(57)【要約】【課題】結晶化装置において、被処理基板上に転写される光変調素子あるいは金属開口の作る光強度分布を可視化する。【解決手段】結晶化装置は、被処理基板上に紫外光域のレーザー光をパルス照射する紫外光用照射系と、被処理基板上において紫外光域のレーザー光の照射域と同一照射域に、可視光のレーザー光を連続照射する可視光照射系とを備える。紫外光域のレーザー光の均一照射によって溶融化した領域に、可視光のレーザー光の光強度分布によって結晶成長を形成する。結晶化装置は、紫外光域のレーザー光をパルス照射することによる溶融化と、可視光のレーザー光を連続照射することによる結晶化を組み合わせることで、結晶化を行うレーザー光の可視化を可能とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理基板上に紫外光域のレーザー光をパルス照射する紫外光用照射系と、
被処理基板上において前記紫外光域のレーザー光の照射域と同一照射域に、可視光のレーザー光を連続照射する可視光照射系とを備え、
前記紫外光域のレーザー光の均一照射によって溶融化した領域に、前記可視光のレーザー光の光強度分布によって結晶成長を形成することを特徴とする、結晶化装置。
【請求項２】
前記紫外光用照射系は、エキシマレーザー光源と、当該エキシマレーザー光源から発せられたエキシマレーザー光を基板上に均一照射する紫外光用照明光学系とを備え、
前記可視光照射系は、可視光レーザー光源と、当該可視光レーザー光源から発せられた可視光レーザー光の光強度分布をパターンニングする光強度分布形成手段と、当該光強度分布形成手段でパターンニングした光強度分布の光を被処理基板上の前記照射域に結像する結像光学系とを備えることを特徴とする、請求項１に記載の結晶化装置。
【請求項３】
前記光強度分布形成手段は、可視光レーザー光源から発せられた可視光レーザー光の位相をシフトして光強度を変化させる光変調素子であることを特徴とする、請求項２に記載の結晶化装置。
【請求項４】
前記光強度分布形成手段は、可視光レーザー光源から発せられた可視光レーザー光の一部を遮蔽して光強度を変化させる金属開口であることを特徴とする、請求項２に記載の結晶化装置。
【請求項５】
前記紫外光用照射系は、前記被処理基板のアモルファスシリコン膜での吸収により溶融化し、
前記可視光照射系は、溶融化されたアモルファスシリコン膜での吸収により結晶化することを特徴とする、請求項１から４の何れか一つに記載の結晶化装置。
【請求項６】
被処理基板上のアモルファスシリコン膜に紫外光域のレーザー光を均一にパルス照射して溶融化し、
可視光のレーザー光の光強度分布をパターンニングし、当該パターンニングした可視光のレーザー光を、前記溶融化した液状化シリコン領域上に重畳して照射することによって結晶成長を形成することを特徴とする、結晶化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非晶質もしくは多結晶半導体薄膜に光線を用いて溶融し結晶化させる結晶化装置に関し、特に、特に、位相変調して得られる光強度分布を有するレーザー光を非単結晶半導体薄膜に照射して結晶化する技術（Phase Modulated Excimer Laser Annealing：ＰＭＥＬＡ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス基板等の絶縁体上に形成された非結晶半導体層を結晶化させて結晶質半導体層を得、この結晶質半導体層を活性層とした薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：thin film transistor）を形成する技術が知られている。
【０００３】
例えば、アクティブマトリックス型液晶表示装置では、シリコン膜等の半導体膜を設けガラス基板上に薄膜トランジスタを形成し、この薄膜トランジスタを切換え表示を行うためのスイッチング素子として用いている。
【０００４】
薄膜トランジスタの形成は、非晶質又は多結晶などの非単結晶半導体薄膜の結晶化工程を含んでいる。この結晶化技術として、例えば、大エネルギーの短パルス・レーザー光を用いて非単結晶半導体薄膜の照射領域を溶融して、結晶化するレーザー結晶化技術が知られている。
【０００５】
