KR20060047347A - 결정화장치 - Google Patents

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KR20060047347A
KR20060047347A KR1020050033187A KR20050033187A KR20060047347A KR 20060047347 A KR20060047347 A KR 20060047347A KR 1020050033187 A KR1020050033187 A KR 1020050033187A KR 20050033187 A KR20050033187 A KR 20050033187A KR 20060047347 A KR20060047347 A KR 20060047347A
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KR1020050033187A
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토모야 가토
마사키요 마츠무라
유키오 타니구치
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가부시키가이샤 에키쇼센탄 기쥬쓰 가이하쓰센타
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Abstract

본 발명의 결정화장치는, 비단결정 반도체막(5)에 소정의 광강도 분포의 광속을 조사해서 이 반도체막을 결정화하며, 소정의 주기로 배치되어 서로 거의 같은 패턴을 갖는 복수의 단위영역으로 이루어지는 위상변조소자(1)와, 상기 위상변조소자와 비단결정 반도체막간에 배치된 결상광학계(4)를 포함하고 있다. 위상변조소자의 단위영역은 소정의 위상을 갖는 기준면과, 중심근방에 배치되어 기준면에 대해서 제1위상차를 갖는 제1영역과, 상기 제1영역의 근방에 배치되어 기준면에 대해서 제1위상차와 거의 같은 위상차를 갖는 제2영역을 갖는다.

Description

결정화장치{Crystallization Apparatus}
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 관한 결정화장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다.
도 2는, 도 1의 조명계의 내부구성을 개략적으로 나타내는 도이다.
도 3은, 실시예1의 위상변조소자의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는, 실시예1에서 +5㎛~-5㎛의 각 디포커스 위치에서 얻어지는 광강도 분포를 나타내는 도이다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는, 실시예1에서 -7㎛~-15㎛의 각 디포커스 위치에서 얻어지는 광강도 분포를 나타내는 도이다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는, 실시예1에서 실제의 포커스 위치에서 얻어지는 광강도 분포를 나타내는 도이다.
도 7a, 도 7b, 도 7c, 도 7d, 도 7e 및 도 7f는, 제3영역의 점유면적률과 광강도 분포에 관한 원리를 설명하는 도이다.
도 8a, 도 8b 및 도 8c는, 점상분포범위(R)내에서의 위상의 변화와 광강도의 전형적인 관계를 나타내는 도이다.
도 9a 및 도 9b는, 결상광학계에서의 동공함수와 점상분포함수의 관계를 나타내는 도이다.
도 10a 및 도 10b는, 도 3에 나타내는 위상변조소자의 제3영역에 대응하는 셀형의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다.
도 11은, 도 3에 나타내는 위상변조소자의 제3영역과는 다른 픽셀형의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다.
도 12는, 본 발명에서의 반도체박막의 결정화과정을 개략적으로 나타내는 도이다.
도 13a 및 도 13b는, 도 12에 나타내는 결정화과정을 실현하기에 알맞은 광강도 분포의 일예를 개략적으로 나타내는 도이다.
도 14a 및 도 14b는, 위상변조소자에서의 단위영역의 배열패턴과 형성되는 결정조직의 어레이패턴의 관계의 일예를 모식적으로 나타내는 도이다.
도 15a 및 도 15b는, 위상변조소자에서의 단위영역의 배열패턴과 형성되는 결정조직의 어레이패턴의 관계의 다른 예를 모식적으로 나타내는 도이다.
도 16은, 실시예2에서의 위상변조소자의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다.
도 17a, 도 17b 및 도 17c는, 실시예2에서 -5㎛~+5㎛의 각 디포커스 위치에서 얻어지는 광강도 분포를 나타내는 도이다.
도 18a, 도 18b 및 도 18c는, 실시예2에서 -7㎛~-15㎛의 각 디포커스 위치에서 얻어지는 광강도 분포를 나타내는 도이다.
도 19는, 실시예3에서의 위상변조소자의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다.
도 20a, 도 20b 및 도 20c는, 실시예3에서 실제 포커스 위치에서 얻어지는 광강도 분포를 나타내는 도이다.
도 21은, 실시예4에서의 위상변조소자의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다.
도 22a 및 도 22b는, 실시예4에서 계산상의 포커스 위치에서 얻어지는 광강도 분포를 나타내는 도이다.
도 23은, 박막트랜지스터의 채널영역의 Si막의 결정방위를 나타내는 도이다.
도 24는, 실시예5에서의 위상변조소자의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다.
도 25a, 도 25b 및 도 25c는, 실시예5에서 +5㎛~-5㎛의 각 디포커스 위치에서 얻어지는 광강도 분포를 나타내는 도이다.
도 26a, 도 26b 및 도 26c는, 실시예5에서 -10㎛~-20㎛의 각 디포커스 위치에서 얻어지는 광강도 분포를 나타내는 도이다.
도 27a 및 도 27b는 실시예6에서 위상변조소자의 구성과 피처리기판상의 광강도 분포를 나타내는 도이다.
도 28a 내지 도 28d는, 본 발명의 일실시형태에 관한 보텀게이트형 박막트랜지스터의 제조프로세스를 나타내는 공정도이다.
도 29a 내지 도 29c는, 본 발명의 일실시형태에 관한 탑게이트형 박막트랜지스터의 제조프로세스를 나타내는 공정도이다.
도 30은, 본 발명의 일실시형태에 관한 표시장치의 구성을 개략적으로 나타 내는 사시도이다.
도 31은, 본 발명의 다른 실시형태에 관한 결정화장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다.
도 32는, 도 31의 조명계의 내부구성을 개략적으로 나타내는 도이다.
도 33은, 실시예10의 위상변조소자의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다.
도 34a 내지 도 34c는, 실시예10에서 광속분할소자를 이용하지 않을 때에 위상변조소자에 의해 얻어진 광강도 분포를 나타내는 도이다.
도 35a 및 도 35b는, 본 발명의 각 실시형태에서의 광속분할소자의 구성 및 작용을 설명하는 도이다.
도 36a 및 도 36b는, 실시예10에서 위상변조소자와 광속분할소자에 의해 포커스 위치에서 얻어지는 광강도 분포를 나타내는 도이다.
도 37a 및 도 37b는, 실시예10에서 위상변조소자와 광속분할소자에 의해 디포커스 위치에서 얻어지는 광강도 분포를 나타내는 도이다.
도 38은, 실시예11에서의 위상변조소자의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다.
도 39a 내지 도 39c는, 실시예11에서 광속분할소자를 이용하지 않을 때에 위상변조소자에 의해 얻어지는 광강도 분포를 나타내는 도이다.
도 40a 및 도 40b는, 실시예11에서 위상변조소자와 광속분할소자에 의해 포커스 위치에서 얻어지는 광강도 분포를 나타내는 도이다.
도 41a 및 도 41b는, 실시예11에서 위상변조소자와 광속분할소자에 의해 디 포커스 위치에서 얻어지는 광강도 분포를 나타내는 도이다.
도 42는, 실시예12에서의 위상변조소자의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다.
도 43a 내지 도 43c는, 실시예12에서 광속분할소자를 이용하지 않을 때에 위상변조소자에 의해 얻어지는 광강도 분포를 나타내는 도이다.
도 44a 및 도 44b는, 실시예12에서 위상변조소자와 광속분할소자에 의해 포커스 위치에서 얻어지는 광강도 분포를 나타내는 도이다.
도 45a 및 도 45b는, 실시예12에서 위상변조소자와 광속분할소자에 의해 디포커스 위치에서 얻어지는 광강도 분포를 나타내는 도이다.
도 46는, 실시예13에서의 위상변조소자의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다.
도 47a 내지 도 47c는, 실시예13에서 광속분할소자를 이용하지 않을 때에 위상변조소자에 의해 얻어지는 광강도 분포를 나타내는 도이다.
도 48a 및 도 48b는, 실시예13에서 위상변조소자와 광속분할소자에 의해 포커스 위치에서 얻어지는 광강도 분포를 나타내는 도이다.
도 49a 및 도 49b는, 실시예13에서 위상변조소자와 광속분할소자에 의해 디포커스 위치에서 얻어지는 광강도 분포를 나타내는 도이다.
도 50은, 실시예14에서의 위상변조소자의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다.
도 51a 내지 도 15c는, 실시예14에서 광속분할소자를 이용하지 않을 때에 위 상변조소자에 의해 얻어지는 광강도 분포를 나타내는 도이다.
도 52a 및 도 52b는, 실시예14에서 위상변조소자와 광속분할소자에 의해 포커스 위치에서 얻어지는 광강도 분포를 나타내는 도이다.
도 53a 및 53b는, 실시예14에서 위상변조소자와 광속분할소자에 의해 디포커스 위치에서 얻어지는 광강도 분포를 나타내는 도이다.
본 발명은 결정화장치, 결정화방법, 및 위상변조소자에 관한 것이며, 특히 소정의 광강도 분포를 갖는 레이저광을 다결정 반도체막 또는 비정질 반도체막에 조사해서 결정화 반도체막을 생성하는 결정화장치에 관한 것이다.
종래, 예를 들면 액정표시장치(Liquid-Crystal-Display:LCD)의 화소에 인가되는 전압을 제어하는 스위칭소자 등에 이용되는 박막트랜지스터(Thin-Film-Transistor:TFT)는 비정질 실리콘(amorphous-Silicon)층이나 다결정 실리콘(poly-Silicon)층으로 형성되어 있다.
다결정 실리콘층은 비정질 실리콘층보다도 전자 또는 정공의 이동도가 높다. 따라서, 다결정 실리콘층에 트랜지스터를 형성한 경우, 비정질 실리콘층에 형성하는 경우보다도 스위칭속도가 빨라져, 더 나아가서는 디스플레이의 응답속도가 빨라진다. 또, 주변LSI를 박막트랜지스터로 구성할 수 있게 된다. 또한, 다른 부품의 설계마진을 줄일 수 있는 등의 이점이 있다. 또, 드라이버회로나 DAC 등의 주변회 로는 디스플레이에 편입되는 경우에 그 주변회로들을 보다 고속으로 동작시킬 수 있다.
다결정 실리콘은 결정립의 집합으로 이루어지지만, 단결정 실리콘에 비하면 전자 또는 정공의 이동도가 낮다. 또, 다결정 실리콘으로 형성된 다수의 박막트랜지스터는 채널부에서의 결정립계수의 불균일이 문제가 된다. 그래서, 최근, 전자 또는 정공의 이동도를 향상시키면서 채널부에서의 결정립계수의 불균일을 적게 하기 위해서 대입경의 결정화실리콘을 생성하는 결정화방법이 제안되고 있다.
종래, 이 종류의 결정화방법으로서, 다결정 반도체막 또는 비정질 반도체막과 평행하게 근접시킨 위상시프터에 엑시머레이저광을 조사해서 결정화반도체막을 생성하는 「위상변조 ELA(Eximer Laser Annealing)법」이 알려져 있다. (표면과학 Vol.21, No.5, pp.278-287, 2000)
위상변조 ELA법에서는, 위상시프터의 위상시프트 단차부에 대응하는 점에서 광강도가 최소인 역피크패턴(중심에서 광강도가 최소이고 주위를 향해서 광강도가 급격히 증대하는 패턴)의 광강도 분포를 발생시키고, 상기 역피크패턴의 광강도 분포를 갖는 광을 다결정 반도체막 또는 비정질 반도체막에 조사한다. 그 결과, 광강도 분포에 따라서 용융영역에 온도구배가 생기고, 광강도가 최소인 점에 대응해서 최초로 응고되는 부분에 결정핵이 형성되고, 상기 결정핵으로부터 주위를 향해서 결정이 횡방향으로 성장(이후,「레터럴 성장」또는 「레터럴방향 성장」이라고 부른다)함으로써 대입경의 단결정립이 생성된다.
종래, 일본 특허공개2000-306859호 공보에는, 위상시프트마스크(위상시프터) 를 통해서 발생시킨 역피크패턴의 광강도 분포를 갖는 광을 반도체막에 조사해서 결정화를 행하는 기술이 개시되어 있다. 또, 이노우에 등의,「실리콘박막의 진폭·위상제어 엑시머레이저 용융 재결정화법-새로운 2-D 위치제어 대결정립 형성법-」(전자정보통신학회 논문지, 사단법인 전자정보통신학회, Vol.J85-C, No.8, pp.624-629, 2002년 8월)에는 위상시프터와 광흡수분포를 조합시켜서 발생시킨 요형 패턴+역피크패턴의 광강도 분포를 갖는 광을 반도체막에 조사해서 결정화를 행하는 기술이 개시되어 있다.
일본 특허공개2000-306859호에 개시되어 있는 것과 같이, 위상시프터를 이용해서 역피크패턴의 광강도 분포를 형성하는 종래기술에서는, 위상시프트부에 대응하는 부분에 역피크패턴의 광강도 분포가 형성된다. 그러나, 광강도가 직선상으로 증대하지 않기 때문에, 결정의 성장이 도 중에서 종료되기 쉽다. 또, 역피크패턴의 광강도 분포의 주변에 여분의 불균일 분포가 발생하기 때문에, 역피크패턴의 광강도 분포를 어레이화해서 결정립을 어레이상으로 생성할 수 없다.
또한, 위상시프터에 대한 조명광의 각도분포를 조절하거나 위상시프터의 배치위치를 설계하거나 함으로써 얻어지는 광강도 분포를 이상적인 분포에 접근시킬 수 있을지도 모른다. 그러나, 그 설계를 해석적으로 예측하여 행할 수 없고, 비록 해석적인 설계가 실현가능하다고 해도 꽤 복잡한 설계조건이 되는 것이 예상된다.
한편, 상기 이노우에 등의,「실리콘박막의 진폭·위상제어 엑시머레이저 용융 재결정화법-새로운 2-D 위치제어 대결정립 형성법-」에 개시되어 있는 것과 같 이, 위상시프터와 광흡수 분포를 조합시키는 종래기술에서는, 결정화하기 위한 요형 패턴+역피크패턴의 광강도 분포를 얻을 수 있다. 그러나, 레터럴방향으로 대입경의 결정을 성장시키는 것은 곤란하다. 연속적으로 변화하는 광흡수 분포를 갖는 막을 성막하는 것은 일반적으로 곤란하다. 또, 특히 결정화를 위한 강도가 상당히 큰 광으로 피결정화막을 조사했을 때 광흡수에 의한 열적 또는 화학적 변화에 의해 광흡수 분포를 갖는 막의 막재료의 열화가 생기기 쉬우므로 바람직하지 않다.
본 발명은 상술한 과제를 감안해서 이루어진 것으로, 결정핵으로부터의 충분한 레터럴방향의 결정성장을 실현해서 대입경의 결정화 반도체막을 생성할 수 있는 결정화장치 및 결정화방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 제1형태에 의한 결정화장치는, 비단결정 반도체막에 소정의 광강도 분포를 갖는 광속을 조사해서 결정화하는 결정화장치이다.
이 결정화장치는 소정의 주기로 배치되어 서로 거의 같은 패턴을 갖는 복수의 단위영역으로 이루어지는 위상변조소자와, 상기 위상변조소자와 상기 비단결정 반도체막간에 배치된 결상광학계를 포함한다.
상기 위상변조소자의 상기 각 단위영역은 소정의 위상을 갖는 기준면과, 상기 단위영역의 중심근방에 배치되어 상기 기준면에 대해서 제1위상차를 갖는 제1영역과, 상기 제1영역의 근방에 배치되어 상기 기준면에 대해서 상기 제1위상차와 거의 같은 위상차를 갖는 제2영역을 포함한다.
상술한 결정화장치에서는, 상기 소정의 광강도 분포는 소정의 주기로 배열되어 실질적으로 동일한 2차원적인 분포를 갖는 복수의 단위분포영역을 가지는 것이 좋다.
상기 각 단위분포영역은 그 중심근방에서 광강도가 가장 작은 영역으로부터 주위를 향해서 방사상으로 광강도가 급격히 증대되는 역피크상의 분포와, 상기 역피크상의 분포로부터 주위를 향해서 광강도가 방사상으로 완만히 증대되는 경사상 분포를 가진다.
상기 각 단위분포영역에서의 광강도의 최소값은 상기 단위분포영역에서의 광강도의 최대값을 1로 규격화했을 때에 0.2 내지 0.7의 상대값을 가지는 것이 좋다.
상기 각 단위분포영역의 형상은 다음과 같이 구성되는 것이 바람직하다.
상기 단위분포영역에서의 광강도의 최대값을 1로 규격화했을 때, 상기 각 단위분포영역에서의 광강도의 최소값에 최대값과 최소값과의 차의 2/5를 더한 광강도에서의 광강도분포의 폭이 0.5㎛ 내지 1.5㎛이다.
각 단위분포영역은 4㎛ 내지 20㎛의 간격을 두고 사각형 또는 삼각형의 격자상으로 배열되어 있다.
본 발명의 다른 형태에 따르면, 소정의 주기로 배치되어 실질적으로 동일한 패턴을 갖는 복수의 단위영역을 포함하는 위상변조소자와 결상광학계로 레이저광을 통과시켜 소정의 광강도 분포를 갖는 광속을 얻는 단계;
상기 소정의 광강도 분포를 갖는 광속을 비단결정 반도체막에 조사하여 반도체막을 용융시키는 단계;
상기 비단결정 반도체막의 용융부가 응고되는 과정에서 단일 성장성의 결정핵을 주기적으로 발생시키는 단계; 및
상기 성장성의 결정핵을 중심으로 방사상으로 결정을 성장시켜 결정립 어레이막을 형성하는 단계를 포함하는 결정화방법이 제공된다.
여기서, 상기 위상변조소자의 각 단위영역은, 소정의 위상을 갖는 기준면과, 상기 단위영역의 중심근방에 배치되어 상기 기준면에 대해서 제1위상차를 갖는 제1영역과, 상기 제1영역의 근방에 배치되어 상기 기준면에 대해서 상기 제1위상차와 실질적으로 동일한 위상차를 갖는 제2영역을 가진다.
상술한 결정화방법에서는, 비단결정 반도체막은 결상광학계의 계산상의 포커스 위치와는 상이한 실제 포커스 위치의 근방에 위치하는 것이 바람직하며, 이어서 소정의 광강도 분포를 갖는 광속에 의해 조사된다.
상술한 결정화방법에서는, 상기 소정의 광강도 분포는 소정의 주기로 배열되어 실질적으로 동일한 2차원적인 분포를 갖는 복수의 단위분포영역을 가진다.
상기 각 단위분포영역은 그 중심근방에서 광강도가 가장 작은 영역으로부터 주위를 향해서 방사상으로 광강도가 급격히 증대되는 역피크상의 분포와, 상기 역피크상의 분포로부터 주위를 향해서 방사상으로 광강도가 완만하게 증대되는 경사상 분포를 가진다.
본 발명의 다른 형태에 의한 반도체막은 디바이스를 준비하기 위하여 상기 결정화방법에 의해 절연기판상에 형성된 반도체막이다.
상기 반도체막의 결정조직이 4㎛내지 20㎛의 주기적인 간격으로 배열된 결정 립으로 이루어지고 결정립내부에 쌍정입계만 포함한다.
본 발명의 다른 형태에서는, 상기 결정화방법에 의해 결정화되어 절연기판상에 형성된 반도체막과,
상기 반도체막상의 게이트절연막과,
상기 게이트절연막을 통해서 상기 반도체막상에 형성된 게이트전극을 포함하는 탑게이트형 박막 트랜지스터를 포함한다.
상기 반도체막의 결정조직이 4㎛ 내지 20㎛의 주기적인 간격으로 배열된 결정립으로 이루어지고, 상기 결정립의 내부에 쌍정입계만을 포함한다.
본 발명의 다른 형태에서는, 절연기판상에 형성된 게이트전극과,
상기 게이트전극에 형성된 게이트절연막과,
본 발명의 결정화방법에 의해 결정화되어 상기 게이트절연막을 통해서 상기 게이트전극을 덮도록 형성된 반도체막을 포함하는 보텀게이트형의 박막 트랜지스터가 제공된다.
