JP4347546B2 - 結晶化装置、結晶化方法および光学系 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶化装置、結晶化方法および光学系に関する。特に、本発明は、位相シフトマスクを用いて位相変調されたレーザ光を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、たとえば液晶表示装置（Liquid-Crystal-Display:ＬＣＤ）の画素に印加する電圧を制御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）の材料は、非晶質シリコン（amorphous-Silicon）と多結晶シリコン（poly-Silicon）とに大別される。
【０００３】
多結晶シリコンは、非晶質シリコンよりも電子移動度が高い。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り、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、ディスプレイ本体以外にドライバ回路や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。
【０００４】
多結晶シリコンは結晶粒の集合からなるが、結晶シリコンに比べると電子移動度が低い。また、多結晶シリコンを用いて形成した小型のトランジスタでは、チャネル部における結晶粒界数のバラツキが問題となる。そこで、最近、電子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、大粒径の多結晶シリコンを生成する結晶化方法が提案されている。
【０００５】
従来、この種の結晶化方法として、多結晶半導体膜または非晶質半導体膜と平行に近接させた位相シフトマスクにエキシマレーザ光を照射して結晶化半導体膜を生成する「位相制御ＥＬＡ（Excimer Laser Annealing）」が知られている。位相制御ＥＬＡ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。
【０００６】
位相制御ＥＬＡでは、位相シフトマスクの位相シフト部に対応する点において光強度がほぼ０の逆ピークパターン（中心において光強度がほぼ０で周囲に向かって光強度が急激に増大するパターン）の光強度分布を発生させ、この逆ピークパターンの光強度分布を有する光を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射する。その結果、光強度分布に応じて溶融領域が生じ、光強度がほぼ０の点に対応して溶けない部分または最初に凝固する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（ラテラル成長）することにより大粒径の結晶が生成される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
たとえば液晶表示装置を製造する場合、上述のような結晶化の必要なトランジスタ領域が各画素領域において占める割合は非常に小さいのが一般的である。この場合、従来技術では、たとえば二次元的に配置された複数の位相シフト部を有する位相シフトマスクに対してレーザ光を一様に照射するので、照明光学系から供給されるレーザ光の大部分はトランジスタ領域の結晶化に寄与することがなく、いわゆる光量損失が非常に大きいという不都合があった。
【０００８】
また、上述したように、従来技術では、位相シフト部に対応する点において光強度がほぼ０の逆ピークパターンの光強度分布を有する光を半導体膜に照射し、その光強度分布において光強度がほぼ０の点に対応した部分に結晶核が形成されるので、結晶核の形成位置の制御が可能である。しかしながら、互いに隣接する２つの位相シフト部に対応して形成される２つの隣接した逆ピークパターンの間の中間部における光強度分布の制御を行うことは不可能である。
【０００９】
実際に、従来技術では、中間部における光強度分布は不規則なうねり（光強度の増大と減少とを繰り返すような波状分布）を伴うのが一般的である。この場合、結晶化のプロセスにおいて、結晶核から周囲に向かって開始したラテラル成長が、中間部において光強度が減少する部分で停止してしまい、大きな結晶の成長が妨げられるという不都合があった。また、仮に中間部においてほぼ一様な光強度分布が得られたとしても、この一様な光強度分布の任意の位置でラテラル成長が停止してしまい、大きな結晶の成長が妨げられるという不都合があった。
【００１０】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、照明光学系から供給される光の大部分を所望領域の結晶化に寄与させることのできる、光効率の良好な結晶化装置、結晶化方法および光学系を提供することを目的とする。また、本発明は、結晶核からの十分なラテラル成長を実現して大粒径の結晶化半導体膜を生成することのできる結晶化装置、結晶化方法および光学系を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の第１発明では、位相シフトマスクを照明する照明光学系を備え、前記位相シフトマスクの位相シフト部に対応する点において光強度の最も小さい逆ピークパターンの光強度分布を有する光を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置において、前記照明光学系と前記位相シフトマスクとの間の光路中に配置されて、前記照明光学系から供給された光束を複数の光束に波面分割し且つ波面分割された各光束を対応する位相シフト部またはその近傍へ集光するための波面分割素子を備えていることを特徴とする結晶化装置を提供する。
【００１２】
第１発明の好ましい態様によれば、前記波面分割素子は２つの方向に沿って二次元的に配置された複数の光学要素を有し、各光学要素は前記２つの方向に沿って二次元的な集光機能を有する。あるいは、前記波面分割素子は所定の方向に沿って一次元的に配置された複数の光学要素を有し、各光学要素は前記所定の方向に沿って一次元的な集光機能を有する。
【００１３】
また、第１発明の好ましい態様によれば、前記照明光学系は、その照明瞳面またはその近傍において中央よりも周辺において光強度の大きい所定の光強度分布を形成するための光強度分布形成素子を備えている。この場合、前記所定の光強度分布は、光強度の比較的小さい円形状の中央領域と、該中央領域を包囲するように形成された光強度の比較的大きい円環状の周辺領域とを有するか、あるいは、所定方向に沿って細長く延びた光強度の比較的小さい中央領域と、該中央領域を包囲または挟むように形成された光強度の比較的大きい周辺領域とを有することが好ましい。さらに、前記光強度分布形成素子は、前記照明瞳面またはその近傍に配置された所定の光透過率分布を有する透過フィルターを有することが好ましい。
【００１４】
