(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、
前記レーザ光源からの入射光束の位相を変調するための光変調素子と、
この光変調素子からの変調された光束から結像面にＶ字型の光強度分布を形成するための結像光学系とを具備し、
前記光変調素子は、
基準となる０度の基準位相値の第１の厚さを有する透光性の基板と、
この基板に設けられこの基板に対して１８０度以外の正の値の第１の位相値を有する第２の厚さで面積が順次大又は小に変化して配列された第１の位相変調領域と、
前記基板に前記第１の位相変調領域に隣接して設けられ前記基板に対して１８０度以外の前記第１の位相値と絶対値の等しい負の値の第２の位相値を有する第３の厚さで面積が順次大又は小に変化して配列された第２の位相変調領域と、を有し、
１つの前記第１の位相変調領域と１つの前記第２の位相変調領域とを包含する位相変調単位は前記結像光学系の点像分布範囲以下の寸法であり、面積が順次大又は小に変化する前記第１の位相変調領域および第２の位相変調領域は同一形状、同一パターンで変化して、前記結像光学系の結像面および前後位置に左右対称なＶ字型のレーザ光の光強度分布を形成するように配列されてなる三値変調型の光変調素子であることを特徴とする光照射装置。
【請求項２】
前記第１の位相変調領域および第２の位相変調領域の形状は、方形状、円形状、楕円形状、三角形状などの面積を有する形状であることを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
【請求項３】
レーザ光源と、
前記レーザ光源からの入射光束の位相を変調するための光変調素子と、
この光変調素子からの変調された光束から結像面にＶ字型の光強度分布を形成するための結像光学系とを具備し、
前記光変調素子は、
基準となる０度の基準位相値の第１の厚さを有する透光性の基板と、
この基板に設けられこの基板に対して１８０度以外の正の値の第１の位相値を有する第２の厚さで面積が順次大又は小に変化して配列された第１の位相変調領域と、
前記基板に前記第１の位相変調領域に隣接して設けられ前記基板に対して１８０度以外の前記第１の位相値と絶対値の等しい負の値の第２の位相値を有する第３の厚さで面積が順次大又は小に変化して配列された第２の位相変調領域と、を有し、
１つの前記第１の位相変調領域と１つの前記第２の位相変調領域とを包含する位相変調単位は前記結像光学系の点像分布範囲以下の寸法であり、面積が順次大又は小に変化する前記第１の位相変調領域および第２の位相変調領域は同一形状、同一パターンで変化して配列されてなる三値変調型の光変調素子からなる光照射装置を用いて光照射することにより、前記結像光学系の結像面および前後位置に左右対称なＶ字型の光強度分布を形成することを特徴とする光照射方法。
【請求項４】
請求項１または２に記載の光照射装置と、前記結像光学系の結像面に、基板上に下地絶縁膜、非単結晶膜、キャップ膜が順次設けられた被処理基板の結晶粒を形成する所定の位置を位置決めるためのステージとを備えてなることを特徴とする結晶化装置。
【請求項５】
請求項３に記載の光照射方法を用い、前記結像光学系の結像面に、基板上に下地絶縁膜、非単結晶膜、キャップ膜が順次設けられた被処理基板の結晶粒を形成する所定の位置を位置決めしたのち、前記キャップ膜を介して非単結晶膜に左右対称なＶ字型の光強度分布を有する光を照射して加熱し、この温度を前記キャップ膜に蓄熱して、降温勾配を緩和させ、横方向に結晶成長させる工程を具備してなることを特徴とする結晶化方法。
【請求項６】
基準となる０度の基準位相値の第１の厚さを有する透光性の基板と、
この基板に設けられこの基板に対して１８０度以外の正の値の第１の位相値を有する第２の厚さで面積が順次大又は小に変化して配列された第１の位相変調領域と、
前記基板に前記第１の位相変調領域に隣接して設けられ前記基板に対して１８０度以外の前記第１の位相値と絶対値の等しい負の値の第２の位相値を有する第３の厚さで面積が順次大又は小に変化して配列された第２の位相変調領域と、を有し、
１つの前記第１の位相変調領域と１つの前記第２の位相変調領域とを包含する位相変調単位は使用される結像光学系の点像分布範囲以下の寸法であり、面積が順次大又は小に変化する前記第１の位相変調領域および第２の位相変調領域は同一形状、同一パターンで変化して、前記結像光学系の結像面および前後位置に左右対称なＶ字型のレーザ光の光強度分布を形成するように配列されてなることを特徴とする三値変調型の光変調素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光照射装置、光照射方法、結晶化装置、結晶化方法、デバイス、および光変調素子に関する。特に、本発明は、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ものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、たとえば液晶表示装置（Liquid-Crystal-Display:ＬＣＤ）の表示画素を選択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）は、非晶質シリコン（amorphous-Silicon）層や多結晶シリコン（poly-Silicon）層に形成されている。
【０００３】
多結晶シリコン層は、非晶質シリコン層よりも電子または正孔の移動度が高い。したがって、多結晶シリコン層にトランジスタを形成した場合、非晶質シリコン層に形成した場合よりも、トランジスタの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、この結果、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、このようなトランジスタの使用は、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などの周辺回路での使用は、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、結晶粒の集合からなるため、例えばＴＦＴトランジスタを形成した場合、これらトランジスタのチャネル領域内に結晶粒界が存在し、この結晶粒界が障壁となり単結晶シリコンに比べると電子または正孔の移動度が低い。また、多結晶シリコンに形成された多数の薄膜トランジスタは、チャネル部に形成される結晶粒界数が各薄膜トランジスタ間で異なり、これがトランジスタ特性のバラツキとなって液晶表示装置であれば表示ムラの問題となる。そこで、最近、電子または正孔の移動度を向上させ且つチャネル領域における結晶粒界数のバラツキを少なくするために、少なくとも各々の中に１個のチャネル領域を形成できる大きさの大粒径を有する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】
従来、この種の結晶化方法として、多結晶半導体膜やまたは非晶質半導体膜等の非単結晶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）法」が知られている。この位相制御ＥＬＡ法の詳細は、たとえば非特許文献１に開示されている。
