動量を算出し、この補正移動量を用いて結像レンズ移動部を駆動して結像レンズを移動することによって焦点位置の位置ずれを補正するという技術的特徴点を共通して備えるものである。
【００２０】
本発明の結像レンズ熱膨張補正方法の態様は、レーザー光を連続照射して被処理基板を結晶化する照明光学系と、レーザー光を所定の光強度分布の光線に変調する光変調素子と、この光変調素子の変調光を結像レンズにより基板上に結像させる結像光学系と、基板を支持する基板ステージとを備え、基板に設けられた薄膜を変調光により溶融して結晶化させる結晶化装置において、結晶化装置は結像光学系が備える結像レンズの熱膨張によるビーム集光位置の変動を補正する結像レンズ熱膨張補正部と、結像レンズを移動する結像レンズ移動部とを備える構成において、結像レンズの熱膨張を補正する。
【００２１】
本発明が備える結像レンズ熱膨張補正部では、基板の高さ変化量を求める測定工程と、求めた基板の高さ変化量を結像レンズの位置ずれ量に換算する演算工程と、レーザー光の照射積算時間に基づいて結像レンズの焦点の位置ずれ量を算出する演算工程と、前記した２つの演算工程で求めた結像レンズの位置ずれ量と結像レンズの焦点の位置ずれ量とを加算し、結像レンズの熱膨張によるビーム集光位置の変動を補正するための補正移動量を算出する演算工程と、ビーム集光位置補正部で算出した補正移動量に基づいて結像レンズ移動部を駆動して結像レンズを移動する工程の各工程を実施することで、補正移動量を用いて結像レンズ移動部を駆動して結像レンズを移動して焦点位置の位置ずれを補正する。
【００２２】
本発明の結像レンズの熱膨張補正装置の態様は、レーザー光を連続照射して被処理基板を結晶化する照明光学系と、レーザー光を所定の光強度分布の光線に変調する光変調素子と、この光変調素子の変調光を結像レンズにより基板上に結像させる結像光学系と、基板を支持する基板ステージとを備えた、基板に設けられた薄膜を変調光により溶融して結晶化させる結晶化装置が備える、結像光学系が備える結像レンズの熱膨張によるビーム集光位置の変動を補正する結像レンズ熱膨張補正装置である。
【００２３】
この結像レンズ熱膨張補正装置は、基板の高さ変化量を結像レンズの位置ずれ量に換算する演算と、レーザー光の照射積算時間に基づいて結像レンズの焦点の位置ずれ量を算出する演算とを行い、この２つの演算で求めた結像レンズの位置ずれ量と結像レンズの焦点の位置ずれ量とから、結像レンズの熱膨張によるビーム集光位置の変動を補正するための補正移動量を算出するビーム集光位置補正部と、ビーム集光位置補正部で算出した補正移動量に基づいて結像レンズを移動する結像レンズ移動部とを備える。
【００２４】
また、本発明の結晶化装置の態様は、レーザー光を連続照射して被処理基板を結晶化する照明光学系と、レーザー光を所定の光強度分布の光線に変調する光変調素子と、この光変調素子の変調光を結像レンズにより基板上に結像させる結像光学系と、基板を支持する基板ステージとを備えた、基板に設けられた薄膜を変調光により溶融して結晶化させる結晶化装置において、結像光学系が備える結像レンズの熱膨張によるビーム集光位置の変動を補正する結像レンズ熱膨張補正部を備え、この結像レンズ熱膨張補正部は、基板の高さ変化量を結像レンズの位置ずれ量に換算する演算と、レーザー光の照射積算時間に基づいて結像レンズの焦点の位置ずれ量を算出する演算とを行い、この２つの演算で求めた結像レンズの位置ずれ量と結像レンズの焦点の位置ずれ量とから、結像レンズの熱膨張によるビーム集光位置の変動を補正するための補正移動量を算出するビーム集光位置補正部と、ビーム集光位置補正部で算出した補正移動量に基づいて結像レンズを移動する結像レンズ移動部とを備える。
【００２５】
各態様において、結像レンズの焦点の位置ずれ量を算出する演算は、ａ×log（ｔ−ｂ）＋ｃの演算式に基づいて行い、結像レンズの焦点の位置ずれ量を換算する演算は、ｄ×Ｚs＋ｅの演算式に基づいて行うことができる。ここで、ｔはレーザー光の照射積算時間、Ｚsは測定で得られる基板の高さ変化量であり、ａ，ｂ，ｃ、ｄ，ｅはレーザー光のエネルギーおよびレーザー光を照射する繰り返し周波数を含むレーザー光の照射条件に依存するパラメータである。
【００２６】
