JP2009272509A - 光照射装置、結晶化装置、結晶化方法、およびデバイス - Google Patents

光照射装置、結晶化装置、結晶化方法、およびデバイス Download PDF

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Abstract

【課題】 例えばＴＦＴの作製に適用した場合に、ＴＦＴの移動度の向上およびＴＦＴ間の移動度の均一化を実現することのできる結晶化装置。
【解決手段】 光を位相変調する光変調素子（１）と、光変調素子により位相変調された光に基づいて、長辺同士が隣接する短冊状の繰返し領域に所定の光強度分布を形成する結像光学系（３）と、非単結晶半導体膜を保持するステージ（５）とを備え、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。所定の光強度分布は、短冊状の繰返し領域の短辺方向の中心線に沿って下に凸で且つ短冊状の繰返し領域の長辺方向の中心線に沿って下に凸の分布を有する。短冊状の繰返し領域の中心から長辺方向の外側に向けて凸状に湾曲した等強度線を有し、該凸状に湾曲した等強度線のうち少なくとも１本の先端部の曲率半径は０．３μｍ以下である。短冊状の繰返し領域の短辺方向のピッチは２μｍ以下である。
【選択図】 図１５

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るために、チャネル内のキャリア移動方向に粒界のない構造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、一方向に沿ってＶ字状に変化する光強度分布（Ｖ字型の光強度分布）を有する光を非単結晶半導体膜に照射することにより、光強度の勾配方向に沿って一次元的に結晶を成長させる技術、すなわち一次元結晶化の手法を提案している（例えば特許文献１を参照）。
特開２００４−３４３０７３号公報
一般に、従来技術における一次元結晶化では、後述するように、散乱の原因となる結晶粒界がチャネルにおいてキャリヤの移動方向を横切るため、移動度が低下する。また、移動度を決定する要因である結晶方位が結晶粒毎に異なり且つチャネル内での結晶粒の数が比較的少ないため、複数の結晶粒による平均化効果を十分に得ることができず、移動度がＴＦＴ間で均一化されない。
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、例えばＴＦＴの作製に適用した場合に、ＴＦＴの移動度の向上およびＴＦＴ間の移動度の均一化を実現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、光を位相変調する光変調素子と、該光変調素子により位相変調された光に基づいて、長辺同士が隣接する短冊状の繰返し領域に所定の光強度分布を形成する結像光学系とを備え、
前記所定の光強度分布は、前記短冊状の繰返し領域の短辺方向の中心線に沿って下に凸で且つ前記短冊状の繰返し領域の長辺方向の中心線に沿って下に凸の分布を有し、前記短冊状の繰返し領域の中心から前記長辺方向の外側に向けて凸状に湾曲した等強度線を有し、該凸状に湾曲した等強度線のうち少なくとも１本の先端部の曲率半径は０．３μｍ以下であり、
前記短冊状の繰返し領域の前記短辺方向のピッチは２μｍ以下である光照射装置を提供する。
本発明の第２形態では、光を位相変調する光変調素子と、該光変調素子により位相変調された光に基づいて、長辺同士が隣接する短冊状の繰返し領域に所定の光強度分布を形成する結像光学系とを備え、
前記光変調素子は、前記短冊状の繰返し領域の長辺方向に並んだ複数の要素領域から構成される第１短冊領域と、前記長辺方向に並んだ複数の要素領域から構成される第２短冊領域とが前記短冊状の繰返し領域の短辺方向に繰り返す繰り返し構造を有し、
前記第１短冊領域と前記第２短冊領域との間で複素振幅透過率の要素領域内での平均値の位相が互いに異なり、且つ前記結像光学系のエアリーディスクの半径に対する前記第１短冊領域および前記第２短冊領域の短辺の比率が０．８よりも大きく１．２よりも小さい光照射装置を提供する。
