(57)【要約】【課題】  所望のボトムピーク強度を有する逆ピーク状の光強度分布を所望する位置に安定的に形成することができ、ひいては形状および大きさが均等な結晶粒を半導体膜に形成することのできる結晶化装置。【解決手段】  位相変調領域を有する光変調素子（１）と、光変調素子を照明するための照明系（２）と、光変調素子により位相変調された光に基づいて所定の光強度分布を所定面に形成するための結像光学系（３）とを備えている。位相変調領域の基本パターンの寸法は、光変調素子上に換算した結像光学系の点像分布範囲の寸法以下である、位相変調領域は、所定面における光複素振幅分布のうちの位相分布が所定の線分に沿って「のこぎり刃状」の分布になるように構成されている。【選択図】  図１
2006100771.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの基本パターンを有する単位位相変調領域を有する光変調素子と、
前記光変調素子を照明するための照明系と、
前記位相変調領域により位相変調された光に基づいて所定の光強度分布の光を被照射面に入射させるための結像光学系とを具備し、
前記位相変調領域の基本パターンの寸法は、前記光変調素子上に換算した前記結像光学系の点像分布範囲の寸法以下であり、
前記位相変調領域は、前記被照射面における光複素振幅分布のうちの位相分布が所定の線分に沿って「のこぎり刃状」の分布になるように構成されている光照射装置。
【請求項２】
前記位相変調領域は、前記光複素振幅分布のうちの前記線分に沿った振幅分布が前記位相分布の「のこぎり刃状」の分布の段差部分に対応する領域を除いてほぼ一定になるように構成されている請求項１に記載の光照射装置。
【請求項３】
前記位相変調領域は、前記光複素振幅分布のうちの振幅分布が前記線分からの距離に応じて増加するように構成されている請求項１または２に記載の光照射装置。
【請求項４】
前記位相変調領域は、少なくとも三種類の位相変調値を有する領域からなる請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光照射装置。
【請求項５】
前記照明系は、前記線分を含む面内に沿って傾いた照明光で前記光変調素子を照明する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光照射装置。
【請求項６】
前記照明系は、前記位相分布の「のこぎり刃状」の分布の段差部分における位相進みの側から位相遅れの側へ向かう成分を含む方向に対応する方向に沿って前記光変調素子を照明する請求項５に記載の光照射装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光照射装置と、前記被照射面に非単結晶半導体膜を保持するためのステージとを備え、前記被照射面に保持された非単結晶半導体膜の少なくとも一部に前記光強度分布を有する光を照射して結晶化半導体膜にする結晶化装置。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光照射装置を用いて、前記被照射面に保持された非単結晶半導体膜の少なくとも一部に前記光強度分布を有する光を照射して結晶化半導体膜にする結晶化方法。
【請求項９】
請求項７に記載の結晶化装置または請求項８に記載の結晶化方法を用いて製造された半導体デバイス。
【請求項１０】
位相変調領域を有する光変調素子であって、
前記位相変調領域は、前記光変調素子と光学的にほぼ共役な面に形成される光複素振幅分布のうちの位相分布が所定の線分に沿って「のこぎり刃状」の分布になるように構成されている光変調素子。
【請求項１１】
前記位相変調領域は、前記光複素振幅分布のうちの前記線分に沿った振幅分布が前記位相分布の「のこぎり刃状」の分布の段差部分に対応する領域を除いてほぼ一定になるように構成されている請求項１０に記載の光変調素子。
【請求項１２】
前記位相変調領域は、前記光複素振幅分布のうちの振幅分布が前記線分からの距離に応じて増加するように構成されている請求項１０または１１に記載の光変調素子。
【請求項１３】
前記位相変調領域は、少なくとも三種類の位相変調値を有する領域からなる請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の光変調素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光照射装置、結晶化装置、結晶化方法、およびデバイスに関し、例えば、所定の光強度分布を有するレーザ光を非単結晶半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、たとえば液晶表示装置（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夫々異なり、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、非単結晶半導体膜（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を介して非単結晶半導体膜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）の光強度分布を非単結晶半導体膜の照射面で有するレーザ光を、非単結晶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（以降、「ラテラル成長」とよぶ）することにより大粒径の単結晶粒が生成される。
【０００７】
さらに、位相シフターの位相段差により生成された逆ピーク状の光強度分布の光束を非単結晶半導体膜に照射することにより結晶の成長開始点の位置決めを行うことが、たとえば非特許文献２に開示されている。
【非特許文献２】M. Jyumonji 他, "Arrays of Large Si Grains Grown at Room Temperature for x-Si TFTs", SID 04 Digest, pp.434, 2004
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非特許文献２では、３６０度の位相をｎ段に分割した多段の位相段差により逆ピーク状の光強度分布を形成している。このとき、一段当たりの位相差は３６０度／ｎになる。そして、非特許文献２には、この段差の数ｎを適宜設定し、ひいては一段当りの位相差を適宜設定することにより、逆ピーク状の光強度分布におけるボトムピーク（逆ピーク点）における光強度を調整できることが記載されている。多段の位相段差では、段差数ｎを増やすほど一段当たりの位相差が小さくなり、ボトムピークにおける光強度は浅く（大きく）なる。そして、適度な位相差の段差を選ぶことにより、ボトムピークの光強度を「結晶成長開始強度」に近くなるように調整することができる。
【０００９】
図２４は、０度の位相領域１００ａと９０度の位相領域１００ｂとを有し、これらの間の位相差が９０度の二段の位相段差を有する位相シフター１００により得られる光強度分布のシミュレーション結果を示す図である。位相差が９０度の二段の位相段差を用いると、結像光学系のフォーカス位置に形成される逆ピーク状の光強度分布は、位相シフト線１００ｃに対応したピーク線１０１（破線で示され、フォーカス位置での光強度分布の逆ピーク点を通る垂直線）に対して、図２４（ｂ）に示すように、左右対称である。これに対し、結像光学系のフォーカス位置から上下に微小移動したデフォーカス位置では、図２４（ａ）および（ｃ）に示すように、形成される逆ピーク状の光強度分布の対称性（ピーク線１０１に対する対称性）は大きく崩れ、そのボトムピークの位置がラテラル方向にシフト（移動）する。
【００１０】
