(57)【要約】【課題】ライン型位相シフターにより得られる光強度分布を所望のＶ字状形態に調整することにより、結晶核からの十分な長さの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のできる結晶化装置。【解決手段】一次元パターンの位相シフター（１）を照明する照明光学系（２）を備え、位相シフターを介して所定の光強度分布を有する光を半導体膜（４）照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置。照明光学系の射出瞳またはその近傍には長方形状（非円形状）の二次光源（２ｆ）が形成され、位相シフターと二次光源とを光軸（ＡＸ）を中心として光学的に相対回転させるための回転機構（３）を備えている。【選択図】  図１
2005032847.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位相シフターを照明する照明光学系を備え、前記位相シフターを介して所定の光強度分布を有する光を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置であって、
前記照明光学系により形成される二次光源が非円形状であり、
前記位相シフターと前記二次光源とを光軸を中心として光学的に相対回転させるための回転機構を備えていることを特徴とする結晶化装置。
【請求項２】
前記二次光源は前記光軸に関して回転非対称な形状を有することを特徴とする請求項１に記載の結晶化装置。
【請求項３】
前記回転機構は、前記二次光源と前記位相シフターとの間の光路中に配置されて前記光軸廻りに回転可能なダブプリズムを有することを特徴とする請求項１または２に記載の結晶化装置。
【請求項４】
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとは互いにほぼ平行に且つ近接して配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の結晶化装置。
【請求項５】
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとの間の光路中に配置された結像光学系をさらに備え、
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜は、前記位相シフターと光学的に共役な面から前記結像光学系の光軸に沿って所定距離だけ離れて設定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の結晶化装置。
【請求項６】
照明光学系を介して位相シフターを照明し、前記位相シフターを介して所定の光強度分布を有する光を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法であって、
前記照明光学系により形成される二次光源が非円形状であり、
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜において所望の光強度分布を得るために前記位相シフターと前記二次光源とを光軸を中心として光学的に相対回転させることを特徴とする結晶化方法。
【請求項７】
前記二次光源と前記位相シフターとの間の光路中に配置されたダブプリズムを前記光軸廻りに回転させることにより、前記位相シフターと前記二次光源とを相対回転させることを特徴とする請求項６に記載の結晶化方法。
【請求項８】
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとを互いにほぼ平行に且つ近接して配置することを特徴とする請求項６または７に記載の結晶化方法。
【請求項９】
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとの間の光路中に結像光学系を配置し、
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜の表面を前記位相シフターと光学的に共役な面から前記結像光学系の光軸に沿って所定距離だけ離れて設定することを特徴とする請求項６または７に記載の結晶化方法。
【請求項１０】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の結晶化装置あるいは請求項６乃至９のいずれか１項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１１】
結晶化するためのエネルギー光を射出する光源と、
この光源からの光路に設けられた照明光学系と、
この照明光学系の光路に回転可能に設けられた透明体からなる非円形状光学素子と、
この非円形状光学素子の光路に設けられた入射光を位相変調するための位相シフターと、
この位相シフターの光路に設けられた被結晶化処理体とを具備してなることを特徴とする結晶化装置。
【請求項１２】
結晶化するためのエネルギー光を射出する光源と、
この光源からの光路に設けられた照明光学系と、
この照明光学系の光路に設けられた透明体からなる非円形状光学素子と、
