结晶装置以及结晶方法

专利名称：结晶装置以及结晶方法
技术领域：
本发明涉及一种结晶装置，此结晶装置对非晶质或多晶半导体薄膜使 用光线，以使此非晶质或多晶半导体薄膜熔化并结晶，本发明尤其涉及一
种结晶技术(Phase Modulated Excimer Laser Annealing (相位调制准分 子激光退火)PMELA)，此结晶技术是指对非单晶半导体薄膜照射具有经调 相所获得的光强度分布的激光束，从而使此非单晶半导体薄膜结晶化。
背景技术：
已知有下述技术，即，使形成在玻璃基板等绝缘体上的非晶半导体层 结晶，以获得结晶质半导体层，形成以此结晶质半导体层为活性层的薄膜 晶体管(TFT: thin film transistor )。
例如，在有源矩阵式液晶显示装置中，设置硅膜等半导体膜，在玻璃 基板上形成薄膜晶体管，并将此薄膜晶体管用作进行切换显示的开关元件。
在形成薄膜晶体管的步骤中，包含使非晶质或多晶等非单晶半导体薄 膜结晶化的步骤。作为此结晶技术，例如，激光结晶技术已为人所知，此激 光结晶技术是指，使用高能量的短脉冲激光束来使非单晶半导体薄膜的照 射区域熔化，并使此照射区域结晶化。
目前，用于生产的激光结晶装置采用下述方法，即，对非晶硅照射纵 长光束(例如，500 pmX30() mm)状的强度分布均匀的激光束。但是，对 于此方法而言，所获得的半导体膜的结晶粒径(grainsize)小于等于0. 5 um，此结晶粒径较小，因此，在TFT的通道区域中会存在结晶粒界(grain boundary),从而TFT的性能存在着极限，例如TFT的特性受到抑制等。
为了提升所迷TFT的性能，需要制造具有大晶粒的高品质半导体膜的 技术。作为满足此要求的结晶法，在各种激光结晶技术中，如下技术尤其. 受到关注，对非单晶半导体薄膜照射具有经调相后形成的倒波峰图案状的 光强度分布的准分子激光束(excimer laser beam),以使此非单晶半导体 薄膜结晶。
将对非晶硅照射具有均匀强度分布的激光束而不进行所述调相的方法 称作准分子激光退火(Excimer Laser Annealing, ELA)-技术，将照射经 调相的准分子激光束后进行结晶的技术称作PMELA技术，对非单晶半导体 薄膜照射具有规定的光强度分布的准分子激光束，使此半导体膜的照射部 熔化，并使此半导体膜的照射部结晶。使用调相元件等光调制元件(light modulation device),例如4吏用 移相器(phase shifter)等调相元件，来对入射的激光束进行调相，由此 可以获得具有规定的光强度分布的准分子激光束。非单晶半导体薄膜例如 是形成在玻璃基板上的非晶硅薄膜或多晶硅薄膜。
目前正在开发的PMELA技术中，通过照射1次准分子激光束来使大小 为数mm见方的区域熔化 结晶。通过此结晶化非单晶半导体薄膜处理，能 够形成大小为几um至10 um左右的具有较为相同的晶粒的优质结晶硅薄 膜(例如，参照非专利文献l)。制作在由所述方法形成的结晶硅薄膜上的 TFT表现出优异的电学特性。
所述PMELA结晶技术具有如下的优异特征，即，激光束的使用效率高，且 可以获得粒径大的结晶。但是，为了获得稳定的电学特性，必须高精度地 对晶粒进行定位。而且，为了使大面积的半导体膜结晶化，使用被称作步 进重复(step and repeat)照射方式的照射方式，此照射方式重复进行下 述步骤，即，对非单晶半导体膜照射激光束之后，使玻璃基板移动至下一 照射位置为止并停止，接着，再次照射激光束。
PMELA结晶技术中，为了对硅薄膜的微小区域中的熔化、结晶状态进行 评估，要求对此微小区域进行观察。作为对此结晶过程进行光学观察的技 术，已提出了如下技术，即，设置用于观察的照明光学系统，在照射脉冲 状能量光束后进行观察(例如，参照专利文献1 )。
