结晶装置、结晶方法、器件和相位调制元件.pdf

本发明包括：具有第一元件(1)和第二元件(2)的光调制光学系统，所述第一元件对入射光束形成所希望的光强梯度分布，所述第二元件对其形成所希望的具有反向峰值形状的光强最小分布；以及一个图像形成光学系统(4)，该图像形成光学系统设置在光调制光学系统和衬底(5)之间，所述衬底具有多晶半导体膜或非晶半导体膜，其中形成光强梯度分布和光强最小分布的入射光束通过图像形成光学系统施加在多晶半导体膜或非晶半导体膜上，由此使未结晶的半导体膜结晶。所述第一元件的图形与第二元件的图形相反。

1、  一种结晶装置，其特征在于包括：
光调制光学系统，具有第一元件(1)和第二元件(2)，所述第一元件对入射光束形成所希望的光强梯度分布，所述第二元件对其形成所希望的具有反向峰值形状的光强最小分布；以及
图像形成光学系统(4)，设置在所述光调制光学系统和衬底(5)之间，所述衬底具有由多晶半导体或非晶半导体形成的膜，
其中形成所述光强梯度分布和光强最小分布的入射光束通过所述图像形成光学系统施加到所述膜上，由此使未结晶半导体膜结晶。

2、  根据权利要求1所述的结晶装置，其特征在于所述第一元件(1)具有形成所述光强梯度分布的第一图形，所述第二元件(2)具有形成光强最小分布的第二图形，并且各个图形彼此相对。

3、  一种结晶装置，其特征在于包括：
具有组合图形的元件(7)，在所述组合图形中，用于形成光强梯度分布的第一图形与用于形成光强最小分布的第二图形组合在一起；以及
设置在所述元件和衬底之间的图像形成光学系统(4)，所述衬底具有由多晶半导体或非晶半导体构成的膜，
其中由所述光强梯度分布和光强最小分布通过组合图形形成的入射光束经过所述图像形成光学系统施加到所述膜上，由此使未结晶半导体膜结晶。

4、  根据权利要求3所述的结晶装置，其特征在于每一个第一和第二图形都具有相位调制图形，并且所述组合图形的相位调制分布对应于形成所述光强梯度分布的图形的相位调制分布和形成所述光强最小分布的图形的相位调制量之和。

5、  根据权利要求2或3所述的结晶装置，其特征在于形成所述光强梯度分布的第一图形具有第一区域和具有第二相位值的第二区域，第一区域的最小尺寸在光学上小于所述图像形成光学系统的点传播分布范围的半径并具有第一相位值，并且第一图形具有一种相位分布，在该相位分布中，所述第一区域和第二区域的面积共享比率根据位置而变化。

6、  根据权利要求5所述的结晶装置，其特征在于所述光强梯度分布至少部分地具有V形光强分布，以及
形成所述光强梯度分布的第一图形具有平行于所述V形光强分布的底部延伸的在对应于该底部的部分上的线性区，并具有在与对应于所述V形光强分布的底部的部分有一段距离的部分上的隔离区。

7、  根据权利要求2或3所述的结晶装置，其特征在于形成所述光强最小分布的第二图形具有在所述光强梯度分布的光强的梯度方向延伸的多个条形区，并且彼此相邻的所述条形区具有不同的相位值。

8、  根据权利要求7所述的结晶装置，其特征在于所述多个条形区包括具有不同相位值的三种或更多种条形区，并且彼此相邻的两个条形区的相位值之间的差具有基本上相同的值，包括在一个方向上的标记。

9、  根据权利要求2或3所述的结晶装置，其特征在于形成所述光强最小分布的第二图形包括具有不同相位值的三种或更多种类型的区域，并且这些区域具有在预定位置彼此相邻的结构。

10、  根据权利要求1或3所述的结晶装置，其特征在于所述图像形成光学系统具有光孔函数，该光孔函数在外围处的值比在中心处的值小。

11、  一种结晶方法，其特征在于包括：
用入射光束照射光调制元件，所述光调制元件具有形成光强梯度分布的第一元件(1)和形成具有反向峰值形状的光强最小分布的第二元件(2)；以及
将具有所述光强梯度分布和光强最小分布的入射光束经过图像形成光学系统(4)照射到由多晶半导体或非晶半导体形成的膜上，所述图像形成光学系统设置在所述光调制光学系统和具有所述膜的衬底之间，由此使未结晶半导体膜结晶。

12、  一种结晶方法，其特征在于包括：
用入射光束照射具有组合图形的元件(7)，所述组合图形是从形成光强梯度分布的第一图形和形成光强最小分布的第二图形获得的；以及
将具有所述光强梯度分布和光强最小分布的入射光束经过图像形成光学系统(4)照射到由多晶半导体或非晶半导体形成的膜上，所述图像形成光学系统设置在所述元件和所述膜之间，由此使未结晶半导体膜结晶。

13、  一种器件，通过使用根据权利要求1到3中任何一个的结晶装置或根据权利要求11或12的结晶方法来制造该器件。

14、  一种相位调制元件，所述相位调制元件具有对入射光束形成带有反向峰值形状的光强最小分布的图形，
其特征在于所述图形具有相位值不同的三种或更多种类型的条状区，并且彼此相邻的两个条状区的相位值之差具有基本上相同的值，包括在一个方向上的标记。

15、  一种具有图形的相位调制元件，所述图形对入射光束形成V形光强分布，
其特征在于所述相位调制元件具有第一区和第二区，其中第一区的最小尺寸小于一个预定的尺寸并且第一区具有第一相位值，第二区具有第二相位值，并且所述相位调制元件具有一种相位分布，在该相位分布中，所述第一区和第二区的面积共享比率根据位置而变化，以及
所述图形具有平行于所述V形光强分布的底部延伸的在对应于该底部的部分上的线性区，并在与对应于所述V形光强分布的底部的部分有一段距离的部分上具有隔离区。

16、  一种结晶装置，其特征在于包括：
对入射光束形成具有反向峰值形状的光强最小分布的光学元件；以及
设置在所述光学元件和衬底之间的图像形成光学系统，所述衬底具有由多晶半导体或非晶半导体形成的膜，并且所述图像形成光学系统具有光孔函数，该光孔函数在外围的值小于在中心部分的值，
其中具有对其形成的光强最小分布的入射光束施加到所述膜上，由此对未结晶半导体膜进行结晶。

