CN1477677A - 结晶装置、结晶方法、薄膜晶体管以及显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明针对包括照射一相移掩模(4)的一照明系统(2)的结晶装置，其中相移掩模(4)将来自照明系统(2)的光束转换成具有在与该相移掩模(4)的相移部分(4e)相应的区域中具有最小光强度的反峰值图形的光强度分布的光束。该结晶装置进一步包括一光学部件(1，11，12，13，14，15)，以便基于来自该照明系统(2)的光，在一预定平面上形成具有在与该相移部分对应的区域中光强度最小，并且朝该区域的周边增加的凹面图形的光强度分布；以及一成像光学系统(3)，将该多晶半导体膜或非晶半导体膜的表面或其共轭平面以及该预定平面设置成一光学上的共轭关系。

Description

结晶装置、结晶方法、薄膜晶体管以及显示装置
技术领域
本发明涉及通过用辐射能诸如激光束，照射非结晶(uncrystallized)半导体膜，诸如多晶半导体膜或非晶半导体膜产生结晶半导体膜的结晶装置和结晶方法。更具体地说，本发明涉及通过用使用相移掩模调相的激光束照射非结晶半导体膜产生结晶半导体膜的结晶装置和结晶方法。
背景技术
用在控制应用于例如，液晶显示器(LCD)的象素的电压的开关元件等等中的薄膜晶体管(TFT)的材料通常粗略地划分为非晶硅、多晶硅以及单晶硅。
多晶硅具有比非晶硅高的电子或电子空穴的迁移率。因此，当晶体管通过使用多晶硅形成时，由于开关速度比使用非晶硅的情形高，因此具有显示器响应变得很快并且能降低任何其他部件的设计余量的优点。另外，当外围电路，诸如在除显示器主体以外的部分上形成的驱动器电路或将数字信号转换成模拟信号的DAC，在显示区中形成时，使用非晶硅可实现这些外围电路的高速操作。
尽管多晶硅由一组结晶晶粒组成，但它具有比单晶硅更低的电子或电子空穴迁移率。此外，在通过使用非晶硅形成的小的晶体管中，存在沟道部分处的晶粒界面数量不规则的问题。因此，近年来，为提高电子和电子空穴迁移率并降低每个TFT的沟道部分(活化部分-activation portion)处的晶粒界面数量不规则性，已经提出了许多产生具有较大粒度的晶粒的结晶方法。
作为这种类型的结晶方法，传统上已知的为相控ELA(准分子激光退火)，其通过相移掩模用准分子激光束穿过相移掩模照射多晶半导体膜或非晶半导体膜产生结晶半导体膜。相控ELA的详细情况在例如“Surface Science Vol.21，No.5，pp278-487，2000”和日本专利申请公开No.2000-306859([0030]至[0034]，图8-11)中公开。
在相控ELA中，使用相移掩模来生成一反峰值图形(inverse peakpattern)的光强度分布(光强度随距离光强度最小的位置的距离快速增加的光强度分布)，并且用周期性地具有该反峰值图形的光强度分布的光束，照射非晶半导体膜诸如多晶半导体膜或非晶半导体膜。其结果是，根据光强度分布，在被照射的非结晶半导体膜上生成熔化区，在对应光强度最小位置的未熔化的部分或首先凝固的部分上形成晶核，并且晶体在从晶核到圆周的横向方向中生长(横向生长)，从而生成具有大粒度的晶粒(单晶)。
如上所述，在现有技术中，由于用具有反峰值图形的光强度分布的光束照射半导体膜，并且晶核在与光强度分布中光强度最小的位置对应的部分形成，因此能控制晶核形成位置。
然而，相移掩模不能控制两个相邻反峰值图形部分间的中间部分的光强度分布。
实际上，在现有技术中，中间部分的光强度分布通常涉及不规则波动(光强度重复增加和降低的波状分布)。在这种情况下，在结晶过程中，存在这样的缺点：即从晶核开始的横向增长，在光强度减少的中间部分停止，以致大晶体的生长被中断。另外，即使在中间部分获得基本均匀的光强度分布，仍然具有在这种均匀光强度分布的任意位置停止横向生长并且大晶体的生长被中断的缺点。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种结晶装置，其可实现从晶核的足够的横向生长并产生具有大粒度的结晶半导体膜，以及提供一种结晶方法、一种薄膜晶体管和一种显示装置。
为解决上述问题，根据本发明的第一发明，提供一种结晶装置，包括一照明系统，其照射相移掩模，以便用具有反峰值图形的光强度分布的一光束照射多晶半导体膜或非晶半导体膜，以产生结晶半导体膜，该光强度分布在与相移掩模的相移部分一致的区域中具有最小光强度，包括一光学部件，其基于来自所述照明系统的光，在预定平面上形成具有在与所述相移部分对应的区域中光强度最小，并且朝该区域的周边增加的凹面图形的光强度分布；以及一成像光学系统，将所述多晶半导体膜或非晶半导体膜的表面或其共轭平面以及所述预定平面设置成光学上的共轭关系。
根据第一发明的一优选方面，所述光学部件具有一透射型调幅掩模，所述透射型调幅掩模具有一透射率分布，所述透射率分布是基于将形成在所述预定平面上的具有所述凹面图形的光强度分布。最好，所述透射型调幅掩模具有一固定厚度的光透射部分，以及具有基于将形成在所述预定平面上的具有所述凹面图形的所述光强度分布的一厚度分布的光吸收部分。此外，最好，所述光吸收部分具有一正弦表面。最好，所述正弦表面形成为连续弯曲形状或阶梯状的形状。
另外，根据第一发明的一优选方面，所述光学部件是具有基于将在所述预定平面上形成的具有凹面图形所述光强度分布的数值孔径分布的一开放型(open type)调幅掩模。最好，所述开放型调幅掩模具有许多微小透射区域或许多微小光屏蔽区域或两者均有。另外，最好，将所述微小透射区和所述微小光屏蔽区的大小设置成实质上小于所述成像光学系统的分辨率。另外，最好，所述成像光学系统是一尺寸减小的光学系统。
此外，根据第一发明的一优选方式，在所述预定平面上，所述光学部件是一会聚/发散元件，所述会聚/发散元件产生当根据所述相移部分光束被发散时被光束照射的一区域以及根据所述相移部分的圆周部分光束被会聚时被光束照射的一区域。最好，所述会聚/发散元件具有发散一光束的一发散折射面以及会聚一光束的会聚折射面。另外，所述发散折射面以及所述会聚折射面形成一正弦折射面。此外，所述正弦表面形成为连续弯曲形状或类似阶梯状的形状。
另外，根据第一发明的一优选方式，所述光学部件包括一光强度分布形成元件，用于形成一预定光强度分布，该预定光强度分布在所述照明系统的光瞳面上的周边的光强度大于其中心或其附近的光强度分布，以及一波阵面分裂元件，用于将由所述照明系统提供的光束波阵面分裂成多个光束并将每个波阵面分裂光束会聚在所述预定平面上的与所述相移部分对应的一区域中。最好，所述波阵面分裂元件具有多个具备会聚功能的光学元件。所述预定光强度分布具有一圆形中心区，所述圆形中心区具有相对小的光强度，以及一复曲面外围区，所述复曲面外围区形成为环绕所述中心区并具有一相对大的光强度。另外，最好所述预定光强度分布具有一中心区，所述中心区被沿预定方向拉长并具有相对小的光强度，以及一外围区，所述外围区形成为环绕所述中心区或将所述中心区夹在中间并具有相对大的光强度。此外，最好所述光强度形成元件具有设置在所述照明光瞳平面或其附近的一透射滤光器，所述透射滤光器具有一预定光透射率分布。
此外，根据第一发明的一优选方式，所述相移掩模的一相移表面形成在与所述照明系统侧相对一侧的表面上。最好应用到所述多晶半导体膜或非晶半导体膜上的所述光强度分布具有一反峰值图形区，所述反峰值图形区在与所述相移掩模的相移部分对应的一区域中，具有最小光强度；以及一凹面图形区，所述凹面图形区具有从所述反峰值图形区向周边增加的光强度；还具有一拐折点，在所述拐折点处，倾角朝所述反峰值图形区和所述凹面图形区间的周边减小。
