(57)【要約】【課題】ある程度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のできる結晶化装置。【解決手段】位相シフター（１）を照明する照明系（２）を備え、位相シフターを介して所定の光強度分布を有する光を半導体膜（３）に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置。位相シフターは、所定の方向に沿って直線状に延びる第１位相シフト線と、所定の方向に沿って蛇行する第２位相シフト線とを有する。あるいは、位相シフターは、所定の方向に沿って第１のふれ幅で蛇行する第１位相シフト線と、所定の方向に沿って第２のふれ幅で蛇行する第２位相シフト線とを有する。【選択図】  図１
2004193229.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位相シフターを照明する照明系を備え、前記位相シフターを介して所定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して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置において、
前記位相シフターは、所定の方向に沿って直線状に延びる第１位相シフト線と、前記所定の方向に沿って蛇行する第２位相シフト線とを有することを特徴とする結晶化装置。
【請求項２】
位相シフターを照明する照明系を備え、前記位相シフターを介して所定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して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置において、
前記位相シフターは、所定の方向に沿って第１のふれ幅で蛇行する第１位相シフト線と、前記所定の方向に沿って前記第１のふれ幅よりも実質的に大きい第２のふれ幅で蛇行する第２位相シフト線とを有することを特徴とする結晶化装置。
【請求項３】
前記第１位相シフト線および前記第２位相シフト線の一方の側の領域と他方の側の領域とが約１８０度の位相差を有することを特徴とする請求項１または２に記載の結晶化装置。
【請求項４】
位相シフターを照明する照明系を備え、前記位相シフターを介して所定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して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置において、
前記位相シフターは、所定の方向に沿って直線状に延びる第１位相シフト線と、前記所定の方向に沿って蛇行する第２位相シフト線と、直線状に延びて前記第１位相シフト線と交差する第３位相シフト線とを有することを特徴とする結晶化装置。
【請求項５】
前記第１位相シフト線および前記第２位相シフト線の一方の側の領域と他方の側の領域とが約１８０度の位相差を有し、前記第３位相シフト線の一方の側の領域と他方の側の領域とが約１８０度の位相差を有することを特徴とする請求項４に記載の結晶化装置。
【請求項６】
前記第１位相シフト線と前記第３位相シフト線とはほぼ直交することを特徴とする請求項４または５に記載の結晶化装置。
【請求項７】
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとは互いにほぼ平行に且つ近接して配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の結晶化装置。
【請求項８】
前記第２位相シフト線のふれ幅Ｗは、光の波長をλとし、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとの間隔をＤとするとき、
Ｗ＞０．６×（λＤ／２）１／２
の条件を満足することを特徴とする請求項７に記載の結晶化装置。
【請求項９】
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとの間の光路中に配置された結像光学系をさらに備え、
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜は、前記位相シフターと光学的に共役な面から前記結像光学系の光軸に沿って所定距離だけ離れて設定されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の結晶化装置。
【請求項１０】
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとの間の光路中に配置された結像光学系をさらに備え、
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜は、前記位相シフターと光学的にほぼ共役な面に設定され、
前記結像光学系の像側開口数は、前記所定の光強度分布を発生させるための所要の値に設定されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の結晶化装置。
【請求項１１】
前記第２位相シフト線のふれ幅Ｗは、光の波長をλとし、前記結像光学系の像側開口数をＮＡとするとき、
Ｗ＞０．３０５×λ／ＮＡ
の条件を満足することを特徴とする請求項１０に記載の結晶化装置。
【請求項１２】
位相シフターを照明し、前記位相シフターを介して所定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して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法において、
