JP2004349433A - 結晶化装置、結晶化方法およびデバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】結晶核からの十分なラテラル方向の結晶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】互いに隣接するように配置された複数のレンズ要素からなるレンズアレイ（１）と、レンズアレイを照明するための照明系（２）とを備えている。照明系は、レンズアレイを介して半導体膜（３）に所定の光強度分布を有する光を照射して結晶化半導体膜を生成するために、光強度の異なる複数の光束を互いに異なる方向からレンズアレイに照射する。
【選択図】 図１
【解決手段】互いに隣接するように配置された複数のレンズ要素からなるレンズアレイ（１）と、レンズアレイを照明するための照明系（２）とを備えている。照明系は、レンズアレイを介して半導体膜（３）に所定の光強度分布を有する光を照射して結晶化半導体膜を生成するために、光強度の異なる複数の光束を互いに異なる方向からレンズアレイに照射する。
【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、結晶化方法およびデバイスに関する。特に、本発明は、所定の光強度分布を有する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結晶化装置および結晶化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）は、非晶質シリコン（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−Ｓｉｌｉｃｏｎ）層や多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉｌｉｃｏｎ）層に形成されている。
【０００３】
多結晶シリコン層は、非晶質シリコン層よりも電子又は正孔の移動度が高い。したがって、多結晶シリコン層にトランジスタを形成した場合、非晶質シリコン層に形成する場合よりも、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、ドライバ回路やＤＡＣなどの周辺回路は、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、単結晶シリコンに比べると電子又は正孔の移動度が低い。また、多結晶シリコンに形成された多数の薄膜トランジスタは、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、電子又は正孔の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なくすために、大粒径の結晶化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）法」が知られている。位相制御ＥＬＡ法の詳細は、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法では、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（以降、「ラテラル成長」もしくは「ラテラル方向成長」とよぶ）することにより大粒径の単結晶粒が生成される。
【０００７】
従来、特開２０００−３０６８５９号公報には、位相シフトマスク（位相シフター）を介して発生させた逆ピークパターンの光強度分布を有する光を半導体膜に照射して結晶化を行う技術が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−３０６８５９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来技術では、直線状（または曲線状）の位相シフト段差を組み合わせた位相シフターにより光強度分布を生成する。このため、位相シフターの１つの単位要素を介して形成される光強度分布は、基本的に均一な光強度分布の中に光強度の非常に小さい部分が存在するような分布である。したがって、輝点を組み合わせてパターンを生成する場合と比べて設計の自由度が少なく、たとえば、黒の領域（光強度の非常に小さい領域）の中に１点だけ白の領域（所定の光強度を有する領域）を有するようなパターンを生成することはできない。また、位相シフターの１つの単位要素を介して形成される光強度分布は、基本的に線状であり、点状のパターン、例えば、黒の領域の中に１点だけ白の領域を有するようなパターンを生成することはできない。
【００１０】
後述するように、結晶核からの十分なラテラル方向の結晶成長を実現して大粒径の結晶化半導体膜を生成するには、たとえば凹型パターン＋逆ピークパターンの光強度分布が好適である。しかしながら、位相シフターを用いる従来技術では、上述の理由により、結晶化に適した凹型パターン＋逆ピークパターンの光強度分布を得ることができない。
【００１１】
なお、結晶化に適した光強度分布を得るために、従来のクロムマスクや位相シフトマスクなどを介して投影露光する方法も考えられる。しかしながら、これらの方法は、基本的にはバイナリパターンを生成するものであり、階調を有するパターンを生成することはできない。また、結晶化に適した光強度分布を得るために、階調を有するパターンを生成することのできる光吸収材料をマスクに用いることも考えられる。しかしながら、半導体膜の結晶化のために必要な大きな光強度（たとえば１００ｍＪ／ｃｍ２）に耐え得る材料はなく、また光吸収に起因する発熱等の問題もあり、その実現には困難を伴う。
【００１２】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、結晶核からの十分な長さのラテラル方向の結晶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、結晶化方法およびデバイス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、互いに隣接するように配置された複数のレンズ要素からなるレンズアレイと、
前記レンズアレイを照明するための照明系とを備え、
前記照明系は、前記レンズアレイを介して多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に所定の光強度分布を有する光を照射して結晶化半導体膜を生成するために、光強度の異なる複数の光束を互いに異なる方向から前記レンズアレイに照射することを特徴とする結晶化装置を提供する。
【００１４】
この構成では、レンズアレイに照射する各光束の光強度を意図的に制御することにより、半導体膜の表面に任意の光強度分布を形成することができる。具体的には、たとえば凹型パターンの光強度分布と、この凹型パターンの光強度分布で光強度の小さい部分における逆ピークパターンの光強度分布との合成光強度分布、すなわち凹型パターン＋逆ピークパターンの光強度分布を形成することができる。その結果、結晶核の形成位置すなわち結晶成長の開始点を逆ピークパターンの光強度分布の中心へ極力近づけることができ、凹型パターンの光強度分布における光強度の変化方向に沿って結晶核からの十分なラテラル方向の結晶成長を実現して、大粒径の結晶化半導体膜を生成することができる。
【００１５】
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は、前記レンズアレイの後側焦点またはその近傍に配置されている。また、前記レンズアレイは、二次元的に且つ稠密に配置された複数のレンズ要素からなることが好ましい。
【００１６】
また、第１形態の好ましい態様によれば、前記レンズアレイの互いに隣接する２つのレンズ要素を介して前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜上に形成される２つの光パターンは互いにほぼ接する。また、前記レンズ要素は、屈折型のレンズ要素または回折型のレンズ要素であることが好ましい。
【００１７】
また、第１形態の好ましい態様によれば、前記照明系は、光の通過位置によって透過率の異なる透過率変調素子を有する。この場合、前記照明系はフライアイレンズを有し、前記透過率変調素子は前記フライアイレンズの射出面の近傍に配置されていることが好ましい。
【００１８】
