JP2004186449A - 結晶化装置および結晶化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の位置に結晶核を発生させることができるとともに、結晶核からの十分なラテラル成長を実現して大粒径の結晶化半導体膜を生成することのできる結晶化装置。
【解決手段】位相シフター（１）を照明する照明系（２）を備え、位相シフターの位相シフト部に対応する領域において光強度の最も小さい所定の光強度分布を有する光を半導体膜（３）に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置。位相シフターは、位相シフト部を構成する点において交わる４本以上の偶数本の位相シフト線を有し、各位相シフト線について一方の側の領域と他方の側の領域とが約１８０度の位相差を有するように構成されている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶化装置および結晶化方法に関する。特に、本発明は、位相シフターを用いて位相変調されたレーザ光を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、たとえば液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ−Ｃｒｙｓｔａｌ−Ｄｉｓｐｌａｙ：ＬＣＤ）の画素に印加する電圧を制御するスイッチング素子などに用いられる薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ）の材料は、非晶質シリコン（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−Ｓｉｌｉｃｏｎ）と多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉｌｉｃｏｎ）とに大別される。
【０００３】
多結晶シリコンは、非晶質シリコンよりも電子移動度が高い。したがって、多結晶シリコンを用いてトランジスタを形成した場合、非晶質シリコンを用いる場合よりも、スイッチング速度が速くなり、ひいてはディスプレイの応答が速くなる。また、周辺ＬＳＩを薄膜トランジスタで構成することが可能になる。さらに、他の部品の設計マージンを減らせるなどの利点がある。また、ディスプレイ本体以外にドライバ回路やＤＡＣなどの周辺回路をディスプレイに組み入れる場合に、それらの周辺回路をより高速に動作させることができる。
【０００４】
多結晶シリコンは結晶粒の集合からなるが、結晶シリコンに比べると電子移動度が低い。また、多結晶シリコンを用いて形成した小型のトランジスタでは、チャネル部における結晶粒界数のバラツキが問題となる。そこで、最近、電子移動度を向上させ且つチャネル部における結晶粒界数のバラツキを少なくするために、大粒径の単結晶シリコンを生成する結晶化方法が提案されている。
【０００５】
従来、この種の結晶化方法として、多結晶半導体膜または非晶質半導体膜と平行に近接させた位相シフターにエキシマレーザ光を照射して結晶化半導体膜を生成する「位相制御ＥＬＡ（Ｅｘｃｉｍｅｒ Ｌａｓｅｒ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）」が知られている。位相制御ＥＬＡの詳細は、たとえば「表面科学Ｖｏｌ．２１， Ｎｏ．５， ｐｐ．２７８−２８７， ２０００」に開示されている。
【０００６】
位相制御ＥＬＡでは、位相シフターの位相シフト部に対応する点において光強度がほぼ０の逆ピークパターン（中心において光強度がほぼ０で周囲に向かって光強度が急激に増大するパターン）の光強度分布を発生させ、この逆ピークパターンの光強度分布を有する光を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射する。その結果、光強度分布に応じて溶融領域に温度勾配が生じ、光強度がほぼ０の点に対応して最初に凝固する部分に結晶核が形成され、その結晶核から周囲に向かって結晶が横方向に成長（ラテラル成長）することにより大粒径の単結晶粒が生成される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来技術において一般に用いられる位相シフターは、いわゆるライン型の位相シフターであって、一方向に沿って交互に繰り返される２つの矩形状の領域で構成され、この２つの領域の間にはπ（１８０度）の位相差が付与されている。図１４は、ライン型の位相シフターの構成および作用を説明する図である。また、図１５は、ライン型の位相シフターを用いて得られる光強度分布を示す図である。
【０００８】
ライン型の位相シフターを用いた場合、図１４（ａ）に示すように、たとえば１８０度の位相差を有する２つの領域１０１ａと１０１ｂとの間の直線状の境界線１０１ｃが位相シフト部を構成することになる。したがって、図１５に示すように、位相シフト部（境界線）１０１ｃに対応する線１０２上において光強度がほぼ０で且つ線１０２と直交する方向に周囲に向かって一次元的に光強度が増加するような逆ピークパターンの光強度分布が形成される。
【０００９】
この場合、図１４（ｂ）に示すように、位相シフト部に対応する線１０２に沿って温度分布が最も低くなるとともに、位相シフト部に対応する線１０２と直交する方向に沿って温度勾配（図中矢印で示す）が発生する。すなわち、図１４（ｃ）に示すように、位相シフト部に対応する線１０２上で結晶核１０３が発生し、その結晶核１０３から位相シフト部に対応する線１０２と直交する方向に沿って結晶化が進行する。
【００１０】
なお、図１４（ｃ）において、曲線１０４は結晶の粒界を示しており、これらの結晶粒界１０４によって規定された領域に結晶が形成される。その結果、結晶核１０３は位相シフト部に対応する線１０２上に発生するものの、線１０２上のどこに結晶核１０３が発生するかは不定である。換言すると、ライン型の位相シフターを用いた場合、結晶核１０３の発生位置を制御することは不可能であり、ひいては結晶の形成領域を二次元的に制御することは不可能である。
【００１１】
