CN1763910A - 光照设备、结晶设备、结晶方法、半导体器件及光调制元件 - Google Patents

Abstract

一种光照设备，包括具有相位调制区的光调制元件(1)，其中相位调制区具有至少一个用于调制光束的基本图案；照射系统(2)，其用光束照射光调制元件的相位调制区；以及图像形成光学系统(3)，使在照射目标表面上具有光强分布的光束落到照射目标物体(4)上，其中所述光强分布具有基于由所述相位调制元件相位调制的光束而形成的倒峰形图案。所述基本图案的尺寸不大于对光调制元件转换的图像形成光学系统的点扩展函数范围。设计所述相位调制区，使得照射目标表面上光复振幅分布中的相位分布在沿横向某一线段上为锯齿状分布。

Description

光照设备、结晶设备、结晶方法、 半导体器件及光调制元件

技术领域

本发明涉及一种光照设备，结晶设备，结晶方法和装置，并涉及例如通过用具有预定光强分布的激光束照射非单晶半导体膜而产生结晶半导体膜的技术。

背景技术

传统上，使用非晶硅或多晶硅形成薄膜晶体管(TFT)，其可用作在例如液晶显示器(LCD)中选择显示像素的开关元件等。

多晶硅与非晶硅相比具有更高的电子或空穴迁移率。从而，与使用非晶硅形成晶体管的情形相比，当使用多晶硅形成晶体管时，开关速度以及由此的显示响应速度更高。另外，外围LSI可包括薄膜晶体管。此外，具有减小任何其他部件的设计余量的优点。而且，当显示器中结合有诸如驱动电路或DAC的外围电路时，这些外围电路可以工作于更高速度下。

由于例如在形成TFT晶体管时，多晶硅包括多个晶粒的聚合(aggregation)，晶粒边界不适宜地出现在沟道区中，该晶粒边界起到势垒的作用，因而与单晶硅相比，电子或空穴的迁移率下降。此外，使用多晶硅形成的众多薄膜晶体管中的每一个，具有形成在沟道部分中的不同数量的晶粒边界，这种差异是不均匀的，从而导致在液晶显示器的情形中显示器产生不均匀问题。由此，最近提出了一种产生具有较大颗粒尺寸的结晶硅的结晶方法，其能形成至少一个沟道区，以便提高电子或空穴的迁移率，并减小沟道部分中晶粒边界数量的不均匀性。

作为这种结晶方法，传统上已知一种相位控制准分子激光退火(ELA)方法，其利用，穿过近似平行于非单晶半导体膜(多晶半导体膜或非单晶半导体膜)的移相器的准分子激光束照射该非单晶半导体膜，产生结晶半导体膜。在例如日本表面科学学会期刊(Journal ofThe Surface Science Society of Japan，Vol.21，No.5，pp.278-287，2000)中披露了该相位控制ELA方法的细节。

在相位控制ELA方法中，用激光束照射非单晶半导体膜，其中该激光束在非单晶半导体膜的照射表面上具有包含至少一个倒峰图案(其中在中心处光强最小，且朝向边缘处光强突然增大的图案)的光强分布，其中与移相器的相移部分或线相应的某一点处的光强低于周围的光强。结果，根据照射目标区域中的光强分布，在熔化区中产生温度梯度，在与光强最小的点一致的首先凝固的部分或者未熔化的部分处形成晶核，晶体从晶核开始沿横向方向朝向外围生长(下文中将称之为“横向生长”)，从而产生具有大颗粒尺寸的单晶粒。

另外，M.Jyumonji等人在“Arrays of Large Si Grains Grown atRoom Temperature for x-Si TFTs”(SID04 Digest，pp.434，2004)中披露，通过用具有由移相器的相位跃变所产生的倒峰形状的光强分布的光束，照射非单晶半导体膜，设定晶体生长起点的位置。

在该参考文献披露的技术中，通过将360°相位分成n个跃变得到的多个相位跃变，形成具有倒峰形状的光强分布。此时，每个跃变的相位差为360°/n。此外，该参考文献指出，通过适当地设定跃变数n并适当设定每个跃变的相位差，可调节具有倒峰形状的光强分布中底部峰(倒峰点)处的光强。在多个相位跃变中，随着跃变数n增大，每个跃变的相位差减小，且底部峰处的光强变浅(大)。另外，通过选择具有适当相位差的跃变，可以将底部峰处的光强调节成接近晶体生长开始强度。

图24A至24C表示由具有0相位区100a和90°相位区100b这两个相位跃变的移相器获得的光强分布的模拟结果，这些相位区之间的相位差为90°。当使用具有90°相位差的两个相位跃变时，在图像形成光学系统的聚焦位置处形成的具有倒峰形状的光强分布关于与每条相移线100c相应的每个峰线101(用虚线表示且穿过聚焦位置处光强分布的倒峰点的垂线)是对称的，如图24B所示。相反，如图24A和24C所示，在垂直方向稍稍偏离图像形成光学系统聚焦位置的散焦位置处，所形成的具有倒峰形状的光强分布的对称性(关于峰值线101对称)大大下降，并且每个底部光束的位置沿横向发生偏移(移动)。

通常，当使用具有小于180°相位差的两个相位跃变时，在垂直方向远离聚焦位置的散焦位置处光强分布的对称性大大下降。此外，由于对称性的下降反向依赖于图24A中所示的光强分布与图24C中所示的光强分布之间的散焦方向，因而聚焦深度变浅(窄)。在远离图像形成光学系统的散焦位置处，底部峰的移动方向处于相位跃变的相位超前侧(图中从下侧凹进的部分)，在接近图像形成光学系统的散焦位置处其处于相位跃变的相位延迟侧(图中朝下侧突出的部分)。保持在图像形成光学系统的聚焦位置处的经过处理的基片中，不可避免地存在板厚度偏差，其作为散焦因子。即，由于在用作例如液晶显示器的玻璃基片上存在给定大小的板厚度分布，不可避免地会发生这种散焦。

如下参照图26定义本发明所用的术语“相位”。

考虑紧靠移相器后面的入射平面波的波前。将沿光传播方向漂移的那部分波前定义为“相位超前”侧区域。将朝向光源漂移的那部分波前定义为“相位延迟”侧区域。如图26所示，移相器的一个表面上具有一突起或厚部分和一凹进或薄部分。这些部分在跃变部分处彼此接壤。伸出或突起部分处于相位超前侧区域，凹进或缩回部分处于相位延迟侧区域。

相位的这种定义方法也适用于不具有突起部分或缩回部分的其他移相器。可使用比所用聚焦光学系统具有更低分辨率的精细图案来控制相位。在此情形中，对于成像场中形成的波前采用相同的相位定义足以满足需要。对于任何移相器而言，如果相位超前则其具有正值。例如，+90°意味着相位超前，-90°意味着相位延迟。

