处理光束的方法、激光照射装置以及制造半导体器件的方法

文档序号:2983476阅读:169来源:国知局
专利名称:处理光束的方法、激光照射装置以及制造半导体器件的方法
技术领域
本发明涉及以一种使特定区域中的激光束能量均匀分布的方法,并涉及一种利用激光束退火半导体膜(以下简称激光退火)的激光照射装置(包括一个激光装置和一个把激光装置输出的激光束导向靶的光学系统)。本发明还涉及一种制造半导体器件的方法,半导体器件通过一种包括激光退火工艺的制造。在此说明书中,“半导体器件”表示任何种类的能够通过利用半导体特性起作用的器件,包括电光器件,如液晶显示器件和电致发光(EL)显示器,还有包括诸如作为元件的光电器件之类的电子器件。
背景技术
近年来,对用于在半导体非晶膜上或半导体晶体膜(具有晶体特性但不是单晶的半导体膜,如多晶或微晶半导体膜)上、即形成在诸如玻璃衬底的绝缘衬底上的非单晶半导体膜上进行激光退火以使膜结晶或改进膜的结晶特性的技术做了广泛的研究。作为上述种类的半导体膜,通常使用硅膜。
与常规广泛使用的石英衬底相反,玻璃衬底价格低并具有很高的可加工性。由于这些特点,玻璃常被用作大面积衬底的材料。这是进行上述研究的原因。因为玻璃衬底的熔点较低,所以激光被有利地用于晶化。激光能够只对衬底上的非单晶膜提供大量的能量,但不会显著地提高衬底的温度。
常规地,要通过加热来晶化半导体非晶膜,需要在600℃或更高的温度下加热十小时或更长的时间,最好是二十小时或更长时间。能够在此晶化条件耐受的衬底的一个例子是石英衬底。但是,石英衬底价格昂贵并且可加工性不是很强。尤其是非常难于把石英做成大面积衬底。增大衬底的面积是提高使用衬底的半导体器件的效率的本质因素。近年来,出于提高生产率目的的增大衬底面积的方案有显著的进展。600×720mm的衬底大小正成为新建生产线的标准。
只要使用目前通用的技术就很难把石英加工成这种大面积的衬底。如果有的话,大面积石英衬底必定是昂贵的并且不可用在工业上。另一方面,玻璃是一种易于制造大面积衬底的材料的例子。作为玻璃衬底,称为康宁7059的玻璃可被提及。康宁7059明显地价格低廉并且可加工性强,易于形成大面积衬底。但是康宁7059具有593℃的应变点,并且不可以在600℃或更高的温度下加热而没有问题。
具有较高应变点667℃的康宁1737衬底是现有的一种公知的玻璃衬底。通过在康宁1737上形成非晶半导体膜并将非晶膜保持在600℃的温度下二十小时而进行的试验结果表明没有发生衬底变形以致影响制造过程,并且非晶半导体膜被晶化。但是,如果考虑到实际制造过程中的加热时间,则二十个小时的加热时间过长,并且从制造成本方面考虑还希望把加热温度降低到600℃以下。
为了解决这个问题,设计了新的结晶法,其详细内容在日本专利申请特开平NO.7-183540中有所描述。以下对此方法做简略的叙述。首先,把少量的元素如镍、钯或铅加入到非晶半导体膜中。为加进元素,可以采用等离子加工或沉积法、离子注入法、溅射法、溶液涂敷法等。添加之后,把半导体非晶膜放置到550℃的氮气气氛中4小时,以便获得具有良好特性的半导体多晶膜。最适于晶化的加热温度和加热时间以及其它的加热条件取决于加入元素的量和半导体非晶膜的状态。
以上描述了通过加热使半导体非晶膜晶化的一个例子。另一方面,甚至可以在塑料衬底等以及在具有低应变点的玻璃衬底上进行通过激光退火的半导体非晶膜的晶化,因为激光退火能够只给半导体膜提供大量的热,但不显著地升高衬底的温度。
用于激光退火的激光器的例子有受激准分子激光器和氩离子激光器。作为一种具有提高生产率和批量生产量优点的激光退火法,使用这样的一种方法较为有利,该方法中通过光学系统处理用脉冲振荡而获得大功率激光束,从而形成一个具有几平方厘米的光斑或具有例如沿照射平面的10厘米或更长长度的光带,并且激光照射位置相对于照射平面以扫描的方式移动而进行激光退火。尤其是,与使用点激光束相比,使用在照射平面上形成一线性的激光束(以下称线性束)对提高生产率更为有效,因为用线光束只沿垂直于线光束形成的带的纵向的方向扫描可以满足整个靶表面的照射,而进行用点激光束扫描必需沿彼此垂直的两个方向的每一个方向。沿垂直于线光束形成的带的纵向的方向扫描具有最大的扫描效率。因为这种生产率的优点,使用通过适当的光学系统加工大功率激光器而获得的线光束的应用现在已变成激光退火中的主流。
图2表示一个用于加工激光束的光学系统的一个例子,光束在被照射的表面上形成一个带。光学系统还具有使激光束沿照射平面均匀分布并把激光束加工成带状形式的功能。一般地,把用于使光束能量均匀分布的光学系统称作光束均化器。
下面将首先参考图2中的侧视图对光学系统进行描述。从激光振荡器201中发出的激光束被柱状透镜阵列202在垂直于激光束行进方向的方向上分开。在本说明书中,把垂直于激光束行进方向的方向称作“进短尺寸方向”。在图2所示的例子中,激光束被分成四束。分束的激光束被柱状透镜204会聚,从而暂时地合并成一束。之后,光束被反射镜206反射并再被双合柱状透镜207合并到照射平面208上成为一束。双合柱状透镜是一种由两个柱状透镜形成的透镜。由此,线光束在短尺寸方向的能量分布被均化,并且光束在短尺寸方向的尺寸得以确定。
下面将参考图2中的顶视图对光学系统进行描述。从激光振荡器201中发出的激光束被柱状透镜阵列203在垂直于激光束行进方向并垂直于短尺寸方向的方向分开。在本说明书中此分开的方向被称作“长尺寸方向”。在图2所示的实例中,激光束被分成七束。分开的激光束通过柱状透镜205合并成照射平面208上的一束。由此,线光束在长尺寸方向的能量分布被均化,并且光束在长尺寸方向的尺寸得以确定。
上述每一种透镜都由适于与受激准分子激光器一起使用的适宜的合成石英制成,并且在每个透镜的表面上都形成一个防反射涂层以提高准分子激光的透射率。结果,每个透镜关于准分子激光的透射率为99%或更高。
用上述光学系统处理的线光束照射半导体非晶膜的表面,同时在短尺寸方向逐渐移动光束,以致于照射的区域重叠,由此在半导体非晶膜的整个表面上进行激光退火。半导体非晶膜由此被晶化,或者半导体膜的结晶特性被提高。
通过上述激光退火而获得的半导体晶体膜由多个晶粒形成,并且因此称作半导体多晶膜。与半导体非晶膜相比,半导体多晶膜具有显著的高迁移率。因此,利用半导体多晶膜能够制造单片液晶光电器件(具有制作在一块衬底上的薄膜晶体管(TFTs)的半导体器件,用于驱动象素形成元件和驱动电路),这不能通过使用常规半导体非晶膜制造的半导体器件实现。所以,半导体多晶膜与半导体非晶膜相比具有很高的优越性。
通过加热并再进行激光退火而使半导体非晶膜晶化的方法也可以用作上述方法。在一些情况下,此方法在提高半导体薄膜的特性方面比利用加热和激光退火之一进行晶化更有效。要获得改进的特性,需要优化加热条件和激光退火条件。如果薄膜晶体管(TFT)例如通过一种公知的方法并通过利用上述方法获得的半导体多晶膜制造,则TFT可以具有显著改进的电学特性。
现在,激光退火对于以低成本制造具有改进的电学特性的半导体膜逐渐变成必不可少。但是,现有的激光振荡器的性能还没有高到足以批量生产所需的膜的程度,并且还有批量生产需要解决的问题,包括涉及维护用于进行激光退火的装置的问题。为了进行半导体薄膜的激光退火,需要至少一个激光振荡器、一个用于使激光束的能量均匀分布的光学系统和按需要加工激光束的光学系统,以及一个输送半导体薄膜的机器人。
受激准分子激光器通常用作激光振荡器。准分子激光器发出可以被一种典型的半导体膜的硅膜高度吸收的紫外光,并且由于它们的大功率而具有生产率方面的优点。但是,它们非常昂贵,寿命短,其组成部分需要频繁地更换。还需要周期性地改变振荡所必需的气体。准分子激光器的维护很耗时,以致于维护的成本相当高。因此急切地需要开发一种激光退火装置以代替准分子激光器。
在二十世纪九十年代后半期开发并改进了多种激光器。对激光器的需求急剧增长。在新开发的激光器中,YAG激光器被认作是适合用于半导体薄膜激光退火的激光器。在把半导体薄膜激光退火应用到实践的早期,有一种用YAG激光器晶化半导体膜的倾向。但是,YAG激光器也为准分子激光器留出机会,这是因为它的输出低稳定性、相对于准分子激光器的低输出水平,这是谐振转换所需要的。
但是近年来,YAG激光器的输出功率已经有了显著的提高,并且输出稳定性也得到提高。相应地,有一种又用YAG激光器进行激光退火试验的趋势。在用YAG激光器对半导体薄膜晶化的情形中,需要根据与半导体薄膜吸收系数的关系,转换成谐振。但是,甚至在转换之后也可以维持足够高的输出水平。
