(57)【要約】【課題】  深い焦点深度に基づいて所望の逆ピーク状の光強度分布を安定的に形成することができ且つ半導体膜上に形成される結晶粒の充填率を高めることのできる結晶化装置。【解決手段】  １８０度と実質的に異なる位相変調量の位相段差が第１間隔で並ぶパターンを有する光学変調素子（１）と、入射光束を偏光状態の異なる２つの光束に分割するための光束分割素子（２）と、光学変調素子および光束分割素子を介した２つの光束に基づいて、第２間隔だけ互いに離間した２つの光強度分布の合成に対応する所定の逆ピーク状の光強度分布を所定面（５）に形成するための結像光学系（４）とを備えている。第２間隔は、第１間隔の奇数倍に対応している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の位相段差（位相差が実質的に１８０度の位相段差を除く）が設けられてなり、入射光束を位相変調して逆ピーク状の光強度分布を形成するための光学変調素子と、
この光学変調素子を介した光束を非干渉性の異なる２つの逆ピーク状光強度分布の光束に分割するための光束分割素子と、
前記光学変調素子および／又は前記光束分割素子を介した光束に基づいて、互いに離間した２つの逆ピーク状光強度分布の合成に対応する所定の光強度分布を所定面に形成するための結像光学系とを具備し、
前記２つの逆ピーク状光強度分布の離間距離を前記位相段差間に相当する間隔の奇数倍にすることを特徴とする光照射装置。
【請求項２】
１８０度と実質的に異なる位相段差が第１間隔で並ぶパターンを有する光学変調素子と、
この光学変調素子を介した光束を非干渉性の異なる２つの光束に分割するための光束分割素子と、
第２間隔だけ互いに離間した２つの光強度分布の合成に対応する所定の逆ピーク状の光強度分布を所定面に形成するための結像光学系とを備え、
前記第２間隔は、前記第１間隔の奇数倍に対応していることを特徴とする光照射装置。
【請求項３】
複数の位相段差（位相差が実質的に１８０度の位相段差を除く）が設けられてなり、入射光束を位相変調して逆ピーク状の光強度分布を形成するための光学変調素子と、
この光学変調素子を介した光束を非干渉性の異なる２つの光束に分割するための光束分割素子と、
第２間隔だけ互いに離間した２つの光強度分布の合成に対応する所定の逆ピーク状の光強度分布を所定面に形成するための結像光学系とを備え、
隣り合う２つの位相段差の間隔は、前記逆ピーク状の光強度分布を形成する第１基準間隔と前記逆ピーク部を形成しない第１補正間隔との間で前記位相段差の方向に沿って変化し、
前記第２間隔は、前記第１基準間隔の奇数倍に対応していることを特徴とする光照射装置。
【請求項４】
前記隣り合う２つの位相段差の間隔は、前記位相段差の方向に沿って増減していることを特徴とする請求項３に記載の光照射装置。
【請求項５】
前記隣り合う２つの位相段差の第１補正間隔と前記第１基準間隔との差の絶対値に対応する前記所定面上の補正量Ｃは、光の波長をλとし、前記結像光学系の像側開口数をＮＡとするとき、
Ｃ≦０．５×λ／ＮＡ
の条件を満足することを特徴とする請求項３または４に記載の光照射装置。
【請求項６】
前記光学変調素子は前記結像光学系の点像分布範囲の半径よりも光学的に小さく所定の変調位相値を有する領域の占有面積率が位置によって変化する位相分布領域を有し、該位相分布領域の周辺境界が実質的に前記１８０度と実質的に異なる位相段差を形成していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光照射装置。
【請求項７】
前記光学変調素子は前記結像光学系の点像分布範囲の半径よりも光学的に小さく所定の変調位相値を有する領域の占有面積率が位置によって変化する、少なくとも二種類の位相分布領域を有し、該二種類の位相分布領域の変調位相値は絶対値が等しく符号が逆であり、該二種類の位相相分布領域の境界線が実質的に前記１８０度と実質的に異なる位相段差を形成していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光照射装置。
【請求項８】
前記光学変調素子は、前記逆ピーク状の光強度分布において逆ピークの両側に発生するピーク形状を抑えるために、前記位相段差の近傍に設けられた光遮蔽領域を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光照射装置。
【請求項９】
前記光遮蔽領域は、前記位相段差にほぼ平行に延びる線状光遮蔽領域を有することを特徴とする請求項８に記載の光照射装置。
【請求項１０】
前記線状光遮蔽領域の中心線と前記位相段差との距離に対応する前記所定面上の距離Ｄは、光の波長をλとし、前記結像光学系の像側開口数をＮＡとするとき、
０．４×λ／ＮＡ＜Ｄ＜０．７×λ／ＮＡ
の条件を満足することを特徴とする請求項９に記載の光照射装置。
【請求項１１】
前記光遮蔽領域は、前記位相段差にほぼ平行に並ぶ複数の孤立光遮蔽領域を有することを特徴とする請求項８に記載の光照射装置。
【請求項１２】
前記複数の孤立光遮蔽領域の中心を結ぶ中心線と前記位相段差との距離に対応する前記所定面上の距離Ｄは、光の波長をλとし、前記結像光学系の像側開口数をＮＡとするとき、
０．４×λ／ＮＡ＜Ｄ＜０．７×λ／ＮＡ
の条件を満足することを特徴とする請求項１１に記載の光照射装置。
【請求項１３】
前記光学変調素子は、前記逆ピーク状の光強度分布において逆ピークの両側に発生するピーク形状を抑えるために、前記位相段差の近傍に設けられた位相変調領域を有することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光照射装置。
【請求項１４】
前記位相変調領域は、前記位相段差にほぼ平行に延びる線状位相変調領域を有することを特徴とする請求項１３に記載の光照射装置。
【請求項１５】
前記線状位相変調領域の中心線と前記位相段差との距離に対応する前記所定面上の距離Ｄは、光の波長をλとし、前記結像光学系の像側開口数をＮＡとするとき、
０．４×λ／ＮＡ＜Ｄ＜０．７×λ／ＮＡ
の条件を満足することを特徴とする請求項１４に記載の光照射装置。
【請求項１６】
前記位相変調領域は、前記位相段差にほぼ平行に並ぶ複数の孤立位相変調領域を有することを特徴とする請求項１３に記載の光照射装置。
【請求項１７】
前記複数の孤立位相変調領域の中心を結ぶ中心線と前記位相段差との距離に対応する前記所定面上の距離Ｄは、光の波長をλとし、前記結像光学系の像側開口数をＮＡとするとき、
０．４×λ／ＮＡ＜Ｄ＜０．７×λ／ＮＡ
の条件を満足することを特徴とする請求項１６に記載の光照射装置。
【請求項１８】
前記位相段差の一方の側に設けられた位相変調領域の位相変調量と前記位相段差の他方の側に設けられた位相変調領域の位相変調量とは絶対値がほぼ等しく且つ符号が異なることを特徴とする請求項１３乃至１７のいずれか１項に記載の光照射装置。
【請求項１９】
隣接する２つの位相段差の間に形成された位相領域は交互に異なる基準位相値を有し、
各位相領域には、前記結像光学系の点像分布範囲の半径よりも光学的に小さい寸法を有し且つ前記基準位相値と異なる第１位相値を有する第１領域の占有面積率が位置によって変化する位相分布が形成され、
隣接する２つの位相領域の間で、前記第１領域の位相変調量の絶対値がほぼ等しく且つその符号が異なることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の光照射装置。
【請求項２０】
前記補正量Ｃは、前記占有面積率が５０％に最も近い位置で極小になっていることを特徴とする請求項１９に記載の光照射装置。
【請求項２１】
前記光束分割素子は、前記光学変調素子と前記結像光学系との間または前記結像光学系と前記所定面との間に配置された複屈折素子を有することを特徴とする請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の光照射装置。
【請求項２２】
前記複屈折素子は、結晶光学軸が光軸に対して所定の角度をなすように設定された複屈折性の平行平面板を有することを特徴とする請求項２１に記載の光照射装置。
【請求項２３】
前記複屈折素子は、結晶光学軸が光軸に対してそれぞれ所定の角度をなすように設定された複屈折性の一対の平行平面板からなるサバール板を有することを特徴とする請求項２１に記載の光照射装置。
【請求項２４】
前記複屈折素子は、結晶光学軸が光軸に対してそれぞれ所定の角度をなすように設定された複屈折性の一対の平行平面板と、該一対の平行平面板の間に設けられた１／２波長板とを有することを特徴とする請求項２１に記載の光照射装置。
【請求項２５】
前記光束分割素子は、前記結像光学系の瞳面またはその近傍に配置された複屈折素子を有することを特徴とする請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の光照射装置。
【請求項２６】
前記複屈折素子は、結晶光学軸が光軸に対してそれぞれ所定の角度をなすように設定された複屈折性の一対の偏向プリズムからなるウォラストンプリズムを有することを特徴とする請求項２５に記載の光照射装置。
【請求項２７】
前記複屈折素子は、水晶、方解石、またはフッ化マグネシウムにより形成されていることを特徴とする請求項２１乃至２６のいずれか１項に記載の光照射装置。
【請求項２８】
前記光束分割素子により分割された２つの光束の強度が互いにほぼ等しくなるように、前記光束分割素子への入射光束の偏光状態を制御するための制御素子をさらに備えていることを特徴とする請求項１乃至２４のいずれか１項に記載の光照射装置。
【請求項２９】
前記制御素子は、前記光束分割素子の入射側に配置された１／４波長板を有することを特徴とする請求項２８に記載の光照射装置。
【請求項３０】
請求項１乃至２９のいずれか１項に記載の光照射装置を備え、前記所定面に多結晶半導体膜または非晶質半導体膜を位置決めするためのステージを設けてなることを特徴とする結晶化装置。
【請求項３１】
請求項１乃至２９のいずれか１項に記載の光照射装置を用いて、前記所定面に多結晶半導体膜または非晶質半導体膜を位置決めしたのち、前記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ことを特徴とする結晶化方法。
【請求項３２】
請求項３０に記載の結晶化装置または請求項３１に記載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。
【請求項３３】
１８０度と実質的に異なる位相段差が所定の周期で並ぶパターンを有する光学変調素子であって、
隣り合う２つの位相段差の間隔は前記位相段差の方向に沿って増減していることを特徴とする光学変調素子。
【請求項３４】
１８０度と実質的に異なる位相段差が所定の周期で並ぶパターンを有する光学変調素子であって、
隣り合う２つの位相段差の間に形成された位相領域は交互に異なる基準位相値を有し、
各位相領域には、前記基準位相値と異なる第１位相値を有する第１領域の占有面積率が位置によって変化する位相分布が形成され、
隣り合う２つの位相領域の間で、前記第１領域の位相変調量の絶対値がほぼ等しく且つその符号が逆であることを特徴とする光学変調素子。
【請求項３５】
位相差が１８０度と実質的に異なる位相変調量の位相段差が所定の周期で並ぶパターンを有する光学変調素子であって、
前記位相段差の近傍に設けられた光遮蔽領域を有することを特徴とする光学変調素子。
【請求項３６】
前記光遮蔽領域は、前記位相段差にほぼ平行に延びる線状光遮蔽領域を有することを特徴とする請求項３５に記載の光学変調素子。
【請求項３７】
前記光遮蔽領域は、前記位相段差にほぼ平行に並ぶ複数の孤立光遮蔽領域を有することを特徴とする請求項３５に記載の光学変調素子。
【請求項３８】
１８０度と実質的に異なる位相変調量の位相段差が所定の周期で並ぶパターンを有する光学変調素子であって、
前記位相段差の近傍に設けられた位相変調領域を有することを特徴とする光学変調素子。
【請求項３９】
前記位相変調領域は、前記位相段差にほぼ平行に延びる線状位相変調領域を有することを特徴とする請求項３８に記載の光学変調素子。
【請求項４０】
前記位相変調領域は、前記位相段差にほぼ平行に並ぶ複数の孤立位相変調領域を有することを特徴とする請求項３８に記載の光学変調素子。
【請求項４１】
前記位相段差の一方の側に設けられた位相変調領域の位相変調量と前記位相段差の他方の側に設けられた位相変調領域の位相変調量とは絶対値がほぼ等しく且つ符号が異なることを特徴とする請求項３８乃至４０のいずれか１項に記載の光学変調素子。
【請求項４２】
