JP2006049480A - 結晶化装置、結晶化方法、および位相変調素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 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のできる結晶化装置。
【解決手段】 所定の周期で配置されて互いに同じパターンを有する複数の単位領域からなる位相変調素子（１）と、該位相変調素子を介した光束を２つの非干渉性の光束に分割するための光束分割素子（２）と、位相変調素子と非単結晶半導体膜との間に配置された結像光学系（４）とを備えている。位相変調素子の単位領域は、基準面と、中心近傍に配置されて基準面に対して第１位相差を有する第１位相領域と、その近傍に配置されて基準面に対して第１位相差とは絶対値が等しく且つ符号の異なる第２位相差を有する第２位相領域とを有する。隣り合う２つの単位領域の間では、基準面は互いに同じ位相差を有し、第１位相領域および第２位相領域は基準面に対して互いに反転した位相差を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、結晶化装置、結晶化方法、および位相変調素子に関し、特に所定の光強度分布を有する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結晶化装置に関するものである。

従来、たとえば液晶表示装置（Liquid-Crystal-Display:ＬＣＤ）の画素に印加する電圧を制御するスイッチング素子などに用いられる薄膜トランジスタ（Thin-Film-Transistor：ＴＦＴ）は、非晶質シリコン（amorphous-Silicon）層や多結晶シリコン（poly-Silicon）層に形成されている。

多結晶シリコン層は、非晶質シリコン層よりも電子又は正孔の移動度が高い。したがって、多結晶シリコン層にトランジスタを形成した場合、非晶質シリコン層に形成する場合よりも、スイッチング速度が速くなり、ひいてはディスプレイの応答が速くなる。また、周辺ＬＳＩを薄膜トランジスタで構成することが可能になる。さらに、他の部品の設計マージンを減らせるなどの利点がある。また、ドライバ回路やＤＡＣなどの周辺回路は、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又は正孔の移動度が低い。また、多結晶シリコンに形成された多数の薄膜トランジスタは、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、電子又は正孔の移動度を向上させ且つチャネル部における結晶粒界数のバラツキを少なくするために、大粒径の結晶化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タにエキシマレーザ光を照射して結晶化半導体膜を生成する「位相変調ＥＬＡ（Excimer Laser Annealing）法」が知られている。位相変調ＥＬＡ法の詳細は、たとえば非特許文献１に開示されている。

位相変調ＥＬＡ法では、位相シフタの位相シフト部に対応する点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に温度勾配が生じ、光強度がほぼ０の点に対応して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（以降、「ラテラル成長」もしくは「ラテラル方向成長」とよぶ）することにより大粒径の単結晶粒が生成される。

従来、特許文献１には、位相シフトマスク（位相シフタ）を介して発生させた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を行う技術が開示されている。また、非特許文献２には、位相シフタと光吸収分布とを組み合わせて発生させた凹型パターン＋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を行う技術が開示されている（関連する記載を参照）。

特開２０００−３０６８５９号公報 表面科学Vol.21、 No.5、 pp.278-287、 2000 井上、中田、松村、「シリコン薄膜の振幅・位相制御エキシマレーザ溶融再結晶化法−新しい２−Ｄ位置制御大結晶粒形成法−」，電子情報通信学会論文誌，社団法人電子情報通信学会，Vol.J85-C， No.8， pp.624-629， 2002年8月

特許文献１に開示されているように位相シフタを用いて逆ピークパターンの光強度分布を形成する従来技術では、位相シフト部に対応する部分に逆ピークパターンの光強度分布が形成される。しかしながら、光強度が直線状に増大しないため、結晶の成長が途中で終了し易い。また、逆ピークパターンの光強度分布の周辺に余分な凹凸分布が発生するため、逆ピークパターンの光強度分布をアレイ化して結晶粒をアレイ状に生成することができない。

なお、位相シフタに対する照明光の角度分布を調節したり、位相シフタの配置位置を設計したりすることにより、得られる光強度分布を理想的な分布に近づけることは可能かもしれない。しかしながら、その設計を解析的に見通しをもって行うことはできないし、例え解析的な設計が実現可能だとしてもかなり複雑な設計条件になることが予想される。

一方、非特許文献２に開示されているように位相シフタと光吸収分布とを組み合わせる従来技術では、結晶化するための凹型パターン＋逆ピークパターンの光強度分布を得ることができる。しかしながら、ラテラル方向に大粒径の結晶を成長させることは困難である。連続的に変化する光吸収分布を有する膜を成膜することは一般に困難である。また、特に結晶化のための強度の非常に大きい光は、被結晶化膜を照射したとき光吸収による熱や化学変化により光吸収分布を有する膜の膜材料の劣化を生じ易いので望ましくない。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、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のできる結晶化装置および結晶化方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、非単結晶半導体膜に所定の光強度分布を有する光束を照射して結晶化する結晶化装置であって、
所定の周期で配置されて互いにほぼ同じパターンを有する複数の単位領域からなる位相変調素子と、該位相変調素子を介した光束を２つの非干渉性の光束に分割するための光束分割素子と、前記位相変調素子と前記非単結晶半導体膜との間に配置された結像光学系とを備え、
前記位相変調素子の前記単位領域は、一定の位相を有する基準面と、前記単位領域の中心近傍に配置されて前記基準面に対して第１位相差を有する第１位相領域と、該第１位相領域の近傍に配置されて前記基準面に対して前記第１位相差とは絶対値がほぼ等しく且つ符号の異なる第２位相差を有する第２位相領域とを有し、
隣り合う２つの単位領域の間では、前記基準面は互いにほぼ同じ位相差を有し、前記第１位相領域は前記基準面に対して互いにほぼ反転した位相差を有し、前記第２位相領域は前記基準面に対して互いにほぼ反転した位相差を有することを特徴とする結晶化装置を提供する。

本発明の第２形態では、所定の光強度分布を有する光束の照射により非単結晶半導体膜を溶融し、該非単結晶半導体膜の溶融部が凝固する過程で単一の成長性の結晶核を周期的に発生させ、前記成長性の結晶核を中心として放射状に結晶成長させて結晶粒アレイ膜を形成する結晶化装置であって、
前記所定の光強度分布は、所定の周期で配列されて互いにほぼ同じ二次元的な分布を有する複数の単位分布領域を有し、
前記単位分布領域は、その中心近傍において光強度の最も小さい領域から周囲に向かって放射状に光強度が急激に増大する逆ピーク状の分布と、該逆ピーク状の分布から周囲に向かって放射状に緩やかに光強度が増大する傾斜状分布とを有することを特徴とする結晶化装置を提供する。

本発明の第３形態では、所定の光強度分布を有する光束の照射により非単結晶半導体膜を溶融し、該非単結晶半導体膜の溶融部が凝固する過程で単一の成長性の結晶核を周期的に発生させ、前記成長性の結晶核を中心として放射状に結晶成長させて結晶粒アレイ膜を形成する結晶化方法であって、
前記所定の光強度分布は、所定の周期で配列されて互いにほぼ同じ二次元的な分布を有する複数の単位分布領域を有し、
前記単位分布領域は、その中心近傍において光強度の最も小さい領域から周囲に向かって放射状に光強度が急激に増大する逆ピーク状の分布と、該逆ピーク状の分布から周囲に向かって放射状に緩やかに光強度が増大する傾斜状分布とを有することを特徴とする結晶化方法を提供する。

本発明の第４形態では、第１形態または第２形態の結晶化装置あるいは第３形態の結晶化方法により結晶化された、デバイスを作製するための基板上の半導体膜であって、
前記半導体膜の結晶組織が４μｍ乃至２０μｍの周期的な間隔で配列された結晶粒からなり、且つ該結晶粒の内部に双晶粒界のみを含むことを特徴とする半導体膜を提供する。

本発明の第５形態では、絶縁基板上に形成された半導体膜と、該半導体膜の一面に重ねられたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜を介して前記半導体膜に重ねられたゲート電極とを含む積層構成を有するトップゲート型の薄膜トランジスタであって、
前記半導体膜の結晶組織が４μｍ乃至２０μｍの周期的な間隔で配列された結晶粒からなり、且つ該結晶粒の内部に双晶粒界のみを含むことを特徴とする薄膜トランジスタを提供する。

本発明の第６形態では、絶縁基板上に形成されたゲート電極と、該ゲート電極の一面に重ねられたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極を覆うように重ねられた半導体膜とを含む積層構成を有するボトムゲート型の薄膜トランジスタであって、
前記半導体膜の結晶組織が４μｍ乃至２０μｍの周期的な間隔で配列された結晶粒からなり、且つ該結晶粒の内部に双晶粒界のみを含むことを特徴とする薄膜トランジスタを提供する。

本発明の第７形態では、所定の間隙を介して互いに接合された一対の基板と、該一対の基板の間隙に保持された電気光学物質とを有し、前記一対の基板のうちの一方の基板には対向電極が形成され、前記一対の基板のうちの他方の基板には画素電極および該画素電極を駆動するための薄膜トランジスタが形成され、前記薄膜トランジスタは半導体膜と該半導体膜の一面にゲート絶縁膜を介して重ねられたゲート電極とにより形成されている表示装置であって、
前記半導体膜の結晶組織が４μｍ乃至２０μｍの周期的な間隔で配列された結晶粒からなり、且つ該結晶粒の内部に双晶粒界のみを含むことを特徴とする表示装置を提供する。

本発明の第８形態では、所定の周期で配置されて互いにほぼ同じパターンを有する複数の単位領域からなる位相変調素子であって、
前記単位領域は、一定の位相を有する基準面と、前記単位領域の中心近傍に配置されて前記基準面に対して第１位相差を有する第１位相領域と、該第１位相領域の近傍に配置されて前記基準面に対して前記第１位相差とは絶対値がほぼ等しく且つ符号の異なる第２位相差を有する第２位相領域とを有し、
互いに隣り合う２つの単位領域の間において、前記基準面は互いにほぼ同じ位相を有し、前記第１位相領域は前記基準面に対して互いにほぼ反転した位相を有し、前記第２位相領域は前記基準面に対して互いにほぼ反転した位相を有することを特徴とする位相変調素子を提供する。

本発明によれば、１ショットのレーザアニールで位置制御された大粒径結晶粒アレイ組織の高品質な結晶質の半導体薄膜が得られる。本発明で得られた半導体膜を使った薄膜トランジスタは、従来のポリシリコン薄膜トランジスタよりも、移動度が高くしきい電圧のばらつきも小さい。本発明の薄膜トランジスタを液晶ディスプレイ、有機ＥＬ等の表示装置に適用すれば、周辺回路に高機能の演算素子等を形成することが可能になり、システム・オン・パネル化に向け、本発明の効果は大きい。また、位相変調素子と光束分割素子とを光路中に挿入するだけの方法なので、光学系が複雑にならず調整に時間がかからない。また、焦点深度が深いのでプロセスマージンが広くなり、量産にも適している。

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である。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、入射光束を位相変調して所定の光強度分布を有する光束を形成するための位相変調素子１と、入射光束を偏光状態の異なる非干渉性の２つの光束に分割するための光束分割素子２（本実施形態では複屈折素子２Ｅ）とを備えている。

なお、位相変調素子１は、その位相パターン面（段差を有する面）が光束分割素子２と対向するように、光束分割素子２と近接して配置されている。なお、位相変調素子１と光束分割素子２とを一体に構成してもよい。位相変調素子１および光束分割素子２の構成および作用については後述する。また、本実施形態の結晶化装置は、位相変調素子１を照明するための照明系３を備えている。

照明系３は、たとえば図２に示す光学系で２４８ｎｍの波長を有する光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源３ａを備えている。光源３ａとして、ＸｅＣｌエキシマレーザ光源やＹＡＧレーザ光源のような被結晶化処理体を溶融するエネルギー光線を出射する性能を有する他の適当な光源を用いることもできる。光源３ａから供給されたレーザ光は、ビームエキスパンダ３ｂを介して拡大された後、第１フライアイレンズ３ｃに入射する。こうして、第１フライアイレンズ３ｃの後側焦点面には複数の光源が形成され、これらの複数の光源からの光束は第１コンデンサー光学系３ｄを介して、第２フライアイレンズ３ｅの入射面を重畳的に照明する。

