JP2007165716A - レーザー結晶化装置及び結晶化方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】高速で、かつ高精密に位置決めした基板に予め定められた光強度分布を有するレーザー光を照射して、半導体膜を溶融・結晶化させて大結晶粒径を有する半導体膜を形成することが可能な高スループットのレーザー結晶化装置及び結晶化方法を提供する。
【解決手段】レーザー結晶化装置５００は、レーザー光発生指示信号の入力に基づいてパルス・レーザー光を発生するレーザー光源と、位相シフタ２４とを具備し、被処理基板３０を保持し、レーザー光源によるパルス・レーザー光照射位置に対して所定方向に連続移動する基板保持ステージ４０と、基板保持ステージ４０の位置を計測する位置計測手段５０と、位置計測手段５０により計測された位置に基づいて前記パルス・レーザー光の発生を指示する信号発生手段６０とを具備する。
【選択図】図５

Description

本発明は、レーザー結晶化装置及び結晶化方法に係り、特に、高速かつ高精度で位置決めしてレーザー光を照射して結晶化を行うレーザー結晶化装置及び結晶化方法に関する。
大面積の基板、例えば、ガラス基板、の上に設けられた半導体膜、例えば、シリコン膜、に形成された薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：thin film transistor）は、例えば、アクティブ・マトリックス型液晶表示装置において切換え表示するスイッチング素子として用いられている。
薄膜トランジスタを形成するために使用する非晶質又は多結晶などの非単結晶半導体薄膜の結晶化には、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半導体薄膜の照射領域を溶融して、結晶化するレーザー結晶化技術が使用されている。
現在、生産に供されているレーザー結晶化装置は 均一な強度分布のレーザー光を非晶質シリコンに照射する手法を採用している。しかしながら、この手法では、得られた半導体膜の結晶粒径が０，５μｍ以下と小さく、かつ結晶粒の位置決めができない。そのため、ＴＦＴのチャネル領域に結晶粒界が存在することになり、ＴＦＴの特性がバラツクなど性能に限界がある。
このＴＦＴの性能を向上させるために、大きな結晶粒を有する高品質な半導体膜を製造することが要求されている。この要求を満足させる結晶化法として、各種の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、所定の光強度分布を持つエキシマ・レーザー光を、非単結晶半導体薄膜に照射し、この半導体膜の照射部を溶融して、結晶化する方法である。所定の光強度分布を持つエキシマ・レーザー光は、位相変調素子、例えば、位相シフタにより入射レーザー光を位相変調させることにより得られる。非単結晶半導体薄膜は、例えば、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の薄膜である。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・結晶化させる。この結晶化非単結晶半導体薄膜処理により、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（例えば、非特許文献１参照）。この手法で形成した結晶化シリコン薄膜に作成したＴＦＴは、電気特性が安定していることが示されている。
特開２００５−６４０７９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−」
従来方式の結晶化装置では、レーザー光は、長尺ビーム（例えば、５００μｍ×３００ｍｍ）形状で均一な光強度分布で半導体膜を照射する。そのため、結晶粒が形成される場所を位置決めすることは、技術的に不可能であり、結晶化した半導体膜の結晶粒径も０．５μｍ以下と小さい。それゆえ、レーザー光の照射位置の絶対的な位置決めは、必要とされていない。
一方、現在、位相シフタもしくは回折光学素子を使い逆ピーク形状のビーム・プロファイルを有するレーザー光を非単結晶半導体膜に照射するＰＭＥＬＡ結晶化技術が開発されている。ＰＭＥＬＡ結晶化技術は、レーザーの使用効率が高く、大粒径の結晶が得られ、かつ結晶粒の位置決めも可能であるという優れた特徴を有する。しかしながら、大面積の半導体膜を結晶化させるため、いわゆるステップ・アンド・リピート照射方式を採用している。すなわち、非単結晶半導体膜にレーザー光を照射後、次の照射位置までガラス基板を移動させて再びレーザー光を照射する。このため、このＰＭＥＬＡ結晶化技術を工業化するためには、さらにスループットを向上させたいという課題がある。本出願人は、ＰＭＥＬＡ結晶化技術の工業化技術の開発を行っており、高スループットの結晶化法を開発中である。
上記のように優れた特徴を有するＰＭＥＬ技術を液晶パネルなどの生産装置として実用化するためには、以下の要求がある。ＴＦＴの主要部分を形成する結晶粒をμｍオーダーの絶対精度で位置決めをすること、及びこれを高速で繰り返し再現して照射することである。
本発明の目的は、高速で移動中の被処理基板に、予め定められた光強度分布を有するパルス・レーザー光を照射して、半導体膜を溶融・結晶化させて高精度に位置決めされた大結晶粒径を有する半導体膜を形成することが可能な高スループットの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。
上記の課題は、以下の本発明に係る半導体装置及びその製造方法によって解決される。
本発明の１態様によるレーザー結晶化装置は、レーザー光発生指示信号の入力に基づいてパルス・レーザー光を発生するレーザー光源と、このレーザー光源からの光路に設けられ前記パルス・レーザー光を変調して所定の光強度分布のパルス・レーザー光を透過させる位相シフタとを具備し、前記位相シフタにより変調された前記パルス・レーザー光を被処理基板に設けられた被結晶化処理薄膜に照射して、この被結晶化処理薄膜の照射領域を溶融して結晶化するレーザー結晶化装置であって、前記被処理基板を保持し、前記レーザー光源によるパルス・レーザー光照射位置に対して所定方向に連続移動する基板保持ステージと、前記所定方向に連続移動する前記基板保持ステージの位置を計測する位置計測手段と、前記位置計測手段により計測された前記基板保持ステージの位置に基づいて前記パルス・レーザー光の発生を指示する信号発生手段とを具備することを特徴とする。
本発明の１態様によるレーザー結晶化装置の前記基板保持ステージは、Ｘ方向のレーザー光照射位置への合わせ制御系、Ｙ方向のレーザー光照射位置への合わせ制御系およびＺ方向の焦点位置に合わせるための制御系などを有することである。
本発明の他の１態様によるレーザー結晶化装置は、レーザー光発生指示信号の入力に基づいてパルス・レーザー光を発生する複数のレーザー光源と、各レーザー光源からの光路に設けられ各々のパルス・レーザー光を変調して所定の光強度分布のパルス・レーザー光を透過させる複数の位相シフタとを具備し、前記各位相シフタにより変調された複数の前記パルス・レーザー光を被処理基板に設けられた薄膜に照射して、この薄膜の照射領域を溶融して結晶化するレーザー結晶化装置であって、前記被処理基板を保持し、前記レーザー光源からのパルス・レーザー光照射位置において所定方向に連続移動する基板保持ステージと、前記所定方向に連続移動する前記基板保持ステージの位置を計測する位置計測手段と、前記位置計測手段により計測された前記基板保持ステージの位置に基づいて前記パルス・レーザー光の発生を指示するレーザー光発生指示信号を発生する信号発生手段とを具備することを特徴とする。
