CN1734336A - 光照设备、结晶设备、结晶方法和器件 - Google Patents

光照设备、结晶设备、结晶方法和器件 Download PDF

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Abstract

一种光照设备，包括：光调制元件(1)，该元件具有相位阶梯，该相位阶梯具有远远不同于180°的相差；光照光学系统(10)，该系统照射光调制元件；和成像光学系统(4)，基于由光调制元件进行了相位调制的光束该系统在照射表面上形成光强度分布。光照光学系统用在垂直于相位阶梯的阶梯线的方向上倾斜的光照光束照射光调制元件。

Description

光照设备、结晶设备、结晶方法和器件
技术领域
本发明涉及光照设备、结晶设备、结晶方法和器件。具体来说，本发明涉及通过用具有预定光强度分布的激光照射非单晶半导体膜来产生结晶半导体膜的结晶设备和结晶方法。
背景技术
用于在例如液晶显示器(LCD)中选择显示像素的开关元件之类的元件的薄膜晶体管(TFT)在传统上是使用非晶硅或多晶硅形成的。
多晶硅具有比非晶硅更高的电子或空穴迁移率。因此，当晶体管是使用多晶硅形成的时，开关速度并且因此响应速度会变得比使用非晶硅形成晶体管的情况高。此外，外围LSI可以包括薄膜晶体管。而且，会有减小任何其它组件的设计余度的优点。而且，当显示器中结合有诸如驱动电路或DAC之类的外围电路时，可以以更高的速度操作这些外围电路。
由于多晶硅包括晶粒的聚集体，因此当形成例如TFT晶体管时，一个晶粒界面或多个晶粒界面存在于其沟道区中，这个晶粒界面起到障碍的作用，并且与单晶硅相比，电子或空穴的迁移率得到了减小。此外，使用多晶硅形成的很多薄膜晶体管中的每一个都具有在其沟道部分中形成的不同数量的晶粒界面，并且这一差异是不规则的，在液晶显示器的情况下，造成了显示不均匀的问题。这样，最近提出了这样一种结晶方法，产生的结晶硅具有大颗粒(晶粒)尺寸使得能够形成至少一个沟道区，以便提高电子或空穴的迁移率并且减小沟道部分中晶粒界面数量的不规则度。
作为这种类型的结晶方法，现在已知一种相控受激准分子激光退火(ELA)法，这种方法通过用受激准分子激光照射接近平行于非单晶半导体膜(多晶硅膜或非晶半导体膜)的移相器来形成结晶半导体膜。在例如《Journal of The Surface Science Society of Japan》(第21卷，第5期，第278-287页，2000年)中公开了相控ELA法的详细内容。
在这种相控ELA法中，产生了具有倒峰模式(中心光强度最小并且光强度朝向边缘(横侧)迅速增加的模式)的光强度分布，其中在与移相器的相移部分(线或点)相应的点上的光强度低于边缘的光强度，并且用具有这种倒峰形状的光强度分布的光束照射非单晶半导体膜。结果，在照射目标区中，依照光强度分布在熔融区中产生了温度梯度，在与光强度最小的点相一致的首先凝固的部分或没有熔化的部分上形成了晶核，并且沿着横向朝向边缘由晶核生长出晶体(下文中将称之为“横向生长”)，从而产生了具有大颗粒尺寸的单晶粒。
此外，M.Jyumonji等人所著的《在室温下生长的用于x-Si TFT的大Si晶粒阵列(Array of Large Si Grains Grown at Room Temperaturefor x-Si TFTs)》(SID 04 Digest，第434页，2004)公开了通过用借助移相器的相位阶梯产生的具有倒峰形状的光强度分布的光束照射非单晶半导体膜进行晶体生长开始点的定位。此外，这一参考文献还介绍了这样一种技术：通过适当地设置相位阶梯的相差(相位量)来最优地调节具有倒峰形状的光强度分布中底部峰值(倒峰点)处的光强度。
如上所述，按照后一个参照文献，具有倒峰形状的光强度分布中的底部峰值是由相位阶梯的相差决定的。具体来说，如附图16A所示，当使用具有180°相差的相位阶梯191a的移相器191时，在成像光学系统的聚焦平面(成像面)上形成的具有倒峰形状的光强度分布相对于由附图16c中所示虚线表示的相应于相位阶梯的线191b对称，并且在其底部峰值192上的光强度基本上为零。而且，在沿垂直方向稍稍离开成像光学系统的聚焦面的散焦面上形成的具有倒峰形状的光强度分布如附图16B和16D所示同样是基本对称的，并且在其底部峰值192上的光强度从零稍稍增大，但是非常小。
按照这种方式，当移相器具有180°相差时，由于光强度分布的对称性得到了保持，而不取决于散焦方向，因此能够实现很深的焦深。不过，由于底部峰值上的光强度非常小，因此在底部峰值附近具有一定程度的表面积的区域内，光强度不会变得大于晶体生长开始强度(晶体生长开始时的光强度)。结果，在底部峰值附近，非晶态保持不变，或者，即使照射目标熔化了，它仍保持在多晶硅或微晶态，因此变成具有大晶粒尺寸的目标部分的面积比率(即，晶粒的填充率)无法得到增加。这里，填充率是在施加了具有倒峰形状的光强度分布的光时结晶区域相对于照射表面的比例。
