(57)【要約】【課題】従来技術の問題点を解決した位相シフタの製造方法、およびレーザアニール装置を提供する。【解決手段】石英基板に入射光を位相変調するパターンを有する位相シフタの製造方法であって、前記石英基板に対し前記石英基板上に金属膜を堆積しレジスト膜を塗布し露光および現像しレジストパターンを形成する。第１の反応性エッチングにより前記金属膜を前記レジストパターンをマスクとしてエッチングし金属膜パターンを形成する工程と、第２の反応性エッチングにより前記透過性基板を前記レジストパターンと前記金属膜パターンとをマスクとしてエッチングし前記透過性基板上にパターンを形成する工程と、前記金属膜パターンを除去する工程と、を具備することを特徴とする位相変調素子の製造方法である。本製造方法により製造された位相シフタは、テーパを有さない略垂直形状のパターン形成を実現させることが出来る。また面内において均一な形状を達成することも出来る。【選択図】      図３
2006100427.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透過性基板の表面に、入射光を位相変調するパターンを有する位相シフタの製造方法であって、
前記透過性基板上に前記位相変調するパターンを形成するための金属膜パターンを形成する工程と、
前記金属膜パターンをマスクとして前記透過性基板をエッチングし、前記透過性基板に前記位相変調するパターンを形成する工程と、
前記金属膜パターンを除去する工程と、を具備する事を特徴とする位相シフタの製造方法。
【請求項２】
透過性基板の表面に、入射光を位相変調するパターンを有する位相シフタの製造方法であって、
前記透過性基板上に金属膜を形成する工程と、
前記金属膜上にレジスト膜を形成する工程と、
前記透過性基板に前記位相変調するためのレジストパターンを形成する工程と、
第１のドライエッチングにより、前記レジストパターンをマスクとして前記金属膜をエッチングし、金属膜パターンを形成する工程と、
第２のドライエッチングにより、前記レジストパターンと前記金属膜パターンとをマスクとして前記透過性基板をエッチングし、前記透過性基板表面にパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンおよび前記金属膜パターンを除去する工程と、を具備する事を特徴とする位相シフタの製造方法。
【請求項３】
前記金属膜はクロム膜あるいはクロム原子を主成分とする合金膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の位相シフタの製造方法。
【請求項４】
前記第１のドライエッチングは、塩素系ガスを原料とするプラズマエッチングであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の位相シフタの製造方法。
【請求項５】
前記第２のドライエッチングはフッ素系ガスを原料とするプラズマエッチングであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の位相シフタの製造方法。
【請求項６】
前記金属膜の膜厚は１０乃至９００ｎｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の位相シフタの製造方法。
【請求項７】
前記金属膜の膜厚は３０乃至４００ｎｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の位相シフタの製造方法。
【請求項８】
レーザ光を照射して被処理材にアニール処理を行うレーザアニール装置であって、
レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記出射されたレーザ光を均一化するホモジナイズ光学系と、
前記ホモジナイズ光学系と前記被処理材との間のレーザ光路中に設置された位相シフタと、を具備し、
前記位相シフタは請求項１乃至７のいずれか１項記載の位相シフタの製造方法により製造された位相シフタであることを特徴とするレーザアニール装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばアクティブマトリクス型フラットパネルディスプレイに適用される、位相シフタの製造方法およびレーザアニール装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜半導体技術は、薄膜トランジスタ(ＴＦＴ: Thin Film Transistor)、密着センサ、光電変換素子等の半導体素子を絶縁性基板上に形成するための重要な技術である。薄膜トランジスタはＭＯＳ（ＭＩＳ）構造の電界効果トランジスタであり、液晶表示装置のようなフラットパネルディスプレイにも応用されている。
【０００３】
液晶表示装置は、一般に薄型、軽量、低消費電力でカラー表示も容易であるという特徴を有し、この特徴からパーソナルコンピュータあるいは様々な携帯用情報端末のディスプレイとして広く用いられている。液晶表示装置がアクティブマトリクス型である場合には、薄膜トランジスタが画素スイッチング素子として設けられる。
【０００４】