その結果、第２フライアイレンズ３ｅの後側焦点面には、第１フライアイレンズ３ｃの後側焦点面よりも多くの複数の光源が形成される。第２フライアイレンズ３ｅの後側焦点面に形成された複数の光源からの光束は、第２コンデンサー光学系３ｆおよび絞り３ｇを介して、位相変調素子１を重畳的に照明する。ここで、第１フライアイレンズ３ｃおよび第１コンデンサー光学系３ｄは、第１ホモジナイザを構成し、この第１ホモジナイザにより光源３ａから供給されたレーザ光について位相変調素子１上での入射角度に関する均一化が図られる。

また、第２フライアイレンズ３ｅおよび第２コンデンサー光学系３ｆは第２ホモジナイザを構成し、この第２ホモジナイザにより第１ホモジナイザからの入射角度が均一化されたレーザ光について位相変調素子１上での面内各位置での光強度に関する均一化が図られる。なお、第１フライアイレンズ３ｃまたは第２フライアイレンズ３ｅに代えて、一対のシリンドリカルフライアイレンズを用いることもできる。ここで、シリンドリカルフライアイレンズは、ある平面において屈折力を有し且つその平面と直交する平面において無屈折力の複数のシリンドリカルレンズ要素により構成されている。

こうして、照明系３は、ほぼ均一な光強度分布を有するレーザ光により位相変調素子１を照射する。位相変調素子１で位相変調されたレーザ光は、結像光学系４を介して、被処理基板５に入射する。ここで、結像光学系４は、位相変調素子１の位相パターン面と被処理基板５とを光学的に共役に配置している。換言すれば、被処理基板５は、位相変調素子１の位相パターン面と光学的に共役な面（結像光学系４の像面）に設定されている。結像光学系４は、正レンズ群４ａと正レンズ群４ｂとの間に開口絞り４ｃを備えている。

開口絞り４ｃは、開口部（光透過部）の大きさの異なる複数の開口絞りを有し、これらの複数の開口絞り４ｃは光路に対して交換可能に構成されていてもよい。あるいは、開口絞り４ｃは、開口部の大きさを連続的に変化させることのできる虹彩絞りを有していてもよい。いずれにしても、開口絞り４ｃの開口部の大きさ（ひいては結像光学系４の像側開口数ＮＡ）は、後述するように、被処理基板５の半導体膜上において所要の光強度分布を発生させるように設定されている。なお、結像光学系４は、屈折型の光学系であってもよいし、反射型の光学系であってもよいし、屈折反射型の光学系であってもよい。

また、被処理基板５は、基板上に、下層絶縁膜、半導体薄膜、上層絶縁膜の順に成膜することにより構成されている。すなわち、被処理基板５は、たと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（ＣＶＤ）により下地絶縁膜、非単結晶膜例えば非晶質シリコン膜およびキャップ膜が順次形成されたものである。下地絶縁膜およびキャップ膜は、絶縁膜例えばＳｉＯ₂である。下地絶縁膜は、非晶質シリコン膜とガラス基板が直接接触してＮａなどの異物が非晶質シリコン膜に混入するのを防止し、非晶質シリコン膜の溶融温度が直接ガラス基板に伝熱されるのを防止する。非晶質シリコン膜は、結晶化される半導体膜である。

キャップ膜は、非晶質シリコン膜が入射光を吸収して熱となりその一部が伝わることにより加熱され、この熱を蓄熱する。この蓄熱効果は、光ビームの入射が遮断されたとき、非晶質シリコン膜の被照射面において高温部が相対的に急速に降温するが、この降温勾配を緩和させ、大粒径の横方向の結晶成長を促進させる。被処理基板５は、真空チャックや静電チャックなどにより基板ステージ６上において予め定められた所定の位置に位置決めされて保持されている。

図３は、本実施形態の実施例１における位相変調素子の構成を概略的に示す図である。実施例１の位相変調素子１は、５μｍ角の結晶粒アレイ半導体薄膜を作製するための位相変調素子であり、所定の周期で二次元的に配置されて互いに同じパターンを有する複数の単位領域１ａにより構成されている。図３では、説明を簡単にするために、隣り合う２つの正方形状の単位領域１ａを示している。各単位領域１ａの一辺は、結像光学系４の像面における換算値で５μｍである。以下、位相変調素子１の寸法については、結像光学系４の像面における換算値で示す。

単位領域１ａは、一定の位相を有する基準面（図中空白の部分）１ａａと、単位領域１ａの中心近傍に配置された第１位相領域１ａｂおよび第２位相領域１ａｃと、第１位相領域１ａｂおよび第２位相領域１ａｃの周囲に配置された第１ドット領域１ａｄ，１ａｅおよび第２ドット領域１ａｆ，１ａｇとを備えている。ここで、第１位相領域１ａｂおよび第２位相領域１ａｃは、半径が１．１μｍの円を４等分して得られる扇形形状のパターンであり、その頂点同士が単位領域１ａの中心で接するように配置されている。

また、第１ドット領域１ａｄおよび第２ドット領域１ａｆは、一辺が０．５μｍの正方形ドットパターンであり、単位領域１ａの中心（第１位相領域１ａｂと第２位相領域１ａｃとの接点）から等しい距離だけ離れて配置されている。一方、第１ドット領域１ａｅおよび第２ドット領域１ａｇは、一辺が０．３μｍの正方形ドットパターンであり、単位領域１ａの中心から等しい距離だけ離れて配置され、且つ第１ドット領域１ａｄおよび第２ドット領域１ａｆよりも単位領域１ａの中心から離れた位置に配置されている。また、単位領域１ａは、対角線Ｂ−Ｂや対角線Ｃ−Ｃに関して対称なパターンを有する。

そして、図中左側の単位領域１ａでは、第１位相領域１ａｂおよび第１ドット領域１ａｄ，１ａｅが基準面１ａａに対して−６０度の位相（基準面１ａａでの位相（変調量）を０度と基準化したときの相対的な位相差）を有し、第２位相領域１ａｃおよび第２ドット領域１ａｆ，１ａｇが基準面１ａａに対して＋６０度の位相を有する。逆に、図中右側の単位領域１ａでは、第１位相領域１ａｂおよび第１ドット領域１ａｄ，１ａｅが基準面１ａａに対して＋６０度の位相を有し、第２位相領域１ａｃおよび第２ドット領域１ａｆ，１ａｇが基準面１ａａに対して−６０度の位相を有する。

すなわち、実施例１の位相変調素子１において隣り合う２つの単位領域１ａの間では、基準面１ａａは互いに同じ位相を有するが、第１位相領域１ａｂ、第２位相領域１ａｃ、第１ドット領域１ａｄ，１ａｅ、および第２ドット領域１ａｆ，１ａｇは基準面１ａａに対して互いに反転した位相（絶対値が等しく且つ符号の異なる位相）を有する。なお、第１ドット領域１ａｄ，１ａｅおよび第２ドット領域１ａｆ，１ａｇは、結像光学系４の点像分布範囲の半径よりも光学的に小さいドット形状を有する。

実施例１において、光束分割素子２が介在しない場合、結像光学系４の焦点位置（フォーカス位置）に位置決めされた被処理基板５の表面には、図４に示すような光強度分布が形成される。すなわち、位相変調素子１の単位領域１ａの中央を横断する線Ａ−Ａに対応する横断線に沿って図４（ａ）に示すような光強度分布が形成され、図中左側の単位領域１ａの図中右上がりの対角線Ｂ−Ｂに対応する斜線に沿って図４（ｂ）に示すような光強度分布が形成され、図中右側の単位領域１ａの図中左上がりの対角線Ｃ−Ｃに対応する斜線に沿って図４（ｃ）に示すような光強度分布が形成される。

なお、本実施形態の各実施例では、結像光学系４の像側開口数ＮＡが０．１３であり、照明シグマ値（照明系の開口数／結像光学系４の物体側開口数）が０．４３に設定されている。また、図４において、縦軸は光強度であってその最大値を１に規格化としたときの相対値を示し、横軸は単位領域１ａの中心に対応する点からの距離（μｍ）を示している。なお、以下の光強度分布の表記は、図４と同様である。図４（ａ）を参照すると、第１位相領域１ａｂと第２位相領域１ａｃとの接点（単位領域１ａの中心）に対応して光強度の最も小さいボトムピークが形成されることがわかる。

また、第１位相領域１ａｂおよび第２位相領域１ａｃの作用により、ボトムピークから周囲に向かって放射状に光強度が急激に増大する逆ピーク状の分布が形成される。また、第１ドット領域１ａｄ，１ａｅおよび第２ドット領域１ａｆ，１ａｇの作用により、逆ピーク状の分布から周囲に向かって放射状に緩やかに光強度が増大する傾斜状分布が形成される。なお、ドット領域１ａｄ，１ａｅ，１ａｆ，１ａｇの作用については、後述の実施例３において詳細に説明する。位相変調素子１の位相段差パターンは、例えば石英ガラス基板に所要の位相に対応する厚さ分布を形成することにより製造することができる。石英ガラス基板の厚さの変化は、選択エッチングやＦＩＢ（Focused Ion Beam）加工により形成することができる。

図５は、本実施形態の各実施例における光束分割素子の構成および作用を説明する図である。図５（ａ）を参照すると、本実施形態の光束分割素子２は、例えばその結晶光学軸２ａが光軸に対して所定の角度θをなすように設定された複屈折性の平行平面板からなる複屈折素子２Ｅである。複屈折素子２Ｅを形成する複屈折性の光学材料として、たとえば水晶、方解石、フッ化マグネシウムなどを用いることができる。

図５（ａ）に示すように、たとえばランダム偏光状態の光線Ｇが光軸と平行に複屈折素子２Ｅに入射すると、図５（ａ）の紙面に垂直な方向を偏光方向とする直線偏光状態の光線すなわち正常光線ｏ（黒丸で表示）は複屈折素子２Ｅの屈折作用を受けることなく直進して、光軸と平行に射出される。一方、図５（ａ）の紙面における水平方向を偏光方向とする直線偏光状態の光線すなわち異常光線ｅ（直線で表示）は、複屈折素子２Ｅの入射界面で屈折されて光軸とφの角度をなす方向に進んだ後、複屈折素子２Ｅの射出界面で屈折されて光軸と平行に射出される。この現象は広く知られたものであり、例えば、辻内順平著、朝倉書店出版の「光学概論II」の第５章や、工藤恵栄および上原富美哉著、現代工学社出版の「基礎光学＜光線光学・電磁光学＞」などに詳述されている。

このとき、複屈折素子２Ｅから光軸と平行に射出される正常光線ｏと異常光線ｅとの距離すなわち分離幅（離間距離）ｄは、複屈折素子２Ｅを形成する光学材料の種類、結晶光学軸との方向、切り出し方、複屈折素子２Ｅの光軸方向の寸法すなわち厚さなどに依存する。図５（ｂ）は位相変調素子１上の１点が、複屈折素子２Ｅにより、二点に分離されて観察される様子を示した図である。なお、複屈折素子２Ｅによる分離幅ｄは結像光学系４の物体側における値であり、結像光学系４の像面における分離幅は、分離幅ｄに結像光学系４の倍率（たとえば１／５）を乗じた値になる。

一軸結晶材料により形成された平行平面板状の複屈折素子２Ｅに垂直に光線を入射させた場合の分離幅ｄは、次の式（ａ）により表わされる。
ｄ＝tanφ×ｔ （ａ）
ただし、tanφ＝（ｎｏ²−ｎｅ²）sinθ・cosθ／（ｎｅ²cos²θ＋ｎｏ²sin²θ）

なお、式（ａ）において、ｎｏは正常光線ｏの屈折率であり、ｎｅは異常光線ｅの屈折率である。また、上述したように、φは異常光線ｅと入射界面の法線（すなわち光軸）との角度であり、θは結晶光学軸２ａと入射界面の法線との角度であり、ｔは複屈折素子２Ｅの厚さである。一例として、２４８ｎｍの波長を有する光およびθ＝４５度に設定された水晶製の複屈折素子２Ｅを用いる場合、分離幅ｄ＝２５μｍを得るに必要な複屈折素子２Ｅの厚さｔを求めてみると、波長２４８ｎｍの光に対する水晶の屈折率はｎｅ＝１．６１２４，ｎｏ＝１．６０１６であるから、複屈折素子２Ｅの厚さｔ＝３６９７μｍとなる。