本発明の他の１態様によるレーザー結晶化装置の前記複数のレーザー光源は、前記連続移動方向に直交する第２の方向の前記薄膜上の異なる位置に同時にパルス・レーザー光を照射するように配置されることにある。
本発明の他の１態様によるレーザー結晶化装置の前記複数のレーザー光源から発生されたパルス・レーザー光による照射は、前記連続移動方向上で前記薄膜上の異なる位置を照射するように配置されることにある。
本発明の他の１態様によるレーザー結晶化装置の前記レーザー光源は、前記レーザー光発生指示信号の入力に同期してパルス・レーザー光を発生することにある。
本発明のさらに他の１態様によるレーザー結晶化方法は、被処理基板を保持した基板保持ステージを所定の方向に連続移動させる基板連続移動工程と、前記連続移動中の前記基板保持ステージの予め定められた位置を計測する位置計測工程と、前記計測された位置の情報に基づいて前記レーザー光の発生を指示する指示信号を出力するレーザー光発生指示工程と、前記指示信号を受信したときパルス・レーザー光を発生させるレーザー光発生工程と、前記パルス・レーザー光を変調するパルス・レーザー光変調工程と、前記変調されたパルス・レーザー光を前記被処理基板に照射して、前記被処理基板に設けられた被結晶化薄膜の照射領域を溶融し、結晶化させる結晶化工程とを具備することを特徴とする。
本発明のさらに他の１態様によるレーザー結晶化方法の前記被処理基板を照射するパルス・レーザー光は、複数のパルス・レーザー光路を有し、前記被処理基板の異なる領域を照射することを特徴とする。
本発明のさらに他の１態様によるレーザー結晶化方法の連続移動中の前記基板保持ステージの予め定められた位置を計測する前記位置計測工程は、Ｘ方向及びＹ方向について予め定められた位置に位置合わせし、Ｚ方向について焦点位置に位置合わせすることを特徴とする。
本発明のさらに他の１態様によるレーザー結晶化方法の前記レーザー光発生工程は、前記レーザー光発生指示信号の入力に同期してパルス・レーザー光を発生することを特徴とする。
本発明によれば、大結晶粒径の結晶化領域を高スループットで形成することができる。
本発明は、高い位置決め精度及び高スループットを実現し、位相変調素子（以下、位相シフタと呼ぶ）を使用してレーザー光に所望の光強度分布を与えて、高品質な結晶化半導体膜を形成するレーザー結晶化装置及び結晶化方法である。
この明細書において、高スループットとは、基板保持ステージが、一方向、例えば、Ｘ方向に停止することなく連続移動中に、被処理基板の予め定められた位置に結晶化領域を形成することである。基板保持ステージ又は被処理基板の所定方向のレーザー光照射位置とは、予め定められた結晶化領域又は結晶化のためのレーザー光照射位置である。レーザー光照射位置を計測するとは、基板保持ステージ又は被処理基板の所定方向の予め定められた位置を位置計測手段により検出することである。
高品質化は、レーザー光の照射位置精度を高めることによって達成される。具体的には、連続移動している基板保持ステージの位置をリアルタイムで計測しながらレーザー光の照射位置を決定して、被処理基板にレーザー光を照射する。例えば、照射位置決定から結晶化用レーザー光のトリガ信号を生成する時間を１μｓｅｃ以下とし、レーザー・トリガ信号が入ってからレーザー光照射までの時間を１μｓｅｃ以下とする。この場合の合計遅延時間は、２μｓｅｃ以下になり、結晶化用レーザー光を被処理基板に高い位置精度で照射することが可能になる。
したがって、連続移動中の被処理基板の予め定められた位置に大結晶粒径の結晶化領域を有する半導体膜を形成できる高スループットの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。
本発明の実施形態を、添付した図面を参照して以下に詳細に説明する。各図において、対応する同一部分は、対応する同一参照符号で示し、重複説明を省略している。以下の実施形態は、一例として示されたもので、本発明の精神から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。
連続移動とは、一方向に速度を変化させずに移動させることである。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態のレーザー結晶化装置１００の一例を図１に示す。レーザー結晶化装置１００は、結晶化光学系２、基板保持ステージ４０、ステージ位置計測システム５０、及びレーザー光の発生を指示するための信号を発生するシステム、例えば、レーザー・トリガ信号発生システム６０を具備する。結晶化処理プロセスの間、基板保持ステージ４０は、予め定められた速度で停止することなく連続移動される。レーザー結晶化装置１００は、ステージ位置計測システム５０による前記基板保持ステージの予め定められた位置の計測結果に基づいて被処理基板３０の所定の位置に結晶化用レーザー光を照射する。
結晶化光学系２は、光源、例えば、エキシマ照明光学系２０と、この光学系２０の出射光路上に位相シフタ２４と、反射鏡２５と、エキシマ結像光学系２６とが順次配置されて構成されている。エキシマ照明光学系２０は、位相シフタ２４を照明する結晶化用レーザー光を射出、調整する光学系である。エキシマ照明光学系２０は、レーザー光発生指示信号の入力に基づいてパルス・レーザー光を発生するエキシマ・レーザー光源と、上記パルス・レーザー光を均一な光強度分布の光束にするホモジナイザとからなる。
位相シフタ２４は、エキシマ照明光学系２０から出射され光強度分布が均一化されたレーザー光により照射され、このレーザー光を位相変調して横方向に結晶成長させるための光強度分布、例えば、逆ピーク形状のレーザー光を出射する光学素子である。反射鏡２５は、位相シフタ２４を透過したレーザー光を下方向に光路を変更するために設けられた光学部品であり、完全反射鏡である。
エキシマ結像光学系２６は、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被処理基板３０に結像させ、被処理基板３０に設けられた非単結晶半導体薄膜３３を照射するための光学系である。エキシマ結像光学系２６は、位相シフタ２４の透過光像を非単結晶半導体薄膜３３に結像させる光学系である。
図１では、結晶化光学系２は、位相シフタ２４をエキシマ照明光学系２０とエキシマ結像光学系２６との間に設置したプロジェクション方式で図示されている。他の結晶化光学系２としては、位相シフタ２４を被処理基板３０に近接して設置するプロキシミティ方式とすることもできる。
基板保持ステージ４０は、被処理基板３０を脱着可能に保持して、ステージ駆動部４５によりＸ，Ｙ及びＺ方向に移動可能な機構を有するステージである。基板保持ステージ４０は、必要に応じて、Ｘ軸若しくはＹ軸を回転軸とした角度を調整するα若しくはθ調整機能及びＺ軸を回転軸としたω調整機能を備えることができる。基板保持ステージ４０の移動は、高精度で再現性が良いことが要求され、例えば、エア・ベアリングとリニア・モータ駆動機構によって移動される。Ｘ方向の移動速度は、例えば、５００ｍｍ／ｓｅｃである。
本実施形態のステージ位置計測システム５０は、連続して移動している（移動中の）基板保持ステージ４０又は被処理基板３０の予め定められた位置を高精度に計測するように構成されている。ステージ位置計測システム５０は、ステージ位置制御ユニット５１、及びＸ方向位置計測ユニット５２を具備する。ステージ位置計測システム５０の出力信号は、ステージ駆動部４５及びレーザー・トリガ信号発生システム６０に供給される。
Ｘ方向位置計測ユニット５２は、例えば、レーザー干渉計、リニア・スケールを用いて高速かつ数１０ｎｍオーダーの高精度で、Ｘ方向及びＹ方向の基板保持ステージ４０の移動距離をそれぞれパルス信号としてカウントしステージ位置を計測することができる。
