結晶化装置用位相シフタ、結晶化装置及び結晶化方法
【課題】２ショット法においても位相シフタの位置合せのためのアライメント作業効率が高く、処理のスループットを向上させることができ、また、材質や厚みの異なる位相シフタを使用する処理においても後工程に使用する位置合せマークの寸法と形状の変化のない結晶化装置用位相シフタ、結晶化装置及び結晶化方法を提供する。
【解決手段】結晶化装置用位相シフタ５は光学部材５１，６１の固有の光学特性に応じて光学部材の各々を基準位置に対してそれぞれ位置合せするために、光学部材の各々に１対１に対応して設けられた第１のアライメントマーク8と、結晶化領域の各々に１対１に対応するようにレーザ光の照射により被処理基板上に転写され、該転写マークを用いて結晶化後の被処理基板を次工程以降の装置に対して位置合せするために、ホルダ５０Ａに設けられた第２のアライメントマーク51x,51yとを有する。
【解決手段】結晶化装置用位相シフタ５は光学部材５１，６１の固有の光学特性に応じて光学部材の各々を基準位置に対してそれぞれ位置合せするために、光学部材の各々に１対１に対応して設けられた第１のアライメントマーク8と、結晶化領域の各々に１対１に対応するようにレーザ光の照射により被処理基板上に転写され、該転写マークを用いて結晶化後の被処理基板を次工程以降の装置に対して位置合せするために、ホルダ５０Ａに設けられた第２のアライメントマーク51x,51yとを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温ポリシリコン用アモルファスシリコンにレーザ光を照射してアニールや結晶化をおこなうための結晶化装置用位相シフタ、結晶化装置及び結晶化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジスタ（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、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。
【０００３】
ＥＬＡ法を利用する結晶化装置は、例えば特許文献１〜４に記載されている。これらの結晶化装置の光学系は、レーザ光に所望の光強度分布（ビームプロファイル）を与えるために位相シフタを備えている。位相シフタは、レーザ光の光強度分布に所望形状のピークを形成するために、レーザ光の位相を変調する空間強度変調光学素子である。位相シフタによりレーザ光の光強度分布を逆Ｖ字状ピークパターンに変調し、この変調レーザ光を半導体膜に照射し、半導体膜を局部的に溶融・凝固させることにより半導体結晶を横方向（膜厚に直交する方向）にラテラル成長させる。
【特許文献１】特開２００３−１７３６２８号公報
【特許文献２】特開２００３−３３９３６３号公報
【特許文献３】特開２００４−０９３１９７号公報
【特許文献４】特開２００２−３５７２５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ＥＬＡ法では、半導体膜の同じ箇所に異なる光強度分布（または異なる光強度）のレーザ光を重ねて照射する２ショット法を行うことがある。２ショット法を実施する場合は、１回目のショットに用いた位相シフタを別パターンの位相シフタに交換する必要がある。従来装置の位相シフタ交換作業は、手動で第１の位相シフタを装置から取り外し、手動で第２の位相シフタを装置に取り付け、その後に第２の位相シフタを結像光学系と位置合せするアライメント作業をおこなうため作業効率が低く、処理スループットの向上を図るうえでの大きな障害になっている。また、位相シフタの位置は結晶化装置の内奥部にあるため、一時的にレーザ照射を停止するなどの手続きや操作が煩雑である。
【０００５】
さらに、光学部材の種類が異なると、基材の材料が異なることがあるため、タイプごとに位相シフタの厚みが相違することがある。例えば、あるパターンを石英基材上に形成し、他のパターンを異なる材料である水晶基材上に形成している場合に、前者から後者に位相シフタを交換してレーザ光照射すると、実効的に光路長が異なることからレンズ効果等により照射した次工程以降用の位置合わせマークの寸法や形状が異なってしまい、次工程以降で使用するアライメントマークを照射した場合に位置ずれが発生する問題がある。
【０００６】
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り、２ショット法においても位相シフタの位置合せのためのアライメント作業効率が高く、処理のスループットを向上させることができ、また、材質と厚みが異なる位相シフタを使用する処理においても照射したアライメントマークの次工程の読み取りにおいて位置合わせの問題を生じない結晶化装置用位相シフタおよび結晶化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る結晶化装置用位相シフタは、被処理基板上の非単結晶半導体膜に照射されるレーザ光を変調するための結晶化装置用位相シフタであって、レーザ光を所定の光強度と位相に変調するためのパターンが形成された複数の光学部材(51,61)と、前記複数の光学部材を保持するホルダ(50A,50B)と、位置合せ用の平面視野において結晶化装置のレーザ光軸が位置するところを基準位置としたときに、前記光学部材の固有の光学特性に応じて前記光学部材の各々を前記基準位置に対してそれぞれ位置合せするために、前記光学部材の各々に１対１に対応して設けられた第１のアライメントマーク(8)と、前記結晶化領域の各々に１対１に対応するようにレーザ光の照射により被処理基板上に転写され、該転写マーク(77x,77y)を用いて結晶化後の被処理基板を次工程以降の装置に対して位置合せするために、前記ホルダに設けられた第２のアライメントマーク(51x,51y)と、を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明において、上記第１のアライメントマークは、光学部材を保持または構成するホルダ（基材）の材質の違いなどに起因して生じる光学部材の固有の光学特性の違い、すなわち光路長の差による光学部材のＺ方向の位置ずれ（焦点深度）を光学部材ごとに補正するために用いられるマークであり、複数本の直線を組み合わせてなるものである。この場合に、第１のアライメントマークは、互いに近接して配置された角部を有する４つのＬ字記号を含むものであることが好ましい。これにより位相シフタの位置合わせにおいて定点測定精度の誤差（基準位置からの光学部材の中心位置のずれ量、または基準位置からの第１アライメントマークの重心位置のずれ量）を従来のそれの２５〜３５％程度まで低減することができる。さらに、第１のアライメントマークは、前記４つのＬ字記号とは非接触の状態で、前記４つのＬ字記号の相互間に配置され、前記４つのＬ字記号の角部を強調する十字記号をさらに有することが好ましい。これにより位相シフタの光学部材の位置合わせにおいて定点測定精度の誤差を従来のそれの１０〜１５％程度まで低減することができる。
【０００９】
本発明において、上記第２のアライメントマークは、被処理基板を次工程以降の装置に対して位置合せするために位相シフタから被処理基板上に転写されるマークであり、矩形枠内に直列に配置された複数の円形または擬似円形状の記号を有するものである。ここで擬似円形状とは、長円、楕円、角を円くした三角、角を丸くした四角などを含むものである。矩形枠内に配置される幾何学記号の数は、複数であればよく、２つ、３つ、４つ、さらに５つ以上とすることができる。また、第２のアライメントマークは、横方向成分マークおよび縦方向成分マークを含むことが好ましい。矩形状の被処理基板をＸＹ面内で高精度に位置合せするためである。すなわち、横方向成分マークを用いて被処理基板のＸ座標を次工程以降の装置光軸のＸ座標に位置合せするとともに、縦方向成分マークを用いて被処理基板のＹ座標を該装置光軸のＹ座標に位置合せする。
【００１０】
本発明において、第１及び第２のアライメントマークを、同じホルダ内に設けることができる。ホルダは複数の光学部材を保持するものである。また、ホルダが複数のサブホルダを保持し、各サブホルダが光学部材を１個ずつ有するようにしてもよい。これにより位相シフタの交換と位置合せに掛かる時間が従来よりも大幅に短縮される。
【００１１】
第２のアライメントマークの利用方法について説明する。例えば位相シフタが２個の光学部材を有する場合を想定する。すなわち、一方にレーザ照射位置合せ用のパターンが形成された光学部材があり、他方に所望の光強度分布（ビームプロファイル）用のパターンが形成された光学部材がある場合に、前者の光学部材は使用実績があり、後者の光学部材は使用実績がない。すなわち、前者の光学部材は、すでに次工程（例えば露光装置による読み込みと位置合せ）での使用実績がある光路長にてパターン照射するものであり、光路長用にホルダのＺ位置（レーザ光軸方向の位置座標）も位置合せ調整済みである。これに対して後者の光学部材は、過去に使用された実績がなく、前者の光学部材とは材質と厚みが異なる。このため、後者の光学部材の実効的な光路長が前者の光学部材の光路長と異なり、両光路長間に差を生じる。この光路長の差に起因して所謂レンズ効果を生じるため、後者を用いて実際に照射されるパターンがすでに実績のある前者を用いて照射されるパターンの寸法と形状にならない（パターンの寸法・形状の不一致）。よって、所望の光強度分布とレーザ照射位置合せ用アライメントマーク用とに切り替えて同じ箇所に２回照射（２ショット）することでこの問題を解決する。また、両者のパターンについてそれぞれ位置合わせが必要なことから第１のアライメントマークを有することとし、これを例えばＣＣＤカメラ等で撮像し、撮像した画像から前記マークの重心位置を求めて位置情報を得て、その位置情報をもとに基準位置へのずれ量を計測し、計測した位置ずれ量が許容値以下となるように光学部材の位置をホルダのＸＹθ駆動機構により調整する。
【００１２】
次に、上記の使用実績のない光学部材をＺ位置合せする方法について説明する。
【００１３】
光学部材のＺ位置合せには、ダミー基板にレーザ光を試し打ちする方法と、ビームプロファイラを用いてレーザ光像を計測する方法とがある。前者の方法では、ステージ上にダミー基板を載せ、ダミー基板または位相シフタのいずれかをＺ方向に移動させ、レーザ光路上の光学部材の焦点深度（DOF）を適当に設定した状態で、ダミー基板にレーザ光を試し打ちし、試し打ちされたパターンを観察し、その観察結果に基づいて位相シフタまたはダミー基板のいずれかをＺ方向に移動させ、光学部材の焦点深度（DOF）を変える。試し打ちしたパターンが所望の寸法と形状の目標パターンと一致するまで、試し打ち→観察→焦点深度（DOF）の修正→試し打ちという試行錯誤を繰り返す。
【００１４】
一方、後者の方法では、例えば蛍光板をレーザ光路上に配置し、これに光学部材を通過したレーザ光を照射し、そのレーザ光像をビームプロファイラにより直接計測する。計測したレーザ光像のパターンが所望の寸法と形状の目標パターンと一致するまで、レーザ光像の計測→焦点深度（DOF）の修正→レーザ光像の計測という試行錯誤を繰り返す。
【００１５】
上記のダミー基板の試し打ち方法は、基準位置を設定するときに利用することができる。先ず結晶化装置の照明光学系を所定の位置に固定し、結晶化装置の光軸（レーザ光路）が動かないようにする。ダミー基板をステージ上に載置し、結晶化装置の光軸を固定した状態でダミー基板にレーザ光を試し打ちする。ダミー基板上の試し打ちポイントをハイトセンサのＣＣＤカメラで見ながら、カメラ視野の原点（Ｘ軸とＹ軸との交点座標（０，０））が試し打ちポイントと重なり合うようにＣＣＤカメラの位置を微調整し、試し打ちポイントにカメラ視野の原点が重なり合う位置にＣＣＤカメラを固定する。このカメラ視野内で試し打ちポイントに一致する原点（（０，０）座標）を「基準位置」に設定する（図１１の参照符号２０ａ参照）。このようにして設定した基準位置を用いて、結晶化装置の光軸に対して位相シフタの光学部材を高精度に位置合せすることができる。
【００１６】
本発明に係る結晶化装置は、レーザ光源(2)と、非単結晶半導体膜を有する被処理基板を支持する基板ステージ(10)と、前記レーザ光源からのレーザ光の光強度を均一化する照明光学系(4)と、前記照明光学系を通過したレーザ光を前記基板ステージに支持された被処理基板に結像させる結像光学系(7)と、前記照明光学系を通過したレーザ光を変調する位相シフタ(5,6)と、を具備する結晶化装置(1,1A)であって、
前記位相シフタ(5,6)は、レーザ光を所定の光強度と位相に変調するためのパターンが形成された複数の光学部材(51,61)と、前記複数の光学部材を保持するホルダ(50A,50B)と、位置合せ用の平面視野において結晶化装置のレーザ光軸が位置するところを基準位置(20a)としたときに、前記光学部材の固有の光学特性に応じて前記光学部材の各々を前記基準位置に対してそれぞれ位置合せするために、前記光学部材の各々に１対１に対応して設けられた第１のアライメントマーク(8)と、前記結晶化領域の各々に１対１に対応するようにレーザ光の照射により被処理基板上に転写され、該転写アライメントマークを用いて結晶化後の被処理基板を次工程以降の装置に対して位置合せするために、前記ホルダに設けられた第２のアライメントマーク(51x,51y)と、を有し、
前記結晶化装置(1,1A)は、前記複数の光学部材のなかから所望の光学部材を選択し、選択した光学部材に切り替える選択切り替え手段(27,30)と、前記第１のアライメントマークを用いて前記結像光学系に対して前記選択した光学部材を位置合せするとともに、前記基板ステージ上の被処理基板を前記結像光学系に対して位置合せし、この位置合せされた被処理基板に対して前記位相シフタを位置合せする位置合せ手段(10,19,20,28,30)と、前記位置合せされた位相シフタの第２のアライメントマークを通って被処理基板にレーザ光が照射され、該被処理基板上に前記第２のアライメントマークが転写された転写マーク(77x,77y)が形成されるように、前記レーザ光源を制御する制御手段(30)と、を具備することを特徴とする。
【００１７】
本発明に係る結晶化方法は、位相シフタで変調したレーザ光を被処理基板上の非単結晶半導体膜に照射して該非単結晶半導体を結晶化する結晶化方法であって、（ａ）複数の光学部材と第１及び第２のアライメントマークとを有する位相シフタ、および、結晶化領域と位置合せ領域と第３のアライメントマークとを有する被処理基板をそれぞれ準備し、（ｂ）結晶化装置のレーザ光軸に対応する基準位置を設定し、（ｃ）前記第１のアライメントマークを用いて前記基準位置に対して前記位相シフタを位置合せし、位置合せした座標データを記憶しておき、（ｄ）前記第３のアライメントマークを用いて被処理基板を前記基準位置に対して位置合せし、（ｅ）前記複数の光学部材のうちから１つを選択し、（ｆ）前記記憶しておいた位置合せ座標データを呼び出し、前記選択した光学部材が前記呼び出した位置合せ座標に位置するように、前記位相シフタを移動させ、（ｇ）前記結晶化領域にレーザ光を照射して前記非単結晶半導体を結晶化するとともに、前記第２のアライメントマークを通して前記位置合せ領域にレーザ光を照射し、前記第２のアライメントマークを前記位置合せ領域に転写することを特徴とする。
【００１８】
本発明において、上記の位相シフタは複数の光学部材を有することができる。これにより、選択切り替え手段が複数の光学部材のなかから１つを選択し、それに切り替えることができる。例えば２つの光学部材の相互間距離を１０ｍｍとした場合に、選択切り替え手段はボールネジとパルスモータとコントローラを用いて１０ｍｍ/秒以上の速度で移動させることができることから１秒以内の時間で迅速に光学部材の切り替えが完了する。ちなみに、手動で位相シフタを交換する（光学部材を切り替える）場合は、どのように作業を急いだとしても位相シフタの交換時間は１秒以上（通常、１０〜６０秒）を要する。このように本発明によれば位相シフタ交換時間が短縮される。
【００１９】
本発明において、位置合せ用の第１のアライメントマークは光学部材ごとに設けるものとする。選択切り替え手段は、第１のアライメントマークをＣＣＤカメラ等で撮像し、その像からマークの重心位置を求め、求めたマーク重心位置と基準位置との差分Δｘ，Δｙ，Δθ（位置ずれ量）をそれぞれ求め、基準位置との差分がそれぞれ許容値以下（Δｘ≦０．１μｍ、Δｙ≦０．１μｍ、Δθ≦０．０００１deg）となるようにホルダのＸＹθ駆動機構を用いて光学部材の位置を調整する。さらに、上記のＺ位置合せ方法に従って結晶化装置の光学系の焦点が被処理基板の非単結晶半導体膜に合致するように基板ステージをＺ方向に昇降させることにより、位相シフタの光学部材の焦点深度（DOF）を調整し、光学部材を被処理基板に対してＺ位置合せする。これらの位置合せを実施した光学系と光学部材との位置合せデータとしてXYZ座標データとθ値データをプリセット位置として保存しておき、保存した位置合せデータを呼び出し、呼び出したデータに基づいて前記位相シフタを切り替えることができる。つまり、いったん予めアライメント調整しておけば、その後は位相シフタを取り外さない限り、このアライメント調整時の位置合わせ情報を用いて光学部材を切り替えることができ、光学部材を切り替えるたびにＣＣＤカメラによる撮像と位置合わせをおこなう従来の一連の作業を省略することができる。
【００２０】
本発明において、位相シフタは、ラインとスペース段差とを有するラインアンドスペース型の光学部材（図３）を有するか、又は周期的なドット段差を有するドット型の光学部材（図４）を有することができる。
【００２１】
本願明細書中の重要な用語を次に定義する。
【００２２】
「位相シフタ」とは、光透過性の基板に所望の光学特性を得るためのパターンが形成され、入射光を位相変調することにより光リソグラフィの解像力を向上させ、像面に所望の光強度分布の像を形成する光学素子のことをいう。
【００２３】
「光学部材」とは、所望の光学特性を得るために上記の位相シフタに設けられたパターンを含む要素であり、入射光の位相を変調するための二次元または三次元の構造を有する部材をいう。例えばラインアンドスペース型の光学部材では二次元のパターン構造を主に有し、ドット型の光学部材では三次元のパターン構造を主に有する。
【００２４】
「ホルダ」とは、１つ又は複数の光学部材を保持するための基材のことをいう。ホルダ用の基材には石英や水晶などの光透過性の材料を用いる。
【００２５】
「サブホルダ」とは、上記のホルダに保持され、１つの光学部材を保持する光透過性の基材のことをいう。サブホルダ用の基材にも石英や水晶などの光透過性の材料を用いる。
【００２６】
「基準位置」とは、結晶化装置の光軸に対して位置合せされたカメラおいてそのカメラ視野内の原点をいう。具体的には結晶化装置の光軸に対して位置合せされたハイトセンサのCCDカメラにおいて、結晶化装置の光軸に重なり合うカメラ視野内のＸＹ座標の原点（（０，０）座標）を基準位置という。
【００２７】
「結晶化領域」とは、被処理基板上の非単結晶半導体膜にレーザ光を照射することにより１つ又は複数の単結晶が形成される被処理基板上の領域をいう。
【００２８】
「位置合せ領域」とは、上記の結晶化領域の近傍に設けられ、被処理基板を他の部材に対して位置合せするためのマークが形成される被処理基板上の領域をいう。具体的にはレーザ光の照射により位相シフタのアライメントマークが転写される被処理基板上の転写マーク形成領域をいう。
【００２９】
「光学部材の固有の光学特性」とは、光学部材を構成する材料の材質（組成および結晶構造など）や密度や厚みによって決まる光学的な性質をいう。具体的には屈折率、吸収率、反射率及び偏光特性などをいう。
【００３０】
「次工程以降の装置」とは、結晶化工程後に続く一連の後続の工程において使用される各種の装置をいう。具体的には液晶表示回路を形成するために必要なフォトリソグラフィプロセス（レジスト塗布、ベーキング、露光、現像、リンス、乾燥、成膜、エッチングなど）に用いられる種々の装置（コーター、ステッパ、ＣＶＤ成膜装置、エッチャーなど）をいう。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、２ショット法において同じ領域を異なる光強度で２度打ちする際に、あるいはパターンの異なる複数のビームプロファイル間でパターンを切り替えてレーザ照射する際に、位相シフタの交換作業を行なうことなく、自動で位相シフタを切り替えることができ、処理のスループットを向上させることができ、また位相シフタの材質等によらず次工程以降での位置合せ用マークを被処理基板上にパターン照射できる。
