(57)【要約】【課題】  結像光学系の倍率および像面位置を補正することができ、所望サイズの結晶粒を所望位置に再現性良く形成することのできるレーザ結晶化装置。【解決手段】  レーザ結晶化装置は、光源（２ａ）と、光源からのレーザ光を変調する位相シフタ（３）と、光源と位相シフタとの間に設けられ、光源からのレーザ光の光強度を均一化し、この均一化光で位相シフタを照明する照明系（２）と、非単結晶半導体（５）を支持するステージ（６）と、ステージ上の非単結晶半導体と位相シフタとの間に設けられ、変調レーザ光を非単結晶半導体上の所望の部位に結像させるための複数の光学部材（Ｌ１−Ｌ１０，４ｃ）を有する結像光学系（４）と、結像光学系の光学部材を加熱または冷却して、該光学部材の温度を調整する温度調整部（１０−１７，２０−２２，４２−４８）とを有する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を非単結晶半導体に照射して該非単結晶半導体を局部的に溶融させ、その凝固過程で結晶化する結晶粒を成長させるレーザ結晶化装置であって、
光源と、
前記光源からのレーザ光の強度と位相を変調する空間強度変調光学素子と、
前記光源と前記空間強度変調光学素子との間に設けられ、前記光源からのレーザ光の光強度を均一化し、この均一化光で前記空間強度変調光学素子を照明する照明系と、
前記非単結晶半導体を支持するステージと、
前記ステージ上の非単結晶半導体と前記空間強度変調光学素子との間に設けられ、前記空間強度変調光学素子により変調されたレーザ光を前記非単結晶半導体上の所望の部位に結像させるための複数の光学部材を有する結像光学系と、
前記結像光学系の光学部材を加熱または冷却して、該光学部材の温度を調整する温度調整部と、
を具備することを特徴とするレーザ結晶化装置。
【請求項２】
前記結像光学系は、前記複数の光学部材の周縁のみに接触して該光学部材を支持する保持部材を有し、
前記保持部材は、前記光学部材の周縁を取り囲むように形成された内部流路を有し、
前記内部流路は、冷媒流体を供給する供給源に連通していることを特徴とする請求項１に記載のレーザ結晶化装置。
【請求項３】
前記供給源と前記内部流路との間で冷媒流体を循環させる循環流路を有することを特徴とする請求項２に記載のレーザ結晶化装置。
【請求項４】
前記温度調整部は、前記保持部材を加熱するヒータを有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ結晶化装置。
【請求項５】
前記温度調整部は、
冷媒ガス供給源と、
前記冷媒ガス供給源および前記結像光学系の内部にそれぞれ連通するガス入口と、
前記ガス入口に連通するとともに、前記複数の光学部材のうち前記光源に最も近い光学部材が露出する上部スペースと、
前記結像光学系の内部に連通するガス出口と、
前記ガス出口に連通するとともに、前記複数の光学部材のうち前記ステージに最も近い光学部材が露出する下部スペースと、
前記保持部材のなかに形成され、前記光学部材の相互間スペース、前記上部スペースおよび前記下部スペースにそれぞれ連通する内部流路と、
を有することを特徴とする請求項２に記載のレーザ結晶化装置。
【請求項６】
前記冷媒ガスは、窒素ガスまたはヘリウムガスであることを特徴とする請求項５に記載のレーザ結晶化装置。
【請求項７】
前記光学部材の相互間スペースに供給される冷媒ガスの流量を制御する制御手段をさらに有することを特徴とする請求項５に記載のレーザ結晶化装置。
【請求項８】
前記温度調整部は、前記光学部材および前記保持部材のうち少なくとも一方の温度を検出する温度センサを有し、
前記温度センサからの検出温度に基づいて前記温度調整部に温度調整を行わせる制御手段をさらに有することを特徴とする請求項２に記載のレーザ結晶化装置。
【請求項９】
前記光学部材は、前記光源側に配置された第１のテレセントリックレンズ群と、前記非単結晶半導体側に配置された第２のテレセントリックレンズ群と、前記第１のテレセントリックレンズ群と前記第２のテレセントリックレンズ群との間に配置された開口絞りと、を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ結晶化装置。
【請求項１０】
前記結像光学系は、両側テレセントリックレンズ光学系または像側テレセントリックレンズ光学系のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ結晶化装置。
【請求項１１】
レーザ光を非単結晶半導体に照射して該非単結晶半導体を局部的に溶融させ、その凝固過程で結晶化する結晶粒を成長させるレーザ結晶化装置であって、
光源と、
前記光源からのレーザ光の強度と位相を変調する空間強度変調光学素子と、
前記光源と前記空間強度変調光学素子との間に設けられ、前記光源からのレーザ光の光強度を均一化し、この均一化光で前記空間強度変調光学素子を照明する照明系と、
前記非単結晶半導体を支持するステージと、
前記ステージ上の非単結晶半導体と前記空間強度変調光学素子との間に設けられ、前記空間強度変調光学素子により変調されたレーザ光を前記非単結晶半導体上の所望の部位に結像させるための複数の光学部材を有し、該光学部材を保持する保持部材を有する結像光学系と、
前記結像光学系の光学部材を加熱または冷却するか、または前記保持部材を加熱または冷却することにより、前記光学部材の温度を調整する温度調整部と、
前記光学部材および前記保持部材のうち少なくとも一方の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサからの検出温度に基づいて前記ステージ及び前記結像光学系を前記結像光学系の光軸に沿って相対的に移動させ、前記結像光学系と前記非単結晶半導体との相対位置を調整する位置調整手段と、
を具備することを特徴とするレーザ結晶化装置。
【請求項１２】
前記保持部材は、前記光学部材の周縁を取り囲むように形成された内部流路を有し、