この非円形状光学素子の光路に設けられた入射光を位相変調するための位相シフターと、
この位相シフターの光路に設けられた被結晶化処理体と、
前記光学素子を回転させることにより前記位相シフターへの前記エネルギー光の入射角を制御する制御手段とを具備してなることを特徴とする結晶化装置。
【請求項１３】
前記光学素子は、ダブプリズムであることを特徴とする請求項１１または１２に記載の結晶化装置。
【請求項１４】
前記照明光学系は、エネルギー光が前記位相シフターに入射する入射角を均一化する第１のホモジナイザと、エネルギー光が前記位相シフターに入射するエネルギー光の光強度を均一化する第２のホモジナイザとを具備してなることを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の結晶化装置。
【請求項１５】
前記位相シフターは、直線状の段差部を複数有することを特徴とする請求項１１または１２に記載の結晶化装置。
【請求項１６】
結晶化するためのエネルギー光を射出する光源と、
この光源からの光路に設けられた照明光学系と、
この照明光学系の光路に設けられた透明体からなる非円形状光学素子と、
この非円形状光学素子の光路に設けられた入射光を位相変調するための位相シフターと、
この位相シフターの光路に設けられた被結晶化処理体とからなる結晶化装置による結晶化方法であって、
前記光学素子を回転させることにより前記位相シフターへの前記エネルギー光の入射角を制御して結晶化することを特徴とする結晶化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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。
【０００２】
【従来の技術】
従来、たとえば液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ−Ｃｒｙｓｔａｌ−Ｄｉｓｐｌａｙ：ＬＣＤ）の画素に印加する電圧を制御するスイッチング素子などに用いられる薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ）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が、単結晶シリコンに比べると電子または正孔の移動度が低い。また、多結晶シリコンに形成された多数の薄膜トランジスタは、チャネル部における結晶粒界数のバラツキが問題となる。そこで、最近、電子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なくすために、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。
【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ほぼ０の逆ピークパターン（中心において光強度がほぼ０で周囲に向かって光強度が急激に増大するパターン）の光強度分布を発生させ、この逆ピークパターンの光強度分布を有する光を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射する。その結果、光強度分布に応じて溶融領域に温度勾配が生じ、光強度がほぼ０の点に対応して最初に凝固する部分に結晶核が形成され、その結晶核から周囲に向かって結晶が横方向に成長（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、特許文献１には、位相シフトマスク（位相シフター）を介して発生させた逆ピークパターンの光強度分布を有する光を半導体膜に照射して結晶化を行う技術が開示されている。
【０００８】
【非特許文献１】
表面科学Ｖｏｌ．２１，  Ｎｏ．５，  ２０００  ｐｐ．２７８−２８７
【特許文献１】
特開２０００−３０６８５９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術において一般に用いられる位相シフターは、一次元パターンのライン型位相シフターであって、一方向に沿って交互に繰り返される２つの矩形状の領域で構成され、この２つの領域の間には例えば１８０度の位相差が付与されている。ライン型位相シフターを用いた場合、位相シフターの位相シフト線（位相の境界線）に対応する線領域において光強度が最も小さいほぼＶ字状の光強度分布が得られる。
【００１０】
この場合、Ｖ字状の光強度分布において光強度が最も小さい領域またはその近傍が結晶核の形成点すなわち結晶成長開始点になり、この結晶成長開始点からＶ字状の光強度勾配（ひいては温度勾配）の向きに結晶がラテラル成長する。したがって、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粒を充填率の高いアレイ状に生成するには、隣り合う２つのＶ字状の光強度分布が大きく離間することなくほぼ接するように調整する必要がある。
