(57)【要約】【課題】高速で、かつ高精密に位置決めした基板に所定の光強度分布を有するレーザー光を照射して、半導体膜を溶融・結晶化させて大結晶粒径を有する半導体膜を形成することが可能な高スループットのレーザー結晶化装置及び結晶化方法を提供することである。【解決手段】上記の課題を解決したレーザー結晶化装置は、レーザー光を発生するレーザー光源と、前記レーザー光を変調して所定の光強度分布を与える位相シフタとを具備し、前記位相シフタにより変調された前記レーザー光を基板に設けられた薄膜に照射して、この薄膜を溶融して結晶化するレーザー結晶化装置であって、前記基板上に設けられたマークと、前記基板を保持し、所定方向に移動する基板保持ステージと、前記基板保持ステージの移動中に前記マークが所定の位置を通過する時間を計測するマーク計測手段と、前記マーク計測手段による計測時間に基づいて前記レーザー光の照射を指示するトリガ信号を発生する信号発生手段とを具備する。【選択図】      図１
2007165770.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を発生するレーザー光源と、
前記レーザー光を変調して所定の光強度分布を与える位相シフタとを具備し、
前記位相シフタにより変調された前記レーザー光を基板に設けられた薄膜に照射して、この薄膜を溶融して結晶化するレーザー結晶化装置であって、
前記基板上に設けられたマークと、
前記基板を保持し、所定方向に移動する基板保持ステージと、
前記基板保持ステージの移動中に前記マークが所定の位置を通過する時間を計測するマーク計測手段と、
前記マーク計測手段による計測時間に基づいて前記レーザー光の照射を指示するトリガ信号を発生する信号発生手段と
を具備することを特徴とするレーザー結晶化装置。
【請求項２】
レーザー光を発生するレーザー光源と、
前記レーザー光を変調して所定の光強度分布を与える位相シフタとを具備し、
この位相シフタにより変調された前記レーザー光を基板に設けられた薄膜に照射して、この薄膜を溶融して結晶化するレーザー結晶化装置であって、
前記基板を保持し、所定の第１の方向に連続移動する基板保持ステージと、
前記基板上に設けられ、前記第１の方向の位置を指示する第１のマークと、
前記基板上の前記第１の方向に垂直な第２の方向の位置を指示する第２のマークと、
前記連続移動中に前記第１のマークが前記第１の方向の所定の位置を通過する時間を計測する第１のマーク計測手段と、
前記第２のマークを計測し、前記第２の方向の前記基板位置の補正を指示する第２のマーク計測手段と、
前記第１のマーク計測手段による計測時間に基づいて前記レーザー光の照射を指示するトリガ信号を発生する信号発生手段と
を具備することを特徴とするレーザー結晶化装置。
【請求項３】
前記第２のマーク計測手段による計測は、前記第１のマーク計測手段による計測に先立って実行されることを特徴とする請求項２に記載のレーザー結晶化装置。
【請求項４】
前記基板保持ステージの位置を計測する位置計測手段をさらに具備することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１に記載のレーザー結晶化装置。
【請求項５】
前記信号発生手段は、前記マーク計測手段若しくは第１のマーク計測手段によるマーク計測及び前記位置計測手段による前記基板保持ステージの位置計測に基づいて、前記レーザー光の照射を指示するトリガ信号を発生することを特徴とする請求項４に記載のレーザー結晶化装置。
【請求項６】
前記マーク若しくは第１のマークは、前記薄膜上に複数配置されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１に記載のレーザー結晶化装置。
【請求項７】
前記マークは、光学的手段により検出可能であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１に記載のレーザー結晶化装置。
【請求項８】
前記マークは、露光プロセスにより形成されることを特徴とする請求項７に記載のレーザー結晶化装置。
【請求項９】
前記レーザー光の照射位置に対応する前記マークの計測若しくは前記基板保持ステージの位置計測の少なくともいずれか１つから前記トリガ信号の発生までの遅延時間は、１マイクロ秒以下であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１に記載のレーザー結晶化装置。
【請求項１０】
前記薄膜は、非晶質シリコン膜であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１に記載のレーザー結晶化装置。
【請求項１１】
前記レーザー光は、エキシマ・レーザー光であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１に記載のレーザー結晶化装置。
【請求項１２】
基板上にマークを形成する工程と、
レーザー光を発生する工程と、
前記レーザー光を変調する工程と、
前記基板を保持した基板保持ステージを所定の方向に連続移動する工程と、
移動する前記基板に設けられた前記マークが所定の位置を通過する時間を計測する工程と、
前記計測時間に基づいて前記変調されたレーザー光の照射を指示するトリガ信号を発生する工程と、
前記トリガ信号に応答して前記変調されたレーザー光を前記薄膜に照射して、照射領域を溶融して結晶化する工程と
を具備することを特徴とするレーザー結晶化方法。
【請求項１３】
基板上に所定の第１の方向の基板位置を指示する第１のマークと、前記第１の方向に直交する第２の方向の基板位置を指示する第２のマークとを形成する工程と、
レーザー光を発生する工程と、
前記レーザー光を変調する工程と、
前記基板を基板保持ステージに載置する工程と、
前記第２のマークを計測して、前記第２の方向の前記基板位置を合わせる工程と、
前記基板を保持した基板保持ステージを第１の方向に連続移動する工程と、
移動する前記基板に設けられた前記第１のマークが所定の位置を通過する時間を計測する工程と、
前記第１のマーク計測手段による計測時間に基づいて前記変調されたレーザー光の照射を指示するトリガ信号を発生する工程と、
前記トリガ信号に応答して前記変調されたレーザー光を前記基板に照射して、前記薄膜を溶融して結晶化する工程と
を具備することを特徴とするレーザー結晶化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー結晶化装置及び結晶化方法に係り、特に、高速かつ高精度で位置決めをしてレーザー光を照射し、結晶化を行うレーザー結晶化装置及び結晶化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大面積の基板、例えば、ガラス基板の上に設けられた半導体膜、例えば、シリコン膜に形成された薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：thin film transistor）は、例えば、アクティブマトリックス型液晶表示装置において切換え表示するスイッチング素子として用いられている。
