WO2004008511A1 - 結晶化装置および結晶化方法 - Google Patents

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light intensity
intensity distribution
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Yukio Taniguchi
Masakiyo Matsumura
Hirotaka Yamaguchi
Mikihiko Nishitani
Susumu Tsujikawa
Yoshinobu Kimura
Masayuki Jyumonji
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Advanced Lcd Technologies Development Center Co., Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a crystallization apparatus and a crystallization method.
  • the present invention relates to an apparatus and a method for generating a crystallized semiconductor film by irradiating a polycrystalline semiconductor film or an amorphous semiconductor film with laser light phase-modulated using a phase shift mask.
  • liquid crystal display Liquid Crystal Display: L C
  • the thin-film transistor (TFT) used for the switching element that controls the voltage applied to the pixel is made of amorphous silicon (amorphous silicon). It is broadly classified as poly-silicon.
  • Polycrystalline silicon has a higher electron mobility than amorphous silicon.Therefore, when a transistor is formed using polycrystalline silicon, amorphous silicon becomes amorphous. There are advantages over using it, such as faster switching speeds, faster display response, and reduced design margins for other components. Also, when peripheral circuits such as driver circuits and DACs other than the display body are incorporated in the display, those peripheral circuits can be operated at higher speed.
  • Polycrystalline silicon is composed of aggregates of crystal grains, but has a lower electron mobility than single-crystalline silicon.
  • variation in the number of crystal grain boundaries in the channel portion becomes a problem. Therefore, recently, electronic transfer
  • a crystallization method for producing single crystal silicon having a large grain size has been proposed.
  • phase control Wholesale ELA Extra Laser Annealing
  • the phase control ELA is described in detail in, for example, Surface Science Vol.21, No.5, pp.2 7 8-2 8 7, 2 0 0 0 ".
  • a similar technique is also disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-36069 (published on January 2, 2000).
  • phase control EL II a reverse peak pattern where the light intensity is almost 0 at the part corresponding to the phase shift part of the phase shift mask (the light intensity is almost 0 at the center and the light intensity sharply increases toward the periphery) Then, light having the reverse peak pattern light intensity distribution is applied to the polycrystalline semiconductor film or the amorphous semiconductor film. As a result, a melting region is generated according to the light intensity distribution, and a crystal nucleus is formed at a portion that does not melt or a portion that solidifies first corresponding to a portion where the light intensity is almost 0, and the crystal nucleus is directed toward the surroundings.
  • the lateral growth of the crystal (lateral growth) produces a single crystal with a large grain size.
  • a conventional technique for generating a crystalline semiconductor film by irradiating an electric shifter laser beam to a phase shift mask brought close to and parallel to a semiconductor film is known.
  • the proxy method due to ablation in the semiconductor film, The disadvantage was that the phase shift mask was contaminated, thus preventing good crystallization.
  • the present applicant disposes an imaging optical system between the phase shift mask and the substrate to be processed (semiconductor film) and defocuses the semiconductor film with respect to the imaging optical system.
  • a technology projection defocus method
  • the imaging optical system is arranged so that the phase shift mask and the semiconductor film are optically conjugated to each other, and the number of apertures on the exit side of the imaging optical system is specified.
  • a film generation technology projected NA method
  • a KrF excimer laser light source that can obtain a large output is used, and an image formed by a single kind of optical material (for example, quartz glass) is used.
  • an optical system is used.
  • the oscillation wavelength band of the KrF excimer laser light is relatively wide (about 0.3 nm in full width at half maximum: see Fig. 5), and relatively large chromatic aberration occurs in the imaging optical system. I do.
  • the required light intensity distribution can be obtained on the object to be processed such as a semiconductor film due to the influence of the broadband wavelength of the KrF excimer laser light and the chromatic aberration of the imaging optical system. Can't.
  • the light intensity distribution in the middle part M between the mask pattern parts R is generally accompanied by irregular undulations (see Fig. 4).
  • a crystal nucleus may be generated at a position where the light intensity is low (that is, an undesired position) in the undulation of the middle part M.
  • the crystal nucleus may be formed at a desired position. Even if it is formed, the lateral growth started from this crystal nucleus toward the periphery may stop at the portion where the light intensity decreases in the middle part M, and growth of a large crystal may be hindered.
  • An object of the present invention is to generate crystal nuclei at desired positions and realize crystal growth in a sufficient lateral direction from the crystal nuclei to generate crystals having a large grain size.
  • An object of the present invention is to provide a crystallization apparatus and a crystallization method that can be used.
  • a phase shift mask having at least two light phase shift portions
  • An illumination system that emits light in a predetermined wavelength range that illuminates the phase shift mask
  • An imaging optical system arranged in an optical path between the phase shift mask and the object to be processed, wherein the phase shift mask has a light intensity at a portion corresponding to the phase shift portion.
  • the light from the illumination system is modulated so as to have a light intensity distribution having a reverse peak pattern portion that has a minimum peak value of, and that continuously increases as the intensity goes outward from the above.
  • the phase shift mask and the object to be processed are arranged at a conjugate position of the imaging optical system,
  • the imaging optical system is configured to form the light intensity distribution of a waveform pattern having no undulation of light intensity on the object to be processed in an intermediate portion between the reverse peak pattern portions.
  • a crystallization apparatus having aberration according to a range.
  • a light source that emits light having a wavelength in a predetermined range
  • the light from the light source is provided so as to have at least two phase shift portions and to have a light intensity distribution having an inverse peak pattern portion having the smallest light intensity in a portion corresponding to these phase shift portions.
  • the light in the predetermined range of wavelengths is changed so that the light irradiated to the object has a plurality of light components having different wavelengths, and the intensity of the undulations in the intermediate portion between the reverse peak pattern portions is changed.
  • a phase shift mask is illuminated, and an inverse peak pattern portion having the smallest light intensity in a portion corresponding to at least two phase shift portions 1 and 2 of the phase shift mask.
  • the phase shift mask in a predetermined wavelength range; : Illuminating with the light to make the phase shift mask and the object to be processed optically conjugate
  • a light intensity distribution without intensity swell is formed on the object to be processed in an intermediate portion between the reverse peak pattern portions.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a crystallization apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the internal configuration of the illumination system of FIG. 1, and FIGS. 3A and 3B are a plan view and a side view showing a phase shift mask used in the crystallization apparatus, respectively. is there.
  • FIG. 4 is a diagram showing the light intensity distribution of the inverse peak pattern obtained by the projection defocus method and the projection NA method.
  • FIG. 5 is a diagram showing an oscillation wavelength distribution of a KrF excimer laser light source in a numerical example of the present embodiment.
  • 6A and 6B are diagrams illustrating the effect of chromatic aberration of the imaging optical system according to the present embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing each light intensity pattern formed on the substrate to be processed by the light component of each wavelength in the numerical example of the present embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a light intensity distribution finally formed on the substrate to be processed in the numerical example of the present embodiment.
  • FIGS. 9A and 9B are diagrams for explaining the configuration and operation of an ethanol for converting a laser beam having a broadband wavelength into light components having a plurality of different wavelengths in different modifications of the present embodiment.
  • FIGS. 10A and 10B show the light in the modification of the present embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an oscillation wavelength distribution of a source and a point image formed by a plurality of wavelength lights.
  • FIG. 11 is a diagram showing respective light intensity patterns formed on a substrate to be processed by light components having different wavelengths in a modification of the present embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram showing a light intensity distribution finally formed on a substrate to be processed in a modification of the present embodiment.
  • FIGS. 13A to 13E are process cross-sectional views showing steps of manufacturing an electronic device using the crystallization apparatus of the present embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a configuration of a crystallization apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating an internal configuration of the illumination system in FIG.
  • the crystallization apparatus of the present embodiment includes an illumination system 2 that illuminates a phase shift mask 1.
  • the illumination system 2 includes, for example, a KrF excimer laser light source 2a that supplies laser light having a wavelength of 248 nm, a beam expander 2b that is sequentially arranged on the emission side of the light source, 1st fly eye lens 2c, 2nd fly eye lens 2e, 1st condenser optical system 2d, 2nd fly eye lens 2e, and 2nd condenser optical system 2 f and.
  • the laser light supplied from the light source 2a is expanded to a predetermined diameter via a beam expander 2b, and then enters the first fly-eye lens 2c.
  • a plurality of small light sources are formed on the rear focal plane of the first fly-eye lens 2c.
  • the light beam from the lens illuminates the incident surface of the second fly-eye lens 2e in a superimposed manner through the first condenser optical system 2d.
  • more small light sources are formed on the rear focal plane of the second fly-eye lens 2e than on the rear focal plane of the first fly-eye lens 2c.
  • the light beams from these small light sources illuminate the phase shift mask 1 in a superimposed manner via the second condenser optical system 2f.
  • the first laila eye lens 2c and the first condenser optical system 2d constitute a first homogenizer, and the first homogenizer uses the first homogenizer to measure the intensity with respect to the incident angle on the phase shift mask 1. Uniformity is achieved. Also, the second fly eye lens 2 e and the second condenser optical system 2 f constitute a second homogenizer, and the second homogenizer is used to position the in-plane on the phase shift mask. The uniformity of the strength is achieved. In this way, the illumination system irradiates the phase shift mask 1 with light having a substantially uniform light intensity distribution.
  • the laser light phase-modulated by the phase shift mask 1 is applied to the substrate 4 via the imaging optical system 3.
  • the phase shift mask 1 and the substrate to be processed 4 are arranged at optically conjugate positions of the imaging optical system 3.
  • the substrate 4 to be processed is formed, for example, by sequentially forming a base film and an amorphous silicon film on a liquid crystal display plate glass by a chemical vapor deposition method. can get.
  • the substrate 4 to be processed is held at a predetermined position on the substrate stage 5 by vacuum chucking or electrostatic chucking. This substrate stage can be moved in the X, Y and Z directions by a driving mechanism (not shown).
  • 3A and 3B are diagrams schematically showing the configuration of the phase shift mask.
  • the phase shift mask is provided with regions having mutually different thicknesses on a transparent medium, for example, a quartz base material, and a region between these regions is provided.
  • a transparent medium for example, a quartz base material
  • the incident laser beam is diffracted and interfered to give a periodic spatial distribution to the intensity of the incident laser beam.
