专利名称：结晶设备、结晶方法及调相装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种结晶设备、结晶方法及调相装置，具体地说涉及用具有预定光强分布的激光照射多晶或无定形半导体膜以产生结晶的半导体膜的结晶设备。
例如，用于控制向液晶显示器(LCD)的像素施加的电位的开关装置的薄膜晶体管(TFT)迄今为止都是在无定形硅层或者多晶硅层中形成的。
多晶硅层的电子或空穴迁移率高于无定形硅层。因此，在多晶硅层中形成晶体管的情况下，开关速度增加，所以与在无定形硅层中形成晶体管的情况相比，显示响应加速。因此，可以在降低其它组件设计余量的优点下，用薄膜晶体管构成外围LSI。此外，在外围电路，例如驱动电路和DAC被结合到与显示器相同的衬底上的情况下，可以增加外围电路的操作速度。
多晶硅由晶粒的集合体构成，并且电子或空穴的迁移率低于单晶硅。但是，在多晶硅层中形成大量的薄膜晶体管的情况中，沟道部分中晶粒边界数量的波动带来了一个问题。为了解决这个问题，近年来，为了提高电子或空穴的迁移率并且减少沟道部分中晶粒边界数量的波动，已经提出了一种生产具有大粒径的结晶硅的结晶方法。
迄今，已经提出了一种调相准分子激光退火工艺(调相ELA工艺)来作为结晶方法(Surface Science，第21卷，第5期，第278至287页，2000年)。根据该方法，与多晶或无定形半导体膜平行且在其附近放置一个移相器，并且借助移相器用准分子激光照射半导体膜，以使所述半导体膜结晶。
在调相ELA工艺中，产生具有反向峰值(inverse peak)图案的光强分布(光强在中央处变得最小，并且光强朝向外围迅速增加)，其中光强在对应于移相器的移相台阶的点处最小，并且用光强分布具有反向峰值图案的光照射所述多晶或无定形半导体膜。结果，根据光强分布在熔融区中产生温度梯度，在首先固化的部分，相应于光强最小的点处形成晶核，并且晶体沿横向从晶核向周围生长(下文称作“横向生长”或者“横向方向生长”)。因此，产生了具有大粒径的单晶晶粒。
在日本专利申请KOKAI公报第2000-306859号中，已经公开了一种技术，其中使用光强分布具有借助移相掩模(移相器)产生的反向峰值图案的光照射半导体膜，以使薄膜结晶。另外，在Inoue等人的，Journal of Papers of the Institute of Electronics，Information andCommunication Engineers，第J85-C卷，第8期，第624至629页，2002年8月中，已经公开了一种技术，其中使用通过结合具有光吸收分布的移相器产生的凹陷图案加上反向峰值图案的光强分布的光照射半导体膜。
如日本专利申请KOKAI公报第2000-306859号中所公开的，在相应于常规技术中相移部分的部分中形成反向峰值图案的光强分布，在传统技术中使用移相器形成反向峰值图案的光强分布。但是，因为光强不是线性增加，所以晶体的生长容易中途结束。因为在具有反向峰值图案的光强分布的周围容易产生过量的不规则分布，所以具有反向峰值图案的光强分布不能被排列成阵列，或者在阵列中不能产生晶粒。
应当注意当调整照射光相对于移相器的角度分布时，或者设计移相器的排列位置时，可以使所得的光强分布接近于理想的分布。但是，不能展望性地在分析上实施设计。即使可以实现分析设计，也可以预料到能获得非常复杂的条件。
应当注意，如同在Inoue等人的，Journal of the Institute ofElectronics，Information and Communication Engineers，第J85-C卷，第8期，第624至629页，2002年8月中所公开的，在移相器与光吸收分布结合的传统技术中，可以获得凹陷图案加上反向峰值图案的光强分布，来用来结晶。但是，难以在横向上生长大粒径的晶体。形成具有连续变化的光吸收分布的薄膜一般也是困难的。尤其是，当用非常高强度的光照射待结晶的薄膜来结晶时，由光吸收带来的热或化学变化容易不利地引起具有所述光吸收分布的薄膜的薄膜材料退化。
发明内容
鉴于上述常规技术的问题，已经开发了本发明。本发明的一个目的是提供一种能够从晶核开始在横向上实现足够的晶体生长，并且能够生产大粒径的结晶半导体膜的结晶设备和结晶方法。
根据本发明一个方面的结晶设备是一种用具有预定光强分布的光通量照射非单晶半导体膜，从而使所述半导体膜结晶的设备。
所述结晶设备包括调相装置，其包括多个以一定周期排列并且互相基本上具有相同图案的单位区域(unit area)；及布置在调相装置和非单晶半导体膜之间的光学成像系统。
调相装置的每个单位区域包括具有特定相位的基准面；第一区域，其布置在每个单位区域中央附近并且与基准面具有第一相位差；及第二区域，其布置在第一区域附近并且相对于基准面基本上具有与第一相位差相同的相位差。
在上述结晶设备中，预定的光强分布优选具有多个以预定的周期排列并且基本上具有相同的二维分布的单位分布区域。
每个单位分布区域具有位于单位分布区域中央附近处，并且其光强从具有最低光强的区域朝向周围迅速径向增加的反向峰值分布(inversely peaked distribution)，以及其光强从反向峰值分布朝向周围缓慢径向增加的倾斜分布。
当单位分布区域中光强的最大值被标准化为1时，每个单位分布区域中光强的最小值优选具有0.2至0.7的相对值。
每个单位分布区域的形状优选如下构成。
当单位分布区域中光强的最大值标准化为1时，通过向每个单位分布区域中的光强最小值上加上最大值与最小值差值的2/5而获得的光强中的光强分布宽度在0.5至1.5微米之间。
优选以矩形或三角形晶格的形式、以4至20微米的间隔来排列各个单位分布区域。
根据本发明另一个方面，结晶方法包括使激光通过包括多个以一定周期排列并且互相基本上具有相同图案的单位区域的调相装置以及光学成像系统，从而产生具有预定光强分布的光通量；用具有预定光强分布的光通量照射非单晶半导体膜，从而熔化半导体膜；在非单晶半导体膜的熔化部分固化的过程中，周期性地产生单向生长的晶核；及以生长的晶核为中心，径向生长晶体，从而形成晶粒阵列膜。
此处，调相装置的每个单位区域具有具有特定相位的基准面；第一区域，其布置在每个单位区域中央附近并且与基准面具有第一相位差；及第二区域，其布置在第一区域附近并且相对于基准面基本上具有与第一相位差相同的相位差。
在上述结晶方法中，非单晶半导体膜优选位于不同于光学成像系统计算焦点位置的实际焦点位置附近，并且随后用具有预定光强分布的光通量照射。
在上述结晶方法中，预定的光强分布优选具有多个以一定周期排列并且基本上具有相同的二维分布的单位分布区域。
每个单位分布区域具有位于单位分布区域中央附近，并且其光强从具有最低光强的区域朝向周围迅速径向增加的反向峰值分布，以及其光强从反向峰值分布朝向周围缓慢径向增加的倾斜分布。
根据本发明另一个方面的半导体膜是为了制备器件通过所述结晶方法在绝缘衬底上形成的半导体膜。
半导体膜的晶体结构包括以4至20微米的周期性间隔排列的晶粒，并且在晶粒内部只包括孪晶晶界。
根据本发明的另一个方面，上栅极型薄膜晶体管包括通过本发明结晶方法在绝缘衬底上形成的半导体膜；布置在所述半导体膜上面的栅绝缘膜；及借助栅绝缘膜布置在所述半导体膜上面的栅电极。
半导体膜的晶体结构包括以4至20微米的周期性间隔排列的晶粒，并且在晶粒内部只包括孪晶晶界。
根据本发明的另一个方面，下栅极型薄膜晶体管包括布置在绝缘衬底上面的栅电极；布置在所述栅电极上面的栅绝缘膜；及以通过本发明的结晶方法，借助栅绝缘膜涂布栅电极的方式形成的半导体膜。
半导体膜的晶体结构包括以4至20微米的周期性间隔排列的晶粒，并且在晶粒内部只包括孪晶晶界。
根据本发明的另一个方面，显示装置包括阵列衬底，在其上形成像素电极和驱动该像素电极的薄膜晶体管；
面对所述阵列衬底布置并在其上形成相对电极的相对衬底；及保持在阵列衬底和相对衬底之间的电光材料。
薄膜晶体管包括通过上述结晶方法形成的半导体膜；以及借助栅绝缘膜叠加在半导体膜一个面上的栅电极。
半导体膜的晶体结构包括以4至20微米的周期性间隔排列的晶粒，并且在晶粒内部只包括孪晶晶界。
根据本发明的另一个方面，调相装置包括多个以一定周期排列并且基本上具有相同图案的单位区域。
此处，每个单位区域具有具有特定相位的基准面；第一区域，其布置在每个单位区域中央附近并且与基准面具有第一相位差；及第二区域，其布置在第一区域附近并且相对于基准面基本上具有与第一相位差相同的相位差。
在所述调相装置中，第一区域优选具有基本上与第二区域相同的图案，并且基本上在一个点处与第二区域接触。
第一和第二区域优选具有扇形。
第一和第二区域根据功能面(function face)直径的转换值，优选整体具有0.3至1.5微米大小。
每个单位区域优选具有多个围绕着第一和第二区域的第三区域，并且每个第三区域具有小于预定尺寸的点图案，并且相对于基准面基本上具有与第一区域相同的相位差。
第三区域的比例优选随着单位区域中离每个单位区域中央的距离而变化。
每个单位区域优选具有多个小于预定尺寸的单元，并且每个单元中的第三区域的比例随着单元而变化。
所述比例优选随着远离单位区域中央而降低。
根据本发明再一个方面，结晶设备是用一种用具有预定光强分布的光通量照射非单晶半导体膜，从而使所述半导体膜结晶的设备。
所述结晶设备包括调相装置，其包括多个以一定周期排列并且互相具有基本上相同图案的单位区域；将通过调相装置的光通量分成两束不相干光通量的光通量分裂装置；及布置在光通量分裂装置和非单晶半导体膜之间的光学成像系统。
调相装置的每个单位区域包括具有特定相位的基准面；第一区域，其布置在每个单位区域中央附近并且与基准面具有第一相位差；及第二区域，其布置在第一区域附近并且具有第二相位差，其绝对值相对于基准面基本上等于第一相位差并且其符号与第一相位差不同，在两个相邻单位区域之间基本上具有相同相位的基准面，在两个相邻单位区域之间，相对于基准面具有基本上相反相位差的第一区域，在两个相邻单位区域之间，相对于基准面具有基本上相反相位差的第二区域。
在上述结晶设备中，预定的光强分布优选具有多个以预定的周期排列并且基本上具有相同的二维分布的单位分布区域。
每个单位分布区域具有位于单位分布区域中央附近处，并且其光强从具有最低光强的区域沿半径朝向周围迅速增加的反向峰值分布，以及其光强从反向峰值分布沿半径朝向周围缓慢增加的倾斜分布。
当单位分布区域中光强的最大值被标准化为1时，每个单位分布区域中光强的最小值优选具有0.2至0.7的相对值。
每个单位分布区域的形状优选如下构成。
当单位分布区域中光强的最大值标准化为1时，通过向每个单位分布区域中的光强最小值上加上最大值与最小值差值的2/5而获得的光强中的光强分布宽度在0.5至1.5微米之间。
优选以矩形或三角形晶格的形式、以4至20微米的间隔来排列各个单位分布区域。
根据本发明的再一个方面，在结晶设备中，使用具有预定光强分布的光通量照射非单晶半导体膜，从而熔化该半导体膜；随后在非单晶半导体膜的熔化部分固化的过程中，周期性地产生单向生长的晶核；及随后，晶体以生长的晶核为中心径向生长，从而形成晶粒阵列膜。
此处，预定的光强分布优选具有多个以预定的周期排列并且基本上具有相同的二维分布的单位分布区域。
每个单位分布区域具有位于单位分布区域中央附近处，并且其光强从具有最低光强的区域沿半径朝向周围迅速增加的反向峰值分布，以及其光强从反向峰值分布沿半径朝向周围缓慢增加的倾斜分布。
在上述结晶设备中，当单位分布区域中光强的最大值被标准化为1时，每个单位分布区域中光强的最小值优选具有0.2至0.7的相对值。
每个单位分布区域的形状优选如下构成。
当单位分布区域中光强的最大值标准化为1时，通过向每个单位分布区域中的光强最小值加上最大值与最小值差值的2/5而获得的光强中的光强分布宽度在0.5至1.5微米之间。
优选以矩形或三角形晶格的形式、以4至20微米的间隔来排列各个单位分布区域。
根据本发明的再一个方面，结晶方法包括用具有预定光强分布的光通量照射非单晶半导体膜，从而熔化半导体膜；在非单晶半导体膜的熔化部分固化的过程中，周期性地产生单向生长的晶核；及以生长的晶核为中心，径向生长晶体，从而形成晶粒阵列膜。
