(57)【要約】位相シフトマスク（（１））を照明する照明系（（２））と、位相シフトマスクと半導体膜（（４））との間の光路中に配置された結像光学系（（３））とを備え、位相シフト部に対応する部分において光強度の最も小さい逆ピークパターンの光強度分布を有する光を半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置。照明系は、所定の波長範囲に亘る光を供給する光源を有する。結像光学系は、位相シフトマスクと半導体膜とを光学的に共役に配置し、中間部において強度のうねりのない逆ピークパターン光強度分布を半導体膜上に形成するために所定の波長範囲に応じた収差を有する。
2004008511.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの位相シフト部を有する位相シフトマスクと、
この位相シフトマスクを照明する所定の波長範囲の光を射出する照明系と、
前記位相シフトマスクと被処理体との間の光路中に配置された結像光学系とを具備し、前記位相シフトマスクは、これの位相シフト部に対応する部分において光強度の最も小さいピーク値を有する逆ピークパターン部を有する光強度分布を有するように前記照明系からの光の強度パターンを変換して前記被処理体に照射して被処理体を結晶化する結晶化装置であって、
前記結像光学系の共役位置に、前記位相シフトマスクと前記被処理体とが配置され、
前記結像光学系は、前記逆ピークパターン部間の中間部において強度のうねりのない波形パターンの光強度分布を前記被処理体上に形成するような前記所定の波長範囲に応じた収差を有する結晶化装置。
【請求項２】
前記所定の波長範囲に応じた収差は、異なる波長の光成分に対してほぼ光軸方向に異なるような色収差である請求項１の結晶化装置。
【請求項３】
前記照明系は、全体的にガウス型の波長−強度分布を有する光を供給する光源を有する請求項１もしくは２の結晶化装置。
【請求項４】
前記照明系は、互いに異なる複数の所定波長において最大強度を有する光を供給する光源を有する請求項１の結晶化装置。
【請求項５】
前記複数の所定波長は、前記所定の波長範囲においてほぼ等間隔に配置されている請求項４の結晶化装置。
【請求項６】
前記光源は、前記複数の所定波長の間隔に応じた反射面間隔を有するエタロンを備えている請求項４または５の結晶化装置。
【請求項７】
前記光源は、前記複数の所定波長に応じて互いに異なる中心波長の光を供給する複数の光源部と、これら複数の光源部から供給される複数の光を合成する合成部とを有する請求項４または５の結晶化装置。
【請求項８】
前記光源が供給する光に基づいて前記収差により発生する縦収差の最大値をＤとし、前記光源が供給する光の中心波長をλとし、前記被処理体上に形成される前記逆ピークパターン部のピッチをＸとするとき、
０８７≦Ｄ・λ／Ｘ２≦１．３８９
の条件を満足する請求項２項の結晶化装置。
【請求項９】
前記光源が供給する光の中心波長をλとし、前記光源が供給する光の強度分布の半値半幅を△λとし、前記中心波長λかうの波長のずれ量に対するデフォーカス量の割合を示す係数をｋとし、前記被処理体上に形成される前記逆ピークパターン部のピッチをＸとするとき、
０．０８７≦ｋ・△λ・λ／Ｘ２≦１．３８９
の条件を満足する請求項２の結晶化装置。
【請求項１０】
所定の範囲の波長の光を射出する光源と、
少なくとも２つの位相シフト部を有し、前記光源からの光を照明少なくとも２つの位相シフト部を有し、これら位相シフト部に対応する点において光強度の最も小さい逆ピークパターン部を有する光強度分布を有するように前記光源からの光の強度パターンを変換して被処理体に照射させて被処理体を結晶化する位相シフトマスクと、
前記被処理体に照射される光が波長の異なる複数の光成分を有するように、前記所定の範囲の波長の光を変更し、前記逆ピークパターン部間の中間部において強度のうねりのない波形パターンの光強度分布を前記被処理体上に形成させる手段とを具備する結晶化装置。
【請求項１１】
前記手段は、前記位相シフトマスクと共同して、前記波形パターンの中間部が、前記被処理体上で、山形の光強度分布を有するように設定する請求項１０の結晶化装置。
【請求項１２】
前記手段は、前記光源と位相シフトマスクとの間に設けられ、光源から前記所定の範囲の波長の光を波長の異なる複数の光成分を有するように変更して位相シフトマスクに入射させる光学手段を有する請求項１０もしくは１１の結晶化装置。
【請求項１３】
前記手段は、前記位相シフトマスクと被処理体との間に設けられ、位相シフトマスクからの逆ピークパターン部を有する光を波長の異なる複数の光成分を有するように変更して被処理体に入射させる光学手段を有する請求項９の結晶化装置。
【請求項１４】
位相シフトマスクを照明し、前記位相シフトマスクの少なくとも２つの位相シフト部に対応する部分において光強度の最も小さい逆ピークパターン部の光強度分布を有する光を被処理体に照射して被処理体を結晶化する結晶化方法であって、
前記位相シフトマスクを所定の波長範囲に亘る光で照明し、
前記位相シフトマスクと前記被処理体とを光学的に共役に配置し且つ前記所定の波長範囲に応じた収差を有する結像光学系を介して、逆ピークパターン部間の中間部において強度のうねりのない光強度分布を前記被処理体に形成する、結晶化方法。
【請求項１５】
