JP5095135B2 - 結晶化装置および結晶化方法 - Google Patents

Description

本発明は、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜のような非単結晶半導体膜に所定の光強度分布を有するパルスレーザー光を照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置および結晶化方法に関する。

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利点もある。

多結晶シリコンは、結晶粒の集合からなるため、例えばＴＦＴトランジスタをこの多結晶シリコンに形成した場合、チャネル領域内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、多結晶シリコンを用いて形成された多数の薄膜トランジスタは、チャネル領域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液晶表示装置であれば表示ムラの問題となる。そこで、電子または正孔の移動度を向上させ且つチャネル部における結晶粒界数のバラツキを少なくするために、少なくとも１個のチャネル領域を形成できる大きさの大粒径結晶粒の結晶化シリコンを生成する結晶化方法として位相制御ＥＬＡ（Excimer Laser Annealing）法が非特許文献１などにおいて提案されている。

位相制御ＥＬＡ法では多結晶半導体膜または非単結晶半導体膜に位相シフターを介してエキシマレーザー光を照射することにより半導体膜を結晶化するが、生成される結晶粒の大きさはレーザーのパルス幅に依存するので、結晶サイズの増大を図るためにはレーザーのパルス幅が大きければ大きいほど良い。しかし、レーザーのパルス幅は光源に１対１に対応して決まった固有の値（例えば、ＸｅＣｌ光源ではパルスの半値幅が３０ナノ秒）があり、パルス幅を自由に変えることができない。そこで、同一箇所にレーザーを２回照射するダブルショット（二重照射）法が特許文献１などに提案されている。特許文献１の方法では、２台のレーザー光源を用い、各光源から出射されるレーザーの出射タイミングを僅かにずらせて同一箇所に２つのパルスレーザー光を照射する。
表面科学Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．５，ｐｐ２７８−２８７，２０００ 特開２００５−３１７９３８号公報

しかし、特許文献１の複数台の光源を用いるダブルショット法においてはジッタが問題となり、レーザーのパルス出力がパルス出力幅に対して、再現性の悪いパルス出力となってしまう。すなわち、特許文献１の方法ではレーザーの出射タイミングのずれを高精度にコントロールしているにもかかわらず、パルス幅がナノ秒（ｎｓｅｃ）単位と非常に短いため、ジッタに起因する小さな揺らぎが相対的に大きくなり、パルス出力の再現性が著しく劣化する。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、ジッタの問題を生じることなく再現性に優れたパルス出力を得ることができ、生産効率が高い、大量生産方式に適した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。

本発明に係る結晶化装置は、逆ピークパターン状の光強度分布のパルスレーザー光をキャップ膜で覆われた非単結晶半導体膜に照射して該非単結晶半導体膜を部分的に溶融させ、その凝固過程で結晶化する結晶粒をラテラル成長させる結晶化装置であって、
単一のレーザー光を出射する単一の光源を有する照明系と、
非単結晶半導体膜を有する被処理基板を前記照明系に対して位置合せ可能に支持する基板ステージと、
前記照明系から前記基板ステージまでの間に設けられ、レーザー光の位相を変調し、所望の光強度分布を有する変調レーザー光とする位相シフタと、
前記照明系を通過したレーザー光を前記基板ステージ上の被処理基板の像面において結像させる結像光学系と、を具備し、
前記照明系は、
前記単一のレーザー光を複数の分割レーザー光に分割する光分割手段と、
前記複数の分割レーザー光が通る光路において光路長が短い分割レーザー光路と光路長が長い分割レーザー光路との光路長差を設定する光路長差設定手段と、
前記光路長が短い分割レーザー光路を通る分割レーザー光と前記光路長が長い分割レーザー光路を通る分割レーザー光とを合成する光合成手段と、
前記光路長が短い分割レーザー光路に設けられ、前記光路長が短い分割レーザー光路を通る前記分割レーザー光の光強度を調整する第１の光強度調整手段と、
前記光路長が長い分割レーザー光路に設けられ、前記複数の分割レーザー光のパルス強度比が０．１〜０．９の範囲となるように、前記第１の光強度調整手段により調整される前記分割レーザー光の光強度を基準値１００とした場合に、それより小さい１０〜９０の範囲に前記分割レーザー光の光強度を調整する第２の光強度調整手段と、
を具備することを特徴とする。

本発明に係る結晶化方法は、逆ピークパターン状の光強度分布のパルスレーザー光をキャップ膜で覆われた非単結晶半導体膜に照射して該非単結晶半導体膜を部分的に溶融させ、その凝固過程で結晶化する結晶粒をラテラル成長させる結晶化方法において、
（ａ）結晶化のための条件として結晶化装置が固有に有する各種の装置パラメータを求め、求めた装置パラメータを読み出し可能に記録部に記録・保存しておき、
（ｂ）結晶化のためのレシピを入力し、入力されたレシピに応じて前記装置パラメータを読み出し、
（ｃ）読み出した前記装置パラメータに従って、前記結晶化装置の単一の光源から単一のレーザー光を出射し、該単一のレーザー光を複数の分割レーザー光に分割し、該分割された一の分割レーザー光が通る短い光路長のレーザー光路と他の分割レーザー光が通る長い光路長のレーザー光路との間に所望の光路長差を設定し、
前記短い光路長のレーザー光路を通る分割レーザー光の光強度を調整し、前記調整された分割レーザー光の光強度を基準値１００とした場合に、それより小さい１０〜９０の範囲に前記長い光路長のレーザー光路を通る分割レーザー光の光強度を減衰させ、パルス強度比を０．１〜０．９の範囲に調整し、設定された光路長差の光路をそれぞれ通過した前記一の分割レーザー光と前記他の分割レーザー光とを合成し、１つの合成レーザー光として被処理基板に照射し、前記非単結晶半導体膜を結晶化させることを特徴とする。

本明細書中の用語を次のように定義する。

「結晶化」とは、結晶化対象膜が溶融し、この融液が凝固する過程において結晶核を起点として結晶成長することをいう。

「ラテラル成長」とは、結晶化対象膜が溶融し、その融液が凝固する過程において、結晶粒の成長が膜面に沿って横方向に進行することをいう。

「レシピ」とは、製造しようとする製品の仕様（設計）に基づいて製品ごとに設定される種々の処理条件のことをいう。

「装置パラメータ」とは、結晶化のためのレシピに応じて結晶化装置が固有に有する結晶化のための最適条件のことをいう。

「パルス幅」とは、ピーク強度の５０％でのパルスレーザー光の幅、すなわち半値幅をいう。

「パルス強度比」とは、光路長差をもたせた２つの分割光における光強度の比率をいい、具体的には先行の分割光の光強度に対する後続の分割光の光強度の比率をいう。

「光強度分布（ビームプロファイル）」とは、結晶化するために非単結晶半導体膜に入射される光の二次元の強度分布のことをいう。換言すれば、照射光（照明光）の検出面における光の強度（明るさ）分布のことをいう。

