(57)【要約】【課題】  光マスク上に形成した露光パターンを、基板ステージに保持された基板上の半導体薄膜に投影露光して、半導体薄膜の所定の領域を改質する半導体薄膜形成装置の提供。【解決手段】  光マスク上に形成した露光パターンを、基板ステージに保持された基板上の半導体薄膜に投影露光して、半導体薄膜の所定の領域を改質する半導体薄膜形成装置において、光マスクまたは基板ステージを個別に駆動することにより、露光パターンを順次走査する機構を有する半導体薄膜形成装置。【選択図】    図１４
2007019529.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光マスク上に形成した露光パターンを、基板ステージに保持された基板上の半導体薄膜に投影露光して、半導体薄膜の所定の領域を改質する半導体薄膜形成装置において、光マスクまたは基板ステージを個別に駆動することにより、露光パターンを順次走査する機構を有することを特徴とする半導体薄膜形成装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体薄膜形成装置において、露光パターンを半導体薄膜に投影露光する際の、露光パターンの半導体薄膜の前記所定の領域への焦点合わせを行う焦点合わせ機構を有することを特徴とする半導体薄膜形成装置。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体薄膜形成装置において、露光ビームの半導体薄膜に対する傾きを補正する傾き補正機構を有することを特徴とする半導体薄膜形成装置。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体薄膜形成装置において、半導体薄膜が堆積された基板上に形成されたマークに対し、露光ビームの位置合わせを行うアライメント機能を有することを特徴とする半導体薄膜形成装置。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体薄膜形成装置において、半導体薄膜が堆積された基板をステージ上に保持する機能を有することを特徴とする半導体薄膜形成装置。
【請求項６】
光マスク上に形成したパターンを半導体薄膜に露光ビームにより投影露光して、半導体薄膜の所定の領域を改質する半導体薄膜形成装置において、複数のレーザ光を前記露光ビームとして合成する合成機構を有することを特徴とする半導体薄膜形成装置。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体薄膜形成装置において、前記複数のレーザ光が第１および第２のレーザ光であり、前記合成機構は、第１のレーザ光に対し第２のレーザ光が遅延して半導体薄膜に照射されるように、第１および第２のレーザ光を前記露光ビームとして合成することを特徴とする半導体薄膜形成装置。
【請求項８】
光マスク上に形成したパターンを基板上の半導体薄膜に投影露光して、半導体薄膜の所定の領域を改質するための処理室を有する半導体薄膜形成装置において、前記処理室は、別の処理室と、大気に暴露することなく、ベローズによって連結していることを特徴とする半導体薄膜形成装置。
【請求項９】
光マスク上に形成したパターンを基板上の半導体薄膜に投影露光して、半導体薄膜の所定の領域を改質するための処理室を有する半導体薄膜形成装置において、前記処理室は、別の処理室と、大気に暴露することなく連結しており、かつ前記処理室は、除振装置を有することを特徴とする半導体薄膜形成装置。
【請求項１０】
光マスク上に形成したパターンを基板上の半導体薄膜に投影露光して、半導体薄膜の所定の領域を改質するための処理室を有する半導体薄膜形成装置において、大気に暴露することなく別の処理室に基板を搬送する機構を有し、かつ前記処理室は、除振装置を有することを特徴とする半導体薄膜形成装置。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれかに記載の半導体薄膜形成装置において、前記別の処理室が基板に絶縁膜を形成するための絶縁膜形成室であることを特徴とする半導体薄膜形成装置。
【請求項１２】
請求項８〜１０のいずれかに記載の半導体薄膜形成装置において、前記別の処理室が基板に半導体膜を形成するための半導体膜形成室であることを特徴とする半導体薄膜形成装置。
【請求項１３】
請求項８〜１０のいずれかに記載の半導体薄膜形成装置において、前記別の処理室が基板に加熱処理を施すための加熱処理室であることを特徴とする半導体薄膜形成装置。
【請求項１４】
請求項８〜１０のいずれかに記載の半導体薄膜形成装置において、前記別の処理室が基板にプラズマ処理を施すためのプラズマ処理室であることを特徴とする半導体薄膜形成装置。
【請求項１５】
請求項８〜１０のいずれかに記載の半導体薄膜形成装置において、前記処理室が、前記光マスク上に形成したパターンを前記基板上の半導体薄膜にレーザビームにより投影露光して、半導体薄膜の前記所定の領域を改質するためのレーザ処理室であり、前記別の処理室がもう一つのレーザ処理室であることを特徴とする半導体薄膜形成装置。
【請求項１６】
請求項８〜１０のいずれかに記載の半導体薄膜形成装置において、前記別の処理室は、該別の処理室内の所定の領域にプラズマを発生させるためのプラズマ発生源を有し、前記別の処理室内の前記所定の領域外の領域に基板が配置されることを特徴とする半導体薄膜形成装置。
【請求項１７】
請求項１４に記載の半導体薄膜形成装置において、前記別の処理室は、該別の処理室内の所定の領域にプラズマを発生させるためのプラズマ発生源を有し、前記別の処理室は、前記所定の領域の前記プラズマにより励起されたガスと、前記所定の領域を介さずに前記別の処理室内に導入される別のガスとを反応させることにより、前記基板に前記プラズマ処理を施すものであることを特徴とする半導体薄膜形成装置。
【請求項１８】
請求項１０に記載の半導体薄膜形成装置において、前記別の処理室（図４３の８１０３）にガスを導入しつつ、該別の処理室につながれている前記処理室（８１０１）の圧力よりは低い圧力に該別の処理室内の圧力を維持することを特徴とする半導体薄膜形成装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の半導体薄膜形成装置において、上記ガスは、前記処理室での成膜に悪影響を与えないガスであることを特徴とする半導体薄膜形成装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載の半導体薄膜形成装置において、上記成膜に悪影響を与えないガスは、水素であることを特徴とする半導体薄膜形成装置。
【請求項２１】
請求項１０に記載の半導体薄膜形成装置において、前記別の処理室（図４３の８１０３）内に、前記半導体薄膜の所定の領域を改質する作用がある化学種を改質種として供給する改質種供給部が設けられていること特徴をする半導体薄膜形成装置。
【請求項２２】
請求項２１に記載の半導体薄膜形成装置において、上記改質種供給部は、相互ガス拡散係数をＤ,貫通孔の最小径部分の長さをＬ，貫通孔内でのガス流速をｕとすると、ｕＬ／Ｄ＞１（ｕはｍ／ｓｅｃ、Ｌはｍ、Ｄはｍ２／ｓｅｃ）が満たされているような複数の貫通孔のみにより前記処理室と前記別の処理室が繋がっていることを特徴とすることを特徴とする半導体薄膜形成装置。
【請求項２３】
請求項２１に記載の半導体薄膜形成装置において、上記化学種は、水素活性種であることを特徴とする半導体薄膜形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶性シリコン薄膜トランジスタに用いるシリコン薄膜及び電界効果型トランジスタに応用するための良質な半導体−絶縁膜界面を形成する装置に関する。また本発明は、パルスレーザ光を用いたシリコンゲルマニウム（SiGe）、シリコンカーバイド（SiC）等のシリコン化合物、GaAs、GaN、CuInSe2、ZnSe等の化合物半導体等の半導体薄膜の製造装置に関する。さらに本発明は、上記半導体薄膜あるいは電界効果型薄膜トランジスタにより構成されるディスプレイ、センサー等の駆動素子または駆動回路を製造するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス基板上に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成する代表的な技術として、水素化アモルファスシリコンＴＦＴ技術及び、多結晶シリコンＴＦＴ技術が挙げられる。前者は作製プロセス最高温度３００℃程度であり、移動度１cm2/Vsec程度のキャリア移動度を実現している。この技術は、アクティブマトリクス型（ＡＭ）液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）における各画素のスイッチングトランジスタとして用いられ、画面周辺に配置されたドライバー集積回路（ＩＣ、単結晶シリコン基板上に形成されたＬＳＩ）によって駆動される。各画素毎にスイッチング素子ＴＦＴがついているため、周辺ドライバ回路から液晶駆動用の電気信号を送るパッシブマトリクス型ＬＣＤに比べ、クロストーク等が低減され良好な画像品質を得られるという特徴を有する。一方後者は、例えば石英基板を用い１０００℃程度のＬＳＩと類似した高温プロセスを用いることで、キャリア移動度３０〜１００cm2/Vsecの性能を得ることができる。このような高いキャリア移動度の実現は、たとえば液晶ディスプレイに応用した場合、各画素を駆動する画素ＴＦＴと同時に、周辺駆動回路部までもが同一ガラス基板上に同時に形成することができるという製造プロセスコストの低減、小型化に関する利点がある。小型化、高解像度化によりＡＭ−ＬＣＤ基板と周辺ドライバー集積回路の接続ピッチが狭小化し、タブ接続やワイヤボンディング法では対処しきれないからである。ところが、多結晶シリコンＴＦＴ技術において、上述のような高温プロセスを用いる場合、前者のプロセスが用いることができる安価な低軟化点ガラスを用いることができない。そこで多結晶シリコンＴＦＴプロセスの温度低減が必要になっており、レーザ結晶化技術を応用した多結晶シリコン膜の低温形成技術が研究・開発されている。
【０００３】
一般に、これらのレーザ結晶化は図１に示すような構成のパルスレーザ照射装置により実現される。パルスレーザ光源1101から供給されるレーザ光はミラー1102,1103,1105及び空間的な強度の均一化を行うべく設置されるビームホモジナイザ1104等の光学素子群によって規定される光路 1106を介し、被照射体であるガラス基板1109上のシリコン薄膜1107に到達する。一般にガラス基板に比べ１照射範囲が小さいため、ｘｙステージ1109 上のガラス基板を移動させることにより基板上の任意の位置へのレーザ照射が行われている。ｘｙステージの代わりに、上述の光学素子群を移動させることや、光学素子群とステージを組み合わせる方法も可能である。
【０００４】
非特許文献１のFigure 6に、基板がx-方向ステージに、ホモジナイザがy-方向ステージに載置されることが示されている。
【０００５】
レーザ照射が真空チャンバ内で真空中あるいは高純度ガス雰囲気下で行われることもある。また、必要に応じてシリコン薄膜付きガラス基板入りカセット  1110と基板搬送機構 1111 を有し、機械的にカセットとステージ間の基板の取りだし収納を行うこともできる。
【０００６】
また、短波長パルスレーザ光を照射し非晶質基板上の非晶質シリコン薄膜を結晶化し、薄膜トランジスタに応用する技術が特許文献１に開示されている。本手法によれば基板全体を高温にすることなく非晶質シリコンの結晶化が可能であるため、液晶ディスプレイ等の大面積かつガラス等の安価な基板上への半導体素子、半導体集積回路を作製できるという利点がある。ところが上記特許文献１においても述べられているように、短波長レーザによる非晶質シリコン薄膜の結晶化には50 - 500 mJ/cm2程度の照射強度が必要である。一方、現在一般に入手できるパルスレーザ装置の発光出力は最大1 J/pulse程度であり、単純換算によっても一度に照射できる面積は2 - 20 cm2程度にすぎない。したがって、たとえば基板サイズ47 x 37 cm基板全面をレーザ結晶化するためには、少なくとも87 - 870箇所にレーザ照射が必要となる。１ｍ角というように、基板サイズが拡大すれば、同様に照射箇所数が増加する。一般に、これらのレーザ結晶化は上述のように図１に示すような構成のパルスレーザ照射装置により実現される。
【０００７】
上記の方法で大面積基板上に薄膜半導体素子群を均一に形成するためには、特許文献２に開示されているような、素子群をレーザのビームサイズよりも小さく分割し、ステップアンドリピートにより数パルス照射＋照射領域の移動＋数パルス照射＋照射領域の移動＋…・を繰り返す方法が有効であることが知られている。図２（２）に示すように、レーザの発振とステージ（すなわち基板もしくはビーム）の移動とが交互に行われる方法である。ところが、本手法によっても現在入手しうる発振強度均一性±５〜１０％（連続発振時）程度のパルスレーザ装置を用い、たとえば１パルス／場所〜２０パルス／場所程度の照射を繰り返す場合、発振強度バラツキが±５〜１０％を超え、結果として得られる多結晶シリコン薄膜並びに多結晶シリコン薄膜トランジスタ特性が十分な均一性を有さないという問題があった。特にスパイキングと呼ばれる、レーザ発振初期の放電の不安定に起因した、強光あるいは弱光の発生が不均一化の問題となっている。この補正を行うべく、積算強度結果により次の発振時の印加電圧を制御するような方法では、スパイキングの発生は抑制できるもののかえって弱光を発振してしまうという問題があった。すなわち、図３に示すように、照射時間と非発振時間とが交互に連続する場合、各照射時間に発振される第１のパルス強度が、最も不安定でありバラツキやすく、また照射箇所によって照射強度履歴が異なるため、基板面内でのトランジスタ素子及び薄膜集積回路の十分な均一性が得られないという問題があった。このようなスパイキングの回避方法としては、図２（１）に示すように、レーザ発振を、素子形成領域への照射開始以前から開始することにより回避する方法が知られているが、図２（２）に示すようなレーザの発振とステージの移動とが断続的に繰り返す場合には応用できないという問題があった。さらにこれらの問題を回避すべく、特許文献３ではパルスレーザ光源を連続発振させると共にステージの移動期間には光遮蔽装置を用いて基板への照射を防ぐ方法が提案されている。すなわち、図２（３）に示すようにレーザをある周波数で連続発振させ、所望の照射位置へのステージの移動と光路の遮蔽を同期させることによって、強度の安定したレーザ光を所望の照射位置へ照射を可能にした。ところが、本方法によればレーザビームの安定した基板への照射が可能になるものの、多結晶シリコン薄膜形成に寄与することのない無駄なレーザ発振が増え、高価なレーザ光源や励起ガスの寿命に対する多結晶シリコン薄膜の生産性及び、レーザ発振に要する電力等に対する多結晶シリコン薄膜の生産効率が低下するため、生産コストの上昇を招くという問題があった。また、レーザが露光される基板も、照射強度ばらつきによって所望の値に比べ過度な強光が照射されると、基板ダメージが生じる。LCD等のイメージングデバイスでは基板を透過する光が、基板上のダメージを受けた領域において散乱等を引き起こし画像品質の低下が生じるという問題があった。
【０００８】
光マスク上のパターンをシリコン薄膜上に縮小投影しレーザ結晶化する技術は、非特許文献２及び、非特許文献３に開示されている。本文献によれば、308nm excimer laser, variable-energy attenuator, variable-focus field lens, patterned-mask, two-element imaging lens, sub-micrometer-precision translation stageを用いて、１：５程度の縮小投影を行うことによって、μｍオーダのビームサイズとμｍオーダの基板ステージの移動ピッチを実現している。ところが本方法を上記のような大型の基板処理に用いた場合、光マスク上に照射されるレーザビームが光源に依存した空間的な強度プロファイルを持つため、例えばマスク上の中心と周辺とを透過した露光パターンに致命的な強度分布が生じ、所望の均一性を持った結晶性シリコン薄膜を得ることができないという問題があった。さらに、波長の短い紫外光を縮小投影するためビームの焦点深度が小さく、基板のそり、たわみによる照射深度ずれが生じやすいという問題があった。また、基板が大きくなるにつれてステージの機械的精度を確保することが困難であり、ステージの傾きや移動時のステージ上での基板のずれが、所望のレーザ照射条件を妨げるという問題もあった。
【０００９】
さて上記のようなレーザ照射を行う際に、複数のパルスをある遅延時間をもたせて照射する方法が非特許文献４に開示されている。これによれば、レーザ再結晶化プロセスにおける溶融シリコンの結晶化固化速度は１ｍ／ｓｅｃ以上であり、良好な結晶成長を得るためには、固化速度の低減が必要である。固化が完了した直後に第２のレーザパルスを照射することにより第２の照射によってより固化速度の小さな再結晶化過程を得られるというものである。さて、図４に示すようなシリコンの温度変化（時間履歴曲線）によれば、レーザエネルギー（例えば図５に示す強度パルス）の照射とともにシリコンの温度が上昇し、出発材料がａ−Ｓｉの場合、ａ−Ｓｉの融点を経た後さらに温度が上昇、エネルギーの供給が温度上昇に必要な値を下回ると、冷却が始まる。結晶Ｓｉの凝固点において、凝固時間を経て固化が終了した後、雰囲気温度まで冷却される。ここで、シリコンの固化がシリコン−基板界面を起点に膜厚方向に進むとすると、上記固化速度の平均値は以下のような式で表される。
【００１０】
固化速度の平均値＝シリコンの膜厚／凝固時間
すなわち、シリコンの膜厚が一定であれば、固化速度を小さくするためには凝固時間の長時間化が有効である。したがって、熱平衡学的に理想的な状態を維持したプロセスであれば、理想的な投入するエネルギーすなわちレーザ照射エネルギーを大きくすることで、凝固時間の拡大が可能である。ところが上記公知文書においても指摘されているとおり、照射エネルギーの増大は膜の非晶質化、微結晶化を引き起こすという問題があった。現実的な溶融・再結晶化工程においては図４のような理想的な温度変化を示さず、加熱時には温度の過上昇、冷却時には過冷却過程を経て安定状態に到達する。特に冷却時の冷却速度が大きく過度の過冷却を経る場合、凝固点近傍での結晶化が生ずることなく、急速冷却固化によりアモルファス（非晶質）固体が形成されるためである。薄膜においては上記非特許文献４中でも述べられているとおり、条件によってアモルファスではなく、微結晶体を形成することもある。微結晶体は、多結晶薄膜あるいは単結晶薄膜に比べその粒径が極端に小さいために、粒界ポテンシャルの大きな結晶粒界が多数存在し、たとえば薄膜トランジスタへの応用ではオン電流の低下、あるいはオフリーク電流の増大を招くといった問題を有する。
【００１１】
一方で、被レーザ照射材料であるa-Si薄膜の形成工程、レーザ照射工程、プラズマ水素化工程、ゲート絶縁膜の形成工程を順次あるいは順を変えて、大気暴露することなく行う技術が、下記の特許文献に開示されている。
【００１２】
特許文献４：非晶質半導体薄膜を加熱処理した後、レーザを照射する工程を大気暴露することなく行う。
【００１３】
特許文献５：レーザ結晶化多結晶シリコン薄膜を有する基板を大気暴露することなくプラズマ水素化、ゲート絶縁膜の形成工程に基板搬送する。
【００１４】
特許文献６：レーザ結晶化多結晶シリコン薄膜を有する基板を大気暴露することなくゲート絶縁膜の形成工程に基板搬送する。
【００１５】
特許文献７：レーザ結晶化多結晶シリコン薄膜を有する基板を大気暴露することなくゲート絶縁膜の形成工程に基板搬送し多結晶シリコン表面への不純物の付着を防ぐ。
【００１６】
特許文献８：非晶質シリコン薄膜の形成、レーザ結晶化、水素化、ゲート絶縁膜の形成を大気暴露することなく連続して行う。
【００１７】
特許文献９：非晶質シリコン薄膜の形成、レーザ結晶化、水素化、ゲート絶縁膜の形成を大気暴露することなく連続して行う。
【００１８】
特許文献１０：非晶質シリコン薄膜の形成、レーザ結晶化、水素化、ゲート絶縁膜の形成を大気暴露することなく連続して行う。
【００１９】
特許文献１１：非晶質シリコン薄膜の形成、レーザ結晶化、ゲート絶縁膜の形成、ゲート電極の形成を大気暴露することなく連続して行う。
【００２０】
これらの思想、技術は、レーザ結晶化によって形成されたシリコン表面が非常に活性であるため大気中に曝すことにより不純物が付着しやすくなり、結果として形成されるＴＦＴの特性を劣化させる、あるいはその特性にばらつきを生じさせるという問題を解決するために考案されている。そこで、出願人らはエキシマレーザ結晶化技術と酸化シリコン膜形成技術を同一装置（大気に曝さず別の装置に基板を搬送することを含む）で行い、いったん大気に曝した場合との性能比較を行った。その結果、ゴミ、パーティクルの付着防止効果による製品の歩留まり率の向上には大きな効果があったものの、この効果はクリーンルーム環境のクリーン度を高めることである程度同等の効果が得られることがわかった。歩留まり率の向上には、成膜装置よりも同一装置内に基板の洗浄機構を組み込んだものが最も効果が大きい。例えばa-Siの形成工程の形成条件によっては成膜中に基板上にパーティクルが付着し、いったん大気中に解放して洗浄工程を必要とするものもあった。一方で、薄膜トランジスタの性能に着目すると、上記製造プロセスの違いは顕著な差異をもたらさなかった。この理由は以下のように考察できる。本出願人らは、例えば、非特許文献５において、３００〜３５０℃程度の温度でプラズマを用いて形成されるシリコン酸化膜や６００℃程度の熱処理を経て形成されるシリコン酸化膜の固定酸化膜電荷密度（1011〜1012 cm-2）や、シリコン基板との間の界面準位密度(〜 6 x 1010 cm-2eV-2)を開示している。この場合、上記シリコン基板は一般にＲＣＡ洗浄と呼ばれる硫酸／過酸化水素水、塩酸／過酸化水素水／水、アンモニア／過酸化水素水／水、フッ酸／水等の酸性（必要に応じて加熱）洗浄液をもちいて洗浄、水洗後、成膜装置内に導入される。したがって、上記界面準位密度値は、単結晶シリコン基板ではあるものの、清浄界面形成（洗浄）後いったん大気に曝され、成膜工程に移った試料から得たものである。ここで一方のレーザ結晶化シリコン膜のトラップ準位密度に注目する。本出願人らは、例えば、非特許文献６において、レーザ結晶化シリコン膜を有する薄膜トランジスタから、結晶化シリコン膜中のトラップ準位密度(1012〜1013 cm-2)を開示している。 しかもこれらのトランジスタが示す電界効果移動度は40〜140 cm2/vsecと良好な特性を示している。
【００２１】
さて、上記シリコン膜中のトラップ準位密度と、界面準位密度（あるいは固定酸化膜電荷密度）を比較すると明らかにトラップ準位密度の値のほうが大きい。すなわち、同一装置内で大気の曝すことなくシリコン膜／ゲート絶縁膜を形成した試料において、その清浄性の効果を得るためには、シリコン膜の性能（トラップ準位密度）が十分ではないという問題があることが判明した。
【００２２】
