KR20040002803A

KR20040002803A - 결정화 장치, 결정화 장치에 사용되는 광학부재, 결정화방법, 박막 트랜지스터의 제조 방법 및 표시 장치의매트릭스 회로 기판의 제조 방법

Info

Publication number: KR20040002803A
Application number: KR1020030042975A
Authority: KR
Inventors: 다니구치유키오; 마츠무라마사키요; 야마구치히로타카; 니시타니미키히코; 츠지카와스스무; 기무라요시노부; 쥬몬지마사유키
Original assignee: 가부시키가이샤 에키쇼센탄 기쥬쓰 가이하쓰센타
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2003-06-28
Publication date: 2004-01-07
Also published as: US20060213431A1; TW200403711A; JP4347546B2; US7101436B2; US20090181483A1; CN1480982A; JP2004031841A; US20090180190A1; US7692864B2; US7537660B2; US20040036969A1; TWI282581B

Abstract

결정화 장치는 위상 시프트 마스크를 조명하는 조명 광학계를 포함하며, 상기 조명 광학계는 상기 위상 시프트 마스크의 위상 시프트부에 대응하는 지점에 최소 광 강도를 갖는 역피크형 광 강도 분포의 광 빔을 비정질 반도체 막에 조사하여 결정화된 반도체 막을 형성한다. 파면 분할 소자는 상기 조명 광학계와 파장 시프트 마스크 사이의 광 경로 상에 배치된다. 파면 분할 소자는 조명 광학계로부터 공급되는 광 빔을 복수의 광 빔으로 파면 분할하며, 상기 파면 분할된 광 빔을 위상 시프트부 또는 그 근처에 집광시킨다.

Description

결정화 장치, 결정화 장치에 사용되는 광학부재, 결정화 방법, 박막 트랜지스터의 제조 방법 및 표시 장치의 매트릭스 회로 기판의 제조 방법{Crystallization Apparatus, Optical Member for Use in Crystallization Apparatus, Crystallization Method, Manufacturing Method of Thin Film Transistor, and Manufacturing Method of Matrix Circuit Substrate of Display}

본 발명은 레이저 빔을 비정질 또는 다결정 반도체 막에 조사하여 결정화된 반도체 막을 생성하는 결정화 장치, 상기 결정화 장치에 사용하기 위한 광학부재, 결정화 방법, 박막 트랜지스터 및 표시 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 위상 시프트 마스크(shift mask)를 이용하여 위상 변조된 레이저 빔을 비정질 또는 다결정 반도체 막에 조사하여 결정화된 반도체 막을 생성하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

예를 들어, 액정 표시 장치(LCD : liquid crystal display)의 화소에 인가되는 전압을 제어하는 스위칭 소자에 이용되는 박막 트랜지스터(TFT : thin film transistor)의 재료는 지금까지 비정질 실리콘, 다결정 실리콘 및 단결정 실리콘으로 대략 분류된다.

비정질 실리콘은 높은 내구성을 얻을 수 있다. 다결정 실리콘은 비정질 실리콘보다 높은 전자 이동도를 가진다. 따라서, 다결정 실리콘에 의해 형성된 트랜지스터는 비정질 실리콘에 의해 형성된 트랜지스터보다도 스위칭 속도가 높고, 표시 장치의 응답이 빠르며, 다른 부품의 설계 마진이 감소되는 잇점을 가진다. 표시 장치의 본체 외에 구동 회로 및 디지털/아날로그 변환부와 같은 주변 회로가 표시 장치에 병합될 수 있다. 이 경우에 이들 주변 회로들은 보다 고속으로 동작될 수 있다.

다결정 실리콘은 결정립(crystal grain)의 집합으로 이루어지며, 단결정 실리콘보다 더 낮은 전자 또는 정공 이동도를 가진다. 또한, 다결정 실리콘을 이용하여 형성된 박막 트랜지스터에서는, 채널부에 존재하는 결정립 경계의 수가 변동하는 문제가 있다. 그래서, 최근 전자 또는 정공의 이동도를 향상시키고 각 박막 트랜지스터의 채널부에서 결정립 경계의 수의 변동을 감소시키기 위하여, 큰 입자 직경을 갖는 다결정 실리콘을 생성하는 결정화 방법이 제안되고 있다.

이러한 형태의 결정화 방법으로서, 다결정 또는 비정질 반도체 막에 위상 시프트 마스크를 통해 엑시머 레이저 빔(excimer laser beam)을 조사하여 결정화된 반도체 막을 생성하는 "위상 제어 엑시머 레이저 열처리(ELA : excimer laser annealing)"가 지금까지 알려져 있다. 위상 제어 ELA의 세부 사항은 예를 들어, "Surface Science Vol. 21, No. 5, pp. 278-287, 2000" 및 일본 특허 출원 공개 번호 제2000-306859호에 기재되어 있다.

위상 제어 ELA에서는 역피크형 광 강도 분포(light intensity distribution)(최소의 광 강도를 갖는 점에서 거리가 증가할수록 급속히 광 강도가 증가하는 광 강도 분포)가 위상 시프트 마스크에 의해 생성된다. 다결정 또는 비정질 반도체 막에는 역피크형 광 강도 분포를 주기적으로 갖는 광 빔이 조사된다. 그 결과, 광 강도 분포에 따른 용융 영역(molten region)이 생성되며, 최소의 광 강도분포를 갖는 점에 대응하여 노출되며 용해되지 않거나 최초에 응고한 부분에 결정핵이 형성된다. 상기 결정핵으로부터 주변을 향해 횡방향으로 결정이 성장(측면성장)할 때, 큰 입자 직경을 갖는 결정립(crystal grains)(즉, mono-crystal)이 생성된다.

예를 들어, 액정 표시 장치가 제조될 때, 상기 설명된 결정화에 필요한 트랜지스터 형성 영역이 차지하는 각 화소 영역에서의 비율은 대개 매우 작다. 종래 기술에서는 예를 들어, 2차원적으로 배치된 복수의 위상 시프트 영역을 갖는 위상 시프트 마스크에 레이저 빔이 일정하게 조사된다. 따라서, 조명 광학계(optical illumination system)로부터 공급되는 레이저 빔의 대부분은 트랜지스터 형성 영역의 결정화에 기여하지 않으며 소위 광량 손실이 매우 크다.

또한, 위에서 설명한 바와 같이, 종래 기술에서는 반도체 막에 역피크형 광 강도 분포를 갖는 광 빔이 조사된다. 상기 광 강도 분포에서는 결정핵이 광 강도가 최소인 지점에 대응하는 영역에 형성된다. 따라서, 결정 핵의 형성 위치를 제어하는 것이 가능하다. 그러나, 서로 마주보고 배치된 두 개의 역피크 영역 사이의 중간 영역에서 광 강도 분포를 제어하는 것은 불가능하다.

실제로, 종래 기술에서는 일반적으로 중간 영역에서의 광 강도 분포는 불규칙한 서지(surge)(광 강도의 증가와 감소가 반복되는 파도 형태의 분포)를 포함한다. 이 경우에, 결정화 공정에서는 결정핵으로부터 주변을 향해 시작한 측면 성장(lateral growth)이 중간 영역에서 광 강도가 감소하는 영역에서 정지하며, 큰 결정의 성장이 억제되는 문제점이 있다. 또한, 중간 영역에서 대체로 일정한 광 강도 분포가 얻어진다 하더라도, 이러한 일정한 광 강도 분포의 임의의 위치에서 측면 성장이 정지하여 큰 결정의 성장이 억제되는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 조명 광학계로부터 공급되는 광의 대부분이 의도하는 영역의 결정화에 기여할 수 있고 광 효율이 만족스러운 결정화 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 결정핵으로부터 충분한 측면 성장이 실현되어 큰 입자 직경을 갖는 결정화된 반도체 막을 생성하는 결정화 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 설명된 효과와 유사한 효과를 갖는 박막 트랜지스터의 제조 방법, 표시 장치의 매트릭스 회로 기판의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 결정화 장치를 개략적으로 나타낸 도면.

도 2는 조명 광학계의 방출 동공면 또는 그 근처에 배치된 투과 필터와 이 필터를 투과한 광 빔의 광 강도를 개략적으로 나타낸 도면.

도 3a는 위상 시프트 마스크의 기본 단위 부분과 파면 분할 소자를 나타낸 투시도.

도 3b는 마이크로 렌즈 어레이 3의 입사광의 집광 상태를 나타낸 측면도.

도 4는 위상 시프트 마스크의 구조 또는 반복을 나타낸 정면도.

도 5는 투과 필터 및 마이크로 렌즈 어레이를 투과한 광 빔의 광 강도 분포를 나타낸 도면.

도 6은 위상 시프트 마스크의 작용을 설명하는 도면.

도 7은 액정 표시 장치에서 결정화가 필요하며 각 화소 영역에 배치되어 있는 트랜지스터 형성 영역을 나타낸 도면.

도 8a는 투과 필터, 마이크로 렌즈 어레이 및 위상 시프트 마스크를 포함하는 3개의 계를 투과한 광 빔의 광 강도 분포를 나타낸 도면.

도 8b는 투과 필터, 마이크로 렌즈 어레이 및 위상 시프트 마스크를 투과한 광 빔의 광 강도 분포 패턴을 나타낸 도면.

도 9는 도 8a에 도시된 광 강도 분포를 3차원적으로 나타낸 도면.

도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 결정화 장치를 개략적으로 나타낸 도면.

도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 결정화 장치를 개략적으로 나타낸 도면.

도 12는 파면 분할 소자의 변형예에 따른 마이크로 원통 렌즈 어레이를 나타낸 도면.

도 13은 투과 필터의 변형예를 나타낸 도면.

도 14는 액정 표시 장치에서 결정화가 필요하며 각 화소 영역에 배치되어 있는 트랜지스터 형성 영역을 나타낸 도면.

도 15는 변형예에 따른 투과 필터, 마이크로 원통 렌즈 어레이 및 위상 시프트 마스크를 투과한 광 빔의 광 강도 분포를 나타낸 도면.

도 16은 위상 시프트 마스크의 변형예를 나타낸 도면.

도 17a 내지 도 17k는 마이크로 렌즈 어레이와 위상 시프트 마스크를 일체적으로 형성하는 방법을 설명하는 도면.

도 18a 내지 도 18e는 마이크로 렌즈 어레이와 위상 시프트 마스크를 일체적으로 형성하는 방법을 설명하는 도면.

도 19는 필터가 생략된 도 8b의 변형을 예시하는 도면.

도 20은 위상 시프트 마스크가 생략된 도 8b의 변형을 예시하는 도면.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1특징에 따르면, 균일한 광 강도 분포를 갖는 광 빔이 비정질 반도체 막 또는 다결정 반도체 막에 입사하도록 하는 조명 광학계를 포함하는 결정화 장치가 제공되며, 상기 조명 광학계는 비정질 반도체 막 또는 다결정 반도체 막에 광 빔을 조사하여 상기 비정질 또는 다결정 반도체 막을 결정화시킨다. 상기 장치는 입사 광 빔을 복수의 광 빔으로 파면 분할하는 파면 분할 소자와, 부분적으로 투과한 광 빔 사이에 위상차를 부여하고 광 빔을 역피크형 광 강도 분포를 갖는 광 빔으로 변환시키는 위상 시프트 마스크를 포함하며,상기 위상 시프트 마스크는 역피크형 광 강도 분포가 최소로 되는 지점을 결정하는 위상 시프트부를 포함한다. 상기 파면 분할 소자는 조명 광학계와 결정화되지 않은 반도체 막 사이의 광 경로 상에 위치된다. 상기 위상 시프트 마스크는 파면 분할 소자와 결정화되지 않은 반도체 막 사이의 광 경로 상에 위치된다. 파면 분할 소자와 위상 시프트 마스크는 상기 위상 시프트부 주위의 소정의 영역에 파면 분할된 광 빔이 조사되도록 위치된다.

