JP2005216893A - 光照射装置、結晶化装置、結晶化方法、デバイス、および光学変調素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 逆ピークの両側に発生するピーク形状を抑えた所望の逆ピーク状の光強度分布を所定面に形成することのできる結晶化装置。
【解決手段】 段差により逆ピーク状の光強度分布を形成する光学変調素子（１）と、光学変調素子を介した光束に基づいて逆ピーク状の光強度分布に対応する所定の光強度分布を所定面（４）に形成するための結像光学系（３）とを備えている。光学変調素子は、逆ピーク状の光強度分布において逆ピークの両側に発生するピーク形状を抑えるために、段差の近傍に設けられた光遮蔽領域または位相変調領域を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光照射装置、結晶化装置、結晶化方法、デバイス、および光学変調素子に関する。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。

従来、たとえば液晶表示装置（Liquid-Crystal-Display:ＬＣＤ）の表示画素を選択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。

多結晶シリコン層は、非晶質シリコン層よりも電子また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。

多結晶シリコンは結晶粒の集合からなるため、例えばＴＦＴトランジスタを形成した場合チャネル領域に結晶粒界が形成され、この結晶粒界が障壁となり単結晶シリコンに比べると電子または正孔の移動度を低くする。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、チャネル部に形成される結晶粒界数が各薄膜トランジスタ間で異なり、これがバラツキとなって問題となる。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、少なくとも１個のチャネル領域を形成できる大きさの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。

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、たとえば非特許文献１に記載されている。
表面科学Vol.21, No.5, pp.278-287, 2000

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、この逆ピーク状の光強度分布を有する光を非単結晶半導体膜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、被照射領域内において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、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。

従来、さらに、非特許文献２に記載された大粒径の結晶化方法がある。非特許文献２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、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を、ともにＳｉＯ₂の基板に段差を設けることにより実現している。そして、互いに重ね合わせた２枚の素子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。

また、非特許文献３に記載された大粒径の結晶化方法がある。非特許文献３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の段差により実現している。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。

M. NAKATA and M. MATSUMURA, "Two-Dimensionally Position-Controlled Ultra-Large Grain Growth Based on Phase-Modulated Excimer-Laser Annealing Method", Electrochemical Society Proceeding Volume 2000-31, page 148-154 井上，中田，松村，「シリコン薄膜の振幅・位相制御エキシマレーザ溶融再結晶化法−新しい２−Ｄ位置制御大結晶粒形成法−」，電子情報通信学会論文誌，社団法人電子情報通信学会，２００２年８月，第Ｊ８５−Ｃ巻，第８号，ｐ．６２４−６２９

従来技術の課題を、図２３、２４を参照して説明する。

位相シフター１９１と被処理基板との間に結像光学系を配置して、位相シフター１９１の像を被処理基板の所定面に結像させる結晶化装置において、図２３に示めされているように、位相シフター１９１の段差１９２による位相量が１８０度のとき、結像光学系のフォーカス位置（結像面）に形成される逆ピーク状の光強度分布１９３は左右対称である。また、結像光学系のフォーカス位置から上下に微小移動したデフォーカス位置においては、図２３（ａ）および（ｃ）に示すように、形成される逆ピーク状の光強度分布は左右対称で、逆ピーク状の光強度１９３が僅かに上昇する。しかしながら、逆ピークの両側のピーク部１９４には、図２３（ａ）〜（ｃ）図中破線の楕円で示すように、光強度分布が上に凸状のピーク形状１９５が発生する。

一方、図２４（ｂ）に示すように、段差１９２による位相量が６０度の位相シフター１９１を用いたとき、結像光学系のフォーカス位置に形成される逆ピーク状の光強度分布１９３は、ほぼ左右対称である。これに対し、図２４（ａ）および（ｃ）に示すように、結像光学系のフォーカス位置から上下に微小移動したデフォーカス位置では、形成される逆ピーク状の光強度分布の左右対称性は大きく崩れる。この場合も、逆ピークの両側または片側には、図中破線の楕円１９４で示すように、ピーク形状１９５が発生する。なお、図２３および図２４は、光の波長が２４８ｎｍで、結像光学系の像側開口数が０．１３で、結像光学系のσ値（コヒーレンスファクター）が０．５の場合に得られる光強度分布を示している。

逆ピーク状の光強度分布１９３において逆ピークの両側または片側にピーク形状１９５があると、そのピーク形状１９５部分だけ光強度が大きくなるため、この被照射面にアブレーションが発生して半導体膜が破壊されるという不都合があった。また、逆ピーク状の光強度分布１９３を被処理基板に照射して結晶化半導体膜を生成する場合、逆ピーク部分から開始した結晶成長がピーク形状１９５の下り勾配部分で停止してしまうため、大粒径の結晶を生成するために支障となっていた。

さらに、段差１９２の位相量が６０度の位相シフター１９１を用いる場合、一般的には段差１９２の位相量が１８０度と実質的に異なる位相シフター１９１を用いる場合、被処理基板の表面が結像光学系に対してデフォーカスすると、逆ピークの一方側のピーク形状１９５の持ち上りが顕著になるとともに、他方側のピーク形状１９５が抑えられて目立たなくなる。なお、被処理基板には、デフォーカスの原因となる板厚偏差が不可避的に存在する。その結果、デフォーカスにより左右非対称になった逆ピーク状の光強度分布に基づいて、生成される結晶粒も左右非対称になるという不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、ピーク形状被照射面でのアブレーションの発生を抑制し、ピーク形状被照射面での結晶化の横方向成長を停止させることのない光照射装置、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。

前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、段差により逆ピーク状の光強度分布を形成する光学変調素子と、
前記光学変調素子を介した光束に基づいて前記逆ピーク状の光強度分布に対応する所定の光強度分布を所定面に形成するための結像光学系とを備え、
前記光学変調素子は、前記逆ピーク状の光強度分布において逆ピークの両側に発生するピーク形状を抑えるために、前記段差の近傍に設けられた光遮蔽領域を有することを特徴とする光照射装置を提供する。

第１形態では、段差の近傍に設けられた光遮蔽領域を有する光学変調素子を用いることにより、逆ピークの両側に発生するピーク形状を抑えた所望の逆ピーク状の光強度分布を所定面に形成することができる。その結果、たとえば所定面に設定された多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に上記逆ピーク状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結晶化装置および結晶化方法に本発明の光照射装置を適用した場合、ピーク形状に起因するアブレーションの発生により半導体膜が破壊されることがなくなり、かつ逆ピーク部分から開始した結晶成長がピーク形状部分で停止することなく大粒径の結晶を生成することができる。

第１形態の好ましい態様によれば、前記光学変調素子は、位相値の異なる２つの領域が接する段差線を有する。この場合、前記光遮蔽領域は、前記段差線にほぼ平行に延びる線状光遮蔽領域を有する。この場合、前記線状光遮蔽領域の中心線と前記段差線との距離に対応する前記所定面上の距離Ｄは、光の波長をλとし、前記結像光学系の像側開口数をＮＡとするとき、０．４×λ／ＮＡ＜Ｄ＜０．７×λ／ＮＡの条件を満足することが好ましい。ここで、「前記所定面上の距離Ｄ」とは、光学変調素子上の距離に結像光学系の倍率をかけた換算値であることを意味する。以下も同様である。

また、第１形態の好ましい態様によれば、前記光遮蔽領域は、前記段差線にほぼ平行に並ぶ複数の孤立光遮蔽領域を有する。この場合、前記複数の孤立光遮蔽領域の中心を結ぶ中心線と前記段差線との距離に対応する前記所定面上の距離Ｄは、光の波長をλとし、前記結像光学系の像側開口数をＮＡとするとき、０．４×λ／ＮＡ＜Ｄ＜０．７×λ／ＮＡの条件を満足することが好ましい。また、第１形態では、前記光学変調素子は、３つ以上の位相値領域が接する段差点を有することも可能である。

