CN1480982A - 晶化装置、用于晶化装置的光学部件和晶化方法 - Google Patents

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Abstract

一种晶化装置，包括：光照系统(2)，照射相移掩模(1)，并以具有反转峰值型光强度分布的光束照射非晶半导体膜(4)，该反转峰值型光强度分布在对应于相移掩模(1)的相移部分的点具有最小光强度，以便制备结晶的半导体膜；波前分离元件(3)，设置在光照系统(2)和相移掩模(1)之间的光路上；波前分离元件(3)，将光照系统(2)提供的光束波前分离为多个光束，并且在对应的相移部分或该部分附近会聚这些波前分离的光束。

Description

晶化装置、用于晶化装置的光学部件和晶化方法
发明领域
本发明涉及用激光束照射非晶或者多晶半导体膜以便制备结晶半导体膜的晶化装置、用于晶化装置的光学部件、晶化方法、薄膜晶体管和显示装置。本发明尤其涉及其中利用相移掩模、以调相激光束照射非晶或多晶半导体膜以便制备结晶半导体膜的装置和方法。
背景技术
迄今已经大致地将用于开关器件中的薄膜晶体管(TFT)的材料分为非晶硅、多晶硅和单晶硅，所述开关器件用于控制施加到例如液晶显示器(LED)的像素的电压。
非晶硅能够得到高耐压性能。多晶硅具有比非晶硅高的电子迁移率。因此，与由非晶硅形成的晶体管相比，由多晶硅形成的晶体管具有下列优点：开关速度快、显示器的响应快，并且减小了其它元件的设计裕度(design margin)。除了显示器的主体之外，可以将外围电路例如驱动器电路和DAC结合到显示器中。在这种情况下，这些外围电路可以在较高的速度下工作。
多晶硅由晶粒的集合体构成，并且具有比单晶硅更低的电子或空穴迁移率。此外，在使用多晶硅形成的薄膜晶体管(FET)中，在沟道部分中存在的晶粒边界数的波动是个问题。为了解决这个问题，近来已经提出了一种制备具有较大粒径的多晶硅的晶化方法，以便增强电子或空穴的迁移率，减小每个FET的沟道部分中的晶粒边界数的波动。
作为这种类型的晶化方法，迄今已知的方法有“相位控制准分子激光退火(ELA)”，其中通过相移掩模用准分子激光束照射多晶或非晶半导体膜，以便制备结晶的半导体膜。相位控制ELA的细节例如在“表面科学”(第21卷第5号第278-287页，2000)和日本专利申请特开No.2000-306859中描述了。
在相位控制ELA中，通过相移掩模产生反转峰值型光强度分布(一种光强度分布，其中当离具有最小光强度位置的距离增加时光强度迅速增加)。用光束照射多晶或者非晶半导体膜，该光束周期性地具有反转峰值型光强度分布。结果，根据光强度分布产生熔融区，在与具有最小光强度、且没有熔融或者首先凝结的位置相反的部分中形成晶核。当晶粒从晶核在横向上向外围生长(横向生长)时，生成了大粒径晶粒(单晶)。
例如，当制造液晶显示器时，在每个像素区中需要上述结晶的晶体管形成区的比例通常非常小。例如，在常规技术中，用激光束均匀照射相移掩模，该相移掩模包含多个两维设置的相移部分。因此，光照系统提供的大部分激光束并未有助于于晶体管形成区的晶化，所谓的光量损耗非常大。
此外，如上所述，在常规技术中，用具有反转峰值型光强度分布的光束照射半导体膜。在光强度分布中，在设置成与光强度最小的位置相反的部分中形成晶核。因此，能够控制晶核的形成位置。然而，在彼此相反设置的两个反转峰值部分之间的中间部分中不能够控制光强度分布。
实际上，在常规技术中，总的来说，中间部分的光强度分布包括不规则波动(波浪形分布，其中光强度的增加和降低重复进行)。在这种情况下，在结晶过程中，在中间部分中光强度降低的部分中，从晶核向外围开始的横向生长停止，存在大晶粒的生长受到抑制的问题。此外，即使在中间部分得到了基本均匀的光强度分布，横向生长也停止在该均匀光强度分布的任意位置，存在大晶粒的生长受到抑制的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种晶化装置和方法，其中光照系统提供的大部分光能够有助于期望区域的晶化，并且其中的光效率是令人满意的。
本发明另一个目的是提供一种晶化装置和方法，其中可以实现从晶核的充分横向生长，以便制备具有大粒径的结晶半导体膜。
本发明的再一个目的是提供一种具有类似上述效果的薄膜晶体管的制造方法、和显示器的矩阵电路衬底的制造方法。
为了解决该问题，根据本发明的第一方面，提供一种晶化装置，该装置包括一光照系统，以使具有均匀光强度分布的光束能够入射到非晶半导体膜或多晶半导体膜上，该光照系统用光束照射非晶半导体膜或多晶半导体膜，以使非晶或多晶半导体膜晶化。该装置包括波前分离元件和相移掩膜，波前分离元件将入射光束的波前分离成多个光束，相移掩膜提供部分透射光束之间的相差，且将光束转化为具有反转峰值型光强度分布的光束，还包括相移部分以便确定反转峰值型光强度分布最小的位置。波前分离元件位于光照系统和非晶半导体膜之间的光路上。相移掩膜位于波前分离元件和非晶半导体膜之间的光路上。定位波前分离元件和相移掩膜，使得用具有分离波前的光束照射相移部分周围的预定区域。
波前分离元件优选包括沿着彼此相交成直角的两个方向两维设置的多个光学元件，每个光学元件具有沿着彼此相交成直角的两个方向的两维聚光功能。波前分离元件也可以包括沿着预定方向一维设置的多个光学元件，每个光学元件具有沿着该预定方向的一维聚光功能。
光照系统优选包括光强度分布形成元件，它将具有均匀光强度分布的光束转化为具有上凹光强度分布的光束。定位该光强度分布形成元件和相移掩膜，使得上凹光强度分布最小的位置可以对应于相移部分。通过光强度分布形成元件和相移掩模转化、并照射非晶半导体膜的光束具有一种光强度分布，其在上凹部分内包括反转峰值部分。光强度分布形成元件可以包括具有预定透光度的圆形中间区和环绕中间区形成的环形周边区，周边区具有比中间区更高的透光度。作为替换，光强度分布形成元件优选包括：具有预定透光度并且沿着预定方向延伸的一个细长中间区；若干个周边区，其被形成以便使中间区包含在这些区之间，这些周边区具有比中间区更高的透光度。此外，光强度分布形成元件优选具有设置在光照系统的发射孔平面中或者设置在该平面附近、具有预定透光度分布的透射滤光器。
多晶或非晶半导体膜优选与相移掩膜平行设置，或设置在相移掩膜附近。该装置进一步包括光学图像形成系统，该图像形成系统设置在多晶或非晶半导体膜和远离该膜设置的相移掩膜之间的光路上。可以将多晶或者非晶半导体膜设置成沿着光学图像形成系统的光轴、与相移掩膜光学共轭的一平面相距预定的距离。此外，一光学图像形成系统设置在多晶或者非晶半导体膜和相移掩膜之间的光路上，在进一步包括所述光学图像形成系统的该装置中，多晶或非晶半导体膜设置在与相移掩膜光学共轭的平面附近，而且可以将光学图像形成系统的图像侧的数值孔径设定为产生反转峰值型光强度分布所需要的值。