结晶装置、结晶方法、器件和相位调制元件
发明背景
本发明涉及一种通过向由多晶半导体或非晶半导体制成的膜上照射激光束来使未结晶半导体膜结晶的结晶装置、在该结晶装置中使用的一种相位调制元件、一种结晶方法和一种器件。特别是，本发明涉及一种通过向由多晶半导体或非晶半导体制成的膜上照射激光束来对诸如多晶半导体或非晶半导体的未结晶半导体膜进行结晶的结晶装置、在该结晶装置中使用的一种相位调制元件、一种结晶方法和一种器件，其中所述激光束具有通过使用相位调制元件进行了相位调制的预定光强度分布。
通常，使用薄膜晶体管(TFT)来用于例如控制施加到例如液晶显示器(LCD)中的像素上的电压的开关元件。这种薄膜晶体管形成在非晶硅层或多晶硅层上。
多晶硅层具有比非晶硅层高的电子和空穴的迁移率。因此，当晶体管形成在多晶硅层上时，与晶体管形成在非晶硅层上的情况相比，开关速度增加了。此外，显示器的响应速度也提高了。进一步，外围LSI可以由薄膜晶体管构成。此外，还具有可以减小任何其它组件的设计余量的优点。而且，当外围电路如驱动器电路或DAC包含在显示器中时，这些外围电路可以以更快的速度来工作。
尽管多晶硅由晶粒的聚集体形成，但它具有比单晶硅低的电子和空穴迁移率。此外，形成在多晶硅上的很多薄膜晶体管都存在沟道部分中的晶粒边界数量不规则的问题。因此，为了提高电子和空穴的迁移率以及降低沟道部分中晶粒边界数量的不规则性，已经有人提出了一种生成具有大晶粒尺寸的结晶硅的结晶方法。
通常，作为这种类型的结晶方法，有一种公知的相位控制受激准分子激光退火(ELA)方法，该方法通过向移相器照射准分子激光束而生成结晶半导体膜，其中移相器近似平行于多晶硅膜或非晶半导体膜。相位控制ELA方法的细节公开在例如“Journal of the Surface Science Society ofJapan，Vol.21，No.5，PP.278-287，2000”。
在相位控制ELA方法中，生成具有反向峰值图形(光强度在中心最小，光强度朝向周边急剧增大的图形)的光强度分布，在该反向峰值图形中，与周边相比，光强度在相应于移相器的相位偏移部分的位置较低。此外，用具有反射峰值图形的这种光强分布的光束照射多晶半导体膜或非晶半导体膜。结果是，根据光强分布，在熔化区中将产生温度梯度。在首先固化或依照光强最小的点不熔化的部分上形成晶核。晶体从晶核开始朝向外围在横向方向上生长(下文中，这将被称为“横向生长”或“横向生长”)，由此生成具有大晶粒尺寸的单晶粒。
通常，例如，在“Electrochemical Society Proceeding Volume2000-31，page 148-154，261-268”中，具有形成V形光强梯度分布的图形的元件(确定为掩模板#2)和具有形成反向峰值形状的光强最小分布的图形的元件(确定为掩模板#1)都能通过在SiO₂衬底上提供相位阶梯来实现。此外，通过在两个元件紧密靠近衬底的状态下照射准分子激光束，来在衬底(将要处理的衬底)上使未结晶的半导体膜结晶。
因此，在结晶步骤中，当从衬底产生烧蚀现象时，蒸发物附着到与衬底相对的掩模板1的相对表面上。在已经附着蒸发物之后的下一步骤，在由掩模#1和掩模#2形成的光强分布中将产生不规则性，并且结晶的面积和结晶的形状将变得混乱。而且，关于利用紧邻衬底的掩模板#1和掩模板#2来施加激光束的情况，在掩模#1和衬底之间总是保持几μm数量级的距离不变的操作需要很长时间，由此相对延迟了生产流程时间。
此外，在“IEICE(The Institute of Electronics，Information andCommunication)transactions Vol.J85-C，No.8，P.624-629，2002年8月”中，通过光吸收材料SiONx的厚度分布实现了具有形成V形光强梯度分布的图案的元件，并且通过SiO2的相位阶梯实现了具有形成有反向峰值形状的光强最小分布的图形的元件。然而，在一个衬底上叠置和形成这两个元件。此外，通过在衬底紧邻这个元件衬底的状态下照射准分子激光束，在衬底上生成结晶半导体膜。
此外，在Jpn.Pat.Appln.KOKAI Publication No.2000-306859中，在具有线和间隔(line-and-space)图形的相位差为180度的移相器和衬底之间设置一个图像形成光学系统。而且，利用光束通过图像形成光学系统照射所述衬底，在所述衬底上生成结晶半导体膜，其中所述光束具有带有通过移相器产生的反向峰值图形的光强分布。
然而，在衬底紧靠元件的常规技术(接近方法)中，其中所述元件由于半导体膜中的烧蚀而被污染，这成为优异结晶的障碍。此外，在每次处理到衬底上地另一处理区的移动时，衬底和该元件必须彼此分开，这延长了处理时间。此外，由于应该设置在元件和衬底之间的间隙非常小，因此用于位置检测的检测光束难以被引导到这个窄光路中，并且间隙调节是很困难的。
另一方面，在使用具有线和间隔图形的移相器的常规技术中，该移相器的相位差为180度，形成的具有反向峰值图形的光强分布中的槽形部分变得太深了。在这种情况下，由于除非光强不小于预定的阈值，则晶体将不生长，所以未结晶的区域变得太大，并且不能生成具有大晶粒尺寸的结晶半导体膜。而且，不可能获得具有反向峰值图形的光强分布图形的大的梯度，以便进行具有大晶粒尺寸的结晶。
发明内容
鉴于上述缺陷，本发明的一个目的是提供一种结晶装置和结晶方法，可以获得具有用于进行具有大晶粒尺寸的结晶的所希望梯度的光强分布，并且可以实现从晶核在横向方向上的足够的晶体生长，由此以大晶粒尺寸将未结晶的半导体膜结晶。
这里，多晶半导体包括微晶体结构，但是，期望的具有优异电学特性的晶体结构不同于多晶结构。因此，多晶体接近于非晶结构，我们将多晶体分类在未结晶半导体中。
为了实现这个目的，根据本发明的第一方案，提供一种结晶装置，包括：
一种光调制光学系统，具有第一元件和第二元件，第一元件对入射光束形成所希望的光强分布，第二元件对其形成具有反向峰值形状的所希望的光强最小分布；以及
一种图像形成光学系统，它设置在所述光调制光学系统和衬底之间，所述衬底具有由多晶半导体或非晶半导体形成的膜，
其中形成光强梯度分布和光强最小分布的入射光束通过所述图像形成光学系统施加在所述膜上，由此使未结晶半导体膜结晶。
在这种情况下，其中第一元件具有形成光强梯度分布的第一图形，优选第一元件的第一图形与第二元件的第二图形相反。
在本发明的第一方案中，从光强梯度分布和具有反向峰值形状的光强最小分布获得的组合光强分布形成在衬底表面上，其中所述光强梯度分布是通过第一元件形成的，所述光强最小分布是通过第二元件形成的。结果是，晶核形成位置，即晶体生长起始点可以尽可能地接近在具有反向峰值形状的光强最小分布中光强最小的位置。而且，沿着光强梯度分布中的光强的梯度方向，可以实现在从晶核开始的横向上充分的晶体生长，由此以大晶粒尺寸来将未结晶半导体膜结晶。此时，在本发明的第一方面中，不同于接近方法，由于图像形成光学系统置于第一元件或第二元件和衬底之间，并在衬底和图像形成光学系统之间确保相对大的间隙，因此第一元件和第二元件或图像形成光学系统不会由于衬底中的烧蚀而受到附着，并且可以实现优异的结晶。此外，由于在衬底和图像形成光学系统之间确保了相对大的间隙，因此即使在处理到衬底上的其它处理区的移动时，衬底和图像形成光学系统也不必彼此分开，由此可以实现高产量的处理。此外，由于在衬底和图像形成光学系统之间确保了相对大的间隙，因此用于位置检测的检测光束可以被引导到这些部件之间的光路中，由此便于调节所述衬底和图像形成光学系统之间的位置关系。
