JPWO2003092061A1 - 結晶化装置および結晶化方法、並びに位相シフトマスク - Google Patents

Abstract

レーザ装置（１）の先にビームエキスパンダ（２）、ホモジナイザ（３）、ミラー（４）を介して位相シフトマスク（５）を配置し、結像光学系（６）を間に入れて位相シフトマスク（５）の対向面に被処理基板（７）を設置する。被処理基板（７）は、真空チャックや静電チャックなどの基板チャック（８）を用いて所定の位置に保持する。

Description

技術分野
本発明は、位相シフトマスク、即ち位相シフターを用いて位相を変調した光線を、結晶化処理される膜、例えば、多結晶または非晶質膜（例えば、半導体膜）、に照射して結晶化膜、例えば、多結晶または単結晶膜（半導体膜）を生成する、膜の（詳しくは膜を構成する物質の）結晶化装置および結晶化方法並びに位相シフトマスクに関する。
背景技術
液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ−Ｃｒｙｓｔａｌ−Ｄｉｓｐｌａｙ：ＬＣＤ）において、これの画素に加わる電圧を制御するスイッチング素子や、これらスイッチング素子を駆動するドライバ回路に使用されている半導体素子として薄膜ランジスタ（Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ）が知られている。これらトランジスタの主要部の材料には、大きく分けて非晶質シリコン（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−Ｓｉｌｉｃｏｎ：ａ−Ｓｉ）と、多結晶シリコン（ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌ ｓｉｌｉｃｏｎ：ｐｏｌｙ−Ｓｉ）と、単結晶シリコン（ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｉｌｉｃｏｎ：ｓｉｎｇｌｅ−Ｓｉ）とが知られている。
ｓｉｎｇｌｅ−Ｓｉは、ｐｏｌｙ−Ｓｉよりも、また、ｐｏｌｙ−Ｓｉは、ａ−Ｓｉよりも、夫々電子移動度が高いので、これら ｓｉｎｇｌｅ−Ｓｉとｐｏｌｙ−Ｓｉとは、トランジスタにした場合のスイッチング速度が速く、ディスプレイの応答を速くしたり、他の部品の設計マージンを減らせるなどの利点がある。
ディスプレイに組み入れるドライバ回路やＤＡＣなどの周辺回路を上記トランジスタで構成した場合には、これらの回路をより高速に動作させることができる。
前記ｐｏｌｙ−Ｓｉは結晶粒の集合体からなるが、単結晶シリコンに比べるとまだ移動度が低く、またトランジスタを小さくしたときにチャネルに入る粒界数のバラツキが問題となる。
このため、最近になって大粒径の多結晶シリコンを、好ましくは単結晶シリコンを生成する方法が種々提案されている。
その一つの方法として、位相シフトマスクを半導体膜と平行に近接させた状態で、パルスレーザを位相ジフトマスクを通して、結晶化される膜に照射する「位相制御ＥＬＡ（Ｅｘｃｉｍｅｒ Ｌａｓｅｒ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）」が知られている。例えば本技術は、ここでは参照として組み入れられる「表面科学Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．５，ｐｐ．２７８−２８７，２０００」に詳しく説明されている。また、同様の技術が、特開２０００−３０６８５９（２０００年１１月２日公開）にも開示されている。
この位相制御ＥＬＡは、位相シフトマスクのマスクパターンを通過する光の位相を、交互に０、πとずらすことにより、位相シフト部、即ち、シフト境界において光強度が最小、例えば、ほぼ０となる逆ピークパターンを発生し、この逆ピークパターンの最小の強度位置を一番最初に凝固する領域（結晶核）に設定し、そこから周囲に結晶を横方向に成長させる（ラテラル成長）ことにより、大粒径の結晶粒を指定した位置に設ける方法である。ここで、逆ピークパターンとは、最小強度が、最小強度のピークに位置し、このピークから離れるのに従って、強度が徐々に高くなるような１つの逆山型の強度パターンをいう。この逆ピークパターンが連続もしくは不連続で位置されている強度パターンを逆ピーク波形パターンと、この明細書では称する。
前記位相シフトマスクの形状と、このマスクと結晶化される膜の面（簡単のために半導体面と称する）との距離と、レーザ光の半導体膜への入射角度分布とは、理想的な光強度プロファイルが、膜の面で得られるように、設定されている。
この位相制御ＥＬＡは、位相シフトマスクに対応した光強度プロファイル得るためには、半導体面にできるだけ接近させて、典型的には数μｍないし数百μｍ程度の間隔を空けて、保持する必要がある。このように両者が接近していると、レーザの照射により、半導体膜の一部がアブレーションして飛散し、位相シフトマスクを汚染してしまう。
このため、使用に伴なって光強度パターンが劣化してしまい、結晶化が正確に進行しないという問題がある。
精度の良い照射を果たすためには、半導体面を位相シフトマスクに対して光軸方向に位置を調整する必要がある。位相シフトマスクと半導体基板の間の間隔が非常に狭いため、この位置調節のためのセンサ系や検知するための光束などを挿入できないという問題もある。
発明の開示
そこで本発明は、位相シフトマスクのようなマスクを介して光線、例えば、レーザ光を被処理基板に照射する際のアブレーションによる汚染を回避し、かつ、位相シフトマスクと被処理基板の間に所定の部材、例えば、位相シフトマスクの位置決めのためのセンサ、を挿入できる、技術を提供することを目的とする。
かかる目的を達成するために、本発明の第１の態様に係わる結晶化装置は、光線を射出する光源と、
この光源からの光線を受けて、この光線の強度分布をピーク値が最小の強度となった逆ピークパターンにするマスクと、
