光施加装置、结晶装置和光学调制组件的制作方法

专利名称：光施加装置、结晶装置和光学调制组件的制作方法
背景技术：
本发明涉及一种光施加装置、结晶装置和光学调制组件，并且涉及，例如，通过将具有预定光强度分布的激光施加到例如多晶半导体膜或非晶半导体膜等的非单晶半导体膜或层，来生成结晶化半导体膜的技术。
通常在非晶硅层或多晶硅层中形成例如，在液晶显示器(LCD)中用于选择显示像素的开关元件或类似元件的薄膜晶体管(TFT)。多晶硅层与非晶硅层相比具有更高的电子或电子空穴迁移率。因此，当在多晶硅层中形成晶体管时，与在非晶硅层中形成晶体管的情况相比，开关速度增加了，并因此增加了显示响应速度。此外，可以用薄膜晶体管形成外围LSI。而且，还具有可以减小任何其它元件的设计余量的优点。此外，当显示器中引入例如驱动器电路或DAC等外围电路时，这些外围电路可以在更高的速度下工作。
由于多晶硅是由晶粒的聚集形成的，当例如形成TFT晶体管时，在该晶体管的沟道区中存在晶粒的边界，而这种晶粒边界成为了一种障碍，并与单晶体硅相比降低了电子或电子空穴的迁移率。另外，在多晶硅形成许多薄膜晶体管的情况下，各个薄膜晶体管之间在沟道部分中形成的晶粒边界的数量不同，在液晶显示器的情况下，这将变得不均匀并且会导致显示不规则的问题。因此，近年来，为了改善电子和电子空穴的迁移率，并减少沟道部分中的晶粒边界数量的不规则性，已经提出了一种结晶化方法，该方法可以生成具有一种颗粒尺寸晶粒的结晶规，所述颗粒尺寸与用非单晶硅形成的至少一个沟道区的尺寸一样大。
对于这种类型的结晶方法，公知一种通过对布置成靠近并平行于多晶硅膜或非晶硅膜的移相器施加受激准分子激光来产生结晶化半导体膜的“相位控制ELA(受激准分子激光退火)方法”。在例如Journal of the Surface Science Society of Japan Vol.21，No.5，pp.278-287，2000中介绍了该相位控制ELA方法的细节。
在该相位控制ELA方法中，在对应于移相器的相移部分的点或线生成光强度低于外围的光强度的具有反向尖峰图形(在中心光强度最小，并且光强度朝着外围急剧增加的图形)的光强度分布，并且具有这种反向尖峰形状光强度分布的激光光线施加到非单晶半导体膜(多晶半导体膜或非晶半导体膜)上。结果，在照射目标区中产生一个具有与所述光强度分布相一致的温度梯度的熔融区，在与光强度最小的点相一致的首先凝固或没有凝固的部分形成晶核，并且晶体从该晶核朝向外围以横向生长(下文中将称为“横向生长”或“沿横向生长”)，从而生成大颗粒尺寸的晶粒。
此外，在M.NAKATA and M.MATSUMURA，“Two-Dimensionally Position-Controlled Ultra-Large Grain GrowthBased on Phase-Modulated Excimer-Laser Annealing Method”，Electrochemical Society Proceeding Volume 200-31，page 148-154中介绍了大颗粒尺寸的常规结晶方法。在该方法中，通过在SiO2基板上提供相位台阶，来实现具有形成例如V形光强度梯度分布图形的元件和具有形成反向尖峰形状光强度最小分布图形的元件。此外，在处理过的基板靠近这两个叠置的元件的情况下施加受激准分子激光，从而在处理过的基板上生成结晶化的半导体膜。
此外，在Inoue，Nakata and Matsumura，The institute of Electronics，information and Communication Engineers Transaction，The institute ofElectronics，information and Communication Engineers，Aug.2002，Vol.J85-C，No.8，p.624-629的“Silicon thin film amplitude/phase-controlledexcimer laser fusing/re-crystallization method-new two-dimensionalposition-controlled large grain formation method”中介绍了大颗粒尺寸的结晶方法。在该方法中，通过作为光吸收材料的SiONx的厚度分布来实现具有形成例如V形光强度梯度分布图形的元件，通过SiO2的相位台阶来实现具有形成反向尖峰形状光强度最小分布图形的元件。在一个基板上叠置并形成这两个元件。另外，在处理过的基板靠近这一个元件基板的情况下施加受激准分子激光，从而在所述处理过的基板上生成结晶化的半导体膜。
在常规技术中，当使用具有180度相位台阶的移相器时，存在一个下面将参考图44(A)和45来介绍的缺点。
在图44A所示的移相器191与处理过的基板之间提供具有成像光学系统的结晶装置，通过所述成像光学系统在所述处理过的基板的预定表面上形成所述移相器191的图像，如图44B所示，在所述处理过的基板上通过所述成像光学系统形成的具有反向尖峰形状的光强度分布中的最小光强度(反向峰值点处的光强度)192依赖于由所述移相器191的台阶193得到的相位差。如图44C所示，当采用由台阶193获得的具有180度相位差的移相器时，在所述成像光学系统的焦点位置(图像形成表面)形成的具有反向尖峰形状的光强度分布是对称的，并且其最小光强度基本为零。
此外，在垂直方向稍稍偏离所述成像光学系统的焦点位置的散焦位置，要形成的反向尖峰形状的光强度分布同样也是对称的，如图44D所示，其最小光强度稍稍变强，但仍然是非常小的光强度。当以这种方式使用具有180度相位差的移相器时，由于不依赖于散焦方向保持所述光强度分布的对称性，所以可以实现较深的焦点深度。但是，由于在所述反向峰值点的最小光强度非常弱，所以存在一个缺点，即，用最小光强度照射的照射目标区没有熔化，非结晶区(与晶体生长起始点相比具有更小光强度的区域)变大到一定的程度并且晶粒的填充率不能增加。即，通过以当用所述最小光强度照射时，所述照射目标区产生的温度在熔点附近的方式来选择最小光强度，可以熔化几乎所有的照射目标表面，并且加宽结晶区。
从表达式λ/(θ/360)/(n-1)得到用来形成具有理想相位差的移相器191的台阶，其中λ表示激光波长，θ是度为单位表示理想的相位差的值，而n是所述移相器的透明石英基底材料的折射系数。当所述石英基底材料的折射系数为1.46，且XeCl受激准分子激光的波长为308nm时，为了提供180度的相位差，需要通过例如蚀刻方法对所述石英基板形成334.8nm的台阶。当如图所示，使用其中选择台阶193以得到60度相位差的移相器时，在所述成像光学系统的焦点位置形成的具有反向尖峰形状的光强度分布是对称的(在横向上对称)，如图45C所示，并且其最小光强度达到一定的强度。相反，在从所述成像光学系统的焦点位置向上和向下稍稍移动的散焦位置，要形成的具有反向尖峰形状的光强度分布的对称性大大减弱，并且其最小光强度(反向峰值点)的位置在横向上移动。这里，在所述处理过的基板中不可避免地存在着可能会是引起散焦的一种因素的板厚度偏差。
如上所述，具有60度相位差的移相器191(图45A)与具有180度相位差的移相器(图44A)相比，在反向峰值点具有稍稍强一点的最小光强度，因此可以加宽结晶化的区域。但是，在从所述焦点位置向上和向下移动的散焦位置处，光强度分布的横向对称性大大下降，并且依赖于所述散焦方法，在如图45B和45D所示的光强度分布中的对称性下降方向是相反的，由此，焦点深度变浅(窄)。此外，由于散焦，导致所述反向峰值点的位置在一个表面中移动(图中的上下方向和左右方向)，所以要生成的晶粒的位置也从理想的位置偏离，当在所形成的晶粒中形成电路时，这将导致一个不利的问题。即，如果晶粒没有形成在理想的位置，则不能或难以精确地在晶粒中形成晶体管的沟道部分，并因此存在使晶体管的特性变坏的问题。
此外，当使用具有180度相位差的移相器和使用具有60度相位差的移相器时，在例如聚焦状态具有反向尖峰形状的光强度分布的反向尖峰的两侧产生如图44C和45C中用虚线圆表示的不必要的突起峰形状。即，这种不必要的尖峰形状对应于一个高光强度部分。当在具有反向尖峰形状的光强度分布的反向尖峰的两侧或一侧存在这种尖峰形状时，由于光强度只在该尖峰形状部分变大，所以发生烧蚀，并且该半导体膜断裂。另外，当通过对非晶体半导体膜施加具有反向尖峰形状的光强度分布的光来生成结晶化半导体膜时，由于沿横向从反向尖峰部分处的最小光强区开始的晶体生长在高强度的尖峰形状部分的梯度递减部分停止，所以存在不能生成大颗粒尺寸的晶体的缺点。
发明简述本发明的一个目的是提供一种光施加装置，该装置能够在非晶体膜的理想位置稳定地形成理想的具有反向尖峰形状的光强度分布，并且在结晶装置中使用了本发明时，能够以高填充率在非晶体膜上形成晶粒。
这里，所述填充率是指当施加具有反向尖峰形状的光强度分布的光时，结晶区与照射目标表面的比率。
为了解决上述问题，根据本发明的第一方案，提供一种光施加装置，包括具有多个相位台阶的光学调制元件，进入所述光学调制元件，由所述相位台阶进行相位调制，并从所述光学调制元件出射的光束作为具有第一光强度分布的光束；以及布置在所述光学调制元件与一个预定平面之间的光学系统，该光学系统将所述经过相位调制的光束分为至少两个分别具有第二和第三光强度分布以及彼此不同的光学特性的光通量(light flux)，并投射包括所述分开的两个光通量的光束，所述投射的光通量的光强度分布彼此组合，从而所述投射的光束在所述预定平面上具有带反向尖峰形状的第四光强度分布，并进入所述预定平面，在所述预定平面上，所述第一到第四光强度分布彼此不同。
根据本发明的第二方案，提供一种光施加装置，包括具有多个相位台阶的光学调制元件，进入所述光学调制元件，由所述相位台阶进行相位调制，并从所述光学调制元件出射的光束作为在一个预定平面上形成第一光强度分布的光束；以及布置在所述光学调制元件与所述预定平面之间的光学系统，该光学系统将所述经过相位调制的光束分为至少两个分别在所述理想的平面上形成第二和第三光强度分布以及彼此不同光学特性的非干涉光通量，并投射包括所述分开的两个光通量的光束，所述投射的光通量的光强度分布彼此组合，从而所述投射的光束在所述预定平面上形成具有反向尖峰形状的第四光强度分布，所述第一到第四光强度分布彼此不同。
在本发明的第二方案中，通过在第一间隔对准的具有基本相差180度的相位差的图形的光学调制元件与将入射光束分为具有极化状态的两个光束的光束分割元件的协同作用，在一个预定表面上形成对应于彼此分离的两个反向尖峰形状光强度分布的组合的预定光强度分布。在这种情况下，在所述预定表面上形成的所述反向尖峰形状的光强度分布几乎不受散焦的影响。结果，当根据本发明的光施加装置应用到结晶装置时，可以根据一个深聚焦深度稳定地形成具有反向尖峰形状的理想的光强度分布，并且可以增加在基板的半导体膜上形成的晶粒的填充率。
优选，所述第一间隔沿所述相位台阶的一个方向，在形成具有反向尖峰形状的所述光强度分布的第一参考间隔与不形成所述反向尖峰部分的第一修正间隔之间变化。
所述两个相邻相位台阶之间的间隙可以沿所述相位台阶的一个方向增加/减少。优选，在所述预定表面上的对应于所述两个相邻相位台阶的第一修正间隔与第一参考间隔之间的差的绝对值的修正量C满足C≤0.5×λ/NA的条件，其中λ为光的波长，而NA是所述成像光学系统的图像侧的数值孔径。
根据上述方案，所述光学调制元件优选具有设置在所述相位台阶附近的一个光屏蔽区，以便抑制在具有反向尖峰形状的所述光强度分布中反向尖峰两侧产生的尖峰形状。在这种情况下，优选，所述光屏蔽区具有基本上平行于所述相位台阶延伸的线性光屏蔽区。在这种情况下，在所述预定表面上对应于所述线性光屏蔽区的中线与所述相位台阶之间的距离的距离D满足0.4×λ/NA＜D＜0.7×λ/NA的条件，其中λ为光的波长，而NA是所述成像光学系统的图像侧的数值孔径。
优选，所述光屏蔽区具有基本平行于所述相位台阶排列的多个隔离的光屏蔽区。在这种情况下，优选，在所述预定表面上对应于连接所述多个隔离的光屏蔽区的中心的中线与所述相位台阶之间的距离的距离D满足0.4×λ/NA＜D＜0.7×λ/NA的条件，其中λ为光的波长，而NA是所述成像光学系统的图像侧的数值孔径。
所述光学调制元件优选具有设置在所述相位台阶附近的一个相位调制区，以便抑制在具有反向尖峰形状的所述光强度分布中反向尖峰两侧产生的尖峰形状。在这种情况下，优选，所述相位调制区具有基本上平行于所述相位台阶延伸的线性相位调制区。在这种情况下，优选，在所述预定表面上对应于所述线性相位调制区的中线与所述相位台阶之间的距离的距离D满足0.4×λ/NA＜D＜0.7×λ/NA的条件，其中λ为光的波长，而NA是所述成像光学系统的图像侧的数值孔径。
优选，所述相位调制区具有基本平行于所述相位台阶排列的多个隔离的相位调制区。在这种情况下，优选，在所述预定表面上对应于连接所述多个隔离的相位调制区的中心的中线与所述相位台阶之间的距离的距离D满足0.4×λ/NA＜D＜0.7×λ/NA的条件，其中λ为光的波长，而NA是所述成像光学系统的图像侧的数值孔径。此外，优选，设置在所述相位台阶一侧的相位调制区的相位调制量与设置在所述相位台阶的另一侧的相位调制区的相位调制量具有基本相同的绝对值和不同的符号。
优选，在所述光学调制元件中，在每两个相邻的相位台阶之间形成的相位区具有交替不同的参考相位值，在每个相位区中形成一种相位分布，其中具有光学上小于所述成像光学系统的点扩展函数范围的半径的一个尺寸的第一区的面积共享比，以及不同于所述参考相位值的第一相位值根据每个位置而变化，并且在所述两个相邻相位区中的第一区的相位调制量具有基本相同的绝对值和不同的符号。在这种情况下，优选，所述修正量C在所述面积共享比最接近于50％的位置最小。
