(57)【要約】【課題】  半導体薄膜から粒径の大きな結晶相の半導体を得る工程において、以降の工程で、粒径の大きな結晶相の半導体の範囲の所定の領域に、容易に半導体能動素子を形成可能とする。【解決手段】  この発明の結晶化装置は、実質的に均一な光強度分布を有する光を被照射物すなわちａ−Ｓｉの薄膜が形成されたガラス基板上の所定領域に照射する第１照射系（３，４）と、光強度の最も小さい領域から周囲に向かって光強度が増大する逆ピークパターンの光強度分布を有する光を前記所定領域に照射する第２照射系（７，８）と、を含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光強度の最も小さい逆ピークから周囲に向かって光強度が増大する逆ピークパターンの光強度分布を有する光を少なくとも多結晶半導体膜または非晶質半導体膜のいずれかに照射するための照射系を備え、
前記逆ピークパターンの光強度分布における光強度の最大値を１に規格化したときの前記逆ピークの光強度α値（規格化値）は、０．２≦α値≦０．８であり、
所定の光強度分布を有する光を少なくとも多結晶半導体膜または非晶質半導体膜のいずれかに照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置。
【請求項２】
前記逆ピークパターンの光強度分布は、少なくとも多結晶半導体膜または非晶質半導体膜のいずれかに設けられている被照射面がアブレーションしない光強度であることを特徴とする請求項１記載の結晶化装置。
【請求項３】
実質的に均一な光強度分布を有する光を少なくとも多結晶半導体膜または非晶質半導体膜の所定領域に照射する第１照射系と、
光強度の最も小さい領域から周囲に向かって光強度が増大する逆ピークパターンの光強度分布を有する光を前記所定領域に照射する第２照射系とを有し、
所定の光強度分布を有する光を少なくとも多結晶半導体膜または非晶質半導体膜のいずれかに照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置。
【請求項４】
前記第１照射系により前記所定領域に照射される光と前記第２照射系により前記所定領域に照射される光との強度比を変化させる強度比可変手段をさらに有することを特徴とする請求項３記載の結晶化装置。
【請求項５】
前記第１および第２の照明系のそれぞれに供給される所定波長の光を提供可能な光源と、前記光源からの光を、前記第１照射系に供給すべき光と前記第２照射系に供給すべき光とに分割する光分割手段と、をさらに有し、
前記光分割手段は、前記第１照射系に供給すべき光と前記第２照射系に供給すべき光の強度を独立に設定できることを特徴とする請求項３記載の結晶化装置。
【請求項６】
前記第１照射系は、前記光分割手段により分割された光を用いて第１所定面を実質的に均一に照明するための第１照明光学系と、前記第１所定面と前記所定領域との間の光路中に配置された第１結像光学系とを含み、前記第２照射系は、前記光分割手段により分割された光を用いて第２所定面を実質的に均一に照明するための第２照明光学系と、前記第２所定面に配置された光変調素子と前記第２所定面と前記所定領域との間の光路中に配置された第２結像光学系とを含むことを特徴とする請求項５記載の結晶化装置。
【請求項７】
前記第１照明光学系からの光と前記第２照明光学系からの光とを合成する光合成手段をさらに有することを特徴とする請求項６記載の結晶化装置。
【請求項８】
前記第１照射系と前記第２照射系とは、互いに異なる方向から前記所定領域に前記光を照射することを特徴とする請求項３ないし６のいずれかに記載の結晶化装置。
【請求項９】
前記所定領域における光強度分布を測定する測定手段をさらに有し、前記測定手段の測定結果に応じて前記均一な光強度分布を有する光と前記逆ピークパターンの光強度分布を有する光の強度比を変化させることを特徴とする請求項６記載の結晶化装置。
【請求項１０】
逆ピークパターンの光強度分布における光強度の最大値を１に規格化したときの逆ピークにおける光強度α値（規格化値）を、０．２≦α値≦０．８とし、
光強度の最も小さい逆ピークから周囲に向かって光強度が増大する逆ピークパターンの光強度分布を有する光を少なくとも多結晶半導体膜または非晶質半導体膜のいずれかに照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法。
【請求項１１】
実質的に均一な光強度分布を有する光を少なくとも多結晶半導体膜または非晶質半導体膜のいずれかの所定領域に照射し、
光強度の最も小さい領域から周囲に向かって光強度が増大する逆ピークパターンの光強度分布を有する光を前記所定領域に、少なくとも前記均一な光強度分布を有する光と同時にまたは所定の時間差の範囲内で照射して、