本実施形態では、複屈折素子２Ｅを介して入射光束が偏光状態の異なる非干渉性の２つの光束に分割されるので、被処理基板５の表面上には互いに離間した２つの光強度分布の合成に対応する所定の光強度分布が形成されることになる。このとき、複屈折素子２Ｅへの入射光束がランダム偏光状態であれば、複屈折素子２Ｅを介して分割された２つの光束の強度が互いにほぼ等しくなる。また、複屈折素子２Ｅを介して分割された２つの光束が複像作用により被処理基板５の表面で重ね合わされるとき、２つの光束は互いに干渉しないので単純に光強度の和として合成される。

こうして、位相変調素子１の図中右側の単位領域１ａを通過した正常光線ｏにより被処理基板５の表面上に形成される光強度分布と、図中左側の単位領域１ａを通過した異常光線ｅにより被処理基板５の表面上に形成される光強度分布とが重ね合わされて合成される。その結果、結像光学系４の焦点位置に位置決めされた被処理基板５の表面には、図６に示すような光強度分布が形成される。図６において、（ａ）は被処理基板５の表面上において重ね合わされた合成光強度分布を立体的に示す図であり、（ｂ）は単位領域１ａの横断線Ａ−Ａに対応する横断線に沿った合成光強度分布を示す図である。

また、結像光学系４の焦点位置から１０μｍだけ結像光学系４側へデフォーカスして位置決めされた被処理基板５の表面には、図７に示すような光強度分布が形成される。図７において、（ａ）は被処理基板５の表面上において重ね合わされた合成光強度分布を立体的に示す図であり、（ｂ）は単位領域１ａの横断線Ａ−Ａに対応する横断線に沿った合成光強度分布を示す図である。図６および図７を参照すると、被処理基板５の表面が結像光学系４の焦点位置に対してある程度デフォーカスしても、位相変調素子１と複屈折素子２Ｅとの協働作用により、合成光強度分布はあまり変化することなく、深い焦点深度が確保されていることがわかる。

図８は、本発明における半導体薄膜の結晶化過程を概略的に示している。図８において破線で示す矩形状の領域は、被処理基板５の表面上において位相変調素子１の１つの単位領域１ａに対応する単位基板領域（実施例１では５μｍ角の正方形状の領域）１０である。単位基板領域１０では、まず凝固初期に、溶融領域１２の中心近傍において結晶核の発生と消滅とを繰り返した後に、結晶核が凝集して成長可能な臨界径以上となり、単一の成長性の結晶核１１が発生する。この成長性の結晶核１１は、時間の経過に従って放射状に全方向に成長し、固液界面１４が広がっていく。

本発明の半導体薄膜のレーザアニールによる結晶化は超急冷凝固系であるため、発生した結晶核の面方位を維持しながら全方向に成長することはない。例えば＜１１０＞方向のように比較的成長速度の大きな結晶方向には、発生した結晶核の面方位をそのまま保ちながら成長する。しかしながら、例えば＜１１１＞方向のように最密面が積み重なっていかなければならない成長速度の比較的小さな結晶方向には、同心円放射状に広がる温度勾配に従い、成長速度の大きな方向と同様の速度で成長するため、成長途中で双晶変態することで成長速度のより大きな面方位に向きを変えて成長する。結果として、最終的な組織では、結晶粒の中に双晶粒界１３が入る。この双晶粒界１３は、結晶粒界１５とは、その形成過程が異なる。

図９は、図８に示す結晶化過程を実現するのに適した光強度分布の一例を概略的に示している。図９（ａ）に示す光強度分布は、図９（ｂ）に示す単位基板領域１０の対角線１０ａに沿った分布である。なお、図９（ｂ）において、破線１６ａ，１６ｂは光強度（または温度）の等高線を示している。図９（ａ）に示す光強度分布では、単位基板領域１０の中心近傍において光強度が最も小さく、この光強度の最も小さいボトムピークから周囲に向かって放射状に光強度が急激に増大する逆ピーク状の分布が形成され、逆ピーク状の分布から周囲に向かって放射状に緩やかに光強度が増大する傾斜状分布が形成されている。

図９（ａ）に示すようなロート形の光強度分布を有するレーザ光を被処理基板５に照射すると、被処理基板５の半導体薄膜が光を吸収して、光のエネルギーが熱に変換する結晶化開始時の半導体薄膜の温度分布も図９（ａ）に示すようになり、単位基板領域１０の中心領域にのみ成長性の結晶核１１が発生する。光強度分布には、結晶成長の開始と密接に関係した閾値αがある。光強度がα値以下の部分では半導体膜（Ｓｉ）は融けないか、あるいは融けても表面の一部しか融けないためにポリシリコンの状態にとどまり、光強度がα値を越えたところから結晶成長が開始する。

したがって、光強度分布の底における光強度の値がこのα値よりもわずかに下回ることが望ましい。具体的に、光強度分布のボトムピークの強度は、相対値で０．２〜０．７であることが好ましい。ボトムピークの強度が０．２未満になると小さくなりすぎて、中心部分だけ結晶化することなくアモルファスのままになってしまう。また、ボトムピークの強度が０．７を越えると大きくなりすぎて、中心部分にのみ成長性の結晶核を発生させることができない。なお、結晶化過程をさらに良好に実現するには、光強度分布のボトムピークの強度が０．５〜０．６であることが好ましい。

中心近傍のボトムピークから周囲に向かって放射状に光強度が急激に増大する逆ピーク状の分布は、光強度の最小値（すなわちボトムピークにおける光強度の値）に最大値と最小値との差の約２／５を加えた光強度までの範囲であることが好ましい。図９（ａ）に示す光強度分布の場合、光強度の最小値に最大値と最小値との差の２／５を加えた光強度が相対値で０．７６となる。

この光強度０．７６における光強度分布のピーク幅Ｗ１は、０．５μｍ〜１．５μｍであることが好ましい。ピーク幅Ｗ１が０．５μｍ未満になると小さくなりすぎて、光強度の最小位置である中心に周囲の熱が拡散して、最低温領域が広がってしまい、成長性の結晶核を単一にすることができない。また、ピーク幅Ｗ１が１．５μｍを越えて大きくなりすぎると、結晶化開始時の最低温領域が広がってしまい、成長性の結晶核を単一にすることができない。

図９（ａ）に示すように、逆ピーク状の分布の周囲では、光強度が緩やかに増大すること、すなわち中心から離れるに従って外側に向かって線形的に光強度が増大するようなロート形の傾斜状分布になることが好ましい。これは、単位基板領域１０の中心に発生した成長性の結晶核１１を放射状に成長させて、単位基板領域１０の内部を１つの結晶粒にするためである。このようなロート形の傾斜状分布にすると、外側に向かう温度勾配も線形的になるので、結晶の成長が途中で停止することなく、さらに大粒径の結晶化半導体膜を生成することができる。逆ピーク状の分布の周囲に凹凸分布が存在し、光強度が急峻に大きくなっているピークが存在すると、半導体薄膜がレーザ光を吸収する際にこの領域の温度が上がりすぎてしまい、膜破壊しやすくなってしまう。

ここで、再び図６および図７を参照すると、結像光学系４の焦点位置に対して被処理基板５が１０μｍデフォーカスすると、ボトムピークの相対値が約０．５１から約０．６１へ上昇し、ピーク幅Ｗ１が約１．０９μｍから約１．３３μｍに増大しているが、ボトムピークの相対値もピーク幅Ｗ１も上述の所望範囲内で変化していることがわかる。したがって、実施例１では、図８に示すような結晶化過程を実現することができ、ひいては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できる。

図１０は、位相変調素子における単位領域の配列パターンと形成される結晶組織のアレイパターンとの関係の一例を模式的に示している。図１０（ａ）に示す位相変調素子１の単位領域１ａの配列パターンでは、簡単のための単位領域１ａの中心近傍に配置された扇形形状の第１位相領域１ａｂおよび第２位相領域１ａｃだけを示している。また、図１０（ａ）に示す結晶組織のアレイパターンでは、結晶粒界１５を実線で示し、双晶粒界１３を破線で示している。

位相変調素子１の１つの単位領域１ａに対応して、１つの正方形状の結晶粒が形成される。すなわち、所定の周期で格子状に配置された複数の単位領域１ａに対応して、複数の正方形状の結晶粒が格子状にアレイ化して形成されて品質の良い結晶化半導体薄膜となる。そして、結晶粒の内部には、双晶粒界１３のみを含むことになる。このように、成長性の結晶核１１の発生位置を制御することにより、結晶粒の位置も二次元的に制御することができる。

図１１は、位相変調素子における単位領域の配列パターンと形成される結晶組織のアレイパターンとの関係の別の例を模式的に示している。図１１（ａ）では、図１０（ａ）とは異なり、複数の単位領域１ａが、ひいては第１位相領域１ａｂおよび第２位相領域１ａｃが所定の周期で正三角頂点状に配置されている。その結果、対応する結晶組織では、図１１（ｂ）に示すように複数の円形状の結晶粒が正三角頂点状にアレイ化して形成される。この場合も、結晶粒の内部には双晶粒界１３のみを含むことになり、結晶粒の位置も二次元的に制御することができる。

図１０や図１１に示す位相変調素子１の単位領域１ａの間隔は、最終的に形成する結晶組織の結晶粒径と密接な関係がある。位相変調素子１の単位領域１ａの間隔は、結像光学系４の像面における換算値で４μｍ〜２０μｍであることが望ましい。単位領域１ａの間隔が４μｍ未満になると小さくなりすぎて、結晶粒アレイの粒径が小さくなり、品質の良い結晶化半導体薄膜にならない。また、単位領域１ａの間隔が２０μｍを超えると大きくなりすぎて、結晶成長が途中で止まってしまうため、半導体膜のほぼ全面を覆うような結晶粒アレイにならない。

単位領域１ａの中心に配置する位相段差の反転した位相領域１ａｂ，１ａｃの形状は必ずしも扇形である必要はなく、四角形等の多角形状であっても良い。また、位相領域１ａｂ，１ａｃの面積は、単一結晶核のみを発生させるために、図９（ａ）に示す光強度分布においてピーク幅Ｗ１が十分に狭くなるように設定すればよい。具体的に、位相領域（１ａｂ，１ａｃ）の全体的な大きさを２．２（＝１．１×２）μｍに設定しているが、０．３μｍ乃至３μｍの大きさに設定することが好ましく、２．０μｍ乃至２．４μｍの大きさに設定することがさらに好ましい。位相領域１ａｂ，１ａｃの面積に関する最適値は、用いる結晶化装置の光学系と密接に関係する。位相領域１ａｂ，１ａｃの位相段差は、図９（ａ）に示す光強度分布におけるボトムピークの光強度の相対値と関係があるが、０．２〜０．７になるように決定すればよい。

実施例１では、図１に示す結晶化装置において図３に示す構成を有する位相変調素子１を用いて、被処理基板５上の半導体（Ｓｉ）薄膜を結晶化した。被処理基板５上で、たとえば図６に示す光強度分布と図７に示す光強度分布との間の光強度分布を有するレーザ光が形成され、図８に示す結晶化過程を経て、図１０（ｂ）に示すような５μｍ角の結晶粒アレイ半導体薄膜を作製することができた。図６および図７に示すように、被処理基板５が結像光学系４に対してデフォーカスしても被処理基板５上で合成された光強度分布はあまり変化することなく、深い焦点深度が確保されているので、均一性の良い結晶粒アレイ半導体薄膜が得られた。

図１２は、本実施形態の実施例２における位相変調素子の構成を概略的に示す図である。実施例２の位相変調素子１は実施例１と同様に、５μｍ角の結晶粒アレイ半導体薄膜を作製するための位相変調素子であり、実施例１と類似の構成を有する。しかしながら、実施例２では、一辺が０．５μｍの正方形ドットパターンからなる第１ドット領域１ａｄおよび第２ドット領域１ａｆに代えて、一辺が０．３μｍの正方形ドットパターンからなる第１ドット領域１ａｈおよび第２ドット領域１ａｉが設けられている点だけが実施例１と相違している。以下、実施例１との相違点に着目して、実施例２を説明する。

