JP2009094121A - 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】 デフォーカスの影響をほとんど受けることなく、所望のディップ状の光強度分布を所望の位置に安定的に形成することのできる結晶化装置。
【解決手段】 １８０度と実質的に異なる位相差の位相段差を有し、入射光を位相変調する光変調素子（１）と、光変調素子を照明する照明系（２）と、光変調素子により位相変調された光に基づいて所定の光強度分布を所定面に形成する結像光学系（３）と、結像光学系の瞳位置に配置されて第１領域を通過する第１光束と第２領域を通過する第２光束とを互いに非干渉性にする空間フィルター（６）とを備えている。
【選択図】 図１６

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が低くなる。また、多結晶シリコンの基板に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周辺回路であればその設計マージンを狭くしたり、液晶表示装置であれば表示ムラの原因となったりする。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、位相シフター（光変調素子）にエキシマレーザ光を照射し、それによるフレネル回折像もしくは結像光学系による結像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、たとえば表面科学Vol.21, No.5, pp.278-287, 2000に開示されている。

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、例えば、Ｖ字型のパターン）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」または「横方向成長」と呼ぶ）することにより大粒径の単結晶粒が生成される。

本出願人は、１８０度と実質的に異なる位相差の位相段差を有する光変調素子を用いる結晶化装置および方法において、深い焦点深度に基づいて所望の逆ピーク状（ディップ状）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技術を提案している（特許文献１、特許文献２を参照）。

特開２００５−２４４１９４号公報 特開２００５−２４４１９５号公報

特許文献１および２に記載されているように、１８０度と実質的に異なる位相差の位相段差を有する光変調素子を用いると、結像光学系の像面位置にフォーカス状態で形成されるディップ状の光強度分布は、ほぼ左右対称であり、その最小光強度（ボトム強度）はある程度大きくなる。これに対し、結像光学系の像面位置から上下に微小移動したデフォーカス位置にデフォーカス状態で形成されるディップ状の光強度分布の左右対称性は、大きく崩れ、そのボトム強度の位置が移動する。

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、デフォーカス状態で形成されるディップ状の光強度分布の左右対称性が大きく崩れ、しかもデフォーカス方向に依存して左右対称性の崩れ方が逆になるため焦点深度が浅く（狭く）なってしまう。また、デフォーカスによりボトム強度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う。

特許文献１および２に記載された従来技術では、光束分割素子の作用により入射光束を偏光状態の異なる２つの光束に分割し、互いに離間した２つのディップ状の光強度分布の合成に対応する所定の光強度分布を半導体膜基板の表面に形成することにより、デフォーカスの影響をほとんど受けることなく所望のディップ状の光強度分布を所望の位置に安定的に形成している。本発明は、特許文献１および２に記載された課題と同じ課題を、特許文献１および２とは異なる新規な構成に基づいて解決しようとするものである。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、デフォーカスの影響をほとんど受けることなく、所望のディップ状の光強度分布を所望の位置に安定的に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、１８０度と実質的に異なる位相差の位相段差を有し、入射光を位相変調する光変調素子と、
前記光変調素子を照明する照明系と、
前記光変調素子により位相変調された光に基づいて所定の光強度分布を所定面に形成する結像光学系と、
前記結像光学系の瞳位置に配置されて第１領域を通過する第１光束と第２領域を通過する第２光束とを互いに非干渉性にする空間フィルターとを備えている光照射装置を提供する。

本発明の第２形態では、第１形態の光照射装置と、前記所定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、前記所定面に保持された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、前記所定面に保持された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４形態の結晶化方法を用いて製造されたデバイスを提供する。

本発明の結晶化装置および結晶化方法では、結像光学系の瞳位置に配置された空間フィルターの作用により、第１領域を通過する第１光束と第２領域を通過する第２光束とを互いに非干渉性にする。具体的には、空間フィルターは、瞳位置において複素振幅の絶対値が最大となる最大回折光成分と、それ以外の回折光成分とを互いに非干渉性にする。

その結果、半導体膜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が、本発明の原理の説明および実施形態の説明において後述するように、半導体膜の表面に形成されるディップ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。こうして、本発明では、デフォーカスの影響をほとんど受けることなく、所望のディップ状の光強度分布を所望の位置に安定的に形成することができ、ひいては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。

以下、本発明の実施形態の具体的な説明に先立って、本発明の基本的な原理について説明する。図１を参照すると、１８０度と実質的に異なる位相差の位相段差を有する典型的な光変調素子であるライン・アンド・スペース（以下、「Ｌ／Ｓ」という）型の位相段差の光変調素子１１で位相変調された光が、結像光学系１２を介して、その像面１２ａ上に結像している。図１において、照明光は光変調素子１１に対して平行光の状態で垂直入射するものとし、Ｌ／Ｓ型の位相段差のｘ方向に沿った周期構造のピッチをＰとし、位相段差の位相差（位相段差量）をθとしている。