由于在两个相位跃变中相位超前表面与相位延迟表面交替地重复出现，底部峰的漂移方向交替地反向。结果，以不规则的间隔形成底部峰位置，从而也以不规则的间隔形成晶体生长开始位置(晶粒位置)，导致晶粒的形状和尺寸不规则。此外，通常，在底部峰的两侧形成的峰中，由于散焦，处于一侧的峰的光强上升和增大，而处于另一侧的峰的光强下降和减小。结果，上升峰与另一上升峰接触，而下降峰与另一下降峰接触，且通过协同作用放大了光强的改变。随着相位跃变的间距变小，该现象变得很显著，并且当光强分布被转换成温度时该现象得到进一步加强。

图25A至25C表示由具有90°相位差的四个相位跃变的移相器110得到的光强分布的模拟结果。当使用具有90°相位差的四个相位跃变时，在图像形成光学系统的聚焦位置处形成的具有倒峰形状的光强分布，关于与每条相移线110c相应的每个峰线101(用虚线表示并且通过聚焦位置处光强分布的倒峰值点的垂直线)对称，如图25B所示。相反，在垂直方向稍稍偏离图像形成光学系统的聚焦位置的散焦位置处，如图25A和25C所示，所形成的具有倒峰形状的光强分布的对称性大大降低，并且底部峰的位置发生漂移。

然而，通常，在多个相位跃变的情形中，由于相位超前方向朝向相同方向(在附图中为从左侧向右侧的方向)，与两个相位跃变的情形不同，其底部峰漂移方向也朝向相同方向(在附图中为从右侧向左侧的方向)(在本例中，考虑散焦量，即局部地固定玻璃的板厚度分布)。从而，在多个相位跃变中，以相等的间隔形成底部峰位置，从而也以相等的间隔形成晶体生长起始位置(晶粒位置)，导致晶粒的形状和尺寸是均匀的。另外，由于光强上升和增大的峰值与光强下降和减小的峰值接触，抵消(消除)了光强的改变。此外，考虑到将光强分布转变成温度，可进一步使光强的改变均匀化。

如上所述，尽管与两个相位跃变相比多个相位跃变是有益的，不过还存在以下问题。首先，在多个相位跃变的情形中，仅能获得具有360/n°相位差的相位跃变。特别是，在图25A中所示四个相位跃变的情形中，当试图使所有跃变的相位差相等时，从第三级跃变返回零级跃变时相位差必须等于其他跃变之间的相位差。考虑到该限制，在多个相位跃变中360/n°是唯一的相位差。从而，即使确定在不同条件下分离相位差之间的相位差(角度)为360/n°时最佳，也不能实现该相位差。

其次，在多个相位跃变的情形中，难以制造光调制元件(移相器)。即，尽管通常通过重复进行多次固定厚度的不规则处理来实现相位跃变的制造，不过也可以通过处理m次直至跃变数达到2^m为止来获得相位跃变。具体而言，通过执行两次处理得到四个(4＝2²)个相位跃变，通过执行三次处理得到5至8个(8＝2³)相位跃变。通过这种方法，为了得到五个或更多相位跃变，必须要进行三次或更多次的不规则处理。考虑到在曾经处理过的不规则表面上进行再次处理的难度，以及对准(定位)的难度，可获得需要两次不规则处理的四个或更少相位跃变，不过非常难以制造需要三次或更多次不规则处理的多个相位跃变。即使例如为了将底部峰的光强分布设定为适当强度而需要大约六个相位跃变，由于必须进行三次不规则处理，其实现起来也较难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能稳定地形成具有倒峰形状的光强分布的技术，该光强分布在所需位置处具有所需的底部峰光强，并在半导体膜上形成具有相等形状和尺寸的晶粒。

根据本发明第一方面，提供一种光照设备，包括：光调制元件，其具有至少一个单位相位调制区，该单位相位调制区具有至少一个用于调制光束的基本图案；照射系统，其用光束照射该光调制元件的该单位相位调制区；以及图像形成光学系统，其使得在照射目标表面上具有基于由光调制元件相位调制的光束而形成的倒峰形状图案的光强分布的光束，落到该照射目标物体上，其中单元相位调制区的基本图案的尺寸不大于对光调制元件转换的图像形成光学系统的点扩展函数范围，并且设计该单位相位调制区，使得照射目标表面上光复振幅分布中的相位分布为沿某一横向线段的锯齿形分布。

根据第一方面的优选方式，设计相位调制区，使得除与相位分布中锯齿形分布的跃变部分相应的区域之外，该光复振幅分布中沿预定线段的振幅分布大体上是恒定的。此外，优选地，设计该相位调制区，使得该光复振幅分布中的振幅分布随着距该预定线段的距离而增大。

此外，根据第一方面的优选方式，相位调制区包括具有至少三种相位调制值的区域。此外，优选照射系统用沿着包括该预定线段的表面的内侧倾斜的照射光束，照射该光调制元件。在此情形中，在相位分布的锯齿形分布的跃变部分处，照射系统优选沿着与包括从相位超前侧指向相位延迟侧的分量的方向相应的方向(横向)，照射光调制元件。

根据本发明第二方面，提供一种结晶设备，包括：根据第一方面的光照设备；和使非单晶半导体膜保持在照射目标表面上的平台，其中该结晶设备通过用具有预定光强分布的光束照射保持在预定表面上的非单晶半导体膜，产生结晶半导体膜。

根据本发明第三方面，提供一种结晶方法，其使用根据第一方面的光照设备，通过用具有光强分布的光束照射保持在照射目标表面上的非单晶半导体膜，产生结晶半导体膜。

根据本发明第四方面，提供一种使用根据第二方面的结晶设备或者根据第三方面的结晶方法制造的半导体器件。

根据本发明第五方面，提供一种具有至少一个相位调制区的光调制元件，其中设计该相位调制区，使得表面上形成的与调制光束基本上呈光学共轭的光复振幅分布中的相位分布，为沿某一个横向线段的锯齿状分布。

根据第五方面的优选方式，设计该相位调制区，使得除与相位分布中锯齿形分布的跃变部分相应的区域之外，光复振幅分布中沿所述线段的振幅分布基本上是恒定的。此外，优选地，设计该相位调制区，使得该光复振幅分布中的振幅分布随着距预定线段的距离而增大。另外，优选地，该相位调制区包括具有至少三种相位调制值的区域。

在本发明中，通过使用基于所谓“三值相位调制”的光调制元件，可独立控制图像形成表面上的振幅分布和相位分布。结果，在根据本发明的结晶设备和结晶方法中，通过使用三值相位调制的光调制元件，可以在所需位置处稳定地形成具有倒峰形状的光强分布、该倒峰形状具有所需底部峰光强，从而可在半导体膜上形成具有相等形状和尺寸的晶粒。

