JP2005317938A - 結晶化装置、結晶化方法、デバイス、光変調素子、及び表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 結晶成長の最終段階における熱拡散や潜熱放出の影響を抑えて、結晶核からの十分な結晶成長を実現して大粒径の結晶化半導体を生成することのできる結晶化装置。
【解決手段】 入射する第１光束の位相を変調して得られたＶ字型の第１光強度分布の光束を非単結晶半導体（５）上に形成するための第１光変調素子（１）と、入射する第２光束の位相を変調して得られた第２光強度分布の光束を非単結晶半導体上に形成するための第２光変調素子（２）と、第１光変調素子に第１光束を入射させ、Ｖ字型の第１光強度分布に対応して非単結晶半導体上に形成されるＶ字型の温度分布の高温領域における経時的な温度勾配の平坦化を補償するために、第１光変調素子への第１光束の入射開始から所定時間だけ遅れて第２光変調素子に第２光束を入射させるための照明系（３）とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、結晶化装置、結晶化方法、デバイス、および光変調素子に関し、特に、所定の光強度分布を有するレーザ光を非単結晶半導体膜のような非単結晶体に照射して結晶化半導体膜を生成する技術に関する。

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）や多結晶シリコン（poly-Silicon）を用いて形成されている。

多結晶シリコンは、非晶質シリコンよりも電子または正孔の移動度が高い。したがって、多結晶シリコンを用いてトランジスタを形成した場合、非晶質シリコンを用いて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などの周辺回路を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トランジスタをこの多結晶シリコンに形成した場合、チャネル領域内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が低くなる。また、多結晶シリコンを用いて形成された多数の薄膜トランジスタは、チャネル領域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液晶表示装置であれば表示ムラの問題となる。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粒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単結晶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に開示されている。
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。

また、非特許文献２には、位相シフターおよび結像光学系を介して得られるＶ字型の光強度分布の光を非単結晶半導体膜に照射することにより結晶粒を生成する結晶化方法が発表されている。さらに、非特許文献２は、非単結晶半導体膜に照射される光の強度分布が、その最大値を１．０に規格化したときに０．５〜１．０の強度範囲でＶ字形状に変化することが望ましいことを開示している。

H.Ogawa他, "Growth of Large Si Grains at Room Temperature by Phase-Modulated Excimer-Laser Annealing Method", IDW'03 Proceedings of The 10th International Display Workshops, p323

非特許文献２に開示された結晶化方法では、エキシマレーザ光源のようなパルス発振型のレーザ光源を用いており、その典型的な各パルス発光時間は２０〜３０nsec（ナノセカンド）である。これは、極短時間に発光エネルギーをシリコンのような半導体の一部に集中することにより半導体を溶融するのに必要な大きな光強度を得るためである。この結果、このパルスの各発光時間に亘って、同一の光強度分布（Ｖ字型）を半導体に照射させることができる。

以下、非特許文献２に開示された従来技術において、同一のＶ字型光強度分布を半導体に照射することに起因する不都合について、図１８（ａ）ないし（ｄ）を参照して説明する。図１８（ｃ）および（ｄ）は、従来技術にしたがってａ−Ｓｉ（非晶質シリコンまたはアモルファスシリコン）層にＶ字型の光強度分布を有する光束を一定時間に亘って照射したときに得られるａ−Ｓｉ層での温度分布の変化に関する計算結果を示す図である。なお、温度分布の計算に際して、「Mitsuru Nakata他, “A New Nucleation-Site-Control Excimer-Laser-Crystallization Method”, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 40(2001) Pt. 1, No.5A, 3049p」に記載された計算方法を採用している。

また、温度分布の計算に際して、ａ−Ｓｉが溶融・凝固するときに吸収・発生する潜熱の影響を無視している。計算条件として、光の入射側から順に、２００ｎｍの厚さのＳｉＯ₂層、２００ｎｍの厚さのａ−Ｓｉ層、および無限厚のＳｉＯ₂層からなる層構造を想定している。図１８（ａ）に示すＶ字型（図では連成されたＶ字型の複数の単位光強度分布からなる光強度分布のうち１つの山型の単位強度部分を示している）の単位光強度分布における最大光強度が１．０×１０¹¹Ｗ／ｃｍ²であり、各パルス発光時間が図１８（ｂ）に示すように２０nsecであると想定している。さらに、ａ−Ｓｉの熱伝導率が２４Ｗ／ｍＫであり、比熱が８６１Ｊ／ＫＫｇであり、密度が２３４０Ｋｇ／ｍ³であると想定している。また、ＳｉＯ₂の熱伝導率が１．５Ｗ／ｍＫであり、比熱が１０００Ｊ／ＫＫｇであり、密度が２３００Ｋｇ／ｍ³であると想定している。

パルス発光中の温度分布の変化を示す図１８（ｃ）を参照すると、Ｖ字型の光強度分布の光束が照射されている２０nsec の間では、時間の経過に従って温度分布はＶ字型（図では連成されたＶ字型の光強度分布のうち山型の部分を示している）を保って上昇することがわかる。しかしながら、パルス発光後の温度分布の変化を示す図１８（ｄ）を参照すると、パルス発光の終了後には時間の経過に従って次第に温度が下降するとともに、Ｖ字型の温度分布の高温領域（ピーク部分）における温度勾配が経時的に平坦化することがわかる。これは、ａ−Ｓｉ層における面内方向の熱拡散が原因である。

図１９は、図１８（ｃ）に示す温度分布変化に伴うａ−Ｓｉの結晶化の進展の様子を模式的に示す図である。図１８（ｃ）に示す温度分布変化に伴うＳｉの結晶化に際しては、図１９に示すように、ａ−Ｓｉの受光領域全体が一旦溶融し、レーザ光の入射が遮断された後に温度の最も低い部分、すなわちＶ字型の温度分布（ひいては光強度分布）の底の部分で一部結晶化する。この後、Ｖ字型の温度分布の温度勾配の熱により、この結晶化した部分が核となって結晶が横方向に成長する。しかしながら、結晶の成長が最終段階でＶ字型の温度分布（ひいては光強度分布）の高温領域（ピーク付近）に達するころには、熱拡散の進行により高温領域における温度勾配が平坦化した状態（温度分布が丸まった状態）になっている。

したがって、本来の所望する結晶成長は高温領域に達する前に終端し、Ｖ字型の温度分布の高温領域において望ましくない結晶核が発生し、この高温領域は多結晶化してしまう。この結果、結晶成長の最終段階における熱拡散の影響により、結晶核からの十分な結晶成長を実現すること、ひいては大粒径の結晶粒の結晶化半導体を生成することができない。この場合、“大粒径の結晶粒”とは、１個のＴＦＴのチャネル領域を中に完全に形成することができる大きさの結晶粒を言う。また、この場合、たとえば位置合わせ精度のマージンが狭くなる。

