(57)【要約】【課題】結晶化装置において、基板側のうねりに対して、レーザー光の結像位置の調整を高速で行う。【解決手段】結晶化装置１は、レーザー光を照射する照明光学系２ｂ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２ｃ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２ｄとを含む光学系２と、基板を支持する基板ステージ３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、結像光学系２ｄのＺ軸方向位置を調整する結像光学系駆動部８を備える。結像光学系駆動部８は、結像光学系２ｄのＺ軸方向位置を調整することによって、結像光学系２ｄが結像する変調光の結像位置を調整する。【選択図】図１
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【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を含む光学系と、
基板を支持する基板ステージとを備え、
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、
前記結像光学系のＺ軸方向位置を調整する結晶光学系駆動部を備え、
当該結晶光学系駆動部は、結像光学系のＺ軸方向位置を調整することによって、当該結像光学系が結像する変調光の結像位置を調整することを特徴とする結晶化装置。
【請求項２】
前記基板のＺ軸方向の高さを検出する基板高さ検出部を備え、
前記結晶光学系駆動部は、前記基板高さ検出部で検出した基板高さに基づいて結像光学系のＺ軸方向位置を調整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】
前記結晶光学系駆動部は、レーザー光の照射と同じ周期間隔でステップ駆動し、
前記基板高さ検出部は、レーザー光が基板上に照射された照射位置のＺ軸方向の基板高さを検出し、
前記結晶光学系駆動部は、前記基板高さ検出部が一周期前に検出した基板高さを用いて結像位置を調整することを特徴とする、請求項２に記載の結晶化装置。
【請求項４】
前記結晶光学系駆動部は、レーザー光の照射と同じ周期間隔でステップ駆動し、
前記基板高さ検出部は、レーザー光が基板上に照射される照射位置より一周期先の照射位置のＺ軸方向の基板高さを検出し、
前記結晶光学系駆動部は、前記基板高さ検出部が一周期前に検出した基板高さを用いて結像位置を調整することを特徴とする、請求項２に記載の結晶化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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以下と小さい。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。
【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】
【００１０】
ＰＭＬＡ結晶化では、基板に照射されるレーザー光の変調光のビームプロファイルが、各照射で一定であることが求められる。
【００１１】
一方、レーザー光が照射される被照射側は、半導体薄膜が設けられた液晶用ガラス基板のうねりやステージの平面度のばらつきによって、高さにばらつきが存在する。このうねりの高低幅は例えば２０μｍ〜５０μｍ程度である。これに対して、レーザー光の焦点位置の深さマージン（Ｄ．Ｏ．Ｆ）は、光変調素子に依存するが５μｍ〜２０μｍである。このように、Ｄ．Ｏ．Ｆは被照射側の高さのばらつきと比較して十分な広さを有していないため、基板の高さ方向のうねりをＤ．Ｏ．Ｆによって許容させることは困難である。そのため、一定の結晶化品質を有するビームプロファイルを保持するには、ステージが次の照射位置に移動し、その照射位置におけるＺ軸方向の高さを、レーザー光が照射される前に調整する必要がある。
【００１２】
従来、このＺ軸方向の高さ調整は、基板を支持する基板ステージにＺ軸方向に移動するＺ軸ステージによって行っている。
【００１３】
図１２は、結晶化装置の概略構成を説明するための図である。
【００１４】
結晶化装置１０は、レーザー光を発するレーザー光源２ａと、レーザー光を照射する照明光学系２ｂと、照明光学系２ｂ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２ｃと、光変調素子２ｃ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２ｄと、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基板ステージ３とを備える。結像光学系２ｄ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。
