(57)【要約】【課題】半導体薄膜が溶融して薄膜の所定の領域が結晶化する状態を、リアルタイムでかつ数μｍ以下の高空間分解能及び高時間分解能で観測することを可能にすることである。【解決手段】上記の課題を解決した結晶化装置は、基板に設けられた薄膜に光強度分布を有するパルス状エネルギー光を照射してこの薄膜を溶融し、前記パルス状エネルギー光の照射終了直後から前記光強度分布にしたがって前記薄膜の所定の領域において結晶粒を横方向に成長させて結晶化させる結晶化用光学系を具備する結晶化装置であって、前記エネルギー光の光路外に配置され、前記薄膜上の前記エネルギー光照射領域を照明する観察用照明光を射出する照明光源と、前記エネルギー光の光路が中央部にあり、この光路に沿って前記照明光源からの照明光を前記薄膜に導く環状光学素子を含む照明光学系と、前記薄膜を含む基板を透過した照明光を拡大して、前記パルス状エネルギー光の照射終了後に前記所定の領域において結晶粒が横方向に成長する過程を観測する観察光学系とを具備する。【選択図】      図１
2005236253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に設けられた薄膜に光強度分布を有するパルス状エネルギー光を照射してこの薄膜を溶融し、前記パルス状エネルギー光の照射終了直後から前記光強度分布にしたがって前記薄膜の所定の領域において結晶粒を横方向に成長させて結晶化させる結晶化用光学系を具備する結晶化装置であって、
前記エネルギー光の光路外に配置され、前記薄膜上の前記エネルギー光照射領域を照明する観察用照明光を射出する照明光源と、
前記エネルギー光の光路が中央部にあり、この光路に沿って前記照明光源からの照明光を前記薄膜に導く環状光学素子を含む照明光学系と、
前記薄膜を含む基板を透過した照明光を拡大して、前記パルス状エネルギー光の照射終了後に前記所定の領域において結晶粒が横方向に成長する過程を観測する観察光学系と
を具備することを特徴とする結晶化装置。
【請求項２】
基板に設けられた薄膜に光強度分布を有するパルス状エネルギー光を照射してこの薄膜を溶融し、前記パルス状エネルギー光の照射終了直後から前記光強度分布にしたがって前記薄膜の所定の領域を結晶化させて固液界面を横方向に移動させる結晶化用光学系を具備する結晶化装置であって、
前記エネルギー光の光路外に配置され、前記薄膜上の前記エネルギー光照射領域を照明する観察用の照明光を射出する照明光源と、
前記エネルギー光の光路が中央部にあり、この光路に沿って前記照明光源からの照明光を前記薄膜に導く環状光学素子を含む照明光学系と、
前記薄膜を含む基板を透過した照明光を拡大して前記所定の領域において前記固液界面が横方向に移動する過程を観測する観察光学系と
を具備することを特徴とする結晶化装置。
【請求項３】
前記環状光学素子は、前記エネルギー光の光路の周囲に設けられ、前記照明光源からの照明光を前記薄膜へと反射して導く環状リフレクタと１枚の光学レンズとからなることを特徴とする、請求項１若しくは２に記載の結晶化装置。
【請求項４】
前記環状光学素子は、前記エネルギー光の光路の周囲に設けられ、前記照明光源からの照明光を前記薄膜へと反射して導く環状凹面鏡からなることを特徴とする、請求項１若しくは２に記載の結晶化装置。
【請求項５】
前記エネルギー光は、パルス状エキシマレーザー光であって、前記結晶化用光学系は、このレーザー光を均一化するホモジナイザと、均一化されたこのレーザー光を所定の光強度分布を有する光に位相変調させる位相変調素子とを具備し、この位相変調素子を透過した前記レーザー光は、前記薄膜を照射してこの照射部を溶融し、前記レーザー光照射終了後に前記所定の領域において前記固液界面が横方向に移動することを特徴とする、請求項２ないし４のいずれか１に記載の結晶化装置。
【請求項６】
前記観察光学系は、
前記所定の領域を含む前記薄膜の像を拡大して光電面上に結像するレンズと、
前記光電面で発生した電子を増倍させて蛍光面に入射させて蛍光像とする光検出器と、
前記蛍光面の像を撮像する撮像素子を備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１に記載の結晶化装置。
【請求項７】
前記観察光学系により検出された画像を処理する画像処理ユニットと、
前記画像処理ユニットにより処理された前記画像から得られた前記基板の位置データに基づき、前記基板の位置を調整する機能を有するステージ駆動部とを
さらに具備する、請求項１ないし６のいずれか１に記載の結晶化装置。
【請求項８】
前記撮像素子は、冷却ＣＣＤ撮像素子であることを特徴とする、請求項６に記載の結晶化装置。
【請求項９】
前記薄膜は、非晶質シリコン膜若しくは多結晶シリコン膜であることを特徴とする、請求項１ないし８のいずれか１に記載の結晶化装置。
【請求項１０】
前記基板は、透明のガラス基板であり、前記薄膜は、このガラス基板上に形成された非晶質シリコン膜若しくは多結晶シリコン膜であることを特徴とする、請求項１ないし９のいずれか１に記載の結晶化装置。
【請求項１１】
光強度分布を有するパルス状エネルギー光を射出する工程と、
前記パルス状エネルギー光を基板に設けられた薄膜に照射してこの薄膜を溶融し、前記パルス状エネルギー光の照射終了直後から前記光強度分布にしたがって前記薄膜の所定の領域において結晶粒が横方向に成長して結晶化する工程と、
前記エネルギー光の光路に同軸的に設けられこのエネルギー光を通過させる環状光学素子を介して、前記光路に沿って前記エネルギー光の照射個所を観察用環状照明光で照明する工程と、
前記薄膜を透過した観察用照明光を拡大して前記結晶粒が横方向に成長する過程を検出する工程と、
前記検出した過程を電子データに変換する工程と、
前記電子データを表示する工程と
を具備することを特徴とする結晶化方法。
【請求項１２】
光強度分布を有するパルス状エネルギー光を射出する工程と、
前記パルス状エネルギー光を基板に設けられた薄膜に照射してこの薄膜を溶融し、前記パルス状エネルギー光の照射終了直後から前記光強度分布にしたがって前記薄膜の所定の領域において固液界面が横方向に移動して結晶化する工程と、
前記エネルギー光の光路に同軸的に設けられこのエネルギー光を通過させる環状光学素子を介して、前記光路に沿って前記エネルギー光の照射個所を観察用環状照明光で照明する工程と、
前記薄膜を透過した観察用照明光を拡大して前記固液界面が横方向に移動する過程を検出する工程と、
前記検出した過程を電子データに変換する工程と、
前記電子データを表示する工程と
を具備することを特徴とする結晶化方法。
【請求項１３】
前記エネルギー光の前記薄膜への照射及び前記観察用照明光の前記薄膜への照射は、同時に又は前記エネルギー光の前記薄膜への照射後に前記観察用照明光を照射することを特徴とする請求項１１若しくは１２に記載の結晶化方法。
【請求項１４】
前記電子データに変換する工程は、
前記所定の領域を含む前記薄膜の像を撮像する工程と、
前記撮像した前記薄膜の画像データを画像処理する工程と、
前記画像処理の結果に基づき、前記基板の位置データを算出する工程と、
前記位置データに基づき、前記基板の位置を調整する工程と
をさらに具備する、請求項１１ないし１３のいずれか１に記載の結晶化方法。
【請求項１５】
前記基板は、透明のガラス基板であり、前記薄膜は、このガラス基板上に形成された非晶質シリコン膜若しくは多結晶シリコン膜であることを特徴とする、請求項１１ないし１４のいずれか１に記載の結晶化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶化装置及び結晶化方法に係り、特に、薄膜が溶融して結晶化する状態をリアルタイムで観測、監視することができる結晶化装置及び結晶化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー線、例えば、短パルス状レーザー光のような大エネルギーのレーザー光を用いて、非単結晶半導体薄膜を溶融して結晶化する結晶化技術は、例えば、液晶表示装置や有機エレクトロルミネッセンス表示装置等に用いられる薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor : ＴＦＴ）を形成する半導体薄膜の結晶化に使用されている。本発明者等は、大型画面用液晶表示装置の開発を行っている。液晶表示装置の、例えば、画素部用スイッチング素子は、薄膜トランジスタにより構成されており、高速動作が要求されるため大粒径に結晶化したシリコン薄膜に形成される。結晶化シリコン薄膜は、例えば、大型ガラス基板のような支持基板上に形成された非晶質シリコン薄膜を結晶化するレーザー結晶化技術により形成される。
