JP4361383B2 - 光強度分布監視方法、アニール装置及びアニール方法、結晶化装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体薄膜の加熱、不純物活性化、または結晶化するためのエキシマレーザアニール装置、ＹＡＧレーザ装置（高次高調波を含む）、エキシマランプ、ｉ線ランプ、ｇ線ランプ、Ｘｅランプ、あるいは銅蒸気レーザ装置などの不可視光を微小領域に照射する際に、光強度分布の検出に適用して特に有効な光強度分布監視方法、アニール装置及びアニール方法、結晶化装置に関する。

アクティブマトリックス型液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置等のような表示装置では、各画素を個別に駆動するために、ガラスやプラスチック等の絶縁基板上に多数の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が形成される。ＴＦＴのソース、ドレイン、チャネル領域に用いられるシリコン膜のうち非晶質シリコン（a-Si）膜は、形成温度が低く、気相法で比較的容易に形成することが可能であり、量産性にも富むため、ＴＦＴに用いる半導体薄膜として一般的に用いられている。しかし、a-Si膜は導電率等の物性が結晶性の多結晶シリコン（poly-Si）膜に比べて劣る（a-Siの移動度はpoly-Siのそれに比べて２桁以上低い）という欠点があるため、今後ＴＦＴの動作速度を高速化するためには、結晶性を有するpoly-Si膜をＴＦＴのソース、ドレイン、チャネル領域とする製造方法を確立する必要がある。

現状ではpoly-Si膜を形成する方法として、例えば非特許文献１に記載されているエキシマレーザアニール（Ｅｘｃｉｍｅｒ Ｌａｓｅｒ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ；以下、ＥＬＡ法という）が汎用ガラス基板を使用できる温度範囲（室温から５００℃程度まで）で利用されている。ＥＬＡ法は、主に基板上にa-Si膜を所定厚さ（例えば５０ｎｍ程度）に成膜した後、このa-Si膜の微小領域にクリプトン弗素（ＫｒＦ）エキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）やキセノン塩素（ＸｅＣｌ）エキシマレーザ光（波長３０８ｎｍ）などを照射して溶融させ、poly-Si膜に変化させる技術に用いられている。ＥＬＡ法では、レーザ光の強度を変化させることで、他にもさまざまなプロセスに適応可能である。例えば、レーザ光の強度を下げれば、加熱の作用のみになり、ＴＦＴを作る上で必要な不純物活性化工程に用いることができる。また、レーザ光の強度を極端に上げれば、急激な温度上昇を引き起こすため、ＴＦＴにおける膜の除去に利用することもできる。なお、これらの現象の利用はＴＦＴに限定されるのみでなく、広く半導体プロセスに適応できるものである。

ところで、poly-Si膜の結晶粒界に存在する欠陥は、ＴＦＴのしきい値電圧Ｖthのばらつきを著しく増大させ、表示装置全体としての動作特性を大幅に低下させる原因となっている。このため、各ＴＦＴには、各チャネル領域での結晶粒界をできるだけ減らすことが要望されている。結晶粒界をできるだけ減らすためには、a-Si膜に照射するレーザ光の光強度分布である光強度分布の設計が極めて重要であることが判った。しかし、ミクロン単位の極めて微小な領域に照射されるエキシマレーザ光のような不可視光を正確に計測することは、非常に難しく、そのための計測技術は未だ確立されていないのが現状である。

これまで、不可視光の光強度分布を検出するためには、光強度に対して物性の変化する物質を検出したい面におき、化学的もしくは物理的変化を起こさせて評価する「物性変化による評価方法」が主に用いられていた。例えば、半導体デバイス製造のフォトリソグラフィプロセスにおける露光技術では、ｉ線、ｇ線などの紫外線の光強度分布を確認するために、照射面にレジストを塗布し、これに紫外線を照射して化学反応を生じさせ、さらに現像を行い、現像後のレジスト膜形状を観察する、物性変化による光強度分布評価方法を採用していた。

またELA法では、非特許文献１に示めされているように対象となるa-Si膜に結晶化(poly-Si膜化)を誘起する程度の閾値の光強度（フルエンス）でレーザ光を照射すると、光強度分布が強いところだけpoly-Siとなり、物性が部分的に変化する。このように光強度分布を反映した結晶化組織観察する方法、すなわち、物性変化による評価によりレーザの光強度分布を確認する方法が一般的に用いられている。また、予め調べておいたレーザ光に関する物理定数によって光強度分布を予測する方法も取られていた。
表面科学Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．５，ｐｐ２７８−２８７（２０００）

しかしながら、従来の物性変化による光強度分布の評価方法においては次の（i）および（ii）の問題点があった。

（i）物性が変化する材料（例えばレジスト、薄膜a-Siなど）では被分析材料の物性にバラツキを生じやすいので、計測結果の信頼性を高める工夫が必要である。

（ii）物性変化を観察するためにオフラインの検査となるので、光強度分布の検出結果を直接知ることができない。

例えば、従来のＥＬＡ法における光強度分布の評価方法では、レーザ照射後に基板を取り出し、光学顕微鏡などを用いて薄膜半導体の結晶化組織の形状を確認しているが、基板をレーザアニール装置から取り出すために、非常に時間がかかってしまう。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであって、物性が変化する材料を対象とする場合であっても計測結果にバラツキを生ずることなく、安定に検出できる光強度分布監視方法、アニール装置およびアニール方法、結晶化装置を提供するものである。

また、拡大光学系の調整が容易であり、検出したい像面（アニール装置のフォーカス面など）を容易に特定でき、リアルタイムで計測結果が得られる低コストの光強度分布監視方法、アニール装置およびアニール方法、結晶化装置を提供することを目的とする。

本発明者等は、１個又は複数個のＴＦＴトランジスタを形成できる大きさの結晶化技術を開発している。この開発において、本発明者は、表示装置のように数センチから数十センチ角程度の大きな面に均一に信頼性の高い結晶化を実行するためには、a-Si膜に照射するレーザ光の光強度分布である光強度分布の設計や監視が極めて重要であることが判った。即ち、安定した光強度分布による結晶化は、バラツキのない安定した結晶化領域の形成に極めて有効であることが判った。本発明は、上記光強度分布をバラツキなく安定に検出できる光強度分布監視方法及び光強度分布監視装置、アニール装置およびアニール方法、結晶化装置を得るものである。

本発明に係る光強度分布監視方法は、レーザ光源と、このレーザ光源からのレーザ光の光軸に設けられた結像光学系と、この結像光学系の結像位置に設けられ、前記レーザ光が照射されるべき被照射面がアニールされる被処理基板を可動に支持するＸ−Ｙ−Ｚステージと、前記レーザ光を可視光に変換する波長変換部材と、前記波長変換部材に表示された可視光像を拡大して撮像する撮像装置を有する拡大光学系と、前記結像光学系に対する前記Ｘ−Ｙ−Ｚステージ上の被処理基板の相対高さ位置を測定するハイトセンサと、を具備するレーザアニール装置を用いて前記被処理基板をアニールするレーザ光の光強度分布を監視するに際し、
前記被処理基板の位置に前記レーザ光を可視光に変換して可視光の光強度分布像を表示するために所望の空間分解能を有するトリソディウム８−ハイドロオキシ−１，３，６−ピレネトリスルフォネートを含む波長変換部材を設置する工程と、
前記被処理基板の位置に設置された前記波長変換部材の高さ位置を前記ハイトセンサにより測定して予め記憶された高さ位置に調整することにより前記被処理基板と同一平面に前記波長変換部材を位置合せする工程と、
前記レーザ光源からのレーザ光のエネルギー量を前記波長変換部材が劣化または蒸散しないエネルギー量に選択したレーザ光を前記レーザ光源から出射する工程と、
前記波長変換部材に表示された可視光の光強度分布像を撮像装置により撮像する工程と、
最初に前記被処理基板をアニールすべきレーザ光の光強度分布が前記波長変換部材に表示された可視光の光強度分布像を撮像装置により撮像し、前記レーザ光の光強度および光強度分布像を検出し、その検出結果をあらかじめ目標値として設定し、記憶しておく工程と、
前記撮像装置により撮像した光強度分布像および光強度が予め記憶されている前記目標値の光強度分布像および強度と一致するように前記波長変換部材の高さ位置を制御するために前記撮像した光強度分布を持った微小な可視光像を監視する工程と、
前記ハイトセンサにより測定した前記波長変換部材の高さ位置を記憶する工程と、
前記波長変換部材を退避させ、前記波長変換部材があった位置に前記被処理基板を移動させ、前記記憶しておいた目標値を呼び出し、前記レーザ光源から前記目標値に対応する前記被処理基板をアニールするエネルギー量の光強度と光強度分布を有するレーザ光を前記被処理基板に照射する工程と、を有することを特徴とする。

さらに、波長変換部材に対して不可視光を間欠的に照射し、この間欠的な照射に同期して拡大光学系により波長変換部材の他方面に表示された可視光の光強度分布を検出することが好ましい。不可視光はアッテネータで減衰され、光学系や被処理基板が焼け付かないようにフルエンスを調整しているが、それにもかかわらず連続照射を行うと光学系各部の寿命が短くなり、部品の交換頻度が増加する。間欠的な照射に同期して間欠的に計測することにより、光学系各部の寿命延長、特に波長変換部材の寿命延長を図ることができる。

不可視光を観察するためのサイズは、１００μｍ×１００μｍ程度必要だが、あわせて空間分解能が必要である。この空間分解能は、少なくとも５μｍ以下必要であり、検出精度をさらに向上させるために１μｍ以下とすることがより好ましく、０．５μｍ以下とすることが最も好ましい。数十ミクロン単位の観察領域であり、このように小さな領域での光強度分布を正確に計測することは非常に難しい。高い空間分解能（空間解像度）が要求されるからである。ちなみに、従来の光強度分布監視装置は、マクロエリアを対象とするものであり、その検出対象領域のサイズが数ミリから数センチメートル単位（例えば、4.5×6.0mm、φ65mm）の大きさであり、空間分解能（例えば、１０〜２０μm）もそれほど高いものではない。

一方、例えばＥＬＡ法を用いるシリコン薄膜の結晶化プロセスでは直径が数ミクロンから１０ミクロンを越える大サイズの結晶粒をＴＦＴのチャネル領域に形成することを目指して研究開発が進められていることから、その解像度は非常に高いレベルが要求される。通常、光強度分布監視装置の空間分解能は、製造しようとする結晶粒径より１桁程度小さいことが望ましい。これは作製したい結晶粒径に対してその１／５から１／１０程度より小さい空間分解能を要するということである。例えば、粒径１０μｍの結晶粒を形成する場合であれば、その１／５〜１／１０の空間分解能、すなわち２μｍ〜１μｍより小さい空間分解能が必要となる。そのため、拡大光学系は、可視光の像を鮮明に拡大しうる対物レンズと、上述の要求レベルを満たしうる高分解能の撮像手段、例えば撮像素子（エリアセンサのＣＣＤ）とを備える必要がある。このような要求に対応するために本発明では拡大光学系の拡大倍率を２倍から２０００倍までの範囲とすることが好ましく、１００倍から２００倍までの範囲とすることが最も好ましい。観察対象領域のサイズを１００μｍ×１００μｍ以下とするからである。