あるいは、第１形態の好ましい態様によれば、前記照明系は、所定面に入射する光束の光強度分布を制御するためのホログラムとを有する。この場合、前記照明系はフライアイレンズを有し、前記ホログラムは前記フライアイレンズに入射する光束の光強度分布を制御することが好ましい。
【００１９】
本発明の第２形態では、互いに隣接するように配置された複数のレンズ要素からなるレンズアレイに対して、光強度の異なる複数の光束を互いに異なる方向から照射し、前記レンズアレイを介して多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に所定の光強度分布を有する光を照射することにより結晶化半導体膜を生成することを特徴とする結晶化方法を提供する。この場合も結晶化装置の場合と同様に、たとえば凹型パターン＋逆ピークパターンの光強度分布に基づいて、結晶核からの十分なラテラル方向の結晶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。
【００２０】
本発明の第３形態では、第１形態の結晶化装置または第２形態の結晶化方法を用いて製造されたことを特徴とするデバイスを提供する。この場合、結晶核からの十分なラテラル成長を実現して得られた大粒径の結晶化半導体膜に基づいて、良好な半導体デバイスや液晶表示デバイスなどを製造することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の基本原理を説明する図である。図１（ａ）を参照すると、互いに隣接するように配置された複数のレンズ要素１ａからなるレンズアレイ１の後側焦点またはその近傍に、多結晶半導体膜（または非晶質半導体膜）が形成された被処理基板３が位置決めされている。そして、レンズアレイ１には、光強度の異なる複数の光束が互いに異なる方向から照射されている。
【００２２】
以下、説明を簡単にするために、５つの光束ａ〜ｅが互いに異なる方向からレンズアレイ１に照射されているものとする。また、光束ａは光軸と平行な（すなわち光軸と０度の角度をなす）平行光束であり、光束ｂ，ｃ，ｄ，ｅはそれぞれ光軸とΔθ，２Δθ，３Δθ，４Δθの角度をなす平行光束であるものとする。各光束ａ〜ｅは、各レンズ要素１ａによりそれぞれ集光され、被処理基板３の表面（露光面）に集光してスポットを形成する。
【００２３】
このとき、各光束ａ〜ｅにおいて入射角度をθとし、各レンズ要素１ａのレンズの後側主点と被処理基板３の表面との間隔をｄとし、被処理基板３の表面において各レンズ要素１ａの光軸に対応する中心点から当該レンズ要素１ａを介して形成されるスポットの中心までの距離をＬとすると、次の式（１）に示す関係が成立する。
Ｌ＝ｄ×ｔａｎθ≒ｄ×θ （１）
【００２４】
このように、互いに異なる入射角θを有する５つの光束ａ〜ｅは、１つのレンズ要素１ａを介して、被処理基板３の表面に５つの光束スポットを形成する。このとき、入射角度間隔Δθとスポット間隔ΔＬとの間には、次の式（２）に示す関係が成立する。
ΔＬ＝ｄ×Δθ （２）
【００２５】
すなわち、光束ａにより形成されるスポットの中心は上記中心点と一致し、光束ｂ，ｃ，ｄ，ｅにより形成されるスポットの中心は上記中心点からそれぞれΔＬ，２ΔＬ，３ΔＬ，４ΔＬだけ離れることになる。また、スポットの大きさすなわちスポット径（円形の場合には直径）Ｒは、光の波長をλとし、各レンズ要素１ａの開口数をＮＡとすると、回折限界により次の式（３）により表わされる。
Ｒ＝１．２２×λ／ＮＡ （３）
【００２６】
こうして、光束の入射角度間隔Δθを十分小さくすることによりスポット間隔ΔＬがスポット径Ｒの半分程度以下になるように設定すると、すなわち次の式（４）で表わされる条件式を、ひいては次の式（５）で表わされる条件式を満足するように設定すると、複数のスポットの集合が実質的に連続的な光強度分布を形成することになる。
ΔＬ＜Ｒ／２ （４）
ｄ×Δθ＜０．６１×λ／ＮＡ （５）
【００２７】
ただし、上述の条件式（５）を満たさなくても、次の３つの方法によりスポット径Ｒを大きくすることにより、実質的に連続的な光強度分布を形成することが可能である。第１は、各光束を平行光束ではなく散乱させる方法である。第２は、被処理基板３の表面をレンズアレイ１の後側焦点から光軸方向に位置ずれ（デフォーカス）させる方法である。第３は、レンズアレイ１を構成する各レンズ要素１ａに意図的な収差を付与する方法である。
【００２８】
各光束ａ〜ｅが互いに同じ光強度を有する場合、１つのレンズ要素１ａを介して被処理基板３の表面に形成される光強度分布はほぼ均一になる。しかしながら、各光束ａ〜ｅの光強度を意図的に制御すれば、被処理基板３の表面に任意の光強度分布を形成することができる。具体的には、光束ａの光強度が最も小さく、光束ｅの光強度が最も大きく、光束ａから光束ｅに向かって光強度が次第に大きくなるように適宜設定することにより、図１（ｂ）に示すような光強度分布を形成することができる。なお、ここでの説明にはレンズアレイ１に入射する光束の入射角度が一次元的に分布する例を用いているが、実際には二次元的に分布することも可能である。図１（ｃ）は二次元的に分布させた場合の例である。これについては実施例において詳述する。
【００２９】
図１（ｂ）および（ｃ）に示す光強度分布は、凹型パターンの光強度分布１０と、この凹型パターンの光強度分布１０で光強度の小さい部分における逆ピークパターンの光強度分布１１との合成光強度分布、すなわち凹型パターン＋逆ピークパターンの光強度分布１０，１１である。凹型パターン＋逆ピークパターンの光強度分布では、結晶核の形成位置すなわち結晶成長の開始点を逆ピークパターンの光強度分布１１の中心へ極力近づけることができ、凹型パターンの光強度分布１０における光強度の変化方向に沿って結晶核からの十分なラテラル方向の結晶成長を実現して、大粒径の結晶化半導体膜を生成することができる。また、図１（ｃ）に示すような二次元分布の場合は、逆ピークパターンの光強度分布１１の作用により、結晶核の形成位置を、ひいては結晶成長開始点を二次元的に位置制御することができるという利点もある。
【００３０】
さらに、互いに隣接する２つのレンズ要素１ａを介して形成される２つの光強度分布（光パターン）が互いにほぼ接するように設定することにより、アレイ化された光強度分布を生成することが可能となり、高い充填率で結晶粒をアレイ状に生成することができる。
【００３１】
本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。
図２は、本発明の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。また、図３は、図１の照明系においてフライアイレンズの射出面の近傍に配置された透過率変調素子の構成を概略的に示す図である。図２を参照すると、本実施形態の結晶化装置は、二次元的に且つ稠密に配置された多数のレンズ要素（図２では不図示）１ａからなるレンズアレイ１を照明するための照明系２を備えている。
【００３２】
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やＹＡＧ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。第１フライアイレンズ２ｃは、例えば複数の平凸レンズの組である。
【００３３】
こうして、第１フライアイレンズ２ｃの後側焦点面２ｃ−ｐ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２ｅ−ｐには、第１フライアイレンズ２ｃの後側焦点面２ｃ−ｐ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２ｅ−ｐ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、レンズアレイ１を重畳的に照明する。第２フライアイレンズ２ｅは、例えば両凸レンズの組である。第２フライアイレンズ２ｅの後側焦点面２ｅ−ｐ近傍には、透過率変調素子２ｇが設けられる。
【００３４】
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光源２ａから供給されたレーザ光についてレンズアレイ１の入射面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第１ホモジナイザからの入射角度が均一化されたレーザ光についてレンズアレイ１の入射面上での面内各位置での光強度に関する均一化が図られる。レンズアレイ１の入射面は、第２コンデンサー光学系２ｆの後側焦点面に設けられる。
【００３５】
