(57)【要約】【課題】エネルギー線の照射領域において、溶融から固化及び結晶化へと変化する位置をモニタリングすることができる、薄膜の結晶化状態を高時間分解能リアルタイムで正確に監視すること。【解決手段】結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法は、薄膜の結晶化及び結晶化促進の少なくとも一方のためにエネルギー線照射を行うレーザアニール処理に用いられる。結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法は、エネルギー線照射の前、間及び後の少なくとも間又は後に、薄膜の結晶化状態を監視するためのモニタ光を薄膜の表面及び裏面の少なくとも一方の面の所定の面積を有する領域の少なくとも複数の監視用の箇所に直接又は基板を通して同時に照射し、モニタ光の薄膜の表面又は裏面からの反射光及び透過光の少なくとも一方の光の強度の時間的変化を監視用箇所の位置に関係づけた光強度分布として計測することを特徴とする。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜の結晶化及び結晶化促進の少なくとも一方のためにエネルギー線照射を行うアニール処理における、結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法であって、
前記エネルギー線照射の前、間及び後の少なくとも間又は後に、前記薄膜の結晶化状態を監視するためのモニタ光を前記薄膜の表面及び裏面の少なくとも一方の面の所定の面積を有する領域の少なくとも複数の監視用の箇所に直接又は前記基板を通して同時に照射するモニタ光照射ステップと、
前記モニタ光の前記薄膜の前記表面又は前記裏面からの反射光及び透過光の少なくとも一方の光の強度の時間的変化を前記監視用箇所の位置に関係づけた光強度分布として計測する計測ステップとを具備することを特徴とする、結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法。
【請求項２】
薄膜の結晶化又は結晶化促進のためにエネルギー線照射を行うアニール処理における、結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法であって、
前記エネルギー線照射の前、間及び後の少なくとも間又は後に、前記薄膜の結晶化状態を監視するためのモニタ光を前記薄膜の所定の面積を有する領域の少なくとも複数の監視用の箇所に同時に照射するモニタ光照射ステップと、
前記モニタ光の前記薄膜からの反射光又は透過光の強度の時間的変化を前記監視用箇所の位置に関係づけた光強度分布として計測する計測ステップとを具備し、
前記計測ステップは、前記薄膜からの反射光及び透過光の少なくとも一方の光を受けて該受けた光に対応する電子を光電変換により発生すること、発生した電子を時間的に変化する電界中を通過させること、通過された電子を受けて該通過電子に対応する投影像を表示面に形成させること、及び、前記投影像の強度分布の時間的変化を計測することを備えることを特徴とする、結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法。
【請求項３】
前記計測ステップにおける前記電界の時間的変化の速度は、前記薄膜の結晶化又は結晶化促進における溶融から固化への変化の速さと同等もしくは速い速度であることを特徴とする、請求項２記載の結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法。
【請求項４】
前記モニタ光照射ステップにおけるモニタ光の照射は、前記モニタ光が前記複数の監視用の箇所に同時に照射されるように前記モニタ光を前記薄膜のスリット状の照射領域に照射することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法。
【請求項５】
前記エネルギー線照射は、パルス光による照射であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法。
【請求項６】
前記計測ステップにおいて前記薄膜からの前記モニタ光の反射光又は透過光をストリークカメラで検出することを特徴とする、請求項１記載の結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法。
【請求項７】
前記モニタ光照射ステップは、前記モニタ光を該モニタ光の断面が前記薄膜上で前記監視用箇所を含むように整形して照射すること、及び、前記薄膜からの反射光及び透過光の少なくとも一方の光を帯状に整形して光電面を有する光電変換器の受光部に入射させることを備えることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法。
【請求項８】
前記モニタ光照射ステップは、複数の前記モニタ光を前記複数の監視用箇所に同時に照射すること、及び、前記薄膜の前記表面又は前記裏面からの反射光及び透過光の少なくとも一方の複数の光を該複数の光が一列に並ぶように光電変換器に入射させることを備えることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法。
【請求項９】
前記モニタ光照射ステップは、さらに、同一の対物レンズにより前記モニタ光を前記薄膜に結像させると共に前記薄膜からの反射光を前記光電変換器の受光部に結像させること、及び、前記対物レンズを経た前記反射光及び前記透過光の少なくとも一方の光を前記モニタ光から光路分離させることを備えることを特徴とする、請求項６乃至８のいずれか１項に記載の結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法。
【請求項１０】
前記薄膜は、シリコンを主成分とする薄膜、水素化アモルファスシリコン薄膜、スパッタシリコン薄膜、シリコンゲルマニウム薄膜、及び脱水素処理したアモルファスシリコン薄膜の少なくとも１つからなることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法。
【請求項１１】
前記モニタ光の前記薄膜への入射角度は、前記アニール処理の前及び後の少なくとも一方における前記薄膜のＰ偏光の反射強度が最小になる角度と同一であり、前記モニタ光の前記薄膜への入射光ビームはＳ偏光及びＰ偏光のいずれかであることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法。
【請求項１２】
前記モニタ光照射ステップは、さらに、前記モニタ光の強度分布を均一化させることを備えることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法。
【請求項１３】
前記モニタ光は光電面の波長感帯の範囲にあるレーザ光であることを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法を用いることを特徴とする、アニール方法。
【請求項１５】
