专利名称：激光退火方法及激光退火装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及适合于将激光照射到形成于绝缘基板上的非晶质半导体膜或多晶半导体膜上来改善薄膜质量和扩大结晶颗粒或进行单晶化的激光退火方法及激光退火装置。
背景技术：
现在，液晶显示装置或有机EL显示装置等显示装置用由玻璃或溶融石英等基板上的非晶质或多晶硅膜所形成的像素晶体管(薄膜晶体管)开关来形成图像。假如可以同时在该基板上形成驱动像素晶体管的驱动器电路的话，就能够期望飞跃性地降低制造成本和提高可靠性。但是，在形成构成驱动器电路的晶体管(薄膜晶体管)的能动层的硅膜为非晶质的情况下，迁移率所代表的薄膜晶体管的性能较低，难以制作高速·高性能的电路。
为了制作这些高速高性能的电路，需要采用迁移率高的薄膜晶体管，为了实现这一目的而必须改善硅薄膜的结晶性。作为这种结晶性的方法，此前受激准分子激光退火方法受到关注，该方法是用受激准分子激光照射形成于玻璃等绝缘基板上的非晶质硅膜，使非晶质硅膜转变成多晶硅膜来改善迁移率。然而，利用受激准分子照射得到的多晶膜其结晶粒径在几十～几百nm左右，要应用于驱动液晶面板的驱动器电路等，性能还不够。
作为解决该问题的现有技术，在“日本公开专利特开2003-124136号公报”中揭示了通过将时间调制过的连续振荡激光会聚成线状后高速扫描照射来使结晶在扫描方向横方向生长，即形成带状结晶的方法。这是通过受激准分子激光退火处理使基板整个面多晶化后，仅在形成驱动电路的区域，在与形成的晶体管的电流通路(漏极-源极方向)一致的方向上扫描激光来使结晶颗粒横方向生长，结果，使得横切电流通路的晶界不存在，从而大幅提高迁移率。此外，还有作为相关技术的“日本公开专利特开2003-86505号公报”。
为了将上述现有技术使用的连续振荡YAG激光器二次谐波等固体激光整形成细长形，而采用结构复杂的多透镜阵列或万花筒，或用于降低可干涉性(相干性)的旋转扩散板作为均化器(光束整形器)，所以能量损失大。
另外，将激光光束的短方向整形成20微米左右的细长形，以100mm/s左右的扫描速度照射所要的区域，但能得到良好的横向生长结晶的能量条件范围窄，因能量变动易在硅膜上产生损伤。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术的问题，提供一种整形成不会产生能量损失、高效率的细长形，形成能量条件范围宽的高迁移率硅膜的激光退火方法及激光退火装置。
为了达到上述目的，本发明的激光退火方法及激光退火装置使用衍射光学元件或使用波尔(powell)透镜和柱面透镜的组合作为均化器(光束整形器)。另外，用成像透镜缩小投影整形后的光束，能够得到短方向尺寸(或者扫描方向尺寸)为所要尺寸的细长形光束。这时光束在扫描方向的尺寸可以达到2～10μm，更好是2～4μm。扫描速度最好是300～1000mm/s，500～1000mm/s更好。另外，本发明并不限定于以上结构，可以在不脱离本发明的构思的范围内有各种变更。
采用本发明的激光退火方法以及激光退火装置，使用结构简单的衍射光学元件或使用波尔(powell)透镜和柱面透镜的组合作为均化器(光束整形器)，能够以很小的能量损失整形成细长形的光束。
另外，用成像透镜缩小投影整形过的光束形状，就能够得到短方向尺寸(或扫描方向尺寸)为所要尺寸的细长形光束。这时光束在扫描方向的尺寸为2～10μm，2～4μm更好。扫描速度最好是300～1000mm/s，500～1000mm/s更好，这就能够进行在激光照射区域内可形成带状结晶的良好的退火处理。
采用本发明，可稳定得到迁移率高的硅膜，能够得到性能优良的薄膜半导体装置基板。另外，适用于以液晶显示装置或有机EL显示装置为代表的显示装置的制造，就能够实现所谓的系统化。
参照附图所作的如下描述将使本发明的这些和另外的特征、目的和优点更加清楚。
图1是本发明的一个实施例的激光退火装置的结构图。
图2是适用于本发明的一个实施例的激光退火装置的衍射光学元件方式的均化器的说明图。
图3是可适用于本发明的一个实施例的激光退火装置的波尔(powell)透镜方式的均化器的说明图。
图4是在改变整形光束短方向的尺寸的情况下能够实施良好的退火处理的功率密度范围曲线图。
图5是在改变整形光束的扫描速度的情况下能够实施良好的退火处理的功率密度范围曲线图。
图6是在改变整形光束短方向的尺寸的情况下能够实施良好的退火处理的平均能量密度的下限值的曲线图。
图7是本发明的一个实施例的激光退火方法的说明图。
图8是照射整形光束来在非晶质硅膜基板上形成带状结晶的状况的说明图。
图9是照射整形光束来在多晶硅膜基板上形成带状结晶的工序的说明图。
图10是用在图9形成的带状结晶形成薄膜晶体管的工序的说明图。
图11是由多个面板构成的基板的说明图。
