JP2006040949A - 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】レーザー光学系の熱レンズ効果による結像位置のズレと、被処理基板側の平坦性に起因する結像位置のズレとの両者を補正することができる基板高さ補正システムを備えた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。
【解決手段】レーザー結晶化装置１は、被処理基板２７に設けられた薄膜２８にレーザー光を照射して、この薄膜２８の照射領域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２８の照射領域を照明する測定光を射出する測定用光源３１と、前記測定光で前記結晶化用光学系２の結像光学系２６を介して前記薄膜２８を照明し、前記薄膜２８で反射した前記測定光を検出する基板高さ補正手段３とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体膜等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わり、特に、レーザー光の結像位置に対する半導体膜の高さズレを補正する手段を備えたレーザー結晶化装置及びレーザー結晶化方法に関する。
例えば、大エネルギーの短パルスレーザー光を用いて非単結晶の半導体薄膜を溶融、結晶化するレーザー結晶化技術は、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に使用する半導体薄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する技術（Phase Modulated Excimer Laser Annealing：ＰＭＥＬＡ）が注目されている。ＰＭＥＬＡ技術は、位相変調素子、例えば、位相シフタにより位相変調された所定の光強度分布を持つエキシマレーザー光を、例えば、ガラス基板上に形成した非単結晶半導体薄膜、例えば、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して、その照射部を結晶化する方法である。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して結晶化し、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る（非特許文献１参照）。
このＰＭＥＬＡ技術において、品質が安定した結晶化された半導体膜を得るためにはレーザー光照射毎に、結晶化される非単結晶半導体薄膜をエキシマレーザー光の結像位置に常に合わせて結晶化することが、重要な技術課題の一つであることが判った。処理される基板は、大面積、例えば、５５０ｍｍ×６５０ｍｍ、であるため、基板自身が有するソリ、厚さムラ及びＰＭＥＬＡ装置に設置した際のたわみ等を有する。これによって、実質的な被処理基板の平坦性は、レーザー光の焦点深度、例えば、±５μｍから１０μｍより悪いことが一般的である。そのため、従来のレーザー結晶化装置は、固定の基板高さ測定センサを備えているものがある。代表的な基板高さ測定センサには、光学式、静電容量式、あるいは気体圧力式がある。これらの固定センサを使用した基板高さ補正は、上記のような基板の平坦性に起因する結像位置ズレの補正に対しては適している。しかし、レーザー結晶化装置では、後で詳しく述べるように、高エネルギーのレーザー光を使用するため、使用中にエキシマ結像光学系のレンズ温度が上昇し、これに起因するエキシマ結像光学系の結像位置のズレが生じる。従来の固定の基板高さ測定センサを使用した補正方法では、このエキシマ結像光学系の温度変化によるレーザー結晶化装置自身に起因する結像位置のズレは、原理的に補正することができない。
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−」
上記したように、レーザー結晶化装置において、溶融して結晶化される非単結晶半導体薄膜上に結晶化用レーザー光の結像位置を常に一致させることが、結晶化した半導体膜の高品質化及び安定化のために好ましい。レーザー光の結像位置と非単結晶半導体薄膜を形成した基板の高さ位置とのズレは、前述したように、例えば、被処理基板が有するソリ等の平坦性、基板を保持することによるたわみ等の非単結晶半導体薄膜基板側の問題によって生じるほか、後で詳しく述べるように結晶化用光学系の問題によっても生じる。
結晶化用レーザー光の結像位置と、被処理基板上に設けた非単結晶半導体薄膜の位置（高さ）との間にズレが生じると、半導体薄膜を溶融させた後の結晶化工程において所望の結晶化が行われなくなる。非単結晶半導体薄膜を照射する結晶化用レーザー光は、特にＰＭＥＬＡ装置では、結晶化される非単結晶半導体薄膜上で所定の光強度分布を有するように光学系によって調整されている。しかし、上記結像位置と処理される非単結晶半導体薄膜の位置との間にズレが生じると、非単結晶半導体薄膜上で所定の光強度分布が得られなるため、レーザー光照射領域でのミクロな温度分布が、所定の分布から変化する。その結果、所望の半導体膜の溶融、結晶化が行われなくなる。すなわち、成長した結晶粒の大きさが小さくなるばかりでなく、結晶粒の大きさも不揃いになり、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。
