(57)【要約】【課題】数１０ｎｍオーダーの高精度な被処理基板高さ合わせを実現するレーザー結晶化方法及びその結晶化装置を提供する。【解決手段】本発明の１態様によるレーザー結晶化方法は、位相シフタを透過させることによって位相シフタを透過した光が逆ピークパターンの光強度分布を有する第１のパルスレーザー光を得る工程と、第１のパルスレーザー光を被処理基板に設けられた薄膜に照射して、薄膜を溶融させ結晶化させる工程とを具備するレーザー結晶化方法であって、第１のパルスレーザー光を照射しようとする薄膜の照射位置を、第２のレーザー光で照明し薄膜で反射した第２のレーザー光を検出する際に、第２のレーザー光の光路上に設けられた偏光素子を用いて第２のレーザー光の複数の反射光成分から所望の成分を選択する工程と、選択された第２のレーザー光の反射光成分を検出して被処理基板の高さを所定の高さに補正する工程と、高さを補正した被処理基板の薄膜の照射位置に第１のパルスレーザー光を照射する工程とを具備する。【選択図】図１
2009010196.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位相シフタを透過させることによって該位相シフタを透過した光が逆ピークパターンの光強度分布を有する第１のパルスレーザー光を得る工程と、
前記第１のパルスレーザー光を被処理基板に設けられた薄膜に照射して、該薄膜を溶融させ結晶化させる工程とを具備するレーザー結晶化方法であって、
前記第１のパルスレーザー光を照射しようとする前記薄膜の照射位置を、第２のレーザー光で照明し前記薄膜で反射した該第２のレーザー光を検出する際に、該第２のレーザー光の光路上に設けられた偏光素子を用いて該第２のレーザー光の複数の反射光成分から所望の成分を選択する工程と、
前記選択された第２のレーザー光の反射光成分を検出して前記被処理基板の高さを所定の高さに補正する工程と、
前記高さを補正した被処理基板の前記薄膜の照射位置に前記第１のパルスレーザー光を照射する工程と
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２】
前記選択する工程は、前記偏光素子を回転させることによって第２のレーザー光の偏光方向を調節して所望の１つの反射光成分を選択することを特徴とする請求項１に記載のレーザー結晶化方法。
【請求項３】
前記高さを補正する工程は、前記選択された第２のレーザー光の反射光成分の光強度が所定の検出位置において最大になるように前記被処理基板の高さを補正することを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザー結晶化方法。
【請求項４】
前記高さを補正することは、１０ｎｍオーダーの精度で高さを補正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方法。
【請求項５】
前記第２のレーザー光の入射角度は、０°より大きく７５°以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１に記載のレーザー結晶化方法。
【請求項６】
前記第２のレーザー光の入射角度は、４５°以上６０°以下であることを特徴とする請求項５に記載のレーザー結晶化方法。
【請求項７】
前記薄膜は、キャップ絶縁膜、半導体膜、及び下地絶縁膜を含む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方法。
【請求項８】
前記第１のパルスレーザー光を照射する工程は、前記薄膜上の照射位置を変えて繰り返されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１に記載のレーザー結晶化方法。
【請求項９】
被処理基板に設けられた薄膜に逆ピークパターンの光強度分布を有する第１のレーザー光を照射して、該薄膜の照射領域を溶融して結晶化する結晶化用光学系を具備するレーザー結晶化装置であって、
前記第１のレーザー光の光路外に配置され、該第１のレーザー光による前記薄膜の照射領域を照明する第２のレーザー光を射出する投光部と、
前記薄膜で反射した前記第２のレーザー光を検出し、電気信号に変換する受光部と、
前記第２のレーザー光の光路上で前記第１のレーザー光の光路外に配置され、該第２のレーザー光の偏光方向を調節する偏光素子と
を含む基板高さ補正機構
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１０】