YAG激光器实质上具有可维护性、小型化和低价格利用的优点。因为YAG激光器是固体激光器并且不象准分子激光器那样使用气体,所以它不需要改变退化的激励源成份。据说固体激光器的激励源(棒)有二十年或更长的寿命。而且,YAG激光器中激光振荡所需的部件数量远小于准分子激光器。
YAG激光器尽管它有上述的优点也有很多问题需要解决。首先,YAG激光器的振荡频率低于准分子激光器的振荡频率,由此导致较低的生产率。这是因为当闪光灯泵浦的YAG激光器的棒的温度升高到过高的温度点时,热透镜效应变强,相当严重地损害激光束的形状并难于获得较高的频率。但是,这个问题有解决的希望,因为近期已经开发出了一种能够限制激光棒温度升高的激光二极管泵浦YAG激光器。
YAG激光器的另一个问题涉及YAG激光器的相干性。一般的激光器具有较高的相干性。因此,当通过获得能量均匀分布的光束的方法得到线光束时,即通过分开激光束并再合并分开的激光束获得线光束时,在线光束中出现的干涉导致驻波。准分子激光器具有几十微米的相干长度,远小于其它激光器的相干长度。因此,在从准分子激光器获得的线光束中,不容易发生干涉,并且也察觉不出由此所致的驻波。
另一方面,YAG激光器具有大约1cm的相干长度,以致于如上所致的驻波相当强。图3表示在通过把YAG激光束分成两束并通过合并两束光而获得的光束中的驻波。在图3中,能量分布被一个CCD照相机成象,相当于正弦波的图型清晰可认。

发明内容
鉴于上述情况,本发明的目的在于均化高相干性激光束的能量分布。本发明在均化具有较长相干长度的激光束能量分布方面尤其有效,这种激光束例如是有YAG激光器、YVO4激光器或YLF激光器而获得的激光束。
本发明提供一种利用在光束均化器形成的线光束中减少干涉条纹的方法制造半导体器件的方法。
激光器可以通过使其偏振均匀而产生一个线性偏振光束。一般知道,当合并彼此具有垂直偏振方向的激光束时不产生干涉条纹。也可以使用圆偏振激光束。如果圆偏振激光束在圆偏振光的旋转方向上彼此不同,则圆偏振光彼此之间不发生干涉。所以,偏振方向彼此独立的光束不发生干涉。本发明希望达到的效果可以通过利用此特征而获得。
因此,如果把偏振方向彼此垂直的激光束合并形成一个均匀的光束,则不会发生干涉。YAG激光器等可以发出线性偏振激光束。如果此激光束被分成两束,并且如果把λ/2片盘插入到两个分开的激光束中的一个的光路上以旋转偏振方向90°、而同时其它光束直接行进时,可以形成偏振方向彼此垂直的激光束。此方法只能把一个光束分成两束,在使光束均匀方面不是非常有效。因此,此方法与其它一些方法合用以增大分开的数量,达到足够高的均匀性。
为了利用高相干性的激光器获得能量均匀分布的线光束,希望在线光束的长尺寸方向和短尺寸方向获得提高的均匀性。因此,最好把至少在一个方向上分成两束的光束、即四束分开的光束合并成一束以形成一个均匀的线光束。实质上,在均匀线光束的形成中,重要的是使长尺寸方向的能量均匀分布。这是因为长尺寸方向的均匀性直接反映到长尺寸方向上激光退火的均匀性。另一方面,短尺寸方向的均匀性不象长尺寸方向上的那样重要。这是因为激光退火的均匀性可以通过在短尺寸方向线光束照射的区域上精细地重叠而得以提高。因此,线光束短尺寸方向的均化通过合并两个偏振方向彼此垂直的激光束来进行,并且在长尺寸方向上的均化通过另一种方法进行。
甚至从一个光源发出的激光束当其光路长度等于或大于相干长度而合并时可以合并而不发生干涉。如果利用此特征,则可以无干涉地合并三个或多个分束的激光束以获得一个均匀的光束。例如,可以通过在光路中插入一个对于激光束具有高透射率的物块而产生光程差。
根据本发明使用的光路需要有非常小象差的光学元件,因为在球差等的影响下激光束的高相干性导致波形能量分布。图6A至6D表示YAG激光束通过各种柱状透镜后的能量分布。图6A~6D中的“F”表示透镜的焦距与透镜的孔径之比。如果F较小,则球差较大。
图6A表示YAG激光器的激光束的能量分布。这是激光束在非晶硅薄膜上直接照射的轨迹照片。在图6A中所示的照片中,看不出有显著的能量不均匀性。图6B表示激光束通过F=7的柱状透镜时YAG激光器的激光束照射非晶膜的能量分布的照片。横向延伸的条纹图型清晰可辨。这是在F=7柱状透镜的球差影响下导致的能量分布。图6C表示光束通过F=20的柱状透镜时的结果,图6D表示光束通过F=100的柱状透镜时产生的结果。透过F=7的柱状透镜的激光束受球差的强烈影响,导致波形的能量分布。另一方面,通过F=20的柱状透镜的激光束受球差的影响不大,并且能量分布的最终波形状态不显著。在激光束通过F=100的柱状透镜的情况下,观察不到波形的能量分布。
本说明书中称的F数通过利用激光束实际通过的区域的透镜孔径计算而得到。在透镜尺寸大于光束通过的尺寸的情况下,光束的尺寸用作孔径。
下面将继续介绍本发明的结构。
根据本发明,提供了一种制造半导体器件的方法,包括以下步骤在一个衬底上形成一个半导体膜;振荡激光束;在垂直于激光束行进方向的第一方向上把该激光束分成两束激光束,该两激光束具有相互独立的偏振方向;在垂直于第一方向的第二方向上把该两激光束分成多束激光束,该多束激光束具有彼此不同的光程;和在照射平面上或其附近把该多个激光束合并成一束激光束;和用所述合并的一束激光束照射以结晶所述半导体膜。
本发明还提供了一种制造半导体器件的方法,包括以下步骤在一个衬底上形成一个半导体膜;振荡激光束;在垂直于激光束行进方向的第一方向上把该激光束分成两束激光束,该两束激光束具有相互垂直的偏振方向;在垂直于第一方向的第二方向上把该两激光束分成多束激光束,该多束激光束具有彼此不同的光程;在所述半导体膜上或其附近把该多个激光束合并成一束激光束;和用所述合并的一束激光束照射以结晶所述半导体膜。
本发明还提供了一种制造半导体器件的方法,包括以下步骤在一个衬底上形成一个半导体膜;振荡激光束;在垂直于激光束行进方向的第一方向上把该激光束分成两束激光束,该两束激光束具有相互独立的偏振方向;在垂直于第一方向的第二方向上把该两激光束分成多束激光束,该多束激光束具有彼此不同的光程;在所述半导体膜上或其附近把该多个激光束合并成一束细长的激光束;和用所述合并的一束激光束照射以结晶所述半导体膜。
本发明还提供了一种制造半导体器件的方法,包括以下步骤在一个衬底上形成一个半导体膜;振荡激光束;在垂直于激光束行进方向的第一方向上把该激光束分成两束激光束,该两束激光束具有相互垂直的偏振方向;在垂直于第一方向的第二方向上把该两束激光束分成多束激光束,该多束激光束具有彼此不同的光程;和在所述半导体膜上或其附近把该多束激光束合并成一束细长的激光束;和用所述合并的一束激光束照射以结晶所述半导体膜。
所述的把激光束分成两束具有彼此相独立的偏振方向的激光束的步骤是利用一个λ/2片来进行的。
所述的彼此具有不同光程的多个激光束是通过利用一个对激光束有高透射率的物块来形成的。
其中利用一个F数为20或更大的圆柱形透镜进行所述的把激光束分成多个激光束的步骤。
其中利用一个F数为20或更大的圆柱形透镜进行所述的合并多个激光束的步骤。
所述的激光束包括从YAG激光器、YVO4激光器和YLF激光器中发出的激光束中选出的一种或多种。
所述的半导体器件被结合到包括个人电脑、摄像机、移动电脑、护目镜型显示器、播放机、数字照相机、前投式投影仪、背投式投影仪、蜂窝电话、可移动书籍和显示器的电子设备中。
如上所述,本发明使得能够通过减小激光束的相干性有效地提高具有相干性的激光束的能量分布均匀性。如果把本发明与固体激光器的结合用在晶化半导体膜的工艺中,则可望获得制造成本的显著降低。另外,还可以在通过把TFT制作到获得的半导体膜上并通过利用TFT制造的光电器件和半导体器件中达到适当的工作特性和足够高的可靠性,这种器件的典型例子是有源矩阵型液晶显示器。


图1是本发明公开的激光照射装置的实例简图;图2是常规的激光照射装置的实例简图;图3是在由高相干性的光束形成的两光束之间的干涉状态简图;图4是本发明公开的激光照射装置的实例简图;图5是批量生产的激光照射装置的实例简图;图6A~6D是由柱状透镜的球差所致的条纹状能量分布简图;图7A~7C是制造TFT象素和驱动电路TFT的过程的截面图;