一般に、位相差が１８０度よりも小さい二段の位相段差を用いると、フォーカス位置から上下したデフォーカス位置での光強度分布の対称性が大きく崩れる。しかも、図２４（ａ）の光強度分布と図２４（ｃ）の光強度分布とでは、デフォーカス方向に依存して対称性の崩れ方が逆になるので、焦点深度が浅く（狭く）なってしまう。ボトムピークのシフト方向は、結像光学系から離れるデフォーカス位置では位相段差の位相進みの側（シフターの凹部）であり、結像光学系へ近づくデフォーカス位置では位相段差の位相遅れの側（シフターの凸部）である。結像光学系のフォーカス位置に保持される被処理基板には、デフォーカスの原因となる板厚偏差が不可避的に存在する。すなわち、たとえば液晶ディスプレイなどに用いられるガラス基板にはある程度の板厚分布があるため、このようなデフォーカスは不可避である。本発明において用いる位相の定義を、図２６を参照して説明する。平面波が入射した場合の位相シフター直後の波面を考え、光の進行方向にシフトしている場合その領域を「位相進み」側の領域とし、逆に光源側にシフトしている場合その領域を「位相遅れ」側の領域と定義する。位相シフターが凹凸形状により形成されている場合、その段差の両側において凸の側が位相遅れの側、凹の側が位相進みの側となる。凹凸形状以外の位相シフターに対してもこの定義を適用できる。また、用いる結像光学系の解像度以下の微細パターンで位相を制御する方法も考えられるが、その場合は像面に形成される波面に対して同様の定義を適用すればよい。また、位相シフターの説明において位相値を用いる場合に、その値は位相進みの方向を正とする。例えば、＋９０度は位相進みを、−９０度は位相遅れを意味する。
【００１１】
二段の位相段差では、位相の進む面と位相の遅れる面とが交互に繰り返すため、ボトムピークのシフト方向は交互に逆向きとなる。その結果、ボトムピークの位置が不等間隔になり、ひいては結晶の成長開始位置（結晶粒の位置）も不等間隔になるため、結晶粒の形状および大きさが均等にならない。また、一般に、デフォーカスによりボトムピークの両側にあるピークのうち、一方側のピークの光強度が持ち上がって増大し、他方側のピークの光強度が下がって減少する。その結果、持ち上がるピーク同士および下がるピーク同士がそれぞれ接することになり、その相乗効果で光強度の変化が増幅されてしまう。この現象は、位相段差のピッチが小さくなるほど顕著になり、光強度分布が温度に変換されることによりさらに強調される。
【００１２】
図２５は、位相差が９０度の四段の位相段差を有する位相シフター１１０により得られる光強度分布のシミュレーション結果を示す図である。位相差が９０度の四段の位相段差を用いると、結像光学系のフォーカス位置に形成される逆ピーク状の光強度分布は、位相シフト線１１０ｃに対応したピーク線１０１（破線で示され、フォーカス位置での光強度分布の逆ピーク点を通る垂直線）に対して、図２５（ｂ）に示すように、左右対称である。これに対し、結像光学系のフォーカス位置から上下に微小移動したデフォーカス位置では、図２５（ａ）および（ｃ）に示すように、形成される逆ピーク状の光強度分布の対称性は大きく崩れ、そのボトムピークの位置がシフトする。
【００１３】
しかしながら、一般に多段の位相段差の場合には、二段の位相段差の場合とは異なり、位相の進む向きが同一方向（図中左側から右側へ向かう方向）に揃うため、ボトムピークのシフト方向も同一方向（図中右側から左側へ向かう方向）に揃うことになる（このときデフォーカス量すなわちガラスの板厚分布は局所的には一定と考える）。したがって、多段の位相段差では、ボトムピークの位置が等間隔になり、ひいては結晶の成長開始位置（結晶粒の位置）も等間隔になるため、結晶粒の形状および大きさが均等になる。また、光強度が持ち上がって増大するピークと光強度が下がって減少するピークとが接するため、光強度の変化が相殺される（互いに打ち消される）。さらに、光強度分布が温度に変換されることを考えると、光強度の変化がより均等化される。
【００１４】
上述のように、多段の位相段差は、二段の位相段差に比して有利であるが、以下の課題がある。第１に、多段の位相段差の場合、３６０度／ｎの位相差を有する位相段差しか実現することができない。具体的に、図２５に示す四段の位相段差の場合、すべての段差の位相差を同じにしようとすると、第３段目から第０段目に戻るときの位相差は他の段差間の位相差と同じでなければならない。この制約を考えると、多段の位相段差における位相差は３６０度／ｎ以外はありえない。したがって、種々の条件により３６０度／ｎで決まる離散的な位相差（角度）の間の位相差が最適であるとわかっていても実現することができない。
【００１５】
第２に、多段の位相段差の場合、光変調素子（位相シフター）の作製が困難である。すなわち、位相段差の作製は一般的には深さが一定の凹凸加工を複数回繰り返すことにより実現されるが、段差数ｎが２mまではｍ回の加工で実現可能である。具体的に、たとえば四段（４＝２2）の位相段差は２回の加工により、５段〜８段（８＝２3）の位相段差は３回の加工により実現可能である。このように、５段以上の位相段差の実現には、３回以上の凹凸加工が必要となる。一度加工した凹凸面の上へ重ねて再加工することの困難性およびアライメント（位置決め）の困難性を考えると、２回の凹凸加工を要する四段の位相段差までは実現可能であるが、３回以上の凹凸加工を要する多段の位相段差は極めて困難である。ボトムピークの光強度を適度な大きさにするには例えば６段程度の位相段差が望ましくても、３回の凹凸加工が必要になるため実現は困難であった。
【００１６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、所望のボトムピーク光強度を有する逆ピーク状の光強度分布を所望する位置に安定的に形成することができ、ひいては形状および大きさが均等な結晶粒を半導体膜に形成することのできる結晶化装置および結晶化方法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】
【００１７】
前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、少なくとも１つの基本パターンを有する単位位相変調領域を有する光変調素子と、
前記光変調素子を照明するための照明系と、
前記位相変調領域により位相変調された光に基づいて所定の光強度分布の光を被照射面に入射させるための結像光学系とを具備し、
前記位相変調領域の基本パターンの寸法は、前記光変調素子上に換算した前記結像光学系の点像分布範囲の寸法以下であり、
前記位相変調領域は、前記被照射面における光複素振幅分布のうちの位相分布が所定の線分に沿って「のこぎり刃状」の分布になるように構成されている光照射装置を提供する。
【００１８】
第１形態の好ましい態様によれば、前記位相変調領域は、前記光複素振幅分布のうちの前記線分に沿った振幅分布が前記位相分布の「のこぎり刃状」の分布の段差部分に対応する領域を除いてほぼ一定になるように構成されている。また、前記位相変調領域は、前記光複素振幅分布のうちの振幅分布が前記線分からの距離に応じて増加するように構成されていることが好ましい。
【００１９】
また、第１形態の好ましい態様によれば、前記位相変調領域は、少なくとも三種類の位相変調値を有する領域からなる。また、前記照明系は、前記線分を含む面内に沿って傾いた照明光で前記光変調素子を照明することが好ましい。この場合、前記照明系は、前記位相分布の「のこぎり刃状」の分布の段差部分における位相進みの側から位相遅れの側へ向かう成分を含む方向に対応する方向（ラテラル方向）に沿って前記光変調素子を照明することが好ましい。
【００２０】
本発明の第２形態では、第１形態の光照射装置と、前記被照射面に非単結晶半導体膜を保持するためのステージとを備え、前記被照射面に保持された非単結晶半導体膜の少なくとも一部に前記光強度分布を有する光を照射して結晶化半導体膜にする結晶化装置を提供する。