所定の方向に沿って直線状に延びる第１位相シフト線と、前記所定の方向に沿って蛇行する第２位相シフト線とを有する位相シフターを用いることを特徴とする結晶化方法。
【請求項１３】
位相シフターを照明し、前記位相シフターを介して所定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して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法において、
所定の方向に沿って第１のふれ幅で蛇行する第１位相シフト線と、前記所定の方向に沿って前記第１のふれ幅よりも実質的に大きい第２のふれ幅で蛇行する第２位相シフト線とを有する位相シフターを用いることを特徴とする結晶化方法。
【請求項１４】
位相シフターを照明し、前記位相シフターを介して所定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して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法において、
所定の方向に沿って直線状に延びる第１位相シフト線と、前記所定の方向に沿って蛇行する第２位相シフト線と、直線状に延びて前記第１位相シフト線と交差する第３位相シフト線とを有する位相シフターを用いることを特徴とする結晶化方法。
【請求項１５】
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとを互いにほぼ平行に且つ近接して配置することを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の結晶化方法。
【請求項１６】
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとの間の光路中に結像光学系を配置し、
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜の表面を前記位相シフターと光学的に共役な面から前記結像光学系の光軸に沿って所定距離だけ離れて設定することを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の結晶化方法。
【請求項１７】
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとの間の光路中に結像光学系を配置し、
前記結像光学系の像側開口数を前記所定の光強度分布を発生させるための所要の値に設定し、
前記結像光学系を介して前記位相シフターと光学的に共役な位置に前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜を設定することを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の結晶化方法。
【請求項１８】
所定の方向に沿って直線状に延びる第１位相シフト線と、前記所定の方向に沿って蛇行する第２位相シフト線とを有することを特徴とする位相シフター。
【請求項１９】
所定の方向に沿って第１のふれ幅で蛇行する第１位相シフト線と、前記所定の方向に沿って前記第１のふれ幅よりも実質的に大きい第２のふれ幅で蛇行する第２位相シフト線とを有することを特徴とする位相シフター。
【請求項２０】
前記第１位相シフト線および前記第２位相シフト線の一方の側の領域と他方の側の領域とが約１８０度の位相差を有することを特徴とする請求項１８または１９に記載の位相シフター。
【請求項２１】
所定の方向に沿って直線状に延びる第１位相シフト線と、前記所定の方向に沿って蛇行する第２位相シフト線と、直線状に延びて前記第１位相シフト線と交差する第３位相シフト線とを有することを特徴とする位相シフター。
【請求項２２】
前記第１位相シフト線および前記第２位相シフト線の一方の側の領域と他方の側の領域とが約１８０度の位相差を有し、前記第３位相シフト線の一方の側の領域と他方の側の領域とが約１８０度の位相差を有することを特徴とする請求項２１に記載の位相シフター。
【請求項２３】
前記第１位相シフト線と前記第３位相シフト線とはほぼ直交することを特徴とする請求項２１または２２に記載の位相シフター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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、位相シフター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ものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、たとえば液晶表示装置（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。
【０００３】
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、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。
【０００４】
多結晶シリコンは結晶粒の集合からなるが、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。
【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晶質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）」が知られている。位相制御ＥＬＡの詳細は、たとえば「表面科学Ｖｏｌ．２１，  Ｎｏ．５，  ｐｐ．２７８−２８７，  ２０００」に開示されている。
【０００６】