所定の光強度分布を有する光を少なくとも多結晶半導体膜または非晶質半導体膜のいずれかに照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶化装置および結晶化方法、特に、所定の光強度分布を有する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結晶化装置および結晶化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ＬＣＤ（Liquid-Crystal-Display）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ＴＦＴ（Thin-Film-Transistor）は、非晶質（アモルファスシリコン＝amorphous-Silicon層）や多結晶（ポリシリコン＝poly-Silicon層）に形成されている。
【０００３】
多結晶シリコン層は、非晶質シリコンよりも電子移動度が高い。従って、多結晶シリコン層にトランジスタを形成した場合、非晶質シリコンに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などの周辺回路は、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１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、多結晶シリコンに形成した薄膜トランジスタは、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】
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 Excimer Laser Annealing：ＥＬＡ法」が知られている。位相制御ＥＬＡでは、位相シフタ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。
【０００６】
なお、逆ピークパターンとは、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、と定義する。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る。従って、その結晶核から周囲に向かって結晶が横方向に成長する（以降「ラテラル成長」と呼ぶ）ことにより大粒径の単結晶粒が生成される（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】表面科学Vol.21, No.5, pp.278-287, 2000
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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は、ライン型の位相シフタであって、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る。交互に繰り返される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１１（ａ）〜（ｃ）は、ライン型の位相シフタの構成および作用を説明する図である。ライン型の位相シフタを用いた場合、図１１（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が位相シフト線を構成することになる。
【０００８】
従って、図１１（ｂ）に示すように、位相シフト線に対応する線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。この場合、図１１（ｃ）に示すように、位相シフト線に対応する線１０２に沿って温度分布が最も低くなるとともに、位相シフト線に対応する線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。その結果、位相シフト線に対応する線１０２の近傍で結晶核が発生し、その結晶核から位相シフト線に対応する線１０２と直交する方向に沿って結晶化が進行する。
【０００９】
図１２（ａ）〜（ｃ）は、図１１（ａ）に示した位相シフタを用いることで得られる逆ピークパターンの光強度分布が与えら得た光を用いる場合の不都合を説明する図である。図１２（ａ）に示すように、光強度が第１の基準強度Ａ以下の領域ではアモルファスシリコンが変化せずアモルファスシリコン状態にとどまるか、もしくはたとえ溶融してもポリシリコン状態にとどまる。結果として結晶成長は開始しない（以降、このアモルファス状態とポリシリコン状態を含む状態を、簡単のため「非結晶化領域」と呼ぶ）。この非結晶化領域の周辺部が結晶核となってそこから結晶が成長すると考えられる。
【００１０】
従って、逆ピークパターンの光強度分布における光強度の最大値を１に規格化したときの逆ピーク値（光強度の最も小さい点）における光強度すなわちα値が第１の重要になる。ちなみに、図１２（ｂ）に示すように、α値が基準強度Ａを超えて大きくなりすぎると、温度勾配が小さくなるため結晶成長が途中で停止しやすくなってしまうという問題が生ずる。
【００１１】
一般に、たとえばライン型の位相シフタを用いる従来技術では、図１２（ｃ）に示すように、第１の基準強度Ａに比してα値が小さくなりすぎて非結晶化領域が大きくなる傾向にあり、（図１１（ｃ）に示した）位相シフト線が一定ピッチで配置されることを考えると、大粒径の結晶を得ることが困難である。また、図１２（ａ）に示すように、光強度が第２の基準強度Ｂ以上の領域ではアブレーション（蒸散）によりアモルファスシリコン半導体が消失もしくは破壊されてしまう。このように、従来技術ではα値を位相シフタの形状や光学条件で調整していたため、α値を調整すると光強度分布の性状も変ってしまうので、結晶核からの十分なラテラル成長を実現するための所望の光強度分布を得ることが困難であるという不都合がある。
