(57)【要約】【課題】基板の初期伸縮状態が個体毎に異なる要因、およびレーザー光照射で基板が熱膨張する要因による、レーザー光の照射位置の位置ずれを抑制する。【解決手段】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、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。各基板が共通に備える熱膨張による位置ずれ量と各基板に固有の初期伸縮量とを用いて照射位置の座標値を補正する補正手段と、補正手段の補正座標値を用いて、基板ステージ上の照射位置を補正制御する制御手段とを備える。初期伸縮量に基づいてレーザー光の照射位置を位置補正して基板が固有に備える位置ずれを解消し、熱膨張を予測して照射位置毎に位置補正することで熱膨張による位置ずれを解消する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光源からの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、
各基板が共通に備える熱膨張による位置ずれ量と各基板に固有の初期伸縮量とを用いて、照射位置の座標値を補正する補正手段と、
前記補正手段で求めた照射位置の補正座標値を用いて、前記基板ステージ上のレーザー光の照射位置を補正制御する制御手段とを備えることを特徴とする、結晶化装置。
【請求項２】
前記補正手段は、
各基板が共通に備える熱膨張による位置ずれ量を求める位置ずれ量演算手段と、
各基板に固有の初期伸縮量を求めるための初期伸縮係数を求める初期伸縮係数演算手段と、
各座標点について前記初期伸縮係数演算手段で求めた初期伸縮係数に当該座標点と基準位置との距離を乗じて初期伸縮量を求め、当該初期伸縮量に前記位置ずれ量演算手段で求めた位置ずれ量を加算して照射位置の補正座標値を求める補正座標値演算手段とを備え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】
前記位置ずれ量演算手段は、レーザー光照射による加熱状態の基準基板の撮像画像と、常温状態の基準基板の画像とを比較し、基板上の各座標点の位置ずれ量を求め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】
前記結像光学系と同一光軸上に配置した撮像手段を備え、当該撮像手段によって前記基準基板の撮像画像を取得することを特徴とする、請求項３に記載の結晶化装置。
【請求項５】
前記初期伸縮係数演算手段は、基板上の２つの所定位置の間の距離を算出し、当該算出した距離と基準距離との比率から初期伸縮係数を求め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６】
結晶化装置の基準座標系上に配置した２つの撮像手段を備え、当該２つの撮像手段は基板の２つの所定位置を個別に撮像し、当該撮像画像から所定位置の基準座標系上の座標値を求め、当該２つの座標値から所定位置の距離を算出することを特徴とする、請求項５に記載の結晶化装置。
【請求項７】
前記補正座標値演算手段は、求めた補正座標値を補正テーブルに格納し、
前記制御手段は、前記補正テーブルから補正座標値を読み出して前記基板ステージを駆動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８】
前記制御手段は、前記基板ステージの駆動タイミングと同期して前記レーザー光源を駆動するタイミングトリガを出力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９】
レーザー光源からの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、
基準基板にレーザー光を照射して、加熱状態の基準基板を撮像して撮像画像を取得し、
この加熱状態の基準基板の画像と常温状態の基準基板の画像とを比較し、
この画像比較によって基板上の各座標点の位置ずれ量から各基板が共通に備える熱膨張による位置ずれ量を求める位置ずれ量算出工程と、
結晶化対象の基板上の２つの所定位置を撮像し、当該撮像画像から所定位置の基準座標系上の座標値を求め、当該２つの座標値から所定位置の距離を算出し、当該算出した距離と基準距離との差を求め、当該差から各基板に固有の初期伸縮量を求める初期伸縮係数を求める初期伸縮係数算出工程と、
各基板が共通に備える熱膨張による位置ずれ量と結晶化対象の基板に固有の初期伸縮量とを用いて、照射位置の座標値を補正する補正工程と、
前記補正工程で求めた照射位置の補正座標値を用いて、前記基板ステージ上のレーザー光の照射位置を補正制御する制御工程とを備えることを特徴とする、結晶化装置のレーザー光の照射位置補正制御方法。
