(57)【要約】【課題】高速で連続送りする位置決めステージの二次元の位置補正を行う。【解決手段】位置決めステージ２は、基板を支持すると共にＸＹ方向に移動自在とするＸＹステージ３と、ＸＹステージ上の二次元位置を測定する位置測定部４とを備える。位置測定部４は、撮像位置の画像を取得する撮像部５と、撮像位置に照明光を照射する照明光源６と、撮像部５で取得した二次元の撮像位置画像を記憶する記憶部７と、撮像位置画像と基準位置画像とに基づいて二次元の位置校正データを演算する演算部８とを備える。二次元パターンが形成された基準基板の画像を撮像し、この撮像で得た二次元パターンから位置決めステージの位置ずれを求め、この位置ずれに基づいて位置決めステージの位置を二次元で校正し、レーザー光の照射位置の位置補正を行う。【選択図】図１
2007214388.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を照射する照明光学系と、
前記レーザー光を所定の光強度分布の光線に変調する光変調素子と、
前記光変調素子の変調光を基板上に結像させる結像光学系と、
基板を支持すると共に基板上の二次元位置を定める位置決めステージとを備え、
基板に設けられた薄膜を変調光により溶融して結晶化させる結晶化装置において、
前記位置決めステージは、
基板を支持すると共にＸＹ方向に移動自在とするＸＹステージと、
ＸＹステージ上の二次元位置を測定する位置測定部とを備え
当該位置測定部は、
撮像位置の画像を取得する撮像部と
前記撮像部で取得した撮像位置画像を記憶する記憶部と、
前記撮像位置画像と基準位置画像とに基づいて二次元の位置校正データを演算する演算部とを備え、
前記位置校正データに基づいて前記ＸＹステージを制御し、変調光の結像位置を校正することを特徴とする結晶化装置。
【請求項２】
前記撮像部は、ＸＹステージ上に載置した、二次元のパターンが形成された基準基板を撮像し、
前記演算部は、撮像位置画像と基準位置画像とのマッチングにより、基準位置と撮像位置との差分を求め、当該差分に基づいて、ＸＹステージ上の撮像位置を基準位置に校正するための二次元の位置校正データを演算することを特徴とする、請求項１に記載の結晶化装置。
【請求項３】
前記撮像位置に照明光を照射する照明光源を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の結晶化装置。
【請求項４】
前記撮像部は、
２００ｍｍ／ｓｅｃ以上の移動速度で連続移動するＸＹステージ上に載置する基板に対する撮像において、シャッタ開放時間内の基板の移動距離を０．５μｍ以下とするシャッタと照明光源とを備えることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の結晶化装置。
【請求項５】
基板を支持すると共にＸＹ方向に移動自在とするＸＹステージと、
ＸＹステージ上の二次元位置を測定する位置測定部とを備え、
当該位置測定部は、
撮像位置の画像を取得する撮像部と、
前記撮像部で取得した撮像位置画像を記憶する記憶部と、
前記撮像位置画像と基準位置画像とに基づいて二次元の位置校正データを演算する演算部とを備え、
前記位置校正データに基づいて前記ＸＹステージの位置を校正することを特徴とする位置決めステージ。
【請求項６】
前記撮像部は、ＸＹステージ上に載置した、二次元のパターンが形成された基準基板を撮像し、
前記演算部は、撮像位置画像と基準位置画像とのマッチングにより、基準位置と撮像位置との差分を求め、当該差分に基づいて、ＸＹステージ上の撮像位置を基準位置に校正するための二次元の位置校正データを演算することを特徴とする、請求項５に記載の位置決めステージ。
【請求項７】
前記撮像位置に照明光を照射する照明光源を備えることを特徴とする、請求項５又は６に記載の位置決めステージ。
【請求項８】
前記撮像部は、
２００ｍｍ／ｓｅｃ以上の移動速度で連続移動するＸＹステージ上に載置する基板に対する撮像において、シャッタ開放時間内の基板の移動距離を０．５μｍ以下とするシャッタと照明光源とを備えることを特徴とする、請求項５から請求項７のいずれか一つに記載の位置決めステージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非晶質もしくは多結晶半導体薄膜に光線を用いて溶融し結晶化させる結晶化装置、およびこの結晶化において、光線を基板上に高速、高精度で照射するために基板を位置決めする位置決めステージに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス基板等の絶縁体上に形成された非結晶半導体層を結晶化させて結晶質半導体層を得、この結晶質半導体層を活性層とした薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：thin film transistor）を形成する技術が知られている。