変調位相値を有する領域の占有面積率が位置によって変化する、少なくとも二種類の位相分布領域を有し、該二種類の位相分布領域の変調位相値は絶対値が等しく符号が逆であり、該二種類の位相相分布領域の境界線が実質的に前記１８０度と実質的に異なる位相段差を形成することを特徴とする光学変調素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光照射装置、結晶化装置、結晶化方法、デバイス、および光学変調素子に関する。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チャネル領域に結晶粒界が形成され、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を低くする。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部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１個のチャネル領域を形成できる大きさの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】
従来、この種の結晶化方法として、多結晶半導体膜または非晶質半導体膜と平行に近接させた位相シフターにエキシマレーザ光を照射して結晶化半導体膜を生成する「位相制御ＥＬＡ（Excimer  Laser  Annealing）法」が知られている。位相制御ＥＬＡ法の詳細は、たとえば非特許文献１に記載されている。
【非特許文献１】表面科学Vol.21, No.5, pp.278-287, 2000
【０００６】
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、この逆ピーク状の光強度分布を有する光を非単結晶半導体膜（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、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、光強度が最も低い点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】
従来、さらに、非特許文献２に記載された大粒径の結晶化方法がある。非特許文献２では、たとえばＶ字型の光強度勾配分布を形成するパターンを有する素子、および逆ピーク状の光強度最小分布を形成するパターンを有する素子を、ともにＳｉＯ2の基板に位相段差を設けることにより実現している。そして、互いに重ね合わせた２枚の素子に被処理基板を近接させた状態でエキシマレーザ光を照射することにより、被処理基板上に結晶化半導体膜を生成している。
【０００８】
また、非特許文献３に記載された大粒径の結晶化方法がある。非特許文献３では、たとえばＶ字型の光強度勾配分布を形成するパターンを有する素子を光吸収材料ＳｉＯＮｘの厚み分布により実現し、逆ピーク状の光強度最小分布を形成するパターンを有する素子をＳｉＯ2の位相段差により実現している。これら２つの素子は、１枚の基板に積層形成されている。そして、この１枚の素子基板に被処理基板を近接させた状態でエキシマレーザ光を照射することにより、被処理基板上に結晶化半導体膜を生成している。
【０００９】
【非特許文献２】M. NAKATA and M. MATSUMURA, "Two-Dimensionally Position-Controlled Ultra-Large Grain Growth Based on Phase-Modulated Excimer-Laser Annealing Method", Electrochemical Society Proceeding Volume 2000-31, page 148-154
【非特許文献３】井上，中田，松村，「シリコン薄膜の振幅・位相制御エキシマレーザ溶融再結晶化法−新しい２−Ｄ位置制御大結晶粒形成法−」，電子情報通信学会論文誌，社団法人電子情報通信学会，２００２年８月，第Ｊ８５−Ｃ巻，第８号，ｐ．６２４−６２９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来技術は位相段差が１８０度であったが、以下のような不都合があった。
【００１１】
位相シフター１９１と被処理基板の間に結像光学系を設けて、位相シフター１９１の像を結像光学系により被処理基板の所定面に結像させる結晶化装置において、結像光学系を介して被処理基板上に形成される逆ピーク状の光強度分布における最小光強度（逆ピーク点における光強度）１９２は、位相シフター１９１の段差１９３によって得られる位相差に依存する。図２９（ｂ）に示すように、段差１９３による位相差が１８０度の位相シフターを用いたとき、結像光学系のフォーカス位置（結像面）に形成される逆ピーク状の光強度分布は左右対称であり、その最小光強度はほぼ０である。
【００１２】
また、結像光学系のフォーカス位置から上下に微小移動したデフォーカス位置においても、形成される逆ピーク状の光強度分布は、図２９（ａ）および（ｃ）に示すように左右対称であり、その最小光強度は僅かに上昇するものの非常に小さい光強度である。このように、１８０度の位相シフターを用いる場合、デフォーカス方向に依存することなく光強度分布の対称性が維持されるので、深い焦点深度を実現することができる。しかしながら、逆ピーク点における最小光強度が非常に小さいため、最小光強度の照射領域は溶融せず結晶化されない領域（結晶成長の開始点よりも光強度の小さい領域）がある程度大きくなり、結晶粒の充填率を高めることができないという不都合があった。即ち、最小光強度により照射されたとき発生する被照射面の温度が、融点近傍の温度になるように最小光強度を選択することにより、照射面のほとんどを溶融させることができ、結晶化領域を広くすることが可能となる。
【００１３】
所望する位相差を有する位相シフター１９１を形成するための段差は、レーザ光の波長をλ、透明基材の屈折率ｎとしたとき、λ／２（ｎ−１）で求められる。石英基材の屈折率を１．４６、ＸｅＣ１エキシマレーザ光の波長が３０８ｎｍで、１８０°の位相差を付けるためには３３４．８ｎｍの段差をエッチング等の方法で形成することができる。位相差が６０度となるように段差１９３を選択した位相シフターを用いたとき、結像光学系のフォーカス位置に形成される逆ピーク状の光強度分布は、図３０（ｂ）に示すように、左右対称であり、その最小光強度はある程度大きくなっている。これに対し、結像光学系のフォーカス位置から上下に微小移動したデフォーカス位置では、図３０（ａ）および（ｃ）に示すように、形成される逆ピーク状の光強度分布の対称性は大きく崩れ、その最小光強度（逆ピーク点）の位置が移動する。なお、被処理基板には、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。
【００１４】
このように、位相差が６０度の位相シフター１９１は、位相差が１８０度の位相シフターより、逆ピーク点における最小光強度がある程度大きくなるため、結晶化領域を広げることができる。しかしながら、フォーカス位置から上下したデフォーカスでの光強度分布は、対称性が大きく崩れ、しかも図３０（ａ）と（ｂ）の光強度分布では、デフォーカス方向に依存して対称性の崩れ方が逆になるので、焦点深度が浅く（狭く）なってしまう。また、デフォーカスにより逆ピーク点の位置が面内で移動するので、生成される結晶粒の位置も所望する位置からシフトしてしまい、この結晶粒に回路を形成する場合に問題になるという不都合があった。即ち、所望する位置に結晶粒が形成できない場合、トランジスタのチャネル部から結晶粒がずれるため、トランジスタの特性が劣化する課題があった。
【００１５】
また、位相差が１８０度の位相シフターを用いるときも、６０度の位相シフターを用いるときも、たとえばフォーカス状態の逆ピーク状の光強度分布において逆ピークの両側には図中破線の円で示すように光強度分布が上に凸状の不要なピーク形状が発生する。即ち、この不要なピーク形状は、高光強度部分である。逆ピーク状の光強度分布において逆ピークの両側または片側にピーク形状があると、そのピーク形状部分だけ光強度が大きくなるため、アブレーションが発生して半導体膜が破壊されるという不都合があった。また、逆ピーク状の光強度分布を被処理基板に照射して結晶化半導体膜を生成する場合、逆ピーク部分から開始した結晶成長がピーク形状部分の下り勾配部分で停止してしまうため、大粒径の結晶を生成することができないという不都合があった。
【００１６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、所望の逆ピーク状の光強度分布を所望する位置に安定的に形成することができ、且つ半導体膜に高い充填率で結晶粒を形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。また、本発明は、アブレーションを発生させることなく結晶成長させ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。充填率とは、逆ピーク状の光強度分布を有する光を照射したときの、照射面に対する結晶化領域の割合である。
【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形態では、１８０度と実質的に異なる位相段差が第１間隔で並ぶパターンを有する光学変調素子と、この光学変調素子を介した光束を非干渉性の異なる２つの光束に分割するための光束分割素子と、第２間隔だけ互いに離間した２つの光強度分布の合成に対応する所定の逆ピーク状の光強度分布を所定面に形成するための結像光学系とを備え、前記第２間隔は、前記第１間隔の奇数倍に対応していることを特徴とする光照射装置を提供する。また、本発明の第２形態では、複数の位相段差（位相差が実質的に１８０度の位相段差を除く）が設けられてなり、入射光束を位相変調して逆ピーク状の光強度分布を形成するための光学変調素子と、この光学変調素子を介した光束を非干渉性の異なる２つの逆ピーク状光強度分布の光束に分割するための光束分割素子と、前記光学変調素子および／又は前記光束分割素子を介した光束に基づいて、互いに離間した２つの逆ピーク状光強度分布の合成に対応する所定の光強度分布を所定面に形成するための結像光学系とを具備し、前記２つの逆ピーク状光強度分布の離間距離を前記位相段差間に相当する間隔の奇数倍にすることを特徴とする光照射装置を提供する。
【００１８】
本発明の第１形態および第２形態では、１８０度と実質的に異なる位相差が第１間隔で並ぶパターンを有する光学変調素子と、入射光束を偏光状態の異なる２つの光束に分割するための光束分割素子との協働作用により、互いに離間した２つの逆ピーク状の光強度分布の合成に対応する所定の光強度分布を所定面に形成する。この場合、所定面に形成される逆ピーク状の光強度分布はデフォーカスの影響をほとんど受けない。その結果、本発明の光照射装置を結晶化装置に適用した場合、深い焦点深度に基づいて所望の逆ピーク状の光強度分布を安定的に形成することができ、且つ基板の半導体膜上に形成される結晶粒の充填率を高めることができる。
【００１９】
本発明の第３形態では、複数の位相段差（位相差が実質的に１８０度の位相段差を除く）が設けられてなり、入射光束を位相変調して逆ピーク状の光強度分布を形成するための光学変調素子と、
この光学変調素子を介した光束を非干渉性の異なる２つの光束に分割するための光束分割素子と、
第２間隔だけ互いに離間した２つの光強度分布の合成に対応する所定の逆ピーク状の光強度分布を所定面に形成するための結像光学系とを備え、
隣り合う２つの位相段差の間隔は、前記逆ピーク状の光強度分布を形成する第１基準間隔と前記逆ピーク部を形成しない第１補正間隔との間で前記位相段差の方向に沿って変化し、
前記第２間隔は、前記第１基準間隔の奇数倍に対応していることを特徴とする光照射装置を提供する。
【００２０】
第３形態の好ましい態様によれば、前記隣り合う２つの位相段差の間隔は、前記位相段差の方向に沿って増減している。また、前記隣り合う２つの位相段差の第１補正間隔と前記第１基準間隔との差の絶対値に対応する前記所定面上の補正量Ｃは、光の波長をλとし、前記結像光学系の像側開口数をＮＡとするとき、Ｃ≦０．５×λ／ＮＡの条件を満足することが好ましい。
【００２１】
第１形態〜第３形態の好ましい態様によれば、前記光学変調素子は、前記逆ピーク状の光強度分布において逆ピークの両側に発生するピーク形状を抑えるために、前記位相段差の近傍に設けられた光遮蔽領域を有する。この場合、前記光遮蔽領域は、前記位相段差にほぼ平行に延びる線状光遮蔽領域を有することが好ましい。この場合、前記線状光遮蔽領域の中心線と前記位相段差との距離に対応する前記所定面上の距離Ｄは、光の波長をλとし、前記結像光学系の像側開口数をＮＡとするとき、０．４×λ／ＮＡ＜Ｄ＜０．７×λ／ＮＡの条件を満足することが好ましい。