【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、およびこの結晶化装置において、レーザー光の照射位置を補正してステージを駆動する制御方法に関する。
【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。
【００１１】
本出願人は、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ために、基板上に形成した二次元パターンを撮像し、この撮像で得た二次元パターンをから位置決めステージの位置補正を行う特許出願を行っている（特許文献１参照）。
【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−」
【特許文献１】特開２００６−３３０２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本出願の発明者は、レーザー光を照射する際の位置決めは、ガラス基板の初期伸縮状態が個体毎に異なるという要因、およびレーザー光の照射中に基板が熱膨張するという要因の影響を受けることを見出した。
【００１３】
レーザー光の照射対象である各基板は、レーザー光を照射する前の状態において、各基板が固有の伸縮状態が異なる。また、レーザー光を照射した場合には、基板は照射されたレーザー光によって加熱されて熱膨張する。
【００１４】
これらに要因によって、レーザー光を本来照射すべき位置からずれた位置に照射されることになる。この照射位置の位置ずれは、基板の後工程において、トランジスタを基板上の各結晶粒内に形成する際の障害となる。
【００１５】
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、ガラス基板の初期伸縮状態が個体毎に異なるという要因、およびレーザー光の照射中に基板が熱膨張するという要因による、レーザー光の照射位置の位置ずれを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の結晶化装置は、基板個体が固有に持つ初期伸縮量を求め、この初期伸縮量に基づいてレーザー光の照射位置を位置補正することによって基板が固有に備える位置ずれの要因を解消する。また、レーザー光の照射中の熱膨張を予測して照射位置毎に位置補正することによって熱膨張による位置ずれの要因を解消する。
【００１７】
本発明の結晶化装置は、レーザー光源からの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基板ステージとを備え、これによって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ものであり、各基板が共通に備える熱膨張による位置ずれ量と各基板に固有の初期伸縮量とを用いて、照射位置の座標値を補正する補正手段と、この補正手段で求めた照射位置の補正座標値を用いて、基板ステージ上のレーザー光の照射位置を補正制御する制御手段とを備える。
【００１８】
本発明の結晶化装置が備える補正手段は、各基板が共通に備える熱膨張による位置ずれ量を求める位置ずれ量演算手段と、各基板に固有の初期伸縮量を求めるための初期伸縮係数を求める初期伸縮係数演算手段と、各座標点について初期伸縮係数演算手段で求めた初期伸縮係数にこの座標点と基準位置との距離を乗じて初期伸縮量を求め、求めた初期伸縮量に位置ずれ量演算手段で求めた位置ずれ量を加算して照射位置の補正座標値を求める補正座標値演算手段とを備え、位置ずれ量演算手段によって熱膨張を要因とする位置ずれ量を求め、初期伸縮係数演算手段によって各基板に固有の初期伸縮係数を求める。
【００１９】
熱膨張を要因とする位置ずれ量は各基板に共通する量であり、この位置ずれ量を基準基板について予め求めておくことによって、結晶化を対象とする各基板に適用することができる。この位置ずれ量は、基板の位置に応じて定まる量である。これは、基板の位置によって、レーザー光照射による熱膨張の程度が相違するためである。
【００２０】
また、初期伸縮量は、結晶化を対象とする各基板に対して個別に定まる量である。一方、初期伸縮係数は基準基板に対する伸縮の比率であり、初期伸縮量は基準基板と比較して伸縮した量である。初期伸縮量は、初期伸縮係数に基準位置からの距離を乗じることで取得することができる。
【００２１】
位置ずれ量演算手段は、レーザー光照射による加熱状態の基準基板の撮像画像と、常温状態の基準基板の画像とを比較し、この画像により対応する座標点を比較することによって、基板上の各座標点の位置ずれ量を求める。この位置ずれ量を求めるためには、結晶化を対象とする基板に施すレーザー光の照射条件と同様の照射条件で基準基板にレーザー光を照射することで、同一の加熱状態とする。
