JP2005294801A - レーザー結晶化装置及びレーザー結晶化方法 - Google Patents

レーザー結晶化装置及びレーザー結晶化方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 被処理体が溶融し、結晶化する状態の像をリアルタイムで若しくは結晶化直後に、高空間分解能かつ高時間分解能で観察、監視することができるレーザー結晶化装置及び結晶化方法を提供することである。
【解決手段】 レーザー結晶化装置１は、被処理基板２６に設けられた薄膜にレーザー光を照射して、この薄膜を溶融して結晶化する結晶化用光学系２を具備するレーザー結晶化装置１であって、前記レーザー光の光路外に配置され、前記薄膜を照明する観察用の照明光を射出する照明光源３１と、前記レーザー光の光路が中央部にあり、この光路に沿って前記照明光源３１からの照明光を前記薄膜に導く環状光学素子３Ａを含む照明光学系３と、前記薄膜の前記レーザー光による照射領域の溶融状態、結晶化状態の少なくとも一方の像を拡大表示する顕微観察光学系４とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体膜などの薄膜にレーザー光を照射し結晶化する装置及び結晶化方法に係り、特に、半導体膜が溶融、結晶化する状態をリアルタイムで拡大観察することができるレーザー結晶化装置及びレーザー結晶化方法に関する。
単結晶でない薄膜、例えば、非晶質若しくは多結晶の半導体膜を、大粒径の結晶粒を有する結晶化領域を含む薄膜にするために、例えば、大エネルギーの短パルスレーザー光を用いて半導体薄膜を溶融、結晶化するレーザー結晶化技術が開発されている。この技術は、例えば、液晶表示装置や有機エレクトロルミネッセンス表示装置等に用いられる薄膜トランジスタを形成するための単結晶でない半導体膜の結晶化に使用されている。
このようなレーザー結晶化技術の中で、特に、位相変調したエキシマレーザー光を照射して結晶化（Phase Modulated Excimer Laser Annealing：ＰＭＥＬＡ）する技術が注目されている。ＰＭＥＬＡ技術では、ホモジナイズされたエキシマレーザー光を、位相変調素子、例えば、位相シフタを使用して位相変調された所定の光強度分布、例えば、逆ピーク状の光強度分布を有するレーザー光に形成する。このレーザー光を結晶化用光学系により半導体膜、例えば、大面積のガラス基板上に形成した非晶質シリコン若しくは多結晶シリコン薄膜、に照射し、この半導体膜を溶融、結晶化して、大粒径の結晶粒を有する半導体膜を形成する。現在開発されているＰＭＥＬＡ技術では、1回の照射で数ｍｍ角程度の大きさの領域を溶融、結晶化し、数μｍから１０μｍ程度の大きさで比較的一様な結晶粒を有する品質の優れた結晶化シリコン薄膜が形成されている。この詳細は、例えば、井上弘毅、中田充、松村正清；電子情報通信学会論文誌 Vol.J85-C, No.8, pp.624-629, 2002、「シリコン薄膜の振幅・位相制御エキシマレーザー溶融再結晶化方法−新しい２−Ｄ位置制御大結晶粒形成法−」（非特許文献１）に記載されている。
現状のＰＭＥＬＡ技術においては、実用化されているエキシマレーザー光パワーの変動は、５％から１０％程度である。しかし、このエキシマレーザー光の安定性に比べ、所望の品質の、例えば、結晶化シリコン薄膜を形成するためのプロセスマージンは、非常に狭くなっている。そのため、工業化するためには、結晶化シリコン薄膜のさらなる高品質化、品質の安定化のために、プロセスマージンを拡大する必要がある。これに対応して、シリコン薄膜が、微小領域において溶融し、その後、結晶化していく変化する状態を画像等として、数μｍの高空間分解能でリアルタイム若しくは、レーザー光照射直後にナノ秒オーダーの高時間分解能で観察若しくは観測したいという要求がある。
レーザーアニールをしたシリコン薄膜の結晶性評価法が、特許文献１に開示されている。この方法は、結晶化を終わったシリコン薄膜に観察光を照射し、反射光を分光光度計を使用して、例えば、ラマン分光して、結晶化後の多結晶シリコン薄膜の結晶性を評価するものである。
位相変調をしないＥＬＡ技術において、その場測定手段として、溶融、結晶化しているシリコン薄膜の熱的特性を、その場測定した実験例が、Ｍ．Ｈａｔａｎｏらにより J. Applied Physics, Vol.87, No.1, pp.36-43, 2000, “Excimer laser-induced temperature field in melting and resolidification of silicon thin films”に報告されている（非特許文献２）。この報告は、ナノ秒オーダーの高時間分解能で溶融、結晶化しているシリコン薄膜の熱的特性を測定したものである。具体的には、観察用のプローブ光であるヘリウム−ネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）レーザー光（波長６３３ｎｍ及び１５２０ｎｍ）を斜め上方から溶融部、結晶化部に照射する。その溶融部、結晶化部からの反射光及び透過光を高速で応答するインジウム・ガリウム・ヒ素光検出器及びシリコンｐｎフォトダイオードで検出して、シリコン薄膜の熱的特性を測定する。
また、結晶化用レーザー光と観察用光を同時に照射するＩｎ−ｓｉｔｕ（その場）観察方法が、特許文献２に開示されている。この方法では、穴あき対物レンズを使用して、結晶化用レーザー光の照射及び観察光の照明と検出を行っている。結晶化用レーザー光は、位相変調をしないエキシマレーザー光であり、上記対物レンズに設けられた穴を通して被処理膜を照射する。アニール過程において被処理膜からの反射光を穴あき対物レンズを介して検出して、例えば、試料表面の反射率、ラマンスペクトル等の変化をＩｎ−ｓｉｔｕで測定する。すなわち、結晶化した領域の物性値から、結晶性の評価を行っている。
特開２００１−２５７１７６号公報 特開２００２−１７６００９号公報 井上弘毅、中田充、松村正清；電子情報通信学会論文誌 Vol. J85-C, No.8, pp.624-629, 2002、「シリコン薄膜の振幅・位相制御エキシマレーザー溶融再結晶化方法−新しい２−Ｄ位置制御大結晶粒形成法−」 M. Hatano, S. Moon, M. Lee, K. Suzuki, and C. Grigoropoulos ; J. Applied Physics, Vol.87, No.1, pp.36-43, 2000, "Excimer laser-induced temperature field in melting and resolidification of silicon thin films".