ＰＭＥＬＡ装置で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）が好ましく、その波長は、それぞれ２４８ｎｍ及び３０８ｎｍである。また、例えば、位相シフタ等の位相変調光学素子を使用して所定の光強度分布を有するエキシマレーザー光を結晶化する非単結晶半導体薄膜上に照射するＰＭＥＬＡ装置では、数μｍ程度の高解像度でエキシマレーザー光を非単結晶半導体薄膜上に結像させることが望ましい。
ＰＭＥＬＡ装置で使用するエキシマレーザー光は、生産効率の面から、強い光強度、高デューティー、大面積での使用が前提となり、非単結晶半導体薄膜上で約１Ｊ／ｃｍ２の強い強度を有することが好ましい。これは、半導体集積回路の製造等に用いられている露光装置のエキシマレーザー光強度に比べ、桁違いに大きい値である。このように強い光強度のエキシマレーザー光を得るために、ＰＭＥＬＡ装置では、露光装置のようなエキシマレーザー光の狭帯域化をせずに、スペクトル幅の広い、例えば、０．５ｎｍのスペクトル幅の、エキシマレーザー光を使用して、レーザー光の使用効率を高めている。
また、ＰＭＥＬＡ装置で使用する紫外光であるエキシマレーザー光に対応できるレンズ材料は少なく、光の吸収特性等から、紫外線用の合成石英若しくはフッ化カルシウム（ＣａＦ２）が好ましい。上記したように、位相シフタを使用したＰＭＥＬＡ装置では、スペクトル幅の広いエキシマレーザー光を使用して高解像度の像を非単結晶半導体薄膜上に結像させるため、レンズの色収差補正が重要である。しかし、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光学系の構成は、耐熱性の面から好ましくない。そこで、上記のような限られたレンズ材料で色収差補正を行わなくてはならないため、レンズ枚数が増えてしまうことになる。このようなレンズ系で強い強度のエキシマレーザー光を使用すると、光学系を構成する各レンズの内部でエキシマレーザー光をわずかずつではあるが吸収する結果、レンズの温度が上昇したりレンズが歪む等の、いわゆる熱レンズ効果が生じる。すなわち、この熱レンズ効果により結像位置が変化するという問題が生じる。あるＰＭＥＬＡ装置のエキシマレーザー結像光学系では、レンズ温度が１℃変化すると、結像位置は、例えば、１０μｍ変化するといわれている。ＰＭＥＬＡ装置の結像光学系の焦点深度が±１０μｍ程度であることを考慮すると、この温度変化により生じる結像位置のズレは、無視できない大きさである。このような結像位置ズレは、液晶表示装置のような広い面積を有する被処理半導体膜基板にわたってパルスレーザー光の繰り返し照射によって結晶化した場合に、結晶化した半導体膜の品質にバラツキを生じさせる。その結果、そこに形成した素子の画像スイッチング特性ムラを招き、画像歪みが発生するという課題が生じる。
従来の固定式基板高さ補正システムでは、前に述べたように補正する対象を主に被処理基板に起因する基板の高さズレとしているため、上記したようなエキシマレーザー結晶化用光学系の、例えば、熱レンズ効果に起因する結像位置のズレを補正することは、考慮されていない。
本発明の目的は、上記した課題に対処してなされたもので、結晶化した半導体薄膜の品質の低下を防止し、結晶粒の大きさを均一化した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。
上記した課題は、以下の本発明に係るレーザー結晶化装置及びレーザー結晶化方法によって解決される。
本発明の１つの観点にしたがっ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、この薄膜の照射領域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、前記薄膜の照射領域を照明する測定光を射出する測定用光源と、前記測定光で前記結晶化用光学系の結像光学系を介して前記薄膜を照明し、前記薄膜で反射した前記測定光を検出する基板高さ補正手段とを具備する。
本発明の他の１つの観点にしたがっ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位相変調素子により光強度分布を与えたレーザー光を照射して、この薄膜の照射領域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、前記薄膜の照射領域を照明する測定光を射出する測定用光源と、前記測定光で前記結晶化用光学系の結像光学系を介して前記薄膜を照明し、前記薄膜で反射した前記測定光を検出する基板高さ補正手段とを具備する。
本発明の他の１つの観点にしたがったレーザー結晶化方法は、レーザー光源からレーザー光を射出する工程と、前記レーザー光をこのレーザー光の光路に設置された結像光学系を介して被処理基板に設けられた薄膜に照射し、この薄膜を溶融して結晶化する工程と、前記レーザー光の光路外に設けられた光源から測定光を射出する工程と、前記結像光学系を介して前記レーザー光の光路に沿って前記測定光で前記薄膜を照明する工程と、前記薄膜で反射した前記測定光を前記結像光学系を介して検出する工程とを具備する。