このパラメータはレーザー光の照射条件に対応させてメモリに記憶しておくことができる。演算は、レーザー光の照射条件に応じてパラメータを読み出すことで演算式を定め、レーザー光の照射積算時間ｔや測定で得た基板の高さ変化量Ｚsを変数として演算処理を行うことで、結像レンズの焦点の位置ずれ量および結像レンズの焦点の位置ずれ量を算出する。
【００２７】
また、本発明の結像レンズ熱膨張補正装置の態様と結晶化装置の態様において、結像レンズ移動部は、基板ステージに対して固定され、結像レンズをＺ軸方向に移動するピエゾステージで構成することができる。
【００２８】
本発明の態様によれば、同じ構成によって、結像レンズの熱膨張による焦点位置の位置ずれを補正すると共に、基板表面の高さ変動についても補正することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、結像レンズがレーザー光を吸収して熱膨張することによる焦点位置の位置ずれを補正することができる。また、焦点位置の位置ずれ補正を冷却機構を用いることなく行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。
【００３１】
図１は本発明の結晶化装置１０の装置構成を説明するための概略図である。図１において、本発明の結晶化装置１０は、エキシマ・レーザー光を出射するレーザー光源１１と、レーザー光を照射する照明光学系１２と、照明光学系１２で照射されたレーザー光を所定の光強度分布の光線に変調する光変調素子１３と、光変調素子１３の変調光を基板２０（被処理基板）上に結像させる結像光学系１４と、基板２０を支持すると共に基板上の二次元位置を定める基板ステージ１５を備える。結像光学系１４を介して基板２０に照射された変調光は、基板に設けられた薄膜を溶融して結晶化させる。
【００３２】
照明光学系１２、光変調素子１３、及び結像光学系１４は結晶化光学系を構成する。照明光学系１２はエキシマ照明光学系を構成し、レーザー光源１１から射出されたエキシマ・レーザー光のビームを拡大するビーム・エキスパンダや、面内の光強度を均一化するホモジナイザを備え、光変調素子１３を照明する結晶化用レーザー光を射出、調整する。なお、図では、ビーム・エキスパンダ及びホモジナイザは示していない。
【００３３】
光変調素子１３は位相シフタを用いることができ、結晶化用レーザー光を位相変調して所望の光強度分布、例えば、逆ピーク・パターンの光強度分布を有する光に変調する。
【００３４】
結像光学系１４は、光変調素子１３により位相変調された結晶化用レーザー光を結晶化させる非単結晶半導体薄膜に縮小照射する。図１では、光変調素子１３を照明光学系１２と結像光学系１４との間に設置したプロジェクション方式を示している。
【００３５】
レーザー光源１１は、基板２０に設けられた非単結晶半導体膜、例えば、非晶質若しくは多結晶半導体膜を溶融するために充分なエネルギー、例えば、非単結晶半導体膜上で１Ｊ／ｃｍ2を有する光を出力する。レーザー光源１１は、例えば、エキシマ・レーザー光源であり、短パルス、例えば、半値幅が約２５から３０ｎｓｅｃのパルス・レーザー光を出力する。レーザー光は、例えば、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマ・レーザー光、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマ・レーザー光が好ましい。
【００３６】
エキシマ・レーザー光源は、例えば、発振周波数が１００Ｈｚから３００Ｈｚのパルス発振型である。
【００３７】
ビーム・エキスパンダは、入射されたレーザー光を拡大するもので、例えば、拡大する凹レンズと平行光にする凸レンズとにより構成することができる。また、ホモジナイザは、入射したレーザー光のＸＹ断面方向の寸法を決定し、かつ決定した形状内の光強度分布を均一にする機能を有する。例えば、Ｘ方向シリンドリカル・レンズをＹ方向に複数個並べ、Ｙ方向に並んだ複数の光束を形成し、Ｘ方向コンデンサ・レンズで各光束をＹ方向に重ね合わせて再分布させる。同様に、Ｙ方向シリンドリカル・レンズをＸ方向に複数並べ、Ｘ方向に並んだ複数の光束を形成し、Ｙ方向コンデンサ・レンズで各光束をＸ方向に重ね合わせて再分布させる。ホモジナイザによりエキシマ・レーザー光は、所定の角度広がりをもち断面内の光強度が均一化された照明光に調光される。
【００３８】
