CN100395866C - 结晶装置、结晶方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供结晶装置、结晶方法。本发明的结晶装置具备照明光学系统(2)、以及将来自上述照明光学系统的光束调制成预定光强度分布的移相器(1)，将被光调制的光束照射至多晶半导体膜或非晶质半导体膜(4)来生成晶体半导体膜。上述照明光学系统(2)射出剖面为非圆形状的光束。还在照明光学系统和移相器之间设置回转机构(3)，用于使来自上述照明光学系统的光束和上述移相器以光束的光轴为中心而光学地相对回转。
Description
技术领域
本发明涉及光结晶装置及结晶方法，其将使用移相器等相位调整器而调制成具有预定光强度分布的光束，照射至非晶体半导体膜上，而使该非晶体半导体膜结晶化。
背景技术
以往，在非晶质硅(amorphous-Silicon)层或多晶硅(poly-Silicon)层上，形成薄膜晶体管(Thin Flim Transistor：TFT)，其中，薄膜晶体管例如用作对加在液晶显示装置(Liquid CrystalDisplay：LCD)的像素上的电压进行控制的开关元件等。
多晶硅层的电子或空穴的迁移率高于非晶硅层。因而，在多晶硅层上形成晶体管的情况，与在非晶层上形成晶体管的情况相比较，开关速度变快，继而显示器的响应变快。另外，由薄膜晶体管构成外围LSI也成为可能。另外，具有使其他部件的设计余裕减小等优点。而且，驱动电路和DAC等外围电路被组装到显示器中时，能使这些外围电路更高速地工作。
多晶硅由晶粒的集合组成，与单晶硅相比较，其电子或空穴等载流子的迁移率低。这样在多晶硅上形成的许多薄膜晶体管，其沟道部分的晶粒界面的偏差成为问题。因此，最近为了提高载流子的迁移率、且使沟道部分的晶粒界面的偏差消失，而提出了生成大粒径的晶体硅的结晶方法。
这种结晶方法，已知的有将受激准分子激光照射在与多晶半导体膜或非晶质半导体膜(非晶半导体薄膜)平行地接近的移相器上，生成晶体半导体膜(相位控制ELA(Excimer Laser Annealing)法)的方法。例如，表面科学Vol.21.No.5.2000pp.278-287中详细公开了相位控制ELA法。
在相位控制ELA法中，产生光强度在移相器的移相部分相对应的点处最小的逆峰图形(光强度在中心最小、光强度朝周围激增的图形)的光强度分布，向非晶体半导体膜照射具有该逆峰图形光强度分布的光。其结果，按照该光强度分布，在该半导体膜的熔融区域产生温度梯度，对应于光强度最小的点而在最初凝固的部分形成晶核，晶体从该晶核朝周围横向地生长(以下称为“横生长”或“横向生长”)，由此生成大粒径的单晶粒径。
在日本特开2000-306859号公报中，公开了一种向半导体膜照射光进行结晶的技术，该光具有经由移相掩模(移相器)而产生的逆峰图形的光强度分布。
一般在现有技术中使用的移相器是一维图形的线型(line)移相器，由沿着一个方向交替重复的两个厚度不同的矩形区域构成，赋予该两个区域之间例如180度的相位差。使用线型移相器的情况下，在与移相器的移相线(相位的边界线)相对应的线区域，获得光强度最小的基本上呈V字形的光强度分布。
此时，在基本上呈V字形的光强度分布中，光强度最小的区域或其附近成为晶核的形成点、即晶体生长开始点，晶体从该晶体生长开始点朝基本上呈V字形的光强度梯度(继而是温度梯度)的方向横向生长。因而，为了从晶核开始实现充分的横向的晶体生长而高填充率且阵列状地生长大粒径的晶粒，需要进行调整，尽可能调整成V字形的连续光强度分布。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结晶装置及结晶方法，将通过移相器得到的光强度分布调整成比较整齐且连续的V字形形态，由此可以实现从晶核开始的长度充分的横向的晶体生长，来生长大粒径的晶体半导体膜。
为了解决上述课题，本发明的第1方案提供一种结晶装置，具备照明光学系统、以及将来自上述照明光学系统的光束调制成预定光强度分布的移相器，将被光调制的光束照射至多晶半导体膜或非晶质半导体膜来生成晶体半导体膜，上述结晶装置的特征在于：上述照明光学系统射出剖面为非圆形状的光束，还具备回转机构，用于使来自上述照明光学系统的光束和上述移相器以光束的光轴为中心而光学地相对回转。