【００３２】
また、本発明によれば、位置合せ用マークに特徴をもたしたことから位相シフタの位置合わせにおいて定点測定精度の誤差を従来のそれの１０％程度まで低減することができる。すなわち、従来の誤差が１μｍであったのに対して本発明の誤差は０．１μｍである。
【００３３】
また、本発明によれば、予め登録しておいたアライメント座標に使用予定の位相シフタを移動させることができる。これは位相シフタを取り外さない限り有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
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。
【００３５】
（プロジェクション方式）
次に、本発明の第１の実施形態としてプロジェクション型レーザ結晶化装置を用いて非晶質半導体膜を結晶化する場合について図１〜図５を参照して説明する。
【００３６】
本実施形態の結晶化装置１は、図１と図２に示すように、ＸｅＣｌやＫｒＦなどのエキシマレーザを発振するレーザ光源２を有し、この光源側から順番にアッテネータ３、照明光学系４、位相シフタ５（６）、結像光学系７が配置され、レーザ光８０をステージ１０上の被処理基板７０に照射するようになっている。
【００３７】
アッテネータ３は、レーザ光源２の光軸の始端側に設けられ、光源から発振されたレーザ光８０の光強度が焼き付きを生じない照射レベルまで減衰するものである。すなわち、アッテネータ３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、制御部３０により動作制御される図示しないセンサ、モータ、制御系を備えている。
【００３８】
照明光学系４は、アッテネータ３の直後に設けられ、レーザ光８０の断面内における光強度と出射光の角度を均一化するためのホモジナイザを内蔵している。位相シフタ５（６）は、照明光学系４と結像光学系７の間に配置され、照明光学系４からのレーザ光を位相変調するための段差のパターンが形成された光学素子である。結像光学系７は、位相シフタ５で所望のビームプロファイル（光強度分布）に変調されたレーザ光の像（段差のパターン）を所定の倍率に縮小（又は拡大）して被処理基板７０の表面に結像するための複数の投影レンズを内蔵している。結像光学系７の透過光路例えば直下には被処理基板７０を位置合せして保持するための基板ステージ１０が配置されている。
【００３９】
次に、結晶化装置１の他の光学素子の実施形態についてさらに説明する。
【００４０】
結像光学系７は、位相シフタ５（６）の下方に設けられ、光源１からのレーザ光の光強度分布を被処理基板７０に縮小照明させるための光学系である。結像光学系７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る。
【００４１】
基板ステージ１０は、ステージ駆動機構１９によりＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、θ方向（Ｚ軸まわりの回転）にそれぞれ駆動される可動ステージである。この基板ステージ１０上には光強度分布を検出するためのビームプロファイラ（図示せず）と被処理基板７０が並設されている。図示しないビームプロファイラおよび被処理基板７０は、基板ステージ１０と共にＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の各方向にそれぞれ移動され、レーザ光軸に対して位置合わせされるようになっている。被処理基板７０とビームプロファイラとは、例えば結晶化処理時と光強度分布検出時とでレーザ光軸上に置き換えられるようになっている。
【００４２】
基板ステージ１０は、４つのサブステージを備えている。すなわち、基板ステージ１０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ステージが可動に支持され、さらにＺ軸まわりにＺステージ駆動機構を回転させるθ回転ステージが支持されている。
【００４３】
Ｚステージ（図示せず）の本体上には左右一対のスライダ（図示せず）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（図示せず）の対向面は上向きに傾斜している。両スライダ間には昇降台（図示せず）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。
【００４４】
スライダの側部は対応するボールスクリュウ（図示せず）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２０は、昇降台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２０から高さ位置検出信号が制御部３０に送られると、制御部３０は昇降駆動機構（図示せず）の動作を制御してボールスクリュウをそれぞれ回転させ、昇降台（図示せず）を上昇または下降させるようになっている。これにより昇降台上の被処理基板７０は結像光学系７および位相シフタ５に対して高精度に位置合せされる。
【００４５】
結像光学系７は、レーザ光軸に沿って光源側から順次配列されたホモジナイザ、第１のコンデンサレンズ、第２のコンデンサレンズ、マスク、テレセントリック型の縮小レンズを備えている。ホモジナイザは、光源２から発振されるレーザ光８０を分割し、分割光を収束することにより、該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は、ホモジナイザ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と共役関係に配置される。第２のコンデンサレンズの出射光路にはマスクが設けられている。縮小レンズは１／１〜１／２０倍の範囲に像を縮小する機能を有する。この縮小レンズを通過したレーザ光８０は、絶縁性キャップ膜７４の表面（入射面）から被処理基板７０に入射し、像面にて収束する。像面は、入射面と一致させても一致させなくてもよい。通常の場合は、ギャップを調整することにより像面を入射面から所望距離シフトさせ、像面は入射面と不一致である。像面／入射面間のシフト量は、キャップ膜７４の膜厚に応じて最適に調整される。
【００４６】
本実施形態の結晶化装置１は、位相シフタ５を照明光学系４と結像光学系７との間に設けた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８０を照明光学系４により均一化し、均一化光を位相シフタ５により光強度変調し、さらに光強度変調光を結像光学系７により所定倍率に縮小して被処理基板７０に投影するようにしている。
【００４７】
位相シフタ５は、所定の段差５ｃを有し、段差５ｃ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５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５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。このような位相シフタ５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８１（図３の（ｄ））を形成し、この逆ピークパターンのビームプロファイル８１により被処理基板７０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（ラテラル成長；膜面に沿った二次元成長）させることにより、大粒径の結晶粒を指定した位置に設ける。このとき、位相シフタの形状、位相シフタの高さ、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、レーザ光８０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検出する。
【００４８】
光強度分布は、拡大光学系の対物レンズにより所望の倍率に拡大されてＣＣＤに結像される。ＣＣＤ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制御部３０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、この画像処理データが光強度分布波形として表示装置の画面上に拡大表示される。
【００４９】
結像光学系７の透過光路には、基板ステージ１０の上に被処理基板７０とさらに図示しないビームプロファイラとが置換可能に並設されている。ビームプロファイラ（図示せず）は、その光軸が結像光学系７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と結像光学系７との位置合せは、基板ステージ１０と図示しないビームプロファイラアライメント機構とを用いてなされる。
【００５０】
レーザ結晶化装置１は制御手段および記録手段としての制御部３０を備えている。図５に示すように、制御部３０は、入力インターフェース３１、システムバス３２、ＣＰＵ３３、メモリ（記録装置）３４および出力インターフェース３５を有する。
【００５１】
入力インターフェース３１にはハイトセンサ２０、ビームプロファイラのＣＣＤ２８、および入力装置２９が接続され、出力インターフェース３５にはレーザ光源２、アッテネータ３、ステージ駆動機構１９、位相シフタ自動交換機２７および表示装置（図示せず）が接続されている。入力インターフェース３１および出力インターフェース３５は、システムバス３２を介してＣＰＵ３３およびメモリ３４にそれぞれ接続されている。
【００５２】
メモリ３４は、キイボード等の入力装置２９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。ＣＰＵ３３は、入力装置２９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のＣＣＤ２８およびハイトセンサ２０から直接入力される各検出データに応じてメモリ３４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３２を介して送る制御手段である。ＣＰＵ３３は、アライメントしたXYZ座標位置とθ値（Z軸まわりの回転角度）のデータをメモリ３４に保存しておき、必要に応じてこれらのデータをメモリ３４から呼び出し、呼び出したデータに基づいて選択した他の位相シフタへの切り替えと位置合せを行わせるようになっている。これらは別途コントローラ等で形成することも可能である。
【００５３】
表示装置８１は、制御部３０から出力されてくる各種データを表示するための液晶表示画面を有しており、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、その第２表示部には被処理基板７０上のレーザ照射位置を示す基板マップ図形が表示され、その第３表示部には照射レーザ光８０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、表示装置は、レーザ結晶化装置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、例えば表示装置の画面にランプを点灯または点滅させるようにしてもよいし、付属のスピーカやブザーから警報音や音声を発するようにしてもよい。
【００５４】
結晶化装置１は、全体がチャンバ（図示せず）で囲われ、その内部が所望の雰囲気に制御されるように図示しないガス供給源、圧力調整機構および真空排気機構が接続されている。チャンバ内には、レーザ光源２例えばエキシマレーザのレーザ光軸の始端側にアッテネータ３を配置し、レーザ光軸の終端側に結像光学系７および位相シフタ５を配置し、結像光学系７の焦点位置に被処理基板７０を配置している。この結晶化装置１０は所謂プロジェクション型であり、位相シフタ５が照明光学系４と結像光学系７との間に配置され、位相シフタ５で変調された変調レーザ光８０が結像光学系７により被処理基板７上に投影されるようになっている。
【００５５】
本実施形態の上記装置１には、異なるタイプの光学部材をもつ例えば２つの位相シフタ５，６が用意されている。さらに、上記装置１は、これら２つの位相シフタ５，６を自動で交換する位相シフタ自動交換機２７を備えている。位相シフタ自動交換機２７は、第１の位相シフタ５と第２の位相シフタ６をそれぞれ把持するハンドリング機構およびこれらをＸ，Ｙ，Ｚの各方向に移動させる駆動機構を備えている。この位相シフタ自動交換機２７は、図５に示すように制御部３０によってその動作が制御されるようになっている。
【００５６】
次に、図３と図４を参照して異なるタイプの光学部材を有する２つの位相シフタ５，６をそれぞれ説明する。
【００５７】
先ず、第１の位相シフタの例を説明する。
【００５８】
第１の位相シフタとして図３の（ａ）および（ｂ）にラインアンドスペース型の位相シフタ５を示す。このタイプの位相シフタ５は、透明媒質、例えば、石英基材５１（光学部材）に厚さの異なる互いに隣り合う領域（段差を有する領域）を設け、これら領域間の段差(位相シフト部)の境界で、入射するレーザ光線を回折並びに干渉させて、入射したレーザ光線の強度に周期的な空間分布を付与するラインアンドスペース型である。このタイプの位相シフタ５は、隣接するパターンが逆位相（例えば、１８０°のずれ）となるように石英基材５１の厚さが選択され、交互に並べられた位相が、例えば、πの第１のストリップ領域（位相領域）５ａと、位相が、例えば、０（ゼロ）の第２のストリップ領域（位相領域）５ｂとを有するように。これらストリップ領域(位相シフト線領域)は、１０μｍの幅を有する。一般にレーザ光の波長をλ、の透明媒質の屈折率をｎとすると、領域間に１８０°の位相差をつけるのに必要な透明媒質の膜厚ｔは、ｔ＝λ／２（ｎ−１）で与えられる。従って、石英基材の屈折率を１．５とすると、レーザ光としてＫｒＦエキシマレーザ光を使用した場合には、これの波長が２４８ｎｍであるから、１８０°の位相差を付けるためには２４８ｎｍの段差をエッチング等の方法で石英基材５１の所定の領域間に形成すればよい。このエッチングにより薄く形成された領域が第１のストリップ領域５ａとなり、エッチングされない領域が第２のストリップ領域５ｂとなっている。
【００５９】
このようなタイプの位相シフタ５においては、厚い第２の位相領域５ｂを通過したレーザ光８０は、薄い第１の位相領域５ａを通過したレーザ８０光に比較して位相が１８０°遅れる。この結果、厚い第２の位相領域５ｂおよび薄い第１の位相領域５ａを透過したレーザ光間で、干渉と回折とが生じ、図３の（ｄ）に示すように、複数のボトムピーク８１ａとトップピーク８１ｂを有する、Ｖ字形の連続した光強度分布８１が得られる。即ち、Ｖ字形の連続した光強度分布８１は、段差部（位相シフト部）を透過したレーザ光の光強度が最小で、厚い第２の位相領域５ｂおよび薄い第１の位相領域５ａを透過したレーザ光の光強度が増加する光強度分布を像面に形成する。
【００６０】
このような光強度分布８１をもつレーザ光８０で、半導体薄膜７３を照射すると、結晶化開始時に、半導体薄膜７３上に、ライン状の極小温度領域（ボトム部もしくは谷部）と、この極小温度領域の両側のライン状の極大温度領域（トップ部もしくは山部）とを有する逆ピークパターンの温度分布を形成することができる。
【００６１】
次に、第２の位相シフタの例を説明する。
【００６２】
図４の（ａ）並びに（ｂ）に示すドット型の位相シフタ６を示す。第２の位相シフタ６は、透明媒質、例えば、水晶基材６１に、大きさ（面積）が段々小さくなる、例えば矩形の、ドット段差（凹所）６２を周期的に形成したものである。ドット段差（凹所）６２は、例えば位相シフタ６の中央部で面積が大きく、位相シフタ６の端部近傍で面積が小さい。このような位相シフタ６によって、図４の（ｄ）に示すように、レーザ光を光変調して、最大面積列の凹所６２に対応して谷部（光強度が最小の透過光）８３ａが、また、最小面積列の凹所６２に対応して山部（光強度が最大の透過光）８３ｂが生じ、中間の各面積列の凹所６２に対応した光強度の透過光が生じ像面に、Ｖ型の繰り返しの光強度分布８３を形成することができる。
【００６３】
すなわち、ドット型の位相シフタ６には、所定のＶ字型光強度分布を得るための凹所６２の面積を順次変えた段差パターンが形成される。このドット型の位相シフタ６は、凹所６２の面積を順次変えた段差パターンを形成することにより所定のＶ字型光強度分布を得るために設計製造が容易である。特に、大粒径の結晶化領域（結晶粒）を得るためにＶ字型光強度分布の開き角度を選択する必要があるが、所望する開き角のＶ字型光強度分布を得ることができる。
【００６４】
第１および第２位相シフタの選択は、例えばＣＭＯＳ回路、オペアンプ、フリップフロップ回路などのように同一特性の複数の薄膜トランジスタで回路を形成したい場合、第２位相シフタを使用して大粒径の結晶化領域を形成することにより一つの結晶化領域に島切りされた複数個の薄膜トランジスタを形成することができる。この結果、同一特性の結晶化領域に形成された薄膜トランジスタによる回路を形成できる。
【００６５】
その他の回路では、第１の位相シフタにより比較的小面積の１個の結晶化領域に１個の薄膜トランジスタを形成することに使用することができる。
【００６６】
このように被処理基板７０のどこにどのような薄膜トランジスタ回路を形成するかの被処理基板７０上の回路配置を設計する。この設計配置に基づき定められた薄膜トランジスタ回路形成位置に適応した位相シフタに交換して結晶化用レーザ光を照射することにより良好な特性の薄膜トランジスタ回路を形成することができる。
【００６７】
第１および第２位相シフタでは、光学部材の厚みが異なり結晶化装置の結像光学系のフォーカスを調整する必要がある。第１および第２位相シフタを自動的に交換した場合、
結像光学系のフォーカスも自動的に制御する必要がある。
【００６８】
次に、図６および図７を参照して位相シフタを交換した際の位相シフタを位置合せするための各種のアライメントマークについて説明する。
【００６９】
位相シフタ５は、図６に示すように、矩形の基材、例えば矩形状石英ガラス基板からなるホルダ５０上に２つの光学部材５１，５２が形成されたものである。２つの光学部材５１，５２は、ホルダ５０上の予め定められた位置において互いに離れてＸ方向に横並びに配置され、同じ面積の矩形領域にそれぞれ形成された互いに異なるパターン、例えば一方の光学部材５１は図３に示すようなラインアンドスペース型のパターンを有し、他方の光学部材５２は図４に示すような面積変調型のパターンを有する。
【００７０】
ホルダ５０Ａ上であって各光学部材５１，６１をＹ方向の両側の予め定められた位置には、例えば一対の第１のアライメントマーク８がそれぞれ配置されている。第１のアライメントマーク８は、個々の光学部材５１，６１そのものの位置合せをおこなうために設けられたものであり、図８の（ａ）に示すように、互いに近接して配置された角部を有する４つのＬ字記号８ａと、これら４つのＬ字記号８ａの角部を強調する十字記号８ｂと、を組み合わせてなるものである。十字記号８ｂは、４つのＬ字記号８ａとは非接触の状態で４つのＬ字記号８ａの相互間に配置されている。このアライメントマーク８において、４つのＬ字記号８ａは必須の構成要素であるが、十字記号８ｂは任意の構成要素である。４つのＬ字記号８ａのみからなるマークを位相シフタの位置合わせに用いる場合、定点測定精度の誤差が従来のそれの２５〜３５％程度まで低減する。この４つのＬ字記号８ａに十字記号８ｂを組み合わせると、照準マークとしての機能がさらに増大する。４つのＬ字記号８ａと十字記号８ｂとを組み合わせたマークを位相シフタの位置合せに用いる場合、定点測定精度の誤差が従来のそれの１０〜１５％程度まで低減する。すなわち、従来の装置では位相シフタの位置合せにおいて定点測定精度の誤差が１μｍであったのに対して、この装置では位相シフタの位置合せにおいて定点測定精度の誤差が０．１μｍまで低減する。