【００２２】
照射条件としては、例えば、結晶化に用いるマスクやプロセス条件があり、プロセス条件としては、例えば、照射エネルギー、繰り返し周波数、照射位置マップ等がある。
【００２３】
位置ずれ量を求めるための画像は、結像光学系と同一光軸上に配置した撮像手段を設ける。この撮像手段によって基準基板を撮像することで撮像画像を取得する。
【００２４】
また、初期伸縮係数演算手段は、基板上に２つの所定位置を定め、この所定位置間の距離を算出し、算出した距離と基準距離との比率から初期伸縮係数を求める。所定位置は、基板に設けた位置合わせ用のアライメントマーカーを用いることができる。通常、アライメントマーカーは基板上の定められた位置に設けられており、２つのアライメントマーカー間の距離は所定距離に定められている。
【００２５】
このアライメントマーカー間の距離を算出し、算出した距離が設定された所定距離と異なる場合には、その距離誤差はその基板が固有に有する初期伸縮量に依存する量である。各基板において伸縮量は基板上の位置によって異なるため、初期伸縮係数を求めておき、この初期伸縮係数に基板上の位置と基準位置との間の距離を乗ずることで初期伸縮量を定める。基準位置は、基板に対して仮想的に定めた仮想原点を用いることができる。
【００２６】
この初期伸縮係数を求めるために、結晶化装置の基準座標系上に２つの撮像手段を配置し、この２つの撮像手段によって基板上の２つの所定位置を個別に撮像し、撮像した撮像画像から所定位置の基準座標系上の座標値を求め、求めた２つの座標値から所定位置の距離を算出する。この撮像手段は、アライメントマーカーを撮像するアライメントカメラを兼用することができる。
【００２７】
補正手段は、各基板が共通に備える熱膨張による位置ずれ量と各基板に固有の初期伸縮量とを用いて、照射位置の座標値を補正する。補正座標値演算手段は、初期伸縮係数演算手段で求めた初期伸縮量と、位置ずれ量演算手段で求めた位置ずれ量を加算して照射位置の補正座標値を求める。補正座標値演算手段は、求めた補正座標値を補正テーブルに格納する。
【００２８】
制御手段は、補正テーブルから補正座標値を読み出して基板ステージを駆動する。また、制御手段は、基板ステージの駆動タイミングと同期してレーザー光源を駆動するタイミングトリガを出力する。基板ステージとレーザー光の照射とを同期させることで、制御手段によって補正した照射位置にレーザー光を照射させることができる。
【００２９】
本発明の結晶化装置のレーザー光の照射位置補正制御方法は、レーザー光源からの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、レーザー光の照射位置を補正制御する方法であり、基準基板にレーザー光を照射して、加熱状態の基準基板を撮像して撮像画像を取得し、この加熱状態の基準基板の画像と常温状態の基準基板の画像とを比較し、この画像比較によって基板上の各座標点の位置ずれ量から各基板が共通に備える熱膨張による位置ずれ量を求める位置ずれ量算出工程と、結晶化対象の基板上の２つの所定位置を撮像し、当該撮像画像から所定位置の基準座標系上の座標値を求め、この２つの座標値から所定位置の距離を算出し、当該算出した距離と基準距離との差を求め、求めた差から各基板に固有の初期伸縮量を求める初期伸縮係数を求める初期伸縮係数算出工程と、各基板が共通に備える熱膨張による位置ずれ量と結晶化対象の基板に固有の初期伸縮量とを用いて、照射位置の座標値を補正する補正工程と、補正工程で求めた照射位置の補正座標値を用いて、基板ステージ上のレーザー光の照射位置を補正制御する制御工程とを備える。
【００３０】
これによって、各基板に固有の初期伸縮量と、レーザー光の照射中の熱膨張による位置ずれ量とを用いることで、レーザー光の照射位置をサブミクロンオーダーで補正制御することができる。
【００３１】
本発明の態様によれば、基板上の座標点を定めるための複雑なパターンを不要とすることができるため、レーザー光の照射による熱膨張の影響を除去することができ、プロセス時間を短縮することができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、ガラス基板の初期伸縮状態が個体毎に異なるという要因、およびレーザー光の照射中に基板が熱膨張するという要因による、レーザー光の照射位置の位置ずれを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
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。
【００３４】
