JP2007281442A - 光照射装置、光照射方法、結晶化装置、結晶化方法、および半導体デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 コヒーレンスファクターを比較的大きい値に設定しても所望の光強度分布を生成することができ、ひいては所望形状の結晶粒を生成することのできる結晶化装置。
【解決手段】 入射光を光変調するための光変調素子（１）と、光変調素子を照明するための照明系（２）と、光変調素子と被照射面との間に配置されて、被照射面上に所定の光強度分布を形成するための結像光学系（３）とを備えている。照明系の射出瞳の形状を、光変調素子からの一次回折光が結像光学系の瞳面の開口を実質的に通過しない円形状以外の形状に設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光照射装置、光照射方法、結晶化装置、結晶化方法、および半導体デバイスに関し、例えば、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技術に関する。

従来、たとえば液晶表示装置（Liquid-Crystal-Display:ＬＣＤ）の表示画素を選択するスイッチング素子などに用いられる薄膜トランジスタ（Thin-Film-Transistor：ＴＦＴ）は、非晶質シリコン（amorphous-Silicon）や多結晶シリコン（poly-Silicon）を用いて形成されている。多結晶シリコンは、非晶質シリコンよりも電子または正孔の移動度が高い。

したがって、多結晶シリコンを用いてトランジスタを形成した場合、非晶質シリコンを用いて形成する場合よりも、スイッチング速度が速くなり、ひいてはディスプレイの応答が速くなる。また、周辺ＬＳＩを薄膜トランジスタで構成することが可能になる。さらに、他の部品の設計マージンを減らせるなどの利点がある。また、ドライバ回路やＤＡＣなどの周辺回路をディスプレイに組み入れる場合に、それらの周辺回路をより高速に動作させることができる。

多結晶シリコンは結晶粒の集合からなるため、例えばＴＦＴトランジスタを形成した場合、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が低くなる。また、多結晶シリコンを用いて形成された多数の薄膜トランジスタは、チャネル部に形成される結晶粒界数が各薄膜トランジスタ間で夫々異なり、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、単位領域内における位相変調領域の占有面積の率が所定方向に沿って一次元的に変化する位相パターンを有する光変調素子（位相シフター）を用いて、この所定方向に沿って一次元的に変化するＶ字状の光強度分布を有するレーザ光を、非単結晶半導体膜（多結晶半導体膜または非単結晶半導体膜）に照射し、上記所定方向に沿って結晶成長させることにより結晶化半導体膜を生成する技術が提案されている（たとえば特許文献１および非特許文献１を参照）。

特開２００４−３４３０７３号公報 Y. Taniguchi, etc.,"A Novel Phase-modulator for ELA-Based Lateral Growth of Si", The Electrochemical Society's 206th Meeting, Thin Film Transistor Technologies VII (Honolulu, Hawaii)

特許文献１および非特許文献１に提案された従来の結晶化技術では、図２２（ａ）に示すように、単位領域内における位相変調領域の占有面積の率が所定方向（図２２（ａ）では水平方向）に沿って一次元的に変化する位相パターンを有する光変調素子１０１を用いる。光変調素子１０１を介して変調されたレーザ光は、結像光学系を介してその像面に、一次元的に変化するＶ字状の光強度分布を生成する。具体的に、光変調素子１０１の位相変調領域の位相変調量が６０度である場合、図２２（ｂ）において太い実線で示すＶ字状の光強度分布１０２が理論的に生成される。

また、光変調素子１０１の位相変調領域の位相変調量が１８０度である場合、図２２（ｂ）において太い実線で示すＶ字状の光強度分布１０３が理論的に生成され、図２２（ｂ）において細い実線で示すＶ字状の光強度分布１０４が実際に生成される。こうして、Ｖ字状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すると、光強度分布の勾配方向に沿って結晶が成長し、図２２（ｃ）に示すように、勾配方向に沿って細長く延びる「針状結晶」１０５が生成される。

従来の結晶化技術では、コヒーレンスファクターすなわちσ値（照明系の射出側開口数／結像光学系の物体側開口数）を比較的小さい値（たとえば０．５以下）に設定する場合、所望の光強度分布を生成することができる。しかしながら、σ値を比較的大きい値（たとえば０．６以上）に設定すると、光強度を示す等高線に例えば波状のうねりが発生し、所望の光強度分布を生成することができない。この結果、結晶の成長にムラが生じて、所望形状の結晶粒を生成することができず、ひいては作製されたＴＦＴの電気特性にばらつきが発生してしまう。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、コヒーレンスファクターを比較的大きい値に設定しても所望の光強度分布を生成することができ、ひいては所望形状の結晶粒を生成する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、所定の光強度分布を有する光を被照射面に照射する光照射装置であって、
基本並進ベクトル（ａ１，ａ２）で表される周期構造の光変調パターンを有する光変調素子と、
前記光変調素子を光で照明するための照明系と、
前記光変調素子と前記被照射面との間に配置されて、前記被照射面上に前記光変調パターンにより得られる前記所定の光強度分布を形成するための結像光学系とを具備し、
前記照明系の射出瞳の形状は、前記基本並進ベクトル（ａ１，ａ２）から下式で得られる基本逆格子ベクトル（ｂ１，ｂ２）のウィグナー・サイツ・セルと相似形である光照射装置を提供する。
ｂ１＝２π（ａ２×ａ３）／（ａ１・（ａ２×ａ３））
ｂ２＝２π（ａ３×ａ１）／（ａ１・（ａ２×ａ３））
ただし、上式において、ａ３は前記光変調素子の光変調パターンの平面の法線方向の任意の大きさのベクトルであり、「・」はベクトルの内積を、「×」は外積を表している。

本発明の第２形態では、所定の光強度分布を有する光を被照射面に照射する光照射装置において、
基本並進ベクトル（ａ１，ａ２）で表される周期構造の光変調パターンを有する光変調素子と、
前記光変調素子を照明するための照明系と、
前記光変調素子と前記被照射面との間に配置されて、前記被照射面上に前記光変調パターンに対応した前記所定の光強度分布を形成するための結像光学系とを備え、
前記照明系の射出瞳の形状は、前記基本並進ベクトル（ａ１，ａ２）から下式で得られる基本逆格子ベクトル（ｂ１，ｂ２）の方向に対して凸の形状ではない光照射装置を提供する。
ｂ１＝２π（ａ２×ａ３）／（ａ１・（ａ２×ａ３））
ｂ２＝２π（ａ３×ａ１）／（ａ１・（ａ２×ａ３））
ただし、上式において、ａ３は前記光変調素子の光変調パターン面の法線方向の任意の大きさのベクトルであり、「・」はベクトルの内積を、「×」は外積を表している。

本発明の第３形態では、所定の光強度分布を有する光を被照射面に照射する光照射装置であって、
入射光を光変調して変調光を射出するための光変調素子と、
前記光変調素子を照明するための照明系と、
前記光変調素子と前記被照射面との間に配置されて、前記被照射面上に、前記変調光に対応した前記所定の光強度分布を形成するための結像光学系と、
前記照明系の射出瞳の形状を、前記光変調素子からの０次回折光を通過させ、一次回折光が前記結像光学系の瞳面の開口を実質的に通過しない円形状以外の形状に設定するための射出瞳形状設定部とを備えている光照射装置を提供する。

