CN1658373A - 光照射装置及方法、结晶装置及方法、设备和光调制元件 - Google Patents

光照射装置及方法、结晶装置及方法、设备和光调制元件 Download PDF

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Abstract

一种光照射装置包括光调制元件(1)，调制入射光束的相位以便获得具有最小光强的底部的V形光强分布，以及成像光学系统(3)，以在照射目标表面上提供V形光强分布的方式，将所调制的光束从光调制元件施加到照射目标表面(4)上。光调制元件具有一复振幅透射率分布，使在成像光学系统的图像空间中，在V形光强分布的底部处，复振幅分布的相位值的二次导数基本上变为零。

Description

光照射装置及方法、结晶装置及方法、设备和光调制元件
技术领域
本发明涉及光照射装置、光照射方法、结晶装置、结晶方法、设备和光调制元件。
背景技术
通常在非晶硅层或多晶硅层中形成用于选择例如液晶显示器(LCD)中的显示像素的开关元件等等的薄膜晶体管(TFT)。
多晶硅层具有比非晶硅层更高的电子或空穴的迁移率。因此，当在多晶硅层中形成晶体管时，与在非晶硅层中形成晶体管的情形相比，增加开关速度，并由此增加显示响应速度。另外，因此外围LSI可由薄膜晶体管组成。此外，存在能降低任何其他部件的设计裕度的优点。此外，当这些外围电路结合在显示器中时，能以更高速度操作外围电路，诸如驱动器电路或DAC。
由于多晶硅由晶粒的聚集形成，当例如形成TFT晶体管时，一个晶粒界面或多个晶粒界面存在于该晶体管的沟道区中，以及晶粒界面变为障碍以及与单晶硅相比，降低电子或空穴的迁移率。因此，在形成多晶硅的许多薄膜晶体管的情况下，在各个薄膜晶体管间，在沟道部分中形成的晶粒界面的数量不同，以及这使得晶体管特性变得不均匀和在液晶显示器的情况下，导致显示不规则的问题。因此，近年来，为提高电子和空穴的迁移率以及降低沟道部分中晶粒界面的数量中的不规则性，已经提出了结晶方法，生成具有若干晶粒的结晶硅，晶粒的粒度大到可在每个晶粒中形成一个沟道面积。
作为这种结晶方法，通常称为“相位控制ELA(激元激光器退火)方法，其通过用激元激光照射移相器，生成结晶半导体膜，移相器与非单晶半导体膜，诸如多晶硅半导体膜或非晶半导体膜接近地平行排列。在例如日本的Journal of the Surface Science Society，Vol.21，No.5，pp.278-287，2000中描述过相位控制ELA方法的详细情况。
在相位控制ELA方法中，在对应于移相器的移相部分的点或线处，生成具有反峰值图型((inverse peak pattern))(在中央(最小光强部分)处光强最小以及趋向于外围或在横向方向上，光强突然增加的图型)的光强分布。其中，在中央处光强低于外围处，以及用具有该反峰值形光强分布的光照射非单晶半导体膜以便熔断非单晶半导体膜。因此，根据在照射目标区中的光强分布，在熔断区中生成温度梯度，在根据最小强度部分首先凝固还是不凝固的部分形成晶核，以及晶体在从该晶核趋向外围的横向方向上生长(在下文中，将称为“横向生长”或“横向方向上的生长”)，由此生成具有大的粒度的晶粒。
由H.Ogawa等人著写的、刊载在IDW′03 Proceedings of The 10thInternational Display Workshopsr“Growth of Large Si Grains at RoomTemperature by Phase-Modulted Excimer-Laser Annealing Method(通过相位调制的激元退火方法在室温下的大Si粒的生长)”提出一种结晶方法，通过具有通过移相器和成像光学系统获得的V形光强分布的光，照射非单晶半导体膜，生成晶粒。该文献公开了期望当其最大值标准化为1.0时，照射非单晶半导体膜的光的强度分布在0.5至1.0的范围内，以V形变化。从每个中央部分(最小光强分布及其附近)看，“具有反峰值图型的光强分布”和“V形光强分布”具有相同的功能。在本发明中，两个光强分布均写为“V形光强分布”。
本发明的发明人在例如日本专利申请No.2003-117486(在下文中将称为“相关申请”)中建议通过结合成像光学系统，能获得V形光强分布的光调制元件。在相关申请中提出的光调制元件是具有0度的参考相位值和90度的调制相位值，即两种调制相位值的“二进制调制型”移相器，当转换成光调制元件上的对应部分时，其具有尺寸不大于成像光学系统的点扩展函数范围的调相。随便提一下，不必说，在相关申请中公开的内容不构成本申请的现有技术。
特别地，如图14所示，在相关申请中提出的典型的光调制元件具有0度的参考相位值的参考相位区(用图中的空白部分表示)10a以及90度的调相值的矩形调相区(用图中的阴影部分表示)10b。在图中，调相区10b与参考相位区10a的占用面积比(占空比)沿水平方向(横向)(沿X截面)在0％和50％间线性改变。具体地，沿水平方向，在相位图的两侧，调相区10b的占用面积比为0％，而在中央，调相区的占用面积比为50％。
当使用这种光调制元件和在非单晶半导体膜上，形成通过该光调制元件调制的光的图像的成像光学系统时，在非单晶半导体膜上获得如图15A至15C所示的V形光强分布。假定入射光束的波长λ为248nm、成像光学系统的图像侧数值孔径NA为0.13以及成像光学系统的值σ(相干因子)为0.47，计算在这些图中所示的光强分布。在成像光学系统的焦点位置或焦平面处获得的光强I由沿X截面，在所述位置处的调相区10b的占用面积比D(在图14所示的例子中，在0和0.5间改变)而定，用下述表达式近似表示。
I(4-4 A)|D-0.5|2+A
其中， Acos2(θ/2)
在该表达式中，θ是调相值(在图14所示的例子中为90度)，以及 A是在对应于最大级上，占用面积比D为50％的位置的焦面位置处获得的光强的标准值(当在V形光强分布中的光强的最大值标准化为1.0时的值)。
