(57)【要約】【課題】  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】  マスク（１）を照明する照明系（２）を備え、マスクを介して逆ピークパターン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。マスクは、逆ピークパターンの光強度分布に応じた光吸収特性を有する光吸収層、光散乱特性を有する光散乱層、光反射特性を有する光反射層、光屈折特性を有する光屈折層、または光回折特性を有する光回折層を備えている。【選択図】  図１
2004172605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マスク（１）と、このマスクを照明する照明系（２）とを具備し、この照明系からの入射光は、前記マスクを通ることによって逆ピークパターンの光強度分布を有する光となって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であって、
前記マスク（１）は、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光吸収特性を有する光吸収層（１ｃ）を備えている結晶化装置。
【請求項２】
マスク（１１）と、このマスクを照明する照明系（２）とを具備し、この照明系からの入射光は、前記マスクを通ることによって逆ピークパターンの光強度分布を有する光となって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であって、
前記マスク（１１）は、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光散乱特性を有する光散乱層（１１ｃ）を備えている結晶化装置。
【請求項３】
前記光散乱層（１１ｃ）は、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた屈折率分布を有する請求項２に記載の結晶化装置。
【請求項４】
前記光散乱層（１１ｃ）は、揮発成分を分散させた透明材料からなる層を形成した後に、前記揮発成分を揮発させることにより形成されている請求項３に記載の結晶化装置。
【請求項５】
前記光散乱層（１１ｃ）は、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた表面形状を有する請求項２に記載の結晶化装置。
【請求項６】
マスク（２１）と、このマスクを照明する照明系（２）とを備え、この照明系からの入射光は、前記マスクを通ることによって逆ピークパターンの光強度分布を有する光となって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であって、
前記マスク（２１）は、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光反射特性を有する光反射層（２１ｃ）を備えている結晶化装置。
【請求項７】
前記光反射層（２１ｃ）は、所定の層数分布にしたがって形成された多層反射膜を有する請求項６に記載の結晶化装置。
【請求項８】
前記光反射層（２１ｃ）は、所定の厚さ分布にしたがって形成された金属反射膜を有する請求項６に記載の結晶化装置。
【請求項９】
マスク（３１）と、このマスクを照明する照明系（２）とを具備し、この照明系からの入射光は、前記マスクを通ることによって逆ピークパターンの光強度分布を有する光となって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であって、
前記マスク（３１）は、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光屈折特性を有する光屈折層（３１ｃ）を備えている結晶化装置。
【請求項１０】
前記光屈折層（３１ｃ）は、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた屈折率分布を有する請求項９に記載の結晶化装置。
【請求項１１】
前記光屈折層（３１ｃ）は、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた表面形状を有する請求項９に記載の結晶化装置。
【請求項１２】
マスク（４１）と、このマスクを照明する照明系（２）とを具備し、この照明系からの入射光は、前記マスクを通ることによって逆ピークパターンの光強度分布を有する光となって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であって、
前記マスク（４１）は、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光回折特性を有する光回折層（４１ｃ）を備えている結晶化装置。
【請求項１３】
前記光回折層（４１ｃ）は、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた屈折率分布を有する請求項１２に記載の結晶化装置。
【請求項１４】
前記光回折層（４１ｃ）は、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた表面形状を有する請求項１２に記載の結晶化装置。
【請求項１５】
マスク（１，１１，２１，３１，４１）と、このマスクを照明する照明系（２）とを具備し、この照明系からの入射光は、前記マスクを通ることによって逆ピークパターンの光強度分布を有する光となって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であって、
前記マスク（１，１１，２１，３１，４１）は、各々が、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光吸収特性を有する光吸収層（１ｃ）、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光散乱特性を有する光散乱層（１１ｃ）、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光反射特性を有する光反射層（２１ｃ）、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光屈折特性を有する光屈折層（３１ｃ）、および前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光回折特性を有する光回折層（４１ｃ）から選択された第１層並びに第２層とを備えている結晶化装置。
【請求項１６】
マスク（１００）と、このマスクを照明する照明系（２）とを具備し、この照明系からの入射光は、前記マスクを通ることによって逆ピークパターンの光強度分布を有する光となって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であって、
前記マスク（１００）は、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光吸収特性を有する光吸収層、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光散乱特性を有する光散乱層、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光反射特性を有する光反射層、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光屈折特性を有する光屈折層、および前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光回折特性を有する光回折層から選択された第１層（１００ｃ）と、位相シフト層（１００ａ）とを備えている結晶化装置。
【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マスクとは互いに密着して配置されている請求項１乃至８のいずれか１項に記載の結晶化装置。
【請求項１８】
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記マスクとは互いにほぼ平行に且つ近接して配置されている請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の結晶化装置。
