(57)【要約】【課題】結晶粒の均一性を向上させた位相シフタ、位相シフタの製造方法および結晶化装置を提供すること。【解決手段】入射光を位相変調する位相シフタ（１）は、ガラス基板のような透光性基板（２）と、この透光性基板（２）のレーザ光の入射面に入射光を位相変調する例えば凹凸パターンの位相変調部（３）を設け、この位相変調部（３）の光強度分布が減少する周辺部の光を遮光する遮光部（４）を位相シフタ（１）の前記レーザ光の入射面または出射面に設け、入射レーザ光の照射面内周辺部の光を遮光するようにしたものである。【選択図】図１
2007116136.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性基板と、この透光性基板に設けられ、入射光を位相変調する凹凸パターンとを有する位相変調素子であって、
前記凹凸パターンの予め定められた周辺部および前記透光性基板の周辺部に入射する前記入射光を遮光する遮光体を、前記透光性基板の入射面側および出射面側の少なくとも一方面に具備する位相変調素子。
【請求項２】
前記遮光体は、反射体、吸収体、散乱体および薄膜のうちの少なくともひとつである請求項１に記載の位相変調素子。
【請求項３】
前記遮光体は、アルミニウム、アルミニウム合金およびクロムの少なくとも１つである請求項１または２に記載の位相変調素子。
【請求項４】
前記アルミニウム合金はＡｌ−Ｓｉ合金である請求項３に記載の位相変調素子。
【請求項５】
前記遮光体の膜厚は、３０乃至２０００ｎｍの範囲内にある請求項１に記載の位相変調素子。
【請求項６】
前記遮光体の膜厚は、前記遮光体がアルミニウムの場合には５０乃至２０００ｎｍの範囲内にある請求項１に記載の位相変調素子。
【請求項７】
前記遮光体の膜厚は、前記遮光体がＡｌ−Ｓｉ膜の場合には８０乃至２０００ｎｍの範囲内にある請求項１に記載の位相変調素子。
【請求項８】
透光性基板と、この透光性基板上に入射光を位相変調する変調部とを有する位相変調素子の製造方法であって、
前記透光性基板への前記入射光の照射面内周辺部の光を遮光する遮光手段を前記透光性基板上に設けることを具備する位相変調素子の製造方法。
【請求項９】
透光性基板と、この透光性基板に入射光を位相変調する凹凸パターンを有する位相変調素子の製造方法であって、
前記凹凸パターンの予め定められた周辺部および前記透光性基板の外周部に前記入射光に対して遮光性を有する遮光体を前記透光性基板の入射面又は出射面に形成することを具備する位相変調素子の製造方法。
【請求項１０】
前記遮光体の中央部には、透孔部がウェットエッチング法により形成されることを具備する請求項９に記載の位相変調素子の製造方法。
【請求項１１】
レーザ光源からのレーザ光がホモジナイズ光学系、位相変調素子および結像光学レンズ系を介して支持台上に設けられた被処理基板を照射して照射面を結晶化する結晶化装置であって、
前記ホモジナイザ光学系の出射面から結像光学レンズ系の入射面までの光路に設けられた前記ホモジナイザ光学系の出射光の周辺部光を遮光するための遮光手段とを具備する結晶化装置。
【請求項１２】
前記遮光手段は、環状の遮光体である請求項１１に記載の結晶化装置。
【請求項１３】
レーザ光源からのレーザ光がホモジナイズ光学系、位相変調素子および結像光学レンズ系を介して支持台上に設けられた被処理基板を照射して照射面を結晶化する結晶化方法であって、
前記ホモジナイズ光学系の出射面と前記結像光学レンズ系の入射面間の光路において前記ホモジナイズ光学系の出射面で前記レーザ光の光強度が低下する周辺部の光を遮光したレーザ光にする工程を具備する結晶化方法。
【請求項１４】
前記遮光体の開口の前記凹凸パターンの周期方向の長さは、前記凹凸パターンによって形成される三角波の一周期を形成するために必要な前記凹凸パターンの周期の整数倍である請求項１に記載の位相変調素子。
【請求項１５】
前記遮光体によって遮光され、かつ前記凹凸パターンによって位相変調された入射光の光強度分布は、前記入射光の端部における強度が最小となるように構成された三角波である請求項１に記載の位相変調素子。
【請求項１６】
前記凹凸パターンは、前記入射光の光強度に周期的な空間分布を与える請求項１に記載の位相変調素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、均一な結晶化などアニール処理をすることができる位相変調素子、位相変調素子の製造方法、結晶化装置および結晶化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜半導体技術は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、密着センサ、光電変換素子等の半導体素子を絶縁性基板上に形成するための重要な技術である。薄膜トランジスタはＭＯＳ（ＭＩＳ）構造の電界効果トランジスタであり、液晶表示装置のようなフラットパネルディスプレイにも応用されている（例えば、非特許文献１を参照）。
【０００３】
液晶表示装置は、一般に薄型、軽量、低消費電力でカラー表示も容易であるという特徴を有している。この特徴から、液晶表示装置は、パーソナルコンピュータあるいは様々な携帯用情報端末のディスプレイとして広く用いられている。液晶表示装置がアクティブマトリクス型である場合には、薄膜トランジスタが画素スイッチング素子として用いられている。
【０００４】
この薄膜トランジスタの活性層（キャリア移動層）は、例えばシリコン半導体薄膜からなる。シリコン半導体薄膜は、非晶質シリコン（アモルファスシリコン：ａ−Ｓｉ）および微細な結晶相を有する多結晶質シリコン（非単結晶の結晶質シリコン）に分類される。多結晶質シリコンは、主に多結晶シリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）である。微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）も、多結晶質シリコンとして知られている。シリコン以外の半導体薄膜材料としては、例えばＳｉＧｅ、ＳｉＯ、ＣｄＳｅ、Ｔｅ、ＣｄＳ等が挙げられる。
【０００５】
多結晶質シリコンに薄膜トランジスタを形成したときの活性層内でのキャリア移動度は、非晶質シリコンに薄膜トランジスタを形成したときのキャリア移動度の１０倍から１００倍程度大きい。このキャリア移動度特性は、多結晶質シリコン薄膜にＴＦＴ構造のスイッチング素子を形成するための半導体薄膜材料として非常に優れた特性である。近年、多結晶シリコンを活性層として用いた薄膜トランジスタは、動作の高速性から、注目されている。この薄膜トランジスタは、動作の高速性から、例えばドミノ回路およびＣＭＯＳトランスミッションゲートのような様々な論理回路を構成することが可能なスイッチング素子であるとして注目されている。この論理回路は液晶表示装置およびエレクトロルミネセンス表示装置の駆動回路、マルチプレクサ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＣＤ、およびＲＡＭ等を構成する場合に必要となる。
【０００６】
ここで、多結晶質シリコンの半導体薄膜を形成する従来の代表的プロセスを説明する。このプロセスで処理される被処理基板は、次のような構造になっている。ガラス等の絶縁性基板は、最初に用意される。アンダーコート層（またはバッファ層）として例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）は、この絶縁性基板上に形成される。さらに半導体薄膜としてアモルファスシリコン膜（ａ−Ｓｉ）は、約５０ｎｍ程度の厚さでアンダーコート層上に形成される。この後、脱水素処理がアモルファスシリコン膜中の水素濃度を低下させるために行われる。続いてアモルファスシリコン膜上にキャップ膜として例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）が形成されて、そして被処理基板が構成される。次に、上記アモルファスシリコン膜の溶融再結晶化がエキシマレーザ結晶化法等により行われる。具体的には、エキシマレーザ光がアモルファスシリコン膜を照射することにより、この被照射領域のアモルファスシリコン膜を結晶質シリコン膜に変化させている。
