专利名称：激光退火装置和半导体设备制造方法
激光退火装置和半导体设备制造方法
本申请是于2002年8月12日提交的申请号为02130305. 3、发明 名称为"激光退火装置和半导体设备制造方法"的发明专利申请的分 案申请.
技术领城
本发明涉及一种使用激光束的激光退火装置.本发明还涉及一种半 导体设备制造方法，制造半导体设备所经过的步稞中包括一个使用激 光退火方法的步槺.这里半导体设备是指一种利用半导体特性来发挥 作用的普通设备，包括液晶显示器和发光设备等电光设备和将电光设 备作为 一个部件包含其中的电子设备.
背景技术：
近年来，广泛开展了对形成于玻璃等绝緣基底上的半导体胰使用的 激光退火技术的研究，目的是晶化或提高结晶度.在目前的描迷中， 将使用激光束晶化半导体膜并获得结晶半导体腹的方法称作激光结 晶.
与传统常用的人造石英玻璃基底相比，玻璃基底价格低廉，有极好 的可加工性，具有容易制备大面积基底的优点.这是上面提到的研究 的原因.同时，由于玻璃基底熔点低，所以激光器首先用在结晶过程 中.激光器可以只将高能量传递给半导体膜而完全不增加基底的温 度.而且与使用电炉相比透射能要髙得多.
结晶半导体膜由很多晶粒形成，园此它们也称作多晶半导体膜.因 为通过激光退火装里形成的结晶半导体膜迁移芈高，所以可以使用结 晶半导体膜来形成薄膜晶体管(TFT).它们广泛使用在，例如，像素 驱动的单极液晶电光设备和形成在一块玻璃基底上的驱动电路TFT 中.
同时，因为激光退火装置生产能力和工业优势高，所以优先使用方 法是将受激准分子激光器等发出的高输出脉冲激光通过光学系统，在 照射板上形成一个几厘米平方的方点或长度为10多厘米的线性形状， 目的是扫描激光(相对于照射板移动激光照射位置).顺便说一句， 将激光形成线性形状是指激光在照射板上形成线性形状.它是指激光
的截面形状是线性形状.此外，"线性形状"在这垔不是严格的"线
性"，而是指长宽比大的矩形或椭圃形.例如长宽比为io或更大.(优
选是100- 10000).
具体来讲，与使用需要扫描的点状激光的情况不同，使用线性激光 束可以只通过在线性光束纵向的垂直方向扫描就可以实现整个照射平 面的激光照射，提供了髙生产效芈.在纵向的垂直方向上进行扫描是 因为这个扫描方向具有袭高的效率.罔为生产效率高，所以在当前的
激光退火处理中，使用脉冲振荡的受激准分子激光通过适当光学系统
形成的线性光束是制造使用TFT的液晶显示设备技术的主流.
为了形成受激准分子激光束，将KrF (波长248 nm)或XeCl (波 长308 urn)用作激发气体.但是Kr (氣)和Xe (氙)这样的气体是 十分昂责的.因此，如果使了 "或Xe而且还要经常进行气体交换， 那么会不利的提高制造成本.
此外，两到三年之内需要替换一次激光振荡用激光管这样的附件和 去除在振荡期间产生的不需要成分的气体净化器.这些附件大多是昂 责的，这更不利的提髙了制造成本.
如上所述，使用受激准分子激光束的激光照射设备性能高.但是， 此类激光照射设备需花费很多人工来维护，而且如果用作主生产激光 照射设备，其运行成本(这里指设备运行必需的成本)不利的高.
因此，为了实现运行成本低于受激准分子激光器的激光器和使用激 光器的激光退火方法，提出了一种固态激光器(是将晶体棒组作为共 振腔来输出激光束的).
YAG激光器是典型固态激光器中的一种，使用它将激光束照射到半 导体膜.根据YAG激光器，光学系统将由非线性光学元件调制成第二 谐波的激光束(波长532 urn)处理成在照射面上呈线状的线性光束. 半导体膜是厚度为55 nm的非晶体硅膜，是通过等离子CVD方法在基 底("1737基底》 ，由Corning公司制造)上形成的.得到结晶硅膜 的执行步猓包含一个对非晶体硅膜使用激光退火方法的步樣，但在其 上形成了同心圃困案.这个困案表示板中结晶硅膜的材料特性是不一 致的.因此，如果使用上面形成有同心圃田案的结晶硅膜来制造TFT， 那么这个田案反而会影响TFT的电特性.达里，同心圃的田案称作同 心圃困案.
此外，因为制造的电光设备屏幕的尺寸大，所以增加了母玻璃的面 积.在这之后，对于激光退火方法，产生了将激光束高速照射到安装 在作为基底的母玻璃上的半导体层的需要.
此外，对于激光退火方法，产生了补偿在半导体层结晶过程中临时
熔化半导体膜的激光束功芈低的需要.
发明内容
因此，本发明的一个目标是提供一种用于要求低运行成本、能够防
止产生同心w困案或减少其形成的激光照射设备的激光退火方法，以
及提供一种包括一个使用激光退火方法步錄的半导体设备制造方法.