【０００３】
このような結晶化技術の中で、特に、位相変調したエキシマレーザー光を半導体薄膜に照射して結晶化（Phase Modulated Excimer Laser Annealing：ＰＭＥＬＡ）する技術が注目されている。ＰＭＥＬＡ技術は、位相変調素子、例えば、位相シフタにより位相変調された所定の光強度分布を持つエキシマレーザー光を、非単結晶半導体薄膜、例えば、非晶質シリコン若しくは多結晶シリコン薄膜に照射し、シリコン薄膜を溶融して所定の領域を結晶化する方法である。この結晶化を適切に制御することによって、大粒径の結晶化シリコン薄膜を得ることができる。現在開発されているＰＭＥＬＡ技術では、１回の照射で数ｍｍ角程度の大きさの領域内の所定の場所を溶融して結晶化し、数μｍから１０μｍ程度の大きさで比較的一様な結晶粒を有する品質の優れた結晶化シリコン薄膜を形成している。この詳細は、例えば、非特許文献１に記載されている。
【０００４】
結晶粒径が数μｍ以上の大粒径のシリコン薄膜には、一つの結晶粒に１個又は複数個の薄膜トランジスタを形成できるまでになっている。この薄膜トランジスタにより構成された液晶表示装置は、大型画面前面に渉って均一なカラー像を再生することができ、高速スイッチングができるまでになっている。このような特徴を持った大粒径の結晶粒を有する半導体薄膜の製造は、信頼性が高く、品質管理されていることが必要になる。
【０００５】
現状のＰＭＥＬＡ技術において、実用化されているエキシマレーザー光のパワー変動は、５％から１０％程度である。しかし、このエキシマレーザー光の安定性に比べ、所望の品質の、例えば、結晶化シリコン薄膜を形成するためのプロセスマージンは、非常に狭くなっている。そのため、工業化するためには、結晶化シリコン薄膜のさらなる高品質化、品質の安定化のために、プロセスマージンを拡大する必要がある。これに対応するために、シリコン薄膜が、微小領域において溶融して結晶化するまでの変化している状態を、数μｍの高空間分解能でリアルタイム若しくは、レーザー照射直後にナノ秒オーダーの高時間分解能で観測若しくは監視したいという要求がある。
【０００６】
このようなその場観測として、位相変調をしないエキシマレーザー結晶化（ＥＬＡ）技術において、溶融して結晶化しているシリコン薄膜の熱的特性を、その場測定した実験例が、非特許文献２に報告されている。この報告は、ナノ秒（以下、ｎｓｅｃと記す）オーダーの高時間分解能で溶融して結晶化しているシリコン薄膜の熱的特性を測定したものである。具体的には、観察用のプローブ光であるヘリウム−ネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）レーザー光（波長６３３ｎｍ及び１５２０ｎｍ）を斜め上方から溶融部、結晶化部に照射する。その溶融部、結晶化部からの反射光及び透過光を高速で応答するインジウム・ガリウム・ヒ素光検出器及びシリコンｐｎフォトダイオードで検出して、シリコン薄膜の熱的特性を測定する。
【０００７】
ＰＭＥＬＡでは、シリコン薄膜は、数１０ｎｓｅｃ〜１００ｎｓｅｃの結晶化用レーザー光の照射により溶融して、その後、結晶化する。この溶融から結晶化終了までの時間は数１００ｎｓであり、しかも、観測、監視したい結晶化領域は、光強度分布により定められる領域であり、その大きさは数１０μｍ角程度の微小領域である。しかし、非特許文献２の方法は、結晶化用レーザー光の照射により非晶質シリコン薄膜のどの位置に溶融が生じたか、すなわち非晶質シリコン薄膜の溶融領域を特定することができない。当然ながら、溶融領域の時間的変化及び所定の領域における結晶化の状態を測定することもできない。このような不確かな評価をされた結晶化シリコン薄膜を有するシリコン薄膜トランジスタを液晶表示装置のスイッチング素子として用いた場合、このスイッチング素子における電気的特性に不良が生じていた。
【０００８】
さらに、非特許文献２の方法では、ＰＭＥＬＡにおけるような特定位置の横方向の結晶成長（ラテラル成長）において重要な位置情報、すなわち１μｍ程度の面積の領域の１ｎｓｅｃ以下の急峻な状態変化、微小光の変化を測定することができない。トランジスタの微細化を図り、高集積化することでより高性能なディスプレイを実現するためには、膜上の非晶質シリコン薄膜上のどの位置にどのような過程で結晶化するかをモニタリングすることが、プロセス開発上でも、生産管理上でも、品質管理上においても重要になる。
【０００９】
したがって、非特許文献２の方法は、時間的には高分解能であるが、数μｍ以下の高空間分解能と高時間分解能の両者を同時に満足させる観測システムには適用できない。
【００１０】
また、非晶質シリコン薄膜のレーザー結晶化時のラテラル成長のスピードは、７ｍ／ｓｅｃと推定されており、かつ現在発表されている結晶粒のサイズは、最大数μｍ程度である。したがって、結晶化のラテラル成長をリアルタイムでモニタリングするためには、結晶成長に要する時間
１０-６ｍ／（７ｍ／ｓｅｃ）≒１０-７ｓｅｃ＝１００ｎｓｅｃ
の少なくとも１桁以上（１０ｎｓｅｃ以上）の時間分解能で（空間的にはサブμｍの分解能で）測定することが好ましい。
【００１１】
さらに、観察用照明光を結晶成長部に照射し、結晶成長部からの反射率変化の測定データによれば、相変化（固体→液体→固体）の時間は、１０ｎｓｅｃ程度である。結晶化のラテラル成長をリアルタイムでモニタリングするためには、１０ｎｓｅｃの１／１０の１ｎｓｅｃ程度の分解能が必要となる。このようにレーザー結晶化法によるラテラル成長を観測、監視（モニタリング）するためには、非常に短い１ｎｓｅｃ以下の時間分解能での測定が可能であること、観測、監視対象の空間的に非常に狭い１μｍ以下の領域での高空間分解能の測定が可能であること、微弱な光量の像の測定が可能であることなどの課題があった。時間（秒）や距離（ｍ）での測定に比べると、光量が１０−９×１０−６程度の微小量であり、観測するための光量が少ないという課題があった。
【００１２】
また、結晶化用レーザー光と観察用光を同時に照射するＩｎ−ｓｉｔｕ（その場）観察方法が、特許文献１に開示されている。この方法では、穴あき対物レンズを使用して、結晶化用レーザー光の照射及び観察光の照明と検出を行っている。結晶化用レーザー光は、位相変調をしないエキシマレーザー光であり、上記対物レンズの穴を通して被処理膜を照射する。アニール過程において被処理膜からの反射光を穴あき対物レンズを介して検出して、例えば、試料表面の反射率、ラマンスペクトル等の変化をＩｎ−ｓｉｔｕで測定する。特許文献１には、ＰＭＥＬＡにおいて要求される被処理膜の特定の領域において結晶化している状態の観測、あるいは観測した結晶化情報を基に結晶成長にフィードバックして結晶成長を管理する方法に関しては、記述されていない。
【特許文献１】公開特許公報  特開２００２−１７６００９
【非特許文献１】井上弘毅、中田充、松村正清；電子情報通信学会論文誌 Vol. J85-C, No.8, pp.624-629, 2002、「シリコン薄膜の振幅・位相制御エキシマレーザー溶融再結晶化方法−新しい２−Ｄ位置制御大結晶粒形成法−」
【非特許文献２】M. Hatano, S. Moon, M. Lee, K. Suzuki, and C. Grigoropoulos; J. Applied Physics, Vol.87, No.1, pp.36-43, 2000, “Excimer laser-induced temperature field in melting and resolidification of silicon thin films”.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明者は、エネルギー光を照射する、例えば、レーザー結晶化装置において、所定の領域が溶融して結晶化する状態を、数μｍの高空間分解能及びナノ秒オーダーの高時間分解能で、リアルタイムであるいは溶融中、若しくは溶融直後に観測する観察システム、すなわち観察用光学システムを搭載することを開発している。レーザー結晶化装置に観察システムを組み込むためには、結晶化用のエキシマレーザー光（紫外光領域）と観察用の照明光（可視光領域）とを、同時に収差補正した光学系を使用することが好ましい。