优选，所述光束分割元件具有一个双折射元件，并且该双折射元件布置在所述光学调制元件的附近，或布置在所述光学调制元件的共轭位置处，或者其附近，虽然所述双折射元件并不限于这些布置方式。在这种情况下，优选，所述双折射元件具有以晶体光轴相对于一个光轴形成一个预定角度的方式设置的一个双折射平行平面板(plane-parallel plate)。优选，所述双折射元件具有包含一对双折射平行平面板的萨瓦尔板(Savart plate)，以晶体光轴相对于所述光轴形成一个预定角度的方式来设置所述双折射平行平面板中的每一个。或者，所述双折射元件具有一对双折射平行平面板以及一个设置在所述平行平面板对之间的半波板，以晶体光轴相对于所述光轴形成一个预定角度的方式来设置所述双折射平行平面板的每一个。
所述光束分割元件可以具有布置在所述成像光学系统的光瞳表面上或其附近的所述双折射元件。在这种情况下，优选，所述双折射元件具有包括一对双折射偏转棱镜的渥拉斯顿棱镜(Wollastonprism)，以晶体光轴相对于所述光轴形成一个预定角度的方式来设置所述双折射偏转棱镜对中的每一个。优选，所述双折射元件由石英、方解石或氟化镁形成。
优选，所述光施加装置进一步包括一个控制元件，所述控制元件以被所述光束分割元件分开的两个光束具有基本相同的强度的方式控制进入所述光束分割元件的光束的极化状态。在这种情况下，优选，所述控制元件具有布置在所述光束分割元件的入射侧的四分之一波板。
根据本发明的第三方案，提供一种结晶装置，所述结晶装置包括所述光施加装置，并通过对设置在预定表面上的多晶半导体膜或非晶半导体膜施加具有预定光强度的光来生成结晶半导体膜。
作为本发明的一种改型，可以提供一种结晶方法，该方法通过使用所述光施加装置对设置在预定表面上的多晶半导体膜或非晶半导体膜施加具有预定光强度分布的光来生成结晶半导体膜。
作为本发明的另一种改型，可以提供一种通过使用所述结晶装置或所述结晶方法制造的器件。
作为本发明的再一种改型，可以提供一种具有图形的光学调制元件，其中以预定周期排列基本相差180度的相位台阶，其中两个相邻相位台阶之间的间隙沿所述相位台阶的一个方向增加/减小。
作为本发明的又一个改型，可以提供一种具有图形的光学调制元件，其中以预定周期排列基本相差180度的相位台阶，其中两个相邻相位台阶之间形成的相位区具有交替不同的参考相位值，在每一个相位区形成其中具有不同于所述参考相位值的第一相位值的第一区的面积共享比依赖于每一个位置而变化的相位分布，以及在两个相邻相位区中的所述第一区的相位调制量具有基本相同的绝对值和相反的符号。
作为本发明的另一种改型，可以提供一种具有图形的光学调制元件，其中以预定周期排列相位调制量基本相差180度的相位台阶，所述光学调制元件具有设置在所述相位台阶的附近的光屏蔽区。
所述光屏蔽区具有基本平行于所述相位台阶延伸的线性光屏蔽区。或者，优选，所述光屏蔽区具有多个基本平行于所述相位台阶排列的隔离的光屏蔽区。
作为本发明的再一种改型，可以提供一种具有图形的光学调制元件，其中以预定周期排列相位调制量基本相差180度的相位台阶，所述光学调制元件具有设置在所述相位台阶附近的相位调制区。
优选，所述相位调制区具有基本平行于所述相位台阶延伸的线性相位调制区。或者，优选，所述相位调制区具有多个基本平行于所述相位台阶排列的隔离的相位调制区。此外，优选，设置在所述相位台阶一侧的相位调制区的相位调制量与设置在所述相位台阶另一侧的相位调制区的相位调制量具有基本相等的绝对值和不同的符号。
根据所述结晶装置和所述结晶方法，可以以高填充率在半导体膜上形成晶粒。此外，可以理解，晶体可以在不产生烧蚀的情况下生长。根据本发明的结晶装置和结晶方法，通过具有相差180度的相位调制量的相位台阶的图形的光学调制元件与将入射光束分为具有极化状态的两个光束的光束分割元件的协同作用，在半导体薄膜基板的表面上形成对应于彼此分离的两个反向尖峰形状的光强度分布的组合的预定光强度分布。在这种情况下，虽然板厚度的偏差可能是在半导体薄膜基板中不可避免地存在散焦的一个因素，但是在所述半导体薄膜基板的表面上形成的具有反向尖峰形状的光强度分布几乎不受散焦的影响。结果，根据本发明的结晶装置和结晶方法可以基于一个深聚焦深度稳定地形成理想的具有反向尖峰形状的光强度分布，并增加在所述基板的半导体膜上形成的晶粒的填充率。
此外，根据本发明的结晶装置和结晶方法，通过使用具有设置在一个相位台阶附近的光屏蔽区或相位调制区的光学调制元件，可以在多晶半导体膜或非晶半导体膜上形成其中在反相尖峰两侧产生的尖峰形状受到抑制的具有反向尖峰形状的理想的光强度分布。结果，所述半导体膜不会由于尖峰形状引起烧蚀的发生而受到破坏。此外，从所述反向尖峰部分开始的晶体生长不会在所述尖峰形状部分停止，从而可以生成具有大颗粒尺寸的晶体。
根据本发明的第四方案，提供一种光施加装置，包括光学调制元件，用于调制入射光束；光通量分割元件，将通过所述光学调制元件调制的光束变为具有两个分开的光通量的光束，所述两个分开的光通量具有第一和第二光强度分布以及非相干性或极化状态；以及成像光学系统，基于已经进入并通过所述光学调制元件和/或所述光束分割元件的光束，在一个预定平面上形成对应于所述具有反向尖峰形状的第一和第二光强度分布的组合的预定光强度分布。
根据本发明的第四方案，通过具有基于入射光束形成具有反向尖峰形状的光强度分布的图形的光学调制元件与将入射光束分为具有极化状态的两个光束的光束分割元件的协同作用，可以在一个预定的表面上形成对应于彼此分离的两个反向尖峰形状的光强度分布的组合的预定光强度分布。在这种情况下，在所述预定的表面上形成的具有反向尖峰形状的光强度分布中的反向峰值点的最小光强度基本上是最大光强度的1/2，并且在所述预定的表面上形成的具有反向尖峰形状的光强度分布几乎不受散焦的影响。结果，当根据本发明的光施加装置应用于所述结晶装置时，可以根据一个深聚焦深度稳定地形成具有反向尖峰形状的理想的光强度分布，并且可以增加在所述基板的半导体膜上形成的晶粒的填充率。
所述光束分割元件可以具有布置在所述光学调制元件的附近，或在所述光学调制元件的共轭位置处，或其附近的双折射元件。在这种情况下，优选，所述双折射元件具有一个以晶体光轴相对于一个光轴形成一个预定角度的方式设置的双折射平行平面板。或者，优选，所述双折射元件具有包含一对双折射平行平面板的萨瓦尔板，以晶体光轴相对于所述光轴形成一个预定角度的方式来设置所述双折射平行平面板中的每一个。或者，优选，所述双折射元件具有一对双折射平行平面板以及设置在所述双折射平行平面板对之间的半波板，以晶体光轴相对于所述光轴形成一个预定角度的方式来设置所述双折射平行平面板中的每一个。
另外，所述光束分割元件可以与所述光学调制元件相结合。优选，所述光束分割元件具有布置在所述成像光学系统的光瞳表面上或其附近的双折射元件。在这种情况下，优选，所述双折射元件具有包含一对双折射极化棱镜的沃拉斯顿棱镜，以晶体光轴垂直于所述光轴的方式来设置所述双折射极化棱镜对中的每一个。
所述光学调制元件具有大约180度的相位差。在这种情况下，优选，所述光学调制元件具有包括根据预定周期布置的大约180度的相位差线的图形，并且彼此分离的两个反向尖峰形状的光强度分布之间的距离对应于所述相位差线的间距的大约1/2的奇数倍。或者，优选，所述光学调制元件具有其中三条或更多大约180度的相位差线在一点相互交叉的的图形，并且在所述预定表面上的两个非相干光束之间的距离对应于所述相位差线的交叉点的间距的大约1/2的奇数倍(图像形成平面上的所述第一间隔的转换值的大约1/2的奇数倍(odd-fold))。
所述光学调制元件具有其中三种或更多类型的相位差区在一点彼此接触的图形，并且在所述预定表面上的这两个非相干光束之间的距离对应于所述相位差区的接触点的间距的大约1/2的奇数倍。优选，所述光学调制元件进一步包括一个控制进入所述光束分割元件的光束的极化状态的控制元件，从而由所述光束分割元件分开的两个光束的强度变得彼此相等。在这种情况下，优选，所述控制元件具有布置在所述光束分割元件的入射侧的四分之一波板。
所述光学调制元件进一步具有基于入射光束形成光强度梯度分布的图形。在这种情况下，优选，所述光束分割元件的光束分割方向基本上与所述光强度梯度分布的梯度方向垂直。此外，至于由所述光束分割元件进行的光束的分割，优选，光束被分为两个具有均匀光强度的光束。而且，优选用石英、方解石或氟化镁形成所述双折射元件。
根据本发明第四方案的一种改型，可以提供一种其中具有支撑基座的结晶装置，所述支撑基座用来在根据第一到第四方案的光施加装置的所述成像光学系统的图像形成表面上提供具有非单晶半导体膜的处理过的基板。
根据本发明的另一种改型，可以提供一种使用根据第四方案的光施加装置的结晶方法，以便通过提供在预定表面上具有非单晶半导体膜的处理过的基板，并且对所述非单晶半导体膜施加具有预定光强度分布的光来生成结晶半导体膜。
根据本发明的第四方案的另一种改型，提供一种通过使用根据本改型的结晶装置或结晶方法制造的器件。
根据本发明的第四方案的再一种改型，提供一种光施加装置，包括由入射光束形成具有反向尖峰形状的光强度分布的光学调制装置；将已经进入并通过所述光学调制装置的光束分为具有非相干性的两个光束的光束分割装置；以及成像光学系统，基于已经进入并通过所述光束分割装置的光束在预定的表面上形成对应于彼此分离的两个反向尖峰形状的光强度分布的组合的预定光强度分布。
根据本发明的第四方案的又一种改型，可以提供一种光施加装置，包括由入射光束形成具有反向尖峰形状的光强度分布的光学调制装置；将已经进入并通过所述光学调制装置的光束分为具有极化状态的两个光束的光束分割装置；以及成像光学系统，设置在所述光束分割装置的传输光路径中，并在预定的表面上形成具有极化状态的两个光束。
根据本发明的第四方案，可以在理想的位置稳定地形成具有反向尖峰形状的理想的光强度分布，并且可以增加在半导体膜上形成的晶粒的填充率。在根据本发明的结晶装置和结晶方法中，通过具有基于入射光束形成具有反向尖峰形状的光强度分布的图形的光学调制元件与将入射光束分为具有极化状态的两个光束的光束分割元件的协同作用，可以在半导体薄膜基板的表面上形成对应于彼此分离的两个反向尖峰形状的光强度分布的组合的预定光强度分布。在这种情况下，如在稍后参考实施例的介绍，在所述半导体薄膜基板的表面上形成的具有反向尖峰形状的光强度分布中的反向峰值点的最小光强度变得，例如，大约是最大光强度的1/2。
此外，虽然板厚度的偏差是在所述半导体膜厚度中不可避免地存在散焦的一个因素，但是在所述半导体薄膜基板的表面上形成的具有反向尖峰形状的光强度分布几乎不受散焦的影响。结果，在根据本发明的结晶装置和结晶方法中，可以基于一个深聚焦深度稳定地形成一个理想的具有反向尖峰形状的光强度分布，并且可以增加在该基板的半导体膜上形成的晶粒的填充率。
在随后的说明书中将阐述本发明的其它目的和优点，通过说明书，其中的一部分将显而易见，或者通过实施本法明而领会。借助于下文中特别指出的手段和组合可以实现和得到本发明的目的和优点。
附图简述引入并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且结合上面给出的简要介绍和下面给出的实施例的详细介绍一起用来解释本发明原理。


图1示意性的示出了根据本发明第一实施例的结晶装置的结构图；图2示意性的示出了图1所示结晶装置的照明系统的内部结构图；图3A到3C是示出了在第一实施例中的光学调制元件的结构和作用的图；图4A和4B示出了在本发明中使用的光束分割元件的结构和作用；图5A到5C示出了在第一实施例中的光学调制元件和光束分割元件的协同作用；图6A和6B示出了可以用作第一实施例中的光束分割元件的萨瓦尔板的结构和作用；图7示出了可以用作该实施例中的光束分割元件的萨瓦尔板的一种改型的结构和作用；图8示出了双折射元件布置在成像光学系统的光瞳表面上或附近的一种改型；图9示出了图8所示的沃拉斯顿棱镜的结构和作用；图10A到10C示出了其中还额外提供了控制进入所述双折射元件的光束的极化状态的控制元件的一种改型；图11A和11B示出了通过将反向峰值点与一侧的尖峰形状的位置重叠，来基本消除反向尖峰或减小该反向尖峰的深度的技术；图12A到12C示意性的示出了在第二实施例中的光学调制元件的结构和将要形成的光强度分布；图13示出了具有平坦的圆形光瞳并且等光程的成像光学系统的点扩展函数PSF；图14A到14D示出了当通过使用具有180度相位台阶的线型移相器形成具有反向尖峰形状的光强度分布时，在反向尖峰两侧是如何产生尖峰形状的；图15示出了对应于所述线型移相器的相位值为0度的区域的图像的合成幅度分布U(x)的精确形状；图16A到16D是与图14A到14D相关，并示出了基于本发明抑制尖峰形状的第一技术的图；图17A到17D是与图14A到14D相关，并示出了基于本发明抑制尖峰形状的第二技术的图；图18A和18B示出了其中根据本发明的第二技术应用到第一实施例的光学调制元件的第三实施例的一种改型；图19A到19C示出了其中根据本发明的第二技术应用到第一实施例的光学调制元件的第三实施例的一种改型；图20示出了其中根据本发明的第二技术应用到第一实施例的光学调制元件的第三实施例的另一种改型；图21示出了根据第四实施例的光学调制元件的图形；图22A和22B示出了在图21中所示的光学调制元件中的基本图形；图23A到23C中的每一幅示出了当在第四实施例中不提供光束分割元件时，沿剖面B得到的光强度梯度分布；图24A到24C中的每一幅示出了当在第四实施例中不提供光束分割元件时，沿剖面C得到的光强度梯度分布；图25A到25C中的每一幅示出了在第四实施例中沿剖面B和剖面C得到的V形光强度梯度分布；图26示出了根据第五实施例的光学调制元件的图形；图27示出了在第五实施例中形成的V形光强度梯度分布与具有点反向尖峰形状的光强度分布的组合光强度分布；