  • the phase shift mask 1 has two types of slit shapes alternately repeated in one direction (horizontal direction in FIG. 3A). It has phase regions 1a and 1b. Here, both regions are configured so that a phase difference of 180 ° of light is given between the transmitted light of the first phase region la and the transmitted light of the second phase region 1b. ing.
  • the phase shift mask 1 is made of quartz glass having a refractive index of 1.5 with respect to light having a wavelength of 2488 nm, as can be understood from FIG.
  • a step of 248 nm is formed between the first phase region 1 a and the second phase region 1. That is, there is a difference in thickness of 2488 nm between the two regions 1a and 1b.
  • the boundary between the first phase region 1a and the second phase region 1b constitutes a phase shift portion lc.
  • the projection defocus method (or the projection NA method) is used.
  • the substrate 4 to be processed is disposed at the defocus position with respect to the imaging optical unit (or the number of apertures on the exit side of the imaging optical system is specified).
  • the number of apertures on the exit side of the imaging optical system is specified.
  • This light intensity distribution has a reverse peak value at which the light intensity is minimum, here almost 0, at a position corresponding to each phase shift portion 1c of the phase shift mask 1, and from this reverse peak value, It has a characteristic that the light intensity increases one-dimensionally and continuously toward the periphery, that is, to the first phase region 1a and the second phase region.
  • the light intensity distribution at an intermediate portion M between two adjacent inverted peak pattern portions R formed corresponding to two adjacent phase shift portions 1 c is irregular. (A wave-like distribution that repeats the increase and decrease of the light intensity).
  • a crystal nucleus be generated at a position where the inclination is large in the light intensity distribution of the reverse peak pattern portion (a position below a certain intensity indicated by reference numeral 11).
  • the crystal nucleus is located at a position where the light intensity of the undulation is low (ie, at an undesired position indicated by reference numeral 12). May occur.
  • the growth in the lateral direction starting from the crystal nucleus toward the periphery causes the light intensity to decrease at the boundary between the reverse peak pattern portion R and the intermediate portion M. Stop at part L.
  • the lateral growth from the crystal nucleus shows that the width of the reverse peak pattern is the width W (the distance between the bases of the reverse peak pattern portion; here, the point where the intensity first changes from increasing to decreasing, or (Distance between neighbors). This prevents the growth of sufficiently large crystals.
  • the width W of the reverse peak pattern portion is assumed to be.
  • the distance between the image plane of the imaging optical system 3 and the substrate 4 to be processed is assumed.
  • the distance that is, the amount of defocus
  • the width W of the inverse peak pattern portion is about the same as the resolution of the imaging optical system. .
  • the imaging optical system 3 is formed of a single type of optical material (for example, quartz glass), relatively large chromatic aberration occurs.
  • the amount of chromatic aberration (generally, the amount of wavefront aberration) of the imaging optical system 3 is defined according to the oscillation wavelength band of the laser beam supplied from the KrF excimer laser light source 2a. Accordingly, the substrate to be processed (semiconductor film) 4 can be irradiated with light having a light intensity distribution having an inverted peak pattern portion without light intensity undulation in the middle portion.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an oscillation wavelength distribution of a KrF excimer laser light source in a numerical example of the present embodiment.
  • the horizontal axis shows the position of the length obtained by subtracting 248 nm from the wavelength (unit: nm), and the vertical axis shows the oscillation intensity (relative value).
  • the laser light emitted from the KrF excimer laser light source 2a has a Gaussian intensity distribution as a whole.
  • the center wavelength of the laser light; I is 2485.55 nm
  • the full width at half maximum of the oscillation wavelength distribution is about 0.3 nm (half width at half maximum ⁇ ⁇ 0.15 nm).
  • FIG. 6A a description will be given of the shift of the imaging position due to the chromatic aberration of the imaging optical system 3.
  • a light ray from one point on the optical axis O of the phase shift mask 1 passes through the imaging optical system 3 without depending on the wavelength. Thereafter, the light is converged on one point on the optical axis O of the surface 4a of the substrate 4 to be processed to form a point image.
  • chromatic aberration occurs in the imaging optical system 3 as shown in FIG. 6A, light rays from one point on the optical axis O of the phase shift mask 1 are output as shown in FIG.
  • the light beam 13 having the center wavelength is focused on the optical axis O at the surface 4a of the substrate 4 to be processed, while the light beam 14 having a wavelength shorter than the center wavelength is focused on the surface 4a of the substrate 4 to be processed.
  • the light is condensed on the optical axis O, and a ray 15 having a wavelength longer than the center wavelength is below the surface 4 a of the substrate 4 to be processed (imaging). (On the side opposite to the image optical system side).
  • the phase shift mask 1 The light from one point on the optical axis of the target substrate 4 has an image defocused so as to extend along the optical axis O as shown by the hatched portion of the ellipse in FIG. 6B. 4 Form an image on a.
  • the imaging optical system 3 is a telecentric optical system on both sides, the amount of blur is almost equal at all points on the flat surface 4a of the substrate 4 to be processed, and Out of focus along the parallel direction.
  • the surface 4 of the substrate 4 is a combination (composite) of the light intensity patterns formed by the light beams of each wavelength.
  • Table 1 below shows the wavelength shift amount ( nm ) obtained by subtracting the center wavelength from the wavelength of each light ray in the numerical example of the present embodiment, and the wavelength shift amount ( nm ) generated for each light ray due to the chromatic aberration of the imaging optical system 3. It shows the relationship with the amount of longitudinal aberration (defocus amount: ⁇ ). Referring to Table 1, it can be seen that the wavelength shift amount and the longitudinal aberration amount are almost proportional. The relationship shown in Table 1 is a result obtained by calculation assuming that the imaging optical system 3 is a thin lens, and this relationship is obtained in an actual imaging optical system 3 consisting of a combination of multiple lenses. Holds in general. Four
  • FIG. 7 is a diagram showing respective light intensity patterns formed on the substrate to be processed by light beams of each wavelength in the numerical example of the present embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram showing a light intensity distribution finally formed on the processing target substrate 4 in the numerical example of the present embodiment in relation to a phase shift mask.
  • reference numeral 21 denotes a light ray having a wavelength coincident with the center wavelength ⁇ (solid line)
  • reference numeral 22 denotes a light ray having a wavelength shifted by ⁇ 0.05 nm with respect to the center wavelength (dashed-dotted line).
  • Reference numeral 23 denotes a center wavelength; a ray shifted by ⁇ 0.1 nm with respect to L (broken line); reference numeral 24 denotes a wavelength shifted by ⁇ 0.15 nm with respect to the center wavelength.
  • a light ray (two-dot chain line), reference numeral 25 is a light ray (chain line) shifted by ⁇ 0.2 nm from the center wavelength, and a reference numeral 26 is a center wavelength; .
  • Light rays whose wavelengths are shifted by 25 nm (dashed three-dot lines) respectively correspond to each other.
  • the light intensity pattern formed by the light beam 21 having the wavelength equal to the center wavelength; I corresponds to the light intensity distribution in the reverse peak pattern portion and the middle portion shown in FIG.
  • the minimum value of the reverse peak pattern part increases to a certain extent, but the degree to which the light intensity sharply decreases from the reverse peak pattern part to the middle part decreases.
  • the height of the positive peak notation located on both sides of the reverse peak pattern part becomes lower.
  • the light intensity patterns formed by the light beams of the respective wavelengths are superimposed on each other to form a final light intensity pattern on the surface 4a of the substrate 4 to be processed.
  • the obtained light intensity distribution is obtained.
  • Light having a light intensity pattern distribution having a positive peak pattern (a mountain-shaped pattern) in which the light intensity increases substantially monotonically is applied to the surface 4 a of the substrate 4 to be processed.
  • a crystal nucleus can be generated at a position (ie, at a position where the intensity is below a certain value).
  • the light intensity slightly increases toward the center of the middle portion M. Is monotonically increasing, so that lateral growth starting from the crystal nucleus toward the periphery is not limited to the range of the width of the reverse peak pattern portion.
  • crystal nuclei can be generated at desired positions, and sufficient lateral growth from the crystal nuclei can be realized to achieve large grain crystallization.
  • a semiconductor film can be generated.
  • the width W of the inverse peak pattern portion formed when the generated longitudinal aberration has the maximum value D is generally used as a method for obtaining a so-called Becke line diffraction pattern. According to the understood theory, it is expressed by the following equation (1).
  • the center wavelength of the laser light supplied from the light source 2a is the center wavelength of the laser light supplied from the light source 2a.
  • the width W of each reverse peak pattern part must be inverse peak. It is desirable that the pitch X be the same as the pitch X of the pattern part (see Fig. 8). Specifically, the light intensity pattern corresponding to the light ray 24 in FIG. 7 is close to this condition. In addition, considering that the width W of the reverse peak pattern portion is sufficiently close to the pitch X of the reverse peak pattern portion to some extent, the width W of the reverse peak and the pitch X of the reverse peak pattern portion are considered. It is desirable that the following equation (2) be established between and.
  • conditional expression (5) is obtained for the maximum value D of the longitudinal aberration that occurs.
  • the maximum value D of the longitudinal aberration is 9 7 zm corresponding to the maximum wavelength or the minimum wavelength
  • the amount of longitudinal aberration corresponding to the half width is 5 8;
  • conditional expression (5) is satisfied.
  • the maximum value D of the longitudinal aberration corresponding to the half width can be expressed by the following equation (6).
  • conditional equation (4) can be modified as shown in the following conditional equation (7).
  • Ni will this Yo, in this embodiment, slightly light intensity One suited to the center of the intermediate portion is increased monotonously In order to obtain a pattern light intensity distribution, it is desirable that conditional expression (4) or conditional expression (7) is satisfied.
  • the KrF excimer laser light source 2a supplies laser light having a Gaussian intensity distribution as a whole, but the KrF excimer laser light source 2a is different from each other at a plurality of different predetermined wavelengths. Variations that provide light with maximum intensity are also possible.
  • this modified example will be described focusing on differences from the above-described embodiment.
  • FIGS. 9A and 9B are diagrams illustrating the configuration and operation of different etalons that convert laser light having a broadband wavelength into light having a plurality of different wavelengths in a modification of the present embodiment.
  • the etalon shown in FIG. 9A is an air gap type etalon, and the etalon shown in FIG. 9B is a solid type.
  • 1OA and 10B are diagrams showing an oscillation wavelength distribution of a light source and a point image formed by a plurality of wavelength lights in a modification of the present embodiment.