상기 반도체막의 결정조직이 4㎛ 내지 20㎛의 주기적인 간격으로 배열된 결정립으로 이루어지고, 상기 결정립의 내부에 쌍정입계만을 포함한다.
본 발명의 다른 형태에서는, 화소전극 및 상기 화소전극을 구동하기 위한 박막트랜지스터가 형성되는 어레이기판,
상기 어레이기판에 대향하여 위치하며, 그 위에 대향전극이 형성되는 대향기판, 및
상기 어레이기판과 대향기판 사이의 간격에 유지되는 전기광학 물질을 포함 하는 표시장치가 제공된다.
상기 박막트랜지스터는 상술한 결정화방법에 의해 형성된 반도체막, 및 게이트절연막을 통하여 반도체막의 일면에 중첩되는 게이트전극을 포함한다.
상기 반도체막의 결정조직이 4㎛ 내지 20㎛의 주기적인 간격으로 배열된 결정립으로 이루어지고, 상기 결정립의 내부에 쌍정입계만을 포함한다.
본 발명의 다른 형태에서는, 소정의 주기로 배치되어 서로 거의 같은 패턴을 갖는 복수의 단위영역으로 이루어지는 위상변조소자를 제공한다.
상기 각 단위영역은 소정의 위상을 갖는 기준면과,
상기 단위영역의 중심근방에 배치되어 상기 기준면에 대해서 제1위상차를 갖는 제1영역과,
상기 제1영역의 근방에 배치되어 상기 기준면에 대해서 상기 제1위상차와 실질적으로 동일한 위상차를 갖는 제2영역을 갖는 것을 특징으로 하는 위상변조소자를 제공한다.
상기 위상변조소자에 있어서는, 제1영역은 제2영역과 실질적으로 동일한 패턴을 가지며, 제2영역과는 실질적으로 한 점에서 접하게 되는 것이 좋다.
제1 및 제2영역은 부채형 형상을 갖는 것이 좋다.
상기 제1 및 제2영역은 전체적으로 그 작용면에서의 직경의 환산값으로 0.3 내지 1.5㎛의 크기를 가진다.
상기 각 단위영역은 상기 제1 및 제2영역의 주위에 복수의 제3영역을 가지며, 상기 각 제3영역은 소정치수보다 작은 돗트패턴을 가지며, 상기 기준면에 대하 여 제1영역과는 실질적으로 동일한 위상차를 가진다.
상기 제3영역의 점유율이 상기 단위영역에서의 각 단위영역의 중심으로부터의 거리에 따라 변화한다.
상기 각 단위영역은 소정치수보다 작은 복수의 셀을 가지며, 각 셀내에서의 상기 제3영역의 점유율이 셀마다 변화한다.
이 점유율은 단위영역의 중심에서 떨어짐에 따라 감소한다.
본 발명의 또다른 형태에 의하면,
비단결정 반도체막에 소정의 광강도 분포의 광속을 조사해서 결정화하는 결정화장치로서,
소정의 주기로 배치되어 실질적으로 서로 동일한 패턴을 갖는 복수의 단위영역으로 이루어지는 위상변조소자와,
상기 위상변조소자를 통한 광속을 2개의 비간섭성의 광속으로 분할하기 위한 광속분할소자와,
상기 광속분할소자와 상기 비단결정 반도체막간에 배치된 결상광학계를 포함하고,
상기 위상변조소자의 상기 각 단위영역은,
소정의 위상을 갖는 기준면과,
상기 단위영역의 중심근방에 배치되어 상기 기준면에 대해 제1위상차를 갖는 제1영역과,
상기 제1영역의 근방에 배치되어 상기 기준면에 대해서 상기 제1위상차와는 절대값이 실질적으로 같고 또한 부호가 다른 제2위상차를 갖는 제2영역을 가지며,
서로 이웃하는 2개의 단위영역의 사이에서, 상기 기준면은 실질적으로 같은 위상차를 가지며,
서로 이웃하는 2개의 단위영역의 사이에서, 상기 제1영역은 상기 기준면에 대해서 실질적으로 반전된 위상차를 가지며,
서로 이웃하는 2개의 단위영역의 사이에서, 상기 제2영역은 상기 기준면에 대해서 실질적으로 반전된 위상차를 가진다.
상술한 결정화장치에서는, 상기 소정의 광강도 분포는 소정의 주기로 배열되어 실질적으로 동일한 2차원적인 분포를 갖는 복수의 단위분포영역을 가지는 것이 좋다.
상기 각 단위분포영역은 그 중심근방에서 광강도가 가장 작은 영역으로부터 주위를 향해서 방사상으로 광강도가 급격히 증대되는 역피크상의 분포와, 상기 역피크상의 분포로부터 주위를 향해서 광강도가 방사상으로 완만히 증대되는 경사상 분포를 가진다.
상기 각 단위분포영역에서의 광강도의 최소값은 상기 단위분포영역에서의 광강도의 최대값을 1로 규격화했을 때에 0.2 내지 0.7의 상대값을 가지는 것이 좋다.
상기 각 단위분포영역의 형상은 다음과 같이 구성되는 것이 바람직하다.
상기 단위분포영역에서의 광강도의 최대값을 1로 규격화했을 때, 상기 각 단위분포영역에서의 광강도의 최소값에 최대값과 최소값과의 차의 2/5를 더한 광강도에서의 광강도분포의 폭이 0.5㎛ 내지 1.5㎛이다.
각 단위분포영역은 4㎛ 내지 20㎛의 간격을 두고 사각형 또는 삼각형의 격자상으로 배열되어 있다.
본 발명의 또다른 형태에 의하면, 결정화장치에 있어서, 비단결정 반도체막이 소정의 광강도 분포를 갖는 광속으로 조사되어 용융되며, 이어서, 이 비단결정 반도체막의 용융부가 응고하는 과정에서 단일성장성의 결정핵이 주기적으로 발생되고, 이어서, 이 성장성의 결정핵을 중심으로 방사상으로 결정이 성장하여 결정립 어레이막이 형성된다.
상술한 결정화장치에서는, 상기 소정의 광강도 분포는 소정의 주기로 배열되어 실질적으로 동일한 2차원적인 분포를 갖는 복수의 단위분포영역을 가지는 것이 좋다.
상기 각 단위분포영역은 그 중심근방에서 광강도가 가장 작은 영역으로부터 주위를 향해서 방사상으로 광강도가 급격히 증대되는 역피크상의 분포와, 상기 역피크상의 분포로부터 주위를 향해서 광강도가 방사상으로 완만히 증대되는 경사상 분포를 가진다.
상기 각 단위분포영역에서의 광강도의 최소값은 상기 단위분포영역에서의 광강도의 최대값을 1로 규격화했을 때에 0.2 내지 0.7의 상대값을 가지는 것이 좋다.
상기 각 단위분포영역의 형상은 다음과 같이 구성되는 것이 바람직하다.
상기 단위분포영역에서의 광강도의 최대값을 1로 규격화했을 때, 상기 각 단위분포영역에서의 광강도의 최소값에 최대값과 최소값과의 차의 2/5를 더한 광강도에서의 광강도분포의 폭이 0.5㎛ 내지 1.5㎛이다.
각 단위분포영역은 4㎛ 내지 20㎛의 간격을 두고 사각형 또는 삼각형의 격자상으로 배열되어 있다.
본 발명의 또다른 형태에 의하면,
소정의 광강도 분포를 갖는 광속을 비단결정 반도체막에 조사하여 반도체막을 용융시키는 단계; 상기 비단결정 반도체막의 용융부가 응고되는 과정에서 단일 성장성의 결정핵을 주기적으로 발생시키는 단계; 및 상기 성장성의 결정핵을 중심으로 방사상으로 결정을 성장시켜 결정립 어레이막을 형성하는 단계를 포함하는 결정화방법이 제공된다.
여기에서는, 상기 소정의 광강도 분포는 소정의 주기로 배열되어 실질적으로 동일한 2차원적인 분포를 갖는 복수의 단위분포영역을 가지는 것이 좋다.
상기 각 단위분포영역은 그 중심근방에서 광강도가 가장 작은 영역으로부터 주위를 향해서 방사상으로 광강도가 급격히 증대되는 역피크상의 분포와, 상기 역피크상의 분포로부터 주위를 향해서 광강도가 방사상으로 완만히 증대되는 경사상 분포를 가진다.
이 결정화방법에 있어서, 바람직하기로는, 결정은 성장성의 결정핵을 중심으로 하여 방사상으로 성장하며, 내부에 쌍정입계만을 포함하는 결정립 어레이막이 형성된다.
본 발명의 또다른 형태에 따른 반도체막은 디바이스를 제작하기 위한 본 발명의 결정화방법에 의해 절연막 기판상에 형성된다.
상기 반도체막의 결정조직은 4㎛ 내지 20㎛의 주기적인 간격으로 배열된 결 정립으로 이루어지고 결정립 내부에 쌍정입계만을 포함한다.
본 발명의 다른 형태에서는, 상기 결정화방법에 의해 결정화되어 절연기판상에 형성된 반도체막과,
상기 반도체막상의 게이트절연막과,
상기 게이트절연막을 통해서 상기 반도체막상에 형성된 게이트전극을 포함하는 탑게이트형 박막 트랜지스터를 포함한다.
상기 반도체막의 결정조직이 4㎛ 내지 20㎛의 주기적인 간격으로 배열된 결정립으로 이루어지고, 상기 결정립의 내부에 쌍정입계만을 포함한다.
본 발명의 다른 형태에서는, 절연기판상에 형성된 게이트전극과,
상기 게이트전극에 형성된 게이트절연막과,
본 발명의 결정화방법에 의해 결정화되어 상기 게이트절연막을 통해서 상기 게이트전극을 덮도록 형성된 반도체막을 포함하는 보텀게이트형의 박막 트랜지스터가 제공된다.
상기 반도체막의 결정조직이 4㎛ 내지 20㎛의 주기적인 간격으로 배열된 결정립으로 이루어지고, 상기 결정립의 내부에 쌍정입계만을 포함한다.
본 발명의 다른 형태에서는, 화소전극 및 상기 화소전극을 구동하기 위한 박막트랜지스터가 형성되는 어레이기판,
상기 어레이기판에 대향하여 위치하며, 그 위에 대향전극이 형성되는 대향기판, 및
상기 어레이기판과 대향기판 사이의 간격에 유지되는 전기광학 물질을 포함 하는 표시장치가 제공된다.
상기 박막트랜지스터는 상술한 결정화방법에 의해 형성된 반도체막, 및 게이트절연막을 통하여 반도체막의 일면에 중첩되는 게이트전극을 포함한다.
상기 반도체막의 결정조직이 4㎛ 내지 20㎛의 주기적인 간격으로 배열된 결정립으로 이루어지고, 상기 결정립의 내부에 쌍정입계만을 포함한다.
본 발명의 다른 형태에서는, 소정의 주기로 배치되어 서로 거의 같은 패턴을 갖는 복수의 단위영역으로 이루어지는 위상변조소자를 제공한다.
여기서, 상기 각 단위영역은,
소정의 위상을 갖는 기준면과,
상기 단위영역의 중심근방에 배치되어 상기 기준면에 대해 제1위상차를 갖는 제1영역과,
상기 제1영역의 근방에 배치되어 상기 기준면에 대해서 상기 제1위상차와는 절대값이 실질적으로 같고 또한 부호가 다른 제2위상차를 갖는 제2영역을 가지며,
서로 이웃하는 2개의 단위영역의 사이에서, 상기 기준면은 실질적으로 같은 위상차를 가지며,
서로 이웃하는 2개의 단위영역의 사이에서, 상기 제1영역은 상기 기준면에 대해서 실질적으로 반전된 위상차를 가지며,
서로 이웃하는 2개의 단위영역의 사이에서, 상기 제2영역은 상기 기준면에 대해서 실질적으로 반전된 위상차를 가진다.
이 위상변조소자에서, 상기 제1영역은 상기 제2영역과 실질적으로 동일한 패 턴을 가지며, 상기 제2영역과 실질적으로 한 점에서 접하게 된다.
상기 제1 및 제2영역은 부채형 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 및 제2영역은 전체적으로 그 작용면에서의 직경의 환산값으로 0.3 내지 1.5㎛의 크기를 가진다.
상기 각 단위영역은 제1 및 제2영역의 주위에 복수의 제3영역과 복수의 제4영역을 가지는 것이 좋다.
상기 각 제3영역은 소정치수보다 작은 돗트패턴을 가지며, 상기 기준면에 대하여 제1영역과는 실질적으로 동일한 위상차를 가지며, 상기 각 제4영역은 소정치수보다 작은 돗트패턴을 가지며, 상기 기준면에 대하여 제2영역과는 실질적으로 동일한 위상차를 가진다.
상기 제3 및 제4영역의 점유율은 상기 단위영역에서의 각 단위영역의 중심으로부터의 거리에 따라 변화한다.
상기 각 단위영역은 소정치수보다 작은 복수의 셀을 가지며, 각 셀내에서의 상기 제3 및 제4영역의 점유율은 셀마다 변화한다.
그 점유율은 상기 단위영역의 중심으로부터 떨어짐에 따라 감소한다.
본 발명에 의하면, 1숏트의 레이저어닐링으로 위치제어된 대입경결정립 어레이조직의 고품질인 결정질의 반도체박막을 얻을 수 있다. 본 발명에서 얻은 반도체막을 사용한 박막트랜지스터는 종래의 폴리실리콘 박막트랜지스터보다도 이동도가 높고 스레시홀드전압의 불균일도 작다. 본 발명의 박막트랜지스터를 액정디스플레이, 유기EL 등의 표시장치에 적용하면, 주변회로에 고기능의 연산소자 등을 형성할 수 있게 되고, 시스템·온·패널화에 있어서 본 발명의 효과는 크다. 또, 위상변조소자를 광로중에 삽입하기만 하는 방법이므로, 광학계가 복잡해지지 않고 조정에 시간이 걸리지 않는다. 또, 초점심도가 깊으므로 프로세스 마진이 넓어져 양산에도 알맞다.
본 발명의 실시형태를 첨부도면에 기초해서 설명하겠다.
도 1은, 본 발명의 일실시형태에 관한 결정화장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다. 또, 도 2는 도 1의 조명계의 내부구성을 개략적으로 나타내는 도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 결정화장치는 입사광속을 위상변조해서 소정의 광강도 분포를 갖는 광속을 형성하기 위한 위상변조소자(1)와, 조리개(2)를 통해서 위상변조소자(1)를 조명하기 위한 조명계(3)를 포함하고 있다. 위상변조소자(1)의 구성 및 작용에 대해서는 후술하겠다.
조명계(3)는 예를 들면, 248nm의 파장을 갖는 광을 공급하는 KrF 엑시머레이저광원(3a)을 포함하고 있다. 광원(3a)으로서 XeCl 엑시머레이저 광원이나 YAG 레이저 광원과 같은 피결정화 처리체를 용융하는 에너지 광원을 사출하는 성능을 갖는 다른 적당한 광원을 이용할 수도 있다. 광원(3a)으로부터 공급된 레이저광은 빔익스펜더(3b)를 통해서 확대된 후, 제1 플라이아이렌즈(3c)에 입사된다. 이렇게 해서, 제1 플라이아이렌즈(3c)의 후측 초점면에는 복수의 광원이 형성되고, 이 복수의 광원들로부터의 광속은 제1 컨덴서 광학계(3d)를 통해서 제2 플라이아이렌즈(3e)의 입사면을 중첩적으로 조명한다.
그 결과, 제2 플라이아이렌즈(3e)의 후측초점면에는 제1 플라이아이렌즈(3c) 의 후측초점면보다도 많은 복수의 광원이 형성된다. 제2 플라이아이렌즈(3e)의 후측초점면에 형성된 복수의 광원으로부터의 광속은 제2 컨덴서 광학계(3f) 및 조리개(2)를 통해서 위상변조소자(1)를 중첩적으로 조명한다. 여기서, 제1 플라이아이렌즈(3c) 및 제1 컨덴서광학계(3d)는 제1 호모지나이저를 구성하고, 상기 제1 호모지나이저에 의해 광원(3a)으로부터 공급된 레이저광은 위상변조소자(1)상에서 입사각도에 대해 균일화가 꾀해진다.
또, 제2 플라이아이렌즈(3e) 및 제2 컨덴서광학계(3f)는 제2 호모지나이저를 구성하고, 상기 제2 호모지나이저에 의해 제1 호모지나이저로부터의 입사각도가 균일화된 레이저광에 대해서 위상변조소자(1)상에서의 면내 각 위치에서의 광강도에 관한 균일화가 꾀해진다. 또한, 제1 플라이아이렌즈(3c) 또는 제2 플라이아이렌즈(3e)를 대신해서 한쌍의 원통형 플라이아이렌즈를 이용할 수도 있다. 여기서, 원통형 플라이아이렌즈는 어느 평면에서 굴절력을 갖고 또한 그 평면과 직교하는 평면에서 무굴절력의 복수의 원통형 렌즈요소에 의해 구성되어 있다.
이렇게 해서, 조명계(3)는 거의 균일한 광강도 분포를 갖는 레이저광에 의해 위상변조소자(1)를 조명한다. 위상변조소자(1)에서 위상변조된 레이저광은 결상광학계(4)를 통해서 피처리기판(5)으로 입사한다. 여기서, 결상광학계(4)는 위상변조소자(1)의 위상패턴면과 피처리기판(5)을 광학적으로 공역으로 배치하고 있다. 바꿔 말하면, 피처리기판(5)은 위상변조소자(1)의 위상패턴면과 광학적으로 공역인 면(결상광학계(4)의 상면)에 설정되어 있다. 결상광학계(4)는 정렌즈군(4a, 4b)간에 개구조리개(4c)를 포함하고 있다.
개구조리개(4c)는 개구부(광투과부)의 크기가 다른 복수의 개구조리개를 가지며, 이 복수의 개구조리개들(4c)은 광로에 대해서 교환가능하게 구성되어 있어도 좋다. 또는, 개구조리개(4c)는 개구부의 크기를 연속적으로 변화시킬 수 있는 홍채조리개를 가지고 있어도 좋다. 어떤 것으로 해도 개구 조리개(4c)의 개구부의 크기(즉, 결상광학계(4)의 상측개구수(NA))는, 후술하는 것과 같이 피처리기판(5)의 반도체막상에서 필요한 광강도 분포를 발생시키도록 설정되어 있다. 또한, 결상광학계(4)는 굴절형의 광학계여도 좋고, 반사형의 광학계여도 좋고, 굴절/반사형의 광학계여도 좋다.
또, 피처리기판(5)은 기판상에 하층절연막, 반도체박막, 상층절연막의 순서로 성막함으로써 구성되어 있다. 즉, 피처리기판(5)은, 예를 들면 액정디스플레이용 판유리상에 화학기상성장법(CVD)에 의해 하지절연막, 비단결정막 (예를 들면, 비정질 실리콘막) 및 캡막이 순차형성된 것이다. 하지절연막 및 캡막은 절연막 (예를 들면 SiO2)이다. 하지절연막은 비정질 실리콘막과 유리기판이 직접 접촉해서 Na 등의 이물질이 비정질 실리콘막에 혼입되는 것을 방지하고, 비정질 실리콘막의 용융온도가 직접 유리기판에 전열되는 것을 방지한다. 비정질 실리콘막은 결정화되는 반도체막이다.
비정질 실리콘막이 입사광을 흡수해서 가열된다. 이 열의 일부가 전달됨으로써 캡막이 가열된다. 이 열을 비정질 실리콘막에 축열한다. 이 축열효과는 광빔의 입사가 차단되었을 때, 비정질 실리콘막의 피조사면에서 고온부가 상대적으로 급속 히 강온되지만, 이 강온구배를 완화시키고, 대입경의 횡방향 결정성장을 촉진시킨다. 피처리기판(5)은 진공척이나 정전척 등에 의해 기판 스테이지(6)상에서 미리 정해진 소정의 위치에 위치결정되어 유지되고 있다.