さらに、第１発明の好ましい態様によれば、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフトマスクとは互いにほぼ平行に且つ近接して配置されている。あるいは、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフトマスクとの間の光路中に配置された結像光学系をさらに備え、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜は、前記位相シフトマスクと光学的に共役な面から前記結像光学系の光軸に沿って所定距離だけ離れて設定されている。あるいは、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフトマスクとの間の光路中に配置された結像光学系をさらに備え、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜は、前記位相シフトマスクと光学的にほぼ共役な面に設定され、前記結像光学系の像側開口数は、前記逆ピークパターンの光強度分布を発生させるための所要の値に設定されている。
【００１５】
本発明の第２発明では、照明光学系で位相シフトマスクを照明し、前記位相シフトマスクの位相シフト部に対応する点において光強度の最も小さい逆ピークパターンの光強度分布を有する光を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化方法において、前記照明光学系から供給された光束を複数の光束に波面分割し且つ波面分割された各光束を対応する位相シフト部またはその近傍へ集光することを特徴とする結晶化方法を提供する。この場合、前記照明光学系の照明瞳面において中央よりも周辺において光強度の大きい所定の光強度分布を形成することが好ましい。
【００１６】
第２発明の好ましい態様によれば、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフトマスクとを互いにほぼ平行に且つ近接して配置する。あるいは、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフトマスクとの間の光路中に結像光学系を配置し、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜を前記位相シフトマスクと光学的に共役な面から前記結像光学系の光軸に沿って所定距離だけ離れて設定する。あるいは、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフトマスクとの間の光路中に結像光学系を配置し、前記結像光学系の像側開口数を前記逆ピークパターンの光強度分布を発生させるための所要の値に設定し、前記位相シフトマスクと光学的にほぼ共役な面に前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜を設定する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
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、本発明の第１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。第１実施形態の結晶化装置は、位相シフトマスク１を照明する照明光学系２を備えている。照明光学系２は、たとえば２４８ｎｍの波長を有する光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源２ａを備えている。なお、光源２ａとして、ＸｅＣｌエキシマレーザ光源のような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。
【００１８】
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光源が形成され、これらの複数の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光源からの光束は、第２コンデンサー光学系２ｆを介して、位相シフトマスク１を重畳的に照明する。なお、第２フライアイレンズ２ｅの後側焦点面（すなわち照明瞳面）またはその近傍には透過フィルター２ｇが配置されているが、その構成および作用については後述する。
【００１９】
ここで、第１フライアイレンズ２ｃおよび第１コンデンサー光学系２ｄは第１ホモジナイザを構成し、この第１ホモジナイザにより位相シフトマスク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および第２コンデンサー光学系２ｆは第２ホモジナイザを構成し、この第２ホモジナイザにより位相シフトマスク１上での面内位置に関する均一化が図られる。したがって、照明光学系２と位相シフトマスク１との間の光路中にはマイクロレンズアレイ３が配置されているが、マイクロレンズアレイ３が介在しない状態では照明光学系２はほぼ均一な光強度分布を有する光を位相シフトマスク１に照射する。
【００２０】
位相シフトマスク１を介して位相変調されたレーザ光は、位相シフトマスク１と平行に且つ近接して配置された被処理基板４に照射される。ここで、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により下地膜および非晶質シリコン膜を形成することにより得られる。換言すれば、位相シフトマスク１は、非晶質半導体膜と対向するように設定されている。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上において所定の位置に保持されている。
【００２１】
図２は、照明瞳面またはその近傍に配置された透過フィルターの構成を概略的に示す図である。図２に示すように、透過フィルター２ｇは、たとえば透過率が５０％の円形状の中央領域１２ａと、中央領域１２ａを包囲するように形成された透過率がほぼ１００％の円環状の周辺領域１２ｂとを有する。したがって、透過フィルター２ｇは、照明瞳面またはその近傍において、光強度の比較的小さい円形状の中央領域と、その中央領域を包囲するように形成された光強度の比較的大きい円環状の周辺領域とを有する光強度分布を形成する。
【００２２】
なお、透過フィルター２ｇの中央領域１２ａは、例えば透過率に応じた厚さのクロム膜（あるいはＺｒＳｉＯ膜など）をスパッタ法などにより形成した後、エッチングなどによってパターニングすることにより得られる。この場合、遮光材料としてのクロムは、一部の光を反射し、一部の光を吸収する。あるいは、中央領域１２ａは、使用波長の光を部分的に反射するように設計された多層膜を形成しパターニングすることにより得られる。反射材料としての多層膜を用いる場合、不要光の吸収によって発熱することがないという利点があるが、反射光が迷光となってフレアの原因にならないように考慮する必要がある。また、中央領域１２ａと周辺領域１２ｂとの間で位相差が実質的に発生しないように、遮光材料や反射材料の種類およびその厚さなどを調整する必要がある。