【００７１】
また、第１の光学部材５１には一対のレーザ照射位置合せ用アライメントマーク５１ｘ，５１ｙが形成される。アライメントマーク５１ｘ，５１ｙは、光学部材５１，５２の厚みに応じて光学部材５１，５２を結像光学系７に対して高精度に位置合せするために、例えば光学部材５１に設けられたものであり、光学部材５１，５２の厚みのばらつきを補償するためにも用いることができるものである。例えば、第１の光学部材５１が石英を材料としてつくられたものであり、第２の光学部材５２が水晶を材料としてつくられたものである場合に、両パターン５１，５２間に厚みの差を生じる。このパターン厚みの差に起因して位相シフタのＺ方向の位置合せが不正確になり、その結果として被処理基板７０の半導体膜７３に結像される像の焦点深度（DOF）に狂いを生じる。そこで、パターン厚み補償用アライメントマーク５１ｘ，５１ｙ，５２ｘ，５２ｙを用いることにより、光学部材５１，５２の各々を結像光学系７に対して高精度に位置合せすることができる。
【００７２】
これら第２のアライメントマーク５１ｘ，５１ｙは、図８の（ｂ）に示すように、細長い矩形の枠５３のなかに複数、例えば２つの円形記号５４が等ピッチ間隔で横並びに配置されたものである。本実施形態では円形記号５４を採用しているが、本発明はこれのみに限られるものではなく、長円、楕円、角を丸めた三角、角を丸めた四角、六角形、八角形などの擬似円形を用いることもできる。
【００７３】
第２のアライメントマークの利用方法について説明する。例えば位相シフタが２個の光学部材を有する場合を想定する。すなわち、一方にレーザ照射位置合せ用のパターンが形成された光学部材があり、他方に所望の光強度分布（ビームプロファイル）用のパターンが形成された光学部材がある場合に、前者の光学部材は使用実績があり、後者の光学部材は使用実績がない。すなわち、前者の光学部材は、すでに次工程以降（例えば露光装置による読み込みと位置合せ）での使用実績がある光路長にてパターン照射するものであり、光路長用にホルダのＺ位置（レーザ光軸方向の位置座標）も位置合せ調整済みである。これに対して後者の光学部材は、過去に使用された実績がなく、前者の光学部材とは材質と厚みが異なる。このため、後者の光学部材の実効的な光路長が前者の光学部材の光路長と異なり、両光路長間に差を生じる。この光路長の差に起因して所謂レンズ効果を生じるため、後者を用いて実際に照射されるパターンがすでに実績のある前者を用いて照射されるパターンの寸法と形状にならない（パターンの寸法・形状の不一致）。よって、所望の光強度分布とレーザ照射位置合せ用アライメントマーク用とに切り替えて同じ箇所に２回照射（２ショット）することでこの問題を解決する。
【００７４】
次に、上記の使用実績のない光学部材をＺ位置合せする方法について説明する。
【００７５】
光学部材のＺ位置合せには、ダミー基板にレーザ光を試し打ちする方法と、ビームプロファイラを用いてレーザ光像を計測する方法とがある。前者の方法では、ステージ上にダミー基板を載せ、ダミー基板または位相シフタのいずれかをＺ方向に移動させ、レーザ光路上の光学部材の焦点深度（DOF）を適当に設定した状態で、ダミー基板にレーザ光を試し打ちし、試し打ちされたパターンを観察し、その観察結果に基づいて位相シフタまたはダミー基板のいずれかをＺ方向に移動させ、光学部材の焦点深度（DOF）を変える。試し打ちしたパターンが所望の寸法と形状の目標パターンと一致するまで、試し打ち→観察→焦点深度（DOF）の変更→試し打ちという試行錯誤を繰り返す。
【００７６】
一方、後者の方法では、例えば蛍光板をレーザ光路上に配置し、これに光学部材を通過したレーザ光を照射し、そのレーザ光像をビームプロファイラにより直接計測する。計測したレーザ光像のパターンが所望の寸法と形状の目標パターンと一致するまで、レーザ光像の計測→焦点深度（DOF）の変更→レーザ光像の計測という試行錯誤を繰り返す。
【００７７】
上記のダミー基板の試し打ち方法は、基準位置を設定するときに利用することができる。先ず結晶化装置の照明光学系を所定の位置に固定し、結晶化装置の光軸（レーザ光路）が動かないようにする。ダミー基板をステージ上に載置し、結晶化装置の光軸を固定した状態でダミー基板にレーザ光を試し打ちする。ダミー基板上の試し打ちポイントをハイトセンサのＣＣＤカメラで見ながら、カメラ視野の原点（Ｘ軸とＹ軸との交点座標（０，０））が試し打ちポイントと重なり合うようにＣＣＤカメラの位置を微調整し、試し打ちポイントにカメラ視野の原点が重なり合う位置にＣＣＤカメラを固定する。このカメラ視野内で試し打ちポイントに一致する原点（（０，０）座標）を「基準位置」に設定する（図１１の参照符号２０ａ参照）。このようにして設定した基準位置を用いて、結晶化装置の光軸に対して位相シフタの光学部材を高精度に位置合せすることができる。
【００７８】
次に、図６の他の実施例として図７を参照して上記とは異なるタイプの位相シフタ５Ａについて説明する。
【００７９】
このタイプの位相シフタ５Ａは、共通のメインホルダ５０Ａの上に２つのサブホルダ５０ａ，５０ｂを備えている。２つのサブホルダ５０ａ，５０ｂは、互いに異なる光学部材５１，５２をそれぞれ有し、位相シフタ５Ａから取り外して個々に独立した位相シフタとして用いることができるものである。２つのサブホルダ５０ａ，５０ｂを構成する材料は異なるものとしてもよいし、同じものとしてもよい。また、サブホルダ５０ａ，５０ｂとメインホルダ５０Ａとを異なる材料でつくってもよいし、同じ材料でつくってもよい。
【００８０】
２つの光学部材５１，５２は、ホルダ５０Ａの上において互いに離れてＸ方向に横並びに配置され、同じ面積の矩形領域にそれぞれ形成された互いに異なるパターンである。
【００８１】
各サブホルダ５０ａ，５０ｂにおいて、各光学部材５１，５２をＹ方向の両側からそれぞれ挟み込むように一対の第１のアライメントマーク８がそれぞれ配置されている。これら第１のアライメントマーク８は、光学部材５１，５２に１対１に対応するようにサブホルダ５０ａ，５０ｂの上にそれぞれ形成されている。この第１のアライメントマーク８は、上記と同様の図８（ａ）に示した構成のものであり、光学部材５１，５２を個別に識別するために位相シフタ５Ａに設けられたものである。
【００８２】
簡単な例として２つのタイプの光学部材がある場合、すなわち一方の光学部材がレーザ照射位置合せパターンを有し、他方の光学部材が所望の光強度分布のパターンを有する場合を説明する。この場合、前者の光学部材はすでに次工程以降（例えば露光装置（ステッパ）による読み込みと位置合せ）で使用するための実績がある光路長でパターンを照射するものであり、シフタホルダのＺ位置も調整済みである。
【００８３】
これに対して後者の光学部材は、使用実績がなく、前者の光学部材とは基材の材質と厚みが異なるものである。後者と前者との間で基材の材質（すなわち密度）が異なると、実効的な光路長が変わる。また、後者と前者との間で基材の厚みが異なる場合は、勿論、実効的な光路長が変わる。すなわち、レーザ照射位置合せ用パターンを後者に有しても光路長の差からレンズ効果等が発生し、実際に照射されるレーザ照射位置合せパターンの形状がすでに実績がある寸法と形状にならない。よって、既に実績のある前者（レーザ照射位置合せパターン）を用いてレーザ照射位置合せ用アライメントマークを照射し、その後に前者から後者（所望の光強度分布パターン）に切り替えて２回照射することでこの問題（実効的な光路長の変動）を解決する。このとき前者と後者との照射する順序は問わない。また、両光学部材のパターンについてそれぞれ位置合わせが必要なことから位置合せ用の第１のアライメントマークを光学部材ごとにそれぞれ設けることとし、これを例えばＣＣＤカメラ等で撮像し、撮像した画像から前記マークの重心位置を求めて位置情報を得てその位置情報をもとに基準位置からのずれ量を計測し、位置ずれをマスクホルダのＸＹθ軸駆動機構を用いて調整する。
【００８４】
もう一つの例として、位相シフタに水晶板を挿入することによって焦点深度が深くなることが知られている。しかし、水晶板を位相シフタに挿入すると、実効的に光学系の光路長が変動してしまう。この位相シフタ中に次工程以降での位置合せに使用するためにレーザ照射・転写される第２のアライメントマークを有したとしても、照射するとパターンの寸法と形状が水晶板を挿入する前とは異なってしまう。この場合には片方のシフタに水晶板を挿入したシフタを搭載し、もう一方の位相シフタに次工程で使用するアライメントマークを持たし、これらを切り替えて同一箇所に合計２回照射することによりこの問題（実効的な光路長の変動）を解決することができる。
【００８５】
次に、図９を参照して本実施形態の結晶化装置１を用いて実際に被処理基板上の非晶質シリコン膜７３を結晶化する際に、位相シフタを結晶化装置１の光学系に対して位置合せする場合を説明する。
【００８６】
装置１の主スイッチをＯＮすると、自動的に制御部３０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の画面上に表示される。処理開始の時点において、上述したダミー基板への試し打ち法を用いて予め基準位置が設定されている（工程Ｓ１）。図６に示す２つの光学部材５１，５２をホルダ５０に組み込んだ位相シフタ５を結晶化装置１の所定箇所に装着し、第１のアライメントマーク８を用いて一方の光学部材５１を基準位置に対して位置合せする（工程Ｓ２）。この位置合せ作業は、ハイトセンサ２０のＣＣＤカメラで第１のアライメントマーク８を撮像し（工程Ｓ３）、撮像した第１のアライメントマーク８の画像データからマークの重心８ｇの位置座標を求め、求めた位置座標の基準位置２０ａからの位置ずれ量を算出し、その位置ずれ量が許容値以下となるように調整するものである（工程Ｓ４〜Ｓ７）。
【００８７】
図１１は位相シフタの位置合せを説明するためにハイトセンサに設けたＣＣＤカメラのカメラ視野を模式的に示す図である。カメラ視野内にはＸ軸とＹ軸の基準線および第１のアライメントマーク８が見えている。Ｘ軸基準線とＹ軸基準線との交点２０ａは、座標（０，０）の原点であり、ここが結晶化装置１の光軸に位置合せされた基準位置に設定されている。位置合せ前において第１のアライメントマーク８は基準位置２０ａから外れているが、この画像をハイトセンサ２０のＣＣＤカメラで撮像し、撮像した画像データを制御部３０に送る（工程Ｓ３）。制御部３０は、ハイトセンサ２０から画像データが入力されると、それに基づいてマーク重心８ｇの位置座標を求め（工程Ｓ４）、求めたマーク重心８ｇの座標が基準位置２０ａから外れる位置ずれ量Δｘ，Δｙをそれぞれ求める（工程Ｓ５）。制御部３０は、マーク８の十字記号８ｂの上下端の両座標をそれぞれ求め、求めた両座標から十字記号８ｂの子午線を数式化し、数式化した子午線の傾きから該子午線とｙ軸との間に生じたθ値の位置ずれ量Δθを求める。さらに制御部３０は、求めた位置ずれ量Δｘ，Δｙ，Δθがそれぞれ許容値以下（Δｘ≦０．１μｍ、Δｙ≦０．１μｍ、Δθ≦０．０００１deg）となるように、図示しない微調整機構により位相シフタ５を移動させる（工程Ｓ６）。位置ずれ量が所定の許容値以下になるまで工程Ｓ３〜Ｓ６を繰り返す（工程Ｓ７）。位置ずれ量Δｘ，Δｙ，Δθのすべてが所定の許容値以下になったときに、制御部３０は位置合せ完了信号をハイトセンサおよび微調整機構（図示せず）に送って第１の光学部材５１の位置合せを完了する（工程Ｓ８）。同様にして制御部３０は第２の光学部材５２の位置合せ作業を行う。
【００８８】
制御部３０は、各光学部材５１，５２の位置合せ作業において得た（Ｘ，Ｙ，θ）座標データをメモリ３４に保存する（工程Ｓ９）。保存された座標データは、メモリ３４から随時呼び出して利用することができるようになっている。位相シフタ５を装置１から取り外さない限り、この保存データを利用して再現性の高い処理を行なわせることができる。
【００８９】
以上のＳ１〜Ｓ９工程までがプリセット工程である。実際に処理を実施するにあたり、オペレータは、制御部３０の入力表示部にモード選択画面を呼び出して、一覧表示された複数の処理モードのなかから所望の処理モードを選択する（工程Ｓ１０）。例えばモード選択画面において２ショットモードを選択すると、１ショット目に使用する位相シフタの光学部材を問い合わせてくるので、例えば第１の光学部材５１を１ショット目に使用すると指定し、次いで２ショット目に使用する位相シフタの光学部材を問い合わせてくるので、例えば第２の光学部材５２を２ショット目に使用すると指定する。さらに、結晶化処理と転写処理とのいずれを先に行うかを問い合わせてくるので、オペレータは、結晶化処理を先に行う処理モードを選択する。ここで、転写処理とは、次工程（レジスト塗布→露光→現像を含むフォトリソグラフィプロセス）の装置光軸と被処理基板との位置合せに利用される転写マーク７７ｘ，７７ｙを被処理基板上に形成する処理をいう（図１３参照）。後述するように転写マーク７７ｘ，７７ｙは、位相シフタ上の第２アライメントマーク５１を被処理基板の位置合せ領域７７に転写したものである。
【００９０】
オペレータによるプロセス条件の入力が完了すると、制御部３０はメモリから記憶しておいた位置合せ座標データを呼び出し、その（ｘ，ｙ，θ）座標に１ショット目に選択した第１の光学部材５１を移動させる（工程Ｓ１１）。ハイトセンサ２０のＣＣＤカメラで第１のアライメントマーク８を撮像し、撮像した画像データと前述の呼び出し座標データとを比較して両者の位置ずれ量を求める。求めた位置ずれ量が許容値以下になるまで光学部材の移動→撮像→光学部材の移動を繰り返す（工程Ｓ１２）。位置ずれ量が許容値以下になったときに、制御部３０は位置合せ完了信号を発信して第１の光学部材５１の位置合せ動作を完了させる（工程Ｓ１３）。
【００９１】
次に、被処理基板７０を結晶化装置１内に搬入し、基板ステージ１０の上に被処理基板７０を載置し、装置パラメータに含まれる所定のデータを呼び出し、呼び出したデータに基づいて所望の位置に被処理基板７０を移動させる。このとき被処理基板７０の入射面を結晶化したい位置に移動させ、光源側のレーザ光軸と位置合せした。すなわち、図１２に示す第３のアライメントマーク７５をハイトセンサ２０のＣＣＤカメラで撮像し、撮像した画像データからマーク７５の重心位置と基準位置２０ａとの位置ずれ量を算出し、位置ずれ量が所定の許容値以下になるまで基板移動→撮像→基板移動を繰り返す。さらに、読み出した装置パラメータに含まれる目標ギャップ値に基づいて、制御部３０がハイトセンサ２０からの検出信号を用いて基板ステージ１０のＺ方向動作を制御して、実測のギャップを目標ギャップ値に一致させる。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。すべての位置ずれ量が所定の許容値以下になったところで、制御部３０は位置合せ完了信号を発信して被処理基板の位置合せを完了する。
【００９２】
被処理基板の位置合せが完了すると、読み出した装置パラメータに基づいてアッテネータ３が自動調整される。すなわち、ビームプロファイラ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３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３の角度を高精度に調整する。
【００９３】
基板ステージ１０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７０の所望の部位を照射位置に位置させることができ、Ｘ−Ｙステップ移動とレーザ光照射とを繰り返すことにより、大面積の非晶質シリコン膜７３を結晶化することができる。この様子は表示装置の画面上に表示されるので、オペレータは被処理基板７０上のどの部位がレーザ照射されているのかをリアルタイムで知ることができる。また、照射中のレーザ光の光強度分布波形も表示装置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。
【００９４】
光源として例えばＫｒＦエキシマレーザ装置２からは波長２４８ｎｍの長尺ビームのレーザ光８０が出射される。レーザ光８０は、先ずアッテネータ３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。次に図示しない偏光素子によって目標のシグマ値に調整され、所定幅に絞られたレーザ光８０が照明光学系４のホモジナイザに入射される。次いで、レーザ光８０は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例えば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（凸レンズ＃１）によってマスクの中心に集まる。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、マスクの開口の全面を照明する。分割された微小出射領域を出た全ての光線群が、それぞれマスク面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揺らぎがあっても、マスク面の光強度は均一になる。マスク面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によって平行光線になってから、位相シフタ５の第１の光学部材５１を透過し、所定の光強度分布を有する変調光となり、結像光学系７のテレセントリック型縮小レンズを通って、基板ステージ１０上に置かれた被処理基板７０に入射する。１回目のショットにより被処理基板上の半導体膜７３の所定領域が結晶化される（工程Ｓ１４）。被処理基板７０をステップバイステップ移動させながらレーザ光照射し、被処理基板上の結晶化領域７６を次々に結晶化していき、制御部３０は、その結晶化領域７６がその被処理基板７０上で最後のものであるか否かを判定する（工程Ｓ１５）。その結晶化領域７６が最後のものであると判定すると、次に制御部３０は、処理モードが２ショットモード（又はマルチショットモード）の１ショット目であるか否かを判定する（工程Ｓ１６）。２ショットモードの１ショット目と判定した場合は、照射位置にある第１の光学部材５１を位相シフタ交換機２７により第２の光学部材５２に入れ替え、工程Ｓ１１〜Ｓ１３を繰り返して第２の光学部材５２と基準位置との位置合せを行う。
【００９５】
２ショット法では、位相シフタ自動交換機２７のハンドリング機構により位相シフタ５をＸ方向に第１及び第２の光学部材５１，５２の相互間距離（例えば、１０ｍｍ）だけ移動させ、照射領域のパターンを第１の光学部材５１から第２の光学部材５２に切り替える。この切り替え機構には例えばボールねじとステッピングモータ等を組み合わせて構築できる。この構成では一般的に１０ｍｍ/秒以上の速度が実現されていることから切り替え時間は１秒以内でおこなえる。つまり手動でシフタを装着することと比較して明らかに短時間でおこなえる。次いで、制御部３０は、メモリ３４から装置パラメータのうち所定のデータを呼び出し、呼び出したデータに基づいて位相シフタ上の第２の光学部材５２を結像光学系７に対して位置合せする。そして、上記と同様に半導体膜７３の同一箇所に異なる光強度分布のレーザ光を照射する（２回目のショット工程Ｓ１４）。
【００９６】
ちなみに、従来の装置では、１回目のショットに用いた位相シフタを別パターンの位相シフタに交換し、交換した位相シフタを用いて２回目のショットを行なっていた。しかし、従来装置における位相シフタの交換には長時間を要するため、処理のスループットが大幅に低下する。これに対して本実施形態の装置１によれば、位相シフタ自動交換機２７のハンドリング機構により位相シフタ５を少しの距離だけ移動させることにより、第１の光学部材５１から第２の光学部材５２に切り替えるため、位相シフタ切り替え時間が大幅に短縮される。また、本実施形態の装置によれば、位相シフタの光学部材を切り替えた後に位置合せ作業に円滑に移行することができるので、従来よりも短時間で入れ替えた光学部材を位置合せすることができる。
【００９７】
