JP2007200945A - 結晶化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶化装置において、基板高さのばらつきに対して、レーザー光の結像位置の調整を高速で行う。
【解決手段】結晶化装置１は、レーザー光を照射する照明光学系２ｂと、レーザー光を所定の光強度分布の光線に変調する光変調素子２ｃと、光変調素子の変調光を基板上に結像させる結像光学系２ｄとを含む光学系２と、基板２０を支持する基板ステージ３とを備え、基板に設けられた薄膜を変調光により溶融して結晶化する。結晶化装置１は、基板２０のＺ軸方向の高さを検出する基板高さ検出部４を備える。基板ステージの高さ制御に用いる基板高さデータを予め求めておき、この基板高さデータを用いて基板ステージの高さ制御を行うことによって、基板高さのばらつきに対して、レーザー光の結像位置の調整を高速で行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、非晶質もしくは多結晶半導体薄膜に光線を用いて溶融し結晶化させる結晶化装置に関する。

ガラス基板等の絶縁体上に形成された非結晶半導体層を結晶化させて結晶質半導体層を得、この結晶質半導体層を活性層とした薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：thin film transistor）を形成する技術が知られている。

例えば、アクティブマトリックス型液晶表示装置では、シリコン膜等の半導体膜を設けガラス基板上に薄膜トランジスタを形成し、この薄膜トランジスタを切換え表示を行うためのスイッチング素子として用いている。

薄膜トランジスタの形成は、非晶質又は多結晶などの非単結晶半導体薄膜の結晶化工程を含んでいる。この結晶化技術として、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知られている。

現在、生産に供されているレーザー結晶化装置では、長尺ビーム（例えば、５００μｍ×３００ｍｍ）形状で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、また、結晶粒が形成される場所を位置決めすることも技術的に不可能である。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の特性が抑制される。

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技術が要求されている。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、位相変調して形成した逆ピークパターン状の光強度分布を有するエキシマ・レーザー光を非単結晶半導体薄膜に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、例えば位相シフタ等の位相変調素子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されたＴＦＴは、優れた電気特性を有する。

このＰＭＥＬＡ結晶化技術は、レーザー光の使用効率が高く、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。従来技術として、大面積の半導体膜を結晶化させるには、いわゆるステップ・アンド・リピート照射方式と呼ばれる、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停止させた後再びレーザー光を照射する工程を繰り返す照射方式が用いられている。

図１０は、結晶化装置の概略構成を説明するための図である。

結晶化装置１０は、レーザー光を発するレーザー光源２ａと、レーザー光を照射する照明光学系２ｂと、照明光学系２ｂで照射されたレーザー光を所定の光強度分布の光線に変調する光変調素子２ｃと、光変調素子２ｃの変調光を基板（被処理基板２０）上に結像させる結像光学系２ｄと、被処理基板２０を支持すると共に基板（被処理基板２０）上の二次元位置を定める基板ステージ３とを備える。結像光学系２ｄを介して基板（被処理基板２０）に照射された変調光は、基板に設けられた薄膜を溶融して結晶化させる。

照明光学系２ｂ、光変調素子２ｃ、及び結像光学系２ｄは光学系２を構成する。また、照明光学系２ｂはエキシマ照明光学系を構成し、光変調素子２ｃを照明する結晶化用レザー光を射出、調整する。

基板ステージ３は、Ｘ軸ステージ３ａ、Ｙ軸ステージ３ｂ、及びＺ軸ステージ３ｃを備え、Ｚ軸ステージ３ｃによってステージ上に載置する被処理基板２０のＺ軸方向の高さを調整して、結像位置に被処理基板２０を高さ調整している。この高さ調整は、基板高さ検出部４によって被処理基板２０の高さを検出し、この検出信号を演算回路７で処理して得られた制御信号によってＺ軸ステージ３ｃを駆動することで行う。
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、レーザー光アニール結晶化装置では、レーザー光の焦点位置の深さマージン（Ｄ．Ｏ．Ｆ）は十分に深いため、基板上にレーザー光の焦点を合わせるために、基板高さを積極的に制御する必要はなかった。

これに対して、ＰＭＬＡ結晶化では、基板上にミクロンレベルで光強度変調を形成するため、レーザー光の焦点が基板表面にくるように基板の高さを制御する必要がある。

レーザー光が照射される被照射側は、半導体薄膜が設けられた液晶用ガラス基板のうねりやステージの平面度のばらつきにより高さにばらつきが存在する。

従来、この高さのばらつきは、ステップ＆リピート照射において、基板を支持する基板ステージをＺ軸方向に移動することによる基板高さ調整を、ステップ毎に行うことで解消している。このステップ＆リピート照射は、レーザー光のレーザー光の照射と結像位置への移動を逐次繰り返すものであり、この結像位置に移動する度に高さ調整を行う。