薄膜の結晶化及び結晶化促進の少なくとも一方のためにエネルギー線照射を行うアニール装置に用いる、結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング装置であって、
前記エネルギー線照射の前、間及び後の少なくとも間又は後に、前記薄膜の結晶化状態を監視するためのモニタ光を前記薄膜の表面及び裏面の少なくとも一方の面の所定の面積を有する領域の少なくとも複数の監視用の箇所に直接又は前記基板を通して同時に照射するモニタ光照射器と、
前記モニタ光の前記薄膜の前記表面又は前記裏面からの反射光及び透過光の少なくとも一方の光の強度の時間的変化を前記監視用箇所の位置に関係づけた光強度分布として計測する計測器とを具備することを特徴とする、結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング装置。
【請求項１６】
薄膜の結晶化又は結晶化促進のためにエネルギー線照射を行うアニール装置に用いる、結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング装置であって、
前記エネルギー線照射の前、間及び後の少なくとも間又は後に、前記薄膜の結晶化状態を監視するためのモニタ光を前記薄膜の所定の面積を有する領域の少なくとも複数の監視用の箇所に同時に照射するモニタ光照射器と、
前記モニタ光の前記薄膜からの反射光又は透過光の強度の時間的変化を前記監視用箇所の位置に関係づけた光強度分布として計測する計測器とを具備し、
前記計測器は、前記薄膜からの反射光及び透過光の少なくとも一方の光を光電面が受光し光電子を発生する光電変換器と、発生した光電子を時間的に変化する電界中を通過させる電界発生器と、通過された光電子を受けて該通過電子に対応する投影像を形成する表示面と、前記投影像の強度分布の時間的変化を計測する計測器とを備えることを特徴とする、結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング装置。
【請求項１７】
前記モニタ光照射器は、前記モニタ光を該モニタ光の断面が前記薄膜上で前記複数の監視用箇所を含むように帯状に整形するモニタ光整形器を備えることを特徴とする、請求項１５又は１６記載の結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング装置。
【請求項１８】
請求項１５乃至１７のいずれか１項に記載の結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング装置を用いることを特徴とする、アニール装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギー線（例えば、レーザ光）を用いたアニール処理過程での薄膜の結晶化状態を監視するために行う結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕ（インサイチュー）モニタリング方法及び装置、並びに結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法を用いたアニール方法及び装置に関する。結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法及び装置は、例えば、液晶表示装置や有機エレクトロルミネッセンス（以下「ＥＬ」という。）表示装置のスイッチング素子用の薄膜トランジスタを製造する工程で、非晶質半導体薄膜をアニール処理（例えば、レーザアニール処理）するときの結晶化状態の監視のために用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ガラス基板に形成された非晶質（以下「アモルファス」という。）シリコン薄膜を、例えばレーザアニールにより結晶化させるときの薄膜の結晶化を調べる方法として、モニタ光を薄膜のアニール領域内の局所的な１箇所に照射し、照射箇所からの反射光の強度を検出する方法がある（例えば、特許文献１、特許文献２及び非特許文献１を参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２５７１７６号公報
【０００４】
【特許文献２】
特開平１１−１４８８８３号公報
【０００５】
【非特許文献１】
エム・ハタノ（Ｍ．　Ｈａｔａｎｏ）、エス・ムーン（Ｓ．　Ｍｏｏｎ）、エム・リー（Ｍ．　Ｌｅｅ）、ケイ・スズキ（Ｋ．　Ｓｕｚｕｋｉ）及びシー・ピー・グリゴロポラス（Ｃ．　Ｐ．　Ｇｒｉｇｏｒｏｐｏｕｌｏｓ）著の「シリコン薄膜の溶融及び再固化におけるエキシマレーザ誘起温度場（Ｅｘｃｉｍｅｒ　Ｌａｓｅｒ−Ｉｎｄｕｃｅｄ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｆｉｅｌｄｉｎ　Ｍｅｌｔｉｎｇ　ａｎｄ　Ｒｅｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍｓ）」、応用物理学誌（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ）、第８７巻第３６〜４３頁、２０００年
【０００６】
上記非特許文献１によれば、モニタ光として連続波レーザ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｗａｖｅ　Ｌａｓｅｒ、以下「ＣＷレーザ」という。）光、具体的には約６３３ｎｍの波長を有するヘリウムネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）レーザ光を用い、レーザ光を薄膜に照射し、薄膜からの反射光を１ナノ秒（以下「ｎｓ」という。）の応答時間を有するシリコンＰＮ接合フォトダイオード型光検出器で検出し、検出された信号波形の時間的変化を１ＧＨｚの周波数信号をサンプルするサンプリングオシロスコープで計測する。
【０００７】
上記文献において、薄膜溶融用のアニール用レーザ光としてパルス波レーザ光、具体的に約２５ｎｓのパルス幅（半値全幅（ｆｕｌｌ　ｗｉｄｔｈ　ａｔ　ｈａｌｆ　ｍａｘｉｍｕｍ、以下「ＦＷＨＭ」という。）での値）及び約２４８ｎｍの波長を有する紫外線領域のクリプトンフッ素（ＫｒＦ）エキシマレーザを用いている。また、レーザフルエンスは５００ｍＪ／ｃｍ２程度にされている。
【０００８】
上記文献の他に、薄膜溶融用のアニール用レーザ光として、約２５ｎｓのパルス幅及び約３０８ｎｍの波長を有し、また１パルス当たり約１Ｊのエネルギーを有するキセノン塩素（ＸｅＣｌ）エキシマレーザを帯状の長尺ビーム（３５０ｍｍ×１ｍｍ＝３．５ｃｍ２）に整形した整形レーザを用い、該整形レーザを直線走査させて、約３００ｍＪ／ｃｍ２のフルエンスで大面積基板を照射する結晶化方法もある。
【０００９】
数十ｎｍ程度の膜厚を有する脱水素処理化非晶質シリコン薄膜はアニール用レーザ光の数十〜１００ｎｓ程度の時間の照射により溶融され、薄膜の結晶化又は結晶粒成長が生じる。シリコンは溶融されると金属的性質を帯びて光反射性を増し、シリコン薄膜の光反射強度が増す。上記文献に示す、結晶化を調べる方法は、薄膜の溶融に伴う光反射強度の時間的変化を前記光検出器で検出している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の、結晶化を調べる方法では、アニール用レーザ光による溶融に係る領域の局所（実質的に１箇所）にモニタ光を照射し、局所からの反射光のみを検出する。
