JP2005129915A - Crystallization apparatus, crystallization method, device, and phase modulation element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、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と、この結晶化装置に用いる位相変調素子と、結晶化方法と、デバイスとに関する。特に、本発明は、位相変調素子を用いて位相変調された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と、この結晶化装置に用いる位相変調素子と、結晶化方法と、デバイスとに関する。 The present invention relates to a crystallization apparatus that generates a crystallized semiconductor film by irradiating a polycrystalline semiconductor film or an amorphous semiconductor film with a laser beam, a phase modulation element used in the crystallization apparatus, a crystallization method, and a device And about. In particular, the present invention relates to a crystallization apparatus for generating a crystallized semiconductor film by irradiating a polycrystalline semiconductor film or an amorphous semiconductor film with laser light having a predetermined light intensity distribution that is phase-modulated using a phase modulation element. And a phase modulation element used in the crystallization apparatus, a crystallization method, and a device.
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薄膜トランジスタ(Thin-Film-Transistor:TFT)が用いられる。この薄膜トランジスタは、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。 Conventionally, for example, a thin-film-transistor (TFT) is used as a switching element for controlling a voltage applied to a pixel of a liquid crystal display (LCD). This thin film transistor is formed in an amorphous silicon (polymorphic silicon) layer or a polycrystalline silicon (poly-Silicon) layer.
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る。そして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ことにより、より高速に動作させることができる。 The polycrystalline silicon layer has higher electron or hole mobility than the amorphous silicon layer. Therefore, when the transistor is formed on the polycrystalline silicon layer, the switching speed is faster than when the transistor is formed on the amorphous silicon layer. And the response of the display becomes faster. In addition, it is possible to configure the peripheral LSI with thin film transistors. Furthermore, there is an advantage that the design margin of other parts can be reduced. In addition, peripheral circuits such as a driver circuit and a DAC can be operated at a higher speed by being incorporated in a display.
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また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、電子また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少なくするために、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。 Polycrystalline silicon consists of a collection of crystal grains, but has a lower mobility of electrons or holes than single crystal silicon. In addition, a large number of thin film transistors formed in polycrystalline silicon has a problem of variations in the number of crystal grain boundaries in the channel portion. Therefore, recently, in order to improve the mobility of electrons or holes and to reduce the variation in the number of crystal grain boundaries in the channel portion, a crystallization method for generating crystallized silicon having a large grain size has been proposed.
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(英文名:Journal of the Surface Science Society of Japan) Vol.21, No.5, pp.278-287, 2000」に開示されている。 Conventionally, as this kind of crystallization method, “phase control ELA (Excimer Laser Laser) is used to generate a crystallized semiconductor film by irradiating an excimer laser beam onto a phase shifter close to a polycrystalline semiconductor film or an amorphous semiconductor film in parallel. Annealing) method is known. Details of the phase control ELA method are disclosed in, for example, “Surface Science (English: Journal of the Surface Science Society of Japan) Vol. 21, No. 5, pp. 278-287, 2000”.
位相制御ELA法では、まず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周辺よりも低い逆ピークパターン(中心において光強度が最も低く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る。そして、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る。光強度が最も低い点に対応して最初に凝固する部分もしくは溶融しない部分に結晶核が形成される。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。 In the phase control ELA method, first, an inverse peak pattern in which the light intensity is lower than that of the periphery at a point corresponding to the phase shift portion of the phase shifter (a pattern in which the light intensity is the lowest at the center and the light intensity rapidly increases toward the periphery). A light intensity distribution is generated. Then, the polycrystalline semiconductor film or the amorphous semiconductor film is irradiated with light having the light intensity distribution of the reverse peak pattern. As a result, a temperature gradient is generated in the melting region according to the light intensity distribution. Corresponding to the point with the lowest light intensity, crystal nuclei are formed in the first solidified or non-melted part. A crystal grows laterally from the crystal nucleus toward the periphery (hereinafter referred to as “lateral growth” or “lateral growth”), thereby generating a single crystal grain having a large grain size.
従来、「Electrochemical Society Proceeding Volume 2000-31, page 148-154,261-268」では、たとえばV字型の光強度勾配分布を形成するパターンを有する素子(マスク#2とする)、および逆ピーク状の光強度最小分布を形成するパターンを有する素子(マスク#1とする)を、ともにSiO2の基板に位相段差を設けることにより実現している。そして、2枚の素子は被処理基板に近接させた状態でエキシマレーザ光を照射することにより、被処理基板上に結晶化半導体膜を生成している。 Conventionally, in “Electrochemical Society Proceeding Volume 2000-31, pages 148-154, 261-268”, for example, an element (referred to as mask # 2) having a pattern that forms a V-shaped light intensity gradient distribution, and reverse peak light An element having a pattern that forms a minimum intensity distribution (referred to as mask # 1) is realized by providing a phase step on the SiO 2 substrate. The two elements are irradiated with excimer laser light in a state of being close to the substrate to be processed, thereby generating a crystallized semiconductor film on the substrate to be processed.
従って、結晶化工程において、被処理基板からアブレーション現象が生じたとき、蒸発物が、被処理基板の対向するマスク#1の対向面に付着する。蒸発物が付着した次の工程では、マスク#1および#2により形成される光強度分布に乱れが生じ、結晶化面積、結晶化形状が乱れる。さらに、マスク#1および#2と被処理基板とが近接したレーザ光の照射は、各レーザ光照射時のマスク#1と被処理基板間のμmオーダの距離を常に一定に維持する操作は、この操作時間が長い時間を必要とし、比較的タクトタイムが遅くなる。 Therefore, in the crystallization process, when an ablation phenomenon occurs from the substrate to be processed, the evaporated material adheres to the facing surface of the mask # 1 facing the substrate to be processed. In the next step in which the evaporated material is attached, the light intensity distribution formed by the masks # 1 and # 2 is disturbed, and the crystallization area and the crystallization shape are disturbed. Further, the irradiation of the laser beam in which the masks # 1 and # 2 and the substrate to be processed are close to each other is performed by constantly maintaining the distance of the order of μm between the mask # 1 and the substrate to be processed at the time of each laser beam irradiation. This operation time requires a long time, and the tact time becomes relatively slow.
また、「電子情報通信学会論文誌(英文名:IEICE(The Institute of Electronics, Information and Communication) Transactions) Vol.J85−C,No.8,p.624−629,2002年8月」では、たとえばV字型の光強度勾配分布を形成するパターンを有する素子を光吸収材料SiONxの厚み分布により実現し、逆ピーク状の光強度最小分布を形成するパターンを有する素子をSiO2の位相段差により実現している。ただし、これら2つの素子は、1枚の基板に積層形成されている。そして、この1枚の素子基板に被処理基板を近接させた状態でエキシマレーザ光を照射することにより、被処理基板上に結晶化半導体膜を生成している。 In addition, in “The Institute of Electronics, Information and Communication (IEICE) Transactions) Vol. J85-C, No. 8, p. 624-629, August 2002” An element having a pattern forming a V-shaped light intensity gradient distribution is realized by the thickness distribution of the light absorbing material SiONx, and an element having a pattern forming an inverse peak light intensity minimum distribution is realized by the phase step of SiO 2 doing. However, these two elements are stacked on a single substrate. Then, the crystallized semiconductor film is generated on the substrate to be processed by irradiating the excimer laser light with the substrate to be processed being brought close to this one element substrate.
また、特開2000−306859号公報では、位相差が180度のライン・アンド・スペース・パターンを有する位相シフターと被処理基板との間に結像光学系を配置している。そして、位相シフターを介して発生した逆ピークパターンの光強度分布を有する光を結像光学系を介して被処理基板に照射することにより、被処理基板上に結晶化半導体膜を生成している。 In Japanese Patent Laid-Open No. 2000-306859, an imaging optical system is arranged between a phase shifter having a line and space pattern with a phase difference of 180 degrees and a substrate to be processed. Then, the crystallized semiconductor film is generated on the substrate to be processed by irradiating the substrate to be processed with the light having the light intensity distribution of the reverse peak pattern generated through the phase shifter through the imaging optical system. .
しかしながら、素子に被処理基板を近接させる従来技術(近接法またはプロキシ法)では、半導体膜におけるアブレーションに起因して素子が汚染され、ひいては良好な結晶化が妨げられるという不都合があった。また、被処理基板上の別の処理領域へステップ移動する度に被処理基板と素子とを引き離す必要があり、処理時間が長くなるという不都合があった。また、素子と被処理基板との間に設定すべき間隔が非常に小さいため、こ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、ひいては間隔調整が困難であるという不都合があった。 However, in the conventional technique (proximity method or proxy method) in which the substrate to be processed is brought close to the element, there is a problem that the element is contaminated due to ablation in the semiconductor film, and thus good crystallization is prevented. Further, it is necessary to separate the substrate to be processed and the element each time the step moves to another processing region on the substrate to be processed, which disadvantageously increases the processing time. Further, since the interval to be set between the element and the substrate to be processed is very small, it is difficult to introduce detection light for position detection in this narrow optical path, and it is difficult to adjust the interval. There was an inconvenience.
一方、位相差が180度のライン・アンド・スペース・パターンを有する位相シフターを用いる従来技術では、形成される逆ピークパターンの光強度分布における谷の部分が深くなりすぎる。この場合、光強度が所定の閾値以上でないと結晶が成長しないので、結晶化されない領域が大きくなりすぎて大粒径の結晶化半導体膜を生成することができないという不都合があった。さらに、大粒径の結晶化を行うための逆ピークパターンの光強度分布の大きな勾配を得ることができなかった。 On the other hand, in the prior art using a phase shifter having a line-and-space pattern with a phase difference of 180 degrees, the valley portion in the light intensity distribution of the reverse peak pattern formed becomes too deep. In this case, since the crystal does not grow unless the light intensity is equal to or higher than a predetermined threshold value, there is a disadvantage that a crystallized semiconductor film having a large grain size cannot be generated because a region that is not crystallized becomes too large. Furthermore, it was not possible to obtain a large gradient in the light intensity distribution of the reverse peak pattern for crystallization with a large particle size.