本発明の第４形態では、入射光を光変調する光変調素子と、該光変調素子と被照射面との間に配置された結像光学系とを用いて、所定の光強度分布を有する光を前記被照射面に照射する光照射方法であって、
前記光変調素子を照明する照明系の射出瞳の形状を、前記光変調素子からの光の一次回折光成分が前記結像光学系の瞳面の開口を実質的に通過しない円形状以外の形状に設定する光照射方法を提供する。

本発明の第５形態では、第１形態、第２形態または第３形態の光照射装置と、前記被照射面に非単結晶半導体膜を保持するためのステージとを備え、前記被照射面に非単結晶半導体膜を保持するためのステージとを備え、前記被照射面に保持された非単結晶半導体膜の少なくとも一部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にする結晶化装置を提供する。

本発明の第６形態では、第１形態、第２形態または第３形態の光照射装置または第４形態〜第６形態の光照射方法を用いて、前記被照射面に保持された非単結晶半導体膜の少なくとも一部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にする結晶化方法を提供する。

本発明の第７形態では、第５形態の結晶化装置を用いて製造された半導体デバイスを提供する。

本発明では、照明系の射出瞳の形状を、光変調素子からの一次回折光が結像光学系の瞳面の開口を実質的に通過しない円形状以外の形状（例えばウィグナー・サイツ・セル形）に設定するため、結像光学系の像面に生成される光強度分布において、光強度の等高線に波状のうねりが実質的に発生しない。その結果、本発明の結晶化装置では、σ値（コヒーレンスファクター）を比較的大きい値に設定しても所望の光強度分布を生成することができ、ひいては所望形状の結晶粒を生成することができる。

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる結晶化装置の構成を概略的に示す図である。図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、入射光束を位相変調して所定の光強度分布を有する光束を形成するための位相シフターのような光変調素子１と、光変調素子１を照明するための照明系２と、結像光学系３と、被処理基板４を保持するための基板ステージ５とを備えている。

光変調素子１の構成および作用については後述する。照明系２は、たとえば３０８ｎｍの波長を有するレーザ光を供給するＸｅＣｌエキシマレーザ光源２ａを備えている。光源２ａとして、ＫｒＦエキシマレーザ光源やＹＡＧレーザ光源のように、被結晶化処理体を溶融するエネルギー光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２ａから供給されたレーザ光は、ビームエキスパンダ２ｂを介して拡大された後、第１フライアイレンズ２ｃに入射する。

こうして、第１フライアイレンズ２ｃの後側焦点面には複数の小光源が形成され、これらの複数の小光源からの光束は第１コンデンサー光学系２ｄを介して、第２フライアイレンズ２ｅ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２ｅの後側焦点面には、第１フライアイレンズ２ｃの後側焦点面よりも多くの複数の小光源が形成される。第２フライアイレンズ２ｅの後側焦点面に形成された複数の小光源からの光束は、第２コンデンサー光学系２ｆを介して、光変調素子１を重畳的に照明する。

第１フライアイレンズ２ｃと第１コンデンサー光学系２ｄとで、第１ホモジナイザが構成されている。この第１ホモジナイザにより、光源２ａから射出されたレーザ光について、光変調素子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２ｅと第２コンデンサー光学系２ｆとで、第２ホモジナイザが構成されている。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２は、ほぼ均一な光強度分布を有するレーザ光により光変調素子１を照射する。なお、第２フライアイレンズ２ｅの射出面の近傍には、第２フライアイレンズ２ｅからの光束の断面を所定の断面形状に制限するための開口絞り２ｇが配置されている。すなわち、開口絞り２ｇは、照明系２の射出瞳の形状を規定し、ひいてはコヒーレンスファクターすなわちσ値（照明系２の射出側開口数／結像光学系３の物体側開口数）を設定する機能を有する。照明系２の射出瞳の形状とは、照明系２の照明瞳を通る光束の外形形状を意味している。

光変調素子１により光変調（位相変調）されたレーザ光は、結像光学系３を介して、被処理基板４に入射する。ここで、結像光学系３は、光変調素子１の位相パターン面と被処理基板４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４の被照射面は、光変調素子１の位相パターン面と光学的に共役な面（結像光学系３の像面）に設定されている。

結像光学系３は、正レンズ群３ａと、正レンズ群３ｂと、これらのレンズ群の間に配置された開口絞り３ｃとを備えている。開口絞り３ｃの開口部（光透過部）の大きさ（ひいては結像光学系３の像側開口数）は、被処理基板４の半導体膜上（被照射面上）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３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４は、基板上に、下層絶縁膜、半導体薄膜、上層絶縁膜の順に成膜することにより構成されている。被処理基板４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、ガラス基板中のＮａなどの異物が非晶質シリコン膜に混入するのを防止し、非晶質シリコン膜の熱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４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５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、図１に示す結晶化装置の光変調素子の構成例を概略的に要部を拡大して示す平面図である。光変調素子１は、図３に示すように、面積変調されたパターンがＸ方向に並べられた位相変調パターンを有する単位領域（参照符号１ｄで示す範囲の単位領域）が、Ｘ方向に密に並べられて、繰り返えされて構成されている。各繰り返し単位領域１ｄは、図中破線で示すように、縦横に且つ稠密に並んだ正方形状の単位セル１ｃにより構成されている。単位セル１ｃは、０度の基準位相値を有する基準位相領域（図中空白部で示す）１ａと、例えば９０度の変調用位相値を有する矩形状の位相変調領域（図中斜線部で示す）１ｂとを有する。これは、例えば石英ガラスに凹凸パターンで形成される。

単位セル１ｃに対する位相変調領域１ｂの占有面積率（デューティ）Ｄは、Ｘ方向に沿って０％〜５０％の間で変化している。具体的には、位相パターンの繰り返し単位領域１ｄの中央における位相変調領域１ｂの占有面積率Ｄは５０％であり、繰り返し単位領域１ｄの両側における位相変調領域１ｂの占有面積率Ｄは０％であり、その間において位相変調領域１ｂの占有面積率Ｄが単調に変化している。ここで、占有面積比率Ｄは、単位セル１ｃにおける位相変調領域１ｂの占有面積の比率と、単位セル１ｃにおける基準位相領域（位相変調量が０度の位相変調領域）１ａの占有面積の比率とのうち、小さい方の値として定義される。単位セル１ｃは、結像光学系３の点像分布範囲以下の寸法（結像光学系３の像面換算で例えば１μｍ×１μｍ）を有する。

このようなデューティ変調型の光変調素子１を透過した０次光により結像光学系３の像面に生成される光強度Ｉは、以下の式（１）で表される。式（１）において、Ｄは単位セル１ｃにおける位相変調領域１ｂの占有面積率（すなわち０〜０．５）であり、θは位相変調領域１ｂの位相変調量（例えば９０度）であり、Ｕは結像光学系３の像面での光の複素振幅である。
Ｉ＝｜Ｕ｜²＝（２−２cosθ）Ｄ²−（２−２cosθ）Ｄ＋１ （１）

本実施形態において、位相変調量θは、波面が光の進行方向に飛び出す場合を正と定義している。また、光変調素子１の照明系２側が平面状に形成され、光変調素子１の結像光学系３側が凹凸状に形成されているものとする。式（１）を参照すると、位相変調領域１ｂの占有面積率Ｄが増大するにつれて、結像光学系３の像面の対応する位置に生成される光強度Ｉが減少することがわかる。換言すれば、位相変調領域１ｂの占有面積率Ｄの変化形態を適宜設定することにより、結像光学系３の像面に所要の光強度分布を生成することができる。

