(57)【要約】【課題】  基板上の所望の位置に所望サイズの半導体結晶粒を極めて再現性良く形成することができ、大量生産方式に好適の結晶化方法および結晶化装置を提供する。【解決手段】  結晶化のための最適条件として結晶化装置が固有に有する種々の装置パラメータを求め、求めた装置パラメータを読み出し可能に記憶・保有しておき、レシピを入力し、入力されたレシピに応じて装置パラメータを読み出し、読み出した装置パラメータにより結晶化装置を制御し、制御された結晶化装置から被処理基板にレーザ光を照射して、非単結晶半導体膜を結晶化させ、さらに結晶粒をラテラル成長させる。【選択図】    図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調レーザ光を非単結晶半導体膜に照射して該非単結晶半導体膜を部分的に溶融させ、その凝固過程で結晶化する結晶粒をラテラル成長させる結晶化方法において、
（ａ）結晶化のための最適条件として結晶化装置が固有に有する種々の装置パラメータを求め、求めた装置パラメータを読み出し可能に記録装置に記憶・保有しておき、
（ｂ）結晶化のためのレシピを入力し、入力されたレシピに応じて前記装置パラメータを読み出し、読み出した装置パラメータにより前記結晶化装置を制御し、
（ｃ）制御された結晶化装置から被処理基板にレーザ光を照射して、前記非単結晶半導体膜を結晶化させ、さらに結晶粒をラテラル成長させることを特徴とする結晶化方法。
【請求項２】
前記工程（ｂ）において、読み出される前記装置パラメータは、光強度分布、照射光のショット数、照射時間、照射タイミング、照射雰囲気の種類と圧力、結像光学系と被処理基板との相対位置情報、被処理基板側の照射領域の面積、被処理基板側の照射領域のＸＹ方向位置、被処理基板側の照射領域のＺ方向位置、被処理基板の温度、および前記非単結晶半導体膜の膜厚を少なくとも含むことを特徴とする請求項１項記載の結晶化方法。
【請求項３】
前記工程（ｂ）において、読み出される前記装置パラメータは、前記非単結晶半導体膜の結晶化のために実験的に求めた最適の光強度分布を含むことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項記載の結晶化方法。
【請求項４】
前記工程（ｂ）において、読み出される前記装置パラメータは、前回の結晶化に使用した光強度分布を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の結晶化方法。
【請求項５】
前記結像光学系と被処理基板との相対位置情報は、位相シフタ面から被処理基板の入射面までの距離ｄ１を含むことを特徴とする請求項２記載の結晶化方法。
【請求項６】
前記結像光学系と被処理基板との相対位置情報は、被処理基板の入射面から二次像面までのずれ量ｄ４を含むことを特徴とする請求項２記載の結晶化方法。
【請求項７】
前記被処理基板側の照射領域のＸＹ方向位置精度を±０．１μｍ以下とすることを特徴とする請求項２記載の結晶化方法。
【請求項８】
前記被処理基板側の照射領域のＺ方向位置精度を±１μｍ以下とすることを特徴とする請求項２記載の結晶化方法。
【請求項９】
前記工程（ｂ）において、前記装置パラメータを表示装置に表示することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の結晶化方法。
【請求項１０】
前記工程（ｂ）において、さらに、使用中のレーザ光強度分布および被処理基板における照射領域を示す平面マップを前記表示装置に表示することを特徴とする請求項９記載の結晶化方法。
【請求項１１】
変調レーザ光を非単結晶半導体膜に照射して該非単結晶半導体膜を部分的に溶融させ、その凝固過程で結晶化する結晶粒をラテラル成長させる結晶化装置であって、
レーザ光源と、
被処理基板を位置合せ可能に支持する基板ステージと、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を減衰させて該レーザ光の光強度レベルを調整するアッテネータと、
前記アッテネータによって光強度レベルが調整されたレーザ光を複数に分割し、これらの分割光を特定のホモジナイズ面において収束させてレーザ光の光強度を均一化するホモジナイザと、
前記ホモジナイザによって均一化されたレーザ光を前記基板ステージ上の被処理基板の像面において結像させる結像光学系と、
前記結像光学系と前記基板ステージとの間に設けられ、レーザ光の位相を変調し、所定の光強度分布を有する変調レーザ光とする位相シフタと、
結晶粒をラテラル成長させる最適の条件に対応する装置パラメータを記憶し保有する記録装置を有し、結晶化のためのレシピに応じて前記装置パラメータを読み出し、読み出した装置パラメータに基づいて少なくとも前記レーザ光源、前記アッテネータおよび前記基板ステージの動作をそれぞれ制御する制御手段と、
を具備することを特徴とする結晶化装置。
【請求項１２】
変調レーザ光を非単結晶半導体膜に照射して該非単結晶半導体膜を部分的に溶融させ、その凝固過程で結晶化する結晶粒をラテラル成長させる結晶化装置であって、
レーザ光源と、
被処理基板を位置合せ可能に支持する基板ステージと、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を減衰させて該レーザ光の光強度レベルを調整するアッテネータと、
前記アッテネータによって光強度レベルが調整されたレーザ光を複数に分割し、これらの分割光を特定のホモジナイズ面において収束させてレーザ光の光強度を均一化するホモジナイザと、
前記ホモジナイザと前記基板ステージとの間に設けられ、前記ホモジナイザによって均一化されたレーザ光の位相を変調し、所定の光強度分布を有する変調レーザ光とする位相シフタと、
前記位相シフタによって変調されたレーザ光を前記基板ステージ上の被処理基板の二次像面において結像させる結像光学系と、
結晶粒をラテラル成長させる最適の条件に対応する装置パラメータを記憶し保有する記録装置を有し、結晶化のためのレシピに応じて前記装置パラメータを読み出し、読み出した装置パラメータに基づいて少なくとも前記レーザ光源、前記アッテネータおよび前記基板ステージの動作をそれぞれ制御する制御手段と、
を具備することを特徴とする結晶化装置。
【請求項１３】
前記記録装置は、前記装置パラメータとして、光強度分布、照射光のショット数、照射時間、照射タイミング、照射雰囲気の種類と圧力、結像光学系と被処理基板との相対位置情報、被処理基板側の照射領域の面積、被処理基板側の照射領域のＸＹ方向位置、被処理基板側の照射領域のＺ方向位置情報又はデータ、被処理基板の温度、および前記非単結晶半導体膜の膜厚を少なくとも保有することを特徴とする請求項１１または１２のいずれか１項記載の結晶化装置。
【請求項１４】
前記記録装置は、前記装置パラメータとして、前記非単結晶半導体膜の結晶化のために実験的に求めた最適の光強度分布を保有することを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項記載の結晶化装置。
【請求項１５】
前記記録装置は、前記装置パラメータとして、前回の結晶化に使用した光強度分布を保有することを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項記載の結晶化装置。
【請求項１６】
前記記録装置は、前記結像光学系と被処理基板との相対位置情報として、位相シフタ面から被処理基板の入射面までの距離ｄ１を保有することを特徴とする請求項１１記載の結晶化装置。