波長変換部材は、中心波長が例えば４００ｎｍ以下の紫外光を可視光に変換しうる蛍光物質を含むことができる。波長変換部材は、色素レーザで用いられる有機物質（例えばローダミンＢなど）からなる。実験的には蛍光物質としてピラニン（Pyranine Conc；C₁₆H₇Na₃O₁₀S₃）が最適である。ピラニンの正式な学術名称はトリソディウム８−ハイドロオキシ−１，３，６−ピレネトリスルフォネート（Trisodium 8-hydroxy-1,3,6-pyrenetrisulfonate）である。波長変換部材中の蛍光物質の発光強度は、照射光の強度に依存して正比例的に増加するが、光強度がある一定以上になると飽和する。例えば３０ｍＪ／ｃｍ^２以下の照射光の強度において、蛍光物質の発光強度はリニアリティのよい特性が得られている（図１４参照）。しかし、光強度を過剰に強くすると有機系の蛍光物質が蒸散してしまうので、光強度をむやみに高くすることはできない。

紫外光波長領域の不可視光を可視光に変換するための蛍光物質として、ピラニンの他にＴｂ又はＥｕをドープしたＳｉＯ_２の薄膜を用いることもできる。また、ＣｄＳｅなどの数十ナノメートルの径をもつナノ粒子を塗布する方法もある。

また、中心波長が１．０μｍ程度のＹＡＧレーザを用いる場合、波長変換部材には、中心波長が７８０ｎｍ以上の赤外光を可視光に変換しうる蛍光物質を用いると良い。このような蛍光物質には、薄膜化に適したＹＡＧＬＡＳＳ（住田光学ガラス社商品名）などが最適である。

波長変換部材を保持する基材は、不可視光を吸収または遮断して可視光のみを透過させる材料でできていることが望ましい。さらに、波長変換部材から撮像素子までの間に配置され、不可視光を吸収または遮断して可視光のみを透過させるフィルタを有することが望ましい。このような基材またはフィルタの材料として、透明ガラス基板に複数の薄膜を被覆したマルチコーティング基板が適している。基材は波長変換部材を保持するものであるが、その保持のさせ方には種々の方法がある。最も一般的な保持方法は、蛍光体含有溶液を基材に塗布する方法である。なお、塗布法の他に、スパッタ法やＣＶＤ法で基材上に成膜する方法、あるいは溶射法で基材上に融着させた後に研磨する方法を用いることができる。

波長変換部材の平均膜厚は１ｎｍ以上３μｍ以下とすることが好ましい。波長変換部材の平均膜厚が３μｍを上回ると空間分解能が低下するので、膜厚の上限値は３μｍとする。一方、波長変換部材例えば波長変換部材の膜厚を１ｎｍより薄くすると原子サイズの領域となり、膜形成の制御が困難になるので、膜厚の下限値は１ｎｍとする。

本発明に係るアニール装置は、レーザ光源と、このレーザ光源からのレーザ光の光軸に設けられた結像光学系および位相シフタと、この結像光学系の結像位置に設けられ、前記レーザ光が照射されるべき被照射面がアニールされる被処理基板を支持するＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に移動可能なステージと、レーザ光の光強度分布を監視するビームプロファイラと、を具備するアニール装置であって、
前記ビームプロファイラは、
前記レーザ光を可視光に変換して可視光の光強度分布像を表示するために所望の空間分解能を有するトリソディウム８−ハイドロオキシ−１，３，６−ピレネトリスルフォネートを含む波長変換部材と、
前記波長変換部材に表示された可視光像を撮像する撮像装置を有する拡大光学系と、
前記波長変換部材の高さ位置を検出するハイトセンサと、
前記ハイトセンサの測定結果が予め記憶された高さ位置になるように前記波長変換部材を位置合わせ制御すること、および前記レーザ光源からのレーザ光のエネルギー量を前記波長変換部材が劣化または蒸散しないエネルギー量に選択したレーザ光を前記レーザ光源から出射するように制御すること、および最初に前記被処理基板をアニールすべきレーザ光の光強度分布が前記波長変換部材に表示された可視光の光強度分布像を前記撮像装置により撮像し、前記レーザ光の光強度および光強度分布像を検出し、その検出結果をあらかじめ目標値として設定し、記憶すること、および前記撮像装置により撮像した光強度分布像および強度が予め記憶されている前記目標値の光強度分布像および強度と一致するように前記波長変換部材の高さ位置を制御すること、および前記波長変換部材の高さ位置を記憶すること、および前記波長変換部材を退避させ、その位置に前記被処理基板を移動させ、前記記憶しておいた目標値を呼び出し、前記レーザ光源から前記目標値に対応する前記被処理基板をアニールするエネルギー量の光強度と光強度分布を有するレーザ光を前記被処理基板に照射するように制御することを行うコンピュータと、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、レーザ光源と、このレーザ光源からのレーザ光の光軸に設けられた位相シフト部において光強度が極小となるビームプロファイルを形成するための位相シフタと、前記レーザ光源からのレーザ光の光軸に設けられた結像光学系と、この結像光学系の結像位置に設けられ、前記位相シフト部において光強度が極小となるビームプロファイルを有するレーザ光に照射される被照射面がアニールされる非晶質半導体層を含む被処理基板を支持するＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に移動可能なステージと、レーザ光の光強度分布を監視するビームプロファイラと、を具備する結晶化装置であって、
前記ビームプロファイラは、
前記位相シフト部において光強度が極小となるビームプロファイルを有するレーザ光を可視光に変換して可視光の光強度分布像を表示するために所望の空間分解能を有するトリソディウム８−ハイドロオキシ−１，３，６−ピレネトリスルフォネートを含む波長変換部材と、
前記波長変換部材に表示された前記位相シフト部において光強度が極小となるビームプロファイルの可視光像を撮像する撮像装置を有する拡大光学系と、
前記波長変換部材の高さ位置を検出するハイトセンサと、
前記ハイトセンサの測定結果が予め記憶された高さ位置になるように前記波長変換部材を位置合わせ制御した後、前記レーザ光源からのレーザ光のエネルギー量を前記波長変換部材が劣化または蒸散しないエネルギー量に選択したレーザ光を前記レーザ光源から出射するように制御すること、および最初に前記被処理基板をアニールすべきレーザ光の光強度分布が前記波長変換部材に表示された可視光の光強度分布像を前記撮像装置により撮像し、前記レーザ光の光強度および光強度分布像を検出し、その検出結果をあらかじめ目標値として設定し、記憶すること、および前記撮像装置により撮像した前記位相シフト部において光強度が極小となるビームプロファイルの光強度分布像および強度が予め記憶されている前記目標値の光強度分布像および強度と一致するように前記波長変換部材の高さ位置を制御すること、および前記波長変換部材の高さ位置を記憶すること、および前記波長変換部材を退避させ、その位置に前記被処理基板を移動させ、前記記憶しておいた目標値を呼び出し、前記レーザ光源から前記目標値に対応する前記被処理基板をアニールするエネルギー量の光強度と光強度分布を有するレーザ光を前記被処理基板に照射するように制御することを行うコンピュータと、を具備することを特徴とする。

検出対象となる不可視光は、パルス光であってもよいし連続光であってもよい。紫外光領域のパルスレーザ光は、例えばクリプトン弗素（ＫｒＦ）、アルゴン弗素（ＡｒＦ）、キセノン弗素（ＸｅＦ）、クリプトン塩素（ＫｒＣｌ）、アルゴン塩素（ＡｒＣｌ）、キセノン塩素（ＸｅＣｌ）のうちのいずれか１のエキシマレーザ光であってもよいし、赤外光領域のパルスレーザ光は、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザ光(基本波)、ＱスイッチＮｄ：ＹＶＯ₄レーザ光(基本波)などであってもよい。あるいは紫外領域のＣＷ（Continuous Wave）レーザ光は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光(３倍波、４倍波)、ＱスイッチＮｄ：ＹＶＯ₄レーザ光(３倍波、４倍波)などであってもよいし、赤外光領域のＣＷレーザ光は、ＣＯ₂レーザ光やＮｄ：ＹＡＧレーザ光(基本波)、Ｎｄ：ＹＶＯ₄レーザ光(基本波)などであってもよい。さらに、フォトリソグラフィプロセスの露光装置（ステッパ）に用いられるｉ線（波長365nm）やｇ線（波長436nm）を検出対象とすることもできる。

光強度分布像を撮像または観測する手段は、ＣＣＤ素子や撮像管などが用いられる。観測手段により観測されたアナログ信号は、アナログ−デジタル変換器（ＡＤ変換器）により光強度情報と二次元位置情報（ＸＹ面上での座標情報）とを含む可視光の光強度分布に応じたデジタル信号（撮像データ）に変換され、解析手段（例えばパソコン）に出力される。別のＡＤ変換を用いない方法としては、観測手段により観測されたアナログ信号はそのまま光強度情報に応じた電圧値（ビデオ信号など）として出力される（二次元イメージ）。得られた二次元イメージはアンプを使用して電圧波形として処理され、可視光の光強度分布の拡大像を表示装置の画面上に表示させる。

本明細書中において「二次元イメージ」とは、波長変換された可視光が投影される面上における光強度情報と二次元位置情報とを含むアナログデータ像のことをいう。

本明細書中において「Ｑスイッチ」とは、励起エネルギをレーザ媒質内に蓄積して反転分布数を増加させている間は共振器Ｑ値を低く保ち、レーザ発振を抑えておき、反転分布が十分に高くなったときにＱ値を瞬時に高くして反転分布蓄積エネルギを光子エネルギに急速に変換し、高ピーク・短パルス光を発振させる機能を有するスイッチング素子のことをいい、具体的には連続発振レーザをパルスレーザに変換するスイッチング素子のことをいう。また、本明細書中において「Ｑスイッチレーザ」とは、イオンポピュレーションの逆転が成立するまではＱ値を低くしておき、不安定が起こる直前に高い値に切り換えて発振されるレーザのことをいう。Ｑ値を変える方式には、共振器を構成するミラーのうちの１枚を回転させる機械的Ｑスイッチ方式、あるいは音響光学素子による光偏光を利用する方式、あるいは電気光学素子による偏光状態変化を利用する方式のいずれの方式をも用いることができる。