次に、プラズマダメージを低減し良質なゲート絶縁膜を形成する手段としてリモートプラズマＣＶＤ（化学的気相成長）法が提案されている。例えば、特許文献１２には、プラズマ発生室と基板処理室を分離する構成が開示されている。このような構成をとることにより、上述のような低固定酸化膜電荷密度（1011〜1012 cm-2）や、低界面準位密度(〜 6 x 1010 cm-2eV-2)が実現できると推察できるが、この効果は上述のように予め形成されるシリコン膜の性能に制限されてしまうという問題があった。
【００２３】
【特許文献１】特公平７−１１８４４３号公報
【特許文献２】特開平５−２１１１６７号公報
【特許文献３】特開平５−９０１９１号公報
【特許文献４】特開平５−１８２９２３号公報
【特許文献５】特開平７−９９３２１号公報
【特許文献６】特開平９−７９１１号公報
【特許文献７】特開平９−１７７２９号公報
【特許文献８】特開平９−１４８２４６号公報
【特許文献９】特開平１０−１１６９８９号公報
【特許文献１０】特開平１０−１４９９８４号公報
【特許文献１１】特開平１１−１７１８５号公報
【特許文献１２】特開平５−２１３９３号公報
【非特許文献１】J. Im and R. Sposili, Crystalline Si films for integrated active-matrix-liquid-crystal displays", Materials Research Society Bulletin誌, vol. 21, (1996), 39
【非特許文献２】R. Sposili and J. Im, "Sequential lateral solidification of thin silicon films on SiO2", Applied Physics Letters誌、vol. 69, (1996), 2864
【非特許文献３】J. Im, R. Sposili and M. Crowder, "Single-crystal Si films for thin film transistor devices", Applied Physics Letters誌、vol. 70, (1997), 3434
【非特許文献４】Ryoichi Ishihara et al. "Effects of light pulse duration on excimer laser crystallization characteristics of silicon thin films", Japanese journal of applied physics, vol. 34, No.4A, (1995) pp1759
【非特許文献５】K. Yuda et al. "Improvement of structural and electrical properties in low-temperature gate-oxides for poly-Si TFTs by controlling O2/SiH4 ratios", Digest of technical papers 1997 international workshop on active matrix liquid crystal displays, September 11-12, 1997, Kogakuin Univ., Tokyo, Japan- ,87
【非特許文献６】H. Tanabe et al., "Excimer laser crystallization of amorphous silicon films", NEC Research and Development誌, vol. 35, (1994), 254
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明の目的は、上記述べてきた問題を克服すべく、トラップ準位密度の小さい半導体薄膜を光照射によって形成する技術を提供すると共に、大面積基板上に再現性よくその技術を応用するための技術／装置を提供することにある。
【００２５】
本発明のもう一つの目的は、それらの良質な半導体膜上に良質なゲート絶縁膜を形成する手段を提供し、良好な半導体−絶縁膜界面すなわち優れた特性を有する電界効果型トランジスタを製造する装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
（１）本発明によれば、光マスク上に形成した露光パターンを、基板ステージに保持された基板上の半導体薄膜に投影露光して、半導体薄膜の所定の領域を改質する半導体薄膜形成装置において、光マスクまたは基板ステージを個別に駆動することにより、露光パターンを順次走査する機構を有することを特徴とする半導体薄膜形成装置が得られる。光マスクによって基板上に投影露光できる面積が基板サイズに比べ小さい場合、露光領域への基板の移動を基板ステージによって行う。基板を固定した状態でレーザの照射に合わせてマスクステージを移動させることによって、所望の領域に順次露光する。
【００２７】
（２）本発明によれば、光マスク上に形成した露光パターンを半導体薄膜に投影露光して、半導体薄膜の所定の領域を改質する半導体薄膜形成装置において、露光パターンを半導体薄膜に投影露光する際の、露光パターンの半導体薄膜の所定の領域への焦点合わせを行う焦点合わせ機構を有することを特徴とする半導体薄膜形成装置が得られる。露光領域への基板の移動を基板ステージによって行う場合、基板のそり、たわみ、厚さのばらつきなど、あるいは基板ステージの露光軸に対する垂直度などのずれによって、基板中心部と基板周辺部等で焦点位置からのずれが生じても、随時焦点合わせを行うことによって、再現性よく基板全面に所望の露光を行うことができる。
【００２８】
（３）本発明によれば、光マスク上に形成したパターンを半導体薄膜に露光ビームにより投影露光して、半導体薄膜の所定の領域を改質する半導体薄膜形成装置において、露光ビームの半導体薄膜に対する傾きを補正する傾き補正機構を有することを特徴とする半導体薄膜形成装置が得られる。露光領域への基板の移動を基板ステージによって行う場合、基板のそり、たわみ、厚さのばらつきなど、あるいは基板ステージの露光軸に対する垂直度などのずれによって、基板中心部と基板周辺部等で露光軸からのずれが生じても、随時傾き補正を行うことによって、再現性よく基板全面に所望の露光を行うことができる。
【００２９】
（４）本発明によれば、光マスク上に形成したパターンを半導体薄膜に露光ビームにより投影露光して、半導体薄膜の所定の領域を改質する半導体薄膜形成装置において、半導体膜が堆積された基板上に形成されたマークに対し、露光ビームの位置合わせを行うアライメント機能を有することを特徴とする半導体薄膜形成装置が得られる。予め設けられたアライメントマークを基準に露光領域を決定することによって、所望の場所に所望の露光条件で露光改質された半導体薄膜を形成することができるため、例えばトランジスタのチャネル領域のみを露光改質することができる。すなわち改質した領域に対応して、ソース・ドレイン、チャネル領域を順次次の工程でパターン形成することができる。
【００３０】
（５）本発明によれば、光マスク上に形成したパターンを半導体薄膜に投影露光して、半導体薄膜の所定の領域を改質する半導体薄膜形成装置において、半導体膜が堆積された基板をステージ上に保持する機能を有することを特徴とする半導体薄膜形成装置が得られる。光マスクによって基板上に投影露光できる面積が基板サイズに比べ小さい場合、露光領域への基板の移動を基板ステージによって行う。基板を固定した状態でレーザの照射に合わせてマスクステージを移動させることによって、所望の領域に順次露光する。このような場合、基板ステージの移動等でステージ上の基板がずれる。特に回転補正（θ補正）が必要な場合、ずれが発生したときにその都度補正を行なうことはスループットの妨げになるため、基板を保持することが必要になる。またステージ上で基板加熱を行うような場合、加熱により基板のそり、たわみが発生するため、それによる焦点ずれや露光軸からの傾きが発生することを防止する。
【００３１】
（６）本発明によれば、光マスク上に形成したパターンを半導体薄膜に露光ビームにより投影露光して、半導体薄膜の所定の領域を改質する半導体薄膜形成装置において、複数のレーザ光を前記露光ビームとして合成する合成機構を有することを特徴とする半導体薄膜形成装置が得られる。
【００３２】
（７）本発明によれば、上記（６）に記載の半導体薄膜形成装置において、前記複数のレーザ光が第１および第２のレーザ光であり、前記合成機構は、第１のレーザ光に対し第２のレーザ光が遅延して半導体薄膜に照射されるように、第１および第２のレーザ光を前記露光ビームとして合成することを特徴とする半導体薄膜形成装置が得られる。
【００３３】
図６に膜厚７５ｎｍのシリコン薄膜に波長３０８ｎｍのエキシマレーザを照射した場合の、数値計算から求めた最大冷却速度(Cooling rate, K/sec)と、レーザ照射後の膜のＳＥＭ観察から得られた結晶化−微結晶化の照射強度のしきい値を示す。図５は実験に用いたレーザの発光パルス波形である。３つの主ピークを有し発光時間は約１２０ｎｓｅｃに及ぶ。このようなパルス波形は、上記非特許文献６に記載されているパルス幅２１．４ｎｓｅｃの矩形パルスに比べ５倍以上の発光時間を有することから、単一パルス照射であっても上記非特許文献６中で述べられているような固化速度の低減といった効果が期待できる。さて、このようなパルス波形を用いたレーザ再結晶化時の数値計算から求めたシリコンの温度−時間曲線は図７に示すようになる。図７はシリコン膜厚７５ｎｍ、基板にＳｉＯ２、ＸｅＣｌレーザ（波長３０８ｎｍ）照射強度が４５０ｍＪ／ｃｍ２である時のシリコン薄膜の温度変化を示す。第２の発光ピークがほぼ終了する約６０ｎｓｅｃ後に最高温度に達し冷却へと転じる。（なお、本数値計算では溶融・凝固点として非晶質シリコンの値を用いており、凝固点付近の振る舞いは現実のものとは異なる。特に結晶化膜が得られる場合は、結晶シリコンの凝固点で結晶化が完了する。）いったん大きな傾きを持って冷却が開始されるが、第３のピークが存在する１００ｎｓｅｃ程度の傾きは非常に小さくなることがわかる。完全に発光が終了する１２０ｎｓｅｃ以降では、再び急速な冷却過程を経て凝固する。一般に、熱平衡過程を大きくはずれるような“急冷”を経た液体からの固化過程の場合、結晶構造の形成に必要な十分な凝固時間を得ることができず、アモルファス（非晶質）固体を形成する。図７に示すようなシリコンの温度−時間曲線から各照射強度に対し発光終了後の最大冷却速度を見積もった結果を図６に示す。照射強度の増大とともに冷却速度が増加することがわかる。一方、レーザ照射後のシリコン薄膜の構造を走査型電子顕微鏡を用いて観察したところ、照射強度の増大とともにいったん粒径は増大するものの、４７０ｍＪ／ｃｍ２程度の設定照射強度条件において、微結晶化が観測された。同様に照射パルス数を３パルスにした場合、４７０ｍＪ／ｃｍ２程度の設定照射強度条件においても、部分的に微結晶化領域が残るものの１パルスの時とは異なり粒径の飛躍的な増大が観測された（図８）。なお、実照射強度は、エキシマレーザの特に最初の数パルスにおいて、設定値に比べ５〜１０％程度高くなるため、微結晶化が生じるしきい強度は５００ｍＪ／ｃｍ２程度と見積もることができる。以上のような結果から、図６の５００ｍＪ／ｃｍ２条件から冷却速度を見積もることにより、微結晶化は約１．６ｘ１０１０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度条件で生じることがわかった。被照射膜がａ−Ｓｉの場合、約５００ｍＪ／ｃｍ２以上の照射強度で微結晶化が、同様に、被照射膜がｐｏｌｙ−Ｓｉの場合にこの冷却速度を当てはめると、ａ−Ｓｉに比べ約３０ｍＪ／ｃｍ２大きい照射強度が示唆される。したがって、冷却速度を１．６ｘ１０１０℃／ｓｅｃ以下に制御することによって、微結晶化、アモルファス化を防ぐことができ、良好な結晶成長過程を得ることが可能になる。
【００３４】
第２のレーザ光を第１のレーザ光に遅延して導入した場合について述べる。すでに述べたように、発光後期のレーザ光が冷却速度の増大を緩和するとともに、発光終了後の冷却速度が結晶化を支配する。すなわち、最終的に投入されたエネルギーによりそれ以前の冷却過程は初期化されると考えられる。更に付加的なエネルギーを投入することによって、それ以前の固化過程において急冷による非晶質化、微結晶化が生じていても、エネルギーは保存されている（ナノ秒オーダと短時間のため、基板への熱伝導、雰囲気への放射は小さいと考えられる。もちろん十分な熱の放出が可能な時間は考慮しない）ため一旦初期化され、再度固化過程を繰り返すものと考えられる。したがって再度投入されたエネルギーによる２次加熱終了後の冷却速度に注目することによって、良好な結晶成長が期待できる。図９に示すように、遅延時間を制御することによって冷却速度を所望の値にコントロールする。
【００３５】
さて、照射されるビームの空間的な強度分布について次に述べる。複数のスリットを用いたレーザ照射においても、スリット内の空間分布が一定でありかつスリット間の強度空間分布が一定であることが望ましいが、光学素子設計や光学素子作製上の制限から、±数％〜十数％程度のばらつきが生じてしまう。エキシマレーザ光の経時変化や光学系の消耗、光学素子への異物の付着等も考慮するとその分布は±数十％になる場合もある。図１０は、図８に示すような顕微鏡写真から求めた、照射強度と照射回数（照射パルス回数）Nに依存した平均結晶粒径ｄ（ｄ＝ＫＮｎ,ここで、Ｋは定数、ｎは傾きを示す）の変化を示している。図１０が示唆するように、照射強度が４５０mJ/cm2程度を境に照射回数Ｎに対する粒径変化の傾きｎが変化する。所望の作製条件を照射強度と場所あたりの照射回数Ｎで設計する場合、空間的な強度分布がn=1/4となるような条件とn=1/7となるような条件とを混在させないことが望ましい。したがって、空間的なばらつきが生じた場合でも例えば５２１〜４７０mJ/cm2の範囲（平均強度４９５．５mJ/cm2の約±５．２％以内の範囲）あるいは４２４〜３３９mJ/cm2の範囲（平均強度３８１．５mJ/cm2の約±１１．２％以内の範囲）に分布が収まるように照射を行えば、極端な平均粒径の相違を抑制したＳｉ薄膜のレーザ結晶化が可能になる。
【００３６】
（８）本発明によれば、光マスク上に形成したパターンを基板上の半導体薄膜に投影露光して、半導体薄膜の所定の領域を改質するための処理室を有する半導体薄膜形成装置において、大気に暴露することなく別の処理室に基板を搬送する機構を有することを特徴とする半導体薄膜形成装置が得られる。
【００３７】
（９）本発明によれば、上記（８）に記載の半導体薄膜形成装置において、前記別の処理室が基板に絶縁膜を形成するための絶縁膜形成室であることを特徴とする半導体薄膜形成装置が得られる。
【００３８】
半導体膜中のトラップ準位密度が、界面準位密度と同等かそれ以下になるために、同一装置内で大気の曝すことなく半導体膜／ゲート絶縁膜を形成することによって、その清浄性維持の効果を十分活かし、良好な半導体−絶縁膜界面を得ることが可能になる。
【００３９】
（１０）本発明によれば、上記（８）に記載の半導体薄膜形成装置において、前記別の処理室が基板に半導体膜を形成するための半導体膜形成室であることを特徴とする半導体薄膜形成装置が得られる。
【００４０】
（１１）本発明によれば、上記（８）に記載の半導体薄膜形成装置において、前記別の処理室が基板に加熱処理を施すための加熱処理室であることを特徴とする半導体薄膜形成装置が得られる。
【００４１】
（１２）本発明によれば、上記（８）に記載の半導体薄膜形成装置において、前記別の処理室が基板にプラズマ処理を施すためのプラズマ処理室であることを特徴とする半導体薄膜形成装置が得られる。
【００４２】
（１３）本発明によれば、上記（８）に記載の半導体薄膜形成装置において、前記処理室が、前記光マスク上に形成したパターンを前記基板上の半導体薄膜にレーザビームにより投影露光して、半導体薄膜の前記所定の領域を改質するためのレーザ処理室であり、前記別の処理室がもう一つのレーザ処理室であることを特徴とする半導体薄膜形成装置が得られる。
【００４３】
このような構成をとることによって、高性能、多機能半導体形成装置の提供、低コスト、高再現性薄膜トランジスタ製造プロセスの提供、及び高性能薄膜トランジスタの提供がそれぞれ可能になる。
【００４４】
具体的には、
１）薬液による洗浄工程削減が可能な安定性の高い半導体薄膜プロセス装置の提供
２）同一装置において多工程を処理可能な多機能型装置を提供することによって、トータルの工場設置面積を小さくできる、省スペース半導体プロセス装置の提供
３）シリコン清浄表面（界面）を、薬液を用いることなく維持可能な低コスト、高性能薄膜トランジスタの製造方法の提供
がそれぞれ可能になる。
【００４５】
（１４）本発明によれば、上記（８）〜（１２）のいずれかに記載の半導体薄膜形成装置において、前記別の処理室は、該別の処理室内の所定の領域にプラズマを発生させるためのプラズマ発生源を有し、前記別の処理室内の前記所定の領域外の領域に基板が配置されることを特徴とする半導体薄膜形成装置が得られる。
【００４６】
（１５）本発明によれば、上記（１２）に記載の半導体薄膜形成装置において、前記別の処理室は、該別の処理室内の所定の領域にプラズマを発生させるためのプラズマ発生源を有し、前記別の処理室は、前記所定の領域の前記プラズマにより励起されたガスと、前記所定の領域を介さずに前記別の処理室内に導入される別のガスとを反応させることにより、前記基板に前記プラズマ処理を施すものであることを特徴とする半導体薄膜形成装置が得られる。
【００４７】
プラズマ発生室と基板処理室を分離する構成によって、プラズマダメージを低減し良質なゲート絶縁膜を形成する手段に加えて、シリコン膜中のトラップ準位密度が、界面準位密度と同等かそれ以下になるために、良好な半導体−絶縁膜界面を得ることが可能になる。
【発明の効果】
【００４８】
以下に本発明の効果を列挙する。
【００４９】
（１）光マスク上に形成した露光パターンを、基板ステージに保持された基板上の半導体薄膜に投影露光して、半導体薄膜の所定の領域を改質する半導体薄膜形成装置において、光マスクまたは基板ステージを個別または同時に駆動することにより、露光パターンを順次走査することにした結果、基板上の任意の領域を順次高スループットで改質することが可能になった。ＬＣＤのようなイメージングデバイスへの応用時にも光源の強度ばらつきに起因した基板ダメージ、それによる画像品質の低下を防ぐことが可能になった。また、トラップ準位密度が1012 cm-2より低い値を示す結晶化シリコン膜の提供が可能になった。
【００５０】
（２）光マスク上に形成した露光パターンを半導体薄膜に投影露光して、半導体薄膜の所定の領域を改質する半導体薄膜形成装置において、露光パターンを半導体薄膜に投影露光する際の、露光パターンの半導体薄膜の前記所定の領域への焦点合わせを行う焦点合わせ機構を有することにより、改質処理の信頼性、再現性の高い半導体薄膜形成装置を提供することができた。
【００５１】
（３）光マスク上に形成したパターンを半導体薄膜に露光ビームにより投影露光して、半導体薄膜の所定の領域を改質する半導体薄膜形成装置において、露光ビームの半導体薄膜に対する傾きを補正する傾き補正機構を有することにより、改質処理の信頼性、再現性の高い半導体薄膜形成装置を提供することができた。
【００５２】
（４）光マスク上に形成したパターンを半導体薄膜に露光ビームにより投影露光して、半導体薄膜の所定の領域を改質する半導体薄膜形成装置において、半導体膜が堆積された基板上に形成されたマークに対し、露光ビームの位置合わせを行うアライメント機能を有することにより、所望の領域へμｍオーダ以上の位置精度を持たせて露光することを可能にした。ＬＣＤのようなイメージングデバイスへの応用時にも光源の強度ばらつきに起因した基板ダメージ、それによる画像品質の低下を防ぐことが可能になった。
【００５３】
（５）光マスク上に形成したパターンを半導体薄膜に投影露光して、半導体薄膜の所定の領域を改質する半導体薄膜形成装置において、半導体膜が堆積された基板をステージ上に保持する機能を有するにより、改質処理の信頼性、再現性の高い半導体薄膜形成装置を提供することができた。
【００５４】
（６）光マスク上に形成したパターンを半導体薄膜に露光ビームにより投影露光して、半導体薄膜の所定の領域を改質する半導体薄膜形成装置において、複数のレーザ光を前記露光ビームとして合成する合成機構を有することによって、パターンが露光される所望の領域において、均一性の高い高品質な半導体薄膜の改質を行うことができた。併せて、基板上の任意の領域を順次高スループットで改質することが可能になった。
【００５５】
（７）上記（６）に記載の半導体薄膜形成装置形成装置において、前記複数のレーザ光が第１および第２のレーザ光であり、前記合成機構は、第１のレーザ光に対し第２のレーザ光が遅延して半導体薄膜に照射されるように、第１および第２のレーザ光を前記露光ビームとして合成することによって、パターンが露光される所望の領域において、均一性の高い高品質な半導体薄膜の改質を行うことができた。併せて、基板上の任意の領域を順次高スループットで改質することが可能になった。
【００５６】
（８）光マスク上に形成したパターンを基板上の半導体薄膜に投影露光して、半導体薄膜の所定の領域を改質する半導体薄膜形成装置において、大気に暴露することなく別の処理室に基板を搬送する機構を有する半導体薄膜形成装置を提供することによって、単結晶半導体薄膜と同等の高品質かつ化学的に活性な表面を有する半導体薄膜を、不純物やゴミによる汚染を受けることなく次工程に送ることが可能となり、洗浄工程の削減による半導体装置製造コストの低減や、各真空装置内での排気時間や洗浄時間の削減によるスループットを向上させることができた。
【００５７】
（９）上記（８）に記載の半導体薄膜形成装置形成装置において、前記別の処理室が基板に絶縁膜を形成するための絶縁膜形成室であることを特徴とする半導体薄膜形成装置を提供することによって、単結晶半導体薄膜と同等の高品質かつ化学的に活性な表面を有する半導体薄膜を、不純物やゴミによる汚染を受けることなくゲート絶縁膜形成工程に送ることができ、シリコンとシリコン熱酸化との界面に形成されるような良好な半導体−絶縁体界面を有する半導体デバイス製造を、６００℃以下の低温プロセスで実現した。トラップ準位密度が1012 cm-2より低い値を示す結晶化シリコン膜の提供が可能になるとともに低界面準位密度を示すシリコン−絶縁膜界面の提供を可能にした。
【００５８】
（１０）上記（８）に記載の半導体薄膜形成装置形成装置において、前記別の処理室が基板に半導体膜を形成するための半導体膜形成室であることを特徴とする半導体薄膜形成装置を提供することによって、単結晶半導体薄膜と同等の高品質かつ化学的に活性な表面を有する半導体薄膜を形成するために必要な前記半導体膜を、不純物やゴミによる汚染を受けることなく光照射工程に送ることが可能となり、洗浄工程の削減による半導体装置製造コストの低減や、各真空装置内での排気時間や洗浄時間の削減によるスループットを向上させることができた。
【００５９】
（１１）上記（８）に記載の半導体薄膜形成装置形成装置において、前記別の処理室が基板に加熱処理を施すための加熱処理室であることを特徴とする半導体薄膜形成装置を得ることができた。