【００２３】
図３は、位相シフトマスクおよびマイクロレンズアレイの基本単位部分の構成を概略的に示す図である。図３（ａ）を参照すると、位相シフトマスク１の基本単位部分１１は、４つの矩形状の領域１１ａ〜１１ｄを有する。ここで、第１領域１１ａの透過光と第２領域１１ｂの透過光との間にはπ／２の位相差が付与され、第２領域１１ｂの透過光と第３領域１１ｃの透過光との間にもπ／２の位相差が付与され、第３領域１１ｃの透過光と第４領域１１ｄの透過光との間にもπ／２の位相差が付与され、第４領域１１ｄの透過光と第１領域１１ａの透過光との間にもπ／２の位相差が付与されるように構成されている。
【００２４】
具体的は、たとえば位相シフトマスク１が２４８ｎｍの波長を有する光に対して１．５の屈折率を有する石英ガラスで形成されている場合、第１領域１１ａと第２領域１１ｂとの間には１２４ｎｍの段差が付与され、第１領域１１ａと第３領域１１ｃとの間には２４８ｎｍの段差が付与され、第１領域１１ａと第４領域１１ｄとの間には３７２ｎｍの段差が付与されている。なお、各領域の境界線である４つの位相シフト線の交点は、後述するように位相シフト部１１ｅを構成する。位相シフトマスク１は、図４に示すように、基本単位部分１１を二次元的に配置することにより構成されている。
【００２５】
一方、マイクロレンズアレイ３の基本単位部分である微小レンズ要素（光学要素）１３は、位相シフトマスク１に向かって凸状で且つ二次曲面状（たとえば球面状）の屈折面１３ａを有する。すなわち、屈折面１３ａは、図３（ａ）に示すように、ｘ方向およびｙ方向に沿って二次元的な集光機能を有するように形成されている。そして、図３（ａ）の線Ａ−Ａに沿った断面図である図３（ｂ）に示すように、屈折面１３ａの中心が位相シフトマスク１の基本単位部分１１の位相シフト部１１ｅに対応して位置決めされている。
【００２６】
こうして、マイクロレンズアレイ３の微小レンズ要素１３に入射した光は、屈折面１３ａを介して集光作用を受け、微小レンズ要素１３の焦点位置またはその近傍に配置された位相シフトマスク１の位相シフト部１１ｅの位置にスポット状の光束を形成する。マイクロレンズアレイ３も、位相シフトマスク１と同様に、微小レンズ要素１３を二次元的に（縦横に且つ稠密に）配置することにより構成されている。このように、マイクロレンズアレイ３は、照明光学系２と位相シフトマスク１との間の光路中に配置されて、照明光学系２から供給された光束を複数の光束に波面分割し且つ波面分割された各光束を対応する位相シフト部１１ｅまたはその近傍へ集光するための波面分割素子を構成している。
【００２７】
図５は、位相シフトマスクの作用を説明する図である。以下、照明光学系２と位相シフトマスク１との間の光路中にマイクロレンズアレイ３が介在しない場合における位相シフトマスク１の基本的作用を説明する。この場合、位相シフトマスク１では、隣接する２つの領域の間の位相差がπ／２に設定されているので、位相シフト線に対応する位置では光強度が減少するが０にはならない。一方、位相シフト線の交点を中心とする円形領域の複素透過率の積分値が０になるように設定されているので、この交点すなわち位相シフト部１１ｅに対応する位置では光強度がほぼ０になる。
【００２８】
その結果、被処理基板４上では、図５に示すように、位相シフトマスク１の位相シフト部１１ｅに対応する点において光強度がほぼ０で且つ周囲に向かって急激に光強度が増加する逆ピークパターンの光強度分布が得られる。この逆ピークパターンの光強度分布は、ｘｚ平面およびｙｚ平面の双方においてほぼ同じプロファイルを有する。なお、逆ピークパターンの幅寸法は、位相シフトマスク１と被処理基板４との距離（すなわちデフォーカス量）の１／２乗に比例して変化する。
【００２９】
ところで、図６に示すように、たとえば液晶表示装置を製造する場合、結晶化の必要なトランジスタ領域６０が各画素領域（表示セル）６１において占める割合は非常に小さいのが一般的である。この場合、従来技術では、たとえば二次元的に配置された複数の位相シフト部１１ｅを有する位相シフトマスク１に対してレーザ光を一様に照射するので、照明光学系から供給されるレーザ光の大部分はトランジスタ領域６０の結晶化に寄与することがなく、いわゆる光量損失が非常に大きい。そこで、第１実施形態では、照明光学系２から供給される光の大部分を所望のトランジスタ領域６０の結晶化に寄与させるために、照明光学系２と位相シフトマスク１との間の光路中にマイクロレンズアレイ３を導入している。
【００３０】
また、前述したように、従来技術では、図５に示すような逆ピークパターンの光強度分布を有する光を半導体膜に照射していた。この場合、互いに隣接する２つの位相シフト部に対応して形成される２つの隣接した逆ピークパターンの間の中間部における光強度分布は不規則なうねりを伴っているので、光強度がほぼ０の点に対応したピーク部分に形成された結晶核から周囲に向かって開始したラテラル成長が中間部において光強度の減少する部分で停止してしまい、大きな結晶の成長が妨げられる。そこで、第１実施形態では、結晶核からの十分なラテラル成長を実現するために、照明光学系２の照明瞳面またはその近傍に透過フィルター２ｇを導入している。
【００３１】
図７は、透過フィルターとマイクロレンズアレイとの協働作用により位相シフトマスク上で得られる光強度分布を説明する図である。上述したように、透過フィルター２ｇは、照明瞳面またはその近傍において、光強度の比較的小さい円形状の中央領域と光強度の比較的大きい円環状の周辺領域とを有する光強度分布を形成する。一方、マイクロレンズアレイ３の各微小レンズ要素１３は、入射光束を集光して、位相シフトマスク１の位相シフト部１１ｅの位置にスポット状の光束を形成する。
【００３２】
その結果、図７に示すように、位相シフトマスク１上では、その位相シフト部１１ｅにおいて光強度が最も小さく且つその周囲に向かって光強度が増加する凹型パターンの光強度分布が得られる。具体的には、中心において光強度が最も小さく、その周囲に向かって光強度が増加し、その外周部において光強度が急激に低下するような凹型パターンの光強度分布が得られる。なお、この凹型パターンの光強度分布は、ｘｚ平面およびｙｚ平面の双方において同様のプロファイルを有する。
【００３３】
図８は、透過フィルターとマイクロレンズアレイと位相シフトマスクとの協働作用により被処理基板上で得られる光強度分布を説明する図である。上述したように、位相シフトマスク１は、均一な光強度分布を有する光に基づいて図５に示すような逆ピークパターンの光強度分布を有する光に変換して被処理基板４に（ひいては半導体膜に）照射する機能を有する。一方、透過フィルター２ｇとマイクロレンズアレイ３とは、中心において光強度が最も小さく且つその周囲に向かって光強度が増加する凹型パターンの光強度分布を有するスポット状の光束を位相シフト部１１ｅに照射する機能を有する。
【００３４】