図１は本発明の結晶化装置１の装置構成を説明するための概略図である。図１において、本発明の結晶化装置１は、エキシマ・レーザー光を出射するレーザー光源２と、レーザー光を照射する照明光学系３と、照明光学系３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４と、光変調素子４の変調光を基板４０（被処理基板）上に結像させる結像光学系５と、基板４０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６（Ｘ軸ステージ６ａ，Ｙ軸ステージ６ｂ）を備え、位置決めステージ６は除振動機構付き定盤７に上に設置されている。
【００３５】
結像光学系５を介して基板４０に照射されたレーザー光の変調光は、基板４０に設けられた薄膜を溶融して結晶化させる。
【００３６】
照明光学系３、光変調素子４、及び結像光学系５は結晶化光学系を構成する。照明光学系３はエキシマ照明光学系を構成し、レーザー光源２から射出されたエキシマ・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、光変調素子４を照明する結晶化用レーザー光を射出、調整する。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。
【００３７】
また、本発明の結晶化装置１は、２種類の撮像装置を備える。第１の撮像装置は、結像光学系５の光軸上に設けられたＣＣＤカメラ８であり、基板４０上で照射されるレーザー光の照射位置の画像を撮像する。また、第２の撮像装置は、基板４０上に定められた基準位置を撮像する撮像手段であり、例えば、基板４０を位置合わせするためのアライメントマーク（図示していない）等を撮像するアライメントカメラ９を用いることができる。
【００３８】
光変調素子４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。
【００３９】
結像光学系５は、光変調素子４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４を照明光学系３と結像光学系５との間に設置したプロジェクション方式を示している。
【００４０】
レーザー光源２は、基板４０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２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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
位相シフタは、位相変調素子４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。
【００４４】
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。
【００４５】
光変調素子４の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５により位相シフタ（光変調素子４）と共役な位置に設置された基板４０上に、所定の光強度分布で結像する。エキシマ結像光学系５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テレセントリックレンズである。
【００４６】
また、結晶化の処理を受ける基板４０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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
本発明の結晶化装置１は位置決めステージ６を備える。位置決めステージ６は、基板４０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（６ａ，６ｂ）の他を備える他に、ＸＹステージ上の二次元位置を測定する位置測定部（図示していない）を備えることができる。ＸＹステージ６は、Ｘ軸方向に移動するＸ軸ステージ６ａと、Ｙ軸方向に移動するＹ軸ステージ６ｂと、このＸ軸ステージ６ａ及びＹ軸ステージ６ｂを支持する定盤７を備える。ＸＹステージ６上は基板４０を載置し、ＸＹステージ６を二次元で移動させることによって、基板４０の位置決めを行う。ＸＹステージ６は、駆動制御部２０によって駆動制御される各軸ドライバ３０によって駆動される。なお、図１では、Ｘ軸ステージ６ａ上に基板４０を載置する構成を示しているが、Ｙ軸ステージ６ｂ上に基板を載置する構成としてもよい。
【００５０】
本発明の結晶化装置１によって基板４０を結晶化する場合には、駆動制御部２０によって位置決めステージ６を駆動して基板４０を移動させるとともに、レーザー光源２からレーザー光を基板４０上に照射することによって結晶化を行う。