【０００３】
薄膜トランジスタを形成するために使用する非晶質又は多結晶などの非単結晶半導体薄膜の結晶化には、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使用されている。
【０００４】
現在、生産に供されているレーザー結晶化装置は  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、かつ結晶粒を形成する位置決めができない。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の特性がバラツクなど性能に限界がある。
【０００５】
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。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。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。この非単結晶半導体薄膜の結晶化処理により、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、電気特性が安定していることが示されている。
【特許文献１】特開２００３−１９７５２１号公報
【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】
【０００６】
従来方式の結晶化装置では、レーザー光は、長尺ビーム（例えば、５００μｍ×３００ｍｍ）形状で均一な強度分布で半導体膜に照射される。そのため、結晶粒が形成される場所を位置決めすることは、技術的に不可能であり、結晶化した半導体膜の結晶粒径も０．５μｍ以下と小さい。それゆえ、レーザー光の照射位置の絶対的な位置決めは、必要とされていない。
【０００７】
半導体層に設けられたアライメント・マーカーを基に結晶化を行うためのレーザー光を照射する手段は、特許文献１に記載されている。しかしながら、このレーザー照射手段は、位置決めされた大粒径の結晶化粒を形成するためのものではなく、多結晶領域を形成するためのレーザー照射法である。
【０００８】
一方、現在、位相シフタもしくは回折光学素子を使い逆ピーク形状のビーム・プロファイルを有するレーザー光を非単結晶半導体膜に照射するＰＭＥＬＡ結晶化技術が開発されている。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、かつ結晶粒の位置決めも可能であるという優れた特徴を有する。しかしながら、大面積の半導体膜を結晶化させるため、いわゆるステップ・アンド・リピート照射方式を採用している。すなわち、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ことを繰り返す。このため、ＰＭＥＬＡ結晶化技術を量産化技術とするためには、さらにスループットを向上させたいという課題がある。本出願人は、ＰＭＥＬＡ結晶化技術の工業化技術の開発を行っており、高スループットの結晶化法を開発中である。
【０００９】
上記のように優れた特徴を有するＰＭＥＬ技術を液晶パネルなどの生産装置として実用化するためには、以下の要求がある。ＴＦＴの主要部分を形成する結晶粒をμｍオーダーの絶対位置精度で位置決めをして形成すること、及びこれを高速で繰り返し再現するようにレーザー光を照射することである。
【００１０】
本発明の目的は、予め定められた光強度分布を有するレーザー光を基板上に高速でかつ高精度に位置決めして照射して、半導体膜を溶融・結晶化させて大結晶粒径を有する半導体膜を形成することが可能な高スループットのレーザー結晶化装置及び結晶化方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題は、以下の本発明に係る半導体装置及びその製造方法によって解決される。
【００１２】
本発明の１態様によるレーザー結晶化装置は、レーザー光を発生するレーザー光源と、前記レーザー光を変調して所定の光強度分布を与える位相シフタとを具備し、前記位相シフタにより変調された前記レーザー光を基板に設けられた薄膜に照射して、この薄膜を溶融して結晶化するレーザー結晶化装置であって、前記基板上に設けられたマークと、前記基板を保持し、所定方向に移動する基板保持ステージと、前記基板保持ステージの移動中に前記マークが所定の位置を通過する時間を計測するマーク計測手段と、前記マーク計測手段による計測時間に基づいて前記レーザー光の照射を指示するトリガ信号を発生する信号発生手段とを具備する。
【００１３】
本発明の他の１態様によるレーザー結晶化装置は、レーザー光を発生するレーザー光源と、前記レーザー光を変調して所定の光強度分布を与える位相シフタとを具備し、この位相シフタにより変調された前記レーザー光を基板に設けられた薄膜に照射して、この薄膜を溶融して結晶化するレーザー結晶化装置であって、前記基板を保持し、所定の第１の方向に連続移動する基板保持ステージと、前記基板上に設けられ、前記第１の方向の位置を指示する第１のマークと、前記基板上の前記第１の方向に垂直な第２の方向の位置を指示する第２のマークと、前記連続移動中に前記第１のマークが前記第１の方向の所定の位置を通過する時間を計測する第１のマーク計測手段と、前記第２のマークを計測し、前記第２の方向の前記基板位置の補正を指示する第２のマーク計測手段と、前記第１のマーク計測手段による計測時間に基づいて前記レーザー光の照射を指示するトリガ信号を発生する信号発生手段とを具備する。
【００１４】
本発明の他の１態様によるレーザー結晶化方法は、基板上にマークを形成する工程と、レーザー光を発生する工程と、前記レーザー光を変調する工程と、前記基板を保持した基板保持ステージを所定の方向に連続移動する工程と、移動する前記基板に設けられた前記マークが所定の位置を通過する時間を計測する工程と、前記計測時間に基づいて前記変調されたレーザー光の照射を指示するトリガ信号を発生する工程と、前記トリガ信号に応答して前記変調されたレーザー光を前記薄膜に照射して、照射領域を溶融して結晶化する工程とを具備する。
【００１５】
