(57)【要約】【課題】  ２つの光変調素子の相対位置ずれなどに起因するモアレ現象の影響を実質的に受けることなく、所定の平面上に形成される光強度分布を１回の光照射および物性変化の評価に基づいて迅速に且つ正確に測定する。【解決手段】  所定面（１２）に第１の光強度分布を形成するための第１光変調素子（１１）と、所定面に第２の光強度分布を形成するための第２光変調素子（１）とを有する。第１光変調素子を介した光により第２光変調素子の変調面に生成される光分布の振幅および位相がともに変調単位内で実質的に均一になるように、第１光変調素子と第２光変調素子とは所要の距離だけ間隔を隔てて配置されている。【選択図】  図４
2006253660.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに所定距離Ｄ離間して平行に対面するように配置された第１光変調素子および第２光変調素子により、これら光変調素子に入射する光ビームを光変調して、所定面に光強度分布を生成する光強度分布の生成方法であって、
前記第１光変調素子は、所定のピッチＰを有する基本単位の繰り返しからなるパターンを有し、
前記距離Ｄは、前記第１光変調素子と前記第２光変調素子との間で面方向の相対位置がずれても前記所定面に生成される光強度分布に変化が生じない距離に設定されていることを特徴とする光強度分布の生成方法。
【請求項２】
前記距離Ｄは、光ビームの波長をλとし、ｎを０以上の整数（０，１，２，３・・・）とするとき、
Ｄ≒Ｐ2（２ｎ＋１）／２λ
の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の光強度分布の生成方法。
【請求項３】
前記距離Ｄは、前記第１光変調素子に対する前記光ビームのピッチ方向に沿った入射角度の最大値をθとし、ｍを１以上の整数（１，２，３・・・）とするとき、
tanθ×Ｄ≒ｍ×Ｐ／２
の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の光強度分布の生成方法。
【請求項４】
前記第１光変調素子および前記第２光変調素子からの前記光ビームを、結像光学系を介して前記所定面に結像させることを特徴とする請求項１に記載の光強度分布の生成方法。
【請求項５】
前記第１光変調素子の基本単位のピッチＰは、前記結像光学系の点像分布範囲よりも小さいことを特徴とする請求項４に記載の光強度分布の生成方法。
【請求項６】
前記第２光変調素子は、所定のピッチを有する基本単位の繰り返しからなるパターンを有することを特徴とする請求項１に記載の光強度分布の生成方法。
【請求項７】
前記第２光変調素子の基本単位のピッチは、前記結像光学系の点像分布範囲よりも小さいことを特徴とする請求項４に記載の光強度分布の生成方法。
【請求項８】
前記第１光変調素子により前記所定面に形成されて互いに直交する方向に沿って一次元的に変化する第１の光強度分布と、前記第２光変調素子により前記所定面に形成される第２の光強度分布との合成光強度分布である前記光強度分布を、前記所定面に設定されて入射光ビームの強度に応じて物性が変化する物性変化部材に形成し、該物性変化部材の物性変化の二次元情報に基づいて前記第１の光強度分布または前記第２の光強度分布を測定することを特徴とする請求項１に記載の光強度分布の生成方法。
【請求項９】
前記物性変化部材は、前記光強度分布の入射により多結晶シリコン膜に物性変化する非晶質シリコン膜を有することを特徴とする請求項８に記載の光強度分布の生成方法。
【請求項１０】
前記物性変化部材の、非晶質シリコン膜から多結晶シリコン膜に物性変化した領域と非晶質シリコン膜に留まった領域との境界線を撮像し、撮像した前記境界線の情報に基づいて前記第１の光強度分布または前記第２の光強度分布を測定することを特徴とする請求項９に記載の光強度分布の生成方法。
【請求項１１】
前記第１光変調素子により生成される第１の光強度分布と前記第２光変調素子により生成される第２の光強度分布との合成光強度分布である前記光強度分布を前記所定面に配置された非単結晶半導体膜に照射して結晶化することを特徴とする請求項１に記載の光強度分布の生成方法。
【請求項１２】
互いに所定距離Ｄ離間して平行に対面するように配置された第１光変調素子および第２光変調素子からなる一対の光変調素子により、これら光変調素子に入射する光ビームを変調して所定面に光強度分布を生成する光強度分布の生成装置であって、
前記第１光変調素子は、所定のピッチＰを有する基本単位の繰り返しからなるパターンを有し、
前記距離Ｄは、前記第１光変調素子と前記第２光変調素子との間で面方向の相対位置がずれても前記所定面に生成される光強度分布に変化が生じない所要の距離Ｄに設定されていることを特徴とする光強度分布の生成装置。
【請求項１３】
前記距離Ｄは、前記光ビームの波長をλとし、ｎを０以上の整数（０，１，２，３・・・）とするとき、
Ｄ≒Ｐ2（２ｎ＋１）／２λ
の条件を満足することを特徴とする請求項１２に記載の光強度分布の生成装置。
【請求項１４】
前記距離Ｄは、前記第１光変調素子に対する前記光ビームのピッチ方向に沿った入射角度の最大値をθとし、ｍを１以上の整数（１，２，３・・・）とするとき、
tanθ×Ｄ≒ｍ×Ｐ／２
の条件を満足することを特徴とする請求項１２に記載の光強度分布の生成装置。
【請求項１５】
前記第１光変調素子および前記第２光変調素子からの前記光ビームを前記所定面に結像させるための結像光学系をさらに備えていることを特徴とする請求項１２に記載の光強度分布の生成装置。
【請求項１６】
前記第１光変調素子の基本単位のピッチＰは、前記結像光学系の点像分布範囲よりも小さいことを特徴とする請求項１５に記載の光強度分布の生成装置。
【請求項１７】
前記第２光変調素子は、所定のピッチを有する基本単位の繰り返しからなるパターンを有することを特徴とする請求項１２に記載の光強度分布の生成装置。
【請求項１８】
前記第２光変調素子の基本単位のピッチは、前記結像光学系の点像分布範囲よりも小さいことを特徴とする請求項１５に記載の光強度分布の生成装置。
【請求項１９】
前記所定面に設定されて入射光の強度に応じて物性が変化する物性変化部材を支持するメンバーをさらに備え、
前記第１光変調素子により前記所定面に形成されて互いに直交する方向に沿って一次元的に変化する第１の光強度分布と、前記第２光変調素子により前記所定面に形成される第２の光強度分布との合成光強度分布である前記光強度分布を前記物性変化部材に形成し、該物性変化部材の物性変化の二次元情報に基づいて前記第１の光強度分布または前記第２の光強度分布を測定することを特徴とする請求項１２に記載の光強度分布の生成装置。
【請求項２０】
前記物性変化部材は、非晶質シリコン膜であることを特徴とする請求項１９に記載の光強度分布の生成装置。
【請求項２１】
前記物性変化部材上おいて非晶質シリコン膜から多結晶シリコン膜に変化した領域と非晶質シリコン膜に留まった領域との境界線を撮像し、撮像した前記境界線の情報に基づいて前記第１の光強度分布または前記第２の光強度分布を測定することを特徴とする請求項２０に記載の光強度分布の生成装置。
【請求項２２】
前記所定面に設定された非単結晶半導体膜を有する被処理体と、該被処理体を支持する支持手段とをさらに備え、
前記第１の光強度分布と前記第２の光強度分布との前記合成光強度分布を前記非単結晶半導体膜に照射して結晶化することを特徴とする請求項１２に記載の光強度分布の生成装置。
【請求項２３】
互いに所定距離Ｄ離間して平行に対面するように配置された第１光変調素子および第２光変調素子を有する光変調素子ユニットであって、
前記第１光変調素子は、所定のピッチＰを有する基本単位の繰り返しからなるパターンを有し、
前記距離Ｄは、光の波長をλとし、ｎを０以上の整数（０，１，２，３・・・）とするとき、
Ｄ≒Ｐ2（２ｎ＋１）／２λ
の条件を満足することを特徴とする光変調素子ユニット。
【請求項２４】