前記内部流路は、冷媒流体を供給する供給源に連通していることを特徴とする請求項１１に記載のレーザ結晶化装置。
【請求項１３】
前記供給源と前記内部流路との間で冷媒流体を循環させる循環流路を有することを特徴とする請求項１２に記載のレーザ結晶化装置。
【請求項１４】
前記温度調整部は、前記保持部材を加熱するヒータを有することを特徴とする請求項１１に記載のレーザ結晶化装置。
【請求項１５】
前記温度調整部は、
冷媒ガス供給源と、
前記冷媒ガス供給源および前記結像光学系の内部にそれぞれ連通するガス入口と、
前記ガス入口に連通するとともに、前記複数の光学部材のうち前記光源に最も近い光学部材が露出する上部スペースと、
前記結像光学系の内部に連通するガス出口と、
前記ガス出口に連通するとともに、前記複数の光学部材のうち前記ステージに最も近い光学部材が露出する下部スペースと、
前記保持部材のなかに形成され、前記光学部材の相互間スペース、前記上部スペースおよび前記下部スペースにそれぞれ連通する内部流路と、
を有することを特徴とする請求項１２に記載のレーザ結晶化装置。
【請求項１６】
前記冷媒ガスは、窒素ガスまたはヘリウムガスであることを特徴とする請求項１５に記載のレーザ結晶化装置。
【請求項１７】
前記光学部材の相互間スペースに供給される冷媒ガスの流量を制御する制御手段をさらに有することを特徴とする請求項１５に記載のレーザ結晶化装置。
【請求項１８】
前記光学部材は、前記光源側に配置された第１のテレセントリックレンズ群と、前記非単結晶半導体側に配置された第２のテレセントリックレンズ群と、前記第１のテレセントリックレンズ群と前記第２のテレセントリックレンズ群との間に配置された開口絞りと、を有することを特徴とする請求項１１に記載のレーザ結晶化装置。
【請求項１９】
前記結像光学系は、両側テレセントリックレンズ光学系または像側テレセントリックレンズ光学系のいずれかであることを特徴とする請求項１１に記載のレーザ結晶化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の光強度分布を有するレーザ光を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成するレーザ結晶化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置（Liquid-Crystal-Display:ＬＣＤ）の表示画素を選択するスイッチング素子などに用いられる薄膜トランジスタ（Thin-Film-Transistor：ＴＦＴ）は、非晶質シリコン（amorphous-Silicon）や多結晶シリコン（poly-Silicon）を用いて形成されている。
【０００３】
多結晶シリコンは、非晶質シリコンよりも電子または正孔の移動度が高い。したがって、多結晶シリコンを用いてトランジスタを形成した場合、非晶質シリコンを用いて形成する場合よりも、スイッチング速度が速くなり、ひいてはディスプレイの応答が速くなる。また、周辺ＬＳＩを薄膜トランジスタで構成することが可能になる。さらに、他の部品の設計マージンを減らせるなどの利点がある。また、ドライバ回路やＤＡＣなどの周辺回路をディスプレイに組み入れる場合に、それらの周辺回路をより高速に動作させることができる。
【０００４】
多結晶シリコンは結晶粒の集合からなるため、例えばＴＦＴトランジスタを形成した場合、チャネル領域に結晶粒界が形成され、この結晶粒界が障壁となり単結晶シリコンに比べると電子または正孔の移動度が低くなる。また、多結晶シリコンを用いて形成された多数の薄膜トランジスタは、チャネル部に形成される結晶粒界数が各薄膜トランジスタ間で異なり、これがバラツキとなって液晶表示装置であれば表示ムラの問題となる。そこで、最近、電子または正孔の移動度を向上させ且つチャネル部における結晶粒界数のバラツキを少なくするために、少なくとも１個のチャネル領域を形成できる大きさの大粒径の結晶化シリコンを生成する結晶化方法が提案されている。
【０００５】
従来、この種の結晶化方法として、多結晶半導体膜または非単結晶半導体膜と平行に近接させた位相シフターにエキシマレーザ光を照射して結晶化半導体膜を生成する「位相制御ＥＬＡ（Excimer  Laser  Annealing）法」が知られている。位相制御ＥＬＡ法の詳細は、たとえば非特許文献１に開示されている。
【非特許文献１】表面科学Vol.21, No.5, pp.278-287, 2000
【０００６】
位相制御ＥＬＡ法では、位相シフターの位相シフト部に対応する点において光強度が周辺よりも低い逆ピークパターン（中心において光強度が最も低く周囲に向かって光強度が急激に増大するパターン）の光強度分布を発生させ、この逆ピーク状の光強度分布を有する光を非単結晶半導体膜（多結晶半導体膜または非晶質半導体膜）に照射する。その結果、被照射領域内において光強度分布に応じて溶融領域に温度勾配が生じ、光強度が最も低い点に対応して最初に凝固する部分もしくは溶融しない部分に結晶核が形成され、その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単結晶粒が生成される。
【０００７】
また、特許文献１では、位相差が１８０度のライン・アンド・スペース・パターンを有する位相シフターと被処理基板との間に結像光学系を配置している。そして、位相シフターを介して発生した逆ピークパターンの光強度分布を有する光を結像光学系を介して被処理基板に照射することにより、被処理基板上に結晶化半導体膜を生成している。
【特許文献１】特開２０００−３０６８５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
結晶粒の位置およびサイズを工業的に繰り返し再現性良く実現するには、収差補正された結像光学系の倍率（縮小倍率または等倍）および像面位置（焦点位置）が変動しないこと、もしくは倍率および像面位置を補正できることが必要である。例えば、４μｍの結晶粒を製作するために用いられる１０ｍｍ角マスクパターンの場合に、結像光学系の倍率が１／５．０００から１／４．９９５に変化（０．１％の変化）すると、被処理基板上において照射エリアサイズが２ｍｍ角から２．００２ｍｍ角に変わる。