本発明のさらに他の１態様によるレーザー結晶化方法は、基板上に所定の第１の方向の基板位置を指示する第１のマークと、前記第１の方向に直交する第２の方向の基板位置を指示する第２のマークとを形成する工程と、レーザー光を発生する工程と、前記レーザー光を変調する工程と、前記基板を基板保持ステージに載置する工程と、前記第２のマークを計測して、前記第２の方向の前記基板位置を合わせる工程と、前記基板を保持した基板保持ステージを第１の方向に連続移動する工程と、移動する前記基板に設けられた前記第１のマークが所定の位置を通過する時間を計測する工程と、前記第１のマーク計測手段による計測時間に基づいて前記変調されたレーザー光の照射を指示するトリガ信号を発生する工程と、前記トリガ信号に応答して前記変調されたレーザー光を前記基板に照射して、前記薄膜を溶融して結晶化する工程とを具備する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、高い位置精度で非単結晶半導体膜に大結晶粒径の結晶化領域を高スループットで形成することができるレーザー結晶化装置及び結晶化方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の１実施形態は、非単結晶半導体膜を結晶化させるレーザー結晶化装置及び結晶化方法において、レーザー光照射位置の高い位置決め精度及び高スループットを実現するものである。本実施形態のレーザー結晶化装置及び結晶化方法では、位相変調素子（以下、位相シフタと呼ぶ）を使用してレーザー光に所望の光強度分布を与えた後に、レーザー光を非単結晶半導体膜に照射することによって結晶化半導体膜を形成する。
【００１８】
この明細書において、高スループットとは、基板保持ステージが、一方向、例えば、Ｘ方向に停止することなく連続移動中に、被処理基板の予め定められた位置に結晶化領域を形成することである。基板保持ステージ又は被処理基板の所定方向のレーザー光照射位置とは、予め定められた結晶化領域又は結晶化のためのレーザー光照射位置である。レーザー光照射位置を決定するとは、被処理基板にマークを設け、基板保持ステージの連続移動中にこのマークが所定位置を通過する時間の計測を行い、この計測値（信号）に基づいてレーザー光を照射するためのタイミングを決定する若しくは補正することである。大結晶化領域とは、ＴＦＴの少なくともチャネル領域以上の面積を有する結晶化半導体膜の領域をいう。
【００１９】
本発明の実施形態を、添付した図面を参照して以下に詳細に説明する。各図において、対応する同一部分は、対応する同一参照符号で示し、重複説明を省略している。以下の実施形態は、一例として示されたもので、本発明の精神から逸脱しない範囲で種々の変形をして実施することが可能である。
【００２０】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態は、基板保持ステージを所定の方向に連続移動させながら、被処理基板上に形成したマークが所定位置を通過する時間を計測し、その計測値に基づいて、結晶化用レーザー光を被処理基板に照射するタイミングを決定するレーザー結晶化装置及び結晶化方法である。
【００２１】
本実施形態に使用するレーザー結晶化装置１００の一例を図１に示す。レーザー結晶化装置１００は、結晶化光学系２、基板保持ステージ４０、ステージ位置計測システム５０、マーク計測システム６０、及びレーザー・トリガ信号発生システム７０を具備する。レーザー結晶化装置１００の光学系は、結晶化光学系２の結晶化用レーザー光路に同軸的にマーク計測システム６０の光路が形成されている。レーザー結晶化装置１００の光学系の結晶化用照明系およびマーク計測用照明系からの照明光は、上記光路にミラー２５、６２を介して導光される構成になっている。
【００２２】
マーク３５が形成された被処理基板３０は、基板保持ステージ４０上の所定の位置に位置合せされて載置される。基板保持ステージ４０は、ステージ駆動部４５により予め定められた一方向、例えば、被処理基板３０の長手方向（例えば、Ｘ方向）に連続移動される。
【００２３】
マーク計測システム６０は、移動している被処理基板３０上に予め設けられたマーク３５を光検出器６５が光学的に計測し、その計測結果をレーザー・トリガ信号発生システム７０に出力する。レーザー・トリガ信号発生システム７０は、上記光検出器６５の計測値及びステージ位置計測システム５０からのステージ位置情報に基づいて、被処理基板３０の所定の位置に結晶化用レーザー光を照射するためのタイミングを決定する。タイミングを決定後、レーザー・トリガ信号発生システム７０は、このマーク３５の検出直後にレーザー・トリガ信号をエキシマ照明光学系２０のエキシマ・レーザー光源に出力する。エキシマ照明光学系２０は、結晶化用のレーザー光を出射し、位相シフタ２４を介して被処理基板３０を照射するか、若しくは所定の遅延時間後にレーザー光を位相シフタ２４を介して被処理基板３０に照射する。
【００２４】
被処理基板３０は、基板保持ステージ４０上の予め定められた位置に脱着可能に、例えば、真空吸着で保持される。被処理基板３０は、例えば、５５０ｍｍ×６５０ｍｍの大面積基板である。結晶化の処理を受ける被処理基板３０の構成は、図２に示したように、一般に、保持基板３１（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））上に絶縁膜３２を介して非単結晶半導体膜３３（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、この半導体膜３３上にキャップ膜として絶縁膜３４を設けたものである。
【００２５】
非単結晶半導体膜３３、例えば、脱水素処理をした非晶質シリコン膜３３の膜厚は、３０ｎｍから３００ｎｍであり、例えば、５０ｎｍである。絶縁膜３２は、非単結晶半導体膜３３を結晶化する際に、保持基板３１から好ましくない不純物が非単結晶半導体膜３３に拡散することを防止するために設けられた膜である。
【００２６】
キャップ絶縁膜３４は、レーザー光に対するキャップ絶縁膜３４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３３が受光して溶融させるときに熱を蓄える機能を有する。キャップ絶縁膜３４の蓄熱効果は、非単結晶半導体膜３３の上記溶融領域に大粒径（５μｍ以上）の結晶化を可能にする。キャップ絶縁膜３４は、結晶化の効率を高めるためのものであるが、省略することができる。
【００２７】
被処理基板３０に設けられた非単結晶半導体膜３３には、大粒径の結晶化工程に先立って、図３（ａ）に一例を示したように、マーク３５が、例えば、結晶化技術、リソグラフィ技術及びエッチング技術により形成される。マーク３５は、マーク計測システム６０により光学的に検出可能なパターンであり、結晶化に悪影響を及ぼさないことが要求される。
【００２８】
この要件を満たせば、マーク３５は、非単結晶半導体膜３３に形成することに限定されず、非単結晶半導体膜３３上に形成したキャップ絶縁膜３４、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜に形成することもできる。
【００２９】
