专利名称：光束均匀器、激光照射装置及半导体装置制造方法
技术领域：
本发明涉及一种用于使在某一区域内的、被照射表面上的束斑均匀化的光束均匀器。本发明还涉及一种激光照射装置，其使用束斑照射被照射表面。此外，本发明还涉及一种使用由激光照射装置形成的晶态半导体薄膜制造半导体装置的方法。
背景技术：
近年来，广泛地研究了一种用于结晶化或者用于增强非晶态半导体膜或晶态半导体膜(具有可结晶性的半导体膜，如非单晶的微晶或多晶体)的可结晶性的技术，所述晶态半导体膜也就是通过在诸如玻璃衬底的绝缘表面上执行激光退火而形成的非单晶的半导体膜(称作非单晶半导体膜)。通常使用硅薄膜作为半导体膜。
与传统使用的石英衬底相比，玻璃衬底具有以下优点价格低廉，使用性较好，并且易于加工成大尺寸衬底。这就是广泛研究的原因所在。由于玻璃衬底具有较低熔点，所以优选使用激光进行结晶化。激光器可以将高能量仅施加给非单晶半导体膜，而不会太多地改变衬底温度。
通过激光退火形成的结晶硅膜具有较高的迁移率。因此，由这种结晶硅膜制成的薄膜晶体管(TFT)的用途是十分广泛的。例如，结晶硅膜被广泛用于单片式液晶电光装置以及类似的装置中，其中在一个玻璃衬底上形成用于像素的TFT和用于驱动电路的TFT。因为结晶硅膜由若干晶粒构成，所以该结晶硅膜被称作多晶硅膜或多晶半导体膜。
此外，可以将从具有高输出的脉冲激光振荡器(如受激准分子激光器)振荡得到的激光束整形为边长为几cm的正方形光斑或者长度为10cm或更长的线形光斑(例如，日本专利公开No.9-234579)。然后束斑相对要照射的表面发生移动，执行激光退火。由于这种方法可以提高生产率并且工业方面性能优越，所以优选采用这种方法。
特别是，当采用线形束斑时，与需要从前到后并从一侧到另一侧扫描的点状束斑不同，线形束斑可以提供高生产率，因为可以仅通过沿垂直于其长轴方向的方向扫描线形束斑来照射大尺寸表面。应当注意，此处的线形束斑表示具有较大长宽比的矩形束斑。束斑沿垂直于线形束斑长轴方向的方向扫描，因为该方向是效率最高的扫描方向。由于这种高生产率，目前，激光退火过程主要采用的是通过适当光学系统整形脉冲受激准分子激光而获得的线形束斑。
图6A和6B表示用于将在被照射表面上的束斑横截面整形为线形的光学系统的一个例子。图6A和6B中所示的光学系统是一种极普通的光学系统。该光学系统不仅将束斑的横截面整形成线形，而且还同时使束斑在被照射表面上的能量均匀化。通常，将这种用于均匀化光束能量的光学系统称作光束均匀器。图6A和6B中所示光学系统也是一种光束均匀器。
首先，说明图6A的侧视图。从激光振荡器1201振荡得到的激光束的束斑通过柱面透镜阵列1202a和1202b沿一个方向分开。该方向称作垂直方向。当反射镜插入光学系统中时，在垂直方向的束斑被弯曲到由该反射镜弯曲的方向。在这种结构中激光束分成四束。用柱面透镜1204一次将这些分裂束斑组合成一个束斑。当再次分离的束斑在反射镜1207上反射时，双柱面透镜1208再次将束斑会聚到被照射表面1209上形成一个束斑。双柱面透镜是包括两个柱面透镜的一组透镜。图6A和6B的结构使整形成线形的束斑在垂直方向的能量分布均匀化，并且决定其在垂直方向的长度。
接着，说明图6B的俯视图。从激光振荡器1201振荡得到的激光束的束斑通过柱面透镜阵列1203在垂直于垂直方向的方向中分裂。该垂直于垂直方向的方向称作水平方向。当反射镜插入光学系统中时，水平方向的束斑被弯曲到由该反射镜所弯曲的方向。在这种结构中束斑被分成七个束斑。此后，柱面透镜1205将分成七个光斑的束斑在被照射表面1209上组合成一个束斑。虚线表示在未设置反射镜1207时的正确光路以及透镜与被照射表面的正确位置。图6A和6B的结构将整形成线形的束斑在水平方向的能量分布均匀化，并且决定其在水平方向的长度。
如上所述，柱面透镜阵列1202a，1202b和1203为用于分裂激光束的束斑的透镜。所分裂出束斑的数量决定所获得的线形束斑的能量分布的均匀度。
为了与XeCl受激准分子激光器相一致，每个透镜都是由石英(quart)制成的。此外，透镜上具有涂层表面，使得从受激准分子激光器发射出的激光束可以很好地通过透镜。这使得每个透镜对准分子激光束的透射率为99％或者更高。
通过上述透镜处理的线形束斑是以这样一种重叠方式来照射的，使得线形束斑在线形束斑的短轴方向逐渐移动。通过这种照射，例如可以对非单晶硅膜的整个表面执行激光退火，从而使其结晶或增强其可结晶性。
下面说明半导体膜的典型制造方法，其中半导体膜是激光束所照射的目标。最初，使用厚度为0.7mm，边长为5英寸的玻璃衬底。通过等离子体CVD装置在衬底上形成200nm厚的SiO2膜(二氧化硅薄膜)，并在SiO2膜表面上形成厚度为50nm的非晶硅膜(下面称作a-Si膜)。当衬底在500℃温度下暴露于氮气环境一小时后，薄膜中的氢浓度减小。这大大提高了该膜对于激光束的抵抗性。
