JP2005235811A - 半導体薄膜形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 マルチビーム化したエキシマレーザーの照射位置を特定する為のマークを設けること目的とする。
【手段】 光源と、オプティカルインテグレータと、周期的パターンが形成された周期的光学素子と、レンズと、基板ステージと、アライメント機構とを有し、半導体薄膜に光を照射することにより、半導体薄膜の所定の領域を改質する半導体薄膜形成装置において、前記周期的光学素子を照明することにより前記半導体薄膜上に生じた周期的な光分布の照射位置と、前記半導体薄膜との位置あわせを行うために、半導体薄膜にマークを設けたことを特徴とする半導体薄膜形成装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、薄膜トランジスタに用いるシリコン薄膜及び電界効果型トランジスタに用いるシリコン薄膜を結晶化するための装置に関する。また、本発明は、前記薄膜トランジスタ及び電界効果型トランジスタにより構成されるディスプレー、センサー等の駆動素子または駆動回路を製造する為の方法に関する。

液晶ディスプレー等の表示装置では、スイッチング素子として薄膜トランジスタが広く用いられている。この薄膜トランジスタは結晶化状態のシリコン薄膜上に形成されており、一般のディスプレーに用いられる基板としてはコストの面からガラス基板が用いられている。このガラス基板上に結晶化シリコンの薄膜を形成する場合、ＣＶＤ（液相成長法）等による成膜プロセスや、成膜後の一般的な熱処理では、熱によりガラス基板が変形してしまうため、このようなプロセスは適さない。

このため、一般にはガラス基板上に低温でかつ大面積の成膜が可能なスパッタリングによりアモルファス状態のシリコン薄膜（アモルファスシリコン薄膜）を成膜した後、このアモルファス状態のシリコン薄膜にエキシマレーザービームを照射することにより、多結晶化させてポリ状態のシリコン薄膜（ポリシリコン薄膜）を形成する方法がとられており、この後、このポリシリコン薄膜を素子分離し、多数の薄膜トランジスタを形成する。エキシマレーザービームを照射する際には、光学系によりマルチビーム化させスキャン照射する方法がある。

この方法では、ポリシリコン薄膜トランジスタを６００℃以下の低温プロセスで作製することができ、高価な耐熱性基板を用いる必要がなく、液晶ディスプレー等の低コスト化、及び大型化に寄与できる。特に最近は、特性均一化等の観点から単結晶シリコンに近い多結晶シリコンを形成する技術も望まれている。

特開２００１−２３９１８ 特開２０００−３０６８５９ 特開平１０−３１２９６３

しかしながら、マルチビーム化したエキシマレーザービームを用いた場合、マルチビームを構成する各々のビームの照射により、アモルファスシリコン薄膜からポリシリコン薄膜となることから境界領域で結晶粒界が形成される。この結晶粒界を横切る形で薄膜トランジスタが形成された場合、動作不良が生じやすく、また、結晶粒界のない領域に形成された薄膜トランジスタと異なるスイッチング特性を示すため、ばらつきや動作不良の素子が発生しディスプレーの品質低下の原因となっていた。

本発明は、結晶粒界を横切ることなく、薄膜トランジスタが形成されるように、あらかじめ半導体薄膜に設けられたマークに基づき、周期性光学素子に設けられた位置合わせのマークにより位置合わせを行った後、周期的光学素子により発生させた周期性をもった光束を、半導体薄膜の所定の領域に照射する。照射された領域は、半導体薄膜に設けられたマークに基づき、照射位置が特定することができ、その後のプロセスで、更に半導体薄膜に設けられたマークを基準に位置合わせを行い薄膜トランジスタ等の素子作製を行うものである。

第１の発明は、光源と、オプティカルインテグレータと、周期的パターンが形成された周期的光学素子と、レンズと、基板ステージと、アライメント機構とを有し、半導体薄膜に光を照射することにより、半導体薄膜の所定の領域を改質する半導体薄膜形成装置において、前記周期的光学素子を照明することにより前記半導体薄膜上に生じた周期的な光分布の照射位置と、前記半導体薄膜との位置あわせを行うために、半導体薄膜にマークを設けたことを特徴とする半導体薄膜形成装置である。

第２の発明は、第１の発明の半導体薄膜形成装置において、前記周期的光学素子と前記半導体薄膜との位置合わせを行うため、前記周期的光学素子に位置合わせのためのマークを形成することを特徴とする半導体薄膜形成装置である。

第３の発明は、第１又は第２のいずれかの半導体薄膜形成装置において、前記光源からの光束を用いてマーク形成用光束を発生し、マーク形成用光束を前記半導体薄膜に照射することにより半導体薄膜を加熱し蒸発させ、部分的に除去することによって、前記半導体薄膜にマークを形成することを特徴とする半導体薄膜形成装置である。