附图说明

图1示意地表示根据本发明一个实施例的结晶设备的结构；

图2示意地表示图1中所示照射系统的内部结构；

图3A至3C表示通过使用三个相位调制值可独立地控制振幅和相位；

图4A和4B表示相角θ分别为90°和40°时光强I的计算结果；

图5A和5B表示相角θ分别为90°和40°时相位φ的计算结果；

图6表示相角θ与光强I的最小值之间的关系；

图7表示相位调制区的每个基本图案的结构的一种确定方法；

图8A和8B表示相位调制区的每个基本图案的结构的另一种确定方法；

图9A和9B表示假设使用五个单元构成一个重复单位时，在附图中绘出相应点a到e的一个例子，其中图9A表示光强，图9B表示相位；

图10A和10B表示根据图9A和9B中所示的例子希望得到的光强I的分布和相位φ的分布；

图11A和11B表示将图10B中所示的相位分布分成由多个相位跃变得到的相位分布和具有均匀斜率的相位分布时的状态；

图12表示在倾斜照射时底部峰的位移量x与距离具有三维光强分布的移相器的距离z之间的关系；

图13表示通过用倾斜照射光照射具有多个相位跃变的光调制元件，基本上能避免底部峰发生位移；

图14表示倾斜照射时相位跃变之间的相位差(度)与最佳入射角θ_IL0(度)之间的关系；

图15示意地表示倾斜照射的一种变型；

图16示意地表示根据第一实施例光调制元件的相位调制区的一种结构；

图17A至17C表示根据第一实施例使用光调制元件通过常规照射得到的光强分布；

图18A至18C表示根据第一实施例使用光调制元件通过倾斜照射得到的光强分布；

图19表示在第二实施例中在图上绘制出必要点时的状态；

图20示意地表示根据第二实施例光调制元件的相位调制区的一种结构；

图21A至21C表示根据第二实施例用光调制元件通过倾斜照射得到的光强分布；

图22示意地表示在第二实施例中形成的具有大颗粒尺寸的晶粒；

图23A至23E为工艺剖面图，表示使用根据所述实施例的结晶设备制造电子装置的方法；

图24A至24C表示由具有90°相位差的两个相位跃变获得的光强分布的模拟结果；

图25A至25C表示由具有90°相位差的四个相位跃变获得的光强分布的模拟结果；以及

图26用于解释相位延迟和相位超前的定义。

具体实施方式

现在将参照附图描述本发明的实施例。图1示意地表示根据本发明一个实施例的结晶设备的结构。图2示意地表示照射系统的内部结构。参照图1和2，根据本实施例的结晶设备包括光调制元件1，如移相器，其通过调制入射光束的相位形成具有预定光强分布的光束；照射光调制元件1的照射系统2；图像形成光学系统3以及支撑加工基片4的基片平台5。

后面将描述光调制元件1的结构和作用。照射系统2包括发射波长为例如248nm的激光束的KrF准分子激光束源2a。可使用任何其他适当光源，如XeCl准分子激光束源或YAG激光束源作为光源2a，所述光源具有投射出可熔化结晶处理目标物质的能量束线的性能。从光源2a投射出的激光束通过扩束器2b扩展，然后进入第一蝇眼透镜2c。

通过这种方式，在第一蝇眼透镜2c的后焦面上形成多个小光源，且通过第一聚光光学系统或透镜2d，用来自多个小光源的小光束或子光束(通量)按照重叠的方式照射第二蝇眼透镜2e的入射表面。结果，与第一蝇眼透镜2c的后焦面上相比，在第二蝇眼透镜2e的后焦面上形成更多小光源。通过第二聚光光学系统或透镜2f，用来自第二蝇眼透镜2e的后焦面上形成的多个小光源的小光束或子光束照射光调制元件1。

第一蝇眼透镜2c和第一聚光透镜2d构成第一均化器。第一均化器使从光源2a投射的激光束在光调制元件1上的关于入射角均匀化。第二蝇眼透镜2e和第二聚光透镜2f构成第二均化器。第二均化器使来自第一均化器的具有均匀入射角的激光束，在光调制元件1上面的每一个面内位置处，关于光强均匀化。

通过这种方式，通过照射系统2用具有基本均匀的光强分布的激光束照射光调制元件1。经光调制元件1的光学调制，例如相位调制的激光束，通过图像形成光学系统3入射到加工基片4上。此处，图像形成光学系统3使光调制元件1的相位图案表面与加工基片4处于光学共轭关系。换言之，将加工基片4(更具体而言，将该加工基片4的照射目标表面)设定为与光调制元件1的相位图案表面呈光学共轭的表面(图像形成光学系统3的像面)。

图像形成光学系统3包括第一正透镜组3a，第二正透镜组3b和处于这些透镜组之间的孔径光阑3c。按照这样一种方式设定孔径光阑3c的孔径部分(透光部分)(从而设定图像形成光学系统3的像侧数值孔径NA)的尺寸，从而在加工基片4的半导体膜(照射目标表面)上产生必须的光强分布。图像形成光学系统3可以为折射型光学系统，可以为反射型光学系统，或者可以为折射/反射型光学系统。

通过在基片上依次形成下层绝缘膜，半导体薄膜和上层绝缘膜，构造加工基片4。更具体而言，在本实施例中，通过化学汽相沉积(CVD)在例如液晶显示板玻璃上相继形成底层绝缘膜，非单晶半导体膜如非晶硅膜，和顶膜，得到加工基片4。底层绝缘膜和顶膜中的每一个为由例如SiO₂制成的绝缘膜。底层绝缘膜避免由于非晶硅膜与玻璃基片之间直接接触引起的玻璃基片中诸如Na之类的杂质粒子扩散到非晶硅膜中，还防止非晶硅膜的热量直接传递到玻璃基片。

非晶硅膜为待结晶的半导体膜。顶膜由进入非晶硅膜的光束的一部分加热，并保持加热时的温度。尽管在中断光束入射时非晶硅膜的照射目标表面中高温区域的温度迅速下降，但是蓄热效应减轻了这种温度下降梯度，便于晶体在横向生长成大颗粒尺寸。通过真空吸盘、静电吸盘等将加工基片4定位和保持在基片平台5上预定位置处。

在具体描述光调制元件1之前，下面将解释本发明的原理。在本发明中，揭示了通过使用具有三个(通常为三个或更多)相位调制，即三值相位调制的光调制元件(相位调制元件)，可独立控制图像形成表面上的振幅分布和相位分布。另外，发现通过产生振幅固定而相位按照锯齿方式(其中大体三角形的齿沿横向排列，每个齿具有定义顶角的长度不同的两个边)改变的这样一种分布，实现与多个相位跃变等效的作用。下面将描述三值相位调制的原理。

首先将参照图3A至3C描述使用三个相位调制值独立控制对于图像形成表面的激光束的振幅和相位。从光调制元件1上点P处发射出的光，通过图像形成光学系统3到达加工基片4上的点P’处，如图3A中所示。如图3B中所示，光调制元件1包括透明基片如石英基片，在其中在一个表面上沿纵向和横向以矩阵形状形成多个单元(基本图案)，所述单元包括具有三个相位调制值的三个区域1a到1c，即第一区域1a具有作为参考值的零相位调制值，第二区域1b具有+θ相位调制值(参考相位区1a中的相位调制量被归一化为0时的相对相位差)，第三区域1c具有-θ相位调制值。

在本例中，注意与光调制元件1上的点P相应的加工基片4上的点P’，通过将由图像形成光学系统3决定的点扩展函数振幅分布PSF(x，y)与光调制元件1的振幅透射率分布T(x，y)进行卷积(接近相干图像形成理论)，可得出点P’处的光复振幅分布U(P’)，如下式(1)所示。此处，(x，y)为光调制元件1上的坐标。

              U(P′)＝PSF(x，y)*T(x，y)              (1)