このマスクと、被処理基板との間に位置され、前記逆ピークパターンの光線を被処理基板に結像させて、被処理基板の物質の少なくとも一部を結晶化する結像光学系とを具備する
本発明の第２の態様に係わる結晶化方法は、位相シフトマスクを用いてこのマスクの位相シフト部において光強度が略０となるピーク値を有する逆ピークパターンを発生し、
この逆ピークパターンを有する光線を被処理基板に照射して基板の少なくとも一部の物質を結晶化する結晶化方法において、
前記位相シフトマスクと被処理基板との間に設けられた結像光学系により、前記位相シフトマスクの光線の像を被処理基板に結像させることを特徴とする。
本発明の第３の態様に係わる光線としてレーザ光を用いた位相シフトマスクは、マスクパターンが少なくとも３以上の位相シフト線からなる交点を有し、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略０であることを特徴とする。
発明を実施するための最良の形態
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の膜結晶化装置の一実施の形態としての結晶化半導体膜の製造装置を概略図を示す。
この装置は、エキシマ光線源１と、この装置の発振側に順次配設されたビームエキスパンダ２と、ホモジナイザ３と、ミラー４とにより構成されたレーザ照射装置１０を有する。この照射装置は、レーザ光以外の光線を射出する光源でも良い。前記レーザ光源１から射出されたレーザ光は、ビームエキスパンダ２で所定の径に拡げられた後、光強度がホモジナイザ３で均一化されて、位相シフトマスク５を照射する。このレーザ照射装置１０のレーザ光射出側には、位相シフトマスク５と、結像光学系６と、基板支持体８とが順次配設されている。この基板支持体８は、上に被処理基板７を支持することの可能な、例えば、真空チャックや静電チャックなどにより構成されている。この発明で“被処理基板”という用語は、自身が結晶化される物質でできた基板か、支持体上に結晶化される物質の膜もしくは層が形成されている基板を称する。この発明で、“結晶化される物質”という用語は、レーザ光が照射されることにより、構造が結晶により近くもしくは結晶になる物質を称し、例えば、アモルファス構造の物質であれば、多結晶もしくは単結晶に、また、多結晶であれば、多結晶が単結晶に近づくか、単結晶になる物質を称する。この物質の一例は、アモルファスシリコンもしくはボリシリコンであるが、他の材料も使用可能である。前記支持体としては、液晶表示装置の分野であれば、例えば、ガラスもしくは合成樹脂基板であり、半導体の分野では、例えば、シリコン基板が好ましい。この基板の形状は、特に限定されないが、本実施の形態では、液晶表示装置の製造を目指しているので、矩形板状である。この実施の形態では、ガラス基板の上に形成されたアモルファスシリコン膜をポリもしくは単結晶に結晶化する場合につき説明されるが、本発明は、これに限定されないことは、容易に理解され得よう。
前記基板支持体８は、被処理基板７の被照射面、即ち、入射面を前記位相シフトマスク５と高精度で平行に維持するように配置されており、好ましくは、被処理基板７を前記位相シフトマスク５に対して互いに直交する３つの方向、即ち、Ｘ（基板の長手方向），Ｙ（基板の幅方向），Ｚ方向（基板の垂直方向、即ち、結像光学系の光軸に沿う方向）に選択的に移動させるように３軸テーブルのような所定の駆動機構（図示せず）上に装着されている。
前記結像光学系は、後述するように、位相シフトマスクのマスクパターンを被処理基板の被照射面（入射面）に結像可能であれば、形式に拘束されることはなく、例えば、単に、単一の結像レンズでも良いが、以下に説明するデフォーカス法、ＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ：開口数）法、瞳関数法によりパターンを結像させる光学系が好ましい。
次に、図２Ａ，２Ｂを参照して、デフォーカス法を利用した結像光学系の一例を説明する。
デフォーカス法は、位相シフトマスク５と被処理基板７との間に十分大きな開口数（ＮＡ）の結像光学系６を入れ、結像光学系６の焦点位置からデフォーカスした位置に被処理基板７の被処理面を保持して、照明光の入射角度分布とマスクパターンとデフォーカス量により光強度分布を調整する方法である。
図２Ａに示すように、結像光学系６は、互いに所定間隔を有して平行に配設された１対の結像レンズ、即ち、凸レンズ６ａ，６ｂと、これらレンズ間に配置された、所定のＮＡを有する絞り６ｃとにより構成されている。このような光学系において、位相シフトマスク５の出射側表面の光強度分布は、近似的に均一で、その場合位相シフト部の焦点外れ位置で、回折縞が生じ、図に示すようなベッケ線の光強度分布（デフォーカス像Ａ）になる。位相シフトマスク５のマスクパターンは、結像光学系６により結像面で結像される。この結像面は、図で矢印で示すように、マスクの共役面に位置されている。この結像面での光強度分布では、結像光学系６のＮＡで決定される解像度Ｒ＝ｋλ／ＮＡ以下の成分はカットされているが、強度は基本的に均一である。この結像面から光軸方向に前後して離れた（位相シフトマスク５とデイフオーカス像Ａとの間の距離と実質的に等しい距離だけ、結像面から離れた）２つの位置での光強度分布（デフォーカス像Ｂ、Ｃ）では、結像光学系６のＮＡで決定される解像度Ｒ＝ｋλ／ＮＡ以下の成分はカットされているけれども、基本的にデフォーカス像Ａと同じ強度になる。この２つの位置のいずれかに被処理基板７の被処理面を配置させて、これを光照射することにより、図２Ｂに示すように、位相制御ＥＬＡ法と同様に、位相シフト部、即ち、位相シフト境界５ａに対応する被処理面上のパターンの位置において、最小の強度に、例えば、０もしくは０に近い強度になる逆ピークパターンを１つもしくは複数有するの強度波形パターンによる露光が行われる。
