(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、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】  入射光束に基づいて逆ピーク状の光強度分布を形成する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光束に基づいて、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（５）に形成するための結像光学系（４）とを備えている。所定面に設定された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。【選択図】  図１
2005244194.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光束から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、
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ための結像光学系とを備えてなることを特徴とする光照射装置。
【請求項２】
入射光束から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つの光束に分割し、互いに離間した２つの逆ピーク状の光強度分布を得るための光束分割素子と、
この光束分割素子を介した光束に基づいて前記互いに離間した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ための結像光学系とを備えてなることを特徴とする光照射装置。
【請求項３】
入射光束から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、
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ための結像光学系とを備えていることを特徴とする光照射装置。
【請求項４】
入射光束から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偏光状態の異なる２つの光束に分割し、互いに離間した２つの逆ピーク状の光強度分布を得るための光束分割素子と、
この光束分割素子を介した光束に基づいて、前記互いに離間した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ための結像光学系とを備えていることを特徴とする光照射装置。
【請求項５】
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４のいずれか１項に記載の光照射装置。
【請求項６】
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５に記載の光照射装置。
【請求項７】
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５に記載の光照射装置。
【請求項８】
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５に記載の光照射装置。
【請求項９】
前記光束分割素子は、前記光学変調素子と一体化されたたものであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光照射装置。
【請求項１０】
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４のいずれか１項に記載の光照射装置。
【請求項１１】
前記複屈折素子は、結晶光学軸が光軸に対してそれぞれ垂直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１０に記載の光照射装置。
【請求項１２】
前記光学変調素子は、約１８０度の位相差を有することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光照射装置。
【請求項１３】
前記光学変調素子は、所定周期にしたがって配置された約１８０度の位相差線を含むパターンを有し、
前記互いに離間した２つの逆ピーク状の光強度分布の距離は、前記位相差線のピッチの約半分の奇数倍に対応していることを特徴とする請求項１２に記載の光照射装置。
【請求項１４】
前記光学変調素子は、約１８０度の位相差線が１点において３つ以上交わるようなパターンを有し、
前記非干渉性の異なる２つの光束間の前記所定面における距離は、前記位相差線の交点のピッチの約半分の奇数倍に対応してい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】
前記光学変調素子は、３種類以上の位相差領域が１点において接するようなパターンを有し、
前記非干渉性の異なる２つの光束間の前記所定面における距離は、前記位相差領域の接点のピッチの約半分の奇数倍に対応していることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光照射装置。
【請求項１６】
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１５のいずれか１項に記載の光照射装置。
【請求項１７】
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１６に記載の光照射装置。
【請求項１８】
前記光学変調素子は、入射光束に基づいて光強度勾配分布を形成するパターンをさらに有することを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光照射装置。
【請求項１９】
前記光束分割素子による光束の分割方向は、前記光強度勾配分布の勾配方向とほぼ直交していることを特徴とする請求項１８に記載の光照射装置。
【請求項２０】
前記光束分割素子による光束の分割は、光強度が均等な２分割であることを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の光照射装置。
【請求項２１】
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１乃至２０のいずれか１項に記載の光照射装置。
【請求項２２】
請求項１乃至２１のいずれか１項に記載の光照射装置の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設けるための支持台を設けてなることを特徴とする結晶化装置。
【請求項２３】
請求項１乃至２１のいずれか１項に記載の光照射装置を用いて、前記所定面に非単結晶半導体膜を有する被処理基板を設け、前記非単結晶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。
【請求項２４】
請求項２２に記載の結晶化装置または請求項２３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２５】
入射光束から逆ピーク状の光強度分布を形成するための光学変調手段と、
この光学変調手段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手段と、
この光束分割手段を介した光束に基づいて前記互いに離間した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ための結像光学系とを備えてなることを特徴とする光照射装置。
【請求項２６】
入射光束から逆ピーク状の光強度分布を形成するための光学変調手段と、
この光学変調手段を介した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手段と、