Ｘ方向位置計測ユニット５２の計測結果は、ステージ位置制御ユニット５１に送られる。ステージ位置制御ユニット５１は、この位置制御情報をステージ駆動部４５に送り、位置情報に基づいて基板保持ステージ４０の移動速度を所定の精度内にフィードバック制御するサーボ機構を有する。Ｘ方向の位置情報は、レーザー・トリガ信号発生システム６０にも送られる。
レーザー・トリガ信号発生システム６０は、基板保持ステージ４０がＸ方向の所定の位置に移動した時に、結晶化用レーザー光の発生を指示するためのトリガ信号を発生する。基板保持ステージ４０が所定の位置に移動してから結晶化用レーザー光を出射させるためのトリガ信号発生までの遅延時間は、例えば、１μｓｅｃ以下である。換言すれば、結晶化用レーザー光を出射させるためのトリガ信号は、遅延時間１μｓｅｃ後にエキシマ照明光学系２０内のエキシマ・レーザー光源に入力される。トリガ信号を受信したエキシマ・レーザー光源は、パルス・レーザー光を出射する。
被処理基板３０は、基板保持ステージ４０上の予め定められた位置に脱着可能に仮固定、例えば、真空吸着されて保持される。被処理基板３０は、例えば、液晶表示装置用表示パネルであり、大きさが５５０ｍｍ×６５０ｍｍの大面積のガラス基板である。結晶化の処理を受ける被処理基板３０は、図２に示したように、一般に、保持基板３１（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３２を介して非単結晶半導体膜３３（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、若しくは脱水素処理をした非晶質シリコン膜）を形成し、この非単結晶半導体膜３３上にキャップ膜として蓄熱機能を有する絶縁膜３４を設けたものである。
非単結晶半導体膜３３、例えば、脱水素処理をした非晶質シリコン膜、の膜厚は、３０ｎｍから３００ｎｍであり、例えば、５０ｎｍである。絶縁膜３２は、非単結晶半導体膜３３を結晶化するプロセスにおいて発生する熱により、保持基板３１から好ましくない不純物が非単結晶半導体膜３３に浸透することを防止するために設けられた膜である。キャップ絶縁膜３４は、レーザー光に対するキャップ絶縁膜３４の反射特性及び吸熱特性を利用して、結晶化のために非単結晶半導体膜３３がレーザー光を受光したときに発生するレーザー光の熱を蓄える機能を有する。キャップ絶縁膜３４の蓄熱効果は、パルス・レーザー遮断後の降温勾配の平滑化に寄与し非単結晶半導体膜３３の上記溶融領域に大粒径（５μｍ以上）の結晶化を可能にする。キャップ絶縁膜３４は、結晶化の効率を高めるためのものであるが、省略することができる。
図３は、図１に示したレーザー結晶化装置１００で使用される、エキシマ照明光学系２０の一例を具体的に説明するための構成図である。エキシマ照明光学系２０は、レーザー光源２１と、この光源２１から出射されたレーザー光と同一光軸上に設けられたビーム・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から出射されたエキシマ・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て、位相シフタ（位相変調素子）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、反射鏡２５により被処理基板３０に向けて方向を変えられる。被処理基板３０に向けられたエキシマ・レーザー光は、結像光学系２６、例えば、エキシマ結像光学系を介して被処理基板３０上を照射する。
レーザー光源２１は、被処理基板３０に設けられた非単結晶半導体膜３３、例えば、非晶質若しくは多結晶半導体膜を溶融するために充分なエネルギー、例えば、非単結晶半導体膜３３上で１Ｊ／ｃｍ2を有する光を出力する。レーザー光源２１は、例えば、エキシマ・レーザー光源であり、短パルス、例えば、半値幅が約２５から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、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマ・レーザー光が好ましい。エキシマ・レーザー光源２１は、例えば、パルス発振型であり、発振周波数は、例えば、１００Ｈｚから３００Ｈｚである。本実施形態では、発振周波数が１００Ｈｚ、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３０上に照射されるＫｒＦエキシマ・レーザー光の光エネルギー量は、非単結晶シリコン膜を溶融するに必要な、例えば、１Ｊ／ｃｍ２程度である。上記光源２１は、パルス・レーザー光を出射し、出射光量が経時的に変化する。
ビーム・エキスパンダ２２は、入射されたレーザー光を拡大するもので、図３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のＸＹ断面方向の寸法を決定し、かつ決定した形状内の光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方向に重ね合わせて再分布させる。同様に、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方向に重ね合わせて再分布させる。すなわち、図３に示すように、Ｘ方向シリンドリカル・レンズ２３ａとＸ方向コンデンサ・レンズ２３ｂからなる第１ホモジナイザ、及びＹ方向シリンドリカル・レンズ２３ｃとＹ方向コンデンサ・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Ｙ軸方向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Ｘ軸方向に関するレーザー光強度の均一化を行う。これによって、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内の光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、位相差をθ、３６０度をπ、位相シフタの透明基板の屈折率をｎとしたとき、ｄ＝λ・θ／２π（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θ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。例えば、石英基板の屈折率ｎを１．４６とすると、ＫｒＦエキシマ・レーザー光の波長が２４８ｎｍであるから、１８０°の位相差θを付けるための段差ｄは、２６９．６ｎｍになる。石英ガラス基板の段差ｄ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。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ｄ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（段差ｄ）に対応した箇所が最小光強度となる逆ピーク・パターンの光強度分布となる。この位相シフタ２４は、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２６により位相シフタ２４と共役な位置に設置された被処理基板３０上に、所定の光強度分布が結像される。エキシマ結像光学系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。エキシマ結像光学系２６は、例えば、縮小率：１／５、Ｎ．Ａ．：０．１３、解像力：１μｍ、焦点深度：±７μｍ、作動距離：５０ｍｍから７０ｍｍの性能を持つ長焦点レンズである。