本发明的第2方案提供一种结晶方法，使由照明光学系统射出的光束经由移相器而成为具有预定光强度分布的光束，将上述光束照射至非晶体半导体膜而生成晶体半导体膜，上述结晶方法的特征在于：
由上述照明光学系统射出的光束具有非圆形状的剖面，
为了在上述非晶体半导体膜上得到预期的光强度分布，使上述移相器和上述非圆形状的剖面的光束以光轴为中心而光学地相对回转。
在上述第1和第2方案中，通过使来自照明光学系统的例如长方形或椭圆形的光束和例如线型的移相器，以光束的光轴为中心而光学地相对回转(光束和移相器的任意一方、或两者以不同的角度回转)，不损失光量就能使入射至移相器的光束的最大入射角度连续地变化。因而，可以使入射至移相器的光束的最大入射角度适当变化，而将由移相器得到的光强度分布调整成预期的V字形状的形态。其结果，可以实现从晶核开始的长度充分的横向的晶体生长，来生长大粒径的晶体半导体膜。
在上述方式中，优选上述照明光学系统具有光源，上述光源具有关于上述光轴而回转非对称的形状，射出上述剖面为非圆形状的光束。另外，为了使与上述移相器以光束的光轴为中心而光学地相对回转，而优选在使用道威棱镜，该道威棱镜布置在上述照明光学系统和上述移相器之间的光路中，且能绕上述光轴回转。通过这样的构成，可以实现小型且具有简单构成的回转机构。
优选还具有成像光学系统，其布置在上述多晶半导体膜或上述非晶质半导体膜(即非晶体半导体膜)与上述移相器之间的光路中；上述半导体膜从与上述移相器光学共扼的面沿着上述成像光学系统的光轴仅离开预定距离。或者，优选半导体膜与上述移相器的射出面相互基本平行且接近地布置。
上述照明光学系统优选具备射出能量光的一次光源、布置在上述一次光源和上述非圆形光学元件之间且使能量光入射至上述移相器的入射角均匀的第1均匀器、及使能量光入射至上述移相器的能量光的光强度均匀的上述第2均匀器，上述第1均匀器和第2均匀器构成将来自上述一次光源的能量光变换成剖面为非圆形状的上述能量线后射出的二次光源。
利用上述技术，基于实现从晶核开始的充分的横向生长而得到的大粒径的晶体半导体膜，可以制造良好的半导体器件和液晶显示器。
本发明中所谓“剖面为非圆形状的光束”是指光轴用作对称轴的非对称的剖面的光束，是指正圆形以外的光束。
附图说明
图1是概要地示出本发明的实施方式涉及的结晶装置的构成的图。
图2是概要地示出图1的装置的照明光学系统和移相器之间的主要部分构成的图。
图3是概要地说明经由线型移相器而在被处理基片的表面上形成V字形光强度分布的原理的图。
图4是概要地说明经由线型移相器而在被处理基片的表面上形成阵列化了的V字形光强度分布的情况的图。
图5A和图5B是说明本实施方式的基本作用的图。
图6是说明移相器的图形和照明光学系统的出射光瞳(二次光源)通过道威棱镜(Dove prism)的回转(旋转)而光学地相对回转的情况的图。
图7是示意性地示出本实施方式的第1数值实施例中、形成在被处理基片的表面上的光强度分布的图。
图8是示意性地示出本实施方式的第2数值实施例中、形成在被处理基片的表面上的光强度分布的图。
图9是概要地示出本实施方式的第3数值实施例中形成在被处理基片的表面上的光强度分布的图。
图10是概要地示出图1的实施方式涉及的结晶装置的构成的图。
图11A至图11E是示出使用本实施方式的结晶装置来制作电子器件的工序剖视图。
具体实施方式
根据附图说明本发明的实施方式。
图1是概要地示出本发明的实施方式涉及的结晶装置的构成的图。另外，图2是概要地示出图1的装置中设置在照明光学系统和移相器之间的光学系统主要部分构成的图。在这些图中，赋予同一构成要素以相同的符号，并省略其详细说明。
参照图1，本实施方式的结晶装置具备照明光学系统2，照明光学系统2用于照明一维图形的线型移相器1。该照明光学系统2具备KrF受激准分子激光器光源2a作为一次光源，提供被结晶处理层例如非晶硅层显示出高的光吸收特性的波长的能量光，例如提供波长为248nm的光。另外，光源2a射出非晶硅层的光吸收特性好的波长，例如，也可以使用XeCl受激准分子激光器光源、ArF受激准分子激光器光源和YAG受激准分子激光器光源这样的其他适当的光源，或者也可以使用其它射出能量射线的光源。