この光束分割手段の透過光路に設けられ前記偏光状態の異なる２つの光束を所定面に形成するための結像光学系とを備えていることを特徴とする光照射装置。
【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、およびデバイスに関する。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】
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】
この現象を図１９を参照して説明する。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ことが判った。図１９（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１９１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１９（ａ）および（ｃ）に示すように、ほぼ左右対称であり、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】
１８０度の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、透明基材の屈折率を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、ＸｅＣｌ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を選択したとき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に形成される逆ピーク状の光強度分布は、図２０（ｂ）に示すように、ほぼ左右対称であり、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２０（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、結晶化領域を広くすることができる。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位置での光強度分布は、対称性が大きく崩れ、しかも図２０（ａ）と（ｃ）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）なってしまうとともに、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、この結晶粒を用いて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、トランジスターのチャネル部から結晶粒がずれるため、トランジスターの特性が劣化する課題があった。
【００１５】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、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。結晶粒の充填率とは、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】
【００１６】
前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、入射光束から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、
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ための結像光学系とを備えてなることを特徴とする光照射装置を提供する。
本発明の第２形態では、入射光束から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つの光束に分割し、互いに離間した２つの逆ピーク状の光強度分布を得るための光束分割素子と、
この光束分割素子を介した光束に基づいて前記互いに離間した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ための結像光学系とを備えてなることを特徴とする光照射装置を提供する。
本発明の第３形態では、入射光束から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、
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ための結像光学系とを備えていることを特徴とする光照射装置を提供する。
本発明の第４形態では、入射光束から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偏光状態の異なる２つの光束に分割し、互いに離間した２つの逆ピーク状の光強度分布を得るための光束分割素子と、
この光束分割素子を介した光束に基づいて、前記互いに離間した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ための結像光学系とを備えていることを特徴とする光照射装置を提供する。
【００１７】
本発明の第１形態〜第４形態では、入射光束に基づいて逆ピーク状の光強度分布を形成する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における逆ピーク点の最小光強度はたとえば最大光強度の半分程度になるとともに、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。
【００１８】
第１形態〜第４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。
【００１９】
また、第１形態〜第４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一体化されたたものである。また、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が好ましい。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垂直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。
【００２０】
また、第１形態〜第４形態の好ましい態様によれば、前記光学変調素子１は、約１８０度の位相差を有する。この場合、前記光学変調素子は、所定周期にしたがって配置された約１８０度の位相差線を含むパターンを有し、前記互いに離間した２つの逆ピーク状の光強度分布の距離は、前記位相差線のピッチの約半分の奇数倍に対応していることが好ましい。あるいは、前記光学変調素子は、約１８０度の位相差線が１点において３つ以上交わるようなパターンを有し、前記非干渉性の異なる２つの光束間の前記所定面における距離は、前記位相差線の交点のピッチの約半分の奇数倍に対応していることが好ましい。
【００２１】
また、第１形態〜第４形態の好ましい態様によれば、前記光学変調素子は、３種類以上の位相差領域が１点において接するようなパターンを有し、前記非干渉性の異なる２つの光束間の前記所定面における距離は、前記位相差領域の接点のピッチの約半分の奇数倍に対応している。また、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が好ましい。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。
【００２２】
また、第１形態〜第４形態の好ましい態様によれば、前記光学変調素子は、入射光束に基づいて光強度勾配分布を形成するパターンをさらに有する。この場合、前記光束分割素子による光束の分割方向は、前記光強度勾配分布の勾配方向とほぼ直交していることが好ましい。また、前記光束分割素子による光束の分割は、光強度が均等な２分割であることが好ましい。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。
