JP4633428B2 - 結晶化装置、結晶化方法、デバイス、および位相変調素子 - Google Patents

Description

本発明は、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結晶化装置と、この結晶化装置に用いる位相変調素子と、結晶化方法と、デバイスとに関する。特に、本発明は、位相変調素子を用いて位相変調された所定の光強度分布を有する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結晶化装置と、この結晶化装置に用いる位相変調素子と、結晶化方法と、デバイスとに関する。

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薄膜トランジスタ（Thin-Film-Transistor：ＴＦＴ）が用いられる。この薄膜トランジスタは、非晶質シリコン（amorphous-Silicon）層や多結晶シリコン（poly-Silicon）層に形成されている。

多結晶シリコン層は、非晶質シリコン層よりも電子又は正孔の移動度が高い。したがって、多結晶シリコン層にトランジスタを形成した場合、非晶質シリコン層に形成する場合よりも、スイッチング速度が速くなる。そして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などの周辺回路は、ディスプレイに組み入れることにより、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が、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い。また、多結晶シリコンに形成された多数の薄膜トランジスタは、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、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、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ター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）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（英文名：Journal of the Surface Science Society of Japan） Vol.21, No.5, pp.278-287, 2000」に開示されている。

位相制御ＥＬＡ法では、まず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パターン）の光強度分布を発生させる。そして、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に温度勾配が生じる。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る。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」もしくは「ラテラル方向成長」とよぶ）することにより大粒径の単結晶粒が生成される。

従来、「Electrochemical Society Proceeding Volume 2000-31, page 148-154,261-268」では、たとえばＶ字型の光強度勾配分布を形成するパターンを有する素子（マスク＃２とする）、および逆ピーク状の光強度最小分布を形成するパターンを有する素子（マスク＃１とする）を、ともにＳｉＯ₂の基板に位相段差を設けることにより実現している。そして、２枚の素子は被処理基板に近接させた状態でエキシマレーザ光を照射することにより、被処理基板上に結晶化半導体膜を生成している。

従って、結晶化工程において、被処理基板からアブレーション現象が生じたとき、蒸発物が、被処理基板の対向するマスク＃１の対向面に付着する。蒸発物が付着した次の工程では、マスク＃１および＃２により形成される光強度分布に乱れが生じ、結晶化面積、結晶化形状が乱れる。さらに、マスク＃１および＃２と被処理基板とが近接したレーザ光の照射は、各レーザ光照射時のマスク＃１と被処理基板間のμｍオーダの距離を常に一定に維持する操作は、この操作時間が長い時間を必要とし、比較的タクトタイムが遅くなる。

また、「電子情報通信学会論文誌(英文名：IEICE(The Institute of Electronics, Information and Communication) Transactions) Ｖｏｌ．Ｊ８５−Ｃ，Ｎｏ．８，ｐ．６２４−６２９，２００２年８月」では、たとえばＶ字型の光強度勾配分布を形成するパターンを有する素子を光吸収材料ＳｉＯＮｘの厚み分布により実現し、逆ピーク状の光強度最小分布を形成するパターンを有する素子をＳｉＯ₂の位相段差により実現している。ただし、これら２つの素子は、１枚の基板に積層形成されている。そして、この１枚の素子基板に被処理基板を近接させた状態でエキシマレーザ光を照射することにより、被処理基板上に結晶化半導体膜を生成している。

また、特開２０００−３０６８５９号公報では、位相差が１８０度のライン・アンド・スペース・パターンを有する位相シフターと被処理基板との間に結像光学系を配置している。そして、位相シフターを介して発生した逆ピークパターンの光強度分布を有する光を結像光学系を介して被処理基板に照射することにより、被処理基板上に結晶化半導体膜を生成している。

M. NAKATA and M. MATSUMURA, "Two-Dimensionally Position-Controlled Ultra-Large Grain Growth Based on Phase-Modulated Excimer-Laser Annealing Method", Electrochemical Society Proceeding Volume 2000-31, page 148-154 井上，中田，松村，「シリコン薄膜の振幅・位相制御エキシマレーザ溶融再結晶化法−新しい２−Ｄ位置制御大結晶粒形成法−」，電子情報通信学会論文誌，社団法人電子情報通信学会，２００２年８月，第Ｊ８５−Ｃ巻，第８号，ｐ．６２４−６２９ 特開２０００−３０６８５９号公報

しかしながら、素子に被処理基板を近接させる従来技術（近接法またはプロキシ法）では、半導体膜におけるアブレーションに起因して素子が汚染され、ひいては良好な結晶化が妨げられるという不都合があった。また、被処理基板上の別の処理領域へステップ移動する度に被処理基板と素子とを引き離す必要があり、処理時間が長くなるという不都合があった。また、素子と被処理基板との間に設定すべき間隔が非常に小さいため、こ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、ひいては間隔調整が困難であるという不都合があった。

一方、位相差が１８０度のライン・アンド・スペース・パターンを有する位相シフターを用いる従来技術では、形成される逆ピークパターンの光強度分布における谷の部分が深くなりすぎる。この場合、光強度が所定の閾値以上でないと結晶が成長しないので、結晶化されない領域が大きくなりすぎて大粒径の結晶化半導体膜を生成することができないという不都合があった。さらに、大粒径の結晶化を行うための逆ピークパターンの光強度分布の大きな勾配を得ることができなかった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、大粒径の結晶化を行うための所望する勾配の光強度分布を得ることができ、結晶核からの十分なラテラル方向の結晶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、入射光に、所望する光強度勾配分布を形成する第１素子（１）と所望する逆ピーク状の光強度最小分布を形成する第２素子（２）とを有する光変調光学系と、
前記光変調光学系と多結晶半導体膜または非晶質半導体膜を有する基板（５）との間に設けられた結像光学系（４）とを備え、
前記光強度勾配分布と前記光強度最小分布が形成された入射光を前記結像光学系を介し前記多結晶半導体膜または前記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を提供する。この場合、前記第１素子のパターンと前記第２素子のパターンとが対面していることが好ましい。

本発明の第１形態では、第１素子を介して形成される光強度勾配分布と第２素子を介して形成される逆ピーク状の光強度最小分布との合成光強度分布が基板表面上に形成される。その結果、結晶核の形成位置すなわち結晶成長の開始点を、逆ピーク状の光強度最小分布において光強度の最も小さい位置へ極力近づけることができる。そして、強度勾配分布における光強度の勾配方向に沿って結晶核からの十分なラテラル方向の結晶成長を実現して、大粒径の結晶化半導体膜を生成することができる。このとき、本発明の第１形態では、近接法の場合とは異なり、第１素子または第２素子と基板との間に結像光学系が介在し且つ基板と結像光学系との間隔も比較的大きく確保されているので、第１素子および第２素子や結像光学系が基板におけるアブレーションによる付着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。また、基板と結像光学系との間隔が比較的大きく確保されているので、基板上の別の処理領域へステップ移動する際にも基板と結像光学系とを引き離す必要がなく、高スループットな処理を実現することができる。また、基板と結像光学系との間隔が比較的大きく確保されているので、その間の光路中に位置検出のための検出光を導入して、基板と結像光学系との位置関係を調整することが容易である。

本発明の第２形態では、所望する光強度勾配分布を形成する第１パターンと所望する光強度最小分布を形成する第２パターンとが合成された合成パターンを有する素子（７）と、
前記素子と多結晶半導体膜または非晶質半導体膜を有する基板との間に設けられた結像光学系（４）とを備え、
前記合成パターンにより前記光強度勾配分布と前記光強度最小分布が形成された入射光を前記結像光学系を介し前記多結晶半導体膜または前記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を提供する。この場合、前記光強度勾配分布を形成するパターンおよび前記光強度最小分布を形成するパターンはともに位相変調パターンであり、前記合成パターンの位相変調量は前記光強度勾配分布を形成するパターンの位相変調量と前記光強度最小分布を形成するパターン位相変調量との和に対応していることが好ましい。