根据本发明的第二方面，提供一种光学部件，包括：波前分离部分，该波前分离部分会聚具有均匀入射光强度分布的光束，以便仅照射一个预定区域；光学转化部分，将光束转化为具有反转峰值型光强度分布的光束。
根据本发明的第三方面，提供一种晶化方法，包括：会聚光束以便仅照射预定区域；将这些光束转化为具有反转峰值型光强度分布的光束；用所转化的光束照射未晶化半导体膜(非晶或者多晶半导体膜)的预定区域，并使其晶化。
根据第三方面，将具有均匀光强度分布的光束转化为具有上凹光强度分布的光束。可以选择的是，在沿着光轴、离开光学共轭平面预定距离设置的位置中，具有在上凹部分内包括反转峰值部分的光强度分布的光束形成为图像，用形成为图像的光束照射未晶化半导体膜，使其晶化。
根据第四方面，提供一种晶化方法，包括：会聚具有均匀光强度分布的光束，以便仅照射预定区域；将会聚的光束转化为具有反转峰值型光强度分布的光束；用转化的光束仅照射未晶化半导体膜的预定区域，使其晶化。
附图的简要描述
图1是根据本发明第一实施例的晶化装置的示意图；
图2A和2B是在光照系统的发射孔平面中或在该平面附近设置的透光滤光器和透过滤光器的光束的光强度的示意图；
图3A是相移掩模和波前分离元件的基本单元部分的立体图；
图3B是微透镜阵列3的入射光的聚光状态侧视图；
图4是相移掩模的结构或重复(repetition)的顶平面图；
图5是透过透射滤光器和微透镜阵列的光束的光强度分布图；
图6是相移掩模功能的示意图；
图7是在液晶显示器中设置在每个像素区中并且需要晶化的晶体管形成区的图；
图8A是透过包括透射滤光器、微透镜阵列和相移掩模三个部件的光束的光强度分布图；
图8B是通过透射滤光器、微透镜阵列和相移掩模的光束的光强度分布图；
图9是图8A所示的光强度分布的三维图；
图10是根据本发明第二实施例的晶化装置的示意图；
图11是根据本发明第三实施例的晶化装置的示意图；
图12是根据波前分离元件的修改例的微柱面透镜阵列的示意图；
图13是透射滤光器的修改例图；
图14是液晶显示器中设置在每个像素区中并且需要晶化的晶体管形成区的图；
图15是根据修改例透过透射滤光器、微柱面透镜阵列和相移掩模的光束的光强度分布图；
图16是相移掩模的修改例图；
图17A至17K是整体形成微透镜阵列和相移掩模的方法的示意图；
图18A至18E是利用根据每个实施例的晶化装置以便制造电子器件的工艺图；
图19是示出图8B之变型的图，其中省略了滤光器；和
图20是示出图8B之变型的图，其中省略了相移掩模。
本发明的详细描述
下面将参考附图描述本发明的实施例
图1是根据本发明第一实施例的晶化装置的构成示意图。如图1所示，第一实施例的晶化装置包括：光照系统2，用于照射待处理衬底4的半导体膜；微透镜阵列3，它是在待处理衬底4和光照系统2之间的光路上设置的波前分离元件；移相器，即相移掩模1，设置在微透镜阵列3和待处理衬底4之间的光路上。
待处理衬底4的半导体膜的顶表面被设置与相移掩模1平行且在其附近(例如几微米至几百微米)。该半导体膜由支撑衬底上的非单晶半导体膜(例如多晶和非晶半导体膜)构成。例如利用化学汽相生长法通过在用于液晶显示器的玻璃板上或者形成在衬底上的底层膜(如SiO2膜)上直接形成非晶硅膜，从而得到该衬底。在本实施例中，相移掩模1与非晶半导体膜相对设置，待处理衬底4通过真空吸盘或静电吸盘被固定在衬底平台5上的预定位置。例如，衬底平台5由x-y-z-θ平台构成。结果，当衬底平台5横向移动、同时固定光照系统时，可以接连进行待处理衬底4的半导体膜的晶化，以便在宽的范围内进行固定的晶化步骤。
光照系统2包括KrF(氪氟)准分子激光源2a，用于提供例如248nm波长的激光束；光束扩展器2b，用于扩展来自光源2a的激光束；第一和第二蝇眼透镜2c、2e；第一和第二聚光器系统2d、2f；和透射滤光器2g，透射滤光器2g是光强度部分形成元件。也可以使用其它适当的光源作为光源2a，例如XeCl(氙氯)准分子激光光源。
如示意图1所示，从光源2a发射的光束通过光束扩展器2b扩展，转化为平行光束，入射到第一蝇眼透镜2c上。由于入射到第一蝇眼透镜2c上的光束经过第一蝇眼透镜2c的凸透镜受到会聚，因此在第一蝇眼透镜2c背侧上的焦点平面中基本上形成多个点光源。来自多个点光源的光束由第一聚光器系统2d拾取为图像，以叠加方式照射设置在焦点后面的第二蝇眼透镜2e的入射表面。
由于从多个点光源入射到第二蝇眼透镜2e上的光束经历了第二蝇眼透镜2e的凸透镜会聚，因此比第一蝇眼透镜2c背侧上的焦点平面中的点光源更多的点光源形成在第二蝇眼透镜2e的背侧焦点平面中，即透射滤光器2g中。来自在第二蝇眼透镜2e的背侧焦点平面中形成的多个点光源的光束进一步入射到第二聚光器系统2f上。
第一蝇眼透镜2c和第一聚光器系统2d构成第一均化器，并且均化相移掩模1上的入射角。类似地，第二蝇眼透镜2e和第二聚光器系统2f构成第二均化器，均化入射到相移掩模1上的激光束的光强度。因此，第一和第二均化器将从光源2a发射的光束改变为具有基本均匀的光强度分布的光束。
如图2所示，透射滤光器2g包括：圆形中央区12a，相对于光源2a发射的光的波长，该圆形中央区例如具有50％的透光度；和环形周边区12b，形成的环形周边区12b环绕中央区12a，并且基本上具有100％的透光度。因此，在照射光瞳平面或该平面附近，透过中央区12a的光束部分的光强度较低，透过周边区12b的光束部分的光强度较高。因此，光照系统2以叠加方式发射具有入射角光强度分布的光束，所述入射角光强度分布在照射平面是均匀的，但中央比周边低(图2)。
透射滤光器2g的中央区12a通过下列方式得到：通过溅射工艺、例如根据透明衬底的透光度形成具有一厚度的铬膜(或ZrSiO膜)，构图周边区的膜以便蚀刻/除去该膜。作为屏蔽材料的铬反射部分光并吸收部分光。此外，中央区12a还可以这样得到：形成多层膜，设计该多层膜以便在透明衬底上部分反射从光源2a发射的、具有使用波长的光，然后构图该膜。即，通过在使用波长可穿透的衬底例如环形石英玻璃上形成反射膜、并且蚀刻周边区12b的反射膜部分从而得到中央区12a。
当使用多层膜作为反射材料时，有一个好处是通过吸收任何不需要的光而不产生热。然而，需要考虑的是，反射光不应形成杂散光引起闪烁。最好调整屏蔽和反射材料的类型和厚度，使得在中央区12a和周边区12b之间的边界线上透射光中基本上不产生相差。在第一实施例中，已经描述了形成为圆形的中央区12a的例子，但也可以形成其它形状例如三角形和矩形。