現在、生産に供されているレーザー結晶化装置では、長尺ビーム（例えば、５００μｍ×３００ｍｍ）形状で均一な強度分布のレーザー光を非晶質シリコンに照射する手法を採用している。しかしながら、この手法では、得られた半導体膜の結晶粒径が０．５μｍ以下と小さく、そのため、ＴＦＴのチャネル領域に結晶粒界が存在することになり、ＴＦＴの特性が抑制されるなど性能に限界がある。
【０００６】
このＴＦＴの性能を向上させるために、大きな結晶粒を有する高品質な半導体膜を製造する技術が要求されている。この要求を満足させる結晶化法として、各種のレーザー結晶化技術の中で、特に、位相変調して形成した逆ピークパターン状の光強度分布を有するエキシマレーザー光を非単結晶半導体薄膜に照射して結晶化する技術が注目されている。
【０００７】
前述した位相変調を行うことなく均一な強度分布のレーザー光を非晶質シリコンに照射する手法をＥＬＡ技術と云うのに対して、位相変調したエキシマレーザー光を照射して行う結晶化する技術をＰＭＥＬＡ技術と云い、所定の光強度分布を持つエキシマレーザー光を、非単結晶半導体薄膜に照射し、この半導体膜の照射部を溶融して、結晶化を行う。
【０００８】
所定の光強度分布を持つエキシマレーザー光は、位相変調素子等の光変調素子、例えば位相シフタ等の位相変調素子により入射レーザー光を位相変調させることにより得られる。非単結晶半導体薄膜は、例えば、ガラス基板上に形成した非晶質シリコン若しくは多結晶シリコンの薄膜である。
【０００９】
現在開発されているＰＭＥＬＡ技術では、１回のエキシマレーザー光の照射で数ｍｍ角程度の大きさの領域を溶融・結晶化させる。この結晶化非単結晶半導体薄膜処理により、数μｍから１０μｍ程度の大きさで比較的一様な結晶粒を有する品質の優れた結晶化シリコン薄膜が形成されている（例えば、非特許文献１参照）。この手法で形成した結晶化シリコン薄膜に作成されたＴＦＴは、優れた電気特性を有することが示されている。
【００１０】
このＰＭＥＬＡ結晶化技術は、レーザー光の使用効率が高く、大粒径の結晶が得られるという優れた特徴を有する。しかしながら、安定した電気特性を得るためには結晶粒を高い精度で位置決めする必要がある。また、大面積の半導体膜を結晶化させるには、いわゆるステップ・アンド・リピート照射方式と呼ばれる、非単結晶半導体膜にレーザー光を照射後、次の照射位置までガラス基板を移動させ停止させた後再びレーザー光を照射する工程を繰り返す照射方式が用いられている。
【００１１】
ＰＭＥＬＡ結晶化技術において、シリコン薄膜の微小領域において溶融し結晶化する状態を評価するために観察することが求められている。この結晶化を光学的に観察する技術として、観察用照明光学系を設け、パルス状エネルギー光を照射した後に観察する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１２】
図６は、ＰＭＥＬＡ結晶化による結晶化装置の一構成例を説明するための図である。図６において、結晶化装置１００は、大粒径の結晶化を行うための結晶化用光パターンを形成する結晶化用光学系１０１を備える。結晶化用光学系１０１は、レーザー光源１１１と、ビームエキスパンダ１１２と、ホモジナイザ１１３と、位相シフタ（例えば、位相変調素子）１１４と、結像光学系１１５と、基板１３０を予め定められたい位置に案内するステージ１４０とを備える。レーザー光源１１１からのレーザー光はビームエキスパンダ１１２で拡大され、ホモジナイザ１１３により面内の光強度が均一化され、位相シフタ１１４に照射される。位相シフタ１１４を透過したエキシマレーザー光は、所定の光強度分布に変調され、結像光学系１１５により基板１３０上に照射される。
【００１３】
また、位相変調を行うことなく均一な強度分布のレーザー光を非晶質シリコンに照射するＥＬＡ技術では、結晶化用エネルギーとして紫外線領域の光を照射し、観察用の照明用光として可視光領域の光を照射することによって結晶化を光学的に観察する技術が提案されている。
【００１４】
図６において、結晶化プロセスの被処理領域を観察する観察系１２０は、観察用照明光源１２１，ビームエキスパンダ１２２，ハーフミラー１２３，環状鏡面系１２４を含む観察用照明光学系と、顕微光学結像系１２５、光検出器１２６および撮像装置を含む顕微観察光学系とを備える（例えば、特許文献２参照）。
【００１５】