本明細書中において、「ビームプロファイラ」とは、空間分解能が５μｍ以下の光強度分布監視装置をいう。「光強度分布（ビームプロファイル）」とは、検出したい像面に入射される不可視光強度の二次元の分布をいう。「光強度の分布」とは、照射光（照明光）の検出面における光の強度（明るさ）の分布をいう。

本明細書中において「レーザフルエンス」とは、ある位置でのレーザ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。「波長変換部材」とは、不可視光を可視光に変換する部材をいう。

本明細書中において「空間分解能」とは、白領域から黒領域へ遷移する遷移領域（図１４に示す領域Ｒ）における撮像データ信号波形の傾斜の半値幅のことをいう。ここで「白領域」とは、暗レベルを含む明レベル像が鮮明に表われる領域をいう。また、「黒領域」とは暗レベルのみの領域をいう。また、「遷移領域」とは暗レベルを含む明レベル像が不鮮明に表われる領域をいう。

本明細書において「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。

本明細書において「ホモジナイザ」とは、入射光を複数に分割し、これら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素子のことをいう。また、「ホモジナイズ面」とは、プロジェクション方式においてホモジナイザを通った光が収束する特定の面のことをいう。

本明細書中において「位相シフタ面」とは、空間強度変調光学素子の光変調部位（位相シフタの段差）のボトムとトップとの中間に位置する面のことをいう。この位相シフタ面は、ホモジナイズ面と一致（完全オーバーラップ）させることが望ましいが、必ずしも一致させなければならないというものではなく、意図的にホモジナイズ面の位置から光軸に沿って所定距離だけシフトさせる場合もありうる。

本明細書中において「像面」とは、プロキシミティ型アニール装置の結像光学系を通った光が収束する面をいう。

本明細書中において「一次像面」とは、プロジェクション型アニール装置の一次結像光学系（ホモジナイザ、コンデンサレンズ、マスク等）を通った光が収束して像を形成する面をいう。この一次像面は、位相シフタ面および／またはホモジナイズ面と一致（完全オーバーラップ）場合は位相シフタ面および／またはホモジナイズ面を指す。また、一次像面を意図的に位相シフタ面および／またはホモジナイズ面の位置から光軸に沿って所定距離だけシフトさせる場合も含む。

本明細書中において「二次像面」とは、プロジェクション型アニール装置の二次結像光学系（縮小レンズ等）を通った光が収束して像を形成する面をいう。換言すれば、「二次像面」とは、一次像面に形成された像が基板側に転写される面のことをいう。この二次像面は、入射面と一致（完全オーバーラップ）する場合は入射面を指す。また、二次像面を意図的に入射面の位置から光軸に沿って所定距離だけシフトさせる場合も含む。

本明細書において「位相シフタの高さ」とは、プロキシミティ型アニール装置において、位相シフタの出射面からステージ上の基板の入射面までの相互間距離（図３のギャップｄ１）のことをいう。

本明細書において「ずれ量ｄ２」とは、プロジェクション型アニール装置において、ホモジナイズ面から位相シフタ面までの距離のことをいう。ホモジナイズ面が位相シフタ面と一致する場合に、ずれ量ｄ２はゼロになる（図１０参照）。

本明細書において「ずれ量ｄ３」とは、プロジェクション型アニール装置において、位相シフタ面から一次像面までの距離のことをいう。一次像面が位相シフタ面と一致する場合に、ずれ量ｄ３はゼロになる（図１０参照）。

本明細書において「ずれ量ｄ４」とは、プロジェクション型アニール装置において、被処理基板又は波長変換部材の入射面から二次像面までの距離のことをいう。二次像面が入射面と一致する場合に、ずれ量ｄ４はゼロになる（図１０参照）。なお、ずれ量ｄ３とずれ量ｄ４は、一次像面上の像と二次像面上の像との縮小比率に正比例するものである。

本発明によればリアルタイムに光強度分布の検出結果を得ることができる。

また、物性が変化する材料（例えばレジスト、薄膜アモルファスシリコンなど）を用いて実測する従来法と比べて本発明の方法は検出結果にバラツキを生じないという利点がある。

さらに本発明では不可視光を可視光に変換したため次の効果(i)〜(iii)が認められる。

(i)拡大光学系を可視光像でチェックできるので、対物レンズ等の光学系の調整が容易になる。

(ii)波長変換部材６３の面が検出したい面になるので、検出したい像面（アニール装置のフォーカス面）を特定することが非常に簡単になる。

(iii)照射光の波長における光学系は、不可視光学系の部品と比較して低コストである。

以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は本発明の光強度分布監視装置を模式的に示す構成ブロック図である。光強度分布検出装置（ビームプロファイラ）６は、予め定められた光強度分布を持った微小な不可視光を、上記光強度分布を持った可視光に変換し、監視できるように構成するものである。この機能を有するビームプロファイラ６は、予め定められた光強度分布を持った微小な不可視光５０の光路に不可視光を可視光に変換する波長変換部材として例えば蛍光板６１を備えている。この蛍光板６１は、透明体例えば透明ガラス板からなる基材６２の片面例えば不可視光５０の入射光側に蛍光膜６３が被着されたものである。この蛍光膜６３には一方面に入射した不可視光５０を可視光５０ａに変換するための蛍光物質が含まれている。

蛍光膜６３で変換された光強度分布を持った微小な可視光の監視は、不可視光の入射面に対して他方面側（裏面側）へ向かった可視光である。この蛍光膜６３の裏面側へ向かった可視光の検出、監視が最適である。すなわち、蛍光膜６３の入射面に発生した可視光５０ａの検出や監視を、不可視光５０が入射する側と同じ側から行なうとすると、検出データに歪みを生じたり、特殊な光学系（暗視野による観察など）が必要になったりしてしまうので正確な結果を得ることが難しい。このため、可視光の検出や監視は、蛍光膜６３の裏面側（不可視光５０の照射側と反対側）から行う。蛍光膜６３の裏面での光強度分布を持った微小な大きさの可視光は、光軸１０２と一致するので歪みを生じることなく正確に検出することができる。

蛍光板６１の裏面側で、可視光に変換された光路には、フィルタ６４が設けられている。なお、光学系を簡素化するために、基材６２にフィルタ６４の機能をもたせて、フィルタ６４を省略してもよい。また、フィルタ６４は蛍光板６１と一体としてもよい。このとき、蛍光に寄与しなかった成分光、すなわち蛍光膜６３を透過した不可視光５０ｂは基材６２に吸収される。

蛍光板６１の可視光に変換された光路には、拡大光学系６０が配置されている。この拡大光学系６０は、蛍光膜６３に形成される可視光の光強度分布を有する微小な光学像を拡大して撮像するためのものである。蛍光膜６３の可視光の光強度分布が形成される面と電荷結合素子（ＣＣＤ）６９の感光面とは、共役関係に配置されている。

拡大光学系６０は、図１に示すように対物レンズ６５、光学筒６６およびＣＣＤ６９を備えている。対物レンズ６５は、光学筒６６の先端に取り付けられ、フィルタ６４を介して蛍光板６１の裏面に近接するように対向配置されている。対物レンズ６５は他の補助レンズ（図示せず）との組合せにより微小な光強度分布を撮像できる大きさ例えば倍率が２倍から２０００倍までの範囲で変えられるようになっているが、通常の場合は１００〜２００倍の範囲内の特定倍率（例えば１５０倍）が用いられる。拡大光学系６０の視野は５０μｍ径乃至３００μｍ径が好適であり、例えば１００μｍ径である。なお、光学筒６６の末端側はＣＣＤ６９に光学的に連結されている。

拡大光学系６０の光軸に該当するビームプロファイラ光軸１０２Ａは、結像光学系３２のレーザ光軸１０２と平行となるようにアライメントされている。拡大光学系６０と結像光学系３２との位置合わせは、図１に示すビームプロファイラアライメント機構８０と図２に示す基板ステージ７とを用いてなされる。設置スペースが狭く、レーザ光軸１０２方向にビームプロファイラ６の長さが制限されるときは、図２に示すように反射ミラー６７を用いてビームプロファイラ光軸１０２Ａを垂直から水平に９０°曲げることができる。光軸１０２Ａを９０°曲げてやると、ビームプロファイラ６の垂直方向の長さが短くなり、装置が小型化するという利点がある。但し、この光軸曲げタイプの装置では、光学筒６６を垂直から水平に９０°曲げる必要があり、また光学筒６６の水平部分を適当な支持部材（図示せず）で支持する必要がある。この場合は、支持部材を介してビームプロファイラアライメント機構８０が光学筒６６を可動に支持するようにできる。

電荷結合素子（ＣＣＤ）６９は、拡大された可視光の像を撮像するための撮像素子である。ＣＣＤ６９は、出力回路にアナログ−デジタル変換器を介して記録解析装置としてのコンピュータ８に通信線で接続され、このコンピュータ８に撮像信号（可視光の光強度分布波形信号）をデータ送信するようになっている。このときのビームプロファイラ６の実質的な空間分解能は、０．４μｍ以下である。

蛍光板６１とＣＣＤ６９との間にはフィルタ６４が設けられ、透過した不可視光５０ｂを吸収または反射して可視光５０ａの光強度分布がＣＣＤ６９に結像されるようになっている。フィルタ６４は例えば透明ガラス基板に誘電体のような多層コーティング膜を被覆したものである。さらに、蛍光板の基材６２にも不可視光５０ｂを吸収または反射する特性をもたせることができる。

図１に示すように、結像光学系３２（図３参照）から入射した不可視光５０の光強度分布（ビームプロファイル）は、波長変換部材６３の像面にて結像するとともに、波長変換部材６３によって可視光５０ａに変換される。次に、変換された可視光５０ａの光強度分布は、基材６２において不可視光５０ｂが吸収または反射され、さらに残りの不可視光５０ｂがフィルタ６４により吸収または反射される。

フィルタ６４を蛍光板６１とＣＣＤ６９との間に設けることによって、不可視光５０ｂによる悪影響、例えば、対物レンズ６５の劣化、ＣＣＤ６９の損傷、ＣＣＤ６９での撮像信号へのノイズの混入などを回避することができる。

透過した可視光５０ａの光強度分布は、拡大光学系の対物レンズ６５により所望の倍率に拡大されてＣＣＤ６９に結像される。ＣＣＤ６９は光強度に応じた光強度分布信号を撮像データとして出力し、このデータを受け取ったコンピュータ８によってデジタル的（撮像データとして）もしくはアナログ的に（二次元イメージとして）画像信号処理され、表示装置８ａの画面上に拡大された光強度分布（ビームプロファイル）が表示される。さらに、コンピュータ８は、撮像された信号（二次元イメージ）の光強度／位置情報および経時変化を記録し、解析する。