レンズアレイ１を構成する各レンズ要素１ａを通過したレーザ光は、被処理基板３の表面においてそれぞれ所定の光強度分布を有する光パターンを形成する。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（ＣＶＤ）により下地膜および非晶質シリコン膜が順次形成されたものである。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上において予め定められた所定の位置に位置決めされて保持されている。
【００３６】
上述したように、第１フライアイレンズ２ｃの作用により、第２フライアイレンズ２ｅの出射面またはその近傍には、比較的均一な光強度分布が形成される。本実施形態では、第２フライアイレンズ２ｅの射出面の近傍に、光の通過位置によって透過率の異なる透過率変調素子２ｇが配置されている。透過率変調素子２ｇは、図３に示すように、第２フライアイレンズ２ｅの各レンズエレメントにそれぞれ対応するように位置決めされた複数の開口部（光透過部）を有する。なお、図３において、斜線部は遮光部を示し、空白部は光透過部を示している。図３に示す透過率変調素子の例は、図１（ｂ）に示した光強度分布を光軸に対して回転することにより得られる二次元的光強度分布を生成するための例である。
【００３７】
具体的には、透過率変調素子２ｇにおいて、光軸ＡＸに位置するレンズエレメントに対応する開口部が最も小さく、光軸ＡＸから最も離れたレンズエレメントに対応する開口部が最も大きく設定されている。また、レンズエレメントが光軸ＡＸから離れれば離れるほど、対応する開口部が大きくなるように設定されている。ここで、光軸ＡＸに位置するレンズエレメントおよびこれに対応する最も小さな開口部を通過する光束は、光軸ＡＸと０度の角度をなしてレンズアレイ１の入射面に入射する光強度の最も小さい平行光束になり、図１の光束ａに対応することになる。
【００３８】
一方、光軸ＡＸから最も離れたレンズエレメントおよびこれに対応する最も大きな開口部を通過する光束は、光軸ＡＸと最も大きな角度をなしてレンズアレイ１の入射面に入射する光強度の最も大きい平行光束になり、図１の光束ｅに対応することになる。また、その他のレンズエレメントおよびこれに対応する開口部を通過する光束は、レンズエレメントが光軸ＡＸから離れれば離れるほど、レンズアレイ１への入射角度および光強度の大きい平行光束になり、図１の光束ｂ〜ｅに対応することになる。透過率変調素子２ｇを透過した光束は、光強度と進行方向の異なる複数の光束となり、前記レンズアレイ１に照射される。
【００３９】
こうして、本実施形態では、第２フライアイレンズ２ｅの射出面の近傍に配置された透過率変調素子２ｇの開口率分布により、たとえば図１（ｂ）および（ｃ）に示すような凹型パターン＋逆ピークパターンの光強度分布が被処理基板３の表面に形成される。その結果、結晶成長の開始点を逆ピークパターンの光強度分布の中心へ極力近づけることができ、凹型パターンの光強度分布における光強度の変化方向に沿って結晶核からの十分なラテラル方向の結晶成長を実現して、大粒径の結晶化半導体膜を生成することができる。また、逆ピークパターンの光強度分布の作用により、結晶核の形成位置を、ひいては結晶生成位置を二次元的に位置制御することができる。このとき結晶成長を開始する光強度が、逆ピークパターンの光強度分布１１の内側にくるように設定することが望ましい。
【００４０】
さらに、互いに隣接する２つのレンズ要素１ａを介して形成される２つの光パターンが互いにほぼ接するように設定することにより、アレイ化された光強度分布を生成することができ、高い充填率で結晶粒をアレイ状に生成することができる。
【００４１】
なお、上述の実施形態では、透過率変調素子２ｇが所定の開口率分布を有するように形成されている。しかしながら、これに限定されることなく、たとえばＳｉＯＸＮＹ等の半透過材料を用いて所定の厚さ分布を有する薄膜を形成することにより光透過率分布を制御してもよい。また、反射多層膜の反射率の分布により光透過率分布を制御する方法や、回折効率の分布により光透過率分布を制御する方法も可能である。
【００４２】
図４は、本実施形態の変形例にかかる照明系の構成を概略的に示す図である。図４の変形例にかかる照明系は、図１の実施形態における照明系と類似の構成を有する。しかしながら、図４の変形例では、第１フライアイレンズ２ｃに代えてホログラム２ｈを配置し且つ透過率変調素子２ｇの設置を省略している点が図１の実施形態と基本的に相違している。以下、図１の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。
【００４３】
図４を参照すると、ホログラム２ｈは第１コンデンサー光学系２ｄの前側焦点またはその近傍に配置され、第２フライアイレンズ２ｅの入射面は第１コンデンサー光学系２ｄの後側焦点またはその近傍に配置されている。ホログラム２ｈの像は、第２フライアイレンズ２ｅの出射面上に結像され、ホログラムを光源と考えると基本的なケーラー照明の構成となる。なお、第２フライアイレンズ２ｅの出射面全体における光強度分布は、第２フライアイレンズ２ｅの入射面における光強度分布と実質的に同じである。図４の配置ではホログラム２ｈと第２フライアイレンズ２ｅの入射面は光学的フーリエ変換の関係にある。したがってこの配置においては、ホログラム２ｈはフーリエ変換ホログラムが最適である。
【００４４】
そこで、図４の変形例では、たとえば図１（ｂ）および（ｃ）に示すような凹型パターン＋逆ピークパターンの光強度分布を被処理基板３の表面に形成するのに必要な面光源の光強度分布、ひいては第２フライアイレンズ２ｅの入射面における光強度分布を、フーリエ変換ホログラム２ｈの作用により実現する。換言すれば、フーリエ変換ホログラム２ｈの作用により第２フライアイレンズ２ｅの入射面に形成される光強度分布を制御し、ひいては被処理基板３の表面に所望の光強度分布、たとえば凹型パターン＋逆ピークパターンの光強度分布を形成する。
【００４５】
なお、フーリエ変換ホログラムについては、辻内順平著，「ホログラフィー」，しょう華房，ｐ２５などに記載されている。また、ホログラム作成方法として計算機ホログラムを用いる方法が有力であるが、その設計方法は、「計算機ホログラムの最適化手法」，Ｏ ｐｌｕｓ Ｅ，Ｎｏ．２０４，ｐ８３などに記載されている。また、計算機ホログラム以外にも、所定の光学系、例えばフーリエ変換光学系と透過率変調素子とを組み合わせた光学系を用いて感光材料に記録する方法も可能である。もちろん、照明系２の光学系を対応した配置にすることにより、フーリエ変換ホログラム以外のホログラムを利用することもできる。
【００４６】
ところで、ホログラムが完全でない場合には不要な０次光が発生し、この不要０次光は第２フライアイレンズ２ｅの光軸ＡＸに位置する中央レンズエレメントに入射する。この場合、中央レンズエレメントに透過率フィルターを設けることにより、あるいは中央レンズエレメントの入射光または射出光を完全に遮ることにより、不要０次光の問題を解決することができる。なお、結晶化に必要な非常に大きな光強度に耐えるために、光透過材料の表面に凹凸の形で干渉縞を形成するレリーフホログラムと呼ばれる方法を用いることが望ましい。
【００４７】
図５は、図１の実施形態の数値実施例における透過率変調素子の開口率分布を示す図である。また、図６は、図１の実施形態の数値実施例において被処理基板の表面に形成される光強度分布を模式的に示す図である。数値実施例では、ＫｒＦエキシマレーザ光源２ａから供給されるレーザ光の波長λを０．２４８μｍと想定している。また、１０μｍ×１０μｍの正方形状のレンズ要素１ａを縦横に且つ稠密に２１個×２１個＝４４１個配置することによりレンズアレイ１が構成されているものと想定している。
【００４８】
また、レンズアレイ１の焦点距離（ひいては各レンズ要素１ａの焦点距離）ｆを６０μｍと想定し、各レンズ要素１ａのレンズ主点と被処理基板３の表面との間隔ｄを６０μｍと想定し、入射角度間隔Δθを０．００８３ｒａｄ（ラジアン）と想定している。その結果、レンズアレイ１の開口数ＮＡは約０．０８３（ＮＡ≒５／６０）になり、スポット径Ｒは約１．８μｍ（Ｒ＝１．２２×０．２４８／０．０８３）になり、スポット間隔ΔＬは約０．５μｍ（ΔＬ＝ｄ×Δθ＝６０×０．００８３）になる。
【００４９】