  • the etalon 28 shown in FIG. 9A is composed of a pair of parallel plane plates 28 a and 28 b arranged through a predetermined gap t. , 28b are made of transparent glass.
  • etalon 28 of such a configuration Light transmitted through the first plane plate 28a, e.g., a laser beam, is incident on and / or reflected by the entrance surface of the second plane plate 28b, The light is finally emitted as light having a plurality of light components having different wavelengths.
  • the peak spacing ⁇ ⁇ of a plurality (four in this modification) of discrete wavelength light formed by etalon 28 based on the incident laser light of a broadband wavelength is given by the following equation: (8).
  • ⁇ is the center wavelength of the broadband wavelength laser light originally supplied by the light source 2a, and is 28.5 nm in this modification.
  • the light beam having the four peak wavelengths is composed of the first wavelength light component 1 having a center wavelength of 24.88.3111, and the second wavelength light component having a center wavelength power of S28.48.4311111. It is composed of a component 81, a third wavelength light component B2 having a center wavelength of ⁇ 28.45.66 nm, and a fourth wavelength light component A2 having a center wavelength of 248.7 nm.
  • the first-wavelength light component A 1 is located above the surface 4 a of the substrate 4 to be processed (on the side of the imaging optical system 3). Chromatic aberration Thus, a defocused point image C 1 is formed.
  • the second wavelength light component B 1 forms a defocused point image D 1 between the surface 4 a of the substrate 4 to be processed and the point image C 1.
  • the third wavelength light component B 2 forms a defocused point image D 2 at a position symmetrical to the point image D 1 with respect to the surface 4 a of the substrate to be processed.
  • the fourth wavelength light component A 2 forms a defocused point image C 2 at a position symmetrical to the point image C 1 with respect to the surface 4 a of the substrate 4 to be processed.
  • These point images (C 1, D 1, D 2, C 2) have the same distance from each other and have an elliptical shape showing an image that is out of focus in FIG. 6 so as to be elongated in the optical axis direction. It is included in the elliptical area (shown by the broken line in the figure) corresponding to the shaded area of.
  • the light intensity distribution finally formed on the surface 4 a of the substrate 4 to be processed is the light intensity distribution formed by each wavelength light component (A 1 B 1, B 2, A 2).
  • the pattern is superimposed (combined).
  • a reflective film 2 is formed on both sides of a transparent parallel substrate 29 having a thickness t. It can be understood that the solid type etalon in which 9a is formed can also be obtained.
  • FIG. 11 is a diagram showing each light intensity pattern formed on the substrate to be processed by the four wavelength light components (Al, B1, B2, A2).
  • the minimum value of the reverse peak pattern portion increases, but the reverse peak pattern portion increases. The light intensity does not decrease from the center to the middle part, and the swell of the light intensity in the middle part does not exist.
  • FIG. 12 is a view showing a light intensity distribution finally formed on the substrate 4 to be processed on which the light components shown in FIG. 11 are synthesized.
  • the light intensity distribution in which the light intensity does not swell in the middle portion M between the reverse peak pattern portions R and the light intensity monotonically increases toward the center of the middle portion M is observed. It is finally formed on the surface 4 a of the processing substrate 4. Therefore, a crystal nucleus can be generated at a position with a large inclination in the light intensity distribution of the reverse peak pattern portion R without generating a crystal nucleus in the intermediate portion M.
  • the crystal growth in the lateral direction starting from the crystal nucleus toward the periphery shows the opposite peak pattern portion. It is easy to reach almost the center of the middle part without being limited to the range of the width dimension.
  • a crystal nucleus can be generated at a desired position, and sufficient lateral crystal growth from the crystal nucleus can be achieved. In some cases, crystallized semiconductor films with large grain sizes have been realized.
  • the degree of design freedom concerning the number of peak shapes of each wavelength light and the like is higher than in the above-described embodiment, it is possible to face the center of the intermediate portion and It is easier than in the above-described embodiment to achieve a light intensity distribution in which the light intensity clearly increases monotonically.
  • laser light of a broadband wavelength is converted into light of a plurality of wavelengths using an etalon.
  • the present invention is not limited to this.
  • a plurality of laser beams that supply light having different center wavelengths are generally obtained.
  • a light source unit and a synthesizing unit for synthesizing a plurality of laser beams supplied from the plurality of light source units it is possible to obtain a desired plurality of wavelength lights.
  • a multilayer mirror that reflects only light of a specific wavelength into the illumination optical path of laser light of a broadband wavelength it is possible to obtain light of a desired wavelength. it can. In this case, as is evident from Fig. 7, a significant improvement can be obtained by removing only the center wavelength that contributes most to the undulation of the intensity distribution.
  • a phase shift mask 1 configured by a one-dimensional array of two types of slit-shaped phase regions corresponding to phases of 0 and ⁇ is used.
  • the force S is composed of, but not limited to, a two-dimensional array of four rectangular regions corresponding to the phases 0, ⁇ / 2, ⁇ , and 3 ⁇ 2.
  • a phase shift mask can also be used. In general, there is an intersection (phase shift portion) composed of three or more phase shift lines, and the integral of the complex transmittance in a circular region centered on this intersection is almost zero.
  • a phase shift mask can be used. In addition, it has a circular step corresponding to the phase shift part.
  • phase shift mask set so that the difference is ⁇ can also be used.
  • the light intensity distribution can be calculated at the design stage, it is desirable to observe and confirm the light intensity distribution on the actual surface to be processed (exposed surface). To do so, the surface to be processed may be enlarged by an optical system and input by an image sensor such as a CCD. If the light used is ultraviolet light, the optical system is restricted, and a fluorescent plate may be provided on the surface to be processed to convert the light into visible light.
  • FIGS. 13A to 13E Next, a method for manufacturing an electronic device using the manufacturing apparatus and method of the present invention will be described with reference to FIGS. 13A to 13E.
  • the base film 31 is formed on a rectangular insulating substrate 30 (for example, glass, quartz glass, plastic, polyimide, etc.).
  • a rectangular insulating substrate 30 for example, glass, quartz glass, plastic, polyimide, etc.
  • an amorphous semiconductor film 3 2 e.g. 2 to a thickness of 5 O nm (Si, Ge, SiGe, etc. of about 100 nm) is formed by a chemical vapor deposition method or a sputter method.
  • an excimer laser 33 for example, K?
  • 6.1 is irradiated on a part or the entire surface of the amorphous semiconductor film 32.
  • the apparatus and method described in the above embodiment are used for excimer laser irradiation.
  • the substance of the amorphous semiconductor film 32 is crystallized into the polycrystalline semiconductor film 34 as shown in FIG. 13B.
  • the polycrystalline semiconductor film 34 formed in this way is a polycrystalline or single crystal with a controlled grain size and a large grain size, as compared to a polycrystalline semiconductor film using a conventional manufacturing apparatus. Is converted to a nitride semiconductor film.
  • the single-crystallized semiconductor film 34 is processed into an island-shaped semiconductor film 35, and as shown in FIG.
  • a gate insulating film 36 is formed.
  • An SiO 2 film having a thickness of 2 O nm or 100 nm is formed on the base film 31 and the semiconductor film 35 by using a chemical vapor deposition method or a sputtering method.
  • a gate electrode 37 (for example, a silicide or MOW) is formed on the goat film 36 at a position corresponding to the semiconductor film 35.
  • impurity ions 38 (Rin for N-channel transistors and Boron for P-channel transistors) Is injected into the semiconductor film 35 to make the film N-type or P-type.
  • the entire device is annealed in a nitrogen atmosphere (for example, at 450 ° C. for 1 hour) to activate impurities in the semiconductor film 35.
  • the semiconductor film 35 has a source 41 and a drain 42 with a high impurity concentration, and a channel region with a low impurity concentration corresponding to the gate electrode 37 located therebetween. It becomes 4 0.
  • an interlayer insulating film 39 is formed on the gate film 36. Then, contact holes are made in the interlayer insulating film 39 and the gate film 36 at locations corresponding to the source 41 and the drain 42, and thereafter the source 41 and the drain 42 are formed. A source electrode 43 and a drain electrode 44 electrically connected to each other through a contact hole are formed on the interlayer insulating film 3 using a film forming and patterning technique.
  • the thin film transistor thus formed forms a channel 40 region. Since the semiconductor is processed by the laser beam irradiation technique described in Figs. 13A and 13B, it can be understood that it is a polycrystal or single crystal with a large grain size. Right. Therefore, such a transistor has a higher switching speed than a transistor using an amorphous semiconductor which is not subjected to laser light treatment.
  • a polycrystalline or single-crystallized transistor can be designed to have the functions of an integrated circuit such as a liquid crystal drive function, memory (SRAM, DRAM), and CPU. Circuits requiring a withstand voltage are formed on an amorphous semiconductor film and need to have high mobility. For example, transistors such as a dripper circuit are polycrystalline or monocrystalline.
  • the inverse peak pattern is formed by the cooperation of the light source that supplies light over a predetermined wavelength range and the imaging optical system having an aberration corresponding to this wavelength range. There is no portion where the light intensity decreases at the boundary between the portion and the intermediate portion, and an inverse peak pattern light intensity distribution in which the light intensity monotonically increases toward the center of the intermediate portion is formed on the substrate to be processed.
  • a crystal nucleus can be generated at a desired position, and sufficient lateral growth from the crystal nucleus can be realized to produce a crystallized semiconductor film having a large grain size.
  • the object to be crystallized is the substrate to be processed, but the object to be processed is an amorphous or polycrystalline layer formed on the substrate as described in the embodiment. It can be understood that it is a membrane.
  • the present invention also includes the case where the substrate itself is crystallized. In rare cases, the substrate is the object to be processed.
  • the material to be crystallized is not limited to silicon, but may be other semiconductors such as Ge and SiGe, for example, and may have crystallinity.
  • the material is not limited to a semiconductor, but may be a metal, for example.
  • crystallization refers to improving the degree of crystallinity.
  • amorphous substance a polycrystalline substance or a single crystal substance, or a polycrystalline substance
  • it is said that it is converted into a single crystal substance.
  • the phase shift portion of the phase shift mask is not limited to a boundary line or a point between different phase regions, but also includes a portion near these lines or points.
  • the phase shift portion becomes a light-shielding region. That is, an inverse peak pattern portion having a minimum intensity peak value corresponding to the light-shielding region is formed.