位相制御ＥＬＡ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に温度勾配が生じ、光強度がほぼ０の点に対応して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粒が生成される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来技術において一般に用いられる位相シフターは、いわゆるライン型の位相シフターであって、一方向に沿って交互に繰り返される２つの矩形状の領域で構成され、この２つの領域の間にはπ（１８０度）の位相差が付与されている。図１０は、ライン型の位相シフターの構成および作用を説明する図である。また、図１１は、ライン型の位相シフターを用いて得られる光強度分布を示す図である。
【０００８】
ライン型の位相シフターを用いた場合、図１０（ａ）に示すように、たとえば１８０度の位相差を有する２つの領域１０１ａと１０１ｂとの間の直線状の境界線１０１ｃが位相シフト部を構成することになる。したがって、図１１に示すように、位相シフト部（境界線）１０１ｃに対応する線１０２上において光強度がほぼ０で且つ線１０２と直交する方向に周囲に向かって一次元的に光強度が増加するような逆ピークパターンの光強度分布が形成される。
【０００９】
この場合、図１０（ｂ）に示すように、位相シフト部に対応する線１０２に沿って温度分布が最も低くなるとともに、位相シフト部に対応する線１０２と直交する方向に沿って温度勾配（図中矢印で示す）が発生する。すなわち、図１０（ｃ）に示すように、位相シフト部に対応する線１０２上で結晶核１０３が発生し、その結晶核１０３から位相シフト部に対応する線１０２と直交する方向に沿って結晶化が進行する。
【００１０】
なお、図１０（ｃ）において、曲線１０４は結晶の粒界を示しており、これらの結晶粒界１０４によって規定された領域に結晶が形成される。その結果、結晶核１０３は位相シフト部に対応する線１０２上に発生するものの、線１０２上のどこに結晶核１０３が発生するかは不定である。換言すると、ライン型の位相シフターを用いた場合、結晶核１０３の発生位置を制御することは不可能であり、ひいては結晶の形成領域を二次元的に制御することは不可能である。
【００１１】
また、ライン型の位相シフターを用いて得られる光強度分布では、図１１に示すように、２つの隣接した逆ピークパターン部の間の中間部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）を伴うのが一般的である。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に結晶核１０３ａが発生することが望ましいが、中間部のうねりにおいて光強度の低い位置に（すなわち望まない位置に）結晶核１０３ｂ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成長が、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で停止してしまい、大きな結晶の成長が妨げられる。
【００１２】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、ある程度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。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、位相シフターを照明する照明系を備え、前記位相シフターを介して所定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して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置において、
前記位相シフターは、所定の方向に沿って直線状に延びる第１位相シフト線と、前記所定の方向に沿って蛇行する第２位相シフト線とを有することを特徴とする結晶化装置を提供する。
【００１４】
本発明の第２形態では、位相シフターを照明する照明系を備え、前記位相シフターを介して所定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して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置において、
前記位相シフターは、所定の方向に沿って第１のふれ幅で蛇行する第１位相シフト線と、前記所定の方向に沿って前記第１のふれ幅よりも実質的に大きい第２のふれ幅で蛇行する第２位相シフト線とを有することを特徴とする結晶化装置を提供する。
【００１５】
第１形態および第２形態の好ましい態様によれば、前記第１位相シフト線および前記第２位相シフト線の一方の側の領域と他方の側の領域とが約１８０度の位相差を有する。
【００１６】
本発明の第３形態では、位相シフターを照明する照明系を備え、前記位相シフターを介して所定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して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置において、
前記位相シフターは、所定の方向に沿って直線状に延びる第１位相シフト線と、前記所定の方向に沿って蛇行する第２位相シフト線と、直線状に延びて前記第１位相シフト線と交差する第３位相シフト線とを有することを特徴とする結晶化装置を提供する。
【００１７】