【００１５】
照明光学系２ｂ、光変調素子２ｃ、及び結像光学系２ｄは光学系２を構成する。また、照明光学系２ｂはエキシマ照明光学系を構成し、光変調素子２ｃを照明する結晶化用レーザー光を射出、調整する。
【００１６】
基板ステージ３は、Ｘ軸ステージ３ａ、Ｙ軸ステージ３ｂ、及びＺ軸ステージ３ｃを備え、Ｚ軸ステージ３ｃによってステージ上に載置する被処理基板２０のＺ軸方向の高さを調整して、結像位置に被処理基板２０を高さ調整している。この高さ調整は、基板高さ検出部４によって被処理基板２０の高さを検出し、この検出信号を演算回路７で処理して得られた制御信号によってＺ軸ステージ３ｃを駆動することで行う。
【００１７】
しかしながら、この基板ステージは通常数百ｋｇの重量があるため、高速Ｚ軸動作（例えば、応答速度１０ｍｓｅｃ以下）を行うことはできない。高速動作させるには、重量物を高速で昇降することができるトルクを備え、かつ高精度で位置決めすることができる基板ステージが必要となるが、このような特性を備えた精密Ｚステージは知られていない。
【００１８】
現在、基板の大型化に伴って結晶化の高速処理が求められている。この高速処理では、レーザー光の照射周期を短くしてレーザー光ショット間隔を短くすると共に、基板を高速移動させることが求められるが、上記したように高速でＺ軸調整することができるステージ機構は存在せず、結晶化の高速化を妨げる要因となっている。
【００１９】
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、結晶化装置において、基板側のうねりに対して、レーザー光の結像位置の調整を高速で行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、レーザー光を結像する結像光学系をＺ軸方向に移動自在とする構成とすることによって、レーザー光の結像位置の調整を高速で行う。結像光学系は、例えば数ｋｇの重量であるため、数百ｋｇの基板ステージと比較して極めて軽量であるため、レーザー光の結像位置の調整を高速で行うことができる。結像位置を高速で調整することによって、基板の結晶化を高速化することができ、結晶化による基板のスループットを高めることができる。
【００２１】
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を含む光学系と、基板を支持する基板ステージとを備え、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る。
【００２２】
この結晶化装置において、本発明は結像光学系のＺ軸方向位置を調整する結像光学系駆動部を備える。結像光学系駆動部は、結像光学系のＺ軸方向位置を調整することによって、結像光学系が結像する変調光の結像位置を調整する。
【００２３】
結像光学系駆動部は、例えば高速ピエゾステージを用いることができる。高速ピエゾステージは、例えばストロークが５０μｍ以上で、静定時間を含む応答時間が１０ｍｓｅｃ以下の特性が可能である。レーザー光の各照射に対して結像位置の高さ調整を行うとしたとき、高速ピエゾステージの応答時間を１０ｍｓｅｃ以下とすることにより、レーザー光のショット周期を１００Ｈｚとすることができ高速動作が可能となる。
【００２４】
本発明の結晶化装置は、基板のＺ軸方向の高さを検出する基板高さ検出部を備える。結像光学系駆動部は、この基板高さ検出部で検出した基板高さに基づいて結像光学系のＺ軸方向位置を調整する。
【００２５】
結像光学系駆動部は、レーザー光の照射と同じ周期間隔でステップ駆動し、所定周期でレーザー光を照射位置に位置合わせし、光学系からレーザー光を照射する。
【００２６】
本発明の結像光学系駆動部による高さ調整の第１の態様は、レーザー光の照射において、その照射位置のＺ軸方向の高さを検出し、この検出した高さを用いてそのレーザー光の照射周期において、結像位置のＺ軸方向の高さを調整し、調整が終了した後にレーザー光を照射する。
【００２７】
基板高さ検出部は、レーザー光が基板上に照射された照射位置のＺ軸方向の基板高さを検出し、結像光学系駆動部は、基板高さ検出部が検出した基板高さを用いて結像位置を調整する。結像光学系駆動部は応答時間を有し、駆動を開始してから指定された高さまで移動するまでの間に遅れ時間が生じる。
【００２８】
したがって、この第１の態様では、この応答時間によって、基板高さ検出部が検出する照射位置とレーザー光が照射される照射位置との間に、応答時間に応じた距離の分だけ位置ずれが生じると共に、レーザー光の照射位置と基板との間に高さにずれが生じる可能性がある。
【００２９】
しかしながら、基板のうねりや基板ステージの平面度のばらつき等のうねりに対して、レーザー光の各照射位置の間隔で生じる高さの変位は十分に小さいため、隣接する照射位置での高さに高さ調整することで、結像位置を焦点深度内に高速で位置制御することができる。