此处，预定的光强分布具有多个以预定的周期排列并且基本上具有相同的二维分布的单位分布区域。
每个单位分布区域具有位于单位分布区域中央附近处，并且其光强从具有最低光强的区域朝向周围迅速径向增加的反向峰值分布，以及其光强从反向峰值分布朝向周围缓慢径向增加的倾斜分布。
在所述结晶方法中，优选晶体以生长的晶核为中心径向生长，并且形成其中只包括孪晶晶界的晶粒阵列薄膜。
为了制备器件，通过本发明的结晶方法在绝缘衬底上形成根据本发明再一个方面的半导体膜。
半导体膜的晶体结构包括以4至20微米的周期性间隔排列的晶粒，并且在晶粒内部只包括孪晶晶界。
根据本发明的再一个方面，上栅极型薄膜晶体管包括通过本发明结晶方法在绝缘衬底上形成的半导体膜；布置在所述半导体膜上的栅绝缘膜；及借助栅绝缘膜布置在所述半导体膜上面的栅电极。
半导体膜的晶体结构包括以4至20微米的周期性间隔排列的晶粒，并且在晶粒内部只包括孪晶晶界。
根据本发明的再一个方面，下栅极型薄膜晶体管包括布置在绝缘衬底上的栅电极；布置在所述栅电极上面的栅绝缘膜；及以通过本发明的结晶方法，借助栅绝缘膜涂布栅电极的方式形成的半导体膜。
半导体膜的晶体结构包括以4至20微米的周期性间隔排列的晶粒，并且在晶粒内部只包括孪晶晶界。
根据本发明的再一个方面，显示装置包括阵列衬底，在其上形成像素电极和驱动该像素电极的薄膜晶体管；面对所述阵列衬底布置并在其上形成相对电极的相对衬底；及保持在阵列衬底和相对衬底之间的间隙中的电光材料。
薄膜晶体管包括通过上述结晶方法形成的半导体膜；以及借助栅绝缘膜叠加在半导体膜一个面上的栅电极。
半导体膜的晶体结构包括以4至20微米的周期性间隔排列的晶粒，并且在晶粒内部只包括孪晶晶界。
根据本发明的再一个方面，调相装置包括多个以一定周期排列并且基本上具有相同图案的单位区域。
此处，每个单位区域具有具有特定相位的基准面；第一区域，其布置在每个单位区域中央附近并且与基准面具有第一相位差；及第二区域，其布置在第一区域附近并且具有第二相位差，其绝对值相对于基准面基本上等于第一相位差并且其符号与第一相位差不同。
在两个相邻单位区域之间基本上具有相同相位的基准面，在两个相邻单位区域之间，相对于基准面具有基本上相反相位差的第一区域，在两个相邻单位区域之间，相对于基准面具有基本上相反相位差的第二区域。
在所述调相装置中，第一区域优选基本上具有与第二区域相同的图案，并且基本上在一个点处与第二区域接触。
第一和第二区域优选具有扇形。
第一和第二区域根据功能面直径的转换值，优选整体具有0.3至3微米大小。
每个单位区域优选具有围绕着第一和第二区域的多个第三区域和多个第四区域。
每个第三区域具有小于预定尺寸的点图案，并且相对于基准面基本上具有与第一区域相同的相位差。
每个第四区域具有小于预定尺寸的点图案，并且相对于基准面基本上具有与第二区域相同的相位差。
单位区域中第三和第四区域的比例优选随着离每个单位区域中央的距离而变化。
每个单位区域优选具有多个小于预定尺寸的单元，并且每个单元中的第三和第四区域的比例随着单元而变化。
所述比例优选随着远离单位区域中央而降低。
根据本发明，获得具有阵列结构的高质量半导体晶体薄膜，所述结构包含位置已经通过一次完成的激光退火控制的大晶粒。与传统多晶薄膜晶体管相比，使用本发明中获得的半导体膜的晶体管具有高的迁移率和更小的阈值电压波动。当本发明的薄膜晶体管被应用于显示装置，例如液晶显示器、有机电致发光显示器等时，可以在外围电路中形成高功能的计算器件等。因此，本发明对于实现面板上的系统具有很大的作用。在本发明的结晶方法中，在光学通道中只插有调相装置(或者调相装置和光通量分裂装置)。因此，光学系统不复杂，并且调整系统不需要很多的时间。因为该光学系统的聚焦深度大，所以工艺的限度加宽，并且本发明的方法适于批量生产。
图1是表示根据本发明一个实施例的结晶设备结构的示意图；图2是表示图1照射系统内部结构的示意图；图3是表示实施例1的调相装置的构造的示意图；图4A、4B、4C表示实施例1中在+5至-5微米每个散焦位置获得的光强分布；图5A、5B、5C表示实施例1中在-7至-15微米每个散焦位置获得的光强分布；图6A、6B、6C表示在实施例1中实际焦点位置获得的光强分布；图7A至7F是关于第三区域比例和光强分布之间关系的原理说明图；图8A、8B、8C表示点扩散分布范围R中相位变化和光强之间的典型关系；图9A、9B表示光学成像系统中光瞳函数(pupil function)和点扩散分布函数之间的关系；图10A、10B是表示与图3所示调相装置第三区域相应的单元型结构的示意图；图11是表示与图3所示调相装置第三区域不同的像素型结构的示意图；图12是表示本发明半导体膜结晶工艺的示意图；图13A、13B是表示适于实现图12所示结晶工艺的光强分布一个实例的示意图；图14A、14B是表示调相装置中单位区域排列图案和所形成晶体结构阵列图案之间关系的一个实例的示意图；图15A、15B是表示调相装置中单位区域排列图案和所形成晶体结构阵列图案之间关系的另一个实例的示意图；图16是表示实施例2中调相装置结构的示意图；
图17A、17B、17C表示实施例2中在-5至+5微米每个散焦位置获得的光强分布；图18A、18B、18C表示实施例2中在-7至-15微米每个散焦位置获得的光强分布；图19是表示实施例3中调相装置结构的示意图；图20A、20B、20C表示在实施例3中实际焦点位置获得的光强分布；图21是表示实施例4中调相装置结构的示意图；图22A、22B表示在实施例4中计算焦点位置获得的光强分布；图23是表示薄膜晶体管沟道区的Si膜晶体取向的图；图24是表示实施例5中调相装置结构的示意图；图25A、25B、25C表示实施例5中在+5至-5微米每个散焦位置获得的光强分布；图26A、26B、26C表示实施例5中在-10至-20微米每个散焦位置获得的光强分布；图27A、27B是表示实施例6中调相装置的结构和待处理衬底上光强分布的示意图；图28A至28D是表示根据本发明一个实施例的下栅极型薄膜晶体管制造工艺的步骤图；图29A、29B、29C是表示根据本发明一个实施例的上栅极型薄膜晶体管制造工艺的步骤图；图30是示意表示根据本发明一个实施例的显示装置结构的透视图；图31是表示根据本发明另一个实施例的结晶设备结构的示意图；图32是表示图31的照射系统内部结构的示意图；图33是表示实施例10的调相装置结构的示意图；
图34A、34B、34C表示在实施例10中通过其中不使用任何光通量分裂装置的调相装置获得的光强分布；图35A、35B是本发明每个实施例中光通量分裂装置的结构和功能的说明图；图36A、36B表示通过实施例10中调相装置和光通量分裂装置在焦点位置获得的光强分布；图37A、37B表示通过实施例10中调相装置和光通量分裂装置在散焦位置获得的光强分布；图38是表示实施例11中调相装置结构的示意图；图39A、39B、39C表示实施例11中通过其中不使用任何光通量分裂装置的调相装置获得的光强分布；图40A、40B表示通过实施例11中调相装置和光通量分裂装置在焦点位置获得的光强分布；图41A、41B表示通过实施例11中调相装置和光通量分裂装置在散焦位置获得的光强分布；图42是表示实施例12中调相装置结构的示意图；图43A、43B、43C表示在实施例12中通过其中不使用任何光通量分裂装置的调相装置获得的光强分布；图44A、44B表示通过实施例12中调相装置和光通量分裂装置在焦点位置获得的光强分布；图45A、45B表示通过实施例12中调相装置和光通量分裂装置在散焦位置获得的光强分布；图46是表示实施例13中调相装置结构的示意图；图47A、47B、47C表示在实施例13中通过其中不使用任何光通量分裂装置的调相装置获得的光强分布；图48A、48B表示通过实施例13中调相装置和光通量分裂装置在焦点位置获得的光强分布；
图49A、49B表示通过实施例13中调相装置和光通量分裂装置在散焦位置获得的光强分布；图50是表示实施例14中调相装置结构的示意图；图51A、51B、51C表示在实施例14中不使用任何光通量分裂装置时通过调相装置获得的光强分布；图52A、52B表示通过实施例14中调相装置和光通量分裂装置在焦点位置获得的光强分布；图53A、53B表示通过实施例14中调相装置和光通量分裂装置在散焦位置获得的光强分布。
具体实施例方式
下面将参照附图描述本发明的实施例。
图1是表示根据本发明一个实施例的结晶设备结构的示意图。图2是表示图1的照射系统内部结构的示意图。参照图1和2，结晶设备包括用来调制入射光通量，从而形成具有预定光强分布的光通量的调相装置1，以及用来借助光阑2照射调相装置1的照射系统3。后面将描述调相装置1的结构和功能。
举例来说，照射系统3包括提供248纳米波长的光的KrF准分子激光源3a。作为光源3a，可以使用能够发射用来熔化待处理部件的能量光射线的另一种适当光源，例如XeCl准分子激光源或YAG激光源。从光源3a施加的激光借助光束扩展器3b被放大，然后进入第一蝇眼透镜3c。因此，在第一蝇眼透镜3c的后焦面上形成多个光源，并且来自这多个光源的光通量以叠加的方式经由第一聚光(opticalcapacitor)系统3d照射第二蝇眼透镜3e的入射面。
结果，在第二蝇眼透镜3e的后部焦平面上形成多于第一蝇眼透镜3c的后部焦平面上光源的光源。来自第二蝇眼透镜3e的后部焦平面上形成的多个光源的光通量以叠加的方式经由第二聚光系统3f和光阑2照射调相装置1。此处，第一蝇眼透镜3c和第一聚光系统3d构成第一均化器(homogenizer)。通过第一均化器在调相装置1中均化从光源3a施加的激光的入射角。
另外，第二蝇眼透镜3e和第二聚光系统3f构成第二均化器。通过第二均化器在调相装置1中均化其入射角已经从第一均化器中被均化的激光在平面上每个位置处的入射角。应当注意可以使用一对圆柱式蝇眼透镜来代替第一蝇眼透镜3c或第二蝇眼透镜3e。此处，圆柱式蝇眼透镜包括多个圆柱式透镜元件，其在特定的平坦晶面上具有折射功能，并且在与该平坦晶面成直角的平坦晶面上没有任何的折射功能。
因此，照射系统3用具有基本上均匀光强分布的激光照射调相装置1。其相位已经通过调相装置1调制的激光借助光学成像系统4进入待处理的衬底5。此处，调相装置1的相位图面(phase pattern face)和待处理的衬底5以光学共轭方式布置在光学成像系统4中。换句话说，待处理的衬底5布置在与调相装置1的相位图面光学共轭的平面内(即，光学成像系统4的图像平面)。光学成像系统4包括正透镜组4a和4b之间的孔径光圈4c。
孔径光圈4c具有多个其开口(透光部分)具有不同尺寸的孔径光圈。多个孔径光圈4c可以被构造成相对于光学通道是可变的。或者，孔径光圈4c可以具有开口尺寸连续可变的光圈。在任何情况下，如后面所述，孔径光圈4c的开口尺寸(即，光学成像系统4的图像侧数值孔径NA)按照在待处理衬底5的半导体膜上产生所需光强分布的方式来设置。应当注意光学成像系统4可以是折射光学系统、反射光学系统或者折射/反射光学系统。
另外，待处理的衬底5通过在衬底上依次沉积下层绝缘膜、半导体薄膜和上层绝缘膜来构成。即，举例来说，在待处理的衬底5中，通过化学气相沉积(CVD)工艺，在用于液晶显示器的玻璃板上连续地形成下层绝缘膜、非单晶膜(例如，无定形硅膜)和覆盖膜。下层绝缘膜和覆盖膜都是绝缘膜(例如，SiO2)。下层绝缘膜阻止无定形硅膜直接与玻璃衬底接触。杂质，例如Na被阻止混合在无定形硅膜中。另外，阻止无定形硅膜的温度直接传给玻璃衬底。所述无定形硅膜是结晶半导体膜。
无定形硅膜在吸收入射光时被加热。在传导部分热量时覆盖膜被加热。热量在无定形硅膜中积累。当中断光束入射时，在无定形硅膜的照射面中，高温部分的温度降低得相对较快。上述热量积累作用缓和了温度的降低速度，并且促进了大粒径横向的晶体生长。通过真空吸盘、静电吸盘等将待处理衬底5定位并且固定在衬底台6的预定位置上。