本発明の第２形態では、第１形態における第１素子および第２素子に代えて、光強度勾配分布を形成するパターンと逆ピーク状の光強度最小分布を形成するパターンとの合成パターンを有する１つの素子を用いている。その結果、本発明の第２形態では、上述したような第１形態の効果が得られるだけでなく、１つの素子の位置合わせのみで位置合わせ回数を減らすことができるという利点がある。

第１形態および第２形態の好ましい態様によれば、前記光強度勾配分布を形成する第１パターンは、最小寸法が前記結像光学系の点像分布範囲の半径よりも光学的に小さく且つ第１の位相値を有する第１領域と、第２の位相値を有する第２領域との占有面積率が位置によって変化する位相分布を有する。この構成により、自由な形態の光強度分布を生成することが可能になる。

この場合、前記光強度勾配分布は、ある一次元方向（例えばＸ方向）に勾配を有するＶ字を所定の方向（例えばＹ方向）に沿わせて形成させた立体形状であるＶ字型の光強度分布である。前記光強度勾配分布を形成する第１パターンは、前記Ｖ字型の光強度分布の底に対応する部分では前記底に平行な方向に沿って延びる直線状領域（完全な直線である必要はなくほぼ直線形状で有ればよい）を有し、前記Ｖ字型の光強度分布の底に対応する部分から離れた部分では孤立領域を有することが好ましい。この構成では、直線状領域の作用により光強度勾配分布の底に沿って均一な光学特性を得ることができるので、第１素子と第２素子との位置合わせが所定の方向に位置ずれしても、得られる合成光強度分布の光学特性が変動し難いという利点がある。

また、第１形態および第２形態の好ましい態様によれば、前記光強度最小分布を形成する第２パターンは、前記光強度勾配分布における光強度の勾配方向に沿って延びる複数の帯状領域を有し、互いに隣接する帯状領域は互いに異なる位相値を有する。この場合、前記複数の帯状領域は、互いに位相値の異なる３種類以上の帯状領域を有し、互いに隣接する２つの帯状領域の位相値の差は一方向に向かって符号を含めてほぼ等しい値を有することが好ましい。この構成では、第２素子の第２パターン面に対して基板の表面がデフォーカスしても、逆ピーク状の光強度最小分布におけるピーク点は等間隔状態が維持される。その結果、生成される結晶粒の中心位置の間隔が均等になり、ひいては同じ形状の結晶粒がＹ方向に沿って並ぶことになり、結晶粒上に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作成する場合に有利である。

また、第１形態および第２形態の好ましい態様によれば、前記光強度最小分布を形成する第２パターンは、互いに位相値の異なる３種類以上の領域が所定の点において互いに隣接する形態を有する。この構成では、点逆ピーク状の光強度最小分布が光強度勾配分布の底部分にだけ所望の形態にしたがって生成されることになり、結晶成長の開始点を位置決めするために理想的な光強度分布が得られる。また、第１形態および第２形態では、前記結像光学系の瞳関数は、中央よりも周辺において小さいことが好ましい。この構成では、デフォーカス状態において得られる逆ピーク状の光強度最小分布の周辺に発生する不要ピークを減少させたり除去することができ、デフォーカス状態における光強度最小分布の対称性の崩れもかなり緩和される。

本発明の第３形態では、入射光により、光強度勾配分布を形成する第１素子（１）と逆ピーク状の光強度最小分布を形成する第２素子（２）とを有する光変調素子を照明し、
前記光変調光学系と多結晶半導体膜または非晶質半導体膜を有する基板との間に設けられた結像光学系（４）を介して、前記光強度勾配分布と前記光強度最小分布が形成された入射光を前記多結晶半導体膜または前記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を提供する。

本発明の第４形態では、入射光により、光強度勾配分布を形成する第１パターンと、光強度最小分布を形成する第２パターンとの合成パターンを有する素子（７）を照明し、
前記素子と多結晶半導体膜または非晶質半導体膜を有する基板との間に設けられた結像光学系（４）を介して、前記光強度勾配分布と前記光強度最小分布が形成された入射光を前記多結晶半導体膜または前記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を提供する。

本発明の第５形態では、第１形態または第２形態の結晶化装置あるいは第３形態または第４形態の結晶化方法を用いて製造されたことを特徴とするデバイスを提供する。この場合、結晶核からの十分なラテラル成長を実現して得られた大粒径の結晶化半導体膜に基づいて、良好な半導体デバイスや液晶表示デバイスなどを製造することができる。

本発明の第６形態では、入射光に、逆ピーク状の光強度最小分布を形成するパターンを有する位相変調素子であって、
前記パターンは、互いに位相値の異なる３種類以上の帯状領域を有し、互いに隣接する２つの帯状領域の位相値の差は一方向に向かって符号を含めてほぼ等しい値を有する位相変調素子を提供する。

本発明の第７形態では、入射光に、Ｖ字型の光強度分布を形成するパターンを有する位相変調素子であって、
最小寸法が所定の寸法よりも小さく且つ第１の位相値を有する第１領域と第２の位相値を有する第２領域とを有し、前記第１領域と前記第２領域との占有面積率が位置によって変化する位相分布を有し、
前記パターンは、前記Ｖ字型の光強度分布の底に対応する部分では前記底に平行な方向に沿って延びる直線状領域を有し、前記Ｖ字型の光強度分布の底に対応する部分から離れた部分では孤立領域を有する位相変調素子を提供する。

本発明では、第１素子を介して形成される光強度勾配分布と第２素子を介して形成される逆ピーク状の光強度最小分布との合成光強度分布が基板表面上に形成される。その結果、所望する勾配の光強度分布を得ることができ、大粒径の結晶化を行うことができる。また、本発明によれば、結晶核の形成位置すなわち結晶成長の開始点を、逆ピーク状の光強度最小分布において光強度の最も小さい位置へ極力近づけることができ、光強度勾配分布における光強度の勾配方向に沿って結晶核からの十分なラテラル方向の結晶成長を実現して、大粒径の結晶化半導体膜を生成することができる。

また、本発明では、近接法の場合とは異なり、第１素子または第２素子と基板との間に結像光学系が介在し且つ基板と結像光学系との間隔も比較的大きく確保されているので、第１素子および第２素子が基板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。また、基板と結像光学系との間隔が比較的大きく確保されているので、基板上の別の処理領域へステップ移動する際にも基板と結像光学系とを引き離す必要がなく、高スループットな処理を実現することができる。また、基板と結像光学系との間隔が比較的大きく確保されているので、その間の光路中に位置検出のための検出光を導入して、基板と結像光学系との位置関係を調整することが容易である。

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第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。また、図２は、図１の照明系の内部構成を概略的に示す図である。図１および図２を参照して説明する。第１実施形態の結晶化装置は、入射光に所望する光強度勾配分布の光学的パターンを形成する第１位相変調素子１と、逆ピーク状の光強度最小分布を形成するパターンを有する第２位相変調素子２とを備えている。第１位相変調素子１および第２位相変調素子２のパターン構成については後述する。

なお、第１位相変調素子１と第２位相変調素子２とは、パターンが対面するように隣接配置されている。また、第１実施形態の結晶化装置は、光軸が同軸的に配置された第１位相変調素子１および第２位相変調素子２を照明するための照明系３を備えている。照明系３は、たとえば図２に示す光学系であり、２４８ｎｍの波長を有する光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源３ａを備えている。なお、光源３ａとして、ＸｅＣｌエキシマレーザ光源やＹＡＧ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３ａから供給されたレーザ光は、ビームエキスパンダ３ｂを介して拡大された後、第１フライアイレンズ３ｃに入射する。

こうして、第１フライアイレンズ３ｃ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３ｄを介して、第２フライアイレンズ３ｅ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３ｅの後側焦点面には、第１フライアイレンズ３ｃ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３ｅ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３ｆを介して、第１位相変調素子１および第２位相変調素子２を重畳的に照明する。