【０００７】
現在では、このようにして製造された多結晶質シリコンの半導体薄膜がｎチャネル型またはｐチャネル型薄膜トランジスタの活性層（チャネル領域）として用いられている。この場合、薄膜トランジスタの電界効果移動度（電界効果による電子または正孔の移動度）は、ｎチャネル型で１００〜１５０ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ程度となり、ｐチャネル型で１００ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃとなる。このような薄膜トランジスタを用いることによって、信号線駆動回路および走査線駆動回路のような駆動回路は、画素スイッチング素子と同一の基板上に形成することができる。これによって、駆動回路一体型の表示装置を得ることができる。結果として、表示装置の製造コストを低減することが可能である。
【０００８】
ところで、絶縁基板上に形成された薄膜トランジスタの電気的特性は、デジタル映像データをアナログ映像信号に変換するＤＡ変換器やデジタル映像データを加工するゲートアレイ等の信号処理回路を表示装置の基板において一体化できるほど優れていない。この場合、薄膜トランジスタには、現在の２倍から５倍の電流駆動能力が、必要とされる。また、この薄膜トランジスタには電界効果移動度も、３００ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ程度以上が必要とされる。表示装置の高機能化および高付加価値化のためには、薄膜トランジスタの電気的特性をさらに向上させる必要がある。薄膜トランジスタで構成されるスタティックメモリが、例えばメモリ機能を持たせるために各画素に付加される場合には、単結晶半導体を用いた場合と同等の電気的特性がこの薄膜トランジスタに要求される。このため、半導体薄膜の特性を向上させることが重要となる。
【０００９】
半導体薄膜の特性を向上させる方策としては、例えば半導体薄膜の結晶性を単結晶に近づけることが考えられる。実際、もし絶縁基板上で半導体薄膜全体を単結晶化できれば、次世代ＬＳＩとして検討されているＳＯＩ基板を用いたデバイスと同様の特性を得ることが可能となる。この試みは、３次元デバイス研究プロジェクトとして１０年以上も前に行われている。しかし、半導体薄膜全体の単結晶化技術は未だに確立していない。ただ、現在でも半導体薄膜中の半導体粒が単結晶であることが期待されている。
【００１０】
従来、非晶質半導体薄膜の結晶化において単結晶の半導体粒を大きく成長させる技術が提案されている（例えば、非特許文献１を参照）。非特許文献１は、松村等が精力的に続けてきた研究の成果として発表されたものである。この文献には、入射光を位相変調する位相シフタを用いて空間的に強度変調されたエキシマレーザを非晶質半導体薄膜に照射することが開示されている。さらにこの文献には、この照射することにより、非晶質シリコン薄膜の被受光領域を溶融再結晶化して多結晶シリコン薄膜に変化させる位相変調エキシマレーザ結晶化法が開示されている。通常のレーザ結晶法のレーザビームは、ビームホモジナイザと呼ばれる光学系（ホモジナイズ光学系）を用いてシリコン薄膜平面上のエキシマレーザ強度が平均化（均一化）されたビームが用いられている（例えば、非特許文献２を参照）。これに対して、非特許文献１の位相変調エキシマレーザ結晶化法のレーザビームは位相シフタによってシリコン薄膜平面上のエキシマレーザ強度に強弱を持たせ、この光強度分布に対応した温度勾配をシリコン薄膜内に生じさせる。この温度勾配はシリコン薄膜平面に平行な横方向において低温部分から高温部分に向かう単結晶シリコン粒の成長を促進する。この結果、この位相変調エキシマレーザ結晶化法は、上記非特許文献２のレーザ結晶法に比べて結晶化領域の大きな単結晶シリコン粒を大粒径に成長させることができている。この位相変調エキシマレーザ結晶化法は、単結晶シリコン粒が例えば薄膜トランジスタのような能動素子を１又は複数個製造（収容）可能な数ミクロン程度の粒径の結晶粒を非晶質シリコン膜に結晶成長することができる。従って、薄膜トランジスタをこのようにして結晶成長されたこの単結晶シリコン粒内に形成することによって上述した要求を満足する電気特性の薄膜トランジスタを得ることができる。
【非特許文献１】表面科学  Ｖｏｌ．  ２１，  Ｎｏ．  ５，  ｐ．２７８−ｐ．２８７
【非特許文献２】フラットパネルディスプレイ９６  ｐ．１７４−ｐ１７６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
非特許文献１の位相変調エキシマレーザ結晶化法は、大粒径の単結晶シリコン粒を予め定められた位置に形成することができる有効な技術である。本発明者らは、この技術の工業化の研究開発を鋭意行っている。
【００１２】
レーザ光源から出射されたレーザ光の面内光強度分布は、光軸付近の光強度が最高で周辺方向に低くなる分布を示すことが知られている。従って、一般的に結晶化装置にはレーザ光の２次元平面内の面内光強度分布を均一化する光学系（ホモジナイズ光学系）が設けられている。
【００１３】
しかしながら、ホモジナイズ光学系を用いてエキシマレーザ強度の平均化を行っても、照射領域の周辺部においては、依然として光照射強度が低下する。このようなビーム照射領域を利用して結晶化した場合、その照射強度の違いにより中央部と周辺部で結晶粒径のサイズに違いが生じてしまうという問題点がある。
【００１４】
さらに、前記光照射強度が低下する周辺部の照射領域では、照射強度が低くなりすぎる領域では、シリコン膜は溶融温度に到達せず、非結晶化領域が環状に残っていることが判った。
【００１５】
このような照射領域で複数回照射を行う場合、隣合う各照射領域間の光照射強度低下部をかさね合わせても、重複照射領域の結晶化は十分に行われないためこの領域に薄膜トランジスタのチャネル領域を形成すると薄膜トランジスタの特性が悪化することが判った。従って、基板全体を結晶化する場合には、繰り返し照射により形成される隣合う各照射領域間をち密に照射することが要求されている。
【００１６】
本発明は、上記点に対処してなされたもので、照射領域内の結晶粒サイズの均一性を高めることができる位相シフタ、位相シフタの製造方法およびレーザアニール装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上記目的を達成するために次のようにしたものである。
【００１８】
本発明の一態様に係る位相変調素子は、透光性基板と、この透光性基板に設けられた入射光を位相変調する凹凸パターンとを有する位相変調素子であって、前記凹凸パターンの予め定められた周辺部および前記透光性基板の周辺部に入射する前記入射光を遮光する遮光体を、前記透光性基板の入射面側および出射面側の少なくとも一方面に具備する。
【００１９】
前記遮光体は、好ましくは反射体、吸収体、散乱体、および又は薄膜の少なくともひとつである。前記遮光体は、好ましくはアルミニウム、アルミニウム合金およびクロムの少なくとも１つである。さらに前記アルミニウム合金は、好ましくはＡｌ−Ｓｉ合金である。
【００２０】