当使用如图14所示的光调制元件时，如图15B所示，在成像光学系统的焦点位置(成像表面)处形成在横向方向上基本上是对称的且在中央处具有最小强度部分且其形成位置被控制的基本上理想的V形光强分布。然而，如图15A所示，根据在更接近于成像光学系统的方向上，从焦点位置稍微移动10μm的位置处(-10μm的散焦位置)或如图15C所示，在远离成像光学系统的方向上，从焦点位置稍微移动10μm的位置处(+10μm的散焦位置)的散焦方向上，不仅待形成的V形光强分布的形状改变而且不对称改变。
可以是一散焦因素的板厚度偏差不可避免地存在于将要用光照射的、用作为其上形成有非单晶半导体膜的已加工衬底的玻璃板中。因此，由于散焦，V形光强分布的形状不对称改变，以及在非单晶半导体膜上不能稳定地形成所需V形光强分布。因此，产生在已加工衬底上的半导体膜中，不能以基本上相同的大小生成晶粒的不便。具体地，当如图15A所示，稍微从焦点位置移动-10μm时，形成其中存在两个最小光强部分的光强分布，因此，将晶体生长开始点分成两个点，由此减小适当晶粒的大小。此外，如图15C所示，在稍微从焦点位置移动+10μm的位置处形成的光强分布中，能理解到非晶区扩展以及降低“晶粒的填充系数”。其中，“晶粒的填充系数”是当用具有V形光强分布的光束照射非单晶半导体膜时，结晶面积与光照射面积的比。
在二进制调制型光调制元件中，当将调制相位值设置成180度，而不是如上所述的90度时，将形成的V形光强分布根据散焦方向不对称地改变。然而，通过设置成180度的调相值，保证在V形光强分布中，最小光强部分大到某种程度的尝试将具有该调相值的调相区的占用面积比的分布限制到0％到约100％。这意味着具有该调相值或参考相位值的相位区变得极其小，以及还意味着调相值为180度的二进制调制型光调制元件的生产实际上很困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种结晶装置和结晶方法，即使稍微从焦点位置移动，也能稳定地形成所需V形光强分布，以及能在半导体膜上基本上均匀地生成晶粒。
根据本发明的第一方面，提供如权利要求1中限定的光照射装置。
最好满足下述条件：
(δ2/δx2)arg(∫T(X，Y)dXdY)0
(δ2/δy2)arg(∫T(X，Y)dXdY)0
其中，(X，Y)是光调制元件的共面(in-plane)坐标，T(X，Y)是光调制元件的复振幅透射率分布，(x，y)是成像光学系统的图像表面的共面坐标，∫是成像光学系统的点扩展函数范围中的积分符号，其中，对应于图像表面上的点(x，y)的光调制元件上的点是中心，以及arg是用来获得相位值的函数。
在光照射装置中，光调制元件的复振幅透射率分布最好具有其大小不大于成像光学系统的点扩展函数范围的调相单元。最好光调制元件具有彼此不同的具有固定相位值的至少三种相位区，以及这些相位区的占用面积比根据预定图型改变。在这种情况下，最好，光调制元件包括具有作为参考的0度的参考相位值的参考相位区、具有作为具有正值的调相的第一调相值的第一调相区、以及具有作为具有负值的调相的第二调相值的第二调相区作为至少三种相位区，该负值的绝对值基本上等于第一调相值的绝对值。在这种情况下，最好，第一调相区对参考相位区的占用面积比改变的图型基本上等于第二调相区对参考相位区的占用面积比改变的图型。
根据本发明的第二方面，提供在权利要求7中所限定的光照射方法。
根据本发明的第三方面，提供包括第一方面的光照射装置，以及将具有非单晶半导体膜的已加工衬底保持在成像光学系统的成像面上的台的结晶装置。
根据本发明的第四方面，提供一种结晶方法，通过使用第一方面的光照射装置，或第二方面的光照射方法，将具有V形光强分布的光施加到具有设置为预定面的非单晶半导体膜的已加工衬底上，以便生成结晶半导体膜。
根据本发明的第五方面，提供通过第三方面的结晶装置或第四方面的结晶方法制造的设备。
根据本发明的第六方面，提供如在权利要求11中所限定的光调制元件。
光调制元件最好包括具有作为参考的0度的参考相位值的参考相位区、具有为具有正值的调相的第一调相值的第一调相区、以及具有为具有负值的调相的第二调相值的第二调相区作为至少三种相位区，该负值的绝对值基本上等于第一调相值的绝对值。在这种情况下，最好第一调相区对参考相位区的占用面积比改变的图型基本上等于第二调相区对参考相位区的占用面积比改变的图型。
由于根据本发明的结晶装置和结晶方法使用具有在成像光学系统的图像空间中，在V形光强分布的底部，复振幅分布的相位值的二次导数变为基本上为零的复振幅透射率分布的三进制调制型光调制元件，能在结晶面上稳定地形成所需V形光强分布，而基本上不受散焦影响，以及能在半导体膜上生成具有基本上相等大小的晶粒。
在下述的说明书中将阐述本发明的另外目的和优点，以及部分将从说明书显而易见，或可以通过实施本发明了解到。可以通过在下文中特别指出的手段和组合实现和获得本发明的目的和优点。
附图说明
包含在并构成说明书的一部分的附图示例说明本发明的实施例，以及连同上述给出的概述和下面给出的实施例的详细描述，用来解释本发明的原理。
图1是示意性表示根据本发明的实施例的结晶装置的结构的视图；
图2是示意性表示在图1中所述的照明系统的内部结构的视图；
图3A至3D分别示意性表示当通过使用具有180度的调相值的二进制调制型光调制元件，生成V形光强分布时，占用面积比、复振幅分布的绝对值、复振幅分布的相位值以及光强的视图；
图4A至4D分别示意性表示当通过使用具有除180度外的调相值的二进制调制型光调制元件，生成V形光强分布时，占用面积比、复振幅分布的绝对值、复振幅分布的相位值以及光强的视图；
图5A和5B分别示意表示当通过使用具有180度的调相值的二进制调制型光调制元件，生成V形光强分布时，|UxZ|和UxZ的相位值的视图；
图6A和6B分别示意表示当通过使用具有除180度外的调相值的二进制调制型光调制元件，生成V形光强分布时，|UxZ|和UxZ的相位值的视图；