【請求項１７】
前記記録装置は、前記結像光学系と被処理基板との相対位置情報として、被処理基板の入射面から二次像面までのずれ量ｄ４を保有することを特徴とする請求項１２記載の結晶化装置。
【請求項１８】
さらに、前記装置パラメータを表示する表示装置を有することを特徴とする請求項１１乃至１７のいずれか１項記載の結晶化装置。
【請求項１９】
さらに、少なくとも被処理基板の周囲の処理雰囲気を保護するためのチャンバを有することを特徴とする請求項１１乃至１８のいずれか１項記載の結晶化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は多結晶半導体薄膜基板、その製造法、半導体装置、半導体装置の製造方法および電子装置に係わり、特に多結晶膜（多結晶半導体薄膜）の表層部分に電界効果トランジスタを製造する技術および前記電界効果トランジスタを製造するための多結晶半導体薄膜基板ならびに前記電界効果トランジスタを組み込んだ液晶表示装置や情報処理装置等の電子装置の製造技術に適用した有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
アクティブマトリックス型液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置等のような表示装置では、各画素を個別に駆動するために、ガラスやプラスチック等の絶縁基板上に多数の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が形成される。ＴＦＴのソース、ドレイン、チャネル領域に用いられるシリコン膜のうち非晶質シリコン（a-Si）膜は、形成温度が低く、気相法で比較的容易に形成することが可能であり、量産性にも富むため、ＴＦＴに用いる半導体薄膜として一般的に用いられている。しかし、a-Si膜は導電率等の物性が結晶性の多結晶シリコン（poly-Si）膜に比べて劣る（a-Siの移動度はpoly-Siのそれに比べて２桁以上低い）という欠点があるため、今後ＴＦＴの動作速度を高速化するためには、結晶性を有するpoly-Si膜をＴＦＴのソース、ドレイン、チャネル領域とする製造方法を確立する必要がある。
【０００３】
現状ではpoly-Si膜を形成する方法として、例えば非特許文献１に記載されているエキシマレーザアニール（Ｅｘｃｉｍｅｒ  Ｌａｓｅｒ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ；以下、ＥＬＡ法という）が汎用ガラス基板を使用できる温度範囲（室温から５００℃程度まで）で利用されている。ＥＬＡ法は、主に基板上にa-Si膜を所定厚さ（例えば５０ｎｍ程度）に成膜した後、このa-Si膜の微小領域にクリプトン弗素（ＫｒＦ）エキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）やキセノン塩素（ＸｅＣｌ）エキシマレーザ光（波長３０８ｎｍ）などを照射して溶融させ、poly-Si膜に変化させる技術に用いられている。
【０００４】
ところで、poly-Si膜の結晶粒界に存在する欠陥は、ＴＦＴのしきい値電圧Ｖthのばらつきを著しく増大させ、表示装置全体としての動作特性を大幅に低下させる原因となっている。このため、各ＴＦＴには、各チャネル領域での結晶粒界をできるだけ減らすことが要望されている。
【０００５】
一般に、画素部に用いられるＴＦＴは、アクティブマトリックス制御において電荷を保持することが目的で、極端な高移動度は要求されず、むしろ低オフ電流が要求される。オフ電流を低減するには、ドレイン端の電界強度を緩和するために開口率を低下させない程度にＴＦＴのチャネル長を長くするなどの必要がある。
【０００６】
一方、駆動回路や演算回路に用いられるＴＦＴは、高速動作のために高移動度が求められ、オフ電流はあまり問題にならない。このため、特にチャネル長の微細化が高速化に有効なことからＴＦＴのサイズを小さくする必要がある。
【０００７】
このように、画素部に用いられるＴＦＴと、駆動回路や演算回路に用いられるＴＦＴでは、要求される特性やサイズが異なる。
【非特許文献１】表面科学Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．５，ｐｐ２７８−２８７（２０００）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
現在の液晶ディスプレイの表示方式として、個々の画素をスイッチングするアクティブマトリックス方式がある。画素スイッチにおいては、電界効果トランジスタの一種である非晶質シリコン薄膜トランジスタ（a-SiTFT）が主に用いられている。
【０００９】
液晶ディスプレイの技術開発において、（i）高精細化、（ii）高開口率化、（iii）軽量化、（iv）低コスト化などを目指している。これらの性能を実現するために、電界効果トランジスタの一種である多結晶シリコン薄膜トランジスタ（poly-SiTFT）を用いた技術が注目されている。Poly-SiTFTは、a-SiTFTに比べて、移動度が２桁以上高いため、素子サイズを小さくすることができ、また集積回路を形成することもできることから、ディスプレイに駆動回路や演算回路も搭載することが可能である。
【００１０】
ところが、従来の結晶化方法では、一定の結晶性を持った多結晶Ｓｉ薄膜しか形成できず、同一基板内に異なるサイズのＴＦＴを作ると以下のような問題が生じる。
【００１１】
サイズの大きなＴＦＴは、ＴＦＴのチャネル領域での結晶粒界が多くなるため、しきい電圧のバラツキは小さくなるが、動作が遅い。
【００１２】
サイズの小さなＴＦＴは、ＴＦＴのチャネル領域での結晶粒界が少なくなるため、動作は速いが、しきい電圧のバラツキが大きい。
【００１３】
これらのＴＦＴは、同一基板内にすべて同時に形成されなくては内蔵化の経済効果が薄れる。
【００１４】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、基板上の所望の位置に所望サイズの半導体結晶粒を極めて再現性良く形成することができ、大量生産方式に好適の結晶化方法および結晶化装置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】
【００１５】
本発明に係る結晶化方法は、変調レーザ光を非単結晶半導体膜に照射して該非単結晶半導体膜を部分的に溶融させ、その凝固過程で結晶化する結晶粒をラテラル成長させる結晶化方法において、
（ａ）結晶化のための最適条件として結晶化装置が固有に有する種々の装置パラメータを求め、求めた装置パラメータを読み出し可能に記録装置に記憶・保有しておき、
（ｂ）結晶化のためのレシピを入力し、入力されたレシピに応じて前記装置パラメータを読み出し、読み出した装置パラメータにより前記結晶化装置を制御し、
（ｃ）制御された結晶化装置から被処理基板にレーザ光を照射して、前記非単結晶半導体膜を結晶化させ、さらに結晶粒をラテラル成長させることを特徴とする。
【００１６】