【非特許文献１】表面科学Vol.21, No.5, pp.278-287, 2000
【０００６】
この位相制御ＥＬＡ法では、位相シフターの位相シフト部に対応する点もしくはラインにおいて光強度が周辺よりも低い逆ピークパターン（中心において光強度が最も低く(最小光強度部)、周囲に向かってラテラル方向に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、この逆ピーク状の光強度分布を有する光を、非単結晶半導体膜に照射させて溶融している。この結果、被照射領域内において光強度分布に応じて溶融領域に温度勾配が生じ、最小強度部に対応して最初に凝固する部分もしくは溶融しない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（以降、「ラテラル成長」もしくは「ラテラル方向成長」とよぶ）することにより大粒径の単結晶粒が生成される。
【０００７】
また、非特許文献２には、位相シフターおよび結像光学系を介して得られるＶ字型の光強度分布の光を非単結晶半導体膜に照射することにより結晶粒を生成する結晶化方法が発表されている。さらに、非特許文献２は、非単結晶半導体膜に照射される光の強度分布が、その最大値を１．０に規格化したときに０．５〜１．０の範囲でＶ字状に変化することが望ましいことを開示している。上記「逆ピークパターンの光強度分布」と「Ｖ字型の光強度分布」とは、中心部分（最小光強度部およびこれの近く）を見ると同一の働きをする。本発明では、両者を含め、「Ｖ字型の光強度分布」と記述することにする。
【０００８】
【非特許文献２】H.Ogawa他, "Growth of Large Si Grains at Room Temperature by Phase-Modulated Excimer-Laser Annealing Method", IDW'03 Proceedings of The 10th International Display Workshops, p323
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本件出願の発明者達は、たとえば特願２００３−１１７４８６（以下、「先願」という）において、結像光学系との組み合わせによりＶ字型の光強度分布を得ることのできる光変調素子を提案している。先願で提案されている光変調素子は、たとえば０度の基準位相値と９０度の変調用位相値とを、すなわち二種類の位相変調値を有する「二値変調型」の位相シフターであって、光変調素子上に換算して、結像光学系の点像分布範囲以下の寸法の位相変調を有する。なお、先願における開示事項が本件出願の従来技術を構成しないことはいうまでもない。
【００１０】
具体的には、先願で提案されている典型的な光変調素子は、図１６に示すように、０度の基準位相値を有する基準位相領域（図中空白部で示す）１０ａと、９０度の変調用位相値を有する矩形状の変調位相領域（図中斜線部で示す）１０ｂとを有する。基準位相領域１０ａに対する変調位相領域１０ｂの占有面積率（デューティ）は、図中水平方向（ラテラル方向）に沿って（Ｘ断面に沿って）０％〜５０％の間で線形的に変化している。具体的には、位相パターンの水平方向に沿った両側において変調位相領域１０ｂの占有面積率が０％であり、中央において変調位相領域１０ｂの占有面積率が５０％である。
【００１１】
このような光変調素子、およびこの光変調素子により変調された光を非単結晶半導体膜に結像させる結像光学系を使用すると、図１７（Ａ）ないし図１７（Ｃ）に示すようなＶ字型の光強度分布が非単結晶半導体膜上で得られる。これらの図に示す光強度分布は、光の波長λを２４８ｎｍ、結像光学系の像側開口数ＮＡを０．１３、結像光学系のσ値（コヒーレンスファクター）を０．４７と想定して計算されたものである。結像光学系のフォーカス位置において得られる光強度Ｉは、Ｘ断面に沿って考えている位置における変調位相領域１０ｂの占有面積率Ｄ（図１６の例では０〜０．５の間で変化）に依存して、近似的に次の式で表される。
Ｉ≒（４−４Ａ）｜Ｄ−０．５｜２＋Ａ
ただし、Ａ≒ cos2（θ／２）
【００１２】
この式において、θは変調用位相値（図１６の例では９０度）であり、Ａは占有面積率Ｄが最大で５０％の位置に対応したフォーカス面位置において得られる光強度の規格化された値（Ｖ字型の光強度分布における光強度の最大値を１．０に規格化したときの値）である。
【００１３】
図１６の光変調素子を用いる場合、結像光学系のフォーカス位置（結像面）には、図１７（Ｂ）に示すように、最小強度部を中心としてラテラル方向に略左右対称で、形成位置が制御されたほぼ理想的なＶ字型の光強度分布が形成される。しかしながら、図１７（Ａ）に示すように結像光学系へ近づく方向にフォーカス位置から１０μｍだけ微小距離移動した位置（−１０μｍのデフォーカス位置）や、図１７（Ｃ）に示すように結像光学系から離れる方向にフォーカス位置から１０μｍだけ微小距離移動した位置（＋１０μｍのデフォーカス位置）では、形成されるＶ字型の光強度分布の形状がデフォーカスにより変化するだけでなく、デフォーカスの方向に依存して非対称的に変化してしまう。
【００１４】
光照射すべき非単結晶半導体膜が上に形成される被処理基板として用いられるガラスシートには、デフォーカスの原因となる板厚偏差が不可避的に存在する。この結果、Ｖ字型の光強度分布の形状がデフォーカスにより非対称的に変化することになり、所望のＶ字型の光強度分布を非単結晶半導体膜上に安定的に形成することができない。このため、被処理基板上の半導体膜に結晶粒をほぼ均一な大きさに生成することができないという不都合が生じる。具体的には、図１７（Ａ）に示すようにフォーカス位置から−１０μｍだけ微小距離移動すると、最小光強度部が２つ存在する光強度分布が形成されるので、結晶成長開始点が２つに分離して本来の結晶粒の寸法が小さくなってしまう。また、図１７（Ｃ）に示すようにフォーカス位置から＋１０μｍだけ微小距離移動した位置に形成される光強度分布では、結晶化しない領域が広がって結晶粒の充填率が低下することが分かる。ここで、結晶粒の充填率とは、Ｖ字型の光強度分布を有する光を非単結晶半導体膜に照射したときの、光照射領域に対する結晶化領域の割合である。
【００１５】
二値変調型の光変調素子において、変調用位相値を、前述した９０度ではなく、１８０度に設定すれば、形成されるＶ字型の光強度分布がデフォーカス方向に依存して非対称的に変化することはなくなる。ただし、変調用位相値を１８０度に設定した状態でＶ字型の光強度分布における最小光強度部をある程度大きく確保しようとすると、変調用位相値を有する変調位相領域の占有面積率の分布は０％または１００％の近傍に制限されてしまう。これは、変調用位相値もしくは基準位相値を有する位相領域が極端に小さくなることを意味し、変調用位相値が１８０度の二値変調型の光変調素子の作製が実用的に困難であることを意味している。
【００１６】