图3A是构成相移掩模1的大量基本单元部分之一的示意立体图，与由包含微透镜阵列3(即波前分离元件)的会聚/分散器件构成的大量基本单元之一相关联。图3B是相移掩模和微透镜阵列的基本单元部分的侧视图，其中示出微透镜阵列3的入射光的聚光状态。
如图3A所示，微透镜元件(光学元件)13是微透镜阵列3的基本单元部分，该元件包括折射表面13a，该折射表面13a具有突出在相移掩模1侧上的两维曲面形状，例如部分球形。通过该折射表面13a，微透镜阵列3的微透镜元件13具有沿着x和y方向两维聚光功能，如图3B所示。即，通过大量凸透镜从光照系统2会聚的光入射到每个微透镜元件13上。图3B显示了每个微透镜元件13发射大量会聚光束(或部分光束)的状态。结果，可以得到反转峰值图形，而在不受后面详细描述的波动影响。
如图3A所示，相移掩模1的基本单元部分11在x和y方向上具有与微透镜阵列3的微透镜元件13基本上一样的尺寸，并且在x方向设置，与微透镜元件13平行，并且在z方向上(光方向)的元件的附近。相移掩模1的基本单元部分11包括含有第一至第四区11a至11d的四个矩形相移表面。第一和第三区11a和11c以及第二和第四区11b和11d分别对角设置。两个对角设置的区在透射的光束之间提供了相差π。即，相移掩模1具有成级的阶梯形状，使得第一至第四区11a至11d依次具有π/2的相互差值。包括梯级的区11a至11d可以通过蚀刻或淀积形成。
具体来说，例如，通过蚀刻石英玻璃形成相移掩模1，相对于248nm波长的光束，该石英玻璃具有1.5的折射率。在这种情况下，在第一区11a和第二区11b之间提供124nm的梯级(石英玻璃的第一和第二区之间的厚度差)。在第一区11a和第三区11c之间提供248nm的梯级(石英玻璃的第一和第三区之间的厚度差)。在第一区11a和第四区11d之间提供372nm的梯级(石英玻璃的第一和第四区之间的厚度差)。在作为各个区11a至11d的边界线的四个相移线的交点附近形成相移部分11e。在相移掩模的相移线中，透过第二区11b的光在相位上迟于透过第一区11a的光。同样，透过第三和第四区11c和11d的光也分别落后于透过第二和第三区11b和11c的光π/2相位。结果，在透过区11a至11d的光中出现干涉和衍射。于是，设置成与其中相移线彼此相交的相移部分11e相对的部分表示为零或者接近于零，因此光强度分布表现出反转峰值图形。
定位微透镜阵列3和相移掩模1，使得折射表面13a的中心与光轴上的相移部分11e对准。例如，如图4所示，通过在两维上即以2×2的矩阵形式依次设置多个基本单元部分11构成相移掩模1。与相移掩模1的方式一样，通过在两维上(长度方向上和宽度方向上并且密集地)依次设置大量的微透镜元件13构成微透镜阵列3。
根据第一实施例，图4所示的相移掩模1的基本单元部分11包括四个区，但也可以包括两个区，两个区为透过的光束提供相位差π。当相移掩模1包括每个单元部分11中的两个区时，这些区被交替设置在一带形中。能够通过改变石英玻璃板的一部分或者多个部分的厚度形成相差。厚度能够通过蚀刻形成。
从光照系统2发射的、具有基本上均匀的光强度分布的光束透过微透镜阵列3以照射相移掩模1。入射到微透镜阵列3的各个微透镜元件13上的光束部分透过折射表面13a、经过聚光并且以点的形式入射到微透镜元件13的焦点位置或者设置在焦点位置附近的相移掩模1的相移部分11e上。以这种方式，微透镜阵列3构成波前分离元件，它设置在光照系统2和相移掩模1之间的光路上，并且它将从光照系统2入射的光束波前分离为多个光束或光束部分。波前分离的光束聚焦在设置在焦点位置或者焦点位置附近的相移部分11e上。
图5是通过透射滤光器2g和微透镜阵列3入射到相移掩模1上的激光的光强度分布图。对于经由透射滤光器2g(具有图2所示性能)透过微透镜阵列3的光束来说，斜向射出的光束部分比垂直射出的光束部分更强。因此，如图5所示，在相移掩模1上，光束具有向上凹的光强度分布，其中光强度在图3B所示每个相移部分11e中是最小的，并且随着离相移部分11e的距离增加而增加。具体地说，在激光束的向上凹的光强度分布中，光强度在与如图3A所示的微透镜阵列3的折射表面13a的中心相对的位置最小，并且激光束的光强度在围绕该点的环形位置连续最大。
在x方向和y方向，激光束的向上凹的光强度分布具有相同的轮廓。此外，当该技术应用于液晶显示器的图像显示电路的制造工艺时，激光束的向上凹的光强度分布的宽度最好设为等于液晶显示器的像素间距。等于像素间距的晶粒粒径是其中能够形成薄膜晶体管电路的区域，该电路用于开关一个像素。
以点的形状照射相移掩模1的光束是相位调制的，并且入射到待处理衬底4的半导体膜上，该半导体膜与相移掩模1平行设置，并且设置在其附近。图6是相移掩模1的功能的示意图。下面将描述当在光照系统2和相移掩模1之间的光路上没有设置微透镜阵列3时、在每个单元中具有两个细长区的相移掩模1的基本功能。
在相移掩模1中，由于两个相邻的细长区之间的相差设为π/2，因此在与除了交点之外的相移线对应的位置光强度降低，但没有到零。另一方面，由于围绕相移线的交点的圆形区的复合透光度(complex transmittance)的累积值(integral value)设为零，因此在与交点(即相移部分11e)对应的位置，光强度基本为零。
因此，对于透过相移掩模1的各个基本单元部分11的激光束的光强度分布来说，如图6所示，在待处理衬底4的半导体膜上，得到了反转峰值型光强度分布图形P。在该图形中，在与相移掩模1的每个相移部分11e对应的点，光强度基本为零。当离相移部分11e的距离增加时，光强度连续迅速增加。因此，透过相移掩模1的光束具有反转峰值型光强度分布，该相移掩模1包括周期性地完全以矩阵形式设置的多个相移部分11e。该周期性的反转峰值型光强度分布在x和y方向具有基本相同的轮廓。反转峰值型光强度分布的宽度与相移掩模1和待处理衬底4的半导体膜之间的距离的1/2平方(即散焦量)成正比例变化。
如上所述，当用周期性地仅具有如图6所示的反转峰值型光强度分布的光束照射半导体膜时，在彼此相邻设置的反转峰值型图形P之间的中间部分中的波形隆起部分中，从晶核向外围开始的横向生长停止。在第一实施例中，为了实现从晶核的充分横向生长，在光照系统2的照射光瞳平面或该平面附近设置了透射滤光器2g。
图7是晶体管形成区60的示意图，这些晶体管形成区60设置在像素区61中，并且需要在液晶显示器59中晶化。参考图7，例如，当按如上所示的方式制造液晶显示器59时，来自相移掩模1的光束也发射到定点光束区62的外侧，因此光量损失非常大。在第一实施例中，在光照系统2和相移掩模1之间的光路上设置微透镜阵列3，以便仅利用来自光照系统2的光束有效地照射晶体管形成区60。