前記被処理基板の高さを調節するステージ駆動部をさらに具備することを特徴とする請求項９に記載のレーザー結晶化装置。
【請求項１１】
前記ステージ駆動部は、１０ｎｍオーダーの高さ調節精度を有することを特徴とする請求項１０に記載のレーザー結晶化装置。
【請求項１２】
前記受光部で変換された前記電気信号の強度を調整し、前記ステージ駆動部に基板高さ調節信号を送るゲイン調整部をさらに具備することを特徴とする請求項１０若しくは１１に記載のレーザー結晶化装置。
【請求項１３】
前記受光部は、前記第２のレーザー光の前記反射光を拡大する拡大レンズを備えることを特徴とする請求項９ないし１２のいずれか１に記載のレーザー結晶化装置。
【請求項１４】
前記受光部は、１０ｎｍオーダーの位置分解能を有することを特徴とする請求項１３に記載のレーザー結晶化装置。
【請求項１５】
前記第２のレーザー光の前記被処理基板への入射角度は、０°より大きく７５°以下であることを特徴とする請求項９ないし１４のいずれか１に記載のレーザー結晶化装置。
【請求項１６】
前記第２のレーザー光の前記被処理基板への入射角度は、４５°以上６０°以下であることを特徴とする請求項１５に記載のレーザー結晶化装置。
【請求項１７】
前記薄膜は、キャップ絶縁膜、半導体膜、及び下地絶縁膜を含むことを特徴とする請求項９ないし１６のいずれか１に記載のレーザー結晶化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー結晶化方法及び結晶化装置に係り、特に、高精度で被結晶化膜の高さを制御してレーザー光を照射して結晶化を行うレーザー結晶化方法及び結晶化装置に関する。
【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、液晶表示装置の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半導体膜の結晶化には、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の半導体膜を溶融、結晶化するレーザー結晶化技術が使用されている。
【０００４】
従来のレーザー結晶化装置を用いて得られる半導体膜の結晶粒径は、１μｍ以下と小さく、結晶粒界を含んだ領域にＴＦＴを製作することになるため、ＴＦＴの性能に限界があった。
【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ことが要求されている。この要求を満足させるために、各種のレーザー結晶化技術の中で、特に、位相変調したエキシマレーザー光を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技術では、エキシマレーザー光は、位相変調素子、例えば、位相シフタにより位相変調され、所定の光強度分布に調整される。このエキシマレーザー光を、例えば、ガラス基板上に形成した非単結晶半導体膜、例えば、非晶質シリコン膜に照射し、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。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・結晶化して、数μｍから５μｍ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膜に作成したＴＦＴは、電気特性が安定していることが示されている。
【０００６】
ＰＭＥＬＡ技術において、比較的一様でさらに大きな結晶粒を有する結晶化半導体膜を得るためには、被処理基板の高さを結晶化レーザー光の結像位置に制御して結晶化を行うことが重要である。特許文献１には、基板高さ測定システムを有する結晶化装置が開示されている。開示された基板高さ測定システムでは、結晶化レーザー光の結像光学系と光学系を共用する。すなわち、基板高さ測定用光は、結晶化レーザー光と同軸で被処理基板にほぼ垂直に入射するように配置される。測定用光の基板からの反射光は、結像光学系に対して被処理基板と光学的に共役な位置に設置されたピンホール又は光検出器で検出される。検出された反射光の強度が最大になる位置、又は反射像が最も鮮明になる位置に基板高さを調節して、結晶化レーザー光の結像位置に被処理基板の表面の高さを合わせている。
【特許文献１】特開２００６−４０９４９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】
【０００７】