【００６０】
（１２）上記（８）に記載の半導体薄膜形成装置形成装置において、前記別の処理室が基板にプラズマ処理を施すためのプラズマ処理室であることを特徴とする半導体薄膜形成装置を提供することによって、単結晶半導体薄膜と同等の高品質かつ化学的に活性な表面を有する半導体薄膜を、不純物やゴミによる汚染を受けることなく次工程に送ることが可能となり、洗浄工程の削減による半導体装置製造コストの低減や、各真空装置内での排気時間や洗浄時間の削減によるスループットを向上させることができた。
【００６１】
（１３）上記（８）に記載の半導体薄膜形成装置形成装置において、前記処理室が、前記光マスク上に形成したパターンを前記基板上の半導体薄膜にレーザビームにより投影露光して、半導体薄膜の前記所定の領域を改質するためのレーザ処理室であり、前記別の処理室がもう一つのレーザ処理室であることを特徴とする半導体薄膜形成装置を提供することによって、単結晶半導体薄膜と同等の高品質かつ化学的に活性な表面を有する半導体薄膜を、不純物やゴミによる汚染を受けることなく次工程に送ることが可能となり、洗浄工程の削減による半導体装置製造コストの低減や、各真空装置内での排気時間や洗浄時間の削減によるスループットを向上させることができた。
【００６２】
（１４）上記（８）〜（１２）に記載の半導体薄膜形成装置において、前記別の処理室は、該別の処理室内の所定の領域にプラズマを発生させるためのプラズマ発生源を有し、前記別の処理室内の前記所定の領域外の領域に基板が配置されることを特徴とする半導体薄膜形成装置を提供することによって、不純物やゴミによる汚染を受けることなく次工程に送られた単結晶半導体薄膜と同等の高品質かつ化学的に活性な表面を有する半導体薄膜へのプラズマダメージを抑制することを実現した。
【００６３】
（１５）上記（８）〜（１２）に記載の半導体薄膜形成装置において、前記別の処理室は、該別の処理室内の所定の領域にプラズマを発生させるためのプラズマ発生源を有し、前記別の処理室は、前記所定の領域の前記プラズマにより励起されたガスと、前記所定の領域を介さずに前記別の処理室内に導入される別のガスとを反応させることにより、前記基板に前記プラズマ処理を施すものであることを特徴とする半導体薄膜形成装置を提供することによって、シリコンとシリコン熱酸化との界面に形成されるような良好な半導体−絶縁体界面を有する半導体デバイス製造を、４００℃以下の低温プロセスで実現した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６４】
次に本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００６５】
図１１は本発明の実施の形態を表した例である。第１のエキシマレーザEL1及び第２のエキシマレーザEL2から供給されるパルスＵＶ光は、ミラー類opt3, opt3'、レンズ類opt4を介してホモジナイザopt20'に導かれる。ここでビームの強度プロファイルが光学マスクopt21で所望の均一度、例えば面内分布±５％、になるように整形する。（エキシマレーザから供給されるオリジナルなビームはその強度プロファイルや総エネルギー量が、パルス間毎に変化する場合があるため、光学マスク上での強度が、空間的分布、パルス間ばらつきについて、より均一化されるための機構が設けられることが望ましい。ホモジナイザとしては、フライアイレンズやシリンドリカルレンズを用いたものが一般的に用いられる。）上記光学マスクによって形成された光パターンは縮小投影露光装置opt23'、レーザ導入窓W0を介して、真空チャンバC0内に設置されたsub0基板に照射される。上記基板は、基板ステージS0上に載置されており、基板ステージの動作によって所望の領域、例えばパターン転写領域ex0に光パターンを露光することができる。図１１では縮小投影光学系を示したが、場合によっては等倍、拡大投影を行ってもかまわない。基板ステージの移動（図内Ｘ−Ｙ）によって基板上の任意の領域に照射が行われる。また、上記光学マスクはマスクステージ（図示せず）上に設置され、露光可能領域内であれば、上記光学マスクを移動して基板上に照射されるビームを操作することも可能である。
【００６６】
次に所望の光パターンを所望の条件で基板上に照射するために必要な機構について例示する。光軸の調整には微妙な調整が必要となるため、いったん調整を終えた光軸を固定して基板の位置を調整する方法を示す。光軸に対する基板照射面の位置は、焦点（Ｚ）方向位置及び光軸に対する垂直度を補正する必要がある。したがって、図中θxy傾き補正方向、θxz傾き補正方向、θyz傾き補正方向、X露光領域移動方向、Y露光領域移動方向、Z焦点合わせ方向で示すうち、θxy傾き補正方向、θxz傾き補正方向、θyz傾き補正方向の調整により光軸に対する垂直度を補正する。また、Z焦点合わせ方向を調整することにより光学系の焦点深度にあった位置に基板照射面を配置制御する。
【００６７】
図１２は上記の調整や基板のアライメント機構の側面図について例示した。露光軸L0に対し、光学マスクopt21、縮小投影露光装置opt23'、レーザ導入窓W0が図のように配置される。真空チャンバC0内に配置された基板sub0は、基板吸着機構付きヒータH0、基板XYZθxyθxzθyzステージS0'上に配置される。真空チャンバを用いているが実際の光照射は真空排気後置換された不活性ガス、水素、酸素、窒素等の雰囲気中で行われることが望ましく、雰囲気圧も大気圧前後の圧力であってもよい。基板吸着機構付きヒータを用いることによって光照射時に、室温〜４００℃程度の基板加熱条件を選ぶことができる。上記のように雰囲気圧を大気圧力程度にすることによって、真空チャック機能による基板の吸着ができるため、チャンバ内での基板ステージの移動等があってもずれを防止でき、投入された基板に多少のそり、たわみがあっても基板ステージに固定することができる。さらに加熱による基板のそり、たわみによる焦点深度ずれを最小限に抑えることができる。
【００６８】
レーザ干渉計i1, i2は、測長用窓W-i、測長用ミラーopt-iを介して、基板のアライメント及び基板のＺ方向位置の測定を行う。アライメントには、基板上のアライメントマークをオフアクシス顕微鏡m0、顕微鏡用光源Lm、顕微鏡用素子opt-mを用いて計測し、レーザ干渉系による基板位置情報を用いて所望の露光位置を計測できる。図１２ではオフアクシス法を例示したが、Through The Lens方式やThrough The Mask (Reticle)方式を応用することも可能である。また、複数の計測地点から線形座標を、最小２乗法を用いて決定することにより、計測時に生じる測定誤差を平均化する手段をとることもできる。
【００６９】
図１３(A)〜(C)にマスクパターンとアライメントマークの関係について示した。マスクはマスク（非露光部）mask1とマスク（露光部）mask2とから構成される。例えばエキシマレーザを光源にする場合、紫外光が透過する石英基板上にアルミニウム、クロム、タングステンなどの金属や、誘電体多層膜といった紫外光を吸収、反射する膜を形成し、フォトリソグラフィとエッチング技術を用いてパターンを形成する。マスク上の所望のパターン（図１３(A)において白色部で示される）に応じて、シリコン膜が露光され図１３(B)に示されるように非露光Si（Si1）内に露光Si部（Si2）が形成される。このとき、必要に応じてマスク上マークmark1が基板上マークmark2に一致するようにアライメント調整後露光することによって、シリコン薄膜上の予め設計された位置を露光することが可能となる。また、上記シリコン薄膜を用いた薄膜トランジスタ形成工程において、露光プロセスが位置決めを必要とする第１工程の場合（すなわちアライメントマークが予め形成されていない場合）、シリコン薄膜への露光工程時に露光形成マークmark3を同時に露光することによって、a-Siと結晶Siとの光学的色差を利用したアライメントマークが形成できる。したがってこのマークを基準に後工程におけるフォトリソグラフィ等を行うことによって、露光改質された所望の領域に、トランジスタや所望の機構、機能を作り込むことができる。露光工程後シリコン薄膜上にSi酸化膜を形成し、シリコン層の所望の領域がエッチング除去された状態を図１３(C)に示す。Si除去部（Si3）は積層されたシリコン膜とSi酸化膜がエッチング除去された領域であり、非露光Si （Si1）と露光Si （Si2）上にSi酸化膜（Si4, Si5）が積層された形状が示されている。このように酸化膜で覆われたシリコン膜からなる島状構造を作り込むことによって素子間分離された薄膜トランジスタのチャネル／ソース・ドレイン領域や後工程のアライメントに必要なマークを形成することができる。
【００７０】
図１４(1)(2)に主要動作のタイミングチャートを示す。制御例１では基板ステージの動作により所望の露光位置に基板を移動させる。次に焦点合わせやアライメント動作を行い精密に露光位置を調整する。このとき、例えば０．１μｍ〜１００μｍ程度といった、所望の設定誤差精度にはいるように調整する。その動作が完了した時点で、基板への光照射が実行される。これらの一連の動作を終了した時点で次の露光領域へ基板が移動し、基板上の必要な箇所を照射終了した後、基板が交換され第２の処理基板上で所定の一連の処理を行う。制御例２では基板ステージの動作により所望の露光位置に基板を移動させる。次に焦点合わせやアライメント動作を行い精密に露光位置を調整する。このとき、例えば０．１μｍ〜１００μｍ程度といった、所望の設定誤差精度にはいるように調整する。その動作が完了した時点で、マスクステージの動作を始動する。始動時の移動ステップ量のばらつきを避けるために、基板への光照射はマスクステージ動作の開始よりもあとから開始されるチャートである。もちろんステージの移動によりアライメント位置から離れた地点に露光されるため、その分のオフセット量は予め考慮する必要があることはいうまでもない。基板への光照射よりも早く光源の運転を開始し、光源の出力強度の安定性が高まった時点で、シャッタ等を開き基板への光照射を行うことも可能である。特にエキシマレーザを光源に用い、発振期間と停止期間とが繰り返されるような使用法をとった場合、初期の数１０パルスが特に不安定なことが知られており、これらの不安定なレーザパルスを照射したくない場合には、マスクステージの動作に合わせてビームを遮断する方式をとることができる。これらの一連の動作を終了した時点で次の露光領域へ基板が移動し、基板上の必要な箇所を照射終了した後、基板が交換され第２の処理基板上で所定の一連の処理を行う。
【００７１】
膜厚75nmのa-Si薄膜に対して1mm x 50μｍのビームを短軸方向に０．５μｍピッチで走査した。一つの光源を用いてレーザ照射強度は照射面で470mJ/cm2としたところ、走査方向に連続する単結晶シリコン薄膜が得られた。さらに、第２光源を照射面で150mJ/cm2となるように、100nsec遅延させて照射した条件では１．０μｍの走査ピッチ条件でも走査方向に連続する単結晶シリコン薄膜が得られた。上記結晶化シリコン膜中のトラップ準位密度は1012 cm-2より低い値を示した。
【００７２】
図１５は、本発明の実施の形態を示す半導体薄膜形成装置の側面図である。プラズマＣＶＤ室C2、レーザ照射室C5、基板搬送室C7から構成され、ゲートバルブGV2, GV5を介して基板の搬送が装置外部の雰囲気に触れることなく真空中、不活性ガス、窒素、水素、酸素等の雰囲気かつ高真空、減圧、加圧状態で可能である。レーザ照射室においては４００℃程度まで加熱可能なS5基板ステージ上にチャック機構を用いて基板が設置される。プラズマCVD室では、４００℃程度まで加熱可能な基板ホルダーS2上に基板が設置される。この例ではガラス基板Sub0上にシリコン薄膜（Si 1）が形成された状態でレーザ照射室に導入され、表面のシリコン薄膜がレーザ照射により結晶性シリコン薄膜（Si 2）に改質され、プラズマCVD室に搬送された状態を示している。
【００７３】
レーザ照射室に導入されるレーザ光は、エキシマレーザ１（EL 1）、エキシマレーザ２（EL 2）から供給されるビームが第１のビームラインL 1、第２のビームラインL 2を通り、レーザ合成光学装置opt 1、ミラーopt 11、透過ミラーopt 12、レーザ照射光学装置opt 2、ホモジナイザopt 20、光学マスクステージopt 22に固定された光学マスクopt 21、投影光学装置opt 23、レーザ導入窓W 1を介して基板表面に到達する。ここでは２台のエキシマレーザを図示したが、光源としては１台以上所望の台数を設置することもできる。またエキシマレーザに限らず、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ等のパルスレーザや、アルゴンレーザ等のＣＷ光源と高速シャッタを用いてパルス上に供給してもよい。
【００７４】
一方プラズマCVD室はRF電極D 1と  プラズマ閉じこめ電極D 3により  プラズマ形成領域D 2が基板が配置される領域とは離れた位置に形成される。プラズマ形成領域には例えば酸素とヘリウムを、  原料ガス導入装置D 4を用いてシランガスを供給することにより、基板上に酸化シリコン膜を形成することができる。
【００７５】
図１６に本発明の実施の形態を示す半導体薄膜形成装置の平面図を示す。ロード／アンロード室C1、  プラズマCVD室 C2、基板加熱室C3、水素プラズマ処理室C4、レーザ照射室C5、基板搬送室C7がそれぞれゲートバルブGV1〜GV6を介して接続されている。第１のビームラインL1、第２のビームラインL2から供給されるレーザ光がレーザ合成光学装置opt1、レーザ照射光学装置opt2、レーザ導入窓W1を介して基板表面に照射される。また、それぞれのプロセス室、搬送室はガス導入装置gas1〜gas7、排気装置vent1〜vent7が接続されており、所望のガス種の供給、プロセス圧の設定、排気、真空が調整される。図に点線で示すように処理基板sub2, sub6が平面上に配置される。
【００７６】
図１７はプラズマCVD室 C2の概略図である。高周波電源（１３．５６ＭＨｚあるいはそれ以上の高周波が適する）RF1から電力が高周波電極RF2に供給される。ガス供給穴付き電極RF3と高周波電極の間にプラズマが形成され、反応形成されたラジカルがガス供給穴付き電極を通り基板が配置された領域に導かれる。平面型ガス導入装置RF4によりプラズマに曝すことなく別のガスが導入され、気相反応を経て基板sub2上に薄膜が形成される。基板ホルダーS2はヒータ等により室温から５００℃程度までの加熱行うように設計した。図のように、排気装置ven2、ガス導入装置gas2、酸素ラインgas21、ヘリウムラインgas22、水素ラインgas23、シランラインgas24、ヘリウムラインgas25、アルゴンラインgas26を用いて酸素ラジカルとシランガスを反応させることによって酸化シリコン膜を形成できる。基板温度３００℃、圧力０．１ｔｏｒｒ、ＲＦ電力１００Ｗ、シラン流量１０ｓｃｃｍ、酸素流量４００ｓｃｃｍ、ヘリウム流量４００ｓｃｃｍの条件で膜形成を行ったところ、固定酸化膜電荷密度（5x1011 cm-2）と良好な特性を有するシリコン酸化膜の形成を確認している。また、シランに対する酸素流量比を大きくすることでより良好な酸化膜の形成が可能である。プラズマCVD室の形態としては上述のような平行平板型のＲＦプラズマＣＶＤ装置ばかりでなく、減圧ＣＶＤや常圧ＣＶＤといったプラズマを利用しない方法や、マイクロ波やＥＣＲ(Electron Cycrotron Resonance)効果を用いたプラズマＣＶＤ法を用いることも可能である。
【００７７】
表１は図１７に示すプラズマＣＶＤ装置を酸化シリコン膜以外の薄膜形成に用いる場合に必要なガス種の例を示している。
【表１】
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【００７８】
Si3N4窒化シリコン膜の形成にはN2（窒素）（あるいはアンモニア）、キャリアガスとしてAr（アルゴン）、SiH4（シラン）、キャリアガスとしてアルゴン等を用いることができる。Siシリコン薄膜の形成にはH2水素とシラン、水素（キャリアガスとしてアルゴン）とSiF4４フッ化シラン（キャリアガスとしてアルゴン）等の原料ガスを用いることができる。また、成膜プロセスではないが、水素プラズマを利用してシリコン薄膜や酸化シリコン膜の水素プラズマ処理も可能である。
【００７９】
図１８は本発明の半導体薄膜形成装置を薄膜トランジスタの製造工程に応用した場合の工程フロー図である。
【００８０】
(a)洗浄によって有機物や金属、微粒子等を除去したガラス基板sub0上に基板カバー膜T1、シリコン薄膜T2を順次形成する。基板カバー膜としてLPCVD（減圧化学的気相成長）法でシランと酸素ガスを原料とし、４５０℃で酸化シリコン膜を１μｍ形成する。LPCVD法を用いることにより基板保持領域を除き基板外表面全体をカバーすることも可能である（図示せず）。あるいはテトラエトキシシラン（TEOS）と酸素を原料としたプラズマＣＶＤ、TEOSとオゾンを原料とした常圧ＣＶＤ、図１８に示すようなプラズマＣＶＤ等を利用することも可能であり、基板材料（アルカリ金属濃度を極力低減したガラス、表面を研磨加工した石英・ガラス等）が含む半導体デバイスに有害な不純物の拡散防止ができる材料が基板カバー膜として有効である。シリコン薄膜はＬＰＣＶＤでジシランガスを原料として５００℃で厚さ７５ｎｍ形成する。この場合膜中に含まれる水素原子濃度が1原子％以下となるため、レーザ照射工程での水素放出による膜荒れ等を防ぐことができる。あるいは図１７に示すようなプラズマCVD法や広く普及しているプラズマＣＶＤ法を用いても、基板温度や水素／シラン流量比、水素／４フッ化シラン流量比等を調整することによって水素原子濃度が低いシリコン薄膜を形成できる。
【００８１】
(b)上記(a)工程で準備した基板を、有機物や金属、微粒子、表面酸化膜等を除去するための洗浄工程を経た後、本発明の薄膜形成装置に導入する。レーザ光L0が照射し、シリコン薄膜を結晶化シリコン薄膜T2'に改質する。レーザ結晶化は９９．９９９９％以上の高純度窒素７００ｔｏｒｒ以上の雰囲気で行われる。
【００８２】
(c)上記工程を経た基板は、ガスが排気された後基板搬送室を介してプラズマCVD室に搬送される。第１のゲート絶縁膜T3として、シラン、ヘリウム、酸素を原料ガスとして基板温度３５０度で酸化シリコン膜を１０ｎｍ堆積する。このあと必要に応じて水素プラズマ処理や加熱アニールを行う。ここまでが本発明の薄膜形成装置において処理される。
【００８３】
(d)次に、フォトリソグラフィとエッチング技術を用いてシリコン薄膜と酸化シリコン膜積層膜のアイランドを形成する。このとき、シリコン薄膜に比べ酸化シリコン膜のエッチングレートが高いエッチング条件を選択することがこのましい。図に示すようにパターン断面が階段状（あるいはテーパ状）に形成することによって、ゲートリークを防ぎ信頼性の高い薄膜トランジスタを提供できる。
【００８４】
(e)次に、有機物や金属、微粒子等を除去するための洗浄を行った後、上記アイランドを被覆するように第２のゲート絶縁膜T4を形成する。ここでは、LPCVD法でシランと酸素ガスを原料とし、４５０℃で酸化シリコン膜を３０ｎｍ形成した。あるいはテトラエトキシシラン（TEOS）と酸素を原料としたプラズマＣＶＤ、TEOSとオゾンを原料とした常圧ＣＶＤ、図１８に示すようなプラズマＣＶＤ等を利用することも可能である。次にゲート電極としてn+シリコン膜を80nm、タングステンシリサイド膜を110nm形成する。n+シリコン膜はプラズマCVDやLPCVD法で形成された結晶性のリンドープシリコン膜が望ましい。その後、フォトリソグラフィとエッチング工程を経て、T5パターン化されたゲート電極を形成する。
【００８５】
(f1, f2)次に、ゲートをマスクとして不純物注入領域T6, T6'を形成する。ＣＭＯＳ型回路を形成する場合は、フォトリソグラフィを併用してn+領域が必要なn-channel TFT及びp+領域を要するp-channel TFTを作り分ける。注入される不純物イオンの質量分離を行わないイオンドーピングや、イオン注入、プラズマドーピング、レーザドーピング等の方法を採ることができる。そのとき用途や不純物導入方法によって(f1)(f2)のように表面の酸化シリコン膜を残したまま、あるいは除去した後に不純物の導入を行う。
【００８６】
(g1)(g2)層間分離絶縁膜T7, T7'を堆積、コンタクトホールを開口後、金属を堆積、フォトリソグラフィとエッチングにより金属配線T8を形成する。層間分離絶縁膜としては、膜の平坦化が図れるTEOS系酸化膜やシリカ系塗布膜、有機塗布膜を用いることができる。コンタクトホール開口はフォトリソグラフィとエッチングにより、金属配線は抵抗の低いアルミニウム、銅あるいはそれらをベースとした合金、タングステンやモリブデンといった高融点金属が応用できる。以上のような工程を行うことによって、性能、信頼性の高い薄膜トランジスタを形成することができる。
【００８７】
図１９は予めアライメントマークを設け、アライメントマークに応じたレーザ照射を行った場合の実施例、図２０はレーザ照射と同時にアライメントマークを形成する場合の実施例について、ＴＦＴ製造工程フローをもとに説明する。基本的には図１８の説明と類似しているため、特に異なる点を中心に説明する。
【００８８】
図１９(a)  洗浄によって有機物や金属、微粒子等を除去したガラス基板sub0上に基板カバー膜T1、タングステンシリサイド膜を順次形成する。アライメントマークの形成のために、フォトリソグラフィとエッチングによりパターン化しアライメントマークT9を基板上に形成する。次にアライメントマークを保護するためにマーク保護膜T10を形成し、シリコン薄膜を形成する。
【００８９】
図１９(b)  レーザ光露光時にはアライメントマークを基準に所望の領域が露光される。その後は、予め設けられたアライメントマークや、結晶化シリコン薄膜パターニングによって形成されるアライメントマーク（図示せず）を基準に、次工程のアライメントを行うことができる。
【００９０】
図２０(b)  シリコン薄膜への露光と同時に露光／非露光による改質の相違を利用した結晶化アライメントマークT9'をシリコン薄膜に形成する。
【００９１】
図２０(d)  結晶化アライメントマークT9'を利用して、フォトリソグラフィ時の目合わせを行い、エッチング工程を経てシリコン薄膜と酸化シリコン膜積層膜のアイランドを形成する。
【００９２】
図２１は、非晶質半導体を同期パルスによって加熱してレーザアニールを行うレーザアニール装置であり、所望の波長及び波形のレーザ光を発生するレーザ発振装置３１１０と、レーザ発生部３１１０からのレーザ光を利用して基板Ｗを実際に加工するレーザ照射処理部３１２０と、これらの動作を統括的に制御する主制御装置３１３０とを備える。なお、被加工体である基板Ｗは、ガラス板等からなり、その表面には、例えば非晶質半導体である非晶質Ｓｉ層が堆積されており、このようなレーザ光による加工によって非晶質Ｓｉ層にあってはこれが多結晶Ｓｉ層になる。
【００９３】