また、均一な温度分布で加熱することによって、結晶成長を促進して比較的大きな結晶粒を形成し、結晶欠陥を減少させ、半導体膜の電気的特性を向上させるために、半導体膜を結晶化させる第１のエネルギービームと、この第１のエネルギービームよりも半導体膜の吸収率が小さく、半導体膜を結晶化させるエネルギーよりも小さなエネルギーの第２のエネルギービームとを照射することが提案されている。この第２のエネルギービームは半導体膜の下部および基板にまで到達して、半導体膜の厚さ方向にわたって加熱することで基板を加熱し、第１のエネルギービームの照射前後の温度差を減少させる。この第１のエネルギービームとしてエキシマレーザーによるレーザー光を用いて、第２のエネルギービームとして可視光領域の波長成分を含むことが示されている（特許文献３，４参照）。
【００１６】
また、加熱された被処理基板の温度分布を均一に保持するために、基板に上層部分にキャップ層を設ける構成とすることも知られている。被処理基板は、例えば、ベース基板の上に絶縁膜を介して半導体薄膜等の被処理膜を形成し、この膜上に絶縁膜からなるキャップ膜を設ける。キャップ膜は、加熱された被処理基板の放熱を低減して、被処理基板の温度分布の均一化を図る。
【００１７】
また、結晶粒を高い精度で位置決めするには、光変調素子のパターンを精密に基板上に投影する必要があるが、レーザー光を高い頻度で繰り返して連続照射すると、光学系の雰囲気温度が上昇したり、レンズ系が熱膨張することによって、照射中に、基板上に投影される光変調素子のパターンの投影倍率が変動する。
【００１８】
レーザー波長３０８ｎｍを用いた場合、雰囲気温度が３℃上昇すると、例えば１／５縮小テレセントリックレンズでは、１０ｍｍの光変調素子パターンを２ｍｍ角に縮小して基板上に転写する際、１／５．０００から１／４．９９４への倍率変動によって、投影されたパターンの周辺部では２．４μｍ程度の誤差が生じることがシミュレーションから確認される。
【００１９】
この投影倍率の変動は、レーザー光の照射によって形成される結晶化領域において、後工程でトランジスタが結晶粒界をまたいで形成されると、スイッチング特性等の低下を引き起こす要因となる。
【００２０】
数μｍに及ぶ擬似単結晶を形成することが可能なＰＭＥＬＡ（Phase Modulated Excimer Laser Annealing）結晶化技術において、光変調素子がその結晶成長に重要な役割を担っており、エキシマレーザーによって被処理基板上にその光強度分布が転写される光変調素子の形状を最適化することが重要なファクターである。
【００２１】
【非特許文献１】井上弘毅、中田充、松村正清；電子情報通信学会論文誌 Vol.J85-C,No.8, pp.624-629, 2002、「シリコン薄膜の振幅・位相制御エキシマ・レーザー溶融再結晶化方法−新しい２−Ｄ位置制御大結晶粒形成法−」
【特許文献１】特開２００６−６６４６２号公報
【特許文献２】特開２００５−２９４８０１号公報
【特許文献３】特開２０００−６８５２０号公報
【特許文献４】特開２００２−２６１０１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
上述したように、ＰＭＥＬＡ（Phase Modulated Excimer Laser Annealing）結晶化技術においては光変調素子がその結晶成長に重要な役割を担っており、エキシマレーザーによって被処理基板上にその光強度分布が転写される光変調素子の形状を最適化することが重要なファクターである。
【００２３】
しかしながら、エキシマレーザーがＵＶ光であり、かつパルス照射レーザーであることから、基板上に形成する光強度分布が可視化することが困難である。そのため、所望の結晶化成長を得るための光変調素子を最適化することができないという問題がある。
【００２４】
ＰＭＥＬＡ（Phase Modulated Excimer Laser Annealing）結晶化技術において、結晶化された状態を光学的に観察することは、上述した特許文献１で提案され、また、ＥＬＡ技術において、結晶化を紫外光領域のエキシマレーザーで行い、観察を可視光領域の光を用いることも特許文献２で提案されているが、何れも結晶化後の状態を観察するものであるため、この観察結果に基づいて光変調素子の形状を最適化するには、モニタ用の領域について予め結晶化を行い、その結晶化状態を観察した後に光変調素子を調整する必要があるため、光変調素子を調整において即時性の点で問題があり、被処理部分を結晶化する際の光変調素子を調整することができないという問題がある。
【００２５】