前記薄膜の膜厚は、好ましくは３０乃至２０００ｎｍの範囲内にある。また前記薄膜の膜厚は、前記遮光体がアルミニウムの場合には、好ましくは５０乃至２０００ｎｍの範囲内にある。また前記薄膜の膜厚は、前記遮光体がＡｌ−Ｓｉ膜の場合には、好ましくは８０乃至２０００ｎｍの範囲内にある。
【００２１】
本発明の他の態様に係る、透光性基板と、この透光性基板上に入射光を位相変調する変調部とを有する位相変調素子の製造方法は、前記透光性基板への前記入射光の照射面内周辺部の光を遮光する遮光手段を前記透光性基板上に設けることを具備する。
【００２２】
本発明のさらに他の態様に係る、透光性基板と、この透光性基板に入射光を位相変調する凹凸パターンとを有する位相変調素子の製造方法は、前記凹凸パターンの予め定められた周辺部および前記透光性基板の外周部に前記入射光に対して遮光性を有する遮光体を前記透光性基板の入射面又は出射面に形成する。
【００２３】
前記遮光体の中央部には、好ましくは透孔部がウェットエッチング法により形成される。前記遮光体は、好ましくは環状の遮光体である。
【００２４】
本発明のさらに他の態様に係る結晶化装置は、レーザ光源からのレーザ光がホモジナイズ光学系、位相変調素子および結像光学レンズ系を介して支持台上に設けられた被処理基板を照射して照射面を結晶化する結晶化装置であって、前記ホモジナイザ光学系の出射面から結像光学レンズ系の入射面までの光路に設けられた前記ホモジナイザ光学系の出射光の周辺部光を遮光するための遮光手段とを具備する。
【００２５】
本発明のさらに他の態様に係る結晶化装置は、レーザ光源からのレーザ光がホモジナイズ光学系、位相変調素子および結像光学レンズ系を介して支持台上に設けられた被処理基板を照射して照射面を結晶化するものであって、前記位相変調素子は、透光性基板に設けられた位相変調部と、前記ホモジナイザ光学系の出射面から結像光学レンズ系の入射面までの光路に設けられた前記位相変調素子への前記入射光による照射面内の周辺部の光を遮光する遮光手段とを具備する。
【００２６】
本発明のさらに他の態様に係る結晶化装置は、レーザ光源からのレーザ光がホモジナイズ光学系、位相変調素子および結像光学レンズ系を介して支持台上に設けられた被処理基板を照射して照射面を結晶化するものであって、前記ホモジナイズ光学系の出射面と前記結像光学レンズ系間の光路に前記ホモジナイズ光学系の出射面での光強度が低下する周辺部の光を遮光する遮光手段を設けることを具備する。
【００２７】
本発明のさらに他の態様に係る結晶化方法は、レーザ光源からのレーザ光がホモジナイズ光学系、位相変調素子および結像光学レンズ系を介して支持台上に設けられた被処理基板を照射して照射面を結晶化するものであって、前記ホモジナイズ光学系の出射面と前記結像光学レンズ系入射面間の光路において前記ホモジナイズ光学系の出射面で前記レーザ光の光強度が低下する周辺部の光を遮光したレーザ光にする工程をさらに具備する。
【００２８】
前記遮光体の開口の前記凹凸パターンの周期方向の長さは、好ましくは前記凹凸パターンによって形成される三角波の一周期を形成するために必要な前記凹凸パターンの周期の整数倍である。
【００２９】
前記遮光体によって遮光され、かつ前記凹凸パターンによって位相変調された入射光の光強度分布は、好ましくは前記入射光の端部における強度が最小となるように構成された三角波である。
【００３０】
前記凹凸パターンは、好ましくは前記入射光の光強度に周期的な空間分布を与える。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、照射領域内の結晶粒サイズを均一化することができる。また、照射領域を正確に規定できるので、複数回照射を行う場合に、照射領域をち密に並べて形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
次に、本発明位相変調素子例えば位相シフタの実施形態を図１（ａ）〜図１（ｄ）、図２（ａ）〜図２（ｄ）を参照して説明する。位相シフタ１は、入射光に対して透光性を有する透光性基板２例えば合成石英基板と、この透光性基板２に設けられた上記入射光を回折、屈折、干渉させて入射光の位相を変調するための位相変調部３と、この位相変調部３のうち予め定められた照射面内周辺部光を遮光するための遮光体例えば遮光部４を有する。前記入射光は、レーザ光であり、例えばパルスレーザ光である。
【００３３】
位相変調部３は、入射光を回折、屈折、干渉させて入射光の位相を変調するための加工がなされた領域で、例えば凹凸パターンである。この凹凸パターンは、例えばラインアンドスペースやデューティ変調型である。位相変調部３は、透光性基板２例えば合成石英基板の一方面に段差を設け、この凹５凸６で入射レーザ光１０の回折、屈折、干渉が発生し、この結果入射するレーザ光強度に空間分布例えば周期的な空間分布を付与する。凹凸パターンの段差は、次のようにして設計される。入射レーザ光１０の波長をλ、基板２の屈折率ｎとすると、θの位相差を付けるには、凹凸の段差ｔは、ｔ＝λθ／２π（ｎ−１）で求められる。
【００３４】
例えば１８０°の位相差を付ける場合、ｔ＝λ／２（ｎ−１）で求められる。この凹凸パターンは、基板２を例えばエッチングすることにより形成することができる。
【００３５】
遮光体は、透光性基板の入射面側および出射面側の少なくとも一方面に設けられる。例えば遮光部４は、基板２の入射面に設けられている。遮光体は、入射光に対して反射、吸収、散乱の少なくとも一つの特性を有する透過光量を抑制するもので例えば反射体、吸収体、散乱体であれば良い。また遮光体の実施形態は薄膜であってもよい。前記薄膜は、例えば金属膜である。この金属膜は、例えばアルミニウム膜、アルミニウム合金膜、およびクロム膜の少なくとも１つの膜である。
【００３６】
金属膜の膜厚は、例えばクロム膜の場合には３０乃至２０００ｎｍの範囲内が最適であり、アルミニウム膜の場合には５０乃至２０００ｎｍの範囲内が最適であり、アルミニウム合金膜、例えばＡｌ−Ｓｉ膜の場合には８０乃至２０００ｎｍの範囲内が最適である。遮光部４は、透光性基板２の少なくとも一方面側例えば凹凸パターンが形成されている面に設けられる。
【００３７】
次に、上記した構成の位相シフタ１と入射レーザ光１０との関係について説明する。位相シフタ１への入射レーザ光１０の例としては、ホモジナイズ光学系により均一化処理されたレーザ光である。図１（ａ）はホモジナイズ光学系により均一化された入射レーザ光１０の光強度分布１３の概略図を示す。さらに各位置での光強度が縦線１４の長さで示されている。図１（ａ）は、入射レーザ光１０が光強度分布が均一なレーザ光１５と、周辺部光１１とで構成されていることを示す。この周辺部光１１は、入射レーザ光１０の光強度が不均一な領域である。図１（ａ）は、ホモジナイズ光学系を用いても、入射レーザ光１０の断面内において完全な光強度の均一化がなされているわけではないことを示している。この明細書において周辺部光１１とは、入射レーザ光１０の照射面内において実質的に光強度が低下した領域をいう。図１（ａ）は、周辺部光１１を遮光部４より遮光する例が図示されている。遮光部４による遮光領域は、実質的に光強度が低下する領域であるが、結晶化ができる閾値１２’を超えた部分も含むため、実際には結晶化できる領域も含んでいる。
【００３８】
図１（ａ）は、入射レーザ光１０の光強度分布１３と、位相シフタ１の側面から見た断面図と、照射レーザ光２０の光強度分布２１との位置関係が点線で示されている。ここで、照射レーザ光２０とは、遮光体によって周囲が遮光され、かつ位相シフトによって位相変調された、被処理基板を照射するレーザ光を意味する。
【００３９】