互いに所定距離Ｄ離間して平行に対面するように配置された第１光変調素子および第２光変調素子を有する光変調素子ユニットであって、
前記第１光変調素子は、所定のピッチＰを有する基本単位の繰り返しからなるパターンを有し、
前記距離Ｄは、前記第１光変調素子に対する光のピッチ方向に沿った入射角度の最大値をθとし、ｍを１以上の整数（１，２，３・・・）とするとき、
tanθ×Ｄ≒ｍ×Ｐ／２
の条件を満足することを特徴とする光変調素子ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光強度分布の生成方法、光強度分布の生成装置、および光変調素子ユニットに関し、例えば結晶化装置で使用する光強度分布生成装置において所定の平面に照射される光の光強度分布の測定に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ光を用いて、鉄、非鉄金属、セラミックス、プラスチックス、木材、布、紙、複合材などのような各種材料を対象に、自由曲線切断、穴あけ、溶接、表面処理、微細加工などの多岐にわたる加工を行う技術が開発されている。例えば、表面処理加工は、材料の表面にエネルギ密度の比較的低いレーザ光を照射して表層部のみを加熱し、その加熱部分を改質する処理である。この表面処理加工には、表層部を固体の状態で処理する場合と、表層部を溶融させて処理する場合とがある。
【０００３】
アクティブマトリックス型液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置などのような表示装置では、表示のための各画素を個別に駆動するために、ガラスやプラスチック等の絶縁基板上に多数の膜トランジスタ（Thin-Film-Transistor：以下、「ＴＦＴ」という）が形成されている。このＴＦＴのソース、ドレイン、チャネル領域が形成される非晶質シリコン（amorphous-Silicon：以下、「ａ−Ｓｉ」という）膜は、形成温度が低く、気相法で比較的容易に形成することが可能であり、量産性にも富むため、ＴＦＴに用いる半導体膜として一般的に用いられている。
【０００４】
このような、非晶質シリコン膜は、導電率等の物性が多結晶シリコン（poly-Silicon：以下、「ｐ−Ｓｉ」という）膜に比べて劣る（ａ−Ｓｉの移動度はｐ−Ｓｉの移動度に比べて２桁以上低い）という欠点がある。このため、ＴＦＴの動作速度を高速化するために、非晶質シリコン膜を形成し、この非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に変え、この多結晶シリコン膜にＴＦＴのソース、ドレイン、チャネル領域を形成する技術、例えばエキシマレーザを用いたアニール法（Excimer Laser Annealing；以下、「ＥＬＡ法」という）が用いられている。このＥＬＡ法は、汎用ガラス基板が使用可能な温度範囲、すなわち室温から５００°Ｃ程度までの温度範囲で実施することができるので、基板の材料が制限されない利点がある。
【０００５】
ＥＬＡ法は、例えば基板上に非晶質シリコン膜を所定の厚さ（例えば５０ｎｍ程度の厚さ）に堆積した後、この非晶質シリコン膜に波長が２４８ｎｍのＫｒＦ（クリプトン弗素）エキシマレーザ光や波長が３０８ｎｍのＸｅＣｌ（キセノン塩素）エキシマレーザ光などのようなレーザ光を照射し、照射領域の非晶質シリコン膜を局所的に溶融・再結晶化させて多結晶シリコン膜に変える結晶化方法である。
【０００６】
ＥＬＡ法は、レーザ光の平均強度（フルエンス）を適宜選定することにより、他の様々なプロセスに適応可能である。例えば、加熱の作用のみが発揮されるようなレーザ光の強度に設定すれば、ＴＦＴの不純物活性化工程に用いることができる。また、レーザ光の強度を極端に大きく設定すれば、急激な温度上昇を引き起こさせるため、ＴＦＴにおける膜の除去に利用することもできる。また、これらの現象の利用は、ＴＦＴに限定されることなく、広く半導体製造プロセスに適応できるものである。
【０００７】
液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置などの表示装置では、動作速度の高速化を図るために多結晶シリコン膜にＴＦＴを形成すると、多結晶シリコン膜の結晶粒界がＴＦＴのチャネル領域に存在することになる。この場合、各ＴＦＴのチャネル領域に形成される結晶粒界数が異なり、この結晶粒界数の相違によりＴＦＴ毎の閾値電圧や移動度などの特性のばらつきが著しく増大する。このようなＴＦＴ毎の閾値電圧のばらつきは、表示装置全体としての動作特性を大幅に低下させ、画質などを劣化させる原因になる。
【０００８】
このため、夫々の各ＴＦＴのチャネル領域の結晶粒界数をできるだけ均等にするか、粒径の大きい結晶化領域を形成し、この結晶化領域内にＴＦＴが形成されるように結晶化領域の形成位置を制御することにより各ＴＦＴのチャネル領域から結晶粒界を排除すること、が要望されている。このような要望に対処して、本願発明者等は開発を行い、光変調素子を用いることにより大粒径の結晶化領域を製造することができるようになった（特許文献１および特許文献２を参照）。
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１８６４４９号公報
【特許文献２】特開２００４−１９３２２９号公報
【００１０】
この技術の工業化の開発において、被結晶化処理体である非晶質シリコン膜に照射されるレーザ光の光強度分布のサブミクロンの精度での評価および管理が、結晶化領域の大粒径化および位置制御において極めて重要であることが判った。特に、結晶化の量産ラインにおいては、光強度分布の定期的監視が比較的出力安定性に課題のあるレーザ光源を使用するために重要である。しかしながら、光強度分布は、サブミクロンレベルの微小構造を有し、且つ結晶化に好適なエキシマレーザ光は不可視であるため、作業員による肉眼での監視が困難であるという課題があった。
【００１１】
そのため、本願発明者等は、光強度分布を可視化するための開発を行い、レーザ光を非晶質シリコン膜に照射して大粒径の結晶化を行う結晶化装置のレーザ光路に、本来の光変調素子に加えて可視化マスクと呼ばれる別の光変調素子を設け、この２枚の光変調素子を介して非晶質シリコン膜に光変調されたレーザ光を照射することにより可視化する装置を開発した。この可視化装置は、レーザ光の照射により非晶質シリコン膜の被照射面を溶融し、レーザ光が遮断されたとき、溶融領域が降温する過程において結晶化する。このように形成された結晶化領域は、物性が変化している。この物性の変化を利用して光強度分布を可視化する方法を開発した。本願発明者らは、光強度分布を正しく測定する手段としての光学系を国際学会（IDW'04, Proceedings of the 11th International Display Workshops） において発表した。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
一般に、所定の光強度分布を生成する方法として、光振幅を変調する要素パターン、光位相を変調する要素パターン、もしくは光振幅と光位相との両方を変調する要素パターンを、変調量を変えて並べる方法がある。ここで、要素パターンの大きさを結像光学系の点像分布範囲よりも小さくすることにより、生成される光強度分布から要素パターンの形を除去して滑らかな分布を実現することができる。すなわち、光変調素子のバイナリーな加工のみで、所定の階調を持つ光強度分布を生成することができる。
【００１３】
ここで、図１９（ａ）および（ｂ）に示すように、互いに直交するような一次元的なパターンを有する２枚の光変調素子（第１光変調素子（図１９（ａ））および第２光変調素子（図１９（ｂ）））が隙間のない状態で重なったときに生成される光強度分布を考える。２枚の光変調素子の相対的位置がずれても、図１９（ｃ）に示すように重ね合わせパターン自体が変化しないので、生成される光強度分布は全体的に横ずれはするが変化することはない。これに対し、図２０（ａ）および（ｂ）に示すように、２枚の光変調素子がともに二次元的なパターンを有する場合、あるいは図示を省略したが２枚の光変調素子のうちの少なくとも一方が二次元的なパターンを有する場合、２枚の光変調素子の相対的位置がずれると、図２０（ｃ）および（ｄ）に示すように、重ね合わせパターンが変化し、生成される光強度分布も変化してしまう。
