激光热处理用光学系统和激光热处理装置的制作方法

专利名称：激光热处理用光学系统和激光热处理装置的制作方法
技术领域：
本发明特别涉及一种用于热处理非晶或多晶硅膜使之多晶硅化的，热处理基板上形成的硅薄膜用的激光热处理用光学系统及其装置。
液晶面板的象素部分，由在玻璃或合成石英基板上以非晶或多晶硅膜制作的开关薄膜晶体管构成。要是能在该面板上同时构成驱动象素晶体管的驱动电路(主要是独立设置于外部)，在液晶面板的制造成本、可靠性等方面就有突出的优点了。
然而现在，因为构成晶体管有源层的硅膜晶体性差，薄膜晶体管，象低迁移率所代表的那样性能差，要求高速、高性能的集成电路制作就困难了。
硅膜的晶体性与薄膜晶体管的载流子迁移率之间的关系说明如下。用激光热处理得到的硅膜一般为多晶。多晶的晶界上局部存在着晶体缺陷，而缺陷妨碍薄膜晶体管有源层的载流子移动。因此，为了提高薄膜晶体管的迁移率，载流子就要减少在有源层移动过程中横切晶界的次数，而且减少晶体缺陷。
一种改善硅膜晶体性的方法是用激光热处理，以便提供高迁移率薄膜晶体管。激光热处理的目的在于形成晶粒直径大且晶界中的晶体缺陷少的多晶硅膜。
以前，在Appl.Phys.Lett.，39，1981，p425-427(文献2)和Mat.Res.Soc.Symp.Proc.，Vol.358，1995，p915-p920(文献3)做过激光热处理的试验。这些文献中，使用Nd-YAG激光器的二次谐波(波长532nm)作为激光器。在本例中，

图12示出包括由Nd-YAG激光器的二次谐波产生的激光热处理用光学系统的激光热处理装置。在这里，振荡装置1，作为热处理用激光器所用的代表性的可见光脉冲激光光源，使用Nd-YAG激光器二次谐波(波长532nm)。其振荡激光2用聚光用透镜4进行聚光，对介以衬底膜6淀积于基板7上的非晶或多晶硅膜5进行照射和加热。多晶硅膜5，由于脉冲激光2的照射，在照射区域随加热而熔融，接着被冷却。
可是，在文献的报告中，在照射位置的束剖面为轴对称高斯分布，因此，说到熔融硅的晶体，晶粒以中心对称性地放射状生长，就象图13一样。就是，激光热处理后的多晶硅膜性质，在面宽范围均匀性非常低，因而未见到利用此项技术制成薄膜晶体管的报告。
另一方面，虽然以往一直使用波长很短的激态复合物激光器，采用线状束的剖面进行激光热处理，但是这与用波长330nm以上的激光热处理，根本上有不同的观点。如上所述，用波长330nm以上的激光热处理，在结晶过程中，熔融硅发生涉及膜表面区域方向，即横向晶体生长，因而把晶粒直径做大作为目的。用激态复合物激光的热处理，由于涉及膜厚方向的生长，只不过谋求提高激光热处理后的薄膜在面宽范围的薄膜质量均匀性和可生产性，连做大晶粒直径也不作为目的。
并且，在激态复合物激光器中，采用线状束的光学系统，已公开于日本特许公开(Japanese Patent Publication Nos.)11-16851和10-3330777中，其中，从激态复合物激光器振荡器来的光束，在与束的光轴垂直面内正交的2个方向，同时通过排列(圆)柱形透镜的(圆)柱阵列后，用会聚透镜会聚，用作使两个方向一起分布均匀化的束均化器，把这2个方向的会聚宽度作成不同的方式。
在用长方形剖面激光束的热处理中，为了制作特性优良的薄膜晶体管，必须使光强度分布的剖面最优化。特别是，束宽度方向的剖面，在晶体生长过程中影响大，是因为长度方向的分布左右生长晶体的区域。但是，用现有的线状束形成用的光学系统，不适合选择宽度方向的剖面。另外，在正交的两个方向同时进行均化，也不可能把线状束的宽度方向聚光到极限细小。