图8A~8C是制造TFT象素和驱动电路TFT的工艺的截面图;图9A~9C是制造TFT象素和驱动电路TFT的工艺的截面图;图10A~10B是制造TFT象素和驱动电路TFT的工艺的顶视图和截面图;图11是一个包括象素TFT的结构顶视图;图12是液晶板结构的截面图;图13是制造EL显示器的工艺截面图;图14A~14B是制造电致发光显示器的工艺截面图;图15A~15F是电子器件的实例简图;图16A~16D是电子器件的实例简图;图17A~17C是电子器件的实例简图。
具体实施例方式
图1表示一个能够减小相干性并获得具有均匀能量分布的线性光束的光学系统。
下面将首先参考图1中的顶视图对光学系统进行描述。
从激光振荡器101发出的激光束进入到做成阶梯形的石英块109中,使得沿垂直于激光束行进的方向以步进的方式相继产生光程差。阶梯状的石英块109用于在通过每个相邻的一对阶梯的激光束部分之间产生光程差。由此产生的光程差要大于使用的激光束的相干长度,这一点很重要。这是因为当光程差大于相干长度的激光束照射到同样的区域时,相干度非常低。
图1所示结构中使用的石英块109有六个台阶,由此获得具有七个不同光程的激光束。即六个激光束通过石英块109而另一个激光束不通过石英块109而行进。七个激光束分别进入七个构成柱状透镜阵列103的柱状透镜。彼此具有上述光程差的七个激光束通过柱状透镜阵列103分开。七个分开的激光束通过一个柱状透镜105在照射平面108上合并成一束激光。如果通过石英块109的作用在每一对相邻的分开的激光束之间产生足够大的光程差,则在沿照射平面108的激光束中将不出现强干涉。所以,线性光束在长尺寸方向的能量分布变得均匀,并且得以确定光束在长尺寸方向的尺寸。
下面将参考图1的侧视图对光学系统进行描述。假设从激光振荡器101发出的激光束是一个线性偏振光束。激光束进入到λ/2片110后形成两束具有彼此垂直的偏振面的激光束。两激光束分别入射到构成一个柱状透镜阵列102的两个柱状透镜中。由柱状透镜阵列102分开的激光束通过柱状透镜104和106在照射平面108上合并成一束。设置在光路中的反射镜107使得照射平面能够对应于水平面设置。如果激光束的光路沿垂直方向从光源一侧形成,则不需要使用反射镜107。另外,如果照射平面垂直设置,则也不需要反射镜107。在这种情况下,需要一把照射靶固定到垂直于地面的壁上的装置。因而使得线光束在短尺寸方向的能量分布均匀,并且光束的短尺寸方向的尺寸得以确定。
在上述结构中从激光振荡器发出的激光束是线性偏振光,也可以使用圆偏振激光束。如果圆偏振激光束具有不同旋转方向的圆偏振光,则它们就不会彼此干涉。如果利用此特征,则就可以获得本发明欲达到的效果。所以,可以存在具有相干性但有不同的偏振状态、从而不会彼此干涉的两激光束。在本说明书中,这种光束将被称作偏振方向彼此独立的光束。
作为激光振荡器101,可以使用诸如YAG激光器、YVO4激光器或YLF激光器等能够对准偏振平面的激光器。从在制造厂中从产量的角度看,最好使用高重复性的脉冲激光器。在高重复性固体激光器的选择中,考虑棒温度的限制很重要。能够限制棒温度升高的激光器是一种激光二极管泵浦的固体激光器。从批量生产的观点看,根据本发明均化激光束能量分布的方法和激光二极管泵浦固体激光器的结合特别有用。另外,如果采用从YAG激光器、YVO4激光器或YLF激光器中选择的多种类型的激光器,可以进一步减少沿照射平面或在照射平面附近的激光束的干涉。
下面将参考实施例对包括上述结构的本发明进行详细的描述。
下面将关于半导体器件的制造工艺对本发明的第一实施例进行描述,其中非晶硅膜形成在玻璃衬底上,并且通过本发明的激光照射法晶化。
首先描述形成非晶硅膜的方法实例。首先清洗5平方英寸的康宁1737衬底以除去衬底表面上的杂质颗粒。然后通过等离子CVD装置在衬底上形成一个100毫微米厚的氮氧化硅膜和一个55毫微米厚的非晶硅膜。本说明书中称的氮氧化硅膜是一种由SiOxNy表示的绝缘材料膜,即包含预定比例硅、氧和氮的绝缘膜。非晶硅膜可以包含相当量的氢。在这种情况下,例如通过热处理减少氢的含量,从而提高非晶硅膜的激光耐受力。在这种情况下,例如可以在500℃的氮气氛中加热非晶硅膜一小时。
下面将参见图4对本实施例中使用的光学系统进行描述。首先参考图4中的顶视图对该光学系统进行描述。激光振荡器1401是一种闪光灯泵浦的YAG激光器。在此实施例中,为了对非晶硅膜退火,利用非线性光学元件把从YAG激光器发出的激光束转变成可以吸收到非晶硅膜中的二次谐波。转变成二次谐波后激光器的输出是每个脉冲800mJ。最大频率为30Hz。从激光振荡器1401发出的激光束有φ10mm的大小。此光束太小而不能处理。因此通过扩束器1402在长尺寸方向扩束。在此实施例中,以3.5的扩展率在一个方向上扩展激光束。作为扩束器1402,采用一种相差减为最小的设计。
由扩束器处理成具有较大直径为35mm、较小直径为10mm的椭圆形激光束通过加工成阶梯形式的石英块1403,形成彼此具有不同光路的七个激光束。石英块1403有六个(7-1)台阶。每个台阶具有15mm的厚度,石英块最厚的部分具有90mm的厚度。由此石英块产生的7束激光束之间的最小光程差是7mm。此值近似等于此YAG激光器的相干长度。
从石英块1403发出的七束光分别入射到构成柱状透镜阵列1405的柱状透镜中。由柱状透镜阵列1405分开的激光束被柱状透镜1406在照射平面1410上合并成一束(见侧视图)。由此使得线光束在长尺寸方向上的能量分布均匀。另外,还确定了光束在长尺寸方向上的尺寸。因为七个激光束彼此之间的光程差比相干长度大,所以它们之间沿照射平面1410的干涉非常弱。反射镜1408用于改变激光束的行进方向,使得激光束沿垂直于图4中顶视图的投影平面的方向行进。通过反射镜1408在水平面上形成线光束,照射靶可以沿水平面放置。
下面将参考图4中的侧视图对光学系统进行描述。假设激光振荡器1401设计成发出线性偏振光,偏振方向平行于侧视图的投影平面并垂直于激光束行进的方向。激光束被扩束器1402处理成椭圆形状后,进入λ/2片1404。λ/2片1404为矩形,放置成其一侧与激光束椭圆形的主轴重合。因此,激光束只有一半进入到λ/2片。激光束的偏振方向由λ/2片1404旋转90°。激光束由此被分成水平偏振光和垂直偏振光。水平偏振光和垂直偏振光分别进入构成柱状透镜阵列1407的柱状透镜中。由此被分成两束的激光束被柱状透镜1409在照射平面1410上合并成一束。因而线光束在短尺寸方向的能量分布变得均匀。另外,光束在短尺寸方向的尺寸也得以确定。反射镜1408用于使照射平面1410能够水平设置。
下面将描述每个透镜的规格。柱状透镜阵列1405通过七个柱状透镜的结合而形成,其中每个透镜具有5mm的宽度、30mm的长度、4mm的厚度和400mm的焦距。柱状透镜1406具有60mm的宽度、30mm的长度、4mm的厚度和4800mm的焦距。柱状透镜1406放置在离柱状透镜阵列1405的后方400mm的地方。柱状透镜阵列1407通过两个柱状透镜合并而成,其中每个透镜具有5mm的宽度、60mm的长度、5mm的厚度和2000mm的焦距。柱状透镜阵列1407放置在离柱状透镜1406的后方400mm的地方。反射镜1408放置在离柱状透镜1407的后方3600mm的地方。反射镜1408用于将激光束的行进方向改变90°。反射镜1408的尺寸足以反射全部每个所分开的激光束。在此实施例中,反射镜表面120×120mm的大小是足够的。
柱状透镜1409放在反射镜1408之后。柱状透镜1409具有50mm的宽度、130mm的长度、15mm的厚度和400mm的焦距。照射平面1410位于柱状透镜1409后方400mm的地方。
在上述光学系统中,线光束沿照射平面1410具有120mm的长尺寸和1mm的短尺寸。光学系统的上述规格只是一个典型的实例。当操作者其要形成线光束时,需要考虑某些和布局误差来布置光学系统。可以在其上放置设为照射靶的半导体非晶膜的平台沿照射平面1410放置。半导体非晶膜的整个表面可以通过在垂直于线光束长尺寸方向的方向上移动平台用激光束照射。
用激光束照射作为照射目标的半导体非晶膜、从而晶化的照射条件描述如下。
激光束的能量密度在照射平面1410处是450mJ/cm2。平台的移动速度是3mm/秒的恒速。靶在大气中用激光束照射。激光束的振荡频率为30Hz。因此,半导体非晶膜的一个区域用激光束照射十次。通过上述的一系列操作晶化半导体非晶膜。
在通过上述步骤制造的多晶硅膜上制作半导体器件。半导体器件包括薄膜晶体管(TFT)、二极管、光敏传感器等,它们中的每一个都可以制作在多晶硅膜上。也可以使用多晶硅膜以外的其它化合物半导体膜,如多晶硅酸锗膜。