【００２２】
また、第１形態〜第３形態では、前記光遮蔽領域は、前記位相段差にほぼ平行に並ぶ複数の孤立光遮蔽領域を有することが好ましい。この場合、前記複数の孤立光遮蔽領域の中心を結ぶ中心線と前記位相段差との距離に対応する前記所定面上の距離Ｄは、光の波長をλとし、前記結像光学系の像側開口数をＮＡとするとき、０．４×λ／ＮＡ＜Ｄ＜０．７×λ／ＮＡの条件を満足することが好ましい。
【００２３】
あるいは、第１形態〜第３形態の好ましい態様によれば、前記光学変調素子は、前記逆ピーク状の光強度分布において逆ピークの両側に発生するピーク形状を抑えるために、前記位相段差の近傍に設けられた位相変調領域を有する。この場合、前記位相変調領域は、前記位相段差にほぼ平行に延びる線状位相変調領域を有することが好ましい。この場合、前記線状位相変調領域の中心線と前記位相段差との距離に対応する前記所定面上の距離Ｄは、光の波長をλとし、前記結像光学系の像側開口数をＮＡとするとき、０．４×λ／ＮＡ＜Ｄ＜０．７×λ／ＮＡの条件を満足することが好ましい。
【００２４】
また、第１形態〜第３形態では、前記位相変調領域は、前記位相段差にほぼ平行に並ぶ複数の孤立位相変調領域を有することが好ましい。この場合、前記複数の孤立位相変調領域の中心を結ぶ中心線と前記位相段差との距離に対応する前記所定面上の距離Ｄは、光の波長をλとし、前記結像光学系の像側開口数をＮＡとするとき、０．４×λ／ＮＡ＜Ｄ＜０．７×λ／ＮＡの条件を満足することが好ましい。また、前記位相段差の一方の側に設けられた位相変調領域の位相変調量と前記位相段差の他方の側に設けられた位相変調領域の位相変調量とは絶対値がほぼ等しく且つ符号が異なることが好ましい。
【００２５】
また、第１形態〜第３形態の好ましい態様によれば、隣接する２つの位相段差の間に形成された位相領域は交互に異なる基準位相値を有し、各位相領域には、前記結像光学系の点像分布範囲の半径よりも光学的に小さい寸法を有し且つ前記基準位相値と異なる第１位相値を有する第１領域の占有面積率が位置によって変化する位相分布が形成され、隣接する２つの位相領域の間で、前記第１領域の位相変調量の絶対値がほぼ等しく且つその符号が異なる。この場合、前記補正量Ｃは、前記占有面積率が５０％に最も近い位置で極小になっていることが好ましい。
【００２６】
また、第１形態〜第３形態の好ましい態様によれば、前記光束分割素子は、前記光学変調素子と前記結像光学系との間または前記結像光学系と前記所定面との間に配置された複屈折素子を有する。この場合、前記複屈折素子は、結晶光学軸が光軸に対して所定の角度をなすように設定された複屈折性の平行平面板を有することが好ましい。あるいは、前記複屈折素子は、結晶光学軸が光軸に対してそれぞれ所定の角度をなすように設定された複屈折性の一対の平行平面板からなるサバール板を有することが好ましい。あるいは、前記複屈折素子は、結晶光学軸が光軸に対してそれぞれ所定の角度をなすように設定された複屈折性の一対の平行平面板と、該一対の平行平面板の間に設けられた１／２波長板とを有することが好ましい。
【００２７】
また、第１形態〜第３形態の好ましい態様によれば、前記光束分割素子は、前記結像光学系の瞳面またはその近傍に配置された複屈折素子を有する。この場合、前記複屈折素子は、結晶光学軸が光軸に対してそれぞれ所定の角度をなすように設定された複屈折性の一対の偏向プリズムからなるウォラストンプリズムを有することが好ましい。また、前記複屈折素子は、水晶、方解石、またはフッ化マグネシウムにより形成されていることが好ましい。
【００２８】
また、第１形態〜第３形態の好ましい態様によれば、前記光束分割素子により分割された２つの光束の強度が互いにほぼ等しくなるように、前記光束分割素子への入射光束の偏光状態を制御するための制御素子をさらに備えている。この場合、前記制御素子は、前記光束分割素子の入射側に配置された１／４波長板を有することが好ましい。
【００２９】
本発明の第４形態では、第１形態〜第３形態の光照射装置を備え、前記所定面に設定された多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に前記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ことを特徴とする結晶化装置を提供する。
【００３０】
本発明の第５形態では、第１形態〜第３形態の光照射装置を用いて、前記所定面に設定された多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に前記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ことを特徴とする結晶化方法を提供する。
【００３１】
本発明の第６形態では、第４形態の結晶化装置または第５形態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。
【００３２】
本発明の第７形態では、１８０度と実質的に異なる位相段差が所定の周期で並ぶパターンを有する光学変調素子であって、
隣り合う２つの位相段差の間隔は前記位相段差の方向に沿って増減していることを特徴とする光学変調素子を提供する。
【００３３】
本発明の第８形態では、１８０度と実質的に異なる位相段差が所定の周期で並ぶパターンを有する光学変調素子であって、
隣り合う２つの位相段差の間に形成された位相領域は交互に異なる基準位相値を有し、
各位相領域には、前記基準位相値と異なる第１位相値を有する第１領域の占有面積率が位置によって変化する位相分布が形成され、
隣り合う２つの位相領域の間で、前記第１領域の位相変調量の絶対値がほぼ等しく且つその符号が逆であることを特徴とする光学変調素子を提供する。
【００３４】
本発明の第９形態では、１８０度と実質的に異なる位相変調量の位相段差が所定の周期で並ぶパターンを有する光学変調素子であって、
前記位相段差の近傍に設けられた光遮蔽領域を有することを特徴とする光学変調素子を提供する。
【００３５】
第９形態の好ましい態様によれば、前記光遮蔽領域は、前記位相段差にほぼ平行に延びる線状光遮蔽領域を有する。あるいは、前記光遮蔽領域は、前記位相段差にほぼ平行に並ぶ複数の孤立光遮蔽領域を有することが好ましい。
【００３６】
本発明の第１０形態では、１８０度と実質的に異なる位相変調量の位相段差が所定の周期で並ぶパターンを有する光学変調素子であって、
前記位相段差の近傍に設けられた位相変調領域を有することを特徴とする光学変調素子を提供する。
【００３７】
第１０形態の好ましい態様によれば、前記位相変調領域は、前記位相段差にほぼ平行に延びる線状位相変調領域を有する。あるいは、前記位相変調領域は、前記位相段差にほぼ平行に並ぶ複数の孤立位相変調領域を有することが好ましい。また、前記位相段差の一方の側に設けられた位相変調領域の位相変調量と前記位相段差の他方の側に設けられた位相変調領域の位相変調量とは絶対値がほぼ等しく且つ符号が異なることが好ましい。
【発明の効果】
【００３８】
本発明の結晶化装置および結晶化方法によれば、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。また、アブレーションを発生させることなく結晶成長させることができる。本発明の結晶化装置および結晶化方法では、１８０度と実質的に異なる位相変調量の位相段差が第１間隔で並ぶパターンを有する光学変調素子と、入射光束を偏光状態の異なる２つの光束に分割するための光束分割素子との協働作用により、互いに離間した２つの逆ピーク状の光強度分布の合成に対応する所定の光強度分布を半導体膜基板の表面に形成する。この場合、半導体膜基板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が、半導体膜基板の表面に形成される逆ピーク状の光強度分布はデフォーカスの影響をほとんど受けない。その結果、本発明の結晶化装置および結晶化方法では、深い焦点深度に基づいて所望の逆ピーク状の光強度分布を安定的に形成することができ、且つ基板の半導体膜上に形成される結晶粒の充填率を高めることができる。
【００３９】
また、本発明の結晶化装置および結晶化方法では、位相段差の近傍に設けられた光遮蔽領域または位相変調領域を有する光学変調素子を用いることにより、逆ピークの両側に発生するピーク形状を抑えた所望の逆ピーク状の光強度分布を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜上に形成することができる。その結果、ピーク形状に起因するアブレーションの発生により半導体膜が破壊されることがなくなる。また、逆ピーク部分から開始した結晶成長がピーク形状部分で停止することなく、大粒径の結晶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】
【００４０】
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および図２を参照すると、本実施形態の結晶化装置は、透光性基板に複数の段差（位相差が実質的に１８０度の段差を除く）が設けられてなり、入射光束を位相変調して逆ピーク状の光強度分布を形成するための光学変調素子１と、非干渉性でかつ異なる２つの光束に分割する手段例えば入射光束を偏光状態の異なる２つの光束に分割するための光束分割素子２（例えば複屈折素子）と、上記光学変調素子１および／又は前記光束分割素子２を介した光束に基づいて、互いに離間した２つの逆ピーク状光強度分布の合成に対応する所定の光強度分布を所定面に形成するための結像光学系とを備え、上記２つの逆ピーク状光強度分布の離間距離を上記段差間に相当する間隔の奇数倍にすることを特徴とする。
【００４１】
なお、光学変調素子１は、例えば位相シフターであり、そのパターン面（段差を有する面）が光束分割素子２と対向するように光束分割素子２と近接して配置されている。光学変調素子１は、透過光強度分布の最小光強度が０に近い位相差１８０度を避け、最小光強度を被単結晶化基板の融点近傍に設定できるように構成される。光束分割素子２は、光学変調素子１により形成された逆ピーク状の光強度分布を非干渉性でかつ離間した異なる２つの光束に分割する。この離間距離は、上記段差間に相当する間隔の奇数倍にすることにより、左右対称で、最小光強度が被単結晶化基板の融点近傍に設定できる逆ピーク状の光強度分布を得るものである。左右対称で、最小光強度が被単結晶化基板の融点近傍に設定できる逆ピーク状の光強度分布は、同一粒径でかつ大粒径の結晶化領域を安定に形成することを可能にする。この光強度分布は、照射部全域を融点近傍の温度に設定できるので、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。また、アブレーションを発生させることなく結晶成長させることができる。光学変調素子１および光束分割素子２は、一体に構成してもよい。
次に、光学変調素子１および光束分割素子２の構成および作用については各実施例を参照して後述する。また、本実施形態の結晶化装置は、光学変調素子１を照明するための照明系３を備えている。照明系３は、被結晶化処理体を溶融するエネルギーを有する光線を出射する光源と、ほぼ均一な入射角および光強度分布を出射するホモジナイザとからなる。光源は、たとえば図２に示す光学系で２４８ｎｍの波長を有する光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源３ａを備えている。なお、光源３ａとして、ＸｅＣｌエキシマレーザ光源やＹＡＧレーザ光源のような被結晶化処理体を溶融するエネルギー光線を出射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。
【００４２】
光源３ａから供給されたレーザ光は、ビームエキスパンダ３ｂを介して拡大された後、第１フライアイレンズ３ｃに入射する。こうして、第１フライアイレンズ３ｃの後側焦点面には複数の光源が形成され、これらの複数の光源からの光束は第１コンデンサー光学系３ｄを介して、第２フライアイレンズ３ｅ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３ｅの後側焦点面には、第１フライアイレンズ３ｃ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３ｅ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３ｆを介して、光学変調素子１を重畳的に照明する。
【００４３】