相反，如附图17A所示，当使用了相位阶梯193a具有60°相差的移相器193时，在成像光学系统的聚焦面上形成的具有倒峰形状的光强度分布相对于与相位阶梯193a相应并且由附图17C中所示的虚线表示的虚线193b基本对称，并且在其底部峰值192上的光强度变得高到了某种程度。相反，在沿垂直方向稍稍离开成像光学系统的聚焦位置的散焦位置上，如附图17B和17D所示，所形成的具有倒峰形状的光强度分布的对称性大大地遭到破坏，并且其底部峰值的位置发生了转移(移动)。注意，在保持在成像光学系统的聚焦位置上的被处理基板中，不可避免地存在着板厚度偏差，这一板厚度偏差是散焦的一个因素。
这样，当使用具有60°相差的移相器时，与使用具有180°相差的移相器的情况相比，底部峰值上的光强度变高并且接近于晶体生长开始强度，从而扩大了结晶区域。不过，在移相器具有60°相差的情况下，在沿垂直方向离开聚焦位置的散焦位置上，光强度分布的对称性大大地遭到破坏。此外，由于对称性遭到破坏的方式取决于散焦方向而在附图17B所示的光强度分布和附图17D所示的光强度分布的情况中是相反的，因此聚焦深度变浅(窄)了。
而且，由于底部峰值的位置通过散焦在平面内发生了偏移，因此产生晶粒的位置也偏离了期望的位置，这在使用这一晶粒形成电路的时候就成了问题。就是说，在晶粒没有形成在期望的位置上时，晶粒的一个边界或多个边界存在于晶体管的沟道部分中，从而降低了晶体管的性能。将参照附图18按如下方式定义本发明中包含的术语“相位”。
考虑直接位于移相器后面的入射平面波的波前。沿着光的传播方向发生偏移的波前部分定义为“相位超前”侧区域。朝向光源方向偏移的波前部分定义为“相位滞后”侧区域。如附图18所示，移相器在一个表面上具有凸出或较厚的部分和降低或较薄部分。这两个部分在阶梯部分彼此相接。加长或凸出部分处于相位超前侧区域，而降低缩回部分处于相位滞后侧区域。
这种相位定义也可以应用于其它的既不具有凸出部分也不具有缩回部分的相移器。相位可以通过使用分辨率比所使用的聚焦光学系统低的精细图案来加以控制。在这种情况下，完全可以对形成在像场中的波前应用相同的相位定义。对于任何移相器，相位如果超前则具有正值。例如，+90°意味着相位超前，而-90°意味着相位滞后。
而且，在使用具有60°相差的移相器的时候，如附图17B和17D所示，在散焦位置上，在具有倒峰形状的光强度分布中，在底部峰值两侧的峰值的一侧上给出的峰值强度出现了很大的增加。结果，会有这样的麻烦：由于在这个一侧上的峰值位置上的消熔，造成半导体膜遭到破坏。要注意，峰值强度增大的一侧在远离成像光学系统的散焦位置上是相位阶梯的相位滞后侧(图中相移器193的左侧)，并且在靠近成像光学系统的散焦位置上是相位阶梯的相位超前侧(图中移相器193的右侧)。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种能够在期望的位置稳定形成具有倒峰形状的期望光强度分布并且以高填充率在半导体膜上形成晶粒的技术。
按照本发明的第一个方面，给出了一种光照设备，包括：
光调制元件，该元件具有相位阶梯，该相位阶梯具有远远不同于180°的相差；
光照光学系统，该系统照射光调制元件；和
成像光学系统，基于由光调制元件进行了相位调制的光束该系统在照射表面上形成光强度分布，
其中光照光学系统用在垂直于相位阶梯的阶梯线的方向上倾斜的光照光束照射光调制元件。
按照本发明的第一方面的优选模式，最好，光调制元件具有相差远小于180°的相位阶梯，并且光照光学系统沿着包括从相位阶梯的相位滞后侧指向相位超前侧的分量的方向照射光调制元件。另外，最好，光调制元件具有相差远大于180°的相位阶梯，并且光照光学系统沿着包括从相位阶梯的相位超前侧指向相位滞后侧的分量的方向照射光调制元件。
此外，按照本发明的第一方面的优选模式，光照光学系统具有楔形棱镜，该楔形棱镜设置在光调制元件的光入射侧上。或者，最好，光照光学系统具有设置在出射孔处或附近的孔径光阑，并且该孔径光阑的孔径部分相对于光照光学系统的光轴发生了偏离。而且，最好，光调制元件具有这样的相位调制图案，该相位调制图案用于形成强度沿着相位阶梯的阶梯线的方向变化的光强度分布。而且，最好，相位阶梯是基于成像光学系统的点扩展函数范围内的相位调制量的向量平均值的差而形成的。
按照本发明的第二个方面，提供了一种结晶设备，包括：按照第一方面的光照设备；和将非单晶半导体膜保持在预定表面上的台，其中该结晶设备通过用具有预定光强度分布的光束照射保持在预定表面上的非单晶半导体膜来产生结晶半导体膜。