このときの逆ピークパターンの幅は、デフォーカス量の１／２乗に比例して拡大する。
前記結像光学系６は、一例としては、全長（物体面と像面との間の距離）は、１０００ｍｍ、各レンズ６ａ，６ｂの焦点距離は２５０ｍｍ，絞り６ｃの開口数（ＮＡ）は、０．２である。レーザ照明装置１０の光源１は、中心波長が２４８．５５ｎｍ，発振波長分布の半値全幅が０．３ｎｍのレーザ光をパルス状に射出するＫｒＦエキシマレーザ光源である。
上記照明装置１０からのレーザ光を位相シフトマスク５に照射し、このマスクパターンを上述したように被処理基板に結像することにより、結晶化される物質、この場合には、アモルファスシリコンの膜を熱処理してポリシリコン並びに／もしくは単結晶シリコンに結晶化する。この結晶化するときに、被処理基板をＸ並びに／もしくはＹ方向にシフトさせることにより、膜の所定領域もしくは全体を結晶化させることができる。このとき被処理基板７からはアブレーションが発生するが、位相シフトマスク５と基板７との間に結像光学系６が位置されているので、位相シフトマスク５を汚すことはない。このときに、基板７に直接面した結像光学系６のレンズ６ｂが汚れる恐れがあるが、このレンズ６ｂと被処理基板７との間の距離（この例では約２５０ｍｍ）は、従来技術の位相シフトマスクと被処理基板との間の距離（数μｍないし数百μｍ）に比較して著しく長いので、光学系が汚されることはほとんどない。
上記図２Ａでは、被処理基板７の位置ＢもしくはＣへの位置合せ（Ｚ方向の位置合せ）をするための装置が省略されている。例えば、図３に示すような自動焦点合せ装置が位置合せ装置として、位相シフトマスク５と被処理基板７との間に配置されるか、この装置が両者の外側に配置されている場合には検査ビームが両者の間を通るように設定され得る。この位置合せ装置は、被処理基板の全面に渡って良品のデバイスを得るためには、必要である。この装置は、被処理基板が間に位置される、スリット光投影光学系と、スリット光検出光学系とにより構成されている。投影光学系は、光源、例えば、ハロゲンランプ１１と、この光源からの光をスリット光に成形する露光スリット１２と、このスリット光を被処理基板方向に偏向するミラー１３と、このミラーからの反射光を被処理基板７の被処理面上にスリット像として結像するための投影レンズ１４とにより構成されている。検査光学系は、被処理基板により反射されたスリット像を検出するディテクタ１５と、このディテクタの直前に設けられた受光スリット１６と、これら受光スリットとディテクタとの間に順次設けら、基板からの反射スリット像を、受光スリット１６を介して、ディテクタ１５に集光させる集光レンズ１７と、集光レンズからの光が前記受光スリットを通るように、回動可能な振動ミラー１８とにより構成されている。この振動ミラーの角度位置を調節することにより、被処理基板のＺ方向の位置が、図示していない駆動機構により調節され得る。
次に、図４Ａ、４Ｂを参照してＮＡ法を利用した結像光学系の例を説明する。以下に説明する例において、前記デフォーカス法を利用した結像光学系と実質的に同じ部材は、同じ参照符号を付して説明を省略する。
ＮＡ法は、位相シフトマスク５と被処理基板７との間に開口数（ＮＡ）が調整可能な結像光学系６が配置され、結像光学系６の焦点位置に被処理基板７を保持して照明光の角度分布とマスクパターンとＮＡにより光強度分布を調整する方法である。この光学系においては、図４Ａにおいて、位相シフトマスク５のマスクパターンは結像光学系６により結像される。結像光学系６の絞り６ｄは、開口寸法、即ち、ＮＡが変更できるもの、もしくは、ＮＡが異なる複数の絞り６ｄを準備しておき、絞りを交換することによりＮＡが変更できるものである。
この光学系で、ＮＡで決定される解像度Ｒ＝ｋλ／ＮＡ以下の成分はカットされるため、図４Ｂに示すような焦点面での位相シフト部５ａにおいて光強度が最小、例えば、０となる解像度と同程度の幅の逆ピークパターンが発生する。ここでのｋはマスクを照射する光学系の仕様や、光源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。
前記焦点面に被処理基板７を配置して光照射することにより、結晶の核を生成することが可能となる。このときの逆ピークパターンの幅は、解像度Ｒ＝ｋλ／ＮＡに比例して決定される。即ち、ＮＡを小さくして解像度を意図的に落とすと、逆ピークパターンの幅が大きくなる。このときＮＡを小さくする方法は、前述したように、開口寸法を小さくした絞りを使用することである。
このような形式の結像光学系を位相シフトマスクと被処理基板との間に介在させれば、上記デフォーカス法を利用した場合と同等の効果を奏することができる。
次に、図５Ａ，５Ｂを参照して、瞳関数法を利用した結像光学系を説明する。
瞳関数法は、位相シフトマスク５と被処理基板７との間に図示するような絞り（即ち、瞳）６ｅを有する結像光学系６を入れ、結像光学系６の焦点位置に被処理基板７を保持して照明光の角度分布とマスクパターンと瞳関数により光強度分布を調整する方法である。
図５Ｂに示すように、絞り６ｅは円形の基板からなり、内側のスリット形状の完全光透過領域Ａ１と外側の光半透過領域Ａ２とから構成されている。光半透過領域Ａ２は、一部の光を透過し、残りの光を何らかの方法で瞳を透過するのを阻止する。この光半透過領域Ａ２の光の透過率は、必要に応じて種々選定され、必ずしも５０％に限定されるものではない。瞳の形状並びに光半透過領域の形状も上記に限定されるものではなく、例えば、光半透過領域Ａ２は、円形でも、矩形でも良い。
上記絞り６ｅを製造するための第１の方法は、ガラス、合成樹脂等の透明板上全体に渡ってクロム等の遮光材料で膜を、所望の透過率に対応した厚さにスパッタリング等で形成した後に、光半透過領域に対応する膜の部分のみをエッチングして除去して、透明板を露出させる方法である。