また、均一な温度分布を得るために、被処理領域に照射するエネルギービームを、結晶化を行うための第１のエネルギービームと、加熱を行うための第２のエネルギービームの２種類に分けること、および、加熱を行うための第２のエネルギービームとして吸収率が小さく、エネルギーの小さな光を用いることで（特許文献３，４の段落０１０６、０１１５，０１１７等）、被処理領域に影響を与えることなく加熱するものである。
【００２６】
したがって、従来提案される何れのものも、結晶化を行うエネルギービームの光強度分布を結晶化を行う状態で観察・測定することができないという問題があり、この観察・測定に基づいて光変調素子あるいは金属開口を調整して光強度分布を最適化することができないという問題がある。
【００２７】
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、結晶化装置において、被処理基板上に転写される光変調素子あるいは金属開口の作る光強度分布を可視化すること、およびこの光強度分布の可視化に基づいて光変調素子や金属開口を調整することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明は、被処理基板上に転写される光強度分布のパターンを可視領域の光を用いることによって、光強度分布の可視化を可能とする。この光強度分布を可視化することによって、光強度分布を形成する光変調素子や金属開口を調整することができる。また、光強度分布を可視化することによって、結晶化を行う光の光軸を照射領域に位置合わせることができる。
【００２９】
本発明は、被処理基板に照射するレーザー光として紫外域のレーザー光と可視光域のレーザー光の２種類のレーザー光を用いる。紫外域のレーザー光は、被処理基板を均一照射することで被処理基板の結晶化を行う領域を溶融化する。一方、可視光域のレーザー光は、結晶化に必要なエネルギーを有するとともにパターンニングされた光強度分布を有しており、この光強度分布を溶融化された領域に重畳させることによって、溶融化された領域を結晶成長させる。
【００３０】
可視光域のレーザー光のアモルファスシリコン膜の吸収率は小さく、パターンニングした光強度分布を持つ可視光域のレーザー光を単にアモルファスシリコン膜に照射しただけでは、その吸収率が小さいために、結晶化させることはできない。これに対して、本発明者は、溶融化したアモルファスシリコン膜の可視光域のレーザー光の吸収率は十分に大きいことに着目し、溶融化したアモルファスシリコン膜に対して、パターンニングした光強度分布を有する可視光域のレーザー光を照射することによって、結晶化と可視化との両方の達成を可能とするものである。
【００３１】
上述した特許文献１、２に示される先行技術では、波長域を異にする光を照射する点では本発明と同様であるが、紫外域のパルス状のレーザー光を用いて結晶化を行い、結晶化後の状態を測定用照明光学系によって観察するものであるため、結晶化を行うレーザー光自体は紫外域であり、また、パルス照射するものであるため、観察・測定することが困難である。また、上述した特許文献２に示される先行技術は、レーザー光を均一照射する構成であって、光強度分布による結晶化とは異なる技術である。
【００３２】
また、上述した特許文献３，４に示される先行技術では、波長域を異にする光を照射する点では本発明と同様であるが、一方は結晶化用の紫外域のパルス状のレーザー光であり、他方は加熱用の可視光域を含むエネルギービームであって、この加熱用の可視光は被処理基板のシリコン膜での吸収率が小さいことを用いるものであって、可視光域での結晶化は行われていない。
【００３３】
上述した何れの特許文献に示される先行技術にも、可視光域の光の吸収率が溶融化することによる上昇を利用する点について開示されていない。本発明は、この可視光域の光の吸収率が溶融化することによる上昇を利用することによって、結晶化と可視化との両方を同時に可能とするものである。
【００３４】
本発明が備える結晶化装置の態様は、被処理基板上に紫外光域のレーザー光をパルス照射する紫外光用照射系と、被処理基板上において紫外光域のレーザー光の照射域と同一照射域に、可視光のレーザー光を連続照射する可視光照射系とを備える。紫外光域のレーザー光の均一照射によって溶融化した領域に、可視光のレーザー光の光強度分布によって結晶成長を形成する。
【００３５】
本発明の結晶化装置は、紫外光域のレーザー光をパルス照射することによる溶融化と、可視光のレーザー光を連続照射することによる結晶化を組み合わせることで、結晶化を行うレーザー光の可視化を可能とするものである。
【００３６】