また、第２フライアイレンズ２ｅの射出面に配置された透過率変調素子２ｇは図５に示すような開口率分布を有するものと想定している。なお、透過率変調素子２ｇの開口率分布は縦方向のセンターラインおよび横方向のセンターラインに関して対称であり、図５には透過率変調素子２ｇの約１／４の領域の開口率分布だけを示している。この２１個×２１個＝４４１個の配置はフライアイレンズの配置に対応している。図５を参照すると、透過率変調素子２ｇにおいて、第２フライアイレンズ２ｅの光軸ＡＸに位置する中央レンズエレメントに対応する開口率が０で最も小さく、光軸ＡＸから横方向に最も離れたレンズエレメントに対応する開口率が１で最も大きく設定されている。
【００５０】
こうして、数値実施例では、入射角度間隔Δθを十分小さくすることによりスポット間隔ΔＬがスポット径Ｒの半分以下になるように設定されている。その結果、図６に示すように、被処理基板３の表面には、実質的に連続的な光強度分布、すなわち凹型パターン＋逆ピークパターンの光強度分布が形成された。なお、図６に示す光強度の値は各光束によるスポット単独の光強度値を図示したものである。光強度分布の微細な形状まで得るには、スポットの光強度分布およびスポット間隔の影響を考慮して計算する必要がある。
【００５１】
なお、上述の実施形態において、レンズアレイ１を構成するレンズ要素は屈折型のレンズ要素に限定されることなく、たとえば回折型のレンズ要素を用いてレンズアレイ１を構成することもできる。
【００５２】
また、上述の実施形態において、レンズアレイ１と被処理基板３との間に結像光学系を介在させる変形例も可能である。この場合、結像光学系によりレンズアレイ１の後側焦点面と被処理基板３の表面とが光学的にほぼ共役に配置されることになる。なお、結像光学系は、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。
【００５３】
なお、以上の説明ではレンズアレイ１に対する入射光束は離散的な有限個数の平行光束の集合としていたが、入射角度により連続的に変化する単一の散乱光束でもよい。この構成を実現する場合は、例えば図２においてフライアイレンズ２ｅの代わりに拡散板を配置し、また透過率変調素子２ｇは離散的な透過率分布を有するものではなく連続的な透過率分布を有するものとすればよい。ただしこの場合、透過率変調素子２ｇは開口率を変調するものではなく、直接透過率を変調するものでなくてはならない。
【００５４】
また、上述の実施形態において、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、被処理基板３の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。
【００５５】
図７は、本実施形態の結晶化装置を用いて結晶化された領域に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７（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ＳｉＯ２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した被処理基板３を準備する。そして、図１に示す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例えば予め定められた領域に、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。
【００５６】
こうして、図７（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７（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を例えば薄膜トランジスタを形成するための領域となる島状の半導体膜８５に加工し、表面にゲート絶縁膜８６として膜厚２０ｎｍ〜１００ｎｍのＳｉＯ２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７（ｄ）に示すように、ゲート絶縁膜上にゲート電極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）をイオン注入する。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、不純物を活性化して島状の半導体膜８５にソース領域９１、ドレイン領域９２を形成する。次に、図７（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。
【００５７】
以上の工程において、図７（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に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）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、液晶表示装置（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。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、レンズアレイに照射する各光束の光強度を意図的に制御することにより、半導体膜の表面に任意の光強度分布、たとえば凹型パターン＋逆ピークパターンの光強度分布を形成することができる。その結果、結晶核の形成位置すなわち結晶成長の開始点を逆ピークパターンの光強度分布の中心へ極力近づけることができ、凹型パターンの光強度分布における光強度の変化方向に沿って結晶核からの十分なラテラル方向の結晶成長を実現して、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】本発明の基本原理を説明する図である。
【図２】本発明の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３】図１の照明系においてフライアイレンズの射出面の近傍に配置された透過率変調素子の構成を概略的に示す図である。
【図４】本実施形態の変形例にかかる照明系の構成を概略的に示す図である。
【図５】図１の実施形態の数値実施例における透過率変調素子の開口率分布を示す図である。
【図６】図１の実施形態の数値実施例において被処理基板の表面に形成される光強度分布を模式的に示す図である。
【図７】本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。
【符号の説明】
１ レンズアレイ
１ａ レンズアレイを構成する各レンズ要素
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
２ｇ 透過率変調素子
２ｈ ホログラム
３ 被処理基板
４ 基板ステージ
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶化装置、結晶化方法およびデバイスに関する。特に、本発明は、所定の光強度分布を有する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結晶化装置および結晶化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）は、非晶質シリコン（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−Ｓｉｌｉｃｏｎ）層や多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉｌｉｃｏｎ）層に形成されている。
【０００３】
多結晶シリコン層は、非晶質シリコン層よりも電子又は正孔の移動度が高い。したがって、多結晶シリコン層にトランジスタを形成した場合、非晶質シリコン層に形成する場合よりも、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、ドライバ回路やＤＡＣなどの周辺回路は、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、単結晶シリコンに比べると電子又は正孔の移動度が低い。また、多結晶シリコンに形成された多数の薄膜トランジスタは、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、電子又は正孔の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なくすために、大粒径の結晶化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）法」が知られている。位相制御ＥＬＡ法の詳細は、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法では、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（以降、「ラテラル成長」もしくは「ラテラル方向成長」とよぶ）することにより大粒径の単結晶粒が生成される。