【００１４】
この課題、要求を満足させるためには、さらに、次のような課題がある。
【００１５】
ＥＬＡ装置で実際に使用されるレンズは、生産効率の面から、高光強度、高デューティー、大面積での使用が前提となる。具体的には、レーザー光強度は、結晶化を行う基板上で約１Ｊ／ｃｍ２であることが好ましい。そのため、同種のエキシマレーザー光を使用する大規模集積回路用の露光装置とは異なり、レーザー光は、広いスペクトル幅（０．５ｎｍ）のまま使用される。また、使用するエキシマレーザー光は、例えば、フッ化クリプトン（ＫｒＦ）若しくは塩化キセノン（ＸｅＣｌ）であり、その波長は、それぞれ２４８ｎｍ及び３０８ｎｍである。これらのレーザー光の波長を考慮すると、使用できるレンズ材料は、紫外線グレードの合成石英若しくはフッ化カルシウム（ＣａＦ２）が好ましいという材料面の制約がある。その上、可視光用の顕微鏡レンズのような張り合わせレンズを含んだ構成は、耐熱性の面から好ましくなく、レンズ設計の自由度が低い。
【００１６】
さらに、位相変調素子、例えば、位相シフタを使用した結晶化プロセスでは、所定の光強度分布を有するレーザー光を結晶化が行われる基板の所定の領域に照射する。すなわち、例えば、位相シフタのマスクパターンを数μｍ程度の高解像度で基板上の特定の領域に縮小若しくは等倍で転写する。そのため、ＰＭＥＬＡ装置で使用するレンズ（群）には、紫外光領域の色収差及びひずみ収差等の収差補正を実施しなければならない。この１つの光学系でエキシマレーザー光と顕微観察用の可視光とを使用する場合には、紫外光領域と可視光領域の２つの波長領域で同時に収差補正を実施しなければならず、極めて困難な課題である。例え色収差補正ができたとしても、レンズ枚数を増やさなければならず、レンズによる光の吸収が増加する結果、基板上に到達するレーザー光強度が低下することになり、強い光強度を得る要求に対して逆行することになる。
【００１７】
さらに、前記のような性能のエキシマレーザー光に適合させた結晶化用光学系は、可視光を透過させると可視光の解像力が低下するという問題もある。すなわち、解像力は、光の波長に比例するため、エキシマレーザー光（波長：２４８ｎｍ、３０８ｎｍ）の約２倍の波長を持つ可視光（波長：４８０ｎｍ−６００ｎｍ）の場合には、エキシマレーザー光で２μｍの解像力は、可視光ではその２倍の約４μｍに低下する。その結果、数μｍの結晶化領域を観測、監視するために必要な解像力１μｍ以下が得られない。
【００１８】
また、基板上に設けられた半導体薄膜が、溶融して結晶化する状態をリアルタイムで観測、監視するためには、非常に短時間(ナノ秒)の時間分解能で観測する必要がある。そのため、短時間観測に対応した高輝度の観察用の照明光源が必要である。このような観察用の照明光としての可視光を多数枚の光学レンズを通して照射すると、光量を損失するという問題だけでなく、本来の結晶化用エキシマレーザー光の結像性能にも悪影響を与えるという問題がある。
【００１９】
すなわち、このような要求に対応できる光学システムは、高光強度（例えば、基板上で１Ｊ／ｃｍ２以上）、照射面積（例えば、５×５ｍｍ２以上）、高デューティー（例えば、レーザー動作周波数１００Ｈｚ以上）のエキシマレーザー光（例えば、波長２４８ｎｍ）と観察用の照明光、例えば、可視光（例えば、波長４８０ｎｍ−６５０ｎｍ）の少なくとも２種類の異なる波長において安定して使用できることが条件である。
【００２０】
本発明によれば、エネルギー分布を有するエネルギー線、例えば、位相変調をして光強度分布を与えたパルス状エキシマレーザー光を半導体薄膜に照射して、半導体薄膜の所定の領域を溶融する。そして、エネルギー分布によって制御される所定の領域において横方向に結晶化する状態をリアルタイムで若しくはパルス状レーザー光照射終了直後から、数μｍ以下の高空間分解能及びナノ秒オーダーの高時間分解能で観測、監視することが可能である。
【００２１】
さらに、この観測結果に基づき、例えばフィードバックすることにより、結晶化プロセスの安定化が図られ、高品質な半導体薄膜に効率よく結晶化することが可能な結晶化装置及び結晶化方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記の課題及び問題点は、下記の結晶化装置及び結晶化方法により解決される。
【００２３】
本発明の１態様による結晶化装置は、基板に設けられた薄膜に光強度分布を有するパルス状エネルギー光を照射してこの薄膜を溶融し、前記パルス状エネルギー光の照射終了直後から前記光強度分布にしたがって前記薄膜の所定の領域において結晶粒を横方向に成長させて結晶化させる結晶化用光学系を具備する結晶化装置であって、前記エネルギー光の光路外に配置され、前記薄膜上の前記エネルギー光照射領域を照明する観察用照明光を射出する照明光源と、前記エネルギー光の光路が中央部にあり、この光路に沿って前記照明光源からの照明光を前記薄膜に導く環状光学素子を含む照明光学系と、前記薄膜を含む基板を透過した照明光を拡大して、前記パルス状エネルギー光の照射終了後に前記所定の領域において結晶粒が横方向に成長する過程を観測する観察光学系とを具備する。
【００２４】
本発明の他の１態様による結晶化装置は、基板に設けられた薄膜に光強度分布を有するパルス状エネルギー光を照射してこの薄膜を溶融し、前記パルス状エネルギー光の照射終了直後から前記光強度分布にしたがって前記薄膜の所定の領域を結晶化させて固液界面を横方向に移動させる結晶化用光学系を具備する結晶化装置であって、前記エネルギー光の光路外に配置され、前記薄膜上の前記エネルギー光照射領域を照明する観察用の照明光を射出する照明光源と、前記エネルギー光の光路が中央部にあり、この光路に沿って前記照明光源からの照明光を前記薄膜に導く環状光学素子を含む照明光学系と、前記薄膜を含む基板を透過した照明光を拡大して前記所定の領域において前記固液界面が横方向に移動する過程を観測する観察光学系とを具備する。
【００２５】
本発明のさらに他の１態様による結晶化方法は、光強度分布を有するパルス状エネルギー光を射出する工程と、前記パルス状エネルギー光を基板に設けられた薄膜に照射してこの薄膜を溶融し、前記パルス状エネルギー光の照射終了直後から前記光強度分布にしたがって前記薄膜の所定の領域において結晶粒が横方向に成長して結晶化する工程と、前記エネルギー光の光路に同軸的に設けられこのエネルギー光を通過させる環状光学素子を介して、前記光路に沿って前記エネルギー光の照射個所を観察用環状照明光で照明する工程と、前記薄膜を透過した観察用照明光を拡大して前記結晶粒が横方向に成長する過程を検出する工程と、前記検出した過程を電子データに変換する工程と、前記電子データを表示する工程とを具備する。
【００２６】
本発明のさらに他の１態様による結晶化方法は、光強度分布を有するパルス状エネルギー光を射出する工程と、前記パルス状エネルギー光を基板に設けられた薄膜に照射してこの薄膜を溶融し、前記パルス状エネルギー光の照射終了直後から前記光強度分布にしたがって前記薄膜の所定の領域において固液界面が横方向に移動して結晶化する工程と、前記エネルギー光の光路に同軸的に設けられこのエネルギー光を通過させる環状光学素子を介して、前記光路に沿って前記エネルギー光の照射個所を観察用環状照明光で照明する工程と、前記薄膜を透過した観察用照明光を拡大して前記固液界面が横方向に移動する過程を検出する工程と、前記検出した過程を電子データに変換する工程と、前記電子データを表示する工程とを具備する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、所定の領域の半導体薄膜が溶融して結晶化する状態を、リアルタイムで若しくは直後に、かつ数μｍ以下の高空間分解能及び高時間分解能で観測若しくは監視することが可能である。さらに、この観測結果に基づき、例えば、フィードバックすることにより、結晶化プロセスの安定化が図られ、高品質な半導体薄膜に効率よく結晶化することが可能な結晶化装置及び結晶化方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
上記の問題点を解決した結晶化装置及び結晶化方法の実施形態の構成例及び応用例を、以下に図面を用いて説明する。