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Ｖ字型の光強度分布をフォーカス位置から微小距離移動しても安定的に形成することができ、ひいては半導体膜に結晶粒をほぼ均一に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】
【００１７】
前記課題を解決するために、本発明の第１態様では、入射光束の位相を変調して、最小光強度の底部分を有するＶ字型の光強度分布を得るための光変調素子と、
この光変調素子からの変調された光束を被照射面で前記Ｖ字型の光強度分布を有するようにして被照射面に照射させるための結像光学系とを具備し、
前記光変調素子は、前記結像光学系の像空間において複素振幅分布の位相値の二次微分値が前記Ｖ字型の光強度分布の底部分でほぼ０になるような複素振幅透過率分布を有する、光照射装置を提供する。
【００１８】
前記光変調素子の面内座標を（Ｘ，Ｙ）とし、前記光変調素子の複素振幅透過率分布をＴ（Ｘ，Ｙ）とし、前記結像光学系の像面の面内座標を（ｘ，ｙ）とし、前記像面上の点（ｘ，ｙ）に対応する前記光変調素子上の点を中心とした前記結像光学系の点像分布範囲内における積分記号を∫とし、位相値を得る関数をargとするとき、
（δ2／δｘ2）arg（∫Ｔ（Ｘ，Ｙ）ｄＸｄＹ）≒０
（δ2／δｙ2）arg（∫Ｔ（Ｘ，Ｙ）ｄＸｄＹ）≒０
の条件を満足することが好ましい。
【００１９】
上記光照射装置では、好ましくは、前記光変調素子の複素振幅透過率分布は、前記結像光学系の点像分布範囲以下の寸法の位相変調単位を有する。前記光変調素子は、互いに異なる固定位相値を有する少なくとも３種類の位相領域を有し、その占有面積率が所定のパターンにしたがって変化していることが好ましい。
【００２０】
この場合、前記光変調素子は、前記少なくとも３種類の位相領域として、基準となる０度の基準位相値を有する基準位相領域と、正の値の変調用位相である第１変調位相値を有する第１変調位相領域と、前記第１変調位相値と絶対値のほぼ等しい負の値の変調用位相である第２変調位相値を有する第２変調位相領域とを備えていることが好ましい。この場合、前記基準位相領域に対する前記第１変調位相領域の占有面積率が変化するパターンと、前記基準位相領域に対する前記第２変調位相領域の占有面積率が変化するパターンとがほぼ同じであることが好ましい。
【００２１】
本発明の第２態様では、入射光束を変調する光変調素子と、この変調された光束を最小光強度の底部分を有するＶ字型の光強度分布を得るようにして被照射面に照射させる結像光学系とを有する光照射方法であって、
前記結像光学系の像空間において複素振幅分布の位相値の二次微分値が前記Ｖ字型の光強度分布の底部分でほぼ０になるような位置に前記被照射面を位置決めして光照射する光照射方法を提供する。
【００２２】
本発明の第３態様では、第１態様の光照射装置と、前記結像光学系の結像面に非単結晶半導体膜を有する被処理基板を保持するためのステージとを備えている結晶化装置を提供する。
【００２３】
本発明の第４態様では、第１態様の光照射装置あるいは第２態様の光照射方法を用いて、前記所定面に設定された非単結晶半導体膜を有する被処理基板に前記Ｖ字型の光強度分布を有する光を照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法を提供する。
【００２４】
本発明の第５態様では、第３態様の結晶化装置または第４態様の結晶化方法を用いて製造されたことを特徴とするデバイスを提供する。
【００２５】
本発明の第６態様では、被照射面でＶ字型の光強度分布を有するように入射光束の位相を変調する光変調素子であって、
互いに異なる固定位相値を有する少なくとも３種類の位相領域を備え、その占有面積率が所定のパターンにしたがって変化している光変調素子を提供する。
【００２６】
この光変調素子によれば、前記少なくとも３種類の位相領域として、基準となる０度の基準位相値を有する基準位相領域と、正の値の変調用位相である第１変調位相値を有する第１変調位相領域と、前記第１変調位相値と絶対値のほぼ等しい負の値の変調用位相である第２変調位相値を有する第２変調位相領域とを好ましくは備えている。この場合、前記基準位相領域に対する前記第１変調位相領域の占有面積率が変化するパターンと、前記基準位相領域に対する前記第２変調位相領域の占有面積率が変化するパターンとがほぼ同じであることが好ましい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の結晶化装置および結晶化方法では、結像光学系の像空間において複素振幅分布の位相値の二次微分値がＶ字型の光強度分布の底部分で実質的に０になるような複素振幅透過率分布を有する三値変調型の光変調素子を用いているので、デフォーカスの影響を実質的に受けることなく所望のＶ字型の光強度分布を安定的に結晶化面に形成することができ、ひいては半導体膜に各結晶粒の大きさをほぼ均一に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】
【００２８】
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。また、図２は、図１の照明系の内部構成を概略的に示す図である。図１を参照すると、本実施形態の結晶化装置は、入射光束の位相を変調するための光変調素子１と、照明系２と、結像光学系３と、被処理基板（支持基板、例えば、ガラス基板と、この上に直接もしくは間接的に形成された非単結晶半導体膜）４と、基板ステージ５とを備えている。光変調素子１の詳細な構成および作用については後述する。
【００２９】
照明系２は、図２に示すように、被処理基板４の非単結晶半導体膜を溶融させるエネルギ光を出力する光源２ａを備えている。この光源は、例えば、２４８ｎｍの波長を有するレーザ光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源である。この光源２ａとして、ＸｅＣｌエキシマレーザ光源やＹＡＧレーザ光源のような、非単結晶半導体膜のような被結晶化処理体を溶融するエネルギ光線を射出する性能を有する他の適当な光源を用いることもできる。光源２ａから射出されたレーザ光は、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。
【００３０】
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小光源が形成され、これらの複数の小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。この結果、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小光源からの光束は、第２コンデンサー光学系２ｆを介して、光変調素子１を重畳的に照明する。
【００３１】
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光源２ａから供給されたレーザ光について光変調素子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第１ホモジナイザからの入射角度が均一化されたレーザ光について光変調素子１上での面内各位置での光強度に関する均一化が図られる。こうして、照明系２は、ほぼ均一な光強度分布を有するレーザ光により光変調素子１を照明する。