【請求項１９】
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記マスクとの間の光路中に配置された結像光学系（５）をさらに具備し、
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜は、前記マスク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請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の結晶化装置。
【請求項２０】
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記マスクとの間の光路中に配置された結像光学系（６）をさらに具備し、
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜は、前記マスク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、前記逆ピークパターン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請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の結晶化装置。
【請求項２１】
マスク（６１）と、このマスクを照明する照明系（２）とを具備し、この照明系からの入射光は、前記マスクを通ることによって逆ピークパターンの光強度分布を有する光となって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であって、
前記マスク（６１）は、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた二値的分布特性を有し、空間周波数の高周波成分を除去することにより比較的連続的な光強度分布を得るように構成されている結晶化装置。
【請求項２２】
前記高周波成分を除去するために、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記マスクとは互いにほぼ平行に且つ近接して配置されている請求項２１に記載の結晶化装置。
【請求項２３】
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記マスクとの間の光路中に配置された結像光学系（５）をさらに備え、
前記高周波成分を除去するために、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜は、前記マスクと光学的に共役な面から前記結像光学系（５）の光軸に沿って所定距離だけ離れて設定されている請求項２１に記載の結晶化装置。
【請求項２４】
前記照明系（２）は、所定の最大入射角を有する光束で前記マスクを照明する請求項２２または２３に記載の結晶化装置。
【請求項２５】
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記マスクとの間の光路中に配置された結像光学系（６）をさらに具備し、
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜は、前記マスクと光学的にほぼ共役な面に設定され、
前記結像光学系（６）は、前記高周波成分を除去するために所要の像側開口数に設定されている請求項２１に記載の結晶化装置。
【請求項２６】
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記マスクとの間の光路中に配置された結像光学系（５，６）をさらに具備し、
前記結像光学系（５，６）は、前記高周波成分を除去するために所要の収差を有する請求項２１に記載の結晶化装置。
【請求項２７】
マスク（１）を照明し、前記マスクを介して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して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法であって、
前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光吸収特性を有する光吸収層（１ｃ）を備えたマスクを用いる結晶化方法。
【請求項２８】
マスク（１１）を照明し、前記マスクを介して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して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法であって、
前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光散乱特性を有する光散乱層（１１ｃ）を備えたマスクを用いる結晶化方法。
【請求項２９】
マスク（２１）を照明し、前記マスクを介して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して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法であって、
前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光反射特性を有する光反射層（２１ｃ）を備えたマスクを用いる結晶化方法。
【請求項３０】
マスク（３１）を照明し、前記マスクを介して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して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法であって、
前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光屈折特性を有する光屈折層（３１ｃ）を備えたマスクを用いる結晶化方法。
【請求項３１】
マスク（４１）を照明し、前記マスクを介して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して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法であって、
前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光回折特性を有する光回折層（４１ｃ）を備えたマスクを用いる結晶化方法。
【請求項３２】
マスク（１，１１，２１，３１，４１）を照明し、前記マスクを介して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して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法であって、
前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光吸収特性を有する光吸収層（１ｃ）、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光散乱特性を有する光散乱層（１１ｃ）、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光反射特性を有する光反射層（２１ｃ）、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光屈折特性を有する光屈折層（３１ｃ）、および前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光回折特性を有する光回折層（４１ｃ）から選択された層により夫々形成された第１層並びに第２層を備えたマスクを用いる結晶化方法。
【請求項３３】
マスクを照明し、前記マスクを介して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して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法であって、