图12是以一个面板内的信号线驱动电路为例说明带状结晶区域的各种配置的说明图。
具体实施例方式
以下参照实施例的图详细说明本发明。
图1是本发明的一个实施例的激光退火装置的光学结构图。该光学结构由以下部件构成由激励用LD(激光二极管)1和光导纤维2连接起来产生连续振荡激光3的激光振荡器4、进行激光3开/关的快门5、用来调整激光3的能量的透过率连续可变的ND滤波器6、用来对从激光振荡器4输出的激光3进行时间调制来实现脉冲化和能量的时间调制的调制器7、用来调整激光3的光束直径的光束扩束器(光束缩束器)9、将激光3整形成细长形如线形、矩形、椭圆形、长圆形的光束的光束整形器10、用来将整形过的激光3的长方向调整到规定尺寸的矩形开口隙缝11和将用光束整形器10整形成细长形的激光光束像缩小投影到安置在XY工作台12上的基板13上的成像透镜14。
这里，所说明的是用电光学调制器(以下称为EO调制器)7a和偏振分束器8作为调制器7的例子，但并不限定于此。
下面，详细说明各部分的动作和功能。连续振荡激光3的波长最好是可被作为退火对象的非晶质或多晶硅薄膜吸收的波长，即从紫外波长到可见光波长，更具体地说可以用Ar激光器或Kr激光器的二次谐波、Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器、Nd:YLF激光器的二次谐波以及三次谐波等。其中，考虑到输出的大小以及稳定性，最好是LD(激光二极管)激励Nd:YAG激光器的二次谐波(波长532nm)或Nd:YVO4激光器的二次谐波(波长532nm)。在以下的说明中，对使用LD激励Nd:YVO4激光器的二次谐波的情况进行说明。
快门5使从激光振荡器4振荡的激光3通/断(ON/OFF)。即，激光振荡器4在一直以恒定的输出产生激光3的状态下，快门5通常处于关闭状态，激光3被快门5挡住。仅在照射激光3的情况下，打开快门5(处于ON状态)输出激光3。虽然使激励用激光二极管1导通/截止就可以进行激光3的通/断，但为了确保激光输出的稳定性而并不希望这样。此外，从安全上考虑在想要紧急停止激光3的照射的情况下，只要关闭快门5就可以。
通过了快门5的激光3透过用于调整输出的透过率连续可变的ND滤波器6而入射到调制器7上。作为透过率连续可调的ND滤波器6最好是激光透过后偏振方向不旋转的滤波器。但是，如后面所说的那样，在采用不受偏振方向影响的AO调制器作为调制器7的情况下，就不受此限制。EO调制器7a经驱动器(未示出)在波克尔斯盒(晶体)(图中以符号7a图示出)上施加电压，使透过晶体的激光3的偏振方向旋转，置于晶体后方的偏振分束器8能够仅使P偏振分量通过，使S偏振分量偏转90度来进行激光3的通/断以及输出的调节。但是，利用EO调制器7a的输出的调整在本实施例中不是必需的功能，只进行激光3的通/断就足够了。
交替施加用于使激光3的偏振方向旋转成相对于偏振分束器8以P偏振光入射的电压V1和用于使激光3的偏振方向旋转成以S偏振光入射的电压V2，或在V1和V2之间任意变化的电压来对激光3进行时间调制。在图1中，作为EO调制器7a是以组合波克尔斯盒和偏振分束器8来说明的，但也能采用各种偏振元件代替偏振分束器。另外，图1中直至波克尔斯盒部分都作为EO调制器来说明，但由于也有以包括直到各种偏振元件的状态作为EO调制器在市场销售的情况，所以有时也把组合了波克尔斯盒和偏振分束器8(或者各种偏振元件)的整体称为EO调制器。
另外，作为调制器7的其他实施例，还可以使用AO(声光学)调制器。一般说来，AO调制器与EO调制器相比，驱动频率低，衍射效率为70～90％，与EO调制器相比，效率也差，但是即使在激光不是直线偏振光的情况下也能够进行通/断，即使使用透过激光的偏振方向旋转的滤波器作为透过率连续可变ND滤波器6的情况下也不会产生问题。这样，使用EO调制器7a(以及偏振分束器8)或AO调制器等调制器7，就能够从连续振荡激光在任意时刻得到具有任意波形(能量随时间变化)的激光。即，能够进行所期望的时间调制。
用于调整光束直径的扩束器(或缩束器)9调整光束直径后，经时间调制过的激光3入射到光束整形器10上，光束整形器10是用于将激光3整形成细长形的光束的光学元件。通常，由于气体激光器和固体激光器具有高斯型的能量分布，就这样还不能用于本发明的激光退火处理。如果振荡器输出不够大，光束直径很宽，仅切出中心部位比较均匀的部分，就能够得到几乎均匀的能量分布，但舍弃了光束的周边部分，大部分的能量都被浪费了。为了解决该缺点，使用光束整形器10将高斯型的分布变换为均匀的分布。
可以使用衍射光学元件22作为光束整形器10，通过光刻蚀工艺使衍射光学元件22在石英等基板上形成细微的台阶，将透过各台阶部分的激光形成的衍射图案在成像面(矩形开口隙缝11)上合成，结果在成像面(矩形开口隙缝11)上得到所期望的能量分布。