エキシマ結像光学系２６は、位相シフタ２４と被処理基板３０とが光学的に共役な位置に配置されて構成されている。換言すれば、被処理基板３０に設けられた非単結晶半導体膜３３は、位相シフタ２４と光学的に共役な面（エキシマ結像光学系２６の像面）に設置されている。エキシマ結像光学系２６は、レンズ間に開口絞りを備えたテレセントリック光学系となっている。
このような結晶化用光学系２を使用して、被処理基板３０に所望の光強度分布を有する結晶化用レーザー光を照射することができる。
図１に示したようなレーザー結晶化装置１００による結晶化プロセスは、結晶化用レーザー光の発振周波数を固定し、基板保持ステージ４０を等速移動させて結晶化を行うことを想定する。基板保持ステージ４０の移動速度は、結晶化用レーザー光源２１の発振周波数（レーザー照射時間）及び１回のレーザー光の照射面積に依存して決定される。
結晶化プロセスのレーザー光の条件は、例えば、結晶化用レーザー光の結晶化フルエンスを１Ｊ／ｃｍ２、レーザー光源２１の発振周波数を１００Ｈｚ、レーザー光のパルス幅を、例えば、３０ｎｓｅｃとし、照射面積を５ｍｍ×１０ｍｍとする。このような条件で、被処理基板３０を隙間なく照射する場合、基板保持ステージ４０は、レーザー光の照射間隔（１００Ｈｚ）の間に、５ｍｍ移動する。すなわち、基板保持ステージ４０の移動速度（Ｖ）は、Ｖ＝５ｍｍ×１００Ｈｚ＝５００ｍｍ／ｓｅｃに設定すればよい。レーザー光のパルス幅、例えば、３０ｎｓｅｃは、基板保持ステージ４０の移動速度（Ｖ）、５００ｍｍ／ｓｅｃに対して、実質的に停止しているといえる短時間である。
なぜならば、１パルスのパルス・レーザー光の照射時間は、５００ｍｍ／ｓｅｃ×３０ｎｓｅｃ＝１５ｎｍである。即ち、パルス・レーザー光による１パルスの照射時間である３０ｎｓｅｃの間に基板保持ステージ４０の移動量は、わずか１５ｎｍである。この移動量は、３０ｎｓｅｃの照射時間によって生成する結晶粒径が５μｍ〜１０μｍであることを考慮すると、実質的に基板保持ステージ４０が停止状態であるとみなせる移動量である。換言すれば、上記基板保持ステージ４０の移動速度（Ｖ）は、結晶化された領域に形成される薄膜トランジスタのゲート幅を、例えば、０．５μｍとしてゲート幅に１桁以下の精度が要求されるとしても、実質的に基板保持ステージ４０が停止状態で結晶化プロセスを実行したものとみなすことができる速度である。
したがって、この実施形態は、連続移動する被処理基板３０の所定のレーザー光照射領域にレーザー光を照射して、その領域を溶融し、結晶化することができる。換言すれば、上記結晶化工程は、基板保持ステージ４０を連続移動させた状態で、パルス・レーザー光による結晶化を可能にする。基板保持ステージ４０の移動は、上記レーザー光源２１によるレーザー光照射位置に対して相対的に所定方向、例えば、Ｘ方向に連続移動する。
このような基板保持ステージ４０の移動速度は、エア・ベアリングとリニア・モータを組み合わせた駆動機構により実現可能である。しかし、エア・ベアリング、リニア・モータ駆動機構の移動速度の安定性は、せいぜい±０．１％程度である。したがって、レーザー発振周波数を１００Ｈｚに固定し、基板保持ステージ４０を連続移動しつつレーザー照射した場合の位置精度は、（５００ｍｍ／ｓｅｃ±０．１％）×（１／１００Ｈｚ）＝５ｍｍ±０．１％＝４９９５μｍ〜５００５μｍとなり，±５μｍの照射位置の誤差が発生する。このようにレーザー発振周波数を固定した場合、要求されている位置精度±１μｍが得られない。つまり、結晶化用レーザー光の発振周波数を固定して、基板保持ステージ４０を等速移動して結晶化を行うと、結晶粒の形成位置は、所定の精度、１μｍ以下にすることができない。そのため、結晶化用レーザー光の照射タイミングは、被処理基板３０又は基板保持ステージ４０に予め設けられた照射位置を決定するための何らかの位置計測によって制御する必要がある。
このように結晶化プロセスのスループットを向上させることと、被処理基板３０の予め定められた位置に高精度にレーザー照射するためには、被処理基板３０又は基板保持ステージ４０の移動位置をリアルタイムに検出し、この検出情報に基づきレーザー光を照射することが重要である。
次に、この結晶化プロセスの実施形態を、図４を参照して説明する。図４は、本実施形態の結晶化プロセスの一例を説明するフローチャートである。この例では、Ｘ方向に連続移動されている基板保持ステージ４０のＸ方向の位置をＸ方向位置計測ユニット５２により実時間計測して、レーザー・トリガ信号発生システム６０により１μｓｅｃ以下の遅延時間でレーザー照射信号を発生させる場合を考える。
結晶化プロセスは、ステップ４０１において、基板保持ステージ４０をＸ方向に連続移動させることにより始まる。ステップ４０２において、Ｘ方向位置計測ユニット５２は、連続移動している基板保持ステージ４０の所定のＸ方向の位置を実時間計測して、位置パルス信号を、ステージ位置制御ユニット５１を介して、レーザー・トリガ信号発生システム６０に送る。Ｘ方向の計測位置は、被処理基板３０の予め定められた所定の位置とすることができる。レーザー・トリガ信号発生システム６０は、パルス信号を計数して、ステップ４０３において、基板保持ステージ４０が結晶化用レーザー光照射位置に到達したかどうかを判断する。
レーザー・トリガ信号発生システム６０は、レーザー光照射位置に到達したと判定すると、ステップ４０４において、レーザー光発生指示信号としてレーザー・トリガ信号を発生してレーザー光源２１に送信する。この上記の判断からレーザー・トリガ信号を送信するまでの時間は、通常１μｓｅｃ以下である。レーザー光源２１は、ステップ４０５において、受信したトリガ信号に応答して結晶化用レーザー光を発生し、被処理基板３０上を照射する。レーザー光源２１内のトリガ信号の受信からレーザー光発生までの遅延時間も１μｓｅｃ以下である。
したがって、レーザー光照射位置検出時から基板にレーザー光が照射されるまでの期間、すなわち、ステップ４０３から４０５までの遅延時間は、（１＋１）μｓｅｃ以下である。その間の基板保持ステージ４０の移動距離、すなわち、位置ズレは、５００ｍｍ／ｓｅｃ×（１＋１）μｓｅｃ＝１μｍ以下である。レーザー・トリガ信号発生システム６０内の遅延時間を、さらに短くすることによって、位置ズレ量は、サブμｍにすることができる。
その後、ステップ４０６へ進み、レーザー・トリガ信号発生システム６０は、Ｘ方向の予め定められた全ての位置が照射されたかを判定する。Ｘ方向において照射されていな場所が１箇所でも検出されれば、ステップ４０２へ戻り、未処理部の結晶化のためのレーザー光の照射を実行する。Ｘ方向において全ての位置が照射されていれば、結晶化プロセスは、ステップ４０７へ進む。ステップ４０７では、レーザー・トリガ信号発生システム６０が、Ｙ方向の全ての位置が照射されたかを判断する。レーザー・トリガ信号発生システム６０は、照射されていない箇所があれば、ステップ４０８へ進み、Ｙ方向の位置を次に移動して、ステップ４０１へ戻る。Ｙ方向の全てが照射されていれば、レーザー・トリガ信号発生システム６０は、１枚の被処理基板３０の結晶化プロセスが終了したと判定する。
次に、結晶化プロセスが終了した被処理基板３０は、自動的に搬出され、次の被処理基板３０が自動的に基板保持ステージ４０の予め定められた位置に位置決めして搬入される。
本実施形態にしたがって、大面積基板、例えば、５５０ｍｍ×６５０ｍｍ、の全面積をレーザー光照射する場合に要する時間は、例えば
（６５０ｍｍ／５００ｍｍ／ｓｅｃ）×（５５０ｍｍ／１０ｍｍ）＝７１．５ｓｅｃ
になる。実際には、レーザー結晶化装置１００は、基板保持ステージ４０上に載置された被処理基板３０の１回のＸ方向走査が終わるとＹ方向に移動させて、Ｘ方向の走査をその都度反転させて合計５５回繰り返す。そのため、結晶化プロセスには、Ｙ方向に移動させるための時間、及びＸ方向の移動を反転させるための減速及び加速時間が必要になる。これらを勘案しても結晶化プロセスのスループットは、１時間当り２０〜３０枚程度処理することができるため、高スループットを実現できる。
