CN1537323A - 结晶装置和结晶方法以及移相掩模 - Google Patents

结晶装置和结晶方法以及移相掩模 Download PDF

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Abstract

在激光装置(1)的前面经由光束扩展器(2)、均化器(3)和反射镜(4)来布置移相掩模(5)，其间插入成像光学系统(6)，在移相掩模(5)的对面设置被处理基片(7)。被处理基片（7）被真空吸盘和静电吸盘等基片吸盘(8)等保持在规定的位置上。

Description

结晶装置和结晶方法以及移相掩模
技术领域
本发明涉及膜(更详细说是构成膜的物质)的结晶装置和结晶方法以及移相掩模，将利用移相掩模即移相构件进行相位调制后的光线，照射到结晶处理的膜、例如多晶或非晶膜(例如半导体膜)上，生成结晶膜，例如多晶或单晶膜(半导体膜)。
背景技术
在液晶显示器(Liquid-Crystal-Display：LCD)中，对加到该像素上的电压进行控制的开关元件、对这些开关元件进行驱动的驱动电路所使用的半导体器件，已知的有薄膜晶体管(Thin Film Transistor：TFT)。这些晶体管的主要部分的材料大体上分为：非晶硅(amorphous-Silicon：a-Si)、多晶硅(polycrystal Silicon：poly-Si)和单晶硅(Single crystal Silicon：Single-Si)。
单晶硅的电子迁移率高于多晶硅，多晶硅的电子迁移率高于非晶硅，所以，该单晶硅、多晶硅的优点是制成晶体管时的开关速度快，显示器的响应速度快，或者能减小其他部件的设计余量(margin)等。
装入到显示器内的驱动电路和DAC等外围电路由上述晶体管构成的情况下，能够进一步提高这些电路的工作速度。
上述多晶硅是由晶粒的集合体构成的，与单晶硅相比电子迁移率较低，并且当晶体管减小时进入沟道内的晶界数的偏差成为问题。
因此，最近提出了大晶粒直径的多晶硅的生成方法，并且最好是生成单晶硅。
其方法之一是“相位控制ELA(Excimer Laser Annealing：受激准分子激光退火)”，即在使移相掩模平行地接近半导体膜的状态下，使脉冲激光器通过移相掩模而照射到结晶的膜上。例如，本技术的详细说明请参考“表面科学Vol.21，No.5，pp.278～287，2000)。并且，同样的技术也公开在日本特开2000-306859(2000年11月2日公开)。
该相位控制ELA，其方法是：对通过移相掩模的掩模图形的光的相位按照0、π交替错开，这样，在移相部即漂移边界处，产生的光强度最小，例如大致为0的反向峰值图形，把该反向峰值图形的最小强度位置设定在最早凝固的区域(晶核)，使晶体由此向周围横向生长，这样把大晶粒直径的晶粒设定在指定的位置上。在此，所谓反向峰值图形，是指最小强度位于最小强度的峰值上，随着离开该峰值，强度徐徐提高，这样形成一个颠倒的山峰形的强度图形。该反向峰值图形处于连续或者不连续位置的强度图形，在本说明书中称为反向峰值波形图形。
上述移相掩模的形状、该掩膜和结晶膜的面(简称为半导体面)的距离、以及激光向半导体膜的入射角度分布，设定成在膜的面上能获得理想的光强度分布。
为了获得与移相掩模相对应的光强度分布，该相位控制ELA必须使掩模尽量接近半导体面，典型保持状态是留出数μm～数百μm左右的间隙。这样，当两者接近时，由于激光照射而使半导体膜的一部分被擦伤产生飞散，沾污移相掩模。
因此，存在的问题是，随着使用，光强度图形变坏，不能准确地进行结晶。
为了达到高精度照射，必须在光轴方向上调整半导体面相对于移相掩模的位置。由于移相掩模和半导体基片之间的间隔非常狭窄，所以，也存在无法插入用于调节该位置的传感器系统和用于检测的光束等。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供这样一种技术，它能够避免通过移相掩模这样的掩模把光线、例如激光，照射到被处理基片上时擦伤造成的沾污，而且能够在移相掩模和被处理基片之间插入规定的部件，例如移相掩模定位用的检测器。
为了达到上述目的，涉及本发明第1方式的结晶装置，其特征在于具有：
光源，用于射出光线；
掩模，用于接受从该光源来的光线，使该光线的强度分布图形变成峰值为最小强度的反向峰值图形；以及
成像光学系统，它位于该掩模和被处理基片之间，使上述反向峰值图形的光线在被处理基片上成像，使被处理基片的物质的至少一部分进行结晶。