图2是可以用于本发明的一个实施例的激光退火装置的衍射光学元件方式的均化器的说明图。这里所用的衍射光学元件22被设计制作成通过入射具有如图2所示那样的功率密度的激光21能够在一个方向(图2(a)所示的x方向)呈均匀分布，并且在其直角方向(图2(b)所示的y方向)会聚成高斯分布。从而得到使用了衍射光学元件22的情况下的长方向的强度分布为±3％左右的均匀分布。
图3是可以用于本发明的一个实施例的激光退火装置的波尔(powell)透镜元件方式的均化器的说明图。可以用图3所示的波尔(powell)透镜23和柱面透镜24的组合来代替衍射光学透镜22作为光束整形器10。波尔(powell)透镜23是柱面透镜的一种，如图3(a)所示，在入射高斯分布的激光21的情况下，中心部分的能量密度高的部分稀疏，周边部分的能量密度低的部分变密而在投影面(图1中为矩形开口隙缝11面)上成像。相对于与图3(a)所示的面成直角的方向，即与纸面垂直的方向，由于用波尔(powell)透镜23单体能量分布不会有变化，所以如图3(b)所示，由柱面透镜24会聚。
结果，就在矩形开口隙缝11面上形成在长方向(图3(a)所示的方向)具有均匀的能量分布而在短方向(图3(b)所示的方向)具有高斯分布的细长形光束，使用波尔(powell)透镜23的情况下，在长方向的强度分布得到±5％左右的均匀分布。
另外，根据需要，长方向的光束周边部的能量密度变化大的部分，或者下摆边缘部分(在衍射光学元件的情况下为高次衍射光)被矩形开口隙缝11挡住，得到前后沿陡峭的能量分布。
这里，根据图8来说明扫描照射被时间调制过且整形成细长光束状的连续振荡激光的情况下的非晶质硅薄膜的变动。
图8说明的是照射整形光束而在非晶质硅膜基板上形成带状结晶的状况。如前所述，在本实施例中，用在玻璃基板上形成有非晶质硅薄膜的基板200作为退火对象。如图8(a)所示，让会聚成细长状的激光201在非晶质硅膜200上扫描，照射到区域202。以适当的功率密度照射的情况下，激光照射区域202以外的非晶质膜200原封不动地存留下来，激光照射区域202内的非晶质硅熔融。
然后，因激光201的通过而急剧凝固并结晶。这时，如图8(b)所示，最初从熔融区域的硅开始冷却并凝固，形成具有随机结晶取向的微晶204。各微晶在激光的扫描方向继续生长，但由于其生长速度因结晶取向而异，最终仅具有生长速度最快的结晶取向的结晶颗粒继续生长。即，如图8(b)所示，具有生长速度最慢的结晶取向的结晶颗粒205受到周围的具有生长速度快的结晶取向的结晶颗粒206、207的生长的抑制，而终止了结晶生长。
具有中等生长速度的结晶取向的结晶颗粒206持续生长，还受到生长速度快的结晶颗粒207、208的生长的抑制，也停止了结晶生长。最终，具有生长速度最快的结晶取向的结晶颗粒207、208持续生长。但是，并不是无限制地生长，一旦生长到5～50μm左右的长度，又受到开始新的生长的结晶颗粒的抑制，结果就得到宽度0.2～2μm、长度5～50μm的结晶颗粒。
这些结晶生长一直持续到最后的结晶颗粒207、208、209、210、211、212在严格意义上来说是独立的结晶颗粒，但具有几乎相同的结晶取向，熔融再结晶部分就成为硅结晶在横方向生长由带状结晶颗粒构成的多晶膜。该多晶膜实际上能够看作是单晶(赝单晶)。但是，在该激光退火后表面的凹凸在10nm以下，呈极为平坦的状态。
如上所述，把激光201照射到上述非晶质硅膜上，被激光照射的区域就被退火成岛状(花砖状)，仅具有特定结晶取向的结晶颗粒生长，严格地说是多晶的状态，但是形成具有几乎接近单晶性质的区域。特别是，在不横切晶界的方向实际上可以认为是单晶。该硅膜的迁移率为400cm2/Vs以上，得到典型的迁移率为450cm2/Vs。
在玻璃基板上形成多晶膜的情况下也得到同样的结果。在激光照射开始时，由于存在多晶，这些结晶颗粒分别成为籽晶，与非晶质的情况下一样，在激光的扫描方向上，结晶向横方向生长。这些横方向生长的带状结晶与从非晶质状态生长没有区别。
这里，说明在绝缘基板上经绝缘膜以50nm的膜厚形成的非晶质或多晶硅薄膜上使整形光束的短方向的尺寸以及扫描速度变化来进行退火处理的结果。首先，图4示出在使扫描速度恒定为300mm/s，使整形成细长形的激光的短方向尺寸变化的情况下，能够使非晶质硅膜形成良好的带状结晶的功率密度范围。
图4示出的是使整形光束的短方向尺寸变化的情况下能够实施良好的退火处理的功率密度范围。图4中，横轴以μm为单位表示整形成细长形的激光的短方向(宽度)尺寸，纵轴以MW/cm2为单位表示整形成细长形的激光的最大功率密度。这里所示的最大功率密度是在短方向的中心的功率密度，由于短方向为高斯分布，所以以2倍于平均功率密度的值来表示。