【００２１】
本発明の第３形態では、第１形態の光照射装置を用いて、前記被照射面に保持された非単結晶半導体膜の少なくとも一部に前記光強度分布を有する光を照射して結晶化半導体膜にする結晶化方法を提供する。
【００２２】
本発明の第４形態では、第２形態の結晶化装置または第３形態の結晶化方法を用いて製造された半導体デバイスを提供する。
【００２３】
本発明の第５形態では、位相変調領域を有する光変調素子であって、
前記位相変調領域は、前記光変調素子と光学的にほぼ共役な面に形成される光複素振幅分布のうちの位相分布が所定の線分に沿って「のこぎり刃状」の分布になるように構成されている光変調素子を提供する。
【００２４】
第５形態の好ましい態様によれば、前記位相変調領域は、前記光複素振幅分布のうちの前記線分に沿った振幅分布が前記位相分布の「のこぎり刃状」の分布の段差部分に対応する領域を除いてほぼ一定になるように構成されている。また、前記位相変調領域は、前記光複素振幅分布のうちの振幅分布が前記線分からの距離に応じて増加するように構成されていることが好ましい。また、前記位相変調領域は、少なくとも三種類の位相変調値を有する領域からなることが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明では、いわゆる「三値位相変調」の光変調素子を用いることにより、結像面における振幅の分布と位相の分布とを独立に制御することができる。その結果、本発明の結晶化装置および結晶化方法では、「三値位相変調」の光変調素子を用いて、所望のボトムピーク光強度を有する逆ピーク状の光強度分布を所望する位置に安定的に形成することができ、ひいては形状および大きさが均等な結晶粒を半導体膜に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】
【００２６】
本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる結晶化装置の構成を概略的に示す図である。また、図２は、図１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、本実施形態の結晶化装置は、入射光束を位相変調して所定の光強度分布を有する光束を形成するための位相シフターのような光変調素子１と、光変調素子１を照明するための照明系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。
【００２７】
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、たとえば２４８ｎｍの波長を有するレーザ光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源２ａを備えている。光源２ａとして、ＸｅＣｌエキシマレーザ光源や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ー光線を出射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。光源２ａから供給されたレーザ光は、ビームエキスパンダ２ｂを介して拡大された後、第１フライアイレンズ２ｃに入射する。
【００２８】
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小光源が形成され、これらの複数の小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複数の小光源からの光束は、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。
【００２９】
第１フライアイレンズ２ｃと第１コンデンサー光学系２ｄとで、第１ホモジナイザが構成されている。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について、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と第２コンデンサー光学系２ｆとで、第２ホモジナイザが構成されている。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について、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。
【００３０】
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光変調素子１を照射する。光変調素子１で、光変調、例えば位相変調されたレーザ光は、結像光学系３を介して、被処理基板４に入射する。ここで、結像光学系３は、光変調素子１の位相パターン面と被処理基板４とを光学的に共役に配置している。換言すれば、被処理基板４は（詳しくは、これの被照射面）、光変調素子１の位相パターン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。
【００３１】
結像光学系３は、正レンズ群３ａと、正レンズ群３ｂと、これらのレンズ群の間に配置された開口絞り３ｃとを備えている。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の半導体膜上（被照射面）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。なお、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。
【００３２】
また、被処理基板４は、基板上に、下層絶縁膜、半導体薄膜、上層絶縁膜の順に成膜することにより構成されている。より詳しくは、この実施の形態では、被処理基板４は、たとえば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、非単結晶膜例えば非晶質シリコン膜および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、ガラス基板中の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。
【００３３】
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。
【００３４】
以下、光変調素子１の具体的な実施例の説明に先立って、本発明の原理について説明する。本発明では、３つ（一般には３つ以上）の位相変調すなわち「三値位相変調」を有する光変調素子（位相変調素子）を用いることにより、結像面における振幅の分布と位相の分布とを独立に制御できることを見出した。そして、振幅が一定で位相が「のこぎり刃状（頂角を規定している２辺の長さが異なっているほぼ三角形の刃がラテラル方向に一列に並んでいる状態）」に変化する分布を生成することにより、多段の位相段差と同等の効果を実現できることを見出した。以下、「三値位相変調」の原理を説明する。
【００３５】
まず、図３を参照して、３つの位相変調値により、結像面へのレーザ光の振幅と位相とを独立に制御できることを説明する。光変調素子１上の点Ｐから発した光は、図３（ａ）に示すように、結像光学系３を介して、被処理基板４上の点Ｐ’に達する。光変調素子１は、図３（ｂ）に示すように、三種類の位相変調値の領域１ａ〜１ｃ、すなわち基準となる０度の位相変調値を有する領域１ａと、＋θの位相変調値（基準位相領域１ａでの位相変調量を０度と基準化したときの相対的な位相差）を有する領域１ｂと、−θの位相変調値を有する領域１ｃとにより構成されている複数のセル（基本パターン）が一面に縦方向と横方向とにマトリックス状に形成された、石英基板のような透明基板により構成されている。
【００３６】