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、大粒径の結晶化を行うための所望する勾配の光強度分布を得ることができ、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および結晶化方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and can obtain a light intensity distribution having a desired gradient for crystallization with a large grain size, and sufficient lateral crystal growth from a crystal nucleus. It is an object of the present invention to provide a crystallization apparatus and a crystallization method capable of generating a crystallized semiconductor film having a large grain size by realizing the above.
前記課題を解決するために、本発明の第1形態では、入射光に、所望する光強度勾配分布を形成する第1素子(1)と所望する逆ピーク状の光強度最小分布を形成する第2素子(2)とを有する光変調光学系と、
前記光変調光学系と多結晶半導体膜または非晶質半導体膜を有する基板(5)との間に設けられた結像光学系(4)とを備え、
前記光強度勾配分布と前記光強度最小分布が形成された入射光を前記結像光学系を介し前記多結晶半導体膜または前記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を提供する。この場合、前記第1素子のパターンと前記第2素子のパターンとが対面していることが好ましい。
In order to solve the above-mentioned problem, in the first embodiment of the present invention, the first element (1) that forms a desired light intensity gradient distribution and the desired reverse peak light intensity minimum distribution are formed in incident light. A light modulation optical system having two elements (2);
An imaging optical system (4) provided between the light modulation optical system and a substrate (5) having a polycrystalline semiconductor film or an amorphous semiconductor film,
Crystallization for generating a crystallized semiconductor film by irradiating the polycrystalline semiconductor film or the amorphous semiconductor film with incident light on which the light intensity gradient distribution and the minimum light intensity distribution are formed via the imaging optical system Providing equipment. In this case, it is preferable that the pattern of the first element and the pattern of the second element face each other.
本発明の第1形態では、第1素子を介して形成される光強度勾配分布と第2素子を介して形成される逆ピーク状の光強度最小分布との合成光強度分布が基板表面上に形成される。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、逆ピーク状の光強度最小分布において光強度の最も小さい位置へ極力近づけることができる。そして、強度勾配分布における光強度の勾配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。このとき、本発明の第1形態では、近接法の場合とは異なり、第1素子または第2素子と基板との間に結像光学系が介在し且つ基板と結像光学系との間隔も比較的大きく確保されているので、第1素子および第2素子や結像光学系が基板におけるアブレーションによる付着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。また、基板と結像光学系との間隔が比較的大きく確保されているので、基板上の別の処理領域へステップ移動する際にも基板と結像光学系とを引き離す必要がなく、高スループットな処理を実現することができる。また、基板と結像光学系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、基板と結像光学系との位置関係を調整することが容易である。 In the first embodiment of the present invention, the combined light intensity distribution of the light intensity gradient distribution formed through the first element and the inverse peak-shaped light intensity minimum distribution formed through the second element is formed on the substrate surface. It is formed. As a result, the formation position of crystal nuclei, that is, the starting point of crystal growth can be made as close as possible to the position where the light intensity is the smallest in the inverse peak light intensity minimum distribution. Then, sufficient lateral crystal growth from the crystal nuclei can be realized along the light intensity gradient direction in the intensity gradient distribution, and a crystallized semiconductor film having a large grain size can be generated. At this time, in the first embodiment of the present invention, unlike the proximity method, the imaging optical system is interposed between the first element or the second element and the substrate, and the distance between the substrate and the imaging optical system is also increased. Since it is relatively large, good crystallization can be realized without the first and second elements and the imaging optical system receiving adhesion due to ablation on the substrate. In addition, since the distance between the substrate and the imaging optical system is relatively large, there is no need to separate the substrate and the imaging optical system when stepping to another processing area on the substrate, and high throughput is achieved. Can be realized. In addition, since the distance between the substrate and the imaging optical system is relatively large, detection light for position detection is introduced into the optical path between them to adjust the positional relationship between the substrate and the imaging optical system. Easy to do.
本発明の第2形態では、所望する光強度勾配分布を形成する第1パターンと所望する光強度最小分布を形成する第2パターンとが合成された合成パターンを有する素子(7)と、
前記素子と多結晶半導体膜または非晶質半導体膜を有する基板との間に設けられた結像光学系(4)とを備え、
前記合成パターンにより前記光強度勾配分布と前記光強度最小分布が形成された入射光を前記結像光学系を介し前記多結晶半導体膜または前記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を提供する。この場合、前記光強度勾配分布を形成するパターンおよび前記光強度最小分布を形成するパターンはともに位相変調パターンであり、前記合成パターンの位相変調量は前記光強度勾配分布を形成するパターンの位相変調量と前記光強度最小分布を形成するパターン位相変調量との和に対応していることが好ましい。
In the second embodiment of the present invention, an element (7) having a combined pattern in which a first pattern that forms a desired light intensity gradient distribution and a second pattern that forms a desired minimum light intensity distribution are combined;
An imaging optical system (4) provided between the element and a substrate having a polycrystalline semiconductor film or an amorphous semiconductor film,
A crystallized semiconductor film is irradiated by irradiating the polycrystalline semiconductor film or the amorphous semiconductor film through the imaging optical system with incident light in which the light intensity gradient distribution and the light intensity minimum distribution are formed by the composite pattern. A crystallizing apparatus is provided. In this case, the pattern forming the light intensity gradient distribution and the pattern forming the minimum light intensity distribution are both phase modulation patterns, and the phase modulation amount of the composite pattern is the phase modulation of the pattern forming the light intensity gradient distribution. It preferably corresponds to the sum of the amount and the pattern phase modulation amount forming the minimum light intensity distribution.
本発明の第2形態では、第1形態における第1素子および第2素子に代えて、光強度勾配分布を形成するパターンと逆ピーク状の光強度最小分布を形成するパターンとの合成パターンを有する1つの素子を用いている。その結果、本発明の第2形態では、上述したような第1形態の効果が得られるだけでなく、1つの素子の位置合わせのみで位置合わせ回数を減らすことができるという利点がある。 In the second embodiment of the present invention, instead of the first element and the second element in the first embodiment, there is a composite pattern of a pattern that forms a light intensity gradient distribution and a pattern that forms an inverse peak light intensity minimum distribution. One element is used. As a result, the second embodiment of the present invention has the advantage that not only the effects of the first embodiment as described above can be obtained, but also the number of alignment can be reduced only by alignment of one element.
第1形態および第2形態の好ましい態様によれば、前記光強度勾配分布を形成する第1パターンは、最小寸法が前記結像光学系の点像分布範囲の半径よりも光学的に小さく且つ第1の位相値を有する第1領域と、第2の位相値を有する第2領域との占有面積率が位置によって変化する位相分布を有する。この構成により、自由な形態の光強度分布を生成することが可能になる。 According to a preferred aspect of the first form and the second form, the first pattern forming the light intensity gradient distribution has a minimum dimension optically smaller than the radius of the point image distribution range of the imaging optical system and the first pattern. The occupation area ratio of the first region having the phase value of 1 and the second region having the second phase value has a phase distribution that varies depending on the position. With this configuration, it is possible to generate a light intensity distribution in a free form.
この場合、前記光強度勾配分布は、ある一次元方向(例えばX方向)に勾配を有するV字を所定の方向(例えばY方向)に沿わせて形成させた立体形状であるV字型の光強度分布である。前記光強度勾配分布を形成する第1パターンは、前記V字型の光強度分布の底に対応する部分では前記底に平行な方向に沿って延びる直線状領域(完全な直線である必要はなくほぼ直線形状で有ればよい)を有し、前記V字型の光強度分布の底に対応する部分から離れた部分では孤立領域を有することが好ましい。この構成では、直線状領域の作用により光強度勾配分布の底に沿って均一な光学特性を得ることができるので、第1素子と第2素子との位置合わせが所定の方向に位置ずれしても、得られる合成光強度分布の光学特性が変動し難いという利点がある。 In this case, the light intensity gradient distribution is a V-shaped light having a three-dimensional shape in which a V shape having a gradient in a certain one-dimensional direction (for example, the X direction) is formed along a predetermined direction (for example, the Y direction). Intensity distribution. The first pattern forming the light intensity gradient distribution is a linear region extending along a direction parallel to the bottom in a portion corresponding to the bottom of the V-shaped light intensity distribution (it is not necessary to be a complete straight line). It is preferable that the portion has a substantially linear shape), and an isolated region is provided in a portion away from a portion corresponding to the bottom of the V-shaped light intensity distribution. In this configuration, uniform optical characteristics can be obtained along the bottom of the light intensity gradient distribution by the action of the linear region, so that the alignment between the first element and the second element is displaced in a predetermined direction. However, there is an advantage that the optical characteristics of the resultant synthesized light intensity distribution are hardly changed.
また、第1形態および第2形態の好ましい態様によれば、前記光強度最小分布を形成する第2パターンは、前記光強度勾配分布における光強度の勾配方向に沿って延びる複数の帯状領域を有し、互いに隣接する帯状領域は互いに異なる位相値を有する。この場合、前記複数の帯状領域は、互いに位相値の異なる3種類以上の帯状領域を有し、互いに隣接する2つの帯状領域の位相値の差は一方向に向かって符号を含めてほぼ等しい値を有することが好ましい。この構成では、第2素子の第2パターン面に対して基板の表面がデフォーカスしても、逆ピーク状の光強度最小分布におけるピーク点は等間隔状態が維持される。その結果、生成される結晶粒の中心位置の間隔が均等になり、ひいては同じ形状の結晶粒がY方向に沿って並ぶことになり、結晶粒上に薄膜トランジスタ(TFT)を作成する場合に有利である。 Further, according to a preferred aspect of the first form and the second form, the second pattern forming the minimum light intensity distribution has a plurality of band-like regions extending along the light intensity gradient direction in the light intensity gradient distribution. In addition, adjacent band-like regions have different phase values. In this case, the plurality of belt-shaped regions have three or more types of belt-shaped regions having different phase values, and the difference between the phase values of two adjacent belt-shaped regions is substantially the same value including the sign in one direction. It is preferable to have. In this configuration, even when the surface of the substrate is defocused with respect to the second pattern surface of the second element, the peak points in the reverse peak-shaped minimum light intensity distribution are maintained at regular intervals. As a result, the intervals between the center positions of the generated crystal grains become uniform, and as a result, crystal grains having the same shape are arranged along the Y direction, which is advantageous when a thin film transistor (TFT) is formed on the crystal grains. is there.