另外，根据第一发明的一优选方式，所述多晶半导体膜或非晶半导体膜以及所述相移掩模彼此平行排列并且彼此紧密接近。最好，所述装置进一步包括设置在所述多晶半导体膜或非晶半导体膜以及所述相移掩模间的光程中的一第二成像光学系统，其中所述多晶半导体膜或所述非晶半导体膜的一表面被设置成以一预定距离，沿一光轴远离通过所述第二成像光学系统，光学上与所述相移掩模共轭的一平面。最好，所述装置进一步包括设置在所述多晶半导体膜或所述非晶半导体膜和所述相移掩模间的光程中的一第二成像光学系统，其中所述多晶半导体膜或所述非晶半导体膜的表面被设置成通过所述第二成像光学系统，光学上与所述相移掩模共轭的一平面，以及所述第二成像光学系统的一图形象侧数值孔径被设置成生成具有所述反峰值图形的所述光强度分布所需的一值。
根据第二发明的一优选方面，提供一种结晶方法，其照射相移掩模以便用具有在与所述相移掩模的相移部分对应的一区域，具有最小光强度的反峰值图形的光强度分布的光束照射多晶半导体膜或非晶半导体膜，以产生结晶半导体膜，该方法包括：基于来自所述照明系统的光，在一预定平面上形成具有在与所述相移部分对应的一区域中光强度变为最小，并且朝该区域的周边光强度增加的凹面图形的一光强度分布；以及将所述多晶半导体膜或非晶半导体膜的表面或其共轭平面，与所述预定平面设置成通过所述成像光学系统成一光学上的共轭关系。
另外，根据第二发明的一优选方面，提供所述多晶半导体膜或非晶半导体膜以及所述相移掩模彼此平行排列并且彼此紧密接近。最好在所述多晶半导体膜或非晶半导体膜与所述相移掩模间的光程中设置一第二成像光学系统，以及将所述多晶半导体膜或所述非晶半导体膜的一表面设置成以一预定距离，沿一光轴远离光学上与所述相移掩模共轭的一平面。另外，最好，在所述多晶半导体膜或所述非晶半导体膜和所述相移掩模间的光程中设置一第二成像光学系统，将所述第二成像光学系统的一图形象侧数值孔径设置成生成具有所述反峰值图形的所述光强度分布所需的一值，以及将所述多晶半导体膜或所述非晶半导体膜的一表面设置成通过所述第二成像光学系统，光学上与所述相移掩模共轭的一平面。
根据第三发明的一优选方面，提供一种由根据上述结晶方法的结晶方法制造的薄膜晶体管。
根据第四发明的一优选方面，提供一种包括根据上述薄膜晶体管的薄膜晶体管的显示装置。
下面将在说明书中阐述本发明的优点，以及部分是从说明书中是显而易见的，或可通过本发明的实践了解的。本发明的目的和优点将通过在下文中特别指出的方式及其结合来实现和获得。
附图说明
包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示例说明本发明的实施例，并结合以上给出的概括描述以及下面给出的详细描述，用来解释本发明的原理。
图1是显示本发明的第一实施例的结晶装置的结构的示意图；
图2是显示图1中所示的照明光学系统的内部结构的示意图；
图3A和3B是显示根据第一实施例的一透射型调幅掩模的结构和效果的视图；
图4A至4C是显示根据第一实施例的透射型调幅掩模的制作步骤的视图；
图5A是以透视图的方式显示相移掩模的基本单元部件的结构的视图；
图5B是显示在图5A中所示的相移掩模的基本单元部分的配置的顶视图；
图5C是以透视图的方式显示相移掩模的另一基本单元部分的结构的视图；
图6是显示第一实施例中的相移掩模的一基本效果的视图；
图7A是显示将在x-z平面上处理的，透过一透射型调幅掩模以及一相移掩模的在基板上获得的相移掩模光束的一光强度分布的视图；
图7B是显示将在y-z平面中处理的，透过透射型调幅掩模和一相移掩模的在基板上获得的相移掩模光束的一光强度分布的视图；
图8是表示在图7A和7B中所示的光强度分布的三维视图；
图9是显示根据第一实施例的第一变型的结晶装置的示意图；
图10是示例说明开放型调幅掩模的效果的开放型调幅掩模的顶视图；
图11是显示根据第一实施例的第二变型的结晶装置的示意图；
图12是示例说明会聚/发散元件的效果的会聚/发散元件的侧视图；
图13A是显示具有阶梯形折射表面的会聚/发散元件的视图；
图13B是显示有关在相移掩模上获得的光束的向上凹的光强度分布的模拟结果的视图；
图13C是显示当将第一成像光学系统的分辨率设置成低至某一程度时的光强度分布的视图；
图14是显示根据第一实施的第三变型的结晶装置的示意图；
图15是显示图14的照明光学系统的示意图；
图16是显示设置在其附近的照明光瞳板上的透视滤光器的结构的示意图；
图17是显示微透镜阵列的一基本单元部分的示意图；
图18是显示由透射滤光器和微透镜阵列的效果而获得的后侧焦平面上的光束的光强度分布的视图；
图19是显示将由透射滤光器、微透镜阵列以及相移掩模的协作效果处理的基板上获得的光强度分布的视图；
图20是显示图19中所示的光强度分布的三维视图；
图21是显示根据第三变型的微柱面透镜阵列的视图；
图22是显示根据图13的第三变型的透射滤光器的一个变型的视图；
图23是显示透过第三变型的透射滤光器和微柱面透镜阵列的光束的光强度分布的视图；
图24是显示根据本发明的第二实施例的结晶装置的示意图；
图25是显示根据本发明的第三变型的结晶装置的示意图；
图26是显示相移掩模的一个变型的视图；以及
图27A至27E显示通过使用根据每个实施例的结晶装置制造一电子装置的步骤。
具体实施方式
现在将基于附图描述根据本发明的实施例。
图1是表示根据本发明的第一实施例的结晶装置的结构的示意图。如图1中所示，根据第一实施例的结晶装置具有：照明光学系统2，其照射待处理的基板6的预定区域；透射型调幅掩模1，位于基板6和照明光学系统2之间的光程上；相移器，即，相移掩模4，位于该透射型调幅掩模1和基板6之间的光程上；第一成像光学系统3，设置在透射型调相掩模1和相移掩模4间的光程上；以及第二成像光学系统5，设置在相移掩模4和基板6之间的光程上。照明光学系统2将照明光投射到透射型调幅掩模1上。
定位基板6的一个表面以便通过第一成像光学系统3和第二成像光学系统5与透射型调幅掩模1的出射面具有光学上的共轭关系。另外，沿光轴使基板6的一个表面远离与相移掩模4的相移表面(图1中处于下侧的表面)光学上共轭的平面(第二成像光学系统5的像平面)。第一成像光学系统3以及第二成像光学系统5可以是偏转型光学系统(inflection type optical system)或反射型光学系统。
在第一实施例中，可通过用化学气相淀积方法，在例如液晶显示器平板玻璃上形成一底垫膜和一非晶硅膜来获得基板6。通过使用例如，真空夹盘或静电夹盘，将基板6保持在基板台7的预定位置上。
图2是表示图1中所示的照明光学系统的内部结构的示意图。如图2所示，照明光学系统2包括：光源2a，诸如KrF准分子激光器，其可提供具有例如248nm的波长的光束；光束扩展器2b，放大来自光源2a的激光束；第一和第二复复眼透镜2c和2e，由多个设置在一平面上的凸透镜组成；以及第一和第二聚光光学系统2d和2f。应注意到任何其他合适的光源，诸如XeCl准分子激光器可以用作光源2a。
如图2中的示意性表示，由光源2a发射的光束通过光束扩展器2b被放大并进入第一复眼透镜2c。由于已经进入第一复眼透镜2c的光束经历由第一复眼透镜2c的每一凸透镜产生的会聚作用，因此在第一复眼透镜2c的后侧焦平面上实质上形成多个点光源。来自该多个点光源的光束以重叠的方式通过第一聚光光学系统2d照射到第二复眼透镜2e的入射面。
由于来自多个点光源、已经进入第二复眼透镜2e的光束经历由第二复眼透镜2的每个凸透镜产生的会聚作用，因此在第二复眼透镜2e的后侧焦平面上形成了比在第一复眼透镜2c的后侧焦平面上形成的更多的点光源。来自在第二复眼透镜2e的后侧焦平面上形成的多个点光源的光束进一步进入第二聚光光学系统2f。
第一复眼透镜2c和第一聚光光学系统2d构成第一光束均匀器，并且使在透射型调幅掩模1上的入射角一致。同样地，第二复眼透镜2e以及第二聚光光学系统2f构成第二光束均匀器，并使在透射式调幅掩模1上的平面内位置均匀。因此，照明光学系统2以重叠的方式投射具有实质上均匀的光强度分布的光束。用这种方式，照明光学系统2投射具有均匀光强度分布的光束。该光束照射到透射型调幅掩模1的入射面。