ここで使用されているＥＬＡ装置による結晶化量産ラインの工業化に向けた課題に、照射するレーザー光のパルス欠落や強度変動などの不安定性のために、結晶化の状態を作業者が確認して、結晶化工程の歩留まりを向上させること、品質管理の安定化させることなどがある。ここで、結晶化のためのレーザー光の照射時間は、例えば、約２５〜３０ナノ秒（ｎｓｅｃ）の極短時間である。これらの課題を解決するために、シリコン薄膜が、微小領域において約２５〜３０ｎｓｅｃの期間に溶融し、その後、結晶化していく変化する状態若しくは結晶化した領域を画像として、数μｍの高空間分解能でその場でリアルタイムで若しくは、レーザー照射直後にナノ秒オーダーの高時間分解能で観察若しくは観測したいという要求がある。
上記の特許文献１の方法は、画像観察には適していない。特許文献２の方法は、画像観察が可能であるが、シリコン薄膜が溶融して結晶化していく変化する状態を、高時間分解能及び／若しくは高空間分解能で画像観察する目的には適していない。
非特許文献２の方法は、時間的には高分解能であるが、数μｍ以下の高空間分解能と高時間分解能の両者を同時に満足させる画像観察システムには適用できない。
本発明者は、レーザー結晶化装置、例えば、エキシマレーザー結晶化（ＥＬＡ）装置において、溶融、結晶化させている半導体薄膜が変化する状態を数μｍの高空間分解能及びナノ秒オーダーの高時間分解能で、リアルタイムであるいはレーザー溶融中、若しくは溶融直後に結晶化する状態を画像として観測する観察システム、すなわち光学システムを搭載することが、結晶化した半導体薄膜の高品質化のために好ましいことを見出した。
そこで、本発明者等は、その場（リアルタイム）観察を実現するために、ＥＬＡ装置に画像観察が可能な顕微観察システムを組み込むための検討を行った。半導体膜が溶融、結晶化している若しくは結晶化した領域の像をその場（リアルタイム）観察する顕微観察光学系をＥＬＡ装置の光学系に組み込むためには、結晶化用のエキシマレーザー光（紫外光領域）と観察用の照明光（可視光領域）とを、同時に収差補正した光学系を使用することが好ましい。
前記課題、要求を満足させるためには、さらに、次のような課題がある。ＥＬＡ装置、特に位相シフタを使用した投影型位相変調（ＰＭ）ＥＬＡ装置では、高解像力（数μｍ）が好ましい。ＥＬＡ装置で実際に使用されるレンズは、生産効率の面から、高光強度、高デューティー、大面積での使用が前提となる。具体的には、レーザー光強度は、結晶化を行う被処理基板上で約１Ｊ／ｃｍ２であることが好ましい。この強い光強度を得るために、大規模集積回路用の露光装置とは異なり、エキシマレーザー光は、広いスペクトル幅（０．５ｎｍ）のまま使用される。高エネルギー光のため、可視光用の顕微鏡レンズのような張り合わせレンズを含んだ構成は、耐熱性の面から好ましくない。また、使用するエキシマレーザー光は、例えば、フッ化クリプトン（ＫｒＦ）若しくは塩化キセノン（ＸｅＣｌ）であり、その波長は、それぞれ２４８ｎｍ及び３０８ｎｍである。これらのレーザー光の波長を考慮すると、使用できるレンズ材料は、ＵＶグレードの合成石英若しくはフッ化カルシウム（ＣａＦ２）が好ましいという材料面の制約があり、レンズ設計の自由度が低くなる。さらに、例えば、位相シフタのマスクパターンを数μｍ程度の高解像度で被処理基板上に縮小若しくは等倍で転写するために、ＰＭＥＬＡ装置で使用するレンズ（群）には、紫外光領域の色収差及びひずみ収差等の収差補正を実施しなければならない。
この１つの光学系でエキシマレーザー光と顕微観察用の可視光とを使用する場合には、紫外光領域と可視光領域の２つの波長領域で同時に収差補正を実施しなければならず、極めて困難な課題である。例え色収差補正ができたとしても、レンズ枚数を増やさなければならず、レンズによる光の吸収が増加する。その結果、被処理基板上に到達するレーザー光強度が低下し、結晶化するために好ましい強い光強度を得る要求に対して逆行することになる。
さらに、前記のような性能のエキシマレーザー光に適合させた結晶化用光学系は、可視光を透過させると可視光の解像力が低下するという問題もある。すなわち、解像力は、光の波長に比例するため、エキシマレーザー光（波長：２４８ｎｍ、３０８ｎｍ）の約２倍の波長を持つ可視光（波長：４８０ｎｍ−６００ｎｍ）の場合には、エキシマレーザー光で、例えば、２μｍの解像力は、可視光ではその２倍の、例えば、約４μｍに低下する。その結果、数μｍの結晶化領域の像を観察若しくは観測するために必要な解像力１μｍが得られなくなる。
すなわち、このような要求に対応できる光学システムは、高光強度（例えば、被処理基板上で１Ｊ／ｃｍ２以上）、広い照射面積（例えば、５×５ｍｍ２以上）、高デューティー（例えば、 レーザー動作周波数１００Ｈｚ以上）の結晶化用のエキシマレーザー光（例えば、波長２４８ｎｍ）と観察用の照明光、例えば、可視光（例えば、波長４８０ｎｍから６５０ｎｍ）の少なくとも２種類の異なる波長において安定して使用できることが条件である。
このような一例として、紫外光と可視光の両方の波長領域の色収差補正を同時に行った、顕微鏡用の高分解能ＵＶレーザー集光レンズ、例えば、昭和オプトロニクス、モデルＫＶＨ２０−８、が市販されている。この集光レンズは、エキシマレーザー光による微小領域（例えば、０．５ｍｍ２以下）の加工と可視光による観測を、一つの光学系を使用して行うために設計されている。この光学レンズによる微小領域の加工は、例えば、集積回路の配線の一部をレーザー光を照射して切断するような、微細な領域の加工を目的としたものであり、空間分解能（１μｍ）は十分に要求を満足するが、前記、高光強度、広い照射面積、高デューティーの動作をさせることはできない。
また、被処理基板上に設けられた半導体膜が、溶融、結晶化する状態の像をリアルタイムで観測するためには、非常に短時間(ナノ秒)の時間分解能で観測する必要がある。そのため、短時間観測に対応した高輝度の観察用の照明光源が必要である。このような観察用の照明光として可視光を多数枚の光学レンズを通して照射すると、光量を損失するという問題だけでなく、本来の紫外光の結像性能にも悪影響を与えるという問題がある。
本発明の目的は、半導体薄膜の数μｍ領域が数１０ｎｓｅｃの間に溶融し、結晶化する状態の像をリアルタイムで若しくは直後に、数μｍ以下の高空間分解能及びナノ秒オーダーの高時間分解能で観測若しくは監視することができるレーザー結晶化装置及びレーザー結晶化方法を提供することである。
前記の課題及び問題点は、下記のレーザー結晶化装置及びレーザー結晶化方法により解決される。
本発明の１観点に基づいたレーザー結晶化装置は、被処理基板に設けられた薄膜にレーザー光を照射して、この薄膜を溶融して結晶化する結晶化用光学系を具備するレーザー結晶化装置であって、前記レーザー光の光路外に配置され、前記薄膜を照明する観察用の照明光を射出する照明光源と、前記レーザー光の光路が中央部にあり、この光路に沿って前記照明光源からの照明光を前記薄膜に導く環状光学素子を含む照明光学系と、前記薄膜の前記レーザー光による照射領域の溶融状態、結晶化状態の少なくとも一方の像を拡大表示する観察光学系とを具備することを特徴とする。
他の１観点に基づいたレーザー結晶化方法は、レーザー光を射出する工程と、前記レーザー光を被処理基板に設けられた薄膜に照射し、この薄膜を溶融、結晶化する工程と、前記レーザー光の光路を中央部に設け、このレーザー光を通過させる反射型の環状光学素子を介して前記光路に沿って、前記レーザー光の照射領域を観察用照明光で照明する工程と、前記薄膜の溶融状態、結晶化状態の少なくとも一方の像を前記観察用照明光の反射光として拡大結像する工程と、前記拡大結像した像を撮像する工程とを具備することを特徴とする。
