在半导体膜上具有不同结晶度的区域是可以光学识别的。如果具有不同结晶度的区域形成为预定形状，这种区域就可以用作对准标记。在本发明的实施例中，通过最初的激光照射形成随后的结晶工艺中需要的对准标记。具体地，利用通过最初的激光照射形成的对准标记，使衬底对准并进行结晶工艺。通过该结晶工艺形成大晶粒尺寸的单晶晶粒。在本发明另一个实施例中，在用于结晶的最初激光照射工艺时，同时形成在薄膜晶体管制造步骤的光刻中需要的对准标记。
根据本发明的实施例，提供了一种用于利用激光来结晶非晶或者多晶半导体膜的结晶方法，包括：通过第一激光照射在非晶或者多晶半导体膜上的预定位置形成对准标记；以及利用以对准标记为基础的对准，通过第二激光照射形成具有大晶粒尺寸的结晶区。
在这种结晶方法中，第二激光照射具有比第一激光照射更高的能量密度。另外，在该结晶方法中，通过移相器进行第二激光照射。在形成该对准标记的步骤中，同时形成在制造薄膜晶体管的后续步骤中需要的、用于光刻的对准标记。
根据本发明的实施例，提供一种半导体膜形成衬底，该半导体膜形成衬底包括支撑衬底和在该支撑衬底表面上形成的半导体膜，其中该半导体膜包括：通过在预定位置上的第一激光照射形成的对准标记部分；和通过第二激光照射形成的具有大晶粒尺寸的再结晶区域。
该半导体膜形成衬底还包括由该支撑衬底和该半导体膜之间的绝缘材料形成的底层。另外，该半导体膜形成衬底还包括由该半导体膜表面上的绝缘材料形成的保护膜。
根据本发明的实施例，提供一种光调制元件，该光调制元件包括：调制光并形成用于结晶的光强分布的第一光强调制结构；和与第一光强调制结构形成为一体或者分开地形成的第二光强调制结构，该第二光强调制结构调制光并形成用于形成对准标记的光强分布，该对准标记表示结晶区上的预定位置。
在该光调制元件中，该第二光强调制结构包括能够与用于结晶的光强相比降低光强到任意值的图案。在该光调制元件中，第二光强调制结构是在图像聚焦时改变光强的结构。在该光调制元件中，在图像聚焦时改变光强的结构有选择地或者部分地改变相位调制值。在该光调制元件中，在图像聚焦时改变光强的结构改变能够透光的面积。在该光调制元件中，第二光强调制结构改变能够透光的图案的透光量。在该光调制元件中，如此构成第二光强调制结构，使得由网状或者点状图案决定每单位面积的透光区域面积或者每单位面积中具有不同相位的区域的面积。
根据本发明的实施例，提供一种光调制元件，该光调制元件包括调制光并形成预定光强分布的两种或更多种光强调制区域，其中该两种或更多种光强调制区域中的至少一种由两种基本图案组成，该两种基本图案中的第一基本图案包括一组阻光区域和透光区域，并且该两种基本图案中的第二基本图案仅包括一个阻光区域，或者包括一组阻光区域和透光区域，且阻光区域的面积比率大于第一基本图案中阻光区域的面积比率。
根据本发明的实施例，提供一种光调制元件，该光调制元件包括调制光并形成预定光强分布的两种或更多种光强调制区域，其中该两种或更多种光强调制区域中的至少一种包括第一基本图案和第二基本图案，该第一基本图案包括一组具有不同相位调制值的两种或更多种相位调制区域，该第二基本图案仅包括具有单个相位值的区域，或者包括其面积比率不同于第一基本图案中面积比率的一组具有不同相位值的两种或更多种相位调制区域。
根据本发明的实施例，提供一种制造薄膜半导体衬底的方法，其中预定区域通过以预定面积为单位在具有非单晶半导体膜的薄膜半导体衬底上连续地照射来自光源的光而晶体生长，该方法包括：在非单晶半导体膜上的预定位置对于来自光源的光形成第一光强分布或者第二光强分布，该第一光强分布用于结晶非单晶半导体膜的预定区域，该第二光强分布用于形成其光学特性不同于非单晶半导体膜的光学特性的对准标记；以预定的定时用具有第一或者第二光强分布的光照射非单晶半导体膜；以及晶体生长非单晶半导体膜的预定区域，并且在该预定位置形成对准标记。
在制造薄膜半导体衬底的方法中，同时形成第一和第二光强分布，并且具有第一和第二光强分布的光同时照射在非单晶半导体膜上。
根据本发明的实施例，提供一种薄膜半导体器件，该薄膜半导体器件包括从在照射对象上提供的非单晶半导体膜晶体生长的半导体层和在该非单晶半导体膜中形成的对准标记，该半导体层和对准标记是通过利用一种上述光调制元件、用具有第一光强分布和第二光强分布的光以预定面积为单位照射非单晶半导体膜而形成的，该第一光强分布用于结晶非单晶半导体膜，该第二光强分布用于形成表示结晶区上的位置的对准标记。
根据本发明的实施例，提供一种薄膜半导体器件的制造方法，包括：通过利用一种上述光调制元件，形成用于结晶在照射对象上提供的非单晶半导体膜的第一光强分布和用于形成表示结晶区上的位置的对准标记的第二光强分布；以预定面积为单位照射光，该光具有用于结晶的第一光强分布和用于形成表示结晶区上的位置的对准标记的第二光强分布；以及在非单晶半导体膜中形成晶体生长半导体层和对准标记。
根据本发明的实施例，提供一种显示器，包括：以横向和纵向的矩阵形式提供的多个像素电极；连接到该多个像素电极的多个薄膜晶体管；以及电连接到该多个薄膜晶体管的扫描线和信号线，其中该像素电极、该薄膜晶体管、该扫描线和该信号线形成在该半导体膜形成衬底上，并且该显示器还包括能够根据薄膜晶体管的操作显示信息的显示机构，该薄膜晶体管的操作相应于提供给信号线的信号。
根据本发明的实施例，提供一种显示器，包括：开关器件，该开关器件包括通过将半导体层以预定形状图案化而获得的区域，该半导体层是通过利用一种上述光调制元件、用具有用于结晶该非单晶半导体膜的光强分布和包括表示结晶区上的位置的图案的光强分布的光以预定面积为单位照射非单晶半导体膜而从照射对象上提供的非单晶半导体膜开始晶体生长的；连接到该开关器件的信号线；以预定距离和其上形成开关器件的绝缘衬底相对的对(counter)电极；以及能够根据开关器件的操作来显示信息的显示机构，该开关器件的操作相应于提供给信号线的信号。
根据本发明的实施例，提供一种结晶方法，用于用具有两种或更多种光强分布的光照射非单晶半导体膜并结晶该非单晶半导体膜，在用于提供两种或更多种光强分布的第一和第二光强分布区域中，第二光强分布区域由具有不同光强度的两种区域组成，而且建立I1＞I2＞I3的关系，其中I1是第一光强分布区域的光强最大值，I2和I3分别是第二光强分布区域的光强高位值和低位值。
在该结晶方法中，当在非单晶半导体膜中由于均匀光强分布的光的照射而发生烧蚀的最小光强是Ia时，建立起Ia＞I2＞I3的关系。在该结晶方法中，当非单晶半导体膜由于用具有均匀光强分布的光的照射而熔化的最小光强是Ic时，建立起I2＞Ic＞I3的关系。
根据本发明的实施例，提供一种移相器，该移相器包括：调制光并形成用于结晶半导体膜的光强分布的光强调制结构；和与该光强调制结构形成为一体或者分开地形成的、并且由与该光强调制结构相同的元件(member)形成的对准标记形成结构，该对准标记形成结构调制光并形成包括预定形状图案的光强分布，而且形成表示结晶区上的预定位置的对准标记。
在该移相器中，该光强调制结构包括一种上述光调制元件。
根据本发明的实施例，提供一种用于结晶半导体薄膜的装置，该装置包括：发射预定波长的光的光源；一种上述光调制元件；以及保持照射对象并可以自由移动的对象保持机构。
根据本发明的实施例，提供一种包括在位于衬底上的非晶或者多晶半导体膜中形成的薄膜晶体管的装置，该衬底具有由绝缘材料形成的表面，该装置至少包括对准标记和薄膜晶体管，该对准标记包括通过对非晶或者多晶半导体膜进行热变质作用形成的区域，使得该区域具有反射状态的光学特性，这不同于该非晶或者多晶半导体膜的光学特性，该薄膜晶体管设置在通过部分单结晶该非晶或者多晶半导体膜形成的区域中。