照明光は光変調素子１１のＬ／Ｓ型の位相段差によりｘ方向に回折され、そのうちの比較的次数の小さい回折光だけが、結像光学系１２の瞳位置（開口絞りＡＳの位置）１２ｂを通過して像面１２ａでの結像に寄与する。図１では、０次光、±１次回折光、および±２次回折光が瞳位置１２ｂを通過している様子が例示的に示されている。瞳位置１２ｂにおける複素振幅分布は、Ｌ／Ｓ型の位相段差の複素振幅透過率分布ｇ（ｘ）のフラウンホーファー回折、すなわちフーリエ変換により求められる。すなわち、瞳位置１２ｂにおけるｎ次光成分の複素振幅Ｅｎは、次の式（１）で表される。

ここで、位相段差の複素振幅透過率分布ｇ（ｘ）は、次の式（２）および（３）で表されるものとする。すなわち、着目する位相段差のｘ方向位置が、結像光学系１２の光軸ＡＸと一致しているものとする。

式（２）および（３）を式（１）に代入することにより、瞳位置１２ｂにおけるｎ次光成分の複素振幅Ｅｎは、次の式（４）〜（６）で表される。

図２に、式（４）〜（６）から得られる瞳位置１２ｂでの複素振幅分布を模式的に示す。ただし、共通の定数ｅ^iθ/2は省略して、０次光の複素振幅Ｅ₀が正の実数、すなわち位相０となるようにした。従って、結像光学系１２の像面１２ａにおいて位相段差に対応する位置での波面は、図３に示すようになる。図３では、Ｅｎが正の実数、すなわち位相０となる０次光，−１次光および−３次光の波面を実線で示し、Ｅｎが負の実数、すなわち位相πとなる＋１次光および＋３次光の波面を破線で示し、±５次光以上の高次回折光の波面の図示を省略している。

図３を参照すると、０次光を除き、次数の絶対値が同じで符号の異なる２つの回折光の波面構造は位相段差の位置に関して反対称であることが分かる。すなわち、＋ｎ次回折光の波面構造と−ｎ次回折光の波面構造とは位相段差の位置に関して反対称である。このことは、図示を省略した±５次光以上の高次回折光についても同様である。そのため、０次光がなければ、複素振幅分布は位相段差の位置に対して反対称であり、強度分布は位相段差の位置に対して対称となる。ところが、０次光が加わることによりこれらの対称性は成り立たなくなる。こうして、０次光がなければ結像光学系１２の像面１２ａに形成される光強度分布の左右対称性はデフォーカスに対して安定であるが、０次光があるため光強度分布の左右対称性がデフォーカスに対して不安定である（左右対称性がデフォーカスに応じて変化する）ことがわかる。

図４（ａ）に、結像光学系１２の像面１２ａから５μｍだけ離れた面に第１デフォーカス状態で形成される光強度分布を示す。図４（ｂ）に、結像光学系１２の像面１２ａにフォーカス状態で形成される光強度分布を示す。図４（ｃ）に、結像光学系１２の像面１２ａから５μｍだけ結像光学系寄りの面に第２デフォーカス状態で形成される光強度分布を示す。図４（ａ）〜図４（ｃ）に示す光強度分布は、所定の条件に基づく計算により得られたものである。

上記計算は、光の波長λが０．３０８μｍであり、光変調素子１１のＬ／Ｓ型の位相段差量θが９０度であり、Ｌ／Ｓ型の位相段差のピッチＰが１６μｍであり、結像光学系１２が等倍光学系であってその開口数ＮＡが０．１５であるという条件に基づくものである。この条件では、±７次光までが結像光学系１２の瞳位置１２ｂを通過する。図４（ａ）〜図４（ｃ）を参照すると、フォーカス状態では左右対称なディップ状の光強度分布が得られるが、デフォーカスにより光強度分布の左右対称性が崩れることがわかる。

図５（ａ）に、０次光以外の回折光が第１デフォーカス状態で形成する光強度分布および０次光のみが第１デフォーカス状態で形成する光強度分布を示す。図５（ｂ）に、０次光以外の回折光がフォーカス状態で形成する光強度分布および０次光のみがフォーカス状態で形成する光強度分布を示す。図５（ｃ）に、０次光以外の回折光が第２デフォーカス状態で形成する光強度分布および０次光のみが第２デフォーカス状態で形成する光強度分布を示す。図５（ａ）〜図５（ｃ）を参照すると、０次光以外の回折光が形成する光強度分布も、０次光のみが形成する光強度分布も、デフォーカスの影響をほとんど受けないことがわかる。