本発明によれば、半導体薄膜の数μｍ領域が数１０ｎｓｅｃの間に溶融し、結晶化する状態をリアルタイムで若しくは直後に画像として、数μｍ以下の高空間分解能及びナノ秒オーダーの高時間分解能で観測若しくは監視することが可能である。さらに、この観測結果に基づき、例えば、フィードバックすることにより、結晶化プロセスの安定化が図られ、高品質な半導体薄膜に効率よく結晶化することが可能なレーザー結晶化装置及びレーザー結晶化方法を提供することができる。
ＥＬＡ装置において、半導体膜の数μｍ領域が数１０ｎｓｅｃの間に溶融し、結晶化する結晶化プロセス領域の像を、リアルタイムで観察、観測するためには、結晶化を行うエキシマレーザー結晶化用光学系と画像観察を行う顕微観察システムの要求を両立させなければならない。すなわち、結晶化用光学系の要求である紫外光領域における数μｍの高解像度と基板上で約１Ｊ／ｃｍ２の強い光強度、及び顕微観察システムの要求である可視光領域における数μｍの高解像度とナノ秒オーダーの高時間分解能を満足しなければならない。
これらの課題を解決するために、結晶化用光学系から独立した画像観察用の観察用照明光学系及び数μｍの高解像度とナノ秒オーダーの高時間分解能の観察が可能な顕微観察光学系を含む顕微観察システムをレーザー結晶化装置に組み込んだ。本実施形態の構成例及び応用例を図面を用いて以下に説明する。
図１は、本実施形態のレーザー結晶化装置１の概要を示す図である。この装置は、反射型の顕微観察システムを備えた、位相変調素子を縮小投影するレーザー結晶化装置１である。さらに、顕微観察システムによる画像観測結果に基づいて結晶化を行う被処理基板２６の高さ方向のずれを補正する機能を有する。
図１に示したように、レーザー結晶化装置１は、結晶化を行う被処理基板２６に設けられた半導体膜を溶融、結晶化するためのレーザー光を被処理基板２６の所定の場所に照射する結晶化用光学系２と、半導体膜の溶融、結晶化している部分を観察するための照明光を照射する反射型の観察用照明光学系３と、半導体膜の数μｍ領域が数１０ｎｓｅｃの間に溶融、結晶化する状態を画像として観察、観測する反射型の顕微観察光学系４とステージ駆動部６０とを具備する。本実施形態の特徴は、結晶化用光学系２内の結像光学系２５が、長焦点距離（５０ｍｍから７０ｍｍ）であることに着目して、結像光学系２５と被処理基板２６との間の空間に、独立した、例えば、高輝度可視光の観察用照明光学系３と反射型の顕微観察光学系４を同軸的に配置したことである。すなわち、観察用照明光学系３及び顕微観察光学系４と結晶化用光学系２とを、互いに干渉しない独立した光学系にしたものである。
本実施形態は、結晶化用レーザー光、例えば、エキシマパルスレーザー光を、結晶化を行う被処理基板２６に設けられた半導体膜の、例えば、４ｍｍ２から２５ｍｍ２程度の面積の領域に照射し、溶融、凝固させて結晶化を行う、わずか数１００ｎｓｅｃの期間におけるμｍオーダーの観察用照明光照射領域の状態変化を、画像としてリアルタイムでモニタ画面４５ｃに表示することを特徴とするレーザー結晶化装置およびレーザー結晶化方法である。
このように数μｍの超微細な領域で数１０ｎｓｅｃの間に超高速に変化する画像を撮像する顕微観察システムの特徴は、結晶化用光学系２を中心軸に形成し、この結晶化用光学系２の光路の周囲にこの光路を遮らないように反射型の観察用照明光学系３及び顕微観察光学系４を構成する環状光学素子３Ａを設けることである。これによって、数μｍの高空間分解能かつナノ秒オーダーの高時間分解能の観測若しくは監視が可能になることである。結晶化用のレーザー光を照射した結晶化プロセス領域でわずか数１０ｎｓｅｃの期間に状態が変化していく画像は、顕微観察光学系４で撮影され、記憶部４５ｂ、例えば、メモリに記憶される。これにより、監視者の所望の条件、例えば、所望の速度、結晶化直後、若しくはリアルタイムで、数μｍの結晶化プロセス領域の状態変化をモニタ画面４５ｃに、静止画若しくは映像として表示することができる。ここで、結晶化プロセス領域とは、結晶化用レーザー光に照射されて溶融プロセスから凝固プロセスに移行し、結晶化を完了するまでの過程を実行している領域をいう。
先ず、結晶化用光学系２について図１を用いて説明する。結晶化用光学系２は、レーザー光源２１と、ビームエキスパンダ２２と、ホモジナイザ２３と、位相変調素子２４、例えば、位相シフタと、結像光学系２５と、被処理基板２６を予め定められた位置に案内する基板保持ステージ２７とを具備する。レーザー光源２１からのレーザー光は、ビームエキスパンダ２２で拡大され、ホモジナイザ２３により面内の光強度が均一化され、位相変調素子、例えば、位相シフタ２４に照射される。位相シフタ２４を透過したエキシマレーザー光は、所望の光強度分布、例えば、逆ピークパターンの光強度分布を有する光に変調され、結像光学系２５、例えば、エキシマ結像光学系により被処理基板２６上を照射する。
レーザー光源２１は、被処理基板２６に設けられた単結晶でない半導体膜、例えば、非晶質若しくは多結晶半導体膜を溶融するに充分なエネルギー、例えば、１Ｊ／ｃｍ2を有する、例えば、約２５〜３０ｎｓｅｃのパルスレーザー光を出力する。レーザー光は、例えば、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー光が好ましい。その他、ＸｅＣｌエキシマレーザー光、フッ化アルゴン（ＡｒＦ）エキシマレーザー光、アルゴン（Ａｒ）レーザー光、ＹＡＧレーザー光、イオンビーム、電子ビーム、キセノン（Ｘｅ）フラッシュランプがある。例えば、エキシマレーザー光源２１は、パルス発振型であり、発振周波数は、例えば、１００Ｈｚから３００Ｈｚであり、パルス幅は、半値幅で、例えば、２０ｎｓｅｃから１００ｎｓｅｃである。本実施形態では、半値幅が２５ｎｓｅｃのＫｒＦエキシマレーザー光を使用している。また、被処理基板２６上に照射されるＫｒＦエキシマレーザー光の光エネルギーは、１Ｊ／ｃｍ２程度である。発振周波数を、例えば、１００Ｈｚとし、エキシマレーザー光の照射面積を、例えば、２ｍｍ×２ｍｍとして、被処理基板２６を基板保持ステージ２７により、例えば、２ｍｍステップで移動しながらエキシマレーザー光をステップ照射すると、被処理基板２６の移動速度は、２００ｍｍ／ｓｅｃになる。
ビームエキスパンダ２２は、入射されたレーザービームを拡大するもので、図１に示したように、拡大する凹レンズ２２ａと平行光にする凸レンズ２２ｂとからなる。ホモジナイザ２３は、入射したレーザービームの断面ＸＹ方向の寸法を決定しかつ決定した形状内のビーム強度分布を均一にする機能を有する。例えば、Ｘ方向シリンドリカルレンズをＹ方向に複数個並べ、Ｙ方向に並んだ複数の光束を形成し、Ｘ方向コンデンサレンズで各光束をＹ方向に再分布させ、同様Ｙ方向シリンドリカルレンズをＸ方向に複数並べ、Ｘ方向に並んだ複数の光束を形成し、Ｙ方向コンデンサレンズで各光束をＸ方向に再分布させる。すなわち、図１に示すように、第１フライアイレンズ２３ａと第１コンデンサレンズ２３ｂからなる第１ホモジナイザ、及び第２フライアイレンズ２３ｃと第２コンデンサレンズ２３ｄからなる第２ホモジナイザから構成される。第１ホモジナイザは、位相シフタ２４上でのレーザー光の入射角度に関する均一化を行い、第２ホモジナイザは、位相シフタ２４上での面内位置に関するレーザー光強度の均一化を行う。したがって、ホモジナイザ２３によりＫｒＦエキシマレーザー光は、所定の角度広がりをもち断面のビーム強度が均一化された照明光に調光され、位相シフタ２４を照射する。