位相シフタは、光変調素子１３の一例であり、例えば、石英ガラス基板に段差をつけたものである。この段差の境界でレーザー光の回折と干渉をおこさせ、レーザー光強度に周期的な空間分布を付与し、例えば、左右で１８０°の位相差を付ける。左右で１８０°の位相差を付けた位相シフタは、入射光を左右対称な逆ピーク状光強度分布に位相変調する。
【００３９】
位相シフタは、例えば、入射光を位相変調して逆ピーク状光強度分布を形成するように段差が形成されており、エキシマ・レーザー光の位相を変調する。この結果、半導体膜を照射するレーザー光は、位相のシフト部（段差）に対応した箇所が強度変調された逆ピーク・パターンの光強度分布となる。
【００４０】
光変調素子１３の位相シフタを透過したレーザー光は、収差補正されたエキシマ結像光学系１４により位相シフタ（光変調素子１３）と共役な位置に設置された基板２０上に、所定の光強度分布で結像する。エキシマ結像光学系１４は、例えば、複数枚のフッ化カルシウム（ＣａＦ2）レンズ及ぴ合成石英レンズからなるレンズ群により構成される結像レンズ（図示していない）を有する。エキシマ結像光学系１４は、例えば、縮小率：１／５、Ｎ．Ａ．：０．１３、解像力：２μｍ、焦点深度：±１０μｍ、焦点距離：３０ｍｍから７０ｍｍの作動距離を有する片側テレセントリックレンズとすることができるがこれに限らない。また、片側テレセントリックレンズに限らず、両側テレセントリックレンズを用いてもよい。
【００４１】
結晶化の処理を受ける基板２０は、一般に、例えば、ガラス基板、プラスチック基板等の絶縁基板、シリコン等の半導体基板（ウェーハ）等の保持基板に絶縁膜を介して非単結晶半導体膜（例えば、非晶質シリコン膜、多結晶シリコン膜、スパッタされたシリコン膜、シリコン・ゲルマニウム膜、若しくは脱水素処理をした非晶質シリコン膜）を形成し、この非単結晶半導体膜上にキャップ膜として絶縁膜を設けたものである。
【００４２】
非単結晶半導体膜の膜厚は、例えば脱水素処理をした非晶質シリコン膜の場合には３０ｎｍから３００ｎｍであり、例えば、５０ｎｍである。絶縁膜は、非単結晶半導体膜を結晶化する際に、保持基板から好ましくない不純物が非単結晶半導体膜に拡散することを防止するために、あるいは、レーザー照射によって生じるジュール熱を蓄積させる目的で設けられた膜である。
【００４３】
キャップ絶縁膜は、レーザー光に対するキャップ絶縁膜の透過特性及び光吸収特性を利用して、結晶化のために非単結晶半導体膜が受光して溶融したときの熱を蓄える機能を有する。キャップ絶縁膜の蓄熱効果は、非単結晶半導体膜の溶融領域に大粒径（５μｍ以上）の結晶化を可能にする。キャップ絶縁膜は、結晶化の効率を高めるためのものであるが、省賂することができる。
【００４４】
本発明の結晶化装置１０は基板ステージ１５を備える。基板ステージ１５は、基板２０を載置してＸＹ方向の２次元で移動自在とするＸＹステージの他、ＸＹステージ上の二次元位置を測定する位置測定部（図示していない）を備えることができる。ＸＹステージは、定盤１５ａ上にＸ軸方向に移動するＸ軸ステージ１５ｃとＹ軸方向に移動するＹ軸ステージ１５ｂとを備える。定盤１５ａは防振機構を備える構成とすることができる。ＸＹステージ上には基板２０が載置され、ＸＹステージを二次元で移動させることによって、基板２０の位置決めを行う。
【００４５】
本発明の結晶化装置１０によって基板２０を結晶化する場合には、図示しないステージ駆動制御装置によって記憶部（図示していない）に記憶しておいた位置校正データを読み出し、この位置校正データに基づいてＸＹステージの位置ずれを補正しながら駆動し、レーザー光を基板２０上で走査して結晶化を施す。
【００４６】
本発明は、結像光学系１４は、結像レンズ(図示していない)を移動する結像レンズ移動部５を備える。結像レンズ移動部５の移動方向は、結像レンズによる焦点位置を基板ステージ１５上に載置した基板２０に対して変更する方向である。ＸＹステージ上の載置した基板２０をＸＹ方向に移動させて位置決めする場合には、結像レンズ移動部５の移動方向はＺ軸方向であり、結像レンズ移動部５によって結像レンズをＺ軸方向に移動させることによって、結像レンズの焦点位置を基板２０の表面上に位置合わせする。
【００４７】