实施例1图3是表示根据本发明实施例1的调相装置结构的示意图。调相装置1是用来制备包含5平方微米的晶粒阵列的半导体薄膜的调相装置。调相装置1包括多个具有相同图案的单位区域1a，并且每个单位区域1a以预定的周期二维排列。在图3中，为了描述简单，只表示了两个具有正方形的相邻单位区域1a。根据在光学成像系统4图像平面中的转换值，每个单位区域1a的一边是5微米。调相装置1的尺寸将在下文中根据光学成像系统4图像平面中的转换值来说明。
单位区域1a包括具有特定相位的基准面(图中空白部分)1aa，布置在单位区域1a中央附近的第一区域1ab和第二区域1ac，以及布置在第一区域1ab和第二区域1ac周围的多个第三区域1ad。此处，每个第一区域1ab和第二区域1ac是通过将半径为0.5微米的圆形分成四等份获得的扇形图案，并且以顶点在单位区域1a中央处彼此接触的方式来排列各区域。
在实施例1中，实际上设置具有正方形形状的0.5平方微米的正方形单位单元(unit cell)(未显示)，纵向/横向且致密地围绕着第一区域1ab和第二区域1ac。每个单元在光学上小于光学成像系统4的点扩散分布范围的半径。另外，在每个单位单元中选择性地布置一个第三区域1ad。单位单元中第三区域1ad的比例被设置成远离第一区域1ab和第二区域1ac之间的接触处(单位区域1a的中央)逐渐降低。第一区域1ab、第二区域1ac和所有的第三区域1ad相对于基准面1aa都具有+90°的相位差(在基准面1aa的相位被标准化为0°时的相对相位)。
此处，注意到光强分布，所述光强分布是沿着与在待处理衬底5的表面中穿过单位区域1a中部的线A-A相应的横截线形成的分布，所述衬底根据光学成像系统4位于不同的位置。首先，在从光学成像系统4计算的聚焦位置(焦点位置)接近光学成像系统4的方向(图1中的上侧)中散焦5微米(即+5微米的散焦)的表面上，在定位后的待处理的衬底5的表面上，沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线形成如图4a所示的光强分布。沿着相应于待处理衬底5的表面上单位区域1a的交叉线A-A的交叉线形成如图4B所示的光强分布，所述衬底位于光学成像系统4计算的焦点位置。
在从光学成像系统4计算的焦点位置远离光学成像系统4的方向(图1中的下部)上散焦5微米(即-5微米的散焦)的待处理的衬底5的表面上，沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线形成如图4C所示的光强分布。此外，在从光学成像系统4计算的焦点位置远离光学成像系统4的方向上散焦7微米(即-7微米散焦)并且定位的待处理衬底5的表面上，沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线形成如图5A所示的光强分布。
另外，在从光学成像系统4的计算焦点位置远离光学成像系统4的方向上散焦10微米(即-10微米散焦)并且定位的待处理衬底5的表面上，沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线形成如图5B所示的光强分布。最后，在从光学成像系统4的计算焦点位置远离光学成像系统4的方向上散焦15微米(即-15微米散焦)并且定位的待处理衬底5的表面上，沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线形成如图5C所示的光强分布。
应当注意在下面的实施例中，设置焦阑在相对侧上的光学成像系统4的放大率为1/5，设置图像侧数值孔径NA为0.13，并且设置照射西格玛值(照射系统的数值孔径/光学成像系统4的物体侧数值孔径)为0.43。在图4A至4C和5A至5C中，纵坐标表示光强，并且表示当最大值标准化为1时的相对值。横坐标表示距相应于单位区域1a中心的点处的距离(微米)。应当注意在本说明书中，所有光强分布根据与上述方法相似的方法表示。
如图4A至4C和5A至5C所示，参照通过改变待处理衬底5相对于光学成像系统4的位置获得的光强分布，在计算焦点位置和-10微米散焦位置之间保持光强从峰谷(bottom peak)(光强最低的位置)快速增加的状态。在计算焦点位置和-15微米散焦位置之间保持光强分布的形状。即，可以看出在实施例1中保证了±5至±7微米的聚焦深度。
以这种方式，实施例1的调相装置1的相位差是90°，并且不同于180°。因此，实际焦点位置偏离计算的焦点位置。参照图4A至4C和5A至5C，可以看出从峰谷增加的光强梯度在从计算焦点位置散焦-7微米的位置处获得的光强分布中是最大的，并且计算的-7微米散焦位置是实际焦点位置。
在实施例1中，在位于光学成像系统4实际焦点位置的待处理衬底5的表面上形成图6A至6C中所示的光强分布。即，沿着相应于图3中调相装置1的单位区域1a的交叉线A-A的交叉线形成图6A所示的光强分布。沿着相应于左侧单位区域1a的向右上升的对角线B-B的斜线形成图6B所示的光强分布。沿着相应于右侧单位区域1a的向左上升的对角线C-C的斜线形成图6C所示的光强分布。参照图6A至6C，可以看出在经由实施例1的调相装置1获得的光强分布中存在很少的各向异性。
另外，从图6A中可以看出在相应于第一区域1ab和第二区域1ac之间的接触处(单位区域1a的中央)，形成具有最小光强的峰谷。通过第一区域1ab和第二区域1ac的作用，从峰谷朝向周围径向形成光强快速增加的反向峰值分布。通过多个第三区域1ad的作用，从反向峰值分布朝向周围径向形成光强缓慢增加的倾斜分布。举例来说，当加工石英玻璃衬底的表面，并且形成相应于预定相位的厚度分布时，获得调相装置1的相位阶跃(phase step)图案。石英玻璃衬底可以通过选择性刻蚀或者聚焦离子束(FIB)加工。
接着，设置第三区域1ad的比例，使得随着远离单位区域1a的中央，比例降低。因此，以远离反向峰值分布则光强增加的方式获得光强的倾斜分布。下面将说明其原理。
图7A至7F是关于第三区域比例和光强分布之间关系的说明图。一般来说，通过调相装置1的图像的光振幅分布U(x，y)由下面的等式(1)表示。应当注意在等式(1)中，T(x，y)表示调相装置1的复振幅透光度分布，*表示卷积，并且ASF(x，y)表示光学成像系统4的点扩散分布函数。此处，点扩散分布函数定义为通过光学成像系统的点图像振幅分布。
U(x，y)＝T(x，y)*ASF(x，y)……(1)应当注意因为振幅是统一的，所以调相装置1的复振幅透光度分布T由下面的等式(2)表示。应当注意在等式(2)中，T0表示某一特定值，并且φ(x，y)表示相位分布。
T＝T0·exp(iφ(x，y))……(2)另外，在光学成像系统4具有均匀的圆形光瞳并且没有任何色差的情况中，关于点扩散分布函数ASF(x，y)建立了如下面等式(3)所示的关系。应当注意在等式(3)中，J1表示贝塞尔函数，λ表示光的波长，并且NA表示上述光学成像系统4图像侧的数值孔径。
ASF(x，y)∝2·J1(2π/λ·NA·r)/(2π/λ·NA·r)……(3)式中r＝(x2+y2)1/2图7A中所示的光学成像系统4的点扩散分布函数如图7B所示。当点扩散分布函数近似为具有直径为R的圆柱形4e(由图7C中的虚线表示)时，在图7C所示调相装置1上直径R’(相应于直径R的光学值)的圆中积分的复振幅分布确定了图像平面4f上的复振幅。如上所述，图像平面4f上形成的图像的光振幅，即光强是通过调相装置1的复振幅透光度分布和点扩散分布函数的卷积给出。当点扩散分布函数被近似且认为是圆柱形状4e时，通过均匀加权(uniform weight)地积分调相装置1的复振幅透光度分布所获得的结果构成图7C所示圆形点扩散分布范围R内的图像平面4f中的复振幅，并且绝对值的平方是光强。应当注意光学成像系统4中的点扩散分布范围R指的是通过与零点4i的交点4j内的点扩散分布函数绘出的图7B中曲线的范围。
因此，相位在点扩散分布范围R中变化越小，光强增加越大。相反，相位变化越大，光强变得越小。从如图7D所示的单位圆4g中相位矢量4h的和来考虑，这方面是容易理解的。当图像平面4f是一个物体，例如半导体膜时，图7B的点扩散分布函数是图7F中所示的点扩散分布函数。
图8A至8C是表示点扩散分布范围R中相位变化和光强之间典型关系的图。图8A是表示四个区域的相位值都为0°时的情况。在0°方向的四个相位矢量5g的和相应于振幅4E，并且其平方相应于光强16I。
图8B是表示两个区域的相位值为0°，并且另两个区域相位值为90°时的情况。两个在0°方向的相位矢量和两个在90°方向的相位矢量的和相应于振幅 ，并且其平方相应于光强8I。
图8C表示四个区域分别是相位值为0°的区域、相位值为90°的区域、相位值为180°的区域，以及相位值为270°的区域的情况。在0°方向的相位矢量5s、在90°方向的相位矢量5t、在180°方向的相位矢量5u和在270°方向的相位矢量5v的和相应于振幅0E，并且其平方相应于光强0I。
图9A、9B是表示光学成像系统4中光瞳函数和点扩散分布函数之间关系的图。通常，点扩散分布函数由光瞳函数的傅立叶变换给出。具体地说，当光学成像系统4具有均匀的圆形光瞳，并且没有任何色差时，点扩散分布函数ASF(x，y)由上述等式(3)表示。但是，这在光学成像系统4中存在色差，或者存在光瞳的单值函数而不是均匀的圆形光瞳的情况中并不适用。
在系统具有均匀的圆形光瞳并且没有任何色差的情况中，已知中间区域(即艾里斑)的半径R/2由下面的等式(4)表示，直至点扩散分布函数首次达到0。
R/2＝0.61·λ/NA……(4)在本说明书中，如图7B、9B所示，点扩散分布范围R指的是直至点扩散分布函数F(x)首次达到0的圆形中间区域。从图8A至8C中明显可见，在光学上相应于光学成像系统的点扩散分布范围R的圆形中包括多个(在图8A至8C中为4个)调相单元时，可以控制光的振幅，即分析上根据简单计算多个相位矢量5g的和来控制光的强度。结果，可以比较容易地获得比较复杂的光强分布。
因此，根据本发明，因为可以随意控制光强，所以调相装置1的调相单元需要在光学上小于光学成像系统4的点扩散分布范围R的半径R/2。换句话说，光学成像系统4的图像侧上的调相装置1的调相单元的大小需要小于光学成像系统4的点扩散分布范围R的半径R/2。此处，调相单位在上述单元型中例如是单元一个最短边的大小，并且是像素型一边的长度。
图10A、10B是示意表示与图3所示调相装置的第三区域相应的单元型结构的图。参照图10A，所述调相装置包括具有第一相位值φ1的第一区域(由图中斜线部分表示)21a和具有第二相位值φ2的第二区域(由图中空白部分表示)21b。调相装置具有多个单元(由图中矩形虚线表示)21，每个单元的尺寸在光学上小于光学成像系统4的点扩散分布范围R的半径R/2。
如图10B所示，每个单元21中具有相位值φ1(0°)的第一区域21a和具有相位值φ2(90°)的第二区域21b随着每个单元而变化。换句话说，具有相位值φ1的第一区域21a和具有相位值φ2的第二区域21b的比例具有随位置变化的相位分布。更具体地说，单元中具有相位值φ2的第二区域21b的比例在图左侧的单元中是最大的，而在图右侧的单元中是最小的，并且在其间单调变化。调相装置1的入射光线从图的前面通向背面方向，如图10A中箭头21c所示。
如上所述，图10A中所示的调相装置具有基于调相单元21(单元)的相位分布，调相单元21的尺寸在光学上小于光学成像系统4的点扩散分布范围R的半径R/2。因此，每个调相单元21中的第一区域21a和第二区域21b的比例(即，两个相位矢量的和)被适当地改变。因此，可以在分析上根据简单的计算来控制在待处理衬底上形成的光强分布。举例来说，通过加工石英玻璃并且形成相应于第一和第二相位值φ1、φ2的厚度分布，获得了具有第一和第二相位值φ1、φ2的调相装置1。石英玻璃的厚度可以通过选择性刻蚀或者FIB来控制。举例来说，通过加工石英玻璃衬底的表面并且形成相应于预定相位的厚度分布来获得调相装置1的相位阶跃图案。石英玻璃衬底可以通过选择性刻蚀或者聚焦离子束(FIB)来加工。