ここで、光変調素子１上の点Ｐに対応する被処理基板４上の点Ｐ’に着目すると、点Ｐ’での光複素振幅分布Ｕ（Ｐ’）は、次の式（１）に示すように、結像光学系３により決定される点像振幅分布ＰＳＦ（ｘ，ｙ）と光変調素子１の振幅透過率分布Ｔ（ｘ，ｙ）とのコンボリューションにより求められる（コヒーレント結像理論での近似）。ここで、（ｘ，ｙ）は、光変調素子１上での座標である。
Ｕ（Ｐ’）＝ＰＳＦ（ｘ，ｙ）＊Ｔ（ｘ，ｙ）    （１）
【００３７】
点像振幅分布ＰＳＦ（ｘ，ｙ）を原点（分布の中心）に一番近い０点で打ち切り、その範囲内で値が一定であると近似し、この範囲を「点像分布範囲」と呼ぶ。ここで、振幅透過率分布Ｔ（ｘ，ｙ）の振幅は一定であるから、式（１）の右辺は点像分布範囲内における位相変調領域の面積比（点Ｐがあるセル（基本パターン）の領域１ａと、領域１ｂと、領域１ｃとの面積比）に比例した長さを持つベクトルの和として表される。一般に、点像分布範囲は、結像光学系３の入射側の開口数をＮＡとし、光の波長をλとした場合、像面上で半径０．６１λ／ＮＡの円で表わされる（図３（ｂ）に破線で示されている）。
【００３８】
光変調素子１における位相変調領域の基本パターンは、前述されているように、３つの位相変調値の領域１ａ〜１ｃを有する。そして、図３（ｂ）に示すように、位相変調領域の基本パターンの面積は、光変調素子１上に換算した点像分布範囲以下の大きさを有する。各基本パターンにおいて、各基本パターンの面積（Ｓ）に対する０度の位相変調値の領域１ａの面積（Ｓ1a）の面積比（Ｓ1a／Ｓ）である「デューティ」をＤ0とし、＋θの位相変調値の領域１ｂの面積（Ｓ1b）の面積比（Ｓ1b／Ｓ）であるデューティをＤ+とし、−θの位相変調値の領域１ｃの面積（Ｓ1c）の面積比（Ｓ1c／Ｓ）であるデューティをＤ-とする。
【００３９】
このデューティの変化が面内で緩やかである（隣り合うセル相互で変化が少ない）と仮定すると、上記の「点像分布範囲内における位相変調領域の面積比」は、デューティＤ+、Ｄ-、Ｄ0とほぼ一致する。したがって、点Ｐ’での光複素振幅分布Ｕ（Ｐ’）は、図３（ｃ）で表される。すなわち、Ｄ+＋Ｄ0＋Ｄ-＝１であるから、デューティＤ+、Ｄ-および位相角θから光複素振幅分布Ｕ（Ｐ’）が決定され、振幅ＡＭＰ、光強度Ｉおよび位相φを次の式（２）〜（４）によりそれぞれ決定できることになる。
【００４０】
ＡＭＰ＝（Ｘ2＋Ｙ2）1/2    （２）
Ｉ＝Ｘ2＋Ｙ2    （３）
φ＝tan-1（Ｙ／Ｘ）    （４）
ただし、Ｘ＝（Ｄ+＋Ｄ-）cosθ＋Ｄ0
Ｙ＝（Ｄ+−Ｄ-）sinθ
【００４１】
上記の式（２）〜（４）における（Ｘ，Ｙ）は、図３（ｃ）における合成ベクトルＵ（Ｐ’）の成分である。一般に、光変調素子１上の座標を（ｘ，ｙ）とすると、結像面でのレーザ光の振幅ＡＭＰ（ｘ，ｙ）および位相φ（ｘ，ｙ）は、次の式（５）および（６）により表される。式（５）および（６）において、amp｛｝は複素数の振幅を与える関数であり、arg｛｝は複素数の角度を与える関数であり、θ（ｘ，ｙ）は光変調素子１上の位相変調分布であり、ｓは（ｘ，ｙ）を中心とする所定の半径の円である。
【００４２】
【数１】
2006100771.tif 000003
【００４３】
光強度Ｉの計算結果を図４に、また、位相φの計算結果を図５にそれぞれ示す。図４および図５において、横軸にデューティＤ-を、縦軸にデューティＤ+をとり、光強度Ｉ（＝｜Ｕ｜2）が一定の線および位相φが一定の線をそれぞれ等高線で表している。また、図４および図５において、（ａ）は位相角θが９０度のときの計算結果を、（ｂ）は位相角θが４０度のときの計算結果をそれぞれ示している。
【００４４】
この図４および図５に示すような「ダイヤグラム」を用いることにより、式（５），（６）から求められるデューティと光強度Ｉおよび位相φとの関係を簡単に求めることができる。位相角θを０〜９０度の範囲から選ぶと、デューティと光強度Ｉとの関係が単調変化となり使用しやすい。この条件において、デューティの組（Ｄ+，Ｄ-）が（０，  ０）、（１，  ０）、（０，  １）のとき光強度Ｉは最大値１をとり、（０．５，０．５）の点に近づくほど光強度Ｉは減少し、（０．５，０．５）の点で光強度Ｉは最小値Ｉminをとる。この光強度Ｉの最小値Ｉminは、図６に示すように、簡単な計算（前記式（３）並びに（４））からＩmin＝cos2θで与えられる。
【００４５】
従って、被処理基板４上において実現したい光強度分布に応じて、位相角θを決定すればよい。例えば、最大値を１に規格化したときの光強度で０．５〜１．０の範囲で変化する光強度分布を実現したい場合、位相角θ＝４５度のときに光強度Ｉの最小値Ｉmin＝０．５を与えるので、位相角θを４５〜９０度の範囲から選べばよい。この場合、位相角θを４５度に設定すると、光強度の最小値Ｉminの付近でデューティＤ0が０に近くなり、０度の位相変調値の領域１ａの寸法が小さくなりすぎるので作製が困難となる。そのため、光強度Ｉの所望の最小値Ｉminを与える位相角（この場合４５度）に適度な値を加えることが望ましい。
【００４６】
次に、決定した位相角θに基づいて、上述のような位相角θに対するダイヤグラムを作成する。そして、被処理基板４上において実現したい光強度Ｉの分布と位相φの分布とに基づいて、このダイヤグラムからデューティの組（Ｄ+，Ｄ-）を求め、求めたデューティの組（Ｄ+，Ｄ-）を光変調素子１の対応する点に割り当てる。その後、割り当てられたデューティの組（Ｄ+，Ｄ-）から各位相変調値の領域１ａ〜１ｃ（領域の面積と、形状と、位置）を決定すればよい。このとき、位相変調領域の基本パターンの形状は、その寸法が光変調素子上に換算した点像分布範囲以下である限り任意である。
【００４７】
上述の手順をさらに詳細に述べる。まず、図７を参照して、基本的な手順を説明する。最初に、空間を点像分布範囲以下の寸法の正方形の「セル（基本パターン）」に分ける。次いで、夫々のセルの中心に「代表点」Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を設ける。そして、夫々の代表点Ｐ１〜Ｐ３に、光強度Ｉと位相φとの組（Ｉ，φ）を指定する。さらに、光強度Ｉと位相φとの組（Ｉ，φ）の値に応じて、ダイヤグラム（図４および図５に示す）からデューティの組（Ｄ+，Ｄ-）を割り当てる。最後に、デューティの組（Ｄ+，Ｄ-）の値に応じて、各位相変調値の領域１ａ〜１ｃをセルの中に配置する。図７の例では、セルの上側に＋θの位相変調値の領域１ｂを、下側に−θの位相変調値の領域１ｃを、そしてこれらの間に０度の位相変調値の領域１ａを配置している。
【００４８】
図７に示す手順では、１つのセルの中に３つの位相変調値の領域１ａ〜１ｃを当てはめるが、図８（ａ）に示すような「同心的配置」にしない限り、少なくとも１つの位相変調値の領域の「重心」は代表点から外れてしまう。また、図８（ａ）に示すような同心的配置は、最も外側の領域（この場合には領域１ｃ）の幅が狭くなるので作成困難である。この不都合を解決するために、図８（ｂ）に示す手順も可能である。
【００４９】
図８（ｂ）に示す手順では、「代表点」Ｐ１〜Ｐ６を夫々点像分布範囲の半径の半分以下の間隔で設ける。次いで、各代表点Ｐ１〜Ｐ６に、光強度Ｉと位相φとの組（Ｉ，φ）を指定する。そして、光強度Ｉと位相φとの組（Ｉ，φ）の値に応じて、ダイヤグラムからデューティの組（Ｄ+，Ｄ-）のうちの一方を交互に割り当てる。最後に、そのデューティＤ+またはＤ-に応じた位相変調値の領域１ｂまたは１ｃを、代表点Ｐ１〜Ｐ６を中心にして配置する。その他の領域は、自動的に０度の位相変調値の領域１ａとなる。
【００５０】
次に、振幅が一定で位相φがのこぎり刃状に変化する分布の生成方法を説明する。図９は、５つのセルにて一つの繰り返し単位を構成する場合を想定し、ダイヤグラム上に対応する点ａ〜ｅをプロットした例を示している。すなわち、光強度Ｉの計算結果を示す図９（ａ）では、光強度Ｉは所定の強度の等高線（この場合は光強度０．７）に沿うように、また位相φの計算結果を示す図９（ｂ）では、位相φは等角度間隔（この場合は５度の角度間隔）となるように点ａ〜ｅを分布させている。