根据本发明的实施例，可以自由改变照射光的强度。因此，在与用于从半导体膜获得大晶粒尺寸晶体相位半导体的流量照射相同的步骤中，可以同时在具有薄膜半导体的待处理衬底上形成对准标记。
附图简述
图1A到图1E示出根据本发明第一实施例的制造步骤；
图2示出用于形成本发明对准标记的掩模的具体例子；
图3A到图3D是用于解释在本发明中采用的相位调制准分子激光结晶法的视图；
图4是可用于本发明的移相掩模的透视图；
图5A示出可用于本发明的以格状形式布置具有阶跃部分的移相器，而图5B示出与该移相器相关的光强分布；
图6A和图6B示出在本发明第一实施例中许多器件形成区域形成在大面积绝缘衬底上的状态；
图7示出可用于本发明的半导体膜结晶装置的具体例子；
图8A和图8B示出使用根据本发明形成的半导体薄膜的液晶显示器的具体例子；
图9示出现有技术中的半导体膜的结晶方法；
图10是用于说明可应用本发明第二和第三实施例的结晶装置的具体例子的示意图；
图11是示出可用于图10所示结晶装置的标记图案MK的具体例子的示意图，该标记图案MK用于将来自光源用于结晶的光的强度设置为预定值；
图12A到图12C示意地示出穿过图11所示标记图案的光强变化方式和程度的例子；
图13A到图13D是用于解释图12A所示标记图案和相位调制结构根据它可以改变透射光强的原理的示意图；
图14A到图14C是用于解释在如参考图13A到13D所述的点扩展范围内的相位变化和光强之间的关系的示意图；
图15A和图15B是用于解释在图10所示结晶装置中结合的图像聚焦光学系统的光孔函数和点扩展函数之间关系的示意图；
图16A到图16C是用于说明在具有第一相位值的部分和具有第二相位值的部分成对的情况下、在参考图11所述标记图案中透射部分的比例(占空比)的示意图；
图17是用于解释对于穿过图16A到16C所示标记图案(相位调制元件)的光，光强和相位差之间的关系和具有第一相位值的部分与具有第二相位值的部分之间的关系的曲线图；
图18是用于说明图11所示标记图案的示意图，其中有选择地设置阻光金属薄膜，从而一对遮挡部分和不遮挡部分，即，1区(1单元)可以形成具有预定面积的透射部分；
图19A到图19C是用于说明在图18所示标记图案中的占空比即(阻光面积)/(透光面积)的示意图；
图20是用于解释遮挡部分和不遮挡部分的比率如参考图19A到19C所述以1区(单元)为单位进行变化时，透射光强的变化；
图21A和图21B是用于说明光强变化图案的例子的示意图，该光强变化图案提供可用的光强，从而在具有预定强度的光照射在半导体膜上以进行晶体生长的同时在半导体膜上形成对准标记；
图22是用于解释光强分布的例子的曲线图，该光强分布通过使用图21A和21B所示图案对绝缘衬底上的半导体膜应用具有预定强度的光而获得；
图23A和图23B是示出在参考图21A和21B以及图22说明的原理的基础上，在相同的制造步骤中用1100mJ/cm2流量的光照射相同衬底上的半导体膜的情况下获得的结果的例子的放大照片；
图24是图23A中区域“A”的放大照片；
图25是用于解释利用图23A所示图案在衬底上的半导体膜上形成标记并且来自该标记的光信号由公知的光刻装置的检测器检测的情况下获得的结果的例子的视图；
图26是用于说明在图10所示结晶装置中使用的标记图案(相位调制元件)的例子的示意图；
图27A到图27F是说明用于利用图11所示相位调制元件在绝缘衬底的待处理表面上形成电子器件(半导体有源器件)的制造步骤例子的示意图；
图28是用于说明一个例子的示意图，在该例子中，在图27A到27F所示形成电子器件的步骤中，衬底参照对准标记AM沿着该衬底的平面移动；和
图29示意性地示出利用根据本发明支撑半导体膜的透明绝缘衬底制造的显示器的例子，利用参考图12A所述的相位调制元件在非晶半导体膜表面的预定区域上预先形成对准标记。

第一实施例
现在将要参考图1A到图1E说明本发明的第一实施例。首先，制备由绝缘材料形成的支撑衬底11，例如玻璃衬底、石英衬底或者塑料衬底。利用该支撑衬底11，将制造包括该支撑衬底11和位于该支撑衬底11上的半导体膜13的半导体膜形成衬底10。在本发明应用于例如液晶显示器的情况下，建议使用例如Corning#1737的无碱性玻璃衬底作为该支撑衬底11。本发明中支撑衬底11的材料不局限于绝缘材料。必要时，可以使用例如Si、Ge、SiGe、SiGeC、GaAs、GaP、InAs、GaN、ZnTe、CdSe或者CdTe的半导体衬底。
在该支撑衬底11上形成例如大约500nm厚、用作底层的绝缘膜12。该绝缘膜12由例如SiO2膜形成。该SiO2膜可以通过CVD形成，例如等离子化学气相淀积或者低压化学气相沉淀，或者通过溅射形成。用作半导体膜13的底层的绝缘膜12防止来自例如玻璃的支撑衬底11的合乎需要的杂质扩散到绝缘膜12上的半导体膜13内。此外，绝缘膜12具有储热作用，以用于积聚在半导体膜13熔化和再结晶时在半导体膜13中产生的热。绝缘膜12可以形成为堆叠层结构(未示出)，例如SiN膜和SiO2膜的组合，而不是单个SiO2膜。
然后，通过传统的CVD膜形成技术，例如等离子化学气相淀积或者低压化学气相沉淀，或者通过溅射，在绝缘膜12上形成非晶或者多晶半导体膜13。例如，可以通过甲硅烷SiH4的热分解在SiO2膜上形成硅薄膜。在这种情况下，在600℃到700℃的正常成膜温度范围内，形成其中单晶部分的粒度大约为20nm的多晶层。在大约500℃以下的温度范围内，形成非晶膜。这里使用的半导体膜13是大约30到200nm厚、优选大约50到100nm厚的硅薄膜。
在本发明中，半导体膜13不局限于硅薄膜。可以使用物理上合适的半导体膜，例如Ge、SiGe或者SiGeC薄膜。在通常情况下，半导体膜13形成在绝缘膜12的整个表面上。
随后，如图1A所示，在半导体膜13的整个表面上形成大约300nm厚的用作所谓的覆盖膜的保护膜14。例如，SiO2膜、SiN膜、SiON膜、SiOx(x＝1或者2)膜或者其堆叠层结构可用作保护膜14。该绝缘膜12和保护膜14具有储热作用，以用于积聚在半导体膜13中产生的热。
在脱氢工艺之后，在相位调制准分子激光结晶法(后面将说明)中用于对准再结晶区域的对准标记15通过激光结晶法形成在半导体膜13的一部分中。对准标记15在再结晶之后形成薄膜晶体管的步骤中也有用。
此外，在组装液晶显示器(参见图8B)时，对准标记在通过框形密封元件118来连接衬底91和92的步骤中可用于对准。而且，对准标记在将例如图6所示的衬底61划分成较小衬底的划片步骤中可用于对准。此外，在半导体膜中形成半导体器件例如薄膜晶体管的步骤中，对准标记可用作确定光刻掩模位置的参考。在最初的激光照射工艺中，可以附加形成在随后的薄膜晶体管制造步骤中的光刻所需的对准标记。
如图2所示，利用用于形成对准标记的掩模或者移相器16(以下还称为对准标记形成掩模或者移相器)通过激光束19的照射形成对准标记15。这时的激光照射称为“第一激光照射”。优选地，该激光束应该是具有二维均匀光强的均化光束。
可以构成对准标记形成掩模16，使得用于确定对准标记形状的开口18形成在金属薄板17中，例如300nm到500nm厚的铬薄膜或者300nm到400nm厚的铝薄膜。垂直入射在支撑衬底11上的激光束穿过开口18并到达半导体膜13。激光束加热半导体膜13，该半导体膜13被加热的形状相应于开口18的形状，并且在半导体膜13中形成热变质区域。热变质区域的光学特性不同于未加热区域的光学特性，所以前者与后者可以在光学上进行分辨。
在利用图2所示的对准标记形成掩模16时，对准标记是十字形。对准标记的形状不局限于十字形。掩模的阻光材料不局限于反射激光束的金属薄板，并且可以是吸收激光束的材料，例如氮化硅膜。可选择地，可以使用局部调制激光束照射强度的移相器。当使用该移相器时，标记部分由具有不同光强的两个或更多个照射区域组成。