上述の計算では潜熱の影響を考慮しなかったが、凝固のときに発生する潜熱により固液界面の近傍で温度が上昇する。この現象は、「松村正清、”エキシマレーザを用いた巨大結晶粒Ｓｉ薄膜の形成”、表面科学Vol.21, No.5, pp.278, 2000」に紹介されている。この文献に紹介された結果から類推すると、図１９において高温領域における温度勾配が平坦化する時点での温度分布は潜熱の影響を受けて図２０に示すようになっていることが推測される。この場合、潜熱放出の影響による温度勾配の平坦化が更に幅広く起こることになり、最初に結晶化を開始した結晶核からの結晶成長がさらに短くなる（横方向に短い結晶粒になる）ことが考えられる。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、結晶成長の最終段階における熱拡散や潜熱放出の影響を抑えて、結晶核からの十分な結晶成長を実現して大粒径の結晶化体を生成することのできる結晶化装置、結晶化方法、デバイス、光変調素子、及び表示装置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態様では、入射する第１光束の強度を変調して非単結晶体上で第１光強度分布を有するようになる光束を非単結晶体に照射させて、非単結晶体を溶融するための第１光変調素子と、
入射する第２光束の強度を変調して非単結晶体上で、前記第１光強度分布とは実質的に異なる第２光強度分布を有するようになる光束を前記非単結晶体上に照射させて、非単結晶体を溶融させるための第２光変調素子と、
前記第１光強度分布を有する光束の照射により前記非単結晶体が部分的に溶融している期間内に、前記第２光強度分布の光束を前記非単結晶体の前記溶融している部分に入射させるための照明系とを具備する結晶化装置が提供される。

本発明の第２態様では、入射する第１光束の強度を変調して、間に山形の単位光強度分布を規定するように隣り合った少なくとも２つのＶ字型の単位強度分布を有する光強度分布を非単結晶体上で有するようになる第１の光束を非単結晶体に照射させて、非単結晶体を溶融するための第１光変調素子と、
入射する第２光束の強度を変調して非単結晶体上で第２光強度分布を有するようになる第２の光束を前記非単結晶体に照射させて、非単結晶体を溶融するための第２光変調素子と、
前記第１の光束の照射開始から所定時間だけ遅れて前記第２の光束を前記第１の光束により溶融されている非単結晶の部分に照射させるための照明系とを具備する結晶化装置が提供される。

第１態様および第２態様で、前記照明系は、照明光束を供給するための光源と、該光源から供給された光束を分割するためのビームスプリッターと、該ビームスプリッターからの一方の光束を前記第１光変調素子へ導くための第１光学系と、前記第１光学系よりも長い光路長を有し前記ビームスプリッターからの他方の光束を前記第２光変調素子へ導くための第２光学系とを有し得る。

また、これら態様で、好ましくは、前記第１光変調素子と前記第２光変調素子とは共通の光変調素子であり、前記照明系は、第１の角度分布を有する前記第１光束を前記共通の光変調素子に入射させた後に、前記第１の角度分布とは実質的に異なる第２の角度分布を有する前記第２光束を前記共通の光変調素子に入射させる。この場合、前記照明系は、照明光束を供給するための光源と、該光源から供給された光束を分割するためのビームスプリッターと、該ビームスプリッターからの一方の光束を整形して所定位置まで導くための第１整形光学系と、前記第１整形光学系よりも長い光路長を有し前記ビームスプリッターからの他方の光束を整形して所定位置まで導くための第２整形光学系と、前記所定位置に配置されて前記第１整形光学系を介した光束の光路と前記第２整形光学系を介した光束の光路とを合成するための光路合成素子と、該光路合成素子と前記共通の光変調素子との間に配置された共通の照明光学系とを有することが好ましい。

また、これらの態様で、好ましくは、前記第１光変調素子と前記第２光変調素子とは共通の光変調素子であり、前記照明系は、第１の偏光状態を有する前記第１光束を前記共通の光変調素子に入射させた後に、前記第１の偏光状態とは実質的に異なる第２の偏光状態を有する前記第２光束を前記共通の光変調素子に入射させる。この場合、前記照明系は、照明光束を供給するための光源と、該光源から供給された光束を分割するための偏光ビームスプリッターと、該ビームスプリッターで反射されたＳ偏光の光束を所定位置まで導くための第１光学系と、前記第１光学系よりも長い光路長を有し前記ビームスプリッターを透過したＰ偏光の光束を前記所定位置まで導くための第２光学系と、前記所定位置に配置されて前記第１光学系を介したＳ偏光の光束の光路と前記第２光学系を介したＰ偏光の光束の光路とを合成するための光路合成素子と、該光路合成素子と前記共通の光変調素子との間に配置された共通の照明光学系とを有することが好ましい。また、この場合、前記共通の光変調素子は、前記第１の偏光状態を有する前記第１光束に対する透過率と前記第２の偏光状態を有する前記第２光束に対する透過率とが実質的に異なるパターン領域を含んでいることが好ましい。

また、これら態様で、好ましくは、前記第１光変調素子および前記第２光変調素子と前記非単結晶半導体との間に配置された共通の結像光学系をさらに備えている。

本発明の第３態様では、所定の光強度分布を有する光束を非単結晶体に照射して結晶化体を生成する結晶化方法において、
第１光強度分布を有する第１の光束を前記非単結晶体に照射する第１照射工程と、
前記第１照射工程により前記非単結晶体が溶融している時間内に、前記第１光強度分布とは実質的に異なる第２光強度分布を有する光束を前記非単結晶体の溶融している部分に照射する第２照射工程とを具備する結晶化方法が提供される。

本発明の第４態様では、所定の光強度分布を有する光束を非単結晶体に照射して結晶化体を生成する結晶化方法において、
間に山形の単位光強度分布を規定するように隣り合った少なくとも２つのＶ字型の単位強度分布を有する光強度分布を非単結晶体上で有するようになる第１の光束を前記非単結晶体に照射する第１照射工程と、
前記山形の単位光強度分布の頂部に対応して、前記非単結晶体に形成された高温領域における経時的な温度勾配の平坦化を補償するために、前記第１照射工程の開始から所定時間だけ遅れて第２光強度分布を有する光束を前記非単結晶体の高温領域に照射する第２照射工程とを具備する結晶化方法が提供される。

第３態様並びに第４態様で、好ましくは、前記第１照射工程では、第１光変調素子を介して位相変調された光束を前記非単結晶半導体に照射し、前記第２照射工程では、前記第１光変調素子とは特性の異なる第２光変調素子を介して位相変調された光束を前記非単結晶半導体に照射する。あるいは、前記第１照射工程では、共通の光変調素子に第１光束を入射させ、前記共通の光変調素子を介して位相変調された光束を前記非単結晶半導体に照射し、前記第２照射工程では、前記第１光束とは特性の異なる第２光束を前記共通の光変調素子に入射させ、前記共通の光変調素子を介して位相変調された光束を前記非単結晶半導体に照射することが好ましい。

本発明の第５態様では、第１もしくは第２態様の結晶化装置、または第３もしくは第４態様の結晶化方法を用いて製造されたデバイスが提供される。

本発明の第６態様では、入射する光束の偏光状態に応じて透過率が異なるパターン領域と、位相変調領域とを含んでいる光変調素子が提供される。本発明の第６態様では、第１もしくは第２態様の結晶化装置、または第３もしくは第４態様の結晶化方法を用いてチャネル領域が形成された薄膜トランジスタを有する表示装置が提供される。

本発明では、熱拡散や潜熱放出の影響に抗して、たとえばＶ字型の温度分布の高温領域における経時的な温度勾配の平坦化を補償し、結晶成長の最終段階においても高温領域における所要の温度勾配を確実に維持することができる。この結果、結晶成長の最終段階における熱拡散や潜熱放出の影響を抑えて、結晶核からの十分な結晶成長を実現して大粒径の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。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に示す第１照明光学系および第２照明光学系の内部構成を概略的に示す図である。図１を参照すると、第１実施形態の結晶化装置は、夫々入射光束の位相を変調するための第１光変調素子１および第２光変調素子２と、照明系３と、結像光学系４と、被処理基板５が上に載置される基板ステージ６とを備えている。