本发明就是为了消除这样的问题而作出的发明，特别是，其目的在于提供一种制作高性能薄膜晶体管，而必须控制用于使薄膜晶粒粗大，降低晶格缺陷，形成晶体性优良的薄膜的激光光强度分布剖面的光学系统。
本发明的另一个目的就是提供一种极细的矩形状，特别是，提供用于在膜材料表面的扫描方向，获得光强度分布具有陡峻分布的激光的光学系统。
并且，本发明的又一个目的在于提供一种制作高性能的薄膜晶体管，而必须形成晶体性优良薄膜的激光热处理装置。
另外，再一个目的就是提供一种制作高性能的薄膜晶体管，而必须制造晶体性优良薄膜的方法。
为了用激光照射法热处理在基板上形成的膜材料，本发明的激光热处理用光学系统包括形成激光振荡器发射激光束的剖面强度分布的强度分布成形装置，及在基板上的膜材料上形成长方形的束形状的束形状成形装置。该强度分布成形装置，将激光振荡器来的激光束，在束剖面上的1个方向使光强度分布均匀化(进行矩形化)，而且，在另一正交方向，维持激光振荡器发射的激光束的强度分布；束形状成形装置，将这种分布的束制成长方形剖面的束，并照射于膜材料表面。
束形状成形装置，特别是，扩大或缩小上述1个方向和另一个方向的剖面，在膜材料上进行均匀加热。该光学系统，可在基板上的膜材料内进行温度分布的控制，提供均匀加热用的激光照射剖面。
强度分布成形装置可以是在激光束的剖面平面内的1个方向，将激光束的一部分进行多次反射后，使之重叠，因此，能使束强度分布均匀。这种强度分布成形装置，由相对面隔开配置的一对反射面构成也行。
对强度分布装置来说，就是选择在激光束的剖面平面内的波导构造，使强度分布均匀。以少量的激光损耗形成高性能的薄膜。这种强度分布装置可以是，一对反射面相对面，而在另一方向相平行的波导器件。
进而，对另一个强度分布成形装置来说，可采用在激光束的剖面平面内的一个方向进行分割，而在另一方向延伸的分割(圆)柱形透镜，因此，使强度分布均匀。
对另一个束形状成形装置来说，就是在激光束的剖面平面内的一个方向，把强度分布成形装置所得的均匀分布，复制到基板上的膜材料上，作为在基板上的膜材料上形成长方形束形状的长度方向构成部分。为了复制，可以使用复制透镜，例如球面透镜。
进而，对束形状成形装置来说，把激光振荡器发射的激光束，只在激光束的剖面平面内的一个方向聚光到基板上的膜材料上，而在基板上的膜材料上形成长方形束形状的短边方向也可以。这种束形状成形装置包括聚光透镜，用聚光透镜聚光于基板上的膜材料上，而聚光透镜可以使用(圆)柱形透镜。因此，在基板上的膜材料上，可陡峻地形成长方形束形状在短边方向的激光照射强度梯度。
进而，束形状成形装置也可以是多个(圆)柱形透镜或者球面透镜的组合构成的装置。因此，在基板上的膜材料上，可以均匀地形成长方形束形状的长度方向强度分布，而且陡峻地形成短边方向的激光照射强度梯度，同时可以照射任意形状的激光。多个(圆)柱形透镜或球面透镜的全部或者两者之一，是非球面透镜也行。可以把在基板上的膜材料上长方形束形状的短边方向的强度分布，在由振荡激光的定向性等性质规定的界限内，作成陡峻强度分布梯度。
本发明的激光热处理用光学系统，还可以包括，接近基板上的膜材料，在基板上的膜材料上与长方形束形状的长度方向平行地装入的刀口(刀刃)。该刀口可以限定束形状，将其光强度分布作成为陡峻。