【００３２】
光変調素子１で位相変調されたレーザ光は、結像光学系３を介して、被処理基板４に入射する。ここで、結像光学系３は、光変調素子１のパターン面と被処理基板４とを光学的に共役に配置している。換言すれば、被処理基板４は、光変調素子１のパターン面と光学的に共役な面（結像光学系３の像面）に位置が設定されている。結像光学系３は、正レンズ群３ａと正レンズ群３ｂとの間に開口絞り３ｃを備えている。
【００３３】
開口絞り３ｃは、たとえば開口部（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３ｃ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３ｃとして、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用いてもよい。いずれにしても、開口絞り３ｃの開口部の大きさ（ひいては結像光学系３の像側開口数ＮＡ）は、後述するように、被処理基板４の半導体膜上において所要の光強度分布を発生させるように設定されている。結像光学系３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。
【００３４】
被処理基板４の非単結晶半導体膜は、光変調素子１で位相変調されたレーザ光が結像され、溶融され、凝固する過程で結晶化されるものである。被処理基板４は、たとえば液晶ディスプレイ用板ガラス基板の上に化学気相成長法（ＣＶＤ）により下地膜および非晶質シリコン膜（非単結晶半導体膜）が順次形成されたものである。下地絶縁膜は、絶縁膜、例えばＳｉＯ2であり、非晶質シリコン膜とガラス基板が直接接触してＮａなどの異物がガラス基板から非晶質シリコン膜に混入するのを防止し、かつ、非晶質シリコン膜の溶融温度が直接ガラス基板に伝熱されるのを防止する。
【００３５】
非単結晶膜としては、前記非単結晶半導体膜に限られることはなく、例えば、半導体以外の金属でもよい。非晶質シリコン膜上には、キャップ膜として絶縁膜例えばＳｉＯ2膜が成膜される。キャップ膜は、非晶質シリコン膜に入射する光ビームの一部により加熱され、この加熱された温度を蓄熱する。この蓄熱効果は、光ビームの入射が遮断されたとき、非晶質シリコン膜の被照射面において高温部が相対的に急速に降温するが、この降温勾配を緩和させ、大粒径の横方向の結晶成長を促進させる。被処理基板４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５上において予め定められた所定の位置に位置決めされて保持される。
【００３６】
以下、本実施形態にかかる光変調素子１の構成および作用の説明に先立って、１８０度以外の変調用位相値を有する二値変調型の光変調素子を用いる場合にＶ字型の光強度分布がデフォーカス方向に依存して非対称的に変形する原理について説明する。
【００３７】
一般に、二値変調型の光変調素子を用いる場合、光変調素子１により位相変調された光学像が結像光学系３により被処理基板４面に結像されるフォーカス位置（焦点位置）での複素振幅分布Ｕは、比例係数を無視して近似的に次の式（１）で表される（正確には点像分布関数とのコンボリューションで表される）。この式（１）において、（Ｘ，Ｙ）は光変調素子の面内座標であり、Ｔ（Ｘ，Ｙ）は光変調素子の複素振幅透過率分布である。また、（ｘ，ｙ）は結像光学系の像面（フォーカス位置）の面内座標であり、∫は像面上の点（ｘ，ｙ）に対応する光変調素子上の点を中心とした結像光学系の点像分布範囲内における積分記号である。
Ｕ（ｘ，ｙ）≒∫Ｔ（Ｘ，Ｙ）ｄＸｄＹ    （１）
【００３８】
即ち、この式（１）は、以下の考察より導かれる。結像光学系による結像は点光源により照明される場合のコヒーレント結像、完全拡散光源により照明される場合のインコヒーレント結像、両者の中間状態である部分コヒーレント結像に分類される。実際の光学系は部分コヒーレント結像であり、その光強度分布はH. H. Hopkinsにより導かれた式により求めることができるが、見通しが悪い。そのためコヒーレント結像に近似して議論することとする。
【００３９】
コヒーレント結像における像面での振幅分布Ｕ（ｘ，ｙ）はフーリエ結像理論により以下の（１−ａ）式で示すコンボリューション演算で求められる（M.Born and E.wolf, Principle of Optics, Chap.9.5, 7th edition, Cambridge Univ. Press.）。
【００４０】
【数１】
0004664088.tif 000002
【００４１】
ここで、ＰＳＦ（ｘ，ｙ）は結像光学系の振幅点像分布関数（点物体により生成される複素振幅分布）を表す。一方、振幅点像分布関数は結像光学系の瞳関数のフーリエ変換で与えられる。瞳は円形で透過率を均一とすると、振幅点像分布関数ＰＳＦ（ｘ，ｙ）は下式（１−ｂ）で与えられる。
【００４２】
【数２】
0004664088.tif 000003
【００４３】
ここで、λは光の波長、ＮＡは結像光学系の開口数、Ｊ1はベッセル関数である。この（１−ｂ）式の形のままでは（１−ａ）式を評価しにくいので、これを囲んでおり底面が一致し上面にピーク値が位置するような半径Ｒの円筒形の関数で近似する。すなわち、
【数３】
0004664088.tif 000004
【００４４】
ここで、Ｒは（１−ｂ）式の右辺が０となる最小の半径ｒである。半径Ｒの円形の範囲を前記「点像分布範囲」とよび、記号Ｓで表す。すると、（１−ａ）式は、式（１）のように、（ｘ，ｙ）を中心とする点像分布範囲Ｓにおける複素振幅透過率Ｔ（Ｘ，Ｙ）の積分に簡単化される。
【００４５】
上記「点像分布範囲」とは、点像分布関数において０となる、もしくは０とみなせる（実質的に０）の線で囲まれた範囲である。一般には、点像分布範囲は、結像光学系の開口数をＮＡ、使用レーザ光の波長をλとした場合、像面上で半径０．６１λ／ＮＡの円で表わされ、光変調素子上においては、これを倍率で割った値となる。ここで、変調用位相値が１８０度である場合、関数Ｔ（Ｘ，Ｙ）の値は、０度の基準位相値を有する基準位相領域では正の実数になり、１８０度の変調用位相値を有する変調位相領域では負の実数になる。したがって、複素振幅分布Ｕの値も基準位相領域および変調位相領域において実数になる。特に、図３（Ａ）に示すように変調位相領域の占有面積率（デューティ）が０％から５０％まで変化しても、図３（Ｃ）に示すように複素振幅分布Ｕの位相値は０度のまま変化しない。なお、図３（Ａ）ないし図３（Ｄ）は、１８０度の変調用位相値を有する二値変調型の光変調素子を用いてＶ字型の光強度分布を生成する場合について、占有面積率Ｄ、複素振幅分布Ｕの絶対値｜Ｕ｜、複素振幅分布Ｕの位相値、光強度Ｉ（この値は｜Ｕ｜2に比例する）をそれぞれ模式的に示している。
【００４６】