根据本发明的第二方案，提供一种结晶装置，包括：
一种具有组合图形的元件，在该组合图形中，用于形成光强梯度分布的第一图形与用于形成光强最小分布的第二图形组合在一起；以及
一种设置在所述元件和衬底之间的图像形成光学系统，所述衬底具有由多晶半导体或非晶半导体形成的膜，
其中具有通过组合图形形成的入射光束通过图像形成光学系统施加到所述膜上，由此使未结晶半导体膜结晶，其中所述组合图形是由光强梯度分布和光强最小分布形成的。
在这种情况下，优选用于形成光强梯度分布的图形和用于形成光强最小分布的图形的分别是相位调制图形，并且组合图形的相位调制量对应于第一图形的相位调制量和第二图形的相位调制量之和，其中第一图形是用于形成光强梯度分布，而第二图形是用于形成光强最小分布。
在本发明的第二方案中，使用具有由第一图形和第二图形获得的组合图形的一个元件来代替第一方案中的第一元件和第二元件，其中第一图形是用于形成光强梯度分布，而第二图形是用于形成具有反向峰值形状的光强最小分布。结果是，在本发明的第二方案中，不仅可以获得上述第一方案的效果，而且还具有通过只进行一个元件的定位而可以减少定位次数的优点。
根据优选的第一方案和第二方案，用于形成光强梯度分布的第一图形具有如下相位分布：其中最小尺寸在光学上小于图像形成光学系统的点传播分布范围的半径并且具有第一相位值的第一区域和具有第二相位值的第二区域的面积共享比率根据每个位置而变化。利用这种结构，可以生成自由形态的光强分布。
在这种情况下，光强梯度分布是具有三维形状的V形光强分布，其中在给定一维方向(例如X方向)具有梯度的V形沿着预定方向(例如Y方向)形成。优选用于形成光强梯度分布的第一图形具有沿着平行于V形光强分布的底部的方向延伸的在对应于该底部的部分上的一个线性区域(它不必是完全直的线，并且一个基本的线形形状就足够了)，并在与对应于V形光强分布的底部的部分有一段距离的部分上具有一个隔离区。在这种结构中，由于因为线性区域的作用而甚至使沿着光强梯度分布的底部都可以获得光学特性，因此具有如下优点：即使第一元件和第二元件的定位偏离预定方向，获得的组合光强分布的光学特性也几乎不会波动。
此外，根据优选的第一方案和第二方案，用于形成光强最小分布的第二图形具有在光强梯度分布中的沿着光强梯度方向延伸的多个条状区，并且彼此相邻的条状区具有不同的相位值。在这种情况下，优选所述多个条状区具有相位值不同的三种或更多类型的条状区，并且彼此相邻的两个条状区的相位值之差具有基本上相同的值，包括在一个方向上的标记。在这种结构中，即使衬底表面相对于第二元件的第二图形表面散焦，具有反向峰值形状的光强最小分布中的峰值点保持在相等间隔的状态。结果是，生成的晶粒的中心位置之间的间隔变得相等，并且具有相同形状的晶粒沿着Y方向对准，这有利于在每个晶粒上制造薄膜晶体管(TFT)。
而且，根据优选的第一方案和第二方案，用于形成光强最小部分的第二图形具有如下构成：其中具有不同相位值的三种或更多类型的区域在预定位置彼此相邻。在这种结构中，根据所希望的形态，只在光强梯度分布的底部生成具有点反向峰值形状的光强最小分布，并可获得对于定位晶体生长起始点来说是理想的光强分布。此外，在第一和第二方案中，优选图像形成光学系统的光孔函数在周边小于中心部分。在这种结构中，可减少或消除在散焦状态下获得的具有反向峰值形状的光强最小分布的周边生成的不需要的峰值，并且可以大大减轻散焦状态下的光强最小分布的对称性的瓦解。
根据本发明的第三方案，提供一种结晶方法，包括：
用入射光束照射光调制元件，该光调制元件具有形成光强梯度分布的第一元件和形成具有反向峰值形状的光强最小分布的第二元件；以及
将具有光强梯度分布和光强最小分布的入射光束经过图像形成光学系统照射到由多晶半导体或非晶半导体形成的膜上，所述图像形成光学系统设置在所述光调制光学系统和具有所述膜的衬底之间，由此使未结晶半导体膜结晶。
根据本发明的第四方案，提供一种结晶方法，包括：
用入射光束照射具有组合图形的元件，所述组合图形是从形成光强梯度分布的第一图形和形成光强最小分布的第二图形获得的；以及
将具有光强梯度分布和光强最小分布的入射光束经过图像形成光学系统照射到由多晶半导体或非晶半导体形成的膜上，所述图像形成光学系统设置在所述元件和所述膜之间，由此使未结晶半导体膜结晶。
根据本发明的第五方案，提供一种器件，该器件是使用根据第一方案或第二方案的所述结晶装置或根据第三方案或第四方案的所述结晶方法来制造的。在这种情况下，在具有大晶粒尺寸的结晶半导体膜的基础上可以制造优异的半导体器件、液晶显示器件等，其中所述具有大晶粒尺寸的结晶半导体膜是通过实现从晶核的充分横向生长来获得的。
根据本发明的第六方案，提供一种相位调制元件，该元件具有对入射光束形成带有反向峰值形状的光强最小分布的图形，
其中该图形具有相位值不同的三种或更多种类型的条状区，并且彼此相邻的两个条状区的相位值之差具有基本上相同的值，包括在一个方向的标记。
根据本发明的第七方案，提供一种具有图形的相位调制元件，所述图形对入射光束形成V形光强分布，
其中所述相位调制元件具有第一区和第二区，其中第一区的最小尺寸小于预定尺寸并且第一区具有第一相位值，第二区具有第二相位值，并且所述元件具有相位分布，其中第一区和第二区的面积共享比率根据位置而变化，以及
所述图形在对应于底部的部分上具有平行于V形光强分布的底部延伸的线性区，并在与对应于V形光强分布的底部的部分有一段距离的部分上具有隔离区。
在本发明中，在衬底表面上形成组合光强分布，该组合光强分布是从通过第一元件形成的光强梯度分布和通过第二元件形成的具有反向峰值形状的光强最小分布获得的。结果是，可以获得具有所希望的梯度的光强分布，由此可以以大晶粒尺寸来进行结晶。此外，根据本发明，晶核形成位置，即晶体生长起始点可以尽可能地靠近具有反向峰值形状的光强最小分布中光强最小的位置，并且可以实现沿着光强梯度分布中的光强梯度方向从晶核开始横向上的充分的晶体生长，由此可以以大晶粒尺寸对未结晶半导体膜进行结晶。
此外，在本发明中，与接近方法不同，由于所述图像形成光学系统被置于第一元件或第二元件和所述衬底之间，并且在衬底和图像形成光学系统之间确保了相对大的间隙，所述第一元件和第二元件不会受到衬底中的烧蚀的影响，由此可以实现优异的结晶。而且，由于在衬底和图像形成光学系统之间确保了相对大的间隙，因此即使在处理到衬底上的另一处理区域的移动时，衬底和图像形成光学系统也不必彼此分开，从而可以实现以高产量来进行处理。此外，由于在衬底和图像形成光学系统之间确保了相对大的间隙，因此用于位置检测的检测光束可以很容易地被引导到这些部件之间的光路中，并且可以便于调节衬底和图像形成光学系统之间的位置关系。
本发明另外的目的和优点将在下面的说明中列举出来，并且部分地将从文字说明中明显看出，或者可以通过实施本发明而认识到。本发明的目的和优点可以通过下文中特别指出的手段和组合来实现和获得。
附图说明
被包含进本说明书并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并与上述的概要说明和下面给出的实施例的详细说明一起用于解释本发明的原理。
图1是示出了根据本发明第一实施例的结晶装置的结构的示意图；
图2是示出了图1中所述的光照系统的内部结构的示意图；
图3A-3F是阐明第一相位调制元件的基本原理的图；
