JP4358570B2 - 結晶化装置及び結晶化方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光などのエネルギー光を未結晶化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及び結晶化方法に関する。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未結晶化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及び結晶化方法に関するものである。

従来、例えば液晶表示装置（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）とモノシリコンとに大別される。

多結晶シリコンは、非晶質シリコンよりも電子又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る場合よりもスイッチング速度が速くなるので、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形成されていたドライバ回路やデジタル信号をアナログ信号に変換するＤＡＣなどの周辺回路をディスプレイ領域内に形成する場合に、多結晶シリコンを用いると、これら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化された結晶粒の集合からなるが、単結晶シリコンに比べると電子又は正孔の移動度が低い。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、電子又は正孔の移動度を向上させ且つ各ＴＦＴのチャネル部（活性部）における結晶粒界数のバラツキを少なくするために、より大きな粒径の結晶粒を生成する結晶化方法が多数提案されている。

従来、この種の結晶化方法としては、位相シフトマスクを介して多結晶半導体膜または非晶質半導体膜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、例えば松村正清「表面科学」Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．５，ｐｐ．２７８−２８７，２０００や特開２０００−３０６８５９号公報（［００３０］〜［００３４］，図８〜図１１）などに開示されている。

位相制御ＥＬＡでは、位相シフトマスクによって逆ピークパターンの光強度分布（光強度が最小となる位置から離れるにしたがって光強度が急に高くなる光強度分布）を発生させ、この逆ピークパターンの光強度分布を周期的に有する光ビームを多結晶半導体膜または非晶質半導体膜などの未結晶化半導体膜に照射する。その結果、照射された未結晶化半導体膜には、光強度分布に応じて溶融領域が生じ、光強度が最小となる位置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粒（単結晶）が生成される。
特開２０００−３０６８５９号公報 松村正清「表面科学」Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．５，ｐｐ．２７８−２８７，２０００

上述したように、従来技術では、逆ピークパターンの光強度分布を有する光ビームを半導体膜に照射し、その光強度分布において光強度が最小となる位置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、位相シフトマスクは、互いに隣接する２つの逆ピーク部分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。

実際に、従来技術において、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、中間部の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る。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る。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、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及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領域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核からラテラル成長した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の間の光路に配置された光学部材と、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜の表面あるいはその共役面と所定面とを光学的に共役な関係に設定するための結蔵光学系とを備え、前記照明光学系からの光を、前記位相シフトマスクの前記位相シフト部に対応する領域において光強度が最も小さく且つ前記位相シフト部の周囲において光強度の大きい領域ができる光強度分布を所定面に形成するための前記光学部材に照射し、前記光学部材からの光を前記位相シフトマスクに照射して、互いに隣接する２つの逆ピーク部分間の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２段逆ピークパターンの光強度分布を有する光を形成し、前記２段逆ピークパターンの光強度分布を有する光を前記多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射するようにしたことを特徴とする結晶化装置を提供する。

第１発明の好ましい態様によれば、前記光学部材は、前記所定面に形成すべき凹型パターンの光強度分布に応じた透過率分布を有する透過型振幅変調マスクである。前記透過型振幅変調マスクは、一定の厚さを有する光透過部と、前記所定面に形成すべき凹型パターンの光強度分布に応じた厚さ分布を有する光吸収部とを有することが好ましい。また、前記光吸収部は、全体的に正弦波形状の表面を有することが好ましい。さらに、前記全体的に正弦波形状の表面は、連続的な曲面形状または段差形状に形成されていることが好ましい。

また、第１発明の好ましい態様によれば、前記光学部材は、前記所定面に形成すべき凹型パターンの光強度分布に応じた開口率分布を有する開口型振幅変調マスクである。前記開口型振幅変調マスクは、多数の微小透過領域または多数の微小遮光領域、もしくはその両方を有することが好ましい。また、前記微小透過領域および前記微小遮光領域の大きさは、前記結像光学系の解像度よりも実質的に小さく設定されていることが好ましい。さらに、前記結像光学系は縮小型の光学系であることが好ましい。

また、第１発明の好ましい態様によれば、前記光学部材は、前記所定面において、前記位相シフト部に対応して光束が発散されて照明される領域と前記位相シフト部の周囲に対応して光束が集光されて照明される領域とを生成する集光発散素子である。前記集光発散素子は、光束を発散させるための発散屈折面と光束を集光させるための集光屈折面とを有することが好ましい。また、前記発散屈折面と前記集光屈折面とは、全体的に正弦波形状の屈折面を形成していることが好ましい。さらに、前記全体的に正弦波形状の屈折面は、連続的な曲面形状または段差形状に形成されていることが好ましい。

また、第１発明の好ましい態様によれば、前記光学部材は、照明系の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と、前記照明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前記所定面において前記位相シフト部に対応する領域へ集光するための波面分割素子とを備えている。前記波面分割素子は、集光機能を有する複数の光学要素を有することが好ましい。また、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が好ましい。さらに、前記所定の光強度分布は、所定方向に沿って細長く伸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。また、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。

また、第１発明の好ましい態様によれば、前記位相シフトマスクの位相シフト面は、前記照明系側とは反対側の面に形成されている。また、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領域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が好ましい。

また、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第２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の表面は、前記第２結像光学系を介して前記位相シフトマスクと光学的に共役な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。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第２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の表面は、前記第２結像光学系を介して前記位相シフトマスクと光学的に共役な面に設定され、前記第２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。

本発明の第２発明では、位相シフト部において光強度が最も低く、この光強度が最も低い位置から離れるにしたがって光強度が高くなる上に凹型パターンの光強度分布を周期的に有するレーザ光を射出し、上に凹型パターンの光強度分布を周期的に有するレーザ光を位相シフトマスクに入射させることにより周期的な２段逆ピークパターンの光強度分布を有するレーザ光を射出し、前記２段逆ピークパターンの光強度分布を有するレーザ光を成膜された非晶質半導体膜の表面の一部もしくは全部に照射し、前記非晶質半導体膜において前記２段逆ピークパターンの光強度分布を有するレーザ光の光強度が最も低い位置に結晶核を形成し、この結晶核から光強度勾配のある方向に沿ってラテラル方向に結晶成長させることを特徴とする結晶化方法を提供する。

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第２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の表面を前記位相シフトマスクと光学的に共役な面から前記第２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第２結像光学系を配置し、前記第２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、前記第２結像光学系を介して前記位相シフトマスクと光学的に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の表面を設定する。

本発明によれば、例えば振幅変調マスクや位相変調マスク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。

本発明の実施の形態を、添付図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１実施の形態に係る結晶化装置の構成を概略的に示す図である。図１に示すように、第１実施の形態の結晶化装置は、被処理基板６の予め定められた領域を照明する照明光学系２と、これら被処理基板６と照明光学系２との間の光路上に位置した透過型振幅変調マスク１と、この透過型振幅変調マスク１と被処理基板６との間の光路上に位置した位相シフタすなわち位相シフトマスク４と、透過型振幅変調マスク１と位相シフトマスク４との間の光路上に配置された第１結像光学系３と、位相シフトマスク４と被処理基板６との間の光路上に配置された第２結像光学系５とを有する。照明光学系２は透過型振幅変調マスク１に照明光を射出する。

被処理基板６の表面は、第１結像光学系３と第２結像光学系５とを介して、透過型振幅変調マスク１の射出面と光学的に共役な関係となるように位置決めされている。また、被処理基板６の表面は、位相シフトマスク４の位相シフト面４１１（図１中下側の面）と光学的に共役な面（第２結像光学系５の像面）から光軸に沿って離れている。第１結像光学系３及び第２結像光学系５は、屈折型の光学系、反射型の光学系、屈折反射型の光学系のいずれであってもよい。

第１実施の形態においては、被処理基板６は、例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及び非晶質シリコン膜を形成することにより得られる。被処理基板６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７上において所定の位置に保持されている。