在利用如图2所示的对准标记形成掩模或者移相器(shifter)16时，为了制造装置和制造工艺的简单起见，可以使用适用于后面将说明的相位调制准分子激光结晶法的准分子激光装置。在这种情况下，优选连续地执行形成对准标记15的步骤和后面将说明的再结晶步骤。在热变质对准标记15将要形成在非晶或者多晶硅薄膜13中的情况下，为了确保精确的轮廓和与相邻部分的光学差别，优选使用例如大约0.3J/cm2的流量。例如，XeCl(波长：248nm)或者KrF(波长：308nm)可以用作通常可用于再结晶步骤(后面将说明)的准分子激光源。
随后，如图1C所示，可以使用后面将详细说明的相位调制准分子激光结晶法。具有例如如图3B所示的光强分布的准分子激光束20照射在保护膜14的表面上。这种激光照射称为“第二激光照射”。在第二激光照射中，根据通过第一激光照射在半导体膜13中预先形成的对准标记15来设定激光束照射的位置。例如，第二激光照射作用的区域的尺寸和形状是每条边都是2mm的矩形。因此，在通常情况下，参照对准标记15在支撑衬底11上扫描照射位置。通过连续照射多个区域，可以以矩阵形式再结晶所述多个区域。通过这种方法，可以形成大面积结晶区。在第二激光照射中，半导体膜需要熔化。因此，第二激光照射需要比第一激光照射更高的能量密度。例如，使用流量大约为0.7到1.0J/cm2的激光束。
通过利用第二激光束20的第二激光照射，半导体膜13的大部分激光照射区域变成大晶粒尺寸结晶区21。因此，照射具有例如如图3B所示的适当的光强分布的准分子激光束20，并且赋予半导体膜13一种温度分布。形成大晶粒尺寸结晶区21，使得加热到熔点以上的半导体膜13从低温部分开始向高温部分逐渐结晶。在具有低激光束强度的低温位置，多晶硅(多晶-Si)或者微晶硅(μc-Si)首先形成。然而，通过根据温度梯度的晶体生长，有助于容易生长的晶粒的生长，并且形成大晶粒尺寸结晶区。在再结晶区域内，获得足以形成例如薄膜晶体管的沟道部分的大面积晶粒。
如图1D所示，半导体膜13被部分蚀刻，并且形成互相电绝缘的半导体岛22，该半导体岛22中将形成例如薄膜晶体管。在对准标记15用于制造例如薄膜晶体管的步骤的情况下，对准标记15的区域可以保留下来不蚀刻，如图1D所示。如果对准标记15不用于随后的制造步骤，则可以除去对准标记15。在岛22中，至少薄膜晶体管的有源区，即沟道区设置在大晶粒尺寸再结晶区域内。
图1E是示出在两个岛22中形成的并具有相同结构的两个薄膜晶体管23的横截面图，作为电子器件的具体例子。传统的薄膜晶体管制造方法可以应用于形成这些薄膜晶体管23。
在图1E中，薄膜晶体管23的源区24、沟道区25和漏区26形成在相关的岛22中。例如SiO2的栅绝缘膜27形成在沟道区25的表面上。栅电极28形成该栅绝缘膜27上。在通常情况下，支撑衬底11和薄膜晶体管23被例如SiO2的绝缘保护膜31覆盖。源电极29和漏电极30通过通孔32从源区24和漏区26引出。在这个例子中，形成薄膜晶体管。然而，不必说，除了薄膜晶体管之外的电子元件例如电容器、二极管和液晶显示板的像素电极可以形成在该岛22中。
现在参考图3，说明在本实施例中使用的相位调制准分子激光结晶法。例如，如图3A所示移相器用于本实施例的相位调制准分子激光结晶法。图3A示出移相器41的横截面。通过提供具有不同厚度相邻区域42和43的透明基底材料，例如石英基底材料来形成移相器41。图4是移相器41的透视图。在两个区域42和43之间的边界处形成的阶跃部分44处，形成所谓的移相部分，在那里入射的准分子激光束45可以衍射或者干涉。因此，具有均匀光强的入射准分子激光束可以具有周期变化的空间分布。
在本实施例中的移相器41构成为具有阶跃部分44，该阶跃部分44使穿过相邻图案42和43的激光束具有相反的相位(180°相位差)。换句话说，交替设置的区域42和43包括第一条形区域42和第二条形区域43，同相入射的激光束的相位改变，使得从移相器第一条形区域42出射的激光束具有例如π的相位，而从移相器第二条形区域43出射的激光束具有0相位。
在本实施例中，移相器41由折射率为1.508的矩形衬底形成。各个第一和第二条形区域42和43在水平方向上具有25μm的宽度。条形区域42和43之间的台阶Δt的大小对应于出射激光束之间的相位差θ。相位差θ由θ＝2πΔt(n-1)/λ得出，其中λ是激光束的波长，n是石英衬底的折射率。例如，在使用波长为248nm的KrF准分子激光器的情况下，折射率是1.508。当台阶Δt是244nm时，透射光束之间的相位差是180°。因此，可以通过以244nm的深度有选择地蚀刻平坦石英衬底与条形区域42对应的部分来形成移相器41。通过蚀刻减薄的区域是第一条形区域42，并且未蚀刻区域是第二条形区域43。
当使用具有这种结构的移相器41时，获得如图3B所示的激光束强度分布46。在用具有强度分布46的激光束照射的半导体膜13中，最小光强部分55具有最低温度。该半导体膜13具有根据激光束强度分布46的周期性温度分布47。通常，选择激光束的强度和照射时间，使得即使在最小光强部分55，半导体膜13也可以熔化，并且可以获得适当的温度梯度。
如果停止激光束45的照射，在具有最小光强的部分，即最低温部分48、48’和48″中或者与这些部分邻近的区域中的半导体膜13的温度下降到低于熔点，并且开始结晶。这时，出现许多多晶，该多晶用作半导体膜再结晶的籽晶。具体地，微晶或者多晶首先在最低温部分48、48’和48″中形成。然而，在晶体从温度梯度部分49的低温部分开始连续生长时，有助于具有尤其适合于晶体生长的晶向的晶体部分的生长。因此，可以在每个温度梯度部分49获得多个相对大的晶粒。随后，形成与薄膜晶体管有源区尺寸匹配的大晶粒尺寸再结晶区域。
在上述实施例中，如图3A和图4所示，构造移相器41，使得由阶跃部分44形成的线性移相部分平行排列。然而移相器的结构不限于此。
例如，如图5A所示，可以使用其中具有不同面积的阶跃部分44以矩阵形式布置的面积调制型移相器。具体地，面积调制型移相器是这样的掩模，其中调制阶跃部分44的面积比，以获得图5B所示的光强分布。在图5A中，符号W表示移相器的重复长度，Δt是台阶的大小。在图5B中，BP是光束轮廓(beam profile)，PH是光束轮廓的振幅，PW是光束轮廓的节距宽度(pitch width)，而θ是光束轮廓互相反向倾斜的部分之间的角度。
图3C是示出利用图3A所示的移相掩模41获得的结晶半导体膜50的显微照片。多晶区域51、51’和51″垂直地形成在相应于移相掩模41的最低温部分48、48’和48″的位置。晶体从多晶区域51、51’和51″在横向上生长成粒度为大约2.5μm的大单晶。在横向相邻的多晶区域51、51’、51″之间的中部结束晶体生长。在中部出现垂直的晶粒边界53。通过适当地选择温度梯度，可以获得更大的晶体部分52。大晶粒尺寸结晶区可以形成为邻近于多晶区域51、51’和51″。
图3D示出相应于图3C所示的结晶半导体膜50的器件形成区54的例子。例如，薄膜晶体管23或者薄膜晶体管23的沟道区25形成在每个器件形成区54内的大晶粒尺寸结晶区中。
图6示出其中许多器件形成区54形成在大面积绝缘衬底61上的具体例子。例如，用作底层的SiO2膜62形成在由例如无碱性玻璃衬底形成的绝缘衬底61上。非晶或者多晶硅膜63形成在该SiO2膜62上。对准标记64首先通过第一激光照射形成在该硅膜中。
随后，形成多个结晶区65。每次XY工作台以预定间距移动时可以通过第二激光照射形成各个结晶区65，例如，在该XY工作台上安装了绝缘衬底61。例如，每次第二激光照射作用时，可以根据在半导体膜上形成的对准标记64进行用于激光照射的对准。因此，结晶区65可以精确地定位在该绝缘衬底61上。每个结晶区65包括多个器件形成区54。对准标记64还可用于制造例如薄膜晶体管的工艺步骤中，例如形成图1D所示的岛22的步骤。而且，对准标记64可用于切割和连接衬底的步骤。