ここで、第１フライアイレンズ３ｃおよび第１コンデンサー光学系３ｄ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３ａから供給されたレーザ光について光学変調素子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３ｅおよび第２コンデンサー光学系３ｆ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学変調素子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３は、ほぼ均一な光強度分布を有するレーザ光により光学変調素子１を照射する。
【００４４】
光学変調素子１で位相変調されたレーザ光は、光束分割素子２、結像光学系４を介して、被処理基板５に入射される。ここで、光束分割素子２は、光学変調素子１により形成された逆ピーク状の光強度分布を非干渉性でかつ離間した、異なる２つの光束に分割する。この離間距離は、光学変調素子１を構成する段差間に相当する間隔の奇数倍にする。この離間距離は、左右対称で、最小光強度が被単結晶化基板の融点近傍に設定できる逆ピーク状の光強度分布を得るための距離である。左右対称で、最小光強度が被単結晶化基板の融点近傍に設定できる逆ピーク状の光強度分布は、同一粒径（均一性）でかつ大粒径の結晶化領域を安定に形成することを可能にする。この光強度分布は、照射部全域を融点近傍の温度に設定できるので、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。また、アブレーションを発生させることなく結晶成長させることができる。結像光学系４は、光学変調素子１のパターン面と被処理基板５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５は、光学変調素子１のパターン面と光学的に共役な面（結像光学系４の像面）に設定されている。結像光学系４は、正レンズ群４ａと正レンズ群４ｂとの間に開口絞り４ｃを備えている。
【００４５】
開口絞り４ｃは、開口部（光透過部）の大きさの異なる複数の開口絞りを有し、これらの複数の開口絞り４ｃは光路に対して交換可能に構成されていてもよい。あるいは、開口絞り４ｃは、開口部の大きさを連続的に変化させることのできる虹彩絞りを有していてもよい。いずれにしても、開口絞り４ｃの開口部の大きさ（ひいては結像光学系４の像側開口数ＮＡ）は、後述するように、被処理基板５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。なお、結像光学系４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。
【００４６】
また、被処理基板５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（ＣＶＤ）により下地絶縁膜、非晶質シリコン膜およびキャップ膜が順次形成されたものである。下地絶縁膜およびキャップ膜は、絶縁膜例えばＳｉＯ2である。下地絶縁膜は、非単結晶膜例えば非晶質シリコン膜とガラス基板が直接接触してＮａなどの異物が非晶質シリコン膜に混入するのを防止し、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。非晶質シリコン膜は、結晶化される半導体膜である。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５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６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ている。
【００４７】
以下、本実施形態の各実施例において、光の波長λは２４８ｎｍであり、結像光学系４の像側開口数ＮＡは０．１３であり、結像光学系４のσ値は０．４７であり、結像光学系４の倍率は例えば１／５である（必要に応じて拡大光学系でもよい）。また、光学変調素子１のパターンの寸法は、結像光学系４の像側に換算した値、すなわち像側換算値で示されている。また、第２実施例〜第５実施例では、光学変調素子１の構成だけが第１実施例と異なっており、その他の構成は第１実施例と同様である。
【００４８】
［第１実施例］
図３は、第１実施例における光学変調素子の構成および作用を説明する図である。第１実施例の光学変調素子１は、透明体からなり図３（ａ）に示すように、たとえば位相値が０度の矩形状の領域１ａと位相値が６０度の矩形状の領域１ｂとが一方向に沿って交互に繰り返される位相差６０度のライン型位相シフターである。こうして、２つの矩形状の領域１ａと１ｂとの間には、６０度の位相差線（位相の境界線：位相シフト線）１ｃが形成されている。そして、光学変調素子１の全体では、位相差線１ｃが所定ピッチ例えば像側換算値で５μｍのピッチ（実際には２５μｍのピッチ）で形成されている。位相差線（位相の境界線：位相シフト線）１ｃとは、透明体に形成された段差であり、この段差は、光強度に周期的な空間分布（逆ピーク光強度分布）を付与する。
【００４９】
したがって、光束分割素子２が介在されない場合、結像光学系４のフォーカス位置（像面）に設定された被処理基板５の表面には、図３（ｂ）に示すように、光学変調素子１の位相差線１ｃに対応する線領域において光強度が最小で周囲に向かって光強度が急激に増大する左右対称な逆ピーク状の光強度分布が形成される。これに対し、結像光学系４のフォーカス位置から僅か例えば１０μｍだけ移動したデフォーカス位置に設定された被処理基板５の表面には、図３（ｃ）に示すように、光学変調素子１の位相差線１ｃに対応する線領域から位置ずれした線領域において光強度が最小で周囲に向かって光強度が急激に増大する左右非対称な逆ピーク状の光強度分布が形成される。光学変調素子１は、上記式により例えば石英ガラス基板に所要の位相差に対応する厚さ分布を形成することにより製造することができる。石英ガラス基板の厚さの変化は、選択エッチングやＦＩＢ（Focused Ion Beam）加工により高精度に形成することができる。
【００５０】
図４は、各実施例における光束分割素子の構成および作用を説明する図である。図４（ａ）を参照すると、各実施例の光束分割素子２は、例えばその結晶光学軸２ａが光軸に対して所定の角度θをなすように設定された複屈折性の平行平面板からなる複屈折素子２Ｅである。複屈折素子２Ｅを形成する複屈折性の光学材料として、たとえば水晶、方解石、フッ化マグネシウムなどを用いることができる。
【００５１】
図４（ａ）に示すように、たとえばランダム偏光状態の光線Ｇが光軸と平行に複屈折素子２Ｅに入射すると、図４（ａ）の紙面に垂直な方向を偏光方向とする直線偏光状態の光線すなわち正常光線ｏは複屈折素子２Ｅの屈折作用を受けることなく直進して、光軸と平行に射出される。一方、図４（ａ）の紙面における水平方向を偏光方向とする直線偏光状態の光線すなわち異常光線ｅは、複屈折素子２Ｅの入射界面で屈折されて光軸とφの角度をなす方向に進んだ後、複屈折素子２Ｅの射出界面で屈折されて光軸と平行に射出される。この現象は広く知られたものであり、例えば、辻内順平著、朝倉書店出版の「光学概論II」の第５章や、工藤恵栄および上原富美哉著、現代工学社出版の「基礎光学＜光線光学・電磁光学＞」などに詳述されている。
【００５２】
このとき、複屈折素子２Ｅから光軸と平行に射出される正常光線ｏと異常光線ｅとの距離すなわち分離幅（離間距離）ｄは、複屈折素子２Ｅを形成する光学材料の種類、結晶光学軸との方向、切り出し方、複屈折素子２の光軸方向の寸法すなわち厚さなどに依存する。即ち、分離幅（離間距離）ｄは、複屈折素子２Ｅを構成する材料と厚さにより決定され、上記光変調素子１に形成される間隔の奇数分の１の関係で選択される。図４（ｂ）は光変調素子１上の１点が、複屈折素子２Ｅにより、二点に分離されて観察される様子を示した図である。なお、複屈折素子２Ｅによる分離幅ｄは結像光学系４の物体側における値であり、結像光学系４の像面における分離幅は、分離幅ｄに結像光学系４の倍率１／５を乗じた値になる。
【００５３】
一軸結晶材料により形成された平行平面板状の複屈折素子２に垂直に光線を入射させた場合の分離幅ｄは、次の式（１）により表わされる。
ｄ＝tanφ×ｔ    （１）
ただし、tanφ＝（ｎｏ2−ｎｅ2）sinθ・cosθ／（ｎｅ2cos2θ＋ｎｏ2sin2θ）
なお、式（１）において、ｎｏは正常光線ｏの屈折率であり、ｎｅは異常光線ｅの屈折率である。また、上述したように、φは異常光線ｅと入射界面の法線（すなわち光軸）との角度であり、θは結晶光学軸２ａと入射界面の法線との角度であり、ｔは複屈折素子２Ｅの厚さである。
【００５４】
一例として、２４８ｎｍの波長を有する光およびθ＝４５度に設定された人工水晶製の複屈折素子２Ｅを用いる場合、分離幅ｄ＝２５μｍを得るに必要な複屈折素子２の厚さｔを求めてみると、波長２４８ｎｍの光に対する人工水晶の屈折率はｎｅ＝１．６１２４，ｎｏ＝１．６０１６であるから、ｔ＝３６９７μｍとなる。各実施例では、複屈折素子２Ｅとして、人工水晶により形成され且つ結晶光学軸の角度θが４５度に設定された厚さｔが３６９７μｍの平行平面板を用いている。したがって、複屈折素子２Ｅによる分離幅ｄは２５μｍであり、結像光学系４の像面における分離幅は５μｍである。
【００５５】
図５は、第１実施例における光学変調素子１と光束分割素子２との協働作用を説明する図である。上述したように、図１に示す結晶化装置において複屈折素子２Ｅが介在しない場合、結像光学系４のフォーカス位置に設定された被処理基板５の表面には、図３（ｂ）に示すように、光学変調素子１の位相差１ｃに対応する線領域において光強度が最小で周囲に向かって光強度が急激に増大する左右対称な逆ピーク状の光強度分布が形成される。また、図４に示す複屈折素子２Ｅを図１に示す結晶化装置に介在させた場合、入射光束が偏光状態の異なる非干渉性の２つの光束に分割されるので、被処理基板５の表面には互いに離間した２つの逆ピーク状の光強度分布の合成に対応する所定の光強度分布が形成されることになる。
【００５６】
このとき、複屈折素子２Ｅへの入射光束がランダム偏光状態であれば、複屈折素子２Ｅを介して分割された２つの光束の強度が互いにほぼ等しくなる。また、複屈折素子２Ｅを介して分割された２つの光束が被処理基板５の表面で重ね合わされるとき、２つの光束は互いに干渉しないので単純に光強度の和として合成される。上述したように、第１実施例では、光学変調素子１の段差１ｃが５μｍ（像側換算値）のピッチで形成され、被処理基板５の表面における２つの逆ピーク状の光強度分布の間隔（すなわち結像光学系４の像面における分離幅）も５μｍである。
【００５７】
換言すれば、被処理基板５の表面に結像される複屈折素子２Ｅにより分割された２つの逆ピーク状の光強度分布の間隔は、光学変調素子１の位相差線１ｃの間隔に対応（一般には位相差線１ｃの間隔の奇数倍に対応）するように設定される。この実施形態は、奇数倍の倍数が１の実施例であり、他の３、５、７・・・などでもよい。したがって、フォーカス状態では、正常光線ｏにより形成される逆ピーク状の光強度分布（図５（ａ））と異常光線ｅにより形成される逆ピーク状の光強度分布（図５（ｂ））とが完全に重なり合うだけである。その結果、最終的には複屈折素子２Ｅの影響を受けることなく、図３（ｂ）に示すように、光学変調素子１の位相差線１ｃに対応する線領域において光強度が最小で周囲に向かって光強度が急激に増大する左右対称な逆ピーク状の光強度分布（図５（ｃ））が被処理基板５の表面に形成される。
【００５８】
一方、複屈折素子２が介在しない場合、結像光学系４のデフォーカス位置に設定された被処理基板５の表面には、図３（ｃ）に示すように、光学変調素子１の位相差線１ｃに対応する線領域から位置ずれした線領域において光強度が最小で周囲に向かって光強度が急激に増大する左右非対称な逆ピーク状の光強度分布が形成される。複屈折素子２Ｅを介した光束は、入射光束が偏光状態の異なる非干渉性の２つの光束に分割されるので、被処理基板５の表面に、互いに離間した２つの左右非対称な逆ピーク状の光強度分布の合成に対応する所定の光強度分布が形成することになる。
【００５９】
すなわち、デフォーカス状態では、図５（ａ）に示すような正常光線ｏにより形成される左右非対称な逆ピーク状の光強度分布と、図５（ｂ）に示すような異常光線ｅにより形成される左右非対称な逆ピーク状の光強度分布とが形成されることになる。ここで、図５（ａ）に示す左右非対称な逆ピーク状の光強度分布と図５（ｂ）に示す左右非対称な逆ピーク状の光強度分布とは、複屈折素子２Ｅの作用により５μｍだけ位置ずれしている。また、図３（ｃ）において隣接する２つの逆ピーク状の光強度分布は、隣接する２つの位相差線１ｃの中間線に対応する線領域に関して反転対称になっており、その中間線に対応する線領域のピッチも５μｍである。
【００６０】