第３形態の好ましい態様によれば、前記第１位相シフト線および前記第２位相シフト線の一方の側の領域と他方の側の領域とが約１８０度の位相差を有し、前記第３位相シフト線の一方の側の領域と他方の側の領域とが約１８０度の位相差を有する。また、前記第１位相シフト線と前記第３位相シフト線とはほぼ直交することが好ましい。
【００１８】
第１形態〜第３形態の好ましい態様によれば、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとは互いにほぼ平行に且つ近接して配置されている。この場合、前記第２位相シフト線のふれ幅Ｗは、光の波長をλとし、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとの間隔をＤとするとき、Ｗ＞０．６×（λＤ／２）１／２の条件を満足することが好ましい。
【００１９】
また、第１形態〜第３形態の好ましい態様によれば、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとの間の光路中に配置された結像光学系をさらに備え、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜は、前記位相シフターと光学的に共役な面から前記結像光学系の光軸に沿って所定距離だけ離れて設定されている。
【００２０】
さらに、第１形態〜第３形態の好ましい態様によれば、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとの間の光路中に配置された結像光学系をさらに備え、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜は、前記位相シフターと光学的にほぼ共役な面に設定され、前記結像光学系の像側開口数は、前記所定の光強度分布を発生させるための所要の値に設定されている。この場合、前記第２位相シフト線のふれ幅Ｗは、光の波長をλとし、前記結像光学系の像側開口数をＮＡとするとき、Ｗ＞０．３０５×λ／ＮＡの条件を満足することが好ましい。
【００２１】
本発明の第４形態では、位相シフターを照明し、前記位相シフターを介して所定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して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法において、
所定の方向に沿って直線状に延びる第１位相シフト線と、前記所定の方向に沿って蛇行する第２位相シフト線とを有する位相シフターを用いることを特徴とする結晶化方法を提供する。
【００２２】
本発明の第５形態では、位相シフターを照明し、前記位相シフターを介して所定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して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法において、
所定の方向に沿って第１のふれ幅で蛇行する第１位相シフト線と、前記所定の方向に沿って前記第１のふれ幅よりも実質的に大きい第２のふれ幅で蛇行する第２位相シフト線とを有する位相シフターを用いることを特徴とする結晶化方法を提供する。
【００２３】
本発明の第６形態では、位相シフターを照明し、前記位相シフターを介して所定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して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法において、
所定の方向に沿って直線状に延びる第１位相シフト線と、前記所定の方向に沿って蛇行する第２位相シフト線と、直線状に延びて前記第１位相シフト線と交差する第３位相シフト線とを有する位相シフターを用いることを特徴とする結晶化方法を提供する。
【００２４】
第４形態〜第６形態の好ましい態様によれば、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとを互いにほぼ平行に且つ近接して配置する。あるいは、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとの間の光路中に結像光学系を配置し、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜の表面を前記位相シフターと光学的に共役な面から前記結像光学系の光軸に沿って所定距離だけ離れて設定する。あるいは、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとの間の光路中に結像光学系を配置し、前記結像光学系の像側開口数を前記所定の光強度分布を発生させるための所要の値に設定し、前記結像光学系を介して前記位相シフターと光学的に共役な位置に前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜を設定する。
【００２５】
本発明の第７形態では、所定の方向に沿って直線状に延びる第１位相シフト線と、前記所定の方向に沿って蛇行する第２位相シフト線とを有することを特徴とする位相シフターを提供する。
【００２６】
本発明の第８形態では、所定の方向に沿って第１のふれ幅で蛇行する第１位相シフト線と、前記所定の方向に沿って前記第１のふれ幅よりも実質的に大きい第２のふれ幅で蛇行する第２位相シフト線とを有することを特徴とする位相シフターを提供する。
【００２７】
第７形態および第８形態の好ましい態様によれば、前記第１位相シフト線および前記第２位相シフト線の一方の側の領域と他方の側の領域とが約１８０度の位相差を有する。
【００２８】
本発明の第９形態では、所定の方向に沿って直線状に延びる第１位相シフト線と、前記所定の方向に沿って蛇行する第２位相シフト線と、直線状に延びて前記第１位相シフト線と交差する第３位相シフト線とを有することを特徴とする位相シフターを提供する。