紫外光用照射系は、エキシマレーザー光源と、エキシマレーザー光源から発せられたエキシマレーザー光を基板上に均一照射する紫外光用照明光学系とを備える。紫外光用照射系は、エキシマレーザー光を基板上に均一照射することで、基板上に溶融化領域を形成する。
【００３７】
他方、可視光照射系は、可視光レーザー光源と、可視光レーザー光源から発せられた可視光レーザー光の光強度分布をパターンニングする光強度分布形成手段と、光強度分布形成手段でパターンニングした光強度分布の光を被処理基板上のエキシマレーザー光の照射域に結像する結像光学系とを備える。
【００３８】
可視光照射系は、可視光レーザー光のパターンニングされた光強度分布を被処理基板上のエキシマレーザー光の照射域に照射して、エキシマレーザー光と可視化レーザー光とを重畳させる。このエキシマレーザー光と可視化レーザー光との重畳によって、エキシマレーザー光で溶融化された領域を結晶化することができる。
【００３９】
結晶化は、溶融化された状態のアモルファスシリコン膜の可視光の吸収率が高まることを利用することによって、可視化レーザー光を照射する領域で行うことができるため、結晶化を行う領域を可視化することができる。
【００４０】
光強度分布形成手段は、可視光レーザー光源から発せられた可視光レーザー光の位相をシフトして光強度を変化させる光変調素子、あるいは、可視光レーザー光源から発せられた可視光レーザー光の一部を遮蔽して光強度を変化させる金属開口とすることができる。
【００４１】
被処理基板はアモルファスシリコン膜を有する。エキシマレーザー光のアモルファスシリコン膜での吸収率は、可視光レーザー光のアモルファスシリコン膜での吸収率よりも大きいため、パルス照射されたエキシマレーザー光はアモルファスシリコン膜で吸収されて溶融化が行われる。一方、可視光レーザー光のアモルファスシリコン膜での吸収率は、溶融化される前の状態では小さいため、アモルファスシリコン膜の結晶化には寄与しないが、溶融化された後の状態では大きくなるため、アモルファスシリコン膜はパターンニングされた光強度分布によって結晶化される。
【００４２】
また、本発明の結晶化方法の態様では、被処理基板上のアモルファスシリコン膜に紫外光域のレーザー光を均一にパルス照射して溶融化し、可視光のレーザー光の光強度分布をパターンニングし、このパターンニングした可視光のレーザー光を、溶融化した液状化シリコン領域上に重畳して照射することによって結晶成長を形成する。
【発明の効果】
【００４３】
本発明によれば、結晶化装置において、被処理基板上に転写される光変調素子あるいは金属開口の作る光強度分布を可視化することができる。
【００４４】
また、光強度分布の可視化に基づいて光変調素子や金属開口を調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。
【００４６】
図１は本発明の結晶化装置１の構成を説明するための概略図である。図１において、本発明の結晶化装置１は、被処理基板３０上に紫外光域のレーザー光をパルス照射する紫外光用照射系１０と、被処理基板３０上において紫外光域のレーザー光の照射域と同一照射域に、可視光のレーザー光を連続照射する可視光照射系２０とを備える。紫外光用照射系１０は、紫外光域のレーザー光の均一照射によって被処理基板３０上の照射領域を溶融化する。可視光照射系２０は、溶融化した領域に可視光を重畳して照射することによって、可視光のレーザー光の光強度分布によって結晶成長を形成する。
【００４７】
紫外光用照射系１０は、エキシマレーザー光をパルス出射するエキシマレーザー光源１１と、レーザー光を照射するＵＶ用照明光学系１２とを備え、可視光照射系２０と共有する結像光学系２４を通して被処理基板３０上にエキシマレーザー光を照射し、被処理基板３０に設けられた薄膜を溶融する。
【００４８】
可視光照射系２０は、可視光レーザー光を連続照射する可視光レーザー光源２１と、可視光用照明光学系２２と、可視光用照明光学系２２で照射された可視光レーザー光を所定の光強度分布の光線に変調する光変調素子２３と、光変調素子２３の変調光を被処理基板３０上に結像させる結像光学系２４と、被処理基板３０を支持すると共に被処理基板３０上の二次元位置を定める位置決めステージ（図示していない）を備える。結像光学系２４を介して被処理基板３０に照射された変調光は、被処理基板３０に設けられた薄膜の内、紫外光用照射系１０によって溶融化された領域を結晶化する。
【００４９】