图8A是通过透射滤光器2g、微透镜阵列3和相移掩模1的共同作用、在待处理衬底4的半导体膜上得到的光强度分布图。如上所述，透射滤光器2g、微透镜阵列3和相移掩模1具有形成具有下列光强度分布的光束的功能，在所述光强度分布中，具有均匀光强度分布的光束的光强度在中心最小，并且例如降低50％。在反转峰值型中，该光强度基本上以陡峭的倾斜度向外围线性增加，并进一步以一点轻微的倾斜度线性增加。如图8B所示，微透镜阵列3具有将入射光束转化为有点光束的功能，利用该有点光束，在图6所示的反转峰值图形P中仅照射预定的区域。相移掩模1具有将具有均匀光强度分布的光束转化为具有图6所示的反转峰值型光强度分布的功能。
由于根据第一实施例的晶化装置包括相移掩模1、透射滤光器2g和微透镜阵列3，因此到达待处理衬底4的光束经历了这三个部件的作用，如图8B所示。因此，到达待处理衬底4的非晶半导体膜的光束被转化为仅照射预定区域的有点光束。如图8A所示，得到一种两级(two-steps)反转峰值型光强度分布，如在相同的周期中分布的反转峰值型光强度分布上具有凹形光强度分布的产品(product)所示。在该两级反转峰值型光强度分布中，按照上述反转峰值型光强度分布，在与相移部分11e对应的点，光强度基本为零，离开该点光强度迅速增加，达到预定值。即，通过相移部分11e的位置确定其中光强度最小的两级反转峰值型光强度分布的位置。
在第一实施例中，该两级反转峰值型光强度分布对应于上述x和y方向的周期性上凹的光强度分布。如图9所示，在彼此相邻设置的反转峰值部分之间的光强度分布中，光强度沿着x和y方向基本上单调地增加。图8A所示的两级反转峰值型光强度分布的波形图形是通过在图6所示的反转峰值部分的光强度分布的波形图形上叠加图5所示的线性升高的光强度分布的波形图形而得到的。在基本上线性增加的强度之间的边界H存在拐点，在拐点处减小了斜度。
当用具有两级反转峰值型光强度分布的光束照射待处理衬底4的半导体膜时，在与表示最小光强度、即基本上零光强的点(与相移部分11e对应的点)对应的部分中形成晶核。下面将详细描述上述情况。有一种现象，即在一定或更大的光强度下开始晶粒生长。设计该光强度使其在反转峰值型图形内。这样，能够将晶核限定在反转峰值型光强度分布内。即，在反转峰值部分的中央部分产生多晶，此后所产生的多晶外侧的晶粒形成核，并且在水平方向上生长。
对于以具有包括反转峰值图形的光强度分布的激光束照射来说，沿着包含大的光强度梯度(即温度梯度)的x和y方向从晶核开始横向生长。在两级反转峰值型光强度分布中，在中间部分基本上不存在光强度降低的部分。因此，在中途不停止的情况下，横向生长达到其高峰，能够实现较大的晶粒生长。尤其在第一实施例中，在反转峰值部分和上凹部分之间存在倾斜度减小的拐点。因此，能够将晶核限定在反转峰值内。因此，当用具有两级反转峰值型光强度分布的光束照射待处理衬底的半导体膜4时，该膜从该两级反转峰值型光强度分布的中央部分的整个宽度的宽范围内被晶化。当两级反转峰值型光强度分布的宽度设定为等于液晶显示器的像素间距时，相对于每个像素能够生成单晶。换句话说，形成液晶显示器或者EL显示器的矩阵电路衬底的每个像素驱动电路的半导体膜可以是单晶化的。
如上所述，在第一实施例中，实现了从晶核的充分横向生长，能够生成具有大粒径的结晶半导体膜。通过根据第一实施例的晶化装置生成的晶体具有大的粒径，并且尤其在横向生长方向(x和y方向)具有较高的电子迁移率。因此，当晶体管的源极和漏极设置在横向生长方向时，能够制造具有满意特性的晶体管。
在第一实施例中，通过大量的微透镜元件13波前分离入射到微透镜阵列3上的光。通过相应的微透镜元件13会聚该光束，以点的形状照射相应的相移部分11e附近。在相移部分11e附近透过的光束部分形成有点光束区62，以包围晶体管形成区60。因此，光照系统2提供的大部分光能够仅有助于期望晶体管形成区60的晶化。可以实现在光效率方面令人满意的晶化。
在第一实施例中，如图3B所示，微透镜阵列3的微透镜元件13的折射表面13a是部分球形，但也可以是在x和y方向具有不同曲率的其它曲面形状。当折射表面13a的x方向的曲率与y方向的曲率不同时，有点光束区具有椭圆形状。该椭圆形状的长和短轴对应于x和y方向上两级反转峰值型光强度分布的宽度。因此，当有点光束区形成为椭圆形状时，在反转峰值部分中光强度的梯度在x和y方向不同。因此，当折射表面13a的曲率设定为任意时，能够沿着每个方向改变横向生长的程度。
在第一实施例中，假设光照系统2的数值孔径为NA1，微透镜阵列3的焦距(即每个微透镜元件13的焦距)为f，微透镜阵列3的数值孔径(即每个微透镜元件13的数值孔径)为NA2，照射光的波长为λ，微透镜阵列3优选满足下列条件等式(1)，
R2＝kλ/NA2＜f×NA1             (1)
其中右侧表示与在相移部分11e中形成的有点光束区的尺寸(半径)对应的值，左侧表示与微透镜阵列3的分辨率R2对应的值。常数k表示基本接近于1的值，取决于用于照射相移掩模1的光照系统2的规格或者从光源提供的光束的相干性的程度和分辨率的清晰度，因此这里忽略该常数。当满足条件等式(1)时，能够清楚地形成激光束的上凹光强度分布，如图5所示。因此，能够清楚地形成两级反转峰值型光强度分布，如图8A、8B和图9所示。
在第一实施例中，根据通常设计条件进行条件等式(1)的模拟。在该模拟中，微透镜阵列3的每个微透镜元件13的间距(尺寸)D设为100μm，焦距f设为500μm，光照系统2的数值孔径NA1设为0.02。在这种情况下，微透镜阵列3的数值孔径、即每个微透镜元件13的数值孔径NA2通过下列等式(a)近似得到，
NA2D/f＝100/500＝0.2          (a)
因此，条件等式(1)的左侧和右侧由下列等式(b)和(c)表示，
R2＝/NA20.248/0.21.2μm      (b)
f×NA1＝500×0.02＝10μm         (c)
因此，分辨率R2为1.2μm，相对于包围每个晶体管形成区60的有点光束区62的半径10μm来说，分辨率R2足够小。因此可以看出，能够清楚地形成两级反转峰值型光强度分布，如图8A、8B和9所示。
图10是根据本发明第二实施例的晶化装置的结构示意图。第二实施例包括类似于第一实施例的结构，但与第一实施例不同之处在于，相移掩膜1设置成远离待处理衬底4，并且光学图像形成系统6设置在掩膜和衬底之间的光路上。下面将从与第一实施例不同的方面描述第二实施例。为了附图的清楚，在图10中，省略了光照系统2的内部结构，与图1-9相同的部件用相同的参考标号表示，并省略了对它们的详细描述。