【００２９】
第９形態の好ましい態様によれば、前記第１位相シフト線および前記第２位相シフト線の一方の側の領域と他方の側の領域とが約１８０度の位相差を有し、前記第３位相シフト線の一方の側の領域と他方の側の領域とが約１８０度の位相差を有する。また、前記第１位相シフト線と前記第３位相シフト線とはほぼ直交することが好ましい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
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、本発明の第１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。第１実施形態の結晶化装置は、位相シフター１を照明する照明系２を備えている。照明系２は、たとえば２４８ｎｍの波長を有する光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源２ａを備えている。なお、光源２ａとして、ＸｅＣｌエキシマレーザ光源のような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。
【００３１】
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光源が形成され、これらの複数の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、位相シフター１を重畳的に照明する。
【００３２】
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ター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および第２コンデンサー光学系２ｆは第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ター１上での面内位置に関する均一化が図られる。したがって、照明系２はほぼ均一な光強度分布を有する光を位相シフター１に照射する。
【００３３】
位相シフター１を介したレーザ光は、位相シフター１と平行に且つ近接して配置された被処理基板３に照射される。ここで、被処理基板３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により下地膜および非晶質シリコン膜を形成することにより得られる。換言すれば、位相シフター１は、非晶質半導体膜と対向するように設定されている。被処理基板３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４上において所定の位置に保持されている。
【００３４】
図２は、第１実施形態における位相シフターの基本単位部分の構成および作用を概略的に示す図である。また、図３は、第１実施形態において図２の位相シフターを用いて被処理基板上で得られる光強度分布を模式的に示す図である。図２を参照すると、位相シフター１の基本単位部分１０は、図中鉛直方向に沿って直線状に延びる第１位相シフト線１１ａと、図中鉛直方向に沿って蛇行する第２位相シフト線１１ｂとを有し、第１位相シフト線１１ａおよび第２位相シフト線１１ｂの図中左側の領域１２ａと図中右側の領域１２ｂとが１８０度の位相差を有するように構成されている。
【００３５】
すなわち、第１領域１２ａの透過光を基準として、第２領域１２ｂの透過光には１８０度の位相差が付与されるように構成されている。具体的には、たとえば位相シフター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、第１領域１２ａと第２領域１２ｂとの間には２４８ｎｍの段差が付与されている。位相シフター１は、必要に応じて、基本単位部分１０を一次元的にあるいは二次元的に配置することにより構成されている。また、位相シフター１では、その位相シフト面（凹凸パターン）が被処理基板３と対向する面に形成されている。
【００３６】
位相シフター１と被処理基板３とが密着配置されている場合、被処理基板３上には、位相シフト線１１ａおよび１１ｂに対応する部分においてのみ光強度の低い光強度分布が形成されることになる。しかしながら、第１実施形態では位相シフター１と被処理基板３とが近接配置されているので、いわゆるデフォーカス効果（ボケ効果）により、図３に示すように、位相シフト線１１ａおよび１１ｂに対応する線領域１３ａおよび１３ｂにおいて光強度が最も低く、線領域１３ａおよび１３ｂと直交する方向に沿って光強度が急激に増大する逆ピークパターンの光強度分布が形成される。
【００３７】
なお、図３において、参照符号Ａ−Ａで示す光強度分布は図２（ａ）の線Ａ−Ａで示す方向（第１位相シフト線１１ａと直交する方向）に対応する方向に沿った光強度分布を示し、参照符号Ｂ−Ｂで示す光強度分布は図２（ａ）の線Ｂ−Ｂで示す方向（第２位相シフト線１１ｂと直交する方向）に対応する方向に沿った光強度分布を示している。図３に示すように、蛇行する第２位相シフト線１１ｂに対応する線領域１３ｂにおける光強度は、直線状の第１位相シフト線１１ａに対応する線領域１３ａにおける光強度よりも実質的に高くなっている。これは、第２位相シフト線１１ｂの蛇行とデフォーカス効果（ボケ効果）との相乗効果により、ふれ幅Ｗ（図２（ａ）を参照）の範囲の光強度分布が平均化され、逆ピークの光強度が高く（浅く）なるからである。
【００３８】