图28示出了根据第六实施例的光学调制元件的图形；图29A和29B分别示出了在第六实施例中沿剖面A得到的光强度分布；图30A和30B分别示出了在第六实施例中沿剖面B得到的光强度分布；图31示出了根据第七实施例的光学调制元件的图形；图32A和32B分别示出了在第七实施例中沿剖面A得到的光强度分布；图33A和33B分别示出了在第七实施例中沿剖面B得到的光强度分布；图34A到34E示出了使用根据该实施例的结晶装置来制造电子器件的工艺的工艺剖面图；图35A和35B示出了在第八实施例中的光学调制元件的结构和作用；图36A到36C示出了在第八实施例中的光学调制元件和光束分割元件的协同作用；图37A到37C示出了具有四种类型的相位值区在一点处形成相互接触的图形的移相器用作所述光学调制元件的一种改型；图38A到38C分别示出了具有四个180度的相位差线在一点处彼此交叉的图形的移相器用作所述光学调制元件的一种改型；图39示出了其中额外提供具有基于入射光束形成光强度梯度分布的图形的第二光学调制元件的一种改型；图40A和40B示出了通过图39所示的改型中的光学调制元件和双折射元件的作用形成的具有反向尖峰形状的光强度分布；图41A和41B示出了图39所示的改型中的第二光学调制元件的图形；图42A和42B示出了图41A所示的第二光学调制元件中的基本图形；图43示出了在图39所示的改型中形成的V形光强度梯度分布与具有反向尖峰形状的光强度分布的组合光强度分布；图44A到44D分别示意性地示出了当使用具有180度相位量的相位台阶的移相器时，通过成像光学系统形成的具有反向尖峰形状的光强度分布；以及图45A到45D分别示意性地示出了当使用具有60度相位量的相位台阶的移相器时，通过所述成像光学系统形成的具有反向尖峰形状的光强度分布。
发明详述现在参考附图介绍根据本发明的实施例。
图1示意性的示出了根据本发明第一实施例的结晶装置的结构图。图2示意性的示出了图1所示结晶装置的照明系统的内部结构图。参考图1和2，根据第一实施例的结晶装置具有光学调制元件1、光束分割元件2(例如，双折射元件)、成像光学系统和照明系统3。所述光学调制元件1具有对一个半透明基板提供的多个台阶(不包括相位差基本为180度的台阶)，即，不是180度的相位差，并调制入射光束的相位，从而形成具有反向尖峰形状的光强度分布(第一光强度分布)。所述光束分割元件2是将入射光束分为多个具有光学特性的光束的装置。例如，它将来自所述光学调制元件1的光束分为至少两个具有不同的反向尖峰形状光强度分布(第二和第三光强度分布)和非相干性的不同光束，或分为至少两个具有极化状态的光束。所述成像光学系统基于已经进入并通过所述光学调制元件1和/或所述光束分割元件2的光束，在照射目标对象的一个预定表面或平面上形成对应于彼此分离的两个反向尖峰形状的光强度分布的组合的预定光强度分布(第四光强度分布)。
所述光束分割元件和所述成像光学系统将所述经过相位调制的光束分为至少两个具有反向尖峰形状的第二和第三光强度分布并具有不同光学特性的光束，并投射出这些光束。所述光束分割元件和所述成像光学系统构成一个光学系统，在该光学系统中，如此投射的光束的光强度分布相互结合，并且所述具有反向尖峰形状的第四光强度分布的组合光束进入非单晶体物质表面上的照射目标对象。
所述光学调制元件1例如是移相器，并以其图形表面(具有台阶的表面)面对所述光束分割元件2的方式放置，对所述光强度分割元件2没有限制。构成所述光学调制元件1，从而可以在非单晶体基板或层的熔点附近设置所述最小光强度，同时避开在传输的光强度分布中的最小光强度接近于0的180度的相位差。所述光束分割元件2将由所述光学调制元件1形成的具有反向尖峰形状的光强度分布，例如，在本优选例子中分为具有非相干性并彼此分离的两个光束。分开的距离设置为对应于台阶之间间隔的间隙的奇数倍(所述图像形成平面上的第一间隔的转换值的奇数倍)，从而得到在左右方向(横向)上对称的具有反向尖峰形状的光强度分布，并且其中可以在单晶体基板的熔点附近设置所述最小光强度。对称的，并且其中可以在单晶体基板的熔点附近设置最小光强度的具有反向尖峰形状的光强度分布允许稳定地形成具有相同颗粒尺寸和大的晶粒直径的晶粒的结晶区。采用该光强度分布，可以将整个照射目标区设置到接近该熔点的温度，因此，可以以高填充率在半导体膜(非单晶体区)上形成晶粒。此外，可以在不产生烧蚀的情况下生长晶体。所述光学调制元件1和所述光束分割元件2可以以整体的方式来构成。
所述照明系统3照射所述光学调制元件1。所述照明系统3包括投射具有熔化结晶处理目标物质的能量的光线的光源3a以及投射基本一致的入射角和光强度分布的均化器，如图2所示。所述光源3a例如是提供波长为248nm的光的KrF受激准分子激光光源。对于光源3a，可以使用具有投射能够熔化结晶加工目标物质或非单晶层的能量的光线的性能的任何其它合适的光源，例如，XeCl受激准分子激光光源或YAG激光光源。
所述光源3a提供的激光束通过光束扩束器3b扩束，然后进入第一蝇眼透镜(fly-eye lens)3c。由此，在所述第一蝇眼透镜3c的后焦面上形成多个小光源。来自所述多个光源的光通量通过第一聚光器光学系统3d以重叠的方式照射第二蝇眼透镜3e的入射表面。结果，在所述第二蝇眼透镜3e的后焦面上形成比所述第一蝇眼透镜3c的后焦面上的光源更多的小光源。来自所述第二蝇眼透镜3e的后焦面上形成的多个小光源的光通量通过第二聚光器光学系统3f以重叠的方式照射所述光学调制元件1。
这里，所述第一蝇眼透镜3c和所述第一聚光器光学系统3d构成第一均化器，并且所述第一均化器将所述光源3a提供的激光束均匀化，从而在所述光学调制元件1上的入射角变得均匀。此外，所述第二蝇眼透镜3e和所述第二聚光器光学系统3f构成第二均化器，并且所述第二均化器将来自所述第一均化器的具有均匀的入射角的激光束均匀化，从而在所述光学调制元件1上的每一个面内位置处的光强度变得均匀。以这种方式，所述照明系统3发射出具有基本均匀的光强度分布的激光束，并用这种激光束照射所述光学调制元件1。
使经过所述光学调制元件1的相位调制的激光束通过所述光束分割元件2和所述成像光学系统4进入一个处理过的基板或非单晶化层5，如图1所示。这里，光束分割元件2将由所述光学调制元件1形成的具有反向尖峰形状的光强度分布分为具有非相干性并且彼此分离的两个不同的光束。所述成像光学系统4以光学共轭的方式布置所述光学调制元件1的图形表面和所述处理过的基板5。换句话说，所述处理过的基板5布置在与所述光学调制元件1的图形表面光学共轭的一个表面上(所述成像光学系统4的一个图像表面)。所述成像光学系统4包括正透镜组4a和正透镜组4b之间的孔径限制装置4c。
所述孔径限制装置4c包括多个孔径部分(光发射部分)的尺寸不同的孔径阻挡(apertures stop)，并且所述多个孔径光阑4c中的预定的几个以可替代的方式布置在一条光路中。或者，所述孔径限制装置4c可以包括能够连续或间歇改变每个孔径部分的尺寸的可变光圈。在任何情况下，设置所述孔径限制装置4c的每个孔径部分的尺寸(由此设置所述成像光学系统4的图像侧数值孔径NA)，从而具有必要的光强度分布的激光束施加到所述处理过的基板5的非结晶半导体膜上，如稍后的介绍。所述成像光学系统4可以是折射型光学系统、反射型光学系统或折射/反射型光学系统。
通过化学汽相沉积法(CVD)在用于液晶显示器的透明基板例如玻璃板上依次形成下绝缘膜、非晶硅膜和帽盖(cap)膜，得到所述处理过的基板5。所述下绝缘膜和所述帽盖膜的每一个都是具有电绝缘特性的膜，例如，SiO2膜。所述下绝缘膜防止非单晶膜，例如，非晶硅膜直接与玻璃基板接触，以避免所述玻璃基板中的杂质，例如，Na，混入到所述非晶硅膜，并且还防止用于熔化所述非晶硅膜的热量直接传递到所述玻璃基板。所述非晶硅膜是待结晶的半导体膜。所述帽盖膜是被进入所述非晶硅膜的光束的一部分加热并储存这种加热温度的膜。该热量存储效应降低了当光束的进入被中断时所述非晶硅膜的照射目标表面中高温部分温度的相对迅速的下降，并有利于在横向上以大颗粒尺寸生长晶体。例如，通过真空吸盘或静电吸盘将所述处理过的基板5定位并固定在基板台6上的一个预定位置。
例如，在所述结晶装置中，如下所述来设置每个元件。从所述光源3a输出的激光束的波长λ为248nm。所述成像光学系统4的图像侧数值孔径NA为0.13，所述成像光学系统4的σ值为0.47，并且所述成像光学系统4的放大倍数为，例如，1/5(根据需要，所述成像光学系统4可以是一种放大光学系统)。所述光学调制元件1的图形尺寸用所述成像光学系统4的图像侧的转换值，即，图像侧转换值来表示。
现在参考图3A到3C详细介绍所述光学调制元件1的结构和作用。根据第一实施例的光学调制元件1包括一个透明体，例如石英基板，并且如图3A所示，它是具有60度相位差的线型移相器，其中，例如具有0度相位值的矩形区1a和具有60度相位值的矩形区1b沿一个方向或沿横向交替重复。由此，在这两个矩形区1a和1b之间形成60度的相位差线(相位之间的边界相移线)1c。在整个光学调制元件1中，以预定间距，例如，根据所述图像侧转换值而为5μm的间距(在实际形成的透明体中为25μm的间距)，形成所述相位差线1c。在本说明书中，术语“相位差线(相位之间的边界相移线)”是指对所述透明体形成的台阶，并且该台阶为入射光的光强度提供周期性的空间分布(反向尖峰光强度分布)。
与本发明的不同，当不插入所述光束分割元件2时，在设置到所述成像光学系统4的焦点位置(图像表面)的所述处理过的基板5的表面上，如图3B所示，用具有反向尖峰形状的对称光强度分布的激光束照射所述处理过的基板5，在该光强分布中，在对应于所述光学调制元件1的相位差线1c的线区中光强度最小，并且光强度从该线区沿横向急剧增加。相反，如图3C所示，设置在从所述成像光学系统4的焦点位置稍稍偏离，例如10μm，的散焦位置的所述处理过的基板5的表面上形成其中沿横向从对应于所述光学调制元件1的相位差线1c的线区移置的线区中光强度最小，并且光强度朝向外围急剧增加的对称光强度分布。
可以通过用预定的已知表达式对所述透明体，例如石英玻璃基板形成对应于一个必须的相位差的厚度分布，来制造所述光学调制元件1。通过选择性蚀刻或FIB(聚焦离子束)处理可以精确地形成所述石英玻璃基板的厚度变化。
现在参考图4A和4B介绍所述光束分割元件2的结构和作用。
参考图4A，所述光束分割元件2，例如是双折射元件2E，包括以其晶体光轴2a相对于所述照明系统的光轴形成一个预定角θ的方式设置的双折射平行平面板。至于形成所述双折射元件2E的双折射光学材料，可以使用例如，石英、方解石、氟化镁或类似材料。
在这种光束分割元件中，当例如随机极化的光线(激光束)G平行于所述照明系统的光轴进入所述双折射元件2E时，极化方向垂直于图4A的纸面空间的线性极化光线，即，正交光线o(第一光束G1)直线前进，不受所述双折射元件2E折射的影响，并平行于所述光轴射出。另一方面，极化方向是图4A的纸面空间的水平方向的线性极化光线，即，非正常光线e(第二光束G2)被所述双折射元件2E的入射界面折射，沿着与所述光轴形成角度φ的方向前进，然后被所述双折射元件2E的出射界面折射，并且平行于所述光轴射出。该现象是众所周知的，例如在Asakura Shoten出版的Junpei Tsujinai的“Introduction to Optics(Kougaku Gairon)II”的第五章、Gendai Kougaku Sha出版的KeieiKudou和Tomiya Uehara的“Basic Optics<Ray Optics/ElectromagneticOptics>(Kiso Kougaku<Kousen Kougaku/Denji Kougaku)”等中进行了详细介绍。这里引入该参考。
此时，平行于所述光轴从所述双折射元件2E中射出的所述正常光线(第一光束)C1与所述非正常光线(第二光束)G2之间的距离，即，分离宽度(分离距离)d依赖于形成所述双折射元件2E的光学材料的类型、相对于所述晶体光轴的方向、切割方法、在所述光轴方向所述双折射元件2的尺寸，即，厚度和其它尺寸。即，所述分离宽度(分离距离)d由构成所述双折射元件2E的材料的特性和形状来决定，并设置为通过将所述光学调制元件1的相位差线的间距除以一个奇数个得到的值。图4B示意性的示出了在所述光学调制元件1上的每一点是如何由所述双折射元件2E分为两个点，并且是如何观察到的。由所述双折射元件2E得到的所述分离宽度d是在所述成像光学系统4的对象侧的值，并且所述成像光学系统4的图像表面上的所述分离宽度是通过将所述分离宽度d乘以所述成像光学系统4的放大倍数1/5得到的值。
当使光线垂直进入包括由单轴晶体材料形成的平行平面板的双折射元件2时得到的分离宽度d用以下表达式(1)表示d＝tanφ×t……(1)其中tanφ＝(no2-ne2)sinθ·cosθ/(ne2cos2θ+no2sin2θ)。
在表达式(1)中，no是所述正常光线o的折射率，而ne是所述非正常光线e的折射率。此外，如上所述，φ是由所述非正常光线e与所述入射界面的正常线(即，光轴)形成的角度，θ是由所述晶体光轴2a与入射界面的正交线形成的夹角，而t是所述双折射元件2E的厚度。
例如，要求得到分离宽度d＝25μm的双折射元件2E的厚度，当对波长为238nm的光使用由人造石英形成的双折射元件2E，并且θ＝？度时，由于人造石英相对于248nm波长的光的折射率为ne＝1.6124，并且no＝1.6016，所以得到t＝3697μm。在本实施例中，由人造石英形成，并且具有45度的晶体光学轴线夹角θ和3697μm的厚度t的平行平面板用来作为所述双折射元件2E。因此，由所述双折射元件2E得到的分离宽度d为25μm，并且在所述成像光学系统4的图像表面上的分离宽度为5μm。
现在参考图5A到5C介绍所述光学调制元件1和所述光束分割元件2的协同作用。