在第二实施例中，沿着光轴，待处理衬底4远离与相移掩膜1光学共轭的平面(光学图像形成系统6的图像平面)。在这种情况下，假设光学图像形成系统6的分辨率足够，那么通过相移掩膜1的作用在待处理衬底4的半导体膜上形成为图像的激光束的反转峰值型光强度分布的宽度基本上与光学图像形成系统6的图像平面和待处理衬底4之间的距离的1/2平方(即，散焦量)成正比变化。应注意光学图像形成系统6可以是折射、反射和折射/反射光学系统之任一种。
而且在第二实施例中，以与第一实施例相同的方式，通过包含透射滤光器2g、微透镜阵列3和相移掩膜1三个部件的作用，用具有两级反转峰值型光强度分布的激光束照射待处理衬底4的半导体膜。因此，在中途不停止的情况下，晶核的横向生长达到峰值，能够制成大晶粒结晶半导体膜。通过微透镜阵列3和相移掩膜1的共同作用，由光照系统2提供的大部分光束能够有助于期望区域的晶化，并且可以实现在光效率方面令人满意的晶化。
此外，在第二实施例中，光学图像形成系统6在光学上插在相移掩膜1和待处理衬底4之间，在待处理衬底4和光学图像形成系统6之间保证相当大的间距。因此当光束入射到待处理衬底4的半导体膜上时，防止了由半导体膜所产生的磨蚀部分(abradedportions)粘到相移掩膜1上或者污染掩膜。因此，能够实现令人满意的晶化，而在待处理衬底4中不受磨蚀影响。
此外，在第二实施例中，由于在待处理衬底4和光学图像形成系统6之间保证了相当大的间隔，因此将用于检测位置的检测光引入到在待处理衬底4和光学图像形成系统6之间的光路上，可以容易地调整待处理衬底4和光学图像形成系统6之间的位置关系。
图11是根据本发明第三实施例的晶化装置的示意图。第三实施例包括类似于第二实施例的构成，但与第二实施例的不同之处在于，设置相移掩膜1和待处理衬底4的图形形成表面，以便通过光学图像形成系统7具有光学共轭关系。下面将从与第二实施例不同的方面描述第三实施例。应注意为了附图的清楚，在图11中，省略了光照系统2的内部结构。
根据第三实施例的光学图像形成系统7包括孔径光阑7a。该孔径光阑7a选自孔径(透光部分)的尺寸不同的多个孔径光阑。这些孔径光阑的构成，使得能够选择性地相对光路转换光阑。取而代之，也可以构成孔径光阑7a，使得孔径的尺寸例如通过移动光阑连续改变。设定孔径光阑7a的孔径的尺寸(即光学图像形成系统7的图像侧数值孔径)，使得在待处理衬底4的半导体膜上，光束能够包括周期性的两级反转峰值型光强度分布。该两级反转峰值型光强度分布的宽度优选设定为等于液晶显示器的像素间距。
通过相移掩膜1的作用，形成在待处理衬底4的半导体膜上的反转峰值型光强度分布的宽度与光学图像形成系统7的分辨率R3具有相同的等级。光学图像形成系统7的分辨率R3限定为：R3＝kλ/NA3，其中λ代表所用的光的波长，NA3代表光学图像形成系统7的图像侧数值孔径。这里，如上所述，常数k表示基本上接近于1的值。当光学图像形成系统7的图像侧数值孔径NA3减小时，在第三实施例中光学图像形成系统7的分辨率也以此方式降低，反转峰值型光强度分布的宽度增加。
即，在相移平面中转换的光束的光强度分布的反转峰值型图形在相移平面上具有非常小的宽度。然而，当适当降低分辨率时，得到了优选的宽度。在第三实施例中，相对于相移平面上的光强度分布，通过光学图像形成系统7在具有低分辨率的待处理衬底4的半导体膜上形成图像。因此，在待处理衬底4的半导体膜上，照射半导体膜的光束的光强度分布的反转峰值部分具有优选的宽度。
而且在第三实施例中，以与第一和第二实施例相同的方式，用具有两级反转峰值型光强度分布的光束照射待处理衬底4的半导体膜。因此，在不中途停止的情况下，晶核的横向生长达到峰值，能够制造大晶粒的结晶半导体膜。可以用光照系统2提供的大部分光束仅照射期望的区域，能够实现在光效率方面令人满意的晶化。而且在第三实施例中，以与第二实施例相同的方式，在不受待处理衬底4的半导体膜中磨蚀之影响的情况下，能够实现令人满意的晶化。此外，容易调整待处理衬底4和光学图像形成系统7之间的位置关系。
在第二和第三实施例中，优选的是，除了上面的条件等式(1)，满足下列条件等式(2)。应注意在条件等式(2)中，NA3表示光学图像形成系统(6，7)的图像侧数值孔径，如上所述，
λ/NA3＜f×NA1         (2)
其中右侧表示与在相移部分11e中形成的有点光束区的尺寸(半径)对应的值，左侧表示与光学图像形成系统(6，7)的分辨率R3对应的值。
下面将参考图12-14描述波前分离元件和透射滤光器的变型示例。在本变型示例中，波前分离元件是图12所示的微柱面透镜阵列3’。该微柱面透镜3’包括多个光学元件13’，该多个光学元件13’在预定方向(本例中x方向)延伸，并沿着与上述方向相交成直角的方向(y方向)彼此平行一维设置。每个光学元件13’包括在y方向具有一维聚光功能的折射表面13’a。
在本例中，对于微柱面透镜阵列3’来说，优选使用图13所示的透射滤光器2h，代替透射滤光器2g。透射滤光器2h包括：在x方向延伸且具有例如50％透光度的细长矩形中间区12c；和一对半圆外围区12d，半圆外围区12d的形成使其容纳中间区12c、并且基本具有100％的透光度。设定透射滤光器2h的中间区12c的纵向(x方向)，使其与微柱面透镜阵列3’的每个微柱面透镜元件13’的纵向光学对应。中间区12c是通过基本平行的一对弦(chord)限定的，但并不限于此，也可以形成其它形状。
通过大量的微柱面透镜13’波前分离入射到微柱面透镜阵列3’的光束，通过相应的微柱面透镜元件13’聚光的光束在各个对应的相移部分11e中形成狭缝形(slit-shaped)(线性)光束。如图14所示，狭缝形光束形成由点划线表示的狭缝形光束区63，这些点划线包围待处理衬底4的半导体膜中晶体管形成区列方向的多个晶体管形成区60。
因此，照射待处理衬底4的半导体膜的狭缝形光束的光强度分布具有沿着狭缝的短侧方向的两级反转峰值型轮廓，如图8A所示，并且沿着纵向具有一致的轮廓。即，透过微柱面透镜阵列3’和透射滤光  2h以便照射待处理衬底4的半导体膜的光束得到了部分示于图15的光强度分布。
当用具有如图15所示的两级反转峰值型光强度分布的光束照射待处理衬底4的半导体膜时，在其中光强度最小的点(即基本是零的点)形成晶核。然后，沿着具有光强度梯度的方向(图13的横向)从该晶核开始横向生长。在图15所示两级反转峰值型光强度分布中，在中间部分基本上不存在光强度降低的部分。因此，在中途不停止的情况下，从晶核的横向生长达到峰值，能够实现大晶粒的生长。
在上述实施例和变型示例中，微透镜阵列3和微柱面透镜3’可以具有带有连续曲面形状的折射表面13’或者阶梯形折射表面。该构成并不限于连续的曲面或多级近似，在0-2π的相差范围内，波前分离元件还可以构成为折回的“醌型(quino form)”。此外，通过光学材料的折射率分布可以应用波前分离功能，而不在波前分离元件中设置折射表面。例如，可以使用常规技术，例如通过光强度调制其折射率的光聚合物，以及玻璃的离子交换。还可以使用全息或衍射光学器件来应用等效于波前分离元件的功能。