マーク３５は、少なくとも、被処理基板３０の連続移動方向（例えば、Ｘ方向）のレーザー光照射位置を高精度に決定するため、若しくは位置を補正するために設けられる。マーク３５は、例えば、連続移動方向に直線的に配列して形成された周期的パターンであり、結晶化用レーザー光の照射位置と一定の関係を有する位置に形成される。レーザー光の照射位置の近くにマーク３５を形成することができるが、マーク３５と照射位置の相対関係が一定であれば離れた位置であっても良い。また、各レーザー光照射位置に対応するようにマーク３５を形成することができるが、例えば、１つ置き若しくは数個置きに、あるいは基板の連続移動方向に数個程度だけとすることもできる。あるいは、レーザー光照射位置の数よりも多くのマーク３５を形成し、被処理基板３０の移動量を直接、より細かく計測することもできる。
【００３０】
マーク３５のパターンの一例を、図３（ｂ）に示す。このパターンは、連続移動方向（Ｘ方向）に直交するＹ方向に長い数μｍから数１０μｍ幅のラインであり、レーザー光照射領域のＹ方向に隣接して設けられる。例えば、２μｍ幅のラインパターンを基板保持ステージ４０の移動速度５００ｍｍ／ｓｅｃで光学的に読み取った場合、２×１０−６（ｍ）／０．５（ｍ／ｓｅｃ）＝４μｓｅｃのパルス幅の信号が得られる。図の例では、２μｍ幅、１００μｍ長さのマーク３５が、５ｍｍ間隔でレーザー光照射数に対応した数だけ非晶質半導体膜３３に形成されている。
【００３１】
マーク３５の幅２ｘは、マーク３５の位置Ｂの中心線Cとエキシマ・レーザー光照射領域Ａ、例えば、５ｍｍ×１０ｍｍ、の中心線Cとを一致させて配置させた場合に、以下のように決められる。マーク３５の一端を検出してからエキシマ・レーザー光を照射するまでの遅延時間を２μｓｅｃとし、基板保持ステージ４０の移動速度を５００ｍｍ／ｓｅｃとする。上記の遅延時間の間に基板保持ステージ４０は、
５００（ｍｍ／ｓｅｃ）×２×１０−６（ｓｅｃ）＝１×１０−３（ｍｍ）＝１（μｍ）
だけ移動する。換言すると、マーク３５のエッジをエキシマ・レーザー光照射領域Ａの中心線Cから１μｍだけずらすと、マーク３５の中心線とエキシマ・レーザー光照射領域Ａの中心線Cとが一致する。Ｘ方向の移動は、折り返して行われるため、マーク３５のエッジを中心線Cからそれぞれ左右に１μｍずらす、すなわち、マーク３５の幅を２μｍとすればよいことになる。
【００３２】
図１に示したマーク計測システム６０は、マーク３５を光学的に計測するための照明光を出射する照明光源６１からの照明光をミラー６２、エキシマ結像光学系２６、可視光補正レンズ６３、ミラー２５およびエキシマ結像光学系２６を通して被処理基板３０上のマーク３５をミラー６２の透過光路にピンホール６４を介して設けられた光検出器６５例えば撮像装置で撮像するシステムである。
【００３３】
このマーク計測システム６０は、少なくとも１組の照明光源６１と光検出器６５を備える。照明光源６１からの照明光、例えば、可視レーザー光を被処理基板３０に照射し、照射位置から固定寸法だけ離れた位置に、基板保持ステージ４０の連続移動方向に沿って周期的に配置された位置検出用のマーク３５からの反射光を可視補正レンズ６３によりピンホール６４又は光検出器６５に結像させてマーク３５を検出する。
【００３４】
マーク３５からの反射光強度は、マーク３５のエッジで変化するので、検出信号のエッジからマーク３５位置を正確に計測できる。光検出器６５は、撮像装置の実施例について説明したが、マーク３５のエッジでの変化を検出できる手段であればいずれのセンサであってもよい。光検出器６５は、μｓｅｃ以下の十分に速い信号応答性が要求され、フォトダイオード、光電子増倍管のほか、高速２次元検出器（例えば、フォトダイオードアレイやＣＭＯＳセンサ）を使用することができる。
【００３５】
図１では、マーク計測システム６０は、エキシマ結像光学系２６を通した光学系としたが、図４に示したように、簡略化したマーク計測システム６０’をエキシマ結像光学系２６の側方（横）に配置することができる。この場合には、マーク計測システム６０’の計測位置と照射位置とが、相対的に一定の位置関係であることが必要である。この位置関係は、例えば、図３（ｂ）で説明したように、結晶化用エキシマ・レーザー光の照射領域のＹ方向に隣接する位置Ｂとすることができる。図４では、図１ないし図３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。
【００３６】
次に、図１に示したレーザー結晶化装置１００のマーク計測システム６０以外の部分について少し詳しく説明する。
【００３７】
結晶化光学系２は、光源、例えば、エキシマ照明光学系２０と、この光学系２０の出射光路上に、位相シフタ２４と、反射鏡２５と、エキシマ結像光学系２６とが順次配置されて構成されている。エキシマ照明光学系２０は、位相シフタ２４を照明する結晶化用レーザー光を射出、調整する光学系である。
【００３８】
位相シフタ２４は、結晶化用レーザー光を位相変調して所定の光強度分布を持つように調整する。エキシマ結像光学系２６は、位相シフタ２４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３３に縮小照射する。図１では、位相シフタ２４をエキシマ照明光学系２０とエキシマ結像光学系２６との間に設置したプロジェクション方式を図示しているが、位相シフタ２４を被処理基板３０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。
【００３９】
基板保持ステージ４０は、マーク３５を形成した被処理基板３０を脱着可能に保持し、ステージ駆動部４５によりＸ，Ｙ及びＺ方向に移動可能である。基板保持ステージ４０は、必要に応じて、Ｘ軸若しくはＹ軸を回転軸とした角度を調整するα若しくはθ調整機能及びＺ軸を回転軸としたω調整機能を備えることができる。基板保持ステージ４０の移動は、高精度で再現性が良いことが要求され、例えば、エア・ベアリングとリニア・モータ駆動機構によって移動される。Ｘ方向の移動速度は、例えば、５００ｍｍ／ｓｅｃである。
【００４０】
ステージ位置計測システム５０は、移動している基板保持ステージ４０の位置を高精度に計測する。ステージ位置計測システム５０は、ステージ位置制御ユニット５１、Ｘ方向位置計測ユニット５２、Ｙ方向位置計測ユニット５３、及びＺ方向位置計測ユニット５４を具備する。ステージ位置計測システム５０の出力は、ステージ駆動部４５に送られる。さらに、ステージ位置計測システム５０の出力は、必要に応じてレーザー・トリガ信号発生システム７０にも供給される。
【００４１】
Ｘ方向位置計測ユニット５２及びＹ方向位置計測ユニット５３は、例えば、レーザー干渉計、リニア・スケールを用いて高速かつ数１０ｎｍオーダーの高精度で、Ｘ方向及びＹ方向の基板保持ステージ４０の移動距離をそれぞれパルス信号としてカウントし基板保持ステージ４０の位置を計測することができる。
【００４２】