これまで説明してきたように、レーザー結晶化装置１００は、ステージ位置計測手段及びレーザー・トリガ信号発生手段を備えることにより、高速で、高位置精度にレーザー光を照射することが可能になる。すなわち、レーザー結晶化装置１００は、レーザー光照射位置検出からレーザー照射までの遅延時間を２μｓｅｃ以下にでき、かつ１μｍ以下の高精度で位置決めされた被処理基板３０にレーザー光を照射することができる。したがって、レーザー結晶化装置１００は、高速で、かつ高精度に位置決めされた移動中の被処理基板３０に所定の光強度分布を有するレーザー光を照射することができる。これによって、半導体膜を溶融・結晶化させて大結晶粒径を有する半導体膜を形成することが可能な、高スループットのレーザー結晶化装置及び結晶化方法を得ることができる。
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、移動している基板保持ステージ４０のＸ方向の移動速度の変動を補正して、位置決め精度を高めている。しかし、エア・ベアリングとリニア・モータ駆動機構を使用した高精度の基板保持ステージ４０の制御装置であっても５００ｍｍ／ｓｅｃ程度の高速移動の場合、Ｙ方向及びＺ方向の直進度は、良い場合でも１０μｍ程度である。したがって、１μｍ以下の位置精度でレーザー光を照射することが要求されているレーザー結晶化装置１００は、Ｘ方向に基板保持ステージ４０を移動させながら、同時にＹ方向及び／若しくはＺ方向の位置補正を実施する必要がある。
本発明の第２の実施形態は、図５に示すように基板保持ステージ４０の移動方向（Ｘ方向）に直交するＹ方向若しくはＺ方向の少なくとも１方向の位置変動を補正しながら被処理基板を一方向に連続移動させて結晶化を行うレーザー結晶化装置５００である。第２の実施形態は、Ｘ−Ｙ平面に高精度な位置制御およびＺ高さ方向に高精度な位置制御すなわち焦点合わせ精度を実現するレーザー結晶化装置の実施例である。図１と同一部分には、同一符号を付与し、その詳細な説明を省略する。Ｙ方向の位置制御は、次のＸ方向のレーザー光照射位置を位置制御することである。Ｚ高さ方向の位置制御は、エキシマ照明光学系２０の焦点位置に被処理基板３０が位置合わせ制御されることである。
図５に示したように、本実施形態は、ステージ位置計測システム５０に、図１の実施形態のステージ位置制御ユニット５１、Ｘ方向位置計測ユニット５２の他にさらに、Ｙ方向位置計測ユニット５３、及びＺ方向位置計測ユニット５４を付加したことを特徴とする。ステージ位置計測システム５０は、移動している基板保持ステージ４０の位置を高精度で計測する。ステージ位置計測システム５０は、基板保持ステージ４０の位置信号を、ステージ駆動部４５及びレーザー・トリガ信号発生システム６０に供給する。
Ｘ方向位置計測ユニット５２及びＹ方向位置計測ユニット５３は、第１の実施形態のＸ方向位置計測ユニット５２と同様に、例えば、レーザー干渉計、リニア・スケールを用いて高速かつ数１０ｎｍオーダーの高精度で、Ｘ方向及びＹ方向の基板保持ステージ４０の位置をそれぞれ計測する。
Ｚ方向位置計測ユニット５４は、被処理基板３０の高さを計測するもので、例えば、上記のリニア・スケールを用いることが可能である。しかし、図示しないが、被処理基板３０は、ガラス基板の厚みに数１０μｍ程度のうねりによるバラツキが存在するので、レーザー光による表面反射を利用して被処理基板３０表面の実際の高さを計測する試料表面位置計測システムを使用する方がより実効的である。被処理基板３０の表面高さを計測する位置としては、レーザー照射位置を計測する手法以外に、次に照射する位置の被処理基板３０の表面高さを予め先読み計測してメモリに記憶し、レーザー光の照射に際し、上記メモリから読み出しＺ軸方向を補償するように制御する方式を採用することもできる。
基板保持ステージ４０のＹ方向の位置は、このステージ４０の移動の直進度、及び上記ステージ４０自身の加工精度に依存して変化する。そのため、あらかじめＸ方向の連続移動時のＹ方向のずれを計測し、補正テーブル４８としてデータをメモリに記憶させておく。Ｘ方向連続移動時の基板保持ステージ４０のＹ方向の位置は、Ｙ方向位置計測ユニット５３により計測される。Ｙ方向位置計測結果は、ステージ位置制御ユニット５１を介してステージ駆動部４５に送出される。ステージ駆動部４５は、あらかじめ記憶されたＹ方向の補正テーブル４８と計測値とを比較して、ずれ量を出力し、このずれ量が零になるように基板保持ステージ４０のＹ方向の位置を補正制御する。
Ｚ方向の場合には、基板保持ステージ４０の垂直方向の移動の直進度に加えて、大面積の被処理基板３０自身の平坦度、例えば、厚さムラ、たわみ等によっても、被処理基板３０の表面の高さ位置が変動する。Ｚ方向の位置（高さ）計測は、Ｚ方向位置計測ユニット５４により行われる。Ｚ方向位置計測ユニット５４は、Ｘ方向、Ｙ方向位置計測ユニット５２、５３と同様に、リニア・スケール等を用いた基板保持ステージ４０の表面位置、すなわち、高さの計測である。Ｚ方向計測結果は、あらかじめ計測、記憶させたＺ方向の補正テーブル４８と比較して、高さ方向の変化量が補正制御される。しかし、この場合には、基板保持ステージ４０の移動の直進度に起因するＺ方向の位置変動を補正できるが、基板保持ステージ４０上に設置された被処理基板３０自身の平坦度に起因する位置変動は、補正できない。
大面積の被処理基板３０の基板がガラスの場合、ガラス基板自身の平坦度によるＺ方向の変位量は、１０μｍより大きいのが一般的である。この変動量が、エキシマ結像光学系２６の焦点深度内であれば問題ない。しかし、レーザー結晶化装置５００の焦点深度は、個々のレーザー結晶化装置５００の光学系に依存するが、±５〜１０μｍ程度が一般的である。したがって、レーザー結晶化装置５００のステージ駆動部４５には、被処理基板３０の平坦度に起因するＺ方向の位置補正機能も必要になる。
そこで、ステージ位置計測システム５０は、被処理基板３０表面の実際の高さを計測しながら、被処理基板３０の高さを制御することが好ましい。Ｚ方向位置計測ユニット５４は、例えば、計測用レーザー光による表面反射を利用して、被処理基板３０表面の高さを計測する試料表面位置計測システム５４を使用することができる。被処理基板３０の高さ計測位置は、結晶化用レーザー光の照射位置からずらして、例えば、次に結晶化用レーザー光を照射する位置で表面高さを先読み計測することができる。そして、Ｚ方向位置計測ユニット５４は、その計測結果をステージ駆動部４５にフィードバックして被処理基板３０のＺ方向の高さを制御することができる。
このようにして、ステージ位置計測システム５０は、Ｘ方向の高精度な位置決めに加えて、Ｙ方向及び／若しくはＺ方向の高精度な位置決めを可能にする。したがって、レーザー結晶化装置５００は、高速で、かつ高精度に位置決めした被処理基板３０に、光変調された光強度分布を有するパルス・レーザー光を照射することによって、非単結晶半導体膜３３を溶融・結晶化させて大結晶粒径を有する上記半導体膜３３を形成することが可能な、高スループットの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。
（第３の実施形態）
第１及び第２の実施形態では、結晶化用光学系２は１組であったが、第３の実施形態は、複数の結晶化用光学系２Ｎを有するレーザー結晶化装置の例である。
図６は、本実施形態のレーザー結晶化装置６００の一例を示す図である。図５と同一部分には、同一符号を付与し、その詳細な説明を省略する。図６には、説明を単純化するために２組の結晶化用光学系２Ａ、２Ｂを、基板保持ステージ４０の移動方向（Ｘ方向）に垂直なＹ方向に離間して配置した例を示した。しかし、結晶化用光学系の数、及びその配置は、これに限定されることはない。図６には、図５の光学系と区別するために同一光学部品の数符号に英符号を付記して図示されている。