前記中間部は、山形の強度分布を有する請求項１３の結晶化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、結晶化装置および結晶化方法に関する。特に、本発明は、位相シフトマスクを用いて位相変調された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装置および方法に関する。
【背景技術】  従来、例えば、液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ−Ｃｒｙｓｔａｌ−Ｄｉｓｐｌａｙ：ＬＣＤ）の画素に印加する電圧を制御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）の材料は、非晶質シリコン（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−Ｓｉｌｉｃｏｎ）と多結晶シリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉｌｉｃｏｎ）とに大別される。
多結晶シリコンは、非晶質シリコンよりも電子移動度が高い。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り、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、ディスプレイ本体以外にドライバ回路や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。
多結晶シリコンは結晶粒の集合からなるが、単結晶シリコンに比べると電子移動度が低い。また、多結晶シリコンを用いて形成した小型のトランジスタでは、チャネル部における結晶粒界数のバラツキが問題となる。そこで、最近、電子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、大粒径の単結晶シリコンを生成する結晶化方法が提案されている。
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晶質半導体膜と平行に近接させた位相シフトマスク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）」が知られている。位相制御ＥＬＡの詳細は、例えば、表面科学Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．５，ｐｐ．２７８−２８７，２０００」に開示されている。また、同様の技術が、特開２０００−３０６８５９（２０００年１１月２日公開）にも開示されている。
位相制御ＥＬＡでは、位相シフトマスクの位相シフト部に対応する部分において光強度がほぼ０の逆ピークパターン（中心において光強度がほぼ０で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、この逆ピークパターンの光強度分布を有する光を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、光強度分布に応じて溶融領域が生じ、光強度がほぼ０の部分に対応して溶けない部分または最初に凝固する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（ラテラル成長）することにより大粒径の単結晶が生成される。
上記したように半導体膜と平行に近接させた位相シフトマスクにエレキマレーザ光を照射して結晶半導体膜を生成する従来技術（プロキシ法）が知られている。しかしながら、プロキシ法では、半導体膜におけるアブレーションに起因して位相シフトマスクが汚染され、ひいては良好な結晶化が妨げられるという不都合があった。
そこで、本出願人は、位相シフトマスクと被処理基板（半導体膜）との間に結像光学系を介在させ、半導体膜を結像光学系に対してデフォーカスさせて結晶化半導体膜を生成する技術（投影デフォーカス法）を提案している。また、位相シフトマスクと半導体膜とを光学的に共役に結ぶように結像光学系を配置し、結像光学系の射出側開口数を規定することにより結晶化半導体膜を生成する技術（投影ＮＡ法）を提案している。
上記投影デフォーカス法および投影ＮＡ法では、大きな出力が得られるＫｒＦエキシマレーザ光源を用いるとともに、単一種類の光学材料（例えば、石英ガラス）で形成された結像光学系を用いるのが一般的である。この場合、ＫｒＦエキシマレーザ光の発振波長帯域は比較的広く（半値全幅で０．３ｎｍ程度：図５を参照）、結像光学系には比較的大きな色収差が発生する。この結果、ＫｒＦエキシマレーザ光の広帯域波長と結像光学系の色収差との影響により、半導体膜のような被処理体上において所要の光強度分布を得ることができない。半導体膜上において所要の光強度分布を得るために、プリズムや回折格子などを用いてレーザ光の狭帯域化を行うことも考えられる。しかし、レーザ光の狭帯域化を行うと、レーザ装置が大型化し且つ複雑化するとともに、レーザ装置の出力が低下してしまう。
狭帯域波長のレーザ光を用いる場合、２つの隣接した逆ピークパターン部Ｒ間の中間部Ｍにおける光強度分布は不規則なうねりを伴うのが一般的である（図４を参照）。この場合、結晶化のプロセスにおいて、中間部Ｍのうねりにおいて光強度の低い位置に（即ち、望まない位置に結晶核が発生することがある。また、所望の位置に結晶核が形成される場合でも、この結晶核から周囲に向かって開始したラテラル成長が中間部Ｍにおいて光強度が減少する部分で停止してしまい、大きな結晶の成長が妨げられる場合もある。