【０００３】
例えば、アクティブマトリックス型液晶表示装置では、シリコン膜等の半導体膜を設けガラス基板上に薄膜トランジスタを形成し、この薄膜トランジスタを切換え表示を行うためのスイッチング素子として用いている。
【０００４】
薄膜トランジスタの形成は、非晶質又は多結晶などの非単結晶半導体薄膜の結晶化工程を含んでいる。この結晶化技術として、例えば、大エネルギーの短パルス・レーザー光を用いて非単結晶半導体薄膜の照射領域を溶融して、結晶化するレーザー結晶化技術が知られている。
【０００５】
現在、生産に供されているレーザー結晶化装置では、長尺ビーム（例えば、５００μｍ×３００ｍｍ）形状で均一な強度分布のレーザー光を非晶質シリコンに照射する手法を採用している。しかしながら、この手法では、得られた半導体膜の結晶粒径が０．５μｍ以下と小さく、そのため、ＴＦＴのチャネル領域に結晶粒界が存在することになり、ＴＦＴの特性が抑制されるなど性能に限界がある。
【０００６】
このＴＦＴの性能を向上させるために、大きな結晶粒を有する高品質な半導体膜を製造する技術が要求されている。この要求を満足させる結晶化法として、各種のレーザー結晶化技術の中で、特に、位相変調して形成した逆ピークパターン状の光強度分布を有するエキシマ・レーザー光を非単結晶半導体薄膜に照射して結晶化する技術（Phase Modulated Excimer Laser Annealing：ＰＭＥＬＡ）が注目されている。
【０００７】
ＰＭＥＬＡ技術は、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に照射し、この半導体膜の照射部を溶融して、結晶化する方法である。所定の光強度分布を持つエキシマ・レーザー光は、位相変調素子、例えば位相シフタ等の位相変調素子により入射レーザー光を位相変調させることにより得られる。非単結晶半導体薄膜は、例えば、ガラス基板上に形成した非晶質シリコン若しくは多結晶シリコンの薄膜である。
【０００８】
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を溶融・結晶化させる。この結晶化非単結晶半導体薄膜処理により、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が形成されている（例えば、非特許文献１参照）。この手法で形成した結晶化シリコン薄膜に作成されたＴＦＴは、優れた電気特性を有することが示されている。
【０００９】
このＰＭＥＬＡ結晶化技術は、レーザー光の使用効率が高く、大粒径の結晶が得られるという優れた特徴を有する。しかしながら、安定した電気特性を得るためには結晶粒の位置決めが必要であり、大面積の半導体膜を結晶化させるには、いわゆるステップ・アンド・リピート照射方式と呼ばれる、非単結晶半導体膜にレーザー光を照射後、次の照射位置までガラス基板を移動させ停止させた後再びレーザー光を照射する工程を繰り返す照射方式が用いられている。
【００１０】
ステップ・アンド・リピート照射方式によるＰＭＥＬＡ結晶化技術を量産に適用させるにはスループットを向上させることが求められ、そのためには、ＴＦＴの主要部分を形成する結晶粒をμｍオーダーの絶対精度で位置決めをすることと、この位置決めを高速で繰り返して再現し照射することが求められる。
【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−」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来、ＰＭＬＡ結晶化装置に用いるＸＹステージの駆動源としてリニアモータが用いられている。このＸＹステージに設けられるリニアモータは、ガイド自体の研磨精度を上げることや圧力を制御する等によって直線性（真直度）を数μｍ程度のレベルで駆動することができるが、２次元位置精度をサブミクロンのオーダーとすることは困難である。
【００１２】
ＰＭＥＬＡ結晶化技術を用いた大面積の基板の結晶化においては、サブミクロンオーダーの位置精度の位置決めを高速で繰り返して行うことが求められるが、上記したように、ＸＹステージの機械的精度を向上させることだけではこの要求を満たすことはできない。