图7示出可用于根据本发明半导体膜的结晶的结晶装置70的实施例。在这个例子中，准分子激光器71(例如XeCl、KrF等)用作激光源。然而，激光源不局限于这种准分子激光器。如图7所示，在发射脉冲激光束72的准分子激光器71的发射侧上，依次提供用于控制激光束72的能量密度的衰减器73和用于均化激光束强度的均化光学系统74。衰减器73和均化光学系统74是在传统的光学设备中使用的普通衰减器和均化光学系统。
对准标记形成掩模或移相器75，或者移相器76设置在均化光学系统74的发射侧。利用对准标记形成掩模或者移相器75的第一照射(通常几次)之后进行利用移相器76的第二照射(通常几次)。通常被用来置换元件的移动机构84可以用作在对准标记形成掩模或移相器75和移相器76之间进行置换的机构。通过该移动机构84，改变对准标记形成掩模或移相器75和移相器76。通过对准标记形成掩模或移相器75或者移相器76形成的激光束图案透过投影透镜77，尺寸不变或者尺寸减小或增大。
可以在垂直于激光束传播方向的方向上移动的XY台78或者XYZθ台78(可以在彼此垂直的X、Y和Z方向上移动并且能以所需角度旋转XY平面内的衬底的台)设置在投影透镜77的发射侧。其上形成半导体薄膜79的绝缘衬底80将要放置在XYZθ台78等上。该XYZθ台78连接到驱动器81并通过驱动器81在垂直于激光束方向的方向上移动。在XYZθ台78上提供用于至少检测在半导体薄膜79上形成的对准标记64的位置的光接收器件82。
该准分子激光器71、衰减器73、用于对准标记形成掩模或移相器75或者移相器76的移动机构84、驱动器81和光接收器件82通过信号线87电连接到控制器83。控制器83控制来自元件71、73、84、81和82的信号。控制器83包括信号处理器85和存储单元86，该信号处理器85产生元件71、73、84、81和82所需的控制信号，存储单元86储存信号处理所需的信息和程序。
控制器83包括程序，该程序至少使得能够通过第一激光照射在非晶或多晶半导体膜上的预定位置形成对准标记，以及通过采用根据对准标记的对准的第二照射形成具有大晶粒尺寸的再结晶区域。控制器83可以执行再结晶装置所需的各种控制，包括发射脉冲激光束的准分子激光器71的光发射控制、在第一照射和第二照射中衰减器73的能量密度控制、利用掩模/移相器移动机构84的掩模/移相器置换控制、借助于驱动器81对XYZθ台78的驱动控制、以及借助于光接收器件82对对准标记64和半导体薄膜79的位置检测控制。
图8A和图8B示出利用具有形成在半导体薄膜中的对准标记的再结晶半导体薄膜制造的液晶显示器的实施例。附图标记102表示在液晶显示器90上部提供的信号线驱动电路部分100上形成的对准标记。附图标记102’表示在下侧显示部分119上形成的对准标记。相应于图6所示器件形成区54的器件形成区域用数字103和103’表示。为了简化说明，仅仅示出了右上部分，其余部分省略。在本实施例中，对准标记位于驱动电路部分和显示部分的四个角落处。然而，对准标记的数量和排列可以适当地根据器件形成区域的数量和排列来确定。
如图8B所示，液晶显示器90包括一对上下透明衬底91和92，液晶层93、多个像素电极94和对电极97。另外，如图8A所示，液晶显示器90包括布置成矩阵的多个像素电极94、多条扫描线95、多条信号线96和连接到像素电极94的多个薄膜晶体管98。
成对的透明衬底91和92可以由例如玻璃衬底形成。透明衬底91和92通过框状密封材料118彼此连接。液晶层93密封在由成对的透明衬底91和92以及密封材料118围绕的区域内。
在成对的透明衬底91和92之一的内表面上，例如，在下部衬底92的内表面上，提供在横向和纵向上布置成矩阵形式的多个像素电极94、连接到相关的像素电极94的多个薄膜晶体管98以及电连接到薄膜晶体管98的多条扫描线95和信号线96。在本实施例中，薄膜晶体管98和像素电极94形成在再结晶器件形成区域103和103’上。
扫描线95横向延伸并连接到薄膜晶体管98的栅极。扫描线95的一端连接到扫描线驱动电路99。信号线96纵向延伸并连接到薄膜晶体管98。信号线96的一端连接到信号线驱动电路100。扫描线驱动电路99和信号线驱动电路100连接到液晶控制器101。液晶控制器101从外部接收图像信号和同步信号，并产生像素视频信号Vpix、垂直扫描控制信号YCT和水平扫描控制信号XCT。
在图8A和8B所示的实施例中，其中形成了薄膜晶体管98的半导体膜设置在透明衬底92上，并且对准标记102、102’通过第一激光照射形成在半导体膜上的预定位置。光学地识别对准标记102、102’，并且参照对准标记102、102’确定通过相位调制准分子激光束来结晶的位置。例如，如图3D所示，薄膜晶体管98形成在相应于器件形成区54的器件形成区域103、103’内。薄膜晶体管98可以通过传统的薄膜晶体管制造工艺形成。
第二实施例
下面，详细说明第二实施例。在第二实施例中，例如，如图12A所示，利用相位值调制型掩模图案MK，在衬底上的半导体膜上形成用于对准的对准标记。下面将说明的技术适用于除了形成对准标记之外的用途。
图10示意性地示出适用于形成第二实施例中的对准标记的结晶装置的例子。在图10所示的结晶装置中使用的激光束具有例如248nm的波长，以用于加热在衬底206上形成的非单晶半导体膜。该结晶装置可以包括例如KrF准分子激光器201，该KrF准分子激光器201可以输出能够熔化非单晶半导体膜的照射部分的激光束。作为另一个例子，可以使用YAG激光器作为光源。而且，可以使用XeCl激光器作为能够输出可以加热和熔化该非单晶半导体膜的能量的光源。
来自光源201的激光束经过照明光学系统202，从而可以使在垂直于激光束方向的照射平面内的光强基本上均匀。
照明光学系统202包括均化器(未示出)。该均化器使得入射激光束在照射平面内的光强均化。
入射在相位调制元件203上的激光束通过相位调制元件203在照射平面内具有预定的强度分布。生成的光束进入图像聚焦光学系统204。穿过图像聚焦光学系统204的光束会聚在保持于台205上的待处理衬底206上。保持在台205上的衬底206用通过相位调制元件203而具有预定强度分布的激光束照射，从而熔化并再结晶衬底表面上的半导体膜。
台205能在例如XYZθ控制器207的控制下沿着曝光平面自由地移动衬底206。在这里，曝光平面定义为来自图像聚焦光学系统204的照明光聚焦的平面。因此，来自相位调制元件203的具有光强分布的照明光可以照射在衬底206上的所需位置。因此，可以以预定间距照射根据相位调制元件203的尺寸限定的预定图案。
虽然后面将参考图27说明细节，但是可以构造衬底206，使得非单晶半导体膜282和覆盖膜283通过底层保护膜281堆叠在绝缘衬底280例如玻璃衬底上。底层保护膜防止来自玻璃衬底的杂质扩散。此外，底层保护膜具有吸收和积聚在熔化非单晶半导体膜时产生的热的作用。例如，氧化硅膜或有机SOG膜可用作底层保护膜。半导体器件例如半导体有源器件和半导体无源器件形成在非单晶半导体膜中。该非单晶半导体膜是指非晶半导体膜或多晶半导体膜。可用的非单晶半导体膜的材料包括例如SiGe、SiO、CdSe、Te和CdS以及硅。覆盖膜由具有吸收和积聚熔化非单晶半导体膜时产生的热的功能的材料形成。例如，氧化硅膜可用作覆盖膜。
图11示出适用于图10所示结晶装置的标记图案的例子。在图11所示的例子中，从用于结晶的光源发射的光的强度可以设定为预定的较低值，以形成对准标记。