本発明の目的は、所望の位置に結晶核を発生させることができるとともに、結晶核からの十分なラテラル方向への結晶成長を実現して大粒径の結晶を生成すると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である。
【発明の開示】
前記課題を解決するために、本発明の第１の態様では、少なくとも２つの光の位相シフト部を有する位相シフトマスクと、
この位相シフトマスクを照明する所定の波長範囲の光を射出する照明系と、
前記位相シフトマスクと被処理体との間の光路中に配置された結像光学系とを具備し、前記位相シフトマスクは、これの位相シフト部に対応する部分において光強度の最も小さいピーク値を有しここから強度が外側に向うのに従って連続的に増加する逆ピークパターン部を有する光強度分布を有するように前記照明系からの光を変調して前記被処理体に照射して被処理体を結晶化する結晶化装置であって、
前記結像光学系の共役位置に、前記位相シフトマスクと前記被処理体とが配置され、
前記結像光学系は、前記逆ピークパターン部間の中間部において光強度のうねりのない波形パターンの光強度分布を前記被処理体上に形成するような前記所定の波長範囲に応じた収差を有する結晶化装置を提供する。
本発明の第２の態様では、所定の範囲の波長の光を射出する光源と、
少なくとも２つの位相シフト部を有し、これら位相シフト部に対応する部分において光強度の最も小さい逆ピークパターン部を有する光強度分布を有するように前記光源からの光を変調して被処理体に照射させて被処理体を結晶化する位相シフトマスクと、
前記被処理体に照射される光が波長の異なる複数の光成分を有するように、前記所定の範囲の波長の光を変更し、前記逆ピークパターン部間の中間部において強度のうねりのない波形パターンの光強度分布を前記被処理体上に形成させる手段とを具備する結晶化装置を提供する。
本発明の第３の態様では、位相シフトマスクを照明し、前記位相シフトマスクの少なくとも２つの位相シフト部に対応する部分において光強度の最も小さい逆ピークパターン部の光強度分布を有する光を被処理体に照射して被処理体を結晶化する結晶化方法であって、
前記位相シフトマスクを所定の波長範囲に亘る光で照明し、
前記位相シフトマスクと前記被処理体とを光学的に共役に配置し且つ前記所定の波長範囲に応じた収差を有する結像光学系を介して、逆ピークパターン部間の中間部において強度のうねりのない光強度分布を前記被処理体に形成する、結晶化方法を提供する。
【図面の簡単な説明】  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。
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３Ａ並びに３Ｂは、結晶化装置に使用される位相シフトマスクを夫々示す平面図並びに側面図である。
図４は、投影デフォーカス法や投影ＮＡ法により得られる逆ピークパターンの光強度分布を示す図である。
図５は、本実施形態の数値例におけるＫｒＦエキシマレーザ光源の発振波長分布を示す図である。
図６Ａ並びに６Ｂは、本実施形態における結像光学系の色収差の影響を説明する図である。
図７は、本実施形態の数値例において各波長の光成分が被処理基板上に形成する各光強度パターンをそれぞれ示す図である。
図８は、本実施形態の数値例において被処理基板上に最終的に形成される光強度分布を示す図である。
図９Ａ並びに９Ｂは、本実施形態の夫々異なる変形例において広帯域波長のレーザ光を複数のことなる波長の光成分に変換するエタロンの構成および作用を夫々説明する図である。
図１０Ａ並びに１０Ｂは、本実施形態の変形例における光源の発振波長分布および複数の波長光が形成する点像の様子を示す図である。
図１１は、本実施形態の変形例において異なる波長の光成分が被処理基板上に形成する各光強度パターンをそれぞれ示す図である。
図１２は、本実施形態の変形例において被処理基板上に最終的に形成される光強度分布を示す図である。
図１３Ａないし１３Ｅは、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。
【発明を実施するための最良の形態】  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、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、位相シフトマスク１を照明する照明系２を備えている。照明系２は、例えば、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と、この光源の射出側に順次配設された、ビームエキスパンダ２ｂと、第１フライアイレンズ２ｃと、第２フライアイレンズ２ｅと、第１コンデンサー光学系２ｄと、第２フライアイレンズ２ｅと、第２コンデンサー光学系２ｆとを備えている。
前記光源２ａから供給されたレーザ光は、ビームエキスパンダ２ｂを介して所定の径に拡大された後、第１フライアイレンズ２ｃに入射する。かくして、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。この結果、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。これら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、位相シフトマスク１を重畳的に照明する。