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Abstract

位相シフトマスク（（１））を照明する照明系（（２））と、位相シフトマスクと半導体膜（（４））との間の光路中に配置された結像光学系（（３））とを備え、位相シフト部に対応する部分において光強度の最も小さい逆ピークパターンの光強度分布を有する光を半導体膜に照射して結晶化半導体膜を生成する結晶化装置。照明系は、所定の波長範囲に亘る光を供給する光源を有する。結像光学系は、位相シフトマスクと半導体膜とを光学的に共役に配置し、中間部において強度のうねりのない逆ピークパターン光強度分布を半導体膜上に形成するために所定の波長範囲に応じた収差を有する。

Description

明 細 書
結晶化装置および結晶化方法
技術分野
本発明は、 結晶化装置および結晶化方法に関する。 特に、 本発明は、 位相シフ トマス ク を用いて位相変調された レーザ 光を多結晶半導体膜または非晶質半導体膜に照射して結晶化 半導体膜を生成する装置および方法に関する。
背景技術
従来、 例えば、 液晶表示装置 （ Liquid-Crysta卜 Display: L C
D ) の画素に印加する電圧を制御するスィ ツチング素子な ど に用いられる薄膜 ト ラ ンジスタ （ Thin-Film-Transistor： T F T ) の材料は、 非晶質シ リ コ ン （amorphous-Silicon) と多結 晶シ リ コ ン （Poly— Silicon) とに大別される。
多結晶シ リ コ ンは、 非晶質シ リ コ ンょ り も電子移動度が高い, したがって、 多結晶シリ コンを用いて ト ラ ンジスタを形成 し た場合、 非晶質シ リ コ ンを用いる場合よ り も、 ス イ ッ チング 速度が速く な り 、 ひいてはディ ス プ レイ の応答が速く な り 、 他の部品の設計マージンを減らせるな どの利点がある。 また ディ スプレイ本体以外に ドライバ回路や D A Cな どの周辺回 路をディ スプレイ に組み入れる場合に、 それらの周辺回路を よ り 高速に動作させるこ とができ る。
多結晶シ リ コ ンは結晶粒の集合からなるが、 単結晶シリ コ ンに比べる と 電子移動度が低い。 また、 多結晶シ リ コ ンを用 いて形成した小型の ト ラ ンジスタでは、 チャ ネル部における 結晶粒界数のバラ ツキが問題と なる。 そこで、 最近、 電子移 動度を向上させ且つチャネル部における結晶粒界数のバラ ッ キを少なく するために、 大粒径の単結晶シリ コンを生成する 結晶化方法が提案されている。
従来、 この種の結晶化方法と して、 多結晶半導体膜または 非晶質半導体膜と平行に近接させた位相シフ トマス ク にェキ シマ レーザ光を照射して結晶化半導体膜を生成する 「位相制 ί卸 E L A (Excimer Laser Annealing) J 力 s失口られている。 位 相制御 E L Aの詳細は、 例えば、 表面科学 Vol.2 1 , No. 5 , pp.2 7 8 - 2 8 7 , 2 0 0 0」 に開示されている。 また、 同 様の技術が、 特開 2 0 0 0 — 3 0 6 8 5 9 ( 2 0 0 0年 1 1 月 2 日公開）にも開示されている。
位相制御 E L Αでは、 位相シフ トマス ク の位相シフ ト部に 対応する部分において光強度がほぼ 0 の逆ピーク パター ン (中心において光強度がほぼ 0 で周囲に向かって光強度が急 激に増大するパターン） の光強度分布を発生させ、 こ の逆ピ ークパターンの光強度分布を有する光を多結晶半導体膜また は非晶質半導体膜に照射する。 その結果、 光強度分布に応 じ て溶融領域が生じ、 光強度がほぼ 0 の部分に対応して溶けな い部分または最初に凝固する部分に結晶核が形成され、 その 結晶核から周囲に向かって結晶が横方向に成長 （ラテラル成 長） するこ と によ り 大粒径の単結晶が生成される。
上記したよ う に半導体膜と平行に近接させた位相シフ トマ ス ク にエレキマ レーザ光を照射 して結晶半導体膜を生成する 従来技術 （プロ キシ法） が知られている。 しかしなが ら、 プ ロ キシ法では、 半導体膜におけるアブレーショ ンに起因 して 位相シフ トマスク が汚染され、 ひいては良好な結晶化が妨げ られる という不都合があった。
そ こで、 本出願人は、 位相シフ ト マス ク と被処理基板 （半 導体膜） との間に結像光学系を介在させ、 半導体膜を結像光 学系に対してデフォーカス させて結晶化半導体膜を生成する 技術 （投影デフォーカス法） を提案している。 また、 位相シ フ トマス ク と半導体膜と を光学的に共役に結ぶよ う に結像光 学系を配置し、 結像光学系の射出側開 口数を規定する こ と に よ り 結晶化半導体膜を生成する技術 （投影 N A法） を提案し ている。
上記投影デフォーカス法および投影 N A法では、 大きな出 力が得られる K r Fエキシマ レ ーザ光源を用いる と と もに、 単一種類の光学材料 （例えば、 石英ガラス） で形成された結 像光学系を用いるのが一般的である。 この場合、 K r Fェキ シマ レ ーザ光の発振波長帯域は比較的広く （半値全幅で 0 . 3 n m程度 ： 図 5 を参照） 、 結像光学系には比較的大きな色 収差が発生する。 この結果、 K r Fエキシマ レ ーザ光の広帯 域波長と結像光学系の色収差と の影響によ り 、 半導体膜のよ う な被処理体上において所要の光強度分布を得る こ とができ ない。 半導体膜上において所要の光強度分布を得るために、 プリ ズムゃ回折格子などを用いて レーザ光の狭帯域化を行 う こ と も考えられる。 しかし、 レーザ光の狭帯域化を行う と、 レーザ装置が大型化 し且つ複雑化する と と もに、 レーザ装置 の出力が低下してしま う。
狭帯域波長のレーザ光を用いる場合、 2つの隣接した逆ピ ークパター ン部 R間の中間部 Mにおける光強度分布は不規則 な う ねり を伴う のが一般的である （図 4 を参照） 。 この場合、 結晶化のプロ セスにおいて、 中間部 Mの う ねり において光強 度の低い位置に （即ち、 望まない位置に結晶核が発生する こ と がある。 また、 所望の位置に結晶核が形成される場合でも、 こ の結晶核から周囲に向かって開始したラテラル成長が中間 部 Mにおいて光強度が減少する部分で停止して しまい、 大き な結晶の成長が妨げられる場合もある。
本発明の 目的は、 所望の位置に結晶核を発生させる こ とが でき る と と もに、 結晶核からの十分なラテラル方向への結晶 成長を実現して大粒径の結晶を生成する と と のできる結晶化 装置および結晶化方法を提供する こ とである。
発明の開示
前記課題を解決するために、 本発明の第 1 の態様では、 少 な く と も 2つの光の位相シフ ト部を有する位相シフ トマス ク と、
この位相シフ トマスク を照明する所定の波長範囲の光を射 出する照明系と、
前記位相シフ トマス ク と被処理体と の間の光路中に配置さ れた結像光学系と を具備 し、 前記位相シフ ト マス クは、 これ の位相シフ ト部に対応する部分において光強度の最も小さい ピーク値を有 しこ こから強度が外側に向 う のに従って連続的 に増加する逆ピークパター ン部を有する光強度分布を有する よ う に前記照明系からの光を変調 して前記被処理体に照射し て被処理体を結晶化する結晶化装置であって、 前記結像光学系の共役位置に、 前記位相シフ ト マス ク と前 記被処理体とが配置され、
前記結像光学系は、 前記逆ピークパターン部間の中間部に おいて光強度の う ねり のない波形パター ンの光強度分布を前 記被処理体上に形成する よ う な前記所定の波長範囲に応じた 収差を有する結晶化装置を提供する。
本発明の第 2 の態様では、 所定の範囲の波長の光を射出す る光源と、
少な く と も 2つの位相シフ ト部を有し、 これら位相シフ ト 部に対応する部分において光強度の最も小さい逆ピークパタ 一ン部を有する光強度分布を有する よ う に前記光源からの光 を変調して被処理体に照射させて被処理体を結晶化する位相 シフ ト マス ク と 、
前記被処理体に照射される光が波長の異なる複数の光成分 を有する よ う に、 前記所定の範囲の波長の光を変更し、 前記 逆ピークパターン部間の中間部において強度の う ねり のない 波形パターンの光強度分布を前記被処理体上に形成させる手 段と を具備する結晶化装置を提供する。
本発明の第 3 の態様では、 位相シフ トマスク を照明 し、 前 記位相シフ トマ ス ク の少な く と も 2 つの位相シフ 1、部に対応 する部分において光強度の最も小さい逆ピークパター ン部の 光強度分布を有する光を被処理体に照射して被処理体を結晶 化する結晶化方法であって、
前記位相シフ トマス ク を所定の波長範囲に；！：る光で照明 し 前記位相シフ トマ ス ク と前記被処理体と を光学的に共役に 配置し且つ前記所定の波長範囲に応じた収差を有する結像光 学系を介して、 逆ピークパター ン部間の中間部において強度 の う ね り のない光強度分布を前記被処理体に形成する、 結晶 化方法を提供する。
図面の簡単な説明
図 1 は、 本発明の実施形態にかかる結晶化装置の構成を概 略的に示す図である。
図 2 は、 図 1 の照明系の内部構成を概略的に示す図である , 図 3 A並びに 3 B は、 結晶化装置に使用 される位相シフ ト マス クを夫々示す平面図並びに側面図である。
図 4 は、 投影デフォーカ ス法や投影 N A法によ り得られる 逆ピークパターンの光強度分布を示す図である。
図 5 は、 本実施形態の数値例における K r Fエキシマ レー ザ光源の発振波長分布を示す図である。
図 6 A並びに 6 B は、 本実施形態における結像光学系の色 収差の影響を説明する図である。
図 7は、 本実施形態の数値例において各波長の光成分が被 処理基板上に形成する各光強度パター ンをそれぞれ示す図で お 。
図 8 は、 本実施形態の数値例において被処理基板上に最終 的に形成される光強度分布を示す図である。