さらに図１（ｂ）には、位相シフタ１を上から見た平面図が示されている。遮光部４によって遮光されない照射領域１２が記載されており、これは照射レーザ光が照射する領域を意味する。遮光部４の開口部の形状は、後述するように、繰り返し照射により基板全体に緻密な結晶を形成するためは方形あるいは多角形であるのが望ましい。この方形は、たとえば正方形状である。
【００４０】
繰り返し照射とは照射領域１２より大きな基板全体を結晶化する場合に、被結晶化基板を順次移動させることにより被結晶化基板上の照射位置を変えて結晶化工程を実行することである。この照射法は、例えば被結晶化基板上に順次入射されるレーザ光を、前のレーザ光照射領域１２の周辺部に、後のレーザ光が隣接するように照射することができる。他の照射法は、前後のレーザ光による照射位置を、複数回同一位置に照射してもよいし、一部重なるように照射してもよい。
【００４１】
位相シフタ１の透光性基板２は、例えば合成石英基板により形成され、その合成石英基板の一方面例えば入射面には、例えば入射レーザ光１０の位相を変化させる凹凸パターンの位相変調部３が設けられている。
【００４２】
入射レーザ光１０の均一部分である照射領域１２に対応する光強度分布は、位相シフトの効果により、連続する断面三角形状の強度分布を有する良好な光強度分布を有している。
【００４３】
例えば位相シフタ１によって形成される光強度分布２１は、図１（ａ）に示すような逆ピークパターン状の光強度分布を有する。逆ピークパターンは、光強度分布２１の端部において強度が最大となるように構成された三角波をいう。
【００４４】
遮光部４により周辺の不均一部分である周辺部光１１に対応する光強度分布領域を除くことが出来る。遮光部４を具備しない場合には、この周辺部光１１部分からのレーザ光により照射されて非単結晶半導体膜を形成する。この非単結晶半導体膜は、均一部分である照射領域１２で結晶化された単結晶性半導体膜２２の結晶粒と比較して、その粒径、配向性が全く異なる。そのため、トランジスタを形成した場合トランジスタの電気的特性も悪化する。
【００４５】
ここで単結晶性半導体膜２２とは、完全に全面に渡って単結晶化されたものを意味するものではなく、結晶化によって形成された結晶粒の粒径が大きく、配向性もある程度揃っており、非単結晶半導体膜に形成したＴＦＴと比較して電気的特性も良好な半導体膜を意味するものである。
【００４６】
この実施の形態の位相変調素子例えば位相シフタ１について詳しく説明する。位相シフタ１は、合成石英基板の位相変調部３の凹凸パターン５，６の形成面に図１（ａ）に示すように周辺部の光を遮光する遮光体例えば遮光部４を形成した例である。上記遮光部４は、図１（ｂ）に示すように光強度分布が均一な照射領域１２の光を透過させる方形状の透孔を有する。入射レーザ光１０が位相シフタ１に入射して光強度分布が均一なレーザ光１５あるいはその一部が位相変調された照射レーザ光２０となる。この照射レーザ光２０は、非単結晶半導体膜を照射して結晶化する。図１（ｄ）に示すように連続した結晶化領域を形成する場合、この位相シフタ１は、前後して照射する関係にある隣接する照射面の接合部において、図１（ｃ）に示すように連続した三角形状の光強度分布を形成することができる。連続した三角形状を形成するには、遮光部４の開口の凹凸パターンの周期方向の長さが、三角波の一周期を形成するために必要な凹凸パターンの周期の整数倍の長さを有する必要である。
【００４７】
次に、上記周辺部光１１の光を遮光する他の実施の形態を、図２（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。図１（ａ）〜（ｄ）と同一部分には、同一符号を付与し、その詳細な説明を省略する。
【００４８】
この実施の形態の位相シフタ１は、図１（ａ）と反対側の面である透光性基板２例えば合成石英基板の裏面（出射面）上に図２（ａ）に示すように遮光部４を形成したものである。上記遮光部４は、図２（ｂ）に示すように光強度分布が均一なレーザ光１５又はその一部を透過させる方形状の透孔を有する。この実施の形態の位相シフタ１は、図２（ａ）に示すような入射レーザ光１０が入射し、位相変調を受ける。位相変調された入射レーザ光１０の内、光強度分布が均一なレーザ光１５またはその一部が位相シフタ１を透過し、照射領域１２を形成する。
【００４９】
図１（ａ）〜（ｄ）と同様に、この位相シフタ１は、前後して照射する関係にある隣接する照射面の接合部において、図２（ｃ）に示すように連続した三角形状の光強度分布を示し、図２（ｄ）に示すように連続した結晶化領域を形成する。
【００５０】
図１（ａ）〜（ｄ）および図２（ａ）〜（ｄ）の両方の実施の形態ともに、位相シフタの凹凸パターンに対応した部分に、精度良く遮光部４を形成することが必要である。さらに、図１（ｃ），図１（ｄ）、図２（ｃ）、図２（ｄ）に示すように良好な光強度分布２１が連続して不一致点も生じない光学特性を得ることができる。これら実施の形態の位相シフタ１は、大きな基板全体を結晶化する場合に、前後して照射する関係にある隣接する照射面を重ね合わせて結晶化領域を形成することも容易にできる。これら実施の形態の位相シフタ１は、照射領域１２を透過したレーザ光のみが非単結晶半導体膜を照射するため結晶粒の均一性を高めることができる。換言すれば、位相シフタ１を透過したレーザ光は、多結晶領域を０か狭くすることができるため、図１（ｄ）、図２（ｄ）に示すように一定の大きさの結晶化領域を連続的に広範囲にわたって均一に形成することができる。さらに、良好な結晶粒径、配向性、電気的特性を有する単結晶性半導体膜を、図１（ｃ）、図２（ｃ）に示す光強度分布が連続するように不一致点を生ずること無く連続して形成することもできる。
【００５１】
ここで遮光部４は、予め定められた凹凸パターンに対応して形成されていなければならない。ここで、予め定められたとは、図１（ｂ）、図２（ｂ）に示すように、光強度分布が、前後して照射する関係にある隣接する照射面の境界に不一致点が無く三角形状の強度分布が連続してつながることをいう。つまりこれは、凹凸パターン上に、もしくは凹凸パターンに対応して反対面に設計通りに遮光部４が形成されていることを意味する。具体的には、遮光部４は、連続した三角形状の三角波の一周期を形成するために必要な凹凸パターンの周期の整数倍の開口を有することを必要とする。
【００５２】
。このように遮光部４が形成された位相シフタ１は、順次照射される照射面の隣接部分での光強度分布２１が不連続点無しで繋がる効果を得ることができる。
【００５３】
次に、上記特徴を有する遮光体の具体例について図３（ａ）および（ｂ）を参照して説明する。図３（ａ）および（ｂ）は、結晶化するためのエネルギーを有する入射レーザ光１０の透過を遮断する遮光部４が、アルミニウム膜、クロム膜、Ａｌ−Ｓｉ膜の３種類の膜厚を変えた場合の、遮光部４の遮光性を示す。遮光性は、この遮光部４を透過したレーザ光により照射された非単結晶半導体膜の結晶性（透過型電子顕微鏡ＴＥＭにて、全体に占める結晶化領域の面積比で測定）にて評価した。その結果、図３（ａ）および（ｂ）は、遮光体例えば遮光部４がアルミニウム膜で５０ｎｍ、クロム膜３０ｎｍ、Ａｌ−Ｓｉ膜８０ｎｍで、結晶性が０を示しており、これらの膜厚以上で良好な遮光性を示すことが判った。
【００５４】
上記実施形態では、遮光性を有する薄膜による遮光手段について記載したが、遮光性は完全な遮光を必要とするものではなく、結晶化を起こさない程度に減光するもので有ればよい。
【００５５】