【００５１】
レーザー照射による結晶化は、主に、レーザー光源２から基板４０の所定位置に向けて行うレーザー光照射と、位置決めステージ６を駆動することによって基板を移動させて行う基板上におけるレーザー光の照射位置の位置決めとによって行われる。
【００５２】
駆動制御部（モーションコントローラ）２０は、上位の制御装置である上位ＰＣ１０から、例えば、一列をスキャンする毎に、その一列においてレーザー光を照射する照射位置座標群を取得し、この取得した照射位置座標に基づいて、基板を支持するＸＹステージ６を駆動して、レーザー光を照射する位置に基板を移動させるとともに、レーザー光源２の駆動トリガを送信して駆動させ、ＸＹステージ６の移動によって定められた照射位置にレーザー光を照射する。駆動制御部（モーションコントローラ）２０の制御、および構成については後述する。
【００５３】
一列上をスキャンして行うレーザー照射において、この列上には複数のレーザー照射位置が設定され、駆動制御部２０は、これらレーザー照射位置のある照射位置でレーザー照射を行った後、隣接する照射位置間の相対位置を定め、基板の移動がこの相対位置となったときに、次回のレーザー照射を行うという処理を、各照射位置で順次行うことで、基板を高速移動させながら任意の位置にレーザー光を照射する。
【００５４】
なお、図示しない位置検出部は、例えば、ＸＹステージ６のステージ位置を読み取る機構、あるいは、ＸＹステージ６上に載置された基板４０の位置を検出する検出機構とすることができる。ステージ位置を読み取る機構として、例えば、リニアスケール、レーザー干渉測長装置を用いることができ、基板位置を検出する検出機構として、例えば、ラインセンサを用いることができる。
【００５５】
上位ＰＣ１０は、上記したように、駆動制御部２０を制御する。本発明の結晶化装置１が備える上位ＰＣ１０は、基板制御部２０が行うＸＹステージ６の駆動制御において補正制御を行って、ガラス基板の初期伸縮状態が個体毎に異なるという要因、およびレーザー光の照射中に基板が熱膨張するという要因による、レーザー光の照射位置の位置ずれを抑制する。
【００５６】
図２は、上位ＰＣ１０が備える機能を説明するためのブロック図である。上位ＰＣはＣＰＵとメモリと入出力ポート等を備え、メモリに格納されたプログラムやデータを用いて入力データを処理して補正データを生成し、駆動制御部２０に制御信号を出力する。なお、メモリは、予め設定されたプログラムやデータを格納する他に、データ処理中のデータを一時的に記憶する一次メモリも含まれている。なお、図２の示す各ブロックは、補正処理を説明するために示したものであって、必ずしもこのブロックに対応するハードウエアを備えるものではない。
【００５７】
図２において、上位ＰＣ１０はＸＹステージ６の駆動位置を補正して、レーザー光の照射位置を補正する補正手段１１を備える。補正手段１１は、各基板が共通に備える熱膨張による位置ずれ量と各基板に固有の初期伸縮量とを用いて、照射位置の座標値を補正し、この補正した補正座標値を駆動制御部２０に送り、駆動制御部２０は、補正手段１１から送られた照射位置の補正座標値を用いて、基板ステージ６上のレーザー光の照射位置を補正制御すると共に、レーザー光源２の駆動タイミングを制御する。
【００５８】
補正手段１１は、位置ずれ量演算手段１２と、初期伸縮係数演算手段１３と、補正座標値演算手段１４とを備える。
【００５９】
位置ずれ量演算手段１２は、各基板が共通に備える熱膨張による位置ずれ量を求めるものであり、基準となる基板に対して、結晶化を対象とする基板に対して行う条件と同一条件でレーザー光を照射し、このレーザー光照射によって生じる基準基板の熱膨張の状態を撮像し、この撮像画像と予め求めたおいた基準画像と比較することによって、各座標での熱膨張による位置ずれ量を算出する。算出した位置ずれ量は、基準基板について求めたものであるが、結晶化の処理で行う条件と同じ条件で行うことで、結晶化を施す各基板についても同様に位置ずれ量が発生するものと予測することができる。
【００６０】
結晶化における条件としては、例えば、変調したレーザー光を照射するマスク条件や、レーザー光の照射エネルギー、レーザー光の繰り返し周波数、レーザー光の照射位置の分布等のプロセス条件がある。レーザー光の照射位置の分布は、レーザー光を照射する照射位置の分布であり、照射位置マップのマップデータとして定めておくことができる。
【００６１】
この位置ずれ量演算手段１２において、位置ずれを求める画像は、前記したＣＣＤカメラ８で撮像した撮像画像を用いることができる。ＣＣＤカメラ８は、結像光学系５と同光軸上に配置されているため、レーザー光が照射される基板上の照射位置と同じ位置の画像を撮像することができる。
【００６２】