この場合遮光材料は一部の光を反射し、一部の光を吸収する。この吸収（透過）の程度は、膜の厚さによって任意に設定することが可能である。前記クロム膜は一例であって、例えばＺｒＳｉＯなど光を一部遮光する材料なら何でも用いることができる。
第２の絞りの製造方法は、光半透過領域Ａ２に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透明板上に全面に渡って形成した後に、光透過領域Ａ１に対応する部分のみをパターニングして除去する方法である。このように、光の一部を反射する瞳の場合には、絞りを形成する材料、即ち、光半透過領域を形成する材料が不要光を吸収しないため、絞りが発熱しないという利点がある。この場合には、絞りからの反射光が他のレンズや鏡筒に当たり、フレア（迷光）の原因とならないように他の部品の配置を考慮することが望ましい。
上記のように、完全光透過領域Ａ１と光半透過領域Ａ２とを有する絞り６ｅにおいては、両領域Ａ１，Ａ２間で位相差が発生しないよう、厚みや材料を調整する等の考慮をすることが望ましい。
前記絞り６ｅの説明では、光半透過領域Ａ２が、どのようにして規定されているかが省略されている。この規定する手段は、例えば、絞り６ｅを支持する部材の絞りの周囲に位置する部分を遮光材料により形成し、絞りの外側を通る光を反射もしくは吸収するようにすることによりなされる。代わって、絞り６ｅの外側に近い部分に、光半透過領域を囲んだ遮光領域を形成しても良い。
瞳関数法は、一般に瞳のＮＡが大きいと結像のスポット径が小さくなることを利用していて、完全光透過領域Ａ１を通過した光は、見かけ上のＮＡが小さくなるため、図５Ｂの符号Ａ１に示すような幅の広い逆ピークパターンを発生する（半光透過領域Ａ２も光遮蔽領域として測定）。光半透過領域Ａ２を通過した光は、見かけ上のＮＡが大きくなるため、図５Ｂの符号Ａ２に示すような幅の狭い鋭い逆ピークパターンを発生する（光透過領域も半光透過領域として測定）。その結果、結像光学系６の瞳関数を完全光透過領域Ａ１と光半透過領域Ａ２の関数の和とすることにより、図に示すような焦点面での位相シフト部において光強度が０となるピーク値を含み強度が低い側に位置した第１のパターンと強度が高い側に位置した第２のパターンと、第１のパターンの幅は、第２のパターンの幅よりもかなり広くなるように第１のパターンと第２のパターンとの間に位置する段部とを有する２段逆ピークパターンが発生する。
この瞳関数方法で、逆ピークパターンの発生原理はＮＡ法と似ているが、ＮＡ法はパターンの大きさのみを制御するのに対し、瞳関数法ではパターンの形状も制御できる。
この焦点面に被処理基板７を配置して光照射すると、内側の、即ち第１のパターンでは光強度が略０の最小強度を有するので、ここが結晶の核となる。外側の、即ち、第２のパターンでは光強度分布に応じた温度勾配が生じるので、横方向への結晶成長が、図４Ｂに示す単なる逆ピークパターンの場合と比較して容易になる。
完全光透過領域Ａ１と光半透過領域Ａ２の形状は共に円形でも良い。しかし、楕円形のように、その長さをＸＹ方向で違えることにより、２段逆ピークパターンの光強度分布をＸ方向とＹ方向とで異なるようにすることができる。
２段逆ピークパターンの内側、即ち、第１のパターンの径をＤ１、外側、即ち、第２のパターンの径をＤ２とし、角度で表した光半透過領域Ａ２の径をθ１、完全光透過領域Ａ１の径をθ２とすると、
Ｄ１＝ｋλ／ｓｉｎθ１
Ｄ２＝ｋλ／ｓｉｎθ２
と計算できる。
ここでのｋはマスクを照射する光学系の仕様や、光源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。これより、２段逆ピークパターンの内側の径Ｄ１と外側の径Ｄ２は、それぞれ光半透過領域Ａ２と完全光透過領域Ａ１の大きさに反比例する。
このため、図６Ａに示すように、完全光透過領域Ａ１はＸ方向が短くＹ方向が長い矩形なので、その逆ピークパターンの光強度分布は図６ＢのＡ１に示されているように、Ｘ方向の幅が広く（Ｄ２で示されている）、Ｙ方向の幅が狭く（Ｄ３で示されている）なる。これに対し、光半透過領域Ａ２は円形なので、その逆ピークパターンの光強度分布は図６ＢのＡ２に示されているようにＸ方向とＹ方向とは同じ狭い幅（Ｄ１で示されている）になる。従って、両逆ピークパターンの和である２段逆ピークパターンの光強度分布は、図６ＢのＡ１＋Ａ２で示されているように、外側の、即ち、第２のピターンでは、Ｘ方向の幅（Ｄ２）がＹ方向の幅Ｄ３よりも広く、内側の、即ち、第１のパターンでは、Ｘ方向とＹ方向との幅が同じで狭い（Ｄ１）。図７は、このように２段逆ピークパターンと瞳との関係を示す平面図である。図７から判るように、光透過領域Ａ１に対応した第２のパターンは、横断面が楕円形（長径がＤ２，短径がＤ３）となり、光半透過領域Ａ２に対応した第１のパターンの横断面は円形（直径がＤ１）となる。このような２段逆ピークパターンの第２のパターンのＸ方向の幅とＹ方向の幅とは、光透過領域Ａ１のＸ方向の長さとＹ方向の長さとにより設定されるので、結晶化される結晶の形やその配置のピッチをＸＹ方向で異なるように制御できる。
特に外側の逆ピークパターン（第２のパターン）がＸＹ方向で径が異なるということは基板上強度分布において位置一強度の変化の傾きが異なるということであり、結晶はその傾きの大きな方向、即ち外側の逆ピークパターンの短軸方向に選択的に成長し、その結果できる結晶もその方向に高電子移動度を有するようになる。この方向にトランジスタのソースドレインの方向を合わせることで、よりよい特性のトランジスタが作製できる。
このように、瞳関数法はＮＡ法の特長を持ちながら２段逆ピークパターンを生成できるので、結晶化にはより有効である。