レーザ発生部３１１０は、パルスタイプのレーザ光を発生する一対のレーザ発振装置３１１１、３１１２と、これらレーザ発振装置３１１１、３１１２の発振タイミングを個別に制御して一対のパルス光を適当な時間差で発生させる遅延制御部である発振制御装置３１１３とを備える。ここで、第１レーザ発振装置３１１１は、基板Ｗの加工に際して最初に照射される主たるレーザ装置であり、第２レーザ発振装置３１１２は、基板Ｗの加工に際して次に照射される従たるレーザ装置である。第１及び第２レーザ発振装置３１１１、３１１２からの各レーザ光は、基板Ｗの加工に最適となるように時間差及びパワーが適宜調整されており、両パルス光ＰＬを光合成系３１７０を介して重ね合わせることにより加工用の同期パルス光となる。
【００９４】
発振制御装置３１１３は、コンピュータ、信号整形回路等から構成されており、基準パルスを発生する基準パルス発生回路３１５１と、同期パルス光を構成する一対のパルス光ＰＬの発生間隔すなわち時間差を予め設定するディレイ時間設定回路３１５２と、ディレイ時間設定回路３１５２等からの信号出力に基づいて第１及び第２レーザ発振装置３１１１、３１１２の動作タイミングを設定するとともにこれに相当する指令信号を発生する演算回路３１５３と、演算回路３１５３からの指令信号の出力を受けて第１及び第２レーザ発振装置３１１１、３１１２を発振させるための第１及び第２トリガ信号を発生するトリガパルス発生回路３１５４と、第１及び第２レーザ発振装置３１１１、３１１２のレーザ出力をそれぞれ高速で光電変換する光検出装置である第１及び第２フォトセンサ３１６１、３１６２と、第１及び第２のフォトセンサ３１６１、３１６２からの出力を個別に増幅する一対のアンプ３１６３、３１６４と、両アンプ３１６３、３１６４からの光検出信号を受けて両光検出信号の時間差を検出するディレイ時間検出回路３１５５とを備える。
【００９５】
ディレイ時間設定回路３１５２は、第１及び第２レーザ発振装置３１１１、３１１２からのレーザ光を重ね合わせた同期パルスの波形が基板Ｗの加工に最適となるような時間差（以下、設定時間差ｔ1）を設定する。このような設定時間差ｔ1は、外部からキーボード等を介して入力すること、或いは基板Ｗの種類に応じて予め記憶した設定値を読み出すことで設定できる。
【００９６】
演算回路３１５３は、ディレイ時間設定回路３１５２で設定された設定時間差ｔ1に対応する指令信号Ｓ2を発生する。また、ディレイ時間検出回路３１５５のからの測定時間差ｔ3の出力に基づいて、設定時間差ｔ1に修正を加えた修正時間差ｔ2を算出し、この設定時間差ｔ2に対応する指令信号Ｓ2’を発生する。
【００９７】
トリガパルス発生回路３１５４は、演算回路３１５３が出力する指令信号Ｓ2（Ｓ2’）を受けて適当な信号処理を行い、基準パルス発生回路３１５１からの基準パルスをトリガとして、第１及び第２レーザ発振装置３１１１、３１１２を発振させるための第１及び第２トリガ信号Ｔｒ1、Ｔｒ2を、それぞれ個別に時間差ｔ1（ｔ2）だけずらして発生する。
【００９８】
ディレイ時間検出回路３１５５は、両アンプ３１６３、３１６４からの一対の光検出信号を所定の閾値で切り出すとともに、その立ち上がりのタイミングの差から第１及び第２レーザ発振装置３１１１、３１１２が出力する一対のレーザ光間のディレイ時間ｔ3を検出する。
【００９９】
レーザ照射処理部３１２０には、レーザ発生部３１１０から出射し、ミラー３１７１、３１７２、ハーフミラー３１７３等からなる光合成系３１７０を経て合成された同期パルス光が入射する。このレーザ照射処理部３１２０は、同期パルス光を所望の断面形状及びエネルギー密度分布のビームとして基板Ｗ上に投影する投影光学系３１２１と、基板Ｗを支持して走査に際して基板Ｗとともに移動するステージ３１２２と、ステージ３１２２の動作を制御するステージ駆動系３１２３とを備える。
【０１００】
以下、図２１のレーザ加工装置の動作について説明する。主制御装置３１３０は、発振制御装置３１１３を制御して、第１及び第２レーザ発振装置３１１１、３１１２から設定時間差ｔ1だけずれた一対のパルス光ＰＬを発生させる。両パルス光ＰＬは、光合成系３１７０を介して重ね合わされ、所定の波形を有する加工用の同期パルス光として基板Ｗ上に照射される。同期パルス光は、基準パルス発生回路３１５１からの基準パルスをトリガとして発生するので、基準パルスの周期に対応する周期で同期パルス光の基板Ｗ上への照射が繰り返される。
【０１０１】
この際、ディレイ時間検出回路３１５５が出力するディレイ時間ｔ3をモニタすることで、実際のディレイ時間ｔ3が設定時間差ｔ1からどの程度ずれているかが分かり、このずれ量Δｔを減算した修正時間差ｔ2＝ｔ1−Δｔ（＝２×ｔ1−ｔ3）を新たな目標値とする。これにより、第１及び第２レーザ発振装置３１１１、３１１２からほぼ設定時間差ｔ1だけずれた一対のパルス光ＰＬを発生させることができる。つまり、第１及び第２レーザ発振装置３１１１、３１１２の応答特性、経時変化等の要因により、ディレイ時間検出回路３１５５が出力するディレイ時間ｔ3’が所定の上限値又は下限値を超える場合、新たなずれ量Δｔ’を減算した修正時間差ｔ2’＝ｔ1−Δｔ’を新たな目標値とする。以上を繰り返すことにより、同期パルス光を構成する一対のパルス光ＰＬの時間間隔を常に一定に保つことができる。つまり、両レーザ発振装置３１１１、３１１２の特性が異なり、経時的な変化や動作条件の変更等によってトリガから発光までの応答時間にバラツキが生じる場合であっても、安定した波形の同期パルス光を基板Ｗ上に照射することができる。
【０１０２】
図２２は、図２１の装置の動作タイミングを説明するタイミングチャートである。図２２（ａ）は、波形発生器３１５１，３１５４から出力されるトリガ信号Ｔｒ1を示し、図２２（ｂ）は、第１パルスレーザ発振器３１１１から射出されるパルス光ＰＬを示し、図２２（ｃ）は、トリガ遅延回路３１５３，３１５４から出力されるトリガ信号Ｔｒ2を示し、図２２（ｄ）は、第２パルスレーザ発振装置３１１２から射出されるパルス光ＰＬを示す。図からも明らかなように、トリガ遅延回路３１５４，３１５２に遅延時間Ｔｓを設定すれば、理論上は、所期のパルス時間間隔Ｔｄ（＝Ｔｄ2−Ｔｄ1＋Ｔｓ＋Ｔｃ）となることが分かる。
【０１０３】
次に、本発明の一実施形態である焦点調節装置及び方法について説明する。
【０１０４】
図２３は、実施形態の焦点調節装置を組み込んだレーザアニール装置の全体構造を説明する図である。このレーザアニール装置は、ガラス板上にアモルファス状Ｓｉ等の半導体薄膜を形成した被加工体であるワークＷを熱処理するためのもので、かかる半導体薄膜を加熱するためのエキシマレーザその他のレーザ光ＡＬを発生するレーザ光源３７１０と、このレーザ光ＡＬをライン状或いはスポット状にして所定の照度でワークＷ上に入射させる加工光学系である照射光学系３７２０と、ワークＷを載置してＸ−Ｙ面内で滑らかに移動可能であるとともにＸ軸及びＹ軸の回りに傾斜可能なステージ３７３０と、ワークＷを載置したステージ３７３０を照射光学系３７２０等に対して必要量だけ移動若しくは傾斜させる駆動手段であるステージ駆動装置３７４０と、レーザアニール装置の各部の動作を統括的に制御する主制御装置３７８０とを備える。ここで、ステージ３７３０及びステージ駆動装置３７４０は、ステージ装置を構成し、ワークＷ周辺を減圧したりその雰囲気を調節するチャンバ３７９０中に収容される。このチャンバ３７９０は、除振装置３７９２を介して床上に設置されている。
【０１０５】
さらに、このレーザアニール装置は、焦点調節装置として、上記ステージ３７３０、ステージ駆動装置３７４０及び主制御装置３７８０のほか、ステージ３７３０の移動量を光学的な情報や電気的な情報として検出する移動量計測装置３７５０と、ステージ３７３０のステージ駆動装置３７４０に対する高さや傾斜量を光学的な情報や電気的な情報として検出する傾斜計測装置３７６０と、ワークＷの照射光学系３７２０に対する高さや傾斜量に対応する信号を検出する非接触変位計３７７０とを備える。
【０１０６】
ここで、照射光学系３７２０は、レーザ光源３７１０からミラー３７１５を経て入射するレーザ光ＡＬを均一な分布とするホモジナイザ３７２０ａと、ホモジナイザ３７２０ａを経たレーザ光ＡＬを所定のビーム形状に絞るスリットを有するマスク３７２０ｂと、マスク３７２０ｂのスリット像をワークＷ上に縮小投影する投影レンズ３７２０ｃとからなる。なお、照射光学系３７２０は、チャンバ３７９０に設けた透過窓３７９０ａを介してワークＷに対向するように配置されており、図示を省略する部材によってチャンバ３７９０側に固定されている。
【０１０７】
ステージ駆動装置３７４０は、ステージ３７３０をＸ軸及びＹ軸の回りに傾斜させるチルト装置３７４２と、ステージ３７３０をチルト装置３７４２とともにＸ−Ｙ面内で滑らかに移動させる並進装置３７４４とを備える。ここで、チルト装置３７４２は、ベローズ内部にシリンダを収容して任意の長さに伸縮自在である３つの支持部材３７４２ａと、支持部材３７４２ａを伸縮動作させる支持部材駆動装置３７４２ｂとを備える。これら３つの支持部材３７４２ａの長さを支持部材駆動装置３７４２ｂを介して調節することにより、照射光学系３７２０に対するステージ３７３０の傾きや距離を適宜微調整することができる。つまり、照射光学系３７２０に対するワークＷのＺ軸方向の位置（距離）と、Ｘ軸回りのチルト角θXと、Ｙ軸回りのチルト角θYとを調整することができる。なお、ステージ３７３０直下にチルト装置３７４２側から延びている３つの傾斜計測装置３７６０は、渦電流式センサ或いは静電容量センサであり、これらの出力から、ステージ３７３０がステージ駆動装置３７４０に対してどの程度傾斜しているかが正確に分かるようになっている。
【０１０８】
非接触変位計３７７０は、レーザ変位計であり、ワークＷ上の平坦な領域を計測ターゲットＴとして検査光ＤＬを入射させる投光手段である投光部３７７１と、計測ターゲットＴからの正反射光ＲＬを受けてこの正反射光ＲＬの入射位置に関する情報を出力する受光手段である受光部３７７２とを備える。投光部３７７１と受光部３７７２とは、照射光学系３７２０を挟んで対向して配置される。つまり、投光部３７７１は、照射光学系３７２０の光軸に対して所定の角度だけ傾いた方向に検査光ＤＬを出射し、受光部３７７２には、照射光学系３７２０の光軸に対して検査光ＤＬとは反対の方向に上記所定角度だけ傾いた方向に進行する反射光ＲＬが入射する。なお、主制御装置３７８０は、受光部３７７２で検出された入射位置に関する情報に基づいて計測ターゲットＴの高さに対応する情報を含む計測値を得る換算手段としても機能し、非接触変位計３７７０の一部を構成する。
【０１０９】
ここで、投光部３７７１は、検査光を発生する光源と投光光学系とを備え、透過窓３７９０ａを介してワークＷ上の計測ターゲットＴに検査光ＤＬのスポット状のビームを入射させる。一方、受光部３７７２は、この計測ターゲットＴからの反射光ＲＬを集光する結像光学系と集光後の反射光ＲＬが入射するラインセンサとを備える。このラインセンサは、Ｘ−Ｚ面内で反射光ＲＬの光軸に垂直な方向に延びており、ワークＷの高さ位置がラインセンサからの位置検出信号と線形な関係になることを利用してワークＷの高さ位置の変化を検出する。ただし、ワークＷが照射光学系３７２０の光軸に対して傾いているとき、非接触変位計３７７０の出力は、ワークＷの高さ位置だけでなく、ワークＷの傾きを反映したものとなっている。したがって、後に詳述するが、チルト装置３７４２を利用して一旦ワークＷの傾きを補正してワークＷの法線が照射光学系３７２０の光軸と平行になった時点で、チルト装置３７４２を構成する３つの支持部材３７４２ａを同量だけ伸縮させてワークＷと照射光学系３７２０との間隔を調整することになる。
【０１１０】
計測ターゲットＴ1、Ｔ2、Ｔ3は、正三角形の頂点の位置に配置されており、それぞれがワークＷ上の加工領域（図の場合、ワークＷの中央）から等距離に設定されている。並進装置３７４４の制御によって、投光部３７７１からの検査光ＤＬをワークＷ上の各計測ターゲットＴ1、Ｔ2、Ｔ3に順次入射させることができる。ワークＷの傾きを補正する際には、各計測ターゲットＴ1、Ｔ2、Ｔ3における受光部３７７２の出力を平均化するようにチルト装置３７４２を動作させる。なお、各計測ターゲットＴ1、Ｔ2、Ｔ3の配置や個数は、要求される精度等に応じて適宜変更することができる。特にワークＷ表面に反り等の変形がある場合、対象とする加工領域ごとにその近傍で３つ以上の計測ターゲットを改めて選択する必要がある。また、以上で説明した計測ターゲットＴ1、Ｔ2、Ｔ3は、単に平坦面であれば足り、正反射光を形成できる限り、特定のマークを形成する必要はない。
【０１１１】
以下、本実施形態のレーザアニール装置の動作について説明する。まず、レーザアニール装置のステージ３７３０上にワークＷを搬送して載置する。次に、アニール用のレーザ光ＡＬを導く照射光学系３７２０に対してステージ３７３０上のワークＷをアライメントする。次に、照射光学系３７２０のマスク３７２０ｂを移動させながら、或いは照射光学系３７２０に対してステージ３７３０を適宜移動させながら、レーザ光源３７１０からのレーザ光ＡＬをライン状或いはスポット状にしてワークＷ上に入射させる。ワークＷ上には、アモルファスＳｉ等の非晶質半導体の薄膜が形成されており、レーザ光ＡＬの照射及び走査によって半導体の所望領域がアニール、再結晶化され、電気的特性の優れた半導体薄膜を提供することができる。
【０１１２】
ステージ３７３０上のワークＷの高さ及び傾きを照射光学系３７２０に対してアライメントする動作についてより詳細に説明する。まず、加工領域を中心とする正三角形の頂点３点を計測ターゲットＴ1、Ｔ2、Ｔ3と定める。並進装置３７４４の制御によってワークＷをＸＹ面内で適宜移動させ、ワークＷ上の各計測ターゲットＴ1、Ｔ2、Ｔ3を非接触変位計３７７０の計測点に順次移動させ、投光部３７７１からの検査光ＤＬを各計測ターゲットＴ1、Ｔ2、Ｔ3に入射させる。各計測ターゲットＴ1、Ｔ2、Ｔ3からの反射光ＲＬは、受光部３７７２で入射位置に相当する信号に変換される。主制御装置３７８０では、受光部３７７２からの入射位置に関する信号に基づいて各計測ターゲットＴ1、Ｔ2、Ｔ3の高さに関する計測値を得る。３点Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3の計測結果については、いずれにも傾きによる誤差が含まれていると考えられるが、ここではそれを無視して、３点Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3の高さが同じ値になるようチルト装置３７４２によりワークＷのチルト角θX、θYを調整する。再び、並進装置３７４４によってワークＷをＸＹ面内で適宜移動させ、ワークＷ上の各計測ターゲットＴ1、Ｔ2、Ｔ3について高さに関する計測値を得る。このようにして、３点Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3の高さ計測とチルト角の調整とを繰り返すことにより、傾きによる高さ計測の誤差は徐々に小さくなる。最終的に３点Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3の計測値が一致した状態では、θX＝０、θY＝０となって傾き０の状態となる。このときのいずれか１点の高さ計測値がワークＷ上の加工領域の高さとなる。最後に、チルト装置３７４２をＺステージとして動作させ、目的の高さになるよまでステージ３７３０すなわちワークＷを昇降させる。
【０１１３】
以上実施形態に即してこの発明を説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、非接触変位計３７７０を３つ以上設けることもできる。この場合は、各非接触変位計３７７０によってワークＷ上の異なる３を同時に計測することができるようにする。これにより、並進装置３７４４によってワークＷを移動させることなくワークＷの傾きを迅速に修正できるようになる。
【０１１４】
また、上記実施形態では、チルト装置３７４２をＺステージとして動作させたが、Ｚステージを独立に設けてワークＷのチルト調整と高さ調整とを完全に分離して行うこともできる。
【０１１５】
また、上記実施形態では、ワークＷをガラス基板に半導体薄膜を形成したものとしているが、正反射光が得られるものであれば、ワークＷの素材は問わない。
【０１１６】
また、上記の焦点調節装置は、レーザ光ＡＬを用いてワークＷ上の半導体層をアニーリングするレーザアニール装置に組み込んだが、レーザ光源３７１０や照射光学系３７２０等の構造を適宜変更すれば、半導体材料のアニールのみならず各種材料の改質、切断、溶着等を可能にするパルスレーザ加工装置等とすることもできる。
【０１１７】
本発明を適用した複合機の概略構成を図２４に示す。ここでは、一次処理装置として、ガラス基板（ワーク）に被膜形成処理を行うＣＶＤ装置３９１０が使用され、二次処理装置として、被膜形成処理されたガラス基板にレーザアニーリングを行うレーザアニーリング装置３９２０が使用される場合について説明する。
【０１１８】
レーザアニーリング装置３９２０は、密封の可能なプロセスチャンバ３９２１を備えている。プロセスチャンバ３９２１内には、被膜形成処理されたガラス基板３９０１を搭載するためのプロセスステージ３９２２が設置されている。プロセスチャンバ３９２１の天井壁には、後述するレーザ照射系からのレーザビームを透過するための透過窓３９２３が設けられている。プロセスチャンバ３９２１の上方には、架台３９２４によりレーザ照射系３９２５が構成されている。
【０１１９】
レーザ照射系３９２５は、レーザ発振器３９２６で発生されたレーザビームを反射ミラー３９２７を介して受け、所定の断面形状に整形してガラス基板３９０１に焦点を結ぶように照射するためのものである。ここでは、矩形ビーム用の構成のみを示しており、長尺ビーム用の構成については後述する。
【０１２０】
矩形ビーム用の構成要素として、マスクを搭載しているマスクステージ３９２８、光学レンズ系３９２９、センサ３９３０等を備えている。センサ３９３０は、ガラス基板３９０１上でのビームの焦点位置を検出するためのものであり、焦点位置を精度良く合わせるために用いられる。
【０１２１】
このようなレーザアニーリング装置３９２０が、後述する複数の除振台３９４０を介して床３９５０に設置されている。
【０１２２】
ＣＶＤ装置３９１０とプロセスチャンバ３９２１との間は、搬送機構としての基板搬送ロボット３９６０を収容しているトランスファチャンバ３９７０を介して連結されている。特に、図２５に示されるように、プロセスチャンバ３９２１とトランスファチャンバ３９７０との間は、ベローズ３９７１によって連結するようにしている。なお、プロセスチャンバ３９２１とトランスファチャンバ３９７０との連結部は、基板搬送ロボット３９６０によってＣＶＤ装置３９１０内のガラス基板を把持してプロセスチャンバ３９２１内に受け渡す部分であり、プロセスチャンバ３９２１内を真空またはある一定圧力に保つために大気と遮断する必要があり、ベローズ３９７１がその機能を果たしている。また、トランスファチャンバ３９７０には、ＣＶＤ装置３９１０内とプロセスチャンバ３９２１内とが連通状態になることを防止するためにゲートバルブ機構が必要となるが、このようなゲートバルブ機構は周知であるので、図示説明は省略する。
【０１２３】
次に、図２６、図２７を参照して、本発明による除振装置の主要部である除振台３９４０の構造について説明する。除振台３９４０は、プロセスチャンバ３９２１が搭載される上部台座４２４１と、エア式ダンパ４２４２とが除振ゴム４２４３を介して連結されている。エア式ダンパ４２４２には、コンプレッサ４２４４からの圧縮空気が制御バルブ４２４５を経由して供給される。エア式ダンパ４２４２内には、導入された圧縮空気に応じて上下動するピストン部４２４６と、振動時のピストン部４２４６の下側リミット位置を規定するための第１のストッパ部材４２４７とが配置されている。
【０１２４】
上部台座４２４１には、除振台３９４０の動作のオン、オフを規定すると共に、除振台３９４０の上限リミット位置、厳密に言えばエア式ダンパ４２４２を収容している容器の高さ方向の上限リミット位置を規定するための第２のストッパ部材４１４８が設けられている。一方、エア式ダンパ４２４２を収容している容器には、第２のストッパ部材４１４８との間の相対距離を検出するための位置検出器４１４９が設けられている。位置検出器４１４９はまた、プロセスチャンバ３９２１あるいはエア式ダンパ４２４２を収容している容器の変位量があらかじめ定められた許容範囲を越えると、図２６に示すように、その一部が第２のストッパ部材４１４８に係合してリミットがかかる。
【０１２５】
位置検出器４１４９からの検出信号はフィードバック信号として制御装置４２１００に送出される。制御装置４２１００は、検出信号で示される第２のストッパ部材４１４８と位置検出器４１４９との間の相対距離に応じて制御バルブ４２４５を制御して、プロセスチャンバ３９２１の振動を除去するように除振台３９４０を動作させる。
【０１２６】
制御装置４２１００は特に、上記の相対距離が所定値以下、例えば位置検出器４１４９の一部が第２のストッパ部材４１４８に当接したことを検出すると、制御バルブ４２４５に対する制御動作を停止して除振機能を停止させる。位置検出器４１４９の一部が第２のストッパ部材４１４８に当接したということは、上部台座４２４１あるいはエア式ダンパ４２４２の上下動が許容範囲を越える値に達したことを意味する。なお、第２のストッパ部材４１４８は、ねじ等の調整手段により上下方向の位置が可変となるように構成されている。
【０１２７】
以上の説明で理解できるように、各除振台３９４０は、第２のストッパ部材４１４８と位置検出器４１４９との間の相対距離が変化すると、除振性能を決める圧縮空気の圧力を制御して、振動を除去するフィードバック制御機能を持つ。そして、上部台座４２４１あるいはエア式ダンパ４２４２の上下動が許容範囲を越えると、フィードバック制御機能が働かなくなるようにしている。第２のストッパ部材４１４８の位置は手動で上下に動かすことができ、どの位置で除振機能を停止させるかを任意に設定できる。
【０１２８】
すなわち、除振台３９４０の機能は、ピストン部材４２４６が第１のストッパ部材４２４７に当たる位置から、位置検出器４１４９の一部が第２のストッパ部材４１４８に当たる位置まで発揮される。この距離を２００μｍにとれば、除振台３９４０は±１００μｍの上下動の範囲内で機能することになる。
【０１２９】
ここで、矩形ビームを使用しての精度の高いスキャン時の動作について説明する。矩形ビームを使用して処理を行う際に、プロセスチャンバ３９２１における振動はＣＶＤ装置３９１０あるいは床３９５０から伝わるものが主である。この振動は大きくても高々±数十μｍの振幅であり、スキャンに起因してベローズ３９７１が大きく変位することはない。そこで、矩形ビームを使用してスキャンしている時に間違いなく除振機能が働くように、除振台３９４０の第２のストッパ部材４１４８と位置検出器４１４９との相対距離を、例えば２００μｍというように予想される変位より少し大きめに設定しておく。この場合、床３９５０からの振動はフィードバック制御機能によって複数の除振台３９４０が吸収し、ＣＶＤ装置３９１０からの振動はベローズ３９７１が吸収する。
【０１３０】
