JP2006024796A - 光照射装置、結晶化装置、結晶化方法、およびデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体膜の結晶化と結晶化領域の周辺へのアライメントマークの形成とを同時に行うことのできる結晶化装置。
【解決手段】 入射光束を位相変調する位相領域を有する光学変調素子（１）と、光学変調素子の位相領域（１ａ）を介して所定の偏光状態で入射する光束を２つの非干渉性の光束に分割するための光束分割素子（２Ｅ）と、光束分割素子を介した光束に基づいて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、光学変調素子の位相領域以外の特定領域（１ｂ）を介して光束分割素子に入射する光束の偏光状態を、光束分割素子において実質的に分割されない偏光状態に設定するための偏光状態設定手段（７，８，９）とを備えている。
【選択図】 図７

Description

本発明は、光照射装置、結晶化装置、結晶化方法、およびデバイスに関する。特に、本発明は、所定の光強度分布を有するレーザ光を非単結晶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）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。

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の基板に位相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の位相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

従来技術では位相シフターの位相段差が１８０度であったが、以下に示すような不都合があった。図２２および図２３を参照して、従来技術の不都合を説明する。位相シフター１９１と被処理基板との間に結像光学系を設けて、位相シフター１９１の像を結像光学系により被処理基板の所定面に結像させる結晶化装置において、結像光学系を介して被処理基板上に形成される逆ピーク状の光強度分布における最小光強度（逆ピーク点における光強度）１９２は、位相シフター１９１の段差１９３によって得られる位相差に依存することが判った。図２２（ｂ）に示すように、段差１９３による位相差が１８０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（結像面）に形成される逆ピーク状の光強度分布は左右対称であり、その最小光強度はほぼ０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も、形成される逆ピーク状の光強度分布は、図２２（ａ）および（ｃ）に示すように、ほぼ左右対称であり、その最小光強度は僅かに上昇するものの非常に小さい光強度である。このように、１８０度の位相シフターを用いる場合、デフォーカス方向に依存することなく光強度分布の対称性が維持されるので、深い焦点深度を実現することができる。しかしながら、逆ピーク点における最小光強度が非常に小さいため、その近傍では結晶成長開始強度（結晶成長が開始する光強度）以下となり、結晶化されないため結晶粒の充填率を高めることができないという不都合があった。

ちなみに、最小光強度を結晶成長開始強度に近づけることにより、照射面のほとんどを溶融させることができ、ひいては結晶化領域を広くすることが可能となる。１８０度の位相差を有する位相シフター１９１を形成するための段差は、レーザ光の波長をλとし、透明基材の屈折率をｎとしたとき、λ／２（ｎ−１）で求められる。石英基材の屈折率を１．４６とすると、ＸｅＣｌエキシマレーザ光の波長が３０８ｎｍであるから、１８０°の位相差を付けるためには３３４．８ｎｍの段差をエッチング等の方法で形成することになる。

一方、位相差が６０度となるように段差１９３を選択した位相シフターを用いたとき、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は、図２３（ｂ）に示すように、ほぼ左右対称であり、その最小光強度はある程度大きくなっている。これに対し、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、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の対称性は、大きく崩れ、その最小光強度（逆ピーク点）の位置が移動する。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。

このように、位相差が６０度の位相シフター１９１は、位相差が１８０度の位相シフターより逆ピーク点における最小光強度がある程度大きくなり結晶成長開始強度に近づけられるため、結晶化領域を広くすることができる。しかしながら、フォーカス位置から上下したデフォーカス位置での光強度分布は、対称性が大きく崩れる。しかも、図２３（ａ）の光強度分布と図２３（ｃ）の光強度分布とでは、デフォーカス方向に依存して対称性の崩れ方が逆になるので、焦点深度が浅く（狭く）なってしまう。さらに、デフォーカスにより逆ピーク点の位置が面内で移動するので、生成される結晶粒の位置も所望する位置からシフトしてしまい、この結晶粒を用いて回路を形成する場合に問題になるという不都合があった。即ち、所望する位置に結晶粒が形成できない場合、トランジスタのチャネル部から結晶粒がずれるため、トランジスタの特性が劣化するという不都合があった。

そこで、本出願人は、平成１６年１月２７日に出願の特願２００４−１７９４５号明細書および図面において、複屈折材料を利用した「複像法」の手法を用いて、深い焦点深度に基づいて所望の逆ピーク状の光強度分布を所望する位置に安定的に形成することができ、且つ半導体膜に高い充填率で結晶粒を形成することのできる結晶化装置および結晶化方法を提案している。ここで、結晶粒の充填率とは、逆ピーク状の光強度分布を有する光を照射したときの、照射面に対する結晶粒の面積の割合である。

ただし、複屈折材料を利用した複像法の手法では、以下に示すような新たな不都合が発生する。一般に、非単結晶半導体膜の結晶化を行う場合、結晶化の工程と、結晶化領域と異なる領域（通常は結晶化領域の周辺領域）にアライメントマークを形成（記録）する工程とを同時に行う必要がある。このアライメントマークは、結晶化工程の後の工程において、生成された結晶粒に位置合わせして露光プロセスを行うために必要である。アライメントマークは、例えば、線パターン（またはその組み合わせ）や、正方形パターンの列など、比較的単純なパターンからなる。

アライメントマークが露光装置により確実に検出されるためには、アライメントマーク自体が鮮明に形成されていることはいうまでもなく、アライメントマークの周辺に不要なパターンがあってはならない。半導体膜にアライメントマークを形成するには、露光領域（光が照射された領域）だけをポリシリコン化し、未露光領域（光が照射されない領域）をアモルファスシリコンのままで残す方法がある。この場合、露光装置は、たとえばポリシリコン化された領域の反射率とアモルファスシリコンのままで残された領域の反射率との差によりアライメントマークを認識することになる。

ところが、複屈折材料を利用した複像法により結晶化工程とアライメントマークの形成工程とを同時に行うと、図２４に示すように、結晶化領域２００の周辺のアライメントマーク領域２０１において、本来のアライメントマーク２０２が複像作用を受けて、図中水平方向に並んで重複（複像）して形成されたアライメントマーク２０２ａになったり、図中鉛直方向に並んで重複して形成されたアライメントマーク２０２ｂになったりする。アライメントマークが重複形成されると、露光装置によるアライメントマークの検出が不可能になってしまう。アライメントマークの重複形成を回避するには、結晶化工程の前工程あるいは後工程において、アライメントマークだけを別工程で形成せざるを得ない。この場合、アライメント精度およびスループットの低下、装置の複雑化という不都合が発生することになる。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、複屈折材料を利用した複像法を用いているにもかかわらず、半導体膜の結晶化と結晶化領域の周辺へのアライメントマークの形成とを同時に行うことのできる結晶化装置および結晶化方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、入射光束を位相変調する位相領域を有する光学変調素子と、
前記光学変調素子の前記位相領域を介して所定の偏光状態で入射する光束を２つの非干渉性の光束に分割するための光束分割素子と、
前記光束分割素子を介した光束に基づいて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、
前記光学変調素子の前記位相領域以外の特定領域を介して前記光束分割素子に入射する光束の偏光状態を、前記光束分割素子において実質的に分割されない偏光状態に設定するための偏光状態設定手段とを備えていることを特徴とする光照射装置を提供する。

第１形態の好ましい態様によれば、前記偏光状態設定手段は、入射するランダム偏光状態の光を円偏光状態の光に変換するための円偏光変換手段と、該円偏光変換手段と前記光学変調素子との間に配置された偏光素子とを有し、前記偏光素子は、円偏光状態で入射した光を円偏光状態のまま前記位相領域へ導くための無変換領域と、円偏光状態で入射した光を直線偏光状態に変換して前記特定領域へ導くための変換領域とを有する。この場合、前記円偏光変換手段は、光の入射側から順に、直線偏光器と、１／４波長板とを有することが好ましい。また、前記偏光素子の前記変換領域には１／４波長板が設けられていることが好ましい。

また、第１形態の好ましい態様によれば、前記偏光状態設定手段は、入射するランダム偏光状態の光をランダム偏光状態のまま前記位相領域へ導き且つ入射するランダム偏光状態の光を直線偏光状態の光に変換して前記特定領域へ導くための偏光素子を有する。この場合、前記偏光素子は、前記特定領域に対応する領域に設けられた直線偏光器を有することが好ましい。

また、第１形態の好ましい態様によれば、前記偏光状態設定手段は、入射するランダム偏光状態の光を直線偏光状態の光に変換するための直線偏光器と、該直線偏光器と前記光学変調素子との間に配置された偏光素子とを有し、前記偏光素子は、直線偏光状態で入射した光を偏光方向の同じ直線偏光状態のまま前記位相領域へ導くための無変換領域と、直線偏光状態で入射した光を偏光方向の異なる別の直線偏光状態に変換して前記特定領域へ導くための変換領域とを有する。この場合、前記偏光素子の前記変換領域には１／２波長板が設けられていることが好ましい。