図２は、図１の照明光学系２の内部構成を概略的に示す図である。図２に示すように、照明光学系２は、例えば２４８ｎｍの波長を有する光ビームを供給するＫｒＦエキシマレーザからなる光源２ａと、この光源２ａからのレーザ光ビームを拡大するビームエキスパンダ２ｂと、複数の凸レンズが平面上に配列されて構成されている第１及び第２のフライアイレンズ２ｃ，２ｅと、第１及び第２のコンデンサー光学系２ｄ，２ｆとを備えている。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。

図２に概略的に示すように、光源２ａから射出した光ビームは、ビームエキスパンダ２ｂを介して拡大され、第１フライアイレンズ２ｃに入射する。第１フライアイレンズ２ｃに入射した光ビームは、第１のフライアイレンズ２ｃの各凸レンズにより集光作用を受けるので、第１フライアイレンズ２ｃの後側焦点面には実質的に複数の点光源が形成される。これら複数の点光源からの光ビームは、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。

複数の点光源から第２フライアイレンズ２ｅに入射した光ビームは、それぞれ第２フライアイレンズ２ｅの凸レンズにより集光作用を受けるので、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点光源が形成される。これら第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点光源からの光ビームは、さらに第２コンデンサー光学系２ｆに入射する。

第１フライアイレンズ２ｃ及び第１コンデンサー光学系２ｄは、第１ホモジナイザを構成しており、透過型振幅変調マスク１上での入射角度に関して均一化する。同様に、第２フライアイレンズ２ｅ及び第２コンデンサー光学系２ｆは、第２ホモジナイザを構成しており、透過型振幅変調マスク１上での面内位置に関して均一化する。したがって、照明光学系２からは、ほぼ均一な光強度分布を有する光ビームが重畳的に射出される。このようにして、照明光学系２は、均一な光強度分布を有する光ビームを射出する。この光ビームは透過型振幅変調マスク１の入射面を照明する。

図３は、第１実施の形態に係る透過型振幅変調マスク１の構成及び作用を説明する図である。また、図４は、第１実施の形態に係る透過型振幅変調マスク１の製造工程を示す図である。図３及び図４では、図面の明瞭化のために透過型振幅変調マスク１の基本単位部分だけを示しているが、透過型振幅変調マスク１は実際にはこの基本単位部分が透過率分布の方向（ｘ方向）に沿って一次元的に並んで配置されている。

透過型振幅変調マスク１は、図３(Ａ)に示すように、一定の厚さを有する平行平板形状の光透過部１ａと、全体的に正弦波形状に変化する厚さを有する光吸収部１ｂとを有し、これら光透過部１ａと光吸収部１ｂとは例えば一体的に形成されている。光吸収部１ｂを形成している光吸収材（光遮蔽材）は、例えばハーフトーン型位相シフトマスクに用いられる材料、すなわちＭｏＳｉ、ＭｏＳｉＯＮ、ＺｒＳｉＯ、ａ−Ｃａｒｂｏｎ、ＳｉＮ／ＴｉＮ、ＴｉＳｉＮ、Ｃｒなどである。透過型振幅変調マスク１は、図３(Ｂ)に示すように、照明光学系２からの均一な光強度分布を有するレーザ光ビームの光強度を変調する。

次に、図４を参照して、透過型振幅変調マスク１の製造工程の一例について説明する。まず、例えば図４(Ａ)に示すように石英ガラスからなる光透過部１ａ上に光吸収膜１ｅ例えばＺｒＳｉＯが均一に成膜された後、光吸収膜１ｅの表面にレジスト１ｆが塗布される。次に、ドーズ量を連続的に変えて電子ビーム描画及び現像処理を施し、図４(Ｂ)に示すように連続的な断面正弦波状曲面形状を有するレジスト膜１ｇを形成する。次に、このレジスト膜１ｇをマスクとして、ドライエッチング技術を用いて光吸収膜１ｅのエッチングを行うことにより、連続的な曲面形状の表面を有する光吸収部１ｂを備えた図４(Ｃ)に示すような透過型振幅変調マスク１が形成される。上記マスク１の製造工程において、例えば光吸収膜１ｅの形成及びパターニングを複数回に亘って繰り返すことにより、段差形状の表面（例えば８レベル段差で近似された表面）を有する光吸収部１ｂを備えた透過型振幅変調マスク１が形成されてもよい。この透過型振幅変調マスクは、正弦波状の光強度分布を有する透過光を射出する。

図５Ａは、位相シフトマスク４の基本単位部分の構成例を概略的に示す図である。図５Ａに示したように、位相シフトマスク４の基本単位部分は、例えば、夫々厚さの異なる４つの矩形状の第１ないし第４領域４ａ〜４ｄを含む位相シフト面を有しており、第１領域４ａと第３領域４ｃ、及び第２領域４ｂと第４領域４ｄがそれぞれ対角に位置して設けられている。対角に位置する２つの矩形状領域４ａ−４ｃと４ｂ−４ｄは、例えばそれぞれ透過した光ビームの間にπの位相差を与える。すなわち、位相シフトマスク４は、第１ないし第４領域４ａ〜４ｄが順次厚くなる階段状の形状を有する。各領域４ａ〜４ｄの段差は、エッチングにより形成されても、堆積により形成されても良い。

具体例としては、例えば位相シフトマスク４が２４８ｎｍの波長を有する光ビームに対して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４ａと第２領域４ｂとの間には１２４ｎｍの段差が付与され、第１領域４ａと第３領域４ｃとの間には２４８ｎｍの段差が付与され、第１領域４ａと第４領域４ｄとの間には３７２ｎｍの段差が付与されている。また、各領域４ａ〜４ｄ同士の境界線である４つの位相シフト線の交点近傍は、位相シフト部４ｅとなる。透過型振幅変調マスク１における光吸収部１ｂの下方に凸部の中心１ｄは、位相シフトマスク４の位相シフト部４ｅに対応するように位置決めされている。

なお、図５Ａでは、位相シフト部４ｅを有する側の面である位相シフト面が、図面の明瞭化のために位相シフトマスク４の上側面に形成されているように示したが、位相シフトマスク４の位相シフト面は、第２結像光学系５側（照明光学系２側とは反対側、すなわち出射側で図１中下側）の面に形成されている。

図５Ｂは、位相シフトマスク４の他の例で、図５Ａの基本単位部分を４個平面上に配置したマスクを示す上面図である。図５Ｂに示す位相シフトマスク４は、複数の基本単位部分を二次元的に、すなわち２×２のマトリックス状に配置することにより構成されている。

第１実施の形態に係る位相シフトマスク４は、異なる厚さの４つの領域４ａ〜４ｄを有するが、例えば図５Ｃに示すように透過した光ビームにπの位相差を与える２つの異なる厚さの領域を有していてもよい。位相シフトマスク４が２つの領域を有する場合、これら２つの領域は、一本の軸に沿って交互に一次元的に配列されており、位相シフト部は２種類の領域の境界に位置している。

なお、位相シフトマスクとしては説明したものに限定されるわけではなく、また二次元的なパターンも用いることができる。

照明光学系２から射出されたほぼ均一な光強度分布を有する光ビームは、透過型振幅変調マスク１を透過して光強度の振幅変調作用を受ける。透過型振幅変調マスク１の射出面１ｃから射出した光ビームは、図３に示すように、光吸収部１ｂの凸部の中心に対応する位置において光強度が最も低く、中心から離れるにしたがって光強度が高くなり、また、光吸収部１ｂの凹部の中心に対応する位置において光強度が最も高くなるような光強度分布、すなわち上に凹型パターンの光強度分布を有する。透過型振幅変調マスク１は、上に凹型パターンの光強度分布の幅寸法が液晶の画素の幅と等しくなるように設定することが好ましい。