如上所述，当图1所示的结晶装置中没有插入所述双折射元件2E时，如上所述，在设置在所述成像光学系统4的焦点位置的所述处理过的基板5的表面上形成如图3B所示的，具有在对应于所述光学调制元件1的相位差1c的线区中光强度最小，并且光强度朝向外围急剧增加的反向尖峰形状的对称光强度分布。另一方面，当图1所示的结晶装置中插入图4A和4B中所示的双折射元件2E时，由于所述入射光束G被分为两个具有极化状态的非相干光束G1和G2，所以在所述处理过的基板5的表面上形成对应于这两个彼此分离的并具有反向尖峰形状的光强度分布的组合的预定光强度分布。
此时，如果进入所述双折射元件2E的光束处于随机极化状态，则通过所述双折射元件2E分开的两个光束的强度基本相等。此外，当通过所述双折射元件2E分开的这两个光束在所述处理过的基板5的表面上重叠时，由于这些光束相互不干涉，所以这两个光束只是简单地组合为光强度的和。如上所述，在本实施例中，以5μm(图像侧转换值)的间距形成所述光学调制元件1的台阶1c，并且在所述处理过的基板5的表面上的这两个具有反向尖峰形状的光强度分布之间的间隙(即，所述成像光学系统4的图像表面上的分离宽度)也是5μm。
换句话说，对在所述处理过的基板5的表面上成像的这两个被所述双折射元件2E分开的具有反向尖峰形状的光强度分布之间的间隙进行设置，使其对应于所述光学调制元件1的相位差线1c之间的间隙(通常对应于所述相位差线1c之间的间隙的奇数倍)。本实施例是奇数倍数为1的例子，并且可以使用任何其它值，例如，3、5、7、……。因此，在聚焦状态下，由所述正常光线o(图5A)形成的具有反向尖峰形状的光强度分布和由所述非正常光线e(图5B)形成的具有反向尖峰形状的光强度分布正好彼此完全重叠。结果，如图3B所示，在所述处理过的基板5的表面上最终形成了在对应于所述光学调制元件1的相位差线1c的线区中光强度最小，并且光强度朝向外围急剧增加的具有反向尖峰形状的对称光强度分布(图5C)，而不受所述双折射元件2E的影响。
另一方面，当不插入所述双折射元件2时，在设置在所述成像光学系统4的散焦位置的所述处理过的基板5的表面上形成具有其中在偏离对应于所述光学调制元件1的相位差线1c的线区的线区中光强度最小，并且光强度朝向外围急剧增加的反向尖峰形状的非对称光强度分布，如图3C所示。至于通过所述双折射元件2E传输的光束，由于所述入射光束被分为两个具有极化状态的非相干光束，所以在所述处理过的基板5的表面上形成对应于这两个彼此分离的并具有反向尖峰形状的非对称光强度分布的组合的预定光强度分布。
即，在散焦状态下，形成由所述正常光线o形成的具有反向尖峰形状的非对称光强度分布，如图5A所示，以及由所述非正常光线e形成的具有反向尖峰形状的非对称光强度分布，如图5B所示。这里，图5A所示的具有反向尖峰形状的非对称光强度分布和图5B所示的具有反向尖峰形状的非对称光强度分布，由于该双折射元件2E的作用，在所述处理过的基板5的表面上偏移5μm。此外，在图31C中相邻的这两个具有反向尖峰形状的光强度分布关于与所述两个相邻的相位差线1c的中线对应的线区对称，并且对应于所述中线的所述线区的间距也是5μm。
因此，在散焦状态下，通过由所述正常光线o形成的具有反向尖峰形状的非对称光强度分布和由所述非正常光线e形成的具有反向尖峰形状的非对称光强度分布的组合形成如图5C所示的具有反向尖峰形状的对称光强度分布。在散焦状态下，光强度最小的反向尖峰点没有从对应于在所述处理过的基板5的表面上形成的对应于所述具有反向尖峰形状的光强度分布中的相位差线1c的线区偏离。图5示出了图3A所示的光学调制元件1的剖面图，并且该剖面图与虚线表示的相位差线1c相关。
如上所述，由于根据本实施例的装置使用具有60度(相位差大大不同于180度)相位差的相移图形的光学调制元件1，所以在所述处理过的基板5的表面上形成的具有反向尖峰形状的光强度分布中，在反向尖峰点处的最小光强度具有比0大到一定程度的值。此外，所有的或者是几乎所有的照射目标区可以设置为熔融区。而且，虽然板厚度的偏差是在所述处理过的基板5中不可避免地存在散焦的一个因素，但是由于所述光学调制元件1和所述光束分割元件2的协同作用，在所述处理过的基板5的表面上形成的具有反向尖峰形状的光强度分布变得对称，而不受散焦的影响。结果，在本实施例中，基于一个深聚焦深度可以稳定地形成具有反向尖峰形状的理想的光强度分布，并且可以增加在所述处理过的基板5的半导体膜上形成的晶粒的填充率。
在上述实施例中，为了抑制所述双折射元件2E产生的像差，需要紧贴所述光学调制元件1形成双折射，或移动所述双折射元件2E，使其尽可能靠近所述光学调制元件1。但是，由于当在所述双折射元件2E的表面与所述光学调制元件1的表面之间重复产生反射时，由干涉引起强度的不规则性，所以最好提供补偿所述不规则性的方式。至于这种补偿方式，可以采用在这两个元件之间提供的折射系数匹配材料、在这两个元件的相对表面上形成的不反射材料的涂覆表面等。
另外，通过对所述双折射元件2E的光入射表面进行表面处理来提供一个相位差，可以将所述双折射元件2E和所述光学调制元件1彼此结合。此外，虽然在上述实施例中所述双折射元件2E布置在所述光学调制元件1的后侧(出光侧)上，并靠近所述光学调制元件1，但是本发明并不限于此，并且所述双折射元件2E可以布置在所述光学调制元件1的共轭位置，或所述共轭位置附近。当然，也可以以它们彼此远离的方式来放置这两个元件。
此外，由于在上述实施例中所述双折射元件2E是由双折射平行平面板形成，所以所述正常光线o和所述非正常光线e具有不同的光学路径。因此，通过所述双折射元件2E分开的这两个光束之间将产生相位差，并且在光轴方向，这两个光束的图像形成位置彼此分离。为了避免这一问题，可以使用包括一对双折射平行平面板的萨瓦尔板，设置所述双折射平行平面板中的每一个，以使晶体光轴相对于一个光轴形成预定角度。现在参考图6A和6B介绍该例子。
构成萨瓦尔板20的一对平行平面板20a和20b具有相同的厚度，并且设置这些板中的每一个，以使其晶体光轴相对于一个光轴形成大约45度的角。即，第二平行平面板20b处于第一平行平面板20a绕所述光轴旋转90度的状态。在该萨瓦尔板20中，由于所述正常光线o的光学路径长度与所述非正常光线e的光学路径长度变得彼此相等，如图6A所示，所以不会出现由于相位差引起的上述图像形成位置分离的问题。
或者，可以采用基于所谓的Francon的所述萨瓦尔板的改型来作为所述光束分割元件，以避免由于相位差引起的图像形成位置分离的问题。现在参考图7介绍该例子。
根据基于Francon的萨瓦尔板的改型的双折射元件21包括一对双折射平行平面板21a和21b，以及设置在所述双折射平行平面板对21a和21b之间的一个半波板21c，以使其晶体光轴相对于所述光轴形成预定角度的方式来设置所述双折射平行平面板21a和21b。
构成所述双折射元件21的一对平行平面板21a和21b中的每一个以其晶体光轴相对于所述光轴形成大约45度角的方式来设置。即，所述第一平行平面板21a和所述第二平行平面板21b布置成关于所述半波板21c对称。此外，通过所述半波板21c，正常光线o转换为非正常光线e，而非正常光线e转换为正常光线o。结果，在所述双折射元件21中，正常光线o的光学路径长度与非正常光线e的光学路径长度变得彼此相等，如图7所示，因此，不会出现由于相位差引起的所述图像形成位置分离的问题。
在上述实施例中，布置在所述光学调制元件1附近的所述双折射元件2E用作所述光束分离元件2。但是，本发明并不限于此，布置在所述成像光学系统4的光瞳表面上，或者在光瞳表面附近的双折射元件22可以如图8所示代替所述双折射元件2E。如图9所示，这种双折射元件22是包括一对双折射极化棱镜22a和22b的渥拉斯顿棱镜，以晶体光轴相对于所述光轴形成预定角度的方式来设置所述双折射极化棱镜22a和22b中的每一个。
这里，所述第一极化棱镜22a的晶体光轴相对于图9的纸面空间水平设置，而所述第二极化棱镜22b的晶体光轴相对于图9的纸面空间垂直设置。即，所述平行平面板型渥拉斯顿棱镜22包括晶体光轴相互垂直的所述极化棱镜对22a和22b。所述渥拉斯顿棱镜22将入射光分为两个具有极化状态的光束，即，极化方向垂直于图9的纸面空间的线性极化光束，以及极化方向平行于图9的纸面空间的线性极化光束。
在该例子中，这两个具有极化状态的光束以相对于入射光对称的极化角分开。如果正常光线o的折射系数为no，而非正常光线e的折射系数为ne，则由所述渥拉斯顿棱镜22分开的这两个光束的分开角θw用下面的表达式(2)表示。
sinθw＝2(ne-no)tanθw{1-(ne-no)2·tan2θw/2+…}(2)当所述渥拉斯顿棱镜22用作所述光束分割元件2时，通过适当设置该分开角θw，可以得到与上述实施例同样的优点。还可以采用Rochon棱镜或de Senarmont棱镜来作为所述光束分割元件2，该棱镜类似于渥拉斯顿棱镜，在极化方向上进行角分割。此外，还可以采用Fresnel(多个)棱镜，该棱镜在顺时针极化方向和逆时针极化方向上进行角分割。由于通过光束分割元件2或萨瓦尔板可以看到一个物体的两个图像，所以光束分割元件2或萨瓦尔板通常称作双成像器。
在上述实施例中，假设随机极化的光束进入所述双折射元件2E，如图10A所示，并且由所述双折射元件2E分开的两个光束的强度基本上彼此相等。但是，如果在进入所述双折射元件2E的光束的极化状态存在偏差，则由所述双折射元件2E分开的这两个光束的强度不会变得彼此相等，具体地，如图10B所示，当极化方向垂直于图10B的纸面空间的线性极化光束G进入所述双折射元件2E时，所述入射光束直线前进并穿过所述双折射元件2E，同时保持其极化状态，并且使其成为出射光束G1。由非正常光线得到的光束G2强度非常弱，实际上只存在光束G1，并且所述入射光束没有分开。入射光束分割的意思是分开所述正常光线和所述非正常光线，同时每一种光线具有一定程度的强度，并希望被分割光束的光强度基本上等于所述入射光束的光强度。
当由所述双折射元件2E分开的这两个光束的强度彼此远远不同时，在所述处理过的基板5上形成的具有反向尖峰形状的光强度分布中，在反向峰值点处的最小光强度变得不固定。结果，从具有不同光强度的这两种类型的反向峰值点附近开始晶体生长，这导致了待形成的晶体的尺寸和形状存在差异的问题。因此，当进入所述双折射元件2E的这两个光束的极化状态存在偏差时，优选另外提供一个控制进入所述双折射元件2E的光束的极化状态的控制元件，从而由所述双折射元件2E分开的这两个光束具有基本相等的强度。
作为控制进入所述双折射元件2E的光束的极化状态的控制元件，如图10C所示，可以使用布置在所述双折射元件2E的入射侧的半波板7。具体地，当极化方向垂直于图10C的纸面空间的线性极化光束进入所述半波板7时，由于所述半波板7的作用使该光束的极化方向绕所述光轴旋转45度，并且该光束进入所述双折射元件2。结果，类似于随机极化的光束进入所述双折射元件2的例子，被所述双折射元件2E分开的这两个光束具有基本相等的强度。应当注意到，通过使用一个四分之一波板来代替所述半波板7，将所述线性极化光转换为圆形极化光，并使所得到的光进入所述双折射元件2E，被分割的这两个光束可以具有基本相等的强度。
第二实施例在第一实施例中，由于被所述双折射元件2E分开的这两个具有反向尖峰形状的光强度分布之间的间隙对应于所述相位差线1c之间的间隙，所以在通过这两个光强度分布的组合得到的所述具有反向尖峰形状的光强度分布中，在反向峰值点处的最小光强度是固定的。相反，如图11A和11B所示，当所述具有反向尖峰形状的这两个光强度分布之间的间隙故意从相位差线1c之间的间隙偏离，并且反向峰值点重叠在一侧的尖峰形状位置上时，可以基本消除尖峰或形成较浅的反向尖峰。
这里，术语“反向尖峰”指的是表示由所述光学调制元件1形成的最小光强度分布的凹曲线。术语“反向峰值点”指的是具有该凹曲线最小光强度值的点。术语“尖峰形状”指的是示出了反向尖峰图形的最小光强度的所述光强度分布曲线的形状。通过基本消除尖峰，即使当最大光强度具有不小于发生烧蚀的温度，也可以控制光强度，从而不会产生烧蚀，并且可以防止晶体生长在尖峰部分停止。因此，晶体生长继续，并允许更大的结晶。所述反向峰值点与尖峰形状位置之间的间隙D可以用下面的表达式(3)来近似。
D0.5×λ/NA ……(3)在本实施例中，类似于第一实施例，λ设置为248nm，而NA设置为0.13。因此，所述反向峰值点与尖峰形状位置之间的间隙D大约为1μm。图12A示意性的示出了光学调制元件1的结构和在第二实施例中要形成的光强度分布。在根据第一实施例的光学调制元件1中，如图3A所示，具有0度相位值的矩形区域1a和具有60度相位值的矩形区域1b沿横向交替重复，并且以根据图像侧转换值为5μm的间距形成60度的相位差1c。
相反，在根据第二实施例的光学调制元件1中，如图12A所示，具有0度相位值的区域1d和具有60度相位值的区域1e沿横向交替重复，但是当结晶目标位置为二维并且更精确的确定时，优选该元件。在其中具有0度相位值的区域1d和具有60度相位值的区域1e沿着一个方向交替重复的光学调制元件1中，当相对于具有例如60度相位值的区域1e的宽度形成5μm的部分(参考间隔)和4μm的部分(修正间隔)时，仅在该5μm部分形成反向尖峰。根据晶体管电路的形成位置或结晶区的表层内容来确定所述参考间隔的形成位置或尺寸。即，在剖面A的一个位置，两个相邻相位差线1f(区域1d和1e的宽度)之间的间隙为5μm，在沿相位差线1f的方向与剖面A的所述位置分开例如5μm的距离的剖面B的一个位置处，区域1e具有4μm的宽度或者区域1d具有6μm的宽度。即，在根据第二实施例的光学调制元件1中，所述具有反向尖峰形状的这两个光强度分布之间的间隙对应于在剖面A的所述位置处的相位差线1f之间的间隙。