根据本发明的激光热处理用光学系统，可备有分割激光束，给分割后的激光束造成光程差，再进行合成的脉冲宽度伸长装置。由于可设定激光的脉冲宽度，因而可以控制各种不同厚度的薄膜晶体生长时间。
根据本发明的激光热处理用光学系统，激光振荡器利用330nm到800nm之间的波长，膜材料，特别是硅材料，可以在其厚度方向进行均匀加热。
本发明的光学系统，特别适用于半导体装置的制造方法，用光学系统照射基板上的半导体膜材料表面的剖面长方形的激光束，扫描膜材料的表面，进行表面连续加热和冷却，在此熔融冷却过程中，制造出生长了粗大晶粒的半导体膜。
对这种半导体膜材料而言，可以适用预先在基板上形成非晶或多晶硅膜，用此方法制成的硅膜，可以广泛应用于图象用薄膜晶体管。
附图简要说明以下，边参照附图，边详细说明本发明的内容。
图1A表示本发明实施例的激光热处理用光学系统。
图1B-1D表示图1A所示的光学系统的激光强度分布。
图2A表示使用本发明实施例的激光热处理用光学系统，照射薄膜状的激光束剖面的配置。
图3A表示本发明另一个实施例的激光热处理用光学系统，特别是，表示x方向的强度分布成形装置；图3B表示在图3A的光学系统的部分图中，y方向的强度分布成形装置。
图4A表示本发明又一个实施例中的激光热处理用光学系统，特别是，表示x方向的强度分布成形装置；图4B表示在图4A的光学系统的部分图中，y方向的强度分布成形装置。
图5A表示本发明再一个实施例中的激光热处理用光学系统，特别是，表示x方向的强度分布成形装置；图5B表示在图5A的光学系统的部分图中，y方向的强度分布成形装置。
图6表示本发明其它实施例的激光热处理用光学系统。
图7表示本发明实施例的激光热处理用光学系统。
图8A表示本发明还有一个实施例中的激光热处理用光学系统，特别是，表示y方向的束形状成形装置；图8B是表示x方向的束形状成形装置，与图8A同样的图。
图9A和9B表示本发明实施例中的风景或多晶硅膜上的激光强度分布曲线。
图10表示本发明还有一个实施例的激光热处理用光学系统。
图11表示本发明的过去其它实施例的激光热处理用光学系统。
图12是表示包括现有激光热处理用光学系统的激光热处理装置的结构图。
图13是表示用现有轴对称高斯型轮廓(profile)的激光进行热处理形成的硅膜晶粒配置典型图。
图1A是一个实施例中的激光热处理用光学系统的结构图。图中，激光热处理用光学系统，包括聚光振荡器1、强度分布成形装置30和束形状成形装置40，从激光振荡器1发射的振荡激光2配置成贯通强度分布成形装置30和束形状成形装置40，束形状成形装置40安装的位置，使振荡激光会聚到基板7上形成的硅膜5表面上。
由激光振荡器1发出的振荡激光2，通常采用高斯分布，该分布，如图1B所示，在强度分布成形装置30的入口面A，例如A面上的束形状PA是圆形的，A面的x方向强度分布XA和A面的y方向强度分布YA，实质上可以认为是高斯分布状。
在本发明中，强度分布成形30，按高斯分布保存x方向的强度分布，仅对y方向的强度分布进行平滑化(即，矩形化)。强度分布成形装置30的出口面B处激光的束形状PB，如图1C所示，实质上被变换成长方形。B面的x方向强度分布XB，维持A面的x方向强度分布XA，而B面的y方向强度分布YB，实质上按顶峰分布来形成。
这样以来，通过强度分布成形装置30的激光，借助于束形状成形装置40，以x方向、y方向规定的倍数进行调整，用长方形的束形状照射基板上的膜材料5。照射的剖面长方形束，相对地扫描硅膜，因此，进行热处理。把束剖面长方形的宽度定义为x方向，而长度方向为y方向(参照图2)，则基板上膜材料表面C上的束形状PC，在C面的x方向强度分布XC变成缩小了A面的x方向强度分布XA的剖面，并继续保存振荡激光束2的高度定向性的性质，因此，在C面的y方向强度分布YC实质上被均匀化。