根据本发明的一种激光退火装置，包括输出激光束的激光光源； 以及移动该激光束斜向照射的基底的移动机械装置，其中该移动机械 装置的作用包括反复移动等于或大于该基底一条边长度的距离，在反 复移动方向的垂直方向上移动等于或小于该激光束在该垂直方向上在 该基底上的照射区域的长度的距离；以及在用该激光束斜向照射该基 底之前，该移动机械装置被加速地移动，在该照射期间以恒定的速度 被移动，以及当该激光束照射的位置处于该基底之外时被减速地移 动.
根据本发明的另一种激光退火装里，包括输出激光束的激光光 源；处理该激光束的光学系统；反射该激光束的镜子；以及移动该激 光束斜向照射的基底的移动机械装置，其中该移动;MMt置的作用包 括反复移动等于或大于该基底一条边长度的距离，在反复移动方向的 垂直方向上移动等于或小于该激光束在该垂直方向上在该基底上的照 射区城的长度的距离；以及在用该激光束斜向照射该基底之前，该移 动机械装置被加速地移动，在该照射期间以恒定的速度被移动，以及 当该激光束照射的位置处于该基底之外时被减速地移动.
根据本发明的又一种激光退火装里，包括输出激光束的激光光 源；调制该激光束的非线性光学元件；会聚已调制激光束的波导管； 以及移动该激光束斜向照射的基底的移动机械装里，其中该移动机械 装置的作用包括反复移动等于或大于该基底一条边长度的距离，在反 复移动方向的垂直方向上移动等于或小于该激光束在该垂直方向上在 该基底上的照射区域的长度的距离；以及在用该激光束斜向照射该基 底之前，该移动机械装置被加速地移动，在该照射期间以恒定的速度
被移动，以及当该激光束照射的位置处于该基底之外时袂减速地移 动.
根据本发明的另一种激光退火装置，包括输出激光束的激光光 源；以及移动该激光束斜向照射的基底的移动机械装置；其中该移动 机械装置沿着导轨以非接触方式移动；该移动机械装置的作用包括反 复移动等于或大于该基底一条边长度的距离，在反复移动方向的垂直 方向上移动等于或小于该激光束在该垂直方向上在该基底上的照射区 域的长度的距离；以及在用该激光束斜向照射该基底之前，该移动机 械装置被加速地移动，在该照射期间以恒定的速度被移动，以及当该 激光束照射的位置处于该基底之外时被减速地移动.
根据本发明的再一种激光退火装里，包括输出激光束的激光光 源；以及具有由该激光束通过的透明窗的激光退火室、移动该激光束 斜向照射的基底的移动机械装置和用于控制该激光退火室的气体的真 空泵；其中该移动机械装置的作用包括反复移动等于或大于该基底一
条边长度的距离，在反复移动方向的垂直方向上移动等于或小于该激 光束在该垂直方向上在该基底上的照射区城的长度的距离；以及在用
该激光束斜向照射该基底之前，该移动机械装置被加速地移动，在该 照射期间以恒定的速度被移动，以及当该激光束照射的位里处于该基 底之外时被减速地移动.
根据本发明所提供的半导体设备制造方法，包括在基底上形成 半导体膜；以及照射激光束到该半导体膜，其中不停地重复在以第一 方向移动该基底的同时用该激光束斜向照射该半导体膜的步槺和在垂 直于该笫一方向的第二方向上移动该基底等于或小于该激光束宽度的 距离的步槺；以及在用该激光束斜向照射该基底之前，该基底被加速 地移动，在该照射期间以恒定的速度被移动，以及当该激光束照射的 位里处于该基底之外时被减速地移动.
下面将要考虑产生同心圃田案的一个原因.照射到非晶体硅膜的激 光束是在照射面上呈线性形状的线性光束.因此，即使在激光束照射 后获得的结晶硅膜上形成一些困案，只要半导体膜、基底和基底平台 是完全平的，那么困案也应该是与线性光束平行或垂直的.但是，看 到的困案是同心圃困案.从这一点，可以认为同心圃困案的产生不是 由线性光束导致的.也就是可以估计是半导体膜的厚度、半导体膜的
激光束吸收系数、基底或基底平台或它们的组合导致了同心圃田隶的 产生.
下面将考虑产生同心圃困案的原因中的半导体膜的激光吸收系
数，分別得到非晶体硅膜(厚度55nm)相对于波长的反射系数和透射 系数，闺IOA和IOB分別显示了结果.请注意，非晶体硅胰是用等离 子CVD方法在1737基底上形成的.困IOA和IOB显示非晶体硅膜对于 YAG激光器笫二谐波(波长532 nin)的反射系数和透射系数分別是26N 和38、我们认为非晶体硅膜表面的反射光在某一表面上与非晶体硅膜 透射的激光束相互干扰.估计是这一点产生了同心圃田案.
因此，为了防止或减少同心圃困案的产生，我们认为必须要防止这 样的干扰.为了防止干扰，聚光多束激光束，聚光后的激光束照射基 底表面上的半导体膜，从而使半导体膜结晶.
因此，根据本发明的激光退火装置是一个包括下列組件的激光退火 装置 一个输出激光束的激光源；以及一个移动由激光束斜向照射的 基底的移动机械装里，其特征在于移动机械装置的作用是往复运动等 于或大于基底一条边长的距离，在往复方向的垂直方向移动等于或小 于激光束在激光束照射基底的区域中Y轴方向长度的距离.结果通过 使用根据本发明的激光退火装置，可以防止或减少由激光束照射不利 产生的同心圃田案的产生，可以提高所得半导体设备的可靠性.即使 是大尺寸基底上的半导体膜，也可以将激光束均匀的照射到其上面.