図６（ａ）に、０次光以外の回折光が第１デフォーカス状態で形成する光強度分布と０次光のみが第１デフォーカス状態で形成する光強度分布とを強度的に加算して得られる光強度分布を示す。図６（ｂ）に、０次光以外の回折光がフォーカス状態で形成する光強度分布と０次光のみがフォーカス状態で形成する光強度分布とを強度的に加算して得られる光強度分布を示す。図６（ｃ）に、０次光以外の回折光が第２デフォーカス状態で形成する光強度分布と０次光のみが第２デフォーカス状態で形成する光強度分布とを強度的に加算して得られる光強度分布を示す。

図６（ａ）〜図６（ｃ）を参照すると、結像光学系１２の像面１２ａにおいて０次光以外の回折光と０次光とが互いに干渉しなければ、デフォーカスの影響をほとんど受けることなく、ディップ状の光強度分布のボトム強度を所望の位置および値に保ちつつ、ディップ状の光強度分布の左右対称性を安定的に保つことができることが分かる。しかしながら、通常の結像では、０次光以外の回折光と０次光とが互いに干渉し、強度的に加算された光強度分布ではなく、振幅的に合成された光強度分布が得られる。

なお、上述の説明では、複素振幅透過率分布ｇ（ｘ）が式（２）および（３）に示すような位相段差、すなわち図７（ａ）に示すような「二段型」の位相段差を想定している。しかしながら、「二段型」の位相段差に限定されることなく、図７（ｂ）に示すような「階段型」の位相段差や、図７（ｃ）に示すような「傾斜型」の位相段差等も考えられる。「階段型」の位相段差や「傾斜型」の位相段差の場合も、瞳位置１２ｂにおける複素振幅分布は、複素振幅透過率分布ｇ（ｘ）のフーリエ変換により求められる。

「階段型」の位相段差（段数は２π／θ）の場合、瞳位置１２ｂにおけるｎ次光成分の複素振幅Ｅｎは、次の式（７）および（８）で表される。なお、式（７）および（８）において、ｍは整数である。また、「傾斜型」の位相段差の場合、瞳位置１２ｂにおけるｎ次光成分の複素振幅Ｅｎは、次の式（９）で表される。

θ＝π／２で４段の「階段型」の位相段差の場合に、式（７）および（８）から得られる瞳位置１２ｂでの複素振幅分布を図８（ａ）に模式的に示す。「傾斜型」の位相段差の場合に、式（９）から得られる瞳位置１２ｂでの複素振幅分布を図８（ｂ）に模式的に示す。図８（ａ）および図８（ｂ）では、ｎ次光成分の複素振幅Ｅｎの中の係数は省略し、中央のピークが正の実数になるように、すなわち位相０となるようにしている。

位相段差の型の違いおよび位相段差量θの値の違いにより多少の差はあるものの、これらの位相段差により得られる瞳位置での複素振幅分布には、以下の共通の特徴がある。第１の特徴は、中央に「複素振幅の絶対値が最大になる回折成分」があることである。θはπ以下であると考えてよいから、その成分は、「二段型」および「傾斜型」では０次光成分であり、「階段型」では１次回折光成分である。

第２の特徴は、回折次数ｎの絶対値が増えるにしたがって、複素振幅は基本的に１／ｎの形で減衰することである。実際には、複素振幅Ｅｎの分母にθの項があるため、１／ｎに正確には比例しないが、θはπ以下であると考えてよいから、そのずれは小さい。第３の特徴は、回折次数ｎの正側の列では複素振幅の符号は互いに等しく、負側の列では複素振幅の符号は互いに等しく、正側の列と負側の列とでは複素振幅の符号が互いに異なる。第４の特徴は、「複素振幅の絶対値が最大になる回折成分」の複素振幅は、回折次数ｎの正側の列もしくは負側の列のいずれかにおける複素振幅と符号が等しい。

これらの特徴を考えると、「階段型」の位相段差や「傾斜型」の位相段差の場合も、「二段型」の位相段差の場合と同様な考察が成り立ち、デフォーカスによりディップ状の光強度分布が左右非対称になることが理解できる。また、「階段型」の位相段差や「傾斜型」の位相段差の場合も、「結像光学系の瞳位置において複素振幅の絶対値が最大となる回折光成分」と、それ以外の他の回折光成分とを互いに非干渉性にすることにより、デフォーカスの影響をほとんど受けることなく、ディップ状の光強度分布のボトム強度を所望の位置および値に保ちつつ、ディップ状の光強度分布の左右対称性を安定的に保つことができることが理解される。