第４の発明は、第３の発明の半導体薄膜形成装置において、前記光源からの光束を前記周期的光学素子に設けられたマーク形成用のパターンに照射することによって、前記マーク形成用光束を発生することを特徴とする半導体薄膜形成装置である。

第５の発明は、第１から４の発明のいずれかの半導体薄膜形成装置において、前記光源から前記周期的光学素子までの光路中に、光の空間コヒーレンシーを低減する非干渉化光学系を配置することを特徴とする半導体薄膜形成装置である。

第６の発明は、第１から５の発明のいずれかの半導体薄膜形成装置において、前記光源から前記周期的光学素子までの光路中に、前記周期的光学素子における光束の入射角度を制限する為の光学的な絞りが介されることを特徴とする半導体薄膜形成装置である。

第７の発明は、第１から６の発明のいずれかの半導体薄膜形成装置において、前記周期的光学素子が光軸方向に移動可能であることを特徴とする半導体薄膜形成装置である。
第８の発明は、第１から７のいずれかの半導体薄膜形成装置において、前記周期的光学素子と異なる周期パターンを有する他の周期的光学素を有し、前記周期光学素子と前記他の周期光学素子とが交換可能であることを特徴とする半導体薄膜形成装置である。

第９の発明は、第１から８のいずれかの半導体薄膜形成装置において、照射される周期的な光分布の低光量の位置におけるアモルファス状態のシリコンが溶融することができる光強度分布を有することを特徴とする半導体薄膜形成装置である。

第１０の発明は、第９の発明の半導体薄膜形成装置において、前記周期的な光分布の形状を所定の形状とするため、前記周期的光学素子の周期パターン、前記絞りの形状、前記周期的光学素子の光軸方向の位置、前記レンズの焦点のうち、少なくとも一つを調整することを特徴とする半導体薄膜形成装置である。

第１１の発明は、第２から１０の発明のいずれかの半導体薄膜形成装置により、前記周期的光学素子の位置合わせのマークと前記半導体薄膜に設けられた位置合わせのためのマークとにより位置合わせを行うステップと、位置合わせを行った後、前記回折光学素子により生じる周期的な光分布の光束を前記半導体薄膜の所定位置に照射するステップにより半導体薄膜を形成することを特徴とする半導体薄膜形成方法である。

第１２の発明は、所定の光束をガラス基板上に形成された半導体薄膜に照射し、前記半導体薄膜を加熱蒸発させ、部分的に除去することによりマークを形成するステップと、前記マークを用いて前記ガラス基板の位置合わせを行うステップと、前記ガラス基板上に半導体回路を形成するステップにより、半導体デバイスを形成することを特徴とする半導体デバイスの製造方法である。

第１３の発明は、第１２の発明の半導体デバイス製造方法において、前記所定の光束は、光源からの光束をマーク形成用のパターンに照射することにより発生させた光束であることを特徴とする半導体デバイス製造方法である。

本発明によれば、ガラス基板上に形成されたシリコン薄膜等の半導体薄膜上のマークを設けることにより、マルチビーム化したエキシマレーザー光の照射された位置を特定することができる。これに基づき薄膜トランジスタ等の素子作製位置と、マルチビーム化したエキシマレーザー光の照射した位置との位置合わせを行うことにより、結晶粒界を横切る形で薄膜トランジスタ等の素子作製がされることがなく、結晶状態の良好な領域に薄膜トランジスタ等を形成することができる。
よって、特性の均一な薄膜トランジスタを得ることができ、高品質な液晶ディスプレーを低価格で提供することができる効果がある。

更に、マルチビーム化したエキシマレーザー光の光分布を調整すること、空間コヒーレンスを低減することによって最適な照射が可能となり、移動度の高い均質な結晶を生成することができる。これによって薄膜トランジスタパターンの微細化が可能となり、小型で高精細の液晶表示素子の製造や、集積回路等より付加価値を有する液晶素子を生成することが可能となる。

また、アブレーションによるアライメントマークの形成手法により、液晶ディスプレー製造工程における省プロセス、スループット向上、低コスト化を行うことが可能となる。

図１に基づき本発明に係るレーザアニール装置について説明する。

波長３０８nmのＸｅＣｌエキシマレーザーからなる光源１からの光束をビーム整形光学系２に入射させ所定の矩形状のビームに整形し、第１ミラー３を介した後フライアイレンズアレイ４に入射させ照明光束を形成する。