代わって、変調用位相値が１８０度以外の値θ（θ≠１８０）である場合、関数Ｔ（Ｘ，Ｙ）の値は虚数になり、この結果として複素振幅分布Ｕの値も虚数になる。そして、図４（Ａ）に示すように変調位相領域の占有面積率（デューティ）が０％から５０％まで変化するとき、図４（Ｃ）に示すように複素振幅分布Ｕの位相値は０度からθ／２まで変化する。図４（Ａ）ないし図４（Ｄ）は、１８０度以外の変調用位相値を有する二値変調型の光変調素子を用いてＶ字型の光強度分布を生成する場合について、占有面積率Ｄ、複素振幅分布Ｕの絶対値｜Ｕ｜、複素振幅分布Ｕの位相値、光強度Ｉをそれぞれ模式的に示している。
【００４７】
次に、二値変調型の光変調素子を用いる場合に、デフォーカスに起因して発生する光強度分布の変化について説明する。デフォーカス位置での複素振幅分布Ｕｄ（ｘ，ｙ）は、次の式（２）で表される（辻内順平他著、オーム社、応用物理学会編「光情報処理」、８頁などを参照）。
Ｕｄ（ｘ，ｙ）＝Ｕ（ｘ，ｙ）＊Ｚ（ｘ，ｙ）    （２）
式（２）において、＊はコンボリューション（convolution：畳み込み積分）を表す演算記号である。Ｕ（ｘ，ｙ）は、上述したように、フォーカス位置（焦点位置）での複素振幅分布である。
【００４８】
式（２）において、Ｚ（ｘ，ｙ）は、フレネル回折を表す点像分布関数であって、次の式（３）で表される。
Ｚ（ｘ，ｙ）＝ exp｛ｉｋ（ｘ2＋ｙ2）／２ｄ｝    （３）
ただし、ｋ＝２π／λ
式（３）において、ｋは波数であり、ｄはデフォーカス量である。ｄの符号は、結像光学系から離れる方向のデフォーカス量を正とし、結像光学系に近づく方向のデフォーカス量を負とする。
【００４９】
次に、二値変調型の光変調素子を用いて形成されるＶ字型の光強度分布の底の点におけるコンボリューションの状況を考察する。図５（Ａ）は、１８０度の変調用位相値を有する二値変調型の光変調素子を用いてＶ字型の光強度分布を生成する場合について、Ｕ（ｘ，ｙ）にＺ（ｘ，ｙ）をかけた値の絶対値｜Ｕ×Ｚ｜を一次元的（Ｘ軸）に示している。ただし、このとき、Ｚの原点をＶ字型の中心と一致させる。すなわち、Ｖ字型の中心座標を（ｘ0，ｙ0）とするとき、Ｕ×Ｚ≡Ｕ（ｘ，ｙ）×Ｚ（ｘ−ｘ0，ｙ−ｙ0）である。また、図６（Ａ）は、１８０度以外の変調用位相値θ（θ≠１８０）を有する二値変調型の光変調素子を用いてＶ字型の光強度分布を生成する場合について、Ｕ（ｘ，ｙ）にＺ（ｘ，ｙ）をかけた値の絶対値｜Ｕ×Ｚ｜を一次元的（Ｘ軸）に示している。図５（Ａ）および図６（Ａ）に示す｜Ｕ×Ｚ｜を横軸（ラテラル方向の距離をＸ断面位置として示している）全体で積分したものがＶ字型の光強度分布の底の点における複素振幅分布である。
【００５０】
Ｚの絶対値｜Ｚ｜は１であるから、Ｕ×Ｚの絶対値｜Ｕ×Ｚ｜はＵの絶対値｜Ｕ｜と等しい。また、ＺをＵにかけることにより、考えている点からの距離の二乗に比例した位相が加わる。この位相増加の符号は、デフォーカスの方向（デフォーカス量の符号）に対応する。すなわち、ｄ＞０では位相増加の符号は正であり、ｄ＜０では位相増加の符号は負である。図５（Ｂ）に示すように、１８０度の変調用位相値を有する二値変調型の光変調素子を用いてＶ字型の光強度分布を生成する場合、Ｕ×Ｚの位相値はデフォーカス量ｄの符号に対して対称的に変化する。したがって、コンボリューションに伴う積分の結果も、デフォーカス量ｄの符号に対して対称になる。図５（Ｂ）において、前記(３)式の位相項(右辺)でデフォーカス量ｄは分母であるために、デフォーカス量ｄが大きくなるのに従って放物線は、開く。
【００５１】
代わって、図６（Ｂ）に示すように、１８０度以外の変調用位相値θ（θ≠１８０）を有する二値変調型の光変調素子を用いてＶ字型の光強度分布を生成する場合、Ｕ×Ｚの位相値は、デフォーカス量ｄの符号に対して非対称的に変化する。したがって、コンボリューションに伴う積分の結果も、デフォーカス量ｄの符号に対して非対称になる。具体的には、図６（Ｂ）から判るように、ｄ＞０の場合には、考えている点の近傍で位相の変化が少なくなるため、上記積分を考えると光強度が増加する。逆に、ｄ＜０の場合には、考えている点の近傍で位相の変化が大きくなるため、上記積分を考えると光強度が減少する。これらの傾向は、前述した計算結果と一致する。
【００５２】
この考え方をまとめると、Ｖ字型の光強度分布がデフォーカスの符号に対して非対称的に変化する原因は、フォーカス位置（ｄ＝０）において｜Ｕ×Ｚ｜の底部分に対応してＵの位相値が１本の直線状ではなくほぼ曲線状に変化すること、すなわちＵの位相値の二次微分値が実質的に０でないことであると理解することができる。換言すれば、Ｕの位相値の二次微分値を実質的に０にすれば、Ｖ字型の光強度分布がデフォーカスの符号に対して対称的に変化するであろうことが理解される。そのための解決方法として、本発明では以下の２つの手法を採用している。
【００５３】
第１手法は、三種類以上の変調用位相値を有する光変調素子、たとえば１つの基準位相値と２つの変調用位相値を有する三値変調型の光変調素子を用いて、結像光学系の像空間において複素振幅分布の位相値の二次微分値をＶ字型の光強度分布の底部分（最小光強度部）でほぼ０にする「三値変調法」である。第２手法は、結像光学系の像空間において複素振幅分布の位相値の二次微分値がＶ字型の光強度分布の底部分でほぼ０になるような位置に被照射面を配置する「デフォーカス法」である。
【００５４】
図７を参照して、三値変調法において複素振幅分布Ｕの位相値の二次微分値を０にできることを説明する。図７において、縦軸ＩはImaginaryを、横軸ＲはRealを示している。例として、三値の位相を、０、＋θ0、−θ0とする。式（１）の積分は、以下の形に変形できる。
Ｕ（ｘ，ｙ）＝Ｕ0ｅ0i＋Ｕ1ｅ+θ0i＋Ｕ1ｅ-θ0i
＝Ｕ0＋Ｕ1（cosθ0＋ｉsinθ0）＋Ｕ1（cosθ0−ｉsinθ0）
＝Ｕ0＋２Ｕ1cosθ0
【００５５】
すなわち、三値を用いることにより、複素振幅分布Ｕの位相を実質的に０にできる。したがって、当然、複素振幅分布Ｕの位相値の二次微分値も実質的に０にできる。なお、この例では、０、＋θ0、−θ0の組み合わせを用いたが、式（１）の計算結果が位相０（実質的に０）になる組み合わせはこれ以外にもある。上記三値変調法の他に、４値、５値など複数値の変調法を用いることができる。さらに、上記光変調素子は、結像光学系３の像空間において複素振幅分布の位相値が実質的に０の例について説明したが、二次微分値を実質的に０にできれば位相値は実質的に０でなくてもよい。
【００５６】
三値変調法を用いて得られる光強度Ｉは、近似的に次の式（４）で表わされる。
Ｉ≒｛２Ｄcosθ＋（１−２Ｄ）｝2      （４）
式（４）において、θは、符号が異なり且つ絶対値が等しい２つの変調用位相値の絶対値である。Ｄは、互いに同じパターンにしたがって変化する２つの変調位相領域の占有面積率である。基準位相領域に対する変調位相領域の占有面積率Ｄは、０〜０．５の値をとる。
【００５７】
「光変調素子が、結像光学系の像空間において複素振幅分布の位相値の二次微分値がＶ字型の光強度分布の最小光強度部（逆ピークパターンの底部分）でほぼ０または実質的に０になるような複素振幅透過率分布を有する」ことは、式（１）を考慮すると次の式（５）および（６）を満足することに他ならない。式（５）および（６）において、（Ｘ，Ｙ）は光変調素子の面内座標であり、Ｔ（Ｘ，Ｙ）は光変調素子の複素振幅透過率分布であり、（ｘ，ｙ）は結像光学系の像面の面内座標であり、∫は像面上の点（ｘ，ｙ）に対応する光変調素子上の点を中心とした結像光学系の点像分布範囲内における積分記号であり、argは位相値を得る関数である。