从光源2a出射的例如有圆形剖面的激光经由光束扩展器2b扩大后，入射至第1复眼透镜(蝇眼透镜)2c。第1复眼透镜2c具有如下平面结构，例如在垂直于光轴的方向上纵横数量相同(相同长度)地设置多个小型的平凸透镜。
其结果，在第1复眼透镜2c的后侧焦点面上形成多个小光源，来自这些多个小光源的各个光束经由第1聚光器光学系统2d重叠照射在第2复眼透镜2e的入射面上。第2复眼透镜2e通过纵横且稠密地布置多个双凸透镜而构成。该第2复眼透镜2e如后所述那样，与第1复眼透镜2c不同，双凸透镜在纵向和横向上的数量不同，纵向长度与横向长度不同。其结果，在第2复眼透镜2e的后侧焦点面(即照明光学系统2的出射光瞳或其附近)上，形成了比第1复眼透镜2c的后侧焦点面多的小光源2f。由这些小光源2f射出的光通量通过第2聚光器光学系统2g，整形成剖面为非圆形的光束后从照明光学系统2射出。这样，由第1和第2复眼透镜2c、2e和第2聚光器光学系统2g构成二次光源。这里，所谓二次光源是将光源2a自身视为一次光源时的定义，定义为从移相器看光源方向时的等价光源。在典型的照明光学系统的情况下，与该照明光学系统的出射光瞳一致。
从形成在第2复眼透镜2e的后侧焦点面上的二次光源2f来的光，经第2聚光器光学系统2g照射移相器1。这里，第1复眼透镜2c和第1聚光器光学系统2d构成第1均匀器(homogenizer)，通过该第1均匀器可以使有关由光源2a提供的激光在移相器1的移相面上的入射角度实现均匀化。
另外，第2复眼透镜2e和第2聚光器光学系统2g构成第2均匀器，通过该第2均匀器可以使有关从第1均匀器来的入射角度被均匀化了的激光，在移相器1的移相面上的面内各位置上的光强度实现均匀化。移相器1的移相面(本实施方式中为光射出面)设定在第2聚光器光学系统2g的后侧焦点面上。这些均匀器也可以如下构成：利用第1均匀器进行光强度的均匀化，利用第2均匀器进行入射至移相器1的入射角度的均匀化。
在本实施方式中，如图2详细示出的那样，在照明光学系统2和移相器1之间的光路中，布置着能绕着光轴AX(以光轴AX为中心)回转的非圆形光学元件，例如道威棱镜3。该道威棱镜3是由透明体构成的、也被称作梯形棱镜或像回转棱镜的光学元件。这样，布置在照明光学系统2和移相器1之间的光路中而能绕着光轴AX回转的道威棱镜3构成回转机构，用于使从移相器1和二次光源2f射出的光束(激光)以光轴AX为中心而光学地相对回转。移相器1将在以后详细说明。通过了移相器1的激光入射至被处理基片4的表面，具有预定的光强度分布。被处理基片4例如是用化学气相生长法(CVD)在液晶显示器用的板玻璃之上依次形成基底绝缘膜、非晶硅膜和光吸收绝缘膜的基片。利用真空吸盘和静电吸盘等，将被处理基片4定位、支撑在基片载置台5上预先决定的规定的位置上。
图3是概要性地说明经由线型移相器1在被处理基片4的表面上形成V字形光强度分布的原理的图。而图4是概要地说明经由线型移相器1在被处理基片4的表面上形成阵列化了的V字形光强度分布的状态的图。参考图3，其示出了具有在0度(平行于光轴AX的方向)和最大入射角度θ之间的各种入射角度的光束，入射至线型移相器1的状态。此时，如图中的虚线所示，利用入射角度为0度的光束31，在从移相器1仅隔开距离d的间隔的被处理基片4的表面上，形成以移相器1的移相线1a相对应的位置为中心的逆峰状的光强度分布32。
另一方面，如图中的实线所示，利用以入射角度θ入射至移相器的光束33，在被处理基片4的表面上，形成从与移相线1a相对应的位置向移相器1的间距(pitch)方向仅横向移动了距离d×θ的位置为中心的逆峰状的光强度分布34。在此，光强度分布32和光强度分布34是基本相同的逆峰状的光强度分布。因此，根据具有0度和最大入射角度θ之间的各种入射角度的光束而形成在被处理基片4的表面上的光强度分布，是通过使由入射角度为0度的光束31得到的逆峰图形状的光强度分布32与仅横向移动了距离d×θ之间的各种距离的逆峰图形状的光强度分布的叠加而得到的。