本発明のさらに他の１つの観点にしたがったレーザー結晶化方法は、レーザー光源からレーザー光を射出する工程と、前記レーザー光を位相変調素子により所定の光強度分布を有するレーザー光に変調する工程と、前記変調されたレーザー光をこのレーザー光の光路に設置された結像光学系を介して被処理基板に設けられた薄膜に照射し、この薄膜を溶融して結晶化する工程と、前記レーザー光の光路外に設けられた光源から測定光を射出する工程と、前記結像光学系を介して前記レーザー光の光路に沿って前記測定光で前記薄膜を照明する工程と、前記薄膜で反射した前記測定光を前記結像光学系を介して検出する工程とを具備する。
本発明によれば、結晶化した半導体薄膜の品質の低下を防止し、結晶粒の大きさを均一化した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。
本発明の基板高さ補正システムを備えた半導体膜のレーザー結晶化装置の実施形態について、以下、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に基づいたレーザー結晶化装置１の概要図である。この装置は、位相変調素子２４を縮小投影する結晶化用光学系２と基板高さ補正手段３とを備えたレーザー結晶化装置１であり、基板高さ補正手段３の測定結果に基づいて被処理基板２７の高さ方向のズレを補正する機能を備える。
結晶化用光学系２は、位相変調素子２４、例えば、位相シフタを照明する結晶化用レーザー光を射出、調整するエキシマ照明光学系２０と、位相シフタ２４により位相変調された結晶化用レーザー光を結晶化する被処理基板２７上に設けられた非単結晶半導体薄膜２８に照射するエキシマ結像光学系２６を含む。図２は、図１に示したレーザー結晶化装置１で使用される、位相シフタ２４を使用した結晶化用光学系２の主要部の一例を示す図である。エキシマ照明光学系２０は、同一光軸上に設けられたレーザー光源２１と、ビームエキスパンダ２２と、ホモジナイザ２３とをさらに含む。
レーザー光源２１は、被処理基板２７上に形成された半導体薄膜２８を溶融、結晶化させるため高エネルギー、例えば、１Ｊ／ｃｍ２であることが好ましい。そこで、例えば、フッ化クリプトン（ＫｒＦ）エキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）、塩化キセノン（ＸｅＣｌ）エキシマレーザー（波長３０８ｎｍ）のようなエキシマレーザー光を使用することが好ましい。
ＰＭＥＬＡ装置で使用される一般的な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、例えば、半値幅で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２７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、例えば、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２７を基板保持ステージ２９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２７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光ビームを拡大するもので、図２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、入射したレーザー光ビームの断面ＸＹ方向の寸法を決定しかつ決定した形状内の光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２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光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起こさせ、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°の位相差を付ける位相シフタ２４は、入射光を位相変調して、上記段差に対して左右対称な逆ピーク状光強度分布にする。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レーザー光強度分布を実現できる。
位相シフタ２４を透過したエキシマレーザー光は、反射鏡２５により被処理基板２７の方向に向きを変えられ、収差補正されたエキシマ結像光学系２６により位相シフタ２４と共役関係にある被処理基板２７上の非単結晶半導体薄膜２８に、所定の光強度分布で結像する。この反射鏡２５は、紫外光を反射するが、可視光を透過するように設計されている。結像光学系２６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２６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２６は、位相シフタ２４と被処理基板２７上の非単結晶半導体薄膜２８とをエキシマレーザー光に対して光学的に共役に配置する。換言すれば、被処理基板２７上の非単結晶半導体薄膜２８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２６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２７は、一般に、基板上に絶縁膜を介して被処理非単結晶半導体膜２８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。