【００１１】
薄膜の結晶化、すなわち結晶粒の成長の速度や方向及び粒径は、アニール用レーザ光照射領域内で実際には均一ではない。アニール用レーザ光のエネルギーは、薄膜パターン形状、薄膜間のパターンの相違及びプリカーサの非晶質シリコン（以下「ａ−Ｓｉ」という。）薄膜の膜厚偏差の相違等に影響されて、予め意図したようには薄膜内を伝搬されない。このため、結晶粒が薄膜内で予期したようには成長されず、アニール用レーザ光照射領域内での薄膜の結晶化にばらつきが生じていた。
【００１２】
意図的に、基板面方向すなわち横方向（ラテラル方向）への薄膜の結晶成長を促進させるべく、アニール用レーザ光照射領域内のレーザエネルギー分布を一様でなくすることや該レーザの照射パターンを非対称なパターンにする場合がある。この場合においても、アニール用レーザ光のエネルギーが、前記した薄膜パターン形状及びその他に影響されて、予め意図したようには薄膜内を伝搬されない。このため、結晶粒が薄膜内で予期したようには均一に成長されなかった。
【００１３】
アニール用レーザ光照射領域内での薄膜の結晶化のばらつきのために、アニール用レーザ光照射領域すなわち薄膜の溶融領域のどの箇所にモニタ光を照射してその反射光を検出するか否かによって薄膜の結晶化を調べた結果に相違が生じる。
【００１４】
このような誤った結晶化の計測結果に基づいてレーザアニール処理をされた薄膜を有する薄膜トランジスタは所定の範囲外の特性を有することになり、この薄膜トランジスタをスイッチング素子として用いた液晶表示装置に例えば電気的特性の不良が生じていた。
【００１５】
このように、従来は、アニール用エネルギー線（例えば、レーザ光）による薄膜の溶融に係る領域の実質的に１点の箇所にモニタ光を照射してその反射光から得られる情報、すなわち１つの情報を基にして薄膜の結晶化をホトダイオードで検出するものであった。
【００１６】
本発明の目的は、エネルギー線の照射領域において、溶融から固化及び結晶化へと変化する位置をモニタリングすることができる、薄膜の結晶化状態を高時間分解能リアルタイムで正確に監視することにある。
【００１７】
【課題を解決する解決手段、作用及び効果】
本発明に係る結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法は、薄膜の結晶化及び結晶化促進の少なくとも一方のためにエネルギー線照射を行うアニール処理における、結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法であって、前記エネルギー線照射の前、間及び後の少なくとも間又は後に、前記薄膜の結晶化状態を監視するためのモニタ光を前記薄膜の表面及び裏面の少なくとも一方の面の所定の面積を有する領域の少なくとも複数の監視用の箇所に直接又は前記基板を通して同時に照射するモニタ光照射ステップと、前記モニタ光の前記薄膜の前記表面又は前記裏面からの反射光及び透過光の少なくとも一方の光の強度の時間的変化を前記監視用箇所の位置に関係づけた光強度分布として計測する計測ステップとを具備することを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る他の結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法は、薄膜の結晶化又は結晶化促進のためにエネルギー線照射を行うアニール処理における、結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法であって、前記エネルギー線照射の前、間及び後の少なくとも間又は後に、前記薄膜の結晶化状態を監視するためのモニタ光を前記薄膜の所定の面積を有する領域の複数の監視用の箇所に同時に照射するモニタ光照射ステップと、前記モニタ光の前記薄膜からの反射光又は透過光の強度の時間的変化を前記監視用箇所の位置に関係づけた光強度分布として計測する計測ステップとを具備し、前記計測ステップは、前記薄膜からの反射光及び透過光の少なくとも一方の光を受けて該受けた光に対応する電子を光電変換により発生すること、発生した電子を時間的に変化する電界中を通過させること、通過した電子を受けて該通過電子に対応する投影像を表示面に形成させること、及び、前記投影像の強度分布の時間的変化を計測することを備えることを特徴とする。
【００１９】
モニタ光は少なくとも各監視用箇所に同時に照射され、各監視用箇所からの光の強度の時間的変化を各監視用箇所の位置に関係づけられた光強度分布が計測される。アニール用エネルギー線照射領域内での薄膜の結晶化にばらつきが生じても、各監視用箇所からの光に基づいて、時間的変化を含み各監視用箇所の位置に関係づけられた光強度分布を計測することにより、薄膜の結晶化のばらつきを確認することができ、薄膜の結晶化状態を正確に監視することができる。
【００２０】
本発明によれば、被アニール薄膜が例えば非晶質シリコン薄膜であるとき、シリコンが溶融して固化及び結晶化するまでの溶融結晶化時間と結晶成長（例えばラテラル成長）の速度（監視用箇所の位置における情報）とが併せて計測される。換言すれば、シリコンの溶融結晶化時の固相と液相との界面（固液界面）の位置及び移動速度を知ることができる。シリコン薄膜の結晶化状態を正確に監視することができるので、エネルギー線照射のための条件、例えば、薄膜の溶融から固化への変化の最適な温度勾配及びエネルギー線（例えばエキシマレーザ光）の最適強度分布を求めること（最適条件だし）ができ、生産ラインにおける生産管理が容易になる。
【００２１】
また、本発明によれば、シリコン薄膜の結晶化状態を正確に監視することができるので、本発明による結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法及び装置を、薄膜として欠陥の少ない高品質な結晶化シリコン薄膜の開発に有効に利用することができる。
【００２２】
また、本発明によれば、表示面に形成された時間的変化を含み各監視用箇所の位置に関係づけられた光強度分布を、投影像の強度分布の時間的変化から計測することができる。さらに、計測ステップにおける電界の時間的変化の割合を、薄膜の結晶化又は結晶化促進における溶融から固化への変化の速さに対応して決めることにより、エネルギー線照射領域における薄膜の溶融前から溶融、固化及び結晶化に至る膜質の変化を、高時間分解能リアルタイムで極めて正確に監視することができる。
【００２３】
本発明によれば、位相シフタを用いてエネルギー線照射を行えば、結晶成長の核形成のために位相シフタを用いて行うエネルギー線照射の前及びその間、及び、ラテラル結晶成長のために位相シフタを用いて行うエネルギー線照射の前及びその間にモニタ光を照射することにより、位相シフタを通したエネルギー線の薄膜への照射によって生じる結晶成長の起点となる核形成及び薄膜のラテラル結晶成長の過程の間及びその前後にわたって結晶化状態を監視することができる。このようなモニタリングの結果を基に、薄膜のラテラル結晶成長のためのエネルギー線照射の適正な条件を求めることができる。したがって、大きな結晶粒を形成することができる。例えば、薄膜トランジスタの製造においては、活性層すなわちチャネル領域を１つの結晶粒とすることができる。換言すれば、チャネル領域を実質的に単結晶で形成することができる。