実施例２において、光束分割素子２が介在しない場合、結像光学系４の焦点位置に位置決めされた被処理基板５の表面には、図１３に示すような光強度分布が形成される。すなわち、位相変調素子１の単位領域１ａの中央を横断する線Ａ−Ａに対応する横断線に沿って図１３（ａ）に示すような光強度分布が形成され、図中左側の単位領域１ａの図中右上がりの対角線Ｂ−Ｂに対応する斜線に沿って図１３（ｂ）に示すような光強度分布が形成され、図中右側の単位領域１ａの図中左上がりの対角線Ｃ−Ｃに対応する斜線に沿って図１３（ｃ）に示すような光強度分布が形成される。

図１３（ａ）を参照すると、第１位相領域１ａｂと第２位相領域１ａｃとの接点（単位領域１ａの中心）に対応して光強度の最も小さいボトムピークが形成されることがわかる。また、第１位相領域１ａｂおよび第２位相領域１ａｃの作用により、ボトムピークから周囲に向かって放射状に光強度が急激に増大する逆ピーク状の分布が形成される。また、第１ドット領域１ａｈ，１ａｅおよび第２ドット領域１ａｉ，１ａｇの作用により、逆ピーク状の分布から周囲に向かって放射状に緩やかに光強度が増大する傾斜状分布が形成される。

実際には複屈折素子２Ｅを介して入射光束が偏光状態の異なる非干渉性の２つの光束に分割されるので、位相変調素子１の図中右側の単位領域１ａを通過した正常光線ｏにより被処理基板５の表面上に形成される光強度分布と、図中左側の単位領域１ａを通過した異常光線ｅにより被処理基板５の表面上に形成される光強度分布とが重ね合わされて合成される。その結果、結像光学系４の焦点位置に位置決めされた被処理基板５の表面には、図１４に示すような光強度分布が形成される。図１４において、（ａ）は被処理基板５の表面上において重ね合わされた合成光強度分布を立体的に示す図であり、（ｂ）は単位領域１ａの横断線Ａ−Ａに対応する横断線に沿った合成光強度分布を示す図である。

また、結像光学系４の焦点位置から１０μｍだけ結像光学系４側へデフォーカスして位置決めされた被処理基板５の表面には、図１５に示すような光強度分布が形成される。図１５において、（ａ）は被処理基板５の表面上において重ね合わされた合成光強度分布を立体的に示す図であり、（ｂ）は単位領域１ａの横断線Ａ−Ａに対応する横断線に沿った合成光強度分布を示す図である。図１４および図１５を参照すると、被処理基板５の表面が結像光学系４の焦点位置に対してある程度デフォーカスしても、位相変調素子１と複屈折素子２Ｅとの協働作用により、合成光強度分布はあまり変化することなく、深い焦点深度が確保されていることがわかる。具体的に、結像光学系４の焦点位置に対して被処理基板５が１０μｍデフォーカスすると、ボトムピークの相対値が約０．５から約０．６２へ上昇し、ピーク幅Ｗ１が約１．０１μｍから約１．１４μｍに増大しているが、ボトムピークの相対値もピーク幅Ｗ１も前述の所望範囲内で変化していることがわかる。なお、実施例２で得られた合成光強度分布では、ピーク幅Ｗ１が実施例１よりも若干小さくなっている。

実施例２では、図１に示す結晶化装置において図１２に示す構成を有する位相変調素子１を用いて、被処理基板５上の半導体（Ｓｉ）薄膜を結晶化した。被処理基板５上で、たとえば図１４に示す光強度分布と図１５に示す光強度分布との間の光強度分布を有するレーザ光が形成され、図８に示す結晶化過程を経て、図１０（ｂ）に示すような５μｍ角の結晶粒アレイ半導体薄膜を作製することができた。図１４および図１５に示すように、被処理基板５が結像光学系４に対してデフォーカスしても被処理基板５上で合成された光強度分布はあまり変化することなく、深い焦点深度が確保されているので、均一性の良い結晶粒アレイ半導体薄膜が得られた。

図１６は、本実施形態の実施例３における位相変調素子の構成を概略的に示す図である。実施例３の位相変調素子１は実施例１と同様に、５μｍ角の結晶粒アレイ半導体薄膜を作製するための位相変調素子であり、実施例１と類似の構成を有する。しかしながら、実施例３では、第１位相領域１ａｂおよび第２位相領域１ａｃの周囲に配置されたドットパターンが実施例１と相違している。以下、実施例１との相違点に着目して、実施例３を説明する。

実施例３の位相変調素子１では、第１位相領域１ａｂおよび第２位相領域１ａｃの周囲に、結像光学系４の点像分布範囲の半径よりも光学的に小さい０．５μｍ角の正方形状の単位セル（図面の明瞭化のために図中右側の単位領域１ａだけに図示）１ａｊを縦横に且つ稠密に仮想設定している。そして、横断線Ａ−Ａよりも図中上側の複数の単位セル１ａｊの中に第１ドット領域１ａｋが設けられ、横断線Ａ−Ａよりも図中下側の複数の単位セル１ａｊの中に第２ドット領域１ａｍが設けられている。ただし、第１位相領域１ａｂおよび第２位相領域１ａｃの周辺の単位セル１ａｊの中にはドット領域が設けられていない。また、単位領域１ａは、対角線Ｂ−Ｂや対角線Ｃ−Ｃに関して対称なパターンを有する。

ここで、図中左側の単位領域１ａでは、第１位相領域１ａｂおよび第１ドット領域１ａｋが基準面１ａａに対して−６０度の位相を有し、第２位相領域１ａｃおよび第２ドット領域１ａｍが基準面１ａａに対して＋６０度の位相を有する。逆に、図中右側の単位領域１ａでは、第１位相領域１ａｂおよび第１ドット領域１ａｋが基準面１ａａに対して＋６０度の位相を有し、第２位相領域１ａｃおよび第２ドット領域１ａｍが基準面１ａａに対して−６０度の位相を有する。

また、単位セル１ａｊ中の第１ドット領域１ａｋの占有面積率および単位セル１ａｊ中の第２ドット領域１ａｍの占有面積率は、第１位相領域１ａｂと第２位相領域１ａｃとの接点（単位領域１ａの中心）から離れるにしたがって小さくなるように構成されている。後述するように、第１ドット領域１ａｋおよび第２ドット領域１ａｍの占有面積率を単位領域１ａの中心から離れるにしたがって小さくなるように設定することにより、逆ピーク状の分布から離れるにしたがって大きくなるようなロート形で傾斜状の分布を実現している。

実施例３において、光束分割素子２が介在しない場合、結像光学系４の焦点位置に位置決めされた被処理基板５の表面には、図１７に示すような光強度分布が形成される。すなわち、位相変調素子１の単位領域１ａの中央を横断する線Ａ−Ａに対応する横断線に沿って図１７（ａ）に示すような光強度分布が形成され、図中左側の単位領域１ａの図中右上がりの対角線Ｂ−Ｂに対応する斜線に沿って図１７（ｂ）に示すような光強度分布が形成され、図中右側の単位領域１ａの図中左上がりの対角線Ｃ−Ｃに対応する斜線に沿って図１７（ｃ）に示すような光強度分布が形成される。

図１７（ａ）を参照すると、第１位相領域１ａｂと第２位相領域１ａｃとの接点（単位領域１ａの中心）に対応して光強度の最も小さいボトムピークが形成されることがわかる。また、第１位相領域１ａｂおよび第２位相領域１ａｃの作用により、ボトムピークから周囲に向かって放射状に光強度が急激に増大する逆ピーク状の分布が形成される。また、第１ドット領域１ａｋおよび第２ドット領域１ａｍの作用により、逆ピーク状の分布から周囲に向かって放射状に緩やかに光強度が増大する傾斜状分布が形成される。

実際には複屈折素子２Ｅを介して入射光束が偏光状態の異なる非干渉性の２つの光束に分割されるので、位相変調素子１の図中右側の単位領域１ａを通過した正常光線ｏにより被処理基板５の表面上に形成される光強度分布と、図中左側の単位領域１ａを通過した異常光線ｅにより被処理基板５の表面上に形成される光強度分布とが重ね合わされて合成される。その結果、結像光学系４の焦点位置に位置決めされた被処理基板５の表面には、図１８に示すような光強度分布が形成される。図１８において、（ａ）は被処理基板５の表面上において重ね合わされた合成光強度分布を立体的に示す図であり、（ｂ）は単位領域１ａの横断線Ａ−Ａに対応する横断線に沿った合成光強度分布を示す図である。

また、結像光学系４の焦点位置から１０μｍだけ結像光学系４側へデフォーカスして位置決めされた被処理基板５の表面には、図１９に示すような光強度分布が形成される。図１９において、（ａ）は被処理基板５の表面上において重ね合わされた合成光強度分布を立体的に示す図であり、（ｂ）は単位領域１ａの横断線Ａ−Ａに対応する横断線に沿った合成光強度分布を示す図である。図１８および図１９を参照すると、被処理基板５の表面が結像光学系４の焦点位置に対してある程度デフォーカスしても、位相変調素子１と複屈折素子２Ｅとの協働作用により、合成光強度分布はあまり変化することなく、深い焦点深度が確保されていることがわかる。具体的に、結像光学系４の焦点位置に対して被処理基板５が１０μｍデフォーカスすると、ボトムピークの相対値が約０．５から約０．６２へ上昇し、ピーク幅Ｗ１が約１．０１μｍから約１．１４μｍに増大しているが、ボトムピークの相対値もピーク幅Ｗ１も前述の所望範囲内で変化していることがわかる。実施例３で得られた合成光強度分布では、傾斜状の分布において光強度が実施例１および実施例２よりも緩やかに変化しており、図９（ａ）に類似した分布が得られた。

実施例３では、図１に示す結晶化装置において図１６に示す構成を有する位相変調素子１を用いて、被処理基板５上の半導体（Ｓｉ）薄膜を結晶化した。被処理基板５上で、たとえば図１８に示す光強度分布と図１９に示す光強度分布との間の光強度分布を有するレーザ光が形成され、図８に示す結晶化過程を経て、図１０（ｂ）に示すような５μｍ角の結晶粒アレイ半導体薄膜を作製することができた。図１８および図１９に示すように、被処理基板５が結像光学系４に対してデフォーカスしても被処理基板５上で合成された光強度分布はあまり変化することなく、深い焦点深度が確保されているので、均一性の良い結晶粒アレイ半導体薄膜が得られた。

以下、ドット領域１ａｋおよび１ａｍの占有面積率を単位領域１ａの中心から離れるにしたがって小さくなるように設定することにより逆ピーク状の分布から離れるにしたがって光強度が大きくなるような傾斜状の分布が得られる原理について説明する。図２０は、ドット領域の占有面積率と光強度分布とに関する原理を説明する図である。一般に、位相変調素子１による結像の光振幅分布Ｕ（ｘ，ｙ）は、次の式（１）で表わされる。なお、式（１）において、Ｔ（ｘ，ｙ）は位相変調素子１の複素振幅透過率分布を、＊はコンボリューション（たたみ込み積分）を、ＡＳＦ（ｘ，ｙ）は結像光学系４の点像分布関数をそれぞれ示している。ここで、点像分布関数とは、結像光学系による点像の振幅分布と定義する。
Ｕ（ｘ，ｙ）＝Ｔ（ｘ，ｙ）＊ＡＳＦ（ｘ，ｙ）・・・（１）

なお、位相変調素子１の複素振幅透過率分布Ｔは、振幅が均一であることから、次の式（２）で表わされる。なお、式（２）において、Ｔ₀は一定の値であり、φ（ｘ，ｙ）は位相分布を示している。
Ｔ＝Ｔ₀ｅ^iφ(x,y)・・・（２）