この実施形態によれば、位相シフタ１の遮光部４により、照射領域１２を規定した場合は、遮光部４により規定しない場合と比較して被結晶化基板上での照射領域は狭くなるが、この照射領域のエネルギーの均一性が向上するので、照射領域における結晶粒の均一性を高めることができる。また、被結晶化基板全体を結晶化する場合にそれぞれパルスレーザ光照射毎に非単結晶半導体膜面上で隣り合う照射領域を正確に位置あわせして照射することができ、照射領域をち密に並べて形成することができる。さらに、照射領域に対応した光強度分布２１が明確になることから、照射領域を重ね合わせて処理することも容易となる。
【００５６】
すなわち、本発明によれば、より大きな基板においても非単結晶半導体膜に均一性の高い照射領域を緻密に並べて照射できる。
【００５７】
上記実施形態により得られた結晶粒の均一化効果は、薄膜トランジスタ（電界効果トランジスタ）の特性のばらつきを改善し、この薄膜トランジスタにより形成された半導体回路、集積回路などの半導体装置、および電子装置を高機能化することができる。さらに、上記実施形態は、薄膜トランジスタを組み込んだ液晶表示装置や情報処理装置等の電子装置の製造技術に適用できる有効な技術である。
【００５８】
さらに、上記実施形態では、レーザアニール装置の例として結晶化装置の例について説明したが、この結晶化装置に限らず例えば活性化のためのアニール装置に適用してもよい。さらにまた、位相シフタ１は、結晶化装置に限らず活性化のためのアニール装置や露光装置に適用してもよい。
【００５９】
さらに、上記実施形態では、上記遮光手段として、透光性基板上に遮光性を有する薄膜を形成した例について説明したが、位相シフタ１への入射レーザ光１０の周辺部光１１の被処理基板への入射を遮蔽する手段であればいずれでもよい。例えば、透光性基板の上記低強度の部分に相当する部分に反射面加工例えば微凹凸面加工、粗面加工などを形成し入射光を乱反射させてもよい。
【００６０】
さらに、上記実施形態では、位相シフタ１の入射面に位相変調面を形成した例について説明したが、出射面に形成してもよい。
【００６１】
次に、位相シフタ１の製造方法の実施の形態を、図４、図５（ａ）〜（ｄ）、図６（ａ）〜（ｆ）を参照して説明する。図１（ａ）〜（ｄ）、図２（ａ）〜（ｄ）、図３と同一部分には、同一符号を付与し、その詳細な説明は省略する。この実施の形態は、透光性基板２と、透光性基板２に入射光を位相変調する変調部とを有する位相シフタの製造方法であって、透光性基板２への入射光の照射面内周辺部の光を遮光する遮光手段を、透光性基板２の入射光路又は出射光路に設ける方法である。ここでいう照射面内周辺部とは、図１（ａ）で説明したように前記入射光の照射面内中央部の光強度が均一な領域に対して光強度が低下している部分である。図４は位相シフタ１の製造工程を説明するためのフローチャート（工程１：ＳＴ１）の図である。図５（ａ）〜（ｄ）は位相シフタの製造方法を工程順に説明するための断面図である。
【００６２】
まず、入射光を位相変調する位相変調部３例えば凹凸パターンの形成工程（図４工程２）を有する通常の位相シフタの製造工程を説明する。図５（ａ）〜（ｄ）には、詳細な凹凸パターンの形成工程が示されている。図５（ｄ）に示すように、凹凸パターン形成工程により形成された位相シフタは、透光性基板２と、この透光性基板２上に透光性膜３８によって形成される。この凹凸パターンは、デューティー変調型あるいは互いに平行な１または複数のストライプで構成されるラインアンドスペース型の凹凸パターン３６であっても良い。
【００６３】
透光性基板２は、例えばガラス、石英、合成石英等からなる。透光性膜３８は、透光性基板２の材料と同等の材料からなる。
【００６４】
この入射レーザ光１０を位相変調するための手段としては、透光性基板２に予め定められた凹凸パターンを形成する。凹凸パターン３６の段差は、レーザアニール処理で用いられるＸｅＣｌエキシマレーザ光等の波長に対して、例えば９０°の位相差を持つように設定される。
【００６５】
次に、凹凸パターン３６を有する位相シフタの製造例について具体的に説明する。最初に、図５（ａ）に示すように、透光性基板２例えば５インチ角の角型合成石英基板が用意される。透光性基板２上には、位相変調部３を形成するためにアモルファスシリコン膜３７が透光性基板２の一表面を覆うようにプラズマＣＶＤ法により形成される。アモルファスシリコン膜３７の厚さは、上述の位相差を考慮して例えば７５ｎｍである。
【００６６】
上述の成膜後、位相変調パターン例えばライン＆スペースのフォトリソグラフィを行った後、アモルファスシリコン膜３７は、ケミカルドライエッチング（ＣＤＥ）法により透光性基板２上でパターニングされ、図５（ｂ）に示すようにアモルファスシリコン膜３７の一部が残される。
【００６７】
パターニング後、アモルファスシリコン膜３７がアニール処理により加熱される。このアニール処理では、例えばアモルファスシリコン膜３７が１０５０℃で６０分間ウエット酸化され、図５（ｃ）に示すような厚さ約１５０ｎｍの透光性膜３８であるシリコン酸化膜に変化する。このようにして図５（ｄ）に示すような位相シフタが製造される。図５（ｄ）は、矩形で区切られた部分が透光性膜３８であるシリコン酸化膜の凸部として記載されているが、これに限定されることは無く、例えば矩形で区切られた部分が凹部であっても良い。この場合、図示はしていないが矩形の周辺は、透光性膜３８であるシリコン酸化膜である。
【００６８】
上記方法は、アモルファスシリコン膜３７が、透光性基板２である例えば石英に対する選択比を大きく取れることを利用し、良好な段差形状を有する凹凸パターンを形成するものである。この方法によれば、透光性基板２である石英に対するアモルファスシリコン膜３７のエッチング選択比が大きいため、アモルファスシリコン膜３７の膜厚分布が透光性基板２上で±５％以内に納められれば、これに伴って位相差の分布も±５％以内に納めることができる。
【００６９】
また凹凸パターンを形成する方法は、このような方法に限られるものではなく、直接透光性基板２をエッチング加工し、凹凸パターンを形成してもよい。その場合、所望の段差形状が形成されたところでエッチングを停止する再現性のよいエッチング特性、および全面に渡ってエッチング速度の均一性を有するエッチング方法が必要となる。
【００７０】
次に、遮光体付の位相シフタ１の製造方法を図４，図６（ａ）〜（ｆ）を用いて説明する。図５（ａ）〜（ｄ）で説明した位相シフタの透光性基板２は、入射する入射レーザ光１０に対して透過性を有する材料例えば合成石英基板である。この合成石英基板の表面には、入射レーザ光１０の位相をシフトする凹凸パターンが形成されている（図４工程２）。位相シフタは汚染等を除去のためにＲＣＡ洗浄される（図４工程３）。ＲＣＡ洗浄はＳＣ−１処理（８５℃のＮＨ３／Ｈ２Ｏ２／Ｈ２Ｏの混合溶液処理）、ＳＣ−２処理（８５℃のＨＣｌ／Ｈ２Ｏ２／Ｈ２Ｏ混合溶液処理）の連続処理にて行われる洗浄方法である。ＲＣＡ洗浄は、被洗浄物の表面を汚染物質（パーティクル、油脂成分、金属汚染物等）を取り除くのに有効な洗浄方法であるが、処理液の温度は、８５℃に限定されるものではない。また、前処理は、ＲＣＡ洗浄に限定されるものではなく被洗浄物の洗浄能力を有する洗浄方法であればよい。
【００７１】
図６（ａ）〜（ｆ）は上記方法により製造された位相シフタに遮光体付の位相シフタ１を製造する製造方法を工程順に説明するための断面図である。図６（ａ）には図５（ａ）〜（ｄ）に示す方法により製造された後、ＲＣＡ洗浄された位相シフタの断面図を示す。図６（ｂ）は位相シフタの凹凸パターン上に遮光手段を設けた図である。この遮光手段は、例えば位相シフタ上に、例えば金属薄膜の成膜を行う（図４工程４）。成膜法は、例えばスパッタ法、蒸着法又はＣＶＤ法を用いて、合成石英製の透光性基板２に対し高いエッチング選択比を有し、且つ入射される入射レーザ光１０に対し遮光性を有する膜として、例えばアルミニウム膜、アルミニウム合金膜、クロム膜、又はその他金属膜等の成膜を行う。
【００７２】