下面将关于用线光束照射半导体多晶膜以进行退火过程对本发明的第二实施例进行描述。
首先描述形成多晶半导体的方法。先清洗5英寸的康宁1737衬底以便从衬底表面除去杂质颗粒。然后通过等离子CVD装置在衬底上形成一个100nm厚的氮氧化硅膜和一个55nm厚的非晶硅膜。本说明书中称的氮氧化硅膜是一种由SiOxNy表示的绝缘材料膜,即包含预定比例硅、氧和氮的绝缘膜。接下来,通过诸如日本专利申请特开平7-183540中描述的方法处理非晶硅膜。即通过旋涂把醋酸镍水溶液(重量浓度为5ppm,体积5ml)涂到非晶硅膜的表面,随后在500℃的氮气氛中加热一小时,并再在550℃的氮气氛中加热一小时。由此把非晶硅膜转变成多晶硅膜。
对获得的多晶硅膜进行激光退火。在此采用与第一实施例中相同的激光退火方法。用线光束照射非晶硅膜的照射条件与用线光束照射多晶硅膜的照射条件有一些差异,但是差异不大。需要进行者通过实验找出最佳的照射条件。
在通过上述步骤制造的多晶硅膜上制作半导体器件。半导体器件包括薄膜晶体管(TFT)、二极管、光敏传感器等,它们中的每一个都可以制作在多晶硅膜上。也可以使用多晶硅膜以外的其它化合物半导体膜,如多晶硅酸锗膜。
参见图5,图中示出了第三实施例中用于批量生产的激光照射装置的实例。图5是激光照射装置的顶视图。
利用安装在转运室1502中的用于运传送的机器人手臂1503从装载/卸载室1501运送衬底。首先,在衬底被定位到对准室1504之后将其输送到预热室1505。然后利用例如红外灯加热器,提前把衬底的温度加热到所需的温度,例如大约300℃。之后,把衬底固定地放置到通过门阀1506的激光照射室507中。然后闭合门阀1506,衬底的温度升高,以弥补激光束能量的不足。尤其是在处理大面积衬底需要加长线光束的长度的情况下,可以通过进行升高衬底温度的激光退火而把激光能量控制得比通常所需的值低。
激光束从激光振荡器1500中发出后被一个带有反射镜的光学系统1509弯折,光学系统中的反射镜在图中没有示出,它以90°角设置在石英窗1510上。激光束通过激光照射室1507中激光表面的石英窗1510处理成线光束。激光束照射到设置在照射面上的衬底上。可以使用上述的光学系统1509。另外,也可以使用具有相同组成的系统。
激光照射之前利用真空泵1511把激光照射室1507的气压抽到(升高)高真空度(10-3Pa)。或者利用真空泵1511和气柱1512产生所需的气压。如前所述,气体可以是氩气和氢气,也可以是它们的混合气体。
之后,在照射激光的同时,通过移动机构1513扫描衬底,由此将激光照射到衬底上。此时,可以把图中未示出的红外灯应用到激光照射的部分。
激光照射之后,把衬底输运到冷却室1508,衬底在冷却室慢慢冷却并通过对准室1504返回到装/卸室1501。可以通过重复这样的一系列过程对很多衬底激光退火。
本实施例可以通过实施例的模式或其它实施例的结合而实施。
在本实施例中,利用图7和图8解释有源矩阵衬底的制造方法。在本说明书中为方便起见,把其上形成有驱动电路和具有象素TFT和存储电容的象素部分的衬底称作有源矩阵衬底。
在本实施例中首先使用衬底300,该衬底由Corning#7059玻璃和#1737玻璃表示的硼硅酸钡玻璃或硼硅酸铝这样的玻璃制成。请注意,作为衬底300,可以是石英衬底、硅衬底、在其上形成有绝缘膜的金属衬底或不锈钢衬底。还可以使用对本实施例的处理温度具有耐热性的塑料衬底。
然后,在衬底300上形成一个基膜301,该基膜由氧化硅膜、氮化硅膜或氮氧化硅膜等这样的绝缘膜形成。在本实施例中,两层结构用作基膜301。但是,可以使用由两层或多层绝缘膜组成的单层膜或叠层结构。作为基膜301的首层,利用SiH4、NH3和N2O作为反应气体,通过等离子体CVD法形成厚度为10~200nm(最好为50~100nm)的氮氧化硅膜301a。在此实施例中,形成膜厚为50nm的氮氧化硅膜301a(成份比例Si=32%,O=27%,N=24%和H=17%)。然后,作为基膜301的第二层,利用SiH4和N2O作为反应气体,通过等离子体CVD法形成且夹置厚度为50~200nm(最好为100~150nm)的氮氧化硅膜301b。在此实施例中,形成厚度为100nm的氮氧化硅膜301b(成份比例Si=32%,O=59%,N=7%和H=2%)。
随后,在基膜上形成半导体层304。半导体层304由通过已知方法(如溅射法、LPCVD法或等离子体CVD法)形成的非晶结构的半导体膜制成,并且经过已知的晶化处理(激光晶化法、热晶化法或利用诸如镍的催化剂的热晶化法)。然后把获得的半导体晶化膜形成所需的形状的图型以获得半导体层。形成的半导体层304的厚度为25~80nm(最好为30~60nm)。对半导体晶体膜的材料没有特别的限制,但最好由硅、硅锗(SiGe)合金等形成。在此实施例中,通过等离子体CVD法形成55nm厚的非晶硅膜,然后,把含镍的溶液保持到非晶硅膜上。进行非晶膜的脱氢过程(在500℃的氮气氛中一小时),之后,进行热晶化过程(在550℃的氮气氛中四小时)。另外,为了提高其结晶度,进行激光退火处理以形成晶体硅膜。然后,利用光刻法对此晶体硅膜形成图型处理,从而获得半导体层402~406。
另外,形成半导体层402~406后,可以掺入少量的杂质元素(硼或磷)以控制TFT的阈值。可以对没有形成图型的半导体膜304进行上述掺杂。
然后形成栅绝缘膜407,用于覆盖半导体层402~406。栅绝缘膜407通过等离子体CVD法或溅射法由含硅的绝缘膜形成,厚度为40~150nm。在此实施例中,栅绝缘膜407通过等离子体CVD法(成份比例Si=32%,O=59%,N=7%和H=2%)由含硅的绝缘膜形成,厚度为110nm。当然,栅绝缘膜不限于氮氧化硅膜,其他的含硅绝缘膜也可以用于单层或叠层结构。此外,当使用氧化硅膜时,可以通过等离子体CVD法形成,其中混合TEOS(四乙基正硅酸盐)和氧气,并在0.5~0.8W/cm2高频(13.56MHZ)功率密度下,利用40Pa的反应压力以及300~400℃的衬底温度排出。在通过随后400~500℃退火制得的氧化硅膜中可以获得栅绝缘膜良好的特性。
然后,如图7C所示,在栅绝缘膜407上,形成并夹置厚度为20~100nm的第一导电膜408和厚度为100~400nm的第二导电膜409。在此实施例中,厚度为30nm的TaN第一导电膜408和厚度为370nm的W第二导电膜409形成叠层。TaN膜通过在含氮气氛中溅射钽靶而形成。此外,通过溅射法利用钨靶形成W膜。W膜可以通过热CVD法利用六氟化钨(WF6)形成。无论采用何种方法,都需要使材料具有较低的电阻,以便用作栅电极,并且希望W膜的电阻率小于或等于20μΩcm。通过使晶粒变大,可以使W膜有较低的电阻。但是,在W膜中包含很多杂质元素的情况下,晶化受到抑制的并且电阻变大。因此,在此实施例中,通过利用纯度为99.9999%的靶的溅射法形成W膜,并且通过充分考虑避免膜形成当中气相杂质混入其中,可以实现9~20μΩcm的电阻率。
请注意,在本实施例中,第一导电膜408由TaN制成,第二导电膜409由W制成,但材料并不限于此,任何一个膜都可以由选自Ta,W,Ti,Mo,Al,Cu,Cr和Nd,或是合金材料或包含以上元素作为其主要构成的化合物材料。此外,可以采用一种半导体膜,典型的是掺有诸如磷的杂质的多晶硅膜。另外,也可以采用AgPdCu合金。此外,也可以采用任何组合,如第一导电膜由钽(Ta)制成、第二导电膜由W制成的组合,第一导电膜由氮化钛(TiN)制成、第二导电膜由W制成的组合,第一导电膜由氮化钽(TaN)制成、第二导电膜由Al制成的组合,或第一导电膜由氮化钽(TaN)制成、第二导电膜由Cu制成的组合。
接下来,利用光刻法形成由光致抗蚀剂制成的掩模410~415,并且进行第一蚀刻工艺以形成电极和布线。利用第一和第二蚀刻条件进行第一蚀刻工艺。在此实施例中,作为第一蚀刻条件,采用ICP(感应耦合等离子体)蚀刻法,CF4、Cl2和O2的混合气体作为蚀刻气体,气体流速设置为25/25/10sccm,并且通过在1Pa下对线圈形电极施加500WRF(瓦射频)(13.56MHZ)的功率产生等离子体。在此使用松下电气工业侏式会社生产的ICP(型号为E645-ICP)的干法蚀刻装置。也向衬底一侧(测试件平台)施加150WRF(瓦射频)(13.56MHZ)功率以有效地施加负自偏电压。利用第一蚀刻条件蚀刻W膜,并且把第二导电层的端部做成楔形。