在这里，作为激光照射对象的靶，就是在基板上形成的硅膜。在基板7上，例如，利用玻璃，在基板上由氧化硅膜形成衬底层。衬底层，例如用化学汽相淀积(CVD)法，形成氧化硅膜200nm左右厚度。
硅膜是用LPCVD(低压汽相淀积)以外的方法成膜的，厚度为70nm左右的非晶硅膜等。
膜材料，即使对于硅系列材料以外的材料，例如，非晶的锗膜也能适用，可以制造出加粗的晶体性锗膜。
在本发明的光学系统的应用中，将基板7装载于移动载物台上的情况也行，这时，一面对固定的光学系统扫描移动载物台，一面照射激光束，相对地沿x方向移动照射到基板上的薄膜表面上。
将激光照射到基板上的膜材料5上时，膜材料5吸收激光而被加热，将对应激光束剖面形状的长方形区域的膜材料熔融。这时，照射激光束的长度方向即y方向，因为激光2的强度分布均匀，没有产生温度梯度，仅x方向产生温度梯度。熔融区域晶体化时，由于晶体按照温度梯度生长，就向基板7的移动方向，即x方向1维生长，形成晶粒直径大约为几微米的大晶粒。并且，热处理后所形成的多晶硅膜的晶粒，同图2一样同作为晶体生长方向的照射激光束的短边方向一致，就是与移动载物台的移动方向一致。
在x方向晶体生长的过程，对膜材料5内在x方向所形成的温度分布影响很大。也就是，对照射的长方形束的短边方向的强度分布影响很大。通过激光照射，导入基板上膜材料5内的热，同样向基板发散。就是，基板上膜材料5内的x方向温度分布同样降低。首先从膜的温度比熔点低的部分，而后向温度降低到了熔点的部分横向生长着晶体。而且，该晶体生长，在温度下降的过程中，由于自然核发生(natural nucleation)而生长了微晶，将其进路隔断，就停止朝x方向继续生长。亦即，只能在造成自然核发生之前的比较长的时间内，晶粒可以生长长度，因此，要求高晶体生长速度。
一般地说，在某区域x的晶体生长速度v，依存于该区域的温度梯度ΔT/Δx，通过下式v=kΔT/Δx表示。其中，Δx为区域的微小长度，ΔT为在该微小长度的温度差，k为速度常数(负值)。即，关于硅膜内的x方向温度分布存在的情况下，在熔点温度附近，某区域的温度分布为陡峻的温度梯度，提高晶体生长速度，其结果，就能在多晶硅膜上形成大晶粒直径，可以获得需要的高晶体性薄膜，而制作高性能薄膜晶体管。
如上述的光学系统，照射激光束的宽度方向的束强度分布由于可以保存振荡激光2的定向性的性质，因而可以在受振荡激光2的性质限制的界限以前进行聚光，在基板上膜材料5上得到最大限度的光强度梯度，同时在最大限度的光强度梯度以下，任意控制强度分布，从而能够控制基板上膜材料5内x方向温度分布。
在本发明的光学系统中，可取的是，利用具有从330nm到800nm之间振荡波长的激光。即，用该范围的波长照射作为非晶或多晶硅膜的膜材料5时，非晶硅膜对激光的吸收系数比较小，在穿透膜内部前，实质上对膜厚方向已均匀加热，由于激光照射而发生的硅膜内的横向温度分布，只在x方向形成。因此，作为非晶或多晶硅膜的基板上的膜材料5，在某强度以上的激光束部分，全部深度方向都被熔融。