また、ライン型の位相シフターを用いて得られる光強度分布では、図１５に示すように、２つの隣接した逆ピークパターン部の間の中間部における光強度分布は不規則なうねり（光強度の増大と減少とを繰り返すような波状分布）を伴うのが一般的である。この場合、逆ピークパターン部の光強度分布において傾斜の大きい位置に結晶核１０３ａが発生することが望ましいが、中間部のうねりにおいて光強度の低い位置に（すなわち望まない位置に）結晶核１０３ｂが発生することがある。また、望ましい位置に結晶核が発生したとしても、結晶核から周囲に向かって開始したラテラル成長が、逆ピークパターン部と中間部との境界において光強度が減少する部分で停止してしまい、大きな結晶の成長が妨げられる。
【００１２】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、所望の位置に結晶核を発生させることができるとともに、結晶核からの十分なラテラル成長を実現して大粒径の結晶化半導体膜を生成することのできる結晶化装置および結晶化方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、位相シフターを照明する照明系を備え、前記位相シフターの位相シフト部に対応する領域において光強度の最も小さい所定の光強度分布を有する光を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置において、
前記位相シフターは、前記位相シフト部を構成する点において交わる４本以上の偶数本の位相シフト線を有し、各位相シフト線について一方の側の領域と他方の側の領域とが約１８０度の位相差を有するように構成されていることを特徴とする結晶化装置を提供する。
【００１４】
第１形態の好ましい態様によれば、前記位相シフターは、４つの矩形状の領域が１つの頂点を共通として隣接配置された形態を有する。あるいは、前記位相シフターは、６つ以上の三角形状の領域が１つの頂点を共通として隣接配置された形態を有することが好ましい。あるいは、前記位相シフターは、第１の偶数本の位相シフト線が交わる第１位相シフト部と、第２の偶数本の位相シフト線が交わる第２位相シフト部とを有し、複数の第１位相シフト部と複数の第２位相シフト部とが交互に配置された形態を有することが好ましい。この場合、前記第１位相シフト部は４本の位相シフト線が交わる点に対応し、前記第２位相シフト部は８本の位相シフト線が交わる点に対応していることが好ましい。また、この場合、前記第１位相シフト部は４つの三角形状の領域が共通とする１つの頂点に対応し、前記第２位相シフト部は８つの三角形状の領域が共通とする１つの頂点に対応していることが好ましい。
【００１５】
さらに、第１形態の好ましい態様によれば、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとは互いにほぼ平行に且つ近接して配置されている。この場合、前記照明系の射出瞳は、一方の方向に沿った大きさと他方の方向に沿った大きさとが実質的に異なる形状を有することが好ましい。また、この場合、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとの間隔をＤとし、光の波長をλとし、前記照明系の射出瞳が最も大きい方向に沿った前記位相シフターへの光の最大入射角をθｍａｘとし、前記照明系の射出瞳が最も小さい方向に沿った前記位相シフターへの光の最大入射角をθｍｉｎとするとき、
Ｄ×ｔａｎ（θｍｉｎ）＜１．２×（λＤ／２）^１／２
Ｄ×ｔａｎ（θｍａｘ）＞１．２×（λＤ／２）^１／２
の条件を満足することが好ましい。
【００１６】
また、第１形態の好ましい態様によれば、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとの間の光路中に配置された結像光学系をさらに備え、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜は、前記位相シフターと光学的に共役な面から前記結像光学系の光軸に沿って所定距離だけ離れて設定されている。
【００１７】
また、第１形態の好ましい態様によれば、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとの間の光路中に配置された結像光学系をさらに備え、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜は、前記位相シフターと光学的にほぼ共役な面に設定され、前記結像光学系の像側開口数は、前記所定の光強度分布を発生させるための所要の値に設定されている。この場合、前記結像光学系の瞳は、一方の方向に沿った大きさと他方の方向に沿った大きさとが実質的に異なる形状を有することが好ましい。
【００１８】
本発明の第２形態では、所定の光強度分布を有する光を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置において、
前記所定の光強度分布は、周辺よりも低い光強度を有する逆ピーク点を有し、該逆ピーク点から周囲に向かって延び且つ光強度の変化勾配が周辺よりも低い谷線を２本以上有することを特徴とする結晶化装置を提供する。この場合、前記谷線に沿った光強度分布は変曲点を有することが好ましい。
【００１９】
本発明の第３形態では、位相シフターを照明し、前記位相シフターの位相シフト部に対応する領域において光強度の最も小さい所定の光強度分布を有する光を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法において、
前記位相シフト部を構成する点において交わる４本以上の偶数本の位相シフト線を有し、各位相シフト線について一方の側の領域と他方の側の領域とが約１８０度の位相差を有するように構成された位相シフターを用いることを特徴とする結晶化方法を提供する。
【００２０】
第３形態の好ましい態様によれば、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとを互いにほぼ平行に且つ近接して配置する。あるいは、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとの間の光路中に結像光学系を配置し、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜の表面を前記位相シフターと光学的に共役な面から前記結像光学系の光軸に沿って所定距離だけ離れて設定することが好ましい。あるいは、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとの間の光路中に結像光学系を配置し、前記結像光学系の像側開口数を前記所定の光強度分布を発生させるための所要の値に設定し、前記結像光学系を介して前記位相シフターと光学的に共役な位置に前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜を設定することが好ましい。