図４（ａ）並びに図４（ｂ）は、照明系の射出瞳を円形状に設定し且つσ値を０．５に設定したときに図３に示す光変調素子と同様の光変調素子を用いて被処理基板上に形成される光強度分布を説明するための図であり、図４（ａ）は、光変調素子を、そして、図４（ｂ）は、光強度分布を夫々概略的に示す図である。図４（ｂ）では、光変調素子１中の１つの繰り返し単位領域１ｄに対応して結像光学系３の像面に理論的に生成される光強度分布を、光強度（無変調のときの強度を１に規格化したときの光強度）の等高線の形態で示している。以下、図５（ｂ）、図１５、図１８および図２０においても、図４（ｂ）と同じ表記を用いている。

図４（ｂ）に示す光強度分布の計算に際して、照明系２の射出瞳の形状（すなわち開口絞り２ｇの光透過部の形状）を円形状に設定するとともに、光の波長を３０８ｎｍに、結像光学系３の物体側開口数を０．２に、照明系２の射出側開口数を０．１に、σ値を０．５（０．１／０．２）に設定している。図４（ｂ）の場合、σ値が比較的小さく設定されているので、結像光学系３の像面には、繰り返し単位領域１ｄの中央に対応する位置から両端に対応する位置に向かってＸ方向に光強度Ｉが線形的に変化するほぼ理想的なＶ字状の光強度分布が生成される。

結晶化装置では、被処理基板４上の光照射領域内において、ほぼ理想的なＶ字状の光強度分布に応じて溶融領域に温度勾配が生じ、光強度が最も低い領域すなわちＶ字形の下端、またはその近傍の領域において、最初に凝固する部分または溶融しない部分に結晶核すなわち結晶種が形成される。そして、Ｖ字状の光強度分布において光強度が高くなるように変化するＸ方向に沿って、結晶核から周囲に向かって結晶が横方向に成長することにより、結晶成長にムラのない所望形状の結晶粒が生成される。

図５（ａ）並びに図５（ｂ）は、照明系の射出瞳を円形状に設定し且つσ値を０．６に設定したときに図３に示す光変調素子と同様の光変調素子を用いて被処理基板上に形成される光強度分布を説明するための図であり、図５（ａ）は、光変調素子を、そして、図５（ｂ）は、光強度分布を夫々概略的に示す図である。図５（ｂ）に示す光強度分布の計算では、図４（ｂ）の場合と同様に、照明系２の射出瞳を円形状に設定するとともに、光の波長を３０８ｎｍに、結像光学系３の物体側開口数を０．２に設定している。ただし、図４（ｂ）の場合とは異なり、σ値を０．６に設定するために、照明系２の射出側開口数を０．１２に設定している。以下、本実施形態において、光の波長が３０８ｎｍで、結像光学系３の物体側開口数が０．２である点は各例について共通である。

図５（ｂ）の場合、繰り返し単位領域１ｄの中央に対応する結像光学系３の像面上の領域にはＶ字状の光強度分布が生成されるが、σ値が比較的大きく設定されているため、光強度の等高線に波状のうねりが発生する。特に、光強度が０．７の等高線および光強度が０．８のいくつかの等高線において、比較的大きな波状のうねりが現れる。この波状のうねりは、σ値が大きくなるのに従って、大きくなることが認識されている。Ｖ字状の光強度分布において光強度の等高線にこのような波状のうねりが発生すると、この波状のうねりに起因して結晶の成長にムラが生じ、ひいては所望形状の結晶粒を生成することができない。

すなわち、波状の等高線において光強度０．５の等高線に向かって凹状の底部分では周辺よりも温度が低く、この温度の低い部分が温度の高い周辺よりも先に結晶成長する。その結果、温度の低い部分では本来よりも太い結晶粒が形成され、この結果、全体として太い結晶粒と細い結晶粒とが混在して生成される。太い結晶粒と細い結晶粒とが混在する領域にＴＦＴを作製すると、その電気特性にばらつきが生じてしまう。

上述のように、照明系２の射出瞳が円形状の場合、σ値を比較的大きい値（たとえば０．６以上）に設定すると、所望の光強度分布を生成することができなくなる。一方、結晶化装置では、σ値をできるだけ大きく設定することが好ましい。これは、照明系２においてフライアイレンズ２ｅは微小レンズ要素を縦横に且つ稠密に配列して構成され、微小レンズ要素の断面の大きさが同じであれば、σ値を大きく設定する方が、より多数の微小レンズ要素を通過した光を利用することができ、より多数の小光源により二次光源が構成されるので、光変調素子１への照明光の光強度分布の均一度が高まるからである。

換言すれば、二次光源を構成する小光源の数が同じである場合、σ値を大きく設定する方が、より大きな微小レンズ要素を用いてフライアイレンズ２ｅを構成することができるので、フライアイレンズ２ｅの作製が容易になる。また、光源２ａからの光をフライアイレンズ２ｅへ導く光学系２ｂ〜２ｄに着目すると、σ値を大きく設定する方がフライアイレンズ２ｅへの光入射領域が大きくなるので、光利用効率を高めることができる（狭い領域に集光するよりも広い領域に集光する方が光を有効に導くことができる）。

以下、図６を参照して、周期構造を有する物体（図１の光変調素子１に対応）Ｏにより結像光学系（図１の結像光学系３に対応）の瞳面Ｐに生成される光分布について説明する。デューティ変調型の光変調素子１のような物体Ｏの複素振幅透過率をｆ（ｒ）とすると、複素振幅透過率ｆ（ｒ）も周期関数であるから、下式（２）に示すフーリエ変換の関係にある。

式（２）において、ｒは物体Ｏの面内座標ベクトルであり、ｑを位相勾配ベクトルと呼ぶ。ｅ^iqrは、透過率の位相成分（すなわち位相変調量）が物体Ｏの面内で線形に変化するような成分を表しており、ｅ^iqrを位相勾配と呼ぶ。ｇ（ｑ）は、位相勾配ｅ^iqrの係数である。ここで、ｋ１の波数ベクトルを持つ平面波が物体Ｏに入射したときの、位相勾配ベクトルｑの寄与を考えると、この平面波に位相勾配が加わり、方向の変わった新たな平面波が生成される。

このとき、平面波に位相勾配が加わって新たな平面波が生成されるには、位相勾配は隣接する単位セル間で等しくなければならない。隣接する単位セル間で位相勾配が等しくない場合、位相が進んだり遅れたりするところが生じることになり、平面波が生成されなくなるからである。隣接する単位セル間で位相勾配が等しくなる条件は、基本並進ベクトル（これは複数ある）をＲとすると、次の式（３）を満たすこと、ひいては次の式（４）を満たすことである。
ｇ（ｑ）ｅ^iqr＝ｇ（ｑ）ｅ^iq(r+R) （３）
ｇ（ｑ）＝ｇ（ｑ）ｅ^iqR （４）

ｇ（ｑ）が０以外の解を持つためには、すべてのＲに対してｅ^iqR＝１が成立する必要があり、ひいては次の式（５）に示す関係が成立する必要がある。この式（５）を満たす位相勾配ベクトルｑは、基本並進ベクトルＲの基本逆格子ベクトル（複数存在する）である。
ｑＲ＝２ｎπ（ｎは整数） （５）