但是，在除剖面A的所述位置之外的其它剖面位置，由所述光束分割元件2分开的所述具有反向尖峰形状的这两个光强度分布之间的间隙从相位差线1f之间的间隙偏离，并且在剖面B的所述位置处的最大偏差量为1μm。如上所述，在根据第二实施例的光学调制元件1中，两条相邻相位差线1f之间的间隙沿所述相位差线1f的方向在作为第一参考间隔(设计值)的5μm和作为第一修正间隔的4μm或6μm之间反复增加和减小。此外，对应于所述第一修正间隔与这两条相邻相位线1f之间的所述第一参考间隔之间的差的绝对值的修正量C不超过1μm，并且满足下面的表达式(4)。
C≤0.5×λ/NA……(4)如上所述，在本实施例中，所述具有反向尖峰形状的这两个光强度分布之间的间隙对应于在所述光学调制元件1的剖面A的所述位置处的相位差线1f之间的间隙。因此，如图12B所示，在对应于图12A所示的光学调制元件1的剖面A的所述位置的处理过的基板5的一个表面位置处形成具有反向尖峰形状的光强度分布。另一方面，使具有反向尖峰形状的这两个光强度分布之间的间隙在图12A所示的光学调制元件1的剖面B的所述位置处偏离所述相位差线1f之间的间隙大约间隙D，并且所述反向峰值点重叠在该点一侧的尖峰形状位置上。因此，在对应于图12C所示的光学调制元件1的剖面B的所述位置的处理过的基板5的表面位置形成基本上消除了反向尖峰的光强度分布。
在根据第二实施例的光学调制元件1中，所述两条相邻相位差线1f之间的间隙沿所述相位差线1f的方向在作为第一参考间隔的5μm和作为第一修正间隔的4μm或6μm之间反复增加和减小。因此，所述反向峰值点的光强度在对应于所述光学调制元件1的剖面A的所述位置的处理过的基板的表面位置最小，并且所述反向峰值点的光强度沿所述相位差线1f的方向，朝着对应于剖面B的所述位置的处理过的基板5的表面位置增加。
结果，在第二实施例中，所述反向峰值点可以被限制在对应于所述光学调制元件1的剖面A的所述位置的处理过的基板5的所述表面位置。即，在第二实施例中，除了第一实施例的优点之外，能够实现二维地确定晶体形成位置的优点。
第三实施例在第一实施例中，不必要的尖峰形状出现在特别是在聚焦状态下形成的具有反向尖峰形状的光强度分布中的反向尖峰两侧。如上所述，所述尖峰形状的存在是可能是烧蚀的一个因素，也是使晶体生长停止的因素。首先，在具体说明第三实施例之前，将要介绍在所述反向尖峰两侧出现所述尖峰形状的原理。通常，当消除比例系数时，由成像光学系统4得到的一个形成的图像的合成幅度分布U(x，y)可以用下面的表达式(5)表示。
U(x，y)＝O(x，y)*PSF(x，y) ……(5)在表达式(5)中，O(x，y)表示一个对象的合成幅度传递分布；*，卷积(卷积积分)；PSF(x，y)，所述成像光学系统4的点扩展函数。在本例子中，点扩展函数定义为由所述成像光学系统4得到的一个点像的合成幅度分布。当所述成像光学系统4具有平坦的圆形光曈，并且没有像差时，用下面的表达式(6)表示该点扩展函数PSF(x，y)。
PSF(x，y)＝2J1(a·r)/(a·r) ……(6)其中a＝(2π·NA)/λr＝(x2+y2)1/2在表达式(6)中，J1表示Bessel函数；λ，光的波长；NA，所述成像光学系统4的图像侧数值孔径，如上所述。图13示出了基于表达式(6)的点扩展函数PSF。图13中，纵轴表示该点扩展函数PSF的值，而横轴表示(a·r)的值。参考图13，存在该点扩展函数PSF的值为负的一个区域，即，“负值区”，并且该负值区的存在是出现尖峰形状的一个因素。
在该例中，最接近原点的负值区的位置范围用下面的表达式(7)表示。此外，当在表达式(7)中代入a＝(2π·NA)/λ时，可以得到由下面的表达式(8)表示的关系。
3.8＜a·r＜7.0……(7)0.61×λ/NA＜r＜1.11×λ/NA ……(8)以具有180度相位差的移相器为例子，进一步具体介绍该尖峰形状的出现。图14A示出了具有180度相位差的移相器的合成幅度透射率分布O(x)。对于图14A中的左侧区域，即，具有180度相位值的区域40和右侧区域，即，具有0度相位值的区域41，将关注的重点放在该右侧区域41。用多条细线42表示与点扩展函数PSF(x)卷积的状态，由此得到的图像的合成幅度分布U(x)用图14B中的粗线43a表示。用粗线43a表示的所述合成幅度分布U(x)相对于一个台阶的位置44关于一个点对称，并且在右侧产生一个凸起部分45，同时在左侧产生一个凹陷部分46。
图15示出了对应于具有0度相位值的所述区域41的图像的合成幅度分布U(x)的精确形状。相对于图14A的左侧区域，即，具有180度相位值的区域40，也会出现相同的现象。如上所述，加重了右侧的凸起部分47和左侧的凹陷部分48，并保留在通过将用粗线43a表示的对应于具有0度相位值的区域41的合成幅度分布U(x)和用粗线43b表示的对应于具有180度相位值的区域40的合成幅度分布U(x)进行叠加而得到的用粗线43表示的最终的合成幅度分布U(x)中。结果，如图14D所示，根据图14C中所示的凸起部分47和凹陷部分48，在由所述移相器的相位差形成的具有反向尖峰形状的光强度分布中的反向尖峰两侧产生尖峰形状(在图中用每一个虚线圆表示)。
图16A到16D是与图14A到14D相关的图，并示出了基于本发明抑制所述尖峰形状的第一技术。参考图16A，在第一技术中，分别在对应于图14C所示的凸起部分47和凹陷部分48的位置设置光屏蔽区60和61。因此，如图16A所示，每个光屏蔽区60和61的合成幅度透射率分布O(x)的值为0。
结果，如图16B所示，在与所述点扩展函数PSF(x)的卷积中，由于所述光屏蔽区60而缺少了用粗虚线61表示的部分，并且用粗线63a表示所得到图像的合成幅度分布U(x)。将用粗线43a表示的合成幅度分布U(x)与用粗线63a表示的合成幅度分布U(x)进行比较，在用粗线43a表示的合成幅度分布U(x)中的凸起部分45a由于所述光屏蔽区60的作用变为凹陷部分64a。凹陷部分46慢慢变为凹陷部分65a，但是所述凹陷部分46和所述凹陷部分65a基本上可以认为是相同的。在该例中，希望所述凹陷部分64a的表面容量(superficial content)基本等于所述凹陷部分65a的表面容量(＝所述凹陷部分46的表面容量)。
在这种情况下，如图16C所示，在通过将用粗线63a表示的对应于其中形成所述光屏蔽区60的具有0度相位值的区域的合成幅度分布U(x)叠加在用粗线63b表示的对应于其中形成所述光屏蔽区61的具有180度相位值的区域的合成幅度分布U(x)上而得到的用粗线63表示的最终的合成幅度分布U(x)中，所述凹陷部分64a与对应于倒置的凹陷部分65a的凸起部分65b互相抵消，而所述凹陷部分65a与对应于倒置的凹陷部分64a的凸起部分64b互相抵消，如在图中用每个虚线椭圆所示的。消除了在合成幅度分布U(x)中观察到的用粗线43表示的所述凸起部分47和所述凹陷部分48，并且在这些部分可以得到相对平坦的分布。结果，在第一技术中，如图16D所示，在由所述移相器的相位差形成的具有反向尖峰形状的光强度分布66中，在该反向尖峰的两侧基本不产生尖峰形状。
图17A到17D是与图14A到14D相关的图，并示出了基于本发明抑制所述尖峰形状的第二技术。参考图17A，在第二技术中，分别在对应于图14C中所示的凸起部分47和凹陷部分48的位置设置相位调制区70和71。在本例中，将所述相位调制区70和71每一个的相位调制量设置为180度。因此，如图17A所示，在所述相位调制区70中的合成幅度透射率分布O(x)的值与所述具有180度相位值的区域中的值相同，而在所述相位调制区71中的合成幅度透射率分布O(x)的值与所述具有0度相位值的区域中的值相同。
结果，如图17B所示，在与所述点扩展函数PSF(x)的卷积中，由于所述相位调制区70，倒转了用粗虚线72表示的部分，并且用粗线73a表示所得到图像的合成幅度分布U(x)。将用粗线43a表示的合成幅度分布U(x)与用粗线73a表示的合成幅度分布U(x)进行比较，在用粗线43a表示的合成幅度分布U(x)中的凸起部分45由于所述相位调制区70的作用变为凹陷部分74a。所述凹陷部分46慢慢变为凹陷部分75a，但是所述凹陷部分46和所述凹陷部分75a基本上可以认为是相同的。在该例中，希望所述凹陷部分74a的表面容量基本等于所述凹陷部分75a的表面容量(＝所述凹陷部分46的表面容量)。
在这种情况下，如图17C所示，在通过将用粗线73a表示的对应于其中形成所述相位调制区70的具有0度相位值的区域的合成幅度分布U(x)叠加在用粗线73b表示的对应于其中形成所述相位调制区71的具有180度相位值的区域的合成幅度分布U(x)上而得到的用粗线73表示的最终的合成幅度分布U(x)中，所述凹陷部分74a与对应于倒置的凹陷部分75a的凸起部分75b互相抵消，而所述凹陷部分75a与对应于倒置的凹陷部分74a的凸起部分74b互相抵消，如在图中用每个虚线椭圆所示的。消除了在合成幅度分布U(x)中观察到的如图14C所示用粗线43表示的所述凸起部分47和所述凹陷部分48，并且在这些部分可以得到相对平坦的分布。结果，在第二技术中，类似于第一技术，如图17D所示，在由所述移相器的台阶形成的具有反向尖峰形状的所述光强度分布76中，在反向尖峰的两侧的最大光强度部分基本不产生尖峰形状(图15中的凸起部分45)。
现在介绍所述光屏蔽区60和61或所述相位调制区70和71的位置和尺寸。如上所述，在图14B中，根据卷积公式(5)通过只在远离台阶的右侧积分区域41确定在图像的合成幅度分布U(x)中的每个凸起部分45和凹陷部分46的位置。参考精确显示出结果的图15，所述突起部分45放置在离开台阶0.4λ/NA到0.7λ/NA的范围内。因此，在该位置附近同样提供所述光屏蔽区60和61或所述相位调制区70和71就足够好了。此外，至于所述光屏蔽区60和61或所述相位调制区70和71的尺寸，设置所述凹陷部分64a和74a的表面容量基本等于所述凹陷部分65a和75a的表面容量就足够好了。具体地，如果每个光屏蔽区太小，则在光强度分布中仍然有尖峰形状存在，如果光屏蔽区太大，则尖峰形状被过度修正，而得到凹陷形状。因此，得到最佳形状，同时计算光强度分布就足够了。所述光屏蔽区可以仅透过一部分光。
在第三实施例的改型中，根据本发明的第二技术应用于第一实施例的光学调制元件1。具体地，在本例中，通过额外提供一个线性相位调制区得到的相位调制型移相器根据本发明的第二技术用于第一实施例的光学调制元件1。在本实施例的光学调制元件1中，如图18A所示，在所述相位差线1c的两侧形成平行于所述相位差线1c延伸的线性相位调制区1g。这里，在具有0度相位值的矩形区1a中形成的所述线性相位调制区1g具有60度相位值，而在具有60度相位值的矩形区1b中形成的所述线性相位调制区1g具有0度相位值。换句话说，所述相位差线1c的相位调制量和所述线性相位调制区1g的相位调制量分别为60度。
此外，将所述线性相位调制区1g的横向尺寸设为0.07μm，而将在所述线性相位调制区1g的中线与相邻的相位差线1c之间的图像侧转换距离D设置为1.0μm。即，该距离D对应于大约0.52×λ/NA，并且设置在上述0.4×λ/NA＜D＜0.7×λ/NA的范围内。结果，在第三实施例A中，在图18B所示的聚焦状态中，形成了其中在对应于所述相位差线1c的线区中光强最小，并且朝向外围光强度急剧增加的具有反向尖峰形状的光强度分布，并且如图中的每个虚线圆H所示，很好地抑制了在反向尖峰J的两侧的尖峰形状。
此外，在第三实施例的一种改型中，在散焦状态下，通过将如图19A所示由正常光线o形成的具有反向尖峰形状的非对称光强度分布(对应于图5A)与如图19B所示由非正常光线e形成的具有反向尖峰形状的非对称光强度分布(对应于图5B)的组合，形成如图19C所示具有反向尖峰形状的对称光强度分布。另外，在散焦状态下，类似于聚焦状态，同样很好地抑制了在反向尖峰的两侧的尖峰形状，如图中每个虚线圆表示的。当不提供图5C中所示的线性相位区时，在散焦状态下，在所述光强度分布中残留有轻微的尖峰形状，但是在图19C中则完全被消除了。因此，可以确认本实施例更优异。
第三实施例的另一种改型使用了一种相位调制型移相器，根据本发明的第二技术，可以通过在第一实施例的光学调制元件1中额外提供多个隔离的相位调制区来得到所述相位调制型移相器。在第三实施例B的光学调制元件1中，如图20所示，在所述相位差线1c的两侧形成平行于所述相位差线1c对齐的多个岛形更高部分或更低部分，即，正方形隔离相位调制区1h。在本例中，在具有0度相位值的矩形区1a中形成的所述隔离相位调制区1h具有60度相位值，而在具有60度相位值的矩形区1b中形成的所述隔离相位调制区1h具有0度相位值。换句话说，所述相位差线1c的相位调制量和所述隔离相位调制区1h的相位调制量分别为60度。
所述隔离相位调制区1h的横向尺寸(一侧的尺寸)和间隙分别设为0.21μm和0.63μm，而在连接所述多个隔离相位调制区1h的中心的中线与相邻的相位差线1c之间的图像侧转换距离D设置为1.0μm，类似于第三实施例的所述改型。换句话说，在本改型中的线性相位调制区1g与第三实施例B中的所述多个隔离相位调制区1h被设置成使得它们的相位调制表面容量变得彼此基本相等，从而在光学上具有基本相当的优点。
结果，虽然未示出，在本改型中，与上述改型类似，形成了其中在聚焦状态和散焦状态中，在对应于所述相位差线1c的线区中光强最小，并且朝向外围光强度急剧增加的具有反向尖峰形状的类似的光强度分布，并且很好地抑制了在尖峰形状的光强度分布中反向尖峰两侧的尖峰形状。
如上所述，在第三实施例(及其改型)中，通过将具有设置在所述相位差线1c附近的相位调制区1g和1h的移相器用作所述光学调制元件1，可以在所述处理过的基板5上形成其中在反向尖峰两侧产生的尖峰形状受到抑制的具有反向尖峰形状的理想的光强度分布。结果，在第三实施例中，所述半导体膜不再由于所述尖峰形状引起的烧蚀的出现而被破坏，并且可以生成具有大颗粒尺寸的晶体，同时可以防止从所述反向尖峰部分开始的晶体生长在所述尖峰形状部分停止。