本発明の実施の形態における照明光学系は、前述したように、エキシマレーザと光学系を組み合わせてレーザからの光を位相シフトマスクに照射する照明光を射出する。このとき、位相シフトマスク面内での光強度の均一性および入射角度方向での均一性を確保することが望ましい。特に、エキシマレーザはパルス毎の発振位置にバラツキがあるので、均一に結晶化させるためには均一性の確保は望ましい。
同時に、デフォーカス法では位相シフトマスクのデフォーカス像のコントラストを落とさない（逆ピークパターンの中心強度を持ち上げない）ためには、発散が少ない（平行光に近い）ことが好ましい。また、必要な解像度を得るためには、ある値以上のＮＡを確保することと、光学系の収差量を抑えることが好ましい。
ＮＡ法では、デフォーカス法と異なり、発散が少なくなるように（平行光に近い）することは望まれない。また、意図的に所定の解像度以上の成分を除去するために、ＮＡを所定の値に設定するための調整機構を有することが望ましい。
以下に図２Ａ，２Ｂを参照して説明したデフォーカス法を利用した結像光学系の具体例を示す。
本具体例において、レーザ装置１は、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザで構成し、レーザ光の光束をビームエキスパンダ２で拡げた後、位相シフトマスク５に照射される光強度をホモジナイザ３で均一化した。
ホモジナイザ３は、一般の露光機で用いられるのと同様なフライアイレンズにより実現した。この照明装置１０のＮＡは０．０５とした。
結像光学系６は、入射瞳と射出瞳の両方が無限遠に位置する両側テレセントリック系を用い、その基本仕様はＮＡを０．２、倍率を１．０とした。
以下に、位相シフトマスク５を、図８を参照して説明する。
位相シフトマスクは、前述した公知例にも記載されているように、透明媒質、例えば、石英基材に厚さの異なる互いに隣合う領域を設け、これら領域間の段差（位相シフト部）の境界で、入射するレーザ光線を回折並びに干渉させて、入射したレーザ光線の強度に周期的な空間分布を付与するものである。このような位相シフトマスクの一例を図８に示す。この位相シフトマスク５は、隣接するパターンが逆位相（１８０°のずれ）となるように、交互に並べられた位相がπの第１のストリップ領域（位相領域）５ｂと、位相が０の第２のストリップ領域（位相領域）５ｃとを有する。これらストリップ領域（位相シフト線領域）は１０μｍの幅を有する。具体的には、位相シフトマスク５は、屈折率が１．５の矩形の石英基板を２４８ｎｍの光に対して位相がπに相当する深さ、即ち２４８ｎｍの深さにパターンエッチングして作製した。このエッチングにより薄く形成された領域が第１のストリップ領域５ｂとなり、エッチングされない領域が第２のストリップ領域５ｃとなっている。
このような構成の位相シフトマスク５においては、厚い第２の位相領域５ｃを通過したレーザ光は、薄い第１の位相領域５ｂを通過したレーザ光に比較して１８０°遅れる。この結果、レーザ光間で、干渉と回折とが生じ、図１０に示すようなレーザ光の強度分布とほぼ同様の強度分布が得られる。即ち、位相シフト部を通過した光は隣接する透過光相互が逆位相であるため、これら領域間に対応する位置で光強度が最小、例えば０となる。この最小となった領域もしくはこれの近傍の領域が半導体を結晶化する際の核になる。
一般に、レーザ光の波長をλとすると、屈折率ｎの透明媒質に１８０°の位相差をつけるための透明媒質の厚さｔ（厚い領域と薄い領域との厚さの差）は、
ｔ＝λ／２（ｎ・１）で示される。
以下に、結晶化の具体例を説明する。
被処理基板７は、厚さ０．６ｍｍの液晶ディスプレイ用ガラス板の上に化学気相成長法により下地膜とａ−Ｓｉ膜をこの順で成膜したものを使用した。
以上の構成で、結像光学系６の焦点位置より下側に１０μｍ離れたデフォーカス位置に被処理基板７を設置し、ａ−Ｓｉ膜面上での光エネルギー（ａ−Ｓｉ膜のレーザ光照射部を瞬時に溶融するエネルギーの容量）が約１００ｍＪ／ｃｍ^２となるようにパルス照射を行った。
図１０に、上記条件において、計算で求めた光強度分布を示す。この図において、位相シフトマスク５の位相シフト部５ａに対応する部分が最小の強度となった逆位相パターンが位相シフト部近くに対応して形成された強度波形パターンが形成されていることが理解できよう。各逆位相パターン間の距離は、ストリップ領域５ｂ，５ｃの幅に対応して１０μｍである。この結果、被処理基板を位相シフトマスク５に対して相対的に図１０の紙面に直行する方向に移動させながらレーザ光をアモルファスシリコン膜に照射することにより、ＸＹ方向ともピッチ１０μｍで結晶粒位置が制御された大粒径の多結晶ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜が得られた。
次にＮＡ法を利用した結像装置を使用した具体例を示す。基本的に前記具体例と類似の光源、光学系を用いた。ただし、本具体例では結像光学系の絞り（円形の開口）を交換することにより、結像光学系のＮＡを調整できるような機構を用意した。この機構により結像光学径のＮＡを０．１に調整し、照明系のＮＡを０．０５とし、結像光学系６の焦点位置に前記具体例と同様の被処理基板７を設置し、ａ−Ｓｉ膜面上での光エネルギーが約１００ｍＪ／ｃｍ^２となるようにパルス照射を行った。
この条件で、計算で求めた光強度分布を図１１に示す。この装置を使用した場合でも、前記具体例と同様の強度波形パターンでの照射がなされることが理解できよう。この場合でも、ＸＹ方向ともピッチ１０μｍで結晶粒位置が制御された大粒径の多結晶ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜が得られた。
前記具体例では、位相シフトマスク５は、図８に示されたように位相シフト部が互いに平行な複数の直線状になっているものを使用したが、これに限定されることはない。
