JP2008124149A - 光学装置および結晶化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リンギングを抑制し、均一なレーザー光を照射することができる光学装置および結晶化装置を提供する。
【解決手段】レーザー光を複数に分割するために第１の曲率及び第１の径を有する複数の第１のレンズセグメントが配列された第１のシリンドリカルレンズアレイと、この第１のシリンドリカルレンズアレイの少なくとも１箇所の前記第１のレンズセグメント間に配列された第２の曲率及び第２の径を有する複数の第２のレンズセグメントが配列された第２のシリンドリカルレンズアレイとを有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、入射レーザ光を複数光に分割するための光学装置に係り、特にアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜のような非単結晶半導体膜に所定の光強度分布を有するパルスレーザー光を照射して結晶化半導体膜を生成するために用いられる結晶化装置に用いて好適な光学装置に関する。

液晶表示装置（Liquid-Crystal-Display:ＬＣＤ）の表示画素を選択するスイッチング素子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）膜や多結晶シリコン（poly-Silicon）膜に形成されている。多結晶シリコン膜は多数の結晶粒の集合からなるため、ＴＦＴを多結晶シリコン膜に形成した場合、チャネル領域内に結晶粒界が形成され、この結晶粒界が電子や正孔の移動に対して障壁となる。このため、多結晶シリコン膜は単結晶シリコン膜に比べると電子または正孔の移動度が低くなる課題がある。また、多結晶シリコン膜に形成された多数のＴＦＴは、チャネル領域に形成される結晶粒界の数、位置、形状などが各ＴＦＴ間で異なり、これがＴＦＴ特性のバラツキとなって液晶表示装置であれば表示ムラの問題となる。

そこで、電子または正孔の移動度を向上させ、かつチャネル部における結晶粒界数などによるＴＦＴ特性のバラツキを少なくするために、例えば非特許文献１および特許文献１などにおいて位相制御ＥＬＡ（Excimer Laser Annealing）法が提案されている。位相制御ＥＬＡ法では、入射するレーザ光ビームの面内光強度分布を均一化するためのホモジナイザや入射するレーザ光を位相変調して強弱の光強度プロファイルを形成するための位相シフタなどを備える照明光学系を用いて、所望の強弱の光強度プロファイルのパルスレーザー光を形成し非単結晶シリコン薄膜の所望する位置に照射して大粒径の結晶化領域を形成することができる。即ち、強弱の光強度プロファイルのパルスレーザー光に照射された非単結晶シリコン薄膜の受光領域は溶融し、この溶融領域がレーザ光の遮断期に降温する過程において固液分岐位置が上記強弱の光強度プロファイルに応じて横方向に移動するにつれて結晶化位置が横方向に移動し、少なくとも１個のチャネル領域を形成できる大きさの大粒径の結晶粒からなる結晶化シリコンを形成することができる。

特許文献２には、位相制御ＥＬＡ法において光学系の設計自由度を向上させるために、ホモジナイザに特殊な軸外しシリンドリカルレンズを用いることが記載されている。この特許文献２のシリンドリカルレンズは、図７の（ａ）に示すように同じ大きさと形状（円柱を軸方向に二分割した半円柱形状（カマボコ型）であって、光透過面の曲率が同一）のレンズセグメントＭが並ぶレンズアレイで構成されている。
表面科学Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．５，ｐｐ２７８−２８７，２０００ 特開２０００−３０６８５９号公報 特開２００５−３１１３４０号公報

しかしながら、特許文献２の従来のシリンドリカルレンズ３００を用いてレーザー光ビームの面内光強度を均一化し、非特許文献１や特許文献１の結晶化装置により結晶化プロセスを実行した場合、非特許文献１の３８ページ図９（ａ）の正弦波状の強弱の光強度プロファイルを形成することができない課題があった。本発明者等は、鋭意因果関係を検討した結果、ホモジナイザ透過光の周辺において、図８の（ａ）に示すように光強度が不安定に変動するリンギング（過渡的振動）を生じていることが判った。リンギングを生じた光に照射された非単結晶半導体の部位は所望の大きさの結晶化が進行しないため、結局はリンギング領域での結晶化領域が小さくなりチャネル領域分の大きさの結晶化領域を形成できず製造歩留まりを低下させることが判った。

上記リンギングを生じた光を除去する手段としてホモジナイザの透過光路にマスクを設けることが考えられるが、レーザ光源からのレーザ光を有効に利用できない課題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、リンギングを抑制し、均一なレーザー光を照射することができる光学装置および結晶化装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光学装置は、レーザー光を複数に分割するために第１の曲率及び第１の径を有する複数の第１のレンズセグメントが配列された第１のシリンドリカルレンズアレイと、この第１のシリンドリカルレンズアレイの少なくとも１箇所の前記第１のレンズセグメント間に介在して設けられた前記第１の曲率および第１の径と異なる第２の曲率及び第２の径を有する第２のレンズセグメントと、を具備することを特徴とする。

本発明に係る結晶化装置は、入射パルスレーザー光の光強度分布を均一化するための光学装置で均一化し、均一化されたパルスレーザー光を逆ピークパターン状の光強度分布を有するパルスレーザー光にして非単結晶膜に照射して該非単結晶膜を結晶化する結晶化装置であって、前記光強度分布を均一化するための光学装置は、レーザー光を複数に分割するために第１の曲率及び第１の径を有する複数の第１のレンズセグメントが配列された第１のシリンドリカルレンズアレイと、この第１のシリンドリカルレンズアレイの少なくとも１箇所の前記第１のレンズセグメント間に介在して設けられた、前記第１の曲率と異なる第２の曲率を有し、かつ前記第１の径と異なる第２の径を有する第２のレンズセグメントと、を具備することを特徴とする。