【００２１】
本発明の第４形態では、所定の光強度分布を有する光を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法において、
周辺よりも低い光強度を有する逆ピーク点を有し、該逆ピーク点から周囲に向かって延び且つ光強度の変化勾配が周辺よりも低い谷線を２本以上有する光強度分布の光を、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜に照射することを特徴とする結晶化方法を提供する。
【００２２】
本発明の第５形態では、位相シフト部を構成する点において交わる４本以上の偶数本の位相シフト線を有し、各位相シフト線について一方の側の領域と他方の側の領域とが約１８０度の位相差を有するように構成されていることを特徴とする位相シフターを提供する。
【００２３】
第５形態の好ましい態様によれば、４つの矩形状の領域が１つの頂点を共通として隣接配置された形態を有する。あるいは、６つ以上の三角形状の領域が１つの頂点を共通として隣接配置された形態を有することが好ましい。あるいは、第１の偶数本の位相シフト線が交わる第１位相シフト部と、第２の偶数本の位相シフト線が交わる第２位相シフト部とを有し、複数の第１位相シフト部と複数の第２位相シフト部とが交互に配置された形態を有することが好ましい。この場合、前記第１位相シフト部は４本の位相シフト線が交わる点に対応し、前記第２位相シフト部は８本の位相シフト線が交わる点に対応していることが好ましい。また、この場合、前記第１位相シフト部は４つの三角形状の領域が共通とする１つの頂点に対応し、前記第２位相シフト部は８つの三角形状の領域が共通とする１つの頂点に対応していることが好ましい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態にかかる結晶化装置の構成を概略的に示す図である。第１実施形態の結晶化装置は、位相シフター１を照明する照明系２を備えている。照明系２は、たとえば２４８ｎｍの波長を有する光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源２ａを備えている。なお、光源２ａとして、ＸｅＣｌエキシマレーザ光源のような他の適当な光源を用いることもできる。光源２ａから供給されたレーザ光は、ビームエキスパンダ２ｂを介して拡大された後、第１フライアイレンズ２ｃに入射する。
【００２５】
こうして、第１フライアイレンズ２ｃの後側焦点面には複数の光源が形成され、これらの複数の光源からの光束は第１コンデンサー光学系２ｄを介して、第２フライアイレンズ２ｅの入射面を重畳的に照明する。その結果、第２フライアイレンズ２ｅの後側焦点面には、第１フライアイレンズ２ｃの後側焦点面よりも多くの複数の光源が形成される。第２フライアイレンズ２ｅの後側焦点面に形成された複数の光源からの光束は、第２コンデンサー光学系２ｆを介して、位相シフター１を重畳的に照明する。
【００２６】
ここで、第１フライアイレンズ２ｃおよび第１コンデンサー光学系２ｄは第１ホモジナイザを構成し、この第１ホモジナイザにより位相シフター１上での入射角度に関する均一化が図られる。また、第２フライアイレンズ２ｅおよび第２コンデンサー光学系２ｆは第２ホモジナイザを構成し、この第２ホモジナイザにより位相シフター１上での面内位置に関する均一化が図られる。したがって、照明系２はほぼ均一な光強度分布を有する光を位相シフター１に照射する。
【００２７】
位相シフター１を介したレーザ光は、位相シフター１と平行に且つ近接して配置された被処理基板３に照射される。ここで、被処理基板３は、たとえば液晶ディスプレイ用板ガラスの上に化学気相成長法により下地膜および非晶質シリコン膜を形成することにより得られる。換言すれば、位相シフター１は、非晶質半導体膜と対向するように設定されている。被処理基板３は、真空チャックや静電チャックなどにより基板ステージ４上において所定の位置に保持されている。
【００２８】
図２は、第１実施形態における位相シフターの基本単位部分の構成および作用を概略的に示す図である。また、図３は、第１実施形態において図２の位相シフターを用いて被処理基板上で得られる光強度分布を等高線で模式的に示す図である。図２（ａ）を参照すると、位相シフター１の基本単位部分１０は、４つの矩形状の領域１０ａ〜１０ｄが１つの頂点１０ｅを共通として隣接配置された形態を有する。ここで、第１領域１０ａの透過光を基準として、第２領域１０ｂの透過光および第４領域１０ｄの透過光には１８０度の位相差が付与され、第３領域１０ｃの透過光には位相差が付与されない（０度の位相差が付与される）ように構成されている。
【００２９】
すなわち、基本単位部分１０では、第１領域１０ａと第２領域１０ｂとの境界線が第１位相シフト線１０ｆを、第２領域１０ｂと第３領域１０ｃとの境界線が第２位相シフト線１０ｇを、第３領域１０ｃと第４領域１０ｄとの境界線が第３位相シフト線１０ｈを、第４領域１０ｄと第１領域１０ａとの境界線が第４位相シフト線１０ｉを、頂点１０ｅが位相シフト部をそれぞれ構成することになる。その結果、基本単位部分１０は、位相シフト部１０ｅにおいて交わる４本の位相シフト線１０ｆ〜１０ｉを有し、各位相シフト線について一方の側の領域と他方の側の領域とが１８０度の位相差を有する。
【００３０】
具体的には、たとえば位相シフター１が２４８ｎｍの波長を有する光に対して１．５の屈折率を有する石英ガラスで形成されている場合、第１領域１０ａと第２領域１０ｂとの間、第２領域１０ｂと第３領域１０ｃとの間、第３領域１０ｃと第４領域１０ｄとの間、第４領域１０ｄと第１領域１０ａとの間には、それぞれ２４８ｎｍの段差が付与されている。位相シフター１は、必要に応じて、基本単位部分１０を一次元的にあるいは二次元的に配置することにより構成されている。また、位相シフター１では、その位相シフト面（凹凸パターン）が被処理基板３と対向する面に形成されている。