本発明の第２形態では、段差により逆ピーク状の光強度分布を形成する光学変調素子と、
前記光学変調素子を介した光束に基づいて前記逆ピーク状の光強度分布に対応する所定の光強度分布を所定面に形成するための結像光学系とを備え、
前記光学変調素子は、前記逆ピーク状の光強度分布において逆ピークの両側に発生するピーク形状を抑えるために、前記段差の近傍に設けられた位相変調領域を有することを特徴とする光照射装置を提供する。

第２形態では、段差の近傍に設けられた位相変調領域を有する光学変調素子を用いることにより、逆ピークの両側に発生するピーク形状を抑えた所望の逆ピーク状の光強度分布を所定面に形成することができる。その結果、たとえば所定面に設定された多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に上記逆ピーク状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結晶化装置および結晶化方法に本発明の光照射装置を適用した場合、ピーク形状に起因するアブレーションの発生により半導体膜が破壊されることがなくなり、かつ逆ピーク部分から開始した結晶成長がピーク形状部分で停止することなく大粒径の結晶を生成することができる。

第２形態の好ましい態様によれば、前記光学変調素子は、位相値の異なる２つの領域が接する段差線を有する。この場合、前記位相変調領域は、前記段差線にほぼ平行に延びる線状位相変調領域を有することが好ましい。この場合、前記線状位相変調領域の中心線と前記段差線との距離に対応する前記所定面上の距離Ｄは、光の波長をλとし、前記結像光学系の像側開口数をＮＡとするとき、０．４×λ／ＮＡ＜Ｄ＜０．７×λ／ＮＡの条件を満足することが好ましい。

また、第２形態の好ましい態様によれば、前記位相変調領域は、前記段差線にほぼ平行に並ぶ複数の孤立位相変調領域を有する。この場合、前記複数の孤立位相変調領域の中心を結ぶ中心線と前記段差線との距離に対応する前記所定面上の距離Ｄは、光の波長をλとし、前記結像光学系の像側開口数をＮＡとするとき、０．４×λ／ＮＡ＜Ｄ＜０．７×λ／ＮＡの条件を満足することが好ましい。

また、第２形態の好ましい態様によれば、前記段差線の位相変調量および前記位相変調領域の位相変調量がともに約１８０度である。あるいは、前記段差線の位相変調量が１８０度とは実質的に異なる値であり、前記段差線の一方の側に設けられた位相変調領域の位相変調量と前記段差線の他方の側に設けられた位相変調領域の位相変調量とは絶対値がほぼ等しく且つ符号が異なることが好ましい。また、第２形態では、前記光学変調素子は、３つ以上の位相値領域が接する段差点を有することも可能である。

本発明の第３形態では、第１形態または第２形態の光照射装置を備え、前記所定面に設定された多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に前記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ことを特徴とする結晶化装置を提供する。

本発明の第４形態では、第１形態または第２形態の光照射装置を用いて、前記所定面に設定された多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に前記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ことを特徴とする結晶化方法を提供する。

本発明の第５形態では、第３形態の結晶化装置または第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。

本発明の第６形態では、段差により逆ピーク状の光強度分布を形成する光学変調素子において、
前記逆ピーク状の光強度分布において逆ピークの両側に発生するピーク形状を抑えるために、前記段差の近傍に設けられた光遮蔽領域を有することを特徴とする光学変調素子を提供する。

第６形態の好ましい態様によれば、前記段差として、位相値の異なる２つの領域が接する段差線を有する。この場合、前記光遮蔽領域は、前記段差線にほぼ平行に延びる線状光遮蔽領域を有することが好ましい。あるいは、前記光遮蔽領域は、前記段差線にほぼ平行に並ぶ複数の孤立光遮蔽領域を有することが好ましい。また、第６形態では、前記段差として、３つ以上の位相値領域が接する段差点を有することも可能である。

本発明の第７形態では、段差により逆ピーク状の光強度分布を形成する光学変調素子において、
前記逆ピーク状の光強度分布において逆ピークの両側に発生するピーク形状を抑えるために、前記段差の近傍に設けられた位相変調領域を有することを特徴とする光学変調素子を提供する。

第７形態の好ましい態様によれば、前記段差として、位相値の異なる２つの領域が接する段差線を有する。この場合、前記位相変調領域は、前記段差線にほぼ平行に延びる線状位相変調領域を有することが好ましい。あるいは、前記位相変調領域は、前記段差線にほぼ平行に並ぶ複数の孤立位相変調領域を有することが好ましい。

また、第７形態の好ましい態様によれば、前記段差線の位相変調量および前記位相変調領域の位相変調量がともに約１８０度である。あるいは、前記段差線の位相変調量が１８０度とは実質的に異なる値であり、前記段差線の一方の側に設けられた位相変調領域の位相変調量と前記段差線の他方の側に設けられた位相変調領域の位相変調量とは絶対値がほぼ等しく且つ符号が異なることが好ましい。また、第７形態では、前記光学変調素子は、３つ以上の位相値領域が接する段差点を有することも可能である。この明細書において逆ピークの光強度とは、凹状光強度分布部である。ピークの光強度とは、凸状光強度分布部である。段差とは、光学変調素子において、位相変調量の異なる領域の境界のことを表す。例えば位相変調を凹凸形状で実現する場合は、物理的な段差となる。

本発明によれば、アブレーションの発生を抑制し、アブレーションにより半導体膜が破壊されるのを防止することができる。本発明の結晶化装置および結晶化方法では、段差の近傍に設けられた光遮蔽領域または位相変調領域を有する光学変調素子を用いることにより、逆ピークの両側に発生するピーク形状を抑えた所望の逆ピーク状の光強度分布を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜上に形成することができる。その結果、ピーク形状に起因するアブレーションの発生により半導体膜が破壊されることがなくなる。

また、逆ピーク部分から開始した結晶成長がピーク形状部分で停止することなく、大粒径の結晶を生成することができる。さらに、段差が１８０度と実質的に異なる光学変調素子を用いる場合には、結像光学系に対してデフォーカスしたときに多結晶半導体膜または非晶質半導体膜上に形成される逆ピーク状の光強度分布の左右対称性の崩れが大きく改善されるので、ほぼ左右対称な結晶粒を生成することができる。

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。この実施形態は、逆ピークの両側に発生するピーク形状を抑えた所望の逆ピーク状の光強度分布を被結晶化処理面の所定面に形成することにより、ピーク形状被照射面でのアブレーションの発生を抑制し、ピーク形状被照射面での結晶化の横方向成長を停止させないようにした光照射装置、結晶化装置および結晶化方法である。次に、結晶化装置の実施形態を、図面を参照して具体的に説明する。図１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２は、図１の照明系の内部構成を概略的に示す図である。本実施形態の結晶化装置は、透明体に形成された段差により入射光から逆ピーク状の光強度分布を形成する光学変調素子１と、照明系２と、結像光学系３と、被処理基板４と、基板ステージ５とを備えている。光学変調素子１の詳細な構成および作用については後述する。

照明系２は、光源２ａ、ビームエキスパンダ２ｂ、第１フライアイレンズ２ｃ、第１コンデンサー光学系２ｄ、第２フライアイレンズ２ｅ、第２コンデンサー光学系２ｆとが順次配置された光学系からなる。光源２ａは、たとえば図２に示す光学系で２４８ｎｍの波長のレーザ光を出射するＫｒＦエキシマレーザ光源２ａを備えている。なお、光源２ａとしては、被結晶化材料の融点以上の光エネルギを出射する性能を有する光源であれば何れでもよく、例えば、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。