したがって、デフォーカス状態では、正常光線ｏにより形成される左右非対称な逆ピーク状の光強度分布と、異常光線ｅにより形成される左右非対称な逆ピーク状の光強度分布との合成により、図５（ｃ）に示すように左右対称な逆ピーク状の光強度分布が形成されることになる。なお、デフォーカス状態において被処理基板５の表面に形成される逆ピーク状の光強度分布では、光強度の最小になる逆ピーク点が位相差線１ｃに対応する線領域から位置ずれすることはなくなる。図５（ｃ）には、図３（ａ）の光学変調素子１の断面図を示し、位相差線１ｃと点線により関連付けて示されている。
【００６１】
以上のように、第１実施例では、位相差が６０度（位相差が１８０度と実質的に異なる）位相シフトパターンの光学変調素子１を用いているので、被処理基板５の表面に形成される逆ピーク状の光強度分布における逆ピーク点の最小光強度は０よりもある程度大きい値になる。照射領域の総て又はほとんどの領域を溶融領域に設定できる。また、被処理基板５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が、光学変調素子１と光束分割素子２との協働作用により、被処理基板５の表面に形成される逆ピーク状の光強度分布はデフォーカスの影響をほとんど受けることなく左右対称である。その結果、第１実施例では、深い焦点深度に基づいて所望の逆ピーク状の光強度分布を安定的に形成することができ、且つ被処理基板５の半導体膜上に形成される結晶粒の充填率を高めることができる。
【００６２】
なお、上述の第１実施例において、複屈折素子２Ｅを光学変調素子１の近傍に配置している。しかしながら、これに限定されることなく、複屈折素子２Ｅを光学変調素子１と被処理基板５との間に配置することにより、上述の複像効果を有効に発生させることができる。具体的には、図３７に示すように、複屈折素子２Ｅを光学変調素子１と結像光学系４との間に配置するか、あるいは結像光学系４と被処理基板５との間に配置することが望ましい。
【００６３】
また、複屈折素子２Ｅの光入射面を表面加工することにより所望する位相差を得るための段差を設けて、複屈折素子２Ｅの機能と光学変調素子１の機能とを一体化することも可能である。即ち、光学変調手段と光束分割手段とを一体に形成してもよい。
【００６４】
また、上述の第１実施例では、複屈折素子２Ｅが１枚の複屈折性の平行平面板により構成されているので、正常光線ｏと異常光線ｅとで光路長が異なる。このため、複屈折素子２Ｅを介して分割された２つの光束の間に位相差が生じ、この２つの光束の結像位置が光軸方向に分離する。この問題を回避するための、光束分割素子２として、結晶光学軸が光軸に対してそれぞれ所定の角度をなすように設定された複屈折性の一対の平行平面板からなるサバール（Savart）板を用いることができる。
【００６５】
図６を参照すると、サバール板２０を構成する一対の平行平面板２０ａと２０ｂとは互いに同じ厚さを有し、その結晶光学軸が光軸と約４５度の角度をなすようにそれぞれ設定されている。すなわち、第２平行平面板２０ｂは、第１平行平面板２０ａを光軸廻りに９０度回転させた状態にある。サバール板２０では、図６に示すように正常光線ｏと異常光線ｅとの光路長が同じになるので、上述したような位相差による結像位置の分離問題は発生しない。
【００６６】
あるいは、位相差による結像位置の分離問題を回避するために、光束分割素子として、いわゆるフランコン（Francon）によるサバール板の変形を用いることができる。図７を参照すると、フランコンによるサバール板の変形例に基づく複屈折素子２１は、結晶光学軸が光軸に対してそれぞれ所定の角度をなすように設定された複屈折性の一対の平行平面板２１ａおよび２１ｂと、この一対の平行平面板２１ａと２１ｂとの間に設けられた１／２波長板２１ｃとにより構成されている。
【００６７】
複屈折素子２１を構成する一対の平行平面板２１ａと２１ｂとは互いに同じ厚さを有し、その結晶光学軸が光軸と約４５度の角度をなすようにそれぞれ設定されている。すなわち、第１平行平面板２１ａと第２平行平面板２１ｂとは、１／２波長板２１ｃに関して対称に配置されている。また、１／２波長板２１ｃを介して、正常光線ｏが異常光線ｅに変換され、異常光線ｅが正常光線ｏに変換される。その結果、複屈折素子２１では、図７に示すように正常光線ｏと異常光線ｅとの光路長が同じになるので、上述したような位相差による結像位置の分離問題は発生しない。
【００６８】
また、上述の第１実施例では、光束分割素子２として、光学変調素子１の近傍に配置された複屈折素子２Ｅを用いている。しかしながら、これに限定されることなく、図８に示すように、複屈折素子２Ｅに代えて、結像光学系４の瞳面またはその近傍に配置された複屈折素子２２を用いることができる。この複屈折素子２２は、図９に示すように、結晶光学軸が光軸に対してそれぞれ所定の角度をなすように設定された複屈折性の一対の偏光プリズム２２ａおよび２２ｂからなるウォラストンプリズムである。
【００６９】
ここで、第１偏光プリズム２２ａの結晶光学軸は図９の紙面において水平に設定され、第２偏光プリズム２２ｂの結晶光学軸は図９の紙面に垂直に設定されている。すなわち、結晶光学軸が互いに直交する一対の偏光プリズム２２ａと２２ｂとにより平行平面板状のウォラストンプリズム２２が構成されている。ウォラストンプリズム２２は、入射光を偏光状態の異なる２つの光束、すなわち図９の紙面に垂直な方向を偏光方向とする直線偏光状態の光束と、図９の紙面に平行な方向を偏光方向とする直線偏光状態の光束とに分離する。
【００７０】
このとき、偏光状態の異なる２つの光束は、入射光に関して対称な偏向角で分離される。ウォラストンプリズム２２による２つの光束の分離角θwは、正常光線ｏの屈折率をｎｏとし、異常光線ｅの屈折率をｎｅとするとき、次の式（２）で表わされる。
sinθw＝２（ｎe−ｎo）tanθw｛１−（ｎe−ｎo）2・tan2θw／２＋・・・｝（２）
光束分割素子２としてウォラストンプリズム２２を用いる場合、分離角θwを適宜設定することにより、上述の第１実施例と同様の効果を得ることができる。なお、ウォラストンプリズムと同様に偏光方向により角度分離する光束分割素子２としてローションプリズムやセナルモンプリズムがあり、これらも用いることができる。また、右回り偏光と左回り偏光に角度分離する素子としてフレネルの（多重）プリズムがあるが、これも用いることができる。なお、これらの光束分割素子２やサバール板などは、これを通すことにより物体が二つに見えるため総称して複像子と呼ばれている。
【００７１】
また、上述の第１実施例では、図１０（ａ）に示すように、ランダム偏光状態の光束が複屈折素子２Ｅに入射し、複屈折素子２Ｅにより分割される２つの光束の強度が互いにほぼ等しくなる場合を想定している。しかしながら、複屈折素子２Ｅに入射する光束の偏光状態に偏りがあると、複屈折素子２Ｅにより分割された２つの光束の強度は互いに等しくならない。具体的には、図１０（ｂ）に示すように、その紙面に垂直な方向を偏光方向とする直線偏光状態の光束が複屈折素子２Ｅに入射する場合、入射光束がその偏光状態を維持したまま複屈折素子２Ｅを直進し、入射光束が分割されなくなってしまう。入射光束が分割とは、正常光線と異常光線とに分離されることであり、分割された光束の光強度は、入射光束の光強度がほぼ同等でもよい。
【００７２】
複屈折素子２Ｅにより分割される２つの光束の強度が異なると、被処理基板５の表面に形成される逆ピーク状の光強度分布における逆ピーク点の最小光強度が一定にならない。その結果、光強度の異なる２種類の逆ピーク点の近傍から結晶成長が開始することになり、形成される結晶の大きさおよび形状に違いが生じるという問題が発生する。そこで、第１実施例において複屈折素子２に入射する光束の偏光状態に偏りがある場合、複屈折素子２Ｅにより分割された２つの光束の強度が互いにほぼ等しくなるように、複屈折素子２Ｅへの入射光束の偏光状態を制御するための制御素子を付設することが好ましい。
【００７３】
複屈折素子２Ｅへの入射光束の偏光状態を制御するための制御素子として、図１０（ｃ）に示すように、複屈折素子２Ｅの入射側に配置された１／２波長板７を用いることができる。具体的には、図１０の紙面に垂直な方向を偏光方向とする直線偏光状態の光束が１／２波長板７に入射する場合、１／２波長板７の作用により光束の偏光方向が光軸廻りに４５度回転されて複屈折素子２に入射する。その結果、ランダム偏光状態の光束が複屈折素子２に入射する場合と同様に、複屈折素子２Ｅにより分割される２つの光束の強度は互いにほぼ等しくなる。なお、１／２波長板７に代えて１／４波長板を用いて直線偏光を円偏光に変換して複屈折素子２Ｅに入射させることにより、分割された２つの光束の強度を互いにほぼ等しくすることもできる。
【００７４】
［第２実施例］
第１実施例では、複屈折素子２Ｅで分割された２つの逆ピーク状の光強度分布の間隔が位相差線１ｃの間隔に対応しているので、合成により得られた逆ピーク状の光強度分布における逆ピーク点の最小光強度の大きさは一定である。これに対し、図１１に示すように、２つの逆ピーク状の光強度分布の間隔と位相差線１ｃの間隔とを意図的にずらして、逆ピーク点とその片側のピーク形状位置とを重ね合わせることにより、ピークを実質的に消去したり逆ピークを浅くしたりすることができる。
逆ピークとは、光学変調素子１により形成された最小光強度分布を示す凹曲線である。この凹曲線の最小光強度値が逆ピーク点である。ピーク形状とは、逆ピークパターンの最大光強度を呈する光強度分布曲線である。ピークを実質的に消去することにより、最大光強度がアブレーションが発生する温度以上のときも、アブレーションが発生しない光強度に制御されるとともに、ピーク部で結晶成長が止まるのを回避できるため、結晶成長が継続し、より大きな結晶化を可能にする。逆ピーク点とピーク形状位置との間隔Ｄは、次の式（３）により近似される。
Ｄ≒０．５×λ／ＮＡ    （３）
【００７５】
本実施形態の各実施例では、前述したようにλが２４８ｎｍでありＮＡが０．１３であるから、逆ピーク点とピーク形状位置との間隔Ｄは約１μｍである。図１２は、第２実施例における光学変調素子１の構成および第２実施例で形成される光強度分布を模式的に示す図である。第１実施例の光学変調素子１では、図３（ａ）に示すように、位相値が０度の矩形状の領域１ａと位相値が６０度の矩形状の領域１ｂとが一方向に沿って交互に繰り返され、６０度の位相差１ｃが像側換算値で５μｍのピッチで形成されている。
【００７６】
これに対し、第２実施例の光学変調素子１では、図１２（ａ）に示すように、位相値が０度の領域１ｄと位相値が６０度の領域１ｅとが一方向に沿って交互に繰り返されているが、結晶化したい位置を二次元的により正確に決定したい場合に好適な実施例である。位相値が０度の領域１ｄと位相値が６０度の領域１ｅとが一方向に沿って交互に繰り返されている光学変調素子１において、この実施例は例えば位相値が６０度の領域１ｅの幅を例えば５μｍの部分（基準間隔）と４μｍの部分（補正間隔）とを形成することにより、５μｍの部分のみに逆ピークが形成されるようにした例である。基準間隔の形成位置や大きさは、基準間隔の形成位置をトランジスタ回路形成位置や結晶化領域の面積に応じて決定する。即ち、隣接する２つの位相差線１ｆ間の間隔（領域１ｄおよび１ｅの幅）はＡ断面位置において５μｍであり、Ａ断面位置から位相差線１ｆの方向に例えば５μｍだけ間隔を隔てたＢ断面位置において領域１ｅ４μｍまたは領域１ｄが６μｍである。すなわち、第２実施例の光学変調素子１では、Ａ断面位置において２つの逆ピーク状の光強度分布の間隔と位相差線１ｆ間の間隔とが対応している。
【００７７】
しかしながら、Ａ断面位置以外の断面位置においては、光学分割素子２で分割された２つの逆ピーク状の光強度分布間の間隔と位相差線１ｆ間の間隔とがずれており、Ｂ断面位置においてそのずれ量が最大で１μｍになっている。このように、第２実施例の光学変調素子１では、隣接する２つの位相差線１ｆの間隔は、第１基準間隔（設計値）である５μｍと第１補正間隔である４μｍまたは６μｍとの間で位相差線１ｆの方向に沿って増減を繰り返している。そして、隣り合う２つの位相差線１ｆ間の第１補正間隔と第１基準間隔との差の絶対値に対応する補正量Ｃは、０μｍ〜１μｍであり、次の式（４）を満たしている。
Ｃ≦０．５×λ／ＮＡ    （４）
【００７８】
以上のように、第２実施例では、光学変調素子１のＡ断面位置において２つの逆ピーク状の光強度分布の間隔と位相差線１ｆ間の間隔とが対応している。したがって、図１２（ａ）に示す光学変調素子１のＡ断面位置に対応する被処理基板５の表面位置には、図１２（ｂ）に示すように、逆ピーク状の光強度分布が形成される。一方、図１２（ａ）に示す光学変調素子１のＢ断面位置において２つの逆ピーク状の光強度分布の間隔と位相差線１ｆ間の間隔とが概ね間隔Ｄだけずらされ、逆ピーク点とその片側のピーク形状位置とが重ね合わされるので、光学変調素子１のＢ断面位置に対応する被処理基板５の表面位置には、図１２（ｃ）に示すように、逆ピークが実質的に消去された光強度分布が形成される。