对具有高斯分布的轮廓的激光来说，所谓平均功率密度是以最大功率密度(中心的功率密度)为1时直至13.5％的部分为光束直径(这里为短方向光束宽度)，将全功率在该光束直径(光束宽度)内平均化后的值。在高斯分布的情况下，最大功率密度的1/2就是平均功率密度。这里，良好的意思是指在被激光照射的硅膜熔融再凝固时结晶沿激光扫描的方向横方向生长，大的晶粒形成带状。
图4中，阴影区域是能够实现带状结晶的范围。在阴影区域以下的条件下，被激光照射到的硅膜为非晶质的情况下，虽然多晶化了但不能够横方向生长，结晶颗粒小，即所谓微晶状态。被激光照射的硅膜是受激准分子激光或固体脉冲激光等的照射所形成的多晶膜的情况下，形成带状结晶的最大功率密度的下限值向高功率密度侧移动5～10％。该情况下，由于在功率密度低的条件下硅膜完全不熔融，几乎不发生结晶生长。另一方面，比阴影区域更上的条件下，与激光照射到的硅膜的种类无关，熔融的硅因表面张力而凝集，成为已经不是均匀的硅膜的状态。
从图4可清楚知道，随着短方向尺寸的减少，必要的功率密度增加，但是功率密度范围急剧加宽。图4中，整形过的光束在短方向的尺寸为3.0μm的情况下，能够实现良好的退火的光束中心的最大功率密度的下限值为0.45MW/cm2，最大功率密度的上限值为1.04MW/cm2。这里，整形成细长形的光束的短方向的尺寸为3.0μm的情况下，使用输出10W的振荡器作为激光振荡器4，考虑到中途在光学系统元件表面的反射损耗，长方向的尺寸可以取为500μm左右。
图5所示的是使整形成细长形的光束的短方向的尺寸恒定为3.0μm，使扫描速度变化的情况下，能够使非晶质硅膜形成良好的带状结晶的功率密度范围。
图5是使整形后的光束的扫描速度变化的情况下能够实施良好的退火处理的功率密度范围的曲线图。图5中，横轴是以mm/s为单位的激光扫描速度，纵轴是以MW/cm2为单位的功率密度。这里所示的功率密度与图4一样，是在短方向的中心的功率密度，由于短方向为高斯分布，所以是2倍于平均功率密度的值即最大功率密度。这里，与图4中的说明一样，所谓良好是指在被激光照射的硅膜熔融再凝固时结晶沿激光扫描的方向横方向生长，形成大的结晶颗粒，即形成带状结晶。
图5中，阴影区域是能够实现良好的退火的范围。在阴影区域以下的条件下，被激光照射到的硅膜为非晶质的情况下，虽然多晶化了但结晶颗粒小，即所谓微晶状态。另外，在功率密度小的情况下，硅膜不熔融，依然是非晶质硅膜。在进行实验的范围内，可进行良好的退火的功率密度的下限值随扫描速度的增加稍微增加，但是变化不大。
另一方面，在阴影区域以上的条件下，不因激光照射到的硅膜的种类而熔融，硅因表面张力而凝集，已经成为不存在均匀的硅膜的状态。从图5还可以知道，随着扫描速度的增加，所需要的功率密度仅增加一点，导致凝集的功率密度急剧增加。因此，最终扫描速度增加的同时，能够进行良好的退火的功率密度范围也急剧变宽。如图5所示，以高速进行扫描，良好的功率密度的上限值急剧增加，这是因为以高速进行扫描使硅熔融的时间缩短，难以发生硅膜的凝集。
图6中示出以扫描速度为参数在使整形成细长形的激光的短方向尺寸变化时的良好的退火处理即硅膜熔融后再凝固时结晶在激光扫描的方向横向生长，可形成带状结晶颗粒的平均能量密度的下限值。
图6是使整形光束的短方向的尺寸变化时能够实施良好的退火处理的平均能量密度的下限值的曲线图。图6中，图示中从上开始依次是扫描速度v＝50mm/s、150mm/s、300mm/s、500mm/s的4条曲线。图6中，横轴是以μm为单位的整形成细长形的激光的短方向(宽度)尺寸，纵轴是以J/cm2为单位的退火处理所需要的平均能量密度的下限值。
这里，平均能量密度是从光束的平均功率密度即图4和图5所示的最大功率密度的1/2的值和通过短方向的尺寸即中心的功率密度的13.5％的部分所需要的时间计算出来的。即，所照射的能量密度是以照射的激光的最大功率密度的1/2和通过时间(短方向尺寸/扫描速度)之积计算出来。简单地考虑的话(忽略热向玻璃基板等的扩散)，将短方向尺寸取半(激光通过的时间也变成一半)，功率密度加倍，所照射的能量密度不变。这样考虑的话，图6中扫描速度恒定的情况下，可以进行退火处理的能量密度的下限值恒定而与短方向尺寸无关，即曲线图肯定与X轴平行。
但是，图6所示的结果可知，随着短方向尺寸减小，所需的能量密度也减小。同样，从图6可知，高速扫描时所需的能量密度也小。这是因为，减小短方向尺寸，或增大扫描速度，或是两者同时进行，热向基板的扩散就减少。即，短方向的尺寸越小，或者高速扫描，能量效率就越高。
这意味着减小短方向尺寸能够增大长方向尺寸。即，这意味着即使把短方向尺寸减半也不必使功率密度增为2倍，能够以多余的功率使长方向的尺寸变大。这里的长方向尺寸相当于在扫描激光时能够进行退火处理的宽度。即，意味着能够扩大一次扫描可退火的宽度，能够提高产量。另外，增大扫描速度对提高产量也有效。