【００２９】
本発明の実施形態による結晶化装置は、光強度分布を有するパルス状レーザー光の照射により基板上に設けられた半導体薄膜を溶融し、レーザー光照射終了直後から半導体薄膜の所定の領域において結晶粒が横方向に成長する過程をリアルタイムで観測・監視する機構を搭載した装置である。
【００３０】
本実施形態では、溶融した半導体薄膜において結晶化を開始する位置は、照射したレーザー光の光強度分布により決められる。したがって、所定の光強度分布を有するレーザー光を照射することによって、半導体薄膜の所定の位置から結晶化を開始させることができる。その結果、観測する場所を事前に特定できるため、高い空間分解の観測が可能になる。
【００３１】
本実施形態のレーザー結晶化装置１は、図１に示したように、結晶化用光学系２０と顕微観察システム４０とを備える。結晶化用光学系２０は、基板３２に設けられた半導体薄膜３５を溶融して結晶化するためのレーザー光を基板３２に照射する。顕微観察システム４０は、半導体薄膜の溶融して結晶化している所定の領域を観察する。顕微観察システム４０は、観察用の照明光を照射する観察用照明光学系４２と、半導体薄膜３５が溶融して結晶化する状態を観察、観測する透過型の顕微観察光学系６０とをさらに備える。本実施形態の光学系の特徴は、結晶化用光学系２０内の結像光学系３０が、長焦点距離（５０ｍｍから７０ｍｍ）であることに着目して、結像光学系３０と基板３２との間の空間に、独立した、例えば、高輝度可視光の、観察用照明光学系４２を同軸的に配置したことである。すなわち、観察用照明光学系４２を結晶化用の結像光学系３０とは独立した光学系にしたものである。
【００３２】
本実施形態の他の特徴は、エネルギー光、例えば、エキシマパルス状レーザー光を結晶化を行う基板３２に設けられた半導体薄膜３５の、例えば、４ｍｍ２から２５ｍｍ２程度の面積の領域に照射し、溶融させ凝固させて結晶化を行う、わずか数１００ｎｓの期間における観察用照明光がμｍオーダーの照射領域内の特定領域において変化する状態を、リアルタイムで観測する、例えば、モニタ画面７４ｃに表示することである。さらに、この観測結果に基づいて、例えば、フィードバックすることにより、結晶化プロセスを制御する。その結果、結晶化プロセスの安定化が図られ、高品質な半導体薄膜に効率よく結晶化することである。
【００３３】
このように超微細な所定の領域の超高速変化を観測する顕微観察システム４０の特徴は、結晶化用光学系２０を中心軸に形成し、この結晶化用光学系２０の光路の周囲に観察用照明光学系４２を構成する環状光学系５２，５４を設けることである。環状光学系５２は、結晶化用レーザー光と同軸的にその周囲に観察用照明光を導光するもので、例えば、環状リフレクタである。環状光学系５４は、環状照明光を基板３２に結像させるもので、１枚の環状光学レンズが最適である。複数枚の環状レンズを使用する対物レンズを使用することも考えられるが、光学性能、価格等の点から見て、実用的でない。この環状光学系５２，５４によって、高空間分解能かつ高時間分解能の観測、監視が、可能になることである。結晶化用のレーザー光照射領域の状態変化を、画像処理ユニット７４の記憶部７４ｂ、例えば、メモリに記憶することにより、監視者の所望の条件、例えば、所望の速度、結晶化直後、若しくはリアルタイムで、照射領域の状態変化を、例えば、モニタ画面７４ｃに、静止画若しくは映像として表示することができる。
【００３４】
図１に示したレーザー結晶化装置１は、透過型顕微観察システム４０を備え、位相変調素子２８の像を縮小投影するレーザー結晶化装置１である。さらに、顕微観察システム４０による観測結果に基づいて結晶化を行う基板３２の高さ方向及び平面内のズレを補正する機能を有する。
【００３５】
すなわち、このレーザー結晶化装置１は、大粒径の結晶化を行うための結晶化用光パターンを形成する結晶化用光学系２０と、結晶化用レーザー光の光路の周囲に設置された観察用環状光を形成する観察用照明光学系４２と、結晶化プロセスの被処理領域を観察する顕微観察光学系６０と、タイミング制御部１０と、ステージ駆動部１２とを備える。
【００３６】
結晶化用光学系２０は、レーザー光源２２と、ビームエキスパンダ２４と、ホモジナイザ２６と、位相変調素子２８、例えば、位相シフタと、結像光学系３０と、基板３２を予め定められた位置に案内する基板保持ステージ３８とを具備する。レーザー光源２２からのレーザー光は、ビームエキスパンダ２４で拡大され、ホモジナイザ２６により面内の光強度が均一化され、位相変調素子２８、例えば、位相シフタに照射される。位相シフタ２８を透過したエキシマレーザー光は、所定の光強度分布、例えば、逆ピークパターンの光強度分布を有する光に変調され、結像光学系３０、例えば、エキシマレーザー用結像光学系により縮小又は等倍で基板３２上を照射する。
【００３７】
レーザー光源２２は、基板３２に設けられた非単結晶半導体薄膜３５、例えば、非晶質半導体薄膜若しくは多結晶半導体薄膜を溶融するに充分なエネルギー、例えば、１Ｊ／ｃｍ2を有するレーザー光を出力する。レーザー光は、例えば、波長２４８ｎｍのフッ化クリプトン（ＫｒＦ）エキシマレーザー光、塩化キセノン（ＸｅＣｌ）エキシマレーザー光が好ましい。その他、フッ化アルゴン（ＡｒＦ）エキシマレーザー光、アルゴン（Ａｒ）エキシマレーザー光、ＹＡＧレーザー光、イオンビーム、電子ビーム、キセノン（Ｘｅ）フラッシュランプを用いることができる。例えば、エキシマレーザー光源２２は、パルス発振型であり、発振周波数は、例えば、１００Ｈｚから３００Ｈｚであり、パルス幅は、半値幅で、例えば、２０ｎｓｅｃから２００ｎｓｅｃである。本実施形態では、半値幅が２５ｎｓｅｃのパルス状ＫｒＦエキシマレーザー光を使用している。また、基板３２上に照射されるＫｒＦエキシマレーザー光の光エネルギーは、１Ｊ／ｃｍ２程度である。発振周波数を、例えば、１００Ｈｚとし、エキシマレーザー光の照射面積を、例えば、２ｍｍ×２ｍｍとして、基板３２を基板保持ステージ３８により、例えば、２ｍｍステップで移動しながらエキシマレーザー光をステップ照射すると、基板３２の移動速度は、２００ｍｍ／ｓｅｃになる。
【００３８】
ビームエキスパンダ２４は、入射されたレーザー光を拡大するもので、図２に示したように、拡大する凹レンズ２４ａと平行光にする凸レンズ２４ｂとからなる。ホモジナイザ２６は、入射したレーザー光の断面ＸＹ方向の寸法を決定しかつ決定した形状内のビーム強度分布を均一にする機能を有する。例えば、Ｘ方向シリンドリカルレンズをＹ方向に複数個並べてＹ方向に並んだ複数の光束を形成し、Ｘ方向コンデンサレンズで各光束をＹ方向に再分布させ、同様にＹ方向シリンドリカルレンズをＸ方向に複数並べてＸ方向に並んだ複数の光束を形成し、Ｙ方向コンデンサレンズで各光束をＸ方向に再分布させる。すなわち、図２に示すように、第１フライアイレンズ２６ａと第１コンデンサレンズ２６ｂからなる第１ホモジナイザ、及び第２フライアイレンズ２６ｃと第２コンデンサレンズ２６ｄからなる第２ホモジナイザから構成される。第１ホモジナイザは、位相シフタ２８上でのＹ方向のレーザー光強度の均一化を行い、第２ホモジナイザは、位相シフタ２８上でのＸ方向のレーザー光強度の均一化と入射角度の設定を行う。したがって、ホモジナイザ２６によりＫｒＦエキシマレーザー光は、所定の角度広がりをもち断面のビーム強度が均一化されたレーザー光に調光され、位相シフタ２８を照射する。
【００３９】
位相シフタ２８は、位相変調素子の一例であり、例えば、石英ガラス基板に段差をつけたものである。この段差の境界でレーザー光の回折と干渉をおこさせ、レーザー光強度に周期的な空間分布を付与するものであり、例えば、左右で１８０°の位相差を付ける。左右で１８０°の位相差を付けた位相シフタ２８は、入射光を左右対称な逆ピーク状光強度分布に位相変調する。段差（厚み分布）ｄは、レーザー光の波長をλ、位相シフタの透明基板の屈折率ｎとしたとき、ｄ＝λ／２（ｎ−１）で求められる。この式から位相シフタ２８は、例えば、石英ガラス基板に所定の位相差に対応する段差を形成することにより製造することができる。石英ガラス基板の段差は、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。例えば、石英基板の屈折率を１．４６とすると、ＸｅＣ１エキシマレーザー光の波長が３０８ｎｍであるから、１８０°の位相差を付けるための段差は３３４．８ｎｍになる。位相シフタ２８は、入射光を位相変調して逆ピーク状光強度分布を形成するように段差が形成されており、エキシマレーザー光の位相を半波長だけシフトさせる。この結果、半導体薄膜を照射するレーザー光は、位相のシフト部に対応した箇所が最小光強度となる逆ピークを有するパターンの光強度分布となる。この方法によれば、他の方法で用いられるようなメタルパターンによるエキシマレーザー光の遮蔽なしに所定のビーム光強度分布を実現できる。