不可視光５０は、蛍光膜６３が不可視光を可視光に変換する適度な感度を有するエネルギ光量を有する光であり、波長、強度、サイズなどが適宜選択される光である。不可視光５０は、蛍光膜６３が適度な感度を有し、蛍光膜６３が加熱されて焼損しない光量である。不可視光５０とは、被処理基板例えば非晶質半導体層を加工例えば結晶化するに必要なエネルギ量の不可視光をいう。蛍光膜６３の材料は、被加工体に加工するための光が紫外域光か赤外域光かによって異なるものが選択される。

なお、本実施形態では蛍光膜６３を不可視光の入射面側に配置し、基材６２を裏面側に配置した例について説明したが、これとは逆に基材６２を入射面側に配置し、蛍光膜６３を裏面側に配置するようにしてもよい。但し、このような逆転配置では、基材６２には不可視光５０ｂを吸収または遮断する材料を使用することはできないので、後段に可視光のみを透過させるフィルタ６４を設けることが必須の要件となる。

［プロキシミティ方式での光強度分布の監視］
次に、上記の光強度分布監視装置（ビームプロファイラ）６をプロキシミティ型レーザアニール装置に組み込んだときの実施の形態について図３〜図５を参照して説明する。
図３に示すようにレーザアニール装置１０Ａは、結晶化装置としての機能とアニール装置としての機能とを兼ね備えたものである。すなわち、レーザアニール装置１０Ａは、被処理基板の非晶質半導体層５ｃ（図３に図示）を溶融させる結晶化装置の機能と、被処理基板を加熱処理するアニール装置の機能とを兼ね備えている。ここでは装置１０Ａを結晶化に用いた場合の実施の形態について説明する。エキシマレーザアニール装置１０Ａには、不可視光発生器としてのエキシマレーザ光源１を備えている。このエキシマレーザアニール装置１０Ａは、非晶質半導体層５ｃを加熱溶融させるエキシマレーザ光の光強度分布（ビームプロファイル）を監視、検出するために、上記の光強度分布監視装置６を設けたものである。この光強度分布監視装置６により非晶質半導体層に入射するエキシマレーザ光の光強度分布（ビームプロファイル）を監視、検出する際には、非晶質半導体層５ｃの位置に蛍光膜６３が置換して設置される。非晶質半導体層５ｃを溶融するためのエキシマレーザ光のエネルギは例えば２００ｍＪ／ｃｍ^２以上の照明光である。光強度分布（ビームプロファイル）を監視、検出する際のエネルギ量は、１０ｍＪ／ｃｍ^２〜３０ｍＪ／ｃｍ^２である。光強度分布（ビームプロファイル）を監視、検出するためのエネルギ量が非晶質半導体層を溶融するためのエネルギ量より小さいのは、不可視光を可視光に変換する蛍光膜が適度な感度を持ち、かつ焼損しないエネルギ量に選択したためである。この実施形態では、不可視光による加工手段として、結晶化工程について説明した。しかし、加工エネルギが小さく、蛍光膜６３が焼損しないエネルギ量であれば、加工する不可視光を蛍光膜６３に入射させたときの光強度分布を得ることができる。

エキシマレーザアニール装置１０Ａの構成についてさらに詳しく説明する。図３に示すように、エキシマレーザアニール装置１０Ａは、不可視光を出力するレーザ光源１例えばエキシマレーザのレーザ光軸１０２の始端側にアッテネータ２およびミラー４を配置し、レーザ光軸１０２の終端側に結像光学系３２および位相シフタ３１を配置し、結像光学系３２の焦点位置に被処理基板５を配置している。この装置１０Ａは所謂プロキシミティ型であり、位相シフタ３１Ａが被処理基板５の入射光側の直前に配置されている。位相シフタ３１Ａは、被処理基板５に所望する処理に適合した光強度分布を形成させる空間強度変調光学素子である。

結像光学系３２は、光源１からの不可視光の光強度分布を被処理基板５に縮小照明させるための光学系である。結像光学系３２は、縮小のみに限らず等倍でも拡大でもよい。結晶化処理における最適の実施形態は縮小照明であり、アニール処理における最適の実施形態は等倍照明である。

移動ステージ７は、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に移動可能なステージである。この移動ステージ７上には光強度分布検出装置としてのビームプロファイラ６と被処理基板５とが並設されている。ビームプロファイラ６と被処理基板５とは、移動ステージ７の移動によりＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の各方向にそれぞれ移動され、レーザ光軸１０２に対して位置合わせされるように構成されている。ビームプロファイラ６と被処理基板５とは、例えば結晶化工程時と光強度分布検出工程時とで光源１からのレーザ光軸１０２上に置換して設けられる。

移動ステージ７は、例えば図４に示すように概略３つのステージ７１，７２，７３を備えている。すなわち、移動ステージ７は、例えば図示しないＸ方向に移動するリニアガイド上にＸステージ７１が可動に支持され、その上にＹ方向に移動するＹステージ７２が可動に支持され、その上にＺ方向に移動するＺステージ７３が可動に支持されて構成されている。さらに、Ｚステージ７３上の予め定められた位置には、蛍光板６１および／または被処理基板５が設けられる。さらに、移動ステージ７には、Ｚ軸まわりにＺステージ駆動機構７３を回転させるθ回転ステージ（図示せず）を追加して設けるようにしてもよい。さらに、移動ステージ７はヒータ７ａを有し、被処理基板５を所定の温度に加熱することができる（図３参照）。

Ｚステージ７３の本体上には左右一対のスライダ７４ａ，７４ｂがリニアガイド（図示せず）に沿って摺動案内されるように設けられている。両スライダ７４ａ，７４ｂの対向面は上向きに傾斜している。両スライダ７４ａ，７４ｂ間には昇降台７６が上向き傾斜面に沿って摺動案内されるように設けられている。すなわち、昇降台７６は、両スライダ７４ａ，７４ｂの上向き傾斜面に整合する下向き傾斜面を有している。この昇降台７６の上には蛍光板６１および被処理基板５の両者又はいずれか一方が載置される。

スライダ７４ａ，７４ｂの側部は対応するボールスクリュウ７５ａ，７５ｂの一端にそれぞれ回転自由に連結されている。ボールスクリュウ７５ａ，７５ｂの他端はステッピングモータやサーボモータのような高精度電動機からなる昇降駆動機構９の回転駆動軸に連結されている。半導体レーザとその反射光量を検出するＣＣＤからなるハイトセンサ７８は、昇降台７６の上面の高さ位置を検出するように設けられている。ハイトセンサ７８から高さ位置検出信号が制御器８に送られると、制御器８は昇降駆動機構９の動作を制御してボールスクリュウ７５ａ，７５ｂをそれぞれ回転させ、昇降台７６を上昇または下降させるようになっている。これにより昇降台７６上の被処理基板５と蛍光板６１は結像光学系３２および位相シフタ３１Ａに対して高精度に位置合せされる。

図１に示すように、ビームプロファイラ６の拡大光学系６０は、ビームプロファイラ光軸１０２Ａがレーザ光軸１０２と平行に位置合わせされている。ビームプロファイラ６はビームプロファイラアライメント機構８０の上に設けられている。このビームプロファイラアライメント機構８０は、前述の移動ステージ７上にあるが、独立してＸ・Ｙ・Ｚの各方向に駆動されるものである。なお、ビームプロファイラアライメント機構８０は、移動ステージ７の上に設けるようにしてもよい。

ビームプロファイラアライメント機構８０は、下側から順にＸステージ８１、Ｙステージ８２、Ｚステージ８３が積み重ねられている。すなわち、ビームプロファイラアライメント機構８０は、図示しないリニアガイド上にＸステージ８１が可動に支持され、その上にＹステージ８２が可動に支持され、その上にＺステージ８３が可動に支持され、さらにその上にビームプロファイラ６が支持されている。蛍光板６１と被処理基板５とは、移動ステージ７にそれぞれ支持されている。ハイトセンサ７８でそれぞれの高さを記憶しておき、レーザ光軸１０２とビームプロファイラ光軸１０２Ａとが一致する位置にビームプロファイラ６が移動されると、プロファイルの観測（撮像）が開始される。

図３は、プロキシミティ型アニール装置の光学系の概念図を示している。位相シフタ３１Ａ、結像光学系３２および被処理基板５の構成を具体的に説明するための構成図である。図３に示すように、結像光学系３２は、レーザ光軸１０２に沿って光源側から順次配列されたホモジナイザ３２ａ、第１のコンデンサレンズ３２ｂ、第２のコンデンサレンズ３２ｃ、マスク３２ｄ、テレセントリック型の縮小レンズ３２ｅ、位相シフタ３１Ａを備えている。ホモジナイザ３２ａは、光源１からの発振レーザ光を均一化する機能を有する。第１のコンデンサレンズ３２ｂは、ホモジナイザ３２ａからの均一化レーザ光を集光し、第２のコンデンサレンズ３２ｃと共役関係に配置される。第２のコンデンサレンズ３２ｃの出射光路にはマスク３２ｄが設けられている。マスク３２ｄは非有効レーザ光を遮断する。縮小レンズ３２ｅは１／１〜１／２０倍の範囲に像を縮小する機能を有する。この縮小レンズ３２ｅを通過した光は、絶縁性キャップ膜５ｄの表面（被処理基板の入射面３６）から被処理基板５に入射し、像面３７にて収束する。像面３７は、入射面３６と一致させても一致させなくてもよい。通常の場合は、ギャップｄ１を調整することにより像面３７を入射面３６から所望距離シフトさせ、像面３７は入射面３６と不一致である。像面３７／入射面３６間のシフト量は、キャップ膜５ｄの膜厚に応じて最適に調整される。

位相シフタ３１Ａは、例えば、マスク３２ｄを通過する光の位相をずらすことにより、位相シフト部において光強度が極小となる逆ピークパターンのビームプロファイルを形成し、この逆ピークパターンのビームプロファイルにより被処理基板５上において例えば非晶質半導体膜の一番最初に凝固する領域（結晶核）を位置制御し、そこから結晶を横方向に成長させる（ラテラル成長；膜面に沿った二次元成長）ことにより、大粒径の結晶粒を指定した位置に設ける。このとき、位相シフタ３１Ａの形状、位相シフタ３１Ａの高さ（図３中のギャップｄ１）、およびレーザ光の角度分布などにより、所望の光強度分布（ビームプロファイル）を設定する。なお、パソコン８は、ギャップｄ１が所望値になるように高精度にフィードバック制御する。なお、図中の符合３４は位相シフタ面である。

二次元光強度分布（二次元ビームプロファイル）における逆ピークパターンの幅Ｗは、位相シフタ３１Ａと蛍光板６１（または被処理基板５）との間のギャップｄ１の１／２乗に比例（Ｗ＝ｋ・ｄ^1/2；ｋは係数）して拡大する。なお、レーザ光５０の平均光強度（平均レーザフルエンス）は、パワーメータなどを用いて別々に検出する。