この薄膜トランジスタの活性層（キャリア移動層）は、例えばシリコン半導体薄膜からなる。このシリコン半導体薄膜は非晶質シリコン（アモルファスシリコン:ａ−Ｓｉ）および結晶相を有する多結晶質シリコン(非単結晶の結晶質シリコン)に分類される。この多結晶質シリコンは、主に多結晶シリコン(Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）であり、微結晶シリコン(μｃ−Ｓｉ）も多結晶質シリコンとして知られている。シリコン以外の半導体薄膜材料としては、例えばＳｉＧｅ、ＳｉＯ、ＣｄＳｅ、Ｔｅ、ＣｄＳ等が挙げられる。
【０００５】
多結晶質シリコンのキャリア移動度は非晶質シリコンのキャリア移動度の１０倍から１００倍程度大きい。この特性は、スイッチング素子の半導体薄膜材料として非常に優れている。近年、多結晶シリコンを活性層として用いた薄膜トランジスタは動作の高速性から例えばドミノ回路およびＣＭＯＳトランスミッションゲートのような様々な論理回路を構成することが可能なスイッチング素子であるとして注目されている。この論理回路は液晶表示装置およびエレクトロルミネセンス表示装置の駆動回路、マルチプレクサ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＣＤ、およびＲＡＭ等を構成する場合に必要となる。
【０００６】
次に、多結晶質シリコンの半導体薄膜を形成する従来の代表的プロセスを説明する。
【０００７】
このプロセスでは、ガラス等の絶縁性基板が最初に用意され、アンダーコート層（またはバッファ層）として例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）がこの絶縁性基板上に形成され、さらに半導体薄膜としてアモルファスシリコン膜（ａ−Ｓｉ）が約５０nm程度厚さでアンダーコート層上に形成される。この後、脱水素処理がアモルファスシリコン膜中の水素濃度を低下させるために行われ、続いてアモルファスシリコン膜の溶融再結晶化がエキシマレーザ結晶化法等により行われる。具体的には、エキシマレーザがアモルファスシリコン膜に照射され、これによりアモルファスシリコンを多結晶質シリコンに変化させる。
【０００８】
現在では、このようにして得られる多結晶質シリコンの半導体薄膜がｎチャネル型またはＰチャネル型薄膜トランジスタの活性層として用いられる。この場合、薄膜トランジスタの電界効果移動度（電界効果による電子または正孔の移動度）がｎチャネル型で１００〜１５０cm2/Vsec程度となり、ｐチャネル型で１００cm2/Vsecとなる。このような薄膜トランジスタを用いれば、信号線駆動回路および走査線駆動回路のような駆動回路を画素スイッチング素子と同一の基板上に形成して駆動回路一体型の表示装置を得ることができるため、表示装置の小型化、省電力化、製造コストの低減化などが可能となる。
【０００９】
ところで、現在実用化されている薄膜トランジスタの電気的特性は、デジタル映像データをアナログ映像信号に変換するＤＡ変換器やデジタル映像データを加工するゲートアレイ等の信号処理回路を表示装置の表示基板に一体化できるほど優れていない。上記信号処理回路を一体化する場合には、現在の３倍から５倍の電流駆動能力が薄膜トランジスタに必要とされる。
【００１０】
また、この薄膜トランジスタには、電界効果移動度も３００cm2/Vsec程度必要とされる。表示装置の高機能化および高付加価値化のためには、薄膜トランジスタの電気的特性をさらに向上させる必要がある。薄膜トランジスタで構成されるスタティックメモリが例えばメモリ機能を持たせるために各画素に付加される場合には、単結晶半導体を用いた場合と同等の電気的特性がこの薄膜トランジスタに要求される。このような理由から、薄膜トランジスタには、半導体薄膜の結晶性を単結晶に近づける研究が盛んに行われている。
【００１１】
近年、レーザアニールを用いたシリコン薄膜の大粒径結晶化に関しては、何らかの方法により従来の膜厚方向への成長から、基板に平行な方向へのいわゆる横方向成長をさせる方法が提案されている。例えば松村ら（非特許文献１）は、エキシマレーザの強度を空間的に変調することにより形成された光強度分布に沿って横方向成長を起こすプロセスについて報告をしている。これは位相変調エキシマレーザ結晶化法とよばれる方法である。
【００１２】
この方法の特徴は，図１０（ａ）に示すようにエキシマパルスレーザ光４１を、位相シフタ４２（例えば，石英板にラインアンドスペース構造の段差加工を行ったもの）と呼ばれる光学部品を通すことによって、図１０（ｂ）の符号４３で示すようなレーザ光強度分布に変調させている。このように強度変調されたレーザ光を，非晶質シリコン薄膜４４に図１０（ｃ）に示すように、一回照射することによって、図１０（ｄ）に示すように、照射領域４５を溶融し、結晶化している。
【００１３】
この方法は、通常のエキシマレーザ結晶化法とは異なり、非晶質シリコン薄膜４４に対して均一な光強度分布のレーザ光を使用しない。この方法では、変調された光強度分布４３により，レーザ照射された薄膜内には傾斜した温度分布が生じ，エネルギーの小さい所４７に結晶核が形成され、この位置を正確に定めることができる。また、図１０（ｄ）に示すように、この結晶核をもとにした横方向成長により成長距離が増大し大粒径結晶粒４６ａ，４６ｂを得ることができる。この方法は、さらに結晶粒の位置を制御することもできる。本願出願人は、この結晶化方法の工業化技術の開発を行っている。