位置ずれ量演算手段１２において、画像処理部１２ａはＣＣＤカメラ８で撮像した画像を入力して画像処理を行い、取得した画像データを取得画像記憶部１２ｂのバッファメモリに格納する。また、位置ずれ量演算手段１２は、基準位置画像記憶部１２ｃを備え、基準基板について予め求めた置いた基板位置の画像を格納しておく。この基準位置画像は、基板が加熱状態にない場合あるいは、所定の温度状態にある場合に撮像しておいた、熱膨張していない状態の画像である。
【００６３】
位置ずれ量演算手段１２の位置ずれ量算出部１２ｄは、取得画像記憶部１２ｂと基準位置画像記憶部１２ｃから、それぞれ同じ座標点における取得画像と基準位置画像とを読み出し、両画像を比較して同一座標点（Xi、Yi）間の位置ずれ量（ΔXi、ΔYi）を算出する。この位置ずれ量（ΔXi、ΔYi）は、基板において定めた座標点の個数分だけ算出することになる。
【００６４】
算出した位置ずれ量（ΔXi、ΔYi）はテーブル形式で記憶しておくことができる。表１は位置ずれ量（ΔXi、ΔYi）のテーブル例を示している。
【００６５】
【表１】
2009277808.tif 000003
【００６６】
図３は熱膨張による位置ずれ量の算出を説明するためのフローチャートである。図３において、はじめに、ＸＹステージ６上に基準基板を載置し、通常の結晶化処理と同様の条件でレーザー光を照射しながらＸＹステージ６を駆動させて、基準基板上にレーザー光照射を走査させる。このレーザー光の照射を走査しながら、同時にＣＣＤカメラ８で照射点の画像を撮像する。撮像した画像信号は、画像処理部１２ａに送信される。画像処理部１２ａは、受信した画像信号を画像処理して、画像データを取得し取得画像記憶部１２ｂに格納する。
【００６７】
位置ずれ量算出部１２ｄは、取得画像記憶部１２ｂと基準位置画像記憶部１２ｃから、それぞれ同じ座標点における取得画像と基準位置画像とを読み出して比較し(S2)、同一座標点（Xi、Yi）の座標値の差分を算出して、位置ずれ量（ΔXi、ΔYi）を求める(S3)。
【００６８】
初期伸縮係数演算手段１３は、各基板に固有の初期伸縮量を求めるために、その基板の初期伸縮係数を求める。ここで、初期伸縮量とは、設計上で設定した基板の寸法と、実際に結晶化を施す各基板についてレーザー光を照射する前の熱膨張等が生じていない初期状態における寸法との差分である。この寸法の差分は、基板が固有に持つ初期状態での設定寸法からの伸縮量として捉えることができる。
【００６９】
この初期伸縮量は、基板における基準位置や、伸縮量を測る長さによって一義に定まらない。そこで、ここでは、基準の長さに対する伸縮量である伸縮率を求め、基板上の各座標点の初期伸縮量は、この伸縮率に基板上で定めた基板位置から各座標点までの距離を乗ずることで、その座標点での初期伸縮量を算出する。
【００７０】
この初期伸縮係数演算手段１３において、初期伸縮係数を求める画像は、前記したアライメントマークを検出するアライメントカメラ９で撮像した撮像画像を用いることができる。なお、初期伸縮係数を求める画像を撮像する撮像手段は、この基準座標系から見た基板上の点の画像を取得することができる撮像手段であれば、アライメントカメラ９に限られるものではなく、基準座標系に設置した任意に撮像手段とすることができる。また、この初期伸縮係数を求めるには、基板上において少なくとも２点の座標値が必要である。通常、基板をＸＹステージ６で位置合わせするには、基板に設けた２つのアライメントマークを撮像するために、２つのアライメントカメラが用いられる。したがって、この２つのアライメントカメラを初期伸縮係数の画像取得に兼用することは好適である。
【００７１】
なお、一回の撮像によって、基板上の基準となる２点を撮像することができる場合には、一つの撮像手段とすることもできる。
【００７２】
初期伸縮係数演算手段１３の画像処理部１３ａは、２台のアライメントカメラ９が撮像して基板上の２つの所定位置の画像信号を入力し、画像処理を行って画像データを取得する。撮像した所定位置がアライメントマークである場合には、アライメントパターン検出部１３ｂによってアライメントマークを検出し、アライメント位置座標検出部１３ｃによってアライメントマークの位置座標値を求める。
【００７３】
２点間距離算出部１３ｄは、アライメント位置座標検出部１３ｃで求めた２つのアライメントマークの位置座標値の差分を算出して２点間の距離Δｄを求める。初期伸縮係数算出部１３ｅは、例えば、この２点間の基準の距離Ｄoとの比率をΔｄ／Ｄoで求めることができる。ここで、ｘ軸方向の初期伸縮係数をαとし、ｙ軸方向の初期伸縮係数をβとする。
【００７４】
この初期伸縮係数は基板毎に異なるため、各基板について求める。ここで、基板ｎのｘ軸方向の初期伸縮係数をαnとし、ｙ軸方向の初期伸縮係数をβnとする。
【００７５】