ここで、第１フライアイレンズ３ｃおよび第１コンデンサー光学系３ｄ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光源３ａから供給されたレーザ光について第１位相変調素子１および第２位相変調素子２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３ｅおよび第２コンデンサー光学系３ｆ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第１位相変調素子１および第２位相変調素子２上での面内各位置での光強度に関する均一化が図られる。こうして、照明系３は、ほぼ均一な光強度分布を有するレーザ光により第１位相変調素子１および第２位相変調素子２を照射する。換言すれば、照明系３は第１位相変調素子１を照明し、この第１位相変調素子１を透過した透過光が第２位相変調素子２に入射する。

第１位相変調素子１および第２位相変調素子２で位相変調されたレーザ光は、結像光学系４を介して、被処理基板５に入射される。ここで、結像光学系４は、第１位相変調素子１のパターン面と第２位相変調素子２のパターン面との中間面と被処理基板５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５は、上記中間面と光学的に共役な面（結像光学系４の像面）に設定されている。結像光学系４は、正レンズ群４ａと正レンズ群４ｂとの間に開口絞り４ｃを備えている。

開口絞り４ｃ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４ｃは光路に対して交換可能に構成されていてもよい。あるいは、開口絞り４ｃ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。いずれにしても、開口絞り４ｃの開口部の大きさ（ひいては結像光学系４の像側開口数ＮＡ）は、後述するように、被処理基板５の半導体膜上において所要の光強度分布を発生させるように設定されている。

なお、結像光学系４は、屈折型の光学系であってもよいし、反射型の光学系であってもよいし、屈折反射型の光学系であってもよい。また、被処理基板５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）により下地膜および非晶質シリコン膜が順次形成されたものである。下地膜は、絶縁膜例えばＳｉＯ₂であり、非晶質シリコンとガラス基板が直接接触してＮａなどの異物が非晶質シリコンに混入するのを防止し、非晶質シリコンの溶融温度が直接ガラス基板に伝熱されるのを防止する。被処理基板５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６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３Ａないし図３Ｆは、第１位相変調素子の基本原理を説明する図である。図３Ａないし図３Ｆにおいて図１および図２と同一部分には同一符号を付与し、その詳細な説明は重複するので省略する。一般に、第１位相変調素子１による結像の光振幅分布Ｕ（ｘ，ｙ）は、次の式（１）で表わされる。なお、式（１）において、Ｔ（ｘ，ｙ）は第１位相変調素子１の複素振幅透過率分布を、＊はコンボリューション（たたみ込み積分）を、ＡＳＦ（ｘ，ｙ）は結像光学系４の点像分布関数をそれぞれ示している。ここで、点像分布関数とは、結像光学系による点像の振幅分布と定義する。
Ｕ（ｘ，ｙ）＝Ｔ（ｘ，ｙ）＊ＡＳＦ（ｘ，ｙ）・・・（１）

なお、第１位相変調素子１の複素振幅透過率分布Ｔは、振幅が均一であることから、次の式（２）で表わされる。なお、式（２）において、Ｔ₀は一定の値であり、φ（ｘ，ｙ）は位相分布を示している。
Ｔ＝Ｔ₀ｅ^iφ(x,y)・・・（２）

また、結像光学系４が均一円形瞳を有し且つ無収差である場合、点像分布関数ＡＳＦ（ｘ，ｙ）に関して次の式（３）に示す関係が成立する。なお、式（３）において、Ｊ₁はベッセル（Bessel）関数を、λは光の波長を、ＮＡは上述したように結像光学系４の像側開口数をそれぞれ示している。
ＡＳＦ(x,y) ∝ 2Ｊ₁（2π／λ・NA・ｒ）／（2π／λ・NA・ｒ）・・（３）
ただし、ｒ＝（ｘ²＋ｙ²）^1/2

図３Ａに示す結像光学系４の点像分布関数は、図３Ｂに示すものであり、直径Ｒの円筒形４ｅ（図３Ｂ中破線で示す）で近似すると、図３Ｃに示す第１位相変調素子１上の直径Ｒ’（結像光学系の拡大倍率をＭとしたとき、Ｒ＝Ｍ×Ｒ’で決定される値）の円内の複素振幅分布を積分したものが、像面４ｆ上の複素振幅を決定する。上述したように、像面４ｆに結像された結像の光振幅すなわち光強度は第１位相変調素子１の複素振幅透過率分布と点像分布関数とのコンボリューションで与えられる。点像分布関数を円筒形４ｅで近似して考えると、図３Ｃに示す円形の点像分布範囲Ｒ内で位相変調素子１の複素振幅透過率を均一重みで積分した結果が、図３Ａの像面４ｆでの複素振幅になり、その絶対値の二乗が光強度となる。なお、結像光学系４での点像分布範囲Ｒとは、点像分布関数によって描かれた図３Ｂの曲線の０点４ｉとの交点４ｊ内の範囲をいう。

したがって、点像分布範囲Ｒ内で位相の変化が少ないほど光強度は大きくなり、逆に位相の変化が大きいほど光強度は小さくなる。この点は、図３Ｄに示すように単位円４ｇ内での位相ベクトル４ｈの和で考えると理解しやすい。像面４ｆを物例えば半導体膜とした場合、図３Ｂの点像分布関数は、図３Ｆに示すような点像分布関数となる。図３Ｅは像面４ｆの一点を表す図であり、上記の過程によりこの点の光強度が決定される。図４Ａないし図４Ｃは、点像分布範囲Ｒ内での位相の変化と光強度との典型的な関係を示す図である。図４Ｂおよび図４Ｃのハッチングは位相値が異なる部分が明確となるために付すものである。図４Ａは、位相変調素子１の面を４等分した４つの領域の位相値がすべて０度の場合を示す図であり、０度方向の４つの位相ベクトル４ｋの和が振幅４Ｅに対応し、その二乗が光強度１６Ｉに対応することになる。ここでＥとは図４Ａの下図の点線円の半径を示す値であり、ＩはＥ²＝Ｉと規定する。

図４Ｂは、上記４つの領域において離間した２つの領域の位相値が０度であり、他の離間した２つの領域の位相値が９０度の場合を示す図であり、０度方向の２つの位相ベクトル４ｍと９０度方向の２つの位相ベクトル４ｎとの和が振幅となり、その値は８Ｅ²（４Ｅ²＋４Ｅ²＝８Ｅ²であるため）の平方根に対応し、その光強度は振幅の二乗である８Ｉに対応することになる。図４Ｃは、位相値が０度の領域と位相値が９０度の領域と位相値が１８０度の領域と位相値が２７０度の領域の場合の位相変調素子１，２を示す図であり、０度方向の位相ベクトル４ｓと９０度方向の位相ベクトル４ｔと１８０度方向の位相ベクトル４ｕと２７０度方向の位相ベクトル４ｖとの和が振幅０Ｅに対応し、その二乗が光強度０Ｉに対応することになる。

図５Ａおよび図５Ｂは、結像光学系４における瞳関数と点像分布関数との関係を示す図である。一般に、点像分布関数は、瞳関数のフーリエ変換で与えられる。具体的には、結像光学系４が均一な円形瞳を有し且つ無収差である場合、点像分布関数ＡＳＦ（ｘ，ｙ）は上述の式（３）により表わされる。しかしながら、結像光学系４に収差が存在する場合や、均一円形瞳以外の瞳関数を有する場合はこの限りではない。

均一な円形瞳で無収差の場合、図５Ｂに示すように点像分布関数が最初に０となるまでの中央領域（すなわちエアリーディスク）の半径Ｒ／２は、次の式（４）で表わされることが知られている。
Ｒ／２＝０．６１λ／ＮＡ （４）