本発明では、上述の考察および知見に基づき、複素振幅の絶対値が最大となる最大回折光成分とそれ以外の回折光成分とを互いに非干渉性にする空間フィルターを、結像光学系の瞳位置に付設する。その結果、空間フィルターの作用により、デフォーカスの影響をほとんど受けることなく、ディップ状の光強度分布のボトム強度を所望の位置および値に保ちつつ、ディップ状の光強度分布の左右対称性を安定的に保つことが可能になる。すなわち、本発明では、デフォーカスの影響をほとんど受けることなく、所望のディップ状の光強度分布を所望の位置に安定的に形成することができる。

なお、結像光学系の瞳位置に空間フィルターを挿入することにより、解像度の向上（apodisation）、位相物体の可視化（位相差顕微鏡）、画像処理等を実現する方法は、古くから知られている。この点については、文献「久保田広、他著、光学技術ハンドブック、朝倉書店、P172」、「鶴田著、応用光学Ｉ、培風館、P256」などを参照することができる。

また、複素振幅透過率分布を有する空間フィルター、すなわち位相と振幅とを変調する空間フィルターを結像光学系の瞳位置に挿入することにより、焦点深度（ＤＯＦ）を拡大する技術が、文献「H.Fukuda et al., J. Vac. Sci. Technol. B9 (6), Nov/Dec 1991, p3113.」に記載されている。ただし、上述の文献には、２つの光束を互いに非干渉性にする空間フィルター、１８０度と実質的に異なる位相差の位相段差を有する光変調素子を介して得られるディップ状の光強度分布に言及する記載はない。

次に、結像光学系の瞳位置において第１光束と第２光束とを互いに非干渉性にする空間フィルターについて説明する。以下、空間フィルターの説明の理解を容易にするために、光変調素子１１として、「二段型」の位相段差を有する光変調素子を用いるものとする。図９は、波長板を用いるタイプの空間フィルターの構成および作用を概略的に示す図である。図９に示す空間フィルター２１は、０次光が通過し且つ０次光以外の回折光が通過しない領域に配置された波長板３１と、波長板３１を支持する平行平面状の透明基板４１とにより構成されている。波長板３１は、例えば光学密着や融着により透明基板４１に貼り合わされている。

例えば照明光が直線偏光であり且つ波長板３１として１／２波長板を用いる場合、空間フィルター２１に入射する０次光（最大回折光成分）の偏光方向が９０度回転し、空間フィルター２１に入射する０次光以外の回折光の偏光方向は変化しない。その結果、空間フィルター２１を経た０次光（図中破線で示す）と０次光以外の回折光（図中実線で示す）とは互いに非干渉性になる。

なお、図１０（ａ）に示すように、０次光が通過し且つ０次光以外の回折光が通過しない第１領域に配置された第１波長板３２と、０次光以外の回折光が通過し且つ０次光が通過しない第２領域に配置されて第１波長板３２とは進相軸の方向の異なる第２波長板３３とを備えた空間フィルター２２を用いることができる。具体的には、例えば照明光が直線偏光である場合、第１波長板３２として１／４波長板または１／２波長板を用い、第２波長板３３として第１波長板３２とは進相軸の方向の異なる１／４波長板または１／２波長板を用いることができる。

あるいは、図１０（ｂ）に示すように、０次光以外の回折光が通過し且つ０次光が通過しない領域に配置された一対の波長板３４を備えた空間フィルター２３を用いることができる。具体的には、例えば照明光が直線偏光である場合、波長板３４として１／２波長板を用いることができる。波長板を用いるタイプの空間フィルターでは、空間フィルターを経た０次光と０次光以外の回折光とを、偏光方向が互いに直交する直線偏光にするか、あるいは右回り円偏光と左回り円偏光とにすればよい。

一般に、波長板を用いるタイプの空間フィルターは、０次光（第１光束）および０次光以外の回折光（第２光束）のうちの少なくとも一方の偏光状態を変化させる偏光変化部材を有し、この偏光変化部材は、０次光が通過する領域（第１領域）および０次光以外の回折光が通過する領域（第２領域）のうちの少なくとも一方の領域に配置された波長板を有する。なお、波長板３１〜３４を支持する透明基板４１の設置は必須ではなく、その設置を省略することもできる。上記空間フィルターの実施例では、第１波長板３２を長方形状、第２波長板３３を円弧状にして円板状の空間フィルターを形成した例について説明したが他の形状でもよい。第１波長板３２は０次光の全体を含む形状であることが望ましい。

図１１は、光源のコヒーレント長以上の光路差を付与するタイプの空間フィルターの構成および作用を概略的に示す図である。図１１に示す空間フィルター２４は、０次光が通過し且つ０次光以外の回折光が通過しない領域に配置された透明板３５を備えている。透明板３５の厚さｔは、光源のコヒーレント長Ｌｃを、透明板３５を形成する光学材料の屈折率ｎから１．０を引いた値で割った値、すなわちＬｃ／（ｎ−１）以上であればよい。