【００１２】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、アブレーションを実質的に発生させることなく、結晶核から結晶を確実にラテラル成長させて粒径の大きな結晶構造を有する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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明は、光強度の最も小さい逆ピークから周囲に向かって光強度が増大する逆ピークパターンの光強度分布を有する光を少なくとも多結晶半導体膜または非晶質半導体膜のいずれかに照射するための照射系を備え、前記逆ピークパターンの光強度分布における光強度の最大値を１に規格化したときの前記逆ピークの光強度α値（規格化値）は、０．２≦α値≦０．８であり、所定の光強度分布を有する光を少なくとも多結晶半導体膜または非晶質半導体膜のいずれかに照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置である。
【００１４】
また、この発明は、実質的に均一な光強度分布を有する光を少なくとも多結晶半導体膜または非晶質半導体膜の所定領域に照射する第１照射系と、光強度の最も小さい領域から周囲に向かって光強度が増大する逆ピークパターンの光強度分布を有する光を前記所定領域に照射する第２照射系とを有し、所定の光強度分布を有する光を少なくとも多結晶半導体膜または非晶質半導体膜のいずれかに照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置である。
【００１５】
さらに、この発明は、逆ピークパターンの光強度分布における光強度の最大値を１に規格化したときの逆ピークにおける光強度α値（規格化値）を、０．２≦α値≦０．８とし、光強度の最も小さい逆ピークから周囲に向かって光強度が増大する逆ピークパターンの光強度分布を有する光を少なくとも多結晶半導体膜または非晶質半導体膜のいずれかに照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法である。
【００１６】
またさらに、この発明は、実質的に均一な光強度分布を有する光を少なくとも多結晶半導体膜または非晶質半導体膜のいずれかの所定領域に照射し、光強度の最も小さい領域から周囲に向かって光強度が増大する逆ピークパターンの光強度分布を有する光を前記所定領域に、少なくとも前記均一な光強度分布を有する光と同時にまたは所定の時間差の範囲内で照射して、所定の光強度分布を有する光を少なくとも多結晶半導体膜または非晶質半導体膜のいずれかに照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、アブレーションを実質的に発生させることなく、比較的小さいアモルファス領域に基づいて、結晶の結晶核からの十分なラテラル成長を実現することのできる所望の光強度分布を得ることができる。すなわち基板上にマトリクス状に形成される薄膜素子の動作特性を、基板上の位置に拘わらず、バラツキのない安定な動作を可能に、薄膜素子を形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１に、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２は、図１の第２照明光学系の内部構成を概略的に示す。本実施形態の結晶化装置は、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１を備えている。なお、光源１として、ＫｒＦ，ＸｅＣｌなどのエキシマレーザ光源やＹＡＧ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。
【００１９】
光源１から供給されたレーザ光は、強度比可変手段として利用するため光分割手段例えばビームスプリッタ２に入射する。ビームスプリッタ２は光路に対して挿脱自在に構成され、図４（ａ）により後段に説明するが、反射率の異なる他のビームスプリッタと交換可能である。ビームスプリッタ２で反射されたレーザ光は、第１照明光学系３を介して、所定面（仮想光源に相当し、波線で示す）４をほぼ均一に照明する。ビームスプリッタ２を透過したレーザ光は、２つのミラー５および６で順次反射された後、第２照明光学系７を介して、光変調素子としての位相シフタ８をほぼ均一に照明する。なお、位相シフタ８は、後段に詳述するが、透過する光に対して任意の領域毎に主として位相遅れ（進み）すなわち位相差を提供可能な光学部材である。
【００２０】
図２を参照すると、第２照明光学系７では、第１フライアイレンズ７ａに入射した光は、その後側焦点面に複数の光源を形成する。第１フライアイレンズ７ａの後側焦点面に形成された複数の光源からの光束は、第１コンデンサー光学系７ｂを介して、第２フライアイレンズ７ｃ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７ｃの後側焦点面には、第１フライアイレンズ７ａの後側焦点面よりも多くの複数の光源が形成される。