此外，根据本发明的激光退火装置是一个包括下列组件的激光退火 装置 一个输出激光束的激光源； 一个调制激光束的非线性光学元件； 一个聚光已调制激光束的波导管；以及一个移动由聚光激光束斜向照 射的基底的移动机械装置，其特征在于移动机械装置的作用是往复运 动等于或大于基底一条边长的距离，在往复方向的垂直方向移动等于 或小于激光束在激光束照射基底的区域中Y轴方向长度的距离.结果 通过使用根据本发明的激光退火装里，可以防止或减少由激光束照射 不利产生的同心圃田案的产生，可以提高所得半导体设备的可靠性. 即使是大尺寸基底上的半导体煤，也可以将激光束均匀的照射到其上 面.
根据本发明的半导体设备制造方法是包括下列步錄的半导体设备 制造方法在基底上形成半导体膜；以及照射多束激光束到半导体膜，
其特征在于不断的重复在恒速移动基底的同时将激光束斜向照射到半 导体膜的步樣和在移动方向的垂直方向移动等于或小于激光束宽度的 距离的步稞.结果，通过使用根据本发明的激光退火装置，可以防止 或减少由激光束照射不利产生的同心圃田案的产生，可以提高所得半 导体设备的可靠性.即使是大尺寸基底上的半导体膜，也可以将激光 束均匀的照射到其上面.
根据本发明的半导体设备制造方法是包括下列步錄的半导体设备
制造方法在基底上形成半导体膜；以及照射多束激光束到半导体胜， 其特征在于不断的重复由多个非线性光学元件分別调制多束激光束的
步稞、使已调制激光束通过波导管从而聚光已调制激光束的步稞、在 恒速移动基底的同时将聚光激光束斜向照射到半导体膜的步錄和在移 动方向的垂直方向移动等于或小于激光束的距离的步壤.结果，通过 使用根据本发明的激光退火装置，可以防止或减少由激光束照射不利 产生的同心圃困案的产生，可以提高所得半导体设备的可靠性.即使 是大尺寸基底上的半导体膜，也可以将激光束均匀的照射到其上面.
而且，根据本发明的半导体设备制造方法是特征在于恒定的速度处 在"-200 cm/s范闺内的半导体设备制造方法.结果是可以将激光束 高速照射到在大尺寸基底上提供的半导体膜.
另外，在本发明中使用的激光束可以通过光学系统处理成椭圃形.
此外，根据本发明的半导体设备制造方法是特征在于激光束是以相 对于基底前表面法线方向或基底后表面法线方向5~10。的斜角入射 到半导体膜的半导体设备制造方法.这种方法是根据这样的亊实发明 的如果在倾斜基底的同时执行使用激光退火方法的步稞，那么不会 出现同心圃田案.同时使用本发明，可以去掉或减少由激光束干扰引 起的结晶半导体膜的不规则材料特性.如果使用这样的结晶半导体膜 制造TFT,那么会提高TFT的电特性.
而且，根据本发明的半导体设备制造方法是特征在于从平行于基底 并靠近基底端面的方向进行半导体基底结晶的半导体设备制造方法. 通过使用根据本发明的半导体设备制造方法，可以制造半导体层表面 是平的、具有高电迁移芈的半导体设备.
此外，激光束可以从基底的后表面(形成半导体膜的表面的反面) 照射到半导体膜.
至于激光束，可以使用通常所知的激光器，例如YAG激光器(通 常表示为Nd: YAG激光器)、Nd: YLF激光器、Nd: YV04激光器、Nd: YA103 激光器、红宝石激光器、Ti:兰宝石激光器或玻璃激光器.特别首选 一致性和脉冲能量好的YAG激光器.
例如，如果使用了 YAG激光器，那么最好使用笫二谐波(波长532 nm).这是因为YAG激光器的基谐波(第一谐波)的波长为1064 nm. 笫一谐波可以由包含一个非线性元件的波长调制器调制成笫二、笫三 或笫四谐波.各个谐波可以使用已知的技术来形成.在此叙迷中，假 设"固态激光器发出的激光束"不只包括第一谐波，还包括波长半调 制的谐波.
对于YAG激光器还可以使用应用良好的Q开关方法(Q调制开关方 法).这种方法是突然将Q系数从Q系数非常低的状态增加到会输出 能量级非常高、非常陡的脉冲激光束.
如果装配了激发固态晶体的共振镜或光源，那么在本发明中使用的
固态激光器基本上可以输出激光束.因此，与受激准分子激光器相比， 不需要花费太多的人工来维护.即，因为固态激光器的运行成本远远 低于受激准分子激光器，所以可以大大减少半导体设备的制造成本. 此外，如果减少了维护頻率，就会提高大规模生产线的运行效芈，并 提高制造过程的总生产量，还大大有利于减少半导体设备的制造成 本.除此之外，闺态激光器所占面积小于受激准分子激光器所占面积， 这对于生产线的设计而言具有好的影响.