図６を参照して、例えば、結晶化用レーザー光の１回の照射領域のＹ方向の長さを１０ｍｍとすると、２組の結晶化用光学系２Ａ、２Ｂは、基板保持ステージ４０のＹ方向に２０ｍｍだけ離れた位置を分担して照射するように配置されている。このように被処理基板３０の照射領域を分担する照射法は、被処理基板３０の離間した２つの領域を同時に結晶化でき、結晶化処理の時間を第１の実施形態と比較してほぼ半分に短縮できる。
２組の結晶化用光学系２Ａ、２Ｂによる照射位置は、図６の実施形態のように隣接する照射領域の分担の外、被結晶化基板３０を予め２分の一の領域Ａ，Ｂに区分し、Ａ領域およびＢ領域をそれぞれ分担して同時に照射してもよい。２組の結晶化用光学系２Ａ、２Ｂによる照射のタイミングは、同時でなくともずらしてもよい。
図６のレーザー結晶化装置６００によるレーザー光の照射領域の関係を図７に示す。図７の縦方向は、試料ステージ４０が連続移動するＸ方向を示し、横方向がＹ方向を示す。Ｘ方向には、１回目、３回目等の奇数回目には、図の上から下に向かって照射領域が移動し、偶数回目には、下から上に向かって照射領域が移動する。（実際は、照射位置は固定されており、被処理基板３０が移動する。）２つの結晶化用光学系２Ａ、２Ｂよる照射領域は、同じ方向（例えば、上から下へ）に移動する場合に、全体としてＹ方向に２０ｍｍ離れた平行な領域になる。言い換えると、結晶化用光学系２Ａ，２Ｂによって処理されるそれぞれ１０ｍｍ幅の２つの結晶化領域の間には、１０ｍｍ幅の非結晶化領域が形成される。この非結晶化領域は、次の行の結晶化プロセスを実行するために基板保持ステージ４０の戻りの移動時すなわち反対方向に移動する際、レーザー光を照射制御することにより非単結晶半導体基板３０の全領域に結晶化プロセスが実行される。したがって、この実施形態の照射法では、基板保持ステージ４０のＹ方向の移動量を、例えば、奇数回目から偶数回目に移動する場合には左方向へ１０ｍｍ、偶数回目から奇数回目に移動する場合には左へ３０ｍｍとすることによって、被処理基板３０の全面を隙間なく結晶化させることができる。
本実施形態の照射法においても、第１及び第２の実施形態と同様に、基板保持ステージ４０のＸ，Ｙ，Ｚ方向の位置を補正しながら、結晶化を行うことができる。Ｘ方向及びＹ方向の高精度な位置補正制御に関しては、上記の方法で問題なく実施できる。しかし、Ｚ方向の補正に関しては、２つの結晶化用レーザー光で同時に照射される２つの照射領域が離れている。そのため、Ｚ方向位置計測ユニット５３の計測位置から離れた照射領域では、Ｚ方向の位置が適正に補正されない可能性がある。しかし、被処理基板３０の平坦度は、２０ｍｍ程度離れた位置間での差は小さく、大きく見積もっても１〜２μｍ以下であることから、エキシマ結像光学系２６の焦点深度よりも十分に小さく、問題は生じない。
このように、本実施形態によれば、複数の結晶化用光学系２を用いることにより複数の結晶化領域を同時又は遅延させて並行して結晶化することができレーザー結晶化装置の高スループット化が可能になり、同時に、Ｘ方向、Ｙ方向及び／若しくはＺ方向の高精度な位置決めが可能になる。さらに、本実施形態によれば、高速で、かつ高精度に位置決めした基板に、光変調された光強度分布を有する複数のレーザー光を照射することによって、非単結晶半導体膜３３を溶融・結晶化させて大結晶粒径を有する非単結晶半導体膜３３を形成するプロセスを、高スループットで実施できるレーザー結晶化装置及び結晶化方法を得ることができる。
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態は、２組の結晶化用光学系２Ａ，２Ｂを使用して、半導体膜３２上の数μｍ離れた位置に連続してレーザー光を照射して結晶化するレーザー結晶化装置８００である。
本実施形態は、連続して移動中の被処理基板３０の同一照射領域に複数回レーザー光を照射して結晶化する実施形態である。同一照射領域に複数回レーザー光を照射することは、例えば、第１回目のレーザー光を照射後に、第１回目の照射領域の一部と重なるように第２回目のレーザー光を照射する実施形態である。この実施形態では、レーザー結晶化を１回行って大きな結晶粒を形成した半導体膜に、この結晶粒の成長方向に数μｍ離れた位置にさらに第２回目のレーザー光を照射することにより、長方形状のより大きな結晶粒を有する半導体膜に再結晶化することができる。
１回だけの結晶化では、レーザー光の光強度の極小部分である結晶成長開始位置において、粒径の小さな異なる結晶軸の結晶粒が形成されやすいうえ、そのうちの特定の結晶粒が優先的に成長して元細の結晶粒形となる。その後、数μｍずらして第２回目のレーザー光を照射することにより、上記の小さな粒径の結晶粒を溶融させ、大きな結晶粒を種結晶として、四角形状のより大きな結晶粒に成長させるものである。
本実施形態は、上記の技術に加えて、ステージ位置計測システム５０によって、レーザー光の照射位置を高精度に制御している。このように複数回のレーザー光の照射は、複数個の結晶化用光学系により照射することが望ましい。
本実施形態のレーザー結晶化装置８００の一例を図８に示す。図に示したように、２組の結晶化用光学系２Ａ，２Ｂは、１つのエキシマ結像光学系２６を共有する。したがって、２つのレーザー光は、レーザー結晶化装置８００内の同一の光軸に沿って被処理基板３０を照射する。
本実施形態の結晶化プロセスの一例を、図８及び図９を参照して以下に説明する。図８を参照して、エキシマ照明光学系２０Ａ，２０Ｂは、それぞれＰ偏光、Ｓ偏光レーザー光源（図示せず）を具備しており、１つのエキシマ結像光学系２６を介して、被処理基板３０の同じ領域を照射するように設計されている。位相シフタ２４Ａ，２４Ｂは、被処理基板３０からの距離がそれぞれ等しくなるように設置される。偏光ミラー７０は、照明光学系２０ＡからのＰ偏光を反射し、照明光学系２０ＢからのＳ偏光を透過する。図９は、本実施形態の結晶化プロセスの一例を示すフローチャートである。
ステップ９０１から９０３は、第１の実施形態のステップ４０１から４０３と同じであるため、詳細な説明は省略する。Ｘ方向に移動している基板保持ステージ４０の位置が、レーザー光照射位置にあるかどうかが、ステップ９０３において判断される。レーザー光照射位置であれば、第１の実施形態と同様に、レーザー・トリガ信号発生システム６０は、ステップ９０４においてレーザー光トリガ信号を発生し、レーザー光源２１Ａに送る。レーザー光源２１Ａは、ステップ９０５において、このトリガ信号に応答して結晶化用レーザー光を発生し、被処理基板３０を照射する。
レーザー・トリガ信号発生システム６０は、レーザー光源２１Ａにレーザー光トリガ信号を送ると同時に、レーザー光源２１Ｂに対する遅延タイマを始動する（ステップ９０６）。遅延タイマに設定する遅延時間Ｔｄは、下記のようにして決定できる。
１回の結晶化プロセスで形成できる結晶粒の大きさは、一般に５〜１０μｍである。２回目のレーザー光の照射位置は、例えば、３μｍずらすことにする。基板保持ステージ４０の移動速度を、５００ｍｍ／ｓｅｃとすると、遅延時間Ｔｄは、次式により求められる。
Ｔｄ＝３×１０−６（ｍ）／５×１０−１（ｍ／ｓｅｃ）
＝６×１０−６（ｓｅｃ）＝６μｓｅｃ
一方、ＰＭＥＬＡ装置におけるレーザー光の照射による結晶化は、レーザー光照射後、０．１〜０．２μｓｅｃで完了する。そのため、６μｓｅｃの遅延時間後の２回目のレーザー光照射時には、１回目のレーザー光照射による結晶化が完全に終了しおり、非単結晶半導体膜３３中には、大きな結晶粒が形成されている。
遅延時間Ｔｄが経過すると、ステップ９０７において、レーザー・トリガ信号発生システム６０は、第２のレーザー光トリガ信号をレーザー光源２１Ｂに送る。レーザー光源２１Ｂは、ステップ９０８において、この第２のトリガ信号に応答して結晶化用レーザー光を照射する。