図１４に示すように、結晶化された結晶化領域７６には多数の単結晶７９ａ，７９ｂが形成される。例えば２ｍｍ×２ｍｍサイズの結晶化領域７６に８×８＝６４個の結晶成長部７８が形成されている。また、１つの結晶成長部７８には左右対称に２つの単結晶７８ａ，７８ｂが左右対称に成長している。よって、１つの結晶化領域７６には合計１２８個の単結晶７８ａ，７８ｂが存在することになる。
【００９８】
さらに、制御部３０は、位相シフタ５の第２のアライメントマーク５１ｘ，５１ｙを被処理基板の位置合せ領域７７に転写させるための制御信号を装置１の各部に送り、第２のアライメントマーク５１ｘ，５１ｙのパターンを介して被処理基板の位置合せ領域７７にレーザ光を照射して図１３に示す転写マーク７７ｘ，７７ｙを形成する。基板ステージ１０により被処理基板７０をステップバイステップで移動させながらレーザ光を照射して、転写マーク７７ｘ，７７ｙを結晶化領域７６の近傍に次々に転写する。制御部３０は、その領域が最後であったか否かを判定し、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１０をホーム位置に戻し、結晶化処理完了信号を送信する（工程Ｓ１７）。図示しない基板搬送装置が結晶化処理完了信号を受信すると、被処理基板を結晶化装置１から搬出する（工程Ｓ１８）。
【００９９】
次工程の装置（例えば露光装置）に被処理基板が搬入されると、先ず次工程の装置の光軸に対して被処理基板を位置合せする（工程Ｓ１９）。この次工程での位置合せには上述の転写マーク７７ｘ，７７ｙを利用する。すなわち転写マーク７７ｘを用いて次工程の装置の光軸に対するＸ方向成分の位置ずれ量Δｘを計測し、転写マーク７７ｙを用いて次工程の装置の光軸に対するＹ方向成分の位置ずれ量Δｙを計測し、これらの位置ずれ量Δｘ，Δｙが所定の許容値以下となるように被処理基板の位置を微調整して位置合せする。被処理基板の位置合せが完了すると、次工程の処理を実施する（工程Ｓ２０）。
【０１００】
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、光強度分布の検出と確認は一連の処理の最初に実施し、１枚の被処理基板７０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。
【０１０１】
次に、図１０を参照して結晶化方法の一例を説明する。
【０１０２】
オペレータは、制御器３０の入力装置の画面にモード選択画面を呼び出し、登録された複数の処理モードのなかから所望の処理モードを選択する（工程Ｋ１）。本実施形態では、結晶化処理後に転写マークを被処理基板上に形成する処理モードを選択した。次いで、ハイトセンサ２０のＣＣＤカメラにより図１２に示す被処理基板のアライメントマーク７５を撮像し、その画像データを用いて被処理基板７０を基準位置に対して位置合せする（工程Ｋ２）。位置合せ後、結晶化領域７６に所定ビームプロファイルのレーザ光を照射して被処理基板上の半導体膜７３に単結晶を形成する（工程Ｋ３）。基板ステージ１０により被処理基板をステップバイステップ移動させるとともにレーザ光を照射して次々に単結晶を形成する。被処理基板上のすべての結晶化領域７６を結晶化した後、制御部３０は、第２アライメントマーク５１ｘ，５１ｙがレーザ光照射域（光軸）に位置するように位相シフタ５の位置を微調整する位置合せを行うとともに、位置合せ領域７７がレーザ光照射域（光軸）に位置するように被処理基板の位置を微調整する位置合せを行う。両位置合せ後に、第２アライメントマーク５１ｘ，５１ｙを介して位置合せ領域７７にレーザ光を照射して被処理基板上に転写マーク７７ｘ，７７ｙを形成する（工程Ｋ４）。基板ステージ１０により被処理基板をステップバイステップ移動させるとともにレーザ光を照射して次々に転写マーク７７ｘ，７７ｙを形成する。
【０１０３】
図１３に示すように、位置合せ領域７７は結晶化領域７６の近傍に位置している。位相シフタの第２のアライメントマーク５１ｘ，５１ｙのマークパターンを通して被処理基板の位置合せ領域７７にレーザ光を照射し、転写マーク７７ｘ，７７ｙを被処理基板上に形成する（工程Ｋ４）。これらの転写マーク７７ｘ，７７ｙは上記第２のアライメントマーク５１ｘ，５１ｙと同一または相似である。一方のマーク７７ｘは横方向成分マークであり、Ｘ軸に沿って２個の丸（○）が並んでいる。他方のマーク７７ｙは縦方向成分マークであり、Ｙ軸に沿って２個の丸（○）が並んでいる。横方向成分マーク７７ｘを用いて被処理基板のＸ座標が位置合せされ、縦方向成分マーク７７ｙを用いて被処理基板のＹ座標が位置合せされるようになっている。
【０１０４】
制御器３０のＣＰＵはレーザ光照射した領域が最後の結晶化領域であると判断すると、結晶化処理完了の信号をレーザ光源の駆動回路に送り、結晶化処理を終了する（工程Ｋ５）。
【０１０５】
図１５を参照して結晶化方法の一例を説明する。
【０１０６】
オペレータは、制御器３０の入力装置の画面にモード選択画面を呼び出し、登録された複数の処理モードのなかから所望の処理モードを選択する（工程Ｋ２１）。本実施形態では、被処理基板上に転写マークを形成した後に結晶化処理する処理モードを選択した。次いで、ハイトセンサ２０のＣＣＤカメラにより被処理基板のアライメントマーク７５を撮像し、その画像データを用いて被処理基板７０を基準位置に対して位置合せする（工程Ｋ２２）。位置合せ後、第２アライメントマーク５１ｘ，５１ｙを介して位置合せ領域７７にレーザ光を照射して被処理基板上に転写マーク７７ｘ，７７ｙを形成する（工程Ｋ２３）。基板ステージ１０により被処理基板をステップバイステップ移動させるとともにレーザ光を照射して次々に転写マーク７７ｘ，７７ｙを形成する。被処理基板上のすべての位置合せ領域７７に転写マーク７７ｘ，７７ｙを形成した後、制御部３０は、光学部材５１がレーザ光照射域（光軸）に位置するように位相シフタ５の位置を微調整する位置合せを行うとともに、結晶化領域７６がレーザ光照射域（光軸）に位置するように被処理基板の位置を微調整する位置合せを行う。両位置合せ後に、結晶化領域７６に所定ビームプロファイルのレーザ光を照射して被処理基板上の半導体膜７３に単結晶を形成する（工程Ｋ２４）。基板ステージ１０により被処理基板をステップバイステップ移動させるとともにレーザ光を照射して次々に単結晶を形成する。制御器３０のＣＰＵはレーザ光照射した領域が最後の結晶化領域であると判断すると、結晶化処理完了の信号をレーザ光源の駆動回路に送り、結晶化処理を終了する（工程Ｋ２５）。
【０１０７】
図１６を参照して結晶化方法の一例を説明する。
【０１０８】
オペレータは、制御器３０の入力装置の画面にモード選択画面を呼び出し、登録された複数の処理モードのなかから所望の処理モードを選択する（工程Ｋ３１）。本実施形態では、２ショット法で結晶化した後に被処理基板上に転写マークを形成する処理モードを選択した。すでに位相シフタ上の所定の光学部材が基準位置に位置合せされている。ハイトセンサ２０のＣＣＤカメラで被処理基板のアライメントマーク７５を撮像し、その画像データを制御部３０に送る。制御部３０は、入力された画像データを数値解析してマーク７５の重心の位置座標を求め、求めた位置座標と基準位置との位置ずれ量を求め、求めた位置ずれ量が所定の許容値以下になるようにステージ駆動機構１９に制御信号を送って基板ステージ１０を移動させ、被処理基板７０を基準位置に位置合せする（工程Ｋ３２）。位置ずれ量が所定の許容値以下になり、被処理基板７０が基準位置に対して位置合せされると、制御部３０からレーザ光源２に制御信号を送り、被処理基板上の所定の結晶化領域７６に１回目のレーザ光を照射する（工程Ｋ３３）。レーザ光照射→基板ステージの移動→レーザ光照射→基板ステージの移動を繰り返して、ステップバイステップで被処理基板上の結晶化領域７６に次々に単結晶を形成していく。被処理基板上のすべての結晶化領域７６に対して１回目のレーザ光照射が完了すると、制御部３０から交換機２７に制御信号を送り、照射位置にある第１の光学部材５１を第２の光学部材５２に入れ替える（工程Ｋ３４）。入れ替えた第２の光学部材５２を基準位置に対して位置合せする（工程Ｋ３５）。結晶化領域７６に２回目のレーザ光を照射する（工程Ｋ３６）。位相シフタの第２のアライメントマーク５１ｘ，５１ｙにレーザ光軸の照準を合わせてレーザ光を照射し、位置合せ領域７７に転写マーク７７ｘ，７７ｙを形成する。レーザ光照射→基板ステージの移動→レーザ光照射→基板ステージの移動を繰り返して、ステップバイステップで被処理基板の位置合せ領域７７に次々に転写マーク７７ｘ，７７ｙを形成する（工程Ｋ３７）。制御器３０のＣＰＵはレーザ光照射した領域が最後の位置合せ領域であると判断すると、結晶化処理完了の信号をレーザ光源の駆動回路に送り、結晶化処理を終了する（工程Ｋ３８）。
【０１０９】
（プロキシミティ方式）
図１７に示すプロキシミティ型エキシマレーザ結晶化装置（ＰＸＥＬＡ装置）１Ａにも本発明を適用することができる。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。
【０１１０】
プロキシミティ型の結晶化装置１Ａにおいては、位相シフタ５が基板ステージ１０上の被処理基板７０の入射面に近接配置されている。光学系４で均一化された均一光を位相シフタ５により光強度変調し、この光強度変調光を被処理基板７０の入射面に照射するようにしている。
【０１１１】
図６に示す２つの光学部材５１，５２を有する位相シフタ５をホルダ５０にセットし、結像光学系７に対する各光学部材５１，５２の位置合せをそれぞれ行う。これらのアライメント作業は、制御部３０のメモリ３４に保存された過去の実績データを利用して行なうようにしてもよい。
【０１１２】
制御部３０は、各光学部材５１，５２のアライメント作業において得られたXYZ座標位置とθ値のデータをメモリ３４に保存する。保存されたデータは、メモリ３４から随時呼び出して利用することができるようになっている。
【０１１３】
レーザ光８０は、光源２から出射され、アッテネータ３で光強度を減衰され、光学系４のホモジナイザ４１，４３により均一化され、位相シフタ５の第１の光学部材５１を透過して所定の光強度分布を有する変調光となり、基板ステージ１０上に置かれた被処理基板７０に入射する（１回目のショット）。これにより被処理基板上の半導体膜７３の所定領域が結晶化される。
【０１１４】
２ショット法では、位相シフタ自動交換機２７のハンドリング機構により位相シフタ５をＸ方向に第１及び第２の光学部材５１，５２の相互間距離（例えば１０ｍｍ）だけ移動させ、照射領域のパターンを第１の光学部材５１から第２の光学部材５２に切り替える。次いで、制御部３０は、メモリ３４から装置パラメータのうち所定のデータを呼び出し、呼び出したデータに基づいて位相シフタ上の第２の光学部材５２を結像光学系７に対して位置合せする。そして、上記と同様に半導体膜７３の同一箇所に異なる光強度分布のレーザ光を照射する（２回目のショット）。
【０１１５】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
本発明は、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。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】本発明の実施形態に係る結晶化装置を示す構成ブロック図。
【図２】図１の装置の光学系（プロジェクション方式）を示す構成ブロック図。
【図３】（ａ）は位相シフタの平面図、（ｂ）は位相シフタの側面図、（ｃ）は被処理基板の側断面図、（ｄ）は一次元ビームプロファイル特性線図。
【図４】（ａ）は他の位相シフタの平面図、（ｂ）は他の位相シフタの側面図、（ｃ）は被処理基板の側断面図、（ｄ）は他の位相シフタによる一次元ビームプロファイル特性線図。
【図５】結晶化装置の制御ブロック図。
【図６】本発明の実施形態の位相シフタを示す平面図。
【図７】他の実施形態の位相シフタを示す平面図。
【図８】（ａ）は位相シフタ選択用アライメントマークの拡大平面図、（ｂ）はパターン厚み補償用アライメントマークの拡大平面図。
【図９】本発明の実施形態を説明するためのフローチャート。
【図１０】本発明の実施形態を説明するためのフローチャート。
【図１１】アライメントマークを基準位置に位置合せするときのＣＣＤカメラ視野を模式的に示す図。
【図１２】被処理基板の平面図。
【図１３】図１２のＡの部分を拡大して被処理基板上に形成された結晶化領域とアライメントマークとを模式的に示す拡大平面図。
【図１４】１つの結晶化領域を拡大して示す拡大平面図。
【図１５】他の実施形態を説明するためのフローチャート。
【図１６】他の実施形態を説明するためのフローチャート。
【図１７】他の実施形態に係る結晶化装置の光学系（プロキシミティ方式）を示す構成ブロック図。
【符号の説明】
【０１１８】
２…レーザ光源、３…アッテネータ、４…照明光学系（レーザ光学系）、
５，５Ａ，５Ｂ，６…位相シフタ、５ａ，５ｂ…段差、
５０Ａ，５０Ｂ…ホルダ、
５０ａ，５０ｂ…サブホルダ、
５１，６１…光学部材（石英基材、水晶基材）、
５１ｘ，５１ｙ，５２ｘ，５２ｙ…第２のアライメントマーク（光学部材（基材）の厚み補償用マーク、位相シフタと結晶化装置の基準位置との位置合せ用マーク、被処理基板と次工程装置との位置合せに利用するマーク）、
６…位相シフタ、６２…ドット段差、
７…結像光学系（レーザ光学系）、
８…第１のアライメントマーク（位相シフタ識別用マーク、位相シフタと被処理基板との位置合せ用マーク）、
８ａ，８ｂ…照準線、８ｇ…マークの重心、
１０…基板ステージ、
１９…ＸＹＺθ駆動機構、
２０…ハイトセンサ（CCDカメラ内蔵）、
２０ａ…基準位置（ハイトセンサのCCDカメラ視野内におけるＸＹ座標の原点、and結晶化装置の固定点に該当）、
２７…位相シフタ交換機構、
３０…制御部、
７０…被処理基板、
７１…基材（Ｓｉ）、
７２…絶縁膜（ＳｉＯ2等）、
７３…非単結晶半導体膜（ａ-Ｓｉ）、
７４…キャップ膜（ＳｉＯ2等）、
７５…第３のアライメントマーク（被処理基板識別用マーク、and被処理基板と結晶化装置の基準位置との位置合せ用マーク）、
７６…結晶化領域、
７７…位置合せ領域、
７７ｘ，７７ｙ…転写アライメントマーク（第４のアライメントマーク、被処理基板と次工程装置との位置合せ用マーク）、
７８…結晶成長部、
７９ａ，７９ｂ…単結晶、
８０…レーザ光、
８１，８３…レーザ光の光強度分布（逆ピークパターン状の光強度分布）、
８１ａ，８１ｂ，８３ａ，８３ｂ…光強度分布のピーク。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温ポリシリコン用アモルファスシリコンにレーザ光を照射してアニールや結晶化をおこなうための結晶化装置用位相シフタ、結晶化装置及び結晶化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジスタ（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、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。
【０００３】
ＥＬＡ法を利用する結晶化装置は、例えば特許文献１〜４に記載されている。これらの結晶化装置の光学系は、レーザ光に所望の光強度分布（ビームプロファイル）を与えるために位相シフタを備えている。位相シフタは、レーザ光の光強度分布に所望形状のピークを形成するために、レーザ光の位相を変調する空間強度変調光学素子である。位相シフタによりレーザ光の光強度分布を逆Ｖ字状ピークパターンに変調し、この変調レーザ光を半導体膜に照射し、半導体膜を局部的に溶融・凝固させることにより半導体結晶を横方向（膜厚に直交する方向）にラテラル成長させる。
【特許文献１】特開２００３−１７３６２８号公報
【特許文献２】特開２００３−３３９３６３号公報
【特許文献３】特開２００４−０９３１９７号公報
【特許文献４】特開２００２−３５７２５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ＥＬＡ法では、半導体膜の同じ箇所に異なる光強度分布（または異なる光強度）のレーザ光を重ねて照射する２ショット法を行うことがある。２ショット法を実施する場合は、１回目のショットに用いた位相シフタを別パターンの位相シフタに交換する必要がある。従来装置の位相シフタ交換作業は、手動で第１の位相シフタを装置から取り外し、手動で第２の位相シフタを装置に取り付け、その後に第２の位相シフタを結像光学系と位置合せするアライメント作業をおこなうため作業効率が低く、処理スループットの向上を図るうえでの大きな障害になっている。また、位相シフタの位置は結晶化装置の内奥部にあるため、一時的にレーザ照射を停止するなどの手続きや操作が煩雑である。
【０００５】
さらに、光学部材の種類が異なると、基材の材料が異なることがあるため、タイプごとに位相シフタの厚みが相違することがある。例えば、あるパターンを石英基材上に形成し、他のパターンを異なる材料である水晶基材上に形成している場合に、前者から後者に位相シフタを交換してレーザ光照射すると、実効的に光路長が異なることからレンズ効果等により照射した次工程以降用の位置合わせマークの寸法や形状が異なってしまい、次工程以降で使用するアライメントマークを照射した場合に位置ずれが発生する問題がある。
【０００６】
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り、２ショット法においても位相シフタの位置合せのためのアライメント作業効率が高く、処理のスループットを向上させることができ、また、材質と厚みが異なる位相シフタを使用する処理においても照射したアライメントマークの次工程の読み取りにおいて位置合わせの問題を生じない結晶化装置用位相シフタおよび結晶化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る結晶化装置用位相シフタは、被処理基板上の非単結晶半導体膜に照射されるレーザ光を変調するための結晶化装置用位相シフタであって、レーザ光を所定の光強度と位相に変調するためのパターンが形成された複数の光学部材(51,61)と、前記複数の光学部材を保持するホルダ(50A,50B)と、位置合せ用の平面視野において結晶化装置のレーザ光軸が位置するところを基準位置としたときに、前記光学部材の固有の光学特性に応じて前記光学部材の各々を前記基準位置に対してそれぞれ位置合せするために、前記光学部材の各々に１対１に対応して設けられた第１のアライメントマーク(8)と、前記結晶化領域の各々に１対１に対応するようにレーザ光の照射により被処理基板上に転写され、該転写マーク(77x,77y)を用いて結晶化後の被処理基板を次工程以降の装置に対して位置合せするために、前記ホルダに設けられた第２のアライメントマーク(51x,51y)と、を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明において、上記第１のアライメントマークは、光学部材を保持または構成するホルダ（基材）の材質の違いなどに起因して生じる光学部材の固有の光学特性の違い、すなわち光路長の差による光学部材のＺ方向の位置ずれ（焦点深度）を光学部材ごとに補正するために用いられるマークであり、複数本の直線を組み合わせてなるものである。この場合に、第１のアライメントマークは、互いに近接して配置された角部を有する４つのＬ字記号を含むものであることが好ましい。これにより位相シフタの位置合わせにおいて定点測定精度の誤差（基準位置からの光学部材の中心位置のずれ量、または基準位置からの第１アライメントマークの重心位置のずれ量）を従来のそれの２５〜３５％程度まで低減することができる。さらに、第１のアライメントマークは、前記４つのＬ字記号とは非接触の状態で、前記４つのＬ字記号の相互間に配置され、前記４つのＬ字記号の角部を強調する十字記号をさらに有することが好ましい。これにより位相シフタの光学部材の位置合わせにおいて定点測定精度の誤差を従来のそれの１０〜１５％程度まで低減することができる。
【０００９】