本発明の第３形態では、第１形態または第２形態の光照射装置と、非単結晶半導体膜を保持するためのステージとを備え、該ステージによって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４形態では、第１形態または第２形態の光照射装置を用いて、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５形態では、第３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、例えばＶ字型の分布と櫛形凹凸状の分布との組み合わせからなる二次元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、実質的に等間隔に生成された結晶核からの結晶成長が櫛形凹凸状の分布の高強度部（以下、「尾根線」という）により細分化され、幅寸法の小さい細長い結晶粒が、長辺同士が隣り合うようにほぼ平行に生成される。
したがって、互いにほぼ平行に生成された複数の細長い結晶粒の領域にＴＦＴを作製すると、散乱の原因となる結晶粒界がチャネルにおいてキャリヤの移動方向を横切ることがないので、移動度が向上する。また、結晶方位が結晶粒毎に異なるが、チャネル内での結晶粒の数が比較的多くなるため、複数の結晶粒による平均化効果を十分に得ることができ、移動度がＴＦＴ間で均一化される。換言すれば、ＴＦＴの移動度の向上およびＴＦＴ間の移動度の均一化を実現することができる。
以下、本発明の実施形態の具体的な説明に先立って、図１および図２を参照して従来技術における一次元結晶化の特徴および不都合について説明する。従来の一次元結晶化では、図１に模式的に示すように、複数の結晶核１０１が臨界強度Ｉｃに対応する等強度線１０２上にランダムに発生し、これらの結晶核１０１からＶ字型の光強度分布１０３の強度勾配の方向（図中矢印で示す方向）に沿って結晶成長が進行する。
結晶の成長速度は、結晶核１０１の結晶方位により決定され、結晶核１０１毎に異なる。２つの結晶成長がぶつかる（衝突する）領域では、その点に最初に達した一方の結晶成長が他方の結晶成長に優先して進む。こうして、結晶核１０１からの結晶成長が妨げられることなく進行した結晶粒１０４ほど、幅の広い三角形状になる。
その結果、図２に模式的に示すように、従来の一次元結晶化により生成された複数の結晶粒１０４の領域に、ソースＳ、ドレインＤおよびチャネルＣからなるＴＦＴを作製すると、散乱の原因となる結晶粒界１０５がチャネルＣにおいてキャリヤの移動方向（図２中水平方向）を斜めに横切ることになり、移動度が低下する。また、結晶方位が結晶粒１０４毎に異なり且つチャネルＣ内での結晶粒１０４の数が比較的少ないため、複数の結晶粒１０４による平均化効果を十分に得ることができず、移動度がＴＦＴ間で均一化されない。
次に、図３乃至図１４を参照して、本発明の二次元結晶化の特徴について説明する。本発明の二次元結晶化では、図３に模式的に示すように、Ｖ字型の分布３１と櫛形凹凸状の分布３２との組み合わせからなる二次元光強度分布３３を有する光を、例えば基板上に形成された非単結晶半導体膜に照射する。具体的には、例えば光変調素子により位相変調された光を、結像光学系を介して非単結晶半導体膜に照射し、図４に模式的に示すように、非単結晶半導体膜上において長辺同士が隣接する短冊状の繰返し領域３４に二次元光強度分布３３を形成する。
二次元光強度分布３３は、短冊状の繰返し領域３４の短辺方向の中心線３４ａに沿って下に凸で、且つ長辺方向の中心線３４ｂに沿って下に凸の分布を有する。さらに詳細には、二次元光強度分布３３は、例えば短辺方向の中心線３４ａに沿ってＶ字状の分布を有し、且つ長辺方向の中心線３４ｂに沿ってＶ字状の分布を有する。また、二次元光強度分布３３は、短冊状の繰返し領域３４の短辺３４ｃ上の少なくとも一点において最大光強度を有する。
本発明では、図５に模式的に示すように、複数の結晶核３５ａ，３５が、二次元光強度分布３３の臨界強度線３６に沿って生成される。ここで、二次元光強度分布３３の谷線３７と臨界強度線３６との交点付近に生成される結晶核３５ａが結晶の成長方向に沿って最も進んだ位置にある。この結晶核３５ａからの結晶成長が他の結晶核３５からの結晶成長を抑制するため、結晶成長の起点となる結晶核３５ａの位置が実質的に等間隔に制御される。
結晶核３５ａからの結晶成長は、温度勾配の緩やかな方向（すなわち光強度の勾配の緩やかな方向：図３の矢印の方向）に進む。すなわち、結晶核３５ａからの結晶成長は、二次元光強度分布３３の尾根線３８により短冊状の繰返し領域３４の短辺方向への広がりが制御され、短冊状の繰返し領域３４の長辺方向に沿って細長く延びるように進む。こうして、実質的に等間隔に生成された結晶核３５ａからの結晶成長が二次元光強度分布３３の尾根線３８により細分化され、幅寸法Ｗｅの小さい細長い結晶粒３９が生成される。