前記第１ラライアイレンズ２ｃと第１コンデンサー光学系２ｄとで、第１ホモジナイザを構成し、この第１ホモジナイザにより位相シフトマスク１上での入射角度に関する強度の均一化が図られる。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ホモジナイザを構成し、この第２ホモジナイザにより位相シフトマスク上での面内位置に関する強度の均一化が図られる。こうして、照明系は、ほぼ均一な光強度分布を有する光を位相シフトマスク１に照射する。
位相シフトマスク１により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に照射される。ここで、結像光学系３の光学的に共役な位置に、位相シフトマスク１と被処理基板４とが配置されている。被処理基板４は、例えば、液晶ディスプレイ用板ガラスの上に化学気相成長法により下地膜と非晶質シリコン膜とを順次形成することにより得られる。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上において所定の位置に保持されている。この基板ステージは、図示されない駆動機構によりＸ，Ｙ並びにＺ方向に移動可能となっている。
図３Ａ並びに３Ｂは、位相シフトマスクの構成を概略的に示す図である。総括的に言うと、位相シフトマスクは、前述した公知例にも記載されているように、透明媒質、例えば、石英基材に厚さの異なる互いに隣合う領域を設け、これら領域間の段差（位相シフト部）の境界で、入射するレーザ光線を回折並びに干渉させて、入射したレーザ光線の強度に周期的な空間分布を付与するものである。
具体的には、図３Ａを参照すると、位相シフトマスク１は、一方向（図３Ａ中において水平方向）に沿って交互に繰り返された２つの種類のスリット形状の位相領域１ａ，１ｂを有する。ここで第１の位相領域１ａの透過光と第２の位相領域１ｂの透過光との間には光の１８０°の位相差が付与されるように、両領域は構成されている。例えば、位相シフトマスク１が２４８ｎｍの波長を有する光に対して１．５の屈折率を有する石英ガラスで形成されている場合、図３Ｂから理解できるように、第１の位相領域１ａと第２の位相領域１ｂとの間には２４８ｎｍの段差が形成されている。即ち、両領域１ａ，１ｂ間には２４８ｎｍの厚さの相違がある。第１の位相領域１ａと第２の位相領域１ｂとの間の境界線は、位相シフト部１ｃを構成している。
光源が単一波長あるいは狭帯化されたレーザ光を供給し且つ結像光学系が収差のほとんどない光学系である場合、投影デフォーカス法（もしくは投影ＮＡ法）を適用すると、結像光学部に対して被処理基板４をデフォーカス位置に配置させることにより（もしくは結像光学系の射出側開口数を規定することにより）、被処理基板４上には、図４に示すように、位相シフトマスク１の位相に対応した逆ピークパターンの光強度分布の光が入射される。この光強度分布は、位相シフトマスク１の各位相シフト部１ｃに対応する位置において、光強度が最小の、ここではほぼ０の逆ピーク値を有し、この逆ピーク値から周囲に向かって、即ち、第１の位相領域１ａと第２の位相領域へと一次元的、かつ連続的に光強度が増加する特性を有する。
図４を参照すると、互いに隣接する２つの位相シフト部１ｃに対応して形成される２つの隣接した逆ピークパターン部Ｒの間の中間部Ｍにおける光強度分布は不規則なうねり（光強度の増大と減少とを繰り返すような波状分布）のパターンとなっている。この場合、逆ピークパターン部の光強度分布において傾斜の大きい位置（符号１１で示す一定の強度以下の位置）に、結晶核が発生することが望ましい。しかし、上記のようにパターン中間部Ｍにうねり（凹凸の繰り返Ｌ）があると、このうねりの光強度の低い位置に（即ち、符号１２で示す望まない位置に）結晶核が発生することがある。
また、望ましい位置に結晶核が発生したとしても、結晶核から周囲に向かって開始したラテラル方向の成長が、逆ピークパターン部Ｒと中間部Ｍとの境界において光強度が減少する部分Ｌで停止してしまう。換言すれば、結晶核からのラテラル成長が逆ピークパターン部の幅Ｗ（逆ピークパターン部の基端間の距離；ここで最初に強度が増加から減少に変わる点もしくはその近傍間の距離）の範囲に限定されてしまう。このために、十分に大きな結晶の成長が妨げられる。ちなみに、投影デフォーカス法では、逆ピークパターン部の幅Ｗは、結像光学系３の解像度が十分だとすると、結像光学系３の像面と被処理基板４との距離（即ち、デフォーカス量）の１／２乗に概ね比例して変化する。一方、投影ＮＡ法では、逆ピークパターン部の幅Ｗは、結像光学系の解像度と同程度になる。
前述したように、ＫｒＦエキシマレーザ光源２ａでは、特段の狭帯化を行わない限り、発振波長帯域の比較的広いレーザ光が供給される。また、結像光学系３が単一種類の光学材料（例えば、石英ガラス）で形成されている場合、比較的大きな色収差が発生する。本実施形態では、ＫｒＦエキシマレーザ光源２ａから供給されるレーザ光の発振波長帯域に応じて結像光学系３の色収差発生量（一般には波面収差発生量）を規定することにより、中間部において光強度のうねりがなく、逆ピークパターン部を有する光強度分布の光で被処理基板（半導体膜）４を照射できるようにしている。
以下、具体的な数値例に基づいて本発明の原理を説明する。