涉及本发明第2方式的结晶方法，利用移相掩模在该掩模的移相部内，生成具有光强度大致为0峰值的反向峰值图形，把具有该反向峰值图形的光线照射到被处理基片上使基片的至少一部分物质进行结晶，
其特征在于：通过设置在上述移相掩模和被处理基片之间的成像光学系统，使上述移相掩模的光线的像在被处理基片上成像。
涉及本发明第3方式的光线采用激光的移相掩模，其特征在于：掩模图形具有至少不少于3条的移相线构成的交点，以该交点为中心的圆形区域的复数透射率的积分值大致为0。
附图说明
图1是涉及本发明一实施方式的结晶方法及其实施装置的单机整体的概要图。
图2A是图1所示的装置的耦合光学系统按照与散焦法相对应的方式而构成的概要图，图2B是该装置的移相掩模和半导体面上的强度图形的关系的概要图。
图3是该被处理基片的定位装置的一结构例的概要图。
图4A是图1所示的装置的耦合光学系统按照与NA法相对应的方式而构成的例子的概要图，图4B是该装置的移相掩模和半导体面上的强度图形的关系的概要图。
图5A是图1所示的装置的耦合光学系统按照与光瞳函数法相对应的方式进行构成的例子的概要图，图5B是该装置的光瞳和半导体面上的强度图形的关系的概要图。
图6A是图4B所示的光瞳和波形图形的关系的概要图，图6B是分别表示由光瞳的半透明区域和透明区域而构成的波形图形的概要图。
图7是利用图6A所示的光瞳获得的、在XY方向上光强度分布不同的2级反向峰值图形的平面图。
图8是把移相区域排列成条纹状的移相掩模一例的概要平面图。
图9A和9B是把移相区域排列成方格状的移相掩模一例的斜视图和俯视图。
图10是采用本发明的散焦法的光强度分布曲线图。
图11是采用本发明的NA法的光强度分布曲线图。
图12是表示移相掩模的变形例的图。
图13是说明图12所示的移相掩模的效果的图。
图14是局部表示形成了遮光区域的移相掩模的另一变形例的斜视图。
图15A～15E是利用本发明的制造装置和方法的电子装置制造方法一例的说明图。
具体实施方式
以下参照附图，详细说明本发明的实施方式。
图1是表示本发明的膜结晶装置的一实施方式的结晶半导体膜的制造装置的概要图。
该装置具有激光照射装置10，其中包括：受激准分子光源1、依次布置在该装置的振荡侧的射束扩展器2、均化器(均质器)3和反射镜4。该照射装置也可以是射出激光以外光线的光源。从该激光源1中射出的激光，由射束扩展器2扩展成规定直径之后，由均化器3使光强度均一化，并照射到移相掩模5上。在该激光照射装置10的激光射出侧，依次布置了移相掩模5、成像光学系统6和基片支持体8。该基片支持体8由能够把被处理基片7支持在上面的例如真空吸盘或静电吸盘等构成。在本发明中“被处理基片”这一术语是指本身是由结晶物质构成的基片，或者在支持体上形成了结晶物质的膜或层的基片。在本发明中，“结晶物质”这一术语，是指通过激光照射，其结构更接近晶体或者变成晶体的物质，例如，若是无定形结构的物质，则变成多晶或单晶，并且，若是多晶，则多晶接近单晶或者变成单晶。该物质的一例是无定形硅或多晶硅。但也可使用其他材料。上述支持体，若是液晶显示器方面的，则是例如玻璃或合成树脂基片，在半导体方面，例如希望是硅片。该基片的形状不受特别限制，在本实施方式中，目标是制造液晶显示器，所以是矩形板状。在本实施方式中，说明使玻璃基片上所形成的无定形硅膜进行结晶变成多晶或单晶的情况，但本发明不仅限于此是容易理解的。
上述基片支持体8布置成被处理基片7的被照射面，即入射面以很高的精度与上述移相掩模5保持平行，希望安装在3坐标工作台这样的规定的驱动机构(无图示)上，使被处理基片7相对于上述移相掩模5在互相垂直的3个方向，即X(基片纵长方向)、Y(基片横方向)、Z方向(基片垂直方向，即沿成像光学系统光轴的方向)，有选择地进行移动。
上述成像光学系统如下所述，若能使移相掩模的掩模图形在被处理基片的被照射面(入射面)上进行成像，则不拘形式，例如，也可以是单一的成像透镜，但希望是以下说明的、利用散焦法、NA(数值孔径：开口数)法、光瞳函数法使图形成像的光学系统。
以下参照图2A、2B，详细说明利用散焦法的成像光学系统的一例。
散焦法是，在移相掩模5和被处理基片7之间，放入足够大的数值孔径(NA)的成像光学系统6，使被处理基片7的被处理面保持在从成像光学系统6的焦点位置上散焦后的位置上，根据照明光的入射角度分布和掩模图形及散焦量来调整光强度分布。