图7是示例说明在三进制调制方法中，能将复振幅分布U的相位值的二次导数(secondary derivative)设置为零的视图；
图8A和8B是与图6A和6B相关的卷积(convolution)的视图，示例说明散焦方法的原理；
图9是示意性表示根据该实施例的三进制调制型光调制元件的相位图的视图；
图9A至9G是表示用于如图9所示的三进制调制型光调制元件的制造过程的例子的过程横截面视图；
图10A至10C分别表示当使用根据实施例的三进制调制型光调制元件时，通过成像光学系统形成的V形光强分布的视图；
图11A至11C是示意性表示在该实施例的改型中，当使用二进制调制型光调制元件时，通过成像光学系统形成的每个V形光强分布的第一视图；
图12A和12B是示意性表示在该实施例的改型中，当使用二进制调制型光调制元件时，通过成像光学系统形成的每个V形光强分布的第二视图；
图12C是表示根据本发明的改型的校正移相器的视图，和示例说明通过使用校正移相器获得的光强分布的波形；
图13A至13E是表示通过使用根据该实施例的结晶装置，制造电子设备的过程的过程截面图；
图14是示意性表示在相关申请中提出的二进制调制型光调制元件的相位图的视图；以及
图15A至15C是示意性表示当使用图14的光调制元件时，通过成像光学系统形成的每个V形光强分布的视图。
具体实施方式
现在，将参考附图，描述根据本发明的实施例。
图1是示意性表示根据本发明的实施例的结晶装置的结构的视图。此外，图2是示意性表示照明系统的内部结构的视图。参考图1，根据该实施例的结晶装置包括调制入射光束的相位的光调制元件1、照明系统2、成像光学系统3和衬底台5。已加工衬底(支撑衬底，诸如玻璃衬底和直接或间接形成在其上的非单晶半导体膜)4安装在台5上。下面将描述光调制元件1的详细子结构和效果。
如图2所示，照明系统2包括输出熔断已加工衬底4的非单晶半导体膜的能量光的光源2a。该光源是例如提供具有例如248nm的波长的脉冲激光束的KrF激元激光源。作为该光源2a，也可以使用具有投射熔断结晶目标物质，诸如非单晶半导体膜的能量光束的性能的其他适当的光源，诸如XeCl激元激光源或YAG激光源。通过光束扩展器2b，扩展从光源2a射出的激光束，然后进入第一复眼微透镜2c。
用这种方式，在第一复眼微透镜2c的后焦面上形成多个小光源，以及通过第一聚光器光学系统2d，以重叠方式，来自多个小光源的光线照射第二复眼微透镜2e的入射面。因此，在第二复眼微透镜2e的后焦面上形成比在第一复眼微透镜2c的后焦面上更多的光源。通过第二聚光器光学系统2f，来自在第二复眼微透镜2e的后焦面上形成的多个小光源的光线以重叠的方式作为一光束照射光调制元件1。
其中，第一复眼微透镜2c和第一聚光器光学系统2d构成第一均化器(homogenizer)，以及该第一均化器使从光调制元件1上的光源2a提供的激光束的入射角匀化。另外，第二复眼微透镜2e和第二聚光器光学系统2f构成第二均化器，以及该第二均化器在光调制元件1上的任何共面位置处，使其入射角由第一均化器匀化的激光束的光强匀化。用这种方式，光照系统2用具有基本上均匀的光强分布的激光束照射光调制元件1。
通过光调制元件1经受调相的激光或激光束通过成像光学系统3，进入已加工衬底4。其中，成像光学系统3以光学共轭方式，排列光调制元件1和已加工衬底4的图型表面。换句话说，在与光调制元件1的图型表面或平面光学共轭的表面(成像光学系统3的图像平面)上设置已加工衬底4的位置。成像光学系统3包括在正透镜组件3a和正透镜组件3b间的孔径光阑3c。
孔径光阑3c是从其孔径位置(透光部分)具有不同大小的多个孔径光阑中选择的一个。多个孔径光阑3c构造成相对于一光程是可替换的。另外，可以将能连续改变孔径部分的大小的可变光阑用作孔径光阑3c。在任何情况下，设置孔径光阑3c的孔径部分的大小(由此为成像光学系统3的图像侧数值孔径NA)以便如稍后所述，在已加工衬底4的半导体膜上形成所需光强分布。成像光学系统3可以是折射型光学系统、反射型光学系统或折射/反射型光学系统。
在通过光调制元件1调相的激光束的成像、熔化和凝固的过程中，已加工衬底4的非单晶半导体膜被结晶。通过化学汽相淀积(CVD)，在例如液晶显示玻璃板上顺序地形成基础膜和非晶硅膜(非单晶半导体膜)，获得已加工衬底4。基础绝缘膜是例如SiO2的绝缘膜、通过非晶硅膜和玻璃衬底的直接接触，避免杂质粒子诸如Na混入玻璃衬底的非晶硅膜中，以及防止非晶硅膜的熔断温度直接传送到玻璃衬底。
非单晶膜不限于非单晶半导体膜，以及它可以是例如除半导体外的金属。在非晶硅膜上形成作为帽状膜(cap film)的绝缘膜，诸如SiO2膜。通过进入非晶硅膜的部分光束，加热帽状膜，以及保存加热温度。尽管当中止入射光束时，高温部分的温度在非晶硅膜的照射目标表面上快速降低，该蓄热效果减轻该温度下降梯度以及实现在横向方向上，具有大粒度的晶体生长。通过真空夹盘、静电夹盘等类似装置，使已加工衬底4位于并保持在衬底台5上的预定位置。
在说明根据该实施例的光调制元件1的结构和效果前，现在，描述有关当使用具有除180度外的调相值的二进制调制型光调制元件时，根据散焦方向(散焦距离)，V形光强分布不对称改变其形状的原理。
通常，当使用二进制调制型光调制元件时，当忽略比例系数(精确地，通过用一点扩展函数的卷积表示)时，能用下述表达式(1)近似地表示在聚焦位置(焦点位置)处的复振幅分布U，其中，通过成像光学系统3，在已加工衬底4的表面上形成由光调制元件1调相的光学图像。在表达式(1)中，(X，Y)是光调制元件的共面坐标，以及T(X，Y)是光调制元件的复振幅透射率分布。另外，(x，y)是成像光学系统的图像表面(聚焦位置)的共面坐标，以及∫是成像光学系统的点扩展函数范围中的积分符号，其中对应于图像表面上的点(x，y)的光调制元件上的点为中心。
U(x，y)∫T(X，Y)dXdY                 (1)