基板は、例えば、透明のガラス基板、プラスチック基板、シリコン等の半導体基板（ウェハ）である。被処理非単結晶半導体膜２８は、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である。本実施形態で使用した被処理基板２７は、脱水素処理をした非晶質シリコン膜２８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２７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２９に取り外し可能に保持される。
上記したように、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、被処理基板２７に形成した非単結晶半導体膜２８にレーザー光を照射する投影型結晶化装置である。レーザー光照射部によって溶融した部分では、この光強度分布パターンにしたがって結晶化が水平方向に進み、例えば、１０μｍ程度の大粒径の単結晶粒を有する半導体膜２８を形成することが出来る。
上述してきたように、レーザー結晶化装置１では、約１Ｊ／ｃｍ２の高エネルギーのエキシマレーザー光を使用して、位相シフタ２４の像を高解像度で被処理基板２７に形成した非単結晶半導体膜２８上に結像させる。この結果、結像された被処理基板２７の非単結晶半導体膜２８の照射領域は、溶融し、その後凝固して結晶化される。この時、位相シフタ２４と被処理基板２７との間に設置されたエキシマ結像光学系２６の熱レンズ効果によって生じるレーザー光の結像位置のズレが、結晶化した半導体膜の品質に直接的に悪影響を及ぼす。エキシマ結像光学系２６に好ましいレンズ材料であるフッ化カルシウム及び紫外線用の合成石英のエキシマレーザー光の波長領域である２００ｎｍから３００ｎｍにおける透過率は、いずれも約９０％であるため、約１０％がレンズで吸収される。また、熱伝導率は、フッ化カルシウム及び合成石英でそれぞれ９．７１（Ｗ／ｍ・℃）及び１．３５（Ｗ／ｍ・℃）であるので、合成石英の方がフッ化カルシウムより温度変化が大きくなることが予想できる。上記のエキシマレーザー光強度で、例えば、２００Ｈｚのパルス照射を５分程度実施すると、フッ化カルシウムレンズでは、例えば、５℃程度、合成石英レンズでは、例えば、１０℃から１５℃程度の温度上昇が生ずると見積もられる。また、熱膨張係数及び屈折率の温度係数は、フッ化カルシウムではそれぞれ約２×１０−５／℃、−１×１０−５／℃であり、合成石英では、それぞれ４×１０−６／℃、１×１０−５／℃である。したがって、複数枚のレンズ群を使用するエキシマ結像光学系２６では、このようなレンズ材料の温度特性を考慮すると、１℃のレンズ温度変化に対して数μｍの結像位置の変化が見積もられる。例えば、あるエキシマ結像光学系では、１℃の温度変化に対して結像位置が１０μｍ変化するといわれている。エキシマ結像光学系２６の温度変化は、上記のように、例えば、１０℃程度見積もられるため、熱レンズ効果による結像位置の変化は、数１０μｍから１００μｍにもなり、エキシマ結像光学系２６の焦点深度±１０μｍよりはるかに大きくなると考えられる。
結晶化用レーザー光（エキシマレーザー光）の結像位置が、被処理基板２７上の非単結晶半導体膜２８からズレると、非単結晶半導体膜２８上で所定の光強度分布が得られなくなり、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、非単結晶半導体膜２８が結像位置にある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、レーザー光の反転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。そこで、エキシマ結像光学系２６の熱レンズ効果による結像位置を補正することが好ましい。
次に、基板高さ補正システム３について説明する。基板高さ補正システム３は、上記エキシマ結像光学系２６の熱レンズ効果などに起因する結像位置のズレの補正も行うシステムである。本実施形態の基板高さ補正システム３の構成の一例を図１に示す。基板高さ補正システム３では、測定用光源３１、例えば、可視光レーザー光源から射出される結像位置測定用の可視レーザー光、例えば、ヘリウムネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）レーザー光は、収束レンズ３２により収束され、ハーフミラー３３により結晶化を行う被処理基板２７に向けられる。この測定用可視レーザー光は、エキシマ結像光学系２６を介して被処理基板２７上の非単結晶半導体膜２８を照明する。しかし、エキシマ結像光学系２６は、紫外光であるエキシマレーザー用に設計されているため、測定用の可視レーザー光をこのエキシマ結像光学系２６に入射させると収差が生じる。可視光のエキシマ結像光学系２６による収差補正を行う可視補正光学系、例えば、可視補正レンズ３４をエキシマレーザー光の光路外で反射鏡２５とハーフミラー３３との間に設置する。このように、測定用可視レーザー光の結像面は、結晶化用エキシマレーザー光の結像面と一致するように光学系が設計されている。