【００１３】
位置校正方法として、外部レーザー干渉計とステージ上に設置したミラーを用いて単軸スキャンのみを単独で位置補正することで、高い位置精度を得ることが考えられる。一次元の位置補正に止まり、二次元の位置補正を行うことはできない。
【００１４】
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、高速で連続送りする位置決めステージの二次元の位置補正を行う目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、二次元パターンが形成された基準基板の画像を撮像し、この撮像で得た二次元パターンから位置決めステージの位置ずれを求め、この位置ずれに基づいて位置決めステージの位置を二次元で校正し、レーザー光の照射位置の位置補正を行う。
【００１６】
二次元の位置校正データを予め撮像によって求めておき、この位置校正データに基づいて位置決めステージの位置を制御することで、高速で連続送りする位置決めステージの二次元の位置補正を行うことができる。
【００１７】
本発明の位置決めステージは、基板を支持すると共にＸＹ方向に移動自在とするＸＹステージと、ＸＹステージ上の二次元位置を測定する位置測定部とを備える。
【００１８】
位置測定部は、撮像位置の画像を取得する撮像部と、撮像部で取得した二次元の撮像位置画像を記憶する記憶部と、撮像位置画像と基準位置画像とに基づいて二次元の位置校正データを演算する演算部とを備える。
【００１９】
撮像部は、ＸＹステージを載置する定盤上に設置され、ＸＹステージの移動に係わらず固定位置に保持される。これにより、撮像部は、定盤を基準位置としてＸＹステージ上の位置を測定する。
【００２０】
撮像位置に照明光を照射する照明光源を備えることができる。照明光源は、例えば、フラッシュランプ光源等を用いて、撮像において撮像位置に照明光を照射する。この照明光の照射によって撮像部が撮像する光量を高め、ＸＹステージが高速で移動した場合であっても、撮像部のシャッタ開放のタイミングに合わせて照射させることで、十分な光量を得ることができる。
【００２１】
例えば、撮像部が備えるシャッタや照明光源は、２００ｍｍ／ｓｅｃ以上の移動速度で連続移動するＸＹステージ上に載置する基板の撮像において、シャッタ開放時間内の基板の移動距離を０．５μｍ以下となるような、シャッタ速度や、照射間隔や光量を備える。
【００２２】
二次元のパターンが形成された基準基板を用意しておき、基準基板をＸＹステージの所定位置に載置する。この基準基板を載置したＸＹステージをＸ方向及びＹ方向の二次元で移動させながら、撮像部によってこの二次元のパターンを撮像し撮像位置画像を取得する。
【００２３】
記憶部は、撮像部で取得した撮像位置画像を記憶する。撮像部はＸＹステージの位置を校正するに十分な範囲の撮像位置画像を記憶する容量を備える。ＸＹステージの位置を校正するに十分な範囲とは、ＸＹステージ上に載置する被処理基板の位置を校正するに十分な範囲であり、例えば、被処理基板上の処理対象の全領域とすることができる。
【００２４】
基準位置画像の画像データは、少なくとも、撮像部で撮像し記憶部に記憶する撮像位置画像と同じ範囲を備え、記憶部に記憶しておくことができる。
【００２５】
演算部は、撮像位置画像と基準位置画像とをマッチングして、基準位置と撮像位置との差分を求め、求めた差分に基づいて、ＸＹステージ上の撮像位置を基準位置に校正するための二次元の位置校正データを演算する。
【００２６】
位置決めステージは、演算で求めた位置校正データに基づいてＸＹステージを制御し、変調光の結像位置を校正する。
【００２７】
これにより、位置決めステージは、予め求めていた位置校正データに基づいて基準位置からのずれを補正しながら２次元で移動することができるため、ＸＹステージが高速で、かつ、連続して移動する場合であっても良好な追従が可能であり、サブミクロンオーダーの位置精度の位置決めを高速で繰り返して行うことができる。
【００２８】
また、本発明の結晶化装置は、レーザー光を照射する照明光学系と、レーザー光を所定の光強度分布の光線に変調する光変調素子と、光変調素子の変調光を基板上に結像させる結像光学系と、基板を支持すると共に基板上の二次元位置を定める位置決めステージとを備え、基板に設けられた薄膜を変調光により溶融して結晶化させる結晶化装置であり、位置決めステージは、上記した本発明の位置決めステージの構成を備える。
【００２９】