点扩展函数振幅分布PSF(x，y)在最靠近原点(分布的中心)的点0处是非连续的，在假设在该范围内数值是固定的情况下进行近似，将该范围称作“点扩展函数范围”。此外，将最靠近原点的点0围绕穿过原点的垂直轴移动一圈时而形成的表示振幅的虚线圆称作“爱里斑”。此处，由于振幅透射率分布T(x，y)的幅值是常数，公式(1)的右侧表示具有与点扩展函数范围中相位调制区的面积比(具有点P的单元(基本图案)的区域1a，区域1b和区域1c的面积比)成正比的长度的矢量之和。通常，假设NA为图像形成光学系统3的入射侧的数值孔径，λ为光波长，用像面上半径为0.61λ/NA的圆表示点扩展函数范围(图3B中用虚线表示)。

如上所述，光调制元件1中相位调制区的基本图案包括具有三个不同相位调制值的第一区域1a到第三区域1c。此外，如图3B中所示，相位调制区的基本图案的面积大小不大于对光调制元件1转换的点扩展函数范围。在每个基本图案中，假设D₀为“比率(duty)”，其为具有0相位调制值的第一区域1a的表面容量(S_1a)相对于每个基本图案的表面容量(S)的面积比(S_1a/S)，D₊为具有+θ相位调制值的第二区域1b的表面容量(S_1b)的面积比(S_1b/S)的比率，D_-为具有-θ相位调制值的第三区域1c的面积(S_1c)的面积比(S_1c/S)。

假设在表面中比率的改变是平缓的(相邻单元之间的改变较小)，则点扩展函数范围内相位调制区的面积比基本上与比率D₊，D_-和D₀匹配。从而，可用图3C表示点P’处的光复振幅分布U(P’)。即，由于D₊+D₀+D_-＝1，基于比率D₊、D_-和相角θ确定光复振幅分布U(P’)，分别根据下面的公式(2)到(4)确定振幅AMP，光强I和相位φ。

         AMP＝(X²+Y²)^1/2                          (2)

         I＝X²+Y²                                  (3)

         φ＝tan^-1(Y/X)                             (4)

其中     X＝(D₊+D_-)cpsθ+D₀

         Y＝(D₊-D_-)sinθ

公式(2)到(4)中(X，Y)为图3C中合成矢量U(P’)的分量。通常，假设(x，y)为光调制元件1上的坐标，可用下面的公式(5)和(6)表示图像形成表面上激光束的振幅AMP(x，y)和相位φ(x，y)。在公式(5)和(6)中，amp{}为提供复数振幅的函数，arg{}为提供复数角度的函数，θ(x，y)为光调制元件1上的相位调制分布，S为具有预定半径、将(x，y)设定为中心的圆。

${\left|\mathrm{AMP}(x,y)\right|}^2=\mathrm{amp}\left\{{\∫}_S{e}^{\mathrm{i\θ}(x,y)}\mathrm{dxdy}\right\}---\left(5\right)$

$\mathrm{\φ}(x,y)=\arg \left\{{\∫}_S{e}^{\mathrm{i\θ}(x,y)}\mathrm{dxdy}\right\}---\left(6\right)$

图4A和4B中表示出光强I的计算结果，图5A和5B中表示出相位φ的计算结果。在这些图中，水平轴代表比率D_-，垂直轴代表比率D₊，用等高线表示固定光强I(＝|U|²)的线，和固定相位φ的线。图4A和5A表示相角θ为90°时的计算结果，图4B和5B表示相角θ为40°时的计算结果。

通过使用图4A至5B中所示的图，易于得到从公式5和6计算出的比率、光强I与相位φ之间的关系。当从0到90°的范围选择相角θ时，比率与光强I之间的关系单调地改变，且易于使用。在此条件下，当比率集合(D₊，D_-)为(0，0)，(1，0)和(0，1)时，光强I取最大值1，当该集合接近点(0.5，0.5)时光强I减小，并且在点(0.5，0.5)处光强I取最小值I_min。如图6中所示，可基于简单计算(公式(3)和(4))，由I_min＝cos²θ给出光强I的最小值I_min。

从而，根据加工基片4上应当实现的光强分布确定相角是较好的。例如，在希望实现当最大值被标准化为1时光强在0.5至1.0的范围内改变的光强分布时，由于当相角θ＝45°时产生光强I的最小值I_min，从45到90°范围选择相角足以满足需要。在此情形中，当相角θ设定为45°时，在光强最小值I_min附近，比率D₀接近零，具有0相位调制值的区域1a的尺寸太小，从而难以制造。因此，希望为产生光强I的所需最小值I_min的相角(在此情形中为45°)增加适当数值。

然后，基于确定出的相角θ产生有关上述相角θ的图表。此外，由该图表基于加工基片4上应当实现的光强I的分布和相位φ的分布，得到比率集合(D₊，D_-)，并将所得到的比率集合(D₊，D_-)指定给光调制元件1的相应点。之后，由指定的比率集合(D₊，D_-)可足够好地确定具有相应相位调制值(每个区域的表面容量(面积)，形状和位置)的区域1a至1c。在本例中，相位调制区的基本图案的形状是任意的，只要对光调制元件转换的尺寸不大于点扩展函数范围即可。

下面将更详细地描述上述方法。首先将参照图7描述基本过程。首先，将空间分成多个尺寸不大于点扩展函数范围的正方形单元(基本图案)。然后，在单元的中心分别形成代表点P1，P2和P3。此外，根据光强I与相位φ的集合(I，φ)的值，由图表(图4A至5B中所示)指定比率集合(D₊，D_-)。最后，根据比率集合(D₊，D_-)的数值在单元中设置具有相应相位调制值的第一区域1a到第三区域1c。在图7的例子中，具有+θ相位调制值的第二区域1b处于单元的上侧，具有-θ相位调制值的第三区域1c处于单元的下侧，具有0相位调制值的第一区域1a处于这些区域之间。

尽管在图7所示的方法中在每个单元中分配具有三个相位调制值的区域1a至1c，不过具有至少一个相位调制值的区域的重心偏离所述的代表点，除非采用图8中所示的同心结构。此外，由于最外部区域(在此情形中为区域1c)的宽度变窄，难以产生图8A中所示的这种同心结构。为了消除这种不便，也可以采用图8B中所示的方法。

在图8B所示的方法中，相隔一定距离提供代表点P1到P6，每个距离不超过点扩展函数范围的半径的一半。然后，对于每个代表点P1到P6，指定光强I与相位φ的集合(I，φ)。接下来，根据光强I与相位φ的集合(I，φ)的数值，从图表中交替地指定比率集合(D₊，D_-)其中之一。最后，以代表点P1到P6为中心设置具有与比率D₊或D_-相应的相位调制值的区域1b或1c。任何其他区域自动成为具有0相位调制值的区域1a。

现在将描述振幅恒定，而相位φ按照锯齿方式改变的分布的产生方法。图9A和9B表示假设一个重复单位由五个单元构成时，在图表中绘制相应点a至e的例子。即，在表示光强I计算结果的图9A中分布点a至e，使得光强I平行于预定强度(在此情形中光强为0.7)的等高线，并且在表示相位φ计算结果的图9B中分布这些点，使得相位φ具有相等角度间隔(在此情形中角度间隔为5°)。