また、結像光学系４が均一円形瞳を有し且つ無収差である場合、点像分布関数ＡＳＦ（ｘ，ｙ）に関して次の式（３）に示す関係が成立する。なお、式（３）において、Ｊ₁はベッセル（Bessel）関数を、λは光の波長を、ＮＡは上述したように結像光学系４の像側開口数をそれぞれ示している。
ＡＳＦ(x,y) ∝ 2Ｊ₁（2π／λ・NA・ｒ）／（2π／λ・NA・ｒ）・・（３）
ただし、ｒ＝（ｘ²＋ｙ²）^1/2

図２０（ａ）に示す結像光学系４の点像分布関数は、図２０（ｂ）に示すものであり、直径Ｒの円筒形４ｅ（図２０中破線で示す）で近似すると、図２０（ｃ）に示す位相変調素子１上の直径Ｒ’（直径Ｒに光学的に対応する値）の円内の複素振幅分布を積分したものが、像面４ｆ上の複素振幅を決定する。上述したように、像面４ｆに結像された結像の光振幅すなわち光強度は位相変調素子１の複素振幅透過率分布と点像分布関数とのコンボリューションで与えられる。点像分布関数を円筒形４ｅで近似して考えると、図２０（ｃ）に示す円形の点像分布範囲Ｒ内で位相変調素子１の複素振幅透過率を均一重みで積分した結果が、像面４ｆでの複素振幅になり、その絶対値の二乗が光強度となる。なお、結像光学系４での点像分布範囲Ｒとは、点像分布関数によって描かれた図２０（ｂ）の曲線の０点４ｉとの交点４ｊ内の範囲をいう。

したがって、点像分布範囲Ｒ内で位相の変化が少ないほど光強度は大きくなり、逆に位相の変化が大きいほど光強度は小さくなる。この点は、図２０（ｄ）に示すように単位円４ｇ内での位相ベクトル４ｈの和で考えると理解しやすい。像面４ｆを物体例えば半導体膜とした場合、図２０（ｂ）の点像分布関数は、図２０（ｆ）に示すような点像分布関数となる。図２１は、点像分布範囲Ｒ内での位相の変化と光強度との典型的な関係を示す図である。図２１（ａ）は、４つの領域の位相値がすべて０度の場合を示す図であり、０度方向の４つの位相ベクトル５ｇの和が振幅４Ｅに対応し、その二乗が光強度１６Ｉに対応することになる。

図２１（ｂ）は、２つの領域の位相値が０度であり、他の２つの領域の位相値が９０度の場合を示す図であり、０度方向の２つの位相ベクトルと９０度方向の２つの位相ベクトルとの和が振幅２√２Ｅに対応し、その二乗が光強度８Ｉに対応することになる。図２１（ｃ）は、位相値が０度の領域と位相値が９０度の領域と位相値が１８０度の領域と位相値が２７０度の領域の場合を示す図であり、０度方向の位相ベクトル５ｓと９０度方向の位相ベクトル５ｔと１８０度方向の位相ベクトル５ｕと２７０度方向の位相ベクトル５ｖとの和が振幅０Ｅに対応し、その二乗が光強度０Ｉに対応することになる。

図２２は、結像光学系４における瞳関数と点像分布関数との関係を示す図である。一般に、点像分布関数は、瞳関数のフーリエ変換で与えられる。具体的には、結像光学系４が均一円形瞳を有し且つ無収差である場合、点像分布関数ＡＳＦ（ｘ，ｙ）は上述の式（３）により表わされる。しかしながら、結像光学系４に収差が存在する場合や、均一円形瞳以外の瞳関数を有する場合はこの限りではない。

均一円形瞳で無収差の場合、点像分布関数が最初に０となるまでの中央領域（すなわちエアリーディスク）の半径Ｒ／２は、次の式（４）で表わされることが知られている。
Ｒ／２＝０．６１λ／ＮＡ （４）

本明細書において、点像分布範囲Ｒとは、図２０（ｂ），図２２（ｂ）に示すように点像分布関数Ｆ（ｘ）が最初に０となるまでの円形状の中央領域を意味している。図２１を参照して明らかなように、結像光学系の点像分布範囲Ｒに光学的に対応する円の中に複数（図２１では４つ）の位相変調単位が含まれていると、複数の位相ベクトル５ｇの和により光の振幅を、ひいては光の強度を解析的に且つ簡単な計算にしたがって制御することが可能である。その結果、比較的複雑な光強度分布を比較的容易に得ることができる。

したがって、本発明では、光強度を自由に制御するために、位相変調素子１の位相変調単位は、結像光学系４の点像分布範囲Ｒの半径Ｒ／２よりも光学的に小さいことが必要である。換言すれば、結像光学系４の像側における位相変調素子１の位相変調単位の大きさは、結像光学系４の点像分布範囲Ｒの半径Ｒ／２よりも小さいことが必要である。ここで、位相変調単位とは、例えば上述したセル型の場合は、セルの一番短い一辺の大きさであり、ピクセル型の場合は一辺の長さを表す。

図２３は、図１６に示す位相変調素子のドット領域に対応するセル型の構成を概略的に示す図である。図２３（ａ）を参照すると、この位相変調素子は、第１の位相値φ１を有する第１領域（図中斜線部で示す）２１ａと第２の位相値φ２を有する第２領域（図中空白部で示す）２１ｂとを有する。また、この位相変調素子は、結像光学系４の点像分布範囲Ｒの半径Ｒ／２よりも光学的に小さいサイズの複数のセル（図中矩形状の破線で示す）２１を有する。

図２３（ａ）に示すように、各セル２１内における位相値φ１（０度）の第１領域２１ａと位相値φ２（６０度）の第２領域２１ｂとの占有面積率がセル毎に変化している。換言すれば、位相値φ１の第１領域２１ａと位相値φ２の第２領域２１ｂとの占有面積率が位置によって変化する位相分布を有する。さらに具体的には、セル内における位相値φ２の第２領域２１ｂの占有面積は、図中左側のセルにおいて最も大きく、図中右側のセルにおいて最も小さく、その間において単調に変化している。位相変調素子１への入射光は、矢印２１ｃで示すように図２３において、紙面の上面から裏面方向に透過する。

以上のように、図２３に示す位相変調素子は、結像光学系４の点像分布範囲Ｒの半径Ｒ／２よりも光学的に小さいサイズの位相変調単位（セル）２１に基づく位相分布を有する。したがって、各位相変調単位２１における第１領域２１ａと第２領域２１ｂと占有面積率を、すなわち２つの位相ベクトルの和を適宜変化させることにより、被処理基板上に形成される光強度分布を解析的に且つ簡単な計算にしたがって制御することが可能である。第１および第２の位相値φ１、φ２の位相変調素子１の製造は、例えば石英ガラスに厚さを第１および第２の位相値φ１、φ２が形成されるように選択することにより位相変調素子１を製造することができる。石英ガラスの厚さの変化は、選択エッチングやＦＩＢにより形成することができる。

図２４は、図１６に示す位相変調素子のドット領域とは異なるピクセル型の構成を概略的に示す図である。図２４を参照すると、この位相変調素子１は、結像光学系４の点像分布範囲Ｒの半径Ｒ／２よりも光学的に小さい複数の矩形状のピクセル２２を有する。これらの複数のピクセル２２は縦横に且つ稠密に配置され、各ピクセル２２はそれぞれ一定の位相値を有する。具体的には、第１の位相値φ１（たとえば０度）を有する第１ピクセル（図中斜線部で示す）２２ａと、第２の位相値φ２（たとえば６０度）を有する第２ピクセル（図中空白部で示す）２２ｂとを有する。位相変調素子１への入射光は、矢印２２ｃで示すように図２４において紙面の上面から裏面方向に透過する。

図２４に示すように、結像光学系４の点像分布範囲Ｒに光学的に対応する単位範囲（図中破線の円で示す）当りの同一位相値のピクセル数が単位範囲毎に変化している。換言すれば、図２３と同様に、位相値φ１の第１領域としての第１ピクセル２２ａと位相値φ２の第２領域としての第２ピクセル２２ｂとの占有面積率が位置によって変化する位相分布を有する。

以上のように、図２４に示す位相変調素子は、結像光学系４の点像分布範囲Ｒの半径Ｒ／２よりも光学的に小さいサイズの位相変調単位（ピクセル）２２に基づく位相分布を有する。したがって、結像光学系４の点像分布範囲Ｒに光学的に対応する単位範囲（不図示）における第１ピクセル２２ａと第２ピクセル２２ｂとの占有面積率を、すなわち複数の位相ベクトルの和を適宜変化させることにより、被処理基板上に形成される光強度分布を解析的に且つ簡単な計算にしたがって制御することが可能である。

図２５は、本実施形態の実施例４における位相変調素子の構成を概略的に示す図である。実施例４の位相変調素子１は、実施例３と類似の構成を有する。しかしながら、実施例４の位相変調素子１は、実施例１〜実施例３とは異なり、１０μｍ角の結晶粒アレイ半導体薄膜を作製するための位相変調素子である。また、実施例４では、第１位相領域１ａｂおよび第２位相領域１ａｃの周囲に配置されたドットパターンが実施例３と相違している。以下、実施例３との相違点に着目して、実施例４を説明する。

実施例４の位相変調素子１では、第１位相領域１ａｂおよび第２位相領域１ａｃの周囲に、結像光学系４の点像分布範囲の半径よりも光学的に小さい１．０μｍ角の正方形状の単位セル（不図示）を縦横に且つ稠密に仮想設定している。そして、横断線Ａ−Ａよりも図中上側の複数の単位セルの中に第１ドット領域１ａｋが設けられ、横断線Ａ−Ａよりも図中下側の複数の単位セルの中に第２ドット領域１ａｍが設けられている。ただし、単位領域１ａの中央の縦横ライン上にはドット領域が設けられていない。また、単位領域１ａは、対角線Ｂ−Ｂや対角線Ｃ−Ｃに関して対称なパターンを有する。

すなわち、実施例３ではドット領域の中心間隔が０．５μｍであるのに対し、実施例４ではドット領域の中心間隔が１．０μｍである。また、実施例４では、逆ピーク状の分布の近傍において光強度の比較的急峻な変化を保つために、１つの単位領域１ａにおいて第１位相領域１ａｂおよび第２位相領域１ａｃの周囲の３つの第１ドット領域１ａｋａおよび３つの第２ドット領域１ａｍａを０．４μｍ角に設定している。なお、第１ドット領域１ａｋおよび第２ドット領域１ａｍの占有面積率を単位領域１ａの中心から離れるにしたがって小さくなるように設定している点も実施例３と同様である。

実施例４において、光束分割素子２が介在しない場合、結像光学系４の焦点位置に位置決めされた被処理基板５の表面には、図２６に示すような光強度分布が形成される。すなわち、位相変調素子１の単位領域１ａの中央を横断する線Ａ−Ａに対応する横断線に沿って図２６（ａ）に示すような光強度分布が形成され、図中左側の単位領域１ａの図中右上がりの対角線Ｂ−Ｂに対応する斜線に沿って図２６（ｂ）に示すような光強度分布が形成され、図中右側の単位領域１ａの図中左上がりの対角線Ｃ−Ｃに対応する斜線に沿って図２６（ｃ）に示すような光強度分布が形成される。

図２６（ａ）を参照すると、第１位相領域１ａｂと第２位相領域１ａｃとの接点（単位領域１ａの中心）に対応して光強度の最も小さいボトムピークが形成されることがわかる。また、第１位相領域１ａｂおよび第２位相領域１ａｃの作用により、ボトムピークから周囲に向かって放射状に光強度が急激に増大する逆ピーク状の分布が形成される。また、第１ドット領域１ａｋおよび第２ドット領域１ａｍの作用により、逆ピーク状の分布から周囲に向かって放射状に緩やかに光強度が増大する傾斜状分布が形成される。

実際には複屈折素子２Ｅを介して入射光束が偏光状態の異なる非干渉性の２つの光束に分割されるので、位相変調素子１の図中右側の単位領域１ａを通過した正常光線ｏにより被処理基板５の表面上に形成される光強度分布と、図中左側の単位領域１ａを通過した異常光線ｅにより被処理基板５の表面上に形成される光強度分布とが重ね合わされて合成される。その結果、結像光学系４の焦点位置に位置決めされた被処理基板５の表面には、図２７に示すような光強度分布が形成される。図２７において、（ａ）は被処理基板５の表面上において重ね合わされた合成光強度分布を立体的に示す図であり、（ｂ）は単位領域１ａの横断線Ａ−Ａに対応する横断線に沿った合成光強度分布を示す図である。