【００１１】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、ライン型位相シフターにより得られる光強度分布を所望のＶ字状形態に調整することにより、結晶核からの十分な長さの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のできる結晶化装置、結晶化方法およびデバイスを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、位相シフターを照明する照明光学系を備え、前記位相シフターを介して所定の光強度分布を有する光を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置であって、
前記照明光学系により形成される二次光源が非円形状であり、
前記位相シフターと前記二次光源とを光軸を中心として光学的に相対回転させるための回転機構を備えていることを特徴とする結晶化装置を提供する。
【００１３】
この構成では、例えば長方形状の二次光源と一次元パターンのライン型位相シフターとを光学的に相対回転させることにより、光量損失することなく位相シフターへの入射光束の最大入射角度を連続的に変化させることができる。したがって、ライン型位相シフターへの入射光束の最大入射角度を適宜変化させて、ライン型位相シフターにより得られる光強度分布を所望のＶ字状形態に調整することができる。その結果、結晶核からの十分な長さの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。
【００１４】
第１形態の好ましい態様によれば、前記二次光源は前記光軸に関して回転非対称な形状を有する。また、前記回転機構は、前記二次光源と前記位相シフターとの間の光路中に配置されて前記光軸廻りに回転可能なダブプリズムを有することが好ましい。この構成により、小型で簡素な構成を有する回転機構を実現することができる。
【００１５】
また、第１形態の好ましい態様によれば、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとの間の光路中に配置された結像光学系をさらに備え、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜は、前記位相シフターと光学的に共役な面から前記結像光学系の光軸に沿って所定距離だけ離れて設定されている。あるいは、照明光学系を介して一次元パターンの位相シフターを照明し、前記位相シフターを介して所定の光強度分布を有する光を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法において、前記照明光学系の射出瞳またはその近傍に非円形状の二次光源を形成し、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜において所望の光強度分布を得るために前記位相シフターと前記二次光源とを光軸を中心として光学的に相対回転させることが好ましい。
【００１６】
本発明の第２形態では、照明光学系を介して位相シフターを照明し、前記位相シフターを介して所定の光強度分布を有する光を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法であって、
前記照明光学系により形成される二次光源が非円形状であり、
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜において所望の光強度分布を得るために前記位相シフターと前記二次光源とを光軸を中心として光学的に相対回転させることを特徴とする結晶化方法を提供する。この場合も結晶化装置の場合と同様に、ライン型位相シフターにより得られる光強度分布を所望のＶ字状形態に調整することができ、ひいては結晶核からの十分な長さの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。
【００１７】
第２形態の好ましい態様によれば、前記二次光源と前記位相シフターとの間の光路中に配置されたダブプリズムを前記光軸廻りに回転させることにより、前記位相シフターと前記二次光源とを相対回転させる。また、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとを互いにほぼ平行に且つ近接して配置することが好ましい。あるいは前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとの間の光路中に結像光学系を配置し、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜の表面を前記位相シフターと光学的に共役な面から前記結像光学系の光軸に沿って所定距離だけ離れて設定することことが好ましい。
【００１８】
本発明の第３形態では、第１形態の結晶化装置または第２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。この場合、結晶核からの十分なラテラル成長を実現して得られた大粒径の結晶化半導体膜に基づいて、良好な半導体デバイスや液晶表示デバイスなどを製造することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