【００２１】
第２フライアイレンズ７ｃ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７ｄを介して、たとえばライン型の位相シフタ８を重畳的に照明する。第１フライアイレンズ７ａおよび第１コンデンサー光学系７ｂはビームスプリッタ２からのレーザ光を均一化するための第１ホモジナイザを構成する。この第１ホモジナイザにより位相シフタ８上での入射角度に関する均一化が図られる。
【００２２】
第２フライアイレンズ７ｃおよび第２コンデンサー光学系７ｄ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８上での面内位置に関する均一化が図られる。従って、位相シフタ８は、第２照明光学系７を介して、ほぼ均一な光強度分布を有する光により照明される。第１照明光学系３では、所定面４をほぼ均一に照明するために、第２照明光学系７と同様な内部構成を採用することができる。ただし、所定面４を照明する光では位相シフタ８を照明する光ほど高い均一性を必要としないので、第１照明光学系３では比較的簡易な構成を採用することができる。
【００２３】
第１照明光学系、第２照明光学系とも、ここに述べた以外の方法、たとえば、フライアイレンズを用いないケーラー照明や、ロッド型のオプティカルインテグレータを用いる方法等が可能である。また、必要に応じて、散乱板（４１）を挿入して、所定面４の面方向の光強度分布を均一化することも有効である。
【００２４】
所定面４を介した光は、ビームスプリッタ９を透過した後、結像光学系１０を介して、被処理基板１１に入射する。位相シフタ８を介した光は、ビームスプリッタ９で反射された後、結像光学系１０を介して、被処理基板１１に照射される。すなわち、所定面４を介した光と位相シフタ８を介した光とは、光合成手段としてのビームスプリッタ９により合成され、結像光学系１０により所定の結像特性が与えられて、被処理基板１１に結像される。
【００２５】
被処理基板１１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が順次形成されたものである。被処理基板１１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１２上において所定の位置に保持されている。また、本実施形態では、被処理基板１１の半導体膜上の所定領域に形成される光強度分布を測定するための測定器１３が設けられている。
【００２６】
結像光学系１０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。例えば、被処理基板１１が、結像光学系１０に関して位相シフタ８と光学的に共役な面から光軸に沿って所定距離（デフォーカス量）だけ離れて設定される投影方法を用いることができる。この方法によれば、位相シフタ８を介した光が被処理基板１１の半導体膜上において逆ピークパターンの光強度分布を発生させるように、デフォーカス量が所要の値に設定される。また、被処理基板１１と位相シフタ８とは、結像光学系１０を介して光学的に共役に配置されてもよい。この方法によれば、位相シフタ８を介した光が被処理基板１１の半導体膜上において逆ピークパターンの光強度分布を発生させるように、結像光学系１０の像側開口数が所要の値に設定される。
【００２７】
このように、光源１、ビームスプリッタ２、第１照明光学系３、ビームスプリッタ９、および結像光学系１０は、ほぼ均一な光強度分布を有する光を被処理基板１１の半導体膜上の所定領域に照射するための第１照射系を構成している。また、光源１、ビームスプリッタ２、第２照明光学系７、位相シフタ８、ビームスプリッタ９、および結像光学系１０は、光強度の最も小さい領域から周囲に向かって光強度が増大する逆ピークパターンの光強度分布を有する光を被処理基板１１の半導体膜上の所定領域に照射するための第２照射系を構成している。
【００２８】
図３は、本実施形態において被処理基板の半導体膜上に形成される光強度分布を説明する図である。第２照射系は、位相シフタ８の光変調作用により、図３の第一セグメント（１）に示すように、逆ピーク値０に近い光強度を有する中心から周囲に向かって光強度が増大する逆ピークパターンの光強度分布を被処理基板１１の半導体膜上の所定領域に形成する。一方、第１照射系は、図３の第二セグメント（２）に示すように、ほぼ均一な光強度分布を被処理基板１１の半導体膜上の所定領域に形成する。
【００２９】
従って、本実施形態では、第２照射系から照射される位相シフタ８での変調光と第１照射系から照射される均一化光とが被処理基板１１の半導体膜上の所定領域において合成される。この合成光は、図３の第三セグメント（３）に示すように、第一セグメント（１）のα値が第二セグメント（２）の均一光量分、増大した光である。
【００３０】
この合成光は、光強度が最も小さいが０よりも実質的に大きい光強度を有する逆ピーク値のα値から周囲に向かって光強度が増大する逆ピークパターンの光強度分布を有する。以下、「α値」と記載した時は絶対値を、「α値（規格化値）」と記載したときは光強度の最大値を１に規格化した値を表すこととする。