【００５１】
図９の構成に対応して得られることが予想される光強度Ｉおよび位相φを図１０（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示す。図１０（ａ）に示すように、基本的に光強度Ｉは一定の光強度０．７を保ち、図１０（ｂ）に示すように、位相φは＋１０度と−１０度との間でのこぎり刃状に変化する。そして、位相φの「のこぎり刃」の段差の部分（図中破線で示す部分）で干渉により光強度Ｉは低減して逆ピーク状の光強度分布（図中破線で示す）が生成される。このことは光強度一定と矛盾するようであるが、前述したようなダイヤグラムはデューティの変化が緩やかという仮定のもとで成り立つものであり、位相φの「のこぎり刃」の段差部分ではこの仮定が成り立たないので矛盾はしない。この予想どおりの光強度分布が得られることは、後述の実施例において証明される。
【００５２】
上述のように、「三値位相変調」では、位相φの「のこぎり刃」の段差部分において逆ピーク状の光強度分布が生成される。「三値位相変調」による手法は、以下の特徴を有する。まず、第１に、位相変化の方向が同一方向に揃うので、逆ピーク状の光強度分布におけるボトムピークのデフォーカスによる面内シフトも同一方向に揃う。第２に、３種類の位相変調値の領域を形成すればよいので、凹凸加工は２回で済む。第３に、位相段差の位相差を（多段の位相段差のように離散的でなく）任意に設定することができる。なお、位相φの「のこぎり刃状」の段差は、原理的には基板の表面が幾何学的のこぎり刃状になるように作製してもよいが、通常のリソグラフィーの方法では極めて困難であるため本発明の方法が必須となる。
【００５３】
さらに、本発明では、「三値位相変調」と特願２００４−２３２７０８並びにこれを基礎とした出願に詳しく説明されている「斜め照明」とを組み合わせることにより、逆ピーク状の光強度分布におけるボトムピークの面内シフトを抑えることも可能となる。以下、この点について説明する。まず、ボトムピークの面内シフトの原因について述べる。図１０（ｂ）（図１１（ａ）に示す）を参照して説明した位相分布は、図１１（ｂ）に示すように、多段の位相段差による位相分布と均一勾配の位相分布とに分離される。均一勾配の位相は、被処理基板４上において光線が斜めに進む効果と等価である。
【００５４】
例えば典型的な値として、位相φの「のこぎり刃状」の段差の間隔（一周期）ｄ＝５μｍ、使用光の波長λ＝０．２４８μｍ、位相角θ＝３０度とすると、光線が斜めになる傾き角度Ｓ（ラジアン）は、次の式（７）で表される。
Ｓ＝λ×θ／２π／ｄ
＝０．２４８×（π／６）／２π／５
＝０．００４１rad    （７）
【００５５】
この角度Ｓは、結像光学系３の像側開口数ＮＡ（例えば０．１３）を決定する角度に比して十分に小さいので無視することができる。従って、均一勾配の位相分布を無視して、多段の位相段差による位相分布により逆ピーク状の光強度分布が生成され、ボトムピークの同一方向の面内シフトが発生すると考えればよい。まず、多段の位相段差を有する光変調素子に対する照明光が光変調素子の入射面に垂直な平行光であるものと近似する。これは、コヒーレント結像と呼ばれる状態である。
【００５６】
また、結像光学系３のデフォーカス位置における結像を考えるにあたり、多段の位相段差を有する光変調素子の直後の三次元的な光強度分布を求め、その三次元的な光強度分布が結像光学系３により、被照射面（被処理基板４の半導体膜）の直後に結像されるものと考える。被照射面直前の三次元的光強度分布は、被照射面直後の三次元的光強度分布と対称になる。これらの仮定や近似が十分な精度を有することは実施例において示される。
【００５７】
多段の位相段差を有する光変調素子の直後の三次元的光強度分布は、位相物体の境界においてフレネル回折により生じるベッケ線と呼ばれる現象として解析的に求められている。この点については、例えば、鶴田著、「応用光学Ｉ」、培風館、Ｐ１７２〜１７５、１９９０などの文献を参照することができる。これによれば、１８０度よりも実質的に小さい位相差の位相段差の直後に形成される三次元的光強度分布は、位相段差の位置から低屈折率側もしくは位相が進む側（位相進み側）にずれた位置に一番暗い部分すなわちボトムピークを有する。
【００５８】
また、位相段差の位置を基準としたボトムピークの位置ずれ量ｘは、光変調素子からの距離ｚの平方根に比例して大きくなる。すなわち、位相段差からのボトムピークの位置ずれ量ｘは、次の式（８）により表される。なお、式（８）において、λは使用光の波長であり、ｚは三次元的光強度分布の光変調素子からの距離であり、ω0は位相段差の位相差により決まる一定の値であってボトムピークに対応する値である。
ｘ＝ω0×（λ・ｚ／２）1/2    （８）
【００５９】
例えば、位相段差の位相差が９０度であるとき、ベッケ線の解析結果より、ω0＝０．３７の位置においてボトムピークになる。したがって、λ＝０．２４８μｍとし、ｚ＝１０μｍとした場合、位相段差からのボトムピークの位置ずれ量はｘ＝０．４１μｍとなる。図１２には、使用光の波長をλ＝０．２４８μｍに固定し且つ位相段差の位相差を３０度、６０度、９０度にそれぞれ設定したときのボトムピークの位置ずれ量ｘと三次元的光強度分布の光変調素子からの距離ｚとの関係を示す。
【００６０】
「斜め照明」では、図１３に示すように、照明系２と多段の位相段差を有する光変調素子１１（本実施形態の場合には「三値位相変調」を有する光変調素子１に対応）との間の光路中において、光変調素子１１に近接してくさび状のプリズム６を配置している。そして、くさび状のプリズム６の作用により光変調素子１１の位相段差の段差線（図１３の紙面に垂直に延びた線）と直交する方向（ラテラル方向）に傾いた照明光で光変調素子１１を照明することにより、デフォーカスによるボトムピークの位置ずれ（面内シフト）を実質的に回避する。以下、「斜め照明」での傾いた照明光によりボトムピークの位置ずれが実質的に回避される点について説明する。
【００６１】
フレネル回折の一般的な特性として、光変調素子１１に入射する矢印で示す照明光の角度を垂直からθILだけラテラル方向で傾けることにより、被照射面での回折像は次の式（９）の換算座標（ｘm）に置き換えた形状に変化する。
ｘm＝ｘ−tanθIL・ｚ    （９）
【００６２】
すなわち、光変調素子１１から距離ｚの位置に形成される被照射面での光強度分布は、照明光が傾いて進行する方向に（tanθIL・ｚ）で現される距離だけラテラル方向に横ずれする。従って、照明光の傾き角θILを調整することにより、デフォーカスによるボトムピークのラテラル方向での位置ずれを補正することが可能となる。この場合、距離ｚの全ての値に対してボトムピークの位置を光変調素子１１の位相段差の段差線の位置と一致させることが望ましいが、暗部領域は湾曲しているために不可能である。
【００６３】
ただし、目標距離ｚ0を決めて、その距離ｚ0においてボトムピークの位置を光変調素子１１の位相段差の段差線の位置と一致させることにより−ｚ0〜＋ｚ0の範囲で大まかな補正が可能となる。この補正に必要な照明光の最適入射角度θIL0は、次の式（１０）を満足し、次の式（１１）で表される。
ｘm＝ｘ0−tanθIL0・ｚ0＝０    （１０）
θIL0＝tan-1［ω0・｛λ／（２・ｚ0）｝1/2］    （１１）
【００６４】