图10A和10B表示依照图9A和9B的结构希望得到的光强I和相位φ。光强I基本上保持恒定光强0.7，如图10A中所示，并且相位φ在+10°与-10°之间按照锯齿形式改变，如图10B中所示。另外，在相位φ的锯齿的跃变部分处(在附图中用虚线表示每个部分)由于干扰造成光强I减小，并且产生具有倒峰形状(附图中用虚线表示)的光强分布。尽管表面上看这与光强的恒定性是矛盾的，不过上述图表是在假设比率的改变比较平缓的条件下获得的，并且由于在相位φ的锯齿的跃变部分处不能实现该假设，上述事实是一致的。在后面所述的实施例中将证实得到了所希望的光强分布。

如上所述，在三值相位调制中，在相位φ的锯齿的跃变部分处产生具有倒峰形状的光强分布。这种使用三值相位调制的技术具有以下特征。首先，由于使相位的改变方向在相同方向是均匀的，在具有倒峰形状的光强分布中底部峰处散焦所引起的面内漂移在相同方向也是均匀的。其次，由于可足够好地形成具有三种相位调制值的区域，进行两次不规则处理就足以满足需要。第三点，可任意设定相位跃变的相位差(不像多个相位跃变那样是分立的)。尽管可通过这样一种方法制造相位φ的锯齿状跃变，使基片的表面在几何上大致具有锯齿形形状，不过通过常规光刻方法极难进行这种制造，从而根据本发明的方法是必要的。

另外，在本发明中，通过将三值相位调制与日本专利申请特开平公报No.2004-232708和其竞争伙伴基于该公开的申请(在此引作参考)中详细描述的倾斜照射，可抑制具有倒峰形状的光强分布中底部峰处的面内漂移。现在将描述这一方面。首先将说明底部峰的面内漂移因子。将结合图10B所述的相位分布(图11A中所示)分成基于多个相位跃变的相位分布和具有均匀斜率的相位分布，如图11B中所示。均匀斜率的相位相当于光线在加工基片4上倾斜前进的效果。

例如，假设相位φ的锯齿形跃变的间隔(一个周期)d＝5μm，所用光波长λ＝0.248μm，相角θ＝30°，作为代表值，用下面的公式(7)表示光线倾斜的倾斜角度S(弧度)。

      S＝λ×θ/2π/d

      ＝0.248×(π/6)/2π/5

      ＝0.0041弧度                                (7)

由于角度S与决定图像形成光学系统3的像侧数值孔径NA(例如0.13)的角度相比足够小，可忽略角度S。从而，可考虑忽略具有均匀斜率的相位分布，由基于多个相位跃变的相位分布产生具有倒峰形状的光强分布，并且底部峰在相同方向产生面内漂移。首先，假设对具有多个相位跃变的光调制元件的照射光束为垂直于光调制元件入射表面的平行光束，从而进行近似。这就是称作相干图像形成的状态。

另外，考虑在图像形成光学系统3的散焦位置处形成图像，决定获取具有多个相位跃变的光调制元件的即刻三维光强分布，并且通过图像形成光学系统3在照射目标表面(加工基片4的半导体膜)之后立即对三维光强分布成像。紧靠照射目标表面之前的三维光强分布与紧靠照射目标表面之后的三维光强分布是对称的。在实施例中描述了这些假设或近似具有足够的精度。

对于具有多个相位跃变的光调制元件的即刻三维光强分布进行分析，得到在相位物体(称作Becke线的区域)的边界处由于菲涅耳衍射产生的Becke线。对于这一点，可参照文献如Tsuruta，Baifukan有限公司“Applied Optics I”，第172-175页，1990(在此引作参考)。根据该文献，在相位差基本小于180°的相位跃变之后立即形成的三维光强分布，具有最暗的部分，即底部峰处于从相位跃变的位置朝向低折射因子一侧或者相位超前一侧(相位超前侧)偏离的位置。

此外，以相位跃变的位置作为参考，底部峰的位移量(距离)x正比于距光调制元件的距离的平方根而变大。即，用下面的公式(8)表示底部峰距离相位跃变的位移量x。在公式(8)中，λ为所使用的光波长，z为三维光强分布距光调制元件的距离，ω0为由相位跃变的相位差决定的常数值，并且其与底部峰相应。

             x＝ω₀×(λ·z/2)^1/2                  (8)

例如，当相位跃变的相位差为90°时，根据Becke线分析结果，底部峰处于ω₀＝0.37的位置处。从而，假设λ＝0.2481μm，且z＝10μm，则底部峰距相位跃变的位移量x为x＝0.41μm。图12表示当所使用的光波长恒定为λ＝0.248μm，且相位跃变的相位差分别设定为30°，60°和90°时，底部峰的位移距离x与三维光强分布距光调制元件的距离z之间的关系。

在倾斜照射时，如图13中所示，在照射系统2与具有多个相位跃变的光调制元件11(在本实施例的情形中相当于具有三值相位调制的光调制元件1)之间的光路中，靠近光调制元件11设置一楔形棱镜6。此外，由于楔形棱镜6的作用，通过用在垂直于光调制元件11的相位跃变的跃变线(垂直于图13的页面空间延伸的线)的方向(横向)上倾斜的照射光束照射光调制元件11，基本上可避免散焦引起的底部峰的位移(面内漂移)。

下面将描述通过倾斜照射而倾斜的照射光束，基本上可避免底部峰的位移。

作为菲涅耳衍射的一般性质，通过使箭头所示并且进入光调制元件11中的照射光的角度，以对应于在横向上距垂直方向θ_IL的量倾斜，将照射目标表面上的衍射图像变成转变为下式(9)的变换坐标(Xm)的形状。

      X_m＝X-tanθ_IL·z                (9)

即，在距光调制元件11距离z的位置处形成的照射目标表面上的光强分布，在照射光倾斜前进的方向上以由(tanθ_IL·z)所表示的距离横向漂移。从而，通过调节照射光束的倾斜角度θ_IL，可校正散焦引起的底部峰在横向上的位移。在此情形中，尽管希望对于距离z的所有值，底部峰的位置都与光调制元件11的相位跃变的跃变位置或者相位漂移线的位置相匹配，不过由于暗区弯曲的原因这是不可能的。

但是，通过确定目标距离z₀，并且使在该距离z₀处底部峰的位置与光调制元件11的相位跃变的跃变线的位置相匹配，可以在-z₀到+z₀的范围内进行粗略校正。进行该校正所需的照射光的最佳入射角度θ_IL0满足下面的公式(10)，并用下面的公式(11)表示。

              x_m＝x₀-tanθ_IL0·z₀＝0                 (10)

具体而言，当光调制元件11的相位跃变的相位差为90°时，得到ω0＝0.37。从而，假设λ＝0.248μm且z₀＝10μm，照射光束的最佳入射角为θ_IL0＝2.4°(0.041rad(弧度))。图14表示相同条件下，光调制元件11的相位跃变的相位差(度)与照射光束的最佳入射角θ_IL0(度)之间的关系。在图14中，水平轴代表相位差，垂直轴代表最佳入射角，该附图表示当相位差分别为30°，60°和90°时从公式(11)计算的最佳入射角的结果。