前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光吸収特性を有する光吸収層、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光散乱特性を有する光散乱層、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光反射特性を有する光反射層、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光屈折特性を有する光屈折層、および前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光回折特性を有する光回折層から選択された第１層（１００ｃ）と、位相シフト層（１００ｄ）とを備えたマスクを用いるる結晶化方法。
【請求項３４】
マスクを照明し、前記マスクを介して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して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法であって、
前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた二値的分布特性を有するマスクを用い、空間周波数の高周波成分を除去することにより比較的連続的な光強度分布を得る結晶化方法。
【請求項３５】
所定面（３ａ）上において所定の光強度分布を形成するためのマスク（１）であって、
前記マスクは、前記所定の光強度分布に応じた光吸収特性を有する光吸収層（１ｃ）を備えているマスク。
【請求項３６】
所定面（３ａ）上において所定の光強度分布を形成するためのマスク（１１）であって、
前記マスクは、前記所定の光強度分布に応じた光散乱特性を有する光散乱層（１１ｃ）を備えているマスク。
【請求項３７】
所定面（３ａ）上において所定の光強度分布を形成するためのマスク（２１）であって、
前記マスクは、前記所定の光強度分布に応じた光反射特性を有する光反射層（２１ｃ）を備えているマスク。
【請求項３８】
所定面（３ａ）上において所定の光強度分布を形成するためのマスク（３１）であって、
前記マスクは、前記所定の光強度分布に応じた光屈折特性（３１ｃ）を有する光屈折層を備えているマスク。
【請求項３９】
所定面（３ａ）上において所定の光強度分布を形成するためのマスク（４１）であって、
前記マスクは、前記所定の光強度分布に応じた光回折特性を有する光回折層（４１ｃ）を備えているマスク。
【請求項４０】
請求項３５乃至３９のいずれか１項に記載のマスクを照明するための照明系を備え、
前記所定面（３ａ）に被処理が設置された基板（３）上に前記所定の光強度分布を形成する露光方法。
【請求項４１】
前記基板と前記マスクとを互いに密着して配置する請求項４０に記載の露光方法。
【請求項４２】
前記基板と前記マスクとを互いにほぼ平行に且つ近接して配置する請求項４０に記載の露光方法。
【請求項４３】
前記基板と前記マスクとの間の光路中に結像光学系（５）を配置し、
前記基板を前記マスク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請求項４０に記載の露光方法。
【請求項４４】
前記基板と前記マスクとの間の光路中に結像光学系（６）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、
前記マスクと光学的にほぼ共役な面に前記基板を設定する請求項４０に記載の露光方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体の結晶化装置および結晶化方法、特に、マスクを介し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、方法、およびマスクなどに関する。
【背景技術】
【０００２】
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、このようなトランジスタは、周辺ＬＳＩの薄膜トランジスタとして使用することが可能になる。さらに、このようなトランジスタタを使用することにより、他の部品の設計マージンを減らせるなどの利点がある。
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上記トランジスタで構成することにより、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り、単結晶シリコンまたは結晶化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】
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、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、位相シフトマスクの位相シフト部に対応する点において光強度が最小またはほぼ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、光強度が最小またはほぼ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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来技術において一般に用いられる位相シフトマスクは、いわゆるライン型の位相シフトマスクであって、一方向に沿って交互に繰り返される２種類の矩形状の領域で構成され、２つの領域の間にはπ（１８０度）の位相差が付与されている。この場合、図２２に示すように、厚さの異なるまたは位相の異なる２つの領域間２０１，２０２の境界線２００が位相シフト部を構成している。このような位相シフトマスクを通った光は、位相シフト部２００に対応する線上位置において光強度がほぼ０、もしくは最小で且つ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部ＲＰを有する光強度分布で多結晶半導体膜または非晶質半導体膜を照射する。
【０００８】
このように、ライン型の位相シフトマスクを用いる従来技術では、位相シフト部（境界線２００）に対応する線に沿って温度が最も低くなるとともに、位相シフト部に対応する線と直交する方向に沿って温度勾配が発生する。また、２つの隣接した逆ピークパターン部ＲＰの間の中間部ＭＰにおける光強度分布は（曲線）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。
【０００９】
この場合、逆ピークパターン部ＲＰの光強度分布において傾斜の大きい位置もしくは最低強度点に近い位置に結晶核２１０が発生することが、結晶核の位置制御のためには望ましいが、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２２０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ＲＰと中間部ＭＰとの境界近くの光強度が減少する部分で停止してしまいがちである。
【００１０】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、マスクを照明する照明系を備え、前記マスクを介して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して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置であって、
前記マスクは、前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光吸収特性を有する光吸収層、光散乱特性を有する光散乱層、光反射特性を有する光反射層、光屈折特性を有する光屈折層並びに／もしくは光回折特性を有する光回折層を備えている結晶化装置を提供する。
前記第１の層と第２の層との一方は、位相シフト層に交換され得る。
【００１２】
本発明の第２形態では、マスクを照明し、前記マスクを介して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して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法であって、