こうして、第１フライアイレンズ２ｃの後側焦点面には複数の光源が形成され、これらの複数の光源からの光束は第１コンデンサー光学系２ｄを介して、第２フライアイレンズ２ｅの入射面を重畳的に照明する。その結果、第２フライアイレンズ２ｅの後側焦点面には、第１フライアイレンズ２ｃの後側焦点面よりも多くの複数の光源が形成される。第２フライアイレンズ２ｅの後側焦点面に形成された複数の光源からの光束は、第２コンデンサー光学系２ｆを介して、光学変調素子１を重畳的に照明する。

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光学変調素子１上での入射角度に関する均一化が図られる。また、第２フライアイレンズ２ｅおよび第２コンデンサー光学系２ｆは第２ホモジナイザを構成し、この第２ホモジナイザにより第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光学変調素子１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２は、ほぼ均一な光強度分布を有するレーザ光により光学変調素子１を照射する。

光学変調素子１で位相変調されたレーザ光は、結像光学系３を介して、被処理基板４に入射される。ここで、結像光学系３は、光学変調素子１のパターン面と被処理基板４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４は、光学変調素子１のパターン面と光学的に共役な面（結像光学系３の像面）に設定されている。結像光学系３は、正レンズ群３ａと正レンズ群３ｂとの間に開口絞り３ｃを備えている。

開口絞り３ｃ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３ｃ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３ｃ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３ｃの開口部の大きさ（ひいては結像光学系３の像側開口数ＮＡ）は、後述するように、被処理基板４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。なお、結像光学系３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４は、たとえば液晶ディスプレイ用板ガラス基板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。下地絶縁膜は、絶縁膜例えばＳｉＯ₂であり、非晶質シリコン膜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膜に混入するのを防止し、非晶質シリコン膜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。非晶質シリコン膜は、例えば結晶化される本導体膜であり、非単結晶膜で、非晶質半導体膜や多結晶半導体などである。非単結晶膜は、非単結晶の半導体膜や金属などでもよい。非晶質シリコン膜上には、キャップ膜として絶縁膜例えばＳｉＯ₂膜が成膜される。キャップ膜は、非晶質シリコン膜に入射する光ビームの一部により加熱され、この加熱された温度を蓄熱する。この蓄熱効果は、光ビームの入射が遮断されたとき、非晶質シリコン膜の被照射面において高温部が相対的に急速に降温するが、この降温勾配を緩和させ、大粒径の横方向の結晶成長を促進させる。被処理基板４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５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る。

前述したように、光学変調素子１は、例えば差線が所定のピッチで形成されたライン型の位相シフターを用いると、被処理基板４の表面上に形成される逆ピーク状の光強度分布において逆ピークの両側には光強度分布が上に凸状のピーク形状が発生する。まず、逆ピークの両側にピーク形状が発生する原理を説明する。一般に、結像光学系３による結像の複素振幅分布Ｕ（ｘ，ｙ）は、比例係数を省略すると、次の式（１）で表わされる。
Ｕ（ｘ，ｙ）＝Ｏ（ｘ，ｙ）＊ＰＳＦ（ｘ，ｙ） （１）

なお、式（１）において、Ｏ（ｘ，ｙ）は物体の複素振幅透過率分布を、＊はコンボリューション（畳み込み積分）を、ＰＳＦ（ｘ，ｙ）は結像光学系３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３による点像の複素振幅分布と定義される。結像光学系３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ＰＳＦ（ｘ，ｙ）は、次の式（２）で表わされる。
ＰＳＦ（ｘ，ｙ）＝２Ｊ₁（ａ・ｒ）／（ａ・ｒ） （２）
ただし、ａ＝（２π・ＮＡ）／λ
ｒ＝（ｘ²＋ｙ²）^1/2

なお、式（２）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３の像側開口数をそれぞれ示している。上式（２）による点像分布関数ＰＳＦを図３に示す。図３において、縦軸は点像分布関数ＰＳＦの値であり、横軸は（ａ・ｒ）の値である。図３を参照すると、点像分布関数ＰＳＦの値が負である領域すなわち「負領域」が存在し、この負領域の存在がピーク形状の発生の原因である。

ここで、原点に最も近い負領域の位置範囲は、次の式（３）で表わされる。また、ａ＝（２π・ＮＡ）／λを式（３）に代入すると、次の式（４）に示す関係が得られる。
３．８＜ａ・ｒ＜７．０ （３）
０．６１×λ／ＮＡ＜ｒ＜１．１１×λ／ＮＡ （４）

次に、段差が１８０度の位相シフターの場合を例にとって、さらに具体的にピーク形状の発生を説明する。図４（ａ）は、段差が１８０度の位相シフターの複素振幅透過率分布Ｏ（ｘ）を示している。図４（ａ）中の左側領域すなわち位相値が１８０度の領域４０および右側領域すなわち位相値が０度の領域４１のうち、右側領域４１に着目して点像分布関数ＰＳＦ（ｘ）とのコンボリューションの様子を複数の細線４２で、その結果として得られる像の複素振幅分布Ｕ（ｘ）を太線４３ａで図４（ｂ）に示す。太線４３ａで示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）は段差の位置４４に関して点対称になり、右側には凸部４５が左側には凹部４６が生じる。

なお、位相値が０度の領域４１に対応する像の複素振幅分布Ｕ（ｘ）の正確な形状を図５に示す。図４（ａ）中の左側領域すなわち位相値が１８０度の領域４０に関しても同様の現象が生じる。こうして、図４（ｃ）に示すように、位相値が０度の領域４１に対応する太線４３ａで示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）と位相値が１８０度の領域４０に対応する太線４３ｂで示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）とを重ね合わせて得られる太線４３で示す最終的な複素振幅分布Ｕ（ｘ）にも、右側の凸部４７と左側の凹部４８とが強調されて残る。その結果、図４（ｄ）に示すように、位相シフターの段差により形成される逆ピーク状の光強度分布４９には、図４（ｃ）に示す凸部４７および凹部４８に対応して、逆ピークの両側にピーク形状（図中破線の円で示す）４９ａが発生する。

図６は、図４に対応する図であって、本発明によりピーク形状を抑える第１の手法を説明する図である。図６（ａ）を参照すると、第１の手法では、図４（ｃ）における凸部４７および凹部４８に対応する位置に光遮蔽領域６０および６１をそれぞれ設けている。（換言すれば、光遮蔽領域６０および６１は、図４（ｄ）におけるピーク形状（図中破線の円で示す）４９ａに対応する位置にそれぞれ設けられる。したがって、図６（ａ）に示すように、光遮蔽領域６０および６１における複素振幅透過率分布Ｏ（ｘ）の値は０になる。

その結果、図６（ｂ）に示すように、点像分布関数ＰＳＦ（ｘ）とのコンボリューションのうち、光遮蔽領域６０に対応して太い破線６２で示す部分が欠けることになり、その結果として得られる像の複素振幅分布Ｕ（ｘ）は太線６３ａで示すようになる。太線４３ａで示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）と太線６３ａで示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）とを比較すると、光遮蔽領域６０の作用により太線４３ａで示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）における凸部４５が凹部６４ａに変化する。凹部４６はわずかに変化し凹部６５ａとなるが基本的に凹部４６と凹部６５ａは同一とみなしてよい。このとき、凹部６４ａの面積が凹部６５ａの面積（＝凹部４６の面積）とほぼ等しいことが望ましい。