形成された照明光束は矩形状の絞り５、第１光学系６、第２ミラー７、第２光学系８を介した後、周期的光学素子９を均一に照明し、周期的な光分布の光束を形成する。
この後、形成された光束は等倍の投影レンズ１１を介し、スパッタリング等により表面にアモルファスシリコン薄膜が５０ｎｍ形成されたガラス基板１４上に周期的な光分布を形成する。この周期的な光分布の光束の照射によって基板１４上のアモルファスシリコン薄膜は溶融された後、冷却され結晶化状態のシリコン薄膜となる。

投影レンズ１１の瞳は、絞り５の位置とほぼ共役であり、投影レンズ１１の瞳は絞り５を通過した光束が全て透過できることが望ましい。
周期的光学素子９にはあらかじめクロムパターンのアライメントマーク１０が形成されている。また基板１４上にもあらかじめ光源１からのエキシマレーザー光を照射し、基板上に成膜されたアモルファス状態のシリコン薄膜を蒸発させて取り除くことによりアライメントマーク１５が形成されている。

具体的なアライメントマーク１５の形成方法としては、周期的光学素子９に形成されたアライメントマーク１０に光を照射し、アライメントマーク１０を透過した光を基板１４上に照射し、シリコン薄膜を蒸発させる方法が考えられる。

その際に照射光強度をシリコン薄膜の蒸発が起こるレベル（アブレーションレベル）まで上昇させる必要があるので、フライアイレンズアレイ４を交換可能な機構としておき、焦点距離がより長い要素レンズから構成されるフライアイレンズアレイ（不図示）に交換することによって照射エリア面積を小さくし、結果としてアライメントマーク１０の照射強度を向上させておくことが好ましい。

また本発明では光源から周期的光学素子９の間の適当な位置に、全体の光量調節を行うための光量調整手段（不図示）を備えていることが望ましく、それによる光量調節と、前記焦点距離が長いフライアイレンズアレイへの交換とを組み合わせることによって、所定の性能を有するアライメントマーク１５を形成するために最適なアブレーション光強度に設定しておくことが望ましい。

また前記焦点距離が長いフライアイレンズアレイからの照明光束がアライメントマーク１０を適切に照射するために、周期的光学素子９の可動機構と可動ステージ１６と連動しつつ所望の照射位置に移動することによってアライメントマーク１５を形成することが望ましい。

アライメントマーク１５を形成する方法としては、前記のアライメントマーク１０を照明することによって発生する光束を利用する方法のみならず、周期的光学素子９上にアライメントマーク１０とは別に、アライメントマーク生成のために最適な光束を発生するように設計された専用パターン（不図示）を位置決めしつつ形成しておき、前記専用パターンを前記焦点距離が長いフライアイレンズアレイからの照明光束によって照射し、それによって発生した光束をシリコン薄膜に照射し、アライメントマーク１５を形成する方法も考えられる。

また、前述のようにシリコン薄膜に光束を照射し蒸発させることによってアライメントマーク１５を形成する場合には、アライメントマーク１０または前記専用パターンと、基板１４上のシリコン薄膜は、投影レンズ１１を介して結像関係となるように設定することを基本とする。ただしシリコン薄膜に照射される光束の分布を最適にするために所定のフォーカス調整を行ってもかまわない。

このように形成されたアライメントマーク１５は、シリコン薄膜が存在していないためシリコン薄膜のある領域と光学的特性が顕著に相違し、マーク位置の検出が迅速になされるとともに、シリコン薄膜が除去されていることから、境界部分で非常に大きな段差が形成されているため、この後のプロセスにおいて膜形成等がなされた場合であっても埋もれることはなく、アライメントマーク１５の位置検出は容易である。

またアライメントマーク１５をクロム等の金属膜をパターニングすることによって、あらかじめ形成しておくことによって本発明を実施することも可能であるが、金属膜等によるアライメントマーク１５を形成する場合には、通常レジスト塗布、光露光、現像、エッチング、洗浄等のプロセスが必要となる。これに対して前記のようにアブレーションによるアライメントマーク１５を形成する場合には、レジスト塗布、現像、エッチング等のプロセスが不要であり、省プロセスとなる。

また、アニールチャンバー１２の中に基板１４を収めたまままで、アブレーションによるアライメントマーク１５形成と、光照射によるシリコン薄膜の結晶化の両方を行うことも可能であり、より省プロセス、スループット向上、低コスト化を行うことが可能である。

周期的光学素子９上に形成されたアライメントマーク１０と、基板１４上に形成されたアライメントマーク１５は光学的なアライメント方法により認識可能であり、光学的検出方法により相対的な位置関係が認識される。具体的には、周期的光学素子９のアライメントマーク１０の形成されている領域に光を照射しつつ、前記アライメントマーク１０と基板１４に形成されたアライメントマーク１４が一致する位置を光学的に検出することによりなされる。