しかしながら、このような高さ調整では、基板を高速で連続送りすることができず、結晶化基板の生産性を妨げる要因となっている。

そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、結晶化装置において、基板高さのばらつきに対して、レーザー光の結像位置の調整を高速で行うことを目的とする。

本発明は、基板ステージの高さ制御に用いる基板高さデータを予め求めておき、この基板高さデータを用いて基板ステージの高さ制御を行うことによって、基板高さのばらつきに対して、レーザー光の結像位置の調整を高速で行う。そして、この基板高さデータの取得を、列スキャンを単位として、レーザー光の照射と同時に行うことによって、基板高さデータのデータ容量の増加を抑えることができる。

また、本発明によれば、結像位置を高速で調整することによって、基板の結晶化を高速化することができ、結晶化による基板のスループットを高めることができる。

本発明の結晶化装置は、レーザー光を照射する照明光学系と、レーザー光を所定の光強度分布の光線に変調する光変調素子と、前記光変調素子の変調光を基板上に結像させる結像光学系とを含む光学系と、基板を支持する基板ステージとを備え、基板に設けられた薄膜を変調光により溶融して結晶化させる結晶化装置であり、この結晶化装置において、基板のＺ軸方向の高さを検出する基板高さ検出部を備える。ここで、結像光学系と基板ステージは、結像光学系を基板に対して列方向に相対的に走査して結像させる列スキャンを行って、その列の基板部分を結晶化する。

基板高さ検出部は、列スキャンと同時に列方向の基板高さを検出して、少なくとも一列分の基板高さデータを取得して記憶する。基板ステージは、記憶しておいた基板高さデータを読み出して基板高さを調整する。これによって、レーザー光の照射と基板高さの検出を同時に行い、前検出を取得しておいた基板高さデータに基づいて基板高さを調整することによって、高さ調整を高速で行うことができる。

本発明の結晶化装置は、二つの態様によって基板高さデータを取得することができる。第１の態様は、レーザー光の照射と基板高さ検出とを、同時に同じ列について行う態様である。一方、第２の態様は、レーザー光の照射と基板高さ検出とを、同時に異なる列で行う態様である。

本発明の第１の態様において、基板高さ検出部は、現列スキャンと同時に同じ列の基板高さを検出して、その列の基板高さデータを取得して記憶する。基板ステージは、前の列スキャンで取得し記憶しておいた１列前の基板高さデータを読み出し、その基板高さデータに基づいて現列スキャンにおける基板高さを調整する。

この第１の態様では、基板高さ調整に用いる基板高さは隣の列の基板高さであって、その高さ調整を行おうとする基板の高さとは異なることになる。しかしながら、列スキャンにおいて隣り合う列の列間の距離は、基板の変動周期と比較して十分に短く、隣接する列はほぼ同様の高さ変動を示すものと見なすことができる。したがって、隣の列で求めた基板高さデータを用いて基板高さを調整した場合であっても、十分な精度で高さ調整を行うことができる。

本発明の第２の態様において、基板高さ検出部は、現列スキャンと同時に次の列の基板高さを検出して、当該列の基板高さデータを取得して記憶する。基板ステージは、前の列スキャンで取得し記憶しておいた現列の基板高さデータを読み出し、その基板高さデータに基づいて現列スキャンにおける基板高さを調整する。

この第２の態様では、列スキャンにおいて、レーザー光を照射している列よりも一つ先の列の基板高さを検出し、この検出した基板高さを次の列スキャンに用いるため、基板高さの調整に用いる基板高さは、正にその列の基板高さである。この第２の態様では、高さ調整に用いる基板高さデータは、一列スキャン時間分だけ前の時点で検出したデータとなるが、列スキャンにおいて隣り合う列の列間の時間差は、基板の時間変化と比較して十分に短く、一列スキャン時間過去の基板高さデータはほぼ同じと見なすことができる。

本発明によれば、結晶化装置において、基板高さのばらつきに対して、レーザー光の結像位置の調整を高速で行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。

図１を用いて本発明の結晶化装置の一構成例について説明する。

本発明の結晶化装置１は、レーザー光を照射する照明光学系２ｂと、照明光学系２ｂで照射されたレーザー光を所定の光強度分布の光線に変調する光変調素子２ｃと、光変調素子２ｃの変調光を基板（被処理基板２０）上に結像させる結像光学系２ｄと、基板（被処理基板２０）を支持すると共に基板（被処理基板２０）上の二次元位置を定める基板ステージ３とを備える。結像光学系２ｄを介して基板（被処理基板２０）に照射された変調光は、基板に設けられた薄膜を溶融して結晶化させる。