本明細書において、点像分布範囲Ｒとは、図３Ｂおよび図５Ｂに示すように点像分布関数ＡＳＦ（ｘ，０）が最初に０となるまでの円形状の中央領域を意味している。図４Ａないし図４Ｃを参照して明らかなように、結像光学系の点像分布範囲Ｒに光学的に対応する円の中に複数（図４Ａないし図４Ｃでは４つ）の位相変調単位が含まれていると、複数の位相ベクトル（４ｋ，４ｍ，４ｎ，４ｓ〜４ｖ）の和により光の振幅を、ひいては光の強度を解析的に且つ簡単な計算にしたがって制御することが可能である。その結果、一般的に実現困難であった大粒径の結晶化を行うための光強度分布を比較的容易に得ることができる。

したがって、本発明では、光強度を自由に制御するために、第１位相変調素子１の位相変調単位は、結像光学系４の点像分布範囲Ｒの半径Ｒ／２よりも光学的に小さいことが必要である。換言すれば、結像光学系４の像側における第１位相変調素子１の位相変調単位の大きさは、結像光学系４の点像分布範囲Ｒの半径Ｒ／２よりも小さいことが必要である。以下、第１実施形態における第１位相変調素子１の構成および作用について説明する。

図６Ａおよび図６Ｂは、第１実施形態における第１位相変調素子の全体構成を概略的に示す図である。図６Ａおよび図７Ａのハッチングは第１領域１ｂの部分が明確となるために付すものである。また、図７Ａおよび図７Ｂは、図６Ａの第１位相変調素子における基本パターンの構成を概略的に示す図である。図６Ａに示す第１位相変調素子１のパターンは、図７Ａに示す基本パターンを含んでいる。図７Ａを参照すると、第１位相変調素子１の基本パターンは、結像光学系４の点像分布範囲Ｒの半径Ｒ／２よりも光学的に小さいサイズの複数のセル（図中矩形状の破線で示す）１ｃを有する。

各セル１ｃには、たとえば９０度の位相値（第１の位相値）を有する第１領域（図中斜線部で示す）１ｂと、たとえば０度の位相値（第２の位相値）を有する第２領域（図中空白部で示す）１ａとが形成されている。図７Ａに示すように、各セル１ｃ内における第１領域１ｂと第２領域１ａとの占有面積率がセル毎に変化している。換言すれば、位相値が９０度の第１領域１ｂと位相値が０度の第２領域１ａとの占有面積率がＸ方向の位置によって変化する位相分布を有する。さらに具体的には、セル内における第２領域１ａの占有面積比は、図中左側のセルにおいて最も５０％に近く、図中右側のセルにおいて最も１００％に近く、その間においてＸ方向に沿って単調に変化している。

以上のように、第１位相変調素子１は、結像光学系４の点像分布範囲Ｒの半径Ｒ／２よりも光学的に小さいサイズの位相変調単位（セル）１ｃに基づく位相分布を有する。したがって、各位相変調単位１ｃにおける第１領域１ｂと第２領域１ａとの占有面積率を、すなわち２つの位相ベクトルの和を適宜変化させることにより、被処理基板５上に形成される光強度分布を解析的に且つ簡単な計算にしたがって制御することが可能である。

具体的には、図６Ｂに示すように、第２領域１ａの占有面積比が最も１００％に近い両側位置において最も光強度が大きく、第２領域１ａの占有面積比が最も５０％に近い中央位置において最も光強度が小さい一次元方向に勾配を有する（Ｘ方向に勾配を有する）Ｖ字型の光強度勾配分布が得られる。ここでＶ字とは完全なＶ字のみを意味するものではなく、例えば図６Ｂに示すようにほぼＶ字型に近い谷型形状、一部にＵ字部分を有する谷型形状をも含む概念である。またＶ字型形状は１つに限定されず、一部に当該Ｖ字型を含んでいればよい。例えば図６Ａに示す第１位相変調素子１は１つである必要はなく複数並設され、それに対応しＶ字型が複数並んだ形状の光強度分布でも良い。第１位相変調素子１は、例えば石英ガラス基板に所要の位相段差に対応する厚さ分布を形成することにより製造することができる。石英ガラス基板の厚さの変化は、選択エッチングやＦＩＢ（Focused Ion Beam）加工により形成することができる。

図８Ａおよび図８Ｂは、第１実施形態における第２位相変調素子の構成を概略的に示す図である。図８Ａを参照すると、第２位相変調素子２のパターンは、図中鉛直方向に延びる複数（４つのみを図示）の帯状領域を有し、互いに隣接する帯状領域は互いに異なる位相値を有する。具体的には、第２位相変調素子２は、位相差が９０度のライン・アンド・スペース・パターンを有する位相シフターであって、０度の位相値を有する矩形状の第１帯状領域２ａと９０度の位相値を有する矩形状の第２帯状領域２ｂとが交互に形成されたパターンを有する。図８Ａのハッチングは第２帯状領域２ｂの部分が明確となるために付すものである。

この場合、図８Ｂに示すように、第１帯状領域２ａと第２帯状領域２ｂとの境界線である位相シフト線において光強度が最も小さく周辺に向かって（ピッチ方向であるＹ方向に沿って両側に）急激に光強度が増大する逆ピーク状の光強度最小分布が得られる。第２位相変調素子２も第１位相変調素子１と同様に、例えば石英ガラス基板に所要の位相段差に対応する厚さ分布を形成することにより製造することができる。石英ガラス基板の厚さの変化は、選択エッチングやＦＩＢにより形成することができる。

第１実施形態では、第１位相変調素子１において第１領域１ｂと第２領域１ａとの占有面積率が変化する方向（図６Ａにおいて破線１ｄで示す方向）と、第２位相変調素子２における位相シフト線の方向（図８Ａにおいて実線２ｃで示す方向）とを一致させている。換言すれば、第２位相変調素子２のパターンは、第１位相変調素子１を介して形成される光強度勾配分布における光強度の勾配方向（Ｘ方向）に沿って延びる複数の帯状領域を有する。

その結果、第１実施形態として、図９Ａに、第１位相変調素子１を介して形成されるＶ字型の光強度勾配分布１ｅの斜視図を示し、図９Ｂには第２位相変調素子２を介して形成される逆ピーク状の光強度最小分布２ｄとの斜視図を示す。図９Ａ、図９Ｂおよび図１０のハッチングは第１領域１ｂおよび第２帯状領域２ｂの部分が明確となるために付すものである。図９Ｂに示す第２位相変調素子２は、光最小強度最小分布の逆ピークを３つ含むように第１帯状領域２ａと第２帯状領域２ｂが構成されているものとした。従って図８Ａに示す逆ピークを５つ形成する第２位相変調素子２と比較し、図９Ｂ及び図１０の第２位相変調素子２は両端の第１帯状領域２ａと第２帯状領域２ｂの幅が半分のものとなっている。

図１０には、第１位相変調素子１を介して形成されるＶ字型の光強度勾配分布１ｅと、第２位相変調素子２を介して形成される逆ピーク状の光強度最小分布２ｄとの合成光強度分布を示す。

さらに理解しやすいように、図１１には、第２位相変調素子２を介して形成される光強度最小分布の逆ピークが１つだけ含む場合の、合成光強度分布の斜視図であり、透過図を示す。すなわちＶ字型パターン＋１つの逆ピーク状パターンの合成光強度分布５ａが被処理基板５の表面上に形成される。Ｖ字型パターン＋１つの逆ピーク状パターンの光強度分布５ａでは、結晶核の形成位置すなわち結晶成長の開始点を、逆ピーク状の光強度最小分布２ｄにおいて光強度の最も小さい位置へ極力近づけることができ、Ｖ字型の光強度勾配分布１ｅにおける光強度の勾配方向（Ｘ方向）に沿って結晶核からの十分なラテラル方向の結晶成長を実現して、大粒径の結晶化半導体膜を生成することができる。