図 9 A並びに 9 B は、 本実施形態の夫々異なる変形例にお いて広帯域波長の レーザ光を複数のこ と なる波長の光成分に 変換するエタ 口 ンの構成および作用を夫々説明する図である 図 1 0 A並びに 1 0 B は、 本実施形態の変形例における光 源の発振波長分布および複数の波長光が形成する点像の様子 を示す図である。
図 1 1 は、 本実施形態の変形例において異なる波長の光成 分が被処理基板上に形成する各光強度パターンをそれぞれ示 す図である。
図 1 2 は、 本実施形態の変形例において被処理基板上に最 終的に形成される光強度分布を示す図である。
図 1 3 Aない し 1 3 Eは、 本実施形態の結晶化装置を用い て電子デバイ スを作製する工程を示す工程断面図である。
発明を実施するための最良の形態
本発明の実施形態を、 添付図面に基づいて説明する。
図 1 は、 本発明の実施形態にかかる結晶化装置の構成を概 略的に示す図、 また、 図 2 は、 図 1 の照明系の内部構成を概 略的に示す図である。 図 1 および図 2 を参照する と、 本実施 形態の結晶化装置は、 位相シフ トマス ク 1 を照明する照明系 2 を備えている。 照明系 2 は、 例えば、 2 4 8 n mの波長を 有する レーザ光を供給する K r Fエキシマ レーザ光源 2 a と . こ の光源の射出側に順次配設された、 ビームエキスパ ンダ 2 b と 、 第 1 フ ラ イ ア イ レ ンズ 2 c と 、 第 2 フ ラ イ アイ レ ンズ 2 e と、 第 1 コ ンデンサー光学系 2 d と、 第 2 フライ アイ レ ンズ 2 e と、 第 2 コンデンサー光学系 2 f と を備えている。 前記光源 2 a から供給されたレーザ光は、 ビームエキスパ ンダ 2 b を介 して所定の径に拡大された後、 第 1 フライ アイ レンズ 2 c に入射する。 か く して、 第 1 フ ラ イ アイ レ ンズ 2 c の後側焦点面には複数の小光源が形成され、 これら小光源 からの光束は第 1 コ ンデンサー光学系 2 d を介 して、 第 2 フ ライ アイ レ ンズ 2 e の入射面を重畳的に照明する。 この結果. 第 2 フ ラ イ アイ レ ンズ 2 e の後側焦点面には、 第 1 フライア ィ レ ンズ 2 c の後側焦点面よ り も多く の複数の小光源が形成 される。 これら小光源からの光束は、 第 2 コンデンサー光学 系 2 f を介して、 位相シフ トマス ク 1 を重畳的に照明する。
前記第 1 ラ ライアイ レ ンズ 2 c と第 1 コ ンデンサー光学系 2 d とで、 第 1 ホモジナイザを構成し、 こ の第 1 ホモジナイ ザによ り位相シフ トマス ク 1 上での入射角度に関する強度の 均一化が図 られる。 また、 第 2 フライ アイ レ ンズ 2 e と第 2 コ ンデンサー光学系 2 f と で、 第 2 ホモジナイ ザを構成 し、 こ の第 2 ホモジナイ ザによ り位相シフ トマス ク 上での面内位 置に関する強度の均一化が図 られる。 こ う して、 照明系は、 ほぼ均一な光強度分布を有する光を位相シフ トマス ク 1 に照 射する。
位相シフ トマス ク 1 によ り 位相変調された レーザ光は、 結 像光学系 3 を介して、 被処理基板 4 に照射される。 こ こ で、 結像光学系 3 の光学的に共役な位置に、 位相シフ ト マス ク 1 と被処理基板 4 とが配置されている。 被処理基板 4 は、 例え ば、 液晶ディ ス プ レイ用板ガラ ス の上に化学気相成長法によ り 下地膜と非晶質シ リ コ ン膜と を順次形成する こ と によ り 得 られる。 被処理基板 4は、 真空チャ ックゃ静電チャ ック な ど によ り 基板ステージ 5上において所定の位置に保持されてい る。 こ の基板ス テージは、 図示されない駆動機構によ り X , Y並びに Z方向に移動可能と なっている。 図 3 A並びに 3 B は、 位相シフ トマス ク の構成を概略的に 示す図である。 総括的に言 う と 、 位相シフ トマスク は、 前述 した公知例にも記載されている よ う に、 透明媒質、 例えば、 石英基材に厚さの異なる互いに隣合う領域を設け、 これら領 域間の段差（位相シフ ト部）の境界で、 入射する レーザ光線を 回折並びに干渉させて、 入射したレーザ光線の強度に周期的 な空間分布を付与するものである。
具体的には、 図 3 Aを参照する と、 位相シフ トマス ク 1 は. 一方向 （図 3 A中において水平方向） に沿って交互に繰り 返 された 2つの種類のス リ ッ ト形状の位相領域 1 a ， 1 b を有 する。 こ こで第 1 の位相領域 l a の透過光と第 2 の位相領域 1 b の透過光との間には光の 1 8 0 ° の位相差が付与される よ う に、 両領域は構成されている。 例えば、 位相シフ トマス ク 1 が 2 4 8 n mの波長を有する光に対して 1 . 5 の屈折率を 有する石英ガラスで形成されている場合、 図 3 Bから理解で き る よ う に、 第 1 の位相領域 1 a と第 2 の位相領域 1 と の 間には 2 4 8 n mの段差が形成されている。 即ち、 両領域 1 a , 1 b 間には 2 4 8 n mの厚さの相違がある。 第 1 の位相 領域 1 a と第 2 の位相領域 1 b と の間の境界線は、 位相シフ ト部 l c を構成している。
光源が単一波長あるいは狭帯化された レーザ光を供給し且 つ結像光学系が収差のほ と んどない光学系である場合、 投影 デフ ォーカ ス法 （も しく は投影 N A法） を適用する と、 結像 光学部に対して被処理基板 4 をデフォーカス位置に配置させ る こ と によ り （も しく は結像光学系の射出側開 口数を規定す る こ と によ り ） 、 被処理基板 4 上には、 図 4 に示すよ う に、 位相シフ トマスク 1 の位相に対応した逆ピークパターンの光 強度分布の光が入射される。 この光強度分布は、 位相シフ ト マス ク 1 の各位相シフ ト部 1 c に対応する位置において、 光 強度が最小の、 こ こ ではほぼ 0 の逆ピーク値を有し、 この逆 ピーク値から周囲に向かって、 即ち、 第 1 の位相領域 1 a と 第 2 の位相領域へと一次元的、 かつ連続的に光強度が増加す る特性を有する。
図 4 を参照する と 、 互いに隣接する 2 つの位相シフ ト部 1 c に対応して形成される 2つの隣接した逆ピークパターン部 Rの間の中間部 Mにおける光強度分布は不規則な うね り （光 強度の増大と減少と を繰り 返すよ う な波状分布） のパターン と なっている。 この場合、 逆ピークパターン部の光強度分布 において傾斜の大きい位置（符号 1 1 で示す一定の強度以下の 位置）に、 結晶核が発生する こ とが望ま しい。 しかし、 上記の よ う にパターン中間部 Mに う ねり （凹凸の繰り 返し） がある と、 この う ねり の光強度の低い位置に （即ち、 符号 1 2 で示 す望まない位置に） 結晶核が発生するこ とがある。
また、 望ま しい位置に結晶核が発生したと しても、 結晶核 から周囲に向かって開始したラテラル方向の成長が、 逆ピー クパターン部 R と 中間部 Mと の境界において光強度が減少す る部分 Lで停止して しま う。 換言すれば、 結晶核からのラテ ラル成長が逆ピークパタ ^ "ン部の幅 W (逆ピークパターン部 の基端間の距離 ； こ こ で最初に強度が增加から減少に変わる 点も しく はその近傍間の距離） の範囲に限定されて しま う 。 このために、 十分に大き な結晶の成長が妨げられる。 ちなみ に、 投影デフォ ^"カ ス法では、 逆ピークパターン部の幅 Wは. 結像光学系 3 の解像度が十分だとする と、 結像光学系 3 の像 面と被処理基板 4 と の距離 （即ち、 デフォーカ ス量） の 1 Z 2乗に概ね比例して変化する。 一方、 投影 N A法では、 逆ピ ークパター ン部の幅 Wは、 結像光学系の解像度と 同程度にな る。
前述したよ う に、 K r F エキシマ レーザ光源 2 a では、 特 段の狭帯化を行わない限り 、 発振波長帯域の比較的広いレー ザ光が供給される。 また、 結像光学系 3 が単一種類の光学材 料 （例えば、 石英ガラス） で形成されている場合、 比較的大 きな色収差が発生する。 本実施形態では、 K r F エキシマ レ 一ザ光源 2 a から供給される レーザ光の発振波長帯域に応じ て結像光学系 3 の色収差発生量 （一般には波面収差発生量） を規定する こ と によ り 、 中間部において光強度の うねり がな く 、 逆ピーク パター ン部を有する光強度分布の光で被処理基 板 （半導体膜） 4 を照射できる よ う にしている。
以下、 具体的な数値例に基づいて本発明の原理を説明する , 図 5 は、 本実施形態の数値例における K r Fエキシマ レ ザ光源の発振波長分布を示す図である。 この図において、 横 軸は波長 （単位 ： n m ) から 2 4 8 n mを差し引いた値の長 さの位置を示 し、 また、 縦軸は発振強度（相対値）を示す。 図 5 に示すよ う に、 K r F エキシマ レーザ光源 2 a 力 ら射出 さ れる レーザ光は、 全体的にガウス型の強度分布を有する。 具 体的には、 レーザ光の中心波長； I は 2 4 8 . 5 5 n mであ り 発振波長分布の半値全幅は約 0 . 3 n m (半値半幅△ 义 ^ 0 . 1 5 n m ) である。
本実施形態の数値例において、 結像光学系 3 は、 石英ガラ スのみで形成され、 等倍で物体側および像側の双方にテ レセ ン ト リ ックな光学系である。 具体的には結像光学系 3 は、 全 長 （物体面と像面との距離） 力 S i O O O m m ( f = 2 5 0 m mの 4 f 光学系） であ り 、 射出側の開口数が 0 . 1 である。 さ らに、 照明系 2 の照明 N Aは、 0 . 0 5 である。 また、 位相 シフ トマスク 1 における位相シフ ト部 1 c のピッチ P、 即ち、 位相領域 1 a ， 1 b の幅 （図 3 を参照） は、 1 0 μ mでる。
次に、 図 6 A並びに 6 B を参照 して結像光学系 3 の色収差 による結像位置のずれを説明する。