図２はエキシマレーザー光源と可視光レーザー光源のレーザー光の一例を説明するための図である。図２（ａ）はエキシマレーザー光の一例であり、パルス状のレーザー光が照射される。一方、図２（ｂ）は可視光レーザー光の一例であり、光強度分布されレーザー光は連続して照射される。
【００５０】
可視光用照明光学系２２は、可視光レーザー光源２１から射出された可視光レーザー光のビームを拡大するビーム・エキスパンダ（図示していない）や、面内の光強度を均一化するホモジナイザ（図示していない）を備え、光変調素子２３を照明する結晶化用レーザー光を射出、調整する。なお、図では、ビームエキスパンダ及びホモジナイザは示していない。
【００５１】
光変調素子２３は位相シフタを用いることができ、結晶化用レーザー光を位相変調して所望の光強度分布、例えば、逆ピークパターンの光強度分布を有する光に変調する。また、光変調素子２３による光強度分布の調整は光変調素子駆動機構２５によって行うことができる。
【００５２】
結像光学系２４は、光変調素子２３により位相変調された結晶化用レーザー光を結晶化させる非単結晶半導体薄膜に縮小照射する。この縮小照射は、例えば、光変調素子２３を照明光学系２２と結像光学系２４との間に設置したプロジェクション方式によって構成することができる。
【００５３】
可視光レーザー光源２１は、被処理基板３０に設けられた非単結晶半導体膜、例えば、溶融化された非晶質若しくは多結晶半導体膜を結晶化するために充分なエネルギー、例えば、非単結晶半導体膜上で１Ｊ／ｃｍ2を有する光を出力する。
【００５４】
一方、エキシマレーザー光源１１は、短パルス、例えば、半値幅が約２５から３０ｎｓｅｃのパルス・レーザー光を出力する。レーザー光は、例えば、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー光、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザー光が好ましい。エキシマレーザー光源は、例えば、発振周波数が例えば１Ｈｚから３００Ｈｚのパルス発振型である。
【００５５】
ビーム・エキスパンダ（図示していない）は、入射された可視光レーザー光を拡大するもので、例えば、拡大する凹レンズと平行光にする凸レンズとにより構成することができる。また、ホモジナイザ（図示していない）は、入射したレーザー光のＸＹ断面方向の寸法を決定し、かつ決定した形状内の光強度分布を均一にする機能を有する。例えば、Ｘ方向シリンドリカル・レンズをＹ方向に複数個並べ、Ｙ方向に並んだ複数の光束を形成し、Ｘ方向コンデンサ・レンズで各光束をＹ方向に重ね合わせて再分布させる。同様に、Ｙ方向シリンドリカル・レンズをＸ方向に複数並べ、Ｘ方向に並んだ複数の光束を形成し、Ｙ方向コンデンサ・レンズで各光束をＸ方向に重ね合わせて再分布させる。ホモジナイザにより可視光レーザー光は、所定の角度広がりをもち断面内の光強度が均一化された照明光に調光される。
【００５６】
位相シフタは、光変調素子２３の一例であり、例えば、石英ガラス基板に段差をつけたものである。この段差の境界でレーザー光の回折と干渉をおこさせ、レーザー光強度に周期的な空間分布を付与し、例えば、左右で１８０°の位相段差を付ける。左右で１８０°の位相段差を付けた位相シフタは、均一な強度分布の入射光を逆ピーク状の光強度分布に強度変調する。
【００５７】
位相シフタは、例えば、入射光を位相変調して逆ピーク状光強度分布を形成するように段差が形成されており、可視光レーザー光の位相を変調する。この結果、半導体膜を照射するレーザー光は、位相のシフト部（段差）に対応した箇所が強度変調された逆ピークパターンの光強度分布となる。
【００５８】
光変調素子２３の位相シフタを透過したレーザー光は、収差補正された結像光学系２４により位相シフタ（光変調素子２３）と共役な位置に設置された被処理基板３０上に、所定の光強度分布で結像する。結像光学系２４は、例えば、複数枚のフッ化カルシウム（ＣａＦ2）レンズおよび合成石英レンズからなるレンズ群により構成され、例えば、縮小率：１／５、Ｎ．Ａ．：０．１３、解像力：２μｍ、焦点深度：±１０μｍ、焦点距離：３０ｍｍから７０ｍｍの作動距離を有する片側テレセントリックレンズである。
【００５９】
また、光変調素子２３に代えて金属開口を用いることができ、開口部のエッジ部の段差によって光強度分布を位相変調する。
【００６０】