作为具有从330nm到800nm之间振荡波长的激光，例如固体激光谐波发生源是可取的。就是，使用Nd-YAG激光器的二次谐波(532nm)或三次谐波(355nm)，Nd-YLF激光器的二次谐波(524nm)或三次谐波(349nm)，或Yb-YAG激光器的二次谐波(515nm)或三次谐波(344nm)。利用Ti-Sapphire(蓝宝石)激光器的基波或二次谐波也可以。
在小型装置中，使用固体激光器谐波发生源，可以有效地获得330nm到800nm范围波长的激光，并能长时间稳定工作。可将激光振荡器1做得紧凑些，能将非晶或多晶硅膜的厚度方向均匀加热，在激光热处理方法中，要制作高性能薄膜晶体管，就需要稳定地得到晶体性优良的薄膜。因此，若采用这种光学系统，通过激光热处理，就那提供均匀形成高性能薄膜用的激光照射剖面。
并且，本发明的光学系统，除半导体材料以外，也可以热处理作为绝缘膜的硅氧化膜。通过热处理，也可以把用作透光性的导电膜的ITO膜应用于晶体化或高密度化，高性能化这样的用途上。
实施例1图3A和3B表示本发明实施例的激光热处理用光学系统的结构，强度分布成形装置30，利用前头具有细小锥状全反射面的透光性器件。在强度分布成形装置30中，可以利用由透光性材料形成的楔型器件31或一对倾斜相对的镜面对。
以下，示出楔型器件31的例子，楔型器件31是形成契形的锥状部件(block)，如图3A所示，仅在前端一侧，减少y方向的厚度，在x方向，如图3B所示，厚度为一定。
从激光振荡器1入射到部件的宽幅度一侧的入射面的振荡激光2被部件的y方向锥形表面反射。因此，关于y方向振荡激光2被周边部分反射，在楔型器件31的窄幅度一侧的出射面，周边部分的反射光和中央部分的光重叠，形成实质上均匀的强度分布。另一方面，由于x方向楔型器件31的幅度比振荡激光2的束幅度要宽，所以照样维持振荡激光2的定向性等的性质不变进行输出。
采用以上的结构，通过激光热处理，就简单得到用于在面区域方向均匀形成高性能薄膜的激光照射轮廓。
另外，楔型器件31，除上述的透光性部件以外，包括使一对镜子契形倾斜对置的中空体，完成同样的作用。
实施例2在本实施例，强度分布成形装置利用聚光用的透镜32、在透镜32的前方一侧对置一对反射面的波导33。
至于波导33，可以利用在两个表面全反射的透光性部件或使一对镜面对置的镜面体。
透镜32是用于把来自振荡器的激光入射到波导33内的聚光透镜，至于该透镜，利用球面透镜或在y方向会聚或发散的(圆)柱形透镜。
以下，在强度分布成形装置30的例子中，如图4A和4B所示，示出了作为透镜32的球面透镜、和作为波导33的透光性窄幅部件的组合件。本例子，部件利用同幅度方向(y方向)垂直的宽大的一对表面作为全反射的反射面。
从激光振荡器1发出的振荡激光2，用凸透镜32，向波导33的部件内入射，由于波导33同y方向垂直的两个表面实质上是平行形成的部件，所以通过透镜32入射，在部件内向y方向发散的振荡激光2，用一对表面进行全反射。因此，对于y方向，振荡激光2从周边部分反射，在波导33的出口，把周边部分的反射光与中央部分的直接进入的光合成起来，形成实质上均匀的强度分布。另一方面，x方向，由于波导33的幅度比振荡激光2的束幅度要宽，所以照样维持振荡激光2的定向性等的性质不变进行输出。
采用以上光学系统，结构简单，能够获得形成均匀的高性能薄膜所需的激光照射轮廓。
实施例3另一个实施例，激光热处理用光学系统的强度分布成形装置30由分割(圆)柱形透镜34组成，它如图5A和5B所示，一个(圆)柱形透镜被分割成两个部分，就是相互分开的两个半(圆)柱形透镜。