前記逆ピークパターンの光強度分布に応じた光吸収特性を有する光吸収層、光散乱特性を有する光散乱層、光反射特性を有する光反射層、光屈折特性を有する光屈折層並びに／もしくは光回折特性を有する光回折層を備えたマスクを用いる結晶化方法を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の上記形態の技術では、中間的な光強度分布を任意に形成することのできるマスクを用いて、被処理基板上で得られる逆ピークパターンの光強度分布の形態を全体的に制御することができるので、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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実施形態に係わ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、マスク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。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。
【００１５】
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小光源が形成される。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、マスク１を重畳的に照明する。
【００１６】
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マスク１上での光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マスク１上での面内位置に関する強度の均一化が図られる。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でマスク１を照射する。
【００１７】
マスク１を通ったレーザ光は、マスク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順次形成することにより得られる。換言すれば、マスク１は、非晶質半導体膜と対面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上の所定の位置に保持されている。
【００１８】
図２を参照して、第１実施形態におけるマスクの基本単位部分の構成および作用を説明する。マスク１は、たとえば石英ガラスのような透明な材料で形成された平行平面板状の透明基板１ｂと、所定の光吸収材で形成されて所定の表面形状を有する光吸収層１ｃとにより構成されている。このマスクは、最低１つの、一般的には複数の基本単位部分１ａを有し、図２では図面の明瞭化のために１つの基本単位部分１ａだけを示している。マスク１は、実際にはこの基本単位部分１ａが透過率分布強度の変更する方向（図２中水平方向）に沿って一次元的に繰り返された形態を有するのが好ましい。即ち、１つの基板に水平方向に、複数の細長い矩形領域が、隣接するもの相互の長辺が共通となるように並べられ、各矩形領域に基本単位部分１ａが形成されている。この点は、以下の各変形例および実施形態に係わるマスクにおいても同様である。
【００１９】
前記光吸収材として、たとえばハーフトーン型位相シフトマスクで用いられる材料、すなわちＭｏＳｉ、ＭｏＳｉＯＮ、ＺｒＳｉＯ、ａ−Ｃａｒｂｏｎ、ＳｉＮ／ＴｉＮ、ＴｉＳｉＮ、Ｃｒなどの少なくとも１つを用いることができる。マスク１を製造するのには、透明基板１ｂの上に、たとえばＺｒＳｉＯからなる光吸収膜を均一な厚さで形成した後、光吸収膜の表面にレジストを塗布する。そして、ドーズ量を連続的に変えて電子ビーム描画および現像処理を施して各基本単位部分１ａにおいて、両側が薄く中心が厚くなるように、連続的な曲面形状を有するレジスト膜とした後、ドライエッチング技術を用いて、レジスト膜側よりレジスト膜とこの膜の下の基板の表面を除去する。このようなエッチングにより、厚いレジスト膜が上にある光吸収膜の中央部分は、薄いレジスト膜が上にある両側の部分より浅くエッチングされる。この結果、図２に示すような連続的な曲面形状の表面を有する光吸収層１ｃを備えたマスク１を得ることができる。
【００２０】
上述の製造方法において、例えば光吸収膜の形成およびパターニングを複数回に亘って繰り返すことにより、段差形状の表面（たとえば８レベル段差で近似された表面）を有する光吸収層１ｃを備えたマスク１を得ることもできる。この技法をさらに詳しく説明すると以下の通りである。最初に基板の各矩形領域上の光吸収膜の所定の幅の両外側部上を除いてレジスト膜を塗布し、エッチングすることにより、両最外側部のみを所定の幅で所定の深さにエッチングする。次に、このエッチングされた最両外側部と、これらに隣接した所定の幅の外側部とを除いた光吸収膜の部分の上にレジスト膜を塗布する。そして、同様にエッチングすることにより、外側部が所定の幅で所定の深さにエッチングされると共に、このエッチング深さと対応した深さだけ最外側部がさらにエッチングされる。この結果、最外側部と外側部との間には段差が形成される。このようにして、エッチング部を徐々に中心部に向うようにして、６回行うことにより、８レベル段差で、中心が一番突出した凸部形状となるように、光吸収膜を成形することができる。この例は、一例であり、上記のように段差を形成しなくても良いし、また段差の数も８つに限定されることはないことは、理解できよう。
【００２１】
このような構成のマスク１に、照明系２によりほぼ均一な光強度分布を有する光でマスク１を照明すると、このマスク１を透過した光は、被処理基板の表面３ａで、光吸収層１ｃの凸部の中心に対応する位置において光強度が最も小さく、その周囲に向かって光強度が単調に増加するような光強度分布、すなわち逆ピークパターン（あるいは凹型パターン）の光強度分布を有する。
【００２２】
以上のように、第１実施形態では、所望の逆ピークパターンの光強度分布に応じた光吸収特性を有する光吸収層１ｃを備えたマスク１を用いているので、被処理基板３上で得られる光強度分布の形態を全体的に制御することができ、図２に曲線で示すように中央から周囲に向かって光強度が単調に増加するような光強度分布を得ることができる。この結果、逆ピークパターンの光強度分布のほぼ中央において傾斜の大きい位置（すなわち所望の位置）に結晶核を発生させることができ、従来技術とは異なり中間部において光強度が減少する部分が存在しないので、ラテラル成長が途中で停止することなく大きな結晶の成長を実現することができる。この場合に、このようなマスク１ａにおいては、光吸収膜１ｃの最大突出部、この実施の形態では各の基本単位部分１ａの中心部は、精度良く透明基板１ｂに位置付けされるので、マスク１ａと被処理基板３との位置付けを制度良くすれば、被処理基板３ａの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。
【００２３】
次に、図３並びに図４を参照して、第１変形例に係わるマスクを説明する。以下の説明において、特別な説明がないかぎりは、透明基板の材質、形状、並びに基本単位部分とマスクとの関係は、前記第1の実施形態と同じなので、詳しい説明は省略する。図３を参照すると、第１変形例に係わるマスク１１の基本単位部分１１ａは、透明基板１１ｂと、この透明基板１１ｂの一面に取着され、所望の逆ピークパターンの光強度分布に応じた光散乱特性を有する光散乱層１１ｃとにより構成されている。この光散乱層１１ｃは、例えば、透明層の光入射面並びに／もしくは光射出面に照明光の波長オーダーの微細な凹凸形状（表面レリーフ）を形成すか、透明層の内部に、透明層に沿って所定の微細な屈折率分布を形成することにより形成され得る。
【００２４】
光散乱層１１ｃに光が入射すると、図４に示すように、分散されることなく直接透過する光（直接透過光）Ｌ１と、後方へ散乱する光（後方散乱光）Ｌ２と、前方へ散乱する光（前方散乱光）Ｌ３とが発生する。図４では、後方散乱光Ｌ２は、光入射面から出ており、前方散乱光Ｌ３は、光射出面から出ているように示されているが、散乱光がでる位置はこれに限られず、散乱層の構成に依存することは、容易に理解できよう。このようなマスクを使用する場合には、前方散乱光Ｌ３が被処理基板３の表面３ａに達してノイズになる可能性もあるが、その場合、マスク１１と被処理基板３との間に一定の間隔を確保すれば、表面３ａに達する前方散乱光の強度分布はほぼ均一になり、ノイズとはならない。