その場合、図６（ｃ）に示すように、光遮蔽領域６０が形成された位相値０度の領域に対応する太線６３ａで示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）と光遮蔽領域６１が形成された位相値１８０度の領域に対応する太線６３ｂで示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）とを重ね合わせて得られる太線６３で示す最終的な複素振幅分布Ｕ（ｘ）では、図中破線の楕円で示すように凹部６４ａと凹部６５ａの反転に対応する凸部６５ｂとが相殺され、凹部６５ａと凹部６４ａの反転に対応する凸部６４ｂとが相殺されて、太線４３で示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）において見られた凸部４７および凹部４８が消えてこの部分で比較的平らな分布を得ることができる。その結果、第１の手法では、図６（ｄ）に示すように、位相シフターの段差により形成される逆ピーク状の光強度分布６６には、逆ピークの両側にピーク形状が実質的に発生しない。

図７は、図４に対応する図であって、本発明によりピーク形状を抑える第２の手法を説明する図である。図７（ａ）を参照すると、第２の手法では、図４（ｃ）における凸部４７および凹部４８に対応する位置に位相変調領域７０および７１をそれぞれ設けている。ここで、位相変調領域７０および７１における位相変調量は１８０度に設定されている。したがって、図７（ａ）に示すように、位相変調領域７０における複素振幅透過率分布Ｏ（ｘ）の値は位相値１８０度の領域と同じにあり、位相変調領域７１における複素振幅透過率分布Ｏ（ｘ）の値は位相値０度の領域と同じになる。

その結果、図７（ｂ）に示すように、点像分布関数ＰＳＦ（ｘ）とのコンボリューションのうち、位相変調領域７０に対応して太い破線７２で示す部分が反転することになり、その結果として得られる像の複素振幅分布Ｕ（ｘ）は太線７３ａで示すようになる。太線４３ａで示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）と太線７３ａで示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）とを比較すると、位相変調領域７０の作用により太線４３ａで示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）における凸部４５が凹部７４ａに変化する。凹部４６はわずかに変化し凹部７５ａとなるが基本的に凹部４６と凹部７５ａは同一とみなしてよい。このとき、凹部７４ａの面積が凹部７５ａの面積（＝凹部４６の面積）とほぼ等しいことが望ましい。

その場合、図７（ｃ）に示すように、位相変調領域７０が形成された位相値０度の領域に対応する太線７３ａで示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）と位相変調領域７１が形成された位相値１８０度の領域に対応する太線７３ｂで示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）とを重ね合わせて得られる太線７３で示す最終的な複素振幅分布Ｕ（ｘ）では、図中破線の楕円で示すように凹部７４ａと凹部７５ａの反転に対応する凸部７５ｂとが相殺され、凹部７５ａと凹部７４ａの反転に対応する凸部７４ｂとが相殺されて、太線４３で示す複素振幅分布Ｕ（ｘ）において見られた凸部４７および凹部４８が消えてこの部分で比較的平らな分布を得ることができる。その結果、第２の手法においても第１の手法と同様に、図７（ｄ）に示すように、位相シフターの段差により形成される逆ピーク状の光強度分布７６には、逆ピークの両側にピーク形状が実質的に発生しない。

次に、光遮蔽領域（６０，６１）や位相変調領域（７０，７１）の位置および大きさについて説明する。上述したように、図４（ｂ）において、像の複素振幅分布Ｕ（ｘ）の凸部４５および凹部４６の位置は、上記コンボリューションの式（１）で段差よりも右側の領域４１のみを積分することにより求まる。その結果を正確に示した図５を参照すると、凸部４５は段差から０．４λ／ＮＡ〜０．７λ／ＮＡの範囲に位置する。したがって、光遮蔽領域（６０，６１）や位相変調領域（７０，７１）も、この位置の近傍に設ければよい。また、光遮蔽領域（６０，６１）や位相変調領域（７０，７１）の大きさについては、凹部（６４ａ，７４ａ）の面積と凹部（６５ａ，７５ａ）の面積とがほぼ等しくなるように設定すればよい。具体的には、光遮蔽領域が小さすぎると光強度分布にピーク形状が残り大きすぎると補正されすぎて逆に凹型形状となるので、光強度分布を計算しながら最適な大きさを求めればよい。光遮蔽領域６０，６１は、完全遮蔽でなく半透過であっても良い。

［第１実施例］
第１実施例では、所定周期にしたがって配置された１８０度の段差線を含むライン型の位相シフターに対して、上述した本発明の第１の手法を適用している。以下、各実施例および各比較例において、波長λは２４８ｎｍであり、結像光学系３の像側開口数ＮＡは０．１３であり、結像光学系３のσ値は０．４７である。また、光学変調素子１としての各位相シフターの寸法は、結像光学系３の像側に換算した値、すなわち像側換算値で示されている。

まず、従来技術にしたがう第１比較例では、図８（ａ）に示すように、位相値が１８０度の矩形状の領域１０ａと位相値が０度の矩形状の領域１０ｂとが一方向又は他の方向に沿って交互に繰り返される２段ライン型位相シフター１０を用いている（図８（ａ）にはその一組が示されている）。位相シフター１０の実施例は、２つの矩形状の領域１０ａと１０ｂとの間に、１８０度の段差線（位相の境界線：位相シフト線）１０ｃが１０μｍのピッチで形成される例である。

この場合、図８（ｂ）に示すように、結像光学系３のフォーカス位置（結像面）に設定された被処理基板４上には、段差線１０ｃに対応する線領域において光強度が最も小さく周囲に向かって光強度が急激に増大する逆ピーク状の光強度分布が形成される。また、図８（ｃ）に示すように、結像光学系３のフォーカス位置から微小移動したデフォーカス位置においても、フォーカス位置の場合と類似した逆ピーク状の光強度分布が形成される。第１比較例では、フォーカス状態においてもデフォーカス状態においても、ピーク状の光強度分布における逆ピークの両側に比較的大きなピーク形状が発生する。

これに対し、第１Ａ実施例では、本発明の第１の手法にしたがって第１比較例のライン型位相シフター１０に線状の光遮蔽領域を付設して得られる光遮蔽型の位相シフター１０Ａを用いている。位相シフター１０Ａでは、図９（ａ）に示すように、段差線１０ｃに平行に延びる線状光遮蔽領域１０ｄが段差線１０ｃの両側に形成されている。ここで、線状光遮蔽領域１０ｄの幅寸法は０．１５μｍに設定され、線状光遮蔽領域１０ｄの中心線と近傍の段差線１０ｃとの像側換算距離Ｄは０．８μｍに設定されている。

すなわち、距離Ｄは、概して０．４２×λ／ＮＡに対応しており、上述した０．４×λ／ＮＡ＜Ｄ＜０．７×λ／ＮＡの範囲内で設定されている。その結果、第１Ａ実施例では、図９（ｂ）に示すフォーカス状態においても図９（ｃ）に示すデフォーカス状態においても、段差線１０ｃに対応する線領域において光強度が最も小さく周囲に向かって光強度が急激に増大する互いに類似した逆ピーク状の光強度分布が形成され、ピーク状の光強度分布における逆ピークの両側の図４（ｄ）に示すピーク形状４９ａは良好に抑えられている。

第１Ｂ実施例では、本発明の第１の手法にしたがって第１比較例のライン型位相シフター１０に複数の孤立光遮蔽領域を付設して得られる光遮蔽型の位相シフター１０Ｂを用いている。位相シフター１０Ｂでは、図１０（ａ）に示すように、段差線１０ｃに平行に並ぶ複数の正方形状の孤立光遮蔽領域１０ｅが段差線１０ｃの両側に形成されている。ここで、孤立光遮蔽領域１０ｅの幅寸法（一辺の寸法）および間隔はともに０．３μｍに設定され、複数の孤立光遮蔽領域１０ｅの中心を結ぶ中心線と近傍の段差線１０ｃとの像側換算距離Ｄは第１Ａ実施例の場合と同様に０．８μｍに設定されている。