【００２４】
前記モニタ光照射ステップにおけるモニタ光照射は、前記モニタ光が前記複数の監視用の箇所に同時に照射されるように前記モニタ光を前記薄膜のスリット状の照射領域に照射することができる。これにより、薄膜のラテラル成長の過程を効率よく正確に監視することができる。
【００２５】
前記エネルギー線照射は、パルス光による照射とすることができる。
【００２６】
前記計測ステップにおいて前記薄膜からの前記モニタ光の反射光又は透過光をストリークカメラで検出することができる。これにより、薄膜の溶融前、溶融から固化及び結晶化への膜質の変化の速度、及び溶融領域と非溶融領域とに係る位置情報（すなわち、固液界面の位置）が高時間分解能で得られ、薄膜のラテラル成長を正確に監視することができる。
【００２７】
前記モニタ光を該モニタ光の断面が前記薄膜上で前記監視用箇所を含むように整形して照射すること、及び、前記薄膜からの反射光及び透過光の少なくとも一方の光を帯状に整形して光電変換器の受光部に入射させるようにしてもよい。そのようにすれば、監視用箇所からの光は、光電変換部の受光部に帯状に入射される。
【００２８】
これの代わりに、複数の前記モニタ光を前記複数の監視用箇所に同時に照射し、前記薄膜の前記表面又は前記裏面からの反射光及び透過光の少なくとも一方の複数の光を該複数の光が一列に並ぶように光電変換器に入射させるようにしてもよい。
【００２９】
さらに、同一の対物レンズにより前記モニタ光を前記薄膜に結像させると共に前記薄膜からの反射光を前記光電変換器の受光部に結像させ、前記対物レンズを経た前記反射光及び前記透過光の少なくとも一方の光を前記モニタ光から光路分離させるようにしてもよい。そのようにすれば、モニタ光の薄膜への入射及び薄膜からの反射の各光の結像を単一の対物レンズで行うことができる。また、モニタ光の波長及びアニール用レーザ光の波長の両波長で使用することが可能のレンズをアニール用レーザ光用の対物レンズとして用い、該対物レンズをモニタ光用の対物レンズとして共用してもよい。
【００３０】
前記薄膜は、シリコンを主成分とする薄膜、水素化アモルファスシリコン薄膜、スパッタシリコン薄膜、シリコンゲルマニウム薄膜、及び脱水素処理したアモルファスシリコン薄膜の少なくとも１つからなるとすることができる。
【００３１】
前記モニタ光の前記薄膜への入射角度は、前記アニール処理の前及び後の少なくとも一方における前記薄膜のＰ偏光の反射強度が最小になる角度と同一であり、前記モニタ光の前記薄膜への入射光ビームはＳ偏光及びＰ偏光のいずれかとすることができる。Ｐ偏光の反射強度が最小となる角度でＰ偏光の反射光を測定することで、ランダム偏光を使用する場合と比べて、効果的な測定をすることができる。
【００３２】
さらに、前記モニタ光の強度分布を均一化させてもよい。例えば、ホモジナイザ等の適当なレンズ光学装置を用いることができる。また、前記モニタ光はレーザ光としてもよい。
【００３３】
【発明の実施の形態】
図１を参照するに、エネルギー線としてパルスレーザ光を用いたアニール装置１０は、アニール用レーザ光源装置１２と、被アニール薄膜１４を有する基板１６を取り外し可能に取り付ける試料台１８を二次元的に移動させる図示しないＸＹステージ駆動機構とを備えている。図示の例では、試料台１８は、その一部のみが示されている。
【００３４】
アニール用レーザ光源装置１２に用いるアニール用レーザ光源として、例えば、ルビーレーザ、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（以下「ＹＡＧ」という。）レーザ、エキシマレーザ等を用いることができる。
【００３５】
アニール用レーザ光源装置１２は、パルス発振レーザ光源装置であり、被照射薄膜を溶融するために必要な予め定められたエネルギー光を出力する。アニール用レーザ光源装置１２は、通常、１パルス当たり約１Ｊのエネルギーを有するレーザを、パルス時間２０〜１００ナノ秒（以下「ｎｓ」という。）で発生する。図示の例では、アニール用レーザ光源としてクリプトンフッ素（以下「ＫｒＦ」という。）レーザを用い、例えば、１秒間に１００回の割合で約２５ｎｓのパルス幅を有するレーザ光を発生する。
【００３６】
アニール用レーザ光源装置１２は、アニール用レーザ光２０の被アニール薄膜１４への照射面積として、例えば、平面的に並べられた複数の被アニール薄膜を照射するように、５ｍｍφの照射面積を選択することができる。また、アニール用レーザ光２０の被アニール薄膜１４への照射時間として、例えば、２５ｎｓの照射時間を選択することができる。
【００３７】
図示していないが、アニール用レーザ光源装置１２は、レーザ発振させる共振器と、発振したレーザ光源を照射に適したビーム形状に整形するレンズ系とを含む。
【００３８】
被アニール薄膜１４として、例えば、シリコンを主成分とする薄膜、水素化アモルファスシリコン薄膜、スパッタシリコン薄膜、シリコンゲルマニウム薄膜、及び脱水素処理したアモルファスシリコン薄膜等の、成膜化された非晶質（以下「アモルファス」とう。）半導体薄膜を用いることができる。図示の例では、成膜された非晶質シリコン薄膜を用いている。非晶質シリコンとして、通常、脱水素処理された非晶質シリコンを用いることができる。これらの薄膜は、膜質に依存する膜の導電率により異なる光反射特性又は光透過特性を有するが、薄膜の溶融、固化及び結晶化への変化時に示す光学的特性のパターンは同様である。
【００３９】
基板１６として、透明のガラス基板やプラスチック基板又はシリコン基板等を用いることができる。図示の例では、透明のガラス基板を用いている。
【００４０】
非晶質シリコン薄膜１４を有するガラス基板１６は、試料台１８に取り外し可能に取り付けられ、所定の位置に位置決めされている。図示の例では、非晶質シリコン薄膜１４及びガラス基板１６は、それらの一部のみが示されている。
【００４１】
アニール装置１０は、さらに、図示の例では、位相シフタ２２を用いることができるように、該位相シフタを支持する図示しない位相シフタ支持体を備えている。位相シフタ２２は、該位相シフタを経る光の位相を選択的にシフトさせるシフタ部を有している。シフタ部を有する位相シフタ２２は、入射したレーザビーム光へのフィルタ作用に光損失（例えば光量損失）がなく、また、シフタ部に入射した光についてその強度を最小にし逆ピークパターンの光強度分布を有する光として透過する。アニール用レーザ光２０は、位相シフタ２２を経て非晶質シリコン薄膜１４に照射の強弱分布が形成されるように照射される。位相シフタについては、後に詳述する。
【００４２】