こうして、基本的には、第１変形例に係わるマスクの直接透過光の光強度分布が、被処理基板３の表面３ａに形成される光強度分布と対応することになる。
【００２５】
図５を参照して、光の散乱についての基本的な説明をする。一般に、入射光の波長程度の径ａの粒子ｂ(例えば、後で説明される空隙)による散乱は、ミーの散乱理論により計算することができる。図５を参照すると、強度Ｉ0の平行ビームが粒子ｂを中に有する厚さＬの物質を通過した後の強度Ｉは、次の式（１）で表わされる。式（１）において、σは光強度減衰係数であり、次の式（２）で表わされる。
Ｉ＝Ｉ0ｅ-σL    （１）
σ＝ＮＫπａ2    （２）
【００２６】
ここで、Ｎは単位体積当りの粒子数であり、ａは粒子ｂの半径である。また、Ｋは粒子の散乱効率であって、ミーの散乱理論により計算される値である。粒子の半径ａが波長以上の場合、Ｋの値は４〜２程度である。一例として、粒子ｂの半径ａを０．３９μｍとし、単位体積当りの粒子数Ｎを０．２４／μｍ3とし、粒子ｂの散乱効率Ｋを２．０(近似)とすると、減衰係数σは０．２３／μｍとなる。したがって、Ｎの密度で粒子が分布する厚さＬ＝１０μｍの膜を透過した後の光強度Ｉは、Ｉ＝Ｉ0ｅ-σL＝０．１×Ｉ0となり、入射光の強度Ｉ0の１／１０の光強度となる。
【００２７】
こうして、上記の計算式（１）に従って減衰係数σを場所により異なるように適宜選択するか材料(基本となる層)の厚みＬ場所により異ならせて適当に分布させることにより、光強度の分布を制御することができる。粒子の半径ａを大きくするほど減衰係数σを大きくすることができるが、それに伴って後方散乱光に比較して前方散乱光が増えて基板３に達する散乱光成分（＝ノイズ）も増えるので、この点を考慮して設計する必要がある。
【００２８】
次に、図６Ａないし６Ｅを参照して、第１変形例に係わるマスクの製造方法の一例および使用実施例を説明する。
上記粒子ｂの各々は、球、矩形。不規則形状等の如何なる形状にでも並びに／もしくは材料でも形成され得る。
【００２９】
基材としての石英ガラス基板１１ｂの上に、図６Ａに示される金型１２を用いた樹脂モールドにより、凹凸形状の樹脂層１３を図６Ｂに示されるように、形成した。金型１２は、Ｎｉ板を機械切削加工することにより形成された原版である。ここで、凹凸のピッチＰを１０μｍとし、深さＤを５μｍとした。この凹凸形状の樹脂１３の上に、上面が平坦な有機ＳＯＧ膜（スピンオングラス、例えばアルコキシシランをアルキル基で置換したもの）１４を、この材料に相溶性を持たない揮発性物質としてキシレン１５を加えた後に、スピンコーティングにより図６Ｃに示されるように、形成した。
【００３０】
次いで、乾燥により揮発性物質１５を揮発させることにより、平均半径が約０．４μｍの微細な空隙１６を有機ＳＯＧ膜中に、図６Ｄに示されるように、生成した。このとき、ＳＯＧ膜１４の表面は平坦になっているため、ＳＯＧ膜１４の膜厚分布は樹脂モールド層１３の層厚分布に依存し、この例ではＳＯＧ膜１４の最も厚い部分が約１０μｍになるように設定した。ＳＯＧ膜１４の屈折率は約１．５であり、空隙（空気）１６の屈折率が１であり、この屈折率の差が散乱を起す。こうして製造されたマスク１１を被処理基板３から２０μｍ離れた位置に保持し、ＸｅＣｌエキシマレーザ光（波長３０８ｎｍ）でほぼ垂直方向からマスク１１を照明した。その結果、所望の逆ピークパターン（凹型パターン）の光強度分布を形成し、大粒径の結晶を生成することができた。このとき、前方散乱光が発生したが、被処理基板３の表面においてほぼ均一になり、その影響を無視することができた。
【００３１】
第２変形例に係わるマスクの基本単位部分を、図７を参照して以下に説明する。マスク２１の基本単位部分２１ａは、透明基板２１ｂと、この基板の光射出面上に形成され、所望の逆ピークパターンの光強度分布に応じた光反射特性を有する光反射層２１ｃとにより構成されている。光反射層２１ｃは、所定の層数分布にしたがって形成された多層反射膜として構成されている。
【００３２】
多層反射膜は、屈折率の異なる誘電体を交互に積層させた構成を有し、基本的に光の吸収がないので、１から反射率を引いた値が透過率となる。したがって、層数の多い部分において反射率が大きく（透過率が小さく）なり、層数の少ない部分において反射率が小さく（透過率が大きく）なる。ただし、多層反射膜の層数と反射率の値との関係は、所望の光強度パターンに応じて、厳密な計算により求めることが望ましい。
光反射層２１ｃを、所定の厚さ分布にしたがって形成された金属反射膜として構成することもできる。しかしながら、この場合、極端に薄い金属反射膜においてその厚さ分布を制御することが必要である。
【００３３】
図８Ａないし８Ｅを参照して、第２変形例に係わるマスクの製造方法の一例および使用実施例を説明する。図８Ａに示されるように、マスクの基材としての石英ガラス基板２１ｂの上にＭｇＦ2とＺｎＳとを交互に蒸着することにより、ＭｇＦ2層とＺｎＳ層とからなる多層反射膜２１ｃを形成した。次に、図８Ｂに示されるように、多層反射膜２１ｃの上に電子線用レジスト２２をスピンコートした。その後、図８Ｃに示されるように、電子線描画装置によりドーズ量（照射量）を連続的に変化させながら照射して現像することにより、凹凸形状のレジスト膜２２を得た。
【００３４】
次いで、レジスト膜２２および多層反射膜２１ｃに対してドライエッチングを行なうことにより、図８Ｄに示されるように、所定の層数分布を有する多層反射膜２１ｃを得た。ここで、層数の多い部分、即ち、中央部は高反射率すなわち低透過率になり、逆に層数の少ない部分、即ち、両側部は低反射率すなわち高透過率になり、中央部と側部との間の部分は、側部に向うのに従って透過率が段階的に高くなる。こうして製造されたマスク２１を被処理基板３から２０μｍ離れた位置に保持し、ＸｅＣｌエキシマレーザ光（波長３０８ｎｍ）で、矢印で示されるように、ほぼ垂直方向からマスク２１を照明した(図８Ｅ)。その結果、所望の逆ピークパターン（凹型パターン）の光強度分布を形成し、大粒径の結晶を生成することができた。
【００３５】
図９を参照して変形例に係わるマスクの基本単位部分の構成および作用を説明する。第３変形例に係わるマスク３１の基本単位部分３１ａは、透明基板３１ｂと、この基板の射出面に取着され、所望の逆ピークパターンの光強度分布に応じた光屈折特性を有する光屈折層３１ｃとにより構成されている。光屈折層３１ｃは、例えば、透明層の表面を所要の曲面状に形成するか、透明層の内部に所定の屈折率分布を形成するかにより、形成され得る。
【００３６】
第３変形例に係わるマスク３１を製造するには、透明層として、たとえば石英ガラス基板の表面にレジストを塗布し、ドーズ量を連続的に変えて電子ビーム描画および現像処理を施して、連続的な曲面形状を有するレジスト膜を生成する。その後、ドライエッチング技術を用いることにより、連続的な曲面形状の屈折面を有するマスク３１を得ることができる。例えばレジスト膜の形成およびパターニングを複数回に亘って繰り返すことにより、段差形状の屈折面を有するマスク３１を得ることもできる。上記技術は図２に示すマスクを形成するときに説明したので、詳しい説明は省略する。
【００３７】
図１０は、第３変形例に係わるマスクの屈折面を段差形状に形成した(後者の製造方法により形成した)マスクを使用した場合に得られるであろう光強度分布に関するシミュレーション結果を示す図である。このシミュレーションでは、第３変形例に係わるマスク３１の屈折面を、位相差が２２．５度〜１８０度に相当する８レベル段差で近似している。また、照明系２の開口数を０．０２５に設定し、マスク３１から４０μｍだけ間隔を隔てて配置された被処理基板３上における光強度分布を計算により求めている。図１０に示すように、マスク３１の屈折面を多段近似しても、全体的に所望の逆ピークパターン（凹型パターン）の光強度分布が得られるであろう。
【００３８】
図１１を参照して、第４変形例に係わるマスクの基本単位部分の構成および作用を説明する。第４変形例に係わるマスク４１の基本単位部分４１ａは、透明基板４１ｂと、この少なくとも一面、この例では光射出面に取着もしくは一体的に形成され、所望の逆ピークパターンの光強度分布に応じた光回折特性を有する光回折層４１ｃとにより構成されている。光回折層４１ｃは、例えば、透明層の少なくとも一方の面を所要の形状に形成するか、透明層の内部に所定の屈折率分布または光吸収率分布を形成するかにより、形成され得る。回折効率（光利用効率）の高いマスクを実現するには、内部に光吸収率分布を形成する技術よりも、表面を所要の形状に形成する技術や内部に屈折率分布を形成する技術の方が好ましい。