按照本发明的第三个方面，提供了一种结晶方法，该方法通过使用按照第一方面的光照设备，用具有预定光强度分布的光束照射保持在预定表面上的非单晶半导体膜来产生结晶半导体膜。
按照本发明的第四个方面，给出了一种通过使用按照第二方面的结晶设备或按照第三方面的结晶方法制造的器件。
在按照本发明的典型模式的结晶设备中，由于光调制元件是用沿着横跨光调制元件的相位阶梯的阶梯线的方向倾斜的照射光束照射的，因此即使使用了具有相差远不同于180°的相位阶梯的光调制元件，例如具有倒峰形状的光强度分布的对称性也得到了完美的保持，而不会随散焦方向而变，并且因此可以实现很深的聚焦深度。结果，按照本发明，可以在期望的位置上稳定地形成具有倒峰形状的期望光强度分布，并且可以以高填充率在半导体膜中形成晶粒。
在后面的说明中将会提到本发明的其它目的和优点，并且它们部分是可以从说明书中显然看出的，或者是可以通过实践本发明了解到的。借助下文中具体指出的手段和组合，可以实现和获得本发明的目的和优点。
附图说明
结合在说明书中并且构成说明书的一部分的附图图解说明了本发明的实施方式，并且与上面给出的总体说明和下面给出的实施方式的详细介绍一起，用于解释说明本发明的原理。
附图1是示意性表示按照本发明的模式的结晶设备的结构的示意图；
附图2是示意性表示附图1中所示的光照光学系统的内部结构的示意图；
附图3是示意性表示附图1中所示的移相器的一部分的示意图；
附图4A和4B是图解说明造成底部峰值的位置随散焦而偏移的因素的示意图；
附图5是表示底部峰值的偏移量x与三维光强度分布距移相器的距离z之间的关系的曲线图；
附图6A和6B是图解说明通过用倾斜照射光照射移相器可以基本上避免底部峰值的偏移；
附图7是表示相位阶梯的相差(度)与照射光的最佳入射角度θ0(度)之间的关系的曲线图；
附图8A到8C是图解说明通过按照所述模式的实施方式的倾斜照射在所要处理的基板的表面上形成的光强度分布的视图；
附图9A到9C是图解说明通过按照现有技术的垂直照射在所要处理的基板的表面上形成的光强度分布的视图；
附图10是示意性表示倾斜照射移相器的结构的修改实施方式的示意图；
附图11是表示一种修改实施方式的示意图，在该修改实施方式中额外配备了基于入射光束形成光强度梯度分布的第二光调制元件；
附图12A是表示附图11中所示的修改实施方式中的第二光调制元件的图案的示意图，附图12B是表示当使用这个第二光调制元件时得到的光强度分布的示意图；
附图13是表示由在附图11中所示的修改实施方式中形成的V形光强度梯度分布和具有倒峰形状的光强度分布获得的组合光强度分布的立体图；
附图14是示意性表示按照修改实施方式的光调制元件的结构的示意图；
附图15A到15E是表示通过使用按照所述模式的结晶设备生产电子器件的处理的处理过程截面图；
附图16A到16D是图解说明在使用相差为180°的移相器时通过成像光学系统形成的具有倒峰形状的光强度分布的视图；
附图17A到17D是图解说明在使用相差为60°的移相器时通过成像光学系统形成的具有倒峰形状的光强度分布的视图；和
附图18是用于解释说明相位滞后和相位超前的定义的示意图。
具体实施方式
现在将基于附图对本发明的模式进行介绍。附图1是示意性表示按照本发明的一个模式的结晶设备的结构的示意图。此外，附图2是示意性表示附图1中所示的光照光学系统的内部结构的示意图。参照附图1和2，按照这种模式的结晶设备包括：通过调制入射光束的相位形成具有预定光强度分布的光束的移相器(光调制元件)1、照射移相器的光照光学系统10、成像光学系统4和支撑着所处理的基板5的基板支撑台6。
如附图3所示，相移器1是通过沿着横向(沿着图中的左右方向)重复设置单元图案而构成的。单元图案包括沿着一个方向排列的四个相位区1a到1d。具体来说，移相器1的单元图案具有这样的配置：按照图中从右侧向左侧的顺序相邻排列具有基准相位值的第一相位区1a、相对于第一相位区1a相位值为+90°(当第一相位区1a中的相位调制量标准化为零时的相对相位差)的第二相位区1b、相对于第一相位区1a相位值为+180°的第三相位区1c和相对于第一相位区1a相位值为+270°的第四相位区1d。
因此，当平行光束垂直进入移相器1的单位图案时，在将穿过第一相位区1a的光的相位确定为基准值的情况下，穿过第二相位区1b的光束的相位超前90°，穿过第三相位区1c的光的相位超前180°，并且穿过第四相位区1d的光的相位超前270°。换句话说，在形成于任意两个相位区之间的相位阶梯处，从图中的右侧到左侧，相位相继超前90°。沿着单元图案重复出现的方向，各个相位区1a到1d具有相同的横向距离，即宽度w。