图8是用以说明利用PMELA结晶化的结晶装置的一个构成例的图。图8 中，结晶装置100具备用于结晶的光学系统101,此用于结晶的光学系统 101形成用来形成大粒径的结晶化的用于结晶的光图案。用于结晶的光学系 统101包括激光束源111、光束扩展器(beam expander) 112、均束器 (homogenizer ) 113、移相器(例如，调相元件)114、成像光学系统115、 以及平台140,此平台140将基板130引导至预先规定的位置。光束扩展器 112扩大来自激光束源111的激光束，均束器113使所述激光束在面内的光 强度均匀化，然后，所述激光束照射到移相器114上。穿过此移相器114 的准分子激光束祐:调制成规定的光强度分布，并由成像光学系统115照射 到基板130上。
而且，对非晶硅照射具有均匀强度分布的激光束而不进行调相的ELA 技术中，已提出了下述技术照射紫外线区域的光作为用于结晶的能量光 束，并使照射可见光区域的光作为用于观察的照明光，由此对结晶过程进 行光学上的观察。
图8中，观察结晶过程中的被处理区域的观察系统120包括用于观察 的照明光学系统以及显微观察光学系统，此用于观察的照明光学系统包含 用于观察的照明光源121、光束扩展器122、半镜面(half mirror) 123、以及环形镜面系统124，此显微观察光学系统包含显微光学成像系统125、 光检测器126、以及摄像装置(例如，参照专利文献2)。
而且，为了通过以均匀的温度分布而进行加热来促进晶体成长 (crystal growth),形成较大的晶粒，减少结晶缺陷，提升半导体膜的电 学特性，已提出了照射第1能量光束以及第2能量光束的技术，此第1能 量光束^f吏半导体膜结晶化，此第2能量光束在半导体膜中的吸收率小于所 述第1能量光束的吸收率，且第2能量光束的能量也小于使半导体膜结晶 化的能量。此第2能量光束到达半导体膜的下部以及基板为止，并在半导 体膜的厚度方向上对半导体膜进行加热，由此来加热基板，减小照射第1 能量光束前后的温度差。并且揭示了下述事项使用准分子激光的激光束 作为所述第1能量光束，使用含有可见光区域的波长成分的光作为第2能 量光束(参照专利文献3、 4)。
而且，为了使加热后的被处理基板的温度分布保持均匀，也已知在基 板的上层部分设置着覆盖层的结构。对于被处理基板而言，例如，在基础 基板上，隔着绝缘膜而形成半导体薄膜等的被处理膜，并于此膜上设置由 绝缘膜构成的覆盖膜。覆盖膜用于减少加热后的被处理基板放出的热量,使 被处理基板的温度分布均匀化。
而且，为了高精度地对晶粒进行定位，必须将光调制元件的图案精密 地投影在基板上，但如果频繁重复地连续照射激光束，则光学系统的环境 温度会上升，或透镜系统会产生热膨胀，由此，在照射激光束时，投影到 基板上的光调制元件的图案的投影倍率会产生变动。
通过模拟可以确认使用波长为308 nm的激光时，如果环境温度上升 3°C，则例如当使用缩小率为1/5的远心透镜(telecentric lens)来将10mm 的光调制元件图案缩小成2 mm见方并转印到基板上时，倍率从1/5. OOO变 为1/4.994，由此，在投影图案的周边部产生2. 4 um左右的误差。
在因照射激光束而形成的结晶区域中，如果在后续步骤中跨越结晶粒 界地形成晶体管，则所述投影倍率的变动会引起开关特性等的降低。
在可以形成达几um的准单晶(quasi single crystal )的PMELA( Phase Modulated Excimer Laser Annealing)结晶技术中，光调制元件对晶体成 长担负着重要作用，PMELA结晶技术的重要因素在于使光调制元件的形状最 适化，此光调制元件的光强度分布借由准分子激光而转印到被处理基板上。井上弘毅、中田充、松村正清；电子信息通信学会论文 杂志Vol. J85 — C， NO. 8， pp. 624 _ 629, 2002 "硅薄膜的振幅 相位控制准分 子激光熔化再结晶方法-新2 - D位置控制大晶粒形成法-"日本专利特开2006 — 66462号公报日本专利特开2005 — 294801号公报[专利文献3]日本专利特开2000 - 68520号公报日本专利特开2002 — 261015号公报