【００４０】
位相シフタ２８を透過したレーザー光は、収差補正されたエキシマ結像光学系３０により位相シフタ２８と共役な位置に設置された基板３２上に、所定の光強度分布で結像する。結像光学系３０は、例えば、複数枚のフッ化カルシウム（ＣａＦ２）レンズ及び合成石英レンズからなるレンズ群により構成される。結像光学系３０は、例えば、縮小率：１／５、Ｎ．Ａ．：０．１３、解像力：２μｍ、焦点深度：±１０μｍ、焦点距離：５０ｍｍから７０ｍｍの性能を持つ長焦点レンズである。
【００４１】
基板３２は、結像光学系３０の位相シフタ２８に対して光学的に共役な位置、すなわち、結像光学系３０による位相シフタ２８の結像位置に設置される。結像光学系３０は、レンズ間に開口絞りを備えることができる。
【００４２】
結晶化を行う基板３２は、一般に、図３に示したように、支持基板３３（例えば、透明のガラス基板、プラスチック基板、シリコン等の半導体基板（ウェハ））上に絶縁膜３４を介して被処理膜３５、例えば、半導体薄膜（例えば、非晶質シリコン薄膜、多結晶シリコン薄膜、スパッタされたシリコン薄膜、シリコンゲルマニウム膜、脱水素処理をした非晶質シリコン薄膜）を形成し、この膜上にキャップ膜として絶縁膜３６を設けたものである。本実施形態で使用した基板３２は、脱水素処理をした非晶質シリコン薄膜３５をガラス基板３３上に所望の厚み、例えば、５０ｎｍの厚さに形成したものである。基板３２は、基板を予め定められた位置に保持するためのＸ、Ｙ、及びＺ方向に移動可能な基板保持ステージ３８に取り外し可能に保持される。
【００４３】
上述したように、このレーザー結晶化装置１は、ホモジナイズされたパルス状レーザー光を位相シフタ２８により位相変調して逆ピーク状光強度分布の結晶化用パルス状レーザー光を形成し、基板３２にパルス状レーザー光を照射する投影型結晶化装置１である。パルス状レーザー光に照射された半導体薄膜３５は、溶融してレーザー光の照射終了直後から結晶化を開始する。溶融した半導体薄膜３５において結晶化は、照射されたレーザー光の光強度分布に対応する位置から開始する。レーザー光照射直後の半導体薄膜３５は、高光強度部で溶融温度が高く、低光強度部で温度が低い。したがって、レーザー光の低光強度部から結晶化が始まり、固液界面は高光強度部方向に向かって横方向に移動する。つまり、結晶粒も横方向に高速に結晶成長する。このように光パターンの光強度分布に応じて水平方向に結晶化が進み、例えば、１０μｍ程度の大粒径の単結晶粒を有する半導体薄膜３５を形成することが出来る。このように、半導体薄膜３５の所定の位置から結晶化を開始させることができるため、観測する場所を事前に特定でき、高い空間分解の観測が可能になる。
【００４４】
この結晶化プロセスは、超高速の変化であり、数１００ｎｓｅｃの極めて短時間で終了する。この特定の領域における固液界面の移動や結晶粒の横方向成長の超高速の変化を観測、若しくは監視するために顕微観察システム４０を備えている。顕微観察システム４０は、図１に示したように、観察用の照明光を出射する観察用照明光学系４２と、観測し表示する顕微観察光学系６０とからなる。顕微観察光学系６０は、保持ステージ３８の下面側に設けられ、基板３２上の半導体薄膜３５がレーザー光照射終了直後から横方向に成長する過程を、溶融して結晶化している所定の領域からの透過光を受光し、リアルタイムで結晶化プロセスを顕微観察、監視若しくは測定する。この顕微観察光学系６０で観察、監視、若しくは測定するために保持ステージ３８の上面側には、結晶化用光学系２０の一部と観察用照明光学系４２の一部とが重なった複合光学系が設けられている。
【００４５】
観察用照明光学系４２内で観察用照明光は、図１に示したように、結像光学系３０と基板３２との間に設置した環状光学系５２，５４に導光され、結晶化用光学系２０を通らない。観察用照明光学系４２は、観察用照明光を環状にして基板３２を照明し、この環状光学系５２，５４の中心軸に結晶化用レーザー光の光路が形成される。複合光学系は、結晶化プロセスと結晶化状態観察プロセスとを、互いに干渉することなく同時に実行させることを可能にする光学系である。環状の観察用照明光は、高空間分解能かつ高時間分解能の観察、監視、若しくは測定を可能にする。
【００４６】
観察用照明光学系４２は、図１に一例を示したように、高輝度観察用照明光源４４と、ビームエキスパンダ５０と、環状リフレクタ５２と環状収束レンズ５４とを具備する。すなわち、観察用照明光学系４２の光路は、エキシマレーザー光の光路を遮らないように、その光路中ではレーザー光を通過させる窓孔を設けた環状光学系５２，５４により構成される。
【００４７】
高輝度観察用照明光源４４からの観察用照明光は、ビームエキスパンダ５０で拡張されて平行光になり、環状リフレクタ５２および環状収束レンズ５４からなる環状光学系により環状観察用照明光になる。環状観察用照明光は、結晶化用レーザー光の光路に沿って同じ側から、例えば、垂線から７．５°の角度で基板３２に入射するエキシマレーザー光の外側から基板３２上で収束するように入射する。すなわち、環状観察用照明光は、結晶化プロセス中の結晶化プロセス部を照明する。結晶化プロセス部とは、結晶化用レーザー光に照射されて溶融プロセスから凝固プロセスに移行し、結晶化を完了するまでの過程を実行している半導体薄膜３５の領域をいう。
【００４８】
高輝度観察用照明光源４４は、ナノ秒オーダーの時間分解能の観測を可能にするため、強度の高い光源、例えば、キセノン（Ｘｅ）フラッシュランプあるいはＡｒレーザー光、ヘリウム−ネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）レーザー光等の可視レーザー光を出射する光源である。本実施形態では、パルス幅２μｓｅｃ、出力６０ＷのＸｅフラッシュランプを用いた。光源としてレーザー光を使用する場合には、レーザー光の断面内の光強度分を均一にするために、ホモジナイザ（図示してない）を使用することが好ましい。ビームエキスパンダ５０及び収束レンズ５４は、照明光の吸収、反射などによる損失を抑えるため、少ないレンズ枚数で構成できることが好ましく、例えば、非球面レンズを使用できる。環状リフレクタ５２と環状収束レンズ５４は、環状でなければならないが、ビームエキスパンダ５０は、必ずしも環状レンズである必要はない。環状リフレクタ５２の窓孔の大きさは、例えば、結晶化用レーザー光の照射面積が、基板３２上で、最大５ｍｍ×５ｍｍ程度であり、基板３２上での結晶化用レーザー光の見込み角が約７．５°であるとすると、基板３２から約２５ｍｍ離れた位置で、直径約１２ｍｍの結晶化用レーザー光を通過できればよいことになる。環状リフレクタ５２と環状収束レンズ５４の形状は、円環状あるいは多角形等の環状とすることができる。
【００４９】
観察用照明光学系４２は、他の構成も考えられ、それを使用することも可能である。例えば、図４（ａ）に示したように、収束レンズ５６は、ビームエキスパンダ５０と環状リフレクタ５２との間の結晶化用レーザー光（例えば、エキシマレーザー光）の光路外に設置することも可能である。この構成は、環状リフレクタ５２を基板３２に近づけて設置することができるため、結晶化用レーザー光を通すための窓孔を小さくできる。この場合、環状収束レンズ５６は、レーザーの光路外に配置されるため環状でなくてもよい。
【００５０】
また、図４（ｂ）に示したように、環状光学素子として、図１の環状リフレクタ５２と環状レンズ５４を合わせた機能を持つ環状凹面鏡（リフレクタ）５８を採用してもよい。この場合、図１の構成に比べ、光学素子の数が一つ減ることになる。
【００５１】
次に、結晶化プロセス状態を観測し表示する顕微観察光学系６０を、図１を使用して説明する。顕微観察光学系６０は、観察用照明光による結晶化プロセス部からの透過光、すなわち観察光を拡大し結像する顕微対物レンズ６２と、このレンズ６２からの観察光の光路を変更するために光路上に設けられた反射鏡６４と、観察光を結像する結像レンズ６６と、顕微対物レンズ６２及び結像レンズ６６により拡大され結像された結晶化プロセス部の変化を、検出して表示するための手段としての光検出器６８と、イメージインテンシファイア７０と、撮像素子７２と、画像処理ユニット７４とにより構成される。