상기 파면 분할 소자는 서로 직각으로 교차하는 두 방향을 따라 2차원적으로 배치된 복수의 광학 요소를 포함하는 것이 바람직하며, 각 광학 요소는 서로 직각으로 교차하는 두 방향을 따라 2차원 집광 작용을 가진다. 그 대신에, 상기 파면 분할 소자는 소정의 방향을 따라 1차원적으로 배치된 복수의 광학 요소를 포함할 수 있으며, 각 광학 요소는 상기 소정의 방향을 따라 1차원 집광 작용을 가진다.

상기 조명 광학계는 균일한 광 강도 분포를 갖는 광 비를 위로 오목한 광 강도 분포를 갖는 광 빔으로 변환하는 광 강도 분포 형성 소자를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 광 강도 분포 형성 소자와 위상 시프트 마스크는 위로 오목한 광 강도 분포를 최소화시키는 지점이 상기 위상 시프트부에 대응하도록 위치된다. 상기 광 강도 분포 형성 소자와 위상 시프트 마스크에 의해 변환되고 결정화되지 않은 반도체 막에 조사되는 광 빔은 위로 오목한 부분 내부에 역피크 부분을 지닌 광 강도 분포를 가진다. 상기 광 강도 분포 형성 소자는 소정의 투과율을 갖는 원형 중간 영역과, 상기 중간 영역을 둘러싸도록 형성되며 상기 중간 영역보다 높은 투과율을 갖는 환형 주변 영역을 포함할 수 있다. 이와 달리, 상기 광 강도 분포 형성소자는 소정의 투과율을 가지며 소정의 방향으로 연장된 길다란 중간 영역과, 상기 중간 영역의 양쪽에서 지지하도록 형성되며 상기 중간 영역보다 높은 투과율을 갖는 주변 영역들을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 광 강도 분포 형성 소자는 상기 조명 광학계의 방출 동공면 또는 그 근처에 배치되며, 소정의 투과율 분포를 가지는 투과 필터를 포함한다.

상기 다결정 또는 비정질 반도체 막은 상기 위상 시프트 마스크와 평행하게 또는 그 근처에 배치되는 것이 바람직하다. 상기 결정화 장치는 다결정 또는 비정질 반도체 막과 상기 막으로부터 떨어지게 배치된 위상 시프트 마스크 사이의 광 경로에 배치된 결상 광학계를 더 포함한다. 다결정 또는 비정질 반도체 막은 상기 결상 광학계의 광학 축을 따라 상기 위상 시프트 마스크와 광학적으로 공동 역할을 하는 평면으로부터 소정의 거리에 배치될 수 있다. 또한, 다결정 또는 비정질 반도체 막과 위상 시프트 마스크 사이의 광 경로 상에 배치된 결상 광학계를 더 포함하는 장치에서는, 상기 다결정 또는 비정질 반도체 막이 위상 시프트 마스크와 광학적으로 공동 역할을 하는 평면 근처에 설정되며, 결상 광학계의 영상측 개구수는 역피크형 광 강도 분포를 생성하는데 필요한 값으로 설정될 수도 있다.

본 발명의 제2특징에 따르면, 소정의 영역에만 조사하기 위하여 균일한 입사 광 강도 분포를 갖는 광 빔을 집광시키는 파면 분할부와, 상기 광 빔을 역피크형 광 강도 분포를 갖는 광 빔으로 변환시키는 광 변환부를 포함하는 광학 부재가 제공된다.

본 발명의 제3특징에 따르면, 소정의 영역에만 조사하기 위한 광 빔을 집광시키는 단계와, 상기 광 비를 역피크형 광 강도 분포를 갖는 광 빔으로 변환시키는 단계와, 결정화되지 않은 반도체 막(비정질 또는 다결정 반도체 막)의 소정 영역에 상기 변환된 광 빔을 조사하여 결정화시키는 단계를 포함하는 결정화 방법이 제공된다.

상기 제3특징에 따르면, 균일한 광 강도 분포를 갖는 광 빔은 위로 오목한 광 강도 분포를 갖는 광 빔으로 변환된다. 이와 달리, 위로 오목한 부분 내부에 역피크 부분을 지닌 광 강도 분포를 갖는 광 빔은 광학 축을 따라 소정 거리만큼 광학적으로 공동 역할을 하는 평면으로부터 떨어져 배치된 지점에 영상으로 형성되며, 결정화되지 않은 반도체 막에 영상으로 형성된 광 빔이 조사되어 결정화된다.

본 발명의 제4특징에 따르면, 소정의 영역에만 조사하기 위하여 균일한 광 강도 분포를 갖는 광 빔을 집광시키는 단계와, 상기 집광된 광 빔을 역피크형 광 강도 분포를 갖는 광 빔으로 변환시키는 단계와, 결정화되지 않은 반도체 막의 소정 영역에만 상기 변환된 광 빔을 조사하여 결정화시키는 단계를 포함하는 결정화 방법이 제공된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 결정화 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제1실시예의 결정화 장치는 처리 대상 기판(4)의 반도체 막을 조명하기 위한 조명 광학계(2), 처리 대상 기판(4)과 조명 광학계(2) 사이의 광 경로에 배치된 파면 분할 소자인 마이크로 렌즈 어레이(3) 및, 위상 시프터(phase shifter) 즉, 마이크로 렌즈 어레이(3)와 처리 대상 기판(4) 사이의 광 경로에 배치된 위상 시프트 마스크(1)를 포함한다.

처리 대상 기판(4)의 반도체 막의 상부 표면은 위상 시프트 마스크(1)와 평행하게 그리고 근접하게(예를 들어, 수 마이크로미터 내지 수백 마이크로 미터) 배치된다. 반도체 막은 지지 기판 상의 다결정 반도체 막 및 비정질 반도체 막과 같은 단결정이 아닌 반도체 막으로 구성된다. 예를 들어, 상기 기판은 액정 표시 장치용 유리 기판 상에 또는 화학 기상 성장법에 의해 기판 상에 형성되는 이산화막(SiO₂)과 같은 하층막 상에 비정질 실리콘 막을 직접 형성함으로써 얻어진다. 본 실시예에서는, 위상 시프트 마스크(1)가 비정질 반도체 막과 대향하도록 배치되어 있다. 처리 대상 기판(4)은 진공 척(vacuum chuck) 또는 정전 척(electrostatic chuck)에 의해 기판 스테이지(5) 상의 소정 위치에 지지된다. 예를 들어, 기판 스테이지(5)는 x-y-z-θ 테이블로 구성된다. 그 결과, 조명 광학계가 고정되어 있는 동안, 기판 스테이지(5)가 횡방향으로 이동하면, 처리 대상 기판(4)의 반도체 막의 결정화는 성공적으로 이동하게 되어 넓은 범위에 걸쳐 고정 결정화 단계를 수행한다.

조명 광학계(2)는 예를 들어, 248 nm의 파장을 지닌 레이저 빔을 공급하기 위한 KrF 엑시머 레이저 광원(2a), 상기 광원(2a)으로부터의 레이저 빔을 확대하기 위한 빔 확대기(2b), 제1 및 제2플라이 아이 렌즈(fly eye lens)(2c, 2e), 제1 및 제2집광 광학계(2d, 2f), 광 강도 분포 형성 소자인 투과 필터(2g)를 포함한다. 상기 광원(2a)으로서 XeCl 엑시머 레이저 광원과 같은 다른 적당한 광원이 사용될 수있다.

도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 광원(2a)으로부터 방출된 광 빔은 빔 확대기(2b)에 의해 확대되고, 평행광으로 변환되어 제1플라이 아이 렌즈(2c)에 입사한다. 제1플라이 아이 렌즈(2c)에 입사한 광 빔은 제1플라이 아이 렌즈(2c)의 볼록 렌즈에 의한 집광 작용을 거치므로, 복수의 점광원들이 제1플라이 아이 렌즈(2c)의 뒤쪽 초점면에 대체로 형성된다. 복수의 점광원들로부터의 광빔들은 제1집광 광학계(2d)에 의해 영상으로 픽업되며, 초점 뒤에 배치된 제2플라이 아이 렌즈(2e)의 입사면을 중첩적으로 조명한다.

복수의 점광원들로부터 제2플라이 아이 렌즈(2e)에 입사하는 광 빔들은 제2플라이 아이 렌즈(2e)의 볼록 렌즈에 의한 집광 작용을 거치므로, 제1플라이 아이 렌즈(2c)의 뒤쪽 초점면에 형성된 점광들보다 더 많은 점광원들이 제2플라이 아이 렌즈(2e)의 뒤쪽 초점면 즉, 투과 필터(2g)에 형성된다. 제2플라이 아이 렌즈(2e)의 뒤쪽 초점면에 형성된 복수의 점광원들로부터 광 빔들은 또한 제2집광 광학계(2f)에 입사한다.

제1플라이 아이 렌즈(2c)와 제1집광 광학계(2d)는 제1균등화기를 구성하며, 위상 시프트 마스크(1) 상의 입사 각도를 균등화시킨다. 이와 유사하게, 제2플라이 아이 렌즈(2e)와 제2집광 광학계(2f)는 제2균등화기를 구성하며, 위상 시프트 마스크(1) 상에 입사하는 레이저 빔들의 광 강도를 균등화시킨다. 그러므로, 제1 및 제2균등화기는 광원(2a)으로부터 전송된 광 빔을 대략 균일한 광 강도 분포를 갖는 광 빔으로 변화시킨다.

도 2에 도시된 바와 같이, 투과 필터(2g)는 광원(2a)으로부터 방출된 광의 파장에 대해 예를 들어, 50%의 투과율을 갖는 원형 중앙 영역(12a)과, 상기 중앙 영역(12a)을 둘러싸도록 형성되며 대략 그 투과율이 100%인 환형 주변 영역(12b)을 포함한다. 그러므로, 조명 동공면 또는 그 평면 근처에서는 중앙 영역(12a)을 통해 투과된 일부의 광 빔의 광 강도가 상대적으로 낮고, 주변 영역(12b)을 투과한 일부의 광 빔의 광 강도가 상대적으로 높다. 따라서, 조명 광학계(2)는 조사 평면에서 균일한 입사 각도를 가지며 주변부보다 중앙부에서 더 낮은 광 강도 분포를 가지는 광 빔을 중첩적으로 방출한다.

투과 필터(2g)의 중앙 영역(12a)은 예를 들어, 투과율에 따른 두께를 갖는 크롬 막(또는 ZrSiO 막)을 스퍼터링 공정에 의해 투명 기판 상에 형성하고, 주변 영역의 막을 패터닝하고 식각 및 제거함으로써 얻어진다. 차광 재료인 크롬은 일부의 광을 반사하고 일부의 광을 흡수한다. 또한, 중앙 영역(12a)은 광원(2a)으로부터 방출된 사용 파장을 지닌 광을 부분적으로 반사하도록 설계된 다층막을 투명 기판 상에 형성한 다음에, 그 막을 패터닝함으로써 얻어질 수도 있다. 즉, 중앙 영역(12a)은 환형 수정 유리와 같은 사용 파장에 대해 투명한 기판 상에 반사막을 형성하고, 주변 영역(12b)의 반사막 부분을 식각함으로써 얻어진다.