【００１４】
例えば、図２０（ａ）および（ｂ）に示す第１光変調素子および第２光変調素子がともに光振幅型の光変調素子であり、図中のハッチング部分が遮光領域を、また空白部分が透過領域を示すものとする。この場合、図２０（ｃ）に示す重ね合わせ状態では重ね合わせパターンに透過領域が全く存在しないが、図２０（ｄ）に示す重ね合わせ状態では要素パターンの半ピッチ分ずれただけで重ね合わせパターンに比較的大きな開口（透過領域）が生成される。これらの互いに異なる２つの重ね合わせ状態では、生成される光強度分布も大きく異なることが予想される。
【００１５】
さらに、第１光変調素子と第２光変調素子との相対角度（図２０（ａ），図２０（ｂ）の紙面に垂直な軸線廻りの回転角度）が変化すると、重ね合わせパターンが位置により異なるため、生成される光強度分布にも位置毎の変化すなわちムラが生じてしまう。また、第１光変調素子と第２光変調素子とで要素パターンのピッチがわずかでも異なると、生成される光強度分布に大きな周期のムラが生じてしまう。また、第１光変調素子および第２光変調素子がともに光位相型の光変調素子であっても、一方が光振幅型の光変調素子であって他方が光位相型の光変調素子であっても、同様に光強度分布の変化やムラが生じる。このような光強度分布の変化やムラは、光変調パターンとして設計しやすい面積変調型位相シフタを使用すると生じやすいことが判った。
【００１６】
また、図２０（ａ），図２０（ｂ）では要素パターンは面内で同一であるが、要素パターンが面内で変化する場合も、考察により２つの光変調素子の相対位置ずれなどに応じて生成される光強度分布は変化してしまうことが分る。本明細書では、このように２つの光変調素子の相対位置ずれなどに応じて生成される光強度分布にムラや変化が生じる現象を「モアレ現象」と称している。上述の特許出願において提案した光強度分布の測定方法および測定装置では、２つの光変調素子の相対位置ずれなどに起因するモアレ現象の影響により所望の二次元的な光強度分布を生成することができなくなり、ひいては被測定光変調素子単体により形成される光強度分布を正しく測定することができなくなる。
【００１７】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、２つの光変調素子の相対位置ずれなどに起因するモアレ現象の影響を実質的に受けることなく、所定の平面上に形成される光強度分布を１回の光照射および物性変化の評価に基づいて迅速に且つ正確に測定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、互いに所定距離Ｄ離間して平行に対面するように配置された第１光変調素子および第２光変調素子により、これら光変調素子に入射する光ビームを光変調して、所定面に光強度分布を生成する光強度分布の生成方法であって、
前記第１光変調素子は、所定のピッチＰを有する基本単位の繰り返しからなるパターンを有し、
前記距離Ｄは、前記第１光変調素子と前記第２光変調素子との間で面方向の相対位置がずれても前記所定面に生成される光強度分布に変化が生じない距離に設定されていることを特徴とする光強度分布の生成方法を提供する。
【００１９】
本発明の第２形態では、互いに所定距離Ｄ離間して平行に対面するように配置された第１光変調素子および第２光変調素子からなる一対の光変調素子により、これら光変調素子に入射する光ビームを変調して所定面に光強度分布を生成する光強度分布の生成装置であって、
前記第１光変調素子は、所定のピッチＰを有する基本単位の繰り返しからなるパターンを有し、
前記距離Ｄは、前記第１光変調素子と前記第２光変調素子との間で面方向の相対位置がずれても前記所定面に生成される光強度分布に変化が生じない所要の距離Ｄに設定されていることを特徴とする光強度分布の生成装置を提供する。
【００２０】
本発明の第３形態では、互いに所定距離Ｄ離間して平行に対面するように配置された第１光変調素子および第２光変調素子を有する光変調素子ユニットであって、
前記第１光変調素子は、所定のピッチＰを有する基本単位の繰り返しからなるパターンを有し、
前記距離Ｄは、光の波長をλとし、ｎを０以上の整数（０，１，２，３・・・）とするとき、
Ｄ≒Ｐ2（２ｎ＋１）／２λ
の条件を満足することを特徴とする光変調素子ユニットを提供する。
【００２１】
本発明の第４形態では、互いに所定距離Ｄ離間して平行に対面するように配置された第１光変調素子および第２光変調素子を有する光変調素子ユニットであって、
前記第１光変調素子は、所定のピッチＰを有する基本単位の繰り返しからなるパターンを有し、
前記距離Ｄは、前記第１光変調素子に対する光のピッチ方向に沿った入射角度の最大値をθとし、ｍを１以上の整数（１，２，３・・・）とするとき、
tanθ×Ｄ≒ｍ×Ｐ／２
の条件を満足することを特徴とする光変調素子ユニットを提供する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明では、第１光変調素子により第２光変調素子の変調面に生成される光分布の振幅および位相をともに実質的に均一にするために、第１光変調素子と第２光変調素子との間隔が所定の条件をほぼ満たすように設定している。その結果、２つの光変調素子の相対位置ずれなどに起因するモアレ現象の影響を実質的に受けることなく、所定の平面上に形成される光強度分布を１回の光照射および物性変化の評価に基づいて迅速に且つ正確に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の光強度分布の生成方法を結晶化装置に適用した実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、結晶化装置の結晶化の構成を概略的に示す図である。また、図２は、図１の結晶化装置の照明系の内部構成を概略的に示す図である。図１および図２を参照すると、結晶化装置の結晶化の構成は、入射光ビームを位相変調して一方向に沿って変化する光強度分布を有する光ビームを形成するための、位相シフタにより形成された光変調素子１と、光変調素子１を照明するための光ビーム（すなわちレーザ光）を射出する照明系２と、結像光学系３と、被処理基板４を保持するための基板ステージ５とを備えている。
【００２４】
光変調素子１の構成および作用については後述する。照明系２は、図２に示すように光源２ａとして、結晶化エネルギのレーザ光、たとえば３０８ｎｍの波長を有する光を供給するＸｅＣｌエキシマレーザ光源を備えている。この光源２ａとしては、ＫｒＦエキシマレーザ光源などのような被結晶化処理体を溶融するエネルギ光線を出射する性能を有する他の適当なレーザ光源を用いることもできる。光源２ａから射出されたレーザ光は、ビームエキスパンダ２ｂにより径が拡大された後、第１フライアイレンズ２ｃに入射する。
【００２５】
この結果、第１フライアイレンズ２ｃの後側焦点面には複数の小光源が形成され、これらの小光源からの小光ビームは、第１コンデンサー光学系２ｄを介して、第２フライアイレンズ２ｅの入射面を重畳的に照明する。その結果、第２フライアイレンズ２ｅの後側焦点面には、第１フライアイレンズ２ｃの後側焦点面よりも多くの複数の小光源が形成される。第２フライアイレンズ２ｅの後側焦点面に形成された小光源からの小光ビームは、第２コンデンサー光学系２ｆを介して、光変調素子１を重畳的に照明する。
【００２６】