すなわち、本発明では、図６に模式的に示すように、二次元光強度分布３３の臨界強度線３６に対応する微結晶領域４０を挟んで短冊状の繰返し領域３４の長辺方向に沿って細長く延びる全体的に矩形状の一対の結晶粒３９が生成される。一対の結晶粒３９は、短冊状の繰返し領域３４の短辺方向に隣り合う別の微結晶領域４０を挟んで短冊状の繰返し領域３４の長辺方向に沿って細長く延びる一対の結晶粒３９と、長辺同士が隣り合うようにほぼ平行に生成される。
こうして、本発明では、図７に模式的に示すように、互いにほぼ平行に生成された複数の細長い結晶粒３９の領域に、ソースＳ、ドレインＤおよびチャネルＣからなるＴＦＴを作製すると、散乱の原因となる結晶粒界３９ａがチャネルＣにおいてキャリヤの移動方向（図７中水平方向）を横切ることがないので、移動度が向上する。また、結晶方位が結晶粒３９毎に異なるが、チャネルＣ内での結晶粒３９の数が比較的多くなるため、複数の結晶粒３９による平均化効果を十分に得ることができ、移動度がＴＦＴ間で均一化される。
現在の液晶ディスプレイにおけるＴＦＴのチャネルＣの幅寸法Ｗｃは、一番小さな所で４μｍ程度である。従って、複数の結晶粒３９による平均化効果を得るには、結晶粒３９の幅Ｗｅは２μｍ以下であることが望ましく、１μｍ以下であることがさらに望ましい。また、別の表現をすれば、複数の結晶粒３９による平均化効果を得るために、短冊状の繰返し領域３４の短辺方向のピッチは２μｍ以下であることが望ましく、１μｍ以下であることがさらに望ましい。具体的には、チャネルＣ内の結晶粒３９の数は２〜４個程度以上であることが望ましい。
本発明では、位相段差構造を有する光変調素子を用いて、二次元光強度分布における櫛形凹凸状の分布を生成することが望ましい。クロム膜のような遮光膜を有する光変調素子を用いると、出力パワーの大きいエキシマレーザにより損傷を受けてしまうからである。また、振幅変調よりも位相変調の方が高解像度であるため、櫛形凹凸状の分布のピッチをより小さくすることができる。
図８乃至図１０に、位相段差により櫛形凹凸状の分布を生成する場合の計算結果を示す。この計算では、光の波長λが３０８ｎｍであり、結像光学系の像側開口数ＮＡが０．１５である。したがって、結像光学系のエアリーディスクの半径Ｒｄ（Ｒｄ＝０．６１λ／ＮＡ）は、１．２５μｍである。また、計算に際して、位相段差を構成する短冊領域の短辺の像面換算寸法（以下、単に「位相段差の短辺寸法」ともいう）Ｌｓを、図８では１μｍ、図９では１．２５μｍ、図１０では１．５μｍとした。
櫛形凹凸状の分布は、結像光学系のエアリーディスクの半径Ｒｄに対する位相段差の短辺寸法Ｌｓの比率Ｌｓ／Ｒｄにより決定される。図８に示すように、比率Ｌｓ／Ｒｄが０．８の場合、得られる櫛形凹凸状の分布の振幅が小さ過ぎて、結晶成長の細分化効果が発揮されない。図１０に示すように、比率Ｌｓ／Ｒｄが１．２の場合、得られる櫛形凹凸状の分布の最大強度が１．０を越え、この位置にてＳｉ膜を破壊してしまう可能性が高くなる。図９に示すように、比率Ｌｓ／Ｒｄが１．０の場合、所望の振幅を有する櫛形凹凸状の分布が得られる。従って、比率Ｌｓ／Ｒｄは、０．８よりも大きく１．２よりも小さいことが望ましい。
なお、図４に示すように、本発明の二次元光強度分布３３は、短冊状の繰返し領域３４の中心から長辺方向の外側に向けて凸状に湾曲した等強度線４１を有し、この凸状に湾曲した等強度線４１の先端部の曲率半径は０．３μｍ以下であることが望ましい。これは、結晶核３５ａから十分に大きい放射角で結晶成長させるためである。以下、この点について簡単に説明する。
基板上に形成された非単結晶半導体膜（非晶質シリコン）に光を照射すると、溶融温度に対応する光強度以下の光が照射された領域（すなわち非溶融領域）では、非晶質シリコンが完全に溶融することなく、少なくとも一部はそのまま残る。これに対し、非溶融領域の周囲の領域では、非晶質シリコンが完全に溶融する。次いで、基板側への熱伝導等により非単結晶半導体膜の温度が低下するが、先ず、図１１に示すように、溶融領域で温度の最も低い領域、すなわち非溶融領域５０の近傍に結晶核５１が生成される。
これら結晶核５１の生成に際して、小さな固体粒子が液体中で生成消滅を繰り返し、一定の大きさに達した固体粒子のみが安定となり結晶核５１になる。その後、図１２に示すように、結晶核５１を起点として、図中矢印で示す方向に沿って放射状に結晶は急速に成長する（図では、外側の結晶核５１から成長する結晶は省略されている）。これら結晶核５１の生成の過程において、液体から固体に相変化するときに潜熱が放出され、近傍の固体粒子を再度溶融させるため、結晶核５１は一定の密度でしか生成されないことが知られている。