【００７９】
第２実施例の光学変調素子１では、隣接する２つの位相差線１ｆ間の間隔が第１基準間隔である５μｍと第１補正間隔である４μｍまたは６μｍとの間で位相差線１ｆの方向に沿って増減を繰り返している。したがって、光学変調素子１のＡ断面位置に対応する被処理基板５の表面位置において逆ピーク点の光強度が最も小さく、Ｂ断面位置に対応する被処理基板５の表面位置に向かって位相差線１ｆの方向に逆ピーク点の光強度が増大する。
【００８０】
その結果、第２実施例では、光学変調素子１のＡ断面位置に対応する被処理基板５の表面位置に逆ピーク点を制限することができる。すなわち、第２実施例では、第１実施例の効果に加えて、結晶の形成位置を二次元的に決定するという効果を達成することができる。
【００８１】
［第３実施例］
第１実施例では、特にフォーカス状態で形成される逆ピーク状の光強度分布において、逆ピークの両側に不要なピーク形状が現れる。前述したように、ピーク形状の存在は、アブレーションの原因および結晶成長の停止原因になる。まず、第３実施例の具体的な説明に先立って、逆ピークの両側にピーク形状が発生する原理を説明する。一般に、結像光学系４による結像の複素振幅分布Ｕ（ｘ，ｙ）は、比例係数を省略すると、次の式（５）で表わされる。
Ｕ（ｘ，ｙ）＝Ｏ（ｘ，ｙ）＊ＰＳＦ（ｘ，ｙ）    （５）
【００８２】
なお、式（５）において、Ｏ（ｘ，ｙ）は物体の複素振幅透過率分布を、＊はコンボリューション（畳み込み積分）を、ＰＳＦ（ｘ，ｙ）は結像光学系４の点像分布関数をそれぞれ示している。ここで、点像分布関数とは、結像光学系４による点像の複素振幅分布と定義される。結像光学系４が均一円形瞳を有し且つ無収差である場合、点像分布関数ＰＳＦ（ｘ，ｙ）は、次の式（６）で表わされる。
ＰＳＦ（ｘ，ｙ）＝２Ｊ1（ａ・ｒ）／（ａ・ｒ）    （６）
ただし、ａ＝（２π・ＮＡ）／λ
ｒ＝（ｘ2＋ｙ2）1/2
【００８３】
なお、式（６）において、Ｊ1はベッセル（Bessel）関数を、λは光の波長を、ＮＡは上述したように結像光学系４の像側開口数をそれぞれ示している。上式（６）による点像分布関数ＰＳＦを図１３に示す。図１３において、縦軸は点像分布関数ＰＳＦの値であり、横軸は（ａ・ｒ）の値である。図１３を参照すると、点像分布関数ＰＳＦの値が負である領域すなわち「負領域」が存在し、この負領域の存在がピーク形状の発生の原因である。
【００８４】
ここで、原点に最も近い負領域の位置範囲は、次の式（７）で表わされる。また、ａ＝（２π・ＮＡ）／λを式（７）に代入すると、次の式（８）に示す関係が得られる。
３．８＜ａ・ｒ＜７．０    （７）
０．６１×λ／ＮＡ＜ｒ＜１．１１×λ／ＮＡ    （８）
【００８５】
次に、位相差が１８０度の位相シフターの場合を例にとって、さらに具体的にピーク形状の発生を説明する。図１４（ａ）は、位相差が１８０度の位相シフターの複素振幅透過率分布Ｏ（ｘ）を示している。図１４（ａ）中の左側領域すなわち位相値が１８０度の領域４０および右側領域すなわち位相値が０度の領域４１のうち、右側領域４１に着目して点像分布関数ＰＳＦ（ｘ）とのコンボリューションの様子を複数の細線４２で、その結果として得られる像の複素振幅分布Ｕ（ｘ）を太線４３ａで図１４（ｂ）に示す。太線４３ａで示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）は段差の位置４４に関して点対称になり、右側には凸部４５が左側には凹部４６が生じる。
【００８６】
なお、位相値が０度の領域４１に対応する像の複素振幅分布Ｕ（ｘ）の正確な形状を図１５に示す。図１４（ａ）中の左側領域すなわち位相値が１８０度の領域４０に関しても同様の現象が生じる。こうして、図１４（ｃ）に示すように、位相値が０度の領域４１に対応する太線４３ａで示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）と位相値が１８０度の領域４０に対応する太線４３ｂで示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）とを重ね合わせて得られる太線４３で示す最終的な複素振幅分布Ｕ（ｘ）にも、右側の凸部４７と左側の凹部４８とが強調されて残る。その結果、図１４（ｄ）に示すように、位相シフターの位相差により形成される逆ピーク状の光強度分布４９には、図１４（ｃ）に示す凸部４７および凹部４８に対応して、逆ピークの両側にピーク形状（図中破線の円で示す）４９ａが発生する。
【００８７】
図１６は、図１４に対応する図であって、本発明によりピーク形状を抑える第１の手法を説明する図である。図１６（ａ）を参照すると、第１の手法では、図１４（ｃ）における凸部４７および凹部４８に対応する位置に光遮蔽領域６０および６１をそれぞれ設けている。したがって、図１６（ａ）に示すように、光遮蔽領域６０および６１における複素振幅透過率分布Ｏ（ｘ）の値は０になる。
【００８８】
その結果、図１６（ｂ）に示すように、点像分布関数ＰＳＦ（ｘ）とのコンボリューションのうち、光遮蔽領域６０に対応して太い破線６２で示す部分が欠けることになり、その結果として得られる像の複素振幅分布Ｕ（ｘ）は太線６３ａで示すようになる。太線４３ａで示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）と太線６３ａで示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）とを比較すると、光遮蔽領域６０の作用により太線４３ａで示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）における凸部４５が凹部６４ａに変化する。凹部４６はわずかに変化し凹部６５ａとなるが基本的に凹部４６と凹部６５ａは同一とみなしてよい。このとき、凹部６４ａの面積が凹部６５ａの面積（＝凹部４６の面積）とほぼ等しいことが望ましい。
【００８９】
その場合、図１６（ｃ）に示すように、光遮蔽領域６０が形成された位相値０度の領域に対応する太線６３ａで示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）と光遮蔽領域６１が形成された位相値１８０度の領域に対応する太線６３ｂで示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）とを重ね合わせて得られる太線６３で示す最終的な複素振幅分布Ｕ（ｘ）では、図中破線の楕円で示すように凹部６４ａと凹部６５ａの反転に対応する凸部６５ｂとが相殺され、凹部６５ａと凹部６４ａの反転に対応する凸部６４ｂとが相殺されて、太線４３で示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）において見られた凸部４７および凹部４８が消えてこの部分で比較的平らな分布を得ることができる。その結果、第１の手法では、図１６（ｄ）に示すように、位相シフターの位相差により形成される逆ピーク状の光強度分布６６には、逆ピークの両側にピーク形状が実質的に発生しない。
【００９０】
図１７は、図１４に対応する図であって、本発明によりピーク形状を抑える第２の手法を説明する図である。図１７（ａ）を参照すると、第２の手法では、図１４（ｃ）における凸部４７および凹部４８に対応する位置に位相変調領域７０および７１をそれぞれ設けている。ここで、位相変調領域７０および７１における位相変調量は１８０度に設定されている。したがって、図１７（ａ）に示すように、位相変調領域７０における複素振幅透過率分布Ｏ（ｘ）の値は位相値１８０度の領域と同じにあり、位相変調領域７１における複素振幅透過率分布Ｏ（ｘ）の値は位相値０度の領域と同じになる。
【００９１】
その結果、図１７（ｂ）に示すように、点像分布関数ＰＳＦ（ｘ）とのコンボリューションのうち、位相変調領域７０に対応して太い破線７２で示す部分が反転することになり、その結果として得られる像の複素振幅分布Ｕ（ｘ）は太線７３ａで示すようになる。太線４３ａで示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）と太線７３ａで示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）とを比較すると、位相変調領域７０の作用により太線４３ａで示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）における凸部４５が凹部７４ａに変化する。凹部４６はわずかに変化し凹部７５ａとなるが基本的に凹部４６と凹部７５ａは同一とみなしてよい。このとき、凹部７４ａの面積が凹部７５ａの面積（＝凹部４６の面積）とほぼ等しいことが望ましい。
【００９２】
その場合、図１７（ｃ）に示すように、位相変調領域７０が形成された位相値０度の領域に対応する太線７３ａで示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）と位相変調領域７１が形成された位相値１８０度の領域に対応する太線７３ｂで示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）とを重ね合わせて得られる太線７３で示す最終的な複素振幅分布Ｕ（ｘ）では、図中破線の楕円で示すように凹部７４ａと凹部７５ａの反転に対応する凸部７５ｂとが相殺され、凹部７５ａと凹部７４ａの反転に対応する凸部７４ｂとが相殺されて、図１４で説明された太線４３で示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）において見られた凸部４７および凹部４８が消えてこの部分で比較的平らな分布を得ることができる。その結果、第２の手法においても第１の手法と同様に、図１７（ｄ）に示すように、位相シフターの段差により形成される逆ピーク状の光強度分布７６には、逆ピークの両側の最大光強度部にピーク形状（図１５の凸部４５）が実質的に発生しない。
【００９３】
次に、光遮蔽領域（６０，６１）や位相変調領域（７０，７１）の位置および大きさについて説明する。上述したように、図１４（ｂ）において、像の複素振幅分布Ｕ（ｘ）の凸部４５および凹部４６の位置は、上記コンボリューションの式（５）で段差よりも右側の領域４１のみを積分することにより求まる。その結果を正確に示した図１５を参照すると、凸部４５は段差から０．４λ／ＮＡ〜０．７λ／ＮＡの範囲に位置する。したがって、光遮蔽領域（６０，６１）や位相変調領域（７０，７１）も、この位置の近傍に設ければよい。また、光遮蔽領域（６０，６１）や位相変調領域（７０，７１）の大きさについては、凹部（６４ａ，７４ａ）の面積と凹部（６５ａ，７５ａ）の面積とがほぼ等しくなるように設定すればよい。具体的には、光遮蔽領域が小さすぎると光強度分布にピーク形状が残り大きすぎると補正されすぎて逆に凹型形状となるので、光強度分布を計算しながら最適な大きさを求めればよい。光遮蔽領域６１は、一部分の光のみ透過するものであってもよい。
【００９４】
第３Ａ実施例では、第１実施例の光学変調素子１に対して、上述した本発明の第２の手法を適用している。具体的に、第３Ａ実施例では、本発明の第２の手法にしたがって第１実施例の光学変調素子１に線状の位相変調領域を付設して得られる位相変調型の位相シフターを用いている。第３Ａ実施例の光学変調素子１では、図１８（ａ）に示すように、位相差線１ｃに平行に延びる線状位相変調領域１ｇが位相差線１ｃの両側に形成されている。ここで、位相値が０度の矩形状の領域１ａに形成された線状位相変調領域１ｇの位相値は６０度であり、位相値が６０度の矩形状の領域１ｂに形成された線状位相変調領域１ｇの位相値は０度である。換言すれば、位相差線１ｃの位相変調量および線状位相変調領域１ｇの位相変調量はともに６０度である。
【００９５】
また、線状位相変調領域１ｇの幅寸法は０．０７μｍに設定され、線状位相変調領域１ｇの中心線と近傍の位相差線１ｃとの像側換算距離Ｄは１．０μｍに設定されている。すなわち、距離Ｄは、概ね０．５２×λ／ＮＡに対応しており、上述した０．４×λ／ＮＡ＜Ｄ＜０．７×λ／ＮＡの範囲内で設定されている。その結果、第３Ａ実施例では、図１８（ｂ）に示すフォーカス状態において、位相差線１ｃに対応する線領域において光強度が最も小さく周囲に向かって光強度が急激に増大する逆ピーク状の光強度分布が形成され、図中破線の円Ｈで示すように逆ピークＪの両側のピーク形状は良好に抑えられる。
【００９６】