具体的に、光変調素子１１の位相段差の位相差が９０度の場合、ω0＝０．３７であるから、λ＝０．２４８μｍとし、ｚ0＝１０μｍとすると、照明光の最適入射角度はθIL0＝２．４度（０．０４１rad（ラジアン））となる。同じ条件（λ＝０．２４８μｍ，ｚ0＝１０μｍ）における光変調素子１１の位相段差の位相差（度）と照明光の最適入射角度θIL0（度）との関係を図１４に示す。図１４は、横軸に位相差を、縦軸に最適入射角度をとり、位相差が３０度、６０度、９０度の場合に式（１１）から最適入射角度を算出した結果を示している。
【００６５】
前述したように、１８０度よりも実質的に小さい位相差の位相段差の直後に形成される三次元的光強度分布では、デフォーカスの場合に、位相段差の位置から位相進み側にボトムピークがラテラル方向でシフトする。したがって、この場合、デフォーカスによるボトムピークの位置ずれを補正するには、位相段差の位相進みの側から位相遅れの側へ向かう成分を含む方向に沿って光変調素子１１を照明すればよい。一方、１８０度よりも実質的に大きい位相差の位相段差の直後に形成される三次元的光強度分布では、位相段差の位置から位相遅れ側にボトムピークがシフトする。したがって、この場合、デフォーカスによるボトムピークの位置ずれを補正するには、位相段差の位相遅れの側から位相進みの側へ向かう成分を含む方向に沿って光変調素子１１を照明すればよい。
【００６６】
以上の「斜め照明」の説明では、照明光の最適入射角度θIL0を求める際に、結像光学系３が等倍光学系であると想定している。一般に、倍率がＭ分の１の結像光学系を用いる場合には、結像光学系の像面側に換算した同様の計算により照明光の最適入射角度θIL0’を求め、求めた角度θIL0’の値をＭ分の１倍することにより、実際に光変調素子１１に照射すべき照明光の傾き角度θIL0（＝θIL0’／Ｍ）が得られる。
【００６７】
ところで、図１３に示すように、光変調素子１１の直前にくさび状プリズム（小角プリズムまたはウエッジプリズム）６を設けることにより斜め照明を実現する場合、プリズム角（くさび状プリズム６の頂角）φPと垂直入射光線のフレ角θILとの間には、次の式（１２）に示す関係が成立する。
θIL≒φP（ｎ−１）    （１２）
【００６８】
ここで、ｎは、くさび状プリズム６を形成する光学材料の屈折率である。具体的に、光変調素子１１の位相段差の位相差が９０度の場合における照明光の最適入射角度θIL0＝２．４度に等しいフレ角θILを確保するには、くさび状プリズム６を形成する光学材料の屈折率がｎ＝１．５０８の場合には、φP＝４．８度のプリズム角を有するくさび状プリズム６を用いればよいことがわかる。
【００６９】
斜め照明では、くさび状プリズム６に限定されることなく、図１５に示すように、照明系２の射出瞳またはその近傍（すなわち第２フライアイレンズ２ｅの射出面の近傍）に開口絞り２ｇを配置する変形例も可能である。この場合、開口絞り２ｇの開口部（光透過部）２ｇａを光軸ＡＸに対して所定距離だけラテラル方向で偏心、即ち傾斜させることにより、垂直から所要の角度θILだけ傾いた照明光で光変調素子１１を照明することができる。
【００７０】
以上、整理すると、従来技術にしたがう二段の位相段差の光変調素子を用いる場合、通常照明であっても斜め照明であっても、ボトムピークの面内シフトは交互になる。また、二段の位相段差の光変調素子を用いる場合、これの位相角の制御は任意であり、作製は容易である。一方、従来技術にしたがう多段の位相段差の光変調素子を用いる場合、通常照明ではボトムピークの面内シフトが同一方向になり、斜め照明ではボトムピークの面内シフトが抑えられる。また、多段の位相段差の光変調素子を用いる場合、位相角の制御は離散的（３６０／ｎ）であり、作製は困難である。
【００７１】
これに対し、本発明にしたがう「三値位相変調」の技術を用いる場合、通常照明ではボトムピークの面内シフトが同一方向になり、斜め照明ではボトムピークの面内シフトが抑えられる。また、「三値位相変調」の技術を用いる場合、光変調素子の位相角の制御は任意であり、作製は容易である。すなわち、本発明にしたがう「三値位相変調」の技術は、二段の位相段差における長所と多段の位相段差における長所とを併せ持っている。以下、本実施形態の実施例について説明する。
【００７２】
［第１実施例］
第１実施例では、波長λ＝２４８ｎｍ（０．２４８μｍ）のレーザ光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源１と、等倍（結像倍率＝１）で像側開口数ＮＡ＝０．１３を有する結像光学系３とを用いている。そして、光変調素子１の位相変調領域における位相角θ＝４０度とし、０度の位相変調値を有する領域１ａと＋４０度の位相変調値を有する領域１ｂと−４０度の位相変調値を有する領域１ｃとにより光変調素子の位相変調領域を構成している。さらに、図９に示すように、位相角θ＝４０度に対するダイヤグラムにおいて、目標光強度を０．７とし、目標位相間隔を１０度として、５つの点ａ〜ｅをプロットしている。
【００７３】
その結果、第１実施例では、図１６に示すような位相変調領域を有する光変調素子１が得られる。第１実施例の光変調素子１において、矩形状の０度の領域１ａを挟んで上下に配置された矩形状の＋４０度の領域１ｂと矩形状の−４０度の領域１ｃとのＸ方向の中心間距離は０．５μｍであり、＋４０度の領域１ｂおよび−４０度の領域１ｃのＹ方向（ラテラル方向）の寸法は１μｍである。そして、Ｙ方向に並んだ＋４０度の領域１ｂのＸ方向寸法Ｘ+は、図中左側から順にプロット点ａ〜ｅに対応して、０．５μｍ、０．４１８μｍ、０．３５μｍ、０．２９８μｍ、０．２６μｍである。
【００７４】
逆に、Ｙ方向に並んだ−４０度の領域１ｃのＸ方向寸法Ｘ-は、図中左側から順にプロット点ａ〜ｅに対応して、０．２６μｍ、０．２９８μｍ、０．３５μｍ、０．４１８μｍ、０．５μｍである。第１実施例の光変調素子１では、図１６に示すような位相変調領域が、Ｘ方向およびＹ方向に沿って二次元的に、あるいはＹ方向に沿って一次元的に繰り返し形成されている。
【００７５】
第１実施例では、図１６に示す単位位相変調領域を複数有する光変調素子１を用いて、照明光を光変調素子１に対して垂直入射させる通常照明により、被処理基板４上において図１７に示すような光強度分布が各単位位相変調領域に対して得られた。また、図１６に示す位相変調領域を有する光変調素子１を用いて、照明光を光変調素子１に対して斜めに入射させる斜め照明により、被処理基板４上において図１８に示すような光強度分布が得られた。
【００７６】
通常照明の場合、結像光学系３のフォーカス位置には、図１７（ｂ）に示すように、強度一定の中に左右対称な逆ピーク状の光強度分布が設計通りに形成されることが確認された。また、結像光学系３のフォーカス位置から上下に微小移動したデフォーカス位置では、図１７（ａ）および（ｃ）にそれぞれ示すように、形成される逆ピーク状の光強度分布のボトムピークの位置が同一ラテラル方向にシフトすることが確認された。この場合に、デフォーカスによりボトムピークが深くなっているが、これは通常照明を用いる限り、二段の位相段差、多段の位相段差、「三値位相変調」の光変調素子に共通の傾向である。
【００７７】
一方、斜め照明の場合にも、結像光学系３のフォーカス位置には、図１８（ｂ）に示すように、左右対称な逆ピーク状の光強度分布が形成されることが確認された。また、結像光学系３のフォーカス位置から上下に微小移動しても、図１８（ａ）および（ｃ）に示すように、形成される逆ピーク状の光強度分布のボトムピークの位置がほとんどシフトしないことが確認された。
【００７８】
さらに副次的な効果として、デフォーカスによってボトムピークの深さがほとんど変化しないこと、デフォーカスしても逆ピーク状の光強度分布の左右対称性が良好に維持されることも確認された。デフォーカスしても逆ピーク状の光強度分布の対称性が維持されることは、アブレーションによる半導体膜の破壊を防ぐために望ましい。この実施例での斜め照明では、照明光の最適入射角度θIL0（くさび状プリズム６によるフレ角θIL）＝２．４度を実現するために、屈折率ｎ＝１．５０８でプリズム角（くさび状プリズム６の頂角）φP＝１．２度のくさび状プリズム６を用いた。