「レーザフルエンス」とは、ある位置でのレーザー光のエネルギ密度を表わす尺度であり、単位面積当たりのエネルギ量を時間積分したものをいい、具体的には光源または照射領域において計測されるレーザー光の平均強度のことをいう。「平均レーザフルエンス」とは、ある処理面積内で均一化したレーザフルエンスを指す。

「アッテネータ」とは、レーザー光の強度を減衰させる光学素子をいう。アッテネータは、被処理基板が焼き付きを生じないようにレーザー光の光強度レベルを調整する機能を有するものである。なお、レーザー光の偏光にはＳ偏光とＰ偏光がある。

「位相シフタ」とは、光の位相を変調するための空間強度変調光学素子のことをいい、フォトリソグラフィプロセスの露光工程で使用される位相シフトマスクとは区別されるものである。位相シフタは、入射レーザ光を逆ピークパターン状の光強度分布に変調する手段であり、例えば石英基材にエッチングにより段差が形成されたものである。

「ホモジナイザ」とは、入射光を複数に分割し、これらの分割光を収束させて、特定の面で光強度を均一化する光学素子のことをいう。

本発明によれば、ジッタの問題を生じることなく、パルス幅の広いレーザー光を高い再現性をもって結晶化対象膜に照射することができるので、照射装置としての信頼性が向上する。

また、本発明によれば、従来よりも幅広のパルスレーザー光を１パルスとして結晶化対象膜に照射するので、１ショット当たりの結晶化面積が増大する。このため、結晶化処理のスループットが従来に比べて高くなり、生産性の効率が大幅に向上する。

以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための種々の実施の形態について説明する。次に、本発明の実施の形態の概要を説明する。
レーザー光源３１から出射されたレーザー光Ｐは、偏光ビームスプリッタやハーフミラーなどの光分割手段により複数のセグメント光に分割され、例えば光源の光軸に沿って直進するＰ偏光成分Ｐ１とこれに直交する方向に進むＳ偏光成分Ｐ２とに分離される。分割後、例えば図１に示すように直進するＰ偏光成分Ｐ１を短いレーザ光路に通過させて先行させ、直交方向のＳ偏光成分Ｐ２を（例えば１０ｍの光路長差をもつ）長いレーザ光路に通過させて前者よりも僅かに遅れさせる。Ｐ偏光成分Ｐ１とＳ偏光成分Ｐ２とは、光強度が２等分された実施例である。Ｐ偏光成分Ｐ１とＳ偏光成分Ｐ２の光強度分布は、ピーク値を有する正弦波状の光強度分布である。このＰ偏光成分Ｐ１に対するＳ偏光成分Ｐ２の遅延時間は、Ｐ偏光成分Ｐ１光の照射領域内であって減衰する光強度分布光の位置内にＳ偏光成分Ｐ２光を照射することである。これらのＰ偏光成分とＳ偏光成分は、減衰器（アッテネータ）などのレーザー強度調整手段により、例えば図７に示すように所望のパルス強度比Ｐ１／Ｐ２に設定される。さらに、Ｐ偏光成分Ｐ１とＳ偏光成分Ｐ２は、例えば図７に示すように、偏光ビームスプリッタなどの光合成手段により合成されて幅広のパルス波形の合成光Ｐ３（ダブルパルス光）となる。この合成光Ｐ３は、１つのパルスレーザー光として、位相シフタおよび結像光学系を通過し、最終的に被処理基板上の非単結晶半導体膜に入射される。この合成光Ｐ３の受光面は、溶融し、パルスレーザー光が遮断された後の降温期間内の凝固過程において結晶化される。この場合に、合成光Ｐ３のパルス幅（半値幅）を基準光パルス幅（半値幅）の１．１〜２．５倍の範囲とすることが好ましい。合成光Ｐ３のパルス幅が１．１倍を下回ると幅広のパルス光を照射するという発明の効果が失われ、２．５倍を上回ると１パルス光としてのまとまりが低下して均一に溶融・結晶化させることができなくなるからである。

換言すれば、合成光Ｐ３の受光面とは、基板ステージ６上に載置された被処理基板５が予め定められた速度で例えばＸ軸方向に移動している状態で、まずＰ偏光成分Ｐ１光により被処理基板５を照射し、上記遅延時間後に、Ｓ偏光成分Ｐ２光により被処理基板５を照射することである。

この結果、合成光Ｐ３の受光面は、光源から出射されたレーザー光Ｐよる受光面より図７に示すように広範囲となる。この分、結晶化領域は、広くなる。図７の光強度分布は、光合成手段３４の出射光の光強度分布を示している。以上の結果、レーザー光源３１から一発のレーザ光で大きな結晶化領域を形成することができる。

照明系は、分割されたセグメント光を所望の光強度に変えるレーザー強度調整手段をさらに有することが好ましい。レーザー強度調整手段は、光分割手段により分割された一のセグメント光の光強度レベルを調整する第１の減衰器と、光分割手段により分割された他のセグメント光の光強度レベルを調整する第２の減衰器とを有することができる。これら第１及び第２の減衰器（アッテネータ）を用いて分割光を所望のパルス強度比に設定することができる。例えば、先行のセグメント光（光路長が短い分割レーザー光）のパルス強度を基準値１００とした場合に、第２の減衰器により後続のセグメント光（光路長が長い分割レーザー光）のパルス強度をそれより小さい１０〜９０の範囲に減衰させ、パルス強度比を０．１〜０．９の範囲に設定することが望ましい。結晶化対象膜がキャップ膜（例えばＳｉＯ₂膜）で覆われている場合、パルス強度比が０．９を超えると、後続セグメント光の照射エネルギにキャップ膜内の残留熱エネルギが加算され、基準レーザーを大幅に超えるエネルギレベルに達して、アブレーションにより膜破壊を生じるからである。一方、パルス強度比が０．１未満になると、エネルギ不足により結晶化対象膜が溶融しないか、または膜の一部のみが局部的に溶融して膜厚全体が溶融しない不完全溶融となるからである。