非晶質シリコン薄膜１４への照射の強弱分布により該薄膜内へのレーザ光２０のエネルギ配分に相違が生じ、薄膜の結晶化や結晶化促進が効率的に行われる。図示の例では、位相シフタ２２を経たレーザ光２０による大きな照射強度を有する領域ｅ１、ｅ２が生じている。領域ｅ１、ｅ２内において、生じた結晶粒は、例えば、非晶質シリコン薄膜１４のｅ２→ｅ１への方向すなわち基板面に平行な矢印２４の方向へ成長する。
【００４３】
結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング装置２６は、モニタ用光源装置２８と、整形光学装置３０と、ホモジナイザ３２と、結像用の対物レンズ３４と、反射鏡３６と、計測器３８とを備える。「ｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング」とは、後述するように、薄膜の溶融から固化及び結晶化への過程において膜質に関係する情報を監視することである。
【００４４】
モニタ用光源装置２８に用いるモニタ用レーザ光源として、例えば、Ａｒレーザ、ヘリウムネオン（以下「Ｈｅ−Ｎｅ」という。）レーザ及びＹＡＧレーザ等を用いることができる。これらの光源は、光電変換における光電面の波長感帯の範囲にあるレーザ光を生じさせることができる。
【００４５】
モニタ用光源装置２８は、連続波レーザ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｗａｖｅ　Ｌａｓｅｒ、以下「ＣＷレーザ」という。）光源装置であり、例えば、１０ｍＷのパワー及び約５ｍｍφのビーム径を有するレーザを発生する。モニタ用光源装置２８から基板に照射するレーザ光のビーム径は、アニール用レーザ光２０のビーム径と等しいか、又はより小さいことが望ましい。図示の例では、モニタ用レーザ光源として約５３２ｎｍの波長を有するＹＡＧレーザを用いている。
【００４６】
モニタ用光源装置２８は、アニール用レーザ光源装置１２に接続された図示しない時間調整装置に接続されている。時間調整装置は、アニール用レーザ光の発生開始時間に対して予め選択的に決められたモニタ光の発生開始時間が設定されており、モニタ光の発生開始のための信号をモニタ用光源装置２８に送る。図示の例においては、アニール用レーザ光の発生開始と同時にモニタ光の発生を開始させる信号が時間調整装置からモニタ用光源装置２８に送られる。
【００４７】
整形光学装置３０は、モニタ用光源装置２８より発するレーザ光の断面形状を所定の形状に整形するための光学装置であり、モニタ光整形器として作用する。図示の例では、整形光学装置３０は、モニタ用光源装置２８より発するレーザ光を、該光の断面に関して短辺と該短辺に比べて極めて長い長辺とを有する矩形の断面形状に整形する。
【００４８】
ホモジナイザ３２は、整形光学装置３０を経たレーザ光を、光の断面において均一の光強度分布を有するレーザ光に変換する。例えば、ＹＡＧレーザ光の断面における光強度分布は、ガウス分布に従う光強度分布であり、均一の強度分布ではない。ＹＡＧレーザ光は、ホモジナイザ３２を経ることにより、光の断面において均一の光強度分布を有するレーザ光に変換される。
【００４９】
結像用の対物レンズ３４は、整形光学装置３０及びホモジナイザ３２を経た均一の光強度分布の矩形断面を有する板状のモニタ用レーザ光４０を、該光の断面に関して短辺と長辺との特定の比率を有する矩形断面形状のモニタ光として、非晶質シリコン薄膜１４に結像させる。
【００５０】
図示の例では、モニタ用レーザ光４０は、ガラス基板１６を通して非晶質シリコン薄膜１４のガラス基板１６側に位置する裏面に照射され、非晶質シリコン薄膜１４の裏面に、６０μｍ×１μｍの寸法の帯状断面を有するモニタ光として結像される。
【００５１】
モニタ用レーザ光４０は、該光の帯状断面の長手方向が、位相シフタ２２によりもたらされたアニール用レーザ光照射強度大の領域ｅ１及びｅ２の長手方向と直角になるように、非晶質シリコン薄膜１４の裏面に照射及び結像される。非晶質シリコン薄膜１４の裏面にモニタ用レーザ光４０の照射領域Ａが形成される。
【００５２】
モニタ用レーザ光４０の照射領域Ａは、予め位置を決められた監視（モニタ）用の箇所ａ１、ａ２及びａ３を含む複数の監視用の箇所を連続させた領域として形成されている。
【００５３】
非晶質シリコン薄膜１４に照射されたモニタ用レーザ光４０の少なくとも一部は、反射光４２として再び非晶質シリコン薄膜１４の裏面から発する。モニタ用レーザ光４０の反射光４２の強度は、非晶質シリコン薄膜１４への入射角度と、非晶質シリコン薄膜１４の屈折率や減衰係数によって算出されるフレネル係数と、非晶質シリコン薄膜１４内の干渉現象とに依存する。
【００５４】
対物レンズ３４は、さらに、モニタ用レーザ光４０の非晶質シリコン薄膜１４の裏面の領域Ａへの照射による非晶質シリコン薄膜１４からの反射光４２を受ける。反射鏡３６は、反射面の向きを変えることができる可動ミラーであり、対物レンズ３４を経た反射光４２を反射面に受け、反射光４２の進行方向を変える。
【００５５】
計測器３８は、反射鏡３６を経た反射光４２を受け、受けた光を光電面に入射させて、光電子を放出させることにより光電変換し、光電変換された光電子を、時間的に変化する電界中を通過させ、通過された電子を表示面、例えば蛍光体に到達させてモニタ信号として表示させる。すなわち、光電子の電子強度すなわち電子数に対応する投影像Ｐを表示面（図示の例では、蛍光体）に形成し、投影像Ｐの強度分布の時間的変化を計測して、表示部４４に表示させる。電界の時間的変化の割合は、薄膜の溶融から固化への変化の速さに対応して決められている。例えば、１０ｎｓの間に薄膜が溶融から固化及び結晶化へと変化するのであれば、１０ｎｓ間の膜質変化に対応する投影像Ｐの強度分布の時間的変化を計測することができるように決めればよい。
【００５６】
モニタ用レーザ光４０の照射領域Ａ内の、監視用の箇所ａ１、ａ２及びａ３を含むすべての箇所の各々からの反射光の強度の時間的変化は、それらの箇所の位置に関係づけられた反射光４２の光強度分布として観測又は計測することができる。
【００５７】
図示の例では、反射光４２の全測定時間Ｔにおいて測定時刻ｔと監視用の箇所の帯状断面内での長手方向の位置Ｘとの関係を表示部４４に投影像Ｐの強度に関してグラフで表示させている。図１においては、理解を容易にするために、全測定時間Ｔを６０ｎｓとし、１０ｎｓ毎の時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、…、ｔ６における反射光４２の強度を表示した場合で示している。全測定時間Ｔ及び時刻ｔ１、ｔ２、…はこれに限定されない。
【００５８】
また、上記のグラフにおいて、理解を容易にするために、被アニール薄膜が溶融して反射光強度が大きいときを実線、固化して反射強度が小さいときを点線で示している。すなわち、実線部は被アニール薄膜が溶融している液相状態にあることを示し、実線部の長さＭは各時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、…、ｔ６における被アニール薄膜の溶融幅を示している。溶融幅Ｍの時間的な変化が表示部４４に表示されている。
【００５９】
溶融幅Ｍの時間的な変化が表示部４４に表示され、溶融幅Ｍの時間的な変化が平面に二次元的に同時に観測される。すなわち、照射領域Ａ内のすべての監視用の箇所の溶融に関する時間的な変化が平面に二次元的に同時に観測される。