【００７９】
第１実施例では、通常照明または斜め照明された光変調素子１により位相変調された光束を、被処理基板４上のａ−Ｓｉ半導体膜に照射した。その結果、光変調素子１の位相段差に相当する位置からラテラル方向に結晶成長することにより、結晶粒を面内に充填することができた。このとき、被処理基板４を結像光学系３のフォーカス位置（焦点位置）から上下に１０μｍだけ微小移動させても、結晶粒の位置が実質的に面内シフトすることがなく、またアブレーションにより半導体膜の一部が破壊されることもなかった。すなわち、第１実施例では、所望のボトムピーク強度を有する逆ピーク状の光強度分布を所望する位置に安定的に形成することができ、ひいては形状および大きさが均等な結晶粒を半導体膜に形成することができた。
【００８０】
［第２実施例］
第２実施例においても第１実施例と同様に、波長λ＝２４８ｎｍ（０．２４８μｍ）のレーザ光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源１と、等倍（結像倍率＝１）で像側開口数ＮＡ＝０．１３を有する結像光学系３とを用いている。そして、第１実施例と同様に、光変調素子１の位相変調領域における位相角θ＝４０度とし、０度の位相変調値を有する領域１ａと＋４０度の位相変調値を有する領域１ｂと−４０度の位相変調値を有する領域１ｃとにより位相変調領域を構成している。また、第１実施例と同様に、図１９に示すように、位相角θ＝４０度に対するダイヤグラムにおいて、目標光強度を０．７とし、目標位相間隔を１０度として、５つの点ａ〜ｅをプロットしている。
【００８１】
しかしながら、第２実施例では、第１実施例とは異なり、逆ピーク状の光強度分布に加えて結晶成長のための光強度勾配分布を形成するために、図１９のダイヤグラムにおいて５つの点ａ〜ｅ以外に複数の点を付加している。具体的に、位相φが０度の等高線上において、光強度Ｉが０．７と１との間に、点ａ側から順に９個の点ｆ〜ｐを付加している。そして、点ｆ〜ｈに対して、同じ光強度Ｉの等高線上において位相φの異なる４つの点を等角度間隔でそれぞれ付加している。
【００８２】
その結果、第２実施例では、図２０に示すような位相変調領域を有する光変調素子１が得られる。第２実施例の光変調素子１において、矩形状の０度の領域１ａを挟んで上下に配置された矩形状の＋４０度の領域１ｂと矩形状の−４０度の領域１ｃとのＸ方向に沿った中心間距離は０．５μｍである。また、点ａ〜ｅに対応してＸ１の行に並ぶ５つの＋４０度の領域１ｂ、点ｆおよび関連する４つの点に対応してＸ２の行に並ぶ５つの−４０度の領域１ｃ、点ｇおよび関連する４つの点に対応してＸ３の行に並ぶ５つの＋４０度の領域１ｂ、点ｈおよび関連する４つの点に対応してＸ４の行に並ぶ５つの−４０度の領域１ｃのＹ方向寸法は１μｍである。
【００８３】
さらに、点ｉに対応してＸ５の行に間隔を隔てて並ぶ５つの＋４０度の領域１ｂ、点ｊに対応してＸ６の行に間隔を隔てて並ぶ５つの−４０度の領域１ｃ、点ｋに対応してＸ７の行に間隔を隔てて並ぶ５つの＋４０度の領域１ｂ、点ｍに対応してＸ８の行に間隔を隔てて並ぶ５つの−４０度の領域１ｃ、点ｎに対応してＸ９の行に間隔を隔てて並ぶ５つの＋４０度の領域１ｂ、点ｐに対応してＸ１０の行に間隔を隔てて並ぶ５つの−４０度の領域１ｃのＸ方向に沿った中心間距離はそれぞれ１μｍである。
【００８４】
今、Ｘ１の行に並ぶ５つの＋４０度の領域１ｂに着目すると、Ｙ１の列にある領域１ｂは点ａに対応し、Ｙ２の列にある領域１ｂは点ｂに対応し、Ｙ３の列にある領域１ｂは点ｃに対応し、Ｙ４の列にある領域１ｂは点ｄに対応し、Ｙ４の列にある領域１ｂは点ｅに対応している。Ｘ２〜Ｘ４の行に並ぶ５つの領域１ｂまたは１ｃについても同様である。一方、Ｘ５〜Ｘ１０の行に間隔を隔てて並ぶ５つの領域１ｂまたは１ｃについては、一行毎に点ｉ〜ｐにそれぞれ対応している。
【００８５】
具体的に、Ｘ１の行に並ぶ５つの＋４０度の領域１ｂのＸ方向寸法Ｘ+は、図中左側から順にプロット点ａ〜ｅに対応して、０．６μｍ、０．４５８μｍ、０．３５μｍ、０．２７６μｍ、０．２４μｍである。また、Ｘ２の行に並ぶ５つの−４０度の領域１ｃのＸ方向寸法Ｘ+は、図中左側から順に、０．２２８μｍ、０．２６１μｍ、０．３１２μｍ（プロット点ｆに対応）、０．３８５μｍ、０．４７５μｍである。また、Ｘ３の行に並ぶ５つの＋４０度の領域１ｂのＸ方向寸法Ｘ+は、図中左側から順に、０．３５μｍ、０．３１２μｍ、０．２７４μｍ（プロット点ｇに対応）、０．２４５μｍ、０．２１６μｍである。
【００８６】
また、Ｘ４の行に並ぶ５つの−４０度の領域１ｃのＸ方向寸法Ｘ+は、図中左側から順に、０．２０９μｍ、０．２２４μｍ、０．２３８μｍ（プロット点ｈに対応）、０．２５７μｍ、０．２７６μｍである。さらに、プロット点ｉに対応してＸ５の行に間隔を隔てて並ぶ５つの＋４０度の領域１ｂのＸ方向寸法Ｘ+は０．２５３μｍであり、Ｙ方向寸法Ｙ+は０．８μｍである。また、プロット点ｊに対応してＸ６の行に間隔を隔てて並ぶ５つの−４０度の領域１ｃのＸ方向寸法Ｘ+は０．２８μｍであり、Ｙ方向寸法Ｙ+は０．６μｍである。
【００８７】
また、プロット点ｋに対応してＸ７の行に間隔を隔てて並ぶ５つの＋４０度の領域１ｂのＸ方向寸法Ｘ+およびＹ方向寸法Ｙ+はともに０．３６６μｍである。また、プロット点ｍに対応してＸ８の行に間隔を隔てて並ぶ５つの−４０度の領域１ｃのＸ方向寸法Ｘ+およびＹ方向寸法Ｙ+はともに０．３１６μｍである。また、プロット点ｎに対応してＸ９の行に間隔を隔てて並ぶ５つの＋４０度の領域１ｂのＸ方向寸法Ｘ+およびＹ方向寸法Ｙ+はともに０．２５７μｍである。また、プロット点ｐに対応してＸ１０の行に間隔を隔てて並ぶ５つの−４０度の領域１ｃのＸ方向寸法Ｘ+およびＹ方向寸法Ｙ+はともに０．１８２μｍである。
【００８８】
上述の説明ではＸ１の行に並ぶ５つの＋４０度の領域１ｂよりも図中下側の位相変調領域に着目しているが、第２実施例の光変調素子１では、位相変調領域は、Ｘ１の行に並ぶ５つの＋４０度の領域１ｂの中央をＹ方向に横断する中心線に関して対称な構成を有する。さらに、第２実施例の光変調素子１では、図２０に示すような位相変調領域が、Ｘ方向およびＹ方向に沿って二次元的に、あるいはＹ方向に沿って一次元的に繰り返し形成されている。
【００８９】
第２実施例では、図２０に示す位相変調領域を有する光変調素子１を用いて、照明光を光変調素子１に対して斜めに入射させる斜め照明により、被処理基板４上において図２１（ａ）〜（ｃ）に示すような単位光強度分布（光強度の等高線で表された分布）が得られた。なお、斜め照明では、第１実施例と同様に、照明光の最適入射角度θIL0（くさび状プリズム６によるフレ角θIL）＝２．４度を実現するために、屈折率ｎ＝１．５０８でプリズム角（くさび状プリズム６の頂角）φP＝１．２度のくさび状プリズム６を用いた。
【００９０】
こうして、結像光学系３のフォーカス位置には、図２１（ｂ）に示すように、左右対称な逆ピーク状の光強度分布がＹ方向に沿って間隔を隔てて形成されることが確認された。また、結像光学系３のフォーカス位置から上下に微小移動しても、図２１（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示すように、形成される逆ピーク状の光強度分布のボトムピークの位置がほとんどシフトしないことが確認された。
【００９１】
さらに、第２実施例の光変調素子１では、図２０に示す位相変調領域の中心部が第１実施例と類似のパターンを有するが、図中上下方向に離れるに従ってデューティをＤ+およびＤ-をともに減少させる（図１９のダイヤグラム上で（０，０）に移動することに対応）ことにより、一連の逆ピーク状の光強度分布が形成されるＹ方向と直交するＸ方向に沿って結晶成長のための光強度勾配分布を生成している。この結晶成長のための光強度勾配分布は、一連の逆ピーク状の光強度分布のボトムピークを結ぶＹ方向線分からの距離に応じて増加する。