【００３９】
光回折層４１ｃは、いわゆる回折格子（もしくはホログラム）として実現される。第４変形例に係わるマスク４１では、回折格子（もしくはホログラム）により光を回折し、所定の距離を隔てた被処理基板の表面３ａ上で所要の光強度分布を形成する。この場合、回折格子（もしくはホログラム）は、一種類の干渉縞が設けられたものでも、複数の干渉縞が重ねて設けられたものでも良い。また、回折格子は、マスク面での散乱機能の有無により、マスク面で散乱のない非散乱型とマスク面で散乱のある散乱型とに分けられる。以下、マスク面で散乱のない非散乱型の場合、すなわち干渉縞が一種類の場合について簡単に説明する。
【００４０】
図１２は、第４変形例に係わるマスクの基本的な回折作用を概略的に説明する図である。マスク面に形成された周期ｄの回折格子（もしくはホログラム）に入射角θで入射した光は、回折作用を受けて射出角φで射出される。ここで、入射角θと射出角φとの関係は、次の回折の式（３）で表わされる。
sinθ＋sinφ＝ｍλ／ｄ    （３）
【００４１】
式（３）において、ｍは回折次数であり、λは光の波長である。第４変形例では、式（３）を参照し、所定の距離だけ間隔を隔てた被処理基板３の表面３ａにおいて所望の光強度分布が得られるように、マスク面での回折格子のピッチｄおよび方向を計算で求めればよいことになる。
【００４２】
次に、図１３を参照して、第４変形例に係わるマスクの製造方法の一例および使用実施例を説明する。第４変形例のマスク４１では、第２変形例と同様な方法（ただし多層反射膜の代わりに石英ガラス基板をエッチング）により、図１３に示すようなブレーズ型の回折格子を透明基板４１ｂの一面に光回折層４１ｃとして形成した。この種の回折格子はホログラム光学素子や回折光学素子と呼ばれ実用化されている。この回折格子は一次元方向にピッチが変わっており、その焦点位置に線状に集光する機能を有する。こうして製造された非散乱型（一種類の干渉縞）のマスク４１を被処理基板３から焦点距離Ｄだけ離れた位置に対面するように保持し、ＸｅＣｌエキシマレーザ光（波長３０８ｎｍ）でほぼ垂直方向から所定の最大入射角を有する非平行光束（散乱光束）の状態でマスク４１を照明した。
【００４３】
その結果、所望の逆ピークパターン（凹型パターン）の光強度分布を形成し、大粒径の結晶を生成することができた。このような回折型マスクをホログラム的な露光により作製することもできる。その場合、線状の物体光をスリットやシリンドリカルレンズなどの光学的な手段で生成し、その線状の物体光と参照光との干渉縞をホログラム用感光材料に記録すればよい。ホログラム的に記録する方法を用いても、あるいは上述の計算により作製する方法を用いても、散乱型および非散乱型のうちいずれの形態も実現可能である。
【００４４】
なお、上述の実施形態および変形例では、マスクの基本単位部分が一次元的な光強度分布を形成し、マスクは光強度分布の方向に沿って基本単位部分が一次元的に繰り返された形態を有する。しかしながら、これに限定されることなく、マスクの基本単位部分が二次元的な光強度分布を形成し、マスクが光強度分布の方向に沿って基本単位部分が二次元的に繰り返された形態を有するように構成することもできる。
【００４５】
次に、図１４を参照して、本発明の第２実施形態に係わる結晶化装置の構成を説明する。この第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実施形態ではマスク１の光射出面と被処理基板３の光入射面とが互いに密着して配置されている点が第１実施形態と基本的に相違している。上述したように、いわゆる近接（デフォーカス）法にしたがう第１実施形態では、光吸収型のマスク１、光散乱型のマスク１１、光反射型のマスク２１、光屈折型のマスク３１、および光回折型のマスク４１を用いることができる。
【００４６】
これに対し、いわゆる密着（コンタクト）法にしたがう第２実施形態では、光吸収型のマスク１、光散乱型のマスク１１、および光反射型のマスク２１を用いることができるが、光屈折型のマスク３１および光回折型のマスク４１を用いることができない。また、上述したように、前方散乱光が被処理基板３に達してノイズを形成する場合には、第２実施形態において光散乱型のマスク１１を用いることができない。
【００４７】
次に、図１５を参照して、本発明の第３実施形態に係わる結晶化装置の構成を説明する。第３実施形態は第１実施形態と類似の構成を有するが、第３実施形態ではマスク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。  第３実施形態では、図１５に示すように、被処理基板３はマスク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。この結像光学系５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３実施形態においても第１実施形態と同様に、光吸収型のマスク１、光散乱型のマスク１１、光反射型のマスク２１、光屈折型のマスク３１、および光回折型のマスク４１を用いることができる。
【００４８】
第１実施形態および第２実施形態では被処理基板３におけるアブレーションに対して注意する必要がある。これに対して、第３実施形態では、マスク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。
【００４９】
第３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４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。
【００５０】
図１６は、本発明の第４実施形態に係わる結晶化装置の構成を概略的に示す。第４実施形態は第３実施形態と類似の構成を有するが、第４実施形態では結像光学系６を介してマスク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３実施形態と基本的に相違している。以下、第３実施形態との相違点に着目して、第４実施形態を説明する。
【００５１】
第４実施形態では、結像光学系６は、その瞳面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の１つから選ばれ、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１つの虹彩絞りを有する。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要の逆ピークパターンの光強度分布を発生させるように設定されている。
【００５２】
いわゆる投影ＮＡ法にしたがう第４実施形態においても第１実施形態および第３実施形態と同様に、光吸収型のマスク１、光散乱型のマスク１１、光反射型のマスク２１、光屈折型のマスク３１、および光回折型のマスク４１を用いることができる。また、第４実施形態においても第３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。
【００５３】
次に、図１７Ａおよび１７Ｂを参照して、本発明の第５実施形態に係わる結晶化装置を説明する。第５実施形態は第１実施形態と類似の構成を有するが、第５実施形態ではマスク５１が２つの機能層を有する点が第１実施形態と基本的に相違している。第５実施形態に係わるマスク５１の基本単位部分５１ａは、図１７Ａに示すように、所望の逆ピークパターンの光強度分布に応じた光屈折特性を有する光屈折層５１ｂと、所望の逆ピークパターンの光強度分布に応じた光吸収特性を有する光吸収層５１ｃとを備えている。
【００５４】
ここで、被処理基板の表面３ａとは所定間隔を有して配置された光屈折層５１ｂは、表面３ａにおいて図中破線５１ｂｂで示す曲線のような緩やかな逆ピークパターン（凹型パターン）の光強度分布を形成する。一方、被処理基板の表面３ａに非常に近接して（あるいは密着して）配置された光吸収層５１ｃは、表面３ａにおいて光屈折層５１ｂによるよりも急峻な逆ピークパターン（不図示）の光強度分布を形成する。
【００５５】