結晶核の生成密度は、文献「J. S. Im and H. J. Kim, "Phase transformation mechanisms involved in excimer laser crystallization of amorphous silicon films”, Appl. Phys. Lett. 63 (14), 4 October 1993」において実験により求められている（特にこの文献の図２を参照）。この実験では、均一強度分布のＸｅＣｌエキシマレーザを非晶質シリコンにフルエンス（照射強度）を変えて照射したときに得られる夫々の結晶の粒径を測定している。
実験の結果、室温において、最適なフルエンスの光を照射することにより、結晶粒径が最大で約０．３μｍになることが求められた。一つの結晶粒は一つの結晶核から生成することを考えると、この実験結果は結晶核の生成密度が約０．３μｍ間隔であることを表す。この間隔は前節で述べたようにミクロな現象により決定されるため、この実験のような均一強度分布の照射であっても、本発明で扱うような勾配を有する光強度分布の照射であっても、共に有効であると考えられる。
液晶ディスプレイに用いられる通常のガラス基板は耐熱性を有しないため、室温での加工が必須である。また、結晶核の密度は後述するように大きいことが望ましく、一般には最大の粒径が得られるフルエンスで光照射を行う。このとき、図１２に示すように、２つの隣り合う結晶粒界５２ａにより画成される１つの結晶粒５２が１つの結晶核５１から成長することを考えると、結晶粒の放射角は結晶核５１の密度に対応する。
すなわち、室温においてＸｅＣｌエキシマレーザを非晶質シリコンに照射したときに得られる結晶核５１の最大の間隔は、約０．３μｍである。換言すると、結晶核５１の間隔Ｄは、図１３に示すように、約０．３μｍである。図１１では、結晶核５１を中心として直径が約０．３μｍの範囲を、破線の円５３により表示している。
結晶粒５２は結晶核から概ね放射状に得られるが、一片の結晶粒５２の放射角θ（全角）は、図１３に示すモデルから以下の式（１）で与えられる。式（１）において、Ｒ（単位：μｍ）は、非溶融領域５０の外縁に対応する等強度線（溶融温度に対応する光強度の等強度線）５０ａの当該結晶核５１の近傍における曲率半径である。なお、式（１）中の数値０．３は、０．３μｍを意味している。
Figure 2009272509
図１４は、上記式（１）から計算した、図１３のモデルにおける等強度線５０ａの曲率半径Ｒと結晶粒５２の放射角θとの関係を示す図である。図１４を参照すると、非溶融領域５０の外縁に対応する等強度線５０ａの曲率半径Ｒが０．３μｍよりも大きくなると、結晶粒５２の放射角θが急激に小さくなることがわかる。
曲率半径Ｒが０．３μｍのときに得られる放射角θは約６０度である。図５に示したように、短冊領域の内部に結晶粒界を生成させないためには、結晶粒５２の放射角θは約６０度以上であることが望ましい。このように、本発明において、結晶核から十分に大きい放射角で結晶成長させるために、例えば臨界強度に対応する等強度線の先端部の曲率半径は０．３μｍ以下であることが望ましい。
本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１５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１６は、図１５の照明系の内部構成を概略的に示す図である。図１５および図１６を参照すると、本実施形態の結晶化装置は、入射光を位相変調して所定の光強度分布を有する光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１７は、本実施形態の第１実施例における光変調素子の構成を概略的に示す図である。第１実施例の光変調素子１は、Ｘ方向に細長く延びる矩形状の第１短冊領域（図中破線で囲まれた矩形状の領域）１Ａと、同じくＸ方向に細長く延びる矩形状の第２短冊領域（図中破線で囲まれた矩形状の領域）１Ｂとを有する。第１短冊領域１Ａと第２短冊領域１Ｂとは長辺同士が隣接するように配置され、第１短冊領域１Ａと第２短冊領域１Ｂとからなる基本パターンは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。