また、結像光学系４の焦点位置から１０μｍだけ結像光学系４側へデフォーカスして位置決めされた被処理基板５の表面には、図２８に示すような光強度分布が形成される。図２８において、（ａ）は被処理基板５の表面上において重ね合わされた合成光強度分布を立体的に示す図であり、（ｂ）は単位領域１ａの横断線Ａ−Ａに対応する横断線に沿った合成光強度分布を示す図である。図２７および図２８を参照すると、被処理基板５の表面が結像光学系４の焦点位置に対してある程度デフォーカスしても、位相変調素子１と複屈折素子２Ｅとの協働作用により、合成光強度分布はあまり変化することなく、深い焦点深度が確保されていることがわかる。具体的に、結像光学系４の焦点位置に対して被処理基板５が１０μｍデフォーカスすると、ボトムピークの相対値が約０．５４から約０．６２へ上昇し、ピーク幅Ｗ１が約１．２４μｍから約１．５０μｍに増大しているが、ボトムピークの相対値もピーク幅Ｗ１も前述の所望範囲内で変化していることがわかる。

実施例４では、図１に示す結晶化装置において図２５に示す構成を有する位相変調素子１を用いて、被処理基板５上の半導体（Ｓｉ）薄膜を結晶化した。被処理基板５上で、たとえば図２７に示す光強度分布と図２８に示す光強度分布との間の光強度分布を有するレーザ光が形成され、図８に示す結晶化過程を経て、図１０（ｂ）に示すような１０μｍ角の結晶粒アレイ半導体薄膜を作製することができた。図２７および図２８に示すように、被処理基板５が結像光学系４に対してデフォーカスしても被処理基板５上で合成された光強度分布はあまり変化することなく、深い焦点深度が確保されているので、均一性の良い結晶粒アレイ半導体薄膜が得られた。

図２９は、本実施形態の実施例５における位相変調素子の構成を概略的に示す図である。実施例５の位相変調素子１は実施例４と同様に、１０μｍ角の結晶粒アレイ半導体薄膜を作製するための位相変調素子であり、実施例４と類似の構成を有する。しかしながら、実施例５では、１つの単位領域１ａにおいて第１位相領域１ａｂおよび第２位相領域１ａｃの周囲のすべて（図では５つ）の第１ドット領域１ａｋａおよびすべて（図では５つ）の第２ドット領域１ａｍａを０．４μｍ角に設定している点だけが実施例４と相違している。以下、実施例４との相違点に着目して、実施例５を説明する。

実施例５において、光束分割素子２が介在しない場合、結像光学系４の焦点位置に位置決めされた被処理基板５の表面には、図３０に示すような光強度分布が形成される。すなわち、位相変調素子１の単位領域１ａの中央を横断する線Ａ−Ａに対応する横断線に沿って図３０（ａ）に示すような光強度分布が形成され、図中左側の単位領域１ａの図中右上がりの対角線Ｂ−Ｂに対応する斜線に沿って図３０（ｂ）に示すような光強度分布が形成され、図中右側の単位領域１ａの図中左上がりの対角線Ｃ−Ｃに対応する斜線に沿って図３０（ｃ）に示すような光強度分布が形成される。

図３０（ａ）を参照すると、第１位相領域１ａｂと第２位相領域１ａｃとの接点（単位領域１ａの中心）に対応して光強度の最も小さいボトムピークが形成されることがわかる。また、第１位相領域１ａｂおよび第２位相領域１ａｃの作用により、ボトムピークから周囲に向かって放射状に光強度が急激に増大する逆ピーク状の分布が形成される。また、第１ドット領域１ａｋおよび第２ドット領域１ａｍの作用により、逆ピーク状の分布から周囲に向かって放射状に緩やかに光強度が増大する傾斜状分布が形成される。

実際には複屈折素子２Ｅを介して入射光束が偏光状態の異なる非干渉性の２つの光束に分割されるので、位相変調素子１の図中右側の単位領域１ａを通過した正常光線ｏにより被処理基板５の表面上に形成される光強度分布と、図中左側の単位領域１ａを通過した異常光線ｅにより被処理基板５の表面上に形成される光強度分布とが重ね合わされて合成される。その結果、結像光学系４の焦点位置に位置決めされた被処理基板５の表面には、図３１に示すような光強度分布が形成される。図３１において、（ａ）は被処理基板５の表面上において重ね合わされた合成光強度分布を立体的に示す図であり、（ｂ）は単位領域１ａの横断線Ａ−Ａに対応する横断線に沿った合成光強度分布を示す図である。

また、結像光学系４の焦点位置から１０μｍだけ結像光学系４側へデフォーカスして位置決めされた被処理基板５の表面には、図３２に示すような光強度分布が形成される。図３２において、（ａ）は被処理基板５の表面上において重ね合わされた合成光強度分布を立体的に示す図であり、（ｂ）は単位領域１ａの横断線Ａ−Ａに対応する横断線に沿った合成光強度分布を示す図である。図３１および図３２を参照すると、被処理基板５の表面が結像光学系４の焦点位置に対してある程度デフォーカスしても、位相変調素子１と複屈折素子２Ｅとの協働作用により、合成光強度分布はあまり変化することなく、深い焦点深度が確保されていることがわかる。具体的に、結像光学系４の焦点位置に対して被処理基板５が１０μｍデフォーカスすると、ボトムピークの相対値が約０．５３から約０．６２へ上昇し、ピーク幅Ｗ１が約１．３０μｍから約１．５０μｍに増大しているが、ボトムピークの相対値もピーク幅Ｗ１も前述の所望範囲内で変化していることがわかる。実施例５で得られた合成光強度分布では、その異方性が実施例４よりも小さくなっている。

実施例５では、図１に示す結晶化装置において図２９に示す構成を有する位相変調素子１を用いて、被処理基板５上の半導体（Ｓｉ）薄膜を結晶化した。被処理基板５上で、たとえば図３１に示す光強度分布と図３２に示す光強度分布との間の光強度分布を有するレーザ光が形成され、図８に示す結晶化過程を経て、図１０（ｂ）に示すような１０μｍ角の結晶粒アレイ半導体薄膜を作製することができた。図３１および図３２に示すように、被処理基板５が結像光学系４に対してデフォーカスしても被処理基板５上で合成された光強度分布はあまり変化することなく、深い焦点深度が確保されているので、均一性の良い結晶粒アレイ半導体薄膜が得られた。

なお、上述の実施形態の各実施例において、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、被処理基板の被処理面を光学系で拡大し、ＣＣＤ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。また、上述の実施形態の各実施例では、位相変調素子１について具体的な構成例を例示したが、位相変調素子１の構成については本発明の範囲内において様々な変形例が可能である。

ところで、上述の実施形態の各実施例において、複屈折素子２Ｅを位相変調素子１の近傍に配置している。しかしながら、これに限定されることなく、複屈折素子２Ｅを位相変調素子１と被処理基板５との間に配置することにより、上述の複像効果を有効に発生させることができる。具体的には、複屈折素子２Ｅを位相変調素子１と結像光学系４との間に配置するか、あるいは結像光学系４と被処理基板５との間に配置することが望ましい。また、複屈折素子２Ｅの光入射面を表面加工することにより所望する位相差を得るための段差を設けて、複屈折素子２Ｅの機能と位相変調素子１の機能とを一体化することも可能である。即ち、光学変調手段と光束分割手段とを一体に形成してもよい。

また、上述の実施形態の各実施例では、複屈折素子２Ｅが１枚の複屈折性の平行平面板により構成されているので、正常光線ｏと異常光線ｅとで光路長が異なる。このため、複屈折素子２Ｅを介して分割された２つの光束の間に位相差が生じ、この２つの光束の結像位置が光軸方向に分離してしまう。この問題を回避するための、光束分割素子２として、結晶光学軸が光軸に対してそれぞれ所定の角度をなすように設定された複屈折性の一対の平行平面板からなるサバール（Savart）板を用いることができる。あるいは、位相差による結像位置の分離問題を回避するために、光束分割素子２として、いわゆるフランコン（Francon）によるサバール板の変形を用いることができる。

また、上述の実施形態の各実施例では、光束分割素子２として、位相変調素子１の近傍に配置された複屈折素子２Ｅを用いている。しかしながら、これに限定されることなく、複屈折素子２Ｅに代えて、結像光学系４の瞳面またはその近傍に配置されたウォラストンプリズムを用いることができる。ウォラストンプリズムは、結晶光学軸が光軸に対してそれぞれ所定の角度をなすように設定された複屈折性の一対の偏光プリズムにより構成される。

図３３は、本実施形態にかかるボトムゲート型薄膜トランジスタの製造プロセスを示す工程図である。なお、本実施例では、便宜上Ｎチャネル型の薄膜トランジスタの製造方法を示すが、Ｐチャネル型でも不純物種（ドーパント種）を変えるだけで全く同様である。ここでは、ボトムゲート構造の薄膜トランジスタの製造方法を示す。まず、図３３（ａ）に示す様に、ガラスなどからなる絶縁基板１００の上にＡｌ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｒ，Ｃｕ又はこれらの合金を１００〜３００ｎｍの厚みで形成し、パターニングしてゲート電極１０１に加工する。

次いで、図３３（ｂ）に示す様に、ゲート電極１０１の上にゲート絶縁膜を形成する。本実施形態では、ゲート絶縁膜は、ゲート窒化膜１０２（ＳｉＮ_X）／ゲート酸化膜１０３（ＳｉＯ₂）の二層構造を用いた。ゲート窒化膜１０２は、ＳｉＨ₄ガスとＮＨ₃ガスとの混合物を原料気体として用い、プラズマＣＶＤ法（ＰＥ−ＣＶＤ法）で成膜した。なお、プラズマＣＶＤに代えて常圧ＣＶＤあるいは減圧ＣＶＤを用いてもよい。本実施形態では、ゲート窒化膜１０２を５０ｎｍの厚みで堆積した。ゲート窒化膜１０２の成膜に連続して、ゲート酸化膜１０３を約２００ｎｍの厚みで成膜する。

更に、ゲート酸化膜１０３の上に連続的に、非晶質シリコンからなる半導体薄膜１０４を約５０〜２００ｎｍの厚みで成膜した。さらに半導体薄膜１０４の上に、ＳｉＯ₂からなる絶縁膜１４０を３００ｎｍの厚みで成膜した。二層構造のゲート絶縁膜と非晶質半導体薄膜１０４と絶縁膜１４０とは、成膜チャンバの真空系を破らず連続成膜した。以上の成膜でプラズマＣＶＤ法を用いた場合には、４００〜４５０°Ｃの温度で窒素雰囲気中１時間程度の加熱処理により脱水素アニールし、非晶質半導体薄膜１０４に含有されていた水素を放出する。

次に、例えば実施例１〜５に示した方式の本発明の方法に従って、レーザ光１５０を照射し、非晶質半導体薄膜１０４を結晶化する。レーザ光１５０としては、エキシマレーザビームを用いることができる。レーザ光１５０の照射領域を調整した後、照射領域に位相変調素子の周期的なパターンを転写することができるようにレーザ光１５０のフォーカスを合わせて照射し、更に重複しない様に領域をずらして繰り返し照射して、所定の面積を結晶化する。続いて、絶縁膜１４０をエッチング等の方法により剥離する。

次いで、図３３（ｃ）に示す様に、薄膜トランジスタのＶｔｈを制御する目的で、Ｖｔｈイオンインプランテーションを必要に応じて行う。本実施例では、Ｂ＋をドーズ量が５×１０¹¹〜４×１０¹²／ｃｍ² 程度となるようにイオン注入した。このＶｔｈイオンインプランテーションでは、１０ＫｅＶで加速されたイオンビームを用いた。続いて、前工程で結晶化された多結晶半導体薄膜１０５の上に、例えばプラズマＣＶＤ法でＳｉＯ₂を約１００ｎｍ〜３００ｎｍの厚みで形成する。本実施例では、シランガスＳＨ₄と酸素ガスとをプラズマ分解してＳｉＯ₂を堆積した。