【００９２】
こうして、光強度勾配分布と逆ピーク状の光強度分布との合成光強度分布、すなわちＶ字型パターン＋逆ピーク状パターンの繰り返しの光強度分布が被処理基板４の表面上に形成される。その結果、図２２に模式的に示すように、一次元Ｖ字型の単位光強度勾配分布における光強度の勾配方向（Ｘ方向、ラテラル方向）に沿って結晶核からの十分なラテラル方向の結晶成長を実現して、大粒径の結晶粒２０を生成することができる。さらに、デフォーカスしても、ボトムピークの位置が実質的に面内シフトしないこと、ボトムピークの深さが実質的に変化しないこと、逆ピーク状の光強度分布の左右対称性が良好に維持されることも確認された。
【００９３】
第２実施例では、斜め照明された光変調素子１により位相変調された光束を、被処理基板４上のａ−Ｓｉ半導体膜に照射した。その結果、光変調素子１の位相段差に相当する位置から結晶成長することにより、大粒径の結晶粒を二次元的に位置制御して生成することができた。このとき、被処理基板４を結像光学系３のフォーカス位置（焦点位置）から上下に１０μｍだけ微小移動させても、結晶粒の位置が実質的に面内シフトすることがなく、またアブレーションにより半導体膜の一部が破壊されることもなかった。
【００９４】
図２３は、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工程を示す工程断面図である。図２３（ａ）に示すように、透明の絶縁基板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）の上に、下地膜８１（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８２（例えば、膜厚５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度のＳｉ，Ｇｅ，ＳｉＧｅなどの半導体の膜）および不図示のキャップ膜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。
【００９５】
こうして、図２３（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８４が生成される。次に、キャップ膜８２ａをエッチングにより半導体膜８４から除去した後、図２３（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２３（ｄ）に示すように、ゲート絶縁膜上にゲート電極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にソース領域９１、ドレイン領域９２を形成する。次に、図２３（ｅ）に示すように、層間絶縁膜８９を成膜してコンタクト穴をあけ、チャネル９０でつながるソース９１およびドレイン９２に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。
【００９６】
以上の工程において、図２３（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の大粒径結晶の位置に合わせて、即ち、結晶粒内にチャネル９０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薄膜トランジスタ（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。
【００９７】
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および結晶化方法に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、一般的に結像光学系を介して所定の光強度分布を所定面に形成する光照射装置に対して本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の実施形態にかかる結晶化装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】図１の照明系の内部構成を概略的に示す図である。
【図３】３つの位相変調値により振幅と位相とを独立に制御できることを説明する図である。
【図４】位相角θが９０度および４０度のときの光強度Ｉの計算結果を示す図である。
【図５】位相角θが９０度および４０度のときの位相φの計算結果を示す図である。
【図６】位相角θと光強度Ｉの最小値との関係を示す図である。
【図７】位相変調領域の各基本パターンの構成を決定する手順を説明する図である。
【図８】位相変調領域の各基本パターンの構成を決定する別の手順を説明する図である。
【図９】５つのセルにて一つの繰り返し単位を構成する場合を想定し、ダイヤグラム上に対応する点ａ〜ｅをプロットした例を示す図である。
【図１０】図９の構成に対応して得られることが予想される光強度Ｉの分布および位相φの分布を示す図である。
【図１１】図１０（ｂ）の位相分布が多段の位相段差による位相分布と均一勾配の位相分布とに分離される様子を示す図である。
【図１２】斜め照明でのボトムピークの位置ずれ量ｘと三次元的光強度分布の位相シフターからの距離ｚとの関係を示す図である。
【図１３】傾いた照明光を多段位相段差の光変調素子に照射することによりボトムピークの位置ずれが実質的に回避される様子を示す図である。
【図１４】斜め照明における位相段差の位相差（度）と照明光の最適入射角度θIL0（度）との関係を示す図である。
【図１５】斜め照明の変形例を概略的に示す図である。
【図１６】第１実施例にかかる光変調素子の位相変調領域の構成を概略的に示す図である。
【図１７】第１実施例の光変調素子を用いて通常照明により得られた光強度分布を示す図である。
【図１８】第１実施例の光変調素子を用いて斜め照明により得られた光強度分布を示す図である。
【図１９】第２実施例においてダイヤグラム上に所要点をプロットした様子を示す図である。
【図２０】第２実施例にかかる光変調素子の位相変調領域の構成を概略的に示す図である。
【図２１】第２実施例の光変調素子を用いて斜め照明により得られた光強度分布を示す図である。
【図２２】第２実施例において形成される大粒径の結晶粒を模式的に示す図である。
【図２３】本実施形態の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２４】位相差が９０度の二段の位相段差により得られる光強度分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図２５】位相差が９０度の四段の位相段差により得られる光強度分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図２６】位相シフターの「位相遅れ」および「位相進み」の定義を説明する図である。
【符号の説明】
【００９９】
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
２ｇ  開口絞り
３  結像光学系
３ｃ  開口絞り
４  被処理基板
５  基板ステージ
６  くさび状のプリズム
【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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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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