【００２３】
本発明の第５形態では、第１形態〜第４形態の光照射装置の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設けるための支持台を設けてなることを特徴とする結晶化装置を提供する。
【００２４】
本発明の第６形態では、第１形態〜第４形態の光照射装置を用いて、前記所定面に非単結晶半導体膜を有する被処理基板を設け、前記非単結晶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。
【００２５】
本発明の第７形態では、第５形態の結晶化装置または第６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。
本発明の第８形態では、入射光束から逆ピーク状の光強度分布を形成するための光学変調手段と、
この光学変調手段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手段と、
この光束分割手段を介した光束に基づいて前記互いに離間した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ための結像光学系とを備えてなることを特徴とする光照射装置を提供する。
本発明の第９形態では、入射光束から逆ピーク状の光強度分布を形成するための光学変調手段と、
この光学変調手段を介した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手段と、
この光束分割手段の透過光路に設けられ前記偏光状態の異なる２つの光束を所定面に形成するための結像光学系とを備えていることを特徴とする光照射装置を提供する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、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、且つ半導体膜に形成される結晶粒の充填率を高めることができる。本発明の結晶化装置および結晶化方法では、入射光束に基づいて逆ピーク状の光強度分布を形成する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、実施形態を参照して後述するように、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における逆ピーク点の最小光強度は、たとえば最大光強度の半分程度になる。
【００２７】
また、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。
【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および図２を参照すると、本実施形態の結晶化装置は、入射光束から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、非干渉性の異なる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２Ｅ）とを備えている。
【００２９】
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。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、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
光学変調素子１で位相変調されたレーザ光は、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、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。
【００３３】
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。
【００３４】
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、非単結晶膜例えば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。
【００３５】
図３は、本実施形態における光学変調素子１の構成および作用を説明する図である。本実施形態の光学変調素子１は、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１８０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、１８０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１又は複数所定のピッチで形成されることになる。
【００３６】
したがって、光束分割素子２が介在されない場合、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（段差部）に対応する線領域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）加工により形成することができる。
【００３７】
図４は、本実施形態における非干渉性の異なる２つの光束に分割する光束分割素子２の構成および作用を説明する図である。図４を参照すると、本実施形態の光束分割素子２は、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。
【００３８】
図４に示すように、たとえばランダム偏光状態の光線が光軸と平行に複屈折素子２Ｅに入射すると、図４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（黒丸で表示）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（直線で表示）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章などに詳述されている。
【００３９】
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２Ｅの光軸方向の寸法すなわち厚さに依存する。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２Ｅ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）
【００４０】
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。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２Ｅの厚さｔを求めてみると、波長２４８ｎｍの光に対する水晶の屈折率はｎｅ＝１．６１２，ｎｏ＝１．６０２であるから、複屈折素子２Ｅの厚さｔ＝３６９７μｍとなる。
【００４１】
図５は、本実施形態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、複屈折素子２Ｅが介在しない場合、被処理基板５の表面には、図５（ａ）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ほぼ０で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る。本実施形態では、複屈折素子２Ｅを介して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。
【００４２】