透過型振幅変調マスク１から射出した光強度変調された光ビームは、第１結像光学系３を介して位相シフトマスク４を照明する。位相シフトマスク４を透過した光ビームは、第２結像光学系５を介して被処理基板６に照射される。

図６は、第１実施の形態における位相シフトマスク４の基本的作用を説明するため一部を拡大して示す断面図である。以下、照明光学系２と位相シフトマスク４との間の光路上に透過型振幅変調マスク１が介在しない場合、すなわちほぼ均一な光ビームが入射した場合における位相シフトマスク４の基本的作用を説明する。

位相シフトマスク４では、隣接する２つの領域間の位相差がπ／２に設定されているので、位相シフト線４１２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４１２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４ｅに対応する位置では光強度がほぼ０になる。

したがって、複数の基本単位部分を有する位相シフトマスク４を透過した光ビームの光強度分布は、図６に示すように、被処理基板６上では、位相シフトマスク４の各位相シフト部４ｅに対応する点において光強度が最小ピーク値で例えばほぼ０で、位相シフト部４ｅから離れるにしたがって急激に光強度が高くなる逆ピークパターンの光強度分布を周期的に有する。すなわち、この周期的な逆ピークパターンの光強度分布の最小となる位置は、位相シフト部４ｅによって定められる。なお、周期的な逆ピークパターンの光強度分布は、ｘ−ｚ平面及びｙ−ｚ平面の双方においてほぼ同じプロファイルを有する。また、逆ピークパターンの光強度分布の幅寸法は、位相シフトマスク４と被処理基板６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。

前述したように、図６に示すような逆ピークパターンの光強度分布のみを周期的に有する光ビームを半導体膜に照射した場合、逆ピークパターン部分の間の中間部おいて、結晶核から周囲に向かって開始したラテラル成長が停止してしまう。第１実施の形態に係る結晶化装置は、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と位相シフトマスク４との間の光路上に、透過型振幅変調マスク１と第１結像光学系３とを有する。

図７Ａ及び図７Ｂは、透過型振幅変調マスク１と位相シフトマスク４とを透過した光ビームの被処理基板６上で得られる光強度分布を示す図である。第１実施の形態では、上述したように、透過型振幅変調マスク１は、均一な光強度分布を有する光ビームを振幅変調して、図３(Ｂ)に示すような上に凹型パターンの光強度分布を周期的に有する光ビームに変換する機能を有する。一方、位相シフトマスク４は、均一な光強度分布を有する光ビームを、図６に示すような逆ピークパターンの光強度分布を周期的に有する光ビームに変換する機能を有する。

第１実施の形態に係る結晶化装置は、透過型振幅変調マスク１と位相シフトマスク４とを有するので、被処理基板６に達した光ビームは、これら透過型振幅変調マスク１と位相シフトマスク４との両方の作用を受けている。したがって、被処理基板６の半導体膜上に照射された光ビームは、同じ周期で分布している逆ピークパターンの光強度分布と上に凹型パターンの光強度分布との積で表される図７Ａに示すような２段逆ピークパターンの光強度分布を周期的に有する。この周期的な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の光強度分布に対応するように、位相シフト部４ｅに対応する点において光強度がほぼ０で、この点から離れるにしたがって放射状に光強度が高くなって所定の値に達する。すなわち、この周期的な２段逆ピークパターンの光強度分布の最小となる位置は、位相シフト部４ｅの位置によって定められる。

第１実施の形態において、周期的な２段逆ピークパターンの光強度分布は、上述のｘ−ｚ方向の周期的な上に凹型パターンの光強度分布とｙ−ｚ方向の周期的な上に凹型パターンの光強度分布とに対応しており、図８に示すように、隣接する逆ピークパターン部分の間の中間部は、ｙ方向には一様であり、ｘ方向に沿ってのみほぼ単調に増加している。また、２段逆ピークパターンの光強度分布は、逆ピークパターン部分と上に凹型パターン部分との間において傾きが減じる変曲点を有する。

２段逆ピークパターンの光強度分布を有する光ビームが被処理基板６に照射されると、光強度が最小となる点、すなわちほぼ０の点（位相シフト部４ｅに対応する点）に対応した部分に結晶核が形成される。これを詳しく述べると、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。逆ピークパターン部分の中心部に多結晶が生成し、その後その外側の結晶が核となり結晶が成長する。結晶が成長する位置は一般に傾きの大きな位置となる。

次に、結晶核から、光強度勾配（すなわち温度勾配）の大きいｘ方向に沿ってラテラル成長が開始される。２段逆ピークパターンの光強度分布では、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、ラテラル成長が結晶核から途中で停止することなくピークまで達し、大きな結晶の成長を実現することができる。特に、第１実施の形態では、逆ピークパターン部分と上に凹型パターン部分との間において傾きが減じる変曲点が存在するので、２段逆ピークパターンの光強度分布を有する光ビームが被処理基板６の半導体膜に照射されると、２段逆ピークパターンの光強度分布の中心部から幅寸法にわたる広い領域で結晶化する。また、２段逆ピークパターンの光強度分布の幅寸法は、例えば液晶の画素ピッチと等しくすることによって、各画素に対して単結晶を成長させることができる。即ち、各画素に形成された単結晶か領域には、薄膜トランジスタからなるスイッチングトランジスタを形成することができる。

以上により、第１実施の形態では、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。第１実施の形態に係る結晶化装置により生成された結晶は大粒径であるので、ラテラル成長の方向（ｘ方向）に高い電子又は正孔の移動度を有する。したがって、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。

なお、第１実施の形態において、位相シフトマスク４と被処理基板６との間に位置した第２結像光学系５には、非常に高い解像度及び結像性能が必要とされるが、透過型振幅変調マスク１と位相シフトマスク４との間に位置した第１結像光学系３には、それほど高い解像度及び結像性能は必要とされない。換言すると、透過型振幅変調マスク１の作用により被処理基板６の表面に形成される上に凹型パターンの光強度分布を有する光ビームは、第１結像光学系３及び第２結像光学系５の解像度の影響をあまり敏感に受けないが、位相シフトマスク４の作用により被処理基板６の表面に形成される逆ピークパターンの光強度分布を有する光ビームは、第２結像光学系５の解像度の影響を非常に敏感に受ける。

したがって、第１実施の形態においては、位相シフトマスク４の位相シフト面を第２結像光学系５側に形成することが好ましい。このような構成では、第１結像光学系３が位相シフトマスク４のガラス基板部分を含むことになるので、これの収差の影響を受けて結像性能が低下し易いが、第２結像光学系５は、位相シフトマスク４のガラス基板部分を含まないことになるので、これの収差の影響を受けることなく高い解像度及び結像性能を確保することができる。

図９は、第１実施の形態の第１変形例に係る結晶化装置を概略的に示す図である。第１実施の形態の第１変形例は、第１実施の形態と類似の構成を有するが、第１変形例に係る結晶化装置は、透過型振幅変調マスク１に代えて開口型振幅変調マスク１１を有している点で第１実施の形態と基本的に相違している。また、図１０は、この開口型振幅変調マスク１１の上面図と、この開口型振幅変調マスク１１の作用を説明する図である。以下、第１実施の形態との相違点に着目して、第１変形例を説明する。なお、図９においては、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。

第１実施の形態の第１変形例に係る開口型振幅変調マスク１１は、一定の厚さを有する光透過部材から構成されており、この光透過部材の表面（例えば第１結像光学系３側の面すなわち射出面）には、図１０に示すように、多数の微小透過領域と多数の微小遮光領域とが、中央部分が遮光され両端部に向かって透過度が高くなるパターンで分布している。具体的には、開口型振幅変調マスク１１は、例えば一辺の長さがｓの正方形状のクロムからなる微小遮光領域が石英ガラス基板上にスパッタされた後、パターニングすることによって形成されている。