如果激光束的功率不低于10W,那么即使是使用单激光束也可以进 行均匀的激光退火.功芈不低于IOW的激光束足够在半导体层的结晶 过程中熔化半导体层了. 附图描迷
困l是一幅显示了一个激光束照射例子的困；
困2是一幅显示了一个激光退火装置例子的困；
困3是一幅显示了激光退火装里例子的困；
困4是处理目标基底的X和Y方向的说明困；
围5是一幅显示了处理目标基底的移动时间和速度之间相互关系
的困表；
闺6是一幅显示了一个根据本发明的激光退火装置例子的田；
闺7A到7D显示了半导体设备制造步槺；
困8是一幅显示了根据本发明的半导体设备的困.
困9A是像素部分TFT的示意困，田9B是驱动电路TFT的示意田；
闺IOA是一幅显示了非晶形硅胰(厚度55 nm)反射系数相对于
波长的闺表，田IOB是一幅显示了非晶体硅膜(厚度55 nm)透射系
数相对于波长的困表；
困ll是一幅显示了一个激光退火装置例子的困；
图12是一幅显示了一个激光退火装置例子的困；以及 困13A到UC是显示了一个激光退火装置例子的困.
具体实施例方式
首先参照田1来讲述本发明一个实施方案中的激光束照射方法.
通过一个将激光束照射到非晶形硅膜的结晶步稞，形成结晶硅层. 这个结晶过程是在配有透明窗601的激光退火室602中进行的.
首先，基底使用的是Corning公司制造的，由表示为#7059玻璃或 #1737玻璃的硼硅酸盐钡玻璃或硼硅酸盐鋁玻璃制成的透光基底.替代
做法是用石荚基底或珪基底作为基底.在此实施方案中，使用了大小 为"0咖x 880咖，厚度为1.1咖的玻璃基底.在此说明中，在上 面按顺序形成底膜和半导体膜的基底称作"处理肖标基底".
在激光退火室602内配置了台架603、装配在台架603上的平台 604和移动台架603的移动机械装置605.在激光退火室602外配置了 真空泵630、供气管607和闲门阀608.
安装台架603,这样由移动台架603的移动机械装里605在与处理 目标基底606的法线方向成正确角度的方向上(X轴方向或Y轴方向) 移动底座603，从而使激光束照射到处理目标基底606的上表面.激光 束照射方向与处理目标基底606的法线方向相比偏了 5到10° .
在此说明中，包含平台604和移动机械装置605的半导体制造设 备称作激光退火装置.台架603可以安装在平台604和移动机械装里 605之间.激光退火装置除了上面提到的組元外还包括激光振荡器 609、光学系统610和镜子611.非晶形硅膜由配置有激光退火装置和 透明窗611的激光退火室602、真空泵630、供气管607和闲门阀608 的组合装置来晶化.田2从Y轴方向显示了困1的激光退火装置.困3 显示了从镜子一倜(处理目标基底606的上方)观看的激光退火装置. 移动机械装置605在X轴方向可以移动等于或大于处理目标基底606 一条边长度的距离，在垂直于X方向的Y轴方向可以移动等于或小于 激光束宽度的距离.注恚的是该激光束的宽度是在垂至于移动机械装 置的移动方向的方向上的激光束的宽度.
如困1所示，激光振荡器609发射出激光束600，光学系统610处 理激光束使其具有椭圃形截面，镜子611反射激光束，使其通过透明 窗601照射处理目标基底606.照射光束可以是矩形的光束.
困4是一幅从法线方向显示了处理目标基底606的田.安装处理 目标基底606，使处理目标基底606的末端位于距激光束照射位置100 咖远的位置.接下来，在加速的同时移动移动机械装置605,使处理 目标基底606以箭头①的方向移动.0. 05秒之后，激光束600以恒速 (在本实施方案中是20cm/s)照射处理目标基底606.如果激光束照 射位置在处理目标基底606的外倒，那么增加移动速度(田5).接下 来在与箭头①方向相反的箭头②方向执行与箭头①方向相同的步猓， 从而晶化基底.为了执行箭头③方向的步樣和箭头(3)方向的步槺，分 别重复箭头①方向的步槺和箭头②方向的步猓.如果需要，可以重复 执行这些步脒，从而用激光束照射处理目标基底606的整个表面.处 理目标基底606上的半导体膜在与处理目标基底606平行并靠近处理 目标基底606端面的方向上结晶.
移动处理目标基底606的速度可以设置为一个处于20到200 cm/s 范围内的恒定速度.
在结晶过程中，处理目标基底606可以放置在平台604上，从而 用安装在台架603上的加热器来将处理目标基底606保持在一个预定 的温度上.如果非晶形硅层在450TC的温度上结晶，那么会增加晶体的 粒径.
对于激光振荡器609,使用了将CW激光束振荡成激光束600的振 荡器.
激光退火室602中的大气可以使用作为减压和真空装置安装的真 空泵630来控制.安装的通过阀门连接到氣气缸的供气管607a和通过 阀门连接到氣气或其它气缸的供气管607b组成起供气装置作用的供气 管607.在此实施方案中，激光束以常温常压照射.
在此实施方案中，在以20到200 cm/s的恒速移动基底的同时用
激光束照射基底表面上的半导体膜.由此，即使是大尺寸基底上的半 导体膜，也可以将均匀的激光束照射到其上面.