上述したように後続セグメント光のパルス強度を先行セグメント光のそれより小さくすることが望ましい。キャップ膜で覆われた結晶化対象膜にレーザー照射する場合、キャップ膜内に残留する熱エネルギ（キャップ膜保有熱エネルギ）が結晶化対象膜のほうに移動する僅かの時間差を利用するタイミングでダブルパルスの後半部を照射すると、当該キャップ膜保有熱エネルギが合成パルス光の後半部の照射エネルギを補充するように結晶化対象膜に注入されるからである（図１０（ａ）（ｂ）参照）。この場合、結晶化対象膜に適正量の熱エネルギが注入されるように、キャップ膜厚や結晶化対象膜厚などのプロセス条件を十分に考慮してパルス強度比を設定することが望ましい。ちなみに、従来のダブルショット法（同一部位に重ねて２回照射する方法）では、図１０の（ｃ）に示すように、キャップ膜の熱容量を超えて過剰な熱エネルギが注入されてしまい、アブレーションによりキャップ膜および結晶化対象膜が膜破壊されるおそれがある。

さらに、光路長差設定手段は、一のセグメント光と他のセグメント光との間の光路長差を変更する手段を有することができる。例えば図１中に＊マークで表示したレーザ光路Ｒ４，Ｒ６，Ｒ８，Ｒ１０の光路長を変更手段により変えることができる。例えば、レーザ光路を伸縮自在の蛇腹構造とし、リニアスライド機構やボールスクリュウ機構などの駆動機構を備えた光路長変更手段により蛇腹構造のレーザ光路を伸張または退縮させることができる。また、例えば図１中に破線で取り囲んだ部分（ミラーＭ３〜Ｍ６を含むレーザ光路Ｒ５〜Ｒ７）を着脱可能に取り付け、この部分を取り外して、他の長さを持つレーザ光路部材に交換することにより、レーザー光路長を所望の長さに設定変更することができる。

さらに、本発明の結晶化装置は、データベースに種々の装置パラメータをもつ制御手段を備えることができる。制御手段は、結晶粒を成長させる好適のプロセス条件に対応する装置パラメータを記憶して保有する記録装置を有し、結晶化のためのレシピに応じて装置パラメータを読み出し、読み出した装置パラメータに基づいてレーザー光源、レーザー強度調整手段、光路長差設定手段（変更手段を含む）および基板ステージのうちの少なくとも１つの動作を制御することができる。

工程（ｂ）において読み出される装置パラメータは、パルス幅、パルス強度比、光の分割数および非単結晶半導体膜の膜厚を少なくとも含むことが望ましい。これら以外の他の装置パラメータとして、キャップ膜の有無、キャップ膜の厚さ、キャップ膜の材質、光強度分布（ビームプロファイル）、照射タイミング、照射雰囲気の種類と圧力、結像光学系と被処理基板との相対位置情報、被処理基板側の照射領域の面積、被処理基板側の照射領域のＸＹ方向位置、被処理基板側の照射領域のＺ方向位置、焦点深度および被処理基板の温度などを含ませることができる。他の装置パラメータはプロセス条件に応じて適宜選択される。

光分割手段には、偏光ビームスプリッタまたはハーフミラーまたはこれらの組合せを用いることができる。構造の単純さや性能の安定性などを総合的に勘案してみると、偏光ビームスプリッタを用いることが好ましい。光の分割角度は、５°〜１７５°の範囲において任意の値に設定できるが、装置の構造が簡易であり周辺機器との取り合いのレイアウト設計が容易であることなどの理由から９０°±１°とすることが好ましい。なお、光合成手段にも、上記の光分割手段と同様に、偏光ビームスプリッタまたはハーフミラーまたはこれらの組合せを用いることができる。

次に、図１〜図５を参照して本発明の結晶化装置について説明する。結晶化装置１は、プロジェクション方式の照射装置であり、位相シフタ２、照明系３、結像光学系４および基板ステージ６を備えている。基板ステージ６の上には被処理基板５が載置され、パルスレーザー光が照明系３→位相シフタ２→結像光学系４の順に通って被処理基板５に照射されるようになっている。被処理基板５の被照射面には結晶化対象膜としての非単結晶半導体膜（例えばアモルファスシリコン膜）およびキャップ膜（例えば酸化シリコン膜）が被覆形成されている。

位相シフタ２は、照明系３と結像光学系４の間に設けられ、所定の段差を有し、段差のところでレーザー光線群にフレネル回折を起こさせ、入射光束の位相を変調するものである。これによりパルスレーザー光は、結晶化対象膜を最適に溶融・結晶化させるための所望のプロファイルを有するものとなる。

照明系３は、被処理基板５の非単結晶半導体を溶融させるためのエネルギ光を出力する光源３１としてＸｅＣｌエキシマレーザー発振器を備えている。この光源３１は、波長が３０８ｎｍ、パルス幅（半値幅）が３０ｎｓｅｃのパルスレーザー光を発振する固有の特性を有している。なお、本実施形態では、光源３１として、ＸｅＣｌエキシマレーザー発振器の例について説明するが、これ以外の他の光源としてＫｒＦエキシマレーザー発振器、ＡｒＦエキシマレーザー発振器またはＹＡＧレーザー発振器などを用いることもできる。

さらに、照明系３は、光源３１に続いて、光分割手段としてのビームスプリッタ３２、レーザー強度調整手段としての２つのアッテネータ３３，３５、光合成手段としてのビームスプリッタ３４、および位相シフタ２に対向して配置される照明光学系３７を備えている。光源３１から出射されたパルスレーザー光は、図２に示すように、ビームスプリッタ３２によりＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分割され、Ｐ偏光成分のセグメント光は光源３１の光軸に沿って直進して第１のアッテネータ３３を通って光合成手段としてのビームスプリッタ３４に入射する一方で、Ｓ偏光成分のセグメント光は光源光軸に直交する方向に進んで第２のアッテネータ３５を通って光合成手段としてのビームスプリッタ３４に入射するようになっている。

前者（Ｐ偏光成分光）と後者（Ｓ偏光成分光）ではレーザー光路の長さに差を設けている。すなわち、Ｐ偏光成分光が通るレーザ光路Ｒ１３，Ｒ１４は短く、Ｓ偏光成分光が通るレーザー光路は前者よりも長くなるようにミラーＭ１〜Ｍ１０等の光学要素を用いて設定し、両者間でビームスプリッタ３４への到達時間を変えている。例えば、本実施例では、レーザ光路Ｒ１〜Ｒ１４の距離を下記のようにそれぞれ設定し、後者のレーザー光路を前者のそれよりも約１０メートル（ｍ）長くすることにより、Ｓ偏光成分光がＰ偏光成分光よりも３０ナノ秒（nsec）遅れてビームスプリッタ３４に到着するようにした。