本明細書中の用語を次のように定義する。

「位相シフタ」とは、光の位相を変調するための空間強度変調光学素子のことをいい、フォトリソグラフィプロセスの露光工程で使用される位相シフトマスクとは区別されるものである。位相シフタは、例えば石英基材にエッチングにより段差が形成されたものである。

「ホモジナイザ」とは、入射光を面内で複数に分割し、これらの分割光を収束させて、特定の面で光強度を均一化する光学装置のことをいう。

「結晶化」とは、結晶化対象膜が溶融し、この融液が降温して凝固する過程において結晶核を起点として結晶成長することをいう。

「ラテラル成長」とは、結晶化対象膜が溶融し、その融液が降温する過程で凝固する位置が結晶化対象膜面に沿って横方向に移動する過程において、結晶粒の成長が膜面に沿って横方向に進行することをいう。

「光強度分布（ビームプロファイル）」とは、結晶化するために結晶化対象膜例えば非単結晶半導体膜に入射される光の二次元の強度分布のことをいう。換言すれば、照射光（照明光）の検出面における光の強度（明るさ）分布のことをいう。

「レーザフルエンス」とは、ある位置でのレーザー光のエネルギ密度を表わす尺度であり、単位面積当たりのエネルギ量を時間積分したものをいい、具体的には光源または照射領域において計測されるレーザー光の平均強度のことをいう。「平均レーザフルエンス」とは、ある処理面積内で均一化したレーザフルエンスを指す。

「アッテネータ」とは、レーザー光の強度を減衰させる光学素子をいう。アッテネータは、被処理基板が焼き付きを生じないようにレーザー光の光強度レベルを調整する機能を有するものである。

「レシピ」とは、製造しようとする製品の仕様（設計）に基づいて製品ごとに設定される種々の処理条件のことをいう。

「装置パラメータ」とは、結晶化のためのレシピに応じて結晶化装置が固有に有する結晶化のための最適条件のことをいう。

「レンズセグメント」とは、シリンドリカルレンズを構成する最小単位のレンズ機能部位をいう。

「レンズセグメントの曲率」とは、レンズセグメントの入射光面または出射光面の曲率をいう。また、「レンズセグメントの径」とは、レンズセグメントの入射光面または出射光面の直径をいう。

本発明によれば、リンギングを抑制し、均一なレーザー光を照射することができる光学装置および結晶化装置を得ることができる。各シリンドリカルレンズアレイにおいて隣り合う第１及び第２のレンズセグメントの長手軸直交断面形状（径、曲率など）を異ならせて設けるので、第１のレンズセグメントを透過したレーザー光と前記第２のレンズセグメントを透過したレーザー光とがそれぞれ同一領域に重畳する仮想的な面（位相シフタ面）において互いに干渉し、この光の干渉作用によってリンギング成分が分散される。これにより、位相シフタ面で入射光の面内光強度分布の均一性が高い光学装置を得ることができる。さらに、結晶化装置では照射エリアの全域にわたって所望の溶融・結晶化が促進され、大粒径の結晶化領域を形成することができ、無駄の少ない高歩留まりの単結晶化領域例えば単結晶化シリコン膜が得られる。

以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための種々の実施の形態について説明する。
先ず、図１〜図５を参照して本発明の結晶化装置の実施例について説明する。結晶化装置１は、プロジェクション方式のエキシマレーザー照射装置であり、照明部３、位相シフタ２、結像光学系４および基板ステージ６を備えている。照明部３は、レーザー光源３ａ、この光源３ａからのレーザ光路にはレーザー光強度調整手段としてのアッテネータ３ｂが設けられ、このアッテネータ３ｂの透過光路には入射するレーザー光ビームの面内光強度を均一化するためのホモジナイザ３３，３４を含む照明光学系３ｃを有する。基板ステージ６の上には結晶化処理工程を受ける被処理基板５が予め定められた位置に位置決めされて載置される。この結晶化装置１は、パルスレーザー光が光源３ａ→アッテネータ３ｂ→ホモジナイザ３３，３４を含む照明光学系３ｃ→位相シフタ２→結像光学系４の順に通って被処理基板５に照射されるようになっている。被処理基板５は、例えばガラスなどの絶縁基板、半導体基板、金属基板上に絶縁膜が形成され、この絶縁膜上には結晶化対象膜としての非単結晶半導体膜（例えばアモルファスシリコン膜）が形成され、この非単結晶半導体膜上にはキャップ膜（例えば酸化シリコン膜や光吸収特性を有する絶縁膜）が被覆形成されたものである。

位相シフタ２は、照明部３と結像光学系４との間に設けられ、所定の段差を有し、段差のところでレーザー光線群にフレネル回折を起こさせ、入射光束の位相を変調するものである。位相シフタ２は、入射光束を位相変調することによりパルスレーザー光を、結晶化対象膜を最適に溶融・結晶化させるための所望の強弱のプロファイルを形成するものである。