图4A-4C是分别示出了点传播分布范围中的相位改变和光强之间的典型关系的图；
图5A和5B是示出了图像形成光学系统中的光孔函数和点传播函数之间的关系的图；
图6A和6B是示出了第一实施例中的第一相位调制元件的整体结构的示意图；
图7A和7B是示出了图6A中所示的第一相位调制元件中的基本图形的结构的示意图；
图8A和8B示出了第一实施例中的第二相位调制元件的结构的示意图；
图9A是示意性地示出了通过第一相位调制元件形成的V形光强分布的形态的透视图；
图9B是示意性地示出了通过第二相位调制元件形成的具有反向峰值形状的光强最小分布的形态的透视图；
图9C和9D是示意性地示出了组合光强分布的形态的透视图，其中组合光强分布是由通过第一相位调制元件形成的V形光强梯度分布和通过第二相位调制元件形成的具有反向峰值形状的光强最小分布获得的；
图10A和10B是示出了根据第一实施例的第一改型的第一相位调制元件的整体结构的示意图；
图11是示出了根据本发明第二实施例的结晶装置的结构的示意图；
图12A是示出了第二实施例中的第三相位调制元件的整体结构的示意图；
图12B是示出了第二实施例中的第三相位调制元件的剖面示意图；
图13是示出了根据第二实施例的第一改型的第三相位调制元件的整体结构的示意图；
图14A到14D是示出了散焦对通过根据第一实施例的第二相位调制元件形成在衬底上的具有反向峰值形状的光强最小分布的影响的示意图；
图15A到15D是示出了散焦对通过根据第一实施例的第一改型的第二相位调制元件形成在衬底上的具有反向峰值形状的光强最小分布的影响的示意图；
图16A到16D是示出了图像形成光学系统的光孔函数对通过根据第一实施例的第一改型的第二相位调制元件形成在衬底上的具有反向峰值形状的光强最小分布的影响的示意图；
图17A是示出了根据第一实施例的第二改型的第二相位调制元件的整体结构的示意图；
图17B是示出了第一实施例中的第一相位调制元件的整体结构的示意图，该第一实施例对应于根据图17A中所示的第一实施例的第二改型的第二相位调制元件；
图18是示意性地示出了组合光强分布的形态的透视图，其中组合光强分布是由通过第一相位调制元件形成的V形光强梯度分布和通过根据第二改型的第二相位调制元件形成的具有反向峰值形状的光强最小分布获得的；以及
图19A到19E是示出了通过使用根据每一个实施例的结晶装置制造电子器件的制造步骤的阶状剖面图。
发明详述
下面将参照附图介绍根据本发明的实施例。
图1是示出了根据本发明第一实施例的结晶装置的结构的示意图。此外，图2是示出了图1的光照系统的内部结构的示意图。下面将参照图1和图2进行说明。根据第一实施例的结晶装置包括：一个第一相位调制元件1，该第一相位调制元件1对入射光束形成具有所希望光强梯度分布的光学图形；和一个第二相位调制元件2，该第二相位调制元件2具有形成具有反向峰值形状的光强最小分布的图形。所述第一相位调制元件1和第二相位调制元件2的结构将在后面进行说明。
应该注意到，所述第一相位调制元件1和第二相位调制元件2以它们的图形彼此相反的方式来相邻地设置。此外，根据第一实施例的结晶装置包括一个光照系统3，该光照系统3照射第一相位调制元件1和第二相位调制元件2，并且它们的光轴同轴设置。该光照系统例如是图2所示的光学系统，并包括KrF准分子激光束源3a，该KrF准分子激光束源3a提供具有248nm波长的光束。应该注意到任何其它合适的光束源如XeCl准分子激光束源或YAG激光束源都可用作光束源3a。从所述光束源3a提供的激光束通过光束扩展器3b扩展，然后进入第一蝇眼透镜3c。
通过这种方式，在所述第一蝇眼透镜3c的后焦面上形成多个光束源，并且来自所述多个光束源的光通量以重叠方式通过第一聚光光学系统3d照射到第二蝇眼透镜3e的入射表面。结果，在第二蝇眼透镜3e的后焦面上形成的光束源比在第一蝇眼透镜3c的后焦面上形成的光束源更多。来自形成在第二蝇眼透镜3e的后焦面上的多个光束源的光通量通过第二聚光光学系统3f照射到所述第一相位调制元件1和第二相位调制元件2。
这里，所述第一蝇眼透镜3c和第一聚光光学系统3d构成第一均质器，并且从光束源3a提供的激光束通过这个第一均质器关于第一相位调制元件1和第二相位调制元件2上的入射角而被均匀化。此外，所述第二蝇眼透镜3e和第二聚光光学系统3f构成第二均质器，并且入射角被均质化且由第一均质器提供的激光束进一步关于在第一相位调制元件1和第二相位调制元件2上的每个面内位置上的光强被第二均质器均匀化。通过这种方式，所述光照系统3向第一相位调制元件1和第二相位调制元件2施加具有基本上均匀的光强分布的激光束。换言之，光照系统3照射第一相位调制元件1，并且透射通过这个第一相位调制元件1的透射光束进入第二相位调制元件2。
在所述第一相位调制元件1和第二相位调制元件2中进行相位调制的激光束通过图像形成光学系统4照射在衬底5上。这里，所述图像形成光学系统4在第一相位调制元件1的图形表面和第二相位调制元件2的图形表面以及衬底5之间以光学共轭的关系设置中间表面。换言之，衬底5被设置到与所述中间表面光学共轭的表面(所述图像形成光学系统4的图像表面)。所述图像形成光学系统4包括正透镜组4a和正透镜组4b之间的孔径光阑4c。
所述孔径光阑4c具有多个孔径光阑，其具有尺寸彼此不同的孔部(透光部分)，并且多个孔径光阑4c相对于光路是可替换的。或者，所述孔径光阑4c可以具有能够连续改变孔部尺寸的虹膜。在任何情况下，设置所述孔径光阑4c的孔部的尺寸(或图像形成光学系统4的图像一侧的数字孔径NA)来使得可以在衬底5的半导体膜上生成所需的光强分布，如下所述。
应该注意到，所述图像形成光学系统4可以是折射型光学系统、反射型光学系统或反射/反射型光学系统。而且，衬底5是利用化学汽相淀积法(CVD)，通过在例如液晶显示玻璃板上连续形成下层膜和非晶硅膜来获得的。所述下层膜是绝缘膜，例如SiO₂，当非晶硅直接与玻璃衬底接触时可防止外部污染物如Na污染非晶硅，还可防止非晶硅的熔化温度直接转移到所述玻璃衬底。利用真空吸盘、静电吸盘等将衬底5定位并保持在衬底台6上的预定位置上。
图3A到3F是阐明第一相位调制元件的基本原理的图。在图3A到3F中，相同的参考数字表示与图1和2中相同的元件，因此消除了重复说明。通常，由第一相位调制元件1形成的图像的光振幅分布U(x，y)由如下关系式(1)表示。应该注意到，在表达式(1)中，T(x，y)表示第一相位调制元件1的复数振幅透射率分布，*表示卷积(卷积积分)，并且ASF(x，y)表示所述图像形成光学系统4的点传播函数。这里，所述点传播函数定义为由图像形成光学系统获得的点图像的振幅分布。
U(x，y)＝T(x，y)*ASF(x，y)        …(1)
应该注意到，所述第一相位调制元件1的复数振幅透射率分布T具有平滑的振幅，因此可以由下面的表达式(2)来表示。还应该注意到T0是固定值，并且φ(x，y)表示表达式(2)中的相位分布。
T＝T0e^iφ(x，y)                   …(2)
此外，如果所述图像形成光学系统4具有均匀的圆形光孔而没有烧蚀，则连同点传播函数ASF(x，y)可以实现由下列表达式(3)表示的关系。应该注意到，在表达式(3)中，J₁表示Bessel函数，λ表示光束的波长，以及NA表示所述图像形成光学系统4的图像一侧的数字孔径，如上所述。
ASF(x，y)∝ 2J₁(2π/λ·NA·r)/(2π/λ·NA·r)    …(3)