【００３１】
位相シフター１と被処理基板３とが密着配置されている場合、被処理基板３上には、４つの位相シフト線１０ｆ〜１０ｉに対応する部分において光強度の低い十字型の光強度分布が形成されることになる。しかしながら、第１実施形態では位相シフター１と被処理基板３とが近接配置されているので、いわゆるデフォーカス効果（ボケ効果）により、図２（ｂ）および図３に示すように、位相シフト部１０ｅに対応する領域１１において光強度が最も低く、４つの位相シフト線１０ｆ〜１０ｉに対応する十字状領域１２において光強度の比較的低い所定の光強度分布が形成される。
【００３２】
なお、図３に示す光強度分布は、特定の数値例に基づいて得られたシミュレーション結果を模式的に示したものである。この数値例では、位相シフター１の各領域１０ａ〜１０ｄを５μｍ×５μｍの正方形状、光の波長λを２４８ｎｍ、位相シフター１と被処理基板３との間隔Ｄを４８μｍ、照明系２の射出瞳（第２フライアイレンズ２ｅの後側焦点面）に形成される面光源の形状を円形（すなわち円形照明）と想定している。
【００３３】
したがって、第１実施形態では、図２（ｃ）に示すように、位相シフト部１０ｅに対応する領域１１に結晶核１３を発生させることができる。このとき、ライン型の位相シフターと比べ、位相シフト部１０ｅでは４本の位相シフト線が交わっているため、大きなデフォーカス効果を与えても逆ピークパターンが消えにくい。逆にいうと、第１実施形態では、大きなデフォーカス効果を与えることができ、これにより、４つの位相シフト線１０ｆ〜１０ｉに対応する十字状領域１２における光強度分布から不規則なうねり（光強度の増大と減少とを繰り返すような波状分布）を除去することができるので、結晶核１３から十字状に４つの方向に沿って周囲に向かって開始したラテラル成長が途中で停止することなく、大粒径の単結晶１４が生成される。こうして、いわゆる近接法（デフォーカス法）にしたがう第１実施形態では、所望の位置に結晶核を発生させることができるとともに、結晶核からの十分なラテラル成長を実現して大粒径の結晶化半導体膜を生成することができる。
【００３４】
図４は、第１実施形態の変形例にかかる結晶化装置の要部構成および作用を概略的に示す図である。また、図５は、第１実施形態の変形例において図２の位相シフターを用いて被処理基板上で得られる光強度分布を等高線で模式的に示す図である。図４の変形例は第１実施形態と類似の構成を有するが、照明系の射出瞳が一方の方向に沿った大きさと他方の方向に沿った大きさとが実質的に異なる形状を有する点が第１実施形態と基本的に相違している。以下、第１実施形態との相違点に着目して、図４の変形例を説明する。
【００３５】
図４（ａ）を参照すると、照明系２の射出瞳に形成される面光源２ｇが円形状ではなく楕円形状になっている。すなわち、照明系２の射出瞳２ｇの大きさが第１方向（長径方向）１６ａに沿って最も大きく、第１方向と直交する第２方向（短径方向）１６ｂに沿って最も小さくなっている。したがって、照明系２の射出瞳２ｇが最も大きい第１方向１６ａに沿ってデフォーカス効果が最も大きく、射出瞳２ｇが最も小さい第２方向１６ｂに沿ってデフォーカス効果が最も小さくなる。その結果、図４（ｂ）および図５に示すように、第１方向１６ａに対応する位相シフト線の影響を受ける領域１２ａにおける光強度の方が、第２方向１６ｂに対応する位相シフト線の影響を受ける領域１２ｂにおける光強度よりも高く（浅く）なる。
【００３６】
なお、図５に示す光強度分布は、特定の数値例に基づいて得られたシミュレーション結果を模式的に示したものである。この数値例では、第１実施形態と同様に、位相シフター１の各領域１０ａ〜１０ｄを５μｍ×５μｍの正方形状、光の波長λを２４８ｎｍ、位相シフター１と被処理基板３との間隔Ｄを４８μｍと想定している。しかしながら、第１実施形態とは異なり、照明系２の射出瞳に形成される面光源２ｇの形状を、長径：短径が６：５の楕円形（すなわち楕円形照明）と想定している。
【００３７】
図５に示す光強度分布は、周辺よりも低い光強度を有する逆ピーク点１１を有し、逆ピーク点１１から周囲に向かって延び且つ光強度の変化勾配が周辺よりも低い２本の谷線１２ｂを有する。こうして、第１実施形態の変形例では、第１実施形態と同様に、位相シフト部１０ｅに対応する領域１１に結晶核１３が発生する。そして、光強度の高い（浅い）領域１２ａに沿ってラテラル成長が開始することなく、光強度の低い（深い）領域１２ｂに沿ってのみラテラル成長が優先的に開始することになる。その結果、第１実施形態とは異なり、隣接する単結晶の影響を受けることなくラテラル成長するので、第１実施形態よりも大きな単結晶１４を生成することができる。
【００３８】
図６は、第１実施形態の変形例において必要な照明系の射出瞳の大きさを説明するための図である。図６を参照すると、位相シフター１により被処理基板３上に形成される光強度分布において、位相シフト線を中心として位相シフト線と直交する方向に沿って得られる逆ピークパターンの半値幅Ｌは、次の式（１）で表わされる。なお、式（１）において、上述したように、λは光の波長であり、Ｄは位相シフター１と被処理基板３との間隔である。
Ｌ＝１．２×（λＤ／２）^１／２ （１）
【００３９】
一方、照明系２の射出瞳端を通る照明光によるデフォーカス量（ボケ量）Ｂは、次の式（２）で表わされる。なお、式（２）において、θは、考慮する方向に沿った位相シフター１への光の最大入射角である。
Ｂ＝Ｄ×ｔａｎθ （２）
【００４０】
デフォーカス量Ｂが半値幅Ｌを超えると、連続的な変化ではあるが、デフォーカス効果により逆ピークの光強度が高く（浅く）なり、ひいては逆ピークパターンが浅くなり始める。したがって、図４（ｂ）に示す光強度分布において、領域（谷線）１２ａにおける逆ピークの光強度が浅くなり、領域（谷線）１２ｂにおける逆ピークの光強度が浅くなることなく残る条件は、照明系２の射出瞳２ｇが最も大きい第１方向１６ａに沿ってＢ＞Ｌが成立し、射出瞳２ｇが最も小さい第１方向１６ｂに沿ってＢ＜Ｌが成立することである。
【００４１】
こうして、第１実施形態の変形例において必要な照明系２の射出瞳２ｇの大きさ、すなわち位相シフター１への光の最大入射角θｍａｘおよび位相シフター１への光の最大入射角θｍｉｎは、次の条件式（３）および（４）によって規定されることになる。