すなわち、第２位相シフト線１１ｂの蛇行のふれ幅Ｗが大きくなるほど、第２位相シフト線１１ｂに対応する線領域１３ｂにおける光強度は高くなる。また、線領域１３ａと線領域１３ｂとの境目では光強度が平均化され、高い値から低い値に向かって滑らかに変化する。こうして、被処理基板３上の光強度分布では、第１位相シフト線１１ａに対応する線領域１３ａにおいて光強度が最も低く、光強度の変化勾配が周辺よりも低い谷線が第１位相シフト線１１ａに対応する線領域１３ａから第２位相シフト線１１ｂに対応する線領域１３ｂに向かって形成される。したがって、第１実施形態では、光強度の最も低い領域、すなわち直線状の第１位相シフト線１１ａに対応する線領域１３ａ上に結晶核１４が発生する。
【００３９】
また、第１位相シフト線１１ａから第２位相シフト線１１ｂに向かって形成される谷線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）を伴うことがないので、結晶核１４から谷線に沿って開始したラテラル成長が途中で停止することなく、大粒径の単結晶１５が生成される。こうして、いわゆる近接法（デフォーカス法）にしたがう第１実施形態では、直線状の位相シフト線と蛇行する位相シフト線との組み合わせにより、ある程度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。
【００４０】
図４は、第１実施形態の第１変形例にかかる位相シフターの構成および作用を概略的に示す図である。図４の第１変形例にかかる位相シフターは第１実施形態の位相シフターと類似の構成を有するが、第１位相シフト線１１ａが直線状ではなく第２位相シフト線１１ｂのふれ幅Ｗよりも実質的に小さいふれ幅で蛇行している点が第１実施形態と基本的に相違している。以下、第１実施形態との相違点に着目して、図４の第１変形例を説明する。
【００４１】
図４を参照すると、第１変形例にかかる位相シフター１の基本単位部分１０ａは、図中鉛直方向に沿って比較的小さなふれ幅で蛇行する第１位相シフト線１１ａと、図中鉛直方向に沿って比較的大きなふれ幅Ｗで蛇行する第２位相シフト線１１ｂとを有し、第１位相シフト線１１ａおよび第２位相シフト線１１ｂの図中左側の領域１２ａと図中右側の領域１２ｂとが１８０度の位相差を有するように構成されている。この場合、上述したように蛇行のふれ幅が大きくなるほど位相シフト線に対応する線領域における光強度は高くなるので、第２位相シフト線１１ｂに対応する線領域１３ｂにおける光強度の方が第１位相シフト線１１ａに対応する線領域１３ａにおける光強度よりも実質的に高くなる。
【００４２】
その結果、被処理基板３上の光強度分布では、第１位相シフト線１１ａに対応する線領域１３ａにおいて光強度が最も低く、光強度の変化勾配が周辺よりも低い谷線が第１位相シフト線１１ａに対応する線領域１３ａから第２位相シフト線１１ｂに対応する線領域１３ｂに向かって形成される。したがって、図４の第１変形例においても第１実施形態と同様に、第１位相シフト線１１ａに対応する線領域１３ａ上に結晶核１４が発生し、結晶核１４から谷線に沿って開始したラテラル成長が途中で停止することなく、大粒径の単結晶１５が生成される。すなわち、図４の第１変形例では、大きいふれ幅で蛇行する位相シフト線と小さいふれ幅で蛇行する位相シフト線との組み合わせにより（蛇行する位相シフト線のふれ幅の変調により）、ある程度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。
【００４３】
図５は、第１実施形態の第２変形例にかかる位相シフターの構成および作用を概略的に示す図である。図５の第２変形例にかかる位相シフターは第１実施形態の位相シフターと類似の構成を有するが、第１位相シフト線１１ａと直交する直線状の第３位相シフト線１１ｃが付設されている点が第１実施形態と基本的に相違している。以下、第１実施形態との相違点に着目して、図５の第２変形例を説明する。
【００４４】
図５を参照すると、第２変形例にかかる位相シフター１の基本単位部分１０ｂは、図中鉛直方向に沿って直線状に延びる第１位相シフト線１１ａと、図中鉛直方向に沿って蛇行する第２位相シフト線１１ｂと、図中水平方向に沿って直線状に延びて第１位相シフト線１１ａと交差する第３位相シフト線１１ｃとを有する。そして、第１位相シフト線１１ａおよび第２位相シフト線１１ｂの図中左側の領域（１２ａ，１２ｃ）と図中右側の領域（１２ｂ，１２ｄ）とが１８０度の位相差を有し、第３位相シフト線１１ｃの図中上側の領域（１２ａ，１２ｂ）と図中下側の領域（１２ｃ，１２ｄ）とが１８０度の位相差を有するように構成されている。この場合、第１位相シフト線１１ａと第３位相シフト線１１ｃとの交点１１ｄが位相シフト部を構成することになる。
【００４５】
その結果、被処理基板３上の光強度分布では、位相シフト部１１ｄに対応する領域１３ｄにおいて光強度が最も低くなり、光強度の変化勾配が周辺よりも低い谷線が第１位相シフト線１１ａに対応する線領域１３ａから第２位相シフト線１１ｂに対応する線領域１３ｂに向かって形成される。したがって、図５の第２変形例では、位相シフト部１１ｄに対応する領域１３ｄに結晶核１４が発生し、結晶核１４から谷線に沿って開始したラテラル成長が途中で停止することなく、大粒径の単結晶１５が生成される。すなわち、図５の第２変形例では、第１位相シフト線１１ａと直交する直線状の第３位相シフト線１１ｃの付設により、第１実施形態および図４の第１変形例の場合よりも正確に所望の位置に結晶核１４を発生させることができる。
【００４６】
図６は、第１実施形態およびその変形例において蛇行する第２位相シフト線に必要なふれ幅Ｗの大きさを説明するための図である。図６を参照すると、位相シフターにより被処理基板上に形成される光強度分布において、直線状の位相シフト線を中心として位相シフト線と直交する方向に沿って得られる逆ピークパターンの半値幅Ｌは、次の式（１）で表わされる。なお、式（１）において、λは光の波長であり、Ｄは位相シフターと被処理基板との間隔である。