次に、１つの位相勾配ベクトルｑにより生成される平面波の方向を考える。波数ベクトルｋ１を持つ平面波により物体Ｏの直前に生成される光分布Ｉ₁（ｒ）は、次の式（６）で表わされる。また、物体Ｏの直後に生成される光分布Ｉ₂（ｒ）は、光分布Ｉ₁（ｒ）に位相勾配ｅ^iqrをかけて得られ、次の式（７）で表わされる。
Ｉ₁（ｒ）＝ｅ^ik1r （６）
Ｉ₂（ｒ）＝Ｉ₁（ｒ）ｅ^iqr＝ｅ^i(k1+q)r （７）

したがって、光分布Ｉ₂（ｒ）により生成される波面の波数ベクトルの（物体Ｏの面内の）方向余弦ベクトルはｋ１ｘｙ＋ｑとなることがわかる。ただし、ｋ１ｘｙは、ｋ１の方向余弦ベクトルである。新たに生成される波面を表す波数ベクトルｋ２の方向余弦ベクトルｋ２ｘｙは、次の式（８）で表わされる。
ｋ２ｘｙ＝ｋ１ｘｙ＋ｑ （８）

このことから、結像光学系の瞳面Ｐでの光強度分布は、デューティ変調型の光変調素子１のような物体Ｏの周期構造の基本並進ベクトルと、照明系の射出瞳の形状とで決定されることが分かる。すなわち、本実施形態における結像光学系３の瞳面Ｐでの光強度分布は、デューティ変調型の光変調素子１の周期構造の基本並進ベクトルの逆格子により決定される格子点に、照明系２の射出瞳の形状を重ねた分布となる。その様子を図７および図８に示す。

すなわち、図７は、コヒーレント照明の場合に、結像光学系３の瞳面Ｐでの光強度分布が、光変調素子１の周期構造の基本並進ベクトルＲの基本逆格子ベクトルｑ１，ｑ２により決まる格子構造になることを示している。図８は、部分コヒーレント照明の場合に、結像光学系３の瞳面Ｐでの光強度分布が、積分の結果として、図７の格子点に照明系２の射出瞳の形状（この場合は円形状）を重ねた分布になることを示している。以下、具体的な例に基づいて、図７および図８に示した点を説明する。

図９は、図４（ｂ）の条件（σ値＝０．５）の場合に図３の光変調素子を用いて結像光学系の瞳面で得られる光強度分布の計算結果を概略的に示す図である。図１０は、図５（ｂ）の条件（σ値＝０．６）の場合に図３の光変調素子を用いて結像光学系の瞳面で得られる光強度分布の計算結果を概略的に示す図である。まず、デューティ変調型の光変調素子１の面内にｘ軸およびｙ軸（図３のＸ軸およびＹ軸に対応）を設定し、結像光学系３の光軸をｚ軸とすると、光変調素子１の周期構造の基本並進ベクトルａ１およびａ２は、次の式（９ａ）および式（９ｂ）でそれぞれ表される。
ａ１＝（１．０，０．０，０．０）μｍ （９ａ）
ａ２＝（０．０，１．０，０．０）μｍ （９ｂ）

基本並進ベクトルａ１およびａ２から得られる基本逆格子ベクトルｂ１およびｂ２は、次の式（１０ａ）および式（１０ｂ）でそれぞれ定義される。このとき、ａ３として、ｚ軸に平行な任意の大きさのベクトル、たとえば（０，０，１）を用いればよい。ただし、式（１０ａ）および式（１０ｂ）において、「×」はベクトルの外積を、「・」はベクトルの内積を表わす。
ｂ１＝２π（ａ２×ａ３）／（ａ１・（ａ２×ａ３）） （１０ａ）
ｂ２＝２π（ａ３×ａ１）／（ａ１・（ａ２×ａ３）） （１０ｂ）

式（９ａ）および式（９ｂ）でそれぞれ表される基本並進ベクトルａ１およびａ２を、式（１０ａ）および式（１０ｂ）に代入すると、基本逆格子ベクトルｂ１およびｂ２は、次の式（１１ａ）および式（１１ｂ）でそれぞれ表わされる。
ｂ１＝２π（１．０，０．０，０．０）μｍ^-1 （１１ａ）
ｂ２＝２π（０．０，１．０，０．０）μｍ^-1 （１１ｂ）

これらの基本逆格子ベクトルｂ１およびｂ２を波数ｋ（＝２π／λ；λは光の波長）で割って、ｘ成分とｙ成分とを抜き出したベクトルｂ１’およびｂ２’が、結像光学系３の瞳面での格子構造を決定する。λ＝０．３０８μｍであるから、ベクトルｂ１’およびｂ２’は、次の式（１２ａ）および式（１２ｂ）でそれぞれ表わされる。ただし、式（１２ａ）および式（１２ｂ）において、「×」はベクトルの外積ではなく、普通の掛け算を表わしている。
ｂ１’＝（１／ｋ）×ｂ１＝（０．０，３０８，０．０） （１１ａ）
ｂ２’＝（１／ｋ）×ｂ２＝（０．０，０．０，３０８） （１１ｂ）

さらに、部分コヒーレント照明の場合には、結像光学系３の瞳面での光分布パターンは、各格子点を中心として照明系２の射出瞳の形状を重ねた構造となる。図９および図１０の光強度分布において、光軸ＡＸを中心とした中央の光束９ａ，１０ａは光変調素子１からの０次光に対応し、中央光束９ａ，１０ａを包囲する８つの周辺の光束９ｂａ，９ｂｂおよび１０ｂａ，１０ｂｂは光変調素子１からの一次回折光に対応している。場合によっては、一次回折光による周辺光束９ｂａ，９ｂｂおよび １０ｂａ，１０ｂｂの外側に、二次回折光による周辺光束がさらに発生することがある。

具体的に、図９の光強度分布において、中央光束９ａのうちハッチングを施した円形部分９ａａの半径は、図４（ｂ）の条件における照明系２の射出側開口数に対応して０．１である。８つの周辺光束９ｂａ，９ｂｂのうち、中央光束９ａの図中上下および左右にある４つの円形状の周辺光束９ｂａの半径も、中央光束９ａの円形部分９ａａと同様に０．１である。その他の４つの円形状の周辺光束９ｂｂの半径は、中央光束９ａの円形部分９ａａの半径０．１よりも小さい半径を有する。

一方、図１０の光強度分布において、中央光束１０ａのうちハッチングを施した円形部分１０ａａの半径は、図５（ｂ）の条件における照明系２の射出側開口数に対応して０．１２である。８つの周辺光束１０ｂａ，１０ｂｂのうち、中央光束１０ａの図中上下および左右にある４つの円形状の周辺光束１０ｂａの半径も、中央光束１０ａの円形部分１０ａａと同様に０．１２である。その他の４つの円形状の周辺光束１０ｂｂの半径は、中央光束１０ａの円形部分１０ａａの半径０．１２よりも小さい半径を有する。