다층막이 반사 재료로 사용되면, 불필요한 광의 흡수에 의해 열이 발생하지 않는다는 이점이 있다. 그러나, 반사광이 표류광이 되어 플레어(flare)를 일으키지 않도록 고려할 필요가 있다. 중앙 영역(12a)과 주변 영역(12b) 사이의 경계선에서 투과광의 위상차가 실질적으로 발생하지 않도록 차광 재료와 반사 재료의 종류와두께가 조정되는 것이 바람직하다. 제1실시예에서, 원 형상으로 형성된 중앙 영역(12a)의 예가 설명되었지만, 삼각형 및 직사각형과 같은 다른 형태로 형성될 수도 있다.

도 3a는 파면 분할 소자인 마이크로 렌즈 어레이(3)를 지닌 수렴/발산 소자로 구성되는 복수의 기본 단위 소자 중 하나에 따라 위상 시프트 마스크(1)를 구성하는 복수의 기본 단위 부분 중 하나를 개략적으로 나타낸 투시도이다. 도 3b는 위상 시프트 마스크와 마이크로 렌즈 어레이의 기본 단위 부분을 나타낸 측면도이고, 마이크로 렌즈 어레이(3)의 입사광 집속 상태를 나타낸 도면이다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 마이크로 렌즈 어레이(3)의 기본 단위 부분인 마이크로 렌즈 요소(광학 요소)(13)는 위상 시프트 마스크(1) 쪽으로 돌출한 부분적으로 구 형상과 같은 2차원 곡면 형상을 갖는 굴절면(13a)을 지닌다. 상기 굴절면(13a)에 의해, 마이크로 렌즈 어레이(3)의 마이크로 렌즈 요소(13)는 도 3b에 도시된 바와 같이 x와 y방향을 따라 2차원 집속 기능을 가진다. 즉, 복수의 볼록 렌즈에 의해 조명 광학계(2)로부터 집속된 광은 각 마이크로 렌즈 요소(13)에 입사한다. 복수의 집속된 빔(또는 일부의 빔)을 방출하는 각 마이크로 렌즈 요소(13)의 상태는 도 3b에 도시되어 있다. 그 결과, 나중에 상세하게 설명될 서지(surge)에 의해 영향받지 않고도 역피크 패턴이 얻어질 수 있다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 위상 시프트 마스크(1)의 기본 단위 부분(11)은 마이크로 렌즈 어레이(3)의 마이크로 렌즈 요소(13)와 x 및 y 방향으로 대략 같은 크기를 가지며, x 방향으로는 마이크로 렌즈 요소(13)와 평행하게 배치되고, z 방향(광의 방향)으로는 상기 요소 근처에 배치된다. 위상 시프트 마스크(1)의 기본 단위 부분(11)은 제1 내지 제4영역을 포함하는 4개의 직사각형 위상 시프트 표면을 가진다. 제1 및 제3영역(11a, 11c)과 제2 및 제4영역(11b, 11d)은 각각 대각선 상에 위치되어 있다. 두 개의 대각선 상에 위치한 영역들은 투과된 광 빔 사이에 π의 위상차를 부여한다. 즉, 위상 시프트 마스크(1)는 제1 내지 제4영역(11a 내지 11d)들이 연속적으로 서로 π/2의 위상차를 가지도록 단차(step)가 형성된 계단 형상을 가진다. 단차를 지닌 영역(11a 내지 11d)들은 식각 또는 적층에 의해 형성될 수 있다.

구체적으로 예를 들어, 248 nm의 파장을 갖는 광 빔에 대해 1.5의 굴절률을 갖는 석영 유리를 식각함으로써 위상 시프트 마스크(1)가 형성된다. 이 경우에, 제1 및 제2영역(11a, 11b) 사이에는 124 nm의 단차(제1 및 제2영역 사이의 석영 유리의 두께 차이)가 부여된다. 제1 및 제3영역(11a, 11c) 사이에는 248 nm의 단차(제1 및 제3영역 사이의 석영 유리의 두께 차이)가 부여된다. 제1 및 제4영역(11a, 11d) 사이에는 372 nm의 단차(제1 및 제4영역 사이의 석영 유리의 두께 차이)가 부여된다. 위상 시프트부(11e)는 각 영역(11a 내지 11d)의 경계선인 4개의 위상 시프트 라인의 교차점 근처에 형성된다. 위상 시프트 마스크의 위상 시프트 라인에서는, 제2영역(11b)을 통과한 광이 위상에 있어서 제1영역(11a)을 통과한 광보다 늦다. 이와 유사하게, 제3 및 제4영역(11c, 11d)을 통과한 광이 제2 및 제3영역(11b, 11c)을 통과한 광보다 각각 π/2 위상만큼 뒤에 위치한다. 그 결과, 상기 영역(11a 내지 11d)을 통과한 광에서는 간섭 및 굴절이 발생한다. 이와 같은 방식으로, 위상시프트 라인이 서로 교차하는 위상 시프트부(11e)에 대향하도록 배치된 부분은 제로 또는 거의 제로를 나타내므로, 광 강도 분포가 역피크 패턴을 나타낸다.

마이크로 렌즈 어레이(3) 및 위상 시프트 마스크(1)는 굴절면(13a)의 중심이 광학 축사의 위상 시프트부(11e)에 정렬되도록 위치된다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 위상 시프트 마스크(1)는 복수의 기본 단위 부분(11)을 2차원적으로, 즉 2×2의 매트릭스 형태로 순서대로 배치함으로써 구성된다. 위상 시프트 마스크(1)와 동일한 방식으로, 마이크로 렌즈 어레이(3)는 복수의 마이크로 렌즈 요소(13)를 2차원적으로 순서대로 배치함으로써 구성된다.

제1실시예에 따른 도 4에 도시된 위상 시프트 마스크(1)의 기본 단위 부분(11)은 4개의 영역을 포함하지만, 투과된 광 빔에 대해 π의 위상차를 부여하는 2개의 영역을 포함할 수도 있다. 위상 시프트 마스크(1)가 각 단위 부분(11)에 2개의 영역을 포함하면, 이들 영역들은 줄무늬 형태로 교대로 배치된다. 위상차는 수정 유리 판의 일부 또는 일부들의 두께를 변경시킴으로써 형성될 수 있다. 상기 두께는 식각에 의해 형성될 수 있다.

조명 광학계(2)로부터 방출되어 실질적으로 균일한 광 강도 분포를 가지는 광 빔은 마이크로 렌즈 어레이(3)를 투과하여 위상 시프트 마스크를 조사한다. 마이크로 렌즈 어레이(3)의 각 마이크로 렌즈 요소(13)에 입사한 일부의 광 빔은 굴절면(13a)을 통과하여 집광 작용을 거치며, 마이크로 렌즈 요소(13)의 초점 또는 초점 근처에 배치된 위상 시프트 마스크(1)의 위상 시프트부(11e)에 스폿 형태로 입사한다. 이와 같은 방식으로, 마이크로 렌즈 어레이(3)는 조명 광학계(2)와 위상시프트 마스크(1) 사이의 광 경로 상에 배치되며 조명 광학계(2)로부터 입사한 광 빔을 복수의 광 빔 또는 광 빔 부분들로 파면 분할시키는 파면 분할 요소를 구성한다. 파면 분할된 광 빔은 초점 위치에 배치된 위상 시프트부(11e) 또는 그 근처에 초점이 모여진다.

도 5는 투과 필터(2g)와 마이크로 렌즈 어레이(3)의 작용에 의해 위상 시프트 마스크(1)에 입사하는 레이저 빔의 광 강도 분포를 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 속성을 가지는 투과 필터(2g)를 통과한 광 빔에 대해, 광 빔 중 비스듬하게 나오는 부분이 수직으로 나오는 광 빔보다 더 강하다. 그러므로, 도 5에 도시된 바와 같이, 광 빔은 위상 시프트 마스크(1) 상의 레이저 빔의 위로 오목한 광 강도 분포를 가지며, 광 강도는 도 3b에 도시된 각 위상 시프트부(11e)에서 최소이고 위상 시프트부(11e)로부터의 거리가 증가할수록 광 강도가 증가한다. 구체적으로, 광 빔의 위로 오목한 광 강도 분포에서는, 도 3A에 도시된 마이크로 렌즈 어레이(3)의 굴절면(13a)의 중심에 대향하는 지점에서 광 강도가 가장 낮고, 광 빔의 광 강도는 이 지점 주위의 환형 지점에서 연속적으로 가장 높다.

레이저 빔의 위로 오목한 광 강도 분포는 x 및 y방향에서 유사한 프로파일을 가진다. 또한, 이 기술이 액정 표시 장치의 화상 표시 회로의 제조 공정에 적용될 때, 레이저 빔의 위로 오목한 광 강도 분포의 폭이 액정 표시 장치의 화소 간격과 동일하게 설정하는 것이 바람직하다. 화소 간격과 동일한 결정 입자 직경은 하나의 화소를 스위칭하기 위한 박막 트랜지스터 회로가 형성될 수 있는 면적이다.

위상 시프트 마스크(1)에 스폿 형태로 조사되는 광 빔은 위상 변조되어 위상시프트 마스크(1) 근처에 평행하게 배치된 처리 대상 기판(4)의 반도체 막에 입사한다. 도 6은 위상 시프트 마스크(1)의 작용을 설명하는 도면이다. 이하에서는 조명 광학계(2)와 위상 시프트 마스크(1) 사이의 광 경로에 마이크로 렌즈 어레이(3)가 배치되지 않을 경우, 각 유닛에 두 개의 연장된 영역을 갖는 위상 시프트 마스크(1)의 기본 작용에 대해 설명할 것이다.

위상 시프트 마스크(1)에서 두 개의 인접한 연장된 영역 사이의 위상차는 π/2로 설정되므로, 광 강도는 감소하지만 교차점 외에 위상 시프트 라인에 해당하는 위치에서 제로(zero)로 되지 않는다. 다른 한편으로, 위상 시프트 라인의 교차점 주위의 원형 영역의 복잡한 투과율의 적분값은 제로(zero)로 설정되므로, 교차점 즉 위상 시프트부(11e)에 대응하는 위치에서는 광 강도가 실질적으로 제로이다.

그러므로, 도 6에 도시된 바와 같이, 처리 대상 기판(4)의 반도체 막 상에서는 위상 시프트 마스크(1)의 각 기본 단위 부분(11)을 투과한 레이저 빔의 광 강도 분포에 대해 역 피크형 광 강도 분포 패턴(P)이 얻어진다. 이 패턴에서는 위상 시프트 마스크(1)의 각 위상 시프트부(11e)에 대응하는 지점에서 광 강도가 대체로 제로이며, 위상 시프트부(11e)로부터의 거리가 증가할수록 광 강도가 연속적으로 급격히 증가한다. 그러므로, 전체적으로 매트릭스 형태로 배치된 복수의 위상 시프트부(11e)를 지닌 위상 시프트 마스크(1)를 투과한 광 빔은 주기적으로 역피크형 광 강도 분포를 가진다. 상기 주기적인 역피크형 광 강도 분포는 x 및 y방향으로 대체로 동일한 프로파일을 가진다. 역피크형 광 강도 분포의 폭은 위상 시프트 마스크(1)와 처리 대상 기판의 반도체 막 사이 거리의 제곱근(즉, 디포커스 양)에 비례하여 변한다.