使用XeCl受激准分子激光器(波长308nm，脉冲宽度30ns)作为激光振荡器。在激光束窗口内激光束的光斑尺寸为15mm×35mm(均为最大值的一半)。激光束窗口定义为刚好在激光振荡器发射出激光束之后垂直于激光束传播方向的平面。
受激准分子激光器发射出的激光束通常为矩形，并且当用长宽比表示时，矩形光束的长宽比大约为1到5。激光束具有高斯能量分布，其中越靠中心激光束强度越大。通过图6A和6B中所示光学系统，激光束的束斑变成具有均匀能量分布且具有300mm×0.4mm尺寸的线形束斑。
当激光束照射半导体膜时，线形束斑的短轴宽度(最大宽度的一半)的大约1/10是使激光束重叠的最适当的间距。可以提高半导体膜中的结晶均匀度。在上述例子中，由于短轴宽度为0.4mm，所以在脉冲频率设定为300Hz、扫描速度设定为10mm/s的受激准分子激光器条件下照射激光束。在此情形中，激光束在被照射表面上的能量密度设定为450mJ/cm2。上述方法是一种使用线形激光束使半导体膜结晶的非常普通的方法。
柱面透镜要求高精度地制造。
柱面透镜阵列是沿其弯曲方向设置的柱面透镜。此处，弯曲方向定义为垂直于柱面透镜的柱面母线的方向。柱面透镜阵列在构成柱面透镜阵列的柱面透镜之间通常具有接合点。由于接合点不具有如柱面透镜的曲率，所以入射到接合点的激光束透过，不受柱面透镜影响。在不受柱面透镜影响下到达被照射表面的激光束可导致被照射表面上矩形束斑的能量分布不均匀。
此外，必须以相同精度制造构成柱面透镜阵列的所有柱面透镜。当柱面透镜具有不同曲率时，即使使用会聚透镜，被柱面透镜阵列分裂的激光束也不会重叠在被照射表面的相同位置上。换句话说，矩形束斑在被照射表面上的能量衰减区域发生扩大。这导致能量利用率降低。
束斑在被照射表面上能量分布不均匀应归因于构成光学系统的柱面透镜阵列的结构问题和制造精度。具体而言，不均匀能量分布的原因之一是由柱面透镜阵列分裂出的所有激光束并不重叠在相同位置。
此外，当利用在被照射表面上在其长轴方向具有不均匀能量分布的矩形束斑照射和扫描半导体膜时，半导体膜的可结晶性不均匀，从而反映出不均匀能量分布。结晶的不均匀性与半导体膜性质(如迁移率)的不均匀性是同步的。例如，不均匀结晶表现为包含半导体膜的TFT的电学性质发生改变，并在包括TFT的面板上显示亮和暗图案。
鉴于上述问题提出本发明。本发明提供一种光束均匀器，该光束均匀器能在被照射表面上形成在其长轴方向具有均匀能量分布的矩形束斑，而无需使用必须高精度制造的光学透镜。此外，本发明提供一种激光照射装置，该激光照射装置可以照射在其长轴方向具有能量分布均匀的束斑的激光束。另外，本发明提供一种半导体装置制造方法，该方法能增强半导体膜的可结晶性，并且能制造出具有较高工作性能的TFT。
发明内容
本发明采用光波导作为光学系统，用于在形成矩形束斑的光学系统中使被照射表面上矩形束斑在其长轴方向的能量分布均匀。该光波导为一个回路，其能将照射光保持在某一区域中，并且通过使其能量流动平行于通道轴的方式来传输照射光。
本发明提供一种光束均匀器，其将束斑整形成在被照射表面上的、长宽比为10或更高(优选为100或更高)的矩形束斑，该光束均匀器包括用于使矩形束斑在其长轴方向的能量分布均匀的光波导。
下面解释在本发明中的光束均匀器中使用光波导的原因。当激光束入射到光波导中时，激光束在光波导中重复反射，并引导到出口。换句话说，入射到光波导中的激光束重叠，就好像入射激光束在出射表面上在相同位置上重叠一样。这样，因为入射到光波导中的激光束获得的效果与分离激光束在相同位置上重叠所获得的效果相同，所以激光束的能量分布在出射表面中被均匀化，激光束在出射表面上重叠。
本发明还提供一种光束均匀器，其用于将激光束整形成在被照射表面上具有10或更高、优选为100或更高长宽比的矩形束斑。该光束均匀器包括光波导，其用于使矩形束斑在其长轴方向的能量分布均匀；和一个柱面透镜或多个柱面透镜，其用于将沿其长轴方向从光波导射出的激光会聚到被照射表面上。
本发明还提供一种光束均匀器，其用于将激光束整形成在被照射表面上具有10或更高、优选为100或更高长宽比的矩形束斑。该光束均匀器包括用于使矩形束斑在其短轴方向的能量分布均匀的装置，和用于使矩形束斑在其长轴方向的能量分布均匀的光波导，其中该装置具有至少一个柱面透镜阵列。
本发明还提供一种光束均匀器，其用于将束斑整形成在被照射表面上具有10或更高、优选为100或更高长宽比的矩形束斑。该光束均匀器包括用于使矩形束斑在其长轴方向能量分布均匀的光波导，和用于使矩形束斑在其短轴方向能量分布均匀的光波导。