【００３０】
本発明の結像光学系駆動部による高さ調整の第２の態様は、レーザー光の照射において、その照射位置のＺ軸方向の高さを検出し、この検出した高さを用いて次のレーザー光の照射位置において、結像位置のＺ軸方向の高さを調整する。
【００３１】
基板高さ検出部は、レーザー光が基板上に照射された照射位置のＺ軸方向の基板高さを検出し、結像光学系駆動部は、基板高さ検出部が一周期前に検出した基板高さを用いて結像位置を調整する。
【００３２】
この第２の態様では、基板高さ検出部が検出する照射位置とレーザー光が照射される照射位置とは異なり、レーザー光のステップ状の照射において、前の照射位置での高さを用いて次の照射位置の高さを調整する。
【００３３】
基板のうねりや基板ステージの平面度のばらつき等のうねりに対して、レーザー光の各照射位置の間隔で生じる高さの変位は十分に小さいため、隣接する照射位置での高さに高さ調整することで、結像位置を焦点深度内に高速で位置制御することができる。
【００３４】
本発明の結像光学系駆動部による高さ調整の第３の態様は、レーザー光の照射において、その照射位置より一周期先の次の照射位置のＺ軸方向の高さを検出し、この検出した高さを用いてレーザー光の次の照射位置において、結像位置のＺ軸方向の高さを調整する。
【００３５】
この第２の態様では、レーザー光のステップ状の照射において、次の照射位置での高さを検出することで、基板高さ検出部が検出する照射位置とレーザー光が照射される照射位置とを同一とすることができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、結晶化装置において、基板側のうねりに対して、レーザー光の結像位置の調整を高速で行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
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。
【００３８】
図１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。
【００３９】
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２ｂと、照明光学系２ｂ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２ｃと、光変調素子２ｃ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２ｄ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基板ステージ３とを備える。結像光学系２ｄ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。
【００４０】
照明光学系２ｂ、光変調素子２ｃ、及び結像光学系２ｄは光学系２を構成する。また、照明光学系２ｂはエキシマ照明光学系を構成し、光変調素子２ｃ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２ｂは、レーザー光源２ａから出射されたエキシマ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。
【００４１】
光変調素子２ｃ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。
【００４２】
結像光学系２ｄは、光変調素子２ｃ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１では、光変調素子２ｃを照明光学系２ｂと結像光学系２ｄ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２ｃ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。
【００４３】
レーザー光源２ａ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２ａ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。
【００４４】
エキシマ・レーザー光源は、例えば、発振周波数が例えば１０Ｈｚから３００Ｈｚのパルス発振型である。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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、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上述の段差量の場合、半波長だけシフトさせる。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）を組み合わせることによって形成される任意形状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・レーザー光の遮蔽よりも自由度の高い光強度分布を実現できる。