例えば、位相シフト線を直交し、位相０とπを市松格子状に配列させることも可能である。この場合は、位相シフト線に沿って格子状の光強度０の領域ができる。このために、結晶の核はこの線上の任意の位置で発生するので、結晶粒の位置・形の制御が難しくなる問題を有する。このため結晶核の発生を制御するためには強度０領域は点状であることが望ましい。このため、直交する位相シフト線の位相シフト量を１８０°未満にし、これにより、位相シフト線の対応する位置では強度は（減少するものの）完全には０にはならないと同時に、交点の周囲の複素透過率の和を０にすることにより、交点に対応する位置の強度は０にできる。
この一例を図９Ａ並びに９Ｂを参照して説明する。このマスク５は、図９Ａに示されるように、各組が厚さの異なる４つの正方形の領域５ｅ，５ｆ，５ｇ，５ｈにより構成されている正方形のパターンからなる複数の組を有する。各組において、図９Ｂに示されるように、第１の領域５ｅが一番薄く、位相が０となっている。第４の領域５ｈは一番厚く、位相が第１の領域５ｅとは３π／２ずれている。これら領域５ｅ，５ｈの厚さとの間の厚さを有する第２、第３の領域５ｆ，５ｇは、第１の領域に対して位相がπ／２、πと夫々ずれている。
このようなマスクにおいては、第１ないし第４の領域が隣り合う部分、例えば、正方形のパターンの中心点が、強度０の領域となる。従って、この点が結晶の核となるので、結晶粒の位置・形を容易に制御できる。
図８並びに図９Ａを参照して説明したマスクパターンは、本発明の投影光学系を用いる方法と組み合わせても用いられるのが好ましいが、これらの適用にのみ限定されることはなく、従来の位相制御ＥＬＡ法においても用いることができる。この場合も、位相シフト線、もしくは、その直交点のみで強度を０にすることが可能となり、有効である。
前記実施の形態では、位相シフトマスクの位相シフト部を、位相が異なる領域（位相領域）間の境界線（図８）もしくは境界点（図９Ａ並びに９Ｂ）として説明したが、これは、位相領域が透光性領域のみでできている場合であって、本発明での位相シフト部は、これに限らず、境界線もしくは境界点から少しシフトしても形成され得る。以下にその説明をする。
前記デイフオーカス法においては、結像光学系の焦点位置から所定のギャップを設けた位置（図２ＡでＢ並びにＣで示す位置）に生じさせた光強度パターン（逆ピークパターン）を利用しているために、照明光の入射角度分布が大きい場合には、ギャップに起因する「ボケ」が発生する。この結果、位相シフト部における逆ピークが浅い（逆ピーク値の強度がかなり大きくなった）なだらかな逆山形状となり、光源からのレーザ光の面内強度ムラや発振パルスごとの強度のバラツキの影響を受けやすくなり、均一な結晶化が果たされない恐れがある。
このような場合には、図１２に示すように、位相シフトマスク５の一方の位相領域（この実施の形態では第２の位相領域）に、境界線に沿って幅の小さい遮光領域を設けることにより解決できる。この理由を図１３を参照して説明する。
平行光を位相シフトマスク５に入射させる場合、位相シフト部における光強度分布は、第１の位相領域５ｂによる回折縞の振幅▲１▼と第２の位相領域５ｃによる回折縞の振幅▲２▼とを足して、その２乗で与えられた光強度分布▲３▼となる。散乱光が位相シフトマスクに入射する場合は、最終的な回折パターンは、複数の異なる角度からの光による光強度パターンを積分したものとなる。このために、入射角をθ、前記ギャップをＺとすると、干渉と回折とによる光の光強度パターンは、Ｚｔａｎθだけ面内でシフトすることを考慮して積分すると、遮光領域を設けていない場合には、前述したように、境界線を挟んでなだらかな逆山形形状となる。しかし、図１２に示すように遮光領域ｓが設けられていると、図１３に示すような第２の位相領域５ｃの回折縞の振幅▲２▼となる。この結果、第１の位相領域５ｂによる回折縞の振幅▲１▼と第▲２▼の位相領域５ｃによる回折縞の振幅▲２▼とを足して、その２乗で与えられた光強度分布▲３▼は、図示のようになり、遮光領域の幅Ｄを以下のように設定することにより、遮光領域ｓに対応し、強度がほぼ０のピーク値を有する良好な逆ピークパターンとなる。
前記位相シフトマスクに散乱光が入射する場合には、入射角のシフト量は、入射角の半角だけで、Ｚｔａｎθであるから、遮光領域ｓの幅ＤがＤ＞２Ｚｔａｎθを満たせば前に説明した▲４▼に示すパターンが得られる。
以下に、図１２に示す位相シフトマスクの具体例を説明する。
屈折率が１．５の矩形の石英基板を２４８ｎｍの波長の光に対して位相がπに相当する深さ、即ち、２４８ｎｍの深さにエッチングして、第１の位相領域５ｂと、エッチングしていない領域である第２の位相領域５ｃとを形成した。このときに、第１の位相領域５ｂの幅は、１４μｍとし、第２位相領域５ｃの幅は、６μｍとなるように、パターンニングした。この後に、位相シフトマスクの一面にクロムの膜をスパッタリングにより形成し、これをパターンニングし、遮光領域ｓを第２の位相領域の両側に、第１の位相領域５ｂとの境界線に沿って形成した。このときの遮光領域の幅Ｄは、４μｍとした。
上記のように形成された位相シフトマスク５を図２Ａに示す装置に使用して結晶化をした。このときに、結像光学系６の焦点位置より下側に２０μｍ離れた位置Ｃ（即ち、Ｚ＝２０μｍ）に被処理基板７を位置させ、この被処理基板のａ−Ｓｉ膜面上での光エネルギーが約１００ｍＪ／ｃｍ^２となるようにパルス照射した。この結果、結晶位置が制御された大粒径の多結晶シリコンへとアモルファスシリコンを結晶化することができた。
上記遮光領域ｓを設ける技術は、多の形態の位相シフトマスクにも、例えば、図１４に示すように、適用することができる。この例は、図９Ａに示すマスクに適用したものであり、正方形の位相領域のうち、隣合う位相領域の境界線に沿って一方の位相領域に遮光領域ｓが設けられている。この例でも、点状のピーク値を有する鋭い逆ピークパターンを４つの位相領域の交点より少しシフトした所に得ることができる。