位相シフタ２４は、位相変調素子の一例であり、例えば、石英ガラス基板に段差をつけたものである。この段差の境界でレーザー光の回折と干渉をおこさせ、レーザー光強度に周期的な空間分布を付与するものであり、例えば、左右で１８０°の位相差を付ける。左右で１８０°の位相差を付けた位相シフタ２４は、入射光を左右対称な逆ピーク状光強度分布に位相変調する。段差（厚み分布）ｄは、レーザー光の波長をλ、位相シフタの透明基板の屈折率ｎとしたとき、ｄ＝λ／２（ｎ−１）で求められる。この式から位相シフタ２４は、例えば、石英ガラス基板に所定の位相差に対応する段差ｄ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。例えば、石英基板の屈折率を１．４６とすると、ＸｅＣ１エキシマレーザー光の波長が３０８ｎｍであるから、１８０°の位相差を付けるための段差は３３４．８ｎｍになる。位相シフタ２４は、入射光を位相変調して逆ピーク状光強度分布を形成するように段差が形成されており、エキシマレーザー光の位相を半波長だけシフトさせる。この結果、半導体膜を照射するレーザー光は、位相のシフト部に対応した箇所が最小光強度となる逆ピークを有するパターンの光強度分布となる。この方法によれば、他の方法で用いられるようなメタルパターンによるエキシマレーザー光の遮蔽なしに所定のビーム光強度分布を実現できる。
位相シフタ２４を透過したレーザー光は、収差補正されたエキシマ結像光学系２５により位相シフタ２４と共役関係にある被処理基板２６上に、所定の光強度分布で結像する。結像光学系２５は、例えば、複数枚のフッ化カルシウム（ＣａＦ２）レンズ及び合成石英レンズからなるレンズ群により構成される。結像光学系２５は、例えば、縮小率：１／５、Ｎ．Ａ．：０．１３、解像力：２μｍ、焦点深度：±１０μｍ、焦点距離：５０ｍｍから７０ｍｍの性能を持つ長焦点レンズである。
結像光学系２５は、位相シフタ２４と被処理基板２６とを光学的に共役な位置に配置する。換言すれば、被処理基板２６は、位相シフタ２４と光学的に共役な面（結像光学系の像面）に設置されている。結像光学系２５は、レンズ間に開口絞りを備えている。
結晶化を行う被処理基板２６は、一般に、基板（例えば、ガラス基板、プラスチック基板、シリコン等の半導体基板（ウェーハ））上に絶縁膜を介して被処理膜、例えば、半導体膜（例えば、非晶質シリコン膜、多結晶シリコン膜、スパッタされたシリコン膜、シリコンゲルマニウム膜、脱水素処理をした非晶質シリコン膜）を形成し、この膜上にキャップ膜として絶縁膜を設けたものである。本実施形態で使用した被処理基板２６は、脱水素処理をした非晶質シリコン膜をガラス基板上に所望の厚み、例えば、５０ｎｍの厚さに形成したものである。被処理基板２６は、基板を予め定められた位置に保持するためのＸ、Ｙ、及びＺ方向に移動可能な基板保持ステージ２７に取り外し可能に保持される。
上述したように、このレーザー結晶化装置１は、ホモジナイズされたレーザー光を位相シフタ２４により位相変調して逆ピーク状光強度分布の結晶化用レーザー光を形成して、被処理基板２６にレーザー光を照射する投影型結晶化装置である。この光パターンによって、水平方向に結晶化が進み、例えば、１０μｍ程度の大粒径の結晶粒を有する半導体膜を形成することが出来る。この結晶化プロセスは、超高速の変化であり、数１０〜数１００ｎｓｅｃの極めて短時間で終了する。この超高速で変化する結晶化プロセスの画像を顕微観察、監視若しくは測定するためにμｍオーダーの解像度を有する反射型顕微観察システムが設けられている。反射光学系は、原理的に色収差及び吸収による損失がないことが特徴である。
この反射型顕微観察システムは、観察用の照明光を出射する反射型の観察用照明光学系３と、被処理基板２６の結晶化プロセス領域からの反射光を受光しリアルタイムで画像として表示することが可能な反射型の顕微観察光学系４とからなる。反射型顕微観察光学系４の一部は、反射型の観察用照明光学系３の一部と共有され、結像光学系２５と基板保持ステージ２７との間に設けられている。この共有部分は、結晶化用レーザー光の光路と同軸的に重なっており、複合光学系を構成する。複合光学系は、結晶化プロセスと結晶化状態観察プロセスとを、互いに干渉することなく同時に実行させることを可能にする光学系である。環状の観察用照明光及び顕微観察光は、数μｍの高空間分解能かつ数１０ｎｓｅｃの高時間分解能の観察、監視、若しくは測定を可能にする。
この反射型顕微観察システムでは、観察用照明光源３１から射出された観察用照明光は、ハーフミラー３３及び反射型の環状光学素子３Ａを介して、被処理基板２６を照射する。被処理基板２６で反射した観察光は、照明光とほぼ逆経路で戻り顕微観察光学系４の光検出器４２に入射する。
観察用照明光学系３は、結晶化用レーザー光の光路を遮らないように、その光路中では結晶化用レーザー光を通過させる窓孔を設けた環状光学系である。観察用照明高輝度光源３１からの照明光は、後で述べる反射型の環状光学系３Ａを介してドーナツ状になり、被処理基板２６に結晶化用エキシマレーザー光に沿って同軸的に照射される。
被処理基板２６で反射した観察光は、照明光と逆の環状光学系３Ａの光路を戻り、ハーフミラー３３を透過して顕微観察光学系４で検出される。顕微観察光学系４では、ハーフミラー３３を透過した観察光を結像レンズ４１により光検出器４２の前面の受光面に結像させ、光検出器４２及びイメージインテンシファイア４３により得られた像を、２次元撮像素子４４により画像信号に変換して、画像処理ユニット４５により画像データとして抽出する。
観察用照明光学系３では、例えば、観察用照明高輝度光源３１からの照明光は、ビームエキスパンダ３２により平行光になり、ハーフミラー３３により環状光学素子３Ａに向けられ、環状平面鏡３４により被処理基板２６に向けて曲げられ、環状凸面鏡３５及び環状凹面鏡３６により被処理基板２６上の半導体膜に収束する。環状観察用照明光は、結晶化プロセス中の結晶化プロセス領域を照明する。半導体膜の結晶化プロセス領域で反射した観察光は、照明光と逆の光路で環状凹面鏡３６、環状凸面鏡３５、及び環状平面鏡３４を介してハーフミラー３３に向けられる。観察光は、ハーフミラー３３を透過し、結像レンズ４１により、光検出器４２の受光面に半導体膜の結晶化プロセス領域の像を結像する。
観察用照明光光源３１は、ナノ秒オーダーの時間分解能で観測するため、強度の高い光源、例えば、キセノン（Ｘｅ）フラッシュランプあるいはＡｒレーザー、ヘリウム−ネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）レーザー等の可視レーザー光源を使用できる。ピームエキスパンダ３２は、照射光の損失を抑えるため、少ないレンズ枚数で平行光を形成できることが好ましく、例えば、非球面レンズを使用できる。ハーフミラー３３は、照明光源３１からの照明光を反射して向きを変え、半導体膜で反射して戻ってきた観察光を透過させる。環状平面鏡３４、環状凸面鏡３５と環状凹面鏡３６は、結晶化用エキシマレーザー光の光路上に配置されるため、光路を遮らないように環状でなければならない。環状平面鏡３４の窓孔の大きさは、エキシマレーザー光の照射面積が、被処理基板２６上で２ｍｍ×２ｍｍから５ｍｍ×５ｍｍ程度であることと、被処理基板２６上でのレーザー光の見込み角が約７°であることを考慮すると、被処理基板２６から約５０ｍｍ離れた位置で、直径約１３ｍｍのエキシマレーザー光を通過できればよいことになる。観察用反射型照明光学系３は、他の構成も考えられ、それを使用することも可能である。
その一変形例は、観察用照明光として偏光レーザー光を使用する方法である。偏光レーザー光を使用することによって照明光と被処理基板２６で反射して戻ってきた観察光との分離を完全にすることができる。この場合に変更される部分の光学系の一例を図２に示す。図示したように、ビームエキスパンダ３２の手前に偏光子３２Ａを、ハーフミラー３３に代えて偏光ビームスプリッタ３３Ａ及び１／４波長板３３Ｂを使用する。このような構成にすることにより、偏光レーザー光を光源として使用することができる。１／４波長板３３Ｂは、偏光子の透過軸に対して結晶軸を４５°ずらせて設置される。この配置により、照明用偏光レーザー光の振動面と被処理基板２６で反射した観察用偏光レーザー光の振動面とが９０°ずれることになり、偏光ビームスプリッタにより照明光と観察光とを完全に分離することができる。