【００４８】
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２ｄにより位相シフタ（光変調素子２ｃ）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２ｄ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の片側あるいは両側テレセントリックレンズである。
【００４９】
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。
【００５０】
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設けられた膜である。あるいは、レーザー照射によるジュール熱を断熱する目的で設けられた膜である。
【００５１】
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。
【００５２】
基板ステージ３は、Ｘ方向に移動自在のＸ軸ステージ３ａとＹ方向に移動自在のＹ軸ステージ３ｂとを備え、ＸＹステージコントローラ（図示していない）によって駆動制御される。この基板ステージ３は、定盤５上に固定して設けられる。また、この定盤５上には、前記した光学系２を支持する光学ベース部（図示していない）が固定して設けられる。
【００５３】
定盤５は除振装置６によって床面（図示していない）上に取り付けられる。除振装置６はバネ要素やゲイン要素を備え、除振装置制御コントローラ（図示していない）によって駆動され、定盤５及びその定盤５上に設けた基板ステージ３や光学ベース部が、床面等の基準面に対して振動しないように制御する。なお、ＸＹステージコントローラや除振装置制御コントローラは、上位の制御ＰＣ（図示していない）によって制御することができる。
【００５４】
さらに、本発明の結晶化装置２は、結像光学系２ｄをＺ軸方向に移動自在とする結像光学系駆動部８を備える。この結像光学系駆動部８は、結像光学系２ｄをＺ軸方向の高さを調整し、これによって結像位置のＺ軸方向の高さを調整する。ここで、結像位置のＺ軸方向の高さを、被処理基板２０上の表面高さに合わせる。
【００５５】
なお、結像光学系駆動部８は、光学系２が照射するレーザー光と同じ周期間隔でステップ駆動し、所定周期でレーザー光を照射位置に位置合わせし、光学系からレーザー光を照射する。
【００５６】
この被処理基板２０上においてレーザー光を照射する位置のＺ軸方向の高さを検出する手段として、本発明の結晶化装置１は基板高さ検出部４を備える。この基板高さ検出部４は、例えば測定点に入射する入射光を照射する光源４ａと、測定点で反射した反射光を検出する検出器４ｂを備える。
【００５７】
演算回路７は、基板高さ検出部４で検出したＺ軸方向の高さ信号に基づいて、結像光学系２の変調光の結像位置を被処理基板２０上と一致するように、結像光学系駆動部８を制御する制御信号を生成する。結像光学系駆動部８は、演算回路７で生成した制御信号を受けて結像光学系２ｄのＺ軸方向の高さを調整する。
【００５８】
以下、本発明の結晶化装置が備える結像光学系駆動部による高さ調整の態様について説明する。
【００５９】
本発明の結像光学系駆動部による高さ調整の各態様は、レーザー光の照射において、その照射位置のＺ軸方向の高さを検出し、この検出した高さを用いてレーザー光の照射位置において、結像位置のＺ軸方向の高さを調整する。
【００６０】
本発明の結晶化装置の各態様の動作例を、図２のフローチャートを用いて説明する。
【００６１】
基板ステージ３を基準位置に移動して（Ｓ１）、その基準位置の高さを検出し（Ｓ２）、初期位置として設定する（Ｓ３）。
【００６２】
その後、基板ステージ３を駆動して被処理基板２０上の開始位置に移動し結晶化の処理位置に結像位置を位置合わせした後（Ｓ４）、基板送りを開始し（Ｓ５）、以後Ｓ６〜Ｓ９を最終位置まで繰り返すことによって被処理基板に設けられた半導体膜を結晶化する（Ｓ１０）。
【００６３】
基板ステージ３は、Ｘ軸ステージ３ａ及びＹ軸ステージ３ｂを順次駆動することによって被処理基板２０を移動する。基板高さ検出部４によりレーザー光の照射位置のＺ軸方向の高さを検出し（Ｓ６）、演算回路７は、取得した高さ情報に基づいて駆動信号を生成し、結像光学系駆動部８に送る（Ｓ７）。結像光学系駆動部８は、この駆動信号を受けて結像光学系２ｄのＺ軸方向の高さを制御し（Ｓ８）、レーザー光を照射する（Ｓ９）。
【００６４】