上記遮光領域は、上記のように、光を吸収するクロムのような材質の膜により形成する以外にも種々の技術で形成され得る。例えば、遮光領域は、入射レーザ光の波長に対応した多層膜により形成しても良いし、入射光が散乱もしくは回折するような凹凸を形成しても良い。
前記結像光学系を構成する光学エレメントは、、レンズ系に限られることはなく、ミラー系でもよい。また、レンズとミラーの複合系でもよい。
次に、図１５Ａないし１５Ｅ図を参照して、本発明の製造装置・方法を用いて電子装置を製造する方法を説明する。
１５Ａ図に示すように、矩形の絶縁基板３０（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）の上に全体に渡って、下地膜３１（例えば、膜厚５０ｎｍのＳｉＮ膜と膜厚１００ｎｍのＳｉＯ_２膜との積層膜など）と非晶質半導体膜３２（例えば膜厚５０ｎｍから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。次に、非晶質半導体膜３２の表面の一部もしくは全面にエキシマレーザ３３（例えば，ＫｒＦやＸｅＣｌなど）を照射する。ここで、エキシマレーザ光照射には前記実施の形態で説明した装置並びに方法が使用される。この結果、非晶質半導体膜３２は、図１５Ｂに示されるように、多結晶半導体膜３４へと、物質が結晶化される。このようにして形成された多結晶半導体膜３４は、従来製造装置を用いた多結晶半導体膜に比べて、結晶粒位置が，制御された大粒径の多結晶もしくは単結晶化半導体膜に変換される。
次に、フォトリソグラフィを用いて、単結晶化半導体膜３４を島状の半導体膜３５に加工し、図１５Ｃに示すように、ゲート絶縁膜３６として、膜厚２０ｎｍないし１００ｎｍのＳｉＯ_２膜を化学気相成長法やスパッタ法などを用いて、下地膜３１並びに半導体膜３５上に成膜する。
次に前記ゲート膜３６上の前記半導体膜３５と対応する個所にゲート電極３７（例えば，シリサイドやＭｏＷなど）を形成する。このゲート電極３７をマスクにして、図１５Ｄに示すように、不純物イオン３８（Ｎチャネルトランジスタであればリン、Ｐチャネルトランジスタであればホウ素）を前記半導体膜３５中に注入し、この膜をＮ型もしくはＰ型にする。その後、この装置全体を窒素雰囲気でアニール（例えば、４５０℃で１時間）して、半導体膜３５中の不純物を活性化する。この結果、この半導体膜３５は、不純物濃度の高いソース４１と、ドレイン４２と、これらの間に位置し、ゲート電極３７と対応した、不純物濃度の低いチャンネル領域４０となる。
次に、層間絶縁膜３９をゲート膜３６上に成膜する。そして、この層間絶縁膜３９とゲート膜３６の、前記ソース４１並びにドレイン４２と対応する個所にコンタクト穴をあける。この後にソース４１並びにドレイン４２にコンタクト穴を介して電気的に接続されたソース電極４３、ドレイン電極４４を、成膜並びにパターンニング技術を使用して層間絶縁膜３９上に、図１５Ｅに示すように、形成する。このようにして形成された薄膜トランジスタは、チャネル４０領域を形成している半導体が、図１５Ａ並びに１５Ｂで説明したレーザ光照射技術により処理されているので、大粒径の多結晶もしくは単結晶となっていることは、理解できよう。従って、このようなトランジスタは、レーザ光処理されないアモルフアス半導体を使用したものと比較してスイッチング速度が速い。多結晶もしくは単結晶化トランジスタは、液晶駆動機能、メモリ（ＳＲＡＭ，ＤＲＡＭ）やＣＰＵなどの集積回路の機能を有するよう回路設計が可能である。耐電圧が必要な回路は、非晶質半導体膜に形成し、移動度の高速化が必要な、例えば、ドライバー回路のトランジスタなどには、多結晶もしくは単結晶化される。
産業上の利用可能性
以上説明したように、本発明によれば、位相シフトマスクのような光強度のパターンニングを果たす膜と被処理基板との間に結像光学系を配置して距離を置くので、半導体膜にレーザ光を照射する際に生じるアブレーションによってマスクを汚染することがない。
また位相シフトマスクと被処理基板の間に、位置を計測するセンサを挿入することや、センサ用の光線を入射させることも可能になる。
この他、本発明のＮＡ法は従来の位相制御ＥＬＡ法や本発明のデフォーカス法と比較して次のような４つの利点がある。
第一には被処理基板自体が光軸に対して前後したり、うねりによって半導体膜の表面が前後してもパターン変化が少ない。
第２に照明光の散乱度が変化しても、パターン変化が少ない。
特に散乱が大きくても、デフォーカス法のように、パターンのコントラストが低下しない。
第３に光強度分布は、位相シフト部以外のうねりが少なく、理想パターンに近い。
第４に被処理基板の光軸方向の位置決めは、「デフォーカス法」のようにデフォーカス量を制御する必要なく単純に焦点面に保持するだけでよいので、制御が容易になる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の一実施の形態に係わる結晶化方法、並びにその実施の装置の単全体を概略的に示す図である。
図２Ａは、図１に示す装置の結合光学系をデフォーカス法に対応するように構成した例を概略的に示す図、そして、図２Ｂは、この装置の位相シフトマスクと、半導体面での強度パターンとの関係を概略的に示す図である。
図３は、被処理基板の位置決め装置の一例の構成を概略的に示す図である。
図４Ａは、図１に示す装置の結合光学系をＮＡ法に対応するように構成した例を概略的に示す図、そして、図４Ｂは、この装置の位相シフトマスクと、半導体面での強度パターンとの関係を概略的に示す図である。
図５Ａは、図１に示す装置の結合光学系を瞳関数法に対応するように構成した例を概略的に示す図、そして、図５Ｂは、この装置の瞳と、半導体面での強度パターンとの関係を概略的に示す図である。
図６Ａは、図４Ｂに示す瞳と波形パターンとの関係を概略的に示す図、そして、図６Ｂは、瞳の半透明領域と透明領域とにより形成される波形パターンを夫々概略的に示す図である。
図７は、図６Ａに示す瞳を使用して得られる、ＸＹ方向で光強度分布が異なる２段逆ピークパターンの平面図である。