【非特許文献１】表面科学 Vol.21，No.5，pp.278-287，2000
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本願の発明者らは，実際に図１１（ａ）に示すような、光学変調素子として、石英基板表面に直線の段差加工した位相シフタ１４１を用いて，光源からのレーザ光を図１１（ｂ）に示すようなレーザ光強度分布５１に変調して、未結晶化薄膜（この場合には、非晶質シリコン薄膜）に照射させて結晶化（この場合には、多結晶シリコン）させている。
【００１５】
基板上で横方向成長Si結晶粒を利用してＴＦＴを作製するためには、横方向成長Si結晶粒の位置をＴＦＴの位置に反映する必要がある。その基準となるものが位相シフタの光強度分布である。たとえば、位相シフタを用いた横方向成長技術においては、位相シフタの段差部分と実際に横方向成長する部分との位置関係が固定されているため、位相シフタの段差パターンの位置を任意に決めることによりできた横方向成長Si結晶粒の位置が決まる。したがって、位相シフタを作製する際に、結晶化後の工程で使用するパターニング用のフォトマスクとの位置の整合性が必要である。したがって、位相シフタの加工工程で加工誤差が生じると、上記位置情報にズレができ、このズレのために所望の結晶粒に位置決めして所望の特性のＴＦＴを位置合わせして形成することができないことが判った。
【００１６】
従来、位相変調素子は石英など、用いるレーザの波長に対して概して透明な材料を部分的にエッチング加工して作製するか、やはり概して透明な膜を部分的に被着させて作製する。石英上にレジスト膜を塗布し、露光・現像・エッチング加工を行ない作製する場合、上部レジスト膜が石英加工中に同時にエッチングされてしまうため、エッチングされるエリアは、実際の加工寸法よりも大きな形状となってしまい、問題となっている。しかも、基板が石英など絶縁物であるため、リアクティブイオンなどを用いたエッチング方法を用いると、基板のチャージアップなどのため面内のエッチング量に差が出ることも問題である。エッチング量は位相変調素子の場合、位相差角に相当するため、これが異なってしまうと、サイズが異なるのと同様に希望している光強度プロファイルが得られないなどの問題があることが判った。
【００１７】
大粒径の結晶化領域を量産技術と開発する過程において、図１０（ｂ）に示すような光強度分布の開き角が効くこと、最小ピーク光強度値を大きくすることなどの最適な形状があることが判ってきた。所望する光強度分布を得る位相シフタとしてデューティ変調型位相シフタが最適であることが判った。このデューティ変調型位相シフタは、２００４年の応用物理学会で谷口らが報告しているように（谷口  他、第５１回応用物理学関係連合講演会  講演予稿集、28a-ZG-3、pp929）、松村らが用いている位相シフタを拡張した位相シフタである。
【００１８】
図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、デューティ変調型位相シフタのパターンを概略的に示す平面図であり、図１２（ｂ）は、（ａ）図変調素子の光強度分布を示す波形図である。デューティ変調型位相シフタも位相変調素子の１つである。デューティ変調型位相シフタの原理について説明する。解像度以下の微細凹凸パターンを透過した光では０次光のみが結像に寄与する。この条件では凹凸パターンのデューティと段差量を変調することにより結像面での光強度分布を制御できる。周期型V字型光強度分布を光学シミュレーションにより設計したデューティ変調型位相シフタ１２１により、図１２（ｂ）に示すような所望の周期的V字型の光強度分布１２２を得ることに成功している。この光強度分布の特徴は、V字型の開き角と最小ピーク値の光強度を、調整することが可能であることである。
【００１９】
具体的には、図１２（ｂ）に示すように、第２領域１２１ａの占有面積比が最も１００％に近い両側位置において最も光強度が大きく、第２領域１２１ａの占有面積比が最も５０％に近い中央位置において最も光強度が小さい一次元方向に勾配を有する（Ｘ方向に勾配を有する）Ｖ字型の光強度勾配分布が得られる。この方式では、パターンの精度はレーザ光の強度プロファイルに大きく影響を及ぼす。連続的なパターンではない限り、それぞれのパターンのサイズにより強度が決められるため、計算で求めたパターンサイズからずれていると、単調に変化する強度プロファイルが得られない可能性が在り、最悪のケースでは望んだサイズの粒径が得られず、デバイス特性が悪い事態が起こる。
【００２０】
したがって、位相変調素子である位相シフタの中で、特にデューティ変調型位相シフタを作製する場合には、加工時に加工する場所と加工したくない場所とのそれぞれでのエッチング選択比を大きくとることと、所望のサイズパターンに正確に加工することの2点が要求される。さらに、ラインアンドスペースパターンと異なり所望の光強度分布を得るためには、大きさが異なる微小な島状領域を多数形成するために透過性基板をさらに高精度にエッチング加工する方法が要求されている。即ち、デューティ変調型位相シフタの製造には、透過性基板を正確に微細エッチング加工できるエッチング加工法が要求されている。
【００２１】
例えばフラットパネルディスプレイの高機能化および高付加価値化のためには、薄膜トランジスタにおいて活性層となる半導体薄膜の結晶性を向上させることが必要である。