換言すれば、第１Ａ実施例における線状光遮蔽領域１０ｄと第１Ｂ実施例における複数の孤立光遮蔽領域１０ｅとは、光遮蔽面積が互いにほぼ等しくなるように、ひいては光学的にほぼ等価な効果を有するように設定されている。その結果、第１Ｂ実施例では、図１０（ｂ）に示すフォーカス状態においても図１０（ｃ）に示すデフォーカス状態においても、段差線１０ｃに対応する線領域において光強度が最も小さく周囲に向かって光強度が急激に増大する互いに類似した逆ピーク状の光強度分布が形成され、ピーク状の光強度分布における逆ピークの両側の図４（ｄ）に示すピーク形状４９ａは良好に抑えられている。

以上のように、第１実施例（第１Ａ実施例および第１Ｂ実施例）では、段差線１０ｃの近傍に設けられた光遮蔽領域（１０ｄ，１０ｅ）を有する位相シフター（１０Ａ，１０Ｂ）を用いることにより、逆ピークの両側に発生するピーク形状を抑えた所望の逆ピーク状の光強度分布を被処理基板４上に形成することができる。その結果、第１実施例では、ピーク形状に起因するアブレーションの発生により半導体膜が破壊されることがなくなり、逆ピーク部分から開始した結晶成長が、図４（ｄ）に示すピーク形状４９ａ部分で停止することなく大粒径の結晶を生成することができる。

なお、第１Ａ実施例と第１Ｂ実施例とを比較すると、孤立光遮蔽領域１０ｅの最小寸法の方が線状光遮蔽領域１０ｄの最小寸法よりも大きい。したがって、第１Ｂ実施例における孤立光遮蔽領域１０ｅの方が第１Ａ実施例における線状光遮蔽領域１０ｄよりも形成が容易であり、ひいては第１Ｂ実施例における位相シフター１０Ｂの方が第１Ａ実施例における位相シフター１０Ａよりも作製が容易である。すなわち、解像度の低い露光装置やプロセスでも第１Ｂ実施例の実現が可能であり、またプロセスによる寸法変動があっても第１Ｂ実施例の方が相対的な変化率が少ないので光強度分布に及ぼすバラツキが小さいという利点がある。

ところで、光学変調素子１としての位相シフター（１０Ａ，１０Ｂ）は、例えば石英ガラス基板に所要の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。この点は、光学変調素子１としての他の位相シフターについても同様である。また、光遮蔽領域（１０ｄ，１０ｅ）の形成に際しては、例えば段差を形成した後に、通常のリソグラフィーの方法によりクロムのパターンを形成すればよい。孤立光遮蔽領域１０ｅは、図１０では正方形状の形態を有するが、結像光学系３の解像度（〜λ／ＮＡ）に比して十分に小さい寸法を有する任意の形状を適用することができる。

［第２実施例］
第２実施例では、第１比較例のライン型位相シフター１０に対して、上述した本発明の第２の手法を適用している。具体的に、第２Ａ実施例では、本発明の第２の手法にしたがって第１比較例のライン型位相シフター１０に線状の位相変調領域を付設して得られる位相変調型の位相シフター１１Ａを用いている。位相シフター１１Ａでは、図１１（ａ）に示すように、段差線１０ｃに平行に延びる線状位相変調領域１１ｄが段差線１０ｃの両側に形成されている。ここで、位相値が１８０度の矩形状の領域１０ａに形成された線状位相変調領域１１ｄの位相値は０度であり、位相値が０度の矩形状の領域１０ｂに形成された線状位相変調領域１１ｄの位相値は１８０度である。換言すれば、段差線１０ｃの位相変調量および線状位相変調領域１１ｄの位相変調量はともに１８０度である。

また、線状位相変調領域１１ｄの幅寸法は０．０８μｍに設定され、線状位相変調領域１１ｄの中心線と近傍の段差線１０ｃとの像側換算距離Ｄは第１Ａ実施例の場合と同様に０．８μｍに設定されている。すなわち、距離Ｄは、概して０．４２×λ／ＮＡに対応しており、上述した０．４×λ／ＮＡ＜Ｄ＜０．７×λ／ＮＡの範囲内で設定されている。その結果、第２Ａ実施例では、図１１（ｂ）に示すフォーカス状態においても図１１（ｃ）に示すデフォーカス状態においても第１Ａ実施例の場合と同様に、段差線１０ｃに対応する線領域において光強度が最も小さく周囲に向かって光強度が急激に増大する互いに類似した逆ピーク状の光強度分布が形成され、ピーク状の光強度分布における逆ピークの両側の図４（ｄ）に示すピーク形状４９ａは良好に抑えられている。

第２Ｂ実施例では、本発明の第２の手法にしたがって第１比較例のライン型位相シフター１０に複数の孤立位相変調領域を付設して得られる位相変調型の位相シフター１１Ｂを用いている。位相シフター１１Ｂでは、図１２（ａ）に示すように、段差線１０ｃに平行に並ぶ複数の正方形状の孤立位相変調領域１１ｅが段差線１０ｃの両側に形成されている。ここで、位相値が１８０度の矩形状の領域１０ａに形成された孤立位相変調領域１１ｅの位相値は０度であり、位相値が０度の矩形状の領域１０ｂに形成された孤立位相変調領域１１ｅの位相値は１８０度である。換言すれば、段差線１０ｃの位相変調量および孤立位相変調領域１１ｅの位相変調量はともに１８０度である。

また、孤立位相変調領域１１ｅの幅寸法（一辺の寸法）および間隔は０．２４μｍおよび０．７２μｍにそれぞれ設定され、複数の孤立位相変調領域１１ｅの中心を結ぶ中心線と近傍の段差線１０ｃとの像側換算距離Ｄは第２Ａ実施例の場合と同様に０．８μｍに設定されている。換言すれば、第２Ａ実施例における線状位相変調領域１１ｄと第２Ｂ実施例における複数の孤立位相変調領域１１ｅとは、位相変調面積が互いにほぼ等しくなるように、ひいては光学的にほぼ等価な効果を有するように設定されている。その結果、第２Ｂ実施例では、図１２（ｂ）に示すフォーカス状態においても図１２（ｃ）に示すデフォーカス状態においても第１Ｂ実施例の場合と同様に、段差線１０ｃに対応する線領域において光強度が最も小さく周囲に向かって光強度が急激に増大する互いに類似した逆ピーク状の光強度分布が形成され、ピーク状の光強度分布における逆ピークの両側のピーク形状は良好に抑えられている。

以上のように、第２実施例（第２Ａ実施例および第２Ｂ実施例）では、段差線１０ｃの近傍に設けられた位相変調領域（１１ｄ，１１ｅ）を有する位相シフター（１１Ａ，１１Ｂ）を用いることにより、逆ピークの両側に発生するピーク形状を抑えた所望の逆ピーク状の光強度分布を被処理基板４上に形成することができる。その結果、第２実施例においても第１実施例と同様に、ピーク形状に起因するアブレーションの発生により半導体膜が破壊されることがなくなり、逆ピーク部分から開始した結晶成長がピーク形状部分で停止することなく大粒径の結晶を生成することができる。

なお、第２Ａ実施例と第２Ｂ実施例とを比較すると、孤立位相変調領域１１ｅの最小寸法の方が線状位相変調領域１１ｄの最小寸法よりも大きい。したがって、第１実施例の場合と同様に、第２Ｂ実施例における位相シフター１１Ｂの方が第２Ａ実施例における位相シフター１１Ａよりも作製が容易である。また、孤立位相変調領域１１ｅは、図１２では正方形状の形態を有するが、結像光学系３の解像度（〜λ／ＮＡ）に比して十分に小さい寸法を有する任意の形状を適用することができる。