(실시예1)
도 3은 본 발명의 실시예1에서의 위상변조소자의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다.
실시예1의 위상변조소자(1)는 일변 5㎛의 결정립어레이 반도체박막을 제조하기 위한 위상변조소자이고, 소정의 주기로 2차원적으로 배치되어 서로 같은 패턴을 갖는 복수의 단위영역(1a)에 의해 구성되어 있다. 도 3에서는 설명을 간단히 하기 위해서 서로 이웃하는 2개의 정사각형상의 단위영역(1a)을 나타내고 있다. 각 단위영역(1a)의 일변은 결상광학계(4)의 상면(image plane)에서의 환산값으로 5㎛이다. 이하, 위상변조소자(1)의 치수에 대해서는, 결상광학계(4)의 상면에서의 환산값으로 나타낸다.
단위영역(1a)은 소정의 위상을 갖는 기준면(도 중 공백의 부분)(1aa)과, 단위영역(1a)의 중심근방에 배치된 제1영역(1ab) 및 제2영역(1ac)과, 제1영역(1ab) 및 제2영역(1ac)의 주위에 배치된 복수의 제3영역(1ad)을 구비하고 있다. 여기서, 제1영역(1ab) 및 제2영역(1ac)은 반경이 0.5㎛인 원을 4등분해서 얻어지는 부채형 형상의 패턴이고, 그 정점들이 단위영역(1a)의 중심에서 접하도록 배치되어 있다.
실시예1에서는, 제1영역(1ab) 및 제2영역(1ac)의 주위에 결상광학계(4)의 점상분포 범위의 반경보다도 광학적으로 작은 한변 0.5㎛의 정사각형상의 단위셀(미 도시)을 종횡으로 또한 조밀하게 가상설정하고 있다. 그리고, 각 단위셀 중에 1개의 제3영역(1ad)이 선택적으로 설치되어 있다. 단위셀중의 제3영역(1ad)의 점유면적율은 제1영역(1ab)과 제2영역(1ac)과의 접점(단위영역(1a)의 중심)으로부터 떨어짐에 따라서 작아지도록 구성되어 있다. 또, 제1영역(1ab), 제2영역(1ac) 및 제3영역(1ad)은 기준면(1aa)에 대해서 +90도의 위상차(기준면(1aa)에서의 위상(변조량)을 0도로 기준화했을 때의 상대적인 위상)를 갖는다.
여기서, 결상광학계(4)에 대해서 다양한 위치에 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에서 단위영역(1a)의 중앙을 횡단하는 선 A-A에 대응하는 횡단선을 따라서 형성되는 광강도 분포에 착안한다. 우선, 결상광학계(4)의 계산상의 포커스 위치(초점위치)로부터 5㎛만큼 결상광학계(4)에 근접하는 방향(도 1중 위쪽)에 디포커스(+5㎛ 디포커스)되어 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는 단위영역(1a)의 횡단선 A-A에 대응하는 횡단선을 따라서 도 4a에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 또, 결상광학계(4)의 계산상의 포커스 위치에 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따라서 도 4b에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다.
또, 결상광학계(4)의 계산상의 포커스 위치로부터 5㎛만큼 결상광학계(4)로부터 멀어지는 방향(도 1중 위쪽)에 디포커스(-5㎛ 디포커스)되어 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따라서 도 4c에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 또한, 결상광학계(4)의 계산상의 포커스 위치로부터 7㎛만큼 결상광학계(4)로부터 멀어지는 방향으로 디포커스(- 7㎛의 디포커스)되어 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따라서 도 5a에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다.
또, 결상광학계(4)의 계산상의 포커스 위치로부터 10㎛만큼 결상광학계(4)로부터 멀어지는 방향으로 디포커스(-10㎛의 디포커스)되어 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따라서 도 5b에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 마지막으로, 결상광학계(4)의 계산상의 포커스 위치로부터 15㎛만큼 결상광학계(4)로부터 멀어지는 방향으로 디포커스(-15㎛의 디포커스)되어 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따라서 도 5c에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다.
또한, 아래의 각 실시예에서는, 양측에 텔레센트릭한 결상광학계(4)의 배율이 1/5이고, 그 상측 개구수(NA)가 0.13이고, 조명 시그마값(조명계의 개구수/결상광학계(4)의 물체측 개구수)이 0.43으로 설정되어 있다. 또, 도 4a 내지 도 4c 및 도 5a 내지 도 5c에서 종축은 광강도이고 그 최대값을 1로 규격화했을 때의 상대값을 나타내고, 횡축은 단위영역(1a)의 중심에 대응하는 점으로부터의 거리(㎛)를 나타내고 있다. 또한, 이하의 광강도 분포의 표기는 상술한 바와 동일한 방법에 따른다.
도 4a 내지 도 4c 및 도 5a 내지 도 5c에 나타내는 것과 같이 결상광학계(4)에 대해서 피처리기판(5)의 위치를 변화시켜서 얻어지는 광강도 분포를 참조하면, 계산상의 포커스 위치와 -10㎛의 디포커스 위치간에서 보텀피크(광강도가 가장 작은 위치)로부터 광강도가 급격하게 증대하는 변화가 유지되고 있다. 또, 계산상의 포커스 위치와 -15㎛의 디포커스 위치간에서 광강도 분포의 형상이 유지되고 있다. 즉, 실시예1에서는, ±5㎛ 내지 ±7㎛의 초점심도가 확보되고 있는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 실시예1의 위상변조소자(1)에서는 위상차가 90도이고 180도와는 다르기 때문에, 실제의 포커스 위치가 계산상의 포커스 위치로부터 어긋나게 된다. 도 4a 내지 도 4c 및 도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 계산상의 포커스 위치로부터 -7㎛만큼 디포커스된 위치에서 얻어지는 광강도 분포에서 보텀피크로부터 증대되는 광강도의 구배가 가장 크고, 계산상의 -7㎛의 디포커스 위치가 실제의 포커스 위치인 것을 알 수 있다.
실시예1에서 결상광학계(4)의 실제의 포커스 위치에 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는 도 6a 내지 도 6c에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 즉, 도 3의 위상변조소자(1)의 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따라서 도 6a에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성되고, 도 중 좌측의 단위영역(1a)의 도 중 오른쪽 위의 대각선B-B에 대응하는 사선을 따라서 도 6b에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성되고, 도 중 우측의 단위영역(1a)의 도 중 왼쪽 위의 대각선C-C에 대응하는 사선을 따라서 도 6c에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 실시예1의 위상변조소자(1)를 통해서 얻어지는 광강도 분포에는 거의 이방성이 없는 것을 알 수 있다.
또, 도 6a를 참조하면, 제1영역(1ab)과 제2영역(1ac)과의 접점(단위영역(1a)의 중심)에 대응해서 광강도가 가장 작은 보텀피크가 형성되는 것을 알 수 있다. 또, 제1영역(1ab) 및 제2영역(1ac)의 작용에 의해 보텀피크로부터 주위를 향해서 방사상으로 광강도가 급격히 증대하는 역피크상의 분포가 형성된다. 또, 복수의 제3영역(1ad)의 작용에 의해 역피크상의 분포로부터 주위를 향해서 방사상으로 완만하게 광강도가 증대하는 경사상 분포가 형성된다. 위상변조소자(1)의 위상단차패턴은, 예를 들면, 석영유리기판에 필요한 위상에 대응하는 두께분포를 형성함으로써 제조할 수 있다. 석영유리기판의 두께변화는 선택에칭이나 FIB(Focused Ion Beam)가공에 의해 형성할 수 있다.
다음으로, 제3영역(1ad)의 점유면적률을 단위영역(1a)의 중심으로부터 떨어짐에 따라서 작아지도록 설정한다. 따라서, 역피크상의 분포로부터 떨어짐에 다라서 광강도가 커지는 것과 같은 경사상의 분포가 얻어지는데, 그 원리에 대해서 설명하겠다.
도 7a 내지 도 7f는, 제3영역의 점유면적률과 광강도 분포사이의 관계에 관한 원리를 설명하는 도이다. 일반적으로, 위상변조소자(1)에 의한 결상의 광 진폭분포U(x,y)는 다음 식(1)으로 나타난다. 또한 식(1)에서, T(x,y)는 위상변조소자(1)의 복소진폭 투과율분포를, *는 콘벌루션(convolution)을, ASF(x,y)는 결상광학계(4)의 점상분포 함수를 각각 나타내고 있다. 여기서, 점상분포 함수란, 결상광학계에 의한 점상의 진폭분포로 정의한다.
U(x,y)=T(x,y)*ASF(x,y) (1)
또한, 위상변조소자(1)의 복소진폭 투과율분포(T)는 진폭이 균일하기 때문에, 다음 식(2)으로 나타난다. 또한, 식(2)에서 To은 일정값이고, ø(x,y)는 위상분포를 나타내고 있다.
T=To·exp(iø(x,y)) (2)
또, 결상광학계(4)가 균일원형 동공을 가지고 또한 무수차인 경우, 점상분포함수ASF(x,y)에 관해서 다음식(3)으로 나타내는 관계가 성립한다. 또한, 식(3)에서, J1은 베셀(Bessel)함수를, λ는 광의 파장을, NA는 상술한 것과 같이 결상광학계(4)의 상측 개구수를 각각 나타내고 있다.
ASF(x,y)∝2J1(2π/λ·NA·r)/(2π/λ·NA·r) (3)
단, r=(x2+y2)1/2
도 7a에 나타내는 결상광학계(4)의 점상 분포함수는, 도 7b에 나타내는 것이고, 직경(R)의 원통형(4e)(도 7c중 점선으로 나타낸다)에서 근사하면, 도 7c에 나타내는 위상변조소자(1)상의 직경(R')(직경(R)에 광학적으로 대응하는 값)의 원내의 복소진폭 분포를 적분한 것이 상면(4f)상의 복소진폭을 결정한다. 상술한 것과 같이, 상면(4f)에 형성된 결상의 광진폭 즉 광강도는 위상변조소자(1)의 복소진폭 투과율 분포와 점상분포 함수와의 콘벌루션으로 주어진다. 점상분포 함수를 원통형(4e)에서 근사해서 생각하면, 도 7c에 나타내는 원형의 점상분포범위(R)내에서 위상변조소자(1)의 복소진폭 투과율을 균일 무게로 적분한 결과가, 상면(4f)에서의 복소진폭이 되고, 그 절대값의 제곱이 광강도가 된다. 또한, 결상광학계(4)에서의 점상분포범위(R)란, 점상분포 함수에 따라서 그려진 도 7b의 곡선의 0점(4i)과의 교점(4j)내의 범위를 말한다.
따라서, 점상분포범위(R)내에서 위상의 변화가 작을수록 광강도는 커지고, 반대로 위상의 변화가 클수록 광강도는 작아진다. 이 점은, 도 7d에 나타내는 것과 같이 단위원(4g)내에서의 위상벡터(4h)의 합으로 생각하면 이해하기 쉽다. 상면(4f)을 물체 예를 들면 반도체막으로 했을 경우, 도 7b의 점상분포 함수는 도 7f에 나타내는 것과 같은 점상분포 함수가 된다.
도 8a 내지 도 8c는, 점상분포범위(R)내에서의 위상의 변화와 광강도의 전형적인 관계를 나타내는 도이다. 도 8a는 4개의 영역의 위상값이 모두 0도인 경우를 나타내는 도이고, 0도방향의 4개의 위상벡터(5g)의 합이 진폭(4E)에 대응하고, 그 제곱이 광강도(16I)에 대응하게 된다.
도 8b는, 2개의 영역의 위상값이 0도이고, 다른 2개의 영역의 위상값이 90도인 경우를 나타내는 도이고, 0도방향의 2개의 위상벡터와 90도 방향의 2개의 위상벡터의 합이 진폭2√2E에 대응하고, 그 제곱이 광강도(8I)에 대응하게 된다.
도 8c는 위상값이 0도인 영역과 위상값이 90도인 영역과 위상값이 180도인 영역과 위상값이 270도인 영역의 경우를 나타내는 도이고, 0도방향의 위상벡터(5s)와 90도 방향의 위상벡터(5t)와 180도 방향의 위상벡터(5u)와 270도 방향의 위상벡터(5v)의 합이 진폭(0E)에 대응하고, 그 제곱이 광강도(0I)에 대응하게 된다.
도 9a 및 도 9b는 결상광학계(4)에서의 동공함수와 점상분포 함수의 관계를 나타내는 도이다. 일반적으로, 점상분포 함수는 동공함수의 푸리에변환으로 주어진다. 구체적으로는, 결상광학계(4)가 균일 원형동공을 가지고 또한 무수차인 경우, 점상분포 함수ASF(x,y)는 상술한 식(3)에 의해 나타난다. 그러나, 결상광학계(4)에 수차가 존재하는 경우나, 균일원형 동공 이외의 동공함수를 갖는 경우는 이에 한정되지 않는다.
균일원형동공에서 무수차인 경우, 점상분포 함수가 최초로 0이 될때까지의 중앙영역(즉 에어리 디스크)의 반경(R/2)은, 다음 식(4)으로 나타나는 것을 알 수 있다.
R/2=0.61·λ/NA (4)
본 명세서에서, 점상분포범위(R)란, 도 7b, 도 9b에 나타내는 것과 같이, 점상분포 함수F(x)가 최초로 0이 될때까지의 원형상의 중앙영역을 의미하고 있다. 도 8a 내지 도 8c를 참조해서 분명히 알 수 있듯이, 결상광학계의 점상분포범위(R)에 광학적으로 대응하는 원안에 복수(도 8a 내지 도 8c에서는 4개)의 위상변조단위가 포함되어 있으면, 복수의 위상벡터(5g)의 합에 의해 광의 진폭을, 더 나아가서는 광의 강도를 분석적으로 또한 간단한 계산에 따라서 제어할 수 있다. 그 결과, 비교적 복잡한 광강도 분포를 비교적 용이하게 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명에서는, 광강도를 자유롭게 제어하기 위해서, 위상변조소자(1)의 위상변조단위는, 결상광학계(4)의 점상분포범위(R)의 반경(R/2)보다도 광학적으로 작은 것이 필요하다. 바꿔 말하면, 결상광학계(4)의 상측에서의 위상변조소자(1)의 위상변조단위의 크기는 결상광학계(4)의 점상분포범위(R)의 반경(R/2)보다 도 작은 것이 필요하다. 여기서, 위상변조단위란, 예를 들면 상술한 셀형인 경우는, 셀의 가장 짧은 일변의 크기이고, 픽셀형인 경우는 일변의 길이를 나타낸다.
도 10a 내지 도 10b는 도 3에 나타내는 위상변조소자의 제3영역에 대응하는 셀형의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다. 도 10a를 참조하면, 이 위상변조소자는 제1위상값(ø1)을 갖는 제1영역(도 중 사선부로 나타낸다)(21a)과 제2위상값(ø2)을 갖는 제2영역(도 중 공백부로 나타낸다)(21b)을 갖는다. 또, 상기 위상변조소자는 결상광학계(4)의 점상분포범위(R)의 반경(R/2)보다도 광학적으로 작은 사이즈의 복수의 셀(도 중 직사각형상의 점선으로 나타낸다)(21)을 갖는다.
도 10a에 나타낸 것과 같이, 각 셀(21)내에서의 위상값(ø1)(0도)의 제1영역(21a)과 위상값(ø2)(90도)의 제2영역(21b)의 점유면적률이 셀마다 변화하고 있다. 바꿔 말하면, 위상값(ø1)의 제1영역(21a)과 위상값(ø2)의 제2영역(21b)의 점유면적률이 위치에 따라서 변화하는 위상분포를 갖는다. 더욱 구체적으로는, 셀내에서의 위상값(ø2)의 제2영역(21b)의 점유면적은 도 중 좌측의 셀에서 가장 크고, 도 중 우측의 셀에서 가장 작고, 그 사이에서 단조롭게 변화되고 있다. 위상변조소자(1)로의 입사광은 화살표(21c)로 나타내는 것과 같이 도 10a에서, 지면의 상면으로부터 이면방향으로 투과한다.
이상과 같이, 도 10a에 나타내는 위상변조소자는, 결상광학계(4)의 점상분포범위(R)의 반경(R/2)보다도 광학적으로 작은 사이즈의 위상변조단위(셀)(21)에 기초하는 위상분포를 갖는다. 따라서, 각 위상변조단위(21)에서의 제1영역(21a)과 제2영역(21b)과 점유면적률을, 즉 2개의 위상벡터의 합을 적당히 변화시킴으로써, 피 처리기판상에 형성되는 광강도 분포를 간단한 계산에 따라서 해석적으로 제어할 수 있다. 제1 및 제2위상값(ø1, ø2)의 위상변조소자(1)의 제조는 예를 들면 석영유리에 두께를 제1 및 제2의 위상값(ø1, ø2)이 형성되도록 선택함으로써 위상변조소자(1)를 제조할 수 있다. 석영유리의 두께변화는 선택에칭이나 FIB에 의해 형성할 수 있다.
도 11은, 도 3에 나타내는 위상변조소자의 제3영역과는 다른 픽셀형의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다. 도 11을 참조하면, 상기 위상변조소자(1)는 결상광학계(4)의 점상분포범위(R)의 반경(R/2)보다도 광학적으로 작은 복수의 사각형상의 픽셀(22)을 갖는다. 이 복수의 픽셀(22)들은 종횡으로 또한 조밀하게 배치되고, 각 픽셀(22)은 각각 일정의 위상값을 갖는다. 구체적으로는, 제1위상값(ø1)(예를 들면 0도)을 갖는 제1 픽셀(도 중 사선부로 나타낸다)(22a)과, 제2위상값(ø2)(예를 들면 90도)을 갖는 제2 픽셀(도 중 공백부로 나타낸다)(22b)을 갖는다. 위상변조소자(1)로의 입사광은 화살표(22c)로 나타내는 것과 같이 도 11에서 지면의 상면으로부터 이면방향으로 투과된다.
도 11에 나타낸 것과 같이, 결상광학계(4)의 점상분포범위(R)에 광학적으로 대응하는 단위범위(도 중 점선의 원으로 나타낸다)당 동일 위상값의 픽셀수가 단위범위마다 변화되고 있다. 바꿔 말하면, 도 10a와 같이, 위상값(ø1)의 제1영역으로서의 제1픽셀(22a)과 위상값(ø2)의 제2영역으로서의 제2픽셀(22b)의 점유면적률이 위치에 따라서 변화하는 위상분포를 갖는다.
이상과 같이, 도 11에 나타내는 위상변조소자는, 결상광학계(4)의 점상분포 범위(R)의 반경(R/2)보다도 광학적으로 작은 사이즈의 위상변조단위(픽셀)(22)에 기초하는 위상분포를 갖는다. 따라서, 결상광학계(4)의 점상분포범위(R)에 광학적으로 대응하는 단위범위(미도시)에서의 제1픽셀(22a)과 제2픽셀(22b)의 점유면적률을, 즉 복수의 위상벡터의 합을 적당히 변화시킴으로써, 피처리기판상에 형성되는 광강도 분포를 간단한 계산에 따라서 해석적으로 제어할 수 있다.
도 12는 본 발명에서의 반도체박막의 결정화과정을 개략적으로 나타내고 있다. 도 12에서 점선으로 나타내는 사각형상의 영역은 피처리기판(5)의 표면상에서 위상변조소자(1)의 1개의 단위영역(1a)에 대응하는 단위기판영역(실시예1에서는 일변 5㎛의 정사각형상의 영역)(10)이다. 단위기판영역(10)에서는, 우선 응고초기에 용융영역(12)의 중심근방에서 결정핵의 발생과 소멸을 반복한 후에 결정핵이 응집해서 성장가능한 임계직경 이상이 되고, 단일 성장성의 결정핵(11)이 발생한다. 이 성장성의 결정핵(11)은 시간의 경과에 따라서 방사상으로 전방향으로 성장하고, 고액계면(14)이 넓어져 간다.