即，基于下述考虑，表达式(1)被引导。
通过成像光学系统的成像当用点光源照明时，被分类成相干成像、当用较佳扩散光源照明时，被分类成不相干成像，以及对应于两种成像的中间状态的部分相干成像。通过实际光学系统的成像是部分相干成像，以及通过由H.H.Hopkins引导的表达式，能获得其光强分布。因此，在近似相干成像的同时，给出该讨论。
通过用下述表达式(1-a)表示的卷积计算，能获得相干成像中的图像表面上的振幅分布U(x，y)。(M.Bom和E.Wolf，Principle ofOptics，9.5章，第7版，Cambridge Univ.Press。)
U(x，y)∫∫T(X，Y)PSF(x-s，y-t)dXdY             (1-a)
其中，PSF(x，y)表示成像光学系统的振幅点扩展函数(由点对象生成的复振幅分布)。
另一方面，通过成像光学系统的光瞳函数的傅立叶变换，给出振幅点扩展函数。假定光瞳具有圆形形状以及均匀透射率，由下述表达式(1-b)给出振幅点扩展函数PSF(x，y)。
PSF ( x , y ) = 2 J 1 ( 2 πNAr / λ ) 2 πNAr / λ - - - ( 1 - b )
r = x 2 + y 2
其中，λ是光束的波长，NA是成像光学系统的数值孔径，以及J1是贝塞尔函数。
由于在保持表达式(1-b)的同时，难以估算表达式(1-a)，通过环绕振幅点扩展函数、具有半径R的圆柱形的函数，近似振幅点扩展函数，具有匹配底表面以及位于其上表面上的峰值。即，能获得下述表达式。
PSF ( x , y ) = 1 r < R 0 r > R - - - ( 1 - c )
R＝0.61λ/NA
其中，R是表达式(1-b)的右侧变为0的最小半径。具有半径R的圆形的范围称为“点扩展函数范围”并用符号S表示。然后，在点扩展函数范围S中，在中心处的(x，y)象表达式(1)，表达式(1-a)简化成复振幅透射率T(X，Yy)的积分。
“点扩展函数范围”是指用在点扩展函数中，变为0或能视为0(基本上为0)的线包围的范围。通常，假定NA是成像光学系统的数值孔径以及λ是所使用的激光束的波长，点扩展函数范围用图像表面上的具有0.61λ/NA的半径的圆表示，以及点扩展函数范围具有通过光调制元件上的放大率划分该圆获得的值。其中，当调制相位值是180度时，函数T(X，Y)的值是具有0度的参考相位值的参考相位区中的正实数，以及在具有180度的调相值的调相区中为负实数。特别地，即使调相区的占用面积比(占空比)从0％改变到5％，如图3A所示，复振幅分布U的相位值从0度保持不变，如图3C所示。应注意到图3A至3D分别示意性表示当通过使用具有180度的调相值的二进制调制型光调制元件，生成V形光强分布时的占用面积比D、复振幅分布U的绝对值以及光强I(该值与|U|2成比例)。
可替换地，当调相值是值0而不是180度时(θ≠180)，函数T(X，Y)的值是虚数，因此，复振幅分布U的值也是虚数。另外，当如图4A所示，调相区的占用面积比(占空比)从0％改变到50％，复振幅分布U的相位值从0度改变成θ/2，如图4C所示。图4A至4D分别示意表示当通过使用具有除180度外的调相值的二进制调制型光调制元件生成V形光强分布时的占用面积比D、复振幅分布U的绝对值|U|、复振幅分布U的相位值和光强I。
现在描述有关当使用二进制调制型光调制元件时，由于散焦引起的光强分布的变化。在散焦位置处的复振幅分布Ud(x，y)用下述表达式(2)表示(见Junpei Tsujinai等人的“Optical Information Processing(光学信息处理)”，由The Japan Society of Applied Physics，Ohmsha编辑，P.8和其他，其全部内容在此引入以供参考)。
Ud(x，y)＝U(x，y)*Z(x，y)                     (2)
在表达式(2)中，*是表示卷积(卷积积分)的算子，以及U(x，y)是散焦位置(焦点位置)处的复振幅分布，如上所述。
在表达式(2)中，Z(x，y)是点扩展函数表达式菲涅耳衍射，并用下述表达式(3)表示。
Z(x，y)＝exp{iK(x2+y2)/2d}                    (3)
其中，k＝2π/λ
在表达式(3)中，k是波数，以及d是散焦量(散焦距离)。关于符号d，远离成像光学系统的方向上的散焦量具有正号，以及在更接近成像光学系统的方向上的散焦量具有负号。
现在，将考虑通过使用二进制调制型样调制元件形成的V形光强分布的底部处的点的卷积的情况。图5A一维(X轴)表示在通过使用具有180度的调相值的二进制调制型光调制元件，生成V形光强分布的情况下，通过U(x，y)乘以Z(x，y)获得的值的绝对值|UxZ|。然而，在这种情况下，Z的原点与V形的中心匹配。即，假定V形的中心坐标为(x0，y0)，能实现UxZ≡U(x，y)×Z(x-x0，y-y0)。此外，图6A一维(x轴)表示在通过使用具有除180度外的调相值θ(θ≠180)的二进制调制型光调制元件，生成V形光强分布的情况下，通过U(x，y)乘以Z(x，y)获得的值的绝对值|UxZ|。通过整个水平轴，对如图5A和6A所示的|UxZ|进行积分获得的结果(横向方向上的距离表示为A横截面的位置)是在V形光强分布的底部处的点的复振幅分布。
由于Z的绝对值|Z|为1，UxZ的绝对值|UxZ|等于U的绝对值|U|。此外，通过Z乘以U，加上与到所讨论点的距离的平方成比例的相位。该相位增加的符号对应于散焦方向(散焦量的符号)。即，相位增加的符号在d＞0的情况下为正号，以及在d＜0的情况下，相位增加的符号为负号。如图5B所示，在通过使用具有180度的调相值的二进制调制型光调制元件，生成V形光强分布的情况下，UxZ的相位值相对于散焦量d的符号对称改变。因此，卷积包含的积分结果也变得相对于散焦量d的符号是对称的。