また、ここでいう遮光手段の遮光は、完全に入射光を１００％遮光するもののみを意味するものではなく、入射光を図３（ａ）および（ｂ）に示す特性により選択して減光し、入射光のある一定量を透過するものでもよい。すなわち、完全に遮光されずに、入射光の光強度を低減されたレーザ光が、照射されても被結晶化基板、例えば非晶質シリコン膜が溶融せず結晶化されない場合には、後述する不十分な結晶化が発生することがないため、完全に遮光された場合と、同様の効果を有していることとなる。従って、ここで述べる遮光には、完全な遮光の意味のみではなく、結晶化が起きない程度にまで、減光される意味をも含む。例えばＡｌ−Ｓｉ膜を基板２上に成膜する例について説明する。
【００７３】
Ａｌ−Ｓｉ膜の成膜工程として、例えばスパッタ法にて成膜する場合の成膜工程について記載する。まずターゲットとしてＡｌ−Ｓｉ板がセットされたＤＣマグネトロンスパッターに、被処理基板として透光性基板２例えば合成石英基板を搬入し、セットし、ガス例えばアルゴンガスを流量１００ｓｃｃｍに設定し、圧力例えば３ｍｔｏｒｒに設定する。この合成石英基板をＤＣマグネトロンスパッタリング方式により図６（ｂ）に示すように基板２の全表面に膜厚３００ｎｍの膜を、成膜する。
【００７４】
図６（ｃ）に示すように、遮光部４であるＡｌ−Ｓｉ膜成膜後、次にレジスト塗布工程（図４工程５）を実行する。上記Ａｌ−Ｓｉ膜上には、図６（ｃ）の断面図で示すように、レジスト膜３９が形成、例えばスピンコーティング法により塗布される。Ａｌ−Ｓｉ膜に所望の遮光領域を形成するために露光工程６を実行する。露光工程６は、例えば露光機に位置決めして合成石英基板をセットする。露光用のマスクは、上記凹凸パターンの予め定められた周辺部および合成石英基板の周辺部に入射光に対して遮光する遮光部を有し、前記周辺部を除く中央部に透孔部を形成するための遮光体形成用である。即ち、露光工程６は、上記透孔部を位置合わせしてレジスト膜３９を露光する。
【００７５】
露光工程（図４工程６）、現像工程（図４工程７）にて、不要な上記透孔部のレジスト膜３９が除去された図６（ｄ）に示すようなレジスト膜３９のパターンが形成される。この結果、レジスト膜が除去された透孔部分にＡｌ−Ｓｉ膜が露出される。
【００７６】
露出したＡｌ−Ｓｉ膜を除去するためのエッチング工程（図４工程８）、例えば反応性のプラズマエッチングやウェットエッチング（湿式エッチング）工程がレジスト膜３９のパターンをマスクとして行われる。例えば図６（ａ）に示される位相シフタに対し選択比が高いウェットエッチング液を用いる。これにより、位相シフタ表面に形成された位相シフト用の凹凸パターン３６にダメージを与えることなく、Ａｌ−Ｓｉ膜の露出部分のみがエッチング除去され、遮光部４を形成することが出来る（図６（ｅ））。
【００７７】
Ａｌ−Ｓｉ膜のウェットエッチングは、沃素・沃化カリ水溶液を用いて行われる。この溶液はクロム膜に対しては、強いエッチング特性を示すが、合成石英に対しては殆どエッチングを行わない。従って合成石英に対して高い選択比を有してＡｌ−Ｓｉ膜はエッチングされることとなる。またウェットエッチング液は沃素・沃化カリ水溶液に限定されるわけではなく、Ａｌ−Ｓｉ膜が合成石英および位相シフト用の凹凸パターンに対して選択比を有するエッチング液であればよい。
【００７８】
またＡｌ−Ｓｉ膜以外の他の金属膜、半導体膜、絶縁体膜等を遮光体として使用する場合にも、合成石英基板及び位相シフト用の凹凸パターン３６に対し選択比を有するエッチング液を用いることにより、良好な遮光体を形成することが出来る。
【００７９】
以上はウェットエッチングについて記載したが、ドライエッチング例えば反応性のプラズマエッチングで、Ａｌ−Ｓｉ膜を除去する場合について以下に記載する。平行平板ＲＦ反応性イオンエッチング装置にレジストパターンが形成されたＡｌ−Ｓｉ膜付きの位相シフタを搬入し、それを塩素系ガスを原料とするエッチングガスとして例えばジクロロメタンガス６０ｓｃｃｍと酸素４０ｓｃｃｍの混合ガスを供給し、圧力例えば１０ｍｔｏｒｒに設定して行った反応性イオンエッチング処理する。このエッチングプロセスにより位相シフタ１が形成される。金属膜のプラズマエッチングガスとしては、塩素系ガスを原料とするエッチングガスに限らず他のエッチングガスによるプラズマエッチングでもよい。以上のウェットエッチングもしくはドライエッチングされた遮光体は、例えば中央部が透光部として環状に形態を有するものである。
【００８０】
その後、レジスト剥離工程９を実行する。図６（ｆ）に示すようにレジスト膜３９の剥離および、洗浄を行う（図４工程９）。このようにして遮光部４が形成された遮光体付の位相シフタ１を製造することができる。
【００８１】
次に、位相シフタ１を用いた結晶化装置の実施形態を図７、図８（ａ）および（ｂ）を参照して説明する。図１乃至図６と同一部分には、同一符号を付与して説明する。この実施形態の結晶化装置４１は、光源５１例えばレーザ光源からのレーザ光がホモジナイズ光学系５２および位相シフタ１を介して支持台４６上に設けられた被結晶化基板４５を照射して照射面を結晶化する装置であって、上記位相シフタ１は、透光性基板２に設けられた位相変調部３と、上記透光性基板２に設けられ、入射光の照射面内周辺部を遮光する遮光部４を上記透光性基板２の入射光路に設けたものである。
【００８２】
結晶化装置４１は、照明系４２と、この照明系４２の光軸上に設けられた位相変調素子例えば位相シフタ１と、結像光学レンズ系４４と、被結晶化基板４５を支持する支持台４６とからなる。
【００８３】
照明系４２は、図８（ａ）に示す光学系でたとえば光源５１とホモジナイズ光学系５２とからなる。光源５１は、波長例えば３０８ｎｍのパルスレーザ光を出射するＸｅＣｌエキシマレーザ光源を備えている。なお、光源５１としては、上記例のほか例えば、波長２４８ｎｍのパルスレーザ光を出射するＫｒＦエキシマレーザ、波長１９３ｎｍのパルス光を出射するＡｒＦレーザなどのエキシマレーザが最適である。光源５１は、さらにＹＡＧレーザ光源でもよい。光源５１は、被結晶化基板４５に設けられる非単結晶半導体膜４５Ｃ例えば非晶質シリコン膜を溶融するエネルギーを出力する他の適当な光源を用いることもできる。光源５１から出射されたレーザ光の光軸上には、ホモジナイズ光学系５２が設けられている。
【００８４】
ホモジナイズ光学系５２は、光源５１からのレーザ光の光軸上に例えばビームエキスパンダ５２Ａと、第１フライアイレンズ５２Ｂと、第１コンデンサー光学系５２Ｃと、第２フライアイレンズ５２Ｄと、第２コンデンサー光学系５２Ｅとが設けられたものである。ホモジナイズ光学系５２は、光源５１から出射されたレーザ光を光束の断面内において光強度を均一化処理するものである。
【００８５】
即ち、照明系４２において、光源５１から出射されたレーザ光は、ビームエキスパンダ５２Ａを介して成形された後、第１フライアイレンズ５２Ｂに入射する。この第１フライアイレンズ５２Ｂの後側焦点面には複数の光源が形成され、これらの複数の光源からの光束は第１コンデンサー光学系５２Ｃを介して、第２フライアイレンズ５２Ｄの入射面を重畳的に照明する。その結果、第２フライアイレンズ５２Ｄの後側焦点面には、第１フライアイレンズ５２Ｂの後側焦点面よりも多くの多数の光源が形成される。第２フライアイレンズ５２Ｄの後側焦点面に形成された多数の光源からの光束は、第２コンデンサー光学系５２Ｅを介して、位相シフタ１に入射し、重畳的に照明する。
【００８６】
すなわち、ホモジナイズ光学系５２の第１フライアイレンズ５２Ｂおよび第１コンデンサー光学系５２Ｃは、第１ホモジナイザを構成し、第２フライアイレンズ５２Ｄおよび第２コンデンサー光学系５２Ｅは、第２ホモジナイザを構成し、位相シフタ１上での面内各位置での光強度に関する均一化を行う。こうして、照明系４２は、ほぼ均一な光強度分布を有する入射レーザ光１０を形成し、この入射レーザ光１０が図１（ａ）に示すように位相シフタ１を照射する。