본 발명의 반도체막의 레이저 어닐링에 의한 결정화는 초급냉 응고계이기 때문에, 발생한 결정핵의 면방위를 유지하면서 모든방향으로 성장하는 경우는 없다. 예를 들면<110>방향과 같이 비교적 성장속도가 큰 결정방향으로는 발생한 결정핵의 면방위를 그대로 유지하면서 성장한다. 그러나, 예를 들면 <111>방향과 같이 최밀면(densest faces)이 겹쳐지는 성장속도가 비교적 작은 결정방향으로, 동심원에서 방사상으로 전파되는 온도구배를 따라서, 성장속도가 큰 방향과 같은 속도로 성장하기 때문에, 쌍정변태가 일어난다. 따라서 성장속도가 보다 큰 면방위로 방향을 바꿔서 성장한다. 결국, 최종적인 조직에서는, 결정립중에 쌍정입계(13)가 들어간다. 상기 쌍정입계(13)는 결정립계(15)와는 그 형성과정이 다르다.
도 13a는 도 12에 나타내는 결정화과정을 실현하기에 적합한 광강도 분포의 일예를 개략적으로 나타내고 있다. 도 13a에 나타내는 광강도 분포는 도 13b에 나타내는 단위기판영역(10)의 대각선(10a)을 따른 분포이다. 또한, 도 13b에서, 점선(16a, 16b)은 광강도(또는 온도)의 등고선을 나타내고 있다. 도 13a에 나타내는 광강도 분포에서는 단위기판영역(10)의 중심근방에서 광강도가 가장 작고, 상기 광강도가 가장 작은 보텀피크로부터 주위를 향해서 방사상으로 광강도가 급격히 증대하는 역피크상의 분포가 형성되고, 역피크상의 분포로부터 주위를 향해서 방사상으로 완만하게 광강도가 증대하는 경사상 분포가 형성되어 있다.
도 13a에 나타내는 것과 같은 깔때기형의 광강도 분포를 갖는 레이저광을 피처리기판(5)에 조사하면, 피처리기판(5)의 반도체막이 광을 흡수하여 광의 에너지가 열로 변환된다. 그러므로, 결정화개시때의 반도체막의 온도분포도 도 13a에 나타낸 것과 같아지고, 단위기판영역(10)의 중심영역에만 성장성의 결정핵(11)이 발생한다. 광강도 분포에는 결정성장의 개시와 밀접하게 관련된 스레시홀드값(α)이 있다. 광강도가 α값 이하인 부분에서는 반도체막(Si)은 녹지 않거나 또는 녹아도 표면의 일부밖에 녹지 않기 때문에 잔부는 폴리실리콘의 상태에 머문다. 광강도가 α값을 초과하는 곳부터 결정성장이 개시된다.
따라서, 광강도 분포의 바닥에서의 광강도의 값이 이 α값보다도 조금 하회하는 것이 바람직하다. 구체적으로 광강도 분포의 보텀피크의 강도는 상대값으로 0.2~0.7인 것이 바람직하다. 보텀피크의 강도가 0.2미만이 되면 너무 작아져, 중심부분만 결정화되지 않고 비정질 상태로 잔존하게 된다. 또, 보텀피크의 강도가 0.7을 넘으면 너무 커져 중심부에만 성장성의 결정핵을 발생시킬 수 없다. 또한, 결정화과정을 더욱 양호하게 실현하려면, 광강도 분포의 보텀피크의 강도가 0.5~0.6인 것이 바람직하다.
중심근방의 보텀피크로부터 주위를 향해서 방사상으로 광강도가 급격하게 증대하는 역피크상의 분포는 광강도의 최소값(즉 보텀피크에서의 광강도값)에 최대값과 최소값과의 차의 약 2/5를 더한 광강도까지의 범위인 것이 바람직하다. 도 13a에 나타내는 광강도 분포의 경우, 광강도의 최소값에 최대값과 최소값과의 차의 2/5를 더한 광강도가 상대값으로 0.76이 된다.
이 광강도 0.76에서의 광강도 분포의 피크폭(W1)은 0.5㎛~1.5㎛인 것이 바람직하다. 피크폭(W1)이 0.5㎛ 미만이 되면 너무 작아져, 광강도의 최소위치인 중심으로 주위의 열이 확산되어 최저온도영역이 넓어져 버리고, 성장성의 결정핵을 단일로 할 수 없다. 또, 피크폭(W1)이 1.5㎛를 넘어서 너무 커지면, 결정화 개시때의 최저온도영역이 넓어져 버려, 성장성의 결정핵을 단일로 할 수 없다.
도 13a에 나타낸 것과 같이, 역피크상 분포의 주위에서는, 광강도가 완만하게 증대한다. 즉 중심에서 떨어짐에 따라서 바깥쪽을 향해서 선형적으로 광강도가 증대하는 것과 같은 깔때기형의 경사상 분포가 되는 것이 바람직하다. 이것은, 단위기판영역(10)의 셀에 발생한 성장성의 결정핵(11)을 방사상으로 성장시켜, 단위기판영역(10)의 내부를 1개의 결정립으로 하기 때문이다. 이와 같은 깔때기형의 경 사상 분포로 하면, 바깥쪽을 향하는 온도구배도 선형적이 되므로, 결정의 성장이 도 중에서 정지하지 않고, 더욱 대입경의 결정화 반도체막을 생성할 수 있다. 역피크상 분포의 주위에 불균일분포가 존재하고, 광강도가 급격히 증가하는 피크가 존재하면, 반도체박막이 레이저광을 흡수할 때, 이 영역의 온도가 너무 올라가 막이 파괴되기 쉬워진다.
도 14a 및 도 14b는 위상변조소자에서의 단위영역의 배열패턴과 형성되는 결정조직의 어레이패턴의 관계의 일예를 모식적으로 나타내고 있다. 도 14a에 나타내는 위상변조소자(1)의 단위영역(1a)의 배열패턴에서는, 간략화를 위해, 단위영역(1a)의 중심근방에 배치된 부채형 형상의 제1영역(1ab) 및 제2영역(1ac)만을 나타내고 있다. 또, 도 14a에 나타내는 결정조직의 어레이패턴에서는, 결정립계(15)를 실선으로 나타내고, 쌍정입계(13)를 점선으로 나타내고 있다.
도 14a에 도시한 바와 같이, 위상변조소자(1)의 하나의 단위영역(1a)에 대응해서, 1개의 정사각형상의 결정립이 형성된다. 즉, 소정의 주기로 격자상으로 배치된 복수의 단위영역(1a)에 대응해서 복수의 정사각형상의 결정립이 격자상으로 어레이패턴화해서 형성되어 품질 좋은 결정화 반도체막이 된다. 그리고, 결정립의 내부에는 쌍정입계(13)만을 포함하게 된다. 이와 같이, 성장성의 결정핵(11)의 발생위치를 제어함으로써, 결정립의 위치도 2차원적으로 제어할 수 있다.
도 15는 위상변조소자에서의 단위영역의 배열패턴과 형성되는 결정조직의 어레이패턴의 관계의 다른 예를 모식적으로 나타내고 있다. 도 15a에서는, 도 14a와는 달리, 복수의 단위영역(1a)이, 즉 제1영역(1ab) 및 제2영역(1ac)이 소정의 주기 로 정삼각형 격자상으로 배치되어 있다. 그 결과, 대응하는 결정조직에서는, 도 15b에 나타낸 것과 같이 복수의 원형상의 결정립이 정삼각형 격자상으로 어레이화해서 형성된다. 이 경우도, 결정립의 내부에는 쌍정입계(13)만을 포함하게 되고, 결정립의 위치도 2차원적으로 제어할 수 있다.
도 14a 및 도 14b나 도 15a 및 도 15b에 나타내는 위상변조소자(1)의 단위영역(1a)의 간격은, 최종적으로 형성되는 결정조직의 결정립경과 밀접한 관계가 있다. 위상변조소자(1)의 단위영역(1a)의 간격은 결상광학계(4)의 상면에서의 환산값으로 4㎛~20㎛인 것이 바람직하다. 단위영역(1a)의 간격이 4㎛미만이 되면 너무 작아져, 결정립의 입경이 작아져서, 품질이 좋은 결정화 반도체막이 되지 않는다. 또, 단위영역(1a)의 간격이 20㎛를 넘으면 너무 커져, 결정성장이 중도에서 멈추어 버리기 때문에, 반도체막의 거의 전면을 덮는 것과 같은 결정립어레이가 얻어지지 않는다.
단위영역(1a)의 중심에 배치되는 반전된 위상단차의 위상영역(1ab, 1ac)의 형상은 반드시 부채형일 필요는 없고, 사각형 등의 다각형상이어도 좋다. 또, 위상영역(1ab, 1ac)의 면적은 단결정핵만을 발생시킬 수 있도록, 도 13a에 나타내는 광강도 분포에서 피크폭(W1)이 충분히 좁아지도록 설정하면 좋다. 본 실시예에서는, 위상영역(1ab, 1ac)의 전체적인 크기를 1.0(=0.5×2)㎛로 설정하고 있지만, 0.3㎛ 내지 1.5㎛의 크기로 설정하는 것이 바람직하고, 0.8㎛ 내지 1.2㎛의 크기로 설정하는 것이 더욱 바람직하다. 위상영역(1ab, 1ac)의 면적에 관한 최적값은 이용하는 결정화장치의 광학계와 밀접하게 관련된다. 위상영역(1ab, 1ac)의 위상차는 도 13a 에 나타내는 광강도 분포에서의 보텀피크 광강도의 상대값과 관계가 있으며, 0.2~0.7이 되도록 결정하면 좋다.
실시예1에서는, 도 1에 나타내는 결정화장치에서 도 3에 나타내는 구성을 갖는 위상변조소자(1)를 이용해서 실제의 포커스 위치(계산상 -7㎛ 디포커스 위치)에 위치결정된 피처리기판(5)상의 반도체(Si) 박막을 결정화했다. 피처리기판(5)상에, 예를 들면 도 6a에 나타내는 광강도 분포를 갖는 레이저광이 형성되고, 도 12에 나타내는 결정화과정을 거쳐, 도 14b에 나타내는 것과 같은 일변 5㎛의 결정립어레이 반도체막을 제작할 수 있었다. 도 4a 내지 도 4c 및 도 5a 내지 도 5c에 나타낸 것과 같이, 피처리기판(5)의 표면이 결상광학계(4)의 실제의 포커스 위치에 대해서 어느 정도 변동되어도(예를 들면 0㎛~-15㎛의 디포커스 범위에서 변동되어도)피처리기판(5)상에서 형성되는 광강도 분포는 그다지 변화되지 않는다. 약 ±7㎛의 깊은 초점심도가 확보되어 있기 때문에, 본 실시예에서는 균일성이 좋은 결정립어레이 반도체박막을 얻을 수 있었다.
(실시예2)
도 16은 본 발명의 실시예2에서의 위상변조소자의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다. 실시예2의 위상변조소자(1)는 실시예1과 같이, 일변 5㎛의 결정립어레이 반도체막을 제작하기 위한 위상변조소자이고, 실시예1과 유사한 구성을 갖는다. 그러나, 실시예2에서는, 제1영역(1ab), 제2영역(1ac) 및 모든 제3영역(1ad)이 기준면(1aa)에 대해서 -90도(실시예1에서는 +90도)의 위상을 갖는다. 이하, 실시예1과의 상이점에 착안해서 실시예2를 설명하겠다.
실시예2에서는, 결상광학계(4)의 계산상의 포커스 위치로부터 5㎛ 만큼 결상광학계(4)로부터 멀어지는 방향(도 1중 아래쪽)으로 디포커스(-5㎛ 디포커스)되어 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는, 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따라서 도 17a에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 또, 결상광학계(4)의 계산상의 포커스 위치에 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따라 도 17b에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다.
또, 결상광학계(4)의 계산상의 포커스 위치로부터 5㎛만큼 결상광학계(4)로 접근하는 방향(도 1중 위쪽)으로 디포커스(+5㎛ 디포커스)되어 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는, 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따라서 도 17c에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 또, 결상광학계(4)의 계산상의 포커스 위치로부터 7㎛만큼 결상광학계(4)로 접근하는 방향으로 디포커스(+7㎛ 디포커스)되어 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는, 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따라서 도 18a에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다.
또, 결상광학계(4)의 계산상의 포커스 위치로부터 10㎛만큼 결상광학계(4)로 접근하는 방향으로 디포커스(+10㎛ 디포커스)되어 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는, 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따라서 도 18b에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 마지막으로, 결상광학계(4)의 계산상의 포커스 위치로부터 15㎛만큼 결상광학계(4)로 접근하는 방향으로 디포커스(+15㎛ 디포커스)되어 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는, 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응 하는 횡단선을 따라서 도 18c에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다.
도 17a 내지 도 17c 및 도 18a 내지 도 18c에 나타낸 것과 같이, 결상광학계(4)에 대해서 피처리기판(5)의 위치를 변화시켜서 얻어지는 광강도 분포를 참조하면, 계산상의 포커스 위치와 +10㎛의 디포커스 위치간에서 보텀피크(광강도가 가장 작은 위치)로부터 광강도가 급격히 증대하는 변화가 유지되고 있다. 또, 계산상의 포커스 위치와 ±15㎛의 디포커스 위치간에서, 광강도 분포의 형상이 유지되고 있다. 즉, 실시예2에서도 실시예1과 같이, ±5㎛ 내지 ±7㎛의 초점심도가 유지되고 있는 것을 알 수 있다. 또, 도 17a 내지 도 17c 및 도 18a 내지 도 18c를 참조하면, 계산상의 포커스 위치로부터 +7㎛만큼 디포커스된 위치에서 얻어지는 광강도 분포에서 보텀피크로부터 증대되는 광강도의 구배가 가장 크고, 계산상의 +7㎛의 디포커스 위치가 실제의 포커스 위치인 것을 알 수 있다.
실시예2에서는 도 1에 나타내는 결정화장치에서 도 16에 나타내는 구성을 갖는 위상변조소자(1)를 이용해서 실제의 포커스 위치(계산상의 +7㎛ 디포커스 위치)에 위치결정된 피처리기판(5)상의 반도체(Si)박막을 결정화했다. 피처리기판(5)상에서 예를 들면 도 18a에 나타내는 광강도 분포를 갖는 레이저광이 형성되고, 도 12에 나타내는 결정화과정을 거쳐, 도 14b에 나타내는 것과 같은 일변 5㎛의 결정립어레이 반도체막을 제작할 수 있었다. 도 17a 내지 도 17c 및 도 18a 내지 도 18c에 나타낸 것과 같이, 피처리기판(5)의 표면이 결상광학계(4)의 실제의 포커스 위치에 대해서 어느 정도 변동되어도(예를 들면 0㎛~+15㎛의 디포커스 범위에서 변동되어도)피처리기판(5)상에서 형성되는 광강도 분포는 그다지 변화되지 않는다. 약 ±7㎛의 깊은 초점심도가 확보되어 있기 때문에, 균일성이 좋은 결정립어레이 반도체박막을 얻을 수 있었다.
(실시예3)
도 19는 본 발명의 실시예3에서의 위상변조소자의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다. 실시예3의 위상변조소자(1)는 실시예1 및 2와 같이, 일변 5㎛의 결정립어레이 반도체막을 제작하기 위한 위상변조소자이고, 실시예1과 유사한 구성을 갖는다. 그러나, 제1영역(1ab) 및 제2영역(1ac)의 주위에 일변 0.2㎛의 정사각형상의 제3영역(1ae)을 격자상으로 8개 배치하고 있고, 제1영역(1ab), 제2영역(1ac) 및 모든 제3영역(1ae)이 기준면(1aa)에 대해서 +100도(실시예1에서는 +90도)의 위상을 갖는다. 이 점이 실시예1과 상이하다. 이하, 실시예1과의 상이점에 착안해서 실시예3를 설명하겠다.
도시를 생략했지만, 실시예3에서는 실시예1과 같이 결상광학계(4)의 계산상의 포커스 위치로부터 7㎛ 만큼 결상광학계(4)로부터 멀어지는 방향(도 1중 아래쪽)으로 디포커스(-7㎛ 디포커스)된 위치가 실제의 포커스 위치가 되고, 약 ±7㎛의 깊은 초점심도를 확보할 수 있다.
그리고, 실시예3에서는, 결상광학계(4)의 실제의 포커스 위치에 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는 도 20a 내지 도 20c에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 즉, 위상변조소자(1)의 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따라서 도 20a에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 도 중 좌측의 단위영역(1a)의 도 중 왼쪽 위의 대각선B-B에 대응하는 사선을 따라서 도 20b에 나타 내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 도 중 우측의 단위영역(1a)의 도 중 왼쪽 위의 대각선C-C에 대응하는 사선을 따라서 도 20c에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다.
실시예3에서는, 도 1에 나타내는 결정화장치에서 도 19에 나타내는 구성을 갖는 위상변조소자(1)를 이용해서 실제의 포커스 위치(계산상의 -7㎛ 디포커스 위치)에 위치결정된 피처리기판(5)상의 반도체(Si)박막을 결정화했다. 피처리기판(5)상에서 예를 들면 도 20a에 나타내는 광강도 분포를 갖는 레이저광이 형성되고, 도 12에 나타내는 결정화과정을 거쳐, 도 14b에 나타내는 것과 같은 일변 5㎛의 결정립어레이 반도체막을 제작할 수 있었다. 또, 피처리기판(5)의 표면이 결상광학계(4)의 실제의 포커스 위치에 대해서 어느 정도 변동되어도 피처리기판(5)상에서 형성되는 광강도 분포는 그다지 변화되지 않는다. 약 ±7㎛의 깊은 초점심도가 확보되어 있기 때문에, 균일성이 좋은 결정립어레이 반도체박막을 얻을 수 있었다.
(실시예4)
도 21은 본 발명의 실시예4에서의 위상변조소자의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다. 실시예4의 위상변조소자(1)는 실시예1~3과 같이, 일변 5㎛의 결정립어레이 반도체막을 제작하기 위한 위상변조소자이고, 실시예3과 유사한 구성을 갖는다. 그러나 단위영역(1a)의 중심근방에 제1영역(1ab) 및 제2영역(1ac)을 대신해서 일변 0.5㎛의 정사각형상의 위상영역(1af)를 배치하고, 그 주위에 일변 0.2㎛의 정사각형상의 제3영역(1ag)을 격자상으로 8개 배치하고, 위상영역(1af) 및 모든 제3영역(1ag)이 기준면(1aa)에 대해서 +120도(실시예3에서는 +100도)의 위상을 갖는 다. 이 점이 실시예3과 상이하다. 이하, 실시예3과의 상이점에 착안해서 실시예4를 설명하겠다.
도시를 생략했지만, 실시예4에서는 결상광학계(4)의 계산상의 포커스 위치로부터 5㎛ 만큼 결상광학계(4)로부터 멀어지는 방향(도 1중 아래쪽)으로 디포커스(-5㎛ 디포커스)된 위치가 실제의 포커스 위치가 되고, 약 ±7㎛의 깊은 초점심도를 확보할 수 있다.
실시예4에서는, 결상광학계(4)의 계산상의 포커스 위치로 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는, 도 22a 및 도 22b에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 즉, 위상변조소자(1)의 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따라서 도 22a에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성되고, 도 중 좌측의 단위영역(1a)의 도 중 오른쪽 위의 대각선B-B에 대응하는 사선을 따라서 도 22b에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 이와 같이 실시예4에서는, 단위영역(1a)의 중심근방에 배치된 위상영역(1af)의 작용에 의해 보텀피크로부터 주위를 향해서 방사상으로 광강도가 급격히 증대하는 역피크상 분포가 형성된다.