【０００９】
この場合、例えば２ｍｍ角の照射エリアの左端を基準にとると、右端では２μｍ（０．００２ｍｍ）も結晶粒の位置が右方にずれることになる。その結果、レーザ結晶化後の工程で行われるＴＦＴ製作プロセス時に、マスクパターンの位置合わせ誤差が発生する。また、結像光学系の像面位置が変わると、焦点深度（ＤＯＦ）が変動し、被処理基板上において所望の光強度分布が得られず、その結果として所望サイズの結晶粒を形成することができない。
【００１０】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、結像光学系の倍率及び像面位置の変動を低減すること、および像面位置変動に応じて像面位置を補正することができ、所望サイズの結晶粒を所望位置に再現性良く形成することができるレーザ結晶化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、レーザ光を非単結晶半導体に照射して該非単結晶半導体を局部的に溶融させ、その凝固過程で結晶化する結晶粒を成長させるレーザ結晶化装置であって、光源（２ａ）と、前記光源からのレーザ光の強度と位相を変調する空間強度変調光学素子（３）と、前記光源と前記空間強度変調光学素子との間に設けられ、前記光源からのレーザ光の光強度を均一化し、この均一化光で前記空間強度変調光学素子を照明する照明系（２）と、前記非単結晶半導体（５）を支持するステージ（６）と、前記ステージ上の非単結晶半導体と前記空間強度変調光学素子との間に設けられ、前記空間強度変調光学素子により変調されたレーザ光を前記非単結晶半導体上の所望の部位に結像させるための複数の光学部材（Ｌ１−Ｌ１０，４ｃ）を有する結像光学系（４）と、前記結像光学系の光学部材を加熱または冷却して、該光学部材の温度を調整する温度調整部（１０−１７，２０−２２，４２−４８）と、を具備することを特徴とするレーザ結晶化装置を提供する。
【００１２】
本発明の第２形態では、レーザ光を非単結晶半導体に照射して該非単結晶半導体を局部的に溶融させ、その凝固過程で結晶化する結晶粒を成長させるレーザ結晶化装置であって、光源（２ａ）と、前記光源からのレーザ光の強度と位相を変調する空間強度変調光学素子（３）と、前記光源と前記空間強度変調光学素子との間に設けられ、前記光源からのレーザ光の光強度を均一化し、この均一化光で前記空間強度変調光学素子を照明する照明系（２）と、前記非単結晶半導体を支持するステージ（６）と、前記ステージ上の非単結晶半導体と前記空間強度変調光学素子との間に設けられ、前記空間強度変調光学素子により変調されたレーザ光を前記非単結晶半導体上の所望の部位に結像させるための複数の光学部材を有し、該光学部材を保持する保持部材を有する結像光学系（４）と、前記結像光学系の光学部材を加熱または冷却するか、または前記保持部材を加熱または冷却することにより、前記光学部材の温度を調整する温度調整部（１０−１７，２０−２２，４２−４８）と、前記光学部材および前記保持部材のうち少なくとも一方の温度を検出する温度センサ（２２）と、前記温度センサからの検出温度に基づいて前記ステージ及び前記結像光学系を前記結像光学系の光軸に沿って相対的に移動させ、前記結像光学系と前記非単結晶半導体との相対位置を調整する位置調整手段（６，１０）と、を具備することを特徴とするレーザ結晶化装置を提供する。
【００１３】
本発明によれば、結像光学系の倍率および像面位置の変動を少なくすることと、像面位置の変動に応じて像面位置を補正することができ、所望サイズの結晶粒を非単結晶半導体上の所望部位に再現性良く形成することができる。
【００１４】
本明細書において重要な用語を以下に定義する。「結晶化」とは、結晶化対象膜が溶融し、この融液が凝固する過程において結晶核を起点として結晶成長することをいう。「ラテラル成長」とは、結晶化対象膜が溶融し、その融液が凝固する過程において、結晶粒の成長が膜面に沿って横方向に進行することをいう。「光強度分布」または「ビームプロファイル」とは、結晶化対象膜に入射される光の二次元の強度分布のことをいう。「レーザフルエンス」とは、ある位置でのレーザ光のエネルギ密度を表わす尺度であり、単位面積当たりのエネルギ量をいい、具体的には光源または照射領域において計測されるレーザ光の平均強度のことをいう。
【００１５】
「アッテネータ」とは、レーザ光の強度を減衰させる光学素子をいう。「ホモジナイザ」とは、入射光を複数に分割し、これら分割光をそれぞれ同一形状にして重ね合わせて、特定の面でのレーザ光の断面寸法を決定し、光強度を均一化する光学素子のことをいう。また、「ホモジナイズ面」とは、ホモジナイザを通った光が収束する特定の面のことをいう。「空間強度変調光学素子」とは、光の位相を変調し、光強度を変調するためのフォトマスクのことをいう。レーザ結晶化装置では空間強度変調光学素子のことを「位相シフター」と呼び、フォトリソグラフィプロセスの露光工程に使用される位相シフトマスクとは区別している。位相シフターは、例えば石英基材にエッチングにより段差が形成されたものである。
【００１６】
「像面」とは、レーザ結晶化装置の結像光学系を通った光が収束する面をいう。プロジェクション型レーザ結晶化装置の一次結像光学系（ホモジナイザ、コンデンサレンズ、マスク等）を通った光が収束して像を形成する面を、特に「一次像面」という。一次像面は、位相シフター面および／またはホモジナイズ面と一致（完全オーバーラップ）する場合は、位相シフター面および／またはホモジナイズ面を指す。また、プロジェクション型レーザ結晶化装置の二次結像光学系（縮小レンズ等）を通った光が収束して像を形成する面を、特に「二次像面」という。換言すれば、「二次像面」とは、一次像面に形成された像が基板側に転写される面のことをいう。
【００１７】