Ｒ４，Ｒ６，Ｒ８，Ｒ１１，（Ｒ１３＋Ｒ１４）＝０．５ｍ
Ｒ３，Ｒ９，Ｒ１０＝１．５ｍ
（Ｒ１＋Ｒ２），Ｒ５，Ｒ７，Ｒ１２＝１．０ｍ
上記のレーザ光路Ｒ１〜Ｒ１４のうち、図１中に破線で取り囲んだ部分（ミラーＭ３〜Ｍ６を含むレーザ光路Ｒ５〜Ｒ７）は本装置の照明系３に対して着脱可能に取り付けられている。この部分を取り外して、他の長さを持つレーザ光路部材を代わりに取り付けることにより、Ｓ偏光成分光のレーザー光路長を所望の長さに変更することができるようになっている。

図４に示すように、上記のレーザ光路Ｒ１〜Ｒ１４は保護筐体５０によって周囲の外部環境から保護されている。レーザー光路保護筐体５０は、金属板からなる複数の保護板５１〜５６を用いて組み立てられた直方体の箱からなり、レーザー光路Ｒ５，Ｒ７の周囲を取り囲んで外乱が入らないようにしている。このような保護筐体５０がレーザー光路Ｒ１〜Ｒ１４に沿っていくつも並べて配置されている。図示の例では、レーザー光は、前方保護板５１の上側の開口部５１ａから筐体５０内に入り、後方保護板５２の上側の開口部５２ａを通って一対のミラーＭ４，Ｍ５に反射して１８０°向きを変え、後方保護板５２の下側の開口部５２ｂから再び筐体５０内に入り、前方保護板５１の下側の開口部５１ｂを通って筐体５０から出て行くようになっている。

保護板５１，５２，５３，５４，５５，５６は例えば厚さ数ｍｍのアルミニウム板からなり、開口部５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂはレーザービーム径（２５ｍｍ）より十分に大きい３０ｍｍ径とした。また、ミラーＭ１〜Ｍ１０の直径は５０ｍｍとした。

保護筐体５０内にリレーレンズ５７およびガイドレール５８をそれぞれ設け、レーザー光路Ｒ１〜Ｒ１４に沿って進むレーザー光の強度低下（減衰）を防いでいる。リレーレンズ５７とガイドレール５８は直進移動機構としてのリニアスライダーを構成するように係合しあっている。図示しない駆動機構によりリレーレンズ５７をガイドレール５８に沿ってスライド移動させると、レーザー光の減衰の度合いが変わるようになっている。

本装置の照明系３においてはレーザー光路の各所にリレーレンズ５７を配置して、長いほうのレーザー光路Ｒ１〜Ｒ１２を通るレーザー光の光強度を調整した。例えば、図２中にレーザー光の強度を括弧付きの数値で示すように、レーザー光路が長いほうを通るレーザー光は光源側から順に２９０→１３７→１３４→１３４→１３２→１１９→１１９→１０７→１０５→９４に光強度（相対値）を調整した。ちなみにレーザー光路が短いほうでは光源側から順に２９０→１４９→１４３（相対値）に光強度を調整した。最終的にはビームスプリッタ３４において相対強度１４３の分割セグメント光と相対強度９４の分割セグメント光とを合成し、１パルスの合成光として次の照明光学系３７に送られる。

次に、図３を参照して照明光学系３７の詳細について説明する。

照明光学系３７に入射した合成光Ｐ３は、ビームエキスパンダ３ａを介して拡大された後、第１フライアイレンズ３ｂに入射する。こうして、第１フライアイレンズ３ｂ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３ｃを介して、第２フライアイレンズ３ｄ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３ｄの後側焦点面には、第１フライアイレンズ３ｂ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３ｄ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３ｅを介して、位相シフタ２を重畳的に照明する。ここで、第１フライアイレンズ３ｂおよび第１コンデンサー光学系３ｃ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３１から供給されたレーザー光について位相シフタ２上での入射角度に関する均一化が図られる。

第２フライアイレンズ３ｄおよび第２コンデンサー光学系３ｅ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ー光について位相シフタ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ー光により位相シフタ２を照明する。

次いで、位相シフタ２で位相変調されたレーザー光は、逆ピークパターン状の光強度分布の光である。逆ピークパターン状の光強度分布とは、１発のレーザ光のビーム径内において最小光強度値と最大光強度値を連続して光強度が変化する分布である。最小光強度値は、被処理基板における非単結晶半導体膜の融点以下の温度に設定される。結像光学系４を介して、被処理基板５に入射する。ここで、結像光学系４は、位相シフタ２のパターン面と被処理基板５（厳密には非単結晶半導体膜の上面）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、位相シフタ２のパターン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、前正レンズ群４ａと後正レンズ群４ｂとの間に開口絞り４ｃを備えている。開口絞り４ｃは、たとえば開口部（光透過部）の大きさの異なる複数の開口絞りからなり、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として、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用いてもよい。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の半導体層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。この結像光学系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。

最終的に、合成光Ｐ３は、被処理基板５の非晶質薄膜上に結像される。これにより、非晶質薄膜が溶融され、凝固する過程で結晶化される。被処理基板５は、たとえば液晶ディスプレイ用板ガラス基板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（半導体層）およびキャップ膜が順次形成されたものである。下地絶縁膜は、絶縁材、例えばＳｉＯ2で形成されており、非晶質シリコン膜とガラス基板が直接接触してガラス基板内のＮａなどの異物が非晶質シリコン膜に混入するのを防止すると共に、非晶質シリコン膜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。非晶質シリコン膜は、結晶化される半導体膜であり、非単結晶膜で、非晶質半導体膜や多結晶半導体などである。

非単結晶膜は、上記半導体膜に限定されることはなく、非単結晶の金属などの非単結晶材料で形成されている膜でも良い。非晶質シリコン膜上には、キャップ膜として絶縁膜例えばＳｉＯ2膜が、好ましくは、成膜されている。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、キャップ膜がなければ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る。

本発明の結晶化装置１では、基板ステージ６の上に被処理基板５と図示しないビームプロファイラ７７（図５参照）とが置換可能に並設されている。ビームプロファイラは、その光軸が結像光学系４のレーザ光軸と平行となるように位置合せされている。ビームプロファイラと結像光学系４との位置合せは、基板ステージ６とアライメント機構（図示せず）とを用いてなされる。