蛍光板６１は、被処理基板５と同一平面上あるいは平行平面上に設置する。蛍光板６１を平行平面上に設置する場合は、移動ステージ７を上下して蛍光板６１を被処理基板５と同じ高さになるようにハイトセンサ７８で検出する。これにより、基板面におけるレーザ光の光強度分布（ビームプロファイル）を実際の照射時と同一条件で検出できるようにするので、蛍光板６１と被処理基板５とは、同一平面上になくてもよい。例えば蛍光板６１の待機位置は、被処理基板５の処理位置と同じ高さレベルのみに限られるものではなく、処理位置よりも上方あるいは処理位置よりも下方であってもよい。蛍光板６１は、被処理基板５の表面と光学的に等価な位置としてもよい。

ＣＣＤ６９で受光し撮像した撮像データ（または観測データ）は、コンピュータ８に入力され、このコンピュータ８は、撮像データを任意の走査線でスライスし、画像信号の強度分布からレーザ光の強度と光強度分布（ビームプロファイル）を出力し、この出力を検出結果とする。

そして、検出した強度と予め設定した目標の強度とを比較して操作量を計算し、アッテネータ２に操作信号を出力して検出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２の角度を調節する。

また、検出した光強度分布像とあらかじめ設定した目標値の光強度分布像と、ハイトセンサ７８からの信号を比較して操作量を計算し、その操作量に対応する信号を移動ステージ７に出力し、検出した光強度分布像が目標値の光強度分布像に一致するように機構をフィードバック制御する。これにより移動ステージ７側の蛍光板６１（又は被処理基板５）と位相シフタ３１Ａとのギャップｄ１が決定される。

なお、本実施形態ではレーザ光強度、レーザ光分布、ギャップｄ１をフィードバック制御の手法により調節する例について説明しているが、本発明はこれのみに限られるものではなく、最初にレーザ光強度、レーザ光分布、ギャップｄ１のすべてを検出し、その検出結果を目標値として設定し、記憶（記録）しておき、レーザ照射する必要が生じたときにそれぞれ呼び出して用いることができる。これにより再現性の高いレーザ照射を実現でき、ＴＦＴチャネル部の結晶化を安定して行うことができる。

次に、図３を参照してレーザアニール装置による結晶化方法について詳しく説明する。

レーザアニール装置１０Ａは、予め基板５ａ例えばガラス基板の上に下地保護層５ｂ、非晶質シリコン膜５ｃ、キャップ層５ｄが順次積層された被処理基板５に対して強度と光強度分布（ビームプロファイル）が変調されたレーザ光５０を照射し、結晶化するものである。結晶化の対象は非晶質シリコン膜５ｃである。下地保護層５ｂとキャップ層５ｄはそれぞれＳｉＯ_２絶縁膜からなる。

光源となるKrFエキシマレーザ発振装置１からは波長248nmの矩形ビームのレーザ光が出射される。レーザ光５０は、先ずアッテネータ２において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フルエンスが光学的に変調される。次にミラー４を経由して結像光学系３２に至り、２組（それぞれｘ方向とｙ方向）の小レンズ対からなるホモジナイザ３２ａによって発散ビームに分割される。なお、１ショットのパルス継続時間は３０ナノ秒である。分割されたビームの各中軸光線は、コンデンサレンズ３２ｂ（凸レンズ#1）によってマスク３２ｄの中心に集まる。

また、それぞれのビームは、僅かに発散型になっているために、マスク３２ｄの全面を照明する。分割された微小出射領域を出た全ての光線群が、それぞれマスク３２ｄ上の全ての点を照射するので、レーザ出射面上の光強度に面内むらがあっても、マスク３２ｄの光強度は均一になる。「面内むら」とは空間的に変化するエネルギ分布の不均一性のことをいう。

マスク３２ｄの各領域を通過する光線群の中心光線、すなわちホモジナイザ３２ａの中心部分のレンズ対を通ってきた発散光線群は、マスク面近傍の凸レンズ３２ｃによって平行光線になってから、テレセントリック型の縮小レンズ３２ｅを通って、加熱ヒータ７ａを備えた移動ステージ７上に置かれた被処理基板５を垂直に照射する。

移動ステージ７はＸ，Ｙ，Ｚの各方向に位置を調整できるようになっているので、照射領域をずらしてアニールを繰り返すことにより、大面積を結晶化することが可能である。また、マスク３２ｄの同一箇所を通過した光線群は基板面の一点に収束する。すなわち、マスク３２ｄの縮小像が均一光強度で基板面上に作られる。なお、ＸＹは水平面のＸ軸とＹ軸とを示し、Ｚは水平面に垂直な方向に延びる鉛直軸を示す。

基板表面の任意の点を照射する光線群は、レーザ光軸１０２を通る中心光線を含めて分割された光線から作られる。ある光線と中心光線のなす角は、ホモジナイザ３２ａの幾何学的形状で決まる、マスク３２ｄでの当該光線と中心光線の作る角に、テレセントリック型レンズ３２ｅの倍率を掛けた値になる。

被処理基板５（又は蛍光板６１）から５００μｍ以内に近接配置された位相シフタ３１Ａは、所定の段差３１ａを有し、段差３１ａのところで分割光線群にそれぞれ独立にフレネル回折を起こさせる。これらの回折パターンは基板表面で重畳されるから、基板表面の光強度分布には、位相シフタ３１Ａのパラメータ（ギャップｄ１、位相差θ）だけではなく、位相シフタ３１Ａに入射する光線群の広がり量（ε）や、光線間の干渉性が複雑に関係する。

位相シフタ３１Ａを透過したレーザ光は、被処理基板５のキャップ膜５ｄに結像される。キャップ膜５ｄ上に入射したレーザ光は、キャップ膜５ｄを透過して非晶質Ｓｉ膜５ｃに入射し、非晶質Ｓｉ膜５ｃを加熱する。加熱された非晶質Ｓｉ膜５ｃは、溶融する。溶融された非晶質Ｓｉ膜５ｃは、自然冷却され固化し、結晶化される。

次に実施例について説明する。
（実施例１）
実施例１として本発明の装置を用いてＫｒＦエキシマレーザアニール装置から発振されるエキシマレーザ光（波長248nm）の光強度分布を検出した波長変換部材の平均膜厚は２μｍとした。レーザ光の平均フルエンスを１５ｍＪ／ｃｍ^２とし、照射領域１０を１ｍｍ×１ｍｍ角とした。

波長変換部材を構成する蛍光物質にはピラニン（Pyranine Conc；C₁₆H₇Na₃O₁₀S₃）を用いた。ピラニンの発光強度（蛍光強度）は、低レベルから中レベルまでのエネルギ領域ではエキシマレーザ光のフルエンスに対して高い依存性を示す。例えば、入射レーザ光のフルエンスが３０ｍＪ／ｃｍ²以下のエネルギ領域ではピラニン蛍光物質の発光強度がレーザフルエンスに対して正比例増加することが判明している（図１４参照）。

次に、図５を参照して光強度分布の解析手順の概要について説明する。
図５（ａ）は光強度分布の解析手順を示すフローチャート、図５（ｂ）は同解析手順中における信号波形をそれぞれ示す図である。

先ず撮像前の準備手順について説明する。図３において、シャッタを閉じてＣＣＤ６９にレーザ光５０が入射しないように遮断する。なお、光学系には位相シフタ３１を挿入していないが、波長変換部材６３をもつ蛍光板６１は撮像位置に配置してある。

このようにＣＣＤ６９に像が入らない状態で撮像し、ＣＣＤ出力における黒レベルの撮像データをパソコン８に送る。この黒レベル撮像データは、例えば図５の（ｂ）に示す信号波形１４ｘのようになり、低い強度レベルの直流成分を有するものである。パソコン８は、信号波形１４ｘに対応する黒レベル撮像データ（暗レベル像）を撮像前の予備データとして記憶しておく（ステップＦ１）。

次いで、光源１から出射されるレーザ光５０が暫定の規格化強度（例えば、１５ｍＪ／ｃｍ²）となるように、光源１を設定する（ステップＦ２）。この暫定の規格化強度は、波長変換部材を構成する蛍光物質が劣化または蒸散しない範囲で経験的に適宜選択される。本実施形態では暫定の規格化強度を１５ｍＪ／ｃｍ²としたが、これを２０ｍＪ／ｃｍ²とすることもできる。

ＣＣＤ６９のシャッタを開け、暫定規格化強度のレーザ光５０をＣＣＤ６９に入射して、ＣＣＤ出力における白レベルの撮像データをパソコン８に送る。この白レベル撮像データは、例えば図５の（ｂ）に示す信号波形１４ｙのようになり、高い強度レベルの直流成分を有するものである。パソコン８は、信号波形１４ｙに対応する白レベル撮像データ（暗レベルを含む明レベル像）を記憶しておく（ステップＦ３）。

次いで、パソコン８は、ステップＦ１で記憶しておいた黒レベル撮像データ（波形１４ｘに対応）をメモリから呼び出すとともに、ステップＦ３で記憶しておいた暗レベルを含む明レベル像のデータ（波形１４ｙに対応）をメモリから読み出し、波形１４ｙから波形１４ｘを引き算して図５（ｂ）に示す波形１４ｚ（＝１４ｙ−１４ｘ）を求め（ステップＦ４）、明レベル像データを求める。この波形１４ｚに対応するデータをパソコン８に記憶させておく。

以上が撮像前の準備フローである。

次に、実際の撮像手順について説明する。
位相シフタ３１Ｂを光学系の所定位置に挿入し、他の部材に対して位置合せする（ステップＦ５）。次いで、図５（ｂ）に示す逆ピークパターン波形１４ａを実際の撮像時におけるＣＣＤ出力の撮像データ（光強度分布）としてパソコン８に入力する（ステップＦ６）。パソコン８は、ステップＦ１で記憶しておいた黒レベル撮像データをメモリから呼び出し、入力撮像データ（波形１４ａに対応）から黒レベル撮像データ（波形１４ｘに対応）を引き算して図５（ｂ）に示す波形１４ｂ（＝１４ａ−１４ｘ）を求める。このようにして黒レベル成分を取り除くことにより、ＣＣＤ出力の撮像データの零点調整がなされる（ステップＦ７）。この零点調整ステップＦ７では、測定視野内の総ての光強度を積分して平均化した零点調整された波形１４ｂを出力する。

次いで、零点調整された波形１４ｂはパソコン８により規格化される（ステップＦ８）。規格化ステップＦ８において、パソコン８は、撮像前の準備フローで求めておいた波形１４ｚに対応するデータをメモリから呼び出し、零点調整された波形１４ｂの平均値を１として、これを波形１４ｚで割り算して規格化し、規格化された波形１４ｃ（＝１４ｂ／１４ｚ）を出力する。図５（ｂ）の最後に示す波形１４ｃが出力される光強度分布にあたるものであり、これを比較用データとして実際のレーザ照射を行う。