以下、この第１の態様について、図３〜図５を用いて説明する。
【００６５】
図３、図４は本発明の結晶化装置の第１の態様における基板と結像光学系駆動部との関係を説明するための図であり、図５は本発明の結晶化装置の第１の態様における基板と結像光学系駆動部との関係を説明するためのタイミングチャートである。
【００６６】
本発明の結像光学系駆動部による高さ調整の第１の態様は、レーザー光の照射において、その照射位置のＺ軸方向の高さを検出し、この検出した高さを用いてそのレーザー光の照射において、結像位置のＺ軸方向の高さを調整する。
【００６７】
光学系２がレーザー光を被処理基板２０上に照射する各ステップにおいて、基板高さ検出部４は、そのステップにおける照射位置のＺ軸方向の基板高さを検出する。結像光学系駆動部８は、その照射ステップにおいて検出した照射位置のＺ軸方向の基板高さを用いて結像位置を調整する。
【００６８】
図３は、レーザー光の照射周期において連続する照射における動作を説明するための図であり、連続するレーザー光の照射中に一照射を示している。
【００６９】
図３では、被処理基板２０を各レーザー光照射で結晶化される領域を模式的に示し、ここでは、被処理基板２０を矢印の方向に移動させながらレーザー光を照射することによって、被処理基板２０の領域Ａ，領域Ｂ，領域Ｃ，…を順に結晶するものとする。
【００７０】
図３は、領域Ｂにレーザー光を照射して結晶化する状態を示している。この結晶化では、レーザー光照射により領域Ｂを結晶化する際に、この領域Ａの基板面の高さｈ１を検出して取得し、この高さｈ１を用いて結像光学系駆動部８を駆動して、結像位置を高さｈ１に調整する。
【００７１】
上記高さ調整において、結像光学系駆動部８の駆動を開始してから実際の結晶位置に達するまでに、応答時間分だけ遅れ時間が生じる。図３では、高さを検出した位置を“×”印で示し、調整された実際の結像位置を“○”印で示している。結像位置の高さは、必ずしも検出高さｈ１と同じではなく、高さ誤差Δｈが存在する可能性がある。
【００７２】
この高さ誤差Δｈは、基板のうねりや基板ステージの平面度のばらつき等のうねりに対して十分に小さいため、結像位置を焦点深度内に位置制御することができる。
【００７３】
上記高さずれの数値例について、レーザー光を１００Ｈｚで照射する場合を例にして説明する。レーザー光を１００Ｈｚで照射する場合、レーザー光は１０ｍｓｅｃ間隔でステップ状に照射されるため、この１０ｍｓｅｃ毎に基板高さを補正する必要がある。基板高さ検出部４が検出した基板高さに基づいて制御量を算出し、この制御量だけ結像光学系を昇降して合焦動作させる。基板ステージ３が５００ｍｍ／ｓｅｃの移動速度で等速移動するものとすると、結像光学系駆動部であるピエゾステージの応答時間を１０ｍｓｅｃとしたとき、この応答時間に相当する５ｍｍ（＝５００ｍｍ／ｓｅｃ×１０ｍｓｅｃ）だけ実際の結像位置が遅れる。
【００７４】
被処理基板として例えば７３０ｍｍ×９２０ｍｍの液晶基板及びこの液晶基板を支持する基板ステージを想定したとき、前記した遅れによる５ｍｍの位置ずれはわずかであり、この距離間で生じる高さ方向の誤差は、焦点位置の深さ方向マージン（Ｄ．Ｏ．Ｆ）の範囲内であるため、実際の結像位置における高さ誤差は許容することができる。
【００７５】
図４は高さの検出位置と結像位置との関係を各照射時について示している。図４（ａ）は、初期状態を示し、初期高さｈ０に基づいて結像光学系駆動部８を駆動して、結像位置を高さｈ０に位置合わせする状態を示している。
【００７６】
図４（ｂ）では、基板高さ検出部４によって基板の高さｈ１を検出し、この高さ情報に基づいて結像光学系駆動部８を駆動して、結像位置をｈ１に位置合わせする。このとき、結像光学系駆動部８の応答時間Δｔによって、基板の高さの検出位置（図中の“×”印）と結像位置（図中の“○”印）との間に位置ずれが生じる。この位置ずれは、応答時間Δｔと基板ステージの移動速度によって求めることができる。
【００７７】
図４（ｃ）〜図４（ｅ）においても同様にして、各レーザー光の照射ステップにおいて、基板高さ検出位置と実際の結像位置との間に位置ずれが生じ、高さ方向の誤差の要因となる。
【００７８】
基板高さ検出部は図５（ａ）のタイミングで基板高さを検出し、結像位置光学系駆動部８は、応答時間Δｔの後に検出した基板高さに位置合わせが行われる（図５（ｂ））。基板高さの位置合わせが終了した後、レーザー光を照射する（図５（ｃ））。
【００７９】
本発明の結像光学系駆動部による高さ調整の第２の態様は、レーザー光の照射において、その照射位置のＺ軸方向の高さを検出し、この検出した高さを用いて次のレーザー光の照射位置において、結像位置のＺ軸方向の高さを調整する。
【００８０】