光照光学系统10包括光照光学系统主体2和设置在光照光学系统主体2与移相器1之间并且直接位于移相器1之前的楔形棱镜3。光学系统主体2包括KrF受激准分子激光光源2a，该光源发射波长为例如248nm的光束。作为光源2a，也可以使用任何其它适当的光源，这种光源具有投射出熔化结晶处理目标的物质的能量光束的能力的，比如XeCl受激准分子光源或YAG激光光源。从光源2a发出的激光光束通过光束扩展器2b得到扩展，然后进入第一蝇眼透镜2c。
这样，在蝇眼透镜2c的后焦平面上形成了多个小光源，并且第二蝇眼透镜2e的入射面由来自该多个小光源的光通量(子光束)穿过第一聚光光学系统2d的以重叠方式进行照射。结果，在第二蝇眼透镜2e的后焦平面上形成了比第一蝇眼透镜2c的后焦平面更多的小光源。移相器1是由来自形成在第二蝇眼透镜2e的背焦平面上的多个小光源的子光束通过第二聚光光学系统2f和楔形棱镜3的光束以重叠方式照射的。稍后将介绍这个楔形棱镜3的结构与作用。
第一蝇眼透镜2c和第一聚光光学系统2d构成了第一均化器。该第一均化器针对移相器1上的入射角度对由光源2a发出的激光束进行均化。此外，第二蝇眼透镜2e和第二聚光光学系统2f构成了第二均化器。第二均化器针对移相器1上的各个平面内位置上的光强度对来自第一均化器的具有经过均化的入射角度的激光光束进行均化。
这样，光照光学系统10用具有基本上均匀的光强度分布的激光光束照射移相器1。进入移相器1的经过均化的激光束由移相器1相位调制后经过成像光学系统4入射到所处理的基板5上。在这个例子中，成像光学系统4将移相器1的相位图案平面与所处理的基板5安排成光学共轭关系。换句话说，将所处理的基板5设置到与移相器1的相位图案表面光学共轭的表面(成像光学系统4的成像面)。
成像光学系统4包括第一正透镜组件4a、第二正透镜组件4b和设置在这些透镜组件之间的孔径光阑4c。孔径光阑4c的孔径部分(光透射部分)的尺寸(并且因此成像光学系统4的图像侧数值孔径NA)被设置成使得在所处理的基板5的半导体膜上产生所需的光强度分布。成像光学系统4可以是折射型光学系统、可以是反射型光学系统或者可以是折射/反射型光学系统。
所处理的基板5是通过在基板上顺次形成下层绝缘膜、半导体薄膜和上层绝缘膜而构成的。就是说，所处理的基板5是通过采用化学汽相沉积(CVD)在例如液晶显示器平板玻璃的透明基板上相继形成底层绝缘膜、非单晶膜(例如，非晶硅膜)和罩膜而获得的。底层绝缘膜和覆盖膜都是由例如SiO2制成的绝缘膜。底层绝缘膜避免由于非晶硅膜与玻璃基板之间的直接接触造成的诸如Na之类的杂质粒子扩散到非晶硅膜中，并且防止非晶硅膜的热量直接传送到玻璃基板。
非晶硅膜是要进行结晶的半导体膜之一。罩膜由进入非晶硅膜的部分光束加热，并且保持加热时的温度。虽然在光束入射中断的时候非晶硅膜的照射目标表面中的高温区域的温度相对迅速地降低，但是这一热量储存作用减缓了这一温度降低梯度，并且有助于在横向上生长具有大颗粒尺寸的晶体。所处理的基板5由真空吸盘、静电吸盘之类的装置定位并保持在基板台6上的预定位置上。
如上所述，在现有技术中，当使用具有相差远不同于180°的相位阶梯的移相器，例如，使用具有相差为60°的相位阶梯的移相器的时候，形成在成像光学系统4的散焦位置或平面上的具有倒锋形状的光强度分布的对称性遭到严重破坏，并且这个分布的底部峰值的位置发生偏移。现在将参照附图4A和4B，当移相器1的相位阶梯的相差大大不同于180°时，介绍依照的散焦过程相对于成像光学系统4偏移底部峰值的位置的因素。
首先，假设上面介绍的楔形棱镜3并没有插入在光照光学系统主体2与移相器1之间，并且在假设进入移相器1的照射光束是垂直于移相器1的平行光束的情况下进行近似。这是称为相干成像的状态。此外，考虑到在成像光学系统4的散焦位置上的成像，决定获得紧随在移相器1之后的三维光强度分布(由附图4中的虚线表示)，并且由成像光学系统4形成紧随在光照目标表面(所处理的基板5的半导体膜)之后的该三维光强度分布的图像。已经参照附图17B和17D介绍过，紧接在照射目标表面之前的三维光强度分布相对于紧跟在照射目标表面之后的三维光强度分布是对称的。在该实施方式中介绍了这些假设或近似具有足够精度的情况。
紧跟在移相器1之后(在光投射表面附近)的三维光强度分布解析地获得为由相位目标的边界处的菲涅耳衍射产生的Becke线。就这一点来说，可以参阅诸如由Tsuruta所著的《应用光学I(Applied OpticsI)》(Baifukan Co.，Ltd，第172-175页，1990)等的文献。该文献的内容并入本文。按照该文献，紧随具有大大小于180°的相差的相位阶梯之后形成的三维光强度分布在从相位阶梯的位置向高折射系数侧或相位超前那一侧(相位超前侧)(见附图4B)偏离的位置上具有最暗部分，即，底部峰值。