Ｌ＝１．２×（λＤ／２）１／２    （１）
【００４７】
蛇行する第２位相シフト線１１ｂに対応する線領域１３ｂにおける光強度を上述の光強度平均化効果により所要の大きさまで高めるには、第２位相シフト線１１ｂのふれ幅Ｗが半値幅Ｌよりも大きいこと、すなわち次の条件式（２）を満足することが好ましい。
Ｗ＞１．２×（λＤ／２）１／２    （２）
【００４８】
ただし、第２位相シフト線１１ｂのふれ幅Ｗが、条件式（２）における不等号の右側の値に係数０．５を乗じて得られる次の条件式（３）を満足することにより、本発明の光強度平均化効果を十分に得ることができる。
Ｗ＞０．６×（λＤ／２）１／２    （３）
【００４９】
図７は、本発明の第２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。第２実施形態は第１実施形態と類似の構成を有するが、第２実施形態では位相シフター１と被処理基板３との間の光路中に結像光学系５を備えている点が第１実施形態と基本的に相違している。以下、第１実施形態との相違点に着目して、第２実施形態を説明する。なお、図７では、図面の明瞭化のために、照明系２の内部構成の図示を省略している。
【００５０】
第２実施形態では、図７に示すように、被処理基板３は位相シフター１と光学的に共役な面（結像光学系５の像面）から光軸に沿って所定距離だけ離れて設定されている。なお、結像光学系５（および後述の結像光学系６）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。いわゆる投影デフォーカス法にしたがう第２実施形態においても、位相シフター１を用いて、第１実施形態と同じ所望の光強度分布を被処理基板３上に形成し、ある程度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。
【００５１】
ところで、第１実施形態では被処理基板３におけるアブレーションに起因して位相シフター１が汚染され、ひいては良好な結晶化が妨げられることがある。これに対して、第２実施形態では、位相シフター１と被処理基板３との間に結像光学系５が介在し且つ被処理基板３と結像光学系５との間隔も比較的大きく確保されているので、被処理基板３におけるアブレーションの影響を受けることなく良好な結晶化を実現することができる。
【００５２】
また、第２実施形態では、位相シフター１と被処理基板３との間に設定すべき間隔が非常に小さい（たとえば数μｍ〜数百μｍ）ので、位相シフター１と被処理基板３との間の狭い光路中に位置検出のための検出光を導入することが困難であり、ひいては位相シフター１と被処理基板３との間隔を調整することが困難である。これに対して、第２実施形態では、被処理基板３と結像光学系５との間隔が比較的大きく確保されているので、その間の光路中に位置検出のための検出光を導入して、被処理基板３と結像光学系５との位置関係を調整することが容易である。
【００５３】
図８は、本発明の第３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。第３実施形態は第２実施形態と類似の構成を有するが、第３実施形態では結像光学系６を介して位相シフター１と被処理基板３とが光学的に共役に配置されている点が第２実施形態と基本的に相違している。以下、第２実施形態との相違点に着目して、第３実施形態を説明する。なお、図８においても、図面の明瞭化のために、照明系２の内部構成の図示を省略している。
【００５４】
第３実施形態では、結像光学系６は、その瞳（射出瞳）に配置された開口絞り６ａを備えている。開口絞り６ａは、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は光路に対して交換可能に構成されている。あるいは、開口絞り６ａは、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有する。いずれにしても、開口絞り６ａの開口部の大きさ（ひいては結像光学系６の像側開口数）は、被処理基板３の半導体膜上において所定の光強度分布を発生させるように設定されている。
【００５５】
いわゆる投影ＮＡ法にしたがう第３実施形態においても第１実施形態および第２実施形態と同様に、位相シフター１を用いて所望の光強度分布を被処理基板３上に形成し、ある程度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。また、第３実施形態においても第２実施形態と同様に、被処理基板３におけるアブレーションの影響を受けることなく良好な結晶化を実現することができるとともに、被処理基板３と結像光学系６との位置関係を調整することが容易である。
【００５６】
ところで、投影ＮＡ法にしたがう第３実施形態では、結像光学系６の像側開口数ＮＡを小さく設定することにより被処理基板上においてボケ効果が得られるが、解像度の低下によるボケ量Ｂは次の式（４）で表わされる。
Ｂ＝０．６１×λ／ＮＡ    （４）
【００５７】
なお、式（４）における定数０．６１は、完全コヒーレント照明の場合に得られる光強度分布において中心から最初に０になるまでの距離（半径）である。実際の光学系では、完全なコヒーレント照明にはならないので、この定数の値は異なってくるが概ね１程度の値である。蛇行する第２位相シフト線１１ｂに対応する線領域１３ｂにおける光強度を上述のボケ効果により所要の大きさまで高めるには、第２位相シフト線１１ｂのふれ幅Ｗがボケ量Ｂよりも大きいこと、すなわち次の条件式（５）を満足することが好ましい。
Ｗ＞０．６１×λ／ＮＡ    （５）