レーザー結晶化技術では、結晶化された半導体膜の結晶粒径を大きくすることが要求されている。そのためにＰＭＥＬＡ技術において、逆ピークパターンの光強度分布を有する結晶化用レーザー光で溶融した半導体膜の温度勾配を緩やかにすることが有効である。しかし、この場合には、被処理半導体膜の高さが位相シフタの結像位置から少しでもずれると、溶融温度が変化するために良好な結晶化が実現されないことが明らかになってきた。したがって、従来よりも高精度な、例えば、数１０ｎｍオーダーの被処理基板の高さ合わせが要求されている。
【０００８】
さらに、ＰＭＥＬＡ技術で使用される被処理基板は、被処理半導体膜を含む構造がますます多層化してきている。斜め入射光を用いて表面高さの計測を行う場合には、このように被処理基板が多層化してくると、基板からの反射光は、被処理基板の最表面からだけでなく、各層の界面からの反射成分を含むようになる。
【０００９】
従来の基板高さ調節方法では、基板で反射した測定光、例えば、可視レーザー光を検出し、これに画像処理等を行って基板高さを調節している。したがって、複数の反射成分、すなわち複数の反射ピークを含む反射光の場合には、十分な高さ精度が得られなくなってきている、又はもし高精度が得られたとしても、画像処理に長時間を必要とすることになり、現実的ではない。
【００１０】
そのため、ＰＭＥＬＡ技術において、高精度な、例えば、数１０ｎｍオーダーで被処理基板の高さを合わせる方法及び被処理基板高さ合わせ装置が要求されている。
【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レーザー結晶化方法及び結晶化装置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方法は、位相シフタを透過させることによって該位相シフタを透過した光が逆ピークパターンの光強度分布を有する第１のパルスレーザー光を得る工程と、前記第１のパルスレーザー光を被処理基板に設けられた薄膜に照射して、該薄膜を溶融させ結晶化させる工程とを具備するレーザー結晶化方法であって、前記第１のパルスレーザー光を照射しようとする前記薄膜の照射位置を、第２のレーザー光で照明し前記薄膜で反射した該第２のレーザー光を検出する際に、該第２のレーザー光の光路上に設けられた偏光素子を用いて該第２のレーザー光の複数の反射光成分から所望の成分を選択する工程と、前記選択された第２のレーザー光の反射光成分を検出して前記被処理基板の高さを所定の高さに補正する工程と、前記高さを補正した被処理基板の前記薄膜の照射位置に前記第１のパルスレーザー光を照射する工程とを具備する。
【００１３】
本発明の他の１態様によるレーザー結晶化装置は、被処理基板に設けられた薄膜に逆ピークパターンの光強度分布を有する第１のレーザー光を照射して、該薄膜の照射領域を溶融して結晶化する結晶化用光学系を具備するレーザー結晶化装置であって、前記第１のレーザー光の光路外に配置され、該第１のレーザー光による前記薄膜の照射領域を照明する第２のレーザー光を射出する投光部と、前記薄膜で反射した前記第２のレーザー光を検出し、電気信号に変換する受光部と、前記第２のレーザー光の光路上で前記第１のレーザー光の光路外に配置され、該第２のレーザー光の偏光方向を調節する偏光素子とを含む基板高さ補正機構を具備する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によって、高精度な被処理基板高さ合わせを実現するレーザー結晶化方法及びその結晶化装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、結晶化用レーザー光、例えば、エキシマレーザー光を位相シフタにより所望の光強度分布、例えば、逆ピークパターンに調整して被処理半導体膜、例えば、非晶質シリコン膜に照射し、溶融して結晶化させるＰＭＥＬＡ技術において、斜め入射する高さ測定光、例えば、可視レーザー光を使用し光路内に偏光板を配置した高精度な基板高さ調節機構を利用するレーザー結晶化方法及びその結晶化装置を開示する。
【００１６】
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。図では、対応する部分は、対応する参照符号で示している。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。
【００１７】
（実施形態）