【００２２】
そのために、横方向成長技術を用いたデバイス作製に関して量産化を目指しているのであるが、その中の有力な方法として位相変調法を採用した場合、キーとなる位相変調素子を正確に作製する方法が今までなかった。
【００２３】
本発明の目的は、所望する位相変調パターンを高精度に製造することができる位相シフタの製造方法およびレーザアニール装置を提供することにある。特に、本発明は横方向成長法で作製する多結晶シリコンＴＦＴにおいて、横方向成長を助長するための位相シフタにより所望するビームプロファイルを得ることができるという大きな効果を得ることができる。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明に係る位相シフタの製造方法は、透過性基板に、入射光を位相変調するパターンを有する位相シフタの製造方法であって、前記透過性基板上に前記位相変調するパターンを形成するための金属膜パターンを形成する工程と、前記金属膜パターンをマスクとして前記透過性基板をエッチングし、前記透過性基板に前記位相変調するパターンを形成する工程と、前記金属膜パターンを除去する工程と、を具備する事を特徴とする。この製造方法によれば所望する強度分布を得るための位相変調パターンを高精度に製造することができる。
【００２５】
さらに本発明に係る位相シフタの製造方法は、透過性基板の表面に、入射光を位相変調するパターンを有する位相シフタの製造方法であって、前記透過性基板上に金属膜を形成する工程と、前記金属膜上にレジスト膜を形成する工程と、前記透過性基板に前記位相変調するためのレジストパターンを形成する工程と、第１のドライエッチングにより、前記レジストパターンをマスクとして前記金属膜をエッチングし、金属膜パターンを形成する工程と、第２のドライエッチングにより、前記レジストパターンと前記金属膜パターンとをマスクとして前記透過性基板をエッチングし、前記透過性基板表面にパターンを形成する工程と、前記レジストパターンおよび前記金属膜パターンを除去する工程と、を具備する事を特徴とする。この製造方法によれば前記レジストパターンと前記金属膜パターンとをマスクとして前記透過性基板をエッチングするので、金属膜パターンがほとんどエッチングされることなく所望する強度分布を得るための位相変調パターンを高精度に製造することができる。この製造方法によれば、位相変調パターンをより高精度に製造することができる。
【００２６】
前記金属膜は好ましくはクロム膜あるいはクロム原子を主成分とする合金膜であることを特徴とする。前記金属膜としてクロム膜あるいはクロム原子を主成分とする合金膜を使用するので、前記透過性基板をエッチングする際ほとんどエッチングされない。そのため、所望する強度分布を得るための位相変調パターンを高精度に製造することができる。
【００２７】
前記第１のドライエッチングは、好ましくは塩素系ガスを原料とするプラズマエッチングであり、また前記第２のドライエッチングは、好ましくはフッ素系ガスを原料とするプラズマエッチングであることを特徴とする。この方法によれば高精度に金属パターンを形成できると、共にこの金属パターンをほとんどエッチングすることなく高精度に位相変調パターンを製造することができる。
【００２８】
前記金属膜の膜厚は、好ましくは１０乃至９００ｎｍの範囲内に、もしくは３０乃至４００ｎｍの範囲内にあることを特徴とする。この方法によれば中心部のパターンの深さに対して周辺部のパターンの深さ比率が１０％以内の高精度に製造することができる。
【００２９】
本発明に係るレーザアニール装置によれば、上記した透明性基板に対して高いエッチング選択比を有するマスクによりエッチングされた高精細な位相変調パターンの位相シフタを光学系に備えることができるので、例えば非晶質シリコン膜に大粒径の結晶化を行うことができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明方法によれば、位相シフタ用透過性基板を高精度にエッチング加工することができる。また、本発明装置によれば、所望する位置に結晶化領域を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】
【００３１】
本発明の実施の形態の概略を、図１を用いて説明する。図１は本発明に係る位相シフタの実施形態であるデューティ変調型位相シフタの作製工程を説明するためのフローチャート１の図である。まず、石英基板準備工程２は、デューティ変調型位相シフタの材料となる透過性基板として例えば入射するレーザ光に対して透過性を有する石英基板を準備し、ＲＣＡ洗浄３を行う。透過性基板とは使用する光の波長に対し透過性を有していれば良く、必ずしも１００％の透過率を必要とするものではない。ＲＣＡ洗浄３はＳＣ−１処理（８５℃のNH3/H2O2/H2Oの混合溶液処理）、ＳＣ−２処理（８５℃のHCl／H2O2/H2O混合溶液処理）の連続処理にて行われる洗浄方法である。ＲＣＡ洗浄は、被洗浄物の表面を汚染物質（パーティクル、油脂成分、金属汚染物等）を取り除くのに有効な洗浄方法であるが、処理液の温度は、８５℃に限定されるものではない。また、前処理は、ＲＣＡ洗浄に限定されるものではなく被洗浄物の洗浄能力を有する洗浄方法であればよい。
【００３２】