在以光束整形器10单体就能够整形成所要的尺寸和形状的情况下，能够就这样照射到基板上进行退火处理。然而，在使用衍射光学元件作为光束整形器10的情况下，以现在的光刻蚀技术难以制作可以会聚到数微米的光束直径(相当于本实施例中短方向的光束宽度)的衍射光学元件。即，由于受到刻蚀精度以及刻蚀所形成的台阶数的限制，要会聚到波长的2～3倍左右，即相对这里所使用的532nm的波长为1μm左右的光斑，或者将本发明中整形光束的短方向尺寸会聚到1μm左右相当困难。
这意味着，如前面说明的那样，在最适合激光退火的短方向的尺寸有限。为此，如图1所示的那样，首先用光束整形器10将入射的高斯分布的激光整形成必要的短方向的尺寸的几倍～几十倍的大小的细长形光束。然后，用成像透镜14缩小投影。也可以根据需要在细长形的光束的成像位置设置矩形开口隙缝11挡住下摆边缘部分，对光束形状进行整形。
通过了矩形开口隙缝11的激光被成像透镜14缩小成几分之一或10分之一投影到放置在工作台12上的基板13表面上。例如，用光束整形器10在矩形开口狭缝11的面上将短方向的尺寸整形成15μm，使用5倍的成像透镜14缩小至1/5，或者以光束整形器10将短方向尺寸整形成60μm，使用20倍的成像透镜14缩小至1/20，就能够将短方向尺寸为3μm的细长形的激光照射到基板13的表面上。这样，一边使安置在基板13上的工作台12移动，一边以上述条件照射激光，就能够使硅结晶沿激光的扫描方向横方向生长，形成带状的结晶颗粒。
对于扫描速度，即使以比结晶生长速度(几m/s)更快的速度扫描，结晶也不生长。这样，结晶的生长速度就为扫描速度的上限。另外，考虑高速长时间(长期间)扫描1m角以上的大型玻璃基板的话，按现有技术，扫描速度的限制为1m/s(1000mm/s)左右。
从以上可知，将短方向的尺寸作成2～10μm；最好是如从图6所知道的那样能以小的能量密度退火的短方向的尺寸2～4μm，扫描速度为300～1000mm/s；更好的是如从图5所知道的那样能够使可以进行良好的退火处理的功率密度范围变大的500～1000mm/s的条件最适合于进行膜厚40～200nm的硅膜的退火处理。
照射到基板上的激光的长方向的尺寸最好是比作为照射对象的半导体薄膜的宽度更小。假设，预先将半导体薄膜作成图案等使宽度变窄，照射激光使得激光的长方向从半导体薄膜露出来的情况下，在半导体薄膜的端部就易于发生凝集，结晶方向杂乱的区域变大。对此，使照射到基板上的激光的长方向的尺寸比作为照射对象的半导体薄膜的宽度更小，由于在照射区域内半导体薄膜的端部没有了，热就能够散到照射区域外，就不易发生凝集，还能够抑制结晶方向杂乱的区域的扩大。
而且，从实现良好的退火处理的观点来看，最好在基板13的主面上将向垂直方向(Z方向)的基板13的表面位置的变动保持得很小。例如，因基板13的弯曲或基板厚度的变动或形成于基板13上的膜的凹凸等而发生这样的变动。为此，也可以设置自动聚焦机构，但在上述那样以高速扫描基板13的情况下，要使光学系统或工作台12沿Z方向高速移动会有困难。为此，使用例如基板的弯曲或基板厚度的变动小的基板，最好将因Z方向的变动引起的投影到基板13表面的激光的短方向的宽度变化保持在10％以内，即把平均能量密度的变化保持在10％以内。
然后根据图7来说明用上述的激光退火装置实施的本发明的一个实施例的激光退火方法。
图7是本发明的一个实施例的激光退火方法的说明图。作为这里所使用的基板13最一般用的是经绝缘薄膜(未示出)在玻璃基板101的一个主面上形成膜厚为40～200nm的非晶质硅薄膜，再通过受激准分子激光或固体脉冲激光全面扫描来结晶成多晶硅薄膜102的多晶硅薄膜基板。这里，绝缘薄膜是SiO2或SiN或它们的复合膜。将该利用受激准分子激光或固体脉冲激光退火得到的多晶薄膜102用作像素的切换用晶体管。但是，如果在像素部的多晶化后再实施，也可以对形成有非晶质硅膜的基板实施本发明。
用传送机械手(未示出)等将形成有多晶硅薄膜102的基板13放置并固定在XY工作台12上。在该多晶硅薄膜基板13的几个地方用激光形成校准标记，检测出所形成的校准标记并进行校准。也可以预先用光刻蚀工艺形成校准标记，也可以用喷墨的方法来形成校准标记。或者也可以在基板13被放置并固定到工作台12上的阶段用退火用激光或另外设置的校准标记形成用激光来形成。
另外，在使用没有形成校准标记的多晶硅基板的情况下，也可以把压基板13的端面顶靠到设置在XY工作台12上的销柱(未示出)上进行校准。把压基板13的端面顶靠到设置在XY工作台12上的销柱(未示出)上等进行校准，既可以在规定区域的激光退火处理全部结束之后，在与退火区域有一定关系的位置上用激光形成校准标记，也可以用退火区域本身来代替校准标记。
只要该校准标记或退火区域本身能够用于激光退火工序后的最初的光刻工序(通常是硅薄膜的刻蚀工序)中曝光用光刻掩模的定位就可以。此后的光刻工序中，可以用该最初的光刻工序(刻蚀工序)形成新的校准标记来使用。