Ｄ×ｔａｎ（θｍｉｎ）＜１．２×（λＤ／２）^１／２ （３）
Ｄ×ｔａｎ（θｍａｘ）＞１．２×（λＤ／２）^１／２ （４）
【００４２】
図７は、本発明の第２実施形態にかかる結晶化装置の構成を概略的に示す図である。第２実施形態は第１実施形態と類似の構成を有するが、第２実施形態では位相シフター１と被処理基板３との間の光路中に結像光学系５を備えている点が第１実施形態と基本的に相違している。以下、第１実施形態との相違点に着目して、第２実施形態を説明する。なお、図７では、図面の明瞭化のために、照明系２の内部構成の図示を省略している。
【００４３】
第２実施形態では、図７に示すように、被処理基板３は位相シフター１と光学的に共役な面（結像光学系５の像面）から光軸に沿って所定距離だけ離れて設定されている。なお、結像光学系５（および後述の結像光学系６）は、屈折型の光学系であってもよいし、反射型の光学系であってもよいし、屈折反射型の光学系であってもよい。いわゆる投影デフォーカス法にしたがう第２実施形態においても、位相シフター１を用いて、第１実施形態と同じ所望の光強度分布を被処理基板３上に形成し、所望の位置に結晶核を発生させることができるとともに、結晶核からの十分なラテラル成長を実現して大粒径の結晶化半導体膜を生成することができる。
【００４４】
ところで、第１実施形態では被処理基板３におけるアブレーションに起因して位相シフター１が汚染され、ひいては良好な結晶化が妨げられることがある。これに対して、第２実施形態では、位相シフター１と被処理基板３との間に結像光学系５が介在し且つ被処理基板３と結像光学系５との間隔も比較的大きく確保されているので、被処理基板３におけるアブレーションの影響を受けることなく良好な結晶化を実現することができる。
【００４５】
また、第２実施形態では、位相シフター１と被処理基板３との間に設定すべき間隔が非常に小さい（たとえば数μｍ〜数百μｍ）ので、位相シフター１と被処理基板３との間の狭い光路中に位置検出のための検出光を導入することが困難であり、ひいては位相シフター１と被処理基板３との間隔を調整することが困難である。これに対して、第２実施形態では、被処理基板３と結像光学系５との間隔が比較的大きく確保されているので、その間の光路中に位置検出のための検出光を導入して、被処理基板３と結像光学系５との位置関係を調整することが容易である。
【００４６】
図８は、本発明の第３実施形態にかかる結晶化装置の構成を概略的に示す図である。第３実施形態は第２実施形態と類似の構成を有するが、第３実施形態では結像光学系６を介して位相シフター１と被処理基板３とが光学的に共役に配置されている点が第２実施形態と基本的に相違している。以下、第２実施形態との相違点に着目して、第３実施形態を説明する。なお、図８においても、図面の明瞭化のために、照明系２の内部構成の図示を省略している。
【００４７】
第３実施形態では、結像光学系６は、その瞳（射出瞳）に配置された開口絞り６ａを備えている。開口絞り６ａは、開口部（光透過部）の大きさの異なる複数の開口絞りを有し、これらの複数の開口絞りは光路に対して交換可能に構成されている。あるいは、開口絞り６ａは、開口部の大きさを連続的に変化させることのできる虹彩絞りを有する。いずれにしても、開口絞り６ａの開口部の大きさ（ひいては結像光学系６の像側開口数）は、被処理基板３の半導体膜上において所定の光強度分布を発生させるように設定されている。
【００４８】
いわゆる投影ＮＡ法にしたがう第３実施形態においても第１実施形態および第２実施形態と同様に、位相シフター１を用いて所望の光強度分布を被処理基板３上に形成し、所望の位置に結晶核を発生させることができるとともに、結晶核からの十分なラテラル成長を実現して大粒径の結晶化半導体膜を生成することができる。また、第３実施形態においても第２実施形態と同様に、被処理基板３におけるアブレーションの影響を受けることなく良好な結晶化を実現することができるとともに、被処理基板３と結像光学系６との位置関係を調整することが容易である。
【００４９】
図９は、第３実施形態の変形例にかかる結晶化装置の要部構成および作用を概略的に示す図である。図９の変形例は第３実施形態と類似の構成を有するが、結像光学系６の瞳が一方の方向に沿った大きさと他方の方向に沿った大きさとが実質的に異なる形状を有する点が第３実施形態と基本的に相違している。以下、第３実施形態との相違点に着目して、図９の変形例を説明する。
【００５０】
図９（ａ）を参照すると、結像光学系６の瞳に配置された開口絞り６ａの開口部６ｂが円形状ではなく楕円形状になっている。すなわち、結像光学系６の瞳６ｂの大きさが第１方向（長径方向）１７ａに沿って最も大きく、第１方向と直交する第２方向（短径方向）１７ｂに沿って最も小さくなっている。したがって、結像光学系６の瞳６ｂが最も大きい第１方向１７ａに沿ってボケ効果が最も小さく（解像度が最も高く）なり、瞳６ｂが最も小さい第２方向１７ｂに沿ってボケ効果が最も大きく（解像度が最も低く）なる。
【００５１】
その結果、第２方向１７ｂに対応する位相シフト線の影響を受ける領域１２ｂの方が、第１方向１７ａに対応する位相シフト線の影響を受ける領域１２ａよりも光強度の低い部分の幅が広くなる。光照射後、この光強度分布は温度分布に変換されるが、半導体が溶融した状態では熱拡散係数が大きくなるので、溶融している時間内に熱拡散により温度分布が平均化される。したがって、光強度の低い部分の幅が広いほど、熱拡散により平均化された後でも温度が低い（深い）状態に保たれる傾向が強い。その結果、ボケ効果の大きな領域１２ｂは温度が低く（深く）、ボケ効果の小さな領域１２ａは温度が比較的高く（浅く）なる。こうして、第３実施形態の変形例では、位相シフト部１０ｅに対応する領域１１に結晶核１３が発生するが、温度の高い（浅い）領域１２ａに沿ってラテラル成長が開始することなく、温度の低い（深い）領域１２ｂに沿ってのみラテラル成長が優先的に開始することになる。その結果、第１実施形態の変形例と同様に、隣接する単結晶の影響を受けることなくラテラル成長するので、第３実施形態よりも大きな単結晶１４を生成することができる。
【００５２】