第１短冊領域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。第２短冊領域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。
短冊領域１Ａおよび１Ｂでは、結像光学系３の像面換算で、Ｘ方向に１μｍの長さを有しＹ方向に１．６６μｍの長さを有する長方形状のセル（要素領域）１Ｃが、Ｘ方向に沿って１６個分並んでいる。結像光学系３の像面換算でのセル１Ｃの大きさは、結像光学系３のエアリーディスクの半径（点像分布範囲の半径）Ｒｄよりも小さく設定されている。第１短冊領域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いて領域１Ａａが占める割合）が、Ｘ方向に沿って変化している。具体的には、Ｘ方向に沿った領域１Ａａの占有面積率は、第１短冊領域１Ａの中央において最も大きく、その両端に向かって単調に減少している。
第２短冊領域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いて領域１Ｂａが占める割合）が、第１短冊領域１Ａと同じ様にＸ方向に沿って変化している。具体的には、Ｘ方向に沿った領域１Ｂａの占有面積率は、第２短冊領域１Ｂの中央において最も大きく、その両端に向かって第１短冊領域１Ａと同じ様に単調に減少している。このように、光変調素子１では、第１短冊領域１Ａおよび第２短冊領域１Ｂをつなげた領域において、第１短冊領域１Ａおよび第２短冊領域１Ｂの２つの要素領域をつなげた領域（図１７中参照符号１Ｇで示す）内での複素振幅透過率の平均値の絶対値がＸ方向に沿って下に凸の分布をなしている。また、第１短冊領域１Ａおよび第２短冊領域１Ｂの２つの要素領域をつなげた領域１Ｇ内での複素振幅透過率の平均値の位相が、第１短冊領域１Ａと第２短冊領域１Ｂとで互いに異なっている。
第１実施例では、図１７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の像側開口数ＮＡは０．１３である。また、照明系２の射出側開口数は０．０６５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（＝０．０６５／０．１３）である。
また、結像光学系３のエアリーディスクの半径Ｒｄ（＝０．６１λ／ＮＡ）は、約１．４５μｍである。位相段差を構成する短冊領域１Ａ，１Ｂの短辺の像面換算寸法Ｌｓが１．６６μｍであるから、結像光学系３のエアリーディスクの半径Ｒｄに対する位相段差の短辺寸法Ｌｓの比率Ｌｓ／Ｒｄは１．１４であり、０．８よりも大きく１．２よりも小さい値に設定されている。
第１実施例では、計算の結果、図１８に示すような光強度分布が得られた。図１８では、図１７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、光強度の等高線（すなわち等強度線）で示している。また、図１８では、図１７の第１短冊領域１Ａと第２短冊領域１Ｂとからなる基本パターンに対応して被処理基板４上に形成される光強度分布を、破線で囲んだ矩形状の領域１Ｄで示している。この領域１Ｄ内において図中一点鎖線で囲んだ矩形状の領域１Ｅは、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る光強度分布の単位領域である。ちなみに、例えば２ｍｍ×２ｍｍの断面のビームを被処理基板４に照射する場合、２００〜３００個程度の単位領域１Ｅが二次元的に繰り返し形成される。
換言すると、光変調素子１により位相変調された光に基づいて、被処理基板４上の非晶質シリコン膜（非単結晶半導体膜）において長辺同士が隣接する短冊状の繰返し領域１Ｅに、所定の光強度分布が形成される。ここで、短冊状の繰返し領域１Ｅの短辺方向（Ｙ方向）の長さは１．６６μｍであり、長辺方向（Ｘ方向）の長さは１６μｍである。短冊状の繰返し領域１Ｅの短辺方向の中心線Ｘ０に沿った光強度分布は、図１９に示すように、下に凸の分布である。図１９を参照すると、下に凸の分布がＹ方向に繰り返されて、櫛形凹凸状の分布を形成していることがわかる。
短冊状の繰返し領域１Ｅの長辺方向の中心線Ｙ０に沿った光強度分布は、図２０に示すように、下に凸の分布、さらに詳細にはＶ字型の分布である。短冊状の繰返し領域１Ｅの長辺に対応する線Ｙ１（中心線Ｙ０からＹ方向に１．６６／２＝０．８３μｍだけ離れた位置）に沿った光強度分布は、図２１に示すように、比較的高い光強度が維持された分布である。短冊状の繰返し領域１Ｅの短辺に対応する線Ｘ１（中心線Ｘ０からＹ方向に１６／２＝８μｍだけ離れた位置）に沿った光強度分布は、図２２に示すように、最大光強度が一定に維持された分布（振幅変化のない分布）である。