また、結晶化の処理を受ける被処理基板３０は、一般に、例えば、ガラス基板、プラスチック基板等の絶縁基板、シリコン等の半導体基板（ウェーハ）等の保持基板に絶縁膜を介して非単結晶半導体膜（例えば、非晶質シリコン膜、多結晶シリコン膜、スパッタされたシリコン膜、シリコン・ゲルマニウム膜、若しくは脱水素処理をした非晶質シリコン膜）を形成する。
【００６１】
非単結晶半導体膜の膜厚は、例えば脱水素処理をした非晶質シリコン膜の場合には３０ｎｍから３００ｎｍであり、例えば、５０ｎｍである。絶縁膜は、非単結晶半導体膜を結晶化する際に、保持基板から好ましくない不純物が非単結晶半導体膜に拡散することを防止するために、あるいは、レーザー照射によって生じるジュール熱を蓄積させる目的で設けられた膜である。
【００６２】
また、キャップ絶縁膜を設ける構成も知られている。キャップ絶縁膜は、レーザー光に対するキャップ絶縁膜の紫外光透過特性及び断熱特性を利用して、結晶化のために非単結晶半導体膜が受光して溶融したときの熱を蓄える機能を有する。キャップ絶縁膜の蓄熱効果は、従来構成の結晶化装置において、非単結晶半導体膜の溶融領域に大粒径（５μｍ以上）の結晶化を可能にする。キャップ絶縁膜は、結晶化の効率を高めるためのものであるが、本発明の結晶化装置は、溶融化と結晶化とを同一領域で行うことができるため、加熱状態を保持するために被処理基板３０の非単結晶半導体膜上の設けた絶縁膜よりなるキャップ膜を不要としても良い。
【００６３】
本発明の結晶化装置１は、位置決めステージ（図示していない）を備えてもよい。位置決めステージは、被処理基板３０を載置してＸＹ方向の２次元で移動自在とするＸＹステージ（図していない）の他、ＸＹステージ上の二次元位置を測定する位置測定部（図示していない）を備える。ＸＹステージは、Ｘ軸方向に移動するＸ軸ステージと、Ｙ軸方向に移動するＹ軸ステージと、このＸ軸ステージ及びＹ軸ステージを支持する定盤（図示していない）を備える。ＸＹステージ上には被処理基板３０が載置され、ＸＹステージを二次元で移動させることによって、被処理基板３０の位置決めを行う。
【００６４】
本発明の結晶化装置１によって被処理基板３０を結晶化する場合には、ステージ駆動制御装置（図示していない）によってＸＹステージを駆動し、レーザー光を被処理基板３０上で走査して結晶化を施す。
【００６５】
図３，図４は、エキシマレーザー光と可視光レーザー光の重畳による溶融化と結晶化を説明するための図である。
【００６６】
被処理基板３０は、ベース基板３１の上に絶縁膜３２と被処理膜３３としてアモルファスシリコン膜が設けられる。被処理基板３０上には、エキシマレーザー光１０ａと可視光レーザー光２０ａとが重畳されて照射される。エキシマレーザー光１０ａはパルス照射される。エキシマレーザーは、その短波長によってアモルファスシリコン膜での吸収率が高く、被処理基板３０への進入深さは浅く、アモルファスシリコン膜を溶融化する。
【００６７】
一方、連続照射される可視光レーザー光２０ａはアモルファスシリコン膜での吸収率が小さいため、被処理基板３０への進入深さは深く、アモルファスシリコン膜よりも下側の層まで達し、被処理基板３０に投入されたエネルギーは分散される。
【００６８】
エキシマレーザー光１０ａと可視光レーザー光２０ａとを重畳して照射すると、アモルファスシリコン膜が溶融化する前の状態では、可視光レーザー光２０ａはその吸収率が小さいためアモルファスシリコン膜の層を通過し結晶化は行われない。これに対して、アモルファスシリコン膜が溶融化した状態では、可視光レーザー光２０ａはその吸収率が大きくなるためアモルファスシリコン膜の層で吸収され、アモルファスシリコン膜の結晶化が行われる。
【００６９】
図３（ａ）は、エキシマレーザー光１０ａと可視光レーザー光２０ａとを重畳して照射した状態を示し、図３（ｂ）はエキシマレーザー光１０ａの照射状態を示し、図３（ｃ）は可視光レーザー光２０ａの照射状態を示している。図３（ｂ）において、アモルファスシリコン膜３３の領域１３はエキシマレーザー光１０ａの照射によって溶融化される。図３（ｃ）において、溶融化された領域１３に可視光レーザー光２０ａが照射されることで、結晶化される。
【００７０】
図４は、エキシマレーザー光１０ａと可視光レーザー光２０ａの重畳照射位置を移動させることで、被処理基板３０上の結晶化を進める状態を示している。図４（ａ）はレーザー光の照射前の状態を示し、図４（ｂ）はエキシマレーザー光１０ａと可視光レーザー光２０ａの重畳照射によって照射位置を結晶化し、図４（ｃ）は被処理基板３０上を移動させることによって次の照射位置にエキシマレーザー光１０ａと可視光レーザー光２０ａの重畳照射し結晶化を行う。