실시예4에서는, 도 1에 나타내는 결정화장치에서 도 21에 나타내는 구성을 갖는 위상변조소자(1)를 이용해서 실제의 포커스 위치(계산상의 -5㎛ 디포커스 위치)에 위치결정된 피처리기판(5)상의 반도체(Si)박막을 결정화했다. 피처리기판(5)상에서 예를 들면 도 22a에 나타내는 광강도 분포를 갖는 레이저광이 형성되고, 도 12에 나타내는 결정화과정을 거쳐, 도 14b에 나타내는 것과 같은 일변 5㎛의 결정립어레이 반도체막을 제작할 수 있었다. 또, 피처리기판(5)의 표면이 결상광학계 (4)의 실제의 포커스 위치에 대해서 어느 정도 변동되어도 피처리기판(5)상에서 형성되는 광강도 분포는 그다지 변화되지 않는다. 약 ±7㎛의 깊은 초점심도가 확보되어 있기 때문에, 균일성이 좋은 결정립어레이 반도체박막을 얻을 수 있었다.
도 23은 박막트랜지스터의 채널영역의 Si막의 결정방위를 도시한 것이다. 채널영역에는 2개의 결정이 있으며, 쌍정관계를 가진다. 이 트랜지스터는 400［cm2/Vs］의 이동도를 가진다. 따라서, 쌍정입계가 삽입된 경우에도 이동도가 높다는 것을 알 수 있다.
(실시예5)
도 24는 본 발명의 실시예5에서의 위상변조소자의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다. 실시예5의 위상변조소자(1)는 실시예1~4와 같이, 일변 5㎛의 결정립어레이 반도체막을 제작하기 위한 위상변조소자이고, 실시예1과 유사한 구성을 갖는다. 그러나 제1영역(1ab) 및 제2영역(1ac)이 기준면(1aa)에 대해서 +100도(실시예1에서는 +90도)의 위상을 갖는 점과, 제1영역(1ab) 및 제2영역(1ac)의 주위에 제3영역이 설치되어 있지 않은 점이 실시예1과 상이하다. 이하, 실시예1과의 상이점에 착안해서 실시예5를 설명하겠다.
실시예5에서는, 결상광학계(4)의 계산상의 포커스 위치로부터 5㎛ 만큼 결상광학계(4)로 접근하는 방향(도 1중 위쪽)으로 디포커스(+5㎛ 디포커스)되어 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따라서 도 25a에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 또, 결상광학계(4)의 계산상의 포커스 위치에 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따라서 도 25b에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다.
또, 결상광학계(4)의 계산상의 포커스 위치로부터 5㎛ 만큼 결상광학계(4)로부터 멀어지는 방향(도 1중 아래쪽)으로 디포커스(-5㎛ 디포커스)되어 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따라서 도 25c에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다.
또한, 결상광학계(4)의 계산상의 포커스 위치로부터 10㎛만큼 결상광학계(4)로부터 멀어지는 방향으로 디포커스(-10㎛ 디포커스)되어 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따라서 도 26a에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다.
또한, 결상광학계(4)의 계산상의 포커스 위치로부터 15㎛ 만큼 결상광학계(4)로부터 멀어지는 방향(도 1중 아래쪽)으로 디포커스(-15㎛ 디포커스)되어 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따라서 도 26b에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 마지막으로, 결상광학계(4)의 계산상의 포커스 위치로부터 20㎛만큼 결상광학계(4)로부터 멀어지는 방향으로 디포커스(-20㎛ 디포커스)되어 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따라서 도 26c에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다.
도 25a 내지 도 25c 및 도 26a 내지 도 26c를 참조하면, 제1영역(1ab) 및 제 2영역(1ac)의 주위에 제3영역이 설치되어 있지 않기 때문에, 보텀피크로부터 주위를 향해서 방사상으로 광강도가 급격히 증대하는 역피크상의 분포가 형성된다. 실시예1과는 달리, 역피크상의 분포로부터 주위를 향해서 방사상으로 완만하게 광강도가 증대되는 경사상 분포는 형성되지 않는다.
실시예5에서는, 도 1에 나타내는 결정화장치에서 도 24에 나타내는 구성을 갖는 위상변조소자(1)를 이용해서 실제의 포커스 위치(계산상의 -7㎛ 디포커스 위치)에 위치결정된 피처리기판(5)상의 반도체(Si)박막을 결정화했다. 피처리기판(5)상에서 예를 들면 도 25c나 도 26a에 나타내는 광강도 분포를 갖는 레이저광이 형성되고, 도 12에 나타내는 결정화과정을 거쳐서, 도 14b에 나타내는 것과 같은 일변 5㎛의 결정립 어레이반도체막을 제작할 수 있었다. 또, 피처리기판(5)의 표면이 결상광학계(4)의 실제의 포커스 위치에 대해서 어느 정도 변동되어도 피처리기판(5)상에서 형성되는 광강도 분포는 그다지 변화되지 않는다. 약 ±7㎛의 깊은 초점심도가 확보되고 있으므로, 균일성 좋은 결정립어레이 반도체박막을 얻을 수 있었다. 그러나, 실시예5에서는, 상술한 것과 같이 깔때기형의 경사상 분포가 형성되어 있지 않기 때문에, 실시예1보다 작은 결정립밖에 생성되지 않는다.
(실시예6)
도 27a 및 도 27b는 본 발명의 실시예6에서 위상변조소자의 구성과 피처리기판상의 광강도 분포를 나타내는 도이다. 이 위상변조소자는 한변 8㎛의 정사각형 결정립어레이를 포함하는 반도체박막을 제조하기 위한 것이다. 위상변조패턴은 0도 기준면, 그리고 -100도의 위상차를 가지는 단차로 구성된다. 보텀피크가 중심에 형 성되기 때문에, 기판상에서 환산값으로 반경 0.6㎛를 가지는 부채형 형상의 단차가 중심과 접하여 위치된다. 단차 주위에는, 적당한 경사를 형성하기 위하여 가상으로 위치하는 격자의 일부에 돗트단차가 위치한다. 이 위상변조소자의 패턴의 실제크기는 기판상에서 환산값의 5배이다. 예를 들면, 단위영역의 크기가 일변 40㎛이고, 부채형상의 크기가 반경 3.0㎛이다. 도 27b는 1차원 광강도 분포(높이위치 +2㎛［상부 2㎛］)의 횡단면을 나타낸다.
이 실시예에서는, 도 3에 도시한 결정화장치를 사용하고, 결상광학계(4)의 상측 개구수(NA)는 0.15로 설정되며, 조명 시그마값(조명계의 개구수/결상광학계(4)의 물체측 개구수)은 0.52로 설정한다.
텔레센트릭 축소렌즈의 배율은 1/5이다. 도 27a의 패턴을 갖는 위상변조소자를 이용하여 기판상의 Si박막을 결정화하였다. 도 27a와 같은 레이저광의 강도분포가 기판상에 형성되었으며, XYZ스테이지상에서 +2㎛의 디포커스 위치로 조정하였다. 도 1에 도시한 결정화과정을 통하여 일변 8㎛의 결정립어레이를 갖는 Si박막이 제조되었다. 광강도 분포를 크게 변화시키지 않고도 0 내지 +15㎛의 디포커스 영역에서 깊은 초점심도가 확보되었다. 그 결과, 균일성 좋은 결정립어레이의 Si박막이 얻어졌다. 도 27a 및 도 27b의 위상변조소자는, 예를 들면, 기준면으로서 석영유리위에 0도 면과 -100도 면을 형성하는 방식으로 선택에칭을 통하여 제작할 수 있다.
또한, 상술한 각 실시예에서, 광강도 분포는 설계단계에서도 계산할 수 있지만, 실제의 피처리면에서의 광강도 분포를 관찰해서 확인해 두는 것이 바람직하다. 그러기 위해서는 피처리기판의 피처리면을 광학계로 확대하고, CCD 등의 촬상소자 로 입력하면 된다. 사용광이 자외선인 경우는 광학계가 제약을 받기 때문에, 피처리면에 형광판을 설치해서 가시광으로 변환해도 좋다. 또, 상술한 각 실시예에서는, 위상변조소자(1)에 대해서 구체적인 구성예를 예시했지만, 위상변조소자(1)의 구성에 대해서는 본 발명의 범위내에서 다양한 실시예가 가능하다.
(실시예7)
도 28a 내지 도 28d는 본 실시형태에 관한 보텀게이트형 박막트랜지스터의 제조프로세스를 나타내는 공정도이다. 또한, 본 실시예에서는 편의상 N채널형의 박막트랜지스터의 제조방법을 나타내지만, P채널형이라도 불순물종(도펀트종)을 바꾸는 것만으로 완전히 똑같다. 여기서는, 보텀게이트구조의 박막트랜지스터의 제조방법을 나타낸다.
우선, 도 28a에 나타내는 것과 같이, 유리 등으로 이루어지는 절연기판(100)상에 Al, Ta, Mo, W, Cr, Cu 또는 이 합금들을 100~300nm의 두께로 형성하고, 패터닝하여 게이트전극(101)으로 가공한다.
이어서, 도 28b에 나타내는 것과 같이, 게이트전극(101)상에 게이트절연막을 형성한다. 본 실시예에서는, 게이트절연막은 게이트질화막(102)(SiNx)/게이트산화막(103)(SiO2)의 2층 구조를 이용했다. 게이트질화막(102)은 SiH4가스와 NH3가스의 혼합물을 원료기체로서 이용하고, 플라즈마 CVD법(PE-CVD법)으로 성막했다. 또한, 플라즈마 CVD를 대신해서 상압CVD 또는 감압CVD를 이용해도 좋다. 본 실시예에서는, 게이트질화막(102)을 50nm의 두께로 퇴적했다. 게이트질화막(102)의 성막에 연속해 서 게이트산화막(103)을 약 200nm의 두께로 성막한다.
또한, 게이트산화막(103)상에 연속적으로 비정질 실리콘으로 이루어지는 반도체박막(104)을 약 50~200nm의 두께로 성막했다. 또한 반도체박막(104)상에 SiO2로 이루어지는 절연막(140)을 300nm의 두께로 성막했다. 2층구조의 게이트절연막과 비정질 반도체박막(104)과 절연막(140)은 성막쳄버의 진공계를 파괴하지 않고 연속성막했다. 이상의 성막으로 플라즈마CVD법을 이용한 경우에는, 400~450℃의 온도로 질소분위기중 1시간 정도의 가열처리에 의해 탈수소 어닐링하여, 비정질 반도체막(104)에 함유되어 있던 수소를 방출한다.
다음으로, 예를 들면 실시예1~6에 나타낸 방식의 본 발명의 방법을 따라서, 레이저광(150)을 조사하고, 비정질 반도체막(104)을 결정화한다. 레이저광(150)으로서는 엑시머레이저 빔을 이용할 수 있다. 레이저광(150)의 조사영역을 조정한 후, 조사영역에 위상변조소자의 주기적인 패턴을 전사할 수 있도록 레이저광(150)의 포커스를 맞춰서 조사하고, 또한 중복되지 않도록 영역을 어긋나게 반복하여 조사해 소정의 면적을 결정화한다. 이어서, 절연막(140)을 에칭등의 방법에 의해 박리한다.
이어서, 도 28c에 나타내는 것과 같이, 박막트랜지스터의 Vth를 제어하는 목적으로, Vth 이온 인플렌테이션을 필요에 따라서 행한다. 본 실시예에서는, B+를 도우스양이 5×1011~4×1012/cm2정도가 되도록 이온주입했다. 이 Vth 이온 인플렌테이션에서는, 10KeV로 가속된 이온빔을 이용했다. 이어서, 앞 공정에서 결정화된 다 결정 반도체막(105)상에 예를 들면 CVD법으로 SiO2를 약 100nm~300nm의 두께로 형성한다. 본 실시예에서는, 실란가스SH4와 산소가스를 플라즈마 분해해서 SiO2를 퇴적했다.
이와 같이 형성된 SiO2를 소정의 형상으로 패터닝해서 스토퍼막(106)으로 가공한다. 이 경우, 이면노광기술을 이용해서 게이트전극(101)과 정합되도록 스토퍼막(106)을 패터닝하고 있다. 스토퍼막(106)의 바로 아래에 위치하는 다결정 반도체막(105)의 부분은 채널영역(Ch)으로서 보호된다. 상술한 것과 같이, 채널영역(Ch)에는, 미리 Vth 이온 인플렌테이션에 의해 B+이온이 비교적 저도우스양으로 주입되어 있다. 이어서, 스토퍼막(106)을 마스크로서 이온도핑에 의해 불순물(예를 들면 P+이온)을 반도체박막(105)에 주입하여, LDD영역을 형성한다. 이때의 도우스양은, 예를 들면 5×1012~1×1013/cm2이며, 가속전압은 예를 들면 10KeV이다.
또한, 스토퍼막(106) 및 그 양측의 LDD영역을 피복하도록 포토래지스트를 패터닝/형성한 후, 이것을 마스크로서 불순물(예를 들면, P+이온)을 고농도로 주입하고, 소스영역(S) 및 드레인영역(D)을 형성한다. 불순물주입에는, 예를 들면 이온도핑(이온샤워)을 이용할 수 있다. 이것은 질량분리를 행하지 않고 전계가속으로 불순물을 주입하는 것이며, 본 실시예에서는 1×1015/cm2 정도의 도우스양으로 불순물을 주입하고, 소스영역(S) 및 드레인영역(D)를 형성했다. 가속전압은, 예를 들면 10KeV이다.
또한, 도시하지 않았지만, P채널의 박막트랜지스터를 형성하는 경우에는, N채널형 박막트랜지스터의 영역을 포토레지스트로 피복한 후, 불순물을 P+이온에서 B+이온으로 바꾸어 도우스양 1×1015/cm2 정도로 이온도핑하면 된다.
또한, 여기서는 질량분리형 이온 인플렌테이션 장치를 이용해서 불순물을 주입해도 좋다. 이 후, RTA(급속 열처리)(160)에 의해 다결정 반도체막(105)에 주입된 불순물을 활성화한다. 경우에 따라서는, 엑시머레이저를 이용한 레이저활성화 어닐링(ELA)을 행해도 좋다. 이 후, 반도체박막(105)과 스토퍼막(106)의 불필요한 부분을 동시에 패터닝하고, 각 소자영역으로 박막트랜지스터를 분리한다.
마지막으로, 도 28d에 나타내는 것과 같이, SiO2를 약 100~200nm의 두께로 성막하고, 층간 절연막(107)으로 한다. 층간 절연막(107)의 성막 후, SiNx를 플라즈마CVD법으로 약 200~400nm성막하여 패시베이션막(캡막)(108)으로 한다. 이 단계에서 질소가스 또는 포밍가스 중 또는 진공중 분위기하에서 350~400℃ 정도로 1시간 가열처리하고, 층간 절연막(107)에 포함되는 수소원자를 반도체박막(105)중에 확산시킨다. 이 후, 컨텍홀을 개구하여, Mo, Al 등을 100~200nm의 두께로 스퍼터한 후, 소정의 형상으로 패터닝하여 배선전극(109)으로 가공한다.
또한, 아크릴수지 등으로 이루어지는 평탄화층(110)을 1㎛정도의 두께로 도포한 후, 컨텍홀을 개구한다. 평탄화층(110)상에 ITO 등으로 이루어지는 투명도전막을 스퍼터한 후, 소정의 형상으로 패터닝해서 화소전극(111)으로 가공한다. 도 14에 나타내는 것과 같은 대입경 결정립어레이의 결정립의 위치에 맞춰서 채널을 형성하기 때문에, 고이동도의 뛰어난 박막트랜지스터가 형성된다.
(실시예8)
도 29a 내지 도 29c는 본 실시형태에 관한 탑게이트형 박막트랜지스터의 제조프로세스를 나타내는 공정도이다. 또한 본 실시예에서는, 실시예7과 달리, 탑게이트구조의 박막트랜지스터를 제작하고 있다.
우선, 도 29a에 나타내는 것과 같이, 절연기판(100)상에 버퍼층이 되는 2층의 하지막(106a, 106b)을 플라즈마CVD법에 의해 연속성막한다. 1층째의 하지막(106a)은 SiNx로 이루어지고, 그 막두께는 500nm이다. 또, 2층째의 하지막(106b)은 SiO2로 이루어지고, 그 막두께는 똑같이 500nm이다. 이 SiO2로 이루어지는 하지막(106b)상에 비정질 실리콘으로 이루어지는 반도체박막(104)을 50~200nm의 두께로 플라즈마 CVD법 또는 LPCVD법에 의해 성막한다. 또한, SiO2로 이루어지는 절연막(140)을 200nm의 두께로 성막한다. 비정질 실리콘으로 이루어지는 반도체막(104)의 성막에 플라즈마 CVD법을 이용한 경우에는, 막중의 수소를 탈리시키기 위해서 질소분위기중에서 400~450℃의 조건으로 1시간 정도 어닐링한다.
다음으로, 예를 들면 실시예 1~6에 나타낸 방식의 본 발명의 발명을 따라서, 비정질 반도체막(104)을 결정화한다. 레이저광(150)의 조사영역을 조정한 후, 조사영역에 위상변조소자의 주기적인 패턴의 배열을 전사할 수 있도록 레이저광(150)의 포커스를 맞추어 조사하고, 또한 중복되지 않도록 영역을 어긋나게 반복해 조사해 소정의 면적을 결정화한다. 이어서 절연막(140)을 에칭 등의 방법으로 박리한다.
여기서, 필요하다면, 상술한 것과 같이 Vth이온 인플렌테이션을 행한다. 본 실시예에서는, B+이온을 도우스양 5×1011~4×1012/cm2 정도로 반도체막(104)에 주입한다. 이 경우의 가속전압은 10KeV정도이다. 이어서, 도 29b에 나타내는 것과 같이, 결정화된 실리콘 반도체박막(105)을 아일랜드상으로 패터닝한다. 이 위에, 플라즈마 CVD법, 상압CVD법, 감압CVD법, ECR-CVD법, 스퍼터링법 등으로 SiO2를 10~400nm증착시키고, 게이트절연막(103)으로 한다. 본 실시예에서는 게이트절연막(103)의 두께를 100nm으로 했다.
이어서, 게이트절연막(103)상에 Al, Ti, Mo, W, Ta, 도프트 다결정 실리콘 등, 또는 이 합금들을 200~800nm의 두께로 성막하고, 소정의 형상으로 패터닝해서 게이트전극(101)으로 가공한다. 이어서, P+이온을 질량분리를 이용한 이온주입법으로 반도체박막(105)에 주입하고, LDD영역을 설치한다. 이 이온주입은 게이트전극(101)을 마스크로 하여 절연기판(100)의 전면에 대해서 행한다. 도우스양은 6×1012~5×1013/cm2이다. 가속전압은 예를 들면 90KeV이다.
또한, 게이트전극(101)의 바로 아래에 위치하는 채널영역(Ch)은 보호되고 있고, Vth이온 인플렌테이션으로 미리 주입된 B+이온이 그대로 유지되고 있다. LDD영역에 대한 이온주입 후, 게이트전극(101)과 그 주위를 피복하도록 레지스트 패턴을 형성하고, P+이온을 질량비분리형의 이온샤워도핑법으로 고농도로 주입하여, 소스영역(S) 및 드레인영역(D)을 형성한다. 이 경우의 도우스양은 예를 들면 1× 1015/cm2 정도이다. 가속전압은 예를 들면 90KeV이다. 도핑가스로는 수소희석된 20% PH3가스를 이용했다.
CMOS회로를 형성하는 경우에는, P채널 박막트랜지스터용의 레지스트패턴을 형성 후, 도핑가스를 5~20%의 B2H6/H2가스계로 절환하고, 도우스양을 1×1015 ~3×1015/cm2 정도, 가속전압은 예를 들면 90KeV로 이온주입하면 된다. 또, 소스영역(S) 및 드레인영역(D)의 형성은, 질량분리형의 이온주입장치를 이용해도 좋다. 이 후, 반도체박막(105)에 주입된 도펀트의 활성화처리를 하게 된다. 이 활성화처리는 실시예7과 같이 자외선램프를 사용한 RTA(160)를 이용할 수 있다.
마지막으로, 도 29c에 나타낸 것과 같이, 게이트전극(101)을 피복하도록 PSG 등으로 이루어지는 층간 절연막(107)을 성막한다. 이 층간 절연막(107)의 성막 후, SiNx를 플라즈마CVD법으로 약 200~400nm 퇴적하여 퍼시베이션막(캡막)(108)으로 한다. 이 단계에서, 질소가스 중에서 350℃의 온도로 1시간 정도 어닐링하여, 층간절연막(107)에 함유된 수소를 반도체박막(105)중에 확산시킨다. 이 후, 컨텍홀을 개구한다.