「テレセントリック光学系」または「テレセントリックレンズ光学系」とは、開口絞りがレンズの焦点位置にあり、主光線がレンズ光軸に対して物体側、像側、もしくは物体／像の両側で平行になる光学系をいう。「開口絞り」とは、光軸の周りの光線が通過する領域を限定するために、光学系の内部または光学系の近傍に設けられる遮光枠をいう。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のレーザ結晶化装置では、空間強度変調光学素子により変調されたレーザ光を非単結晶半導体上の所望の部位に結像させるための結像光学系を構成する複数の光学部材の温度を調整する温度調整部を備えている。その結果、温度調整部の作用により、結像光学系の倍率及び像面位置の変動を低減すること、および像面位置変動に応じて像面位置を補正することができ、所望サイズの結晶粒を所望位置に再現性良く形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１に示すように、本実施形態のレーザ結晶化装置１は、プロジェクション方式の照明系２、空間強度変調光学素子３（位相シフターまたは回折光学素子）、結像光学系４を有し、さらに被処理基板５を可動に支持する基板ステージ６を備えている。基板ステージ６は、図示しないＸ−Ｙ−Ｚ−θ駆動機構を内蔵しており、光学系２，３，４に対して位置合せするために、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各方向に移動されるとともに、Ｚ軸まわりにθ回転されるようになっている。
【００２０】
図２に示すように、照明系２は、被処理基板５上の非晶質シリコン膜を溶融させるエネルギ光を出力する光源として、例えば波長２４８ｎｍのレーザ光を発振するＫｒＦエキシマレーザ光源２ａを備えている。光源２ａは図示しないアッテネータを内蔵している。アッテネータは、光源２ａから発振されたレーザ光を減衰させ、その光強度レベルを例えば１Ｊ／ｃｍ2程度に調整し、照明系２及び結像光学系４の光学部材の焼き付きを防止するものである。なお、光源２ａとして、波長３０８ｎｍのレーザ光を発振するＸｅＣｌエキシマレーザ光源、あるいはＹＡＧレーザ光源のような被結晶化処理体を溶融するエネルギ光線を射出する性能を有する他の適当な光源を用いることもできる。
【００２１】
レーザ光７０は、光源２ａから出射された後に、ビームエキスパンダ２ｂを通過して拡大され、第１フライアイレンズ２ｃに入射する。こうして、第１フライアイレンズ２ｃの後側焦点面には複数の仮想光源が形成される。これらの仮想光源からの光束は、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仮想光源が形成される。
【００２２】
第２フライアイレンズ２ｅの後側焦点面に形成された複数の仮想光源からの光束は、第２コンデンサー光学系２ｆを介して、空間強度変調光学素子３を重畳的に照明する。ここで、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のホモジナイザを構成する。光源２ａから出射されたレーザ光は、第１のホモジナイザにより位相シフター３上での入射角度に関して均一化される。
【００２３】
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のホモジナイザを構成する。この第２のホモジナイザにより第１のホモジナイザからの入射角度が均一化されたレーザ光について位相シフター３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。こうして、照明系２は、ほぼ均一な光強度分布を有するレーザ光により位相シフター３を照明する。
【００２４】
レーザ光７０は、位相シフター３で位相変調または回折され、結像光学系４を介して被処理基板５に入射される。ここで、結像光学系４に関して位相シフター３と被処理基板５とを光学的に共役に配置している。換言すれば、被処理基板５は、位相シフター３と光学的に共役な面（結像光学系４の像面）に設定されている。
【００２５】
結像光学系４は、図３に示すように、全体が保護カバー４１ａ，４１ｂで覆われている。保護カバー４１ａ，４１ｂ内には第１のレンズ群Ｌ１〜Ｌ３、開口絞り４ｃおよび第２のレンズ群Ｌ４〜Ｌ１０が順番に並んで配置されている。これらの光学部材Ｌ１〜Ｌ１０，４ｃは、光軸を一致させた状態で、かつ互いに適当な間隔をおいて離れた状態で、レンズホルダ４２によってそれぞれの周縁部が支持されている。
【００２６】
上部保護カバー４１ａには入射窓４０ａが嵌め込まれ、下部保護カバー４１ｂには出射窓４０ｂが嵌め込まれている。第１のレンズ群Ｌ１〜Ｌ３は入射窓４０ａの側（位相シフター３の側）に配置され、第２のレンズ群Ｌ４〜Ｌ１０は出射窓４０ｂの側（被処理基板５の側）に配置されている。変調レーザ光７０は、入射窓４０ａから結像光学系４のなかに入り、第１のレンズ群Ｌ１〜Ｌ３、開口絞り４ｃ、第２のレンズ群Ｌ４〜Ｌ１０を順次通過して、出射窓４０ｂを通って結像光学系４から出て行く。
【００２７】
結像光学系４は、光源からのレーザ光の光強度分布を被処理基板５に縮小照明させるための光学系である。本実施形態の結像光学系４はレーザ光を縮小投影するものであるが、本発明はこれのみに限られず、等倍投影であってもよく、また拡大投影であってもよい。
【００２８】
結像光学系４のレンズ群Ｌ１〜Ｌ１０は縮小テレセントリックレンズからなるため、第２のレンズ群Ｌ４〜Ｌ１０のほうが第１のレンズ群Ｌ１〜Ｌ３と比べてサイズが小さい。このように第２のレンズ群Ｌ４〜Ｌ１０は熱容量が小さいため、第１のレンズ群Ｌ１〜Ｌ３よりも過熱されやすく、かつ過冷されやすい。なお、レンズサイズに対応させて、下部保護カバー４１ｂの直径を上部保護カバー４１ａのそれよりも小さくしている。
【００２９】