なお、図１０では、図面の明瞭化のために開口型振幅変調マスク１１の基本単位部分だけを示しているが、開口型振幅変調マスク１１は実際にはこの基本単位部分が開口率分布の方向（ｘ方向）に沿って一次元的に繰り返された配置を有する。また、図１０では、開口率分布のパターンは、一定寸法の正方形要素の組み合わせとして構成されているが、これに限定されない。例えば、長さや幅が変化する長方形の組み合わせなど、任意のパターンが用いられてよい。また、開口型振幅変調マスク１１は、光透過部材を有さず、例えば金属板に開口部を設けただけであってもよい。

開口型振幅変調マスク１１の基本単位部分における微小透過領域及び微小遮光領域の分布、すなわち開口率分布を形成するパターンは、基本単位部分の中央において開口率が最も小さく、基本単位部分の中央から離れるにしたがって開口率が大きくなるように設定されている。また、開口型振幅変調マスク１１の基本単位部分において開口率分布が最も小さい部分は、位相シフトマスク４の基本単位部分における位相シフト部４ｅに対応するように位置決めされている。したがって、開口型振幅変調マスク１１は、ほぼ均一な光強度分布を有する光ビームを振幅変調して、位相シフト部４ｅに対応する領域において光強度が最も低く、この領域から離れるにしたがって光強度が高くなる上に凹型パターンの光強度分布を有する光ビームに変換する機能を有する。

また、第１変形例では、開口型振幅変調マスク１１の射出面（光ビームが上に凹型パターンの光強度分布を有する面）が、第１結像光学系３と第２結像光学系５とを介して、被処理基板６の表面と光学的に共役な関係に結合されるように配置されている。したがって、位相シフトマスク４が介在しない状態では、被処理基板６の表面に照射される光ビームは、開口型振幅変調マスク１１の射出面における場合と同様に、位相シフト部４ｅに対応する領域において光強度が最も低く、この領域から離れるにしたがって光強度が高くなる上に凹型パターンの光強度分布を有する。

なお、上に凹型パターンの光強度分布は、ｘ−ｚ平面において図１０に示すようなほぼ曲線状のプロファイルを有するが、ｙ−ｚ平面におけるプロファイルは一様である。また、上に凹型パターンの光強度分布の幅寸法は、液晶の画素ピッチと等しくなるように設定することが好ましい。

第１変形例に係る結晶化装置は、開口型振幅変調マスク１１と位相シフトマスク４とを有するので、被処理基板６上に達する光ビームは、これら開口型振幅変調マスク１１と位相シフトマスク４との両方の作用を受ける。したがって、被処理基板６の半導体膜上に照射される光ビームは、第１実施の形態と同様に、同じ周期で分布している逆ピークパターンの光強度分布と上に凹型パターンの光強度分布との積で表される図７Ａに示すような２段逆ピークパターンの光強度分布を周期的に有する。この周期的な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の光強度分布に対応するように、位相シフト部４ｅに対応する領域において光強度がほぼ０で、この領域から離れるにしたがって放射状に急に光強度が高くなって所定の値に達する。すなわち、この周期的な２段逆ピークパターンの光強度分布の最小となる位置は、位相シフト部４ｅの位置によって定められる。

第１変形例においても第１実施の形態と同様に、開口型振幅変調マスク１１と位相シフトマスク４との両方の作用により２段逆ピークパターンの光強度分布を有する光ビームが被処理基板６の半導体膜上に照射されるので、ラテラル成長が結晶核から途中で停止することなくピークまで達し、大粒径の結晶化半導体膜を生成することができる。

なお、第１変形例では、開口型振幅変調マスク１１の開口率分布が連続的ではなく離散的（段差的）に変化するので、開口型振幅変調マスク１１の作用により振幅変調された光ビームが被処理基板６の半導体膜上に照射されたとき、この光ビームの上に凹型パターンの光強度分布には、微細なムラが発生し易い。しかし、上に凹型パターンの光強度分布に微細なムラが発生しても、光強度分布が温度分布に変換されたときに光強度分布の微細なムラが平均化されて温度分布の微細なムラとして実質的に残らなければ、微細なムラの影響を無視することができる。

上に凹型パターンの光強度分布の微細なムラの発生を実質的に抑えるために、第１結像光学系３の解像度が開口の単位寸法ｓよりも大きく（低く）なるように、次の条件式（１）を満足することが好ましい。

ｓ＜１．２２×λ／ＮＡ１ （１）
ここで、λは照明光学系２から射出される光ビームの中心波長であり、ＮＡ１は第１結像光学系３の射出側の開口数である。すなわち、条件式（１）において不等号記号の右側の値は、第１結像光学系３の解像度Ｒ１を示している。

したがって、第１変形例では、第１結像光学系３の解像度をある程度低く設定することにより、開口型振幅変調マスク１１における開口率分布が離散的（段差的）に変化していても、図１０に示すように、滑らかに変化する上に凹型パターンの光強度分布を有する光ビームを被処理基板６の半導体膜上に照射させることができる。あるいは、被処理基板６の半導体膜上に形成される上に凹型パターンの光強度分布における微細なムラの発生を実質的に抑えるために、第１結像光学系３に意図的に適度な収差が付与されてもよい。また、開口型振幅変調マスク１１に照射されるレーザ光によりクロムが劣化し易い場合には、第１結像光学系３を縮小型の光学系として構成することによって、照射されるレーザ光の照度を相対的に低下させることが好ましい。

図１１は、第１実施の形態の第２変形例に係る結晶化装置を概略的に示す図である。第１実施の形態の第２変形例は、第１実施の形態と類似の構成を有するが、第２変形例に係る結晶化装置は、透過型振幅変調マスク１に代えて位相変調マスクである集光発散素子１２を有している点で第１実施の形態と基本的に相違している。また、図１２は、この集光発散素子１２を示す側面図と、この集光発散素子１２の作用を説明する図である。以下、第１実施の形態との相違点に着目して、第２変形例を説明する。なお、図１１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。

図１２に示すように、集光発散素子１２の基本単位部分は、光ビームの射出側に突出した２つの凸部と、これら凸部に挟まれた凹部とを有し、これら凸部と凹部とは、全体的にほぼ正弦波形状の屈折面１２ａを形成している。２つの凸部は、集光発散素子１２に入射した光ビームを集光する集光屈折面１２ｃであり、凹部は、光ビームを発散させる発散屈折面１２ｂである。これら集光屈折面１２ｃと発散屈折面１２ｂとによって、集光発散素子１２の基本単位部分は、ｘ方向に沿って一次元的な屈折機能を有する。

集光発散素子１２の正弦波形状の屈折面１２ａのうち、発散屈折面１２ｂの中心は、位相シフトマスク４の基本単位部分の位相シフト部４ｅに対応し、また、集光屈折面１２ｃの中央部分（すなわち、最も突出した中心線）は、上記第１ないし第４領域のｙ方向に平行なそれぞれの中心線に対応するように、集光発散素子１２と位相シフトマスク４とが位置決めされている。

なお、図１２では図面の明瞭化のために集光発散素子１２の基本単位部分だけを示しているが、集光発散素子１２は実際にはこの基本単位部分が屈折機能を有する方向（ｘ方向）に沿って一次元的に繰り返された形態を有する。

集光発散素子１２の基本単位部分に入射した均一な光強度分布を有する光ビームのうち、発散屈折面１２ｂを透過した光ビームは発散作用を受け、また、集光屈折面１２ｃを透過した光ビームは集光作用を受け、集光発散素子１２の射出面から第１結像光学系３側にわずかに間隔を隔てた所定面１２ｄに達する。集光発散素子１２を透過した光ビームは、所定面１２ｄにおいて、図１２に示すように、各位相シフト部４ｅにおいて光強度が最も低く、位相シフト部４ｅから離れるにしたがって光強度が高くなる上に凹型パターンの光強度分布を周期的に有する。具体的には、上に凹型パターンの光強度分布は、発散屈折面１２ｂの中心に対応する位置において光強度が最も低く、集光屈折面１２ｃの中心に対応する位置において光強度が最も高い。