したがって、第１実施形態では、透過フィルター２ｇとマイクロレンズアレイ３と位相シフトマスク１との協働作用により、逆ピークパターンの光強度分布と凹型パターンの光強度分布との積で表される図８に示すような２段逆ピークパターンの光強度分布が被処理基板４の半導体膜上において得られる。図８に示す２段逆ピークパターンの光強度分布では、上述の逆ピークパターンに対応するように、位相シフト部１１ｅに対応する点において光強度がほぼ０で、その周囲に向かって放射状に急激に光強度が増加して所定の値に達する。その後、光強度は、上述の凹型パターンに対応するように、その周囲に向かって放射状に緩やかに光強度が増加し、やがてその外周部において光強度が急激に低下している。
【００３５】
その結果、第１実施形態では、２段逆ピークパターンの光強度分布において光強度がほぼ０の点（すなわち位相シフト部１１ｅに対応する点）に対応した部分に結晶核が形成される。次いで、結晶核から、光強度勾配（ひいては温度勾配）の大きい方向に沿って且つ周囲に向かってラテラル成長が開始される。このとき、２段逆ピークパターンの光強度分布では、従来技術とは異なり中間部において光強度が減少する部分が実質的に存在しないので、外周部の近傍までラテラル成長が途中で停止することなく大きな結晶の成長を実現することができる。
【００３６】
こうして、第１実施形態では、結晶核からの十分なラテラル成長を実現して、大粒径の結晶化半導体膜を生成することができる。特に、マイクロレンズアレイ３の微小レンズ要素１３の屈折面１３ａの曲率がｘ方向とｙ方向とで異なるように設定し、ひいては凹型パターンに対応する外側の逆ピークパターンにおける光強度勾配がｘ方向とｙ方向とで異なるように設定し、所望の方向に沿ってラテラル成長を導くことができる。この場合、生成された大粒径の結晶では、ラテラル成長の方向に高い電子移動度を有するので、ラテラル成長の方向にトランジスタのソース−ドレインを配置することにより、良好な特性のトランジスタを製造することができる。
【００３７】
また、第１実施形態では、マイクロレンズアレイ３に入射した光が多数の微小レンズ要素１３によって波面分割され、各微小レンズ要素１３を介して集光された光束は対応する位相シフト部１１ｅにおいてスポット状の光束を形成する。そして、各位相シフト部１１ｅを介した光束は、被処理基板４上において各トランジスタ領域６０を包囲するスポット状の光束（図６において参照符号６２で示す）を形成する。その結果、第１実施形態では、照明光学系２から供給される光の大部分を所望のトランジスタ領域６０の結晶化に寄与させることができ、光効率の良好な結晶化を実現することができる。
【００３８】
なお、第１実施形態では、照明光学系２の開口数をＮＡ１とし、マイクロレンズアレイ３の焦点距離（すなわち各微小レンズ要素１３の焦点距離）をｆとし、マイクロレンズアレイ３の開口数（すなわち各微小レンズ要素１３の開口数）をＮＡ２とし、照明光の波長をλとするとき、以下の条件式（１）を満足することが望ましい。
λ／ＮＡ２＜ｆ×ＮＡ１ （１）
【００３９】
条件式（１）において、右辺は位相シフト部１１ｅに形成されるスポット状の光束の大きさ（半径）に対応する値であり、左辺はマイクロレンズアレイ３の解像度Ｒ２に対応する値である。条件式（１）を満足しない場合、図７に示すような明確な凹型パターンの光強度分布を形成することが、ひいては図８に示すような明確な２段逆ピークパターンの光強度分布を形成することが困難になるので好ましくない。
【００４０】
第１実施形態では、通常の設計条件にしたがって、条件式（１）に関するシミュレーションを行っている。このシミュレーションでは、マイクロレンズアレイ３の各微小レンズ要素１３のピッチ（大きさ）Ｄを１００μｍに設定し、その焦点距離ｆを５００μｍに設定し、照明光学系２の開口数ＮＡ１を０．０２に設定している。この場合、マイクロレンズアレイ３の開口数、すなわち各微小レンズ要素１３の開口数ＮＡ２は、次の式（ａ）で近似される。
ＮＡ２≒Ｄ／ｆ＝１００／５００＝０．２ （ａ）
【００４１】
その結果、条件式（１）の左辺および右辺はそれぞれ次の式（ｂ）および（ｃ）で表される。
λ／ＮＡ２≒０．２４８／０．２≒１．２μｍ （ｂ）
ｆ×ＮＡ１＝５００×０．０２＝１０μｍ （ｃ）
こうして、各トランジスタ領域６０を包囲するスポット状の光束６２の半径１０μｍに対して、マイクロレンズアレイ３の解像度が十分に小さいので、図８に示すような明確な２段逆ピークパターンの光強度分布を形成することが可能であることがわかる。
【００４２】
図９は、本発明の第２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。第２実施形態は第１実施形態と類似の構成を有するが、第２実施形態では位相シフトマスク１と被処理基板４との間の光路中に結像光学系６を備えている点が第１実施形態と基本的に相違している。以下、第１実施形態との相違点に着目して、第２実施形態を説明する。なお、図９では、図面の明瞭化のために、照明光学系２の内部構成の図示を省略している。
【００４３】
第２実施形態では、図９に示すように、被処理基板４は位相シフトマスク１と光学的に共役な面（結像光学系６の像面）から光軸に沿って所定距離だけ離れて設定されている。この場合、位相シフトマスク１の作用により被処理基板４の半導体膜上に形成される逆ピークパターンの幅寸法は、結像光学系６の解像度が十分であれば、結像光学系６の像面と被処理基板４との距離（すなわちデフォーカス量）の１／２乗に概ね比例して変化する。なお、結像光学系６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。
【００４４】
第２実施形態においても第１実施形態と同様に、透過フィルター２ｇとマイクロレンズアレイ３と位相シフトマスク１との協働作用により２段逆ピークパターンの光強度分布が被処理基板４の半導体膜上に形成されるので、結晶核からの十分なラテラル成長を実現して大粒径の結晶化半導体膜を生成することができる。また、マイクロレンズアレイ３と位相シフトマスク１との協働作用により照明光学系２から供給される光の大部分を所望の領域の結晶化に寄与させることができ、光効率の良好な結晶化を実現することができる。
【００４５】
なお、第１実施形態では被処理基板４におけるアブレーションに起因して位相シフトマスク１が汚染され、ひいては良好な結晶化が妨げられることがある。これに対して、第２実施形態では、位相シフトマスク１と被処理基板４との間に結像光学系６が介在し且つ被処理基板４と結像光学系６との間隔も比較的大きく確保されているので、被処理基板４におけるアブレーションの影響を受けることなく良好な結晶化を実現することができる。
【００４６】
また、第１実施形態では、位相シフトマスク１と被処理基板４との間に設定すべき間隔が非常に小さい（たとえば数μｍ〜数百μｍ）ので、位相シフトマスク１と被処理基板４との間の狭い光路中に位置検出のための検出光を導入することが困難であり、ひいては位相シフトマスク１と被処理基板４との間隔を調整することが困難である。これに対して、第２実施形態では、被処理基板４と結像光学系６との間隔が比較的大きく確保されているので、被処理基板４と結像光学系６との間の光路中に位置検出のための検出光を導入して、被処理基板４と結像光学系６との位置関係を調整することが容易である。