在此实施方案中，功率设置为10W.但是，如果设置的功率不小于 IOW，那么即使是使用羊束激光束也可以进行均匀的激光退火.功芈不 小于10W的激光束足以在半导体层的结晶过程中熔化半导体层.
在此实施方案中，激光振荡器发射激光束.另一种做法是使用多个 激光振荡器聚光多束激光束，从而增加光束强度.因此通过聚光激光 束，可以减少同心圃困案的产生，从而提髙所得半导体设备的可靠性. 如果需要，可以使用多个光学系统、多个镜子、光纤等等.
根据本发明，在使用激光退火方法的步樣中要将激光束处理成具有 椭圃形的截面，从而提高透射能.此外，通过使用易于维护的固态激 光器，可以得到比使用传统受激准分子激光器的激光退火方法更高的
透射能.因此可以减少TFT和由TFT制成的显示器这样的半导体设备 的制造成本.
此外，通过将激光束斜向照射到半导体膜，可以去拌或减少在半导 体膜上产生的同心圃困案，从而使半导体的材料特性在使用激光退火 步驟之后变得均匀.如果使用这样的半导体膜来制造半导体设备，可
以大大的提高半导体设备的性能. 本发明实施方案详述
实施方案1
下面将参照田6来讲述此实施方案中的光学系统.
对于激光振荡器201，理想是使用大功率的激光器(YAG激光器、 YV(H激光器等).当然只要气体激光器、玻璃激光器等功率大，也可 以使用.使用光学系统将激光振荡器201产生的激光变成一个照射面 为线性形状的线性光束.光学系统使用，例如，长焦距的柱面棱镜205 来将激光束放大成长光束，使用柱面棱镜206将激光束会聚成细光束. 通过使用这样的长焦距柱面棱镜，可以得到减小了像差、在照射面上 或附近的能重分布均匀的激光束.此外，长焦距柱面棱镜可以有效的 抑制在入射到半导体膜上的光束的光束宽度和基底背表面反射的光束
的光束宽度之间产生明显的差別.本发明的试验显示当使用了焦距为 500 mm或更大的柱面棱镜时，能够有力的减少像差的影响.
反射镜207安装在柱面棱镜的前面，从而可以改变激光束的传播
方向.通过反射镜207可以将激光束入射到照射面上的角度调整到想 要的角度e.如果棱镜206的角度根据反射镜207的角度而改变，那 么在照射面上可以形成更加匀称的激光束.
此外，当线性光束照射到半导体膜上时，进行的照射在扫描期间具 有激光束的0到8096的扫描重叠率(在本实施例中激光束是在X轴方 向上).注意到在脉冲激光器的情况下，进行的照射在连续照射的激 光束之间具有还可以重叠50-98、或可选的不重叠.因为最优条件随半 导体膜的状态或激光束的延迟时间而不同，所以最好是採作页适当的 确定最优条件.
在实施方案l中， 一个脉冲激光器(输出20W,頻芈30Hz, YAG) 被用作激光振荡器201.使用非线性光学元件202将脉冲激光束调制到 第二谐波，接下来使用光学系统将其变成长度为130mm,宽度为0.4 mm 的线性光束，并且线性光束照射到半导体膜上.此时，线性光束以与 基底垂直方向5到IO度的角度偏差照射.
台架208安装在平台203的下面，移动M装里209安装在台架 208下面.通过移动机械装置209可以在X轴方向和Y轴方向移动基底 204.在移动机械装置209下面可以安装滚珠、圃柱、电机等.
处理目标基底204中的半导体膜在与处理目标基底204平行且靠 近处理目标基底204端面的方向上结晶.
此外，通过用激光束斜向照射处理目标基底204的半导体膜，可 以去掉或减少在半导体膜上产生的同心圃困案，从而使半导体的材料 特性在使用激光退火步槺之后变得均勾.如果使用这样的半导体膜来 制造半导体设备，可以大大提高半导体设备的性能.
实施方案2
此实施方案描述了用于激光退火设备的结晶方法.
首先，将玻璃基底(坡璃变形a度为667C的Corning 1737 )制 备为基底IOOO.接下来在基底1000上形成保护膜1001,并通过喷铍 方法在保护膜1001上以多层结构的形式依次形成氣化钽膜1002a ( 50 nm厚)和钽膜1002b ( 250nm厚).(田7A)接下来，使用光刻法形 成多层结构的门电极1002，光刻法是传统的形成田案的方法.
随后，在不暴雾给大气的条件下以多层结构依次形成门绝緣膜和非 晶形半导体膜IO(M.在此实施方案中，为了防止杂质在制造过租中从
门电极接线扩散到半导体膜和门绝缘胰之中，使用等离子CVD方法形 成多层结构的氣化硅膜1003a (50nm厚)和氣化硅膜1003b (125 nm 厚)，该层起多层结构的门绝缘胰的作用.在此实施方案中，用了两 层绝缘膜作为门绝缘膜，但是门绝緣膜可以是单层或三层以上的多层 结构.此外，在此实施方案中，使用等离子CVD方法在门绝缘膜上形 成了一个厚度为54 mn的非晶形硅膜1004作为非晶形半导体膜.而
且，多层结构的形成是在不暴雾给大气的条件下依次进行的，因此每 个层接触面没有从大气中附着的杂质.
此后，进行加热处理(温度为500TC, 1小时)以减少非晶形硅膜
中阻碍半导体赋结晶的氣的浓度.