其中r＝(x²+y²)^1/2
图3A中所示的图像形成光学系统4的点传播函数示于图3B中。当它接近具有直径R(图3B中的虚线所示)的圆柱形状4e时，通过在图3C所示的第一相位调制元件1上在具有直径R’的圆中将复数振幅分布积分获得的值(假设M是所述图像形成光学系统的放大率，由R＝M×R’确定的值)确定图像表面4f上的复数振幅。如上所述，形成在图像表面4f上的图像的光振幅即光强由第一相位调制元件1的复数振幅透射率分布和点传播函数的卷积给出。假设考虑点传播函数接近圆柱形状4e，通过在图3C所示的圆形点传播分布范围R中用平均加权将所述相位调制元件1的复数振幅透射率进行积分获得的结果成为图3A所示的图像表面4f上的复数振幅，并且其绝对值的平方成为光强。应该注意到，在所述图像形成光学系统4中的点传播范围R表示与图3B中的曲线的零点4i的交叉4j内的范围，其中该曲线是由点传播函数绘制的。
因此，在点传播分布范围R的变化很小时，光强增加，相反，在相位变化很大时，光强减小。这一点可以根据图3D所示的单位圆4g中的相位矢量4h的和而很容易地理解。假设所述图像表面4f例如是半导体膜，则图3B中的所述点传播函数是如图3F所示的点传播函数。图3E是示出了图像表面4f中的点的图，并且在这个点的光强通过上述过程来确定。
图4A到4C是示出了点传播分布范围R中的相位变化和光强之间的典型关系图。提供图4B和4C中的阴影部分是为了阐明具有不同相位值的部分。
图4A是示出了通过将相位调制元件1的表面分成四部分而获得的四个区域的所有相位值对应于0度的情况，0度方向的四个相位矢量4k的和对应于振幅4E，并且其平方对应于光强16I。这里，E是表示图4A的下部图中虚线圆的半径的值，并且I由E²＝I来决定。
图4B是示出了在四个区域中彼此分开的两个区域的相位值为0度同时分开的其它两个区域的相位值为90度的情况，在0度方向的两个相位矢量4m和90度方向的两个相位矢量4n的和成为一个振幅，其值对应于8E²的平方根(因为4E²+4E²＝8E²)，并且其光强对应于8I，8I是所述振幅的平方。图4C是示出了在如下情况下的相位调制元件1和2：具有0度相位值的区域、具有90度相位值的区域、具有180度相位值的区域以及具有270度相位值的区域，并且0度方向上的相位矢量4s、90度方向上的相位矢量4t、180度方向上的相位矢量4u和270度方向上的相位矢量4v对应于振幅0E，并且其平方对应于OI。
图5A和5B是示出了图像形成光学系统4中的光孔函数和点传播函数之间的关系的示意图。通常，所述点传播函数由光孔函数的傅里叶变换给出。具体地说，如果所述图像形成光学系统4具有均匀的圆形光孔并且没有烧蚀像差，则点传播函数ASF(x，y)由表达式(3)来表示。然而，如果在图像形成光学系统4中存在像差烧蚀或图像形成光学系统4具有除均匀圆形光孔之外的光孔函数，则点传播函数不限于上述表达式。
如果所述图像形成光学系统4具有均匀圆形光孔以及没有像差烧蚀。已知，如图5B所示的一直到点传播函数第一次变为0时为止的中心面积(即艾里斑)的半径R/2由下列表达式(4)来表示。
R/2＝0.61λ/NA    (4)
在本说明书中，该点查分布范围R表示一直到点传播函数ASF(x，0)第一次变为0的圆形中心面积，如图3B和5B所示。从图4A到4C清楚可见，如果在光学地对应于图像形成光学系统的点传播分布范围R的圆中包括多个(图4A到4C中为4个)相位调制单元，可以在简单计算在多个相位矢量(4k、4m、4n、4s到4v)之和的基础上可解析地控制光束的振幅，即光强。结果是，可以相对容易地获得进行大晶粒尺寸结晶所需的光强分布，这通常是难以实现的。
因此，在本发明中，第一相位调制元件1的相位调制单元必须光学上小于图像形成光学系统4的点传播分布范围R的半径R/2，以便自由地控制光强。换言之，图像形成光学系数4的图像一侧的第一相位调制元件1的相位调制单元的幅度必须小于图像形成光学系统4的所述点传播分布范围R的半径R/2。第一实施例中的所述第一相位调制元件1的结构和作用将在下文中说明。
图6A和6B是示出了第一实施例中的相位调制元件的整体结构的示意图。提供图6A和7A中的阴影部分是为了阐明第一区域1b。另外，图7A和7B是示出了图6A中所示的第一相位调制元件中的基本图形的结构的示意图。图6A中所示的第一相位调制元件1的图形包括图7A中所示的基本图形。参见图7A，所述第一相位调制元件1的基本图形具有多个单元(由图中虚线的矩形形状表示的)1c，其尺寸在光学上小于图像形成光学系统4的点传播分布范围R的半径R/2。
在每个单元1c中形成具有例如90度相位值(第一相位值)的第一区(由图中的阴影部分表示的)1b和具有例如0度相位值的第二区(由图中的空白部分表示的)1a。如图7A所示，每个单元1c中第一区1b和第二区1a的面积共享比率根据每个单元而变化。换言之，在X方向上存在相位分布，其中具有90度相位值的第一区1b和具有0度相位值的第二区1a的面积共享比率根据每个位置而变化。此外，具体而言，该单元中的第二区1a的面积共享比率最接近图中左手边的单元中50％的面积共享比率，并且最接近图中右手边的单元中100％的面积共享比率，并且该比率在这些单元之间在X方向上单调变化。
如上所述，所述第一相位调制元件1具有以相位调制单元(单元)1c为基础的相位分布，其尺寸在光学上小于图像形成光学系统4的点传播分布范围R的半径R/2。因此，通过适当地改变每个相位调制单元1c中的第一区1b和第二区1a的面积共享比率，即两个相位矢量之和，可以根据简单计算来解析地控制形成在衬底5上的光强分布。
具体而言，如图6B所示，可以获得在一维方向上具有梯度(在X方向上具有梯度)的V形光强梯度分布，沿着所述一维方向，在第二区1a的面积共享比率最接近100％的两侧位置上光强最大，在第二区1a的面积共享比率最接近50％的中心位置上光强最小。这里，该V形表示完全的V形，它概念性地包括，例如基本上接近如图6B所示的V形的槽形形状和部分地具有U形部分的槽形形状。此外，所述V形不限于一种形状，并且部分地包括这种V形的形状就足够了。例如，图6A所示的相位调制元件1的数量可以不必是一个，并且多个相位调制元件1可对准并具有如下形状的光强分布：其中多个V形根据这个对准关系而对准。可以通过在例如石英玻璃衬底上形成对应于所需相位阶梯的厚度分布来制造第一相位调制元件1。石英玻璃衬底的厚度的变化可以通过选择性刻蚀或FIB(聚焦离子束)处理来实现。
图8A和8B是示出了第一实施例中的第二相位调制元件的结构的示意图。参见图8A，第二相位调制元件2的图形具有在图中的垂直方向延伸的多个(只示出了四个)条形区，并且彼此相邻的条形区具有彼此不同的相位值。具体而言，第二相位调制元件2是具有线和间隔图形的移相器，其相位差为90度，并具有如下图形：其中具有0度相位值的矩形第一条形区2a和具有90度相位值的矩形第二条形区2b交替形成。提供图8A中的阴影部分是为了阐明第二条形区2b的部分。
在这种情况下，如图8B所示，可以获得具有反向峰值形状的光强最小分布，其中光强在作为第一条形区2a和第二条形区2b之间的边界的移相线上最小，并且光强在朝向外围(在沿着作为间距方向的Y方向的两侧)的方向急剧增加。所述第二相位调制元件2可以通过在例如石英玻璃衬底上形成对应于所需相位阶梯的厚度分布来制造，这与第一相位调制元件1相同。所述石英玻璃衬底的厚度的变化可以通过选择性刻蚀或FIB来实现。