この様にして成膜されたＳｉＯ₂を所定の形状にパターニングして、ストッパー膜１０６に加工する。この場合、裏面露光技術を用いて、ゲート電極１０１と整合する様にストッパー膜１０６をパターニングしている。ストッパー膜１０６の直下に位置する多結晶半導体薄膜１０５の部分は、チャネル領域Ｃｈとして保護される。前述した様に、チャネル領域Ｃｈには、予めＶｔｈイオンインプランテーションによりＢ＋イオンが比較的低ドーズ量で注入されている。続いて、ストッパー膜１０６をマスクとしてイオンドーピングにより不純物（例えばＰ＋イオン）を半導体薄膜１０５に注入し、ＬＤＤ領域を形成する。この時のドーズ量は、例えば５×１０¹²〜１×１０¹³／ｃｍ²であり、加速電圧は例えば１０ＫｅＶである。

更に、ストッパー膜１０６及びその両側のＬＤＤ領域を被覆する様にフォトレジストをパターニング形成した後、これをマスクとして不純物（例えばＰ＋イオン）を高濃度で注入し、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄを形成する。不純物注入には、例えばイオンドーピング（イオンシャワー）を用いることができる。これは、質量分離を掛けることなく電界加速で不純物を注入するものであり、本実施例では１×１０¹⁵／ｃｍ²程度のドーズ量で不純物を注入し、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄを形成した。加速電圧は、例えば１０ＫｅＶである。なお、図示しないが、Ｐチャネルの薄膜トランジスタを形成する場合には、Ｎチャネル型薄膜トランジスタの領域をフォトレジストで被覆した後、不純物をＰ＋イオンからＢ＋イオンに切り換えドーズ量１×１０¹⁵／ｃｍ²程度でイオンドーピングすればよい。

なお、ここでは、質量分離型のイオンインプランテーション装置を用いて不純物を注入してもよい。この後、ＲＴＡ（急速熱アニール）１６０により、多結晶半導体薄膜１０５に注入された不純物を活性化する。場合によっては、エキシマレーザを用いたレーザ活性化アニール（ＥＬＡ）を行っても良い。この後、半導体薄膜１０５とストッパー膜１０６の不要な部分を同時にパターニングし、素子領域毎に薄膜トランジスタを分離する。

最後に、図３３（ｄ）に示す様に、ＳｉＯ₂を約１００〜２００ｎｍの厚みで成膜して、層間絶縁膜１０７とする。層間絶縁膜１０７の形成後、ＳｉＮ_XをプラズマＣＶＤ法で約２００〜４００ｎｍ成膜して、パシベーション膜（キャップ膜）１０８とする。この段階で、窒素ガス又はフォーミングガス中又は真空中雰囲気下において３５０〜４００°Ｃ程度で１時間加熱処理し、層間絶縁膜１０７に含まれる水素原子を半導体薄膜１０５中に拡散させる。この後、コンタクトホールを開口し、Ｍｏ，Ａｌなどを１００〜２００ｎｍの厚みでスパッタした後、所定の形状にパターニングして配線電極１０９に加工する。

更に、アクリル樹脂などからなる平坦化層１１０を１μｍ程度の厚みで塗布した後、コンタクトホールを開口する。平坦化層１１０の上にＩＴＯなどからなる透明導電膜をスパッタした後、所定の形状にパターニングして画素電極１１１に加工する。図１０に示すような大粒径結晶粒アレイの結晶粒の位置に合わせてチャネルを形成するので、高移動度の優れた薄膜トランジスタが形成される。

図３４は、本実施形態にかかるトップゲート型薄膜トランジスタの製造プロセスを示す工程図である。なお、本実施例では、実施例６と異なり、トップゲート構造の薄膜トランジスタを作製している。まず、図３４（ａ）に示す様に、絶縁基板１００の上に、バッファ層となる二層の下地膜１０６ａ，１０６ｂをプラズマＣＶＤ法により連続成膜する。一層目の下地膜１０６ａはＳｉＮ_Xからなり、その膜厚は５００ｎｍである。

又、二層目の下地膜１０６ｂはＳｉＯ₂からなり、その膜厚は同じく５００ｎｍである。このＳｉＯ₂からなる下地膜１０６ｂの上に、非晶質シリコンからなる半導体薄膜１０４を５０〜２００ｎｍの厚みでプラズマＣＶＤ法もしくはＬＰＣＶＤ法により成膜する。さらに、ＳｉＯ₂からなる絶縁膜１４０を２００ｎｍの厚みで成膜する。非晶質シリコンからなる半導体薄膜１０４の成膜にプラズマＣＶＤ法を用いた場合には、膜中の水素を脱離させる為に、窒素雰囲気中で４００〜４５０°Ｃの条件で１時間程度アニールする。

次に、例えば実施例１〜５に示した方式の本発明の方法に従って、非晶質半導体薄膜１０４を結晶化する。レーザ光１５０の照射領域を調整した後、照射領域に位相変調素子の周期的なパターンの配列を転写することができるようにレーザ光１５０のフォーカスを合わせて照射し、更に重複しない様に領域をずらして繰り返し照射して、所定の面積を結晶化する。続いて絶縁膜１４０をエッチング等の方法で剥離する。

ここで、必要ならば、前述した様にＶｔｈイオンインプランテーションを行ない、Ｂ＋イオンを例えばドーズ量５×１０¹¹〜４×１０¹²／ｃｍ²程度で半導体薄膜１０４に注入する。この場合の加速電圧は、１０ＫｅＶ程度である。続いて、図３４（ｂ）に示す様に、結晶化したシリコン半導体薄膜１０５をアイランド状にパターニングする。この上に、プラズマＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法、ＥＣＲ−ＣＶＤ法、スパッタ法などでＳｉＯ₂を１０〜４００ｎｍ成長させ、ゲート絶縁膜１０３とする。本実施例では、ゲート絶縁膜１０３の厚みを１００ｎｍにした。

次いで、ゲート絶縁膜１０３の上に、Ａｌ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔａ，ドープト多結晶シリコンなど、あるいはこれらの合金を２００〜８００ｎｍの厚みで成膜し、所定の形状にパターニングしてゲート電極１０１に加工する。次いで、Ｐ＋イオンを質量分離を用いたイオン注入法で半導体薄膜１０５に注入し、ＬＤＤ領域を設ける。このイオン注入はゲート電極１０１をマスクとして絶縁基板１００の全面に対して行う。ドーズ量は、６×１０¹²〜５×１０¹³／ｃｍ²である。加速電圧は、例えば９０ＫｅＶである。

なお、ゲート電極１０１の直下に位置するチャネル領域Ｃｈは保護されており、Ｖｔｈイオンインプランテーションで予め注入されたＢ＋イオンがそのまま保持されている。ＬＤＤ領域に対するイオン注入後、ゲート電極１０１とその周囲を被覆する様にレジストパターンを形成し、Ｐ＋イオンを質量非分離型のイオンシャワードーピング法で高濃度に注入し、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄを形成する。この場合のドーズ量は、例えば１×１０¹⁵／ｃｍ²程度である。加速電圧は、例えば９０ＫｅＶである。ドーピングガスには、水素希釈の２０％ＰＨ₃ガスを用いた。

ＣＭＯＳ回路を形成する場合には、Ｐチャネル薄膜トランジスタ用のレジストパターンを形成後、ドーピングガスを５〜２０％のＢ₂Ｈ₆／Ｈ₂ガス系に切り換え、ドーズ量を１×１０¹⁵〜３×１０¹⁵／ｃｍ²程度、加速電圧は例えば９０ＫｅＶでイオン注入すればよい。なお、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄの形成は、質量分離型のイオン注入装置を用いてもよい。この後、半導体薄膜１０５に注入されたドーパントの活性化処理となる。この活性化処理は、実施例６と同様に、紫外線ランプを使ったＲＴＡ１６０を用いることができる。

最後に、図３４（ｃ）に示す様に、ゲート電極１０１を被覆する様にＰＳＧなどからなる層間絶縁膜１０７を成膜する。この層間絶縁膜１０７の成膜後、ＳｉＮ_XをプラズマＣＶＤ法で約２００〜４００ｎｍ堆積しパシベーション膜（キャップ膜）１０８とする。この段階で、窒素ガス中において３５０°Ｃの温度で１時間程度アニールし、層間絶縁膜１０７に含有された水素を半導体薄膜１０５中に拡散させる。この後、コンタクトホールを開口する。

更に、パシベーション膜１０８の上にＡｌ−Ｓｉなどをスパッタリングで成膜した後、所定の形状にパターニングして配線電極１０９に加工する。更に、アクリル樹脂などからなる平坦化層１１０を約１μｍの厚みで塗工後、これにコンタクトホールを開口する。平坦化層１１０の上にＩＴＯなどからなる透明導電膜をスパッタリングし、所定の形状にパターニングして画素電極１１１に加工する。

図３４に示した実施例７では、図３３の実施例６で説明した方法と同様にして非晶質半導体薄膜を結晶化させる。但し、トップゲート構造である本実施例の場合は、ボトムゲート構造である実施例６と異なり、ゲート電極のパターンが形成される前の段階で結晶化を行う為、ガラスなどからなる絶縁基板の収縮については実施例６よりも許容度が大きい。そのため、より大出力のレーザ照射装置を用いて結晶化処理を行うことができる。図１０に示すような大粒径結晶粒アレイの結晶粒の位置に合わせてチャネルを形成するので、高移動度の優れた薄膜トランジスタが形成される。

図３５は、実施例６又は実施例７に係る薄膜トランジスタを用いたアクティブマトリクス型表示装置の一例を示す。図示する様に、本表示装置は、一対の絶縁基板２０１，２０２と両者の間に保持された電気光学物質２０３とを備えたパネル構造を有する。電気光学物質２０３としては、液晶材料が広く用いられている。下側の絶縁基板２０１には、画素アレイ部２０４と駆動回路部とが集積形成されている。駆動回路部は、垂直駆動回路２０５と水平駆動回路２０６とに分かれている。

また、絶縁基板２０１の周辺部上端には、外部接続用の端子部２０７が形成されている。端子部２０７は、配線２０８を介して垂直駆動回路２０５及び水平駆動回路２０６に接続している。画素アレイ部２０４には、行状のゲート配線２０９と列状の信号配線２１０とが形成されている。両配線の交差部には、画素電極２１１と、これを駆動する薄膜トランジスタ２１２とが形成されている。薄膜トランジスタ２１２のゲート電極は対応するゲート配線２０９に接続し、ドレイン領域は対応する画素電極２１１に接続し、ソース領域は対応する信号配線２１０に接続している。

ゲート配線２０９は、垂直駆動回路２０５に接続している。一方、信号配線２１０は、水平駆動回路２０６に接続している。画素電極２１１をスイッチング駆動する薄膜トランジスタ２１２及び垂直駆動回路２０５と水平駆動回路２０６とに含まれる薄膜トランジスタは、本発明に従って作製されたものであり、従来に比較して移動度が高くなっている。従って、駆動回路ばかりでなく更に高性能な処理回路を集積形成することも可能である。

以上の本発明の結晶化方法により作製した結晶化半導体薄膜は、薄膜トランジスタに適用され、移動度が高いという優れたＴＦＴ特性を示すので、液晶表示装置（液晶ディスプレイ）やＥＬ（エレクトロルミネッセンス）ディスプレイなどの駆動回路や、メモリ（ＳＲＡＭやＤＲＡＭ）やＣＰＵなどの集積回路などに適用可能である。