Ｚ方向位置計測ユニット５４は、被処理基板３０の高さを計測するもので、例えば、上記のリニア・スケールを用いることが可能である。しかし、図示しないが、ガラス基板の厚みに数１０μｍ程度のバラツキが存在するので、例えば、レーザー光による表面反射を利用して被処理基板３０表面の実際の高さを計測する試料表面位置計測システムを使用する方がより実効的である。上記基板３０の表面高さを計測する位置として、レーザー光照射位置を計測する手法以外に、次に照射する位置の被処理基板３０の表面高さを予め先読み計測しＺ軸を制御する方式を採用することもできる。
【００４３】
レーザー・トリガ信号発生システム７０は、基板保持ステージ４０がレーザー光を照射すべき位置に移動する時間に合わせてレーザー光が照射されるように、レーザー光が照射されるまでの遅延時間を見込んで、前もって結晶化用レーザー光のトリガ信号を発生する。照射すべき時間の判定は、上記基板３０上のマーク３５をマーク計測システム６０で読み取って直接判定してもよいし、ステージ位置計測システム５０からのステージ位置信号を、上記基板３０上のマーク３５を計測することにより補正する手法でもよい。この場合、レーザー・トリガ信号発生システム７０は、上記基板３０上のマーク計測信号からのパルスカウント値とステージ位置計測ユニット５０からのＸ位置パルス信号を比較、演算して、トリガ信号を発生する。基板保持ステージ４０が所定の位置に移動してから、レーザー・トリガ信号発生システム７０がレーザー光のトリガ信号を発生するまでの遅延時間は、１μｓｅｃ以下である。また、エキシマ・レーザー光源２１がトリガ信号を受信して、レーザー光を射出するまでの時間も１μｓｅｃ以下である。
【００４４】
図５は、図１に示したレーザー結晶化装置１００で使用される、結晶化光学系２のエキシマ照明光学系２０の一例を示す図である。エキシマ照明光学系２０は、レーザー光源２１と同一光軸上に設けられた、ビーム・エキスパンダ２２と、ホモジナイザ２３とをさらに含む。レーザー光源２１からのレーザー光は、ビーム・エキスパンダ２２で拡大され、ホモジナイザ２３により面内の光強度が均一化されて、位相シフタ（位相変調素子）２４に照射される。位相シフタ２４を透過したエキシマ・レーザー光は、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され、反射鏡２５により被処理基板３０に向けて方向を変えられて、結像光学系２６、例えば、エキシマ結像光学系を介して被処理基板３０上に照射される。
【００４５】
レーザー光源２１は、被処理基板３０に設けられた非単結晶半導体膜３３、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３３上で１Ｊ／ｃｍ2を有する光を出力する。レーザー光源２１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。エキシマ・レーザー光源２１は、例えば、パルス発振型であり、発振周波数は、例えば、１００Ｈｚから３００Ｈｚである。本実施形態では、発振周波数が１００Ｈｚ、半値幅が２５ｎｓｅｃのＫｒＦエキシマ・レーザー光を使用している。また、被処理基板３０上に照射されるＫｒＦエキシマ・レーザー光の光エネルギー量は、非単結晶シリコン膜を溶融するに必要な、例えば、１Ｊ／ｃｍ２程度である。
【００４６】
ビーム・エキスパンダ２２は、入射されたレーザー光を拡大するもので、図５に示したように、拡大する凹レンズ２２ａと平行光にする凸レンズ２２ｂとからなる。
【００４７】
ホモジナイザ２３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方向に複数個並べ、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。すなわち、図５に示すように、Ｘ方向シリンドリカル・レンズ２３ａとＸ方向コンデンサ・レンズ２３ｂからなる第１ホモジナイザ、及びＹ方向シリンドリカル・レンズ２３ｃとＹ方向コンデンサ・レンズ２３ｄからなる第２ホモジナイザから構成される。第１ホモジナイザは、位相シフタ２４上でのレーザー光のＹ軸方向に関する均一化を行い、第２ホモジナイザは、位相シフタ２４上でのＸ軸方向に関するレーザー光強度の均一化を行う。これによって、ホモジナイザ２３によりＫｒＦエキシマ・レーザー光は、所定の角度広がりをもち断面内の光強度が均一化された照明光に調光され、位相シフタ２４を照射する。
【００４８】
位相シフタ２４は、位相変調素子の一例であり、例えば、石英ガラス基板に段差をつけたものである。この段差の境界でレーザー光の回折と干渉を起こさせ、レーザー光強度に周期的な空間分布を付与するものであり、例えば、左右で１８０°の位相差を付ける。左右で１８０°の位相差を付けた位相シフタ２４は、入射光を左右対称な逆ピーク状光強度分布に位相変調する。段差（厚み分布）ｄは、レーザー光の波長をλ、位相シフタの透明基板の屈折率ｎとしたとき、ｄ＝λ／２（ｎ−１）で求められる。この式から、位相シフタ２４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２４は、入射光を位相変調して逆ピーク状光強度分布を形成するように段差が形成されており、エキシマ・レーザー光の位相を半波長だけシフトさせる。この結果、半導体膜３３を照射するレーザー光は、位相のシフト部（段差）に対応した箇所が最小光強度となる逆ピーク・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。
【００４９】
位相シフタ２４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２６により位相シフタ２４と共役な位置に設置された被処理基板３０上に、所定の光強度分布で結像する。エキシマ結像光学系２６は、例えば、複数枚のフッ化カルシウム（ＣａＦ２）レンズ及び合成石英レンズからなるレンズ群により構成される。エキシマ結像光学系２６は、例えば、縮小率：１／５、Ｎ．Ａ．：０．１３、解像力：２μｍ、焦点深度：±１０μｍ、焦点距離：５０ｍｍから７０ｍｍの性能を持つ長焦点レンズである。
【００５０】
エキシマ結像光学系２６は、位相シフタ２４と被処理基板３０とを光学的に共役な位置に配置する。換言すれば、被処理基板３０上の非単結晶半導体膜３３は、位相シフタ２４と光学的に共役な面（エキシマ結像光学系２６の像面）に設置されている。エキシマ結像光学系２６は、レンズ間に開口絞りを備えたテレセントリック光学系となっている。
【００５１】
このような結晶化用光学系２を使用して、被処理基板３０に所望の光強度分布を有する結晶化用レーザー光を照射することができる。
【００５２】
図１に示したようなレーザー結晶化装置１００において、まず、結晶化用レーザー光の発振周波数を固定して、基板保持ステージ４０を等速移動して結晶化を行うことを想定する。基板保持ステージ４０の移動速度は、結晶化用レーザー光源２１の発振周波数及び１回のレーザー光の照射面積に依存して決定される。