工程（ｂ）において、読み出される装置パラメータは、光強度分布、照射光のショット数、照射時間、照射タイミング、照射雰囲気の種類と圧力、結像光学系と被処理基板との相対位置情報、被処理基板側の照射領域の面積、被処理基板側の照射領域のＸＹ方向位置、被処理基板側の照射領域のＺ方向位置情報又はデータ、被処理基板の温度、および前記非単結晶半導体膜の膜厚を少なくとも含むものである。この場合に、読み出される装置パラメータとして、前記非単結晶半導体膜の結晶化のために実験的に求めた最適の光強度分布を含ませることもできるし、また、前回の結晶化に使用した光強度分布を含ませることもできる。前者の場合は同じ装置パラメータデータを繰り返し用いることにより同一品質レベルの結晶化半導体膜を再現性良く形成することができるという利点があり、後者の場合は処理ごとに装置パラメータデータを更新することによりアニール条件を最適のものに近づけることができるという利点がある。
【００１７】
本発明に係るプロキシミティ型エキシマレーザ結晶化装置では、変調レーザ光を非単結晶半導体膜に照射して該非単結晶半導体膜を部分的に溶融させ、その凝固過程で結晶化する結晶粒をラテラル成長させる結晶化装置であって、
レーザ光源と、
被処理基板を位置合せ可能に支持する基板ステージと、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を減衰させて該レーザ光の光強度レベルを調整するアッテネータと、
前記アッテネータによって光強度レベルが調整されたレーザ光を複数に分割し、これらの分割光を特定のホモジナイズ面において収束させてレーザ光の光強度を均一化するホモジナイザと、
前記ホモジナイザによって均一化されたレーザ光を前記基板ステージ上の被処理基板の像面において結像させる結像光学系と、
前記結像光学系と前記基板ステージとの間に設けられ、レーザ光の位相を変調し、所定の光強度分布を有する変調レーザ光とする位相シフタと、
結晶粒をラテラル成長させる最適の条件に対応する装置パラメータを記憶し保有する記録装置を有し、結晶化のためのレシピに応じて前記装置パラメータを読み出し、読み出した装置パラメータに基づいて少なくとも前記レーザ光源、前記アッテネータおよび前記基板ステージの動作をそれぞれ制御する制御手段と、を具備することを特徴とする。
【００１８】
本発明に係るプロジェクション型エキシマレーザ結晶化装置では、変調レーザ光を非単結晶半導体膜に照射して該非単結晶半導体膜を部分的に溶融させ、その凝固過程で結晶化する結晶粒をラテラル成長させる結晶化装置であって、
レーザ光源と、
被処理基板を位置合せ可能に支持する基板ステージと、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を減衰させて該レーザ光の光強度レベルを調整するアッテネータと、
前記アッテネータによって光強度レベルが調整されたレーザ光を複数に分割し、これらの分割光を特定のホモジナイズ面において収束させてレーザ光の光強度を均一化するホモジナイザと、
前記ホモジナイザと前記基板ステージとの間に設けられ、前記ホモジナイザによって均一化されたレーザ光の位相を変調し、所定の光強度分布を有する変調レーザ光とする位相シフタと、
前記位相シフタによって変調されたレーザ光を前記基板ステージ上の被処理基板の二次像面において結像させる結像光学系と、
結晶粒をラテラル成長させる最適の条件に対応する装置パラメータを記憶し保有する記録装置を有し、結晶化のためのレシピに応じて前記装置パラメータを読み出し、読み出した装置パラメータに基づいて少なくとも前記レーザ光源、前記アッテネータおよび前記基板ステージの動作をそれぞれ制御する制御手段と、を具備することを特徴とする。
【００１９】
プロキシミティ型エキシマレーザ結晶化装置の場合、記録装置は、結像光学系と被処理基板との相対位置情報として、位相シフタ面から被処理基板の入射面までの距離ｄ１を保有することができる。
【００２０】
一方、プロジェクション型エキシマレーザ結晶化装置の場合、記録装置は、結像光学系と被処理基板との相対位置情報として、被処理基板の入射面から二次像面までのずれ量ｄ４を保有することができる。プロジェクション型装置では、ずれ量ｄ４を設定すれば、ずれ量ｄ３は一義的に決まるからである。なお、ずれ量ｄ２は通常ゼロに設定した状態で結像光学系を使用するので、装置パラメータから除外することが可能である。
【００２１】
さらに、装置パラメータを表示する表示装置を有することができる。なお、表示装置の画面には、装置パラメータの他に、使用中の光強度分布および照射領域を示す基板の平面マップを図形情報として表示することができる。
【００２２】
さらに、アッテネータとホモジナイザとの間に設けられ、レーザ光のシグマ値を調整する偏光素子を有することができる。この偏光素子は任意のものではあるが、これを設けると、照射領域に対してレーザ光が有効に絞られて像面（又は二次像面）上に鮮明な光強度分布レーザ光を結像させることができる。
【００２３】
さらに、少なくとも被処理基板の周囲の処理雰囲気を保護するためのチャンバを有することができる。このようなチャンバで囲まれた保護雰囲気下において、外部からの影響を受けることなく、所望の結晶化処理を行うことが可能になる。
【００２４】
本明細書において「結晶化」とは、結晶化対象膜が溶融し、この融液が凝固する過程において結晶核を起点として結晶成長することをいう。
【００２５】
本明細書において「ラテラル成長」とは、結晶化対象膜が溶融し、その融液が凝固する過程において、結晶粒の成長が膜面に沿って横方向に進行することをいう。
【００２６】
本明細書中において「レシピ」とは、製造しようとする製品の仕様（設計）に基づいて製品ごとに設定される種々の処理条件のことをいう。
【００２７】
本明細書中において「装置パラメータ」とは、結晶化のためのレシピに応じて結晶化装置が固有に有する結晶化のための最適条件のことをいう。
【００２８】
本明細書中において「光強度分布（ビームプロファイル）」とは、結晶化するために非単結晶半導体膜に入射される光の二次元の強度分布のことをいう。換言すれば、照射光（照明光）の検出面における光の強度（明るさ）分布のことをいう。ビームプロファイルを取得する場合はビームプロファイルを規格化するため、平均のレーザフルエンスは低くてよい。
【００２９】
本明細書中において「レーザフルエンス」とは、ある位置でのレーザ光のエネルギ密度を表わす尺度であり、単位面積当たりのエネルギ量を時間積分したものをいい、具体的には光源または照射領域において計測されるレーザ光の平均強度のことをいう。「平均レーザフルエンス」とは、ある処理面積内で均一化したレーザフルエンスを指す。
【００３０】
本明細書において「アッテネータ」とは、レーザ光の強度を減衰させる光学素子をいう。アッテネータは、被処理基板が焼き付きを生じないようにレーザ光の光強度レベルを調整する機能を有するものである。なお、レーザ光の偏光にはＳ偏光とＰ偏光がある。
【００３１】
本明細書において「ホモジナイザ」とは、入射光を複数に分割し、これら分割光を収束させて、特定の面で光強度を均一化する光学素子のことをいう。また、「ホモジナイズ面」とは、プロジェクション方式においてホモジナイザを通った光が収束する特定の面のことをいう。
【００３２】
本明細書において「位相シフタ」とは、光の位相を変調するための空間強度変調光学素子のことをいい、フォトリソグラフィプロセスの露光工程で使用される位相シフトマスクとは区別されるものである。位相シフタは、例えば石英基材にエッチングにより段差が形成されたものである。
【００３３】
本明細書中において「位相シフタ面」とは、空間強度変調光学素子の光変調部位（位相シフタの段差）のボトムとトップとの中間に位置する面のことをいう。この位相シフタ面は、ホモジナイズ面と一致（完全オーバーラップ）させることが望ましいが、必ずしも一致させなければならないというものではなく、意図的にホモジナイズ面の位置から光軸に沿って所定距離だけシフトさせる場合もありうる。