照明部３は、被処理基板５の非単結晶半導体膜の照射領域を溶融させるためのエネルギ光を出力する光源３ａとしてＸｅＣｌエキシマレーザー発振器を備えている。この光源３ａは、非単結晶半導体膜の吸収波長特性に適合させた波長が３０８ｎｍ、パルス幅（半値幅）が３０ｎｓｅｃのパルスレーザー光を発振する固有の特性を有する光源である。なお、本実施形態では、光源３ａとして、ＸｅＣｌエキシマレーザー発振器の例について説明するが、これ以外の他の光源としてＫｒＦエキシマレーザー発振器、ＡｒＦエキシマレーザー発振器またはＹＡＧレーザー発振器などを用いることもできる。

アッテネータ３ｂは、誘電体の多層膜コーティングフィルタの角度を調節してレーザ光の光強度（レーザフルエンス）を光学的に変調するものであり、次に述べる制御部８により動作制御されるセンサ、モータ、制御系を備えている。

次に照明部３の構成を図２を参照して具体的に説明する。

照明部３の照明光学系３ｃは、位相シフタ２に対向するように配置されている。上記光源３ａから出射されたパルスレーザー光は、アッテネータ３ｂにより光強度が調整された後に、照明光学系３ｃに入射して倍率調整および光強度の均一化がなされる。照明光学系３ｃに入射した光ビームは、ビームエキスパンダ３１によりビーム径が所望の大きさに拡大され、絞り３２でビームエキスパンダ３１の周辺光をカットした後に、ホモジナイザに入射する。

このホモジナイザは、例えば２段からなり第１のホモジナイザ３３の透過光路に、続いて第２のホモジナイザ３４を設けて、光ビームの面内の光強度および入射角度を均一化する光学装置である。この均一化されたレーザー光は、照明光学系３ｃを出射すると、位相シフタ２の仮想的な面（位相シフタ面）２ａを重畳的に照射し、所望のビームプロファイルの光強度分布を有するレーザー光となって被処理基板５の照射エリア面を照射する。所望のビームプロファイルの光強度分布は、例えば最小光強度から最大光強度に光強度が連続的に変化する逆ピークパターン状の光強度分布が一つ又は複数例えば１レーザ光の面内で数十個が二次元状に配列された光である。

次いで、位相シフタ２で位相変調されたレーザー光は、結像光学系４を介して、被処理基板５の非単結晶半導体膜に入射する。ここで、結像光学系４は、位相シフタ２のパターン面と被処理基板５（厳密には非単結晶半導体膜の上面）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、位相シフタ２の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、前正レンズ群４ａと後正レンズ群４ｂとの間に開口絞り４ｃを備えている。開口絞り４ｃは、たとえば開口部（光透過部）の大きさの異なる複数の開口絞りからなり、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として、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用いてもよい。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の半導体層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。この結像光学系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。

本実施形態の結晶化装置１では、基板ステージ６の上に被処理基板５と図示しないビームプロファイラ７７（図３参照）とが置換可能に並設されている。ビームプロファイラ７７は、その光軸が結像光学系４のレーザ光軸と平行となるように位置合せされている。ビームプロファイラ７７と結像光学系４との位置合せは、基板ステージ６とアライメント機構（図示せず）とを用いてなされる。

次に、図３を参照して本装置の制御系について説明する。

結晶化装置１は制御手段および記録手段としてコンピュータ８を備えている。コンピュータ８は、入力インターフェース８ａ、システムバス８ｂ、ＣＰＵ８ｃ、メモリ（記録装置）８ｄおよび出力インターフェース８ｅを備えている。

入力インターフェース８ａにはビームプロファイラ７７、ハイトセンサ７８および入力装置７９が接続され、出力インターフェース８ｅにはレーザー光源３ａ、アッテネータ３ｂ、照明光学系３ｃ、位相シフタ２の位置合せ機構（図示せず）、基板ステージ６および表示装置８１などがそれぞれ接続されている。入力インターフェース８ａおよび出力インターフェース８ｅは、システムバス８ｂを介してＣＰＵ８ｃおよびメモリ８ｄにそれぞれ接続されている。

上記ビームプロファイラ７７は、上記ビームプロファイルを表示し、モニタできる機構である。ハイトセンサ７８は、結像光学系４から被処理基板５までの間の距離を測定する高さ検知機構である。

メモリ８ｄは、キーボード等の入力装置７９から入力される装置パラメータを記憶し、保有するための記録装置である。ＣＰＵ８ｃは、入力装置７９から入力されるレシピに応じて、またビームプロファイラ７７およびハイトセンサ７８から直接入力される各検出データに応じてメモリ８ｄから装置パラメータを随時読み出し、演算処理し、所定の指令信号を装置各部に出力インターフェース８ｅを介して送る制御手段である。

表示装置８１は、コンピュータ８から出力されてくる各種データを表示するものであり、その第１表示部にはテーブル化された装置パラメータが列記して表示され、第２表示部には被処理基板５上のレーザー照射位置を示す基板マップ図形が表示され、第３表示部には照射レーザー光のビームプロファイル波形が表示されるようになっている。なお、表示装置８１は、パルスレーザー照射装置１に異常が発生したときに警報を発するアラーム機構を有することが望ましい。アラーム機構は、例えば表示装置８１の画面に赤ランプを点滅させるようにしてもよいし、スピーカから警報音や音声を発するようにしてもよい。