如图5A所示，在y方向分割的一对分割(圆)柱形透镜34，其长度方向朝向x方向，从激光振荡器1发出的振荡激光2被分割成为，用这些半(圆)柱形透镜折射的周边部分光束和直接进入两个半(圆)柱形透镜之间的间隙的中央部分光束。分割后的光束，在束形状成形装置40的入口面把周边部分和中央部分的光重叠起来，形成实质上均匀的强度分布。另一方面，x方向，由于分割(圆)柱形透镜34的幅度比振荡激光2的束幅度要宽，所以照样维持振荡激光2的定向性等的性质不变进行输出。
强度分布成形装置的这种结构，在激光热处理方法中，激光损失少，能得到均匀形成高性能薄膜用的激光照射轮廓。
实施例4本实施例4，示出上述的束形状成形装置40的具体结构，而束形状成形装置包括复制透镜。在复制透镜41中，包括单透镜或多个透镜的组合。图6的例子，作为束形状成形装置40，示出了利用单透镜的复制透镜41。
如上述实施例1～4所示的那样，强度分布成形装置30把激光振荡器1发出的振荡激光2的束形状实质上变换成长方形，一边将x方向的强度分布维持在振荡激光2的强度分布，一边将y方向的强度分布成形为顶峰分布。作为束形状成形装置40的复制透镜41，任意缩小扩大由强度分布成形装置30所得的束强度分布，并照射到基板上的膜材料5上。
以上的束形状成形装置，可以把激光束形成为y方向均匀的强度分布，可以把x方向上保持强度分布的激光照射到基板上的用作非晶或多晶硅膜的膜材料5上，并在x方向扫描，激光热处理之际，以简单结构，得到均匀形成高性能薄膜用的激光照射轮廓。
实施例5作为采用示于上述实施例4的单透镜的束形状成形装置40特例，可以利用只有单向聚光的透镜。图7作为这种聚光透镜的例子是利用(圆)柱形透镜的例子。聚光透镜中，包括单透镜或复透镜。
如上所述，从激光振荡器发出的振荡激光2，由强度分布成形装置30，把激光束形状变换成实质上长方形，而x方向的强度分布维持振荡激光2的强度分布，y方向的强度分布被成形为凹顶(tophat)分布。
进而，本实施例采用作为束形状成形装置40的聚光透镜42，只聚光由强度分布成形装置30所得的x方向强度分布，将被成形为长方形的该束照射到基板上的膜材料5上。
这样，因为采取使用聚光透镜的束形状成形装置，能够在x方向上直到振荡激光2的定向性等性质的界限内进行聚光，所以可使激光的照射强度梯度陡峻，可照射到作为非晶或多晶硅膜的基板上的膜材料5上，因此，在激光热处理中，以简单结构，得到均匀形成高性能薄膜用的激光照射轮廓。
实施例6图8A和8B示出激光热处理用光学系统的实施例，它是在束形状成形装置40中，用实施例4的复制透镜与实施例5的聚光透镜的组合装置。
从激光振荡器1发出的振荡激光2，如上述那样，在强度分布成形装置30中，x方向的强度分布维持振荡激光2的强度分布，而y方向的强度分布被成形为凹顶分布。按长方形成形的束，对于x方向，用作为束形状成形装置40的聚光透镜42，只把由强度分布成形装置30得到的x方向强度分布进行聚光，对于y方向，用作为束形状成形装置40的复制透镜41，任意缩小扩大由强度分布成形装置30得到的强度分布，照射到非晶或多晶硅膜5上。
若采用以上这样的结构，因为能在y方向形成均匀强度分布，同时可以直到振荡激光2的定向性等性质的界限内进行聚光，可使激光的照射强度梯度陡峻，可照射到作为非晶或多晶硅膜的基板上的膜材料5上，因此在激光热处理方法中，确实可得到均匀形成高性能薄膜用的线状激光照射轮廓。
在本实施例中，完成束形状成形装置40的复制透镜41和聚光透镜42，也可以适当地，分别用多个透镜的组合透镜。并且，两者透镜之一，也可以兼有复制透镜和聚光透镜。