【００３１】
図４（ａ）および（ｂ）は、本実施形態の基本的作用を説明する図で、合成光でのα値と第１の基準強度Ａとの関係を説明するための図である。本実施形態では、ビームスプリッタ２を反射率の異なる任意のビームスプリッタと交換することにより均一化光の強度を変化させることで位相シフタを通過した光強度が変調された光（以下、変調光と呼称する）の強度を変化させることを特徴とする。
【００３２】
その結果、図４（ａ）に示すように、逆ピークパターンの光強度分布におけるα値が順に小さくなる３つの逆ピークパターンの光強度分布を示す曲線ａ，ｂ，ｃを得ることができる。逆ピークとは、逆ピークパターンの光強度分布を示す曲線ａ，ｂ，ｃの下方に向かって凸の曲線の最小値である。この最小値は、図４（ａ）において、α値で示されている。
【００３３】
このように、様々な反射率を有する交換可能な複数のビームスプリッタ２は、第１照射系からの均一化光と第２照射系からの（位相シフタにより強度変調された）変調光との強度比を変化させるための強度比可変手段を構成している。この強度比可変手段の作用により、逆ピークパターンの光強度分布の性状を変えることなく（逆ピークの位置、最大強度の位置などを変えることなく）、α値を調整することができる。
【００３４】
本実施形態では、例えば測定器１３で被処理基板１１の半導体膜上における光強度分布を測定し、測定結果に応じてビームスプリッタ２を切り換えて図３の第二セグメント（２）に示した均一化光と図３の第一セグメント（１）に示した位相シフタ８による変調光との強度比を変化させる。
【００３５】
その結果、図４（ｂ）に示すように、α値が非結晶化限界強度Ａよりもわずかに小さく、且つ最大強度がアブレーション限界強度Ｂよりも小さい逆ピークパターンの光強度分布を得ることができる。この場合、第１に比較的小さい非結晶化領域が形成され、その非結晶化領域の周辺に結晶核が生成され、この結晶核から周囲に向かって大粒径の結晶がラテラル方向に成長する。
【００３６】
また、逆ピークパターンの光強度分布の最大強度がアブレーション限界強度Ｂよりも小さいので、アブレーションにより半導体アモルファスシリコン又は多結晶シリコンが消失することもない。このように、本実施形態では、アブレーションを実質的に発生させることなく、所望の光強度分布に基づいて結晶核からの十分なラテラル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できる。
【００３７】
本実施形態では、アブレーションを実質的に発生させることなく結晶核からの十分なラテラルの結晶成長を実現するための所要の光強度分布を得るには、α値（規格化値）が次の条件式（１）、
０．２≦α値≦０．８  ・・・（１）
を満足することが重要である。なお、本発明の効果をさらに良好に達成するには、条件式（１）の上限値と下限値を使用波長、光強度、半導体膜構造、光強度分布に応じて最適値に設定することが好ましい。
【００３８】
本実施形態では、特定の数値例にしたがうシミュレーションにより、被処理基板１１の半導体膜上において得られる光強度分布を実際に求めている。この数値例において、光の波長λを２４８ｎｍとし、結像光学系１０が等倍光学系であり、結像光学系１０の物体側開口数を０．０３１と想定している。また、照明シグマが０．５になるように、第２照明光学系７の開口数を０．０１５５と想定している。
【００３９】
さらに、ライン型の（位相値の異なる領域が直線状に定義されている）位相シフタ８は、一方向に沿って１０μｍのピッチで交互に繰り返される２つの領域で構成され、この２つの領域の間には１８０度の位相差が付与されているものと想定している。より詳細には、例えば厚さ０．７ｍｍのガラス板上に、厚さ３００ｎｍのＳｉＯ2層（下部絶縁層）を形成し、その上に厚さ２００ｎｍのａ−Ｓｉ層を形成し、さらに厚さ３００ｎｍのＳｉＯ2層（上部絶縁層）を設けた被照射物を用意する。すなわち、被照射物は、粒径の大きなＳｉ結晶を所定方向に成長させるべきａ−Ｓｉ膜の設けられたガラス基板である。
【００４０】
以下、α値（規格化値）が（１）式の範囲を取ることが望ましい理由を説明する。上述したａ−Ｓｉ膜の設けられたガラス基板（被照射物）に、光強度を変えながらＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）を照射したときのガラス基板上のａ−Ｓｉ膜の変化は、
２００ｍＪ／ｃｍ2以下においては、ａ−Ｓｉのままで、結晶化は起きず、
２００ｍＪ／ｃｍ2を超え１０００ｍＪ／ｃｍ2以下においては、ｐ−Ｓｉ（ポリシリコン）もしくは結晶状態（ｃ−Ｓｉ）となる。
【００４１】
一方、１０００ｍＪ／ｃｍ2（照射位置でのピーク値）を超えるエキシマレーザ光を照射した場合には、前に説明したアブレーションにより、ａ−Ｓｉおよびｐ−Ｓｉ（微細結晶）が消失することが認められる。
そのため、以下の説明では光強度のピーク値をこの１０００ｍＪ／ｃｍ2とする。但し、実際には、ａ−Ｓｉ層の厚さのばらつきや、ガラス基板の厚みムラもしくはガラス基板と照射光学系との間の距離の変動などに起因する余裕分を考慮する必要から、最適値とするには不適切であるので、やや小さい値とすることが望ましい。