如图2A所示，成像光学系统6，其构成部分有：互相间保持规定间隔，平行地布置的一对成像透镜，即凸透镜6a、6b；以及布置在这些透镜之间的具有规定NA的光圈6c。在这种光学系统中，移相掩模5的出射侧表面的光强度分布近似均匀一致，在此情况下，在移相部的偏离焦点位置上产生衍射条纹，形成如图所示的附加线的光强度分布(散焦像A)。移相掩模5的掩模图形，利用成像光学系统6在成像面上进行成像。该成像面如图中箭头所示位于掩模的共轭平面上。在该成像面上的光强度分布中，由成像光学系统6的NA决定的分辩率R＝kλ/NA以下的成分被切掉，但强度基本均匀。在光轴方向上离开该成像面的前后(离开成像面的距离，实际上等于移相掩模5和散焦像A之间的距离)2个位置上的光强度分布(散焦图像B、C)中，由成像光学系统6的NA决定的分辨率R＝kλ/NA以下的成分被切掉，然而，强度基本上与散焦图像A相同。在这2个位置中的任一个上布置被处理基片7的被处理面，通过对其进行光照射，如图2B所示，和移相控制ELA法一样，在与移相部，即移相边界5a相对应的被处理面上的图形位置上，利用强度波形图形进行曝光，该强度波形图形具有一个或多个的最小强度例如为0或接近0的反向峰值图形。
这时的反向峰值图形的宽度与散焦量的1/2次方成正比进行扩大。
上述成像光学系统6，例如全长(物体面和像面之间的距离)为1000mm，各透镜6a、6b的焦距为250mm，光圈6c的数值孔径(NA)为0.2。激光照射装置10的光源1是中心波长248.55nm，振荡波长分布的半值全宽0.3nm的激光射出成脉冲状的KrF受激准分子激光源。
从上述照明装置10来的激光照射到移相掩模5上，如上所述使该掩模图形在被处理基片上成像，这样结晶的物质，在此情况下，无定形硅的膜经过热处理，结晶成为多晶硅和/或单晶硅。当结晶时，使被处理基片向X和/或Y方向移动，这样能使膜的规定区域或者整体进行结晶。这时从被处理基片7上产生擦伤，但由于成像光学系统6位于移相掩模5和基片7之间，所以不会沾污移相掩模5。这时直接面对基片7的成像光学系统6的透镜6b有可能被沾污。该透镜6b和被处理基片7之间的距离(该例约为250mm)，远远大于现有技术的移相掩模和被处理基片之间的距离(数μm～数百μm)，所以，光学系统几乎不会沾污。
在上述图2A中，省略了被处理基片7的位置B或C进行对准(Z方向的对位)用的装置。例如，图3所示的自动对焦装置作为对位装置布置在移相掩模5和被处理基片7之间，或者，该装置布置在两者的外侧的情况下，能设定成检查光束通过两者之间。该对位装置对于在整个被处理基片上取得合格的器件来说是必须的。该装置包括：被处理基片位于其间的缝隙光投影光学系统；以及缝隙光检测光学系统。投影光学系统包括：光源例如卤素灯11；把该光源的光成形为缝隙光的曝光缝隙12；使该缝隙光向被处理基片方向偏转的反射镜13；以及使该反射镜的反射光在被处理基片7的被处理面上成像为缝隙图像用的投影透镜14。检查光学系统包括：用于检测由被处理基片反射的缝隙图像的检测器15；设置在该检测器紧前面的受光缝隙16；依次设置在该受光缝隙和检测器之间，通过受光缝隙16使从基片来的反射缝隙图像会聚在检测器15上的聚光透镜17；以及能够转动，以便从聚光透镜来的光通过上述受光缝隙的振动反射镜18。通过调节该振动反射镜的角度位置，即可用无图示的驱动机构来调节被处理基片的Z方向的位置。
以下参照图4A、4B，说明利用NA法的成像光学系统的例子。在以下说明的例子中，实质上与利用上述散焦法的成像光学系统相同的部件，标注相同的参考符号，其说明从略。
NA法是，在移相掩模5和被处理基片7之间布置能调整数值孔径(NA)的成像光学系统6，把被处理基片7保持在成像光学系统6的焦点位置上，根据照明光的角度分布、掩模图形和NA来调整光强度分布。在该光学系统中，在图4A中移相掩模5的掩模图形由成像光学系统6来进行成像，成像光学系统6的光圈6d是孔径尺寸即NA能够改变的，或者配备NA不同的多个光圈6d，通过更换光圈即可更改NA。
在该光学系统中，由NA决定的分辨率R＝kλ/NA以下的成分被切掉，所以在图4B所示的焦点面上的移相部5a中，产生反向峰值图形，其宽度相当于光强度最小，例如为0的分辨率。在此k值基本上是接近于1，但也与照射掩模的光学系统规格、光源的相干性程度、分辨率的定义有关。
把被处理基片7布置在上述焦点面上用光照射，即可生成结晶核。这时的反向峰值图形的宽度与分辨率R＝kλ/NA成正比。也就是说，若减小NA，有意地降低分辨率，则反向峰值图形的宽度增大。这时减小NA的方法，如上所述，是使用减小了孔径尺寸的光圈。