在本发明光束均匀器的上述结构中，所述光波导具有一对相对设置的反射面。
此外，可以使用光导管作为光波导。光导管为圆锥体、金字塔形、柱形、棱柱形，或类似形状，其通过反射将光从一端传输到另一端。另外，可以通过反射镜传输光，例如可以采用相对设置的一对反射面。
本发明提供一种激光照射装置，其用于将束斑整形成在被照射表面上具有10或更高、优选为100或更高长宽比的矩形束斑。该激光照射装置包括激光振荡器和光束均匀器，其中该光束均匀器包括用于使矩形束斑在其长轴方向能量分布均匀的光波导。
本发明还提供一种激光照射装置，其用于将束斑整形成在被照射表面上具有10或更高、优选为100或更高长宽比的矩形束斑。该激光照射装置包括激光振荡器和光束均匀器，其中该光束均匀器包括用于使矩形束斑在其长轴方向能量分布均匀的光波导，以及使矩形束斑在其短轴方向能量分布均匀的光波导。
在本发明的光照射装置的上述结构中，该光波导具有一对相对设置的反射面。
此外，可使用光导管用做光波导。
在本发明激光照射装置的上述结构中，从包含受激准分子激光器、YAG激光器、玻璃激光器、YVO4激光器、GdVO4激光器、YLF激光器和Ar激光器的组中选择激光振荡器。
在本发明激光照射装置的上述结构中，激光照射装置包括移动台，其用于相对束斑移动要照射的目标，并且还包括用于将要照射的目标传送到移动台上的传送装置。
本发明提供一种半导体装置制造方法，包括以下步骤在衬底上形成非单晶半导体膜，用激光束对非单晶半导体膜进行激光退火，同时相对非单晶半导体膜移动束斑位置，这里是假设非单晶半导体膜为要照射的表面。激光束在激光振荡器中产生，然后被整形成具有10或更高，优选为100或更高长宽比的矩形光束，并且通过柱面透镜阵列和光波导从而具有均匀能量分布。柱面透镜阵列作用于矩形束斑短轴方向，光波导作用于矩形束斑长轴方向。
本发明还提供一种半导体装置的制造方法，包括以下步骤在衬底上形成非单晶半导体膜；用激光束对该非单晶半导体膜执行激光退火，同时相对非单晶半导体膜移动束斑位置，这里是假设非单晶半导体膜为要照射的表面。激光束在激光振荡器中产生，然后被整形成具有10或更高、优选为100或更高长宽比的矩形束斑，并且通过多个光波导从而具有均匀能量分布。多个光波导中的至少一个作用于矩形束斑长轴方向，并且多个光波导中的至少一个作用于矩形束斑短轴方向。
此外，可使用光导管作为光波导。
在本发明半导体装置的上述制造方法结构中，从包含受激准分子激光器、YAG激光器、玻璃激光器、YVO4激光器、GdVO4激光器、YLF激光器和Ar激光器的组中选择激光振荡器。
本发明提供一种激光照射装置，其包括安装有光波导的光束均匀器。光波导包括一对相对设置的反射面，能使被照射表面上矩形束斑在其长轴方向的能量分布均匀。
当使用光束均匀器利用本发明中披露的光波导形成矩形束斑时，可在被照射表面上形成在长轴方向具有均匀能量分布的矩形束斑，而无需使用必须高精度制造的光学透镜。此外，更优选的是光波导，因为其作用于矩形束斑的短轴方向，可使被照射表面上该方向的能量分布均匀。当通过使用这种光束均匀器从激光照射装置发射出的矩形束斑沿其短轴方向在半导体膜上扫描时，可以抑制由于束斑能量分布不均匀导致的不均匀结晶，并且可以增强半导体膜中的结晶均匀性。而且，当本发明应用于低温多晶硅TFT的大规模生产线时，可制造具有均匀的较高工作特性的TFT。此外，当低温多晶硅应用于使用发光元件的液晶显示装置或发光装置时，可以制造出具有非常小的显示不均匀性的显示装置。
在附图中图1A和1B说明通过光波导使束斑的能量分布均匀化。
图2A和2B表示本发明中披露的使用光波导的光束均匀器的一个例子。
图3A和3B表示本发明中披露的使用光波导的光束均匀器的一个例子。
图4A到4C表示通过图3A和3B中所示光束均匀器得到的矩形束斑的能量分布。
图5A和5B表示本发明中披露的使用光波导的光束均匀器的一个例子。
图6A和6B表示传统的光束均匀器。
图7A至7C表示本发明披露的光波导的一个例子。
具体实施例方式
首先，参照图1A和1B说明使用光波导使束斑的能量分布均匀化的方法。先解释图1A的俯视图。制备光波导102，其具有一对相对设置的反射面102a和102b，以及一被照射表面103，激光束从纸面的左侧入射。当存在光波导102时，激光束用连续线101a画出。当没有光波导102时，用虚线101b画出激光束。在没有光波导102时，从纸面左侧入射的激光束到达被照射表面103中的区域103a，103b和103c，如虚线101b所示。