反射鏡２５は、前述のように可視光を透過するように設計されている。被処理基板２７上の非単結晶半導体膜２８は、可視光に対して収束レンズ３２の結像位置と共役な位置に設置される。非単結晶半導体膜２８で反射した測定用レーザー光は、再びエキシマ結像光学系２６及び可視補正レンズ３４を通り、ハーフミラー３３を透過し、ピンホール３５を通過して光検出器３６に到達する。ピンホール３５は、測定用レーザー光に関して可視補正レンズ３４とエキシマ結像光学系２６による被処理基板２７側の結像位置と共役な位置に設置される。ピンホール３５の大きさは、被処理基板２７側の結像位置上の測定用レーザー光の像の大きさと等しくすることが好ましい。光検出器３６で、ピンホールを通過した測定用レーザー光の強度、非単結晶半導体膜２８上の可視光像の歪みを測定することにより、被処理基板２７上の非単結晶半導体膜２８位置の結晶化用レーザー光の結像位置からのズレを検出できる。光検出器３６としては、例えば、２次元ＣＣＤ撮像素子、ホトダイオード、ホトトランジスタ、光電子増倍管を使用することができる。光検出器３６で検出し、変換した電気信号を、信号処理ユニット３７で処理して結像位置からのズレを補正するために、ステージ駆動部５０を介して基板保持ステージ２９を移動させることができる。
光検出器３６で、例えば、測定用レーザー光の非単結晶半導体膜２８からの入射光強度を測定して非単結晶半導体膜２８の高さを補正する方法のフローチャートを図３に示す。まず、ステップ１０２において、非単結晶半導体膜２８を測定用の測定用可視レーザー光で照明する。測定用レーザー光は、非単結晶半導体膜２８で反射して測定用レーザー光に対して非単結晶半導体膜２８側における結像位置と共役な位置に設置されたピンホール３５を通過して光検出器３６に到達する。
ステップ１０４において、このピンホール３５を通過した測定光の強度を測定する。前述の配置により、ピンホール３５面上の測定用レーザー光の像の大きさは、非単結晶半導体膜２８上の測定用レーザー光の像の大きさと等しくなる。非単結晶半導体膜２８上での測定用レーザー光の像の大きさは、非単結晶半導体膜２８が結像位置にある場合に、最も小さくなる。非単結晶半導体膜２８が結像位置からズレると、結像位置にある場合に比べレーザー光の非単結晶半導体膜２８上の像はボケて大きくなる。その結果、ピンホール３５面上の測定用レーザー光の像の大きさがピンホールより大きくなる。ピンホール３５の大きさは、非単結晶半導体膜２８側の結像位置における測定用レーザー光の像の大きさと等しいため、ピンホール３５を通過して光検出器３６に到達する測定用レーザー光の強度は、非単結晶半導体膜２８が結像位置にある場合に比べ弱くなる。
ステップ１０６において、反射光の強度が最大であるかどうかを信号処理ユニット３７において判断する。最大でなければ、ステップ１０８において、ステージ駆動部５０を介して基板保持ステージ２９を高さ（Z軸）方向に移動する。そして、ステップ１０４に戻って非単結晶半導体膜２８からの反射光強度の測定を繰り返す。
このようにして、ステップ１０６において検出される光強度が最大になると、基板位置補正は終了し、結晶化用エキシマレーザー光を照射する。
この測定において、測定用可視レーザー光の光路は、その中に結晶化用レーザー光と同じエキシマ結像光学系２６を含んでいる。このため、このエキシマ結像光学系２６が温度変化して、熱レンズ効果によって結晶化用エキシマレーザー光の結像位置が変化しても、測定用可視レーザー光の結像位置も同様に変化する。そこで、非単結晶半導体膜２８の位置を光軸方向（Ｚ軸方向）に補正して測定用可視レーザー光の結像位置に合わせることによって、非単結晶半導体膜２８を結晶化用エキシマレーザー光の結像位置に一致させることができる。
このように、光検出器３６で検出される測定用レーザー光の非単結晶半導体膜２８からの反射光強度が、常に最大になるように非単結晶半導体膜２８のＺ方向の位置を結晶化用エキシマレーザー光のパルス照射直前に補正する。このことにより、エキシマ結像光学系２６の熱レンズ効果によって生ずる結像位置ズレ及び被処理基板２７のたわみ等に起因する結像位置ズレの両者を同時に補正することが可能な、被処理基板２７上の非単結晶半導体膜２８の結像位置補正を実施できる。
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、被処理基板２７上の非単結晶半導体膜２８に特定のマスクパターンを結像させ、非単結晶半導体膜２８からの反射像を２次元光検出器３６Ａで検出して、２次元画像を使用して結像位置補正を行う方法である。