图3A和3B是说明根据本发明的第一实施例的透射型调幅掩模1的结构和作用的视图。另外，图4A-4C是表示根据第一实施例的透射型调幅掩模1的制造步骤的视图。尽管图3A和3B以及图4A-4C为清楚起见仅显示出透射型调幅掩模1的基本单元部分，但这些基本单元部分实际上是沿透射分布的方向(x方向)一维对准并且排列在透射型调幅掩模1中。
如图3A中所示，透射型调幅掩模1包括具有固定厚度的垂直板类型(vertical plate-type)光透射部分1a，和具有总的来说以正弦形式改变的厚度的光吸收部分1b，并且光透射部分1a和光吸收部分1b是例如整体形成的。形成光吸收部分1b的光吸收材料(光屏蔽材料)是用在例如，半调型(halftone)相移掩模中的材料，即MoSi、MoSiON、ZrSiO、a-Carbon、SiN/iN、TiSiN或Sr。如图3中所示，透射型调相掩模1调制来自照明光学系统2的具有均匀光强度分布的激光束的光强度。
现在将参考图4A至4C来描述透射型调幅掩模1的制造步骤的例子。首先，如图4A所示，由例如ZrSiO组成的光吸收膜1e均匀地形成在由石英玻璃形成的光透射部分1a上，然后，将抗蚀剂1f施加在光吸收膜1e的一个表面上。然后，连续改变一些剂量，并应用电子束测绘(electron beam plot)和显影处理以便形成具有连续截面的正弦曲线形的抗蚀剂膜1g，如图4B所示。然后，将该抗蚀剂膜1g用作掩模，通过使用干蚀刻技术蚀刻光吸收膜1e形成如图4c所示的包括具有连续曲线表面的光吸收部分1b的透射型调幅掩模1。在掩模1的制造步骤中，通过例如，重复形成光吸收膜1e和成形多次，可以形成包括具有阶梯形表面(例如，由一8级阶梯近似的表面)的光吸收部分1b的透射型调幅掩模1。该透射型调幅掩模生成具有正弦光强度分布的透射光。
图5A是表示相移掩模4的基本单元部分的结构实例的示意图。如图5A所示，相移掩模4的基本单元部分具有一相移表面，该表面包括四个矩形的、具有不同厚度的第一至第四区域4a至4d，在对角分别具有第一区域4a和第三区域4c的一对以及第二区域4b和第三区域4d的一对。位于对角的两个矩形区域4a-4c或4b-4d提供例如透射光束之间的相位差。即，相移掩模4具有第一至第四区域4a至4d逐渐变厚的阶梯状形状。可通过蚀刻或通过淀积形成各个区域4a至4d的阶梯。
作为具体的例子，当相对于具有248nm的波长的光束，由具有折射系数1.5的石英玻璃形成相移掩模4时，在第一区域4a和第二区域4b之间得到的阶梯为124nm，在第一区域4a和第三区域4c之间得到的阶梯为248nm，以及在第一区域4a与第四区域之间得到的阶梯为372nm。此外，在为各个区域4a至4d的边界的四条相移线的交点的附近形成相移部分4e。凸面部分的中心1d位于透射型调幅掩模1中的光吸收1b下以便与相移掩模4的相移部分4e对应。
应注意到为理解该图，图5A显示了相移表面(即在具有相移部分4e那一侧上的表面)形成在相移掩模4的上表面上，但相移掩模4的相移表面是形成在第二成像光学系统5一侧(与照明光学系统2一侧相对的一侧，即，在图1中下方的出射一侧)的表面上的。
图5B是表示具有排列在四个平面上的图5A中所示的基本单元部分的掩模作为相移掩模4的另一例子的顶视图。图5B所示的相移掩模4由二维排列，即以2×2的矩阵形式排列的多个基本单元部分构成。
尽管根据第一实施例的相移掩模4具有不同厚度的四个区域4a至4d，但它也可具有例如不同厚度的两个区域，其可得到对透射光束的相位差为π，如图5c所示。当相移掩模4具有两个区域时，这些区域沿一个轴交替地一维排列，并且相移部分位于两种类型的区域间的边界上。
从照明光学系统2投射的具有实质上均匀光强度分布的光束透过透射型调幅掩模1并经历光强度的调幅作用。如图3A和3B所示，从光透射型调幅掩模1的出射面1C投射的光束在与光吸收部分1b的凸面部分的中心对应的位置上具有最低光强度，并且光强度随距离该中心的距离而增加。此外，该光束具有诸如在与光吸收部分1b的凸面部分的中心对应的位置上，光强度最大的光强度分布，即，向上凹的光强度分布。最好，以这样一种方式设置透射型调幅掩模1，使得向上凹的光强度分布的宽度方向变为等于液晶中的象素的宽度掩模。
从透射型调幅掩模1投射的调制强度光束通过第一成像光学系统3照射相移掩模4。透过相移掩模4的光束经第二成像光学系统5应用到基板6上。
图6是以部分放大的方式示例说明第一实施例中的相移掩模4的基本效果的截面图。现在将给出有关在透射型调幅掩模1未放入照明光学系统2和相移掩模4间的光程中的情况，即实质上均匀光束进入的情况下，相移掩模4的基本效果的描述。
在相移掩模4中，由于两个相邻区域间的相位差被设置为π/2，因此在与一相移线412对应的位置光强度降低，但未降低到0。另一方面，由于相移线412的交点位于中心的圆形区中的复合透射比的一积分值(integration value)被设定为0，因此光强度在该交点，即与相移部分4e对应的位置处实质上为零。
因此，如图6所示，关于从具有多个基本单元部分的相移掩模4透过的光束的光强度分布，在基板6上，该光束循环地具有反峰值图形的光强度分布，即在与相移掩模4的每个相移部分4e对应的一点，光强度具有最小峰值，例如，实质上为零，并且当远离相移部分4e时光强度快速增加。也就是说，反峰值图形的循环光强度分布的最小部分由相移部分4e确定。应注意到反峰值图形的循环光强度分布在x-z平面和y-z平面上均具有实质上相同的轮廓。另外，反峰值图形的光强度分布的横向尺寸与相移掩模4与基板6间的距离(即，defocus quantity——散焦量)的1/2次幂成比例变化。
如上所述，当用循环地仅具有如图6所示的反峰值图形的光强度分布的光束照射半导体膜时，从一晶核开始朝向圆周的横向生长在反峰值图形部分之间的中间部分被停止。为实现从晶核的足够的横向生长，根据第一实施例的结晶装置在照射光学系统2和相移掩模4间的光程上具有透射型调幅掩模1以及相移掩模第一成像光学系统3。
图7A和7B是显示通过透射型调幅掩模1和相移掩模4的能在基板6上获得的相移掩模光束的光强度分布的视图。在第一实施例中，如上所述，透射型调幅掩模1具有使具有均匀光强度分布的光束进行调幅并且将其转换成循环地具有如图3B所示的向上凹的光强度分布的一光束的功能。另一方面，相移掩模4具有将具有均匀光强度分布的光束转换成循环地具有如图6所示的反峰值图形的光强度分布的光束的功能。
由于根据第一实施例的结晶装置具有透射型调幅掩模1和相移掩模4，因此已经到达基板6的光束经历了透射型调幅掩模1和相移掩模4的共同作用。所以，应用到基板6的半导体膜上的光束循环地具有如图7A的所示的两段式反峰值图形的光强度分布，该两段式反峰值图形的光强度分布由反峰值图形的光强度分布与相同周期分布的向上凹的光强度分布的乘积表示。在该两段式反峰值图形的循环光强度分布中，在对应于相移部分4e的点，光强度实质上为零，以与上述反峰值图形的光强度分布关联，并且当远离该点时在径向图中增加达到预定值。即，在该两段式反峰值图形的循环光强度分布中，光强度最小的位置由相移部分4e的一位置来确定。
在第一实施例中，两段式反峰值图形的循环光强度分布与x-z方向中的循环向上凹的光强度分布以及与y-z方向中循环向上凹的光强度分布对应，且如图8所示，在相邻反峰值部分之间的中间部分中，沿y方向，光强度是均匀的，且沿x方向，其实质上单调地增加或减少。此外，该两段式反峰值图形的光强度分布在反峰值图形部分和向上凹部分间倾角减小的地方具有拐折点。
当用具有两段式反峰值图形的光强度分布的光束照射基板6时，晶核在光强度最小的点处，即与光强度实质上为零的点(与相移部分4e对应的点)对应的部分形成。具体地说，晶核在反峰值图形的光强度分布中倾角较大的位置处生成。多晶硅在反峰值图形部分的中心部分生成，然后外部晶体变为晶核，且晶体生长。晶体生长的位置通常是倾角较大的位置。