此外，在上述实施例中，相移掩模1由对应于0、π/2、π、3π/2相位的四个矩形区构成，但本发明并不限于此，可以对相移掩模进行各种修改。例如，还可以使用包括交点(相移部分)的相移掩模，该交点包括三个或更多个相移线，并且其中交点附近的圆形区的复合透光度的累积值基本上是零。如图16所示，还可以使用相移掩模111，其中与相移部分对应的圆形凹部或凸部111a具有从外围引出的台阶，设定该相移掩模以便在透过这些圆形部分的光束和透过外围111b的光束之间具有相位差π。
还可以在设计阶段计算光强度分布，但优选的是，观察和确认待处理的实际表面(将暴露的表面)的光强度分布。这种观察的实现，例如是通过扩大将由光学系统处理的表面和在待处理表面中设置图像拾取器件(例如CCD)，以测量入射到图像拾取器件上的光束的光强度分布。当所用的光是紫外线时，光学系统受到限制，因此可以在待处理表面中设置荧光板，以便将该光束转化为可见光。
此外，在上述实施例中，波前分离元件(微透镜阵列3或微柱面透镜3’)和相移掩模1可以被形成为单个的光学部件，但本发明并不限于此，波前分离元件3和相移掩模1也可以结合成一体以便形成一个整体的组件。在这种情况下，波前分离元件3和相移掩模1不必分别定位，当安装到装置上时，能够以好的精确度将波前分离元件3和相移掩模1作为一个整体的光学部件安装到装置上。
整体形成的波前分离元件3和相移掩模1优选从光束的入射方向依次包括入射平面(在该平面上，光束入射到波前分离元件3上)、位于波前分离元件3和相移掩模1之间的边界平面、和相移掩模1的相移部分。以这种方式，不包括层结构玻璃的构造被设置在待处理衬底4(而不是相移部分)之侧面。因此，在每个实施例中，充分减小了相移表面和待处理衬底4之间的距离，并且能够进行令人满意的晶化。
尤其是，在第二和第三实施例中，为精确形成反转峰值型光强度分布而需要高分辨率，其中具有的构造在离开相移表面的待处理衬底4之侧面上不包括层结构玻璃，能够避免产生不必要的像差(aberration)。在两个衬底中每个衬底的一个表面中形成相移表面和波前分离元件之后，所形成的表面设置成以预定的距离彼此相对，彼此固定周边部分，也可以以此方式整体形成这些衬底。
下面将参考图17A至17K描述制造波前分离元件3和相移掩模1的整体组件的一个方法示例。图17A至17K是波前分离元件3和相移掩模1的整体组件的步骤示图。例如，用图17B所示的抗蚀涂层41完全涂覆图17A所示的石英衬底40的一个表面，所述石英衬底具有的折射率为1.50841。然后，进行电子束制图和显影以构图抗蚀涂层41。据此，在石英衬底40的预定位置上形成了抗蚀图形41a，如图17C所示。接着使用抗蚀图形41a作为掩模进行干蚀，除去石英衬底40的暴露表面部分并向下直到预定深度。此外，从石英衬底40上除去抗蚀涂层，如图17D所示。随后重复涂覆抗蚀涂层和除去抗蚀涂层的步骤，同时依次改变被蚀刻的石英衬底40的部分和深度。因此，在石英衬底40的表面中完全形成了具有透镜形状的折射表面(例如深度为0.124μm)40a。
随后，在石英衬底40的透镜型折射表面40a上通过CVD(化学气相沉积)工艺形成例如具有大约为2.3的折射率、由SixNy(高折射率材料)形成的、3μm厚的透明膜42。此外，例如通过化学机械抛光(CMP)技术，使透明膜42的表面平整，如图17G所示。然后，在透明膜42的平整表面上形成例如40μm厚的透明有机旋涂玻璃(SOG)膜(用烃基取代的烷氧基硅烷)43(图17H)。
此外，在有机SOG膜43的整个表面涂覆抗蚀涂层44(图17I)，针对抗蚀涂层44进行电子束制图和显影，由此形成抗蚀图形44a(图17J)。接着，用抗蚀图形44a作为掩模对有机SOG膜43的暴露表面部分进行干蚀，形成例如深度为0.248μm的相移表面45，最后除去抗蚀涂层(图17K)。以此方式，与构成相移掩模1的透明膜42和有机SOG膜43一体形成了构成波前分离元件3的石英衬底40。透镜形折射表面40a构成波前分离元件3和相移掩模1之间的界面。
图18A至18E示出了使用每个实施例的晶化装置制造电子器件的步骤。如图18A所示，使用化学汽相生长工艺或溅射工艺依次在透明绝缘衬底20(例如碱性玻璃、石英玻璃、塑料、聚酰亚胺等)上形成底层膜21(例如具有厚50nm的膜的SiN叠层膜、和具有厚100nm的膜的SiO2叠层膜)和非晶半导体膜22(例如，具有大约厚50nm至200nm的膜的Si(硅)、Ge(锗)、SiGe等)。由此制备了待处理衬底4。
利用晶化装置，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的一部分或者整个表面。对于根据本发明每个实施例的晶化装置来说，用具有两级反转峰值型光强度分布的激光束照射该表面。因此，如图18B所示，与用常规技术的晶化装置生产的多晶半导体膜相比，生产出一种具有大粒径晶粒的多晶半导体膜或单晶半导体膜24。
此时，当非晶半导体膜22具有较宽的表面时，利用晶化装置的一次照射仅照射该表面的一部分，通过彼此相对在相互相交成直角的两个方向、相对移动晶化装置和非晶半导体膜22，进行非晶半导体膜22整个表面的晶化。
例如，固定非晶半导体膜22，晶化装置在彼此相交成直角的两个方向(x、y方向)扫描非晶半导体膜22的表面，接连间歇地照射非晶半导体膜22的表面并使其晶化。另一方式是，非晶半导体膜22也可以位于可以在彼此相交成直角的两个方向上移动的一平台上，该平台相对于固定的晶化装置被移动，由此用激光束照射非晶半导体膜的表面。另一方式是，也可以相对于由仅在一个方向可移动的臂支撑的晶化装置，在与该装置相交成直角的方向上移动非晶半导体膜22。在该系统中，可以在彼此相交成直角的两个方向上相对于彼此移动晶化装置和非晶半导体22，以便用光束照射非晶半导体膜22的表面。
然后，如图18C所示，使用光刻技术将多晶半导体膜或单晶半导体膜24加工成岛状半导体膜25，在包括岛状半导体膜25的底层膜21上，使用化学汽相生长工艺或溅射工艺形成具有厚20nm至100nm的膜的SiO2膜，作为栅绝缘膜26。此外，如图18D所示，在栅绝缘膜26上形成栅电极27(例如硅化物、MoW等)，使用栅电极27作为掩膜以使杂质离子28(对于N沟道晶体管来说是磷，对于P沟道晶体管来说是硼)注入到半导体膜25中。此后，在氮气氛中进行退火处理(例如在450□C退火1小时)，以便激活注入的杂质。
然后，如图18E所示，在栅绝缘膜26上形成中间绝缘膜29，穿过中间绝缘膜29和栅绝缘膜26形成接触孔。形成与源极31和漏极32电连接的源电极33和漏电极34，沟道30位于源极31和漏极32之间。此时，根据在图18A和18B所示的步骤中制造的多晶半导体膜或单晶半导体膜的大粒径晶粒的位置形成沟道30。