本実施形態の一例を、図４に示す。図４では、結晶化用光学系２は図１と同じであるため、エキシマ結像光学系２６以外の結晶化用光学系２を省略している。本実施形態では、測定用光源３１からの可視レーザー光は、照明レンズ４１を介して所定の測定用パターンを有する画像マスク４２を照明する。この測定用パターンの像は、ハーフミラー３３で反射され被処理基板２７に向けられ、可視補正レンズ３４、及びエキシマ結像光学系２６を介して被処理基板２７上の非単結晶半導体膜２８に結像される。この可視レーザー光の結像位置は、結晶化用エキシマレーザー光の結像位置と一致するように光学系が設計されている。非単結晶半導体膜２８で反射した測定用パターンは、逆経路のエキシマ結像光学系２６及び可視補正レンズ３４を戻り、ハーフミラー３３を透過して２次元光検出器３６Ａの受光面に到達する。本実施形態では、第１の実施形態で使用したピンホール３５を光路から外して、ピンホール３５のあった位置に２次元光検出器３６Ａを設置する。すなわち、２次元検出器３６Ａは、測定用レーザー光に関して非単結晶半導体膜２８側における結像位置と共役な位置に設置される。このように配置することによって、非単結晶半導体膜２８が結晶化用レーザー光の結像位置、すなわち測定用可視レーザー光の結像位置からズレると、２次元光検出器３６Ａによって検出される反射像がボケることになる。２次元光検出器３６Ａとしては、例えば、２次元ＣＣＤ撮像素子を使用することができる。この２次元ＣＣＤ撮像素子３６Ａで得られた画像を、信号処理ユニット３７により画像処理を行い、ステージ駆動部５０を介して基板保持ステージ２９を移動し、非単結晶半導体膜２８の結像位置ズレに対する補正を行う。
２次元画像を使用して被処理基板２７上の非単結晶半導体膜２８の結像位置に対するズレを補正する方法のフローチャートを図５に示す。測定用パターンとして、例えば、所定の間隔で設けたライン・アンド・スペースパターンを用いることができる。
ステップ１２２において非単結晶半導体膜２８に測定用パターンを可視補正レンズ３３及びエキシマ結像光学系２６を介して投影する。非単結晶半導体膜２８で反射した測定用パターンは、逆経路を戻り、ハーフミラー３２を透過して、ステップ１２４において２次元光検出器３６Ａで撮像される。
ステップ１２６において、２次元光検出器３６Ａで撮像された測定パターンの反射像は、信号処理ユニット３７で処理されて、像の鮮明度が判断される。具体的には、被処理基板２７の高さをわずかずつ変化させながら、この測定パターンの像の鮮明度を比較して、像が最も鮮明になる位置を求める。この位置が、エキシマ結像光学系２６の結像位置と非単結晶半導体膜２８の位置とが一致する位置になる。像の鮮明度の判断には、例えば、測定パターンの外形の鮮明さ、ライン部とスペース部のコントラストを利用することができる。
測定パターンの像が最も鮮明でないと判断されれば、ステップ１２８においてステージ駆動部５０を介して基板保持ステージ２９を高さ（Ｚ軸）方向に移動させ、非単結晶半導体膜２８の高さを変えてステップ１２２に戻って測定を繰り返す。測定パターンの像が最も鮮明になったと判断されれば、非単結晶半導体膜２８が結晶化用レーザー光の結像位置に設置されたことになり、結晶化用レーザー光の照射に進む。
本実施形態でも、測定用レーザー光の光路にエキシマ結像光学系２６が組み込まれているため、エキシマ結像光学系２６の熱レンズ効果によって生ずる結像位置ズレは、測定用レーザー光の結像位置のズレとして補正される。したがって、本実施形態によれば、熱レンズ効果によるエキシマ結像光学系２６の結像位置ズレ及び被処理基板２７のたわみ等に起因する結像位置ズレの両者を同時に補正することが可能な、被処理基板２７の高さ補正を実施できる。
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、エキシマ結像光学系２６のレンズ温度の変化が大きくなった場合においても、より正確な基板位置の補正を実行できる一例である。本実施形態では、温度変化に対するレンズの屈折率の変化量が光の波長によって異なる、すなわち、エキシマレーザー光と可視レーザー光とにおいて異なることをさらに補正する。
レンズの屈折率は、透過する光の波長によって変化する。例えば、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）の場合、波長０．２μｍの紫外光に対する屈折率は、１．４９５１であるのに対して、波長０．５μｍの可視光に対する屈折率は、１．４３６５であり、約４％異なる。紫外線用合成石英（ＵＶ−ＳｉＯ２）の場合、波長０．２１４４μｍの紫外光に対する屈折率は、１．５３３７であるのに対して、波長０．６４３８μｍの可視光に対する屈折率は、１．４５６７であり、５％以上異なる。また、屈折率及び熱膨張係数の温度係は、ＣａＦ２では、それぞれ−０．９５〜−１．１７×１０−５／℃及び１．６５〜１．９４×１０−５／℃、ＵＶ−ＳｉＯ２では、それぞれ１．００×１０−５／℃及び４．０×１０−６／℃である。これらの値の温度変化による影響は、それぞれのレンズに対しては大きくないが、複数枚のレンズを使用するエキシマ結像光学系２６では、温度変化が大きくなった場合には、この効果による光の波長による結像位置の変化量の差が無視できなくなる。
したがって、厳密な基板位置の補正を行うためには、それぞれ異なる上記した屈折率の波長依存性、及び屈折率及び膨張係数の温度変化を考慮して、光の波長による結像位置の変化量の差を補正なければならない。しかし、エキシマ結像光学系２６のレンズ構成は、装置により異なるため、光学系の温度変化による光の波長による結像位置の差を一義的に補正することは、容易ではない。
これを実際的に実行するために、使用するエキシマ結像光学系２６において、事前に、エキシマ結像光学系２６の温度を所定量変化させて、エキシマレーザー光と測定用可視レーザー光とのそれぞれについて、この温度変化に対する結像位置の変化量を測定する。そしてこれらの測定結果を、信号処理ユニット３７に、例えば、エキシマ結像光学系温度−結像位置変化量相関テーブルとして記憶させる。さらに、図６に示したように、エキシマ結像光学系２６に温度センサ４５を取り付け、エキシマ結像光学系２６の温度をモニタする。温度センサ４５として、例えば、サーミスタ等の半導体温度検出素子、銅−コンスタンタン等の熱伝対を使用することができる。