第１フライアイレンズ２ｃおよび第１コンデンサー光学系２ｄは、第１ホモジナイザを構成し、この第１ホモジナイザにより、光源２ａから射出されたレーザ光は、光変調素子１上での入射角度に関する均一化が図られる。また、第２フライアイレンズ２ｅおよび第２コンデンサー光学系２ｆは第２ホモジナイザを構成し、この第２ホモジナイザにより、第１ホモジナイザからの入射角度が均一化されたレーザ光は、光変調素子１上での面内各位置での光強度に関する均一化が図られる。
【００２７】
こうして、照明系２は、ほぼ均一な光強度の光強度分布を有するレーザ光により光変調素子１を照射する。光変調素子１で位相変調されたレーザ光は、たとえば１／５の縮小倍率を有する結像光学系３を介して、被処理基板４に入射する。ここで、光変調素子１の通過光路に設けられている結像光学系３は、光変調素子１の変調面と被処理基板４とを光学的に共役に配置している。換言すれば、結像光学系３の通過光路に設けられて結晶化処理される被処理基板４は、光変調素子１の変調面と光学的に共役な面（結像光学系３の像面）に設定されている。
【００２８】
結像光学系３は、図１に示すように、正レンズ群３ａと正レンズ群３ｂとの間に開口絞り３ｃを備えている。開口絞り３ｃの開口部（光透過部）の大きさ（ひいては結像光学系３の像側開口数ＮＡ）は、被処理基板４の半導体膜の上面に所要の光強度分布を発生させるように設定されている。この結像光学系３は、屈折型の光学系であってもよいし、反射型の光学系であってもよいし、屈折反射型の光学系であってもよい。
【００２９】
被処理基板４は、絶縁体、半導体、金属など任意の基板上に、下層絶縁膜と、非単結晶半導体膜と、上層絶縁膜とをこの順に成膜することにより構成されている。具体的には、被処理基板４は、たとえば、基板としての液晶ディスプレイ用板ガラスの上に、化学気相成長法（ＣＶＤ）により下地絶縁膜、非単結晶半導体膜例えば非晶質シリコン膜および上層絶縁膜としてキャップ膜が順次形成されたものである。下地絶縁膜およびキャップ膜は、絶縁膜例えばＳｉＯ2である。下地絶縁膜は、非晶質シリコン膜とガラス基板が直接接触してＮａなどの異物が非晶質シリコン膜に混入するのを防止し、非晶質シリコン膜の熱が直接ガラス基板に伝熱されるのを防止する。
【００３０】
非晶質シリコン膜は、結晶化される半導体膜である。キャップ膜は、非晶質シリコン膜に入射する光ビームの一部により加熱され、この加熱された温度を蓄熱する。この蓄熱効果は、光ビームの入射が遮断されたとき、非晶質シリコン膜の被照射面において高温部が相対的に急速に降温するが、この降温勾配を緩和させ、大粒径の横方向の結晶成長を促進させる。被処理基板４は、真空チャックや静電チャックなどにより基板ステージ５上において予め定められた所定の位置に位置決めされて保持されている。
【００３１】
図３（ａ）は、図１に示す結晶化装置の光変調素子の位相パターンの構成を示す図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す光変調素子を用いた結晶化装置により被処理基板上に形成される光強度分布を概略的に示す図である。光変調素子１は、Ｘ方向に並べられた多数のユニットにより構成されており、各ユニット（１ｄに示す範囲の単位領域）は、図３（ａ）に示すように、０度の基準位相値を有する基準位相領域（図中空白部で示す）１ａと、９０度の変調用位相値を有する矩形状の変調位相領域（図中斜線部で示す）１ｂとを有する。ここで、変調位相領域１ｂは、Ｘ方向（図中水平方向）に沿って面積を変えて所定のピッチにしたがって縦横に配置されている。
【００３２】
変調位相領域において、５μｍ×５μｍの正方形状の単位セル１ｃに対する変調位相領域１ｂの占有面積率（デューティ）は、Ｘ方向に沿って（Ａ断面に沿って）０％〜５０％の間で変化している。具体的には、位相パターンの繰り返し単位領域１ｄの中央における変調位相領域１ｂの占有面積率は５０％であり、繰り返し単位領域１ｄの両側における変調位相領域１ｂの占有面積率は０％であり、その間において変調位相領域１ｂの占有面積率が単調に変化している。なお、単位セル１ｃは、結像光学系３の点像分布範囲以下の寸法を有する。
【００３３】
このような光位相型の光変調素子（すなわち位相シフタ）１を用いると、図３（ｂ）に示すように、結像光学系３の像面位置に配置された被処理基板４の表面上には、Ａ断面方向に対応する一方向に沿って変化するＶ字状の光強度分布が形成される。すなわち、変調位相領域１ｂの占有面積率が５０％であるＡ断面位置に対応して光強度が最も小さく、変調位相領域１ｂの占有面積率が０％であるＡ断面位置に対応して光強度が最も大きいＶ字状の光強度分布が形成される。図３（ｂ）には、Ａ断面方向に沿って連成される複数のＶ字状光強度分布のうち、位相パターンの繰り返し単位領域１ｄに対応する１つのＶ字状の光強度分布だけを中央に示している。
【００３４】
この結晶化装置では、被処理基板４上の光照射領域内においてＶ字状の光強度分布に応じて溶融領域に温度勾配が生じ、光強度が最も低い領域またはその近傍の領域において、最初に凝固する部分または溶融しない部分に結晶核が形成される。そして、Ｖ字状の光強度分布の光強度が変化する方向に沿って結晶核から周囲に向かって結晶が横方向に成長することにより、大粒径の結晶粒が生成される。前述したように、結晶粒（結晶化領域）の大粒径化、結晶粒の大きさの均一化および位置制御のためには、被処理基板４の非晶質シリコン膜に照射される光強度分布を正確に測定し、光変調素子１の作用により所望の光強度分布が実際に非晶質シリコン膜上に形成されていることを確認することが重要である。
【００３５】
そこで、本実施形態の結晶化装置では、光変調素子１の入射光路又は出射光路に、例えば図４に実線で示すように光変調素子１の光源２ａ側（もしくは点線で示すように結像光学系３側）に近接して第２光変調素子すなわち可視化マスク１１を配置し、被処理基板４に代えて試料基板１２を基板ステージ５上に載置する。上記第１光変調素子１と第２光変調素子１１とは、後で詳述する距離Ｄだけ離間されて、一体的に構成され、即ちユニットにされて配置されても、互いに別々となるように分離されて配置されても良い。本実施形態の測定方法は、このような光学系で、光源２ａからシングルショットのレーザ光を出射させ、可視化マスク１１および光変調素子１により結像光学系３の像面に形成される合成光強度分布を試料基板１２上に結像させ、この試料基板１２の状態変化（物性変化）から光変調素子１のみによって形成される光強度分布を可視化する。
【００３６】
ここで、可視化マスク１１は、入射光ビームを振幅変調して一方向に単調に変化する光強度分布を有する光ビームを形成するための光振幅型の光変調素子であって、第１光変調素子１のパターン面と可視化マスク（第２光変調素子）１１のパターン面とが平行に対面するように配置されている。さらに、光変調素子（被測定光変調素子）１と可視化マスク（測定用光変調素子）１１とは、光変調素子１によって形成される光強度分布の変化する方向と可視化マスク１１によって形成される光強度分布の変化する方向とが直交するように位置決めされている。
【００３７】
試料基板１２は、入射光の強度に応じて物性が変化する物性変化部材すなわち物性変化膜を有する。この物性変化部材としては、被結晶化膜である非晶質シリコン膜、蛍光体、のみならず、他の材料（例えば、フォトレジスト）の物理的性質あるいは化学的性質の変化を利用することもできる。また、物性変化部材としては、入射光の強度に応じてサブミクロンオーダの解像度で物性が可視光域に変化する部材が望ましい。
【００３８】
図５（ａ）は、図４に示す装置の可視化マスクのパターンの構成を示す図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す可視化マスクを用いて試料基板上に形成される光強度分布を概略的に示す図である。可視化マスク１１の各ユニット（単位領域）は、図５（ａ）に示すように、光の透過率がほぼ１である光透過領域（図中空白部で示す）１１ａと、光の透過率がほぼ０である矩形の遮光領域（図中黒色部で示す）１１ｂとを有する。ここで、遮光領域１１ｂは、たとえば石英ガラス基板上にアルミニウムやクロムなどからなる遮光膜を形成することにより構成され、Ｙ方向（図中水平方向）に沿って面積を変えて所定のピッチにしたがって縦横に配置されている。