比较这两种改型，所述隔离相位调制区1h的最小尺寸大于所述线性相位调制区1g的最小尺寸。因此，在一个改型中的移相器的生产比另一个改型中的移相器的生产更容易。即，第三实施例B可以在曝光装置或更低分辨率的工艺中实现，并且存在一个优点，即，即使由于工艺而引起尺寸波动，由于第三实施例B的相对变化率较小，影响光强度分布的不规则性也会较小。此外，虽然在图20中所述隔离相位调制区1h具有规则的正方形形态，但是可以使用具有相对于所述成像光学系统4的分辨率(对于λ/NA)来说足够小的尺寸的任意形状。
此外，虽然未示出，在第三实施例C中，可以使用一种光屏蔽型移相器，根据本发明的第一技术，可以通过为第一实施例的光学调制元件1额外提供一个线性光屏蔽区来得到所述光屏蔽型移相器。即，根据第三实施例C的光学调制元件1具有线性光屏蔽区代替所述线性相位调制区1g的结构。此外，虽然未示出，在第三实施例D中，根据本发明的第一技术，可以使用通过为第一实施例的光学调制元件1额外提供多个隔离光屏蔽区而得到的光屏蔽型移相器。即，根据第三实施例D的光学调制元件1具有线性光屏蔽区代替图20所示的所述隔离相位调制区1h的结构。
在第三实施例的第三和第四改型中，通过将具有设置在所述相位差线1c附近的光屏蔽区的移相器用作所述光学调制元件1，可以在所述处理过的基板5上形成其中在反向尖峰两侧产生的尖峰形状受到抑制的具有反向尖峰形状的理想的光强度分布。结果，所述半导体膜不再由于所述尖峰形状引起的烧蚀的出现而被破坏，并且可以生成具有大颗粒尺寸的晶体，同时防止从所述反向尖峰部分开始的晶体生长在所述尖峰形状部分停止。
顺便提及，比较第三改型C与第四改型，所述隔离光屏蔽区的最小尺寸大于所述线性光屏蔽区的最小尺寸。因此，在第四改型中的所述隔离光屏蔽区的形成比第三改型中的所述隔离光屏蔽区的形成更容易，由此在第四改型中的移相器的生产比第三改型中的移相器的生产更容易。此外，在所述光屏蔽区的形成过程中，例如，在形成形成相位差的台阶之后，通过常规光刻方法形成铬的图形就足够好了。
第四实施例图21示出了根据第四实施例的光学调制元件的图形。此外，图22A和22B示出了在图21中所示的光学调制元件中的基本图形。参考图21，类似于第一实施例，在第四实施例的光学调制元件1中，沿着一个方向交替重复地形成具有0度相位值的矩形区1a和具有60度相位值的矩形区1b。换句话说，在两条相邻的相位差线1c之间交替形成的所述相位区1a和1b具有不同的参考相位值(0度，60度)。
此外，在每个相位区1a和1b中形成一种相位分布，在该相位分布中在光学上具有比所述成像光学系统4的点扩展函数范围的半径更小的尺寸并具有不同于所述参考相位值的第一相位值的第一区的面积共享比随着每一个位置变化。具体地，在具有0度相位值的所述矩形区1a中形成的具有60度相位值的正方形区1i以所述区域1i的面积共享比随着每一个位置变化的方式形成。另一方面，在具有60度相位值的所述矩形区1b中形成的具有0度相位值的正方形区1j，是以所述区域1j的面积共享比随着每一个的位置变化的方式形成。
即，具有不同于所述参考相位值(0度，60度)的第一相位值(60度，0度)的第一区1i和1j具有绝对值基本相等的相位调制量，并且在两个相邻相位区1a和1b之间具有不同的符号。此外，参考示出了具有0度相位值的每个矩形区1a的基本图形的图22A，所述光学调制元件1的基本图形具有光学上小于所述成像光学系统4的点扩展函数范围的半径的多个单元(在图中用矩形虚线表示)1k。
在每个单元1k中形成具有0度相位值(所述参考相位值)的相位区(在图中用空白部分表示)1a和具有60度相位值(第一相位值)的第一区(在图中用阴影部分表示)1i。如图22A所示，在每个单元1k中的所述第一区1i与相位区1a的面积共享比根据各个单元变化。此外，具体地，在图中左侧的一个单元中，在单元中的相位区1a的面积共享比最接近50％，在图中右侧的单元中最接近100％，并且在这些单元之间单调变化。因此，可以得到一维V形光强度梯度分布，其中在所述相位区1a的面积共享比最接近100％的两侧位置光强度最大，而在所述相位区1a的面积共享比最接近50％的中间位置光强度最小。
因此，可以得到一维V形光强度梯度分布，其中在所述相位区1a的面积共享比最接近100％的两侧位置光强度最大，而在所述相位区1a的面积共享比最接近50％的中间位置光强度最小。同样，至于具有60度参考相位值的相位区1b，可以得到一维V形光强度梯度分布，其中在所述相位区1b的面积共享比最接近100％的两侧位置光强度最大，而在所述相位区1b的面积共享比最接近50％的中间位置光强度最小。
即，当不插入所述光束分割元件(双折射元件)2时，可以在具有0度参考相位值的相位区1a中沿方向垂直于所述相位差线1c的间距方向的剖面B(参看图21)得到图23B中所示的这种V形光强度梯度分布。此外，可以在具有60度参考相位值的相位区1b中沿方向垂直于所述相位差线1c的间距方向的剖面C(参看图21)得到图24B中所示的这种V形光强度梯度分布。
当所述处理过的基板5的表面相对于所述成像光学系统4散焦时，图23B中所示的V形光强度梯度分布随着散焦方向不对称地变化，如图23A和23C所示。同样，当所述处理过的基板5的表面相对于所述成像光学系统4散焦时，图24B中所示的V形光强度梯度分布也随着散焦方向不对称地变化，如图24A和24C所示。
但是，在第四实施例中，在聚焦状态下，由于所述光束分割元件2的作用，可以通过图23B中所示的V形光强度梯度分布与图24B中所示的V形光强度梯度分布的组合，沿剖面B和剖面C得到如图25B所示的V形光强度梯度分布。此外，在向上方向的散焦状态下，可以通过图23A中所示的光强度梯度分布与图24A中所示的光强度梯度分布的组合，沿剖面B和剖面C得到如图25A所示的V形光强度梯度分布。
另外，在向下方向的散焦状态下，可以通过图23C中所示的光强度梯度分布和图24C中所示的光强度梯度分布的组合，沿剖面B和剖面C得到如图25C所示的V形光强度梯度分布。以这种方式，参考图25A到25C，在第四实施例中，可以沿剖面B和剖面C稳定地得到理想的V形光强度梯度分布，并且几乎不受散焦的影响。即，所述成像光学系统4的焦深变得更深。
此外，在根据第四实施例的光学调制元件1中，类似于第一实施例，交替重复地形成具有0度相位值的区1a和具有60度相位值的区1b。因此，类似于第一实施例，沿对应于所述相位台阶1c的间距方向的剖面A(参看图21)，可以得到具有反向尖峰形状的理想的光强度分布。以这种方式，在所述处理过的基板5的表面上形成由所述V形光强度梯度分布和具有反向尖峰形状的光强度分布得到的组合光强度分布，即，具有V形图形+反向尖峰形状图形的光强度分布。
在所述具有V形图形+反向尖峰形状图形的光强度分布中，可以将晶核形成位置，即，晶体生长起始位置设置成尽可能靠近具有反向尖峰形状的光强度分布中光强度最小的位置。此外，沿着所述V形光强度梯度分布中的光强度的梯度方向可以实现从晶核开始沿横向充分的晶体生长，从而可以生成具有大颗粒尺寸的结晶半导体膜。
第五实施例在第四实施例中，为根据第一实施例的光学调制元件1额外提供具有不同于所述参考相位值(0度，60度)的第一相位值(60度，0度)的第一区1i和1j。相反，在第五实施例中，为根据第二实施例的光学调制元件1额外提供具有不同于所述参考相位值的第一相位值的正方形第一区。图26示出了根据第五实施例的光学调制元件的图形。参考图26，类似于第二实施例，在根据第五实施例的光学调制元件1中，沿着一个方向交替重复地形成具有0度相位值的区1d和具有60度相位值的区1e。
此外，在具有0度相位值的区1d中形成的具有60度相位值的每个正方形区1m是以所述区1m的面积共享比随着各个位置变化的方式形成的。另一方面，在具有60度相位值的区1e中形成的具有0度相位值的每个正方形区1n是以所述区1n的面积共享比随着各个位置变化的方式形成的。要注意到，类似于第二实施例，在所述相位区1d与所述相位区1e之间以锯齿形形成相位差线1f。
具体地，两条相邻相位差线1f之间的间隙为5μm，在形成最大正方形区1m和1n的位置作为第一参考间隔。此外，两条相邻相位差线1f之间的间隙为4μm或6μm，在形成最大正方形区1m和1n的两个位置之间的中间位置作为第一修正间隔。换句话说，在所述相位区1d或相位区1e的面积共享比最接近50％的位置，修正量C最小。
在第五实施例中，类似于第四实施例，沿X方向可以得到V形光强度梯度分布(对应于第四实施例中的剖面B和剖面C)。在本例中，所述V形光强度梯度分布中光强度最小的位置对应于所述相位区1d或相位区1e的面积共享比最接近50％的位置。另一方面，在第五实施例中，不同于第四实施例，类似于第二实施例，形成了在用图26中的每个虚线椭圆表示的位置具有反向尖峰点的点反向尖峰形状的光强度分布。
即，在第五实施例中，如图27所示，在所述处理过的基板5的表面上形成由沿X方向具有一维光强度梯度的V形光强度梯度分布5a与具有根据图26中的虚线椭圆示出的每个位置形成的反向峰值点5b的点反向尖峰形状的光强度分布5c得到的组合光强度分布，即，具有V形图形+点反向尖峰形状图形的光强度分布5d。在图27中所示的具有所述V形图形和所述点反向尖峰形状图形的光强度分布对于结晶来说是理想的光强度分布，可以在晶体生长的后半部分在横向方向实现平滑的梯度，并增加晶粒的宽度。
第六实施例图28示出了根据第六实施例的光学调制元件的图形。参考图28，根据第六实施例的光学调制元件1具有沿一个方向(图中的垂直方向)交替重复地形成的两个区，即，具有5μm宽度的相位分布区1p和具有5μm宽度的相位一致区1q。以区1r的面积共享比随各个位置变化的方式在所述相位分布区1p中形成具有光学上小于所述成像光学系统4的点扩展函数范围的半径的尺寸以及90度相位值的每个矩形区(阴影部分)1r。在所述相位分布区1p中，除所述区1r之外的区域具有0度相位值。所述区1r的面积共享比在0％和大约50％之间变化。另一方面，所述相位一致区1q全部具有0度相位值。此外，所述相位分布区1p与所述相位一致区1q之间的边界形成一个相位台阶。
在第六实施例中，在聚焦状态下，沿剖面A形成如图29A所示的这种具有反向尖峰形状的对称光强度分布。另外，即使在散焦状态下，也可以沿剖面A形成如图29B所示的这种具有反向尖峰形状的对称光强度分布。此外，在聚焦状态下，可以沿剖面B得到如图30A所示的这种光强度梯度分布。而且，即使在散焦状态下，也可以沿剖面B得到如图30B所示的这种V形光强度梯度分布。
以这种方式，在第六实施例中，类似于第一实施例，通过所述光束分割元件的作用，可以沿剖面A得到所述具有反向尖峰形状的对称光强度分布，并且几乎不受散焦的影响，与第一实施例类似。此外，类似于第五实施例，可以得到适于结晶的光强度分布，即，具有V形图形+点反向尖峰形状图形的光强度分布。但是，在第六实施例中，沿剖面B得到的所述V形光强度梯度分布在一定程度上受到散焦的影响。
第七实施例图31示出了根据第七实施例的光学调制元件的图形。参考图31，根据第七实施例的光学调制元件1具有沿一个方向(图中的垂直方向)交替重复地形成的相位区，即，具有5μm宽度的相位区1s和具有5μm宽度的相位区1t，类似于图21所示的根据第四实施例的光学调制元件。以区1u的面积共享比随各个位置变化的方式在相位区1s中形成具有光学上小于所述成像光学系统4的点扩展函数范围的半径的尺寸并且具有60度相位值的每个正方形区1u。
另一方面，以区1v的面积共享比随各个位置变化的方式在相位区1t中形成具有光学上小于所述成像光学系统4的点扩展函数范围的半径的尺寸并且具有-60度相位值的每个正方形区1v。应该注意到，在所述相位区1s和相位区1t中除用阴影表示的正方形区1u和1v之外的任何其它区具有0度相位值。此外，每个正方形区1u和1v的面积共享比在0％和大约50％之间变化。另外，所述相位区1s和所述相位区1t之间的边界充分形成一个相位台阶。
在第七实施例中，在聚焦状态下，沿剖面A形成如图32A所示的这种具有反向尖峰形状的对称光强度分布。另外，即使在散焦状态下，也可以沿剖面A形成如图32B所示的这种具有反向尖峰形状的对称光强度分布。此外，在聚焦状态下，可以沿剖面B得到如图33A所示的这种V形光强度梯度分布。而且，即使在散焦状态下，也可以沿剖面B得到这种V形光强度梯度分布。
以这种方式，在第七实施例中，与第一实施例类似，通过所述光束分割元件的作用，可以沿剖面A得到具有反向尖峰形状的所述对称光强度分布，并且几乎不受散焦的影响。此外，类似于第四实施例，通过所述光束分割元件的作用，可以沿剖面B得到所述V形光强度剃度分布，并且几乎不受散焦的影响。此外，类似于第五实施例，可以得到适于结晶的光强度分布，即，具有V形图形+点反向尖峰形状图形的光强度分布。
图34A到34E示出了在采用根据本实施例的结晶装置来结晶的区域中制造电子器件的工艺的工艺剖面图。如图34A所示，制备了一块处理过的基板5，在该基板中用化学气相沉积法或溅射法在一块绝缘基板80(例如，碱性玻璃、石英玻璃、塑料或聚酰亚胺)上形成下层膜81(例如，由膜厚度为50nm的SiN和膜厚度为100nm的SiO2形成的叠层膜)和非晶半导体膜82(例如，膜厚度大约为50nm到200nm的Si、Ge、SiGe等)。然后，采用根据本实施例的结晶装置在非晶半导体膜82的表面上的一个预定区域施加激光83(例如，KrF受激准分子激光或XeCl受激准分子激光)。