この際、周期的光学素子９は可動機構（不図示）により光軸に垂直方向（ＸＹ方向）に移動可能であり、基板１４は可動ステージ１６に保持されており、周期的光学素子9に設けられたアライメントマーク１０と基板１４上のアライメントマーク１５に基づき位置検出を行った後、この検出された位置を基準として、可動ステージ１６により所定の位置に基板１４を移動させ周期的な光分布の光束を順次照射し、基板１４における所定のエリアのアモルファスシリコン薄膜の結晶化を行う。

基板１４の移動方法は、可動ステージ１６をステップアンドリピート或いはスキャンニング方式により移動させる。
ここで、基板１４は、周期的な光分布の光束を透過させるため石英からなる透過窓１３を有したアニールチャンバー１２中に収められ、アニールチャンバー１２を窒素パージした後、周期的な光分布の光束が照射される。これは基板１４上のアモルファスシリコン薄膜に光束が照射され溶融し場合に、シリコンの表面が酸化することを防止する為である。これにより、表面汚染のない多結晶シリコン薄膜を得ることができる。さらにアニールチャンバー１２を真空に排気する機構を有する構成にしておくことによって、より高品質な多結晶シリコン薄膜を得ることも可能である。

また光源１からアニールチャンバー１２の間の光路についても、全面、または部分的に適宜窒素パージしておくことにより光学系の透過率等の性能がより良い状態に保持することが可能である。

周期的光学素子９の構成を図２に示す。図２（ａ）は、周期的光学素子９を光軸方向から見た図（ＸＹ方向面）であり、図２（ｂ）は、周期的光学素子９を破線ＱＲで切断した場合の断面図（ＹＺ方向面）である。

周期的光学素子９は、ガラス基板上にクロム膜により形成された遮光領域２１が周期的に並べられたものである。本実施例では、Ｘ軸方向のピッチＰｘを５μｍ、Ｙ軸方向のピッチＰｙを５μｍ、正方形の遮光領域の幅Ｗが１μｍの場合を示しているが、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｗについては、照射する条件等により異なる。所望の結晶状態等によっては、ＰｘとＰｙが一致しない場合が好ましい場合もある。よって、遮光領域は幅Wの正方形形状に形状に限らず、照射条件や照射パターンによって、長方形形状や円形等の形状の遮光領域を使用することも可能である。
Ｗは０．２μｍ以上であることが好ましく、また、光量損失の関係上、Ｐｘ又はＰｙの半分以下程度であることが好ましい。

また、周期的光学素子９については、同一基板上に形成される半導体デバイスの種類を変えたい場合等に対応するため、異なる周期パターンの複数の周期的光学素子を用意しておき、所望の条件等に対応して交換することも可能である。

図３には、基板１４に照射される周期的な光分布の光束のＸ軸方向における強度分布を示す。Ｉｍｉｎは、このような周期的な光分布のうち光強度の低い部分における光強度の値（低い光量）、Ｉｍａｘは、光強度の高い部分における光強度の値（高い光量）を示す。図３（ａ）に示される光強度分布は、図２（ａ）における、破線ＭＮ部分を主に通過した光により形成されるが、デフォーカスさせた場合や周期的光学素子９の遮光領域の幅Ｗをかえた場合、更にその上で光学系を調整することにより、図３（ｂ）に示されるような光強度分布を得ることもできる。このようにすることにより光強度の傾きＳ等の周期的な光分布の状態を調整することができ、得られる結晶に最適な周期分布に調整することができる。

このような光学系の調整に関しては、周期的光学素子９や基板１４を光軸方向に移動させる場合の他、結像レンズ１１やその他光学部材の位置を移動させることによっても調整可能である。

また、所定の周期的な光分布を測定する機構を設けて、随時光分布の状態をモニターし、この結果に基づき上記の如き光学系の調整およびメンテナンス等を行うことも可能である。

次に、図４に基づき周期的な光分布の光束をアモルファスシリコン薄膜の形成された基板に照射された場合の結晶化の様子について説明する。

絞り５等を調整し照明ＮＡが０．２５とした光束により周期的光学素子９を照明し、基板１４上に周期的な光分布の光束が照射される。
周期的光学素子９は、投影レンズ１１を介し前記周期的光学素子９の結像面から基板１４が４μｍデフォーカスした光軸方向の位置に置かれている。よって、前記基板１４上に照射される光束は、図４（ａ）に示されるような周期的な分布をもった光束である。光強度は、低い光量Ｉｍｉｎの光が照射された場合であっても、その部分に存在するアモルファスシリコン薄膜は溶融するように光強度の調整がなされおり、高い光量Ｉｍａｘの光が照射された場合であっても、その部分に存在するアモルファスシリコン薄膜が蒸発等しないよう調整されている。