本発明において、上記第２のアライメントマークは、被処理基板を次工程以降の装置に対して位置合せするために位相シフタから被処理基板上に転写されるマークであり、矩形枠内に直列に配置された複数の円形または擬似円形状の記号を有するものである。ここで擬似円形状とは、長円、楕円、角を円くした三角、角を丸くした四角などを含むものである。矩形枠内に配置される幾何学記号の数は、複数であればよく、２つ、３つ、４つ、さらに５つ以上とすることができる。また、第２のアライメントマークは、横方向成分マークおよび縦方向成分マークを含むことが好ましい。矩形状の被処理基板をＸＹ面内で高精度に位置合せするためである。すなわち、横方向成分マークを用いて被処理基板のＸ座標を次工程以降の装置光軸のＸ座標に位置合せするとともに、縦方向成分マークを用いて被処理基板のＹ座標を該装置光軸のＹ座標に位置合せする。
【００１０】
本発明において、第１及び第２のアライメントマークを、同じホルダ内に設けることができる。ホルダは複数の光学部材を保持するものである。また、ホルダが複数のサブホルダを保持し、各サブホルダが光学部材を１個ずつ有するようにしてもよい。これにより位相シフタの交換と位置合せに掛かる時間が従来よりも大幅に短縮される。
【００１１】
第２のアライメントマークの利用方法について説明する。例えば位相シフタが２個の光学部材を有する場合を想定する。すなわち、一方にレーザ照射位置合せ用のパターンが形成された光学部材があり、他方に所望の光強度分布（ビームプロファイル）用のパターンが形成された光学部材がある場合に、前者の光学部材は使用実績があり、後者の光学部材は使用実績がない。すなわち、前者の光学部材は、すでに次工程（例えば露光装置による読み込みと位置合せ）での使用実績がある光路長にてパターン照射するものであり、光路長用にホルダのＺ位置（レーザ光軸方向の位置座標）も位置合せ調整済みである。これに対して後者の光学部材は、過去に使用された実績がなく、前者の光学部材とは材質と厚みが異なる。このため、後者の光学部材の実効的な光路長が前者の光学部材の光路長と異なり、両光路長間に差を生じる。この光路長の差に起因して所謂レンズ効果を生じるため、後者を用いて実際に照射されるパターンがすでに実績のある前者を用いて照射されるパターンの寸法と形状にならない（パターンの寸法・形状の不一致）。よって、所望の光強度分布とレーザ照射位置合せ用アライメントマーク用とに切り替えて同じ箇所に２回照射（２ショット）することでこの問題を解決する。また、両者のパターンについてそれぞれ位置合わせが必要なことから第１のアライメントマークを有することとし、これを例えばＣＣＤカメラ等で撮像し、撮像した画像から前記マークの重心位置を求めて位置情報を得て、その位置情報をもとに基準位置へのずれ量を計測し、計測した位置ずれ量が許容値以下となるように光学部材の位置をホルダのＸＹθ駆動機構により調整する。
【００１２】
次に、上記の使用実績のない光学部材をＺ位置合せする方法について説明する。
【００１３】
光学部材のＺ位置合せには、ダミー基板にレーザ光を試し打ちする方法と、ビームプロファイラを用いてレーザ光像を計測する方法とがある。前者の方法では、ステージ上にダミー基板を載せ、ダミー基板または位相シフタのいずれかをＺ方向に移動させ、レーザ光路上の光学部材の焦点深度（DOF）を適当に設定した状態で、ダミー基板にレーザ光を試し打ちし、試し打ちされたパターンを観察し、その観察結果に基づいて位相シフタまたはダミー基板のいずれかをＺ方向に移動させ、光学部材の焦点深度（DOF）を変える。試し打ちしたパターンが所望の寸法と形状の目標パターンと一致するまで、試し打ち→観察→焦点深度（DOF）の修正→試し打ちという試行錯誤を繰り返す。
【００１４】
一方、後者の方法では、例えば蛍光板をレーザ光路上に配置し、これに光学部材を通過したレーザ光を照射し、そのレーザ光像をビームプロファイラにより直接計測する。計測したレーザ光像のパターンが所望の寸法と形状の目標パターンと一致するまで、レーザ光像の計測→焦点深度（DOF）の修正→レーザ光像の計測という試行錯誤を繰り返す。
【００１５】
上記のダミー基板の試し打ち方法は、基準位置を設定するときに利用することができる。先ず結晶化装置の照明光学系を所定の位置に固定し、結晶化装置の光軸（レーザ光路）が動かないようにする。ダミー基板をステージ上に載置し、結晶化装置の光軸を固定した状態でダミー基板にレーザ光を試し打ちする。ダミー基板上の試し打ちポイントをハイトセンサのＣＣＤカメラで見ながら、カメラ視野の原点（Ｘ軸とＹ軸との交点座標（０，０））が試し打ちポイントと重なり合うようにＣＣＤカメラの位置を微調整し、試し打ちポイントにカメラ視野の原点が重なり合う位置にＣＣＤカメラを固定する。このカメラ視野内で試し打ちポイントに一致する原点（（０，０）座標）を「基準位置」に設定する（図１１の参照符号２０ａ参照）。このようにして設定した基準位置を用いて、結晶化装置の光軸に対して位相シフタの光学部材を高精度に位置合せすることができる。
【００１６】
本発明に係る結晶化装置は、レーザ光源(2)と、非単結晶半導体膜を有する被処理基板を支持する基板ステージ(10)と、前記レーザ光源からのレーザ光の光強度を均一化する照明光学系(4)と、前記照明光学系を通過したレーザ光を前記基板ステージに支持された被処理基板に結像させる結像光学系(7)と、前記照明光学系を通過したレーザ光を変調する位相シフタ(5,6)と、を具備する結晶化装置(1,1A)であって、
前記位相シフタ(5,6)は、レーザ光を所定の光強度と位相に変調するためのパターンが形成された複数の光学部材(51,61)と、前記複数の光学部材を保持するホルダ(50A,50B)と、位置合せ用の平面視野において結晶化装置のレーザ光軸が位置するところを基準位置(20a)としたときに、前記光学部材の固有の光学特性に応じて前記光学部材の各々を前記基準位置に対してそれぞれ位置合せするために、前記光学部材の各々に１対１に対応して設けられた第１のアライメントマーク(8)と、前記結晶化領域の各々に１対１に対応するようにレーザ光の照射により被処理基板上に転写され、該転写アライメントマークを用いて結晶化後の被処理基板を次工程以降の装置に対して位置合せするために、前記ホルダに設けられた第２のアライメントマーク(51x,51y)と、を有し、
前記結晶化装置(1,1A)は、前記複数の光学部材のなかから所望の光学部材を選択し、選択した光学部材に切り替える選択切り替え手段(27,30)と、前記第１のアライメントマークを用いて前記結像光学系に対して前記選択した光学部材を位置合せするとともに、前記基板ステージ上の被処理基板を前記結像光学系に対して位置合せし、この位置合せされた被処理基板に対して前記位相シフタを位置合せする位置合せ手段(10,19,20,28,30)と、前記位置合せされた位相シフタの第２のアライメントマークを通って被処理基板にレーザ光が照射され、該被処理基板上に前記第２のアライメントマークが転写された転写マーク(77x,77y)が形成されるように、前記レーザ光源を制御する制御手段(30)と、を具備することを特徴とする。
【００１７】
本発明に係る結晶化方法は、位相シフタで変調したレーザ光を被処理基板上の非単結晶半導体膜に照射して該非単結晶半導体を結晶化する結晶化方法であって、（ａ）複数の光学部材と第１及び第２のアライメントマークとを有する位相シフタ、および、結晶化領域と位置合せ領域と第３のアライメントマークとを有する被処理基板をそれぞれ準備し、（ｂ）結晶化装置のレーザ光軸に対応する基準位置を設定し、（ｃ）前記第１のアライメントマークを用いて前記基準位置に対して前記位相シフタを位置合せし、位置合せした座標データを記憶しておき、（ｄ）前記第３のアライメントマークを用いて被処理基板を前記基準位置に対して位置合せし、（ｅ）前記複数の光学部材のうちから１つを選択し、（ｆ）前記記憶しておいた位置合せ座標データを呼び出し、前記選択した光学部材が前記呼び出した位置合せ座標に位置するように、前記位相シフタを移動させ、（ｇ）前記結晶化領域にレーザ光を照射して前記非単結晶半導体を結晶化するとともに、前記第２のアライメントマークを通して前記位置合せ領域にレーザ光を照射し、前記第２のアライメントマークを前記位置合せ領域に転写することを特徴とする。
【００１８】
本発明において、上記の位相シフタは複数の光学部材を有することができる。これにより、選択切り替え手段が複数の光学部材のなかから１つを選択し、それに切り替えることができる。例えば２つの光学部材の相互間距離を１０ｍｍとした場合に、選択切り替え手段はボールネジとパルスモータとコントローラを用いて１０ｍｍ/秒以上の速度で移動させることができることから１秒以内の時間で迅速に光学部材の切り替えが完了する。ちなみに、手動で位相シフタを交換する（光学部材を切り替える）場合は、どのように作業を急いだとしても位相シフタの交換時間は１秒以上（通常、１０〜６０秒）を要する。このように本発明によれば位相シフタ交換時間が短縮される。
【００１９】
本発明において、位置合せ用の第１のアライメントマークは光学部材ごとに設けるものとする。選択切り替え手段は、第１のアライメントマークをＣＣＤカメラ等で撮像し、その像からマークの重心位置を求め、求めたマーク重心位置と基準位置との差分Δｘ，Δｙ，Δθ（位置ずれ量）をそれぞれ求め、基準位置との差分がそれぞれ許容値以下（Δｘ≦０．１μｍ、Δｙ≦０．１μｍ、Δθ≦０．０００１deg）となるようにホルダのＸＹθ駆動機構を用いて光学部材の位置を調整する。さらに、上記のＺ位置合せ方法に従って結晶化装置の光学系の焦点が被処理基板の非単結晶半導体膜に合致するように基板ステージをＺ方向に昇降させることにより、位相シフタの光学部材の焦点深度（DOF）を調整し、光学部材を被処理基板に対してＺ位置合せする。これらの位置合せを実施した光学系と光学部材との位置合せデータとしてXYZ座標データとθ値データをプリセット位置として保存しておき、保存した位置合せデータを呼び出し、呼び出したデータに基づいて前記位相シフタを切り替えることができる。つまり、いったん予めアライメント調整しておけば、その後は位相シフタを取り外さない限り、このアライメント調整時の位置合わせ情報を用いて光学部材を切り替えることができ、光学部材を切り替えるたびにＣＣＤカメラによる撮像と位置合わせをおこなう従来の一連の作業を省略することができる。
【００２０】
本発明において、位相シフタは、ラインとスペース段差とを有するラインアンドスペース型の光学部材（図３）を有するか、又は周期的なドット段差を有するドット型の光学部材（図４）を有することができる。
【００２１】
本願明細書中の重要な用語を次に定義する。
【００２２】
「位相シフタ」とは、光透過性の基板に所望の光学特性を得るためのパターンが形成され、入射光を位相変調することにより光リソグラフィの解像力を向上させ、像面に所望の光強度分布の像を形成する光学素子のことをいう。
【００２３】
「光学部材」とは、所望の光学特性を得るために上記の位相シフタに設けられたパターンを含む要素であり、入射光の位相を変調するための二次元または三次元の構造を有する部材をいう。例えばラインアンドスペース型の光学部材では二次元のパターン構造を主に有し、ドット型の光学部材では三次元のパターン構造を主に有する。
【００２４】
「ホルダ」とは、１つ又は複数の光学部材を保持するための基材のことをいう。ホルダ用の基材には石英や水晶などの光透過性の材料を用いる。
【００２５】
「サブホルダ」とは、上記のホルダに保持され、１つの光学部材を保持する光透過性の基材のことをいう。サブホルダ用の基材にも石英や水晶などの光透過性の材料を用いる。
【００２６】
「基準位置」とは、結晶化装置の光軸に対して位置合せされたカメラおいてそのカメラ視野内の原点をいう。具体的には結晶化装置の光軸に対して位置合せされたハイトセンサのCCDカメラにおいて、結晶化装置の光軸に重なり合うカメラ視野内のＸＹ座標の原点（（０，０）座標）を基準位置という。
【００２７】
「結晶化領域」とは、被処理基板上の非単結晶半導体膜にレーザ光を照射することにより１つ又は複数の単結晶が形成される被処理基板上の領域をいう。
【００２８】
「位置合せ領域」とは、上記の結晶化領域の近傍に設けられ、被処理基板を他の部材に対して位置合せするためのマークが形成される被処理基板上の領域をいう。具体的にはレーザ光の照射により位相シフタのアライメントマークが転写される被処理基板上の転写マーク形成領域をいう。
【００２９】
「光学部材の固有の光学特性」とは、光学部材を構成する材料の材質（組成および結晶構造など）や密度や厚みによって決まる光学的な性質をいう。具体的には屈折率、吸収率、反射率及び偏光特性などをいう。
【００３０】
「次工程以降の装置」とは、結晶化工程後に続く一連の後続の工程において使用される各種の装置をいう。具体的には液晶表示回路を形成するために必要なフォトリソグラフィプロセス（レジスト塗布、ベーキング、露光、現像、リンス、乾燥、成膜、エッチングなど）に用いられる種々の装置（コーター、ステッパ、ＣＶＤ成膜装置、エッチャーなど）をいう。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、２ショット法において同じ領域を異なる光強度で２度打ちする際に、あるいはパターンの異なる複数のビームプロファイル間でパターンを切り替えてレーザ照射する際に、位相シフタの交換作業を行なうことなく、自動で位相シフタを切り替えることができ、処理のスループットを向上させることができ、また位相シフタの材質等によらず次工程以降での位置合せ用マークを被処理基板上にパターン照射できる。
【００３２】
また、本発明によれば、位置合せ用マークに特徴をもたしたことから位相シフタの位置合わせにおいて定点測定精度の誤差を従来のそれの１０％程度まで低減することができる。すなわち、従来の誤差が１μｍであったのに対して本発明の誤差は０．１μｍである。
【００３３】
また、本発明によれば、予め登録しておいたアライメント座標に使用予定の位相シフタを移動させることができる。これは位相シフタを取り外さない限り有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
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。
【００３５】
（プロジェクション方式）
次に、本発明の第１の実施形態としてプロジェクション型レーザ結晶化装置を用いて非晶質半導体膜を結晶化する場合について図１〜図５を参照して説明する。
【００３６】
本実施形態の結晶化装置１は、図１と図２に示すように、ＸｅＣｌやＫｒＦなどのエキシマレーザを発振するレーザ光源２を有し、この光源側から順番にアッテネータ３、照明光学系４、位相シフタ５（６）、結像光学系７が配置され、レーザ光８０をステージ１０上の被処理基板７０に照射するようになっている。
【００３７】
アッテネータ３は、レーザ光源２の光軸の始端側に設けられ、光源から発振されたレーザ光８０の光強度が焼き付きを生じない照射レベルまで減衰するものである。すなわち、アッテネータ３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、制御部３０により動作制御される図示しないセンサ、モータ、制御系を備えている。
【００３８】
照明光学系４は、アッテネータ３の直後に設けられ、レーザ光８０の断面内における光強度と出射光の角度を均一化するためのホモジナイザを内蔵している。位相シフタ５（６）は、照明光学系４と結像光学系７の間に配置され、照明光学系４からのレーザ光を位相変調するための段差のパターンが形成された光学素子である。結像光学系７は、位相シフタ５で所望のビームプロファイル（光強度分布）に変調されたレーザ光の像（段差のパターン）を所定の倍率に縮小（又は拡大）して被処理基板７０の表面に結像するための複数の投影レンズを内蔵している。結像光学系７の透過光路例えば直下には被処理基板７０を位置合せして保持するための基板ステージ１０が配置されている。
【００３９】
次に、結晶化装置１の他の光学素子の実施形態についてさらに説明する。
【００４０】
結像光学系７は、位相シフタ５（６）の下方に設けられ、光源１からのレーザ光の光強度分布を被処理基板７０に縮小照明させるための光学系である。結像光学系７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る。
【００４１】
基板ステージ１０は、ステージ駆動機構１９によりＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、θ方向（Ｚ軸まわりの回転）にそれぞれ駆動される可動ステージである。この基板ステージ１０上には光強度分布を検出するためのビームプロファイラ（図示せず）と被処理基板７０が並設されている。図示しないビームプロファイラおよび被処理基板７０は、基板ステージ１０と共にＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の各方向にそれぞれ移動され、レーザ光軸に対して位置合わせされるようになっている。被処理基板７０とビームプロファイラとは、例えば結晶化処理時と光強度分布検出時とでレーザ光軸上に置き換えられるようになっている。
【００４２】
基板ステージ１０は、４つのサブステージを備えている。すなわち、基板ステージ１０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ステージが可動に支持され、さらにＺ軸まわりにＺステージ駆動機構を回転させるθ回転ステージが支持されている。
【００４３】
Ｚステージ（図示せず）の本体上には左右一対のスライダ（図示せず）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（図示せず）の対向面は上向きに傾斜している。両スライダ間には昇降台（図示せず）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。
【００４４】
スライダの側部は対応するボールスクリュウ（図示せず）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２０は、昇降台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２０から高さ位置検出信号が制御部３０に送られると、制御部３０は昇降駆動機構（図示せず）の動作を制御してボールスクリュウをそれぞれ回転させ、昇降台（図示せず）を上昇または下降させるようになっている。これにより昇降台上の被処理基板７０は結像光学系７および位相シフタ５に対して高精度に位置合せされる。
【００４５】
結像光学系７は、レーザ光軸に沿って光源側から順次配列されたホモジナイザ、第１のコンデンサレンズ、第２のコンデンサレンズ、マスク、テレセントリック型の縮小レンズを備えている。ホモジナイザは、光源２から発振されるレーザ光８０を分割し、分割光を収束することにより、該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は、ホモジナイザ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と共役関係に配置される。第２のコンデンサレンズの出射光路にはマスクが設けられている。縮小レンズは１／１〜１／２０倍の範囲に像を縮小する機能を有する。この縮小レンズを通過したレーザ光８０は、絶縁性キャップ膜７４の表面（入射面）から被処理基板７０に入射し、像面にて収束する。像面は、入射面と一致させても一致させなくてもよい。通常の場合は、ギャップを調整することにより像面を入射面から所望距離シフトさせ、像面は入射面と不一致である。像面／入射面間のシフト量は、キャップ膜７４の膜厚に応じて最適に調整される。
【００４６】
本実施形態の結晶化装置１は、位相シフタ５を照明光学系４と結像光学系７との間に設けた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８０を照明光学系４により均一化し、均一化光を位相シフタ５により光強度変調し、さらに光強度変調光を結像光学系７により所定倍率に縮小して被処理基板７０に投影するようにしている。
【００４７】