このように、第１短冊領域１Ａと第２短冊領域１Ｂとの間の実効的な位相段差の作用により、短冊状の繰返し領域１Ｅの短辺方向の中心線Ｘ０に沿って下に凸の分布が形成される。また、第１短冊領域１Ａと第２短冊領域１Ｂとの間の実効的な位相段差の線、すなわち短冊状の繰返し領域１Ｅの長辺方向の中心線Ｙ０に沿って、下に凸の分布（Ｖ字型の分布）を有する谷線が形成される。また、短冊状の繰返し領域１Ｅの長辺に対応する線Ｙ１に沿って、尾根線が形成される。
別の表現をすれば、光変調素子１により短冊状の繰返し領域１Ｅに形成される光強度分布は、その短辺方向の中心線Ｘ０に沿って下に凸で且つその長辺方向の中心線Ｙ０に沿って下に凸の分布を有する。さらに具体的には、短冊状の繰返し領域１Ｅに形成される光強度分布は、その長辺方向の中心線Ｙ０に沿ってＶ字状の分布を有し、その短辺上において最大光強度を有する。
短冊状の繰返し領域１Ｅの短辺方向（Ｙ方向）のピッチは１．６６μｍであり、２μｍ以下に設定されている。また、短冊状の繰返し領域１Ｅに形成される光強度分布は、短冊状の繰返し領域１Ｅの中心から長辺方向の外側に向けて凸状に湾曲した等強度線を有し、この凸状に湾曲した等強度線の先端部の曲率半径は０．３μｍ以下になっている。
図２３は、第１実施例の光変調素子１を用いて実際に得られた結晶構造を示すＳＥＭ像の線画図である。図２３において、参照符号３５ａは結晶核を、参照符号３９は結晶粒を、矢印は結晶成長の方向を示している。図２３を参照すると、実質的に等間隔に生成された結晶核３５ａからの結晶成長が光強度分布の尾根線により細分化され、幅寸法の小さい細長い結晶粒３９が長辺同士が隣り合うようにほぼ平行に生成されることがわかる。
図２４は、本実施形態の第２実施例における光変調素子の構成を概略的に示す図である。第２実施例では、第１実施例と類似の構成を有する光変調素子１を用いているが、第１短冊領域１Ａおよび第２短冊領域１Ｂの各セル１Ｃにおいて、＋９０度の位相値を有する領域１Ａａおよび−９０度の位相値を有する領域１ＢａがＹ方向に間隔を隔てて２つ配置されていることが第１実施例と相違している。以下、第１実施例との相違点に着目して、第２実施例を説明する。
第２実施例の光変調素子１では、Ｘ方向に沿った領域１Ａａの占有面積率は第１短冊領域１Ａの中央において最も大きく両端に向かって単調に減少し、Ｘ方向に沿った領域１Ｂａの占有面積率は第２短冊領域１Ｂの中央において最も大きく両端に向かって単調に減少している。その結果、第２実施例の光変調素子１においても第１実施例の場合と同様に、第１短冊領域１Ａおよび第２短冊領域１Ｂをつなげた領域において、第１短冊領域１Ａおよび第２短冊領域１Ｂの２つの要素領域をつなげた領域（図２４中参照符号１Ｇで示す）内での複素振幅透過率の平均値の絶対値がＸ方向に沿って下に凸の分布をなしている。また、第１短冊領域１Ａおよび第２短冊領域１Ｂの２つの要素領域をつなげた領域１Ｇ内での複素振幅透過率の平均値の位相が、第１短冊領域１Ａと第２短冊領域１Ｂとで互いに異なっている。
第２実施例では、第１実施例と同様の条件に基づく計算の結果、図２５に示すような光強度分布が得られた。図２５では、図２４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、光強度の等高線で示している。また、図２５では、図２４の第１短冊領域１Ａと第２短冊領域１Ｂとからなる基本パターンに対応して形成される光強度分布を領域１Ｄで示し、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る光強度分布の単位領域を領域１Ｅで示している。
第２実施例においても第１実施例の場合と同様に、短冊状の繰返し領域１Ｅの短辺方向（Ｙ方向）の長さは１．６６μｍであり、長辺方向（Ｘ方向）の長さは１６μｍである。短冊状の繰返し領域１Ｅの短辺方向の中心線Ｘ０に沿った光強度分布は、図２６に示すように、下に凸の分布である。図２６を参照すると、下に凸の分布がＹ方向に繰り返されて、櫛形凹凸状の分布を形成していることがわかる。