通过上述步骤，能够形成多晶晶体管或单晶半导体晶体管。可以将以此方式制造的多晶晶体管或单晶半导体晶体管应用于显示器、例如液晶显示器和电致发光(EL)显示器的矩阵电路衬底的驱动电路、或者应用于存储器(SRAM或DRAM)或CPU的集成电路中。
当制造包括薄膜晶体管的矩阵电路衬底时，使用透明衬底例如玻璃作为衬底，在该衬底上形成多晶或非晶半导体膜。然后，使用晶化技术使该半导体膜成为结晶半导体膜。此后，如本领域已知的，该结晶半导体膜被分隔为位于矩阵形状中的很多个部分(岛状区域)，通过薄膜晶体管的制造技术，薄膜晶体管被形成在每个分隔的半导体部分中。此后，如本领域已知的，在衬底上形成像素电极而与每个薄膜晶体管电连接，限定该像素以完成矩阵电路衬底。
尽管上述实施例使用三个元件，即透射滤光器、波前分离元件和相移掩膜，本发明并不限于如图19和20所示的这三个元件的组合。在这些图中，与图8B所示的元件基本上相同的元件用相同的参考标号表示，并省略了它们的细节。
图19示出了图8B所示器件的变型。其中省略了透射滤光器，使得从激光源发射的光束可以直接入射到波前分离元件3上。
图20示出了图8B所示器件的变型，其中省略了相移掩膜，使得来自波前分离元件的光束直接入射到半导体器件上。
如上所示，根据本发明，通过透射滤光器、波前分离元件和/或相移掩膜的共同作用，在待处理衬底的半导体膜上形成两级反转峰值型光强度分布。结果，实现了从晶核的充分横向生长，能够生产出具有大粒径的结晶半导体膜。由于存在内侧反转峰值，因此能够将晶核限定在一个狭窄的区域，晶粒生长开始点，即晶粒能够以稿精度进行两维定位。
此外，在本发明中，由多个光学元件对入射到波前分离元件上的光进行波前分离，通过相应的光学元件会聚的光束形成光束以包围对应的相移部分中及待处理衬底的半导体膜上的期望区域。结果，由光照系统提供的大部分光都能够有助于期望区域的晶化，能够利用令人满意的光使用效率实现晶化。

Claims (36)

1.一种晶化装置，包括将光束发射到未晶化半导体膜(4)上的光照系统(2)，并以该光束照射未晶化半导体膜(4)以使该未晶化半导体膜(4)晶化，该装置的特征在于包括：
波前分离元件(3，3’)，该波前分离元件将入射光束波前分离成多个光束；和
具有相移部分(11e)的相移掩膜(1)，该相移掩模(1)在来自波前分离元件的光束之间提供预定的相位差，并且将这些光束转化为具有反转峰值型光强度分布的光束，相移部分(11e)确定反转峰值型光强度分布中光强度最小的位置，
波前分离元件(3，3’)位于光照系统(2)和未晶化半导体膜(4)之间的光路上，相移掩膜(1)位于波前分离元件(3，3’)和未晶化半导体膜(4)之间的光路上，定位波前分离元件(3，3’)和相移掩膜(1)，以便以波前分离的光束照射相移部分(11e)周围的预定区域(62，63)。
2.根据权利要求1的晶化装置，其特征在于，波前分离元件(3，3’)包括沿着彼此相交成直角的两个方向两维设置的多个光学元件(13，13’)，每个光学元件(13，13’)具有沿着彼此相交成直角的两个方向的两维聚光功能。
3.根据权利要求1的晶化装置，其特征在于，波前分离元件(3，3’)包括沿着预定方向一维设置的多个光学元件(13，13’)，每个光学元件(13，13’)具有沿着该预定方向的一维聚光功能。
4.根据权利要求1至3中任一项的晶化装置，其特征在于，光照系统(2)包括光强度分布形成元件(2g，2h)，该光强度分布形成元件(2g，2h)与波前分离元件结合，将具有均匀光强度分布的光束转化为具有上凹光强度分布的光束，
定位该光强度分布形成元件(2g，2h)和相移掩膜(1)，使得该上凹光强度分布最小的位置可对应于相移部分(11e)，和
由光强度分布形成元件(2g，2h)和相移掩膜(1)所转化、并照射未晶化半导体膜(4)的光束具有在上凹部分内含有反转峰值部分的光强度分布。
5.根据权利要求4的晶化装置，其特征在于，光强度分布形成元件(2g)包括：具有透光度的圆形中间区(12a)；和环绕中间区(12a)形成的环形周边区(12b)，周边区(12b)具有比中间区(12a)更高的透光度。
6.根据权利要求4的晶化装置，其特征在于，光强度分布形成元件(2h)包括：具有透光度并且沿着一个方向延伸的细长中间区(12c)；两个周边区(12d)，其被形成以使中间区(12c)包含在这些区之间，且周边区(12d)具有比中间区(12c)更高的透光度。
7.根据权利要求4的晶化装置，其特征在于，光强度分布形成元件(2g，2h)具有透射滤光器，透射滤光器设置在光照系统的发射孔平面中或者设置在该平面附近，并具有预定透光度分布。
8.根据权利要求1的晶化装置，其特征在于，未晶化半导体膜(4)与相移掩膜(1)平行设置，并且设置在相移掩膜(1)附近。
9.根据权利要求1的晶化装置，其特征在于，该光照系统(2)和波前分离元件(3，3’)具有满足下列条件的数值孔径和焦距：
λ/NA2＜f×NA1，
其中NA1代表光照系统的数值孔径，NA2和f代表波前分离元件的数值孔径和焦距，λ代表光束的波长。
10.根据权利要求1的晶化装置，其特征在于进一步包括：
光学图像形成系统(6)，设置在未晶化半导体膜和相移掩膜(1)之间的光路上，
其中，未晶化半导体膜(4)沿着光学图像形成系统(6)的光轴设置而离开与相移掩膜(1)光学共轭的一平面。
11.根据权利要求1的晶化装置，其特征在于进一步包括：
光学图像形成系统(7)，位于未晶化半导体膜(4)和相移掩膜(1)之间的光路上，
其中，未晶化半导体膜(4)被设置在与相移掩膜(1)光学共轭的平面中，和
光学图像形成系统(7)的图像侧数值孔径被设置而使得形成反转峰值型光强度分布。
12.根据权利要求10或11的晶化装置，满足下列条件：
λ/NA2＜f×NA1；和
λ/NA3＜f×NA1
其中NA1代表光照系统(2)的数值孔径，f代表波前分离元件(3)的焦距，NA2代表波前分离元件(3，3’)的数值孔径，λ代表光束的波长，NA3表示光学图像形成系统(6，7)的图像侧数值孔径。
13.根据权利要求4的晶化装置，其特征在于，照射未晶化半导体膜(4)的光束的光强度分布具有反转峰值部分和上凹部分之间的拐点。
14.根据权利要求1的晶化装置，其特征在于，波前分离元件(3，3’)与相移掩模(1)整体形成，以便提供一个整体组件。
15.根据权利要求14的晶化装置，其特征在于，该整体组件包括波前分离元件(3，3’)和相移掩模(1)之间的边界表面中的相移部分(11e)。
16.一种光学部件，其特征在于包括：