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。このことを考慮し、本実施形態では、図５（ｂ）に示すように、正常光線ｏ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と異常光線ｅ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との距離ｄ１が光学変調素子１の位相差線１ｃのピッチの半分（一般には半ピッチ奇数倍）に対応するように設定している。
【００４３】
したがって、正常光線ｏにより形成される逆ピーク状の光強度分布の逆ピーク部分と異常光線ｅにより形成される逆ピーク状の光強度分布の比較的平らな部分とが重ね合わされ、同様に異常光線ｅにより形成される逆ピーク状の光強度分布の逆ピーク部分と正常光線ｏにより形成される逆ピーク状の光強度分布の比較的平らな部分とが重ね合わされる。その結果、本実施形態では、光学変調素子１と複屈折素子２Ｅとの協働作用により、図５（ｃ）に示すように、光学変調素子１の位相差線１ｃおよびその中間線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逆ピーク状の光強度分布が被処理基板５の表面に形成される。即ち、最小光表示強度は、もう片方の光束の強度分加算され、高い光強度となる。この光強度は、被処理基板５の非単結晶膜の融点近傍に選択できる。
【００４４】
ここで、光学変調素子１および複屈折素子２Ｅを介して被処理基板５の表面に形成される逆ピーク状の光強度分布における逆ピーク点の最小光強度は最大光強度の半分程度である。しかも、図１９を参照して前述したように、１８０度の位相シフターを用いて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。したがって、図５（ｃ）に示すように光学変調素子１および複屈折素子２Ｅを介して被処理基板５の表面に形成される逆ピーク状の光強度分布も同様に、デフォーカスの影響をほとんど受けることがない。
【００４５】
以上のように、本実施形態では、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最大光強度の半分程度である。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、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ない。その結果、本実施形態では、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。
【００４６】
なお、上述の実施形態において、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２１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。
【００４７】
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を一体にしてもよい。
【００４８】
また、上述の実施形態では、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してしまう。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。
【００４９】
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に示すように分割された二つの光束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。
【００５０】
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２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。
【００５１】
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に示すように分割された二つの光束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。
【００５２】
また、上述の実施形態では、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。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。
【００５３】
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。
【００５４】
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、上述の実施形態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素子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、これらの素子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。
【００５５】
また、上述の実施形態では、光学変調素子１として、所定周期にしたがって配置された１８０度の位相差線を含むライン型の位相シフターを用いている。しかしながら、これに限定されることなく、光学変調素子として、３種類以上の位相値領域が１点において接するようなパターンを有する位相シフターを用いることもできる。具体的には、図１０（ａ）に示すように、互いに位相値の異なる４種類の矩形状領域１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄが所定の点１０ｅにおいて互いに隣接する形態を有する光学変調素子１０を用いることもできる。
【００５６】
ここで、光学変調素子１０は、例えば位相値が０度の第１矩形状領域１０ａと、位相値が９０度の第２矩形状領域１０ｂと、位相値が１８０度の第３矩形状領域１０ｃと、位相値が２７０度の第４矩形状領域１０ｄとを有する。そして、点１０ｅにおいて十字状に交差する４つの直線は、第１矩形状領域１０ａと第２矩形状領域１０ｂとの間の境界線、第２矩形状領域１０ｂと第３矩形状領域１０ｃとの間の境界線、第３矩形状領域１０ｃと第４矩形状領域１０ｄとの間の境界線、および第４矩形状領域１０ｄと第１矩形状領域１０ａとの間の境界線に対応するように構成されている。
【００５７】
なお、図示を省略しているが、光学変調素子１０には、図１０（ａ）に示す位相パターンが二次元的に繰り返し形成されている。この場合、点１０ｅだけでなく矩形状領域の各隅角部１０ｆも４種類の位相値領域（１０ａ〜１０ｄ）の接点を構成し、ひいては位相差点（位相シフト点）を構成することになる。その結果、複屈折素子２Ｅ（または２０〜２２）が介在しない場合、図１０（ｂ）に示すように、被処理基板５の表面には、光学変調素子１０の位相差点（１０ｅ，１０ｆ）に対応するスポット領域１０ｇにおいて光強度が最も小さく周辺のすべての方向に向かって急激に光強度が増大する逆ピーク状の光強度分布が得られる。
【００５８】
実際には複屈折素子２Ｅ（または２０〜２２）が介在するので、被処理基板５の表面には矩形状領域の対角方向に沿って互いに離間した２つの逆ピーク状の光強度分布が重ね合わされ、所望の逆ピーク状の光強度分布が形成される。ここで、互いに離間した２つの逆ピーク状の光強度分布の距離は、光学変調素子１０における４種類の位相差領域（１０ａ〜１０ｄ）の接点（１０ｅ，１０ｆ）の、矩形状領域の対角方向に沿ったピッチの半分（一般には半ピッチの奇数倍）に対応するように設定されている。
【００５９】