또한, 퍼시베이션막(108)상에 Al-Si 등을 스퍼터링으로 성막한 후, 소정의 형상으로 패터닝해서 배선전극(109)으로 가공한다. 또한, 아크릴수지등으로 이루어지는 평탄화층(110)을 약 1㎛의 두께로 도포 후, 이것에 컨텍홀을 개구한다. 평탄화층(110)상에 ITO 등으로 이루어지는 투명도전막을 스퍼터링하고, 소정의 형상으 로 패터닝해서 화소전극(111)으로 가공한다.
도 29a 내지 도 29c에 나타낸 실시예8에서는, 도 28a 내지 도 28d의 실시예7에서 설명한 방법과 같이 해서 비정질 반도체막을 결정화시킨다. 또, 탑게이트구조인 실시예8의 경우는, 보텀게이트 구조인 실시예7과 달리, 게이트전극의 패턴이 형성되기 전의 단계에서 결정화를 행하기 때문에, 유리 등으로 이루어지는 절연기판의 수축에 대해서는 실시예7보다도 허용도가 크다. 그러기 위해서, 보다 대출력의 레이저 조사장치를 이용해서 결정화처리를 행할 수 있다. 도 14에 나타낸 것과 같은 대입경 결정립어레이의 결정립의 위치에 맞춰서 채널을 형성하기 때문에, 고이동도의 뛰어난 박막트랜지스터가 형성된다.
(실시예9)
도 30은, 실시예7 또는 실시예8에 관한 박막트랜지스터를 이용한 액티브매트릭스형 표시장치의 일예를 나타낸다. 도시하는 것과 같이, 본 표시장치는 한쌍의 절연기판(201, 202)과 양자간에 유지된 전기광학물질(203)을 구비한 패널구조를 갖는다. 전기광학물질(203)로서는, 액정재료가 널리 이용되고 있다. 아래쪽의 절연기판(201)에는 화소어레이부(204)와 구동회로부가 집적형성되어 있다. 구동회로부는 수직구동회로(205)와 수평구동회로(206)로 나뉘어져 있다.
또, 절연기판(201)의 주변부 상단에는 외부접속용 단자부(207)가 형성되어 있다. 단자부(207)는 배선(208)을 통해서 수직구동회로(205) 및 수평구동회로(206)에 접속되어 있다. 화소어레이부(204)에는 행상의 게이트배선(209)과 열상의 신호배선(210)이 형성되어 있다. 양배선의 교차부에는 화소전극(211)과, 이것을 구동하 는 박막트랜지스터(212)가 형성되어 있다. 박막트랜지스터(212)의 게이트전극은 대응하는 게이트배선(209)에 접속하고, 드레인영역은 대응하는 화소전극(211)에 접속되고, 소스영역은 대응하는 신호배선(210)에 접속되어 있다.
게이트배선(209)은 수직구동회로(205)에 접속되어 있다. 한편, 신호배선(210)은 수평구동회로(206)에 접속되어 있다. 화소전극(211)을 스위칭구동하는 박막트랜지스터(212) 및 수직구동회로(205)와 수평구동회로(206)에 포함되는 박막트랜지스터는 본 발명에 따라서 제작된 것이고, 종래와 비교해서 이동도가 높다. 따라서, 구동회로뿐만 아니라 더 고성능인 처리회로를 형성할 수도 있다.
도 31은, 본 발명의 다른 실시형태에 관한 결정화장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다. 또, 도 32는 도 31의 조명계의 내부구성을 개략적으로 나타내는 도이다. 도 31 및 도 32를 참조하면, 본 결정화장치는 입사광속을 위상변조해서 소정의 광강도 분포를 갖는 광속을 형성하기 위한 위상변조소자(1)와, 입사광속을 편광상태가 다른 비간섭성의 2개의 광속으로 분할하기 위한 광속분할소자(2)(본 실시형태에서는 복굴절소자(2E))를 포함하고 있다.
또한, 위상변조소자(1)는 그 위상패턴면(단차를 갖는 면)이 광속분할소자(2)와 대향하도록 광속분할소자(2)와 근접해서 배치되어 있다. 또한, 위상변조소자(1)와 광속분할소자(2)를 일체로 구성해도 좋다. 위상변조소자(1) 및 광속분할소자(2)의 구성 및 작용에 대해서는 후술하겠다. 또, 본 실시예의 결정화장치는 위상변조소자(1)를 조명하기 위한 조명계(3)를 포함하고 있다.
조명계(3)는 예를 들면 도 32에 나타내는 광학계로 248nm의 파장을 갖는 광 을 공급하는 KrF 엑시머레이저광원(3a)을 포함하고 있다. 광원(3a)으로서 XeCl 엑시머레이저광원이나 YAG 레이저광원과 같은 피결정화 처리체를 용융하는 에너지광선을 출사하는 성능을 갖는 다른 적당한 광원을 이용할 수도 있다. 광원(3a)으로부터 공급된 레이저광은 빔익스펜더(3b)를 통해서 확대된 후, 제1 플라이아이렌즈(3c)로 입사한다. 이렇게 해서 제1 플라이아이렌즈(3c)의 후측초점면에 복수의 광원이 형성되고, 이 복수의 광원들로부터의 광속은 제1 컨덴서 광학계(3d)를 통해서 제2 플라이아이렌즈(3e)의 입사면을 중첩적으로 조명한다.
그 결과, 제2 플라이아이렌즈(3e)의 후측초점면에는 제1 플라이아이렌즈(3c)의 후측초점면보다도 많은 복수의 광원이 형성된다. 제2 플라이아이렌즈(3e)의 후측초점면에 형성된 복수의 광원으로부터의 광속은 제2 컨덴서 광학계(3f) 및 조리개(3g)를 통해서 위상변조소자(1)를 중첩적으로 조명한다. 여기서, 제1 플라이아이렌즈(3c) 및 제1 컨덴서 광학계(3d)는 제1 호모지아나이저를 구성하고, 상기 제1 호모지나이저에 의해 광원(3a)으로부터 공급된 레어저광은 위상변조소자(1)상에서 입사각도에 대해 균일화가 꾀해진다.
또, 제2 플라이아이렌즈(3e) 및 제2 컨덴서 광학계(3f)는 제2 호모지나이저를 구성하고, 상기 제2 호모지나이저에 의해 제1 호모지나이저로부터의 입사각도가 균일화된 레이저광에 대해 위상변조소자(1)상에서의 면내 각 위치에서의 광강도에 대한 균일화가 꾀해진다. 또한, 제1 플라이아이렌즈(3c) 또는 제2 플라이아이렌즈(3e)를 대신해서 한쌍의 원통형 플라이아이렌즈를 이용할 수도 있다. 여기서, 원통형 플라이아이렌즈는 어느 평면에서 굴절력을 갖고 또한 그 평면과 직교하는 평면 에서 무굴절력의 복수의 원통형 렌즈요소에 의해 구성되어 있다.
이렇게 해서, 조명계(3)는 거의 균일한 광강도 분포를 갖는 레이저광에 의해 위상변조소자(1)를 조사한다. 위상변조소자(1)에서 위상변조된 레이저광은 결상광학계(4)를 통해서 피처리기판(5)으로 입사된다. 여기서, 결상광학계(4)는 위상변조소자(1)의 위상패턴면과 피처리기판(5)을 광학적으로 공역으로 배치되어 있다. 바꿔 말하면, 피처리기판(5)은 위상변조소자(1)의 위상패턴면과 광학적으로 공역인 면(결상광학계(4)의 상면)에 설정되어 있다. 결상광학계(4)는 정렌즈군(4a, 4b)의 사이에 개구조리개(4c)를 포함하고 있다.
개구조리개(4c)는 개구부(광투과부)의 크기가 다른 복수의 개구조리개를 가지며, 이 복수의 개구조리개들(4c)은 광로에 대해서 교환가능하게 구성되어 있어도 좋다. 또는, 개구조리개(4c)는 개구부의 크기를 연속적으로 변화시킬 수 있는 홍채조리개를 갖고 있어도 좋다. 어떤 것으로 해도, 개구조리개(4c)의 개구부의 크기(즉, 결상광학계(4)의 상측개구수NA)는 후술하는 것과 같이, 피처리기판(5)의 반도체박막상에서 필요한 광강도 분포를 발생시키도록 설정되어 있다. 또한, 결상광학계(4)는 굴절형의 광학계라도 좋고, 반사형의 광학계라도 좋고, 굴절/반사형의 광학계라도 좋다.
또, 피처리기판(5)은 기판상에 하층절연막, 반도체박막, 상층절연막의 순으로 성막함으로써 구성되어 있다. 즉, 피처리기판(5)은 예를 들면 액정디스플레이용 판유리상에 화학기상성장법(CVD)에 의해 하지절연막, 비단결정막 (예를 들면, 비정질 실리콘막) 및 캡막이 순차형성된 것이다. 하지절연막 및 캡막은 절연막 예를 들 면, SiO2이다. 하지절연막은 비정질 실리콘막과 유리기판이 직접 접촉해서 Na 등의 이물질이 비정질 실리콘막에 혼입되는 것을 방지하고, 비정질 실리콘막의 용융온도가 직접 유리기판에 전열되는 것을 방지한다. 비정질 실리콘막은 결정화되는 반도체박막이다.
캡막은, 비정질 실리콘막이 입사광을 흡수해서 가열이 되어 그 일부가 전해짐으로써 가열되고, 이 열을 축열한다. 이 축열효과는 광빔의 입사가 차단되었을 때, 비정질 실리콘막의 피조사면에서 고온부가 상대적으로 급속하게 강온되지만, 이 강온구배를 완화시키고, 대입경의 횡방향의 결정성장을 촉진시킨다. 피처리기판(5)은 진공척이나 정전척 등에 의해 기판스테이지(6)상에서 미리 정해진 소정의 위치에 위치결정되어 유지되어 있다.
(실시예10)
도 33은 본 발명의 실시예10에서의 위상변조소자의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다. 실시예10의 위상변조소자(1)는 일변 5㎛의 결정립어레이 반도체박막을 제작하기 위한 위상변조소자이며, 소정의 주기로 2차원적으로 배치되어 서로 같은 패턴을 갖는 복수의 단위영역(1a)에 의해 구성되어 있다. 도 33에서는, 설명을 간단히 하기 위해서, 서로 이웃하는 2개의 정사각형상의 단위영역(1a)을 나타내고 있다. 각 단위영역(1a)의 일변은 결상광학계(4)의 상면에서의 환산값으로 5㎛이다. 이하, 위상변조소자(1)의 치수에 대해서는, 결상광학계(4)의 상면에서의 환산값으로 나타낸다.
단위영역(1a)은 소정의 위상을 갖는 기준면(도 중 공백인 부분)(1aa)과, 단위영역(1a)의 중심근방에 배치된 제1영역(1ab) 및 제2영역(1ac)과, 제1영역(1ab) 및 제2영역(1ac)의 주위에 배치된 제3영역(1ad, 1ae) 및 제4영역(1af, 1ag)을 포함하고 있다. 여기서, 제1영역(1ab) 및 제2영역(1ac)은 반경이 1.1㎛인 원을 4등분해서 얻어지는 부채형 형상의 패턴이고, 그 정점들이 단위영역(1a)의 중심에서 접하도록 배치되어 있다.
또, 제3영역(1ad) 및 제4영역(1af)은 일변이 0.5㎛인 정사각형 돗트패턴이며, 단위영역(1a)의 중심(제1영역(1ab)과 제2영역(1ac)과의 접점)으로부터 같은 거리만큼 떨어져서 배치되어 있다. 한편, 제3영역(1ae) 및 제4영역(1ag)은 일변이 0.3㎛인 정사각형 돗트패턴이고, 단위영역(1a)의 중심으로부터 같은 거리만큼 떨어져서 배치되고, 또한 제3영역(1ad) 및 제4영역(1af)보다도 단위영역(1a)의 중심으로부터 더 떨어진 위치에 배치되어 있다. 또, 단위영역(1a)은 대각선 B-B나 대각선 C-C에 관해서 대칭인 패턴을 갖는다.
그리고, 도 중 좌측의 단위영역(1a)에서는 제1영역(1ab) 및 제3영역(1ad, 1ae)이 기준면(1aa)에 대해서 -60도의 위상(기준면(1aa)에서의 위상을 0도로 기준화했을 때의 상대적인 위상)을 가지고, 제2영역(1ac)및 제4영역(1af, 1ag)이 기준면(1aa)에 대해서 +60도의 위상을 갖는다. 반대로, 도 중 우측의 단위영역(1a)에서는 제1영역(1ab) 및 제3영역(1ad, 1ae)이 기준면(1aa)에 대해서 +60도의 위상을 가지며, 제2영역(1ac) 및 제4영역(1af, 1ag)이 기준면(1aa)에 대해서 -60도의 위상을 갖는다.
즉, 본 실시예의 위상변조소자(1)에서 서로 이웃하는 2개의 단위영역(1a)간에서는, 기준면(1aa)은 서로 같은 위상을 갖지만, 제1영역(1ab), 제2영역(1ac), 제3영역(1ad, 1ae), 및 제4영역(1af, 1ag)은 기준면(1aa)에 대해서 서로 반전된 위상(절대값이 같고, 또한 부호가 다른 위상)을 갖는다. 또한, 제3영역(1ad, 1ae) 및 제4영역(1af, 1ag)은 결상광학계(4)의 점상분포범위의 반경보다 광학적으로 작은 돗트형상을 갖는다.
실시예10에서 광속분할소자(2)가 개재되지 않는 경우, 결상광학계(4)의 초점위치(포커스위치)에 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는, 도 34a 내지 도 34c에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 즉, 위상변조소자(1)의 단위영역(1a)의 중앙을 횡단하는 선 A-A에 대응하는 횡단선을 따라서 도 34a에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 도 중 좌측의 단위영역(1a)의 도 중 오른쪽 위의 대각선 B-B에 대응하는 사선을 따라서 도 34b에 나타낸 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 도 중 우측의 단위영역(1a)의 도 중 왼쪽 위의 대각선 C-C에 대응하는 사선을 따라서 도 34c에 나타낸 것과 같은 광강도 분포가 형성된다.
또한, 아래의 각 실시예에서는, 결상광학계(4)의 상측개구수(NA)가 0.13이고 조명 시그마값(조명계의 개구수/결상광학계(4)의 물체측 개구수)이 0.43으로 설정되어 있다. 또, 도 34a 내지 도 34c에서, 종축은 광강도이고 그 최대값을 1로 규격화했을 때의 상대값을 나타내고, 횡축은 단위영역(1a)의 중심에 대응하는 점으로부터의 거리(㎛)를 나타내고 있다. 또한, 이하의 광강도 분포의 표기는 도 34와 같다.
도 34a를 참조하면, 제1영역(1ab)과 제2영역(1ac)과의 접점(단위영역(1a)의 중심)에 대응하여 광강도가 가장 작은 보텀피크가 형성되는 것을 알 수 있다. 또, 제1영역(1ab) 및 제2영역(1ac)의 작용에 의해 보텀피크로부터 주위를 향해서 방사상으로 광강도가 급격히 증대하는 역피크상의 분포가 형성된다. 또, 제3영역(1ad, 1ae) 및 제4영역(1af, 1ag)의 작용에 의해 역피크상의 분포로부터 주위를 향해서 방사상으로 완만히 광강도가 증대하는 경사상 분포가 형성된다. 또한, 제3 및 제4영역(1ad, 1ae, 1af, 1ag)의 작용에 대해서는 후술하는 실시예12에서 상세히 설명하겠다. 위상변조소자(1)의 위상단차패턴은, 예를 들면, 석영유리기판에 필요한 위상에 대응하는 두께분포를 형성함으로써 제조할 수 있다. 석영유리기판의 두께 변화는 선택에칭이나 FIB(Focused Ion Beam)가공에 의해 형성할 수 있다.
다음에, 도 31의 결정화장치에 사용되는 광속분할소자(2)를 설명하기로 한다. 도 35는 각 실시예에서의 광속분할소자의 구성 및 작용을 설명하는 도이다. 본 실시예의 광속분할소자(2)는, 예를 들면, 그 결정광학축(2a)이 광축에 대해서 소정의 각도(θ)를 이루도록 설정된 복굴절성의 평행평면판으로 이루어지는 복굴절소자(2E)이다. 복굴절소자(2E)를 형성하는 복굴절소자의 광학재료로서 예를 들면 수정, 방해석, 불화 마그네슘 등을 이용할 수 있다.
도 35a에 나타낸 것과 같이, 예를 들면 랜덤편광 상태의 광선(G)이 광축과 평행하게 복굴절소자(2E)로 입사하면, 도 35a의 지면에 수직인 방향을 편광방향으로 하는 직선편광상태의 광선 즉 정상광선(o)(검은 점으로 표시)은 복굴절소자(2E)의 굴절작용을 받지 않고 직진해서 광축과 평행하게 사출된다. 한편, 도 35a의 지 면에서의 수평방향을 편광방향으로 하는 직선편광 상태의 광선 즉 이상광선(e)(짧은 직선으로 표시)은 복굴절소자(2E)의 입사계면에서 굴절되어 광축과 θ의 각도를 이루는 방향으로 진행한 후, 복굴절소자(2E)의 사출계면에서 굴절되어 광축과 평행하게 사출된다. 이 현상은 널리 알려진 것이며, 예를 들면 츠지우치 준페이저, 아사쿠라쇼텐 출판의 「광학개론II」의 5장이나, 쿠도우 케이에이 및 우에하라 후미야 저, 현대공업사 출판의 「기초광학<광선광학·전자광학>」등에 상술되어 있다.
이 때, 복굴절소자(2E)로부터 광축과 평행하게 사출되는 정상광선(o)과 이상광선(e)과의 거리 즉 분리폭(이간거리)(d)는 복굴절소자(2E)를 형성하는 광학재료의 종류, 결정광학축의 방향, 절출방식(cutout way), 복굴절소자(2E)의 광축방향의 치수(즉, 두께) 등에 의존한다. 도 35b는 위상변조소자(1)상의 1점이 복굴절소자(2E)에 의해 2점으로 분리되어 관찰되는 모습을 나타낸 도이다. 또한, 복굴절소자(2E)에 의한 분리폭(d)은 결상광학계(4)의 물체측에서의 값이며, 결상광학계(4)의 상면에서의 분리폭은 분리폭(d)에 결상광학계(4)의 배율(예를 들면 1/5)을 곱한 값이 된다.
일축결정재료에 의해 형성된 평행평면판상의 복굴절소자(2E)에 수직으로 광선을 입사시킨 경우의 분리폭(d)은 다음의 식(a)에 의해 나타난다.
d=tanø×t (a)
단, tanø=(no2-ne2)sinθ·cosθ/(ne2cos2θ+no2sin2θ)
또한, 식(a)에서, no는 정상광선(o)의 굴절율이고, ne는 이상광선(e)의 굴절 율이다. 또, 상술한 것과 같이, ø는 이상광선(e)과 입사계면의 법선(즉 광축)과의 각도이고, θ는 결정광학축(2a)과 입사계면의 법선과의 각도이고, t는 복굴절소자(2E)의 두께이다. 일예로서, 248nm의 파장을 갖는 광 및 θ=45도로 설정된 수정제의 복굴절소자(2E)를 이용하는 경우, 분리폭d=25㎛를 얻기에 필요한 복굴절소자(2E)의 두께(t)를 구해 보면, 파장 248nm의 광에 대한 수정의 굴절율은 ne=1.6124, no=1.6016이기 때문에, 복굴절소자(2E)의 두께(t)=3697㎛가 된다.