然后，横向生长沿光强度梯度(即，温度梯度)较大的x方向从晶核开始。在两段式反峰值图形的光强度分布中，由于在中间部分中实质上不存在光强度减小的部分，因此横向生长从晶核到达一个峰值，而不会在中间过程中停止，从而实现大晶体的生长。具体来说，由于在第一实施例中，在反峰值图形和向上凹部分间存在倾角减小的拐折点，因此当用具有两段式反峰值图形的光强度分布的光束照射基板6的半导体膜时，结晶在横向方向从两段式反峰值图形的光强度分布的中心部分延伸的一较宽的区域中进行。此外，通过将两段式反峰值图形的光强度分布的横向方向设置成等于例如，液晶的一象素间距，可引起关于每个象素的单晶生长。即，能在为每个象素形成的单晶区域中形成由薄膜晶体管构成的开关晶体管。
基于此，在第一实施例中，可以实现从晶核的足够的横向生长，并且能产生具有大粒度的结晶半导体膜。由于通过根据第一实施例的结晶装置生成的晶体具有大粒度，所以在横向生长的方向即x方向中可获得高的电子或电子空穴的迁移率。因此，通过在横向生长的方向中设置晶体管的源极和漏极，能制造具有良好特性的晶体管。
应注意到在第一实施例中，在位于相移掩模4和基板6间的第二成像光学系统5中需要非常高的分辨率和成像性能，但在位于透射型调幅掩模1和相移掩模4间的第一成像光学系统1中不需要非常高的分辨率和成像性能。换句话说，由于透射型调幅掩模1的作用在基板6的表面上形成的具有向上凹的光强度分布的光束，不是非常敏感地受第一成像光学系统和第二成像光学系统5的分辨率的影响，而由于相移掩模4的作用在处理过的表面6的表面上形成的具有反峰值图形的光强度分布的光束，则非常敏感地受第二成像光学系统5的分辨率的影响。
因此，在第一实施例中，最好在第二成像光学系统5一侧形成相移掩模4的相移表面。在这种结构中，由于第一成像光学系统3包括相移掩模4的一玻璃基板部分，成像性能很容易因玻璃基板部分的象差影响而降低。然而，由于第二成像光学系统5不包括相移掩模4的玻璃基板部分，因此可保证高分辨率和成像性能，而不会受象差的影响。
图9是表示根据第一实施例的第一变型的结晶装置的示意图。第一实施例的第一变型具有与第一实施例相似的结构，但与第一实施例的基本区别之处在于提供了开放型(open type)调幅掩模11来代替透射型调幅掩模1。此外，图10是用于说明该开放型调幅掩模11的作用的开放型调幅掩模11的顶视图。在下文中，将就其与第一实施例的区别来说明该第一变型。应注意到，在图9中，为使该图清楚，省略了照明光学系统2的内部结构的示意图。
根据本发明的第一实施例的第一变型的开放型调幅掩模11包括具有固定厚度的光透射构件以及，如图10所示，以防止光进入中心部分以及朝两端部分透射率增加的图，在该光透射构件的表面(例如，第一成像光学系统3侧上的表面，即出射面)上分布许多微小的透射区和许多微小的光屏蔽区。具体来说，通过例如，在石英玻璃基板上喷射由具有其每边长度为s的正方形形状的铬构成的每个微小的光屏蔽区，然后使其成形来形成开放型调幅掩模11。
应注意到，为使该图清楚起见，图10仅显示了开放型调幅掩模11的基本单元部分，但该开放型调幅掩模11实际上具有沿数值孔径分布的方向(x方向)一维重复该基本单元部分的配置。此外，尽管在图10中将数值孔径分布图构造成具有固定尺寸的方形元素的组合，但并不局限于此。可使用任意的图，诸如其长度或宽度可变的矩形的组合。而且，例如，该开放型调幅掩模11可不具有光透射构件，并形成对一金属板的一敞开部分可能足够了。
开放型调幅掩模11中微小透射区和微小光屏蔽区的分布，即，形成数值孔径分布图以这样一种方式设定，使得数值孔径在后部单元部分的中心处最小且当远离基本单元部分的中心时，数值孔径增加开放型掩模。另外，开放型调幅掩模11的基本单元部分中数值孔径分布最小的部分被定位，以便与相移掩模4的基本单元部分中的相移部分4e对应。因此，开放型调幅掩模11具有使具有实质上均匀的光强度分布的光束进行调幅并将其转换成具有在与相移部分4e对应的区域中光强度最低且当远离该区域时，光强度增加的向上凹的光强度分布的光束的功能。
另外，在该第一变型中，设置开放型调幅掩模11的出射面(光束具有向上凹的光强度分布的表面)以便通过第一成像光学系统3和第二成像光学系统5，以光学上共轭的关系与基板6的表面耦合。因此，在未放入相移掩模4的情况下，施加到基板6的表面上的光束具有在与相移4e对应的区域中光强度最低且当远离该区域时，光强度增加的向上凹的光强度分布，与开放型调幅掩模11的出射面的情形类似。
应注意到，向上凹的光强度分布在x-z平面中具有实质上内凹轮廓，如图10所示，而在y-z平面中轮廓是均匀的。此外，最好将向上凹的光强度分布的横向方向设置成等于液晶的一象素间距。
由于根据第一变型的结晶装置具有开放型调幅掩模11以及相移掩模4，所以到达基板6的光束经历了开放型调幅掩模11和相移掩模4的共同作用。因此，如同第一实施例，施加到基板6的半导体膜的光束循环地具有如图7A所示的两段式光强度分布，其由与第一实施例相同的周期分布的反峰值图形的光强度分布和向上凹的光强度分布的乘积表示。在该两段式反峰值图形的循环光强度分布中，在与相移部分4e对应的一区域中光强度实质上为零，且当远离该区域时，在径向图中快速增加达到与反峰值图形的光强度分布对应的预定值。即，在该两段式反峰值图形的循环光强度分布中光强度最小的位置是由移位部分4e的位置来确定的。
在第一变型中，如同第一实施例，由于用因开放型调幅掩模11和相移掩模4的共同作用而具有两段式反峰值图形的光强度分布的光束照射基板6的半导体膜，因此横向生长达到一峰值而不在中间过程中停止，从而生成具有大粒度的结晶半导体膜。
应注意到由于开放型调幅掩模11的数值孔径分布离散变化(多级方式)，而不是连续改变，因此当用因开放型调幅掩模11的作用而被调幅的光束照射基板6的半导体膜时，在开放型掩模该光束的向上凹的光强度分布中易于产生细微的不均匀性。然而，即使在向上凹的光强度分布中产生了细微的不均匀性，当将光强度分布转换成温度分布时，光强度分布中的细微不均匀性被平均。如果它们不是实质上保持为温度分布中的细微不均匀性，则可忽略该细微不均匀性的影响。
为实质上抑制在向上凹的光强度分布中生成细微不均匀性，最好满足下述条件表达式(1)使得第一成像光学系统3的分辨率大于(小于)孔径的单位尺寸。
s＜1.22×λ/NA1                     (1)
其中λ为从照明光学系统2投射的光束的中心波长，NA1是第一成像光学系统3的出射侧上的数值孔径。即，在条件表达式(1)中，不等号右边的值表示第一成像光学系统3的分辨率。
因此，在第一变型中，即使通过将第一成像光学系统3的分辨率设定到低至某一程度，开放型调幅掩模11中数值孔径分布离散(多级方式)变化，也能用具有如图10所示，平滑改变的向上凹的光强度分布的光束照射基板6的半导体膜。或者，为实质上抑制在基板6的半导体膜上形成的向上凹的光强度分布中生成细微不均匀性，可有意地向第一成像光学系统3提供适当的象差。此外，如果铬由于应用于开放型调幅掩模11的激光束而易于恶化，则最好通过将第一成像光学系统3构造为一简化光学系统，来相对地降低将被投射的激光束的发光强度。
图11是显示根据第一实施例的第二变型的结晶装置的示意图。尽管第一实施例的第二变型具有与第一实施例相似的结构，但根据第二变型的结晶装置与第一实施例的基本区别之处在于提供了作为调相掩模的会聚/发散元件12来代替透射型调幅掩模1。此外，图12是用于示例说明该会聚/发散元件的作用的会聚/发散元件的侧视图。在下文中，将就其与第一实施例的区别来描述该第二变型。应注意到，在图11中，为使该图清楚起见，省略了照明光学系统2的内部结构的示意图。
如图12所示，会聚/发散元件12的基本单元部分具有两个朝向光束的出射侧突出的凸面部分以及夹在这些凸面部分中的一个凹面部分，而且这些凸面部分和凹面部分总体上形成具有基本上为正弦形的折射面12a。两个凸面部分是会聚折射面12c，其会聚已经进入会聚/发散元件12的光束，而凹面部分是发散折射面12b，其发散光束。通过会聚折射面12c和发散折射面12b，会聚/发散元件12的基本单元部分具有沿x方向的一维折射功能。