【００４２】
まず、α値の下限値は、ａ−Ｓｉをｐ−Ｓｉ化もしくは結晶化させることのできる２００ｍＪ／ｃｍ2以上とすべきである。２００ｍＪ／ｃｍ2以上であっても、比較的強度の低い値では結晶成長せず、ｐ−Ｓｉとなるが、ｐ−Ｓｉは結晶化Ｓｉ（ｃ−Ｓｉ）程ではないがａ−Ｓｉより電子移動度が高いので、望ましい。従って、α値（規格化値）は、０．２（＝２００／１０００）以上であることが望ましい。また、α値の上限値は、上記結果から、１０００ｍＪ／ｃｍ2（照射位置でのピーク値）とする。
【００４３】
次に、α値（規格化値）の上限値について、図５（ａ）および図５（ｂ）を用いて説明する。図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ、中心から端部までの長さを５μｍとした位相シフタを用い、中心（位相値の境界部分）付近におけるα値（規格化値）を、０．７５と０．８２とした光を照射して得られるガラス基板上のｐ−Ｓｉ領域と結晶成長領域の大きさを示している。
なお、位相シフタにおいて中心から端部までの長さを５μｍとすることは、以降の工程で形成される電子デバイス、例えばＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を１０μｍピッチで配列するために有益である。
【００４４】
図５（ａ）から明らかなように、α値（規格化値）が０．７５のエキシマレーザ光を照射した場合は、位相値の境界部分においては、ｐ−Ｓｉ（微細結晶）Ｐが確認され、その両側に結晶成長により大きな粒径となった結晶化領域Ｃが、終端部を除く概ね全域に確認できる。
図５（ｂ）から明らかなように、α値（規格化値）が０．８２のエキシマレーザ光を照射した場合は、位相値の境界部分においては、ｐ−Ｓｉ（微細結晶）Ｐが生成され、その両側に結晶成長により大きな粒径となった結晶化領域Ｃが確認できるが、その大きさ（面積）は、少ない。
従って、α値（規格化値）は、概ね全域を結晶化領域にできる０．８以下とすべきである。
【００４５】
結晶化領域Ｃの大きさ（面積）とα値（規格化値）の関係を、図５（ｃ）によりさらに詳しく以下に説明する。
図５（ｃ）は、図５（ａ）および図５（ｂ）により上に説明したα値（規格化値）と位相シフタの中心（位相値の境界部分）付近からの距離とにより規定される結晶の種類を説明している。
図５（ｃ）から明らかなように、α値（規格化値）が０．２より少ない場合、位相シフタの中心付近のかなり広い領域にわたってａ−Ｓｉおよびｐ−Ｓｉの領域が形成されてしまう。
【００４６】
また、α値（規格化値）が０．２を超え（規格化値）０．５程度の領域においては、位相シフタの中心付近にはａ−Ｓｉはなくなるもののある程度の広さをｐ−Ｓｉが占めてしまう。
また、α値（規格化値）が０．５を超え０．８程度の領域においては、主としてｐ−Ｓｉ（微細結晶）Ｐを結晶核とし、結晶成長により大きな粒径となった結晶化領域Ｃが得られることが認められる。
これに対し、α値（規格化値）が０．８を超えると、ｐ−Ｓｉ（微細結晶）Ｐを結晶核として結晶成長により大きな粒径となる結晶化領域Ｃの大きさ（面積）は、急激に低減し、主としてｐ−Ｓｉ（微細結晶）のみとなってしまう。
【００４７】
すなわち、図５（ｃ）から、α値（規格化値）を０．５〜０．８程度とすることのできるレーザ光が照射された場合には、ｐ−Ｓｉ（微細結晶）から粒径の大きな結晶へと、高い充填率で結晶化が進む。従って、結晶核（ｐ−Ｓｉ（微細結晶））から粒径の大きな結晶への結晶化を促進するために好適な温度勾配（加熱条件）が得られる、と判断することが妥当である。
これに対して、α値（規格化値）を０．８以上に設定可能なレーザ光が照射された場合には、結晶核からの結晶成長に適した大きな温度勾配が得られない（アブレーションが生じる温度上昇速度に近い温度勾配が発生する）、と考えることが妥当である。
【００４８】
このことから、前に説明したガラス基板（被照射物）に対して照射すべきレーザ光のα値（規格化値）は、前に説明した（１）式の範囲、すなわち
０．２≦α≦０．８
であることが好ましい。
また、α値（規格化値）は、より好ましくは、
０．５≦α≦０．８
である。
【００４９】
図６（ａ）は、数値例において位相シフタ変調光により被処理基板１１の半導体膜上で得られた光強度分布を示している。図６（ｂ）は、数値例において均一化光により被処理基板１１の半導体膜上で得られた光強度分布を示している。
図６（ａ）では、逆ピークパターンの光強度分布における光強度の最大値を１に規格化している。同様に、図６（ｂ）においても、ほぼ均一な光強度分布における光強度の最大値を１に規格化している。数値例では、図６（ａ）に示す光強度分布における最大光強度の実際の値と図６（ｂ）に示す光強度分布における最大光強度の実際の値とが等しくなるように、均一化光と位相シフタ変調光との強度比を設定している。
【００５０】
その結果、図６（ａ）に示す光強度分布を有する位相シフタ変調光と図６（ｂ）に示す光強度分布を有する均一化光との合成により、被処理基板１１の半導体膜上において図７に示すような逆ピークパターンの光強度分布が得られる。