中央光束９ａ（１０ａ）の円形部分９ａａ（１０ａａ）の中心と、図中左右の周辺光束９ｂａ（１０ｂａ）の中心との距離は、基本逆格子ベクトルｂ１に対応するベクトルｂ１’のｘ方向成分に対応して０．３０８である。中央光束９ａ（１０ａ）の円形部分９ａａ（１０ａａ）の中心と、図中上下の周辺光束９ｂａ（１０ｂａ）の中心との距離は、基本逆格子ベクトルｂ２に対応するベクトルｂ２’のｙ方向成分に対応して０．３０８である。中央光束９ａ（１０ａ）の円形部分９ａａ（１０ａａ）の光強度（無変調のときの強度を１に規格化したときの光強度；以下同様）は０．７〜０．８であり、中央光束９ａ（１０ａ）の周辺部分９ａｂ（１０ａｂ）および周辺光束９ｂａ（１０ｂａ），９ｂｂ（１０ｂｂ）の光強度は０．１〜０．２である。図９および図１０において破線で示す円９ｃ，１０ｃは、光軸を中心とした円で表わされる結像光学系３の開口であって、結像光学系３の物体側開口数に対応して０．２の半径を有する。

図９および図１０の計算結果（シミュレーション結果）を参照すると、光変調素子１からの０次光に対応する中央光束９ａ，１０ａの円形部分９ａａ，１０ａａの周辺に、周辺部分９ａｂ，１０ａｂとして表わされた弱い光のにじみが見られる。この弱い光のにじみ９ａｂ，１０ａｂは、デューティ変調型の光変調素子１において占有面積率（デューティ比）Ｄが変化することによる変調成分である。この変調成分が強度勾配を実現するため、この光を結像光学系３の開口９ｃ，１０ｃ内（瞳内）に取り込むように、結像光学系３の物体側開口数を決定する必要がある。

次に、図５（ｂ）に示すＶ字状の光強度分布において光強度の等高線に波状のうねりが発生する原因を説明する。図４（ｂ）の条件（σ値＝０．５）の場合に結像光学系３の瞳面で得られる光強度分布の計算結果を示す図９では、光変調素子１からの一次回折光に対応する周辺光束９ｂａ，９ｂｂの全部が、結像光学系３の開口９ｃの外側にあり、結像光学系３の瞳内に取り込まれていない。これに対し、図５（ｂ）の条件（σ値＝０．６）の場合に結像光学系３の瞳面で得られる光強度分布の計算結果を示す図１０では、光変調素子１からの一次回折光に対応する周辺光束１０ｂａ，１０ｂｂの一部が、結像光学系３の開口１０ｃ内側を通り、結像光学系３の瞳内に取り込まれている。結像光学系３の瞳内に取り込まれた一次回折光成分は、光変調素子１上の位相変調領域のパターン情報である。このため、図５（ｂ）に示す像面上の光強度分布には、光変調素子１上の光変調領域のパターンが現れ、これが光強度の等高線における波状のうねりになる。

以上のことから、照明系２の射出瞳の面積を必要な大きさに保ちつつ、射出瞳の形状を円形状から別の適当な形状に変形して、光変調素子１からの一次回折光に対応する光束の一部が結像光学系３の開口を通過しない（開口と重ならない）ようにすれば、例えば０．６以上のσ値を維持しつつ、光強度の等高線における波状のうねりの発生を実質的に回避することができる。すなわち、光変調素子１を照明する照明系２の射出瞳の形状を、光変調素子１からの一次回折光が結像光学系３の瞳面の開口を実質的に通過しない円形状以外の形状に設定すれば、比較的大きなσ値を維持しつつ、光強度の等高線における波状のうねりの発生を実質的に回避することができる。照明系２の射出瞳の面積が不変であれば、光変調素子１への入射光束の光強度を均一化する効果は変わらない。こうして、本発明者は、デューティ変調型の光変調素子の周期構造と照明系の射出瞳の形状との関係に注目し、照明系の射出瞳の形状を光変調素子の周期構造に応じて最適化することにより、比較的大きなσ値に設定しても、波状のうねりのない所望の光強度分布が得られることに想到した。

光変調素子１からの一次回折光に対応する光束の一部が結像光学系３の開口と重ならない条件を満足する一つの解は、照明系２の射出瞳の形状を、基本逆格子ベクトル（ｂ１，ｂ２）の方向に凸の形状にしないことである。すなわち、光変調素子１からの一次回折光に対応する光束の一部が結像光学系３の開口と重ならない条件を満足するには、照明系２の射出瞳の形状は、基本並進ベクトル（ａ１，ａ２）から得られる基本逆格子ベクトル（ｂ１，ｂ２）の方向に対して凸の形状ではないことが重要である。この具体的な解にしたがう形状は、基本逆格子ベクトル（ｂ１，ｂ２）のウィグナー・サイツ・セル形である。以下、図１１を参照して、ウィグナー・サイツ・セルの生成方法を述べる。なお、図１１では、基本並進ベクトルａ１とａ２とが互いに直交しない一般的な例を示している。

ウィグナー・サイツ・セルを生成するには、先ず、互いに隣り合う格子点（図中黒丸で示す）を結ぶ直線状の線分１１ａを引く。次いで、各線分１１ａの中点を通り、当該線分１１ａに垂直な新しい直線１１ｂを引く。この直線１１ｂで囲まれた最小面積部分として、ウィグナー・サイツ・セル１１ｃが得られる。なお、ウィグナー・サイツ・セルの詳細については、キッテル著、「固体物理学入門（上）」、第７版、丸善出版、ｐ８を参照することができる。

照明系の射出瞳の形状をウィグナー・サイツ・セル形（ウィグナー・サイツ・セルの相似形）にしたときに得られる効果を、図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示す。図１２（ａ）では、従来技術にしたがって照明系２の射出瞳の形状を円形状に設定しているので、光変調素子１からの一次回折光に対応する円形状の周辺光束１２ａの一部が、結像光学系３の開口（図中破線で示す）１２ｃの内側を通り、結像光学系３の瞳内に取り込まれる。これに対し、図１２（ｂ）では、本発明にしたがって照明系２の射出瞳の形状をウィグナー・サイツ・セルと相似形に設定しているので、光変調素子１からの一次回折光に対応するウィグナー・サイツ・セル形（具体的には平行四辺形状）の周辺光束１２ｂの全部が、結像光学系３の開口（図中破線で示す）１２ｃの外側にあり、結像光学系３の瞳内に取り込まれることがない。

すなわち、図１２（ｂ）に示す例では、ウィグナー・サイツ・セル形の周辺光束（一次回折光領域）１２ｂの外形が、結像光学系３の円形状の開口１２ｃと対向する部分が平坦であり、円形状の周辺光束１２ａの場合とは異なり、結像光学系３の円形状の開口１２ｃに向かって凸状に突出していない。こうして、円形状の周辺光束１２ａ（図１２（ａ））とウィグナー・サイツ・セル形の周辺光束１２ｂとは同じ面積であるが、円形状の周辺光束１２ａの一部が結像光学系３の瞳内に取り込まれるのに対し、ウィグナー・サイツ・セル形の周辺光束１２ｂ（図１２（ｂ））は結像光学系３の瞳内に全く取り込まれない。

そこで、本実施形態では、σ値を例えば０．６と大きく設定しても、光変調素子１からの一次回折光に対応する光束の一部が結像光学系３の開口を通過しないように、照明系２の射出瞳の形状をウィグナー・サイツ・セル形に設定した。本実施形態では、光変調素子１の基本逆格子ベクトルｂ１とｂ２とが互いに直交し且つ互いに同じ大きさを有するため、照明系２の射出瞳の形状をウィグナー・サイツ・セル形に設定することは、照明系２の射出瞳の形状を正方形状に設定することに他ならない。