在得到如困7C所示的状态之后，为了形成结晶半导体膜1005,使
用红外光或紫外光(激光退火)照射非晶形半导体膜1004使其结晶(激 光结晶).(田7D)非晶形半导体膜1004在与基底1000平行且靠近 基底IOOO端面的方向上结晶.
在使用紫外光作为结晶方法的情况下，可以使用紫外光灯发出的激 光或强光，而在使用红外光的情况下，可以使用红外光灯发出的红外 激光或强光.在此实施方案中，YV04激光束的形状为椭圃形，以5到 10°的斜角照射到半导体膜.
此外，我们可以考虑非晶形半导体膜1004的厚度、基底湿度等来 确定适当的激光结晶的条件(例如激光波长、照射强度、重合度、和 照射时间).
此外，一些激光结晶的条件会使半导体煤在经过了熔化状态之后才 结晶，或者半导体膜在没有熔化的固态或圃态和液态的中间状态结 晶.这种处理使非晶形半导体膜1004结晶并变成结晶半导体膜1005. 在此实施方案中，结晶半导体膜是多晶硅妖(多硅膜).
实施方案3
下面参照田8到9的顶視田来描述使用实施方案1和2得到的有源 矩阵液晶显示器设备的结构.
在困8A所示的有源矩阵液晶显示器设备的顶視困中，在有源矩阵 基底801上形成像素部分811、驱动电路(门驱动电路805和源驱动 电路807的统称)、接到一个FPC(乘性印刷电路)的外部输入端803、 将外部输入端803连接到对应电路输入部分的接线804等等.通过在
其间加入末端密封材料将有源矩阵基底801和上面形成有滤色器等等 的反向基底802相互结合在一起.
门驱动电路的作用是将倌号输入到所选的门接线806.门接线806 是电连接到门电极的接线.而且所选的门接线是依次选择的.当然， 在门接线上配有绝緣线.另一方面，源駔动电路的功能是接收田像数 据信号并将信号送往与所选门接线连接的像素电极.源驱动电路807 与门驱动电路806匹配移动.接下来，通过选择每个门接线的开关 元件(没有给出)和通过给源接线808加上需要的电压就可以得到有 源矩阵型显示设备的田像.
提供在面向基底背面的像素部分811的表面上形成的滤色器，所 以各有一个红色(R)、缘色(G)和蓝色(B)滤色器对应一个像素. 对于实际显示来说，颜色的显示是通过三种颜色的滤色器，即红色滤 色器、缘色滤色器和蓝色滤色器，来实现的.这三种颜色的滤色器可 以随意排列.
当由激光照射导致的粒增长的方向(田8)与箭头方向一致时，如 果该方向与困9A (像素部分的TFT闺)中半导体膜810中栽流子的流 动方向(沟道方向)相同，那么不会降低电迁移率.806代表门接线， 811代表接触孔.同样，如果田8中由激光照射导致的粒增长的方向与 图9B(驱动电路的TFT田)中半导体膜810中栽流子的流动方向相同， 那么不会降低电迁移率.906代表门接线，911代表接触孔.
实施方案4
下面将要描述一种与笫一实施方案中不同的激光退火装置.在此实 施方案中的激光退火装置的特征在于提供了多个激光振荡器、多个光 学系统和多个镜子，将各个由激光振荡器振荡并由光学系统处理的激 光束聚光，并将聚光光束照射到基底.
如困ll所示，激光束1100a到1100c分別由激光振荡器1109a到 1109c发射，并由镜子lllla到llllc反射.反射的激光束会聚并照 射到安装在平台1104上的处理肖标基底1113.使用安装在平台1104 下面的移动机械装置1105，处理目标基底1113可以在X轴方向和Y 轴方向移动.在移动机械装置1105的下面安装有滚珠、圃柱、电机等.
在此实施方案中，可以防止或减少由激光束或多束激光束照射不利 产生的同心圃困案的产生.闳此可以提高所得半导体设备的可靠性.
实施方案5
下面将要描述与笫一和第二实施方案中不同的激光退火装置.在此 实施方案中的激光退火装置的特征在于提供了多个激先振荡器、多个 非线性光学元件和一个波导管，各个激光振荡器发射激光束，各个非 线性光学元件调制激光束，波导管会聚已调制激光束，会聚激光束照 射基底.
如困12所示，激光振荡器100a到100c发射激光束，激光束112a 到112c由非线性光学元件101a到101c进行调制，入射到光纤阵列 103，并由波导管104会聚.光纤阵列105发射的激光束照射平台110 上的处理目标基底113.请注意，光纤阵列103是使激光束112a到112c 彼此接近的装置.
台架106安装在平台IIO的下面，移动机械装置107安装在台架 106的下面.使用移动机械装置107,处理目标基底113可以在X轴方 向和Y轴方向(没有给出)移动.在移动机械装置107的下面安装有 滚珠、圃柱、电机等.
在此实施方案中，可以防止或减少由激光束或多束激光束照射不利 产生的同心圃困案的产生.因此可以提高所得半导体设备的可靠性.
实施方案6
下面将要描述一种与第一到第三实施方案中的那些激光退火装置 不同的激光退火装置，同时特別涉及一个移动平台的、参照困13的移 动机械装置的例子.