こうして、光学変調素子１０を用いる変形例の場合、被処理基板５の表面には、図１０（ｃ）に示すように、位相差点（１０ｅ，１０ｆ）に対応するスポット領域１０ｇおよびその中間に位置するスポット領域１０ｈにおいて光強度が最も小さく周辺のすべての方向に向かって急激に光強度が増大する逆ピーク状の光強度分布が得られる。その結果、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。すなわち、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、且つ半導体膜に形成される結晶粒の充填率を高めることができる。
【００６０】
あるいは、光学変調素子として、約１８０度の位相差線が１点において３つ以上交わるようなパターンを有する位相シフターを用いることもできる。具体的には、図１１（ａ）に示すように、例えば位相値が０度の第１矩形状領域１１ａと位相値が１８０度の第２矩形状領域１１ｂとの間に形成される１８０度の位相差線１１ｃが所定の点１１ｄにおいて直交するような光学変調素子１１を用いることもできる。すなわち、光学変調素子１１では、位相値が０度の第１矩形状領域１１ａと位相値が１８０度の第２矩形状領域１１ｂとが、交互に二次元的に形成されている。
【００６１】
なお、図示を省略しているが、光学変調素子１１には、図１１（ａ）に示す位相パターンが二次元的に繰り返し形成されている。この場合、点１１ｄだけでなく矩形状領域の各隅角部１１ｅも位相差点を構成し、十字状の交差線１１ｃだけでなく矩形状領域の各辺１１ｆも位相差線を構成することになる。その結果、複屈折素子２Ｅ（または２０〜２２）が介在しない場合、図１１（ｂ）に示すように、被処理基板５の表面には、光学変調素子１１の位相差点（１１ｄ，１１ｅ）に対応するスポット領域１１ｇおよび光学変調素子１１の位相差線（１１ｃ，１１ｆ）に対応する線領域１１ｈにおいて光強度が最も小さく周辺に向かって急激に光強度が増大する逆ピーク状の光強度分布が得られる。
【００６２】
実際には複屈折素子２Ｅ（または２０〜２２）が介在するので、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が重ね合わされ、所望の逆ピーク状の光強度分布が形成される。ここで、互いに離間した２つの逆ピーク状の光強度分布の距離は、光学変調素子１１における位相差線（１１ｃ，１１ｆ）の交点（１１ｄ，１１ｅ）のピッチの半分（一般には半ピッチの奇数倍）に対応するように設定されている。
【００６３】
こうして、光学変調素子１１を用いる変形例の場合、被処理基板５の表面には、図１１（ｃ）に示すように、位相差点（１１ｄ，１１ｅ）に対応するスポット領域１１ｇおよびその中間に位置するスポット領域１１ｉ、並びに位相差線（１１ｃ，１１ｆ）に対応する線領域１１ｈおよびその中間に位置する線領域１１ｊにおいて光強度が最も小さく周辺に向かって急激に光強度が増大する逆ピーク状の光強度分布が得られる。その結果、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。すなわち、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、且つ半導体膜に形成される結晶粒の充填率を高めることができる。
【００６４】
また、上述の実施形態では、図１２（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１２（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、光束が分割されなくなってしまう。
【００６５】
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等しくならない。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、本実施形態において複屈折素子２Ｅ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。
【００６６】
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１２（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１２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２Ｅ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２Ｅ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、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。また、フレネルロムのような反射型波長板を用いて変換してもよく、また種々の偏光器により特定の成分の偏光のみを取り出して用いてもよい。
【００６７】
また、上述の実施形態では、入射光束に基づいて逆ピーク状の光強度分布を形成するパターンを有する光学変調素子１を用いている。しかしながら、図１３に示すように、逆ピーク状の光強度分布を形成するパターンを有する光学変調素子１に加えて、入射光束に基づいて光強度勾配分布を形成するパターンを有する第２光学変調素子１２を用いることもできる。図１３において、第２光学変調素子１２は光学変調素子１と複屈折素子２Ｅとの間の光路中に配置され、光学変調素子１の位相パターン面と第２光学変調素子１２の位相パターン面とが対向するように配置されている。
【００６８】
光学変調素子１には、図１４（ａ）に示すように、Ｘ方向に直線状に延びる１８０度の位相差線１ｃがＹ方向に所定のピッチで形成されている。また、複屈折素子２Ｅは、入射光束をＹ方向に離間した２つの光束に分割するように設定されている。この場合、図１４（ａ）に示す位相パターンを有する光学変調素子１と複屈折素子２Ｅとの作用により、図１４（ｂ）に示す所望の逆ピーク状の光強度分布が被処理基板５の表面上に形成されるのは上述した通りである。
【００６９】
図１５は、図１３の変形例における第２光学変調素子のパターンを示す図である。また、図１６は、図１５に示す第２光学変調素子における基本パターンを示す図である。図１５（ａ）に示す第２光学変調素子１２のパターンは、図１６（ａ）に示す基本パターンを含んでいる。図１６（ａ）を参照すると、第２光学変調素子１２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）１２ｃを有する。
【００７０】
各セル１２ｃには、たとえば−９０度の位相値（第１の位相値）を有する第１領域（図中斜線部で示す）１２ｂと、たとえば０度の位相値（第２の位相値）を有する第２領域（図中空白部で示す）１２ａとが形成されている。図１６（ａ）に示すように、各セル１２ｃ内における第１領域１２ｂと第２領域１２ａとの占有面積率がセル毎に変化している。換言すれば、位相値が−９０度の第１領域１２ｂと位相値が０度の第２領域１２ａとの占有面積率がＸ方向の位置によって変化する位相分布を有する。さらに具体的には、セル内における第２領域１２ａ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Ｘ方向に沿って単調に変化している。
【００７１】
上述のように、第２光学変調素子１２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位相変調単位（セル）１２ｃに基づく位相分布を有する。したがって、各位相変調単位１２ｃにおける第１領域１２ｂと第２領域１２ａとの占有面積率を、すなわち２つの位相ベクトルの和を適宜変化させることにより、被処理基板５上に形成される光強度分布を解析的に且つ簡単な計算にしたがって自由に制御することが可能である。
【００７２】