図５は、本実施形態の数値例におけるＫｒＦエキシマレーザ光源の発振波長分布を示す図である。この図において、横軸は波長（単位：ｎｍ）から２４８ｎｍを差し引いた値の長さの位置を示し、また、縦軸は発振強度（相対値）を示す。図５に示すように、ＫｒＦエキシマレーザ光源２ａから射出されるレーザ光は、全体的にガウス型の強度分布を有する。具体的には、レーザ光の中心波長λは２４８．５５ｎｍであり、発振波長分布の半値全幅は約０．３ｎｍ（半値半幅△λ≒０．１５ｎｍ）である。
本実施形態の数値例において、結像光学系３は、石英ガラスのみで形成され、等倍で物体側および像側の双方にテレセントリックな光学系である。具体的には結像光学系３は、全長（物体面と像面との距離）が１０００ｍｍ（ｆ＝２５０ｍｍの４ｆ光学系）であり、射出側の開口数が０．１である。さらに、照明系２の照明ＮＡは、０．０５である。また、位相シフトマスク１における位相シフト部１ｃのピッチＰ、即ち、位相領域１ａ，１ｂの幅（図３を参照）は、１０μｍでる。
次に、図６Ａ並びに６Ｂを参照して結像光学系３の色収差による結像位置のずれを説明する。
結像光学系３に色収差が発生していない場合、位相シフトマスク１の光軸Ｏ上の１点からの光線は、その波長に依存することなく、結像光学系３を通った後、被処理基板４の表面４ａの光軸Ｏ上の１点に集光して点像を形成する。しかしながら、本実施形態では、結像光学系３に色収差が発生しているので、図６Ａに示すように、位相シフトマスク１の光軸Ｏ上の１点からの光線のうち、中心波長の光線１３は、被処理基板４の表面４ａにおいて光軸Ｏ上に集光するが、中心波長よりも短い波長の光線１４は、被処理基板４の表面４ａよりも上方（結像光学系側）において光軸Ｏ上に集光し、また、中心波長よりも長い波長の光線１５は被処理基板４の表面４ａよりも下方（結像光学系側とは反対側）において光軸上に集光する。この結果、本実施形態では、位相シフトマスク１の光軸上の１点からの光線は、図６Ｂにおいて楕円形状の斜線部で示すように、光軸Ｏに沿って細長く延びるようにピンボケした像を被処理基板４の表面４ａに結像する。また、結像光学系３が両側にテレセントリックな光学系であるため、被処理基板４の平坦な表面４ａ上のあらゆる点においてボケ量は、ほぼ等しく且つ光軸に平行な方向に沿ってピンボケする。ここで、光軸方向に延びた像の中の各波長に対応する点、即ち、被処理基板４の表面４ａからデフォーカスした点に着目すると、被処理基板４の表面４ａに最終的に形成される光強度分布は．各波長の光線が形成する各光強度パターンを重ね合わせた（合成した）ものになる。
以下の表１に、本実施形態の数値例における各光線の波長から中心波長λを差し引いた波長ずれ量（ｎｍ）と、結像光学系３の色収差に起因して各光線に対して発生する縦収差量（デフォーカス量：μｍ）との関係を示す。表１を参照すると、波長ずれ量と縦収差量とがほぼ比例することがわかる。表１に示す関係は、結像光学系３を薄肉レンズと仮定した計算により得られた結果であるが、この関係は複数のレンズの組み合わせからなる実際の結像光学系３においても概ね成立する。
2004008511.tif 000003
図７は、本実施形態の数値例において各波長の光線が被処理基板上に形成する各光強度パターンをそれぞれ示す図である。また、図８は、本実施形態の数値例において被処理基板４上に最終的に形成される光強度分布を、位相シフトマスクに関連させて示す図である。図７において、参照符号２１は中心波長λと一致する波長の光線（実線）、参照符号２２は中心波長λに対して±０．０５ｎｍだけ波長のずれた光線（１点鎖線）、参照符号２３は中心波長λに対して±０．１ｎｍだけ波長のずれた光線（破線）、参照符号２４は中心波長λに対して±０．１５ｎｍだけ波長のずれた光線（２点鎖線）、参照符号２５は中心波長λに対して±０．２ｎｍだけ波長のずれた光線（鎖線）、そして参照符号２６は中心波長λに対して±０．２５ｎｍだけ波長のずれた光線（３点鎖線）に、それぞれ対応している。この
図７を参照すると、中心波長λと一致する波長の光線２１が形成する光強度パターンは、図４に示す逆ピークパターン部および中間部の光強度分布に対応している。しかしながら波長が中心波長λから離れるに従って、ある程度の範囲までは、逆ピークパターン部の最小値が増大するものの、逆ピークパターン部から中間部にかけて光強度が急激に低下する度合が減少するパターン（逆ピークパターン部の両側に位置する正ピークパターンの高さが低くなる）となる。そして、波長が一定の距離以上離れた光線、即ち、波長が中心波長λから±０．１５ｎｍ以上離れた光線２４〜２６では、逆ピークパターン部から中間部にかけて光強度が低下しなくなり（正ピークパターンが生じなくなり）、中間部における光強度のうねりはほとんど存在しなくなる。
上述したように、各波長の光線が形成する各光強度パターン（即ち、図７に示す各光強度パターン）を重ね合わせることによって、被処理基板４の表面４ａに最終的に形成される光強度分布が得られる。こうして、本実施形態の数値例では、図８に示すように、逆ピークパターン部Ｒ間の中間部Ｍにおいて光強度のうねりがなく、しかも中間部の中央に向かって僅かに光強度が実質的に単調増加する正ピークパターン（山形のパターン）を有する光強度パターン分布の強度の光が、被処理基板４の表面４ａに照射される。