【００３９】
５μｍ×５μｍの正方形状の単位セル１１ｃに対する遮光領域１１ｂの占有面積率（デューティ）は、Ｙ方向に沿って（Ｂ断面に沿って）単調に変化している。単位セル１１ｃは、結像光学系３の点像分布範囲以下の寸法を有する。第１光変調素子１を用いることなく可視化マスク１１だけを用いると、図５（ｂ）に示すように、結像光学系３の像面位置に設定された試料基板１２の表面上（上面）には、Ｂ断面方向に対応する一方向に沿って単調に変化する光強度分布が形成される。
【００４０】
本実施形態では、光変調素子１の作用により試料基板１２の表面上に形成されるＶ字状の光強度分布の変化方向（Ｘ方向）と、可視化マスク１１の作用により試料基板１２の表面上に形成される光強度分布の変化方向（Ｙ方向）とが互いに直交するように、光変調素子１と可視化マスク１１とが配置されている。可視化マスク１１の設計の一例として、可視化マスク１１の作用により試料基板１２の表面上に形成される光強度分布ｇ（ｙ）がｇ（ｙ）＝α／ｙで表されるように可視化マスク１１は構成されている。ここで、αは、光強度の分布形状を決定する既知の係数である。
【００４１】
したがって、図６（ａ）に示すように、第１光変調素子１の作用により試料基板１２の表面上に形成されるＶ字状の光強度分布ｆ（ｘ）と、図６（ｂ）に示すように、可視化マスク１１の作用により試料基板１２の表面上に形成される光強度分布ｇ（ｙ）＝α／ｙとの、図６（ｃ）に示す合成光強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）は、次の式（１）により表される。
Ｉ（ｘ，ｙ）＝ｆ（ｘ）×ｇ（ｙ）
＝α・ｆ（ｘ）／ｙ    （１）
【００４２】
試料基板１２は、光強度分布を測定したり、監視したり、管理したりする際に使用する基板であり、厚さが、例えば５０ｎｍの非晶質シリコン膜（ａ−Ｓｉ膜）が表面に形成されている。この場合、試料基板１２上の非晶質シリコン膜は、合成光強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）を有する光ビームの照射を受けて、その物性が変化する。具体的に、試料基板１２上の被照射領域１２ａのうち、閾値強度Ｉｃ以上の光強度を有する光ビームの照射を受けた領域１２ａｐは非晶質シリコンが溶融し、入射光が無くなった後の再結晶化の過程を経て多結晶シリコンに変化し、多結晶シリコン膜が形成される。一方、閾値強度Ｉｃ未満の光強度を有する光ビームの照射を受けた領域１２ａａは非晶質シリコン膜の状態に留まる。
【００４３】
ここで、非晶質シリコン膜から多結晶シリコン膜に物性変化した領域１２ａｐと非晶質シリコン膜の状態に留まった領域１２ａａとの境界線１２ａｃは、閾値強度Ｉｃを有する光ビームの照射を受けた線領域であることが理解できよう。換言すれば、境界線１２ａｃにおいて次の式（２）に示す関係が成立し、式（２）を変形して次の式（３）に示す関係が得られる。
Ｉ（ｘ，ｙ）＝α・ｆ（ｘ）／ｙ＝Ｉｃ    （２）
ｙ＝｛α／Ｉｃ｝ｆ（ｘ）    （３）
【００４４】
式（３）を参照すると、α（例えば、２０ｍＪ／ｃｍ2）および非晶質シリコン膜の閾値強度Ｉｃが既知の定数であるから、第１光変調素子１の作用により試料基板１２の表面上に形成されるＶ字状の光強度分布ｆ（ｘ）のｘ方向に沿った一次元の変化が、可視化マスク１１の作用により、試料基板１２上の被照射領域１２ａにおける物性変化領域１２ａｐと物性不変領域１２ａａとの境界線１２ａｃという二次元情報に可視化されることがわかる。こうして、試料基板１２上の非晶質シリコン膜の方形状被照射領域１２ａ中の境界線１２ａｃを、図４に示す光学顕微鏡などの撮像装置１４により撮像（観察）することにより、撮像した境界線１２ａｃに関する情報に基づいて、光変調素子１の作用により被処理基板４の表面上に形成されるＶ字状の光強度分布が可視化される。
【００４５】
以上のように、本実施形態の測定方法では、光変調素子１の作用により形成されるＶ字状の光強度分布ｆ（ｘ）の変化が、可視化マスク１１の作用により試料基板１２上の境界線１２ａｃという二次元情報に可視化される。その結果、光変調素子１の作用により被処理基板４の表面（所定の平面）上に形成されるＶ字状の光強度分布を、１回の光照射および物性変化の評価に基づいて迅速に且つ正確に測定することができる。
【００４６】
ここで、二次元的で微細な位相パターンを有する光変調素子１と二次元配列的で微細な明暗パターンを有する可視化マスク１１とを、パターン面に沿って二次元的に正確に相対位置決めすることは極めて困難である。前述したように、被測定光変調素子としての第１光変調素子１と測定用光変調素子としての可視化マスク１１とが正確に相対位置決めされない場合、２つの光変調素子１，１１の相対位置ずれに起因するモアレ現象の影響により、試料基板１２上に所望の二次元的な光強度分布を生成することができなくなり、ひいては光変調素子１のみにより形成される光強度分布を正しく測定することができなくなる。
【００４７】
以下、２つの光変調素子、すなわち第１光変調素子と第２光変調素子との相対位置ずれなどに起因するモアレ現象の発生を解消する基本的な考え方について説明する。第１光変調素子により第２光変調素子の変調面に生成される光分布（以下、「第二面光分布」と呼ぶ）において振幅および位相がともに変調単位（具体的には単位セル）内で実質的に均一になれば、第１光変調素子に対する第２光変調素子の面方向（ＸＹ方向）の相対位置が変化してもモアレ現象は生じない。本発明者らは、第１光変調素子と第２光変調素子との間の距離すなわち間隔を所定の値に設定することにより、第二面光分布を変調単位内でほぼ均一にし、ひいてはモアレ現象の発生を実質的に解消できることを以下に説明するように見出した。
【００４８】
図７（ａ）を参照すると、本実施形態に対応するように、第１光変調素子（光変調素子１に対応）２２から間隔を隔てて配置された第２光変調素子（可視化マスク１１に対応）２１に対して、複数の小点光源（第２フライアイレンズ２ｅの後側焦点面に形成される複数の光源に対応）２３ａの集合として表される光源２３から照明光（実質的に散乱光）が照射される。まず、１つの光源点２３ａからの照明光（平行光と考えられる）による第二面光分布を考える。この第二面光分布は、第２光変調素子２１の各基本単位２１ａを透過した光のフレネル回折として表される。以下、光源側から順に第２光変調素子２１および第１光変調素子２２が配置された場合について説明するが、第１光変調素子２２が基本単位の繰り返しからなるパターンの場合にはこの逆も同様である。
【００４９】
次に、複数の小光源点２３ａからの照明光による第二面光分布を考える。小点光源２３ａの各々からの寄与を考えると、小光源点２３ａによる第二面光分布は、図７（ｂ）に示すように、各小光源点２３ａからの照明光による第二面光分布を第１光変調素子２２の変調面内で平行移動させて強度的に足し合わせることにより求められる。第１光変調素子２２を第２光変調素子２１から光路に沿って（Ｚ方向）離すことにより、その間隔に応じて第二面光分布は変化し、互いに密着した状態からある程度離すに従って第二面光分布が均一化する方向に変化することが予想される。
【００５０】
以下、モアレ効果を数値的に求める。この計算は本発明の原理を理解するために重要である。まず、図８（ａ）に示すように、第２光変調素子２１の１つの基本単位２１ａを取り出し、この基本単位２１ａに垂直入射する平行光ビームによる第二面光分布２４ａを考える。この第二面光分布２４ａは、振幅と位相とからなる複素振幅分布である。次に、光源２３の全体の寄与、すなわち光源２３を構成する複数の小点光源２３ａの寄与を考える。図８（ｂ）に示すように、第２光変調素子２１の基本単位２１ａに斜め入射する光線による第二面光分布２４ｂは、斜め入射角度および第２光変調素子２１と第１光変調素子２２との間隔（離間距離）により決定される量だけ、垂直入射による第二面光分布２４ａを面内シフトしたものである。