［第３実施例］
第１実施例および第２実施例では、所定周期にしたがって配置された１８０度の段差線を含む２段ライン型の位相シフターに対して、本発明の第１の手法および第２の手法をそれぞれ適用している。これに対し、第３実施例では、所定周期にしたがって配置された９０度の段差線を含む４段ライン型の位相シフターに対して、本発明の第１の手法および第２の手法を適用している。

まず、第３比較例では、図１３（ａ）に示すように、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とが一方向に沿って繰り返し形成されたパターンを有する４段ライン型位相シフター１２を用いている。位相シフター１２では、２つの矩形状の領域１２ａと１２ｂとの間、１２ｂと１２ｃとの間、１２ｃと１２ｄとの間、１２ｄと１２ａとの間に、９０度の段差線１２ｅが５μｍのピッチで形成されている。

この場合、図１３（ｂ）に示すフォーカス状態では、段差線１２ｅに対応する線領域において光強度が最も小さく周囲に向かって光強度が急激に増大する逆ピーク状の左右対称な光強度分布が形成される。そして、逆ピークの両側には、比較的大きなピーク形状が発生する。ただし、９０度の段差線１２ｅに対応して第３比較例で形成される逆ピーク点における最小光強度は、１８０度の段差線１０ｃに対応して第１比較例で形成される逆ピーク点における最小光強度よりも大きい。

一方、図１３（ｃ）に示すデフォーカス状態では、形成される逆ピーク状の光強度分布の左右対称性は大きく崩れ、逆ピークの一方の側には非常に大きなピーク形状が発生し、他方の側には比較的小さなピーク形状しか発生しない。すなわち、デフォーカス状態では、逆ピークの一方側のピーク形状が持ち上がって顕著になるとともに、他方側のピーク形状が抑えられてあまり目立たなくなる。なお、被処理基板４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する。その結果、第３比較例では、デフォーカスにより左右非対称になった逆ピーク状の光強度分布に基づいて、生成される結晶粒も左右非対称になる。

これに対し、第３Ａ実施例では、本発明の第１の手法にしたがって第３比較例の４段ライン型位相シフター１２に線状の光遮蔽領域を付設して得られる光遮蔽型の位相シフター１２Ａを用いている。位相シフター１２Ａでは、図１４（ａ）に示すように、段差線１２ｅに平行に延びる線状光遮蔽領域１２ｆが段差線１２ｅの両側に形成されている。ここで、線状光遮蔽領域１２ｆの幅寸法は図示を省略したが０．１μｍに設定され、線状光遮蔽領域１２ｆの中心線と近傍の段差線１２ｅとの像側換算距離Ｄは０．８μｍに設定されている。すなわち、距離Ｄは、概して０．４２×λ／ＮＡに対応しており、上述した０．４×λ／ＮＡ＜Ｄ＜０．７×λ／ＮＡの範囲内で設定されている。

その結果、第３Ａ実施例では、図１４（ｂ）に示すフォーカス状態において、段差線１２ｅに対応する線領域において光強度が最も小さく周囲に向かって光強度が急激に増大する逆ピーク状の左右対称な光強度分布が形成され、逆ピークの両側のピーク形状は良好に抑えられている。一方、図１４（ｃ）に示すデフォーカス状態では、第３比較例の場合と比較して、形成される逆ピーク状の光強度分布の左右対称性の崩れは大きく改善され、逆ピークの一方側には小さなピーク形状が残るが、他方側のピーク形状は比較的良好に抑えられている。

第３Ｂ実施例では、本発明の第２の手法にしたがって第３比較例の４段ライン型位相シフター１２に線状の位相変調領域を付設して得られる位相変調型の位相シフター１２Ｂを用いている。位相シフター１２Ｂでは、図１５（ａ）に示すように、段差線１２ｅに平行に延びる線状位相変調領域１２ｇおよび１２ｈが段差線１２ｅの両側に形成されている。ここで、段差線１２ｅの図中右側に形成された線状位相変調領域１２ｇの位相変調量は−３０度であり、段差線１２ｅの図中左側に形成された線状位相変調領域１２ｈの位相変調量は＋３０度である。

換言すれば、段差線１２ｅの位相変調量は９０度であり、段差線１２ｅの左右で位相ベクトルが対称になるように、段差線１２ｅの一方の側に設けられた線状位相変調領域１２ｇの位相変調量と段差線１２ｅの他方の側に設けられた線状位相変調領域１２ｈの位相変調量とは絶対値が等しく且つ符号が異なる。段差線１２ｅの左右で位相ベクトルを対称にすることにより、以下に示すように、フォーカス状態において左右対称な逆ピーク状の光強度分布を得るとともに、デフォーカス状態においても逆ピーク状の光強度分布の左右対称性の崩れを大きく改善することができる。

また、線状位相変調領域１２ｇおよび１２ｈの幅寸法はともに０．５μｍに設定され、線状位相変調領域１２ｇおよび１２ｈの中心線と近傍の段差線１２ｅとの像側換算距離Ｄは１μｍに設定されている。すなわち、距離Ｄは、概して０．５２×λ／ＮＡに対応しており、上述した０．４×λ／ＮＡ＜Ｄ＜０．７×λ／ＮＡの範囲内で設定されている。その結果、第３Ｂ実施例では、図１５（ｂ）に示すフォーカス状態においても図１５（ｃ）に示すデフォーカス状態においても、段差線１２ｅに対応する線領域において光強度が最も小さく周囲に向かって光強度が急激に増大する逆ピーク状のほぼ左右対称な光強度分布が形成され、逆ピークの両側のピーク形状は比較的良好に抑えられている。

以上のように、第３実施例（第３Ａ実施例および第３Ｂ実施例）では、段差線１２ｅの近傍に設けられた光遮蔽領域１２ｆを有する位相シフター１２Ａまたは段差線１２ｅの近傍に設けられた位相変調領域（１２ｇ，１２ｈ）を有する位相シフター１２Ｂを用いることにより、逆ピークの両側に発生するピーク形状を抑えた所望の逆ピーク状の光強度分布を被処理基板４上に形成することができる。

その結果、第３実施例においても第１実施例および第２実施例と同様に、ピーク形状に起因するアブレーションの発生により半導体膜が破壊されることがなくなり、逆ピーク部分から開始した結晶成長がピーク形状部分で停止することなく大粒径の結晶を生成することができる。また、第３実施例では、段差が１８０度と実質的に異なるにもかかわらず、結像光学系３に対して被処理基板４がデフォーカスしたときの逆ピーク状の光強度分布の左右対称性の崩れが大きく改善されるので、ほぼ左右対称な結晶粒を生成することができる。

なお、第３Ａ実施例では、段差線１２ｅに平行に延びる線状光遮蔽領域１２ｆを形成している。しかしながら、第１Ｂ実施例の場合と同様に、段差線１２ｅに平行に並ぶ複数の孤立光遮蔽領域を形成することもできる。また、第３Ｂ実施例では、段差線１２ｅに平行に延びる線状位相変調領域１２ｇおよび１２ｈを形成している。しかしながら、第２Ｂ実施例の場合と同様に、段差線１２ｅに平行に並ぶ複数の孤立位相変調領域を形成することもできる。