従って、中間部Ｍにおいて結晶核が発生することなく、逆ピークパターン部の光強度分布において傾斜の大きい位置（即ち、強度が一定値以下の位置）に結晶核を発生させることができる。また、逆ピークパターン部Ｒと中間部Ｍとの境界において光強度が減少する部分がなく（正ピークパターンＬが生じない）、しかも中間部Ｍの中央に向かって僅かに光強度が単調増加しているので、結晶核から周囲に向かって開始したラテラル成長が逆ピークパターン部の幅の範囲に限定されることがない。こうして、本実施形態では、所望の位置に結晶核を発生させることができるとともに、結晶核からの十分なラテラル方向の成長を実現して大粒径の結晶化半導体膜を生成することができる。
以下、中間部Ｍの中央に向かって僅かだ光強度が単調増加するパターンの光強度分布を得るための条件式について説明する。結像光学系３の色収差により、発生する縦収差が最大値Ｄのときに形成される逆ピークパターン部の幅Ｗは、いわゆるＢｅｃｋｅ線の回折パターンを求める方法として一般に理解されている理論より、次の式（１）で表される。ここで、λは、光源２ａが供給するレーザ光の中心波長である。
Ｗ＝２×１．２（λ・Ｄ／２）１／２          （１）
上述の数値例における計算経過から考えると、中間部Ｍの中央に向かって僅かに光強度が単調増加するパターン光強度分布を得るためには、各逆ピークパターン部の幅Ｗが逆ピークパターン部のピッチＸ（図８を参照）と同程度であることが望ましい。具体的には、図７において光線２４に対応する光強度パターンがこの条件に近い。さらに、逆ピークパターン部の幅Ｗが逆ピークパターン部のピッチＸにある程度近ければ十分効果があることを考えると、逆ピークの幅Ｗと逆ピークパターン部のピッチＸとの間に次の式（２）が成立することが望ましい。
０．５×Ｘ≦Ｗ≦２×Ｘ                      （２）
前記逆ピークパターン部のピッチＸと位相シフトマスク１の位相シフト部のピッチＰとの関係は、結像光学系３の結像倍率に依存する。本数値例の場合には結像光学系３が等倍であるため逆ピークパターン部のピッチＸは、位相シフト部のピッチＰと一致する。こうして、式（１）の関係を式（２）に代入すると、次の式（３）に示す条件が、ひいては式（４）に示す条件が導かれる。
０．２５Ｘ２／（２×１．４４λ）≦Ｄ
≦４Ｘ２／（２×１．４４λ）                  （３）
０．８７≦Ｄ・λ／Ｘ２≦１．３８９          （４）
ここで、数値例における具体的な値として、Ｘ＝１０μｍおよびλ＝０．２４８５５μｍを条件式（４）に代入すると、結像光学系３の色収差により発生する縦収差の最大値Ｄについて次の条件式（５）が得られる。
３５μｍ≦Ｄ≦５６０μｍ        （５）
表１を再び参照すると、縦収差の最大値Ｄとして最大披長または最小波長に対応する縦収差量９７μｍを用いても、半値幅に対応する縦収差量５８μｍを用いても条件式（５）が満たされていることがわかる。表１を参照して前述したように、色収差のある結像光学系３では、中心波長λからの波長のずれ量とデフォーカス量（縦収差量）との間に線形関係がある。即ち、半値幅に対応する縦収差の最大値Ｄを次の式（６）で表わすことができる。
Ｄ＝ｋ×△λ        （６）
ここで、△λは、光源２ａが供給するレーザ光の強度分布の半値半幅である。ｋは、中心波長λからの波長のずれ量に対するデフォーカス量の割合を示す係数である。したがって、式（６）の関係を参照して、条件式（４）を次の条件式（７）に示すように変形することができる。
０．０８７≦ｋ・△λ・λ／Ｘ２≦１．３８９              （７）
このように、本実施形態において、中間部の中央に向かって僅かに光強度が単調増加するパターン光強度分布を得るためには、条件式（４）または条件式（７）を満足することが望ましい。上述の実施形態では、ＫｒＦエキシマレーザ光源２ａが全体的にガウス型の強度分布を有するレーザ光を供給しているが、ＫｒＦエキシマレーザ光源２ａが互いに異なる複数の所定波長において最大強度を有する光を供給する変形例も可能である。以下、上述の実施形態との相違点に着目して、この変形例を説明する。
図９Ａ並びに９Ｂは、本実施形態の変形例において広帯域波長のレーザ光を複数の異なる波長の光に変換する、異なるエタロンの構成および作用を説明する図である。図９Ａに示すエタロンは、空気ギャップ型のエタロンであり、図９Ｂに示すエタロンはソリッド型である。また、図１０Ａ並びに１０Ｂは、本実施形態の変形例における光源の発振波長分布および複数の波長光が形成する点像の様子を示す図である。図９Ａに示すエタロン２８は、１所定の空隙ｔを介して配置された一対の平行平面板２８ａ、２８ｂにより構成されている。これら平行平面板２８ａ，２８ｂは、透明なガラスにより形成されている。このような構成のエタロン２８においては、第１の平面板２８ａを透過した光線、例えば、レーザ光線は、第２の平面板２８ｂの入射面に入射並びに／もしくは反射して、この第２の平面板２８ｂから、最終的には互いに波長の異なる複数の光成分を有する光となって射出される。この場合広帯域波長の入射レーザ光に基づいてエタロン２８により形成される複数（本変形例では４つ）の離散的な波長光のピーク間隔δλは、次の式（８）で表わされる。
δλ＝λ２／（２ｔｃｏｓθ）          （８）