【００５１】
次に、図８（ｃ）に示すように、第１光変調素子２２の変調面における１つの基本単位２２ａを透過し、且つ結像光学系３を「通過」する光の強度を求める。上述したように、第１光変調素子２２の基本単位２２ａは、結像光学系３の解像度よりも小さい。この場合、結像光学系３を透過するのは０次光のみとなり、この０次光強度は、第１光変調素子２２の変調面（第二面）における複素振幅をＵｉとし、第１光変調素子２２の複素透過率をＴｉとすると、下式（４）で表される。式（４）において、ｉは小点光源２３ａの番号であり、ｘおよびｙは第１光変調素子２２の変調面上の直交座標である。
【００５２】
【数１】
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【００５３】
この０次光強度すなわち像面上の強度を第１光変調素子２２の基本単位２２ａの位置に対してプロットして得られた図８（ｄ）に示すマップ２５を、「モアレマップ」と呼ぶ。モアレマップ２５の中央位置２５ａにおける光強度は、第２光変調素子２１の基本単位２１ａと第１光変調素子２２の基本単位２２ａとが相対的に正しく位置決めされた状態における光強度に対応している。また、モアレマップ２５の左右両側位置（光強度等高線で示す）２５ｂにおける光強度は、第２光変調素子２１の基本単位２１ａと第１光変調素子２２の基本単位２２ａとが左右に半ピッチ分だけ相対的に位置ずれした状態における光強度に対応している。
【００５４】
また、モアレマップ２５の上下両側位置（光強度等高線で示す）２５ｃにおける光強度は、第２光変調素子２１の基本単位２１ａと第１光変調素子２２の基本単位２２ａとが上下に半ピッチ分だけ相対的に位置ずれした状態における光強度に対応している。モアレ現象が発生しない場合、このモアレマップの分布は全体に亘って均一になるはずである。すなわち、モアレマップの強度分布がモアレの程度を表すことになる。ここで、強度分布は、光強度の最小値／最大値で定義される。
【００５５】
以下の具体的な条件にしたがって、モアレ効果を計算した。この数値例では、簡単のために、第２光変調素子２１および第１光変調素子２２は、これらの基本単位２１ａ，２２ａがともに開口率２５％の正方形開口を有する振幅変調型である場合、および開口率５０％の正方形開口を有する振幅変調型である場合を想定した。開口率２５％の正方形開口の振幅変調型である場合、図９（ａ）に示すように、第２光変調素子２１の基本単位２１ａおよび第１光変調素子２２の基本単位２２ａは、一辺が５μｍのピッチに等しい正方形状の遮光領域と、その遮光領域の中心に形成された一辺が２．５μｍの正方形状の透過領域（開口）とにより構成されている。
【００５６】
開口率５０％の正方形開口の振幅変調型である場合、図９（ｂ）に示すように、第２光変調素子２１の基本単位２１ａおよび第１光変調素子２２の基本単位２２ａは、一辺が５μｍのピッチに等しい正方形状の遮光領域と、その遮光領域の中心に形成された一辺が約３．５４μｍの正方形状の透過領域（開口）とにより構成されている。また、この数値例では、結像光学系３の結像倍率が１／５であり、その像側開口数が０．１５であると想定している。さらに、光源２３は３０８ｎｍの波長を有する光を供給するＸｅＣｌエキシマレーザ光源であり、７×７の点光源２３ａの縦横配列を有し、各点光源の照明のコヒーレンスファクター（σ値）が０．５２であると想定している。
【００５７】
図１０は、この数値例における第１光変調素子と第２光変調素子との間隔（μｍ）とモアレマップの強度分布との関係を示す図である。ここで、強度分布は、上述したように、光強度の最小値／最大値で定義されている。すなわち、縦軸の値が１に近いほど、モアレ効果が小さいこと（モアレ現象の発生が抑えられていること）を表している。図１０を参照すると、第２光変調素子２１および第１光変調素子２２がともに開口率２５％の場合においても開口率５０％の場合においても、第２光変調素子２１と第１光変調素子２２との間隔が、矢印で示すように、約２００μｍおよび約４００μｍのときにモアレ現象の発生が実質的に解消されることが分る。また、約４０μｍの間隔で、強度分布に小さなピークが現れることが分る。以下、モアレ現象の発生が実質的に解消される（モアレが除去される）条件について、「フーリエイメージによる効果」および「照明光によるシフト効果」に着目して説明する。
【００５８】
Ａ  フーリエイメージによる効果
まず、図１１に示すように、同じ基本単位が無限に繰り返されるパターンからなる第２光変調素子２１の１つの基本単位２１ａに矢印で示すように、一本の平行光ビームが入射したときに、光の進行方向に沿って基本単位２１ａから所定距離だけ離れた位置において発生する光分布を考える。このような無限周期パターンによるフレネル回折では、「フーリエイメージ」または「タルボット効果」と呼ばれる特殊な現象が現れる。すなわち、下式（５）で表される一定の距離Ｌｔ毎に、物体としての基本単位２１ａの複素振幅と同じ分布が出現する。式（５）において、Ｐは基本単位２１ａのピッチ（数値例では５μｍ）であり、λは光の波長（数値例では３０８ｎｍ）である。
Ｌｔ＝Ｐ2／λ    （５）
【００５９】
図１１を参照すると、基本単位２１ａから距離Ｌｔの奇数倍だけ離れた位置には、（ｃ）に示すように、基本単位２１ａのパターンが半ピッチ分ずれたパターンに対応するように振幅が偏在した光分布が発生する。一方、基本単位２１ａから距離Ｌｔの偶数倍だけ離れた位置には、（ａ）並びに（ｅ）に示すように、基本単位２１ａのパターンに対応するように振幅が偏在した光分布が発生する。以上のことは、参考として組入れられる例えば「鶴田著、応用光学Ｉ、１７８頁および１７９頁、培風館」に詳細に記載されている。そして、基本単位２１ａから距離Ｌｔ毎の位置の中間位置における光分布では、振幅が比較的均一化されるという性質を有する。
【００６０】
図１２は、第１光変調素子と第２光変調素子との間隔とモアレマップの強度分布との関係を示す図１０にフーリエイメージの効果を書き加えた図である。図１２を参照すると、フーリエイメージによる効果の観点から、モアレマップの強度分布を１に近付けて振幅を比較的均一化し、ひいてはモアレ効果を小さく抑える（モアレ現象の発生を小さく抑える）には、第２光変調素子２１と第１光変調素子２２との間隔Ｄが、次の条件式（６）を満たすことが望ましい。
Ｄ＝Ｐ2（２ｎ＋１）／２λ    （ｎ＝０，１，２，・・・）    （６）
【００６１】
Ｂ  照明光によるシフト効果
図１３（ａ）に示す第２光変調素子２１の基本単位２１ａおよび第１光変調素子２２の基本単位２２ａは一辺が５μｍのピッチＰに等しい正方形状であり、７×７の形態（図１３では簡単のために５×５の形態を示す）に縦横配列された点光源２３ａからなる等価光源２３も同じく正方形状の外形を有するものとする。この場合、正方形状の等価光源２３の最も外側（厳密には正方形の一辺の中央点にある点光源２３ｃ）から基本単位２１ａへの光線の入射角をθとすると、その光線が基本単位２１ａへ入射する位置と基本単位２２ａへ入射する位置との距離すなわちシフト量はtanθ×Ｄで表される（図１３（ｂ）は、基本単位２２ａ上のシフト量を示す）。
【００６２】
図１４は、第１光変調素子と第２光変調素子との間隔とモアレマップの強度分布との関係を示す図１０に照明光によるシフト効果を書き加えた図である。図１４を参照すると、第２光変調素子２１の基本単位２１ａ上の中心点に様々な角度で光線群が入射するが、第２光変調素子２１と第１光変調素子２２との間隔Ｄが０である場合、（ａ）に示すように、上記光線群は、第１光変調素子２２の基本単位２２ａ上の１つの点に達する。間隔Ｄが０から１００μｍに増大すると、照明光によるシフト効果により、上記光線群は、基本単位２２ａ上の同心正方形状の小さな領域内で均一に分布する複数点に達する（（ｂ）に示す）。
【００６３】