【００８７】
ここで問題となるのは、ホモジナイズ光学系５２によって光源５１からのレーザ光の光強度に関する均一化処理が成されているが、図１（ａ）に示すように完全な均一化がなされるわけではない。位相シフタ１を照射する照射面ｂでのレーザ光強度分布１３は図８（ｂ）に示されているが、レーザ光強度分布１３の周辺部光１１では入射レーザ光１０の中央部である光強度分布が均一なレーザ光１５に比べ、光強度が低下している。このレーザ光強度分布１３の周辺部光１１での光強度の低下は、上記したように粒径、配向性が異なり、トランジスタを形成した場合電気特性が悪化させることが判った。
【００８８】
この実施形態は、上記したように電気特性を悪化させる周辺部光１１を遮光し、結像光学レンズ系４４に入射しないようにすることにより、結晶化領域に形成した結晶粒の均一化を図ることができ、この結晶化領域に形成されたトランジスタの電気的特性の均一性を向上させることが特徴である。上記周辺部光１１を遮光し、結像光学レンズ系４４に入射しないようにする手段としては、ホモジナイズ光学系５２の出射部から結像光学レンズ系４４の入射面間の光路に遮光手段を設けることである。最適例は、位相シフタ１の入射側面上、出射側面上の少なくとも一方に遮光体を形成することである。
【００８９】
位相変調素子例えば位相シフタ１は、ホモジナイズ光学系５２からの出射光を位相変調して逆ピークパターン状の光強度最小分布のレーザビームを出射する光学素子である。逆ピークパターン状の光強度分布は、横軸が場所（被照射面での位置）であり、縦軸は光強度（エネルギー）である。逆ピークパターン状の光強度分布を得る光学系には、透光性基板２例えば石英ガラスに形成された凹凸パターンがある。このパターンには、例えばラインアンドスペースパターンと面積変調パターン例えばデューティー変調型パターンとがある。
【００９０】
この実施形態の位相シフタ１は、段差そのものが繰り返し周期的に形成された光学素子である。位相シフトパターンの幅は例えば２５μｍである。位相差は必ずしも９０°である必要はなく、レーザ光に強弱を実現できる位相差であればよい。
【００９１】
位相シフタ１で位相変調された照射レーザ光２０は、結像光学レンズ系４４を介して、被結晶化基板４５に入射される。ここで、結像光学レンズ系４４は、位相シフタ１のパターン面と被結晶化基板４５とを光学的に共役に配置している。換言すれば、被結晶化基板４５は、位相シフタ１のパターン面と光学的に共役な面（結像光学レンズ系４４の像面）に設定されるように支持台４６の高さ位置が補正される。結像光学レンズ系４４は、正レンズ群４４Ａと正レンズ群４４Ｂとの間に開口絞り４４Ｃを備えている。結像光学レンズ系４４は、位相シフタ１の像を等倍又は縮小例えば１／５に縮小して被結晶化基板４５に結像させる光学レンズである。
【００９２】
開口絞り４４Ｃは、正レンズ群４４Ａと正レンズ群４４Ｂの特性が劣化する周辺部の光を利用しないように開口部（光透過部）の大きさの異なる複数の開口絞りを有する。
【００９３】
また、被結晶化基板４５は、図７に示すような積層構造である。たとえば液晶ディスプレイ用板ガラスであるガラス基板４５Ａの上には、化学気相成長法（ＣＶＤ）又はスパッタリング法により下地絶縁層４５Ｂとして酸化シリコン層が形成されている。この下地絶縁層４５Ｂ上には、薄膜トランジスタを形成するための被結晶化対象層として非単結晶半導体膜４５Ｃ例えば非晶質シリコン膜が形成されている。この非単結晶半導体膜４５Ｃ上には、さらにキャップ膜として蓄熱効果を有する酸化シリコン層４５Ｄが順次形成されたものである。下地絶縁層４５Ｂは、例えばＳｉＯ２が膜厚２００〜１０００ｎｍ形成される。下地絶縁層４５Ｂは、非単結晶半導体膜４５Ｃ例えば非晶質シリコン膜とガラス基板４５Ａが直接接触して、このガラス基板４５Ａから析出したＮａなどの異物が非晶質シリコン膜４５Ｃに混入するのを防止する。さらに、下地絶縁層４５Ｂは、非晶質シリコン膜４５Ｃの結晶化工程時の溶融温度が直接ガラス基板４５Ａに伝熱されるのを防止し、上記溶融温度の蓄熱効果により大粒径の結晶化に寄与する。
【００９４】
非晶質シリコン膜４５Ｃは、光照射されて結晶化処理される膜であり、膜厚例えば３０〜２５０ｎｍに選択される。キャップ膜４５Ｄは、結晶化工程時に非晶質シリコン膜４５Ｃが溶融したとき発生する熱を蓄熱し、非晶質シリコン膜４５Ｃの被照射領域が溶融後、レーザ光が遮断されたとき急速に降温するのを抑制してこの蓄熱作用が大粒径の結晶化領域の形成に寄与する。このキャップ膜４５Ｄは、絶縁膜例えば酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）であり、膜厚が１００〜４００ｎｍ例えば２００ｎｍである。
【００９５】
キャップ膜の成膜後、非晶質シリコン膜中の水素濃度を低下させるために５００℃２時間のアニールが行われる。
【００９６】
次に、結晶化プロセスを、図７、図８（ａ）および（ｂ）を参照して説明する。光源５１例えばレーザ光源から出射されたパルスレーザ光は、ホモジナイズ光学系５２に入射してレーザ光のビーム径内で光強度の均一化が行なわれる。
【００９７】
レーザ光は波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザ光で、１ショットのパルス継続時間は３０ｎｓｅｃである。上記条件で位相シフタ１に、パルスレーザ光を照射すると、例えば周期的に変化する、逆ピークパターン状の光強度分布を生成する。
【００９８】
位相シフタ１に入射するレーザ光即ちホモジナイザ光学系５２の出射光は、図８（ｂ）に示すような周辺部光１１が存在するため、この周辺部光１１を遮光する手段が例えば位相シフタ１に設けられている。
【００９９】
この逆ピークパターン状の光強度分布は、最小光強度から最大光強度まで非晶質シリコン層４５Ｃを溶融させるレーザ光強度を出力することが望ましい。位相シフタ１を通過した照射光は、結像光学レンズ系４４により被結晶化基板４５の非晶質シリコン膜４５Ｃに照射する。
【０１００】
被結晶化基板４５を照射したレーザ光は、キャップ膜の酸化シリコン層４５Ｄをほとんど透過し、非晶質シリコン膜４５Ｃに吸収される。この結果、非晶質シリコン膜４５Ｃの被照射領域は、加熱され、溶融される。この溶融したときの熱は、酸化シリコン層４５Ｂ、４５Ｄに蓄熱される。
【０１０１】
パルスレーザ光の照射が終了すると、被照射領域は、高速で降温しようとするが、キャップ膜４５Ｄおよび下地絶縁層４５Ｂの酸化シリコン膜に蓄熱されている熱により、降温速度が極めて緩やかとなる。このとき、被照射領域の降温は、位相シフタ１により生成された逆ピークパターン状の光強度分布に応じて低光強度部から降温して凝固し、凝固位置が高光強度部に順次横方向に移動して順次結晶成長する。
【０１０２】
換言すれば、被照射領域内溶融領域での凝固位置は、順次低温側から高温側に漸次移動する。即ち、結晶成長開始位置から結晶成長終了位置に向かって横方向に結晶成長する。このようにして１パルスでのレーザ光による結晶化工程が終了する。このようにして結晶成長された結晶化領域は、１又は複数個の薄膜トランジスタを形成するのに充分な大きさである。
【０１０３】
結晶化装置４１は、予め記憶されたプログラムにより自動的に次の非晶質シリコン膜４５Ｃの結晶化領域にパルスレーザ光を照射して結晶化領域を形成する。次の結晶化位置への移動は、被結晶化基板４５と光源５１とを相対的に移動例えば試料支持台４６を移動させて位置選択することができる。
【０１０４】