開口絞り４ｃは、第１のレンズ群Ｌ１〜Ｌ３と第２のレンズ群Ｌ４〜Ｌ１０との間に配置されている。開口絞り４ｃは、例えば開口部（光透過部）の大きさの異なる複数の開口絞りを有し、これらの複数の開口絞り４ｃはレーザ光路に対して交換可能に取り付けられている。あるいは、開口絞り４ｃとして、開口部の大きさを連続的に変化させることのできる虹彩絞りを用いてもよい。いずれにしても、開口絞り４ｃの開口部の大きさ（すなわち結像光学系４の像側開口数ＮＡ）は、被処理基板５の半導体膜上において所要の光強度分布を発生させるように設定されている。
【００３０】
本実施形態の結像光学系４には両側テレセントリックレンズ光学系を採用している。図５（ａ）に示すように、両側テレセントリックレンズ光学系では、物体側および像側ともに主光線３０がレンズ光軸に平行になるため、物体側のワーク３１が図中の上下方向に移動した場合であっても、像３２の大きさは変化しない。従って、両側テレセントリックレンズ光学系ではバックフォーカスが変化したとしても原理的には倍率は変わらない。
【００３１】
また、結像光学系４に、両側テレセントリックレンズ光学系の代わりとして像側テレセントリックレンズ光学系を用いることもできる。像側テレセントリックレンズ光学系では、図５（ｂ）に示すように、像側の主光線３０のみがレンズ光軸に平行になるため、物体側のワーク３１が図中の上下方向に移動した場合に像３２の大きさが変化する。従って、像側テレセントリックレンズ光学系ではバックフォーカスが変化すると倍率が変化する。
【００３２】
被処理基板５は、たとえば液晶ディスプレイ用板ガラス基板の上に化学気相成長法（ＣＶＤ）により下地膜および非単結晶膜が順次形成されたものである。下地絶縁膜は、絶縁膜例えばＳｉＯ2であり、非単結晶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、非単結晶膜の溶融温度が直接ガラス基板に伝熱されるのを防止する。非単結晶膜は、所定厚さ（例えば５０ｎｍ程度）の膜厚を有する非晶質の半導体膜または多結晶の半導体膜である。
【００３３】
非単結晶膜は、非単結晶の半導体膜や金属膜などでもよい。非晶質シリコン膜上には、キャップ膜として絶縁膜例えばＳｉＯ2膜が成膜される。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５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６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る。なお、被処理基板５は、平坦性の誤差として一般的に±５μｍ〜±１０μｍ程度の反りやたわみを有している。
【００３４】
こうして、本実施形態のレーザ結晶化装置では、いわゆる逆ピークパターン（Ｖ字の二次元パターン）のビームプロファイルの光が、被処理基板５上の非単結晶半導体膜に照射される。その結果、ビームプロファイルに応じて被照射領域内の溶融領域に温度勾配が生じ、光強度が最も低い点に対応して最初に凝固する部分もしくは溶融しない部分に結晶核が形成され、その結晶核を起点として結晶がラテラル成長する。
【００３５】
ところで、レーザ結晶化装置では、縮小倍率の結像光学系４を用いることが多い。これは、たとえば１／５の縮小倍率の結像光学系４を用いる場合、空間強度変調光学素子３としての位相シフターまたは回折光学素子が製作し易くなる（等倍の結像光学系を用いる場合に比して寸法が５倍になる）という理由による。また、照明系２中のホモジナイザ（２ｃ，２ｅ）および空間強度変調光学素子３に入射する単位面積あたりの光照射エネルギが、等倍の結像光学系を用いる場合に比して１／２５になり、ホモジナイザ（２ｃ，２ｅ）および空間強度変調光学素子３に与えるダメージが少ないという理由による。
【００３６】
また、結像光学系４は、空間強度変調光学素子３により規定される数μｍの範囲の光強度分布を収差や歪みなく、被処理基板５上に縮小倍率または等倍で形成するために、通常１０枚以上の光学レンズで構成される。また、光源２ａとしてエキシマレーザ光源を採用した場合、結像光学系４のレンズＬ１〜Ｌ１０に用いられる光学材料は、合成石英またはフッ化カルシウム（蛍石）である。
【００３７】
ここで、フッ化カルシウムの熱伝導率は９．７１（Ｗ／（ｍ・°Ｃ））であり、合成石英の熱伝導率は１．３５（Ｗ／（ｍ・°Ｃ））である。したがって、合成石英でつくられたレンズのほうがフッ化カルシウムでつくられたレンズよりも、光照射による温度変化が大きくなると推察される。また、フッ化カルシウムの熱膨張係数は約２×１０-5／°Ｃ、その屈折率の温度係数は約−１×１０-5／°Ｃである。一方、合成石英の熱膨張係数は約４×１０-6／°Ｃ、その屈折率の温度係数は約１×１０-5／°Ｃである。
【００３８】
このような光学材料の温度特性を考慮すると、結像光学系４では、１°Ｃのレンズ温度変化に対して例えば数μｍの像面位置（焦点位置）の変化、すなわち結像光学系４の光軸に沿った数μｍの結像位置の変化が見積られる。例えば、エキシマレーザ光を用いる結晶化装置の場合は、１°Ｃのレンズ温度変化に対して像面位置（結像位置）が１０μｍ程度も変化する結像光学系があるといわれている。
【００３９】
ところで、従来方式の結晶化装置（位相制御ＥＬＡ法よりも以前の装置）においては、細長い長尺ビーム（たとえば５００μｍ×３００ｍｍ等）を被処理基板に均一に照射する。この場合、そもそも結晶粒の位置決めを行わないので、例えば結像光学系の倍率変化により数μｍの結晶粒位置の変化が発生したとしても全く問題にならない。
【００４０】
一方、本発明のレーザ結晶化装置においては、ミクロンオーダーの位置精度で被処理基板の所望部位にレーザ光を正確に照射することが要求されている。このため、上述した結像光学系の倍率の変化や像面位置（一次像面位置、二次像面位置、焦点位置）の変化は、それが僅かであっても問題になってくる。例えば、波長が３０８ｎｍのレーザ光を用いて、像側開口数ＮＡ＝０．１２程度の結像光学系を介して２μｍの白黒パターンを転写する場合、照明系の開口数と結像光学系の入射側開口数とが等しいものとすると、結像光学系の焦点深度（ＤＯＦ）は±１０μｍ〜±２０μｍ程度にもなる。空間強度変調光学素子として回折光学素子を用いて、被処理基板５上で光強度分布をミクロンオーダーで制御する場合、焦点深度はさらに小さくなり、条件によっては焦点深度が５μｍ以下と非常に狭くなる場合もある。