ここで、λは、光源２ａが本来的に供給する広帯域波長のレーザ光の中心波長であって、本変形例では２４８．５ｎｍである。また、θはエタロンに対するレーザ光の入射角度で０度である。したがって、例えば、ピーク間隔δλ＝０．１３３ｎｍを得るには、所定の空隙をｔ＝２３１μｍに設定する必要がある。換言すれば、空隙ｔが２３１μｍに設定されたエタロン２８の作用により、光源２ａから供給された広帯域波長のレーザ光に基づいて、図１０Ａに示すような互いに同じピーク形状の強度分有を有する４つのピーク波長を有する光線を得ることができる。
ここで、４つのピーク波長を有する光線は、中心波長が２４８．３ｎｍの第１波長光成分Ａ１と、中心波長が２４８．４３３ｎｍの第２波長光成分Ｂ１と、中心波長が２４８．５６６ｎｍの第３波長光成分Ｂ２と、中心波長が２４８．７ｎｍの第４波長光成分Ａ２とからなる。この場合、図１０Ｂに示すように、第１波長光成分Ａ１は、被処理基板４の表面４ａよりも上方（結像光学系３側）に結像光学系３の色収差に起因してデフォーカスした点像Ｃ１を形成する。また、第２波長光成分Ｂ１は、被処理基板４の表面４ａと点像Ｃ１との間に、デフォーカスした点像Ｄ１を形成する。同様に、第３波長光成分Ｂ２は、被処理基板の表面４ａに関して点像Ｄ１と対称な位置に、デフォーカスした点像Ｄ２を形成する。また、第４波長光成分Ａ２は、被処理基板４の表面４ａに関して点像Ｃ１と対称な位置に、デフォーカスした点像Ｃ２を形成する。これら点像（Ｃ１，Ｄ１，Ｄ２，Ｃ２）は、その間隔が互いに同じであり、図６において光軸方向に沿って細長く延びるようにピンボケした像を示す楕円形状の斜線部に対応する楕円領域（図中破線で示す）内に包含されている。
したがって、本変形例においても、被処理基板４の表面４ａに最終的に形成される光強度分布は、各波長光成分（Ａ１，Ｂ１，Ｂ２，Ａ２）が形成する各光強度パターンを重ね合わせた（合成した）ものになる。
上記空気ギャップ型のエタロンと同様の効果は、他の形式のエタロン、例えば、図９Ｂに示すように、厚さｔの透明平行基板２９の両面に反射膜２９ａが形成されたソリッド型のエタロンでも得られることは理解できるであろう。
図１１は、上記４つの波長光成分（Ａ１，Ｂ１，Ｂ２，Ａ２）が被処理基板上に形成する各光強度パターンを示す図である。
図１１を参照すると、中心波長λに比較的近い波長を有する第２波長光成分Ｂ１および第３波長光成分Ｂ２が形成する光強度パターンでは、逆ピークパターン部から中間部にかけて光強度がある程度低下する傾向が見られる。これに対し、中心波長λから離れた第１波長光成分Ａ１および第４波長光成分Ａ２が形成する光強度パターンでは、逆ピークパターン部の最小値が増大するものの、逆ピークパターン部から中間部にかけて光強度が低下しなくなり中間部における光強度のうねりも存在しなくなる。
図１２は、図１１に示す光成分が合成された被処理基板４上に最終的に形成される光強度分布を示す図である。
図１２に示すように、逆ピークパターン部Ｒ間の中間部Ｍにおいて光強度のうねりがなく、しかも中間部Ｍの中央に向かって光強度が単調増加する光強度分布が、被処理基板４の表面４ａに最終的に形成される。したがって、中間部Ｍにおいて結晶核が発生することなく、逆ピークパターン部Ｒの光強度分布において傾斜の大きい位置に結晶核を発生させることができる。また、中間部Ｍの中央に向かって上述の実施形態よりも明確に光強度が単調増加しているので、結晶核から周囲に向かって開始したラテラル方向の結晶成長が逆ピークパターン部の幅寸法の範囲に限定されることなく、中間部のほぼ中央まで達し易い。
こうして、本変形例においても上述の実施形態と同様に、所望の位置に結晶核を発生させることができるとともに、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化半導体膜を生成することが出いる。なお、本変形例では、各波長光のピーク形状および数などに関する設計自由度が上述の実施形態よりも高いので、中間部の中央に向かって光強度が明確に単調増加する光強度分布を達成することが上述の実施形態よりも容易である。
上述の変形例では、エタロンを用いて広帯域波長のレーザ光を複数の波長光に変換している。しかしながら、これに限定されることなく、例えば、発振波長のわずかに異なる複数のレーザビームを合成することにより、一般的には互いに異なる中心波長の光を供給する複数の光源部と、複数の光源部から供給された複数のレーザ光を合成する合成部とを利用することにより、所望の複数の波長光を得ることができる。代わって、特定波長の光のみを反射する多層膜ミラーを、広帯域波長のレーザ光の照明光路中に挿入することにより、所望の複数の波長光を得ることができる。この場合、図７から明らかな様に、強度分布のうねりに一番寄与する中心波長のみを除去するだけでも大きな改善が得られる。
上述の実施形態では、０およびπの位相に対応する２種類のスリット形状の位相領域の一次元的な配列によって構成された位相シフトマスク１を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、０、π／２、π、３π／２の位相に対応する４つの矩形状の領域の二次元的な配列によって構成された位相シフトマスクを用いることもできる。また、一般的に、３以上の位相シフト線からなる交点（位相シフト部）を有し、この交点を中心とする円形領域の複素透過率の積分値がほぼ０であるような位相シフトマスクを用いることができる。さらに、位相シフト部に対応する円形状の段差を有し、この円形状の段差部分の透過光とその周囲の透過光との位相差がπになるように設定された位相シフトマスクを用いることもできる。なお、光強度分布は設計の段階でも計算できるが、実際の被処理面（被露光面）での光強度分布を観察して確認しておくことが望ましい。そのためには、被処理面を光学系で拡大し、ＣＣＤなどの撮像素子で入力すれば良い。使用光が紫外線の場合は、光学系が制約を受けるため、被処理面に蛍光板を設けて可視光に変換しても良い。