次に、図２、図４、図５を参照して第１のホモジナイザ３３および第２のホモジナイザ３４の第１の実施の形態の照明光学系３ｃの詳細について説明する。

照明光学系３ｃは、上記したようにビームエキスパンダ３１、絞り３２、第１のホモジナイザ３３および第２のホモジナイザ３４を備えている。ビームエキスパンダ３１は、光源３ａからのレーザー光を所望の大きさに拡大して絞り３２を照明するものである。絞り３２は、ビームエキスパンダ３１周辺光を遮断するための所定の大きさの開口部を有し、拡大されたレーザー光の周辺光をカットするものである。絞り３２の開口部の大きさは例えば直径２０ｍｍである。第１のホモジナイザ３３は、絞り３２でトリミングされたレーザー光をＸ方向およびＹ方向にそれぞれ分割するものである。第２のホモジナイザ３４は、分割されたレーザー光をＸ方向およびＹ方向にそれぞれ集光するものである。この実施の形態では、第１及び第２のホモジナイザ３３，３４によりレーザー光の面内光強度分布および入射角度分布が均一化されるようになっている。

第１のホモジナイザ３３は、第１のシリンドリカルレンズアレイ３３ａと第２のシリンドリカルレンズアレイ３３ｂとを上下に積み重ねて組み合わせてなるものである。上下に積み重ねてとは、透過光路に設けることであり、入射光側に第２のシリンドリカルレンズアレイ３３ｂを配置し、このアレイ３３ｂの出射光路に第１のシリンドリカルレンズアレイ３３ａを配置してもよい。

この組み合わせは、図３に示すように、第１のシリンドリカルレンズアレイ３３ａの長手軸がＸ方向に延び出し、第２のシリンドリカルレンズアレイ３３ｂの長手軸がＹ方向に延び出している。すなわち、第１のシリンドリカルレンズアレイ３３ａの長手軸と第２のシリンドリカルレンズアレイ３３ｂの長手軸とは直交している。第１のシリンドリカルレンズアレイ３３ａはマスク３２の開口部に対向して配置されている。また、第２のシリンドリカルレンズアレイ３３ｂは第２のホモジナイザ３４の第３のシリンドリカルレンズアレイ３４ａに対向して配置されている。

第２のホモジナイザ３４は、第３のシリンドリカルレンズアレイ３４ａと第４のシリンドリカルレンズアレイ３４ｂとを上下に積み重ねて組み合わせてなるものである。この組み合わせも上記と同様に、図４に示すように、第３のシリンドリカルレンズアレイ３４ａの長手軸（長軸）がＸ方向に延び出し、第４のシリンドリカルレンズアレイ３４ｂの長手軸がＹ方向に延び出している。すなわち、第３のシリンドリカルレンズアレイ３４ａの長手軸と第４のシリンドリカルレンズアレイ３４ｂの長手軸とは直交している。なお、第３のシリンドリカルレンズアレイ３４ａは上記第１のシリンドリカルレンズアレイ３３ａと光学的に同等の構成と機能を有し、また、第４のシリンドリカルレンズアレイ３４ｂは上記第２のシリンドリカルレンズアレイ３３ｂと光学的に同等の構成と機能を有している。

第１のホモジナイザ３３において、第１のシリンドリカルレンズアレイ３３ａはレーザー光をＹ方向に分割し、第２のシリンドリカルレンズアレイ３３ｂは第１のシリンドリカルレンズアレイ３３ｂを透過したレーザー光をＸ方向に分割する。また、第２のホモジナイザ３４において、第３のシリンドリカルレンズアレイ３４ａは第２のシリンドリカルレンズアレイ３３ｂを透過したレーザー光をＹ方向に集光し、第４のシリンドリカルレンズアレイ３４ｂは第３のシリンドリカルレンズアレイ３４ａを透過したレーザー光をＸ方向に集光する。そして、被処理基板５の照射エリア面と光学的に共役関係にある位相シフタ面２ａを重畳的に照明する。なお、位相シフタ面２ａは、物理的に実在する面ではなく、光学理論上の仮想的な面である。

図５に図４を拡大して示すように、第１、第２、第３及び第４のシリンドリカルレンズアレイ３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂの各々は、長手軸に直交する所定の断面形状を有する複数の第１のレンズセグメントＬと、第１のレンズセグメントＬの長手軸直交断面形状とは異なる長手軸直交断面形状を有する複数の第２のレンズセグメントＳと、それぞれを有している。第１のレンズセグメントＬと第２のレンズセグメントＳとは交互に配置されている。このため、第１のレンズセグメントＬは一対の第２のレンズセグメントＳの間に挟まれ、これとは逆に、第２のレンズセグメントＳは一対の第１のレンズセグメントＬの間に挟まれている。

第１のレンズセグメントＬは、長手軸に直交する断面形状がくさび型であり、光が入射する入射部３５ｃの径よりも光が透過して出て行く出射部３５ｐの径のほうが大きい。また、第２のレンズセグメントＳは、長手軸に直交する断面形状が第１のレンズセグメントＬとは逆向きのくさび型であり、光が入射する入射部３６ｃの径よりも光が透過して出て行く出射部３６ｐの径のほうが小さい。

本実施の形態では、第１のレンズセグメントＬの出射部３５ｐの径と第２のレンズセグメントＳの出射部３６ｐの径との比率を９：１にした。この比率は１：１〜５０：１の範囲とすることが好ましい。この比率が５０：１を超えると、集光等が発生して均一性が妨げられる等の問題を生じるからである。

第１のレンズセグメントＬにおいて、凸状の出射部３５ｐの曲率Ｒ１は凹状の入射部３５ｃの曲率Ｒ２より大きい（Ｒ１＞Ｒ２）。これに対して第２のレンズセグメントＳでは、凸状の出射部３６ｐの曲率Ｒ３は凹状の入射部３６ｃの曲率Ｒ４より小さい（Ｒ３＜Ｒ４）。