在会聚发散元件12的具有正弦形的折射面12a中，会聚/发散元件12和相移掩模4以这样的方式定位，使得发散折射面12b的中心与相移掩模4的基本单元部分的相移部分4e对应，且会聚折射面12c的中心部分(即，最突出中心线)与平行于第一至第四区域的y方向的每条中心线对应相移掩模。
应注意到，为清楚起见，图12仅显示了会聚/发散元件12的基本单位部分，但会聚/发散元件12实际上具有在其具有折射功能的方向(x方向)中，一维重复该基本单元部分的结构。
在已经进入会聚/发散元件12的基本单元部分的具有均匀光强度分布的光束中，透过发散折射面12b的光束经历发散作用，而透过会聚折射面12c的光束经历会聚作用，并且到达朝向第一成像光学系统3一侧的以一小的间隙远离会聚/发散元件12的出射面的预定平面12d。如图12所示，透过会聚/发散元件12的光束循环地具有在预定平面12d上的向上凹图形的光强度分布，该向上凹的光强度分布具有在每个相移部分4e最小并且当远离相移部分4e时增加的光强度。具体地，关于向上凹的光强度分布，在与发散折射面12b的中心对应的位置，光强度最小，而在与会聚折射面12c的中心对应的位置，光强度最大。
应注意到，向上凹的光强度分布在x-z平面中具有如在图12中所示的弯曲的轮廓，但在y-z平面中，该轮廓是均匀的。此外，最好设置向上凹的光强度分布的横向方向以便等于液晶的一象素间距。
在该第二变型中，尽管会聚/发散元件12的折射面一维地具有折射功能，但不局限于此，并且它可二维具有沿两个正交方向的折射功能。在这种情况下，通过会聚/发散元件12的作用，在基板6上形成的向上凹的强度分布在两个正交平面中具有相同的凹形轮廓。
配置预定平面12d以便通过第一成像光学系统3和第二成像光学系统5，与基板6的表面具有光学上的共轭关系。因此，当不插入相移掩模4时，来自照明光学系统2具有均匀光强度分布的光束由作为调相掩模的会聚/发散元件12转变成具有向上凹的光强度分布的光束以便照射基板6的表面。
由于根据该第二变型的结晶装置具有会聚/发散元件12和相移掩模4，已经到达基板6的光束经过会聚/发散元件12和相移掩模4的共同作用。因此，应用到基板6的半导体膜的光束循环地具有如图7A所示的两段式反峰值图形的光强度分布，其由以相同周期分布的反峰值图形的光强度分布和向上凹的光强度分布的乘积表示。在该两段式反峰值图形的循环光强度分布中，光强度在与相移部分4e对应的点基本上为零，且当径向远离该点时，光强度快速增加达到一预定值，与上述反峰值图形的光强度分布对应。即，由相移部分4e的位置确定两段式反峰值图形的环状光强度分布基本为零的位置。
在该第二变型中，与第一实施例类似，由于用因会聚/发散元件12和相移掩模4的共同作用而具有两段式反峰值图形的光强度分布的光束照射基板6的半导体膜，因此横向生长从晶核达到一峰值而不在中间过程中停止，从而生成具有大粒度的结晶半导体膜。
为制造会聚/发散元件12，将抗蚀剂应用到例如，石英玻璃基板的表面上，连续改变剂量，并且应用电子束测绘和显影处理，从而生成具有连续弯曲形状的抗蚀剂膜。此后，使用干蚀刻技术，从而形成具有连续弯曲形状的一反射面的会聚/发散元件12。应注意到，例如，在上述制造过程中，可通过反复多次形成和模塑抗蚀剂膜来形成具有阶梯状的折射面的会聚/发散元件12。
图13A是显示具有阶梯状的折射面的会聚/发散元件12的视图。另外，图13B是显示有关在相移掩模4上获得的光束的向上凹的光强度分布的模拟结果的视图。如图13A和13B所示，当会聚/发散元件12具有阶梯状的折射面(例如由一八级阶梯近似的折射面)时，在会聚/发散元件12的出射侧的预定平面12d上的光束的光强度分布不是平滑地改变。然而，在该第二变型中，通过将第一成像光学系统3的分辨率设置成低至某一程度，即使会聚/发散元件12的折射面由阶梯来近似，也可用具有如图13所示的平滑改变的向上凹的光强度分布的光束照射基板6的半导体膜。
应注意到，会聚/发散元件12并限于其多阶梯近似的连续弯曲表面，可将其构造成通过向后折叠(folding back)相差的0至2π范围获得的“基诺全息图形(kinoform)”。此外，会聚/发散元件12的会聚/发散作用可通过一光学材料的折射率分布实现，而无须会聚/发散元件12具有折射面。在这种情况下，可使用现有技术，诸如光聚合物或玻璃的离子交换，通过它们折射率被光强度调制。另外通过使用一全息或衍射光学元件，可实现与会聚/发散元件12等效的光交换效应。
图14是显示根据第一实施例的第三变型的结晶装置的示意图。另外，图15是显示图14所示的照明光学系统2的示意图。尽管，根据第一实施例的第三变型具有与第一实施例相似的结构，但根据该第三变型的结晶装置与第一实施例的主要区别在于设置了微透镜阵列13代替透射型调幅掩模1，并且在照明光学系统2的照明光瞳平面(illumination pupil plane)上或其附近提供了为一光强度分布形成元件的透射滤光器14。在下文中，将就与第一实施例的区别描述该第三变型。
如图14所示，在第三变型中，微透镜阵列13被配置在第一实施例的透射型调幅掩模1的位置。另外，如图15所示，透射滤光器14被配置在照明光学系统2中的第二复眼透镜2e的后侧焦平面(即照明光瞳平面)上或其附近。
图16是显示配置在照明光瞳平面上或其附近的透射滤光器14的结构的示意图。透射滤光器14具有透射率为例如50％的圆形中心区14a以及环绕该中心区14a形成并具有透射率实质上为100％的复曲面外围区14b。即，在照明光瞳平面或其附近，透过中心区14a的光束的光强度相对较低，而透过外围区14b的光束的光强度相对较高。因此，照明光学系统2以重叠的方式投射具有中心的光强度比在外围部分低的光强度分布的光束。
应注意到，通过喷射方法等等，形成由例如透射率而定的厚度的铬膜(或ZrSiO膜等等)，然后通过使用例如蚀刻进行图案形成，可以形成透射滤光器14的中心区14a。在该结构的情况下，作为光屏蔽材料的铬反射部分光并吸收部分光。
另外，也可通过形成设计成部分反射具有所使用的波长的光的多层膜，并对其进行图案形成来获得中心区14a。
在使用多层膜作为反射材料的情况下，尽管存在吸收不需要的光而不会产生热的优点，但必须考虑到防止反射光变为可能成为杂散光的因素的漫散光。此外，必须在中心区14a和外围区14b中调整光屏蔽材料或反射材料的类型和厚度，以避免产生明显的象差。应注意到，在该第三变型中，中心区14a具有圆的形状，但它也可具有任何其他形状，诸如三角形或矩形。
图17是显示微透镜阵列13的基本单元部分的示意图。参考图17，一微透镜阵列13的基本单元部分微小透镜元件(光学元件)13a具有二次曲面形状诸如，向第一成像光学元件3一侧突出的球面形状的折射面13b。通过该折射面13b，微透镜阵列13的微小透镜元件13a具有沿x方向和y方向的二次会聚功能。此外，将每个微小透镜元件13a的折射面13b的中心定位成对应于相移掩模4的基本单元的相移部分4e。应注意到，为使该图清楚起见，图17仅显示了微透镜阵列13的基本单元部分，但微透镜阵列13的微小透镜元件13a是二维配置的(同时在垂直和水平方向并仔细地)。
已经进入微透镜阵列13的微小透镜元件13a的光束通过折射面13b经历会聚作用，并且在微小透镜元件13a的焦平面(即，微透镜阵列13的后侧焦平面)上形成点状光束。以这种方式，微透镜阵列13被设置在照明光学系统2和相移掩模4之间的光程上，并构成一波阵面分裂元件，其将已经从照明光学系统2进入的光束波阵面分裂成多个光束并且将每个波阵面分裂光束会聚在一相应的相移部分4e上或其附近。在该第三变型中，将微透镜阵列13的后侧焦平面13c被配置成通过第一成像光学系统3和第二成像光学系统5与基板6的表面具有光学上的共轭关系。