（δ2／δｘ2）arg（∫Ｔ（Ｘ，Ｙ）ｄＸｄＹ）≒０    （５）
（δ2／δｙ2）arg（∫Ｔ（Ｘ，Ｙ）ｄＸｄＹ）≒０    （６）
【００５８】
次に、図６（Ａ）並びに図６（Ｂ）に対応するコンボリューションの図８（Ａ）並びに図８（Ｂ）を参照して、前記第２の手法であるデフォーカス法の原理を説明する。デフォーカス法では、意図的に所定のデフォーカス位置を擬似的なフォーカス位置と想定し、想定した擬似フォーカス位置に被照射面を設定する。ここで、擬似フォーカス位置として、デフォーカスに伴う複素振幅分布Ｕの位相の変化が比較的少ない位置を用いる。図８（Ａ）並びに図８（Ｂ）では、真のフォーカス位置（ｄ＝０）とデフォーカス量がｄ１である第１デフォーカス位置（ｄ＝ｄ１）との中間位置、すなわちデフォーカス量がｄ０である第２デフォーカス位置（ｄ＝ｄ０）を擬似的なフォーカス位置と想定している。
【００５９】
この場合、擬似的なフォーカス位置である第２デフォーカス位置（ｄ＝ｄ０）を中心として、Ｕ×Ｚの位相値について完全な対称性ではないが擬似的な対称性が得られる。この新たな光照射位置すなわち擬似フォーカス位置での光強度分布が、真のフォーカス位置（焦点位置）での光強度分布と幾らか異なるので、光強度分布の相違量を補償するために光変調素子のパターンを補正しておくことが望ましい。この補正の手法として、特に限定されるものではないが、例えば、基準位相領域に対する変調位相領域の占有面積率を補正する方法がある。
【００６０】
図９は、本実施形態にかかる三値変調型の光変調素子の位相パターンを概略的に示す図である。本実施形態の光変調素子１は、上述した第１手法に基づく三値変調型の光変調素子であって、０度の基準位相値を有する基準位相領域（図中空白部で示す）１ａと、６０度の変調用位相値を有する矩形状の第１変調位相領域（図中斜線部で示す）１ｂと、−６０度の変調用位相値を有する矩形状の第２変調位相領域（図中黒塗り部で示す）１ｃとを有する。ここで、変調位相領域１ｂおよび１ｃは、５μｍのピッチにしたがって縦横（ラテラル方向（Ｘ断面）と、これに直交する方向）にマトリックス状に配置されている。
【００６１】
第１変調位相領域１ｂの占有面積率（デューティ）および第２変調位相領域１ｃの占有面積率は、図中水平方向に沿って（Ｘ断面に沿って）０％〜２５％の間で線形的に変化している。具体的には、位相パターンの水平方向に沿った両側において第１変調位相領域１ｂの占有面積率が０％であり、中央において第１変調位相領域１ｂの占有面積率が２５％である。同様に、位相パターンの水平方向に沿った両側において第２変調位相領域１ｃの占有面積率が０％であり、中央において第１変調位相領域１ｃの占有面積率が２５％である。
【００６２】
さらに、図中水平方向に沿って（Ｘ断面に沿って）占有面積率が同じパターンにしたがって変化する一群の第１変調位相領域１ｂと一群の第２変調位相領域１ｃとが、図中鉛直方向に交互に形成されている。変調位相領域１ｂおよび１ｃを含んで５μｍのピッチで規定される単位領域、すなわち５μｍ×１０μｍの長方形状の単位領域（１つの変調位相領域１ｂと１つの変調位相領域１ｃとを包含する図９中破線で示す長方形状の単位領域）は、結像光学系３の点像分布範囲以下の寸法を有する。換言すれば、本実施形態にかかる三値変調型の光変調素子１は、結像光学系３の点像分布範囲以下の寸法（光変調素子１上に換算した寸法）の位相変調単位を有する。
【００６３】
このように、本実施形態にかかる三値変調型の光変調素子１は、互いに異なる固定位相値（０度、６０度、−６０度）を有する３種類の位相領域（１ａ，１ｂ，１ｃ）を有し、その占有面積率が所定のパターンにしたがって変化している。「固定位相値」とは、ある領域に亘って固定的に設定された位相値である。ここで、３種類の位相領域（１ａ，１ｂ，１ｃ）は、基準となる０度の基準位相値を有する基準位相領域１ａと、正の値の変調用位相である第１変調位相値（６０度）を有する第１変調位相領域１ｂと、第１変調位相値と絶対値の等しい負の値の変調用位相である第２変調位相（−６０度）を有する第２変調位相領域１ｃとである。基準位相領域１ａに対する第１変調位相領域１ｂの占有面積率が変化するパターンと、基準位相領域１ａに対する第２変調位相領域１ｃの占有面積率が変化するパターンとが同じである。本実施形態にかかる三値変調型の光変調素子１は、上述したように本発明の第１手法に基づく光変調素子であって、結像光学系３の像空間において複素振幅分布の位相値の二次微分値がＶ字型の光強度分布の底部分でほぼ０になるような複素振幅透過率分布を有するように設計されている。
【００６４】
図９に示すパターンは、実際の光変調素子の多数の同じパターンのうちの１つであり、これらパターンがＸ断面方向に繰り返されるように配置することにより、多数の逆ピークパターンまたはＶ字型の光強度分布を同時に形成することができ、Ｘ断面方向に直交する方向に繰り返されるように配置されることにより、最小光強度部がライン状をなすことは、理解できよう。
【００６５】
上記光変調素子は、入射光束の位相を変調して、最小光強度の底部分を有するＶ字型の光強度分布を得るための光学素子である。光照射装置は、光学素子で変調された光束を結像光学系により被照射面たとえば被結晶化基板に前記Ｖ字型の光強度分布を得るように被照射面に照射させるようにした装置である。
【００６６】
前記光変調素子は、図９に示すように、基板として上記入射光束に対して透光性の基板例えば石英ガラス基板が用いられる。この石英ガラス基板には、この基板に対して１８０度以外の正の位相値を有する第１変調位相領域として例えば順次大又は小に面積が変化して配列された方形状例えば矩形状の凹領域（１ｂに相当）が形成されている。矩形状の凹領域は、ドライエッチングなどの一般的なフォトリソグラフイーの技術により形成することができる。なお、位相変調値の符号として位相の進む状態を正、遅れる状態を負と定義する。
【００６７】
即ち、凹領域は、次のようにして形成することができる。石英ガラス基板上にレジスト膜を塗布したのち、クロムマスクを用いてレジスト膜の露光工程を行う。次に、露光されたレジスト膜の現像工程を行い、レジストパターンを石英ガラス基板上に形成する。その後、レジストパターンにより石英ガラス基板をドライエッチングする。レジストパターンを除去して石英ガラス基板に凹領域を形成することができる。
【００６８】
透光性の基板には、第１変調位相領域に隣接して１８０度以外の負の位相値を有する第２変調位相領域が形成される。透光性の基板の石英ガラス基板には、この基板に対して１８０度以外の負の位相値を有する第２変調位相領域として例えば順次大又は小に面積が前記第１変調位相領域と同一形状、同一パターンで変化して配列された矩形状の凸領域（１ｃに相当）が形成されている。正負の位相値の絶対値は同一であり、１８０度以外の例えば６０度である。
【００６９】