本実施の形態では、例えば、曲率Ｒ１を２ｍｍ、曲率Ｒ２を１ｍｍ、曲率Ｒ３を１ｍｍ、曲率Ｒ４を２ｍｍとした。また、第１のレンズセグメントＬの高さ（Ｚ方向の長さ）Ｌ１を３０ｍｍ、第２のレンズセグメントＳの高さ（Ｚ方向の長さ）Ｌ２を３０ｍｍとした。曲率Ｒ１は０．２〜１０ｍｍの範囲とすることが好ましい。曲率Ｒ２は０．２〜１０ｍｍの範囲とすることが好ましい。曲率Ｒ３は０．２〜１０ｍｍの範囲とすることが好ましい。曲率Ｒ４は０．２〜１０ｍｍの範囲とすることが好ましい。曲率Ｒ１と曲率Ｒ３との比率Ｒ１／Ｒ３は１：１〜５０：１の範囲とすることが好ましい。比率Ｒ１／Ｒ３が５０：１を超えると、集光等が発生して均一性が妨げられる等の問題を生じるからである。

上述したシリンドリカルレンズアレイ３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂは、例えば、次のようにして作製される。

工業的に純粋な石英（純度９９．９９９％のＳｉＯ₂）を真空炉内で加熱・溶融し、溶融石英を所定形状のキャビティを有する鋳型内に鋳込み、時間をかけてゆっくりと冷却する。完全凝固後に鋳型から石英シリンドリカルレンズアレイ一次品を取り外し、これを研磨して表面粗さλ／５（λ＝６３２．８ｎｍ）以上の鏡面に仕上げる。最終的な仕上寸法の許容誤差を±５μｍ以下とする。

次に、上記の結晶化装置１、すなわちプロジェクション型エキシマレーザー照射装置（ＰＪＥＬＡ装置）を用いて実際に非晶質シリコン膜を結晶化する場合について図６を参照しながら説明する。
ＰＪＥＬＡ装置１の主スイッチをＯＮすると、自動的に制御部８が装置パラメータのデータ読み出しを行い、種々の装置パラメータが一覧表となって表示装置８１の画面上に表示される（工程Ｋ１）。基板ステージ６が被処理基板５を保持した状態で照射位置（レーザー光軸と一致）に自動的に進入する（工程Ｋ２）。このとき被処理基板５の入射面を結晶化したい位置に移動させ、光源側のレーザー光軸とアライメントした（工程Ｋ３）。読み出した装置パラメータに含まれる目標ずれ量値に基づいて、コンピュータ８がハイトセンサ７８からの検出信号を用いて基板ステージ６のＺ方向動作を制御して、基板ステージ６と被処理基板５とのずれ量を目標ずれ量値に一致させる（工程Ｋ４）。このとき使用される装置パラメータは、前回使用したときに最適であった装置パラメータであっても良いし、シミュレーションによって理想的と想定される値であってもよい。

次に、読み出した装置パラメータに基づいてアッテネータ３ｂが自動調整される（工程Ｋ５）。すなわち、ビームプロファイラ７７で測定した光強度と予め設定した目標の光強度とを比較してアッテネータ操作量を計算し、アッテネータ３ｂに操作信号を出力して測定した強度が目標の強度になるようにフィードバックしながらアッテネータ３ｂの角度を高精度に調整する。

基板ステージ６はＸ-Ｙ面内で所定間隔ごとにステップ移動して位置を変えることができるようになっているので、被処理基板５の所望の部位を照射位置に位置させることができ、Ｘ−Ｙステップ移動工程Ｋ６と結晶化（アニール）工程Ｋ７を繰り返すことにより、大面積の非晶質シリコン膜を結晶化することができる（工程Ｋ６〜Ｋ７）。この様子は表示装置８１の画面上に表示されるので、オペレータは被処理基板５上のどの部位がレーザー照射されているのかをリアルタイムに知ることができる。また、照射中のレーザー光の光強度分布波形も表示装置８１の画面上に表示されるので、オペレータはどのような光強度分布波形の変調レーザーが照射されているのかをリアルタイムに知ることができる。

結晶化工程Ｋ７では、光源となるＸｅＣｌエキシマレーザー装置からは波長３０８ｎｍ、パルス幅３０ナノ秒のレーザー光が出射される。このパルスレーザー光は、アッテネータ３ｂ、照明光学系３ｃ、位相シフタ２、結像光学系４を通って光学的に調整され、所望の逆ピークパターン状のビームプロファイル波形となって、最終的に被処理基板５上の非晶質薄膜に照射される。これにより、非晶質薄膜が溶融され、凝固する過程で結晶化される。被処理基板５は、たとえば液晶ディスプレイ用板ガラス基板の上に化学気相成長法（ＣＶＤ）により下地膜および非晶質シリコン膜（半導体層）およびキャップ膜が順次形成されたものである。下地絶縁膜は、絶縁材、例えばＳｉＯ2で形成されており、非晶質シリコン膜とガラス基板が直接接触してガラス基板内のＮａなどの異物が非晶質シリコン膜に混入するのを防止すると共に、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り、非単結晶膜で、非晶質半導体膜や多結晶半導体などである。

非単結晶膜は、上記半導体膜に限定されることはなく、非単結晶の金属などの非単結晶材料で形成されている膜でも良い。非晶質シリコン膜上には、キャップ膜として絶縁膜例えばＳｉＯ2膜が、好ましくは、成膜されている。キャップ膜は、非晶質シリコン膜に入射する光ビームの一部により加熱され、この加熱された温度を蓄熱する。この蓄熱効果は、キャップ膜がなければ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温度降下するが、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。なお、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る。