次に、長尺ビームを使用しての精度の低いスキャン時の除振性能について説明する。長尺ビームにより処理を行う時には、プロセスチャンバ３９２１内のプロセスステージ３９２２が動くので、プロセスチャンバ３９２１内のプロセスステージ３９２２の重心位置がずれ、全体に大きく傾きやすい。傾きが小さい場合は矩形ビームによる処理時と同じ除振機能が働くが、傾きが大きくなると第２のストッパ部材４１４８によるリミットがかかり、除振台３９４０は機能しなくなる。除振台３９４０が機能しないとプロセスチャンバ３９２１とべローズ３９７１とは一体に変位するので、プロセスチャンバ３９２１とべローズ３９７１の相対位置のずれはなくなり、変位量が大きくてもベローズ３９７１が破壊されることはない。なお、長尺ビームによるスキャン精度は矩形ビームに比べ数十倍の振動を許容するためスキャン精度に大きな影響は与えない。
【０１３１】
図２８〜図２９を参照して、本発明による真空内リニアアクチュエータ機構のうち、機械構成についてその実施の形態を説明する。ここでは、レーザアニーリング用の真空チャンバ内に配置されるのに適した構成について説明する。真空チャンバについては、図３０に象徴的に破線４３１００で示しており、大気圧から１．０×１０-6Ｔｏｒｒまでの雰囲気下で使用可能なものであれば良い。
【０１３２】
真空チャンバ４３１００内の底部に固定ベース部材としてのステージベース４３０９が設置されている。ステージベース４３０９には、離れた位置においてＹ軸方向に平行に延びるようにＹ軸リニアベアリング４３１５、４３２０が取り付けられている。Ｙ軸リニアベアリング４３１５、４３２０は、それらの上に組み合わされるＹ軸ベース４３１４をＹ軸方向に直線案内するためのものである。Ｙ軸ベース４３１４には、離れた位置においてＸ軸方向に平行に延びるように一対のＸ軸リニアベアリング４３０７が取り付けられている。Ｘ軸リニアベアリング４３０７は、それらの上に組み合わされるＸ軸ベース４３０６をＸ軸方向に直線案内するためのものである。Ｘ軸ベース４３０６には、加熱用のヒータを内蔵しているステージ４３０２を支持しているトロリ４４０３が取り付けられ、ステージ４３０２上にはワーク（ガラス等）４３０１を載せる構成となっている。
【０１３３】
Ｘ軸ベース４３０６は、Ｘ軸リニアベアリング４３０７に隣接してＹ軸ベース４３１４に設けられた一対のＸ軸リニアモータ４４０８により駆動される。Ｘ軸ベース４３０６の位置は、一方のＸ軸リニアモータ４４０８に隣接してＹ軸ベース４３１４に設置されたＸ軸リニアエンコーダ４４１０により検出される。これにより、Ｘ軸ベース４３０６を直接駆動すると共に、位置を直接計測することになり、従来のバックラッシによる精度劣化等がなくなり、高速応答化が可能となっている。
【０１３４】
Ｙ軸ベース４３１４は、ステージベース４３０９上に設けられた、各々独立に制御可能な２本のリニアモータ４３１８、４３２３で駆動される。Ｙ軸ベース４３１４の位置は、リニアモータ４３１８、４３２３に隣接してステージベース４３０９に配置された２本のリニアエンコーダ４３１６、４３２１により互いに反対側の２箇所において検出される。これにより、Ｘ軸と同様にバックラッシュ等による精度劣化がなく、高速応答化が可能となっている。また、Ｙ軸ベース４３１４の互いに反対端部における２箇所においてリニアエンコーダ４３１６、４３２１によりＹ軸方向の位置を検出することで、各々の検出値の差によりＹ軸ベース４３１４の微小回転を検出・制御することができる。Ｙ軸ベース４３１４の微小回転というのは、Ｘ軸、Ｙ軸に直角なＺ軸回りの回転であり、以下、これをＺ軸回りの回転θと呼ぶ。
【０１３５】
ステージ４３０２のヒータからの輻射熱がＸ軸ベース４３０６や、Ｙ軸ベース４３１４に伝達されるのを防止するために、トロリ４４０３とＸ軸ベース４３０６との間には、水冷板４３０４が設けられている。また、Ｘ軸べース４３０６にも水冷機構が内蔵されており、ステージ４３０２のヒータからの輻射熱によるリニアベアリング等のトラブルを防止している。更に、ステージ動作中に発熱する各リニアモータのコイルは、各リニアモータに設けたＸ軸モータコイル冷却板４４１１、Ｙ軸モータコイル冷却板４３１９、４３２４により冷却する構成としている。また、Ｘ軸リニアエンコーダ４３１０、Ｙ軸リニアエンコーダ４３１６、４３２１に関しても、熱変形による破損・精度劣化を防ぐために、それぞれにＸ軸エンコーダ冷却板４４１２、Ｙ軸エンコーダ冷却板４３１７、４３２２を設けることにより一定温度に保持する構成としている。
【０１３６】
なお、移動するＸ軸リニアエンコーダ４４１０、Ｙ軸リニアエンコーダ４３１６、４３２１から固定部に検出信号用のケーブルを導出するために、Ｘ軸リニアエンコーダ４４１０に対応してケーブルガイド４４１３が設けられ、Ｙ軸リニアエンコーダ４３１６、４３２１に対応してそれぞれケーブルガイド４３２５が設けられる。
【０１３７】
図３１，図３２を参照して、本発明によるマスクステージ駆動機構の実施の形態について説明する。上部から順にステージ構成を説明すると、中央部に大きな円形の開口を持つベースプレート４６０１が図示しない固定部に固定される。ベースプレート４６０１の開口の縁部にクロスローラベアリング４７０３が取り付けられている。ベースプレート４６０１の下面側には、クロスローラベアリング４７０３を介してθ軸、すなわちＺ軸回りに回動可能にθ軸可動部４６０４が設けられている。θ軸可動部４６０４の中央部にもベースプレート４６０１の開口に対応する開口が設けられている。θ軸可動部４６０４の下面側には、Ｙ軸方向に平行に延びる一対のＹ軸リニアベアリング４７０６を介してＹ軸方向に移動可能なようにＹ軸可動部４７０７が取り付けられている。Ｙ軸可動部４７０７の中央部にもベースプレート４６０１の開口に対応する開口が設けられている。
【０１３８】
Ｙ軸可動部４７０７には、Ｙ軸リニアベアリング４７０６の設置スペースを確保するために形成された空間を利用して、Ｘ軸可動部４６１０が設けられている。Ｘ軸可動部４６１０は、リフト用エアベアリング４６１１及びヨーガイド用エアベアリング４６１５、４６１６によりＸ軸方向に関して案内される。Ｘ軸可動部４６１０の中央部にもベースプレート４６０１の開口に対応する開口が設けられている。
【０１３９】
詳しく説明すると、Ｘ軸可動部４６１０は、θ軸可動部４６０４とＹ軸可動部４７０７との間であって、Ｙ軸可動部４７０７におけるＸ軸可動部４６１０との対向面に設けられた複数のリフト用エアベアリング４６１１を介してＸ軸の方向に可動に構成されている。リフト用エアベアリング４６１１は、圧縮空気をＸ軸可動部４６１０の下面に吹き付けることでＸ軸可動部４６１０を浮上させるためのものであり、ここでは、Ｘ軸可動部４６１０の中心に関して１２０度の角度間隔をおいて３個設けられている。
【０１４０】
また、Ｘ軸可動部４６１０は磁性材料で構成され、Ｙ軸可動部４７０７におけるＸ軸可動部４６１０との対向面には更に、複数箇所に吸引用のマグネット４６１８が配置されている。特に、マグネット４６１８は、リフト用エアベアリング４６１１の周囲に３個ずつ、合計９個配置されている。更に、Ｘ軸可動部４６１０は、Ｘ軸の方向に平行な２つの端縁部を有し、これら２つの端縁部をそれぞれ、Ｙ軸可動部４７０７に設けたヨーガイド用エアベアリング４６１５、４６１６によりＸ軸方向の移動を案内するように構成されている。ヨーガイド用エアベアリング４６１５、４６１６はそれぞれ、Ｘ軸可動部４６１０の１つの端縁部に対して２つずつ設けられている。加えて、Ｘ軸可動部４６１０における一方の端縁部側に設けられた２つのヨーガイド用エアベアリング４６１６にはそえぞれ、プリロード用のピストン４６２０が組み合わされ、前記一方の端縁部に対してプリロードがかけられている。Ｘ軸可動部４６１０には、ボス４７１０−１を介してマスクステージ４７３０が組み合わされている。マスクステージ４７３０は、その中央にベースプレート４６０１の開口よりやや小さな開口を有すると共に、Ｙ軸可動部４７０７の下面側から突出しており、その下端部には、マスク４７１４の保持部を有する。
【０１４１】
以上の構成により、Ｘ軸、Ｙ軸、θ軸の３自由度マスクステージを構成している。θ軸駆動モータ４６０５の出力軸がθ軸駆動モータ４６０５の回転に応じて軸方向に移動し、θ軸駆動プレート４６１９を押す。このことにより、θ軸可動部４６０４は、その中心に関してＺ軸回りの反時計方向に回動する。なお、θ軸駆動モータ４６０５の出力軸は駆動プレート４６１９に固定されていない。このため、ベースプレート４６０１とθ軸可動部４６０４との間に引っ張りバネ４６１７を設けて時計回り方向のプリロードをかける構成とし、クロスローラベアリング４７０３の摩擦等によりバックラッシ及び回転不良等が発生することを防いでいる。θ軸可動部４６０４の回転角は、θ軸可動部４６０４に取り付けられて一体的に回動する回転軸４７０４−１に組み合わせた中空のロータリエンコーダ４７０２により計測し、精度を確保している。
【０１４２】
Ｙ軸可動部４７０７は、θ軸可動部４６０４の端部とＹ軸可動部４７０７の端部との間に配設されたＹ軸リニアモータ４６０８によりＹ軸方向に駆動される。Ｙ軸可動部４７０７の位置は、Ｙ軸リニアモータ４６０８の近傍に配置されたＹ軸リニアエンコーダ４７０９により計測される。Ｘ軸可動部４６１０は、Ｘ軸リニアモータ４７１３により駆動される。Ｘ軸リニアモータ４７１３は、Ｙ軸可動部４７０７の下面側に配置されており、その可動部分がボス４７１０−１と連結されていることにより、Ｘ軸可動部４６１０とボス４７１０−１とがＸ軸方向に駆動される。Ｘ軸可動部４６１０の位置は、Ｙ軸可動部４７０７の下面側とボス４７１０−１との間に配置されたＸ軸リニアエンコーダ４６１２により計測される。
【０１４３】
Ｘ軸可動部４６１０の案内機構の詳細について述べる。中央部の開口を光路として、マスク４７１４の下方に配置されたワーク（図示せず）にレーザ光を照射しながら一定速度で移動するスキャニングを行うため、Ｘ軸可動部４６１０は高い軌跡追従性能と位置決め精度が要求される。そのため、Ｘ軸可動部４６１０の案内機構には、静圧軸受けが採用されている。Ｘ軸可動部４６１０の案内機構の構成は、上下方向（ラジアル）と横方向の２つの案内機構により構成される。上下方向案内の静圧軸受けは、Ｙ軸可動部４７０７に取り付けられたリフト用エアベアリング４６１１とＸ軸可動部４６１０の案内面とで構成される。特に、高い案内剛性が得られる隙間（５〜１０μｍ程度）を維持するために、Ｙ軸可動部４７０７に取り付けた複数のマグネット４６１８の吸引力によりプリロードをかける構成としている。
【０１４４】
通常、エアベアリングは可動部側に固定するが、Ｘ軸可動部４６１０の必要ストロークが短い点を生かし、リフト用エアベアリング４６１１をＸ軸可動部４６１０ではなく、Ｘ軸可動部４６１０のベースとなるＹ軸可動部４７０７側に固定する構成としている。これにより、Ｘ軸可動部４６１０の重量低減をはかり、移動時の外乱となるエアベアリングへのエア供給チューブの接続数を減らしている。
【０１４５】
Ｘ軸可動部４６１０の横方向案内の静圧軸受けは、Ｘ軸可動部４６１０に取り付けた２組のヨーガイド用エアベアリング４６１５、４６１６で、Ｘ軸可動部４６１０を挟み込む形で構成される。２個のヨーガイド用エアベアリング４６１５は、各々アジャストボルト４６２１により支持される。アジャストボルト４６２１はＸ軸可動部４６１０に取り付けられて、その先端がヨーガイド用エアベアリング４６１５に当接しており、その出し入れ量を調整することにより、Ｘ軸可動部４６１０の横方向の姿勢を調整することができる。
【０１４６】
ヨーガイド用エアベアリング４６１５とは反対側に取り付けられたヨーガイド用エアベアリング４６１６は、プリロード用ピストン４６２０により支持され、一定の力により支持されている。このため、Ｘ軸可動部４６１０やＹ軸可動部４７０７などの熱変形、機械加工精度、組立誤差等の影響を受けることなく、一定の静圧軸受け隙間を維持することが可能な構成となっている。
【０１４７】
全てのエアベアリングの支持点は、セラミック球により球面支持されており、相手面のうねり、熱変形等、エアベアリング面と相手面の平行度が失われても、ある程度吸収できるような構成としている。
【０１４８】
本発明による空気圧式チルト機構を備えた真空チャンバ用ステージ装置の概略図を図３３、図３４に示す。このステージ装置は、真空あるいは減圧状態を得ることのできる真空チャンバ内に設置されるが、ここでは、真空チャンバは図示を省略している。
【０１４９】
本発明による空気圧式チルト機構は、ベース５１０２上に空気圧駆動方式の３台のベローズシリンダ５１０４−１、５１０４−２、５１０４−３と板ばね５１０３とを配置し、これらでステージ５２０１を支持する構造となっている。板ばね５１０３は十文字の形状をしており、板ばね５１０３の中央部（交差部）をステージ５２０１の下面に設けた台状部にボルト等により固定している。また、板ばね５１０３の４つの端部をそれぞれ、支持台５２０２−１を介してベース２側に固定している。
【０１５０】
ベローズシリンダ５１０４−１〜５１０４−３は、空気圧シリンダをベローズにて封止して成り、空気圧シリンダから空気漏れがあっても漏れ空気が真空チャンバ内に流入しないように構成されている。
【０１５１】
本空気圧式チルト機構は、板ばね５１０３によりステージ５２０１を支持し、各ベローズシリンダ５１０４−１〜５１０４−３に圧縮空気を送ることでベローズシリンダ５１０４−１〜５１０４−３を伸縮させ、ステージ５２０１の高さ、傾きを調整する。
【０１５２】
図３５は、照射光学系５４２０の構成を説明する図である。レーザ光源（図示せず）からのレーザ光ＡＬが入射するホモジナイザ５４２１は、縦横のビームサイズを独立にコントロールするための第１〜第４シリンドリカルレンズアレイＣＡ1〜ＣＡ4と、集光のためのコンデンサレンズ５５２１ａとからなる。ここで、第１及び第３シリンドリカルレンズアレイＣＡ1、ＣＡ3は、紙面に平行な断面に曲率を有し、第２及び第４シリンドリカルレンズアレイＣＡ2、ＣＡ4は、紙面に垂直な断面に曲率を有する。
【０１５３】
ホモジナイザ５４２１からのレーザ光ＡＬは、ターンミラー５５２５を経て、マスク組立体５４２２に入射する。このマスク組立体５４２２は、レーザ光ＡＬによって照明されるとともにワークＷに照射すべきパターンを下面５５８０に形成したマスク５５２２ａと、マスク５５２２ａのパターンの光透過部（すなわち開口）の周囲にレーザ光ＡＬが入射して戻り光の原因となることを防止する反射部材５５２２ｂと、瞳位置を調節するフィールドレンズ５５２２ｃとからなる。ここで、反射部材５５２２ｂは、マスク５５２２ａに対して傾いて配置されており、反射部材５５２２ｂの上面５５８１からの反射光ＲＬは、光軸ＯＡから外れた方向に出射し、フィールドレンズ５５２２ｃを経てビームダンパ５５２６に入射する。なお、フィールドレンズ５５２２ｃは、ホモジナイザ５４２１の一部と考えることもできる。
【０１５４】
マスク５５２２ａを通過したレーザ光ＡＬは、投影レンズ５４２３に入射する。この投影レンズ５４２３は、レーザ光ＡＬによって照明されたマスク５５２２ａに形成された光透過パターンであるスリット像をワークＷの加工面上に縮小投影、すなわち結像・転写する。
【０１５５】
次に、図３６と図３７を参照して本発明に係るＣＶＤ装置の第１の実施形態を説明する。図３６において、このＣＶＤ装置では、好ましくはシランを材料ガスとして使用し、通常のＴＦＴ用ガラス基板７１１１の上面にシリコン酸化膜をゲート絶縁膜として成膜する。ＣＶＤ装置の容器７１１２は、成膜処理を行う際、排気機構７１１３によってその内部が所望の真空状態に保持される真空容器である。排気機構７１１３は真空容器７１１２に形成された排気ポート７１１２ｂ−１に接続されている。
【０１５６】
真空容器７１１２の内部には、上下方向の中間位置にほぼ水平な状態で導電性部材で作られた隔壁部７１１４が設けられており、平面形状が例えば方形の隔壁部７１１４の周縁部が真空容器７１１２の周囲壁部分に接触するように配置されている。真空容器７１１２の内部は隔壁部７１１４によって上下の２つの室に隔離される。上側の室はプラズマ生成空間７１１５を形成し、下側の室は成膜処理空間７１１６を形成する。隔壁部７１１４は、所望の特定の厚みを有し、かつ全体的に平板状の形態を有し、さらに真空容器７１１２の水平断面形状に類似した平面形状を有する。隔壁部７１１４には内部空間７１２４が形成されている。
【０１５７】
上記ガラス基板７１１１は、成膜処理空間７１１６に設けられた基板保持機構７１１７の上に配置されている。ガラス基板７１１１は隔壁部７１１４に実質的に平行であって、その成膜面（上面）が隔壁部７１１４の下面に対向するように配置されている。基板保持機構７１１７の電位は真空容器７１１２と同じ電位である接地電位に保持される。さらに基板保持機構７１１７の内部にはヒータ７１１８が設けられている。このヒータ７１１８によってガラス基板７１１１の温度は所定の温度に保持される。
【０１５８】
真空容器７１１２の構造を説明する。真空容器７１１２は、その組立性を良好にする観点から、プラズマ生成空間７１１５を形成する上容器７１１２ａと、成膜処理空間７１１６を形成する下容器７１１２ｂとから構成される。上容器７１１２ａと下容器７１１２ｂを組み合わせて真空容器７１１２を作るとき、両者の間に位置に隔壁部７１１４が設けられる。隔壁部７１１４は、その周縁部が、後述するごとく電極７１２０を設けるときに上容器７１１２ａとの間に介設される環状絶縁部材７１２１、７１２２のうち下側の絶縁部材７１２２に接触するようにして取り付けられる。これによって、隔壁部７１１４の上側と下側に、隔離されたプラズマ生成空間７１１５と成膜処理空間７１１６が形成される。隔壁部７１１４と上容器７１１２ａとによってプラズマ生成空間７１１５が形成される。プラズマ生成空間７１１５においてプラズマ７１１９が生成されている領域は、前述の隔壁部７１１４と上容器７１１２ａとのほぼ中央位置に配置される板状の電極（高周波電極）７１２０とから形成されている。電極７１２０には複数の孔７１２０ａが形成されている。隔壁部７１１４と電極７１２０は、上容器７１１２ａの側部内面に沿って設けられた２つの環状絶縁部材７１２１、７１２２によって支持され、固定される。環状絶縁部材７１２１には、外側からプラズマ生成空間７１１５へ酸素ガスを導入する導入パイプ７１２３が設けられている。導入パイプ７１２３は流量制御を行うマスフローコントローラ（図示せず）を介して酸素ガス供給源（図示せず）に接続されている。
【０１５９】
真空容器７１１２の内部は、隔壁部７１１４によってプラズマ生成空間７１１５と成膜処理空間７１１６に隔離されるが、隔壁部７１１４には所定条件を満たす複数の貫通孔７１２５が内部空間７１２４を貫通する状態で分散して形成されており、これらの貫通孔７１２５を介してのみプラズマ生成空間７１１５と成膜処理空間７１１６はつながっている。また隔壁部７１１４内に形成された内部空間７１２４は、材料ガスを分散させて均一に成膜処理空間７１１６に供給するための空間である。さらに隔壁部７１１４の下壁には材料ガスを成膜処理空間７１１６に供給する複数の拡散孔７１２６が形成されている。上記貫通孔７１２５または拡散孔７１２６はそれぞれ後述する所定の条件を満たすように作られている。また上記内部空間７１２４には、材料ガスを導入するための導入パイプ７１２８が接続されている。導入パイプ７１２８は側方から接続されるように配置されている。また内部空間７１２４の中には、材料ガスが拡散孔７１２６から均一に供給されるように、複数の孔７１２７ａを有するように穿孔された均一板７１２７がほぼ水平に設けられている。図３７に示すごとく、均一板７１２７によって隔壁部７１１４の内部空間７１２４は上下の二つの空間７１２４ａ、７１２４ｂに分けられている。導入パイプ７１２８で内部空間７１２４に導入される材料ガスは、上側の空間７１２４ａに導入され、均一板７１２７の孔７１２７ａを通って下側の空間７１２４ｂに至り、さらに拡散孔７１２６を通って成膜処理空間７１１６に拡散されることになる。以上の構造に基づいて、成膜処理空間７１１６の全体にわたって材料ガスを均一に供給することが可能となる。
【０１６０】
図３７では隔壁部７１１４の一部が拡大して示され、貫通孔７１２５と拡散孔７１２６と均一板７１２７の要部が拡大して示される。貫通孔７１２５は、一例として、プラズマ生成空間７１１５側が大きな径を有し、成膜処理空間７１１６側が絞られ、小さい径で作られている。
【０１６１】
上容器７１１２ａの天井部には、電極７１２０に接続された電力導入棒７１２９が設けられている。電力導入棒７１２９によって電極７１２０に放電用高周波電力が給電される。電極７１２０は高周波電極として機能する。電力導入棒７１２９は絶縁物７１３１で被われており、他の金属部分との絶縁が図られている。
【０１６２】
上記のように構成されたＣＶＤ装置による成膜方法を説明する。図示しない搬送ロボットによってガラス基板７１１１が真空容器７１１２の内部に搬入され、基板保持機構７１１７の上に配置される。真空容器７１１２の内部は、排気機構７１１３によって排気され、減圧されて所定の真空状態に保持される。次に、導入パイプ７１２３を通して酸素ガスが真空容器７１１２のプラズマ生成空間７１１５に導入される。このとき酸素ガスの流量は外部のマスフローコントローラで制御される。式（１），（２）を用いて、酸素ガスの流量（ＱO2）と圧力（ＰO2）、および温度（Ｔ）から酸素の流速（ｕ）が求められる。
【０１６３】
ＱＯ２＝ρＯ２ｕＡ              式（１）
ＰＯ２＝（ρＯ２ＲＴ）／Ｍ      式（２）
一方、材料ガスであるシランが導入パイプ７１２８を通して隔壁部７１１４の内部空間７１２４に導入される。シランは、最初に内部空間７１２４の上側空間７１２４ａに導入され、均一板７１２７で均一化されて下側部分７１２４ｂに移動し、次に拡散孔７１２６を通って成膜処理空間７１１６に直接に、すなわちプラズマに接触することなく導入される。成膜処理空間７１１６に設けられた基板保持機構７１１７は、ヒータ７１１８に通電が行われているため、予め所定温度に保持されている。
【０１６４】
上記の状態で、電極７１２０に対して電力導入棒７１２９を介して高周波電力が供給される。高周波電力によって放電が生じ、プラズマ生成空間７１１５内において電極７１２０の周囲に酸素プラズマ７１１９が生成される。酸素プラズマ７１１９を生成することで、中性の励起種であるラジカル（励起活性種）が生成される。
【０１６５】
基板７１１１の表面に成膜を行うとき、真空容器７１１２の内部空間は、導電材料で形成された隔壁部７１１４でプラズマ生成空間７１１５と成膜処理空間７１１６に隔離された構成において、プラズマ生成空間７１１５では酸素ガスを導入しかつ電極７１２０に高周波電力を供給して酸素プラズマ７１１９を生成し、他方、成膜処理空間７１１６では材料ガスであるシランが隔壁部７１１４の内部空間７１２４および拡散孔７１２６を通って直接に導入される。プラズマ生成空間７１１５で生成された酸素プラズマ７１１９中のラジカルは隔壁部７１１４の複数の貫通孔７１２５を通って成膜処理空間７１１６に導入されると共に、シランは隔壁部７１１４の内部空間７１２４および拡散孔７１２６を通って成膜処理空間７１１６に直接導入される。また成膜処理空間７１１６に直接導入されたシランは、貫通孔７１２５の有する形態に基づきプラズマ生成空間の側に逆拡散することが抑制される。このように、材料ガスであるシランを成膜処理空間７１１６に導入するときシランが直接に酸素プラズマ７１１９に触れることはなく、シランと酸素プラズマとが激しく反応することが防止される。かくして、成膜処理空間７１１６において、隔壁部７１１４の下面に対向して配置された基板７１１１の表面にシリコン酸化膜が成膜される。