次に、図６を参照して、本発明の装置により光強度分布を検出し、その検出結果に基づいて実際に非晶質シリコン薄膜をＥＬＡ法により結晶化する方法の実施形態について具体的に説明する。なお、図１乃至図５で説明した部分については、同一符号を付与し、その詳細な説明は重複するので省略する。

先ず、結晶化工程に先立ち結晶化用不可視光の光強度分布の確認を次のプロセスにより行う。アッテネータ２の平均レーザフルエンスを、ビームプロファイルを撮像または観察するために必要な値（１０ｍＪ／ｃｍ²）に調整した（工程Ｓ１）。次いで、被処理基板５を予め定められた位置に退避させたのち、プロファイラ６を進入させ、照射野に位置させた（工程Ｓ２）。アライメント機構７およびビームプロファイラアライメント機構８０を用いてビームプロファイラ光軸１０２Ａを光源側のレーザ光軸１０２と光軸アライメントした（工程Ｓ３）。パソコン８から上記のステップＦ１〜Ｆ８で得た波形データ（光強度分布の目標値）を呼び出し、像を解析して理論的に推定されるギャップｄ１を計算する（工程Ｓ４）。次に、位相シフタ３１Ａの移動機構、基板ステージ７とハイトセンサ７８を用いて蛍光板６１を位相シフタ３１Ａに対してアライメントしてギャップｄ１を計算で得られた目標値に調整した（工程Ｓ５）。レーザ光を照射してその光強度と光強度分布（ビームプロファイル）を検出した（工程Ｓ６）。工程Ｓ６の詳細は図５のステップＦ１〜Ｆ８に示している。この検出した光強度分布と予め定められた光強度分布とを照合し（工程Ｓ７）、相違していれば両者が一致するまでギャップｄ１を微調整する（工程Ｓ７１）。両者が一致していれば、このときのギャップｄ１を記憶し、ビームプロファイラ６を照射野から退出させる（工程Ｓ８）。次に、基板ステージ７を照射野に進入させた（工程Ｓ９）。被処理基板５の入射面をアニールしたい位置に移動させ、光源側のレーザ光軸１０２とアライメントした（工程Ｓ１０）。次に、基板ステージ７を用いて被処理基板５と位相シフタ３１Ａとのギャップｄ１を、工程Ｓ７で記憶した値に調整した（工程S１１）。

次に、検出した強度と光強度分布があらかじめ設定した目標と一致するようにアッテネータ２の角度を調整した。すなわち、平均レーザフルエンスが1000mJ/cm2のときの波形が適していれば、そのような値になるアッテネータ２の角度になるように調整した（工程Ｓ１２）。次に、設定した強度と光強度分布のレーザ光を被処理基板５に照射して非晶質シリコン膜５ｃをアニールした（工程Ｓ１３）。

移動ステージ７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、照射領域をずらしてアニール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Ｓ１４）。なお、ＸＹは水平面のＸ軸とＹ軸を示し、Ｚは水平面に垂直な方向に延びる軸を示す。前の照射領域が最後であったか否かを判定し（工程Ｓ１５）、工程Ｓ１５の判定結果がＮＯの場合は、工程Ｓ１３のアニールを実施した。工程Ｓ１５の判定結果がＹＥＳの場合は、基板ステージをホーム位置に戻し、結晶化処理を終了する。

以上の検出、位置合わせ、照射を繰り返して同一基板内にTFTのサイズは異なるがチャネル領域での電流方向を横切る結晶粒界数の平均値が一定となる結晶領域をそれぞれ形成する。なお、検出、位置合わせ、照射の３つの動作は必ずしも毎回繰り返す必要はない。最初にすべての検出を行っておき、その検出結果を記憶（記録）しておき、それを必要に応じて呼び出し、位置合せに必要な操作量を求め、次に結晶領域毎に位置合わせと照射を並行して行うようにしてもよい。

また、上記実施例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、確認工程は、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回実施することが望ましい。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。

また、上記実施例では位相シフタを基板に対して所定位置に近接させて所定フルエンスのレーザ光を照射する所謂プロキシミティ方式について説明したが、これを投影法（位相シフタを基板から離れたレーザ光源側に配置するプロジェクション方式）と組み合せて用いるようにしてもよい。

［プロジェクション方式での光強度分布の監視］
次に、上記の光強度分布監視装置（ビームプロファイラ）６をプロジェクション型レーザアニール装置に組み込んだときの実施の形態について図７〜図１１を参照して説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。

図７に示すレーザアニール装置１０Ｂは、レーザ光源１の側から順に光軸１０２に沿って配置された第１の結像光学系３２Ａ、位相シフタ３１Ｂ、ミラー４および第２の結像光学系３２Ｂを備えている。この装置１０Ｂは、位相シフタ３１Ｂを第１の結像光学系３２Ａと第２の結像光学系３２Ｂとの間に設けた所謂プロジェクション型レーザアニール装置であり、エキシマレーザ光５０を第１の結像光学系３２Ａにより均一化し、均一化光を位相シフタ３１Ｂにより光強度変調し、さらに光強度変調光を第２の結像光学系３２Ｂにより所定倍率に縮小して波長変換部材６又は被処理基板５の入射面３６に投影するようになっている。

次に、プロジェクション型レーザアニール装置における位相シフタ３１Ｂのアライメント機構９０について説明する。
図８は位相シフタホルダを上方から見て示す平面図である。ホルダ９０は同心配置され互いに連結された外環９１および内環９２を備えている。ホルダ外環９１は、Ｘ駆動機構９３とＹ駆動機構９４とＺ駆動機構９6により可動に支持され、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向にそれぞれ微調整移動されるようになっている。ホルダ内環９２には、図示しない位相シフタ３１Ｂを係止するための複数のストッパを有している。位相シフタ３１Ｂは内環９２のなかに嵌め込まれ、その周縁がストッパにより係止されている。ホルダ内環９２はホルダ外環９１に可動に保持されており、図示しない機構によってＸＹ面内における内環９２の回転角θを微調整することができる。

図９は位相シフタホルダの側面断図である。図示していない機構によって光軸１０２と位相シフタ３１Ｂ面の法線とが成す角度φの調整が可能である。Ｚ駆動機構９６のシリンダロッドの移動量を制御することにより、位相シフタ３１Ｂの像面制御ができる。このようにして位相シフタ３１Ｂは、結像光学系３２の他の部材と高精度に位置合せされる。

次に、図１０を参照して光学系について詳しく説明する。
第１の結像光学系３２Ａは、ホモジナイザ３２ａ、第１コンデンサレンズ３２ｂ、第２コンデンサレンズ３２ｃ、マスク３２ｄを有する。これらの光学部品３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄは上述した装置１０Ａの結像光学系３２の光学部品と実質的に同じものである。

第１及び第２の結像光学系３２Ａ，３２Ｂは、図示しないフレームにそれぞれ固定支持されている。一方、位相シフタ３１Ｂは、図８と図９に示すアライメント機構９０により可動に支持されている。位相シフタ３１Ｂは、ホモジナイズ面３３と位相シフタ面３４とのずれ量ｄ２が所定値になるように、アライメント機構９０により位置決めされた状態で、マスク３２ｄの開口の近傍に配置されている。ずれ量ｄ２は、ゼロ（ホモジナイズ面３３と位相シフタ面３４との一致（完全オーバーラップ））を標準とする。以後特に明記しない限りこの条件で説明する。また、光の進行方向を正とし、その逆方向を負とする。

第１の結像光学系３２Ａを通過した光は一次像面３５上を通過し、第２の結像光学系３２Ｂに入射する。第２の結像光学系３２Ｂは、テレセントリック型縮小レンズ３２ｅを有し、位相シフタ３１Ｂで光強度変調されたレーザ光の二次元イメージを二次像面３７に結像させる。この二次像面３７は、ずれ量ｄ４だけ入射面３６から光軸１０２方向にシフトしている。ずれ量ｄ４は、基板ステージ７の昇降により所望値に調整される。二次像面３７上の像は一次像面３５上の像が所定の縮小倍率で転写されたものであるので、ずれ量ｄ４はずれ量ｄ３に所定の縮小倍率Ｎの二乗を掛けた値（Ｎ×Ｎ）となる（両者は正比例関係にある）。ずれ量ｄ４がゼロとなる二次像面３７のとき、一次像面３５は位相シフタ面３４と一致（完全オーバーラップ）しているとする（ずれ量ｄ２がゼロ）。例えば、ずれ量ｄ４が＋０．１ｍｍのときの二次像面３７は、ずれ量ｄ２が＋０．１ｍｍ/（Ｎ×Ｎ）ｍｍの位置の一次像面３５に対応する。しかし、これは位相シフタ移動機構９０を固定した状態で、ずれ量ｄ４を変化させることだけで任意の位置の一次像面３５を二次像面３７に投影することが出来る。なお、ずれ量ｄ４がゼロとなる基板ステージ７の高さ（ｚ値）において、ハイトセンサ７８から得られる信号をゼロとしておく。

基板ステージ７は、ハイトセンサ７８、アライメント機構７１〜７６および昇降機構９を備えている。基板ステージ７は、二次像面３７と波長変換部材６１（又は被処理基板５）の入射面３６とのずれ量ｄ４が所定値になるように、アライメント機構７１〜７６および昇降機構９により位置決めされている。この位置決めはパソコン８がする。すなわち、パソコン８は、ハイトセンサ７８で検出した基板ステージ７の昇降台７６の高さ位置信号を受け取ると、それに基づいてずれ量ｄ４が所定値になるように昇降機構９の動作を制御する。この場合に、ずれ量ｄ４は、ゼロを標準とするが、例えば５〜１００μｍとする場合もある。縮小レンズ３２Ｂを通過した光は、二次像面３７に置かれた被処理基板５上で収束する。

次に、図１１を参照して、本発明の装置により光強度分布を検出し、その検出結果に基づいて実際に非晶質シリコン薄膜をＥＬＡ法により結晶化する方法の実施形態について具体的に説明する。
先ず、結晶化工程に先立ち結晶化用不可視光の光強度分布の確認を次のプロセスにより行う。アッテネータ２の平均レーザフルエンスをビームプロファイルを撮像または観察するために必要な値（１０ｍＪ／ｃｍ²）に調整した（工程Ｋ１）。次いで、被処理基板５を予め定められた位置に退避させたのち、プロファイラ６を進入させ、照射野に位置させた（工程Ｋ２）。アライメント機構７およびビームプロファイラアライメント機構８０を用いてビームプロファイラ光軸１０２Ａを光源側のレーザ光軸１０２と光軸アライメントした（工程Ｋ３）。パソコン８から波形データ（目標値）を呼び出し、像を解析して理論的に推定されるずれ量ｄ４を計算する（工程Ｋ４）。この波形データは前述した図５の準備フローＦ１〜Ｆ８により得られた光強度分布の記憶データであり、光強度分布に関して目標値となるものである。