一般来讲，在其上安装有激光照射的处理目标的平台沿着以X轴方 向或Y轴方向安装的导轨移动.称作滚珠(轴承)的孤形物体放置在 导轨和固定平台的郜件(滑块)之间.从而实现了可以减少摩擦引起 的负栽和可以平滑移动平台的机械装里.
闳为滚珠(轴承)会闳平台的反复移动而磨损，所以需要通过定期 维护来替换滚珠.此外，为了更为平滑的移动平台，需要减少由平台 移动引起的磨损.
困13A显示了此实施方案中移动平台的移动机械装置.在田13A 中，引用符号1300表示导轨，在其上以一个闺定方向移动平台形成了 一个方向的误差.引用符号U01表示回定平台的部件，称作滑块.滑 块1301可以沿着导轨1300移动.另一种做法是可以安装多个滑块，以预定的间隔固定.引用符号1302表示一个穿过在滑块1301上形成 的洞、沿着导轨1300方向安装的滑杆.滑杆1302通过側板1304闳定 在导轨1300上.
供电电压和空气通过电统1303送给滑块1301.田13B是滑块1301 的放大困.供电电压产生使滑块1301和导轨1300相互吸引的磁场. 此外，供电电压产生的磁场的方向是滑块1301远离在滑块1301中提 供的洞中的滑杆1302并且不与其接触的方向.根据线性电机力的原 理，滑块1301以箭头所示的方向移动.另一方面，力作用在滑块1301 和导轨1300上，因此滑块1301和导轨1300通过这个磁场相互吸引. 提供给滑块1301的空气通过气孔1305释放到滑块1301和导轨1300 之间的区域里.因为力通过磁场的引力和气体的释放作用到滑块1301 远离滑杆1302的方向上，所以在滑块1301和导轨1300之间保持着一 个固定距离.
另一种做法是，不是由通过电就提供的供电电压来产生磁场，而且 导轨1300和滑块1301中的一个可以在磁性元件的外面形成，导轨 "00和滑块1301中的另一个可以在磁性元件吸引的材料的外面形 成，从而产生了磁场.替代做法是导轨1300和滑块1301可以分别在 磁性元件的外面形成.
更进一步，不是由通过电缆提供的供电电压来产生磁场，而且滑杆 1302和滑块1301中的一个可以在磁性元件的外面形成，滑杆1302和 滑块1301中的另一个可以在要远离磁性元件的材料的外面形成，从而 产生了磁场.替代做法是滑杆1302和滑块1301可以分別在磁性元件 的外面形成.
使用在此实施方案中显示的平台移动机械装置，可以以非接触的方 式沿着导轨移动平台，免除了滚珠(轴承)的定期更換，因此利于维 护.此外，闳为非接触移动，几乎不发生摩擦，与使用滚珠的情况相 比平台可以更为平滑的移动.
闺13C显示了激光照射的处理目标1311安装在闺定在滑块1301 上面的平台1310上的状态.在此实施方案中，平台移动装置使平台能 够更为平滑的移动，使激光束更为均匀的照射处理目标1311.
如到这里所述，通过使用根据本发明的激光退火装置，多个激光束 可以会聚成一个激光流，从而防止或减少了同心圃田案的产生，这是
由激光流照射不利产生的，能够提高所得半导体设备的可靠性.如果 使用了根据本发明的激光退火装里，那么即使是大尺寸基底上的半导 体膜，也可以将激光束或多束激光束均匀的照射到上面.
此外，根据本发明，在使用激光退火方法的步棘中要将激光束处理 成具有椭圃形的截面，从而提高透射能.除此之外，通过使用易于维 护的固态激光器，可以得到比使用传统受激准分子激光器的激光退火
产生的更高的透射能.结果是可以减少TFT和由TFT制造的显示器这
样的半导体设备的制造成本.
而且通过用激光束斜向照射半导体膜，可以去掉或减少在半导体膜
上产生的同心圃田案，从而使半导体膜的材料特性在使用激光退火方 法的步脒之后变得均匀.如果使用这样的半导体膜来制造半导体设
备，那么可以大大提高半导体设备的性能.
权利要求
1.一种激光退火装置，包括输出激光束的激光光源；以及移动该激光束斜向照射的基底的移动机械装置，其中该移动机械装置的作用包括反复移动等于或大于该基底一条边长度的距离，在反复移动方向的垂直方向上移动等于或小于该激光束在该垂直方向上在该基底上的照射区域的长度的距离；以及在用该激光束斜向照射该基底之前，该移动机械装置被加速地移动，在该照射期间以恒定的速度被移动，以及当该激光束照射的位置处于该基底之外时被减速地移动。
2. —种激光退火装里，包括 输出激光束的激光光源； 处理该激光束的光学系统； 反射该激光束的镜子；以及 移动该激光束斜向照射的基底的移动机械装置， 其中该移动机械装置的作用包括反复移动等于或大于该基底一条边长度的距离，在反复移动方向的垂直方向上移动等于或小于该激光 束在该垂直方向上在该基底上的照射区域的长度的距离；以及在用该激光束斜向照射该基底之前，该移动机械装置被加速地移 动，在该照射期间以恒定的速度被移动，以及当该激光束照射的位置 处于该基底之外时被减速地移动.
3. 根据权利要求2的激光退火装里，其中该光学系统的作用包括将该激光束处理成椭圃形或线性形状.