その結果、マスク５１を用いる第５実施形態では、光屈折層５１ｂの作用と光吸収層５１ｃの作用との合成により、図１７Ａにおいて実線５１ｂｃで示す曲線ように、２段逆ピークパターンの光強度分布が被処理基板の表面３ａにおいて得られる。図１７Ａに示す２段逆ピークパターンの光強度分布では、光強度がほぼ０または最小の位置から周囲に向かって急激に光強度が増加して所定の値に達した後、さらに周囲に向かって光強度がほぼ単調に増加している。この光強度がほぼ０または最小の位置では、表面３ａの温度がこの表面を形成している物質、例えば非晶質シリコンの融点よりも、必ずではないが、以下となるように、光強度を設定することが望ましい。
【００５６】
第５実施形態では、２段逆ピークパターンの光強度分布において光強度が最小の部分の近傍に結晶核が形成される。次いで、結晶核から、光強度勾配（ひいては温度勾配）の大きい方向に沿って且つ周囲に向かってラテラル成長が開始される。このとき、本発明に係わるマスクにより得られる２段逆ピークパターンの光強度分布では、従来技術とは異なり中間部において光強度が減少する部分が実質的に存在しないので、ラテラル成長が途中で停止することなく大きな結晶粒の成長を実現することができる。
【００５７】
光吸収層５１ｃのみで上記のような２段逆ピークパターンの光強度分布を得ようとすると、光吸収層５１ｃの膜厚変化は非常に大きくなるが、第５実施形態では２つの機能層の組み合わせを利用しているので、光吸収層５１ｃの膜厚分布が不要になるか、あるいは非常に小さくなるという利点がある。同様に、光屈折層５１ｂのみで２段逆ピークパターンの光強度分布を実現しようとすると、光屈折層５１ｂの表面形状または屈折率分布は非常に複雑になるが、２つの機能層の組み合わせを利用しているので、光屈折層５１ｂは凹型パターンの光強度分布を形成すればよく、比較的単純な表面形状または屈折率分布で十分である。
【００５８】
上述の第５実施形態では、光屈折層５１ｂと光吸収層５１ｃとを有するマスク５１を用いているが、この組合せの機能層に限定されることなく、２つもしくはそれ以上の異なる如何なる機能層または２つもしくはそれ以上の同じ如何なる機能層を有するマスクを用いることもできる。具体的には、マスクを構成する第１機能層並びに第２機能層として、光吸収層、光散乱層、光反射層、光屈折層、および光回折層から任意の機能層を選択することができる。
【００５９】
上述の第５実施形態では、光屈折層５１ｂと光吸収層５１ｃとを間隔を隔てて配置させているが、これに限定されることなく、２つの機能層を一体的または間隔をあけずに形成または配置することもできる。２つの機能層の配置については様々な変形例が可能である。具体的には、たとえば光吸収材に屈折面を付与する場合には、光吸収層と光屈折層とが一体的に形成されていることになる。また、たとえば光吸収材に位相シフト面を付与する場合には、光吸収層と位相シフト層とが一体的に形成されていることになる。この例を図１７Ｂに示す。このマスク１００は、透明基板として図２２に示されるような位相シフタ１００ａを使用し、この光射出面に図２に示されるような光吸収層１００ｃを機能層として装着することにより形成されている。ここで、機能層は、光吸収層に限定されることはなく、逆ピークパターンの光強度分布に応じた光吸収特性を有する光吸収層、散乱層、光反射層、光屈折層（３１ｃ）、および光回折層から選択され得ることは当業者にとって理解され得よう。また、機能層と位相シフタとは、どちらを光入射側に配置しても宵ことは理解されよう。
【００６０】
上述の第５実施形態では、デフォーカス法にしたがう結晶化装置および方法に本発明を適用しているが、これに限定されることなく、密着法、投影デフォーカス法、または投影ＮＡ法にしたがう結晶化装置および方法に対しても本発明を適用することができる。
【００６１】
図１８Ａないし１８Ｃを参照して、光反射層と光吸収層とが一体的に構成されたマスクの製造方法の一例および使用実施例について説明する。この製造実施例では、第１実施形態の第２変形例に関連して説明した方法（図８Ａないし８Ｅを参照）により、たとえば石英ガラス基板５２上に所定の層数分布を有する多層反射膜からなる光反射層５３を図１８Ａに示されるように、形成した。次いで、光反射層５３の一番厚い領域の上にスパッタによりクロム層を形成し、レジスト塗布、露光、現像およびエッチングを行って、クロムパターンからなる光吸収層５４を図１８Ｂに示されるように形成した。
【００６２】
こうして製造されたマスク５５を被処理基板３に密着させた位置に保持し、あるいは図１８Ｃに示されるように、被処理基板３から所定距離だけ離れた位置に保持し、ＸｅＣｌエキシマレーザ光（波長３０８ｎｍ）でほぼ垂直方向から矢印で示されるように、マスク５５を照明した。その結果、所望の２段逆ピークパターンの光強度分布を形成し、大粒径の結晶を生成することができた。ここで、光反射層５３は緩やかな逆ピークパターン（凹型パターン）の光強度分布を形成する機能を有し、光吸収層５４は急峻な逆ピークパターンの光強度分布を形成する機能を有する。
【００６３】
図１９Ａないし１９ＤＣを参照して、本発明の第６実施形態に係わる結晶化装置で使用されているマスクおよびその作用を説明する。第６実施形態は第１実施形態と類似の構成を有するが、第６実施形態ではマスク６１が二値的分布特性を有する点が第１実施形態と基本的に相違している。第６実施形態に係わるマスク６１の基本単位部分６１ａでは、図１９Ａ並びに１９Ｄに示されるように、たとえば石英ガラス基板６１ｂの上に微小な多数の光吸収単位領域６１ｃが、所定のドット分布にしたがって離散的に形成されている。この例では、光吸収単位領域６１ｃは、円形をしており、領域間は、幅方向(図１９Ｄの水平方向)では、外側に向うのに広くなっており、長さ方向では、等しくなっている。
【００６４】
光吸収単位領域６１ｃの形状並びに分布は、上記の構成に限定されることはなく、必要な光強度パターンに応じて任意に設定され得る。例えば、図１９Ｅに示されるように、光吸収単位領域６１ｃは、細長い層形状をしていても良い。
上記構成のマスク６１の射出面では、図１９Ｂに示されるように、短冊状の不連続な光強度分布が得られる。しかしながら、マスク６１の射出面から間隔を隔てた被処理基板の表面３ａでは、そのデフォーカスを利用して空間周波数の高周波成分を除去することにより、図１９Ｃに示されるように、比較的連続的な逆ピークパターンの光強度分布を得ることができる。
【００６５】
上述の第６実施形態では、所定の分布にしたがって形成された微小な光吸収単位領域６１ｃを用いているが、これに限定されることなく、たとえば所定の分布にしたがって形成された微小な光散乱単位領域や微小な光反射単位領域を用いることもできる（ただし、微小な光屈折単位領域や微小な光回折単位領域を用いることはできない）。すなわち、一般には、材料的または構造的に連続的な分布特性に代えて二値的な構造を有するマスクを利用し、空間周波数の高周波成分をカット（除去）することにより、連続的な光強度分布を得ることができる。この場合、材料的または構造的に連続的な分布を実現するという困難な加工が不要になる。
【００６６】
上述の第６実施形態では、マスク６１の射出面と被処理基板の表面３ａとを離間させることにより高周波成分を除去しているが、これに限定されることなく、たとえば被処理基板とマスクとの間の光路中に配置された結像光学系を介してマスクと光学的に共役な面から被処理基板を離間させることにより高周波成分を除去することもできる。具体的には、例えば、図１５に示される装置において、マスク１としてこの実施の形態のマスク６１を使用すけば良い。また、特にデフォーカス法や投影デフォーカス法において、所定の最大入射角を有する非平行光束でマスクを照明することにより、高周波成分を除去することもできる。
【００６７】
さらに、結像光学系を介して被処理基板とマスクとを光学的にほぼ共役に配置し、結像光学系の像側開口数を所要の値に設定することにより、高周波成分を除去することもできる。また、被処理基板とマスクとの間の光路中に配置された結像光学系に所要の収差を付与することにより、高周波成分を除去することもできる。
【００６８】
以下、結像光学系の像側開口数を所要の値に設定することにより高周波成分を除去する場合について簡単に説明する。結像光学系を介した像の複素振幅分布Ｉ（ｕ，ｖ）は、次の式（４）に示すように、物体（マスク）の複素振幅分布Ｏ（ｕ，ｖ）と点像の複素振幅分布（点像分布関数）ＡＳＦ（ｕ，ｖ）とのたたみこみ積分で表わされる。なお、式（４）において、「∫」は積分記号である。