なお、上に凹型パターンの光強度分布は、ｘ−ｚ平面において図１２に示すような曲線状のプロファイルを有するが、ｙ−ｚ平面におけるプロファイルは一様である。また、上に凹型パターンの光強度分布の幅寸法は、液晶の画素ピッチと等しくなるように設定することが好ましい。

第２変形例において、集光発散素子１２の屈折面は、一次元的に屈折機能を有するが、これに限定されることなく、直交する２つの方向に沿って二次元的に屈折機能を有していてもよい。この場合、集光発散素子１２の作用により被処理基板６上に形成される上に凹型パターンの光強度分布では、直交する２つの平面において同様の凹型パターンのプロファイルを有する。

所定面１２ｄは、第１結像光学系３と第２結像光学系５とを介して、被処理基板６の表面と光学的に共役な関係となるように配置されている。したがって、位相シフトマスク４が介在しない状態では、照明光学系２からの均一な光強度分布を有する光ビームは、位相変調マスクである集光発散素子１２によって変換され、上に凹型パターンの光強度分布を有する光ビームが被処理基板６の表面に照射される。

第２変形例に係る結晶化装置は、集光発散素子１２と位相シフトマスク４とを有するので、被処理基板６に達した光ビームは、これら集光発散素子１２と位相シフトマスク４との両方の作用を受けている。したがって、被処理基板６の半導体膜上に照射された光ビームは、同じ周期で分布している逆ピークパターンの光強度分布と上に凹型パターンの光強度分布との積で表される図７Ａに示すような２段逆ピークパターンの光強度分布を周期的に有する。この周期的な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の光強度分布に対応するように、位相シフト部４ｅに対応する点において光強度がほぼ０で、この点から離れるにしたがって放物線状に急に光強度が高くなって所定の値に達する。すなわち、この周期的な２段逆ピークパターンの光強度分布の最小となる位置は、位相シフト部４ｅの位置によって定められる。

第２変形例においても第１実施の形態と同様に、集光発散素子１２と位相シフトマスク４との両方の作用により２段逆ピークパターンの光強度分布を有する光ビームが被処理基板６の半導体膜上に照射されるので、ラテラル成長が結晶核から途中で停止することなくピークまで達し、大粒径の結晶化半導体膜を生成することができる。

集光発散素子１２を製造するには、例えば石英ガラス基板の表面にレジストを塗布し、ドーズ量を連続的に変えて電子ビーム描画及び現像処理を施して、連続的な曲面形状を有するレジスト膜を生成する。その後、ドライエッチング技術を用いて、連続的な曲面形状の屈折面を有する集光発散素子１２が形成される。なお、上記製造工程において、例えばレジスト膜の形成及びパターニングを複数回に亘って繰り返すことにより、段差形状の屈折面を有する集光発散素子１２が形成されてもよい。

図１３Ａは、段差形状の屈折面を有する集光発散素子１２を示す図である。また、図１３Ｂは、位相シフトマスク４上で得られる光ビームの上に凹型パターンの光強度分布に関するシミュレーション結果を示す図である。図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、集光発散素子１２が段差形状の屈折面（例えば８レベル段差で近似された屈折面）を有する場合、集光発散素子１２の射出側の所定面１２ｄにおける光ビームの光強度分布は滑らかに変化しない。しかし、第２変形例では、第１結像光学系３の解像度をある程度低く設定することによって、集光発散素子１２の屈折面を段差で近似しても、図１３Ｃに示すように滑らかに変化する上に凹型パターンの光強度分布を有する光ビームが、被処理基板６の半導体膜上に照射され得る。

なお、集光発散素子１２は、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」として構成されていてもよい。また、集光発散素子１２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集光発散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、集光発散素子１２と等価な光変換作用を実現してもよい。

図１４は、第１実施の形態の第３変形例に係る結晶化装置を概略的に示す図である。また、図１５は、図１４の照明光学系２を概略的に示す図である。第１実施の形態の第３変形例は、第１実施の形態と類似の構成を有するが、第３変形例に係る結晶化装置は、透過型振幅変調マスク１の代わりにマイクロレンズアレイ１３を配置するとともに、照明光学系２の照明瞳面またはその近傍に、光強度分布形成素子である透過フィルター１４を有している点で第１実施の形態と基本的に相違している。以下に、第１実施の形態との相違点に着目して、第３変形例を説明する。

図１４に示すように、第３変形例では、第１実施の形態における透過型振幅変調マスク１の位置にマイクロレンズアレイ１３が配置されている。また、図１５に示すように、照明光学系２において第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、透過フィルター１４が配置されている。

図１６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１４の構成を概略的に示す図である。透過フィルター１４は、例えば透過率が５０％の円形状の中央領域１４ａと、この中央領域１４ａ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１４ｂとを有する。すなわち、照明瞳面またはその近傍において、中央領域１４ａを透過した光ビームの光強度は比較的低く、周辺領域１４ｂを透過した光ビームの光強度は比較的高い。したがって、照明光学系２からは、均一であるが、周辺よりも中央のほうが低い光強度分布を有する光ビームが重畳的に射出される。

なお、透過フィルター１４の中央領域１４ａ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って形成されている。この構成の場合、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。

透過フィルター１４の中央領域１４ａ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。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。また、中央領域１４ａ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っても得られる。

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１４ａと周辺領域１４ｂとの間では、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及びその厚さなどを調整する必要がある。なお、第３変形例において、中央領域１４ａは円形状であるが、三角形や矩形などの他の形状であってもよい。

図１７は、マイクロレンズアレイ１３の基本単位部分を概略的に示す図である。図１７を参照すると、マイクロレンズアレイ１３の基本単位部分である微小レンズ要素（光学要素）１３ａは、第１結像光学系３側に突出した球面状などの二次曲面状の屈折面１３ｂを有する。この屈折面１３ｂによって、マイクロレンズアレイ１３の微小レンズ要素１３ａは、ｘ方向及びｙ方向に沿って二次元的な集光機能を有する。また、各微小レンズ要素１３ａの屈折面１３ｂの中心が位相シフトマスク４の基本単位部分の位相シフト部４ｅに対応するように位置決めされている。なお、図１７では、図面の明瞭化のためにマイクロレンズアレイ１３の基本単位部分だけを示しているが、マイクロレンズアレイ１３の微小レンズ要素１３ａは、二次元的に（縦横にかつ稠密に）配置されている。

マイクロレンズアレイ１３の微小レンズ要素１３ａに入射した光ビームは、屈折面１３ｂを通って集光作用を受け、微小レンズ要素１３ａの焦点面（すなわち、マイクロレンズアレイ１３の後側焦点面）にスポット状の光ビームが形成される。このように、マイクロレンズアレイ１３は、照明光学系２と位相シフトマスク４との間の光路上に配置されて、照明光学系２から入射した光ビームを複数の光ビームに波面分割し、波面分割された各光ビームを、対応する位相シフト部４ｅ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。第３変形例では、マイクロレンズアレイ１３の後側焦点面１３ｃは、第１結像光学系３と第２結像光学系５とを介して、被処理基板６の表面と光学的に共役な関係となるように配置されている。

図１８は、透過フィルター１４とマイクロレンズアレイ１３との両方の作用により後側焦点面１３ｃにおける光ビームの光強度分布を説明する図である。図１８に示すように、透過フィルターを介してマイクロレンズアレイ１３を透過した光ビームは、垂直に入射する光ビームが少なく、斜めから入射する光ビームが相対的に多くなる。したがって、この光ビームは、後側焦点面１３ｃでは、各位相シフト部４ｅにおいて光強度が最も小さく、位相シフト部４ｅから離れるにしたがって光強度が高くなる上に凹型パターンの光強度分布を有する。具体的には、上に凹型パターンの光強度分布は、屈折面１３ｂの中心に対応する位置において光強度が最も低く、屈折面１３ｂの両端部に対応する位置において光強度が最も高い。