本実施形態では、照明系２の射出瞳の形状を正方形状に設定するために、図１３に示すように、第２フライアイレンズ２ｅ（図１３では不図示）の射出面の近傍に配置された開口絞り２ｇ（図１３では不図示）の開口部（光透過部）２ｇａの形状を通常の円形状ではなく正方形状に設定した。図１３では、第２フライアイレンズ２ｅを構成する各微小レンズ要素の矩形状の断面２ｅａが破線により示している。

第２フライアイレンズ２ｅを構成する各微小レンズ要素の矩形状の断面２ｅａの形状並びに大きさは、全て同じにする必要はなく、また、形状は、正方形に限られることはなく、円形以外、例えば、三角形もしくは多角形でもよい。この結果、開口絞り２ｇの開口部（光透過部）２ｇａの形状も、光変調素子からの０次回折光を通過させ、一次回折光が前記結像光学系の瞳面の開口を実質的に通過しない円形状以外の形状であれば良く、例えば、三角形もしくは多角形でも良い。

照明系２の射出瞳の形状が円形状の場合、σ値０．６を確保するには、上述したように、照明系２の射出側開口数を０．１２に設定する必要がある。このとき、照明系２の射出瞳の円形状の面積はＳｃ＝０．０４５（＝３．１４×０．１２×０．１２）になる。そして、照明系２の射出瞳の面積を保つように、射出瞳の形状をウィグナー・サイツ・セル形に設定すれば、すなわち本実施形態では０．２１４×０．２１４（＝０．０４５）の正方形状に設定すれば、σ値０．６相当の射出瞳面積を確保することができる。ここで、σ値０．６相当とは、σ値０．６の円形状の射出瞳と同じ射出瞳面積を持つことを意味する。

図１４は、照明系の射出瞳の形状をウィグナー・サイツ・セル形に設定し且つσ値を０．６相当に設定したときに図３の光変調素子を用いて結像光学系の瞳面で得られる光強度分布の計算結果を概略的に示す図である。図１４の光強度分布において、光軸ＡＸを中心とした中央の光束１４ａは光変調素子１からの０次光に対応し、中央光束１４ａを包囲する８つの周辺の光束１４ｂａ，１４ｂｂは光変調素子１からの一次回折光に対応している。中央光束１４ａのうちハッチングを施した正方形部分１４ａａの一辺の長さは、上述した０．２１４×０．２１４の正方形状の射出瞳に対応して０．２１４である。８つの周辺光束１４ｂａ，１４ｂｂのうち、中央光束１４ａの図中上下および左右にある４つの正方形状の周辺光束１４ｂａの一辺の長さも、中央光束１４ａの正方形部分１４ａａと同様に０．２１４である。その他の４つの正方形状の周辺光束１４ｂｂの一辺の長さは、中央光束１４ａの正方形部分１４ａａよりも小さい。

中央光束１４ａの正方形部分１４ａａの中心と、図中左右の周辺光束１４ｂａの中心との距離は、基本逆格子ベクトルｂ１に対応するベクトルｂ１’のｘ方向成分に対応して０．３０８である。中央光束１４ａの正方形部分１４ａａの中心と、図中上下の周辺光束１４ｂａの中心との距離は、基本逆格子ベクトルｂ２に対応するベクトルｂ２’のｙ方向成分に対応して０．３０８である。中央光束１４ａの正方形部分１４ａａの光強度は０．７〜０．８であり、中央光束１４ａの周辺部分１４ａｂおよび周辺光束１４ｂａ，１４ｂｂの光強度は０．１〜０．２である。図１４において破線で示す円１４ｃは、光軸を中心とした円で表わされる結像光学系３の開口であって、結像光学系３の物体側開口数に対応して０．２の半径を有する。

図１４の計算結果（シミュレーション結果）を参照すると、光変調素子１からの０次光に対応する中央光束１４ａの正方形部分１４ａａの周辺に、周辺部分１４ａｂとして表わされた弱い光のにじみが見られる。この弱い光のにじみ部分１４ａｂは、上述したように、デューティ変調型の光変調素子１において占有面積率（デューティ比）Ｄが変化することによる変調成分であり、この光が結像光学系３の開口１４ｃ内に取り込まれるように、結像光学系３の物体側開口数が決定されている。

図１５（ａ）並びに図１５（ｂ）は、照明系の射出瞳の形状をウィグナー・サイツ・セル形に設定し且つσ値を０．６相当に設定したときに図３に示す光変調素子と同様の光変調素子を用いて被処理基板上に形成される光強度分布を説明するための図であり、図１５（ａ）は、光変調素子を、そして、図１５（ｂ）は、光強度分布を夫々概略的に示す図である。本実施形態では、上述したように、照明系２の射出瞳の形状をウィグナー・サイツ・セル形としての正方形に設定しているので、０．６という比較的大きなσ値を確保しているにもかかわらず、光変調素子１からの一次回折光に対応する光束の一部が結像光学系３の開口を通過しない。

したがって、図１５（ｂ）に示すように、結像光学系３の像面には、光変調素子１の繰り返し単位領域１ｄの中央に対応する位置から両端に対応する位置に向かってＸ方向に光強度が線形的に変化するほぼ理想的なＶ字状の光強度分布が生成され、光強度の等高線における波状のうねりの発生が実質的に回避される。なお、図１５（ｂ）の光強度分布では光強度が０．８の等高線において波状のうねりが現れているが、図５（ｂ）に示す波状のうねりに比して非常に小さいことがわかる。その結果、本実施形態の結晶化装置では、σ値（コヒーレンスファクター）を比較的大きい値に設定しても所望の光強度分布を生成することができ、ひいては所望形状の結晶粒を生成することができる。

上述の実施形態で用いた光変調素子１では、位相パターンの繰り返し単位領域１ｄの配置方向と単位セル１ｃに対する位相変調領域１ｂの占有面積率Ｄの変化方向とが一致している。以下、位相パターンの繰り返し単位領域の配置方向と単位セルに対する位相変調領域の占有面積率Ｄの変化方向とが４５度をなすような構成を有する光変調素子１Ａを用いる変形例について説明する。

図１６は、変形例にかかる光変調素子の構成を概略的に示す図である。図１６に示す変形例の光変調素子１Ａは、Ｘ方向に並べられた位相パターンの繰り返し単位領域（参照符号１Ａｄで示す範囲の単位領域）により構成されている。各繰り返し単位領域１Ａｄは、図中破線で示すように、Ｘ軸およびＹ軸に対して４５度をなす方向（以下、「４５度斜め方向」という）に沿って二次元的に且つ稠密に並んだ正方形状の単位セル１Ａｃにより構成されている。

単位セル１Ａｃは、０度の基準位相値を有する基準位相領域（図中空白部で示す）１Ａａと、例えば９０度の変調用位相値を有する矩形状の位相変調領域（図中斜線部で示す）１Ａｂとを有する。単位セル１Ａｃに対する位相変調領域１Ａｂの占有面積率Ｄは、４５度斜め方向に沿って０％〜５０％の間で変化している。具体的には、位相パターンの繰り返し単位領域１Ａｄの中央における位相変調領域１Ａｂの占有面積率Ｄは５０％であり、繰り返し単位領域１Ａｄの両側における位相変調領域１Ａｂの占有面積率Ｄは０％であり、その間において位相変調領域１Ａｂの占有面積率Ｄが４５度斜め方向に沿って単調に変化している。