本発明の１実施形態によるレーザー結晶化装置の一例を図１に示す。レーザー結晶化装置１００は、結晶化光学系１０、基板高さ測定システム２０、ステージシステム３０を備える。結晶化光学系１０は、結晶化用レーザー光、例えば、エキシマレーザー光を所望の光強度分布に調整し、ステージシステム３０の基板保持ステージ３２上に設置された被処理基板５０に結晶化用レーザー光を照射する。レーザー光照射された被処理基板５０に設けられた半導体膜５３（図２参照）は、溶融し、大きな結晶粒を有する半導体膜５３に結晶化される。
【００１８】
結晶化光学系１０は、エキシマ照明光学系１２、位相変調素子１４、結像光学系１６を含む。
【００１９】
エキシマ照明光学系１２は、レーザー光源から出射されたエキシマパルスレーザー光を一様な光強度分布を有する大面積のレーザー光に調整する。エキシマパルスレーザー光として、例えば、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマパルスレーザー光、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマパルスレーザー光を使用できる。エキシマパルスレーザー光は、パルス発振型であり、発振周波数は、例えば、１００Ｈｚから３００Ｈｚであり、被処理基板５０上で、例えば、１Ｊ／ｃｍ２程度の高光エネルギーを有する。
【００２０】
位相変調素子１４は、例えば、位相シフタであり、一様な光強度分布を有する結晶化用レーザー光に所望の光強度分布、例えば、逆ピークパターンの光強度分布を与える。逆ピークパターンの光強度分布は、位相シフタの位相シフト部を透過した光強度がほぼゼロになり、この位相シフト部から離れるにつれ透過光強度が大きくなる光強度分布である。
【００２１】
結像光学系１６は、位相シフタ１４と光学的に共役な位置に設置された被処理基板５０上に所定の光強度分布の結晶化用レーザー光を結像させる。結像光学系１６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。結像光学系１６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。
【００２２】
逆ピークパターン状の光強度分布を有するパルスレーザー光が結像された、例えば、非単結晶半導体薄膜は、溶融し、パルスレーザー光の遮断期間に逆ピークパターン状の光強度分布の最小光強度部に対応する部分から順次凝固温度に降温し、横方向に大粒径の結晶成長が実行される。
【００２３】
基板高さ測定システム２０は、斜め光入射システムであり、反射光の位置の変位を検出することによって被処理基板５０の高さを、例えば、１０ｎｍオーダーの高精度で結晶化用レーザー光の結像位置に精密に調節するシステムである。基板高さ測定システム２０は、投光部２２、受光部２４、偏光素子２６、ゲイン調整部２８を含む。偏光素子２６は、例えば、ある偏光方向の電磁波を吸収することによって偏光方向を決定する偏光板であり、結晶化用レーザー光の光路を遮らない位置で基板高さ測定システム２０の光路内の任意の場所に設置することができる。すなわち、偏光素子は、入射光側（２６）に設置しても、反射光側（２６’）に設置しても良い。基板高さ測定システム２０については、本実施形態の基板高さの調節法とともに後で詳しく説明する。
【００２４】
ステージシステム３０は、被処理基板５０を脱着可能に保持する基板保持ステージ３２と、基板ステージをＸ，Ｙ，Ｚ方向に制御して駆動するステージ駆動部３４とを備える。
【００２５】
被処理基板５０の断面構造の一例を図２に示す。被処理基板５０は、例えば、５５０ｍｍ×６５０ｍｍの大面積基板である。結晶化を行う被処理基板５０は、図２に示したように、一般に、支持基板５１（例えば、ガラス基板、プラスチック基板、シリコン等の半導体基板（ウェーハ））上に下地絶縁膜５２を介して半導体膜５３（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、又は脱水素処理をした非晶質シリコン膜）を形成し、この膜上にキャップ膜として絶縁膜５４，５５を設けたものである。半導体膜５３は、例えば、脱水素処理をした非晶質シリコン膜５３であり、その厚みは、例えば、５０ｎｍである。下地絶縁膜５２は、半導体膜５３を結晶化する際に、支持基板５１から好ましくない不純物が半導体膜５３に拡散することを防止する膜であり、厚さは、例えば、５０ｎｍである。キャップ絶縁膜５４，５５は、結晶化時に熱を蓄える機能を有する膜であり、厚さは、例えば、２００ｎｍである。キャップ絶縁膜５４，５５は、キャップ絶縁膜５４，５５の反射特性及び吸熱特性を利用して、結晶化の効率を高めるためのものである。第１のキャップ絶縁膜５４は、例えば、ＳｉＯ２膜であり、第２のキャップ絶縁膜５５は、ＳｉＯｘ膜（ｘ＜２）である。ＳｉＯｘ膜は、ＳｉＯ２膜よりも紫外線（エキシマパルスレーザー光）の吸収率が大きく蓄熱効率が高いため、ＳｉＯｘ膜とＳｉＯ２膜の膜厚を調整することによって所望の蓄熱特性を得ることができる。