図７では、左側の縦軸は図６（ａ）および図６（ｂ）の縦軸に対応しているが、右側の縦軸では合成光の光強度分布における光強度の最大値を１に規格化している。図７を参照すると、本実施形態にしたがって、たとえばα値（規格化値）が０．５程度の所望の光強度分布が得られることがわかる。
【００５１】
なお、上述の実施形態では、光分割手段としてのビームスプリッタ２を反射率の異なる他のビームスプリッタと交換することにより、均一化光と位相シフタ変調光との強度比を変化させている。しかしながら、これに限定されることなく、ビームスプリッタ２の透過率の異なるものを使用してもよいし、光合成手段としてのビームスプリッタ９を反射率又は透過率の異なる他のビームスプリッタと交換することにより強度比を変化させることもできる。また、ビームスプリッタ２および９の双方を反射率の異なる他のビームスプリッタと交換することにより強度比を変化させることもできる。また、上述の実施形態では、光分割手段としてビームスプリッタ２を用いているが、これに限定されることなく、光分割手段の構成について様々な変形例が可能である。
【００５２】
図８は、光分割手段の変形例の構成を概略的に示す図である。図８を参照すると、変形例にかかる光分割手段２０は、光の入射側から、偏光板２１と、光軸廻りに回転可能な１／２波長板２２と、偏光ビームスプリッタ２３とを備えている。光分割手段２０では、光源１からのレーザ光が、偏光板２１および１／２波長板２２を介して、偏光ビームスプリッタ２３に入射する。偏光ビームスプリッタ２３で反射された光はＳ偏光として、第１照明光学系３、ビームスプリッタ９および結像光学系１０を介して、被処理基板１１に達する。一方、偏光ビームスプリッタ２３を透過した光はＰ偏光として、第２照明光学系７、位相シフタ８、ビームスプリッタ９および結像光学系１０を介して、被処理基板１１に達する。
【００５３】
変形例の光分割手段２０では、１／２波長板２２を光軸廻りに回転させることにより、偏光ビームスプリッタ２３での反射光と透過光との強度比を変化させることができる。なお、変形例の光分割手段２０を用いる場合、Ｐ偏光とＳ偏光との合成における光量損失を抑えるために、ビームスプリッタ９に代えて偏光ビームスプリッタを用いることが好ましい。
【００５４】
ところで、光合成手段として、たとえば誘電体多層膜が形成されたミラータイプのビームスプリッタ９を用いる場合、図９（ａ）に示すように、透過光には基板の厚みの影響により収差が発生し易い。従って、位相シフタ変調光がビームスプリッタ９での収差の影響を実質的に受けないように、位相シフタ８からの光がビームスプリッタ９で反射されるように設定することが好ましい。また、ビームスプリッタ９における位相シフタ変調光と均一化光との合成に際して不要干渉縞が生じないように、位相シフタ変調光と均一化光との間にレーザ光の可干渉距離よりも大きな光路差を設けることが望ましい。
【００５５】
上述の実施形態では、第１照射系と第２照射系とが共通の光源１を備えているが、これに限定されることなく、第１照射系と第２照射系とが別々の光源を備える構成も可能である。この場合、光分割手段の配置を省略することができるが、たとえば光合成手段としてのビームスプリッタ９を反射率の異なる他のビームスプリッタと交換することにより、均一化光と位相シフタ変調光との強度比を変化させる必要がある。
【００５６】
上述の実施形態では、第１照射系と第２照射系とが共通の結像光学系１０を備えているが、これに限定されることなく、第１照射系と第２照射系とが別々の結像光学系を備える構成も可能である。例えば図９（ｂ）に示すように、第１照射系と第２照射系とは互いに異なる方向から被処理基板に光を照射すればよい。被処理基板の厚みに起因する収差の影響を避けるために、図９（ｂ）に示すように、位相シフタ変調光を被処理基板の半導体膜側から照射することが有益である。
【００５７】
上述の実施形態において、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、たとえば測定器１３を用いて、被処理基板１１の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。
【００５８】
図１０（ａ）〜（ｅ）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１０（ａ）に示すように、絶縁基板８０の上に、下地膜８１および非晶質半導体膜８２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１１を準備する。絶縁基板８０には、例えば、アルカリガラス、石英ガラス、プラスチック、ポリイミドなどを用いることができる。また、下地膜８１には、例えば、膜厚５０ｎｍのＳｉＮおよび膜厚１００ｎｍのＳｉＯ2積層膜などを用いることが好ましい。また、非晶質半導体膜８２には、例えば、膜厚５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度のＳｉ，Ｇｅ，ＳｉＧｅなどを用いることが好ましい。
【００５９】
次に、図１に示す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。図１に示す結晶化装置において利用可能なレーザ光８３すなわち位相シフタ変調光と均一化光は、上述した任意のレーザ光もしくはその組み合わせにより提供される。