その後、ＲＣＡ洗浄処理された石英基板の上に、成膜装置例えばスパッタ装置にて石英基板に対し高いエッチング選択比を有する膜として金属膜の成膜を行う（４）。ここでは、金属膜例えばクロム膜の形成例えば成膜を行う。クロム膜は、後ほど記載する石英基板のエッチングマスクとして優れたエッチング選択比を有するため採用する。しかし、金属膜であり、石英基板に対し高いエッチング選択比を有するものであればエッチングマスクとして使用でき、クロム膜のみに限定されるものではない。
【００３３】
クロム膜成膜後、このクロム膜上には、レジスト膜が形成例えば塗布される（５）。クロム膜に所望のパターンを形成するためにＥＢ（電子ビーム）露光工程（６）、現像工程（７）にて、不要なレジスト膜が除去されレジストパターンが形成される。この結果、レジスト膜が除去された部分にクロム層が露出される。
【００３４】
露出したクロム膜を除去するためのドライエッチング例えば反応性のエッチング（８）以降の工程は、２つのそれぞれ別々のフローが考えられる。まず、図１の左のフローについて説明する。反応性のプラズマエッチング工程（８）は、例えばプラズマを用いたＲＦ反応性イオンエッチングを行う。具体的には、まず、最初にクロム膜のＲＦ反応性エッチングを行う（８ａ）。その後、レジスト膜とクロム膜の両方をマスクとして石英基板を予め定められた量のドライエッチング例えば反応性エッチングを行う（８ｂ）。
【００３５】
レジスト膜とクロム膜の両方を剥離後（９、９’）、再度ＲＣＡ洗浄工程を行う（１０）。次に、石英にダメージを起こさない範囲で希釈されたＨＦ（フッ酸）処理（１１）され、純水洗浄、乾燥工程が行われ、一連の処理工程が完了する。
【００３６】
右のフローは、上記説明の左のフローとは異なり、レジスト膜除去工程（９）がクロムエッチング後に行われる。これには、以下の２つの理由がある。第１の理由は、クロム膜が石英基板のエッチングに対して十分に選択比を有しているため、レジスト膜が無くてもクロム膜のみのマスクで十分に石英基板をエッチングできることである。第２の理由は、次工程の石英エッチング工程（８ｂ）時に、レジスト膜と石英基板のエッチング工程で使用されるフッ素系のラジカルとが反応し、除去しづらいカーボンフッ化物の生成を防止する意味がある。
【００３７】
図２は、各実施の形態の製造工程により製造された位相シフタを用いた結晶化するためのレーザアニール装置の光学的構成図を示す。このレーザアニール装置は、次のように構成されている。レーザ光源例えばＫｒＦエキシマレーザ９１から出射したレーザ光は、強度調整系９２に入射して所望する強度に調整される。強度調整されたレーザ光は、ホモジナイズ光学系９３に入射して均一化処理された後、位相シフタ９４に入射して位相変調され、結像光学系９５（図２ではプロジェクション型）にて被結晶化基板９６上に結像される。位相シフタ９４は、次に説明する各実施の形態により製造された位相シフタである。
【００３８】
レーザ光源として、例えばＫｒＦエキシマレーザ９１から１００Ｈｚの繰り返し周波数で、エネルギー強度が２８０ｍＪで、波長２４８ｎｍの波長を有するレーザ光を射出する。ホモジナイズ光学系９３は、入射したレーザ光をほぼ均一な光強度分布のレーザ光にする光学系であり、例えばフライアイレンズとコンデンサレンズ光学系とからなる。ホモジナイズ光学系９３を透過したレーザ光は、位相シフタ９４に入射される。この結像光学系９５は、例えばＮＡが０．１２で解像力が２μｍである１／５縮小の両側テレセントリック結像光学系もしくは片側テレセントリック結像光学系（被処理基板側のみテレセントリック光学系）である。この結像光学系９５は、必要に応じて歪補正と色収差補正とがなされている。結像光学系９５は入射光を被結晶化基板９６の所定の結像面に結像させるものであれば、どのようなものでも良い。例えば、縮小率も１／５に限定されることはなく、これよりも大きくても、小さくても良く、また等倍でも良い。
【００３９】
被結晶化基板９６は、例えば、液晶表示装置のガラス基板と、下地絶縁膜と非晶質シリコン薄膜と、絶縁体からなるキャップ膜とからなる。
【００４０】
第１の実施の形態  
本発明の第１の実施の形態を以下、図３を参照して説明する。図３は、第１の実施形態のＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）のデューティ変調素子及びその作製工程を工程順に説明するための断面図である。大きさ例えば１０ｃｍ四方、厚さ例えば１ｍｍのフオトマスク用合成石英基板２１上に、以下の条件で、金属膜として合成石英基板２１に対し高いエッチング選択比を有する例えばクロム膜２２あるいはクロム原子を主成分とする合金膜を膜厚例えば１００ｎｍを形成例えば成膜し、位相変調型位相シフタ用ブランクス２３を得た（図３（ａ））。このクロム膜２２の成膜工程は、ターゲットとしてクロム板がセットされたＤＣマグネトロンスパッターに搬入し、ガス例えばアルゴンガスが流量１００ｓｃｃｍ、圧力例えば３ｍｔｏｒｒに設定し、合成石英基板２１を加熱することなくＤＣマグネトロンスパッタリング方式により成膜した。
【００４１】