なお、この上に凹型パターンの光強度分布は、ｘ−ｚ平面及びｙ−ｚ平面の双方において同様のプロファイルを有する。また、上に凹型パターンの光強度分布の幅寸法は、液晶の画素ピッチと等しくなるように設定することが好ましい。

図１９は、透過フィルター１４とマイクロレンズアレイ１３と位相シフトマスク４との協働作用により被処理基板上に得られる光強度分布を示す図である。上述したように、透過フィルター１４は、均一な光強度分布を有する光ビームを、中心において光強度が最も小さく、中心から離れるにしたがって光強度が高くなる上に凹型パターンの光強度分布を有する光ビームに変換する機能を有する。マイクロレンズアレイ１３は、入射した光ビームを、所定の領域のみに照射されるスポット状の光ビームに変換する機能を有する。さらに、位相シフトマスク４は、均一な光強度分布を有する光ビームを均一な光強度分布を有する光ビームを、図７Ｂ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する機能を有する。

また、上述したように、位相変調マスクとしてのマイクロレンズアレイ１３の後側焦点面１３ｃと被処理基板６の表面とが光学的に共役な関係となるように配置されている。したがって、位相シフトマスク４が介在しない状態では、均一な光強度分布を有する光ビームがマイクロレンズアレイ１３を透過すると、被処理基板６の表面には、上に凹型パターンの光強度分布を有する光ビームが照射される。

第３変形例に係る結晶化装置は、透過フィルター１４と、マイクロレンズアレイ１３と、位相シフトマスク４とを有するので、被処理基板６に達する光ビームは、これら部材の３つの作用を受ける。したがって、被処理基板６の半導体膜上に達する光ビームは、所定の領域にのみ照明されるスポット状の光ビームに変換されており、同じ周期で分布している逆ピークパターンの光強度分布と、上に凹型パターンの光強度分布との積で表される図１９に示すような２段逆ピークパターンの光強度分布を有する。この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の光強度分布に対応するように、位相シフト部４ｅに対応する点において光強度がほぼ０で、この点から離れるにしたがって急な放物線状に光強度が高くなって所定の値に達する。すなわち、この２段逆ピークパターンの光強度分布の最小となる位置は、位相シフト部４ｅの位置によって定められる。

第１実施の形態の各変形例において、２段逆ピークパターンの光強度分布は、上述のｘ−ｚ方向の周期的な上に凹型パターンの光強度分布とｙ−ｚ方向の周期的な上に凹型パターンの光強度分布とに対応しており、図２０に示すように、隣接する逆ピークパターン部分の間の中間部は、ｘ方向及びｙ方向に沿ってほぼ単調に増加している。また、２段逆ピークパターンの光強度分布は、逆ピークパターン部分と上に凹型パターン部分との間において傾きが減じる変曲点を有する。

各変形例においても第１実施の形態と同様に、２段逆ピークパターンの光強度分布を有する光ビームが被処理基板６に照射されると、光強度が最小となる点、すなわちほぼ０の点（位相シフト部４ｅに対応する点）に対応した部分に結晶核が形成される。これを詳しく述べると、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。逆ピークパターン部分の中心部に多結晶が生成し、その後その外側の結晶が核となり結晶が成長する。結晶の成長する位置は一般に傾きの大きな位置となる。

次いで、結晶核から、光強度勾配（すなわち温度勾配）の大きいｘ方向に沿ってラテラル成長が開始される。２段逆ピークパターンの光強度分布では、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、ラテラル成長が結晶核から途中で停止することなくピークまで達し、大きな結晶の成長を実現することができる。特に、第１実施の形態では、逆ピークパターン部分と上に凹型パターン部分との間において傾きが減じる変曲点が存在するので、２段逆ピークパターンの光強度分布を有する光ビームが被処理基板６の半導体膜に照射されると、２段逆ピークパターンの光強度分布の中心部から幅寸法にわたる広い領域で結晶化する。したがって、２段逆ピークパターンの光強度分布の幅寸法を液晶の画素ピッチと等しくすることによって、各画素に対して単結晶を生成することができる。

以上により、第１実施の形態の各変形例では、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。第１実施の形態に係る結晶化装置により生成された結晶は大粒径であるので、ラテラル成長の方向（ｘ方向）に高い電子移動度を有する。したがって、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。

また、第３変形例では、マイクロレンズアレイ１３に入射した光が多数の微小レンズ要素１３ａによって波面分割され、各微小レンズ要素１３ａを介して集光された光ビームはスポット状に形成される。したがって、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のみ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。

第３変形例では、マイクロレンズアレイ１３の微小レンズ要素１３ａの屈折面１３ｂが球面状であるが、ｘ方向とｙ方向との曲率が異なる形状であってもよい。屈折面１３ｂのｘ方向とｙ方向との曲率が異なると、スポット状の光ビーム領域は楕円形状になる。この楕円形状の長軸及び短軸は、ｘ方向とｙ方向とにおける２段逆ピークパターンの光強度分布の幅寸法に対応しているので、スポット状の光ビーム領域を楕円形状に形成した場合、逆ピークパターン部分における光強度の勾配がｘ方向とｙ方向とで異なる。したがって、屈折面１３ｂの曲率を設定することにより、各方向に沿って、ラテラル成長の度合を変えることができる。

第３変形例では、波面分割素子としてのマイクロレンズアレイ１３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）１３ａを有し、各光学要素１３ａは二次曲面状の屈折面１３ｂ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、例えば図２１に示すようなマイクロシリンドリカルレンズアレイ１３’を用いてもよい。マイクロシリンドリカルレンズアレイ１３’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’ａを有し、各光学要素１３’ａ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’ｂを有する。この場合、マイクロシリンドリカルレンズアレイ１３’の使用に合わせて、図２２に示すような透過フィルター１５を用いることが望ましい。

透過フィルター１５は、例えば５０％の透過率を有する細長い矩形状の中央領域１５ａと、この中央領域１５ａを挟むように形成されたほぼ１００％の透過率を有する一対の半円形状の周辺領域１５ｂとを備えている。この透過フィルター１５の中央領域１５ａの長手方向と、マイクロシリンドリカルレンズアレイ１３’の各微小シリンドリカルレンズ要素１３’ａ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。中央領域１５ａは、ほぼ平行な弦によって規定されているが、これに限定されず、他の形状であってもよい。

マイクロシリンドリカルレンズアレイ１３’に入射した光ビームは、多数の微小シリンドリカルレンズ要素１３’ａ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を介して集光された光ビームは、被処理基板６上において各トランジスタ領域を包囲するスリット状（線状）の光ビームを形成する。

したがって、被処理基板６上において照射されるスリット状の光ビームの光強度分布は、スリットの短辺方向に沿って図２３に示すような２段逆ピークパターンのプロファイルを有し、長手方向に沿って一様なプロファイルを有する。すなわち、マイクロシリンドリカルレンズアレイ１３’及び透過フィルター１５を透過して被処理基板６に照射される光ビームは、図２３に示すような光強度分布が得られる。

図２３に示すような２段逆ピークパターンの光強度分布を有する光ビームが被処理基板６に照射されると、光強度が最小となる点、すなわちほぼ０の点において結晶核が形成され、次いで、この結晶核から光強度勾配のある方向（図２２において横方向）に沿ってラテラル成長が開始される。図２３に示すような２段逆ピークパターンの光強度分布では、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、ラテラル成長が結晶核から途中で停止することなくピークまで達し、大きな結晶の成長を実現することができる。