また、第１実施形態では、近接法の場合とは異なり、第２位相変調素子２と被処理基板５との間に結像光学系４が介在し且つ被処理基板５と結像光学系４との間隔も比較的大きく確保されているので、第１位相変調素子１および第２位相変調素子２や結像光学系４に被処理基板５からのアブレーションによる生成物が付着することなく良好な結晶化を実現することができる。また、第１実施形態では、近接法の場合とは異なり、被処理基板５と結像光学系４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５上の別の処理領域へステップ移動する際にも被処理基板５と結像光学系４とを引き離す必要がなく、高スループットな処理を実現することができる。

また、第１実施形態では、近接法の場合とは異なり、被処理基板５と結像光学系４との間隔が比較的大きく確保されているので、そ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５と結像光学系４との位置関係を調整することが容易である。以上のように、第１実施形態の結晶化装置および結晶化方法では、半導体膜におけるアブレーションの影響を回避しつつ、結晶核からの十分なラテラル方向の結晶成長を実現して、大粒径の結晶化半導体膜を生成することができる。

図１２Ａおよび図１２Ｂは、第１実施形態の第１変形例にかかる第１位相変調素子の全体構成を概略的に示す図である。図１２Ａのハッチングは第１領域１１ｂの部分が明確となるために付すものである。第１変形例にかかる第１位相変調素子１１は、第１実施形態の第１位相変調素子１と類似の構成を有する。しかしながら、第１実施形態の第１位相変調素子１では、９０度の位相値を有する第１領域１ｂがすべて孤立領域の形態を有し全体に亘って離散的に配置されているが、第１変形例にかかる第１位相変調素子１１では９０度の位相値を有する第１領域１１ｂが直線状領域と孤立領域との混合形態を有する点が相違している。

具体的には、第１変形例にかかる第１位相変調素子１１のパターンは、図１２Ａに示すように、Ｖ字型の光強度勾配分布の底に対応する部分では底に平行な方向（Ｙ方向）に沿って延びる３本の直線状領域１１ｂｓを有し、その他の部分すなわちＶ字型の光強度勾配分布の底からＸ方向に沿って離れた部分では多数の孤立領域１１ｂｉを有する。ここで、直線状領域１１ｂｓの幅（Ｘ方向寸法）は、第１領域１１ｂと第２領域１１ａとの占有面積率が第１実施形態の第１位相変調素子１における第１領域１ｂと第２領域１ａとの占有面積率に対応するように設定されている。

こうして、第１変形例にかかる第１位相変調素子１１を用いることにより、第１実施形態の第１位相変調素子１の場合と同様に、図１２Ｂに示すような一次元に勾配を有する（図１２ＢではＸ方向に勾配を有する）Ｖ字型の光強度勾配分布が得られる。そして、第１位相変調素子１１において第１領域１１ｂと第２領域１１ａとの占有面積率が変化する方向（図１２Ａにおいて破線１１ｃで示す方向）と、第２位相変調素子２における位相シフト線の方向（図８Ａにおいて実線２ｃで示す方向）とを一致させることにより、図１０および図１１に示すようなＶ字型パターン＋逆ピーク状パターンの光強度分布５ａが被処理基板５の表面上に形成される。

第１実施形態の第１位相変調素子１では、Ｖ字型の光強度勾配分布の底に対応する部分にＹ方向に沿って離散的に配置された孤立領域１ｂを有するため、Ｖ字型の光強度勾配分布の底に沿って完全に均一な光学特性を得ることができない。孤立領域の分割数を増すことにより均一に近づけることはできるが、完全に均一にすることは不可能である。その結果、第１実施形態の第１位相変調素子１では、第１領域１ｂと第２領域１ａとの占有面積率が変化する方向（図６Ａにおいて破線１ｄで示す方向）と、第２位相変調素子２における位相シフト線の方向（図８Ａにおいて実線２ｃで示す方向）とがＹ方向に位置ずれしたときに得られる合成光強度分布の光学特性がばらつき易い。

これに対し、第１変形例にかかる第１位相変調素子１１では、Ｖ字型の光強度勾配分布の底に対応する部分にＹ方向に沿って延びる直線状領域１１ｂｓが設けられているため、Ｖ字型の光強度勾配分布の底に沿って完全に均一な光学特性を得ることができる。その結果、第１変形例にかかる第１位相変調素子１１では、第１領域１１ｂと第２領域１１ａとの占有面積率が変化する方向（図１２Ａにおいて破線１１ｃで示す方向）と、第２位相変調素子２における位相シフト線の方向（図８Ａにおいて実線２ｃで示す方向）とがＹ方向に位置ずれしても、得られる合成光強度分布の光学特性が変動し難いという利点がある。

図１３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。図１４Ａは、第２実施形態における第３位相変調素子の全体構成を概略的に示す図である。図１４Ａのハッチングは第１領域７ｂ、７ｂ’の部分が明確となるために付すものである。図１４Ｂは、図１４Ａの断面を示す図である。矢印は入射光の照射を意味する。第２実施形態にかかる結晶化装置は、第１実施形態にかかる結晶化装置と類似の構成を有する。しかしながら、第１実施形態では第１位相変調素子１と第２位相変調素子２とを備えているのに対し、第２実施形態では第１位相変調素子１および第２位相変調素子２に代えて１枚の第３位相変調素子７で構成している点が相違している。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。

第２実施形態では、図１３に示すように、第１実施形態の第１位相変調素子１および第２位相変調素子２に代えて、光強度勾配分布を形成するパターンと逆ピーク状の光強度最小分布を形成するパターンとの合成パターンを有する１つの第３位相変調素子７が設けられている。ここで、第３位相変調素子７のパターン面は、結像光学系４に対向するように設定されている。また、第３位相変調素子７の合成パターンの位相変調量は、第１実施形態の第１位相変調素子１において光強度勾配分布を形成するパターンの位相変調量と、第１実施形態の第２位相変調素子２において逆ピーク状の光強度最小分布を形成するパターンの位相変調量との和に対応している。

具体的には、第３位相変調素子７は、図１４Ａに示すように、Ｘ方向に沿った境界線７ｃにより、下側領域と上側領域とに分割されている。下側領域では、第１実施形態の第１位相変調素子１のパターンにおける第１領域１ｂおよび第２領域１ａに対応するように第１領域７ｂおよび第２領域７ａが設けられている。そして、第１領域７ｂおよび第２領域７ａの位相値は、第１領域１ｂおよび第２領域１ａの位相値に第１実施形態の第２位相変調素子２の第１領域２ａの位相値である０度をそれぞれ付加した値になっている。すなわち、第１領域７ｂの位相値は第１領域１ｂの位相値に対応して９０度であり、第２領域７ａの位相値は第２領域１ａの位相値に対応して０度である。ここで位相角は位相の遅れる方を、正とする。

一方、上側領域では、第１実施形態の第１位相変調素子１のパターンにおける第１領域１ｂおよび第２領域１ａに対応するように第１領域７ｂ’および第２領域７ａ’が設けられている。そして、第１領域７ｂ’および第２領域７ａ’の位相値は、第１領域１ｂおよび第２領域１ａの位相値に第１実施形態の第２位相変調素子２の第２領域２ｂの位相値である９０度をそれぞれ付加した値になっている。すなわち、第１領域７ｂ’の位相値は第１領域１ｂの位相値よりも９０度大きい１８０度であり、第２領域７ａ’の位相値は第２領域１ａの位相値よりも９０度大きい９０度である。上側領域、下側領域を横断する断面図を図１４Ｂに示す。７ａ（０度）、７ｂ（９０度）、境界線７ｃ、７ａ’（９０度）、７ｂ’（１８０度）のそれぞれの位置関係が明確に理解できる。