位相シフタ５は、所定の段差５ｃを有し、段差５ｃ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５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５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。このような位相シフタ５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８１（図３の（ｄ））を形成し、この逆ピークパターンのビームプロファイル８１により被処理基板７０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（ラテラル成長；膜面に沿った二次元成長）させることにより、大粒径の結晶粒を指定した位置に設ける。このとき、位相シフタの形状、位相シフタの高さ、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、レーザ光８０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検出する。
【００４８】
光強度分布は、拡大光学系の対物レンズにより所望の倍率に拡大されてＣＣＤに結像される。ＣＣＤ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制御部３０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、この画像処理データが光強度分布波形として表示装置の画面上に拡大表示される。
【００４９】
結像光学系７の透過光路には、基板ステージ１０の上に被処理基板７０とさらに図示しないビームプロファイラとが置換可能に並設されている。ビームプロファイラ（図示せず）は、その光軸が結像光学系７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と結像光学系７との位置合せは、基板ステージ１０と図示しないビームプロファイラアライメント機構とを用いてなされる。
【００５０】
レーザ結晶化装置１は制御手段および記録手段としての制御部３０を備えている。図５に示すように、制御部３０は、入力インターフェース３１、システムバス３２、ＣＰＵ３３、メモリ（記録装置）３４および出力インターフェース３５を有する。
【００５１】
入力インターフェース３１にはハイトセンサ２０、ビームプロファイラのＣＣＤ２８、および入力装置２９が接続され、出力インターフェース３５にはレーザ光源２、アッテネータ３、ステージ駆動機構１９、位相シフタ自動交換機２７および表示装置（図示せず）が接続されている。入力インターフェース３１および出力インターフェース３５は、システムバス３２を介してＣＰＵ３３およびメモリ３４にそれぞれ接続されている。
【００５２】
メモリ３４は、キイボード等の入力装置２９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。ＣＰＵ３３は、入力装置２９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のＣＣＤ２８およびハイトセンサ２０から直接入力される各検出データに応じてメモリ３４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３２を介して送る制御手段である。ＣＰＵ３３は、アライメントしたXYZ座標位置とθ値（Z軸まわりの回転角度）のデータをメモリ３４に保存しておき、必要に応じてこれらのデータをメモリ３４から呼び出し、呼び出したデータに基づいて選択した他の位相シフタへの切り替えと位置合せを行わせるようになっている。これらは別途コントローラ等で形成することも可能である。
【００５３】
表示装置８１は、制御部３０から出力されてくる各種データを表示するための液晶表示画面を有しており、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、その第２表示部には被処理基板７０上のレーザ照射位置を示す基板マップ図形が表示され、その第３表示部には照射レーザ光８０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、表示装置は、レーザ結晶化装置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、例えば表示装置の画面にランプを点灯または点滅させるようにしてもよいし、付属のスピーカやブザーから警報音や音声を発するようにしてもよい。
【００５４】
結晶化装置１は、全体がチャンバ（図示せず）で囲われ、その内部が所望の雰囲気に制御されるように図示しないガス供給源、圧力調整機構および真空排気機構が接続されている。チャンバ内には、レーザ光源２例えばエキシマレーザのレーザ光軸の始端側にアッテネータ３を配置し、レーザ光軸の終端側に結像光学系７および位相シフタ５を配置し、結像光学系７の焦点位置に被処理基板７０を配置している。この結晶化装置１０は所謂プロジェクション型であり、位相シフタ５が照明光学系４と結像光学系７との間に配置され、位相シフタ５で変調された変調レーザ光８０が結像光学系７により被処理基板７上に投影されるようになっている。
【００５５】
本実施形態の上記装置１には、異なるタイプの光学部材をもつ例えば２つの位相シフタ５，６が用意されている。さらに、上記装置１は、これら２つの位相シフタ５，６を自動で交換する位相シフタ自動交換機２７を備えている。位相シフタ自動交換機２７は、第１の位相シフタ５と第２の位相シフタ６をそれぞれ把持するハンドリング機構およびこれらをＸ，Ｙ，Ｚの各方向に移動させる駆動機構を備えている。この位相シフタ自動交換機２７は、図５に示すように制御部３０によってその動作が制御されるようになっている。
【００５６】
次に、図３と図４を参照して異なるタイプの光学部材を有する２つの位相シフタ５，６をそれぞれ説明する。
【００５７】
先ず、第１の位相シフタの例を説明する。
【００５８】
第１の位相シフタとして図３の（ａ）および（ｂ）にラインアンドスペース型の位相シフタ５を示す。このタイプの位相シフタ５は、透明媒質、例えば、石英基材５１（光学部材）に厚さの異なる互いに隣り合う領域（段差を有する領域）を設け、これら領域間の段差(位相シフト部)の境界で、入射するレーザ光線を回折並びに干渉させて、入射したレーザ光線の強度に周期的な空間分布を付与するラインアンドスペース型である。このタイプの位相シフタ５は、隣接するパターンが逆位相（例えば、１８０°のずれ）となるように石英基材５１の厚さが選択され、交互に並べられた位相が、例えば、πの第１のストリップ領域（位相領域）５ａと、位相が、例えば、０（ゼロ）の第２のストリップ領域（位相領域）５ｂとを有するように。これらストリップ領域(位相シフト線領域)は、１０μｍの幅を有する。一般にレーザ光の波長をλ、の透明媒質の屈折率をｎとすると、領域間に１８０°の位相差をつけるのに必要な透明媒質の膜厚ｔは、ｔ＝λ／２（ｎ−１）で与えられる。従って、石英基材の屈折率を１．５とすると、レーザ光としてＫｒＦエキシマレーザ光を使用した場合には、これの波長が２４８ｎｍであるから、１８０°の位相差を付けるためには２４８ｎｍの段差をエッチング等の方法で石英基材５１の所定の領域間に形成すればよい。このエッチングにより薄く形成された領域が第１のストリップ領域５ａとなり、エッチングされない領域が第２のストリップ領域５ｂとなっている。
【００５９】
このようなタイプの位相シフタ５においては、厚い第２の位相領域５ｂを通過したレーザ光８０は、薄い第１の位相領域５ａを通過したレーザ８０光に比較して位相が１８０°遅れる。この結果、厚い第２の位相領域５ｂおよび薄い第１の位相領域５ａを透過したレーザ光間で、干渉と回折とが生じ、図３の（ｄ）に示すように、複数のボトムピーク８１ａとトップピーク８１ｂを有する、Ｖ字形の連続した光強度分布８１が得られる。即ち、Ｖ字形の連続した光強度分布８１は、段差部（位相シフト部）を透過したレーザ光の光強度が最小で、厚い第２の位相領域５ｂおよび薄い第１の位相領域５ａを透過したレーザ光の光強度が増加する光強度分布を像面に形成する。
【００６０】
このような光強度分布８１をもつレーザ光８０で、半導体薄膜７３を照射すると、結晶化開始時に、半導体薄膜７３上に、ライン状の極小温度領域（ボトム部もしくは谷部）と、この極小温度領域の両側のライン状の極大温度領域（トップ部もしくは山部）とを有する逆ピークパターンの温度分布を形成することができる。
【００６１】
次に、第２の位相シフタの例を説明する。
【００６２】
図４の（ａ）並びに（ｂ）に示すドット型の位相シフタ６を示す。第２の位相シフタ６は、透明媒質、例えば、水晶基材６１に、大きさ（面積）が段々小さくなる、例えば矩形の、ドット段差（凹所）６２を周期的に形成したものである。ドット段差（凹所）６２は、例えば位相シフタ６の中央部で面積が大きく、位相シフタ６の端部近傍で面積が小さい。このような位相シフタ６によって、図４の（ｄ）に示すように、レーザ光を光変調して、最大面積列の凹所６２に対応して谷部（光強度が最小の透過光）８３ａが、また、最小面積列の凹所６２に対応して山部（光強度が最大の透過光）８３ｂが生じ、中間の各面積列の凹所６２に対応した光強度の透過光が生じ像面に、Ｖ型の繰り返しの光強度分布８３を形成することができる。
【００６３】
すなわち、ドット型の位相シフタ６には、所定のＶ字型光強度分布を得るための凹所６２の面積を順次変えた段差パターンが形成される。このドット型の位相シフタ６は、凹所６２の面積を順次変えた段差パターンを形成することにより所定のＶ字型光強度分布を得るために設計製造が容易である。特に、大粒径の結晶化領域（結晶粒）を得るためにＶ字型光強度分布の開き角度を選択する必要があるが、所望する開き角のＶ字型光強度分布を得ることができる。
【００６４】
第１および第２位相シフタの選択は、例えばＣＭＯＳ回路、オペアンプ、フリップフロップ回路などのように同一特性の複数の薄膜トランジスタで回路を形成したい場合、第２位相シフタを使用して大粒径の結晶化領域を形成することにより一つの結晶化領域に島切りされた複数個の薄膜トランジスタを形成することができる。この結果、同一特性の結晶化領域に形成された薄膜トランジスタによる回路を形成できる。
【００６５】
その他の回路では、第１の位相シフタにより比較的小面積の１個の結晶化領域に１個の薄膜トランジスタを形成することに使用することができる。
【００６６】
このように被処理基板７０のどこにどのような薄膜トランジスタ回路を形成するかの被処理基板７０上の回路配置を設計する。この設計配置に基づき定められた薄膜トランジスタ回路形成位置に適応した位相シフタに交換して結晶化用レーザ光を照射することにより良好な特性の薄膜トランジスタ回路を形成することができる。
【００６７】
第１および第２位相シフタでは、光学部材の厚みが異なり結晶化装置の結像光学系のフォーカスを調整する必要がある。第１および第２位相シフタを自動的に交換した場合、
結像光学系のフォーカスも自動的に制御する必要がある。
【００６８】
次に、図６および図７を参照して位相シフタを交換した際の位相シフタを位置合せするための各種のアライメントマークについて説明する。
【００６９】
位相シフタ５は、図６に示すように、矩形の基材、例えば矩形状石英ガラス基板からなるホルダ５０上に２つの光学部材５１，５２が形成されたものである。２つの光学部材５１，５２は、ホルダ５０上の予め定められた位置において互いに離れてＸ方向に横並びに配置され、同じ面積の矩形領域にそれぞれ形成された互いに異なるパターン、例えば一方の光学部材５１は図３に示すようなラインアンドスペース型のパターンを有し、他方の光学部材５２は図４に示すような面積変調型のパターンを有する。
【００７０】
ホルダ５０Ａ上であって各光学部材５１，６１をＹ方向の両側の予め定められた位置には、例えば一対の第１のアライメントマーク８がそれぞれ配置されている。第１のアライメントマーク８は、個々の光学部材５１，６１そのものの位置合せをおこなうために設けられたものであり、図８の（ａ）に示すように、互いに近接して配置された角部を有する４つのＬ字記号８ａと、これら４つのＬ字記号８ａの角部を強調する十字記号８ｂと、を組み合わせてなるものである。十字記号８ｂは、４つのＬ字記号８ａとは非接触の状態で４つのＬ字記号８ａの相互間に配置されている。このアライメントマーク８において、４つのＬ字記号８ａは必須の構成要素であるが、十字記号８ｂは任意の構成要素である。４つのＬ字記号８ａのみからなるマークを位相シフタの位置合わせに用いる場合、定点測定精度の誤差が従来のそれの２５〜３５％程度まで低減する。この４つのＬ字記号８ａに十字記号８ｂを組み合わせると、照準マークとしての機能がさらに増大する。４つのＬ字記号８ａと十字記号８ｂとを組み合わせたマークを位相シフタの位置合せに用いる場合、定点測定精度の誤差が従来のそれの１０〜１５％程度まで低減する。すなわち、従来の装置では位相シフタの位置合せにおいて定点測定精度の誤差が１μｍであったのに対して、この装置では位相シフタの位置合せにおいて定点測定精度の誤差が０．１μｍまで低減する。
【００７１】
また、第１の光学部材５１には一対のレーザ照射位置合せ用アライメントマーク５１ｘ，５１ｙが形成される。アライメントマーク５１ｘ，５１ｙは、光学部材５１，５２の厚みに応じて光学部材５１，５２を結像光学系７に対して高精度に位置合せするために、例えば光学部材５１に設けられたものであり、光学部材５１，５２の厚みのばらつきを補償するためにも用いることができるものである。例えば、第１の光学部材５１が石英を材料としてつくられたものであり、第２の光学部材５２が水晶を材料としてつくられたものである場合に、両パターン５１，５２間に厚みの差を生じる。このパターン厚みの差に起因して位相シフタのＺ方向の位置合せが不正確になり、その結果として被処理基板７０の半導体膜７３に結像される像の焦点深度（DOF）に狂いを生じる。そこで、パターン厚み補償用アライメントマーク５１ｘ，５１ｙ，５２ｘ，５２ｙを用いることにより、光学部材５１，５２の各々を結像光学系７に対して高精度に位置合せすることができる。
【００７２】
これら第２のアライメントマーク５１ｘ，５１ｙは、図８の（ｂ）に示すように、細長い矩形の枠５３のなかに複数、例えば２つの円形記号５４が等ピッチ間隔で横並びに配置されたものである。本実施形態では円形記号５４を採用しているが、本発明はこれのみに限られるものではなく、長円、楕円、角を丸めた三角、角を丸めた四角、六角形、八角形などの擬似円形を用いることもできる。
【００７３】
第２のアライメントマークの利用方法について説明する。例えば位相シフタが２個の光学部材を有する場合を想定する。すなわち、一方にレーザ照射位置合せ用のパターンが形成された光学部材があり、他方に所望の光強度分布（ビームプロファイル）用のパターンが形成された光学部材がある場合に、前者の光学部材は使用実績があり、後者の光学部材は使用実績がない。すなわち、前者の光学部材は、すでに次工程以降（例えば露光装置による読み込みと位置合せ）での使用実績がある光路長にてパターン照射するものであり、光路長用にホルダのＺ位置（レーザ光軸方向の位置座標）も位置合せ調整済みである。これに対して後者の光学部材は、過去に使用された実績がなく、前者の光学部材とは材質と厚みが異なる。このため、後者の光学部材の実効的な光路長が前者の光学部材の光路長と異なり、両光路長間に差を生じる。この光路長の差に起因して所謂レンズ効果を生じるため、後者を用いて実際に照射されるパターンがすでに実績のある前者を用いて照射されるパターンの寸法と形状にならない（パターンの寸法・形状の不一致）。よって、所望の光強度分布とレーザ照射位置合せ用アライメントマーク用とに切り替えて同じ箇所に２回照射（２ショット）することでこの問題を解決する。
【００７４】
次に、上記の使用実績のない光学部材をＺ位置合せする方法について説明する。
【００７５】
光学部材のＺ位置合せには、ダミー基板にレーザ光を試し打ちする方法と、ビームプロファイラを用いてレーザ光像を計測する方法とがある。前者の方法では、ステージ上にダミー基板を載せ、ダミー基板または位相シフタのいずれかをＺ方向に移動させ、レーザ光路上の光学部材の焦点深度（DOF）を適当に設定した状態で、ダミー基板にレーザ光を試し打ちし、試し打ちされたパターンを観察し、その観察結果に基づいて位相シフタまたはダミー基板のいずれかをＺ方向に移動させ、光学部材の焦点深度（DOF）を変える。試し打ちしたパターンが所望の寸法と形状の目標パターンと一致するまで、試し打ち→観察→焦点深度（DOF）の変更→試し打ちという試行錯誤を繰り返す。
【００７６】
一方、後者の方法では、例えば蛍光板をレーザ光路上に配置し、これに光学部材を通過したレーザ光を照射し、そのレーザ光像をビームプロファイラにより直接計測する。計測したレーザ光像のパターンが所望の寸法と形状の目標パターンと一致するまで、レーザ光像の計測→焦点深度（DOF）の変更→レーザ光像の計測という試行錯誤を繰り返す。
【００７７】
上記のダミー基板の試し打ち方法は、基準位置を設定するときに利用することができる。先ず結晶化装置の照明光学系を所定の位置に固定し、結晶化装置の光軸（レーザ光路）が動かないようにする。ダミー基板をステージ上に載置し、結晶化装置の光軸を固定した状態でダミー基板にレーザ光を試し打ちする。ダミー基板上の試し打ちポイントをハイトセンサのＣＣＤカメラで見ながら、カメラ視野の原点（Ｘ軸とＹ軸との交点座標（０，０））が試し打ちポイントと重なり合うようにＣＣＤカメラの位置を微調整し、試し打ちポイントにカメラ視野の原点が重なり合う位置にＣＣＤカメラを固定する。このカメラ視野内で試し打ちポイントに一致する原点（（０，０）座標）を「基準位置」に設定する（図１１の参照符号２０ａ参照）。このようにして設定した基準位置を用いて、結晶化装置の光軸に対して位相シフタの光学部材を高精度に位置合せすることができる。
【００７８】
次に、図６の他の実施例として図７を参照して上記とは異なるタイプの位相シフタ５Ａについて説明する。
【００７９】
このタイプの位相シフタ５Ａは、共通のメインホルダ５０Ａの上に２つのサブホルダ５０ａ，５０ｂを備えている。２つのサブホルダ５０ａ，５０ｂは、互いに異なる光学部材５１，５２をそれぞれ有し、位相シフタ５Ａから取り外して個々に独立した位相シフタとして用いることができるものである。２つのサブホルダ５０ａ，５０ｂを構成する材料は異なるものとしてもよいし、同じものとしてもよい。また、サブホルダ５０ａ，５０ｂとメインホルダ５０Ａとを異なる材料でつくってもよいし、同じ材料でつくってもよい。
【００８０】
２つの光学部材５１，５２は、ホルダ５０Ａの上において互いに離れてＸ方向に横並びに配置され、同じ面積の矩形領域にそれぞれ形成された互いに異なるパターンである。
【００８１】
各サブホルダ５０ａ，５０ｂにおいて、各光学部材５１，５２をＹ方向の両側からそれぞれ挟み込むように一対の第１のアライメントマーク８がそれぞれ配置されている。これら第１のアライメントマーク８は、光学部材５１，５２に１対１に対応するようにサブホルダ５０ａ，５０ｂの上にそれぞれ形成されている。この第１のアライメントマーク８は、上記と同様の図８（ａ）に示した構成のものであり、光学部材５１，５２を個別に識別するために位相シフタ５Ａに設けられたものである。
【００８２】
簡単な例として２つのタイプの光学部材がある場合、すなわち一方の光学部材がレーザ照射位置合せパターンを有し、他方の光学部材が所望の光強度分布のパターンを有する場合を説明する。この場合、前者の光学部材はすでに次工程以降（例えば露光装置（ステッパ）による読み込みと位置合せ）で使用するための実績がある光路長でパターンを照射するものであり、シフタホルダのＺ位置も調整済みである。
【００８３】