結像光学系 3 に色収差が発生していない場合、 位相シフ ト マスク 1 の光軸 O上の 1 点からの光線は、 その波長に依存す る こ と なく 、 結像光学系 3 を通った後、 被処理基板 4 の表面 4 a の光軸 O 上の 1 点に集光して点像を形成する。 しかしな がら、 本実施形態では、 結像光学系 3 に色収差が発生 してい る ので、 図 6 Aに示すよ う に、 位相シフ ト マス ク 1 の光軸 O 上の 1 点からの光線の う ち、 中心波長の光線 1 3 は、 被処理 基板 4 の表面 4 a において光軸 O上に集光するが、 中心波長 よ り も短い波長の光線 1 4 は、 被処理基板 4 の表面 4 a よ り も上方 （結像光学系側） において光軸 O上に集光し、 また、 中心波長よ り も長い波長の光線 1 5 は被処理基板 4の表面 4 a よ り も下方 （結像光学系側と は反対側） において光軸上に 集光する。 この結果、 本実施形態では、 位相シフ トマスク 1 の光軸上の 1 点からの光線は、 図 6 B において楕円形状の斜 線部で示すよ う に、 光軸 Oに沿って細長く 延びる よ う にピン ボケした像を被処理基板 4 の表面 4 a に結像する。 また、 結 像光学系 3 が両側にテ レセン ト リ ック な光学系であるため、 被処理基板 4の平坦な表面 4 a 上のあ らゆる点においてボケ 量は、 ほぼ等しく 且つ光軸に平行な方向に沿ってピンボケす る。 こ こで、 光軸方向に延びた像の中の各波長に対応する点、 即ち、 被処理基板 4 の表面 4 a 力 らデフォーカス した点に着 目する と、 被処理基板 4 の表面 4 a に最終的に形成される光 強度分布は . 各波長の光線が形成する各光強度パターンを重 ね合わせた （合成した） ものになる。
以下の表 1 に、 本実施形態の数値例における各光線の波長 から中心波長 を差し引いた波長ずれ量 （ n m ) と、 結像光 学系 3 の色収差に起因 して各光線に対して発生する縦収差量 (デフォーカス量 ： μ πι ) との関係を示す。 表 1 を参照する と、 波長ずれ量と縦収差量とがほぼ比例する こ とがわかる。 表 1 に示す関係は、 結像光学系 3 を薄肉 レンズと仮定した計 算によ り得られた結果であるが、 こ の関係は複数のレンズの 組み合わせからなる実際の結像光学系 3 においても概ね成立 する。 4
波長ずれ量 0.00 0.05 0. 1 0 0. 1 5 0.20 0.25 縦収差量 0 1 9 39 58 77 97 波長ずれ量 一 0.05 - 0.1 0 -0.1 5 一 0.20 -0.25
縦収差量 - 1 9 -39 -58 -77 -97 図 7 は、 本実施形態の数値例において各波長の光線が被処 理基板上に形成する各光強度パター ンをそれぞれ示す図であ る。 また、 図 8 は、 本実施形態の数値例において被処理基板 4上に最終的に形成される光強度分布を、 位相シフ トマス ク に関連させて示す図である。 図 7 において、 参照符号 2 1 は 中心波長 λ と一致する波長の光線 （実線） 、 参照符号 2 2 は 中心波長； に対して ± 0 . 0 5 n mだけ波長のずれた光線（ 1 点鎖線）、 参照符号 2 3 は中心波長； L に対して ± 0 . 1 n mだ け波長のずれた光線 （破線） 、 参照符号 2 4 は中心波長 に 対して ± 0 . 1 5 n mだけ波長のずれた光線 （ 2点鎖線） 、 参照符号 2 5 は中心波長 に対して ± 0 . 2 n mだけ波長の ずれた光線 （鎖線） 、 そ して参照符号 2 6 は中心波長； L に対 して ± 0 . 2 5 n mだけ波長のずれた光線 （ 3 点鎖線） に、 そ れぞれ対応している。 この
図 7 を参照する と、 中心波長； I と一致する波長の光線 2 1 が形成する光強度パター ンは、 図 4 に示す逆ピークパターン 部および中間部の光強度分布に対応している。 しかしなが ら 波長が中心波長 から離れるに従って、 ある程度の範囲まで は、 逆ピーク パターン部の最小値が増大する も のの、 逆ピー クパターン部から中間部にかけて光強度が急激に低下する度 合が減少するパターン （逆ピークパターン部の両側に位置す る正ピークノ ター ンの高さが低く なる） となる。 そ して、 波 長が一定の距離以上離れた光線、 即ち、 波長が中心波長； I か ら ± 0 . 1 5 n m以上離れた光線 2 4 ~ 2 6 では、 逆ピーク パターン部から中間部にかけて光強度が低下しなく な り （正 ピークパターンが生じなく な り ） 、 中間部における光強度の うねり はほと んど存在しなく なる。
上述 したよ う に、 各波長の光線が形成する各光強度パター ン （即ち、 図 7 に示す各光強度パターン） を重ね合わせる こ とによって、 被処理基板 4 の表面 4 a に最終的に形成される 光強度分布が得られる。 こ う して、 本実施形態の数値例では. 図 8 に示すよ う に、 逆ピークパターン部 R間の中間部 Mにお いて光強度の う ねり がな く 、 しかも中間部の中央に向かって 僅かに光強度が実質的に単調増加する正ピークパターン （山 形のパターン） を有する光強度パターン分布の強度の光が、 被処理基板 4の表面 4 a に照射される。
従って、 中間部 Mにおいて結晶核が発生する こ と な く 、 逆 ピーク パタ ーン部の光強度分布において傾斜の大きい位置
(即ち、 強度が一定値以下の位置） に結晶核を発生させる こ とができ る。 また、 逆ピークパターン部 R と 中間部 Mとの境 界において光強度が減少する部分がなく （正ピークパターン L が生じない）、 しかも中間部 Mの中央に向かって僅かに光強度 が単調増加 しているので、 結晶核から周囲に向かって開始し たラテラル成長が逆ピークパター ン部の幅の範囲に限定され る こ とがない。 こ う して、 本実施形態では、 所望の位置に結 晶核を発生させる こ とができ る と と もに、 結晶核からの十分 なラテラル方向の成長を実現して大粒径の結晶化半導体膜を 生成するこ とができ る。
以下、 中間部 Mの中央に向かって僅かだ光強度が単調増加 するパター ンの光強度分布を得るための条件式について説明 する。 結像光学系 3 の色収差によ り 、 発生する縦収差が最大 値 Dの と き に形成される逆ピークパター ン部の幅 Wは、 いわ ゆる Becke 線の回折パターンを求める方法と して一般に理解 されている理論よ り 、 次の式 （ 1 ) で表される。 こ こ で、 は、 光源 2 a が供給する レーザ光の中心波長である。
W = 2 X 1 .2 ( λ · D / 2 ) 1 / 2 ( 1 )
上述の数値例における計算経過から考える と、 中間部 Μの 中央に向かって僅かに光強度が単調増加するパター ン光強度 分布を得るためには、 各逆ピークパター ン部の幅 Wが逆ピー クパター ン部のピッチ X (図 8 を参照） と同程度である こ と が望ま しい。 具体的には、 図 7 において光線 2 4 に対応する 光強度パター ンが こ の条件に近い。 さ ら に、 逆ピークパター ン部の幅 Wが逆ピークパター ン部のピッチ X にある程度近け れば十分効果がある こ と を考える と、 逆ピークの幅 Wと逆ピ ークパターン部のピッチ X との間に次の式 （ 2 ) が成立する こ とが望ま しい。
0 . 5 X X≤W≤ 2 X X ( 2 ) 前記逆ピークパターン部のピッチ X と位相シフ トマスク 1 の位相シフ ト部のピッチ P との関係は、 結像光学系 3 の結像 倍率に依存する。 本数値例の場合には結像光学系 3 が等倍で あるため逆ピークパターン部のピッチ Xは、 位相シフ ト部の ピッチ P と一致する。 こ う して、 式 （ 1 ) の関係を式 （ 2 ) に代入する と 、 次の式 ( 3 ) に示す条件が、 ひいて は式 ( 4 ) に示す条件が導かれる。
0 . 2 5 X 2 / ( 2 X 1 . 4 4 え） ≤ D
≤ 4 X 2 / ( 2 X 1 .4 4 又） ( 3 )
0 . 8 7 ≤ Ό ■ λ / X 2≤ 1 . 3 8 9 ( 4 )
こ こで、 数値例における具体的な値と して、 X = 1 0 m およびえ = 0 , 2 4 8 5 5 i iaを条件式 （ 4 ) に代入する と 結像光学系 3 の色収差によ り発生する縦収差の最大値 Dにつ いて次の条件式 （ 5 ) が得られる。
3 5 i m≤ D ≤ 5 6 0 M m ( 5 )
表 1 を再び参照する と 、 縦収差の最大値 D と して最大波長 または最小波長に対応する縦収差量 9 7 z mを用いても、 半 値幅に対応する縦収差量 5 8 ； mを用いても条件式 （ 5 ) が 満たされている こ と がわかる。 表 1 を参照して前述したよ う に、 色収差のある結像光学系 3 では、 中心波長； L からの波長 のずれ量とデフォーカス量 （縦収差量） との間に線形関係が ある。 即ち、 半値幅に対応する縦収差の最大値 D を次の式 ( 6 ) で表わすこ とができる。
D = k X Δ 1 ( 6 )
こ こで、 △ λ は、 光源 2 a が供給する レーザ光の強度分布 の半値半幅である。 k は、 中心波長 からの波長のずれ量に 対するデフォーカ ス量の割合を示す係数である。 したがって . 式 （ 6 ) の関係 を参照 して、 条件式 （ 4 ) を次の条件式 ( 7 ) に示すよ う に変形する こ とができる。
0 . 0 8 7 ≤ k · Δ λ - λ / X 2 ≤ 1 . 3 8 9 ( 7 ) このよ う に、 本実施形態において、 中間部の中央に向かつ て僅かに光強度が単調増加するパターン光強度分布を得るた めには、 条件式 （ 4 ) または条件式 （ 7 ) を満足する こ とが 望ま しい。 上述の実施形態では、 K r Fエキシマ レーザ光源 2 a が全体的にガウス型の強度分布を有する レーザ光を供給 しているが、 K r Fエキシマ レーザ光源 2 a が互いに異なる 複数の所定波長において最大強度を有する光を供給する変形 例も可能である。 以下、 上述の実施形態と の相違点に着目 し て、 この変形例を説明する。