照明光学系は、レーザー光を発生するレーザー光源の他に、ビームを拡大するビームエキスパンダや面内の光強度を均一化するホモジナイザを含むことができる。
【００３０】
本発明の結晶化装置は、本発明の位置決めステージの構成を備えることによって、高速で連続送りするＸＹステージの二次元の位置補正を高速で行うことができ、これによって、被処理基板をＸＹステージで高速かつ連続移動させた状態で、位置決めステージが持つ位置ずれを補正して被処理基板上の正しい位置に光変調素子の変調光を結像させることができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、高速で連続送りする位置決めステージの二次元の位置補正を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。
【００３３】
図１は本発明の位置決めステージを説明するための概略図である。図１において、位置決めステージ２は、基板を載置してＸＹ方向の２次元で移動自在とするＸＹステージ３と、ＸＹステージ３上の二次元位置を測定する位置測定部４とを備える。
【００３４】
ＸＹステージ３は、Ｘ軸方向に移動するＸ軸ステージ３ａと、Ｙ軸方向に移動するＹ軸ステージ３ｂと、このＸ軸ステージ３ａ及びＹ軸ステージ３ｂを支持する定盤３ｃとを備える。ＸＹステージ３上には基板が載置され、ＸＹステージ３を二次元で移動させることによって、基板の位置決めを行うことができる。
【００３５】
また、定盤３ｃは位置決めステージ２の基準となり、Ｘ軸ステージ３ａ及びＹ軸ステージ３ｂの移動にかかわらず固定した位置を保持し、位置測定部４の測定に対する基準位置を定める。この定盤３ｃは、Ｘ軸ステージ３ａやＹ軸ステージ３ｂの移動に伴う振動や、外部の振動による変動を抑制するためにバネ機構等の除振機構動を備える。除振機構動は、ＸＹステージ３の運動をフィードバックする構成とすることもできる。図１では、Ｘ軸ステージ３ａ上に基板を載置する構成を示しているが、Ｙ軸ステージ３ｂ上に基板を載置する構成としてもよい。
【００３６】
位置測定部４は、ＸＹステージ３上の二次元位置を測定する機構である。位置測定部４は、撮像位置の画像を取得する撮像部５と、撮像部５で取得した撮像位置画像を記憶するバッファメモリ７ａの他、基準位置画像データや位置校正データ等を記憶する記憶部７と、撮像位置画像と基準位置画像とに基づいて二次元の位置校正データ７ｃを演算する演算部８とを備える。
【００３７】
撮像部５は、例えばＣＣＤカメラ５ａとＣＣＤカメラ５ａで撮像した像を信号増幅して画像信号を生成するイメージインテンシファイア５ｂを備えた構成とすることができる。
【００３８】
撮像部５は、シャッタ開放時間が例えば２００ｎｓｅｃで、撮像レートが１００Ｈｚの高速で位置観察が可能なカメラとすることができる。
【００３９】
撮像部５は、ＸＹステージ３がＸＹ方向に二次元で移動する間、撮像を続け、取得した画像信号を撮像位置画像としてバッファメモリ７ａに記録する。これによって、ＸＹステージ３上に載置された基板の二次元の撮像位置画像を取得することができる。
【００４０】
また、ＸＹステージ３の上方には、撮像位置を照明する照明光源６が設けられる。照明光源としては例えば５０Ｗ以上のものを用いることができる。
【００４１】
なお、撮像部５と撮像位置とを結ぶ光路上にミラー等の反射光学系を設け、照明光源６からの照明光をこの反射光学系を介して撮像位置方向に向かわせる構成とすることで、撮像部５の撮像位置と、照明光源６による照明位置とを合わせることができる。
【００４２】
この照明光源６は、必ずしも必要ではないが、ＸＹステージ３が移動することによる撮像位置が高速で変化する場合には、撮像位置の照度を高めることで、あるいはシャッタ開放のタイミングに合わせて照射することで、ＣＣＤカメラによる検出感度を高め、撮像位置画像のＳ／Ｎ比を高めることができる。
【００４３】
また、ＸＹステージ３の上方には、ＸＹステージ３上に載置された基板の位置を確認し、ＸＹステージ３に対する基板の位置を位置合わせするためのアライメントカメラ９が設けられる。このアライメントカメラ９は、ＸＹステージ３上に載置された基板を撮像し、基板上に形成されているアライメントマークの位置に基づいてＸＹステージ３に対する基板の位置を求めることができる。
【００４４】
演算部８は、バッファメモリ７ａに記憶した撮像位置画像と、予め用意しておいた基準位置画像７ｂとを比較して、画像の位置ずれを求め、その位置ずれに基づいてＸＹステージ上の撮像位置を基準位置に校正するための二次元の位置校正データ７ｃを演算する。演算８で求めた位置校正データ７ｃは記憶部７内に記憶することができる。