具体的には、周期的光学素子９、結像レンズ１１、基板１４の位置、光量調整手段（不図示）等を調整し、Ｉｍｉｎ＝２５０ｍＪ／ｃｍ²、Ｉｍａｎ＝５００ｍＪ／ｃｍ²となるように設定されている。

このような周期的な光分布の光束をアモルファスシリコン薄膜に照射すると、照射された領域が全体的に溶融状態となるが、高い光量Ｉｍａｘの光が照射された領域から、低い光量Iｍｉｎの光が照射された領域に向けて温度分布を有する状態となる。そして低い光量Iｍｉｎの光が照射された領域は他の領域に比べ低温度であり、この領域が核となり最初に結晶化が開始する。従って、図４（ｂ）に示すように、周期的な光分布の光束の照射が終わった後は、低い光量Ｉｍｉｎの照射された部分１０１を核とし、矢印に示す如く２次元的に結晶成長がなされる。結晶化の核となる部分は、各々低い光量Ｉｍｉｎの光が照射された位置ごとに生じる為、周期的光学素子９の遮光領域２１に対応して結晶核が発生する。これら結晶の核より２次元的に結晶成長をするが、各々隣接して結晶成長しているものとの間で結晶粒界となる領域１０２を形成する。よって、周期的に結晶化された領域１０３からなる多結晶シリコン薄膜が形成される。

なお、本実施例では周期的光学素子９を等倍で投影しているため、ガラス基板上には、周期的光学素子９の遮光領域の周期Ｐｘ、Ｐｙに対応した大きさのほぼ５μｍの正方形に近似した形状の結晶化領域が形成される。

この後、この結晶化シリコン薄膜上に薄膜トランジスタ等のデバイスが形成されるが、形成される薄膜トランジスタは、この結晶化された領域内に納まる形で形成される。このため、レジストを塗布した後、基板１４上に形成されたアライメントマーク１５を基準に位置合わせを行い、所定の位置に薄膜トランジスタ等が形成されるよう露光を行っていく。

本実施例では、光源１にＸｅＣｌエキシマレーザーとしたが、他のエキシマレーザー、固体レーザー、半導体レーザーアレイを用いても良い。また、波長も３０８ｎｍ以外の波長、可視光であっても良い。ここで、固体レーザーを用いる場合は、空間コヒーレンスが比較的高いことから、コヒーレンスの低減する機構を有していることが望ましい。

また、本実施例では結像レンズ１１は等倍の結像レンズを用いたが、縮小倍率の結像レンズであっても良い。
また、フライアイレンズ４は、複数のオプティカルインテグレータとリレーレンズを加えたダブルインテグレータ構成からなるもの等であっても良い。このような構成にすることにより、周期的な光分布の光束の均一性を更に向上させることができ、リレーレンズをズーム光学系とすることにより、絞り５におけるロスを最小限にとどめることができる。

また、フライアイレンズ４は、単一のガラス基板にマクロレンズを形成したマイクロレンズアレイや、内部多重反射を利用したロッド型インテグレータであっても本発明は実施可能である。

次に、７００ｍｍ×９００ｍｍの大型ガラス基板に形成されたアモルファスシリコン薄膜を結晶化させる場合の実施例を説明する。
本実施例に用いられる、周期的光学素子９は、Ｐｘ、Ｐｙがともに５μｍであり、遮光部分２１が１μｍで、Ｘ方向に２００００、Ｙ方向に１００配列した構成のものであり、一回の露光によりＸ方向（Ｌｘ）に１００ｍｍ、Ｙ方向（Ｌｙ）０．５ｍｍの範囲が露光される。この他の条件や装置については、実施例1と同様である。

図５に基づき、ガラスからなる基板１１０上にスパッタリング等によって成膜されたアモルファスシリコン薄膜を結晶化する方法を具体的に示す。ＬｘとＬｙは一括して露光される領域１１２のＸ方向の長さＬｘとＹ方向の長さＬｙである。本実施例では、Ｌｘは１００ｍｍ、Ｌｙは０．５ｍｍである。アライメントマークは、基板が大型であることから、正確な位置合わせを行うため１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃと複数形成されている。基板１１０上のアモルファスシリコン薄膜へのアライメントマークの形成方法は、実施例１に記載した方法と同様である。

アライメントマークによる位置合わせを行った後、照射領域１１２は、レーザパルス発振毎にＹ方向にＬｙずつシフトしながら光源１からの光が照射されるように、照射周波数とＹ方向への移動速度が設定されている。順次、基板１１０を移動させながら所定領域１１２ごとの照射を繰返し、Ｙ方向の終端まで達した後は、Ｘ方向にＬｘ移動させた後、再び同様に順次露光を行っていく。これを繰り返すことにより、基板１１０において結晶化シリコン薄膜が必要とされる領域について結晶化がなされる。