可替换地，如图6B所示，在通过使用具有除180度外的调相值θ(θ≠180)的二进制调制型光调制元件，生成V形光强分布的情况下，UxZ的相位值相对于散焦量d的符号，不对称地改变。因此，通过卷积包含的积分结果也相对于散焦量d的符号变得不对称。在图5B中，在方程式(3)中的相位项(右侧)中表示的散焦量d为分母，因此，用方程式(3)表示的抛物线随着散焦量d增加而变为开放的。
具体地，如从图6B看出，在d＞0的情况下，由于相位的改变量在所讨论点的附近变小，考虑到积分，光强被增加。相反，在d＜0的情况下，由于相位的改变量在所讨论点的附近变大，考虑到积分，光强被降低。这种趋势与上述计算结果匹配。
概括这一考虑，能理解到相对于散焦的符号的V形光强分布的不对称改变的因素在于根据聚焦位置(d＝0)处的|UxZ|的底部，U的相位值以基本上曲线的方式，而不是线性方式改变，即，U的相位值的二次导数基本上不为0。换句话说，能理解到通过将U的相位值的二次导数设置成基本上为0，相对于散焦的符号，V形光强分布对称改变。作为这一问题的解决方案，本发明采用下述两种技术。
第一种技术是“三进制(ternary)调制方法”，通过使用具有三种或更多种调相值的光调制元件，例如具有一个参考相位值和两个调相值的三进制调制型光调制元件，在成像光学系统的图像空间中的V形光强分布的底部(最小光强部分)处，将复振幅分布的相位值的二次导数设置为基本上为0。第二种技术是“散焦方法”，在成像光学系统的图像空间中的V形光强分布的底部处，复振幅分布的相位值的二次导数基本上为0的位置处，安置照射目标表面。
将参考图7，描述有关在三进制调制方法中，复振幅分布U的相位值的二次导数能设置为0的例子。在图7中，垂直轴I表示虚数，以及水平轴R表示实数。例如，三个值的相位确定为0、+θ0和-θ0。表达式(1)中的积分能修改成下述形式。
U(x，y)＝U0e0i+U1eθ0i+U1e-θ0i
       ＝U0+U1(cosθ0+isinθ0)+U1(cosθ0-isinθ0)
       ＝U0+2U1cosθ0
即，通过使用三个值，能将复振幅分布U的相位设置成基本上为0。因此，当然也能将复振幅分布U的二次导数也设置成基本上为0。应注意到在该例子中，使用0、+θ0和-θ0的组合，但也有其他组合，通过这些组合，表达式(1)的计算结果变为相位零(基本上为0)。除三进制调制方法外，也可以使用利用多个值，例如四个值或五个值的调制方法。此外，关于光调制元件，已经描述有关在成像光学系统3的图像空间中，复振幅分布的相位值基本上为0的例子，相位值不必基本上为零，只要能将二次导数设置成基本上为0。
通过使用三进制调制方法获得的光强I能用下述表达式(4)近似地表示。
I{2Dcosθ+(1-2D)}2                       (4)
在表达式(4)中，θ是具有不同符号和相同绝对值的两个调相值的绝对值。D是根据相同图型改变的两个调相区的占用面积比。相对于参考相位区的每个调相区的占用面积比取0和0.5间的值。
“光调制元件具有在成像光学系统的图像空间中，V形光强分布的最小光强部分(反峰值图的底部)处，复振幅分布的相位值的二次导数近似为零或基本上为零的复振幅透射率分布”的事实仅表示考虑到表达式(1)，满足下述表达式(5)和(6)。在表达式(5)和(6)，(X，Y)是光调制元件的共面坐标，T(X，Y)是光调制元件的复振幅透射率分布，(x，y)是成像光学系统的图像表面的共面坐标，∫是成像光学系统的点扩展函数范围的积分符号，其中，对应于图像表面上的点(x，y)的光调制元件上的点是中心，以及arg是用来获得相位值的函数。
(δ2/δx2)arg(∫T(X，Y)dXdY)0                 (5)
(δ2/δy2)arg(∫T(X，Y)dXdY)0                 (6)
现在，将参考与图6A和6B有关的卷积的图8A和8B，描述作为第二种技术的散焦方法的原理。
在散焦方法中，将预定散焦位置有意假定为伪聚焦位置，以及在假定的伪聚焦位置，设置照射目标表面。在该例子中，作为伪聚焦位置，使用通过散焦包含的复振幅分布U的相位的改变量相对小的位置。在图8A和8B中，将具有d0的散焦量的新散焦位置(d＝d0)假定为伪聚焦位置。
在这种情况下，通过在中央确定作为伪聚焦位置的第二散焦位置(d＝d0)，能获得相对于UxZ的相位值，不是最佳对称的伪对称。由于在该新光照射位置处的光强分布，即伪聚焦位置某种程度上不同于在实际聚焦位置(焦点位置)处的光强分布，期望校正光调制元件的图型以便补偿光强分布间的一些差值。作为用于该校正的技术，尽管不限于某种类型，但存在例如校正相对于参考相位区的调相区的占用面积比的方法。
图9是示意性表示根据该实施例的三进制调制型光调制元件的相位图型的视图。根据该实施例的光调制元件1是基于上述第一种技术的三进制调制型光调制元件，以及具有0度的参考相位值的参考相位区1a(用该图中的空白部分表示)、具有60度的调相值的每个矩形第一调相区1b(在该图中用阴影部分表示)，以及具有-60度的调相值的每个矩形第二调相区1c(用该图中的黑色部分表示)。在该例子中，根据5μm的间距，在垂直和水平方向(横向(X横截面)和垂直于前者方向的方向)上，排列调相区1b和1c。
在该图中，沿水平方向(沿X横截面)，第一调相区1b的占用面积比(占空比)和第二调相区1c的占用面积比在0％和25％间线性改变。具体地，沿水平方向，在相位图型的两侧，第一调相区1b的占用面积比为0％，以及在中央，第一调相区1b的占用面积比为25％。类似地，沿水平方向，在相位图的两侧，第二调相区1c的占用面积比为0％，以及在中央，第一调相区1c的占用面积比为25％。