这样，在理想的条件下经移相器1在被处理基片4的表面上形成大致V字形的光强度分布35，该光强度分布35的光强度在与移相器1的移相线1a相对应的位置上最小、且光强度沿着与移相器1的间距方向相对应的方向增大。此时，V字形的光强度分布35中，光强度最小的区域或其附近成为晶核的形成点，也就是晶体成长开始点，晶体从该晶体生长开始点起朝V字形的光强度梯度(继而温度梯度)的方向横向生长。
在此，将V字形的光强度分布35中的光强度的最大值正规化为1时的光强度的最小值、也就是α值变得重要。若α值变得过大，则光强度的最小点为适合于晶体生长开始的强度时，光强度的梯度不能变大，所以不能生长大的晶粒。相反，若α值变得过小，则光强度的最小点为适合于晶体生长开始的强度时，光强度的最大点处发生擦伤，晶体膜被破坏。另外，将光强度的最大值设定为不发生擦伤的强度时，均匀区域变大，所以若考虑以固定间距布置移相线1a，则难以得到大粒径的晶体。这样，为了稳定地生长晶核而成长为大粒径的晶体，需要通过各种条件将α值设定成最适值。
另外，为了实现从晶核横向地充分生长晶体而使大粒径的晶粒形成填充率高的阵列状(晶粒排列在沿着移相线1a的方向和与该方向垂直的方向即横向的状态)，与横向相关，如图4所示，需要使V字形的光强度分布阵列化，以便相邻的两个V字形的光强度分布没有大的间隔而基本相接(连接)。为了使α值和V字形的光强度分布的阵列化最适，需要与使用的激光的感应等条件相对应，调整光束对移相器1的最大入射角θ来进行最适化。若最大入射角θ小于最适值，则横向移动变得过小，α值有变得小于最适值的倾向。
另外，若最大入射角θ大于最适值，则横向移动变得过大，α值有变得大于最适值的倾向。再有，若最大入射角θ小于最适值，则相邻的两个V字形的光强度分布间隔开来，有不能以填充率高的阵列状生长晶粒的倾向。这样一来，通过调整光束对移相器1的最大入射角θ来进行最适化，可以将由移相器1得到的光强度分布调整成预期的连续的V字状形态。
另外，为了调整光束对移相器1的最大入射角θ，考虑采用例如组合替换照明光学系统2的方法，或者将可变开口光圈插入照明光学系统2的出射光瞳的方法等。但是，一方面，组合替换照明光学系统2的方法，由于需要用于组合替换的复杂的机构而不现实。而另一方面，使用可变开口光圈的方法，在穿过光圈时产生光量损失，有V字形的光强度分布的光强度全体下降的问题。另外，在照明系统使用复眼透镜时，二次光源2f由有限个数的实质的面光源构成，所以在使用可变开口光圈的方法中，有不能使光束的最大入射角θ连续变化的问题。
在本实施方式中，由于使用一维图形(相互平行的直线状的移相线)的线型移相器1，所以影响光束的入射角度成分之中V字形的光强度分布的形成，仅是沿着线型移相器1的一维图形的间距(移相线间隔)方向的入射角度成分。在此，在本实施方式中采用如下方法：在照明光学系统2的出射光瞳50(图5)或其附近，形成长方形状的二次光源2f，通过使移相器1和二次光源2f(正确的是从二次光源射出的光束)以光轴AX为中心光学地相对回转，而改变实效的最大入射角度θ。也就是，通过使移相器1和照明光学系统2的出射光瞳50关于光轴AX而相对回转，来改变入射至移相器1的实效最大入射角度。如图5所示，出射光瞳50是非圆形状。出射光瞳50是在移相器1上形成的被照射面。
图5是说明本实施方式的基本作用的图。在图5中，为了容易理解，而与纸面平行地示出了出射光瞳50，但实际上当然应该知道其垂直于纸面、即垂直于光轴。参照图5，在照明光学系统2的出射光瞳或其附近形成的二次光源2f是非圆形状，在此全部是长方形状，以与第2复眼透镜2e的各个透镜元件相对应的方式，由位于纵横的多个(图5中例示的是3×9＝27个)实质的面光源51构成。在此，由与第1复眼透镜2c的透镜元件数量相对应的数量小的光源的集合，分别构成各面光源51。也就是，在本实施方式中，第2复眼透镜2e是将9个凸透镜排列在垂直于光轴(Z方向)的纵向(X方向)上、将3个凸透镜排列在横向(Y方向)上构成。但是，当然可以理解这样的凸透镜的设置排列数量是任意的，能够进行各种变更。