例えば波長３０８ｎｍのレーザ光を射出するＸｅＣｌエキシマレーザ光源のコヒーレント長Ｌｃは０．５ｍｍ程度であるから、透明板３５の所要の厚さｔは約１．０ｍｍとなる。光路差付与部材としての透明板３５の作用により、０次光（透明板３５を通過する第１光束）と０次光以外の回折光（透明板３５を通過しない第２光束）との間に光源のコヒーレント長以上の光路差が付与される。その結果、空間フィルター２４を経た０次光（図中破線で示す）と０次光以外の回折光（図中実線で示す）とは互いに非干渉性になる。

あるいは、図１２に示すように、０次光以外の回折光が通過し且つ０次光が通過しない領域に配置された一対の透明板３６を備えた空間フィルター２５を用いることができる。この場合も、透明板３６を所要の厚さに設定することにより、０次光と０次光以外の回折光との間に光源のコヒーレント長以上の光路差が付与され、ひいては空間フィルター２５を経た０次光と０次光以外の回折光とは互いに非干渉性になる。なお、透明板３５，３６を別の透明基板に光学密着や融着により貼り合わせてもよい。

なお、上述の説明では、発明の理解を容易にするために、単一の点光源からの光で光変調素子を照明している。実際には、光源に起因する結像面での光強度の不均一性を解消するために、単一点光源ではなく、互いに位置の異なる複数の点光源からの光で光変調素子を照明することが求められることがある。その場合には、結像光学系の瞳において各点光源に対応する位置に波長板または透明板を配置することにより空間フィルターを構成すればよい。

すなわち、光変調素子を照明する照明系が複数の点の集合からなる射出瞳分布を有する場合、各点に対応する０次光（第１光束の集合）および０次光以外の回折光（第２光束の集合）とを互いに非干渉性にするように空間フィルターを構成すればよい。このとき、照明系は、各点に対応する０次光（第１光束の集合）と０次光以外の回折光（第２光束の集合）とが結像光学系の瞳位置において互いに重ならないような射出瞳分布を有することが好ましい。この点について、図１３を参照して具体的に説明する。

図１３は、３×３の点光源に対応するように結像光学系の瞳位置に３×３の波長板を配置することにより空間フィルターを構成した例を概略的に示す図である。ここで、例えば３×３の点光源からの照明光が直線偏光である場合、図９に示す空間フィルター２１の構成と同様に、３×３の波長板３７として１／２波長板を用いることができる。このとき、各点光源からの照明光により生成される奇数次回折光（１次回折光，３次回折光，・・・）と、他の点光源からの照明光により生成される０次光とが、結像光学系の瞳位置で互いに重ならないことが望ましい。

これは、１次回折光および３次回折光が波長板３７を通過することなく、０次光だけが波長板３７を通過するように構成するためである。図１３では、点光源からの照明光により生成される１次回折光が結像光学系の瞳を通る位置４３および３次回折光が瞳を通る位置４４を、０次光が瞳を通る位置４５の中間に位置決めしている。これを実現させるためには、以下の式（１０）を満たせばよい。式（１０）において、Ｄは照明系の射出瞳における点光源の間隔である。

図１４および図１５は、空間フィルターの他の一般的な構成例を概略的に示す図である。図１４および図１５において、黒丸は最大回折光成分（例えば０次光）が瞳位置を通過する位置を、ハッチングを施した領域は波長板または透明板を示している。また、図１４において、両方向矢印は光変調素子における位相段差の周期構造による回折方向を示している。

図１４（ａ）〜図１４（ｃ）では、位相段差の周期構造による回折方向に沿って他の最大回折光成分が重ならないように配慮している。一方、図１５（ａ）〜図１５（ｃ）に示す空間フィルターでは、光変調素子上で位相段差の周期の方向が縦横に混在していても対応できるように、波長板または透明板を等方的に配置している。

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１６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１７は、図１６の照明系の内部構成を概略的に示す図である。図１６および図１７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、結像光学系３の瞳位置に配置された空間フィルター６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処理基板４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とにより、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とにより、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。

光変調素子１により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（厳密には被処理基板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、例えば、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の位置、すなわち結像光学系３の瞳位置には、空間フィルター６が配置されている。空間フィルター６の構成および作用については後述する。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ＮＡ）は、被処理基板４の半導体膜上（被照射面）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。

被処理基板４は、基板上に、下層絶縁膜、非単結晶半導体薄膜、上層絶縁膜の順に成膜することにより構成されている。さらに詳細には、本実施形態では、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、非単結晶半導体膜（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膜である。下地絶縁膜は、非晶質シリコン膜とガラス基板とが直接接触して、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わるのを防止する。