标记图案MK主要可以给在所需区域单元内的透射光提供相位延迟，即相位差，从而该光在光聚焦在图像聚焦对象上的状态下具有预定的强度分布。可选择的，标记图案MK主要可以使在所需区域单元内的透射光有透光量的差别，从而该光在光聚焦在图像聚焦对象上的状态下具有预定的强度分布。标记图案MK可以形成为网格形状或点状。
在第二实施例中，例如，通过有选择地蚀刻形成相位调制元件203的衬底，由此提供厚度差(即阶跃部分)来形成标记图案MK。石英玻璃是相位调制元件203的衬底的优选材料。可以通过机械或化学处理使相位调制元件203的玻璃材料、优选石英玻璃具有阶跃部分来形成标记图案MK。标记图案MK还可以通过以预定形状将预先形成在相位调制元件衬底上的透光材料膜进行图案化来形成。在标记图案MK是透光材料膜的情况下，例如，通过控制该膜的厚度或者通过改变该膜所占的面积，可以获得预定的光强分布。
图12A到12C是用于解释其中图11所示的标记图案MK与相位调制部分形成为一体时相位调制元件的特征的示意图。图12A是示意性地示出其中如参考图11所述的标记图案MK与相位调制部分形成为一体时的整个相位调制元件的平面图。图12B和图12C示出当光分别穿过相位调制元件上如图12A中的线B-B和线C-C所表示的位置时获得的光强分布。
图12B和图12C的每一幅曲线图中的纵座标表示光强，该光强以其中大晶粒尺寸Si晶体在预定方向上生长的图案中、在a-Si膜，即半导体膜中可以进行晶体生长而不会发生烧蚀的最大流量I1为基础来进行标准化。
在图12C中，如果穿过标记图案MK的标准化的光的强度是“β”和“γ”，“β”和“γ”的大小表示如下
1＞γ＞β，
因为以用于结晶的流量来进行标记形成。
实际上，考虑到关于照射对象上a-Si层的厚度变化、照射对象的厚度不均匀性或者照射对象和照射光学系统之间距离的变化的容差来设定“γ”的值。换句话说，照射在标记图案MK部分上的光强上限值γ必须设定为可以防止以下情况发生的值，这种情况是发生上述烧蚀，并且根据标记图案MK形成在衬底上的半导体膜上的对准标记将丢失。在发生烧蚀的区域内，识别对准标记的精确性(形成的标记图案MK保留下的可能性)降低。
同时，a-Si(非晶硅)和p-Si(多晶硅)，或者c-Si(结晶硅)具有不同的折射率，因此可以光学识别。换句话说，为了识别标记图案，必须形成a-Si区域和p-Si区域或者c-Si区域的标记图案。如果待结晶的半导体膜开始结晶处的光强(即，改变晶体结构所需的光强)是“α”，则“β”和“γ”必须满足以下条件公式，
γ＞α＞β                …(A)
为了更令人满意地实现本发明的有益效果，优选根据使用的波长、光强、半导体膜结构和光强分布，将条件公式(A)中的下限值β和上限值γ设定为最佳值。
照射对象是衬底206，构造该衬底206，使得300nm厚的SiO2层(下绝缘层)形成在例如0.7mm厚的玻璃板上，并且在其上提供200nm厚的a-Si层和300nm厚的SiO2层(上绝缘层)。现在假定来自图10所示结晶装置的光源的光的波长λ是248nm(KrF准分子激光束)。此外，假定图像聚焦光学系统204是等(equal)放大倍数光学系统并且图像聚焦光学系统204的对象侧数值孔径是0.031。而且，图像聚焦光学系统204的数值孔径NA设定为0.0155，因此照明系统的sigma会变为0.5。假定相位调制元件203具有180°相位差。
说明这些条件下的试验结果。用准分子激光束(波长：248nm)照射具有上述a-Si膜的对象206，同时改变强度。当具有用于结晶的流量的准分子激光束的峰值超过1000mJ/cm2时，发生烧蚀(膜损坏)。因此认为a-Si和p-Si丢失。另一方面，当光强等于或小于200mJ/cm2时，证实没有发生结晶，并且玻璃衬底上的a-Si膜还是a-Si。
因此证实，当光强高于200mJ/cm2并且不高于1000mJ/cm2时，玻璃衬底上的半导体膜变为p-Si(多晶硅或者多晶)或者c-Si(结晶硅)。
因此，在用于生长大晶粒尺寸Si晶体的相位调制图案中，如果发生烧蚀时激光束的光强标准化为“1”，则玻璃衬底上的a-Si膜开始结晶的临界值“α”可以表示为
α＝0.2。
在这种情况下，“β”和“γ”之间的关系表示为
γ＞0.2＞β。
图13A到13D是用于解释原理的视图，根据该原理，通过图像聚焦光学系统照射在衬底即处理对象上的光强可以改变。通常，相位调制元件203聚焦的图像的光振幅分布U(x，y)表示为等式(B)：
U(x，y)＝T(x，y)*ASF(x，y)              …(B)
在等式(B)中，T(x，y)是相位调制元件203的复振幅透光率分布，*表示卷积(卷积积分)，而ASF(x，y)是图像聚焦光学系统204的点扩展函数。点扩展函数定义为图像聚焦光学系统中的点图像振幅分布。
因为振幅均匀，所以相位调制元件203的复振幅透光率分布T表示为下列等式(C)，
T＝T0eiφ(x，y)                        …(C)
在等式(C)中，T0是常数，φ(x，y)表示相位分布。
在图像聚焦光学系统204具有均匀的圆形光孔并且没有像差的情况下，关于点扩展函数ASF(x，y)建立下列公式(D)，
ASF(x，y)∝2J1(2π/λ·NA·r)/(2π/λ·NA·r)  …(D)其中r＝(x2+y2)1/2。
在公式(D)中，J1是贝塞耳函数，λ是光的波长，而NA是如上所述图像聚焦光学系统204的图像侧数值孔径。
更具体的，图13A所示图像聚焦光学系统204的点扩展函数是在待处理衬底206的像平面204f上的光强分布。该光强分布如图13B所示。在图13B中，横坐标表示衬底206的入射面，纵座标表示入射光强。
换句话说，图13A所示图像聚焦光学系统204的点扩展函数可以用图13B中虚线表示的直径为R的圆柱形204e来近似。因此，在图13C所示相位调制元件203上直径为R’(光学上相应于图13B中的直径R)的圆圈内部复振幅分布的积分结果决定图13A所示像平面204f上的复振幅。
如上所述，聚焦在像平面204f上的形成图像的光振幅即光强由相位调制元件203的复振幅透光率分布和点扩展函数的卷积得出。
考虑点扩展函数通过圆柱形204e来近似的情况。在这种情况下，相位调制元件203的复振幅透光率用图13C所示圆形点扩展范围R’内部的均匀权重来进行积分。积分的结果是像平面204f上的复振幅，并且其绝对值的平方是光强。
图像聚焦光学系统204的点扩展范围R是在图13B中振幅曲线和横坐标204i的交点204j之间限定的范围。
因此，随着点扩展范围R内部的相位变化变小，光强增大。相反地，随着相位变化变大，光强减小。如图13D所示，如果考虑单位圆204g内部相位矢量204h的总和，将更容易理解上述情况。
图14A到图14C是用于解释如参考图13A到13D所述的点扩展范围R内相位变化和光强之间的关系的示意图。
图14A示出四个区域的相位值都是0°的情况。各在0°方向上具有振幅E的四个相位矢量205g的总和是振幅204E，并且其平方与光强16I对应。图14B示出两个区域的相位值都是0°、另两个区域的相位值是90°的情况。在0°方向上的两个相位矢量和在90°方向上的两个相位矢量的总和与对应，并且其平方与光强8I对应。
图14C示出一个区域的相位值是0°、另一个区域的相位值是90°、还有另一个区域的相位值是180°、剩下的一个区域的相位值是270°的情况。在0°方向上的相位矢量205s、在90°方向上的相位矢量205t、在180°方向上的相位矢量205u和在270°方向上的相位矢量205v的总和是0E，并且其平方与OI对应。