また、第1形態および第2形態の好ましい態様によれば、前記光強度最小分布を形成する第2パターンは、互いに位相値の異なる3種類以上の領域が所定の点において互いに隣接する形態を有する。この構成では、点逆ピーク状の光強度最小分布が光強度勾配分布の底部分にだけ所望の形態にしたがって生成されることになり、結晶成長の開始点を位置決めするために理想的な光強度分布が得られる。また、第1形態および第2形態では、前記結像光学系の瞳関数は、中央よりも周辺において小さいことが好ましい。この構成では、デフォーカス状態において得られる逆ピーク状の光強度最小分布の周辺に発生する不要ピークを減少させたり除去することができ、デフォーカス状態における光強度最小分布の対称性の崩れもかなり緩和される。 Further, according to a preferred aspect of the first form and the second form, the second pattern forming the minimum light intensity distribution has a form in which three or more regions having different phase values are adjacent to each other at a predetermined point. . In this configuration, a point-reversed peak-shaped light intensity minimum distribution is generated according to a desired form only at the bottom of the light intensity gradient distribution, and the ideal light intensity for positioning the starting point of crystal growth. Distribution is obtained. In the first and second embodiments, it is preferable that the pupil function of the imaging optical system is smaller in the periphery than in the center. This configuration can reduce or eliminate unnecessary peaks that occur in the vicinity of the reverse peak-shaped light intensity minimum distribution obtained in the defocused state, and the symmetry of the light intensity minimum distribution in the defocused state is also considerably broken. Alleviated.
本発明の第3形態では、入射光により、光強度勾配分布を形成する第1素子(1)と逆ピーク状の光強度最小分布を形成する第2素子(2)とを有する光変調素子を照明し、
前記光変調光学系と多結晶半導体膜または非晶質半導体膜を有する基板との間に設けられた結像光学系(4)を介して、前記光強度勾配分布と前記光強度最小分布が形成された入射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して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法を提供する。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a light modulation element having a first element (1) that forms a light intensity gradient distribution and a second element (2) that forms a light intensity gradient minimum distribution with incident light. Illuminate and
The light intensity gradient distribution and the light intensity minimum distribution are formed via an imaging optical system (4) provided between the light modulation optical system and a substrate having a polycrystalline semiconductor film or an amorphous semiconductor film. There is provided a crystallization method for generating a crystallized semiconductor film by irradiating the polycrystalline semiconductor film or the amorphous semiconductor film with the incident light.
本発明の第4形態では、入射光により、光強度勾配分布を形成する第1パターンと、光強度最小分布を形成する第2パターンとの合成パターンを有する素子(7)を照明し、
前記素子と多結晶半導体膜または非晶質半導体膜を有する基板との間に設けられた結像光学系(4)を介して、前記光強度勾配分布と前記光強度最小分布が形成された入射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して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法を提供する。
In the fourth embodiment of the present invention, the element (7) having a combined pattern of the first pattern that forms the light intensity gradient distribution and the second pattern that forms the minimum light intensity distribution is illuminated by incident light,
Incidence in which the light intensity gradient distribution and the light intensity minimum distribution are formed via an imaging optical system (4) provided between the element and a substrate having a polycrystalline semiconductor film or an amorphous semiconductor film. Provided is a crystallization method for generating a crystallized semiconductor film by irradiating the polycrystalline semiconductor film or the amorphous semiconductor film with light.
本発明の第5形態では、第1形態または第2形態の結晶化装置あるいは第3形態または第4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。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a device manufactured using the crystallization apparatus of the first or second form or the crystallization method of the third or fourth form. In this case, a good semiconductor device, liquid crystal display device, or the like can be manufactured based on a crystallized semiconductor film having a large grain size obtained by realizing sufficient lateral growth from a crystal nucleus.
本発明の第6形態では、入射光に、逆ピーク状の光強度最小分布を形成するパターンを有する位相変調素子であって、
前記パターンは、互いに位相値の異なる3種類以上の帯状領域を有し、互いに隣接する2つの帯状領域の位相値の差は一方向に向かって符号を含めてほぼ等しい値を有する位相変調素子を提供する。
According to a sixth embodiment of the present invention, there is provided a phase modulation element having a pattern that forms a light intensity minimum distribution having an inverse peak shape in incident light,
The pattern includes three or more types of band-like regions having different phase values, and a phase modulation element having a difference in phase value between two adjacent band-like regions having substantially the same value including a sign in one direction. provide.
本発明の第7形態では、入射光に、V字型の光強度分布を形成するパターンを有する位相変調素子であって、
最小寸法が所定の寸法よりも小さく且つ第1の位相値を有する第1領域と第2の位相値を有する第2領域とを有し、前記第1領域と前記第2領域との占有面積率が位置によって変化する位相分布を有し、
前記パターンは、前記V字型の光強度分布の底に対応する部分では前記底に平行な方向に沿って延びる直線状領域を有し、前記V字型の光強度分布の底に対応する部分から離れた部分では孤立領域を有する位相変調素子を提供する。
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a phase modulation element having a pattern that forms a V-shaped light intensity distribution in incident light,
An area ratio occupied by the first region and the second region, the first region having a first phase value having a minimum dimension smaller than a predetermined size and a second region having a second phase value; Has a phase distribution that varies with position,
The pattern has a linear region extending along a direction parallel to the bottom in a portion corresponding to the bottom of the V-shaped light intensity distribution, and a portion corresponding to the bottom of the V-shaped light intensity distribution A phase modulation element having an isolated region is provided at a portion away from the region.
本発明では、第1素子を介して形成される光強度勾配分布と第2素子を介して形成される逆ピーク状の光強度最小分布との合成光強度分布が基板表面上に形成される。その結果、所望する勾配の光強度分布を得ることができ、大粒径の結晶化を行うことができる。また、本発明によれば、結晶核の形成位置すなわち結晶成長の開始点を、逆ピーク状の光強度最小分布において光強度の最も小さい位置へ極力近づけることができ、光強度勾配分布における光強度の勾配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。 In the present invention, a combined light intensity distribution of the light intensity gradient distribution formed through the first element and the inverse peak light intensity minimum distribution formed through the second element is formed on the substrate surface. As a result, a light intensity distribution having a desired gradient can be obtained, and crystallization with a large particle diameter can be performed. Further, according to the present invention, the formation position of crystal nuclei, that is, the starting point of crystal growth can be made as close as possible to the position where the light intensity is the smallest in the reverse peak light intensity minimum distribution, and the light intensity in the light intensity gradient distribution A sufficient lateral crystal growth from the crystal nucleus along the gradient direction can be realized, and a crystallized semiconductor film having a large grain size can be generated.
また、本発明では、近接法の場合とは異なり、第1素子または第2素子と基板との間に結像光学系が介在し且つ基板と結像光学系との間隔も比較的大きく確保されているので、第1素子および第2素子が基板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。また、基板と結像光学系との間隔が比較的大きく確保されているので、基板上の別の処理領域へステップ移動する際にも基板と結像光学系とを引き離す必要がなく、高スループットな処理を実現することができる。また、基板と結像光学系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、基板と結像光学系との位置関係を調整することが容易である。 In the present invention, unlike the proximity method, the imaging optical system is interposed between the first element or the second element and the substrate, and the distance between the substrate and the imaging optical system is relatively large. Therefore, good crystallization can be realized without the first element and the second element being affected by ablation in the substrate. In addition, since the distance between the substrate and the imaging optical system is relatively large, there is no need to separate the substrate and the imaging optical system when stepping to another processing area on the substrate, and high throughput is achieved. Can be realized. In addition, since the distance between the substrate and the imaging optical system is relatively large, detection light for position detection is introduced into the optical path between them to adjust the positional relationship between the substrate and the imaging optical system. Easy to do.