【００４７】
図１０は、本発明の第３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。第３実施形態は第２実施形態と類似の構成を有するが、第３実施形態では結像光学系７を介して位相シフトマスク１と被処理基板４とが光学的に共役に配置されている点が第２実施形態と基本的に相違している。以下、第２実施形態との相違点に着目して、第３実施形態を説明する。なお、図１０においても、図面の明瞭化のために、照明光学系２の内部構成の図示を省略している。
【００４８】
第３実施形態では、結像光学系７は、その瞳面に配置された開口絞り７ａを備えている。開口絞り７ａは、開口部（光透過部）の大きさの異なる複数の開口絞りを有し、これらの複数の開口絞りは光路に対して交換可能に構成されている。あるいは、開口絞り７ａは、開口部の大きさを連続的に変化させることのできる虹彩絞りを有する。いずれにしても、開口絞り７ａの開口部の大きさ（ひいては結像光学系７の像側開口数）は、被処理基板４の半導体膜上において所要の逆ピークパターンの光強度分布を発生させるように設定されている。
【００４９】
この場合、位相シフトマスク１の作用により被処理基板４の半導体膜上に形成される逆ピークパターンの幅寸法は、結像光学系７の解像度Ｒ３と同程度になる。結像光学系７の解像度Ｒ３は、使用光の波長をλとし、結像光学系７の像側開口数をＮＡ３とすると、Ｒ＝ｋλ／ＮＡ３で規定される。ここで、定数ｋは、位相シフトマスク１を照明する照明光学系２の仕様や、光源１から供給される光束のコヒーレンスの程度、解像度の定義にもよるが、ほぼ１に近い値である。このように、第３実施形態では、結像光学系７の像側開口数ＮＡ３を小さくして、結像光学系７の解像を低下させると、逆ピークパターンの幅寸法が大きくなる。
【００５０】
第３実施形態においても第１実施形態および第２実施形態と同様に、２段逆ピークパターンの光強度分布が被処理基板４の半導体膜上に形成されるので、結晶核からの十分なラテラル成長を実現して大粒径の結晶化半導体膜を生成することができるとともに、照明光学系２から供給される光の大部分を所望の領域の結晶化に寄与させることができ、光効率の良好な結晶化を実現することができる。また、第３実施形態においても第２実施形態と同様に、被処理基板４におけるアブレーションの影響を受けることなく良好な結晶化を実現することができるとともに、被処理基板４と結像光学系７との位置関係を調整することが容易である。
【００５１】
なお、第２実施形態および第３実施形態では、上述の条件式（１）に加えて次の条件式（２）を満足することが望ましい。なお、条件式（２）において、ＮＡ３は、上述したように、結像光学系（６，７）の像側開口数である。
λ／ＮＡ３＜ｆ×ＮＡ１ （２）
【００５２】
条件式（２）において、右辺は位相シフト部１１ｅに形成されるスポット状の光束の大きさ（半径）に対応する値であり、左辺は結像光学系（６，７）の解像度Ｒ３に対応する値である。条件式（２）を満足しない場合、図８に示すような明確な２段逆ピークパターンの光強度分布を形成することが困難になるので好ましくない。
【００５３】
なお、上述の各実施形態では、波面分割素子としてのマイクロレンズアレイ３が、二次元的に配置して構成された複数の光学要素（微小レンズ要素）を有し、各光学要素は二次曲面状の屈折面を介して二次元的な集光機能を有する。しかしながら、これに限定されることなく、たとえば図１１に示すようなマイクロシリンドリカルレンズアレイ３’を用いる変形例も可能である。マイクロシリンドリカルレンズアレイ３’は、所定の方向に沿って一次元的に配置された複数の光学要素１３’を有し、各光学要素１３’は所定の方向に沿って一次元的な集光機能を有する屈折面１３’ａを有する。この変形例では、マイクロシリンドリカルレンズアレイ３’の使用に合わせて、図１２に示すような透過フィルター２ｈを用いることが望ましい。
【００５４】
透過フィルター２ｈは、たとえば透過率が５０％の細長い矩形状の中央領域１２ｃと、中央領域１２ｃを挟むように形成された透過率がほぼ１００％の一対の半円形状の周辺領域１２ｄとを有する。したがって、透過フィルター２ｈは、照明瞳面またはその近傍において、光強度の比較的小さい細長い矩形状の中央領域と、その中央領域を挟むように形成された光強度の比較的大きい一対の半円形状の周辺領域とを有する光強度分布を形成する。ここで、透過フィルター２ｈにおける中央領域１２ｃの長手方向と、マイクロシリンドリカルレンズアレイ３’における各微小シリンドリカルレンズ要素１３’の長手方向とは、光学的に対応するように設定されている。
【００５５】
こうして、マイクロシリンドリカルレンズアレイ３’に入射した光が多数の微小シリンドリカルレンズ要素１３’によって波面分割され、各微小シリンドリカルレンズ要素１３’を介して集光された光束は対応する位相シフト部１１ｅにおいてスリット状（線状）の光束を形成する。そして、各位相シフト部１１ｅを介した光束は、被処理基板４上において各トランジスタ領域６０を包囲するスリット状の光束（図６において参照符号６３で示す）を形成する。この場合、被処理基板４上において形成されるスリット状の光束の光強度分布は、その短辺方向に沿って図８に示すようなプロファイルを有し、その長手方向に沿って一様なプロファイルを有する。
【００５６】
すなわち、マイクロシリンドリカルレンズアレイ３’および透過フィルター２ｈを用いる変形例では、図１３に示すような２段逆ピークパターンの光強度分布が得られる。その結果、変形例においても、２段逆ピークパターンの光強度分布において光強度がほぼ０の点において結晶核が形成され、この結晶核から光強度勾配のある方向（図１２において横方向）に沿って且つ周囲に向かって外周部の近傍までラテラル成長が行われるので、大きな結晶の成長を実現することができる。
【００５７】
なお、上述の各実施形態および変形例では、マイクロレンズアレイ３およびマイクロシリンドリカルレンズアレイ３’における屈折面（１３ａ，１３’ａ）を連続的な曲面形状に形成してもよいし、あるいは段差形状に形成してもよい。また、連続的な曲面やその多段近似に限定されることなく、位相差にして０〜２πの範囲を折り返した「キノフォーム」として分割波面素子を構成することもできる。また、分割波面素子に屈折面を付与することなく、光学材料の屈折率分布によりその作用を実現してもよい。この場合、光強度により屈折率が変調されるフォトポリマーや、ガラスのイオン交換などの従来技術を使用することができる。また、ホログラムもしくは回折光学素子を用いて、分割波面素子を実現してもよい。
【００５８】