若把这种形式的成像光学系统夹在移相掩模和被处理基片之间，则能发挥与利用上述散焦法时相同的效果。
以下参照图5A、5B，说明利用光瞳函数法的成像光学系统。
光瞳函数法是，把图示的光圈(即光瞳)6e的成像光学系统6放入到移相掩模5和被处理基片7之间，把被处理基片7保持在成像光学系统6的焦点位置上，根据照明光的角度分布和掩模图形及光瞳函数来调整光强度分布。
如图5B所示，光圈6e由圆形片构成，由内侧的缝隙形状的完全透光区域A1和外侧的半透光区域A2构成。半透光区A2，透过一部分光，以某种方法来阻止剩余的光透过光瞳。该半透光区A2的透光率根据需要来选择各种程度，不一定仅限于50％。光瞳的形状和半透光区的形状也并不仅限于上述情况，例如半透光区A2也可以是圆形或矩形。
用于制造上述光圈6e的第1方法是，在玻璃、合成树脂等整个透明板上利用铬等遮光材料，利用溅射等方法来形成厚度与所需透光率相适应的薄膜，然后，仅对与半透光区相对应的薄膜部分进行腐蚀将其去掉，露出透明板来。
在此情况下，遮光材料对部分光进行反射，对部分光进行吸收。其吸收(透过)的程度可根据膜的厚度来任意设定。上述铬膜是一例，例如ZrSiO等只要是能部分遮光的材料，任何一种均可采用。
第2光圈制造方法是，在整个透明板上形成一种多层膜，该多层膜设计成能对半透光区A2所使用的波长的光进行部分反射，然后仅对与透光区A1相对应的部分形成图形腐蚀掉。这样，在对光的一部分进行反射的光瞳的情况下，形成光圈的材料，即形成半透光区的材料不吸收不需要的光，所以，其优点是光圈不发热。在此情况下，希望考虑其他部件的布置，防止光圈的反射光射到其他透镜和镜筒上造成光斑(杂散光)。
如上所述，在具有完全透光区A1和半透光区A2的光圈6e中，希望考虑对厚度和材料进行调整等，以防止在两个区A1、A2之间产生相位差。
在上述光圈6e的说明中，省略了半透光区A2如何规定。该规定方法是，例如支承光圈6e的部件，其光圈周围的部分用遮光材料形成，对通过光圈外侧的光进行反射或吸收。在接近光圈6e外侧的部分，也可形成对半透光区进行包围的遮光区。
光瞳函数法，一般利用若光瞳的NA大，则成像的点径小这一特性，通过完全透光区A1的光，表观上的NA减小，所以，发生图5B的符号A1所示的较宽的反向峰值图形(半透光区A2也作为遮光区进行测量)。通过半透光区A2的光，表观上的NA增大，所以，发生图5B的符号A2所示的较窄的尖形反向峰值图形(透光区也作为半透光区进行测量)。其结果，把成像光学系统6的光瞳函数作为全透光区A1和半透光区A2的函数之和，这样，在图示的焦点面上的移相部内，发生2级反向峰值图形，其具有：包括光强度为0的峰值、位于光强度低的一侧的第1图形；位于光强度高的一侧的第2图形；以及位于第1图形和第2图形之间的阶梯部，使第1图形的宽度远远大于第2图形的宽度。
该光瞳函数法，反向峰值图形的发生原理与NA法相似。但NA法仅对图形大小进行控制，而光瞳函数法也对图形的形状进行控制。
若在该焦点面上布置被处理基片7，进行光照射，则内侧的，即第1图形中，具有光强度大致为0的最小强度，所以，这里变成结晶核。外侧的，即第2图形中产生与光强度分布相对应的温度梯度，所以与图4B所示的单纯反向峰值图形的情况相比，容易进行横向结晶生长。
完全透光区A1和半透光区A2的形状也可以都是圆形。但是，如椭圆形所示，由于其长度在XY方向上各不相同，所以能使2级反向峰值图形的光强度分布在X方向和Y方向上不同。
假定2级反向峰值图形的内侧即第1图形的直径为D1，外侧即第2图形的直径为D2，用角度表示的半透光区A2的直径为θ1，完全透光区A1的直径为θ2，则可按下式计算。
D1＝kλ/sinθ1
D2＝kλ/sinθ2
式中，k也与照射掩模的光学系统的规格、光源的相干程度、分辨率的定义有关，但k值大致上接近于1。因此2级反向峰值图形的内侧的直径D1和外侧的直径D2，分别与半透光区A2和完全透光区A1的大小成反比。