次に、間隔Ｄが１００μｍから２００μｍに増大すると、上記光線群は、基本単位２２ａの全体に亘って均一に分布する複数点に達する（（ｃ）に示す）。また、間隔Ｄが２００μｍから３００μｍに増大すると、上記光線群は、基本単位２２ａの全体に亘って不均一に分布する複数点に達する（（ｄ）に示す）。さらに、間隔Ｄが３００μｍから４００μｍに増大すると、換言すれば間隔Ｄが２００μｍの２倍の４００μｍになると、上記光線群は、再び基本単位２２ａの全体に亘って均一に分布する複数点に達する（（ｅ）に示す）。
【００６４】
このように、上記光線群が基本単位２２ａの全体に亘って均一に分布する複数点に達する状態、すなわち第２光変調素子２１と第１光変調素子２２との間隔Ｄが２００μｍまたは４００μｍに設定されたとき、モアレ効果が最小になることが予想される。間隔Ｄが２００μｍまたは４００μｍに設定されたときにモアレマップの強度分布が１に最も近づいており、上記予想の正しさを示している。
【００６５】
すなわち、照明光によるシフト効果の観点から、モアレ効果を小さく抑える（モアレ現象の発生を小さく抑える）には、第２光変調素子２１と第１光変調素子２２との間隔Ｄが、次の条件式（７）を満たすことが望ましい。図１４に示すように、間隔Ｄが２００μｍに設定された状態は、式（７）においてｍ＝１の状態に対応し、間隔Ｄが４００μｍに設定された状態は式（７）においてｍ＝２の状態に対応している。
tanθ×Ｄ＝ｍ×Ｐ／２    （ｍ＝１，２，３，・・・）    （７）
【００６６】
こうして、フーリエイメージによる効果の観点から導かれた条件式（６）および照明光によるシフト効果の観点から導かれた条件式（７）の双方が同時に満たされるとき、モアレ効果を小さく最も抑えることができるものと考えられる。すなわち、モアレ効果を小さく最も抑える（モアレ現象の発生を最も小さく抑える）には、次の条件式（８）を満たすことが望ましい。
Ｐ≒ｍ×λ／｛（２ｎ＋１）tanθ｝    （８）
【００６７】
上述の数値例では、結像光学系３の結像倍率が１／５であり、その像側開口数が０．１５であるため、結像光学系３の物体側開口数は０．１５／５である。また、照明のコヒーレンスファクター（σ値）が０．５２であることから、照明光ビームの開口数は０．５２×０．１５／５である。上述したように、θは等価光源２３の正方形状の外形の一辺の中央点から基本単位２１ａへの光線の入射角であるから、次の式（９）により求まる。
tanθ＝０．５２×０．１５／５／√２＝０．０１１    （９）
【００６８】
一方、光の波長λは３０８ｎｍであるから、ｎ＝２，ｍ＝１とすると、条件式（８）を満たすピッチはＰ＝５．６μｍである。これは数値例で用いたピッチＰ＝５μｍにほぼ等しく、数値例では条件式（８）がほぼ満足されていたことが分る。
【００６９】
以上の知見に基づき、図４に示す本実施形態では、第２光変調素子としての可視化マスク１１により第１光変調素子としての光変調素子１の変調面に生成される光分布の振幅および位相をともに実質的に均一にするために、光変調素子１と可視化マスク１１との間隔が条件式（６）または（７）をほぼ満たすように設定している。その結果、光変調素子１と可視化マスク１１との平面方向の相対位置ずれなどに起因するモアレ現象の影響を実質的に受けることなく、光変調素子１の作用により被処理基板４の表面（所定の平面）上に形成されるＶ字状の光強度分布を、１回の光照射および物性変化の評価に基づいて迅速に且つ正確に測定することができる。以上の説明において、光変調素子１も基本単位の繰り返しからなるパターンとしているが、それ以外のパターン、例えば単純な位相段差でもよい。ただし、その場合には、光変調素子１が結像光学系側に配置されることが必須である。
【００７０】
以下、具体的な実施例に基づいて、本実施形態の効果を検証する。実施例および比較例では、光源２ａとして２４８ｎｍの波長を有する光ビームを供給するＫｒＦエキシマレーザ光源を用い、結像光学系３として結像倍率が１／５で像側開口数が０．１３のものを用い、試料基板１２として５０ｎｍの厚さの非晶質シリコン膜をベース基板例えばガラス基板上に形成したものを用いた。また、照明のコヒーレンスファクター（σ値）は０．５である。
【００７１】
第１比較例では、図１５（ａ）に示すように、可視化マスク１１の遮光部の間に光変調素子１の位相変調部を位置させて光変調素子１と可視化マスク１１とを密着させた。このとき、第１比較例において試料基板１２上で得られる光強度分布を、図１５（ｂ）に等高線で示す。第２比較例では、図１６（ａ）に示すように、可視化マスク１１の遮光部と光変調素子１の位相変調部とを重ねて光変調素子１と可視化マスク１１とを密着させた。このとき、第２比較例において試料基板１２上で得られる光強度分布を、図１６（ｂ）に等高線で示す。
【００７２】
図１５（ｂ）および図１６（ｂ）を参照すると、第１比較例と第２比較例とでは試料基板１２上で得られる光強度分布が大きく異なることがわかる。また、いずれの比較例においても、試料基板１２上で得られる光強度分布の等高線が、光変調素子１単体により被処理基板４の表面上に形成されるＶ字状の光強度分布（図３（ｂ）を参照）と一致していないことがわかる。
【００７３】
これに対し、本実施例では、フーリエイメージによる効果の観点から導かれた条件式（６）および照明光によるシフト効果の観点から導かれた条件式（７）の双方をほぼ満たすように、光変調素子１と可視化マスク１１との間隔Ｄを２６０μｍに設定した。この実施例において試料基板１２上で得られる光強度分布を図１７に等高線で示す。図１７を参照すると、実施例において試料基板１２上で得られる光強度分布の等高線が、光変調素子１単体により被処理基板４の表面上に形成されるＶ字状の光強度分布（図３（ｂ）を参照）とほぼ一致していることがわかる。
【００７４】
実施例では、上述の条件にしたがって、結像光学系３の結像面に配置した試料基板１２のａ−Ｓｉ層（アモルファスＳｉ層）に光を照射した。ポリＳｉに変化したｐ−Ｓｉ領域とアモルファスＳｉのまま残ったａ−Ｓｉ領域との境界を光学顕微鏡により観察したところ、図１７の光強度分布の等高線が光変調素子１単体により被処理基板４の表面上に形成されるＶ字状の光強度分布とほぼ一致することを確認した。また、図１７の光強度分布が２つの光変調素子１，１１の相対位置関係に依存しないことを確認した。すなわち、実施例では、モアレ現象は生じなかった。
【００７５】
上述の説明では、非単結晶半導体膜に所定の光強度分布を有する光を照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置における光強度分布の測定に対して本発明を適用している。しかしながら、これに限定されることなく、所定面に光強度分布を生成する光強度分布の生成装置および生成方法における光強度分布の測定に対して本発明を適用したり、一対の光変調素子を介して所定面に光強度分布を生成する光強度分布の生成装置および生成方法に対して本発明を適用したりすることもできる。
【００７６】
具体的に、結晶化装置において、互いに直交する方向に沿って一次元的に変化する光強度分布を形成する一対の光変調素子を用いて、二次元的に変化する光強度分布を被処理基板上に生成することができる。この場合、二次元的に変化する光強度分布を形成する１つの光変調素子の加工が難しくても、一次元的に変化する光強度分布を形成する一対の光変調素子をそれぞれ加工することは容易である。また、複数の光変調素子を用意しておき、その中から二枚の光変調素子を組み合わせることにより、組み合わせに応じて多様なパターンの二次元光強度分布を生成することができる。
【００７７】
さらに、上記実施形態では、光変調素子１の光強度分布を確認又は測定する際、被処理基板４に代えて試料基板１２を結晶化光路の設けて光強度分布を確認又は測定する例について説明したが、結晶化工程の開始前、結晶化工程中、結晶化工程後など所望するとき、結晶化光路に可視化マスク１１を設け、被処理基板４の予め定められたテスト位置に結晶化用レーザ光又はテスト用レーザ光を照射して当該レーザ光の光強度分布を確認又は測定してもよい。この実施形態でのレーザ光の光強度分布の確認又は測定は、非晶質シリコン膜の表面に形成されている上層絶縁膜（キャップ膜）が透明であるからこの膜を介して確認又は測定することができる。