なお、第３変形例では、マイクロレンズアレイ１３及びマイクロシリンドリカルレンズアレイ１３’における屈折面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。

また、第１実施の形態及び各変形例では、位相シフトマスク４と被処理基板６との間の光学上に第２結像光学系５が介在しており、被処理基板６と第２結像光学系５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６のアブレーションに起因して位相シフトマスク４が汚染されることがない。したがって、被処理基板６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。

さらに、第１実施の形態及び各変形例では、被処理基板６と第２結像光学系５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６と第２結像光学系５との間の光路上に位置検出のための検出光を導入して、被処理基板６と第２結像光学系５との位置関係を調整することが容易である。

図２４は、本発明の第２実施の形態に係る結晶化装置を概略的に示す図である。第２実施の形態は、第１実施の形態と類似の構成を有するが、第２実施の形態では、位相シフトマスク４と被処理基板６との間の光路上から第２結像光学系５を取り除いている点で第１実施の形態と基本的に相違している。以下、第１実施の形態との相違点に着目して、第２実施の形態を説明する。なお、図２１において、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。

図２４に示すように、第２実施の形態では、位相シフトマスク４と被処理基板６とが平行に近接して（例えば数μｍ〜数百μｍ）配置されている。また、被処理基板６の表面は、第１結像光学系３を介して、透過型振幅変調マスク１の射出面と光学的に共役な関係となるように配置されている。位相シフトマスク４は、透過型振幅変調マスク１が介在しない状態では、均一な光強度分布を有する光ビームを、図７Ａに示すように位相シフト部４ｅに対応する領域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ビームに変換する機能を有する。逆ピークパターンの光強度分布の幅寸法は、位相シフトマスク４と被処理基板６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。

第２実施の形態においても第１実施の形態と同様に、透過型振幅変調マスク１と位相シフトマスク４との両方の作用により２段逆ピークパターンの光強度分布を有する光ビームが被処理基板６の半導体膜上に照射されるので、ラテラル成長が結晶核から途中で停止することなくピークまで達し、大粒径の結晶化半導体膜を生成することができる。なお、透過型振幅変調マスク１の代わりに、開口型振幅変調マスク１１、集光発散素子１２、並びに、マイクロレンズアレイ１３及び透過フィルター１４を用いて、それぞれ第２の実施形態の変形例とすることができる。

図２５は、本発明の第３実施の形態に係る結晶化装置を概略的に示す図である。第３実施の形態は、第１実施の形態と類似の構成を有するが、第３実施の形態では、位相シフトマスク４の位相シフト面と被処理基板６の表面とが、第２結像光学系５を介して光学的に共役な関係となるように配置されている点で第１実施の形態と基本的に相違している。以下、第１実施の形態との相違点に着目して、第３実施の形態を説明する。なお、図２５において、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。

図２５に示すように、位相シフトマスク４の位相シフト面と被処理基板６の表面とが第２結像光学系５を介して光学的に共役な関係に配置されている。また、被処理基板６の表面は、第１結像光学系３と第２結像光学系５とを介して、透過型振幅変調マスク１の射出面と光学的に共役な関係になるように配置されている。

第３実施の形態に係る結像光学系５は、開口絞り５ａを有し、この開口絞り５ａは、結像光学系５の瞳面に配置されている。開口絞り５ａ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、これら複数の開口絞りは光路に対して変換可能に構成されている。あるいは、開口絞り５ａ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していてもよい。開口絞り５ａの開口部の大きさ（すなわち、結像光学系５の像側開口数）は、被処理基板６の半導体膜上において周期的な２段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。２段逆ピークパターンの光強度分布の幅寸法は、液晶の画素ピッチと等しくなるように設定されることが好ましい。

位相シフトマスク４の作用により被処理基板６の半導体膜上に形成される逆ピークパターンの光強度分布の幅寸法は、第２結像光学系５の解像度Ｒ２と同程度になる。第２結像光学系５の解像度Ｒ２は、使用光の波長をλとし、第２結像光学系５の像側開口数をＮＡ２とすると、Ｒ２＝ｋλ／ＮＡ２で規定される。ここで、定数ｋは、位相シフトマスク４を照明する照明光学系２の仕様や、光源から供給される光ビーム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実施の形態では、第２結像光学系５の像側開口数ＮＡを小さくして、第２結像光学系５の解像度を低下させると、逆ピークパターンの光強度分布幅寸法が大きくなる。

つまり、位相シフト面で変換された光ビームの光強度分布の逆ピークパターン部分は、位相シフト面上では狭い幅寸法を有し、位相シフト面からある程度離れた面上において好適な幅寸法を有する。第３実施の形態では、位相シフト面上の光強度分布を第２結像光学系５によって低い解像度で被処理基板６の半導体膜上に転送するため、被処理基板６に照射される光ビームの光強度分布の逆ピークパターン部分は被処理基板６の半導体膜上において好適な幅寸法を有する。

また、第３実施の形態では、位相シフトマスク４と被処理基板６との間の光学上に第２結像光学系５が介在しており、被処理基板６と第２結像光学系５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６のアブレーションに起因して位相シフトマスク４が汚染されることがない。したがって、被処理基板６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。

さらに、第３実施の形態では、被処理基板６と第２結像光学系５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６と第２結像光学系５との間の光路上に位置検出のための検出光を導入して、被処理基板６と第２結像光学系５との位置関係を調整することが容易である。

上述の各実施の形態では、位相シフトマスク４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４について様々な変形例が可能である。例えば、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４を用いてもよい。また、図２６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４を用いてもよい。

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。

図２７は、各実施の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している。図２７(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及び膜厚１００ｎｍのＳｉＯ2積層膜など）及び非晶質半導体膜２２（例えば、膜厚５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度のＳｉ，Ｇｃ，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６を準備する。

成膜された非晶質半導体膜２２の表面の一部もしくは全部には、上記結晶化装置を用いて、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。本発明の各実施の形態に係る結晶化装置は、２段逆ピークパターンの光強度分布を有する光ビームを照射するので、図２７(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を生成する。

非晶質半導体膜２２が比較的広い表面を有しており、結晶化装置による一回の照射が表面の一部のみを照射する場合、非晶質半導体膜２２の表面全体の結晶化は、結晶化装置と非晶質半導体膜２２を相対的に直交する２方向に動かすことによって行われる。

例えば、非晶質半導体膜２２に対して結晶化装置が直交する２方向に移動可能であり、結晶化装置を移動ささせながら非晶質半導体膜２２の表面に光ビームを照射してもよい。または、非晶質半導体膜２２が設けられた被処理基板が直交する２方向に移動可能なステージに載置されており、固定された結晶化装置に対して、このステージを移動させることによって、非晶質半導体膜２２の表面に光ビームが照射されるようにしてもよい。あるいは、一方向にのみ移動可能なアームに支持された結晶化装置に対して、これと直交する方向に非晶質半導体膜２２が設けられた被処理基板を移動させるようにした結晶化装置において、結晶化装置と被処理基板とを相対的に直交する２方向に移動させることによって非晶質半導体膜２２の表面に光ビームを照射してもよい。

次に、図２７(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２７(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℃で１時間）を行い、不純物を活性化する。

次に、図２７(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及びドレイン３２に接続するソース電極３３及びドレイン電極３４を形成する。このとき、図２７(Ａ)及び図２７(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薄膜トランジスタは、液晶ディスプレスやＥＬ（エレクトロルミネッセンス）ディスプレイなど表示装置の駆動回路や、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。