另一方面，在存在光波导102时，如激光束101a所示，激光束被光波导102的反射面反射，所有光线都到达被照射表面103中的区域103b。换句话说，在不设置光波导102时，到达区域103a和103c的所有激光束在设置光波导102时均到达被照射表面103中的区域103b。因此，当使激光束入射到光波导102中时，激光束被重复反射，并引导到出口。也就是说，该激光束重叠，就好像激光束重叠在被照射表面103的区域103b一样，位置相同。在本例中，没有光波导时激光束103a，103b和103c在要照射的表面103上的总发散长度定义为A，存在光波导时激光束103b在被照射表面103上的发散长度定义为B。从而，A/B相当于被现有技术中描述的均匀器分裂出的激光束数量。因此，当入射光线被分裂，并且所分裂的激光束重叠在同一位置时，在重叠位置上激光束的能量分布得到均匀化。
通常，均匀器分裂出的激光束越多，则在分裂激光束重叠位置处的能量分布就越均匀。当激光束在光波导102中的反射次数增加时，光波导102所分裂的激光束数量也增加。换句话说，可以使光波导在激光束入射方向上的一对反射面的长度更长。此外，可通过缩小相对设置的反射面之间的空间，或者通过增大入射到光波导中的激光束的NA(数值孔径)而增加所分裂的激光束数量。
参照图2A和2B说明包括本发明中披露的光束均匀器的、用于形成矩形束斑的光学系统。在俯视2A中，垂直于纸面的方向为矩形束斑的短轴方向。下面，可使用光导管作为光波导。
首先，解释俯视2A。激光振荡器201发射出的激光束沿图2A和2B中箭头所示方向传播，然后激光束入射到柱面透镜202中。激光束通过柱面透镜202在矩形束斑的长轴方向聚焦，然后入射到具有一对相对设置的反射面203a和203b的光波导203中。入射到光波导203中的激光束在光波导203中重复反射，并引导到出口。在光波导203的出口处形成在矩形束斑的长轴方向具有均匀能量分布的平面。例如，光波导203在激光束入射方向可以具有300mm的长度，并且反射面之间的距离为2mm。
光波导203在激光束入射方向的长度越长，或者柱面透镜202的焦距越短，则能量分布越均匀。不过，制造实际系统时必须考虑光学系统的尺寸，因此光波导的长度和柱面透镜的焦距必须与系统的尺寸实际相符。
柱面透镜204将在光波导203的出口处形成的、在矩形长轴方向具有均匀能量分布的束斑，通过柱面透镜阵列205a、205b和柱面透镜206、207a和207b投射到要照射的表面208。换句话说，具有均匀能量分布的束斑和要照射的表面208关于双柱面透镜204共轭。这可以使矩形束斑在其长轴方向的能量分布均匀，并决定其在长轴方向的长度。
具有光波导203的本发明可以弥补结构问题和柱面透镜阵列的制造精度问题，以及用于使分裂光束会聚的柱面透镜的制造精度问题，在传统光学系统中这些问题会导致要照射的表面上矩形束斑的能量分布不均匀。
下面解释侧视2B。激光振荡器201发射出的激光束通过柱面透镜阵列205a和205b沿矩形束斑的短轴方向分裂。被柱面透镜阵列205a和205b分裂的激光束通过柱面透镜206重叠在相同表面上，使矩形束斑在其短轴方向的能量分布均匀。
通过柱面透镜206形成的、在矩形短轴方向具有均匀能量分布的束斑，通过由柱面透镜207a和207b组成的双柱面透镜投射到要照射的表面208。因此，在被照射表面208上，矩形束斑在其短轴方向的能量分布得到均匀化，并且决定其短轴方向的长度。并非必须采用双柱面透镜，不过当采用双柱面透镜时，可以产生空间余量，这是因为在光学系统与被照射表面之间可以保证一定的距离。应当注意的是，当束斑在被照射表面上的均匀性无需太好时，或者当双柱面透镜的F-数(焦距/孔径比)极高时，可以采用单柱面透镜。
通过上面解释的光学系统，可以在被照射表面上形成在其长轴和其短轴方向具有均匀能量分布的矩形束斑。
与用于形成矩形束斑并包括本发明披露的均匀器的光学系统相结合的激光振荡器优选地具有高输出和能被半导体膜充分吸收的波长。当采用硅膜作为半导体膜时，考虑到吸收率，激光振荡器发射出的激光束的波长优选为不大于600nm。例如，受激准分子激光器、YAG激光器(谐波)和玻璃激光器(谐波)可作为发射这种波长的激光振荡器。
此外，YVO4激光器(谐波)，GdVO4激光器(谐波)，YLF激光器(谐波)和Ar激光器被作为发射出用于使硅膜结晶的近似波长的激光振荡器。
下面，说明通过使用本发明的光束均匀器和激光照射装置制造本发明半导体装置的方法。首先，例如制备出尺寸为600mm×720mm×0.7mm的基片作为衬底。可使用足够具有耐热性(高达600℃)的非碱性玻璃衬底，如铝硼硅酸盐玻璃、钡硼硅酸盐玻璃或铝硅酸盐玻璃作为该衬底。在玻璃衬底上形成200nm厚度的二氧化硅薄膜作为基膜。此外，在基膜上形成55nm厚的非晶硅薄膜。通过溅射形成这些薄膜。或者可以通过等离子体CVD形成。