图15A和图15B是用于解释图像聚焦光学系统204的光孔函数和点扩展函数之间的关系的视图。图15A示出光孔函数和透光率之间的关系。图15B示出点扩展函数和光孔函数之间的关系。通常，点扩展函数(图15B)是通过傅立叶变换光孔函数(图15A)而获得。具体而言，在图像聚焦光学系统204具有均匀的圆形光孔并且没有像差的情况下，点扩展函数ASF(x，y)由上述公式(D)表示。
在图像聚焦光学系统204具有均匀的圆形光孔并且没有像差的情况下，已知点扩展函数第一次取0值的点之前的中心区域(即，艾里斑)的半径R／2表示为等式(E)，
R/2=0.61λ/NA                                     …(E)
在本发明中，如图14B和图15B所示，点扩展范围R是指在点扩展函数F(x)第一次取0值之前的圆形中心区域。现在考虑如图14A到图14C所示、在光学上与图像聚焦光学系统的点扩展范围R对应的圆圈内包括多个(在图14A到14C中是四个)相位调制单元的情况。在这种情况下，通过根据多个相位矢量205g的总和进行简单的计算，可以分析地控制光振幅，即光强。由此，甚至可以相对容易地获得相对复杂的光强分布。
因此，在本发明中，为了自由地控制光强，必要的是相位调制元件203的相位调制单元在光学上小于图像聚焦光学系统204的点扩展范围R(参见图13B)的半径，即R/2。换句话说，必要的是，就图像聚焦光学系统204图像侧的图像聚焦光学系统的图像聚焦平面(预定平面)而言，以相位调制元件203的相位调制单元为基础的相位分布大小小于图像聚焦光学系统204的点扩展范围R的半径R/2。图12A所示的单元范围C基本上等于已经参考图13B说明的点扩展范围R的大小。
已经参考图11说明的掩模图案MK以1区(1个单元)为单位改变区域的面积(占空比)D，以改变其相位值和相位差，如图16A到16C所示。因此，正如后面将参考图17说明的那样，可以自由设定透射光强度。如果作为例子参看图16B，由垂直相交的线Lp形成相位值不变的部分或者提供第一相位值φ2的部分。因此，具有不同相位值的部分，即具有第二相位值φ1的部分形成在点Dp内。不必说，具有第一相位值φ2的部分和具有第二相位值φ1的部分可以相反。而且，每1区的相位值变化的面积可以自由设定。图16A示出其中占空比D大约为5％的例子，图16B示出其中占空比D大约为50％的例子，而图16C示出其中占空比D大约为90％的例子。
图17示出每一间距(1单元)中透光部分所占的面积比(图17中的横坐标)，所述透光部分是已经参考图11和图12A说明的相位调制元件中一对具有第一相位值的部分和具有第二相位值的部分。也就是说，图17示出如图16A到16C所示具有不同相位值的区域的面积比的变化和照射在衬底上的光强(％)之间的关系。
从图17可以清楚地看出，穿过相位调制元件203的光强可以通过改变在相位调制元件203的1个单元的相位调制区域中具有第一相位值的部分和具有第二相位值的部分之间的面积比来自由地设定。1个单元的相位调制区域的大小由已经参考图11和图12A所述的单元范围C的大小来决定。
正如前面已经说明的那样，单元范围C的大小由结晶装置的透镜(照明光学系统202)的NA和光源201发射的光的波长λ来决定。在形成相位调制元件203的1个单元的相位调制区域中具有第一相位值的部分和具有第二相位值的部分的情况下，单元范围C(参见图11和图12A)必须设定为小于或等于λ/NA。
从图17可以清楚地看出，在相位差设定为θ＝60°(或者300°)、θ＝90°(或者270°)、θ＝120°(或者240°)和θ＝180°的任何一种的情况下，如参考图16A到图17C所述，当占空比D为50％时光强取最大值，并且在占空比D在0％和50％之间的范围内，光强逐渐下降。另一方面，证实在占空比D在50％和100％之间的范围内，光强逐渐增加。
光强的这种变化可以用下列等式(F)解释，
I＝(2-2cosθ)D2-(2-2cosθ)D+1                     …(F)
其中I是光强，θ是相位差，而D是占空比(具有不同相位值的区域之间的面积比)。
因此，当利用相位值调制型掩模图案MK在衬底上的半导体膜上形成对准标记时，曝光的光的最佳光强根据半导体膜一侧上的因素，例如衬底上半导体膜的成分、厚度等等和赋予掩模图案MK的相位差及其占空比D来随意设定。
第三实施例
下面，对透光量调制型的实施例进行说明，其中标记图案MK，例如可以阻光(blocking light)的金属材料以预定宽度(面积)和间距(间隔)布置在玻璃衬底上。
图18示出标记图案MK应用于除了上述改变相位值的方法之外的方法的情况。在该第三实施中，利用阻光型掩模图案MK在衬底上的半导体膜上形成对准标记。下面将说明的技术适用于除了形成对准标记之外的用途。
在这种情况下，有选择地提供阻光的金属薄膜。因此，设置每1区(1单元)具有预定面积的遮挡部分PS(或者Pt)和不遮挡部分(即透光部分)Ss(或者St)。例如，如图19A到19C所示，在每个1区(1单元)中，改变抑制光透射的区域面积，即遮挡部分Ps(或者Pt)和不遮挡部分Ss(或者St)之间的比。通过这种方法，正如将参考图20说明的那样，可以自由设定穿过标记图案MK的光的强度。不必说，可以根据有选择地提供金属薄膜的方法任意地制造不遮挡部分和遮挡部分。
例如，参考图19B，如果以垂直相交的间隔Ss形成不遮挡部分，遮挡部分Ps就形成为点状。如果提供在直角方向上延伸的条状金属薄膜St，不遮挡部分Pt就形成为点状。由于透射部分和遮挡部分具有相反的图案，所以只要考虑面积比，标记图案MK的类型数就是二。
具体地说，如图19A到19C所示，面积比即(遮挡部分面积/1单元面积)设定为每1单元(如前面参考图11和图12A所述，包括大约4到9个区并且相应于单元范围C)的占空比D。由此，正如将参考图20说明的那样，可以自由设定穿过相位调制元件的标记图案MK的光强。图19A示出占空比D大约为0％(完全透射或者不阻光)的情况，图19B示出占空比D大约为50％的情况，而图19C示出占空比D大约为100％(完全阻光)的情况。
图20是用于解释在提供例如参考图19A到19C所述的阻光金属薄膜，并且改变遮挡部分和不遮挡部分之间的比例，即占空比D的情况下穿过相位调制元件203的光强变化的曲线图。1单元不遮挡部分的大小由已经参考图11和图12A所述的单元范围C的大小来决定。此外，单元范围C的大小由结晶装置的透镜(照明光学系统202)的NA和光源201发射的光的波长λ决定。这在上面已经说明了。
从图20可以清楚地看出，在占空比D设定为D＝0％(完全透射)、D＝50％和D＝100％(完全阻光)的任何一种的情况下，当占空比D为100％时，光强取最大值，并且从占空比为0％(完全透射)开始，光强逐渐下降。
光强的这种变化可以用下列等式(G)来解释，
I＝(1-D)2＝D2-2D+1                             …(G)
其中I是光强，而D是占空比(遮挡面积/透射(不遮挡)面积)。
因此，当利用阻光型掩模图案MK在衬底上的半导体膜上形成对准标记时，曝光的光的最佳的光强根据半导体膜侧的因素例如衬底上的半导体膜的成分、厚度等等和掩模图案MK的比例(占空比)D，即(遮挡面积/透射面积)来随意设定。
现在参考图21A和图21B来说明光强变化的测量结果，该光强通过利用如参考图18和图19A到19C所述能够提供预定光强的透光量调制型图案来改变。
例如，为了生长大晶粒尺寸单晶硅晶粒，需要例如大约1J/cm2的流量(照射光)。然而，如图21B所示，当图案不包括用于改变相位值的区域并且仅仅包括完全透射的区域209b时，如图22中的曲线b所示，1J/cm2流量的光直接照射在半导体膜上。因此，发生上述烧蚀，并且难以形成可作为对准标记识别的图案。