前の照射領域が最後であったか否かを判定し（工程Ｋ８）、工程Ｋ８の判定結果がＮＯの場合は、工程Ｋ６〜Ｋ７の動作を繰り返し実施し、被処理基板５の他の領域を次々に結晶化した。このように照射領域をずらして結晶化を繰り返すことにより、大面積を結晶化することができる。工程Ｋ８の判定結果がＹＥＳの場合は、エンドポイントが検出されたものとして、基板ステージ６をホーム位置に戻し、結晶化処理を終了する。

このようにして結晶化された結晶化領域に位置合わせして薄膜トランジスタを形成することができる。即ち、結晶化領域上にゲート酸化膜を形成し、このゲート酸化膜上にゲート電極を形成する。このゲート電極をマスクとしてソース・ドレイン電極を形成するためのコンタクトホールを形成する。次に、ゲート電極をマスクとしてソース・ドレイン領域を形成するための不純物をイオン注入し活性化処理する。次に、コンタクトホールにソース・ドレイン電極を形成して薄膜トランジスタを形成することができる。

上記実施形態では光強度分布の検出、確認工程を、結晶化工程の前に１回実行した例について説明したが、光強度分布の検出と確認は一連の処理の最初に実施し、１枚の被処理基板５の全面を結晶化してもよいし、結晶化領域数箇所毎に１回、数十、数百、数千箇所毎に１回実施してもよい。なお、光強度分布の検出、確認工程は、多ければ多いほど均一な結晶化を実施することができる。これにより再現性の高いレーザー照射を実現でき、非晶質シリコン膜の結晶化を安定して行うことができる。

さらに、上記実施形態では、ホモジナイザについて透過光路に第１のホモジナイザ３３および第２のホモジナイザ３４を設けて、２段構成のホモジナイザとし、各ホモジナイザ３３、３４に長手軸（長軸）が直交するシリンドリカルレンズアレイ３３ａ，３４ａとシリンドリカルレンズアレイ３３ｂ，３４ｂを配置した。しかし、本発明は上記実施形態のみに限定されるものではない。リンギングはシリンドリカルレンズアレイ３３ａ，３４ａ又は３３ｂ，３４ｂのうちのいずれか一方のみでも発生するため、ホモジナイザは１段のみでも同様に効果がある。

（第２の実施の形態）
次に、図７と図８を参照して第２の実施の形態の照明光学系に用いられるホモジナイザのシリンドリカルレンズアレイについて説明する。ここでは本実施の形態のホモジナイザのシリンドリカルレンズアレイを従来のホモジナイザのシリンドリカルレンズアレイと比較しながら説明する。なお、本実施の形態が上述した実施の形態と重複する部分の説明は省略する。

従来のホモジナイザのシリンドリカルレンズアレイ３００においては、図７の（ａ）に示すように、同一の形状と大きさのレンズセグメントＭが隣接して並んでいる。すなわち、レンズセグメントＭは、長手軸に直交する断面の形状がかまぼこ型（半円または半楕円と方形との組み合わせ形状、あるいは、半円柱または擬似半円柱形状）であり、同一の径Ｗ₀および同一の出射部の曲率Ｒ₀に形成されている。

これに対して本実施の形態のシリンドリカルレンズアレイ３０においては、図７の（ｂ）に示すように、異なる形状と大きさのレンズセグメントＬ、Ｓ１、Ｌ、Ｓ２、Ｌが交互に隣接して並んでいる。すなわち、大レンズセグメントＬと小レンズセグメントＳ１，Ｓ２とは互いに形状と大きさがそれぞれ異なる。大レンズセグメントＬの径Ｗ１および出射部の曲率Ｒ１は、小レンズセグメントＳ１，Ｓ２の径Ｗ２，Ｗ３および出射部の曲率Ｒ２，Ｒ３よりも大きい。

本実施の形態では、例えば、曲率Ｒ１を２ｍｍ、曲率Ｒ２を０．５ｍｍ、曲率Ｒ３を０．５ｍｍとした。曲率Ｒ１は０．２〜２０ｍｍの範囲とすることが好ましい。曲率Ｒ２は０．２〜２０ｍｍの範囲とすることが好ましい。曲率Ｒ３は０．２〜２０ｍｍの範囲とすることが好ましい。

また、直径Ｗ１を１．５ｍｍ、直径Ｗ２を０．６ｍｍ、直径Ｗ３を０．５ｍｍとした。直径Ｗ４は０．２〜１０ｍｍの範囲とすることが好ましい。直径Ｗ５は０．２〜１０ｍｍの範囲とすることが好ましい。直径Ｗ６は０．２〜１０ｍｍの範囲とすることが好ましい。

次に、図７のシリンドリカルレンズアレイ３０は、リンギング抑制効果を有することについて図８を参照して説明する。

従来のシリンドリカルレンズアレイ３００を透過したレーザー光は、図８の（ａ）に示すように、位相シフタ面２ａの両端の領域に大きなリンギング４１が顕著に発生する。このように顕著に大きなリンギング４１は光源側の光形状とレンズセグメントによる干渉等に起因して生じるものである。