【００２６】
半導体膜５３は、結晶化用パルスレーザー光の入射に対して吸収特性を有して吸熱し、溶融する。
【００２７】
次に、本実施形態の基板高さ測定システム２０を使用して基板高さを１０ｎｍオーダーの高精度で調節する方法を説明する。
【００２８】
基板高さ測定システム２０の投光部２２からの測定用レーザー光Ｌは、被処理基板５０の所定の場所に照射され、反射光Ｒは、受光部２４、例えば、ＣＣＤカメラ等によって検出される。測定用レーザー光を照射する場所は、例えば、次に結晶化を行う位置の中央部である。投光部２２からの測定用レーザー光は、可視レーザー光又は紫外レーザー光であり、例えば、出力するレーザーの拡がりが少ないＨｅ−Ｎｅレーザー光が好ましい。図１に示したように、測定用レーザー光の照射面（被処理基板５０表面）への入射角度θ（被処理基板表面に対する法線と入射光とのなす角度、図３（ａ）参照）は、後で述べる反射光成分を分離するために、好ましくは０°＜θ≦７５°であり、より好ましくは４５°≦θ≦６０°である。投光部２２から発せられる測定用レーザー光Ｌは、ランダムな偏光成分を含んでいる。受光部２４は、検出した反射光Ｒを電気信号に変換し、例えば、ＣＣＤカメラ等により、受光した光を電気的な信号に変換する。この電気信号は、反射光Ｒの受光面上の位置情報と光強度情報とを含み、ゲイン調整部２８に供給される。ゲイン調整部２８は、被処理基板５０の膜構造、膜厚等によって変化する反射光Ｒの強度を調整する。ゲイン調整部２８は、さらに検出した光強度が受光面の所定の位置で最大になるようにするために、ＣＣＤカメラ等で得られた位置情報を含む電気信号を処理することで、基板高さを調節する高さ調節信号を発生し、ステージ駆動部３４に送る。ステージ駆動部３４は、基板高さを調節する信号に対応する量だけステージの高さ調節する。
【００２９】
図３は、上記のような多層構造を有する被処理基板５０にランダムな偏光成分を含んでいる測定用レーザー光Ｌを照射した際の反射光Ｒを説明する図である。図３（ａ）に示したように、測定用レーザー光Ｌは、被処理基板５０の各層の材質、膜厚等によって、基板表面及び各層の界面での反射及びこれらの間で多重反射、干渉等を起こして、例えば、図３（ａ）のように多重反射、干渉等を含む複数の反射光成分Ｒ１からＲ４を含む反射光Ｒを生じる。これらの反射光成分Ｒ１からＲ４は、測定用レーザー光Ｌの反射方向を被処理基板５０表面に投影した方向（以降、この方向をＸ方向と呼ぶ、図３参照）でずれた位置に観測される。図３（ｂ）は、各反射光成分Ｒ１からＲ４の光強度分布を示す図である。図３（ｂ）に図示されたように、反射光成分Ｒ１からＲ４は、受光部２４の受光面上でＸ方向の異なる位置に検出され、膜の成分等により異なる光強度を有する。
【００３０】
したがって、上記のようなランダムな偏光成分を有する測定用レーザー光Ｌを用いた被処理基板５０高さの測定では、反射光Ｒは、反射光成分Ｒ１，Ｒ２…の集積光であり、基板５０表面の高精度な高さ測定は困難である。換言すれば、被処理基板５０高さの測定では、単に反射光Ｒを検出して測定しただけでは、下地絶縁膜５２上に積層される膜厚分の高さ誤差を発生する。この高さ誤差は、位相シフタ透過光が結像位置から離れていくことを意味する。この結像位置がずれることは、結晶化された結晶粒の大きさが変化するという結果をもたらす。
【００３１】
図３に示した各反射光成分は、それぞれ下地絶縁膜５２、半導体膜５３、キャップ膜５４、５５の膜厚及び表面（界面）の状態、等によりそれぞれ固有の偏光成分を有し、それぞれ偏光状態が異なる。さらに下地絶縁膜５２、半導体膜５３、キャップ膜５４、５５の屈折率及び反射率が異なることから、図３（ａ）に示したように反射角θ1を持つ反射光成分Ｒ１、角度θ２を持つＲ２、角度θ３を持つＲ３、角度θ４を持つＲ４のように反射する。そこで、図１に示したように、偏光素子２６を基板高さ測定システム２０の光路内に設置する。偏光素子２６は、偏光子が光軸に直角に配置され光軸を回転軸として回転可能である。偏光素子２６を光軸に対して回転させて基板５０表面からの反射光成分Ｒ１を最も透過する所望の角度に設定する。これよって、測定用レーザー光Ｌを所望の一方向の偏光成分のみからなるレーザー光Ｌｐに偏光させることができる。その結果、偏光素子２６を使用することによって望ましくない界面等からの上記反射光、多重反射、干渉等による反射光成分や、反射光成分Ｒ１のうち多重反射、干渉等による反射光成分も抑制でき、所望の１つの反射光成分Ｒ１を選択することができる。すなわち、キャップ膜５５等の各膜での反射光の反射角を、例えば、θ１が６０度、θ２が３０度、θ３が２５度、θ４が２０度と仮定する。ここで、偏光素子２６を３０度以下の反射角の反射光を遮光するように設定し、この偏光素子を介して受光することによりキャップ膜５５表面からの反射角θ１を有する反射光Ｒ１を選択的に高い信号対雑音比で検出することができる。