而且，底部峰值相对于确定为基准值的相位阶梯1a的位置的偏移量或距离x与离移相器1的距离z的平方根成正比地变大。在考虑距离z的情况下，可以假设相位阶梯1a的深度(两个表面之间的距离，在这两个表面之间限定了相位阶梯)极短。就是说，底部峰值到相位阶梯1a的偏移量x是由下述等式(1)表示的。在等式(1)中，λ是所使用的光束的波长，z是三维光强度分布到移相器1的距离，而ω0是由相位阶梯的相差决定的常数值并且与底部峰值相对应。
x＝ω0×(λ·z/2)1/2       (1)
例如，当相位阶梯的相差是90°时，根据Becke线的分析结果，底部峰值出现在ω0＝0.37的位置上。因此，假设λ＝0.248μm且z＝10μm，底部峰值到相位阶梯的偏移距离x是x＝0.41μm。附图5示了在所使用的光的波长固定为λ＝0.248μm，并且将相位阶梯的相差分别设为30°、60°和90°的情况下，底部峰值的偏移距离x与三维光强度分布到移相器1的距离z之间的计算出来的关系。
按照这种实施方式，在光照光学系统主体2与移相器1之间的光路上，接近于移相器1设置了楔形棱镜3。此外，如附图6B所示，由箭头 a表示的垂直进入棱镜3的光线借助棱镜3的作用被转换成了由箭头 b表示的在正交于移相器1的相位阶梯的阶梯线的方向上倾斜的光线，并且移相器1是由这种照射光束照射的，从而基本上避免了由于散焦造成的底部峰值的偏移。附图6A表示为了进行比较而没有设置楔形棱镜3的状态。现在将就借助倾斜的照射光基本上避免了底部峰值的偏移这一点进行介绍。
按照菲涅耳衍射的基本特征，通过将进入作为光调制元件使用的移相器1的照射光束的角度从垂直状态倾斜θ，将衍射图像改变成了由下列表达式(2)转换的转换坐标(xm)的形状。
xm＝x-tanθ·z       (2)
就是说，将在远离移相器1距离z的位置或平面上形成的光强度分布在横向上移动了表示为(tanθ·z)的距离，照射光沿着该横向方向倾斜。因此，通过调节照射光束在平行于横向的平面内的倾斜角度θ，能够得到修正由于散焦造成的底部峰值的偏移。在这种情况下，虽然期望使底部峰值的位置与移相器1的相位阶梯的阶梯线的位置在所有的距离z的值都匹配，但是这是不可能的，因为暗区(接近于倒峰图案的峰值的区域)是弯曲的。
不过，通过确定目标距离z0和使底部峰值的位置与移相器1的相位阶梯的阶梯线的位置在这个距离z0处匹配，能够在-z0到+z0的范围内进行粗略修正。这一修正所需的照射光的最佳入射角θ0满足下列表达式(3)并且是由下列表达式(4)表示的。
xm＝x0-tanθ0·z0＝0                  (3)
θ0＝tan-1[ω0·{λ/(2·z0)}1/2]      (4)
具体来说，当移相器1的相位阶梯的相差是90°时，得到ω0＝0.37。因此，假设λ＝0.248μm并且z0＝10μm，照射光束的最佳入射角是θ0＝2.4°(0.041弧度(弧度))。附图7表示移相器1的相位阶梯的相差(角度)与在相同条件下(λ＝0.248μm，z0＝10μm)的照射光束的最佳入射角θ0(角度)之间的关系。
如上所述，在紧跟着具有大大小于180°的相差的相位阶梯之后形成的三维光强度分布中，底部峰值从相位阶梯的位置(从与相位阶梯相对应的虚线)向相位滞后侧移动。因此，在这种情况下，为了修正散焦造成的底部峰值的偏移，沿着包含从相位阶梯的相位超前侧指向相位滞后侧的分量的方向照射移相器1就已经足够了。另一方面，在紧随具有远大于180°的相差的相位阶梯之后形成的三维光强度分布中，底部峰值从相位阶梯的位置偏移到了相位超前侧。因此，在这种情况下，为了修正散焦造成的底部峰值的偏移，沿着包含从相位阶梯的相位滞后侧指向相位超前侧的分量的方向照射移相器1就足够了。
在上述的说明中，假设成像光学系统4在获得照射光的最佳入射角θ0的时候是等放大倍数光学系统。一般来说，在使用放大倍数为1/M的成像光学系统的时候，实际照射移相器1的照射光束的倾斜角θ0(＝θ0’/M)是通过借助转换到成像光学系统的图像表面侧的类似计算来计算照射光束的最佳入射角θ0’并且将所获得的角度θ0’除以M而获得的。
如附图6B所示，当通过紧接在用作光调制元件的移相器1之前设置楔形棱镜(小角度棱镜或楔形棱镜)6实现倾斜照射时，棱镜角度(楔形棱镜3的顶角)φ与垂直入射光线的偏转角θ之间实现了由下列表达式(5)表示的关系。
θ≈φ(n-1)      (5)
在这个表达式中，n是形成楔形棱镜3的光学材料的折射系数。具体来说，在移相器1的相位阶梯的相差为90°的时候，为了确保偏转角θ等于照射光的最佳入射角θ0＝2.4°，可以理解，在形成楔形棱镜3的光学材料的折射率n＝1.508的时候，使用棱镜角φ＝4.8°的楔形棱镜3就足够了。