如上所述,在PMELA (Phase Modulated Excimer Laser Annealing) 结晶技术中，光调制元件对晶体成长担负着重要作用，并且此PMELA结晶 技术的重要因素在于使光调制元件的形状最适化，此光调制元件的光强度 分布借由准分子激光而转印到被处理基板上。
但是，因准分子激光为紫外(ultraviolet, UV)光，并且为脉冲照射 激光，所以难以观察到形成在基板上的光强度分布。因而，存在着无法使 该用来获得所需的结晶成长的光调制元件最适化的问题。
对于PMELA (Phase Modulated Excimer Laser Annealing)结晶技术 而言，在所述专利文献l中提出了对已结晶的状态进行光学上的观察，而且 对于ELA技术而言，于专利文献2中也提出了利用紫外光区的准分子激光 来进行结晶化，并利用可见光区域的光来进行观察，但是由于均是观察结 晶后的状态，所以为了根据所述观察结果来最适化光调制元件的形状，须预 先在用于监视的区域中进行结晶化，在观察此结晶状态后，必须调整光调 制元件，因此存在如下问题，即，无法即时调整光调制元件，在使被处理 部分结晶时无法调整光调制元件。
而且，为了获得均匀的温度分布，将照射到被处理区域的能量光束分 成用来进行结晶的第1能量光束、和用来进行加热的第2能量光束这2种， 并且使用吸收率小、能量小的光作为用来进行加热的第2能量光束(专利 文献3、 4中的0106、 0115、 0117段落等)，由此，可以不对被处理区域造 成影响地进行力口热。
因此，目前已提出的技术均存在如下问题，即，无法在进行结晶化的 状态下，对进行结晶的能量光束的光强度分布进行观察 测定，且无法根 据此观察 测定来调整光调制元件或金属光圈，以使光强度分布最适化。
本申请案的发明者提出了如下所述的可视化装置，对转印到被处理基 板上的光强度分布的图案使用可见光区域的光，由此可以使光强度分布可 视化。此可视化装置使所述光强度分布可视化，由此，调整该形成光强度 分布的光调制元件或金属光圈，并且使进行结晶化的光的光轴的位置对准 照射区域。
本发明中，使用紫外线区域的激光束及可见光区域的激光束这2种激 光束，作为照射到被处理基板上的激光束。对被处理基板均匀地照射紫外 线区域的激光束，由此使被处理基板中的进行结晶化的区域熔化。另一方 面，可见光区域的激光束具有结晶化所必需的能量并且具有图案化的光强 度分布，使此光强度分布与熔化区域重叠，由此使熔化区域进行晶体成长。
非晶硅(amorphous silicon)膜对可见光区域的激光束的吸收率小，如果仅对非晶硅膜照射具有图案化光强度分布的可见光区域的激光束，则 由于其吸收率小，所以无法使非晶硅膜结晶化。对此，本发明者着眼于熔 化的非晶硅膜对可见光区域的激光束的吸收率相当大这一事项，通过对熔 化的非晶硅膜照射具有图案化的光强度分布的可见光区域的激光束，可以 同时实现结晶化及可视化。
30 nsec口)相当^的时间内，施;^二种破坏;皮处理基板的膜并开始结晶所必需 的能量密度(临界通量(critical fluence))。此临界通量例如为100mJ/cm2 的能量密度。
因此，在结晶装置中，为了使用可见光来进行结晶，需要可以获得高 能量密度的输出的可见光源，实现此可见光源，便可以同时实现结晶化及 可视化。

发明内容
因此，本发明可以解决所述现有的问题，其目的在于提供一种在结晶 装置中可以获得高能量密度的输出的可见光源。
本发明所具备的结晶装置的态样包括紫外光照射系统，将紫外光区 的激光束脉沖照射到被处理基板上；以及可见光照射系统，对被处理基板 上的与紫外光区的激光束的照射区域相同的照射区域，连续照射可见光激 光束。在因均匀地照射紫外光区的激光束而熔化的区域中，利用可见光激 光束的光强度分布来形成晶体成长。本发明的结晶装置通过脉冲照射紫外 光区的激光束来使被处理基板熔化，并通过连续地照射可见光激光束来使 被处理基板结晶化，由此，使进行结晶化的激光束可视化。