第１光変調素子１および第２光変調素子２の詳細な構成および作用については後述する。照明系３は、被処理基板５の非単結晶半導体を溶融させるエネルギー光を出力する光源として、たとえば２４８ｎｍの波長を有するパルスレーザ光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源３１を備えている。この光源３１として、ＸｅＣｌエキシマレーザ光源やＹＡＧレーザ光源のような、被結晶化処理体または非単結晶半導体を溶融するエネルギー光線を射出する性能を有する他の適当な光源を用いることもできる。光源３１から射出されたレーザ光は、ビームスプリッター３２に入射する。

レーザ光の、ビームスプリッター３２で反射された部分（第１のレーザ光）は、第１照明光学系３３を介して、第１光変調素子１へ導かれる。一方、レーザ光の、ビームスプリッター３２を透過した部分（第２のレーザ光）は、たとえば複数の反射部材により構成された比較的長い光路を有する遅延光学系３４、一対のミラー３５および３６、並びに第１照明光学系３３と同じ構成を有する第２照明光学系３７を介して、第２光変調素子２へ導かれる。したがって、ビームスプリッター３２から第２光変調素子２までの光路長は、ビームスプリッター３２から第１光変調素子１までの光路長よりも所定距離だけ長く設定されている。この所定距離は、第１光変調素子１を介して照射された被処理基板５の非単結晶半導体が部分的に溶融している期間内に第２光変調素子２を介して照射するタイミングに相当する距離である。非単結晶半導体が部分的に溶融とは、第１光変調素子１を介してパルス的に照射された非単結晶半導体の降温過程において光強度分布の少なくとも最大値が溶融している期間をいう。なお、本発明の中では、非単結晶が溶融した液体状態に対しても、その材料を説明する手段として便宜上、「溶融されている非単結晶」等の表現を用いるものとする。

光源３１から射出されて第１照明光学系３３（または第２照明光学系３７）に入射した光は、図２に示すように、ビームエキスパンダ３ａを介して拡大された後、第１フライアイレンズ３ｂに入射する。こうして、第１フライアイレンズ３ｂの後側焦点面には複数の小光源が形成され、これらの複数の小光源からの光束は、第１コンデンサー光学系３ｃを介して、第２フライアイレンズ３ｄ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３ｄの後側焦点面には、第１フライアイレンズ３ｂの後側焦点面よりも多くの複数の小光源が形成される。

第２フライアイレンズ３ｄの後側焦点面に形成された複数の小光源からの光束は、第２コンデンサー光学系３ｅを介して、第１光変調素子１（または第２光変調素子２）を重畳的に照明する。ここで、第１フライアイレンズ３ｂおよび第１コンデンサー光学系３ｃ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３１から供給されたレーザ光について第１光変調素子１（または第２光変調素子２）上での入射角度に関する均一化が図られる。

第２フライアイレンズ３ｄおよび第２コンデンサー光学系３ｅ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光変調素子１（または第２光変調素子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光変調素子１および第２光変調素子２を照明する。上記説明で、照明系３は、所定の発光時間を有する第１パルス光を第１光変調素子１に入射させた後、第１光変調素子１への第１パルス光の入射開始から所定時間（前記所定距離に対応する）だけ遅れて、第１パルス光と同じ発光時間を有する第２パルス光を第２光変調素子２に入射させ
ることが、判るであろう。前記所定距離は、第１光変調素子１を介して照射された被処理基板５の非単結晶半導体が部分的に溶融している期間内に第２光変調素子２を介して照射するタイミングに相当する距離である。

第１光変調素子１で位相変調された第１のレーザ光は、ビームスプリッター７を透過した後、結像光学系４を介して、被処理基板５に入射する。一方、第２光変調素子２で位相変調された第２のレーザ光は、ビームスプリッター７で反射された後、結像光学系４を介して、被処理基板５に入射する。ここで、結像光学系４は、第１光変調素子１および第２光変調素子２のパターン面と被処理基板５（詳しくは、非単結晶半導体層の上面）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、第１光変調素子１および第２光変調素子２のパターン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。

前記結像光学系４は、前正レンズ群４ａと後正レンズ群４ｂとの間に開口絞り４ｃを備えている。開口絞り４ｃは、たとえば開口部（光透過部）の大きさの異なる複数の開口絞りからなり、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として、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用いてもよい。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の半導体層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。この結像光学系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。

前記被処理基板５は、第１光変調素子１で位相変調された第１のレーザ光が結像され、溶融され、凝固する過程で結晶化される。被処理基板５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（半導体層）およびキャップ膜が順次形成されたものである。下地絶縁膜は、絶縁材、例えばＳｉＯ₂で形成されており、非晶質シリコン膜とガラス基板が直接接触してガラス基板内のＮａなどの異物が非晶質シリコン膜に混入するのを防止すると共に、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、結晶化される半導体膜であり、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、上記半導体膜に限定されることはなく、非単結晶の金属などの非単結晶材料で形成されている膜でも良い。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、好ましくは、成膜されている。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、キャップ膜がなければ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る。

図３（ａ）は、第１実施形態における第１光変調素子１の位相パターンを、また、図３（ｂ）は、第１光変調素子を用いて被処理基板上に形成される第１レーザ光の光強度分布を、夫々、概略的に示す図である。第１実施形態の第１光変調素子１は、図３（ａ）に示すように、０度の基準位相値を有する基準位相領域（図中空白部で示す）１ａと、９０度の変調用位相値を有する矩形状（この実施の形態では正方形）の変調位相領域（図中斜線部で示す）１ｂとをラテラル方向（Ａ断面と平行な方向）周期的に有する。ここで、変調位相領域１ｂは、１．０μｍ（結像光学系４の像面における換算値、以下同様に光変調素子に関する寸法は像面換算値で示す）のピッチにしたがって縦横に、マトリックス状に配置されている。

そして、中に１つの位相領域が含まれる１．０μｍ×１．０μｍの単位セル（点線で囲まれた領域）１ｃに対する変調位相領域１ｂの占有面積率（デューティ）は、ラテラル方向に（Ａ断面に沿って）０％〜５０％の間で変化している。具体的には、位相パターンの繰り返し単位領域１ｄの両側における変調位相領域１ｂの占有面積率は５０％（最大占有面積率）であり、繰り返し単位領域１ｄの中央における変調位相領域１ｂの占有面積率は０％（最小占有面積率）であり、その間における変調位相領域１ｂの占有面積率は２８％、１８％、１１％、５％の順に変化している。１．０μｍ×１．０μｍの単位セル１ｃは、結像光学系４の点像分布範囲以下の寸法を有する。

第１実施形態の第１光変調素子１を用いると、図３（ｂ）に示すように、結像光学系４の像面位置に設定された被処理基板５の表面上には、単位領域１ｄに対応して、山型状の単位光強度分布（隣り合うＶ字型単位光強度の最小ピーク値部分間の光強度分布）が形成される。すなわち、変調位相領域１ｂの占有面積率が５０％であるＡ断面位置に対応して光強度が最も小さく、変調位相領域１ｂの占有面積率が０％であるＡ断面位置に対応して光強度が最も大きい、山型状の単位光強度分布が形成される。実際には、第１光変調素子１は、ラテラル方向に並べられた複数の、図３（ａ）に示す位相パターンを有している。この結果、被照射面では、図３（ｂ）に示す山型（即ち、Ｖ字型）の単位光強度分布がラテラル方向に複数形成され、従って、この明細書では、被照射面での光強度分布を複数のＶ字型光強度分布と定義する。図３（ｂ）は、Ａ断面方向に沿って連成される複数のＶ字型光強度分布のうち、位相パターンの繰り返し単位領域１ｄに対応する１つの山型の光強度分布を示している。