次に、基板ステージ７とハイトセンサ７８とを用いてずれ量ｄ４を計算で得られた目標値に調整した（工程Ｋ５）。レーザ光を照射してその光強度と光強度分布（ビームプロファイル）を検出した（工程Ｋ６）。工程Ｋ６の詳細な内容は図５の準備フローに示している。この検出した光強度分布と予め定められた光強度分布とを照合し（工程Ｋ７）、相違していれば両者が一致するまでずれ量ｄ４を微調整する（工程Ｋ７１）。両者が一致していれば、このときのずれ量ｄ４を記憶し、ビームプロファイラ６を照射野から退出させる（工程Ｋ８）。次に基板ステージ７を照射野に進入させた（工程Ｋ９）。被処理基板５の入射面をアニールしたい位置に移動させ、光源側のレーザ光軸１０２とアライメントした（工程Ｋ１０）。次に、基板ステージ７を用いて被処理基板５のずれ量ｄ４を、工程Ｋ７で記憶した値に調整した（工程Ｋ１１）。次に、検出した強度と光強度分布があらかじめ設定した目標と一致するようにアッテネータ２の角度を調整した。すなわち、平均レーザフルエンスが１０００mJ/cm2のときの波形が適していれば、そのような値になるアッテネータ２の角度になるように調整した（工程Ｋ１２）。そして、工程Ｋ１２で設定した強度と光強度分布のレーザ光を照射した。（工程Ｋ１３）。

移動ステージ７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、照射領域をずらしてアニール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Ｋ１４）。なお、ＸＹは水平面のＸ軸とＹ軸を示し、Ｚは水平面に垂直な方向に延びる軸を示す。前の照射領域が最後であったか否かを判定し（工程Ｋ１５），工程Ｋ１５の判定結果がＮＯの場合は、工程Ｋ１３のアニールを実施した。工程Ｋ１５の判定結果がＹＥＳの場合は、基板ステージをホーム位置に戻し、結晶化処理を終了する。

（実証試験）
次に、図１２および図１３を参照して試料表面上の光強度分布の実測結果から変調レーザ光の特徴とその実像について説明する。

平行光を用いたときの孤立位相シフタ（光路差δは１８０°）による一次元の規格化Fresnel回折パターンを図１２の（ａ）に示す。位相シフタとプロファイラとの相互間距離（位相シフタ／基板間のギャップｄ１と同等）は１１０μｍとした。図１２の（ｂ）は図１２（ａ）の回折パターンの一次元光強度分布を示す特性線図である。図中の特性線Ａ（細線）はコンピユータシミュレーション結果を示し、特性線Ｂ（太線）はビームプロファイラ蛍光板面での実測結果を示す。これらの実測結果から明らかなように高次の振動を含めて理論結果と良い一致が得られた。特に、最小強度がほぼゼロであることは、エキシマレーザ光が強い自己干渉性を有していることを示している。なお、ビームプロファイラの空間分解能は、製造しようとする結晶粒径より１桁程度小さいのが望ましく、図１２の（ａ），（ｂ）の検出例では０．４μｍの分解能であった。

図１３にIn-plane cross-coupled位相シフタによる二次元の規格化Fresnel回折像（ビームプロファイルの二次元データ）を示す。この図はビームプロファイラ蛍光板面に現れたレーザフルエンスの実像を示したものである。ギャップｄ１を３０μｍ、位相差を１８０°とした。図中の太い線で囲まれた正方格子は一辺の長さが５μｍである。格子状の主パターン（太線）以外に内部の微細二次元パターン（細線）も捉えることができており、このプロファイラが二次元パターンの評価にも有効であることが実証された。

図１４は、横軸をエキシマレーザ光の照射強度（単位はｍＪ／ｃｍ²）とし、縦軸をレーザ光照射されたピラニンの蛍光強度（単位は相対値）として、ピラニンのエキシマレーザ光のフルエンスに対する発光強度依存性について調べた結果を示す特性線図である。この図によれば、入射レーザ光のエネルギ量が３０ｍＪ／ｃｍ^２までは、ピラニン蛍光物質の発光強度が直線的に増加していることが判明した。

図１５は、横軸をメタルマスクのエッジ位置（μｍ）とし、縦軸を蛍光強度（相対値）として、メタルマスクを用いて本発明の光強度分布検出装置の空間分解能を評価した結果を示す特性線図である。空間分解能の測定には、有機蛍光材（ピラニン）を透明基材に塗布した波長変換部材を用いた。図中の特性線Ｃの高位部分は白領域（メタルの無い所；暗レベルを含む明レベル領域）に該当し、低位部分は黒領域（メタルの有る所；暗レベルのみの領域）に該当する。図中の記号Ｒは白領域から黒領域に変化する遷移領域を示す。すなわち、図中にて遷移領域Ｒより左側はメタルのない領域を示し、遷移領域Ｒより右側はメタルのある領域を示している。

この波形Ｃを用いれば、空間分解能評価試験におけるイメージ像中の白領域から黒領域へ変化する状態を示す一次元グラフであるから空間分解能を評価できる。図から明らかなように、遷移領域Ｒにおいて、その傾斜の半値幅（すなわち分解能）はおよそ０．４μｍであった。この像におけるＭＴＦ（Modulation Transfer Function）評価を行ったところ、低位、高位のコントラスト比１０％で２５００本／ｍｍの分解能を有することが判明した。

高分解能ビームプロファイラによってエキシマレーザ光の性質を抽出した。この結果、試料表面上光強度分布を設計することが可能となった。さらに、各種臨界光強度を評価して、これらの結果を総合することにより、高充填率で大結晶粒を成長させる光学系を設計した。この有効性を上述の実証試験により確認した。

（実施例２）
実施例２として本発明の装置を用いてＱスイッチＹＡＧレーザ装置からパルス発振される赤外レーザ光（波長1064nm）の光強度分布を検出した。

波長変換部材中に含ませる蛍光物質にはＹＡＧＬＡＳＳ（ヤグラス）住田光学ガラス社製品名を用いた。波長変換部材の平均膜厚は２μｍとした。光強度変調素子にはＳｉ製の一部をＣｒメタルで遮蔽した基板を用いた。レーザ光の平均フルエンスを３０ｍＪ／ｃｍ^２とし、ビーム径を１ｍｍ×１ｍｍ角とした。

本発明装置によるＱスイッチＹＡＧレーザ光の光強度分布の検出結果から１０μｍの高解像度の像を確認できた。

（実施例３）
実施例３として本発明の装置を用いて露光装置のｉ線ランプから照射される紫外線（波長365nm）の光強度分布を検出した。

波長変換部材中に含ませる蛍光物質にはナノ粒子のＣｄＳｅを塗布した基板を用いた。波長変換部材の平均膜厚は０．５μｍとした。光強度変調素子には合成石英製で一部をＣｒメタルで遮蔽したものを用いた。ランプ光の平均出力を３０ｍＷ／ｃｍ^２とし、ビーム径を１ｍｍ×１ｍｍ角とした。

本発明装置による紫外光の光強度分布の検出結果から０．４μｍの高解像度の像を確認できた。

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明は、液晶表示装置やエレクトロルミネッセンス表示装置のような表示装置の回路に用いられるＴＦＴのチャネル領域となる半導体薄膜を結晶化または不純物を活性化させるためのエキシマレーザアニール技術（ＥＬＡ法）ばかりでなく、赤外線波長領域のレーザ光を発振するＱスイッチＹＡＧレーザや銅蒸気レーザ、あるいは紫外線波長領域の光を照射する半導体製造装置のエキシマランプ、ｉ線ランプ、ｇ線ランプ、Ｘｅランプなど数μｍ程度の大きさの光強度分布を計測する技術など様々な技術分野において利用することが可能である。

本発明の光強度分布監視装置を模式的に示す構成ブロック図。 本発明の光強度分布監視装置をプロキシミティ型レーザアニール装置と組み合せた例を模式的に示す概略構成図。 プロキシミティ型レーザアニール装置の結像光学系の一例を示す構成ブロック図。 波長変換部材の位置決め機構を模式的に示す構成ブロック図。 （ａ）は光強度分布の解析手順を示すフローチャート、（ｂ）は同解析手順中における信号波形を示す図。 本発明の光強度分布監視方法を利用したＥＬＡ法の一例を示すフローチャート。 本発明の光強度分布監視装置をプロジェクション型レーザアニール装置と組み合せた例を模式的に示す概略構成図。 位相シフタの位置決め機構を示す平面図。 位相シフタの位置決め機構の一部を示す拡大断面図。 プロジェクション型レーザアニール装置の結像光学系の一例を示す構成ブロック図。 本発明の光強度分布監視方法を利用したＥＬＡ法の一例を示すフローチャート。 （ａ）は孤立位相シフタのビームプロファイラ蛍光面における二次元イメージを示すＳＥＭ像、（ｂ）はその一次元光強度分布特性線図。 レーザ照射領域における二次元イメージの一例を示すＳＥＭ像。 本発明の光強度分布監視方法を用いてエキシマレーザの光強度分布を計測したときの一例を示す特性線図。 有機蛍光材を塗布した波長変換部材を有するビームプロファイラの空間分解能について調べた結果を示す特性線図。