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の装置における照明光学系と位相シフターとの間に設けられる光学系の要部構成を概略的に示す図である。同一部分には、同一符号を付与し、その詳細な説明を省略する。図１を参照すると、本実施形態の結晶化装置は、一次元パターンのライン型位相シフター１を照明するための照明光学系２を備えている。
【００２０】
照明光学系２は、光源として被結晶化処理層例えば非晶質シリコン層が高い光吸収特性を示す波長のエネルギー光、たとえば２４８ｎｍの波長を有する光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源２ａを備えている。なお、光源２ａとしては非晶質シリコン層の光吸収特性の良い波長を出射する例えば、ＸｅＣｌエキシマレーザ光源、ＡｒＦエキシマレーザ光源、ＫｒＦエキシマレーザ光源やＹＡＧレーザ光源のような他の適当な光源を用いることもできる。光源２ａから出射されたレーザ光は、ビームエキスパンダ２ｂを介して拡大された後、第１のフライアイレンズ２ｃに入射する。第１のフライアイレンズ２ｃは、例えば複数の平凸レンズを縦横に且つ稠密に配置することにより構成されている。
【００２１】
こうして、第１のフライアイレンズ２ｃ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のコンデンサー光学系２ｄを介して、第２のフライアイレンズ２ｅの入射面を重畳的に照明する。第２のフライアイレンズ２ｅは、例えば複数の両凸レンズを縦横に且つ稠密に配置することにより構成されている。その結果、第２のフライアイレンズ２ｅの後側焦点面（すなわち照明光学系２の射出瞳またはその近傍）には、第１のフライアイレンズ２ｃの後側焦点面よりも多くの複数の光源からなる二次光源２ｆが形成される。ここで二次光源とは光源自体を一次光源と考えた場合の定義であり、位相シフターから光源方向を見たときの等価的な光源と定義する。典型的な照明学系の場合には、その照明光学系の射出瞳と一致する。
【００２２】
第２のフライアイレンズ２ｅの後側焦点面に形成された二次光源２ｆからの光束は、第２のコンデンサー光学系２ｇを介して、位相シフター１を重畳的に照明する。ここで、第１フライアイレンズ２ｃおよび第１のコンデンサー光学系２ｄは、第１のホモジナイザを構成し、この第１のホモジナイザにより光源２ａから供給されたレーザ光について位相シフター１の位相シフト面上での入射角度に関する均一化が図られる。
【００２３】
また、第２のフライアイレンズ２ｅおよび第２のコンデンサー光学系２ｇは第２の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位相シフター１の位相シフト面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。位相シフター１の位相シフト面は、第２のコンデンサー光学系２ｇの後側焦点面に設定されている。ホモジナイザは、第１のホモジナイザで光強度の均一化を行い、第２のホモジナイザで位相シフター１への入射角度の均一化をしてもよい。
【００２４】
本実施形態では、図２に詳細に示すように、照明光学系２と位相シフター１との間の光路中に、光軸ＡＸ廻りに回転可能なダブプリズム３が配置されている。ダブプリズム３は、透明体からなり台形プリズムまたは像回転プリズムとも呼ばれる光学素子である。こうして、照明光学系２と位相シフター１との間の光路中に配置されて光軸ＡＸ廻りに回転可能な非円形状の光学素子例えばダブプリズム３は、位相シフター１と二次光源２ｆとを光軸ＡＸを中心として光学的に相対回転させるための回転機構を構成している。位相シフター１は、入射レーザ光を位相変調するもので、例えば石英ガラス板をエッチングすることにより矩形状パターンの高低を形成したものである。
【００２５】
位相シフター１を通過したレーザ光は、被処理基板４の表面に所定の光強度分布を形成する。被処理基板４は、たとえば液晶ディスプレイ用板ガラスの上に化学気相成長法（ＣＶＤ）により下地絶縁膜および非晶質シリコン膜、光吸収絶縁膜が順次形成されたものである。被処理基板４は、真空チャックや静電チャックなどにより基板ステージ５上において予め定められた所定の位置に位置決めされて保持されている。
【００２６】
図３は、ライン型位相シフター１を介して被処理基板４の表面上にＶ字状の光強度分布が形成される原理を概念的に説明する図である。また、図４は、ライン型位相シフター１を介して被処理基板４の表面上にアレイ化されたＶ字状の光強度分布が形成される様子を模式的に示す図である。図３を参照すると、０度（光軸ＡＸに平行な方向）と最大入射角度θとの間で様々な入射角度を有する光束がライン型位相シフター１に入射する状態が示されている。この場合、図中破線で示すように、入射角度が０度の光束３１により、位相シフター１から距離ｄだけ間隔を隔てた被処理基板４の表面上には、位相シフター１の位相シフト線１ａに対応する位置を中心とする逆ピークパターン状の光強度分布３２が形成される。
【００２７】