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。また、図2は、図1の照明系の内部構成を概略的に示す図である。図1および図2を参照して説明する。第1実施形態の結晶化装置は、入射光に所望する光強度勾配分布の光学的パターンを形成する第1位相変調素子1と、逆ピーク状の光強度最小分布を形成するパターンを有する第2位相変調素子2とを備えている。第1位相変調素子1および第2位相変調素子2のパターン構成については後述する。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a crystallization apparatus according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram schematically showing the internal configuration of the illumination system of FIG. This will be described with reference to FIGS. The crystallization apparatus of the first embodiment includes a first phase modulation element 1 that forms an optical pattern of a desired light intensity gradient distribution in incident light, and a second pattern that has a pattern that forms a light intensity minimum distribution having an inverse peak shape. And a
なお、第1位相変調素子1と第2位相変調素子2とは、パターンが対面するように隣接配置されている。また、第1実施形態の結晶化装置は、光軸が同軸的に配置された第1位相変調素子1および第2位相変調素子2を照明するための照明系3を備えている。照明系3は、たとえば図2に示す光学系であり、248nmの波長を有する光を供給するKrFエキシマレーザ光源3aを備えている。なお、光源3a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3aから供給されたレーザ光は、ビームエキスパンダ3bを介して拡大された後、第1フライアイレンズ3cに入射する。
In addition, the 1st phase modulation element 1 and the 2nd
こうして、第1フライアイレンズ3c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3dを介して、第2フライアイレンズ3e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3eの後側焦点面には、第1フライアイレンズ3c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3e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3fを介して、第1位相変調素子1および第2位相変調素子2を重畳的に照明する。
Thus, a plurality of light sources are formed on the rear focal plane of the first fly-eye lens 3c, and light beams from these plurality of light sources are incident on the incident surface of the second fly-
ここで、第1フライアイレンズ3cおよび第1コンデンサー光学系3d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3aから供給されたレーザ光について第1位相変調素子1および第2位相変調素子2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3eおよび第2コンデンサー光学系3f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第1位相変調素子1および第2位相変調素子2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。こうして、照明系3は、ほぼ均一な光強度分布を有するレーザ光により第1位相変調素子1および第2位相変調素子2を照射する。換言すれば、照明系3は第1位相変調素子1を照明し、この第1位相変調素子1を透過した透過光が第2位相変調素子2に入射する。
Here, the first fly-eye lens 3c and the first condenser
第1位相変調素子1および第2位相変調素子2で位相変調されたレーザ光は、結像光学系4を介して、被処理基板5に入射される。ここで、結像光学系4は、第1位相変調素子1のパターン面と第2位相変調素子2のパターン面との中間面と被処理基板5とを光学的に共役に配置している。換言すれば、被処理基板5は、上記中間面と光学的に共役な面(結像光学系4の像面)に設定されている。結像光学系4は、正レンズ群4aと正レンズ群4bとの間に開口絞り4cを備えている。
The laser light phase-modulated by the first phase modulation element 1 and the second
開口絞り4c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4cは光路に対して交換可能に構成されていてもよい。あるいは、開口絞り4c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していてもよい。いずれにしても、開口絞り4cの開口部の大きさ(ひいては結像光学系4の像側開口数NA)は、後述するように、被処理基板5の半導体膜上において所要の光強度分布を発生させるように設定されている。
The
なお、結像光学系4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。また、被処理基板5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。下地膜は、絶縁膜例えばSiO2であり、非晶質シリコンとガラス基板が直接接触してNaなどの異物が非晶質シリコンに混入するのを防止し、非晶質シリコンの溶融温度が直接ガラス基板に伝熱されるのを防止する。被処理基板5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6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。
The imaging
図3Aないし図3Fは、第1位相変調素子の基本原理を説明する図である。図3Aないし図3Fにおいて図1および図2と同一部分には同一符号を付与し、その詳細な説明は重複するので省略する。一般に、第1位相変調素子1による結像の光振幅分布U(x,y)は、次の式(1)で表わされる。なお、式(1)において、T(x,y)は第1位相変調素子1の複素振幅透過率分布を、*はコンボリューション(たたみ込み積分)を、ASF(x,y)は結像光学系4の点像分布関数をそれぞれ示している。ここで、点像分布関数とは、結像光学系による点像の振幅分布と定義する。
U(x,y)=T(x,y)*ASF(x,y)・・・(1)
3A to 3F are diagrams for explaining the basic principle of the first phase modulation element. 3A to 3F, the same parts as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted because it is redundant. In general, the light amplitude distribution U (x, y) of the image formed by the first phase modulation element 1 is expressed by the following equation (1). In Equation (1), T (x, y) is the complex amplitude transmittance distribution of the first phase modulation element 1, * is convolution (convolution integration), and ASF (x, y) is imaging optics. The point spread function of the
U (x, y) = T (x, y) * ASF (x, y) (1)
なお、第1位相変調素子1の複素振幅透過率分布Tは、振幅が均一であることから、次の式(2)で表わされる。なお、式(2)において、T0は一定の値であり、φ(x,y)は位相分布を示している。
T=T0eiφ(x,y)・・・(2)
The complex amplitude transmittance distribution T of the first phase modulation element 1 is expressed by the following equation (2) because the amplitude is uniform. In Equation (2), T 0 is a constant value, and φ (x, y) indicates a phase distribution.
T = T 0 e iφ (x, y) (2)
また、結像光学系4が均一円形瞳を有し且つ無収差である場合、点像分布関数ASF(x,y)に関して次の式(3)に示す関係が成立する。なお、式(3)において、J1はベッセル(Bessel)関数を、λは光の波長を、NAは上述したように結像光学系4の像側開口数をそれぞれ示している。
ASF(x,y) ∝ 2J1(2π/λ・NA・r)/(2π/λ・NA・r)・・(3)
ただし、r=(x2+y2)1/2
When the imaging
ASF (x, y) ∝ 2J 1 (2π / λ · NA · r) / (2π / λ · NA · r) (3)
However, r = (x 2 + y 2 ) 1/2
図3Aに示す結像光学系4の点像分布関数は、図3Bに示すものであり、直径Rの円筒形4e(図3B中破線で示す)で近似すると、図3Cに示す第1位相変調素子1上の直径R’(結像光学系の拡大倍率をMとしたとき、R=M×R’で決定される値)の円内の複素振幅分布を積分したものが、像面4f上の複素振幅を決定する。上述したように、像面4fに結像された結像の光振幅すなわち光強度は第1位相変調素子1の複素振幅透過率分布と点像分布関数とのコンボリューションで与えられる。点像分布関数を円筒形4eで近似して考えると、図3Cに示す円形の点像分布範囲R内で位相変調素子1の複素振幅透過率を均一重みで積分した結果が、図3Aの像面4fでの複素振幅になり、その絶対値の二乗が光強度となる。なお、結像光学系4での点像分布範囲Rとは、点像分布関数によって描かれた図3Bの曲線の0点4iとの交点4j内の範囲をいう。
The point spread function of the imaging
したがって、点像分布範囲R内で位相の変化が少ないほど光強度は大きくなり、逆に位相の変化が大きいほど光強度は小さくなる。この点は、図3Dに示すように単位円4g内での位相ベクトル4hの和で考えると理解しやすい。像面4fを物例えば半導体膜とした場合、図3Bの点像分布関数は、図3Fに示すような点像分布関数となる。図3Eは像面4fの一点を表す図であり、上記の過程によりこの点の光強度が決定される。図4Aないし図4Cは、点像分布範囲R内での位相の変化と光強度との典型的な関係を示す図である。図4Bおよび図4Cのハッチングは位相値が異なる部分が明確となるために付すものである。図4Aは、位相変調素子1の面を4等分した4つの領域の位相値がすべて0度の場合を示す図であり、0度方向の4つの位相ベクトル4kの和が振幅4Eに対応し、その二乗が光強度16Iに対応することになる。ここでEとは図4Aの下図の点線円の半径を示す値であり、IはE2=Iと規定する。
Therefore, the light intensity increases as the phase change in the point image distribution range R decreases, and conversely, the light intensity decreases as the phase change increases. This point can be easily understood by considering the sum of the
図4Bは、上記4つの領域において離間した2つの領域の位相値が0度であり、他の離間した2つの領域の位相値が90度の場合を示す図であり、0度方向の2つの位相ベクトル4mと90度方向の2つの位相ベクトル4nとの和が振幅となり、その値は8E2(4E2+4E2=8E2であるため)の平方根に対応し、その光強度は振幅の二乗である8Iに対応することになる。図4Cは、位相値が0度の領域と位相値が90度の領域と位相値が180度の領域と位相値が270度の領域の場合の位相変調素子1,2を示す図であり、0度方向の位相ベクトル4sと90度方向の位相ベクトル4tと180度方向の位相ベクトル4uと270度方向の位相ベクトル4vとの和が振幅0Eに対応し、その二乗が光強度0Iに対応することになる。
FIG. 4B is a diagram illustrating a case where the phase values of two regions separated in the above four regions are 0 degrees and the phase values of the other two separated regions are 90 degrees, The sum of the
図5Aおよび図5Bは、結像光学系4における瞳関数と点像分布関数との関係を示す図である。一般に、点像分布関数は、瞳関数のフーリエ変換で与えられる。具体的には、結像光学系4が均一な円形瞳を有し且つ無収差である場合、点像分布関数ASF(x,y)は上述の式(3)により表わされる。しかしながら、結像光学系4に収差が存在する場合や、均一円形瞳以外の瞳関数を有する場合はこの限りではない。
5A and 5B are diagrams showing the relationship between the pupil function and the point spread function in the imaging
均一な円形瞳で無収差の場合、図5Bに示すように点像分布関数が最初に0となるまでの中央領域(すなわちエアリーディスク)の半径R/2は、次の式(4)で表わされることが知られている。
R/2=0.61λ/NA (4)
In the case of a uniform circular pupil and no aberration, as shown in FIG. 5B, the radius R / 2 of the central region (ie, Airy disk) until the point spread function first becomes 0 is expressed by the following equation (4). It is known that
R / 2 = 0.61λ / NA (4)
本明細書において、点像分布範囲Rとは、図3Bおよび図5Bに示すように点像分布関数ASF(x,0)が最初に0となるまでの円形状の中央領域を意味している。図4Aないし図4Cを参照して明らかなように、結像光学系の点像分布範囲Rに光学的に対応する円の中に複数(図4Aないし図4Cでは4つ)の位相変調単位が含まれていると、複数の位相ベクトル(4k,4m,4n,4s〜4v)の和により光の振幅を、ひいては光の強度を解析的に且つ簡単な計算にしたがって制御することが可能である。その結果、一般的に実現困難であった大粒径の結晶化を行うための光強度分布を比較的容易に得ることができる。 In this specification, the point image distribution range R means a circular central region until the point image distribution function ASF (x, 0) first becomes 0, as shown in FIGS. 3B and 5B. . As is apparent with reference to FIGS. 4A to 4C, there are a plurality of (four in FIGS. 4A to 4C) phase modulation units in a circle optically corresponding to the point spread range R of the imaging optical system. If included, it is possible to control the amplitude of light by the sum of a plurality of phase vectors (4k, 4m, 4n, 4s-4v), and consequently the intensity of the light analytically and according to a simple calculation. . As a result, it is possible to relatively easily obtain a light intensity distribution for crystallization with a large particle diameter, which is generally difficult to realize.