此外，在该图中，在垂直方向上，交替形成在该图中，其占用面积比沿水平方向(沿X横截面)，根据相同图型改变的一组第一调相区1b和一组第二调相区1c。包括调相区1b和1c并按5μm的间距定义的单位面积，即5μm×10μm的矩形单位面积(包括一个调相区1b和一个调相区1c并用图9中的虚线表示的矩形单位面积)具有不大于成像光学系统3的点扩展函数范围的尺寸。换句话说，根据该实施例的三进制调制型光调制元件1具有其尺寸(转换成光调制元件1上的相应部分的尺寸)不大于成像光学系统3的点扩展函数范围的调相单元。
如上所述，根据该实施例的三进制调制型光调制元件1具有三种相位区(1a、1b和1c)，该三种相位区(1a、1b和1c)具有不同固定相位值(0度、60度和-60度)，以及这些区的占用面积比根据预定图型改变。“固定相位值”是指在一给定区域上固定设置的相位值。在该例子中，三种相位区(1a、1b和1c)是具有作为参考的0度的参考相位值的参考相位区1a、具有为具有正值的调相的第一调相值(60度)的第一调相区1b和具有为具有负值的调相的第二调相(-60度)的第二调相区1c。相对于参考相位区1a，第一调相区1b的占用面积比随其改变的图型等于相对于参考相位区1a，第二调相区1c的占用面积比随其改变的图型。根据该实施例的三进制调制型光调制元件1是根据如上所述的基于本发明的第一技术的光调制元件，并设计成具有复振幅透射率分布，使得复振幅分布的相位值的二次导数在成像光学系统3的图像空间中，在V形光强分布的底部处变为基本上为零。
图9中所示的图型是实际光调制元件的许多相同图型中的一个，以及能理解到通过排列光调制元件，能同时形成具有反峰值图型或V形的许多光强分布以便在X横截面的方向上，重复这些图型，以及通过排列光调制元件，最小光强部分具有线性形状，以便在垂直于X横截面的方向的方向上，重复这些图型。
上述光调制元件是改变入射光束的相位来形成具有在预定面上最小光强的底部的V形光强分布的光学元件。光照射装置是通过光调制元件调制的光束通过成像系统照射预定表面，诸如目标的照射表面(例如非晶表面)来在所述表面上形成所述V形光强分布的设备。
通过具有用于入射光束的透明度的透明衬底，诸如石英玻璃衬底，形成光调制元件，如图9所示。在衬底的上表面，形成作为具有除180度外的正相位值的第一调相区或区域的不同区的多个矩形凹口部分(对应于区域1b)。通过传统的光刻技术，诸如干蚀刻，形成矩形凹口部分。在本发明中，作为调相值的标记，正标记表示相位提前状态，以及负标记表示相位延迟状态。
更具体地说，可以如下形成凹口部分。在石英玻璃衬底的上表面上形成保护膜，然后在曝光步骤中，使用铬掩模来有选择地曝光该膜。接着，对所曝光的保护膜实施显影步骤以便在衬底上形成抗蚀图型。使用抗蚀图型，有选择地干蚀刻衬底的上表面。然后，从衬底去除抗蚀图型，以便在衬底的上表面中形成多个凹口部分。
在最接近于第一调相区或区域的透明衬底的部分处，还形成多个第二调相区，每个第二调相区具有除180度外的负相位值。第二调相区具有不同面积。也可以以矩形凸出形成第二区(对应于图9中的区域1c)，以及具有与第一区相同的平面大小、平面形状和图型。正负标记的相位值的绝对值相等，以及可以是除180度外的任何度数，例如60度。
可以在形成第一调相区1b后，形成第二调相区1c，使用对应于第二区的图型，将与形成第一区相同的蚀刻过程应用于衬底的上表面。可替换地，形成第一和第二区的步骤可以相反，即形成第二区1c后形成第一区1b。
接着，将参考图9A至9G，描述制造上述光调制元件的一个例子。
如图9A所示，制备作为用于光调制元件的透明衬底的石英玻璃衬底61。接着，如图9B所示，在衬底61的上表面上形成保护膜62。使用用于形成第一或第二调相区(在该实施例中，为第一调相区)的掩膜，通过光有选择地曝光保护膜62。然后，有选择地蚀刻获得的保护膜62以便在衬底61的上表面上形成用于第一调相区的抗蚀图型63，如图9C所示。使用抗蚀图型63，有选择地蚀刻衬底61的上表面，然后从衬底去除抗蚀图型63，以便在衬底61的上表面上形成第一调相区64，如图9D所示。
接着，在衬底上形成第二调相区以便与第一调相区并置如下。
首先，在已经设置第一调相区64的衬底61的上表面上形成保护膜。使用用于形成第二调相区的掩膜，用光有选择地曝光保护膜。然后，有选择地蚀刻获得的保护膜以便在衬底61的上表面上形成用于第二调相区的抗蚀图型65，如图9E所示。使用抗蚀图65，有选择地蚀刻未被第二图型65覆盖的衬底61的上表面部分，如图9F所示。接着，从衬底去除抗蚀图型65以便在衬底61的上表面上形成参考相位区1a、以及第一和第二调相区1b和1c，如图9G所示。如图9所示，设置正方形形状的第一和第二调相区1b和1c的大小和排列。更具体地说，在每个单元中，按行(横向)和列排列第一和第二调相区。行有两种类型，一种由第一区1b组成，以及另一种由第二区1c组成。交替地排列两种行。在另一种类型的每行中，中间区最大，以及趋向于单元中的列的末尾，最大的两侧上的其他区大小逐渐减小。形成每个列的第一和第二区1b和1c具有相同大小。
区1b和1c的形状不限于上述方形，以及可以是具有所需面积的适当形状，诸如圆形、椭圆形或三角形。
接着，将描述在石英衬底上形成具有所需相位值的调相区的例子。
例如，通过在衬底的光入射面上形成步级(step)，可以提供用于调相入射光束的相位值。由于在边界(步级)的两侧上的折射率的不同，出现用于入射光束的调相。
用下述方程式表示步级的厚度。
T＝λΦ/2π(n-1)
其中，λ是入射光束的波长，Φ是用弧度表示的相位值，以及n是形成步级的材料的折射率。因此，通过选择具有一折射率的衬底材料以及具有一波长的入射光，可以获得所需步级t。通过具有所需折射率的材料，使用诸如PECVD或LPCVD，或蚀刻透明衬底的表面，在透明衬底上形成薄膜，可以设置这些常数。
尽管通过以矩阵形式配置矩形调相区，形成如图9所示的光调制元件，但调相区的形状和/或配置不限于此。例如，调相区可以具有任何其他形状，诸如圆形形状，以及能采用任何其他排列构造，诸如Z字形排列。