【００４１】
そこで、本実施形態のレーザ結晶化装置１は、図３に示すように、結像光学系４の光学部材Ｌ１〜Ｌ１０，４ｃの温度を調整するために複数の温度調整部を備えている。これらの温度調整部が光学部材Ｌ１〜Ｌ１０，４ｃを温度調整することにより、結像光学系４の倍率の補正および像面位置の補正が高精度になされる。本実施形態では次の３つの温度調整部を例示した。
【００４２】
第１の温度調整部は、光学部材Ｌ１〜Ｌ１０，４ｃを冷媒ガスにより直接的に冷却する空冷機構である。この空冷機構は、冷媒ガス供給源１１、バルブ１２、ポンプ１３，１４、ガス入口４３ａ、上部スペース４３、レンズホルダ４２の内部流路４４、下部スペース４５およびガス出口４５ａを備えている。冷媒ガス供給源１１には、冷媒ガスとして例えば低温（室温以下）の不活性ガス（たとえば窒素（Ｎ2）ガス，ヘリウム（Ｈｅ）ガスなど）または空気が収容されている。送給ポンプ１３の吐出口は上部保護カバー４１ａのガス入口４３ａに連通し、排気ポンプ１４の吸気口は下部保護カバー４１ｂのガス出口４５ａに連通している。なお、本実施形態では排気ポンプ１４から冷媒ガスを大気中に放出するようにしているが、排気回路を供給源１１に接続して循環回路を形成し、冷媒ガスを再利用することもできる。
【００４３】
ガス入口４３ａは上部スペース４３（レンズＬ１の直上）に連通し、上部スペース４３はレンズホルダ４２の内部流路４４を介してレンズＬ１〜Ｌ１０の相互間スペースに次々に連通している。さらに、最下段のレンズ間スペースは内部流路４４を介して下部スペース４５（レンズＬ１０の直下）に連通し、下部スペース４５はガス出口４５ａに連通している。内部流路４４は、図４に示すように、幅広に開口している。
【００４４】
冷媒ガスは、入口４３ａ→上部スペース４３→内部流路４４→レンズＬ１，Ｌ２間スペース→内部流路４４→レンズＬ２，Ｌ３間スペース→内部流路４４→レンズＬ３，Ｌ４間スペース→内部流路４４→レンズＬ４，Ｌ５間スペース→内部流路４４→レンズＬ５，Ｌ６間スペース→内部流路４４→レンズＬ６，Ｌ７間スペース→内部流路４４→レンズＬ７，Ｌ８間スペース→内部流路４４→レンズＬ８，Ｌ９間スペース→内部流路４４→レンズＬ９，Ｌ１０間スペース→内部流路４４→下部スペース４５→出口４５ａの順に結像光学系４の内部を通過して、光学部材Ｌ１〜Ｌ１０，４ｃを直接的に冷却する。
【００４５】
第２の温度調整部は、光学部材Ｌ１〜Ｌ１０，４ｃを冷媒液体により間接的に冷却する液冷機構である。この液冷機構は、熱交換器１５、ポンプ１６、バルブ１７、供給管４７、レンズホルダ４２の内部流路４６および戻り管４８を備えている。熱交換器１５は、冷媒液体（例えば冷却水）と他の熱交換流体との間で熱交換させて、冷媒液体を室温以下の所定の温度に冷却するものである。熱交換器１５の出口側はポンプ１６及びバルブ１７を介して供給管４７に連通し、熱交換器１５の入口側は戻り管４８に連通している。供給管４７はレンズホルダ４２の最上部の内部流路４６に連通し、戻り管４８はレンズホルダ４２の最下部の内部流路４６に連通している。内部流路４６は、図４に示すように、各段のレンズＬ１〜Ｌ１０を保持する保持部４２ｈをそれぞれ取り囲むように環状に形成されている。これらの内部流路４６によってレンズホルダ４２は熱交換ジャケットとして機能する。内部流路４６に冷媒液体を流すと、保持部４２ｈと接触しているレンズＬ１〜Ｌ１０が間接的に冷却されるばかりでなく、結像光学系４の全体が効率良く冷やされる。
【００４６】
大型のＬＣＤ基板に対して多数回のレーザショットを打ち込むと、結像光学系のレンズ温度が上昇する。特に、小サイズの第２のレンズ群Ｌ４〜Ｌ１０の温度は急上昇しようとするが、これらを上述の第１及び第２の温度調整部によって直接または間接に冷却するので、これらの温度上昇が抑制される。しかし、結像光学系の熱変位を完全に抑えることは困難であるので、結像光学系の倍率の補正および像面位置の補正のために、結像光学系４と被処理基板５との相対位置を調整する必要がある。すなわち、制御部１０が、温度センサ２２からの検出温度に基づいて基板ステージ６をＺ軸方向に移動させることにより、結像光学系４の光軸に沿って被処理基板（非単結晶半導体）５が結像光学系４に対して位置合わせされる。これにより、被処理基板５上の非単結晶半導体の所望部位に対してレーザ光７０が正確に照射される。
【００４７】
第３の温度調整部は、第２のレンズ群Ｌ４〜Ｌ１０をヒータ２０で間接的に加熱する加熱機構である。この加熱機構は、下部保護カバー４１ｂの外周に巻きつけられたヒータ２０、電源２１および温度センサ２２を備えている。温度センサ２２には、たとえばレンズＬ５に接触して取り付けられる熱電対などを用いることができる。第２のレンズ群Ｌ４〜Ｌ１０は、第１のレンズ群Ｌ１〜Ｌ３と比べてサイズが小さいことから、熱容量が小さいので、過熱または過冷却されやすい。レンズ群Ｌ４〜Ｌ１０が過冷却されると、レンズ表面に結露を生じやすくなり、安定かつ正常にレーザ結晶化処理を行うことができなくなる。そこで、温度センサ２２によりレンズ温度を検出し、その検出温度が所定の閾値を下回っている場合には、ヒータ２０によって第２のレンズ群Ｌ４〜Ｌ１０を加熱する。
【００４８】
以上のように、本実施形態のレーザ結晶化装置１では、結像光学系４の光学部材Ｌ１〜Ｌ１０，４ｃの温度を調整する。その結果、結像光学系４の倍率および像面位置を補正することができ、所望サイズの結晶粒を被処理基板５上の所望位置に再現性良く形成することができる。
【００４９】
なお、本実施形態の第２の温度調整部１５〜１７では冷却水を用いて光学部材Ｌ１〜Ｌ１０，４ｃを冷却しているが、第２の温度調整部１５〜１７に温水を用いて光学部材Ｌ１〜Ｌ１０，４ｃを加温するようにしてもよい。また、制御部１０は、温度センサ２２からの検出温度に基づいて第１の温度調整部１１〜１３および第２の温度調整部１５〜１７をそれぞれ制御するようにしてもよい。