照明光学系２ｂ、光変調素子２ｃ、及び結像光学系２ｄは光学系２を構成する。また、照明光学系２ｂはエキシマ照明光学系を構成し、光変調素子２ｃを照明する結晶化用レザー光を射出、調整する。照明光学系２ｂは、レーザー光源２ａから出射されたエキシマレーザー光のビームを拡大するビーム・エキスパンダや、面内の光強度を均一化するホモジナイザを備えることができる。なお、図では、ビーム・エキスパンダ及びホモジナイザは示していない。

光変調素子２ｃは位相シフタを用いることができ、結晶化用レーザー光を位相変調して所望の光強度分布、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する。

結像光学系２ｄは、光変調素子２ｃにより位相変調された結晶化用レーザー光を結晶化させる非単結晶半導体薄膜に縮小照射する。図１では、光変調素子２ｃを照明光学系２ｂと結像光学系２ｄとの間に設置したプロジェクション方式を示しているが、光変調素子２ｃを被処理基板２０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。

レーザー光源２ａは、被処理基板２０に設けられた非単結晶半導体膜、例えば、非晶質若しくは多結晶半導体膜を溶融するために充分なエネルギー、例えば、非単結晶半導体膜上で１Ｊ／ｃｍ²を有する光を出力する。レーザー光源２ａ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・レーザー光源は、例えば、発振周波数が例えば１００Ｈｚから３００Ｈｚのパルス発振型である。

ビーム・エキスパンダは、入射されたレーザー光を拡大するもので、例えば、拡大する凹レンズと平行光にする凸レンズとにより構成することができる。また、ホモジナイザは、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。ホモジナイザによりエキシマ・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る。

位相シフタは、位相変調素子２ｃｄ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し、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は、入射光を左右対称な逆ピーク状光強度分布に位相変調する。

段差（厚み分布）ｄは、レーザー光の波長をλ、位相シフタの透明基板の屈折率ｎとしたとき、ｄ＝λ／２（ｎ−１）で求められる。この関係から、位相シフタは、例えば、石英ガラス基板に所定の位相差に対応する段差ｄを形成することにより製造することができる。例えば、石英基板の屈折率を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°の位相差を付けるための段差は２６９．６ｎｍになる。石英ガラス基板の段差は、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（段差）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光強度分布を実現できる。

位相シフタ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２ｄにより位相シフタ（光変調素子２ｃ）と共役な位置に設置された被処理基板２０上に、所定の光強度分布で結像する。エキシマ結像光学系２ｄは、例えば、複数枚のフッ化カルシウム（ＣａＦ２）レンズ及ぴ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１２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：３０ｍｍから７０ｍｍの片側あるいは両側テレセントリックスレンズである。

また、結晶化の処理を受ける被処理基板２０は、一般に、例えば、ガラス基板、プラスチック基板等の絶縁基板、シリコン等の半導体基板（ウェーハ）等の保持基板に絶縁膜を介して非単結晶半導体膜（例えば、非晶質シリコン膜、多結晶シリコン膜、スパッタされたシリコン膜、シリコン・ゲルマニウム膜、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上にキャップ膜として絶縁膜を設けたものである。

非単結晶半導体膜の膜厚は、例えば脱水素処理をした非晶質シリコン膜の場合には３０ｎｍから３００ｎｍであり、例えば、５０ｎｍである。絶縁膜は、非単結晶半導体膜を結晶化する際に、保持基板から好ましくない不純物が非単結晶半導体膜に拡散することを防止するために設けられた膜である。また、レーザー光照射によって生じたジュール熱を断熱する目的で設けられた膜である。

キャップ絶縁膜は、レーザー光に対するキャップ絶縁膜の透過特性及び光吸収特性を利用して、結晶化のために非単結晶半導体膜が受光して溶融したときの熱を蓄える機能を有する。キャップ絶縁膜の蓄熱効果は、非単結晶半導体膜の溶融領域に大粒径（５μｍ以上）の結晶化を可能にする。キャップ絶縁膜は、結晶化の効率を高めるためのものであるが、省賂することができる。