【００３２】
図４は、偏光素子を使用することによる測定用レーザー光の反射光強度の変化を説明する図である。偏光素子は、ある偏光方向の電磁波を吸収することによって偏光方向を決定するものである。偏光素子２６を使用しない場合の図３（ｂ）に示した複数の反射光成分Ｒ１からＲ４の反射光強度は、偏光素子２６を用いることで、例えば、図４に示したよう変化する。すなわち、選択された反射光成分Ｒ１の反射光強度は、所望の偏光成分の割合が多いためほとんど減衰しないが、選択されなかった反射光成分Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の強度は、所望の偏光成分の割合が少なく減衰をするため、しきい値を設けて処理するか無視できる程度に低下させることができる。なお、選択する反射光は、被処理基板５０表面からの反射光、第１のキャップ絶縁膜５４と半導体層５３との界面からの反射光等、偏光素子２６の回転角を調節することによって任意に選択できる。以下の記載では、被処理基板５０表面、すなわち、第２のキャップ絶縁膜５５表面からの反射光を例に説明する。偏光素子は、図１では基板高さ測定システム２０の入射光側（２６）に配置した例を示したが、反射光側に偏光素子２６’を設置しても同等の効果を得ることができる。
【００３３】
図５は、被処理基板５０の高さずれ補正方法を説明する図である。上記のように配置した偏光素子２６を有する基板高さ測定システム２０では、被処理基板５０の高さが変動すると、選択される反射光Ｒ’は受光面上でＸ方向の変位した位置に検出される。例えば、図５（ａ）に示したように基板高さが基準位置（これを「０」で表示する）から−ｈだけ変位する場合を考える。選択された反射光Ｒ’は、図５（ｂ）に示したように受光面上の基準位置「０」からＸ方向に＋ｄだけ変位した位置に検出される。受光部２４は、受光面で受光した光を、例えば、ＣＣＤカメラ等を使用して電気信号に変換する。この電気信号は、受光面上の位置情報と光強度情報とを含む。変換された電気信号は、受光部２４からゲイン調整部２８に送られる。ゲイン調整部２８は、電気信号強度を調整し、さらに受光面上の基準位置における光強度が最大になるようにするために、被処理基板５０高さを調節する信号を発生して、ステージシステム３０に送る。ステージシステム３０のステージ駆動部３４は、基板高さ調節信号にしたがって基板ステージ３２の高さを調節して、受光面上の基準位置における反射光強度が最大になるようにする。
【００３４】
上記のように、被処理基板５０の高さは、１０ｎｍオーダーで調節することが要求されている。高さの変位量ｈが１０ｎｍオーダーの場合、受光面上の反射光のＸ方向の変位量ｄも、同様に１０ｎｍオーダーである。このような、微小変位量の高精度な測定は、困難であるため、本実施形態の受光部２４には、拡大レンズ２４ａを設けてある。拡大レンズ２４ａの倍率は、例えば、１００倍から１０００倍である。拡大レンズ２４ａにより、１０ｎｍオーダーの変位量を１μｍオーダーから１０μｍオーダーに拡大できる。μｍオーダーの変位量は、例えば、半導体画像センサー（ＣＣＤカメラ）、スリット等の光学絞りを用いた光検出器等により検出可能である。これにより、実効的に被処理基板５０の１０ｎｍオーダーの高さの変位を検出・調節できる。
【００３５】
被処理基板５０高さの調節は、被処理基板５０への結晶化用レーザー光の照射毎に行うことが好ましい。しかし、被処理基板５０の平坦性が良い場合には、数回のレーザー光照射毎に、基板高さ調節を行うようにすることも可能である。
【００３６】
次に、本実施形態による半導体膜のレーザー結晶化方法を図６に示したフローチャートを参照して説明する。
【００３７】