環状光学素子の一変形例として、環状平面平面鏡３４を環状凹面鏡にすることがあげられる。この構成により環状凹面鏡３６を環状凸面鏡３５に近づけて配置する、あるいは、環状凸面鏡３５及び環状凹面鏡３６を使用しないで被処理基板２６上に照明光を収束して照明できる。他の一変形例では、ハーフミラー３３と環状平面鏡３４との間の結晶化用レーザー光の光路外に収束レンズを配置することができる。この構成により、環状凸面鏡３５及び環状凹面鏡３６を省略でき、環状平面鏡３４を被処理基板２６に近づけて配置することができ、さらに、その窓孔を小さくすることができる。さらに他一変形例では、環状凸面鏡３５と環状凹面鏡３６との距離を離して配置し、その間に環状平面鏡３４を配置することができる。環状反射光学系の変形は、例えば、環状平面鏡３４を位相シフタ２４と結像光学系２５との間に配置するなど、この他にも考えられ、それらの１つを使用することができる。
被処理基板２６で反射した観察光は、照明光と逆の経路、環状凹面鏡３６、環状凸面鏡３５、環状平面鏡３４、を経由してハーフミラー３３に到達する。観察光は、ハーフミラー３３を透過し、顕微観察光学系４に導かれる。
顕微観察光学系４は、観察用照明光学系３と共用する環状光学素子３Ａ、ハーフミラー３３の他に、例えば、顕微結像光学系４１、光検出器４２、イメージインテンシファイア４３、撮像素子４４、及び画像処理ユニット４５を備えることができる。
ハーフミラー３３を透過した観察光は、例えば、観察光を一旦結像レンズ４１により結像させ、これを拡大して結像する機能を有する顕微結像光学系４により処理される。被処理基板２６上のμｍオーダーの結晶化プロセス領域からの観察光は、結像レンズ４１により光検出器４２の受光面４２ａに画像として数μｍの高分解能で結像される。光検出器４２の受光面４２ａは、高速で変化する結晶化状態を観察するためにスリット状の受光面４２ａが形成されている。この受光面４２ａは、光を電子に変換する光電面である。スリット状受光面４２ａの大きさは、例えば、幅数ｍｍ、長さ数ｃｍの長方形である。この受光面４２ａに数μｍの分解能で結像した結晶化プロセス領域の高空間分解能画像は、イメージインテンシファイア４３で増倍され、撮像素子４４により高分解能の画像イメージとして取り込まれる。この画像データは、画像処理ユニット４５で信号処理される。この信号処理は、例えば、画像データの解析、画像データの記憶、画像データの表示部４５ｃでの表示である。
光検出器４２は、例えば、図３に示すような光電管、例えば、ストリークカメラが好ましい。ストリークカメラとしては、例えば、入射光像を光電子に変換した後に、再び光に変換し、１次元像を数ナノ秒の高時間分解能で時間とともに変化させることができるストリーク管を利用できる。一般的なストリーク管４２は、特殊用途の真空管であり、例えば、図３に示すような構成である。入射光による画像は、スリット状の光電面４２ａに結像されて受光される。スリット状の像は、結晶化プロセス領域の１次元像である。光電面４２ａは、この入射光の１次元像を光電子に変換する。光電面４２ａで発生した光電子線は、掃引電極４２ｂ−２を通る。掃引電極４２ｂ−２は、Ｘ又はＹ方向に光電子線を掃引するために一対の電極を離間して設けてある。掃引電極４２ｂ−２には、掃引電圧ＳＶが掃引回路４２ｂ−１から印加される。掃引回路４２ｂ−１は、タイミング制御部（図１、５０）からのトリガ信号Ｐ２（図３、図４参照）により制御されるタイミングで、時間により変化する掃引電圧ＳＶ（図３、図４参照）を掃引電極４２ｂ−２に供給する。光電子線は、掃引電圧の時間変化に応じて曲げられる量が変化し、時間により異なった蛍光板４２ｃ上の位置に光電子線の投影像Ｒを表示する。この投影像Ｒは、スリット状の１次元像を時間で掃引した２次元像になり、光電面４２ａで受光した像のナノ秒オーダーの時間変化が、蛍光板４２ｃ上の位置の変化として表示される高時間分解能画像である。ストリーク管４２の感度を向上させるために、加速電極４２ｄ及び電子増倍器４２ｅの少なくとも１若しくは両者を一体に組み込むことができる。
ストリーク管４２の蛍光板４２ｃ上に形成された高分解能の２次元画像は、イメージインテンシファイア４３で輝度増倍され、高輝度の２次元光増幅画像を形成する。すなわち、イメージインテンシファイア４３は、次のような機能を有する。ストリーク管４２により得られた高分解能の光学画像が撮像レンズ（図示せず）により撮像されてイメージインテンシファイア４３の光電面に結像される。この光電面は、真空容器内壁面上に形成されている。光電面から放出された光電子は、真空容器内に形成された電子レンズにより加速、収束、縮小されて蛍光面に入射する。蛍光面には、前記加速および縮小により輝度が増倍された画像が表示される。
イメージインテンシファイア４３の蛍光面に表示された２次元光増幅画像は、撮像素子４４、例えば、２次元ＣＣＤ撮像素子により撮像され、画像データに変換される。ＣＣＤ撮像素子４４は、極めて小さな光量の画像を撮影するため、暗電流を抑制し、Ｓ／Ｎ比を向上させることが好ましい。そのため、低温（例えば、マイナス数１０℃から液体窒素温度程度）で使用する冷却ＣＣＤ撮像素子が、好ましい。
ＣＣＤ撮像素子４４からの画像データは、画像処理ユニット４５、例えば、パソコンの制御回路４５ａの制御によって、データ処理され、記憶される。データ処理は、例えば、所定時間経過後の結晶化領域の幅の計算である。画像データ及び計算されたデータは、記憶部４５ｂ、例えば、メモリに記憶される、同時に必要に応じて表示部４５ｃに表示される。表示部４５ｃに表示されたデータは、結晶化プロセスの担当者によって結晶化の進行状況の監視に使用することができる。さらに、記憶部４５ｂに画像データが記憶されているので、制御回路４５ａの制御により所望する画像を静止画像やスロー画像として抽出し表示部４５ｃに表示させることもできる。
このように顕微観察光学系４を構成にすることにより、数ナノ秒オーダーの高時間分解能で、かつ数μｍの高空間分解能で必要な観測をすることが可能となる。レーザー結晶化装置１には、タイミング制御部５０が設けられている。タイミング制御部５０は、例えば、結晶化用レーザー光源１０と、観察用照明光源３１と、顕微観察光学系４との各種タイミング制御を行っている。その一例を図４に示す。タイミング制御部５０は、結晶化用パルスレーザー光ＥＬ（図４（ａ））の照射パルスに同期させて、観察用照明光ＯＬの照射を開始するトリガ信号Ｐ１及びストリーク管４２の掃引電圧ＳＶの印加を開始するトリガ信号Ｐ２を送信する（図４（ｂ））。観察用照明光源３１は、トリガ信号Ｐ１を受信すると観察用照明光ＯＬを射出する（図４（ｃ））。ストリーク管４２の掃引電界発生器４２ｂは、トリガ信号Ｐ２を受信すると、時間とともに変化する掃引電圧ＳＶを時間ｔｓの間発生するように掃引回路４２ｂ−１に指示し、掃引電極４２ｂ−２に掃引電圧ＳＶを印加する（図４（ｄ））。掃引電圧の印加が終了すると、タイミング制御部５０は、撮像素子４４にトリガ信号Ｐ３を送信し、撮像素子４４は、イメージインテンシファイア４３の蛍光面上の２次元像を画像データとして取り込む（図４（ｅ））。