【００６０】
図１０（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１０（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２０〜１００ｎｍ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。
【００６１】
さらに、図１０（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）し、不純物を活性化する。次に、図１０（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。
【００６２】
以上の工程において、図１０（ａ）および図１０（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。
【００６３】
以上説明したように、本発明の結晶化装置および結晶化方法では、ほぼ均一な光強度分布を有する光と逆ピークパターンの光強度分布を有する光とを多結晶半導体膜または非晶質半導体膜の所定領域において合成する。その結果、本発明では、アブレーションを実質的に発生させることなく、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。
【００６４】
なお、この発明の結晶化装置によれば、アブレーションを実質的に発生させることなく、比較的小さいアモルファス領域に基づいて結晶核からの十分なラテラル方向の結晶成長を実現することのできる所望の光強度分布を得ることができる。
【００６５】
また、この発明の結晶化装置によれば、強度比可変手段を用いて強度比を変化させることにより、逆ピークパターンの光強度分布の性状を実質的に変えることなく、α値を適切な範囲に調整することができる。
さらに、この発明の結晶化装置によれば、光分割手段を用いて強度比を変化させることにより、逆ピークパターンの光強度分布の性状を実質的に変えることなく、α値を適切な範囲に調整することができる。
【００６６】
またさらに、この発明の結晶化装置によれば、光源を共通化して、第１照射系および第２照射系を比較的簡素に構成することができる。
さらにまた、この発明の結晶化装置によれば、前記第１照射系と前記第２照射系とは互いに異なる方向から前記所定領域に光を照射することも可能である。
またさらに、この発明の結晶化方法によれば、アブレーションを実質的に発生させることなく、比較的小さいアモルファス領域に基づいて結晶核からの十分なラテラル成長を実現することのできる所望の光強度分布を得ることができる。
【００６７】
さらにまた、この発明の結晶化装置および結晶化方法により得られた結晶核からの十分なラテラル成長を実現して得られた大粒径の結晶化半導体膜を用いることで、高速動作が可能で、特性の良好な半導体デバイスや液晶表示デバイスなどを得ることができる。
なお、この発明は、前記各実施の形態に限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々な変形もしくは変更が可能である。また、各実施の形態は、可能な限り適宜組み合わせて実施されてもよく、その場合、組み合わせによる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施形態にかかる結晶化装置の構成の一例を説明する概略図。
【図２】図１の第２照明光学系の内部構成の一例を示す概略図。
【図３】本発明の基本的作用を説明する概略図。
【図４】本発明の基本的作用を説明する概略図。
【図５】図３、図４により説明した「α値」を設定するための要因を説明する概略図。
【図６】位相シフタ変調光で得られた光強度分布および均一化光で得られた光強度分布を説明する概略図。
【図７】位相シフタ変調光と均一化光との合成光として得られた光強度分布を示す概略図。
【図８】光分割手段の構成の一例を説明する概略図。
【図９】光分割手段における収差発生および位相シフタ変調光と均一化光とを別の方向から照射する概略図。
【図１０】本発明の結晶化装置を用いて結晶化された半導体膜上に電子デバイスを作製する工程を示す概略図。
【図１１】ライン型の位相シフタの構成および作用を説明する概略図。
【図１２】逆ピークパターンの光強度分布が与えられた光を用いる場合の不都合を説明する概略図。
【符号の説明】
【００６９】
１・・・光源、２，９・・・ビームスプリッタ、３・・・第１照明光学系、７・・・第２照明光学系、８・・・位相シフタ、１０・・・結像光学系、１１・・・被処理基板、１２・・・基板ステージ、１３・・・測定器、２１・・・偏光板、２２・・・１／２波長板、２３・・・偏光ビームスプリッタ
【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】
2004319989.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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