また、基板ステージ１５の上方位置に結像レンズを配置する構成では、結像レンズ移動部５の移動方向は基板の表面から見て高さ方向であり、結像レンズ移動部５によって結像レンズを高さ方向に移動させることによって、結像レンズの焦点位置を基板２０の表面上に位置合わせする。
【００４８】
この結像レンズ移動部５は、例えば、ピエゾ素子で形成されるピエゾステージによって構成することができ、ピエゾ素子に印加する電圧の大きさを調整することによって結像レンズを移動させることができる。
【００４９】
本発明は、結像レンズの熱膨張による焦点に位置ずれを補正する結像レンズ熱膨張補正部１を備える。この結像レンズ熱膨張補正部１は、前記した結像レンズ移動部５の移動量を制御することによって結像レンズの焦点位置を基板２０の表面上に位置合わせする。
【００５０】
結像レンズ熱膨張補正部１による焦点の位置合わせは、基板の高さ変化量に基づく結像レンズの位置ずれ量と、結像レンズの熱膨張による焦点の位置ずれ量とを加算し、これに基づいて結像レンズの熱膨張によるビーム集光位置の変動を補正するための補正移動量を算出し、算出した補正移動量に基づいて結像レンズ移動部を駆動して結像レンズを移動することで行う。
【００５１】
結像レンズ熱膨張補正部１は、基板２０の高さ変化量を検出するための高さ検出器２と、ビーム集光位置を補正する補正移動量を算出するためのビーム集光位置補正部３とを備える。ビーム集光位置補正部３で算出した補正移動量は駆動回路４に送られる。駆動回路４はピエゾステージ等の結像レンズ移動部５を駆動する回路であり、ビーム集光位置補正部３から入力した補正移動量に基づいて駆動信号を生成し、ピエゾステージのピエゾ素子等を駆動することによって結像レンズをＺ軸方向あるいは高さ方向に移動して、ビームの集光位置を基板２０の表面に位置合わせする。
【００５２】
ビーム集光位置補正部３は、補正移動量算出部３ａ、タイマ３ｂおよびメモリ３ｃ（図１には示していない）を備え、基板の高さ変化量に基づく結像レンズの位置ずれ量と、結像レンズの熱膨張による焦点の位置ずれ量とを算出し、２つの位置ずれ量を加算して結像レンズの熱膨張によるビーム集光位置の変動を補正するための補正移動量を算出する。
【００５３】
以下、ビーム集光位置補正部３の構成例について図２を用いて説明する。補正移動量算出部３ａは、第１変化量演算回路３a1と第２変化量演算回路３a2と変化量（補正移動量）演算回路３a3を備える。
【００５４】
第１変化量演算回路３a1は、レーザー光の照射積算時間に基づいて結像レンズの焦点の位置ずれ量を算出する演算回路であり、タイマ３ｂで計時した、レーザー光の照射を開始してからの経過時間ｔを入力し、この経過時間ｔに基づいて結像レンズの位置ずれΔz1を算出する。
【００５５】
同一の照射条件でレーザー光を連続照射すると、結像レンズの熱膨張によって焦点位置は経過時間ｔと共に基板正面から下方向に向かって変化する。このときの変化量（結像レンズの焦点の位置ずれ量）ΔZ1は以下の式で表すことができる。
【００５６】
ΔZ1＝ａ×log（ｔ−ｂ）＋ｃ      …（１）
【００５７】
ここで、ｔはレーザー光の照射開始からの経過時間を表し、ａ，ｂ，ｃはレーザー光のエネルギーや繰り返し周波数等の照射条件によって定まるパラメータである。このパラメータは、照射条件に対応付けでメモリ３ｃに記憶しておくことができる。
【００５８】
タイマ３ｂは、レーザー光の照射開始を表す開始信号に基づいて計時を開始する。第１変化量演算回路３a1は、メモリ３ｃから照射条件に対応したパラメータａ，ｂ，ｃを読み出し、タイマ３ｂから入力した計時時間ｔを変数として変化量（結像レンズの位置ずれ量）ΔZ1を演算する。
【００５９】
第２変化量演算回路３a2は、基板の高さ変化量に基づく結像レンズの位置ずれ量を算出する演算回路であり、高さ検出器２で検出した高さＺsを入力し、この高さＺsを結像レンズの位置ずれΔZ2に換算する。
【００６０】
基板ステージを駆動させた際に生じる基板表面の高さ変化に伴う変化量（結像レンズの位置ずれ量）ΔZ2は以下の式（２）で表すことができる。
【００６１】
ΔZ2＝ｄ×Ｚs＋ｅ                  …（２）
【００６２】
ここで、Ｚsは基板ステージを駆動させた際に生じる基板表面の高さ変化を表し、ｄ，ｅはパラメータである。通常、パラメータｄは１．００とすることができる。
【００６３】