【００５０】
また、本実施形態の温度センサ２２はレンズＬ５に接触させてレンズ温度を直接検出しているが、温度センサをレンズホルダ４２に接触するように取り付け、レンズホルダ４２の温度を検出するようにしてもよい。この場合、制御部１０は、所定の対照データ表を用いてレンズホルダ検出温度をレンズ温度に換算し、レンズ温度を求める。さらに、レンズホルダまたは保護カバーにペルチェ素子を取り付け、レンズホルダ等を介して光学部材を間接的に冷却するようにしてもよい。
【００５１】
次に、図６（ａ）〜図６（ｅ）を参照して本実施形態のレーザ結晶化装置を用いて薄膜トランジスタを作製する場合について説明する。図６（ａ）に示すように、絶縁基板５０（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）の上に、下地膜５１（例えば、膜厚５０ｎｍのＳｉＮおよび膜厚１００ｎｍのＳｉＯ2積層膜など）および非晶質半導体膜５２（例えば、膜厚５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度のＳｉ，Ｇｅ，ＳｉＧｅ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。レーザ結晶化装置１を用いて、非晶質半導体膜５２の表面の予め定められた領域に、レーザ光７０（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。
【００５２】
こうして、図６（ｂ）に示すように、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５４が生成される。次に、図６（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５４を例えば薄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５５に加工し、表面にゲート絶縁膜５６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６（ｄ）に示すように、ゲート絶縁膜上にゲート電極５７（例えば、シリサイドやＭｏＷなど）を形成し、ゲート電極５７をマスクにして不純物イオン７２（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５５にソース６２、ドレイン６３を形成する。次に、図６（ｅ）に示すように、層間絶縁膜５９を成膜してコンタクト穴をあけ、チャネル６１でつながるソース６２およびドレイン６３に接続するソース電極６４およびドレイン電極６５を形成する。
【００５３】
以上の工程において、図６（ａ）および図６（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５４の大粒径結晶の位置に合わせて、チャネル６１を形成する。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ＴＦＴ６０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。
【００５４】
次に、図７を参照して他の実施形態のレーザ結晶化装置について説明する。本実施形態のレーザ結晶化装置は、テレセントリックレンズ結像光学系４Ａを構成する複数の光学部材（例示的にレンズＬ１〜Ｌ６だけを示す）の温度を調整するための温度調整部を備えている。温度調整部は、光学部材Ｌ１〜Ｌ６を保持する保持部材（すなわち外筒）８３ｄの温度を調整するための保持部材調整部として、保持部材８３ｄに接触するように配置されたヒータ９１およびペルチェ素子９２を有する。
【００５５】
ヒータ９１は加熱機能を有し、ペルチェ素子９２は冷却機能を有し、それぞれが熱伝導によって間接的にレンズＬ１〜Ｌ６の温度を調整する。また、温度調整部は、レンズＬ１〜Ｌ６間の間隙に所定温度の気体を循環させて雰囲気の温度を調整する雰囲気調整機能を有するものである。例えば、温度調整部は、予め所定の温度に調整された不活性ガス（例えば、窒素ガス、ヘリウムガスなど）９３ａを結像光学系３のレーザ光路中に流入させるガス供給部９３を備えている。ガス供給部９３から供給された不活性ガス９３ａは、レンズＬ１〜Ｌ６間の間隙を流れた後に、結像光学系４Ａの外部へ排出される。
【００５６】
さらに、温度調整部は、例えばレンズＬ５の温度を測定するための温度センサ９４と、該温度センサ９４からの出力に基づいてヒータ９１、ペルチェ素子９２およびガス供給部９３をそれぞれ制御する制御部９５とを有する。なお、温度センサ９４として、例えばレンズＬ６に接触するように取り付けられた熱伝対などを用いることができる。制御部９５は、ガス供給部９３から供給される不活性ガス９３ａの温度および流量を調整する。
【００５７】
以上のように、本実施形態のレーザ結晶化装置では、制御部９５からの指令に基づいてヒータ９１、ペルチェ素子９２およびガス供給部９３のうち少なくとも１つを制御することにより、結像光学系４Ａを構成するレンズＬ１〜Ｌ６の温度が調整される。その結果、結像光学系４Ａの倍率および像面位置を補正することができ、所望サイズの結晶粒を所望位置に再現性良く形成することができる。
【００５８】
なお、上述の説明では、保持部材８３ｄの温度を調整するための保持部材調整部として、保持部材８３ｄに接触するように配置されたヒータ９１とペルチェ素子９２とを用いている。しかしながら、本発明はこれに限定されることなく、保持部材調整部の具体的な構成については様々な変形例が可能である。例えば、図７に示すように、保持部材調整部として、保持部材９３ｄの周囲に冷却水や温水を循環させる循環部９６を用いることができる。循環部９６は、保持部材８３ｄの温度を調整するために、所定の温度に冷却または加熱された水を保持部材８３ｄの周囲に供給し、供給した冷却水や温水を回収する。