图10A至10C是分别表示当使用根据该实施例的三进制调制型光调制元件时，通过成像光学系统形成的V形光强分布的视图。假定光的波长λ为248nm、成像光学系统3的图像侧数值孔径NA为0.13、成像光学系统3的成像放大率为1/5以及成像光学系统3的值δ(相干因子)为0.47，计算在这些图的每一个中所示的光强分布。另外，图10B表示沿X截面，在聚焦位置获得的光强分布，图10A表示沿X横截面，在-5μm的散焦位置(在接近于成像光学系统3的方向上，从聚焦位置稍微移动5μm的位置)处获得的光强分布，以及图10C表示沿X截面，在+5μm的散焦位置(在远离成像光学系统3的方向上，从聚焦位置稍微移动5μm的位置)处获得的光强分布。
当使用根据该实施例的三进制调制型光调制元件1时，如图10B所示，在成像光学系统3的聚焦位置(成像表面)处，形成基本上理想的V形光强分布。另外，即使如图10A和10C所示，使照射目标表面散焦±5μm，由于散焦，在照射目标表面上形成的V形光强分布的形状稍微改变，以及该改变基本上是对称的(在横向方向上对称，最小光强部分被确定在中心处)，而不取决于散焦方向。在该实施例中，为使光调制元件1的生产相对容易，将调相区1b和1c的占用面积比设置成0至0.25，以及实现具有相对薄的底部的V形光强分布。
如上所述，根据该实施例的结晶装置使用光调制元件，例如具有一复振幅透射率分布，使在成像光学系统3的图像空间中，在V形光强分布的底部处，复振幅分布的相位值的二次导数基本上变为零的三进制调制型光调制元件1。因此，基本上不受由于不可避免地存在于例如已加工衬底4中的板厚度偏差引起的散焦影响，能稳定地形成所需V形光强分布，因此，在半导体膜上，基本上均匀地生成晶粒。另外，在该实施例中，由于可以稳定地形成基本上理想的V形光强分布，能在具有高占空因数的半导体膜中，形成晶粒。
应注意到在上述实施例中，使用根据本发明，基于第一技术的三进制调制型光调制元件1，还可以使用在利用二进制调制型光调制元件10的同时，应用作为根据本发明的第二技术的散焦方法的一改型，如图14所示。图11A至11C以及图12A和12B是分别示意表示当使用二进制调制型光调制元件10时，通过成像光学系统形成的V形光强分布的视图。在该例子中，图11A对应于-5μm的散焦位置，图11B对应于聚焦位置，图11C对应于+5μm的散焦位置，图12A对应于+10μm的散焦位置，以及图12B对应于+15μm的散焦位置。
参考图12A和12B，能理解到V形光强分布的形状在+10μm的散焦位置和+15μm的散焦位置间几乎不改变。因此，在该实施例的改型中，使用如图14所示的二进制调制型光调制元件10，将例如+12.5μm的散焦位置假定为伪聚焦位置，以及在该伪聚焦位置处，设置已加工衬底4的照射目标表面。因此，即使在该改型中，能稳定地形成所需V形光强分布，而基本上不受由于例如不可避免地存在于已加工衬底4中的板厚度偏差引起的散焦的影响，因此，在半导体膜上，能均匀地生成晶粒。
在散焦过程中，通过校正如图14所示的传统的移相器的占用面积比，在散焦位置可以获得理想的光强分布，如图12C所示。在所例示的改进移相器中，改变如图14所示的移相器的每个单元的中央处的调相区的大小以便校正中心处的占用面积比。例如，在传统的移相器中，最大和第二最大调相区的实际尺寸(在方形调相区的一侧的长度的投射平面上的变换值)是0.354μm和0.335μm以便将占用面积比分别设置成50％和40％，而在校正移相器中，最大和第二最大调相区的实际尺寸为0.296μm和0.278μm以便分别将占用面积比设置成35％和31％。该校正仅是一个例子，以及在移相的期望位置处，可以将占用面积比改变成各种值。
图13A至13E是表示通过使用根据该实施例的结晶装置在结晶的区域中，制造电子设备的过程的处理过程横截面视图。如图13A所示，制备通过化学汽相沉积或溅射方法，在绝缘衬底80(例如碱性玻璃、石英玻璃、塑料、聚酰亚胺等等)上形成基础膜81(例如具有50nm膜厚度的SiN和具有100nm的膜厚度的SiO2的层叠膜)和非晶半导体膜82(例如具有约50nm至20nm的膜厚度的Si、Ge、SiGe等等)获得的已加工衬底5。另外，通过使用根据该实施例的结晶装置，用激光83(例如KrF激元激光或XeCl激元激光)，照射非晶硅膜82的表面上的预定区。
用这种方式，如图13B所示，生成具有大粒度的晶体的多晶半导体膜或单晶半导体膜84。然后，如图13C所示，通过使用光刻技术，将多晶半导体膜或单晶半导体膜84处理成岛形半导体膜85，该岛形半导体膜85变为其中形成例如薄膜晶体管的区域，以及通过使用化学汽相淀积方法或溅射方法，在半导体膜85的表面上，形成具有20nm至100nm的膜厚度的SiO2，作为门(gate)绝缘膜86。此外，如图13D所示，在门绝缘膜上形成门电极87(例如硅化物或MoW)，以及通过用作掩膜的门电极87，注入杂质离子88(在N沟道晶体管的情况下为磷，以及在P沟道晶体管的情况下为硼)。此后，在氮保护气中，执行退火处理(例如在450℃下一小时)，以及激活杂质以便将源区91和漏区92形成至岛形半导体膜85。接下来，如图13E所示，形成界层绝缘膜89以及形成接触孔以便形成通过沟道90与源极91和漏极92连接的源电极93和漏电极94。
在上述过程中，根据具有如在图13A和13B所示的过程中生成的多晶半导体膜或单晶半导体膜84的大粒度的晶体的位置，形成沟道90。通过上述过程，能将多晶晶体管或薄膜晶体管(TFT)形成为单晶半导体。由此制造的多晶晶体管或单晶晶体管能应用至用于液晶显示单元(显示器)或EL(场致发光)显示器的驱动电路或诸如存储器(SRAM或DRAM)或CPU的集成电路。
应注意到本发明应用于结晶装置和结晶方法，通过用具有预定光强分布的光，照射多晶半导体膜或非晶半导体膜，生成结晶半导体膜。然而，本发明不限于此，其通常能应用于通过成像光学系统，在预定表面上形成预定光强分布的光照射装置。