위에서 설명된 바와 같이, 반도체 막에 도 6에서만 도시된 바와 같은 역피크형 광 강도 분포를 주기적으로 갖는 광 빔이 조사될 때, 결정 핵에서 주변부를 향해 시작한 측면 성장은 서로 인접하게 배치된 역피크형 패턴들(P) 사이의 중간 영역에 있는 파형이 확대된 부분에서 정지한다. 제1실시예에서는 결정핵으로부터의 충분한 측면 성장을 실현하기 위하여, 투과 필터(2g)가 조명 광학계(2)의 조명 동공면 또는 그 동공면 근처에 배치되어 있다.

도 7은 액정 표시 장치(59)에서 결정화가 필요하며 화소 영역(61)에 배치되어 있는 트랜지스터 형성 영역(60)을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하면, 예를 들어 액정 표시 장치(59)가 위에서 설명된 바와 같이 제조될 때, 위상 시프트 마스크(1)로부터의 광 빔은 스폿을 의도한 광 빔 영역(62)의 외부에도 방출되므로, 광량 손실이 매우 크다. 제1실시예에서는, 조명 광학계(2)로부터의 광 빔을 트랜지스터 형성 영역(60)에만 효과적으로 조사하기 위하여, 조명 광학계(2)와 위상 시프트 마스크(1) 사이의 광 경로에 마이크로 렌즈 어레이(3)가 배치되어 있다.

도 8a는 투과 필터(2g), 마이크로 렌즈 어레이(3) 및 위상 시프트 마스크(1)의 협동 작용에 의해 처리 대상 기판(4)의 반도체 막 상에서 얻어지는 광 강도 분포를 나타낸 도면이다. 위에서 설명된 바와 같이, 투과 필터(2g), 마이크로 렌즈 어레이(3) 및 위상 시프트 마스크(1)는 균일한 광 강도 분포를 갖는 광 빔의 광 강도가 중앙에서 최소로 되고 예를 들어 50%만큼 감소하는 그러한 광 강도 분포를 갖는 광 빔을 형성하는 작용한다. 상기 광 강도는 역피크형에서 주변으로 향해 가파른 경사율로 대체로 선형적으로 증가하고, 그 다음에는 약간 부드러운 경사율로 선형적으로 증가한다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 마이크로 렌즈 어레이(3)는 입사한 광 빔을 도 6의 역피크 패턴(P)으로 소정의 영역에만 조사되는 스폿 광 빔으로 변환시키는 작용을 가진다. 위상 시프트 마스크(1)는 균일한 광 강도 분포를 갖는 광 빔을 도 6에 도시된 역피크형 광 강도 분포를 갖는 광으로 변환시키는 작용을 가진다.

제1실시예에 따른 결정화 장치는 위상 시프트 마스크(1), 투과 필터(2g) 및 마이크로 렌즈 어레이(3)를 포함하므로, 처리 대상 기판에 도달하는 광 빔은 도 8b에 도시된 이러한 세 개의 부재의 작용을 거친다. 그러므로, 처리 대상 기판(4)의 비정질 반도체 막에 도달하는 광 빔은 소정의 영역만 조명하는 스폿 광 빔으로 변환되어 있다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 2단계 역피크형 광 강도 분포는 오목한 광 강도 분포와 동일한 주기로 분포된 역피크형 광 강도 분포의 곱셈에 의해 표현되는 바와 같이 얻어진다. 상기 2단계 역피크형 광 강도 분포에서는, 위에서 설명된 역피크형 광 강도 분포에 대응하도록 하기 위하여, 위상 시프트부(11e)에 대응하는 지점에서 광 강도가 대략 제로이며, 이 지점으로부터 멀어질수록 광 강도가 급속히 증가하여 소정의 값에 도달한다. 즉, 광 강도가 최소로 되는 2단계 역피크형 광 강도 분포 상의 지점은 위상 시프트부(11e)의 위치에 의해 결정된다.

상기 제1실시예에서는 2단계 역피크형 광 강도 분포가 위에서 설명된 주기적으로 위로 오목한 x 및 y방향의 광 강도 분포에 대응한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 서로 인접하게 배치된 역피크 부분들 사이의 광 강도 분포에서는, 광 강도가 x및 y 방향을 따라 대체로 단조적으로 증가한다. 도 8A에 도시된 2단계 역피크형 광 강도 분포의 파형 패턴은 도 5에 도시된 선형적으로 증가하는 오목한 부분의 광 강도 분포의 파형 패턴을 도 6에 도시된 역피크 부분의 광 강도 분포의 파형 패턴 상에 중첩시킴으로써 얻어지는 파형 패턴이다. 대체로 선형적으로 증가하는 강도들 사이의 경계(H)에서는 경사가 감소되는 변곡점들이 있다.

처리 대상 기판(4)의 반도체 막에 2단계 역피크형 광 강도 분포를 갖는 광 빔이 조사될 때, 최소 광 강도 즉, 대략 제로인 광 강도를 나타내는 지점(위상 시프트부(11e)에 대응하는 지점)에 대응하는 영역에 결정핵이 형성된다. 이에 대해서는 상세하게 설명될 것이다. 결정 성장은 일정 이상의 광 강도에서 시작되는 현상이 있다. 상기 광 강도는 역피크형 패턴 내에 들도록 설계된다. 그래서, 결정핵은 역피크형 광 강도 분포 내부에 정의될 수 있다. 즉, 역피크 부분의 중앙 부분에 다결정이 생성된 다음에, 생성된 다결정 외부의 결정들은 핵을 생성하고 수평 방향으로 성장한다.

역피크 패턴을 지닌 광 강도 분포를 갖는 레이저 빔의 조사를 위해, x 및 y방향을 따라 큰 광 강도 경사율(gradient)(예를 들어, 온도 경사율)을 갖는 결정 핵으로부터 측면 성장이 시작된다. 2단계 역피크형 광 강도 분포에서는, 광 강도가 감소하는 부분이 중간 부분에 실질적으로 존재하지 않는다. 그러므로, 측면 성장은 중간에 멈추지 않고 최대값에 도달하며, 더 큰 결정 입자를 갖는 성장이 실현될 수 있다. 특히 제1실시예서는, 경사율이 감소하는 변곡점이 역피크 부분과 위로 오목한 부분 사이에 존재한다. 그러므로, 결정핵은 역피크 내부로 제한될 수 있다. 따라서, 처리 대상 기판(4)의 반도체 막에 2단계 역피크형 광 강도 분포를 갖는 광 빔이 조사될 때, 상기 막은 2단계 역피크형 광 강도 분포의 중앙 부분으로부터 폭넓은 영역에서 결정화된다. 2단계 역피크형 광 강도 분포의 폭이 액정 표시 장치의 화소 간격과 동일하게 설정되면, 단결정이 각 화소에 대해 생성될 수 있다. 바꾸어 말하면, 액정 표시 장치 또는 EL 표시 장치의 매트릭스 회로 기판의 각 화소 구동 회로를 구성하는 반도체 막은 단결정으로 될 수 있다.

위에서 설명된 바와 같이, 제1실시예에서는 결정핵으로부터 충분한 측면 성장이 실현되며, 큰 입자 크기를 갖는 결정화된 반도체 막이 생산될 수 있다. 제1실시예에 따른 결정화 장치에 의해 생성된 결정은 큰 입자 크기를 가지며, 특히 측면 성장의 x 및 y방향으로 더 높은 전자 이동도를 가진다. 그러므로, 트랜지스터의 소스 및 드레인이 측면 성장의 방향으로 배치되면, 만족할 만한 속성을 갖는 트랜지스터가 제조될 수 있다.

제1실시예에서는 마이크로 렌즈 어레이(3)에 입사한 광이 복수의 마이크로 렌즈 요소(13)에 의해 파면 분할되고, 광 빔은 각각의 마이크로 렌즈 요소(13)에 의해 집속되며, 대응하는 위상 시프트부(11e) 근처에는 스폿 형태로 조사된다. 위상 시프트부(11e) 근처를 투과한 일부의 광 빔은 트랜지스터 형성 영역(60)을 둘러싸는 스폿 광 빔 영역을 형성한다. 그러므로, 조명 광학계(2)로부터 공급된 대부분의 광이 의도하는 트랜지스터 형성 영역(60)만의 결정화에 기여할 수 있으며, 광 효율에 있어서 만족스러운 결정화가 실현될 수 있다.

도 3b에 도시된 바와 같이, 제1실시예에서는 마이크로 렌즈 어레이(3)에 있는 마이크로 렌즈 요소(13)의 굴절면(13a)이 부분적으로 구(sphere)이지만, x 및 y방향으로 서로 다른 곡률(curvature)을 갖는 다른 곡선 형상일 수도 있다. 굴절면(13a)의 x 방향 곡률이 y 방향 곡률과 다를 때, 스폿 광 빔 영역은 타원 형상을 가진다. 상기 타원 형상의 장축과 단축은 2단계 역피크형 광 강도 분포의 x 및 y 방향 폭에 대응한다. 그러므로, 스폿 광 빔 영역이 타형 형상으로 형성될 때, 역 피크 부분의 광 강도의 경사율은 x 및 y 방향이 서로 다르다. 따라서, 굴절면(13a)의 곡률이 임의로 설정될 때, 측면 성장의 성장 정도는 각 방향에 따라 변화될 수 있다.

제1실시예에서는, 조명 광학계(2)의 개구수가 NA1, 마이크로 렌즈 어레이(3)의 초점 거리(예를 들어, 각 마이크로 렌즈 요소(13)의 초점 거리)가 f, 마이크로 렌즈 어레이(3)의 개구수(예를 들어, 각 마이크로 렌즈 요소(13)의 개구수)가 NA2, 조명 광의 파장이 λ인 것으로 가정할 때, 마이크로 렌즈 어레이(3)는 아래의 수학식 1을 만족하는 것이 바람직하다.

R2 = kλ/NA2 < f×NA1

여기서, 우측은 위상 시프트부(11e)에 형성되는 스폿 광 빔 영역의 크기(반경)에 대응하는 값을 나타내며, 좌측은 마이크로 렌즈 어레이(3)의 해상도(R2)에 대응하는 값을 나타낸다. 상수 k는 대략 1에 가까운 값을 나타내며, 위상 시프트 마스크(1)를 조명하기 위한 조명 광학계(2)의 사양 또는 광원으로부터 공급되는 광 빔의 코헤어런스(coherence) 정도 및 해상도의 정의에 의존하므로, 여기서 상기 상수는 무시된다. 수학식 1이 충족될 때, 레이저 빔의 위로 오목한 광 강도 분포는 도 5에 도시된 바와 같이 명확하게 형성될 수 있다. 따라서, 2단계 역피크형 광 강도 분포는 도 8a, 도 8b 및 도 9에 도시된 바와 같이 명확하게 형성될 수 있다.