図４（ａ）並びに図４（ｂ）は、第１実施形態における第２光変調素子２の位相パターン、並びに第２光変調素子２を用いて被処理基板５上に形成される光強度分布を概略的に示す図である。第１実施形態の第２光変調素子２は、図４（ａ）に示すように、０度の基準位相値を有する基準位相領域（図中空白部で示す）２ａと、１８０度の変調用位相値を有する矩形状（この実施の形態では正方形）の変調位相領域（図中斜線部で示す）２ｂとを有する。ここで、変調位相領域２ｂは、１．０μｍ（像面換算値）のピッチにしたがって縦横に配置されている。

中に１つの位相領域が含まれている１．０μｍ×１．０μｍの単位セル（点線で囲まれた正方形の領域）２ｃに対する変調位相領域２ｂの占有面積率（デューティ）は、図中水平方向に沿って（Ａ断面に沿って）０％〜５０％の間で変化している。具体的には、位相パターンの繰り返し単位領域２ｄの両側における変調位相領域２ｂの占有面積率は５０％であり、繰り返し単位領域２ｄの中央における変調位相領域２ｂの占有面積率は０％であり、その間における変調位相領域２ｂの占有面積率は５０％、５０％、２８％、１１％の順に変化している。１．０μｍ×１．０μｍの単位セル２ｃも、結像光学系４の点像分布範囲以下の寸法を有する。

第１実施形態の第２光変調素子２を用いると、図４（ｂ）に示すように、結像光学系４の像面位置に設定された被処理基板５の表面上（被照射面）には、位相パターンの繰り返し単位領域２ｄに対応してピーク形状の単位光強度分布が形成される。この単位光強度分布では、変調位相領域２ｂの占有面積率が０％であるＡ断面位置に対応して光強度が最も大きく、変調位相領域２ｂの占有面積率が５０％であるＡ断面位置に対応して光強度がほぼ０である中央ピーク形状となっている。

図３（ｂ）に示された光強度分布と図４（ｂ）に示された光強度分布とを比較すると、第２光変調素子２を用いて形成される中央ピーク形状の光強度分布の勾配の方が、第１光変調素子１を用いて形成されるＶ字型中の山型の光強度分布の勾配よりも大きいことがわかるであろう。これらの図に示す光強度分布は、光の波長λを２４８ｎｍ、結像光学系４の像側開口数ＮＡを０．１３、結像光学系４のσ値（コヒーレンスファクター）を０．５と想定して計算されたものである。以下、第３実施形態における光強度分布の計算も同じ条件を想定している。

図５（ａ）並びに図５（ｂ）は、第１実施形態における光源のパルス発光特性、並びに第１光変調素子に入射する第１パルス光と第２光変調素子に入射する第２パルス光との時間的関係を概略的に示す図である。第１実施形態では、図５（ａ）に示すように、光源３１からのパルス光の発光期間を２０nsecに設定している。また、第１のビームスプリッター３２から第１光変調素子１までの、第１のレーザ光の光路長と、ビームスプリッター３２から第２光変調素子２までの第２のレーザ光の光路長との光路長差を、遅延時間４０nsecに対応するように設定している（第２のビームスプリッター７から第１光変調素子１と第２光変調素子２とへの距離は同じに設定されている）。遅延時間４０nsec＝４０×１０^-9secに対応する光路長差は、次の式（１）により求められる。遅延時間の設定は、少なくとも第１光変調素子１を利用して形成された光強度分布により溶融して結晶化する被照射面で、結晶化されないで、溶融状態の部分が残っている（この部分は、最大値溶融部と称し、山形の光強度分布の頂部に対応する領域）期間までの期間を適宜選択する。

（光路長差）＝（光速度）×（遅延時間）
＝（３．０×１０⁸ｍ／sec）×（４０×１０^-9sec）
＝１２ｍ （１）
かくして、ビームスプリッター３２から第１光変調素子１までの光路長とビームスプリッター３２から第２光変調素子２までの光路長との光路長差が約１２ｍになるように、複数の反射部材からなる遅延光学系３４の内部構成が決定されている（図１では、ビームスプリッター３２と第１光学変調素子１と、ビームスプリッター３２と第２光学変調素子２との間の距離（遅延光学系３４の距離は除く）が異なるように見えるが、これら距離は同じに設定されている）。遅延光学系３４は、比較的多数の折り返し光路を設けて小型化することが望ましい。

こうして、第１実施形態では、図５（ｂ）に示すように、発光時間２０nsecを有する第１パルス光が第１光変調素子１に入射した後、第１光変調素子１への第１パルス光の入射開始から４０nsecだけ遅れて、第１パルス光と同じ発光時間２０nsecを有する第２パルス光が第２光変調素子２に入射する。理解を容易にするために、他の実施形態においても第１実施形態と同様に、光源のパルス発光特性および第１パルス光と第２パルス光との時間的関係は図５（ｂ）に示す条件を満足するものとする。

図６は、第１実施形態における結晶化の進展の様子を模式的に示す図である。第１実施形態では、図６に示すように、第１パルス光を第１光変調素子１に入射させて被処理基板５の表面にＶ字型の光強度分布（１回目の光強度分布）を照射することにより、被処理基板５の表面上にＶ字型の光強度分布に対応するＶ字型の温度分布を形成する。そして、温度の下降によりＶ字型の温度分布の高温領域（ピーク部分）における温度勾配が融点以下の温度に降温する前に、第１パルス光による山型光強度分布の最高温度部分およびその近傍に融点以上の温度の光パターンを照射する。すなわち被処理基板５上の非単結晶半導体が部分的に溶融している時間内に、第２パルス光を第２光変調素子２に入射させて被処理基板５の表面に中央ピーク形状の光強度分布（２回目の光強度分布）を照射する。

この結果、２回目の中央ピーク形状の光強度分布に対応する温度分布の追加により、熱拡散や潜熱放出の影響に抗してＶ字型の温度分布の高温領域における経時的な温度勾配の平坦化を補償（補正）し、結晶成長の最終段階においても高温領域における所要の温度勾配を確実に維持することができる。図６は、この状態を示している。即ち、第１光変調素子１を介して非単結晶半導体に形成される１回目の光強度分布は、図６（ａ）に示されている。図６（ｂ）は、光照射前の非単結晶半導体５の温度分布を示し、全面で常温を示し、半導体は固体の状態である。
次に、図６（ａ）に示された光強度分布をもつパルス状光束（第１のレーザ光）が、非単結晶半導体層５に入射すると、この半導体層５の被照射面は、融点以上の（ｃ）に示す温度分布が形成される。即ち、融点以上の上記被照射面は、上記温度分布を維持して溶融する（液体状態）。上記パルス状光束の照射期間が終了すると降温状態となる。降温の過程において、（ｄ）に示すように、部分的融点を過ぎると、光強度分布の最小値部に存在する結晶核から結晶成長が開始する。この状態を、（ｅ）に示す。さらに、（ｆ）に示すように降温が進行すると、さらに水平方向に結晶成長が進行し、（ｇ）のようになる。この部分的に溶融領域が部分的に残っている状態で、第２光強度分布を有する（ｈ）に示す光強度分布の光束を、同軸的に上記非単結晶半導体５に照射する。即ち、第１光強度分布の最大値に相当する非単結晶半導体５の被照射部溶融部に第２の光強度分布の融点以上の最大値を有する図６（ｈ）に示す光束（第２のレーザ光）を照射する。換言すれば、（ｇ）に示す液体状態部に融点以上の高温度を呈する（ｆ）に示す光束が非単結晶半導体５を照射する。その結果、（ｉ）に示すように山型状光強度分布の山の頂部においても結晶成長が水平方向にさらに成長する。