【００４５】
撮像位置画像と基準位置画像７ｂとの比較は、両画像を画像処理によってマッチングさせ、類似する画像位置間の差分データから求める他、両画像上にある共通する位置を抽出し、その両者の位置データを求め、その位置データの差分データから求める等の処理によって行うことができる。
【００４６】
撮像位置画像と基準位置画像７ｂとの画像マッチングにおいて、共通する位置を比較するために基準基板３０を用いることができる。基準基板３０には、予め定められた基準位置にマーク等が設けられている。この基準位置を表すマークは、例えば、所定間隔で設けた格子線とすることができ、格子線の交点を基準位置とすることができる。
【００４７】
基準位置画像はこの基準位置を画像化したものであり、ＸＹステージ３の駆動特性を含んでおらず、ＸＹステージ３が位置ずれや位置ひずみ等を起こすことなく理想的に駆動した際に得られる画像である。
【００４８】
一方、撮像位置画像は、基準基板３０をＸＹステージ３２上に載置し、ＸＹステージ３２をＸＹ方向の二次元で移動させながら、撮像部５で基準基板３０を撮像することで取得する。基準基板３０上には、前記したように基準位置にその位置を示すマークが設けられているため、撮像部５で撮像した撮像位置画像は、基準位置が表示される。この撮像で得られる撮像位置画像で示される基準位置は、ＸＹステージ３が移動した際に生じる位置ずれや位置ひずみ等の誤差分を含んでいる。
【００４９】
したがって、撮像位置画像と基準位置画像とのマッチングにおいて、撮像位置画像と基準位置画像とで同じ位置を表す部分を比較することによって、ＸＹステージ３が含む位置誤差を得ることができる。この位置誤差から、ＸＹステージ３上の撮像位置を基準位置に校正するための二次元の位置校正データ７ｃを求め、この位置校正データ７ｃを用いてＸＹステージ３を制御することによって、ＸＹステージの位置誤差を排除した正確な位置に位置決めすることができる。
【００５０】
そして、この位置決めステージを結晶化装置に適用することによって、ＰＭＥＬＡ結晶化技術を用いた大面積の基板の結晶化をサブミクロンオーダーの位置精度で行うことができる。
【００５１】
なお、演算部が行う撮像位置画像と基準位置画像とのマッチングは、画像自体を比較することで行う他に、各位置画像に表されるマークの位置座標のデータをそれぞれ求め、この位置座標のデータを比較することで行ってもよい。なお、撮像位置画像の位置座標データを用いる場合には、演算部８によってバッファメモリ７ａに記憶した撮像位置画像から基準位置に相当する部分の座標位置を求め記憶部７内に記憶することができる。また、位置画像７ｂや基準位置の座標データや位置校正データは、記憶部７内に格納することができる。
【００５２】
記憶部７内に記憶した位置校正データは、結晶化装置による基準の処理において読み出してＸＹステージの位置決めし、ＸＹステージが持つ位置誤差を補正することができる。
【００５３】
次に、本発明の位置決めステージによる位置校正データの生成手順について、図２のフローチャートを用いて説明する。
【００５４】
はじめに、基準基板３０をＸＹステージ３上の所定位置に載置する。この基準基板３０の載置は、アライメントカメラ９によって基準基板３０上に設けられたマークを撮像し、このマークの位置がアライメントカメラ９の撮像画像内の所定位置となるように、基準基板３０をＸＹステージ３上で位置合わせする。これによって、基準基板３０をＸＹステージ３上の所定位置に載置することができる（Ｓ１）。
【００５５】
基準基板３０をＸＹステージ３に対して所定位置に位置合わせした後、ＸＹステージをＸ方向及びＹ方向に移動して、ＸＹステージ３を二次元で走査する（Ｓ２）。この二次元走査を行う間に、撮像部５のＣＣＤカメラ５ａで基準基板３０を撮像し、基準基板３０の撮像位置画像を取得する。撮像位置画像は、ＣＣＤカメラ５ａの信号をイメージインテンシファイア５ｂによって信号増幅することで取得することができ、バッファメモリ７ａに一時記憶される（Ｓ３）。
【００５６】
演算部８は、バッファメモリ７ａに一時記憶される撮像位置画像を読み込むと共に、基準位置画像７ｂを読み込んで、両位置画像のマッチングを行う（Ｓ４）。位置画像のマッチングにより、撮像位置と基準位置との相対位置誤差（Δｘｉ，Δｙｉ）を求め、この相対位置誤差からステージ駆動に伴う位置校正データ７ｃを生成し、記憶部７内に記憶する（Ｓ５）。
【００５７】
以下、数値例について説明する。なお、以下で示す数値例は一例であって、この例に限られるものではない。
【００５８】