具体的には、図１５（ｂ）に示すように、第２領域１２ａ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、第２領域１２ａ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（Ｘ方向に勾配を有する）Ｖ字型の光強度勾配分布が得られる。このように、複屈折素子２Ｅによる光束の分割方向（Ｙ方向）は、光強度勾配分布の勾配方向（Ｘ方向）と直交している。第２光学変調素子１２は、例えば石英ガラス基板に所要の位相段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）加工により形成することができる。
【００７３】
その結果、図１３の変形例では、図１７に示すように、第２光学変調素子１２を介して形成される一次元Ｖ字型の光強度勾配分布５ａと、光学変調素子１と複屈折素子２Ｅとを介して形成される逆ピーク状の光強度分布５ｂ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５ｃが被処理基板５の表面上に形成される。ここで、前述したように、逆ピーク状の光強度分布５ｂにおける逆ピーク点の光強度は０よりも実質的に大きい所定の値を有し、逆ピーク状の光強度分布５ｂはデフォーカスの影響をほとんど受けることがない。
【００７４】
こうして、図１３の変形例においても上述の実施形態の場合と同様に、深い焦点深度に基づいてＶ字型パターン＋逆ピーク状パターンの光強度分布５ｃ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。すなわち、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、且つ半導体膜に形成される結晶粒の充填率を高めることができる。また、Ｖ字型パターン＋逆ピーク状パターンの光強度分布５ｃ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５ｂ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、一次元Ｖ字型の光強度勾配分布５ａにおける光強度の勾配方向（Ｘ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。
【００７５】
なお、図１３の変形例において、結像光学系４によるフォーカスの観点から、光学変調素子１の位相パターン面と第２光学変調素子１２の位相パターン面とができるだけ近接するように配置することが望ましい。また、光学変調素子１の後側に第２光学変調素子１２を配置しているが、これに限定されることなく、第２光学変調素子１２の後側に光学変調素子１を配置することもできる。さらに、光学変調素子１と第２光学変調素子１２とを別々に用いているが、これに限定されることなく、例えば光学変調素子１の位相パターンと第２光学変調素子１２の位相パターンとの位相値を加算してできる合成位相パターンを有する１つの光学変調素子を用いることもできる。
【００７６】
また、図１３の変形例において、光束分割素子２として、１つの平行平面板からなる複屈折素子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、上述の実施形態の場合と同様に、サバール板としての複屈折素子２０や、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や、ウォラストンプリズムとしての複屈折素子２２を用いることもできる。
【００７７】
また、図１３の変形例において、逆ピーク状の光強度分布を形成するパターンを有する光学変調素子として、所定周期にしたがって配置された１８０度の位相差線を含むライン型の位相シフターを用いている。しかしながら、これに限定されることなく、上述の実施形態の場合と同様に、１８０度の位相差線が１点において３つ以上交わるようなパターンを有する位相シフターや、種類以上の位相値領域が１点において接するようなパターンを有する位相シフターなどを用いることもできる。
【００７８】
図１８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１８（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。
【００７９】
こうして、図１８（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１８（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１８（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１８（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。
【００８０】
以上の工程において、図１８（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。
【００８１】
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】
【００８２】
【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】本実施形態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】本実施形態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】本実施形態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】光学変調素子として４種類の位相値領域が１点において接するようなパターンを有する位相シフターを用いた変形例を示す図である。
【図１１】光学変調素子として１８０度の位相差線が１点において４つ交わるようなパターンを有する位相シフターを用いた変形例を示す図である。
【図１２】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１３】入射光束に基づいて光強度勾配分布を形成するパターンを有する第２光学変調素子を付設した変形例を示す図である。
【図１４】図１３の変形例において光学変調素子と複屈折素子との作用により形成される逆ピーク状の光強度分布を示す図である。
【図１５】図１３の変形例における第２光学変調素子のパターンを示す図である。
【図１６】図１５に示す第２光学変調素子における基本パターンを示す図である。
【図１７】図１３の変形例において形成される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を示す斜視図である。
【図１８】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１９】位相差が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２０】位相差が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２１】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】
【００８３】
１，１０〜１２  光学変調素子
２，２０〜２２  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】
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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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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