【０００７】
従来、特開２０００−３０６８５９号公報には、位相シフトマスク（位相シフター）を介して発生させた逆ピークパターンの光強度分布を有する光を半導体膜に照射して結晶化を行う技術が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−３０６８５９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来技術では、直線状（または曲線状）の位相シフト段差を組み合わせた位相シフターにより光強度分布を生成する。このため、位相シフターの１つの単位要素を介して形成される光強度分布は、基本的に均一な光強度分布の中に光強度の非常に小さい部分が存在するような分布である。したがって、輝点を組み合わせてパターンを生成する場合と比べて設計の自由度が少なく、たとえば、黒の領域（光強度の非常に小さい領域）の中に１点だけ白の領域（所定の光強度を有する領域）を有するようなパターンを生成することはできない。また、位相シフターの１つの単位要素を介して形成される光強度分布は、基本的に線状であり、点状のパターン、例えば、黒の領域の中に１点だけ白の領域を有するようなパターンを生成することはできない。
【００１０】
後述するように、結晶核からの十分なラテラル方向の結晶成長を実現して大粒径の結晶化半導体膜を生成するには、たとえば凹型パターン＋逆ピークパターンの光強度分布が好適である。しかしながら、位相シフターを用いる従来技術では、上述の理由により、結晶化に適した凹型パターン＋逆ピークパターンの光強度分布を得ることができない。
【００１１】
なお、結晶化に適した光強度分布を得るために、従来のクロムマスクや位相シフトマスクなどを介して投影露光する方法も考えられる。しかしながら、これらの方法は、基本的にはバイナリパターンを生成するものであり、階調を有するパターンを生成することはできない。また、結晶化に適した光強度分布を得るために、階調を有するパターンを生成することのできる光吸収材料をマスクに用いることも考えられる。しかしながら、半導体膜の結晶化のために必要な大きな光強度（たとえば１００ｍＪ／ｃｍ２）に耐え得る材料はなく、また光吸収に起因する発熱等の問題もあり、その実現には困難を伴う。
【００１２】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、結晶核からの十分な長さのラテラル方向の結晶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、結晶化方法およびデバイス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、互いに隣接するように配置された複数のレンズ要素からなるレンズアレイと、
前記レンズアレイを照明するための照明系とを備え、
前記照明系は、前記レンズアレイを介して多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に所定の光強度分布を有する光を照射して結晶化半導体膜を生成するために、光強度の異なる複数の光束を互いに異なる方向から前記レンズアレイに照射することを特徴とする結晶化装置を提供する。
【００１４】
この構成では、レンズアレイに照射する各光束の光強度を意図的に制御することにより、半導体膜の表面に任意の光強度分布を形成することができる。具体的には、たとえば凹型パターンの光強度分布と、この凹型パターンの光強度分布で光強度の小さい部分における逆ピークパターンの光強度分布との合成光強度分布、すなわち凹型パターン＋逆ピークパターンの光強度分布を形成することができる。その結果、結晶核の形成位置すなわち結晶成長の開始点を逆ピークパターンの光強度分布の中心へ極力近づけることができ、凹型パターンの光強度分布における光強度の変化方向に沿って結晶核からの十分なラテラル方向の結晶成長を実現して、大粒径の結晶化半導体膜を生成することができる。
【００１５】
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は、前記レンズアレイの後側焦点またはその近傍に配置されている。また、前記レンズアレイは、二次元的に且つ稠密に配置された複数のレンズ要素からなることが好ましい。
【００１６】
また、第１形態の好ましい態様によれば、前記レンズアレイの互いに隣接する２つのレンズ要素を介して前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜上に形成される２つの光パターンは互いにほぼ接する。また、前記レンズ要素は、屈折型のレンズ要素または回折型のレンズ要素であることが好ましい。
【００１７】
また、第１形態の好ましい態様によれば、前記照明系は、光の通過位置によって透過率の異なる透過率変調素子を有する。この場合、前記照明系はフライアイレンズを有し、前記透過率変調素子は前記フライアイレンズの射出面の近傍に配置されていることが好ましい。
【００１８】
あるいは、第１形態の好ましい態様によれば、前記照明系は、所定面に入射する光束の光強度分布を制御するためのホログラムとを有する。この場合、前記照明系はフライアイレンズを有し、前記ホログラムは前記フライアイレンズに入射する光束の光強度分布を制御することが好ましい。
【００１９】
本発明の第２形態では、互いに隣接するように配置された複数のレンズ要素からなるレンズアレイに対して、光強度の異なる複数の光束を互いに異なる方向から照射し、前記レンズアレイを介して多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に所定の光強度分布を有する光を照射することにより結晶化半導体膜を生成することを特徴とする結晶化方法を提供する。この場合も結晶化装置の場合と同様に、たとえば凹型パターン＋逆ピークパターンの光強度分布に基づいて、結晶核からの十分なラテラル方向の結晶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。
【００２０】
本発明の第３形態では、第１形態の結晶化装置または第２形態の結晶化方法を用いて製造されたことを特徴とするデバイスを提供する。この場合、結晶核からの十分なラテラル成長を実現して得られた大粒径の結晶化半導体膜に基づいて、良好な半導体デバイスや液晶表示デバイスなどを製造することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の基本原理を説明する図である。図１（ａ）を参照すると、互いに隣接するように配置された複数のレンズ要素１ａからなるレンズアレイ１の後側焦点またはその近傍に、多結晶半導体膜（または非晶質半導体膜）が形成された被処理基板３が位置決めされている。そして、レンズアレイ１には、光強度の異なる複数の光束が互いに異なる方向から照射されている。
【００２２】
以下、説明を簡単にするために、５つの光束ａ〜ｅが互いに異なる方向からレンズアレイ１に照射されているものとする。また、光束ａは光軸と平行な（すなわち光軸と０度の角度をなす）平行光束であり、光束ｂ，ｃ，ｄ，ｅはそれぞれ光軸とΔθ，２Δθ，３Δθ，４Δθの角度をなす平行光束であるものとする。各光束ａ〜ｅは、各レンズ要素１ａによりそれぞれ集光され、被処理基板３の表面（露光面）に集光してスポットを形成する。
【００２３】
このとき、各光束ａ〜ｅにおいて入射角度をθとし、各レンズ要素１ａのレンズの後側主点と被処理基板３の表面との間隔をｄとし、被処理基板３の表面において各レンズ要素１ａの光軸に対応する中心点から当該レンズ要素１ａを介して形成されるスポットの中心までの距離をＬとすると、次の式（１）に示す関係が成立する。
Ｌ＝ｄ×ｔａｎθ≒ｄ×θ （１）
【００２４】
このように、互いに異なる入射角θを有する５つの光束ａ〜ｅは、１つのレンズ要素１ａを介して、被処理基板３の表面に５つの光束スポットを形成する。このとき、入射角度間隔Δθとスポット間隔ΔＬとの間には、次の式（２）に示す関係が成立する。