之后,把第一蚀刻条件变成第二蚀刻条件,不移开抗蚀剂制成的掩模410~415,CF4和CL2的混合气体用作蚀刻气体,气体流速设定为30/30sccm,通过在1Pa下对线圈形电极施加500WRF(13.56MHZ)而产生等离子体,由此进行蚀刻大约30秒。还对衬底一侧(测试件平台)施加20WRF(13.56MHZ)的功率,以便有效地达到负自偏电压。W膜和TaN膜在CF4和CL2混合的第二蚀刻条件下以相同的顺序蚀刻。请注意,为了不在栅绝缘膜上有任何残留地进行蚀刻,蚀刻时间可以增加大约10~20%。
在第一蚀刻过程中,由于通过采用具有适当形状的抗蚀材料掩模而施加到衬底一侧的偏压的影响,第一和第二导电层的端部形成为楔形。楔形部分的角度可以设置为15°~45°。然后,通过第一蚀刻过程形成由第一导电层和第二导电层构成的第一形状的导电层417~422(第一导电层417a~422a和第二导电层417b~422b)。标号416表示栅绝缘膜,没有被第一形状的导电层417~422覆盖的栅绝缘膜的区域通过蚀刻大约变薄20~50nm。
然后进行第一掺杂过程加入一种杂质元素,将半导体层变成n型电导,不除去抗蚀剂制成的掩模(图8A)。掺杂可以通过离子掺杂法或离子注入法进行。离子掺入法的条件是剂量为1×1013~5×1015原子/厘米2,加速电压为60~100keV。在此实施例中,剂量为1.5×1015原子/厘米2,加速电压为80keV。作为产生n型电导的杂质元素,采用属于元素周期表中第15族的元素,典型的元素为磷(P)或砷(As),在此使用磷。在这种情况下,导电层417~422变为产生n型电导的杂质元素的掩模,并且以自对准方式形成高浓度的杂质区域306~310。产生n型电导的杂质元素以1×1020~1×1021原子/厘米3的浓度范围加入到1×1020至1×1021原子/厘米3的高浓度杂质区306~310。
然后,不除去抗蚀剂制成的掩模进行第二蚀刻过程。CF4、Cl2和O2的混合气体用作蚀刻气体,并且选择蚀刻W膜。第二导电层428b~433b通过第二蚀刻过程形成。另一方面,第一导电层417a~422a几乎没有被蚀刻,并且形成第二导电层428~433。
接下来,如图8C所示,不从抗蚀材料中除去掩模地进行第二掺杂过程。在剂量低于第一掺杂过程、加速电压为70~120keV的条件下掺入产生n型电导的杂质元素。在此实施例中,剂量为1.5×1014原子/厘米2,加速电压为90keV。在第一高浓度杂质区域306~310内侧的半导体层中形成一个新杂质区。第二掺杂过程是利用第二种形状的导电层428~433作为掩模,杂质元素掺入到第二导电层428~433以下的半导体层。新形成高浓度杂质区423a~427a和低浓度杂质区423b~427b。
接下来,在除去掩模之后,形成抗蚀剂的掩模新形成434a和434b,并且进行如图9A所示的第三蚀刻过程。SF6和CL2的混合气体用作蚀刻气体,气体流速设为50/10sccm,并且通过在1Pa下对线圈形电极施加500WRF(13.56MHZ)的电压产生等离子体,由此大约进行30秒的蚀刻。还对衬底一侧(测试件平台)施加10WRF(13.56MHZ)的电压,从而有效地施加负自偏电压。由此通过上述的第三蚀刻过程形成蚀刻p沟道型TFT的TaN膜和象素部分的TFT(象素TFT)的第三形状的导电层。
接下来,在从抗蚀材料上除去掩模之后,形成绝缘层439~444,选择性地去除栅绝缘膜416,并且把第二形状的导电层428、430和第二形状的导电层435~438作为掩模(图9B)。
随后,通过新形成包含抗蚀材料的掩模445a~445c进行第三掺杂过程。通过第三掺杂过程,形成加入了杂质元素的杂质区446、447,将构成p沟道型TFT的活性层的半导体层处的上述导电类型转成相反导电类型。杂质区域通过利用第二导电层435a、438a作为防止杂质元素的掩模加入提供p型的杂质元素而形成自调节。在此实施例中,通过利用乙硼烷(B2H6)的离子掺杂过程形成杂质区446、447。(图9C)在第三掺杂过程中,由包含抗蚀材料的掩模445a至445c覆盖形成n沟道型TFT的半导体层。虽然通过第一掺杂过程和第二掺杂过程在杂质区446、447中加入浓度不同的磷,但是在任何区域,通过进行掺杂过程使得提供p型的杂质元素的浓度在2×1020~2×1021原子/厘米3范围,杂质区域用作p沟道型TFT的源区和漏区,并且不出现问题。在此实施例中,构成p沟道型TFT的活性层的半导体层部分被曝光,并由此实现易于加入杂质元素(硼)的优点。
通过上述步骤在各个半导体层中形成杂质区。
接下来,通过去除包含抗蚀材料的掩模445a~445c形成第一中间层绝缘膜461。第一中间层绝缘膜461用包含硅的绝缘膜,并通过利用等离子体CVD工艺或溅射工艺形成,具有100~200nm的厚度。在此实施例中,通过等离子体CVD工艺形成厚度为150nm的氮氧化硅膜。自然地,第一中间层绝缘膜461不局限于氮氧化硅膜,其他包含硅的绝缘膜也可以用作单层或叠层结构。
接下来,如图10A所示,进行使加入到各个半导体层中的杂质元素活化的步骤。活化步骤通过利用热退火炉的热退火工艺进行。热退火工艺可以在氧浓度等于或小于ppm、最好等于或小于0.1ppm的400~700℃、典型的为500~550℃的氮气氛中进行,并且在此实施例中,通过在550℃下4小时的热处理进行活化过程。另外,除了退火工艺之外、激光退火工艺或迅速热退火工艺(RTA工艺)也可以采用。
另外,在此实施例,激活过程的同时,在晶化步骤中用作催化剂的镍被收集到包含高浓度磷的杂质区423a、425a、426a、446a和447a中,并且主要构成沟道形成区的半导体层中的镍浓度降低。根据具有以此方式制造的沟道形成区的TFT,截止电流值减小,晶化性能优良,并且因此提供高场效应迁移率,可以实现优异的电学特性。
另外,可以在形成第一中间层绝缘膜之前进行活化过程。但是,如果采用的布线材料在受热时变脆弱,最好在形成中间层绝缘膜(主要成份是硅的绝缘膜,如氮化硅膜)之后进行活化过程,从而在此实施例中保护布线。
另外,通过在包含3~100%氢的气氛中以300~550℃的温度热处理1~12小时而进行半导体层的氢化步骤。在此实施例中,在包含3%的氢的氮气氛中以410℃的温度进行热处理1小时。该步骤是通过包含在中间层绝缘膜中的氢终止半导体层的悬空键的步骤。作为其他的氢化方式,可以进行等离子体氢化(利用通过等离子体激活的氢)。
另外,当激光退火工艺用作活化过程时,最好在进行氢化之后照射受激准分子激光器或YAG激光器的激光束。
接下来,在第一中间层绝缘膜461之上形成包括一种无机绝缘材料或有机绝缘材料的第二中间层绝缘膜462。在此实施例中,形成一种厚度为1.6μm的丙烯酸树脂膜,并采用一种粘度为10~1000cp、最好为40~200cp、在其表面形成有凸起和凹陷的膜。
在此实施例中,为了避免反射镜反射,通过在表面上形成带有凸起和凹陷的第二中间层绝缘膜而在象素电极的表面上形成凸起和凹陷部分。另外,为了通过在象素电极的表面上形成凸起和凹陷而达到光散射特性,可以在象素电极以下的区域中形成凸起部分。在这种情况下,因为用同样的光掩模形成TFT,所以可以不增加工艺数量地形成凸起部分。注意到,凸起部分可以适当地设置在除衬底上布线和TFT部分的象素部分区域。因而,凸起和凹陷部分沿形成在覆盖凸起部分的绝缘膜表面上的凸起和凹陷部分形成在象素电极的表面上。
另外,带有平正面的膜可以用作第二中间层绝缘膜462。在此情况下优选下列步骤。即形成象素电极之后,通过利用已知方法如喷沙法或蚀刻法的过程在表面上形成凸起和凹陷部分。所以,因为避免了反射镜反射并且散射了反射光,所以白度增大。
然后,在驱动电路506中,形成与各个杂质区电连结的布线463至467。注意,通过对膜厚为50nm的Ti叠层膜以及厚度为500nm的合金膜(Al和Ti的合金膜)形成图型而形成那些布线。
另外,在象素部分507中,形成象素电极470、栅极布线469和连接电极468(图10B)。通过此连接电极468,形成源布线(杂质区443b和第一导电层449的叠层)和象素TFT之间的电连结。另外,在栅极线469和象素TFT的栅电极之间形成电连结。关于象素电极470,形成与象素TFT的漏区442的电连结以及与用作形成储存电容的电极之一的半导体层458的电连结。希望把具有高反射率的材料、如包含作为其主要成份的Al或Ag的膜、或其叠层膜用于象素电极470。
所以,可以在同一的衬底上形成具有CMOS电路的驱动电路506和象素部分507,其中CMOS电路由n型沟道TFT501、p型沟道TFT502和n型沟道TFT503形成,象素部分507具有一个象素TFT504和储存电容505。结果完成有源矩阵衬底。