将其上形成有薄膜的衬底放置在氮气中1至3小时，温度从450℃到500℃。该过程用于减小非晶硅薄膜中的氢浓度。执行这一过程是因为当非晶硅薄膜中含有太多氢时，薄膜不能抵抗激光能量。非晶硅薄膜中的氢浓度大约为1020原子/cm3的量级。此处，1020原子/cm3表明1cm3中存在1020个原子。
例如，在本实施方式中，使用XeCl受激准分子激光器作为激光振荡器。在本实施例中，采用Lambda Physik公司制造的XeCl受激准分子激光器(波长308nm，脉冲宽度30ns)STEEL1000。该受激准分子激光器为脉冲激光器。该受激准分子激光器每个脉冲具有1000mJ的最大能量，具有308nm波长，最大频率为300Hz。在激光束照射一片衬底期间，每个脉冲中脉冲激光的能量在±10％之内，优选在±5％之内波动时，可以实现均匀结晶。
如下定义上面所述的激光的能量波动。换句话说，假设照射一片衬底的时间段内的激光能量平均值是标准值。那么，激光能量的波动定义为表示照射期间的平均值与最小值之间的差异的值，或者表示照射期间的平均值与最大值之间的差异的值。
此外，也可以采用Sopra公司制造的XeCl受激准分子激光器(波长308nm，脉冲宽度170ns)VEL1520作为激光振荡器。该受激准分子激光器每个脉冲具有15J的最大能量，并且频率为20Hz。由于在激光照射一片衬底期间可以将受激准分子激光器的脉冲激光的能量波动抑制在每个脉冲±2.5％的范围内，所以可以实现均匀结晶。此外，当采用包括本发明光波导的光学系统时，束斑在被照射表面上的位置根本不受激光束波动的影响。从而，当与具有极其稳定输出的激光振荡器(如VEL1520)一起来使用光波导时，可执行非常均匀的激光退火。
例如，在沿矩形束斑的短轴方向扫描工作台的同时照射激光束，其中工作台上安装有图2A和2B中所示的要照射的表面208。在此情形中，专业人员可以近似决定要照射的表面上的束斑的能量密度和扫描速度。能量密度可以近似处于200mJ/cm2至1000mJ/cm2范围内。当在使矩形束斑在其短轴方向的宽度彼此重叠大约90％或者更大范围内选择扫描速度时，可以实现均匀地激光退火。最佳扫描速度取决于激光振荡器的频率，并且认为正比于其频率。
通过这种方式，完成激光退火处理。当重复执行这种操作时，可以处理多个衬底。此外，当准备了能存储多个衬底的衬底架以及用于在衬底架与工作台之间自动传送多个衬底的传送装置时，可以更加有效地处理衬底。例如，可根据已知方法使用衬底制造有源矩阵液晶显示装置。
在上例中使用受激准分子激光器作为激光振荡器。受激准分子激光器适用于该例中的光学系统，因为其相干长度短至几个微米(μm)。下面给出的某些激光器发射具有较长相干长度的激光束。在使用这类激光器的情形中，当分裂光束通过这样一种方式组合以至使其在组合之前彼此具有不同光程差时，则可以抑制干涉。或者，可以这样有意识地改变相干长度使激光束在入射到光学系统之前通过光纤等传送，然后入射到光束均匀器。还优选采用YAG激光器的谐波或玻璃激光器的谐波，因为其同样输出高能量，并且发射出被半导体膜充分吸收的激光束。YVO4激光器(谐波)、GdVO4激光器(谐波)、YLF激光器(谐波)和Ar激光器作为另一种用于使硅膜结晶的适当的激光振荡器。这些激光束具有被硅膜充分吸收的波长。
虽然上面的例子使用非晶硅膜作为非单晶半导体膜，不过易于想到本发明可以应用于其他的非单晶半导体。例如，可以使用具有非晶结构的化合物半导体膜(如非晶硅锗膜)作为非单晶半导体膜。或者，可以使用多晶硅膜作为非单晶半导体膜。
图3A和3B表示包括该实施例中所述光波导的光学系统的一个例子。使用光导管作为光波导。首先，说明俯视图3A。激光振荡器301发射出的激光束沿图3A和3B中箭头所示方向传播。在俯视图3A中，垂直于纸面的方向为矩形束斑的短轴方向。
最初，激光束通过球面透镜302a和302b扩展。当激光振荡器301发射足够大的束斑时，不需要这一结构。应当注意，通常将用于扩展束斑形状的光学系统(如球面透镜302a和302b)称作扩束器。
经过扩束器扩展的激光束通过柱面透镜303在矩形束斑的长轴方向聚焦，其中柱面透镜303的厚度为20mm，具有曲率半径为194.25mm的第一表面，且第二表面为平面。当曲率中心相对于透镜表面处于激光束发射侧时曲率半径的符号为正。当曲率中心相对于透镜表面处于入射侧时符号为负。此外，应当注意，将激光束入射的透镜表面定义为第一表面，将激光束射出的透镜表面定义为第二表面。
通过以下方式设置包括一对相对设置的反射面304a和304b的光波导304，使光波导304的入口处于柱面透镜303的焦点处。入射到光波导304中的激光束在光波导304中重复反射，从而使其能量分布均匀，然后激光束被引导至出口。在光波导304的出口处形成在矩形束斑的长轴方向具有均匀能量分布的平面。光波导304在激光束传播方向具有200mm的长度，并且反射面之间的距离为2mm。