図 9 A並びに 9 Bは、 本実施形態の変形例において広帯域 波長の レーザ光を複数の異なる波長の光に変換する、 異なる エタ ロ ンの構成および作用を説明する図である。 図 9 Aに示 すエタ ロ ンは、 空気ギャ ップ型のエタ ロ ンであ り 、 図 9 B に 示すエタ ロ ンはソ リ ッ ド型である。 また、 図 1 O A並びに 1 0 B は、 本実施形態の変形例における光源の発振波長分布お よび複数の波長光が形成する点像の様子を示す図である。 図 9 Aに示すエタ ロ ン 2 8 は、 1 所定の空隙 t を介して配置さ れた一対の平行平面板 2 8 a 、 2 8 b によ り 構成されている これら平行平面板 2 8 a , 2 8 b は、 透明なガラスによ り 形 成されている。 このよ う な構成のエタ ロ ン 2 8 においては、 第 1 の平面板 2 8 a を透過した光線、 例えば、 レーザ光線は- 第 2 の平面板 2 8 b の入射面に入射並びに/も しく は反射し て、 この第 2 の平面板 2 8 b力ゝら、 最終的には互いに波長の 異なる複数の光成分を有する光と なって射出される。 この場 合広帯域波長の入射レーザ光に基づいてエタ ロ ン 2 8 によ り 形成される複数 （本変形例では 4つ） の離散的な波長光のピ ーク間隔 δ λ は、 次の式 （ 8 ) で表わされる。
δ λ = λ 2 / ( 2 t c o s 6 ) ( 8 )
こ こで、 λ は、 光源 2 a が本来的に供給する広帯域波長の レーザ光の中心波長であって、 本変形例では 2 4 8 . 5 n m である。 また、 0 はエタ ロ ンに対する レーザ光の入射角度で 0度である。 したがって、 例えば、 ピーク間隔 δ λ = 0. 1 3 3 n mを得るには、 所定の空隙を t = 2 3 1 /x mに設定する 必要がある。 換言すれば、 空隙 t が 2 3 1 μ mに設定された エタ ロ ン 2 8 の作用によ り 、 光源 2 a から供給された広帯域 波長のレーザ光に基づいて、 図 1 0 Aに示すよ う な互いに同 じピーク形状の強度分有を有する 4つの ピーク波長を有する 光線を得るこ とができる。
こ こで、 4 つの ピーク波長を有する光線は、 中心波長が 2 4 8 . 3 1 111の第 1波長光成分 1 と、 中心波長力 S 2 4 8 .4 3 3 11 111の第 2波長光成分 8 1 と 、 中心波長;^ 2 4 8 . 5 6 6 n mの第 3波長光成分 B 2 と 、 中心波長が 2 4 8 . 7 n m の第 4波長光成分 A 2 と からなる。 この場合、 図 1 0 B に示 すよ う に、 第 1 波長光成分 A 1 は、 被処理基板 4 の表面 4 a よ り も上方 （結像光学系 3側） に結像光学系 3 の色収差に起 因 してデフォーカス した点像 C 1 を形成する。 また、 第 2波 長光成分 B 1 は、 被処理基板 4 の表面 4 a と点像 C 1 と の間 に、 デフォーカス した点像 D 1 を形成する。 同様に、 第 3波 長光成分 B 2 は、 被処理基板の表面 4 a に関して点像 D 1 と 対称な位置に、 デフォーカス した点像 D 2 を形成する。 また . 第 4波長光成分 A 2 は、 被処理基板 4 の表面 4 a に関 して点 像 C 1 と対称な位置に、 デフォーカス した点像 C 2 を形成す る。 これら点像 （ C 1 , D 1， D 2， C 2 ) は、 その間隔が 互いに同 じであ り 、 図 6 において光軸方向に沿って細長く 延 びる よ う にピンボケ した像を示す楕円形状の斜線部に対応す る楕円領域 （図中破線で示す） 内に包含されている。
したがって、 本変形例においても、 被処理基板 4 の表面 4 a に最終的に形成される光強度分布は、 各波長光成分 （ A 1 B 1 , B 2 , A 2 ) が形成する各光強度パターンを重ね合わ せた （合成した） ものになる。
上記空気ギャ ップ型のエタ ロ ンと同様の効果は、 他の形式 のエタロ ン、 例えば、 図 9 B に示すよ う に、 厚さ t の透明平 行基板 2 9 の両面に反射膜 2 9 a が形成されたソ リ ッ ド型の エタ ロ ンでも得られるこ と は理解できるであろ う。
図 1 1 は、 上記 4 つの波長光成分 （A l , B 1 , B 2 , A 2 ) が被処理基板上に形成する各光強度パターンを示す図で ある。
図 1 1 を参照する と、 中心波長； に比較的近い波長を有す る第 2波長光成分 B 1 およぴ第 3波長光成分 B 2が形成する 光強度パターンでは、 逆ピークパターン部から中間部にかけ て光強度がある程度低下する傾向が見られる。 これに対し、 中心波長； I から離れた第 1波長光成分 A 1 および第 4波長光 成分 A 2が形成する光強度パターンでは、 逆ピークパターン 部の最小値が増大するものの、 逆ピークパターン部から中間 部にかけて光強度が低下 しなく な り 中間部における光強度の う ねり も存在しなく なる。
図 1 2 は、 図 1 1 に示す光成分が合成された被処理基板 4 上に最終的に形成される光強度分布を示す図である。
図 1 2 に示すよ う に、 逆ピークパターン部 R間の中間部 M において光強度の う ねり がなく 、 しかも中間部 Mの中央に向 かっ て光強度が単調増加する光強度分布が、 被処理基板 4 の 表面 4 a に最終的に形成される。 したがって、 中間部 Mにお いて結晶核が発生する こ と なく 、 逆ピークパターン部 Rの光 強度分布において傾斜の大きい位置に結晶核を発生させる こ とができ る。 また、 中間部 Mの中央に向かって上述の実施形 態よ り も明確に光強度が単調増加しているので、 結晶核から 周囲に向かって開始 したラテラル方向の結晶成長が逆ピーク パターン部の幅寸法の範囲に限定される こ と な く 、 中間部の ほぼ中央まで達し易い。
こ う して、 本変形例においても上述の実施形態と 同様に、 所望の位置に結晶核を発生させる こ と ができ る と と もに、 結 晶核からの十分なラテラル方向の結晶成長を実現して大粒径 の結晶化半導体膜を生成する こ と が出いる。 なお、 本変形例 では、 各波長光のピーク形状おょぴ数な どに関する設計自 由 度が上述の実施形態よ り も高いので、 中間部の中央に向かつ て光強度が明確に単調増加する光強度分布を達成する こ と が 上述の実施形態よ り も容易である。
上述の変形例では、 エタ ロ ンを用いて広帯域波長の レーザ 光を複数の波長光に変換している。 しかしながら、 これに限 定される こ とな く 、 例えば、 発振波長のわずかに異なる複数 の レーザビームを合成する こ と によ り 、 一般的には互いに異 なる 中心波長の光を供給する複数の光源部と、 複数の光源部 から供給された複数のレーザ光を合成する合成部と を利用す る こ と によ り 、 所望の複数の波長光を得る こ とができ る。 代 わって、 特定波長の光のみを反射する多層膜ミ ラーを、 広帯 域波長の レーザ光の照明光路中に揷入する こ と によ り 、 所望 の複数の波長光を得る こ とができ る。 この場合、 図 7 から明 らかな様に、 強度分布の う ねり に一番寄与する中心波長のみ を除去するだけでも大きな改善が得られる。
上述の実施形態では、 0 および πの位相に対応する 2種類 のス リ ッ ト形状の位相領域の一次元的な配列によって構成さ れた位相シフ トマス ク 1 を用いている。 し力 しな力 S ら、 これ に限定される こ と な く 、 0、 π / 2、 π 、 3 π Ζ 2 の位相に 対応する 4つの矩形状の領域の二次元的な配列によって構成 された位相シフ ト マス ク を用いる こ と もでき る。 また、 一般 的に、 3 以上の位相シフ ト線からなる交点 （位相シフ ト部） を有し、 こ の交点を中心とする 円形領域の複素透過率の積分 値がほぼ 0 である よ う な位相シフ ト マス ク を用レヽる こ とがで きる。 さ らに、 位相シフ ト部に対応する円形状の段差を有し. この円形状の段差部分の透過光と その周囲の透過光と の位相 差が π になる よ う に設定された位相シフ トマス ク を用いる こ と もでき る。 なお、 光強度分布は設計の段階でも計算でき る が、 実際の被処理面 （被露光面） での光強度分布を観察して 確認しておく こ とが望ま しい。 そのためには、 被処理面を光 学系で拡大 し、 C C Dなどの撮像素子で入力すれば良い。 使 用光が紫外線の場合は、 光学系が制約を受けるため、 被処理 面に蛍光板を設けて可視光に変換しても良い。
次に、 図 1 3 Aないし図 1 3 E を参照して、 本発明の製造 装置 · 方法を用いて電子装置を製造する方法を説明する。
図 1 3 Αに示すよ う に、 矩形の絶縁基板 3 0 (例えば、 ァ ルカ リ ガラ ス、 石英ガラス、 プラスチック 、 ポ リ イ ミ ドな ど） の上に全体に渡って、 下地膜 3 1 (例えば、 膜厚 5 0 η mの S i N膜と膜厚 1 0 O n mの S i 0 2膜との積層膜など） と非晶質半導体膜 3 2 (例えば膜厚 5 O n mから 2 0 0 n m 程度の S i ， G e， S i G e など） を化学気相成長法ゃス'パ ッタ法な どを用いて成膜する。 次に、 非晶質半導体膜 3 2 の 表面の一部も しく は全面にエキシマ レーザ 3 3 (例えば， K ？ゃ 6 。 1 な ど） を照射する。 こ こで、 エキシマ レーザ 照射には前記実施の形態で説明 した装置並びに方法が使用 さ れる。 この結果、 非晶質半導体膜 3 2 は、 図 1 3 Bに示され る よ う に、 多結晶半導体膜 3 4へと、 物質が結晶化される。 この よ う に して形成された多結晶半導体膜 3 4 は、 従来製造 装置を用いた多結晶半導体膜に比べて、 結晶粒位置が， 制御 された大粒径の多結晶も しく は単結晶化半導体膜に変換され る。 次に、 フォ ト リ ソグラ フィ を用いて、 単結晶化半導体膜 3 4 を島状の半導体膜 3 5 に加工し、 図 1 3 C に示すよ う に、 ゲー ト絶縁膜 3 6 と して、 膜厚 2 O n mない し 1 0 0 n mの S i 0 2膜を化学気相成長法ゃスパッタ法などを用いて、 下地 膜 3 1 並びに半導体膜 3 5上に成膜する。