さらに、上述の各実施形態では、位相シフトマスク１が、０、π／２、π、３π／２の位相に対応する４つの矩形状の領域から構成されているが、これに限定されることなく、位相シフトマスクについて様々な変形例が可能である。たとえば、３以上の位相シフト線からなる交点（位相シフト部）を有し、この交点を中心とする円形領域の複素透過率の積分値がほぼ０であるような位相シフトマスクを用いることができる。また、図１４に示すように、位相シフト部に対応する円形状の段差を有し、この円形状の段差部分の透過光とその周囲の透過光との位相差がπになるように設定された位相シフトマスクを用いることもできる。
【００５９】
ところで、図８を再び参照すると、被処理基板４の半導体膜（多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜）に照射される光強度分布は、位相シフトマスク１の位相シフト部に対応する点において光強度の最も小さい逆ピークパターン領域と、この逆ピークパターン領域から周囲に向かって光強度が増加する凹型パターン領域とを有する。そして、この２段逆ピークパターンの光強度分布は、逆ピークパターン領域と凹型パターン領域との間において周囲に向かって傾きが減じる変曲点を有する。
【００６０】
この場合、逆ピークパターンの光強度分布において傾きの大きな位置に結晶核は発生するが、結晶核の内部は多結晶になり、その周囲に所望の単結晶が形成される。したがって、逆ピークパターン領域と凹型パターン領域との間において傾きが減じる変曲点が存在しないような光強度分布を被処理基板４の半導体膜に照射しても、結晶核の発生位置が外側になり、結晶化する領域の面積が狭くなってしまう。なお、光強度分布は設計の段階でも計算できるが、実際の被処理面（被露光面）での光強度分布を観察して確認しておくことが望ましい。そのためには、被処理面を光学系で拡大し、ＣＣＤなどの撮像素子で入力すれば良い。使用光が紫外線の場合は、光学系が制約を受けるため、被処理面に蛍光板を設けて可視光に変換しても良い。
【００６１】
また、上述の実施形態では、波面分割素子（マイクロレンズアレイ３またはマイクロシリンドリカルレンズアレイ３’）と位相シフトマスク１とが個別の光学部材として形成されているが、これに限定されることなく、波面分割素子３と位相シフトマスク１とを一体的に形成することもできる。この場合、装置に取り付ける際に波面分割素子３および位相シフトマスク１をそれぞれ位置合わせする必要がなく、一体化された１つの光学部材として波面分割素子３と位相シフトマスク１とを装置に対して精度良く取り付けることができる。
【００６２】
なお、一体的に形成された波面分割素子３と位相シフトマスク１とは、光の入射方向から順に、波面分割素子３の入射面、波面分割素子３と位相シフトマスク１との界面、および位相シフトマスク１の位相シフト面を有することが好ましい。このように、位相シフト面よりも被処理基板４側にガラスなどの層構造がない構成を採ることにより、第１実施形態において位相シフト面と被処理基板４との距離を十分に接近させて良好な結晶化を行うことができる。
【００６３】
また、第２実施形態および第３実施形態においては、特に逆ピークパターンの光強度分布を正確に形成するために高解像度を要するが、位相シフト面よりも被処理基板４側にガラスなどの層構造がない構成を採ることにより、不要な収差の発生を回避することができるので有利である。以下、一体的に形成された波面分割素子３と位相シフトマスク１との製造方法について簡単に説明する。
【００６４】
図１５は、一体的に形成された波面分割素子３と位相シフトマスク１との製造方法について説明する図である。図１５を参照すると、たとえば屈折率が１．５０８４１の石英基板４０にレジスト４１を塗布し、電子線描画および現像を行うことにより、レジストパターン４１ａが得られる。次いで、このレジストパターン４１ａをマスクとしてドライエッチングを行い、さらにレジスト除去を行うことにより、石英基板４０の表面がエッチング加工される。そして、レジスト塗布からレジスト除去までの工程を繰り返すことにより、石英基板４０の表面において全体的にレンズ形状の屈折面（たとえば深さ０．１２４μｍ）４０ａが形成される。
【００６５】
次いで、石英基板４０のレンズ形状の屈折面４０ａに、たとえば屈折率が２．３程度のＳｉ_xＮ_y（高屈折率材料）からなり３μｍの厚さを有する高屈折率材料膜４２をＣＶＤ法により形成する。そして、たとえばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）の手法により、高屈折率材料膜４２の表面を平坦化する。次いで、平坦化された高屈折率材料膜４２の表面に、たとえば４０μｍの厚さを有する有機ＳＯＧ膜（スピンオングラス、たとえばアルコキシシランをアルキル基で置換したもの）４３を形成する。
【００６６】
さらに、有機ＳＯＧ膜４３の表面にレジスト４４を塗布し、電子線描画および現像を行うことにより、レジストパターン４４ａが得られる。次いで、このレジストパターン４４ａをマスクとしてドライエッチングを行い、さらにレジスト除去を行うことにより、たとえば０．２４８μｍの深さを有する位相シフト面４５が形成される。こうして、波面分割素子３を構成する石英基板４０と、位相シフトマスク１を構成する高屈折率材料膜４２および有機ＳＯＧ膜４３とが一体的に形成される。ここで、レンズ形状の屈折面４０ａは、波面分割素子３と位相シフトマスク１との界面を構成することになる。
【００６７】
図１６は、各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。図１６（ａ）に示すように、絶縁基板２０（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２１（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２２（例えば、膜厚５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度のＳｉ，Ｇｅ，ＳｉＧｅなど）を、化学気相成長法やスパッタ法などを用いて成膜することにより、被処理基板４を準備する。そして、各実施形態の結晶化装置を用いて、非晶質半導体膜２２の表面の一部もしくは全部に、レーザ光２３（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。
【００６８】
こうして、図１６（ｂ）に示すように、従来の結晶化装置を用いて生成された多結晶半導体膜に比べて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２４が生成される。次に、図１６（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２４を島状の半導体膜２５に加工し、ゲート絶縁膜２６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１６（ｄ）に示すように、ゲート電極２７（例えば、シリサイドやＭｏＷなど）を形成し、ゲート電極２７をマスクにして不純物イオン２８（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、不純物を活性化する。
【００６９】