驱动电路506的n沟道型TFT501有一个沟道形成区423c、一个与构成栅电极部分的第一导电层428b重叠的低浓度杂质区(GOLD区)423b和用作源区或漏区的高浓度杂质区423a。通过电极466连接n沟道型TFT501而形成CMOS电路的p沟道型TFT502有一个沟道形成区446d、形成在栅电极外侧的杂质区446b、446c和用作源区或漏区的高浓度杂质区446a。n沟道型TFT503有一个沟道形成区425c、一个与包括部分栅电极的第一导电层430a重叠的低浓度杂质区425(GOLD区)和一个用作源区或漏区的高浓度杂质区425a。
象素部分的象素TFT504包括一个沟道形成区426c,一个形成在栅电极外侧的低浓度杂质区426b(LDD区)和用作源区或漏区的高浓度杂质区426a。此外,把授予p型电导的杂质元素加入到用作储存电容505的电极之一的各个半导体层447a、447b中。储存电容505由电极(438和438b的叠层)和利用绝缘膜444作为介电部件的半导体层447a~447c形成。
另外,在本实施例的象素结构中,象素电极的端部通过将其布置成与源布线重叠而形成,使得象素电极之间的间隙遮挡光,无需使用黑色矩阵。
在本实施例中制造的有源矩阵衬底的象素部分的顶视图示于图11。注意,图7~10中的对应部件用相同的标号表示。图10中的虚线A-A’对应于沿图11中的线A-A’取的截面图。图10中的虚线B-B’对应于沿图11中的线B-B’取的截面图。
此实施例可以通过与实施例1~3的自由组合来进行。
在此实施例中,描述利用本发明制造作为一种发光器件的EL(电致发光)显示器的实例。
在此说明书中,发光器件是一个把发光元件包围在衬底和覆盖材料之间的显示板和把IC安装在显示板上的显示模块的统称。发光元件有一个包含有机化合物材料的发光层,它可以获得通过外加电场、阳极层和阴极层产生的电致发光。另外,在有机化合物的发光中,有从单激发态返回到基态的发光(荧光)以及从三重激发态返回到基态的发光(磷光)。两种发光中的任意一种或两种都包含。
在图13中,利用图13中的n沟道型TFT503形成设置在衬底700上的开关TFT603。因而,此结构可以参阅对n沟道型TFT503的描述。
注意,在此实施例中采用形成有两沟道形成区的双栅结构。但是,也可以采用形成有一个沟道形成区的单栅结构,或形成有三个沟道形成区的三栅结构。
利用图13中的CMOS电路形成设置在衬底700上的驱动电路。所以,此结构可以参阅对n沟道型TFT501和p沟道型TFT502的描述。注意,在此实施例中,采用的是单栅结构。但是,也可以采用双栅结构或三栅结构。
另外,布线701和703用作CMOS电路的源极导线,布线702用作漏极导线。布线704用作电连结源极导线708和开关TFT的源极区的导线。布线705用作电连结漏极和开关TFT的漏极区的导线。
注意,利用图13中的p沟道型TFT502形成电流受控的TFT604。所以,此结构可以参阅p沟道型TFT502的描述。注意到,在此实施例中采用的是单栅结构。但是也可以采用双栅结构或三栅结构。
另外,布线706是电流受控TFT的源极导线(对应于电流供给线)。标号707表示一个通过与电流受控TFT的象素电极重叠而与象素电极710电连结的电极。
注意,标号710表示由透明导电膜制成的象素电极(EL元件的阳极)。作为透明导电膜,可以使用氧化铟和氧化锡的化合物、氧化铟和氧化锌的化合物、氧化锌、氧化锡或氧化铟。另外,可以使用加入镓的透明导电膜。在形成上述布线之前在水平中间层绝缘膜上形成象素电极710。在此实施例中,利用树脂制成的水平膜711在TFT中使一个台阶水平是非常重要的。因为后来形成的EL层非常薄,所以会由于台阶而出现发光不足的情况。所以,为了形成尽可能水平的EL层,希望在形成象素电极710之前使台阶水平。
形成布线701至707之后,形成如图13所示的斜坡712。斜坡712可以通过对包含硅或有机树脂膜的厚度为100~400nm的绝缘膜作图型而形成。
注意,因为斜坡712是绝缘膜,所以需要注意在膜形成当中元件的电介质的击穿。在此实施例中,把碳颗粒或金属颗粒加入到绝缘膜中以减小电阻率,其中绝缘膜是一种斜坡712的材料。由此抑制静电的产生。此处,可以把碳颗粒或金属颗粒的加入量控制成电阻率为1×106~1×1012Ωm(最好是1×108~1×1010Ωm)。在象素电极710上形成一个EL层713。注意,在图13中仅示出了一个象素。但是,在本实施例中,形成对应于R(红)、G(绿)和B(兰)各种颜色的EL层。另外,在本实施例中,通过蒸发法形成低分子有机EL材料。具体地说,把厚度为20nm的酞花青铜(CuPc)膜设置为一个空穴注入层,把厚度为70nm的三-8-喹啉醇酯铝络合物(Alq3)作为发光层。由此形成这些膜的叠层结构。发光颜色可以通过加入荧光色素如喹吖丁酮、二苯嵌苯或DCM1至Alq3。
注意,以上实例是可以用作EL层的有机EL材料的实例,不必局限于这些实例。EL层(导致发光并使载流子移动以用于发光的层)可以通过自由组合光发射层和电荷输运层或电荷注入层而形成。例如,在本实施例中,虽然示出的是低分子有机EL材料被用作EL层的实例,但也可以使用聚合物有机EL材料。另外,可以把诸如碳化硅的无机材料用作电荷输运层或电荷注入层。可以把一种公知的材料用作有机EL材料和无机材料。
接下来,把由导体膜制成的阴极714设置到El层713上。在此实施例的情况下,铝和锂的合金膜用作导电膜。当然,也可以使用一种公知的MgAg膜(镁和银的合金膜)。作为阴极材料,可以使用由属于周期表中1族或2族元素制成的导电膜,或是加入了这些元素的导电膜。
此阴极714形成时,也就完成了EL元件715。注意,在此完成的EL元件715代表一个由象素电极(阳极)710、EL层713和阴极714形成的电容。
提供一个钝化膜716从而完全覆盖EL元件715是有效的。作为钝化膜716,采用包含碳膜、氮化硅膜或氮氧化硅膜的单层绝缘膜,或与绝缘膜结合的叠层。
此处优选具有良好覆盖度的膜作为钝化膜,采用碳膜、尤其是DLC(类金刚石碳)膜有效。因为DLC膜可以在室温至100℃下形成,所以可以很容易地在EL层713上以较低的耐热性形成。另外,因为DLC膜具有较高的阻氧效果,所以可以抑制EL层713的氧化。所以,可以避免下列密封过程中EL层713的氧化。
另外,在钝化膜716上设置一种密封元件717,并再把一个覆盖元件718粘结到密封元件717上。可以把紫外线固化树脂用作密封元件717,提供一种具有吸湿效果的材料或一种具有抑制内部氧化效果的材料是有效的。另外,在此实施例中,把一种碳膜(最好是类金刚石碳膜)形成在玻璃衬底、石英衬底或塑料衬底(包括塑料膜)的两表面的元件用作覆盖元件718。
由此完成如图13所示的EL显示器件。注意,斜坡712形成后,继续进行处理过程直到利用多室系统(或一个联机系统)的膜形成装置形成钝化膜716而不暴露于空气。另外,接着处理直到可以继续进行覆盖膜718的粘结过程而不暴露于空气。
由此在绝缘体501上形成n沟道TFT601和602、开关TFT(n沟道TFT)603和电流控制TFT(n沟道TFT)604,其中塑料衬底作为基底。至此,制造过程中需要的掩模数小于一般有源矩阵EL显示器中需要的掩模数。
即,TFT的制造过程被大大地简化,并且由此可以实现产量的提高和制造成本的降低。
另外,如图13所示,当提供绝缘膜通过跟栅电极重叠的杂质区时,可以形成n沟道型TFT,此TFT由于热载流子效应而具有较高的抗热衰变性。由此实现高可靠性的EL显示器。
在此实施例中,只展示了象素部分和驱动电路的结构。但是,根据本实施例的制造工艺,可以进一步在相同的绝缘体上形成诸如信号分离电路、D/A转换器、运算放大器和γ校正电路的逻辑电路。还可以形成存储器和微处理器。
下面将利用图14A和14B描述在用于保护EL元件的密封(填料)过程之后的本实施例的EL发光器件。注意,如果需要,采用与图13中相同的标号。
图14A是EL元件密封后的状态顶视图,图14B是沿图14A中A-A’线的截面图。由虚线表示的标号801表示电源一端的驱动电路,标号806表示象素部分,标号807表示栅极端驱动电路。另外,标号901表示覆盖元件,标号902表示第一密封元件,标号903表示第二密封元件。密封元件907设置在第一密封元件902包围的内部。