所以，如图6A所示，完全透光区A1是X方向短、Y方向长的矩形，其反向峰值图形的光强度分布如图6B的A1所示，X方向的宽度大(由D2表示)，Y方向的宽度小(由D3表示)。与此相比，半透光区A2是圆形，所以，其反向峰值图形的光强度分布如图6B的A2所示，X方向和Y方向的宽度相同，均较窄(由D1表示)。所以，两个反向峰值图形的和，即2级反向峰值图形的光强度分布如图6B的A1+A2所示，外侧的，即第2图形，X方向的宽度(D2)大于Y方向的宽度D3；内侧的即第1图形，X方向和Y方向的宽度相同，均较窄(D1)。图7是表示这种2级反向峰值图形和光瞳的关系的平面图。从图7中可以看出，与透光区A1相对应的第2图形，横断面为椭圆形(长径D2，短径D3)，与半透光区A2相对应的第1图形的横断面是圆形(直径为D1)。这种2级反向峰值图形的第2图形的X方向宽度和Y方向宽度，根据透光区A1的X方向长度和Y方向长度来进行设定，所以能控制成结晶的形状及其布置的间距在XY方向上各不相同。
尤其，外侧的反向峰值图形(第2图形)在XY方向上直径不同，表示在基片上强度分布中位置与强度的变化趋势不同，。结晶有选择地在其倾斜大的方向，即外侧的反向峰值图形的短轴方向上进行生长，其结果，形成的结晶也在该方向上进行生长，其结果，形成的结晶也在该方向上具有较高的电子迁移率。在此方向上对准晶体管的源漏方向，能制作出特性更好的晶体管。
这样，光瞳函数法既能保持NA法的特点，又能生成2级反向峰值图形。所以，对进行结晶更加有效。
本发明的实施方式的照明光学系统如前所述，把受激准分子激光器和光学系统组合起来，从激光器中射出照明光，向移相掩模上照射。这时，希望确保移相掩模面内的光强度的均匀性和入射角度方向上的均匀性。尤其，受激准分子激光器，每个脉冲的振荡位置有偏差，所以，为了结晶均匀，希望确保激光的均匀性。
同时，为了不降低移相掩模的散焦图像的对比度(不提高反向峰值图形的中心强度)，散焦法希望减小分散光(接近平行光)。并且，为了获得必要的分辨率，希望确保一定值以上的NA，减小光学系统的像差量。
NA法不同于散焦法，不希望减少分散(接近平行光)。并且，为了有意消除规定分辨率以上的成分，希望具有调整机构，以便把NA设定为规定值。
以下参照图2A、2B，说明利用散焦法的成像光学系统的具体例子。
在本具体例子中，激光装置1是波长248nm的KrF受激准分子激光器构成的，激光束经光束扩展器2进行扩展后，由均化器3使照射到移相掩模5上的光强度均匀一致。
均化器3由蝇眼透镜构成，该蝇眼透镜与一般曝光机中所使用的相同。该照明装置10的NA为0.05。
成像光学系统6利用入射光瞳和射出光瞳两者位于无限远的两侧远心(焦阑)系统，其基本规格为NA是0.2，倍率是1.0。
以下参照图8，说明移相掩模5。
移相掩模如上述已知例中也已说明的那样，在透明介质，例如石英基材上设置厚度不同的互相邻接区，在该区间的阶梯部(移相部)的边界上，使入射的激光线进行衍射和干涉，使入射的激光线强度具有周期性的空间分布。这种移相掩模的一例示于图8。该移相掩模5具有：互相并排的相位为π的第1带状区(相位区)5b、以及相位为0的第2带状区(相位区)5c，以便使相邻的图形变成反相位(180°偏移)。该带状区(移相线区)具有10μm的宽度。具体来说，移相掩模5是对折射率为1.5的矩形的石英基片进行图形腐蚀而制成的，腐蚀的深度，对于248nm的光相位相当于π，即248nm的深度。通过该腐蚀而形成的薄区为第1缝隙区5b，未腐蚀的区为第2缝隙区5c。
在这种结构的移相掩模5中，通过了厚的第2相位区5c的激光，与通过了薄的第1相位区5b的激光相比，前者延迟180°。其结果，激光之间产生干涉和衍射，获得与图10所示激光强度分布大致相同的强度分布。也就是说，通过了移相部的光是与邻接的通过光互相反向的相位，所以，与该区间相对应的位置上光强度最小，例如为0。该最小值的区或者其相邻的区成为半导体结晶时的核。
一般，设定激光波长为λ，则折射率n的透明介质产生180°相位差所需的透明介质厚度t(厚区和薄区的厚度差)用下式表示：
t＝λ/2(n·1)
以下说明结晶的具体例。
被处理基片7采用了这样的玻璃片，即利用化学汽相生长法在厚度0.6mm的液晶显示器用玻璃板上依次生成基底膜和a-Si膜。
在以上结构中，在离开成像光学系统6的焦点位置10μm的下侧的散焦位置上放置被处理基片7，进行脉冲照射，使a-Si膜面上的光能量(a-Si膜的激光照射部在瞬时进行熔化的能量的大小)约达到100mJ/cm2。
图10表示在上述条件下计算出的光强度分布。在该图中移相掩模5的移相部5a所对应的部分为最小强度的反相位图形，与移相部附近相对应而形成，这样的强度波形图形的形成是可以理解的，各反向相位图形之间的距离，与带状区5b、5c的度宽相对应为10μm。其结果，一边使被处理基片相对于移相掩模5在图10的纸面上直行的方向上移动，一边用激光照射无定形硅膜，这样能获得大晶粒直径的多晶poly-Si膜，其晶粒位置在XY方向均按10μm的间距进行控制。