モニタされたエキシマ結像光学系２６のレンズ温度と予め記憶されている光学系温度−結像位置変化量相関テーブルに基づいて、第１若しくは第２の実施形態で得られた結像位置の補正量に対して、エキシマ結像光学系２６の温度変化によって生ずるエキシマレーザー光と可視レーザー光との間の結像位置の変化量の差を、さらに補正することができる。
図７は、エキシマ結像光学系２６の温度変化によって生ずるエキシマレーザー光と可視レーザー光との間の結像位置の変化量の差を考慮した、本実施形態による基板位置の補正フローチャートである。
光学系温度−結像位置変化量相関テーブルは、予め作成され信号処理ユニット３７に格納してある。さらに、追加の基板位置補正が必要になるエキシマ結像光学系２６の限界温度Ｔｃを設定する。すなわち、上記相関テーブルから、エキシマレーザー光と測定用可視レーザー光のそれぞれの結像位置の温度による差が許容できる所定の値になるエキシマ結像光学系２６の温度を限界温度Ｔｃとして設定する。許容できる結像位置の差の値は、例えば、エキシマ結像光学系２６の焦点距離の半分の値である。
ステップ１４２において、例えば、第１若しくは第２の実施形態の方法を使用してエキシマ結像光学系２６の温度変化による熱レンズ効果を含む被処理基板２７の位置のズレを補正する。これによって、エキシマレーザー光と測定用可視レーザー光のそれぞれの結像位置の温度による差を考慮せずに、被処理基板２７上の非単結晶半導体膜２８は、結晶化用エキシマレーザー光の結像位置に合わせられている。
ステップ１４２と並行してステップ１４４において、温度センサ４５によりエキシマ結像光学系２６の温度Ｔを測定する。ステップ１４６において、測定された温度Ｔが限界温度Ｔｃより高いか判断される。温度Ｔが限界温度Ｔｃより高ければ、追加の基板位置補正が必要になるため、ステップ１４８へ進む。温度Ｔが限界温度Ｔｃより低ければ、結晶化用レーザー光の照射に進む。
ステップ１４８において、信号処理ユニット３７に格納されている光学系温度−結像位置変化量相関テーブルから、測定された温度Ｔに対応する被処理基板２７の位置補正量Δｚを求める。そして、ステップ１５０において、ステージ駆動部５０を介して基板保持ステージ２９を位置補正量Δｚだけ追加補正して、結晶化用レーザー光の照射に進む。
このようにして、被処理基板２７のたわみ等に起因する結像位置ズレ及びエキシマ結像光学系２６の熱レンズ効果に起因する結像位置ズレだけでなく、結像光学系２６の温度上昇により結晶化用レーザー光と測定用レーザー光の波長の違いよって生じる結像位置の差をより厳密に補正することができる。
以上説明したように、本発明によれば、結晶化用光学系の熱レンズ効果による結像位置のズレと、被処理基板の平坦性に起因する結像位置のズレとの両者を同時に補正することが可能になる。その結果、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、再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。
本発明の第１の実施形態に基づいたレーザー結晶化装置１の主要部を説明するための概念図である。 図１のレーザー結晶化装置で使用される、位相シフタを使用したレーザー結晶化用光学系を説明するために主要部の一例を示す図である。 第１の実施形態に基づいた基板高さ補正の一例を説明するために示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に基づいた２次元画像による基板高さ補正システムの一例を説明するために示す図である。 第２の実施形態に基づいた基板高さ補正の一例を説明するために示すフローチャートである。 第３の実施形態を説明するために示すレーザー結晶化装置の主要部の一例である。 第３の実施形態に基づいた温度による補正を加えた基板高さ補正の一例を説明するために示すフローチャートである。
符号の説明
１…レーザー結晶化装置，２…結晶化用光学系，３…基板高さ補正システム，２０…エキシマ照明光学系，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…反射鏡，２６…結像光学系（エキシマ結像光学系），２７…被処理基板，２８…半導体薄膜，２９…基板保持ステージ，３１…測定用光源，３２…収束レンズ，３３…ハーフミラー，３４…可視補正レンズ，３５…ピンホール，３６…光検出器，３７…信号処理ユニット，４１…照明レンズ，４２…画像マスク，４５…温度センサ，５０…ステージ駆動部。

Claims (14)

  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、この薄膜の照射領域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、前記薄膜の照射領域を照明する測定光を射出する測定用光源と、
    前記測定光で前記結晶化用光学系の結像光学系を介して前記薄膜を照明し、前記薄膜で反射した前記測定光を検出する基板高さ補正手段とを具備することを特徴とするレーザー結晶化装置。