ΔＬ＝ｄ×Δθ （２）
【００２５】
すなわち、光束ａにより形成されるスポットの中心は上記中心点と一致し、光束ｂ，ｃ，ｄ，ｅにより形成されるスポットの中心は上記中心点からそれぞれΔＬ，２ΔＬ，３ΔＬ，４ΔＬだけ離れることになる。また、スポットの大きさすなわちスポット径（円形の場合には直径）Ｒは、光の波長をλとし、各レンズ要素１ａの開口数をＮＡとすると、回折限界により次の式（３）により表わされる。
Ｒ＝１．２２×λ／ＮＡ （３）
【００２６】
こうして、光束の入射角度間隔Δθを十分小さくすることによりスポット間隔ΔＬがスポット径Ｒの半分程度以下になるように設定すると、すなわち次の式（４）で表わされる条件式を、ひいては次の式（５）で表わされる条件式を満足するように設定すると、複数のスポットの集合が実質的に連続的な光強度分布を形成することになる。
ΔＬ＜Ｒ／２ （４）
ｄ×Δθ＜０．６１×λ／ＮＡ （５）
【００２７】
ただし、上述の条件式（５）を満たさなくても、次の３つの方法によりスポット径Ｒを大きくすることにより、実質的に連続的な光強度分布を形成することが可能である。第１は、各光束を平行光束ではなく散乱させる方法である。第２は、被処理基板３の表面をレンズアレイ１の後側焦点から光軸方向に位置ずれ（デフォーカス）させる方法である。第３は、レンズアレイ１を構成する各レンズ要素１ａに意図的な収差を付与する方法である。
【００２８】
各光束ａ〜ｅが互いに同じ光強度を有する場合、１つのレンズ要素１ａを介して被処理基板３の表面に形成される光強度分布はほぼ均一になる。しかしながら、各光束ａ〜ｅの光強度を意図的に制御すれば、被処理基板３の表面に任意の光強度分布を形成することができる。具体的には、光束ａの光強度が最も小さく、光束ｅの光強度が最も大きく、光束ａから光束ｅに向かって光強度が次第に大きくなるように適宜設定することにより、図１（ｂ）に示すような光強度分布を形成することができる。なお、ここでの説明にはレンズアレイ１に入射する光束の入射角度が一次元的に分布する例を用いているが、実際には二次元的に分布することも可能である。図１（ｃ）は二次元的に分布させた場合の例である。これについては実施例において詳述する。
【００２９】
図１（ｂ）および（ｃ）に示す光強度分布は、凹型パターンの光強度分布１０と、この凹型パターンの光強度分布１０で光強度の小さい部分における逆ピークパターンの光強度分布１１との合成光強度分布、すなわち凹型パターン＋逆ピークパターンの光強度分布１０，１１である。凹型パターン＋逆ピークパターンの光強度分布では、結晶核の形成位置すなわち結晶成長の開始点を逆ピークパターンの光強度分布１１の中心へ極力近づけることができ、凹型パターンの光強度分布１０における光強度の変化方向に沿って結晶核からの十分なラテラル方向の結晶成長を実現して、大粒径の結晶化半導体膜を生成することができる。また、図１（ｃ）に示すような二次元分布の場合は、逆ピークパターンの光強度分布１１の作用により、結晶核の形成位置を、ひいては結晶成長開始点を二次元的に位置制御することができるという利点もある。
【００３０】
さらに、互いに隣接する２つのレンズ要素１ａを介して形成される２つの光強度分布（光パターン）が互いにほぼ接するように設定することにより、アレイ化された光強度分布を生成することが可能となり、高い充填率で結晶粒をアレイ状に生成することができる。
【００３１】
本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。
図２は、本発明の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。また、図３は、図１の照明系においてフライアイレンズの射出面の近傍に配置された透過率変調素子の構成を概略的に示す図である。図２を参照すると、本実施形態の結晶化装置は、二次元的に且つ稠密に配置された多数のレンズ要素（図２では不図示）１ａからなるレンズアレイ１を照明するための照明系２を備えている。
【００３２】
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やＹＡＧ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。第１フライアイレンズ２ｃは、例えば複数の平凸レンズの組である。
【００３３】
こうして、第１フライアイレンズ２ｃの後側焦点面２ｃ−ｐ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２ｅ−ｐには、第１フライアイレンズ２ｃの後側焦点面２ｃ−ｐ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２ｅ−ｐ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、レンズアレイ１を重畳的に照明する。第２フライアイレンズ２ｅは、例えば両凸レンズの組である。第２フライアイレンズ２ｅの後側焦点面２ｅ−ｐ近傍には、透過率変調素子２ｇが設けられる。
【００３４】
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光源２ａから供給されたレーザ光についてレンズアレイ１の入射面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第１ホモジナイザからの入射角度が均一化されたレーザ光についてレンズアレイ１の入射面上での面内各位置での光強度に関する均一化が図られる。レンズアレイ１の入射面は、第２コンデンサー光学系２ｆの後側焦点面に設けられる。
【００３５】
レンズアレイ１を構成する各レンズ要素１ａを通過したレーザ光は、被処理基板３の表面においてそれぞれ所定の光強度分布を有する光パターンを形成する。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（ＣＶＤ）により下地膜および非晶質シリコン膜が順次形成されたものである。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上において予め定められた所定の位置に位置決めされて保持されている。
【００３６】
上述したように、第１フライアイレンズ２ｃの作用により、第２フライアイレンズ２ｅの出射面またはその近傍には、比較的均一な光強度分布が形成される。本実施形態では、第２フライアイレンズ２ｅの射出面の近傍に、光の通過位置によって透過率の異なる透過率変調素子２ｇが配置されている。透過率変調素子２ｇは、図３に示すように、第２フライアイレンズ２ｅの各レンズエレメントにそれぞれ対応するように位置決めされた複数の開口部（光透過部）を有する。なお、図３において、斜線部は遮光部を示し、空白部は光透過部を示している。図３に示す透過率変調素子の例は、図１（ｂ）に示した光強度分布を光軸に対して回転することにより得られる二次元的光強度分布を生成するための例である。
【００３７】
具体的には、透過率変調素子２ｇにおいて、光軸ＡＸに位置するレンズエレメントに対応する開口部が最も小さく、光軸ＡＸから最も離れたレンズエレメントに対応する開口部が最も大きく設定されている。また、レンズエレメントが光軸ＡＸから離れれば離れるほど、対応する開口部が大きくなるように設定されている。ここで、光軸ＡＸに位置するレンズエレメントおよびこれに対応する最も小さな開口部を通過する光束は、光軸ＡＸと０度の角度をなしてレンズアレイ１の入射面に入射する光強度の最も小さい平行光束になり、図１の光束ａに対応することになる。
【００３８】
一方、光軸ＡＸから最も離れたレンズエレメントおよびこれに対応する最も大きな開口部を通過する光束は、光軸ＡＸと最も大きな角度をなしてレンズアレイ１の入射面に入射する光強度の最も大きい平行光束になり、図１の光束ｅに対応することになる。また、その他のレンズエレメントおよびこれに対応する開口部を通過する光束は、レンズエレメントが光軸ＡＸから離れれば離れるほど、レンズアレイ１への入射角度および光強度の大きい平行光束になり、図１の光束ｂ〜ｅに対応することになる。透過率変調素子２ｇを透過した光束は、光強度と進行方向の異なる複数の光束となり、前記レンズアレイ１に照射される。
【００３９】