また、第１形態の好ましい態様によれば、前記偏光状態設定手段は、入射するランダム偏光状態の光を直線偏光状態の光に変換するための直線偏光器と、該直線偏光器と前記光学変調素子との間に配置された偏光素子とを有し、前記偏光素子は、直線偏光状態で入射した光を偏光方向の異なる別の直線偏光状態に変換して前記位相領域へ導くための変換領域と、直線偏光状態で入射した光を偏光方向の同じ直線偏光状態のまま前記特定領域へ導くための無変換領域とを有する。この場合、前記偏光素子の前記変換領域には１／２波長板が設けられていることが好ましい。

また、第１形態の好ましい態様によれば、前記偏光状態設定手段は、入射するランダム偏光状態の光を直線偏光状態の光に変換するための直線偏光器と、該直線偏光器と前記光学変調素子との間に配置された偏光素子とを有し、前記偏光素子は、直線偏光状態で入射した光を円偏光状態に変換して前記位相領域へ導くための変換領域と、直線偏光状態で入射した光を偏光方向の同じ直線偏光状態のまま前記特定領域へ導くための無変換領域とを有する。この場合、前記偏光素子の前記変換領域には１／４波長板が設けられていることが好ましい。

また、第１形態の好ましい態様によれば、前記偏光状態設定手段は、入射する直線偏光状態の光を円偏光状態の光に変換するための１／４波長板と、該１／４波長板と前記光学変調素子との間に配置された偏光素子とを有し、前記偏光素子は、円偏光状態で入射した光を円偏光状態のまま前記位相領域へ導くための無変換領域と、円偏光状態で入射した光を直線偏光状態に変換して前記特定領域へ導くための変換領域とを有する。この場合、前記偏光素子の前記変換領域には１／４波長板が設けられていることが好ましい。

また、第１形態の好ましい態様によれば、前記偏光状態設定手段は、入射する直線偏光状態の光をランダム偏光状態の光に変換するためのデポラライザと、該デポラライザと前記光学変調素子との間に配置された偏光素子とを有し、前記偏光素子は、ランダム偏光状態で入射した光をランダム偏光状態のまま前記位相領域へ導くための無変換領域と、ランダム偏光状態で入射した光を直線偏光状態に変換して前記特定領域へ導くための変換領域とを有する。この場合、前記偏光素子の前記変換領域には直線偏光器が設けられていることが好ましい。

また、第１形態の好ましい態様によれば、前記偏光状態設定手段は、入射する直線偏光状態の光を偏光方向の異なる別の直線偏光状態の光に変換するための１／２波長板と、該１／２波長板と前記光学変調素子との間に配置された偏光素子とを有し、前記偏光素子は、直線偏光状態で入射した光を偏光方向の同じ直線偏光状態のまま前記位相領域へ導くための無変換領域と、直線偏光状態で入射した光を偏光方向の異なる別の直線偏光状態に変換して前記特定領域へ導くための変換領域とを有する。この場合、前記偏光素子の前記変換領域には１／２波長板が設けられていることが好ましい。

また、第１形態の好ましい態様によれば、前記偏光状態設定手段は、入射する直線偏光状態の光を偏光方向の異なる別の直線偏光状態の光に変換して前記位相領域へ導き且つ入射する直線偏光状態の光を偏光方向の同じ直線偏光状態のまま前記特定領域へ導くための偏光素子を有する。この場合、前記偏光素子は、前記特定領域に対応する領域に設けられた１／２波長板を有することが好ましい。

また、第１形態の好ましい態様によれば、前記偏光状態設定手段は、入射する直線偏光状態の光を円偏光状態の光に変換して前記位相領域へ導き且つ入射する直線偏光状態の光を偏光方向の同じ直線偏光状態のまま前記特定領域へ導くための偏光素子を有する。この場合、前記偏光素子は、前記特定領域に対応する領域に設けられた１／４波長板を有することが好ましい。

また、第１形態の好ましい態様によれば、前記光束分割素子は、前記光学変調素子と前記所定面との間に配置された複屈折素子を有する。この場合、前記複屈折素子は、結晶光学軸が光軸に対して所定の角度をなすように設定された複屈折性の平行平面板を有することが好ましい。あるいは、前記複屈折素子は、結晶光学軸が光軸に対してそれぞれ所定の角度をなすように設定された複屈折性の一対の平行平面板からなるサバール板を有することが好ましい。あるいは、前記複屈折素子は、結晶光学軸が光軸に対してそれぞれ所定の角度をなすように設定された複屈折性の一対の平行平面板と、該一対の平行平面板の間に設けられた１／２波長板とを有することが好ましい。

また、第１形態の好ましい態様によれば、前記光束分割素子は、前記結像光学系の瞳面またはその近傍に配置された複屈折素子を有する。この場合、前記複屈折素子は、結晶光学軸が光軸に対してそれぞれ垂直をなすように設定された複屈折性の一対の偏光プリズムからなるウォラストンプリズムを有することが好ましい。

本発明の第２形態では、第１形態の光照射装置の前記結像光学系の結像面に非単結晶半導体膜を有する被処理基板を設けるためのステージを備え、前記非単結晶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３形態では、第１形態の光照射装置を用いて、前記所定面に非単結晶半導体膜を有する被処理基板を設け、前記非単結晶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４形態では、第２形態の結晶化装置または第３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５形態では、所定の偏光状態で入射した光を前記所定の偏光状態のまま第１領域へ導くための無変換領域と、前記所定の偏光状態で入射した光を別の偏光状態に変換して前記第１領域とは異なる第２領域へ導くための変換領域とを有することを特徴とする偏光素子を提供する。

第５形態の好ましい態様によれば、前記変換領域には、直線偏光器または位相子が設けられている。この場合、前記直線偏光器は、光透過性の基板上に形成された導電体パターンを有することが好ましい。また、前記位相子は、光透過性の基板上にオプティカルコンタクトにより貼り付けられた波長板を有することが好ましい。

本発明の典型的な形態による結晶化装置では、複屈折材料を利用した複像法の適用に際して、本来の結晶化領域では複像機能を維持し、たとえばアライメントマーク領域（一般には結晶化領域以外の特定領域）では複像機能を無効化する構成を採用している。その結果、本発明では、複像法を用いているにもかかわらず、結晶化領域における半導体膜の結晶化と、結晶化領域の周辺におけるアライメントマーク領域へのアライメントマークの形成とを同時に行うことができ、アライメント精度およびスループットの低下、装置の複雑化という不都合を回避することができる。

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、本発明の実施形態にかかる結晶化装置の基本構成を概略的に示す図である。また、図２は、図１の照明系の内部構成を概略的に示す図である。図１および図２を参照すると、本実施形態の結晶化装置は、入射光束から逆ピーク状の光強度分布を形成するための光学変調素子１と、入射光束を偏光状態の異なる非干渉性の２つの光束に分割するための光束分割素子２（本実施形態では複屈折素子２Ｅ）とを備えている。

なお、光学変調素子１は、その位相パターン面（段差を有する面）が光束分割素子２と対向するように、光束分割素子２と近接して配置されている。光学変調素子１と光束分割素子２とを一体に構成してもよい。光学変調素子１および光束分割素子２の構成および作用については後述する。また、本実施形態の結晶化装置は、光学変調素子１を照明するための照明系３を備えている。照明系３は、たとえば図２に示す光学系で２４８ｎｍの波長を有する光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源３ａを備えている。なお、光源３ａとして、ＸｅＣｌエキシマレーザ光源やＹＡＧレーザ光源のような被結晶化処理体を溶融するエネルギー光線を出射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３ａから供給されたレーザ光は、ビームエキスパンダ３ｂを介して拡大された後、第１フライアイレンズ３ｃに入射する。こうして、第１フライアイレンズ３ｃの後側焦点面には複数の光源が形成され、これらの複数の光源からの光束は第１コンデンサー光学系３ｄを介して、第２フライアイレンズ３ｅの入射面を重畳的に照明する。その結果、第２フライアイレンズ３ｅの後側焦点面には、第１フライアイレンズ３ｃの後側焦点面よりも多くの複数の光源が形成される。第２フライアイレンズ３ｅの後側焦点面に形成された複数の光源からの光束は、第２コンデンサー光学系３ｆを介して、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３ｃおよび第１コンデンサー光学系３ｄは、第１ホモジナイザを構成し、この第１ホモジナイザにより光源３ａから供給されたレーザ光について光学変調素子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３ｅおよび第２コンデンサー光学系３ｆは第２ホモジナイザを構成し、この第２ホモジナイザにより第１ホモジナイザからの入射角度が均一化されたレーザ光について光学変調素子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３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、光学変調素子１の位相パターン面（後述する位相領域１ａ）と被処理基板５とを光学的に共役に配置している。換言すれば、被処理基板５は、光学変調素子１の位相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。結像光学系４は、正レンズ群４ａと正レンズ群４ｂとの間に開口絞り４ｃを備えている。