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１８は、本実施形態における光変調素子の構成を概略的に示す図である。本実施形態の光変調素子１の基本パターン１Ｐ（図中破線で囲む矩形状の領域）は、帯状領域１Ａと帯状領域１Ｂとにより構成されている。図示を省略したが、基本パターン１Ｐは、例えばＸ方向およびＹ方向に沿って二次元的に繰り返し形成されている。帯状領域１Ａでは、図中斜線部で示す矩形状の領域１Ａａが−９０度の位相値を有し、図中空白部で示す領域１Ａｂが０度の位相値を有する。

一方、帯状領域１Ｂでは、図中斜線部で示す矩形状の領域１Ｂａが＋９０度の位相値を有し、図中空白部で示す領域１Ｂｂが０度の位相値を有する。ここで、基準となる位相値０度に対して、＋９０度は９０度の位相進みを、−９０度は９０度の位相遅れを意味している。本明細書では、平面波が入射した光変調素子の直後の波面を考え、光の進行方向にシフトしている場合にその領域を「位相進み」側の領域とし、逆に光源側にシフトしている場合にその領域を「位相遅れ」側の領域と定義する。

帯状領域１Ａおよび１Ｂでは、結像光学系３の像面換算で１μｍ×１μｍのサイズを有する正方形状のセル（単位領域）が、縦横に且つ稠密に８個×１６個並んでいる。結像光学系３の像面換算でのセルのサイズ１μｍ×１μｍは、結像光学系３の点像分布範囲の半径よりも小さく設定されている。帯状領域１Ａでは、各セルにおける領域１Ａａの占有面積率（すなわち各セルにおける領域１Ａａと１Ａｂとの割合）が、Ｙ方向に沿って変化している。具体的には、Ｙ方向に沿った領域１Ａａの占有面積率は、帯状領域１Ａの中央において最も大きく、その両端に向かって減少している。

同様に、帯状領域１Ｂでは、各セルにおける領域１Ｂａの占有面積率（すなわち各セルにおける領域１Ｂａと１Ｂｂとの割合）が、Ｙ方向に沿って変化している。具体的には、Ｙ方向に沿った領域１Ｂａの占有面積率は、帯状領域１Ｂの中央において最も大きく、その両端に向かって減少している。このように、光変調素子１の基本パターン１Ｐは、Ｘ方向に沿ってディップ状の光強度分布を形成し且つＹ方向に沿ってＶ字状の勾配光強度分布を形成する変調パターンを有する。

図１９は、本実施形態における空間フィルターの構成を概略的に示す図である。本実施形態の空間フィルター６は、光源２ａのコヒーレント長Ｌｃ以上の光路差を付与するタイプの空間フィルターであって、０次光が通過し且つ０次光以外の回折光が通過しない領域に配置された透明板６ａと、透明板６ａを支持する平行平面状の透明基板６ｂとにより構成されている。透明板６ａは、例えば光学密着や融着により透明基板６ｂに貼り合わされている。

本実施形態の数値実施例では、図１８に示す光変調素子１を用いて被処理基板４上に形成される光強度分布を計算により求めた。計算条件は、以下の通りである。すなわち、光の波長は３０８ｎｍ（０．３０８μｍ）であり、結像光学系３は等倍の光学系であり、その開口数は０．１５である。また、照明系２の射出側開口数は０．０７５である。したがって、コヒーレンスファクター（照明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）は、０．５（＝０．０７５／０．１５）である。

結像光学系３は、焦点距離ｆが２００ｍｍの正レンズ群３ａと、焦点距離ｆが２００ｍｍの正レンズ群３ｂとにより構成されている。光変調素子１における基本パターン１ＰのＸ方向の繰り返し周期Ｐは１６μｍであるから、空間フィルター６での０次光（最大回折光成分）と１次回折光との間隔Ｄ₀₁は、次の式により求められる。
Ｄ₀₁＝ｆ×λ／Ｐ＝２００ｍｍ×０．３０８μｍ／１６μｍ＝３．８５ｍｍ

そこで、幅（Ｘ方向寸法）が３．８５ｍｍで且つ厚さが１．５ｍｍの合成石英製の長尺の透明板６ａを、平行平面状の透明基板６ｂに光学密着で貼り付けることにより、空間フィルター６を構成している。空間フィルター６は、内径が６０（＝２×２００×０．１５）ｍｍの開口絞り３ｃの開口部の位置（すなわち瞳位置）に配置されている。