紫外光照射系统具备准分子激光束源以及紫外光照明光学系统，此紫 外光照明光学系统将从准分子激光束源发出的准分子激光束均匀地照射到 基板上。紫外光照射系统将准分子激光束均匀地照射到基板上，由此在基 板上形成熔化区域。
另一方面，可见光照射系统包括可见光激光束源；光强度分布形成 装置，使从可见光激光束源发出的可见光激光束的光强度分布图案化；以及 成像光学系统，使经光强度分布形成装置图案化的光强度分布的光，成像在 被处理基板上的准分子激光束的照射区域中。
本发明的可见光照射系统是由二维阵列排列的多个可见光激光束源形 成的。可见光照射系统包括光强度分布形成装置，使从各可见光激光束 源发出的多道可见光激光束的光强度分布图案化；以及成像光学系统，使经 光强度分布形成装置图案化的光强度分布的光，成像在被处理基板上的照 射区域中。将多个固体激光器或半导体激光器(semiconductor laser)发出的各可见激光束，重叠到符合被处理基板与光轴上的成像位置关系的光 强度分布形成装置中。
将由从所述多个可见光激光束源发出的多道可见光激光束形成的可见 光激光束的光强度分布，照射到均匀照射紫外光区的准分子激光束后熔化 的照射区域中，使准分子激光束与可见光激光束重叠。使准分子激光束与 可见光激光束重叠，由此使被准分子激光束熔化的区域结晶化。在重叠准 分子激光束与可见光激光束时，重叠从多个可见光激光束源发出的多道可 见光激光束，并利用此重叠而形成的可见光激光束的光强度分布来形成晶 体成长。
本发明的结晶装置重叠多道可见光激光束，由此可以提升整体光束的 均匀性，并且可以提高所照射的能量的能量密度。而且，重叠准分子激光 束的照射能量、与可见光激光束，由此可以进行临界通量为最小能量的光
强度调整，并可以用在利用能量梯度(energy gradient)来进行的晶体横 向成长中。
熔化状态的非晶硅膜对可见光的吸收率高，利用此点，可以在照射可 见光激光束的区域中进行结晶化，因此，可以使进行结晶化的区域可视化。
而且，可见光照射系统在构成上可以在多个可见光激光束源与光强度 分布形成装置之间具备均束器。均束器可以具备多个透镜，所述多个透镜 与多个可见光激光束源一一对应。
光强度分布形成装置可以是光调制元件或为金属光圈，此光调制元件 使从可见光激光束源发出的可见光激光束的相位偏移，以改变光强度，此金 属光圈遮蔽从可见光激光束源发出的可见光激光束的一部分，以改变光强 度。
被处理基板具有非晶硅膜。因为非晶硅膜对准分子激光束的吸收率大 于非晶硅膜对可见光激光束的吸收率，所以脉冲照射出的准分子激光束被 非晶硅膜吸收，从而使此非晶硅膜熔化。另一方面，在非晶硅膜熔化前的 状态下，非晶硅膜对可见光激光束的吸收率小，因此，无助于非晶硅膜的 结晶化，但在非晶硅膜熔化后的状态下，非晶硅膜对可见光激光束的吸收 率变大，因此，非晶硅膜借由图案化的光强度分布而结晶化。
而且，在本发明的结晶方法的态样中，对被处理基板上的非晶硅膜均 匀地脉沖照射紫外光区的激光束，以使此非晶硅膜熔化，使从多个可见光 激光束源发出的多道可见光激光束的光强度分布图案化，将此图案化的可 见光激光束重叠地照射到熔化的液化硅区域中，由此，形成晶体成长。
根据本发明，可以形成能够获得高能量密度的输出的可见光源，可以将 此可见光源应用到结晶装置的光源中。而且，在结晶装置中，可以使转印到被处理基板上的由光调制元件或金 属光圈所形成的光强度分布可视化。
并且，可以根据可视化的光强度分布来调整光调制元件或金属光圈。


图1是用来说明本发明的结晶装置1的结构的概略图。
图2是用来说明准分子激光束源及可见光激光束源的激光束的一例的图。
图3是用来说明本发明的结晶装置中所使用的可见光激光束源及可见 光照明光学系统的结构的截面图。
图4是表示本发明的二維阵列状光源的一构成例的图。
图5是用来说明本发明的结晶装置中所使用的可见光激光束源及可见 光照明光学系统的结构的立体图。
图6是用来说明借由准分子激光束与可见光激光束的重叠所造成的熔 融化及结晶化的图。
图7是用来说明借由准分子激光束与可见光激光束的重叠所造成的熔 融化及结晶化的图。
图8是用来说明PMELA结晶化的结晶装置的一构成例的图。