【００５２】
加工対象である基板３２に設けられた半導体薄膜３５（例えば、非晶質シリコン薄膜、多結晶シリコン薄膜）は、溶融すると金属的になり、可視光を透過しなくなる。一方、未溶融部及び結晶化して固化したシリコン薄膜３５は、赤色の可視光をかなりよく透過する。この点で、透過光を用いて観察する方法は、コントラストが高く、半導体薄膜３５が溶融して結晶化していく状態の観測に適している。さらに、観察用照明光を結晶化用レーザー光と同じ側から基板３２にほぼ垂直に照射する場合には、透過型の顕微観察光学系４０の顕微対物レンズ６２は、レンズ中央部を使用できるため収差補正が容易である、という利点がある。
【００５３】
顕微観察光学系６０では、基板３２からの透過光像が、顕微対物レンズ６２により集光され、反射鏡６４を経由して結像レンズ６６によって光検出器６８の受光面である光電面６８ａに数μｍ以下の高分解能で結像される。光検出器６８の光電面６８ａは、高速で変化する結晶化状態を観察するためにスリット状の受光面が形成されている。半導体薄膜３５の所定の結晶化領域からの像がこのスリット状の光電面６８ａに入射するように顕微観察光学系４０は、予め設置されている。スリット状光電面６８ａの大きさは、例えば、幅数ｍｍ、長さ数ｃｍの方形である。光検出器６８は、光電面６８ａに入射した像を光電子増倍し蛍光面６８ｃに高分解の画像を形成する。光検出器６８で得られた高分解能の画像は、イメージインテンシファイア７０でさらに輝度増倍され、撮像素子７２により画像データとして取り込まれる。この画像データは、画像処理ユニット７４で信号処理される。この信号処理は、例えば、画像データの解析、画像データの記憶、画像データの表示部での表示である。
【００５４】
光検出器６８は、例えば図５に示すような光電管、例えば、ストリークカメラが好ましい。ストリークカメラとしては、例えば、入射光像を光電子に変換した後に、再び光に変換し、１次元像を数ナノ秒の高時間分解能で時間とともに変化させることができるストリーク管を利用できる。一般的なストリーク管６８は、特殊用途の真空管であり、例えば、図５に示すような構成である。入射光の画像は、スリット状の光電面６８ａに結像されて受光される。スリット状の像は、所定の結晶化プロセス部の1次元像である。光電面６８ａは、この入射光の１次元像を光電子に変換する。光電面６８ａで発生した線状の光電子線は、掃引電極６８ｂ−２を通過する。掃引電極６８ｂ−２は、Ｘ又はＹ方向に光電子線を掃引するために一対の電極を離間して設けてある。掃引電極６８ｂ−２には、掃引電圧ＳＶ（図５、図６参照）が掃引回路６８ｂ−１から印加される。掃引回路６８ｂ−１は、タイミング制御部１０（図１参照）からのトリガ信号Ｐ２（図５、図６参照）により制御されるタイミングで、時間により変化する掃引電圧ＳＶ（図５、図６参照）を掃引電極６８ｂ−２に供給する。線状の光電子線は、掃引電極６８ｂ−２を通過するときに、掃引電圧の大きさに応じて曲げられる量が変化し、時間により異なった蛍光面６８ｃ上の位置に光電子線の投影像Ｒを形成する。蛍光面６８ｃは、残像効果を有するため異なる位置に形成される像を蓄積する。したがって、この投影像Ｒは、スリット状の１次元像を時間で掃引した２次元像になり、光電面６８ａで受光した像のナノ秒オーダーの時間変化が、蛍光面６８ｃ上の位置の変化として表示される高分解能画像である。ストリーク管６８の感度を向上させるために、加速電極６８ｄ及び電子増倍器６８ｅの少なくとも一方を一体に組み込むことができる。
【００５５】
ストリーク管６８の蛍光面６８ｃ上に形成された高分解能の２次元画像は、イメージインテンシファイア７０でさらに輝度増倍され、高輝度の２次元光増幅画像を形成する。すなわち、イメージインテンシファイア７０は、図示していないが次のような機能を有する。ストリーク管６８により得られた高分解能の光学画像が撮像レンズにより撮像されてイメージインテンシファイア７０の光電面に結像される。この光電面は、真空容器内壁面上に形成されている。光電面から放出された光電子は、真空容器内に形成された電子レンズにより加速、収束されて蛍光面に入射する。蛍光面には、前記加速および収束により輝度が増倍された画像が表示される。
【００５６】
イメージインテンシファイア７０の蛍光面に表示された２次元光増倍画像は、撮像素子７２、例えば、２次元ＣＣＤ撮像素子により撮像され、画像データに変換される。ＣＣＤ撮像素子７２は、極めて小さな光量の画像を撮影するため、暗電流を抑制し、Ｓ／Ｎ比を向上させることが好ましい。そのため、低温（例えば、マイナス数１０℃から液体窒素温度程度）で使用する冷却ＣＣＤ撮像素子が、好ましい。
【００５７】
ＣＣＤ撮像素子７２からの画像データは、画像処理ユニット７４、例えば、パソコンの制御回路７４ａの制御によって、データ処理、記憶される。データ処理は、例えば、所定時間経過後の結晶化領域の幅を求めることである。画像データ及び計算されたデータは、記憶部７４ｂ、例えば、メモリに記憶されると同時に必要に応じて表示部７４ｃに表示される。表示部７４ｃに表示されたデータは、結晶化プロセスの担当者によって結晶化の進行状況の監視に使用されることができる。さらに、記憶部７４ｂに画像データが記憶されているので、制御回路７４ａの制御により所望の画像を静止画像やスロー画像として抽出し表示部７４ｃに表示させることもできる。このように顕微観察光学系６０を構成にすることにより、数ナノ秒オーダーの高時間分解能で、かつ数μｍの高空間分解能で必要な観測、監視をすることが可能となる。
【００５８】
レーザー結晶化装置１には、タイミング制御部１０が設けられている。タイミング制御部１０は、例えば、結晶化用レーザー光源２２と、観察用照明光源４４と、顕微観察光学系６０の各種タイミング制御を行う。その一例を図６に示す。タイミング制御部１０は、結晶化用レーザー光ＥＬ（図６（ａ））の照射パルス状が立下るタイミングに合わせて観察用照明光ＯＬの照射及びストリーク管６８の掃引電圧ＳＶの印加を開始するように、観察用照明光源４４及び掃引電圧発生器６８ｂにそれぞれトリガ信号Ｐ１及びＰ２（図６（ｂ））を送信する。観察用照明光源４４は、トリガ信号Ｐ１を受信すると観察用照明光ＯＬ（図６（ｃ））を射出する。ストリーク管６８の掃引電界発生器６８ｂは、トリガ信号Ｐ２を受信すると、時間とともに変化する掃引電圧ＳＶ（図６（ｄ））を時間ｔｓの期間発生するように掃引回路６８ｂ−１に指示し、掃引電極６８ｂ−２に掃引電圧ＳＶを印加する。掃引電圧ＳＶの印加が終了すると、タイミング制御部１０は、撮像素子７２にトリガ信号Ｐ３を送信し、撮像素子７２は、イメージインテンシファイア７０の蛍光面上の２次元像を画像データとして取り込む。
【００５９】
例えば、図７は、前記の観測で得られた画像データの一例であり、半導体薄膜３５の所定の領域における結晶化プロセスを観測したものである。結晶化用の基板３２には、位相変調された逆ピーク状光強度分布を有する結晶化用レーザー光が照射される。この結果、照射された基板３２上の半導体薄膜３５の領域は溶融するが、レーザー光の光強度分布、例えば、逆ピーク状光強度分布に対応して溶融温度は、中央部で低くその両側で高い温度分布になる。結晶化用レーザー光の照射が遮断されると照射領域は、降温する。この冷却時の温度勾配は、前記逆ピーク状光強度分布に対応した温度勾配である。結晶化はこの中央部から始まり、結晶化の先端位置、すなわち固液界面は、この温度勾配にしたがって横方向に移動する。このようにＰＭＥＬＡでは、半導体薄膜３５の結晶化は、所定の位置で所定のパターン、すなわち、レーザー光の光強度分布にしたがって進行する。この結晶化の過程は、同時に観察用照明光源４４から射出された観察用照明光を所定の結晶化プロセス部に照射することにより顕微観察光学系６０の撮像素子７２によって撮像され、結晶化状態を観測、監視することができる。ここでの観察は、所定の領域における、例えば結晶化していく状態の観察であり、測定は、例えば結晶化された領域の幅の測定である。
【００６０】