【００６０】
計測器３８として、例えば、光学像を電子線像に変換し、再度光学像に変換するストリークカメラを用いた装置とすることができる。図２を参照するに、ストリークカメラ４６は、スリット板４８と、レンズ群５０と、光電変換器５２と、電界発生器５４と、蛍光板５６と、像計測器５８とを備える。
【００６１】
スリット板４８は、反射光４２を受けて反射光４２の通過を帯状に規制するスリット６０を有する。レンズ群５０は、スリット６０を経た光を受け、受けた光を光電変換器５２にスリット像ＰＳとして結像させる。
【００６２】
光電変換器５２は、レンズ群５０を経た光を受け、受けた光に対応する光電子を放出させて、光電変換信号を発生させる。
【００６３】
ストリークカメラは、光電子を時間的に変化する信号として取り出すために、例えば、電界発生器５４を備えている。電界発生器５４は、光電変換器５２で発生された電子を時間的に変化する電界に通過させる。静電偏向器である電界発生器５４は、光電変換された光電子を蛍光板５６に迅速かつ効率的に結像させるために、電子を加速させる加速電極６２と、加速電極６２からの電子Ｅの進行方向を、トリガ信号Ｓに応じて作動する掃引回路６４によって変化させる掃引電極６６と、掃引電極６６を経た電子を像倍させる電子増倍器６８とを備える。
【００６４】
電子増倍器６８には実質的に電子の像ＰＥが形成され、蛍光板５６は、電子増倍器６８を経た電子を受けて該電子に対応する投影像Ｐを形成する。
【００６５】
像計測器５８は、蛍光板５６に形成された投影像Ｐの強度分布を時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、…のデータを抽出し、アナログ的に計測された各時間の投影像Ｐの強度分布を画像処理して時系列的に表示部４４に表示させる。
【００６６】
ストリークカメラ４６は、モニタ用レーザ光４０を光電子に光電変換させ、光電変換された電子を、レーザ光４０の帯状断面の長手方向と直交する方向に走査させる。蛍光板５６に投影された投影像Ｐは二次元情報として扱うことができるので、例えば、投影像をＣＣＤカメラで撮影してデジタル情報に変換すれば、そのデジタル情報を、デジタル記憶装置に記憶したり、コンピュータに処理することができる。デジタル情報を適宜に表示させることもできる。
【００６７】
図示の例では、さらに、反射光４２のストリークカメラ４６による測定の開始時間を決定するために、図示しない光検出装置と、図示しないディレイ装置とが配置されている。光検出装置は、アニール用レーザ光の経路の一部に配置された図示しない減衰フィルタを通して高速フォトダイオードでレーザ光を検出する。ディレイ装置は、検出時間を基準にして予め選択的に決められた遅延時間の経過後に反射光４２のストリークカメラ４６による測定開始のためのトリガ信号を出力する。さらに、非晶質シリコン薄膜１４の、レーザ光の照射により溶融している部分について該部分の温度をカラー表示することができる。例えば、６００℃は緑色、７００℃は黄色、８００℃は赤色と表示することができる。
【００６８】
次に、図１を参照して、結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング装置２６を用いる薄膜の結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法について説明する。
【００６９】
まず、非晶質シリコン薄膜１４を有する透明のガラス基板１６を試料台１８の所定の位置に取り付け、試料台１８をＸＹステージ駆動機構で所定の位置に移動させる。
【００７０】
次に、アニール用レーザ光源装置１２より所定のパワー密度に設定されたＫｒＦレーザ光を１秒間に１００回の割合で約２５ｎｓのパルス幅で発生し、該レーザ光を位相シフタ２２を経て非晶質シリコン薄膜１４の表面に、２５ｎｓの時間だけ照射する。
【００７１】
アニール用のＫｒＦレーザ光の発生開始と同時に、モニタ用のＹＡＧレーザ光の発生を開始させる信号が時間調整装置からモニタ用光源装置２８に送られ、モニタ用光源装置２８は、所定のパワー密度で約５３２ｎｍのＹＡＧレーザ光を発する。
【００７２】
発せられたＹＡＧレーザ光は、整形光学装置３０、ホモジナイザ３２及び対物レンズ３４を経て、ガラス基板１６を通して非晶質シリコン薄膜１４の裏面に６０μｍ×１μｍの寸法の帯状断面を有するモニタ用レーザ光４０として結像される。
【００７３】
非晶質シリコン薄膜１４からの反射光４２は、対物レンズ３４及び反射鏡３６を経て計測器３８に入射され、反射光４２の時間的変化を含む強度分布に対応する、投影像の強度分布の時間的変化が表示部４４に表示される。すなわち、結晶化状態は、監視用箇所の位置に関係づけた光強度分布として計測し、表示される。
【００７４】
以上に説明した結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング装置及び方法において、モニタ光の被アニール薄膜への入射角度を、アニール処理の前及び後の少なくとも一方における被アニール薄膜のＰ偏光の反射強度が最小になる角度すなわちブリュースター角度に設定してもよい。この場合に、ブリュースター角は、被アニール薄膜の光学定数及び膜厚、下地基板の光学定数及び厚さ、並びに被アニール薄膜内での干渉作用によって決定される。また、モニタ光の被アニール薄膜への入射光はＳ偏光及びＰ偏光のいずれかとしてもよい。Ｐ偏光の反射強度の最小値はＳ偏光の反射強度の最小値より小さく、Ｐ偏光の反射強度の最大値とＳ偏光の反射強度の最大値とはほぼ等しい。Ｐ偏光の反射強度を計測すれば、反射強度について最小値と最大値とで大きな変化が得られるため、計測におけるＳ／Ｎ比向上の点で有利である。
【００７５】
以上に説明した結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法及び装置、並びにアニール方法及び装置は、以下のように変更することができる。
【００７６】
アニール方法及び装置は、アニール処理時に位相シフタを用いているが、アニール処理時に位相シフタを用いないアニール方法及び装置であってもよい。
【００７７】
結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法及び装置において、モニタ光をアニール用エネルギー線の被アニール薄膜への照射側とは異なる側すなわち被アニール薄膜の裏面に照射する代わりに、モニタ光をアニール用エネルギー線の被アニール薄膜への照射側と同じ側すなわち被アニール薄膜の表面に照射するようにしてもよいし、表裏両面に照射するようにしてもよい。
【００７８】