開口絞り４ｃは、開口部（光透過部）の大きさの異なる複数の開口絞りを有し、これらの複数の開口絞り４ｃは光路に対して交換可能に構成されていてもよい。あるいは、開口絞り４ｃは、開口部の大きさを連続的に変化させることのできる虹彩絞りを有していてもよい。いずれにしても、開口絞り４ｃの開口部の大きさ（ひいては結像光学系４の像側開口数ＮＡ）は、後述するように、被処理基板５の半導体膜上において所要の光強度分布を発生させるように設定されている。なお、結像光学系４は、屈折型の光学系であってもよいし、反射型の光学系であってもよいし、屈折反射型の光学系であってもよい。

また、被処理基板５は、たとえば液晶ディスプレイ用板ガラスの上に化学気相成長法（ＣＶＤ）により下地絶縁膜、非単結晶膜例えば非晶質シリコン膜およびキャップ膜が順次形成されたものである。下地絶縁膜およびキャップ膜は、絶縁膜例えばＳｉＯ₂である。下地絶縁膜は、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、結晶化される半導体膜である。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５は、真空チャックや静電チャックなどにより基板ステージ６上において予め定められた所定の位置に位置決めされて保持されている。

図３は、本実施形態における光学変調素子の構成を概略的に示す図である。本実施形態の光学変調素子１は、図３に示すように、位相パターンが形成された位相領域１ａと、被処理基板５上に形成すべきアライメントマークに対応するアライメントパターンが形成された一対の周辺領域１ｂとを備えている。一対の周辺領域１ｂは、互いに同じ構成を有し、位相領域１ａを挟むように対称的に設けられている。

位相領域１ａには、たとえば位相値が０度の矩形状の領域１ａａと位相値が１８０度（または６０度）の矩形状の領域１ａｂとが一方向に沿って交互に繰り返し形成されている。こうして、２つの矩形状の領域１ａａと１ａｂとの間には、１８０度（または６０度）の位相差線（位相の境界線：位相シフト線）１ａｃが形成されている。換言すれば、位相領域１ａは、位相差が１８０度（または６０度）のライン型位相シフターを構成している。なお、ここで用いている位相値とは、所定の位置での位相（変調量）を０度と基準化したときの、この位相からの相対的な位相差である。

また、各周辺領域１ｂには、たとえば複数の正方形パターン１ｂａからなるアライメントパターンが形成されている。さらに具体的に、各周辺領域１ｂには、たとえばクロムからなる遮光領域１ｂｂに光透過性の正方形パターン１ｂａが間隔を隔てて一列に複数個（図３では６個）形成されている。そして、各正方形パターン１ｂａを透過する光の強度を低減するために、各正方形パターン１ｂａをメッシュ構造としている。すなわち、各正方形パターン１ｂａは、間隔を隔てて縦横に配置された複数個（図３では９個）の光透過領域１ｂａａにより構成されている。

以下、図４を参照して、位相差が１８０度のライン型位相シフターを含む光学変調素子１の作用を説明する。光束分割素子２が介在しない場合、被処理基板５の表面において位相領域１ａに対応する結晶化領域（図２４の領域２００に対応）には、図４（ｂ）に示すように、位相差線１ａｃ（段差部：図４（ａ）を参照）に対応する線領域において光強度がほぼ０で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、光束分割素子２が介在しない場合、被処理基板５の表面において一対の周辺領域１ｂに対応する一対のアライメントマーク領域（図２４の領域２０１に対応）には、複数の正方形パターン１ｂａからなるアライメントパターンに対応する光強度分布が形成される。

位相パターン領域１ａは、例えば石英ガラス基板に所要の位相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。また、周辺領域１ｂは、たとえばクロムパターンを周知技術にしたがって石英ガラス基板上に形成することにより製造することができる。

図５は、本実施形態における光束分割素子の構成および作用を説明する図である。図５（ａ）を参照すると、本実施形態の光束分割素子２は、例えばその結晶光学軸２ａが光軸に対して所定の角度θをなすように設定された複屈折性の平行平面板からなる複屈折素子２Ｅである。複屈折素子２Ｅを形成する複屈折性の光学材料として、たとえば水晶、方解石、フッ化マグネシウムなどを用いることができる。

図５（ａ）に示すように、たとえばランダム偏光状態の光線Ｇが光軸と平行に複屈折素子２Ｅに入射すると、図５（ａ）の紙面に垂直な方向を偏光方向とする直線偏光状態の光線すなわち正常光線ｏ（黒丸で表示）は複屈折素子２Ｅの屈折作用を受けることなく直進して、光軸と平行に射出される。一方、図５（ａ）の紙面における水平方向を偏光方向とする直線偏光状態の光線すなわち異常光線ｅ（直線で表示）は、複屈折素子２Ｅの入射界面で屈折されて光軸とφの角度をなす方向に進んだ後、複屈折素子２Ｅの射出界面で屈折されて光軸と平行に射出される。この現象は広く知られたものであり、例えば、辻内順平著、朝倉書店出版の「光学概論II」の第５章や、工藤恵栄および上原富美哉著、現代工学社出版の「基礎光学＜光線光学・電磁光学＞」などに詳述されている。

このとき、複屈折素子２Ｅから光軸と平行に射出される正常光線ｏと異常光線ｅとの距離すなわち分離幅（離間距離）ｄは、複屈折素子２Ｅを形成する光学材料の種類、結晶光学軸との方向、切り出し方、複屈折素子２Ｅの光軸方向の寸法すなわち厚さなどに依存する。図５（ｂ）は光学変調素子１上の１点が、複屈折素子２Ｅにより、二点に分離されて観察される様子を示した図である。なお、複屈折素子２Ｅによる分離幅ｄは結像光学系４の物体側における値であり、結像光学系４の像面における分離幅は、分離幅ｄに結像光学系４の倍率（たとえば１／５）を乗じた値になる。

一軸結晶材料により形成された平行平面板状の複屈折素子２Ｅに垂直に光線を入射させた場合の分離幅ｄは、次の式（１）により表わされる。
ｄ＝tanφ×ｔ （１）
ただし、tanφ＝（ｎｏ²−ｎｅ²）sinθ・cosθ／（ｎｅ²cos²θ＋ｎｏ²sin²θ）

なお、式（１）において、ｎｏは正常光線ｏの屈折率であり、ｎｅは異常光線ｅの屈折率である。また、上述したように、φは異常光線ｅと入射界面の法線（すなわち光軸）との角度であり、θは結晶光学軸２ａと入射界面の法線との角度であり、ｔは複屈折素子２Ｅの厚さである。一例として、２４８ｎｍの波長を有する光およびθ＝４５度に設定された水晶製の複屈折素子２Ｅを用いる場合、分離幅ｄ＝２５μｍを得るに必要な複屈折素子２Ｅの厚さｔを求めてみると、波長２４８ｎｍの光に対する水晶の屈折率はｎｅ＝１．６１２４，ｎｏ＝１．６０１６であるから、複屈折素子２Ｅの厚さｔ＝３６９７μｍとなる。

図６は、位相差が１８０度のライン型位相シフターを含む光学変調素子と光束分割素子との協働作用を説明する図である。上述したように、図１に示す結晶化装置において光束分割素子２としての複屈折素子２Ｅが介在しない場合、被処理基板５の表面において位相領域１ａに対応する結晶化領域には、図６（ａ）に示すように、位相差線１ａｃに対応する線領域において光強度がほぼ０で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。本実施形態では、複屈折素子２Ｅを介して入射光束が偏光状態の異なる非干渉性の２つの光束に分割されるので、被処理基板５の表面上の結晶化領域には互いに離間した２つの逆ピーク状の光強度分布の合成に対応する所定の光強度分布が形成されることになる。

このとき、複屈折素子２Ｅへの入射光束がランダム偏光状態であれば、複屈折素子２Ｅを介して分割された２つの光束の強度が互いにほぼ等しくなる。また、複屈折素子２Ｅを介して分割された２つの光束が複像作用により被処理基板５の表面で重ね合わされるとき、２つの光束は互いに干渉しないので単純に光強度の和として合成される。このことを考慮し、本実施形態では、図６（ｂ）に示すように、正常光線ｏにより被処理基板５の表面上の結晶化領域に形成される逆ピーク状の光強度分布と異常光線ｅにより被処理基板５の表面上の結晶化領域に形成される逆ピーク状の光強度分布との距離ｄ１が位相差線１ａｃのピッチの半分に対応するように設定している。