校准结束后，以检测到的校准标记位置(或基板端面)为基准根据设计上的坐标，首先，如图7(a)所示，在漏极线(信号线)驱动电路部104上扫描照射激光103；调制器7以任意的照射时间宽度切出激光3，由光束整形器10整形成细长形的光束，在矩形开口隙缝11面上成像。成像透镜14把成像的激光缩小成成像透镜倍率的倒数的大小，并投影到基板表面上。即，作为成像透镜，使用5倍透镜时缩小到1/5的大小，使用20倍透镜时缩小到1/20。
成像透镜14将被投影的激光103作为细长形光束照射到多晶硅薄膜102表面上，同时，高速移动XY工作台12，使细长形光束向与光束的长方向正交的方向(短方向)扫描，就能够将激光照射到需要退火的区域。这时，细长形的光束的短方向(宽度方向)在10μm以下，最好是2～4μm；长方向依振荡器输出而异，在振荡器输出为10W的情况下被整形成100μm～1mm。扫描速度也依硅膜厚或线状光束的短方向的尺寸而异，在短方向尺寸为2～4μm时，合适的扫描速度范围为300～1000mm/s，最好是500～1000mm/s。
本实施例或图4～图6的说明是假定在与激光的长方向正交的方向(短方向)扫描激光的情况，但本发明并不现定于此。例如，使激光的扫描方向与激光的长方向交差(不限于正交)的情况下，图4～图6中说明的短方向的尺寸可以考虑与在激光的扫描方向测得的尺寸对换。激光的扫描方向与激光的长方向正交的情况下，激光的扫描方向测得的尺寸与短方向的尺寸相等。
这里，参照图9来说明被时间调制过的、扫描照射整形成细长形的连续振荡激光的情况下的多晶硅薄膜的变动。
图9是照射整形光束以在多晶硅膜基板上形成带状结晶的工序的说明图。如图9(a)所示，使会聚成细长形的激光301在多晶硅膜300上扫描，照射到区域302。以适当的功率密度照射的情况下，激光照射区域302以外的多晶硅膜300原样保留下来，但激光照射区域302内的多晶硅膜熔融。此后，因激光301的通过急速地凝固并结晶。这时，如图9(b)所示，在照射开始部位从最初熔融的区域的硅开始冷却并凝固，但与激光照射区域302相接的结晶颗粒例如304就成为籽晶，沿激光的扫描方向结晶生长。
但是，由于其生长速度因结晶的取向而异，最终仅具有生长速度最快的结晶取向的结晶颗粒持续生长。即，如图9(b)所示，具有生长速度低的结晶取向的结晶颗粒305被周围的具有快的生长速度的结晶取向的结晶颗粒306、307的生长所抑制，结晶生长终止。另外，具有中等生长速度的结晶取向的结晶颗粒306虽然继续生长，但被生长速度更快的结晶颗粒307、308的生长所抑制，结晶生长不久就终止了。最终，具有结晶生长速度最高的结晶取向的结晶颗粒307、308继续生长。但是，并不是无限制地生长，一旦生长到5～50μm左右的长度，由于被不久新开始生长的结晶颗粒所抑制，被分割成几个结晶颗粒，结果，得到宽度为0.2～2μm、长度5～50μm的结晶颗粒。
这些一直到最后持续结晶生长的结晶颗粒307、308、309、310、311、312从严格意义上来说是独立的结晶颗粒，但具有几乎相同的结晶取向，熔融再结晶的部分的硅晶体横方向生长，成为由带状结晶颗粒构成的多晶膜。实际上该多晶膜可以看成是单晶(赝单晶)。但是，该激光退火后的表面的凹凸在10nm以下，是极为平坦的表面状态。
图10说明的是由在图9中形成的带状结晶形成薄膜晶体管的工序。如在图9说明的那样，将激光301照射到多晶硅薄膜300上，激光301照射过的区域302退火处理成岛状(花砖状)，仅具有特定的结晶取向的结晶颗粒生长，严格意义上来说是多晶状态，但形成的是具有几乎接近单晶的性质的区域。如图10(a)所示的那样，在退火处理后实施光刻蚀工序形成岛状的硅薄膜区域350、351，在规定区域经过杂质扩散、栅极绝缘膜形成等工序，如图10(b)所示的那样形成栅极353、源极354、漏极355，这就完成了薄膜晶体管(TFT)。
如图10(b)所示，使带状结晶的晶界方向(结晶的生长方向)与电流的流动方向一致，由于电流不横切晶界，实质上可以认为是单晶。作为这时的硅膜的迁移率，在400cm2/Vs以上，典型的是450cm2/Vs。
在非晶质硅膜形成于玻璃基板上的情况下，如用图8说明的那样，得到同样的结果。在激光照射开始部位产生的微晶成为籽晶，与多晶硅膜的情况一样，结晶沿激光的扫描方向横方向生长。从非晶质状态形成的情况下和从多晶状态形成的情况下，这些横方向生长的带状结晶没有差别。
如图7(a)所示，一旦在漏极线(信号线)驱动电路部104上扫描照射激光103，照射到的部分的多晶硅膜(或者非晶质硅膜)102熔融，激光103通过后，再凝固，以残留在照射开始部位的多晶膜结晶为籽晶，结晶颗粒沿激光103的扫描方向横方向生长，生长出带状结晶颗粒的集合体，即所谓赝单晶。该赝单晶从严格意义上来说是独立的结晶颗粒的集合体，但结晶取向几乎完全相同，实际上可以把熔融再结晶的部分看作是单晶。