【００５３】
例えば、結晶化用レーザー光の結晶化フルエンスを１Ｊ／ｃｍ２、レーザー光源２１の発振周波数を１００Ｈｚ、レーザー光のパルス幅を、例えば、３０ｎｓｅｃとし、照射面積を５ｍｍ×１０ｍｍとする。このような条件で、被処理基板３０を隙間なく照射する場合、基板保持ステージ４０は、レーザー光の照射間隔（１００Ｈｚ）の間に、５ｍｍ移動する。すなわち、基板保持ステージ４０の移動速度（Ｖ）は、Ｖ＝５ｍｍ×１００Ｈｚ＝５００ｍｍ／ｓｅｃに設定すればよい。レーザー光のパルス幅、例えば、３０ｎｓｅｃは、基板保持ステージ４０の移動速度（Ｖ）、５００ｍｍ／ｓｅｃに対して、５００ｍｍ/ｓｅｃ×３０nｓｅｃ＝１５０００×１０−９ｍｍ＝１５×１０−６ｍｍ＝１５ｎｍと十分に小さく実質的に停止しているといえる短時間である。そのため、所定のレーザー光の照射領域にレーザー光を照射して、溶融することができる。換言すれば、上記結晶化工程は、基板保持ステージ４０を連続移動させた状態で、パルス・レーザー光による結晶化を可能にする。基板保持ステージ４０の移動は、上記レーザー光源によるレーザー光照射位置に対して相対的に所定方向に連続移動する。
【００５４】
このような基板保持ステージ４０の移動速度は、エア・ベアリングとリニア・モータを組み合わせた駆動機構により実現可能である。しかし、エア・ベアリング、リニア・モータ駆動機構の速度安定性は、せいぜい±０．１％程度である。したがって、レーザー光発振周波数を１００Ｈｚに固定し、基板保持ステージ４０を連続移動しつつレーザー光照射した場合の位置精度は、（５００ｍｍ／ｓｅｃ±０．１％）×（１／１００Ｈｚ）＝５ｍｍ±０．１％＝４９９５μｍ〜５００５μｍとなり，±５μｍの照射位置の誤差が発生する。この場合、要求されている位置精度±１μｍが得られない。つまり、結晶化用レーザー光の発振周波数を固定して、基板保持ステージ４０を等速移動して結晶化を行うだけでは、結晶粒の形成位置を所定の精度、１μｍ以下にできない。そのため、結晶化用レーザー光の照射タイミングを何らかの位置計測によって制御する必要がある。
【００５５】
ステージ位置計測ユニット５０は、干渉計もしくはリニア・スケールによるステージ位置計測を実施しており、数１０ｎｍの長さ分解能でステージ移動距離を測長することができる。このステージ計測信号をもとに５ｍｍ進むごとにレーザー光を照射する場合を考える。ここで、上記基板３０の膨張が起こらないものと仮定する。５ｍｍの移動を計測してからレーザー光が照射されるまでの遅延時間を２μｓｅｃとすると、この遅延時間の間のステージ移動距離は、（５００ｍｍ／ｓｅｃ±０．１％）×２μｓｅｃ＝１μｍ±０．１％＝０．９９９μｍ〜１.００１μｍ（誤差０．００１μｍ）となり、±１μｍ以下の位置精度の要求を十分に満たすことができる。
【００５６】
ところが、上記基板３０の熱膨張があった場合、ステージ位置計測信号を上記基板３０上のマーク３５から位置補正を加える必要が生じる。本実施形態のようにレーザー結晶化装置１００の例では，非単結晶半導体膜３３を１０００℃以上の温度に加熱して溶融させるので、上記基板３０の熱膨張が大きく、上記基板３０上のマーク３５から補正する必要が生じる。一例をあげると、一辺７３０ｍｍのガラス基板で温度が１℃上昇すると、線膨張係数を３ｐｐｍ／℃として、７３０ｍｍ×３ｐｐｍ＝２．２μｍの基板３０の熱膨張が発生し、照射位置に誤差が発生する。
【００５７】
この熱膨張を、ステージ位置計測信号を主として上記基板３０上マーク３５から補正して照射する手法と、マーク３５の計測信号に基づいて照射タイミングを直接制御することでキャンセルする方法とがある。
【００５８】
図６は、本実施形態のマーク３５の計測信号に基づいて結晶化用レーザー光の照射タイミングを直接制御する結晶化プロセスの一例を説明するために示すフローチャートである。
【００５９】
結晶化プロセスは、ステップ１０２において、被処理基板３０に設けられた、例えば、非単結晶半導体膜３３にマーク３５を形成することで始まる。マーク３５は、例えば、露光プロセスによって形成するライン・パターンである。マーク３５は、例えば、図３（ａ）、（ｂ）に示したパターンを使用することができる。結晶化用レーザー光の１ショットの照射面積を、例えば、５ｍｍ×１０ｍｍとし、各レーザー光の照射位置に対応してマーク３５を形成するとすれば、図３（ａ）のように、マーク３５は、Ｘ方向に５ｍｍピッチ、Ｙ方向に１０ｍｍピッチで規則的に配置される。
【００６０】
被処理基板３０を基板保持ステージ４０に載置し（ステップ１０４）、ステージ４０をＸ方向に連続移動する（ステップ１０６）。Ｘ方向の基板保持ステージ４０の移動速度は、上記のように、例えば、５００ｍｍ／ｓｅｃである。
【００６１】
基板保持ステージ４０の移動は、マーク計測システム６０によりモニタされる。同時に、Ｘ方向位置計測ユニット５２により、基板保持ステージ４０のＸ方向の位置を計測することもできる。
【００６２】
所定のマーク３５の検出（ステップ１０８）から結晶化用レーザー光の照射（ステップ１１２）までのプロセスの一例を、図７に示したタイムラインを参照して説明する。図は、理解を容易にするために模式的に示している。
【００６３】
時刻ｔ１において、マーク計測システム６０は、非単結晶半導体膜３３上の所定のマークを検出して、マーク検出信号ＤＳを発生する（ステップ１０８）。マーク検出信号ＤＳは、レーザー・トリガ信号発生システム７０に送られる。
【００６４】
レーザー・トリガ信号発生システム７０は、マーク検出信号ＤＳに応答して、予め決められた条件にしたがって、時刻ｔ２においてレーザー・トリガ信号ＴＳを発生する（ステップ１１０）。ここでは、位置検出信号ＤＳを受信すると直ぐにトリガ信号ＴＳを発生する場合について説明する。レーザー・トリガ信号発生システム７０内で、マーク検出信号ＤＳを受信してから、レーザー・トリガ信号ＴＳを発生するまでの遅延時間は、１μｓｅｃ以下である。レーザー・トリガ信号ＴＳは、結晶化用レーザー光源２１に送られる。
【００６５】
レーザー光源２１は、レーザー・トリガ信号ＴＳを受信すると、時刻ｔ３において結晶化用パルス・レーザー光を発生して、被処理基板３０上の非単結晶半導体膜３３を照射する（ステップ１１２）。レーザー・トリガ信号ＴＳを受信してから、結晶化用レーザー光を照射するまでの遅延時間は、１μｓｅｃ以下である。
【００６６】
この例では、マーク計測システム６０が非単結晶半導体膜３３上のマークを検出してから結晶化用レーザー光を照射するまでの遅延時間は、ｔ３−ｔ１＜２μｓｅｃである。
【００６７】