このブランクス２３上にフォトレジスト膜２４を全面に形成例えば塗布法等により被着した（図３（ｂ））。その後、上記ブランクス２３をＥＢ装置に搬入し、電子線リソグラフィ法により、予め設計された位相シフトパターンの露光を行ない、現像処理してレジストパターン２４ａを形成した（図３（ｃ））。ＥＢ露光装置は、東芝機械株式会社製超大型電子ビーム描画装置ＥＢＭ−８００を使用した。レジスト膜が除去され露出した部分のクロム膜２２を、レジストパターン２４ａをマスクとして以下の条件にて選択的に除去し、クロム膜パターン２２ａを形成した（図３（ｄ））。
【００４２】
クロム膜２２のエッチングプロセスは、平行平板ＲＦ反応性イオンエッチング装置に図３（ｃ）に示すレジストパターン２４ａが形成された上記ブランクス２３を搬入し、塩素系ガスを原料とするエッチングガスとして例えばジクロロメタンガス６０ｓｃｃｍと酸素４０ｓｃｃｍの混合ガスを供給し、圧力例えば１０ｍｔｏｒｒに設定して行った反応性イオンエッチングである。このエッチングプロセスにより合成石英基板２１上には、図２（ｄ）に示すようなクロム膜パターン２２ａとレジストパターン２４ａの積層マスクが形成される。金属膜のプラズマエッチングガスとしては、塩素系ガスを原料とするエッチングガスに限らず他のエッチングガスによるプラズマエッチングでもよい。
【００４３】
続いて、積層マスクを用いて合成石英基板２１を以下の条件でエッチングした。結晶化用レーザ光の波長が２４８ｎｍの光を用いる場合、位相差１８０°を作るためには、合成石英基板２１の屈折率を１．５とすると、約２５０ｎｍの深さが必要であり、その深さとなるように合成石英基板２１をエッチングして凹部２５を形成した（図３（ｅ））。
【００４４】
合成石英基板２１のエッチングプロセスは、平行平板ＲＦ反応性イオンエッチング装置に積層マスク付き合成石英基板２１を搬入し、フッ素系ガスを原料とするエッチングガスとして例えば４フッ化炭素ガス８０ｓｃｃｍと水素２０ｓｃｃｍの混合ガスを供給して、圧力を１０ｍｔｏｒｒに設定して行った反応性イオンエッチングである。透過性基板のプラズマエッチングガスとしては、フッ素系ガスを原料とするエッチングガスに限らず他のエッチングガスによるプラズマエッチングでもよい。
【００４５】
この後、レジスト膜の剥離を行った（図３（ｆ））。次にクロム膜を沃素・沃化カリ水溶液を用いて全面エッチング除去し、純水洗後、硫酸＋過酸化水素水処理、SC-1処理、SC-2処理し、位相変調素子である位相シフタ２６を得た（図３（ｇ））。それぞれの処理の間には純水による水洗を行なっている。最後に0.5％に希釈されたフッ酸の処理を行ない、純水水洗後乾燥した。それぞれの水洗時間はおおよそ10分間である。このようにして位相シフタであるデューティ変調型位相シフタ２６を製造した。
【００４６】
作製したデューティ変調型位相シフタ２６の平面図を図４（ａ）に示す。図４（ａ）において、点線Ｌはレイアウト上の線でありデューティ変調型位相シフタ２６には反映されない。図３（ｅ）の平面形状は、面積が順次異なる四角形状の凹部２５である。メッシュ部分をエッチングすることにより凹部２５を作製する。なお、深さは、上記したように入射光の波長２４８ｎｍに対してほぼ１８０°の位相差となるように約２５０ｎｍとした。
【００４７】
次に、合成石英基板２１のエッチング工程におけるクロムマスクとレジストマスクのマスク効果について、図４（ｂ）と（ｃ）を参照して説明する。クロム膜パターン２２ａがある場合のデューティ変調型位相シフタ２６と、従来技術であるクロム膜パターン２２ａの無い場合のデューティ変調型位相シフタ３１の加工形状の違いを、それぞれの断面図を図４（ｂ）、および図４（ｃ）に示す。図４（ｂ）には、クロム膜パターン２２ａがある場合の凹部２５のエッチング形状が示されている。
【００４８】
図４（ｃ）には、クロム膜パターン２２ａがなくレジストパターン２４ａが合成石英基板２１上にある場合の凹部２５のエッチング形状が示されている。実際に合成石英基板２１をエッチングする際に、レジストパターン２４ａは、かなりエッチングされていることに起因したエッチング状態が図４（ｃ）に示されている。これは選択比によるものであり、この合成石英基板２１とレジストパターン２４ａのエッチング条件下では、合成石英基板２１のエッチング深さと同程度の後退が見られた（図４（ｃ））。
【００４９】
すなわち、レジストパターン２４ａの下側にあるクロム膜パターン２２ａが無いと、レジスト膜の横方向エッチングによる側部の後退のためにエッチングされた合成石英基板２１の断面は上方が下方よりも開いている形状となる。図４（ｃ）は概念図を記載しているため、正確に示されていないが、具体的には、このエッチング条件においては、ほぼ４５°のテーパが付いたエッチング形状になっている。約２５０ｎｍの深さで４５°のテーパがつくと、１マイクロメートル幅の段差を狙っていたとすると、底の幅が１マイクロメートルなのに対して上の幅は１．５マイクロメートルとなる。
【００５０】
これに対し、クロム膜パターン２２ａがある場合は、クロム膜は合成石英基板２１のエッチング条件では高い選択比を有するため、ほとんどエッチングされず、実際に加工されたパターンは、ほぼクロムのパターンと同じサイズが得られている(図３（ｂ）)。位相変調素子ではこのメタル膜は不要であり、その後のプロセスでエッチング除去する必要があるため、工程は増加するが、正確なパターンを描画することが可能である点では大きな効果を有している。
【００５１】