图11是由几个面板构成的基板的说明图。在图7中作为玻璃基板只示出了一个面板大小，实际上如图11所示那样在基板401上形成多个面板402。如放大一块面板部分的图所示的那样，面板402内部形成有像素区域403、信号线驱动电路区域404、扫描线驱动电路区域405、其它周边电路区域406等。在着眼于信号线驱动电路区域404的情况下，在图7(a)中示出连续在一个面板内照射激光103，但是也可以用调制器7重复使激光103通/断，来形成被分割成几块的带状结晶区域。
图12是以一个面板内的信号线驱动电路为例来说明带状结晶区域的各种配置。如图12(a)所示，可以把信号向驱动电路区域104作为一个带状结晶区域421，通常使带状结晶区域421比信号线驱动电路区域420大1～50μm(最好是10～50μm)左右。这是由带状结晶区域421的最外部边缘的结晶状态杂乱的区域的宽度、退火装置的照射位置精度以及作为后续工序的光刻蚀工序中的曝光位置精度来决定的。
另外，也可以如图12(b)所示，由几次扫描(图12(b)中为3次或1个半来回)分割成带状结晶区域431、432、433来形成。这时，既可以设定为使第一次和第二次、第二次和第三次的扫描区域完全相接，也可以设置1～10μm的间隔，还可以设置1～10μm的重叠部。
另外，如图12(c)所示，可以用调制器7进行调制，以一次扫描设定1～10μm的间隔而分割成几个带状结晶区域441的退火处理，也可以以两次扫描(一个来回)在一个地方退火，使带状结晶区域441、442相接或者也可以设置1～10μm的重叠部。
如图12(d)所示，可以以几次扫描分割(在图12(d)中为3次或1个半来回)再在各扫描时用调制器7进行调制，以一次扫描设定1～10μm的间隔形成多个带状结晶区域451、452等，也可以以两次扫描(一个来回)在一个地方对一列进行退火，使带状结晶区域451、452相接或者也可以设置1～10微米的重叠部。
另外，在对带状结晶区域461以及471的列进行退火处理的情况下，也可以在各列之间设置间隔，也可以连接起来，也可以使它们重叠。不管用哪种方法，至少，为了在面板与面板的间隙部分更新结晶生长，必须要有激光处于中断状态，或者成为横方向生长停止的能量密度。另外，由于各带状结晶区域的1～10μm的外周边缘部分、或者带状结晶区域的重叠部、或者带状结晶区域间的间隙为与带状结晶不同的结晶状态，所以必须设计和布局成在该区域不形成晶体管。
对漏极线(信号线)驱动电路部104的激光照射结束后，使容纳光束整形器后面的图像旋转器(未示出)的容器旋转并将整形成细长形的光束绕光轴旋转90度且使工作台的扫描方向改变90度，或者使光束整形器绕光轴旋转90度，使扫描方向也改变90度，就能够如图7(b)所示那样使整形成细长形的光束与对漏极线(信号线)驱动电路部104的激光照射同样地使激光103扫描的同时照射栅极线(扫描线)驱动电路部106。在使基板旋转后，当然需要用校准标记再次进行校准。
或者，不是使整形成细长形的光束旋转，也可以是使基板旋转90度，使工作台也向同一方向移动。只要是使扫描方向相对地旋转90度就可以。另外，在迁移率高的硅膜仅需要信号线驱动电路部的情况下，也可以不将本发明应用于后述的扫描驱动电路区域以及其它周边电路部。该情况下，用由受激准分子激光或固体脉冲激光退火了的硅膜来形成扫描驱动电路区域以及其它周边电路部。
在图7(b)中，在一个面板内照射连续的激光103，但与对信号线驱动电路部进行退火的情况下一样，也可以用调制器7重复激光103的/断，来形成分割成几块的带状结晶区域。但是，至少，为在面板与面板的间隙部分更新结晶生长，作成使激光处于中断状态或横方向成长停止的能量密度。另外，在图7(b)中，一次扫描就完成了对栅极线(扫描线)驱动电路部106的激光照射，但一次扫描的照射宽度(整形成线状的光束的长方向尺寸)依赖于激光103的输出，在一次扫描不能够对规定区域全体进行退火的情况下，也可以根据需要进行多次扫描。这些与对信号线驱动电路区域进行退火的情况也是一样的。
其次，根据需要如图7(c)所示那样，在接口电路部等周边电路部107，以与激光扫描漏极线(信号线)驱动电路部104以及栅极线(扫描线)驱动电路部106相同地，一边照射激光103一边扫描工作台，完成对基板13的激光退火处理。处理结束的基板13被传送机械手(未图示)等移走，然后送入新的基板继续退火处理。
利用以上方法，能够将整形成细长形的进行了时间调制的连续振荡激光照射形成于玻璃基板上的非晶质或多晶硅膜的漏极线(信号线)驱动电路区域104、栅极线(扫描线)驱动电路区域106以及根据需要照射其它周边电路区域107。利用该照射，熔融硅膜，激光通过的同时再凝固，结晶颗粒在激光的扫描方向横方向生长，形成带状结晶区域。这时所形成的结晶颗粒的大小因硅膜厚度以及激光照射条件而异，但一般说来相对于激光的扫描方向为5～50μm，相对于激光的扫描方向在正交方向为0.2～2μm左右。使形成于玻璃基板上的TFT(薄膜晶体管)的源、漏极方向与结晶的生长方向(激光的扫描方向)一致，就能够形成高性能的晶体管。这样，本发明的激光退火方法以及激光退火装置能够应用于以使用TFT的液晶显示装置或有机EL显示装置为代表的各种显示装置的制造中。