したがって、正常光線ｏにより形成される逆ピーク状の光強度分布の逆ピーク部分と異常光線ｅにより形成される逆ピーク状の光強度分布の比較的平らな部分とが重ね合わされ、同様に異常光線ｅにより形成される逆ピーク状の光強度分布の逆ピーク部分と正常光線ｏにより形成される逆ピーク状の光強度分布の比較的平らな部分とが重ね合わされる。その結果、本実施形態では、光学変調素子１と複屈折素子２Ｅとの協働作用により、図６（ｃ）に示すように、位相差線１ａｃおよびその中間線に対応する線領域において光強度が最小で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被処理基板５の表面上の結晶化領域に形成される。

ここで、位相差が１８０度のライン型位相シフターを含む光学変調素子１の位相領域１ａおよび複屈折素子２Ｅを介して被処理基板５の表面上の結晶化領域に形成される逆ピーク状の光強度分布における逆ピーク点の最小光強度は最大光強度の半分程度である。しかも、図２２を参照して前述したように、１８０度の位相シフターを用いて形成される逆ピーク状の光強度分布はデフォーカスの影響をほとんど受けない。したがって、図６（ｃ）に示すように光学変調素子１の位相領域１ａおよび複屈折素子２Ｅを介して被処理基板５の表面上の結晶化領域に形成される逆ピーク状の光強度分布も同様に、デフォーカスの影響をほとんど受けることがない。

以上のように、本実施形態では、被処理基板５の表面上の結晶化領域に形成される逆ピーク状の光強度分布における逆ピーク点の最小光強度は最大光強度の半分程度である。また、被処理基板５にはデフォーカスの原因となる板厚偏差が不可避的に存在するが、被処理基板５の表面上の結晶化領域に形成される逆ピーク状の光強度分布はデフォーカスの影響をほとんど受けない。その結果、本実施形態では、複屈折素子２Ｅの複像作用により、深い焦点深度に基づいて所望の逆ピーク状の光強度分布を安定的に形成することができ、且つ被処理基板５の半導体膜上に形成される結晶粒の充填率を高めることができる。

前述したように、複屈折素子２Ｅにランダム偏光状態の光が入射するとき、複屈折素子２Ｅによる１：１の複像効果を得ることができ、その複像方向は図５の紙面に平行な方向である。また、円偏光状態の光、および図５の紙面と４５度の角度をなす方向に偏光方向を有する直線偏光状態（以下、「４５度直線偏光状態」という）の光が複屈折素子２Ｅに入射するときも同様に、複屈折素子２Ｅによる１：１の複像効果を得ることができ、その複像方向は図５の紙面に平行な方向である。これに対し、図５の紙面と平行な方向または図５の紙面と直交する方向に偏光方向を有する直線偏光状態、すなわち図５の紙面と０度または９０度の角度をなす方向に偏光方向を有する直線偏光状態（以下、「０度／９０度直線偏光状態」という）の光が複屈折素子２Ｅに入射すると、複屈折素子２Ｅによる複像作用は全く起こらない。

したがって、ランダム偏光状態の光、円偏光状態の光、または４５度直線偏光状態の光が光学変調素子１の位相領域１ａを介して複屈折素子２Ｅに入射し、０度／９０度直線偏光状態の光が光学変調素子１の周辺領域１ｂを介して複屈折素子２Ｅに入射するように構成すれば、位相領域１ａに形成された位相パターンだけが複屈折素子２Ｅの複像作用を受け、周辺領域１ｂに形成されたアライメントパターンは複屈折素子２Ｅの複像作用を受けないことになる。そこで、本実施形態では、被処理基板５上の半導体膜の結晶化と結晶化領域の周辺へのアライメントマークの形成とを同時に行うために、図７に示すように、照明系３と光学変調素子１との間に、照明系３側から順に、直線偏光器７、１／４波長板８、および偏光素子９を配置している。

直線偏光器７は、光軸に対して傾けて配置された光透過性の基板７ａの入射側（照明系３側）の面に多層膜７ｂを形成することにより構成されている。位相子としての１／４波長板８は、たとえば水晶のような複屈折材料により形成された透過型の１／４波長板である。また、偏光素子９は、光軸に対して直交するように配置された光透過性の基板９ａの射出側（光学変調素子１側）の面において光学変調素子１の周辺領域１ｂに対応する領域に、１／４波長板９ｂをオプティカルコンタクト（光学接着）の技術により貼り付けることにより構成されている。１／４波長板９ｂは、１／４波長板８と同様に、たとえば水晶のような複屈折材料により形成された透過型の１／４波長板である。

したがって、ＫｒＦエキシマレーザ光源やＸｅＣｌエキシマレーザ光源を含む照明系３からランダム偏光状態の光が供給される場合、このランダム偏光状態の光は、直線偏光器７を介して所定方向に偏光方向を有する直線偏光状態の光に変換された後、１／４波長板８を介して円偏光状態の光に変換される。１／４波長板８を介して円偏光状態に変換された光のうち、偏光素子９の基板９ａだけを透過した光は、円偏光状態のまま光学変調素子１の位相領域１ａおよび複屈折素子２Ｅを介して、被処理基板５の表面上の結晶化領域に達する。この場合、複屈折素子２Ｅには円偏光状態の光が入射するので、複屈折素子２Ｅによる１：１の複像効果が得られる。その結果、本実施形態では、上述したように、複屈折素子２Ｅの複像作用により、深い焦点深度に基づいて所望の逆ピーク状の光強度分布を安定的に形成することができ、且つ被処理基板５の半導体膜上に形成される結晶粒の充填率を高めることができる。

一方、１／４波長板８を介して円偏光状態に変換された光のうち、偏光素子９の基板９ａおよび１／４波長板９ｂを透過した光は、円偏光状態から０度／９０度直線偏光状態に変換され、光学変調素子１の周辺領域１ｂおよび複屈折素子２Ｅを介して、被処理基板５の表面上のアライメントマーク領域に達する。この場合、複屈折素子２Ｅには０度／９０度直線偏光状態（図７の紙面と０度または９０度の角度をなす方向に偏光方向を有する直線偏光状態）の光が入射するので、複屈折素子２Ｅによる複像作用は全く起こらない。

その結果、被処理基板５の表面上のアライメントマーク領域には、光学変調素子１の周辺領域１ｂに形成されたアライメントパターン（間隔を隔てて一列に並んだ複数の正方形パターン１ｂａ）に対応するアライメントマークが、複屈折素子２Ｅの複像作用を全く受けることなく鮮明に形成される。したがって、本実施形態では、複屈折素子２Ｅ（複屈折材料）を利用した複像法を用いているにもかかわらず、被処理基板５の表面上の結晶化領域における半導体膜の結晶化と、結晶化領域の周辺におけるアライメントマーク領域へのアライメントマークの形成とを同時に行うことができ、アライメント精度およびスループットの低下、装置の複雑化という不都合を回避することができる。

次に、図８を参照して、位相差が６０度のライン型位相シフターを含む光学変調素子の作用を説明する。光束分割素子２としての複屈折素子２Ｅが介在しない場合、結像光学系４のフォーカス位置（像面）に設定された被処理基板５の表面において位相領域１ａに対応する結晶化領域（図２４の領域２００に対応）には、図８（ｂ）に示すように、光学変調素子１の位相差線１ａｃ（図８（ａ）を参照）に対応する線領域において光強度が最小で周囲に向かって光強度が急激に増大する左右対称な逆ピーク状の光強度分布が形成される。

これに対し、結像光学系４のフォーカス位置から僅かな距離、例えば１０μｍだけ移動したデフォーカス位置に設定された被処理基板５の表面において位相領域１ａに対応する結晶化領域には、図８（ｃ）に示すように、光学変調素子１の位相差線１ａｃに対応する線領域から位置ずれした線領域において光強度が最小で周囲に向かって光強度が急激に増大する左右非対称な逆ピーク状の光強度分布が形成される。また、複屈折素子２Ｅが介在しない場合、被処理基板５の表面において一対の周辺領域１ｂに対応する一対のアライメントマーク領域（図２４の領域２０１に対応）には、複数の正方形パターン１ｂａからなるアライメントパターンに対応する光強度分布が形成される。

図９は、位相差が６０度のライン型位相シフターを含む光学変調素子と光束分割素子との協働作用を説明する図である。上述したように、図１に示す結晶化装置において光束分割素子２としての複屈折素子２Ｅが介在しない場合、結像光学系４のフォーカス位置に設定された被処理基板５の表面において位相領域１ａに対応する結晶化領域には、図８（ｂ）に示すように、位相差線１ａｃに対応する線領域において光強度が最小で周囲に向かって光強度が急激に増大する左右対称な逆ピーク状の光強度分布が形成される。結晶化装置に複屈折素子２Ｅを介在させた場合、入射光束が偏光状態の異なる非干渉性の２つの光束に分割されるので、被処理基板５の表面には互いに離間した２つの逆ピーク状の光強度分布の合成に対応する所定の光強度分布が形成されることになる。