これに対して、本実施の形態のシリンドリカルレンズアレイ３０を透過したレーザー光は、レンズセグメントＳ１の作用により図８の（ｂ）に示すように、位相シフタ面２ａに生じるリンギング４１Ａが小さく抑えられている。この理由は、隣り合うレンズセグメントＬ，Ｓ１，Ｓ２の長手軸直交断面形状（径および曲率）を異ならせているので、大レンズセグメントＬを透過したレーザー光と小レンズセグメントＳ１，Ｓ２を透過したレーザー光とがそれぞれ同一領域に重畳する位相シフタ面２ａにおいて互いに干渉し合い、この光の干渉作用によって位相シフタ面の両端に発生するリンギング成分が分散されるからである。これにより、位相シフタ面２ａでのレーザー光の均一性が高まる。

上記の実施形態では、隣り合うレンズセグメントＬ，Ｓ１，Ｓ２の長手軸直交断面形状（径および曲率）を異ならせた光学装置の例について説明した。しかし、本発明は上記の実施形態のみに限定されない。

例えば、図８（ａ）のレンズセグメントＭ間にレンズセグメントＳ３を１つまたは複数適当な位置に介在させてもよい。さらに、図９の（ａ）に示す光学装置３０Ａでは、シリンドリカルレンズアレイの中央に２つの大きいレンズセグメントＬを配列し、その両側にそれぞれ５つの小さいレンズセグメントＳを配列した例である。大きいレンズセグメントＬの曲率と径は、小さいレンズセグメントＳの曲率と径よりもそれぞれ大きい。

本実施の形態では、例えば、大きいレンズセグメントＬの曲率Ｒ１を２ｍｍ、小さいレンズセグメントＳの曲率Ｒ２を０．５ｍｍとした。曲率Ｒ１は０．２〜２０ｍｍの範囲とすることが好ましい。曲率Ｒ２は０．２〜２０ｍｍの範囲とすることが好ましい。

また、本実施形態では、大きいレンズセグメントＬの直径Ｗ１を１．５ｍｍ、小さいレンズセグメントＳの直径Ｗ２を０．４ｍｍとした。直径Ｗ１は０．１〜２ｍｍの範囲とすることが好ましい。直径Ｗ２は０．１〜２ｍｍの範囲とすることが好ましい。

本実施形態の光学装置３０Ａによれば、レンズセグメントの曲率の大きいものを中央に配置し、曲率の小さいものを端部に配置しているので、光源の形状によるが、両端の光を細かく集光させることにより両端に発生するリンギング等の光強度のムラを相殺する効果が得られる。

さらに、図９の（ｂ）に示すホモジナイザ３０Ｂでは、シリンドリカルレンズアレイの中央に６つの小さいレンズセグメントＳ１，Ｓ２を配列し、その両側にそれぞれ１つずつ大きいレンズセグメントＬを配置している。中央の小さいレンズセグメントの配列のうち第２の小さいレンズセグメントＳ２は、一方側に片寄って配置されている。この第２の小さいレンズセグメントＳ２は、他の５つの第１の小さいレンズセグメントＳ１よりも曲率および径ともに大きい。

本実施の形態では、例えば、大きいレンズセグメントＬの曲率Ｒ１を２ｍｍ、第１の小さいレンズセグメントＳ１の曲率Ｒ２を０．５ｍｍ、第２の小さいレンズセグメントＳ２の曲率Ｒ３を０．３ｍｍとした。なお、曲率Ｒ１は０．２〜２ｍｍの範囲とすることが好ましい。曲率Ｒ２は０．２〜２ｍｍの範囲とすることが好ましい。曲率Ｒ３は０．２〜２ｍｍの範囲とすることが好ましい。

また、本実施形態では、大きいレンズセグメントＬの直径Ｗ１を１．５ｍｍ、第１の小さいレンズセグメントＳ１の直径Ｗ２を０．４ｍｍ、第２の小さいレンズセグメントＳ２の直径Ｗ３を０．２ｍｍとした。直径Ｗ１は０．１〜２ｍｍの範囲とすることが好ましい。直径Ｗ２は０．１〜２ｍｍの範囲とすることが好ましい。直径Ｗ３は０．１〜２ｍｍの範囲とすることが好ましい。

本実施形態の光学装置３０Ｂによれば、レンズセグメントの曲率の小さいものを中央に配置し、曲率の大きいものを中央に配置しているので、光源の形状によるが、中央部の光を細かく集光させることによってリンギングや干渉に起因する光強度のムラ抑制の効果が得られる。

さらに、図９の（ｃ）に示す光学装置３０Ｃでは、大きいレンズセグメントＬと小さいレンズセグメントＳの群（本実施形態では４つのレンズセグメントＳを１つの群とした）とを交互に配置することによりシリンドリカルレンズアレイを形成している。すなわち、本実施形態の光学装置３０Ｃのシリンドリカルレンズアレイでは、大小のレンズセグメントＬ，Ｓが分散するように配置されている。

本実施の形態では、例えば、大きいレンズセグメントＬの曲率Ｒ１を２ｍｍ、小さいレンズセグメントＳの曲率Ｒ２を０．５ｍｍとした。曲率Ｒ１は０．２〜２０ｍｍの範囲とすることが好ましい。曲率Ｒ２は０．２〜２ｍｍの範囲とすることが好ましい。

また、本実施形態では、大きいレンズセグメントＬの直径Ｗ１を１．５ｍｍ、小さいレンズセグメントＳの直径Ｗ２を０．４ｍｍとした。直径Ｗ１は０．１〜２０ｍｍの範囲とすることが好ましい。直径Ｗ２は０．１〜２０ｍｍの範囲とすることが好ましい。