このパラメータｄ，ｅは、前記のパラメータａ，ｂ，ｃと同様にメモリ３ｃに記憶しておくことができる。このパラメータｄ，ｅを照射条件に対応付けることで、レーザー光の連続照射による基板側の熱膨張の影響を加味することができる。
【００６４】
変化量（補正移動量）演算回路３a3は、第１変化量演算回路３a1で算出した結像レンズの焦点の位置ずれ量と、第２変化量演算回路３a2で算出した結像レンズの位置ずれ量とを加算して２つの位置ずれ量による補正移動量ΔＺを算出する。
【００６５】
ΔＺ＝ΔZ1＋ΔZ2                    …（３）
【００６６】
駆動回路４は、補正移動量算出部３ａで算出した補正移動量ΔＺを入力して駆動信号を生成し、結像レンズ移動部５を駆動して結像レンズを移動させ、結像レンズの焦点位置を基板表面に位置合わせする。
【００６７】
図３は、本発明の結像レンズ熱膨張補正部による結像レンズの補正動作を説明するためのフローチャートである。
【００６８】
第１変化量演算回路３a1による、レーザー光の照射積算時間に基づいて行う結像レンズの焦点の位置ずれ量を算出するS4〜S7の工程と、第２変化量演算回路３a2による、基板表面の高さ変動に基づいて行う結像レンズの位置ずれ量を算出するS1〜S3の工程とを並行して行うことによって、補正移動量を算出する。
【００６９】
S1〜S3の工程によって基板表面の高さ変動に基づく結像レンズの位置ずれ量の算出を行う。高さ検出器２によって基板表面の高さＺsを取得する。この高さＺsは、例えば基板ステージ１５を高さ基準として基板表面の変動を測定する(S1)。メモリ３ｃからパラメータｄ，ｅを読み出し（S2）、第２変化量演算回路３a2において式（２）に読み出したパラメータｄ，ｅを代入すると共に、基板表面の高さＺsを変数として代入してΔZ2を算出する(S3)。
【００７０】
S4〜S7の工程によって、レーザー光の照射積算時間に基づく結像レンズの焦点の位置ずれ量の算出を行う。レーザー光の連続照射が開始された後（S4）、タイマ３ｂによって経過時間を計時する（S5）。メモリ３ｃからパラメータａ，ｂ，ｃを読み出し（S6）、第１変化量演算回路３a1において式（１）に読み出したパラメータａ，ｂ，ｃを代入すると共に、経過時間ｔを変数として代入してΔZ1を算出する(S7)。
【００７１】
変化量演算回路３a3において、S7で算出した第１変化量とS4で算出した第２変化量とを加算して結像レンズの補正移動量ΔＺを算出し、駆動回路４に送る（S8）。駆動回路４は、補正移動量ΔＺから駆動信号を生成する（S10）。結像レンズ移動部は、駆動回路４で生成した駆動信号に基づいて結像レンズを移動し、焦点を基板表面に位置合わせする（S11）。
【００７２】
本発明の態様によれば、高繰り返し照射によるレンズの熱膨張により発生する焦点位置の変動や、基板表面の変動による焦点の位置ずれを補正し、安定した結晶品質を得ることができる。
【００７３】
本発明の態様によれば、ＰＭＥＬＡ結晶化技術により形成する結晶粒の品質を安定化し、後工程で結晶粒の上にトランジスタを形成すれば、ばらつきの少ない高性能な回路、あるいは液晶表示デバイスの形成を期待することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の結晶化装置の装置構成を説明するための概略図である。
【図２】本発明のビーム集光位置補正部の構成例を説明するための図である。
【図３】本発明の結像レンズ熱膨張補正部による結像レンズの補正動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００７５】
１…結像レンズ熱膨張補正部、２…高さ検出部、３…ビーム集光位置補正部、３ａ…補正移動量算出部、３a1…第１変化量演算回路、３a2…第２変化量演算回路、３a3…変化量（補正移動量）演算回路、３ｂ…タイマ、３ｃ…メモリ、４…駆動回路、５…結像レンズ移動部、１０…結晶化装置、１１…エキシマ・レーザー、１２…照明光学系、１３…光変調素子、１４…結像光学系、１５…基板ステージ、１５ａ…定盤、１５ｂ…Ｙ軸ステージ、１５ｃ…Ｘ軸ステージ、２０…基板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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