こうして、本実施形態では、第２フライアイレンズ２ｅの射出面の近傍に配置された透過率変調素子２ｇの開口率分布により、たとえば図１（ｂ）および（ｃ）に示すような凹型パターン＋逆ピークパターンの光強度分布が被処理基板３の表面に形成される。その結果、結晶成長の開始点を逆ピークパターンの光強度分布の中心へ極力近づけることができ、凹型パターンの光強度分布における光強度の変化方向に沿って結晶核からの十分なラテラル方向の結晶成長を実現して、大粒径の結晶化半導体膜を生成することができる。また、逆ピークパターンの光強度分布の作用により、結晶核の形成位置を、ひいては結晶生成位置を二次元的に位置制御することができる。このとき結晶成長を開始する光強度が、逆ピークパターンの光強度分布１１の内側にくるように設定することが望ましい。
【００４０】
さらに、互いに隣接する２つのレンズ要素１ａを介して形成される２つの光パターンが互いにほぼ接するように設定することにより、アレイ化された光強度分布を生成することができ、高い充填率で結晶粒をアレイ状に生成することができる。
【００４１】
なお、上述の実施形態では、透過率変調素子２ｇが所定の開口率分布を有するように形成されている。しかしながら、これに限定されることなく、たとえばＳｉＯＸＮＹ等の半透過材料を用いて所定の厚さ分布を有する薄膜を形成することにより光透過率分布を制御してもよい。また、反射多層膜の反射率の分布により光透過率分布を制御する方法や、回折効率の分布により光透過率分布を制御する方法も可能である。
【００４２】
図４は、本実施形態の変形例にかかる照明系の構成を概略的に示す図である。図４の変形例にかかる照明系は、図１の実施形態における照明系と類似の構成を有する。しかしながら、図４の変形例では、第１フライアイレンズ２ｃに代えてホログラム２ｈを配置し且つ透過率変調素子２ｇの設置を省略している点が図１の実施形態と基本的に相違している。以下、図１の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。
【００４３】
図４を参照すると、ホログラム２ｈは第１コンデンサー光学系２ｄの前側焦点またはその近傍に配置され、第２フライアイレンズ２ｅの入射面は第１コンデンサー光学系２ｄの後側焦点またはその近傍に配置されている。ホログラム２ｈの像は、第２フライアイレンズ２ｅの出射面上に結像され、ホログラムを光源と考えると基本的なケーラー照明の構成となる。なお、第２フライアイレンズ２ｅの出射面全体における光強度分布は、第２フライアイレンズ２ｅの入射面における光強度分布と実質的に同じである。図４の配置ではホログラム２ｈと第２フライアイレンズ２ｅの入射面は光学的フーリエ変換の関係にある。したがってこの配置においては、ホログラム２ｈはフーリエ変換ホログラムが最適である。
【００４４】
そこで、図４の変形例では、たとえば図１（ｂ）および（ｃ）に示すような凹型パターン＋逆ピークパターンの光強度分布を被処理基板３の表面に形成するのに必要な面光源の光強度分布、ひいては第２フライアイレンズ２ｅの入射面における光強度分布を、フーリエ変換ホログラム２ｈの作用により実現する。換言すれば、フーリエ変換ホログラム２ｈの作用により第２フライアイレンズ２ｅの入射面に形成される光強度分布を制御し、ひいては被処理基板３の表面に所望の光強度分布、たとえば凹型パターン＋逆ピークパターンの光強度分布を形成する。
【００４５】
なお、フーリエ変換ホログラムについては、辻内順平著，「ホログラフィー」，しょう華房，ｐ２５などに記載されている。また、ホログラム作成方法として計算機ホログラムを用いる方法が有力であるが、その設計方法は、「計算機ホログラムの最適化手法」，Ｏ ｐｌｕｓ Ｅ，Ｎｏ．２０４，ｐ８３などに記載されている。また、計算機ホログラム以外にも、所定の光学系、例えばフーリエ変換光学系と透過率変調素子とを組み合わせた光学系を用いて感光材料に記録する方法も可能である。もちろん、照明系２の光学系を対応した配置にすることにより、フーリエ変換ホログラム以外のホログラムを利用することもできる。
【００４６】
ところで、ホログラムが完全でない場合には不要な０次光が発生し、この不要０次光は第２フライアイレンズ２ｅの光軸ＡＸに位置する中央レンズエレメントに入射する。この場合、中央レンズエレメントに透過率フィルターを設けることにより、あるいは中央レンズエレメントの入射光または射出光を完全に遮ることにより、不要０次光の問題を解決することができる。なお、結晶化に必要な非常に大きな光強度に耐えるために、光透過材料の表面に凹凸の形で干渉縞を形成するレリーフホログラムと呼ばれる方法を用いることが望ましい。
【００４７】
図５は、図１の実施形態の数値実施例における透過率変調素子の開口率分布を示す図である。また、図６は、図１の実施形態の数値実施例において被処理基板の表面に形成される光強度分布を模式的に示す図である。数値実施例では、ＫｒＦエキシマレーザ光源２ａから供給されるレーザ光の波長λを０．２４８μｍと想定している。また、１０μｍ×１０μｍの正方形状のレンズ要素１ａを縦横に且つ稠密に２１個×２１個＝４４１個配置することによりレンズアレイ１が構成されているものと想定している。
【００４８】
また、レンズアレイ１の焦点距離（ひいては各レンズ要素１ａの焦点距離）ｆを６０μｍと想定し、各レンズ要素１ａのレンズ主点と被処理基板３の表面との間隔ｄを６０μｍと想定し、入射角度間隔Δθを０．００８３ｒａｄ（ラジアン）と想定している。その結果、レンズアレイ１の開口数ＮＡは約０．０８３（ＮＡ≒５／６０）になり、スポット径Ｒは約１．８μｍ（Ｒ＝１．２２×０．２４８／０．０８３）になり、スポット間隔ΔＬは約０．５μｍ（ΔＬ＝ｄ×Δθ＝６０×０．００８３）になる。
【００４９】
また、第２フライアイレンズ２ｅの射出面に配置された透過率変調素子２ｇは図５に示すような開口率分布を有するものと想定している。なお、透過率変調素子２ｇの開口率分布は縦方向のセンターラインおよび横方向のセンターラインに関して対称であり、図５には透過率変調素子２ｇの約１／４の領域の開口率分布だけを示している。この２１個×２１個＝４４１個の配置はフライアイレンズの配置に対応している。図５を参照すると、透過率変調素子２ｇにおいて、第２フライアイレンズ２ｅの光軸ＡＸに位置する中央レンズエレメントに対応する開口率が０で最も小さく、光軸ＡＸから横方向に最も離れたレンズエレメントに対応する開口率が１で最も大きく設定されている。
【００５０】
こうして、数値実施例では、入射角度間隔Δθを十分小さくすることによりスポット間隔ΔＬがスポット径Ｒの半分以下になるように設定されている。その結果、図６に示すように、被処理基板３の表面には、実質的に連続的な光強度分布、すなわち凹型パターン＋逆ピークパターンの光強度分布が形成された。なお、図６に示す光強度の値は各光束によるスポット単独の光強度値を図示したものである。光強度分布の微細な形状まで得るには、スポットの光強度分布およびスポット間隔の影響を考慮して計算する必要がある。
【００５１】
なお、上述の実施形態において、レンズアレイ１を構成するレンズ要素は屈折型のレンズ要素に限定されることなく、たとえば回折型のレンズ要素を用いてレンズアレイ１を構成することもできる。
【００５２】
また、上述の実施形態において、レンズアレイ１と被処理基板３との間に結像光学系を介在させる変形例も可能である。この場合、結像光学系によりレンズアレイ１の後側焦点面と被処理基板３の表面とが光学的にほぼ共役に配置されることになる。なお、結像光学系は、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。
【００５３】
なお、以上の説明ではレンズアレイ１に対する入射光束は離散的な有限個数の平行光束の集合としていたが、入射角度により連続的に変化する単一の散乱光束でもよい。この構成を実現する場合は、例えば図２においてフライアイレンズ２ｅの代わりに拡散板を配置し、また透過率変調素子２ｇは離散的な透過率分布を有するものではなく連続的な透過率分布を有するものとすればよい。ただしこの場合、透過率変調素子２ｇは開口率を変調するものではなく、直接透過率を変調するものでなくてはならない。
【００５４】
また、上述の実施形態において、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、被処理基板３の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。
【００５５】