尚、図５ではXおよびY方向へのシフトの量を、基板１１０上の全照射領域内において、結晶粒界または結晶核が等間隔で配列されるように設定した場合について示しているが、これ以外にも結晶化シリコン薄膜が必要とされる領域の位置に応じて、XおよびY方向への所定のシフト量を設定し、所定の位置を照射することが可能である。

また、必要とされる半導体素子に応じて、周期的光学素子を交換し露光することも可能である。さらにXおよびY方向への所定のシフト量の設定と周期的光学素子の選択を関連づけて所定の結晶核ピッチの露光を行うことも可能である。

また、パルス発振毎の照射において、ある露光が他の露光のノイズとならないように、周期的光学素子９の近傍に視野絞り（不図示）を配置し、所定の領域のみが明確に照射される構成とすることが望ましい。このとき前記視野絞りは周期的光学素子９の遮光領域によって周期的光学素子９上に直接描画することも可能である。

次に、薄膜形成装置の別の実施例の構成を図６に示す。
本実施例の薄膜形成装置は、主に光源の空間コヒーレンスを低減することにより干渉ノイズを低減したものである。

波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザーからなる光源２０１より発生した光束は、前段ビーム整形光学系２０２に入射し、ビーム形状を所定の矩形とした後、全反射ミラー２０４とハーフミラー２０３が所定の間隔に配置された構成の空間コヒーレンシー低減光学系に入射する。全反射ミラー２０４とハーフミラー２０３とはほぼ平行に配置されており、光源２０１から生じた光束が、全反射ミラー２０４とハーフミラー２０３の間で反射を繰り返すことにより、遅延され複数の光束に分割される。

この遅延される光路長は光源２０１の時間的干渉距離よりも長くなるように設定されており、最終的に分割された複数の光束の光強度は、ほぼ等しくなるように、ハーフミラー２０３の反射率に分布をもたせてある。

ハーフミラー２０３を透過した各々の光束は、ビーム整形光学系２０２を射出したビームとほぼ同様の形状を有しており、全体的な光束は矩形状となる。ハーフミラー２０３より射出した光束は、後段ビーム整形光学系２０５に入射し、更に整形された後、第１ミラー２０６を介し、フライアイレンズアレイ２０７に入射する。

このときフライアイレンズアレイ２０７に入射する各々の光束の有効径が、フライアイレンズアレイ２０７を構成する各要素レンズのXとYいずれの有効径と比較して、光束の有効径の方が要素レンズの有効径の２倍以上となるように、前記要素レンズの有効径または他の光学系が調整されていることが望ましい。

尚前記各々の光束の有効径は、各光束が分布を持つ場合には、半値全幅で代表させたり、または、各光束を各光束のエネルギーの９５％が含まれるような矩形領域で近似した際の矩形の幅で代表させることが考えられる。

以上のように、フライアイレンズアレイ２０７に入射した各々の光束ないし全体光束は照明光束に変換される。
この照明光束は、矩形形状の絞り２０８を介した後、第１の光学系２０９、第２ミラー２１０、第２光学系２１１を介し、周期的光学素子２１２を均一に照明する。周期的光学素子２１２より形成された周期的な光分布の光束は、投影レンズ２１４を介した後、ガラス基板２１７上のアモルファスシリコン薄膜に照射される。この周期的な光分布の光束の照射により、実施例１の場合と同様に、アモルファスシリコン薄膜が多結晶シリコン薄膜へと結晶状態が変化する。

尚、周期的光学素子２１２は可動機構（不図示）により光軸に垂直方向（ＸＹ方向）に移動可能であり、基板２１７は透過窓２１６の設けられた真空排気されたアニールチャンバー２１５内の可動ステージ２１９により保持されており、アライメントマーク２１３とアライメントマーク２１８により位置検出を行った後、その位置を基準として、可動ステージ２１９により所定の位置に基板２１７に周期的な光分布の光束を順次照射し、基板２１７における所定のエリアの結晶化を行う。

ここで、本実施例では、全反射ミラー２０４とハーフミラー２０３からなる空間コヒーレンシー低減光学系を介した後、周期的光学素子２１２を照明している。これは通常、フライアイレンズ２０７のみでは波動光学的な干渉ノイズまたはスペックルノイズ及び散乱により生じるスペックルノイズが生じてしまう。これらノイズの影響によりアモルファスシリコン薄膜上に形成される周期的な光分布が、所望の光分布と異なり一部領域において、所望の位置とは異なる位置で光強度分布が低くなり、予想外の領域に結晶成長核が生成され、必要とする多結晶と異なる大きさや形状の異常な結晶粒が形成される場合がある。しかし、本実施例では特有の効果として、各種ノイズが低減され、ガラス基板２１７のアモルファスシリコン薄膜上に照射される光分布を高品位とすることができ、上記のよう異常な結晶粒の発生等を防止することができる。