次に、図１３Ａないし図１３Ｅを参照して、本発明の製造装置・方法を用いて電子装置を製造する方法を説明する。
図１３Ａに示すように、矩形の絶縁基板３０（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）の上に全体に渡って、下地膜３１（例えば、膜厚５０ｎｍのＳｉＮ膜と膜厚１００ｎｍのＳｉＯ２膜との積層膜など）と非晶質半導体膜３２（例えば膜厚５０ｎｍから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する。次に、非晶質半導体膜３２の表面の一部もしくは全面にエキシマレーザ３３（例えば，ＫｒＦやＸｅＣｌなど）を照射する。ここで、エキシマレーザ照射には前記実施の形態で説明した装置並びに方法が使用される。この結果、非晶質半導体膜３２は、図１３Ｂに示されるように、多結晶半導体膜３４へと、物質が結晶化される。このようにして形成された多結晶半導体膜３４は、従来製造装置を用いた多結晶半導体膜に比べて、結晶粒位置が，制御された大粒径の多結晶もしくは単結晶化半導体膜に変換される。
次に、フォトリソグラフィを用いて、単結晶化半導体膜３４を島状の半導体膜３５に加工し、図１３Ｃに示すように、ゲート絶縁膜３６として、膜厚２０ｎｍないし１００ｎｍのＳｉＯ２膜を化学気相成長法やスパッタ法などを用いて、下地膜３１並びに半導体膜３５上に成膜する。
次に、前記ゲート膜３６上の前記半導体膜３５と対応する個所にゲート電極３７（例えば，シリサイドやＭｏＷなど）を形成する。このゲート電極３７をマスクにして、図１３Ｄに示すように、不純物イオン３８（Ｎチャネルトランジスタであればリン、Ｐチャネルトランジスタであればホウ素）を前記半導体膜３５中に注入し、この膜をＮ型もしくはＰ型にする。その後、この装置全体を窒素雰囲気でアニール（例えば、４５０℃で１時間）して、半導体膜３５中の不純物を活性化する。この結果、この半導体膜３５は、不純物濃度の高いソース４１と、ドレイン４２と、これらの間に位置し、ゲート電極３７と対応した、不純物濃度の低いチャンネル領域４０となる。
次に、層間絶縁膜３９をゲート膜３６上に成膜する。そして、この層間絶縁膜３９とゲート膜３６の、前記ソース４１並びにドレイン４２と対応する個所にコンタクト穴をあける。この後にソース４１並びにドレイン４２にコンタクト穴を介して電気的に接続されたソース電極４３、ドレイン電極４４を、成膜並びにパターンニング技術を使用して層間絶縁膜３９上に、図１３Ｅに示すように、形成する。このようにして形成された薄膜トランジスタは、チャネル４０領域を形成している半導体が、図１３Ａ並びに１３Ｂで説明したレーザ光照射技術により処理されているので、大粒径の多結晶もしくは単結晶となっていることは、理解できよう。従って、このようなトランジスタは、レーザ光処理されないアモルフアス半導体を使用したものと比較してスイッチング速度が速い。多結晶もしくは単結晶化トランジスタは、液晶駆動機能、メモリ（ＳＲＡＭ，ＤＲＡＭ）やＣＰＵなどの集積回路の機能を有するよう回路設計が可能である。耐電圧が必要な回路は、非晶質半導体膜に形成し、移動度の高速化が必要な、例えば、ドライバー回路のトランジスタなどには、多結晶もしくは単結晶化される。
【産業上の利用可能性】  以上説明したように、本発明では、所定の波長範囲に亘る光を供給する光源とこの波長範囲に応じた収差を有する結像光学系との協働作用により、逆ピークパターン部と中間部との境界において光強度が減少する部分がなく、しかも中間部の中央に向かって光強度が単調増加する逆ピークパターン光強度分布が、被処理基板上形成される。その結果、所望の位置に結晶核を発生させることができるとともに、結晶核からの十分なラテラル成長を実現して大粒径の結晶化半導体膜を生成することができる。
上記説明では、結晶化される被処理体を被処理基板としているが、被処理体は、実施の形態で説明したように、基板上に形成された非晶質や多結晶の層もしくは膜であることが理解できよう。尚、基板自体を結晶化する場合も本発明では含まれ、この場合には、基板が被処理体となる。結晶化される材料も、シリコンに限定されるものではなく、例えば、ＧｅやＳｉＧｅなど、他の半導体でも良く、さらに、結晶性を有することのできる材料であれば、半導体に限定されることはなく、例えば金属でも良い。この発明で、結晶化とは、結晶度を良くすることを言い、例えば、非晶質の物質の場合には、多結晶の物質もしくは単結晶の物質に、また、多結晶の物質の場合には単結晶の物質へと変換することを言う。
本発明で、位相シフトマスクの位相シフト部とは、異なる位相領域間の境界線もしくは点に限定されるものではなく、これら線もしくは点の近くの部分も含まれる。例えば、位相シフトマスクの境界線に沿って延びるる遮光領域を隣り合う位相領域の一方に設けた場合には、位相シフト部は、遮光領域となる。即ち、この遮光領域に対応した、最小強度のピーク値を有する逆ピークパターン部が形成される。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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