本领域的技术人员将容易想到另外的优点和改进。因此，在其更宽泛方面中的本发明不限于在此示出和描述的具体的细节和典型实施例。因此，在不背离如由附加权利要求和它们的等效物定义的概括性发明原理的精神或范围的情况下，可以做出各种改进。

Claims (17)

1.一种光照射装置，其特征在于包括：
光调制元件，调制入射光束的相位以便获得具有最小光强的底部的V形光强分布；以及
成像光学系统，以在照射目标表面上提供所述V形光强分布的方式，将所调制的光束从所述光调制元件施加到所述照射目标表面上，
其中，所述光调制元件具有这样一复振幅透射率分布，使得在所述成像光学系统的图像空间中，在所述V形光强分布的底部处，复振幅分布的相位值的二次导数基本上变为零。
2.如权利要求1所述的光照射装置，其特征在于，满足下述条件：
(δ2/δx2)arg(∫T(X，Y)dXdY)0
(δ2/δy2)arg(∫T(X，Y)dXdY)0
其中，(X，Y)是所述光调制元件的共面坐标，T(X，Y)是所述光调制元件的复振幅透射率分布，(x，y)是所述成像光学系统的图像表面的共面坐标，∫是所述成像光学系统的点扩展函数范围中的积分符号，其中，对应于所述图像表面上的点(x，y)的所述光调制元件上的点是中心，以及arg是用来获得相位值的函数。
3.如权利要求1或2所述的光照射装置，其特征在于，所述光调制元件的复振幅透射率分布具有其尺寸不大于所述成像光学系统的点扩展函数范围的调相单元。
4.如权利要求1至3的任何一个所述的光照射装置，其特征在于，所述光调制元件具有至少三种相位区，该至少三种相位区具有彼此不同的固定相位值，以及所述相位区的占用面积比根据预定图型改变。
5.如权利要求1至4的任何一个所述的光照射装置，其特征在于，所述光调制元件包括作为至少三种相位区的具有作为参考的0度的参考相位值的参考相位区，具有为具有正值的调相的第一调相值的第一调相区，以及具有为具有负值的调相的第二调相值的第二调相区，该负值的绝对值基本上等于所述第一调相值的绝对值。
6.如权利要求5所述的光照射装置，其特征在于，相对于所述参考相位区，所述第一调相区的占用面积比随其改变的图型基本上等于相对于所述参考相位区，所述第二调相区的占用面积比随其改变的图型。
7.一种光照射方法，具有调制入射光束的光调制元件，以及将具有最小光强的底部的V形光强分布的光束施加到照射目标表面上的成像光学系统，
其特征在于，所述照射目标表面位于使在所述成像光学系统的图像空间中，在V形光强分布的底部处，复振幅分布的相位值的二次导数基本上变为零的位置处，以及用光照射所述照射目标表面。
8.一种结晶装置，包括：权利要求1至6的任何一个中限定的光照射装置，以及将包括具有所述照射目标表面的非单晶半导体膜的已加工衬底保持在所述成像光学系统的成像表面上的台。
9.一种结晶方法，通过使用在权利要求1至6的任何一个中限定的光照射装置，或在权利要求7中限定的光照射方法，将具有V形光强分布的光施加到具有设置为照射目标表面的非单晶半导体膜的已加工衬底上，生成结晶半导体膜。
10.一种设备，通过使用在权利要求8中限定的结晶装置或如在权利要求9中限定的结晶方法来制造。
11.一种光调制元件，调制入射光束的相位以便在照射目标表面上提供V形光强分布，包括：
具有彼此不同的固定相位值的至少三种相位区，以及所述相位区的占用面积比根据预定图型改变。
12.如权利要求11所述的光调制元件，其特征在于，包括作为至少三种相位区的具有作为参考的0度的参考相位值的参考相位区，具有为具有正值的调相的第一调相值的第一调相区，以及具有为具有负值的调相的第二调相值的第二调相区，该负值的绝对值基本上等于所述第一调相值的绝对值。
13.如权利要求12所述的光调制元件，其特征在于，相对于所述参考相位区，所述第一调相区的占用面积比随其改变的图型基本上等于相对于所述参考相位区，所述第二调相区的占用面积比随其改变的图型。
14.一种光照射装置，其特征在于，包括：
光调制元件，调制入射光束的相位以便获得具有最小光强的底部的V形光强分布；以及
成像光学系统，以在照射目标表面上提供所述V形光强分布的方式，将所调制的光束从所述光调制元件施加到所述照射目标表面上，
所述光调制元件包括：
透明衬底，具有用于通过所述入射光束的至少一个表面；
在所述衬底的所述表面上设置的参考相位区；
若干第一调相区，具有除180度外，用于所述参考相位区的正调相值；以及
若干第二调相区，具有除180度外，用于所述参考相位区的负调相值，
其中，所述正和负调相值的绝对值相同，以及
所述第一和第二调相区具有相同形状，以及排列成彼此并列以便在横向方向上，它们的区域逐一改变。
15.如权利要求14所述的光照射装置，其特征在于，所述第一调相区包括在所述透明衬底的表面上形成并以一图型排列的若干矩形凹口区，在所述图型中，所述凹口区彼此并列以便它们的区域在横向方向上逐一改变；以及
所述第二调相区包括在所述透明衬底的表面上形成以便与所述凹口区并列并且以与所述凹口区相同的图型排列的矩形凸出区。
16.一种光调制元件，用于调制入射光束以便所调制的光束在照射目标表面上具有V形光强分布，其特征在于包括：
透明衬底，具有用于通过所述入射光束的至少一个表面；
在所述衬底的所述表面上设置的参考相位区；
若干第一调相区，具有除180度外，用于所述参考相位区的正调相值；以及
若干第二调相区，具有除180度外，用于所述参考相位区的负调相值，
其中，所述正和负调相值的绝对值相同，以及
所述第一和第二调相区具有相同形状，以及排列成彼此并列以便在横向方向上，它们的区域逐一改变。
17.如权利要求16所述的光调制元件，其特征在于，所述第一调相区包括在所述透明衬底的表面上形成并以一图型排列的若干矩形凹口区，在所述图型中，所述凹口区彼此并列以便它们的区域在横向方向上逐一改变；以及
所述第二调相区包括在所述透明衬底的表面上形成以与所述凹口区并列并且以与所述凹口区相同的图型排列的矩形凸出区。
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