１０ｍｍピッチのメッシュ状のメタルラインが形成された基準基板を用意し、ＸＹステージ上に載置する。照明光源によって基準基板を照明し、ＸＹステージを５００ｍｍ／ｓｅｃの速度で連続送りしながら撮像部で基準基板を撮像する。撮像部の撮像レートを５０Ｈｚとしたとき、ＸＹステージは５００ｍｍ／ｓｅｃで移動しているので、撮像部は基準基板を１０ｍｍピッチで撮像する。
【００５９】
このとき、撮像部の高速カメラのシャッタ開放時間を２００ｎｓｅｃとして連続撮像すると、撮像される画像の位置ずれは０．１μｍ（＝０．５ｍ／ｓｅｃ×２００ｎｓｅｃ）となる。
【００６０】
したがって、１０ｍｍピッチの撮像間隔に対して撮像画像の位置ずれ量は０．１μｍであるため、サブミクロンオーダーの高精度の位置測定が可能となる。
【００６１】
上記した数値例は一例であるが、２００ｍｍ／ｓｅｃ以上の移動速度で移動するＸＹステージ上に載置した基板を撮像し、シャッタ開放時間内の基板を移動距離が０．５μｍ以内となるように、撮像システムが備えるシャッタや照明光源のシャッタ速度や照射間隔や光量を設定することが望ましい。
【００６２】
寸法が７３０ｍｍ×９２０ｍｍの基準基板上を１０ｍｍピッチで二次元的に撮像すると、撮像部は６３９０個（＝７１×９０）の撮像位置画像を取得する。バッファメモリは、この６３９０個の位置情報を備える撮像位置画像を蓄積する。１枚の撮像位置画像のデータ容量を例えば３００ｋByteである場合には、バッファメモリはおよそ２ＧＢの容量を要すればよい。
【００６３】
撮像部は連続送り動作による１回の走査によって撮像位置画像を取得し、演算部はこのバッファメモリに蓄積された撮像位置画像をオフラインで解析して位置校正データを得る。
【００６４】
図３は撮像位置画像と基準位置画像とのマッチングによる位置校正データの取得を説明するための図である。
【００６５】
なお、ここでは、基準位置が表示された基準基板３０と、この基準位置と同じ位置が表された基準位置画像７ｂが用意されているとする。
【００６６】
基準基板３０を二次元で走査して撮像して撮像位置画像７ａを取得し、撮像位置画像７ａと基準位置画像７ｂとのマッチングを行って両者の位置ずれを求める。撮像位置画像７ａと基準位置画像７ｂとのマッチングは、画像情報の状態で行う他、各画像が同じ位置に相当する点の座標データを取得し、この座標データの比較で行うこともできる。
【００６７】
座標データによって比較する場合には、撮像位置画像７ａと基準位置画像７ｂにおいて、例えば重心位置などの同一位置について座標データを求め、この座標データを用いて相対位置誤差（Δｘｉ，Δｙｉ）を求めることで位置ずれを求めることができる。求めた位置ずれデータから、ＸＹステージを補正する位置校正データ７ｃが求められる。
【００６８】
図４は、基準位置と撮像位置との位置ずれを模式的に示した図である。図４において、基準位置（Ｘn，Ｙｎ）は“●”で示し、撮像位置（ｘn，ｙn）は“×”で示している。位置ずれは、基準位置（Ｘｎ，Ｙn）に対する撮像位置（ｘn，ｙn）のずれ（Δｘ（＝ｘn−Ｘn）、Δｙ（＝ｙn−Ｙn））によって求めることができる。位置補正データは、この位置ずれ（Δｘ，Δｙ）を補正するものとして（−Δｘ（＝Ｘn−ｘn）、−Δｙ（＝Ｙn−ｙn））により得ることができる。
【００６９】
本発明の位置決めステージによれば、基板送りの動作を中断することなく連続動作による走査により、実際のレーザー光の照射動作（ショット動作）と同じ条件でＸＹステージを駆動させながら撮像位置画像を取得することができる。
【００７０】
次に、図５を用いて本発明の結晶化装置の一構成例について説明する。
【００７１】
本発明の結晶化装置１は、レーザー光を照射する照明光学系１０と、照明光学系１０で照射されたレーザー光を所定の光強度分布の光線に変調する光変調素子１１と、光変調素子１１の変調光を基板（被処理基板２０）上に結像させる結像光学系１２と、基板（被処理基板２０）を支持すると共に基板（被処理基板２０）上の二次元位置を定める位置決めステージ２とを備える。結像光学系１２を介して基板（被処理基板２０）に照射された変調光は、基板に設けられた薄膜を溶融して結晶化させる。
【００７２】
照明光学系１０、光変調素子１１、及び結像光学系１２は結晶化光学系を構成する。照明光学系１０はエキシマ照明光学系を構成し、光変調素子１１を照明する結晶化用レザー光を射出、調整する。照明光学系１０は、エキシマレーザー光を出射するレーザー光源１０ａを備える他、レーザー光のビームを拡大するビーム・エキスパンダや、面内の光強度を均一化するホモジナイザを備えることができる。なお、図では、ビーム・エキスパンダ及びホモジナイザは示していない。