工程１０２において、被処理基板５０の結晶化を行う前に、被処理基板５０の結晶化が最適に行われる基板の基準高さを予め求める。具体的には、結晶化に使用するレーザー結晶化装置１００を用いて、被処理基板５０又はこれと同等の構造を有する基板に基板高さ測定用レーザー光を照射し、基板からの複数の反射光成分のうち所望の成分、例えば、最大の光強度を有する成分、を選択するように測定用レーザー光の光路上に設けられた偏光素子２６を調節する。次に、基板高さ測定光学系２０により反射光の検出位置を受光部２４で測定しながらこの基板の高さを変えて結晶化を行う。そして、結晶化された半導体膜の結晶粒が最大になる高さを、基板の基準高さとして決める。すなわち、この高さの基板表面が、逆ピークパターンの光強度分布に調整された結晶化用レーザー光の結像位置になる。この時の、この基準基板高さに対応する反射光の受光部２４上の検出位置が、測定光基準位置になる。したがって、基板高さ測定レーザー光の反射光の検出位置が測定光基準位置になるように被処理基板５０高さを調節することによって、被処理基板５０の半導体膜５３は、結晶化に最も適した基板の基準高さに調節される。
【００３８】
工程１０４において、被処理基板５０をレーザー結晶化装置１００の基板ステージ３２に搭載し、ステージ駆動部３４により所定の結晶化位置に設置する。
【００３９】
工程１０６において、基板高さ測定光学系２０により結晶化位置の、例えば、中央部の被処理基板５０の高さを測定する。測定光学系２０の受光部２４は、検出した光を、例えば、ＣＣＤカメラ等を用いて位置情報と光強度情報を含む電気信号に変換し、ゲイン調整部２８に渡す。
【００４０】
工程１０８において、ゲイン調整部２８は受光部２４の測定光基準位置における光信号強度が最大になるように基板高さ調節信号を発生し、ステージ駆動部３４に供給する。ステージ駆動部３４は、調節信号にしたがって基板支持ステージを駆動して被処理基板５０高さを調節する。このようにして、被処理基板５０の高さを、事前に求めた基板の基準高さ、すなわち、結晶化用レーザー光の結像位置に１０ｎｍオーダーの高精度で一致するように調節することができる。
【００４１】
工程１１０において、被処理基板５０に逆ピークパターンの光強度分布を有する結晶化用レーザー光を照射して、半導体膜５３を溶融、結晶化させる。このとき、被処理基板５０は、結晶化用レーザー光の結像位置に合わせられているため、所定の光強度分布のレーザー光が照射される。これにより、半導体膜５３に所望の温度分布を与えることができ、大きな結晶粒を有する半導体膜５３に結晶化することが可能になる。
【００４２】
その後、工程１０４に戻って次の結晶化位置に被処理基板５０を移動し、工程１０６から工程１１０を繰り返して、被処理基板５０全面を結晶化する。
【００４３】
これまでに説明してきたように、本実施形態により、被処理基板５０の高さを、１０ｎｍオーダーで所定の高さに調節することが可能になる。これにより、被処理基板５０表面を結晶化レーザー光の結像位置に１０ｎｍオーダーの高精度で調節することができる。したがって、結晶化される半導体膜５３に繰り返し精度良く所望の温度分布を与えることができ、大きな結晶粒を有する半導体膜を安定して形成することが可能になる。
【００４４】
本発明は、ここに開示された実施形態に制限することを意図したものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において他の実施形態にも適用でき、広い範囲に適用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、本発明の１実施形態によるレーザー結晶化装置の一例を示す図である。
【図２】図２は、本発明の１実施形態で使用され被処理基板の断面構造の一例を示す図である。
【図３】図３は、多層構造を有する被処理基板にランダムな偏光成分を含んでいる測定用レーザー光を照射した際の反射光を説明する図であり、（ａ）は断面図を示し、（ｂ）は反射光の光強度分布を示す。
【図４】図４は、偏光素子を使用した場合の測定用レーザー光の反射光強度を示す図である。
【図５】図５は、被処理基板の高さずれ補正方法を説明するための図であり、（ａ）は断面図を示し、（ｂ）は反射光の位置を示す。
【図６】図６は、本実施形態による半導体膜のレーザー結晶化方法を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００４６】
１００…レーザー結晶化装置，１０…結晶化光学系，１４…位相シフタ，２０…基板高さ測定システム，２６…偏光素子，３０…ステージシステム，５０…被処理基板，５１…支持基板，５２…下地絶縁膜，５３…半導体膜，５４，５５…キャップ絶縁膜。
【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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