图11是示意表示与图3所示调相装置的第三区域不同的像素型结构的图。参照图11，调相装置1具有多个矩形像素22，每个像素在光学上小于光学成像系统4的点扩散分布范围R的半径R/2。多个像素22被纵向/横向并且致密地排列，并且每个像素22具有特定的相位值。具体地说，所述像素包括具有第一相位值φ1(例如0°)的第一像素(由图中斜线部分表示)22a和具有第二相位值φ2(例如90°)的第二像素(由图中空白部分表示)22b。调相装置1的入射光线从图的前面通向背面方向，如图11中的箭头22c所示。
如图11所示，光学上相应于光学成像系统4的点扩散分布范围R的每单位范围具有相等相位值的像素数量(由图中虚线圆形表示)随着每个单位范围而变化。换句话说，调相装置1具有如下相位分布，其中作为具有相位值φ1的第一区域的第一像素22a的比例，以及作为具有相位值φ2的第二区域的第二像素22b的比例以与图10A中相同的方式随着位置而变化。
如上所述，图11中所示的调相装置具有基于调相单元(像素)22的相位分布，调相单元22的尺寸在光学上小于光学成像系统4的点扩散分布范围R的半径R/2。因此，光学上相应于光学成像系统4的点扩散分布范围R的单位范围(未显示)中的第一像素22a和第二像素22b的比例，即多个相位矢量的和被适当地改变，并且因此，可以在分析上根据简单的计算来控制在待处理衬底上形成的光强分布。
图12示意表示了本发明中半导体薄膜的结晶工艺。在图12中，虚线表示的矩形区域是待处理衬底5表面上相应于调相装置1的一个单位区域1a的单位衬底区域10(实施例1中5平方微米的正方形区域)。在所述单位衬底区域10中，在首先开始固化的熔化区域12的中央附近重复晶核的产生和消失后，晶核凝聚，形成不低于可生长的临界直径的直径，并且产生单向生长的晶核11。这种生长的晶核11随着时间在各个方向上径向生长，并且固-液界面14扩大。
因为根据本发明通过激光退火来使半导体膜结晶的过程是在超淬火(ultraquenching)固化系统中实施的，所以产生的晶核不会在所有方向上生长而是维持相反的取向。举例来说，晶体生长，同时将产生的晶核的晶面取向保持在具有较高生长速度的晶体方向，例如<110>方向上。但是，在具有较慢生长速度的晶体方向中进行孪晶的转变，其中最密堆积的面在例如<111>方向上堆积。因此，方向改变成具有更高生长速度的晶面方向，并且晶体生长。这是因为根据以同心圆径向扩展的温度梯度，晶体以等于高生长速度方向上的速度生长。结果，孪晶晶界13进入最终结构的晶粒中。所述孪晶晶界13的形成过程与晶界15不同。
图13A示意表示了适于实现图12所示结晶工艺的光强分布的一个实例。图13A所示的光强分布是沿着图13B所示的单位衬底区域10对角线10a的分布。应当注意在图13B中，虚线16a，16b表示光强(或温度)的等高线。在图13A所示的光强分布中，在中间形成反向峰值分布，并且在中间周围形成倾斜分布。在反向峰值分布部分中，光强在单位衬底区域10的中央附近最小，并且光强从具有最小光强的峰谷朝向周围径向迅速增加。在倾斜分布部分，光强从具有反向峰值分布朝向周围径向缓慢增加。
当用具有如图13A所示的漏斗形光强分布的激光照射待处理的衬底5时，待处理的衬底5的半导体薄膜吸收光，并且光的能量被转化成热。因此，在结晶开始时半导体薄膜的温度分布也如图13A所示，并且因此仅在单位衬底区域10的中央区域产生生长的晶核11。光强具有与晶体生长开始紧密相关的阈值α。在光强不高于α值的部分中，半导体(Si)膜不会熔化。即使膜熔化，也只有表面的一部分熔化，该部分保持多晶硅状态。晶体生长从光强超过α值的地方开始。
因此，光强分布底部光强的值优选略低于所述α值。具体地说，光强分布峰谷的强度优选具有0.2至0.7的相对值。当峰谷的强度小于0.2时，光强太小，并且只有中央部分保持无定形状态而不结晶。当峰谷的强度大于0.7时，光强变得太大，并且不能仅在中央部分产生生长的晶核。应当注意为了实现更满意的结晶过程，光强分布峰谷的强度优选为0.5至0.6。
在光强从中央附近的峰谷朝向周围径向迅速增加的反向峰值分布中，优选通过将光强的最小值(即，峰谷处光强值)加上最大与最小值之间差值的约2/5而获得光强的范围。在图13A所示的光强分布中，通过向光强最小值加上最大值与最小值差值的约2/5而获得的光强具有0.76的相对值。
光强为0.76的光强分布的峰宽W1优选为0.5至1.5微米。当峰宽W1小于0.5微米时，强度太小，周围环境的热量在作为光强最小位置的中央处扩散。最低温度区扩大，并且生长的晶核不可能是单晶。当峰宽W1超过1.5微米时，其太大，结晶开始时的最低温度区扩大，并且生长的晶核不可能是单晶。
如图13A所示，光强优选在反向峰值分布的周围缓慢增加。也就是说，其中光强从中央朝向外部线性增加的漏斗形状的倾斜分布是优选的。这是因为在单位衬底区域10的单元中产生的生长晶核11是径向生长的，并且单位衬底区域10的内部形成一个晶粒。在这种漏斗形状的倾斜分布中，朝向外部的温度梯度也变成线性的，并且晶体的生长不会中途停止。因此，可以产生具有更大直径的结晶的半导体膜。如果在反向峰值分布的周围存在不规则的分布，并且存在光强快速增加的峰，那么当半导体薄膜吸收激光时，该区域的温度过度上升，并且薄膜可能破裂。
图14A、14B示意性地表示了调相装置中单位区域排列图案和所形成晶体结构阵列图案之间关系的一个实例。在图14A所示的调相装置1的单位区域1a的排列图案中，为了简化起见，只表示了位于单位区域1a中央附近并且具有扇形形状的第一区域1ab和第二区域1ac。在图14A所示的晶体结构的阵列图案中，晶界15由实线表示，并且孪晶晶界13由虚线表示。
从图14A可见，相应于调相装置1的一个单位区域1a形成一个正方形的晶粒。即，多个正方形的晶粒形成晶格状阵列图案，该图案相应于以预定周期的晶格形式排列的多个单位区域1a，并且获得具有满意质量的结晶半导体膜。另外，在晶粒中只包括孪晶晶界13。当按照这种方式控制生长的晶核11的产生位置时，还可以二维地控制晶粒的位置。
图15A示意地表示了调相装置中单位区域排列图案和所形成晶体结构阵列图案之间关系的另一个实例。与图14A不同，在图15A中，以预定的周期和规则的三角晶格形式排列多个单位区域1a，即第一区域1ab和第二区域1ac。结果，在相应的晶体结构中，如图15B所示，多个圆形晶粒形成规则的三角晶格阵列图案。另外在此情况中，在晶粒中只包括孪晶晶界13，并且也可以二维地控制晶粒的位置。
图14A、14B和图15A、15B所示的调相装置1的单位区域1a的间隔与最终形成的晶体结构的晶粒直径密切相关。根据在光学成像系统4的图像平面中的转化值，调相装置1的单位区域1a的间隔优选为4至20微米。当单位区域1a的间隔小于4微米时，间隔太小，减小了晶粒的粒径，并且不能获得具有满意质量的结晶半导体薄膜。当单位区域1a的间隔大于20微米时，间隔太大，并且晶体生长中途停止。因此，不能获得基本上遍布半导体膜整个表面的晶粒阵列。
位于单位区域1a中央的反相差异的相位区1ab、1ac的形状不必一定具有扇形形状，并且可以形成例如四边形的多边形。可以按照峰宽W1足够小，从而在如图13A所示的光强分布中仅仅产生单晶晶核的方式来设置相位区1ab、1ac的面积。在本例中，设置相位区(1ab、1ac)的整体大小为1.0(＝0.5×2)微米，但是可以被设置成优选为0.3至1.5微米的大小，更优选为0.8至1.2微米。相位区1ab、1ac面积的最佳值与结晶设备所用的光学系统密切相关。相位区1ab、1ac之间的相位差与图13A所示的光强分布中峰谷光强的相对值相关，并且可以在0.2至0.7的范围内确定。
在实施例1中，在图1所示的结晶设备中，使用结构如图3所示的调相装置1来结晶位于实际焦点位置(-7微米的计算散焦位置)的待处理衬底5上的半导体(Si)薄膜。举例来说，在待处理的衬底5上面形成具有图6A所示的光强分布的激光，并且通过图12所示的结晶工艺，制备包括如图14B所示的5平方微米晶粒阵列的半导体薄膜。如图4A至4C和图5A至5C所示，即使在待处理衬底5的表面相对于光学成像系统4的实际焦点位置在一定程度上波动(即在0至-15微米的散焦范围内波动)时，在待处理的衬底5上形成的光强分布也不会变化很大。因为在本例中保证了约±7微米的大的聚焦深度，所以获得包含具有满意均匀性的晶粒阵列的半导体薄膜。
实施例2图16是示意表示本发明实施例2的调相装置结构的图。调相装置1是用来按照与实施例1相同的方式制备包含5平方微米的晶粒阵列的半导体薄膜的调相装置，并且具有与实施例1相似的结构。但是，在实施例2中，第一区域1ab、第二区域1ac和所有第三区域1ad相对于基准面1aa具有-90°的相位(在实施例1中为+90°)。实施例2在这个方面与实施例1不同。下面将以与实施例1不同之处为重点来描述实施例2。
在实施例2中，在从光学成像系统4的计算焦点位置远离光学成像系统4的方向(图1的下方)上散焦5微米(即，-5微米的散焦)并且定位的待处理衬底5的表面上，沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线形成如图17A所示的光强分布。在位于光学成像系统4的计算焦点位置处的待处理衬底5的表面上，沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线形成如图17B所示的光强分布。
另外，在从光学成像系统4的计算的焦点位置接近光学成像系统4的方向上散焦5微米(即，+5微米的散焦)并且定位的待处理衬底5的表面上，沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线形成如图17C所示的光强分布。此外，在从光学成像系统4的计算焦点位置接近光学成像系统4的方向上散焦7微米(即，+7微米的散焦)并且定位的待处理衬底5的表面上，沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线形成如图18A所示的光强分布。
另外，在从光学成像系统4的计算的焦点位置接近光学成像系统4的方向上散焦10微米(即，+10微米的散焦)并且定位的待处理衬底5的表面上，沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线形成如图18B所示的光强分布。最后，在从光学成像系统4的计算的焦点位置接近光学成像系统4的方向上散焦15微米(即，+15微米的散焦)并且定位的待处理衬底5的表面上，沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线形成如图18C所示的光强分布。
如图17A至17C和18A至18C所示，参照通过改变待处理衬底5相对光学成像系统4的位置而获得的光强分布，在计算的焦点位置和+10微米散焦位置之间保持光强从峰谷(光强最低的位置)快速增加的状态。在计算的焦点位置和+15微米散焦位置之间保持光强分布的形状。即，在实施例2中也可以看出，按照与实施例1相同的方式保证了±5至±7微米的聚焦深度。
参照图17A至17C和18A至18C，可以看出从峰谷增加的光强梯度在从计算焦点位置散焦+7微米位置处获得的光强分布中是最大的，并且计算的+7微米散焦位置就是实际焦点位置。
在实施例2中，在图1所示的结晶设备中，使用结构如图16所示的调相装置1使位于实际焦点位置(计算的+7微米散焦位置)的待处理衬底5上的半导体(Si)薄膜结晶。举例来说，在待处理的衬底5上形成具有图18A所示的光强分布的激光，并且通过图12所示的结晶工艺，制备包括如图14B所示5平方微米的晶粒阵列的半导体薄膜。如图17A至17C和18A至18C所示，即使在待处理的衬底5的表面相对于光学成像系统4的实际焦点位置在一定程度上波动(即，在0至+15微米的散焦范围内波动)时，在待处理的衬底5上形成的光强分布也不会变化很大。因为在本例中保证了约±7微米的大的聚焦深度，所以获得包含具有满意均匀性的晶粒阵列的半导体薄膜。