实施例7图9A和9B示出了将实施例6中束形状成形装置40的聚光透镜42，分别作成球面(圆筒面)透镜和非球面透镜的场合，在基板的膜材料5上的x方向计算出来的强度分布。
在这里，把作为(圆)柱形透镜的聚光透镜42的(圆)柱形面，就是将成圆筒面的面，作成由圆筒面改变的面，此(圆)柱形透镜称之为非球面的(圆)柱形透镜。
例如，设聚光透镜42的焦点距离为100mm，入射到聚光透镜42上的激光束的x方向幅度为40mm。在聚光透镜42为球面透镜的情况下，如图9A所示，可以在基板上的膜材料5上聚光到全幅度的一半值约30μm左右，而到周边部分激光束就变宽了。另一方面，在聚光透镜42为非球面透镜的情况下，如图9B所示，可以在基板上的膜材料5上聚光到全幅度的一半值约25μm左右，同时也可以抑制向周边部分加宽。因此，与球面透镜相比，可增大强度分布的梯度。
要是采用以上这样的结构，可进一步使激光照射强度的梯度陡峻，在激光热处理方法中，用简单的结构，进一步得到形成高性能薄膜用的激光照射轮廓。
另外，在本实施例中，只对把聚光透镜42作成非球面透镜的情况进行了陈述，但是即使把其它透镜作成非球面的情况，也同样有效果。
实施例8图10是，本实施例在束形状成形装置40的前方配置了刀口50的例子。
在基板上的膜材料5的附近，为了遮断束的一部分，配置了刀口50。借助于该刀口50，通过遮断一部分照射于基板上的膜材料5的x方向的束，就可以将具有无限大光强度梯度的激光照射到基板上的膜材料5上。
利用这样的刀口50，可使激光照射强度的梯度陡峻化到极限，激光热处理之际，确实得到形成高性能薄膜用的激光照射轮廓。
实施例9本实施例9例示出用脉冲幅度伸长装置60的激光热处理用光学系统，但将其配置在激光发射器和强度分布成形装置30之间，使脉冲激光的脉冲时间宽度伸长，并进行调整的装置。
在示于图11的脉冲宽度伸长装置中，激光发射器的光轴上配置有束分裂器61，来自激光振荡器1的振荡激光入射，从束分裂器反射的一部分光被反射形成环的方式，本例中，第1到第4的四个全反射镜62、63、64、和65被配置成矩形状，并作成用最后的全反射镜65反射的激光返回到束分裂器61的结构。
脉冲宽度伸长装置60，由1个束分裂器和3个以上全反射镜的光环构成。振荡激光2在束分裂器61中被分开为2个束，一部分直进输入强度分布成形装置30。激光的其它部分由束分裂器61反射，反射光通过由第1全反射镜62、第2全反射镜63、第3全反射镜64和第4全反射镜65顺序反射，延迟后，再入射到束分裂器61中，同透过束分裂器61的激光进行合成，入射到强度分布成形装置30中。采用对延迟后的激光进行重叠的办法，可伸张激光的脉冲宽度，可调整激光照射作为硅膜的膜材料5的时间，因而可调整熔融了的非晶或多晶硅膜5的晶体生长时间，而得到颗粒直径大的晶体。这样，脉冲宽度伸长装置可以适当设定激光的脉冲宽度，因而可以调整晶体生长时间，激光热处理方法中，对各种薄膜，都可得到高性能的薄膜。
权利要求
1．一种激光热处理用光学系统，用于通过激光照射热处理基板上形成的膜材料，其特征是具备形成激光振荡器发射的激光束的剖面强度分布的强度分布成形装置，和在基板上的膜材料上形成长方形束形状的束形状成形装置，强度分布成形装置，将同激光束的光轴垂直的剖面内的y方向的激光束的强度分布均匀，且在剖面内与该y方向正交的x方向的激光束的强度分布维持在激光振荡器发射的激光束的强度分布；束形状成形装置，缩小或扩大由强度分布成形装置发射的激光束的x方向和/或y方向的束长度，将膜材料表面上的激光束作成x方向狭窄y方向伸长的长方形。