以下说明利用NA法的成像装置的具体例子。其中采用的光源、光学系统基本上与上述具体例相同。但是，在本具体例中，具有一种这样的机构，即通过更换成像光学系统的光圈(圆形开口)，能够调整成像光学系统的NA。利用该机构，把成像光学直径NA调整到0.1，把照明系统的NA设定为0.05、把与上述具体例相同的被处理基片7设置在成像光学系统6的焦点位置上，进行脉冲照射，使a-Si膜面上的光能量达到约100mJ/cm2。
在此条件下，计算求出的光强度分布示于图11。即使在使用该装置的情况下，也能理解利用与上述具体例相同的强度波形图形进行照射。即使在此情况下，也能获得大晶粒直径的多晶poly-Si膜，其晶粒位置在XY方向上均按10μm间距进行控制。
在上述具体例中，移相掩模5使用了如图8所示移相部变成互相平行的多条直线状的，但并非仅限于此。
例如也可以使移相线垂直，使相位0和π排列成方形格子状。在此情况下，沿移相线能形成格子状的光强度0的区。所以，结晶核发生在该线上的任意位置上，因此存在的问题是很难控制结晶粒的位置和形状。所以，为了控制结晶核的发生，希望强度0区是点状。为此，使垂直的移相线的移相量达到180°以下，这样，在移相线对应的位置上强度(虽然减小)不会完全达到0，同时使交点周围的复数透射率之和达到0，这样，与交点相对应的位置上的强度为0。
现参照图9A和9B说明这一例。该掩模5如图9A所示，具有许多组正方形图形，各组由厚度不同的4个正方形区5e、5f、5g、5h构成。在各组内，如图9B所示，第1区5e最薄，相位为0。第4区 5h最厚，相位与第1区5e偏差3π/2。厚度在该区5e、5h之间的第2、第3区5f、5g，相对于第1区相位偏差分别为π/2和π。
在这种掩模中，第1～第4区相邻的部分，例如正方形图形的中心点为强度0的区。所以，该点变成结晶核，因此，结晶粒的位置和形状容易控制。
参照图8和图9A说明的掩模图形，希望也能和采用本发明投影光学系统的方法组合使用。但并非仅限于这些适用，也可用在过去的相位控制ELA法中。在此情况下，也能使相位线或仅在其垂直点上强度为0，是有效的。
在上述实施方式中，把移相掩模的移相部作为相位不同的区(相位区)之间的边界线(图8)或者边界点(图9A和图9B)进行了说明。但这是相位区仅形成在透光性区内的情况，本发明的相位部不仅限于此，也可以形成在稍许偏离边界线或边界点的地方。现说明如下。
在上述散焦法中，利用了从成像光学系统的焦点位置起设定了规定间隙的位置(在图2A中B和C所示的位置)上所产生的光强度图形(反向峰值图形)，所以，在照明光的入射角度分布大的情况下，因间隙而产生“模糊”。其结果，变成移相部中的反向峰浅(反向峰值的强度相当大)的平缓的反向山形状，容易受到来自光源的激光的面内强度不均匀和每个振荡脉冲的强度的偏差的影响，有可能达不到均匀的结晶。
在这种情况下，如图12所示，在移相掩模5的一边的相位区(在该实施方式中为第2相位区)内，设置沿边界线宽度较小的遮光区，即可解决上述问题。其原因参照图13加以说明。
在把平行光射入到移相掩模5内的情况下，移相部中的光强度分布变成为：第1相位区5b产生的衍射条纹的宽度①、与第2相位区5c产生的衍射条纹的振幅②相加，再对其进行2次方所得的光强度分布③。在散射光射入到移相掩模内的情况下，最终的衍射图形是从多个不同角度来的光所形成的光强度图形进行积分的结果。因此，若设入射角为θ，上述间隙为Z，则干涉和衍射所产生的光的光强度图形，考虑到在面内仅进行Z tanθ的漂移，在进行积分后在不设置遮光区的情况下，如上所述也形成对边界线夹持的平缓的倒山坡形状。但是，如图12所示，若设置遮光区s，则变成图13所示的第2相位区5c的衍射条纹的振幅②。其结果第1相位区5b产生的衍射条纹的宽度①、与第2相位区5c产生的衍射条纹的振幅②相加，再对其进行2次方所得的光强度分布③，如图所示，通过按以下方法来设定遮光区的宽度D，与遮光区s相对应，变成为具有强度几乎为0的峰值的良好的反向峰值图形。
在散射光射入到上述移相掩模内的情况下，入射角的漂移量，仅为入射角的半角，为Z tanθ。所以，遮光区s的宽度D若能满足D＞2Z tanθ，则能获得以前说明的④所示的图形。
以下说明图12所示的移相掩模的具体例。