按照这种模式，按照基于特定数值的实施方式，验证了本发明的效果。在这种实施方式中，光束的波长是248nm(＝0.248μm；受激准分子激光)，成像光学系统4的放大倍数是一倍(one power)(等倍率)，成像光学系统4的图像侧数值孔径NA是0.13，并且照射西格玛值(相干系数；光照光学系统10的数值孔径/成像光学系统4的目标侧数值孔径)是0.47。此外，在附图3所示的移相器1中，各个相位区1a到1d的横向尺寸或宽度w是5μm。
此外，如附图6B所示，移相器1是用由箭头 b表示的照射光束照射的，通过使用棱镜角φ＝4.8°的楔形棱镜3，该光束具有沿着包含从相位阶梯的相位超前侧指向相位滞后侧的分量的方向倾斜的倾斜角θ＝2.4°。结果，按照这种实施方式，在所处理的基板5上表面上获得了附图8B和8C中所示那样的光强度分布。另一方面，在比较性的例子中，移相器1是在与本实施方式相同的条件下按照现有技术用垂直进入的照射光束进行照射的。在该比较例中，在所处理的基板5的上表面上得到了附图9B和9C所示的那样的光强度分布。
在采用垂直照射的比较例的情况下(从附图9A中所示的箭头 a所表示的方向照射)，如附图9B所示，形成在成像光学系统4的聚焦位置上的具有倒峰形状的光强度分布基本对称。不过，在朝向下侧稍稍离开成像光学系统4的聚焦位置10μm的散焦位置上(在远离成像光学系统4的方向上)，如附图9C所示，所形成的具有倒峰形状的光强度分布的对称性遭到了很大的破坏，并且这个分布的底部峰值的位置朝向相位阶梯的相位滞后侧偏移。而且，在垂直照射的情况下，相位超前侧(图中的右侧)上的峰值由于散焦而大大增大。
相反，在使用倾斜照射或偏斜照射(从附图8A中的箭头 b所示的方向照射)，如附图8B所示，形成在成像光学系统4的聚焦位置上形成的具有倒峰形状的光强度分布是基本上对称的。而且，在朝向下侧稍稍离开成像光学系统4的聚焦位置10μm的散焦位置上，如附图8C所示，所形成的具有倒峰形状的光强度分布的对称性得到了很好的保持，并且这个分布的底部峰值的位置也很好地保持在了与相位阶梯的阶梯线相对应的位置上，而基本上没有发生偏移。此外，在倾斜照射的情况下，即使存在散焦，具有倒峰形状的光强度分布的峰值基本上是恒定的，而基本上没有增大。
如上所述，按照这种实施方式，在所处理的基板5的与移相器1的每个相位阶梯的阶梯线相对应的位置的附近的表面上或该表面附近形成晶核，并且晶体(更加具体地讲，从一个晶核生长的两个晶粒)由这些晶核沿着正交于阶梯线的方向(横向)生长，从而在半导体膜地预定区域中填充了晶粒。此时，即使所处理的基板5的上表面相对于成像光学系统4的聚焦位置在垂直方向上偏移了10μm，在平面内各个晶粒的位置也几乎不发生偏移，并且半导体膜的一个部分或多个部分不会由于熔化而遭到破坏。
如上所述，按照这种实施方式，由于移相器1是用沿着正交于移相器1的相位阶梯的阶梯线的方向倾斜的照射光束照射的，即使使用了具有相差大大不同于180°的相位阶梯的移相器1，具有倒峰形状的光强度分布的对称性也得到了完美的保持，而不会随散焦方向而变，并且因此可以实现很深的聚焦深度。结果，可以在期望的位置或多个位置上稳定地形成期望的具有倒峰或多个倒峰的光强度分布，并且可以以高填充率在半导体膜中形成晶粒或多个晶粒。
在前述的实施方式中，通过紧接着设置在移相器1之前的楔形棱镜3的偏转角效应，用从垂直垂直方向倾斜必要的角度的照射光束照射的移相器1。形成这样的照射光并不局限于上面介绍的技术。例如，如附图10所述，还能够利用这样一种修改方式：在光照光学系统2的出射孔处或附近(即，在第二蝇眼透镜2e的光投射表面的附近)设置孔径光阑2g。在这种情况下，通过将孔径光阑2g的孔径部分(光透射部分)2ga相对于光轴AX偏离预定的距离而使照射光束从垂直方向倾斜必要的角度θ，用该照射光束来照射移相器1。
此外，在前述的实施方式中，使用了借助相位阶梯形成具有倒峰形状的光强度分布的移相器1。不过，如附图11所示，除了形成具有倒峰形状的光强度分布(即，多个倒峰)的移相器(光调制元件)1之外，也可以使用具有一种图案的第二光调制元件21，基于入射光束第二光调制元件21形成光强度梯度分布。这里，第二光调制元件21是这样设置的：其相位图案表面面对移相器1的相位图案表面。在附图11中，移相器1的相位阶梯的阶梯线沿着X方向延伸。
如附图12A所示，第二光调制元件21具有多个小单元，每个小单元从光学角度讲，在尺寸上小于成像光学系统4的点扩展函数范围。对于每个小单元，形成有相位值为例如零的第一区域(由图中的空白部分表示)21a和相位值为例如90°的第二区域(由图中的阴影部分表示)21b。此外，各个小单元中的第一区域21a和第二区域21b的面积共有率(area share ratio)是依各个小单元而不同的。具体来说，在图中的中心的小单元中，第一区域21a的面积共有率接近于50％，而在图中的两侧上，各个小单元中的面积共有率接近100％，并且在这些小单元之间面积共有率沿着X方向单调变化。