在第一实施例中，第一相位调制元件1中的第一区1b和第二区1a的面积共享比率改变的方向(图6A中的虚线1d所示的方向)与第二相位调制元件2中的移相线的方向(图8A中的实线2c所示的方向)匹配。换言之，第二相位调制元件2的图形具有沿着光强梯度分布中的光强的梯度方向(X方向)延伸的多个条形区，其中所述光强梯度分布是通过第一相位调制元件1形成的。
结果是，与第一实施例一样，图9A示出了通过第一相位调制元件1形成的V形光强梯度分布1e的透视图，并且图9B示出了通过第二相位调制元件2形成的具有反向峰值形状的光强最小分布2d的透视图。提供图9A、9B和9C中的阴影部分是为了阐明所述第一区1b和第二条形区2b的部分。图9B中所示的第二相位调制元件2具有第一条形区2a和第二条形区2b，这两个条形区是以包括光强最小分布的三个反向峰值的方式构成在其中的。因此，与图8A所示的形成五个反向峰值的第二相位调制元件2相比，每一个第一条形区2a和第二条形区2b的宽度减少到图9B和9C所示的第二相位调制元件2中的1/2。
图9C示出了由通过第一相位调制元件1形成的V形光强梯度分布1e和通过第二相位调制元件2形成的具有反向峰值形状的光强最小分布2d获得的组合光强分布。
为了更好地理解，图9D是通过第二相位调制元件2形成的光强最小部分中的反向峰值的数量为一个时的组合光强分布的透视图。即，具有V形图形和一个反向峰值图形的组合光强分布形成在衬底5的表面上。在具有V形图形和一个反向峰值图形的光强分布5a中，晶核形成位置即晶体生长起始点尽可能地接近在具有反向峰值形状的光强最小分布2d中光强最小的位置，并且可以实现沿着V形光强梯度分布1e中的光强的梯度方向(X方向)的从晶核开始的在横向上充分的晶体生长，由此可以以大晶粒尺寸对未结晶半导体膜进行结晶。
而且，在第一实施例中，不同于所述接近方法，由于所述图像形成光学系统4置于第二相位调制元件2和衬底5之间，并且在衬底5和图像形成光学系统4之间确保了相对大的间隙，所以由于衬底5的烧蚀而产生的产物不会附着在第一相位调制元件1和第二相位调制元件2或图像信息光学系统4上，并且可以实现优异的结晶。此外，在第一实施例中，不同于所述接近方法，由于在衬底5和图像形成光学系统4之间确保了相对大的间隙，因此即使处理到衬底5上的另一处理区域的移动，衬底5和图像形成光学系统4也不必分开，并且可以实现高产量的处理。
此外，在第一实施例中，不同于所述接近方法，由于在衬底5和图像形成光学系统4之间确保了相对大的间隙，因此用于位置检测的检测光束可以被引导到这些部件之间的光路中，并且容易调节衬底5和图像形成光学系统4之间的位置关系。如上所述，在根据第一实施例的结晶装置和结晶方法中，可以实现从晶核开始的在横向上充分的晶体生长，同时避免了半导体膜中的烧蚀的影响，并且可以生成具有大晶粒尺寸的结晶半导体膜。
图10A和10B示出了根据第一实施例的第一改型的第一相位调制元件的整体结构的示意图。提供图10A中的阴影部分是为了阐明第一区11b。根据第一改型的第一相位调制元件11具有类似于第一实施例的第一相位调制元件1的结构。但是，具有90度相位值的所有第一区1a具有一个隔离区结构，并且它们都离散地设置在根据第一实施例的第一相位调制元件1内，但是根据第一改型的第一相位调制元件11不同于第一实施例之处在于，具有90度相位值的第一区11b具有线性区和隔离区的混合结构。
具体而言，如图10A所示，根据第一改型的第一相位调制元件11的图形具有在对应于底部的部分上平行(在Y方向)延伸到V形光强梯度分布的底部的三个线性区11bs，并且任何其它部分，即与V形光强梯度分布的底部有一段距离的部分具有许多隔离区11bi。这里，设置线性区11bs的宽度(X方向的尺寸)，使得第一区11b和第二区11a的面积共享比率对应于根据第一实施例的第一相位调制元件1中的第一区1b和第二区1a的面积共享比率。
通过以这种方式使用根据第一改型的第一相位调制元件11，可以获得在一维上具有图10B所示的梯度(在图10B所示的X方向上有梯度)的V形光强梯度分布，这与根据第一实施例的第一相位调制元件1的例子相同。此外，在第一相位调制元件11中，通过使第一区11b和第二区11a的面积共享比率改变的方向(图10A中的虚线11c所示的方向)与第二相位调制元件2中的移相线的方向(图8A中的实线2c所示的方向)相匹配，可以在衬底5的表面上形成具有图9C和9D所示的V形图形和反向峰值形状图形的光强分布5a。
由于根据第一实施例的第一相位调制元件1具有所述隔离区1b，该隔离区1b在Y方向离散地设置在对应于V形光强梯度分布的底部的部分上，沿着V形光强梯度分布的底部不能获得完全均匀的光学特性。尽管通过增加隔离区的划分数量可以使光学特性接近于均匀状态，但是不可能获得完全均匀的状态。结果是，在根据第一实施例1的第一相位调制元件1中，在组合光强分布的光学特性中容易产生不规则性，其中组合光强分布是在第一区1b和第二区1a的面积共享比率改变的方向(图6A中的虚线1d所示的方向)和第二相位调制元件2中的移相线的方向(图8A中的实线2c所示的方向)在Y方向位移时获得的。
相反，在根据第一实施例的第一相位调制元件11中，由于在对应于V形光强梯度分布的底部的部分上提供在Y方向延伸的线性区11bs，因此沿着V形光强梯度分布的底部可以获得完全均匀的光学特性。结果是，在根据第一改型的第一相位调制元件11中，即使第一区11b和第二区11a的面积共享比率改变的方向(图10A中的虚线11c所示的方向)和第二相位调制元件2中的移相线的方向(图8A中的实线2c所示的方向)在Y方向位移，得到的组合光强分布的光学特性有利地很难出现波动。
图11是示出了根据本发明第二实施例的结晶装置的结构的示意图。图12A是示出了根据第二实施例的第三相位调制元件的整体结构的示意图。提供图12A中的阴影部分是为了阐明第一区7b和7b’。图12B是表示图12A的剖面图。箭头表示施加入射光束。根据第二实施例的结晶装置具有类似于根据第一实施例的结晶装置的结构。然而，所述第一实施例包括第一相位调制元件1和第二相位调制元件2，而第二实施例包括一个第三相位调制元件7代替了第一相位调制元件1和第二相位调制元件2，这是与第一实施例的不同之处。注意到与第一实施例的不同之处，下文中将介绍第二实施例。
在第二实施例中，如图11所示，提供具有组合图形的第三相位调制元件7来代替根据第一实施例的第一相位调制元件1和第二相位调制元件2，其中组合图形是由形成光强梯度分布的图形和形成光强最小分布的图形获得的。这里，所述第三相位调制元件7的图形表面设置成与图像形成光学系统4相对。而且，第三相位调制元件7的组合图形的相位调制量对应于用于形成根据第一实施例的第一相位调制元件1中的光强梯度分布的图形的相位调制量和用于形成根据第一实施例的第二相位调制元件2中的具有反向峰值形状的光强最小分布的图形的相位调制量之和。
具体地说，如图12A所示，所述第三相位调制元件7由边界7c沿着X方向分成下部区域和上部区域。在下部区域中，与根据第一实施例的第一相位调制元件1的图形中的第一区1b和第二区1a相关地来提供第一区7b和第二区7a。此外，第一区7b和第二区7a的相位值是通过将0度分别加到第一区1b和第二区1a的相位值上而获得的，该0度是根据第一实施例的第二相位调制元件2的第一区2a的相位值。即，所述第一区7b的相位值是90度并与第一区1b的相位值相关，并且第二区7a的相位值是0度并与第二区1a的相位值相关。这里，相位被延迟的相位角定义为正。