1、 100:结晶装置
12: UV照明光学系统
21:可见光激光束源
21b:光源单元
22a、 113:均束器
24、 115:成像光学系统
31:基础基板
33:被处理膜
101:用于结晶的光学系统
112:光束扩展器
120:观察系统
140:平台
11: 13: 21a
22
23 30 32 34 111 114 130
准分子激光束源 熔融区i或
二维阵列状光源 可见光照明光学系统 光调制元件 被处理基板 绝缘膜 结晶区域 激光束源 移相器 基板
具体实施例方式
以下，参照附图，详细il明本发明的实施形态。
图1是用来说明本发明的结晶装置1的结构的示意图。图1中，本发 明的结晶装置1包括紫外光照射系统10以及可见光照射系统20,此紫外光照射系统10将紫外光区的激光束脉沖照射到被处理基板3Q上，此可见光 照射系统20对被处理基板30上的与紫外光区的激光束的照射区域相同的 照射区域，连续照射可见光激光束。紫外光照射系统10均匀地照射紫外光 区的激光束，借此使被处理基板30上的照射区域熔化。可见光照射系统20 对已熔化区域重叠地照射可见光，借此利用可见光的激光束的光强度分布 来形成晶体成长(crystal growth )。
紫外光照射系统10包括脉冲射出准分子激光束的准分子激光束源11、 以及照射激光束的UV照明光学系统12，通过与可见光照射系统20共有的 成像光学系统24，来将准分子激光束照射到被处理基板30上，使设置在被 处理基板30上的薄膜熔化。
可见光照射系统20包括可见光激光束源21，连续照射可见光激光束； 可见光照明光学系统22;光调制元件23,将可见光照明光学系统22照射 出的可见光激光束调制成规定的光强度分布的光线；成像光学系统24,使光 调制元件23的调制光在被处理基板30上成像；以及定位平台(未图示)， 支撑着被处理基板30,并且确定该被处理基板30上的二维位置。经由成像 光学系统24而照射到被处理基板30上的调制光，使设置在被处理基板30 上的薄膜内的由紫外光照射系统10所熔化的区域结晶化。
图2是用来说明准分子激光束源及可见光激光束源的激光束的一例的 图。图2 (a)是准分子激光束的一例，照射着脉沖状激光束。另一方面， 图2 (b)是可见光激光束的一例，表示了光强度分布，且连续照射着激光 束。
可见光照明光学系统22具有光束扩展器(未图示)或均束器(未图示)， 此光束扩展器扩大从可见光激光束源21射出的可见光激光束的光束，此均 束器使面内的光强度均勾化，所述可见光照明光学系统22射出并调整用于 结晶的激光束，此激光束对光调制元件23进行照明。另外，图中，未显示 光束扩展器以及均束器。
光调制元件23可以使用移相器来对用于结晶化的激光束进行调相，以 将此用于结晶的激光束调制成具有预期的光强度分布的光，例如调制成具 有倒波峰图案的光强度分布的光。而且，可以利用光调制元件驱动机构25 来使光调制元件23对光强度分布进行调整。
成像光学系统24将经光调制元件23调相的用于结晶的激光束，缩小 照射到将要结晶化的非单晶半导体薄膜上。例如可以借由投影方式来实现 所述缩小照射，所述投影方式是在照明光学系统22与成像光学系统24之 间设置光调制元件23而成的。
为了使设置在被处理基板30上的非单晶半导体膜结晶化，例如，为了 使已熔化的非晶质或多晶半导体膜结晶化，则可见光激光束源21须输出具有充分能量的光，例如输出一种在非单晶半导体膜上具有1 J/ci^的光。
另一方面，准分子激光束源ll输出短脉沖激光束，例如输出半值频带
宽度(half bandwidth)约为25 nsec至30 nsec的脉冲激光束。对于激 光束而言，例如，优选波长为248 nm的KrF准分子激光束、和波长为308 nm 的XeCl准分子激光束。准分子激光束源例如为脉冲振荡式准分子激光束源， 此脉冲振荡式准分子激光束源的振荡频率例如为1 Hz至300 Hz。