したがって、本発明では、光強度を自由に制御するために、第1位相変調素子1の位相変調単位は、結像光学系4の点像分布範囲Rの半径R/2よりも光学的に小さいことが必要である。換言すれば、結像光学系4の像側における第1位相変調素子1の位相変調単位の大きさは、結像光学系4の点像分布範囲Rの半径R/2よりも小さいことが必要である。以下、第1実施形態における第1位相変調素子1の構成および作用について説明する。
Therefore, in the present invention, the phase modulation unit of the first phase modulation element 1 is optically smaller than the radius R / 2 of the point image distribution range R of the imaging
図6Aおよび図6Bは、第1実施形態における第1位相変調素子の全体構成を概略的に示す図である。図6Aおよび図7Aのハッチングは第1領域1bの部分が明確となるために付すものである。また、図7Aおよび図7Bは、図6Aの第1位相変調素子における基本パターンの構成を概略的に示す図である。図6Aに示す第1位相変調素子1のパターンは、図7Aに示す基本パターンを含んでいる。図7Aを参照すると、第1位相変調素子1の基本パターンは、結像光学系4の点像分布範囲Rの半径R/2よりも光学的に小さいサイズの複数のセル(図中矩形状の破線で示す)1cを有する。
6A and 6B are diagrams schematically showing the overall configuration of the first phase modulation element in the first embodiment. The hatching in FIGS. 6A and 7A is given to clarify the portion of the
各セル1cには、たとえば90度の位相値(第1の位相値)を有する第1領域(図中斜線部で示す)1bと、たとえば0度の位相値(第2の位相値)を有する第2領域(図中空白部で示す)1aとが形成されている。図7Aに示すように、各セル1c内における第1領域1bと第2領域1aとの占有面積率がセル毎に変化している。換言すれば、位相値が90度の第1領域1bと位相値が0度の第2領域1aとの占有面積率がX方向の位置によって変化する位相分布を有する。さらに具体的には、セル内における第2領域1aの占有面積比は、図中左側のセルにおいて最も50%に近く、図中右側のセルにおいて最も100%に近く、その間においてX方向に沿って単調に変化している。
Each cell 1c has, for example, a first region (shown by a hatched portion in the figure) 1b having a phase value (first phase value) of 90 degrees and a phase value (second phase value) of 0 degrees, for example. A second region (indicated by a blank portion in the figure) 1a is formed. As shown in FIG. 7A, the occupation area ratio of the
以上のように、第1位相変調素子1は、結像光学系4の点像分布範囲Rの半径R/2よりも光学的に小さいサイズの位相変調単位(セル)1cに基づく位相分布を有する。したがって、各位相変調単位1cにおける第1領域1bと第2領域1aとの占有面積率を、すなわち2つの位相ベクトルの和を適宜変化させることにより、被処理基板5上に形成される光強度分布を解析的に且つ簡単な計算にしたがって制御することが可能である。
As described above, the first phase modulation element 1 has a phase distribution based on the phase modulation unit (cell) 1c having a size optically smaller than the radius R / 2 of the point image distribution range R of the imaging
具体的には、図6Bに示すように、第2領域1aの占有面積比が最も100%に近い両側位置において最も光強度が大きく、第2領域1aの占有面積比が最も50%に近い中央位置において最も光強度が小さい一次元方向に勾配を有する(X方向に勾配を有する)V字型の光強度勾配分布が得られる。ここでV字とは完全なV字のみを意味するものではなく、例えば図6Bに示すようにほぼV字型に近い谷型形状、一部にU字部分を有する谷型形状をも含む概念である。またV字型形状は1つに限定されず、一部に当該V字型を含んでいればよい。例えば図6Aに示す第1位相変調素子1は1つである必要はなく複数並設され、それに対応しV字型が複数並んだ形状の光強度分布でも良い。第1位相変調素子1は、例えば石英ガラス基板に所要の位相段差に対応する厚さ分布を形成することにより製造することができる。石英ガラス基板の厚さの変化は、選択エッチングやFIB(Focused Ion Beam)加工により形成することができる。
Specifically, as shown in FIG. 6B, the light intensity is highest at both side positions where the occupied area ratio of the
図8Aおよび図8Bは、第1実施形態における第2位相変調素子の構成を概略的に示す図である。図8Aを参照すると、第2位相変調素子2のパターンは、図中鉛直方向に延びる複数(4つのみを図示)の帯状領域を有し、互いに隣接する帯状領域は互いに異なる位相値を有する。具体的には、第2位相変調素子2は、位相差が90度のライン・アンド・スペース・パターンを有する位相シフターであって、0度の位相値を有する矩形状の第1帯状領域2aと90度の位相値を有する矩形状の第2帯状領域2bとが交互に形成されたパターンを有する。図8Aのハッチングは第2帯状領域2bの部分が明確となるために付すものである。
8A and 8B are diagrams schematically showing the configuration of the second phase modulation element in the first embodiment. Referring to FIG. 8A, the pattern of the second
この場合、図8Bに示すように、第1帯状領域2aと第2帯状領域2bとの境界線である位相シフト線において光強度が最も小さく周辺に向かって(ピッチ方向であるY方向に沿って両側に)急激に光強度が増大する逆ピーク状の光強度最小分布が得られる。第2位相変調素子2も第1位相変調素子1と同様に、例えば石英ガラス基板に所要の位相段差に対応する厚さ分布を形成することにより製造することができる。石英ガラス基板の厚さの変化は、選択エッチングやFIBにより形成することができる。
In this case, as shown in FIG. 8B, the light intensity is the smallest in the phase shift line, which is the boundary line between the
第1実施形態では、第1位相変調素子1において第1領域1bと第2領域1aとの占有面積率が変化する方向(図6Aにおいて破線1dで示す方向)と、第2位相変調素子2における位相シフト線の方向(図8Aにおいて実線2cで示す方向)とを一致させている。換言すれば、第2位相変調素子2のパターンは、第1位相変調素子1を介して形成される光強度勾配分布における光強度の勾配方向(X方向)に沿って延びる複数の帯状領域を有する。
In the first embodiment, the direction in which the occupied area ratio of the
その結果、第1実施形態として、図9Aに、第1位相変調素子1を介して形成されるV字型の光強度勾配分布1eの斜視図を示し、図9Bには第2位相変調素子2を介して形成される逆ピーク状の光強度最小分布2dとの斜視図を示す。図9A、図9Bおよび図10のハッチングは第1領域1bおよび第2帯状領域2bの部分が明確となるために付すものである。図9Bに示す第2位相変調素子2は、光最小強度最小分布の逆ピークを3つ含むように第1帯状領域2aと第2帯状領域2bが構成されているものとした。従って図8Aに示す逆ピークを5つ形成する第2位相変調素子2と比較し、図9B及び図10の第2位相変調素子2は両端の第1帯状領域2aと第2帯状領域2bの幅が半分のものとなっている。
As a result, as a first embodiment, FIG. 9A shows a perspective view of a V-shaped light
図10には、第1位相変調素子1を介して形成されるV字型の光強度勾配分布1eと、第2位相変調素子2を介して形成される逆ピーク状の光強度最小分布2dとの合成光強度分布を示す。
FIG. 10 shows a V-shaped light
さらに理解しやすいように、図11には、第2位相変調素子2を介して形成される光強度最小分布の逆ピークが1つだけ含む場合の、合成光強度分布の斜視図であり、透過図を示す。すなわちV字型パターン+1つの逆ピーク状パターンの合成光強度分布5aが被処理基板5の表面上に形成される。V字型パターン+1つの逆ピーク状パターンの光強度分布5aでは、結晶核の形成位置すなわち結晶成長の開始点を、逆ピーク状の光強度最小分布2dにおいて光強度の最も小さい位置へ極力近づけることができ、V字型の光強度勾配分布1eにおける光強度の勾配方向(X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。
For easier understanding, FIG. 11 is a perspective view of the combined light intensity distribution in the case where only one reverse peak of the light intensity minimum distribution formed via the second
また、第1実施形態では、近接法の場合とは異なり、第2位相変調素子2と被処理基板5との間に結像光学系4が介在し且つ被処理基板5と結像光学系4との間隔も比較的大きく確保されているので、第1位相変調素子1および第2位相変調素子2や結像光学系4に被処理基板5からのアブレーションによる生成物が付着することなく良好な結晶化を実現することができる。また、第1実施形態では、近接法の場合とは異なり、被処理基板5と結像光学系4との間隔が比較的大きく確保されているので、被処理基板5上の別の処理領域へステップ移動する際にも被処理基板5と結像光学系4とを引き離す必要がなく、高スループットな処理を実現することができる。
In the first embodiment, unlike the proximity method, the imaging
また、第1実施形態では、近接法の場合とは異なり、被処理基板5と結像光学系4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5と結像光学系4との位置関係を調整することが容易である。以上のように、第1実施形態の結晶化装置および結晶化方法では、半導体膜におけるアブレーションの影響を回避しつつ、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。
In the first embodiment, unlike the proximity method, the distance between the substrate 5 to be processed and the imaging
図12Aおよび図12Bは、第1実施形態の第1変形例にかかる第1位相変調素子の全体構成を概略的に示す図である。図12Aのハッチングは第1領域11bの部分が明確となるために付すものである。第1変形例にかかる第1位相変調素子11は、第1実施形態の第1位相変調素子1と類似の構成を有する。しかしながら、第1実施形態の第1位相変調素子1では、90度の位相値を有する第1領域1bがすべて孤立領域の形態を有し全体に亘って離散的に配置されているが、第1変形例にかかる第1位相変調素子11では90度の位相値を有する第1領域11bが直線状領域と孤立領域との混合形態を有する点が相違している。
12A and 12B are diagrams schematically illustrating an overall configuration of a first phase modulation element according to a first modification of the first embodiment. The hatching in FIG. 12A is given to clarify the portion of the
具体的には、第1変形例にかかる第1位相変調素子11のパターンは、図12Aに示すように、V字型の光強度勾配分布の底に対応する部分では底に平行な方向(Y方向)に沿って延びる3本の直線状領域11bsを有し、その他の部分すなわちV字型の光強度勾配分布の底からX方向に沿って離れた部分では多数の孤立領域11biを有する。ここで、直線状領域11bsの幅(X方向寸法)は、第1領域11bと第2領域11aとの占有面積率が第1実施形態の第1位相変調素子1における第1領域1bと第2領域1aとの占有面積率に対応するように設定されている。
Specifically, as shown in FIG. 12A, the pattern of the first
こうして、第1変形例にかかる第1位相変調素子11を用いることにより、第1実施形態の第1位相変調素子1の場合と同様に、図12Bに示すような一次元に勾配を有する(図12BではX方向に勾配を有する)V字型の光強度勾配分布が得られる。そして、第1位相変調素子11において第1領域11bと第2領域11aとの占有面積率が変化する方向(図12Aにおいて破線11cで示す方向)と、第2位相変調素子2における位相シフト線の方向(図8Aにおいて実線2cで示す方向)とを一致させることにより、図10および図11に示すようなV字型パターン+逆ピーク状パターンの光強度分布5aが被処理基板5の表面上に形成される。