また、第３Ａ実施例では、デフォーカス状態において、図１９（ａ）に示すような正常光線ｏにより形成される左右非対称な逆ピーク状の光強度分布（図５（ａ）相当）と、図１９（ｂ）に示すような異常光線ｅにより形成される左右非対称な逆ピーク状の光強度分布（図５（ｂ）相当）との合成により、図１９（ｃ）に示すように左右対称な逆ピーク状の光強度分布が形成される。そして、デフォーカス状態においてもフォーカス状態と同様に、図中破線の円で示すように逆ピークの両側のピーク形状は良好に抑えられる。図５（ｃ）に示す線状位相領域を設けない場合のデフォーカス状態の光強度分布ではわずかに残っているピーク形状が、図１９（ｃ）では完全に除去されていることから、本実施例の方が優れていることが確認される。
【００９７】
第３Ｂ実施例では、本発明の第２の手法にしたがって第１実施例の光学変調素子１に複数の孤立位相変調領域を付設して得られる位相変調型の位相シフターを用いている。第３Ｂ実施例の光学変調素子１では、図２０に示すように、位相差線１ｃに平行に並ぶ複数の島状高部又は低部例えば正方形状の孤立位相変調領域１ｈが位相差線１ｃの両側に形成されている。ここで、位相値が０度の矩形状の領域１ａに形成された孤立位相変調領域１ｈの位相値は６０度であり、位相値が６０度の矩形状の領域１ｂに形成された孤立位相変調領域１ｈの位相値は０度である。換言すれば、位相差線１ｃの位相変調量および孤立位相変調領域１ｈの位相変調量はともに６０度である。
【００９８】
また、孤立位相変調領域１ｈの幅寸法（一辺の寸法）および間隔は０．２１μｍおよび０．６３μｍにそれぞれ設定され、複数の孤立位相変調領域１ｈの中心を結ぶ中心線と近傍の位相差線１ｃとの像側換算距離Ｄは第３Ａ実施例の場合と同様に１．０μｍに設定されている。換言すれば、第３Ａ実施例における線状位相変調領域１ｇと第３Ｂ実施例における複数の孤立位相変調領域１ｈとは、位相変調面積が互いにほぼ等しくなるように、ひいては光学的にほぼ等価な効果を有するように設定されている。
【００９９】
その結果、図示を省略したが、第３Ｂ実施例においても第３Ａ実施例と同様に、フォーカス状態およびデフォーカス状態において位相差線１ｃに対応する線領域において光強度が最も小さく周囲に向かって光強度が急激に増大する互いに類似した逆ピーク状の光強度分布が形成され、ピーク状の光強度分布における逆ピークの両側のピーク形状は良好に抑えられる。
【０１００】
以上のように、第３実施例（第３Ａ実施例および第３Ｂ実施例）では、光学変調素子１として位相差線１ｃの近傍に設けられた位相変調領域（１ｇ，１ｈ）を有する位相シフターを用いることにより、逆ピークの両側に発生するピーク形状を抑えた所望の逆ピーク状の光強度分布を被処理基板５上に形成することができる。その結果、第３実施例では、ピーク形状に起因するアブレーションの発生により半導体膜が破壊されることがなくなり、逆ピーク部分から開始した結晶成長がピーク形状部分で停止することなく大粒径の結晶を生成することができる。
【０１０１】
なお、第３Ａ実施例と第３Ｂ実施例とを比較すると、孤立位相変調領域１ｈの最小寸法の方が線状位相変調領域１ｇの最小寸法よりも大きい。したがって、第３Ｂ実施例における位相シフターの方が第３Ａ実施例における位相シフターよりも作製が容易である。すなわち、解像度の低い露光装置やプロセスでも第３Ｂ実施例の実現が可能であり、またプロセスによる寸法変動があっても第３Ｂ実施例の方が相対的な変化率が少ないので光強度分布に及ぼすバラツキが小さいという利点がある。また、孤立位相変調領域１ｈは、図２０では正方形状の形態を有するが、結像光学系４の解像度（〜λ／ＮＡ）に比して十分に小さい寸法を有する任意の形状を適用することができる。
【０１０２】
また、図示を省略したが、第３Ｃ実施例では、本発明の第１の手法にしたがって第１実施例の光学変調素子１に線状の光遮蔽領域を付設して得られる光遮蔽型の位相シフターを用いることができる。すなわち、第３Ｃ実施例の光学変調素子１は、図１８（ａ）に示す線状位相変調領域１ｇが線状光遮蔽領域で置換された構成を有する。さらに、図示を省略したが、第３Ｄ実施例では、本発明の第１の手法にしたがって第１実施例の光学変調素子１に複数の孤立光遮蔽領域を付設して得られる光遮蔽型の位相シフターを用いることもできる。すなわち、第３Ｄ実施例の光学変調素子１は、図２０に示す孤立位相変調領域１ｈが孤立光遮蔽領域で置換された構成を有する。
【０１０３】
第３Ｃ実施例および第３Ｄ実施例では、光学変調素子１として位相差線１ｃの近傍に設けられた光遮蔽領域を有する位相シフターを用いることにより、逆ピークの両側に発生するピーク形状を抑えた所望の逆ピーク状の光強度分布を被処理基板５上に形成することができる。その結果、ピーク形状に起因するアブレーションの発生により半導体膜が破壊されることがなくなり、逆ピーク部分から開始した結晶成長がピーク形状部分で停止することなく大粒径の結晶を生成することができる。
【０１０４】
なお、第３Ｃ実施例と第３Ｄ実施例とを比較すると、孤立光遮蔽領域の最小寸法の方が線状光遮蔽領域の最小寸法よりも大きくなる。したがって、第３Ｄ実施例における孤立光遮蔽領域の方が第３Ｃ実施例における線状光遮蔽領域よりも形成が容易であり、ひいては第３Ｄ実施例における位相シフターの方が第３Ｃ実施例における位相シフターよりも作製が容易である。また、光遮蔽領域の形成に際しては、例えば位相差を形成するための段差を形成した後に、通常のリソグラフィーの方法によりクロムのパターンを形成すればよい。
【０１０５】
［第４実施例］
図２１は、第４実施例の光学変調素子のパターンを示す図である。また、図２２は、図２１に示す光学変調素子における基本パターンを示す図である。図２１を参照すると、第４実施例の光学変調素子１には第１実施例の場合と同様に、位相値が０度の矩形状の領域１ａと位相値が６０度の矩形状の領域１ｂとが一方向に沿って交互に繰り返し形成されている。換言すれば、隣接する２つの位相差線１ｃの間に形成された位相領域（１ａ，１ｂ）は、交互に異なる基準位相値（０度，６０度）を有する。
【０１０６】
そして、各位相領域（１ａ，１ｂ）には、結像光学系４の点像分布範囲の半径よりも光学的に小さい寸法を有し且つ基準位相値と異なる第１位相値を有する第１領域の占有面積率が位置によって変化する位相分布が形成されている。具体的に、位相値が０度の矩形状の領域１ａには、６０度の位相値を有する正方形状の領域１ｉが、その占有面積率が位置によって変化するように形成されている。一方、位相値が６０度の矩形状の領域１ｂには、０度の位相値を有する正方形状の領域１ｊが、その占有面積率が位置によって変化するように形成されている。
【０１０７】
すなわち、隣接する２つの位相領域１ａと１ｂとの間で、基準位相値（０度，６０度）と異なる第１位相値（６０度，０度）を有する第１領域（１ｉ，１ｊ）の位相変調量の絶対値がほぼ等しく且つその符号が異なる。さらに、位相値が０度の矩形状の領域１ａの基本パターンを示す図２２（ａ）を参照すると、光学変調素子１の基本パターンは、結像光学系４の点像分布範囲の半径よりも光学的に小さいサイズの複数のセル（図中矩形状の破線で示す）１ｋを有する。
【０１０８】
各セル１ｋには、０度の位相値（基準位相値）を有する位相領域（図中空白部で示す）１ａと、６０度の位相値（第１位相値）を有する第１領域（図中斜線部で示す）１ｉと、が形成されている。図２２（ａ）に示すように、各セル１ｋ内における第１領域１ｉと位相領域１ａとの占有面積率がセル毎に変化している。さらに具体的には、セル内における位相領域１ａの占有面積比は、図中左側のセルにおいて最も５０％に近く、図中右側のセルにおいて最も１００％に近く、その間において単調に変化している。したがって、位相領域１ａの占有面積比が最も１００％に近い両側位置において最も光強度が大きく、位相領域１ａの占有面積比が最も５０％に近い中央位置において最も光強度が小さい一次元のＶ字型の光強度勾配分布が得られる。
【０１０９】
したがって、位相領域１ａの占有面積比が最も１００％に近い両側位置において最も光強度が大きく、位相領域１ａの占有面積比が最も５０％に近い中央位置において最も光強度が小さい一次元のＶ字型の光強度勾配分布が得られる。同様に、６０度の基準位相値を有する位相領域１ｂにおいても、位相領域１ｂの占有面積比が最も１００％に近い両側位置において最も光強度が大きく、位相領域１ｂの占有面積比が最も５０％に近い中央位置において最も光強度が小さい一次元のＶ字型の光強度勾配分布が得られる。
【０１１０】
すなわち、光束分割素子（複屈折素子）２が介在しない場合には、０度の基準位相値を有する位相領域１ａにおいて位相差線１ｃのピッチ方向と直交する方向であるＢ断面（図２１を参照）に沿って、図２３（ｂ）に示すようなＶ字型の光強度勾配分布が得られる。また、６０度の基準位相値を有する位相領域１ｂにおいて位相差線１ｃのピッチ方向と直交する方向であるＣ断面（図２１を参照）に沿って、図２４（ｂ）に示すようなＶ字型の光強度勾配分布が得られる。
【０１１１】
そして、被処理基板５の表面が結像光学系４に対して上下にデフォーカスすると、図２３（ｂ）に示すＶ字型の光強度勾配分布は、図２３（ａ）および（ｃ）に示すようにデフォーカス方向に依存して非対称に変化する。同様に、被処理基板５の表面が結像光学系４に対して上下にデフォーカスすると、図２４（ｂ）に示すＶ字型の光強度勾配分布も、図２４（ａ）および（ｃ）に示すようにデフォーカス方向に依存して非対称に変化する。
【０１１２】
しかしながら、第４実施例では、光束分割素子２の作用により、フォーカス状態では、図２３（ｂ）に示すＶ字型の光強度勾配分布と図２４（ｂ）に示すＶ字型の光強度勾配分布との合成により、Ｂ断面およびＣ断面に沿って図２５（ｂ）に示すようなＶ字型の光強度勾配分布が得られる。また、上方向へのデフォーカス状態では、図２３（ａ）に示す光強度勾配分布と図２４（ａ）に示す光強度勾配分布との合成により、Ｂ断面およびＣ断面に沿って図２５（ａ）に示すようなＶ字型の光強度勾配分布が得られる。
【０１１３】
さらに、下方向へのデフォーカス状態では、図２３（ｃ）に示す光強度勾配分布と図２４（ｃ）に示す光強度勾配分布との合成により、Ｂ断面およびＣ断面に沿って図２５（ｃ）に示すようなＶ字型の光強度勾配分布が得られる。このように、図２５（ａ）〜（ｃ）を参照すると、第４実施例では、デフォーカスの影響をほとんど受けることなく、Ｂ断面およびＣ断面に沿って所望のＶ字型の光強度勾配分布が安定的に得られる。すなわち、結像光学系４の焦点深度が深くなる。
【０１１４】
また、第４実施例の光学変調素子１では、第１実施例の場合と同様に、位相値が０度の領域１ａと位相値が６０度の領域１ｂとが交互に繰り返し形成されている。したがって、位相段差１ｃのピッチ方向であるＡ断面（図２１を参照）に沿って、第１実施例の場合と同様に所望の逆ピーク状の光強度分布を得ることができる。こうして、第４実施例では、Ｖ字型の光強度勾配分布と逆ピーク状の光強度分布との合成光強度分布、すなわちＶ字型パターン＋逆ピーク状パターンの光強度分布が被処理基板５の表面上に形成される。
【０１１５】
Ｖ字型パターン＋逆ピーク状パターンの光強度分布では、結晶核の形成位置すなわち結晶成長の開始点を、逆ピーク状の光強度分布において光強度の最も小さい位置へ極力近づけることができる。そして、Ｖ字型の光強度勾配分布における光強度の勾配方向に沿って結晶核からの十分なラテラル方向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。
【０１１６】
［第５実施例］
第４実施例では、第１実施例の光学変調素子１に対して、基準位相値（０度，６０度）と異なる第１位相値（６０度，０度）を有する第１領域（１ｉ，１ｊ）を付設している。これに対し、第５実施例では、第２実施例の光学変調素子１に対して、基準位相値と異なる第１位相値を有する正方形状の第１領域を付設している。図２６は、第５実施例の光学変調素子のパターンを示す図である。図２６を参照すると、第５実施例の光学変調素子１には第２実施例の場合と同様に、位相値が０度の領域１ｄと位相値が６０度の領域１ｅとが一方向に沿って交互に繰り返し形成されている。
【０１１７】
そして、位相値が０度の領域１ｄには、６０度の位相値を有する正方形状の領域１ｍが、その占有面積率が位置によって変化するように形成されている。一方、位相値が６０度の領域１ｅには、０度の位相値を有する正方形状の領域１ｎが、その占有面積率が位置によって変化するように形成されている。なお、位相領域１ｄと位相領域１ｅとの間には、位相差線１ｆが第２実施例の場合と同様にジグザグ状に形成されている。
【０１１８】