本発明の第１実施の形態に係る結晶化装置の構成を概略的に示す図である。 図１の照明光学系の内部構成を概略的に示す図である。 第１実施の形態に係る透過型振幅変調マスクの構成及び作用を説明する図である。 第１実施の形態に係る透過型振幅変調マスクの製造工程を示す図である。 位相シフトマスクの基本単位部分の構成を斜視的に示す図である。 図５Ａに示す位相シフトマスクの基本単位部分の配置を示す上面図である。 位相シフトマスクの別の基本単位部分の構成を斜視的に示す図である。 第１実施の形態における位相シフトマスクの基本的作用を説明する図である。 透過型振幅変調マスクと位相シフトマスクとを透過した光ビームのｘ−ｚ平面内の被処理基板上で得られる光強度分布を示す図である。 透過型振幅変調マスクと位相シフトマスクとを透過した光ビームのｙ−ｚ平面内の被処理基板上で得られる光強度分布を示す図である。 図７Ａと図７Ｂに示す光強度分布を三次元的に示す図である。 第１実施の形態の第１変形例に係る結晶化装置を概略的に示す図である。 開口型振幅変調マスクの上面図と、この開口型振幅変調マスクの作用を説明する図である。 第１実施の形態の第２変形例に係る結晶化装置を概略的に示す図である。 この集光発散素子を示す側面図と、この集光発散素子の作用を説明する図である。 段差形状の屈折面を有する集光発散素子を示す図である。 位相シフトマスク上で得られる光ビームの上に凹型パターンの光強度分布に関するシミュレーション結果を示す図である。 第１結像光学系の解像度をある程度低く設定した場合の光強度分布 第１実施の形態の第３変形例に係る結晶化装置を概略的に示す図である。 図１４の照明光学系を概略的に示す図である。 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。 マイクロレンズアレイの基本単位部分を概略的に示す図である。 透過フィルターとマイクロレンズアレイとの両方の作用により後側焦点面における光ビームの光強度分布を説明する図である。 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に得られる光強度分布を示す図である。 図１９に示す光強度分布を三次元的に示す図である。 第３変形例に係るマイクロシリンドリカルレンズアレイを示す図である。 第３変形例に係る変形例透過フィルターを示す図である。 第３変形例の透過フィルターとマイクロシリンドリカルレンズアレイとを透過した光ビームの光強度分布を示す図である。 本発明の第２実施の形態に係る結晶化装置を概略的に示す図である。 本発明の第３実施の形態に係る結晶化装置を概略的に示す図である。 位相シフトマスクの変形例を示す図である。 各実施の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している。

符号の説明

１…透過型振幅変調マスク、２…照明光学系、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…第１結像光学系、４…位相シフトマスク、５…第２結像光学系、６…被処理基板、７…基板ステージ、１１…開口型振幅変調マスク、１２…集光発散素子、１３…マイクロレンズアレイ、１４、１５…透過フィルター。

Claims (27)

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領域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核からラテラル成長した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の間の光路に配置された光学部材と、
   前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜の表面あるいはその共役面と所定面とを光学的に共役な関係に設定するための結像光学系とを備え、
   前記照明光学系からの光を、前記位相シフトマスクの前記位相シフト部に対応する領域において光強度が最も小さく且つ前記位相シフト部の周囲において光強度の大きい領域ができる光強度分布を所定面に形成するための前記光学部材に照射し、
   前記光学部材からの光を前記位相シフトマスクに照射して、互いに隣接する２つの逆ピーク部分間の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２段逆ピークパターンの光強度分布を有する光を形成し、
   前記２段逆ピークパターンの光強度分布を有する光を前記多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射するようにしたことを特徴とする結晶化装置。
2. 前記光学部材は、前記所定面に形成すべき凹型パターンの光強度分布に応じた透過率分布を有する透過型振幅変調マスクであることを特徴とする請求項１に記載の結晶化装置。
3. 前記透過型振幅変調マスクは、一定の厚さを有する光透過部と、前記所定面に形成すべき凹型パターンの光強度分布に応じた厚さ分布を有する光吸収部とを有することを特徴とする請求項２に記載の結晶化装置。
4. 前記光吸収部は、全体的に正弦波形状の表面を有することを特徴とする請求項３に記載の結晶化装置。
5. 前記全体的に正弦波形状の表面は、連続的な曲面形状または段差形状に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の結晶化装置。
6. 前記光学部材は、前記所定面に形成すべき凹型パターンの光強度分布に応じた開口率分布を有する開口型振幅変調マスクであることを特徴とする請求項１に記載の結晶化装置。
7. 前記開口型振幅変調マスクは、多数の微小透過領域または多数の微小遮光領域、もしくはその両方を有することを特徴とする請求項６に記載の結晶化装置。
8. 前記微小透過領域および前記微小遮光領域の大きさは、前記結像光学系の解像度よりも実質的に小さく設定されていることを特徴とする請求項７に記載の結晶化装置。
9. 前記結像光学系は縮小型の光学系であることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の結晶化装置。
10. 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領域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核からラテラル成長した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の間の光路に配置され、前記照明光学系からの光に基づいて、前記位相シフトマスクの前記位相シフト部に対応する領域において光強度が最も小さく且つその周囲に向かって増加する凹型パターンの光強度分布を所定面に形成するための光学部材と、
    前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜の表面あるいはその共役面と前記所定面とを光学的に共役な関係に設定するための結像光学系とを備え、
    前記光学部材は、前記所定面において、前記位相シフト部に対応して光束が発散されて照明される領域と前記位相シフト部の周囲に対応して光束が集光されて照明される領域とを生成する集光発散素子であることを特徴とする結晶化装置。
11. 前記集光発散素子は、光束を発散させるための発散屈折面と光束を集光させるための集光屈折面とを有することを特徴とする請求項１０に記載の結晶化装置。
12. 前記発散屈折面と前記集光屈折面とは、全体的に正弦波形状の屈折面を形成していることを特徴とする請求項１１に記載の結晶化装置。
13. 前記全体的に正弦波形状の屈折面は、連続的な曲面形状または段差形状に形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の結晶化装置。
14. 前記光学部材は、照明系の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と、前記照明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前記所定面において前記位相シフト部に対応する領域へ集光するための波面分割素子とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の結晶化装置。
15. 前記波面分割素子は、集光機能を有する複数の光学要素を有することを特徴とする請求項１４に記載の結晶化装置。
16. 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１４または請求項１５に記載の結晶化装置。
17. 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１４または請求項１５に記載の結晶化装置。
18. 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１４に記載の結晶化装置。
19. 前記位相シフトマスクの位相シフト面は、前記照明系側とは反対側の面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の結晶化装置。
20. 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領域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に記載の結晶化装置。
21. 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に記載の結晶化装置。
22. 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第２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の表面は、前記第２結像光学系を介して前記位相シフトマスクと光学的に共役な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とを特徴とする請求項１に記載の結晶化装置。
23. 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第２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の表面は、前記第２結像光学系を介して前記位相シフトマスクと光学的に共役な面に設定され、
    前記第２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に記載の結晶化装置。
24. 位相シフト部において光強度が最も低く、この光強度が最も低い位置から離れるにしたがって光強度が高くなる上に凹型パターンの光強度分布を周期的に有するレーザ光を射出し、
    上に凹型パターンの光強度分布を周期的に有するレーザ光を位相シフトマスクに入射させることにより周期的な２段逆ピークパターンの光強度分布を有するレーザ光を射出し、
    前記２段逆ピークパターンの光強度分布を有するレーザ光を成膜された非晶質半導体膜の表面の一部もしくは全部に照射し、
    前記非晶質半導体膜において前記２段逆ピークパターンの光強度分布を有するレーザ光の光強度が最も低い位置に結晶核を形成し、この結晶核から光強度勾配のある方向に沿ってラテラル方向に結晶成長させることを特徴とする結晶化方法。
25. 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２４に記載の結晶化方法。
26. 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第２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の表面を前記位相シフトマスクと光学的に共役な面から前記第２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２４に記載の結晶化方法。
27. 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第２結像光学系を配置し、
    前記第２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、
    前記第２結像光学系を介して前記位相シフトマスクと光学的に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の表面を設定することを特徴とする請求項２４に記載の結晶化方法。

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