另一方面，在上部区域中，与根据第一实施例的第一相位调制元件1的图形中的第一区1b和第二区1a相关地来提供第一区7b’和第二区域7a’。此外，第一区7b’和第二区7a’的相位值是通过将90度分别加到第一区1b和第二区1a的相位值上而获得的，该90度是根据第一实施例的第二相位调制元件2的第二区2b的相位值。即，所述第一区7b’的相位值是180度，比所述第一区1b的相位值大90度，并且所述第二区7a’的相位值为90度，比所述第二区1a的相位值大90度。图12B示出了穿过上部区域和下部区域切割的剖面图。可以清楚地理解在7a(0度)、7b(90度)、边界7c、7a’(90度)和7b’(180度)之间的每个位置关系。
如上所述，根据第二实施例的第三相位调制元件7的组合图形的相位调制量对应于用于形成根据第一实施例的第一相位调制元件1中的光强梯度分布的图形的相位调制量和用于形成根据第一实施例的第二相位调制元件2中的具有反向峰值形状的光强最小分布的图形的相位调制量之和。因此，在第二实施例中，通过类似于第一实施例的第三相位调制元件7的作用可以在衬底5的表面上形成具有图9C和9D所示的V形图形和反向峰值形状图形的光强分布5a。此外，不同于第一实施例，第二实施例具有不必对两个相位调制元件进行定位的优点。
图13是示出了根据第二实施例的第一改型的第三相位调制元件的整体结构的示意图。提供图13中的阴影部分是为了阐明第一区17b和17b’。根据图13所示的第一改型的第三相位调制元件17的组合图形的相位调制量对应于用于形成根据第一实施例的第一改型的第一相位调制元件11中的光强梯度分布的图形的相位调制量和用于形成根据第一实施例的第二相位调制元件2中的具有反向峰值形状的光强最小分布的图形的相位调制量之和。
具体而言，如图13所示，第三相位调制元件17由边界17c沿着X方向分成一个下部区域和一个上部区域。在所述下部区域中，与根据第一实施例的第一改型的第一相位调制元件11(图10A)的图形中的第一区11b(11bs、11bi)和第二区11a相关地来提供第一区17b(17bs、17bi)和第二区17a。此外，第一区17b和第二区17a的相位值是通过将0度分别加到第一区11b和第二区11a的相位值上而获得的，该0度是根据第一实施例的第二相位调制元件2的第一区2a的相位值。即，第一区17b的相位值是90度并与第一区11b的相位值相关，第二区17a的相位值是0度并与第二区11a的相位值相关。
另一方面，在上部区域中，与根据第一实施例的第一改型的第一相位调制元件11的图形中的第一区11b(11bs、11bi)和第二区11a相关地来提供第一区17b(17’bs、17bi’)和第二区域17a’。此外，第一区17b’和第二区17a’的相位值是通过将90度分别加到第一区11b和第二区11a的相位值上而获得的，该90度是根据第一实施例的第二相位调制元件2的第二区2b的相位值。即，所述第一区17b’的相位值是180度，比所述第一区11b的相位值大90度，并且所述第二区17a’的相位值为90度，比所述第二区11a的相位值大90度。
如上所述，根据第一改型的第三相位调制元件17的组合图形的相位调制量对应于用于形成根据第一实施例的第一改型的第一相位调制元件11中的光强梯度分布的图形的相位调制量和用于形成根据第一实施例的第二相位调制元件2中的具有反向峰值形状的光强最小分布的图形的相位调制量之和。因此，在这个改型中，类似于第二实施例，可以在衬底5的表面上形成具有V形图形和反向峰值形状图形的光强分布5a，不同于第一实施例，还具有不必对两个相位调制元件进行定位的优点。
图14A到14D是示出了散焦对通过根据第一实施例的第二相位调制元件在衬底上形成的具有反向峰值形状的光强最小分布的影响的示意图。提供图14A的阴影部分是为了阐明第二条形区2b。当图14A中所示的第二相位调制元件2的图形表面和衬底5的表面通过图像形成光学系统4被设置成在光学上共轭的关系时，即，当衬底5的表面相对于第二相位调制元件2的图形表面而被设置在焦点位置上时，通过第二相位调制元件2可以在衬底5的表面上形成如图14C所示的具有反向峰值形状的光强最小分布。
在这种情况下，如果第二相位调制元件2的第一条形区2a和第二条形区2b以等间距来设置，则在具有反向峰值形状的光强最小分布中光强最小的峰值点沿着Y方向等间隔地出现。然而，如果衬底5的表面设置在相对于第二相位调制元件2的图形表面偏离焦点位置的散焦位置上，如图14B和14D所示，峰值点在相反方向交替位移，并且峰值点的间隔变得不均匀，由此使每个间距的对称性破坏。
结果是，生成的晶粒的中心位置之间的间隔变得不均匀，并且具有两种不同形状的晶粒沿着Y方向交替对准，这是不利的。应该注意到，板厚偏差可能作为在衬底5中不可避免地存在散焦的一个因素，并且其周期大约为几厘米。另一方面，晶粒的尺寸为几μm，这远小于板厚偏差的周期。因此，鉴于相邻晶粒的范围，可以认为散焦量是基本均匀的。
图15A到15D是示出了散焦对通过根据第一实施例的第一改型的第二相位调制元件在衬底上形成的具有反向峰值形状的光强最小分布的影响的示意图。提供图15A的阴影部分是为了阐明具有不同相位的部分。参见图15A，根据第一改型的第二相位调制元件12具有如下图形：其中具有0度相位值的矩形第一条形区12a、具有90度相位值的矩形第二条形区12b、具有180度相位值的矩形第三条形区12c以及具有270度相位值的矩形第三条形区12d沿着一个方向(Y方向)重复形成。
在第一改型中，当衬底5的表面相对于第二相位调制元件12的图形表面而被设置在焦点位置上时，通过第二相位调制元件12可以在衬底5的表面上形成如图15C所示的具有反向峰值形状的光强最小分布。在这种情况下，如果第二相位调制元件2的第一条形区12a、第二条形区12b、第三条形区12c和第四条形区12d以等间距设置，则在具有反向峰值形状的光强最小分布中光强最小的峰值点沿着Y方向等间隔地出现。
相反，如果衬底5的表面被设置在相对于第二相位调制元件12的图形表面偏离焦点位置的散焦位置上，所述峰值点在图15B和15D所示的相同方向位移相同的量。然而，具有反向峰值形状的光强最小分布中的峰值点保持等间隔状态。结果，生成的晶粒的中心位置的间隔变得均匀(每个间距保持对称)，并且具有相同形状的晶粒沿着Y方向对准，这在晶粒上制造TFT时是有利的。
应该注意到，如图15A中所示的改型采用了如下结构：其中第二相位调制元件12具有不同相位值的四种类型的条形区12a到12d，其中彼此相邻的两个条形区的相位值之差朝向+Y方向为+90度。但是，本发明并不限于此，还可以采用如下结构：其中第二相位调制元件12具有相位值不同的三种或更多种类型的条形区，并且彼此相邻的两个条形区的相位值之差具有基本相同的值，包括朝向-方向的标记。
同时，所述第二实施例使用了具有组合图形的第三相位调制元件7，所述组合图形是由根据第一实施例的第一相位调制元件1的图形和根据第一实施例的第二相位调制元件2的图形获得的，并且使用了具有组合图形的第三相位调制元件17，所述组合图形是由根据第一实施例的第一改型的第一相位调制元件11的图形和根据第一实施例的第二相位调制元件2的图形获得的。但是，也可能使用具有组合图形的第三相位调制元件，其中所述组合图形是由第一相位调制元件1的图形或第一相位调制元件11的图形和根据图15的改型的第二相位调制元件12的图形获得的。