短冊状の繰返し領域１Ｅの長辺方向の中心線Ｙ０に沿った光強度分布は、図２７に示すように、下に凸の分布、さらに詳細にはＶ字型の分布である。短冊状の繰返し領域１Ｅの長辺に対応する線Ｙ１（中心線Ｙ０からＹ方向に１．６６／２＝０．８３μｍだけ離れた位置）に沿った光強度分布は、図２８に示すように、比較的高い光強度が維持された分布である。短冊状の繰返し領域１Ｅの短辺に対応する線Ｘ１（中心線Ｘ０からＹ方向に１６／２＝８μｍだけ離れた位置）に沿った光強度分布は、図２９に示すように、光強度の変化が比較的小さい（振幅変化の比較的小さい）分布である。
このように、第２実施例においても、第１短冊領域１Ａと第２短冊領域１Ｂとの間の実効的な位相段差の作用により、短冊状の繰返し領域１Ｅの短辺方向の中心線Ｘ０に沿って下に凸の分布が形成される。また、第１短冊領域１Ａと第２短冊領域１Ｂとの間の実効的な位相段差の線、すなわち短冊状の繰返し領域１Ｅの長辺方向の中心線Ｙ０に沿って、下に凸の分布（Ｖ字型の分布）を有する谷線が形成される。また、短冊状の繰返し領域１Ｅの長辺に対応する線Ｙ１に沿って、尾根線が形成される。
また、第２実施例においても、短冊状の繰返し領域１Ｅの短辺方向（Ｙ方向）のピッチは１．６６μｍであり、２μｍ以下に設定されている。また、短冊状の繰返し領域１Ｅに形成される光強度分布は、短冊状の繰返し領域１Ｅの中心から長辺方向の外側に向けて凸状に湾曲した等強度線を有し、この凸状に湾曲した等強度線の先端部の曲率半径は０．３μｍ以下になっている。その結果、図示を省略したが、第２実施例の光変調素子１を用いて、第１実施例の場合と類似した結晶構造を実際に得ることができた。
図３０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３０（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３０（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３０（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３０（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３０（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３０（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、平行な短冊状結晶粒アレイの位置にチャネル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。
従来の一次元結晶化において複数の結晶核がランダムに発生する様子を模式的に示す図である。 従来の一次元結晶化で生成された複数の結晶粒の領域にＴＦＴを作製した様子を模式的に示す図である。 Ｖ字型の分布と櫛形凹凸状の分布との組み合わせからなる二次元光強度分布を有する光を非単結晶半導体膜に照射する様子を模式的に示す図である。 非単結晶半導体膜上において長辺同士が隣接する短冊状の繰返し領域に二次元光強度分布を形成する様子を模式的に示す図である。 等間隔に生成された結晶核からの結晶成長が二次元光強度分布の尾根線により細分化されて細長い結晶粒が生成される様子を模式的に示す図である。 長辺同士が隣り合うように複数の結晶粒が互いにほぼ平行に生成される様子を模式的に示す図である。 互いにほぼ平行に生成された複数の細長い結晶粒の領域にＴＦＴを作製した様子を模式的に示す図である。 比率Ｌｓ／Ｒｄが０．８のときに生成される櫛形凹凸状の分布の計算結果を示す図である。 比率Ｌｓ／Ｒｄが１．０のときに生成される櫛形凹凸状の分布の計算結果を示す図である。 比率Ｌｓ／Ｒｄが１．２のときに生成される櫛形凹凸状の分布の計算結果を示す図である。 結晶核が生成された直後の状態を説明するモデルを示す図である。 結晶核から結晶が成長した後の状態を説明するモデルを示す図である。 一片の結晶粒の放射角を説明するモデルを示す図である。 図１３のモデルにおける等強度線の曲率半径Ｒと結晶粒の放射角θとの関係を示す図である。 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１５の照明系の内部構成を概略的に示す図である。 本実施形態の第１実施例における光変調素子の構成を概略的に示す図である。 第１実施例で得られる光強度分布の計算結果を示す図である。 図１８の中心線Ｘ０に沿った光強度分布を示す図である。 図１８の中心線Ｙ０に沿った光強度分布を示す図である。 図１８の線Ｙ１に沿った光強度分布を示す図である。 図１８の中心線Ｘ１に沿った光強度分布を示す図である。 第１実施例の光変調素子を用いて実際に得られた結晶構造を示すＳＥＭ像の線画図である。 本実施形態の第２実施例における光変調素子の構成を概略的に示す図である。 第２実施例で得られる光強度分布の計算結果を示す図である。 図２５の中心線Ｘ０に沿った光強度分布を示す図である。 図２５の中心線Ｙ０に沿った光強度分布を示す図である。 図２５の線Ｙ１に沿った光強度分布を示す図である。 図２５の中心線Ｘ１に沿った光強度分布を示す図である。 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