上述したように、第２実施形態にかかる第３位相変調素子７の合成パターンの位相変調量は、第１実施形態の第１位相変調素子１において光強度勾配分布を形成するパターンの位相変調量と、第１実施形態の第２位相変調素子２において逆ピーク状の光強度最小分布を形成するパターンの位相変調量との和に対応している。したがって、第２実施形態においても第１実施形態と同様に、第３位相変調素子７の作用により、図１０および図１１に示すようなＶ字型パターン＋逆ピーク状パターンの光強度分布５ａを被処理基板５の表面上に形成することができる。しかも、第２実施形態では、第１実施形態とは異なり、２つの位相変調素子の位置合わせを行う必要がないという利点がある。

図１５は、第２実施形態の第１変形例にかかる第３位相変調素子の全体構成を概略的に示す図である。図１５のハッチングは第１領域１７ｂ、１７ｂ’の部分が明確となるために付すものである。図１５に示す第１変形例にかかる第３位相変調素子１７の合成パターンの位相変調量は、第１実施形態の第１変形例にかかる第１位相変調素子１１において光強度勾配分布を形成するパターンの位相変調量と、第１実施形態の第２位相変調素子２において逆ピーク状の光強度最小分布を形成するパターンの位相変調量との和に対応している。

具体的には、第３位相変調素子１７は、図１５に示すように、Ｘ方向に沿った境界線１７ｃにより、下側領域と上側領域とに分割されている。下側領域では、第１実施形態の第１変形例にかかる第１位相変調素子１１（図１２Ａ）のパターンにおける第１領域１１ｂ（１１ｂｓ，１１ｂｉ）および第２領域１１ａに対応するように第１領域１７ｂ（１７ｂｓ，１７ｂｉ）および第２領域１７ａが設けられている。そして、第１領域１７ｂおよび第２領域１７ａの位相値は、第１領域１１ｂおよび第２領域１１ａの位相値に第１実施形態の第２位相変調素子２の第１領域２ａの位相値である０度をそれぞれ付加した値になっている。すなわち、第１領域１７ｂの位相値は第１領域１１ｂの位相値に対応して９０度であり、第２領域１７ａの位相値は第２領域１１ａの位相値に対応して０度である。

一方、上側領域では、第１実施形態の第１変形例にかかる第１位相変調素子１１のパターンにおける第１領域１１ｂ（１１ｂｓ，１１ｂｉ）および第２領域１１ａに対応するように第１領域１７ｂ’（１７ｂｓ’，１７ｂｉ’）および第２領域１７ａ’が設けられている。そして、第１領域１７ｂ’および第２領域１７ａ’の位相値は、第１領域１１ｂおよび第２領域１１ａの位相値に第１実施形態の第２位相変調素子２の第２領域２ｂの位相値である９０度をそれぞれ付加した値になっている。すなわち、第１領域１７ｂ’の位相値は第１領域１１ｂの位相値よりも９０度大きい１８０度であり、第２領域１７ａ’の位相値は第２領域１１ａの位相値よりも９０度大きい９０度である。

上述したように、第１変形例にかかる第３位相変調素子１７の合成パターンの位相変調量は、第１実施形態の第１変形例にかかる第１位相変調素子１１において光強度勾配分布を形成するパターンの位相変調量と、第１実施形態の第２位相変調素子２において逆ピーク状の光強度最小分布を形成するパターンの位相変調量との和に対応している。したがって、この場合も第２実施形態と同様に、Ｖ字型パターン＋逆ピーク状パターンの光強度分布５ａを被処理基板５の表面上に形成することができるとともに、第１実施形態とは異なり２つの位相変調素子の位置合わせを行う必要がないという利点がある。

図１６Ａないし図１６Ｄは、第１実施形態の第２位相変調素子を介して被処理基板上に形成される逆ピーク状の光強度最小分布がデフォーカスにより受ける影響を模式的に示す図である。図１６Ａのハッチングは第２帯状領域２ｂの部分が明確となるために付すものである。図１６Ａに示すような第２位相変調素子２のパターン面と被処理基板５の表面とが結像光学系４を介して光学的に共役に設定されているとき、すなわち第２位相変調素子２のパターン面に対して被処理基板５の表面がフォーカス位置に設定されているとき、被処理基板５の表面には第２位相変調素子２を介して図１６Ｃに示すような逆ピーク状の光強度最小分布が形成される。

この場合、第２位相変調素子２の第１帯状領域２ａおよび第２帯状領域２ｂが等ピッチであれば、逆ピーク状の光強度最小分布において光強度の最も小さいピーク点はＹ方向に沿って等間隔に現われる。しかしながら、第２位相変調素子２のパターン面に対して被処理基板５の表面がフォーカス位置から外れたデフォーカス位置に設定されていると、図１６Ｂおよび図１６Ｄに示すように、ピーク点が交互に反対方向にシフトすることになり、ピーク点の間隔は不均等になって１ピッチ毎の対称性が崩れる。

その結果、生成される結晶粒の中心位置の間隔が不均等になり、ひいては互いに異なる２種類の形状の結晶粒がＹ方向に沿って交互に並ぶことになるので不都合である。ちなみに、被処理基板５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し、その周期は数ｃｍ程度である。一方、結晶粒の寸法は数μｍであり、板厚偏差の周期よりもはるかに小さい。したがって、隣接する結晶粒の範囲で見ると、デフォーカス量はほぼ均一と考えることができる。

図１７Ａないし図１７Ｄは、第１実施形態の第１変形例にかかる第２位相変調素子を介して被処理基板上に形成される逆ピーク状の光強度最小分布がデフォーカスにより受ける影響を模式的に示す図である。図１７Ａのハッチングは位相が異なる部分が明確となるために付すものである。図１７Ａを参照すると、第１変形例にかかる第２位相変調素子１２は、０度の位相値を有する矩形状の第１帯状領域１２ａと、９０度の位相値を有する矩形状の第２帯状領域１２ｂと、１８０度の位相値を有する矩形状の第３帯状領域１２ｃと、２７０度の位相値を有する矩形状の第４帯状領域１２ｄとが一方向（Ｙ方向）に沿って繰り返し形成されたパターンを有する。

第１変形例では、第２位相変調素子１２のパターン面に対して被処理基板５の表面がフォーカス位置に設定されているとき、被処理基板５の表面には第２位相変調素子１２を介して図１７Ｃに示すような逆ピーク状の光強度最小分布が形成される。この場合、第２位相変調素子２の第１帯状領域１２ａ、第２帯状領域１２ｂ、第３帯状領域１２ｃおよび第４帯状領域１２ｄが等ピッチであれば、逆ピーク状の光強度最小分布において光強度の最も小さいピーク点はＹ方向に沿って等間隔に現われる。

これに対して、第２位相変調素子１２のパターン面に対して被処理基板５の表面がフォーカス位置から外れたデフォーカス位置に設定されていると、図１７ＢおよびＤに示すように、ピーク点が同じ方向に同じ量だけシフトすることになる。しかしながら、逆ピーク状の光強度最小分布におけるピーク点は等間隔状態が維持される。その結果、生成される結晶粒の中心位置の間隔が均等になり（１ピッチ毎の対称性が維持され）、ひいては同じ形状の結晶粒がＹ方向に沿って並ぶことになり、結晶粒上に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作成する場合に有利である。

なお、図１７Ａの変形例では、第２位相変調素子１２が互いに位相値の異なる４種類の帯状領域１２ａ〜１２ｄを有し、互いに隣接する２つの帯状領域の位相値の差が＋Ｙ方向に向かって＋９０度であるような構成を採用している。しかしながら、これに限定されることなく、互いに位相値の異なる３種類以上の帯状領域を有し、互いに隣接する２つの帯状領域の位相値の差は一方向に向かって符号を含めてほぼ等しい値を有するような構成も可能である。

ところで、上述の第２実施形態では、第１実施形態にかかる第１位相変調素子１のパターンと、第１実施形態にかかる第２位相変調素子２のパターンとの合成パターンを有する第３位相変調素子７、および第１実施形態の第１変形例にかかる第１位相変調素子１１のパターンと、第１実施形態にかかる第２位相変調素子２のパターンとの合成パターンを有する第３位相変調素子１７を用いている。しかしながら、第１位相変調素子１のパターンまたは第１位相変調素子１１のパターンと、図１７Ａの変形例にかかる第２位相変調素子１２のパターンとの合成パターンを有する第３位相変調素子を用いることもできる。