제1실시예에서는 수학식 1에 대한 시뮬레이션이 통상의 설계 조건에 따라 수행된다. 상기 시뮬레이션에서는 마이크로 렌즈 어레이(3)의 각 마이크로 렌즈 요소(13)의 간격(D)이 100 ㎛로 설정되고, 초점 거리 f는 500 ㎛로 설정되며, 조명 광학계(2)의 개구수 NA1은 0.02로 설정된다. 이 경우에 마이크로 렌즈 어레이(3)의 개구수, 즉 각 마이크로 렌즈 요소(13)의 개구수 NA2는 대략의 아래의 수학식 2와 같다.

NA2≒D/F = 100/500 = 0.2

그러므로, 수학식 2의 좌측과 우측은 아래의 수학식 3 및 4로 표현된다.

R2 = λ/NA2≒0.248/0.2≒1.2 ㎛

f×NA1 = 500 ×0.02 = 10 ㎛

그러므로, 해상도 R2는 1.2 ㎛이고, 각 트랜지스터 형성 영역(60)을 둘러싸는 스폿 광 빔 영역(62)의 반경 10 ㎛에 비해 충분히 작다. 따라서, 2단계 역피크형 광 강도 분포는 도 8a, 도 8b 및 도 9에 도시된 바와 같이 명확하게 형성될 수 있을 것으로 보여진다.

도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 결정화 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 제2실시예는 제1실시예와 유사한 구성을 포함하지만, 위상 시프트 마스크(1)가 처리 대상 기판(4)으로부터 떨어져서 배치되어 있고 결상 광학계(optical image forming system)(6)가 마스크와 기판 사이의 광 경로에 배치되어 있다는 점에서 상기 제1실시예와 다르다. 이하에서는 제1실시예와 다른 점을 중심으로 제2실시예에 대해 설명한다. 도면의 간략화를 위해, 도 10에서 조명 광학계(2)의 내부 구성은 생략되고 있으며, 도 1 내지 도 9와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 번호로 표기되고 있으며, 그 상세한 설명은 중복되므로 생략된다.

제2실시예에서는 처리 대상 기판(4)이 위상 시프트 마스크(1)와 광학적으로 공동 역할을 하는 면(결상 광학계(6)의 영상면)으로부터 광학 축을 따라 떨어져 있다. 이 경우에, 결상 광학계(6)의 해상도가 충분하다고 가정할 때, 위상 시프트 마스크(1)의 작용에 의해 처리 대상 기판(4)의 반도체 막 상에 영상으로 형성되는 레이저 빔의 역피크형 광 강도 분포의 폭은 결상 광학계(6)의 영상면과 처리 대상 기판(4) 사이의 거리의 제곱근(예를 들어 디포커스 양)에 대체로 비례하면서 변한다. 결상 광학계(6)는 굴절형, 반사형 및 굴절형/반사형 광학계의 어느 것이라도 될 수 있음을 주지해야 한다.

또한, 제1실시예에서와 마찬가지 방식으로 제2실시예에서는 처리 대상 기판(4)의 반도체 막에 투과 필터(2g), 마이크로 렌즈 어레이(3) 및 위상 시프트 마스크(1)를 포함하는 3개의 부재의 작용에 의한 2단계 역피크형 광 강도 분포를갖는 광 빔이 조사된다. 그러므로, 결정핵으로부터의 측면 성장은 중간에 쉬지 않고 최고값에 도달하며, 큰 입자 크기의 결정화된 반도체 막이 생산될 수 있다. 마이크로 렌즈 어레이(3)와 위상 시프트 마스크(1)의 협동 작용에 의해 조명 광학계(2)로부터 공급되는 대부분의 광 빔은 의도하는 영역의 결정화에 기여할 수 있고, 광 효율에 있어서 만족스러운 결정화가 실현될 수 있다.

또한, 제2실시예에서는 결상 광학계(6)가 위상 시프트 마스크(1)와 처리 대상 기판(4) 사이에 광학적으로 중첩되어 있으며, 처리 대상 기판(4)과 결상 광학계(6) 사이에 비교적 큰 간격이 확보된다. 그러므로, 광 빔이 처리 대상 기판(4)의 반도체 막에 입사할 때, 반도체 막으로부터 생성된 긁혀진 부분이 위상 시프트 마스크(1)에 고착하거나 마스크를 오염시키는 것이 방지된다. 따라서, 처리 대상 기판(4)에서의 긁힘에 의한 영향을 받지 않는 만족스러운 결정화가 실현될 수 있다.

또한, 제2실시예에서는 처리 대상 기판(4)과 결상 광학계(6) 사이에 비교적 큰 간격이 확보되므로, 위치를 검출하기 위한 검출 광이 처리 대상 기판(4)과 결상 광학계(6) 사이의 광 경로에 도입되며, 처리 대상 기판(4)과 결상 광학계(6) 사이의 위치 관계가 용이하게 조절된다.

도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 결정화 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 제3실시예는 제2실시예와 유사한 구성을 포함하지만, 위상 시프트 마스크(1)의 패턴 형성면과 처리 대상 기판(4)이 결상 광학계(7)를 통해 광학적으로 공동 역할을 하는 관계를 갖도록 배치된다는 점이 상기 제2실시예와 다르다. 이하에서는 제2실시예와 다른 점을 중심으로 하여 제3실시예에 대해 설명한다. 도면의 간략화를 위해, 도 10에서 조명 광학계(2)의 내부 구성은 생략된다.

제3실시예에 따른 결상 광학계(7)는 개구 조리개(aperture diaphragm)(7a)를 포함한다. 개구 조리개(7a)는 개구(광 투과부)의 크기가 다른 다수의 개구 조리개들로부터 선택된다. 이러한 개구 조리개들은 광 경로에 대해 선택적으로 변환될 수 있도록 구성되어 있다. 그 대신에, 개구 조리개(7a)는 개구의 크기가 예를 들어, 조리개를 이동시킴으로써 연속적으로 변할 수 있도록 구성될 수도 있다. 개구 조리개(7a)의 개구의 크기(예를 들어, 결상 광학계(7)의 영상측 개구수)는 광 빔이 처리 대상 기판(4)의 반도체 막 상에 2단계 역피크형 광 강도 분포를 포함할 수 있도록 설정된다. 2단계 역피크형 광 강도 분포의 폭은 액정 표시 장치의 화소 간격과 동일하게 설정하는 것이 바람직하다.

위상 시프트 마스크(1)의 작용에 의해, 처리 대상 기판(4)의 반도체 막에 형성되는 역피크형 광 강도 분포의 폭은 결상 광학계(7)의 해상도 R3의 그것과 동일한 정도이다. 결상 광학계(7)의 해상도 R3는 R3 = kλ/NA3 로 정의되며, 여기서 λ는 사용되는 광의 파장을 나타내고 NA3은 결상 광학계(7)의 영상측 개구수를 나타낸다. 위에서 설명된 바와 같이, 여기서 상수 k는 대략 1에 가까운 값을 가리킨다. 결상 광학계(7)의 영상측 개구수 NA3이 감소되고, 결상 광학계(7)의 해상도가 제3실시예에서 이와 같은 방식으로 낮아지면, 역피크형 광 강도 분포의 폭은 증가한다.

즉, 위상 시프트 면에서 변환된 광 빔의 광 강도 분포의 역피크형 패턴은 위상 시프트 면에서 과도하게 작은 폭을 가진다. 그러나, 해상도가 적절하게 낮춰지면, 바람직한 폭이 얻어진다. 제3실시예에서는 위상 시프트 면 상의 광 강도 분포에 대한 영상이 결상 광학계(7)에 의해 낮은 해상도로 처리 대상 기판(4)의 반도체 막 상에 형성된다. 그러므로, 반도체 막에 조사되는 광 빔의 광 강도 분포의 역피크형 부분은 처리 대상 기판(4)의 반도체 막 상에 바람직한 폭을 가진다.

또한, 제1 및 제2실시예에서와 마찬가지로, 제3실시예에서는 처리 대상 기판(4)의 반도체 막에 2단계 역피크형 광 강도 분포를 갖는 광 빔이 조사된다. 그러므로, 결정핵으로부터의 측면 성장은 중간에 멈추지 않고 최고값에 도달하며, 큰 입자 크기의 결정화된 반도체 막이 생산될 수 있다. 의도하는 영역에만 조명 광학계(2)로부터 공급되는 광 빔의 대부분이 조사될 수 있으며, 광 효율이 만족스러운 결정화가 실현될 수 있다. 또한, 제2실시예에서와 마찬가지로, 제3실시예에서는 처리 대상 기판(4)의 반도체 막에서의 긁힘에 의해 영향받지 않는 만족스러운 결정화가 실현될 수 있다. 또한, 처리 대상 기판(4)과 결상 광학계(7) 사이의 위치 관계를 용이하게 조절할 수 있다.

제2 및 제3 실시예에서는 상기 수학식 1에 부가하여 아래의 수학식 5를 만족시키는 것이 바람직하다. 수학식 5에서는 NA3이 위에서 설명된 결상 광학계(6, 7)의 영상측 개구수를 나타낸다는 것을 주목해야 한다.

λ/NA3 < f×NA1

여기서, 우측은 위상 시프트부(11e)에 형성된 스폿 광 빔 영역의 크기(반경)에 대응하는 값을 나타내며, 좌측은 결상 광학계(6, 7)의 해상도에 대응하는 값을 나타낸다.

다음으로, 파면 분할 소자와 투과 필터의 변형예에 대해 도 12 내지 도 14를 참조하여 설명한다. 본 변형예에서는 파면 분할 소자가 도 12에 도시된 마이크로 원통 렌즈 어레이(3')이다. 마이크로 원통 렌즈 어레이(3')는 소정의 방향(본 실시예에서는 x 방향)으로 연장되어 있고 상기 방향과 직각으로 교차하는 방향(y 방향)을 따라 서로 1차원적으로 평행하게 배치된 복수의 광학 요소(13')를 포함한다. 각 광학 요소(13')는 y 방향으로 1차원적인 집광 작용을 갖는 굴절면(13'a)을 포함한다.

본 실시예에서는 마이크로 원통 렌즈 어레이(3')에 대해 투과 필터(2g) 대신에 도 13에 도시된 투과 필터(2h)를 사용하는 것이 바람직하다. 투과 필터(2h)는 x 방향으로 연장되어 있고 예를 들어, 50%의 투과율을 갖는 길다란 직사각형 중간 영역(12c)과, 상기 중간 영역(12c)을 지지하도록 형성되며 대략 100%의 투과율을 갖는 한 쌍의 반원 주변 영역(12d)을 포함한다. 투과 필터(2h)의 중간 영역(12c)의 길이 방향(x 방향)은 마이크로 원통 렌즈 어레이(3')의 각 마이크로 원통 렌즈 요소(13')의 그것과 광학적으로 대응하도록 설정된다. 중간 영역(12c)은 한 쌍의 대략 평행한 줄에 의해 정의되지만, 이것에 한정되지 않고 다른 형태가 형성될 수도 있다.

마이크로 원통 렌즈 어레이(3')에 입사한 광 빔은 복수의 마이크로 원통 렌즈 요소(13')에 의해 파면 분할되고, 각 마이크로 원통 렌즈 요소(13')를 통해 집광된 광 빔은 각각의 대응하는 위상 시프트부(11e)에 슬릿 형태(선형)의 광 빔을 형성한다. 도 14에 도시된 바와 같이, 슬릿 형태의 광 빔은 점선으로 표시된 슬릿 형태의 광 빔(63)을 형성하며, 이 광 빔은 처리 대상 기판(4)의 반도체 막에서 트랜지스터 형성 영역 컬럼 방향의 복수의 트랜지스터 형성 영역(60)을 둘러싼다.