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１の照明系の内部構成を概略的に示す図である。 実施例１の位相変調素子の構成を概略的に示す図である。 実施例１において光束分割素子を用いないときに位相変調素子により得られる光強度分布を示す図である。 本実施形態の各実施例における光束分割素子の構成および作用を説明する図である。 実施例１において位相変調素子と光束分割素子とにより焦点位置で得られる光強度分布を示す図である。 実施例１において位相変調素子と光束分割素子とによりデフォーカス位置で得られる光強度分布を示す図である。 本発明における半導体薄膜の結晶化過程を概略的に示す図である。 図８に示す結晶化過程を実現するのに適した光強度分布の一例を概略的に示す図である。 位相変調素子における単位領域の配列パターンと形成される結晶組織のアレイパターンとの関係の一例を模式的に示す図である。 位相変調素子における単位領域の配列パターンと形成される結晶組織のアレイパターンとの関係の別の例を模式的に示す図である。 本実施形態の実施例２における位相変調素子の構成を概略的に示す図である。 実施例２において光束分割素子を用いないときに位相変調素子により得られる光強度分布を示す図である。 実施例２において位相変調素子と光束分割素子とにより焦点位置で得られる光強度分布を示す図である。 実施例２において位相変調素子と光束分割素子とによりデフォーカス位置で得られる光強度分布を示す図である。 本実施形態の実施例３における位相変調素子の構成を概略的に示す図である。 実施例３において光束分割素子を用いないときに位相変調素子により得られる光強度分布を示す図である。 実施例３において位相変調素子と光束分割素子とにより焦点位置で得られる光強度分布を示す図である。 実施例３において位相変調素子と光束分割素子とによりデフォーカス位置で得られる光強度分布を示す図である。 ドット領域の占有面積率と光強度分布とに関する原理を説明する図である。 点像分布範囲Ｒ内での位相の変化と光強度との典型的な関係を示す図である。 結像光学系における瞳関数と点像分布関数との関係を示す図である。 図１６に示す位相変調素子のドット領域に対応するセル型の構成を概略的に示す図である。 図１６に示す位相変調素子のドット領域とは異なるピクセル型の構成を概略的に示す図である。 本実施形態の実施例４における位相変調素子の構成を概略的に示す図である。 実施例４において光束分割素子を用いないときに位相変調素子により得られる光強度分布を示す図である。 実施例４において位相変調素子と光束分割素子とにより焦点位置で得られる光強度分布を示す図である。 実施例４において位相変調素子と光束分割素子とによりデフォーカス位置で得られる光強度分布を示す図である。 本実施形態の実施例５における位相変調素子の構成を概略的に示す図である。 実施例５において光束分割素子を用いないときに位相変調素子により得られる光強度分布を示す図である。 実施例５において位相変調素子と光束分割素子とにより焦点位置で得られる光強度分布を示す図である。 実施例５において位相変調素子と光束分割素子とによりデフォーカス位置で得られる光強度分布を示す図である。 本実施形態にかかるボトムゲート型薄膜トランジスタの製造プロセスを示す工程図である。 本実施形態にかかるトップゲート型薄膜トランジスタの製造プロセスを示す工程図である。 本実施形態にかかる表示装置の構成を概略的に示す斜視図である。

符号の説明

１ 位相変調素子
１ａ 位相変調素子の単位領域
２ 光束分割素子
２Ｅ 複屈折素子
３ 照明系
３ａ ＫｒＦエキシマレーザ光源
３ｂ ビームエキスパンダ
３ｃ，３ｅ フライアイレンズ
３ｄ，３ｆ コンデンサー光学系
４ 結像光学系
４ｃ 開口絞り
５ 被処理基板
６ 基板ステージ
１０ 単位基板領域
１１ 成長性結晶核
１２ 溶融領域
１３ 双晶粒界
１４ 固液界面
１５ 結晶粒界

Claims (23)

1. 非単結晶半導体膜に所定の光強度分布を有する光束を照射して結晶化する結晶化装置であって、
   所定の周期で配置されて互いにほぼ同じパターンを有する複数の単位領域からなる位相変調素子と、該位相変調素子を介した光束を２つの非干渉性の光束に分割するための光束分割素子と、前記位相変調素子と前記非単結晶半導体膜との間に配置された結像光学系とを備え、
   前記位相変調素子の前記単位領域は、一定の位相を有する基準面と、前記単位領域の中心近傍に配置されて前記基準面に対して第１位相差を有する第１位相領域と、該第１位相領域の近傍に配置されて前記基準面に対して前記第１位相差とは絶対値がほぼ等しく且つ符号の異なる第２位相差を有する第２位相領域とを有し、
   隣り合う２つの単位領域の間では、前記基準面は互いにほぼ同じ位相差を有し、前記第１位相領域は前記基準面に対して互いにほぼ反転した位相差を有し、前記第２位相領域は前記基準面に対して互いにほぼ反転した位相差を有することを特徴とする結晶化装置。
2. 前記所定の光強度分布は、所定の周期で配列されて互いにほぼ同じ二次元的な分布を有する複数の単位分布領域を有し、
   前記単位分布領域は、その中心近傍において光強度の最も小さい領域から周囲に向かって放射状に光強度が急激に増大する逆ピーク状の分布と、該逆ピーク状の分布から周囲に向かって放射状に緩やかに光強度が増大する傾斜状分布とを有することを特徴とする請求項１に記載の結晶化装置。
3. 前記単位分布領域における光強度の最小値は、前記単位分布領域における光強度の最大値を１に規格化としたときに０．２乃至０．７の相対値を有することを特徴とする請求項２に記載の結晶化装置。
4. 前記単位分布領域における光強度の最大値を１に規格化としたとき、前記単位分布領域における光強度の最小値に前記最大値と前記最小値との差の２／５を加えた光強度における光強度分布の幅が０．５μｍ乃至１．５μｍであることを特徴とする請求項２または３に記載の結晶化装置。
5. 前記単位分布領域は、４μｍ乃至２０μｍの間隔を隔てて格子状または三角頂点状に配列されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の結晶化装置。
6. 所定の光強度分布を有する光束の照射により非単結晶半導体膜を溶融し、該非単結晶半導体膜の溶融部が凝固する過程で単一の成長性の結晶核を周期的に発生させ、前記成長性の結晶核を中心として放射状に結晶成長させて結晶粒アレイ膜を形成する結晶化装置であって、
   前記所定の光強度分布は、所定の周期で配列されて互いにほぼ同じ二次元的な分布を有する複数の単位分布領域を有し、
   前記単位分布領域は、その中心近傍において光強度の最も小さい領域から周囲に向かって放射状に光強度が急激に増大する逆ピーク状の分布と、該逆ピーク状の分布から周囲に向かって放射状に緩やかに光強度が増大する傾斜状分布とを有することを特徴とする結晶化装置。
7. 前記単位分布領域における光強度の最小値は、前記単位分布領域における光強度の最大値を１に規格化としたときに０．２乃至０．７の相対値を有することを特徴とする請求項６に記載の結晶化装置。
8. 前記単位分布領域における光強度の最大値を１に規格化としたとき、前記単位分布領域における光強度の最小値に前記最大値と前記最小値との差の２／５を加えた光強度における光強度分布の幅が０．５μｍ乃至１．５μｍであることを特徴とする請求項６または７に記載の結晶化装置。
9. 前記単位分布領域は、４μｍ乃至２０μｍの間隔を隔てて格子状または三角頂点状に配列されていることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の結晶化装置。
10. 所定の光強度分布を有する光束の照射により非単結晶半導体膜を溶融し、該非単結晶半導体膜の溶融部が凝固する過程で単一の成長性の結晶核を周期的に発生させ、前記成長性の結晶核を中心として放射状に結晶成長させて結晶粒アレイ膜を形成する結晶化方法であって、
    前記所定の光強度分布は、所定の周期で配列されて互いにほぼ同じ二次元的な分布を有する複数の単位分布領域を有し、
    前記単位分布領域は、その中心近傍において光強度の最も小さい領域から周囲に向かって放射状に光強度が急激に増大する逆ピーク状の分布と、該逆ピーク状の分布から周囲に向かって放射状に緩やかに光強度が増大する傾斜状分布とを有することを特徴とする結晶化方法。
11. 前記成長性の結晶核を中心として放射状に結晶成長させて、内部に双晶粒界のみを含む結晶粒アレイ膜を形成することを特徴とする請求項１０に記載の結晶化方法。
12. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の結晶化装置あるいは請求項１０または１１に記載の結晶化方法により結晶化された、デバイスを作製するための基板上の半導体膜であって、
    前記半導体膜の結晶組織が４μｍ乃至２０μｍの周期的な間隔で配列された結晶粒からなり、且つ該結晶粒の内部に双晶粒界のみを含むことを特徴とする半導体膜。
13. 絶縁基板上に形成された半導体膜と、該半導体膜の一面に重ねられたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜を介して前記半導体膜に重ねられたゲート電極とを含む積層構成を有するトップゲート型の薄膜トランジスタであって、
    前記半導体膜の結晶組織が４μｍ乃至２０μｍの周期的な間隔で配列された結晶粒からなり、且つ該結晶粒の内部に双晶粒界のみを含むことを特徴とする薄膜トランジスタ。
14. 絶縁基板上に形成されたゲート電極と、該ゲート電極の一面に重ねられたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極を覆うように重ねられた半導体膜とを含む積層構成を有するボトムゲート型の薄膜トランジスタであって、
    前記半導体膜の結晶組織が４μｍ乃至２０μｍの周期的な間隔で配列された結晶粒からなり、且つ該結晶粒の内部に双晶粒界のみを含むことを特徴とする薄膜トランジスタ。
15. 所定の間隙を介して互いに接合された一対の基板と、該一対の基板の間隙に保持された電気光学物質とを有し、前記一対の基板のうちの一方の基板には対向電極が形成され、前記一対の基板のうちの他方の基板には画素電極および該画素電極を駆動するための薄膜トランジスタが形成され、前記薄膜トランジスタは半導体膜と該半導体膜の一面にゲート絶縁膜を介して重ねられたゲート電極とにより形成されている表示装置であって、
    前記半導体膜の結晶組織が４μｍ乃至２０μｍの周期的な間隔で配列された結晶粒からなり、且つ該結晶粒の内部に双晶粒界のみを含むことを特徴とする表示装置。
16. 所定の周期で配置されて互いにほぼ同じパターンを有する複数の単位領域からなる位相変調素子であって、
    前記単位領域は、一定の位相を有する基準面と、前記単位領域の中心近傍に配置されて前記基準面に対して第１位相差を有する第１位相領域と、該第１位相領域の近傍に配置されて前記基準面に対して前記第１位相差とは絶対値がほぼ等しく且つ符号の異なる第２位相差を有する第２位相領域とを有し、
    互いに隣り合う２つの単位領域の間において、前記基準面は互いにほぼ同じ位相を有し、前記第１位相領域は前記基準面に対して互いにほぼ反転した位相を有し、前記第２位相領域は前記基準面に対して互いにほぼ反転した位相を有することを特徴とする位相変調素子。
17. 前記第１位相領域と前記第２位相領域とは、互いにほぼ同じパターンを有し且つほぼ１点において互いに接していることを特徴とする請求項１６に記載の位相変調素子。
18. 前記第１位相領域および前記第２位相領域は、それぞれ扇形形状を有することを特徴とする請求項１６または１７に記載の位相変調素子。
19. 前記第１位相領域と前記第２位相領域とは全体として、その作用面における直径の換算値で０．３μｍ乃至３μｍの大きさを有することを特徴とする請求項１６乃至１８のいずれか１項に記載の位相変調素子。
20. 前記単位領域において、前記第１位相領域および前記第２位相領域の周囲には、所定寸法よりも小さいドット形状を有し且つ前記第１位相領域とほぼ同じ位相を有する第１ドット領域と、前記所定寸法よりも小さいドット形状を有し且つ前記第２位相領域とほぼ同じ位相を有する第２ドット領域とが設けられていることを特徴とする請求項１６乃至１９のいずれか１項に記載の位相変調素子。
21. 前記単位領域において、前記基準面に対する前記第１ドット領域の占有面積率および前記基準面に対する前記第２ドット領域の占有面積率が位置によって変化していることを特徴とする請求項２０に記載の位相変調素子。
22. 前記単位領域は、前記所定寸法よりも小さい複数のセルを有し、各セル内における前記第１ドット領域の占有面積率および各セル内における前記第２ドット領域の占有面積率がセル毎に変化していることを特徴とする請求項２０に記載の位相変調素子。
23. 前記占有面積率は、前記単位領域の中心から離れるにしたがって小さくなっていることを特徴とする請求項２１または２２に記載の位相変調素子。

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