基板ステージ３は、Ｘ方向に移動自在のＸ軸ステージ３ａとＹ方向に移動自在のＹ軸ステージ３ｂとＺ方向に移動自在のＺ軸ステージ３ｃとを備え、ステージコントローラによって駆動制御される。図１では、Ｚステージコントローラ９を示しているが、ステージコントローラは各軸のステージ３ａ，３ｂ，３ｃで制御する構成、一つのステージコントローラでＸＹＺの３軸のステージを制御する構成、Ｘ軸ステージ３ａ及びＹ軸ステージ３ｂをＸＹステージコントローラで制御し、Ｚ軸ステージ３ｃをＺステージコントロータで制御する構成等、種々の構成とすることができる。

なお、この基板ステージ３は、定盤（図示していない）上に固定して設け、この定盤５上には、前記した光学系２を支持する光学ベース部（図示していない）を固定して設けることができる。また、定盤を除振装置（図示していない）によって床面（図示していない）上に取り付ける構成とすることができる。除振装置はバネ要素やゲイン要素を備え、除振装置制御コントローラ（図示していない）によって駆動し、定盤及びその定盤上に設けた基板ステージ３や光学ベース部が、床面等の基準面に対して振動しないように制御することができる。なお、ステージコントローラや除振装置を制御する制御コントローラは、上位の制御ＰＣ（図示していない）によって制御することができる。

さらに、本発明の結晶化装置１は基板高さ検出部４を備え、被処理基板２０上においてレーザー光を照射する位置のＺ軸方向の高さを検出する。この基板高さ検出部４は、例えば測定点に入射する入射光を照射する光源４ａと、測定点で反射した反射光を検出する検出器４ｂを備える。

この基板高さ検出部４は結像光学系２ｄと一定の位置関係を保持して、例えば、前記した光学ベース部に取り付けられる。基板ステージ３が移動すると、基板高さ検出部４と結像光学系２ｄとは基板ステージ３に対して一体で移動する。例えば、図１において、Ｘ軸ステージ３ａを矢印（図中の横方向）に移動すると、結像光学系２ｄは基板ステージ３上に載置された被処理基板２０に対して、Ｘ軸ステージ３ａの移動方向と逆の方向に相対的に移動する。この移動に伴って、結像光学系２ｄから被処理基板２０上の光変調素子２ｃで光変調したレーザー光を照射することによって、被処理基板２０上の半導体を結晶化する。上記Ｘ軸ステージ３ａによる移動によって、被処理基板２０上では列方向に結晶化が行われる。Ｘ軸ステージ３ａが一方の端部から他方の端部に移動すると、被処理基板２０上では一列分の結晶化が行われる。この一列分の結晶化を列スキャンと呼ぶ。

一列分の列スキャンが完了した後、Ｙ軸ステージ３ｂを一定量の幅（Ｙ方向の幅）だけ移動して前記した列スキャンを繰り返す。この列スキャンとＹ軸方向の移動を繰り返すことによって、被処理基板２０の全面について結晶化を行うことができる。

なお、一列スキャンから次の列スキャンへの切り換えにおいて、端部で折り返すことで反対方向に移動して列スキャンを行う態様とする他に、端部に達した後はじめの端部に戻ることで常に同方向に移動して列スキャンを行う態様としてもよい。

基板高さ検出部４は結像光学系２ｄと一定の位置関係を保持しているため、列スキャンによって結晶化を行うと同時に、被処理基板２０上の基板高さを検出することができる。

ここで、基板高さ検出部４は、結像光学系２ｄが結像する位置の高さを検出する構成とする他に、結像光学系２ｄの結像によって行う列スキャンの部分と隣接する部分であって、次の列スキャンにおいて結像光学系２ｄが結像する位置の高さを検出する構成としてもよい。

バッファメモリ８は、検出器４ｂで検出した一列分の高さデータを格納し、演算回路７に送る。演算回路７は、バッファメモリ８に格納された一列分の高さデータに基づいて、結像光学系２ｄの変調光の結像位置が被処理基板２０上と一致するように、Ｚ軸ステージドライバ９を制御する制御信号を生成する。Ｚ軸ステージドライバ９は、演算回路７で生成した制御信号を受けてＺ軸ステージ３ｃを駆動して、被処理基板２０のＺ軸方向の高さを調整し、結像位置を被処理基板２０上に合わせる。

本発明の結晶化装置１は、二つの態様によって基板高さデータを取得することができる。第１の態様は、レーザー光の照射と基板高さ検出とを、同時に同じ列について行う態様であり、第２の態様は、レーザー光の照射と基板高さ検出とを、同時に異なる列で行う態様である。