光学系２がレーザー光を被処理基板２０上に照射する各ステップにおいて、基板高さ検出部４は、そのステップにおける照射位置のＺ軸方向の基板高さを検出する。結像光学系駆動部８は、その照射ステップにおいて検出した照射位置のＺ軸方向の基板高さではなく、基板高さ検出部が一周期前に検出した基板高さを用いて結像位置を調整する。
【００８１】
図６は、レーザー光の照射周期において連続する照射における動作を説明するための図であり、図６（ａ）と図６（ｂ）は、連続するレーザー光の照射を示している。
【００８２】
図６は図３と同様に、被処理基板２０を各レーザー光照射で結晶化される領域を模式的に示し、ここでは、被処理基板２０を矢印の方向に移動させながらレーザー光を照射することによって、被処理基板２０の領域Ａ，領域Ｂ，領域Ｃ，…を順に結晶するものとする。
【００８３】
図６（ａ）は、領域Ｂにレーザー光を照射して結晶化する状態を示している。この結晶化では、前回のレーザー光照射時に領域Ａを結晶化した際に、この領域Ａの基板面の高さｈ１を検出して取得しておき、この高さｈ１を用いて結像光学系駆動部８を駆動して、結像位置を高さｈ１に調整する。
【００８４】
図６（ｂ）は、領域Ｃにレーザー光を照射して結晶化する状態を示している。この領域Ｃでの結晶化では、前回のレーザー光照射時に領域Ｂを結晶化した際に（図６（ａ））、検出して取得しておいた領域Ｂの基板面の高さｈ２を用いて結像光学系駆動部８を駆動して、結像位置を高さｈ２に調整する。
【００８５】
上記高さ調整において、領域Ｂの高さｈ２は必ずしも領域Ａの高さｈ１と同じではなく、高さ誤差Δｈ21（＝ｈ２−ｈ１）が存在する可能性があり、また、領域Ｃにおいても同様に、領域Ｃの高さｈ３（領域Ｃの高さをｈ３とする）は必ずしも領域Ｂの高さｈ２と同じではなく、高さ誤差Δｈ32（＝ｈ３−ｈ２）が存在する可能性がある。
【００８６】
この高さ誤差Δｈは、基板のうねりや基板ステージの平面度のばらつき等のうねりに対して十分に小さいため、結像位置を焦点深度内に位置制御することができる。
【００８７】
第２の態様の数値例は、前記第１の態様で示した数値例において各領域の移動方向の長さを５ｍｍとしたときに相当する。
【００８８】
図７は高さの検出位置と結像位置との関係を各照射時について示している。図７（ａ）は、初期状態を示し、初期高さｈ０に基づいて結像光学系駆動部８を駆動して、結像位置を高さｈ０に位置合わせする状態を示している。ここで、基板の高さｈ１を検出する。
【００８９】
図７（ｂ）では、前の周期（図７（ａ））において検出した基板高さｈ１に基づいて結像光学系駆動部８を駆動して、結像位置をｈ１に位置合わせする。このとき、結像光学系駆動部８の応答時間Δｔによって、基板の高さの検出位置（図中の“×”印）と結像位置（図中の“○”印）との間に位置ずれが生じる。この位置ずれは、応答時間Δｔと基板ステージの移動速度によって求めることができる。
【００９０】
図７（ｃ）〜図７（ｅ）においても同様にして、各レーザー光の照射ステップ間において、基板高さ検出位置と実際の結像位置との間に位置ずれが生じ、高さ方向の誤差の要因となる。
【００９１】
基板高さ検出部は図７（ａ）のタイミングで基板高さを検出し、結像位置光学系駆動部８は、応答時間Δｔの後に検出した基板高さに位置合わせされる（図７（ｂ））。基板高さの位置合わせが終了した後、レーザー光を照射する（図７（ｃ））。
【００９２】
基板高さ検出部は図８（ａ）のタイミングで基板高さを検出し、結像位置光学系駆動部８は、次に周期で基板高さに位置合わせする（図８（ｂ））。基板高さの位置合わせが終了した後、レーザー光を照射する（図８（ｃ））。
【００９３】
また、演算回路は、図８（ａ）〜図８（ｃ）に示したように、前回の照射ステップで求めた高さを制御高さとして照射ステップの高さを調整する他、前回及び前々回の照射ステップで求めた高さを用いて外挿によって制御高さを推定し、この外挿値を用いて照射ステップの高さを調整してもよい。
【００９４】
図８（ｄ）〜図８（ｅ）は、前回及び前々回の照射ステップで求めた高さを用いて、制御高さを外挿する場合を示している。
【００９５】
例えば、時刻ｔ３における基板高さの調整は、前回の照射ステップ（時刻ｔ２）で検出した高さｈ２と前前回の照射ステップ（時刻ｔ１）で検出した高さｈ１と用いて外挿によって制御高さ（２ｈ２−ｈ１）を求める。
【００９６】
本発明の結像光学系駆動部による高さ調整の第３の態様は、その照射位置より一周期先の次の照射位置のＺ軸方向の高さを検出し、この検出した高さを用いてレーザー光の次の照射位置において、結像位置のＺ軸方向の高さを調整する。
【００９７】
光学系２がレーザー光を被処理基板２０上に照射する各ステップにおいて、基板高さ検出部４は、その照射位置より一周期先の次の照射位置のＺ軸方向の高さを検出する。基板高さ検出部４は、結像光学系２ｄが結像する位置よりも、基板と反対方向に一周期分先の位置に配置することで、照射位置より一周期先の次の照射位置のＺ軸方向の高さを検出することができる。
【００９８】