したがって、第１実施形態では、結晶成長の最終段階においても、Ｖ字型の温度分布の高温領域における所要の温度勾配が確実に維持されているので、結晶成長が高温領域に達する前に終端することなく、また高温領域で多結晶化することなく、充分に長い結晶のラテラル成長を実現することができる。すなわち、第１実施形態では、結晶成長の最終段階における熱拡散や潜熱放出の影響を抑えて、結晶核からの十分な結晶成長を実現して大粒径の結晶化半導体を生成することができる。その結果、たとえば位置合わせ精度のマージンが広くなる。

上述の第１実施形態では、１つの光源３１からの光束をビームスプリッター３２により２つの光束に分割している。しかしながら、これに限定されることなく、たとえば第１の光源からの光を第１光変調素子１へ導き且つ第２の光源からの光を第２光変調素子２へ導く構成にして、２つの光源からのパルス発光のタイミングをずらしてもよい。

上述の第１実施形態では、第１光変調素子１および第２光変調素子２と被処理基板５との間に、共通の結像光学系４を設けている。しかしながら、これに限定されることなく、第１光変調素子１からの光を被処理基板５へ導く第１結像光学系と第２光変調素子２からの光を被処理基板５へ導く第２結像光学系とを別々に設けることもできる。この場合、第１結像光学系および第２結像光学系と被処理基板５との間に、２つの光路を合成するための光路合成素子を配置する必要がある。

図７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８（ａ）並びに図８（ｂ）は、図７の第１照明光学系、並びに第２照明光学系の内部構成を概略的に示す図である。図７を参照すると、第２実施形態の結晶化装置は、結像光学系を用いない近接（デフォーカス）法（近接露光時に発生するフレネル回折パターンを照射する方法）にしたがう装置であって、照明系３Ａと、被処理基板５が上に載置される基板ステージ６と、これらの間に配置され、第１パルス光（第１レーザ光）と第２パルス光（第２レーザ光）とに共通の光変調素子１０とを備えている。図７では、図１の構成要素と同様の機能を有する要素に同じ参照符号を付している。

第２実施形態の照明系３Ａでは、光源３１から射出されたレーザ光がビームスプリッター３２に入射する。ビームスプリッター３２で反射された光（第１のレーザ光）は、第１整形光学系４１を介して、たとえばビームスプリッターのような光路合成素子４２に入射する。一方、ビームスプリッター３２を透過した光（第２のレーザ光）は、遅延光学系３４、一対のミラー３５，３６、並びに第２整形光学系４３を介して、光路合成素子４２に入射する。光路合成素子４２を透過した第１のレーザ光は、共通の照明光学系４４を介した後、第１パルス光として共通の光変調素子１０を照明する。同様に、光路合成素子４２で反射された第２のレーザ光は、共通の照明光学系４４を介した後、第２パルス光として共通の光変調素子１０を照明する。

第２実施形態では、第１のレーザ光の径を第１の倍率で拡大するための第１整形光学系４１および共通の照明光学系４４が、第１の角度分布（角度幅）を有する第１パルス光を共通の光変調素子１０に入射させるための第１照明光学系を構成している。また、第２のレーザ光の径を前記第１の倍率よりも小さい第２の倍率で拡大するための第２整形光学系４３および共通の照明光学系４４が、第１の角度分布とは異なる第２の角度分布（角度幅）を有する第２パルス光を共通の光変調素子１０に入射させるための第２照明光学系を構成している。第１整形光学系４１は、図８（ａ）に示すように、光源から順に、負レンズ群３ｆと正レンズ群３ｇとを有する。同様に、第２整形光学系４３も、図８（ｂ）に示すように、光源から順に、負レンズ群３ｈと正レンズ群３ｉとを有する。

共通の照明光学系４４は、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、光源側から順に、フライアイレンズ３ｊとコンデンサー光学系３ｋとを有する。ここで、共通の照明光学系４４は、フライアイレンズ３ｊの後側焦点面とコンデンサー光学系３ｋの前側焦点面とがほぼ一致するように構成されている。第１整形光学系４１によって径が拡大された光束（第１のレーザ光）は、共通の照明光学系４４を介して照度分布の均一化された最大入射角度θ１を有する第１パルス光として共通の光変調素子１０をケーラー照明する。

同様に、第２整形光学系４３によって径が拡大された光束（第２のレーザ光）は、共通の照明光学系４４を介して照度分布の均一化された最大入射角度θ２を有する第２パルス光として共通の光変調素子１０をケーラー照明する。この場合、第２整形光学系４３の拡大倍率よりも第１整形光学系４１の拡大倍率の方が大きく設定されているので、第２整形光学系４３を介してフライアイレンズ３ｊに入射する光束よりも第１整形光学系４１を介してフライアイレンズ３ｊに入射する光束の方が大きな断面を有する。

この結果、第２整形光学系４３を介して共通の光変調素子１０に入射する第２パルス光の最大入射角度θ２よりも、第１整形光学系４１を介して共通の光変調素子１０に入射する第１パルス光の最大入射角度θ１の方が大きくなる。これは、共通の光変調素子１０に入射する光の最大入射角度が、共通の照明光学系４４の射出瞳を決定するフライアイレンズ３ｊの出口面における光束の断面サイズに依存するからである。以下のシミュレーションでは、第１パルス光の最大入射角度θ１を２．１度と想定し、第２パルス光の最大入射角度θ２を０度と想定している。

図９（ａ）並びに図９（ｂ）は、夫々、第２実施形態における共通の光変調素子と被処理基板との位置関係、並びに共通の光変調素子の位相パターンの一部を概略的に示す図である。図１０は、第２実施形態において共通の光変調素子に第１パルス光を入射させたときに被処理基板上に形成される光強度分布を概略的に示す図である。図１１は、第２実施形態において共通の光変調素子に第２パルス光を入射させたときに被処理基板上に形成される光強度分布を概略的に示す図である。共通の光変調素子１０は、図９（ａ）に示すように、被処理基板５の表面から１５５μｍの間隔を隔てて被処理基板に近接配置されている。

また、共通の光変調素子１０は、図９（ｂ）に示すように、いわゆるライン型の位相シフターであって、一方向すなわちラテラル方向に沿って交互に繰り返される２つの矩形状の領域１０ａと１０ｂとで構成されている。ここで、２つの領域１０ａおよび１０ｂは、ともに例えば１０μｍの幅寸法を有し、２つの領域１０ａと１０ｂとの間には１８０度の位相差が付与されている。共通の光変調素子１０では、１８０度の位相差を有する２つの領域１０ａと１０ｂとの間の直線状の境界線１０ｃが位相シフト線を構成することになる。

最大入射角度θ１＝２．１度を有する第１パルス光が共通の光変調素子１０に入射すると、図１０（ｂ）に示すように、光変調素子１０に近接して配置された被処理基板５の表面上には、図３（ｂ）に示す光強度分布に類似したほぼ山型の光強度分布（１回目の光強度分布）、これは、隣り合うＶ字形の単位強度分布の最小強度部間の強度分布に相当する、が形成される。図１０（ｂ）は、各領域１０ａ，１０ｂにより形成される単位光強度分布を示し、実際には、被処理基板５上には、この単位光強度分布がラテラル方向に繋がった複数の単位光強度分布からなる光強度分布が得られる。この図から判るように、位相シフト線１０ｃに対応して光強度が最も小さく、２つの位相シフト線１０ｃの中央領域（領域１０ｂの中央領域）に対応して光強度が最も大きいほぼ山型の光強度分布が形成される。