对折射率为1.5的矩形石英基片按照对248nm波长的光相位相当于π的深度，即248nm的深度进行腐蚀形成了第1相位区5b、以及未被腐蚀的区即第2相位区5c。这时，制成的图形使第1相位区5b的宽度为14μm；第2相位区5c的宽度为6μm。然后，在移相掩模的一面上用溅射法形成铬膜，对其制作图形，在第2相位区的两侧，沿着与第1相位区5b的边界线形成了遮光区s。这时的遮光区的宽度D定为4μm。
这样形成的移相掩模5用于图2A所示的装置，进行结晶。这时使被处理基片7位于离开成像光学系统6的焦点位置向下侧20μm的位置C(即Z＝20μm)上，进行脉冲照射，使该被处理基片的a-Si膜面上的光能量达到约100mJ/cm2。其结果，能使无定形硅结晶成为结晶位置被控制的大晶粒径的多晶硅。
设置上述遮光区s的技术如图14所示也能适用于多方式的移相掩模。该例适用于图9A所示的掩模，在正方形的相位区中，沿相邻的相位区的边界线在一边的相位区内设置了遮光区s。即使该例，也能在从4个相位区的交点处少许偏移的地方获得具有点状峰值的尖形反向峰值图形。
上述遮光区如上所述，除了用吸收光的铬这样的材质的膜来形成外，也还可以用其他各种技术来形成。例如遮光区也可以利用与入射激光的波长相对应的多层膜来形成，也可以形成入射光散射或衍射的凹凸。
构成上述成像光学系统的光学元件并非仅限于透镜系统，也可以是反射镜系统。并且也可以是透镜和反射镜的复合系统。
以下参照图15A～15E，详细说明利用本发明的制造装置和方法来制造电子装置的方法。
如图15A所示，在整个矩形绝缘基片30(例如碱性玻璃、石英玻璃、塑料、聚酰亚胺等)上，利用化学汽相生长法或溅射法等来形成基底膜31(例如膜厚50nm的SiN膜和膜厚100nm的SiO2膜的积层膜等)和非晶质半导体膜32(例如从膜厚50nm到200nm的Si、Ge、SiGe等)。然后，用受激准分子激光器33(例如KrF或XeCl等)对非晶质半导体膜32的表面的一部分或全部进行照射。在此，在受激准分子激光照射中，使用上述实施方式中说明的装置和方法。其结果，非晶质半导体膜32如图15B所示，物质结晶成为多晶半导体膜34。这样，形成的多晶半导体膜34，与利用过去的制造装置的多晶半导体膜相比，变换成结晶粒位置被控制的大粒直径的多晶或单晶半导体膜。
然后，利用光刻法把单晶半导体膜34加工成岛状的半导体膜35，如图15C所示，利用化学汽相生长法或溅射法等在基底膜31和半导体膜35上形成厚度20nm～100nm的SiO2膜作为栅绝缘膜36。
然后，在上述栅膜36上的与上述半导体膜35相对应的部位上形成栅电极37(例如硅化物和MoW等)。对该栅电极37加以掩盖，如图15D所示向上述半导体膜35中注入杂质离子38(若是N沟通晶体管，则为磷，若是P沟道晶体管，则为硼)，使该膜成为N型或P型。然后，在氮气氛中对整个该器件进行退火(例如在450℃下1小时)，对半导体膜35中的杂质进行激活。其结果，该半导体膜35变成：杂质浓度高的源41；漏42；以及位于这些之间，与栅电极37相对应的杂质浓度低的沟道区40。
然后，在栅膜36上形成层间绝缘膜39。并且，在该层间绝缘膜39和栅膜36的、与上述源41和漏42相对应的部位上制作接触孔。然后，利用成膜和图形制作技术在层间绝缘膜39上，如图15E所示，形成通过接触孔与源41和漏42进行电连接的源电极43、漏电极44。这样形成的薄膜晶体管，形成了沟道40区的半导体利用图15A和15B中说明的激光照射技术进行处理，所以变成大粒径的多晶或单晶是可以理解的。因此，这种晶体管与利用未进行激光处理的无定形半导体的晶体管相比，开关速度快。多晶或单晶晶体管，能进行电路设计，使其具有液晶驱动功能、存储器(SRAM、DRAM)和CPU等集成电路的功能。需要耐电压的电路形成在非晶质半导体膜上，需要迁移速度快的，例如驱动电路的晶体管等，制成多晶或单晶。
产业上利用的可能性
如以上说明那样，若采用本发明，则在移相掩模这种用光强度制作图形的膜和被处理基片之间布置成像光学系统，保持距离，所以在半导体膜上照射激光时所产生的擦伤不会沾污掩模。
并且在移相掩模和被处理基片之间，也能插入用于测量位置的检测器，或者射入检测器用的光线。
此外，本发明的NA法与过去的相位控制ELA法和本发明的散焦法相比较，具有以下4个优点：
第1，即使被处理基片本身相对于光轴前后移动，或者由于弯曲而使半导体膜表面前后变化，图形变化也很少。
第2，即使照明光的散射度发生变化，图形变化也很少。
尤其散射增大也不会像散焦法那样使图形对比度下降。
第3，光强度分布，其移相部以外的弯曲小，接近理想图形。