【０１６６】
上記の構造において、隔壁部７１１４の複数の貫通孔７１２５の大きさ等の形態は、プラズマ生成空間７１１５における酸素ガスを貫通孔中の物質移動流れとし、成膜処理空間７１１６におけるシランが、貫通孔７１２５を通って反対側の空間に拡散移動を行うことを想定するとき、その移動量を所望範囲に制限するように決められている。すなわち、例えば、温度Ｔにおける隔壁部７１１４の貫通孔７１２５を流れる酸素ガスとシランに関してその相互ガス拡散係数をＤとし、かつ貫通孔７１２５の最小径部分の長さ（貫通孔の特徴的長さ）をＬとするとき、ガス流速（ガスの流速ｕとする）を用いて、ｕＬ／Ｄ＞１の関係が満たされるように決められる。以上の貫通孔の形態に関する条件は、好ましくは、隔壁部７１１４に形成された拡散孔７１２６に関しても同様に適用される。
【０１６７】
上記ｕＬ／Ｄ＞１の関係は次のように導き出される。例えば貫通孔７１２５を移動する酸素とシランの関係に関しシランガス密度（ρSiH4）と拡散流速（ｕSiH4）と相互ガス拡散係数（ＤSiH4-O2 ）を用いて下記の式（３）が成立する。貫通孔の特徴的長さをＬとすると、式（３）が式（４）に近似できる。式（４）の両辺を比較した結果、シランの拡散流速（ｕSiH4）が−ＤSiH4-O2 ／Ｌで表わされる。従って、上記の式（１）と（２）から得られる酸素流速をｕとし、シランの拡散流速を−ＤSiH4-O2 ／Ｌとした場合に、これらの２つの流速の絶対値の比、すなわち｜−ｕ／（−ＤSiH4-O2 ／Ｌ）｜＝ｕＬ／ＤSiH4-O2 の値は酸素物質移動速度とシラン拡散速度の比であり、この比ｕＬ／ＤSiH4-O2 を１以上にすることは、拡散の流量に比較して対流による流量が大きいことを意味する。すなわち、ｕＬ／ＤSiH4-O2 の値を１以上にすることは、シランの拡散影響が少ないことを意味している。
【０１６８】
ρSiH4ｕSiH4＝−ＤSiH4-O2 ｇｒａｄρSiH4      （３）
ρSiH4ｕSiH4≒−ＤSiH4-O2 ρSiH4／Ｌ          （４）
次に具体的な例を説明する。隔壁部７１１４の温度を３００℃、隔壁部７１１４に形成された貫通孔７１２５の直径を０．５ｍｍ、直径０．５ｍｍの部分の長さ（Ｌ）を３ｍｍ、貫通孔２５の総数を５００個、酸素ガスのガス流量を５００sccm、成膜処理空間７１１６の圧力１００Ｐａとすると、上記式（４）の値は１１となる。このような場合には、シランガスの拡散に比較して流れの影響が十分に大きいため、プラズマ生成空間７１１５へシランガスが拡散することは少なくなる。
【０１６９】
上記のように、プラズマ生成空間７１１５と成膜処理空間７１１６は、上記特性を有する貫通孔７１２５と拡散孔７１２６が多数形成された隔壁部７１１４でそれぞれ閉じられた室となるように仕切られて隔離されているため、成膜処理空間７１１６に直接導入されたシランと酸素プラズマが接触することはほとんどない。従って、従来装置のごとく、シランと酸素プラズマが激しく反応することは防止される。
【０１７０】
次に図３８を参照して本発明に係るＣＶＤ装置の第２の実施形態を説明する。図３８において、図３６で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、ここで詳細な説明を反復することは省略する。本実施形態の特徴的構成は、上容器７１１２ａの天井部の内側に板状絶縁部材７３３３を設け、かつその下側に電極７１２０を配置するようにした。電極７１２０には上記孔７１２０ａは形成されず、一枚状の板の形態を有する。電極７１２０と隔壁部７１１４によって平行平板型電極構造によるプラズマ生成空間７１１５を形成する。その他の構成は第１実施形態の構成と実質的に同じである。さらに、第２実施形態によるＣＶＤ装置による作用、効果も前述の第１実施形態と同じである。
【０１７１】
次に図３９を参照して本発明に係るＣＶＤ装置の第３の実施形態を説明する。図３９において、図３６で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、ここで詳細な説明を反復することは省略する。本実施形態の特徴的構成は、上容器７１１２ａの側壁部の内側に設けられた環状絶縁部材７１２２には、外側からプラズマ生成空間７１１５へ洗浄用ガスを導入する第２ガス導入パイプ７４２３が追加して設けられている。導入パイプ７４２３は流量制御を行うマスフローコントローラ（図示せず）を介して洗浄用ガス供給源（図示せず）に接続されている。第２ガス導入パイプ７４２３を通してプラズマ生成空間７１１５内に洗浄用ガスを導入し、かつ高周波電源から電極７１２０に高周波電力を供給すると、プラズマ生成空間７１１５内には、基板７１１１上の膜表面の洗浄に使用されるラジカルを作るためのプラズマが生成される。洗浄用ガスとしては例えばＮＦ３ ，ＣｌＦ３ ，Ｃ２ Ｆ４ ，Ｃ２ Ｆ６ ，Ｈ２ ，Ｏ２ ，Ｎ２ ，Ｆ２ ，Ａｒ等（希ガス、ハロゲン化ガス）が使用される。その他の構成は第１実施形態の構成と実質的に同じである。
【０１７２】
ガス導入パイプ７１２３と第２ガス供給パイプ７４２３の使用は択一的に実行されるように制御される。この実施形態では、最初に洗浄用ガスが導入されて基板７１１１上の膜の表面洗浄が行われ、その後に成膜用ガスが導入されて基板７１１１上の膜の表面上にゲート絶縁膜が形成される。
【０１７３】
すなわちレーザアニール処理が行われた膜（ポリシリコン膜）を表面に形成した基板７１１１が基板ホルダ７１１７上に搭載された後に、プラズマ生成空間７１１５へ第２ガス導入パイプ７４２３から洗浄用ガスを導入し、電極７１２０に対して電力導入棒７１２９を介して高周波電力が供給される。これによりプラズマ生成空間７１１５で放電が開始され、洗浄用ガスプラズマ７４１９が生成される。その結果、プラズマ中ではラジカルが生じ、当該ラジカルが隔壁部７１１４の複数の貫通孔７１２５を通して成膜処理空間７１１６へ移動し、基板７１１１上に形成された膜の表面をラジカルによって洗浄する。それによって、レーザアニール後に基板の膜表面上に発生した不純物を除去することが可能となる。
【０１７４】
上記の基板洗浄の工程を終了し、所定条件を満たした後、プラズマ生成空間７１１５へガス供給パイプ７１２３から酸素ガスを導入し、電極７１２０に対して電力導入棒７１２９を介して高周波電力が供給される。これによりプラズマ生成空間７１１５で放電が開始され、酸素プラズマ７１１９が生成される。その結果、プラズマ中ではラジカルが生じ、当該ラジカルが隔壁部７１１４の複数の貫通孔７１２５を通して成膜処理空間７１１６へ移動する。他方ラジカルの導入に併せて、導入パイプ７１２８から隔壁部７１１４を通して材料ガスを成膜処理空間７１１６へ導入する。成膜処理空間７１１６ではラジカルが材料ガスと反応し、その結果、基板７１１１上に形成された膜の表面上にゲート絶縁膜が形成される。
【０１７５】
なお、本発明に係る成膜装置は、真空一貫で構成されることが好ましい。
【０１７６】
次に、本発明の実施形態の装置を用いた成膜方法について説明する。
【０１７７】
図４０は本発明に係る成膜装置の一例を示す。図４０において、７１１２は図３６の真空容器である。この真空容器７１１２は、前述の通り、多数の貫通孔が形成された隔壁部７１１４によって、互いに隔離されたプラズマ生成空間７１１５と成膜処理空間７１１６を備えている。
【０１７８】
図４０で、７５１２は成膜用材料ガス供給装置である。成膜用材料ガス供給装置７５１２から供給される材料ガスは、ＭＦＣ（マスフローコントローラ：流量制御器）７５１３ａを含むガス導入路７５１３を経由して隔壁部７１１４内の上記内部空間７１２４へ導入される。材料ガスとしては、ＳｉＨ４ 等のケイ素水素化合物（ＳｉｎＨ２ｎ＋２（ｎ＝１，２，３，…））が使用される。成膜処理空間７１１６においては、隔壁部７１１４の内部空間７１２４通って導入される材料ガスと、隔壁部７１１４に形成された多数の貫通孔７１２５を通して導入されるラジカルとが反応し、材料ガスが分解され、成膜室内に搬入された基板に対して酸化ケイ素薄膜が堆積され、成膜が行われる。
【０１７９】
７５１４は上位コントローラである。上位コントローラ７５１４は、ガス導入路７５１３に設けられたＭＦＣ７５１３ａにおける材料ガスの流量を制御する機能を有している。上記コントローラ７５１４によって、ＭＦＣ７５１３ａにおける材料ガスの流量を制御し、成膜処理空間７１１６へ導入される材料ガスの供給量を後述するごとく所望の値に制御することが可能となる。図４１に示されたグラフは、横軸が時間（ｔ）、縦軸が材料ガスの流量（ｓｃｃｍ）が示され、材料ガス流量の変化の一例が示されている。本実施形態では、ＭＦＣ７５１３ａにおける材料ガスの流量を上記コントローラ７５１４に基づいて制御し、成膜初期である放電開始時において、成膜処理空間７１１６への材料ガスの導入流量（供給量）を制限し、その後に増加させることに特徴を有している。次に材料ガスの導入流量の制限の仕方を説明する。
【０１８０】
図４２は材料ガスであるＳｉＨ４ の供給量の制御の一例を示し、横軸は時間であり、縦軸は導入流量である。時間軸では、時刻ｔ０ ，ｔ１ ，ｔ２ が設定されている。プラズマ生成用ガスとしては例えば酸素（Ｏ２ ）が用いられている。時刻ｔ０ は、酸素ガスがプラズマ生成室へ導入され、酸素ガスの放電が開始される時刻であり、成膜の開始時点である。時刻ｔ１ で、ＳｉＨ４ の供給が開始される。従って、時刻ｔ０ から時刻ｔ１ の間、ＳｉＨ４ の供給は行われない。時刻ｔ１ から時刻ｔ２ の間では、ＳｉＨ４ の供給量は時間に応じて次第に増加し時刻ｔ２でＳｉＨ４ の供給量は一定値に到達する。時刻ｔ２以降、ＳｉＨ４ の供給量は一定値に保持される。以上のごとく、放電開始を含む成膜初期（ｔ０ 〜ｔ１ およびｔ１ に近い時期）には材料ガスの供給量が制限されることにより成膜初期のケイ素過剰な酸化ケイ素薄膜の形成を抑制することができ、かつその後において材料ガスの供給量が徐々に増加されることにより成膜時間を短縮し、実用性を高めている。
【０１８１】
また、ｔ１ 〜ｔ２ での供給量の増大をステップ関数または種々の関数、例えば比例、一次関数、二次関数、指数関数等で変化させるように制御を行ってもよい。
【０１８２】
前述の各実施形態では、材料ガスとしてシランの例を説明したが、これに限定されず、ＴＥＯＳ等の他の材料ガスを用いることができるのはもちろんである。またシリコン酸化膜のみならず、シリコン窒化膜等その他の成膜にも応用することができる。本発明の原理的考えは、材料ガスがプラズマに接することによりパーティクルが発生すること、基板へイオンが入射することが問題となるすべての処理に応用でき、成膜、表面処理、等方エッチング等に応用できる。さらに前述の実施形態では、隔壁部は二重構造になっているが、必要に応じて多層構造にできるのはもちろんである。
【０１８３】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、大面積基板にプラズマＣＶＤによりシラン等の材料ガスを用いてシリコン酸化膜等を成膜する場合に、所定条件を満たす複数の貫通孔あるいは拡散孔が形成された隔壁部を設けることによって真空容器の内部をプラズマ生成空間と成膜処理空間に隔離し、プラズマ生成空間で生成された活性種は隔壁部の貫通孔を通して成膜処理空間に導入され、材料ガスは隔壁部の内部空間および拡散孔を通してプラズマに触れることなく直接に成膜処理空間に導入するようにしたため、材料ガスとプラズマとの間の激しい化学反応を防止でき、その結果、パーティクルの発生を抑制し、基板へのイオン入射を防止することができる。
【０１８４】
また材料ガスを均一に導入でき、かつ隔壁部に形成された複数の貫通孔によって酸素ガスのラジカルも成膜処理空間に均一に供給でき、これによって基板の表面近傍でのラジカルとシラン等の分布を良好にし、大面積基板への成膜を有効に行うことができる。
【０１８５】
図４３は、クラスターツール型の装置を横から見た断面図である。この装置は、基板８１０９の表面にゲート絶縁膜となる酸化シリコン膜を作製する成膜チャンバー８１０１と、ロードロックチャンバー８１０２と、内部に搬送機構としての搬送ロボット８１３０を備えた搬送チャンバー８１０３とを有している。
【０１８６】
成膜チャンバー８１０１は内部にＣＶＤユニット８１１３を備えている。このＣＶＤユニット８１１３内でプラズマを生成し、プラズマ中から取り出した活性種を利用することにより酸化シリコン膜を作製するようになっている。さて、本実施形態の装置の大きな特徴点は、搬送チャンバー８１０３の構成にある。図４３に示すように、搬送チャンバー８１０３は、内部の圧力調整のため、成膜チャンバー８１０１内での成膜に悪影響を与えないガスを内部に導入するガス導入系（以下、調圧用ガス導入系）８１３２を有している。本実施形態では、調圧用ガス導入系８１３２は水素ガスを導入するようになっている。調圧用ガス導入系８１３２は、不図示の流量調整器やフィルタを備えており、純度の高い調圧用ガスを所定の流量で導入できるようになっている。
【０１８７】
なお、「成膜に悪影響を与えないガス」とは、作製される薄膜の品質に悪影響を与えないガスの意味である。このガスには、水素のように成膜には直接的には関与しないガスや、膜質を向上させる効果を持つガスが含まれる。
【０１８８】
搬送チャンバー８１０３が調圧用ガス導入系８１３２を備えることは、搬送チャンバー８１０３の排気系８１３１についての特有の技術思想に関連している。つまり、本実施形態の装置では、搬送チャンバー８１０３内の圧力を成膜チャンバー８１０１内の圧力よりも若干低い真空圧力となるように維持する構成となっている。
【０１８９】
搬送チャンバー８１０３の排気系８１３１は、このように比較的高い圧力に排気すれば足りるものであるため、安価な構成となっている。搬送チャンバー８１０３の排気系８１３１には、例えば、安価なドライポンプとメカニカルブースターポンプとの組み合わせが採用できる。
【０１９０】
搬送チャンバー８１０３の排気系８１３１には、通常、成膜チャンバー８１０１よりも排気速度の大きなものが使用され、搬送チャンバー８１０３を成膜チャンバー８１０１よりも低い圧力にまで排気するよう構成されている。しかしながら、このような構成であると、前述したように、排気系８１３１の構成が高価なものとなってしまう。例えば、前述した成膜チャンバー８１０１内の到達圧力を得るためには、ターボ分子ポンプのような非常に高価な真空ポンプを使用する必要がある。到達圧力が１Ｐａ以上であれば安価なドライポンプとメカニカルブースターポンプの組み合わせで足りるものの、到達圧力が１Ｐａより低くなると、これより数倍高価なターボ分子ポンプ等が必要になる。
【０１９１】
また、搬送チャンバー８１０３内の圧力が比較的高く設定されるので、装置の稼動開始時等における排気動作が短時間に済む。従って、装置全体の生産効率が高くなる。
【０１９２】
本実施例の装置の別の大きな特徴点は、搬送チャンバー８１０３内に、基板８１０９の表面の改質作用がある化学種（以下、改質種）を供給する改質種供給部８１３３が設けられている点である。この点について、以下に説明する。
【０１９３】
改質種供給部８１３３は、改質用ガス導入系８１３４によって導入されたガスにエネルギーを与えてプラズマを形成する構成となっている。改質種供給部８１３３の構成について図４４を使用して説明する。図４４は図４３に示す装置の搬送チャンバー８１０３内に設けられた改質種供給部８１３３の構成を示す側断面概略図である。
【０１９４】
改質種供給部８１３３は、基本的に図３６とほぼ同様の構成である。但し、材料ガスを導入する構成はなく、隔壁部７１１４は複数の孔のあいた板状になっている。改質種供給部８１３３は図４３から解るように、搬送チャンバー８１０３内であって、成膜チャンバ８１０１ーとの境界部分のゲートバルブ８１０４ｃに近い位置に配置されており、基板８１０９の搬送ラインの上側に位置している。
【０１９５】
改質用ガス導入系８１３４は、調圧用ガス導入系８１３２と同様に水素ガスをプラズマ生成空間に供給するようになっている。調圧用ガス導入系８１３２の配管を分岐させて改質種供給部８１３３に接続し、調圧用ガス導入系８１３２を改質用ガス導入系８１３４に兼用してもよい。
【０１９６】
改質用ガス導入系８１３４によって水素ガスがプラズマ生成空間に導入されている状態で、高周波電源が動作すると、プラズマが形成され、水素活性種が下方流出するようになっている。この水素活性種が、本実施形態では改質種に相当しており、これが基板の表面に供給されることで、改質が行われる。例えば、基板８１０９の表面が酸化している場合、これを還元する。また、表面に結合端が存在している場合、水素活性種はこれを終端し、表面の状態を化学的に安定させる。この改質の際、基板８１０９を搬送ライン上で停止させてもよく、また効率化させるため、移動させながら行ってもよい。
【０１９７】
第２の実施形態の装置の大きな特徴点は、チャンネル層にポリシリコン膜を使用したＴＦＴ−ＬＣＤの製造に必要なレーザーアニール工程及びゲート絶縁膜作成工程を真空中で連続してできるようになっていることである。この第２の実施形態の装置においても、搬送チャンバー８１０３は調圧用ガス導入系８１３２を備えており、搬送チャンバー８１０３内は真空圧力ではあるものの１Ｐａより高く、かつ成膜チャンバ−８１０１より低い圧力に維持されるようになっている。調圧用ガス導入系８１３２は、同様に水素ガスを搬送チャンバー８１０３内に導入するようになっている。
【０１９８】
この第２の実施形態によれば、アニール工程の後、改質種の供給によって基板８１０９の表面が改質される構成は、ＴＦＴの動作特性を向上させる上で極めて重要な意義を有している。アニール工程で非晶質シリコン膜を結晶化させて得られたポリシリコン膜の表面には、シリコンの未結合端（ダングリングボンド）が存在している。従って、この基板８１０９がアニールチャンバー（図示せず）から成膜チャンバー８１０１に搬送される際、雰囲気に酸素のようなシリコンと反応し易いガスが存在していると、未結合端において容易にシリコンと反応し、ポリシリコン膜の表面に汚損された領域を作ってしまう。このような汚損領域がポリシリコン膜とゲート絶縁膜の界面に存在していると、化学量論的組成が得られず、欠陥準位の発生等、ＴＦＴの動作特性を阻害する問題が生じ易い。
【０１９９】
本実施形態では、アニール工程の後、水素活性種で表面を改質し、シリコンの未結合端を水素で終端しているので、上記のような問題が抑制される。さらに搬送チャンバー８１０３は比較的高い圧力の真空であるものの、水素ガスでパージされているため、未結合端が存在していてもそれに汚損物質が反応するおそれが低減し、かつ、水素と反応して同様に安定的に終端する可能性が高くなっている。このようなことから、本実施形態の装置によればポリシリコンＴＦＴを製造する上で極めて重要な技術事項であるポリシリコン膜とゲート絶縁膜の界面状態を極めて良質なものにすることができる。
【０２００】
また、改質種供給部が活性種を供給する点は、アニール工程後の改質ということに関連して重要な意義を有する。前述した通り、基板８１０９の表面の改質には、活性種の他、イオン入射を利用することもあり得る。しかしながら、アニール工程後の改質にイオン入射を利用することは、問題を生ずる。アニール工程によって結晶化したポリシリコン膜は、比較的弱い結晶構造である。従って、イオンを入射させてしまうと、容易に結合が壊れ、ポリシリコン膜の表面が粗くなった凹凸が形成されたりする。この結果、界面特性が阻害されたり、チャンネル抵抗が増大したりする問題が発生するおそれがある。
【０２０１】
本実施形態では、ＣＶＤユニット８１１３を使用し、基板の表面から離れた領域にプラズマを形成して活性種を供給している。従って、基板の表面へのイオンの入射は本質的になく、上述したような問題は生じない。
【０２０２】
図４５は、本発明に係るレーザアニール装置の構造を説明する図である。
【０２０３】
このレーザアニール装置は、アモルファス状Ｓｉ等の半導体薄膜を表面上に形成したガラス板であるワークＷを載置して３次元的に滑らかに移動可能なステージ３２１０と、一対の特性の異なるレーザビームＬＢ1、ＬＢ2をそれぞれ発生する一対のレーザ光源３２２１、３２２２と、これらのレーザビームＬＢ1、ＬＢ2を合成する合成光学系３２３０と、合成光学系３２３０によって合成された合成光ＣＬを線条ビームＡＢにして所定の照度でワークＷ上に入射させる照射光学系３２４０と、照射光学系３２４０中に設けたマスク３２４２を移動させてワークＷ上に投射した線条 ビームＡＢをワークＷ上で走査させる走査手段であるマスク駆動装置３２５０と、ワークＷを載置したステージ３２１０を照射光学系３２４０等に対して必要量だけ適宜移動させるステージ駆動装置３２６０と、レーザアニール装置全体の各部の動作を統括的に制御する主制御装置３２１００とを備える。
【０２０４】
一対のレーザ光源３２２１、３２２２は、ともにワークＷ上の半導体薄膜を加熱するためのエキシマレーザその他のパルス光源であり、発光時間やピーク強度、或いは波長等の特性が互いに異なる一対のレーザビームＬＢ1、ＬＢ2をそれぞれ個別に発生する。
【０２０５】
合成光学系３２３０は、両レーザ光源３２２１、３２２２からの一対のレーザビームＬＢ1、ＬＢ2を空間的に継ぎ合わせて合成光ＣＬを形成するためのもので、一対の平行に配置されたナイフエッジミラー３２３１、３２３２からなる。なお、合成光学系３２３０と両レーザ光源３２２１、３２２２との間には、それぞれダイバージェンス光学系３２７１とテレスコープ光学系３２７２とを調整装置として設けている。ダイバージェンス光学系３２７１は、レーザ光源３２２１からの第１ビームＬＢ1について、照射光学系３２４０に設けたホモジナイザ３２４１による光軸方向結像位置（ビーム形成位置）を微調整する調整光学系としての役割を有する。テレスコープ光学系３２７２は、レーザ光源３２２２からの第２ビームＬＢ2について、そのビームサイズを調節して合成光学系３２３０に入射する第１ビームＬＢ1のビームサイズと一致させるアフォーカル光学系としての役割を有する。
【０２０６】
照射光学系３２４０は、合成光学系３２３０からの合成光ＣＬを一旦複数に分割するとともにこれらの分割光を矩形のビームにして所定面上に重畳して均一に入射させるホモジナイザ３２４１と、スリット状の透過パターンを有するとともに、所定面上に配置されて合成光ＣＬを遮るマスク３２４２と、マスク３２４２に形成された透過パターンを線条ビームＡＢとしてワークＷ上に縮小投影する投影レンズ３２４３とを備える。
【０２０７】
ステージ駆動装置３２６０は、ステージ３２１０を駆動してワークＷ上の所定領域を照射光学系３２４０に対して位置合わせするアライメントを行う。また、ステージ駆動装置３２６０は、マスク駆動装置３２５０によって線条ビームＡＢがワークＷ上の所定領域で走査されて所定領域のレーザアニールが終了した段階で、マスク３２４２を上記の所定領域に隣接する領域にステップ移動させるアライメントを行う。なお、ステージ駆動装置３２６０によるステージ３２１０の駆動量は、位置検出装置３２８０によって常時監視されている。
【０２０８】