なお、上述の実施形態では、段差により逆ピーク状の光強度分布を形成する光学変調素子１を用いている。しかしながら、図１６に示すように、逆ピーク状の光強度分布を形成する光学変調素子１に加えて、入射光束に基づいて光強度勾配分布を形成するパターンを有する第２光学変調素子２１を用いることもできる。ここで、第２光学変調素子２１は、その位相パターン面が光学変調素子１の位相パターン面と対向するように配置されている。また、光学変調素子１として、上述の２段ライン型の位相シフター１０Ａ，１０Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ、または上述の４段ライン型の位相シフター１２Ａ，１２Ｂなどを用いることができる。

図１７は、図１６の変形例における第２光学変調素子のパターンを示す図である。また、図１８は、図１７に示す第２光学変調素子における基本パターンを示す図である。図１７（ａ）に示す第２光学変調素子２１のパターンは、図１８（ａ）に示す基本パターンを含んでいる。図１８（ａ）を参照すると、第２光学変調素子２１の基本パターンは、結像光学系３の点像分布範囲の半径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）２１ｃを有する。

各セル２１ｃ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）２１ｂ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）２１ａとが形成されている。図１８（ａ）に示すように、各セル２１ｃ内における第１領域２１ｂと第２領域２１ａ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２１ｂと位相値が０度の第２領域２１ａ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２１ａ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。

上述のように、第２光学変調素子２１は、結像光学系３の点像分布範囲の半径よりも光学的に小さいサイズの位相変調単位（セル）２１ｃに基づく位相分布を有する。したがって、各位相変調単位２１ｃにおける第１領域２１ｂと第２領域２１ａ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４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。

具体的には、図１７（ｂ）に示すように、第２領域２１ａ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２１ａ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の（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。第２光学変調素子２１は、例えば石英ガラス基板に所要の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。

その結果、図１６の変形例では、図１９に示すように、第２光学変調素子２１を介して形成される一次元Ｖ字型の光強度勾配分布４ａと、光学変調素子１を介して形成される逆ピーク状の光強度分布４ｂとの合成光強度分布、すなわちＶ字型パターン＋逆ピーク状パターンの光強度分布４ｃが被処理基板４の表面上に形成される。ここで、前述したように、逆ピーク状の光強度分布４ｂにおいて逆ピークの両側に発生するピーク形状が良好に抑えられる。その結果、図１６の変形例では、ピーク形状に起因するアブレーションの発生により半導体膜が破壊されることがなくなり、逆ピーク部分から開始した結晶成長がピーク形状部分で停止することなく大粒径の結晶を生成することができる。

また、Ｖ字型パターン＋逆ピーク状パターンの光強度分布４ｃ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分布４ｂ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、一次元Ｖ字型の光強度勾配分布４ａ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。

なお、図１６の変形例において、結像光学系３によるフォーカスの観点から、光学変調素子１の位相パターン面と第２光学変調素子２１の位相パターン面とができるだけ近接するように配置することが望ましい。また、光学変調素子１の後側に第２光学変調素子２１を配置しているが、これに限定されることなく、第２光学変調素子２１の後側に光学変調素子１を配置することもできる。

さらに、光学変調素子１と第２光学変調素子２１とを別々に用いているが、これに限定されることなく、例えば光学変調素子１の位相パターンと第２光学変調素子２１の位相パターンとの合成位相パターンを有する１つの光学変調素子を用いることもできる。ここで、光遮蔽型の位相シフターの場合には、合成位相パターンを有する１つの光学変調素子の上に光遮蔽層を形成すればよい。また、位相変調型の位相シフターの場合には、位相変調領域も含めた合成位相パターンを有する１つの光学変調素子を形成すればよい。

また、上述の実施形態および変形例では、逆ピーク状の光強度分布を形成する光学変調素子１として、段差線を含むライン型の位相シフターを用いている。しかしながら、これに限定されることなく、光学変調素子１として３つ以上の位相値領域が接する段差点を有する位相シフターを用いることもできる。具体的には、図２０（ａ）に示すように、互いに位相値の異なる４種類の矩形状領域１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが所定の点１３ｅにおいて互いに隣接する形態を有する光学変調素子１３を用いることもできる。

ここで、光学変調素子１３は、例えば位相値が０度の第１矩形状領域１３ａと、位相値が９０度の第２矩形状領域１３ｂと、位相値が１８０度の第３矩形状領域１３ｃと、位相値が２７０度の第４矩形状領域１３ｄとを有する。そして、点１３ｅ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１３ａと第２矩形状領域１３ｂとの間の境界線、第２矩形状領域１３ｂと第３矩形状領域１３ｃとの間の境界線、第３矩形状領域１３ｃと第４矩形状領域１３ｄとの間の境界線、および第４矩形状領域１３ｄと第１矩形状領域１３ａとの間の境界線に対応するように構成されている。

なお、図示を省略しているが、光学変調素子１３には、図２０（ａ）に示す位相パターンが二次元的に繰り返し形成されている。この場合、点１３ｅだけでなく矩形状領域の各隅角部１３ｆも４種類の位相値領域（１３ａ〜１３ｄ）の接点を構成し、ひいては段差点（位相シフト点）を構成することになる。その結果、図２０（ｂ）に示すように、被処理基板４の表面には、光学変調素子１３の段差点（１３ｅ，１３ｆ）に対応するスポット領域１３ｇ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逆ピーク状の光強度分布が得られる。

そして、光学変調素子１３を介して形成される逆ピーク状の光強度分布では、段差点（１３ｅ，１３ｆ）に対応する位置を中心とする円形状にピーク形状が発生することになる。この場合、図２０（ａ）に示すように、光学変調素子１３の段差点（１３ｅ，１３ｆ）を中心とする円形状の光遮蔽領域（または位相変調領域）１３ｈを形成することが好ましい。ここで、光遮蔽領域（または位相変調領域）１３ｈは、円形状に延びる線状であってもよいし、円形状に並ぶ孤立状であってもよい。こうして、光遮蔽領域（または位相変調領域）１３ｈの作用により、段差点（１３ｅ，１３ｆ）に対応する位置を中心とする円形状のピーク形状の発生が良好に抑えられる。

また、具体的には、図２１（ａ）に示すように、例えば位相値が０度の第１矩形状領域１４ａと位相値が１８０度の第２矩形状領域１４ｂとの間に形成される１８０度の段差線１４ｃが所定の点１４ｄにおいて直交するような光学変調素子１４を用いることもできる。すなわち、光学変調素子１４では、位相値が０度の第１矩形状領域１４ａと位相値が１８０度の第２矩形状領域１４ｂとが、交互に二次元的に形成されている。

なお、図示を省略しているが、光学変調素子１４には、図２１（ａ）に示す位相パターンが二次元的に繰り返し形成されている。この場合、点１４ｄだけでなく矩形状領域の各隅角部１４ｅも段差点を構成し、十字状の交差線１４ｃだけでなく矩形状領域の各辺１４ｆも段差線を構成することになる。その結果、図２１（ｂ）に示すように、被処理基板４の表面には、光学変調素子１４の段差点（１４ｄ，１４ｅ）に対応するスポット領域１４ｇおよび光学変調素子１４の段差線（１４ｃ，１４ｆ）に対応する線領域１４ｈにおいて光強度が最も小さく周辺に向かって急激に光強度が増大する逆ピーク状の光強度分布が得られる。

そして、光学変調素子１４を介して形成される逆ピーク状の光強度分布では、段差線（１４ｃ，１４ｆ）に対応する線領域１４ｈの両側にピーク形状が発生することになる。この場合、図２１（ａ）に示すように、段差線（１４ｃ，１４ｆ）の両側に光遮蔽領域（または位相変調領域）１４ｊを形成することが好ましい。