以下、図２〜図５を用いて第１の態様について説明し、図６〜図９を用いて第２の態様について説明する。

第１の態様は、列スキャンを行う列と同じ列の基板高さを列スキャンと同時に検出し、この列で得た基板高さを次の列スキャンでの基板高さ調整に用いる態様である。

図２は、第１の態様を説明するための概略図である。なお、図２では、基板ステージ３のＺ軸ステージ３ｃ、基板高さ検出部４、及び結像光学系２ｄのみを示している。

第１の態様では、基板高さ検出部４と結像光学系２ｄとは、基板ステージの移動に対して一体で移動し、基板高さ検出部４が高さ検出する検出位置は、結像光学系２ｄがレーザー光を結像する結像位置と同位置としている。なお、ここでいう同位置は、完全に同じ位置である必要はなく、結像光学系２ｄが結像するビームの照射領域内、あるいは照射領域と同じ高さと見なせる距離範囲を含むものである。この照射領域と同じ高さと見なせる範囲とは、その位置ずれした位置において、レーザー光の結像の焦点位置の深さ方向マージン（Ｄ．Ｏ．Ｆ）の範囲内となる範囲である。

図２では、被処理基板２０上でｋ＋１列を列スキャンする状態を示している。ｋ＋１列を列スキャンにおいて、結像光学系２ｄはｋ＋１列目を走査しながらレーザー光を照射して結晶化を行う。

このｋ＋１列目の列スキャンでは、一つ前のｋ列目の列スキャンで取得しておいたｋ列目の基板高さデータＨk（図２中の破線で示す）を用いてＺ軸ステージ３ｃを駆動することによって、レーザー光を基板上に結像させる。

ｋ＋１列目の列スキャン時において、基板高さ検出部４は同時にｋ＋１列目の基板高さを検出する。ここで、図２中の一点鎖線は、ｋ＋１列目の基板高さを模式的に表している。バッファメモリは、基板高さ検出部４が検出したｋ＋１列目の基板高さデータＨk+1を格納し、次のｋ＋２列目の列スキャン時において基板の高さ調整に用いる。

図３は、本発明の第１の態様の動作を説明するためのフローチャートである。図３において、基板ステージ３を基準位置に移動して（Ｓ１）、その基準位置の高さを検出し（Ｓ２）、初期位置として設定する（Ｓ３）。

その後、基板ステージ３を駆動して被処理基板２０上の開始位置に移動し結晶化の処理位置に結像位置を位置合わせした後（Ｓ４）、基板送りを開始する（Ｓ５）。

その後、基板高さを調整しながら列スキャンによって基板を結晶化すると共に、次の列における基板高さ調整に用いる基板高さデータの取得を行う。

この際、第１番目の列を列スキャンする場合には、前列の列スキャンが存在しないため、その列スキャンで取得されるべき基板高さデータは存在しない。そこで、第１列目については、レーザー光の照射を行わない空スキャンを行って、１列目の基板高さを取得し（Ｓ６）、この基板高さに基づいて駆動信号を生成する（Ｓ７）。

Ｓ６，Ｓ７の工程で１列目の基板高さを取得し駆動信号を生成した後、この駆動信号を用いて再び１列目について列スキャンを行う。なお、この１列目の列スキャンでは、基板高さを再度取得してもよい（Ｓ８）。

その後は、ｋ列目の列スキャンにおいて、その一つ前のｋ−１列の列スキャンで取得しておいたｋ−１列目の基板高さに基づいて駆動信号を生成し（Ｓ９）、このｋ−１列目の基板高さを用いてＺ軸ステージを駆動して基板高さを調整してＫ列目の列スキャンを行う。そして、このＫ列目を列スキャンすると共に、ｋ列目の基板高さを検出して取得する（Ｓ１０）。

以後Ｓ９，Ｓ１０を最終位置まで繰り返すことによって被処理基板に設けられた半導体膜を結晶化する（Ｓ１１）。

図４は本発明の第１の態様における基板高さ検出と結晶化処理の関係を説明するための概略図であり、図５はタイミングチャートである。

１列目については基板高さが得られていないため、この列について空スキャンを行って高さ検出のみを行って、１列目に基板板高さを取得する（図４（ａ）中の破線矢印、図５（ａ）中のＡ期間）。

次に、先の空スキャンで取得しておいた基板高さ（図４（ｂ）中の破線で示す）を読み出し（図５（ｂ）中のＢ期間）、この基板高さに基づいて基板の高さ調整を行いながら、１列目の結晶化を行う（図４（ｂ）中の実線矢印で示す）（図５（ｃ）中のＢ期間）。なお、このとき、１列目については既に基板高さを取得しているため基板高さを検出する必要はないが、以後の列と同様に結晶化と共に基板高さを検出してもよい（図４（ｂ）中の破線矢印で示す）（図５（ａ）中のＢ期間）。これによれば、最初の空スキャンを除いて全ての列で共通のプログラムを利用することができる。