さらに、電子線リソグラフィによりフォトレジスト膜２４に描画するプロセスであるが、合成石英基板２１上に直接フォトレジスト膜２４が被着している従来のケースでは、描画に用いる電子線の電荷が基板に蓄積するチャージアップの現象が起こるため、均一性よく描画できないが、本実施例においては導電性があるクロム膜２２が成膜されているため、そのような現象が起こず、優れた均一性を有する露光が実現できる。
【００５２】
さらに、合成石英基板２１のエッチング工程時であるが、従来例のフォトレジストパターン２４ａのエッチング工程時では、絶縁性基板上の絶縁膜のエッチングであるため、エッチングレートに面内分布が生じる。これに対してクロム膜パターン２２ａ上にレジストパターン２４ａを成膜した合成石英板２１においては、この上記面内分布が小さくなる。
【００５３】
これはプラズマ中でそのイオン成分の電界に従う指向性を利用した異方性エッチングにおいて、絶縁物を被エッチング対象物（合成石英基板２１）とする場合、当該絶縁物の中心と周辺部では電界の印加状況が大きく異なり、周辺の電界の方が電界のエッジ効果で中心と異なる電界強度を有する場合が多い。それにより、中心部と周辺部ではエッチング形状が異なるのである。
【００５４】
これに対し、被エッチング対象物（合成石英基板２１）である絶縁物の表面に金属膜を堆積したものは、電界が中心と周辺で均一となるため、エッチングの形状も均一となるのである。そのため、深さ方向のばらつきも小さくなることがわかった。またエッチング時に残渣として残ってしまうフォトレジストの弗化物は、クロムが下地にあることで最終的に合成石英基板２１上に残りにくい。
【００５５】
さらに、その後レジスト剥離プロセスで除去される。本実施例においては、RCA洗浄プロセスにおいて完全に除去することが可能であった。ただ、クロム膜の被着時に合成石英基板２１との界面で生じる酸化クロム膜は通常では除去しにくいが、ドライエッチングプロセスにおいては問題なくエッチングできるし、その後の全面エッチング除去プロセスにおいても沃素・沃化カリ水溶液を用いることで問題なく除去できる。
【００５６】
第２の実施の形態  
第２の実施の形態を図５を参照して説明する。第１の実施の形態と異なるのは、反応性エッチング工程においてクロム膜２２あるいはクロム原子を主成分とする合金膜のエッチング工程後に、レジストパターン２４ａの除去工程を設けたことである。即ち、クロム膜パターン２２ａのみをマスクとして位相シフタを形成するための合成石英基板２１をエッチングするプロセスとしたことである。図３と同一部分には同一符号を付与し、その詳細な説明を省略する。
【００５７】
レジストパターン２４ａの除去手段は、酸化性プラズマにて処理する方法でも、湿式処理を用いても良い。このようにすることにより次工程の合成石英基板２１のエッチング工程時に、そのフッ素系のガスプラズマにより発生するフッ素系エッチャントとレジスト膜２４のカーボン系が反応しカーボンフッ化物を生成するのを防止する。カーボンフッ化物は除去工程が困難となるためである。また石英基板エッチング時にはクロム膜パターン２２ａのみのマスクとなるが、クロム膜２２は合成石英基板２１のエッチング工程において高い選択比を持つため、クロム膜パターン２２ａだけでも十分にマスクとして機能する。
【００５８】
第３の実施の形態  
第１及び第２の実施の形態で製造した位相シフタ２６と、従来の石英基板をレジストパターンのマスクのみで加工して製造した位相シフタとを用いてレーザ光の強度を変化させた結果を図６に示す。従来プロセスの場合は作製したシフタの場所によってエッチングレートの違いが生じ、形状・深さともにばらつくため、複数のデータを示した。
【００５９】
これに対して、本発明により製造された位相シフタ２６においては、マスク（クロム膜パターン２２ａ、レジストパターン２４ａ）の面内で非常に均一な位相シフタができているため、複数点での強度分布はほぼ重なることがわかり、そのため一つの結果のみを記載する。本実施形態・従来例ともに、強度変化が０％から１００％まで変化し、ほぼ直線状で１０マイクロメートル幅で変化するように製造した。
【００６０】
本実施の形態においては、ほぼ直線状に変化しているのに対して、従来例は直線からのズレがあり、しかも場所による違いがあるため、照射エリア内で所望の強度分布が得られておらず、これは、位相シフタ作製時にパターンサイズなどを工夫することだけでは対応できない。
【００６１】
第４の実施の形態  （単純段差位相シフタの例）  
第１及び第２の実施の形態で製造した単純段差位相シフタ２６と、従来の石英をレジスト膜のみで加工して製造した単純段差位相シフタ３１とに、ホモジナイズ光学系であるホモジナイザを透過した後のレーザ光を照射し、位相変調された後の逆ピークパターン３２（実線：本実施例）、３３（点線：従来例）の相対位置関係を図７に示す。従来の単純段差位相シフタ３１では、位相段差部にテーパができてしまうため、実質的に基準の点が一つおきにずれて示されている（図７の矢印）。このような位相シフタ３１を用いた結晶化装置により結晶化された領域は、均一ではなくなり、一つおきに大小が並ぶ不均一な結晶構造を有する事となってしまい実用上大きな問題となる。例えば表示装置の各画素スイッチングトランジスタ形成部を結晶化し、この結晶化領域に薄膜トランジスタを形成した場合、例えば直線が再生できない課題が発生する。それに対し本実施例の逆ピークパターン３２は位置ずれの発生が無く均一な結晶構造を提供することが出来る。