符号の説明

１…光源、
２…アッテネータ
３１Ａ，３１Ｂ…位相シフタ（空間強度変調光学素子）
３２…結像光学系
３２Ａ…第１の結像光学系
３２Ｂ…第２の結像光学系
３２ａ…ホモジナイザ（光強度均一化光学素子）
３２ｂ，３２ｃ…コンデンサレンズ
３２ｄ…マスク、３２ｅ…テレセントリック型縮小レンズ
３３…ホモジナイズ面
３４…位相シフタ面
３５…一次像面（第１の結像光学系の結像面）
３６…波長変換部材又は被処理基板の入射面
３７…二次像面（第２の結像光学系の結像面）
ｄ１…位相シフタ面から入射面までのギャップ
ｄ２…ホモジナイズ面と位相シフタ面とのずれ量
ｄ３…一次像面と入射面とのずれ量
ｄ４…二次像面と入射面とのずれ量
５…被処理基板、５ａ…基板、５ｂ…下地保護層
５ｃ…非晶質半導体層（結晶化対象膜、非晶質シリコン膜）
５ｄ…キャップ層
５０…不可視光（レーザ光）
５０ａ…可視光
５０ｂ…吸収または反射される不可視光
６…ビームプロファイラ（光強度分布監視装置）
６０…拡大光学系
６１…蛍光板（波長変換部材）
６２…基材
６３…蛍光膜（波長変換部材）
６４…フィルタ
６５…対物レンズ
６６…光学筒
６７…ミラー
６８…支持体
６９…ＣＣＤ（撮像手段、像計測手段）
７…移動ステージ（Ｘ−Ｙ−Ｚステージ、基板ステージ、基板用位置合せ機構）
７１…Ｘステージ
７２…Ｙステージ
７３…Ｚステージ
７４ａ，７４ｂ…スライダ
７５ａ，７５ｂ…ボールスクリュウ
７６…昇降台
７８…ハイトセンサ（位置検出手段）
８…コンピュータ（解析手段、処理装置）
８ａ…表示装置
８０…ビームプロファイラアライメント機構
８１…Ｘステージ
８２…Ｙステージ
８３…Ｚステージ
９…昇降機構
９０…アライメント機構（位相シフタ用位置合せ機構）
９１…ホルダ外環
９２…ホルダ内環、９２ａ…ストッパ
９３…Ｘ駆動機構、９４…Ｙ駆動機構
９５ａ〜９５ｃ…ピボット、９６ａ…シリンダ
１０２…レーザ光軸
１０２A…ビームプロファイラ光軸
１０３…移動軸

Claims (13)

1. レーザ光源と、このレーザ光源からのレーザ光の光軸に設けられた結像光学系と、この結像光学系の結像位置に設けられ、前記レーザ光が照射されるべき被照射面がアニールされる被処理基板を可動に支持するＸ−Ｙ−Ｚステージと、前記レーザ光を可視光に変換する波長変換部材と、前記波長変換部材に表示された可視光像を拡大して撮像する撮像装置を有する拡大光学系と、前記結像光学系に対する前記Ｘ−Ｙ−Ｚステージ上の被処理基板の相対高さ位置を測定するハイトセンサと、を具備するレーザアニール装置を用いて前記被処理基板をアニールするレーザ光の光強度分布を監視するに際し、
   前記被処理基板の位置に前記レーザ光を可視光に変換して可視光の光強度分布像を表示するために所望の空間分解能を有するトリソディウム８−ハイドロオキシ−１，３，６−ピレネトリスルフォネートを含む波長変換部材を設置する工程と、
   前記被処理基板の位置に設置された前記波長変換部材の高さ位置を前記ハイトセンサにより測定して予め記憶された高さ位置に調整することにより前記被処理基板と同一平面に前記波長変換部材を位置合せする工程と、
   前記レーザ光源からのレーザ光のエネルギー量を前記波長変換部材が劣化または蒸散しないエネルギー量に選択したレーザ光を前記レーザ光源から出射する工程と、
   前記波長変換部材に表示された可視光の光強度分布像を撮像装置により撮像する工程と、
   最初に前記被処理基板をアニールすべきレーザ光の光強度分布が前記波長変換部材に表示された可視光の光強度分布像を撮像装置により撮像し、前記レーザ光の光強度および光強度分布像を検出し、その検出結果をあらかじめ目標値として設定し、記憶しておく工程と、
   前記撮像装置により撮像した光強度分布像および光強度が予め記憶されている前記目標値の光強度分布像および強度と一致するように前記波長変換部材の高さ位置を制御するために前記撮像した光強度分布を持った微小な可視光像を監視する工程と、
   前記ハイトセンサにより測定した前記波長変換部材の高さ位置を記憶する工程と、
   前記波長変換部材を退避させ、前記波長変換部材があった位置に前記被処理基板を移動させ、前記記憶しておいた目標値を呼び出し、前記レーザ光源から前記目標値に対応する前記被処理基板をアニールするエネルギー量の光強度と光強度分布を有するレーザ光を前記被処理基板に照射する工程と、
   を有することを特徴とする光強度分布監視方法。
2. 前記波長変換部材に対して前記波長変換部材が劣化または蒸散しないエネルギー量に選択した不可視光を間欠的に照射し、この間欠的な照射に同期して前記不可視光の光強度分布を得ることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 直径が数ミクロンから１０ミクロンを越える大サイズの結晶粒を形成するために前記拡大光学系の拡大倍率は２倍から２０００倍までの範囲であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項記載の方法。
4. 前記拡大光学系における光強度分布の検出視野のサイズを１００μｍ×１００μｍ以下とし、空間分解能を５μｍ以下とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の方法。
5. 数十ミクロン単位の観察領域の光強度分布を正確に計測するために前記拡大光学系の空間分解能が０．２〜１０μｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の方法。
6. 前記空間分解能が低下しないようにするために前記波長変換部材は、平均膜厚が１ｎｍ以上３μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の方法。
7. 不可視光による悪影響を回避するために前記波長変換部材と前記拡大光学系との間の光路に不可視光を吸収または反射して可視光のみを透過させるフィルタを配置することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の方法。
8. レーザ光源と、
   このレーザ光源からのレーザ光の光軸に設けられた結像光学系および位相シフタと、
   この結像光学系の結像位置に設けられ、前記レーザ光が照射されるべき被照射面がアニールされる被処理基板を支持するＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に移動可能なステージと、
   レーザ光の光強度分布を監視するビームプロファイラと、
   を具備するアニール装置であって、
   前記ビームプロファイラは、
   前記レーザ光を可視光に変換して可視光の光強度分布像を表示するために所望の空間分解能を有するトリソディウム８−ハイドロオキシ−１，３，６−ピレネトリスルフォネートを含む波長変換部材と、
   前記波長変換部材に表示された可視光像を撮像する撮像装置を有する拡大光学系と、
   前記波長変換部材の高さ位置を検出するハイトセンサと、
   前記ハイトセンサの測定結果が予め記憶された高さ位置になるように前記波長変換部材を位置合わせ制御すること、および前記レーザ光源からのレーザ光のエネルギー量を前記波長変換部材が劣化または蒸散しないエネルギー量に選択したレーザ光を前記レーザ光源から出射するように制御すること、および最初に前記被処理基板をアニールすべきレーザ光の光強度分布が前記波長変換部材に表示された可視光の光強度分布像を前記撮像装置により撮像し、前記レーザ光の光強度および光強度分布像を検出し、その検出結果をあらかじめ目標値として設定し、記憶すること、および前記撮像装置により撮像した光強度分布像および強度が予め記憶されている前記目標値の光強度分布像および強度と一致するように前記波長変換部材の高さ位置を制御すること、および前記波長変換部材の高さ位置を記憶すること、および前記波長変換部材を退避させ、その位置に前記被処理基板を移動させ、前記記憶しておいた目標値を呼び出し、前記レーザ光源から前記目標値に対応する前記被処理基板をアニールするエネルギー量の光強度と光強度分布を有するレーザ光を前記被処理基板に照射するように制御することを行うコンピュータと、
   を具備することを特徴とするアニール装置。
9. 直径が数ミクロンから１０ミクロンを越える大サイズの結晶粒を形成するために前記拡大光学系の拡大倍率が２倍から２０００倍までの範囲であることを特徴とする請求項８記載のアニール装置。
10. 前記空間分解能が低下しないようにするために前記波長変換部材は、１ｎｍ以上３μｍ以下の平均厚さであることを特徴とする請求項８又は９のいずれか１項記載のアニール装置。
11. 請求項８乃至１０のいずれかに記載されたアニール装置を用いて被処理基板をアニールするアニール方法であって、
    前記不可視光の光強度分布を検出するに際し、前記被処理基板と前記波長変換部材とが前記不可視光路上にある前記被処理基板を移動させた後、前記波長変換部材を前記不可視光路上に移動させる波長変換部材移動工程と、
    前記不可視光路上に移動された前記被処理基板に前記光源から前記波長変換部材が劣化または蒸散しないエネルギー量に制御した不可視光を出射させ、前記位相シフタを透過した透過光の光強度分布を検出する光強度分布検出工程と、
    を具備してなることを特徴とするアニール方法。
12. 前記位相シフタを透過した透過光の光強度分布を検出したとき、この検出した光強度分布を予め定められた光強度分布と照合し、両者が相違していれば一致させた後、前記波長変換部材の位置に前記被処理基板を位置させ、前記被処理基板の加工するに必要な予め定められたエネルギー量の不可視光を前記光源から出射し、該被処理基板をアニール処理することを特徴とする請求項１１記載のアニール方法。
13. レーザ光源と、
    このレーザ光源からのレーザ光の光軸に設けられた位相シフト部において光強度が極小となるビームプロファイルを形成するための位相シフタと、
    前記レーザ光源からのレーザ光の光軸に設けられた結像光学系と、
    この結像光学系の結像位置に設けられ、前記位相シフト部において光強度が極小となるビームプロファイルを有するレーザ光に照射される被照射面がアニールされる非晶質半導体層を含む被処理基板を支持するＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に移動可能なステージと、
    レーザ光の光強度分布を監視するビームプロファイラと、
    を具備する結晶化装置であって、
    前記ビームプロファイラは、
    前記位相シフト部において光強度が極小となるビームプロファイルを有するレーザ光を可視光に変換して可視光の光強度分布像を表示するために所望の空間分解能を有するトリソディウム８−ハイドロオキシ−１，３，６−ピレネトリスルフォネートを含む波長変換部材と、
    前記波長変換部材に表示された前記位相シフト部において光強度が極小となるビームプロファイルの可視光像を撮像する撮像装置を有する拡大光学系と、
    前記波長変換部材の高さ位置を検出するハイトセンサと、
    前記ハイトセンサの測定結果が予め記憶された高さ位置になるように前記波長変換部材を位置合わせ制御した後、前記レーザ光源からのレーザ光のエネルギー量を前記波長変換部材が劣化または蒸散しないエネルギー量に選択したレーザ光を前記レーザ光源から出射するように制御すること、および最初に前記被処理基板をアニールすべきレーザ光の光強度分布が前記波長変換部材に表示された可視光の光強度分布像を前記撮像装置により撮像し、前記レーザ光の光強度および光強度分布像を検出し、その検出結果をあらかじめ目標値として設定し、記憶すること、および前記撮像装置により撮像した前記位相シフト部において光強度が極小となるビームプロファイルの光強度分布像および強度が予め記憶されている前記目標値の光強度分布像および強度と一致するように前記波長変換部材の高さ位置を制御すること、および前記波長変換部材の高さ位置を記憶すること、および前記波長変換部材を退避させ、その位置に前記被処理基板を移動させ、前記記憶しておいた目標値を呼び出し、前記レーザ光源から前記目標値に対応する前記被処理基板をアニールするエネルギー量の光強度と光強度分布を有するレーザ光を前記被処理基板に照射するように制御することを行うコンピュータと、
    を具備することを特徴とする結晶化装置。

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