【００５９】
本実施形態では、温度センサ９４により光学部材（例えばレンズＬ５）の温度を測定し、その測定温度に基づいて結像光学系４Ａの光学部材（レンズＬ１〜Ｌ６）の温度を調整している。しかし、本発明はこれのみに限定されない。例えば、温度センサを保持部材８３ｄに接触するように取り付け、この温度センサにより保持部材８３ｄの温度を測定し、その測定温度に基づいて結像光学系４Ａの光学部材（レンズＬ１〜Ｌ６）の温度を調整することもできる。
【００６０】
また、図７において破線の矢印で示すように、制御部９５が、結像光学系４Ａの光学部材（レンズＬ１〜Ｌ６）の温度を測定するための温度センサ９４（または保持部材８３ｄの温度を測定するための温度センサ（図示せず））からの出力に基づいて基板ステージ６を移動させることにより、結像光学系４Ａの光軸に沿った被処理基板（非単結晶半導体）５の位置を調整することもできる。
【００６１】
次に、図８を参照して本実施形態のレーザ結晶化装置を液晶表示装置の回路の作製に利用する場合について説明する。アクティブマトリックス型液晶表示装置５０では、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薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）６０が形成される。ＴＦＴのソース、ドレイン、チャネル領域に用いられるシリコン膜のうち非晶質シリコン（a-Si）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、ＴＦＴ６０に用いる半導体薄膜として一般的に用いられている。しかし、a-Si膜は、導電率等の物性が多結晶シリコン（poly-Si）膜に比べて劣る（a-Si膜中の移動度はpoly-Si膜中の移動度に比べて２桁以上低い）という欠点がある。
【００６２】
そこで、本実施形態のレーザ結晶化装置１を用いて、所定パワー（１ショットが１Ｊ／ｃｍ2程度）のレーザ光をa-Si膜の所望の部位に照射することにより、ＴＦＴ６０のソース６２、ドレイン６３、チャネル６１となるべき領域に結晶性シリコン（poly-Si）を次々に形成する。ここで、本実施形態のレーザ結晶化装置１では、テレセントリック結像光学系を熱的に安定させているため、結像光学系４が被処理基板５に対して位置ずれしなくなる。さらに、制御部１０が、温度センサ２２の出力に基づいて結像光学系４の光軸に沿った非単結晶半導体５の位置を調整するので、レーザ光７０は最初のＴＦＴから最後のＴＦＴに至るまで所望の部位に高精度に照射される。
【００６３】
液晶表示装置５０は、透明基体５２、画素電極５３、走査線５４、信号線５５、対向電極５６、薄膜トランジスタ６０、走査線駆動回路５７、信号線駆動回路５８、及び、液晶コントローラ５９等を備えている。すなわち、液晶表示装置５０では、走査線駆動回路５７や信号線駆動回路５８などの高速動作を要求される周辺回路部に、図６（ｅ）に示すＴＦＴ６０を用いている。
【００６４】
この液晶表示装置５０は、周辺回路部やメモリ回路部等の能動素子を内包したシステムディスプレイを実現することができる。ＴＦＴ６０は、図６（ｅ）に示すような構造に形成され、高速動作を要求される周辺回路部例えば走査線駆動回路５７や信号線駆動回路５８などを構成する。走査線駆動回路５７や信号線駆動回路５８などの周辺回路部において、結晶成長終了位置から０．０５〜０．２μｍ以内にソース領域Ｓのソース端位置又はドレイン領域Ｄのドレイン端位置を形成したＴＦＴで構成することができる。すなわち、上記周辺回路を移動度（μｍａｘ）が３００ｃｍ2／Ｖ・s以上の優れた特性のＴＦＴで構成できる。
【００６５】
このようにして製造された表示装置は、周辺回路やメモリ回路などの能動素子を内包したシステムディスプレイを実現できる。この表示装置は、小型化と軽量化にも効果がある。上記の実施形態ではアクティブマトリックス型液晶表示装置の例について説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、有機ＥＬ表示装置の製造に本発明を適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】レーザ結晶化装置の概要を示す模式図である。
【図２】レーザ結晶化装置の照明系の概要を示す内部透視図である。
【図３】本発明の実施形態に係るレーザ結晶化装置の要部としてテレセントリックレンズ光学系を示すブロック断面図である。
【図４】テレセントリックレンズ光学系を光軸方向から見て示す平面図である。
【図５】（ａ）は両側テレセントリックレンズ光学系を示す模式図であり、（ｂ）は像側テレセントリックレンズ光学系を示す模式図である。
【図６】本発明のレーザ結晶化装置を用いて電子デバイスを製造する際の各工程における被加工物をそれぞれ示す断面模式図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係るレーザ結晶化装置の要部としてテレセントリックレンズ光学系を示すブロック断面図である。
【図８】表示装置の概要を示すブロック平面図である。
【符号の説明】
【００６７】
１  レーザ結晶化装置
２  照明系
２ａ  レーザ光源
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  空間強度変調光学素子（位相シフターまたは回折光学素子）
４  結像光学系
Ｌ１〜Ｌ１０  レンズ群（光学部材）
４ｃ  開口絞り
５  被処理基板
６  基板ステージ
１０−１７，２０−２２，４２−４８  温度調整部
９１  ヒータ
９２  ペルチェ素子
９３  ガス供給部
９４  温度センサ
９５  制御部
【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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