光束扩展器(未图示)使入射的可见光激光束扩大，例如，此光束扩 展器可以由^f吏光束扩大的凹透4竟(concave lens)与4吏光束变为平4亍光的 凸透镜(convex lens)构成。而且，均束器(未图示)具有如下功能，即， 确定已入射的激光束在XY截面方向上的尺寸，并使所确定的形状内的光强 度分布变得均匀。例如，沿着Y方向排列多个X方向柱面透镜(cylindrical lens )，以形成沿着Y方向排列的多道光束，利用X方向聚光透镜(condenser lens)来使各光束重合在Y方向上，从而进行再次分布。同样地，沿着X 方向排列多个Y方向柱面透镜，以形成沿着X方向排列的多道光束，利用Y 方向聚光透镜来使各光束重合于X方向，从而进行再次分布。借由均束器， 将可见光激光束调节成具有规定的角度扩展(angel spread)且截面内的 光强度均匀化的照明光。
移相器是光调制元件23的一例，例如是在石英玻璃基板上形成段差而 成的移相器。激光束在此段差的分界处发生衍射及干涉，对激光束强度赋 予周期性的空间分布，例如，在左右方形成180。的相位段差。在左右方形 成了 180°的相位段差的移相器将强度分布均匀的入射光的强度调制成倒 波峰状的光强度分布。
移相器例如以对入射光进行调相，从而形成倒波峰状光强度分布的方 式而形成段差，并调制可见光激光束的相位。其结果，照射半导体膜的激 光束的强度分布变成倒波峰图案的光强度分布，此倒波峰图案的光强度分 布是所述激光束在与相位的偏移部(段差)相对应处经强度调制后形成的。
穿透作为光调制元件23的移相器的激光束借由经像差修正的成像光学 系统24，以规定的光强度分布而成像在被处理基板30上，此被处理基板 30设置在与移相器(光调制元件23)共轭的位置。成像光学系统24由透 镜群构成，此透镜群例如包括多片氟化钙(CaF2)透镜以及合成石英透镜， 所述透镜例如是缩小率1/5、N. A. : 0. 13、分辨率2 um、焦点深度士10um、 焦距30 mm至70 mm的动作距离的单侧远心透镜。
并且，可以使用金属光圈来代替光调制元件23,借由光圈部的边缘 (edge)部的段差来对光强度分布进行调相。
而且，通常，在经结晶处理的被处理基板30上，隔着绝缘膜而在保持基 板上形成非单晶半导体膜(例如非晶硅膜、多晶硅膜、经喷镀的硅膜、硅锗膜、或经脱氢处理的非晶硅膜)，所述保持基板例如是指玻璃基板、塑料 基板等的绝缘基板，以及硅等的半导体基板(晶圆)等。
对于非单晶半导体膜的膜厚而言，例如在经脱氢处理的非晶硅膜的情
形时，膜厚为30 nm至300 nm,例如为50 nm。设置绝缘膜的目的在于当 使非单晶半导体膜结晶时，防止不良杂质从保持基板扩散到非单晶半导体 膜中，或者积蓄因照射激光而产生的焦耳热(Joule heat)。
并且，设置有覆盖绝缘膜的结构也已为人所知。覆盖绝缘膜具有如下 的功能，即，利用此覆盖绝缘膜对激光束的紫外光穿透特性以及隔热特性， 蓄积非单晶半导体膜受到激光束照射并熔融时的热量，以实现结晶化。此
覆盖绝缘膜的蓄热效果使得现有结构的结晶装置，可以在非单晶半导体膜 的熔融区域中形成大粒径(大于等于5 nm)的结晶化。此覆盖绝缘膜用于 提高结晶化的效率，但由于本发明的结晶装置可以在相同区域中进行熔化 与结晶化，所以也可以不需要覆盖膜，此覆盖膜是由为了保持加热状态而 设置在被处理基板30的非单晶半导体膜上的绝缘膜所构成的。
本发明的结晶装置1也可以具备定位平台(未图示)。定位平台除了具 有XY平台(未图示)以外，还具有位置测定部(未图示)，其中所述XY平 台载置被处理基板30并在XY方向的二维平面上自如地移动，所述位置测 定部测定XY平台上的二维平面位置。XY平台包括沿着X轴方向移动的X轴 平台、沿着Y轴方向移动的Y轴平台、和支撑着所述X轴平台及Y轴平台 的定盘(未图示)。被处理基板30载置在XY平台上，通过使XY平台在二 维平面移动来对被处理基板30进行定位。
当使用本发明的结晶装置1来使被处理基板30结晶化时，利用平台驱 动控制装置(未图示)来驱动XY平台，在被处理基板30上扫描激光束，以 使被处理基板30结晶化。