一方、図中実線で示すように、入射角度がθで位相シフターに入射した光束３３により、被処理基板４の表面上には、位相シフト線１ａに対応する位置から位相シフター１のピッチ方向へ距離ｄ×θだけ横移動した位置を中心とする逆ピークパターン状の光強度分布３４が形成される。ここで、光強度分布３２と光強度分布３４とは、互いにほぼ同じ逆ピークパターン状の光強度分布である。したがって、０度と最大入射角度θとの間で様々な入射角度を有する光束に基づいて被処理基板４の表面上に形成される光強度分布は、入射角度が０度の光束３１により得られる逆ピークパターン状の光強度分布３２を距離ｄ×θまでの間で様々な距離だけ横移動した逆ピークパターン状の光強度分布の重ね合わせにより得られる。
【００２８】
こうして、ライン型位相シフター１を介して被処理基板４の表面上には、位相シフター１の位相シフト線１ａに対応する位置において光強度が最も小さく且つ位相シフター１のピッチ方向に対応する方向に沿って光強度が増大するほぼＶ字状の光強度分布３５が形成される。この場合、Ｖ字状の光強度分布３５において光強度が最も小さい領域またはその近傍が結晶核の形成点すなわち結晶成長開始点になり、この結晶成長開始点からＶ字状の光強度勾配（ひいては温度勾配）の向きに結晶がラテラル成長する。
【００２９】
ここで、Ｖ字状の光強度分布３５における光強度の最大値を１に規格化したときの光強度の最小値すなわちα値が重要になる。α値が大きくなり過ぎると、光強度の最小点を結晶成長開始に適した強度にした場合、光強度の勾配を大きくできないので、大きな結晶粒を生成できない。逆に、α値が小さくなり過ぎると、光強度の最小点を結晶成長開始に適した強度にした場合、光強度の最大点ではアブレーションが発生し、結晶膜が破壊されてしまう。また光強度の最大値をアブレーションの発生しない強度に設定した場合には、アモルファス領域が大きくなるので、位相シフト線１ａが一定ピッチで配置されることを考えると、大粒径の結晶を得ることが困難になる。このように、結晶核を確実に生成して大粒径の結晶へ成長させるには、α値を諸条件により定まる最適値に設定する必要がある。
【００３０】
また、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粒を充填率の高いアレイ状に生成するには、図４に示すように、隣り合う２つのＶ字状の光強度分布が大きく離間することなくほぼ接するようにＶ字状の光強度分布をアレイ化する必要がある。α値およびＶ字状の光強度分布のアレイ化を最適化するには、位相シフター１に対する光束の最大入射角θを調整して最適化する必要がある。最大入射角θが最適値よりも小さければ、横移動が小さくなり過ぎて、α値が最適値よりも小さくなる傾向がある。
【００３１】
また、最大入射角θが最適値よりも大きければ、横移動が大きくなり過ぎて、α値が最適値よりも大きくなる傾向がある。さらに、最大入射角θが最適値よりも小さければ、隣り合う２つのＶ字状の光強度分布が離間して、結晶粒を充填率の高いアレイ状に生成することができなくなる傾向がある。このように、位相シフター１に対する光束の最大入射角θを調整して最適化することにより、位相シフター１により得られる光強度分布を所望のＶ字状形態に調整することができる。
【００３２】
なお、位相シフター１に対する光束の最大入射角θを調整するには、たとえば照明光学系２を組み換える方法や、照明光学系２の射出瞳に可変開口絞りを挿入する方法などが考えられる。しかしながら、照明光学系２を組み換える方法は、組み換えるための複雑な機構が必要となり現実的ではない。一方、可変開口絞りを用いる方法は、絞りを通過する際に光量損失が発生し、Ｖ字状の光強度分布における光強度が全体的に低下してしまうという不都合がある。また、照明系にフライアイレンズを用いた場合には、有限個の実質的な面光源により二次光源２ｆが構成されるので、可変開口絞りを用いる方法では光束の最大入射角θを連続的に変化させることができないという不都合もある。
【００３３】
本実施形態では、一次元パターンのライン型位相シフター１を用いているので、光束の入射角度成分のうちＶ字状の光強度分布の形成に影響を及ぼすのは、ライン型位相シフター１の一次元パターンのピッチ方向に沿った入射角度成分のみである。そこで、本実施形態では、照明光学系２の射出瞳５０またはその近傍には長方形状の二次光源２ｆを形成し、位相シフター１と二次光源２ｆとを光軸ＡＸを中心として光学的に相対回転させることにより実効的な最大入射角度θを変化させる手法を採用している。即ち、位相シフター１と照明光学系２の射出瞳５０を光軸ＡＸに関して相対的に回転させることにより、位相シフター１への実効入射角度を変化させる。射出瞳５０は、非円形である。射出瞳５０は、位相シフター１に形成される被照射面である。
【００３４】
図５は、本実施形態における基本的な作用を説明する図である。図５を参照すると、照明光学系２の射出瞳またはその近傍に形成される二次光源２ｆは全体的に長方形状であり、第２フライアイレンズ２ｅの各レンズ要素に対応するように縦横に位置する複数（図５では例示的に３×９＝２７個）の実質的な面光源５１により構成されている。ここで、各面光源５１は、第１フライアイレンズ２ｃのレンズ要素数に対応する数の小さな光源の集合によりそれぞれ構成されている。図５中において、二次光源２ｆは光軸に沿う方向から見た図である。