그러므로, 처리 대상 기판(4)의 반도체 막에 조사되는 슬릿 형태 광 빔의 광 강도 분포는 도 8a에 도시된 슬릿의 단측 방향을 따라 2단계 역피크형 프로파일을 가지며, 길이 방향을 따라 일정한 프로파일을 가진다. 즉, 마이크로 원통 렌즈 어레이(3')와 투과 필터(2h)를 투과하여 처리 대상 기판(4)의 반도체 막을 조사하는 광 빔은 도 15에 부분적으로 도시된 광 강도 분포를 얻는다.

처리 대상 기판(4)의 반도체 막에 도 15에 도시된 2단계 역피크형 광 강도 분포를 갖는 광 빔이 조사될 때, 결정핵은 광 강도가 가장 최소인 지점 즉, 대략 제로인 지점에 형성된다. 다음으로, 측면 성장은 이 결정핵으로부터 광 강도 경사율을 갖는 방향(도 13의 횡방향)을 따라 시작된다. 도 15에 도시된 2단계 역피크형 광 강도 분포에서는, 광 강도가 감소하는 부분이 실질적으로 중간 부분에 존재하지 않는다. 그러므로, 측면 성장은 결정핵으로부터 중간에 멈추지 않고 최대값에 도달하며 큰 입자의 성장이 실현될 수 있다.

상기 설명된 실시예와 변형예에서는 마이크로 렌즈 어레이(3)와 마이크로 원통 렌즈 어레이(3')가 연속적으로 곡선 형태인 굴절면(13'a) 또는 단차가 있는 굴절면을 가질 수 있다. 상기 구성은 연속적인 곡면 또는 근사적인 다층 단차에 한정되지 않으며, 파면 분할 소자는 0에서 2π 범위의 위상차에서 접혀진 "퀴노형(quino form)"으로 구성될 수도 있다. 또한, 파면 분할 소자는 파장 분할 소자에 굴절면을 배치하지 않고 광학 재료의 굴절률 분포에 의해 적용될 수도 있다. 예를 들어, 광 강도에 의해 굴절률이 변조되는 포토 폴리머와 유리의 이온 교환과 같은 종래의 기술을 사용하는 것이 가능하다. 홀로그램 또는 회절 광학 소자가 파면 분할 소자와 동일한 기능을 적용하도록 이용될 수도 있다. 또한, 상기 설명된 실시예에서는 위상 시프트 마스크(1)가 0, π/2, π, 3π/2의 위상에 대응하는 4개의 직사각형 영역으로 구성되지만, 본 발명은 여기에 한정되지 않고 위상 시프트 마스크가 다양하게 수정될 수 있다. 예를 들어, 3개 이상의 위상 시프트 라인을 포함하는 교차점(위상 시프트부)를 포함하며, 이 교차점 주위의 원형 영역의 복합 굴절률의 적분 값이 대략 제로인 위상 시프트 마스크가 이용될 수도 있다. 도 16에 도시된 바와 같이, 위상 시프트부에 대응하는 원형 오목 부분 또는 볼록 부분(111a)이 주변으로부터 단차를 가지며, 원형 부분을 투과한 광 빔과 주변부(111b)를 투과한 광 빔 사이에 π의 위상차를 갖도록 설정된 위상 시프트 마스크(111)가 사용될 수도 있다.

광 강도 분포 또한 설계 단계에서 계산될 수 있지만, 실제 처리될 표면(노출될 표면)에서의 광 강도 분포를 관찰하고 확인하는 것이 바람직하다. 이러한 관찰은 예를 들어, 처리될 표면을 광학계에 의해 확대하고 처리할 표면에 CCD와 같은 영상 픽업 소자를 배치하여 영상 픽업 소자에 입사하는 광 빔의 광 강도 분포를 측정함으로써 수행된다. 사용되는 광이 자외선일 때, 광학계는 제한되므로, 빔을 가시 광선으로 변환하기 위해 처리할 표면에 형광판이 배치될 수 있다.

또한, 상기 설명된 실시예에서는 파면 분할 소자(마이크로 렌즈 어레이(3) 또는 마이크로 원통 렌즈 어레이(3'))와 위상 시프트 마스크(1)가 개별적인 광학 부재로서 형성될 수도 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 파면 분할 소자(3)와 위상 시프트 마스크(1)가 일체로 형성되어 하나의 집합체를 형성할 수도 있다. 이 경우에, 파면 분할 소자(3)와 위상 시프트 마스크(1)가 장치에 부착될 때, 개별적으로 위치되어야 하는 것은 아니며, 파면 분할 소자(3)와 위상 시프트 마스크(1)가 하나의 집적화된 광학 부재로서 양호한 정확도를 가지고 장치에 부착될 수 있다.

일체로 형성된 파면 분할 소자(3)와 위상 시프트 마스크(1)는 광 빔이 파면 분할 소자(3)에 입사하는 입사면과, 파면 분할 소자(3)와 위상 시프트 마스크(1) 사이의 경계면과, 위상 시프트 마스크(1)의 위상 시프트부를 광 빔의 입사 방향 순서대로 포함하는 것이 바람직하다. 이와 같은 방식으로, 유리의 층 구조를 포함하지 않는 구성이 위상 시프트부 외에 처리 대상 기판의 측면에 배치된다. 따라서, 각 실시예에서는 위상 시프트 면과 처리 대상 기판(4) 사이의 거리가 충분히 감소되며, 만족스러운 결정화가 수행될 수 있다.

특히, 역피크형 광 강도 분포를 정확하게 형성하기 위한 높은 해상도를 요구하는 제2 및 제3실시예에서는, 처리 대상 기판(4)의 한 측면 상에 층 구조의 유리를 위상 시프트 면으로부터 포함하지 않도록 구성함으로써, 불필요한 수차(aberration)의 발생이 회피될 수 있다. 위상 시프트 면과 파면 분할 소자가 각각의 두 기판의 한 표면에 형성된 후, 형성된 표면은 소정의 거리에서 서로 대향하도록 배치되고, 주변 부분들은 서로에게 고정되며 기판들은 이러한 방식으로 일체로 형성될 수도 있다.

다음으로, 파면 분할 소자(3)와 위상 시프트 마스크(1)의 집합체의 제조 방법에 대한 하나의 예를 도 17a 내지 도 17k를 참조하여 설명한다. 도 17a 내지 도 17k는 파면 분할 소자(3)와 위상 시프트 마스크(1)의 집합체의 단계를 나타낸 도면이다. 예를 들어, 도 17a에 도시된 1.50841의 굴절률을 갖는 석영 기판(40)의 한 표면에는 전체적으로 도 17b에 도시된 레지스트(41)가 도포된다. 그 다음, 레지스트(41)를 패터닝하기 위해 전자 빔 드로잉(drawing)과 현상 공정이 수행된다. 따라서, 도 17c에 도시된 석영 기판(40)의 소정의 위치에 레지스트 패턴(41a)이 형성된다. 다음으로, 레지스트 패턴(41a)이 마스크로 사용되어 건식 식각이 수행되고, 석영 기판(40)의 노출된 표면 부분은 소정의 깊이까지 제거된다. 또한, 레지스트는 도 17d에 도시된 바와 같이 석영 기판(40)으로부터 제거된다. 이어서, 식각될 석영 기판(40)의 부위 및 깊이가 연속적으로 이동하면서, 레지스트를 적용하고 제거하는 공정이 반복된다. 따라서, 렌즈 형태의 굴절면(예를 들어, 0.124 ㎛의 깊이)(40a)이 석영 기판(40)의 표면에 전체적으로 형성된다.

이어서, Si_xN_y(높은 굴절률 재료)로 구성된 3 ㎛ 두께를 가지며 예를 들어, 약 2.3의 굴절률을 갖는 투명막(42)이 CVD 공정에 의해 석영 기판(40)의 렌즈 형태의 굴절면(40a) 상에 형성된다. 또한, 예를 들어 화학기계 연마(CMP) 기술에 의해, 투명막의 표면은 도 17g에 도시된 바와 같이 평탄화된다. 다음으로, 예를 들어 40㎛의 두께를 갖는 투명 유기 SOG(spin on glass) 막(예를 들어, 알콕시실란(alkoxysilane)을 알킬기(alkyl group)로 치환한 것)이 투명막(42)의 평탄화된 표면에 형성된다(도 17h).

또한, 유기 SOG 막(43)의 전체 표면은 레지스트(44)로 도포되고(도 17i), 상기 레지스트(44)에 대해 전자빔 드로잉과 현상 공정이 수행되며, 그에 따라 레지스트 패턴(44a)이 형성된다(도 17j). 이어서, 레지스트 패턴(44a)이 마스크로 사용되어 유기 SOG 막(43)의 노출된 표면 부분에 대해 건식 식각이 수행되어, 예를 들어 0.248 ㎛의 깊이를 갖는 위상 시프트면(45)이 형성되며, 마지막에 레지스트가 제거된다(도 17k). 이와 같은 방식으로, 파면 분할 소자(3)를 구성하는 석영 기판(40)이 위상 시프트 마스크(1)를 구성하는 투명막(42) 및 유기 SOG 막(43)과 일체로 형성된다. 렌즈 형태의 굴절면(40a)은 파면 분할 소자(3)와 위상 시프트 마스크(1) 사이의 인터페이스를 구성한다.

도 18a 내지 도 18e는 전자 소자를 제조하기 위하여 각 실시예의 결정화 장치를 사용하는 단계를 나타낸다. 도 18a에 도시된 바와 같이, 하층 막(21)(예를 들어 50 nm의 두께를 갖는 SiN 적층막과 100 nm의 두께를 갖는 SiO₂적층막)과 비정질 반도체 막(22)(예를 들어, 약 50 nm 내지 200 nm의 두께를 갖는 Si, Ge, SiGe 등)을 투명 절연 기판(20)(예를 들어, 알칼리 유리, 석영 유리, 플라스틱, 폴리이미드 등) 상에 연속적으로 형성하기 위하여 화학 기상 성장 공정 또는 스퍼터링 공정이 사용된다. 따라서, 처리 대상 기판(4)이 준비된다.

결정화 장치는 비정질 반도체 막(22)의 일부 또는 전체 표면에 레이저 빔(23)(예를 들어, KrF 엑시머 레이저 빔 또는 XeCl 엑시머 레이저 빔)을 조사하기 위해 사용된다. 본 발명의 각 실시예에 따른 결정화 장치에 대해서는, 2단계 역피크형 광 강도 분포를 갖는 광 빔이 표면에 조사된다. 그러므로, 도 18b에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 결정화 장치를 사용하여 생산되는 다결정 반도체 막에 비해 큰 입자 크기를 갖는 결정들을 지닌 다결정 반도체 막 또는 단결정 반도체 막(24)이 생산된다.

이 때, 비정질 반도체 막(22)이 상대적으로 넓은 표면을 가지며, 그 표면의 일부에만 결정화 장치에 의해 한번의 조사가 이루어지면, 비정질 반도체 막(22)의 전체 표면에 대한 결정화는 결정화 장치와 비정질 반도체 막(22)을 서로 직각으로 교차하는 두 개의 방향으로 서로에 대해 상대적으로 이동시킴으로써 수행된다.