図１８Ａないし図１８Ｄは、第１実施形態の第１変形例にかかる第２位相変調素子を介して被処理基板上に形成される逆ピーク状の光強度最小分布に対して結像光学系の瞳関数が与える影響を模式的に示す図である。図１８Ａには、結像光学系４の瞳関数が図示されている。結像光学系４の瞳関数が図１８Ａにおいて破線１００で示すように中央から周辺にかけて一定である場合、図１７Ｂおよび図１７Ｄに示すように、デフォーカス状態において得られる逆ピーク状の光強度最小分布には破線円８ａで示すような不要ピークが発生し、非対称な光強度最小分布になってしまう。また、この種の比較的大きな不要ピーク８ａは、アブレーションの原因にもなる。

これに対し、結像光学系４の瞳関数が図１８Ａにおいて実線１０１で示すように中央よりも周辺において小さい形態を有する場合、たとえば周辺が６０％で中央が１００％のガウス分布の瞳関数を有する場合、図１８Ｂおよび図１８Ｄに示すように、デフォーカス状態において得られる逆ピーク状の光強度最小分布には破線円８ｂで示すような小さな不要ピークしか発生しなくなり、デフォーカス状態における光強度最小分布の対称性の崩れもかなり緩和されるので好ましい。なお、実線１０１で示すようなガウス分布の瞳関数は、図２の照明系３において第２フライアイレンズ３ｅの射出面の近傍に所定の透過率分布を有する透過フィルターを挿入することにより実現される。

図１９Ａは、第１実施形態の第２変形例にかかる第２位相変調素子の全体構成を概略的に示す図である。図１９Ａのハッチングは位相が異なる部分が明確となるために付すものである。図１９Ｂは、図１９Ａに示す第１実施形態の第２変形例にかかる第２位相変調素子に対応した第１実施形態における第１位相変調素子の全体構成を概略的に示す図である。図１９Ｂのハッチングは第１領域１ｂの部分が明確となるために付すものである。図１９Ａを参照すると、第２変形例にかかる第２位相変調素子２２は、互いに位相値の異なる４種類の矩形状領域２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄが所定の点領域２２ｅにおいて互いに隣接する形態を有する。具体的には、第２位相変調素子２２は、例えば位相値が０度の第１矩形状領域２２ａと、位相値が９０度の第２矩形状領域２２ｂと、位相値が１８０度の第３矩形状領域２２ｃと、位相値が２７０度の第４矩形状領域２２ｄとを有する。

そして、点領域２２ｅにおいて十字状に交差する４つの直線は、第１矩形状領域２２ａと第２矩形状領域２２ｂとの間の境界線、第２矩形状領域２２ｂと第３矩形状領域２２ｃとの間の境界線、第３矩形状領域２２ｃと第４矩形状領域２２ｄとの間の境界線、および第４矩形状領域２２ｄと第１矩形状領域２２ａとの間の境界線に対応するように構成されている。この場合、点領域２２ｅがシフト部を構成することになり、図２０に示すように、点領域２２ｅにおいて光強度が最も小さく周辺のすべての方向に向かって急激に光強度が増大する点逆ピーク状の光強度最小分布２２ｆが得られる。

したがって、第２変形例にかかる第２位相変調素子２２を第１位相変調素子１と併用する場合、図２０に示すように、第１位相変調素子１を介して形成される一次元に勾配を有するＶ字型の光強度勾配分布１ｅと、第２位相変調素子２２を介して形成される点逆ピーク状の光強度最小分布２２ｆとの合成光強度分布、すなわちＶ字型パターン＋点逆ピーク状パターンの光強度分布５ｂが被処理基板５の表面上に形成される。ここで、第１実施形態において得られる図１０及び図１１の合成光強度分布５ａを参照すると、一次元に勾配を有するＶ字型の光強度勾配分布１ｅにおいて光強度の比較的高い部分に対して逆ピーク状の光強度最小分布２ｄが影響を及ぼしており、必ずしも理想的な光強度分布が得られていないことがわかる。

これに対して、第２変形例にかかる第２位相変調素子２２を第１位相変調素子１と併用して得られる図２０の合成光強度分布５ｂを参照すると、点逆ピーク状の光強度最小分布２２ｆが一次元に勾配を有するＶ字型の光強度勾配分布１ｅの底部分にだけ所望の形態にしたがって影響を及ぼしており、理想的な光強度分布が得られていることがわかる。この場合、結晶核の形成位置すなわち結晶成長の開始点を点逆ピーク状の光強度最小分布２２ｆの位置に規定することができ、一次元に勾配を有するＶ字型の光強度勾配分布１ｅにおける光強度の勾配方向（Ｘ方向）に沿って結晶核からの十分なラテラル方向の結晶成長を実現して、大粒径の結晶化半導体膜を生成することができる。

なお、図１９Ａの変形例にかかる第２位相変調素子２２では、互いに位相値の異なる４種類の矩形状領域２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄが所定の点領域２２ｅにおいて互いに隣接する形態を有する構成を採用している。しかしながら、これに限定されることなく、互いに位相値の異なる３種類以上の領域が所定の点において互いに隣接する形態を有するような構成も可能である。

なお、上述の各実施形態において、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、被処理基板５の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２１Ａないし図２１Ｅは、各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２１Ａに示すように、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）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、各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２１Ｂ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、図２１Ｃ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２１Ｄ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２１Ｅ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２１Ａおよび図２１Ｂ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、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。

上記実施例において、第１の位相変調素子１の光入射側に位相変調素子２を設けてもよい。また、第１及び第２の位相変調素子は、一体に設けてもよい。

このように構成した結晶化装置は、位相変調素子１，２と被処理基板５との間に、結像光学系４が設けられているので、次のような特徴を有する。各結晶化工程時に位相変調素子１，２と被処理基板５の間の距離を常に一定に高速で会わせることが出来る。結晶化工程のタクトタイムが速くなる。位相変調素子１，２と被処理基板５の間に結像光学系４が設けられているので、被処理基板５から結晶化過程において、アブレーション現象が生じても、位相変調素子に付着することがない。

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１の照明系の内部構成を概略的に示す図である。 第１位相変調素子の基本原理を説明する図である。 点像分布範囲内での位相の変化と光強度との典型的な関係を示す図である。 結像光学系における瞳関数と点像分布関数との関係を示す図である。 第１実施形態における第１位相変調素子の全体構成を概略的に示す図である。 図６Ａの第１位相変調素子における基本パターンの構成を概略的に示す図である。 第１実施形態における第２位相変調素子の構成を概略的に示す図である。 （Ａ）は第１位相変調素子を介して形成されるＶ字型の光強度勾配分布の形態を概略的に示す斜視図であり、（Ｂ）は第２位相変調素子を介して形成される逆ピーク状の光強度最小分布の形態を概略的に示す斜視図である。 第１位相変調素子を介して形成されるＶ字型の光強度勾配分布と第２位相変調素子を介して形成される逆ピーク状の光強度最小分布との合成光強度分布の形態を概略的に示す斜視図である。 第１位相変調素子を介して形成されるＶ字型の光強度勾配分布と第２位相変調素子を介して形成される逆ピーク状の光強度最小分布との合成光強度分布の形態を概略的に示す斜視図である。 第１実施形態の第１変形例にかかる第１位相変調素子の全体構成を概略的に示す図である。 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。 （Ａ）は第２実施形態における第３位相変調素子の全体構成を概略的に示す図であり、（Ｂ）は第２実施形態における第３位相変調素子の断面図を概略的に示す図である。 第２実施形態の第１変形例にかかる第３位相変調素子の全体構成を概略的に示す図である。 第１実施形態の第２位相変調素子を介して被処理基板上に形成される逆ピーク状の光強度最小分布がデフォーカスにより受ける影響を模式的に示す図である。 第１実施形態の第１変形例にかかる第２位相変調素子を介して被処理基板上に形成される逆ピーク状の光強度最小分布がデフォーカスにより受ける影響を模式的に示す図である。 第１実施形態の第１変形例にかかる第２位相変調素子を介して被処理基板上に形成される逆ピーク状の光強度最小分布に対して結像光学系の瞳関数が与える影響を模式的に示す図である。 （Ａ）は第１実施形態の第２変形例にかかる第２位相変調素子の全体構成を概略的に示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す第１実施形態の第２変形例にかかる第２位相変調素子に対応した第１実施形態における第１位相変調素子の全体構成を概略的に示す図である。 第１位相変調素子を介して形成されるＶ字型の光強度勾配分布と第２変形例にかかる第２位相変調素子を介して形成される逆ピーク状の光強度最小分布との合成光強度分布の形態を概略的に示す斜視図である。 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