注意,标号904表示一条用于传递输入到源极驱动电路801和栅极驱动电路807的信号的导线。布线904从作为外部输入端的FPC(挠性印刷电路)905接收视频信号和时钟信号。在图14A中,虽然只显示了FPC,但可以把印刷布线板(PWB)连结到FPC。本说明书中的EL显示器不仅包括EL显示器的主体,而且包括连结FPC或PWB的EL显示器。
接下来将利用图14B描述截面结构。象素部分806和栅极端驱动电路807形成在衬底700之上。象素部分806由多个象素形成,每个象素有一个与TFT604的漏极区电连结的和电流控制TFT604象素电极710。另外,利用CMOS电路形成栅极端驱动电路807,其中n沟道型TFT601和p沟道型TFT602彼此组合(见图15)。
象素电极7110起着EL元件阳极的作用。另外,在象素电极710的两端形成斜坡712。EL元件的EL层713和阴极714形成在象素电极710上。
阴极714也起着与所有象素公共布线的作用,并且经连结布线904与FPC905电连结。另外,包括在象素部分806和栅极端驱动电路807中的所有元件被阴极714和钝化膜567覆盖。
另外,覆盖元件901通过第一密封元件902粘结到已制成的衬底700。注意,为了保持覆盖元件901和EL元件之间的间隙,设置一个由树脂膜制成的隔离物。然后,用密封元件907填充第一密封元件902的内部。注意,最好用环氧树脂作为第一密封元件902和密封元件907。另外,希望第一密封元件902是一种湿气和氧尽可能不能透过的材料。另外,在密封元件907中还可以包含一种具有吸湿效果的材料或具有抑制氧化效果的材料。
设置用于覆盖EL元件的密封元件也用作一种把覆盖元件901粘结到所得衬底700上的粘结剂。另外,在此实施例中,FRP(玻璃纤维增强塑料)、PVF(聚氟乙烯)、聚酯薄膜、聚酯纤维或丙烯酸纤维可以用作组成覆盖元件901的塑料衬底901a.
另外,利用密封元件907粘结覆盖元件901之后,设置第二密封元件903以覆盖密封元件907的侧表面(暴露的表面)。在第二密封元件903中,可以使用与第一密封元件902相同的材料。
通过用密封元件907以上述结构密封EL元件,EL元件可以完全与外界遮挡开,并且可以避免某些物质(如湿气或氧)的渗入,这些物质会由于氧化EL层而加速EL层的退化。由此获得具有高可靠性的EL显示器。
在通过上述步骤制造的发光器件的半导体膜上,照射表面或其附近的干涉减少,并且可以通过能量分布均匀性提高的激光束实现足够的操作性和可靠性。以此方式制造的液晶显示器可以用作各种电子设备的显示部分。
本实施例可以与实施例1~4自由组合。
在本实施例中,将对下列由实施例4中制得的有源矩阵衬底制造反射式液晶显示器的步骤给予解释。图12用于此解释。
首先,根据实施例4,提供一种处于图10B状态的有源矩阵衬底,并且之后在图10B的有源矩阵衬底之上、至少在象素电极470之上形成一个对准膜471,并进行摩擦处理。另外,在此实施例中,在形成对准471之前,通过给诸如丙烯酸树脂膜的有机树脂膜上形成图型而在理想的位置形成柱状隔离物480,以便保持衬底之间的间隙。另外,代替柱状隔离物,可以把球状隔离物散布在衬底的整个表面上。
接下来,制备相对的衬底472。随后形成彩色层473和474以及扁平膜475。通过重叠红色彩色层473和蓝色彩色层474而形成挡光部分。另外,挡光部分可以通过重叠红色彩色层和绿色彩色层而形成。
在此实施例中,采用实施例4所示的衬底。因此,在展示实施例4的象素部分顶视图的图11中,需要至少遮挡栅极线469和象素电极470之间的间隙、栅极布线469和连结电极468之间的间隙以及连结电极468和象素电极470之间的间隙。在此实施例中,把各个彩色层布置成挡光部分粘贴到其上,其中挡光部分通过层叠被遮挡的重叠位置的彩色层和相对的衬底构成。
加工步骤数可以通过由以此方式层叠彩色层构成的挡光部分遮挡各个象素间的间隙而不形成诸如黑色掩模的挡光层而减少。
接下来,至少在象素部分的扁平膜475上形成由透明导电膜构成的反电极,在相对衬底的整个面上形成对准膜477并进行摩擦处理。
另外,通过密封元件478把由象素部分和驱动电路形成的有源矩阵衬底和相对的衬底粘贴到一起。密封元件478与填充物混合,并通过填充物和装置隔离物把两片衬底以均匀的间隔粘贴到一起。之后,在两衬底之间的间隔中注入液晶材料479并通过密封剂(未示出)完全密封。可以用一种公知的液晶材料作为液晶材料479。通过这种方式完成图12所示的反射式液晶显示装置。另外,如果需要,可以把有源矩阵衬底或相对的衬底划分成所需的形状。另外,把偏振片(未示出)只粘贴到相对的衬底。另外,利用公知的技术粘贴FPC。
在通过上述步骤制造的液晶显示器的半导体膜上,照射表面或其附近的干涉减少,并且可以通过能量分布均匀性提高的激光束实现足够的操作性和可靠性。以此方式制造的液晶显示器可以用作各种电子设备的显示部分。
本实施例可以与实施例1~4自由组合。
通过进行本发明而形成的CMOS电路和象素部分可以用在各种光电器件(有源矩阵型液晶显示器、有源矩阵EC显示器和有源矩阵EL显示器)中。即本发明可以用到所有把这些电光器件结合用作显示部分的电子设备中。
可以用于下列这些电子设备摄像机、数字照相机、投影仪(背投或前投)、头置显示器(护目镜型显示器)、汽车导航系统、汽车立体照相机、个人电脑、便携式信息终端(如移动电脑、蜂窝电话和电子书)等。在图15A~15F、图16A~16D和图17A~17C中示出了一些这样的例子。
图15A表示一个由主体3001、图象输入部分3002、显示部分3003和键盘3004组成的个人电脑。本发明可以应用到图象输入部分3002、显示部分3003和其它的信号控制电路。
图15B表示一个由主体3101、显示部分3102、音频输入部分3103、操作开关3104、电池3105和图象接收部分3106组成的摄像机。本发明可以应用于显示部分3102和其它的信号控制电路。
图15C表示一个由主体3201、照相部分3202、图象接收部分3203、工作开关3204和显示部分3205组成的可移动电脑。本发明可以应用于显示部分3205和其它的信号控制电路。
图15D表示一种由主体3301、显示部分3302和支架部分3303组成的护目镜式显示器。本发明可应用于显示部分3302和其它的信号控制电路。
图15E表示一种使用存储程序的记录媒体(以下称作记录媒体)的播放机,它由主体部分3401、显示部分3402、扬声器部分3403、记录媒体3404和工作开关3405组成。DVD(数字多用盘)、CD等用作记录媒体,使得播放器能够欣赏音乐和电影并且播放游戏或上网。本发明可以应用于显示部分3402和其它的信号控制电路。
图15F表示一种由主体部分3501、显示部分3502、眼睛件部分3503、工作开关3504和图象接收部分(图中未示出)组成的数字照相机。本发明可以应用于显示部分3502和其它的信号控制电路。
图16A表示一种由投影单元3601、显示屏3602等组成的前投式投影仪。本发明可以应用于液晶显示器3808和其它的信号控制电路,其中液晶显示器是投影装置3601的一个组成部分。
图16B表示一种由主体3701、投影装置3702、反射镜3703、显示屏3704等组成的背投式投影仪。本发明可以应用于液晶显示器3808和其它的信号控制电路,其中液晶显示器是投影装置3702的一个组成部分。
图16C中所示的是分别示于图16A和16B中的投影单元3601和3702的结构实例。投影单元3601和3702均由一个光源光学系统3801、反射镜3802和3804~3806、二色反射镜3803、棱镜3807、液晶显示器3808、相差板3809和投影光学系统3810组成。投影光学系统3810由一个包括投影透镜的光学系统构成。本实施例中示出的是一个三板系统的例子,但没有特别的限制。例如,单板系统的光学系统也是可以接受的。另外,操作者可以在图16C中箭头所示的光路之内适当地设置光学系统,如光学透镜、偏振膜、调节相位差的膜和红外膜。
另外,图16D表示图16C中光源光学系统3801的结构实例。在本实施例中,光源光学系统2801由一个反射器3811、一个光源3812、一个透镜阵列3813和3814、一个偏振转换元件3815和一个会聚透镜3816组成。注意,图16D中示出的光源光学系统是一个实例,它并不局限于所示的结构。例如,操作者可以适当地设置光学系统,如光学透镜、偏振膜、调节相位差的膜和红外膜。
图16A~16D中示出的投影仪表示透明型光电装置,不是反射型电光装置的例子。