本実施形態の数値実施例では、照明系２の射出瞳において、Ｙ方向に沿って直線状に延びる連続的な光源またはＹ方向に沿って直線状に点在する複数の小光源が形成されているものとする。この場合、光変調素子１により生成される回折光のうち、−７次回折光〜＋７次回折光が結像光学系３の瞳位置を通過するが、空間フィルター６の作用により０次光（最大回折光成分）と０次光以外の回折光とが分離され非干渉化される。

本実施形態の数値実施例では、計算の結果、図２０に示すような光強度分布が得られた。図２０（ａ）に、数値実施例において結像光学系３の像面から５μｍだけ離れた面に第１デフォーカス状態で形成される光強度分布を示す。図２０（ｂ）に、数値実施例において結像光学系３の像面にフォーカス状態で形成される光強度分布を示す。図２０（ｃ）に、数値実施例において結像光学系３の像面から５μｍだけ結像光学系寄りの面に第２デフォーカス状態で形成される光強度分布を示す。

また、比較例として、本実施形態の数値実施例の構成から空間フィルターだけを取り除いた状態で得られる光強度分布を計算により求めた。図２１（ａ）に、比較例において結像光学系３の像面から５μｍだけ離れた面に第１デフォーカス状態で形成される光強度分布を示す。図２１（ｂ）に、比較例において結像光学系３の像面にフォーカス状態で形成される光強度分布を示す。図２１（ｃ）に、比較例において結像光学系３の像面から５μｍだけ結像光学系寄りの面に第２デフォーカス状態で形成される光強度分布を示す。

図２０および図２１では、図１８において破線で示す矩形状の基本パターン領域１Ｐに対応して被処理基板４上に形成される光強度分布を、光強度の等高線（すなわち等強度線）で示している。図２０および図２１を参照すると、光変調素子１の基本パターン１Ｐにより位相変調された光により、Ｘ方向に沿ってディップ状の光強度分布が形成され、且つＹ方向に沿ってＶ字状の勾配光強度分布が形成されることがわかる。

空間フィルターを用いない比較例では、図２１（ｂ）に示すように、フォーカス状態において左右対称なディップ状の光強度分布が得られる。しかしながら、図２１（ａ）および図２１（ｃ）に示すように、デフォーカスによりディップ状の光強度分布の左右対称性が大きく崩れ、ボトム強度の位置がＸ方向に沿って移動する。このように、比較例では、デフォーカス状態で形成されるディップ状の光強度分布の左右対称性が大きく崩れ、しかもデフォーカス方向に依存して左右対称性の崩れ方が逆になるため焦点深度が浅く（狭く）なる。また、デフォーカスによりボトム強度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う。

これに対し、空間フィルター６を用いる本実施形態の数値実施例では、図２０（ａ）〜図２０（ｃ）に示すように、フォーカス状態で得られる左右対称なディップ状の光強度分布が、デフォーカスにより変化することがほとんどない。すなわち、本実施形態の数値実施例では、デフォーカスの影響をほとんど受けることなく、ディップ状の光強度分布のボトム強度を所望の位置および値に保ちつつ、ディップ状の光強度分布の左右対称性を安定的に保つことができる。

なお、図１８に示す光変調素子１を実際に作製し、作製した光変調素子１および結像光学系３を用いて被処理基板４上に形成される光強度分布を計測した。計測の結果、空間フィルター６を用いた場合に図２０に示す光強度分布とほぼ同じ結果を、空間フィルター６を用いない場合に図２１に示す光強度分布とほぼ同じ結果を得た。空間フィルター６を用いない場合、２〜３μｍ程度のデフォーカス状態で生成された結晶粒の形が左右非対称になった。これに対し、空間フィルター６を用いた場合、１０μｍ程度のデフォーカス状態でも、ディップ状の光強度分布の左右対称性が保たれ、生成される結晶粒に大きな変化はなかった。

図２２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２２（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）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２２（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、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２２（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２２（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２２（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２２（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、即ち、結晶粒内にチャネル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。