【００７８】
次に、図１８（ａ）乃至図１８（ｅ）を参照して、本実施形態の結晶化装置を用いて結晶化された領域に電子デバイスを作製する方法を説明する。図１８（ａ）に示すように、絶縁基板８０（例えば、アルカリガラス、石英ガラス、プラスチック、ポリイミドなどにより形成されている）の上に、下地膜８１（例えば、膜厚５０ｎｍのＳｉＮと膜厚１００ｎｍのＳｉＯ2との積層膜など）および非晶質半導体膜８２（例えば、膜厚５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度のＳｉ，Ｇｅ，ＳｉＧｅなどの膜）およびキャップ膜８２ａ（例えば、膜厚３０ｎｍ〜３００ｎｍのＳｉＯ2膜など）を、化学気相成長法やスパッタ法などを用いて成膜した被処理基板５を準備する。そして、本実施形態にしたがう結晶化装置を用いて、非晶質半導体膜８２の表面の予め定められた領域に、レーザ光８３（例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光やＸｅＣｌエキシマレーザ光など）を照射する。
【００７９】
こうして、図１８（ｂ）に示すように、非晶質半導体膜８２に大粒径の結晶を有する多結晶半導体膜または単結晶化半導体膜８４を生成する。次に、キャップ膜８２ａをエッチングにより除去した後、図１８（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて多結晶半導体膜または単結晶化半導体膜８４を例えば膜トランジスタを形成するための領域となる島状の半導体膜８５に加工し、表面にゲート絶縁膜８６として膜厚２０ｎｍ〜１００ｎｍのＳｉＯ2膜を化学気相成長法やスパッタ法などを用いて成膜する。さらに、図１８（ｄ）に示すように、ゲート絶縁膜上の一部にゲート電極８７（例えば、シリサイドやＭｏＷなど）を形成し、ゲート電極８７をマスクにして不純物イオン８８（Ｎチャネルトランジスタの場合にはリン、Ｐチャネルトランジスタの場合にはホウ素）を半導体膜８５中にイオン注入する。その後、窒素雰囲気でアニール処理（例えば、４５０°Ｃで１時間）を行い、不純物を活性化して島状の半導体膜８５中にソース領域９１、ドレイン領域９２を、チャンネル領域９０の両側に形成する。次に、図１８（ｅ）に示すように、全体をカバーする層間絶縁膜８９を成膜し、この層間絶縁膜８９並びにゲート絶縁膜８６にコンタクト穴をあけ、ソース領域９１およびドレイン領域９２に夫々接続するソース電極９３およびドレイン電極９４を形成する。
【００８０】
以上の工程において、図１８（ａ）および（ｂ）に示す工程で生成された多結晶半導体膜または単結晶化半導体膜８４の大粒径結晶（１もしくは複数の結晶粒）の平面方向の位置に合わせて、ゲート電極８７を形成することにより、チャネル９０をゲート電極８７の下に形成する。以上の工程により、多結晶トランジスタまたは単結晶化半導体に膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成することができる。こうして製造された多結晶トランジスタまたは単結晶化トランジスタは、液晶表示装置（ディスプレイ）やＥＬ（エレクトロルミネッセンス）ディスプレイなどの駆動回路や、メモリ（ＳＲＡＭやＤＲＡＭ）やＣＰＵなどの集積回路などに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の一実施形態にかかる光強度分布の生成方法を説明するための結晶化装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】図１に示す結晶化装置の照明系の内部構成を概略的に示す図である。
【図３】（ａ）は、図１に示す結晶化装置の光変調素子の位相パターンの構成を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す光変調素子を用いた結晶化装置により被処理基板上に形成される光強度分布を概略的に示す図である。
【図４】本発明の一実施形態の光強度分布の生成方法に関連した測定方法を実施する装置を概略的に示す図である。
【図５】（ａ）は、図４に示す装置の可視化マスクのパターンの構成を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す可視化マスクを用いて試料基板上に形成される光強度分布を概略的に示す図である。
【図６】（ａ）乃至（ｃ）は、図４に示す装置の光変調素子と可視化マスクとにより試料基板の表面上に合成光強度分布が形成される様子を示す図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、第１光変調素子と第２光変調素子との相対位置ずれに起因するモアレ現象の発生を解消する基本的な考え方を説明するための図である。
【図８】（ａ）乃至（ｄ）は、モアレ効果の計算および計算により得られるモレアマップを説明するための図である。
【図９】（ａ）および（ｂ）は、数値例における第１光変調素子および第２光変調素子の基本単位の構成を概略的に示す図である。
【図１０】数値例における第１光変調素子と第２光変調素子との間隔（μｍ）とモアレマップの強度分布との関係を示す図である。
【図１１】同じ基本単位が無限に繰り返されるパターンからなる第１光変調素子の１つの基本単位に一本の平行光が入射したときに発生する光分布を模式的に示す図である。
【図１２】第１光変調素子と第２光変調素子との間隔とモアレマップの強度分布との関係を示す図１０にフーリエイメージの効果を書き加えた図である
【図１３】（ａ）および（ｂ）は、照明光によるシフト効果の基本事項を説明する図である。
【図１４】第１光変調素子と第２光変調素子との間隔とモアレマップの強度分布との関係を示す図１０に照明光によるシフト効果を書き加えた図である。
【図１５】（ａ）は、第１比較例として、可視化マスクの遮光部の間に光変調素子の位相変調部を位置させて光変調素子と可視化マスクとを密着させたユニットを示す図であり、（ｂ）は、このユニットを使用して、試料基板上で得られる光強度分布を等高線で示す図である。
【図１６】（ａ）は、第２比較例として、可視化マスクの遮光部と光変調素子の位相変調部とを重ねて光変調素子と可視化マスクとを密着させたユニットを示す図であり、（ｂ）は、このユニットを使用して、試料基板上で得られる光強度分布を等高線で示す図である。
【図１７】本発明の一実施例において光変調素子と可視化マスクとの間隔Ｄを所定の値に設定したときに試料基板上で得られる光強度分布を等高線で示す図である。
【図１８】（ａ）乃至（ｅ）は、本実施形態の光強度分布の生成方法を実施する結晶化装置を用いて電子デバイスを作製する工程を示す工程断面図である。
【図１９】（ａ）および（ｂ）は、異なる一次元的なパターンを有する光変調素子を夫々示す図であり、（ｃ）は、これらパターンを重ね合わせたパターンを示す図である。
【図２０】（ａ）および（ｂ）は、異なる二次元的なパターンを有する光変調素子を夫々示す図であり、（ｃ）および（ｄ）は、これらパターンを異なる状態で重ね合わせたパターンを示す図である。
【符号の説明】
【００８２】
１  光変調素子
２  照明系
２ａ  光源
２ｂ  ビームエキスパンダ
２ｃ，２ｅ  フライアイレンズ
２ｄ，２ｆ  コンデンサー光学系
３  結像光学系
３ｃ  開口絞り
４  被処理基板
５  基板ステージ
１１  可視化マスク
１２  試料基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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