如上所述，在相位差充分小于180°的相位跃变之后立即形成的三维光强分布中，在散焦的情形中，底部峰从相位跃变位置沿横向朝向相位超前一侧漂移。从而，在此情形中，为了校正散焦引起的底部峰的位移，沿着包含从相位跃变的相位超前侧指向相位延迟侧的分量的方向照射光调制元件11是足够好的。另一方面，在相位差充分小于180°的相位跃变之后立即形成的三维光强分布中，底部峰从相位跃变位置朝向相位延迟侧漂移。从而，在此情形中，为了校正散焦引起的底部峰的位移，沿着包含从相位跃变的相位延迟侧指向相位超前侧的分量的方向照射光调制元件11是足够好的。

在上面“倾斜照射”的描述中，假设在实现照射光束的最佳入射角θ_IL0时，图像形成光学系统3为放大光学系统。通常，当使用放大率为1/M的图像形成光学系统时，利用转换成图像形成光学系统的像面侧的相似的计算，通过计算光束的最佳入射角θ_IL0′，并用所得到的角度θ_IL0′除以M，得出应当实际照射光调制元件11的照射光束的倾斜角θ_IL0(＝θ_IL0′/M)。

如图13中所示，当通过在紧靠光调制元件11前面设置楔形棱镜(小角度棱镜或楔形棱镜)6而实现“倾斜照射”时，在棱镜角(楔形棱镜6的顶角)φ_p与垂直入射光线的偏转角θ_IL之间实现下式(12)所表示的关系。

     θ_ILφ_P(n-1)                    (12)

在该式中，n为形成楔形棱镜6的光学材料的折射率。具体而言，为了保证当光调制元件11的相位跃变的相位差为90°时偏转角度θ_IL等于最佳入射角θ_IL0＝2.4°，可知当构成楔形棱镜6的光学材料的折射率n＝1.508时，使用具有φ_p＝4.8°棱镜角的楔形棱镜足以满足需要。

在倾斜照射时，本发明不限于楔形棱镜，可使用以下的变型，将孔径光阑2g设置在照射系统2的出瞳处或出瞳附近(即在第二蝇眼透镜2e的投射表面附近)。在此情形中，可通过相对于光轴AX将孔径光阑2g的孔径部分(透光部分)2ga偏心即倾斜预定的距离，用距离垂直线倾斜必要角度θ_IL的照射光来照射光调制元件11。

总之，当使用根据现有技术具有两个相位跃变的光调制元件(一个漂移线)时，在常规照射和倾斜照射时底部峰都会交替地发生面内漂移。另外，当使用具有两个相位跃变的光调制元件时，对于该元件的相角的控制是任意的，且易于制造。另一方面，当使用根据现有技术具有多个相位跃变的光调制元件时，在常规照射时底部峰沿相同方向发生面内漂移，在倾斜照射时底部峰的面内漂移得到抑制。此外，在使用具有多个相位跃变的光调制元件时，对相角的控制是离散的(360/n)，且难于制造。

相反，当使用根据本发明的三值相位调制时，在常规照射时，底部峰沿相同方向发生面内漂移，在倾斜照射时，底部峰的面内漂移得到抑制。此外，当使用三值相位调制技术时，对光调制元件的相角的控制是任意的，且易于制造。即，根据本发明的三值相位调制技术同时具有两个相位跃变的优点和多个相位跃变的优点。下面将描述这种构造的实施例。

[第一实施例]

第一实施例使用发射出波长λ＝248nm(0.248μm)激光束的KrF准分子激光束源1，和具有等放大率(图像形成放大率＝1)和像侧数值孔径NA＝0.13的图像形成光学系统3。此外，确定光调制元件1的相位调制区中的相角θ＝40°，并且光调制元件的相位调制区包括具有0度相位调制值的区域1a，具有+40°相位调制值的区域1b以及具有-40°相位调制值的区域1c。此外，如图9A和9B中所示，在有关相角θ＝40°的图表中，假设目标光强为0.7，目标相位间隔为10°，且要绘制5个点。

结果，在第一实施例中，可得到具有图16中所示相位调制区的光调制元件。在根据第一实施例的光调制元件1中，以0调制值的矩形第一区域1a设置在其中、垂直排列的+40°的矩形第二区域1b与-40°的矩形第三区域1c之间在X方向的中心间距为0.5μm，+40°区域1b和-40°区域1c中每一个在Y方向(横向)的尺寸为1μm。另外，在附图中与绘制点a到e相应地，沿Y方向排列的+40°区域1b的X方向尺寸X₊按照从左侧开始依次为0.5μm，0.418μm，0.35μm，0.298μm和0.26μm。

相反，在附图中与绘制点a到e相应，沿Y方向排列的-40°区域1c的X方向尺寸X_-按照从左侧开始依次为0.26μm，0.298μm，0.35μm，0.418μm和0.5μm。在根据第一实施例的光调制元件1中，图16中所示的相位调制区沿着X方向和Y方向按照二维方向重复地形成，或者沿着Y方向按照一维方式重复地形成。

在第一实施例中，对于加工基片4上的每个单元相位调制区，通过常规照射得到图17A至17C中所示的这种光强分布，该常规照射使用具有图16中所示多个单元相位调制区的光调制元件1，并使照射光束垂直进入该光调制元件1中。此外，通过倾斜照射在加工基片4上得到图18A至18C中所示的这种光强分布，该倾斜照射使用具有图16中所示相位调制图案的光调制元件1，并使照射光束倾斜进入该光调制元件1中。

已经证明，在常规照射时，如图17B中所设计，形成具有对称倒峰形状的光强分布，且在图像形成光学系统3的聚焦位置处具有恒定强度。此外，还证明在如图17A和17C中分别示出，在垂直方向上从图像形成光学系统3的聚焦位置稍稍移开的散焦位置处，所形成的具有倒峰形状的光强分布中每个底部峰的位置在相同的横向发生漂移。在此情形中，尽管由于散焦导致底部峰较深，但是只要使用常规照射，这是对于两个相位跃变、多个相位跃变和三值相位调制的光调制元件所共同的趋势。

另一方面，已经证明，在倾斜照射时，如图18B中所示，在图像形成光学系统3的聚焦位置处同样形成具有对称倒峰形状的光强分布。另外，已经证明，如图18A和18C中所示，即使稍稍垂直地离开图像形成光学系统3的聚焦位置，所要形成的具有倒峰形状的光强分布的每个底部峰的位置也几乎不发生漂移。

此外，作为次要的效果，已经证明，即使进行散焦，底部峰的位置也几乎不会由于散焦而改变，且可以极好地保持具有倒峰形状的光强分布的对称性。即使进行散焦也能保持具有倒峰形状的光强分布的对称性这一事实，正是为避免由于烧蚀造成半导体膜破坏所需要的。在本实施例倾斜照射中，使用折射率n＝1.508和棱镜角(楔形棱镜6的顶角)φ_p＝1.2°的楔形棱镜6，以便实现照射光束的最佳入射角(楔形棱镜6的偏转角θ_IL)θ_IL0＝2.4°。