これに対して後者の光学部材は、使用実績がなく、前者の光学部材とは基材の材質と厚みが異なるものである。後者と前者との間で基材の材質（すなわち密度）が異なると、実効的な光路長が変わる。また、後者と前者との間で基材の厚みが異なる場合は、勿論、実効的な光路長が変わる。すなわち、レーザ照射位置合せ用パターンを後者に有しても光路長の差からレンズ効果等が発生し、実際に照射されるレーザ照射位置合せパターンの形状がすでに実績がある寸法と形状にならない。よって、既に実績のある前者（レーザ照射位置合せパターン）を用いてレーザ照射位置合せ用アライメントマークを照射し、その後に前者から後者（所望の光強度分布パターン）に切り替えて２回照射することでこの問題（実効的な光路長の変動）を解決する。このとき前者と後者との照射する順序は問わない。また、両光学部材のパターンについてそれぞれ位置合わせが必要なことから位置合せ用の第１のアライメントマークを光学部材ごとにそれぞれ設けることとし、これを例えばＣＣＤカメラ等で撮像し、撮像した画像から前記マークの重心位置を求めて位置情報を得てその位置情報をもとに基準位置からのずれ量を計測し、位置ずれをマスクホルダのＸＹθ軸駆動機構を用いて調整する。
【００８４】
もう一つの例として、位相シフタに水晶板を挿入することによって焦点深度が深くなることが知られている。しかし、水晶板を位相シフタに挿入すると、実効的に光学系の光路長が変動してしまう。この位相シフタ中に次工程以降での位置合せに使用するためにレーザ照射・転写される第２のアライメントマークを有したとしても、照射するとパターンの寸法と形状が水晶板を挿入する前とは異なってしまう。この場合には片方のシフタに水晶板を挿入したシフタを搭載し、もう一方の位相シフタに次工程で使用するアライメントマークを持たし、これらを切り替えて同一箇所に合計２回照射することによりこの問題（実効的な光路長の変動）を解決することができる。
【００８５】
次に、図９を参照して本実施形態の結晶化装置１を用いて実際に被処理基板上の非晶質シリコン膜７３を結晶化する際に、位相シフタを結晶化装置１の光学系に対して位置合せする場合を説明する。
【００８６】
装置１の主スイッチをＯＮすると、自動的に制御部３０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の画面上に表示される。処理開始の時点において、上述したダミー基板への試し打ち法を用いて予め基準位置が設定されている（工程Ｓ１）。図６に示す２つの光学部材５１，５２をホルダ５０に組み込んだ位相シフタ５を結晶化装置１の所定箇所に装着し、第１のアライメントマーク８を用いて一方の光学部材５１を基準位置に対して位置合せする（工程Ｓ２）。この位置合せ作業は、ハイトセンサ２０のＣＣＤカメラで第１のアライメントマーク８を撮像し（工程Ｓ３）、撮像した第１のアライメントマーク８の画像データからマークの重心８ｇの位置座標を求め、求めた位置座標の基準位置２０ａからの位置ずれ量を算出し、その位置ずれ量が許容値以下となるように調整するものである（工程Ｓ４〜Ｓ７）。
【００８７】
図１１は位相シフタの位置合せを説明するためにハイトセンサに設けたＣＣＤカメラのカメラ視野を模式的に示す図である。カメラ視野内にはＸ軸とＹ軸の基準線および第１のアライメントマーク８が見えている。Ｘ軸基準線とＹ軸基準線との交点２０ａは、座標（０，０）の原点であり、ここが結晶化装置１の光軸に位置合せされた基準位置に設定されている。位置合せ前において第１のアライメントマーク８は基準位置２０ａから外れているが、この画像をハイトセンサ２０のＣＣＤカメラで撮像し、撮像した画像データを制御部３０に送る（工程Ｓ３）。制御部３０は、ハイトセンサ２０から画像データが入力されると、それに基づいてマーク重心８ｇの位置座標を求め（工程Ｓ４）、求めたマーク重心８ｇの座標が基準位置２０ａから外れる位置ずれ量Δｘ，Δｙをそれぞれ求める（工程Ｓ５）。制御部３０は、マーク８の十字記号８ｂの上下端の両座標をそれぞれ求め、求めた両座標から十字記号８ｂの子午線を数式化し、数式化した子午線の傾きから該子午線とｙ軸との間に生じたθ値の位置ずれ量Δθを求める。さらに制御部３０は、求めた位置ずれ量Δｘ，Δｙ，Δθがそれぞれ許容値以下（Δｘ≦０．１μｍ、Δｙ≦０．１μｍ、Δθ≦０．０００１deg）となるように、図示しない微調整機構により位相シフタ５を移動させる（工程Ｓ６）。位置ずれ量が所定の許容値以下になるまで工程Ｓ３〜Ｓ６を繰り返す（工程Ｓ７）。位置ずれ量Δｘ，Δｙ，Δθのすべてが所定の許容値以下になったときに、制御部３０は位置合せ完了信号をハイトセンサおよび微調整機構（図示せず）に送って第１の光学部材５１の位置合せを完了する（工程Ｓ８）。同様にして制御部３０は第２の光学部材５２の位置合せ作業を行う。
【００８８】
制御部３０は、各光学部材５１，５２の位置合せ作業において得た（Ｘ，Ｙ，θ）座標データをメモリ３４に保存する（工程Ｓ９）。保存された座標データは、メモリ３４から随時呼び出して利用することができるようになっている。位相シフタ５を装置１から取り外さない限り、この保存データを利用して再現性の高い処理を行なわせることができる。
【００８９】
以上のＳ１〜Ｓ９工程までがプリセット工程である。実際に処理を実施するにあたり、オペレータは、制御部３０の入力表示部にモード選択画面を呼び出して、一覧表示された複数の処理モードのなかから所望の処理モードを選択する（工程Ｓ１０）。例えばモード選択画面において２ショットモードを選択すると、１ショット目に使用する位相シフタの光学部材を問い合わせてくるので、例えば第１の光学部材５１を１ショット目に使用すると指定し、次いで２ショット目に使用する位相シフタの光学部材を問い合わせてくるので、例えば第２の光学部材５２を２ショット目に使用すると指定する。さらに、結晶化処理と転写処理とのいずれを先に行うかを問い合わせてくるので、オペレータは、結晶化処理を先に行う処理モードを選択する。ここで、転写処理とは、次工程（レジスト塗布→露光→現像を含むフォトリソグラフィプロセス）の装置光軸と被処理基板との位置合せに利用される転写マーク７７ｘ，７７ｙを被処理基板上に形成する処理をいう（図１３参照）。後述するように転写マーク７７ｘ，７７ｙは、位相シフタ上の第２アライメントマーク５１を被処理基板の位置合せ領域７７に転写したものである。
【００９０】
オペレータによるプロセス条件の入力が完了すると、制御部３０はメモリから記憶しておいた位置合せ座標データを呼び出し、その（ｘ，ｙ，θ）座標に１ショット目に選択した第１の光学部材５１を移動させる（工程Ｓ１１）。ハイトセンサ２０のＣＣＤカメラで第１のアライメントマーク８を撮像し、撮像した画像データと前述の呼び出し座標データとを比較して両者の位置ずれ量を求める。求めた位置ずれ量が許容値以下になるまで光学部材の移動→撮像→光学部材の移動を繰り返す（工程Ｓ１２）。位置ずれ量が許容値以下になったときに、制御部３０は位置合せ完了信号を発信して第１の光学部材５１の位置合せ動作を完了させる（工程Ｓ１３）。
【００９１】
次に、被処理基板７０を結晶化装置１内に搬入し、基板ステージ１０の上に被処理基板７０を載置し、装置パラメータに含まれる所定のデータを呼び出し、呼び出したデータに基づいて所望の位置に被処理基板７０を移動させる。このとき被処理基板７０の入射面を結晶化したい位置に移動させ、光源側のレーザ光軸と位置合せした。すなわち、図１２に示す第３のアライメントマーク７５をハイトセンサ２０のＣＣＤカメラで撮像し、撮像した画像データからマーク７５の重心位置と基準位置２０ａとの位置ずれ量を算出し、位置ずれ量が所定の許容値以下になるまで基板移動→撮像→基板移動を繰り返す。さらに、読み出した装置パラメータに含まれる目標ギャップ値に基づいて、制御部３０がハイトセンサ２０からの検出信号を用いて基板ステージ１０のＺ方向動作を制御して、実測のギャップを目標ギャップ値に一致させる。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。すべての位置ずれ量が所定の許容値以下になったところで、制御部３０は位置合せ完了信号を発信して被処理基板の位置合せを完了する。
【００９２】
被処理基板の位置合せが完了すると、読み出した装置パラメータに基づいてアッテネータ３が自動調整される。すなわち、ビームプロファイラ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３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３の角度を高精度に調整する。
【００９３】
基板ステージ１０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７０の所望の部位を照射位置に位置させることができ、Ｘ−Ｙステップ移動とレーザ光照射とを繰り返すことにより、大面積の非晶質シリコン膜７３を結晶化することができる。この様子は表示装置の画面上に表示されるので、オペレータは被処理基板７０上のどの部位がレーザ照射されているのかをリアルタイムで知ることができる。また、照射中のレーザ光の光強度分布波形も表示装置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。
【００９４】
光源として例えばＫｒＦエキシマレーザ装置２からは波長２４８ｎｍの長尺ビームのレーザ光８０が出射される。レーザ光８０は、先ずアッテネータ３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。次に図示しない偏光素子によって目標のシグマ値に調整され、所定幅に絞られたレーザ光８０が照明光学系４のホモジナイザに入射される。次いで、レーザ光８０は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例えば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（凸レンズ＃１）によってマスクの中心に集まる。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、マスクの開口の全面を照明する。分割された微小出射領域を出た全ての光線群が、それぞれマスク面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揺らぎがあっても、マスク面の光強度は均一になる。マスク面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によって平行光線になってから、位相シフタ５の第１の光学部材５１を透過し、所定の光強度分布を有する変調光となり、結像光学系７のテレセントリック型縮小レンズを通って、基板ステージ１０上に置かれた被処理基板７０に入射する。１回目のショットにより被処理基板上の半導体膜７３の所定領域が結晶化される（工程Ｓ１４）。被処理基板７０をステップバイステップ移動させながらレーザ光照射し、被処理基板上の結晶化領域７６を次々に結晶化していき、制御部３０は、その結晶化領域７６がその被処理基板７０上で最後のものであるか否かを判定する（工程Ｓ１５）。その結晶化領域７６が最後のものであると判定すると、次に制御部３０は、処理モードが２ショットモード（又はマルチショットモード）の１ショット目であるか否かを判定する（工程Ｓ１６）。２ショットモードの１ショット目と判定した場合は、照射位置にある第１の光学部材５１を位相シフタ交換機２７により第２の光学部材５２に入れ替え、工程Ｓ１１〜Ｓ１３を繰り返して第２の光学部材５２と基準位置との位置合せを行う。
【００９５】
２ショット法では、位相シフタ自動交換機２７のハンドリング機構により位相シフタ５をＸ方向に第１及び第２の光学部材５１，５２の相互間距離（例えば、１０ｍｍ）だけ移動させ、照射領域のパターンを第１の光学部材５１から第２の光学部材５２に切り替える。この切り替え機構には例えばボールねじとステッピングモータ等を組み合わせて構築できる。この構成では一般的に１０ｍｍ/秒以上の速度が実現されていることから切り替え時間は１秒以内でおこなえる。つまり手動でシフタを装着することと比較して明らかに短時間でおこなえる。次いで、制御部３０は、メモリ３４から装置パラメータのうち所定のデータを呼び出し、呼び出したデータに基づいて位相シフタ上の第２の光学部材５２を結像光学系７に対して位置合せする。そして、上記と同様に半導体膜７３の同一箇所に異なる光強度分布のレーザ光を照射する（２回目のショット工程Ｓ１４）。
【００９６】
ちなみに、従来の装置では、１回目のショットに用いた位相シフタを別パターンの位相シフタに交換し、交換した位相シフタを用いて２回目のショットを行なっていた。しかし、従来装置における位相シフタの交換には長時間を要するため、処理のスループットが大幅に低下する。これに対して本実施形態の装置１によれば、位相シフタ自動交換機２７のハンドリング機構により位相シフタ５を少しの距離だけ移動させることにより、第１の光学部材５１から第２の光学部材５２に切り替えるため、位相シフタ切り替え時間が大幅に短縮される。また、本実施形態の装置によれば、位相シフタの光学部材を切り替えた後に位置合せ作業に円滑に移行することができるので、従来よりも短時間で入れ替えた光学部材を位置合せすることができる。
【００９７】
図１４に示すように、結晶化された結晶化領域７６には多数の単結晶７９ａ，７９ｂが形成される。例えば２ｍｍ×２ｍｍサイズの結晶化領域７６に８×８＝６４個の結晶成長部７８が形成されている。また、１つの結晶成長部７８には左右対称に２つの単結晶７８ａ，７８ｂが左右対称に成長している。よって、１つの結晶化領域７６には合計１２８個の単結晶７８ａ，７８ｂが存在することになる。
【００９８】
さらに、制御部３０は、位相シフタ５の第２のアライメントマーク５１ｘ，５１ｙを被処理基板の位置合せ領域７７に転写させるための制御信号を装置１の各部に送り、第２のアライメントマーク５１ｘ，５１ｙのパターンを介して被処理基板の位置合せ領域７７にレーザ光を照射して図１３に示す転写マーク７７ｘ，７７ｙを形成する。基板ステージ１０により被処理基板７０をステップバイステップで移動させながらレーザ光を照射して、転写マーク７７ｘ，７７ｙを結晶化領域７６の近傍に次々に転写する。制御部３０は、その領域が最後であったか否かを判定し、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１０をホーム位置に戻し、結晶化処理完了信号を送信する（工程Ｓ１７）。図示しない基板搬送装置が結晶化処理完了信号を受信すると、被処理基板を結晶化装置１から搬出する（工程Ｓ１８）。
【００９９】
次工程の装置（例えば露光装置）に被処理基板が搬入されると、先ず次工程の装置の光軸に対して被処理基板を位置合せする（工程Ｓ１９）。この次工程での位置合せには上述の転写マーク７７ｘ，７７ｙを利用する。すなわち転写マーク７７ｘを用いて次工程の装置の光軸に対するＸ方向成分の位置ずれ量Δｘを計測し、転写マーク７７ｙを用いて次工程の装置の光軸に対するＹ方向成分の位置ずれ量Δｙを計測し、これらの位置ずれ量Δｘ，Δｙが所定の許容値以下となるように被処理基板の位置を微調整して位置合せする。被処理基板の位置合せが完了すると、次工程の処理を実施する（工程Ｓ２０）。
【０１００】
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、光強度分布の検出と確認は一連の処理の最初に実施し、１枚の被処理基板７０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。
【０１０１】
次に、図１０を参照して結晶化方法の一例を説明する。
【０１０２】
オペレータは、制御器３０の入力装置の画面にモード選択画面を呼び出し、登録された複数の処理モードのなかから所望の処理モードを選択する（工程Ｋ１）。本実施形態では、結晶化処理後に転写マークを被処理基板上に形成する処理モードを選択した。次いで、ハイトセンサ２０のＣＣＤカメラにより図１２に示す被処理基板のアライメントマーク７５を撮像し、その画像データを用いて被処理基板７０を基準位置に対して位置合せする（工程Ｋ２）。位置合せ後、結晶化領域７６に所定ビームプロファイルのレーザ光を照射して被処理基板上の半導体膜７３に単結晶を形成する（工程Ｋ３）。基板ステージ１０により被処理基板をステップバイステップ移動させるとともにレーザ光を照射して次々に単結晶を形成する。被処理基板上のすべての結晶化領域７６を結晶化した後、制御部３０は、第２アライメントマーク５１ｘ，５１ｙがレーザ光照射域（光軸）に位置するように位相シフタ５の位置を微調整する位置合せを行うとともに、位置合せ領域７７がレーザ光照射域（光軸）に位置するように被処理基板の位置を微調整する位置合せを行う。両位置合せ後に、第２アライメントマーク５１ｘ，５１ｙを介して位置合せ領域７７にレーザ光を照射して被処理基板上に転写マーク７７ｘ，７７ｙを形成する（工程Ｋ４）。基板ステージ１０により被処理基板をステップバイステップ移動させるとともにレーザ光を照射して次々に転写マーク７７ｘ，７７ｙを形成する。
【０１０３】
図１３に示すように、位置合せ領域７７は結晶化領域７６の近傍に位置している。位相シフタの第２のアライメントマーク５１ｘ，５１ｙのマークパターンを通して被処理基板の位置合せ領域７７にレーザ光を照射し、転写マーク７７ｘ，７７ｙを被処理基板上に形成する（工程Ｋ４）。これらの転写マーク７７ｘ，７７ｙは上記第２のアライメントマーク５１ｘ，５１ｙと同一または相似である。一方のマーク７７ｘは横方向成分マークであり、Ｘ軸に沿って２個の丸（○）が並んでいる。他方のマーク７７ｙは縦方向成分マークであり、Ｙ軸に沿って２個の丸（○）が並んでいる。横方向成分マーク７７ｘを用いて被処理基板のＸ座標が位置合せされ、縦方向成分マーク７７ｙを用いて被処理基板のＹ座標が位置合せされるようになっている。
【０１０４】
制御器３０のＣＰＵはレーザ光照射した領域が最後の結晶化領域であると判断すると、結晶化処理完了の信号をレーザ光源の駆動回路に送り、結晶化処理を終了する（工程Ｋ５）。
【０１０５】
図１５を参照して結晶化方法の一例を説明する。
【０１０６】
オペレータは、制御器３０の入力装置の画面にモード選択画面を呼び出し、登録された複数の処理モードのなかから所望の処理モードを選択する（工程Ｋ２１）。本実施形態では、被処理基板上に転写マークを形成した後に結晶化処理する処理モードを選択した。次いで、ハイトセンサ２０のＣＣＤカメラにより被処理基板のアライメントマーク７５を撮像し、その画像データを用いて被処理基板７０を基準位置に対して位置合せする（工程Ｋ２２）。位置合せ後、第２アライメントマーク５１ｘ，５１ｙを介して位置合せ領域７７にレーザ光を照射して被処理基板上に転写マーク７７ｘ，７７ｙを形成する（工程Ｋ２３）。基板ステージ１０により被処理基板をステップバイステップ移動させるとともにレーザ光を照射して次々に転写マーク７７ｘ，７７ｙを形成する。被処理基板上のすべての位置合せ領域７７に転写マーク７７ｘ，７７ｙを形成した後、制御部３０は、光学部材５１がレーザ光照射域（光軸）に位置するように位相シフタ５の位置を微調整する位置合せを行うとともに、結晶化領域７６がレーザ光照射域（光軸）に位置するように被処理基板の位置を微調整する位置合せを行う。両位置合せ後に、結晶化領域７６に所定ビームプロファイルのレーザ光を照射して被処理基板上の半導体膜７３に単結晶を形成する（工程Ｋ２４）。基板ステージ１０により被処理基板をステップバイステップ移動させるとともにレーザ光を照射して次々に単結晶を形成する。制御器３０のＣＰＵはレーザ光照射した領域が最後の結晶化領域であると判断すると、結晶化処理完了の信号をレーザ光源の駆動回路に送り、結晶化処理を終了する（工程Ｋ２５）。
【０１０７】
図１６を参照して結晶化方法の一例を説明する。
【０１０８】