図７において、画像の幅は、実際には数１００μｍ以上であるが、ここではその一部である所定の領域を拡大してあり、例えば、１０μｍである。画像の高さは、掃引電圧ＳＶの印加時間、例えば、ｔＳ＝３００ｎｓｅｃに相当する。非晶質シリコン薄膜３５は、溶融すると金属的になり可視光を透過しなくなる。そのため、溶融部分は暗い像に、結晶化した部分は可視光を透過するため明るい像になる。図７において、斜線領域は、シリコン薄膜の溶融領域を示し、白領域は、結晶化（固化）領域を示す。図７の上端が溶融直後であり、全体が暗い像（斜線領域）である。時間の経過とともに結晶化した明るい部分が中心から広がり、図７の下に向かって結晶化が進行している様子が観測される。図の横軸の中心は、位相シフタ２８によりＫｒＦエキシマレーザー光の位相が変化する所定の部分に予め合わせられている。この部分では、ＫｒＦエキシマレーザー光の位相がその両側で反転しているため、両者の干渉によりエキシマレーザー光の強度が極めて弱く（理想的にはゼロに）なる。そのため、溶融後の温度は最も低くなり、シリコン薄膜が結晶化する際の結晶核の形成はこの部分から始まる。その後、溶融部分の温度勾配にしたがい結晶粒は横方向に成長し、時間が経過した図の下方向ほど結晶化領域（斜線領域）の幅が広くなる。本実施形態のＰＭＥＬＡ装置で結晶化した結晶粒の大きさは、例えば約６μｍである。
【００６１】
このように、本実施形態では、所定の光強度分布を有するレーザー光を使用して半導体薄膜３５の結晶化を行うため、溶融後に結晶化が始まる部分を予め特定できる。したがって、この所定の領域における結晶化の状態を観測できるため、高い位置精度かつ高空間分解能の観測が可能になる。
【００６２】
（第１の応用例）
この結晶化過程を観測した結果の結晶化プロセスへの一応用例として、基板３２と結像光学系３０との結像位置合わせがある。結像位置ズレは、後述するようにいくつかの原因によって生じる。結晶化用レーザー光（エキシマレーザー光）の結像位置が、基板３２表面からズレると、位相反転部分のレーザー光強度が十分に弱くならない。そのため、基板３２が結像位置にある場合に比べ、位相反転部分の溶融後の温度が高くなり、結晶核の形成が遅くなる結果、結晶化が始まるタイミングが遅くなる。そればかりでなく、結晶核の形成が起きる場所は、レーザー光の位相反転部だけでなく他の部分でもランダムに生じやすくなる。そのため、成長を始めた結晶粒同士がぶつかり合う機会が大きくなり、成長した結晶粒の大きさは小さくなる。すなわち、結晶化した多結晶シリコン薄膜の品質が低下することになる。
【００６３】
結晶化プロセス中に結晶化用レーザー光、例えば、エキシマレーザー光の結像位置が変化する原因には、例えば、基板３２の平坦性が完全ではないこと、大面積の基板３２を保持することにより生ずるたわみ、及び結像光学系３０の温度変化による結像位置のズレ等が上げられる。さらに、結像光学系３０は、高エネルギーのエキシマレーザー光の照射によって温度変化（上昇）する。温度が１℃変化（上昇）すると、ある結像光学系では結像位置が、例えば、１０μｍ変化する。結像光学系３０の焦点深度が、例えば、±１０μｍであることを考慮すると、このズレは無視できない大きさである。
【００６４】
基板３２のズレを補正して結像光学系３０の結像位置に合わせるプロセスの一例を説明するためのフローチャートを図８に示す。ステップ８１において、結晶化用のエキシマレーザー光が基板３２に照射され、シリコン薄膜３５は溶融する。観察用照明光は、これに同期してタイミング制御部１０によって制御されたタイミングでシリコン薄膜３５の所定の溶融した領域を照明する。これにより結晶化プロセスの観測、監視が開始される。ステップ８２において、エキシマレーザー光の基板３２への照射から所定の時間ｔＭが経過した時の結晶化している領域の幅Ｗを、画像処理ユニット７４で測定する。すなわち、図７の中央にＴ−Ｔで示した、時間ｔＭが経過した時の、結晶化している領域（白領域）の幅Ｗを測定する。測定された幅Ｗは、ステップ８３において所定の幅Ｗ１と比較される。ここで、幅Ｗ１は、良好な結晶化が行われていると判断される最小の結晶化領域の幅である。幅Ｗが幅Ｗ１より大きければ、結晶化は良好に行われていると判断され、プロセスはステップ８９へ進む。ステップ８９では、基板３２の全ての結晶化すべき領域に対してプロセスが終了したかが判断される。終了していなければステップ９０で、基板３２は次の結晶化用レーザー光の照射位置に移動され、ステップ８１へ戻る。測定された幅Ｗが幅Ｗ１より小さければ、ステップ８４で所定の幅Ｗ２と比較される。ここで、幅Ｗ２は、結晶化した品質の許容できる下限に対応する結晶化領域の幅である。幅Ｗが幅Ｗ２より大きければ、結晶化プロセスが許容範囲であると判断される。しかし、次のエキシマレーザー光の照射は、ステップ８７，８８で基板３２の高さを補正した後に行われる。ステップ８７では、観測結果から後で述べるように、基板３２の高さ、すなわちＺ軸方向のズレ補正量が算出される。ステップ８８で、ステージ駆動部１２は、基板３２高さを算出されたズレ補正量だけ補正し、ステップ８９へ進む。測定された幅Ｗが幅Ｗ２より小さければ、結晶粒が十分に大きく成長していないと判断されるため、ステップ８５，８６において同様に基板３２の高さを補正し、ステップ８１へ戻って、その領域にエキシマレーザー光を再照射する。
【００６５】
ステップ８５及び８７において、基板３２の高さ補正量の算出は、以下のように行われる。画像処理ユニット７４には、基板３２のＺ軸方向のズレ量（Ｚ軸ズレ量）に対応する画像が予め記憶されている。画像処理ユニット７４は、結晶化したシリコン薄膜３５の観測した画像パターンと記憶されているズレ画像パターンから、パターン認識技術を用いて基板３２の結像位置からのＺ軸ズレ補正量（ΔＺ）を算出する。算出されＺ軸ズレ補正量（ΔＺ）は、ステージ駆動部１２に入力される。ステップ８６及び８８において、ステージ駆動部１２は、このＺ軸ズレ補正量（ΔＺ）に基づき基板保持ステージ３８を駆動し、基板３２の高さ（Ｚ軸）方向の位置を補正し、エキシマレーザー光の結像位置にシリコン薄膜３５を一致させる。
【００６６】
（第２の応用例）
他の応用の一例は、本実施形態のレーザー結晶化装置１を使用して、エキシマレーザー光照射領域の２次元像観測をして、基板３２の平面内位置、すなわちＸ−Ｙ位置のズレ補正を行うものである。位相シフタ２８による逆ピーク状光強度分布を形成した結晶化方法の特徴は、所望の位置を結晶化できることである。この位置観測のために顕微観察光学系６１の配置は、図９に示したように、図１に示した光検出器６８のみを一時結像レンズ６６の光路から退避させ、イメージインテンシファイア７０を結像レンズ６６の結像位置に移動させて設置する。これにより、結晶化プロセス領域の２次元像を撮像できる。基板３２からの測定光が十分な強度を有する場合には、この配置は、イメージインテンシファイア７０を使用しないで結像レンズ６６の結像位置に撮像素子７２を設置するように変形することもできる。
【００６７】
以下に、図９に示した観察光学系６１を使用した基板３２のＸ−Ｙ位置合わせ方法について説明する。基板３２のＸ−Ｙ方向の位置合わせプロセスの一例を説明するためのフローチャートを図９に示す。Ｘ−Ｙ方向の位置合わせは、次のようにして実施することができる。例えば、アライメントマーク付きＸ−Ｙ−Ｚ保持ステージ３８上に、基板３２を予め位置決めして設置する。このアライメントマークを基準に精密な位置合わせをした後、結晶化プロセスを実行することができる。ステップ９１において、結晶化用のエキシマレーザー光を基板３２に照射し、シリコン薄膜３５を溶融する。ステップ９２において、結晶化プロセスの任意のタイミングでエキシマレーザー光の照射領域の２次元像を撮像し、照射パターンのＸ、Ｙ位置を測定する。照射パターンとアライメントマークとの位置を比較して、照射パターンの位置ズレが許容範囲であるかどうかをステップ９３で判断する。許容範囲内であれば、プロセスはステップ９６へ進む。許容範囲から外れている場合には、ステップ９４において、画像処理ユニット７４はアライメントマークからの位置ズレ補正量を自動的に算出する。そして、ステップ９５でステージ駆動部１２を介して基板３２のＸ−Ｙ方向のズレを補正する。ステップ９６では、基板３２の結晶化すべき領域の全てに対してプロセスが終了したかが判断される。終了していなければステップ９７で、次の結晶化用レーザー光の照射位置に移動し、ステップ９１へ戻る。
【００６８】