【００３４】
本明細書中において「像面」とは、結晶化装置の結像光学系を通った光が収束する面をいう。
【００３５】
本明細書中において「一次像面」とは、プロジェクション型結晶化装置の一次結像光学系（ホモジナイザ、コンデンサレンズ、マスク等）を通った光が収束して像を形成する面をいう。この一次像面は、位相シフタ面および／またはホモジナイズ面と一致（完全オーバーラップ）場合は位相シフタ面および／またはホモジナイズ面を指す。また、一次像面を意図的に位相シフタ面および／またはホモジナイズ面の位置から光軸に沿って所定距離だけシフトさせる場合も含む。
【００３６】
本明細書中において「二次像面」とは、プロジェクション型結晶化装置の二次結像光学系（縮小レンズ等）を通った光が収束して像を形成する面をいう。換言すれば、「二次像面」とは、一次像面に形成された像が基板側に転写される面のことをいう。この二次像面は、入射面と一致（完全オーバーラップ）する場合は入射面を指す。また、二次像面を意図的に入射面の位置から光軸に沿って所定距離だけシフトさせる場合も含む。
【００３７】
本明細書において「位相シフタの高さ」とは、プロキシミティ型結晶化装置において、位相シフタ面からステージ上の基板の入射面までの相互間距離（図３のギャップｄ１）のことをいう。
【００３８】
本明細書において「ずれ量ｄ２」とは、プロジェクション型結晶化装置において、ホモジナイズ面から位相シフタ面までの距離のことをいう。ホモジナイズ面が位相シフタ面と一致する場合に、ずれ量ｄ２はゼロになる（図９参照）。
【００３９】
本明細書において「ずれ量ｄ３」とは、プロジェクション型結晶化装置において、位相シフタ面から一次像面までの距離のことをいう。一次像面が位相シフタ面と一致する場合に、ずれ量ｄ３はゼロになる（図９参照）。
【００４０】
本明細書において「ずれ量ｄ４」とは、プロジェクション型結晶化装置において、被処理基板又は波長変換部材の入射面から二次像面までの距離のことをいう。二次像面が入射面と一致する場合に、ずれ量ｄ４はゼロになる（図９参照）。なお、ずれ量ｄ３とずれ量ｄ４は、一次像面上の像と二次像面上の像との縮小比率に正比例するものである。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、装置パラメータを利用することにより高品質の結晶化半導体膜を再現性良く製造することができる。光学系と被処理基板との相対位置合わせ、目標ビームプロファイルに対応するレーザフルエンスの設定、レーザ照射を繰り返すことにより、基板上の目標領域において、膜破壊を生じることなく、所望の大粒径サイズの半導体結晶粒を安定にラテラル成長させることができ、しきい電圧のバラツキが小さく、かつ高速動作する優れたＴＦＴが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００４３】
［第１の実施形態（プロキシミティ方式）］  
次に、本発明の第１の実施形態としてプロキシミティ型レーザ結晶化装置を用いて非晶質半導体膜を結晶化しラテラル成長させる場合について図１〜図４を参照しながら説明する。  
図１に本発明の結晶化方法を実施したプロキシミティ型エキシマレーザ結晶化装置（ＰＸＥＬＡ装置）の全体概要を示す。図２に本発明の結晶化方法を実施した装置のシステム概要を示す。図３にＰＸＥＬＡ装置の光学系と基板アライメント機構のブロック断面を示す。図４に本発明の結晶化方法の一例としてプロキシミティ法でのフローチャートを示す。
【００４４】
レーザ結晶化装置１０Ａは、光源としてのＫｒＦエキシマレーザ発振器１の光軸１０２の始端側にアッテネータ（減衰器）２と偏光素子３を備え、ミラー４を経由して終端側に結像光学系３２、位相シフタ３１Ａおよび基板ステージ７を備えている。位相シフタ３１Ａは基板ステージ７上の被処理基板５の入射面に近接配置されている。
【００４５】
基板ステージ７の上には被処理基板５とビームプロファイラ６とが置換可能に並設されている。ビームプロファイラ６は、その光軸１０２Ａが結像光学系３２のレーザ光軸１０２と平行となるように位置合せされている。ビームプロファイラ６と結像光学系３２との位置合せは、基板ステージ７と図示しないビームプロファイラアライメント機構とを用いてなされる。
【００４６】
また、レーザ結晶化装置１０Ａは制御手段および記録手段としてのコンピュータ８を備えている。図２に示すように、コンピュータ８は、入力インターフェース８ａ、システムバス８ｂ、ＣＰＵ８ｃ、メモリ（記録装置）８ｄおよび出力インターフェース８ｅを有する。
【００４７】
入力インターフェース８ａにはビームプロファイラ６、ハイトセンサ７８および入力装置８０が接続され、出力インターフェース８ｅにはレーザ光源１、アッテネータ２、偏光素子３、位相シフタ用位置合せ機構９０、基板ステージ７、ヒータ電源７７および表示装置８１が接続されている。入力インターフェース８ａおよび出力インターフェース８ｅは、システムバス８ｂを介してＣＰＵ８ｃおよびメモリ８ｄにそれぞれ接続されている。
【００４８】
メモリ８ｄは、キイボード等の入力装置８０から入力される装置パラメータを記憶し、保有するための記録装置である。ＣＰＵ８ｃは、入力装置８０から入力されるレシピに応じて、またビームプロファイラ６およびハイトセンサ７８から直接入力される各検出データに応じてメモリ８ｄから装置パラメータを随時読み出し、演算処理し、所定の指令信号を装置各部に出力インターフェース８ｅを介して送る制御手段である。
【００４９】
表示装置８１は、コンピュータ８から出力されてくる各種データを表示するものであり、その第１表示部８２にはテーブル化された装置パラメータが列記して表示され、第２表示部８３には被処理基板５上のレーザ照射位置を示す基板マップ図形が表示され、第３表示部８４には照射レーザ光のビームプロファイル波形が表示されるようになっている。なお、表示装置８１は、レーザ結晶化装置１０Ａに異常が発生したときに警報を発するアラーム機構を有することが望ましい。アラーム機構は、例えば表示装置８１の画面に赤ランプを点滅させるようにしてもよいし、スピーカから警報音や音声を発するようにしてもよい。
【００５０】
図３に示すように、エキシマレーザ結晶化装置１０Ａは、全体がチャンバ１００で囲われ、その内部が所望の雰囲気に制御されるように図示しないガス供給源、圧力調整機構および真空排気機構が接続されている。チャンバ１００内には、レーザ光源１例えばエキシマレーザのレーザ光軸１０２の始端側にアッテネータ２およびミラー４を配置し、レーザ光軸１０２の終端側に結像光学系３２および位相シフタ３１Ａを配置し、結像光学系３２の焦点位置に被処理基板５を配置している。この結晶化装置１０Ａは所謂プロキシミティ型であり、位相シフタ３１Ａが被処理基板５の入射光側の直前に配置されている。位相シフタ３１Ａは、被処理基板５に所望する処理に適合した光強度分布を形成させる空間強度変調光学素子である。
【００５１】
結像光学系３２は、光源１からの不可視光の光強度分布を被処理基板５に縮小照明させるための光学系である。結像光学系３２は、縮小のみに限らず等倍でも拡大でもよい。結晶化処理における最適の実施形態は縮小照明であり、結晶化処理における最適の実施形態は等倍照明である。
【００５２】