2．根据权利要求1所述的光学系统，其特征是强度分布成形装置由在y方向上面对且相互隔开配置的1对反射面构成，合成由反射面反射从激光振荡器发射的激光束的一部分而形成的反射光和该激光束的剩余部分通过反射面间隙而成的直射光，向束形状成形装置射入。
3．根据权利要求2所述的光学系统，其特征是上述1对反射面是在y方向面对、x方向平行的波导器件。
4．根据权利要求1所述的光学系统，其特征是强度分布成形装置包括在y方向被分割的、在x方向伸长的1对分割柱形透镜，合成从激光振荡器发射的激光束由分割柱形透镜产生折射光和通过上述激光束的柱形透镜间的间隙的直进光，向束形状成形装置射入。
5．根据权利要求1到4任一项所述的光学系统，其特征是束形状成形装置包括把在强度分布成形装置所得的y方向均匀分布复制到基板上的膜材料上的复制透镜，借助于复制透镜，在基板上的膜材料上形成长方形束形状的y方向。
6．根据权利要求1到4任一项所述的光学系统，其特征是束形状成形装置包括只对x方向的光强度分布进行聚光的聚光透镜，借助于聚光透镜，聚光于基板上的膜材料上。
7．根据权利要求6所述的激光热处理用光学系统，其特征是束形状成形装置是多个柱形透镜或球面透镜的组合。
8．根据权利要求1到4任一项所述的激光热处理用光学系统，其特征是所述光学系统包括用于遮断照射基板上膜材料的束的x方向成分的一部分，接近基板上膜材料配置的刀口。
9．根据权利要求1到4所述的光学系统，其特征是所述光学系统还包括把振荡器来的脉冲激光束分割成2个方向，给分割后的激光束提供光程差再进行合成的脉冲宽度伸长装置。
10．一种激光热处理装置，包括权利要求1～4所述的激光热处理用光学系统和装载基板可相对地扫描的载物台，由该光学系统照射的所述剖面长方形束，在x方向扫描基板上的膜材料表面，进行表面连续加热和冷却。
11．根据权利要求10所述的装置，其特征是激光振荡器具有330nm到800nm之间的振荡波长的脉冲激光振荡器。
12．根据权利要求10或11所述的装置，其特征是激光振荡器是发射固体激光谐波的振荡器。
13．一种半导体装置的制造方法，其特征是用根据权利要求1所述的激光热处理用光学系统照射基板上膜材料表面的剖面长方形状的激光束，在x方向扫描膜材料表面，进行表面的连续加热和冷却，制造长成粗大晶粒的半导体膜。
14．根据权利要求13所述的方法，其特征是激光热处理用光学系统的激光振荡器是具有330nm到800nm之间的振荡波长的脉冲激光振荡器。
15．根据权利要求13或14所述的方法，其特征是半导体膜材料是预先在基板上形成的非晶或多晶硅膜。
全文摘要
在激光热处理方法中,提供控制形成高性能薄膜用的激光照射剖面的光学系统。在向形成于基板上的膜上照射长方形束的光学系统中,通过用强度分布成形装置使长度方向的强度分布均匀,短边方向保持振荡激光的定向性等向的结构,能在振荡激光性质限制的界限内进行聚光,在基板上的膜上得到最大限度的强度梯度。因此,可在基板上的膜上形成陡峻的温度分布,其结果,可形成高性能薄膜。
文档编号H01L21/268GK1287381SQ0011874
公开日2001年3月14日 申请日期2000年6月23日 优先权日1999年6月25日
发明者冈本达树, 小川哲也, 古田啟介, 时冈秀忠, 笹川智宏, 西前顺一, 井上満悍, 佐藤行雄 申请人:三菱电机株式会社