その後、ステップ１１４へ進み、Ｘ方向の全ての位置が照射されたかを判断する。照射されていなければ、ステップ１０８へ戻り、次のマーク３５を検出する。Ｘ方向の全ての位置が照射されていれば、ステップ１１６へ進む。ステップ１１６では、Ｙ方向の全ての位置が照射されたかを判断する。照射されていなければ、ステップ１１８へ進み、Ｙ方向の次の位置に基板保持ステージ４０を移動して、ステップ１０６へ戻る。Ｙ方向の全ての位置が照射されていれば、プロセスは終了する。
【００６８】
上記のステップ１１０において、レーザー・トリガ信号発生システム７０が、マーク検出信号ＤＳを受信してからレーザー・トリガ信号ＴＳを発生させるまでのステップに、予め定められた遅延時間を組み込むことができる。マーク３５の幅が、上記の設定より広い場合がその一例である。この場合には、レーザー光を照射する領域を予め定められたレーザー光照射領域Ａの中心線に合わせるために、マーク位置検出信号ＤＳを受信してから（Ｘ方向位置計測ユニット５２の計測結果に基づいて）所定の距離を移動した後で、トリガ信号ＴＳを発生させる必要がある。
【００６９】
図８は、本実施形態の結晶化プロセスの他の一例を説明するために示すフローチャートである。この例では、被処理基板の延び等の変形を、ステージ位置計測を主として被処理基板３０上のマーク３５から補正して結晶化用レーザー光を照射する手法である。
【００７０】
この例の結晶化プロセスは、ステップ２０２からステップ２０６までは、上記の図６の例のステップ１０２からステップ１０６と同じである。すなわち、非単結晶半導体膜３３にマーク３５を形成した被処理基板３０を基板保持ステージ４０に載置し、基板保持ステージ４０をＸ方向に連続移動する。
【００７１】
基板保持ステージ４０の移動状態は、ステージ位置計測システム５０により連続的に計測される（ステップ２０８）。このステージ位置の計測とは独立に、マーク計測システム６０は、基板保持ステージ４０に仮固定されている被処理基板３０の所定の位置に設けられたマーク３５の位置を検出し、マーク検出信号ＤＳを発生する（ステップ２１０）。結晶化プロセス中の熱により被処理基板３０が延びたり反ったり（被処理基板３０の変形）すると、検出されたマーク３５に対応する計測された基板保持ステージ４０の位置が、所定の位置からずれることがある。
【００７２】
そこで、ステップ２１２において、検出されたマーク３５の配列位置と対応する計測されたマーク検出信号ＤＳと、ステージ位置計測システム５０により計測された基板保持ステージ４０の位置信号とを比較して、両者の差が、予め定められた許容範囲内にあるかどうかを判断する。差が許容範囲内であれば、マーク検出信号ＤＳをレーザー・トリガ信号発生システム７０に送り、ステップ２１６へ進む。差が許容範囲より大きければ、ステップ２１４において、ステージ位置計測システム５０は、被処理基板３０の変形が上記予め定められた許容範囲内に入るように基板保持ステージ４０の位置を補正する制御信号をステージ駆動部４５に出力する。ステージ駆動部４５は、被処理基板３０の変形を補正する制御信号により基板保持ステージ４０の位置を補正制御する。この基板保持ステージ４０の位置を補正をした後で、マーク計測システム６０は、マーク検出信号ＤＳをレーザー・トリガ信号発生システム７０に送り、ステップ２１６へ進む。
【００７３】
ステップ２１６のレーザー・トリガ信号ＴＳの発生からステップ２２４までは、図６の例のステップ１１０からステップ１１８と同じであるため、説明を省略する。
【００７４】
このように、この結晶化プロセスは、ステージ位置計測システム５０とマーク計測システム６０との両者の計測結果に基づいて、結晶化プロセスにおいて被処理基板３０に微視的な変形が発生しても所定の許容範囲より大きければ結晶化用レーザー光の照射位置を正確に決定できる（位置合せ機能）。
【００７５】
本実施形態にしたがって、大面積基板、例えば、６５０ｍｍ×５５０ｍｍ、の全面積をレーザー光照射する場合に要する時間は、
（６５０ｍｍ／５００ｍｍ／ｓｅｃ）×（５５０ｍｍ／１０ｍｍ）＝７１．５ｓｅｃ
になる。実際には、基板保持ステージ４０の１回のＸ方向走査が終わるとＹ方向に移動させて、Ｘ方向の走査をその都度反転させて合計５５回繰り返す。そのため、Ｙ方向に移動させるための時間、及びＸ方向の移動を反転させるための減速及び加速時間が必要になる。これらを勘案してもスループットは、１時間当り２０〜３０枚程度と見積もられ、高スループットを実現できる。
【００７６】
本実施形態では、Ｘ方向の高精度な位置合せを説明したが、位置計測システム５０のＹ方向位置計測ユニット５３及び／若しくはＺ方向位置計測ユニット５４を利用して、Ｙ方向及び／若しくは非単結晶半導体膜３３表面に垂直なＺ方向の位置制御を同時に併用することができる。
【００７７】
エア・ベアリングとリニア・モータ駆動を使用した高精度のステージであっても、ストロークが、例えば、１ｍと長くなると、その真直度は、Ｙ方向及びＺ方向では良い場合でも１０μｍ程度である。したがって、ＰＭＥＬＡ装置では、１μｍ以下の位置精度でレーザー光を照射することが要求されているので、Ｘ方向に基板保持ステージ４０を移動させながら、同時にＹ方向及び／若しくはＺ方向の位置補正を実施することが好ましい。これらの位置補正は、ステージ位置計測システム５０を用いて行うことができる。
【００７８】
このようにして、高精度な位置決めが可能になり、高速で、かつ高精度に位置決めした基板に所定の光強度分布を有するレーザー光を照射することによって、半導体膜を溶融・結晶化させて大結晶粒径を有する半導体膜を形成することが可能な、高スループットのレーザー結晶化装置及び結晶化方法を提供することができる。
【００７９】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態は、Ｘ方向だけでなくＹ方向のマーク３５Ｙを形成して、高精度にＸ方向及びＹ方向の両方の位置合せをしながらレーザー光を照射して、結晶化を行うものである。図１ないし図８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。
【００８０】
本実施形態で使用される位置合せパターン３５の被処理基板３０上の配置例を図９（ａ）に示す。被処理基板３０に設けられた非単結晶半導体膜３３のＸ走査方向の両端には（例えば、短辺に沿って）、Ｘ方向に走査する各位置に対応して、Ｙ方向のマーク３５Ｙが形成されている。図９（ａ）では、＋印で示されている。Ｘ方向マーク３５Ｘは、これらの間に形成され、図９（ａ）では、タテの線分で示されている。Ｙ方向の位置合せ精度は、Ｘ方向ほど高精度が要求されないため、例えば、レーザー光を照射する基板の各列の両端にＹ方向マーク３５Ｙを設ける程度で、十分な効果が得られる。Ｙ方向マーク３５Ｙの計測は、図１若しくは図４に示した、マーク計測システム６０、６０’を用いて実行することができる。さらに、マーク計測システム６０とは別に、図１０に示したように、１個若しくは複数個のＹ方向マーク検出用カメラ６８を配置することができる。Ｙ方向マーク検出用カメラ６８の信号は、マーク計測システム６０に送られ、Ｙ方向計測信号を発生する。Ｙ方向計測信号は、マーク計測システム６０からステージ位置計測システム５０に送られ、基板保持ステージ４０のＹ方向の位置を補正する。したがって、Ｙ方向の基板位置は、各Ｘ方向の移動の初めにＹ方向マーク３５Ｙを使用して位置合せをした後に、Ｙ方向位置計測ユニット５３によりＹ方向の位置合せを行いながら結晶化プロセスを進める。Ｙ方向の基板位置合せは、上記のように各Ｘ方向の移動毎に行わずに、数回のＸ移動毎に行うようにすることができる。