具体的には、隣接する２つの位相差線１ｆの間隔は、最も大きな正方形状の領域１ｍおよび１ｎが形成されている位置において、第１基準間隔である５μｍになっている。そして、最も大きな正方形状の領域１ｍおよび１ｎが形成されている２つの位置の中間位置において、隣接する２つの位相差線１ｆの間隔は、第１補正間隔である４μｍまたは６μｍになっている。換言すれば、補正量Ｃは、位相領域１ｄまたは位相領域１ｅの占有面積率が５０％に最も近い位置で極小になっている。
【０１１９】
第５実施例では、第４実施例と同様に、Ｘ方向に沿って（第４実施例におけるＢ断面およびＣ断面に対応）Ｖ字型の光強度勾配分布が得られる。このとき、Ｖ字型の光強度勾配分布において最も光強度の小さい位置は、位相領域１ｄまたは位相領域１ｅの占有面積率が５０％に最も近い位置に対応している。一方、第５実施例では、第４実施例とは異なり第２実施例と同様に、図２６中破線の楕円で示す位置に逆ピーク点を有する点逆ピーク状の光強度分布が形成される。
【０１２０】
すなわち、第５実施例では、図２７に示すように、Ｘ方向に沿って一次元的に光強度の勾配を有するＶ字型の光強度勾配分布５ａと、図２６中破線の楕円で示す位置に対応して形成される逆ピーク点５ｂを有する点状の逆ピーク状の光強度分布５ｃとの合成光強度分布、すなわちＶ字型パターン＋点逆ピーク状パターンの光強度分布５ｄが被処理基板５の表面上に形成される。図２７に示すＶ字型パターン＋点逆ピーク状パターンの光強度分布５ｄは、結晶化に対して理想的な光強度分布であり、結晶成長の後半部分で幅方向に対して均一な勾配を実現することができ、ひいては結晶粒の幅を大きくすることができる。
【０１２１】
［第６実施例］
図３１は、第６実施例の光学変調素子のパターンを示す図である。図３１を参照すると、第６実施例の光学変調素子１は、一方向（図中縦方向）に沿って交互に繰り返し形成された２つの領域、すなわち幅が５μｍの位相分布領域１ｐと幅が５μｍの位相均一領域１ｑとを有する。位相分布領域１ｐには、結像光学系４の点像分布範囲の半径よりも光学的に小さい寸法を有し且つ９０度の位相値を有する矩形状の領域（ハッチングを施した部分）１ｒが、その占有面積率が位置によって変化するように形成されている。位相分布領域１ｐにおいて、領域１ｒ以外の領域は０度の位相値を有する。領域１ｒの占有面積率は、０％から約５０％の間で変化している。一方、位相均一領域１ｑは、全体に亘って０度の位相値を有する。そして、位相分布領域１ｐと位相均一領域１ｑとの境界線が実質的に位相段差を形成する。
【０１２２】
第６実施例では、フォーカス状態において、Ａ断面に沿って図３２（ａ）に示すような左右対称な逆ピーク状の光強度分布が形成される。そして、デフォーカス状態においても、Ａ断面に沿って図３２（ｂ）に示すような左右対称な逆ピーク状の光強度分布が形成される。また、フォーカス状態において、Ｂ断面に沿って図３３（ａ）に示すようなＶ字型の光強度勾配分布が得られる。そして、デフォーカス状態においても、Ｂ断面に沿って図３３（ｂ）に示すようなＶ字型の光強度勾配分布が得られる。
【０１２３】
こうして、第６実施例では、第１実施例と同様に、光束分割素子の作用により、Ａ断面に沿って、デフォーカスの影響をほとんど受けることなく左右対称な逆ピーク状の光強度分布を得ることができる。また、第５実施例と同様に、結晶化に対して理想的な光強度分布、すなわちＶ字型パターン＋点逆ピーク状パターンの光強度分布を得ることができる。ただし、第６実施例では、Ｂ断面に沿って得られるＶ字型の光強度勾配分布がある程度デフォーカスの影響を受けることになる。
【０１２４】
［第７実施例］
図３４は、第７実施例の光学変調素子のパターンを示す図である。図３４を参照すると、第７実施例の光学変調素子１は、図２１に示す第４実施例の光学変調素子と同様に、一方向（図中縦方向）に沿って交互に繰り返し形成された２つの位相領域、すなわち幅が５μｍの位相領域１ｓと幅が５μｍの位相領域１ｔとを有する。位相領域１ｓでは、結像光学系４の点像分布範囲の半径よりも光学的に小さい寸法を有し且つ６０度の位相値を有する正方形状の領域１ｕが、その占有面積率が位置によって変化するように形成されている。
【０１２５】
一方、位相領域１ｔでは、結像光学系４の点像分布範囲の半径よりも光学的に小さい寸法を有し且つ−６０度の位相値を有する正方形状の領域１ｖが、その占有面積率が位置によって変化するように形成されている。なお、位相領域１ｓおよび位相領域１ｔにおいて、ハッチングが施された正方形状の領域１ｕおよび１ｖ以外の領域は０度の位相値を有する。また、正方形状の領域１ｕおよび１ｖの占有面積率は、０％から約５０％の間で変化している。そして、位相領域１ｓと位相領域１ｔとの境界線が実質的に位相段差を形成する。
【０１２６】
第７実施例では、フォーカス状態において、Ａ断面に沿って図３５（ａ）に示すような左右対称な逆ピーク状の光強度分布が形成される。そして、デフォーカス状態においても、Ａ断面に沿って図３５（ｂ）に示すような左右対称な逆ピーク状の光強度分布が形成される。また、フォーカス状態において、Ｂ断面に沿って図３６（ａ）に示すようなＶ字型の光強度勾配分布が得られる。そして、デフォーカス状態においても、Ｂ断面に沿って図３６（ｂ）に示すようなＶ字型の光強度勾配分布が得られる。
【０１２７】
こうして、第７実施例では、第１実施例と同様に、光束分割素子の作用により、Ａ断面に沿って、デフォーカスの影響をほとんど受けることなく左右対称な逆ピーク状の光強度分布を得ることができる。また、第４実施例と同様に、光束分割素子の作用により、Ｂ断面に沿って、デフォーカスの影響をほとんど受けることなくＶ字型の光強度勾配分布を得ることができる。さらに、第５実施例と同様に、結晶化に対して理想的な光強度分布、すなわちＶ字型パターン＋点逆ピーク状パターンの光強度分布を得ることができる。
【０１２８】
図２８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２８（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。
【０１２９】
こうして、図２８（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２８（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２８（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２８（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。
【０１３０】
以上の工程において、図２８（ａ）および（ｂ）に示す工程で生成された多結晶半導体膜または単結晶化半導体膜８４の大粒径結晶の位置に合わせて、チャネル９０を形成する。以上の工程により、多結晶トランジスタまたは単結晶化半導体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。
【０１３１】
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。さらに、上記実施形態では、位相差が６０度の光変調素子１の例について説明したが、位相差が実質的に１８０度以外であれば何れの位相差でもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１３２】
【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】第１実施例における光学変調素子の構成および作用を説明する図である。
【図４】各実施例における光束分割素子の構成および作用を説明する図である。
【図５】第１実施例における光学変調素子と光束分割素子との協働作用を説明する図である。
【図６】本実施形態における光束分割素子として使用可能なサバール板の構成および作用を説明する図である。
【図７】本実施形態における光束分割素子として使用可能なサバール板の変形例の構成および作用を説明する図である。
【図８】結像光学系の瞳面またはその近傍に複屈折素子を配置した変形例を示す図である。
【図９】図８に示すウォラストンプリズムの構成および作用を説明する図である。
【図１０】複屈折素子への入射光束の偏光状態を制御するための制御素子を付設した変形例を示す図である。
【図１１】逆ピーク点と片側のピーク形状位置とを重ね合わせることにより逆ピークを実質的に消去したり逆ピークを浅くしたりする手法を説明する図である。
【図１２】第２実施例における光学変調素子の構成および第２実施例で形成される光強度分布を模式的に示す図である。
【図１３】均一円形瞳を有し且つ無収差である結像光学系の点像分布関数ＰＳＦを示す図である。
【図１４】位相段差が１８０度のライン型位相シフターを用いて逆ピーク状の光強度分布を形成したときに逆ピークの両側にピーク形状が発生する様子を説明する図である。
【図１５】ライン型位相シフターの位相値が０度の領域に対応する像の複素振幅分布Ｕ（ｘ）の正確な形状を示す図である。
【図１６】図１４に対応する図であって、本発明によりピーク形状を抑える第１の手法を説明する図である。
【図１７】図１４に対応する図であって、本発明によりピーク形状を抑える第２の手法を説明する図である。
【図１８】第１実施例の光学変調素子に本発明の第２の手法を適用した第３Ａ実施例を示す第１の図である。
【図１９】第１実施例の光学変調素子に本発明の第２の手法を適用した第３Ａ実施例を示す第２の図である。
【図２０】第１実施例の光学変調素子に本発明の第２の手法を適用した第３Ｂ実施例を示す図である。
【図２１】第４実施例の光学変調素子のパターンを示す図である。
【図２２】図２１に示す光学変調素子における基本パターンを示す図である。
【図２３】第４実施例において光束分割素子がない場合にＢ断面に沿って得られる光強度勾配分布を示す図である。
【図２４】第４実施例において光束分割素子がない場合にＣ断面に沿って得られる光強度勾配分布を示す図である。
【図２５】第４実施例においてＢ断面およびＣ断面に沿って得られるＶ字型の光強度勾配分布を示す図である。
【図２６】第５実施例の光学変調素子のパターンを示す図である。
【図２７】第５実施例において形成されるＶ字型の光強度勾配分布と点逆ピーク状の光強度分布との合成光強度分布を示す斜視図である。
【図２８】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２９】位相段差の位相量が１８０度の位相シフターを用いたときに結像光学系を介して形成される逆ピーク状の光強度分布を模式的に示す図である。
【図３０】位相段差の位相量が６０度の位相シフターを用いたときに結像光学系を介して形成される逆ピーク状の光強度分布を模式的に示す図である。
【図３１】第６実施例の光学変調素子のパターンを示す図である。
【図３２】第６実施例においてＡ断面に沿って得られる光強度分布を示す図である。
【図３３】第６実施例においてＢ断面に沿って得られる光強度分布を示す図である。
【図３４】第７実施例の光学変調素子のパターンを示す図である。
【図３５】第７実施例においてＡ断面に沿って得られる光強度分布を示す図である。
【図３６】第７実施例においてＢ断面に沿って得られる光強度分布を示す図である。
【図３７】複屈折素子を光学変調素子と結像光学系との間あるいは結像光学系と被処理基板との間に配置した変形例を示す図である。
【符号の説明】
【０１３３】
１  光学変調素子
２  光束分割素子（複屈折素子）
３  照明系
３ａ  ＫｒＦエキシマレーザ光源
３ｂ  ビームエキスパンダ
３ｃ，３ｅ  フライアイレンズ
３ｄ，３ｆ  コンデンサー光学系
４  結像光学系
４ｃ  開口絞り
５  被処理基板
６  基板ステージ
７  制御素子（１／２波長板）
【図１】
2005244195.tif 000003
【図２】
2005244195.tif 000004
【図３】
2005244195.tif 000005
【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】
2005244195.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2005244195.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2005244195.tif 000017
【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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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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