このように、レーザー光源２１Ａと２１Ｂとの照射タイミングをわずかにずらすことによって、連続移動している被処理基板３０上のわずか数μｍ離れた位置に、高い位置精度でレーザー光を照射することが可能になる。
その後、第１の実施形態のステップ４０６以降と同様に、レーザー・トリガ信号発生システムは、Ｘ方向の全ての位置が照射されたかの判断（ステップ９０９）、Ｙ方向の全ての位置が照射されたかの判断（ステップ９１０）を行う。被処理基板３０の全面が照射されていれば、プロセスは終了する。
第１の実施形態にしたがって本実施形態を説明したが、第２の実施形態のように、Ｙ方向及び／若しくはＺ方向の位置補正も併せて行うこともできる。
このようにして、複数、例えば、２つのレーザー光をわずかに数μｓｅｃずらせて（遅らせて）被処理基板３０の非単結晶半導体薄膜３３に照射することによって、この薄膜３３により大きな結晶粒を結晶成長させることができる。しかも、被処理基板を連続移動させながら、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向に高精度に位置決め制御して、所定の光強度分布を有するレーザー光を照射することができる。これによって、非単結晶半導体膜を溶融・結晶化させて大結晶粒径を有する半導体膜を形成することが可能な、高スループットの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ことなく、種々の変形をして実施することができる。例えば、図１では、結像レンズを介して位相シフタの像を被処理基板上に投影するプロジェクション照射方式を例に説明したが、位相シフタを被処理基板に近接して設置するプロキシミティ照射方式を採用することもできる。
他の例では、被処理基板上、若しくは基板保持ステージ上に結晶化用レーザー光の照射位置を指示する、例えば、マークを設ける。基板保持ステージの移動中に、このマークを検出することによって、レーザー光照射のトリガ信号を発生させることもできる。
本発明の１態様による、レーザー光を発生するレーザー光源と、前記レーザー光を変調して所定の光強度分布のレーザー光を透過させる位相シフタとを具備し、前記位相シフタにより変調された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て、この薄膜の照射領域を溶融して結晶化するレーザー結晶化装置であって、前記被処理基板を保持し、前記レーザー光源によるレーザー光照射位置に対して所定方向に連続移動する基板保持ステージと、前記所定方向に連続移動する前記基板保持ステージの位置を計測する位置計測手段と、前記位置計測手段により計測された前記基板保持ステージの位置に基づいて前記レーザー光の発生を指示する信号発生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及び結晶化方法では、前記薄膜は、非晶質シリコン膜であることを特徴とする。さらに、前記レーザー光は、エキシマ・レーザーであることを特徴とする。他の実施形態では、レーザー結晶化装置及び結晶化方法は、前記薄膜上の複数の所定位置に前記レーザー光を照射することを特徴とする。他の実施形態では、前記連続移動方向に直交する少なくとも１方向の前記基板保持ステージの位置を制御することを特徴とする。他の実施形態では、レーザー結晶化装置及び結晶化方法は、前記連続移動方向に直交する方向が、前記薄膜面内の１方向を含み、連続移動の直進度を１０マイクロ・メートル以下に制御することを特徴とする。他の実施形態では、レーザー結晶化装置及び結晶化方法は、前記連続移動方向に直交する方向が、前記薄膜表面に垂直な方向を含み、その方向の前記基板保持ステージの位置を計測する第２の位置計測手段を具備する。他の実施形態では、レーザー結晶化装置及び結晶化方法は、前記第２の位置計測手段は、レーザー反射型検出器を具備することを特徴とする。他の実施形態では、レーザー結晶化装置及び結晶化方法は、前記第２の位置計測手段による計測位置が、前記連続移動方向上で前記レーザー光による照射位置よりも先行した位置であることを特徴とする。他の実施形態では、レーザー結晶化装置及び結晶化方法は、前記連続移動方向に直交する方向の前記基板保持ステージの位置制御精度を５マイクロ・メートル以下に制御することを特徴とする。他の実施形態では、レーザー結晶化装置及び結晶化方法は、前記位置計測手段が、レーザー干渉計を具備することを特徴とする。他の実施形態では、レーザー結晶化装置及び結晶化方法は、前記位置計測手段が、リニア・スケールを具備することを特徴とする。他の実施形態では、レーザー結晶化装置及び結晶化方法は、前記位置計測手段による基板保持ステージの位置計測から前記信号発生手段によるレーザー光の照射を指示する信号発生までの遅延時間が、１マイクロ秒以下であることを特徴とする。他の実施形態では、レーザー結晶化装置及び結晶化方法は、前記基板保持ステージの連続移動が、速度制御されていることを特徴とする。
本発明の他の１態様による、レーザー光を発生する複数のレーザー光源と、各々のレーザー光を変調して所定の光強度分布のレーザー光を透過させる複数の位相シフタとを具備し、前記位相シフタにより変調された複数の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て、この薄膜の照射領域を溶融して結晶化するレーザー結晶化装置であって、前記被処理基板を保持し、前記レーザー光源によるレーザー光照射位置に対して所定方向に連続移動する基板保持ステージと、前記所定方向に連続移動する前記基板保持ステージの位置を計測する位置計測手段と、前記位置計測手段により計測された前記基板保持ステージの位置に基づいて前記レーザー光の発生を指示する信号発生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では、前記薄膜は、非晶質シリコン膜であることを特徴とする。さらに、前記レーザー光は、エキシマ・レーザーであることを特徴とする。他の実施形態では、レーザー結晶化装置及び結晶化方法は、前記薄膜上の複数の所定位置に前記レーザー光を照射することを特徴とする。他の実施形態では、レーザー結晶化装置及び結晶化方法は、前記連続移動方向上で前記薄膜上の１ないし３０マイクロ・メートル離間した異なる位置にレーザー光を照射することを特徴とする。他の実施形態では、前記連続移動方向に直交する少なくとも１方向の前記基板保持ステージの位置を制御することを特徴とする。他の実施形態では、レーザー結晶化装置及び結晶化方法は、前記連続移動方向に直交する少なくとも１方向の前記基板保持ステージの位置を制御することを特徴とする。他の実施形態では、レーザー結晶化装置及び結晶化方法は、前記連続移動方向に直交する方向が、前記薄膜面内の１方向を含み、連続移動の直進度を１０マイクロ・メートル以下に制御することを特徴とする。他の実施形態では、レーザー結晶化装置及び結晶化方法は、前記連続移動方向に直交する方向が、前記薄膜表面に垂直な方向を含み、その方向の前記基板保持ステージの位置を計測する第２の位置計測手段を具備する。他の実施形態では、レーザー結晶化装置及び結晶化方法は、前記第２の位置計測手段は、レーザー反射型検出器を具備することを特徴とする。他の実施形態では、レーザー結晶化装置及び結晶化方法は、前記第２の位置計測手段による計測位置が、前記連続移動方向上で前記レーザー光による照射位置よりも先行した位置であることを特徴とする。他の実施形態では、レーザー結晶化装置及び結晶化方法は、前記連続移動方向に直交する方向の前記基板保持ステージの位置制御精度を５マイクロ・メートル以下に制御することを特徴とする。他の実施形態では、レーザー結晶化装置及び結晶化方法は、前記位置計測手段が、レーザー干渉計を具備することを特徴とする。他の実施形態では、レーザー結晶化装置及び結晶化方法は、前記位置計測手段が、リニア・スケールを具備することを特徴とする。他の実施形態では、レーザー結晶化装置及び結晶化方法は、前記位置計測手段による基板保持ステージの位置計測から前記信号発生手段によるレーザー光の照射を指示する信号発生までの遅延時間が、１マイクロ秒以下であることを特徴とする。他の実施形態では、レーザー結晶化装置及び結晶化方法は、前記基板保持ステージの連続移動が、速度制御されていることを特徴とする。