なお、上述の各実施形態では、４つの矩形状の領域１０ａ〜１０ｄが１つの頂点１０ｅを共通として隣接配置された形態を有する位相シフター１を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、位相シフト部を構成する点において交わる４本以上の偶数本の位相シフト線を有し、各位相シフト線について一方の側の領域と他方の側の領域とが約１８０度の位相差を有するように構成された位相シフターを用いることもできる。例えば、図１０に示すように、６つ以上の三角形状の領域が１つの頂点を共通として隣接配置された形態を有する位相シフターを用いることもできる。この場合、位相シフト部としての頂点に対応する領域に結晶核が発生し、６つの位相シフト線に対応する方向に沿ってラテラル成長することになる。なお、図１０に示す位相シフターに対しても、図４の変形例および図９の変形例を適用することができる。
【００５３】
また、上述の各実施形態では、位相シフト部において交わる位相シフト線の本数が一定（４本または６本）である例について説明した。しかしながら、これに限定されることなく、第１の偶数本の位相シフト線が交わる第１位相シフト部と、第２の偶数本の位相シフト線が交わる第２位相シフト部とを有し、複数の第１位相シフト部と複数の第２位相シフト部とが交互に配置された形態を有する位相シフターを用いることもできる。例えば、図１１（ａ）に示すように、第１位相シフト部に４本の位相シフト線が交わり、第２位相シフト部に８本の位相シフト線が交わる位相シフターを用いることもできる。
【００５４】
図１１（ａ）に示す位相シフターでは、第１位相シフト部１ａは４つの三角形状の領域が共通とする１つの頂点に対応し、第２位相シフト部１ｂは８つの三角形状の領域が共通とする１つの頂点に対応している。そして、第１位相シフト部１ａと第２位相シフト部１ｂとが縦横に交互配置されている。この場合、図１１（ｂ）に示すように、８本の位相シフト線が交わる第２位相シフト部１ｂに対応する領域１１ｂにおいて光強度が最も低く、４本の位相シフト線が交わる第１位相シフト部１ａに対応する領域１１ａにおいて光強度が次に低く、位相シフト線に対応する領域（図中破線で示す）において光強度の比較的低い所定の光強度分布が形成される。すなわち、光強度が最も低い領域１１ｂから光強度が次に低い領域１１ａへ向かう領域１２ｄにおける光強度の変化勾配は、光強度が最も低い領域１１ｂから光強度が最も低い別の領域１１ｂへ向かう領域１２ｃにおける光強度の変化勾配よりも小さくなる。これは、領域１１ｂと領域１１ｂとの間に領域１１ａが入ることにより、中間部の光強度が下がったためである。
【００５５】
図１２は、第１実施形態において図１１の位相シフターを用いて被処理基板上で得られる光強度分布を等高線で模式的に示す図である。図１２に示す光強度分布は、特定の数値例に基づいて得られたシミュレーション結果を模式的に示したものである。この数値例では、図１１（ａ）に示す位相シフターにおいて８つの三角形状の領域が形成する正方形の寸法を１０μｍ×１０μｍ、光の波長λを２４８ｎｍ、位相シフターと被処理基板３との間隔Ｄを３２μｍ、照明系２の射出瞳（第２フライアイレンズ２ｅの後側焦点面）に形成される面光源の形状を円形（すなわち円形照明）と想定している。
【００５６】
図１２（ａ）に示す光強度分布は、周辺よりも低い光強度を有する逆ピーク点１１ｂを有し、逆ピーク点１１ｂから周囲に向かって延び且つ光強度の変化勾配が周辺よりも低い４本の谷線１２ｄを有する。そして、図１２（ｂ）を参照すると、谷線１２ｄに沿った（図１２（ａ）の線Ａ−Ａに沿った）光強度分布は変曲点を有することがわかる。こうして、図１１（ａ）に示す位相シフターを用いる変形例では、光強度の最も小さい第２位相シフト部１ｂに対応する領域１１ｂに結晶核１３が発生する。
【００５７】
そして、第２位相シフト部１ｂから第２位相シフト部１ｂへ向かう位相シフト線に対応する領域１２ｃに沿ってラテラル成長が開始しにくく、第２位相シフト部１ｂから第１位相シフト部１ａへ向かう位相シフト線に対応する領域１２ｄに沿ってラテラル成長が優先的に開始する。領域１２ｄに沿ったラテラル成長は、隣接するラテラル成長の影響を受けないので、比較的大きな単結晶１４を生成することができる。このように、交わる位相シフト線の本数が異なる位相シフト部を交互配置した位相シフターを用いることにより、被処理基板上で得られる光強度分布を制御し易くなり、設計の自由度を増すことができる。なお、図１１（ａ）に示す位相シフターに対しても、図４の変形例および図９の変形例を適用することができる。
【００５８】
ところで、図４の変形例および図９の変形例では、照明系２の射出瞳および結像光学系６の瞳６ｂを２回対称な楕円形状に設定している。しかしながら、これに限定されることなく、照明系２の射出瞳および結像光学系６の瞳６ｂが一方の方向に沿った大きさと他方の方向に沿った大きさとが実質的に異なる形状（たとえば長方形など）を有するように設定することもできる。
【００５９】
なお、上述の各実施形態において、光強度分布は設計の段階でも計算できるが、実際の被処理面（被露光面）での光強度分布を観察して確認しておくことが望ましい。そのためには、被処理面を光学系で拡大し、ＣＣＤなどの撮像素子で入力すれば良い。使用光が紫外線の場合は、光学系が制約を受けるため、被処理面に蛍光板を設けて可視光に変換しても良い。
【００６０】
図１３は、各実施形態の結晶化装置を用いて電子デバイスを作製する工程を示す工程断面図である。図１３（ａ）に示すように、絶縁基板８０（例えば、アルカリガラス、石英ガラス、プラスチック、ポリイミドなど）の上に、下地膜８１（例えば、膜厚５０ｎｍのＳｉＮおよび膜厚１００ｎｍのＳｉＯ_２積層膜など）および非晶質半導体膜８２（例えば、膜厚５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度のＳｉ，Ｇｅ，ＳｉＧｅなど）を、化学気相成長法やスパッタ法などを用いて成膜することにより、被処理基板３を準備する。そして、各実施形態の結晶化装置を用いて、非晶質半導体膜８２の表面の一部もしくは全部に、レーザ光８３（例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光やＸｅＣｌエキシマレーザ光など）を照射する。
【００６１】