柱面透镜305的厚度为5mm，具有曲率半径为9.7mm的第一表面，且第二表面为平面，该柱面透镜305位于光波导304出口后面20mm处。在光波导304出口处形成的、在矩形长轴方向具有均匀能量分布的束斑被柱面透镜305投射到位于柱面透镜305后面3600mm处的被照射表面309。换句话说，在长轴方向具有均匀能量分布的束斑和被照射表面309关于柱面透镜305共轭。这使矩形束斑在其长轴方向的能量分布均匀，并且决定其在长轴方向的长度。在本实施例中，采用柱面透镜305作为用于将光波导304发射出的激光束投射到被照射表面309的透镜。不过为了更好地减小像差，也可采用双柱面透镜。双柱面透镜是由两个柱面透镜组成的一组透镜。作为替换，也可以使用由三个或更多透镜组成的一组透镜。可根据所设计的系统或所需规格决定透镜数量。
下面解释侧视图3B。激光振荡器301发射出的激光束通过扩束器扩展，其中该扩束器包括球面透镜302a和302b。经过扩束器扩展的激光束通过厚度为20mm的柱面透镜306在矩形束斑的短轴方向聚焦，该柱面透镜306具有曲率半径为486mm的第一表面，且第二表面为平面，其设置在柱面透镜305后面773.2mm处。
通过以下方式设置具有一对彼此相对布置的反射面307a和307b的光波导307，使光波导307的入口处于柱面透镜306的焦点处。入射到光波导307中的激光束在光波导307中重复反射，从而使其能量分布均匀，然后激光束被引导到出口。在光波导307的出口处形成在矩形束斑的短轴方向具有均匀能量分布的平面。光波导307在激光束传播方向的长度为250mm，并且反射面之间的距离为2mm。
设置在光波导307出口后面1250mm位置处的双柱面透镜308a和308b将光波导307出口处形成的、在矩形短轴方向具有均匀能量分布的束斑投射到位于双柱面透镜后面237mm处的被照射表面309。
构成双柱面透镜的一个柱面透镜具有曲率半径为125mm的第一表面，以及曲率半径为77mm且厚度为10mm的第二表面。另一柱面透镜具有曲率半径为97mm的第一表面，以及曲率半径为-200mm且厚度为20mm的第二表面。将两个柱面透镜设置成距离5.5mm。从而，矩形束斑的能量分布在其短轴方向被均匀化，并且决定在其短轴方向的长度。可以将被照射表面设置在紧接于光波导307的后面，而无需使用双柱面透镜，不过当采用双柱面透镜时，可以给出空间余量，因为可在光学系统与被照射表面之间保证一定程度的距离。
包括图3A和3B中所示光波导的光学系统可以形成长轴尺寸为300mm，短轴尺寸为0.4mm且具有均匀能量分布的矩形束斑。图4A至4C表示光学设计软件的模拟结果。图4A表示在平面上形成的束斑的能量分布，其在短轴方向距矩形束斑中心的尺寸为±0.3mm，在长轴方向距矩形束斑中心的尺寸为±200mm。图4B和4C分别表示沿图4A中线A和线B截取的束斑横截面。纵轴表示激光强度(A.U.)，横轴表示长度(mm)。在图4A中，束斑的形状极像矩形，束斑的线宽度在整个300mm的长度上是均匀的。这就有希望通过激光照射来均匀退火。
用包括本实施例中所示光波导的光学系统，通过例如实施例模式所示的方法对半导体膜执行激光退火。半导体膜可以用于制造诸如有源矩阵液晶显示装置等装置。专业人员可以根据已知方法制造这种装置。
本实施例说明与所述实施例模式中不同的光学系统。图5A和5B表示将在本实施例中说明的光学系统的一个例子。此外，使用光导管作为光波导。另外，在图5A和5B中，用相同附图标记表示与图3A和3B相同的部件。
在图5A和5B中，除了激光束通过光波导504和507以外，激光束通过的光路与图3A和3B中所示相同。与光波导304相同，光波导504和507中的每一个具有一对相对设置的反射面。光波导304在该对反射面之间具有中空的空间。另一方面，光波导504和507用折射率为“n”(n＞1)的介质填充该空间。这就是这些光波导之间的不同之处。当激光束以临界角或更大角度入射到光波导504和507中时，激光束根据与光纤相同的原理在反射面上发生全反射。例如，当石英(折射率近似为1.5)制成的光波导处于空气中时，可以获得在空气与光波导界面处具有全反射面的光波导。采用上述光波导，激光束的传递系数与激光束没有全反射的情形相比较高。因此，从激光振荡器301发射出的激光束更有效地传播到被照射表面309。
此外，可以采用多层结构的光波导取代图5A和5B中的光波导504和507。一般，可使用图7A中所示由两种材料制成的光波导，其中内层材料702(例如含有锗的石英)与外层材料701(例如石英)相比具有更高折射率。