アッテネータ３３，３５は、誘電体の多層膜コーティングフィルタの角度を調節してレーザ光の光強度（レーザフルエンス）を光学的に変調するものであり、図示しないコンピュータにより動作制御されるセンサ、モータ、制御系を備えている。

図示しない偏光素子がアッテネータ３３，３５の直後に設けられている。偏光素子は、レーザ光５０を所定の幅となるようにシグマ値を調整する絞り機能を有する。この偏光素子によってレーザー光の偏光角（Ｓ偏光とＰ偏光）が変えられて、後続の位相シフタ２に入射するレーザー光が所望の入射幅に調整されるようになっている。

次に、図５を参照して本装置の制御系について説明する。

パルスレーザー照射装置１は制御手段および記録手段としてコンピュータ８を備えている。コンピュータ８は、入力インターフェース８ａ、システムバス８ｂ、ＣＰＵ８ｃ、メモリ（記録装置）８ｄおよび出力インターフェース８ｅを備えている。

入力インターフェース８ａにはビームプロファイラ７７、ハイトセンサ７８および入力装置７９が接続され、出力インターフェース８ｅにはレーザー光源３１、アッテネータ３３，３５、照明光学系３７、リレーレンズ５７の駆動源５９、位相シフタ２用の位置合せ機構（図示せず）、基板ステージ６および表示装置８１がそれぞれ接続されている。入力インターフェース８ａおよび出力インターフェース８ｅは、システムバス８ｂを介してＣＰＵ８ｃおよびメモリ８ｄにそれぞれ接続されている。

メモリ８ｄは、キイボード等の入力装置７９から入力される装置パラメータを記憶し、保有するための記録装置である。ＣＰＵ８ｃは、入力装置７９から入力されるレシピに応じて、またビームプロファイラ７７およびハイトセンサ７８から直接入力される各検出データに応じてメモリ８ｄから装置パラメータを随時読み出し、演算処理し、所定の指令信号を装置各部に出力インターフェース８ｅを介して送る制御手段である。

表示装置８１は、コンピュータ８から出力されてくる各種データを表示するものであり、その第１表示部にはテーブル化された装置パラメータが列記して表示され、第２表示部には被処理基板５上のレーザー照射位置を示す基板マップ図形が表示され、第３表示部には照射レーザー光のビームプロファイル波形（図７、図８、図１１参照）が表示されるようになっている。なお、表示装置８１は、パルスレーザー照射装置１に異常が発生したときに警報を発するアラーム機構を有することが望ましい。アラーム機構は、例えば表示装置８１の画面に赤ランプを点滅させるようにしてもよいし、スピーカから警報音や音声を発するようにしてもよい。

次に、上記の結晶化装置１、すなわちプロジェクション型エキシマレーザー結晶化装置（ＰＪＥＬＡ装置）を用いて実際に非晶質シリコン膜を結晶化する場合について図６を参照しながら説明する。
ＰＪＥＬＡ装置１の主スイッチをＯＮすると、自動的にコンピュータ８が装置パラメータのデータ読み出しを行い、種々の装置パラメータが一覧表となって表示装置８１の画面上に表示される（工程Ｋ１）。ここで読み出される装置パラメータは、パルス幅、パルス強度比、光の分割数および非単結晶半導体膜の膜厚を少なくとも含むものである。また、読み出される装置パラメータは、前回の結晶化に使用したパルス幅、パルス強度比、光の分割数および非単結晶半導体膜の膜厚を含むものであってもよい。基板ステージ６が被処理基板５を保持した状態で照射位置（レーザー光軸と一致）に自動的に進入する（工程Ｋ２）。このとき被処理基板５の入射面を結晶化したい位置に移動させ、光源側のレーザー光軸とアライメントした（工程Ｋ３）。読み出した装置パラメータに含まれる目標ずれ量値に基づいて、コンピュータ８がハイトセンサ７８からの検出信号を用いて基板ステージ６のＺ方向動作を制御して、基板ステージ６と被処理基板５とのずれ量を目標ずれ量値に一致させる（工程Ｋ４）。このとき使用される装置パラメータは、前回使用したときに最適であった装置パラメータであっても良いし、シミュレーションによって理想的と想定される値であってもよい。この工程Ｋ４において、被処理基板５上でのＺ方向の位置精度を±０．１μｍとした。

次に、読み出した装置パラメータに基づいてアッテネータ３３，３５が自動調整される（工程Ｋ５）。すなわち、ビームプロファイラ７７で測定した光強度と予め設定した目標の光強度とを比較してアッテネータ操作量を計算し、アッテネータ３３，３５に操作信号を出力して測定した強度が目標の強度になるようにフィードバックしながらアッテネータ３３，３５の角度を高精度に調整する。例えば、厚さ０．５μｍの非晶質半導体膜を溶融するためのエキシマレーザー光の光強度は例えば５００ｍＪ／ｃｍ^２以上の照明光である。

基板ステージ６はＸ-Ｙ面内で所定間隔ごとにステップ移動して位置を変えることができるようになっているので、被処理基板５の所望の部位を照射位置に位置させることができ、Ｘ−Ｙステップ移動工程Ｋ６と結晶化（アニール）工程Ｋ７を繰り返すことにより、大面積の非晶質シリコン膜を結晶化することができる（工程Ｋ６〜Ｋ７）。この様子は表示装置８１の画面上に表示されるので、オペレータは被処理基板５上のどの部位がレーザー照射されているのかをリアルタイムに知ることができる。また、照射中のレーザー光の光強度分布波形も表示装置８１の画面上に表示されるので、オペレータはどのような光強度分布波形の変調レーザーが照射されているのかをリアルタイムに知ることができる。なお、ステップ移動工程Ｋ６において、被処理基板５上でのＸ方向とＹ方向の位置精度を±０．５μｍとした。