实施例3图19是示意表示根据本发明实施例3的调相装置结构的图。调相装置1是用来按照与实施例1和2相同的方式制备包含5平方微米的晶粒阵列的半导体薄膜的调相装置，并且具有与实施例1相似的结构。但是，在实施例3中，在第一区域1ab和第二区域1ac周围形成8个0.2平方微米的正方形第三区域1ae，并且第一区域1ab、第二区域1ac和所有的第三区域1ae相对于基准面1aa具有+100°的相位(在实施例1中为+90°)。实施例3在这个方面与实施例1不同。下面将以与实施例1不同之处为重点来描述实施例3。
尽管未示出，在实施例3中，从光学成像系统4的计算的焦点位置远离光学成像系统4的方向(图1的下方)上散焦7微米(即，-7微米的散焦)的位置是实际焦点位置，并且按照与实施例1相同的方式保证了约±7微米的大的聚焦深度。
在实施例3中，在位于光学成像系统4实际焦点位置处的待处理衬底5的表面上，形成如图20A至20C所示的光强分布。即，在图19中，沿着相应于调相装置1的单位区域1a的交叉线A-A的交叉线形成如图20A所示的光强分布。沿着相应于左侧单位区域1a的向左上升的对角线B-B的斜线，形成图20B所示的光强分布。沿着相应于右侧单位区域1a的向左上升的对角线C-C的斜线，形成图20C所示的光强分布。
在实施例3中，在图1所示的结晶设备中，使用结构如图19所示的调相装置1使位于实际焦点位置(计算的-7微米散焦位置)的待处理衬底5上的半导体(Si)薄膜结晶。举例来说，在待处理的衬底5上形成具有图20A所示的光强分布的激光，并且通过图12所示的结晶工艺，制备包括如图14B所示5平方微米的晶粒阵列的半导体薄膜。即使在待处理的衬底5的表面相对于光学成像系统4的实际焦点位置在一定程度上波动时，在待处理的衬底5上形成的光强分布也不会变化很大。因为在本例中保证了约±7微米的大的聚焦深度，所以获得包含具有满意均匀性的晶粒阵列的半导体薄膜。
实施例4图21是示意表示根据本发明实施例4的调相装置结构的图。调相装置1是用来按照与实施例1至3相同的方式制备包含5平方微米的晶粒阵列的半导体薄膜的调相装置，并且具有与实施例3相似的结构。但是，在单元区域1a中央附近布置0.5平方微米的正方形相位区1af来代替第一区域1ab和第二区域1ac，绕着这些区域布置8个0.2平方微米的正方形第三区域1ag，并且相位区1af和所有第三区域1ag相对于基准面1aa具有+120°的相位(在实施例3中为+100°)。实施例4在这个方面与实施例3不同。下面将以与实施例3不同之处为重点来描述实施例4。
尽管未示出，在实施例4中，从光学成像系统4的计算的焦点位置远离光学成像系统4的方向(图1的下方)上散焦5微米(即，-5微米的散焦)的位置是实际焦点位置，并且保证了约±7微米的大的聚焦深度。
在实施例4中，在位于光学成像系统4实际焦点位置处的待处理衬底5的表面上，形成如图22A、22B所示的光强分布。即，在图21中，沿着相应于调相装置1的单位区域1a的交叉线A-A的交叉线形成如图22A所示的光强分布。沿着相应于左侧单位区域1a的向右上升的对角线B-B的斜线，形成图22B所示的光强分布。因此，在实施例4中，通过布置在单位区域1a中央附近的相位区1af的作用，形成了光强从峰谷朝向周围径向快速增加的反向峰值分布。
在实施例4中，在图1所示的结晶设备中，使用结构如图21所示的调相装置1使位于实际焦点位置(计算的-5微米散焦位置)的待处理衬底5上的半导体(Si)薄膜结晶。举例来说，在待处理的衬底5上形成具有图22A所示的光强分布的激光，并且通过图12所示的结晶工艺，制备包括如图14B所示5平方微米的晶粒阵列的半导体薄膜。即使在待处理的衬底5的表面相对于光学成像系统4的实际焦点位置在一定程度上波动时，在待处理的衬底5上形成的光强分布也不会变化很大。因为在本例中保证了约±7微米的大的聚焦深度，所以获得包含具有满意均匀性的晶粒阵列的半导体薄膜。
图23是表示薄膜晶体管沟道区Si膜晶体取向的图。在沟道区存在两个晶体并具有孪晶关系。所述晶体管迁移率为400[cm2/Vs]。因此，可见甚至在插入了孪晶晶界时，也获得了约400[cm2/Vs]的高迁移率。
实施例5图24是示意表示根据本发明实施例5的调相装置结构的图。调相装置1是用来按照与实施例1至4相同的方式制备包含5平方微米的晶粒阵列的半导体薄膜的调相装置，并且具有与实施例1相似的结构。但是，第一区域1ab和第二区域1ac相对于基准面1aa具有+100°的相位(在实施例1中为+90°)，并且在第一区域1ab和第二区域1ac周围不放置任何第三区域。实施例5在这个方面与实施例1不同。下面将以与实施例1不同之处为重点来描述实施例5。
在实施例5中，在从光学成像系统4的计算的焦点位置接近光学成像系统4的方向(图1的上方)上散焦5微米(即，+5微米的散焦)并且定位的待处理衬底5的表面上，沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线形成如图25A所示的光强分布。在位于光学成像系统4的计算焦点位置处的待处理衬底5的表面上，沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线形成如图25B所示的光强分布。
另外，在从光学成像系统4的计算的焦点位置远离光学成像系统4的方向上散焦5微米(即，-5微米的散焦)并且定位的待处理衬底5的表面上，沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线形成如图25C所示的光强分布。此外，在从光学成像系统4的计算的焦点位置远离光学成像系统4的方向上已经散焦10微米(即，-10微米的散焦)并且定位的待处理衬底5的表面上，沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线形成如图26A所示的光强分布。
另外，在从光学成像系统4的计算的焦点位置远离光学成像系统4的方向上已经散焦15微米(即，-15微米的散焦)并且定位的待处理衬底5的表面上，沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线形成如图26B所示的光强分布。最后，在从光学成像系统4的计算的焦点位置远离光学成像系统4的方向上已经散焦20微米(即，-20微米的散焦)并且定位的待处理衬底5的表面上，沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线形成如图26C所示的光强分布。
参照图25A至25C和26A至26C，因为在第一区域1ab和第二区域1ac周围没有放置任何第三区域，所以形成光强从峰谷朝向周围径向快速增加的反向峰值分布。与实施例1不同，没有形成光强从反向峰值分布朝向周围径向缓慢增加的倾斜分布。
在实施例5中，在图1所示的结晶设备中，使用结构如图24所示的调相装置1使位于实际焦点位置(计算的-7微米散焦位置)的待处理衬底5上的半导体(Si)薄膜结晶。举例来说，在待处理的衬底5上形成具有图25C或图26A所示的光强分布的激光，并且通过图12所示的结晶工艺，制备包括如图14B所示5平方微米的晶粒阵列的半导体薄膜。
即使在待处理衬底5的表面相对于光学成像系统4的实际焦点位置在一定程度上波动时，在待处理衬底5上形成的光强分布也不会变化很大。因为在本例中保证了约±7微米的大的聚焦深度，所以获得包含具有满意均匀性的晶粒阵列的半导体薄膜。但是，因为在实施例5中，如上所述没有形成任何漏斗形状的倾斜分布，所以只获得小于实施例1的晶粒。
实施例6图27A、27B是示意表示根据本发明实施例6的调相装置结构和待处理衬底上的光强分布的图。所述调相装置是设计来制备包含8平方微米的晶粒阵列的半导体薄膜的调相装置。调相图案由0°基准面和相位差为-100°的台阶(step)构成。因为在中央形成峰谷，所以根据在衬底上转化的值具有0.6微米半径的扇形台阶与中央接触、并放在中央。围绕该台阶，为了形成中等的倾角，在实际上布置的格状图案的一部分中布置一个点状台阶。调相装置图案的实际尺寸是衬底上转化值的5倍。举例来说，单位区域具有40平方微米的大小，并且扇形的大小具有3.0微米半径。图27B示出了横截面的一维光强分布(+2微米高度位置[上部2微米])。
在本例中，使用图3所示的结晶设备，设置光学成像系统4的图像侧数值孔径NA为0.15，并且设置照射西格玛值(照射系统的数值孔径/光学成像系统4的物体侧数值孔径)为0.52。焦阑缩影镜头的放大倍率为1/5。使用具有图27A所示图案的调相装置使衬底上的Si薄膜结晶。在XYZ台上调节至+2微米的散焦位置的待处理的衬底上形成图27B所示的激光光强分布。通过图1所示的结晶工艺制备包含8平方微米晶粒阵列的Si薄膜。在0至+15微米散焦范围内获得大的聚焦深度而不会非常大地改变光强分布。结果，获得具有满意均匀性的晶粒阵列Si薄膜。当例如按照在作为基准面的石英玻璃上形成0°面和-100°面的方式，连续实施选择性刻蚀时，可以制造图27A、27B的调相装置。
应当注意在上述实施例中，通过在设计阶段的计算可以获得光强分布，并且优选事先观察并且验证待处理的实际面上的光强分布。为此，通过光学系统可以放大待处理衬底的表面，并且通过例如CCD的成像装置来输入。当使用的光是紫外光时，光学系统是有限制的。因此，可以在待处理的面上放置荧光板，并且光线可以被转化成可见光。在上述实施例中，已经根据调相装置1阐述了具体的结构实施例，但是在本发明的范围内，所述调相装置1结构的各种修改是可能的。
实施例7图28A、28B是表示根据本发明一个实施例的下栅极型薄膜晶体管制造工艺的步骤图。应当注意在本实施例中，为了方便，将描述N沟道型薄膜晶体管的制造方法，但是除了改变杂质种子(掺杂剂种子)外，P沟道型的制造方法是相似的。此外，将描述具有下栅极型结构的薄膜晶体管的制造方法。
首先，如图28A所示，在由玻璃等形成的绝缘衬底100上形成厚度为100至300nm的Al、Ta、Mo、W、Cr、Cu，或者它们的合金，将它们图案化，并且加工成栅电极101。
随后，如图28B所示，在栅电极101上形成栅绝缘膜。在本例中，在栅绝缘膜中使用栅氮化物膜102(SiNx)/栅氧化物膜103(SiO2)的双层结构。使用SiH4和NH3气混合物作为原料气，并且使用等离子体CVD工艺(PE-CVD工艺)，形成栅氮化物膜102。应当注意可以使用常压CVD或者减压CVD来代替等离子体CVD。在本例中，沉积50纳米厚度的栅氮化物膜102。形成栅氮化物膜102后，形成约200纳米厚度的栅氧化物膜103。
此外，在栅氧化物膜103上连续形成约50至200纳米厚度的由无定形硅形成的半导体薄膜104。此外，在半导体薄膜104上，形成300纳米厚度的SiO2绝缘膜140。在不中断反应腔真空系统的情况下连续沉积具有双层结构的栅绝缘膜、无定形半导体薄膜104和绝缘膜140。当如上所述使用等离子体CVD工艺时，通过约1小时的加热工艺，在氮气气氛中于400至450℃的温度下实施脱氢退火，并且释放无定形半导体薄膜中含有的氢气。
接着，在例如实施例1至6中描述的方法之后，用激光150照射无定形半导体薄膜104并且使其结晶。可以使用准分子激光束作为激光150。在调整激光150的照射区后，聚焦激光150，以将调相装置的周期性图案转移到照射区上的方式照射该区域。此外，以防止复制的方式移动所述区域，重复照射，并且使预定的区域结晶。随后，通过例如刻蚀的方法剥离绝缘膜140。
随后，如图28C所示，如果需要的话则注入离子，从而控制薄膜晶体管的Vth。在本例中，以B+的剂量约为5×1011至4×1012/cm2的方式注入离子。在所述离子注入中，使用在10keV加速的离子束。随后，例如通过等离子体CVD工艺，在预处理中结晶的多晶半导体薄膜105上形成约100至300纳米厚度的SiO2。在本例中，硅烷气体SiH4和氧气被等离子体分解，并且沉积SiO2。
另外，以这种方式形成的SiO2被图案化成预定的形状，并且形成阻挡(stopper)膜106。在此情况下，使用背面曝光技术、以使该膜与栅电极101匹配的方式将阻挡膜106图案化。位于阻挡膜106正下方的一部分多晶半导体薄膜105作为沟道区Ch保护起来。如上所述，通过离子注入方法预先向沟道区Ch中注入较小剂量的B+离子。随后，使用阻挡膜106作为掩模，通过离子掺杂将杂质(例如P+离子)注入半导体薄膜105中，并且形成LDD区。此时，剂量例如为5×1012至1×1013/cm2，并且加速电压例如为10keV。