图7B为沿图7A中所示光波导的线(A)-(A’)截取的截面图。此外，图7C为图7B中反射面的放大视图。当激光束以不小于临界角度θ0的入射角θ入射到光波导中时，入射激光束在相对设置的反射面之间发生全反射。
此外，光波导504和507的入口面可以适当涂覆，以减小在激光束入射到光波导504和507时在光波导入口面处的反射率。
图5A和5B中所示的光学系统可以形成长轴尺寸为300mm，短轴尺寸为0.4mm的矩形束斑。
例如，可以使用本实施例中所示光学系统、根据该实施方式的方法对半导体膜执行激光退火。可以使用半导体膜制造诸如有源矩阵液晶显示装置或发光装置等装置。专业人员可以根据已知方法制造该装置。
权利要求
1.一种光束均匀器，包括用于使束斑在一个方向的能量分布均匀化的光学系统，该束斑为线形，该光学系统包括光波导，其包括一对相对设置的反射面，其中所述一个方向为线形的长轴方向，并且其中激光束入射到光波导的一个端部，并且从该光波导的另一端部射出。
2.根据权利要求1所述的光束均匀器，其中该光波导为光导管。
3.根据权利要求1所述的光束均匀器，其中束斑具有10或更高的长宽比。
4.根据权利要求1所述的光束均匀器，其中束斑的长宽比为100或更高。
5.一种光束均匀器，包括用于使束斑在一个方向的能量分布均匀化的光学系统，该束斑为线形，该光学系统包括包括一对相对设置的反射面的光波导，至少一个柱面透镜，其用于扩展通过光波导形成的、具有均匀能量分布的平面，并将该平面投射到被照射表面，其中所述一个方向为线形的长轴方向，并且其中激光束入射到光波导的一个端部，并从该光波导的另一端部射出。
6.根据权利要求1所述的光束均匀器，其中该光波导为光导管。
7.根据权利要求1所述的光束均匀器，其中该束斑具有10或更高的长宽比。
8.根据权利要求1所述的光束均匀器，其中该束斑具有100或更高的长宽比。
9.一种光束均匀器，包括第一光学系统，其用于使在被照射表面上形成的束斑在第一方向的能量分布均匀化，该第一光学系统包括具有一对相对设置的反射面的光波导；第二光学系统，其用于使束斑在垂直于第一方向的第二方向的能量分布均匀化，该第二光学系统包括柱面透镜阵列，其中所述束斑为线形，其中所述第一方向为线形的长轴方向，第二方向为线形的短轴方向，并且其中激光束入射到光波导的一个端部，并从该光波导的另一端部射出。
10.根据权利要求9所述的光束均匀器，其中该光波导为光导管。
11.根据权利要求9所述的光束均匀器，其中该束斑具有10或更高的长宽比。
12.根据权利要求9所述的光束均匀器，其中该束斑具有100或更高的长宽比。
13.一种光束均匀器，包括第一光学系统，其用于使在被照射表面上形成的束斑在第一方向的能量分布均匀化；第二光学系统，其用于使束斑在垂直于第一方向的第二方向的能量分布均匀化，其中该束斑为线形，其中所述第一方向为线形的长轴方向，所述第二方向为线形的短轴方向，并且其中第一光学系统和第二光学系统的每一个都包括具有一对相对设置的反射面的光波导，并且其中激光束入射到光波导的一个端部，并从该光波导的另一端部射出。
14.根据权利要求13所述的光束均匀器，其中该光波导为光导管。
15.根据权利要求13所述的光束均匀器，其中该束斑具有10或更高的长宽比。
16.根据权利要求13所述的光束均匀器，其中该束斑具有100或更高的长宽比。
17.一种激光照射装置，包括激光振荡器；和光束均匀器，其用于使在被照射表面上的束斑在至少一个方向的能量分布均匀化，该束斑为矩形，其中所述一个方向为矩形的长轴方向，其中该光束均匀器包括具有一对相对设置的反射面的光波导，并且其中激光束入射到光波导的一个端部，并从该光波导的另一端部射出。
18.根据权利要求17所述的激光照射装置，其中该光波导为光导管。
19.根据权利要求17所述的激光照射装置，其中该激光振荡器为受激准分子激光器、YAG激光器或玻璃激光器。
20.根据权利要求17所述的激光照射装置，其中该激光振荡器为YVO4激光器、GdVO4激光器、YLF激光器或Ar激光器。
21.根据权利要求17所述的激光照射装置，其中该束斑具有10或更高的长宽比。
22.根据权利要求17所述的激光照射装置，其中该束斑具有100或更高的长宽比。
23.一种激光振荡器，包括激光振荡器，以及光束均匀器，该光束均匀器包括第一光学系统，用于使在被照射表面上的束斑在第一方向的能量分布均匀化；和第二光学系统，用于使束斑在垂直于第一方向的第二方向的能量分布均匀化，该第二光学系统具有柱面透镜阵列，其中该束斑为线形，其中所述第一方向为线形的长轴方向，第二方向为线形的短轴方向，其中第一光学系统包含具有一对相对设置的反射面的光波导，并且其中激光束入射到第一光波导的一个端部，并从第一光波导的另一端部射出。