１，１１ 第１位相変調素子
２，１２，２２ 第２位相変調素子
３ 照明系
３ａ ＫｒＦエキシマレーザ光源
３ｂ ビームエキスパンダ
３ｃ，３ｅ フライアイレンズ
３ｄ，３ｆ コンデンサー光学系
４ 結像光学系
４ｃ 開口絞り
５ 被処理基板
６ 基板ステージ
７，１７ 第３位相変調素子

Claims (16)

1. レーザ光源と、
   このレーザ光源からのレーザ光の入射位置に設けられたＶ字型パターンの光強度勾配分布を形成する第１位相変調素子と逆ピーク状パターンの光強度最小分布を形成する第２位相変調素子とを有する光変調光学系と、
   この光変調光学系と多結晶半導体膜または非晶質半導体膜を有する基板との間に設けられた結像光学系とを備え、
   前記光強度勾配分布と前記光強度最小分布が形成された入射光を前記結像光学系を介し前記多結晶半導体膜または前記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。
2. 前記第１位相変調素子は、前記光強度勾配分布を形成する第１パターンを有し、前記第２位相変調素子は、前記光強度最小分布を形成する第２パターンを有し、それぞれのパターンが対面している請求項１に記載の結晶化装置。
3. レーザ光源と、
   このレーザ光源からのレーザ光の入射位置に設けられたＶ字型パターンの光強度勾配分布を形成する第１パターンと逆ピーク状パターンの光強度最小分布を形成する第２パターンとが合成された合成パターンを有する位相変調素子と、
   前記位相変調素子と多結晶半導体膜または非晶質半導体膜を有する基板との間に設けられた結像光学系とを備え、
   前記合成パターンにより前記光強度勾配分布と前記光強度最小分布が形成された入射光を前記結像光学系を介し前記多結晶半導体膜または前記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。
4. 前記光強度勾配分布を形成する第１パターンは、最小寸法が前記結像光学系の点像分布範囲の半径よりも光学的に小さく且つ第１の位相値を有する第１領域と、第２の位相値を有する第２領域とを有し、前記第１領域と前記第２領域との占有面積率が位置によって変化する位相分布を有する請求項３に記載の結晶化装置。
5. 前記光強度勾配分布は、少なくとも一部にＶ字型の光強度分布を有するものであり、前記光強度勾配分布を形成する第１パターンは、前記Ｖ字型の光強度分布の底に対応する部分では前記底に平行な方向に沿って延びる直線状領域を有し、前記Ｖ字型の光強度分布の底に対応する部分から離れた部分では孤立領域を有する請求項４に記載の結晶化装置。
6. 前記逆ピーク状パターンの光強度最小分布を形成する第２パターンは、前記光強度勾配分布における光強度の勾配方向に沿って延びる複数の帯状領域を有し、互いに隣接する帯状領域は互いに異なる位相値を有する請求項３に記載の結晶化装置。
7. 前記複数の帯状領域は、互いに位相値の異なる３種類以上の帯状領域を有し、互いに隣接する２つの帯状領域の位相値の差は一方向に向かって符号を含めて等しい値を有する請求項６に記載の結晶化装置。
8. 前記逆ピーク状パターンの光強度最小分布を形成する第２パターンは、互いに位相値の異なる３種類以上の領域を有し、これら領域は所定の点において互いに隣接する形態を有する請求項３に記載の結晶化装置。
9. 前記結像光学系は、中央よりも周辺において小さい瞳関数を有する請求項１乃至８のいずれか１項に記載の結晶化装置。
10. 入射レーザ光により、Ｖ字型パターンの光強度勾配分布を形成する第１位相変調素子と逆ピーク状パターンの光強度最小分布を形成する第２位相変調素子とを有する光変調光学系を照明し、
    前記光変調光学系と多結晶半導体膜または非晶質半導体膜を有する基板との間に設けられた結像光学系を介して、前記Ｖ字型パターンの光強度勾配分布と前記逆ピーク状パターンの光強度最小分布との合成光強度分布を前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜に照射してラテラル方向に結晶成長させた結晶化半導体膜を生成する結晶化方法。
11. 入射レーザ光により、Ｖ字型パターンの光強度勾配分布を形成する第１パターンと、逆ピーク状パターンの光強度最小分布を形成する第２パターンとの合成パターンを有する光変調光学系を照明し、
    前記光変調光学系と多結晶半導体膜または非晶質半導体膜を有する基板との間に設けられた結像光学系を介して、前記Ｖ字型パターンの光強度勾配分布と前記逆ピーク状パターンの光強度最小分布との合成光強度分布を前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜に照射してラテラル方向に結晶成長させた結晶化半導体膜を生成する結晶化方法。
12. 前記逆ピーク状パターンの光強度最小分布の光強度の最も小さい位置を、前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜の予め定められた位置に近づけて、前記光変調光学系の透過光を前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜に照射することにより前記光強度の最も小さい位置に結晶成長の開始点を形成し、結晶成長の開始点から前記Ｖ字型パターンの光強度勾配分布における光強度の勾配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請求項１０又は１１記載の結晶化方法。
13. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の結晶化装置または請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の結晶化方法を用いて製造されるデバイス。
14. 入射光に、逆ピーク状の光強度最小分布を形成するパターンを有する位相変調素子であって、
    前記パターンは、互いに位相値の異なる３種類以上の帯状領域を有し、互いに隣接する２つの帯状領域の位相値の差は一方向に向かって符号を含めて等しい値を有する位相変調素子。
15. 入射光に、Ｖ字型の光強度分布を形成するパターンを有する位相変調素子であって、
    前記位相変調素子とともに用いられる結像光学系の点像分布範囲の半径よりも最小寸法が小さく且つ第１の位相値を有する第１領域と第２の位相値を有する第２領域とを有し、前記第１領域と前記第２領域との占有面積率が位置によって変化する位相分布を有し、
    前記パターンは、前記Ｖ字型の光強度分布の底に対応する部分では前記底に平行な方向に沿って延びる直線状領域を有し、前記Ｖ字型の光強度分布の底に対応する部分から離れた部分では孤立領域を有する位相変調素子。
16. レーザ光源と、
    このレーザ光源からのレーザ光の入射位置に設けられたＶ字型パターンの光強度勾配分布を形成する第１位相変調素子と逆ピーク状の光強度最小分布を形成する第２位相変調素子とを有する光学素子と、
    前記光学素子と多結晶半導体膜または非晶質半導体膜を有する基板との間に設けられ、中央よりも周辺において小さい瞳関数を有する結像光学系とを備え、
    前記結像光学系により前記多結晶半導体膜または前記非晶質半導体膜に前記Ｖ字型パターンの光強度勾配分布および前記逆ピーク状の光強度最小分布の合成されたレーザ光が結像されて結晶化半導体膜を生成する結晶化装置。

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