Thus, by using the first
第1実施形態の第1位相変調素子1では、V字型の光強度勾配分布の底に対応する部分にY方向に沿って離散的に配置された孤立領域1bを有するため、V字型の光強度勾配分布の底に沿って完全に均一な光学特性を得ることができない。孤立領域の分割数を増すことにより均一に近づけることはできるが、完全に均一にすることは不可能である。その結果、第1実施形態の第1位相変調素子1では、第1領域1bと第2領域1aとの占有面積率が変化する方向(図6Aにおいて破線1dで示す方向)と、第2位相変調素子2における位相シフト線の方向(図8Aにおいて実線2cで示す方向)とがY方向に位置ずれしたときに得られる合成光強度分布の光学特性がばらつき易い。
Since the first phase modulation element 1 of the first embodiment has the
これに対し、第1変形例にかかる第1位相変調素子11では、V字型の光強度勾配分布の底に対応する部分にY方向に沿って延びる直線状領域11bsが設けられているため、V字型の光強度勾配分布の底に沿って完全に均一な光学特性を得ることができる。その結果、第1変形例にかかる第1位相変調素子11では、第1領域11bと第2領域11aとの占有面積率が変化する方向(図12Aにおいて破線11cで示す方向)と、第2位相変調素子2における位相シフト線の方向(図8Aにおいて実線2cで示す方向)とがY方向に位置ずれしても、得られる合成光強度分布の光学特性が変動し難いという利点がある。
On the other hand, in the first
図13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。図14Aは、第2実施形態における第3位相変調素子の全体構成を概略的に示す図である。図14Aのハッチングは第1領域7b、7b’の部分が明確となるために付すものである。図14Bは、図14Aの断面を示す図である。矢印は入射光の照射を意味する。第2実施形態にかかる結晶化装置は、第1実施形態にかかる結晶化装置と類似の構成を有する。しかしながら、第1実施形態では第1位相変調素子1と第2位相変調素子2とを備えているのに対し、第2実施形態では第1位相変調素子1および第2位相変調素子2に代えて1枚の第3位相変調素子7で構成している点が相違している。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。
FIG. 13 is a diagram schematically showing a configuration of a crystallization apparatus according to the second embodiment of the present invention. FIG. 14A is a diagram schematically showing an overall configuration of a third phase modulation element in the second embodiment. The hatching in FIG. 14A is given to clarify the portions of the
第2実施形態では、図13に示すように、第1実施形態の第1位相変調素子1および第2位相変調素子2に代えて、光強度勾配分布を形成するパターンと逆ピーク状の光強度最小分布を形成するパターンとの合成パターンを有する1つの第3位相変調素子7が設けられている。ここで、第3位相変調素子7のパターン面は、結像光学系4に対向するように設定されている。また、第3位相変調素子7の合成パターンの位相変調量は、第1実施形態の第1位相変調素子1において光強度勾配分布を形成するパターンの位相変調量と、第1実施形態の第2位相変調素子2において逆ピーク状の光強度最小分布を形成するパターンの位相変調量との和に対応している。
In the second embodiment, as shown in FIG. 13, instead of the first phase modulation element 1 and the second
具体的には、第3位相変調素子7は、図14Aに示すように、X方向に沿った境界線7cにより、下側領域と上側領域とに分割されている。下側領域では、第1実施形態の第1位相変調素子1のパターンにおける第1領域1bおよび第2領域1aに対応するように第1領域7bおよび第2領域7aが設けられている。そして、第1領域7bおよび第2領域7aの位相値は、第1領域1bおよび第2領域1aの位相値に第1実施形態の第2位相変調素子2の第1領域2aの位相値である0度をそれぞれ付加した値になっている。すなわち、第1領域7bの位相値は第1領域1bの位相値に対応して90度であり、第2領域7aの位相値は第2領域1aの位相値に対応して0度である。ここで位相角は位相の遅れる方を、正とする。
Specifically, as shown in FIG. 14A, the third
一方、上側領域では、第1実施形態の第1位相変調素子1のパターンにおける第1領域1bおよび第2領域1aに対応するように第1領域7b’および第2領域7a’が設けられている。そして、第1領域7b’および第2領域7a’の位相値は、第1領域1bおよび第2領域1aの位相値に第1実施形態の第2位相変調素子2の第2領域2bの位相値である90度をそれぞれ付加した値になっている。すなわち、第1領域7b’の位相値は第1領域1bの位相値よりも90度大きい180度であり、第2領域7a’の位相値は第2領域1aの位相値よりも90度大きい90度である。上側領域、下側領域を横断する断面図を図14Bに示す。7a(0度)、7b(90度)、境界線7c、7a’(90度)、7b’(180度)のそれぞれの位置関係が明確に理解できる。
On the other hand, in the upper region, the
上述したように、第2実施形態にかかる第3位相変調素子7の合成パターンの位相変調量は、第1実施形態の第1位相変調素子1において光強度勾配分布を形成するパターンの位相変調量と、第1実施形態の第2位相変調素子2において逆ピーク状の光強度最小分布を形成するパターンの位相変調量との和に対応している。したがって、第2実施形態においても第1実施形態と同様に、第3位相変調素子7の作用により、図10および図11に示すようなV字型パターン+逆ピーク状パターンの光強度分布5aを被処理基板5の表面上に形成することができる。しかも、第2実施形態では、第1実施形態とは異なり、2つの位相変調素子の位置合わせを行う必要がないという利点がある。
As described above, the phase modulation amount of the combined pattern of the third
図15は、第2実施形態の第1変形例にかかる第3位相変調素子の全体構成を概略的に示す図である。図15のハッチングは第1領域17b、17b’の部分が明確となるために付すものである。図15に示す第1変形例にかかる第3位相変調素子17の合成パターンの位相変調量は、第1実施形態の第1変形例にかかる第1位相変調素子11において光強度勾配分布を形成するパターンの位相変調量と、第1実施形態の第2位相変調素子2において逆ピーク状の光強度最小分布を形成するパターンの位相変調量との和に対応している。
FIG. 15 is a diagram schematically showing an overall configuration of a third phase modulation element according to the first modification of the second embodiment. The hatching in FIG. 15 is given to clarify the portions of the
具体的には、第3位相変調素子17は、図15に示すように、X方向に沿った境界線17cにより、下側領域と上側領域とに分割されている。下側領域では、第1実施形態の第1変形例にかかる第1位相変調素子11(図12A)のパターンにおける第1領域11b(11bs,11bi)および第2領域11aに対応するように第1領域17b(17bs,17bi)および第2領域17aが設けられている。そして、第1領域17bおよび第2領域17aの位相値は、第1領域11bおよび第2領域11aの位相値に第1実施形態の第2位相変調素子2の第1領域2aの位相値である0度をそれぞれ付加した値になっている。すなわち、第1領域17bの位相値は第1領域11bの位相値に対応して90度であり、第2領域17aの位相値は第2領域11aの位相値に対応して0度である。
Specifically, as shown in FIG. 15, the third
一方、上側領域では、第1実施形態の第1変形例にかかる第1位相変調素子11のパターンにおける第1領域11b(11bs,11bi)および第2領域11aに対応するように第1領域17b’(17bs’,17bi’)および第2領域17a’が設けられている。そして、第1領域17b’および第2領域17a’の位相値は、第1領域11bおよび第2領域11aの位相値に第1実施形態の第2位相変調素子2の第2領域2bの位相値である90度をそれぞれ付加した値になっている。すなわち、第1領域17b’の位相値は第1領域11bの位相値よりも90度大きい180度であり、第2領域17a’の位相値は第2領域11aの位相値よりも90度大きい90度である。
On the other hand, in the upper region, the
上述したように、第1変形例にかかる第3位相変調素子17の合成パターンの位相変調量は、第1実施形態の第1変形例にかかる第1位相変調素子11において光強度勾配分布を形成するパターンの位相変調量と、第1実施形態の第2位相変調素子2において逆ピーク状の光強度最小分布を形成するパターンの位相変調量との和に対応している。したがって、この場合も第2実施形態と同様に、V字型パターン+逆ピーク状パターンの光強度分布5aを被処理基板5の表面上に形成することができるとともに、第1実施形態とは異なり2つの位相変調素子の位置合わせを行う必要がないという利点がある。
As described above, the phase modulation amount of the combined pattern of the third
図16Aないし図16Dは、第1実施形態の第2位相変調素子を介して被処理基板上に形成される逆ピーク状の光強度最小分布がデフォーカスにより受ける影響を模式的に示す図である。図16Aのハッチングは第2帯状領域2bの部分が明確となるために付すものである。図16Aに示すような第2位相変調素子2のパターン面と被処理基板5の表面とが結像光学系4を介して光学的に共役に設定されているとき、すなわち第2位相変調素子2のパターン面に対して被処理基板5の表面がフォーカス位置に設定されているとき、被処理基板5の表面には第2位相変調素子2を介して図16Cに示すような逆ピーク状の光強度最小分布が形成される。
FIGS. 16A to 16D are diagrams schematically illustrating the influence of defocusing on the inverse peak-shaped light intensity minimum distribution formed on the substrate to be processed via the second phase modulation element of the first embodiment. . The hatching in FIG. 16A is given to clarify the portion of the second band-
この場合、第2位相変調素子2の第1帯状領域2aおよび第2帯状領域2bが等ピッチであれば、逆ピーク状の光強度最小分布において光強度の最も小さいピーク点はY方向に沿って等間隔に現われる。しかしながら、第2位相変調素子2のパターン面に対して被処理基板5の表面がフォーカス位置から外れたデフォーカス位置に設定されていると、図16Bおよび図16Dに示すように、ピーク点が交互に反対方向にシフトすることになり、ピーク点の間隔は不均等になって1ピッチ毎の対称性が崩れる。
In this case, if the first belt-
その結果、生成される結晶粒の中心位置の間隔が不均等になり、ひいては互いに異なる2種類の形状の結晶粒がY方向に沿って交互に並ぶことになるので不都合である。ちなみに、被処理基板5にはデフォーカスの原因となる板厚偏差が不可避的に存在し、その周期は数cm程度である。一方、結晶粒の寸法は数μmであり、板厚偏差の周期よりもはるかに小さい。したがって、隣接する結晶粒の範囲で見ると、デフォーカス量はほぼ均一と考えることができる。 As a result, the interval between the center positions of the generated crystal grains becomes uneven, and as a result, crystal grains having two different shapes are alternately arranged along the Y direction. Incidentally, a thickness deviation that inevitably causes defocusing is unavoidably present in the substrate 5 to be processed, and its cycle is about several centimeters. On the other hand, the size of the crystal grains is several μm, which is much smaller than the period of the plate thickness deviation. Accordingly, when viewed in the range of adjacent crystal grains, the defocus amount can be considered to be substantially uniform.