  2. 被処理基板に設けられた薄膜に位相変調素子により光強度分布を与えたレーザー光を照射して、この薄膜の照射領域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、前記薄膜の照射領域を照明する測定光を射出する測定用光源と、
    前記測定光で前記結晶化用光学系の結像光学系を介して前記薄膜を照明し、前記薄膜で反射した前記測定光を検出する基板高さ補正手段とを具備することを特徴とするレーザー結晶化装置。
  3. 前記基板高さ補正手段は、
    前記薄膜で反射した前記測定光を検出する光検出器と、
    前記光検出器と前記結像光学系との間の前記レーザー光の光路外に設けられ、前記測定光の結像位置を補正して前記レーザー光の結像位置に一致させる補正光学系とを具備し、
    前記測定光は、前記補正光学系及び前記結像光学系とを介して前記薄膜を照明することを特徴とする請求項１若しくは２に記載のレーザー結晶化装置。
  4. 前記基板高さ補正手段は、
    前記測定用光源からの前記測定光を収束する収束レンズと、
    前記測定光に関して前記結像位置と共役な位置に設置されたピンホールとを具備し、
    前記収束レンズは、その焦点位置が、前記測定光に関して前記補正光学系及び前記結像光学系とを介して前記結像位置と共役な位置に設置されることを特徴とする請求項３に記載のレーザー結晶化装置。
  5. 前記基板高さ補正手段は、
    前記薄膜で反射し前記ピンホールを通過した前記測定光を前記光検出器で検出し、この光強度が最大になる位置に前記薄膜の高さを調整することを特徴とする請求項４に記載のレーザー結晶化装置。
  6. 前記光検出器は、２次元撮像素子であって、前記測定光に関して前記補正光学系及び前記結像光学系を介して前記測定光の結像位置に対して共役な位置に設置されることを特徴とする請求項３に記載のレーザー結晶化装置。
  7. 前記基板高さ補正手段は、
    測定用パターンを有するマスクを具備し、
    前記測定用パターンの像は、前記補正光学系及び前記結像光学系を介して前記レーザー光の結像位置に結像することを特徴とする請求項３若しくは６に記載のレーザー結晶化装置。
  8. 前記基板高さ補正手段は、
    前記２次元撮像素子で撮像した前記薄膜で反射した前記測定用パターン像が最も鮮明になる位置に前記薄膜の高さを調整することを特徴とする請求項７に記載のレーザー結晶化装置。
  9. レーザー光源からレーザー光を射出する工程と、
    前記レーザー光をこのレーザー光の光路に設置された結像光学系を介して被処理基板に設けられた薄膜に照射し、この薄膜を溶融して結晶化する工程と、
    前記レーザー光の光路外に設けられた光源から測定光を射出する工程と、
    前記結像光学系を介して前記レーザー光の光路に沿って前記測定光で前記薄膜を照明する工程と、
    前記薄膜で反射した前記測定光を前記結像光学系を介して検出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。
  10. レーザー光源からレーザー光を射出する工程と、
    前記レーザー光を位相変調素子により所定の光強度分布を有するレーザー光に変調する工程と、
    前記変調されたレーザー光をこのレーザー光の光路に設置された結像光学系を介して被処理基板に設けられた薄膜に照射し、この薄膜を溶融して結晶化する工程と、
    前記レーザー光の光路外に設けられた光源から測定光を射出する工程と、
    前記結像光学系を介して前記レーザー光の光路に沿って前記測定光で前記薄膜を照明する工程と、
    前記薄膜で反射した前記測定光を前記結像光学系を介して検出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。
  11. 前記照明する工程は、前記レーザー光の結像位置に前記測定光を結像させるために前記測定光を補正する工程を含み、
    前記検出する工程は、前記薄膜で反射した前記測定光を前記結像位置と前記測定光に関して共役な位置に結像させるために前記測定光を補正する工程を含むことを特徴とする請求項９若しくは１０に記載のレーザー結晶化方法。
  12. 前記検出する工程は、
    前記共役な位置に設置されたピンホールを通過した前記薄膜で反射した前記測定光を検出する工程と、
    前記薄膜を前記測定光の光軸方向に移動して、前記検出された光強度が最大になる位置に前記薄膜の位置を補正する工程とを含むことを特徴とする請求項１１に記載のレーザー結晶化方法。
  13. 前記照明する工程は、測定用パターンを前記薄膜上に投影する工程を含み、
    前記検出する工程は、前記測定用パターンの位置と共役な位置で、前記薄膜で反射した測定用パターンの像を検出する工程と、
    前記薄膜を前記測定光の光軸方向に移動して、前記検出した測定用パターンの像が最も鮮明になる位置に前記薄膜の位置を補正する工程ことを含むことを特徴とする請求項１１に記載のレーザー結晶化方法。
  14. 前記レーザー光の前記薄膜への照射は、前記薄膜の位置を補正した後に行うことを特徴とする請求項９ないし１３のいずれか１に記載のレーザー結晶化方法。
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