図４は各基板に固有の初期伸縮量を求めるための初期伸縮係数を算出する手順を説明するためのフローチャートである。なお、ここでは、アライメントカメラを用いる例について説明する。
【００７６】
図４において、はじめに、基板に設けられたアライメントマークを、結晶化装置の基準座標系に設けたアライメントカメラで撮像し（S11）、画像処理部１３ａによって撮像信号を画像処理して撮像画像を取得し、アライメントパターン検出部１３ｂによってアライメントマークを検出する(S12)。
【００７７】
アライメント位置座標検出部１３ｃによって、検出したアライメントマークの位置座標値を算出し（S13）、２点間距離算出部１３ｄによって２つのアライメントマーク間の距離Ｄを算出する(S14)。初期伸縮係数算出部１３ｅによって、算出した距離Ｄと、アライメントマーク間の基準距離Ｄoの差分Δｄ＝（Ｄo−Ｄ）を基準距離Ｄoで除することによって初期伸縮係数Δｄ／Ｄoを算出する(S15)。
【００７８】
補正座標値演算手段１４は、各座標点について初期伸縮係数演算手段１３で求めた初期伸縮係数にその座標点と基準位置との距離を乗じて初期伸縮量を求め、求めた初期伸縮量に位置ずれ量演算手段１２で求めた位置ずれ量を加算して照射位置の補正座標値を求める。
【００７９】
例えば、座標点（Xi、Yi）での初期伸縮量は、ｘ方向では（Xi−Xo）×αn、ｙ方向では（Yi−Yo）×βnによって算出することができる。
【００８０】
補正後の座標値（Xi′、Yi′）は、熱膨張による位置ずれ量（ΔXi、ΔYi）と初期伸縮量（（Xi−Xo）×αn、（Yi−Yo）×βn）との和で表されるため、
Xi′＝（Xi−Xo）×αn＋ΔXi
Yi′＝（Yi−Yo）×βn＋ΔYi
で表すことができる。
【００８１】
補正座標値算出部１４ａは上記演算を行って補正後の座標値（Xi′、Yi′）を算出し、補正テーブル記憶部１４ｂにテーブルの形態で記憶する。
【００８２】
補正座標値を算出する手順について、図５，図６のフローチャートを用いて説明する。図５は基板上の各照射位置の位置ずれ量が格納されている場合の手順を示し、図６は基板上の一部の照射位置の位置ずれ量が格納されている場合の手順を示している。また、図５，６のフローチャートでは、レーザー光の照射点の座標値（Xi、Yi）で表し、ｉ＝１からｉ＝ｍのｍ個の照射点について、座標値（Xi、Yi）を補正して補正後の座標値（Xi′、Yi′）を算出する例を示している。
【００８３】
図５において、はじめに原点位置（Xo、Yo）と初期伸縮係数αn、βnを読み出す。原点位置（Xo、Yo）は、基板の伸縮における仮想的な原点であり、基板上の任意の点に定めることができる、例えば、アライメントマークの一方の点を基準として定めることができる。また、初期伸縮係数αn、βnは、結晶化を行う各基板に求められる初期伸縮係数である。ここで、係数に付したnの添え字は、各基板を特定する記号である（S21,S22）。
【００８４】
ｉ＝０とし（S23）、ｉ＝１からｉ＝ｍまでについて以下のS25〜S28の工程を繰り返すことで座標値（Xi、Yi）で表される座標点の補正座標値を算出する（S23,S24,S29）。
【００８５】
S21で読み出した原点位置（Xo、Yo）と、S22で読み出した初期伸縮係数αn、βnを用いて、初期伸縮量（（Xi−Xo）×αn、（Yi−Yo）×βn）を算出する（S25）。また、座標値（Xi、Yi）の座標点での位置ずれ量（ΔXi、ΔYi）を読み出す(S26)。
【００８６】
S25で算出した初期伸縮量（（Xi−Xo）×αn、（Yi−Yo）×βn）とS26で読み出した位置ずれ量（ΔXi、ΔYi）とを用いて、前記した
Xi′＝（Xi−Xo）×αn＋ΔXi
Yi′＝（Yi−Yo）×βn＋ΔYi
の演算を行うことによって補正後の座標値（Xi′、Yi′）を算出する(S27)。算出した補正後の座標値（Xi′、Yi′）を補正テーブルに記憶する(S28)。
【００８７】
表２は補正テーブルの一例を示している。
【００８８】
【表２】
2009277808.tif 000004
【００８９】
上記処理によって、補正テーブルには、各基板に固有の初期伸縮量と、熱膨張による位置ずれとの両誤差を補正したレーザー光の照射位置の位置データが格納される。
【００９０】
上記した図５は、全照射点について位置ずれ量が定められている場合の手順を示しているのに対して、図６は、全照射点について位置ずれ量が定められておらず、位置ずれ量が定められていない照射点が存在する場合の手順を示している。この場合には、定められていない位置ずれ量については補間によって求める。
【００９１】
図６において、はじめに原点位置（Xo、Yo）と初期伸縮係数αn、βnを読み出す（S31,S32）。
【００９２】