另一方面，线型移相器1如图5所示，由沿着一个方向(图中Y方向)交替重复的两个矩形区域构成，即由线(line)部分52和间隔(space)部分53构成，例如赋予线部分52和间隔部分53之间180度的相位差。线型移相器1由透明体、例如在高温下稳定的石英玻璃形成，线部分52和间隔部分53按照线部分52高(厚)、间隔部分53低(薄)而高低地构成。高低是通过选择性地腐蚀石英玻璃的一面而得到的。在图5A所示的初始状态，是作为回转机构(控制系统)的道威棱镜3处于图2所示的回转位置状态，移相器1和二次光源2f的相对回转角度φ是0。其结果，长方形状的二次光源2f的短边方向和移相器1的一维图形的间距方向相对应，沿着入射至移相器1的光束的间距方向的实效的最大入射角度θ变得最小。
与之相对，从如图5A所示的初始状态起，通过使道威棱镜3绕着光轴AX回转，来使移相器1和二次光源2f仅相对地回转角度φ1而得到图5B所示的回转状态。如图5B所示的回转状态下的入射角θ，长方形状的二次光源2f的短边方向和移相器1的间距方向已经变得不相对应，入射至移相器1的光束的实效的最大入射角度θ变得大于图5A所示的初始状态。然后，在使移相器1和二次光源2f仅相对地回转90度的回转状态下(未图示)，长方形状的二次光源2f的长边方向和移相器1的间距方向变得相对应，入射至移相器1的光束的实效的最大入射角度θ变成最大。在这些回转中，光的使用效率基本不变。
这样，在本实施方式中，利用道威棱镜3的作用而使一维图形的线型移相器1和长方形状的二次光源2f光学地相对回转，从而不产生光亮损失就能使入射至移相器1的光束的最大入射角度θ连续地变化。其结果，在本实施方式中，使入射至线型移相器1的光束的最大入射角度θ适当变化，可以将由线型移相器1得到的光强度分布调整成预期的连续的V字形形态，继而实现从晶核起横向生长长度充分的晶体，而生长大粒径的晶体半导体膜。
接着，参照图6说明移相器1的图形和照明光学系统2的出射光瞳50(二次光源2f)通过回转道威棱镜3而光学地相对回转的情况。图6是对应于图2的透视图。如前所述，在本实施方式中，通过使道威棱镜3绕光轴回转，即使不使照明光学系统2的出射光瞳50实际上绕光轴朝图中虚线所示的位置50a机械地回转，或者不使移相器1的图形实际上绕光轴回转，也可以使移相器1和照明光学系统2的出射光瞳50(二次光源2f)光学地相对回转。另外其结果，通过使移相器1的图形和照明光学系统2的出射光瞳50(二次光源2f)通过回转道威棱镜3而光学地相对回转，可以不损失光亮而连续地改变入射至移相器1的光束的最大入射角度θ(入射角度幅度、即±θ)。该道威棱镜3的回转是通过对支撑该棱镜的未图示的框架进行手动操作，或者例如经由齿轮列这样的减速构件被电机这样的驱动构件回转而得到的。在结晶工序中，维持该回转位置是不言自明的。
如7至图9是示意性示出本实施方式的各数值实施例中在被处理基片的表面上形成的光强度分布的图。在图中，纵轴表示光强度，将平均值正规化为1.0。横轴是被处理基片4(非晶体半导体膜)的光照射面上的横向位置，仅提取重复的图形之中的一个周期。各数值实施例中，假定从KrF受激准分子激光器光源2a射出的激光的波长λ为0.248μm。另外，构成线型移相器1的线部分52和间隔部分53的间距方向尺寸都是10μm，假设赋予线部分52和间隔部分53之间以180度的相位差。另外，假设移相器1和被处理基片4的表面之间的间隔d为60μm。另外，假设最适的α值为0.45。
再有，二次光源2f如图5所示，由位于纵横的3×9＝27个面光源51构成，假设在图5A的初始状态下，相邻的面光源51的中心间距离在纵向和横向换算成入射角度都是0.012rad(弧度)。在图7所示的第1数值实施例中，将移相器1和二次光源2f的相对回转角度ф设定成30度。此时，若考虑入射至线型移相器1的光束的最大入射角度θ在沿着长边方向的中央的一例的面光源的列处相近似，则为0.012×4×Sin30°＝0.024rad≈1.376度。
在图8所示的第2数值实施例中，将移相器1和二次光源2f的相对回转角度ф设定成50度。此时，入射至线型移相器1的光束的最大入射角度θ为0.012×4×Sin50°≈0.0368rad≈2.110度。在图9所示的第3数值实施例中，将移相器1和二次光源2f的相对回转角度ф设定成70度。此时，入射至线型移相器1的光束的最大入射角度θ为0.012×4×Sin70°≈0.0451rad≈2.585度。
参考由图7的第1数值实施例得到的光强度分布，则可知形成相邻的两个V字形状的光强度分布离开较大的形态，不能高填充率且阵列状地生成晶粒。而且，在第1数值实施例中，由于最大入射角度θ过分小于最适值，所以，α值约为0.25，小于最适值，非晶区域变大，得到大粒径的晶体是困难的。