본 실시예에서는, 복굴절소자(2E)를 통해서 입사광속이 편광상태가 다른 비간섭성의 2개의 광속으로 분할되므로, 피처리기판(5)의 표면상에 서로 이간된 2개의 광강도 분포의 합성에 대응되는 소정의 광강도 분포가 형성되게 된다. 이 때, 복굴절소자(2E)로의 입사광속이 랜덤편광상태이면, 복굴절소자(2E)를 통해서 분할된 2개의 광속의 강도가 서로 거의 같아진다. 또, 복굴절소자(2E)를 통해서 분할된 2개의 광속이 복상작용(double image function)에 의해 피처리기판(5)의 표면에서 겹쳐질 때, 2개의 광속은 서로 간섭하지 않으므로 단순히 광강도의 합으로서 합성된다.
이렇게 하여, 위상변조소자(1)의 도 중 우측의 단위영역(1a)을 통과한 정상광선(o)에 의해 피처리기판(5)의 표면상에 형성되는 광강도 분포와, 도 중 좌측의 단위영역(1a)을 통과한 이상광선(e)에 의해 피처리기판(5)의 표면상에 형성되는 광강도 분포가 겹쳐져서 합성된다. 그 결과, 결상광학계(4)의 초점위치에 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는 도 36a 및 도 36b에 나타낸 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 도 36a는 피처리기판(5)의 표면상에서 겹쳐진 합성광강도 분포를 입체적으 로 나타내는 도이고, 도 36b는 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따른 합성광강도 분포를 나타내는 도이다.
또, 결상광학계(4)의 초점위치로부터 10㎛만큼 결상광학계(4)쪽으로 디포커스되어 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는 도 37a 및 도 37b에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 도 37a는 피처리기판(5)의 표면상에서 겹쳐진 합성광강도 분포를 입체적으로 나타내는 도이고, 도 37b는 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따른 합성광강도 분포를 나타내는 도이다. 도 36a 및 도 36b, 및 도 37a 및 도 37b를 참조하면, 피처리기판(5)의 표면이 결상광학계(4)의 초점위치에 대해서 어느 정도 디포커스되어도, 위상변조소자(1)와 복굴절소자(2E)와의 협동작용에 의해 합성광강도 분포는 그다지 변화되지 않고, 깊은 초점심도가 유지되고 있는 것을 알 수 있다.
실시예10에서는, 도 31의 결정화장치에서, 도 33에 도시한 구성을 갖는 위상변조소자(1)를 이용하여 피처리기판(5)상의 반도체(Si)박막을 결정화하였다. 예를 들면, 피처리기판(5)상에는, 도 36a 및 도 36b에 도시한 광강도 분포와 도 37a 및 도 37b에 도시한 광강도 분포사이의 광강도 분포를 가지는 레이저광이 형성되어 일변 5㎛의 결정립어레이를 가지는 반도체박막이 도 12에 도시한 결정화 과정을 통하여 도 14b에 도시한 바와 같이 준비된다. 도 36a, 도 36b, 도 37a 및 도 37b에 도시한 바와 같이, 피처리기판이 결상광학계(4)의 초점위치에 대하여 디포커스되는 경우에도 피처리기판상에서 합성되는 광강도 분포는 크게 변화하지 않는다. 이렇게 하여 깊은 초점심도가 유지되므로 균일성이 우수한 결정립어레이를 갖는 반도체박 막이 얻어진다.
(실시예11)
도 38은 본 발명의 실시예11에서의 위상변조소자의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다. 이 위상변조소자(1)는 실시예10과 같이, 일변 5㎛의 결정립어레이 반도체박막을 제작하기 위한 위상변조소자이고, 실시예10과 유사한 구성을 갖는다. 그러나, 실시예11에서는, 일변이 0.5㎛인 정사각형 돗트패턴으로 이루어지는 제3영역(1ad) 및 제4영역(1af)을 대신해서 일변이 0.3㎛인 정사각형 돗트패턴으로 이루어지는 제3영역(1ah) 및 제4영역(1ai)이 설치되어 있는 점만이 실시예10과 상이하다. 이하, 실시예10과의 상이점에 착안해서 실시예11을 설명하겠다.
실시예11에서, 광속분할소자(2)가 개재되지 않는 경우, 결상광학계(4)의 초점위치에 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는 도 39a 내지 도 39c에 나타낸 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 즉, 위상변조소자(1)의 단위영역(1a)의 중앙을 횡단하는 선 A-A에 대응하는 횡단선을 따라서 도 39a에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 도 중 좌측의 단위영역(1a)의 도 중 오른쪽 위의 대각선 B-B에 대응하는 사선을 따라서 도 39b에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 도 중 우측의 단위영역(1a)의 도 중 왼쪽 위의 대각선 C-C에 대응하는 사선을 따라서 도 39c에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다.
도 39a를 참조하면, 제1영역(1ab)과 제2영역(1ac)과의 접점(즉,단위영역(1a)의 중심)에 대응해서 광강도가 가장 작은 보텀피크가 형성되는 것을 알 수 있다. 또, 제1영역(1ab) 및 제2영역(1ac)의 작용에 의해 보텀피크로부터 주위를 향해서 방사상으로 광강도가 급격히 증대하는 역피크상의 분포가 형성된다. 또, 제3영역(1ah, 1ae) 및 제4영역(1ai, 1ag)의 작용에 의해 역피크상의 분포로부터 주위를 향해서 방사상으로 완만히 광강도가 증대되는 경사상 분포가 형성된다.
실제로는 복굴절소자(2E)를 통해서 입사광속이 편광상태가 다른 비간섭성의 2개의 광속으로 분할되기 때문에, 위상변조소자(1)의 도 중 우측의 단위영역(1a)을 통과한 정상광선(o)에 의해 피처리기판(5)의 표면상에 형성되는 광강도 분포와, 도 중 좌측의 단위영역(1a)을 통과한 이상광선(e)에 의해 피처리기판(5)의 표면상에 형성되는 광강도 분포가 겹쳐져서 합성된다. 그 결과, 결상광학계(4)의 초점위치에 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는 도 40a 및 도 40b에 나타낸 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 도 40a는 피처리기판(5)의 표면상에서 겹쳐진 합성광강도 분포를 입체적으로 나타내는 도이고, 도 40b는 단위영역(1a)의 횡단선 A-A에 대응하는 횡단선을 따른 합성광강도 분포를 나타내는 도이다.
또, 결상광학계(4)의 초점위치로부터 10㎛만큼 결상광학계(4)쪽으로 디포커스해서 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는 도 41a 및 41b에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 도 41a는 피처리기판(5)의 표면상에서 겹쳐진 합성광강도 분포를 입체적으로 나타내는 도이고, 도 41b는 단위영역(1a)의 횡단선 A-A에 대응하는 횡단선을 따른 합성광강도 분포를 나타내는 도이다. 도 40a 및 도 40b 및 도 41a 및 도 41b를 참조하면, 피처리기판(5)의 표면이 결상광학계(4)의 초점위치에 대해서 어느 정도 디포커스되어도 위상변조소자(1)와 복굴절소자(2E)의 협동작용에 의해 합성광강도 분포는 그다지 변화되지 않는다. 즉, 깊은 초점심도가 확보되어 있는 것을 알 수 있다. 구체적으로 결상광학계(4)의 초점위치에 대해서 피처리기판(5)이 10㎛ 디포커스되면, 보텀피크의 상대값이 약 0.5에서 약 0.62로 상승하고, 피크폭(W1)이 약 1.01㎛에서 약 1.14㎛로 증대된다. 즉, 보텀피크의 상대값도 피크폭(W1)도 상술한 소망범위내에서 변화되고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예11에서 얻어진 합성광강도 분포에서는 피크폭(W1)이 실시예10 보다도 약간 작다.
실시예11에서는, 도 31에 나타내는 결정화장치에서 도 38에 나타내는 구성을 갖는 위상변조소자(1)를 이용해서 피처리기판(5)상의 반도체(Si)박막을 결정화했다. 피처리기판(5)상에서 예를 들면 도 40a 및 도 40b에 나타내는 광강도 분포와 도 41a 및 도 41b에 나타내는 광강도 분포사이의 광강도 분포를 갖는 레이저광이 형성되고, 도 12에 나타내는 결정화과정을 거쳐, 도 14b에 나타내는 것과 같은 일변 5㎛의 결정립어레이 반도체박막을 제작할 수 있었다. 도 40a 및 도 40b 및 도 41a 및 도 41b에 나타내는 것과 같이, 피처리기판(5)이 결상광학계(4)에 대해서 디포커스되어도 피처리기판(5)상에서 합성된 광강도 분포는 그다지 변화되지 않는다. 따라서, 깊은 초점심도가 확보되고 있으므로, 균일성 좋은 결정립어레이 반도체박막을 얻을 수 있었다.
(실시예12)
도 42는 본 발명의 실시예12에서의 위상변조소자의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다. 실시예12의 위상변조소자(1)는 실시예10과 같이 일변 5㎛의 결정립어레이 반도체박막을 제작하기 위한 위상변조소자이고, 실시예10과 유사한 구성을 갖는다. 그러나, 실시예12에서는 제1영역(1ab) 및 제2영역(1ac)의 주위에 배치된 돗 트패턴이 실시예10과 상이하다. 이하, 실시예10과의 상이점에 착안하여 실시예12를 설명하겠다.
실시예12의 위상변조소자(1)에서는, 제1영역(1ab) 및 제2영역(1ac)의 주위에 결상광학계(4)의 점상분포범위의 반경보다도 광학적으로 작은 일변 0.5㎛의 정사각형상의 단위셀(도면의 명료화를 위해서 도 중 우측의 단위영역(1a)에만 표시)(1aj)을 종횡으로 또한 조밀하게 가상 설정하고 있다. 그리고, 횡단선 A-A보다도 도 중 위쪽의 복수의 단위셀(1aj)중에 제3영역(1ak)이 설치되고, 횡단선A-A보다도 도 중 아랫쪽의 복수의 단위셀(1aj) 중에 제4영역(1am)이 설치되어 있다. 또, 제1영역(1ab) 및 제2영역(1ac)의 주변의 단위셀(1aj)중에는 제3영역이 설치되어 있지 않다. 또, 단위영역(1a)은 대각선 B-B나 대각선 C-C에 대해서 대칭인 패턴을 갖는다.
여기서, 도 중 좌측의 단위영역(1a)에서는, 제1영역(1ab) 및 제3영역(1ak)이 기준면(1aa)에 대해서 -60도의 위상을 가지고, 제2영역(1ac) 및 제4영역(1am)이 기준면(1aa)에 대해서 +60도의 위상을 갖는다. 반대로, 도 중 우측의 단위영역(1a)에서는, 제1영역(1ab) 및 제3영역(1ak)이 기준면(1aa)에 대해서 +60도의 위상을 가지며, 제2영역(1ac) 및 제4영역(1am)이 기준면(1aa)에 대해서 -60도의 위상을 갖는다.
또, 단위셀(1aj) 중의 제3영역(1ak)의 점유면적률 및 단위셀(1aj) 중의 제4영역(1am)의 점유면적률은 제1영역(1ab)과 제2영역(1ac)과의 접점(단위영역(1a)의 중심)으로부터 떨어짐에 따라서 작아지도록 구성되어 있다. 제3영역(1ak) 및 제4영역(1am)의 점유면적률을 단위영역(1a)의 중심에서 떨어짐에 따라 작아지도록 설정 함으로써 역피크상의 분포로부터 벗어남에 따라 커지는 깔때기형으로 경사상 분포를 실현하고 있다.
실시예12에서, 광속분할소자(2)가 개재되지 않는 경우, 결상광학계(4)의 초점위치에 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는, 도 43a 내지 도 43c에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 즉, 위상변조소자(1)의 단위영역(1a)의 중앙을 횡단하는 선A-A에 대응하는 횡단선을 따라서 도 43a에 나타낸 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 도 중 좌측의 단위영역(1a)의 도 중 오른쪽 위의 대각선 B-B에 대응하는 사선을 따라서 도 43b에 나타낸 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 도 중 우측의 단위영역(1a)의 도 중 왼쪽 위의 대각선 C-C에 대응하는 사선을 따라서 도 43c에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다.
도 43a를 참조하면, 제1영역(1ab)과 제2영역(1ac)과의 접점(단위영역(1a)의 중심)에 대응해서 광강도가 가장 작은 보텀피크가 형성되는 것을 알 수 있다. 또, 제1영역(1ab) 및 제2영역(1ac)의 작용에 의해 보텀피크로부터 주위를 향해서 방사상으로 광강도가 급격히 증대하는 역피크상의 분포가 형성된다. 또, 제3영역(1ak) 및 제4영역(1am)의 작용에 의해 역피크상의 분포로부터 주위를 향해서 방사상으로 완만하게 광강도가 증대되는 경사상 분포가 형성된다.
실제로는 복굴절소자(2E)를 통해서 입사광속이 편광상태가 다른 비간섭성의 2개의 광속으로 분할되기 때문에, 위상변조소자(1)의 도 중 우측의 단위영역(1a)을 통과한 정상광선(o)에 의해 피처리기판(5)의 표면상에 형성되는 광강도 분포와, 도 중 좌측의 단위영역(1a)을 통과한 이상광선(e)에 의해 피처리기판(5)의 표면상에 형성되는 광강도 분포가 겹쳐져서 합성된다. 그 결과, 결상광학계(4)의 초점위치에 위치 결정된 피처리기판(5)의 표면에는, 도 44a 및 도 44b에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 도 44a는 피처리기판(5)의 표면상에서 겹쳐진 합성광강도 분포를 입체적으로 나타내는 도이고, 도 44b는 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따른 합성광강도 분포를 나타내는 도이다.
또, 결상광학계(4)의 초점위치에서 10㎛만큼 결상광학계(4)쪽으로 디포커스되어 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는, 도 45a 및 도 45b에 나타낸 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 도 45a는 피처리기판(5)의 표면상에서 겹쳐진 합성광강도 분포를 입체적으로 나타내는 도이고, 도 45b는 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따른 합성광강도 분포를 나타내는 도이다.
도 44a 및 도 44b, 및 도 45a 및 도 45b를 참조하면, 피처리기판(5)의 표면이 결상광학계(4)의 초점위치에 대해서 어느정도 디포커스되어도, 위상변조소자(1)와 복굴절소자(2E)의 협동작용에 의해 합성광강도 분포는 그다지 변화되지 않는다. 즉, 깊은 초점심도가 확보되어 있는 것을 알 수 있다. 구체적으로 결상광학계(4)의 초점위치에 대해서 피처리기판(5)이 10㎛ 디포커스되면, 보텀피크의 상대값이 약 0.5에서 약 0.62로 상승하고, 피크폭(W1)이 약 1.01㎛에서 약 1.14㎛로 증대한다. 즉, 보텀피크의 상대값도 피크폭(W1)도 상술한 소망범위내에서 변화되고 있는 것을 알 수 있다. 실시예12에서 얻어진 합성광강도 분포에서는, 경사상의 분포에서 광강도가 실시예10 및 실시예11보다도 완만하게 변화하고 있어, 도 13a와 유사한 분포를 얻을 수 있었다.
실시예12에서는, 도 31에 나타내는 결정화장치에서 도 42에 나타내는 구성을 갖는 위상변조소자(1)를 이용해서 피처리기판(5)상의 반도체(Si)박막을 결정화했다. 피처리기판(5)상에서 예를 들면 도 44a에 나타내는 광강도 분포와 도 45에 나타내는 광강도 분포간의 광강도 분포를 갖는 레이저광이 형성되고, 도 12에 나타내는 결정화과정을 거쳐, 도 14b에 나타내는 것과 같은 일변 5㎛의 결정립어레이 반도체박막을 제작할 수 있었다. 도 44a 및 도 44b, 및 도 45a 및 도 45b에 나타내는 것과 같이, 피처리기판(5)이 결상광학계(4)에 대해서 디포커스되어도 피처리기판(5)상에서 합성된 광강도 분포는 그다지 변화되지 않는다. 깊은 초점심도가 확보되고 있기 때문에, 균일성이 좋은 결정립어레이 반도체박막을 얻을 수 있었다.
(실시예13)
도 46는 본 발명의 실시예13에서의 위상변조소자의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다. 실시예13의 위상변조소자(1)는, 실시예12와 유사한 구성을 갖는다. 그러나, 이 위상변조소자(1)는, 실시예10~실시예12와는 달리, 일변 10㎛의 결정립어레이 반도체박막을 제작하기 위한 위상변조소자이다. 또, 실시예13에서는, 제1영역(1ab) 및 제2영역(1ac)의 주위에 배치된 돗트패턴이 실시예12와 상이하다. 이하, 실시예12와의 상이점에 착안해서 실시예13을 설명하겠다.
실시예13의 위상변조소자(1)에서는, 제1영역(1ab) 및 제2영역(1ac)의 주위에 결상광학계(4)의 점상분포범위의 반경보다도 광학적으로 작은 일변 1.0㎛의 정사각형상의 단위셀(미도시)을 종횡으로 또한 조밀하게 가상설정하고 있다. 그리고, 횡단선 A-A보다도 도 중 위쪽의 복수의 단위셀 중에 제3영역(1ak)이 설치되고, 횡단 선A-A보다도 도 중 아래쪽의 복수의 단위셀 중에 제4영역(1am)이 설치되어 있다. 또, 단위영역(1a)의 중앙의 종횡라인상에는 돗트영역이 설치되어 있지 않다. 또, 단위영역(1a)은 대각선B-B나 대각선C-C에 대해서 대칭인 패턴을 갖는다.
즉, 실시예12에서는 돗트패턴의 중심간격이 0.5㎛인 것에 비해, 실시예13에서는 돗트패턴의 중심간격이 1.0㎛이다. 또, 실시예13에서는, 역피크상 분포의 근방에서 광강도가 비교적 급격한 변화를 유지하기 위해서, 1개의 단위영역(1a)에서 제1영역(1ab) 및 제2영역(1ac)의 주위의 3개의 제3영역(1aka) 및 3개의 제4영역(1ama)을 일변 0.4㎛으로 설정하고 있다. 또한, 제3영역(1ak) 및 제4영역(1am)의 점유면적률을 단위영역(1a)의 중심으로부터 떨어짐에 따라서 작아지도록 설정하고 있는 점도 실시예12과 같다.
실시예13에서, 광속분할소자(2)가 개재되지 않는 경우, 결상광학계(4)의 초점위치에 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는, 도 47a 내지 도 47c에 나타낸 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 즉, 위상변조소자(1)의 단위영역(1a)의 중앙을 횡단하는 선A-A에 대응하는 횡단선을 따라서 도 47a에 나타낸 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 도 중 좌측의 단위영역(1a)의 도 중 오른쪽 위의 대각선B-B에 대응하는 사선을 따라서 도 47b에 나타낸 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 도 중 우측의 단위영역(1a)의 도 중 왼쪽 위의 대각선 C-C선에 대응하는 사선을 따라서 도 47c에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다.
도 47a를 참조하면, 제1영역(1ab)과 제2영역(1ac)과의 접점(단위영역(1a)의 중심)에 대응해서 광강도가 가장 작은 보텀피크가 형성되는 것을 알 수 있다. 또, 제1영역(1ab) 및 제2영역(1ac)의 작용에 의해 보텀피크로부터 주위를 향해서 방사상으로 광강도가 급격히 증대되는 역피크상의 분포가 형성된다. 또, 제3영역(1ak) 및 제4영역(1am)의 작용에 의해 역피크상의 분포로부터 주위를 향해서 방사상으로 완만하게 광강도가 증대하는 경사상 분포가 형성된다.
실제로는 복굴절소자(2E)를 통해서 입사광속이 편광상태가 다른 비간섭성의 2개의 광속으로 분할되기 때문에, 위상변소조사(1)의 도 중 우측의 단위영역(1a)을 통과한 정상광선(o)에 의해 피처리기판(5)의 표면상에 형성되는 광강도 분포와, 도 중 좌측의 단위영역(1a)을 통과한 이상광선(e)에 의해 피처리기판(5)의 표면상에 형성되는 광강도 분포가 겹쳐져서 합성된다. 그 결과, 결상광학계(4)의 초점위치에 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는, 도 48a 및 도 48b에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 도 48a는 피처리기판(5)의 표면상에서 겹쳐진 합성광강도 분포를 입체적으로 나타내는 도이고, 도 48b는 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따른 합성광강도 분포를 나타내는 도이다.