ｉ＝０とし（S23）、ｉ＝１からｉ＝ｍまでについて以下のS35〜S40の工程を繰り返すことで座標値（Xi、Yi）で表される座標点の補正座標値を算出する（S33,S34,S41）。
【００９３】
S31で読み出した原点位置（Xo、Yo）と、S32で読み出した初期伸縮係数αn、βnを用いて、初期伸縮量（（Xi−Xo）×αn、（Yi−Yo）×βn）を算出する（S35）。また、座標値（Xi、Yi）の座標点での位置ずれ量（ΔXi、ΔYi）を読み出す。このとき、位置ずれ量（ΔXi、ΔYi）が定められている場合には(S36)、その座標点の位置ずれ量を読み出し(S38)、位置ずれ量（ΔXi、ΔYi）が定められていない場合には(S36)、隣接する座標点の位置ずれ量を読み出し、座標値に応じた比率で補間を行って位置ずれを算出する(S37)。
【００９４】
S35で算出した初期伸縮量（（Xi−Xo）×αn、（Yi−Yo）×βn）と、S38で読み出した位置ずれ量（ΔXi、ΔYi）あるいはS37の補間によって算出した位置ずれ量（ΔXi、ΔYi）とを用いて、前記した
Xi′＝（Xi−Xo）×αn＋ΔXi
Yi′＝（Yi−Yo）×βn＋ΔYi
の演算を行うことによって補正後の座標値（Xi′、Yi′）を算出する(S39)。算出した補正後の座標値（Xi′、Yi′）を補正テーブルに記憶する(S40)。
【００９５】
上記処理によって、補正テーブルには、各基板に固有の初期伸縮量と、熱膨張による位置ずれとの両誤差を補正したレーザー光の照射位置の位置データが格納される。
【００９６】
図２において、駆動制御部２０のステージ駆動信号生成部２２は、補正テーブル１４ｂから読み出した補正後の座標値（Xi′、Yi′）を用いてＸＹステージ６を駆動する駆動信号を生成し、レーザータイミング信号生成部２１は、ステージ駆動信号生成部２２の駆動信号と同期してトリガ信号を生成する。
【００９７】
ステージ駆動信号生成部２２は、生成した駆動信号をＸＹステージ６に送ってＸＹステージ６を駆動して、レーザー光の照射位置に位置制御する。また、レーザータイミング信号生成部２１は、生成したトリガ信号をレーザー光源２に送ってレーザー光の照射制御を行う。
【００９８】
これにより、基板上において、レーザー光の照射位置へのステージ制御と、照射位置へのレーザー光の照射とを同期させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
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。
【０１００】
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】
【０１０１】
【図１】本発明の結晶化装置の装置構成を説明するための概略図である。
【図２】本発明の結晶化装置が備える上位ＰＣが備える機能を説明するためのブロック図である。
【図３】本発明の熱膨張による位置ずれ量の算出を説明するためのフローチャートである。
【図４】本発明の各基板に固有の初期伸縮量を求めるための初期伸縮係数を算出する手順を説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明の補正座標値を算出する手順を説明するためのフローチャートである。
【図６】本発明の補正座標値を算出する手順を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【０１０２】
１…結晶化装置、２…レーザー光源、３…照明光学系、４…光変調素子、５…結像光学系、６…ＸＹステージ、６ａ…Ｘ軸ステージ、６ｂ…Ｙ軸ステージ、７…除振機構付き定盤、８…ＣＣＤカメラ、９…アライメントカメラ、１０…上位ＰＣ、１１…補正手段、１２…位置ずれ量演算部、１２ａ…画像処理部、１２ｂ…取得画像記憶部、１２ｃ…基準位置画像記憶部、１２ｄ…位置ずれ量算出部、１３…初期伸縮係数演算部、１３ａ…画像処理部、１３ｂ…アライメントパターン検出部、１３ｃ…アライメント位置座標検出部、１３ｄ…２点間距離算出部、１３ｅ…初期伸縮係数算出部、１４…補正座標値演算部、１４ａ…補正座標算出部、１４ｂ…補正座標値記憶部、２０…駆動制御部、２１…レーザータイミング信号生成部、２２…ステージ駆動信号生成部、３０…各軸ドライバ、４０…基板。
【図２】
2009277808.tif 000005
【図３】
2009277808.tif 000006
【図４】
2009277808.tif 000007
【図５】
2009277808.tif 000008
【図６】
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【図１】
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