【００３５】
一方、ライン型位相シフター１は、図５の各図下段に図示されているように一方向（図中水平方向）に沿って交互に繰り返される２つの矩形状の領域すなわちライン部５２およびスペース部５３で構成され、ライン部５２とスペース部５３との間には例えば１８０度の位相差が付与されている。ライン型位相シフター１は、透明体例えば高温において安定な石英ガラスからなりライン部５２及びスペース部５３は、ライン部５２が高く、スペース部５３が低く高低で形成される。高低は、エッチングにより製造できる。矩形状のライン部５２、スペース部５３が一方向に繰り返し配列され、位相シフター１をライン型位相シフター１という。図５（ａ）に示す初期状態では、回転機構としてのダブプリズム３が図２に示す回転位置状態にあるので、位相シフター１と二次光源２ｆとの相対回転角度φが０である。その結果、長方形状の二次光源２ｆの短辺方向と位相シフター１の一次元パターンのピッチ方向とが対応し、位相シフター１への入射光束のピッチ方向に沿った実効的な最大入射角度θは最も小さくなる。
【００３６】
これに対し、図５（ａ）に示す初期状態から、ダブプリズム３を光軸ＡＸ廻りに回転させることにより、位相シフター１と二次光源２ｆとを角度φ１だけ相対回転させた図５（ｂ）に示す回転状態が得られる。図５（ｂ）に示す回転状態での入射角θは、長方形状の二次光源２ｆの短辺方向と位相シフター１のピッチ方向とがもはや対応しなくなり、位相シフター１への入射光束の実効的な最大入射角度θは図５（ａ）に示す初期状態よりも大きくなる。そして、位相シフター１と二次光源２ｆとを９０度だけ相対回転させた回転状態（不図示）では、長方形状の二次光源２ｆの長辺方向と位相シフター１のピッチ方向とが対応することになり、位相シフター１への入射光束の実効的な最大入射角度θが最も大きくなる。これらの回転において、基本的に光の利用効率に変化はない。
【００３７】
このように、本実施形態では、一次元パターンのライン型位相シフター１と長方形状の二次光源２ｆとをダブプリズム３の作用により光学的に相対回転させることにより、光量損失することなく位相シフター１への入射光束の最大入射角度θを連続的に変化させることができる。その結果、本実施形態では、ライン型位相シフター１への入射光束の最大入射角度θを適宜変化させて、ライン型位相シフター１により得られる光強度分布を所望のＶ字状形態に調整することができ、ひいては結晶核からの十分な長さの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。
【００３８】
次に、ダブプリズム３の回転により位相シフター１のパターンと照明光学系２の出射瞳５０（二次光源２ｆ）とが光学的に相対回転する様子を図１１を参照して説明する。図１１は、図２に対応する斜視図である。前述したように、本実施形態では、ダブプリズム３を光軸廻りに回転させることにより、照明光学系２の出射瞳５０を図中破線で示す位置５０ａへ実際に光軸廻りに回転させなくても、また位相シフター１のパターンを実際に光軸廻りに回転させなくても、位相シフター１のパターンと照明光学系２の出射瞳５０（二次光源２ｆ）とを光学的に相対回転させることができる。そして、その結果、ダブプリズム３の回転により位相シフター１のパターンと照明光学系２の出射瞳５０（二次光源２ｆ）とを光学的に相対回転させることにより、光量損失することなく位相シフター１への入射光束の最大入射角度θを連続的に変化させることができる。
【００３９】
図６〜図８は、本実施形態の各数値実施例において被処理基板の表面に形成される光強度分布を模式的に示す図である。縦軸は光強度分布であり、平均値を１．０に規格化している。横軸は位置であり、繰り返しの一周期を抜き出したものである。各数値実施例では、ＫｒＦエキシマレーザ光源２ａから供給されるレーザ光の波長λを０．２４８μｍと想定している。また、ライン型位相シフター１を構成するライン部５２およびスペース部５３のピッチ方向寸法がともに１０μｍであり、ライン部５２とスペース部５３との間に１８０度の位相差が付与されているものと想定している。また、位相シフター１と被処理基板４の表面との間隔ｄを６０μｍと想定している。また、最適なα値を０．４５と想定した。
【００４０】
さらに、二次光源２ｆは縦横に位置する３×９＝２７個の面光源５１により構成され、図５（ａ）の初期状態において隣り合う面光源５１の中心間距離は縦方向においても横方向においても入射角度に換算して０．０１２ｒａｄ（ラジアン）であるものと想定している。図６に示す第１数値実施例では、位相シフター１と二次光源２ｆとの相対回転角度φを３０度に設定している。この場合、ライン型位相シフター１への入射光束の最大入射角度θは、長辺方向に沿う中央の一列の面光源の列で近似されると考えると、０．０１２×４×ｓｉｎ３０°＝０．０２４ｒａｄ≒１．３７６度になる。
【００４１】
図７に示す第２数値実施例では、位相シフター１と二次光源２ｆとの相対回転角度φを５０度に設定している。この場合、ライン型位相シフター１への入射光束の最大入射角度θは、０．０１２×４×ｓｉｎ５０°≒０．０３６８ｒａｄ≒２．１１０度になる。図８に示す第３数値実施例では、位相シフター１と二次光源２ｆとの相対回転角度φを７０度に設定している。この場合、ライン型位相シフター１への入射光束の最大入射角度θは、０．０１２×４×ｓｉｎ７０°≒０．０４５１ｒａｄ≒２．５８５度になる。