图18是显示通过透射滤光器14和微透镜阵列13的作用在后侧焦平面13c上获得的光束的光强度分布的示意图。如图18所示，关于经透射滤光器透射过该微透镜阵列13的光束，垂直进入的光束量很小，而倾斜进入的光束量则相对较大。因此，在后侧焦平面13c，该光束具有在每个相移部分4e，光强度最小，以及当远离该相移部分4e时，光强度增加的向上凹的光强度分布。具体地，就向上凹的光强度分布来说，在与折射面13b的中心对应的位置，光强度最小，而且在与折射面13b的两端部分相应的位置，光强度最大。
应注意到，该向上凹的光强度分布在x-z和y-z平面中具有相同的轮廓。此外，最好将该向上凹的光强度分布的横向尺寸设置成等于液晶的一象素间距。
图19是显示通过透射滤光器14、微透镜阵列13以及相移掩模4的共同作用，在基板上获得的一光强度分布的视图。如上所述，透射滤光器14具有将具有均匀光强度分布的光束转换成具有中心光强度最小，且当远离该中心时，光强度增加的向上凹的光强度分布的光束的功能。微透镜阵列13具有将入射光束转换成仅应用于预定区域的点状光束的功能。另外，相移掩模4具有将具有均匀光强度分布的光束转换成具有如图7B所示的反峰值图形的光强度分布的光束的功能。
另外，如上所述，作为调相掩模的微透镜阵列13的后侧焦平面13c以及基板6的表面被配置成具有光学上的共轭关系。因此，在不插入相移掩模4的情况下，当具有均匀光强度分布的光束透射过微透镜陈列13时，基板6的表面被具有向上凹的光强度分布的光束照射。
由于根据第三变型的结晶装置具有透射滤光器14、微透镜阵列13以及相移掩模4，所以到达基板6的光束经历这些构件的作用。因此，到达基板6的半导体膜的光束被转换成仅应用到预定区域的点状光束，并且具有如图19所示的、由具有相同周期的反峰值图形的光强度分布与向上凹的光强度分布的乘积表示的两段式反峰值图形的光强度分布。在该两段式反峰值图形的光强度分布中，在与相移部分4e对应的点，光强度基本上为零，且当径向远离该点时，光强度快速增加以达到与上述反峰值图形的光强度分布对应的一预定值。即，在该两段式反峰值图形的光强度分布中光强度最小的位置由相移部分4e的位置确定。
在第一实施例的每个变型中，两段式反峰值图形的光强度分布中对应于x-z方向中的循环向上凹的光强度分布以及y-z方向中的循环向上凹的光强度分布。如图20所示，相邻反峰值图形间的中间部分基本上沿x方向和y方向单调地增加。另外，该两段式反峰值图形的光强度分布具有一拐折点，在该拐折点处反峰值图形部分与向上凹部分间的倾角减小。
在每个变型中，如同第一实施例，当用具有两段式反峰值图形的光强度分布的光束照射基板6时，在光强度最小的点，即光强度实质上为零的点(与相移部分4e对应的点)上形成晶核。具体地说，在反峰值图形的光强度分布中，倾角较大的位置形成晶核。在反峰值图形的中心部分生成多晶，在其外侧上的晶体变为晶核，并且晶体生长。通常晶体生长的位置是倾角较大的位置。
然后，横向生长沿光强度梯度(即，温度梯度)较大的x方向，从晶核开始。在两段式反峰值图形的光强度分布中，由于在中间部分基本上不存在光强度减小的部分，因此横向生长达到一峰值而不会在中间过程停止，从而实现大晶体的生长。具体来说，由于在第一实施例中，在反峰值图形部分以及向上凹部分间存在倾角减小的拐折点，因此当用具有两段式反峰值图形的光强度分布的光束照射基板6的半导体膜时，在横向方向中，在从两段式反峰值图形的光强度分布的中心延伸的一较宽的区域中形成结晶。因此，通过使两段式反峰值图形的光强度分布的横向方向等于液晶的一象素间距，可以相对于每个象素生成单晶。
如上所述，在第一实施例的每个变型中，能实现从晶核的足够的横向生长，以及能生成具有大粒度的结晶半导体膜。由于根据第一实施例的结晶装置生成的晶体具有大粒度，其在横向生长的方向(x方向)中具有高的电子迁移率。因此，在横向生长的方向中设置晶体管的源极和漏极可以生产出具有良好特性的晶体管。
另外，在第三变型中，已经进入微透镜阵列13的光通过许多微小透镜元件13a被波阵面分裂，而且通过每个微小透镜元件13a会聚的光束形成为点状。因此，由照明光学系统2提供的大部分的光可以用于仅在所需晶体管区域中结晶，从而实现具有良好光效率的结晶。
在第三变型中，尽管微透镜阵列13的微小透镜元件13a的折射面13b具有球面形状，但它可以具有在x方向和y方向具有不同曲率的形状。当折射面13b在x方向和y方向中的曲率互不相同时，点状光束区具有椭圆形状。由于该椭圆形的长轴和短轴对应于x方向和y方向中的两段式反峰值图形的光强度分布的横向方向，因此，当点状光束区形成为椭圆形时，在x方向和y方向中，反峰值图形部分中的光强度梯度不同。因此，通过设置折射面13b的曲率，可沿每个方向改变横向生长度。
在第三变型中，作为波阵面分裂元件的微透镜阵列13具有由二维配置构成的多个光学元件(微小透镜元件)13a，且每个光学元件13a通过具有二次曲面形状的折射面13b，具有二维会聚功能。然而，本发明并不局限于此，例如，可使用如图21所示的微柱面透镜阵列13′。微柱面透镜阵列13′具有在一预定方向中一维配置的多个光学元件13′a，且每个光学元件13′a包含具有沿一预定方向的一维会聚功能的折射面13′b。在这种情况下，根据微柱面透镜13′的使用，使用如图22所示的透射滤光器15是比较理想的。
透射滤光器15包括具有透射率为例如50％的狭长的矩形中心区域15a以及将该中心区15a夹入中间而形成、并具有实质上为100％的透射率的一对半圆形外围区域15b。将该透射滤光器15的中心区域15a的纵向方向和微柱面透镜阵列13′的每个微小柱面透镜元件13′a的纵向方向设置成在光学上彼此关联。尽管，该中心区域15a由实质上平行的弦限定出，但不局限于此，可采用任何其他形状。
已经进入微柱面透镜阵列13′的光束被许多微小柱面透镜元件13′a波阵面分裂，且通过每个微小柱面透镜元件会聚的光束形成环绕基板6上的每个晶体管区的狭缝形(线性)光束。
因此，施加到基板6的狭缝形光束的光强度分布沿狭缝的短边方向具有如图23所示的两段式反峰值图形轮廓，并且沿纵向方向具有均匀轮廓。即，透过微柱面阵列元件13′和透射滤光器15，然后施加到基板6上的光束具有如图23所示的光强度分布。
当用具有如图23所示的两段式反峰值图形的光强度分布的光束照射基板6时，在光强度最小的点，即光强度实质上为零的点上形成晶核。然后，横向生长沿具有光强度梯度的方向(图22中的横向方向)，从该晶核开始。在如图23所示的两段式反峰值图形光强度分布中，由于在中间部分中实际上不存在光强度减小的部分，因此横向生长达到一峰值而不会在中间过程停止，从而实现大晶体生长。
应注意到，在第三变型中，微透镜阵列13、微柱面阵列透镜阵列13′的折射面可以形成连续弯曲面形状或梯状形状。另外，其并不局限于连续弯曲面形状或其多级近似，而且可将分裂波阵面元件构造成通过向后折叠相差0至2π范围获得的“基诺全息图形”。此外，可通过光学材料的折射率分布实现该效果，而不用向分裂波阵面元件提供折射面。在这种情况下，可使用现有技术，诸如通过光强度、玻璃的离子交换调制其折射率的光聚合物等。此外，可通过使用一全息或衍射光学元件来实现分裂波阵面元件。
另外，在第一实施例和每个变型中，第二成像光学系统5被插入在相移掩模4和基板6间的光学系统上，而且相对大地保证基板6和第二成像光学系统5间的间隙。因此，相移掩模4不会因基板6的烧蚀(ablation)而污染相移掩模。因此，能实现良好的结晶，而不会受基板6的烧蚀的影响。
另外，在第一实施例和每个变型中，由于相对大的保证基板6和第二成像光学系统间的间隙，因此通过引入检测光来检测基板6和第二成像光学系统间的光程的一个位置，很容易调整基板6和第二成像光学系统5间的位置关系。