此外，以涂布相对侧上的阻挡膜106和LDD区的方式图案化/形成光刻胶之后，使用光刻胶作为掩模，以高浓度注入杂质(例如P+离子)，并且形成源区S和漏区D。例如，在注入杂质中可以使用离子掺杂(离子浴)。通过电场加速来注入杂质而不进行质量分离。在本例中，以大约1×1015/cm2的剂量注入杂质，以形成源区S和漏区D。加速电压例如为10keV。
应当注意尽管没有示出，为了形成P沟道薄膜晶体管，在用光刻胶涂布N沟道型薄膜晶体管区域后，杂质从P+离子改变成B+离子，并且用约1×1015/cm2的剂量实施离子掺杂。
应当注意此处可以使用质量分离型离子注入装置来注入杂质。
此后，通过快速热退火(RTA)160激活注入到多晶半导体薄膜105中的杂质。如果需要的话，可以使用准分子激光实施激光活化退火(ELA)。然后，同时图案化半导体薄膜105和阻挡膜106的不需要部分，并且分离薄膜晶体管用于每个器件区。
最后，如图28D所示，沉积约100至200纳米厚度的SiO2，以形成层间绝缘膜107。在形成层间绝缘膜107后，通过等离子体CVD工艺沉积约200至400纳米厚度的SiNx，以形成钝化膜(覆盖膜)108。在此阶段，在氮气、成形气体，或者真空气氛中于约350至400℃下将所述薄膜加热一个小时，并且层间绝缘膜107中包含的氢原子扩散进半导体薄膜105中。此后，打开接触孔，并且溅射100至200纳米厚度的Mo、Al等，然后图案化成预定的形状，以形成布线电极109。
此外，在施用了约1微米厚度的由丙烯酸树脂等形成的平面层(flattering layer)110后，打开接触孔。在平面层110上溅射由ITO等形成的透明导电膜后，薄膜被图案化成预定的形状，以形成像素电极111。当根据如图14所示的具有大粒径的晶粒阵列位置形成沟道时，获得具有高迁移率的薄膜晶体管。
实施例8图29A、29B、29C是表示根据本发明一个实施例的上栅极型薄膜晶体管制造工艺的步骤图。应当注意在本实施例中，与实施例7不同，制备具有上栅极结构的薄膜晶体管。
首先，如图29A所示，通过等离子体CVD工艺，在绝缘衬底100上连续沉积构成缓冲层的两层底层薄膜106a，106b。第一层底层薄膜106a由SiNx形成，并且膜厚为500纳米。第二层底层薄膜106b由SiO2形成，并且膜厚相似地为500纳米。通过等离子体CVD工艺或者LPCVD工艺，在SiO2底层薄膜106b上形成厚度为50至200纳米的由无定形硅形成的半导体薄膜104。此外，形成厚度为200纳米的SiO2绝缘膜140。当在形成无定形硅的半导体薄膜104中使用等离子体CVD工艺时，为了从该薄膜中脱附氢，在氮气气氛和400至450℃的条件下实施退火约1小时。
接着，在例如实施例1至6中描述的方法之后，使无定形半导体薄膜104结晶。在调整激光150的照射区后，聚焦激光150，以将调相装置的周期性图案转移到照射区上的方式，照射该区域。此外，以防止复制的方式移动所述区域，重复照射，并且使预定的区域结晶。随后，通过例如刻蚀等方法剥离绝缘膜140。
此处，如果需要的话，如上所述注入离子以控制Vth。在本例中，以B+的剂量约为5×1011至4×1012/cm2的方式注入离子。在此情况下，加速电压约为10keV。随后，如图29B所示，结晶的硅半导体薄膜105被图案化成岛状。通过等离子体CVD工艺、常压CVD工艺、减压CVD工艺、ECR-CVD工艺、溅射工艺等，在该薄膜上沉积约10至400纳米厚度的SiO2，从而形成栅绝缘膜103。在本例中，栅绝缘膜103的厚度被设置为100纳米。
接着，在栅绝缘膜103上形成厚度为200至800nm的Al、Ti、Mo、W、Ta、掺杂的多晶硅，或者它们的合金，并且将它们图案化成预定的形状，从而形成栅电极101。接着，利用质量分离通过离子注入工艺将P+离子注入半导体薄膜105中，以形成LDD区。使用栅电极101作为掩模对绝缘衬底100的整个表面注入离子。剂量是6×1012/cm2至5×1013/cm2，并且加速电压例如为90keV。
应当注意位于栅电极101正下方的沟道区Ch被保护，并且如此保持通过离子注入预先注入的B+离子。在向LDD区注入离子后，以涂布栅电极101及其周围的方式形成抗蚀剂图案。通过质量未分离型的离子浴掺杂工艺以高浓度注入P+离子，以形成源区S和漏区D。在本例中，剂量例如约为1×1015/cm2。加速电压例如为90keV。在掺杂气体中，使用用氢气稀释的20％PH3气体。
为了形成CMOS电路，在形成用于P沟道薄膜晶体管的抗蚀剂图案后，将掺杂气体变成5至20％的B2H6/H2气体。剂量约为1×1015至3×1015/cm2。离子注入期间加速电压例如为90keV。应当注意在形成源区S和漏区D时可以使用质量分离型离子注入装置。此后，激活注入到半导体薄膜105中的掺杂剂。在所述活化过程中，按照与实施例7相同的方式，可以使用使用紫外灯的RTA160。
最后，如图29C所示，以涂布栅电极101的方式，由PSG等形成层间绝缘膜107。在形成层间绝缘膜107后，通过等离子体CVD工艺沉积厚度约为200至400纳米的SiNx，以形成钝化膜(覆盖膜)108。在此阶段，在氮气中于350℃的温度下将所述薄膜退火一个小时，并且层间绝缘膜107中包含的氢在半导体薄膜105中扩散。此后，打开接触孔，此外，通过溅射在钝化膜108上沉积Al-Si等，然后将其图案化成预定的形状以形成布线电极109。此外，在施用了厚度约1微米的由丙烯酸树脂等形成的平面层110后，打开接触孔。在平面层110上溅射了由ITO等形成的透明导电膜后，将该薄膜图案化成预定的形状，以形成像素电极111。
在实施例8中(图29A至29C)，按照与实施例7(图28A至28D)中相似的方法使无定形半导体薄膜结晶。另外，在具有上栅极结构的实施例8中，与具有下栅极结构的实施例7不同，在形成栅电极图案之前的阶段中进行结晶。因此，与实施例7相比，玻璃等的绝缘衬底的收缩余量大。因此，可以使用具有更大输出的激光照射装置来实施结晶工艺。当根据具有如图14所示的大粒径的晶粒阵列位置形成沟道时，获得具有高迁移率的薄膜晶体管。
实施例9图30表示使用根据实施例7或8所述方法制备的薄膜晶体管的活性基质型显示装置的一个实例。如图所示，显示装置具有包括一对绝缘衬底201、202和保持在这两个衬底之间的电光材料203的面板结构。液晶材料被广泛用作电-光材料203。在下面的绝缘衬底201中形成像素阵列部分204和驱动电路部分。驱动电路部分被分成垂直驱动电路205和水平驱动电路206。
另外，在绝缘衬底201的周围部分上端上形成用于外部连接的终端部分。终端部分207经由布线208连接到垂直驱动电路205和水平驱动电路206。在像素阵列部分204中，形成行状栅极布线209和列状信号布线210。在两种布线之间的交叉处形成像素电极211和薄膜晶体管212。薄膜晶体管212的栅电极与相应的栅极布线209连接，漏区与相应的像素电极211连接，并且源区与相应的信号布线210连接。
栅极布线209与垂直驱动电路205连接。另一方面，信号布线210与水平驱动电路206连接。根据本发明制备切换像素电极211的薄膜晶体管212，以及包括在垂直驱动电路205和水平驱动电路206中的薄膜晶体管，并且与常规晶体管相比，迁移率提高了。因此，不仅可以形成驱动电路，而且可以形成具有更高性能的处理电路。
图31是示意性表示根据本发明另一个实施例的结晶设备结构的图。图32是示意性表示图31的照射系统内部结构的图。参照图31和32，所述结晶设备包括用来调整入射光通量的相位，以形成具有预定光强分布的光通量的调相装置1，以及用来将入射光通量分成两束具有不同偏振状态的不相干光通量的光通量分裂装置2(在本例中为双折射装置2E)。
应当注意以相位图面(具有阶跃的面)面向光通量分裂装置2的方式，在光通量分裂装置2附近放置调相装置1。应当注意调相装置1可以与光通量分裂装置2整体地构造。调相装置1和光通量分裂装置2的结构和功能将在后面描述。所述结晶设备还可以包括用来照射调相装置1的照射系统3。
照射系统3是例如图32所示的光学系统，并且包括提供248纳米波长的光的KrF准分子激光光源3a。作为光源3a，可以使用能够发射用来熔化待处理部件的能量光射线的其它适当光源，例如XeCl准分子激光源或YAG激光源。从光源3a提供的激光经由光束扩展器3b被放大，然后进入第一蝇眼透镜3c。因此，在第一蝇眼透镜3c的后部焦平面上形成多个光源，并且来自所述多个光源的光通量以叠加的方式经由第一聚光系统3d照射第二蝇眼透镜3e的入射面。
结果，在第二蝇眼透镜3e的后焦面上形成多于第一蝇眼透镜3c的后焦面上光源的光源。来自第二蝇眼透镜3e的后焦面上形成的多个光源的光通量以叠加的方式经由第二聚光系统3f和光阑3g照射调相装置1。此处，第一蝇眼透镜3c和第一聚光系统3d构成第一均化器。通过第一均化器在调相装置1中均化从光源3a施加的激光的入射角。
另外，第二蝇眼透镜3e和第二聚光系统3f构成了第二均化器。通过第二均化器，在调相装置1上均化其入射角已经被第一均化器均化过的激光在该平面上每个位置的入射角。应当注意可以使用一对圆柱式蝇眼透镜来代替第一蝇眼透镜3c或第二蝇眼透镜3e。此处，圆柱式蝇眼透镜包括多个圆柱式透镜元件，其在特定的平坦晶面上具有折射功能，并且在与该平坦晶面成直角的平坦晶面上没有任何的折射功能。
因此，照射系统3用具有基本上均匀的光强分布的激光照射调相装置1。其相位已经通过调相装置1调制的激光经由光学成像系统4进入待处理的衬底5。此处，调相装置1的相位图面和待处理的衬底5以光学共轭的方式布置在光学成像系统4中。换句话说，待处理的衬底5布置在与调相装置1的相位图面光学共轭的平面内(即，光学成像系统4的图像平面)。光学成像系统4包括正透镜组4a和4b之间的孔径光圈4c。
孔径光圈4c具有多个其开口(透光部分)具有不同尺寸的孔径光圈。多个孔径光圈4c可以被构造成相对于光学通道是可变的。或者，孔径光圈4c可以具有开口尺寸连续可变的光圈。在任何情况下，如后面所述，孔径光圈4c的开口尺寸(即，光学成像系统4的图像侧数值孔径NA)按照在待处理衬底5的半导体膜产生所需光强分布的方式来设置。应当注意光学成像系统4可以是折射光学系统、反射光学系统或者折射/反射光学系统。
另外，待处理的衬底5通过在衬底上依次沉积下层绝缘膜、半导体薄膜和上层绝缘膜来构成。即，在待处理的衬底5中，通过化学气相沉积(CVD)工艺，在用于液晶显示器的玻璃板上连续地形成例如下层绝缘膜、非单晶膜(例如无定形硅膜)和覆盖膜。下层绝缘膜和覆盖膜都是绝缘膜，例如SiO2。下层绝缘膜防止无定形硅膜直接与玻璃衬底接触。杂质，例如Na被阻止混合在无定形硅膜中。另外，阻止无定形硅膜的熔化温度直接传给玻璃衬底。无定形硅膜是结晶的半导体膜。
无定形硅膜在吸收入射光时被加热。在传导部分热量时覆盖膜被加热。热量在无定形硅膜中积累。当中断光束入射时，在无定形硅膜的照射面中，高温部分的温度降低得相对较快。上述热量积累作用缓和了温度的降低速度，并且促进了大粒径横向的晶体生长。通过真空吸盘、静电吸盘等，将待处理的衬底5定位并且保持在衬底台6的预定位置上。
实施例10图33是示意表示根据本发明实施例10的调相装置结构的图。调相装置1是用来制备包含5平方微米的晶粒阵列的半导体薄膜的调相装置。调相装置1包括多个具有相同图案的单位区域1a，并且每个单位区域1a以预定的周期二维排列。在图33中，为了描述简单，只示出了两个具有正方形的相邻单位区域1a。根据在光学成像系统4图像平面中的转换值，每个单位区域1a的一边是5微米。调相装置1的尺寸将在下文中根据光学成像系统4的图像平面中的转换值来说明。
单位区域1a包括具有特定相位的基准面(图中空白部分)1aa，排列在单位区域1a中央附近的第一区域1ab和第二区域1ac，以及布置在第一区域1ab和第二区域1ac周围的第三区域1ad、1ae和第四区域1af、1ag。此处，每个第一区域1ab和第二区域1ac是通过将半径为1.1微米的圆形分成四等份获得的扇形图案，并且以顶点在单位区域1a中央处彼此接触的方式来排列各区域。