另外，参考由图9的第3数值实施例得到的光强度分布，则可知由于在中央发生光强度的起伏而不能得到清楚的V字形状的光强度分布，所以即使生成晶核，其位置也难以确定，故晶体的横生长易于在中途停止。而且，在第3数值实施例中，由于最大入射角度θ过分大于最适值，所以，α值约为0.55，大于最适值，不形成非晶区域，继而有生成不了晶核的可能。
与此相对，参考由图8的第2数值实施例得到的光强度分布，则可知跨一个周期整体(跨10μm的距离整体)形成一个V字形状的图形，所以，调整成相邻的V字形状的图形的光强度分布相互基本接近这样的α值约为0.42的预期的V字形状形态，可以高填充率且阵列状地生成晶粒。而且，在第2数值实施例中，由于最大入射角度θ基本设定成最适值，继而α值基本上也设定成最适值，根据预期的V字形状形态的光强度分布，可以实现从晶核起横向生长长度充分的晶体来生成大粒径的晶体半导体膜。
另外，虽然省略图示，但也尝试了各数值实施例所示的相对回转角度φ＝30度、50度和70度以外的各种相对回转角度φ的数值实施例，已经确认通过改变相对回转角度φ，可以使α值连续变化。另外，已经确认通过改变相对回转角度φ，可以使光强度分布的V字形状形态连续变化。
另外，在上述实施方式中，在照明光学系统2的出射光瞳或其附近形成了长方形状的二次光源2f。但是，本发明不限于此，也可以使用具有相关于光轴而回转非对称的形状的二次光源，还可以使用一般的非圆形状的二次光源来实施本发明。
另外，在上述实施方式中，作为用于使移相器1和二次光源2f以光轴AX为中心光学地相对回转的回转机构，使用布置在照明光学系统2和移相器1之间的光路中、能绕光轴AX回转的道威棱镜3。由于通过道威棱镜的光束越近似于平行光则像差越少，所以想减小像差的情况下较为理想。另外，也可以组合反射镜和棱镜等来代替道威棱镜，也可以使用具有同等功能的光学系统。另外，也可以不使用道威棱镜3等非圆形光学元件，而例如使移相器1和被处理基片4和基片载置台绕光轴AX整体回转的回转机构，或者使照明光学系统2回转的回转机构。但是，这些情况与使用非圆形光学元件的情况相比较，回转机构变大且变复杂。
在上述实施方式中，对如下装置应用本发明，即，将移相器1和被处理基片(即多晶半导体膜或非晶质半导体膜)4布置成相互基本平行且接近、依照所谓散焦法的结晶装置。但是，本发明不限于此，也可以如以下说明那样，对如下装置应用本发明，即，使成像光学系统介于移相器1和被处理基片4之间、依照所谓散焦法的结晶装置。
图10是概要地示出图1的实施方式涉及的结晶装置的构成的图。虽然图10的变形例具有类似图1的实施方式的构成，但其与图1的实施方式不同之处在于，在图10的变形例中，在移相器1和被处理基片4之间的光路中具有成像光学系统6。以下，着重与图1的实施方式的不同之处来说明图10的变形例。另外，在图10中，为了使附图清楚而省略了照明光学系统2的内部构成的图示。
在变形例中，如图10所示，被处理基片4被设定成从与移相器1光学共扼的面起沿着光轴AX仅离开预定距离。而且，成像光学系统6也可以是折射型的光学系统，也可以是反射型光学系统，也可以是折射反射型光学系统。在依照投影散焦法的变形例中，使入射至线型移相器1的光束的最大入射角度θ适当变化，可以将通过线型移相器1得到的光强度分布调整成预期的V字形状形态。
另外，虽然例示了使用两组复眼透镜的光学系统作为照明光学系统，但也可以使用一组复眼透镜，也可以是全部都不使用的光学系统。另外，本发明中使用的二次光源不必是实像，也可以是虚像。另外，也可以与实像/虚像无关、不能清楚成像的光源。例如，在通过圆柱形透镜将从激光器输出的平行光仅聚光在一个方向上的情况下，也可以当作在无限远存在线状的二次光源。在上述实施方式中，虽然说明了有关一维图形的相位图形，但无论对二维图形的移相器，还是对朝一个方向延伸的线型移相器都可以得到同样的效果。重要的是具有为了使移相器1的图形和二次光源2f相对地回转而在光路上设置的道威棱镜的光学系统。