一方、最大入射角度θ２＝０度を有する第２パルス光が共通の光変調素子１０に入射すると、図１１に示すように、被処理基板５の表面上には、図４（ｂ）の光強度分布に類似したほぼ中央ピーク形状の光強度分布（２回目の光強度分布）が形成される。すなわち、位相シフト線１０ｃに対応して光強度がほぼ０で、２つの位相シフト線１０ｃの中間位置に対応して光強度が最も大きいほぼ中央ピーク形状の光強度分布が形成される。図１０および図１１に示す光強度分布は、光の波長λを２４８ｎｍと想定して計算されたものである。

こうして、第２実施形態においても第１実施形態と同様に、２回目のほぼ中央ピーク形状の光強度分布に対応する温度分布の追加により、熱拡散や潜熱放出の影響に抗してＶ字型の温度分布の高温領域における経時的な温度勾配の平坦化が補償される。その結果、第２実施形態においても、結晶成長の最終段階における熱拡散や潜熱放出の影響を抑えて、結晶核からの十分な結晶成長を実現して大粒径の結晶化半導体を生成することができる。

上述の第２実施形態では、１つの光源３１からの光束をビームスプリッター３２により２つの光束に分割している。しかしながら、これに限定されることなく、たとえば第１の光源からの光を第１整形光学系４１および共通の照明光学系４４を介して共通の光変調素子１０へ導き且つ第２の光源からの光を遅延光学系３４、第２整形光学系４３および共通の照明光学系４４を介して共通の光変調素子１０へ導く構成において２つの光源からのパルス発光のタイミングをずらしてもよい。

また、上述の第２実施形態では、共通の光変調素子１０と被処理基板５とを近接配置している。しかしながら、これに限定されることなく、共通の光変調素子１０と被処理基板５との間に、たとえば第１実施形態と同様の結像光学系を設ける構成も可能である。

図１２は、本発明の第３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。この図を参照すると、結晶化装置は、照明系３Ｂと、被処理基板５が上に載置される基板ステージ６と、これら照明系３Ｂと被処理基板５との間に順次配設され、第１パルス光（第１レーザ光）と第２パルス光（第２レーザ光）とに共通の光変調素子１１並びに結像光学系４とを備えている。図１２では、図１の構成要素と同様の機能を有する要素に同じ参照符号を付している。

この照明系３Ｂにおいて、光源３１から射出されたレーザ光が偏光ビームスプリッター５１に入射する。この偏光ビームスプリッター５１は、Ｓ偏光の光成分を反射し、Ｐ偏光の光成分を透過する。偏光ビームスプリッター５１で反射されたＳ偏光の光成分または光束（第１のレーザ光）は、ミラー５２を介して、たとえば偏光ビームスプリッターのような光路合成素子５３に入射し、これにより反射される。一方、偏光ビームスプリッター５１を透過したＰ偏光の光成分または光束（第２のレーザ光）は、遅延光学系３４およびミラー３５を介して、前記光路合成素子５３に入射する。光路合成素子５３で反射された第１のレーザ光は、たとえば図２に示す内部構成を有する共通の照明光学系５４を介した後、Ｓ偏光状態の第１パルス光として共通の光変調素子１１を照明する。光路合成素子５３を透過した第２のレーザ光は、共通の照明光学系５４を介した後、Ｐ偏光状態の第２パルス光として共通の光変調素子１１を照明する。ここで、Ｓ偏光とは、光の電場ベクトルが紙面垂直で、Ｐ偏光とは光の電場ベクトルが紙面平行と定義し、以下同様とする。

図１３（ａ）並びに図１３（ｂ）は、夫々、第３実施形態における共通の光変調素子の位相パターン、並びに導電パターンの一部を概略的に示す図である。図１４は、第３実施形態において共通の光変調素子に第１パルス光を入射させたときに被処理基板上に形成される単位光強度分布を概略的に示す図である。また、図１５は、第３実施形態において共通の光変調素子に第２パルス光を入射させたときに被処理基板上に形成される単位光強度分布を概略的に示す図である。第３実施形態における共通の光変調素子１１は、図１３（ａ）に示す位相パターンと、図１３（ｂ）に示す導電体膜からなるパターンとを有する。

共通の光変調素子１１の位相パターンは、図３（ａ）に示す第１実施形態の第１光変調素子１の位相パターンと基本的に同じ構成を有する。すなわち、共通の光変調素子１１の位相パターンは、０度の基準位相値を有する基準位相領域（図中空白部で示す）１１ａと、９０度の変調用位相値を有する矩形状の変調位相領域（図中斜線部で示す）１１ｂとを有する。ここで、変調位相領域１１ｂは、１．０μｍ（結像光学系４の像面換算値）のピッチにしたがって縦横に配置されている。

１．０μｍ×１．０μｍの単位セル１１ｃに対する変調位相領域１１ｂの占有面積率（デューティ）は、図中水平方向に沿って（Ａ断面に沿って）０％〜５０％の間で変化している。具体的には、位相パターンの繰り返し単位領域１１ｄの両側における変調位相領域１１ｂの占有面積率は５０％であり、繰り返し単位領域１１ｄの中央における変調位相領域１１ｂの占有面積率は０％であり、その間における変調位相領域１１ｂの占有面積率は２８％、１８％、１１％、５％の順に変化している。

一方、共通の光変調素子１１の導電体膜パターンは、位相パターンのＡ断面方向に沿って交互に繰り返される２つの種類のパターン領域１１ｅと１１ｆとを有する。第１領域１１ｅには、０．０５μｍの厚さおよび０．３μｍ×０．３μｍ（結像光学系４の像面換算値）の大きさを有する正方形状のクロムからなるドットパターン１１ｇが、０．５μｍ（結像光学系４の像面換算値）のピッチにしたがって縦横すなわちマトリックス状に形成されている。第２領域１１ｆには、位相パターンのＡ断面方向すなわちラテラル方向に沿ってピッチ方向を有するライン・アンド・スペースパターンが形成されている。

ここで、第２領域１１ｆのライン・アンド・スペースパターンは、０．０５μｍの厚さおよび０．０５μｍ（結像光学系４の像面換算値）の幅寸法を有する帯状のクロムからなるライン部１１ｈと、０．０５μｍ（結像光学系４の像面換算値）の幅寸法を有する光透過性のスペース部１１ｉとにより構成されている。導電体膜パターンの第１領域１１ｅは、位相パターンの繰り返し単位領域１１ｄの中央位置に対応するように形成されている。導電体膜パターンの第２領域１１ｆは、位相パターンのＡ断面方向に沿って導電体膜パターンの第１領域１１ｅとほぼ同じ幅寸法を有するように形成されている。

前記共通の光変調素子１１は、Ｓ偏光状態で入射する第１パルス光の振動面の方向（電場の方向）が位相パターンのＡ断面方向と一致するように位置決めされている。共通の光変調素子１１の製造に際して、１つの基板の同一面に位相パターンと導電体膜パターンとを形成することが望ましい。これの一例が図１３（ｃ）に示されている。この共通の光変調素子１１は、透明の基板の一面に、導電体膜を形成し、この膜を選択エッチングして導電体膜パターン１１ｆ，１１ｅが形成されている。このパターンの上に、透明材料からなる膜を形成し、この膜を選択エッチングして、基準位相領域１１ａと、変調位相領域１１ｂとからなる位相パターンが形成されている。光変調素子１１は、一方の透明基板の一面に位相パターンを形成し、他方の透明基板の一面に導電体膜パターンを形成し、両基板を一面で貼り合わせることにより、構成されることもできる。