尚、本実施例では、光源２０１にＸｅＣｌエキシマレーザーとしたが、実施例１と同様に、他のエキシマレーザー、固体レーザー、半導体レーザーアレイを用いても良い。また、波長も３０８ｎｍ以外の波長、可視光であっても良い。ここで、固体レーザーを用いる場合は、空間コヒーレンスまたは時間コヒーレンスが比較的高いことから、ハーフミラー２０３と全反射ミラー２０４以外にも、付加的なコヒーレンス低減機構を有していることが望ましい。

また、フライアイレンズ２０７は、複数のオプティカルインテグレータとリレーレンズを加えたダブルインテグレータ構成からなるもの等であっても良い。このような構成にすることにより、周期的な光分布の光束の均一性を更に向上させることができ、リレーレンズをズーム光学系とすることにより、絞り２０８におけるロスを最小限にとどめることができる。

また、フライアイレンズ２０７は、単一のガラス基板にマクロレンズを形成したマイクロレンズアレイや、内部多重反射を利用したロッド型インテグレータであっても本発明は実施可能である。

次に周期的光学素子の別の実施例として位相差型周期的光学素子の構成を図７、図８に基づき説明する。
実施例１において説明した周期的光学素子９は図２に示される構成のものであり遮光領域２１を有するものであるが、本実施例における周期的光学素子は、図７に示されるように、遮光領域を有しておらず、ガラス基板２３０の表面をエッチングし位相差を設けることにより、入射した光束を回折させて周期的な光分布を発生させるものである。エッチングされる領域２３１は、周期間隔Ｐ＝５μｍ、幅Ｗ＝１μｍの正方形領域で、深さｄは、位相差が１／２波長となるような深さに形成されている。

このような、位相型周期光学素子は、遮光領域を設けた周期的光学素子と比べて、遮光領域での光量損失が少ないといった特長の他、遮光領域を設けた周期的光学素子と異なり多種多様な周期的な分布を得ることができるといった特長を有する。

図７に示される位相型周期的光学素子の作成方法は、ガラス基板２３０上にフォトレジストを塗布した後、露光装置により所定のパターンを露光した後現像し、エッチングされる領域のみフォトレジストが除去されたレジストパターンを形成する。この後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、レジストパターンの形成されていない領域のエッチングを行う。具体的には、反応性イオンエッチングのチャンバー内部に、レジストパターンの形成されたガラス基板を設置し、チャンバー内部を排気する。この後、ＣＦ₄等のエッチングガスをチャンバー内部に導入し、電界を印加してプラズマ放電を発生させて、レジストパターンの形成されていない領域のガラス基板のエッチングを行う。本実施例では、使用する波長である３０８ｎｍの１／２波長の位相差となる深さｄまでエッチングした後放電を停止し、チャンバー内部より基板を取り出し、フォトレジストを取り除くことにより作製される。

回折型周期的光学素子の周期間隔Ｐ、幅Ｗ，深さｄ等の調整、多段構成にすることにより、アモルファスシリコン薄膜上に形成される周期的な光強度分布等を多様にかえることが可能となる。また、アライメントマーク（不図示）も位相差構造により作製可能であり、このアライメントマークにより、ガラス基板１４との位置合わせを行った後、光束の照射がなされる。

図８は、変形例として別構成の位相型周期的光学素子の構造を示す。基板２４０上に周期間隔Ｐ、幅Ｗ、深さｄのエッチング領域２４１が形成されているが、図7に示す位相型周期的光学素子とは、エッチング領域２４１の配列が異なるものである。

本実施例では、正方形形状のエッチング領域を示したが、この形状に限らず、所定の照射条件や照射パターンを発生するための長方形、円形、ゾーンプレートあるいはその他の形状に変更することも可能である。また、図２に示すような遮光領域を設けた周期的光学素子と図７等に示す位相差型周期的光学素子を組み合わせることによって、更に複雑な分布のパターンを発生させることも可能であり、どのような形状の多結晶シリコン薄膜の作製にも対応可能である。

本発明の実施例１に係る半導体薄膜形成装置の構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る半導体薄膜形成装置に用いられる周期的光学素子の構成を示す図である。 図２に示される周期的光学素子により生成されるアモルファスシリコン薄膜上での光強度分布を示す図である。 本発明の実施例１に係る半導体薄膜形成装置により、形成される多結晶シリコン薄膜の形成状況を示す図である。 本発明の実施例２に係る半導体薄膜形成装置により、多結晶化を行う状況を示す図である。 本発明の実施例３に係る半導体薄膜形成装置の構成を示すずである。 本発明の実施例４に係る位相型周期的光学素子の構成を示す図である。 本発明の実施例４に係る位相型周期的光学素子の別の構成を示す図である。