另外，在上述实施方式中，光强度分布可以在设计阶段进行计算，但优选预先观察实际的被处理面上的光强度分布来确认。为此，通过光学系统扩大被处理基片4的被处理面，用CCD等摄像元件来输入也可以。在使用光为紫外线的情况下，由于光学系统受到制约，也可以在被处理面上设置荧光板来变换成可视光。
图11是示出使用本实施方式的结晶装置在结晶化区域制作电子器件的工序的工序剖视图。如图11A所示，在绝缘基片80(例如碱性玻璃、石英玻璃、塑料、聚酰亚胺等)之上，使用化学气相生长法或溅射法等，依次形成基底膜81(例如膜厚50nm的SiN和膜厚100nm的SiO2的层叠膜等)、以及非晶质半导体膜82(例如膜厚50nm～200nm左右的Si、Ge、SiGe等)，来准备被处理基片4。然后，使用图1所示的结晶装置，向非晶体半导体膜(非晶质半导体膜或多晶半导体膜)82的表面局部，例如预定的区域或全部，照射激光83(例如KrF受激准分子激光)。
其结果，如图11B所示，生长具有大粒径晶体的晶体半导体膜(多晶半导体膜或单晶半导体膜)84。接着，如图C所示，使用光刻技术将晶体半导体膜84加工成岛状的半导体膜85，该半导体膜85例如用于形成薄膜晶体管，在表面上使用化学气相生长法或溅射法等形成膜厚20nm～100nm的SiO2膜作为栅绝缘膜86。再有，如图11D所示，在栅绝缘膜上形成栅电极87(例如硅化物或MoW等)，以栅电极87作为掩膜将杂质离子88(N沟道晶体管时注入磷，P沟道晶体管时为硼)离子注入到半导体膜85中。然后，在氮气环境下进行退火处理(例如450℃下1小时)，使注入的上述杂质活性化，在岛状的半导体膜85上形成源区91和漏区92。接着，如图11E所示，在上述栅绝缘膜86和栅电极87上形成层间绝缘膜89。然后，在该层间绝缘膜89和栅绝缘膜86上形成接触孔，形成由沟道90连接的源区91和漏区92连接的源电极93和漏电极94。
在以上工序中，配合通过图11A和图11B所示的工序而生成的多晶半导体膜或单晶半导体膜84的大粒径晶体的位置，形成沟道90。通过以上工序，可以在多晶晶体管或单晶半导体上形成薄膜晶体管(TFT)。这样制造的多晶晶体管或单晶晶体管能够应用于液晶显示装置(显示器)和EL(电致发光)显示器等的驱动电路、存储器(SRAM或DRAM)、或CPU等集成电路等中。
Claims (18)
1.一种结晶装置，具备照明光学系统、以及将来自上述照明光学系统的光束调制成逆峰图形状的光强度分布的移相器，将被光调制的光束照射至多晶半导体膜或非晶质半导体膜来生成晶体半导体膜，上述结晶装置的特征在于：
上述照明光学系统射出剖面为非圆形状的光束，
还具备回转机构，用于使来自上述照明光学系统的光束和上述移相器以光束的光轴为中心而光学地相对回转，从而将通过上述移相器得到的光强度分布调制成连续的V字形形态。
2.如权利要求1所述的结晶装置，其特征在于，在上述照明光学系统和上述移相器之间的光路中，具有能绕上述光轴而回转的道威棱镜。
3.如权利要求1所述的结晶装置，其特征在于，上述回转机构具有道威棱镜，该道威棱镜布置在上述照明光学系统和上述移相器之间的光路中，且能以上述光轴为中心回转。
4.如权利要求1至3的任一项所述的结晶装置，其特征在于，上述多晶半导体膜或上述非晶质半导体膜与上述移相器的射出面相互基本平行且接近地布置。
5.如权利要求1至3的任一项所述的结晶装置，其特征在于，还具有成像光学系统，其布置在上述多晶半导体膜或上述非晶质半导体膜与上述移相器之间的光路中；
上述多晶半导体膜或上述非晶质半导体膜，被设定为从与上述移相器光学共扼的面沿着上述成像光学系统的光轴离开。
6.一种结晶方法，使由照明光学系统射出的光束经由移相器而成为具有逆峰图形状的光强度分布的光束，将上述光束照射至非晶体半导体膜而生成晶体半导体膜，上述结晶方法的特征在于：
由上述照明光学系统射出的光束具有非圆形状的剖面，
为了在上述非晶体半导体膜上得到连续的V字形形态的光强度分布，使上述移相器和上述非圆形状的剖面的光束以光轴为中心而光学地相对回转。
7.如权利要求6所述的结晶方法，其特征在于，通过使在上述光学系统和上述移相器之间的光路中布置的道威棱镜以上述光轴为中心回转，而使上述移相器和上述非圆形状的剖面的光束相对回转。
8.如权利要求6或7所述的结晶方法，其特征在于，上述非晶体半导体膜与上述移相器的射出面相互基本平行且接近地布置。