結像光学系駆動部８は、その照射ステップにおいて検出した照射位置のＺ軸方向の基板高さではなく、基板高さ検出部が一周期先の次の照射位置の基板高さを用いて結像位置を調整する。
【００９９】
図９は、レーザー光の照射周期において連続する照射における動作を説明するための図であり、図９（ａ）〜図９（ｃ）は、連続するレーザー光の照射を示している。
【０１００】
図９は図３及び図６と同様に、被処理基板２０を各レーザー光照射で結晶化される領域を模式的に示し、ここでは、被処理基板２０を矢印の方向に移動させながらレーザー光を照射することによって、被処理基板２０の領域Ａ，領域Ｂ，領域Ｃ，…を順に結晶するものとする。
【０１０１】
図９（ｂ）は、領域Ｂにレーザー光を照射して結晶化する状態を示している。この結晶化では、予め領域Ａの基板面の高さＨ１を検出して取得しておき（図９（ａ））、この高さＨ１を用いて結像光学系駆動部８を駆動して、結像位置を高さｈ１に調整する。
【０１０２】
図９（ｃ）は、領域Ｃにレーザー光を照射して結晶化する状態を示している。この領域Ｃでの結晶化では、前回のレーザー光照射時に領域Ｂを結晶化した際に（図９（ｂ））、検出して取得しておいた領域Ｃの基板面の高さＨ２を用いて結像光学系駆動部８を駆動して、結像位置を高さＨ２に調整する。
【０１０３】
上記高さ調整においては、領域Ｂの高さＨ２は、前周期でその領域Ｂの高さＨ２を求めているため、高さ誤差は存在しない。
【０１０４】
基板高さ検出部は図１０（ａ）〜図１０（ｅ）の各タイミングにおいて、前回の周期で検出した高さに基づいて高さ制御を行う。この高さ検出を行う位置と、高さ制御を行う位置は一致するため、結像光学系駆動部の応答時間による遅れで生じる高さずれを除くことができる。
【０１０５】
基板高さ検出部は図１１（ａ）のタイミングで基板高さを検出し、結像位置光学系駆動部８は、次に周期で同じ位置について基板高さに位置合わせする（図１１（ｂ））。基板高さの位置合わせが終了した後、レーザー光を照射する（図１１（ｃ））。
【０１０６】
なお、上記では、レーザー光照射をステップ状に行うとして説明しているが、このレーザー光照射は、基板の移動を断続させて行うステップ＆リピート照射ではなく、基板を連続的に移動させる連続送りにおいて、所定領域をステップ状にレーザー光を照射するものである。
【０１０７】
本発明によれば、ＰＭＥＬＡ結晶化技術により形成される数μｍサイズの擬似結晶粒の品質を基板全領域で維持することが可能となり、結晶粒の上にトランジスタを形成することで、ばらつきの少ない高性能な回路あるいは結晶表示デバイスの形成が期待できる。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明の振動制御は、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。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の結晶化装置の一構成例を説明するための図である。
【図２】本発明の結晶化装置の各態様の動作例を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の第１の態様の動作を説明するための概略図である。
【図４】本発明の第１の態様の動作を説明するためのタイミング図である。
【図５】本発明の第１の態様の動作を説明するためのタイミング図である。
【図６】本発明の第２の態様の動作を説明するための概略図である。
【図７】本発明の第２の態様の動作を説明するためのタイミング図である。
【図８】本発明の第２の態様の動作を説明するためのタイミング図である。
【図９】本発明の第３の態様の動作を説明するための概略図である。
【図１０】本発明の第３の態様の動作を説明するためのタイミング図である。
【図１１】本発明の第３の態様の動作を説明するためのタイミング図である。
【図１２】結晶化装置の概略構成を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１…結晶化装置、２…光学系、２ａ…エキシマレーザー、２ｂ…照明光学系、２ｃ…光変調素子、２ｄ…結像光学系、３…基板ステージ、３ａ…Ｘ軸ステージ、３ｂ…Ｙ軸ステージ、４…基板高さ検出、４ａ…光源、４ｂ…検出器、５…定盤、６…除振装置、７…演算回路、８…結像光学系駆動部、２０…被処理基板。
【図１】
2007208015.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2007208015.tif 000011
【図１０】
2007208015.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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