図４（ｃ）に示す２列目の結晶化処理において、１列目の列スキャンで取得しておいた基板高さ（図４（ｃ）中の破線で示す）を読み出し、この基板高さに基づいて基板の高さ調整を行いながら、２列目の結晶化を行う（図４（ｃ）中の実線矢印で示す）と共に、２列目の高さ検出を行う（図４（ｃ）中の破線矢印で示す）。

図４（ｄ）に示すｋ列目の結晶化処理において、ｋ−１列目の列スキャンで取得しておいた基板高さ（図４（ｄ）中の破線で示す）を読み出し（図５（ｂ）中のＤ期間）、この基板高さに基づいて基板の高さ調整を行いながら、ｋ列目の結晶化を行う（図４（ｄ）中の実線矢印で示す）（図５（ｃ）中のＤ期間）と共に、ｋ列目の高さ検出を行う（図４（ｄ）中の破線矢印で示す）（図５（ａ）中のＤ期間）。

図４（ｅ）に示すｋ＋１列目の結晶化処理において、ｋ列目の列スキャンで取得しておいた基板高さ（図４（ｅ）中の破線で示す）を読み出し（図５（ｂ）中のＥ期間）、この基板高さに基づいて基板の高さ調整を行いながら、ｋ＋１列目の結晶化を行う（図４（ｅ）中の実線矢印で示す）（図５（ｃ）中のＥ期間）と共に、ｋ＋１列目の高さ検出を行う（図４（ｅ）中の破線矢印で示す）（図５（ａ）中のＥ期間）。

上記したように、第１の態様は、基板高さ検出部によって、列スキャンと同時に同じ列の基板高さを検出して、その列の基板高さデータを取得して記憶する。基板ステージは、前の列スキャンで取得し記憶しておいた１列前の基板高さデータを読み出し、その基板高さデータに基づいて現列スキャンにおける基板高さを調整する。

この第１の態様では、基板高さの調整に用いる基板高さは隣の列の基板高さであって、その高さ調整を行おうとする基板の高さとは異なることになるが、列スキャンにおいて隣り合う列の列間の距離は、基板の変動周期と比較して十分に短く、隣接する列はほぼ同様の高さ変動を示すものと見なすことができるため、隣の列で求めた基板高さデータを用いて基板高さを調整した場合であっても、十分な精度で高さ調整を行うことができる。

第２の態様は、列スキャンと同時に一列先の列の基板高さを検出し、この列で得た基板高さを次の列スキャンでの基板高さ調整に用いる態様である。

図６は、第２の態様を説明するための概略図である。なお、図６では、基板ステージ３のＺ軸ステージ３ｃ、基板高さ検出部４、及び結像光学系２ｄのみを示している。

第２態様では、基板高さ検出部４と結像光学系２ｄとは、基板ステージの移動に対して一体で移動し、基板高さ検出部４が高さ検出する列は、結像光学系２ｄがレーザー光を結像する列と隣接する列であって、結晶化処理で一列先の列である。なお、高さ検出を行う列において、高さ検出を行う位置は必ずしも結晶化処理が行われる領域内である必要はなく、結像光学系２ｄが結像するビームの照射領域内、あるいは照射領域と同じ高さと見なせる距離範囲であれば列の領域外としてもよい。なお、この照射領域と同じ高さと見なせる範囲とは、その位置ずれした位置において、レーザー光の結像の焦点位置の深さ方向マージン（Ｄ．Ｏ．Ｆ）の範囲内となる範囲である。

図６では、被処理基板２０上でｋ列を列スキャンする状態を示している。ｋ列を列スキャンにおいて、結像光学系２ｄはｋ＋１列目を走査しながらレーザー光を照射して結晶化を行う。

このｋ列目の列スキャンでは、一つ前のｋ−１列目の列スキャンで取得しておいたｋ列目の基板高さデータＨk（図２中の破線で示す）を用いてＺ軸ステージ３ｃを駆動することによって、レーザー光を基板上に結像させる。

ｋ列目の列スキャン時において、基板高さ検出部４は同時にｋ＋１列目の基板高さを検出する。ここで、図６中の一点鎖線は、ｋ＋１列目の基板高さを模式的に表している。バッファメモリは、基板高さ検出部４が検出したｋ＋１列目の基板高さデータＨk+1を格納し、次のｋ＋２列目の列スキャン時において基板の高さ調整に用いる。