本実施形態の光学装置３０Ｃによれば、レンズセグメントの曲率の大きなものと小さなものをランダムに配置しているので、光源の形状にもよるが、ランダムに集光させることにより全体的にリンギング等の光強度のムラ抑制の効果が得られる。

以上、種々の実施の形態を挙げて説明したが、本発明は上記各実施の形態のみに限定されるものではなく、種々変形および組み合わせることが可能である。

本発明は、液晶表示装置（ＬＣＤ）の表示画素を選択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（ＴＦＴ）の結晶化に利用できる。

レーザー照射装置の全体の概要を示す構成ブロック図。 レーザー照射装置の要部を示す構成ブロック図。 レーザー照射装置の制御ブロック図。 本発明の実施形態に係る光学装置のシリンドリカルレンズアレイを示す斜視図。 図４のシリンドリカルレンズアレイの一部を拡大して示す断面模式図。 本発明の光学装置を用いるＥＬＡ結晶化方法のフローチャート。 （ａ）は従来の光学装置のシリンドリカルレンズアレイを示す断面模式図、（ｂ）は本発明の光学装置のシリンドリカルレンズアレイを示す断面模式図。 （ａ）は従来の光学装置を透過したレーザ光の位相シフタ面における光強度分布を示す模式図、（ｂ）は本発明の光学装置を透過したレーザ光の位相シフタ面における光強度分布を示す模式図。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の他の実施形態に係る光学装置のシリンドリカルレンズアレイをそれぞれ示す断面模式図。

符号の説明

１…結晶化装置、
２…位相シフタ、
３…照明部、
３ａ…レーザー光源、
３ｂ…アッテネータ（レーザー光強度調整手段）、
３ｃ…照明光学系、
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３３，３４…ホモジナイザ（光学装置）、
３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ…シリンドリカルレンズアレイ、
Ｌ…第１のレンズセグメント、Ｓ，Ｓ１，Ｓ２…第２のレンズセグメント、
４…結像光学系、
５…被処理基板、
６…基板ステージ、
８…制御部。

Claims (6)

1. レーザー光を複数に分割するために第１の曲率及び第１の径を有する複数の第１のレンズセグメントが配列された第１のシリンドリカルレンズアレイと、
   この第１のシリンドリカルレンズアレイの少なくとも１箇所の前記第１のレンズセグメント間に介在して設けられた前記第１の曲率および第１の径と異なる第２の曲率及び第２の径を有する第２のレンズセグメントと、
   を具備することを特徴とする光学装置。
2. レーザー光を複数に分割するために第１の曲率及び第１の径を有する第１のレンズセグメントが配列された複数の第１のシリンドリカルレンズアレイと、
   この第１のシリンドリカルレンズアレイの各第１のレンズセグメント間に設けられ、前記第１の曲率と異なる第２の曲率を有し、かつ前記第１の径と異なる第２の径を有する複数の第２のレンズセグメントが配列された第２のシリンドリカルレンズアレイと、
   を具備することを特徴とする光学装置。
3. 入射レーザー光を複数の一方向に分割するために第１の曲率及び第１の径を有する複数の第１のレンズセグメントが配列された第１のシリンドリカルレンズアレイと、
   前記第１のシリンドリカルレンズアレイを透過したレーザー光を前記一方向に直交する方向に分割するために前記第１の曲率及び第１の径と異なる第２の曲率及び第２の径を有する複数の第２のレンズセグメントが配列された第２のシリンドリカルレンズアレイと、
   前記第２のシリンドリカルレンズアレイを透過したレーザー光を前記一方向に集光するために前記第１の曲率及び第１の径を有する複数の第１のレンズセグメントが配列された第３のシリンドリカルレンズアレイと、
   前記第３のシリンドリカルレンズアレイを透過したレーザー光を前記一方向に直交する方向に集光するために前記第２の曲率及び第２の径を有する複数の第２のレンズセグメントが配列された第４のシリンドリカルレンズアレイと、
   を具備する光学装置であって、
   前記第１、第２、第３及び第４のシリンドリカルレンズアレイは、
   少なくとも１箇所の前記第１のレンズセグメント間に配列された前記第２のレンズセグメントを有することを特徴とする光学装置。
4. 前記シリンドリカルレンズは、半円柱または擬似半円柱形状の（かまぼこ型）レンズであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の光学装置。
5. 前記第１のレンズセグメントは、長手軸に直交する断面形状がくさび型であり、光が入射する入射部の径よりも光が透過して出て行く出射部の径のほうが大きく、
   前記第２のレンズセグメントは、長手軸に直交する断面形状が前記第１のレンズセグメントとは逆向きのくさび型であり、光が入射する入射部の径よりも光が透過して出て行く出射部の径のほうが小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の光学装置。
6. 入射パルスレーザー光の光強度分布を均一化するための光学装置で均一化し、均一化されたパルスレーザー光を逆ピークパターン状の光強度分布を有するパルスレーザー光にして非単結晶膜に照射して該非単結晶膜を結晶化する結晶化装置であって、
   前記光強度分布を均一化するための光学装置は、
   レーザー光を複数に分割するために第１の曲率及び第１の径を有する複数の第１のレンズセグメントが配列された第１のシリンドリカルレンズアレイと、
   この第１のシリンドリカルレンズアレイの少なくとも１箇所の前記第１のレンズセグメント間に介在して設けられた、前記第１の曲率と異なる第２の曲率を有し、かつ前記第１の径と異なる第２の径を有する第２のレンズセグメントと、
   を具備することを特徴とする結晶化装置。

Images