図17Aないし図17Dは、第1実施形態の第1変形例にかかる第2位相変調素子を介して被処理基板上に形成される逆ピーク状の光強度最小分布がデフォーカスにより受ける影響を模式的に示す図である。図17Aのハッチングは位相が異なる部分が明確となるために付すものである。図17Aを参照すると、第1変形例にかかる第2位相変調素子12は、0度の位相値を有する矩形状の第1帯状領域12aと、90度の位相値を有する矩形状の第2帯状領域12bと、180度の位相値を有する矩形状の第3帯状領域12cと、270度の位相値を有する矩形状の第4帯状領域12dとが一方向(Y方向)に沿って繰り返し形成されたパターンを有する。
17A to 17D schematically illustrate the influence of defocusing on the inverse peak light intensity minimum distribution formed on the substrate to be processed via the second phase modulation element according to the first modification of the first embodiment. FIG. The hatching in FIG. 17A is given in order to clarify a portion having a different phase. Referring to FIG. 17A, the second
第1変形例では、第2位相変調素子12のパターン面に対して被処理基板5の表面がフォーカス位置に設定されているとき、被処理基板5の表面には第2位相変調素子12を介して図17Cに示すような逆ピーク状の光強度最小分布が形成される。この場合、第2位相変調素子2の第1帯状領域12a、第2帯状領域12b、第3帯状領域12cおよび第4帯状領域12dが等ピッチであれば、逆ピーク状の光強度最小分布において光強度の最も小さいピーク点はY方向に沿って等間隔に現われる。
In the first modification, when the surface of the substrate to be processed 5 is set to the focus position with respect to the pattern surface of the second
これに対して、第2位相変調素子12のパターン面に対して被処理基板5の表面がフォーカス位置から外れたデフォーカス位置に設定されていると、図17BおよびDに示すように、ピーク点が同じ方向に同じ量だけシフトすることになる。しかしながら、逆ピーク状の光強度最小分布におけるピーク点は等間隔状態が維持される。その結果、生成される結晶粒の中心位置の間隔が均等になり(1ピッチ毎の対称性が維持され)、ひいては同じ形状の結晶粒がY方向に沿って並ぶことになり、結晶粒上に薄膜トランジスタ(TFT)を作成する場合に有利である。
On the other hand, when the surface of the substrate to be processed 5 is set to a defocus position that is out of the focus position with respect to the pattern surface of the second
なお、図17Aの変形例では、第2位相変調素子12が互いに位相値の異なる4種類の帯状領域12a〜12dを有し、互いに隣接する2つの帯状領域の位相値の差が+Y方向に向かって+90度であるような構成を採用している。しかしながら、これに限定されることなく、互いに位相値の異なる3種類以上の帯状領域を有し、互いに隣接する2つの帯状領域の位相値の差は一方向に向かって符号を含めてほぼ等しい値を有するような構成も可能である。
In the modification of FIG. 17A, the second
ところで、上述の第2実施形態では、第1実施形態にかかる第1位相変調素子1のパターンと、第1実施形態にかかる第2位相変調素子2のパターンとの合成パターンを有する第3位相変調素子7、および第1実施形態の第1変形例にかかる第1位相変調素子11のパターンと、第1実施形態にかかる第2位相変調素子2のパターンとの合成パターンを有する第3位相変調素子17を用いている。しかしながら、第1位相変調素子1のパターンまたは第1位相変調素子11のパターンと、図17Aの変形例にかかる第2位相変調素子12のパターンとの合成パターンを有する第3位相変調素子を用いることもできる。
By the way, in the second embodiment described above, the third phase modulation having a combined pattern of the pattern of the first phase modulation element 1 according to the first embodiment and the pattern of the second
図18Aないし図18Dは、第1実施形態の第1変形例にかかる第2位相変調素子を介して被処理基板上に形成される逆ピーク状の光強度最小分布に対して結像光学系の瞳関数が与える影響を模式的に示す図である。図18Aには、結像光学系4の瞳関数が図示されている。結像光学系4の瞳関数が図18Aにおいて破線100で示すように中央から周辺にかけて一定である場合、図17Bおよび図17Dに示すように、デフォーカス状態において得られる逆ピーク状の光強度最小分布には破線円8aで示すような不要ピークが発生し、非対称な光強度最小分布になってしまう。また、この種の比較的大きな不要ピーク8aは、アブレーションの原因にもなる。
18A to 18D show the imaging optical system for the inverse peak-shaped light intensity minimum distribution formed on the substrate to be processed via the second phase modulation element according to the first modification of the first embodiment. It is a figure which shows typically the influence which a pupil function gives. FIG. 18A shows the pupil function of the imaging
これに対し、結像光学系4の瞳関数が図18Aにおいて実線101で示すように中央よりも周辺において小さい形態を有する場合、たとえば周辺が60%で中央が100%のガウス分布の瞳関数を有する場合、図18Bおよび図18Dに示すように、デフォーカス状態において得られる逆ピーク状の光強度最小分布には破線円8bで示すような小さな不要ピークしか発生しなくなり、デフォーカス状態における光強度最小分布の対称性の崩れもかなり緩和されるので好ましい。なお、実線101で示すようなガウス分布の瞳関数は、図2の照明系3において第2フライアイレンズ3eの射出面の近傍に所定の透過率分布を有する透過フィルターを挿入することにより実現される。
On the other hand, when the pupil function of the imaging
図19Aは、第1実施形態の第2変形例にかかる第2位相変調素子の全体構成を概略的に示す図である。図19Aのハッチングは位相が異なる部分が明確となるために付すものである。図19Bは、図19Aに示す第1実施形態の第2変形例にかかる第2位相変調素子に対応した第1実施形態における第1位相変調素子の全体構成を概略的に示す図である。図19Bのハッチングは第1領域1bの部分が明確となるために付すものである。図19Aを参照すると、第2変形例にかかる第2位相変調素子22は、互いに位相値の異なる4種類の矩形状領域22a,22b,22c,22dが所定の点領域22eにおいて互いに隣接する形態を有する。具体的には、第2位相変調素子22は、例えば位相値が0度の第1矩形状領域22aと、位相値が90度の第2矩形状領域22bと、位相値が180度の第3矩形状領域22cと、位相値が270度の第4矩形状領域22dとを有する。
FIG. 19A is a diagram schematically showing an overall configuration of a second phase modulation element according to the second modification of the first embodiment. The hatching in FIG. 19A is given in order to clarify a portion having a different phase. FIG. 19B is a diagram schematically showing an overall configuration of the first phase modulation element in the first embodiment corresponding to the second phase modulation element according to the second modification of the first embodiment shown in FIG. 19A. The hatching in FIG. 19B is given to clarify the portion of the
そして、点領域22eにおいて十字状に交差する4つの直線は、第1矩形状領域22aと第2矩形状領域22bとの間の境界線、第2矩形状領域22bと第3矩形状領域22cとの間の境界線、第3矩形状領域22cと第4矩形状領域22dとの間の境界線、および第4矩形状領域22dと第1矩形状領域22aとの間の境界線に対応するように構成されている。この場合、点領域22eがシフト部を構成することになり、図20に示すように、点領域22eにおいて光強度が最も小さく周辺のすべての方向に向かって急激に光強度が増大する点逆ピーク状の光強度最小分布22fが得られる。
The four straight lines intersecting in a cross shape in the
したがって、第2変形例にかかる第2位相変調素子22を第1位相変調素子1と併用する場合、図20に示すように、第1位相変調素子1を介して形成される一次元に勾配を有するV字型の光強度勾配分布1eと、第2位相変調素子22を介して形成される点逆ピーク状の光強度最小分布22fとの合成光強度分布、すなわちV字型パターン+点逆ピーク状パターンの光強度分布5bが被処理基板5の表面上に形成される。ここで、第1実施形態において得られる図10及び図11の合成光強度分布5aを参照すると、一次元に勾配を有するV字型の光強度勾配分布1eにおいて光強度の比較的高い部分に対して逆ピーク状の光強度最小分布2dが影響を及ぼしており、必ずしも理想的な光強度分布が得られていないことがわかる。
Therefore, when the second
これに対して、第2変形例にかかる第2位相変調素子22を第1位相変調素子1と併用して得られる図20の合成光強度分布5bを参照すると、点逆ピーク状の光強度最小分布22fが一次元に勾配を有するV字型の光強度勾配分布1eの底部分にだけ所望の形態にしたがって影響を及ぼしており、理想的な光強度分布が得られていることがわかる。この場合、結晶核の形成位置すなわち結晶成長の開始点を点逆ピーク状の光強度最小分布22fの位置に規定することができ、一次元に勾配を有するV字型の光強度勾配分布1eにおける光強度の勾配方向(X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。
On the other hand, referring to the combined
なお、図19Aの変形例にかかる第2位相変調素子22では、互いに位相値の異なる4種類の矩形状領域22a,22b,22c,22dが所定の点領域22eにおいて互いに隣接する形態を有する構成を採用している。しかしながら、これに限定されることなく、互いに位相値の異なる3種類以上の領域が所定の点において互いに隣接する形態を有するような構成も可能である。
19A has a configuration in which four types of
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5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。 In each of the embodiments described above, the light intensity distribution can be calculated even at the design stage, but it is desirable to observe and confirm the light intensity distribution on the actual surface to be processed. For this purpose, the surface to be processed of the substrate 5 to be processed may be enlarged by an optical system and input by an imaging device such as a CCD. When the used light is ultraviolet light, the optical system is restricted, so that a fluorescent plate may be provided on the surface to be processed and converted into visible light.