以这种方式，如图34B所示，生成具有大颗粒尺寸晶体的多晶半导体膜或单晶半导体膜84。然后，如图34C所示，所述多晶半导体膜或单晶半导体膜84被加工为岛形半导体膜85，该半导体膜成为通过采用光刻技术形成例如薄膜晶体管的区域，并且通过采用化学气相沉积法或溅射法在所述表面上形成膜厚度为20nm到100nm的SiO2膜作为栅极绝缘膜86。另外，如图34D所示，在所述栅极绝缘膜上形成一个栅电极87(例如，硅化物或MoW)，并且用所述栅电极87作为掩模来注入杂质离子88(在N沟道晶体管的情况下为磷，在P沟道晶体管的情况下为硼)。随后，在氮气氛中进行退火(例如，在450℃下进行一小时)，从而激活杂质，并且在所述岛形半导体膜85中形成一个源极区91和一个漏极区92。随后，如图34E所示，形成层间绝缘膜89，形成接触孔，从而形成与通过一条沟道90相连的源极区91和漏极区92相连接的源电极93和漏电极94。
在上述工艺中，在根据图34A和34B所示的工艺中生成的所述多晶半导体膜或单晶半导体膜84中具有大颗粒尺寸的晶体的位置形成所述沟道90。采用上述工艺，可以形成单晶体半导体中的多晶晶体管或薄膜晶体管(TFT)。这样制造的多晶晶体管或单晶晶体管可以应用到用于液晶显示单元(显示器)或EL(电致发光)显示器的驱动电路，或者存储器(SRAM或DRAM)或CPU的集成电路。
应该注意到，在上述介绍中，本发明用于通过对多晶半导体膜或非晶半导体膜施加具有预定光强度分布的光来生成结晶半导体膜的结晶装置和结晶方法。但是，本发明并不限于此，而且本发明通常可用于通过一个成像光学系统在预定表面上形成预定光强度分布的光施加装置。此外，虽然在上述实施例中的介绍给出了具有60度相位差的光学调制元件1作为例子，但是也可以采用任意的相位差，只要相位差不是180度。
第八实施例图35A和35B示出了在本实施例中的光学调制元件1的结构和作用。如图35A所示，根据本实施例的光学调制元件1是一种线形移相器，其中，例如，与第一实施例不同，具有0度相位值的矩形区1a和具有180度相位值的矩形区1b沿一个方向交替重复。以这种方式，在这两个矩形区1a和1b之间形成一条相位差线(相位的边界相移线)1c。此外，在整个光学调制元件1中，以预定间距形成一条或多条相位差线1c。
因此，当不插入所述光束分割元件2时，如图35B所示，在所述处理过的基板5的表面上形成其中在对应于所述光学调制元件1的相位差线1c(台阶部分)的线区中光强度基本为零，并且光强度朝向外围急剧增加的具有反向尖峰形状的光强度分布。可以基于上述表达式在例如石英玻璃基板上通过形成对应于必要相位差的厚度分布来制造所述光学调制元件1。通过选择性蚀刻或FIB(聚焦离子束)工艺可以形成石英玻璃基板的厚度变化。
图36A到36C示出了在本实施例中的光学调制元件1和光束分割元件2的协同作用。当没有插入参考图4A和4B介绍的双折射元件2E时，如图36A所示，在所述处理过的基板5的表面上形成其中在对应于所述光学调制元件1的相位差线1c的线区中光强度基本为零，并且光强度朝向外围急剧增加的具有反向尖峰形状的光强度分布。在本实施例中，由于入射光束通过所述双折射元件2E被分成具有极化状态的两个不相关的光束，所以可以在所述处理过的基板5的表面上形成对应于彼此分离的具有反向尖峰形状的两个光强度分布的组合的预定光强度。
在本例中，如果进入所述双折射元件2E的光束处于随机极化状态，则通过所述双折射元件2E被分开的这两个光束具有基本相等的强度。另外，当通过所述双折射元件2E被分开的这两个光束在所述处理过的基板5的表面上叠加时，由于这些光束彼此不相干，所以这两个光束以光强度的和来简单组合。考虑该因素，在本实施例中，如图36B所示，由正常光线o在所述处理过的基板5的表面上形成的具有反向尖峰形状的光强度分布与由非正常光线e在所述处理过的基板5的表面上形成的具有反向尖峰形状的光强度分布之间的距离d1设置为对应于所述光学调制元件1的相位差线1c的间距的1/2(通常是间距一半的奇数倍)。
因此，由正常光线o形成的具有反向尖峰形状的光强度分布中的反向尖峰部分叠加在由非正常光线e形成的具有反向尖峰形状的光强度分布中的较平坦的部分上，并且由非正常光线e形成的具有反向尖峰形状的光强度分布中的反向尖峰部分同样叠加在由正常光线o形成的具有反向尖峰形状的光强度分布中的较平坦的部分上。结果，在本实施例中，如图36C所示，通过所述光学调制元件1与所述双折射元件2E的协同作用，在所述处理过的基板5的表面上形成一种具有反向尖峰形状的光强度分布，在所述光强度分布中，在对应于所述相位差线1c和在所述光学调制元件1的相位差线1c之间的中线的线区中光强度最小，并且光强度朝向外围急剧增加。即，另一个光束的强度添加到最小光显示强度上，从而得到一个高的光强度。可以在所述处理过的基板5的非单晶膜的熔点附近选择该光强度。
在本例中，在所述反向峰值点处的最小光强度大约为通过所述光学调制元件1和所述双折射元件2E在所述处理过的基板5的表面上形成的具有反向尖峰形状的光强度分布中的最大光强度的1/2。此外，通过采用180度的移相器形成的具有反向尖峰形状的光强度分布几乎不受散焦的影响。因此，如图36C所示，通过所述光学调制元件1和所述双折射元件2E在所述处理过的基板5的表面上形成的具有反向尖峰形状的光强度分布同样几乎不受散焦的影响。
如上所述，在本实施例中，在所述反向峰值点处的最小光强度为在所述处理过的基板5的表面上形成的具有反向尖峰形状的光强度分布中的最大光强度的1/2。此外，虽然在所述处理过的基板5中不可避免的存在可能作为散焦的一个因素的板厚度偏差，但是在所述处理过的基板5的表面上形成的具有反向尖峰形状的光强度分布几乎不受散焦的影响。结果，在本实施例中，可以基于一个深的聚焦深度稳定地形成具有反向尖峰形状的理想的光强度分布，并且可以增加在所述处理过的基板5的半导体膜上形成的晶粒的填充率。
在本实施例中，为了将由所述双折射元件2E引起的像差最小化，如同上述实施例，希望将所述双折射元件2E设置成紧贴所述光学调制元件1，或设置成尽可能靠近光学调制元件1。由于当所述双折射元件2E的表面与所述光学调制元件1的表面之间反复发生反射时，由干涉引起强度的不均匀，所以希望在这两个元件之间提供折射系数匹配材料或在这两个元件的相对表面上提供不反射涂层。
还可以通过对所述双折射元件2E的光入射表面进行表面处理，来提供用来得到所希望的相位差的台阶，从而将所述双折射元件2E的功能与所述光学调制元件1的功能结合在一起。即，光学调制装置可以与光分割装置结合在一起。此外，虽然所述双折射元件2E放置在所述光学调制元件1的出射光侧(后侧)，从而所述双折射元件2E布置成仅仅靠近所述光学调制元件1，但是本发明并不限于此，并且所述双折射元件2E可以布置在与所述光学调制元件1接触的位置，或其附近，或布置在所述光学调制元件1的共轭位置，或其附近。
在第一和第八实施例中，根据预定周期排列的包括除180度之外的相位差线的线形移相器和包括180度相位差线的线形移相器用作所述光学调制元件1。但是，本发明并不限于此，还可以使用具有三种或更多类型相位值区在一点彼此接触的图形的任意移相器。具体地，如图37A所示，可以使用具有不同相位值的四种类型的矩形区10a、10b、10c和10d在预定点10e彼此相邻的结构的光学调制元件10。
在该例中，包括180度相位差线(对应于第八实施例)的光学调制元件10例如具有0度相位值的第一矩形区10a、具有90度相位值的第二矩形区10b、具有180度相位值的第三矩形区10c和具有270度相位值的第四矩形区10d。在光学调制元件不包括180度相位差线的情况下(对应于第一实施例)，可以理解，所述相位值不同于上述的相位值。在任何情况下，在点10e十字交叉的四条直线被构成为对应于第一矩形区10a与第二矩形区10b之间的边界、第二矩形区10b与第三矩形区10c之间的边界、第三矩形区10c与第四矩形区10d之间的边界、以及第四矩形区10d与第一矩形区10a之间的边界。
虽然未示出，但是对所述光学调制元件10二维重复地形成在图37A中所示的相位图形。在这种情况下，矩形区的各个角落部分10f以及该点10e构成这四个相位值区10a到10d的接触点，并由此构成相位差点(相位偏移点)。结果，当没有插入所述双折射元件2E或20到22时，如图37B所示，在所述处理过的基板5的表面上形成具有反向尖峰形状的光强度分布，在所述光强度分布中，在对应于所述光学调制元件10的相位差点10e和10f的各个点区10g中光强度最小，并且光强度朝向外围急剧增加。
由于实际上插入了所述双折射元件2E或20到22，所以两个彼此分离的具有反向尖峰形状的光强度分布沿所述矩形区的对角线方向叠加在处理过的基板5的表面上，从而形成具有反向尖峰形状的理想的光强度分布。在本例中，这两个彼此分离的具有反向尖峰形状的光强度分布之间的距离被设置为对应于沿所述矩形区的对角线方向所述光学调制元件10中的这四个相位差区10a到10d的间距的一半(通常为1/2间距的奇数倍)。
如上所述，在该改型使用了所述光学调制元件10的情况下，可以得到一种具有反向尖峰形状的光强度分布，在该光强度分布中，在对应于所述相位差点10e和10f的点区10g以及放置在所述点区10g的中间位置的点区10h中光强度最小，并且光强度在朝向外围的所有方向上急剧增加，如图10C所示。结果，可以基于一个深的聚焦深度稳定地形成具有反向尖峰形状的理想光强度分布，并且可以增加在所述处理过的基板5的半导体膜上形成的晶粒的填充率。即，可以在希望的位置稳定地形成具有反向尖峰形状的理想的光强度分布，并且可以增加在所述半导体膜上形成的晶粒的填充率。
作为第八实施例的一种改型，可以使用具有三条或更多大约180度的相位差线在一点交叉的图形的移相器。具体地，如图38A所示，可以使用其中在具有0度相位值的第一矩形区11a和具有180度相位值的第二矩形区11b之间形成的180度相位差线11c在一个预定点11d彼此垂直的光学调制元件11。在该光学调制元件11中，二维交替地形成具有0度相位值的第一矩形区11a和具有180度相位值的第二矩形区11b。
虽然未示出，但是在实际的光学调制元件11上二维重复地形成图38A所示的多个相位图形。在这种情况下，图38A所示的所述矩形区的各个角落部分11e以及中点11d构成相位差点，所述矩形区的各条边11f以及十字交叉线11c构成相位差线。结果，当没有插入所述双折射元件2E时，如图38B所示，在所述处理过的基板5的表面上得到一种具有反向尖峰形状的光强度分布，在该光强度分布中，在对应于所述光学调制元件11的相位差点11d和11e的点区11g以及对应于所述光学调制元件11的相位差线11c和11f的线区11h光强度最小，并且光强度朝向外围急剧增加。
由于实际上插入了所述双折射元件2E，所以两个彼此分离的具有反向尖峰形状的光强度分布叠加在所述处理过的基板的表面上的各个相位图形或相邻相位图形中，从而形成具有反向尖峰形状的理想的光强度分布。在本例中，这两个具有反向尖峰形状的光强度分布的尖峰之间的距离被设置为对应于所述光学调制元件11中的所述相位差线11c和11f的交点11d和11e的间距的一半(通常为1/2间距的奇数倍)。
如上所述，在该改型使用了所述光学调制元件11的情况下，可以在所述处理过的基板5的表面上得到一种具有反向尖峰形状的光强度分布，在该光强度分布中，在对应于相位差点11d和11e的点区11g、放置在点区11g的中间位置的点区11i、对应于所述相位差线11c和11f的线区11h、以及放置在所述线区11h的中间位置的线区11j中光强度最小，并且光强度朝向外围急剧增加。结果，可以基于一个深的聚焦深度稳定地形成具有反向尖峰形状的理想光强度分布，并且可以增加在所述处理过的基板5的半导体膜上形成的晶粒的填充率。即，可以在希望的位置稳定地形成具有反向尖峰形状的理想的光强度分布，并且可以增加在所述半导体膜上形成的晶粒的填充率。
此外，上述实施例使用了具有基于入射光束形成具有反向尖峰形状的光强度分布的图形的光学调制元件1。但是，如图39所示，可以使用具有基于入射光束形成光强度梯度分布的图形的第二光学调制元件12以及具有形成带反向尖峰形状的光强度分布的图形的光学调制元件1。在图39中，所述第二光学调制元件12布置在所述光学调制元件1与所述双折射元件2E之间的光路中，并且所述光学调制元件1的相位图形表面面对所述第二光学调制元件12的相位图形表面。
如图40A所示，为根据第八实施例的所述光学调制元件1，以Y方向上的一个预定间距形成沿X方向线性延伸的180度相位差线1c。此外，还设置了所述双折射元件2E，从而入射光束被分为两个沿Y方向彼此分离的光束。在这种情况下，如上所述，通过具有图40A所示相位图形的光学调制元件1和双折射元件2E的作用，在所述处理过的基板5的表面上形成如图40B所示的具有反向尖峰形状的理想的光强度分布。
图41A示出了图39所示的改型中的第二光学调制元件的图形。另外，图42A示出了图41A所示的第二光学调制元件中的基本图形。在图41A中所示的第二光学调制元件12的图形包括图42A所示的基本图形。参考图42A，所述第二光学调制元件12的基本图形具有其尺寸光学上小于所述成像光学系统4的点扩展函数范围的半径的多个单元(在图中用具有矩形形状的虚线表示)12c。
在每个单元12c中形成具有例如-90度相位值的第一区(在图中用阴影部分表示)12b和具有例如0度相位值的第二区(在图中用空白部分表示)12a。如图42A所示，在每个单元12c中的所述第一区12b与所述第二区12a的面积共享比根据各个单元变化。换句话说，提供了其中具有-90度相位值的第一区12b与具有0度相位值的第二区12a的面积共享比根据X方向上的每个位置而变化的相位分布。更具体地，在图中左侧的单元中，在一个单元中的第二区12a的面积共享比最接近50％，在图中右侧的单元中所述面积共享比最接近100％，并且沿方向X在这些单元之间单调变化。
如上所述，所述第二光学调制元件12具有基于相位调制单元(单元)12c的一种相位分布，该相位调制单元的尺寸在光学上小于所述成像光学系统4的点扩展函数范围的半径。因此，通过适当改变在每个相位调制单元12c中的第一区12b与第二区12a的面积共享比，即，两个相位矢量之和，可以根据分析和简单计算自由控制形成在所述处理过的基板5上的光强度分布。