图24是显示根据本发明的第二实施例的结晶装置的示意图。尽管第二实施例具有与第一实施例相似的结构，但第二实施例与第一实施例的基本区别在于从相移掩模4和基板6间的光程除去了第二成像光学系统5。现在将就其与第一实施例的区别描述该第二实施例。应注意到，在图21中，为使该图清楚起见，省略了照明光学系统2的内部结构的示意图。
如图24所示，在第二实施例中，相移掩4和基板6彼此紧密接近(例如，几μm至几百μm)并行排列。此外，基板6的表面被配置成通过第一成像光学系统3与透射型调幅掩模1的出射面具有光学上的共轭关系。在未插入透射型调幅掩模1的情况下，相移掩模4具有将具有均匀光强度分布的光束转换成具有如图7A所示的，在与相移部分4e对应的区域中光强度最小的反峰值图形的光强度分布的光束的功能。该反峰值图形的光强度分布的横向尺寸与相移掩模4和基板6间的距离(即，散焦量)1/2次幂成比例变化。
在第二实施例中，由于与第一实施例类似，用因同样的透射型调幅掩模1和相移掩模4的作用而具有两段式反峰值图形的光强度分布的光束照射基板6的半导体衬底，因此从晶核的横向生长达到一峰值而不会在中间过程停止，从而生成具有大粒度的结晶半导体膜。应注意，可将开放型调幅掩模11、会聚/发散元件12、微透镜阵列13以及透射滤光器14代替透射型调幅掩模1作为第二实施例的变型。
图25是显示根据本发明的第三实施例的结晶装置的示意图。尽管第三实施例具有与第一实施例相似的结构，但第三实施例与第一实施例的基本区别在于将相移掩模4的一相移表面以及基板6的一表面配置成通过第二成像光学系统5具有光学上的共轭关系。现在将就其与第一实施例的区别描述该第三实施例。应注意到，在图25中，为使该图清楚起见，省略了照明光学系统2的内部结构的示意图。
如图25所示，相移掩模4的相移表面以及基板6的表面被配置成通过第二成像光学系统具有光学上的共轭关系。此外，基板6的表面被配置成通过第一成像光学系统3和第二成像光学系统6，与透射型调幅掩模1的出射面具有光学上的共轭关系。
根据该第三实施例的成像光学系统5具有孔径光阑5a，且该孔径光阑5a被设置在成像光学系统5的光瞳平面上。该孔径光阑5a具有多个孔径光阑，该多个孔径光阑具有不同大小的通光部分(光透射部分)，而且该多个孔径光阑被配置成将根据光程被转换。或者，孔径光阑5a可具有可连续地改变通光部分大小的一可变光阑。设置该孔径光阑5a的通光部分的大小(即成像光学系统5的图象侧数值孔径)以便在基板6的半导体膜上生成两段式反峰值图形的循环光强度分布。最好，将两段式反峰值图形的光强度分布的横向尺寸设置成等于液晶的一象素间距。
因相移掩模4的作用而形成在基板6的半导体膜上的反峰值图形的光强度分布的横向尺寸变为实质上等于第二成像光学系统5的分辨率R2。假定λ为所使用的光的波长，NA2为第二成像光学系统5的图象侧数值孔径，那么规定第二成像光学系统5的分辨率R2为R2＝kλ/NA2。这里，根据照射相移掩模4的照明光学系统2的规格、由光源提供的光束的相干级、分辨率的定义，常数k是基本接近1的值。如上所述，在第三实施例中，当第二成像光学系统5的图象侧数值孔径NA降低以及降低第二成像光学系统5的分辨率时，反峰值图形的光强度分布的横向尺寸变大。
即，在相移表面上转换的光束的光强度分布中的反峰值部分在相移表面上具有窄的横向尺寸，且在远离相移表面至某一程度的平面上具有最好的横向方向。在第三实施例中，由于通过第二成像光学系统5，在相移表面上的光强度分布被以一较低分辨率传送到基板6的半导体膜上，因此应用到基板6上的光束的光强度分布中的反峰值图形部分在基板6的半导体膜上具有最好的横向尺寸。
此外，在第三实施例中，由于将第二成像光学系统5插入相移掩模4和基板6间的光学系统上，并且相对大地保证基板6和第二成像光学系统5间的间隙，所以相移掩模4不会因基板6的烧蚀而污染相移掩模。因此，能实现良好的结晶而不会受基板6的烧蚀影响。
此外，在第三实施例中，由于相对较大地保证基板6和第二成像光学系统5间的间隙，因此通过引入检测光来检测基板6和第二成像光学系统5间的光程的一位置，可以很容易调整基板6和第二成像光学系统5间的位置关系。
在上述每个实施例中，尽管相移掩模4包括与相位0、π/2、π和3π/2对应的四个矩形区域，但不局限于此，而且可实现相移掩模4的各种变型。例如，可采用具有三个或更多相位线的一交点(相移部分)的相移掩模4，并以这样的方式设置该的相移掩模4，使得在以该焦点作为中心的一圆形区中复合透射比的一积分值实质上为零相移掩模。另外，例如如图6所示，可使用具有与相移部分对应的一圆形阶梯的相移掩模4，并以这样的方式设置该相移掩模4，使得在该圆形阶梯部分上的透射光和圆周区中的透射光间的相位差变为π相移掩模。
尽管能在设计阶段计算光强度分布，但是仍希望在实际处理过的表面(暴露表面)上观察和确认光强度分布。为做到这一点，通过光学系统放大处理后的表面并通过成像元件，诸如CCD输入结果即可满足要求。当将使用的光是紫外线时，由于光学系统受限制，因此可向处理表面提供荧光板(fluorescent screen)并将光转换成可见光。
图27A至27E显示了通过使用根据每个实施例的结晶装置制造电子设备的步骤。如图27A所示，通过例如，化学气相淀积方法或喷射方法，在一绝缘基板20(例如碱性玻璃、石英玻璃、塑料、聚酰亚胺等等)上形成一底垫膜21(例如，具有膜厚度为50nm的SiN、具有膜厚度为100nm的SiO2迭层膜等等)和一非晶半导体膜22(例如，具有膜厚度为约50nm至200nm的Si、Gc、SiGe等等)，来制备基板6。
通过使用上述结晶装置，用激光束23(例如，KrF准分子激光束或XeCl准分子激光束)照射所形成的非晶半导体膜22的一部分或全部。由于根据本发明的每个实施例的结晶装置提供具有两段式反峰值图形的光强度分布的光束，因此，如图27B所示，可以产生具有比由传统的结晶装置所产生的多晶半导体膜更大粒度的晶体的多晶半导体膜或单晶半导体膜24。
当非晶半导体膜22具有相对大的表面并且仅有部分表面通过结晶装置被一个辐射照射时，通过在两个正交方向中相对地移动结晶装置和非晶半导体膜22，可实现非晶半导体膜22的整个表面的晶化。
例如，结晶装置可以相对于非晶半导体膜22在两个正交方向中移动，当通过相对于固定的结晶装置，移动该台来移动结晶装置时，非晶半导体22的表面可以同时被光束照射。或者，可将具有非晶半导体膜22的基板安装在能在两个正交方向中移动的台上，并且激光束可照射非晶半导体膜22的表面。又或者，在由一仅能在一个方向移动的臂支撑的结晶装置中，相对于该结晶装置，移动在与该结晶装置正交的方向中的、具有非晶半导体膜22的基板，通过在彼此正交的两个方向中相对移动结晶装置和基板，非晶半导体膜22的表面可被激光束照射。
然后，如图27C所示，通过使用光刻技术，将多晶半导体膜或单晶半导体膜24处理成岛形(island-shaped)半导体膜25，并通过化学气相淀积方法、喷射方法等等，将具有膜厚度为20nm至100nm的SiO2膜形成为门绝缘膜26。此外，如图27D所示，形成门电极27(例如，硅化物或MoW)，并通过将门电极27用作掩模注入杂质离子28(在N沟道晶体管的情况下为磷光体，以及在p沟道晶体管的情况下为硼)掩模。此后，在氮气氛中执行退火处理(例如，450℃下一小时)，并活化杂质。
然后，如图27E所示，形成层间绝缘膜29，形成接触孔，以及形成连接到彼此通过沟道30耦合的源区31和漏区32的源极33和漏极34。这时，根据在图27A和27B所示的步骤中产生的多晶半导体膜或单晶半导体膜24的大粒度晶体的位置，形成沟道30。
通过上述步骤，能形成多晶晶体管或单晶半导体晶体管。由此制造的薄膜晶体管可应用到显示装置，诸如液晶显示器或EL(场致发光)显示器的驱动电路、集成电路，诸如存储器(SRAM或DRAM)或CPU等等。
本领域的技术人员将很容易联想到另外的优点和变型。因此，在其更宽方面中的本发明并不局限于在此所示和描述的特定细节和代表性实施例。因此，在不脱离由附加权利要求书及其等效定义的全面的发明原理的精神或范围的情况下，可做出各种变型。