図７は、本発明の第２の態様の動作を説明するためのフローチャートである。図７において、基板ステージ３を基準位置に移動して（Ｓ２１）、その基準位置の高さを検出し（Ｓ２２）、初期位置として設定する（Ｓ２３）。

その後、基板ステージ３を駆動して被処理基板２０上の開始位置に移動し結晶化の処理位置に結像位置を位置合わせした後（Ｓ２４）、基板送りを開始する（Ｓ２５）。

その後、基板高さを調整しながら列スキャンによって基板を結晶化すると共に、次の列における基板高さ調整に用いる基板高さデータの取得を行う。

この際、第１番目の列を列スキャンする場合には、前列の列スキャンが存在しないため、その列スキャンで取得されるべき基板高さデータは存在しない。そこで、第１列目については、レーザー光の照射を行わない空スキャンを行って、１列目の基板高さを取得し（Ｓ２６）、この基板高さに基づいて駆動信号を生成する（Ｓ２７）。

Ｓ２６，Ｓ２７の工程で１列目の基板高さを取得し駆動信号を生成した後、この駆動信号を用いて再び１列目について列スキャンを行う（Ｓ２８）。この１列目の列スキャン時には、２列目の基板高さを取得する。

その後は、ｋ列目の列スキャンにおいて、その一つ前のｋ−１列の列スキャンで取得しておいたｋ列目の基板高さに基づいて駆動信号を生成し（Ｓ２９）、このｋ列目の基板高さを用いてＺ軸ステージを駆動して基板高さを調整してｋ列目の列スキャンを行う。そして、このＫ列目を列スキャンすると共に、ｋ＋１列目の基板高さを検出して取得する（Ｓ３０）。

以後Ｓ２９、Ｓ３０を最終位置まで繰り返すことによって被処理基板に設けられた半導体膜を結晶化する（Ｓ３１）。

図８は本発明の第２の態様における基板高さ検出と結晶化処理の関係を説明するための概略図であり、図９はタイミングチャートである。

１列目については基板高さが得られていないため、この列について空スキャンを行って高さ検出のみを行って、１列目に基板板高さを取得する（図８（ａ）中の破線矢印、図９（ａ）中のＡ期間）。

次に、先の空スキャンで取得しておいた基板高さ（図８（ｂ）中の破線で示す）を読み出し（図９（ｂ）中のＢ期間）、この基板高さに基づいて基板の高さ調整を行いながら、１列目の結晶化を行う（図８（ｂ）中の実線矢印で示す）（図９（ｃ）中のＢ期間）。このとき、２列目については基板高さを取得する（図８（ｂ）中の破線矢印で示す）（図９（ａ）中のＢ期間）。

図８（ｃ）に示す２列目の結晶化処理において、１列目の列スキャン時に取得しておいた２列目の基板高さ（図８（ｃ）中の破線で示す）を読み出し（図９（ｂ）の期間Ｂ）、この基板高さに基づいて基板の高さ調整を行いながら、２列目の結晶化を行う（図８（ｃ）中の実線矢印で示す）（図９（ｃ）の期間Ｂ）と共に、２列目の高さ検出を行う（図４（ｃ）中の破線矢印で示す）（図９（ａ）の期間Ｂ）。

図８（ｄ）に示すｋ列目の結晶化処理において、ｋ−１列目の列スキャン時に取得しておいたｋ列目の基板高さ（図８（ｄ）中の破線で示す）を読み出し（図９（ｂ）中のＤ期間）、この基板高さに基づいて基板の高さ調整を行いながら、ｋ列目の結晶化を行う（図８（ｄ）中の実線矢印で示す）（図９（ｃ）中のＤ期間）と共に、ｋ＋１列目の高さ検出を行う（図８（ｄ）中の破線矢印で示す）（図９（ａ）中のＤ期間）。

図８（ｅ）に示すｋ＋１列目の結晶化処理において、ｋ列目の列スキャン時に取得しておいたｋ＋１列目の基板高さ（図８（ｅ）中の破線で示す）を読み出し（図９（ｂ）中のＥ期間）、この基板高さに基づいて基板の高さ調整を行いながら、ｋ＋１列目の結晶化を行う（図８（ｅ）中の実線矢印で示す）（図９（ｃ）中のＥ期間）と共に、ｋ＋２列目の高さ検出を行う（図８（ｅ）中の破線矢印で示す）（図９（ａ）中のＥ期間）。

なお、列スキャンを端部で折り返して行う場合には、ｋ列のスキャン方向とｋ＋１列のスキャン方向が反対方向となる。この場合には、基板高さ検出で得られる基板高さデータを取得順と、この基板高さデータを用いて高さ調整を行う際の読み出し順とは逆となるため、このデータ順を考慮して読み出す。