图3是用来说明本发明的结晶装置中所使用的可见光激光束源、与可 见光照明光学系统的结构的截面图，图5是表示所述结构的立体图。
本发明的可见光激光束源21由二维阵列状光源21a所构成，将多个固 体激光束源或半导体激光束源等光源单元21b排列成二维阵列状，由此形 成二维阵列状光源21a。而且，在二维阵列状光源21a与光调制元件23之 间的光路上，设置着可见光照明光学系统22。此可见光照明光学系统22使 二维阵列状光源21a的各光源单元21b所发出的各可见激光束，重叠到符 合被处理基板30与光轴上的成像位置关系的光调制元件23中。
图4表示二维阵列状光源21a的一个构成例。此处表示了如下示例，即， 在纵向及横向上以阵列方式排列5个光源单元21b,由此形成二维阵列状光 源21a。另外，所排列的光源单元的个数并不限定为5个，可以是任意规定 的个数。而且，可见光照明光学系统22具备均束器22a,以形成均匀照明光学 系统。均束器22a可以使用柱面透镜或复眼透镜(fly-eye lens )。图5中，
元件;23 :的符合被处J;基板30与光轴上的成像;立置口L:系的位置。在;调 制元件23中重叠着从各光源单元21b产生的多道激光束。使来自所述多个 光源单元21b的激光束重叠，由此，除了可以提高能量密度以外，还可以 减少由光源单元21b的不均匀所引起的变动。
例如，使用波长为532 nm、功率为15 W的钇铝石榴石激光器(YAG laser) 作为可见光源的光源单元21b，在将此光源单元21b排列成5X5的阵列状 的结构中，如果欲估算将整个光学系统的传输率设为40%时的能量密度， 则如下所述。如果以准分子激光束的照射时间(30 nsec)来换算注入到基 板中的能量，则成为25 (个)X15 (W) X30E-9X0. 4 ( J) = 4500 ( nJ )。 当将此激光束照射到基板上的2 mmX2 mm的区域中时，能量密度(通量) 为4.5/0. 04 = 112 (mJ/cm2)。
此处，将开始结晶时破坏膜所必需的通量(临界通量)假定为以准分 子激光照射的200 mJ/cm2。另外，此临界通量也依赖于被处理基板的膜的 结构。
由此，在本发明的结晶装置中，在准分子激光的照射能量中重叠可见 光的照射能量，由此，将准分子激光的200 mJ/cm2的临界通量设为最小能 量密度，将照射可见光激光束而产生的能量密度设为调整量，从而可以在 200 mJ/cm2~312 mJ/cm2的范围内进4亍光强度调制。
而且，沿着基板的移动方向进行所述光强度调制，由此可以形成能量 梯度。此能量梯度可以应用到晶体的横向成长中。
图6、图7是用来说明通过重叠准分子激光束与可见光激光束来实现熔 化及结晶化的图。
在被处理基板30的基础基板31上，设置着非晶硅膜作为绝缘膜32与 被处理膜33。将准分子激光束10a与可见光激光束20a重叠地照射到被处 理基板30上。以脉冲照射的方式来照射准分子激光束10a。因为准分子激 光的波长短，所以其在非晶硅膜中的吸收率高，进入被处理基板30的深度 浅，可以熔化非晶硅膜。
另一方面，由于连续照射的可见光激光束20a在非晶硅膜中的吸收率 小，所以其进入被处理基板30的深度深，可以到达较非晶硅膜更下侧的层 为止，从而可以使注入到被处理基板30中的能量分散。
当重叠地照射准分子激光束10a与可见光激光束20a时，在非晶硅膜 熔化之前的状态下，由于可见光激光束20a在非晶硅膜中的吸收率小，所以 可见光激光束20a会穿过非晶硅膜的层，从而无法使非晶硅膜结晶化。与此相对，在非晶硅膜已熔化的状态下，由于可见光激光束20a在非晶硅膜中 的吸收率大，所以可见光激光束20a在非晶硅膜的层中被吸收，从而可以 使非晶硅膜结晶化。
图6 ( a )表示重叠地照射准分子激光束10a与可见光激光束20a的状 态，图6 ( b )显示准分子激光束10a的照射状态，图6 ( c )显示可见光激 光束20a的照射状态。图6(b)中，非晶石圭膜33的区域13由于受到准分 子激光束10a的照射而熔化。图6 (c)中，对已熔化的区域13照射可见光 激光束20a,由此使其结晶。