オペレータは、制御器３０の入力装置の画面にモード選択画面を呼び出し、登録された複数の処理モードのなかから所望の処理モードを選択する（工程Ｋ３１）。本実施形態では、２ショット法で結晶化した後に被処理基板上に転写マークを形成する処理モードを選択した。すでに位相シフタ上の所定の光学部材が基準位置に位置合せされている。ハイトセンサ２０のＣＣＤカメラで被処理基板のアライメントマーク７５を撮像し、その画像データを制御部３０に送る。制御部３０は、入力された画像データを数値解析してマーク７５の重心の位置座標を求め、求めた位置座標と基準位置との位置ずれ量を求め、求めた位置ずれ量が所定の許容値以下になるようにステージ駆動機構１９に制御信号を送って基板ステージ１０を移動させ、被処理基板７０を基準位置に位置合せする（工程Ｋ３２）。位置ずれ量が所定の許容値以下になり、被処理基板７０が基準位置に対して位置合せされると、制御部３０からレーザ光源２に制御信号を送り、被処理基板上の所定の結晶化領域７６に１回目のレーザ光を照射する（工程Ｋ３３）。レーザ光照射→基板ステージの移動→レーザ光照射→基板ステージの移動を繰り返して、ステップバイステップで被処理基板上の結晶化領域７６に次々に単結晶を形成していく。被処理基板上のすべての結晶化領域７６に対して１回目のレーザ光照射が完了すると、制御部３０から交換機２７に制御信号を送り、照射位置にある第１の光学部材５１を第２の光学部材５２に入れ替える（工程Ｋ３４）。入れ替えた第２の光学部材５２を基準位置に対して位置合せする（工程Ｋ３５）。結晶化領域７６に２回目のレーザ光を照射する（工程Ｋ３６）。位相シフタの第２のアライメントマーク５１ｘ，５１ｙにレーザ光軸の照準を合わせてレーザ光を照射し、位置合せ領域７７に転写マーク７７ｘ，７７ｙを形成する。レーザ光照射→基板ステージの移動→レーザ光照射→基板ステージの移動を繰り返して、ステップバイステップで被処理基板の位置合せ領域７７に次々に転写マーク７７ｘ，７７ｙを形成する（工程Ｋ３７）。制御器３０のＣＰＵはレーザ光照射した領域が最後の位置合せ領域であると判断すると、結晶化処理完了の信号をレーザ光源の駆動回路に送り、結晶化処理を終了する（工程Ｋ３８）。
【０１０９】
（プロキシミティ方式）
図１７に示すプロキシミティ型エキシマレーザ結晶化装置（ＰＸＥＬＡ装置）１Ａにも本発明を適用することができる。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。
【０１１０】
プロキシミティ型の結晶化装置１Ａにおいては、位相シフタ５が基板ステージ１０上の被処理基板７０の入射面に近接配置されている。光学系４で均一化された均一光を位相シフタ５により光強度変調し、この光強度変調光を被処理基板７０の入射面に照射するようにしている。
【０１１１】
図６に示す２つの光学部材５１，５２を有する位相シフタ５をホルダ５０にセットし、結像光学系７に対する各光学部材５１，５２の位置合せをそれぞれ行う。これらのアライメント作業は、制御部３０のメモリ３４に保存された過去の実績データを利用して行なうようにしてもよい。
【０１１２】
制御部３０は、各光学部材５１，５２のアライメント作業において得られたXYZ座標位置とθ値のデータをメモリ３４に保存する。保存されたデータは、メモリ３４から随時呼び出して利用することができるようになっている。
【０１１３】
レーザ光８０は、光源２から出射され、アッテネータ３で光強度を減衰され、光学系４のホモジナイザ４１，４３により均一化され、位相シフタ５の第１の光学部材５１を透過して所定の光強度分布を有する変調光となり、基板ステージ１０上に置かれた被処理基板７０に入射する（１回目のショット）。これにより被処理基板上の半導体膜７３の所定領域が結晶化される。
【０１１４】
２ショット法では、位相シフタ自動交換機２７のハンドリング機構により位相シフタ５をＸ方向に第１及び第２の光学部材５１，５２の相互間距離（例えば１０ｍｍ）だけ移動させ、照射領域のパターンを第１の光学部材５１から第２の光学部材５２に切り替える。次いで、制御部３０は、メモリ３４から装置パラメータのうち所定のデータを呼び出し、呼び出したデータに基づいて位相シフタ上の第２の光学部材５２を結像光学系７に対して位置合せする。そして、上記と同様に半導体膜７３の同一箇所に異なる光強度分布のレーザ光を照射する（２回目のショット）。
【０１１５】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
本発明は、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。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】本発明の実施形態に係る結晶化装置を示す構成ブロック図。
【図２】図１の装置の光学系（プロジェクション方式）を示す構成ブロック図。
【図３】（ａ）は位相シフタの平面図、（ｂ）は位相シフタの側面図、（ｃ）は被処理基板の側断面図、（ｄ）は一次元ビームプロファイル特性線図。
【図４】（ａ）は他の位相シフタの平面図、（ｂ）は他の位相シフタの側面図、（ｃ）は被処理基板の側断面図、（ｄ）は他の位相シフタによる一次元ビームプロファイル特性線図。
【図５】結晶化装置の制御ブロック図。
【図６】本発明の実施形態の位相シフタを示す平面図。
【図７】他の実施形態の位相シフタを示す平面図。
【図８】（ａ）は位相シフタ選択用アライメントマークの拡大平面図、（ｂ）はパターン厚み補償用アライメントマークの拡大平面図。
【図９】本発明の実施形態を説明するためのフローチャート。
【図１０】本発明の実施形態を説明するためのフローチャート。
【図１１】アライメントマークを基準位置に位置合せするときのＣＣＤカメラ視野を模式的に示す図。
【図１２】被処理基板の平面図。
【図１３】図１２のＡの部分を拡大して被処理基板上に形成された結晶化領域とアライメントマークとを模式的に示す拡大平面図。
【図１４】１つの結晶化領域を拡大して示す拡大平面図。
【図１５】他の実施形態を説明するためのフローチャート。
【図１６】他の実施形態を説明するためのフローチャート。
【図１７】他の実施形態に係る結晶化装置の光学系（プロキシミティ方式）を示す構成ブロック図。
【符号の説明】
【０１１８】
２…レーザ光源、３…アッテネータ、４…照明光学系（レーザ光学系）、
５，５Ａ，５Ｂ，６…位相シフタ、５ａ，５ｂ…段差、
５０Ａ，５０Ｂ…ホルダ、
５０ａ，５０ｂ…サブホルダ、
５１，６１…光学部材（石英基材、水晶基材）、
５１ｘ，５１ｙ，５２ｘ，５２ｙ…第２のアライメントマーク（光学部材（基材）の厚み補償用マーク、位相シフタと結晶化装置の基準位置との位置合せ用マーク、被処理基板と次工程装置との位置合せに利用するマーク）、
６…位相シフタ、６２…ドット段差、
７…結像光学系（レーザ光学系）、
８…第１のアライメントマーク（位相シフタ識別用マーク、位相シフタと被処理基板との位置合せ用マーク）、
８ａ，８ｂ…照準線、８ｇ…マークの重心、
１０…基板ステージ、
１９…ＸＹＺθ駆動機構、
２０…ハイトセンサ（CCDカメラ内蔵）、
２０ａ…基準位置（ハイトセンサのCCDカメラ視野内におけるＸＹ座標の原点、and結晶化装置の固定点に該当）、
２７…位相シフタ交換機構、
３０…制御部、
７０…被処理基板、
７１…基材（Ｓｉ）、
７２…絶縁膜（ＳｉＯ2等）、
７３…非単結晶半導体膜（ａ-Ｓｉ）、
７４…キャップ膜（ＳｉＯ2等）、
７５…第３のアライメントマーク（被処理基板識別用マーク、and被処理基板と結晶化装置の基準位置との位置合せ用マーク）、
７６…結晶化領域、
７７…位置合せ領域、
７７ｘ，７７ｙ…転写アライメントマーク（第４のアライメントマーク、被処理基板と次工程装置との位置合せ用マーク）、
７８…結晶成長部、
７９ａ，７９ｂ…単結晶、
８０…レーザ光、
８１，８３…レーザ光の光強度分布（逆ピークパターン状の光強度分布）、
８１ａ，８１ｂ，８３ａ，８３ｂ…光強度分布のピーク。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理基板上の非単結晶半導体膜に照射されるレーザ光を変調するための結晶化装置用位相シフタであって、
レーザ光を所定の光強度と位相に変調するためのパターンが形成された複数の光学部材と、
前記複数の光学部材を保持するホルダと、
位置合せ用の平面視野において結晶化装置のレーザ光軸が位置するところを基準位置としたときに、前記光学部材の固有の光学特性に応じて前記光学部材の各々を前記基準位置に対してそれぞれ位置合せするために、前記光学部材の各々に１対１に対応して設けられた第１のアライメントマークと、
前記結晶化領域の各々に１対１に対応するようにレーザ光の照射により被処理基板上に転写され、該転写マークを用いて結晶化後の被処理基板を次工程以降の装置に対して位置合せするために、前記ホルダに設けられた第２のアライメントマークと、
を有することを特徴とする結晶化装置用位相シフタ。
【請求項２】
前記ホルダに着脱可能に保持され、前記光学部材を１つ保持するサブホルダをさらに有することを特徴とする請求項１記載の位相シフタ。
【請求項３】
前記第１のアライメントマークは、前記光学部材の屈折率、吸収率、反射率及び偏光特性に応じて前記基準位置に対して前記光学部材を位置合せすることを特徴とする請求項１記載の位相シフタ。
【請求項４】
前記第２のアライメントマークは、横方向成分マークおよび縦方向成分マークを含むことを特徴とする請求項１記載の位相シフタ。
【請求項５】
レーザ光源と、非単結晶半導体膜を有する被処理基板を支持する基板ステージと、前記レーザ光源からのレーザ光の光強度を均一化する照明光学系と、前記照明光学系を通過したレーザ光を前記基板ステージに支持された被処理基板に結像させる結像光学系と、前記照明光学系を通過したレーザ光を変調する位相シフタと、を具備する結晶化装置であって、
前記位相シフタは、
レーザ光を所定の光強度と位相に変調するためのパターンが形成された複数の光学部材と、
前記複数の光学部材を保持するホルダと、
位置合せ用の平面視野において結晶化装置のレーザ光軸が位置するところを基準位置としたときに、前記光学部材の固有の光学特性に応じて前記光学部材の各々を前記基準位置に対してそれぞれ位置合せするために、前記光学部材の各々に１対１に対応して設けられた第１のアライメントマークと、
前記結晶化領域の各々に１対１に対応するようにレーザ光の照射により被処理基板上に転写され、該転写アライメントマークを用いて結晶化後の被処理基板を次工程以降の装置に対して位置合せするために、前記ホルダに設けられた第２のアライメントマークと、
を有し、
前記結晶化装置は、
前記複数の光学部材の中から所望の光学部材を選択し、選択した光学部材に切り替える選択切り替え手段と、
前記第１のアライメントマークを用いて前記結像光学系に対して前記選択した光学部材を位置合せするとともに、前記基板ステージ上の被処理基板を前記結像光学系に対して位置合せし、この位置合せされた被処理基板に対して前記位相シフタを位置合せする位置合せ手段と、
前記位置合せされた位相シフタの第２のアライメントマークを通って被処理基板にレーザ光が照射され、該被処理基板上に前記第２のアライメントマークが転写された転写マークが形成されるように、前記レーザ光源を制御する制御手段と、
を具備することを特徴とする結晶化装置。
【請求項６】
前記ホルダが複数のサブホルダを有し、該サブホルダは前記光学部材を１つ保持するものであり、
前記選択切り替え手段が前記複数のサブホルダのなかから１つを選択し、選択したサブホルダごと光学部材を切り替えることを特徴とする請求項５記載の結晶化装置。
【請求項７】
前記選択切り替え手段は、実施した前記結合光学系と前記光学部材との位置合せデータとしてXYZ座標位置とθ値を保存しておき、保存した前記位置合せデータを呼び出し、呼び出したデータに基づいて前記光学部材を切り替えることを特徴とする請求項５記載の結晶化装置。
【請求項８】
前記位相シフタは、周期的なドット段差を有するドット型の光学部材を有するか、又はラインとスペース段差とを有するラインアンドスペース型の光学部材を有することを特徴とする請求項５記載の結晶化装置。
【請求項９】
位相シフタで変調したレーザ光を被処理基板上の非単結晶半導体膜に照射して該非単結晶半導体を結晶化する結晶化方法であって、
（ａ）複数の光学部材と第１及び第２のアライメントマークとを有する位相シフタ、および、結晶化領域と位置合せ領域と第３のアライメントマークとを有する被処理基板をそれぞれ準備し、
（ｂ）結晶化装置のレーザ光軸に対応する基準位置を設定し、
（ｃ）前記第１のアライメントマークを用いて前記基準位置に対して前記位相シフタを位置合せし、位置合せした座標データを記憶しておき、
（ｄ）前記第３のアライメントマークを用いて被処理基板を前記基準位置に対して位置合せし、
（ｅ）前記複数の光学部材のうちから１つを選択し、
（ｆ）前記記憶しておいた位置合せ座標データを呼び出し、前記選択した光学部材が前記呼び出した位置合せ座標に位置するように、前記位相シフタを移動させ、
（ｇ）前記結晶化領域にレーザ光を照射して前記非単結晶半導体を結晶化するとともに、前記第２のアライメントマークを通して前記位置合せ領域にレーザ光を照射し、前記第２のアライメントマークを前記位置合せ領域に転写する、
ことを特徴とする結晶化方法。
【請求項１０】
前記（ｇ）工程では、前記結晶化領域の非単結晶半導体を結晶化した後に、前記第２のアライメントマークを用いて前記被処理基板の位置合せ領域に転写マークを形成することを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記（ｇ）工程では、前記第２のアライメントマークを用いて前記位置合せ領域に転写マークを形成した後に、前記結晶化領域の非単結晶半導体を結晶化することを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１２】
前記（ｇ）工程の後に、前記転写マークを用いて被処理基板を結晶化後の次工程の装置の光軸に対して位置合せすることを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１】
被処理基板上の非単結晶半導体膜に照射されるレーザ光を変調するための結晶化装置用位相シフタであって、
レーザ光を所定の光強度と位相に変調するためのパターンが形成された複数の光学部材と、
前記複数の光学部材を保持するホルダと、
位置合せ用の平面視野において結晶化装置のレーザ光軸が位置するところを基準位置としたときに、前記光学部材の固有の光学特性に応じて前記光学部材の各々を前記基準位置に対してそれぞれ位置合せするために、前記光学部材の各々に１対１に対応して設けられた第１のアライメントマークと、
前記結晶化領域の各々に１対１に対応するようにレーザ光の照射により被処理基板上に転写され、該転写マークを用いて結晶化後の被処理基板を次工程以降の装置に対して位置合せするために、前記ホルダに設けられた第２のアライメントマークと、
を有することを特徴とする結晶化装置用位相シフタ。
【請求項２】
前記ホルダに着脱可能に保持され、前記光学部材を１つ保持するサブホルダをさらに有することを特徴とする請求項１記載の位相シフタ。
【請求項３】
前記第１のアライメントマークは、前記光学部材の屈折率、吸収率、反射率及び偏光特性に応じて前記基準位置に対して前記光学部材を位置合せすることを特徴とする請求項１記載の位相シフタ。
【請求項４】
前記第２のアライメントマークは、横方向成分マークおよび縦方向成分マークを含むことを特徴とする請求項１記載の位相シフタ。
【請求項５】
レーザ光源と、非単結晶半導体膜を有する被処理基板を支持する基板ステージと、前記レーザ光源からのレーザ光の光強度を均一化する照明光学系と、前記照明光学系を通過したレーザ光を前記基板ステージに支持された被処理基板に結像させる結像光学系と、前記照明光学系を通過したレーザ光を変調する位相シフタと、を具備する結晶化装置であって、
前記位相シフタは、
レーザ光を所定の光強度と位相に変調するためのパターンが形成された複数の光学部材と、
前記複数の光学部材を保持するホルダと、
位置合せ用の平面視野において結晶化装置のレーザ光軸が位置するところを基準位置としたときに、前記光学部材の固有の光学特性に応じて前記光学部材の各々を前記基準位置に対してそれぞれ位置合せするために、前記光学部材の各々に１対１に対応して設けられた第１のアライメントマークと、
前記結晶化領域の各々に１対１に対応するようにレーザ光の照射により被処理基板上に転写され、該転写アライメントマークを用いて結晶化後の被処理基板を次工程以降の装置に対して位置合せするために、前記ホルダに設けられた第２のアライメントマークと、
を有し、
前記結晶化装置は、
前記複数の光学部材の中から所望の光学部材を選択し、選択した光学部材に切り替える選択切り替え手段と、
前記第１のアライメントマークを用いて前記結像光学系に対して前記選択した光学部材を位置合せするとともに、前記基板ステージ上の被処理基板を前記結像光学系に対して位置合せし、この位置合せされた被処理基板に対して前記位相シフタを位置合せする位置合せ手段と、
前記位置合せされた位相シフタの第２のアライメントマークを通って被処理基板にレーザ光が照射され、該被処理基板上に前記第２のアライメントマークが転写された転写マークが形成されるように、前記レーザ光源を制御する制御手段と、
を具備することを特徴とする結晶化装置。
【請求項６】
前記ホルダが複数のサブホルダを有し、該サブホルダは前記光学部材を１つ保持するものであり、
前記選択切り替え手段が前記複数のサブホルダのなかから１つを選択し、選択したサブホルダごと光学部材を切り替えることを特徴とする請求項５記載の結晶化装置。
【請求項７】
前記選択切り替え手段は、実施した前記結合光学系と前記光学部材との位置合せデータとしてXYZ座標位置とθ値を保存しておき、保存した前記位置合せデータを呼び出し、呼び出したデータに基づいて前記光学部材を切り替えることを特徴とする請求項５記載の結晶化装置。
【請求項８】
前記位相シフタは、周期的なドット段差を有するドット型の光学部材を有するか、又はラインとスペース段差とを有するラインアンドスペース型の光学部材を有することを特徴とする請求項５記載の結晶化装置。
【請求項９】
位相シフタで変調したレーザ光を被処理基板上の非単結晶半導体膜に照射して該非単結晶半導体を結晶化する結晶化方法であって、
（ａ）複数の光学部材と第１及び第２のアライメントマークとを有する位相シフタ、および、結晶化領域と位置合せ領域と第３のアライメントマークとを有する被処理基板をそれぞれ準備し、
（ｂ）結晶化装置のレーザ光軸に対応する基準位置を設定し、
（ｃ）前記第１のアライメントマークを用いて前記基準位置に対して前記位相シフタを位置合せし、位置合せした座標データを記憶しておき、
（ｄ）前記第３のアライメントマークを用いて被処理基板を前記基準位置に対して位置合せし、
（ｅ）前記複数の光学部材のうちから１つを選択し、
（ｆ）前記記憶しておいた位置合せ座標データを呼び出し、前記選択した光学部材が前記呼び出した位置合せ座標に位置するように、前記位相シフタを移動させ、
（ｇ）前記結晶化領域にレーザ光を照射して前記非単結晶半導体を結晶化するとともに、前記第２のアライメントマークを通して前記位置合せ領域にレーザ光を照射し、前記第２のアライメントマークを前記位置合せ領域に転写する、
ことを特徴とする結晶化方法。
【請求項１０】
前記（ｇ）工程では、前記結晶化領域の非単結晶半導体を結晶化した後に、前記第２のアライメントマークを用いて前記被処理基板の位置合せ領域に転写マークを形成することを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記（ｇ）工程では、前記第２のアライメントマークを用いて前記位置合せ領域に転写マークを形成した後に、前記結晶化領域の非単結晶半導体を結晶化することを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１２】
前記（ｇ）工程の後に、前記転写マークを用いて被処理基板を結晶化後の次工程の装置の光軸に対して位置合せすることを特徴とする請求項９記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１０−１４１０３６（Ｐ２０１０−１４１０３６Ａ）
【公開日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３１４６４９（Ｐ２００８−３１４６４９）
【出願日】平成２０年１２月１０日（２００８．１２．１０）
【出願人】（５０１２８６６５７）株式会社 液晶先端技術開発センター (161)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１０日（２００８．１２．１０）
【出願人】（５０１２８６６５７）株式会社 液晶先端技術開発センター (161)
【Ｆターム（参考）】
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