4. 一种激光退火装置，包括输出激光束的激光光源；调制该激光束的非线性光学元件；会聚已调制激光束的波导管；以及移动该激光束斜向照射的基底的移动;Mft装置，其中该移动机械装里的作用包括反复移动等于或大于该基底一条 边长度的距离，在反复移动方向的垂直方向上移动等于或小于该激光 束在该垂直方向上在该基底上的照射区城的长度的距离；以及在用该激光束斜向照射该基底之前，该移动机械装置被加速地移 动，在该照射期间以恒定的速度被移动，以及当该激光束照射的位置 处于该基底之外时被减速地移动.
5. —种激光退火装置，包括 输出激光束的激光光源；以及 移动该激光束斜向照射的基底的移动机械装置； 其中该移动机械装置沿着导轨以非接触方式移动； 该移动机械装置的作用包括反复移动等于或大于该基底一条边长度的距离，在反复移动方向的垂直方向上移动等于或小于该激光束在 该垂直方向上在该基底上的照射区城的长度的距离；以及在用该激光束斜向照射该基底之前，该移动机械装里被加速地移 动，在该照射期间以恒定的速度被移动，以及当该激光束照射的位置 处于该基底之外时被减速地移动.
6. 根据权利要求5的激光退火装置，其中该非接触方式通过产生 磁场实现.
7. 根据权利要求5的激光退火装置，其中该非接触方式通过排放 空气实现.
8. 根据权利要求5的激光退火装置，其中该非接触方式通过产生 磁场和排放空气实现.
9. 一种激光退火装置，包括 榆出激光束的激光光源；以及具有由该激光束通过的透明窗的激光退火室、移动该激光束斜向照 射的基底的移动机械装置和用于控制该激光退火室的气体的真空泵；其中该移动机械装置的作用包括反复移动等于或大于该基底一条 边长度的距离，在反复移动方向的垂直方向上移动等于或小于该激光 束在该垂直方向上在该基底上的照射区城的长度的距离；以及在用该激光束斜向照射该基底之前，该移动机械装置被加速地移 动，在该照射期间以恒定的速度被移动，以及当该激光束照射的位置 处于该基底之外时被减速地移动.
10. 根据权利要求l-9之一的激光退火装置，其中该移动机械装 置具有加热器.
11. 根据权利要求1-10之一的激光退火装置，其中该恒定的速 度处于20到200 cm/s的范闺内.
12. 根据权利要求l-ll之一的激光退火装置，其中将激光束斜 向照射到该基底上的角度相对于该基底前表面的法线方向或基底后表 面的法线方向是5到10° .
13. 根据权利要求1-12之一的激光退火装置，其中该激光束是 从由Nd: YAG激光器、Nd: YLF激光器、Nd: YV(h激光器和Nd: YA103 激光器組成的集合中选摔的激光器发出的一种二次谐波.
14. 一种半导体设备制造方法，包括 在基底上形成半导体膜；以及 照射激光束到该半导体膜，其中不停地重复在以第一方向移动该基底的同时用该激光束斜向 照射该半导体膜的步槺和在垂直于该笫一方向的笫二方向上移动该基 底等于或小于该激光束宽度的距离的步錄；以及在用该激光束斜向照射该基底之前，该基底被加速地移动，在该照 射期间以恒定的速度被移动，以及当该激光束照射的位里处于该基底 之外时被减速地移动.
15. 根据权利要求14的方法，还包括在用该激光束斜向照射该半 导体膜的步猓之前会聚该激光束的步*.
16. 根据权利要求14的方法，还包括分別利用多个非线性光学元 件调制该多个激光束的步樣，以及在用该激光束斜向照射该半导体膜 之前使该被调制的激光束通过波导管从而会聚该被调制的激光束的步 骤.
17. 根据权利要求14-16之一的方法，其中该恒定的速度处于20 到200 cm/s的范闺内.
18. 根据权利要求14-17之一的方法，其中该激光束被处理成照射 表面上的椭圃形状.
19. 根据权利要求14-18之一的方法，其中将激光束斜向照射到该 半导体膜上的角度相对于该基底前表面的法线方向或基底后表面的法 线方向是5到10° .
20. 根据权利要求14 — 19之一的方法，其中该半导体膜的结晶是 在平行于该基底且靠近基底端面的方向进行的.
21. 根据权利要求14 一 20之一的方法，其中该激光束从该基底的 后表面照射到该半导体膜.
22.根据权利要求l4 — n之一的方法，其中该激光束是从由Nd: YAG激光器、Nd: YLF激光器、Nd: YV(^激光器和Nd: YA10,激光器組 成的集合中选择的激光器发出的一种二次谐波.
全文摘要
本发明涉及激光退火装置和相应的半导体设备制造方法，其中在用激光束斜向照射基底之前，移动机械装置被加速地移动，在该照射期间以恒定的速度被移动，以及当该激光束照射的位置处于该基底之外时被减速地移动。由此可以防止或减少同心圆图案的产生，从而提高了半导体设备的可靠性。
文档编号B23K26/00GK101101869SQ200610115609
公开日2008年1月9日 申请日期2002年8月12日 优先权日2001年8月10日
发明者山崎舜平, 广木正明, 田中幸一郎 申请人:株式会社半导体能源研究所