在第一实施例中，利用由经过常规照射或倾斜照射的光调制元件1相位调制的光束照射加工基片4的a-Si半导体膜。结果，晶体从与光调制元件1的相位跃变相应的位置沿横向生长，从而晶粒构成薄膜。此时，即使加工基片4在垂直方向稍稍偏离图像形成光学系统3的聚焦位置(焦点位置)10μm，晶粒的位置在平面中基本上也不会发生漂移，并且半导体膜的一部分不会由于烧蚀而遭破坏。即，在第一实施例中，能够在所需位置处稳定地形成具有倒峰形状、具有所需底部峰强度的光强分布，从而可在半导体膜上形成具有相同形状和尺寸的晶粒。

[第二实施例]

如同第一实施例那样，第二实施例使用发射出波长λ＝248nm(0.248μm)激光束的KrF准分子激光束源1，和具有等放大率(图像形成放大率＝1)和像侧数值孔径NA＝0.13的图像形成光学系统3。此外，如同第一实施例，确定光调制元件1的相位调制区中的相角θ＝40°，并且相位调制区包括多个单位区域，每个单位区域包括具有0相位调制值的第一区域1a，具有+40°相位调制值的第二区域1b以及具有-40°相位调制值的第三区域1c。此外，如同第一实施例那样，如图19中所示，在有关相角θ＝40°的图表中，确定目标光强为0.7，目标相位间隔为10°，且要绘制5个点a到e。

然而，在第二实施例中，与第一实施例不同的是，在图19所示的图表中除5个点a到e以外增加多个点，以便除具有倒峰形状的光强分布之外还形成用于晶体生长的光强梯度分布。具体而言，在表示0相位φ的等高线上，从点a一侧开始在0.7到1光强I之间相继添加9个点f到p。此外，对于点f到h，在相同光强I的等高线上按照相等的角间隔分别添加不同相位φ的四个点。

结果，在第二实施例中，可得到如图20中所示具有多个单位相位调制区的光调制元件1。在根据第二实施例的光调制元件1中，以0第一矩形区域1a置于中间、垂直排列的+40°第二矩形区域1b与-40°第三矩形区域1c之间，在X方向中心间距为0.5μm。另外，与点a到e相应、沿直线X1排列的五个+40°第二区域1b，与点f和四个相关点相应、沿直线X2排列的五个-40°第三区域1c，与点g和四个相关点相应、沿直线X3排列的五个+40°第二区域1b，以及与点h和四个相关点相应、沿直线X4排列的五个-40°第三区域1c的Y方向尺寸为1μm。

此外，与点i相应、沿直线X5间隔排列的五个+40°区域1b，与点j相应、沿直线X6间隔排列的五个-40°区域1c，与点k相应、沿直线X7间隔排列的五个+40°区域1b，与点m相应、沿直线X8间隔排列的五个-40°区域1c，与点n相应、沿直线X9间隔排列的五个+40°区域1b，以及与点p相应、沿直线X10间隔排列的五个-40°区域1c，沿X方向的中心间距为1μm。

现在，注意沿直线X1排列的五个+40°区域1b，行Y1中的区域1b与点a相应，行Y2中的区域1b与点b相应，行Y3中的区域1b与点c相应，行Y4中的区域1b与点d相应，行Y5中的区域1b与点e相应。这对于沿直线X2至X4排列的五个区域1b或1c也成立。另一方面，沿直线X5至X10间隔排列的五个区域1b或1c分别与符合每条直线的点i到点p相应。

具体而言，与附图中绘图点a到e相应，沿直线X1排列的五个第二区域1b的X向距离X₊按照从左侧开始依次为0.6μm，0.458μm，0.35μm，0.276μm和0.24μm。此外，沿直线X2排列的五个-40°第三区域1c的X向距离X₊从附图左侧开始相继为0.228μm，0.261μm，0.312μm(与绘图点f相应)，0.385μm和0.475μm。此外，沿直线X3排列的五个+40°第二区域1b的X向距离X₊从附图左侧开始相继为0.35μm，0.312μm，0.274μm(与绘图点g相应)，0.245μm和0.216μm。

另外，沿直线X4排列的五个区域1c的X向距离X₊从附图左侧开始相继为0.209μm，0.224μm，0.238μm(与绘图点h相应)，0.257μm和0.276μm。此外，与绘图点i相应、沿直线X5间隔排列的五个区域1b的X向距离X₊和Y向距离Y₊分别为0.235μm和0.8μm。另外，与绘图点j相应、沿直线X6间隔排列的五个-40°区域1c的X向距离X₊和Y向距离Y₊分别为0.28μm和0.6μm。

此外，与绘图点k相应、沿直线X7间隔排列的五个+40°区域1b的X向尺寸X₊和Y向尺寸Y₊均为0.366μm。另外，与绘图点m相应、沿直线X8间隔排列的五个-40°区域1c的X向尺寸X₊和Y向尺寸Y₊均为0.316μm。而且，与绘图点n相应、沿直线X9间隔排列的五个+40°区域1b的X向尺寸X₊和Y向尺寸Y₊均为0.257μm。此外，与绘图点p相应、沿直线X10间隔排列的五个-40°区域1c的X向尺寸X₊和Y向尺寸Y₊均为0.182μm。

尽管在上面的描述中关注的是附图中低于沿直线X1排列的五个+40°区域1b的相位调制区域，不过根据第二实施例的光调制元件1的相位调制区域，关于在Y方向穿过沿直线X1排列的五个+40°区域1b的中心的中心线具有对称结构。在根据第二实施例的光调制元件1中，图20中所示的这种单元相位调制区是沿X方向和Y方向按照二维方式重复形成的，或者是沿Y方向按照一维方式重复形成的。

在第二实施例中，通过倾斜照射在加工基片4上得到如图21A至21C中所示的这种单位光强分布(用光强等高线表示的分布)，这种倾斜照射使用图20中所示具有多个单位相位调制区的光调制元件1，并使照射光倾斜进入该光调制元件1。注意，如同第一实施例那样，在倾斜照射时，使用折射率n＝1.508和棱镜角(楔形棱镜6的顶角)φ_p＝1.2°的楔形棱镜6，以便实现照射光束的最佳入射角(楔形棱镜6的偏转角θ_IL)θ_IL0＝2.4°。

已经证明，按照这种方式如图21B中所示在图像形成光学系统3的聚焦位置处，沿Y方向间隔地形成具有对称倒峰形状的光强分布。此外，证明如图21A至21C所示，即使稍稍垂直地离开图像形成光学系统3的聚焦位置，所形成的具有倒峰形状的光强分布的底部峰的位置也几乎不发生漂移。

另外，在根据第二实施例的光调制元件1中，尽管图20A至21C中所示的相位调制区的中心位置具有与第一实施例类似的图案，不过随着在附图中在垂直方向离开一定距离，通过同时减小比率D₊和D_-(在图19的附图中相当于朝向(0，0)移动比率)，沿垂直于Y方向的X方向产生用于晶体生长的光强梯度分布，其中沿Y方向形成一系列倒峰形光强分布。根据距在Y方向上连接一系列倒峰形光强分布的底部峰的线段的距离，增大用于晶体生长的光强梯度分布。