【００７３】
光変調素子１１は位相シフタを用いることができ、結晶化用レーザー光を位相変調して所望の光強度分布、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する。
【００７４】
結像光学系１２は、光変調素子１１により位相変調された結晶化用レーザー光を結晶化させる非単結晶半導体薄膜に縮小照射する。図５では、光変調素子１１を照明光学系１０と結像光学系１２との間に設置したプロジェクション方式を示しているが、光変調素子１１を被処理基板２０に近接して設置するプロキシミティ方式とすることもできる。
【００７５】
レーザー光源１０ａは、被処理基板２０に設けられた非単結晶半導体膜、例えば、非晶質若しくは多結晶半導体膜を溶融するために充分なエネルギー、例えば、非単結晶半導体膜上で１Ｊ／ｃｍ2を有する光を出力する。レーザー光源１０ａは、例えば、エキシマ・レーザー光源であり、短パルス、例えば、半値幅が約２５から３０ｎｓｅｃのパルス・レーザー光を出力する。レーザー光は、例えば、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマ・レーザー光、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマ・レーザー光が好ましい。
【００７６】
エキシマ・レーザー光源は、例えば、発振周波数が例えば１００Ｈｚから３００Ｈｚのパルス発振型である。
【００７７】
ビーム・エキスパンダは、入射されたレーザー光を拡大するもので、例えば、拡大する凹レンズと平行光にする凸レンズ２２とにより構成することができる。また、ホモジナイザは、入射したレーザー光のＸＹ断面方向の寸法を決定し、かつ決定した形状内の光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、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方向に重ね合わせて再分布させる。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、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方向に重ね合わせて再分布させる。ホモジナイザによりエキシマ・レーザー光は、所定の角度広がりをもち断面内の光強度が均一化された照明光に調光される。
【００７８】
位相シフタは、位相変調素子１１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し、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。
【００７９】
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。この関係から、位相シフタは、例えば、石英ガラス基板に所定の位相差に対応する段差ｄを形成することにより製造することができる。例えば、石英基板の屈折率を１．４６とすると、ＫｒＦエキシマ・レーザー光の波長が２４８ｎｍであるから、１８０°の位相差を付けるための段差は２６９．６ｎｍになる。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。位相シフタは、例えば、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変調する。この結果、半導体膜を照射するレーザー光は、位相のシフト部（段差）に対応した箇所が強度変調された逆ピーク・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光強度分布を実現できる。
【００８０】
位相シフタ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１２により位相シフタ（光変調素子１１）と共役な位置に設置された被処理基板２０上に、所定の光強度分布で結像する。エキシマ結像光学系１２は、例えば、複数枚のフッ化カルシウム（ＣａＦ２）レンズ及ぴ合成石英レンズからなるレンズ群により構成される。エキシマ結像光学系１２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：３０ｍｍから７０ｍｍの作動距離を有する片側あるいは両側テレセントリックレンズである。
【００８１】