次に、図１６（ｅ）に示すように、層間絶縁膜２９を成膜してコンタクト穴をあけ、チャネル３０でつながるソース３１およびドレイン３２に接続するソース電極３３およびドレイン電極３４を形成する。このとき、図１６（ａ）および（ｂ）に示す工程において生成された多結晶半導体膜または単結晶化半導体膜２４の大粒径結晶の位置に合わせて、チャネル３０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トランジスタ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。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、透過フィルターと波面分割素子と位相シフトマスクとの協働作用により２段逆ピークパターンの光強度分布が被処理基板の半導体膜上に形成される。その結果、結晶核からの十分なラテラル成長を実現して、大粒径の結晶化半導体膜を生成することができる。
【００７１】
また、本発明では、波面分割素子に入射した光が複数の光学要素によって波面分割され、各光学要素を介して集光された光束は対応する位相シフト部において、ひいては被処理基板上において所望の領域を包囲する光束を形成する。その結果、照明光学系から供給される光の大部分を所望の領域の結晶化に寄与させることができ、光効率の良好な結晶化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１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】照明瞳面またはその近傍に配置された透過フィルターの構成を概略的に示す図である。
【図３】位相シフトマスクおよび集光発散素子の基本単位部分の構成を概略的に示す図である。
【図４】位相シフトマスクがその基本単位部分を二次元的に配置することにより構成されている様子を示す図である。
【図５】位相シフトマスクの作用を説明する図である。
【図６】液晶表示装置において、結晶化の必要なトランジスタ領域が各画素領域に配置されている様子を示す図である。
【図７】透過フィルターとマイクロレンズアレイとの協働作用により位相シフトマスク上で得られる光強度分布を説明する図である。
【図８】透過フィルターとマイクロレンズアレイと位相シフトマスクとの協働作用により被処理基板上で得られる光強度分布を説明する図である。
【図９】本発明の第２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１０】本発明の第３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１１】変形例で用いられるマイクロシリンドリカルレンズアレイの構成を概略的に示す図である。
【図１２】変形例で用いられる透過フィルターの構成を概略的に示す図である。
【図１３】変形例において被処理基板上で得られる光強度分布を説明する図である。
【図１４】位相シフトマスクの変形例を示す図である。
【図１５】一体的に形成されたマイクロレンズアレイと位相シフトマスクとの製造方法について説明する図である。
【図１６】各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 位相シフトマスク
２ 照明光学系
２ａ ＫｒＦエキシマレーザ光源
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，２ｈ 透過フィルター
３ マイクロレンズアレイ
３’ マイクロシリンドリカルレンズアレイ
４ 被処理基板
５ 基板ステージ
６，７ 結像光学系
１１ 位相シフトマスクの基本単位部分
１３ マイクロレンズアレイの微小レンズ要素

Claims (23)

1. 位相シフトマスクを照明する照明光学系を備え、前記位相シフトマスクの位相シフト部に対応する点において光強度の最も小さい逆ピークパターンの光強度分布を有する光を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射する結晶化装置であって、
   前記照明光学系は、その照明瞳面またはその近傍において中央よりも周辺において光強度の大きい所定の光強度分布を形成するための光強度分布形成素子を備え、
   前記結晶化装置は、前記照明光学系と前記位相シフトマスクとの間の光路中に配置されて、前記照明光学系から供給された光束を複数の光束に波面分割し且つ波面分割された各光束を対応する位相シフト部またはその近傍へ集光するための波面分割素子を備えていることを特徴とする結晶化装置。
2. 前記波面分割素子は２つの方向に沿って二次元的に配置された複数の光学要素を有し、各光学要素は前記２つの方向に沿って二次元的な集光機能を有することを特徴とする請求項１に記載の結晶化装置。
3. 前記波面分割素子は所定の方向に沿って一次元的に配置された複数の光学要素を有し、各光学要素は前記所定の方向に沿って一次元的な集光機能を有することを特徴とする請求項１に記載の結晶化装置。
4. 前記所定の光強度分布は、光強度の比較的小さい円形状の中央領域と、該中央領域を包囲するように形成された光強度の比較的大きい円環状の周辺領域とを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の結晶化装置。
5. 前記所定の光強度分布は、所定方向に沿って細長く延びた光強度の比較的小さい中央領域と、該中央領域を包囲または挟むように形成された光強度の比較的大きい周辺領域とを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の結晶化装置。
6. 前記光強度分布形成素子は、前記照明瞳面またはその近傍に配置された所定の光透過率分布を有する透過フィルターを有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の結晶化装置。
7. 前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフトマスクとは互いにほぼ平行に且つ近接して配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の結晶化装置。
8. 前記照明光学系の開口数をＮＡ１とし、前記波面分割素子の焦点距離をｆとし、前記波面分割素子の開口数をＮＡ２とし、照明光の波長をλとするとき、
   λ／ＮＡ２＜ｆ×ＮＡ１
   の条件を満足することを特徴とする請求項７に記載の結晶化装置。
9. 前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフトマスクとの間の光路中に配置された結像光学系をさらに備え、
   前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜は、前記位相シフトマスクと光学的に共役な面から前記結像光学系の光軸に沿って所定距離だけ離れて設定されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の結晶化装置。