通过这种方式，将从光强梯度分布得到的光强分布与具有倒峰形状的光强分布结合，即在加工基片4的表面上形成V形图案和倒峰形图案重复出现的光强分布。结果，如图22中示意出的，可实现晶体从晶核开始沿着具有一维Y形状的单位光强梯度分布中光强的梯度方向(X方向或横向)横向生长，从而产生每一个具有大颗粒尺寸的晶粒20。此外，还证明即使进行散焦，底部峰的位置在平面中基本上不发生漂移，底部峰的深度基本上不会改变，且能极好地保持具有倒峰形状的光强分布的对称性。

在第二实施例中，利用经过常规照射或倾斜照射的光调制元件1相位调制的光束照射加工基片4的a-Si半导体膜。结果，通过从与光调制元件1的相位跃变相应的位置开始实现晶体生长，可产生具有大颗粒尺寸的晶粒并对其进行二维位置控制。此时，即使加工基片4在垂直方向向上和向下稍稍偏离图像形成光学系统3的聚焦位置(焦点位置)10μm，晶粒的位置在平面中基本上也不会发生漂移，并且半导体膜的一部分不会由于烧蚀而遭破坏。

图23A至23E所示的工艺剖面图表示在使用根据本实施例的结晶设备结晶的区域中制造电子装置的方法。如图23A所示，通过使用化学汽相沉积方法或溅射方法，在透明绝缘基片80(由例如碱性玻璃、石英玻璃、塑料或聚酰亚胺制成)上形成底层膜81(例如厚度为50nm的SiN层与厚度为100nm的SiO₂层的叠层)，非晶半导体膜82(由例如Si，Ge或SiGe制成的膜厚度近似为50到200nm的半导体膜)和顶膜82a(例如膜厚度为30到300nm的SiO₂膜)。然后，通过使用根据本实施例的结晶设备，用激光束83(例如KrF准分子激光束或XeCl准分子激光束)照射非晶半导体膜82的预定区域。

通过这种方法，如图23B中所示，产生具有大颗粒尺寸的多晶半导体膜或单晶半导体膜84。接下来，在通过蚀刻从结晶半导体膜84去除顶膜82a之后，如图23C所示，使用光刻技术将多晶半导体膜或单晶半导体膜84加工成岛形半导体膜85(在附图中仅表示出多个薄膜中的一个)，其成为例如形成薄膜晶体管的区域，并使用化学汽相沉积方法或溅射方法在半导体膜85的上表面上形成膜厚度为20到100nm的SiO₂膜作为栅绝缘膜86。此外，如图23D中所示，在栅绝缘膜上形成栅极87(例如由硅化物或MoW制成)，并用栅极87作为掩模，将杂质离子88(在N沟道晶体管的情形中为磷，在P沟道晶体管的情形中为硼)注入岛状结晶膜85中。之后，在氮气环境下执行退火处理(例如在450°下进行1小时)，以便激活杂质，在岛形半导体膜85中形成源区91和漏区92。然后，如图23E中所示，形成层间绝缘膜89，在膜89中形成接触孔，并且形成与源区91和漏区92电连接的源极93和漏极94，源极与漏极通过它们之间限定的沟道90相连。

在上述方法中，按照具有大颗粒尺寸的晶体的位置，即在图23A和23B所示的方法中产生的多晶半导体膜或单晶半导体膜84的晶粒的位置，形成沟道90。通过上述方法，可在单晶或多晶半导体中形成薄膜晶体管(TFT)。所制造出的多晶晶体管或单晶晶体管可用于用作液晶显示装置(显示器)或电致发光显示器的驱动电路，或者用作例如存储器(SRAM或DRAM)或CPU的集成电路。

在上面的描述中，本发明适用于通过用具有预定光强的光束照射非结晶半导体膜从而产生结晶半导体膜的结晶设备和结晶方法。不过，本发明不限于此，本发明广义而言可用于通过图像形成光学系统在预定表面上形成预定光强分布的光照或投影设备。

Claims (13)

1、一种光照设备，其特征在于包括：

光调制元件，其具有至少一个单位相位调制区，其中该单位相位调制区具有至少一个用于调制光束的基本图案；

照射系统，其用光束照射该光调制元件的该单位相位调制区；以及

图像形成光学系统，其使得在照射目标表面上具有光强分布的光束落在照射目标物体上，其中该光强分布具有基于由所述相位调制元件相位调制的光束而形成的倒峰形图案，

其中所述单位相位调制区的基本图案的尺寸不大于对光调制元件转换的图像形成光学系统的点扩展函数范围，并且

设计所述单位相位调制区，使得照射目标表面上光复振幅分布中的相位分布为沿某一横向线段的锯齿状分布。

2、根据权利要求1所述的光照设备，其特征在于设计所述单位相位调制区，使得在与相位分布的锯齿状分布中的跃变部分相应的区域之外，光复振幅分布中沿所述线段的振幅分布基本上是恒定的。

3、根据权利要求1所述的光照设备，其特征在于设计所述单位相位调制区，使得光复振幅分布中的振幅分布随着距所述线段的距离而增大。

4、根据权利要求1到3其中任何一个所述的光照设备，其特征在于所述单位相位调制区包括具有至少三种相位调制值的区域。

5、根据权利要求1到3其中任何一个所述的光照设备，其特征在于所述照射系统用沿着包括所述线段的表面的内侧倾斜的照射光，照射所述单位光调制元件。

6、根据权利要求5所述的光照设备，其特征在于所述照射系统沿着与包括相位分布中的锯齿状分布的跃变部分中从相位超前侧指向相位延迟侧的分量的方向相应的方向，照射所述光调制元件。

7、一种结晶设备，其特征在于包括：根据权利要求1到3中任何一个所述的光照设备；和将非单晶半导体膜保持在照射目标表面上的平台，其中所述结晶设备通过用具有所述光强分布的光束照射处于所述照射目标表面上的非单晶半导体膜的至少一部分，形成结晶半导体膜。

8、一种结晶方法，其使用根据权利要求1到3中任何一个所述的光照设备，通过用具有所述光强分布的光束照射处于照射目标表面上的非单晶半导体膜的至少一部分，形成结晶半导体膜。

9、一种使用根据权利要求7所述的结晶设备制造的半导体器件。

10、一种具有至少一个相位调制区的光调制元件，其特征在于：

设计所述相位调制区，使得在表面上形成的光复振幅分布中的相位分布，在沿某一横向线段形成锯齿状分布，该表面基本上与光调制元件呈光学共轭。

11、根据权利要求10所述的光调制元件，其特征在于设计所述光调制区，使得在与相位分布中锯齿状分布的跃变部分相应的区域之外，光复振幅分布中沿所述线段的振幅分布基本上是恒定的。

12、根据权利要求10或11所述的光调制元件，其特征在于设计所述相位调制区，使得光复振幅分布中沿所述线段的振幅分布随着距所述线段的距离而增大。

13、根据权利要求10到11中任何一个所述的光调制元件，其特征在于所述相位调制区包括具有至少三种相位调制值的区域。

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