このとき、複屈折素子２Ｅへの入射光束がランダム偏光状態であれば、複屈折素子２Ｅを介して分割された２つの光束の強度が互いにほぼ等しくなる。また、複屈折素子２Ｅを介して分割された２つの光束が被処理基板５の表面で重ね合わされるとき、２つの光束は互いに干渉しないので単純に光強度の和として合成される。本実施形態では、光学変調素子１の位相領域１ａにおける位相差線１ａｃのピッチが、被処理基板５の表面における２つの逆ピーク状の光強度分布の間隔（すなわち結像光学系４の像面における分離幅）と一致するように設定されている。

換言すれば、複屈折素子２Ｅにより分割されて被処理基板５の表面に結像する２つの逆ピーク状の光強度分布の間隔は、位相差線１ａｃの間隔に対応（一般には位相差線１ａｃの間隔の奇数倍に対応）するように設定される。したがって、フォーカス状態では、正常光線ｏにより形成される逆ピーク状の光強度分布と異常光線ｅにより形成される逆ピーク状の光強度分布とが完全に重なり合うだけである。その結果、最終的には複屈折素子２Ｅの影響を受けることなく、図８（ｂ）に示すように、位相差線１ａｃに対応する線領域において光強度が最小で周囲に向かって光強度が急激に増大する左右対称な逆ピーク状の光強度分布が被処理基板５の表面に形成される。

一方、複屈折素子２が介在しない場合、結像光学系４のデフォーカス位置に設定された被処理基板５の表面において位相領域１ａに対応する結晶化領域には、図８（ｃ）に示すように、位相差線１ａｃに対応する線領域から位置ずれした線領域において光強度が最小で周囲に向かって光強度が急激に増大する左右非対称な逆ピーク状の光強度分布が形成される。複屈折素子２Ｅを介した光束は、入射光束が偏光状態の異なる非干渉性の２つの光束に分割されるので、被処理基板５の表面には互いに離間した２つの左右非対称な逆ピーク状の光強度分布の合成に対応する所定の光強度分布が形成することになる。

すなわち、デフォーカス状態では、図９（ａ）に示すような正常光線ｏにより形成される左右非対称な逆ピーク状の光強度分布と、図９（ｂ）に示すような異常光線ｅにより形成される左右非対称な逆ピーク状の光強度分布とが形成されることになる。ここで、図９（ａ）に示す左右非対称な逆ピーク状の光強度分布と図９（ｂ）に示す左右非対称な逆ピーク状の光強度分布とは、複屈折素子２Ｅの作用によりｄ２だけ位置ずれしている。また、図８（ｃ）において隣接する２つの逆ピーク状の光強度分布は、隣接する２つの位相差線１ａｃの中間線に対応する線領域に関して反転対称になっており、その中間線に対応する線領域のピッチもｄ２である。

したがって、デフォーカス状態では、正常光線ｏにより形成される左右非対称な逆ピーク状の光強度分布と、異常光線ｅにより形成される左右非対称な逆ピーク状の光強度分布との合成により、図９（ｃ）に示すように左右対称な逆ピーク状の光強度分布が形成されることになる。なお、デフォーカス状態において被処理基板５の表面に形成される逆ピーク状の光強度分布では、光強度の最小になる逆ピーク点が位相差線１ａｃに対応する線領域から位置ずれすることはなくなる。

以上のように、本実施形態において位相差が６０度（位相差が１８０度と実質的に異なる）のライン型位相シフターを含む光学変調素子１を用いる場合、被処理基板５の表面において位相領域１ａに対応する結晶化領域に形成される逆ピーク状の光強度分布における逆ピーク点の最小光強度は０よりもある程度大きい値になる。また、被処理基板５にはデフォーカスの原因となる板厚偏差が不可避的に存在するが、光学変調素子１と光束分割素子２との協働作用により、被処理基板５の表面に形成される逆ピーク状の光強度分布はデフォーカスの影響をほとんど受けることなく左右対称である。その結果、位相差が６０度のライン型位相シフターを含む光学変調素子１を用いる場合にも、複屈折素子２Ｅの複像作用により、深い焦点深度に基づいて所望の逆ピーク状の光強度分布を安定的に形成することができ、且つ被処理基板５の半導体膜上に形成される結晶粒の充填率を高めることができる。

さらに、位相差が６０度のライン型位相シフターを含む光学変調素子１を用いる場合にも、被処理基板５の表面上のアライメントマーク領域には、光学変調素子１の周辺領域１ｂに形成されたアライメントパターン（間隔を隔てて一列に並んだ複数の正方形パターン１ｂａ）に対応するアライメントマークが、複屈折素子２Ｅの複像作用を全く受けることなく鮮明に形成される。その結果、複屈折素子２Ｅ（複屈折材料）を利用した複像法を用いているにもかかわらず、被処理基板５の表面上の結晶化領域における半導体膜の結晶化と、結晶化領域の周辺におけるアライメントマーク領域へのアライメントマークの形成とを同時に行うことができる。

本実施形態では、位相差が６０度のライン型位相シフターを含む光学変調素子１を用いる実施例において、被処理基板５の表面上の結晶化領域における半導体膜の結晶化と、結晶化領域の周辺におけるアライメントマーク領域へのアライメントマークの形成とを同時に行った。この実施例において、光源３ａとして、波長λ＝２４８ｎｍでランダム偏光状態の光をパルス幅２０ｎｓで出力するＫｒＦエキシマレーザ光源を用いている。その結果、照明系３は、同じく波長λ＝２４８ｎｍでランダム偏光状態のパルス光を供給することになる。

また、結像光学系４の像側開口数ＮＡは０．１３であり、結像光学系４の倍率の大きさは１／５であり、σ値（コヒーレンスファクター）は０．５である。また、合成石英基板により形成された光学変調素子１の位相領域１ａには、位相差が６０度のライン型位相シフターを構成するように２５μｍ幅（像面換算で５μｍ幅）の矩形状領域１ａａと１ａｂとが交互に形成されている。光学変調素子１の周辺領域１ｂには、クロムからなる遮光領域１ｂｂに１５μｍ×１５μｍ（像面換算で３μｍ×３μｍ）の光透過性の正方形パターン１ｂａが１５μｍ（像面換算で３μｍ）の間隔を隔てて一列に複数個形成されている。

さらに、複屈折素子２Ｅとして、水晶により形成され且つ結晶光学軸２ａの角度θが４５度に設定された厚さｔ＝３６９７μｍの平行平面板を用いている。したがって、複屈折素子２Ｅによる分離幅ｄは２５μｍであり、結像光学系４の像面における分離幅は５μｍである。被処理基板５は、基板上に、Ｓｉ基板、厚さ３００ｎｍのＳｉＯ₂層（下部絶縁層）、２００ｎｍのａ−Ｓｉ層、および厚さ３００ｎｍのＳｉＯ₂層（上部絶縁層）が順次設けることにより形成されている。

上述の条件にしたがう実施例では、複屈折素子２Ｅの複像作用により、十分に深いＤＯＦ（焦点深度）を確保した状態で、被処理基板５の半導体膜上の結晶化領域において所望の結晶化を達成することができた。また、被処理基板５の半導体膜上のアライメントマーク領域において、複屈折素子２Ｅの複像作用を受けることなくアライメントマークを鮮明にパターニングすることができた。なお、被処理基板５の半導体膜上に形成されたアライメントマークにおいて、正方形パターンの内部は光の照射を受けてポリシリコン化し、正方形パターンの外部は光の照射を受けることなくアモルファスシリコンのままである。この半導体基板（被処理基板５）にレジストを塗布して露光装置にセッティングしたところ、アライメントマークを正確に認識することができた。

なお、上述の実施形態では、直線偏光器７として、光軸に対して傾けた多層膜７ｂを利用している。しかしながら、これに限定されることなく、直線偏光器７として、ニコルプリズム、グラントムソンプリズム、グランプリズム、テイラープリズム、ポラロイド、パイルオブプレーツ、グリッド格子などを用いることができる。また、上述の実施形態では、１／４波長板８として、たとえば水晶のような複屈折材料により形成された透過型の１／４波長板を用いているが、これに限定されることなく、反射型の１／４波長板を用いることもできる。

また、上述の実施形態では、ランダム偏光状態の光を供給する照明系３と光学変調素子１との間に、直線偏光器７、１／４波長板８、および偏光素子９を配置している。しかしながら、これに限定されることなく、照明系３と光学変調素子１との間の要部構成については様々な変形例が可能である。具体的に、第１変形例では、図１０（ａ）に示すように、照明系３と光学変調素子１との間に、光透過性基板１０ａと直線偏光器としてのグリッド格子１０ｂとからなる偏光素子１０だけが配置されている。

偏光素子１０は、光軸に対して直交するように配置された光透過性の基板１０ａの射出側（光学変調素子１側）の面において光学変調素子１の周辺領域１ｂに対応する領域に、たとえばリソグラフイ技術によりグリッド格子１０ｂを作製することにより構成されている。グリッド格子１０ｂは、図１０（ｂ）に示すように、光の波長よりも小さいピッチを有する導電体（たとえばクロム）の格子パターンであり、ピッチ方向に偏光方向を有する直線偏光成分だけを透過させる特性を有する。