第三区域1ad和第四区域1af是一边为0.5微米的正方形点图案，并且距单位区域1a中央处(第一区域1ab和第二区域1ac之间的接触)等距离地放置。另一方面，第三区域1ae和第四区域1ag是一边为0.3微米的正方形点图案，并且距单位区域1a中央处等距离地放置。它们比第三区域1ad和第四区域1af距离单位区域1a的中央处更远。单位区域1a关于对角线B-B或C-C具有对称的图案。
在图左侧的单位区域1a中，第一区域1ab和第三区域1ad、1ae相对于基准面1aa具有-60°的相位(在基准面1aa的相位被标准化为0°时的相对相位)。第二区域1ac和第四区域1af、1ag相对于基准面1aa具有+60°的相位。相反，在图右侧的单位区域1a中，第一区域1ab和第三区域1ad、1ae相对于基准面1aa具有+60°的相位。第二区域1ac和第四区域1af、1ag相对于基准面1aa具有-60°的相位。
也就是说，在本例的调相装置1中，基准面1aa在两个相邻的单位区域1a之间具有相同的相位，但是，第一区域1ab、第二区域1ac、第三区域1ad，1ae、第四区域1af，1ag相对于基准面1aa具有互相相反的相位(相位绝对值相等并且符号相反)。应当注意第三区域1ad、1ae和第四区域1af、1ag具有光学上小于光学成像系统4的点扩散分布范围的半径的形状。
在实施例10中，在不放置光通量分裂装置2的情况中，在位于光学成像系统4聚焦位置(焦点位置)的待处理衬底5的表面上形成图34A至34C中所示的光强分布。即，在图33中，沿着相应于穿过调相装置1的单位区域1a中部的线A-A的交叉线形成图34A所示的光强分布。沿着相应于图中左侧单位区域1a的向右上升的对角线B-B的斜线形成图34B所示的光强分布。沿着相应于图中右侧单位区域1a的向左上升的对角线C-C的斜线形成图34C所示的光强分布。
应当注意在下面的实施例中，将光学成像系统4的图像侧数值孔径NA设置为0.13，并且设置照射西格玛值(照射系统的数值孔径/光学成像系统4的物体侧的数值孔径)为0.43。另外，在图34A至34C中，纵坐标表示光强，并且表示当最大值标准化为1时的相对值。横坐标表示距相应于单位区域1a中心的点处的距离(微米)。应当注意在下面，光强分布按照与图34中相似的方法来描述。
从图34A中可以看出在相应于第一区域1ab和第二区域1ac之间的接触处(单位区域1a的中央)，形成光强最小的峰谷。通过第一区域1ab和第二区域1ac的作用，从峰谷朝向周围径向形成光强快速增加的反向峰值分布。通过第三区域1ad、1ae和第四区域1af、1ag的作用，从反向峰值分布朝向外围径向形成光强缓慢增加的倾斜分布。应当注意第三区域1ad、1ae和第四区域1af、1ag的作用将在后面(实施例12)详细描述。举例来说，当加工石英玻璃衬底的表面，并且形成相应于预定相位的厚度分布时，获得调相装置1的相位阶跃图案。石英玻璃衬底可以通过选择性刻蚀或者聚焦离子束(FIB)来进行加工。
接着，将描述用于图31的结晶设备的光通量分裂装置2。图35表示所述光通量分裂装置的结构和功能的说明图。所述光通量分裂装置例如是双折射装置2E。所述双折射装置2E由按照晶体光轴2a与光轴形成预定角度θ的方式设置的双折射平行平板构成。构成双折射装置2E的双折射光学材料的实例包括石英、方解石、氟化镁等。
举例来说，如图35A所示，当具有自由偏振状态的光线G与光轴平行地进入双折射装置2E时，具有线性偏振状态的假设采取与图35A的纸面垂直的方向作为偏振方向的光线，即垂直光线o(由黑圆形表示)，笔直穿过而不接收双折射装置2E的任何折射作用，并且从与光轴平行的双折射装置2E中射出。另一方面，具有线性偏振状态的假设采取与图35A的纸面平行的方向作为偏振方向的光线，即非垂直光线e(由短直线表示)被双折射装置2E的入射界面折射，并且以与光轴形成角度θ的方向通过。此后，该光线再次被双折射装置2E的出射界面折射，并且与双折射装置2E的光轴平行射出。这种现象是众所周知的，并且例如在下面的文献中详细描述Asakura Shoten出版，Junpei Tsujiuchi编著的“General Optics II”的第五章，或者GendaiKogakusha出版，Keie Kudo和Tomiya Uehara编著的“BasicOptics<Light Ray Optics·Electromagnetic Optics>”。
此时，从双折射装置2E中平行于光轴发射出的垂直光线o和非垂直光线e之间的距离，即分隔宽度(分离距离)d取决于形成双折射装置2E的光学材料、晶体光轴的方向、切割方式(cutout way)、光轴方向上双折射装置2E的尺寸(即，厚度)等等。图35B表示调相装置1上的一个点被双折射装置2E分裂成两个点，以及观察的结果。应当注意双折射装置2E的分隔宽度d是光学成像系统4在物体侧的值，并且光学成像系统4的图像平面中的分隔宽度表示通过分隔宽度d乘以光学成像系统4的放大倍数(例如，1/5)所得的值。
在光线垂直进入具有通过单轴晶体材料形成的平行平板形状的双折射装置2E的情况中，分隔宽度d由下面的等式(a)表示d＝tanφxt……(a)，其中，tanφ＝(no2-ne2)sinθ·cosθ/(ne2cos2θ+no2sin2θ)应当注意在等式(a)中，no表示垂直光线o的折射率，并且ne表示非垂直光线e的折射率。如上所述，φ表示非垂直光线e与入射界面法线(即，光轴)间的角度，θ是晶体光轴2a与入射界面法线间的角度，并且t表示双折射装置2E的厚度。作为一个实例，在光线波长为248纳米，并且θ设置为45度且由石英组成的双折射装置2E的情况中，为了获得分隔宽度d＝25微米所需的双折射装置2E的厚度t为3697微米。应当注意在计算中，石英相对于波长为248纳米的光的折射率被设置为ne＝1.6124，no＝1.6016。
在本例中，因为借助双折射装置2E，将入射光通量分成两个不相干的具有不同偏振状态的光通量，所以在待处理衬底5的表面上形成相应于彼此分开的两个光强分布的合成的光强分布。此时，当双折射装置2E上的入射光通量具有随意的偏振状态时，借助双折射装置2E分裂的两个光通量基本上彼此相等。当借助双折射装置2E分裂的两个光通量通过双图像功能叠加在待处理衬底5的表面上时，两个光通量彼此不会干涉，并且通量作为光强的和被简单合成。
因此，在图33中，由穿过调相装置1右边单位区域1a的垂直光线o在待处理衬底5的表面上形成的光强分布，以及由穿过调相装置1左边单位区域1a的非垂直光线e在待处理衬底5的表面上形成的光强分布被叠加，并且合成。结果，在位于光学成像系统4的焦点位置处的待处理衬底5的表面上形成如图36A、36B所示的光强分布。图36A是立体表示叠加在待处理衬底5的表面上的合成光强分布的图。图36B是表示沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线的合成光强分布的图。
另外，在从光学成像系统4的焦点位置在光学成像系统4侧散焦10微米、并且定位的待处理的衬底5的表面上，形成如图37A、37B所示的光强分布。图37A是立体表示叠加在待处理衬底5的表面上的合成光强分布的图。图37B是表示沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线的合成光强分布的图。参照图36A、36B和图37A、37B，可见即使在待处理衬底5的表面相对于光学成像系统4的焦点位置在一定程度上散焦时，通过调相装置1和双折射装置2E的共同作用，合成的光强分布也不会变化很大，并且保证了大的聚焦深度。
在实施例10中，在图31所示的结晶设备中，使用结构如图33所示的调相装置1来使待处理衬底5上的半导体(Si)薄膜结晶。举例来说，在待处理的衬底5上面，形成具有介于图36A、36B与图37A、37B所示的光强分布之间的光强分布的激光，并且通过图12所示的结晶工艺，如图14B所示，制备包括5平方微米的晶粒阵列的半导体薄膜。如图36A、36B和图37A、37B所示，即使在待处理的衬底5的表面相对于光学成像系统4的焦点位置散焦时，在待处理的衬底5上合成的光强分布也不会变化很大。因为按照这种方式保证了大的聚焦深度，所以获得包含具有满意均匀性的晶粒阵列的半导体薄膜。
实施例11图38是示意表示根据本发明实施例11的调相装置结构的图。调相装置1是用来按照与实施例10中相同的方式制备包含5平方微米的晶粒阵列的半导体薄膜的调相装置，并且具有与实施例10相似的结构。但是，在实施例11中，代替由一边为0.5微米的正方形点图案构成的第三区域1ad和第四区域1af，布置了由一边为0.3微米的正方形点图案构成的第三区域1ah和第四区域1ai。在这一方面，实施例11与实施例10不同。下面将以与实施例10的不同之处为重点来描述实施例11。
在实施例11中，在不放置任何光通量分裂装置2的情况下，在位于光学成像系统4的焦点位置的待处理衬底5上形成图39A至39C所示的光强分布。即，在图38中，沿着相应于穿过调相装置1的单位区域1a中部的线A-A的交叉线形成图39A所示的光强分布。沿着相应于左侧单位区域1a的向右上升的对角线B-B的斜线形成图39B所示的光强分布。沿着相应于右侧单位区域1a的向左上升的对角线C-C的斜线形成图39C所示的光强分布。
从图39A中可以看出相应于第一区域1ab和第二区域1ac之间的接触处(即，单位区域1a的中央)，形成光强最小的峰谷。通过第一区域1ab和第二区域1ac的作用，从峰谷朝向周围径向形成光强快速增加的反向峰值分布。通过第三区域1ah、1ae和第四区域1ai、1ag的作用，从反向峰值分布朝向周围径向形成光强缓慢增加的倾斜分布。
在本例中，实际上因为借助双折射装置2E，将入射光通量分成两个不相干的具有不同偏振状态的光通量，所以由穿过图中右侧调相装置1单位区域1a的垂直光线o在待处理衬底5的表面上形成的光强分布，以及由穿过图中左侧单位区域1a的非垂直光线e在待处理衬底的表面上形成的光强分布叠加，并且合成。结果，在位于光学成像系统4的焦点位置处的待处理衬底5的表面上形成如图40A、40B所示的光强分布。图40A是立体表示在待处理衬底5的表面上叠加的合成光强分布的图。图40B是表示沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线的合成光强分布的图。
在从光学成像系统4的焦点位置在光学成像系统4侧散焦10微米、并且定位的衬底5的表面上，形成如图41A、41B所示的光强分布。图41A是立体表示在待处理衬底5的表面上叠加的合成光强分布的图。图41B是表示沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线的合成光强分布的图。
参照图40A、40B和图41A、41B，可见即使在待处理衬底5的表面相对于光学成像系统4的焦点位置在一定程度上散焦时，通过调相装置1和双折射装置2E的共同作用，合成的光强分布也不会变化很大。即，保证了大的聚焦深度。具体地说，当待处理衬底5相对于光学成像系统4的焦点位置散焦10微米时，峰谷的相对值从约0.5上升至约0.62，并且峰宽W1从约1.01微米增加至约1.14微米。也就是说，峰谷的相对值和峰宽W1在上述理想的范围内变化。应当注意在实施例11获得的合成光强分布中，峰宽W1略小于实施例10中的情况。
在实施例11中，在图31所示的结晶设备中，使用结构如图38所示的调相装置1来使待处理衬底5上的半导体(Si)薄膜结晶。在待处理衬底5上面，例如形成具有介于图40A、40B与图41A、41B所示的光强分布之间的光强分布的激光，并且通过图12所示的结晶工艺，如图14B所示，制备包括5平方微米的晶粒阵列的半导体薄膜。如图40A、40B和图41A、41B所示，即使在待处理衬底5相对于光学成像系统4的焦点位置散焦时，在待处理衬底5上合成的光强分布也不会变化很大。因为按照这种方式保证了大的聚焦深度，所以获得包含具有满意均匀性的晶粒阵列的半导体薄膜。