図７は、本実施形態の結晶化装置を用いて結晶化された領域に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７（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ＳｉＯ２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した被処理基板３を準備する。そして、図１に示す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例えば予め定められた領域に、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。
【００５６】
こうして、図７（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７（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を例えば薄膜トランジスタを形成するための領域となる島状の半導体膜８５に加工し、表面にゲート絶縁膜８６として膜厚２０ｎｍ〜１００ｎｍのＳｉＯ２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７（ｄ）に示すように、ゲート絶縁膜上にゲート電極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）をイオン注入する。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、不純物を活性化して島状の半導体膜８５にソース領域９１、ドレイン領域９２を形成する。次に、図７（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。
【００５７】
以上の工程において、図７（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に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）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、液晶表示装置（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。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、レンズアレイに照射する各光束の光強度を意図的に制御することにより、半導体膜の表面に任意の光強度分布、たとえば凹型パターン＋逆ピークパターンの光強度分布を形成することができる。その結果、結晶核の形成位置すなわち結晶成長の開始点を逆ピークパターンの光強度分布の中心へ極力近づけることができ、凹型パターンの光強度分布における光強度の変化方向に沿って結晶核からの十分なラテラル方向の結晶成長を実現して、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】本発明の基本原理を説明する図である。
【図２】本発明の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３】図１の照明系においてフライアイレンズの射出面の近傍に配置された透過率変調素子の構成を概略的に示す図である。
【図４】本実施形態の変形例にかかる照明系の構成を概略的に示す図である。
【図５】図１の実施形態の数値実施例における透過率変調素子の開口率分布を示す図である。
【図６】図１の実施形態の数値実施例において被処理基板の表面に形成される光強度分布を模式的に示す図である。
【図７】本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。
【符号の説明】
１ レンズアレイ
１ａ レンズアレイを構成する各レンズ要素
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
２ｇ 透過率変調素子
２ｈ ホログラム
３ 被処理基板
４ 基板ステージ
Claims (13)
- 互いに隣接するように配置された複数のレンズ要素からなるレンズアレイと、
前記レンズアレイを照明するための照明系とを備え、
前記照明系は、前記レンズアレイを介して多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に所定の光強度分布を有する光を照射して結晶化半導体膜を生成するために、光強度の異なる複数の光束を互いに異なる方向から前記レンズアレイに照射することを特徴とする結晶化装置。 - 互いに隣接するように配置された複数のレンズ要素からなるレンズアレイと、
前記レンズアレイを照明するための照明系とを備え、
前記照明系は、前記レンズアレイを介して多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に所定の光強度分布を有する光を照射して結晶化半導体膜を生成するために、連続的な入射角度を有し且つ入射角度により光強度の異なる光束を前記レンズアレイに照射することを特徴とする結晶化装置。 - 前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜は、前記レンズアレイの後側焦点またはその近傍に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の結晶化装置。
- 前記レンズアレイは、二次元的に且つ稠密に配置された複数のレンズ要素からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の結晶化装置。
- 前記レンズアレイの互いに隣接する２つのレンズ要素を介して前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜上に形成される２つの光パターンは互いにほぼ接することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の結晶化装置。
- 前記レンズ要素は、屈折型のレンズ要素または回折型のレンズ要素であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の結晶化装置。
- 前記照明系は、光の通過位置によって透過率の異なる透過率変調素子を有す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。
- 前記照明系はフライアイレンズを有し、前記透過率変調素子は前記フライアイレンズの射出面の近傍に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の結晶化装置。
- 前記照明系は、所定面に入射する光束の光強度分布を制御するためのホログラムとを有す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。
- 前記照明系はフライアイレンズを有し、前記ホログラムは前記フライアイレンズに入射する光束の光強度分布を制御することを特徴とする請求項９に記載の結晶化装置。
- 互いに隣接するように配置された複数のレンズ要素からなるレンズアレイに対して、光強度の異なる複数の光束を互いに異なる方向から照射し、
前記レンズアレイを介して多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に所定の光強度分布を有する光を照射することにより結晶化半導体膜を生成することを特徴とする結晶化方法。 - 互いに隣接するように配置された複数のレンズ要素からなるレンズアレイに対して、連続的な入射角度を有し且つ入射角度により光強度の異なる光束を照射し、
前記レンズアレイを介して多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に所定の光強度分布を有する光を照射することにより結晶化半導体膜を生成することを特徴とする結晶化方法。 - 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の結晶化装置あるいは請求項１１または１２に記載の結晶化方法を用いて製造されたことを特徴とするデバイス。
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-
2003
- 2003-05-22 JP JP2003144251A patent/JP2004349433A/ja not_active Abandoned
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