図１７は、照明系の射出瞳の形状を円形状に設定し且つσ値を０．６に設定したときに図１６の光変調素子を用いて結像光学系の瞳面で得られる光強度分布の計算結果を概略的に示す図である。図１７の光強度分布において、光軸ＡＸを中心とした中央の光束１７ａは光変調素子１Ａを通った結像光学系からの０次光に対応し、中央光束１７ａを包囲する８つの周辺光束は結像光学系からの一次回折光に対応している。中央光束１７ａのうちハッチングを施した円形部分１７ａａの半径は、照明系２の射出側開口数に対応して０．１２である。８つの周辺光束のうち、中央光束１７ａに対して４５度斜め方向に位置する４つの円形状の周辺光束１７ｂの半径も、中央光束１７ａの円形部分１７ａａと同様に０．１２である。

中央光束１７ａの円形部分１７ａａの中心と周辺光束１７ｂの中心との距離は、上述の実施形態の場合と同様に、光変調素子１Ａの基本逆格子ベクトルの方向成分に対応して０．３０８である。中央光束１７ａの円形部分１７ａａの光強度（無変調のときの強度を１に規格化したときの光強度；以下同様）は０．７〜０．８であり、中央光束１７ａの周辺部分１７ａｂおよび周辺光束１７ｂの光強度は０．１〜０．２である。図１７において破線で示す円１７ｃは、光軸を中心とした円で表わされる結像光学系３の開口であって、結像光学系３の物体側開口数に対応して０．２の半径を有する。図１７を参照すると、光変調素子１Ａからの一次回折光に対応する周辺光束１７ｂの一部が、結像光学系３の開口１７ｃの内側を通り、結像光学系３の瞳内に取り込まれている。

図１８は、照明系の射出瞳の形状を円形状に設定し且つσ値を０．６に設定したときに図１６の光変調素子を用いて被処理基板上に形成される光強度分布を概略的に示す図である。図１８を参照すると、光変調素子１Ａの繰り返し単位領域１Ａｄに対応する結像光学系３の像面上の領域にはＶ字状の光強度分布が生成されるが、光変調素子１Ａからの一次回折光に対応する周辺光束１７ｂの一部が結像光学系３の開口１７ｃ内に取り込まれるため、光強度の等高線に波状のうねりが発生している。特に、光強度が０．７の等高線、０．８の等高線、および０．９の等高線において、比較的大きな波状のうねりが現れている。

図１９は、照明系の射出瞳の形状をウィグナー・サイツ・セル形に設定し且つσ値を０．６相当に設定したときに図１６の光変調素子を用いて結像光学系の瞳面で得られる光強度分布の計算結果を概略的に示す図である。図１６の光変調素子１Ａを用いる変形例においても、上述の本実施形態の場合と同様に、光変調素子１Ａの基本逆格子ベクトルが互いに直交し且つ互いに同じ大きさを有するため、照明系２の射出瞳の形状をウィグナー・サイツ・セル形に設定することは、照明系２の射出瞳の形状を正方形状に設定することに他ならない。

図１９の光強度分布において、光軸ＡＸを中心とした中央の光束１９ａは光変調素子１Ａからの０次光に対応し、中央光束１９ａを包囲する８つの周辺光束は光変調素子１Ａからの一次回折光に対応している。中央光束１９ａのうちハッチングを施した正方形部分１９ａａの一辺の長さは、上述した０．２１４×０．２１４の正方形状の射出瞳に対応して０．２１４である。８つの周辺光束のうち、中央光束１９ａに対して４５度斜め方向に位置する４つの正方形状の周辺光束１９ｂの一辺の長さも、中央光束１９ａの正方形部分１９ａａと同様に０．２１４である。

また、中央光束１９ａの正方形部分１９ａａの中心と周辺光束１９ｂの中心との距離は、上述の実施形態の場合と同様に、光変調素子１Ａの基本逆格子ベクトルの方向成分に対応して０．３０８である。中央光束１９ａの正方形部分１９ａａの光強度は０．７〜０．８であり、中央光束１９ａの周辺部分１９ａｂおよび周辺光束１９ｂの光強度は０．１〜０．２である。図１９において破線で示す円１９ｃは、光軸を中心とした円で表わされる結像光学系３の開口であって、結像光学系３の物体側開口数に対応して０．２の半径を有する。図１９を参照すると、光変調素子１Ａからの０次光に対応する中央光束１９ａの全部が結像光学系３の開口１９ｃ内に取り込まれるが、光変調素子１Ａからの一次回折光に対応する周辺光束１９ｂは結像光学系３の開口１９ｃ内に全く取り込まれないことがわかる。

図２０は、照明系の射出瞳の形状をウィグナー・サイツ・セル形に設定し且つσ値を０．６相当に設定したときに図１６の光変調素子を用いて被処理基板上に形成される光強度分布を概略的に示す図である。図２０を参照すると、光変調素子１Ａからの一次回折光に対応する周辺光束１９ｂが結像光学系３の開口１９ｃ内に全く取り込まれないため、結像光学系３の像面には、繰り返し単位領域１Ａｄの中央に対応する位置から両端に対応する位置に向かってＸ方向に光強度が線形的に変化するほぼ理想的なＶ字状の光強度分布が生成されている。図２０の光強度分布では光強度が０．９の等高線において波状のうねりが現れているが、図１８に示す波状のうねりに比して非常に小さいことがわかる。

図２１（ａ）〜（ｅ）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、透明の絶縁基板８０（例えば、アルカリガラス、石英ガラス、プラスチック、ポリイミドなどにより形成されている）の上に、下地膜８１（例えば、膜厚５０ｎｍのＳｉＮと膜厚１００ｎｍのＳｉＯ₂との積層膜などの膜）および非晶質半導体膜８２（例えば、膜厚５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度のＳｉ，Ｇｅ，ＳｉＧｅなどの半導体の膜）および不図示のキャップ膜８２ａ（例えば、膜厚３０ｎｍ〜３００ｎｍのＳｉＯ₂膜など）を、化学気相成長法やスパッタ法などを用いて成膜した被処理基板５を準備する。そして、本実施形態にしたがう結晶化装置を用いて、非晶質半導体膜８２の表面の予め定められた領域に、レーザ光８３（例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光やＸｅＣｌエキシマレーザ光など）を照射する。

こうして、図２１（ｂ）に示すように、非晶質半導体膜８２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を生成する。次に、キャップ膜８２ａをエッチングにより半導体膜８４から除去した後、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、ゲート絶縁膜上の一部にゲート電極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）を半導体膜８５中にイオン注入する。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中にソース領域９１、ドレイン領域９２を、チャネル領域９０の両側に形成する。次に、図２１（ｅ）に示すように、全体をカバーする層間絶縁膜８９を成膜し、この層間絶縁膜８９およびゲート絶縁膜８６にコンタクト穴をあけ、ソース領域９１およびドレイン領域９２にそれぞれ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の大粒径結晶の平面方向の位置に合わせて、ゲート電極８７を形成することにより、チャネル９０をゲート電極８７の下に形成する。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。