【００４２】
図６の第１数値実施例で得られた光強度分布を参照すると、隣り合う２つのＶ字状の光強度分布が大きく離間するような形態になっており、結晶粒を充填率の高いアレイ状に生成することができないことがわかる。かつ、第１数値実施例では、最大入射角θが最適値よりも小さ過ぎるため、α値が約０．２５となって最適値よりも小さくなり、アモルファス領域が大きくなって大粒径の結晶を得ることが困難である。
【００４３】
また、図８の第３数値実施例で得られた光強度分布を参照すると、中央において光強度のうねりが発生して明瞭なＶ字状の光強度分布が得られていないため、結晶核が生成されてもその位置が定まり難く、結晶のラテラル成長も途中で停止し易いことがわかる。かつ、第３数値実施例では、最大入射角θが最適値よりも大き過ぎるため、α値が約０．５５となって最適値よりも大きくなり、アモルファス領域が形成されなくなり、ひいては結晶核が生成されなくなる可能性がある。
【００４４】
これに対し、図７の第２数値実施例で得られた光強度分布を参照すると、隣り合う２つのＶ字状の光強度分布が互いにほぼ接するようなα値が約０．４２の所望のＶ字状形態に調整され、結晶粒を充填率の高いアレイ状に生成することができることがわかる。かつ、第２数値実施例では、最大入射角θがほぼ最適値に設定され、ひいてはα値もほぼ最適値に設定され、所望のＶ字状形態の光強度分布に基づいて、結晶核からの十分な長さの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。
【００４５】
なお、図示を省略したが、各数値実施例に示す相対回転角度φ＝３０度、５０度および７０度以外の様々な相対回転角度φについて数値実施例を試み、相対回転角度φの変化によりα値を連続的に変化させることが可能なことを確認した。また、相対回転角度φの変化により、光強度分布のＶ字状形態を連続的に変化させることが可能なことを確認した。
【００４６】
なお、上述の実施形態では、照明光学系２の射出瞳またはその近傍に長方形状の二次光源２ｆを形成している。しかしながら、これに限定されることなく、光軸に関して回転非対称な形状を有する二次光源を用いて、さらに一般的には非円形状の二次光源を用いて本発明を実施することができる。
【００４７】
また、上述の実施形態では、位相シフター１と二次光源２ｆとを光軸ＡＸを中心として光学的に相対回転させるための回転機構として、照明光学系２と位相シフター１との間の光路中に配置されて光軸ＡＸ廻りに回転可能なダブプリズム３を用いている。しかしながら、ダブプリズムを照明光学系の中に組み込む、すなわち、ダブプリズムと位相シフターの間に光学系を設けることも可能である。ダブプリズムを通過する光束が平行光に近いほど収差が少なくなるので、収差を小さくしたい場合には望ましい。またダブプリズムの代りにミラーやプリズム等を組み合わせて、同等の機能を有する光学系を用いることも可能である。また、ダブプリズム３を用いることなく、たとえば位相シフター１と被処理基板４と基板ステージ５とを光軸ＡＸ廻りに一体的に回転させる回転機構や、照明光学系２を回転させる回転機構を用いることもできる。ただし、これらの場合、回転機構が非常に大型になり且つ複雑になる。
【００４８】
また、上述の実施形態では、位相シフター１と被処理基板（すなわち多結晶半導体膜または非晶質半導体膜）４と互いにほぼ平行に且つ近接して配置し、いわゆるデフォーカス法にしたがう結晶化装置に対して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、位相シフター１と被処理基板４との間に結像光学系を介在させて、いわゆる投影デフォーカス法にしたがう結晶化装置に対して本発明を適用する変形例も可能である。
【００４９】
図９は、図１の実施形態の変形例にかかる結晶化装置の構成を概略的に示す図である。図９の変形例は図１の実施形態と類似の構成を有するが、図９の変形例では位相シフター１と被処理基板４との間の光路中に結像光学系６を備えている点が図１の実施形態と相違している。以下、図１の実施形態との相違点に着目して、図９の変形例を説明する。なお、図９では、図面の明瞭化のために、照明光学系２の内部構成の図示を省略している。
【００５０】
変形例では、図９に示すように、被処理基板４は位相シフター１と光学的に共役な面から光軸ＡＸに沿って所定距離だけ離れて設定されている。なお、結像光学系６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。投影デフォーカス法にしたがう変形例においても、ライン型位相シフター１への入射光束の最大入射角度θを適宜変化させて、ライン型位相シフター１により得られる光強度分布を所望のＶ字状形態に調整することができる。
【００５１】