１８０度以外のＬ／Ｓ型の位相段差を有する光変調素子で位相変調された光が結像光学系を介して結像する様子を示す図である。 式（４）〜（６）から得られる瞳位置での複素振幅分布を模式的に示す図である。 図１の結像光学系の像面において位相段差に対応する位置での波面状態を示す図である。 （ａ）は第１デフォーカス状態で形成される光強度分布を、（ｂ）はフォーカス状態で形成される光強度分布を、（ｃ）は第２デフォーカス状態で形成される光強度分布を示す図である。 （ａ）は０次光以外の回折光および０次光のみが第１デフォーカス状態で形成する光強度分布を、（ｂ）は０次光以外の回折光および０次光のみがフォーカス状態で形成する光強度分布を、（ｃ）は０次光以外の回折光および０次光のみが第２デフォーカス状態で形成する光強度分布を示す図である。 （ａ）は０次光以外の回折光が第１デフォーカス状態で形成する光強度分布と０次光のみが第１デフォーカス状態で形成する光強度分布とを強度的に加算して得られる光強度分布を、（ｂ）は０次光以外の回折光がフォーカス状態で形成する光強度分布と０次光のみがフォーカス状態で形成する光強度分布とを強度的に加算して得られる光強度分布を、（ｃ）は０次光以外の回折光が第２デフォーカス状態で形成する光強度分布と０次光のみが第２デフォーカス状態で形成する光強度分布とを強度的に加算して得られる光強度分布を示す図である。 （ａ）は「二段型」の位相段差を、（ｂ）は「階段型」の位相段差を、（ｃ）は「傾斜型」の位相段差を示す図である。 （ａ）は「階段型」の位相段差の場合に式（７）および（８）から得られる瞳位置での複素振幅分布を、（ｂ）は「傾斜型」の位相段差の場合に式（９）から得られる瞳位置での複素振幅分布を模式的に示す図である。 波長板を用いるタイプの空間フィルターの構成および作用を概略的に示す図である。 （ａ）は図９の第１変形例にかかる空間フィルターの構成を概略的に示す図であり、（ｂ）は図９の第２変形例にかかる空間フィルターの構成を概略的に示す図である。 光源のコヒーレント長以上の光路差を付与するタイプの空間フィルターの構成および作用を概略的に示す図である。 図１１の変形例にかかる空間フィルターの構成を概略的に示す図である。 ３×３の点光源に対応するように結像光学系の瞳位置に３×３の波長板を配置することにより空間フィルターを構成した例を概略的に示す図である。 （ａ）は空間フィルターの第１構成例を、（ｂ）は空間フィルターの第２構成例を、（ｃ）は空間フィルターの第３構成例を概略的に示す図である。 （ａ）は空間フィルターの第４構成例を、（ｂ）は空間フィルターの第５構成例を、（ｃ）は空間フィルターの第６構成例を概略的に示す図である。 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１６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変調素子の構成を概略的に示す図である。 本実施形態における空間フィルターの構成を概略的に示す図である。 空間フィルターを用いる本実施形態の数値実施例で得られた光強度分布の計算結果を示す図である。 空間フィルターを用いない比較例で得られた光強度分布の計算結果を示す図である。 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。

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
３ 結像光学系
４ 被処理基板
５ 基板ステージ
６，２１〜２６ 空間フィルター
６ａ，３５，３６ 透明板
６ｂ，４１ 透明基板

Claims (11)

1. １８０度と実質的に異なる位相差の位相段差を有し、入射光を位相変調する光変調素子と、
   前記光変調素子を照明する照明系と、
   前記光変調素子により位相変調された光に基づいて所定の光強度分布を所定面に形成する結像光学系と、
   前記結像光学系の瞳位置に配置されて第１領域を通過する第１光束と第２領域を通過する第２光束とを互いに非干渉性にする空間フィルターとを備えている光照射装置。
2. 前記第１光束は、前記瞳位置において複素振幅の絶対値が最大となる最大回折光成分であり、
   前記第２光束は、前記最大回折光成分以外の回折光成分である請求項１に記載の光照射装置。
3. 前記空間フィルターは、前記第１光束および前記第２光束のうちの少なくとも一方の偏光状態を変化させる偏光変化部材を有する請求項１または２に記載の光照射装置。
4. 前記偏光変化部材は、前記第１領域および前記第２領域のうちの少なくとも一方の領域に配置された波長板を有する請求項３に記載の光照射装置。
5. 前記空間フィルターは、前記第１光束と前記第２光束との間に光源のコヒーレント長以上の光路差を付与する光路差付与部材を有する請求項１または２に記載の光照射装置。
6. 前記照明系は、複数の点の集合からなる射出瞳分布を有し、
   前記空間フィルターは、前記射出瞳分布の各点に対応する前記第１光束の集合と、前記射出瞳分布の各点に対応する前記第２光束の集合とを互いに非干渉性にする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光照射装置。
7. 前記照明系は、前記第１光束の集合と前記第２光束の集合とが前記瞳位置において互いに重ならないような射出瞳分布を有する請求項６に記載の光照射装置。
8. 前記光変調素子は、第１方向に沿ってディップ状の光強度分布を形成し且つ前記第１方向と直交する第２方向に沿ってＶ字状の勾配光強度分布を形成する変調パターンを有する請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光照射装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光照射装置と、前記所定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、前記所定面に保持された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結晶化装置。
10. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光照射装置を用いて、前記所定面に保持された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結晶化方法。
11. 請求項９に記載の結晶化装置または請求項１０に記載の結晶化方法を用いて製造されたデバイス。

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