【００７１】
図５は、アモルファスシリコン膜と溶融化アモルファスシリコン膜とポリシリコン膜の各場合の可視光の吸収状態および透過状態を説明するための図である。
【００７２】
図５の上段は絶縁膜（溶融シリカ）上に積層された各状態のシリコン膜の各境界における反射状態を示し、図５の下段は各状態のシリコン膜（５０ｎｍ）における透過状態を示している。
【００７３】
図５の左方はアモルファスシリコン膜の場合である。アモルファスシリコン膜の屈折率ｎは４．２であり、吸収率ｋは０．４６である。アモルファスシリコン膜の反射による可視光の透過率Ｔ1は４６％であり、吸収によって減衰した後に可視光の透過率Ｔ2は６３％である。これによって、トータルの透過率ＴはＴ1×Ｔ2＝２９％となる。
【００７４】
一方、溶融化アモルファスシリコン膜の屈折率ｎは３．８であり、吸収率ｋは５．２である。溶融化アモルファスシリコン膜の反射による可視光の透過率Ｔ1は２３％であり、吸収によって減衰した後に可視光の透過率Ｔ2は０．５７％である。これによって、トータルの透過率ＴはＴ1×Ｔ2＝０．１４％となる。
【００７５】
また、ポリシリコン膜の屈折率ｎは３．８であり、吸収率ｋは０．０３である。ポリシリコン膜の反射による可視光の透過率Ｔ1は５１％であり、吸収によって減衰した後に可視光の透過率Ｔ2は９７％である。これによって、トータルの透過率ＴはＴ1×Ｔ2＝５０％となる。
【００７６】
従って、石英上にアモルファスシリコン膜５０ｎｍが形成されている場合、アモルファスシリコン膜での可視光レーザー光の透過率は２９％であるのに対して、溶融化アモルファスシリコン膜での可視光レーザー光の透過率は０．１４％となるため、可視光レーザー光を溶融中のシリコン上に照射することで、大きく吸収されるため、結晶成長の光強度分布を可視光で形成することができる。
【００７７】
従来のエキシマレーザー光による結晶化では、例えば３０ｎｍの短時間で強いパルス光を照射するため、熱を閉じ込めるためにキャップ層が必要となるが、本発明の結晶化装置の態様によれば、エキシマレーザー光で溶融化した領域を可視光レーザー光で結晶化するため、キャップ膜等の初期膜を基板上に形成する工程を省くことができる。
【００７８】
また、本発明の結晶化装置によれば、可視光による光変調素子を用いることによって、光強度分布の可視化および光変調素子の加工が容易となる。
【００７９】
また、本発明の結晶化装置によれば、光学系の光軸調整を可視光レーザー光の連続発振下で行うことができるため、装置の保守管理が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の結晶化装置１の構成を説明するための概略図である。
【図２】エキシマレーザー光源と可視光レーザー光源のレーザー光の一例を説明するための図である。
【図３】エキシマレーザー光と可視光レーザー光の重畳による溶融化と結晶化を説明するための図である。
【図４】エキシマレーザー光と可視光レーザー光の重畳による溶融化と結晶化を説明するための図である。
【図５】アモルファスシリコン膜と溶融化アモルファスシリコン膜とポリシリコン膜の各場合の可視光の吸収状態および透過状態を説明するための図である。
【図６】ＰＭＥＬＡ結晶化による結晶化装置の一構成例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８１】
１…結晶化装置、１１…エキシマレーザー光源、１２…ＵＶ用照明光学系、１３…溶融領域、２１…可視光レーザー光源、２２…可視光照明用光学系、２３…光変調素子、２４…結像光学系、３０…被処理基板、３１…ベース基板、３２…絶縁膜、３３…被処理膜、３４…結晶化領域、１００…結晶化装置、１０１…結晶化用光学系、１１１…レーザー光源、１１２…ビームエキスパンダ、１１３…ホモジナイザ、１１４…位相シフタ、１１５…結像光学系、１２０…観察系、１３０…基板。
【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図１】
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【図３】
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【図４】
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