以下、図４５の装置の動作について説明する。まず、レーザアニール装置のステージ３２１０上にワークＷを搬送して載置する。次に、照射光学系３２４０に対してステージ３２１０上のワークＷをアライメントする。次に、照射光学系３２４０のマスク３２４２を移動させながら、一対のレーザ光源３２２１、３２２２から得た合成光ＣＬを線条ビームＡＢにしてワークＷ上の所定領域に入射させる。ワークＷ上には、非晶質半導体のアモルファスＳｉ等の薄膜が形成されており、線条ビームＡＢの照射及び走査によって半導体の所定領域がアニール、再結晶化され、電気的特性の優れた半導体薄膜を提供することができる。以上のようなレーザアニールは、ワークＷに設けた複数の所定領域で繰返され、ワークＷに設けた複数の所定領域で半導体薄膜がアニールされる。
【０２０９】
この際、上記装置では、合成光学系３２３０が一対のレーザ光源３２２１、３２２２からの一対のレーザビームＬＢ1、ＬＢ2を空間的に継ぎ合わせて合成光ＣＬを形成するので、一対のレーザビームＬＢ1、ＬＢ2をロスを最小限に抑えて合成することができ、合成後は、ホモジナイザ３２４１によって一対のレーザビームＬＢ1、ＬＢ2について均一な矩形ビームをそれぞれ所定面であるマスク３２４２上に形成することができる。さらに、ワークＷ上に入射する線条ビームＡＢは、レーザビームＬＢ1、ＬＢ2を効率的に合成したものであり、多様なレーザアニールが可能になる。
【０２１０】
図４６は、合成光学系３２３０及びその周辺の構造を説明する図である。既に説明したように、合成光学系３２３０は、一対のナイフエッジミラー３２３１、３２３２からなり、第１ビームＬＢ1を一対のナイフエッジ３２３１ａ、３２３２ａ間に通過させるとともに第２ビームＬＢ2を一対のナイフエッジ３２３１ａ、３２３２ａによって分割する。第１ビームＬＢ1についてホモジナイザ３２４１による結像位置を微調整するダイバージェンス光学系３２７１は、凸レンズ３２７１ａと凹レンズ３２７１ｂとを組み合わせたアフォーカル系となっている。第２ビームＬＢ2のビームサイズを第１ビームＬＢ1のビームサイズと一致させるテレスコープ光学系３２７２も、凹レンズ３２７２ａと凸レンズ３２７２ｂとを組み合わせたアフォーカル系となっている。テレスコープ光学系３２７２と合成光学系３２３０との間には、ターンミラー３２３３を設けて第２ビームＬＢ2を案内している。一方、両レーザビームＬＢ1、ＬＢ2を合成した合成光ＣＬが入射するホモジナイザ３２４１は、第１〜第４シリンドリカルレンズアレイＣＡ1〜ＣＡ4と、凸レンズのコンデンサレンズ３２４１ａとからなる。ここで、第１及び第３シリンドリカルレンズアレイＣＡ1、ＣＡ3は、紙面に平行な断面に曲率を有し、第２及び第４シリンドリカルレンズアレイＣＡ2、ＣＡ4は、紙面に垂直で光軸を含む断面に曲率を有する。
【０２１１】
以下、動作の概要について説明する。第１ビームＬＢ1は、ナイフエッジ３２３１ａ、３２３２ａ間、すなわちホモジナイザ３２４１の光軸ＯＡを含む中央側瞳領域を通り、第２ビームＬＢ2は、ナイフエッジミラー３２３１、３２３２によって２つに分割されて第１ビームＬＢ1の両端、すなわちホモジナイザ３２４１の一対の外側瞳領域を通って、それぞれホモジナイザ３２４１に入射する。ホモジナイザ３２４１は、合成光ＣＬが入射できるようにビーム２つ分の入射瞳のサイズにしてあり、コンデンサレンズ３２４１ａ等のレンズ系はその入射瞳に合わせて収差補正がされている。
【０２１２】
ホモジナイザ３２４１に入射した合成光ＣＬは、第１〜第４シリンドリカルレンズアレイＣＡ1〜ＣＡ4によって、シリンドリカルレンズを構成するセグメント数に分割された２次光源を形成する。分割された２次光源からの光ビームは、コンデンサレンズ３２４１ａに入射し、コンデンサレンズ３２４１ａのバックフォーカス位置に配置された被照射面ＩＳで重ね合わされて均一な矩形ビームを形成する。
【０２１３】
ここで、ダイバージェンス光学系３２７１やテレスコープ光学系３２７２は、第１ビームＬＢ1と第２ビームＬＢ2のビーム特性やその相違等に起因して、ホモジナイザ３２４１によって形成される矩形ビームについてフォーカス位置の違いやビームサイズの違い、さらにユニフォーミティの違いが生じてしまうことを防止している。
【０２１４】
前者のダイバージェンス光学系３２７１は、ホモジナイザ３２４１に入射する第１ビームＬＢ1のＮＡを僅かに変えてホモジナイザ３２４１によるベストフォーカス位置及びビームサイズを調整する。後者のテレスコープ光学系３２７２は、ホモジナイザ３２４１に入射する第１ビームＬＢ1のビームサイズに第２ビームＬＢ2のビームサイズを一致させる。これにより、両レーザビームＬＢ1、ＬＢ2について、シリンドリカルレンズアレイＣＡ1〜ＣＡ4による分割数を一致させて同様のユニフォーミティを得ることができる。
【０２１５】
以下、動作の詳細について説明する。第１ビームＬＢ1は、図示してないビームデリバリー（ターンミラー等）を経て第１ビーム用のダイバージェンス光学系３２７１に入射する。このダイバージェンス光学系３２７１は、ほぼ等倍のアフォーカル系であり、２つのレンズ３２７１ａ、３２７１ｂのレンズ間距離を変えることにより、このダイバージェンス光学系３２７１から出射する第１ビームＬＢ1のビームサイズをほとんど変えることなく、この第１ビームＬＢ1のＮＡを僅かに変えることができる。具体的な実施例では、ダイバージェンス光学系３２７１による出射ＮＡ（第１ビームＬＢ1の広がり角）の可変調節範囲を数ｍｒａｄ程度とした。なお、２枚のレンズ３２７１ａ、３２７１ｂは凸凹の２群系であり、各々のパワーも小さいため、両レンズ３２７１ａ、３２７１ｂの間隔を変えても収差の変化はほとんど生じない。
【０２１６】
ダイバージェンス光学系３２７１を出射した第１ビームＬＢ1は、２枚のナイフエッジミラー３２３１、３２３２の間、すなわちホモジナイザ３２４１の光軸中心側を通過するのみである。ナイフエッジミラー３２３１、３２３２間を通過した第１ビームＬＢ1は、その後ホモジナイザ３２４１のシリンドリカルレンズアレイＣＡ1の中央部（第１ビームＬＢ1に割り当てられたシリンドリカルレンズ）に入射し、シリンドリカルレンズの個数（図４６では６本）に分割される。分割された各ビームは、コンデンサレンズ３２４１ａにより重ね合わされて被照射面ＩＳで均一ビームを形成する。
【０２１７】
一方、第２ビームＬＢ2は、図示していないビームデリバリーを経て第２ビーム用のテレスコープ光学系３２７２に入射する。このテレスコープ光学系３２７２に入射した第２ビームＬＢ2は、本光学系で拡大または縮小されて第１ビームＬＢ1と同一のビームサイズとなってここから出射して合成光学系３２３０に向かう。合成光学系３２３０では、ナイフエッジミラー３２３１、３２３２によって第２ビームＬＢ2が２つのビーム部分ＬＢ2a、ＬＢ2bに分割され、それぞれ第１ビームＬＢ1の両端を通過してホモジナイザ３２４１へと向かう。両ビーム部分ＬＢ2a、ＬＢ2bは、ホモジナイザ３２４１の光軸中心の外側、すなわちホモジナイザ３２４１のシリンドリカルレンズアレイＣＡ1の両端部（第２ビームＬＢ2に割り当てられたシリンドリカルレンズ）に入射し、シリンドリカルレンズの個数（図４６では上下３本ずつの計６本）に分割される。分割された各ビームは、コンデンサレンズ３２４１ａにより重ね合わせられて被照射面ＩＳで均一ビームを形成する。
【０２１８】
以上の説明では、第１ビームＬＢ1及び第２ビームＬＢ2共に「被照射面ＩＳで均一ビームを形成する」と記したが、実は両者のベストフォーカス位置は、主に光源から出射するビームの拡がり角等の特性の違いにより異なることがある。また、このようにベストフォーカスが異なっている場合、ビームサイズも異なっていることが多い。したがって、第１ビームＬＢ1及び第２ビームＬＢ2の特性の差を補償する必要がある。このため、第２ビームＬＢ2のベストフォーカス位置を真の被照射面ＩＳ（基準面）として、この基準面に第１ビームＬＢ1のベストフォーカス位置を一致させる。具体的には、ダイバージェンス光学系３２７１により第１ビームＬＢ1の出射ＮＡ、すなわちホモジナイザ３２４１から見た場合の入射ＮＡを変える。ホモジナイザ３２４１から見た入射ＮＡを変更すると、それに応じてホモジナイザ３２４１通過後のベストフォーカス位置が変わる。これにより、第１ビームＬＢ1のベストフォーカス位置を微調し、第２ビームＬＢ2のそれに一致させることができる。なお、ホモジナイザ３２４１のレンズ構成によって出射ＮＡとベストフォーカス位置のずれとの対応は異なるのでかかる調整の詳細な説明は省略する。
【０２１９】
図４７は、本発明に係るレーザ加工装置の一実施形態であるレーザアニーリング装置の構造を概念的に説明する図である。
【０２２０】
このレーザアニーリング装置は、ガラス基板上にアモルファス状Ｓｉ等の半導体薄膜を形成したワークＷを熱処理するためのもので、かかる半導体薄膜を加熱するためのエキシマレーザその他のレーザ光ＡＬを発生するレーザ光源３３１０と、このレーザ光ＡＬをライン状（微細な矩形）にして所定の照度でワークＷ上に入射させる照射光学系３３２０と、ワークＷを載置してワークＷをＸ−Ｙ面内で滑らかに並進移動させることができるとともにＺ軸の回りに回転移動させることができるプロセスステージ装置３３３０とを備える。
【０２２１】
照射光学系３３２０は、入射したレーザ光ＡＬを均一な分布とするホモジナイザ３３２１と、ホモジナイザ３３２１を経たレーザ光ＡＬを細い矩形ビームに絞るスリットを形成したマスクを有するマスク組立体３３２２と、マスクのスリット像をワークＷ上に縮小投影する投影レンズ３３２３とからなる。このうち、マスク組立体３３２２は、マスクステージ装置３３４０に交換可能に支持されており、マスクステージ装置３３４０に駆動されてＸ−Ｙ面内で滑らかに並進移動可能であるとともにＺ軸の回りに回転移動可能となっている。
【０２２２】
プロセスステージ装置３３３０は、プロセスチャンバ３３５０内に収容されており、ワークＷをプロセスチャンバ３３５０内に支持するとともに照射光学系３３２０に対して適宜移動させることができる。照射光学系３３２０からのレーザ光ＡＬは、ウィンドウ３３５０ａを介してプロセスチャンバ３３５０内の適所に支持されたワークＷ上に照射される。
【０２２３】
なお、投影レンズ３３２３の両側には、ウィンドウ３３５０ａを介して検査光をワークＷ表面に入射させる投光装置３３６１と、ワークＷ表面からの反射光を検出する受光装置３３６２とからなる位置検出装置等が設置されており、プロセスステージ装置３３３０上のワークＷを照射光学系３３２０に対して精密に位置合わせすることができるようになっている。
【０２２４】
ここで、マスクステージ装置３３４０や投影レンズ３３２３は、プロセスチャンバ３３５０から延びる架台３３６５に吊り下げられて固定されている。なお、図示を省略しているが、ホモジナイザ３３２１は架台３３６５に対して間接的に固定されている。
【０２２５】
マスクステージ装置３３４０に支持されたマスク組立体３３２２は、円柱状の取付け冶具３３７０の下端に吊り下げられて、マスクステージ装置３３４０に設けた挿入口３３４０ａの底部に挿入され、ここに固定される。マスク組立体３３２２は、スリットを形成したマスク３３２２ａと、マスク３３２２ａ上方にマスク３３２２ａに対して傾斜して配置されてマスク３３２２ａからの戻り光に起因して他の光学要素にダメージが発生することを防止する反射部材３３２２ｂと、マスク３３２２ａに入射するレーザ光ＡＬの広がり角を調整するフィールドレンズ３３２２ｃとを備え、これらマスク３３２２ａ、反射部材３３２２ｂ及びフィールドレンズ３３２２ｃを一体的に保持する。
【０２２６】
図４８は、マスクステージ装置３３４０の構造とマスク組立体３３２２の支持とを説明する図であり、図４８（ａ）は、マスクステージ装置３３４０等の側方断面図であり、図４８（ｂ）は、取付け冶具３３７０の平面図である。
【０２２７】
マスクステージ装置３３４０は、マスク組立体３３２２をＸ軸方向に並進移動させるＸ軸ステージ部３４４１と、Ｘ軸ステージ３４４１とともにマスク組立体３３２２をＹ軸方向に並進移動させるＹ軸ステージ部３４４２と、Ｘ軸ステージ３４４１及びＹ軸ステージ部３４４２をＺ軸の回りに回転移動させるθ軸ステージ３４４３とからなる。Ｘ軸ステージ３４４１とＹ軸ステージ部３４４２とは、スライドガイド３４４５を介して摺動可能に連結されている。一方、Ｙ軸ステージ部３４４２とθ軸ステージ３４４３とは、軸受３４４６を介して回転可能に連結されている。
【０２２８】
マスク組立体３３２２は、マスク３３２２ａ、反射部材３３２２ｂ及びフィールドレンズ３３２２ｃを保持する筒状のマスクホルダ本体３４２２ｄの外周に、下方に向けて細くなるテーパ外面ＴＰ1を有する。一方、Ｘ軸ステージ３４４１も、底部３４４１ａに設けた円形開口に、テーパ外面ＴＰ1に嵌合するテーパ内面ＴＰ2を有する。この結果、Ｘ軸ステージ３４４１の底部３４４１ａに設けた円形開口にマスク組立体３３２２を挿入するだけで、テーパ外面ＴＰ1とテーパ内面ＴＰ2とが嵌合して、Ｘ軸ステージ３４４１に対してマスク組立体３３２２を精密に位置合わせすることができる。さらに、マスク組立体３３２２は、Ｘ軸ステージ３４４１の底部３４４１ａにねじ込まれた環状の固定ナット３４２５によって下方に一定の力で付勢される。
【０２２９】
マスク組立体３３２２や固定ナット３４２５は、取付け冶具３３７０を利用して、Ｘ軸ステージ３４４１の底部３４４１ａに取り付けられる。マスク組立体３３２２は、取付け冶具３３７０の下面に設けた鈎状の引掛け部材３４７１と係合する陥凹部３４２２ｇを有し、取付け冶具３３７０の操作にともなって昇降する。これにより、Ｘ軸ステージ３４４１の底部３４４１ａに設けた円形開口にマスク組立体３３２２を簡易・確実に挿入することができる。また、固定ナット３４２５も、取付け冶具３３７０の引掛け部材３４７１と係合する陥凹部３４２５ｇを有し、取付け冶具３３７０の操作にともなって昇降する。これにより、Ｘ軸ステージ３４４１の底部３４４１ａに挿入されたマスク組立体３３２２の上方から固定ナット３４２５をねじ込んで、マスク組立体３３２２を簡易・確実に固定することができる。
【０２３０】
取付け治具３３７０は、円柱状の本体３４７０ａと、本体３４７０ａ下端に固定されて引掛け部材３４７１を支持する円盤状の支持部材３４７０ｂと、本体３４７０ａを支持部材３４７０ｂとともに回転させたり昇降させたりするためのハンドル３４７０ｃとを備える。なお、ハンドル３４７０ｃは、操作の便宜等を考慮して、図４８（ｂ）に示すように、３方に延びる取っ手３４７３を有している。
【０２３１】
取付け冶具３３７０の下部にマスク組立体３３２２を取り付けた状態で、マスクステージ装置３３４０の挿入口３４４０ａからマスク組立体３３２２を挿入し、底部３４４１ａまでマスク組立体３３２２を降下させたところで取付け冶具３３７０を時計方向に回転させると、マスク組立体３３２２は取付け冶具３３７０と分離される。
【０２３２】
次に、固定ナット３４２５を、マスク組立体３３２２と同様に取付け冶具３３７０の下部に取り付けて、マスクステージ装置３３４０の挿入口３４４０ａから挿入する。下端に達したところで、固定ナット３４２５を反時計方向に回転させて所定の位置まで締め付ければ、マスク組立体３３２２は皿ばね３４２５ｃ皿の一定圧力で底部３４４１ａに押し付けられる。この際、マスクホルダ本体３４２２ｄに設けたテーパ外面ＴＰ1と、底部３４４１ａに設けたテーパ内面ＴＰ2とが密着するので、マスク組立体３３２２をマスクステージ装置３３４０に精度良く取り付けることができる。その後、取付け冶具３３７０を時計方向に回転させると、固定ナット３４２５は取付け冶具３３７０と分離され、取付け冶具３３７０のみ取り出すことができる。
【０２３３】
マスク組立体３３２２のマスクステージ装置３３４０からの取り外しに際しては、上記の操作を全く逆にたどればよい。すなわち、取付け冶具３３７０をマスクステージ装置３３４０の挿入口３４４０ａに挿入し、固定ナット３４２５をゆるめて取り外し、さらに同じ取付け冶具３３７０の先端をマスク組立体３３２２上の陥凹部３４２２ｇに引っ掛ける。その後、ゆっくり取付け冶具３３７０を引き上げると、マスク組立体３３２２が取付け治具３３７０と一体となって引き出される。さらに、マスク３３２２ａ及び反射部材３３２２ｂのマスク組立体３３２２からの取り外しも、詳細な説明は省略するが、これらの取付け時と反対の手順で容易に行える。
【０２３４】
なお、以上の操作によってマスク３３２２ａはマスクステージ装置３３４０に対して精度良く取り付けられることになるが、更に精密な位置決めは、マスク面に付けられたアライメントマークをＣＣＤカメラ（不図示）等で目視観察しながら、調整することになる。
【０２３５】
次に本発明に係る実施形態の位置計測装置及び方法について、図面を参照しつつ具体的に説明する。
【０２３６】
図４９は、実施形態の位置計測装置を組み込んだレーザアニール装置の構造を概念的に説明する図である。レーザアニール装置は、ガラス板であるワークＷ上に形成したアモルファス状Ｓｉ等の半導体薄膜を加熱するためのエキシマレーザその他のレーザ光ＡＬを発生するレーザ光源３５１０と、このレーザ光ＡＬをライン状或いはスポット状にして所定の照度でワークＷ上に入射させる照射光学系３５２０と、ワークＷを載置してＸ−Ｙ面内で滑らかに移動可能であるとともにＺ軸の回りに回転可能なステージ３５３０と、ワークＷを載置したステージ３５３０を照射光学系３５２０等に対して必要量だけ移動させる駆動手段であるステージ駆動装置３５４０とを備える。なお、照射光学系３５２０は、例えば入射したレーザ光ＡＬを均一な分布とするホモジナイザ３５２０ａと、ホモジナイザ３５２０ａを経たレーザ光ＡＬを所定のビーム形状に絞るスリットを有するマスク３５２０ｂと、マスク３５２０ｂのスリット像をワークＷ上に縮小投影する投影レンズ３５２０ｃとからなるものとすることができる。
【０２３７】
さらに、このレーザアニール装置は、位置計測装置として、上記ステージ３５３０及びステージ駆動装置３５４０のほか、ステージ３５３０の移動量を光学的な情報や電気的な情報として検出する移動量計測装置３５５０と、ワークＷ上のアライメントマークを結像する同軸タイプで２眼２倍率の投影光学系３５６０と、投影光学系３５６０によって投影された比較的低倍の第１倍率の像を画像信号に変換する第１撮像装置３５７１と、投影光学系３５６０によって投影された比較的高倍率の第２倍率の像を画像信号に変換する第２撮像装置３５７２と、第１及び第２撮像装置３５７１、３５７２から出力された画像信号に適当な信号処理を施す画像処理装置３５８０と、ワークＷ表面を照明するため投影光学系３５６０に照明光を供給する照明用ランプ３５６５とを備える。なお、主制御装置３５８５は、この位置計測装置のみならず、レーザアニール装置の各部の動作を統括的に制御する。
【０２３８】
投影光学系３５６０についてより詳細に説明する。この投影光学系３５６０は、既に述べたように同軸タイプの２眼２倍率の光学系であり、ステージ３５３０上のワークＷの像を比較的低倍率の第１倍率で第１撮像装置３５７１上に投影する第１レンズ系３５６１ａ、３５６１ｂと、これを比較的高倍の第２倍率で第２撮像装置３５７２上に投影する第２レンズ系３５６２ａ、３５６２ｂと、ワークＷからの像光ＩＬを分割して第１レンズ系３５６１ａ、３５６１ｂ及び第２レンズ系３５６２ａ、３５６２ｂに導くハーフミラー３５６３と、レーザ光源３５１０と異なる波長の照明光を発生する照明用ランプ３５６５からの照明光を、ケーブル３５６６を介して第２撮像装置３５７２の光軸上に導く落射照明系３５６７とを備える。
【０２３９】
ここで、第１レンズ系３５６１ａ、３５６１ｂと、第２レンズ系３５６２ａ、３５６２ｂとは、光軸を共有する同軸光学系となっている。つまり、第１レンズ系３５６１ａ、３５６１ｂの光軸に沿ってワークＷから出射した像光ＩＬは、ハーフミラー３５６３で反射された場合には第１撮像装置３５７１の画界の中心に入射するとともに、ハーフミラー３５６３を透過した場合には第２レンズ系３５６２ａ、３５６２ｂの光軸に沿って第２撮像装置３５７２の画界の中心に入射する。また、落射照明系３５６７も、第２レンズ系３５６２ａ、３５６２ｂと同軸に配置されており、第１及び第２撮像装置３５７１、３５７２の画界に対応するワークＷ上の領域が一様に照明される。
【０２４０】
なお、第１撮像装置３５７１は、固体撮像素子であるＣＣＤ素子からなり、レンズ３５６１ｂと併せてＣＣＤカメラ３５７３を構成する。このＣＣＤカメラ３５７３は、レンズ３５６１ａを収容する鏡筒３５７５の一端に固定されている。一方、第２撮像装置３５７２も、ＣＣＤ素子からなり、レンズ３５６２ｂと併せてＣＣＤカメラ３５７４を構成する。このＣＣＤカメラ３５７４は、レンズ３５６２ａを収容する鏡筒３５７６の一端に固定されている。両鏡筒３５７６の他端は、ハーフミラー３５６３を収納するケースに固定されている。
【０２４１】
図５０は、図４９のステージ３５３０に載置されるワークＷの表面に形成されるアライメントマークの配置の一例を示す図である。図示のアライメントマークＭ1、Ｍ2は、ともに明暗２値の十字パターンを大小組み合わせた２重パターンである。
【０２４２】
第１アライメントマークＭ1は、ワークＷの４隅の一箇所に形成されており、第２アライメントマークＭ2は、ワークＷの４隅の他の箇所に形成されている。このように、第１及び第２アライメントマークＭ1、Ｍ2をワークＷ上の２箇所に形成しているのは、ワークＷの位置だけでなくワークＷの回転も検出するためである。つまり、第１及び第２アライメントマークＭ1、Ｍ2の位置計測により、ワークＷ上の２つの基準点の座標が分かることになり、ワークＷの姿勢を修正した上でワークＷを適正な位置に移動させるアライメントが可能になる。
【０２４３】
次に図４９のレーザアニール装置の動作について説明する。まず、レーザアニール装置のステージ３５３０上にワークＷを搬送して載置する。次に、アニール用のレーザ光ＡＬを導く照射光学系３５２０に対してステージ３５３０上のワークＷをアライメントする。次に、照射光学系３５２０に対してステージ３５３０を適宜移動させながら、レーザ光源３５１０からのレーザ光ＡＬをライン状或いはスポット状にしてワークＷ上に入射させる。ワークＷ上には、アモルファスＳｉ等の非晶質半導体の薄膜が形成されており、レーザ光ＡＬの照射によって半導体がアニール、再結晶化され、電気的特性の優れた半導体薄膜を提供することができる。
【０２４４】
照射光学系３５２０に対してステージ３５３０上のワークＷをアライメントするに際しては、位置計測装置を利用する。すなわち、ステージ３５３０をステージ駆動装置３５４０によって適宜移動させて、第１アライメントマークＭ1、すなわちグローバルマークＭ11及びファインマークＭ12を第１撮像装置３５７１の画界内に導く（ステップＳ１）。ステージ３５３０上のワークＷの位置は一定の搬送精度範囲（実施例では、０．５〜１ｍｍ）内に収まっているので、投影光学系３５６０に対してステージ３５３０を適宜移動させて、第１レンズ系３５６１ａ、３５６１ｂの視野内、すなわち第１撮像装置３５７１の画界（実施例では、５ｍｍサイズ）中に第１アライメントマークＭ1を移動させることができる。例えば、ワークＷ上の第１アライメントマークＭ1の位置をデータとして予め入力し記憶しておけば、第１アライメントマークＭ1の位置データに基づいて、ステージ３５３０を適宜移動させて、第１撮像装置３５７１の画界中に第１アライメントマークＭ1をほぼ確実に入れることが保証される。
【０２４５】
次に、第１アライメントマークＭ1のうちまずグローバルマークＭ11について、画像処理装置３５８０において低倍率の第１撮像装置３５７１からの画像信号処理することによりその位置を計測する（ステップＳ２）。なお、第１撮像装置３５７１の画素とステージ３５３０上の距離との間には精密な対応関係があり、第１撮像装置３５７１の中心、すなわち第１レンズ系３５６１ａ、３５６１ｂの光軸からグローバルマークＭ11の中心までの距離のＸＹ成分が精密に判定できる。