光遮蔽領域（または位相変調領域）１４ｊは、段差線（１４ｃ，１４ｆ）にほぼ平行に延びる線状であってもよいし、段差線（１４ｃ，１４ｆ）にほぼ平行に並ぶ孤立状であってもよい。こうして、光遮蔽領域（または位相変調領域）１４ｊの作用により段差線（１４ｃ，１４ｆ）に平行なピーク形状の発生が良好に抑えられる。

図２２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２２（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５を準備する。そして、本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。

こうして、図２２（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２２（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２２（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２２（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。

以上の工程において、図２２（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。

なお、上述の説明では、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結晶化装置および結晶化方法に本発明を適用している。しかしながら、これに限定されることなく、一般的に結像光学系を介して所定の光強度分布を所定面に形成する光照射装置に対して本発明を適用することができる。

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１の照明系の内部構成を概略的に示す図である。 均一円形瞳を有し且つ無収差である結像光学系の点像分布関数ＰＳＦを示す図である。 段差が１８０度のライン型位相シフターを用いて逆ピーク状の光強度分布を形成したときに逆ピークの両側にピーク形状が発生する様子を説明する図である。 ライン型位相シフターの位相値が０度の領域に対応する像の複素振幅分布Ｕ（ｘ）の正確な形状を示す図である。 図４に対応する図であって、本発明によりピーク形状を抑える第１の手法を説明する図である。 図４に対応する図であって、本発明によりピーク形状を抑える第２の手法を説明する図である。 １８０度の段差線を含む２段ライン型の位相シフターを用いた第１比較例を示す図である。 第１比較例に本発明の第１の手法を適用した第１Ａ実施例を示す図である。 第１比較例に本発明の第１の手法を適用した第１Ｂ実施例を示す図である。 第１比較例に本発明の第２の手法を適用した第２Ａ実施例を示す図である。 第１比較例に本発明の第２の手法を適用した第２Ｂ実施例を示す図である。 ９０度の段差線を含む４段ライン型の位相シフターを用いた第３比較例を示す図である。 第３比較例に本発明の第１の手法を適用した第３Ａ実施例を示す図である。 第３比較例に本発明の第２の手法を適用した第３Ｂ実施例を示す図である。 入射光束に基づいて光強度勾配分布を形成する第２光学変調素子を付設した変形例を示す図である。 図１６の変形例における第２光学変調素子のパターンを示す図である。 図１７に示す第２光学変調素子における基本パターンを示す図である。 図１６の変形例において形成されるＶ字型の光強度勾配分布と逆ピーク状の光強度分布との合成光強度分布を示す斜視図である。 光学変調素子として４種類の位相値領域が１点において接する位相シフターを用いた変形例を示す図である。 光学変調素子として１８０度の段差線が１点において４つ交わる位相シフターを用いた変形例を示す図である。 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。 段差の位相量が１８０度の位相シフターを用いたときに結像光学系を介して形成される逆ピーク状の光強度分布を模式的に示す図である。 段差の位相量が６０度の位相シフターを用いたときに結像光学系を介して形成される逆ピーク状の光強度分布を模式的に示す図である。

符号の説明

１，１０〜１４ 光学変調素子
２１ 第２光学変調素子
２ 照明系
２ａ ＫｒＦエキシマレーザ光源
２ｂ ビームエキスパンダ
２ｃ，２ｅ フライアイレンズ
２ｄ，２ｆ コンデンサー光学系
３ 結像光学系
３ｃ 開口絞り
４ 被処理基板
５ 基板ステージ

Claims (17)

1. 入射光から位相段差により逆ピーク状の光強度分布を形成する光学変調素子と、
   前記光学変調素子を介した光束に基づいて前記逆ピーク状の光強度分布に対応する所定の光強度分布を所定面に形成するための結像光学系とを備え、
   前記光学変調素子は、前記逆ピーク状の光強度分布において逆ピークの両側に発生するピーク形状を平坦化するために設けられた光遮蔽領域及び位相変調領域のうち少なくとも一方の領域を有することを特徴とする光照射装置。
2. 前記光学変調素子は、位相値の異なる２つの領域が接する位相段差線を有することを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
3. 前記光遮蔽領域及び位相変調領域のうち少なくとも一方の領域は、前記位相段差線にほぼ平行に延びる線状光遮蔽領域及び線状位相変調領域のうち少なくとも一方の領域を有することを特徴とする請求項２に記載の光照射装置。
4. 前記線状光遮蔽領域及び線状位相変調領域のうち少なくとも一方の領域の中心線と前記位相段差線との距離に対応する前記所定面上の距離Ｄは、光の波長をλとし、前記結像光学系の像側開口数をＮＡとするとき、
   ０．４×λ／ＮＡ＜Ｄ＜０．７×λ／ＮＡ
   の条件を満足することを特徴とする請求項３に記載の光照射装置。
5. 前記光遮蔽領域及び位相変調領域のうち少なくとも一方の領域は、前記位相段差線にほぼ平行に並ぶ複数の孤立光遮蔽領域及び孤立位相変調領域のうち少なくとも一方の領域を有することを特徴とする請求項２に記載の光照射装置。
6. 前記複数の孤立光遮蔽領域及び孤立位相変調領域のうち少なくとも一方の領域の中心を結ぶ中心線と前記位相段差線との距離に対応する前記所定面上の距離Ｄは、光の波長をλとし、前記結像光学系の像側開口数をＮＡとするとき、
   ０．４×λ／ＮＡ＜Ｄ＜０．７×λ／ＮＡ
   の条件を満足することを特徴とする請求項５に記載の光照射装置。
7. 前記光学変調素子は、３つ以上の位相値領域が接する位相段差点を有することを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。
8. 前記位相段差線の位相変調量および前記位相変調領域の位相変調量がともに約１８０度であることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１項に記載の光照射装置。
9. 前記位相段差線の位相変調量が１８０度とは実質的に異なる値であり、前記位相段差線の一方の側に設けられた位相変調領域の位相変調量と前記位相段差線の他方の側に設けられた位相変調領域の位相変調量とは絶対値がほぼ等しく且つ符号が異なることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１項に記載の光照射装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光照射装置を備え、前記所定面に設定された多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に前記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ことを特徴とする結晶化装置。
11. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光照射装置を用いて、前記所定面に設定された非単結晶膜に前記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ことを特徴とする結晶化方法。
12. 請求項１０に記載の結晶化装置または請求項１１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。
13. 位相段差により逆ピーク状の光強度分布を形成する光学変調素子において、
    前記逆ピーク状の光強度分布において逆ピークの両側に発生するピーク形状を抑えるために、前記位相段差の近傍に設けられた光遮蔽領域及び位相変調領域のうち少なくとも一方の領域を有することを特徴とする光学変調素子。
14. 前記光遮蔽領域及び位相変調領域のうち少なくとも一方の領域は、前記位相段差線にほぼ平行に延びる線状光遮蔽領域及び位相変調領域のうち少なくとも一方の領域を有することを特徴とする請求項１３に記載の光学変調素子。
15. 前記光遮蔽領域及び位相変調領域のうち少なくとも一方の領域は、前記位相段差線にほぼ平行に並ぶ複数の孤立光遮蔽領域及び位相変調領域のうち少なくとも一方の領域を有することを特徴とする請求項１３に記載の光学変調素子。
16. 前記位相段差線の位相変調量が１８０度とは実質的に異なる値であり、前記位相段差線の一方の側に設けられた位相変調領域の位相変調量と前記位相段差線の他方の側に設けられた位相変調領域の位相変調量とは絶対値がほぼ等しく且つ符号が異なることを特徴とする請求項１３に記載の光学変調素子。
17. 前記光学変調素子は、３つ以上の位相値領域が接する位相段差点を有することを特徴とする請求項１３に記載の光学変調素子。

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