基板ステージ７は、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に移動可能なステージである。この基板ステージ７上には光強度分布を検出するためのビームプロファイラ６と被処理基板５が並設されている。ビームプロファイラ６および被処理基板５は、基板ステージ７と共にＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の各方向にそれぞれ移動され、レーザ光軸１０２に対して位置合わせされるように構成されている。被処理基板５とビームプロファイラ６とは、例えば結晶化処理時と光強度分布検出時とでレーザ光軸１０２上に置き換えられるようになっている。
【００５３】
基板ステージ７は、図３に示すように、３つのサブステージ７１，７２，７３を備えている。すなわち、基板ステージ７は、例えば図示しないＸ方向に移動するリニアガイド上にＸステージ７１が可動に支持され、その上にＹ方向に移動するＹステージ７２が可動に支持され、その上にＺ方向に移動するＺステージ７３が可動に支持されて構成されている。さらに、基板ステージ７には、Ｚ軸まわりにＺステージ駆動機構７３を回転させるθ回転ステージ（図示せず）を任意に追加して設けるようにしてもよい。さらに、基板ステージ７は電源７７に接続されたヒータ７ａを有し、被処理基板５が所定の温度（例えば５００℃）に加熱されるようになっている。ヒータ電源７７はコンピュータ８の出力インターフェース８ｅに接続され、ヒータ７ａへの給電量が制御されるようになっている。なお、本実施形態の装置では抵抗発熱型のヒータ７ａを基板ステージ７の昇降台７６中に埋設している。
【００５４】
Ｚステージ７３の本体上には左右一対のスライダ７４ａ，７４ｂがリニアガイド（図示せず）に沿って摺動案内されるように設けられている。両スライダ７４ａ，７４ｂの対向面は上向きに傾斜している。両スライダ７４ａ，７４ｂ間には昇降台７６が上向き傾斜面に沿って摺動案内されるように設けられている。すなわち、昇降台７６は、両スライダ７４ａ，７４ｂの上向き傾斜面に整合する下向き傾斜面を有している。この昇降台７６の上には蛍光板６１および被処理基板５の両者又はいずれか一方が載置される。
【００５５】
スライダ７４ａ，７４ｂの側部は対応するボールスクリュウ７５ａ，７５ｂの一端にそれぞれ回転自由に連結されている。ボールスクリュウ７５ａ，７５ｂの他端はステッピングモータやサーボモータのような高精度電動機からなる昇降駆動機構９の回転駆動軸に連結されている。半導体レーザとその反射光量を検出するＣＣＤからなるハイトセンサ７８は、昇降台７６の上面の高さ位置を検出するように設けられている。ハイトセンサ７８から高さ位置検出信号がコンピュータ８に送られると、コンピュータ８は昇降駆動機構９の動作を制御してボールスクリュウ７５ａ，７５ｂをそれぞれ回転させ、昇降台７６を上昇または下降させるようになっている。これにより昇降台７６上の被処理基板５と蛍光板６１は結像光学系３２および位相シフタ３１Ａに対して高精度に位置合せされる。
【００５６】
図３に示すように、結像光学系３２は、レーザ光軸１０２に沿って光源側から順次配列されたホモジナイザ３２ａ、第１のコンデンサレンズ３２ｂ、第２のコンデンサレンズ３２ｃ、マスク３２ｄ、テレセントリック型の縮小レンズ３２ｅ、位相シフタ３１Ａを備えている。ホモジナイザ３２ａは、光源１から発振されるレーザ光を分割し、分割光を収束することにより、該レーザ光を均一化する機能を有する。第１のコンデンサレンズ３２ｂは、ホモジナイザ３２ａからの均一化レーザ光を集光し、第２のコンデンサレンズ３２ｃと共役関係に配置される。第２のコンデンサレンズ３２ｃの出射光路にはマスク３２ｄが設けられている。縮小レンズ３２ｅは１／１〜１／２０倍の範囲に像を縮小する機能を有する。この縮小レンズ３２ｅを通過した光は、絶縁性キャップ膜５ｄの表面（被処理基板の入射面３６）から被処理基板５に入射し、像面３７にて収束する。像面３７は、入射面３６と一致させても一致させなくてもよい。通常の場合は、ギャップｄ１を調整することにより像面３７を入射面３６から所望距離シフトさせ、像面３７は入射面３６と不一致である。像面３７／入射面３６間のシフト量は、キャップ膜５ｄの膜厚に応じて最適に調整される。
【００５７】
位相シフタ３１Ａは、基板ステージ７上の被処理基板５に近接配置され、所定の段差３１ａを有し、段差３１ａのところで分割光線群にそれぞれ独立にフレネル回折を起こさせる。これらの回折パターンは基板表面で重畳されるから、基板表面の光強度分布には、位相シフタ３１Ａのパラメータ（ギャップｄ１、位相差θ）だけではなく、位相シフタ３１Ａに入射する光線群の広がり量（ε）や、光線間の干渉性が複雑に関係する。このような位相シフタ３１Ａにおいて光強度が極小となる逆ピークパターンのビームプロファイル（図５参照）を形成し、この逆ピークパターンのビームプロファイルにより被処理基板５上において例えば非晶質半導体膜の一番最初に凝固する領域（結晶核）を位置制御し、そこから結晶を横方向に成長させる（ラテラル成長；膜面に沿った二次元成長）ことにより、大粒径の結晶粒を指定した位置に設ける。このとき、位相シフタ３１Ａの形状、位相シフタ３１Ａの高さ（図３中のギャップｄ１）、およびレーザ光の角度分布などにより、所望の光強度分布（ビームプロファイル）を設定する。なお、コンピュータ８は、ギャップｄ１が読み出した装置パラメータのギャップｄ１値になるように、基板ステージ７を高精度にフィードバック制御する。なお、図中の符合３４は位相シフタ面である。
【００５８】
二次元光強度分布（二次元ビームプロファイル）における逆ピークパターンの幅Ｗは、位相シフタ３１Ａと蛍光板６１（または被処理基板５）との間のギャップｄ１の１／２乗に比例（Ｗ＝ｋ・ｄ1/2；ｋは係数）して拡大する。なお、レーザ光５０の平均光強度（平均レーザフルエンス）は、パワーメータなどを用いて別々に検出する。
【００５９】
ビームプロファイラ６の蛍光板６１は、被処理基板５と同一平面上あるいは平行平面上に設置する。蛍光板６１を平行平面上に設置する場合は、基板ステージ７を昇降させて蛍光板６１を被処理基板５と同じ高さになるようにハイトセンサ７８で検出する。これにより、入射面におけるレーザ光の光強度分布（ビームプロファイル）を実際の照射時と同一条件で検出できるようにするので、蛍光板６１と被処理基板５とは、必ずしも同一平面上になくてもよい。
【００６０】
光強度分布は、拡大光学系の対物レンズにより所望の倍率に拡大されてＣＣＤ６９に結像される。ＣＣＤ６９は光強度に応じた光強度分布信号を撮像データとして出力し、このデータを受け取ったコンピュータ８によってデジタル的（撮像データとして）もしくはアナログ的に（二次元イメージとして）画像信号処理され、この画像処理データが光強度分布波形として表示装置８１画面上の第３の表示部８４に拡大表示される。
【００６１】
アッテネータ２は、誘電体の多層膜コーティングフィルタの角度を調節してレーザ光の光強度（レーザフルエンス）を光学的に変調するものであり、コンピュータ８により動作制御される図示しないセンサ、モータ、制御系を備えている。
【００６２】
図示しない偏光素子がアッテネータ２の直後に設けられている。偏光素子は、レーザ光５０を所定の幅となるようにシグマ値を調整する絞り機能を有する。この偏光素子によってレーザ光５０の偏光角（Ｓ偏光とＰ偏光）が変えられて、後続のホモジナイザ３２ａおよび位相シフタ３１Ａに入射するレーザ光５０が所望の入射幅に調整されるようになっている。
【００６３】
次に、上記のＰＸＥＬＡ装置１０Ａを用いて実際に非晶質シリコン膜を結晶化する場合について図４を参照して説明する。なお、図１乃至図３の説明と重複する部分は説明を省略する。
【００６４】