相反，如图21A所示，通过在透光区域209b上提供可以以预定比例(面积比)改变阻光面积的区域209a，可以任意地设定透光量，即光强。关于图21A所示的图案，通过模拟证实，当占空比(不遮挡部分面积/总面积)设定为例如40％并且1J/cm2流量的透光量标准化为“1”时，如图22中的曲线a所示，光强变为大约60％。
图23A和图23B是示出根据参考图21A和21B以及图22解释的原理，在相同的制造步骤中用1J/cm2流量的光照射在相同衬底上的半导体膜上时获得的结果的例子的放大照片。
图23A示出利用图案照射预定强度的光的情况，该图案具有相位值预定且用作相位调制元件的区域，并且可以将照射光的流量限制为预定强度。在这种情况下，发现在衬底(试验样品)上存在与原始图案相应的对比差值(difference in contrast)。
另一方面，图23B示出利用非强度限制图案即不用作相位调制元件的图案在相同制造步骤中在相同衬底(试验样品)上照射预定强度的光的情况。如图23B所示，衬底上的半导体膜看上去是黑的，并且原始图样不可识别。有理由认为在衬底上的半导体膜中发生了烧蚀(膜损坏)。
图24是图23A中的区域A的放大图。在图24中，背景上的色彩浓度改变的中心部分相应于图23A中背景上的色彩浓度改变的边界部分。而且，从图24可以清楚地看出，在衬底上的半导体膜上形成的图案具有3μm的节距，并且甚至是可用作对准标记的图案也具有足够的分辨率。
图25示出通过公知的光刻装置检测到利用图23A所示图案形成在衬底上的半导体膜上的标记时得到的检测结果。从图25可知，可以进行类似于普通的光刻装置步骤中对准检测的情况的信号检测。
简而言之，通过应用本发明的上述原理(即，通过利用能够基于例如面积比变化来任意地设定透射的照射光的强度或者相位值的图案)，在不引起烧蚀的情况下，生长大晶粒尺寸单晶硅晶粒并且在衬底上的半导体膜上形成对准标记成为可能。
如上所述，通过使用根据第二和第三实施例的光调制元件，当具有预定强度分布(预定流量)的光照射在衬底上的半导体膜上，并且半导体膜的半导体晶体生长时，可以在和制造大颗粒的结晶工艺相同的步骤中形成后续步骤中可使用的对准标记。
例如，在半导体膜相关的生长晶体区域上形成半导体有源器件等等时，这有助于对准。通过改变结合进相位调制元件的标记图案的位置，可以在将要生长晶体的半导体膜上的所需位置形成对准标记。在本发明中，即使对准标记设置在衬底上的半导体膜上的所需位置，对将在随后的制造步骤中形成的半导体有源器件等等的特性也不会有副作用。
第二和第三实施例中的每一个所示的光调制元件都包括两种或更多种调制光并提供预定光强分布的光强调制区域。至少一种光强调制区域由两种基本图案组成。第一基本图案的特征在于包括一组阻光区域和透光区域。第二基本图案的特征在于仅仅包括阻光区域，或者包括一组阻光区域和透光区域，其中阻光区域的面积比大于第一基本图案中阻光区域的面积比。
这种结构可以描述为图18和19A-19C所示的每块标记图案MK(3)的遮挡部分Ps(Pt)和不遮挡部分或透射区域Ss(St)，以及其中整体地形成标记图案MK的光调制元件203。
此外，根据第二和第三实施例的光调制元件的特征在于包括两种或更多种光强调制区域，其中至少一种光强调制区域包括第一基本图案和第二基本图案，该第一基本图案包括一组具有不同相位调制值的两种或更多种相位调制区域，该第二基本图案仅包括具有单个相位值的区域，或者其面积比不同于第一基本图案面积比的一组两种或更多种相位调制区域。
这种结构可以描述为图11和图16A到16C所示的每块标记图案MK(3)的第一相位值φ1(或者Dp)和第二相位值φ2(或者Lp)，以及其中整体地形成标记图案MK的光调制元件203。
根据第二和第三实施例的方法是一种结晶方法，用于将具有两种或更多种光强分布的光照射到非单晶半导体膜并结晶该非单晶半导体膜，在用于提供两种或更多种光强分布的第一和第二光强分布区域中，第二光强分布区域由具有不同光强的两种区域组成，并且建立起以下关系，
I1＞I2＞I3
其中，I1是第一光强分布区域的光强最大值，而I2和I3分别是第二光强分布区域的光强的高位值和低位值。
当由于具有均匀光强分布的光的照射而在非单晶半导体膜中发生烧蚀时的最小光强是Ia时，建立起以下关系，
Ia＞I2＞I3。
另一方面，当非单晶半导体膜由于具有均匀光强分布的光的照射而熔化时的最小光强是Ic时，建立起以下关系，
I2＞Ic＞I3。
第四实施例
图27A到27F是说明在利用第二和第三实施例所述的能够形成对准标记的结晶装置来结晶的区域中形成电子器件例如半导体有源器件的步骤的截面图。
如图27A所示，制备例如碱性玻璃、石英玻璃、塑料或者聚酰亚胺的绝缘衬底280。在绝缘衬底280上，通过CVD或者溅射形成底层膜281、非晶半导体膜282和覆盖膜283。例如，底层膜281由50nm厚的SiN或者100nm厚的SiO2的堆叠层形成。例如，非晶半导体膜282由例如大约50nm到200nm厚的Si、Ge或者SiGe形成。例如，覆盖膜283由SiO2、SiON、SiOx或者SiN形成。
然后，例如KrF准分子激光束或者XeCl准分子激光束的激光束E通过相位调制元件203照射在非晶半导体膜282和覆盖膜283的部分或者全部表面上，例如，照射在预定区域上，如参考举例说明的图12A所述，在该相位调制元件203上整体地形成标记图案MK。
如图26所示，例如，相位调制器件203具有用于对准的标记图案MK，而且具有用于在作为处理对象的衬底206中促使晶体生长的移相图案SP。
正如前面参考图12A所述，相位调制元件203包括线&间隔图案230，该线&间隔图案230包括线部分231和间隔部分232，其宽度比上述图像聚焦光学系统204的点扩展范围(图12A中圆圈C表示的)的直径在光学上更小。通常，当简单地使用术语“线&间隔图案”时，它是指一对透射区域和不透射区域。在本说明书中，两种不同相位的循环被称为“线&间隔图案”。
在图12A中，每个线部分231(用阴影表示)具有第一相位值φ1(例如0°)。表示成没有阴影的空白的每个间隔部分232具有第二相位值φ2(例如180°)。在相邻线部分231和间隔部分232之间的宽度比在箭头x的方向上改变。即，当具有第一相位值φ1的部分和具有第二相位值φ2的部分成对，并且指明了间距时，具有第一相位值φ1的部分所占的面积比在箭头x的方向上变化。
图12A所示的相位调制元件203具有这种相位分布，即，作为具有相位值φ1的第一区域的线部分231和作为具有相位值φ2的第二区域的间隔部分232之间所占面积的比例在各个位置都不同。
如上所述，通过适当地改变单元范围C内包括的线部分231和间隔部分232所占面积的比例，该单元范围C在光学上相应于图像聚焦光学系统204的点扩展范围，衬底206上的光强分布可以控制为具有预定值。
具体地，如图12A所示，形成线&间隔图案230，使得在纵向(箭头x)上的中心区域基本上设定为第一相位值φ1(0°)，并且具有第二相位值φ2(180°)的面积的比例在箭头x方向上朝着两个端部逐渐增加。
在箭头z方向上(即，从图12B的纸张正面到背面的方向)穿过相位调制元件203的入射光当其穿过如图12B所示的线&间隔图案230的中心位置230A时具有最大光强。另一方面，穿过相位调制元件203的两端位置230B的入射光具有最小光强。
通过使用具有图12A所示变换图案的相位调制元件203，获得V形部分和倒V形部分在纵向(箭头x)上交替排列的这种锯齿形图案的光强分布成为可能。在这种情况下，在箭头x的方向上穿过接近中心位置230A的光在相位调制元件203上提供了光强的峰值。
如上所述，利用图12A所示的相位调制元件203，可以获得如图12B所示的强度分布图案，即光强分布的最低值设置在预定位置，并且强度从该最低值朝着边缘部分逐渐增加。利用具有这种强度分布图案的光，可以沿着衬底206的平面方向(x方向)从籽晶生长(横向生长)大晶粒尺寸晶体。因此，可以形成大晶粒尺寸的结晶半导体膜。