上記したように、第２の態様は、基板高さ検出部によって、現列スキャンと同時に次の列の基板高さを検出して、当該列の基板高さデータを取得して記憶する。基板ステージは、前の列スキャンで取得し記憶しておいた現列の基板高さデータを読み出し、その基板高さデータに基づいて現列スキャンにおける基板高さを調整する。

この第２の態様では、列スキャンにおいて、レーザー光を照射している列よりも一つ先の列の基板高さを検出し、この検出した基板高さを次の列スキャンに用いるため、基板高さの調整に用いる基板高さはその列の基板高さとすることができる。高さ調整に用いる基板高さデータは、一列スキャン時間分だけ前の時点で検出したデータとなるが、列スキャンにおいて隣り合う列の列間の時間差は、基板の時間変化と比較して十分に短く、一列スキャン時間過去の基板高さデータはほぼ同じと見なすことができる。

なお、上記では、レーザー光照射をステップ状に行うとして説明しているが、このレーザー光照射は、基板の移動を断続させて行うステップ＆リピート照射ではなく、基板を連続的に移動させる連続送りにおいて、所定領域をステップ状にレーザー光を照射するものである。

本発明によれば、ＰＭＥＬＡ結晶化技術により形成される数μｍサイズの擬似結晶粒の品質を基板全領域で維持することが可能となり、結晶粒の上にトランジスタを形成することで、ばらつきの少ない高性能な回路あるいは結晶表示デバイスの形成が期待できる。

本発明の振動制御は、結晶化装置に限らず、基板を高速・高精度に位置決めすることが求められる装置に適用することができ、半導体基板に所定に処理を施す半導体処理装置や、処理済みの半導体基板を測定する半導体基板測定装置にも適用することができる。

本発明の結晶化装置の一構成例を説明するための図である。 本発明の第１の態様を説明するための概略図である。 本発明の第１の態様の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第１の態様における基板高さ検出と結晶化処理の関係を説明するための概略図である。 本発明の第１の態様における基板高さ検出と結晶化処理の関係を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の第２の態様を説明するための概略図である。 本発明の第２の態様の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第１の態様における基板高さ検出と結晶化処理の関係を説明するための概略図である。 本発明の第２の態様における基板高さ検出と結晶化処理の関係を説明するためのタイミングチャートである。 結晶化装置の概略構成を説明するための図である。

符号の説明

１，１０…結晶化装置、２…光学系、２ａ…エキシマレーザー、２ｂ…照明光学系、２ｃ…光変調素子、２ｄ…結像光学系、３…基板ステージ、３ａ…Ｘ軸ステージ、３ｂ…Ｙ軸ステージ、３ｃ…Ｚ軸ステージ、４…基板高さ検出、４ａ…光源、４ｂ…検出器、５…定盤、６…除振装置、７…演算回路、８…バッファメモリ、９…Ｚ軸ステージドライバ、２０…被処理基板。

Claims (3)

1. レーザー光を照射する照明光学系と、前記レーザー光を所定の光強度分布の光線に変調する光変調素子と、前記光変調素子の変調光を基板上に結像させる結像光学系とを含む光学系と、
   基板を支持する基板ステージとを備え、
   基板に設けられた薄膜を変調光により溶融して結晶化させる結晶化装置において、
   前記基板のＺ軸方向の高さを検出する基板高さ検出部を備え、
   前記結像光学系と基板ステージは、結像光学系を基板に対して列方向に相対的に走査して結像させる列スキャンを行い、
   前記基板高さ検出部は、前記列スキャンと同時に列方向の基板高さを検出して、少なくとも一列分の基板高さデータを取得して記憶し、
   前記基板ステージは、前記記憶しておいた基板高さデータを読み出して基板高さを調整することを特徴とする、請求項１に記載の結晶化装置。
2. 前記基板高さ検出部は、現列スキャンと同時に同じ列の基板高さを検出して、当該列の基板高さデータを取得して記憶し、
   前記基板ステージは、前の列スキャンで取得し記憶しておいた１列前の基板高さデータを読み出し、当該基板高さデータに基づいて現列スキャンにおける基板高さを調整することを特徴とする、請求項１に記載の結晶化装置。
3. 前記基板高さ検出部は、現列スキャンと同時に次の列の基板高さを検出して、当該列の基板高さデータを取得して記憶し、
   前記基板ステージは、前の列スキャンで取得し記憶しておいた現列の基板高さデータを読み出し、当該基板高さデータに基づいて現列スキャンにおける基板高さを調整することを特徴とする、請求項１に記載の結晶化装置。