第１変形例では、照明系３から供給されたランダム偏光状態の光のうち、偏光素子１０の基板１０ａだけを透過した光が、ランダム偏光状態のまま光学変調素子１の位相領域１ａおよび複屈折素子２Ｅを介して、被処理基板５の表面上の結晶化領域に達する。この場合、複屈折素子２Ｅにはランダム偏光状態の光が入射するので、複屈折素子２Ｅによる１：１の複像効果が得られる。

一方、照明系３から供給されたランダム偏光状態の光のうち、偏光素子１０の基板１０ａおよびグリッド格子１０ｂを透過した光は、ランダム偏光状態から、グリッド格子１０ｂのピッチ方向に偏光方向を有する直線偏光状態（すなわち図１０（ａ）の紙面と０度または９０度の角度をなす方向に偏光方向を有する０度／９０度直線偏光状態）に変換され、光学変調素子１の周辺領域１ｂおよび複屈折素子２Ｅを介して、被処理基板５の表面上のアライメントマーク領域に達する。この場合、複屈折素子２Ｅには０度／９０度直線偏光状態の光が入射するので、複屈折素子２Ｅによる複像作用は全く起こらない。

第２変形例では、図１１に示すように、照明系３と光学変調素子１との間に、照明系３側から順に、直線偏光器７および偏光素子１１が配置されている。偏光素子１１は、光軸に対して直交するように配置された光透過性の基板１１ａの射出側（光学変調素子１側）の面において光学変調素子１の周辺領域１ｂに対応する領域に、１／２波長板１１ｂをオプティカルコンタクトにより貼り付けることにより構成されている。位相子としての１／２波長板１１ｂは、たとえば水晶のような複屈折材料により形成された透過型の１／２波長板である。

第２変形例では、照明系３から供給されたランダム偏光状態の光が、直線偏光器７を介して４５度直線偏光状態（図１１の紙面と４５度の角度をなす方向に偏光方向を有する直線偏光状態）の光に変換される。直線偏光器７を介して４５度直線偏光状態に変換された光のうち、偏光素子１１の基板１１ａだけを透過した光は、４５度直線偏光状態のまま光学変調素子１の位相領域１ａおよび複屈折素子２Ｅを介して、被処理基板５の表面上の結晶化領域に達する。この場合、複屈折素子２Ｅには４５度直線偏光状態の光が入射するので、複屈折素子２Ｅによる１：１の複像効果が得られる。

一方、直線偏光器７を介して４５度直線偏光状態に変換された光のうち、偏光素子１１の基板１１ａおよび１／２波長板１１ｂを透過した光は、４５度直線偏光状態から０度／９０度直線偏光状態（図１１の紙面と０度または９０度の角度をなす方向に偏光方向を有する直線偏光状態）に変換され、光学変調素子１の周辺領域１ｂおよび複屈折素子２Ｅを介して、被処理基板５の表面上のアライメントマーク領域に達する。この場合、複屈折素子２Ｅには０度／９０度直線偏光状態の光が入射するので、複屈折素子２Ｅによる複像作用は全く起こらない。

第３変形例では、図１２に示すように、照明系３と光学変調素子１との間に、照明系３側から順に、直線偏光器７および偏光素子１２が配置されている。偏光素子１２は、光軸に対して直交するように配置された光透過性の基板１２ａの射出側（光学変調素子１側）の面において光学変調素子１の位相領域１ａに対応する領域に、１／２波長板１２ｂをオプティカルコンタクトにより貼り付けることにより構成されている。１／２波長板１２ｂは、１／２波長板１１ｂと同様に、たとえば水晶のような複屈折材料により形成された透過型の１／２波長板である。

第３変形例では、照明系３から供給されたランダム偏光状態の光が、直線偏光器７を介して０度／９０度直線偏光状態（図１２の紙面と０度または９０度の角度をなす方向に偏光方向を有する直線偏光状態）の光に変換される。直線偏光器７を介して０度／９０度直線偏光状態に変換された光のうち、偏光素子１２の基板１２ａおよび１／２波長板１２ｂを透過した光は、４５度直線偏光状態（図１２の紙面と４５度の角度をなす方向に偏光方向を有する直線偏光状態）に変換された後、光学変調素子１の位相領域１ａおよび複屈折素子２Ｅを介して、被処理基板５の表面上の結晶化領域に達する。この場合、複屈折素子２Ｅには４５度直線偏光状態の光が入射するので、複屈折素子２Ｅによる１：１の複像効果が得られる。

一方、直線偏光器７を介して０度／９０度直線偏光状態に変換された光のうち、偏光素子１２の基板１２ａだけを透過した光は、０度／９０度直線偏光状態のまま、光学変調素子１の周辺領域１ｂおよび複屈折素子２Ｅを介して、被処理基板５の表面上のアライメントマーク領域に達する。この場合、複屈折素子２Ｅには０度／９０度直線偏光状態の光が入射するので、複屈折素子２Ｅによる複像作用は全く起こらない。

なお、第３変形例では、偏光素子１２の１／２波長板１２ｂに代えて、たとえば水晶のような複屈折材料により形成された透過型の１／４波長板１２ｃを用いることもできる。この場合、直線偏光器７を介して０度／９０度直線偏光状態に変換された光のうち、偏光素子１２の基板１２ａおよび１／４波長板１２ｃを透過した光は、円偏光状態に変換された後、光学変調素子１の位相領域１ａおよび複屈折素子２Ｅを介して、被処理基板５の表面上の結晶化領域に達する。この場合、複屈折素子２Ｅには円偏光状態の光が入射するので、複屈折素子２Ｅによる１：１の複像効果が得られる。

ところで、上述の実施形態および第１変形例〜第３変形例では、照明系３からランダム偏光状態の光が供給されることを想定しているが、ＫｒＦエキシマレーザ光源やＸｅＣｌエキシマレーザ光源を含む照明系３から直線偏光状態の光が供給される場合もある。この場合、照明系３と光学変調素子１との間の要部構成については様々な変形例が可能である。具体的に、第４変形例では、図１３に示すように、照明系３と光学変調素子１との間に、照明系３側から順に、１／４波長板８および偏光素子９が配置されている。

第４変形例では、照明系３から供給された０度／９０度直線偏光状態（図１３の紙面と０度または９０度の角度をなす方向に偏光方向を有する直線偏光状態）の光が、１／４波長板８を介して円偏光状態の光に変換される。１／４波長板８を介して円偏光状態に変換された光のうち、偏光素子９の基板９ａだけを透過した光は、円偏光状態のまま光学変調素子１の位相領域１ａおよび複屈折素子２Ｅを介して、被処理基板５の表面上の結晶化領域に達する。この場合、複屈折素子２Ｅには円偏光状態の光が入射するので、複屈折素子２Ｅによる１：１の複像効果が得られる。

一方、１／４波長板８を介して円偏光状態に変換された光のうち、偏光素子９の基板９ａおよび１／４波長板９ｂを透過した光は、円偏光状態から０度／９０度直線偏光状態（図１３の紙面と０度または９０度の角度をなす方向に偏光方向を有する直線偏光状態）に変換され、光学変調素子１の周辺領域１ｂおよび複屈折素子２Ｅを介して、被処理基板５の表面上のアライメントマーク領域に達する。この場合、複屈折素子２Ｅには０度／９０度直線偏光状態の光が入射するので、複屈折素子２Ｅによる複像作用は全く起こらない。

第５変形例では、図１４に示すように、照明系３と光学変調素子１との間に、照明系３側から順に、デポラライザ（非偏光化素子）１３および偏光素子１０が配置されている。デポラライザ１３は、たとえば水晶のような複屈折材料により形成された一対の楔形状の偏角プリズム１３ａと１３ｂとにより構成されている。ここで、偏角プリズム１３ａと１３ｂとは相補的な形状を有し、互いに貼り合わされて全体的に平行平面板の形態を有する。そして、第１偏角プリズム１３ａの結晶光学軸および第２偏角プリズム１３ｂの結晶光学軸はともに光軸に対して垂直で且つ互いに直交するように設定されている。

第５変形例では、照明系３から供給された０度／９０度直線偏光状態（図１４の紙面と０度または９０度の角度をなす方向に偏光方向を有する直線偏光状態）の光が、デポラライザ１３を介して面内方向での位相差の急激な変化により実質的にランダム偏光状態の光に変換される。デポラライザ１３を介して実質的にランダム偏光状態の光に変換された光のうち、偏光素子１０の基板１０ａだけを透過した光は、実質的にランダム偏光状態のまま光学変調素子１の位相領域１ａおよび複屈折素子２Ｅを介して、被処理基板５の表面上の結晶化領域に達する。この場合、複屈折素子２Ｅには実質的にランダム偏光状態の光が入射するので、複屈折素子２Ｅによる１：１の複像効果が得られる。