符号の説明

１ 光源
２ ビーム整形光学素子
３ 第１ミラー
４ フライアイレンズアレイ
５ 絞り
６ 第１光学系
７ 第２ミラー
８ 第２光学系
９ 周期的光学素子
１０ アライメントマーク
１１ 投影レンズ
１２ アニールチャンバー
１３ 透過窓
１４ 基板
１５ アライメントマーク
１６ 可動ステージ

Claims (13)

1. 光源と、オプティカルインテグレータと、周期的パターンが形成された周期的光学素子と、レンズと、基板ステージと、アライメント機構とを有し、半導体薄膜に光を照射することにより、半導体薄膜の所定の領域を改質する半導体薄膜形成装置において、
   前記周期的光学素子を照明することにより前記半導体薄膜上に生じた周期的な光分布の照射位置と、前記半導体薄膜との位置あわせを行うために、半導体薄膜にマークを設けたことを特徴とする半導体薄膜形成装置。
   
2. 請求項1に記載された半導体薄膜形成装置において、
   前記周期的光学素子と前記半導体薄膜との位置合わせを行うため、
   前記周期的光学素子に位置合わせのためのマークを形成することを特徴とする半導体薄膜形成装置。
   
3. 請求項1及び２に記載されたいずれかの半導体薄膜形成装置において、
   前記光源からの光束を用いてマーク形成用光束を発生し、マーク形成用光束を前記半導体薄膜に照射することにより半導体薄膜を加熱し蒸発させ、部分的に除去することによって、前記半導体薄膜にマークを形成することを特徴とする半導体薄膜形成装置。
   
4. 請求項３に記載された半導体薄膜形成装置において、前記光源からの光束を前記周期的光学素子に設けられたマーク形成用のパターンに照射することによって、前記マーク形成用光束を発生することを特徴とする半導体薄膜形成装置。
   
5. 請求項１から４に記載されたいずれかの半導体薄膜形成装置において、前記光源から前記周期的光学素子までの光路中に、光の空間コヒーレンシーを低減する非干渉化光学系を配置することを特徴とする半導体薄膜形成装置。
   
6. 請求項１から５に記載されたいずれかの半導体薄膜形成装置において、前記光源から前記周期的光学素子までの光路中に、前記周期的光学素子における光束の入射角度を制限する為の光学的な絞りが介されることを特徴とする半導体薄膜形成装置。
   
7. 請求項１から６に記載されたいずれかの半導体薄膜形成装置において、前記周期的光学素子が光軸方向に移動可能であることを特徴とする半導体薄膜形成装置。
   
8. 請求項１から７に記載されたいずれかの半導体薄膜形成装置において、
   前記周期的光学素子と異なる周期パターンを有する他の周期的光学素を有し、
   前記周期光学素子と前記他の周期光学素子とが交換可能であることを特徴とする半導体薄膜形成装置。
   
9. 請求項１から８に記載されたいずれかの半導体薄膜形成装置において、
   照射される周期的な光分布の低光量の位置におけるアモルファス状態のシリコンが溶融することができる光強度分布を有することを特徴とする半導体薄膜形成装置。
   
10. 請求項９に記載された半導体薄膜形成装置において、
    前記周期的な光分布の形状を所定の形状とするため、
    前記周期的光学素子の周期パターン、前記絞りの形状、前記周期的光学素子の光軸方向の位置、前記レンズの焦点のうち、少なくとも一つを調整することを特徴とする半導体薄膜形成装置。
    
11. 請求項２から１０に記載されたいずれかの半導体薄膜形成装置により、
    前記周期的光学素子の位置合わせのマークと前記半導体薄膜に設けられた位置合わせのためのマークとにより位置合わせを行うステップと、
    位置合わせを行った後、前記回折光学素子により生じる周期的な光分布の光束を前記半導体薄膜の所定位置に照射するステップにより半導体薄膜を形成することを特徴とする半導体薄膜形成方法。
    
12. 所定の光束をガラス基板上に形成された半導体薄膜に照射し、前記半導体薄膜を加熱蒸発させ、部分的に除去することによりマークを形成するステップと、
    前記マークを用いて前記ガラス基板の位置合わせを行うステップと、
    前記ガラス基板上に半導体回路を形成するステップにより、
    半導体デバイスを形成することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
    
13. 請求項１２に記載された半導体デバイス製造方法において、
    前記所定の光束は、光源からの光束をマーク形成用のパターンに照射することにより発生させた光束であることを特徴とする半導体デバイス製造方法。