図21Aないし図21Eは、各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21A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5を準備する。そして、各実施形態にしたがう結晶化装置を用いて、非晶質半導体膜82の表面の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。
21A to 21E are process cross-sectional views showing a process of manufacturing an electronic device in a region crystallized using the crystallization apparatus of each embodiment. As shown in FIG. 21A, on an insulating substrate 80 (for example, alkali glass, quartz glass, plastic, polyimide, etc.), a base film 81 (for example, SiN having a thickness of 50 nm and a SiO 2 laminated film having a thickness of 100 nm). The substrate 5 to be processed is prepared by forming an amorphous semiconductor film 82 (for example, Si, Ge, SiGe having a film thickness of about 50 nm to 200 nm) using a chemical vapor deposition method or a sputtering method. Then, using a crystallization apparatus according to each embodiment, a predetermined region on the surface of the
こうして、図21B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21C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21D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21E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。
In this way, as shown in FIG. 21B, a polycrystalline semiconductor film or a single crystallized
以上の工程において、図21Aおよび図21B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。
In the above process, the
上記実施例において、第1の位相変調素子1の光入射側に位相変調素子2を設けてもよい。また、第1及び第2の位相変調素子は、一体に設けてもよい。
In the above embodiment, the
このように構成した結晶化装置は、位相変調素子1,2と被処理基板5との間に、結像光学系4が設けられているので、次のような特徴を有する。各結晶化工程時に位相変調素子1,2と被処理基板5の間の距離を常に一定に高速で会わせることが出来る。結晶化工程のタクトタイムが速くなる。位相変調素子1,2と被処理基板5の間に結像光学系4が設けられているので、被処理基板5から結晶化過程において、アブレーション現象が生じても、位相変調素子に付着することがない。
The crystallization apparatus configured as described above has the following characteristics because the imaging
1,11 第1位相変調素子
2,12,22 第2位相変調素子
3 照明系
3a KrFエキシマレーザ光源
3b ビームエキスパンダ
3c,3e フライアイレンズ
3d,3f コンデンサー光学系
4 結像光学系
4c 開口絞り
5 被処理基板
6 基板ステージ
7,17 第3位相変調素子
1, 11 First
Claims (16)
前記光変調光学系と多結晶半導体膜または非晶質半導体膜を有する基板(5)との間に設けられた結像光学系(4)とを備え、
前記光強度勾配分布と前記光強度最小分布が形成された入射光を前記結像光学系を介し前記多結晶半導体膜または前記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。 A light modulation optical system having a first element (1) for forming a desired light intensity gradient distribution and a second element (2) for forming a desired reverse peak light intensity minimum distribution in incident light;
An imaging optical system (4) provided between the light modulation optical system and a substrate (5) having a polycrystalline semiconductor film or an amorphous semiconductor film,
Crystallization for generating a crystallized semiconductor film by irradiating the polycrystalline semiconductor film or the amorphous semiconductor film with incident light on which the light intensity gradient distribution and the minimum light intensity distribution are formed via the imaging optical system apparatus.
前記素子と多結晶半導体膜または非晶質半導体膜を有する基板との間に設けられた結像光学系(4)とを備え、
前記合成パターンにより前記光強度勾配分布と前記光強度最小分布が形成された入射光を前記結像光学系を介し前記多結晶半導体膜または前記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。 An element (7) having a combined pattern in which a first pattern forming a desired light intensity gradient distribution and a second pattern forming a desired light intensity minimum distribution are combined;
An imaging optical system (4) provided between the element and a substrate having a polycrystalline semiconductor film or an amorphous semiconductor film,
A crystallized semiconductor film is irradiated by irradiating the polycrystalline semiconductor film or the amorphous semiconductor film through the imaging optical system with incident light in which the light intensity gradient distribution and the light intensity minimum distribution are formed by the composite pattern. Crystallizer to produce.
前記光強度勾配分布を形成する第1パターンは、前記V字型の光強度分布の底に対応する部分では前記底に平行な方向に沿って延びる直線状領域を有し、前記V字型の光強度分布の底に対応する部分から離れた部分では孤立領域を有する請求項5に記載の結晶化装置。 The light intensity gradient distribution has a V-shaped light intensity distribution at least in part.
The first pattern forming the light intensity gradient distribution has a linear region extending along a direction parallel to the bottom in a portion corresponding to the bottom of the V-shaped light intensity distribution. 6. The crystallization apparatus according to claim 5, wherein an isolated region is provided in a portion away from a portion corresponding to the bottom of the light intensity distribution.
前記光変調光学系と多結晶半導体膜または非晶質半導体膜を有する基板との間に設けられた結像光学系(4)を介して、前記光強度勾配分布と前記光強度最小分布が形成された入射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して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法。 Illuminating a light modulation element having a first element (1) that forms a light intensity gradient distribution and a second element (2) that forms a minimum light intensity distribution having an inverse peak shape by incident light,
The light intensity gradient distribution and the light intensity minimum distribution are formed via an imaging optical system (4) provided between the light modulation optical system and a substrate having a polycrystalline semiconductor film or an amorphous semiconductor film. A crystallization method for generating a crystallized semiconductor film by irradiating the polycrystalline semiconductor film or the amorphous semiconductor film with the incident light.
前記素子と多結晶半導体膜または非晶質半導体膜を有する基板との間に設けられた結像光学系(4)を介して、前記光強度勾配分布と前記光強度最小分布が形成された入射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して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法。 Incident light illuminates the element (7) having a combined pattern of a first pattern that forms a light intensity gradient distribution and a second pattern that forms a minimum light intensity distribution;
Incidence in which the light intensity gradient distribution and the light intensity minimum distribution are formed via an imaging optical system (4) provided between the element and a substrate having a polycrystalline semiconductor film or an amorphous semiconductor film. A crystallization method for generating a crystallized semiconductor film by irradiating the polycrystalline semiconductor film or the amorphous semiconductor film with light.
前記パターンは、互いに位相値の異なる3種類以上の帯状領域を有し、互いに隣接する2つの帯状領域の位相値の差は一方向に向かって符号を含めてほぼ等しい値を有する位相変調素子。 A phase modulation element having a pattern that forms a reverse light intensity minimum distribution in incident light,
The pattern has three or more types of belt-like regions having different phase values, and the phase value difference between two belt-like regions adjacent to each other has a substantially equal value including a sign in one direction.
最小寸法が所定の寸法よりも小さく且つ第1の位相値を有する第1領域と第2の位相値を有する第2領域とを有し、前記第1領域と前記第2領域との占有面積率が位置によって変化する位相分布を有し、
前記パターンは、前記V字型の光強度分布の底に対応する部分では前記底に平行な方向に沿って延びる直線状領域を有し、前記V字型の光強度分布の底に対応する部分から離れた部分では孤立領域を有する位相変調素子。 A phase modulation element having a pattern that forms a V-shaped light intensity distribution on incident light,
An area ratio occupied by the first region and the second region, the first region having a first phase value having a minimum dimension smaller than a predetermined size and a second region having a second phase value; Has a phase distribution that varies with position,
The pattern has a linear region extending along a direction parallel to the bottom in a portion corresponding to the bottom of the V-shaped light intensity distribution, and a portion corresponding to the bottom of the V-shaped light intensity distribution A phase modulation element having an isolated region in a part away from the element.
前記光学素子と多結晶半導体膜または非晶質半導体膜を有する基板との間に設けられ、中央よりも周辺において小さい瞳関数を有する結像光学系とを備え、
前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜に前記光強度最小分布が形成された入射光を照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置。 An optical element that forms a reverse light intensity minimum distribution in incident light; and
An imaging optical system provided between the optical element and a substrate having a polycrystalline semiconductor film or an amorphous semiconductor film and having a pupil function smaller in the periphery than in the center;
A crystallization apparatus for generating a crystallized semiconductor film by irradiating the polycrystalline semiconductor film or the amorphous semiconductor film with incident light having the minimum light intensity distribution.
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