Claims (31)

1、一种结晶装置，包括一照明系统，所述照明系统照射一相移掩模，以便用具有在与所述相移掩模的一相移部分对应的区域，具有最小光强度的反峰值图形的光强度分布的光束照射多晶半导体膜或非晶半导体膜，以产生结晶半导体膜，其特征在于包括：
一光学部件，基于来自所述照明系统的光，在一预定平面上形成一凹面图形的光强度分布，该凹面图形的光强度分布具有在与所述相移部分对应的一区域中最小，并且朝所述区域的周边增加的光强度；以及
一成像光学系统，将所述多晶半导体膜或非晶半导体膜的一表面或其共轭平面，与所述预定平面设置成一光学上的共轭关系。
2、如权利要求1所述的结晶装置，其特征在于所述光学部件具有一透射型调幅掩模，所述透射型调幅掩模具有基于将形成在所述预定平面上的具有所述凹面图形的光强度分布的一透射率分布。
3、如权利要求2所述的结晶装置，其特征在于所述透射型调幅掩模具有一固定厚度的光透射部分，以及一具有基于与将形成在所述预定平面上的具有所述凹面图形的所述光强度分布的一厚度分布的光吸收部分。
4、如权利要求3所述的结晶装置，其特征在于所述光吸收部分具有一正弦表面。
5、如权利要求4所述的结晶装置，其特征在于所述正弦表面形成为连续弯曲形状或阶梯状的形状。
6、如权利要求1所述的结晶装置，其特征在于所述光学部件是一具有基于与将在所述预定平面上形成的具有凹面图形的所述光强度分布的一数值孔径分布的开放型调幅掩模。
7、如权利要求6所述的结晶装置，其特征在于所述开放型调幅掩模具有许多微小透射区域或许多微小光屏蔽区域或两者均有。
8、如权利要求7所述的结晶装置，其特征在于将所述微小透射区域和所述微小光屏蔽区域的大小设置成实质上小于所述成像光学系统的分辨率。
9、如权利要求8所述的结晶装置，其特征在于所述成像光学系统是一减小的光学系统。
10、如权利要求1所述的结晶装置，其特征在于在所述预定平面上，所述光学部件是一会聚/发散元件，其产生由根据所述相移部分发散的部分光束照射的一区域以及由根据所述相移部分的周边会聚的部分光束照射的一区域。
11、如权利要求10所述的结晶装置，其特征在于所述会聚/发散元件具有发散所述部分光束的一发散折射面以及会聚所述部分光束的一会聚折射面。
12、如权利要求11所述的结晶装置，其特征在于所述发散折射面以及所述会聚折射面形成一正弦折射面。
13、如权利要求12所述的结晶装置，其特征在于所述正弦折射面形成为连续弯曲形状或阶梯状的形状。
14、如权利要求1所述的结晶装置，其特征在于所述光学部件包括一光强度分布形成元件，用于形成在所述照明系统的光瞳面上的周边的光强度大于其中心或其附近的光强度地一预定光强度分布，以及一波阵面分裂元件，用于将由所述照明系统提供的光束波阵面分裂成多个光束并将每个波阵面分裂光束会聚在所述预定平面上的与所述相移部分对应的一区域中。
15、如权利要求14所述的结晶装置，其特征在于所述波阵面分裂元件具有多个具备会聚功能的光学元件。
16、如权利要求14或15所述的结晶装置，其特征在于所述预定的光强度分布具有一圆形中心区，所述圆形中心区具有相对小的光强度；以及一复曲面外围区，所述复曲面外围区形成为环绕所述中心区并具有相对大的光强度。
17、如权利要求14或15所述的结晶装置，其特征在于所述预定的光强度分布具有一中心区，所述中心区被沿预定方向拉长并具有相对小的光强度，以及一外围区，所述外围区形成为环绕所述中心区或将所述中心区夹在中间并具有相对大的光强度。
18、如权利要求14所述的结晶装置，其特征在于所述光强度分布形成元件具有设置在所述照明光瞳平面或其附近的一透射滤光器，所述透射滤光器具有一预定的光透射率分布。
19、如权利要求1所述的结晶装置，其特征在于所述相移掩模的一相移表面形成在与所述照明系统侧相对一侧的表面上。
20、如权利要求1所述的结晶装置，其特征在于应用到所述多晶半导体膜或非晶半导体膜上的所述光强度分布具有一反峰值图形区，所述反峰值图形区在与所述相移掩模的相移部分对应的一区域中，具有最小光强度、以及一凹面图形区，所述凹面图形区具有从所述反峰值图形区向周边增加的光强度、还具有一拐折点，在所述拐折点处，倾角朝所述反峰值图形区和所述凹面图形区间的周边减小。
21、如权利要求1所述的结晶装置，其特征在于所述多晶半导体膜或非晶半导体膜以及所述相移掩模彼此平行排列并且彼此紧密接近。
22、如权利要求1所述的结晶装置，其特征在于进一步包括设置在所述多晶半导体膜或非晶半导体膜以及所述相移掩模间的光程中的一第二成像光学系统，
其中所述多晶半导体膜或所述非晶半导体膜的一表面被设置成以一预定距离，沿一光轴远离通过所述第二成像光学系统，光学上与所述相移掩模共轭的一平面。
23、如权利要求1所述的结晶装置，其特征在于进一步包括设置在所述多晶半导体膜或所述非晶半导体膜和所述相移掩模间的光程中的一第二成像光学系统，
其中所述多晶半导体膜或所述非晶半导体膜的一表面被设置成通过所述第二成像光学系统，光学上与所述相移掩模共轭的一平面，以及
所述第二成像光学系统的一图形象侧数值孔径被设置成生成具有所述反峰值图形的所述光强度分布所需的一值。
24、一种结晶方法，照射一相移掩模以便用具有在与所述相移掩模的一相移部分对应的一区域，具有最小光强度的反峰值图形的光强度分布的光束照射多晶半导体膜或非晶半导体膜，以产生结晶半导体膜，其特征在于包括：
基于来自所述照明系统的光，在一预定平面上形成具有在与所述相移部分对应的一区域中光强度变为最小，并且朝该区域的周边增加的一凹面图形的光强度分布；以及
将所述多晶半导体膜或非晶半导体膜的一表面或其共轭平面，以及所述预定平面设置成通过所述成像光学系统形成一光学上的共轭关系。
25、如权利要求24所述的结晶方法，其特征在于所述多晶半导体膜或非晶半导体膜以及所述相移掩模彼此平行排列并且彼此紧密接近。
26、如权利要求24所述的结晶方法，其特征在于在所述多晶半导体膜或非晶半导体膜以及所述相移掩模间的光程中设置一第二成像光学系统，以及
将所述多晶半导体膜或所述非晶半导体膜的一表面设置成以一预定距离，沿光轴远离光学上与所述相移掩模共轭的平面。
27、如权利要求24所述的结晶方法，其特征在于在所述多晶半导体膜或所述非晶半导体膜和所述相移掩模间的光程中设置一第二成像光学系统，
将所述第二成像光学系统的一图形象侧数值孔径设置成生成具有所述反峰值图形的所述光强度分布所需的一值，以及
将所述多晶半导体膜或所述非晶半导体膜的表面设置成通过所述第二成像光学系统，光学上与所述相移掩模共轭的一平面。
28、一种通过权利要求24所述的结晶方法制造的薄膜晶体管。
29、一种包括如权利要求28所述的薄膜晶体管的显示装置。
30、一种结晶装置，包括一照明系统，所述照明系统照射一相移掩模，以便用具有在与所述相移掩模的一相移部分对应的区域，具有最小光强度的反峰值图形的光强度分布的一光束照射多晶半导体膜或非晶半导体膜，以产生结晶半导体膜，其特征在于包括：
一光学部件，基于来自所述照明系统的光，在一预定平面上形成一凹面图形的光强度分布，该凹面图形的光强度分布具有在中心最小，并且朝周边增加的光强度；以及
一成像光学系统，将所述多晶半导体膜或非晶半导体膜的一表面或其共轭平面，与所述预定平面设置成一光学上的共轭关系。
31、一种结晶方法，照射一相移掩模以便用具有在与所述相移掩模的一相移部分对应的一区域，具有最小光强度的反峰值图形的光强度分布的光束照射多晶半导体膜或非晶半导体膜，以产生结晶半导体膜，其特征在于包括：
基于来自所述照明系统的光，在一预定平面上形成具有在中心最小，且朝周边增加的光强度的一凹面图形的光强度分布；以及
将所述多晶半导体膜或非晶半导体膜的一表面或其共轭平面，与所述预定平面设置成通过所述成像光学系统形成一光学上的共轭关系。
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