また、結晶化の処理を受ける被処理基板２０は、一般に、例えば、ガラス基板、プラスチック基板等の絶縁基板、シリコン等の半導体基板（ウェーハ）等の保持基板に絶縁膜を介して非単結晶半導体膜（例えば、非晶質シリコン膜、多結晶シリコン膜、スパッタされたシリコン膜、シリコン・ゲルマニウム膜、若しくは脱水素処理をした非晶質シリコン膜）を形成し、この非単結晶半導体膜上にキャップ膜として絶縁膜を設けたものである。
【００８２】
非単結晶半導体膜の膜厚は、例えば脱水素処理をした非晶質シリコン膜の場合には３０ｎｍから３００ｎｍであり、例えば、５０ｎｍである。絶縁膜は、非単結晶半導体膜を結晶化する際に、保持基板から好ましくない不純物が非単結晶半導体膜に拡散することを防止するために、あるいは、レーザー照射によって生じるジュール熱を蓄積させる目的で設けられた膜である。
【００８３】
キャップ絶縁膜は、レーザー光に対するキャップ絶縁膜の透過特性及び光吸収特性を利用して、結晶化のために非単結晶半導体膜が受光して溶融したときの熱を蓄える機能を有する。キャップ絶縁膜の蓄熱効果は、非単結晶半導体膜の溶融領域に大粒径（５μｍ以上）の結晶化を可能にする。キャップ絶縁膜は、結晶化の効率を高めるためのものであるが、省賂することができる。
【００８４】
本発明の結晶化装置１は前記した位置決めステージ２を備える。ここでは、位置決めステージ２の構成の説明を省略する。
【００８５】
本発明の結晶化装置１によって被処理基板２０を結晶化する場合には、この位置決めステージ２が備える構成の内のＸＹステージ３及び位置校正データ７ｃを用いる。
【００８６】
ステージ駆動制御装置１３は、記憶部に記憶しておいた位置校正データ７ｃを読み出し、この位置校正データ７ｃに基づいてＸＹステージ３の位置ずれを補正しながら駆動し、レーザー光を被処理基板上で走査して結晶化を施す。
【００８７】
この走査における位置補正は、取得した撮像位置画像から位置ずれ量をオフラインで演算して予め求めておいた位置校正データを用いるため、高速かつ連続送り動作に対応することができる。
【００８８】
また、この位置校正データは、実際のショット動作と同じ条件でＸＹステージを駆動させることで取得されているため、実際のＸＹステージの運動や定盤の振動等、実動作に近い状態で、定盤を基準位置とする絶対位置制御を行うことができる。
【００８９】
また、ＰＭＥＬＡ結晶化により形成される数μｍサイズの結晶粒を、サブミクロンの位置精度で基板上に形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明の位置決めステージは、結晶化装置に限らず、基板を高速・高精度に位置決めすることが求められる装置に適用することができ、半導体基板に所定に処理を施す半導体処理装置や、処理済みの半導体基板を測定する半導体基板測定装置にも適用することができる。
【００９１】
また、本発明の位置決めステージによれば、サブミクロンの位置精度で位置決めされた疑似単結晶粒の上へのトランジスタの形成に適用することができ、これによって、高い応答性を有する回路や液晶表示デバイスの形成への適用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の位置決めステージを説明するための概略図である。
【図２】本発明の位置決めステージによる位置校正データの生成手順を説明するためのフローチャートである。
【図３】撮像位置画像と基準位置画像とのマッチングによる位置校正データの取得を説明するための図である。
【図４】基準位置と撮像位置との位置ずれを模式的に示した図である。
【図５】本発明の結晶化装置を説明するための概略図である。
【符号の説明】
【００９３】
１…結晶化装置、２…位置決めステージ、３…ＸＹステージ、３ａ…Ｘ軸ステージ、３ｂ…Ｙ軸ステージ、３ｃ…定盤、４…位置装置部、５…撮像部、５ａ…ＣＣＤカメラ、５ｂ…イメージシンテンシファイア、６…照明光源、７…記憶部、７ａ…バッファメモリ、７ｂ…基準位置画像、７ｃ…位置校正データ、８…演算部、９…アライメントカメラ、１０…照明光学系、１０ａ…エキシマレーザー光源、１１…光変調素子、１２…結像光学系、２０…被処理基板、３０…基準基板。
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図１】
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【図５】
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