图7表示如下状态，即，使重叠地照射着准分子激光束10a与可见光 激光束20a的位置移动，由此推进被处理基板30上的结晶过程。图7 ( a ) 表示照射激光束之前的状态，在图7 (b)中，通过重叠地照射准分子激光 束10a与可见光激光束20a来使照射位置结晶化，在图7 (c)中，使准分 子激光束10a与可见光激光束20a在被处理基板30上移动，由此对下一照 射位置重叠地照射准分子激光束10a与可见光激光束20a，从而进行结晶化。
根据本发明的态样，使用多个廉价的可见光源来构成二维阵列光源，由 此，可以解决仅依靠单个光源而导致的光量不足的问题。
当利用现有的准分子激光束来进行结晶化时，由于在例如30 ns的短 时间，照射强脉沖，，、所以，要使用，盖层来锁住热量，，根据本发明的
域结晶化，因此可以省略在基板上形成覆盖膜等的初始膜的步骤。
并且，根据本发明的结晶装置，通过使用可见光的光调制元件，以便
易于观察到光强度分布，并且易于对光调制元件进行加工。
并且，根据本发明的结晶装置，因为可以在可见光激光束的连续振荡
下调整光学系统的光轴，所以易于对装置进行维护管理。
权利要求
1. 一种结晶装置，其特征在于包括紫外光照射系统，将紫外光区的激光束脉冲照射到被处理基板上；以及可见光照射系统，对被处理基板上的与所述紫外光区的激光束的照射 区域相同的照射区域，连续照射可见光激光束；并且，所述可见光照射系统具有二维阵列排列的多个可见光激光束源， 在因均匀照射所述紫外光区的激光束而熔化的区域中，利用可见光激 光束的光强度分布来形成晶体成长，所述可见光激光束的光强度分布是重 叠从所述多个可见光激光束源发出的多道可见光激光束而形成的。
2. 如权利要求1所述的结晶装置，其特征在于所述紫外光照射系统包括准分子激光，源、、以及紫外光照明光学系，充，地照射到基板上，所述可见光激光束源是固体激光器或半导体激光器， 所述可见光照射系统包括光强度分布形成装置、以及成像光学系统， 所述光强度分布形成装置使从所述各可见光激光束源发出的多道可见光激 光束的光强度分布图案化，所述成像光学系统使经所述光强度分布形成装 置图案化的光强度分布的光，成像在被处理基板上的所述照射区域中，并1，将所述多个固体激光器或半导体激光器发出的各可见激光束，重叠到符合所述被处理基板与光轴上的成像位置关系的光强度分布形成装置中。
3. 如权利要求2所述的结晶装置，其特征在于在所述可见光照射系统中，在多个可见光激光束源与光强度分布形成 装置之间具备均束器。
4. 如权利要求3所述的结晶装置，其特征在于所述均束器具备多个透镜，所述多个透镜与多个可见光激光束源一一 对应。
5. —种结晶方法，其特征在于对被处理基板上的非晶硅膜均匀地脉冲照射紫外光区的激光束，使所 述非晶硅膜熔化，将从多个可见光激光束源发出的多道可见光激光束重叠到光强度分布 形成装置中，借由所述光强度分布形成装置来使重叠的可见光激光束的光强度分布图案化，将所述经图案化的可见光激光束重叠地照射到所述熔化的液化硅区域 上，由此形成晶体成长。
全文摘要
本发明提供一种结晶装置，在此结晶装置中，提供可以获得高能量密度的输出的可见光源。可见光照射系统是由二维阵列排列的多个可见光激光束源形成的。可见光照射系统包括光强度分布形成装置，使从各可见光激光束源发出的多道可见光激光束的光强度分布图案化；以及成像光学系统，使经所述光强度分布形成装置图案化的光强度分布的光，成像在被处理基板上的照射区域中。将多个固体激光器或半导体激光器发出的各可见激光束，重叠到符合被处理基板与光轴上的成像位置关系的光强度分布形成装置。当重叠准分子激光束与可见光激光束时，重叠从多个可见光的激光束源发出的多道可见光激光束，借由重叠所述可见光激光束所形成的可见光激光束的光强度分布来形成晶体成长。
文档编号H01L21/20GK101312117SQ200710163150
公开日2008年11月26日 申请日期2007年10月10日 优先权日2007年5月24日
发明者秋田典孝, 高见芳夫 申请人:株式会社岛津制作所