【０２４６】
次に、移動量計測装置３５５０で移動量を計測しながら、ステージ駆動装置３５４０を駆動してステージ３５３０をＸＹ面内で移動させることにより、第１レンズ系３５６１ａ、３５６１ｂの光軸にグローバルマークＭ11の中心を一致させる（ステップＳ３）。なお、移動量計測装置３５５０が計測する移動量は、ステップＳ２で求めた距離に対応する。この際、グローバルマークＭ11による位置決め精度は、実施例では〜１０μｍ程度である。以上のようなサーチアライメントにより、グローバルマークＭ11の中心に配置されたファインマークＭ12を高倍率の第２撮像装置３５７２の画界（実施例では、０．５ｍｍサイズ）中に確実に移動させることができる。
【０２４７】
次に、ファインマークＭ12について、画像処理装置３５８０において第２撮像装置３５７２からの画像信号処理することによりその位置を計測する（ステップＳ４）。なお、第２撮像装置３５７２の画素とステージ３５３０上の距離との間には精密な対応関係があり、第２撮像装置３５７２の中心、すなわち第２レンズ系３５６２ａ、３５６２ｂの光軸からファインマークＭ12の中心までの距離が精密に判定できる。ファインマークＭ12による位置計測精度は、実施例では〜１μｍ程度である。
【０２４８】
ここで、ファインマークＭ12の位置を計測している投影光学系３５６０は、レーザアニール用の照射光学系３５２０に対して所定の位置関係にあり、この位置関係は、予め計測され、或いは調整されている。したがって、第２レンズ系３５６２ａ、３５６２ｂの光軸からファインマークＭ12の中心までの距離を、上記位置関係に基づいて、レーザアニール用の照射光学系３５２０からファインマークＭ12の中心までの距離に換算することができる（ステップＳ５）。以上により、第１アライメントマークＭ1の精密な座標決定が可能になる。
【０２４９】
以上の計測（ステップＳ１〜Ｓ５）は、第２アライメントマークＭ2についても同様に行われ、第２アライメントマークＭ2についても精密な座標決定が可能になる（ステップＳ６）。なお、実施例では、第２撮像装置３５７２の１画素を１μｍとし、１μｍ程度の精度で位置検出が行われた。
【０２５０】
次に、ステップＳ５、Ｓ６で得た第１及び第２アライメントマークＭ1、Ｍ2の精密な座標測定結果に基づいて、照射光学系３５２０に対してワークＷをアライメントする（ステップＳ７）。具体的には、照射光学系３５２０を基準とした第１及び第２アライメントマークＭ1、Ｍ2のファインマークについての座標測定値に基づいて、ワークＷの位置と回転を求め、この結果からレーザアニールの開始に際して必要となる位置に必要な回転姿勢でワークＷを配置する。
【０２５１】
次に、照射光学系３５２０から照射されるレーザスポットやレーザライン等のレーザ光ＡＬを、ステージ駆動装置３５４０及び移動量計測装置３５５０を用いてワークＷ上で走査させながら、ワークＷ上のアモルファス薄膜を再結晶化させ、ワークＷ上に多結晶薄膜を順次形成する。この際、移動量計測装置３５５０で移動量を観測しながらステージ駆動装置３５４０によってステージ３５３０をＸ方向又はＹ方向に移動させることで、レーザ光ＡＬの走査が可能になる。また、照射光学系３５２０に走査機能を持たせること、例えば照射光学系３５２０内部のマスク３５２０ｂを移動させることによっても、レーザ光ＡＬの走査が可能になる。
【０２５２】
以上説明した第１実施形態の位置計測方法によれば、ワークＷをステージ３５３０上に搬送載置した後において、グローバルマークＭ11を用いたサーチアライメントによるワークＷの移動のみで高精度の位置計測が可能になり、ワークＷの位置計測が迅速なものとなる。また、グローバルマークＭ11とファインマークＭ12の輪郭を相似形としているので、両マークＭ11、Ｍ12を計測する際の画像計測アルゴリズムをほぼ共通のものとできるので、演算処理等を簡素化することができる。
【０２５３】
図５１は、ステージ３５３０（図４９参照）上に載置されるワークＷの表面に形成されるアライメントマークの配置を説明する斜視図である。
【０２５４】
第１及び第２グローバルマークＭ111、Ｍ211は、ワークＷの４隅のいずれかにそれぞれ形成されている。両グローバルマークＭ111、Ｍ211は、ワークＸ軸について座標が等しく、ワークＹ軸について座標が異なっている。一方、第１及び第２ファインマークＭ112、Ｍ212は、ワークＷ上の加工領域ＰＡの近傍にそれぞれ配置されている。両ファインマークＭ112、Ｍ212は、ワークＸ軸について座標が等しく、ワークＹ軸について座標が異なっている。なお、加工領域ＰＡは、投影レンズ３５２０ｃによってマスク３５２０ｂのスリット像等を投影すべき領域であり、ワークＷ上に適当な間隔で配列されている（図面では、２つのみ例示）。
【０２５５】
第１及び第２グローバルマークＭ111、Ｍ211の位置計測により、ワークＷ周辺の２つの基準点の座標が分かることになり、ワークＷの姿勢を修正した上で、第１及び第２ファインマークＭ112、Ｍ212のそれぞれを高倍率側の第２撮像装置３５７２（図４９参照）の画界に入れるサーチアライメント（グローバルアライメント）が可能になる。一方、第１及び第２ファインマークＭ112、Ｍ212の位置計測により、これらに対応する加工領域ＰＡ周辺の２つの基準点の精密な座標が分かるので、ワークＷを適宜移動させて、マスク３５２０ｂのスリット像を加工領域ＰＡ上に精密に投影することができる。
【０２５６】
図５２は、本発明に係るレーザ加工装置の一実施形態であるレーザアニーリング装置の構造を概念的に説明する図である。
【０２５７】
このレーザアニーリング装置は、ガラス基板上にアモルファス状Ｓｉ等の半導体薄膜を形成したワークＷを熱処理するためのもので、かかる半導体薄膜を加熱するためのエキシマレーザその他のレーザ光ＡＬを発生するレーザ光源５３１０と、このレーザ光ＡＬをライン状（正確には微細な矩形）にして所定の照度でワークＷ上に入射させる照射光学系５３２０と、ワークＷを載置してワークＷをＸ−Ｙ面内で滑らかに並進移動させることができるとともにＺ軸の回りに回転移動させることができるプロセスステージ装置５３３０と、プロセスステージ装置５３３０の動作を制御するステージ制御装置５３４０と、レーザアニーリング装置の各部の動作を統括的に制御する主制御装置５３１００とを備える。
【０２５８】
照射光学系５３２０は、入射したレーザ光ＡＬを均一な分布とするホモジナイザ５３２０ａと、ホモジナイザ５３２０ａを経たレーザ光ＡＬを矩形のビーム形状に絞るスリットを有するマスク５３２０ｂと、マスク５３２０ｂのスリット像をワークＷ上に縮小投影する投影光学系である投影レンズ５３２０ｃとからなる。このうちマスク５３２０ｂは、マスクステージ装置５３５０に交換可能に保持されており、Ｘ−Ｙ面内で滑らかに並進移動可能になっているとともにＺ軸の回りに回転移動可能となっている。マスクステージ装置５３５０の動作は、ステージ制御装置５３６０によって制御されており、マスク５３２０ｂの並進や回転移動のタイミングやその移動量を監視できるようになっている。なお、これらマスクステージ装置５３５０及びステージ制御装置５３６０は、マスク駆動装置を構成する。
【０２５９】
プロセスステージ装置５３３０は、プロセスチャンバ５３７０内に収容されている。照射光学系５３２０からのレーザ光ＡＬは、ウィンドウ５３７０ａを介してプロセスチャンバ５３７０内に配置したプロセスステージ装置５３３０にお保持されたワークＷ上に照射される。プロセスステージ装置５３３０の並進移動量や回転移動量は、ステージ制御装置５３４０によって監視されている。
【０２６０】
なお、プロセスチャンバ５３７０の上面に設けたウィンドウ５３７０ａの隅部分の直上には、ワークアライメントカメラ５３８０が固定されている。このワークアライメントカメラ５３８０は、プロセスステージ装置５３３０上に載置されたワークＷの位置ズレを検出するためのもので、結像光学系とＣＣＤ等の撮像素子からなる。ワークアライメントカメラ５３８０の画像信号出力は、画像処理装置５３８１で処理される。画像処理装置５３８１が出力する信号は、主制御装置５３１００に入力され、照射光学系５３２０を構成する投影レンズ５３２０ｃに対してワークＷを位置合わせする際に利用される。
【０２６１】
また、マスク５３２０ｂの隅部分の直下には、撮像装置であるマスクアライメントカメラ５３８４が固定されている。このマスクアライメントカメラ５３８４は、マスクステージ装置５３５０に保持されたマスク５３２０ｂの位置ズレを検出するためのもので、その画像信号出力は、画像処理装置５３８５で処理され、撮影した画像は表示装置であるディスプレイ５３８６に表示され、ワークＷに対してマスク５３２０ｂを位置合わせする際に利用される。
【０２６２】
ここで、マスクステージ装置５３５０や投影レンズ５３２０ｃは、プロセスチャンバ５３７０から延びる架台５３９０に固定されている。また、マスクアライメントカメラ５３８４も支持部材５３９１を介して架台５３９０に固定されている。この支持部材５３９１は、詳細な説明は省略するが、マスクアライメントカメラ５３８４のマスクステージ装置５３５０に対する位置を調整できるようになっている。つまり、マスクアライメントカメラ５３８４は、Ｘ−Ｙ面内で並進移動し、Ｚ軸の回りに回転移動するとともに、必要な調節移動が終了した後は、架台５３９０に対してしっかり固定することができるようになっている。
【０２６３】
以上の装置では、マスク５３２０ｂをマスクステージ装置５３５０によって投影レンズ５３２０ｃに対して移動させつつ、ディスプレイ５３８６によってマスクアライメントマークＡＭの像を表示するので、マスク５３２０ｂの位置を視覚的に確認しながらリアルタイムで精密かつ確実な位置決めを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０２６４】
【図１】従来のエキシマレーザアニール装置の概念図である。
【図２】従来のレーザ運転方法を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】レーザパルス強度のパルス間分布の例を示した図である。
【図４】シリコン膜温度変化の例を示した図である。
【図５】レーザパルス波形の一例を示した図である。
【図６】照射強度と冷却速度、非晶質化が生じる冷却速度を示した図である。
【図７】シリコン薄膜温度変化の計算結果例を示した図である。
【図８】各照射強度に対するシリコン薄膜の結晶形態を示す図である。
【図９】第２パルス投入後の最大冷却速度と凝固点近傍の冷却速度を示した図である。
【図１０】平均結晶粒径のプロセス条件依存性を示した図である。
【図１１】本発明の露光装置の実施の形態（全体）を説明するための 図である。
【図１２】本発明の露光装置の実施の形態（アライメント方法）を説明するための 図である。
【図１３】本発明の露光装置の実施の形態（マスク投影法）を説明するための 図である。
【図１４】本発明の露光装置の実施の形態（制御例）を説明するための タイミングチャートである。
【図１５】本発明の露光装置、搬送室、プラズマＣＶＤ室の側面断面図である。
【図１６】本発明の露光装置、搬送室、プラズマＣＶＤ室等複合装置の平面図である。
【図１７】本発明のプラズマＣＶＤ室の側面断面図である。
【図１８】本発明のＴＦＴ製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１９】本発明のアライメントマークを用いたＴＦＴ製造プロセスを説明するための断面図である。
【図２０】本発明のアライメントマーク形成を含むＴＦＴ製造プロセスを説明するための断面図である。
【図２１】本発明による複数の光源のパルス発振遅延制御の実施例を説明するために使用する図である。
【図２２】本発明による複数の光源のパルス発振遅延の例を説明するために使用する図である。
【図２３】本発明による焦点調節装置を組み込んだレーザアニール装置を示した図である。
【図２４】本発明による複合機の概略構成を示した図である。
【図２５】図２４におけるベローズを拡大して示した図である。
【図２６】図２４におけるプロセスチャンバと除振台との関係を示した図である。
【図２７】図２６における除振台の構造を拡大して示した図である。
【図２８】本発明による真空内リニアアクチュエータ駆動機構の縦断面図である。
【図２９】図２８の線Ｃ−Ｃによる縦断面図である。
【図３０】図２８の駆動機構の概略構成を説明するための図である。
【図３１】本発明によるマスクステージ駆動機構の平面図である。
【図３２】図３１の線Ｂ−Ｂによる縦断面図である。
【図３３】本発明による空気圧式チルト機構を備えたステージ装置を、ステージを除いた状態で示す平面図である。
【図３４】本発明による空気圧式チルト機構の側面図である。
【図３５】本発明による戻り光除去方法と装置を説明するための図である。
【図３６】本発明の実施形態の構成を示す縦断面図である。
【図３７】隔壁部に形成された各種の孔の拡大断面図である。
【図３８】本発明の実施形態の構成を示す縦断面図である。
【図３９】本発明の実施形態の構成を示す縦断面図である。
【図４０】本発明に係るＤＰＲ式による参加ケイ素薄膜の成膜装置の構成を示すブロック図である。
【図４１】材料ガスの供給量の変化状態の一例を示すグラフである。
【図４２】材料ガスの供給量の変化状態の他の例を示すグラフである。
【図４３】本発明の実施形態の薄膜作成装置の側断面概略図である。
【図４４】図４３に示す装置の搬送チャンバーに設けられた改質種供給部８１３３の構成を示す側断面概略図である。
【図４５】本発明による複数ビームの合成光学系の実施例を説明するために使用する図である。
【図４６】本発明による複数ビームの合成光学系の実施例を説明するために使用する図である。
【図４７】本発明によるマスクステージ機構の実施例を説明するために使用する図である。
【図４８】本発明によるマスクステージ機構の実施例を説明するために使用する図である。
【図４９】本発明による矩形ビーム用精密アライメント装置と方法を説明するために使用する図である。
【図５０】本発明を説明するために使用するアライメントマーク配置例を示した図である。
【図５１】アライメントマークの配置を説明する斜視図である。
【図５２】本発明の実施形態であるレーザアニーリング装置の構造を示す図である。
【符号の説明】
【０２６５】
５４１０  レーザ光源
５４２０  照射光学系
５４２１  ホモジナイザ
５４２２  マスク組立体
５５２２ａ  マスク
５５２２ｂ  反射部材
５５２２ｃ  フィールドレンズ
５４２３  投影レンズ
５５２５  反射ミラー
５５２６  ビームダンパ
５４３０  プロセスステージ装置
５４４０  マスクステージ装置
５４５０  プロセスチャンバ
５４５０ａ  ウィンドウ
５４６５  架台
ＬＳ  矩形スリット
ＯＡ  光軸
ＳＳ  矩形スリット
Ｗ  ワーク
５３１０  レーザ光源
５３２０  照射光学系
５３２０ａ  ホモジナイザ
５３２０ｂ  マスク
５３２０ｃ  投影レンズ
５３３０  プロセスステージ装置
５３４０  ステージ制御装置
５３５０  マスクステージ装置
５３６０  ステージ制御装置
５３７０  プロセスチャンバ
５３８０  ワークアライメントカメラ
５３８４  マスクアライメントカメラ
５３８６  ディスプレイ
５３１００  主制御装置
ＡＬ  レーザ光
ＡＭ  マスクアライメントマーク
Ｗ  ワーク
５２０１    ステージ
５１０２    ベース
５２０２−１    支持台
５１０３    板ばね
５１０４−１〜５１０４−３    ベローズシリンダ
５１０５−１〜５１０５−３    変位センサ
４６０１    ベースプレート１
４７０２    ロータリエンコーダ
４７０３    クロスローラベアリング
４７０４−１  回転軸
４６０４    θ軸可動部
４６０５    θ軸駆動モータ
４７０６    Ｙ軸リニアベアリング
４７０７    Ｙ軸可動部
４６０８    Ｙ軸リニアモータ
４７０９    Ｙ軸リニアエンコーダ
４６１０    Ｘ軸可動部
４７１０−１    ボス
４６１１    リフト用エアベアリング
４６１２    Ｘ軸リニアエンコーダ
４７１３    Ｘ軸リニアモータ
４７１４    マスク
４６１５、４６１６    ヨーガイド用エアベアリング
４６１７    引っ張りバネ
４７１８    マグネット
４６２０    プリロード用のピストン
４３０１    ワーク
４３０２    ステージ
４４０３    トロリ
４３０４    水冷板
４３０６    Ｘ軸ベース
４３０７    Ｘ軸リニアベアリング
４４０８    Ｘ軸リニアモータ
４３０９    ステージベース
４４１０    Ｘ軸リニアエンコーダ
４３１４    Ｙ軸ベース
４３１５、４３２０    Ｙ軸リニアベアリング
４３１８、４３２３    Ｙ軸リニアモータ
４３１６、４３２１    Ｙ軸リニアエンコーダ
４３１００  真空チャンバ
３９０１    ガラス基板
３９１０    ＣＶＤ装置
３９２０    レーザアニーリング装置
３９２１    プロセスチャンバ
３９２２    プロセスステージ
３９２３    透過窓
３９２４    架台
３９２５    レーザ照射系
３９２６    レーザ発振器
３９２７    反射ミラー
３９２８    マスクステージ
３９２９    レンズ光学系
３９４０    除振台
４２４２    エア式ダンパ
４２４４    コンプレッサ
４２４６    ピストン部
４２４７    第１のストッパ部材
４１４８    第２のストッパ部材
４１４９    位置検出器
３９５０    床
３９６０    基板搬送ロボット
３９７０    トランスファチャンバ
３９７１    ベローズ
４２１００    制御装置
３７１０  レーザ光源
３７２０  照射光学系
３７３０  ステージ
３７４０  ステージ駆動装置
３７４２  チルト装置
３７４４  並進装置
３７５０  移動量計測装置
３７６０  傾斜計測装置
３７７０  非接触変位計
３７７１  投光部
３７７２  受光部
３７８０  主制御装置
３７９０  チャンバ
ＤＬ  検査光
ＲＬ  反射光
Ｔ  計測ターゲット
Ｗ  ワーク
θX,θY  チルト角
３５１０  レーザ光源
３５２０  照射光学系
３５３０  ステージ
３５４０  ステージ駆動装置
３５５０  移動量計測装置
３５６０  投影光学系
３５６１ａ, ３５６１ｂ  第１レンズ系
３５６２ａ, ３５６２ｂ  第２レンズ系
３５６５  照明用ランプ
３５７１, ３５７２  第１及び第２撮像装置
３５７３, ３５７４  カメラ
３５８０  画像処理装置
３５８５  主制御装置
ＩＬ  像光
Ｍ1, Ｍ2  第１及び第２アライメントマーク
３３１０  レーザ光源
３３２０  照射光学系
３３２１  ホモジナイザ
３３２２  マスク組立体
３３２２ａ  マスク
３３２２ｂ  反射部材
３３２２ｃ  フィールドレンズ
３４２２ｄ  マスクホルダ本体
３４２２ｇ  陥凹部
３３２３  投影レンズ
３４２５  固定ナット
３４２５ｇ  陥凹部
３３３０  プロセスステージ装置
３３４０  マスクステージ装置
３３４０ａ  挿入口
３３５０  プロセスチャンバ
３３５０ａ  ウィンドウ
３３６５  架台
３３７０  冶具
３４７０ａ  本体
３４７０ｂ  支持部材
３４７０ｃ  ハンドル
３４７１  引掛け部材
ＡＬ  レーザ光
ＴＰ1  テーパ外面
ＴＰ2  テーパ内面
Ｗ  ワーク
３１１０  レーザ発生部
３１１１  第１レーザ発振装置
３１１２  第２レーザ発振装置
３１１３  発振制御装置
３１２０  レーザ照射処理部
３１２１  投影光学系
３１２２  ステージ
３１２３  ステージ駆動系
３１３０  主制御装置
３１５１  基準パルス発生回路
３１５２  ディレイ時間設定回路
３１５３  演算回路
３１５４  トリガパルス発生回路
３１５５  ディレイ時間検出回路
３１６１, ３１６２  フォトセンサ
３１６３，３１６４  アンプ
３１７０  光合成系
Ｗ  基板
３２１０  ステージ
３２２１, ３２２２  レーザ光源
３２３０  合成光学系
３２３１, ３２３２  ナイフエッジミラー
３２４０  照射光学系
３２４１  ホモジナイザ
３２４２  マスク
３２４３  投影レンズ
３２５０  マスク駆動装置
３２６０  ステージ駆動装置
３２７１  ダイバージェンス光学系
３２７２  テレスコープ光学系
３２８０  位置検出装置
３２１００  主制御装置
ＡＢ  線条ビーム
ＣＬ  合成光
ＬＢ1  第１ビーム
ＬＢ2  第２ビーム
Ｗ  ワーク
７１１１  ガラス基板
７１１２  真空容器
７１１４  隔壁部
７１１５  プラズマ生成空間
７１１６  成膜処理空間
７１１７  基板保持機構
７１２０  電極
７１２３  導入パイプ
７１２４  内部空間
７１２５  貫通孔
７１２６  拡散孔
７１２７  均一板
７１２８  導入パイプ
７３３３  板状絶縁部材
７４２３  第２導入パイプ
７５１２  成膜用材料ガス供給装置
７５１３  マスフローコントローラ（ＭＦＣ）
７５１４  上位コントローラ
【図１】
2007019529.tif 000004
【図２】
2007019529.tif 000005
【図３】
2007019529.tif 000006
【図４】
2007019529.tif 000007
【図５】
2007019529.tif 000008
【図６】
2007019529.tif 000009
【図７】
2007019529.tif 000010
【図８】
2007019529.tif 000011
【図９】
2007019529.tif 000012
【図１０】
2007019529.tif 000013
【図１１】
2007019529.tif 000014
【図１２】
2007019529.tif 000015
【図１３】
2007019529.tif 000016
【図１４】
2007019529.tif 000017
【図１５】
2007019529.tif 000018
【図１６】
2007019529.tif 000019
【図１７】
2007019529.tif 000020
【図１８】
2007019529.tif 000021
【図１９】
2007019529.tif 000022
【図２０】
2007019529.tif 000023
【図２１】
2007019529.tif 000024
【図２２】
2007019529.tif 000025
【図２３】
2007019529.tif 000026
【図２４】
2007019529.tif 000027
【図２５】
2007019529.tif 000028
【図２６】
2007019529.tif 000029
【図２７】
2007019529.tif 000030
【図２８】
2007019529.tif 000031
【図２９】
2007019529.tif 000032
【図３０】
2007019529.tif 000033
【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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