一方、デポラライザ１３を介してランダム偏光状態の光に変換された光のうち、偏光素子１０の基板１０ａおよびグリッド格子１０ｂを透過した光は、ランダム偏光状態から、グリッド格子１０ｂのピッチ方向に偏光方向を有する直線偏光状態（すなわち図１４の紙面と０度または９０度の角度をなす方向に偏光方向を有する０度／９０度直線偏光状態）に変換され、光学変調素子１の周辺領域１ｂおよび複屈折素子２Ｅを介して、被処理基板５の表面上のアライメントマーク領域に達する。この場合、複屈折素子２Ｅには０度／９０度直線偏光状態の光が入射するので、複屈折素子２Ｅによる複像作用は全く起こらない。

第６変形例では、図１５に示すように、照明系３と光学変調素子１との間に、照明系３側から順に、１／２波長板１４および偏光素子１１が配置されている。１／２波長板１４は、１／２波長板１１ｂなどと同様に、たとえば水晶のような複屈折材料により形成された透過型の１／２波長板である。ただし、透過型の１／２波長板１４に代えて、反射型の１／２波長板を用いることもできる。

第６変形例では、照明系３から供給された０度／９０度直線偏光状態（図１５の紙面と０度または９０度の角度をなす方向に偏光方向を有する直線偏光状態）の光が、１／２波長板１４を介して４５度直線偏光状態（図１５の紙面と４５度の角度をなす方向に偏光方向を有する直線偏光状態）の光に変換される。１／２波長板１４を介して４５度直線偏光状態に変換された光のうち、偏光素子１１の基板１１ａだけを透過した光は、４５度直線偏光状態のまま光学変調素子１の位相領域１ａおよび複屈折素子２Ｅを介して、被処理基板５の表面上の結晶化領域に達する。この場合、複屈折素子２Ｅには４５度直線偏光状態の光が入射するので、複屈折素子２Ｅによる１：１の複像効果が得られる。

一方、１／２波長板１４を介して４５度直線偏光状態に変換された光のうち、偏光素子１１の基板１１ａおよび１／２波長板１１ｂを透過した光は、４５度直線偏光状態から０度／９０度直線偏光状態に変換され、光学変調素子１の周辺領域１ｂおよび複屈折素子２Ｅを介して、被処理基板５の表面上のアライメントマーク領域に達する。この場合、複屈折素子２Ｅには０度／９０度直線偏光状態の光が入射するので、複屈折素子２Ｅによる複像作用は全く起こらない。

第７変形例では、図１６に示すように、照明系３と光学変調素子１との間に、偏光素子１２だけが配置されている。第７変形例では、照明系３から供給された０度／９０度直線偏光状態（図１６の紙面と０度または９０度の角度をなす方向に偏光方向を有する直線偏光状態）の光のうち、偏光素子１２の基板１２ａおよび１／２波長板１２ｂを透過した光は、４５度直線偏光状態（図１６の紙面と４５度の角度をなす方向に偏光方向を有する直線偏光状態）に変換された後、光学変調素子１の位相領域１ａおよび複屈折素子２Ｅを介して、被処理基板５の表面上の結晶化領域に達する。この場合、複屈折素子２Ｅには４５度直線偏光状態の光が入射するので、複屈折素子２Ｅによる１：１の複像効果が得られる。

一方、照明系３から供給された０度／９０度直線偏光状態の光のうち、偏光素子１２の基板１２ａだけを透過した光は、０度／９０度直線偏光状態のまま、光学変調素子１の周辺領域１ｂおよび複屈折素子２Ｅを介して、被処理基板５の表面上のアライメントマーク領域に達する。この場合、複屈折素子２Ｅには０度／９０度直線偏光状態の光が入射するので、複屈折素子２Ｅによる複像作用は全く起こらない。

なお、第７変形例では、偏光素子１２の１／２波長板１２ｂに代えて、たとえば水晶のような複屈折材料により形成された透過型の１／４波長板１２ｃを用いることもできる。この場合、照明系３から供給された０度／９０度直線偏光状態の光のうち、偏光素子１２の基板１２ａおよび１／４波長板１２ｃを透過した光は、円偏光状態に変換された後、光学変調素子１の位相領域１ａおよび複屈折素子２Ｅを介して、被処理基板５の表面上の結晶化領域に達する。この場合、複屈折素子２Ｅには円偏光状態の光が入射するので、複屈折素子２Ｅによる１：１の複像効果が得られる。

ところで、上述の実施形態において、複屈折素子２Ｅを光学変調素子１の近傍に配置している。しかしながら、これに限定されることなく、複屈折素子２Ｅを光学変調素子１と被処理基板５との間に配置することにより、上述の複像効果を有効に発生させることができる。具体的には、図２５に示すように、複屈折素子２Ｅを光学変調素子１と結像光学系４との間に配置するか、あるいは結像光学系４と被処理基板５との間に配置することが望ましい。

また、複屈折素子２Ｅの光入射面を表面加工することにより所望する位相差を得るための段差を設けて、複屈折素子２Ｅの機能と光学変調素子１の機能とを一体化することも可能である。即ち、光学変調手段と光束分割手段とを一体に形成してもよい。

また、上述の実施形態では、複屈折素子２Ｅが１枚の複屈折性の平行平面板により構成されているので、正常光線ｏと異常光線ｅとで光路長が異なる。このため、複屈折素子２Ｅを介して分割された２つの光束の間に位相差が生じ、この２つの光束の結像位置が光軸方向に分離してしまう。この問題を回避するための、光束分割素子２として、結晶光学軸が光軸に対してそれぞれ所定の角度をなすように設定された複屈折性の一対の平行平面板からなるサバール（Savart）板を用いることができる。

図１７を参照すると、サバール板２０を構成する一対の平行平面板２０ａと２０ｂとは互いに同じ厚さを有し、その結晶光学軸が光軸と約４５度の角度をなすようにそれぞれ設定されている。すなわち、第２平行平面板２０ｂは、第１平行平面板２０ａを光軸廻りに９０度回転させた状態にある。サバール板２０では、図１７に示すように分割された２つの光束の光路長が同じになるので、上述したような位相差による結像位置の分離問題は発生しない。

あるいは、位相差による結像位置の分離問題を回避するために、光束分割素子２として、いわゆるフランコン（Francon）によるサバール板の変形を用いることができる。図１８を参照すると、フランコンによるサバール板の変形例に基づく複屈折素子２１は、結晶光学軸が光軸に対してそれぞれ所定の角度をなすように設定された複屈折性の一対の平行平面板２１ａおよび２１ｂと、この一対の平行平面板２１ａと２１ｂとの間に設けられた１／２波長板２１ｃとにより構成されている。

複屈折素子２１を構成する一対の平行平面板２１ａと２１ｂとは互いに同じ厚さを有し、その結晶光学軸が光軸と約４５度の角度をなすようにそれぞれ設定されている。すなわち、第１平行平面板２１ａと第２平行平面板２１ｂとは、１／２波長板２１ｃに関して対称に配置されている。また、１／２波長板２１ｃを介して、正常光線ｏが異常光線ｅに変換され、異常光線ｅが正常光線ｏに変換される。その結果、複屈折素子２１では、図１８に示すように分割された二つの光束の光路長が同じになるので、上述したような位相差による結像位置の分離問題は発生しない。

また、上述の実施形態では、光束分割素子２として、光学変調素子１の近傍に配置された複屈折素子２Ｅを用いている。しかしながら、これに限定されることなく、図１９に示すように、複屈折素子２Ｅに代えて、結像光学系４の瞳面またはその近傍に配置された複屈折素子２２を用いることができる。複屈折素子２２は、図２０に示すように、結晶光学軸が光軸に対してそれぞれ所定の角度をなすように設定された複屈折性の一対の偏光プリズム２２ａおよび２２ｂからなるウォラストンプリズムである。

ここで、第１偏光プリズム２２ａの結晶光学軸は図２０の紙面において水平に設定され、第２偏光プリズム２２ｂの結晶光学軸は図２０の紙面に垂直に設定されている。すなわち、結晶光学軸が互いに直交する一対の偏光プリズム２２ａと２２ｂとにより平行平面板状のウォラストンプリズム２２が構成されている。ウォラストンプリズム２２は、入射光を偏光状態の異なる２つの光束、すなわち図２０の紙面に垂直な方向を偏光方向とする直線偏光状態の光束と、図２０の紙面に平行な方向を偏光方向とする直線偏光状態の光束とに分離する。

このとき、偏光状態の異なる２つの光束は、入射光に関して対称な偏向角で分離される。ウォラストンプリズム２２による２つの光束の分離角θ_wは、正常光線ｏの屈折率をｎｏとし、異常光線ｅの屈折率をｎｅとするとき、次の式（２）で表わされる。
sinθ_w＝２（ｎe−ｎo）tanθ_w｛１−（ｎe−ｎo）²・tan²θ_w／２＋・・・｝（２）