Ｉ(u,v)＝∫∫{Ｏ(u',v') ＡＳＦ(u-u',v-v')} du' dv'    （４）
【００６９】
ここで、点像分布関数ＡＳＦは、瞳関数のフーリエ変換で与えられる。すなわち、結像光学系の像側開口数が小さいと、点像分布関数がより広い分布を有することになり、ひいては像のボケが大きくなる。これは、物体の空間周波数の内の高周波成分がカットされるということであり、一種のハイカットフィルターとして機能することになる。その結果、物体がバイナリーなものであっても、高周波成分がカットされて、連続的な光強度分布が得られる。
【００７０】
図２０を参照して、二値的分布特性を有するマスクの製造方法の一例および使用実施例について説明する。この製造実施例では、マスクとしてクロムマスクを用いている。すなわち、図２０に示すように、全体として中心から離れるに従って開口率が増えるようなパターンに基づいて、微小なクロム領域６１ｃを二値的に分布させるように、透明基板６１ｂ上に形成することによりマスクの基本単位部分６１ａを作製した。ｂｋクロムマスクの場合、クロム層６１ｃは光吸収層として機能すると同時に光反射層としても機能する。
【００７１】
こうして製造されたマスクを投影ＮＡ法に適用し、結像光学系の像側開口数を０．０５に設定することにより、高周波成分をカットした。その結果、所望の逆ピークパターン（凹型パターン）または２段ピークパターンの光強度分布を形成し、大粒径の結晶を生成することができた。なお、図２０の例では一方の方向の開口率のみ変調させているが、他方の方向の開口率のみ変調させることもできるし、両方の方向に沿って開口率を二次元的に変調させることもできる。また、一定の大きさを有する微小開口の密度を変調させることもできる。
【００７２】
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。
【００７３】
図２１を参照して、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方法の一例を以下に説明する。図２１Ａに示されるように、両面が平坦で、例えば、矩形の絶縁基板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順次成膜することにより、被処理基板３を形成する。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の表面(被処理基板３の表面３ａに対応する)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）を矢印で示されるように、照射する。
【００７４】
この結果、図２１Ｂに示すように、非晶質半導体膜８２は、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となる。次に、図２１Ｃに示されるように、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を島状の半導体膜８５に加工し、この上並びに下地層８１の上に、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２１Ｄにされるように、ゲート電極８７（例えば、シリサイドやＭｏＷなど）を、ゲート絶縁膜８６の前記半導体膜８５と対向したす部分上に形成し、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）を矢印で示されるように、ゲート絶縁膜８６を介して半導体層８５の中に注入する。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、半導体層８５の中の不純物を活性化し、ゲート電極８７の下方に位置するチャンネル領域９０を挟んでソース領域９１とドレイン領域９２とを形成する。
【００７５】
次に、図２１Ｅで示されるように、層間絶縁膜８９をゲード絶縁膜８６並びにゲート電極８７の上に成膜し、これら膜８６，８９にコンタクト穴をあけ、ソース領域９１およびドレイン領域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。このとき、図２１Ａおよび２１Ｂに示す工程において、各変形例で説明されたマスクを介してレーザ光を射出することにより形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、チャネル領域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。
【００７６】
上述の各実施形態では、結晶化装置および方法に対して本発明を適用しているが、これに限定されることなく、一般に所定面上において所定の光強度分布を形成するためのマスク、およびこのマスクを用いて所定面に設置された基板上に所定の光強度分布を形成する露光方法に対して本発明を適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の第１実施形態に係わる結晶化装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】第１実施形態におけるマスク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変形例に係わるマスクの基本単位部分の構成およびこのマスクからの射出光の光強度分布を概略的に示す図である。
【図４】図３に示すマスクの光散乱層の作用を説明するための図である。
【図５】光の散乱について基本的に説明するための図である。
【図６】図６Ａないし６Ｅは、第１変形例に係わるマスクの製造方法の一例と、使用実施例を説明する図である。
【図７】第２変形例に係わるマスクの基本単位部分の構成およびこのマスクからの射出光の光強度分布を概略的に示す図である。
【図８】図８Ａないし８Ｅは、第２変形例に係わるマスクの製造実施例および使用実施例を説明する図である。
【図９】第３変形例に係わるマスクの基本単位部分の構成およびこのマスクからの射出光の光強度分布を示す図である。
【図１０】第３変形例に係わるマスクの屈折面を段差形状に形成した場合に得られる光強度分布に関するシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】第４変形例に係わるマスクの基本単位部分の構成およびこのマスクからの射出光の光強度分布概略的に示す図である。
【図１２】第４変形例に係わるマスクの基本的な回折作用を説明するための図である。
【図１３】第４変形例に係わるマスクの製造方法の一例および使用実施例を説明するための図である。
【図１４】本発明の第２実施形態に係わる結晶化装置の構成を概略的に示す図である。
【図１５】本発明の第３実施形態に係わる結晶化装置の構成を概略的に示す図である。
【図１６】本発明の第４実施形態に係わる結晶化装置の構成を概略的に示す図である。
【図１７】図１７Ａは本発明の第５実施形態に係わる結晶化装置の要部構成および作用を概略的に示す図であり、図１７Ｂは図１７Ａに示すマスクの変形例を示す図である。
【図１８】図１８Ａないし１８Ｃは、光反射層と光吸収層とにより一体的に構成されたマスクの製造方法の一例および使用実施例を説明するための図である。
【図１９】図１９Ａないし１９Ｄは、本発明の第６実施形態に係わる結晶化装置のマスクと、このマスクからの射出光の光強度分布を概略的に示す図、図１９Ｅは、マスクの変形例を示す平面図である。
【図２０】二値的分布特性を有するマスクの製造方法の一例および使用実施例を説明するための図である。
【図２１】図２１Ａないし２１Ｅは、各実施形態の結晶化装置を用いて電子デバイスを製造する方法の一例の工程を示す図である。
【図２２】従来のライン型の位相シフトマスクを用いたときに被処理基板上で得られる光強度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００７８】
１，１１，２１，３１，４１  マスク
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
【図１】
2004172605.tif 000003
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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