装置１０Ａの主スイッチをＯＮすると、自動的にコンピュータ８が装置パラメータのデータ読み出しを行い、種々の装置パラメータが一覧表となって表示装置８１の画面上に表示される（工程Ｓ１）。基板ステージ７が被処理基板５を保持した状態で照射位置に進入する（Ｓ２）。このとき被処理基板５の入射面３６を結晶化したい位置に移動させ、光源側のレーザ光軸１０２とアライメントした（工程Ｓ３）。読み出した装置パラメータに含まれる目標ギャップｄ１値に基づいて、コンピュータ８がハイトセンサ７８からの検出信号を用いて基板ステージ７のＺ方向動作を制御して、ギャップｄ１を目標ギャップｄ１値に一致させる（工程Ｓ４）。このとき使用される装置パラメータは、前回使用したときに最適であった装置パラメータであっても良いし、シミュレーションによって理想的と想定される値であってもよい。この工程Ｓ４において、被処理基板５上でのＺ方向の位置精度を±１μｍとした。
【００６５】
次に、読み出した装置パラメータに基づいてアッテネータ２が自動調整される（工程Ｓ５）。すなわち、ビームプロファイラ６で測定した光強度と予め設定した目標の光強度とを比較してアッテネータ操作量を計算し、アッテネータ２に操作信号を出力して測定した強度が目標の強度になるようにフィードバックしながらアッテネータ２の角度を高精度に調整する。
【００６６】
例えば、図５に示すように、光強度の最小値が臨界フルエンスｆｃを超えるビームプロファイルＡ１やＢ１となるように、アッテネータ２を調整する。臨界フルエンスｆｃは、結晶化対象膜である非晶質シリコン膜５ｃを融点以上に加熱することができるフルエンスである。一方、光強度の最小値が臨界フルエンスｆｃを下回るビームプロファイルＡ２やＢ２では、部分的に結晶化されない領域が発生するので、好ましくない。
【００６７】
基板ステージ７はＸ-Ｙ面内で所定間隔ごとにステップ移動して位置を変えることができるようになっているので、被処理基板５の所望の部位を照射位置に位置させることができ、Ｘ−Ｙステップ移動工程Ｓ６と結晶化工程Ｓ７を繰り返すことにより、大面積の非晶質シリコン膜５ｃを結晶化することができる（工程Ｓ６〜Ｓ７）。この様子は表示装置８１の画面上に表示されるので、オペレータは被処理基板５上のどの部位がレーザ照射されているのかをリアルタイムに知ることができる。また、照射中のレーザ光の光強度分布波形も表示装置８１の画面上に表示されるので、オペレータはどのような光強度分布波形の変調レーザが照射されているのかをリアルタイムに知ることができる。なお、工程Ｓ６において、被処理基板５上でのＸ方向とＹ方向の位置精度を±０．１μｍとした。
【００６８】
結晶化工程Ｓ７では、光源となるＫｒＦエキシマレーザ装置１からは波長２４８ｎｍの長尺ビームのレーザ光５０が出射される。レーザ光５０は、先ずアッテネータ２において誘電体の多層膜コーティングフィルタの角度を調節してレーザフルエンスが光学的に変調される。次に図示しない偏光素子によって目標のシグマ値に調整され、所定幅に絞られたレーザ光５０がホモジナイザ３２ａに入射される。次に２組（それぞれｘ方向とｙ方向）の小レンズ対からなるホモジナイザ３２ａによって発散ビームに分割される。なお、１ショットのパルス継続時間は例えば３０ナノ秒である。分割されたビームの各中軸光線は、コンデンサレンズ３２ｂ（凸レンズ＃１）によってマスク３２ｄの中心に集まる。また、それぞれのビームは、僅かに発散型になっているために、マスク３２ｄの開口の全面を照明する。分割された微小出射領域を出た全ての光線群が、それぞれマスク面３２ｄ上の全ての点を照射するので、レーザ出射面上の光強度に面内揺らぎがあっても、マスク面３２ｄの光強度は均一になる。マスク面３２ｄの各領域を通過する光線群の中心光線、すなわちホモジナイザ３２ａの中心部分のレンズ対を通ってきた発散光線群は、マスク面近傍の凸レンズ３２ｃによって平行光線になってから、テレセントリック型の縮小レンズ３２ｅを通って、基板ステージ７上に置かれた被処理基板５に入射する。
【００６９】
前の照射領域が最後であったか否かを判定し（工程Ｓ８）、工程Ｓ８の判定結果がＮＯの場合は、工程Ｓ６〜Ｓ７の動作を繰り返し実施し、被処理基板５の他の領域を次々に結晶化した。このように照射領域をずらしてアニールを繰り返すことにより、大面積を結晶化することができる。工程Ｓ８の判定結果がＹＥＳの場合は、エンドポイントが検出されたものとして、基板ステージ７をホーム位置に戻し、結晶化処理を終了する。
【００７０】
上記実施例では光強度分布の検出、確認工程を、結晶化工程の前に１回実行した例について説明したが、光強度分布の検出と確認は一連の処理の最初に実施し、１枚の被処理基板５の全面を結晶化してもよいし、結晶化領域数箇所毎に１回、数十、数百、数千箇所毎に１回実施してもよい。なお、光強度分布の検出、確認工程は、多ければ多いほど均一な結晶化を実施することができる。これにより再現性の高いレーザ照射を実現でき、非晶質シリコン膜の結晶化を安定して行うことができる。
【００７１】
［第２の実施形態（プロジェクション方式）］  
次に、本発明の第２の実施形態としてプロジェクション型レーザ結晶化装置を用いて非晶質半導体膜を結晶化しラテラル成長させる場合について図６〜図１０を参照しながら説明する。  
図６に本発明の結晶化方法を実施したプロジェクション型エキシマレーザ結晶化装置（ＰＪＥＬＡ装置）の全体概要を示す。
【００７２】
レーザ結晶化装置１０Ｂは、レーザ光源１の側から順に光軸１０２に沿って配置された第１の結像光学系３２Ａ、位相シフタ３１Ｂ、ミラー４および第２の結像光学系３２Ｂを備えている。この装置１０Ｂは、位相シフタ３１Ｂを第１の結像光学系３２Ａと第２の結像光学系３２Ｂとの間に設けた所謂プロジェクション型レーザ結晶化装置であり、エキシマレーザ光５０を第１の結像光学系３２Ａにより均一化し、均一化光を位相シフタ３１Ｂにより光強度変調し、さらに光強度変調光を第２の結像光学系３２Ｂにより所定倍率に縮小して波長変換部材６又は被処理基板５の入射面３６に投影するようになっている。
【００７３】
次に、プロジェクション型レーザ結晶化装置１０Ｂにおける位相シフタ３１Ｂのアライメント機構９０について図７と図８を参照して説明する。  
図７は位相シフタホルダを上方から見て示す平面図である。ホルダ９０は同心配置され互いに連結された外環９１および内環９２を備えている。ホルダ外環９１は、Ｘ駆動機構９３とＹ駆動機構９４とＺ駆動機構９６により可動に支持され、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向にそれぞれ微調整移動されるようになっている。ホルダ内環９２には、図示しない位相シフタ３１Ｂを係止するための複数のストッパを有している。位相シフタ３１Ｂは内環９２のなかに嵌め込まれ、その周縁がストッパにより係止されている。ホルダ内環９２はホルダ外環９１に可動に保持されており、図示しない機構によってＸＹ面内における内環９２の回転角θを微調整することができる。
【００７４】
図８は位相シフタホルダの側面断図である。図示していない機構によって光軸１０２と位相シフタ３１Ｂ面の法線とが成す角度φの調整が可能である。Ｚ駆動機構９６のシリンダロッドの移動量を制御することにより、位相シフタ３１Ｂの像面制御ができる。このようにして位相シフタ３１Ｂは、結像光学系３２の他の部材と高精度に位置合せされる。
【００７５】
次に、図９を参照して光学系について詳しく説明する。  