这样，如附图12B所示，可以得到一维(具有X方向上的梯度)V形光强度分布，其中在第一区域21a的面积共有率接近100％的两侧位置上光强度最大。借助第二光调制元件21的作用，在第一区域21a的面积共有率接近50％的中央位置上光强度最小。可以通过在例如石英玻璃基板上形成与所需的阶梯相应的厚度分布来制造第二光调制元件21。石英玻璃基板的厚度变化可以通过例如选择性蚀刻来形成。
结果，按照附图11的修改实施方式，如附图13所示，在所处理的基板5的表面上形成了由通过第二光调制元件21形成的一维V形光强度梯度分布22a和通过移相器1形成的具有倒峰形状的光强度分布22b获得的组合光强度分布，例如，具有V形图案和倒峰形状的光强度分布22c。结果，在附图11的修改实施方式中，能够沿着一维V形光强度梯度分布22a中的光强度的梯度方向(X方向)实现由晶核在横向上生长足够的晶体，从而形成了具有大晶粒尺寸的结晶半导体膜。
按照附图11的修改实施方式，考虑到通过成像光学系统4进行聚焦，希望将第一移相器1的相位图案表面和第二光学调制元件21的相位图案表面安排成尽可能彼此接近。例如，可以将移相器1附着在第二光学调制元件21上，并且这些组件可以在附着状态下使用。
虽然在上述的例子中将第二光调制元件21设置在了第一移相器1的背侧上，但是本发明并不局限于此，也可以将第一移相器1设置在第二光调制元件21的背侧上。此外，虽然移相器1、21是分开使用的，但是本发明并不局限于此，例如，也能够使用具有通过第一和第二移相器1、21的相位图案获得的组合相位图案的单独一个光调制元件。
而且，按照前述的实施方式，在移相器1的单位图案中，具有90°相差的相位阶梯形成在相位值为例如零的平坦的第一相位区1a与相位值为90°的平坦的第二相位区1b之间。不过，本发明并不局限于此，而是也能够采用这样的修改实施方式：具有例如90°相差的相位阶梯是基于成像光学系统4的点扩展函数范围4d(由虚线表示的圆内的范围)中的相位调制值的向量平均值的差形成的，如附图14所示。这里，成像光学系统4的点扩展函数范围是由点扩展函数中为零或可以看作零的线围绕的范围。一般来说，假设NA是成像光学系统4的数值孔径，并且λ是波长，则将点扩展函数范围表示为图像表面上半径为0.61λ/NA的圆，并且采用除以移相器(光调制单元)1上的成像光学系统4的放大倍数的值。
在附图14所示的修改实施方式中，在包括具有例如相位值零(参考相位值)的第一相位区(由图中空白部分表示)11a的各个小单元11d中，形成了相对于第一相位区11a具有+90°相位值的第二相位区(由图中阴影部分表示)11b或相对于第一相位区11a具有-90°相位值的第三相位区(由图中阴影部分表示)11c。具体来说，第二相位区11b形成在图中右侧上的所有小单元中，并且第三相位区11c形成在图中左侧上的所有小单元中。此外，第二相位区11b的面积共有率和第三相位区11c的面积共有率在各个小单元中都是50％。
在这种情况下，根据下列表达式(6)，在图中右侧的区域中，成像光学系统4的点扩展函数范围4d中的相位调制量的向量平均值是+45°。另一方面，根据下列表达式(7)，成像光学系统4的点扩展函数范围4d中的相位调制量的向量平均值是-45°。因此，基于相位调制量的向量平均值的差，即，+45°和-45°之间的差，沿着边界31，在图中右侧区域与图中左侧区域之间形成了相差为90°的相位阶梯。
0.5×ei0+0.5×ei(π/2)＝0.5×21/2×ei(π/4)                (6)
0.5×ei0+0.5×ei(-π/2)＝0.5×21/2×ei(-π/4)               (7)
结果，通过倾斜照射具有按照附图14的修改实施方式的相位图案的光调制元件，可以获得与前述的倾斜照射移相器1的实施方式相同的效果。注意，成像光学系统4的点扩展函数范围4d中的相位调制量的向量平均值，即，平均相位值Pav，是由下列表达式(8)定义的。注意，在表达式(8)中，arg是获得相位值所需的函数，x，y是相位图案表面上的坐标，θ是相位图案表面上的给定点处的相位。
Pav＝arg(∫eiθ(x，y)dxdy)        (8)
现在将参照附图15A到15E针对在通过使用按照本实施方式的结晶设备结晶后的区域内制造电子器件的方法进行说明。
如附图15A所示，制备所要处理的基板5，该基板是通过采用化学汽相沉积法或溅镀法在绝缘基板80(例如，碱性玻璃、石英玻璃、塑料或聚酰亚胺)上形成底层膜81(例如，厚度为50nm的SiN膜和厚度为100nm的SiO2膜的叠层膜)、非晶半导体膜82(例如，膜厚度为大约50到200nm的Si、Ge或SiGe)和罩膜82(例如，膜厚度为30到300nm的SiO2膜)而获得的。然后，使用按照本实施方式的结晶设备，用激光束83(例如，KrF受激准分子激光或XeCl受激准分子激光)照射非晶半导体膜82的上表面内的预定区域。