图16A到16D是示出了图像形成光学系统的光孔函数对通过根据第一实施例的第一改型的第二相位调制元件形成在衬底上的具有反向峰值形状的光强最小分布的影响的示意图。图16A示出了所述图像形成光学系统4的光孔函数。如果图像形成光学系统4的光孔函数从中心到外围是固定的，如图16A中的虚线100所示，在图15B到15D所示的散焦状态下获得的具有反向峰值形状的光强最小分布中将生成由虚线圆8a表示的不需要的峰值，并且得到了非对称光强最小分布。此外，这种相对大的不需要的峰值8a成为烧蚀的一个因素。
相反，如果图像形成光学系统4的光孔函数在外围部分比在中心部分的小，如图16A中的实线101所示的，例如，如果图像形成光学系统4具有高斯分布的光孔函数，其中光孔函数在外围为60％，在中心为100％，在图16B到16D所示的散焦状态下获得的具有反向峰值形状的光强最小分布中将生成只由虚线圆8b表示的小的不需要的峰值，并且大大减轻了散焦状态下的光强最小分布的对称性的破坏，这是优选的。应该注意到，通过在图2所示的光照系统3中的第二蝇眼透镜3e的出射表面附近插入具有预定透射率分布的透射滤光器，可以实现由实线101所示的这种高斯分布的光孔函数。
图17A是示出了根据第一实施例的第二改型的第二相位调制元件的整体结构的示意图。提供图17A中的阴影部分是为了阐明具有不同相位的部分。图17B是示出了第一实施例中的第一相位调制元件的整体结构的示意图，该第一相位调制元件对应于根据图17A中所示的第一实施例的第二改型的第二相位调制元件。提供图17B中的阴影部分是为了阐明第一区域1b。参见图17A，根据第一改型的第二相位调制元件22具有如下结构：其中具有不同相位值的四种类型的矩形区域22a、22b、22c和22d在预定点区域22e彼此相邻。具体而言，所述第二相位调制元件22包括，例如具有0度相位值的第一矩形区域22a、具有90度相位值的第二矩形区域22b、具有180度相位值的第三矩形区域22c、以及具有270度相位值的第四矩形区域22d。
此外，在点区域22e十字交叉的四条直线以如下方式构成：它们对应于第一矩形区域22a和第二矩形区域22b之间的边界、第二矩形区域22b和第三矩形区域22c之间的边界、第三矩形区域22c和第四矩形区域22d之间的边界、以及第四矩形区域2 2d和第一矩形区域22a之间的边界。在这种情况下，所述点区域22e构成位移部分，并且可以获得具有点反向峰值形状的光强最小分布22f，其中光强在点区域22e处最小，并且如图18所示，光强在朝向外围的所有方向上急剧增加。
因此，当根据第二改型的第二相位调制元件22与第一相位调制元件1一起使用时，从一维地具有梯度的V形光强梯度分布1e和具有点反向峰值形状的光强最小分布22f获得组合光强分布，其中所述V形光强梯度分布1e是通过第一相位调制元件1形成的，所述光强最小分布22f是通过第二相位调制元件22形成的，即具有V形图形和点反向峰值形状图形的光强分布5b形成在衬底5的表面上，如图18所示。这里，参照在第一实施例中获得的图9C和9D的组合光强分布5a，具有反向峰值形状的光强最小分布2d对在一维地具有梯度的V形光强梯度分布1e中光强相对较高的部分有影响，并且可以理解不需要获得理想的光强分布。
相反，参照图18的组合光强分布5b，该组合光强分布5b是通过与第一相位调制元件1一起使用根据第二改型的第二相位调制元件22而获得的，具有点反向峰值形状的光强最小分布根据所希望的结构只影响一维地具有梯度的V形光强梯度分布1e的底部，并且应该理解可以获得理想的光强分布。在这种情况下，晶核形成位置，即晶体生长起始点可以被指定在具有点反向峰值形状的光强最小分布22的一个位置上，并且沿着在一维方向上具有梯度的V形光强梯度分布1e的光强的梯度方向(X方向)可实现从晶核开始的横向上晶体的充分生长，由此可以以大晶粒尺寸对未结晶半导体膜进行结晶。
应该注意到，根据图17A的改型的第二相位调制元件22采用了具有如下构成的结构：其中具有不同相位值的四种类型的矩形区域22a、22b、22c和22d在预定点区域22e彼此相邻。然而，本发明不限于此，还可以采用具有如下构成的结构：其中具有不同相位值的三种或更多种类型的区域在预定点彼此相邻。
应该注意到，可以在前述每个实施例的设计阶段计算光强分布，但是希望预先观察和确认实际处理表面上的光强分布。为了实现这一点，放大衬底5的处理表面并通过使用诸如CCD的成像元件来输入该处理表面就足够实现这一目的了。如果使用的光束是紫外线，则限制了所述光学系统，并因此所述光束可能要通过在衬底上提供的荧光屏而被转换成可见光束。
图19A到19E是示出了在通过使用根据每个实施例的结晶装置来结晶的区域上制造电子器件的步骤的步骤剖面图。如图19A所示，制备衬底5，所述衬底5是通过利用化学汽相淀积法或溅射法在绝缘衬底80(例如，碱性玻璃、石英玻璃、塑料、聚酰亚胺等)上形成下层膜81(膜厚为50nm的SiN和膜厚为100nm的SiO₂的叠置膜)和非晶半导体膜82(例如，具有大约50nm到200nm的膜厚的Si、Ge、SiGe等)而获得的。然后，使用根据每个实施例的结晶装置向非晶半导体膜82表面上的一个预定区域施加激光束88(例如KrF准分子激光束或XeC1准分子激光束)。
通过这种方式，如图19B所示，产生了具有大晶粒尺寸晶体的多晶半导体膜或单晶半导体膜84。然后，如图19C所示，将所述多晶半导体膜或单晶半导体膜84处理成岛状半导体膜85，通过使用光刻技术，该岛状半导体膜85将成为用于形成例如TFT的区域，并且通过使用例如化学汽相淀积法或溅射法在该表面上形成作为栅极绝缘膜86的膜厚为20nm到100nm的SiO₂膜。而且，如图19D所示，在所述栅极绝缘膜上形成栅电极87(例如硅化物或MoW)，并且将栅电极87用作掩模板来注入杂质离子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处理(例如在450℃下退火一小时)，并且通过激活杂质将源区91和漏区92形成为岛状半导体膜85。然后，如图19E所示，形成层间绝缘膜89、形成接触孔，并且形成连接到源区91和漏区92的源电极93和漏电极94，其中源区91和漏区92通过沟道90耦合。
在上述步骤中，沟道90是根据在图19A和19B所示的步骤中形成的多晶半导体膜或单晶半导体膜84的具有大晶粒尺寸的晶体的一个位置而形成的。通过上述步骤，可以将TFT形成为多晶晶体管或单晶半导体。如此制造的多晶晶体管或单晶晶体管可以被应用到驱动电路中，该驱动电路可以用于例如液晶显示器件(显示器)或电致发光(EL)显示器、存储器(SRAM或DRAM)或诸如CPU的集成电路。
在上述实施例中，关于第一相位调制元件1和2，可以在入射光束的那一侧提供相位调制元件2。此外，可以整体地提供第一和第二相位调制元件。
用这种方式构成的结晶装置具有设置在所述相位调制元件1和2之间的图像形成光学系统4，因此该结晶装置具有如下特性。在每个结晶步骤，相位调制元件1和2以及衬底5之间的距离可以在高速度下始终被设置为恒定。因而可以结晶步骤的生产流程时间。由于所述图像形成光学系统4设置在相位调制元件1和2与衬底5之间，因此即使在结晶步骤中由衬底5出现烧蚀现象，产物也不会附着到所述相位调制元件上。
其它的优点和修改对于本领域的技术人员来说是很容易领会的。因此，在更宽范围内的本发明不限于具体细节以及这里所示和所述的有代表性的实施例。因而，在不脱离由所附权利要求书及其等效形式限定的总的发明概念的精神或范围的情况下可以做出各种修改。