또, 결상광학계(4)의 초점위치로부터 10㎛만큼 결상광학계(4)쪽으로 디포커스되어서 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는, 도 49a에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 도 49a는 피처리기판(5)의 표면상에서 겹쳐진 합성광강도 분포를 입체적으로 나타내는 도이고, 도 49b는 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따른 합성광강도 분포를 나타내는 도이다. 도 48a 및 도 48b, 및 도 49a 및 도 49b를 참조하면, 피처리기판(5)의 표면이 결상광학계(4)의 초점위치에 대해서 어느 정도 디포커스되어도, 위상변조소자(1)와 복굴절소자(2E)의 협동작용 에 의해, 합성광강도 분포는 그다지 변화되지 않는다. 즉, 깊은 초점심도가 확보되고 있는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 결상광학계(4)의 초점위치에 대해서 피처리기판(5)이 10㎛ 디포커스되면, 보텀피크의 상대값이 약 0.54에서 약 0.62로 상승하고, 피크폭(W1)이 약 1.24㎛에서 약 1.50㎛으로 증대하고 있지만, 보텀피크의 상대값도 피크폭(W1)도 상술한 소망범위내에서 변화되고 있는 것을 알 수 있다.
실시예13에서는, 도 31에 나타내는 결정화장치에서 도 46에 나타내는 구성을 갖는 위상변조소자(1)를 이용해서 피처리기판(5)상의 반도체(Si)박막을 결정화했다. 피처리기판(5)상에서 예를 들면 도 48a 및 도 48b에 나타내는 광강도 분포와 도 49a 및 도 49b에 나타내는 광강도 분포사이의 광강도 분포를 갖는 레이저광이 형성되고, 도 12에 나타내는 결정화과정을 거쳐서, 도 14b에 나타내는 것과 같은 일변 10㎛의 결정립어레이 반도체박막을 제작할 수 있었다. 도 48a 및 도 48b, 및 도 49a 및 도 49b에 나타낸 것과 같이, 피처리기판(5)이 결정광학계(4)에 대해서 디포커스되어도 피처리기판(5)상에서 합성된 광강도 분포는 그다지 변화되지 않는다. 깊은 초점심도가 확보되어 있기 때문에, 균일성이 좋은 결정립어레이 반도체박막을 얻을 수 있었다.
(실시예14)
도 50은 본 발명의 실시예14에서의 위상변조소자의 구성을 개략적으로 나타내는 도이다. 이 위상변조소자(1)는 실시예13과 같이, 일변 10㎛의 결정립어레이 반도체박막을 제작하기 위한 위상변조소자이고, 실시예13과 유사한 구성을 갖는다. 그러나, 실시예14에서는, 1개의 단위영역(1a)에서 제1영역(1ab) 및 제2영역(1ac)의 주위의 모든(도에서는 5개) 제3영역(1aka) 및 모든(도에서는 5개) 제4영역(1ama)을 일변 0.4㎛로 설정하고 있는 점만이 실시예13과 상이하다. 이하, 실시예13과의 상이점에 착안해서 실시예14를 설명하겠다.
실시예14에서, 광속분할소자(2)가 개재되지 않는 경우, 결상광학계(4)의 초점위치에 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는 도 51a 내지 도 51c에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 즉, 위상변조소자(1)의 단위영역(1a)의 중앙을 횡단하는 선A-A에 대응하는 횡단선을 따라서 도 51a에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 도 중 좌측의 단위영역(1a)의 도 중 오른쪽 위의 대각선B-B에 대응하는 사선을 따라서 도 51b에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 도 중 우측의 단위영역(1a)의 도 중 왼쪽 위의 대각선C-C에 대응하는 사선을 따라서 도 51c에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다.
도 51a를 참조하면, 제1영역(1ab)과 제2영역(1ac)과의 접점(단위영역(1a)의 중심)에 대응해서 광강도가 가장 작은 보텀피크가 형성되는 것을 알 수 있다. 또, 제1영역(1ab) 및 제2영역(1ac)의 작용에 의해 보텀피크로부터 주위를 향해서 방사상으로 광강도가 급격히 증대되는 역피크상의 분포가 형성된다. 또, 제3영역(1ak) 및 제4영역(1am)의 작용에 의해 역피크상의 분포로부터 주위를 향해서 방사상으로 완만하게 광강도가 증대되는 경사상 분포가 형성된다.
실제로는 복굴절소자(2E)를 통해서 입사광속이 편광상태가 다른 비간섭성의 2개의 광속으로 분할되므로, 위상변조소자(1)의 도 중 우측의 단위영역(1a)을 통과한 정상광선(o)에 의해 피처리기판(5)의 표면상에 형성되는 광강도 분포와, 도 중 좌측의 단위영역(1a)을 통과한 이상광선(e)에 의해 피처리기판(5)의 표면상에 형성되는 광강도 분포가 겹쳐져서 합성된다. 그 결과, 결상광학계(4)의 초점위치에 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는, 도 52a 및 도 52b에 나타내는 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 도52a는 피처리기판(5)의 표면상에서 겹쳐진 합성광강도 분포를 입체적으로 나타내는 도이며, 도 52b는 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따른 합성광강도 분포를 나타내는 도이다.
또, 결상광학계(4)의 초점위치로부터 10㎛만큼 결상광학계(4)쪽으로 디포커스되어 위치결정된 피처리기판(5)의 표면에는, 도 53a 및 도 53b에 나타낸 것과 같은 광강도 분포가 형성된다. 도 53a는 피처리기판(5)의 표면상에서 겹쳐진 합성광강도 분포를 입체적으로 나타내는 도이고, 도 53b는 단위영역(1a)의 횡단선A-A에 대응하는 횡단선을 따른 합성광강도 분포를 나타내는 도이다. 도 52a 및 도 52b, 및 도 53a 및 도 53b를 참조하면, 피처리기판(5)의 표면이 결상광학계(4)의 초점위치에 대해서 어느 정도 디포커스되어도 위상변조소자(1)와 복굴절소자(2E)의 협동작용에 의해 합성광강도 분포는 그다지 변화되지 않는다. 즉, 깊은 초점심도가 확보되어 있는 것을 알 수 있다. 구체적으로 결상광학계(4)의 초점위치에 대해서 피처리기판(5)이 10㎛ 디포커스되면, 보텀피크의 상대값이 약 0.53에서 약 0.62로 상승하고, 피크폭(W1)이 약 1.30㎛에서 약 1.50㎛로 증대한다. 즉, 보텀피크의 상대값도 피크폭(W1)도 상술한 소망범위내에서 변화되고 있는 것을 알 수 있다. 실시예14에서 얻어진 합성광강도 분포에서는, 그 이방성이 실시예13보다도 작다.
실시예14에서는, 도 31에 나타내는 결정화장치에서 도 50에 나타내는 구성을 갖는 위상변조소자(1)를 이용해서 피처리기판(5)상의 반도체(Si)박막을 결정화했다. 피처리기판(5)상에서 예를 들면 도 52a 및 도 52b에 나타내는 광강도 분포와 도 53a 및 도 53b에 나타내는 광강도 분포사이의 광강도 분포를 갖는 레이저광이 형성되고, 도 12에 나타내는 결정화과정을 거쳐 도 14b에 나타내는 것과 같은 일변 10㎛의 결정립어레이 반도체박막을 제작할 수 있었다. 도 52a 및 도 52b, 및 도 53a 및 도 53b에 나타내는 것과 같이, 피처리기판(5)이 결상광학계(4)에 대해서 디포커스되어도 피처리기판(5)상에서 합성된 광강도 분포는 그다지 변화되지 않는다. 깊은 초점심도가 확보되므로 균일성이 좋은 결정립어레이 반도체박막을 얻을 수 있었다.
상술한 각 실시예에서 광강도 분포는 설계단계에서도 계산할 수 있지만, 실제의 피처리면에서의 광강도 분포를 관찰해서 확인해 두는 것이 바람직하다. 그러기 위해서는, 피처리기판의 피처리면을 광학계로 확대하고, CCD 등의 촬상소자로 입력하면 좋다. 사용광이 자외선인 경우는, 광학계가 제약을 받기 때문에, 피처리면에 광학판을 설치해서 가시광으로 변환해도 좋다. 또, 상술한 각 실시예에서는 위상변조소자(1)에 대해서 구체적인 구성예를 예시했지만, 위상변조소자(1)의 구성에 대해서는 본 발명의 범위내에서 다양한 변형예가 가능하다.
또한, 상술한 각 실시예에서, 복굴절소자(2E)를 위상변조소자(1)의 근방에 배치하고 있다. 그러나, 이것에 한정되지 않고, 복굴절소자(2E)를 위상변조소자(1)와 피처리기판(5)의 사이에 배치함으로써, 상술한 복상효과를 유효하게 발생시킬 수 있다. 구체적으로는, 복굴절소자(2E)를 위상변조소자(1)와 결상광학계(4)간에 배치하든지, 또는 결상광학계(4)와 피처리기판(5)간에 배치하는 것이 바람직하다. 또, 복굴절소자(2E)의 광입사면을 표면가공함으로써 원하는 위상차를 얻기 위한 단차를 설치하고, 복굴절소자(2E)의 기능과 위상변조소자(1)의 기능을 일체화할 수도 있다. 즉, 광학변조수단과 광속분할수단을 일체로 형성해도 좋다.
또, 상술한 각 실시예에서는, 복굴절소자(2E)가 1장의 복굴절성의 평행평면판에 의해 구성되고 있기 때문에, 정상광선(o)과 이상광선(e)에서 광로 길이가 다르다. 이 때문에, 복굴절소자(2E)를 통해서 분할된 2개의 광속간에 위상차가 생기고, 이 2개의 광속의 결상위치가 광축방향으로 분리된다. 이 문제를 회피하기 위한 광속분할소자(2)로서 결정광학축이 광축에 대해서 소정의 각도를 이루도록 설정된 복굴절성의 한쌍의 평행평면판으로 이루어지는 사바르(Savart)판을 이용할 수 있다. 또는, 위상차에 의한 결상위치의 분리문제를 회피하기 위해서 광속분할소자(2)로서 이른바 프랑콘(Francon)에 의한 사바르판의 변형을 이용할 수 있다.
또, 상술한 각 실시예에서는, 광속분할소자(2)로서 위상변조소자(1)의 근방에 배치된 복굴절소자(2E)를 이용하고 있다. 그러나, 이것에 한정되지 않고, 복굴절소자(2E)를 대신해서 결상광학계(4)의 동공면 또는 그 근방에 배치된 월래스톤 프리즘을 이용할 수 있다. 월래스톤 프리즘은 결정광학축이 광축에 대해서 소정의 각도를 이루도록 설정된 복굴절성의 한쌍의 편광 프리즘에 의해서 구성된다.
본 발명의 결정화방법에 의해 제작한 결정화 반도체박막은 박막트랜지스터에 적용되고, 이동도가 높다는 뛰어난 TFT특성을 나타낸다. 따라서, 액정표시장치나 EL(일렉트로루미네선스) 디스플레이 등의 구동회로나 메모리(SRAM이나 DRAM)나 CPU 등의 집적회로 등에도 적용가능하다.
본 발명에 의하면, 1숏트의 레이저어닐링으로 위치제어된 대입경결정립 어레이조직의 고품질인 결정질의 반도체박막을 얻을 수 있다. 본 발명에서 얻은 반도체막을 사용한 박막트랜지스터는 종래의 폴리실리콘 박막트랜지스터보다도 이동도가 높고 스레시홀드전압의 불균일도 작다. 본 발명의 박막트랜지스터를 액정디스플레이, 유기EL 등의 표시장치에 적용하면, 주변회로에 고기능의 연산소자 등을 형성할 수 있게 되고, 시스템·온·패널화에 있어서 본 발명의 효과는 크다. 또, 위상변조소자(또는 위상변조소자와 광속분할소자)를 광로중에 삽입하기만 하는 방법이므로, 광학계가 복잡해지지 않고 조정에 시간이 걸리지 않는다. 또, 광학계의 초점심도가 깊으므로 프로세스 마진이 넓어져 본 발명의 방법은 양산에도 알맞다.

Claims (24)

  1. 비단결정 반도체막에 소정의 광강도 분포의 광속을 조사해서 결정화하는 결정화장치로서,
    소정의 주기로 배치되어 실질적으로 서로 동일한 패턴을 갖는 복수의 단위영역(1a)으로 이루어지는 위상변조소자(1)와,
    상기 위상변조소자와 상기 비단결정 반도체막간에 배치된 결상광학계(4)를 포함하고,
    상기 위상변조소자(1)의 상기 각 단위영역(1a)은,
    소정의 위상을 갖는 기준면(1aa)과,
    상기 단위영역(1a)의 중심근방에 배치되어 상기 기준면(1aa)에 대해서 제1위상차를 갖는 제1영역(1ab)과,
    상기 제1영역(1ab)의 근방에 배치되어 상기 기준면(1aa)에 대해서 상기 제1위상차와 실질적으로 동일한 위상차를 갖는 제2영역(1ac)을 갖는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소정의 광강도 분포는 소정의 주기로 배열되어 실질적으로 동일한 2차원적인 분포를 갖는 복수의 단위분포영역을 가지며,
    상기 각 단위분포영역은 그 중심근방에서 광강도가 가장 작은 영역으로부터 주위를 향해서 방사상으로 광강도가 급격히 증대하는 역피크상의 분포와, 상기 역피크상의 분포로부터 주위를 향해서 방사상으로 광강도가 완만하게 증대되는 경사상 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 각 단위분포영역에서의 광강도의 최소값은 상기 단위분포영역에서의 광강도의 최대값을 1로 규격화했을 때 0.2 내지 0.7의 상대값을 갖는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 단위분포영역에서의 광강도의 최대값을 1로 규격화했을 때, 상기 각 단위분포영역에서의 광강도의 최소값에 최대값과 최소값과의 차의 2/5를 더한 광강도에서의 광강도 분포의 폭이 0.5 내지 1.5㎛인 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 각 단위분포영역은 4 내지 20㎛의 간격을 두고 사각형 또는 삼각형의 격자상으로 배열되는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1영역(1ab)은 상기 제2영역(1ac)과 실질적으로 동일한 패턴을 가지 며, 상기 제2영역(1ac)과 실질적으로 한 점에서 접하게 되는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2영역(1ab, 1ac)은 부채형 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2영역(1ab, 1ac)은 전체적으로 그 작용면에서의 직경의 환산값으로 0.3 내지 1.5㎛의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 각 단위영역(1a)은 상기 제1 및 제2영역(1ab, 1ac)의 주위에 복수의 제3영역(1ad)을 가지며,
    상기 각 제3영역(1ad)은 소정치수보다 작은 돗트패턴을 가지며, 상기 기준면(1aa)에 대하여 제1영역(1ab)과는 실질적으로 동일한 위상차를 가지는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제3영역(1ad)의 점유율이 상기 단위영역(1a)에서의 각 단위영역(1a)의 중심으로부터의 거리에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 각 단위영역(1a)은 소정치수보다 작은 복수의 셀을 가지며,
    각 셀내에서의 상기 제3영역(1ad)의 점유율이 셀마다 변화하는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  12. 제 10항 또는 제 11항에 있어서,
    상기 제3영역의 점유율은 상기 단위영역(1a)의 중심으로부터 떨어짐에 따라 감소하는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  13. 비단결정 반도체막에 소정의 광강도 분포의 광속을 조사해서 결정화하는 결정화장치로서,
    소정의 주기로 배치되어 실질적으로 서로 동일한 패턴을 갖는 복수의 단위영역(1a)으로 이루어지는 위상변조소자(1)와,
    상기 위상변조소자(1)를 통한 광속을 2개의 비간섭성의 광속으로 분할하기 위한 광속분할소자(2)와,
    상기 광속분할소자(2)와 상기 비단결정 반도체막간에 배치된 결상광학계(4)를 포함하고,
    상기 위상변조소자(1)의 상기 각 단위영역(1a)은,
    소정의 위상을 갖는 기준면(1aa)과,
    상기 단위영역(1a)의 중심근방에 배치되어 상기 기준면에 대해 제1위상차를 갖는 제1영역(1ab)과,
    상기 제1영역의 근방에 배치되어 상기 기준면(1aa)에 대해서 상기 제1위상차와는 절대값이 실질적으로 같고 또한 부호가 다른 제2위상차를 갖는 제2영역(1ac)을 가지며,
    서로 이웃하는 2개의 단위영역(1a)의 사이에서, 상기 기준면(1aa)은 실질적으로 같은 위상차를 가지며,
    서로 이웃하는 2개의 단위영역(1a)의 사이에서, 상기 제1영역(1ab)은 상기 기준면에 대해서 실질적으로 반전된 위상차를 가지며,
    서로 이웃하는 2개의 단위영역(1a)의 사이에서, 상기 제2영역(1ac)은 상기 기준면에 대해서 실질적으로 반전된 위상차를 갖는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 소정의 광강도 분포는 소정의 주기로 배열되어 실질적으로 동일한 2차원적인 분포를 갖는 복수의 단위분포영역을 가지며,
    상기 각 단위분포영역은 그 중심근방에서 광강도가 가장 작은 영역으로부터 주위를 향해서 방사상으로 광강도가 급격히 증대하는 역피크상의 분포와, 상기 역피크상의 분포로부터 주위를 향해서 방사상으로 광강도가 완만하게 증대되는 경사 상 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 각 단위분포영역에서의 광강도의 최소값은 상기 단위분포영역에서의 광강도의 최대값을 1로 규격화했을 때 0.2 내지 0.7의 상대값을 갖는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 단위분포영역에서의 광강도의 최대값을 1로 규격화했을 때, 상기 각 단위분포영역에서의 광강도의 최소값에 최대값과 최소값과의 차의 2/5를 더한 광강도에서의 광강도 분포의 폭이 0.5 내지 1.5㎛인 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  17. 제 14항에 있어서,
    상기 각 단위분포영역은 4 내지 20㎛의 간격을 두고 사각형 또는 삼각형의 격자상으로 배열되는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  18. 제 13항에 있어서,
    상기 제1영역(1ab)은 상기 제2영역(1ac)과 실질적으로 동일한 패턴을 가지며, 상기 제2영역(1ac)과 실질적으로 한 점에서 접하게 되는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  19. 제 13항에 있어서,
    상기 제1 및 제2영역(1ab, 1ac)은 부채형 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  20. 제 13항에 있어서,
    상기 제1 및 제2영역(1ab, 1ac)은 전체적으로 그 작용면에서의 직경의 환산값으로 0.3 내지 1.5㎛의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  21. 제 13항에 있어서,
    상기 각 단위영역(1a)은 상기 제1 및 제2영역(1ab, 1ac)의 주위에 복수의 제3영역(1ad, 1ae) 및 복수의 제4영역(1af, 1ag)을 가지며,
    상기 각 제3영역(1ad, 1ae)은 소정치수보다 작은 돗트패턴을 가지며, 상기 기준면(1aa)에 대하여 제1영역(1ab)과는 실질적으로 동일한 위상차를 가지며,
    상기 각 제4영역(1af, 1ag)은 소정치수보다 작은 돗트패턴을 가지며, 상기 기준면(1aa)에 대하여 제2영역(1ac)과는 실질적으로 동일한 위상차를 갖는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 제3영역(1ad, 1ae) 및 제4영역(1af, 1ag)의 점유율이 상기 단위영역 (1a)에서의 각 단위영역의 중심으로부터의 거리에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  23. 제 21항에 있어서,
    상기 각 단위영역(1a)은 소정치수보다 작은 복수의 셀을 가지며,
    각 셀내에서의 상기 제3영역(1ad, 1ae) 및 제4영역(1af, 1ag)의 점유율이 셀마다 변화하는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
  24. 제 22항 또는 제 23항에 있어서,
    상기 점유율은 상기 단위영역의 중심으로부터 떨어짐에 따라 감소하는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
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