図８は、位相シフト領域を縞状に配列した位相シフトマスクの一例を概略的に示す平面図である。
図９Ａ並びに９Ｂは、位相シフト領域を市松格子状に配列した位相シフトマスクの一例を示す斜視図並びに平面図である。
図１０は、本発明のデフォーカス法による光強度分布グラフである。
図１１は、本発明のＮＡ法による光強度分布グラフである。
図１２は、位相シフトマスクの変形例を示す図である。
図１３は、図１２に示す位相シフトマスクの効果を説明するための図である。
図１４は、遮光領域が形成された位相シフトマスクのさらなる変形例を部分的に示す斜視図である。
図１５Ａないし１５Ｅは、本発明の製造装置・方法を用いた電子装置の製造方法の一例を説明するための図である。

Claims (19)

1. 光線を射出する光源と、
   この光源からの光線を受けて、この光線の強度分布をピーク値が最小の強度となった逆ピークパターンにするマスクと、
   このマスクと、被処理基板との間に位置され、前記逆ピークパターンの光線を被処理基板に結像させて、被処理基板の物質の少なくとも一部を結晶化する結像光学系とを具備する結晶化装置。
2. 前記マスクは、隣り合う領域相互の厚さが異なり、これら領域間に段差のある位相シフト部が規定された位相シフトマスクを有する請求項２の結晶化装置。
3. 前記マスクは、強度が実質的に０のピーク値を生じさせるように、位相シフト部の位相差が１８０°である請求項２の結晶化装置。
4. 前記結像光学系の焦点位置から所定の距離だけ離れたデフォーカス位置に前記被処理基板を支持する支持体をさらに具備する請求項１２、もしくは３の結晶化装置。
5. 前記結像光学系の焦点位置に前記被処理基板を支持する支持体をさらに具備し、また、前記結像光学系は、前記逆ピークパターンの幅を調節可能なようにＮＡが変更可能な絞りを有する、
   請求項１、２もしくは３の結晶化装置。
6. 前記逆ピークパターンの幅Ｄは、
   前記光線の波長をλ、
   前記絞りの開口数をＮＡ、
   とした場合、
   Ｄ＝ｋλ／ＮＡ（ｋは０．５〜２の値）
   で与えられる請求項５の結晶化装置。
7. 前記結像光学系の焦点位置に前記被処理基板を支持する支持体をさらに具備し、また、前記結像光学系は、前記逆ピークパターンがピーク値を含み強度が低い側に位置した第１のパターンと強度が高い側に位置した第２のパターンと、第１のパターンの幅は、第２のパターンの幅よりも広くなるように第１のパターンと第２のパターンとの間に位置する段部とを有する２段逆ピークパターンに設定する瞳を有する請求項１、２もしくは３の結晶化装置。
8. 前記結像光学系の前記瞳は、光透過領域と、この光透過領域を囲んだ光半透過領域とを有し、また、前記結像光学系の瞳の射出瞳関数の分布の大きさは、前記２段逆ピークパターンの第１のパターンの幅をＤ１、第２のパターンの幅をＤ２、角度で表した前記光半透過領域の径をθ１、
   角度で表した光透過領域の径をθ２、
   とした場合、
   Ｄ１＝ｋλ／ｓｉｎθ１（ｋは０．５〜２の値）
   Ｄ２＝ｋλ／ｓｉｎθ２（ｋは０．５〜２の値）
   を満たす請求項７の結晶化装置。
9. 前記マスクのマスクパターンが少なくとも３以上の位相シフト線からなる交点を有し、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略０である位相シフトマスクを有する請求項１の結晶化装置。
10. 前記３以上の位相シフト線は、その位相差がいずれも１８０度（π）未満である請求項９の結晶化装置。
11. 前記位相シフト線は、４であり、その位相差はいずれも略９０度である請求項９の結晶化装置。
12. 位相シフトマスクを用いてこのマスクの位相シフト部において光強度が略０となるピーク値を有する逆ピークパターンを発生し、
    この逆ピークパターンを有する光線を被処理基板に照射して基板の少なくとも一部の物質を結晶化する結晶化方法において、
    前記位相シフトマスクと被処理基板との間に設けられた結像光学系により、前記位相シフトマスクの光線の像を被処理基板に結像させることを特徴とする結晶化方法。
13. 前記結像光学系の焦点位置から所定の距離だけ離れたデフォーカス位置に前記被処理基板を保持した状態で光線を結像させて結晶化を果たすことを特徴とする請求項１２の結晶化方法。
14. 前記結像光学系の焦点位置に前記被処理基板を保持すると共に、
    この結像光学系のＮＡを変更して前記逆ピークパターンの幅を調節して、前記被処理基板に光線を結像させて結晶化を果たすことを特徴とする請求項１３の結晶化方法。
15. 前記結像光学系の焦点位置に前記被処理基板を保持すると共に、
    この結像光学系の射出瞳関数が外側領域と内側領域の大小２種類の分布の和になるように前記逆ピークパターンを２段逆ピークパターンにして前記被処理基板に光線を照射して結晶化を果たすことを特徴とする請求項１２の結晶化方法。
16. マスクパターンが少なくとも３以上の位相シフト線からなる交点を有し、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略０であることを特徴とする光線用の位相シフトマスク。
17. 前記３以上の位相シフト線は、その位相差がいずれも１８０度（π）未満であることを特徴とする請求項１６の位相シフトマスク。
18. 前記３以上の位相シフト線は、４とする場合その位相差はいずれも略９０度であることを特徴とする請求項１６の位相シフトマスク。
19. 位相が異なる少なくとも２つの位相領域
    と、隣合う位相領域間に規定された境界線と、境界線に沿って一方の位相領域に形成された遮光領域とを有することを特徴とする光線用の位相シフトマスク。

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