被結晶化領域が選択され位置合わせが完了したとき、次のパルスレーザ光が出射される。このようなレーザ光のショットを繰り返することにより被結晶化基板４５の広い範囲の結晶化を行うことができる。このようにして結晶化工程を終了する。
【０１０５】
周辺部光１１を遮光するために、上記実施形態では、位相シフタ１の入射面、出射面に直接遮光部４を設けた実施形態について説明したが、遮光手段は、ホモジナイズ光学系５２の出射面と結像光学レンズ系４４の入射面間の光路であればいずれの位置で周辺部光１１を遮光してもよい。遮光手段は、位相シフタ１の入射面側、出射面側即ち、ホモジナイズ光学系５２の出射面と結像光学レンズ系４４の入射面間の光路で一箇所に限らず複数箇所に設けてもよい。
【０１０６】
例えば、図９（ａ）に示すように位相シフタ１の光路例えば入射光路に入射する入射レーザ光１０に設けてもよい。この実施形態は、ホモジナイズ光学系５２例えばホモジナイザの出射面から結像光学レンズ系４４の入射面との間に遮光手段として少なくとも１つの遮光体２５を設けた例である。この遮光体２５は、例えば方形状透孔２７を有する環状の遮光体２５である。図１乃至図８と同一部分には、同一符号を付与し、その詳細な説明は、重複するので省略する。図９（ａ）には、ホモジナイズ光学系５２から入射する入射レーザ光例えばパルスレーザ光の光強度が低下する周辺部光１１を遮光体２５によって遮光し、透孔２７を透過したレーザ光が位相シフタ１に入射する状態が示されている。図９（ｂ）は、位相シフタ１により規定された照射領域１２を示す平面図である。
【０１０７】
この場合、図９（ｃ）、図９（ｄ）に示すように被結晶化基板４５には、不十分な結晶化を呈する照射光領域は形成されず、良好な結晶化領域の単結晶性半導体膜２２のみが隣接して、連続して形成され、又は重ねて形成することが出来る。
【０１０８】
上記の実施の形態では、光強度分布２１が逆ピークパターンの場合について記載した。次に光強度分布２１が順ピークパターンの実施形態を、図１０（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。図１（ａ）〜（ｄ）と同一部分には、同一符号を付与し、その詳細な説明を省略する。
【０１０９】
順ピークパターンとは、図１０（ａ）および図１０（ｃ）に示すように、照射レーザ光２０の光強度分布２１の端部において強度が最小となるように構成された三角波をいう。図１０（ｃ）において、順ピークパターンの光強度分布２１の隣接する部分の光強度は、最小となる。これら２つの光強度分布において結晶化実験を行い、その結晶粒の均一性を評価したところ、光強度分布２１が順ピークパターンの方が逆ピークパターンに比べて優れていることが判った。
【０１１０】
この理由を、図１１（ａ）、図１１（ｂ）を使用して説明する。図１１（ａ）は、光強度分布２１が逆ピークパターンの場合の１ショットあたりの光強度分布（図１１（ａ）の上部）と、その光強度分布に対応した部分のＳＥＭ観察による結晶成長状態の模式図（図１１（ａ）の下部）とを示す図である。この模式図には結晶粒３２と、結晶成長方向３０とが示されている。光強度分布２１の中央部付近では、位相シフタ１により生成された逆ピークパターン状の光強度分布に応じて低い光強度部から降温して凝固し、凝固位置が高い光強度部に順次横方向に移動して結晶成長し、結晶粒３２が緻密に形成されている。
【０１１１】
ところが、端部２６の部分は、最大の光強度となるが遮光体の開口の端部で遮光されることにより、急峻に光強度が立ち下がることとなる。従って、端部２６を起点として成長した結晶粒３４は、結晶粒３２よりもやや小さいことを観察した。
【０１１２】
なお結晶粒３４を有していても、緻密で全面にわたり結晶成長が実現されている。これは、結晶性を悪化させる、もしくは結晶成長しない周辺部光１１を遮光し、方形形状にて隣接して緻密に照射工程を行ったものによる。
【０１１３】
さらに、順ピークパターンの結晶成長状態を図１１（ｂ）に示す。図１１（ｂ）は、光強度分布２１が順ピークパターンの場合の１ショットあたりの光強度分布（図１１（ｂ）の上部）と、その光強度分布に対応した部分のＳＥＭ観察による結晶成長状態の模式図（図１１（ｂ）の下部）とを示す図である。端部２６の部分には、結晶粒３４の成長が見られず、中央部で成長する結晶粒３２が端部２６においても観察された。これは、端部２６での光強度分布が最小のため、光強度の急峻な立下りが生じておらず、端部２６においても中央部と同様な結晶成長メカニズムが生じていると考えられる。
【０１１４】
従って、逆ピークパタ−ン状の光強度分布に比べ順ピークパターン状の光強度分布の結晶粒の均一性の方が、さらに優れたものとなった。
【０１１５】
以上では、遮光体の開口精度が正確な場合について記載した。しかし、この精度のずれが、僅かな場合には、実用上差し支えない。
【０１１６】
上記実施の形態で説明した遮光体は、位相シフタ１の入射面又は出射面に設けた薄膜に限定されるものではなく、位相変調素子である位相シフタ１と一定の間隔を有し、例えばスペーサ２８等を挿入し、もしくは一定間隔保持器具を用い、保持された遮光体であってもよい。
【０１１７】
さらに、上記実施形態によれば、均一な大きさの結晶化領域が形成されるばかりでなく、この結晶化領域の周辺に非結晶化領域は、ほとんど生じない。さらに、このようにして結晶化された領域に薄膜トランジスタを形成したとき、広範囲にわたって均一な特性の薄膜トランジスタを形成することができる。この結果、例えば撮像素子や、表示装置例えばアクティブマトリックス型液晶表示装置を構成した場合、数十万個以上の薄膜トランジスタの特性を均一に製造でき、均一な表示を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】本発明に係る位相シフタの実施形態を説明するための図である。
【図２】本発明に係る位相シフタの他の実施形態を説明するための図である。
【図３】図１または図２の位相シフタの特性を説明するための図である。
【図４】図１の位相シフタの製造方法を工程順に説明するためのフローチャートである。
【図５】図１の位相シフタの位相シフトの製造方法を工程順に説明するための図である。
【図６】図１の位相シフタの製造方法を工程順に説明するための断面図である。
【図７】本発明結晶化装置の実施形態を説明するための断面図である。
【図８】図７の照明系の構成を説明するための構成図である。
【図９】図１および図２の他の実施形態を説明するための図である。
【図１０】図１、図２および図９の他の実施形態を説明するための図である。
【図１１】光強度分布が逆ピークパターンの場合の１ショットあたりの光強度分布と、その光強度分布に対応した部分のＳＥＭ観察による結晶成長状態の模式図とを示す図である。
【符号の説明】
【０１１９】
１…位相シフタ、    ２…透光性基板、    ３…位相変調部、    ４…遮光部、    ５…凹部、    ６…凸、    １０…入射レーザ光、    １１…周辺部光、    １２…照射領域、    １３…光強度分布、２０…照射レーザ光、    ２２…単結晶性半導体膜、    ２５…遮光体、    ２６…端部、    ２７…透孔、    ３６…凹凸パターン、    ３７…アモルファスシリコン膜、    ３８…透光性膜、    ３９…レジスト膜、    ４１…結晶化装置、    ４２…照明系、    ４４…結像光学レンズ系、    ４５…被結晶化基板、    ４６…支持台、    ５１…光源、    ５２…ホモジナイズ光学系。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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