矩形状の凸領域（１ｃに相当）は、第１位相変調領域（１ｂに相当）を設けた後に、これと同じエッチング加工を、第２位相変調領域（１ｃに相当）に対応したパターンで行うことにより形成することができる。透光性の基板に第１および第２位相変調領域を形成する工程は、工程の順序を逆にしてもよい。即ち、この工程は、第２位相変調領域（１ｃに相当）を形成した後に、第１位相変調領域（１ｂに相当）を形成してもよい。
【００７０】
この光変調素子を製造する実施例を、図１０（Ａ）〜（Ｇ）を参照して具体的に説明する。図９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。光変調素子の基板として透光性の基板は、例えば石英ガラス基板６１を使用する（図１０（Ａ））。この石英ガラス基板６１上にこの基板６１をエッチングするためのレジストパターンを形成するためにレジスト膜６２を塗布する（図１０（Ｂ））。このレジスト膜６２に第１又は第２位相変調領域例えば第１位相変調領域を形成するためのマスクにより露光し、現像することにより図１０（Ｃ）に示すようなレジスト膜６２の第１位相変調領域形成用レジストパターン６３を形成する。
【００７１】
次に、この第１位相変調領域形成用レジストパターン６３により石英ガラス基板６１をエッチングし、このレジストパターン６３を除去することにより図１０（Ｄ）に示すように石英ガラス基板６１に第１位相変調領域６４を形成する。
【００７２】
次に、第１位相変調領域６４に隣接して第２位相変調領域の形成を行う。第１位相変調領域６４が形成された石英ガラス基板６１の表面にレジスト膜を形成する。このレジスト膜に第２位相変調領域を形成するためのマスクにより露光し、現像することによりレジスト膜に図１０（Ｅ）に示すように第２位相変調領域のレジストパターン６５を形成する。
【００７３】
次に、第２位相変調領域のレジストパターン６５として図１０（Ｆ）に示すように石英ガラス基板６１をエッチングする。その後、表面の第２位相変調領域のレジストパターン６５を除去することにより図１０（Ｇ）に示すように石英ガラス基板６１に位相の基準となる基準領域１ａ、第１位相変調領域（１ｂに相当）および第２位相変調領域（１ｃに相当）を形成した光変調素子を製造することができる。
【００７４】
第１変調位相領域（１ｂに相当）および第２変調位相領域（１ｃに相当）は、隣合って交互に、且つ形状が同一で順次大又は小に面積が変化して配列されたものである。順次大又は小に面積が変化して配列される各変調位相領域の形状は、方形状の他、円形状、楕円形状、三角形状など面積を有する形状であれば何れでもよい。
【００７５】
次に、石英ガラス基板に所望する位相値の変調位相領域を形成する実施例を説明する。入射光束に対して位相変調するための位相値は、例えば石英基材に段差をつけることにより形成することができる。入射光束に対する位相変調は、段差の境界の両側で屈折率が異なることにより行なわれる。段差の厚さｔは、
ｔ＝λφ／２π（ｎ−１）
である。この式において、λは、入射光の波長であり、φは、ラジアンで表した位相値であり、ｎは段差を形成する材料の屈折率である。これらの屈折率を有する材料や入射光の波長を適宜選択することにより段差ｔを求めることができる。これらの定数は、ＰＥＣＶＤ、ＬＰＣＶＤ等で所望する屈折率の材料を成膜したり、エッチングして形成することができる。
【００７６】
図９に示す光変調素子は、矩形の変調位相領域をマトリックス状に配置させて形成されているが、変調位相領域の形状並びに／もしくは配置は、これに限定されることはない。例えば、変調位相領域は、円形のような他の形状にしても良く、配置は、ちどり状のような他の配置形態でも良い。
【００７７】
図１１（Ａ）ないし図１１（Ｃ）は、本実施形態にかかる三値変調型の光変調素子を用いたときに結像光学系を介して形成されるＶ字型の光強度分布を示す図である。これらの図に示す光強度分布は、光の波長λを２４８ｎｍ、結像光学系３の像側開口数ＮＡを０．１３、結像光学系３の結像倍率を１／５、結像光学系３のσ値（コヒーレンスファクター）を０．４７と想定して計算されたものである。また、図１１（Ｂ）はフォーカス位置においてＸ断面に沿って得られる光強度分布、図１１（Ａ）は−５μｍのデフォーカス位置（結像光学系３へ近づく方向にフォーカス位置から５μｍだけ微小移動した位置）においてＸ断面に沿って得られる光強度分布、図１１（Ｃ）は＋５μｍのデフォーカス位置（結像光学系３から離れる方向にフォーカス位置から５μｍだけ微小移動した位置）においてＸ断面に沿って得られる光強度分布を示している。
【００７８】
本実施形態にかかる三値変調型の光変調素子１を用いると、図１１（Ｂ）に示すように、結像光学系３のフォーカス位置（結像面）には、ほぼ理想的なＶ字型の光強度分布が形成される。また、図１１（Ａ）および図１１（Ｃ）に示すように±５μｍだけ被照射面をデフォーカスさせても、被照射面に形成されるＶ字型の光強度分布の形状はデフォーカスにより僅かに変化するだけであり、その変化もデフォーカスの方向に依存することなくほぼ左右対称的（ラテラル方向に、最小光強度部を境にして対称）である。本実施形態では、三値変調型の光変調素子１の作製が比較的容易になるように、変調位相領域１ｂ，１ｃの占有面積率を０〜０．２５に設定し、比較的底の浅いＶ字型の光強度分布を実現している。
【００７９】
以上のように、本実施形態の結晶化装置では、結像光学系３の像空間において複素振幅分布の位相値の二次微分値がＶ字型の光強度分布の底部分でほぼ０になるような複素振幅透過率分布を有する光変調素子、たとえば三値変調型の光変調素子１を用いているので、たとえば被処理基板４に不可避的に存在する板厚偏差に起因するデフォーカスの影響を実質的に受けることなく、所望のＶ字型の光強度分布を安定的に形成することができ、ひいては半導体膜に結晶粒をほぼ均一に生成することができる。また、本実施形態では、ほぼ理想的なＶ字型の光強度分布を安定的に形成することができるので、半導体膜に高い充填率で結晶粒を形成することができる。
【００８０】
なお、上述の実施形態では、本発明の第１手法に基づく三値変調型の光変調素子１を用いているが、図１６に示す二値変調型の光変調素子１０を用いて本発明の第２手法であるデフォーカス法を適用する変形例も可能である。図１２（Ａ）ないし図１２（Ｃ）、および図１３（Ａ）並びに図１３（Ｂ）は、図１６に示す二値変調型の光変調素子１０を用いたときに結像光学系を介して形成されるＶ字型の光強度分布を模式的に示す図である。ここで、図１２（Ａ）は−５μｍのデフォーカス位置、図１２（Ｂ）はフォーカス位置、図１２（Ｃ）は＋５μｍのデフォーカス位置、また、図１３（Ａ）は＋１０μｍのデフォーカス位置、図１３（Ｂ）は＋１５μｍのデフォーカス位置に対応している。
【００８１】
図１３（Ａ）並びに図１３（Ｂ）を参照すると、＋１０μｍのデフォーカス位置と＋１５μｍのデフォーカス位置との間でＶ字型の光強度分布の形状がほとんど変化しないことが分かる。したがって、本実施形態の変形例では、図１６に示す二値変調型の光変調素子１０を用いて、たとえば＋１２．５μｍのデフォーカス位置を擬似的なフォーカス位置と想定し、この擬似フォーカス位置に被処理基板４の被照射面を設定する。その結果、変形例においても、たとえば被処理基板４に不可避的に存在する板厚偏差に起因するデフォーカスの影響を実質的に受けることなく、所望のＶ字型の光強度分布を安定的に形成することができ、ひいては半導体膜に結晶粒をほぼ均一に生成することができる。