예를 들어, 비정질 반도체 막(22)은 고정되어 있고, 결정화 장치는 비정질 반도체 막의 표면을 서로 직각으로 교차하는 두 방향(x, y 방향)으로 스캔하며, 비정질 반도체 막(22)의 일부 표면은 연속적이며 간헐적으로 조사되어 결정화된다. 이와 달리, 비정질 반도체 막(22)이 서로 직각으로 교차하는 두 방향으로 이동할 수 있는 스테이지에 놓여지고, 이 스테이지가 고정된 결정화 장치에 대해 이동되며, 이에 따라 비정질 반도체 막의 표면에 광 빔이 조사될 수도 있다. 또 다른 방안으로서, 한 방향으로만 이동 가능한 아암(arm)에 의해 지지되는 결정화 장치에 대해, 비정질 반도체 막(22)이 상기 장치에 직각으로 교차하는 방향으로 이동될 수 있다. 이 시스템에서는 결정화 장치와 비정질 반도체 막(22)이 서로 직각으로 교차하는 두 방향으로 서로에 대해 이동하여 비정질 반도체 막(22)의 표면에 광 빔을 조사할 수 있다.

다음으로, 도 18c에 도시된 바와 같이, 포토 리소그래피(photolithography) 기술을 이용하여 다결정 반도체 막 또는 단결정 반도체 막(24)을 섬 형상의 반도체 막(25)으로 가공하고, 화학 기상 성장 공정 또는 스퍼터링 공정을 이용하여 섬 형상의 반도체 막(25)을 포함하는 하층 막(21) 상에 게이트 절연막(26)으로서 20 nm 내지 100 nm의 두께를 갖는 SiO₂막을 형성한다. 또한, 도 18d에 도시된 바와 같이, 게이트 전극(27)(예를 들어, 실리사이드, MoW 등)이 게이트 절연막(26) 상에 형성되며, 게이트 전극(27)은 마스크로 이용되어 불순물 이온(28)(N-채널 트랜지스터의 인, P-채널 트랜지스터의 붕소)을 반도체 막(25)에 주입시킨다. 그 다음에, 질소 분위기에서 어닐링 처리(예를 들어, 450 ℃에서 1시간)가 수행되어 주입된 불순물을 활성화시킨다.

다음으로, 도 18e에 도시된 바와 같이, 층간 절연막(29)이 게이트 절연막(26) 상에 형성되며, 접촉 홀이 층간 절연막(29)이 게이트 절연막(26)을 관통하여 형성된다. 중간에 채널(30)이 위치하는 소스(31)와 드레인(32)에 전기적으로 연결된 소스 전극(33)과 드레인 전극(34)이 형성된다. 이 때, 채널(30)은 도 18a 및 도 18b에 도시된 단계에서 생산된 다결정 반도체 막 또는 단결정 반도체 막(24)의 큰 입자 크기의 결정의 위치에 따라 형성된다.

상기 설명된 단계에 의해, 다결정 트랜지스터 또는 단결정 반도체 트랜지스터가 형성될 수 있다. 이와 같이 제조된 다결정 트랜지스터 또는 단결정 트랜지스터는 액정 표시 장치(LCD)와 EL(electroluminescence) 표시 장치와 같은 표시 장치의 매트릭스 회로 기판의 구동 회로 또는 메모리(SRAM 또는 DRAM) 또는 CPU의 집적회로에 적용될 수 있다.

박막 트랜지스터를 포함하는 매트릭스 회로 기판이 제조될 때, 유리와 같은 투명 기판은 기판으로서 사용되며, 다결정 또는 비정질 반도체 막은 이 기판 위에 형성된다. 다음으로, 결정화 기술을 사용하여 반도체 막을 결정화된 반도체 막으로 가공한다. 그 다음에, 본 기술 분야에서 알려진 바와 같이, 결정화된 반도체 막은 매트릭스 형태로 위치된 복수의 부분(섬 형태의 영역)으로 분리되며, 박막 트랜지스터의 제조 기술에 의해 박막 트랜지스터가 각 분리된 반도체 영역에 형성된다. 그 다음에, 잘 알려진 바와 같이, 각 트랜지스터와 전기적으로 연결되는 기판 상에 화소 전극이 형성되며, 화소가 형성되어 매트릭스 회로 기판을 완성시킨다.

비록 위에서 설명된 실시예들은 3개의 부품 즉, 투과 필터, 파면 분할 소자 및 위상 시프트 마스크를 사용하고 있지만, 본 발명은 도 19 및 도 20에 예시된 3개의 부품의 조합에 한정되지 않는다. 이들 도면에서는 도 8b에 도시된 것과 대체로 동일한 부품은 동일한 도면 부호로 표시되어 있으며, 그 상세한 것은 생략되어 있다.

도 19는 도 8b에 도시된 소자의 변형 즉, 광원으로부터 방출된 광 빔이 파면 분할 소자(3)에 직접 입사할 수 있도록 투과 필터가 생략된 것을 보여준다.

도 20은 도 8b에 도시된 소자의 변형 즉, 파면 분할 소자로부터의 광 빔이반도체 소자에 직접 입사할 수 있도록 위상 시프트 마스크가 생략된 것을 보여준다.

이상으로 설명된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 투과 필터, 파면 분할 소자 및/또는 위상 시프트 마스크의 협동 작용에 의해 처리 대상 기판의 반도체 막 상에 2단계 역피크형 광 강도 분포가 형성된다. 그 결과, 결정핵으로부터 충분한 측면 성장이 실현되어 큰 입자 직경을 갖는 결정화된 반도체 막이 가공될 수 있다. 내부에 역피크가 있기 때문에, 결정핵은 좁은 영역으로 제한될 수 있으며, 결정 성장 시작점 즉, 결정 입자가 양호한 정확도를 갖고서 2차원적으로 위치될 수 있다.

또한, 본 발명에서는 파면 분할 소자에 입사하는 광이 복수의 광학 요소에 의해 파면 분할되며, 각 광학 요소를 통해 집광된 광 빔은 대응하는 위상 시프트부에서의 의도하는 영역 그리고 처리 대상 기판의 반도체 막 상에서의 의도하는 영역을 둘러싸는 광 빔을 형성한다. 그 결과, 조명 광학계로부터 공급된 대부분의 광이 의도하는 영역의 결정화에 기여할 수 있으며, 만족스러운 광 이용 효율로써 결정화가 실현될 수 있다.

Claims

결정화되지 않은 반도체 막에 광 빔을 방출하는 조명 광학계를 포함하며, 결정화되지 않은 반도체 막에 광 빔을 조사하여 상기 결정화되지 않은 반도체 막을 결정화시키는 결정화 장치에 있어서,

입사한 광 빔을 복수의 광 빔으로 파면 분할하는 파면 분할 소자; 및,

상기 파면 분할 소자로부터의 광 빔들 사이에 소정의 위상차를 부여하는 위상 시프트부를 가지며 광 빔들을 역피크형 광 강도 분포를 갖는 광 빔으로 변환시키며, 상기 위상 시프트부는 광 강도가 최소로 되는 역피크형 광 강도 분포의 위치를 결정하도록 하는 위상 시프트 마스크를 포함하며,

상기 파면 분할 소자는 조명 광학계와 결정화되지 않은 반도체 막 사이의 광 경로에 위치되어 있고, 상기 위상 시프트 마스크는 파면 분할 소자와 결정화되지 않은 반도체 막 사이의 광 경로에 위치되어 있으며, 상기 파면 분할 소자와 위상 시프트 마스크는 위상 시프트부 주위의 소정의 영역에 파면 분할된 광 빔이 조사되도록 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 결정화 장치.
제1항에 있어서,

상기 파면 분할 소자는 서로 직각으로 교차하는 두 방향을 따라 2차원적으로 배치된 복수의 광학 요소를 포함하며, 각 광학 요소는 서로 직각으로 교차하는 두 방향을 따라 2차원 집광 작용을 가지는 것을 특징으로 하는 결정화 장치.
제1항에 있어서,

상기 파면 분할 소자는 소정의 방향을 따라 1차원적으로 배치된 복수의 광학 요소를 포함하며, 각 광학 요소는 상기 정해진 방향을 따라 1차원 집광 작용을 가지는 것을 특징으로 하는 결정화 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 조명 광학계는 상기 파면 분할 소자와 결합하여 균일한 광 강도 분포를 가지는 광 빔을 위로 오목한 광 강도 분포를 가지는 빔으로 변환하는 광 강도 분포 형성 소자를 포함하며,

상기 광 강도 분포 형성 소자와 위상 시프트 마스크는 위로 오목한 광 강도 분포를 최소화시키는 지점이 상기 위상 시프트부에 대응하도록 위치되며,

상기 광 강도 분포 형성 소자와 상기 위상 시프트 마스크에 의해 변환되며 결정화되지 않은 반도체 막에 조사되는 광 빔은 내부에 위로 오목한 부분을 갖는 광 강도 분포를 가지는 것을 특징으로 하는 결정화 장치.
제4항에 있어서,

상기 광 강도 분포 형성 소자는 투과율을 갖는 원형 중간 영역과, 상기 중간 영역을 둘러싸도록 형성되며 상기 중간 영역보다 더 높은 투과율을 갖는 환형 주변 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화 장치.
제4항에 있어서,

상기 광 강도 분포 형성 소자는 투과율을 가지며 한 방향으로 연장된 중간 영역과, 상기 중간 영역을 양쪽에서 지지하도록 형성되며 상기 중간 영역보다 높은 투과율을 가지는 두 개의 주변 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화 장치.
제4항에 있어서,

상기 광 강도 분포 형성 소자는 상기 조명 광학계의 방출 동공면 또는 그 근처에 배치되며 소정의 투과율 분포를 가지는 투과 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화 장치.
제1항에 있어서,

상기 결정화되지 않은 반도체 막은 상기 위상 시프트 마스크와 평행하게 그리고 그 근처에 배치되는 것을 특징으로 하는 결정화 장치.
제1항에 있어서,

상기 조명 광학계와 파면 분할 소자는 아래의 수학식을 만족시키는 개구수와 초점 거리를 가지며,

λ/NA2 < f×NA1

NA1은 조명 광학계의 개구수를 나타내고, NA2와 f는 파면 분할 소자의 개구수와 초점 거리를 나타내며, λ는 광 빔의 파장을 나타내는 것을 특징으로 하는 결정화 장치.
제1항에 있어서,

상기 결정화되지 않은 반도체 막과 위상 시프트 마스크 사이의 광 경로 상에 배치되는 결상 광학계를 더 포함하며,

상기 결정화되지 않은 반도체 막은 상기 결상 광학계의 광학 축을 따라 상기 위상 시프트 마스크와 광학적으로 공동 역할을 하는 평면으로부터 떨어지게 배치되는 것을 특징으로 하는 결정화 장치.
제1항에 있어서,

상기 결정화되지 않은 반도체 막과 위상 시프트 마스크 사이의 광 경로 상에 위치되는 결상 광학계를 더 포함하며,

상기 결정화되지 않은 반도체 막은 상기 위상 시프트 마스크와 광학적으로 공동 역할을 하는 평면에 설정되며,

상기 결상 광학계의 영상측 개구수는 역피크형 광 강도 분포를 형성하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 결정화 장치.
제10항 또는 제11항에 있어서,