こうして、図１３（ｂ）に示すように、大粒径の結晶を有する多結晶半導体膜または単結晶化半導体膜８４が生成される。次に、図１３（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて多結晶半導体膜または単結晶化半導体膜８４を島状の半導体膜８５に加工し、ゲート絶縁膜８６として膜厚２０ｎｍ〜１００ｎｍのＳｉＯ_２膜を化学気相成長法やスパッタ法などを用いて成膜する。さらに、図１３（ｄ）に示すように、ゲート電極８７（例えば、シリサイドやＭｏＷなど）を形成し、ゲート電極８７をマスクにして不純物イオン８８（Ｎチャネルトランジスタの場合にはリン、Ｐチャネルトランジスタの場合にはホウ素）を注入する。その後、窒素雰囲気でアニール処理（例えば、４５０°Ｃで１時間）を行い、不純物を活性化する。次に、図１３（ｅ）に示すように、層間絶縁膜８９を成膜してコンタクト穴をあけ、チャネル９０でつながるソース９１およびドレイン９２に接続するソース電極９３およびドレイン電極９４を形成する。
【００６２】
以上の工程において、図１３（ａ）および（ｂ）に示す工程で生成された多結晶半導体膜または単結晶化半導体膜８４の大粒径結晶の位置に合わせて、チャネル９０を形成する。以上の工程により、多結晶トランジスタまたは単結晶化半導体トランジスタを形成することができる。こうして製造された多結晶トランジスタまたは単結晶化トランジスタは、液晶ディスプレイやＥＬ（エレクトロルミネッセンス）ディスプレイなどの駆動回路や、メモリ（ＳＲＡＭやＤＲＡＭ）やＣＰＵなどの集積回路などに適用可能である。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、位相シフト部を構成する点において交わる４本以上の偶数本の位相シフト線を有し、各位相シフト線について一方の側の領域と他方の側の領域とが約１８０度の位相差を有するように構成された位相シフターを用いているので、位相シフト部に対応する領域に結晶核を発生させることができ、ライン型の位相シフターと比べて比較的大きなデフォーカス効果やボケ効果を加えられるので、位相シフト部に対応する領域における光強度分布は不規則なうねりを伴うことがない。したがって、結晶核から周囲に向かって開始したラテラル成長が途中で停止することなく、大粒径の単結晶が生成される。その結果、本発明では、所望の位置に結晶核を発生させることができるとともに、結晶核からの十分なラテラル成長を実現して大粒径の結晶化半導体膜を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる結晶化装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】第１実施形態における位相シフターの基本単位部分の構成および作用を概略的に示す図である。
【図３】第１実施形態において図２の位相シフターを用いて被処理基板上で得られる光強度分布を等高線で模式的に示す図である。
【図４】第１実施形態の変形例にかかる結晶化装置の要部構成および作用を概略的に示す図である。
【図５】第１実施形態の変形例において図２の位相シフターを用いて被処理基板上で得られる光強度分布を等高線で模式的に示す図である。
【図６】第１実施形態の変形例において必要な照明系の射出瞳の大きさを説明するための図である。
【図７】本発明の第２実施形態にかかる結晶化装置の構成を概略的に示す図である。
【図８】本発明の第３実施形態にかかる結晶化装置の構成を概略的に示す図である。
【図９】第３実施形態の変形例にかかる結晶化装置の要部構成および作用を概略的に示す図である。
【図１０】各実施形態および各変形例において適用可能な位相シフターの別の形態を概略的に示す図である。
【図１１】各実施形態および各変形例において適用可能な位相シフターのさらに別の形態の構成および作用を概略的に示す図である。
【図１２】第１実施形態において図１１の位相シフターを用いて被処理基板上で得られる光強度分布を等高線で模式的に示す図である。
【図１３】各実施形態の結晶化装置を用いて電子デバイスを作製する工程を示す工程断面図である。
【図１４】ライン型の位相シフターの構成および作用を説明する図である。
【図１５】ライン型の位相シフターを用いて得られる光強度分布を示す図である。
【符号の説明】
１ 位相シフター
２ 照明系
２ａ ＫｒＦエキシマレーザ光源
２ｂ ビームエキスパンダ
２ｃ，２ｅ フライアイレンズ
２ｄ，２ｆ コンデンサー光学系
３ 被処理基板
４ 基板ステージ
５，６ 結像光学系
６ａ 開口絞り

Claims (25)

1. 位相シフターを照明する照明系を備え、前記位相シフターの位相シフト部に対応する領域において光強度の最も小さい所定の光強度分布を有する光を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置において、
   前記位相シフターは、前記位相シフト部を構成する点において交わる４本以上の偶数本の位相シフト線を有し、各位相シフト線について一方の側の領域と他方の側の領域とが約１８０度の位相差を有するように構成されていることを特徴とする結晶化装置。
2. 前記位相シフターは、４つの矩形状の領域が１つの頂点を共通として隣接配置された形態を有することを特徴とする請求項１に記載の結晶化装置。
3. 前記位相シフターは、６つ以上の三角形状の領域が１つの頂点を共通として隣接配置された形態を有することを特徴とする請求項１に記載の結晶化装置。
4. 前記位相シフターは、第１の偶数本の位相シフト線が交わる第１位相シフト部と、第２の偶数本の位相シフト線が交わる第２位相シフト部とを有し、複数の第１位相シフト部と複数の第２位相シフト部とが交互に配置された形態を有することを特徴とする請求項１に記載の結晶化装置。
5. 前記第１位相シフト部は４本の位相シフト線が交わる点に対応し、前記第２位相シフト部は８本の位相シフト線が交わる点に対応していることを特徴とする請求項４に記載の結晶化装置。
6. 前記第１位相シフト部は４つの三角形状の領域が共通とする１つの頂点に対応し、前記第２位相シフト部は８つの三角形状の領域が共通とする１つの頂点に対応していることを特徴とする請求項５に記載の結晶化装置。
7. 前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとは互いにほぼ平行に且つ近接して配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の結晶化装置。
8. 前記照明系の射出瞳は、一方の方向に沿った大きさと他方の方向に沿った大きさとが実質的に異なる形状を有することを特徴とする請求項７に記載の結晶化装置。