【００５８】
ただし、第２位相シフト線１１ｂのふれ幅Ｗが、条件式（５）における不等号の右側の値に係数０．５を乗じて得られる次の条件式（６）を満足することにより、本発明のボケ効果を十分に得ることができる。
Ｗ＞０．３０５×λ／ＮＡ    （６）
【００５９】
なお、上述の第２実施形態および第３実施形態では、第１実施形態の位相シフターだけでなく、図４の第１変形例にかかる位相シフターや図５の第２変形例にかかる位相シフターを用いることもできる。
【００６０】
また、上述の各実施形態および各変形例では、蛇行する位相シフト線として、ジグザグ状に蛇行する位相シフト線を例示している。しかしながら、これに限定されることなく、蛇行する位相シフト線について、たとえば正弦曲線状に蛇行する位相シフト線や、全体的にジグザグ状または正弦曲線状に蛇行する形態を有する階段状の位相シフト線など、様々な変形例が可能である。
【００６１】
なお、上述の各実施形態において、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。
【００６２】
図９は、各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９（ａ）に示すように、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）を、化学気相成長法やスパッタ法などを用いて成膜することにより、被処理基板３を準備する。そして、各実施形態の結晶化装置を用いて、非晶質半導体膜８２の表面の一部もしくは全部に、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。
【００６３】
こうして、図９（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、図９（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を島状の半導体膜８５に加工し、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９（ｄ）に示すように、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、不純物を活性化する。次に、図９（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。
【００６４】
以上の工程において、図９（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、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トランジスタ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。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、直線状の位相シフト線と蛇行する位相シフト線との組み合わせにより、あるいは大きいふれ幅で蛇行する位相シフト線と小さいふれ幅で蛇行する位相シフト線との組み合わせにより（蛇行する位相シフト線のふれ幅の変調により）、ある程度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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１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】第１実施形態における位相シフターの基本単位部分の構成および作用を概略的に示す図である。
【図３】第１実施形態において図２の位相シフターを用いて被処理基板上で得られる光強度分布を模式的に示す図である。
【図４】第１実施形態の第１変形例にかかる位相シフターの構成および作用を概略的に示す図である。
【図５】第１実施形態の第２変形例にかかる位相シフターの構成および作用を概略的に示す図である。
【図６】第１実施形態およびその変形例において蛇行する第２位相シフト線に必要なふれ幅Ｗの大きさを説明するための図である。
【図７】本発明の第２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８】本発明の第３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９】各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１０】ライン型の位相シフターの構成および作用を説明する図である。
【図１１】ライン型の位相シフターを用いて得られる光強度分布を示す図である。
【符号の説明】
１  位相シフター
２  照明系
２ａ  ＫｒＦエキシマレーザ光源
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  被処理基板
４  基板ステージ
５，６  結像光学系
６ａ  開口絞り
【図１】
2004193229.tif 000003
【図２】
2004193229.tif 000004
【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】
2004193229.tif 000009
【図８】
2004193229.tif 000010
【図９】
2004193229.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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