24.根据权利要求23所述的激光照射装置，其中该光波导为光导管。
25.根据权利要求23所述的激光照射装置，其中该激光振荡器为受激准分子激光器、YAG激光器或玻璃激光器。
26.根据权利要求23所述的激光照射装置，其中该激光振荡器为YVO4激光器、GdVO4激光器、YLF激光器或Ar激光器。
27.根据权利要求23所述的激光照射装置，其中该束斑具有10或更高的长宽比。
28.根据权利要求23所述的激光照射装置，其中该束斑具有100或更高的长宽比。
29.一种激光照射装置，包括激光振荡器；和光束均匀器，该光束均匀器包括第一光学系统，其用于使在被照射表面上的束斑在第一方向的能量分布均匀化；和第二光学系统，其用于使束斑在垂直于第一方向的第二方向的能量分布均匀化，其中该束斑为线形，其中所述第一方向为线形的长轴方向，第二方向为线形的短轴方向，并且其中第一光学系统和第二光学系统的每一个都包括具有一对相对设置的反射面的光波导，并且其中激光束入射到第一光波导的一个端部，并从第一光波导的另一端部射出。
30.根据权利要求29所述的激光照射装置，其中该光波导为光导管。
31.根据权利要求29所述的激光照射装置，其中该激光振荡器为受激准分子激光器、YAG激光器或玻璃激光器。
32.根据权利要求29所述的激光照射装置，其中该激光振荡器为YVO4激光器、GdVO4激光器、YLF激光器或Ar激光器。
33.根据权利要求29所述的激光照射装置，其中该束斑具有10或更高的长宽比。
34.根据权利要求29所述的激光照射装置，其中该束斑具有100或更高的长宽比。
35.根据权利要求29所述的激光照射装置，其中该激光照射装置包括用于使被照射表面相对束斑发生移动的移动台。
36.根据权利要求35所述的激光照射装置，其中该激光照射装置包括用于将被照射表面传送到移动台的传送装置。
37.一种制造半导体装置的方法，包括在衬底上形成非单晶半导体膜，以及用在激光振荡器中产生的激光束照射非单晶半导体膜，同时相对非单晶半导体膜移动激光束的位置，其中通过具有柱面透镜阵列和光波导的光学系统将激光束整形成线形，其中该柱面透镜阵列沿短轴方向作用于线形束斑，并且其中该光波导沿长轴方向作用于线形束斑。
38.根据权利要求37所述的半导体装置制造方法，其中使用光导管作为所述光波导。
39.根据权利要求37所述的半导体装置制造方法，其中该激光振荡器为受激准分子激光器、YAG激光器或玻璃激光器。
40.根据权利要求37所述的半导体装置制造方法，其中该激光振荡器为YVO4激光器、GdVO4激光器、YLF激光器或Ar激光器。
41.根据权利要求37所述的半导体装置制造方法，其中将激光束整形为具有10或更高的长宽比。
42.根据权利要求37所述的半导体装置制造方法，其中将激光束整形为具有100或更高的长宽比。
43.一种制造半导体装置的方法，包括在衬底上形成非单晶半导体膜，以及用在激光振荡器中产生的激光束照射非单晶半导体膜，同时相对非单晶半导体膜移动束斑的位置，其中通过包括柱面透镜阵列和至少一个光波导的光学系统将激光束整形成线形，其中该光波导沿长轴方向作用于线形束斑，并且其中该光波导沿短轴方向作用于线形束斑。
44.根据权利要求43所述的半导体装置制造方法，其中使用光导管作为光波导。
45.根据权利要求43到20所述的半导体装置制造方法，其中该激光振荡器为受激准分子激光器、YAG激光器或玻璃激光器。
46.根据权利要求43所述的半导体装置制造方法，其中该激光振荡器为YVO4激光器、GdVO4激光器、YLF激光器或Ar激光器。
47.根据权利要求43所述的半导体装置制造方法，其中将束斑整形成具有10或更高的长宽比。
48.根据权利要求43所述的半导体装置制造方法，其中将束斑整形成具有100或更高的长宽比。
全文摘要
本发明提供一种光束均匀器，其能形成在长轴方向具有均匀能量分布的矩形束斑，而无需使用需要高精度制造的光学透镜。此外，本发明提供一种激光照射装置，其能照射出在长轴方向具有均匀能量分布的激光束。另外，本发明提供一种制造半导体装置的方法，其能增强衬底表面的可结晶性，并且制造出具有较高工作性能的TFT。本发明之一的光束均匀器将被照射表面上的束斑整形成具有10或更高，优选为100或更高长宽比的矩形束斑，并且该光束均匀器包括一光波导，该光波导用于使矩形束斑在其长轴方向的能量分布均匀化。
文档编号H01S3/00GK1540390SQ20041004304
公开日2004年10月27日 申请日期2004年4月23日 优先权日2003年4月24日
发明者田中幸一郎, 森若智昭, 昭 申请人:株式会社半导体能源研究所