波前分离部分，该波前分离部分会聚具有均匀入射光强度分布的光束，以便仅照射预定区域(62，63)；和
光学转化部分，将入射光束转化为具有反转峰值型光强度分布的光束。
17.根据权利要求16的光学部件，其特征在于，该波前分离部分与该光学转化部分整体形成。
18.一种晶化方法，其特征在于包括：
将一入射光束波前分离为多个光束；
在一相移掩模的对应相移部分中、或者在该相移部分附近会聚所述波前分离的光束，以便形成具有反转峰值图形的光强度分布的光束，其中光强度在与该相移掩模的相移部分对应的点为最小；和
以具有该光强度分布的光束照射多晶半导体膜或非晶半导体膜，以便制备晶化半导体膜。
19.根据权利要求18的晶化方法，其特征在于进一步包括：
形成该光强度分布，其中在发射所述波前分离光束的一光照系统的照射光瞳平面中，光强度在周边比在中间高。
20.根据权利要求18或19的晶化方法，其特征在于进一步包括：
与该相移掩模平行或在该相移掩模附近设置该多晶半导体膜或非晶半导体膜。
21.根据权利要求18或19的晶化方法，其特征在于进一步包括：
在多晶半导体膜或非晶半导体膜和相移掩模之间的光路中设置一光学图像形成系统；和
沿着光学图像形成系统的光轴，设置多晶半导体膜或非晶半导体膜与和相移掩模光学共轭的一平面相距预定距离。
22.根据权利要求18或19的晶化方法，其特征在于进一步包括：
在多晶半导体膜或非晶半导体膜与相移掩模之间的光路中设置光学图像形成系统；
将该光学图像形成系统的图像侧数值孔径设定为产生反转峰值图形的光强度分布所需的值；和
在与相移掩模光学共轭的平面中设置多晶半导体膜或非晶半导体膜。
23.一种晶化方法，其特征在于包括：
会聚具有均匀光强度分布的光束，以便仅照射预定区域(62，63)；
将会聚的光束转化为具有反转峰值型光强度分布的光束；和
以该转化的光束仅照射未晶化半导体膜(4)的预定区域(62，63)，并使其晶化。
24.根据权利要求23的晶化方法，其特征在于进一步包括：
将具有反转峰值型光强度分布的光束转化为具有在一上凹部分内包括一反转峰值部分的光强度分布的光束。
25.根据权利要求23或24的晶化方法，其特征在于进一步包括：
在沿着光轴离开光学共轭平面设置的位置上，使具有在上凹部分内包括反转峰值部分的光强度分布的光束形成为图像；和
以形成为图像的光束照射未晶化半导体膜(4)，并使其晶化。
26.一种晶化装置，其特征在于包括：
一光源，发射具有光强度的能量光以便熔融待处理半导体层；
一滤光器，设置在从该光源引出的照射光路上、并包括具有不同透光度的若干部分；
一波前分离元件，设置在该滤光器的发射光路上；
一相移掩模，设置在该波前分离元件的发射光路上；
一平台，设置在该相移掩模的发射光路上，并固定包括待处理半导体层的衬底。
27.一种晶化装置，其特征在于包括：
一光源，发射具有光强度的能量光以便熔融待处理半导体层；
一滤光器，设置在从该光源引出的照射光路上，并包括具有不同透光度的若干部分；
一波前分离元件，设置在该滤光器的发射光路上；和
一平台，设置在该波前分离元件的发射光路上，并固定包括待处理半导体层的衬底。
28.一种晶化装置，其特征在于包括：
一光源，发射具有光强度的能量光以便熔融待处理半导体层；
一波前分离元件，设置在从该光源引出的发射光路上；
一相移掩模，设置在波前分离元件的发射光路上；
一平台，设置在相移掩模的发射光路上，并固定包括待处理半导体层的衬底。
29.一种晶化方法，其特征在于包括：
允许具有光强度以便熔融待处理半导体层的能量光从一光源入射到具有若干不同透光度部分的掩模上，
允许该能量光从该掩模入射到波前分离元件上，该波前分离元件将该能量光分离为多个能量光部分，并发射多个会聚的能量光部分；
允许该多个会聚的能量光部分从波前分离元件入射到一相移掩模上，并发射具有凹形光强度分布的能量光，该相移掩模具有相位差180度的部分；和
允许具有该光强度分布的能量光入射到待处理半导体层上。
30.一种晶化方法，其特征在于包括：
允许具有光强度以便熔融待处理半导体层的能量光从一光源入射到若干具有不同透光度部分的掩模上的步骤；
允许透过掩模的能量光入射到波前分离元件上的步骤，该波前分离元件将该能量光分离为多个会聚的能量光部分；
允许透过波前分离元件的能量光部分入射到待处理的半导体层上。
31.一种晶化方法，其特征在于包括：
允许透过相移掩模的能量光入射到未晶化半导体层上以便使该层晶化，
其中，入射到相移掩模上的能量光是透过掩模的光，该掩模具有不同透光度部分。
32.一种晶化方法，其特征在于包括：
允许透过相移掩模的能量光入射到非单晶半导体层上以便使该层晶化，
其中，入射到非单晶半导体层上的光束的光强度分布是两级反转峰值型光强度分布，其中进一步线性上升的凹形光强度分布叠加在反转峰值型光强度分布波形的上端，该反转峰值型光强度分布波形表示该相移掩模的光强度分布特性。
33.一种薄膜晶体管的制造方法，其特征在于包括：
在衬底的一侧上形成多晶半导体膜或者非晶半导体膜；
将入射光束波前分离为多个光束；
在相移掩模的对应相移部分中或者对应部分附近会聚这些波前分离的光束，以便形成具有反转峰值图形的光强度分布的光束，其中光强度在与相移掩模的对应相移部分的点中最小；
以具有该光强度分布的光束照射多晶半导体膜或者非晶半导体膜，以便产生结晶半导体膜；
在结晶半导体膜上依次形成栅绝缘膜和栅电极；
在结晶半导体膜中形成漏极和源极，一沟道位于漏极和源极之间；
形成与漏极和源极电连接的漏电极和源电极。
34.根据权利要求33的薄膜晶体管的制造方法，其特征在于，产生结晶半导体膜之步骤包括：在具有大的光强度梯度的方向由晶核横向生长和产生结晶的半导体膜，以便沿着该方向形成源极和漏极。
35.一种制造矩阵电路衬底的方法，其特征在于包括：
在透明衬底的一侧上形成多晶半导体膜或者非晶半导体膜；
将入射光束波前分离成多个光束；
在相移掩模的相应相移部分中或该部分附近会聚这些波前分离的光束，以便形成具有包括反转峰值图形的光强度分布的光束，其中光强度在对应于相移掩模的相移部分的点为最小；
以具有该光强度分布的光束照射多晶半导体膜或者非晶半导体膜，以便制备结晶的半导体膜；
将结晶的半导体膜分离为大量位于矩阵形状中的部分；
基于分离的部分形成薄膜晶体管；和
在透明衬底的一侧上形成若干个像素电极，使得每个像素电极与每个薄膜晶体管电连接，以限定一个像素。
36.根据权利要求35的制造方法，其特征在于，产生结晶的半导体膜之步骤包括：
形成光束，该光束具有包括大量彼此分离的反转峰值图形的光强度分布；和以该光束照射多晶半导体膜或者非晶半导体膜，使得反转峰值图形之间的间隔与像素之间的间隔一致。
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