第4，被处理基片的光轴方向的定位，不需要像“散焦法”那样对散焦量进行控制，只要保持在焦点面上即可，所以，容易控制。

Claims (19)

1、一种结晶装置，其特征在于具有：
光源，用于射出光线；
掩模，用于接受从该光源来的光线，使该光线的强度分布图形变成峰值为最小强度的反向峰值图形；以及
成像光学系统，它位于该掩模和被处理基片之间，使上述反向峰值图形的光线在被处理基片上成像，使被处理基片的物质的至少一部分进行结晶。
2、如权利要求2所述的结晶装置，其特征在于：上述掩模具有的移相掩模，其相邻区的厚度互不相同，在这些区之间规定了有阶梯部的移相部。
3、如权利要求2所述的结晶装置，其特征在于：上述掩模的移相部的相位差为180°，以便生成强度实质上为0的峰值。
4、如权利要求1、2或3所述的结晶装置，其特征在于：还具有一种支承体，用于把上述被处理基片支承在从上述成像光学系统的焦点位置仅离开规定距离的散焦位置上。
5、如权利要求1、2或3所述的结晶装置，其特征在于：还具有一种把上述被处理基片支承在上述成像光学系统的焦点位置上的支承体，并且，上述成像光学系统具有能够更改NA的光圈，以便能调节上述反向峰值图形的宽度。
6、如权利要求5所述的结晶装置，其特征在于：上述反向峰值图形的宽度D在上述光线的波长为λ、上述光圈的数值孔径为NA的情况下，可按下式求出。
D＝kλ/NA(k为0.5～2的值)
7、如权利要求1、2或3所述的结晶装置，其特征在于，还具有把上述被处理基片支承在上述成像光学系统的焦点位置上的支承体，并且，上述成像光学系统具有设定成2级反向峰值图形的光瞳，该2级反向峰值图形具有包含峰值且位于强度低的一侧的第1图形、位于强度高的一侧的第2图形、位于第1图形和第2图形之间且使第1图形的宽度大于第2图形的宽度的阶梯部。
8、如权利要求7所述的结晶装置，其特征在于：上述成像光学系统的上述光瞳具有透光区、以及对该透光区进行包围的半透光区，并且，当上述2级反向峰值图形的第1图形的宽度为D1、第2图形的宽度为D2、用角度表示的上述半透光区的直径为θ1、用角度表示的透光区的直径为θ2时，则上述成像光学系统的光瞳的射出光瞳函数的分布大小满足下式：
D1＝kλ/sinθ1(k为0.5～2的值)
D2＝kλ/sinθ2(k为0.5～2的值)
9、如权利要求1所述的结晶装置，其特征在于：具有一种移相掩模，其中，上述掩模的掩模图形具有至少由不少于3条的移相线而构成的交点，以该交点为中心的圆形区的复数透射率的积分值大致上为0。
10、如权利要求9所述的结晶装置，其特征在于：上述不少于3条的移相线，其相位差均小于180度(π)。
11、如权利要求9所述的结晶装置，其特征在于：上述相位线为4条，其相位差均大致为90度。
12、一种结晶方法，其利用移相掩模在该掩模的移相部内，生成具有光强度大致为0的峰值的反向峰值图形，把具有该反向峰值图形的光线照射到被处理基片上，使基片的至少一部分物质进行结晶，其特征在于：
通过设置在上述移相掩模和被处理基片之间的成像光学系统，使上述移相掩模的光线的像在被处理基片上成像。
13、如权利要求12所述的结晶方法，其特征在于：在上述被处理基片保持在从上述成像光学系统的焦点位置仅离开了规定距离的散焦位置上的状态下，使光线成像进行结晶。
14、如权利要求13所述的结晶方法，其特征在于：使上述被处理基片保持在上述成像光学系统的焦点位置上，而且更改该成像光学系统的NA，调节上述反向峰值图形的宽度，使光线在上述被处理基片上成像进行结晶。
15、如权利要求12所述的结晶方法，其特征在于：使上述被处理基片保持在上述成像光学系统的焦点位置上，而且把上述反向峰值图形制作成2级反向峰值图形，以使该成像光学系统的射出光瞳函数变成外侧区和内侧区的大小2种分布的和，把光线照射到上述被处理基片进行结晶。
16、一种光线用的移相掩模，其特征在于：掩模图形具有至少由不少于3条的移相线构成的交点，以该交点为中心的圆形区域的复数透射率的积分值大致为0。
17、如权利要求16所述的移相掩模，其特征在于：上述不少于3条的移相线，其相位差均小于180度(π)。
18、如权利要求16所述的移相掩模，其特征在于：上述不少于3条的相位线为4条的情况下，其相位差均大致为90度。
19、一种光线用的移相掩模，其特征在于，具有：相位不同的至少2个相位区、在相邻的相位区之间规定的边界线、以及沿边界线形成在一边的相位区内的遮光区。
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