例えば、図５は、前記で得られた画像データの模式な図であり、半導体膜が結晶化プロセスにおいて変化していく過程の観察を説明するためのものである。図は、半導体膜上で結晶化している特定の領域の１次元像を時間変化として表しており、横軸は半導体膜上の位置を、縦軸は、時間を示している。結晶化用の被処理基板２６には、位相変調された逆ピーク状光強度分布を有する結晶化用パルスレーザー光が、約２５ｎｓｅｃ間照射される。この結果、照射された被処理基板２６の領域は溶融するが、逆ピーク状の光強度分布に対応して溶融温度は、中央部で低くその両側で高い温度分布になる。結晶化用レーザ光が遮断されると照射領域は、降温する。この降温時の温度勾配は、逆ピーク状光強度分布に対応した温度勾配であり、凝固すなわち結晶化位置、言い換えると固液界面は、この温度勾配にしたがって中央から外側へ向かって横方向に移動する。この結晶化の変化している過程は、同時に観察用照明光源３１から射出された観察用照明光を結晶化プロセス領域に照射することにより顕微観察光学系４によって撮像し、結晶化状態を数μｍの高空間分解能及び数ｎｓｅｃの高時間分解能を有する画像として観察若しくは測定することができる。この観察は、例えば結晶化していく状態の観察であり、測定は、例えば結晶化された領域の大きさ、結晶化プロセスの時間である。
この観察では、画像の幅は、実際には数１００μｍ以上であるが、任意に設定できる。図５においては、単純化のために１つの逆ピークパターンを有するレーザー光部分を拡大して示しており、例えば、１０μｍである。画像の高さも任意に設定することができる。ここでは、掃引電圧ＳＶの印加時間ｔＳ＝３００ｎｓｅｃに相当する時間に設定してある。
シリコン膜は、溶融すると金属的になり可視光をよく反射する。一方、結晶化した部分は可視光、特に赤色光をよく透過する。そのため、溶融部分は明るい像に、結晶化した部分は暗い像になる。図５において、斜線領域は、シリコン膜の固化（結晶化）領域を示し、白領域は、溶融領域を示す。図５の上端が溶融直後であり、全体が明るい像（白領域）である。時間の経過とともに結晶化した暗い部分が中心から外側に向かって広がる、すなわち、固液界面が中心から外側に向かって移動する。特定の領域の１次元像を時間変化として表している図５では、この結晶化は、図の下に向かって進行している様子として観測される。視野の中心は、レーザービームの逆ピーク部分、すなわち、位相シフタ２４によりＫｒＦエキシマレーザー光の位相が変化する部分に合わせられている。この部分では、ＫｒＦエキシマレーザー光の位相がその両側で反転しているため、両者の干渉によりエキシマレーザー光の強度が極めて弱く（理想的にはゼロに）なる。そのため、溶融後の温度は最も低くなり、シリコン膜が結晶化する際の結晶の核形成は、この部分から始まる。その後、溶融部分の温度勾配にしたがい、結晶粒は図の下方向に成長する。本実施形態のＰＭＥＬＡ装置で結晶化した結晶粒の成長の長さは、例えば約６μｍである。このようにして、半導体薄膜のμｍオーダーの微細な領域で、ナノ秒オーダーの超高速な結晶化過程を画像として観測することができる。
図５は、１つの逆ピークパターンを有するレーザービームの例で説明したが、実際の結晶化プロセスでは、エキシマレーザー光は、複数の逆ピークパターンを持つようにマスクによって光強度分布を調整される。複数のピークを有するレーザービームを使用した結晶化プロセスの観察例を図６及び図７に示す。
図６は、白黒マスクを使用してレーザー光の山と谷が矩形波状の光強度分布を有するエキシマレーザー光を形成して照射した場合の、数１０μｍの領域における溶融から結晶化までの約１００ｎｓｅｃの期間に完了する結晶化過程の観察結果である。図６（ａ）は、エキシマレーザー光の光強度分布を示し、横軸は位置を、縦軸はレーザー光の相対強度を示す。図６（ｂ）は、ストリークカメラを使用して観察した画像を示す顕微鏡写真である。ストリークカメラを使用した観察像は、図５で説明したように、半導体膜上で結晶化している特定の領域における１次元像の時間変化である。ここでは、図６（ｂ）は、ネガ像であり、白黒が上記の説明と反転して表示されている。すなわち、溶融部分は黒く表示され、結晶化部分は白く表示されている。図の横幅は６６μｍであり、縦軸は時間軸で、図の上辺が時間の起点で下へ向かって時間が経過し、全体の高さが５００ｎｓｅｃに相当する。波長２４８ｎｍのエキシマレーザー光を０．４２Ｊ／ｃｍ２の強度で、５μｍのライン／スペースの白黒マスクを使用して、厚さ５０ｎｍの非晶質シリコン膜に照射した。なお、使用した光学系は、１／５縮小型であり、Ｎ．Ａ．は０．１２５である。図６（ａ）に示されたように、エキシマレーザー光のピーク間隔は１０μｍである。図６（ｂ）では、上記したように黒い領域が溶融領域であり、白い領域が結晶化した領域であり、中間色の領域が溶融しなかった非晶質領域である。レーザー光の照射によって、光のピーク部分の周囲では、非晶質シリコン膜が溶融しているが、光の谷の部分では、溶融していない。時間の経過とともに溶融部分の両側から結晶化が進行して固液界面が移動して、照射後８７ｎｓｅｃに結晶化が完了したことが観察された。
図７は、位相マスクを使用して結晶化を行った場合の例である。図６と同様に、図７（ａ）はエキシマレーザー光の光強度分布を示し、（ｂ）は、結晶化過程の観察結果を示す画像の顕微鏡写真である。エキシマレーザー光の強度を０．６５Ｊ／ｃｍ２にしたこと以外の照射条件は、図６の場合と同様である。図７（ａ）に示したように、位相マスクを使用することで、エキシマレーザー光の光強度分布を大きく変化させることができ、白黒マスクの場合の谷に相当する部分に光強度のピークが現れる。さらに、光強度の谷の部分でも、それほど光強度が弱くならず、全体に強度差の小さな光強度分布になる。このような４つのピークを有するエキシマレーザー光を非晶質シリコン膜に照射すると、図７（ｂ）に示されたように、照射された領域全体が溶融する。光照射から４３ｎｓｅｃ経過後に結晶化が始まる。結晶化は、予期したように光強度分布の４箇所の谷の部分、すなわち、溶融温度が低い部分から始まる。その後、結晶化は、光強度のピーク部分に向かって進行し、すなわち、固液界面が移動して、エキシマレーザー光照射から１２５ｎｓｅｃ経過後に完了する。
これまでの説明から、本発明によれば、光照射後のわずか１２５ｎｓｅｃ間に生じた、シリコン膜の溶融から結晶化までのナノ秒オーダーの超高速の結晶化プロセスにおいて変化する過程をμｍオーダーの高分解能で観察することが可能である。り、しかもシリコン膜が結晶化する状態をシリコン膜に照射する光強度分布を制御するによって制御することが可能であることを確認できた。
この結晶化過程を観測した結果の結晶化プロセスへの応用例の一つとして、被処理基板２６と結像光学系２５との焦点合わせがある。焦点ズレ、すなわち、エキシマレーザー光の結像面と被処理基板上の半導体膜との高さズレは、後述するようにいくつかの原因によって生じる。結晶化用レーザー光（エキシマレーザー光）の結像面が、被処理基板２６上の半導体膜からズレると、位相反転部分のレーザー光強度が十分に弱くならない。そのため、この部分の溶融後の温度が、結像位置の場合に比べ高くなり、結晶核の形成が遅くなる結果、結晶化が始まるタイミングが遅くなる。そればかりでなく、結晶核の形成が起きる場所は、レーザー光の強度が弱い部分だけでなく他の部分でもランダムに生じやすくなる。その結果、成長を始めた結晶粒同士がぶつかり合う機会が大きくなり、成長した結晶粒の大きさは小さくなる。すなわち、結晶化した多結晶シリコン膜の品質が低下することになる。
結晶化プロセス中に結晶化用レーザー光、例えば、エキシマレーザー光の焦点ズレが生じる原因には、例えば、被処理基板２６の平坦性が完全ではないこと、大面積の被処理基板２６を保持することにより生ずるたわみ、及び結像光学系２５の温度変化により結像位置がズレること、等が上げられる。結像光学系２５は、高エネルギーのエキシマレーザー光の照射によって温度変化（上昇）する。これによって、例えば、ある結像光学系２５では、温度が１℃変化（上昇）すると、結像位置は、例えば、１０μｍ変化する。結像光学系２５の焦点深度が、例えば、±１０μｍであることを考慮すると、このズレは無視できない大きさである。