結晶化工程Ｋ７では、光源となるＸｅＣｌエキシマレーザー装置からは波長３０８ｎｍ、パルス幅３０ナノ秒のレーザー光が出射される。このパルスレーザー光は、光分割手段としての偏光ビームスプリッタ３２によりＰ偏光成分とＳ偏光成分との２つのセグメント光に分割され、前者はレーザー光路Ｒ１３，Ｒ１４を通って光合成手段としての偏光ビームスプリッタ３４に導かれ、後者はレーザー光路Ｒ１〜Ｒ１２を通って光合成手段としての偏光ビームスプリッタ３４に導かれる。後者の光路は前者のそれより１０メートル長いため、後者は前者よりもビームスプリッタ３４に到着するタイミングが約３０ナノ秒だけ遅れる。図７に示すように到着タイミングがシフトした２つのパルス光Ｐ１とＰ２をビームスプリッタ３４により合成し、幅広の合成光Ｐ３を１パルスとして次の照明光学系３７に送りだす。合成光Ｐ３は、照明光学系３７、位相シフタ２、結像光学系４を通って光学的に調整され、所望のプロファイル波形となって、最終的に被処理基板５上の非晶質薄膜に照射される。これにより非晶質薄膜が部分的に溶融し、結晶化される。なお、パルス幅（半値幅）を基準光パルス幅（半値幅）の１．１〜２．５倍の範囲に調整した。また、パルス強度比を０．１〜０．９の範囲に制御した。

前の照射領域が最後であったか否かを判定し（工程Ｋ８）、工程Ｋ８の判定結果がＮＯの場合は、工程Ｋ６〜Ｋ７の動作を繰り返し実施し、被処理基板５の他の領域を次々に結晶化した。このように照射領域をずらして結晶化を繰り返すことにより、大面積を結晶化することができる。工程Ｋ８の判定結果がＹＥＳの場合は、エンドポイントが検出されたものとして、基板ステージ６をホーム位置に戻し、結晶化処理を終了する。

上記実施例では光強度分布の検出、確認工程を、結晶化工程の前に１回実行した例について説明したが、光強度分布の検出と確認は一連の処理の最初に実施し、１枚の被処理基板５の全面を結晶化してもよいし、結晶化領域数箇所毎に１回、数十、数百、数千箇所毎に１回実施してもよい。なお、光強度分布の検出、確認工程は、多ければ多いほど均一な結晶化を実施することができる。これにより再現性の高いレーザー照射を実現でき、非晶質シリコン膜の結晶化を安定して行うことができる。

次に、図８〜図１３を参照して本発明の照射方法（ダブルパルス法）と従来の照射方法（ダブルショット法）とを対比して詳しく説明する。

本発明の照射方法（ダブルパルス法）においては、図８の（ａ）又は図１１の（ｂ）に示す一のセグメント光と図８の（ｂ）又は図１１の（ｃ）に示す他のセグメント光とを合成して、図８の（ｃ）又は図１１の（ｄ）に示す合成光を生成する。これにより例えば図８の（ｃ）に示すように、合成光の見掛けのパルス幅ｔ１〜ｔ４（ｔ５〜ｔ８，ｔ９〜ｔ１２）がレーザー光源から発振されるレーザー光の固有の見掛けのパルス幅ｔ１〜ｔ３（ｔ５〜ｔ７，ｔ９〜ｔ１１）よりも拡がる。これに伴って真のパルス幅（半値幅）も拡がり、１パルスとしてはオリジナル光よりも幅広のパルスレーザー光となる。

一方、従来の照射方法（ダブルショット法）では、図９の（ａ）に示す先行パルス光（１回目のショット光）の出射タイミングｔ１と図９の（ｂ）に示す後続パルス光（２回目のショット光）の出射タイミングｔ２とを高精度にコントロールすることが非常に難しい。その理由は、従来法では異なる２台のレーザー光源を用いることから出射タイミングを高精度に制御しているにもかかわらず、ジッタの問題を生じるため、各光源からのレーザー光の出射タイミングが所望のタイミングからずれてしまう。両者のタイミングが離れすぎると凝固後の冷えた膜に２回目のショットがなされることになり、結晶粒径の拡大の効果がまったく得られないばかりでなく、両者のタイミングが重なり合いすぎると過剰の熱エネルギが供給されてしまい、レーザーアブレーションを生じてしまうからである。すなわち、従来法においては、図９の（ｂ）に示すように、目標の光強度ｆ１を超える過大な光強度ｆ４をもつ重畳レーザー光が結晶化対象膜に照射され、膜の破壊を生じるおそれがある。これに対して、本発明の照射方法（ダブルパルス法）においては、レーザー光路長差を設定することにより、ジッタの問題を生じることなく、光合成手段への到達タイミングを確実にコントロールできるので、合成光の光強度が当初の光強度ｆ１を超えて大きくなることはない。

図１０と図８を参照して分割セグメント光のパルス強度比について説明する。

本発明においては、後続セグメント光のパルス強度を先行セグメント光のそれより小さくすることが望ましい。具体的には第１及び第２のアッテネータ３３，３５を用いて分割セグメント光を所望のパルス強度比に設定することができる。アッテネータ３３，３５においては誘電体の多層膜コーティングフィルタの角度を調節してレーザーフルエンスが光学的に変調される。例えば、第１のアッテネータ３３を用いて先行のセグメント光（光路長が短い分割レーザー光）のパルス強度を基準値１００に調整した場合に、第２のアッテネータ３５により後続のセグメント光（光路長が長い分割レーザー光）のパルス強度をそれより小さい１０〜９０の範囲に減衰させ、パルス強度比を０．１〜０．９の範囲に設定することができる。特に、結晶化対象膜がキャップ膜で覆われている場合、パルス強度比が０．９を超えると、後続セグメント光の照射エネルギにキャップ膜内の残留熱エネルギが加算され、基準レーザーを大幅に超えるエネルギレベルに達して、アブレーションにより膜破壊を生じるからである。一方、パルス強度比が０．１未満になると、エネルギ不足により結晶化対象膜が溶融しないか、または膜の一部のみが局部的に溶融して膜厚全体が溶融しない不完全溶融となるからである。

図１０の（ａ）と（ｂ）に示すように、キャップ膜（例えばＳｉＯ₂膜）で覆われた結晶化対象膜にレーザー照射する場合、キャップ膜内に残留する熱エネルギ（キャップ膜保有熱エネルギ）が結晶化対象膜のほうに移動する僅かの時間差を利用するタイミングでダブルパルスの後半部を照射すると、当該キャップ膜保有熱エネルギが合成パルス光の後半部の照射エネルギを補充するように結晶化対象膜に注入される。この場合、結晶化対象膜に適正量の熱エネルギが注入されるように、キャップ膜厚や結晶化対象膜厚などのプロセス条件を十分に考慮してパルス強度比を設定するとよい。

これに対して、従来の照射方法（ダブルショット法）では、図１０の（ｃ）に示すように、キャップ膜内に残留する熱エネルギ（キャップ膜保有熱エネルギ）が過剰になるので、許容量を超えた熱エネルギが結晶化対象膜にいちどきに流れ込み、アブレーションを生じる。その結果、結晶化対象膜は、結晶化されることなく、破壊される。