具体地，如图41B所示，可以得到一维的(在方向X具有梯度)V形光强度梯度分布，在所述V形光强度梯度分布中，在所述第二区12a的面积共享比最接近100％的两侧位置光强度最大，而在所述第二区12a的面积共享比最接近50％的中间位置光强度最小。以这种方式，所述双折射元件2E的光束分割方向(方向Y)与所述光强度梯度分布的梯度方向(方向X)垂直。可以通过在例如石英玻璃基板上形成对应于所需相位台阶的厚度分布来制造所述第二光学调制元件12。通过选择性蚀刻或FIB(聚焦离子束)工艺，可以形成石英玻璃基板的厚度变化。
结果，在图39的改型中，如图43所示，在所述处理过的基板5的表面上形成由通过所述第二光学调制元件12形成的一维V形光强度分布15a与通过所述光学调制元件1和所述双折射元件2E形成的具有反向尖峰形状的光强度分布15b得到的组合光强度分布，即，具有V形图形+反向尖峰形状图形的光强度分布15c。在本例中，如上所述，在具有反向尖峰形状的光强度分布15b中的反向峰值点处的光强度具有基本大于零的一个预定值，并且所述具有反向尖峰形状的光强度分布15b几乎不受散焦的影响。
以这种方式，在图39所示的改型中，与上述实施例类似，可以基于一个深的聚焦深度稳定地形成所述具有V形图形+反向尖峰形状图形的光强度分布15c，并且可以增加在基板5的半导体膜上形成的晶粒的填充率。即，可以在希望的位置形成具有反向尖峰形状的理想的光强度分布，并且可以增加在所述半导体膜上形成的晶粒的填充率。此外，在所述具有V形图形和反向尖峰形状图形的光强度分布15c中，尽可能靠近所述具有反向尖峰形状的光强度分布15b中光强度最小的位置来设置晶核形成位置，即，晶体生长起始点。此外，沿所述一维V形光强度梯度分布15a中的光强度的梯度方向(X方向)可以实现从所述晶核开始的沿横向充分的晶体生长，从而可以生成具有大颗粒尺寸的结晶半导体膜。
在图39所示的改型中，在通过所述成像光学系统4聚焦的光中，希望以光学调制元件1与第二光学调制元件12的相位图形表面尽可能彼此靠近的方式来布置所述光学调制元件1和所述第二光学调制元件12。此外，虽然所述第二光学调制元件12布置在所述光学调制元件1(的后侧，但是本发明并不限于此，并且所述光学调制元件1可以布置在所述第二光学调制元件12的后侧。此外，虽然所述光学调制元件1和所述第二光学调制元件12分开使用，但是本发明并不限于此，例如，也可以使用具有通过将所述光学调制元件1的相位图形的相位值与所述第二光学调制元件12的相位图形的相位值相加而得到的组合相位图形的一个光学调制元件。
在图39所示的改型中，使用包括一个平行平面板的双折射元件来作为所述光束分割元件2。但是，本发明并不限于此，与上述实施例类似，也可以使用萨瓦尔板的双折射元件2E、根据基于Francon的萨瓦尔板的双折射元件或渥拉斯顿棱镜的双折射元件。
在图39所示的改型中，使用了根据预定周期放置的包括180度相位差线的线形移相器来作为所述具有形成带反向尖峰形状的光强度分布的图形的光学调制元件。但是，本发明并不限于此，与上述实施例类似，也可以使用具有三条或更多180度的相位差线在一点交叉的图形的移相器，或者具有多个相位值区在一点彼此接触的图形的移相器。
显然，即使使用根据第八实施例及其改型的装置，也可以制造上面结合图34A到34E介绍的这种半导体装置。
应该注意到，在以上介绍中，本发明用于通过对多晶半导体膜或非晶半导体膜施加具有预定光强度分布的光来生成结晶半导体膜的结晶装置和结晶方法。但是，本发明并不限于此，并且本发明通常可用于通过成像光学系统在预定表面上形成预定光强度分布的光施加装置。
对于本领域的技术人员容易想到其它优点和改型。因此，本发明就其更广泛的方面来讲并不限于这里示出和介绍的特定细节和典型实施例。因此，在不脱离由附带的权利要求书及其等价物定义的全面的发明概念的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。
权利要求
1.一种光施加装置，其特征在于包括具有多个相位台阶的光学调制元件，由所述相位台阶对进入所述光学调制元件的光束进行相位调制，并从所述光学调制元件出射来作为在一个预定平面上形成第一光强度分布的光束；以及布置在所述光学调制元件与所述预定平面之间的光学系统，所述光学系统将所述经过相位调制的光束分为至少两个不相干的光通量，所述不相干的光通量在所需表面上形成第二和第三光强度分布，并且光学特性彼此不同，并投射出包括所述被分开的两个光通量的一个光束，所述投射的光通量的光强度分布相互组合，从而所述投射的光束在所述预定平面上形成具有反向尖峰形状的第四光强度分布，所述第一到第四光强度分布彼此不同。
2.一种光施加装置，其特征在于包括具有设置有第一间隔并不同于180度的相位台阶的图形的光学调制元件，将入射光束调制成在一个预定平面上形成第一光强度分布的光束；以及光通量分割元件，将由所述光学调制元件调制的光束变为包括两个分开的非干涉光通量的光束，所述两个非干涉光通量以第二间隔隔开，并且在所述预定平面上分别形成第二和第三光强度分布；以及成像光学系统，从所述光通量分割元件接收光束，并在所述预定平面上使光束形成图像，该光束在所述预定平面上形成第四光强度分布，所述第四光强度分布具有反向尖峰形状，并对应于所述第二和第三光强度分布的组合，所述第二间隔对应于所述成像平面上的第一间隔的转换值的奇数倍。
3.根据权利要求2所述的光施加装置，其特征在于所述第一间隔沿所述相位台阶的一个方向在第一参考间隔和第一修正间隔之间变化，其中所述第一参考间隔形成所述具有反向尖峰形状的光强度分布，而所述第一修正间隔不形成反向尖峰部分。
4.根据权利要求3所述的光施加装置，其特征在于在所述预定平面上、对应于两个相邻相位台阶的所述第一修正间隔与所述第一参考间隔之间的差的绝对值的修正量C满足以下条件C≤0.5×λ/NA其中λ为从所述光学调制元件出射的光束的波长，而NA是所述成像光学系统的图像侧数值孔径。
5.根据权利要求1到4中任何一项所述的光施加装置，其特征在于所述光学调制元件具有一个相位分布区，在所述相位分布区中，光学上小于所述成像光学系统的点扩展函数范围的半径并具有预定调制相位值的区域的面积共享比根据每个位置而变化，并且所述相位分布区的外围边界形成基本不同于180度的相位台阶。
6.根据权利要求1到4中任何一项所述的光施加装置，其特征在于所述光学调制元件具有至少两种类型的相位分布区，在所述相位分布区中，光学上小于所述成像光学系统的点扩展函数范围的半径并具有预定调制相位值的区域的面积共享比根据每个位置而变化，所述两种类型的相位分布区的调制相位值具有相同的绝对值和不同的符号，并且所述两种类型的相位分布区之间的边界形成基本不同于180度的相位台阶。
7.根据权利要求1到4中任何一项所述的光施加装置，其特征在于所述光学调制元件具有一个设置在所述相位台阶附近的光屏蔽区，以便抑制在所述具有反向尖峰形状的光强度分布中的反向尖峰两侧产生的尖峰形状。
8.根据权利要求7所述的光施加装置，其特征在于所述光屏蔽区具有基本平行于所述相位台阶延伸的线性光屏蔽区，并且在所述预定平面上与所述线性光屏蔽区的中线与所述相位台阶之间的距离相对应的距离D满足以下条件0.4×λ/NA＜D＜0.7×λ/NA其中λ为从所述光学调制元件出射的光束的波长，而NA是所述成像光学系统的图像侧数值孔径。
9.根据权利要求7所述的光施加装置，其特征在于所述光屏蔽区具有基本平行于所述相位台阶排列的多个隔离的光屏蔽区，并且在照射目标物体上与连接所述多个隔离的光屏蔽区的中心的中线与所述相位台阶之间的距离相对应的距离D满足以下条件0.4×λ/NA＜D＜0.7×λ/NA其中λ为从所述光学调制元件出射的光束的波长，而NA是所述成像光学系统的图像侧数值孔径。
10.根据权利要求1到4中任何一项所述的光施加装置，其特征在于所述光学调制元件具有设置在所述相位台阶附近的多个相位调制区，以便抑制在所述具有反向尖峰形状的光强度分布中的反向尖峰两侧产生的尖峰形状。
11.根据权利要求10所述的光施加装置，其特征在于每个所述相位调制区具有基本平行于所述相位台阶延伸的线性相位调制区，并且在所述预定平面上与所述线性相位调制区的中线与所述相位台阶之间的距离相对应的距离D满足以下条件0.4×λ/NA＜D＜0.7×λ/NA其中λ为从所述光学调制元件出射的光束的波长，而NA是所述成像光学系统的图像侧数值孔径。
12.根据权利要求11所述的光施加装置，其特征在于每个所述相位调制区具有基本平行于所述相位台阶排列的多个隔离的相位调制区，并且在所述预定平面上与连接所述多个隔离的相位调制区的中心的中线与所述相位台阶之间的距离相对应的距离D满足以下条件0.4×λ/NA＜D＜0.7×λ/NA其中λ为从所述光学调制元件出射的光束的波长，而NA是所述成像光学系统的图像侧数值孔径。
13.一种光施加装置，其特征在于包括用于调制入射光束的光学调制元件，所述光学调制元件的图形具有基本为180度的相位台阶；光通量分割元件，将由所述光学调制元件调制的光束变为具有两个分开的非相干或极化状态的光通量的光束，所述光通量在一个预定平面上形成分别具有反向尖峰的第一和第二光强度分布，彼此分离的反向尖峰之间的距离对应于所述相位台阶的间距的大约1/2的奇数倍；以及成像光学系统，基于已经进入并通过所述光学调制元件和/或所述光束分割元件的光束，在一个预定平面上形成对应于具有反向尖峰形状的所述第一和第二光强度分布的组合的预定光强度分布。
14.根据权利要求10所述的光施加装置，其特征在于在所述相位台阶的一侧提供的所述相位调制区的相位调制量与在所述相位台阶的另一侧提供的所述相位调制区的相位调制量具有基本相同的绝对值和不同的符号。
15.根据权利要求1到4和权利要求13中的任何一项所述的光施加装置，其特征在于在每两个相邻的相位台阶之间形成的相位区具有交替不同的参考相位值，在每个相位区中形成一种相位分布，在所述相位分布中，具有光学上小于所述成像光学系统的点扩展函数范围的半径的尺寸的第一区的面积共享比，以及不同于所述参考相位值的第一相位值根据每个位置而变化，以及在两个相邻相位区中的所述第一区的相位调制量具有基本相同的绝对值和不同的符号。
16.根据权利要求1到4和权利要求13中的任何一项所述的光施加装置，其特征在于所述光束分割元件具有布置在所述光学调制元件与所述照射目标之间的双折射元件。
17.根据权利要求16所述的光施加装置，其特征在于所述双折射元件包括以晶体光轴相对于一个光轴形成预定角度的方式设置的至少一个双折射平行平面板、由每一个双折射平行平面板都是以晶体光轴相对于一个光轴形成预定角度的方式设置的一对双折射平行平面板构成的一个萨瓦尔板、每一个双折射平行平面板都是以晶体光轴相对于一个光轴形成预定角度的方式设置的一对双折射平行平面板、设置在所述平行平面板对之间的一个半波板、以及由每一个双折射偏转棱镜都是以晶体光轴相对于一个光轴形成预定角度的方式设置的一对双折射偏转棱镜构成的一个渥拉斯顿棱镜。
18.根据权利要求1到4和权利要求13中的任何一项所述的光施加装置，其特征在于进一步包括一个控制元件，以由所述光束分割元件分开的两个光束具有基本相同的强度的方式来控制进入所述光束分割元件的光束的极化状态。
19.根据权利要求18所述的光施加装置，其特征在于所述控制元件包括布置在所述光束分割元件的入射侧的四分之一波板。
20.根据权利要求2或13所述的光施加装置，其特征在于所述光学调制元件的图形根据所述入射光束形成光强度分布。
21.根据权利要求20所述的光施加装置，其特征在于所述光束分割元件的分割方向垂直于所述光强度分布的梯度方向。
22.根据权利要求2或13所述的光施加装置，其特征在于所述光学调制元件的图形具有至少两组作为所述相位台阶的三个或更多个180度的线性相位台阶，所述线性台阶汇聚在一点，所述分开的不相干光束的光通量之间的距离对应于所述预定平面上相邻点之间距离的奇数倍的一半。
23.根据权利要求2或13所述的光施加装置，其特征在于所述光学调制元件的图形在三个或更多个不同区域之间具有至少两组三个或更多个线性相位台阶来作为所述相位台阶，所述线性台阶汇聚在一点，所述分开的不相干光束的光通量之间的距离对应于所述预定平面上相邻点之间距离的奇数倍的一半。
24.一种结晶装置，其特征在于包括根据权利要求1到4和权利要求13中的任何一项所述的光施加装置；为所述光学调制元件提供激光来作为入射光束的光源；以及工作台，以用具有所述组合光强度分布的光束照射多晶半导体膜或非晶半导体膜并使其结晶的方式来定位所述多晶半导体膜或所述非晶半导体膜。
25.一种光学调制元件组件，其特征在于包括光学调制元件，具有其中相位台阶以相同或不同的第一间隔来排列的图形，将入射光束调制为具有光强度分布的光束，并投射出经过调制的光束；以及光束分割元件，在所述光学调制元件的投射侧与所述光学调制元件一起提供，并且将由所述光学调制元件调制的光束分为具有非相干性的两个光束。
全文摘要
一种光施加装置，包括具有多个相位台阶的光学调制元件(1)，由所述相位台阶对进入所述光学调制元件的光束进行相位调制，并从所述光学调制元件出射，来作为具有第一光强度分布的光束。光学系统(2、4)布置在所述光学调制元件与一个预定平面(5)之间。所述光学系统将经过相位调制的光束分为具有第二和第三光强度分布和光学特性彼此不同的至少两个光通量，并投射出包括所述分开的两个光通量的一个光束，所述投射的光通量的光强度分布相互组合，从而所述投射的光束在所述预定平面上具有带反向尖峰形状的第四光强度分布，并进入所述预定平面。在所述预定平面上，所述第一到第四光强度分布彼此不同。
文档编号G03B27/72GK1658022SQ200510005868
公开日2005年8月24日 申请日期2005年1月27日 优先权日2004年1月27日
发明者谷口幸夫, 松村正清 申请人:株式会社液晶先端技术开发中心