Claims (10)

  1. 光を位相変調する光変調素子と、該光変調素子により位相変調された光に基づいて、長辺同士が隣接する短冊状の繰返し領域に所定の光強度分布を形成する結像光学系とを備え、
    前記所定の光強度分布は、前記短冊状の繰返し領域の短辺方向の中心線に沿って下に凸で且つ前記短冊状の繰返し領域の長辺方向の中心線に沿って下に凸の分布を有し、前記短冊状の繰返し領域の中心から前記長辺方向の外側に向けて凸状に湾曲した等強度線を有し、該凸状に湾曲した等強度線のうち少なくとも１本の先端部の曲率半径は０．３μｍ以下であり、
    前記短冊状の繰返し領域の前記短辺方向のピッチは２μｍ以下である光照射装置。
  2. 前記所定の光強度分布は、前記長辺方向の中心線に沿ってＶ字状の分布を有する請求項１に記載の光照射装置。
  3. 前記所定の光強度分布は、前記短冊状の繰返し領域の短辺上の少なくとも一点において最大光強度を有する請求項１または２に記載の光照射装置。
  4. 前記光変調素子は、前記長辺方向に並んだ複数の要素領域から構成される第１短冊領域と、前記長辺方向に並んだ複数の要素領域から構成される第２短冊領域とが前記短辺方向に繰り返す繰り返し構造を有し、
    前記第１短冊領域と前記第２短冊領域との間で複素振幅透過率の要素領域内での平均値の位相が互いに異なり、且つ前記結像光学系のエアリーディスクの半径に対する前記第１短冊領域および前記第２短冊領域の短辺の比率が０．８よりも大きく１．２よりも小さい請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光照射装置。
  5. 前記第１短冊領域および前記第２短冊領域をつなげた領域において、前記第１短冊領域および前記第２短冊領域の２つの要素領域をつなげた領域内での複素振幅透過率の平均値の絶対値が各短冊領域の長手方向に沿って下に凸の分布をなしている請求項４に記載の光照射装置。
  6. 光を位相変調する光変調素子と、該光変調素子により位相変調された光に基づいて、長辺同士が隣接する短冊状の繰返し領域に所定の光強度分布を形成する結像光学系とを備え、
    前記光変調素子は、前記短冊状の繰返し領域の長辺方向に並んだ複数の要素領域から構成される第１短冊領域と、前記長辺方向に並んだ複数の要素領域から構成される第２短冊領域とが前記短冊状の繰返し領域の短辺方向に繰り返す繰り返し構造を有し、
    前記第１短冊領域と前記第２短冊領域との間で複素振幅透過率の要素領域内での平均値の位相が互いに異なり、且つ前記結像光学系のエアリーディスクの半径に対する前記第１短冊領域および前記第２短冊領域の短辺の比率が０．８よりも大きく１．２よりも小さい光照射装置。
  7. 前記第１短冊領域および前記第２短冊領域をつなげた領域において、前記第１短冊領域および前記第２短冊領域の２つの要素領域をつなげた領域内での複素振幅透過率の平均値の絶対値が各短冊領域の長手方向に沿って下に凸の分布をなしている請求項６に記載の光照射装置。
  8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光照射装置と、非単結晶半導体膜を保持するためのステージとを備え、該ステージによって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。
  9. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光照射装置を用いて、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。
  10. 請求項８に記載の結晶化装置または請求項９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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