本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、種々の変形をして実施することができる。例えば、図１には、結像レンズを介して位相シフタの像を被処理基板上に投影するプロジェクション照射方式を例に説明したが、位相シフタを被処理基板に近接して設置するプロキシミティ照射方式を採用することもできる。
以上説明したように、本発明は、レーザー結晶化装置に位置計測手段及びレーザー・トリガ信号発生手段を備える。これによって、被処理基板を連続移動させつつ、高精度に位置決めされた領域に大結晶粒径を有する高品質な半導体膜を形成することが可能な、高スループットの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。
図１は、本発明の第１の実施形態にしたがったレーザー結晶化装置の一例を示す図である。 図２は、図１の装置により結晶化される被処理基板の構造の一例を説明するために示す断面図である。 図３は、図１に示した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結晶化光学系の主要部の一例を示す図である。 図４は、本発明の第１の実施形態にしたがった結晶化プロセスの一例を説明するために示すフローチャートである。 図５は、本発明の第２の実施形態にしたがったレーザー結晶化装置の一例を示す図である。 図６は、本発明の第３の実施形態にしたがったレーザー結晶化装置の一例を示す図である。 図７は、本発明の第３の実施形態にしたがったレーザー結晶化装置によるレーザー光照射領域の一例を示す図である。 図８は、本発明の第４の実施形態にしたがったレーザー結晶化装置の一例を示す図である。 図９は、本発明の第４の実施形態にしたがった結晶化プロセス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
１００，５００，６００，８００…レーザー結晶化装置，２…結晶化用光学系，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），３０…被処理基板，３１…支持基板，３２…絶縁膜，３３…非単結晶半導体膜，３４…キャップ絶縁膜，４０…基板保持ステージ，４５…ステージ駆動部，４８…補正テーブル，５０…ステージ位置計測システム，５１…ステージ位置制御ユニット，５２…Ｘ方向位置計測ユニット，５３…Ｙ方向位置計測ユニット，５４…Ｚ方向位置計測ユニット，６０…レーザー・トリガ信号発生システム，７０…偏光ミラー。

Claims (10)

  1. レーザー光発生指示信号の入力に基づいてパルス・レーザー光を発生するレーザー光源と、
    前記レーザー光源からの光路に設けられ前記パルス・レーザー光を変調して所定の光強度分布のパルス・レーザー光を透過させる位相シフタとを具備し、
    前記位相シフタにより変調された前記パルス・レーザー光を被処理基板に設けられた被結晶化処理薄膜に照射して、この被結晶化処理薄膜の照射領域を溶融して結晶化するレーザー結晶化装置であって、
    前記被処理基板を保持し、前記レーザー光源によるパルス・レーザー光照射位置に対して所定方向に連続移動する基板保持ステージと、
    前記所定方向に連続移動する前記基板保持ステージの位置を計測する位置計測手段と、
    前記位置計測手段により計測された前記基板保持ステージの位置に基づいて前記パルス・レーザー光の発生を指示する信号発生手段と
    を具備することを特徴とするレーザー結晶化装置。
  2. 前記基板保持ステージは、Ｘ方向のレーザー光照射位置への合わせ制御系、Ｙ方向のレーザー光照射位置への合わせ制御系およびＺ方向の焦点位置に合わせるための制御系などを有することを特徴とする請求項１記載のレーザー結晶化装置。
  3. レーザー光発生指示信号の入力に基づいてパルス・レーザー光を発生する複数のレーザー光源と、
    各レーザー光源からの光路に設けられ各々のパルス・レーザー光を変調して所定の光強度分布のパルス・レーザー光を透過させる複数の位相シフタとを具備し、
    前記各位相シフタにより変調された複数の前記パルス・レーザー光を被処理基板に設けられた薄膜に照射して、この薄膜の照射領域を溶融して結晶化するレーザー結晶化装置であって、
    前記被処理基板を保持し、前記レーザー光源からのパルス・レーザー光照射位置において所定方向に連続移動する基板保持ステージと、
    前記所定方向に連続移動する前記基板保持ステージの位置を計測する位置計測手段と、
    前記位置計測手段により計測された前記基板保持ステージの位置に基づいて前記パルス・レーザー光の発生を指示するレーザー光発生指示信号を発生する信号発生手段と
    を具備することを特徴とするレーザー結晶化装置。
  4. 前記複数のレーザー光源は、前記連続移動方向に直交する第２の方向の前記薄膜上の異なる位置に同時にパルス・レーザー光を照射するように配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. 前記複数のレーザー光源から発生された前記パルス・レーザー光による照射は、前記連続移動方向上で前記薄膜上の異なる位置を照射するように配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。
  6. 前記レーザー光源は、前記レーザー光発生指示信号の入力に同期して前記パルス・レーザー光を発生することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載のレーザー結晶化装置。
  7. 被処理基板を保持した基板保持ステージを所定の方向に連続移動させる基板連続移動工程と、
    前記連続移動中の前記基板保持ステージの予め定められた位置を計測する位置計測工程と、
    前記計測された位置の情報に基づいてレーザー光の発生を指示する指示信号を出力するレーザー光発生指示工程と、
    前記指示信号を受信したときパルス・レーザー光を発生させるレーザー光発生工程と、
    前記パルス・レーザー光を変調するパルス・レーザー光変調工程と、
    前記変調されたパルス・レーザー光を前記被処理基板に照射して、前記被処理基板に設けられた被結晶化薄膜の照射領域を溶融し、結晶化させる結晶化工程と
    を具備することを特徴とするレーザー結晶化方法。
  8. 前記被処理基板を照射する前記パルス・レーザー光は、複数のパルス・レーザー光路を有し、前記被処理基板の異なる領域を照射することを特徴とする請求項７記載のレーザー結晶化方法。
  9. 連続移動中の前記基板保持ステージの予め定められた位置を計測する前記位置計測工程は、Ｘ方向及びＹ方向について予め定められた位置に位置合わせし、Ｚ方向について焦点位置に位置合わせすることを特徴とする請求項７又は８に記載のレーザー結晶化方法。
  10. 前記レーザー光発生工程は、前記レーザー光発生指示信号の入力に同期してパルス・レーザー光を発生することを特徴とする請求項７又は８に記載のレーザー結晶化方法。
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