この結晶化プロセスは、表示部７４ｃに表示することができ、画面上に位置合わせ状態を表示して確認することができる。さらに、この位置ズレ補正は、結晶化用レーザー光を出射する毎に自動的に実施して微調整するようにしてもよい。また、アライメントマークによる位置のズレ補正結果は、後工程のレジスト露光工程にも利用することができる。
【００６９】
（本実施形態の変形例）
本実施形態の結晶化用光学系の構成の１変形例を図１１に示す。この変形例は、図１に示した構成から、位相シフタ２８及び結像光学系３０を取り除き、ホモジナイザ２６の結像位置に基板３２を配置したものである。本変形例は、図１の実施形態に比べ、レンズ等の光学素子の数を減らすことができるため、より強い強度の結晶化用レーザー光を照射できる。
【００７０】
顕微観察光学系６０は、前記の構成だけでなく以下のようにその一部を省略した構成、あるいは他の構成とすることができる。
【００７１】
顕微観察光学系６０の１つの変形例では、図１２に示したように、ストリーク管６８を省略して、イメージインテンシファイア７０とＣＣＤ撮像素子７２の機能が一体となった構造の、いわゆるゲート付きＣＣＤ撮像素子７３を使用することができる。ゲート付きＣＣＤ撮像素子７３は、結像レンズ６６により形成された２次元像を撮像するように配置される。ゲート付きＣＣＤ撮像素子７３は、ある瞬間の２次元像を撮影する機能を有する。すなわち、時間とともに変化する画像を撮像素子７３の２次元の光電変換部で受光し、所定のある瞬間だけ光電子増倍器に高電圧を印加することによりその瞬間の２次元像を蛍光面に記して、ＣＣＤ撮像素子により２次元画像データを得るものである。したがって、ストリーク管６８を用いた場合のような特定領域の連続データは得られない。しかし、ゲート付きＣＣＤ撮像素子７３の光電子増倍器に印加する高電圧は、数ナノ秒の時間分解能で制御できるため、所望の瞬間における広い観察領域の２次元像を得ることができる。
【００７２】
本変形例によって、撮像した結果の一例を図１３に示す。上段の図１３（ａ）は、エキシマレーザー光照射直後（ｔ＝ｔ０）の図であり、照射領域のシリコン薄膜３５が溶融している。小さな溶融領域は、縦横にマトリックス状に配置されている。溶融領域では照明光が透過しないため、暗い像になる。図では、この溶融領域を斜線でハッチングして示している。中段の図１３（ｂ），（ｃ）は、エキシマレーザー光照射後ｔ１だけ時間が経過した図であり、溶融領域の中心から結晶化が始まり、溶融領域内の外側部分が溶融している状態を示している。結晶化した領域を図では白ヌキで示している。結晶化する領域の形状は、位相シフタ２８のパターン設計によって制御することができる。図１３（ｂ）は、方形の光強度分布を形成する位相シフタを使用した場合の例で、中心から方形に結晶化した領域が形成されている。図１３（ｃ）は、線対称の光強度分布を形成する位相シフタを使用した場合の例であり、図の縦方向に延びる結晶化した領域が観測され、結晶化は図の横方向へ進行する。下段の図１３（ｄ）は、エキシマレーザー光照射から時間ｔ２が経過し、結晶化が終了した図であり、全体が結晶化して白く表わされている。しかし、溶融して結晶化した領域と溶融しなかった領域とでは、光の反射及び透過特性が異なるため、その境界を結晶化後においても認識することができる。
【００７３】
さらに他の変形例は、図５に示したストリーク管６８が加速電極６８ｄ若しくは電子増倍器６８ｅの少なくとも一方を含む場合である。ストリーク管６８の出力である１次像の強度が、ＣＣＤ撮像素子７２の感度に対して十分でない場合に、この配置を使用できる。
【００７４】
逆に、ストリーク管６８の出力の１次像の強度が、ＣＣＤ撮像素子７２の感度に対して十分な強度を有する場合、あるいは、ＣＣＤ撮像素子７２の感度が十分に高い場合、イメージインテンシファイア７０を省略することができる。
【００７５】
本実施形態は、前記した種々の実施形態に限定されることなく、さらに変形して、若しくはその一部を省略して使用することもできる。例えば、レーザー結晶化装置１の基板３２の位置のズレを補正する機構等を省略して、観測結果をレーザー結晶化装置にフィードバックすることなく、単に、半導体薄膜が、溶融し、時間とともに結晶化して変化する状態を観測、監視するシステムとすることもできる。
【００７６】
上記に説明したように、本発明によれば、エネルギー分布を有するエネルギー線、例えば、位相変調をして光強度分布を与えたパルス状エキシマレーザー光を半導体薄膜に照射して、半導体薄膜の所定の領域を溶融する。そして、エネルギー分布によって制御される所定の領域において横方向に結晶化する状態をリアルタイムで若しくはパルス状レーザー光照射終了直後から、数μｍ以下の高空間分解能及びナノ秒オーダーの高時間分解能で観測、監視することが可能である。さらに、この観測結果に基づき、例えばフィードバックすることにより、結晶化プロセスの安定化が図られ、高品質な半導体薄膜に効率よく結晶化することが可能な結晶化装置及び結晶化方法を提供することである。
【００７７】
本発明は、前記の実施形態に限定されるものではない。前記の実施形態には、種々の段階が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示された全ての構成要件の中から、いくつかの構成要件が削除されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は、液晶表示装置や有機エレクトロルミネッセンス表示装置等に用いられる薄膜トランジスタ用材料の製造に使用できるほか、非晶質及び多結晶の半導体薄膜をレーザー光照射により溶融、再結晶化させて使用する、例えば、太陽電池用材料薄膜のレーザー結晶化にも利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】図１は、本発明の実施形態の一例を説明するための結晶化装置の構成図である。
【図２】図２は、図１のホモジナイザの構成の一例を説明するための構成図である。
【図３】図３は、結晶化される半導体薄膜を有する基板の一例を示す断面図である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、実施形態の観察用照明光学系の変形例を説明するための構成図である。
【図５】図５は、図１の光検出器の一例であるストリーク管の構成を説明するための構成図である。
【図６】図６は、図１に示した装置により半導体薄膜を溶融して結晶化する状態を観測する時の動作タイミングの一例を説明するための図である。
【図７】図７は、図１の顕微観察光学系の表示部に表示された画像の一例を説明するための図である。
【図８】図８は、本発明の実施形態による基板の結像位置からのズレを補正するプロセスの一例を説明するためのフローチャートである。
【図９】図９は、基板の平面内位置のズレを補正するために使用する結晶化装置の一例を示す構成図である。
【図１０】図１０は、図９に示した結晶化装置により基板平面内の位置ズレを補正するプロセスの一例を説明するためのフローチャートである。
【図１１】図１１は、結晶化装置の一変形例を説明するための構成図である。
【図１２】図１２は、顕微観察光学系の一変形例を説明するための構成図である。
【図１３】図１３は、図１２に示した変形例によって観測される２次元画像を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８０】
１…レーザー結晶化装置，１０…タイミング制御部，１２…ステージ駆動部，２０…結晶化用光学系，２２…レーザー光源，２４…ビームエキスパンダ，２６…ホモジナイザ，２８…位相シフタ，３０…結像光学系（エキシマ結像光学系），３２…被処理基板，３８…基板保持ステージ，４０…顕微観察システム，４２…観察用照明光学系，４４…観察用照明光源，５０…ビームエキスパンダ，５２…環状リフレクタ，５４…環状収束レンズ，６０…顕微観察光学系，６２…顕微対物レンズ，６４…反射鏡，６６…結像レンズ，６８…光検出器（ストリーク管），６８ａ…光電面，６８ｂ…掃引電界発生器，６８ｂ−１…掃引回路，６８ｂ−２…掃引電極，６８ｃ…蛍光板，７０…イメージインテンシファイア，７２…撮像素子，７４…画像処理ユニット。
【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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