第１の結像光学系３２Ａは、ホモジナイザ３２ａ、第１コンデンサレンズ３２ｂ、第２コンデンサレンズ３２ｃ、マスク３２ｄを有する。これらの光学部品３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄは上述した装置１０Ａの結像光学系３２の光学部品と実質的に同じものである。
【００７６】
第１及び第２の結像光学系３２Ａ，３２Ｂは、図示しないフレームにそれぞれ固定支持されている。一方、位相シフタ３１Ｂは、上記のアライメント機構９０により可動に支持されている。位相シフタ３１Ｂは、ホモジナイズ面３３と位相シフタ面３４とのずれ量ｄ２が所定値になるように、アライメント機構９０により位置決めされた状態で、マスク３２ｄの開口の近傍に配置されている。ずれ量ｄ２は、ゼロ（ホモジナイズ面３３と位相シフタ面３４との一致（完全オーバーラップ））を標準とする。以後特に明記しない限りこの条件で説明する。また、光の進行方向を正とし、その逆方向を負とする。
【００７７】
第１の結像光学系３２Ａを通過した光は一次像面３５上を通過し、第２の結像光学系３２Ｂに入射する。第２の結像光学系３２Ｂは、テレセントリック型縮小レンズ３２ｅを有し、位相シフタ３１Ｂで光強度変調されたレーザ光の二次元イメージを二次像面３７に結像させる。この二次像面３７は、ずれ量ｄ４だけ入射面３６から光軸１０２方向にシフトしている。ずれ量ｄ４は、基板ステージ７の昇降により所望値に調整される。二次像面３７上の像は一次像面３５上の像が所定の縮小倍率で転写されたものであるので、ずれ量ｄ４はずれ量ｄ３に所定の縮小倍率Ｎの二乗を掛けた値（Ｎ×Ｎ）となる（両者は正比例関係にある）。ずれ量ｄ４がゼロとなる二次像面３７のとき、一次像面３５は位相シフタ面３４と一致（完全オーバーラップ）しているとする（ずれ量ｄ２がゼロ）。例えば、ずれ量ｄ４が＋０．１ｍｍのときの二次像面３７は、ずれ量ｄ２が＋０．１ｍｍ/（Ｎ×Ｎ）ｍｍの位置の一次像面３５に対応する。しかし、これは位相シフタ移動機構９０を固定した状態で、ずれ量ｄ４を変化させることだけで任意の位置の一次像面３５を二次像面３７に投影することができる。なお、ずれ量ｄ４がゼロとなる基板ステージ７の高さ（ｚ値）において、ハイトセンサ７８から得られる信号をゼロとしておく。
【００７８】
基板ステージ７は、ハイトセンサ７８、アライメント機構７１〜７６および昇降機構９を備えている。基板ステージ７は、二次像面３７と波長変換部材６１（又は被処理基板５）の入射面３６とのずれ量ｄ４が所定値になるように、アライメント機構７１〜７６および昇降機構９により位置決めされている。この位置決めはパソコン８がする。すなわち、パソコン８は、ハイトセンサ７８で検出した基板ステージ７の昇降台７６の高さ位置信号を受け取ると、それに基づいてずれ量ｄ４が所定値になるように昇降機構９の動作を制御する。この場合に、ずれ量ｄ４は、ゼロを標準とするが、例えば５〜１００μｍとする場合もある。縮小レンズ３２Ｂを通過した光は、二次像面３７に置かれた被処理基板５上で収束する。
【００７９】
次に、上記のＰＪＥＬＡ装置１０Ｂを用いて実際に非晶質シリコン膜を結晶化する場合について図１０を参照して説明する。なお、図６乃至図９の説明と重複する部分は説明を省略する。  
装置１０Ｂの主スイッチをＯＮすると、自動的にコンピュータ８が装置パラメータのデータ読み出しを行い、種々の装置パラメータが一覧表となって表示装置８１の画面上に表示される（工程Ｋ１）。基板ステージ７が被処理基板５を保持した状態で照射位置（レーザ光軸１０２）に自動的に進入する（Ｋ２）。このとき被処理基板５の入射面３６を結晶化したい位置に移動させ、光源側のレーザ光軸１０２とアライメントした（工程Ｓ３）。読み出した装置パラメータに含まれる目標ずれ量ｄ４値に基づいて、コンピュータ８がハイトセンサ７８からの検出信号を用いて基板ステージ７のＺ方向動作を制御して、ずれ量ｄ４を目標ずれ量ｄ４値に一致させる（工程Ｓ４）。このとき使用される装置パラメータは、前回使用したときに最適であった装置パラメータであっても良いし、シミュレーションによって理想的と想定される値であってもよい。この工程Ｋ４において、被処理基板５上でのＺ方向の位置精度を±１μｍとした。
【００８０】
次に、読み出した装置パラメータに基づいてアッテネータ２が自動調整される（工程Ｋ５）。すなわち、ビームプロファイラ６で測定した光強度と予め設定した目標の光強度とを比較してアッテネータ操作量を計算し、アッテネータ２に操作信号を出力して測定した強度が目標の強度になるようにフィードバックしながらアッテネータ２の角度を高精度に調整する。
【００８１】
基板ステージ７はＸ-Ｙ面内で所定間隔ごとにステップ移動して位置を変えることができるようになっているので、被処理基板５の所望の部位を照射位置に位置させることができ、Ｘ−Ｙステップ移動工程Ｋ６と結晶化工程Ｋ７を繰り返すことにより、大面積の非晶質シリコン膜５ｃを結晶化することができる（工程Ｋ６〜Ｋ７）。この様子は表示装置８１の画面上に表示されるので、オペレータは被処理基板５上のどの部位がレーザ照射されているのかをリアルタイムに知ることができる。また、照射中のレーザ光の光強度分布波形も表示装置８１の画面上に表示されるので、オペレータはどのような光強度分布波形の変調レーザが照射されているのかをリアルタイムに知ることができる。なお、工程Ｋ６において、被処理基板５上でのＸ方向とＹ方向の位置精度を±０．１μｍとした。
【００８２】
前の照射領域が最後であったか否かを判定し（工程Ｋ８）、工程Ｋ８の判定結果がＮＯの場合は、工程Ｋ６〜Ｋ７の動作を繰り返し実施し、被処理基板５の他の領域を次々に結晶化した。このように照射領域をずらして結晶化を繰り返すことにより、大面積を結晶化することができる。工程Ｋ８の判定結果がＹＥＳの場合は、エンドポイントが検出されたものとして、基板ステージ７をホーム位置に戻し、結晶化処理を終了する。
【００８３】
（実証試験結果）  
次に、図１１から図１３までを参照して本発明方法の効果を実証するために各種試料を用いて試験した結果について説明する。
【００８４】
図１１は、ラテラル成長したＳｉ結晶粒（５００℃、大気中、１ショット照射）を示すＳＥＭ像である。図中に用いたビームプロファイルを併記した。基板温度を５００℃とし、大気中において１ショット照射した。使用したビームプロファイルＢＰ１は、ピッチ間隔が１０μｍの三角波形状とした。Ｓｉ結晶膜が安定してラテラル成長しうる平均レーザフルエンスは０．８〜１．０（Ｊ／ｃｍ2）の範囲であった。
【００８５】
図１２は、ラテラル成長したＳｉ結晶粒（室温、大気中、１ショット照射）を示すＳＥＭ像である。図中に用いたビームプロファイルを併記した。基板温度を室温（２３℃）とし、大気中において１ショット照射した。使用したビームプロファイルＢＰ２は、ピッチ間隔を１０μｍとし、谷部が鋭角的で、かつ山部がなだらかな形状とした。Ｓｉ結晶膜が安定してラテラル成長しうる平均レーザフルエンスは０．８〜１．０（Ｊ／ｃｍ2）の範囲であった。
【００８６】
図１３は、ラテラル成長したＳｉ結晶粒（室温、大気中、２ショット照射）を示すＳＥＭ像である。図中に用いたビームプロファイルを併記した。基板温度を室温（２３℃）とし、大気中において２ショット照射した。使用したビームプロファイルＢＰ３は、ピッチ間隔を１０μｍとし、谷部が鋭角的で、かつ山部がなだらかな形状とした。Ｓｉ結晶膜が安定してラテラル成長しうる平均レーザフルエンスは１．０〜１．２（Ｊ／ｃｍ2）の範囲であった。
【００８７】
次に、上記の方法を用いて結晶化・ラテラル成長された組織をもつ薄膜トランジスタの一例について図１４を参照して説明する。
【００８８】