第３実施形態にかかる共通の光変調素子１１では、ライン・アンド・スペースパターン（１１ｈ，１１ｉ）が、光の波長（２４８ｎｍ＝０．２４８μｍ）よりも小さいピッチを有する。また、ライン・アンド・スペースパターン（１１ｈ，１１ｉ）のライン部１１ｈを構成するクロムは導体である。このため、ライン・アンド・スペースパターン（１１ｈ，１１ｉ）のピッチ方向と直交する方向に沿って振動面を有するＰ偏光の光は、導電体膜パターンの第２領域１１ｆをほとんど透過することなく反射される。

一方、クロムドットパターンが形成された導電体膜パターンの第１領域１１ｅでは、偏光状態に依存することなく光の透過率は一定である。こうして、導電体膜パターンの第１領域１１ｅでは、Ｓ偏光状態の第１パルス光に対する透過率もＰ偏光状態の第２パルス光に対する透過率もともに４０％である。しかしながら、導電体膜パターンの第２領域１１ｆでは、Ｓ偏光状態の第１パルス光に対する透過率は４０％であるが、Ｐ偏光状態の第２パルス光に対する透過率は２％と非常に小さくなる。すなわち、導電体膜パターンの第２領域１１ｆは、入射する光束の偏光状態に応じて透過率が異なるパターン領域である。

したがって、Ｓ偏光状態の第１パルス光が共通の光変調素子１１に入射すると、図１４に示すように、結像光学系４の像面位置に設定された被処理基板５の表面上には、図３（ｂ）に示す光強度分布に類似した山形（両側がＶ字型となる）の光強度分布（１回目の光強度分布）が形成される。すなわち、変調位相領域１１ｂの占有面積率が５０％であるＡ断面位置に対応して光強度が最も小さく、変調位相領域１１ｂの占有面積率が０％であるＡ断面位置に対応して光強度が最も大きいＶ字型の光強度分布が形成される。なお、図１４には、Ａ断面方向に沿って連成される複数のＶ字型光強度分布のうち、位相パターンの繰り返し単位領域１１ｄに対応する山型の光強度分布を示している。

一方、Ｐ偏光状態の第２パルス光が共通の光変調素子１１に入射すると、上述したように、導電体膜パターンの第１領域１１ｅは光が良好に透過するが、導電体膜パターンの第２領域１１ｆは光がほとんど透過しない。その結果、図１５に示すように、被処理基板５の表面上には、図１４に示す山型の光強度分布の中央部分だけに概ね対応するようなほぼ中央ピーク形状の光強度分布（２回目の光強度分布）が形成される。

こうして、第３実施形態においても第１実施形態および第２実施形態と同様に、２回目のほぼ中央ピーク形状の光強度分布に対応する温度分布の追加により、熱拡散や潜熱放出の影響に抗してＶ字型の温度分布の高温領域（山形の温度分布の頂上）における経時的な温度勾配の平坦化が補償される。その結果、第３実施形態においても、結晶成長の最終段階における熱拡散や潜熱放出の影響を抑えて、結晶核からの十分な結晶成長を実現して大粒径の結晶粒の結晶化半導体を生成することができる。

上述の各実施形態では、図５（ｂ）に示すように、光変調素子（１，１０，１１）に対する第１パルス光の照射と光変調素子（２，１０，１１）に対する第２パルス光の照射との間に２０nsecの時間間隔を確保している。しかしながら、両パルス光の照射タイミングは、これに限定されることなく、たとえば図１６（ａ）に示すように光変調素子（１，１０，１１）に対する第１パルス光の照射と光変調素子（２，１０，１１）に対する第２パルス光の照射とを時間的にほぼ連続させてもよい。また、図１６（ｂ）に示すように第１パルス光の照射と第２パルス光の照射とを時間的に一部重複させてもよい。上記実施形態において、第１の実施形態は１回目照射の光強度分布と２回目照射の光強度分布と異なる分布の光束を照射した例である。第２および第３の実施形態は、同一光強度分布の光束を照射した例である。

図１７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１７（ａ）に示すように、透明の絶縁基板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）および不図示のキャップ膜８２ａ（例えば、膜厚３０ｎｍ〜３００ｎｍのＳｉＯ₂膜など）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１７（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、キャップ膜８２ａをエッチングにより除去した後、図１７（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１７（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１７（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１７（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。

前記実施の形態では、第１光変調素子として位相変調素子を使用しているけれども、間に山形の単位光強度分布を規定するように並んだＶ字形の光強度分布を被照射面で形成するように、入射光を、例えば、透過、反射、屈折並びに／もしくは回折するように変調可能な光学素子であれば、これに限定されることはない。同様に第２光変調素子も、入射光を前記山形の単位光強度部分の頂部に対応した強度ピーク値を有する光強度分布を被照射面で有するように光学変調できれば、位相変調素子に限定されない。

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。 図１の第１照明光学系および第２照明光学系の内部構成を概略的に示す図である。 第１実施形態における第１光変調素子の位相パターンおよび第１光変調素子を用いて被処理基板上に形成される光強度分布を概略的に示す図である。 第１実施形態における第２光変調素子の位相パターンおよび第２光変調素子を用いて被処理基板上に形成される光強度分布を概略的に示す図である。 第１実施形態における光源のパルス発光特性、および第１光変調素子に入射する第１パルス光と第２光変調素子に入射する第２パルス光との時間的関係を概略的に示す図である。 第１実施形態における結晶化の進展の様子を模式的に示す図である。 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７の第１照明光学系および第２照明光学系の内部構成を概略的に示す図である。 第２実施形態における共通の光変調素子と被処理基板との位置関係および共通の光変調素子の位相パターンを概略的に示す図である。 第２実施形態において共通の光変調素子に第１パルス光を入射させたときに被処理基板上に形成される光強度分布を概略的に示す図である。 第２実施形態において共通の光変調素子に第２パルス光を入射させたときに被処理基板上に形成される光強度分布を概略的に示す図である。 本発明の第３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。 第３実施形態における共通の光変調素子の位相パターン、導電体膜パターン、並びに共通の光変調素子を概略的に示す図である。 第３実施形態において共通の光変調素子に第１パルス光を入射させたときに被処理基板上に形成される光強度分布を概略的に示す図である。 第３実施形態において共通の光変調素子に第２パルス光を入射させたときに被処理基板上に形成される光強度分布を概略的に示す図である。 第１パルス光と第２パルス光との時間的関係の異なる変形例を概略的に示す図である。 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。 従来技術にしたがってａ−ＳｉにＶ字型の光強度分布を有する光束を一定時間に亘って照射したときに得られる温度分布の変化に関する計算結果を示す図である。 図１８（ｄ）に示す温度分布変化に伴うａ−Ｓｉの結晶化の進展の様子を模式的に示す図である。 潜熱の影響を受けたときの従来技術の不都合を模式的に説明する図である。

符号の説明

１，２ 光変調素子
３，３Ａ，３Ｂ 照明系
３ａ ビームエキスパンダ
３ｂ，３ｄ フライアイレンズ
３ｃ，３ｅ 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
７，３２ ビームスプリッター
３１ ＫｒＦエキシマレーザ光源
３３，３７ 照明光学系
３４ 遅延光学系
４１，４３ 整形光学系
５１，５３ 偏光ビームスプリッター

Claims (18)