図１１の（ａ）はパルスレーザー照射装置の概略構成ブロック図、同（ｂ）は合成前の光路長が短いパルスレーザーの波形図、同（ｃ）は合成前の光路長が長いパルスレーザーの波形図、同（ｄ）は合成後のパルスレーザーの波形図である。図１１の（ｂ）〜（ｄ）には表示装置のディスプレイ画面上に表示された実際のパルス波形をそれぞれ示した。図１１（ｂ）の波形（先行パルスレーザー光）と図１１（ｂ）の波形（後続パルスレーザー光）とを合成すると、図１１（ｄ）の合成パルスの波形になる。

図１２の（ａ）は各種フルエンスのダブルパルスレーザーを照射した実施例サンプルの結晶をそれぞれ示すＳＥＭ写真、（ｂ）は各種フルエンスのシングルパルスレーザーを照射した比較例サンプルの結晶をそれぞれ示すＳＥＭ写真である。図中に記入した数値は、それぞれレーザー光の光強度（ｍＪ／ｃｍ²）、結晶サイズ（μｍ）、Ｐ偏光成分の光強度（ｍＪ／ｃｍ²）、Ｓ偏光成分の光強度（ｍＪ／ｃｍ²）にあたる。図から明らかなように、実施例サンプルの結晶サイズは比較例サンプルの結晶サイズの２倍程度に増大した。

図１３は横軸にパルスレーザー光の光強度（ｍＪ／ｃｍ²）をとり、縦軸に結晶粒の長さ（μｍ）をとって、本発明の照射方法（ダブルパルス法）により結晶化した膜（実施例）と標準の照射方法（シングルショット法）により結晶化した膜（比較例）とを対比して調べた結果を示す特性図である。本発明の照射方法（ダブルパルス法）ではパルス幅６０ｎｓｅｃのＸｅＣｌエキシマレーザー光を照射し、標準の照射方法（シングルショット法）ではパルス幅３０ｎｓｅｃのＸｅＣｌエキシマレーザー光を照射した。平均膜厚５０ｎｍの非晶質シリコン膜（膜厚３２０ｎｍのＳｉＯ₂キャップ膜付き）を結晶化対象膜とした。図中の白丸プロットは実施例の結果を、白四角プロットは比較例の結果をそれぞれ示す。図から明らかなように、比較例サンプルでは結晶粒の長さが最大８．１μｍにとどまったのに対して、実施例サンプルでは結晶粒の長さが最大１０．８μｍまで延びた。すなわち、実施例の方法によれば比較例の方法よりも結晶粒の長さを３３％も増大させることができた。

図１４の（ａ）は光路長による減衰器とパワーとの関係を示す特性線図、図１４の（ｂ）は光路長によるパワーを設定するためのテーブルデータの一例を示す図である。図１４（ａ）では横軸にアッテネータの光強度調整角度（deg）をとり、縦軸に実際のパルスレーザー光の光強度（フルエンス；ｍＪ／ｃｍ²）をとって、両者の相関を示した。アッテネータの光強度調整角度がプラスからマイナスに移行するに従いレーザー光の光強度が漸次増大することが分かる。制御部８は、図１４（ａ）のアッテネータ調整角度−光強度の相関データおよび図１４（ｂ）の対照テーブルデータをデータベースに有しており、これらのデータを用いて２つのアッテネータ３３，３５の角度をそれぞれ調整し、パルス強度比（Ｐ２／Ｐ１）を所望値に設定する。

図１５の（ａ）は各種のプロセス条件を表示しレシピを入力するための画面を模式的に示した図、図１５の（ｂ）は光路長差を設定入力するときの選択ボタンを模式的に示す図である。オペレータは、先ず図１５（ａ）に示すレシピ入力画面６０をコンピュータの表示画面上に呼び出し、レシピ読込ボタンをクリックして、レシピ番号等を画面上の所定の窓にそれぞれ表示させる。窓６１に「ショット回数、フルエンス値」を選択・表示すると、別の窓６２にレシピ番号Ｎｏ．００１〜０３５が表示されるので、これにショット数、第１フルエンス値および第２フルエンス値をそれぞれ入力し、レシピ保存ボタンをクリックして入力データを保存する。さらに、オペレータは、窓６１に図１５（ｂ）の選択画面を表示させ、１０ｍ、８ｍ、６ｍ、４ｍのうちからいずれかのボタンを選択して、分割光の光路長差を所望値に設定する。この入力データもレシピ保存ボタンをクリックして保存する。このようにして保存したデータは、パルスレーザー照射するたびに読み出され、所望のプロセス条件を実行するために使用される。

なお、本実施形態ではプロジェクション方式の照射装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、プロキシミティ方式の照射装置にも本発明を適用することができる。

以上、種々の実施の形態を挙げて説明したが、本発明は上記各実施の形態のみに限定されるものではなく、種々変形および組み合わせることが可能である。

本発明は、液晶表示装置（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（ＴＦＴ）の結晶化に利用できる。

パルスレーザー照射装置の全体の概要を示す構成ブロック図。 本発明の実施の形態に係るパルスレーザー照射装置の要部を示す構成ブロック図。 パルスレーザー照射装置の光学系を示す構成ブロック図。 レーザ光路保護筐体を示す斜視図。 パルスレーザー照射装置を制御する制御ブロック図。 本発明装置を用いるＥＬＡ結晶化方法のフローチャート。 分割されたセグメント光および合成されたレーザー光の光強度分布（ビームプロファイル）をそれぞれ示す特性線図。 （ａ）は本発明の先行パルスレーザーのタイミングチャート、（ｂ）は本発明の後続パルスレーザーのタイミングチャート、（ｃ）は本発明の合成パルスレーザーのタイミングチャート。 （ａ）は従来のダブルショット法の１回目照射パルスレーザーのタイミングチャート、（ｂ）は従来のダブルショット法の２回目照射パルスレーザーのタイミングチャート。 （ａ）は本発明の１ショット照射の熱量の状態を示す模式図、（ｂ）は１ショット照射から時間経過後の熱量の状態を示す模式図、（ｃ）は２ショット照射の熱量の状態を示す模式図。 （ａ）はパルスレーザー照射装置の概略構成ブロック図、（ｂ）は合成前の光路長が短いパルスレーザーの波形図、（ｃ）は合成前の光路長が長いパルスレーザーの波形図、（ｄ）は合成後のパルスレーザーの波形図。 （ａ）は種々の光強度のダブルパルスレーザーを照射した実施例サンプルの結晶をそれぞれ示すＳＥＭ写真、（ｂ）は種々の光強度のシングルパルスレーザーを照射した比較例サンプルの結晶をそれぞれ示すＳＥＭ写真。 実施例と比較例を比べて本発明の効果を示す特性図。 （ａ）は光路長による減衰器とパワーとの関係を示す特性線図、（ｂ）は光路長によるパワーを設定するためのテーブルデータを示す図。 （ａ）は各種プロセス条件を表示しレシピを入力するための画面を模式的に示す図、（ｂ）は光路長差を設定入力するときの選択ボタンを模式的に示す図。