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。

本発明の一実施形態にかかる結晶化装置の構成を概略的に示す図である。 図１の結晶化装置の照明系の内部構成を概略的に示す図である。 図１に示す結晶化装置の光変調素子の一部の構成を概略的に示す図である。 照明系の射出瞳を円形状に設定し且つσ値を０．５に設定したときに図３に示す光変調素子と同様の光変調素子を用いて被処理基板上に形成される光強度分布を説明するための図であり、図４（ａ）は、光変調素子を、そして、図４（ｂ）は、光強度分布を夫々概略的に示す図である。 照明系の射出瞳を円形状に設定し且つσ値を０．６に設定したときに図３に示す光変調素子と同様の光変調素子を用いて被処理基板上に形成される光強度分布を説明するための図であり、図５（ａ）は、光変調素子を、そして、図５（ｂ）は、光強度分布を夫々概略的に示す図である。 周期構造を有する物体により結像光学系の瞳面に生成される光分布について説明する図であって、この図では、瞳面Ｐは、側面と平面との両方で示されている。 コヒーレント照明の場合に結像光学系の瞳面での光強度分布が格子構造になることを示す図であって、この図では、瞳面Ｐは、側面と平面との両方で示されている。 部分コヒーレント照明の場合に結像光学系の瞳面での光強度分布が図７の格子点に照明系の射出瞳の形状を重ねた分布になることを示す図であって、この図では、瞳面Ｐは、側面と平面との両方で示されている。 図４の条件（σ値＝０．５）の場合に図３の光変調素子を用いて結像光学系の瞳面で得られる光強度分布の計算結果を概略的に示す図である。 図５の条件（σ値＝０．６）の場合に図３の光変調素子を用いて結像光学系の瞳面で得られる光強度分布の計算結果を概略的に示す図である。 ウィグナー・サイツ・セルの生成方法を説明する図である。 照明系の射出瞳の形状をウィグナー・サイツ・セル形にしたときに得られる効果を説明する図であって、図１２（ａ）は射出瞳の形状を円形状に設定した場合を、図１２（ｂ）は射出瞳の形状をウィグナー・サイツ・セル形に設定した場合を示している。 照明系中の開口絞りの開口部の形状を、ウィグナー・サイツ・セル形としての正方形状に設定した様子を示す図である。 照明系の射出瞳の形状をウィグナー・サイツ・セル形に設定し且つσ値を０．６相当に設定したときに図３の光変調素子を用いて結像光学系の瞳面で得られる光強度分布の計算結果を概略的に示す図である。 照明系の射出瞳の形状をウィグナー・サイツ・セル形に設定し且つσ値を０．６相当に設定したときに図３に示す光変調素子と同様の光変調素子を用いて被処理基板上に形成される光強度分布を説明するための図であり、図１５（ａ）は、光変調素子を、そして、図１５（ｂ）は、光強度分布を夫々概略的に示す図である。 変形例にかかる光変調素子の構成を概略的に示す図である。 照明系の射出瞳の形状を円形状に設定し且つσ値を０．６に設定したときに図１６の光変調素子を用いて結像光学系の瞳面で得られる光強度分布の計算結果を概略的に示す図である。 照明系の射出瞳の形状を円形状に設定し且つσ値を０．６に設定したときに図１６の光変調素子を用いて被処理基板上に形成される光強度分布を概略的に示す図である。 照明系の射出瞳の形状をウィグナー・サイツ・セル形に設定し且つσ値を０．６相当に設定したときに図１６の光変調素子を用いて結像光学系の瞳面で得られる光強度分布の計算結果を概略的に示す図である。 照明系の射出瞳の形状をウィグナー・サイツ・セル形に設定し且つσ値を０．６相当に設定したときに図１６の光変調素子を用いて被処理基板上に形成される光強度分布を概略的に示す図である。 （ａ）乃至（ｅ）は、本実施形態の結晶化装置を用いて電子デバイスを作製する工程を示す工程断面図である。 従来の結晶化技術を概略的に説明する図である。

符号の説明

１ 光変調素子
２ 照明系
２ａ 光源
２ｂ ビームエキスパンダ
２ｃ，２ｅ フライアイレンズ
２ｄ，２ｆ コンデンサー光学系
２ｇ 開口絞り
３ 結像光学系
４ 被処理基板
５ 基板ステージ

Claims (8)

1. 所定の光強度分布を有する光を被照射面に照射する光照射装置であって、
   基本並進ベクトル（ａ１，ａ２）で表される周期構造の光変調パターンを有する光変調素子と、
   前記光変調素子を光で照明するための照明系と、
   前記光変調素子と前記被照射面との間に配置されて、前記被照射面上に前記光変調パターンにより得られる前記所定の光強度分布を形成するための結像光学系とを具備し、
   前記照明系の射出瞳の形状は、前記基本並進ベクトル（ａ１，ａ２）から下式で得られる基本逆格子ベクトル（ｂ１，ｂ２）のウィグナー・サイツ・セルと相似形である光照射装置。
   ｂ１＝２π（ａ２×ａ３）／（ａ１・（ａ２×ａ３））
   ｂ２＝２π（ａ３×ａ１）／（ａ１・（ａ２×ａ３））
   ただし、上式において、ａ３は前記光変調素子の光変調パターンの平面の法線方向の任意の大きさのベクトルであり、「・」はベクトルの内積を、「×」は外積を表している。
2. 所定の光強度分布を有する光を被照射面に照射する光照射装置において、
   基本並進ベクトル（ａ１，ａ２）で表される周期構造の光変調パターンを有する光変調素子と、
   前記光変調素子を照明するための照明系と、
   前記光変調素子と前記被照射面との間に配置されて、前記被照射面上に前記光変調パターンに対応した前記所定の光強度分布を形成するための結像光学系とを備え、
   前記照明系の射出瞳の形状は、前記基本並進ベクトル（ａ１，ａ２）から下式で得られる基本逆格子ベクトル（ｂ１，ｂ２）の方向に対して凸の形状ではない光照射装置。
   ｂ１＝２π（ａ２×ａ３）／（ａ１・（ａ２×ａ３））
   ｂ２＝２π（ａ３×ａ１）／（ａ１・（ａ２×ａ３））
   ただし、上式において、ａ３は前記光変調素子の光変調パターン面の法線方向の任意の大きさのベクトルであり、「・」はベクトルの内積を、「×」は外積を表している。
3. 前記基本並進ベクトルａ１とａ２とは互いに直交している請求項１または２に記載の光照射装置。
4. 所定の光強度分布を有する光を被照射面に照射する光照射装置であって、
   入射光を光変調して変調光を射出するための光変調素子と、
   前記光変調素子を照明するための照明系と、
   前記光変調素子と前記被照射面との間に配置されて、前記被照射面上に、前記変調光に対応した前記所定の光強度分布を形成するための結像光学系と、
   前記照明系の射出瞳の形状を、前記光変調素子からの０次回折光を通過させ、一次回折光が前記結像光学系の瞳面の開口を実質的に通過しない円形状以外の形状に設定するための射出瞳形状設定部とを備えている光照射装置。
5. 入射光を光変調する光変調素子と、該光変調素子と被照射面との間に配置された結像光学系とを用いて、所定の光強度分布を有する光を前記被照射面に照射する光照射方法であって、
   前記光変調素子を照明する照明系の射出瞳の形状を、前記光変調素子からの光の一次回折光成分が前記結像光学系の瞳面の開口を実質的に通過しない円形状以外の形状に設定する光照射方法。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光照射装置と、前記被照射面に非単結晶半導体膜を保持するためのステージとを備え、前記被照射面に保持された非単結晶半導体膜の少なくとも一部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にする結晶化装置。
7. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光照射装置または請求項５に記載の光照射方法を用いて、前記被照射面に保持された非単結晶半導体膜の少なくとも一部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にする結晶化方法。
8. 請求項６に記載の結晶化装置を用いて製造された半導体デバイス。

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