光束分割素子２としてウォラストンプリズム２２を用いる場合、分離角θ_wを適宜設定することにより、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、ウォラストンプリズムと同様に偏光方向により角度分離する素子としてローションプリズムやセナルモンプリズムがあり、これらも用いることができる。また、右回り偏光と左回り偏光に角度分離する素子としてフレネルの（多重）プリズムがあるが、これも用いることができる。なお、これらの素子やサバール板などは、これを通すことにより物体が二つに見えるため総称して複像子と呼ばれている。

図２１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２１（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２１（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２１（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２１（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２１（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２１（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、非単結晶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基本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。 本実施形態における光学変調素子の構成を概略的に示す図である。 位相差が１８０度のライン型位相シフターを含む光学変調素子の作用を説明する図である。 本実施形態における光束分割素子の作用を説明する図である。 位相差が１８０度のライン型位相シフターを含む光学変調素子と光束分割素子との協働作用を説明する図である。 本実施形態にかかる結晶化装置の要部構成を概略的に示す図である。 位相差が６０度のライン型位相シフターを含む光学変調素子の作用を説明する図である。 位相差が６０度のライン型位相シフターを含む光学変調素子と光束分割素子との協働作用を説明する図である。 本実施形態の第１変形例にかかる結晶化装置の要部構成を概略的に示す図である。 本実施形態の第２変形例にかかる結晶化装置の要部構成を概略的に示す図である。 本実施形態の第３変形例にかかる結晶化装置の要部構成を概略的に示す図である。 本実施形態の第４変形例にかかる結晶化装置の要部構成を概略的に示す図である。 本実施形態の第５変形例にかかる結晶化装置の要部構成を概略的に示す図である。 本実施形態の第６変形例にかかる結晶化装置の要部構成を概略的に示す図である。 本実施形態の第７変形例にかかる結晶化装置の要部構成を概略的に示す図である。 本実施形態における光束分割素子として使用可能なサバール板の構成および作用を説明する図である。 本実施形態における光束分割素子として使用可能なサバール板の変形例の構成および作用を説明する図である。 結像光学系の瞳面またはその近傍に複屈折素子を配置した変形例を示す図である。 図１９に示すウォラストンプリズムの構成および作用を説明する図である。 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。 位相差が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。 位相差が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。 複屈折材料を利用した複像法の不都合を説明する図である。 複屈折素子を光学変調素子と結像光学系との間あるいは結像光学系と被処理基板との間に配置した変形例を示す図である。

符号の説明

１ 光学変調素子
２ 光束分割素子
２Ｅ 複屈折素子
３ 照明系
３ａ ＫｒＦエキシマレーザ光源
３ｂ ビームエキスパンダ
３ｃ，３ｅ フライアイレンズ
３ｄ，３ｆ コンデンサー光学系
４ 結像光学系
４ｃ 開口絞り
５ 被処理基板
６ 基板ステージ
７ 直線偏光器
８ １／４波長板
９〜１２ 偏光素子
１３ デポラライザ
１４ １／２波長板

Claims (18)

1. 入射光束を位相変調する位相領域を有する光学変調素子と、
   前記光学変調素子の前記位相領域を介して所定の偏光状態で入射する光束を２つの非干渉性の光束に分割するための光束分割素子と、
   前記光束分割素子を介した光束に基づいて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、
   前記光学変調素子の前記位相領域以外の特定領域を介して前記光束分割素子に入射する光束の偏光状態を、前記光束分割素子において実質的に分割されない偏光状態に設定するための偏光状態設定手段とを備えていることを特徴とする光照射装置。
2. 前記偏光状態設定手段は、入射するランダム偏光状態の光を円偏光状態の光に変換するための円偏光変換手段と、該円偏光変換手段と前記光学変調素子との間に配置された偏光素子とを有し、
   前記偏光素子は、円偏光状態で入射した光を円偏光状態のまま前記位相領域へ導くための無変換領域と、円偏光状態で入射した光を直線偏光状態に変換して前記特定領域へ導くための変換領域と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. 前記円偏光変換手段は、光の入射側から順に、直線偏光器と、１／４波長板と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. 前記偏光状態設定手段は、入射するランダム偏光状態の光をランダム偏光状態のまま前記位相領域へ導き且つ入射するランダム偏光状態の光を直線偏光状態の光に変換して前記特定領域へ導くための偏光素子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。
5. 前記偏光状態設定手段は、入射するランダム偏光状態の光を直線偏光状態の光に変換するための直線偏光器と、該直線偏光器と前記光学変調素子との間に配置された偏光素子とを有し、
   前記偏光素子は、直線偏光状態で入射した光を偏光方向の同じ直線偏光状態のまま前記位相領域へ導くための無変換領域と、直線偏光状態で入射した光を偏光方向の異なる別の直線偏光状態に変換して前記特定領域へ導くための変換領域と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。
6. 前記偏光状態設定手段は、入射するランダム偏光状態の光を直線偏光状態の光に変換するための直線偏光器と、該直線偏光器と前記光学変調素子との間に配置された偏光素子とを有し、
   前記偏光素子は、直線偏光状態で入射した光を偏光方向の異なる別の直線偏光状態に変換して前記位相領域へ導くための変換領域と、直線偏光状態で入射した光を偏光方向の同じ直線偏光状態のまま前記特定領域へ導くための無変換領域と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。
7. 前記偏光状態設定手段は、入射するランダム偏光状態の光を直線偏光状態の光に変換するための直線偏光器と、該直線偏光器と前記光学変調素子との間に配置された偏光素子とを有し、
   前記偏光素子は、直線偏光状態で入射した光を円偏光状態に変換して前記位相領域へ導くための変換領域と、直線偏光状態で入射した光を偏光方向の同じ直線偏光状態のまま前記特定領域へ導くための無変換領域と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. 前記偏光状態設定手段は、入射する直線偏光状態の光を円偏光状態の光に変換するための１／４波長板と、該１／４波長板と前記光学変調素子との間に配置された偏光素子とを有し、
   前記偏光素子は、円偏光状態で入射した光を円偏光状態のまま前記位相領域へ導くための無変換領域と、円偏光状態で入射した光を直線偏光状態に変換して前記特定領域へ導くための変換領域と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。
9. 前記偏光状態設定手段は、入射する直線偏光状態の光をランダム偏光状態の光に変換するためのデポラライザと、該デポラライザと前記光学変調素子との間に配置された偏光素子とを有し、
   前記偏光素子は、ランダム偏光状態で入射した光をランダム偏光状態のまま前記位相領域へ導くための無変換領域と、ランダム偏光状態で入射した光を直線偏光状態に変換して前記特定領域へ導くための変換領域と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。
10. 前記偏光状態設定手段は、入射する直線偏光状態の光を偏光方向の異なる別の直線偏光状態の光に変換するための１／２波長板と、該１／２波長板と前記光学変調素子との間に配置された偏光素子とを有し、
    前記偏光素子は、直線偏光状態で入射した光を偏光方向の同じ直線偏光状態のまま前記位相領域へ導くための無変換領域と、直線偏光状態で入射した光を偏光方向の異なる別の直線偏光状態に変換して前記特定領域へ導くための変換領域と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。
11. 前記偏光状態設定手段は、入射する直線偏光状態の光を偏光方向の異なる別の直線偏光状態の光に変換して前記位相領域へ導き且つ入射する直線偏光状態の光を偏光方向の同じ直線偏光状態のまま前記特定領域へ導くための偏光素子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。
12. 前記偏光状態設定手段は、入射する直線偏光状態の光を円偏光状態の光に変換して前記位相領域へ導き且つ入射する直線偏光状態の光を偏光方向の同じ直線偏光状態のまま前記特定領域へ導くための偏光素子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。
13. 前記光束分割素子は、前記光学変調素子と前記所定面との間に配置された複屈折素子を有することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光照射装置。
14. 前記複屈折素子は、結晶光学軸が光軸に対して所定の角度をなすように設定された複屈折性の平行平面板を有することを特徴とする請求項１３に記載の光照射装置。
15. 前記複屈折素子は、結晶光学軸が光軸に対してそれぞれ所定の角度をなすように設定された複屈折性の一対の平行平面板からなるサバール板を有することを特徴とする請求項１３に記載の光照射装置。
16. 前記光束分割素子は、前記結像光学系の瞳面またはその近傍に配置された複屈折素子を有することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光照射装置。
17. 請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の光照射装置の前記結像光学系の結像面に非単結晶半導体膜を有する被処理基板を設けるためのステージを備え、前記非単結晶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。
18. 請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の光照射装置を用いて、前記所定面に非単結晶半導体膜を有する被処理基板を設け、前記非単結晶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。

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