結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法及び装置において、モニタ用光源装置からのモニタ光を受ける対物レンズとモニタ光の被アニール薄膜からの反射光を受ける対物レンズとを同一のレンズとする代わりに、図３に示すように、モニタ用光源装置からのモニタ光を受ける対物レンズとモニタ光の被アニール薄膜からの反射光を受ける対物レンズとを別のレンズ（例えば２つのレンズ３４ａ、３４ｂ）にしてもよい。図３に示すアニール装置１０は、図１に示すアニール装置１０と同じである。図１と同一部分には同一符号を付与し、その詳細な説明は重複するので省略する。結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング装置７０は、図１に示す結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング装置２６と同一部分には同一符号を付与し、その詳細な説明は重複するので省略する。
【００７９】
結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法及び装置において、モニタ光の被アニール薄膜からの反射光を用いて被アニール薄膜の結晶化状態を監視する代わりに、モニタ光の被アニール薄膜からの透過光を用いて被アニール薄膜の結晶化状態を監視してもよいし、モニタ光の被アニール薄膜からの反射光より小さな強度を有する、被アニール薄膜内で散乱されて該薄膜の外に出る光を用いて被アニール薄膜の結晶化状態を監視してもよい。
【００８０】
結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法及び装置において、モニタ光の被アニール薄膜からの反射光が比較的大きな強度を有する場合、減衰フィルタをストリークカメラの前方に配置してもよい。
【００８１】
結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法及び装置において、前記した帯状のモニタ光に加え、該モニタ光の帯状断面の長手方向と直角の方向に異なる波長を有する第２のモニタ光を被アニール薄膜に照射し、分光器を介してストリークカメラを用いて他の方向の結晶成長すなわち溶融領域を測定してもよい。
【００８２】
例えば、図４に示すように、第１のモニタ光による被アニール薄膜からの反射光又は透過光の測定時刻ｔと監視用箇所の帯状断面内での長手方向の位置Ｘとの関係の測定に加え、第２のモニタ光によって被アニール薄膜からの反射光又は透過光の測定時刻ｔと各監視用箇所での反射光強度Ｉの実時間での変化の推移を計測すれば、モニタ光の被アニール薄膜からの反射光又は透過光の光強度の時間的変化を含む光強度分布を三次元情報として得ることができる。この光強度の時間的変化は、パルス幅２５ｎｓｅｃ間のレーザ光照射による薄膜の溶融−固化の変化を示した特性である。また、この特性は、薄膜の溶融期間（一般に、数十ナノ秒〜数百ナノ秒）において計測したものである。すなわち、監視用箇所の位置に関係づけた光強度として計測することができる。さらに、この計測の結果を表示してもよい。
【００８３】
図１に示す例では、モニタ用レーザ光を６０μｍ×１μｍの帯状断面を有する光に整形しているが、モニタ用レーザ光の断面形状は断面積及び断面形状においてこれに限定されない。例えば、十分なパワーを有するモニタ光を発する光源装置を用いる場合又は光源装置から発するモニタ光のパワーを十分に確保することができる場合には、モニタ光を帯状又は矩形の断面ではなく例えば大面積の円形又は楕円形の断面を有するモニタ光に整形し、該整形モニタ光を被アニール薄膜に照射し、該薄膜からの反射光又は透過光を光電変換器の前側で帯状に集光及び結像させて整形するようにしてもよい。
【００８４】
図５を参照して、大きな粒径を有する結晶粒（単結晶粒）を形成するためのアニール方法及び装置、アニール処理における結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法及び装置について説明する。
【００８５】
図５においては、アニール装置７２は、図１に示すアニール装置１０と同様の構造を有している。図１と同一部分には同一符号を付与し、その詳細な説明は重複するので省略する。
【００８６】
アニール装置７２は、さらに、図示の例では、位相シフタ７４を用いることができるように、位相シフタ７４を支持する図示しない位相シフタ支持体を備えている。位相シフタ７４は、位相シフタ７４を経る光の位相を選択的にシフトさせるシフタ部、図示の例では、段差部７６を有している。アニール用レーザ光２０は、位相シフタ７４を経て非晶質シリコン薄膜１４に照射の強弱分布が形成されるように照射される。
【００８７】
前記した位相シフタについて説明する。位相シフタは、透明媒質例えば石英基材に厚さの段差を形成し、この段差の境界で入射するレーザ光線を回折と干渉させて、入射したレーザ光の強度に周期的な空間分布を付与するものである。図６は、位相シフタによるレーザ光強度の変化を示す図である。図６に示す例においては、レーザ光線２０について、位相シフタ７４のシフト部を形成する段差部７６の位置をＸ＝０とし、これを境界として左右で１８０度の位相差を付けた場合が示されている。即ち、位相シフタ７４の厚い部分を通過したレーザ光線は、薄い部分（厚さｔ）を通過したレーザ光線に比較して遅れる。これらレーザ光線間の相互干渉と回折の結果、図６に示すような通過レーザ光線強度分布が得られる。一般に、レーザ光の波長をλとすると、屈折率ｎの透明媒質に１８０度の位相差を付けるための透明媒質の膜厚ｔは、以下の式で表される。
【００８８】
【数１】
ｔ＝λ／２（ｎ−１）・・・式（１）
【００８９】
例えば、ＫｒＦエキシマレーザの波長が２４８ｎｍで、石英基材の２４８ｎｍ光での屈折率が１．５０８とすると、１８０度の位相差を付けるための段差は２４４ｎｍであり、石英基材に予め定められた位置に２４４ｎｍの段差を付ければよい。石英基材に段差を付けるための手段は、例えば気相又は液相による選択エッチングすることにより形成することができる。石英基材に段差を付けるための他の手段は、光透過膜例えばＳｉＯ２をプラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤなどにより選択的に成膜してもよい。
【００９０】
位相シフタ７４に入射したレーザ光の一部は、段差部７６での位相差による干渉によって光透過量が最小Ｎになり、光強度が急峻に降下する光強度分布の光として透過する。この最小透過光を示す光強度分布を逆ピークパターンＰと呼ぶ。逆ピークパターンＰの特徴は、入射光線２０がフィルタ的減衰を示さないことである。この特徴は、薄膜のより大きな単結晶化を発生する。このような逆ピークパターンＰの光強度分布を有するレーザ光が非晶質シリコン層に入射し、非晶質シリコン層の一部を高温にさせ、周囲の低温のシリコンの一部が結晶の核になって、位相差を形成する段差に垂直な方向すなわち横方向に結晶成長が生じ、大きな結晶粒が形成される。前記逆ピークパターンＰは、ほぼ楔状（例えば、Ｕ状又Ｖ状）である。
【００９１】
非晶質シリコン薄膜１４は、アニール用レーザ光を照射する前は、非溶融状態にある。モニタ光を照射して結晶化状態を監視すると、計測器３８の表示部４４に、図８（ａ）に示すように表示される。
【００９２】