9.如权利要求6或7所述的结晶方法，其特征在于，还在上述非晶体半导体膜和上述移相器之间的光路中布置成像光学系统，
将上述非晶体半导体膜的表面设定为从与上述移相器光学共扼的面沿着上述成像光学系统的光轴离开。
10.一种结晶装置，其特征在于具有：
照明光学系统，射出用于结晶的剖面为非圆形状的能量光；
非圆形状光学元件，能回转地设置在上述照明光学系统的光路上、且由透明体构成；
移相器，设置在上述非圆形状光学元件的光路上，用于对入射光进行相位调制；以及
使被结晶化处理体位于上述移位器的光路上的构件；
上述非圆形状光学元件能使来自上述照明光学系统的光束和上述移相器以光束的光轴为中心而光学地相对回转，从而将通过上述移相器得到的光强度分布调制成连续的V字形形态。
11.一种结晶装置，其特征在于具有：
照明光学系统，射出用于结晶的剖面为非圆形状的能量光；
非圆形状光学元件，能回转地设置在上述照明光学系统的光路上、且由透明体构成；
移相器，设置在上述非圆形状光学元件的光路上，用于对入射光进行相位调制；
使被结晶化处理体位于上述移位器的光路上的构件；以及
控制构件，通过使上述非圆形状光学元件回转，控制上述能量光入射至上述移相器的入射角；
上述非圆形状光学元件能使来自上述照明光学系统的光束和上述移相器以光束的光轴为中心而光学地相对回转，从而将通过上述移相器得到的光强度分布调制成连续的V字形形态。
12.如权利要求10或11所述的结晶装置，其特征在于，上述非圆形状光学元件是道威棱镜。
13.如权利要求10或11所述的结晶装置，其特征在于，
上述照明光学系统具备射出能量光的一次光源、布置在上述一次光源和上述非圆形光学元件之间且使能量光入射至上述移相器的入射角均匀的第1均匀器、及使能量光入射至上述移相器的能量光的光强度均匀的第2均匀器，
上述第1均匀器和第2均匀器构成将来自上述一次光源的能量光变换成剖面为非圆形状的能量光后射出的二次光源。
14.如权利要求13所述的结晶装置，其特征在于，第1均匀器和第2均匀器具有复眼透镜，构成第2均匀器的复眼透镜在垂直于光轴的平面内纵向和横向上的双凸透镜的数量不同。
15.如权利要求10或11所述的结晶装置，其特征在于，上述移相器具有透明的主体，该主体具有相互分离、相互平行的直线状的多个阶差部。
16.一种结晶方法，用于结晶装置，其特征在于：
上述结晶装置具有射出用于结晶的能量光的光源、在自上述光源的光路上设置的照明光学系统、设置在上述照明光学系统的光路上由透明体构成的非圆形状光学元件、设置在上述非圆形状光学元件的光路上且用于对入射光进行相位调制的移相器、及使被结晶化处理体位于上述移相器的光路上的构件，上述非圆形状光学元件能使来自上述照明光学系统的光束和上述移相器以光束的光轴为中心而光学地相对回转，
上述照明光学系统射出剖面为非圆形状的光束，
上述结晶方法通过使上述非圆形状光学元件回转，控制上述能量光入射至上述移相器的入射角，从而将通过上述移相器得到的光强度分布调制成连续的V字形形态。
17.一种结晶方法，使来自照明光学系统的光束经由移相器而成为V字形状的光强度分布的光束，用上述光束照射非晶体半导体膜，而使非晶体半导体膜的照射区域形成晶体半导体膜，上述照明光学系统射出剖面为非圆形状的光束，上述结晶方法具有以下工序：
通过使移相器和非圆形状剖面的光束以光轴为中心而光学地相对回转，对入射至上述移相器的光束的入射角度幅度进行调整，而将上述V字形状的光强度分布调整成连续的V字形形态的工序；及
利用调整成上述连续的V字形形态的光束，来照射上述非晶体半导体膜的工序。
18.一种结晶装置，其特征在于具备：
光源，射出用于结晶的光束；
照明光学系统，设置在自上述光源的光路上、且射出剖面为非圆形状的光束；
移相器，设置在上述照明光学系统的光路上；
非圆形光学元件，设置在上述照明光学系统和上述移相器之间的光路中，通过使上述移相器和非圆形状剖面的光束以光轴为中心而光学地相对回转，对入射至上述移相器的光束的入射角度幅度进行控制，从而将通过上述移相器得到的光强度分布调制成连续的V字形形态；及
控制构件，使上述非圆形光学元件回转。
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