【００６２】
第５の実施の形態  
本実施例の位相シフタ２６および従来例の位相シフタ３１のサイズを光学的な有効面積として１ｍｍ×３００ｍｍ、部材面積として１００ｍｍ×４００ｍｍとした場合の位相シフタ２６および３１の形状を図８に示す（差違がより判るように縦横比の寸法比率は変えてある）。第１及び第２の実施の形態で製造した位相シフタ２６では中心部も周辺部もほとんど形状に差が見られず、深さ、側壁形状もテーパを有さず良好な形状であることがわかる。
【００６３】
これに対し、従来のレジストパターン２４ａのみをマスクとして製造した位相シフタ３１では、図８に示すように中心と、周辺部では深さが異なり、また図４に示したように側壁形状もテーパを有した形状となっている。位相シフタ２６の良好な形状は、クロム膜パターン２２ａが電界均一化の機能を有することによるエッチング形状均一化と、高い選択比による垂直形状形成によるものと考える。従って位相シフタのサイズが大きくなればなるほど、位相シフタの中心と周辺での形状の差が大きくなる。
【００６４】
図９は、クロム膜２２の厚さを５ｎｍ〜１０００ｎｍで変化させた場合の中心部と周辺部の形状の比較をグラフにしたものである。中心部のパターンの深さに対し、周辺部のパターンの深さの比率を縦軸に、横軸には、金属膜であるクロム膜の膜厚をとりグラフ化したものである。
【００６５】
これより中心部のパターンの深さに対し１０％以下の変動しかないのはクロム膜厚が１０ｎｍから９００ｎｍの場合である。さらに５％以下の変動しかない領域は３０ｎｍから４００ｎｍの範囲であり、非常に良好な均一性を有していることが判る。１０ｎｍ未満の場合は、クロム膜厚が薄すぎ、電界を均一にする効果が低下したために形状の均一性が悪化したものと考えられる。また９００ｎｍを超える値ではあまりに厚すぎるためかえってクロムのマスクが、エッチングの邪魔になり、マイクロローディング効果により均一性を悪化したものと考えられる。
【００６６】
これまで述べたように、石英基板等の透過性基板をレジスト膜のみで加工する方法では、必要な強度分布と異なる分布となってしまっていた。しかし我々の実験の結果では、レーザの照射部分から整形部分に至るまでの光学系に固有の分解能を考慮し、分解能に対応したマスクパターンをもちいることで、設計に対応した強度分布を、作製することに成功した。この整形方法を用いることで、スループットよく横方向成長が可能となり、作製された薄膜トランジスタの電流駆動能力の増大を量産性よく得るという大きな効果を得ることができる。
【００６７】
以上、上記位相シフタの製造方法は特殊な製造プロセスを必要とせずに、本製造方法によって製造された位相シフタを用いることにより、スループットの良い薄膜半導体基板を得ることのできる薄膜半導体用アニール方法、薄膜半導体装置、薄膜半導体装置製造方法、および表示装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明方法をデューティ変調型位相シフタの作製工程に適用した実施形態を説明するためのフローチャートの図である。
【図２】図１のデューティ変調型位相シフタを用いたレーザアニール装置の光学的構成を示す図である。
【図３】図１のデューティ変調型位相シフタの作製工程を工程順に説明するための断面図である。
【図４】図１の金属マスクによる透過性基板のエッチング溝形状とレジストマスクによる透過性基板のエッチング溝形状とを比較して説明するための断面図である。
【図５】図１の他の実施形態を説明するための図である。
【図６】本発明により製造した位相シフタと、従来の石英をレジスト膜のみで加工して製造した位相シフタとを用いてレーザ光の強度を変化させた結果を示す図である。
【図７】本発明により製造した単純段差位相シフタと、従来の石英をレジスト膜のみで加工して製造した単純段差位相シフタとを用いてレーザ光の相対強度と位置との関係を示した図である。
【図８】位相シフタのサイズを光学的な有効面積として１ｍｍ×３００ｍｍ、部材面積として１００ｍｍ×４００ｍｍとした場合の、本発明による位相シフタと従来の位相シフタを用いた場合のそれぞれの形状を示す図である。
【図９】本発明方法により製造されたクロム膜厚を変化させた場合の、中心部のパターン深さに対する周辺部のパターン深さを示す図である。
【図１０】従来技術である位相変調エキシマレーザ結晶化法を説明する概略図である。
【図１１】位相シフタを概略的に示す図である。
【図１２】デューティ変調型位相シフタの全体構成を概略的に示す図である。
【符号の説明】
【００６９】
２１…合成石英基板、２２…クロム膜、２２ａ…クロム膜パターン、２３…位相変調型位相シフタ用ブランクス、２４…レジスト膜、２４ａ…レジストパターン、２５…凹部、４１…エキシマレーザ光、４２…位相シフタ、４３…光強度分布、４４…非晶質シリコン薄膜、４６ａ．４６ｂ…大粒径結晶粒、５１…レーザ光強度分布、９１…ＫｒＦエキシマレーザ、９２…強度調整系、９３…ホモジナイズ光学系、９４…位相シフタ、９５…結像光学系、９６…基板、１２１…デューティ変調型位相シフタ、１２２…光強度分布、１４１…位相シフタ。
【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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