アニール用レーザ光源装置１２より所定のパワー密度に設定されたＫｒＦレーザ光を所定のパルス幅で発生し、該レーザ光を位相シフタ７４を経て非晶質シリコン薄膜１４の表面に照射し、レーザ光照射を行う。これにより、メルティングポイント以上のレーザ光照射領域で非晶質シリコン薄膜１４の溶融が始まる。図７の逆ピークパターンのレーザ光強度がすべて融点以上の値をとる場合には、全体的に溶融状態になる。この溶融状態は、モニタ光により、計測器３８の表示部４４に、図８（ｂ）のように表示される。
【００９３】
図７を参照して結晶核の生成過程を説明する。段差部７６及びそのごく近傍を通ったレーザ光の強度は、位相シフタ７４の他の部分を通ったレーザ光線２０の強度に比べて小さい。したがって、段差部７６及びそのごく近傍を通ったレーザ光線２０が照射された非晶質シリコン薄膜１４の領域Ｓでの光強度分布は次のようになっている。領域７８の温度は、逆ピークパターンの最小Ｎの照射領域で非晶質シリコン薄膜１４の他の領域８０の温度と比べて低温であり、また、最小値の前記薄膜１４の融点以下の温度である。他の領域８０の温度は、前記薄膜１４の融点以上の温度である。このため、領域７８内のシリコンの固化が他の領域８０内のシリコンの固化より先に始まり（図８（ｃ））、その後、他の領域８０内のシリコンが固化し、ラテラル方向の結晶成長の起点となる核８２が形成され、ラテラル方向に結晶成長が始まる（図８（ｄ））。ここで、核８２は、図７に示すように、非晶質シリコン薄膜１４の領域７８内に形成されている。図６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。
【００９４】
次に、結晶化の過程をより詳細に説明する。アニール用レーザ光源装置１２より所定のパワー密度に設定されたＫｒＦレーザ光を１秒間に３００回の割合で約２４ｎｓのパルス幅で発生し、該レーザ光を位相シフタ７４を経て非晶質シリコン薄膜１４の表面に、２５ｎｓの時間だけ照射する。このレーザ光照射強度パターンの条件は、非晶質シリコン薄膜１４の領域７８内のシリコンの核８２が溶融する時間が最短時間あるいは溶融しない程度であるように選択される。
【００９５】
段差部７６及びそのごく近傍を通ったレーザ光の強度は、位相シフタ７４の他の部分を通ったレーザ光の強度に比べて小さい最小光強度である。。段差部７６及びそのごく近傍を通ったレーザ光が照射された非晶質シリコン薄膜１４の領域７８の温度は、領域７８内のシリコンの核８２が溶融しないもしくは最短時間であるように、非晶質シリコン薄膜１４の他の領域８０の温度と比べて低い。したがって、非晶質シリコン薄膜１４の他の領域８０内のシリコンの溶融が始まり、溶融領域は、核８２が形成されている領域７８の近傍に向かって熱伝導により、広がる。一方、核８２が形成される領域７８及びその近傍は非溶融状態もしくはごく短時の溶融にとどまる。計測器３８の表示部４４には、図８（ｅ）〜（ｇ）のように、時間経過とともに溶融領域が広がっていく様子が表示される。
【００９６】
この後、溶融領域の広がりが領域７８の近傍に達し、溶融から固化への変化、すなわち、結晶化が生じる。核８２を起点として、該核の外側へ順次、溶融したシリコンの固化及び結晶化が始まる。すなわち、核８２がラテラル方向（図５に示す矢印２４の方向）の結晶成長の起点となり、また、核８２を基にラテラル結晶成長が進行し、大きな結晶粒が形成される。計測器３８の表示部４４には、図８（ｈ）〜（ｋ）のように表示される。
【００９７】
このような、薄膜の溶融前、溶融、固化及び結晶化の過程におけるリアルタイムでの監視の結果を基に、薄膜のラテラル結晶成長のためのエネルギー線照射の適正な条件を求めることができる。したがって、大きな結晶粒を形成することができる。このように、膜厚５０ｎｍ〜３００ｎｍ程度のアモルファスＳｉに数十ナノ秒間のパルス光を照射したときの、固相から溶融−結晶化の変化は、実質的に瞬間的な、数十ナノ秒間での現象である。この現象は数十ナノ秒間での現象であり、この現象を計測する。この計測により最適結晶化のための光強度分布を求め、広い面積に渉って均一な結晶化プロセスを実行することができる。均一な結晶化プロセスは、大画面の液晶表示装置などの表示装置に最適である。すなわち、一画面内のムラ、キズ、シミなどのない表示を可能とし、特にデジタル化に適合して高品質画面を可能にする。さらに、瞬時の計測が可能なことは、図６、図７に示した逆ピークパターンＰの広がり幅Ｗが大きい方が、より大きな結晶化が可能になり、その最適広がり幅Ｗを求めることができる。さらに、瞬時の計測が可能なことは、逆ピークパターンの先照射により、順次変化する固液界面を表示したり、速度を計測することができる。例えば、薄膜トランジスタの製造においては、活性層すなわちチャネル領域を１つの結晶粒とすることができる。換言すれば、チャネル領域を実質的に単結晶で形成することができる。
【００９８】
本発明は、上記実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない限り、種々変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング装置の一実施例を示す斜視図。
【図２】図１に示す結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング装置に用いる計測器の一実施例を示す斜視図。
【図３】本発明に係る結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング装置の他の実施例を示す斜視図。
【図４】本発明に係る結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法の他の実施例を示す図。
【図５】本発明に係る結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング装置の他の実施例を示す斜視図。
【図６】位相シフタによるレーザ光強度の変化を示す図。
【図７】位相シフタによるレーザ光強度の変化と結晶成長の核の形成とを示す図。
【図８】本発明に係る結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング方法の他の実施例を示し、薄膜の溶融前、核形成、溶融、固化及び結晶化に至る過程のリアルタイムでの監視結果を示す図。
【符号の説明】
１０、７２　アニール装置、１２　アニール用レーザ光源装置、１４　被アニール薄膜、１６　基板、１８　試料台、２０　アニール用レーザ光、２２、７４位相シフタ、２６、７０　結晶化状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング装置、２８　モニタ用光源装置、３０　整形光学装置、３２　ホモジナイザ、３４　対物レンズ、３６　反射鏡、３８　計測器、４０　モニタ用レーザ光、４２　反射光、４４　表示部、４６　ストリークカメラ、４８　スリット板、５０　レンズ群、５２　光電変換器、５４　電界発生器、５６　蛍光板、５８　像計測器、６０スリット、６２　加速電極、６４　掃引回路、６６　掃引電極、６８　電子増倍器、７６　段差部、７８、８０　領域
【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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