图17A表示一个由主体部分3901、音频输出部分3902、音频输入部分3903、显示部分3904、工作开关3905和天线3906等组成的蜂窝电话。本发明可以应用于音频输出部分3902、音频输入部分3903、显示部分3904和其它的信号控制电路。
图17B表示一个由主体部分4001、显示部分4002、4003、记录媒体4004、工作开关4005和天线4006组成的可移动书籍(电子书籍)。本发明可应用于到显示部分4002、4003和其它的信号控制电路。
图17C表示一个由主体部分4101、支撑台座4102和显示部分4103等组成的显示器。本发明可以应用于显示部分4103。在制造大屏幕的情况下尤其显出其优点,并且适于对角线大于或等于10英寸(尤其是大于或等于30英寸)的显示器。
因此,本发明的应用范围非常宽,它可以应用到所有领域的电子设备中。另外,本实施例的电子设备可以通过采用实施例1~6的任一组合来实现。
如果本发明应用于常规使用的光学系统中,具有相干性的激光束能量分布的均匀性可以通过减小激光束的相干性而显著地提高。如果把本说明书中描述的发明与以具有高相干性的YAG激光器为代表的固体激光器相结合,用于进行晶化半导体膜的工艺,则可望显著地降低制造成本。另外,在电光器件和通过把TFT制作在所得的半导体膜上并通过利用TFT而制成的半导体器件可以实现适当的工作特性和足够高的可靠性,其中这种半导体器件的典型代表是有源矩阵型液晶显示器。
权利要求
1.一种制造半导体器件的方法,包括以下步骤在一个衬底上形成一个半导体膜;振荡激光束;在垂直于激光束行进方向的第一方向上把该激光束分成两束激光束,该两激光束具有相互独立的偏振方向;在垂直于第一方向的第二方向上把该两激光束分成多束激光束,该多束激光束具有彼此不同的光程;和在照射平面上或其附近把该多个激光束合并成一束激光束;和用所述合并的一束激光束照射以结晶所述半导体膜。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于所述的把激光束分成两束具有彼此相独立的偏振方向的激光束的步骤是利用一个λ/2片来进行的。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于所述的彼此具有不同光程的多个激光束是通过利用一个对激光束有高透射率的物块来形成的。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于利用一个F数为20或更大的圆柱形透镜进行所述的把激光束分成多个激光束的步骤。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于利用一个F数为20或更大的圆柱形透镜进行所述的合并多个激光束的步骤。
6.如权利要求1所述的方法,其特征在于所述的激光束包括从YAG激光器、YVO4激光器和YLF激光器中发出的激光束中选出的一种或多种。
7.如权利要求1所述的方法,其特征在于所述的半导体器件被结合到包括个人电脑、摄像机、移动电脑、护目镜型显示器、播放机、数字照相机、前投式投影仪、背投式投影仪、蜂窝电话、可移动书籍和显示器的电子设备中。
8.一种制造半导体器件的方法,包括以下步骤在一个衬底上形成一个半导体膜;振荡激光束;在垂直于激光束行进方向的第一方向上把该激光束分成两束激光束,该两束激光束具有相互垂直的偏振方向;在垂直于第一方向的第二方向上把该两激光束分成多束激光束,该多束激光束具有彼此不同的光程;在所述半导体膜上或其附近把该多个激光束合并成一束激光束;和用所述合并的一束激光束照射以结晶所述半导体膜。
9.如权利要求8所述的方法,其特征在于所述的把激光束分成两束具有彼此相独立的偏振方向的激光束的步骤是利用一个λ/2片来进行的。
10.如权利要求8所述的方法,其特征在于所述的彼此具有不同光程的多个激光束是通过利用一个对激光束有高透射率的物块来形成的。
11.如权利要求8所述的方法,其特征在于利用一个F数为20或更大的圆柱形透镜进行所述的把激光束分成多个激光束的步骤。
12.如权利要求8所述的方法,其特征在于利用一个F数为20或更大的圆柱形透镜进行所述的合并多个激光束的步骤。
13.如权利要求8所述的方法,其特征在于所述的激光束包括从YAG激光器、YVO4激光器和YLF激光器中发出的激光束中选出的一种或多种。
14.如权利要求8所述的方法,其特征在于所述的半导体器件被结合到包括个人电脑、摄像机、移动电脑、护目镜型显示器、播放机、数字照相机、前投式投影仪、背投式投影仪、蜂窝电话、可移动书籍和显示器的电子设备中。
15.一种制造半导体器件的方法,包括以下步骤在一个衬底上形成一个半导体膜;振荡激光束;在垂直于激光束行进方向的第一方向上把该激光束分成两束激光束,该两束激光束具有相互独立的偏振方向;在垂直于第一方向的第二方向上把该两激光束分成多束激光束,该多束激光束具有彼此不同的光程;在所述半导体膜上或其附近把该多个激光束合并成一束细长的激光束;和用所述合并的一束激光束照射以结晶所述半导体膜。
16.如权利要求15所述的方法,其特征在于所述的把激光束分成两束具有彼此相独立的偏振方向的激光束的步骤是利用一个λ/2片来进行的。
17.如权利要求15所述的方法,其特征在于所述的彼此具有不同光程的多个激光束是通过利用一个对激光束有高透射率的物块来形成的。
18.如权利要求15所述的方法,其特征在于利用一个F数为20或更大的圆柱形透镜进行所述的把激光束分成多个激光束的步骤。
19.如权利要求15所述的方法,其特征在于利用一个F数为20或更大的圆柱形透镜进行所述的合并多个激光束的步骤。
20.如权利要求15所述的方法,其特征在于所述的激光束包括从YAG激光器、YVO4激光器和YLF激光器中发出的激光束中选出的一种或多种。
21.如权利要求15所述的方法,其特征在于所述的半导体器件被结合到包括个人电脑、摄像机、移动电脑、护目镜型显示器、播放机、数字照相机、前投式投影仪、背投式投影仪、蜂窝电话、可移动书籍和显示器的电子设备中。
22.一种制造半导体器件的方法,包括以下步骤在一个衬底上形成一个半导体膜;振荡激光束;在垂直于激光束行进方向的第一方向上把该激光束分成两束激光束,该两束激光束具有相互垂直的偏振方向;在垂直于第一方向的第二方向上把该两束激光束分成多束激光束,该多束激光束具有彼此不同的光程;和在所述半导体膜上或其附近把该多束激光束合并成一束细长的激光束;和用所述合并的一束激光束照射以结晶所述半导体膜。
23.如权利要求22所述的方法,其特征在于所述的把激光束分成两束具有彼此相独立的偏振方向的激光束的步骤是利用一个λ/2片来进行的。
24.如权利要求22所述的方法,其特征在于所述的彼此具有不同光程的多个激光束是通过利用一个对激光束有高透射率的物块来形成的。
25.如权利要求22所述的方法,其特征在于利用一个F数为20或更大的圆柱形透镜进行所述的把激光束分成多个激光束的步骤。
26.如权利要求22所述的方法,其特征在于利用一个F数为20或更大的圆柱形透镜进行所述的合并多个激光束的步骤。
27.如权利要求22所述的方法,其特征在于所述的激光束包括从YAG激光器、YVO4激光器和YLF激光器中发出的激光束中选出的一种或多种。
28.如权利要求22所述的方法,其特征在于所述的半导体器件被结合到包括个人电脑、摄像机、移动电脑、护目镜型显示器、播放机、数字照相机、前投式投影仪、背投式投影仪、蜂窝电话、可移动书籍和显示器的电子设备中。
全文摘要
用于照射待热处理的非单晶半导体膜上的激光束能量是均匀分布的。从诸如YAG激光器的固体激光器获得的激光束,其中YAG激光器容易在基于简单分开和合并激光束的常规方法的光学系统中导致干涉,但是与受激准分子激光器相比可以维持较低的成本。固体激光器可以通过准直偏振面振荡形成激光束。通过利用一个λ/2片形成偏振方向彼此独立的两激光束,并通过一个阶梯形的石英块进一步形成多个激光束,并行进不同的光程。这些激光束通过光学系统在照射面上或其附近合并成一束,由此形成一个干涉性被有效地限制、并且能量分布高度均匀的均匀激光束。
文档编号B23K26/06GK1697144SQ20051007400
公开日2005年11月16日 申请日期2001年9月1日 优先权日2000年9月1日
发明者田中幸一郎 申请人:株式会社半导体能源研究所
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