特别是，在凹曲线型分布图案中，其中光强朝着边缘部分线性增大的V形图案光强分布提供朝向边缘部分的线性温度梯度。因此，在不打断晶体生长的情况下，可以制造具有更大粒度的结晶半导体膜。如图12B所示，没有产生具有不必要的不规律性的光强分布。因此，通过利用具有上述图案的光强分布，可以以高填充率的阵列来生成晶粒。
设定相位调制元件的中心和端部之间的长度为5μm对于以10μm的节距排列在后面的步骤中将制造的电子器件(半导体有源器件)例如TFT(薄膜晶体管)是有益的。
另一方面，穿过包括标记图案MK区域的相位调制元件203的光强在相应于标记图案MK的位置设定为预定值，如图12C所示，因此标记形成在待处理的衬底上。这时，如果标记图案MK是相位调制型，则将要穿过标记图案MK的光强设定为已经参考图16A到图16C、图17和公式(F)所述的水平。此外，如果标记图案MK是光强调制型，即阻光型，则将要穿过标记图案MK的光强设定为已经参考图19A到图19C、图20和公式(G)所述的值。
标记图案MK应当优选地形成在这种给定的位置上，从而不对将在随后的制造步骤中形成的半导体有源器件等的特性产生副作用。因此希望在图26所示的相位调制元件203上提供的标记图案MK形成在除了以下位置之外的位置上，即除了在待处理的玻璃衬底206上将产生用于晶体生长的籽晶的位置之外的位置，或者形成在除了以下范围之外的位置上，该范围从作为中心的籽晶开始延伸并相应于将要形成有源器件例如TFT(薄膜晶体管)的区域。在这种情况下，在不存在移相图案SP或者标记图案MK的区域内，照射光的强度不被调制，并且在保持其强度的情况下处理光。必要时，该光可以通过遮挡膜等等来阻挡。
通过激光束E照射在衬底280上，衬底280上的半导体膜282一次熔化，如图27B所示。当半导体膜282结晶时，产生包括大晶粒尺寸晶体的多晶半导体膜或者单晶半导体膜284。同时，对准标记284A形成在该多晶半导体膜或者单晶半导体膜284的预定位置，该对准标记284A对应于与相位调制元件203形成为一体的标记图案MK。参照光刻装置的扫描检测器件(未示出)读取的对准标记284A确定衬底280的位置。随后，由台205保持的衬底280沿着衬底280的平面在两个轴线方向上移动，这将在后面参考图28进行说明。
如图27C所示，利用光刻技术，将多晶半导体膜或者单晶半导体膜284构图为预定形状，以便形成例如将被用作薄膜晶体管的沟道区、源区、漏区等等的半导体膜285，以及形成将保留在衬底280上的对准标记284A。
接着，如图27D所示，通过CVD、溅射等等在半导体膜285和对准标记284A的表面上形成20nm到100nm厚的、将用作例如栅极绝缘膜286的SiO2膜。
如图27E所示，在栅极绝缘膜286上，具有预定厚度、将被用作栅电极287的金属薄膜由硅化物、MoW等等形成。通过例如掩模和蚀刻的一系列步骤，将金属薄膜构图为预定形状。利用栅电极287作为掩模，注入杂质离子288，例如在N沟道晶体管的情况下是磷或者在P沟道晶体管的情况下是硼(B)。虽然未示出，但是生成的结构在氮气气氛中退火(例如，在450℃下1小时)，并且杂质被激活。因此，源区291和漏区292形成在岛形的半导体膜285中。不必说，由于栅电极287用作掩模而没有注入杂质离子288的区域变为沟道290。
在图27F的后续步骤中，形成具有预定厚度的层间绝缘膜289，并且通过步骤(未示出)在预定位置形成接触孔。源电极293和漏电极294通过该接触孔连接到源区291和漏区292，源区291和漏区292通过沟道290连接。
通过上述步骤，可以在多晶或者单晶半导体中形成薄膜晶体管(TFT)。
通过上述步骤制造的多晶晶体管或者单晶晶体管适用于液晶显示器、EL(电致发光)显示器等等的驱动电路，或者适用于例如存储器(SRAM、DRAM)或CPU的集成电路。
通过改变结合进相位调制元件的标记图案MK的位置，可以在将要生长晶体的半导体膜上的所需位置形成对准标记284A。根据本发明，即使对准标记设置在衬底上的半导体膜上的所需位置，也不会对将在随后的制造步骤中形成的半导体有源器件等等的特性产生副作用。
接着，将说明以下实施例，其中包括由根据第二和第三实施例的结晶装置结晶的区域的基底材料应用于类似于图8所示显示器的显示器，例如液晶显示器。
图29示出应用第二和第三实施例的情况，其中在形成对准标记350的同时生长大晶粒尺寸单晶硅晶粒。在本实施例中，利用支撑半导体膜的透明绝缘衬底来制造显示器，在该半导体膜上，在非晶半导体膜表面上的预定区域预先形成了对准标记350。例如，可以根据以下述一个像素为单位或者以一组像素为单位的衬底处理单元，以预定间距形成给定数量的对准标记350。
例如，说明有源矩阵液晶显示器300。液晶显示器300包括以预定距离相对的一对透明衬底(未示出；见图8B中的91和92)、液晶层(未示出；见图8B中的93)、像素电极331、扫描线332、信号线333、对电极(未示出；见图8B中的97)和TFT330。
所述成对的透明衬底可以由例如玻璃衬底形成。透明衬底通过密封材料(未示出)彼此连接，以保持内部气密。所述衬底中的至少一个包括半导体膜，在该半导体膜上，借助于例如参考图12A所述的相位调制元件在非晶半导体膜表面上的预定区域预先形成对准标记350。利用该对准标记形成预定的图案或电极结构。
液晶层密封在由成对的透明衬底之间的密封材料围绕的区域内。在成对的透明衬底中的一个的内表面上，提供以成直角的横向和纵向的矩阵形成布置的多个像素电极331、电连接到相关的像素电极331的多个TFT330，以及电连接到TFT 330的扫描线332和信号线333。
扫描线332在像素电极331的横向上平行延伸。扫描线332的一端连接到在透明衬底上的预定位置处设置的多个扫描线端子(未示出)。扫描线端子连接到扫描线驱动电路341。
信号线333在像素电极331的纵向上平行延伸。信号线333的一端连接到在透明衬底上的预定位置处设置的多个信号线端子(未示出)。信号线端子连接到信号线驱动电路342。
扫描线驱动电路341和信号线驱动电路342连接到液晶控制器343。液晶控制器343接收例如从外部提供的图像信号和同步信号，并产生像素视频信号Vpix、垂直扫描控制信号YCT和水平扫描控制信号XCT。
另一个透明衬底的内表面设置有与像素电极331相对的膜状透明对电极。此外，透明衬底的内表面可以设置有与像素电极331和对电极相对的像素部分相关联的滤色器，并且还可以设置有与该像素部分之间的区域相关联的阻光膜。
偏光板(未示出)设置在成对的透明衬底的外侧。在透射的液晶显示器的情况下，在透明衬底的背面上设置表面发射光源(未示出)。不必说，该液晶显示器可以是反射型或透反射型(trans-reflectivetype)。
如上所述，根据第二和第三实施例的光学元件，当具有预定光强分布的光照射在待处理的对象上时，具有特定图案的强度的光可以同时照射在所需位置上。
通过使用第二和第三实施例的相位调制元件，可以在以预定厚度淀积在绝缘衬底上的半导体膜上的任意位置形成籽晶。晶体可以从籽晶开始生长，并且可以在相同的制造步骤中在半导体膜上的任意位置形成对准标记。
此外，通过从籽晶横向生长晶体获得大晶粒尺寸结晶半导体膜，该籽晶是通过利用根据第二和第三实施例的相位调制元件(光学元件)的结晶装置和结晶方法而获得的。利用这种大晶粒尺寸结晶半导体膜，可以获得能够高速操作并具有良好的半导体特性的半导体有源器件、液晶显示器等等。
本发明不局限于上述实施例。实际上可以在不脱离本发明精神的情况下进行各种的修改和变化。所述实施例可以尽可能适当地组合，并且在此情况下可以获得以组合为基础的优点。