【００８１】
本実施形態の他の結晶化プロセスの一例を図１１に示したフローチャートにしたがって説明する。図１ないし図１０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。
【００８２】
結晶化プロセスは、ステップ３０２において、被処理基板３０に設けられた非単結晶半導体膜３３にマーク３５を形成することで始まる。マーク３５は、例えば、露光プロセスによって形成される光学的に検出可能なパターンである。図９（ａ）に示されたように、被処理基板３０のＸ方向走査位置に対応して、非単結晶半導体膜３３のＸ走査方向の両端にＹ方向のマーク３５Ｙが設けられ、それらの内側にＸ方向のマーク３５Ｘが設けられている。
【００８３】
マーク３５を形成された被処理基板３０は、基板保持ステージ４０に載置される（ステップ３０４）。基板保持ステージ４０の位置は、マーク計測システム６０及び位置計測システム５０によりモニタされる。マーク計測システム６０は、ステップ３０６において、被処理基板３０のＸ走査方向の端に設けられたＹ方向マーク３５Ｙを検出してＹ方向の被処理基板３０の位置を精度良く合わせる。
【００８４】
Ｙ方向の位置合せ後、基板保持ステージ４０は、Ｘ方向に連続移動を開始する（ステップ３０８）。Ｘ方向の基板保持ステージ４０の移動速度は、上記のように、例えば、５００ｍｍ／ｓｅｃである。
【００８５】
被処理基板３０のＸ方向の移動とともに、マーク計測システム６０は、ステップ３１０において、Ｘ方向マーク３５Ｘを検出する。そして、マーク検出信号ＤＳを発生して、レーザー・トリガ信号発生システム７０に送る。
【００８６】
レーザー・トリガ信号発生システム７０は、ステップ３１２において、マーク検出信号ＤＳに応答して、予め決められた条件にしたがってレーザー・トリガ信号ＴＳを発生し、トリガ信号ＴＳを結晶化用レーザー光源２１に送る。予め決められた条件は、例えば、マーク検出信号ＤＳを受信すると直ちにレーザー・トリガ信号ＴＳを発生する、あるいは、所定の遅延時間後にレーザー・トリガ信号ＴＳを発生する、等である。
【００８７】
レーザー光源２１は、ステップ３１４において、レーザー・トリガ信号ＴＳを受信すると、結晶化用パルス・レーザー光を発生し、被処理基板３０上の非単結晶半導体膜３３を照射する。
【００８８】
その後、ステップ３１６へ進み、Ｘ方向の全ての位置が照射されたかを判断する。照射されていなければ、ステップ３１０へ戻り、次のＸ方向マーク３５Ｘを検出する。Ｘ方向の全ての位置が照射されていれば、ステップ３１８へ進む。ステップ３１８では、Ｙ方向の全ての位置が照射されたかを判断する。照射されていなければ、ステップ３２０へ進み、Ｙ方向の次の位置に基板保持ステージ４０を移動して、ステップ３０６へ戻る。Ｙ方向の全ての位置が照射されていれば、プロセスは終了する。
【００８９】
このようにしてＸ方向及びＹ方向の両者のマーク３５Ｘ，３５Ｙを使用して、Ｘ方向だけでなくＹ方向も高精度に位置合せをして結晶化を実施することができる。
【００９０】
マーク３５は、上記に限定されることなく、種々のものが考えられる。例えば、図９（ｂ）に示したように、被処理基板３０のＸ方向走査位置に対応して、非単結晶半導体膜３３の両端にＸ方向及びＹ方向の位置合せを同時に行うマーク３５ＸＹのみを設け、Ｘ方向位置計測ユニット５２の計測結果に基づいて、両端のマーク３５の間のＸ方向のレーザー光照射位置を決定することができる。
【００９１】
このようにして、高速で、かつ高精度に位置決めした基板に所定の光強度分布を有するレーザー光を照射することによって、半導体膜を溶融・結晶化させて大結晶粒径を有する半導体膜を形成することが可能な、高スループットのレーザー結晶化装置及び結晶化方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】図１は、本発明装置の第１の実施形態を説明するためのレーザー結晶化装置の一例を示すシステム構成図である。
【図２】図２は、図１の被処理基板の構造を説明するために示す断面図である。
【図３】図３は、図２の非単結晶半導体膜に形成されたマークの一例を示す図であり、図３（ａ）は、図２の非単結晶半導体膜に形成されたマークの全体配列状態を説明するための平面図であり、図３（ｂ）は、１個のマークとレーザー光照射領域との関係を説明するための拡大図である。
【図４】図４は、図１のマーク計測システム光学系の他の実施形態を説明するためのレーザー結晶化装置のシステム構成図である。
【図５】図５は、図１および図２の位相シフタを使用した結晶化光学系の具体的構成例を説明するためのシステム構成図である。
【図６】図６は、本発明方法の第１の実施形態を説明するための結晶化プロセスのフローチャートである。
【図７】図７は、図６に示した結晶化プロセスにおけるマークの検出から結晶化用レーザー光を照射するまでの各制御信号の関係を説明するためのタイムラインの一例を示す図である。
【図８】図８は、図６の他の結晶化プロセスの実施形態を説明するためのフローチャートである。
【図９】図９は、図３の他の実施形態を説明するためのマークの全体配列状態を示す平面図である。
【図１０】図１０は、図４の他の実施形態を説明するためのレーザー結晶化装置のシステム構成図である。
【図１１】図１１は、図６、８の他の実施形態の結晶化プロセスのフローチャートである。
【符号の説明】
【００９３】
１００…レーザー結晶化装置，２…結晶化用光学系，２０…エキシマ照明光学系，２１…レーザー光源，２２…ビーム・エキスパンダ，２３…ホモジナイザ，２４…位相シフタ，２５…反射鏡，２６…結像光学系（エキシマ結像光学系），３０…被処理基板，３１…支持基板，３２…絶縁膜，３３…半導体膜，３４…キャップ絶縁膜，３５…マーク，４０…基板保持ステージ，４５…ステージ駆動部，５０…ステージ位置計測システム，５１…ステージ位置制御ユニット，５２…Ｘ方向位置計測ユニット，５３…Ｙ方向位置計測ユニット，５４…Ｚ方向位置計測ユニット，６０…マーク計測システム，６１…照明光源，６２…ハーフミラー，６３…可視補正レンズ，６４…ピンホール，６５…光検出器，７０…レーザー・トリガ信号発生システム。
【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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