아래의 수학식을 만족시키며,

λ/NA2 < f×NA1 및,

λ/NA3 < f×NA1,

NA1은 상기 조명 광학계의 개구수를 나타내고, f는 상기 파면 분할 소자의 초점 거리를 나타내며, NA2는 파면 분할 소자의 개구수를 나타내며, λ는 광 빔의 파장을 나타내며, NA3은 상기 결상 광학계의 영상측 개구수를 나타내는 것을 특징으로 하는 결정화 장치.
제4항에 있어서,

상기 결정화되지 안은 반도체 막에 조사되는 광 빔의 광 강도 분포는 역피크 부누과 위로 오목한 부분 사이에 변곡점을 가지는 것을 특징으로 하는 결정화 장치.
제1항에 있어서,

상기 파면 분할 소자는 상기 위상 시프트 마스크와 일체로 형성되어 집합체를 제공하는 것을 특징으로 하는 결정화 장치.
제14항에 있어서,

상기 집합체는 상기 파면 분할 소자와 위상 시프트 마스크 사이의 경계면에 위상 시프트부를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화 장치.
소정의 영역에만 조사하기 위해 균일한 입사광 강도 분포를 갖는 광 빔을 집광시키는 파면 분할부; 및,

입사 광 빔을 역피크형 광 강도 분포를 갖는 광 빔으로 변환시키는 광 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 부재.
제16항에 있어서,

상기 파면 분할부는 상기 광 변환부와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 광학 부재
입사 광 빔을 복수의 광 빔으로 파면 분할하는 단계;

위상 시프트 마스크의 대응하는 위상 시프트부에 또는 상기 위상 시프트부 근처에 상기 파면 분할된 광 빔을 집광시켜서 상기 위상 시프트 마스크의 위상 시프트부에 대응하는 지점에서 광 강도가 최소인 역피크 패턴의 광 강도 분포를 갖는 광 빔을 형성하는 단계; 및,

다결정 반도체 막 또는 비정질 반도체 막에 상기 광 강도 분포를 갖는 광 빔을 조사하여 결정화된 반도체 막을 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화 방법.
제18항에 있어서,

파면 분할된 광 빔을 방출하는 조명 광학계의 조명 동공면에 있는 중간 영역보다 주변 영역에서 광 강도가 더 높은 광 강도 분포를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화 방법.
제18항 또는 제19항에 있어서,

상기 다결정 반도체 막 또는 비정질 반도체 막을 상기 위상 시프트 마스크와 평행하게 또는 그 근처에 배치시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화 방법.
제18항 또는 제19항에 있어서,

상기 다결정 반도체 막 또는 비정질 반도체 막과 상기 위상 시프트 마스크 사이의 광 경로에 결상 광학계를 배치시키는 단계; 및

상기 위상 시프트 마스크와 광학적으로 공동 역할을 하는 면으로부터 상기 다결정 반도체 막 또는 비정질 반도체 막을 상기 결상 광학계의 광학 축을 따라 소정 거리만큼 떨어지게 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화 방법.
제18항 또는 제19항에 있어서,

상기 다결정 반도체 막 또는 비정질 반도체 막과 상기 위상 시프트 마스크 사이의 광 경로에 결상 광학계를 배치시키는 단계;

상기 결상 광학계의 영상측 개구수를 역피크 패턴의 광 강도 분포를 생성하는데 요구되는 값으로 설정하는 단계; 및,

상기 다결정 반도체 막 또는 비정질 반도체 막을 상기 위상 시프트 마스크와 광학적으로 공동 역할을 하는 면에 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화 방법.
소정의 영역에만 조사하기 위한 균일한 광 강도 분포를 갖는 광 빔을 집광시키는 단계;

집광된 광 빔을 역피크형 광 강도 분포를 갖는 광 빔으로 변환시키는 단계; 및,

결정화되지 않은 반도체 막의 소정 영역에만 상기 변환된 광 빔을 조사하여 결정화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화 방법.
제23항에 있어서,

상기 역피크형 광 강도 분포를 갖는 광 빔을 위로 오목한 부분 내부에 역피크 부분을 지닌 광 강도 분포를 갖는 광 빔으로 변환시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화 방법.
제23항 또는 제24항에 있어서,

상기 위로 오목한 부분 내부에 역피크 부분을 지닌 광 강도 분포를 갖는 광 빔을 광학 축을 따라 광학적 공역면으로부터 떨어지게 배치된 지점에 영상으로 형성하는 단계; 및,

상기 결정화되지 않은 반도체 막에 상기 영상으로 형성된 광 빔을 조사하여 결정화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화 방법.
처리 대상 반도체 층을 녹이는 광 강도를 갖는 에너지 광을 방출하는 광원;

상기 광원으로부터의 조명 광 경로 상에 배치되며 서로 다른 투과율을 가진 부분을 지닌 필터;

상기 필터의 방출 광 경로 상에 배치된 파면 분할 소자;

상기 파면 분할 소자의 방출 광 경로 상에 배치된 위상 시프트 마스크; 및,

상기 위상 시프트 마스크의 방출 광 경로 상에 배치되며 처리 대상 반도체 층을 지닌 기판을 지지하는 스테이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화 장치.
처리 대상 반도체 층을 녹이는 광 강도를 가진 에너지 광을 방출하는 광원;

상기 광원의 조명 광 경로 상에 배치되며 서로 다른 투과율 가진 부분을 지닌 필터;

상기 필터의 방출 광 경로 상에 배치된 파면 분할 소자; 및,

상기 파면 분할 소자의 방출 광 경로 상에 배치되며 처리 대상 반도체 층을 지닌 기판을 지지하는 스테이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화 장치.
처리 대상 반도체 층을 녹이는 광 강도를 가진 에너지 광을 방출하는 광원;

상기 광원으로부터의 방출 광 경로 상에 배치된 파면 분할 소자;

상기 파면 분할 소자의 방출 광 경로 상에 배치된 위상 시프트 마스크; 및,

위상 시프트 마스크의 방출 광 경로 상에 배치되며 처리 대상 반도체 층을 지닌 기판을 지지하는 스테이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화 장치.
처리 대상 반도체 층을 녹이는 광 강도를 갖는 에너지 광이 광원으로부터 투과율이 서로 다른 부분을 지닌 마스크에 입사하도록 하는 단계;

상기 마스크로부터의 에너지 광이 파면 분할 소자에 입사하여 복수의 에너지 광으로 분할되게 하고 복수의 집광된 에너지 광을 방출시키는 단계;

상기 복수의 집광된 에너지 광이 상기 파면 분할 소자와 위상이 180도 만큼 다른 부분을 지닌 위상 시프트 마스크에 입사하도록 하고, 오목한 광 강도 분포를 갖는 에너지 광을 방출시키는 단계; 및,

상기 광 강도 분포를 갖는 에너지 광이 처리 대상 반도체 층에 입사하게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화 방법.
처리 대상 반도체 층을 녹이는 광 강도를 갖는 에너지 광이 광원으로부터 투과율이 서로 다른 부분을 지닌 마스크에 입사하도록 하는 단계;

상기 마스크를 투과한 에너지 광이 파면 분할 소자에 입사하게 하여 복수의 집광된 에너지 광으로 분할하도록 하는 단계; 및,

상기 파면 분할 소자를 투과한 에너지 광이 처리 대상 반도체 층에 입사하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화 방법.
위상 시프트 마스크를 투과한 에너지 광이 결정화되지 않은 반도체 층에 입사하여 그 층을 결정화시키도록 하는 단계를 포함하며,

상기 위상 시프트 마스크에 입사한 에너지 광은 투과율이 서로 다른 부분을 지닌 마스크를 투과한 광인 것을 특징으로 하는 결정화 방법.
위상 시프트 마스크를 투과한 에너지 광이 단결정이 아닌 반도체 층에 입사하여 그 층을 결정화시키도록 하는 단계를 포함하며,

상기 단결정이 아닌 반도체 층에 입사하는 광 빔의 광 강도 분포는 2단계 역피크형 광 강도 분포이며, 상기 2단계 역피크형 광 강도 분포에서는 더욱 선형적으로 상승하는 오목한 광 강도 분포가 상기 위상 시프트 마스크의 광 강도 분포 속성을 나타내는 역피크형 광 강도 분포 파형의 상부 단부에 중첩되어 있는 것을 특징으로 하는 결정화 방법.
다결정 반도체 막 또는 비정질 반도체 막을 기판의 한 쪽에 형성하는 단계;

입사 광 빔을 복수의 광 빔으로 파면 분할하는 단계;

상기 파면 분할된 광 빔을 위상 시프트 마스크의 대응하는 위상 시프트부 또는 그 근처에 집광셔서, 상기 위상 시프트 마스크의 대응하는 위상 시프트부의 한 지점에서 광 강도가 최로로 되는 역피크 패턴의 광 강도 분포를 갖는 광 빔을 형성하는 단계;

상기 다결정 반도체 막 또는 비정질 반도체 막에 상기 광 강도 분포를 갖는 광 빔을 조사하여 결정화된 반도체 막을 형성하는 단계;

게이트 절연막과 게이트 전극을 상기 결정화된 반도체 막에 연속적으로 형성하는 단계;

중간에 채널이 형성된 드레인과 소스를 상기 결정화된 반도체 막에 형성하는 단계; 및,

상기 드레인과 소스 상에 전기적으로 연결된 드레인 전극과 소스 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터의 제조 방법.
제33항에 있어서,

상기 결정화된 반도체 막을 형성하는 단계는 결정핵으로부터 큰 광 강도 경사율을 갖는 방향으로 상기 결정화된 반도체 막을 횡방향으로 성장시키고 생성하여 그 방향을 따라 소스와 드레인을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터의 제조 방법.
다결정 반도체 막 또는 비정질 반도체 막을 투명 기판의 한 쪽에 형성하는 단계;

입사 광 빔을 복수의 광 빔으로 파면 분할하는 단계;

상기 파면 분할된 광 빔을 위상 시프트 마스크의 대응하는 위상 시프트부 또는 그 근처에 집광시켜서 상기 위상 시프트 마스크의 위상 시프트부에 대응하는 지점에서 광 강도가 최소인 역피크 패턴을 지닌 광 강도 분포를 갖는 광 빔을 형성하는 단계;

상기 다결정 반도체 막 또는 비정질 반도체 막에 상기 광 강도 분포를 갖는 광 빔을 조사하여 결정화된 반도체 막을 형성하는 단계;

상기 결정화된 반도체 막을 매트릭스 형태로 위치된 다수의 부분으로 분리하는 단계;

상기 분리된 부분을 기초로 박막 트랜지스터를 형성하는 단계; 및,

각 화소 전극이 각 박막 트랜지스터에 연결되어 하나의 화소를 형성할 수 있도록 상기 투명 기판의 한쪽에 화소 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 매트릭스 회로 기판의 제조 방법.
제35항에 있어서,

상기 결정화된 반도체 막을 형성하는 단계는

서로 떨어진 복수의 역피크 패턴을 지닌 광 강도 분포를 갖는 광 빔을 형성하는 단계; 및,

상기 역피크 패턴 사이의 간격이 화소 간의 간격과 일치하도록 상기 다결정 반도체 막 또는 비정질 반도체 막에 광 비를 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 매트릭스 회로 기판의 제조 방법.