結像光学系２５の焦点ズレは、以下のようにして観測できる。図５の中央に示したＴ−Ｔは、エキシマレーザー光を被処理基板２６に照射後、一定時間ｔＭが経過し、結晶化が進行している途中の状態を示す。この時の結晶化している領域（斜線領域）の幅Ｗを、画像処理ユニット４５で測定する。画像処理ユニット４５は、結晶化したシリコン膜の画像パターンにより、周知のパターン認識技術を用いてズレ量を算出する。算出されズレ量が、予め定められた許容できる焦点ズレ量以下であるか否かを判定し、出力する。画像処理ユニット４５は、許容できない焦点ズレ量であると判定すると、被処理基板位置の補正量を算出する。ステージ駆動部６０は、このようにして画像処理ユニット４５で算出された被処理基板２６の高さ方向の位置補正量に基づき基板保持ステージ２７を駆動し、被処理基板２６の高さ方向の位置を補正する。
他の応用の一例として、本発明のレーザー結晶化装置１を使用して、被処理基板２６の位置合わせ方法について説明する。位相シフタ２４による逆ピーク状光強度分布を形成した結晶化方法は、結晶粒の形成位置を比較的容易に決定できることである。光検出器４２およびイメージインテンシファイア４３を一時顕微結像光学系４１の光路から退避させる。そして、撮像素子４４を顕微結像光学系４１の結像位置に移動させることにより、次のようにして被処理基板２６の位置合わせをすることができる。例えば、アライメントマーク付きＸ−Ｙ―Ｚ保持ステージ２７上に被処理基板２６を位置決めして設置する。前記アライメントマークを基準に微細な位置合わせをした後、結晶化プロセスを実行することができる。この結晶化プロセスは、表示部４５ｃに表示され、画面上に位置合わせ状態を表示し、確認することができる。さらに、位置ズレが発生している場合、画像処理ユニット４５は前記アライメントマークからの位置ズレを自動的に検出し、補正することができる。さらに、この位置ズレ補正は、結晶化用レーザー光を出射する毎に自動的に実施して微調整してもよい。また、前記アライメントマークによる位置ズレ補正は、後工程のレジスト露光工程にもフィードバックすることができる。
次に、レーザー結晶化装置で使用できる可能性があるいくつかの方式の顕微観察システムの中で、反射型顕微観察システムを本実施形態で採用した理由について説明する。顕微観察システムは、被処理基板２６からの反射光を使用する方式と、透過光を使用する方式とがある。観察光を直接顕微対物レンズで集光する顕微観察システムでは、反射型若しくは透過型のいずれの場合でも、顕微対物レンズを被処理基板２６に接近させて配置させなければならない。顕微対物レンズはある程度の大きさが必要である。そのため、観察用照明光を被処理基板２６に斜めに結晶化用レーザー光と同じ側から照射する反射方式であっても、後で述べるようにレーザー結像光学系２５と被処理基板２６との間の空間に、結晶化用レーザー光の光路を遮ることなく顕微対物レンズを配置することが困難であるという問題点がある。また、裏面から斜めに観測光を照射する方式の場合は、透明の被処理基板２６、例えば、ガラス基板の裏面からの反射光がノイズになるだけでなく、ガラス基板を斜めに透過して行う焦点合わせが難しい等の問題点がある。
結晶化用レーザー光の光路を遮らないように窓孔を設けた反射型環状光学素子３Ａを採用し、結晶化用レーザー光と同軸の観察光で照明する反射型の観察用照明光学系３は、次のような利点を有する。例えば、レンズによる吸収がないので観察光の損失が少ない、色収差がない、顕微対物レンズを使用しなくとも結像できる、等が上げられる。したがって、前述の観察光を斜めに入射し、顕微対物レンズで直接観察光を集光する顕微観察システムよりも、反射型観察用照明光学系３を使用する反射型顕微観察システムの方がレーザー結晶化装置１の顕微観察システムとして好ましい。
同様の環状光学系３Ａを採用して観察用照明光を結晶化用レーザー光と同じ側から同軸で照射し、顕微対物レンズを裏面に配置する透過型顕微観察システムも、上記の反射型観察用照明光学系３を使用した反射型顕微観察システムと同様に、光学的配置としては適している。しかし、被処理基板２６は、可視光を透過する材料であること、被処理基板２６を保持する基板保持ステージ２７に観察光を透過させる窓孔を設けなければならないこと、ステージ２７の裏側部分を他の目的のために使用できないこと、等の制約がある。
さらに、加工対象である被処理基板２６上の半導体膜（例えば、非晶質シリコン膜、多結晶シリコン膜）は、溶融すると金属的になり、可視光の反射率が非常に大きくなる。一方、未溶融部及び結晶化して固化したシリコン薄膜は、赤色の可視光をかなりよく透過するため、反射率は小さくなる。この点で、反射光を用いて観察する方法は、コントラストが高く、シリコン薄膜が溶融し、結晶化していく状態の観測に適している。
本実施形態で説明した顕微観察光学系４は、前記の構成だけでなく以下のようにその一部を省略した構成、あるいは他の構成とすることができる。
一つの変形例では、ストリーク管４２が加速電極４２ｄ若しくは電子増倍器４２ｅを含み、ストリーク管４２の出力である１次像の強度が、ＣＣＤ撮像素子４４の感度に対して十分な強度を有する場合、あるいは、ＣＣＤ撮像素子４４の感度が十分に高い場合、イメージインテンシファイア４３を省略することができる。
他の変形例では、ストリーク管４２を省略して、イメージインテンシファイア４３とＣＣＤ撮像素子４４が一体となった構造の、いわゆるゲート付きＣＣＤ撮像素子４４を使用することができる。ゲート付きＣＣＤ撮像素子４４は、２次元の光電変換部で受光した時間とともに変化する画像を、所定のある瞬間だけ光電子増倍器４２ｅに高電圧を印加することによりその瞬間の２次元像を蛍光板に記し、ＣＣＤ撮像素子４４により２次元画像データを得るものである。したがって、ストリーク管４２を用いた場合のような特定領域の連続データは得られない。しかし、光電子増倍器４２ｅに印加する高電圧は、数ナノ秒の時間分解能で制御できるため、所望の瞬間における広い観察領域の２次元像を得ることができる。
本発明は、上記した実施形態に限定されることなく、変形して実施することができる。また、その一部を省略して使用することもできる。
例えば、レーザー結晶化装置１の被処理基板２６の位置のズレを補正する機構等を省略して、観測結果をレーザー結晶化装置１にフィードバックすることなく、単に、半導体膜が、溶融し、時間とともに結晶化して変化する状態を観察するシステムとすることもできる。
以上説明したように、本発明によれば、数μｍの高空間分解能かつナノ秒オーダーの高時間分解能で半導体膜が溶融し、結晶化する状態をリアルタイムで若しくは結晶化直後に画像として観察若しくは観測することが可能になる。さらに、この観測結果に基づき、例えば、フィードバックすることにより、結晶化プロセスの安定化が図られ、高品質な半導体膜に効率よく結晶化することが可能なレーザー結晶化装置及び結晶化方法を提供することができる。
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形をして実施することが可能である。さらに、上記の実施形態には、種々の段階が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示された全ての構成要件の中から、いくつかの構成要件が削除されてもよい。
本発明は、液晶表示装置や有機エレクトロルミネッセンス表示装置等に用いられる薄膜トランジスタ用材料の製造に使用できるほか、非晶質及び多結晶の半導体膜をレーザー光照射により溶融、結晶化させて使用する、例えば、太陽電池用材料薄膜のレーザー結晶化にも利用できる。