符号の説明

１…パルスレーザー照射装置、
２…位相シフタ、
３…照明系、
３１…レーザー光源、
３２…ビームスプリッタ（光分割手段）、
３３，３５…アッテネータ（光強度調整手段）、
３４…ビームスプリッタ（光合成手段）、
３７…照明光学系、
４…結像光学系、
５…被処理基板、
６…基板ステージ、
８…制御部、
５０…レーザー光路保護筐体、
５１，５２，５３，５４，５５…保護板、
５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂ…開口部、
５７…リレーレンズ、
５８…ガイドレール、
６０…レシピ入力画面、
７７…ビームプロファイラ、
７８…ハイトセンサ、
７９…入力装置（キイボード）、
８１…表示装置、
Ｍ１〜Ｍ１０…ミラー、
Ｒ１〜Ｒ１２…レーザー光路。

Claims (9)

1. 逆ピークパターン状の光強度分布のパルスレーザー光をキャップ膜で覆われた非単結晶半導体膜に照射して該非単結晶半導体膜を部分的に溶融させ、その凝固過程で結晶化する結晶粒をラテラル成長させる結晶化装置であって、
   単一のレーザー光を出射する単一の光源を有する照明系と、
   非単結晶半導体膜を有する被処理基板を前記照明系に対して位置合せ可能に支持する基板ステージと、
   前記照明系から前記基板ステージまでの間に設けられ、レーザー光の位相を変調し、所望の光強度分布を有する変調レーザー光とする位相シフタと、
   前記照明系を通過したレーザー光を前記基板ステージ上の被処理基板の像面において結像させる結像光学系と、を具備し、
   前記照明系は、
   前記単一のレーザー光を複数の分割レーザー光に分割する光分割手段と、
   前記複数の分割レーザー光が通る光路において光路長が短い分割レーザー光路と光路長が長い分割レーザー光路との光路長差を設定する光路長差設定手段と、
   前記光路長が短い分割レーザー光路を通る分割レーザー光と前記光路長が長い分割レーザー光路を通る分割レーザー光とを合成する光合成手段と、
   前記光路長が短い分割レーザー光路に設けられ、前記光路長が短い分割レーザー光路を通る前記分割レーザー光の光強度を調整する第１の光強度調整手段と、
   前記光路長が長い分割レーザー光路に設けられ、前記複数の分割レーザー光のパルス強度比が０．１〜０．９の範囲となるように、前記第１の光強度調整手段により調整される前記分割レーザー光の光強度を基準値１００とした場合に、それより小さい１０〜９０の範囲に前記分割レーザー光の光強度を調整する第２の光強度調整手段と、
   を具備することを特徴とする結晶化装置。
2. 前記光路長差設定手段は、一の分割レーザー光と他の分割レーザー光との間の光路長差を変更する手段をさらに有することを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 結晶粒を成長させる好適のプロセス条件に対応する装置パラメータを記憶して保有する記録装置を有し、結晶化のためのレシピに応じて前記装置パラメータを読み出し、読み出した装置パラメータに基づいて前記レーザー光源、前記第１及び第２の光強度調整手段、前記光路長差設定手段および前記基板ステージのうちの少なくとも１つの動作を制御する制御手段をさらに有することを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項記載の装置。
4. 前記光路長差設定手段は、前記合成レーザー光のパルス幅（半値幅）を基準となる前記単一のレーザー光のパルス幅（半値幅）の１．１〜２．５倍の範囲となるように、前記光路長が短い分割レーザー光路と前記光路長が長い分割レーザー光路との光路長差を設定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の装置。
5. 前記光分割手段および前記光合成手段がそれぞれ偏光ビームスプリッタであり、前記第１及び第２の光強度調整手段がそれぞれ分割レーザー光の光強度を減衰させる減衰器であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の装置。
6. 逆ピークパターン状の光強度分布のパルスレーザー光をキャップ膜で覆われた非単結晶半導体膜に照射して該非単結晶半導体膜を部分的に溶融させ、その凝固過程で結晶化する結晶粒をラテラル成長させる結晶化方法において、
   （ａ）結晶化のための条件として結晶化装置が固有に有する各種の装置パラメータを求め、求めた装置パラメータを読み出し可能に記録部に記録・保存しておき、
   （ｂ）結晶化のためのレシピを入力し、入力されたレシピに応じて前記装置パラメータを読み出し、
   （ｃ）読み出した前記装置パラメータに従って、前記結晶化装置の単一の光源から単一のレーザー光を出射し、該単一のレーザー光を複数の分割レーザー光に分割し、該分割された一の分割レーザー光が通る短い光路長のレーザー光路と他の分割レーザー光が通る長い光路長のレーザー光路との間に所望の光路長差を設定し、
   前記短い光路長のレーザー光路を通る分割レーザー光の光強度を調整し、前記調整された分割レーザー光の光強度を基準値１００とした場合に、それより小さい１０〜９０の範囲に前記長い光路長のレーザー光路を通る分割レーザー光の光強度を減衰させ、パルス強度比を０．１〜０．９の範囲に調整し、設定された光路長差の光路をそれぞれ通過した前記一の分割レーザー光と前記他の分割レーザー光とを合成し、１つの合成レーザー光として被処理基板に照射し、前記非単結晶半導体膜を結晶化させることを特徴とする結晶化方法。
7. 前記工程（ｂ）において読み出される装置パラメータは、前記単一のレーザー光のパルス幅、パルス強度比、光の分割数および非単結晶半導体膜の膜厚を少なくとも含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 前記工程（ｂ）において読み出される装置パラメータは、前回の結晶化に使用したパルス幅、パルス強度比、光の分割数および非単結晶半導体膜の膜厚を含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 前記合成レーザー光の前記パルス幅（半値幅）を基準となる前記単一のレーザー光のパルス幅（半値幅）の１．１〜２．５倍の範囲とすることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項記載の方法。

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