另外，在到此为止说明的实施例中，作为激光3用的是连续振荡激光，但是也可以将本发明用于使用脉冲振荡激光的装置。
虽然已经描述了本发明的几个实施例，但在不背离本发明的构思的范围内可以容易地作出各种变化和变型，因此，本发明不被限定于详细的描述，而所有的变化和变型均覆盖在所附的权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种激光退火装置，具备产生激光的激光振荡器、把振荡的激光整形成细长形的光束整形器和用于安置·移动应照射被整形成细长形的激光的基板的工作台，其特征在于所述光束整形器由衍射光学元件构成或者由波尔(powell)透镜和柱面透镜的组合构成；并具备使由所述光束整形器整形成细长形的激光缩小投影到所述基板上使照射到所述基板上时短方向的尺寸为2～10μm的成像透镜。
2.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于所述激光振荡器是产生连续振荡激光的激光振荡器。
3.一种激光退火装置，具备产生连续振荡的激光的固体激光振荡器、对振荡的激光进行时间调制的调制器、把所述激光整形成细长形的光束整形器和用于安置·移动应照射进行了时间调制且被整形成细长形的激光的基板的工作台，其特征在于所述光束整形器由衍射光学元件构成或者由波尔(powell)透镜和柱面透镜的组合构成；并具备使被所述光束整形器整形成细长形的激光缩小投影到所述基板上使照射到所述基板上时短方向的尺寸为2～10μm的成像透镜。
4.一种激光退火方法，将在一个主面上形成有非晶质硅膜或多晶硅膜的基板放置在工作台上；将整形成细长形的激光沿着与被整形成细长形的激光的长方向交叉的方向扫描照射在所述基板上的非晶质硅膜或多晶硅膜的所要的区域上；其特征在于照射在所述基板上的被整形成细长形的激光的长方向比形成于所述基板上的非晶质硅膜或多晶硅膜的宽度更小，在上述激光的扫描方向测得的尺寸在2～10μm的范围。
5.如权利要求4所述的激光退火方法，其特征在于所述激光为连续振荡激光。
6.一种激光退火方法，将在一个主面上形成有非晶质硅膜或多晶硅膜的基板放置在工作台上；将被时间调制过且整形成细长形的连续振荡激光沿着与被整形成细长形的激光的长方向交叉的方向扫描照射在所述基板上的非晶质硅膜或多晶硅膜的所要的区域上；其特征在于照射在所述基板上的被整形成细长形的激光的长方向比形成于所述基板上的非晶质硅膜或多晶硅膜的宽度更小，在上述激光的扫描方向测得的尺寸在2～10μm的范围。
7.如权利要求4所述的激光退火方法，其特征在于在照射在所述基板上的被整形成细长形的激光的扫描方向测得的尺寸在2～4μm的范围。
8.如权利要求6所述的激光退火方法，其特征在于在照射在所述基板上的被整形成细长形的激光的扫描方向测得的尺寸在2～4μm的范围。
9.如权利要求4所述的激光退火方法，其特征在于所述激光的扫描速度在300～1000mm/s的范围。
10.如权利要求6所述的激光退火方法，其特征在于所述激光的扫描速度在300～1000mm/s的范围。
11.如权利要求4所述的激光退火方法，其特征在于所述激光的扫描速度在500～1000mm/s的范围。
12.如权利要求6所述的激光退火方法，其特征在于所述激光的扫描速度在500～1000mm/s的范围。
13.如权利要求4所述的激光退火方法，其特征在于将所述激光在所述基板上照射扫描，由此将形成于所述基板表面的非晶质硅膜或多晶硅膜变换成在所述激光的扫描方向上横方向生长成带状的多晶硅膜。
14.如权利要求6所述的激光退火方法，其特征在于将所述激光在所述基板上照射扫描，由此将形成于所述基板表面的非晶质硅膜或多晶硅膜变换成在所述激光的扫描方向上横方向生长成带状的多晶硅膜。
全文摘要
在用光束整形器把由调制器调制过的激光整形成细长形的光束时，使光束整形器整形为细长形的光束沿扫描方向的尺寸为2～10μm、2～4μm更好，扫描速度为300～1000mm/s、500～1000mm/s更好，从而使激光能源利用效率高，而且能够不易对硅薄膜产生损伤。这样，就能够以高产量在扫描照射激光的基板上的规定区域内得到横方向生长结晶(带状结晶)的区域。
文档编号H01L21/20GK1649109SQ20041009129
公开日2005年8月3日 申请日期2004年12月1日 优先权日2004年1月30日
发明者本乡干雄, 矢崎秋夫, 波多野睦子, 野田刚史, 高崎幸男 申请人:株式会社日立显示器