本発明の実施形態を説明するためのシステム構成図である。 図１の観察用照明光学系に偏光レーザーを使用する時の構成の一例を示す図である。 図１の光検出器の一例であるストリーク管の構成を説明するための構成図である。 図１に示した装置における半導体膜が溶融、結晶化する状態を観測する時のタイミングの一例を示す図である。 図１の表示部表示された画像を説明するための模式図である。 図１に示した装置による結晶化プロセスの観察結果の一例を示す図であり、（ａ）は照射したエキシマレーザー光の光強度分布、（ｂ）は光照射領域の結晶化プロセスの観察結果を示す画像の顕微鏡写真である。 結晶化プロセスの他の観察結果の一例を示す図であり、（ａ）は照射したエキシマレーザー光の光強度分布、（ｂ）は光照射領域の結晶化プロセスの観察結果を示す画像の顕微鏡写真である。
符号の説明
１…レーザー結晶化装置，２…結晶化用光学系，３…観察用照明光学系，４…顕微観察光学系，２１…レーザー光源，２２…ビームエキスパンダ，２３…ホモジナイザ，２４…位相シフタ，２５…結像光学系（エキシマ結像光学系），２６…被処理基板，２７…基板保持ステージ，３１…観察用照明光源，３２…ビームエキスパンダ，３３…ハーフミラー，３４…環状平面鏡，３５…環状凸面鏡，３６…環状凹面鏡，４１…顕微結像光学系，４２…光検出器（ストリーク管），４２ａ…光電面，４２ｂ…掃引電界発生器，４２ｂ−１…掃引回路，４２ｂ−２…掃引電極，４２ｃ…蛍光板，４３…イメージインテンシファイア，４４…撮像素子，４５…画像処理ユニット，５０…タイミング制御部，６０…ステージ駆動部。

Claims (17)

  1. 被処理基板に設けられた薄膜にレーザー光を照射して、この薄膜を溶融して結晶化する結晶化用光学系を具備するレーザー結晶化装置であって、
    前記レーザー光の光路外に配置され、前記薄膜を照明する観察用の照明光を射出する照明光源と、
    前記レーザー光の光路が中央部にあり、この光路に沿って前記照明光源からの照明光を前記薄膜に導く環状光学素子を含む照明光学系と、
    前記薄膜の前記レーザー光による照射領域の溶融状態、結晶化状態の少なくとも一方の像を拡大表示する観察光学系とを
    具備することを特徴とするレーザー結晶化装置。
  2. 前記環状光学素子は、前記レーザー光の光路上に設けられ、前記照明光源からの照明光を前記薄膜へと反射して導く環状平面鏡を含むことを特徴とする、請求項１に記載のレーザー結晶化装置。
  3. 前記環状光学素子は、前記レーザー光の光路上に設けられ、前記照明光源からの照明光を前記薄膜へと反射して導く環状凹面鏡若しくは環状凸面鏡を含むことを特徴とする、請求項１に記載のレーザー結晶化装置。
  4. 前記環状光学素子は、前記レーザー光の光路上にそれぞれ設けられた環状平面鏡及び環状凹面鏡若しくは環状凸面鏡を有し、この環状平面鏡は、前記照明光源からの照明光をこの環状凹面鏡若しくは環状凸面鏡へと反射して導き、また、この環状凹面鏡若しくは環状凸面鏡は、この環状平面鏡により反射された前記照明光を前記薄膜に反射して導くことを特徴とする、請求項１に記載のレーザー結晶化装置。
  5. 前記照明光学系は、光路外に配置された１又は複数のレンズ若しくはハーフミラーを含み、このレンズ若しくはハーフミラーは、前記照明光源からの照明光を、前記環状光学素子を介して前記薄膜上に照明することを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１に記載のレーザー結晶化装置。
  6. 前記レーザー光は、エキシマレーザー光であって、前記結晶化用光学系は、入射するこのエキシマレーザー光を所定の光強度分布を有する光に位相変調させる位相変調素子を含み、この位相変調素子を透過した前記レーザー光は、前記薄膜を照射することを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１に記載のレーザー結晶化装置。
  7. 前記観察光学系は、
    前記被処理基板に設けられた薄膜の前記レーザー光による照射領域の溶融状態、結晶化状態の少なくとも一方の像若しくはこれらの状態が変化する過程の像を拡大し結像する前記環状光学素子を含む顕微光学系と、
    この顕微光学系により拡大された薄膜の像を撮像する撮像素子とを備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１に記載のレーザー結晶化装置。
  8. 前記観察光学系は、
    前記被処理基板に設けられた薄膜の前記レーザー光による照射領域の溶融状態、結晶化状態の少なくとも一方の像若しくはこれらの状態が変化する過程の像を拡大し光電面上に結像する前記環状光学素子を含む顕微光学系と、
    前記光電面で発生した電子を増倍させて蛍光面に入射させて蛍光像とする光検出器と、
    前記光検出器の蛍光像を撮像する撮像素子とを備えることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１に記載のレーザー結晶化装置。
  9. 前記観察光学系は、前記照明光学系と光学素子の一部を共有することを特徴とする、請求項１ないし８のいずれか１に記載のレーザー結晶化装置。
  10. 前記光検出器は、ストリーク管であることを特徴とする、請求項８若しくは９に記載のレーザー結晶化装置。
  11. 前記撮像素子は、冷却ＣＣＤ撮像素子であることを特徴とする、請求項７ないし１０のいずれか１に記載のレーザー結晶化装置。
  12. 前記観察光学系により検出された画像を処理する画像処理ユニットと、
    この画像処理ユニットにより得られた被処理基板の位置データに基づき、被処理基板の位置を調整する機能を有するステージ駆動部とを
    さらに具備する、請求項１ないし１１のいずれか１に記載のレーザー結晶化装置。
  13. 前記薄膜は、非晶質シリコン膜若しくは多結晶シリコン膜であることを特徴とする、請求項１ないし１２のいずれか１に記載のレーザー結晶化装置。
  14. レーザー光を射出する工程と、
    前記レーザー光を被処理基板に設けられた薄膜に照射し、この薄膜を溶融、結晶化する工程と、
    前記レーザー光の光路を中央部に設け、このレーザー光を通過させる反射型の環状光学素子を介して前記光路に沿って、前記レーザー光の照射領域を観察用照明光で照明する工程と、
    前記薄膜の溶融状態、結晶化状態の少なくとも一方の像を前記観察用照明光の反射光として拡大結像する工程と、
    前記拡大結像した像を撮像する工程とを
    具備することを特徴とするレーザー結晶化方法。
  15. 前記観察用照明光の前記薄膜への照射は、前記レーザー光の前記薄膜への照射中又は前記レーザー光の前記薄膜への照射後に行うことを特徴とする請求項１４に記載のレーザー結晶化方法。
  16. 前記撮像する工程は、
    前記薄膜の溶融状態、結晶化状態の少なくとも一方若しくはこれらの状態が変化する過程の拡大結像した像を画像データとして取り込む工程と、
    前記薄膜の前記画像データを画像処理する工程と、
    前記画像処理の結果に基づき、前記被処理基板の位置データを算出する工程と、
    前記位置データに基づき、前記被処理基板の位置を調整する工程とを、
    さらに具備する、請求項１４若しくは請求項１５に記載のレーザー結晶化方法。
  17. 前記被処理基板は、ガラス基板であり、前記薄膜は、このガラス基板上に形成された非晶質シリコン膜若しくは多結晶シリコン膜であることを特徴とする、請求項１４ないし請求項１６のいずれか１に記載のレーザー結晶化方法。
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