次に、 前記グー ト膜 3 6 上の前記半導体膜 3 5 と対応する 個所にゲー ト電極 3 7 (例えば， シ リ サイ ドや M o Wなど） を形成する。 このゲー ト電極 3 7 をマスク に して、 図 1 3 D に示すよ う に、 不純物イ オン 3 8 ( Nチャネル ト ランジス タ であればリ ン、 P チャネル ト ラ ンジス タであればホウ素） を 前記半導体膜 3 5 中に注入 し、 この膜を N型も しく は P型に する。 その後、 この装置全体を窒素雰囲気でァニール （例え ば、 4 5 0 °Cで 1 時間） して、 半導体膜 3 5 中の不純物を活 性化する。 この結果、 この半導体膜 3 5 は、 不純物濃度の高 いソース 4 1 と、 ドレイ ン 4 2 と、 これらの間に位置 し、 ゲ ー ト電極 3 7 と対応 した、 不純物濃度の低いチャ ンネル領域 4 0 と なる。
次に、 層間絶縁膜 3 9 をゲー ト膜 3 6 上に成膜する。 そ し て、 こ の層間絶縁膜 3 9 と ゲー ト膜 3 6 の、 前記ソース 4 1 並びに ドレイ ン 4 2 と対応する個所にコ ンタ ク ト穴をあける この後にソース 4 1 並びに ドレイ ン 4 2 にコ ンタク ト穴を介 して電気的に接続されたソース電極 4 3 、 ドレイ ン電極 4 4 を、 成膜並びにパターンニング技術を使用 して層間絶縁膜 3
9 上に、 図 1 3 E に示すよ う に、 形成する。 このよ う に して 形成された薄膜 ト ラ ンジス タは、 チャネル 4 0領域を形成し ている半導体が、 図 1 3 A並びに 1 3 Bで説明 したレーザ光 照射技術によ り 処理されているので、 大粒径の多結晶も しく は単結晶と なっている こ と は、 理解でき ょ う。 従って、 こ の よ う な ト ラ ンジス タは、 レーザ光処理されないアモルフ ァ ス 半導体を使用 したもの と比較してスィ ツチング速度が速い。 多結晶も し く は単結晶化 ト ラ ンジスタ は、 液晶駆動機能、 メ モ リ （ S R A M , D R A M ) や C P Uな どの集積回路の機能 を有する よ う 回路設計が可能である。 耐電圧が必要な回路は. 非晶質半導体膜に形成 し、 移動度の高速化が必要な、 例えば. ドライパー回路の ト ラ ンジスタ な どには、 多結晶も しく は単 結晶化される。
産業上の利用可能性
以上説明 したよ う に、 本発明では、 所定の波長範囲に亘る 光を供給する光源と こ の波長範囲に応 じた収差を有する結像 光学系 との協働作用によ り 、 逆ピークパターン部と 中間部と の境界において光強度が減少する部分がなく 、 しかも中間部 の中央に向かって光強度が単調増加する逆ピークパターン光 強度分布が、 被処理基板上形成される。 その結果、 所望の位 置に結晶核を発生させる こ とができ る と と もに、 結晶核から の十分なラテラル成長を実現して大粒径の結晶化半導体膜を 生成するこ とができる。
上記説明では、 結晶化される被処理体を被処理基板と して いるが、 被処理体は、 実施の形態で説明 したよ う に、 基板上 に形成された非晶質や多結晶の層も し く は膜である こ とが理 解でき ょ う 。 尚、 基板自 体を結晶化する場合も本発明では含 まれ、 この場合には、 基板が被処理体となる。 結晶化される 材料も、 シ リ コ ンに限定される も のではなく 、 例えば、 G e や S i G e など、 他の半導体でも良く 、 さ らに、 結晶性を有 する こ とのでき る材料であれば、 半導体に限定される こ と は なく 、 例えば金属でも良い。 こ の発明で、 結晶化と は、 結晶 度を良く する こ と を言い、 例えば、 非晶質の物質の場合には 多結晶の物質も しく は単結晶の物質に、 また、 多結晶の物質 の場合には単結晶の物質へと変換する こ と を言 う。
本発明で、 位相シフ ト マス ク の位相シフ ト部と は、 異なる 位相領域間の境界線も しく は点に限定される ものではなく 、 これら線も しく は点の近く の部分も含まれる。 例えば、 位相 シフ トマス ク の境界線に沿って延びる る遮光領域を隣り 合う 位相領域の一方に設けた場合には、 位相シフ ト部は、 遮光領 域と なる。 即ち、 こ の遮光領域に対応した、 最小強度のピー ク値を有する逆ピークパターン部が形成される。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 少な く と も 2 つの位相シフ ト部を有する位相シフ ト マス ク と 、
この位相シフ トマスク を照明する所定の波長範囲の光を射 出する照明系と、
前記位相シフ ト マス ク と被処理体と の間の光路中に配置さ れた結像光学系 と を具備 し、 前記位相シフ ト マ ス ク は、 これ の位相シフ ト部に対応する部分において光強度の最も小さい ピーク値を有する逆ピークパターン部を有する光強度分布を 有する よ う に前記照明系からの光の強度パターンを変換して 前記被処理体に照射して被処理体を結晶化する結晶化装置で あって、
前記結像光学系の共役位置に、 前記位相シフ ト マス ク と前 記被処理体とが配置され、
前記結像光学系は、 前記逆ピークパターン部間の中間部に おいて強度の う ね り のない波形パターンの光強度分布を前記 被処理体上に形成する よ う な前記所定の波長範囲に応じた収 差を有する結晶化装置。
2 . 前記所定の波長範囲に応じた収差は、 異なる波長の光 成分に対してほぼ光軸方向に異なる よ う な色収差である請求 項 1 の結晶化装置。
3 . 前記照明系は、 全体的にガウス型の波長一強度分布を 有する光を供給する光源を有する請求項 1 も しく は 2 の結晶 化装置。
4 . 前記照明系は、 互いに異なる複数の所定波長におい て最大強度を有する光を供給する光源を有する請求項 1 の結 晶化装置。
5 . 前記複数の所定波長は、 前記所定の波長範囲におい てほぼ等間隔に配置されている請求項 4の結晶化装置。
6 . 前記光源は、 前記複数の所定波長の間隔に応じた反 射面間隔を有するエタ 口 ンを備えている請求項 4 または 5 の 結晶化装置。
7 . 前記光源は、 前記複数の所定波長に応じて互いに異 なる 中心波長の光を供給する複数の光源部と 、 これら複数の 光源部から供給される複数の光を合成する合成部と を有する 請求項 4 または 5 の結晶化装置。
8 . 前記光源が供給する光に基づいて前記収差によ り 発 生する縦収差の最大値を D と し、 前記光源が供給する光の中 心波長を λ と し、 前記被処理体上に形成される前記逆ピーク パターン部のピッチを X とする と き、
0 8 7 ≤ D - / X 2≤ 1 . 3 8 9
の条件を満足する請求項 2項の結晶化装置。
9 . 前記光源が供給する光の中心波長を え と し、 前記光 源が供給する光の強度分布の半値半幅を Δ え と し、 前記中心 波長 ； L かう の波長のずれ量に対するデフォーカス量の割合を 示す係数を k と し、 前記被処理体上に形成される前記逆ピー クパターン部のピッチを Xとする とき、
0 . 0 8 7 ≤ k ■ Δ λ - λ X 2≤ 1 . 3 8 9
の条件を満足する請求項 2の結晶化装置。
1 0 . 所定の範囲の波長の光を射出する光源と、 少なく と も 2つの位相シフ ト部を有し、 前記光源からの光 を照明少な く と も 2 つの位相シフ ト部を有し、 これら位相シ フ ト部に対応する点において光強度の最も小さい逆ピークパ ター ン部を有する光強度分布を有する よ う に前記光源からの 光の強度パターンを変換して被処理体に照射させて被処理体 を結晶化する位相シフ トマス ク と、
前記被処理体に照射される光が波長の異なる複数の光成分 を有する よ う に、 前記所定の範囲の波長の光を変更 し、 前記 逆ピークパターン部間の中間部において強度の う ねり のない 波形パター ンの光強度分布を前記被処理体上に形成させる手 段と を具備する結晶化装置。
1 1 . 前記手段は、 前記位相シフ トマスク と共同 して、 前記波形パターンの中間部が、 前記被処理体上で、 山形の光 強度分布を有する よ う に設定する請求項 1 0 の結晶化装置。
1 2 . 前記手段は、 前記光源と位相シフ トマスク と の間に 設けられ、 光源から前記所定の範囲の波長の光を波長の異な る複数の光成分を有する よ う に変更して位相シフ トマス ク に 入射させる光学手段を有する請求項 1 0 も し く は 1 1 の結晶 化装置。
1 3 . 前記手段は、 前記位相シフ トマスク と被処理体と の 間に設け られ、 位相シフ トマス ク か ら の逆ピークパターン部 を有する光を波長の異なる複数の光成分を有する よ う に変更 して被処理体に入射させる光学手段を有する請求項 9 の結晶 化装置。
1 4 . 位相シフ ト マ ス ク を照明 し、 前記位相シフ ト マス ク の少な く と も 2つの位相シフ ト部に対応する部分において 光強度の最も小さい逆ピークパター ン部の光強度分布を有す る光を被処理体に照射して被処理体を結晶化する結晶化方法 であって、
前記位相シフ トマスク を所定の波長範囲に亘る光で照明 し、 前記位相シフ トマス ク と前記被処理体と を光学的に共役に 配置 し且つ前記所定の波長範囲に応じた収差を有する結像光 学系を介して、 逆ピークパター ン部間の中間部において強度 の う ねり のない光強度分布を前記被処理体に形成する、 結晶 化方法。
1 5 . 前記中間部は、 山形の強度分布を有する請求項 1 3 の結晶化方法。
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