10. 前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフトマスクとの間の光路中に配置された結像光学系をさらに備え、
    前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜は、前記位相シフトマスクと光学的にほぼ共役な面に設定され、
    前記結像光学系の像側開口数は、前記逆ピークパターンの光強度分布を発生させるための所要の値に設定されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の結晶化装置。
11. 前記照明光学系の開口数をＮＡ１とし、前記波面分割素子の焦点距離をｆとし、前記波面分割素子の開口数をＮＡ２とし、照明光の波長をλとし、前記結像光学系の像側開口数をＮＡ３とするとき、
    λ／ＮＡ２＜ｆ×ＮＡ１
    λ／ＮＡ３＜ｆ×ＮＡ１
    の条件を満足することを特徴とする請求項９または１０に記載の結晶化装置。
12. 前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜に照射される光強度分布は、前記位相シフトマスクの位相シフト部に対応する点において光強度の最も小さい逆ピークパターン領域と、該逆ピークパターン領域から周囲に向かって光強度が増加する凹型パターン領域とを有し、前記逆ピークパターン領域と前記凹型パターン領域との間において周囲に向かって傾きが減じる変曲点を有することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の結晶化装置。
13. 前記波面分割素子と前記位相シフトマスクとが一体的に形成されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の結晶化装置。
14. 一体的に形成された前記波面分割素子と前記位相シフトマスクとは、光の入射方向から順に、前記波面分割素子の入射面、前記波面分割素子と前記位相シフトマスクとの界面、および前記位相シフトマスクの位相シフト面を有することを特徴とする請求項１３に記載の結晶化装置。
15. 請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の前記波面分割素子と前記位相シフトマスクとが一体的に形成されていることを特徴とする光学部材。
16. 照明光学系で位相シフトマスクを照明し、前記位相シフトマスクの位相シフト部に対応する点において光強度の最も小さい逆ピークパターンの光強度分布を有する光を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射する結晶化方法であって、
    前記照明光学系の照明瞳面またはその近傍において中央よりも周辺において光強度の大きい所定の光強度分布を形成し、
    前記照明光学系から供給された光束を複数の光束に波面分割し且つ波面分割された各光束を対応する位相シフト部またはその近傍へ集光することを特徴とする結晶化方法。
17. 前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフトマスクとを互いにほぼ平行に且つ近接して配置することを特徴とする請求項１６に記載の結晶化方法。
18. 前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフトマスクとの間の光路中に結像光学系を配置し、
    前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜を前記位相シフトマスクと光学的に共役な面から前記結像光学系の光軸に沿って所定距離だけ離れて設定することを特徴とする請求項１６に記載の結晶化方法。
19. 前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜と前記位相シフトマスクとの間の光路中に結像光学系を配置し、
    前記結像光学系の像側開口数を前記逆ピークパターンの光強度分布を発生させるための所要の値に設定し、
    前記位相シフトマスクと光学的にほぼ共役な面に前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜を設定することを特徴とする請求項１６に記載の結晶化方法。
20. 光源と、
    この光源からの光路に設けられて、その照明瞳面またはその近傍において中央よりも周辺において光強度の大きい所定の光強度分布を形成するための光強度分布形成素子を備えた照明光学系と、
    この照明光学系からの光路に設けられた二次元的な集光屈折面を有するマイクロレンズアレイと、
    このマイクロレンズアレイからの光路に設けられて逆ピークパターンの光強度分布の光を形成するための位相シフトマスクとを具備してなることを特徴とする結晶化装置。
21. 光源と、
    この光源からの光路に設けられて前記光源からの光を面内でほぼ均一化するためのホモジナイザと、
    このホモジナイザからの光路に設けられた二次元的な集光屈折面を有するマイクロレンズアレイと、
    このマイクロレンズアレイからの光路に設けられて逆ピークパターンの光強度分布の光を形成する位相シフトマスクと、
    この位相シフトマスクの透過光路に設けられた結像光学系とを具備し、
    前記ホモジナイザを有する照明光学系は、その照明瞳面またはその近傍において中央よりも周辺において光強度の大きい所定の光強度分布を形成するための光強度分布形成素子を備えてなることを特徴とする結晶化装置。
22. 光源と、
    この光源からの光路に設けられて、その照明瞳面またはその近傍において中央よりも周辺において光強度の大きい所定の光強度分布を形成するための光強度分布形成素子を備えた照明光学系と、
    この照明光学系からの光路に設けられた二次元的な集光屈折面を有するマイクロレンズアレイと、
    このマイクロレンズアレイからの光路に設けられて逆ピークパターンの光強度分布の光を形成するための位相シフトマスクとを具備してなることを特徴とする光学系。
23. 光源と、
    この光源からの光路に設けられて前記光源からの光を面内でほぼ均一化するためのホモジナイザと、
    このホモジナイザからの光路に設けられた二次元的な集光屈折面を有するマイクロレンズアレイと、
    このマイクロレンズアレイからの光路に設けられて逆ピークパターンの光強度分布の光を形成する位相シフトマスクと、
    この位相シフトマスクの透過光路に設けられた結像光学系とを具備し、
    前記ホモジナイザを有する照明光学系は、その照明瞳面またはその近傍において中央よりも周辺において光強度の大きい所定の光強度分布を形成するための光強度分布形成素子を備えてなることを特徴とする光学系。

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