这样，如附图15B所示，形成了具有大晶粒尺寸的晶体的多晶半导体膜或单结晶半导体膜84。于是，在通过蚀刻除掉了罩膜82之后，如附图15C所示，将多晶半导体膜或单结晶半导体膜84处理成岛形半导体膜85，在该半导体膜85的区域中，例如，通过使用光刻技术形成了薄膜晶体管，并且通过使用化学汽相沉积法或溅镀法，在半导体膜85的表面上形成了厚度为20到100nm的SiO2膜作为栅极绝缘膜86。而且，如附图15D所示，在栅极绝缘膜86上形成了栅极电极87(例如，硅化物或MoW)，并且利用栅极电极87作为掩模，注入掺杂离子88(在N沟道晶体管的情况下是磷，在P沟道晶体管的情况下是硼)。此后，在氮气环境下进行退火处理(例如，450C°下退火一个小时)，以便激活杂质，从而在岛形半导体膜85上形成源极区91和漏极区92。然后，如附图15E所示，形成层间绝缘膜89，形成穿过该膜的接触孔，和与源极区91和漏极区92电连接的源极电极93和漏极电极94，在源极区和漏极区之间定义了沟道90。
在上述的处理中，依照附图15A和15B中所示的处理中形成的多晶半导体膜或单结晶半导体膜84的具有大晶粒尺寸的晶体的位置形成沟道90。通过上述的处理，能够在单结晶半导体中形成多晶晶体管或薄膜晶体管(TFT)。这样制造的多晶晶体管或单结晶晶体管可以应用于液晶显示单元(显示器)或场致发光显示器用的驱动电路或者例如存储器(SRAM或DRAM)或CPU用的集成电路。
在上述说明中，是将本发明应用于结晶设备和结晶方法，其中通过用具有预定光强度的光照射非单晶半导体膜产生结晶半导体膜。不过，本发明并不局限于此，而是本发明可以一般地应用于通过成像光学系统在预定的表面上形成预定光强度分布的光照设备。
而且，移相器和楔形棱镜也可以这样安排：它们分开预定距离或彼此接触。此外，如果将移相器的一个表面，例如，光入射面形成为相对于另一面(例如，光出射面)有预定倾斜角度，那么就不需要使用楔形棱镜了。
对于本领域的技术人员来说，其它的优点和修改实施方式可以很容易地看出来。因此，本发明在其宽泛的方面并不局限于本文所示和介绍的具体细节和代表性的实施方式。因此，可以做出各种修改实施方式，而不会超出由所附的权利要求和它们的等价内容所定义的总发明构思的思想和范围。

Claims (10)

1、一种光照设备，其特征在于包括：
光调制元件，该元件具有相位阶梯，该相位阶梯具有远远不同于180°的相差；
光照光学系统，该光照光学系统照射光调制元件；和
成像光学系统，基于由该光调制元件进行了相位调制的光束，该成像光学系统在照射表面上形成光强度分布，
其中该光照光学系统利用沿与相位阶梯的阶梯线垂直的方向倾斜的光照光束照射该光调制元件。
2、按照权利要求1所述的光照设备，其特征在于，所述光调制元件具有相差远小于180°的相位阶梯，并且所述光照光学系统沿着包括从相位阶梯的相位滞后侧指向相位超前侧的分量的方向照射所述光调制元件。
3、按照权利要求1所述的光照设备，其特征在于，所述光调制元件具有相差远大于180°的相位阶梯，并且所述光照光学系统沿着包括从相位阶梯的相位超前侧指向相位滞后侧的分量的方向照射所述光调制元件。
4、按照权利要求1所述的光照设备，其特征在于，光照光学系统具有楔形棱镜，该楔形棱镜设置在所述光调制元件的光入射侧上。
5、按照权利要求1所述的光照设备，其特征在于，所述光照光学系统具有设置在出射孔处或附近的孔径光阑，并且该孔径光阑的孔径部分相对于所述光照光学系统的光轴发生了偏离。
6、按照权利要求1所述的光照设备，其特征在于，所述光调制元件具有相位调制图案，该相位调制图案用于形成强度沿着所述相位阶梯的阶梯线的方向变化的光强度分布。
7、按照权利要求1所述的光照设备，其特征在于，所述相位阶梯是基于所述成像光学系统的点扩展函数范围内的相位调制量的向量平均值的差而形成的。
8、一种结晶设备，其特征在于包括：权利要求1到7中任何一项所述的光照设备；和将非单晶半导体膜保持在预定表面上的台，其中该结晶设备通过用具有预定光强度分布的光照射保持在该预定表面上的非单晶半导体膜来产生结晶半导体膜。
9、一种结晶方法，该方法通过使用按照权利要求1到7中任何一项所述的光照设备，用具有预定光强度分布的光照射保持在预定表面上的非单晶半导体膜来产生结晶半导体膜。
10、一种通过使用权利要求9所述的结晶方法制造的器件。
CNA2005100911636A 2004-08-09 2005-08-09 光照设备、结晶设备、结晶方法和器件 Pending CN1734336A (zh)

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