9. 前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとの間隔をＤとし、光の波長をλとし、前記照明系の射出瞳が最も大きい方向に沿った前記位相シフターへの光の最大入射角をθｍａｘとし、前記照明系の射出瞳が最も小さい方向に沿った前記位相シフターへの光の最大入射角をθｍｉｎとするとき、
   Ｄ×ｔａｎ（θｍｉｎ）＜１．２×（λＤ／２）^１／２
   Ｄ×ｔａｎ（θｍａｘ）＞１．２×（λＤ／２）^１／２
   の条件を満足することを特徴とする請求項８に記載の結晶化装置。
10. 前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとの間の光路中に配置された結像光学系をさらに備え、
    前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜は、前記位相シフターと光学的に共役な面から前記結像光学系の光軸に沿って所定距離だけ離れて設定されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の結晶化装置。
11. 前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとの間の光路中に配置された結像光学系をさらに備え、
    前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜は、前記位相シフターと光学的にほぼ共役な面に設定され、
    前記結像光学系の像側開口数は、前記所定の光強度分布を発生させるための所要の値に設定されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の結晶化装置。
12. 前記結像光学系の瞳は、一方の方向に沿った大きさと他方の方向に沿った大きさとが実質的に異なる形状を有することを特徴とする請求項１１に記載の結晶化装置。
13. 所定の光強度分布を有する光を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置において、
    前記所定の光強度分布は、周辺よりも低い光強度を有する逆ピーク点を有し、該逆ピーク点から周囲に向かって延び且つ光強度の変化勾配が周辺よりも低い谷線を２本以上有することを特徴とする結晶化装置。
14. 前記谷線に沿った光強度分布は変曲点を有することを特徴とする請求項１３に記載の結晶化装置。
15. 位相シフターを照明し、前記位相シフターの位相シフト部に対応する領域において光強度の最も小さい所定の光強度分布を有する光を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法において、
    前記位相シフト部を構成する点において交わる４本以上の偶数本の位相シフト線を有し、各位相シフト線について一方の側の領域と他方の側の領域とが約１８０度の位相差を有するように構成された位相シフターを用いることを特徴とする結晶化方法。
16. 前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとを互いにほぼ平行に且つ近接して配置することを特徴とする請求項１５に記載の結晶化方法。
17. 前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとの間の光路中に結像光学系を配置し、
    前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜の表面を前記位相シフターと光学的に共役な面から前記結像光学系の光軸に沿って所定距離だけ離れて設定することを特徴とする請求項１５に記載の結晶化方法。
18. 前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフターとの間の光路中に結像光学系を配置し、
    前記結像光学系の像側開口数を前記所定の光強度分布を発生させるための所要の値に設定し、
    前記結像光学系を介して前記位相シフターと光学的に共役な位置に前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜を設定することを特徴とする請求項１５に記載の結晶化方法。
19. 所定の光強度分布を有する光を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法において、
    周辺よりも低い光強度を有する逆ピーク点を有し、該逆ピーク点から周囲に向かって延び且つ光強度の変化勾配が周辺よりも低い谷線を２本以上有する光強度分布の光を、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜に照射することを特徴とする結晶化方法。
20. 位相シフト部を構成する点において交わる４本以上の偶数本の位相シフト線を有し、各位相シフト線について一方の側の領域と他方の側の領域とが約１８０度の位相差を有するように構成されていることを特徴とする位相シフター。
21. ４つの矩形状の領域が１つの頂点を共通として隣接配置された形態を有することを特徴とする請求項２０に記載の位相シフター。
22. ６つ以上の三角形状の領域が１つの頂点を共通として隣接配置された形態を有することを特徴とする請求項２０に記載の位相シフター。
23. 第１の偶数本の位相シフト線が交わる第１位相シフト部と、第２の偶数本の位相シフト線が交わる第２位相シフト部とを有し、複数の第１位相シフト部と複数の第２位相シフト部とが交互に配置された形態を有することを特徴とする請求項２０に記載の位相シフター。
24. 前記第１位相シフト部は４本の位相シフト線が交わる点に対応し、前記第２位相シフト部は８本の位相シフト線が交わる点に対応していることを特徴とする請求項２３に記載の位相シフター。
25. 前記第１位相シフト部は４つの三角形状の領域が共通とする１つの頂点に対応し、前記第２位相シフト部は８つの三角形状の領域が共通とする１つの頂点に対応していることを特徴とする請求項２４に記載の位相シフター。

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