先ず被処理基板５の準備として、図１４（ａ）に示すように、絶縁体基板５ａ（例えばコーニング１７３７ガラス、溶融石英、サファイア、プラスチック、ポリイミドなど）の表面に下地保護膜５ｂ（例えばテトラエチルオルソシリケート（ＴＥＯＳ）とＯ２のプラズマ化学気相成長法によって成膜した膜厚３００ｎｍのＳｉＯ2膜、もしくはＳｉＮ／ＳｉＯ2積層膜、アルミナ、マイカなど）を成膜した。次いで、その上に結晶化対象膜５ｃとして非晶質半導体膜（例えばプラズマ化学気相成長法によって膜厚１００ｎｍの非晶質Ｓｉ、非晶質ＳｉＧｅなど）を成膜した。さらに、その上にキャップ膜５ｄとして、テトラエチルオルソシリケート（ＴＥＯＳ）とＯ2のプラズマ化学気相成長による（例えば膜厚１００ｎｍ）のＳｉＯ2膜を成膜した。次いで、例えば窒素雰囲気で６００℃×１時間の加熱処理することにより薄膜の脱水素処理を行った。
【００８９】
上記ビームプロファイルのレーザ光５０を、図１４（ａ）に示すように被処理基板５に照射すると、非晶質シリコン薄膜５ｃは、局部加熱により５０〜１００ナノ秒の極短時間における溶融凝固の過程を経て、非晶質構造から結晶構造に変換され、大サイズの結晶粒にラテラル成長する。
【００９０】
結晶化後、キャップ膜５ｄをエッチングにより除去し、結晶化領域の特定部位に例えばイオン注入法により所定の不純物元素を注入して、ソース領域２０２およびドレイン領域２０３をそれぞれ形成する。結晶化領域において不純物元素が注入されない部位、すなわちソース領域２０２とドレイン領域２０３との間に挟まれた中間部位がチャネル領域２０１となる。
【００９１】
図１４（ｂ）に示すように、チャネル領域２０１、ソース領域２０２およびドレイン領域２０３の上に例えばプラズマＣＶＤ法によりＳｉＯ2膜からなるゲート絶縁膜２０４を堆積する。さらにゲート絶縁膜２０４の上にゲート電極２０５（例えば高濃度リンドープポリシリコン、Ｗ、ＴｉＷ、ＷＳｉ2、ＭｏＳｉ2）を設ける。ゲート電極２０５をマスクにして、イオン注入を行って、ソース領域２０２およびドレイン領域２０３を形成した。例えばイオン注入は、Ｎ型ＴＦＴであれば、Ｐ+を１０15ｃｍ-2オーダで注入し、Ｐ型ＴＦＴでは、ＢＦ2+を１０15ｃｍ-2オーダで注入した。その後、電気炉内で窒素をキャリアガスとして、５００℃から６００℃で約１時間のアニールを行い不純物の活性化を行った。また、ラピッドサーマルアニーリング（ＲＴＡ）で７００℃、１分間加熱してもよい。最後に、層間絶縁膜２０６を成膜し、コンタクトホールを形成し、例えばメタルＣＶＤ法により各コンタクトホールの中に例えば例えばＡｌ、Ｗ、Ａｌ／ＴｉＮ、Ｃｕなどの金属材料を充填し、ソース電極２０７およびドレイン電極２０８をそれぞれ形成した。表面に堆積した余分な金属膜をエッチングにより除去した。
【００９２】
このようにして、ゲート電極２０５の電圧によって、ソース領域２０２とドレイン領域２０３との間の電流を制御できる薄膜トランジスタ（TFT）２００が得られた。
【００９３】
本発明で作製した複数のＴＦＴ２００の特性測定を行った結果、ＴＦＴ−ＡおよびＴＦＴ−Ｂは、トランジスタサイズが異なるにもかかわらず、同一の性能（電子移動度：２５０ｃｍ2．Ｖ／ｓ）を得ることができた。また、本発明で作製したＴＦＴ２００は、しきい値電圧Ｖthのばらつきが従来品よりも極めて低く抑えられていることを確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明は、液晶表示装置やエレクトロルミネッセンス表示装置のような表示装置の回路に用いられるＴＦＴのチャネル領域となる半導体薄膜を結晶化または不純物を活性化させるためのエキシマレーザアニール技術（ＥＬＡ法）に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の結晶化装置（プロキシミティ型ＥＬＡ装置）の全体概要を示す構成ブロック図。
【図２】本発明の結晶化装置の全体概要を示すシステムブロック図。
【図３】本発明の結晶化装置（プロキシミティ型ＥＬＡ装置）の光学系と基板アライメント機構を示すブロック断面図。
【図４】本発明の結晶化方法の一例（プロキシミティ法）を示すフローチャート。
【図５】装置パラメータとして各種ビームプロファイルを設定する場合について説明する特性線図。
【図６】本発明の結晶化装置（プロジェクション型ＥＬＡ装置）の全体概要を示す構成ブロック図。
【図７】位相シフタの位置決め機構を示す平面図。
【図８】位相シフタの位置決め機構の一部を示す拡大断面図。
【図９】本発明の結晶化装置（プロジェクション型ＥＬＡ装置）の光学系と基板アライメント機構を示すブロック断面図。
【図１０】本発明の結晶化方法の一例（プロジェクション法）を示すフローチャート。
【図１１】ラテラル成長したＳｉ結晶粒（５００℃、大気中、１ショット照射）を示すＳＥＭ像。
【図１２】ラテラル成長したＳｉ結晶粒（室温、大気中、１ショット照射）を示すＳＥＭ像。
【図１３】ラテラル成長したＳｉ結晶粒（室温、大気中、２ショット照射）を示すＳＥＭ像。
【図１４】（ａ）および（ｂ）は本発明を用いて作製される薄膜トランジスタの製造工程を説明するための断面模式図。
【符号の説明】
【００９６】
１…光源、２…アッテネータ（減衰器）
３１Ａ，３１Ｂ…位相シフタ（空間強度変調光学素子）
３２…結像光学系、３２Ａ…第１の結像光学系、３２Ｂ…第２の結像光学系
３２ａ…ホモジナイザ（光強度均一化光学素子）
３２ｂ，３２ｃ…コンデンサレンズ
３２ｄ…マスク、３２ｅ…テレセントリック型縮小レンズ
３３…ホモジナイズ面
３４…位相シフタ面
３５…一次像面（第１の結像光学系の結像面）
３６…波長変換部材又は被処理基板の入射面
３７…二次像面（第２の結像光学系の結像面）
ｄ１…位相シフタ面から入射面までのギャップ
ｄ２…ホモジナイズ面と位相シフタ面とのずれ量
ｄ３…一次像面と入射面とのずれ量
ｄ４…二次像面と入射面とのずれ量
５…被処理基板、５ａ…基板、５ｂ…下地保護膜
５ｃ…非単結晶半導体膜（結晶化対象膜、非晶質シリコン膜）
５ｄ…キャップ膜
５０…レーザ光
６…ビームプロファイラ（光強度分布検出装置）
６１…蛍光板、６２…ミラー、６３…ＣＣＤ、
７…基板ステージ（載置台）、７ａ…ヒータ
７１…Ｘステージ、７２…Ｙステージ、７３…Ｚステージ
７４ａ，７４ｂ…スライダ、７５ａ，７５ｂ…ボールスクリュウ
７６…昇降台
７８…ハイトセンサ（位置検出手段）
８…コンピュータ（制御手段）
８ａ…入力インターフェース、８ｂ…システムバス、８ｃ…ＣＰＵ（制御手段）
８ｄ…メモリ（記録装置）、８ｅ…出力インターフェース
８０…入力装置
８１…表示装置
８２…装置パラメータ表示部（第１表示部）
８３…基板マップ表示部（第２表示部）
８４…ビームプロファイル表示部（第３表示部）
９…昇降機構
９０…アライメント機構（位相シフタ用位置合せ機構）
９１…ホルダ外環、９２…ホルダ内環
９３…Ｘ駆動機構、９４…Ｙ駆動機構
９５…ピボット、９６…Ｚ駆動機構（シリンダ）
１０Ａ，１０Ｂ…レーザ結晶化装置
１００…チャンバ
１０２…レーザ光軸
１０２Ａ…ビームプロファイラ光軸
２００…薄膜トランジスタ
２０１…チャネル領域、２０２…ソース領域、２０３…ドレイン領域
２０４…ゲート絶縁膜、２０５…ゲート電極、２０６…層間絶縁膜
２０７…ソース電極、２０８…ドレイン電極
【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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