また、照明光学系として２組のフライアイレンズを用いた光学系を例示したが、一組のフライアイレンズでもよく、全く用いない光学系でも良い。また、本発明で用いる二次光源は実像である必要はなく虚像でも良い。また、実像・虚像に係わりなく明確に結像されたものでなくともよい。例えば、レーザから出る平行光をシリンドリカルレンズで一方向のみ集光した場合は、線状の二次光源が無限遠に存在すると考える。上述の実施形態では、１次元パターンの位相パターンについて説明したが、２次元パターンの位相シフターでも一方向に伸びるライン型位相シフターに対しては同様な効果を得ることができる。要するに、位相シフター１のパターンと二次光源２ｆとを相対的に回転させるために回転可能にタブプリズムを光路に設けた光学系にある。
【００５２】
また、上述の実施形態において、光強度分布は設計の段階でも計算できるが、実際の被処理面での光強度分布を観察して確認しておくことが望ましい。そのためには、被処理基板４の被処理面を光学系で拡大し、ＣＣＤなどの撮像素子で入力すれば良い。使用光が紫外線の場合は、光学系が制約を受けるため、被処理面に蛍光板を設けて可視光に変換しても良い。
【００５３】
図１０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１０（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４を準備する。そして、図１に示す結晶化装置を用いて、非晶質半導体膜８２の表面の一部もしくは全部例えば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。
【００５４】
こうして、図１０（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１０（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１０（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１０（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。
【００５５】
以上の工程において、図１０（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。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、例えば長方形状の二次光源とライン型位相シフターとを光学的に相対回転させることにより、光量損失することなく位相シフターへの入射光束の最大入射角度を連続的に変化させることができる。したがって、ライン型位相シフターへの入射光束の最大入射角度を適宜変化させて、ライン型位相シフターにより得られる光強度分布を所望のＶ字状形態に調整することができる。その結果、本発明では、結晶核からの十分な長さの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。
【図面の簡単な説明】
【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の装置における照明光学系と位相シフターとの間の要部構成を概略的に示す図である。
【図３】ライン型位相シフターを介して被処理基板の表面上にＶ字状の光強度分布が形成される原理を概念的に説明する図である。
【図４】ライン型位相シフターを介して被処理基板の表面上にアレイ化されたＶ字状の光強度分布が形成される様子を模式的に示す図である。
【図５】本実施形態における基本的な作用を説明する図である。
【図６】本実施形態の第１数値実施例において被処理基板の表面に形成される光強度分布を模式的に示す図である。
【図７】本実施形態の第２数値実施例において被処理基板の表面に形成される光強度分布を模式的に示す図である。
【図８】本実施形態の第３数値実施例において被処理基板の表面に形成される光強度分布を模式的に示す図である。
【図９】図１の実施形態の変形例にかかる結晶化装置の構成を概略的に示す図である。
【図１０】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１１】ダブプリズムの回転により位相シフターのパターンと照明光学系の出射瞳（二次光源）とが光学的に相対回転する様子を説明する図である。
【符号の説明】
１  ライン型位相シフター
２  照明光学系
２ａ  ＫｒＦエキシマレーザ光源
２ｂ  ビームエキスパンダ
２ｃ，２ｅ  フライアイレンズ
２ｄ，２ｇ  コンデンサー光学系
２ｆ  二次光源
３  ダブプリズム
４  被処理基板
５  基板ステージ
【図１】
2005032847.tif 000003
【図２】
2005032847.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005032847.tif 000008
【図７】
2005032847.tif 000009
【図８】
2005032847.tif 000010
【図９】
2005032847.tif 000011
【図１０】
2005032847.tif 000012
【図１１】
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