1. 入射する第１光束の強度を変調して非単結晶体上で第１光強度分布を有するようになる光束を非単結晶体に照射させて、非単結晶体を溶融するための第１光変調素子と、
   入射する第２光束の強度を変調して非単結晶体上で、前記第１光強度分布とは実質的に異なる第２光強度分布を有するようになる光束を前記非単結晶体上に照射させて、非単結晶体を溶融させるための第２光変調素子と、
   前記第１光強度分布を有する光束の照射により前記非単結晶体が部分的に溶融している期間内に、前記第２光強度分布の光束を前記非単結晶体の前記溶融している部分に入射させるための照明系とを具備する結晶化装置。
2. 入射する第１光束の強度を変調して、間に山形の単位光強度分布を規定するように隣り合った少なくとも２つのＶ字型の単位強度分布を有する光強度分布を非単結晶体上で有するようになる第１の光束を非単結晶体に照射させて、非単結晶体を溶融するための第１光変調素子と、
   入射する第２光束の強度を変調して非単結晶体上で第２光強度分布を有するようになる第２の光束を前記非単結晶体に照射させて、非単結晶体を溶融するための第２光変調素子と、
   前記第１の光束の照射開始から所定時間だけ遅れて前記第２の光束を前記第１の光束により溶融されている非単結晶の部分に照射させるための照明系とを具備する結晶化装置。
3. 前記照明系は、照明光束を射出するための光源と、該光源から射出された光束を前記第１の光束と第２の光束とに分割するためのビームスプリッターと、該ビームスプリッターからの第１の光束を前記第１光変調素子へ導くための第１光学系と、前記第１光学系よりも長い光路長を有し、前記ビームスプリッターからの第２の光束を前記第２光変調素子へ導くための第２光学系とを有する請求項１または２に記載の結晶化装置。
4. 前記第１光変調素子と前記第２光変調素子とは共通の単一の光変調素子であり、
   前記照明系は、第１の角度分布を有する前記第１の光束を前記共通の光変調素子に入射させた後に、前記第１の角度分布とは実質的に異なる第２の角度分布を有する前記第２の光束を前記共通の光変調素子に入射させる請求項１または２に記載の結晶化装置。
5. 前記照明系は、照明光束を射出するための光源と、該光源から射出された光束を前記第１と第２の光束に分割するためのビームスプリッターと、該ビームスプリッターからの第１の光束を整形して所定位置まで導くための第１整形光学系と、前記第１整形光学系よりも長い光路長を有し前記ビームスプリッターからの第２の光束を整形して所定位置まで導くための第２整形光学系と、前記所定位置に配置されて前記第１整形光学系を介した光束の光路と前記第２整形光学系を介した光束の光路とを合成するための光路合成素子と、該光路合成素子と前記共通の光変調素子との間に配置された共通の照明光学系とを有する請求項４に記載の結晶化装置。
6. 前記第１並びに第２の光束は、夫々第１並びに第２の互いに異なる偏光状態を有し、また、前記第１光変調素子と前記第２光変調素子とは共通の単一の光変調素子であり、
   前記照明系は、第１の偏光状態を有する前記第１光束を前記共通の光変調素子に入射させた後に、前記第２の偏光状態を有する前記第２光束を前記共通の光変調素子に入射させる請求項１または２に記載の結晶化装置。
7. 前記照明系は、照明光束を射出するための光源と、該光源から射出された光束をＳ偏光成分の第１の光束とＰ偏光成分の第２の光束に分割するための偏光ビームスプリッターと、該ビームスプリッターで反射されたＳ偏光の第１の光束を所定位置まで導くための第１光学系と、前記第１光学系よりも長い光路長を有し前記ビームスプリッターを透過したＰ偏光の第２の光束を前記所定位置まで導くための第２光学系と、前記所定位置に配置されて前記第１光学系を介したＳ偏光の光束の光路と前記第２光学系を介したＰ偏光の光束の光路とを合成するための光路合成素子と、該光路合成素子と前記共通の光変調素子との間に配置された共通の照明光学系とを有する請求項６に記載の結晶化装置。
8. 前記共通の光変調素子は、前記第１の偏光状態を有する前記第１の光束に対する透過率と前記第２の偏光状態を有する前記第２の光束に対する透過率とが実質的に異なるパターン領域を含んでいる請求項６に記載の結晶化装置。
9. 前記第１光変調素子および前記第２光変調素子と前記非単結晶体との間に配置され、第１並びに第２の光束を非単結晶体に照射させる共通の結像光学系をさらに備えている請求項１または２に記載の結晶化装置。
10. 所定の光強度分布を有する光束を非単結晶体に照射して結晶化体を生成する結晶化方法において、
    第１光強度分布を有する第１の光束を前記非単結晶体に照射する第１照射工程と、
    前記第１照射工程により前記非単結晶体が溶融している時間内に、前記第１光強度分布とは実質的に異なる第２光強度分布を有する光束を前記非単結晶体の溶融している部分に照射する第２照射工程とを具備する結晶化方法。
11. 所定の光強度分布を有する光束を非単結晶体に照射して結晶化体を生成する結晶化方法において、
    間に山形の単位光強度分布を規定するように隣り合った少なくとも２つのＶ字型の単位強度分布を有する光強度分布を非単結晶体上で有するようになる第１の光束を前記非単結晶体に照射する第１照射工程と、
    前記山形の単位光強度分布の頂部に対応して、前記非単結晶体に形成された高温領域における経時的な温度勾配の平坦化を補償するために、前記第１照射工程の開始から所定時間だけ遅れて第２光強度分布を有する光束を前記非単結晶体の高温領域に照射する第２照射工程とを具備する結晶化方法。
12. 前記第１照射工程では、第１光変調素子を介して変調された第１の光束を前記非単結晶体に照射し、
    前記第２照射工程では、前記第１光変調素子とは変調特性の異なる第２光変調素子を介して変調された第２の光束を前記非単結晶体に照射する請求項１０または１１に記載の結晶化方法。
13. 前記第１照射工程では、共通の光変調素子に第１の光束を入射させ、前記共通の光変調素子を介して位相変調された第１の光束を前記非単結晶体に照射し、
    前記第２照射工程では、前記第１の光束とは特性の異なる第２の光束を前記共通の光変調素子に入射させ、前記共通の光変調素子を介して位相変調された光束を前記非単結晶体に照射する請求項１０または１１に記載の結晶化方法。
14. 請求項１もしくは２に記載の結晶化装置または請求項１０もしくは１１に記載の結晶化方法を用いて製造されたデバイス。
15. 入射する光束の偏光状態に応じて透過率が異なるパターン領域と、位相変調領域とを含んでいる光変調素子。
16. 入射する第１の光束の位相を変調して得られた第１光強度分布の第１の光束を非単結晶体上に形成するための光変調素子と、
    この光変調素子を介して第１の光束が照射された非単結晶体が部分的に溶融している期間内に前記第１光強度分布のピーク位置と同一ピーク位置を有する第２光強度分布を有する第２の光束を前記非単結晶体の前記第１光強度分布の光束による照射部に入射させるための照明系とを具備する結晶化装置。
17. 前記第１光強度分布の光束は、最小値から最大値まで前記非単結晶体の融点以上の光強度を有し、
    前記第２光強度分布の光束は、少なくとも最大値部の光束が前記非単結晶体の融点以上の光強度を前記非単結晶体に形成する請求項１６に記載の結晶化装置。
18. 請求項１もしくは２に記載の結晶化装置または請求項１０もしくは１１に記載の結晶化方法を用いてチャネル領域が形成された薄膜トランジスタを有する表示装置。

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