【００８２】
デフォーカス方法において、図１６に示されているような従来の位相シフターの占有面積率を補正することにより、図１４に示されるように、デフォーカス位置での理想的な光強度分布を得ることが可能である。例示された変更された位相シフターにおいては、図１６に示された位相シフターの各ユニットの中心部でのディメンジョンは、中心部で占有面積率を補正するように変更されている。例えば、従来の位相シフターでは、最大の位相変調領域と次に大きい位相変調領域との実際のディメンジョン（正方形の位相変調領域の一辺の長さでの投影面での換算値）は、５０％と４０％との占有面積比を設定するために夫々０．３５４μｍと０．３３５μｍとであるが、補正された位相シフターでは、最大の位相変調領域と次に大きい位相変調領域との実際のディメンジョンは、３５％と３１％とに占有面積比を設定するために夫々０．２９６μｍと０．２７８μｍとである。この補正は、一例であり、占有面積率は、位相シフターの所望の位置で所望の値に変更され得る。
【００８３】
図１５（Ａ）ないし図１５（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１５（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した被処理基板５を準備する。そして、本実施形態にしたがう結晶化装置を用いて、非晶質半導体膜８２の表面の予め定められた領域に、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。
【００８４】
こうして、図１５（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１５（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を例えば薄膜トランジスタを形成するための領域となる島状の半導体膜８５に加工し、表面にゲート絶縁膜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１５（Ｄ）に示すように、ゲート絶縁膜上にゲート電極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）をイオン注入する。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、不純物を活性化して島状の半導体膜８５にソース領域９１、ドレイン領域９２を形成する。次に、図１５（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。
【００８５】
以上の工程において、図１５（Ａ）および図１５（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に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）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、液晶表示装置（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。
【００８６】
なお、上述の説明では、多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に所定の光強度分布を有する光を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本発明を適用している。しかしながら、これに限定されることなく、一般的に結像光学系を介して所定の光強度分布を所定面に形成する光照射装置に対して本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】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である。
【図２】図１の照明系の内部構成を概略的に示す図である。
【図３】１８０度の変調用位相値を有する二値変調型の光変調素子を用いてＶ字型の光強度分布を生成する場合について、占有面積率、複素振幅分布の絶対値、複素振幅分布の位相値、光強度を模式的に示す図である。
【図４】１８０度以外の変調用位相値を有する二値変調型の光変調素子を用いてＶ字型の光強度分布を生成する場合について、占有面積率、複素振幅分布の絶対値、複素振幅分布の位相値、光強度を模式的に示す図である。
【図５】１８０度の変調用位相値を有する二値変調型の光変調素子を用いてＶ字型の光強度分布を生成する場合について、｜Ｕ×Ｚ｜、およびＵ×Ｚの位相値を模式的に示す図である。
【図６】１８０度以外の変調用位相値を有する二値変調型の光変調素子を用いてＶ字型の光強度分布を生成する場合について、｜Ｕ×Ｚ｜、およびＵ×Ｚの位相値を模式的に示す図である。
【図７】三値変調法において複素振幅分布Ｕの位相値の二次微分値を０にできることを説明する図である。
【図８】図６に対応するコンボリューションの図であって、デフォーカス法の原理を説明する図である。
【図９】本実施形態にかかる三値変調型の光変調素子の位相パターンを概略的に示す図である。
【図１０】光変調素子を製造する実施例を概略的に示す図である。
【図１１】本実施形態にかかる三値変調型の光変調素子を用いたときに結像光学系を介して形成されるＶ字型の光強度分布を示す図である。
【図１２】本実施形態の変形例において二値変調型の光変調素子を用いたときに結像光学系を介して形成されるＶ字型の光強度分布を模式的に示す第１の図である。
【図１３】本実施形態の変形例において二値変調型の光変調素子を用いたときに結像光学系を介して形成されるＶ字型の光強度分布を模式的に示す第２の図である。
【図１４】図１６に示す従来の位相シフターの占有面積率を補正することによりデフォーカス位置での理想的な光強度分布を得る例を示す図である。
【図１５】本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１６】先願で提案されている二値変調型の光変調素子の位相パターンを概略的に示す図である。
【図１７】図１６の光変調素子を用いたときに結像光学系を介して形成されるＶ字型の光強度分布を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００８８】
１，１０  光変調素子
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  結像光学系
３ｃ  開口絞り
４  被処理基板
５  基板ステージ
【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】
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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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