实施例12图42是示意表示根据本发明实施例12的调相装置结构的图。调相装置1是用来按照与实施例10中相同的方式制备包含5平方微米的晶粒阵列的半导体薄膜的调相装置，并且具有与实施例10相似的结构。但是，在实施例12中，布置在第一区域1ab和第二区域1ac周围的点图案与实施例10的不同。下面将以与实施例10的不同之处为重点来描述实施例12。
在实施例12的调相装置1中，实际上设置0.5平方微米的正方形单位单元(为了清晰起见，仅在图中右侧的单位区域1a中表示)纵向/横向且致密地围绕着第一区域1ab和第二区域1ac。每个单元在光学上小于光学成像系统4的点扩散分布范围的半径。另外，在图中交叉线A-A上方的多个单位单元1aj中布置第三区域1ak，并且在交叉线A-A下方的多个单位单元1aj中布置第四区域1am。另外，在围绕第一区域1ab和第二区域1ac的单位单元1aj中没有放置任何第三或第四区域。单位区域1a关于对角线B-B和C-C具有对称的图案。
此处，在图左侧的单位区域1a中，第一区域1ab和第三区域1ak相对于基准面1aa具有-60°的相位，并且第二区域1ac和第四区域1am相对于基准面1aa具有+60°的相位。相反，在图右侧的单位区域1a中，第一区域1ab和第三区域1ak相对于基准面1aa具有+60°的相位，并且第二区域1ac和第四区域1am相对于基准面1aa具有-60°的相位。
另外，按照远离第一区域1ab和第二区域1ac之间的接触处(单位区域1a的中央)而降低方式，构造单位单元1aj中的第三区域1ak的比例，以及单位单元1aj中的第四区域1am的比例。当构造第三区域1ak与第四区域1am的比例，使之随着远离单位区域1a的中央而降低时，实现了远离反向峰值分布增大的漏斗形倾斜分布。
当在实施例12中不放置光通量分裂装置2时，在位于光学成像系统4的焦点位置的待处理衬底5的表面上形成图43A至43C所示的光强分布。即，在图42中，沿着相应于穿过调相装置1的单位区域1a中部的线A-A的交叉线形成图43A所示的光强分布。沿着相应于左侧单位区域1a的向右上升的对角线B-B的斜线形成图43B所示的光强分布。沿着相应于右侧单位区域1a的向左上升的对角线C-C的斜线形成图43C所示的光强分布。
从图43A中可以看出相应于第一区域1ab和第二区域1ac之间的接触处(即，单位区域1a的中央)，形成光强最小的峰谷。通过第一区域1ab和第二区域1ac的作用，从峰谷朝向周围径向形成光强快速增加的反向峰值分布。通过第三区域1ak和第四区域1am的作用，从反向峰值分布朝向周围径向形成光强缓慢增加的倾斜分布。
在本例中，实际上因为借助双折射装置2E，将入射光通量分成两个不相干的具有不同偏振状态的光通量，所以由穿过图中右侧调相装置1的单位区域1a的垂直光线o在待处理衬底5的表面上形成的光强分布，以及由穿过图中左侧的单位区域1a的非垂直光线e在待处理衬底的表面上形成的光强分布叠加，并且合成。结果，在位于光学成像系统4的焦点位置处的待处理衬底5的表面上形成如图44A、44B所示的光强分布。图44A是立体表示在待处理衬底5的表面上叠加的合成光强分布的图。图40B是表示沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线的合成光强分布的图。
在待处理衬底5的表面上形成如图45A、45B所示的光强分布。所述表面已经从光学成像系统4的焦点位置在光学成像系统4侧散焦10微米，并且定位。图45A是立体表示在待处理衬底5的表面上叠加的合成光强分布的图。图45B是表示沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线的合成光强分布的图。
参照图44A、44B和图45A、45B，可见即使在待处理衬底5的表面相对于光学成像系统4的焦点位置在一定程度上散焦时，通过调相装置1和双折射装置2E的共同作用，合成的光强分布也不会变化很大。即，保证了大的聚焦深度。具体地说，当在待处理衬底5相对于光学成像系统4的焦点位置散焦10微米时，峰谷的相对值从约0.5上升至约0.62，并且峰宽W1从约1.01微米增加至约1.14微米。也就是说，峰谷的相对值和峰宽W1在上述理想的范围内变化。应当注意在实施例12获得的合成光强分布中，倾斜分布中光强分布的改变比在实施例10和11中更慢，并且得到了与图13A类似的分布。
在实施例12中，在图31所示的结晶设备中，使用结构如图42所示的调相装置1来使待处理衬底5上的半导体(Si)薄膜结晶。在待处理衬底5上面，例如形成具有介于图44A与图45A所示的光强分布之间的光强分布的激光，并且通过图12所示的结晶工艺，如图14B所示，制备包括5平方微米的晶粒阵列的半导体薄膜。如图44A、44B和图45A、45B所示，即使在待处理衬底5相对于光学成像系统4的焦点位置散焦时，在待处理衬底5上合成的光强分布也不会变化很大。因为按照这种方式保证了大的聚焦深度，所以获得包含具有满意均匀性的晶粒阵列的半导体薄膜。
实施例13图46是示意表示根据本发明实施例13的调相装置结构的图。调相装置1具有与实施例12相似的结构。但是，与实施例10至12不同，调相装置1是用来制备包含10平方微米晶粒阵列的半导体薄膜的调相装置。在实施例13中，布置在第一区域1ab和第二区域1ac周围的点图案与实施例12中的不同。下面将以与实施例12的不同之处为重点来描述实施例13。
在实施例13的调相装置1中，实际上设置1.0平方微米的正方形单位单元(未示出)纵向/横向且致密地围绕着第一区域1ab和第二区域1ac。每个单元在光学上小于光学成像系统4的点扩散分布范围的半径。另外，在图中交叉线A-A上方的多个单位单元中布置第三区域1ak，并且在交叉线A-A下方的多个单位单元中布置第四区域1am。另外，在单位区域1a中部的纵向/横向线上没有放置任何点图案。单位区域1a关于对角线B-B和C-C具有对称的图案。
也就是说，所述点图案的中央间隔在实施例12中为0.5微米，而在实施例13为1.0微米。此外，在实施例13中，为了保持反向峰值分布附近的光强比较快速地变化，围绕着第一区域1ab和第二区域1ac，在一个单位区域1a中将三个第三区域1aka与三个第四区域1ama设置成0.4平方微米。应当注意因为按照随着远离单位区域1a的中央而降低的方式，设置第三区域1ak与第四区域1am的比例，所以本实施例与实施例12是相似的。
在实施例13中，在不放置光通量分裂装置2的情况中，在位于光学成像系统4的焦点位置的衬底5的表面上形成图47A至47C所示的光强分布。即，在图46中，沿着相应于穿过调相装置1的单位区域1a中部的线A-A的交叉线形成图47A所示的光强分布。沿着相应于左侧单位区域1a的向右上升的对角线B-B的斜线形成图47B所示的光强分布。沿着相应于右侧单位区域1a的向左上升的对角线C-C的斜线形成图47C所示的光强分布。
从图47A中可以看出相应于第一区域1ab和第二区域1ac之间的接触处(即，单位区域1a的中央)，形成光强最小的峰谷。通过第一区域1ab和第二区域1ac的作用，从峰谷朝向周围径向形成光强快速增加的反向峰值分布。通过第三区域1ak和第四区域1am的作用，从反向峰值分布朝向周围径向形成光强缓慢增加的倾斜分布。
在本例中，实际上因为借助双折射装置2E，将入射光通量分成两个不相干的具有不同偏振状态的光通量，所以由穿过图中右侧调相装置1的单位区域1a的垂直光线o在待处理衬底5的表面上形成的光强分布，以及由穿过图中左侧单位区域1a的非垂直光线e在待处理衬底的表面上形成的光强分布叠加，并且合成。结果，在位于光学成像系统4的焦点位置处的待处理衬底5的表面上形成如图48A、48B所示的光强分布。图48A是立体表示在待处理衬底5的表面上叠加的合成光强分布的图。图48B是表示沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线的合成光强分布的图。
在待处理衬底5的表面上形成如图49A、49B所示的光强分布。所述表面已经从光学成像系统4的焦点位置在光学成像系统4侧散焦10微米，并且定位。图49A是立体表示在待处理衬底5的表面上叠加的合成光强分布的图。图49B是表示沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线的合成光强分布的图。
参照图48A、48B和图49A、49B，可见即使在待处理衬底5的表面相对于光学成像系统4的焦点位置在一定程度上散焦时，通过调相装置1和双折射装置2E的共同作用，合成的光强分布也不会变化很大。即，保证了大的聚焦深度。具体地说，当待处理衬底5相对于光学成像系统4的焦点位置散焦10微米时，峰谷的相对值从约0.54上升至约0.62，并且峰宽W1从约1.24微米增加至约1.50微米。也就是说，峰谷的相对值和峰宽W1在上述理想的范围内变化。
在实施例13中，在图31所示的结晶设备中，使用结构如图46所示的调相装置1来使待处理衬底5上的半导体(Si)薄膜结晶。在待处理衬底5上面，例如形成具有介于图48A、48B与图49A、49B所示的光强分布之间的光强分布的激光，并且通过图12所示的结晶工艺，如图14B所示，制备包括10平方微米的晶粒阵列的半导体薄膜。如图48A、48B和图49A、49B所示，即使待处理衬底5相对于光学成像系统4的焦点位置散焦时，在待处理衬底5上合成的光强分布也不会变化很大。因为按照这种方式保证了大的聚焦深度，所以获得包含具有满意均匀性的晶粒阵列的半导体薄膜。
实施例14图50是示意表示根据本发明实施例14的调相装置结构的图。调相装置1是用来按照与实施例13相同的方式，制备包含10平方微米晶粒阵列的半导体薄膜的调相装置，并且具有与实施例13相似的结构。但是，在实施例14中，一个单位区域1a中围绕着第一区域1ab和第二区域1ac的所有(本例中为五个)第三区域1aka和所有(本例中为五个)第四区域1ama都被设置成0.4平方微米。在这一方面，实施例14与实施例13不同。下面将以与实施例13的不同方面为重点来描述实施例14。
在实施例14中，在不放置光通量分裂装置2的情况中，在位于光学成像系统4焦点位置的衬底5的表面上形成图51A至51C所示的光强分布。即，在图50中，沿着相应于穿过调相装置1的单位区域1a中部的线A-A的交叉线形成图51A所示的光强分布。沿着相应于左侧单位区域1a的向右上升的对角线B-B的斜线形成图51B所示的光强分布。沿着相应于右侧单位区域1a的向左上升的对角线C-C的斜线形成图51C所示的光强分布。
从图51A中可以看出相应于第一区域1ab和第二区域1ac之间的接触处(即，单位区域1a的中央)，形成光强最小的峰谷。通过第一区域1ab和第二区域1ac的作用，从峰谷朝向周围径向形成光强快速增加的反向峰值分布。通过第三区域1ak和第四区域1am的作用，从反向峰值分布朝向周围径向形成光强缓慢增加的倾斜分布。
在本例中，实际上因为借助双折射装置2E，将入射光通量分成两个不相干的具有不同偏振状态的光通量，所以由穿过图中右侧调相装置1的单位区域1a的垂直光线o在待处理衬底5的表面上形成的光强分布，以及由穿过图中左侧单位区域1a的非垂直光线e在待处理衬底的表面上形成的光强分布叠加，并且合成。结果，在位于光学成像系统4的焦点位置处的待处理衬底5的表面上形成如图52A、52B所示的光强分布。图52A是立体表示在待处理衬底5的表面上叠加的合成光强分布的图。图52B是表示沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线的合成光强分布的图。
在待处理衬底5的表面上形成如图53A、53B所示的光强分布。所述表面已经从光学成像系统4的焦点位置在光学成像系统4侧散焦10微米，并且定位。图53A是立体表示在待处理衬底5的表面上叠加的合成光强分布的图。图53B是表示沿着相应于单位区域1a的交叉线A-A的交叉线的合成光强分布的图。
参照图52A、52B和图53A、53B，可见即使在待处理衬底5的表面相对于光学成像系统4的焦点位置在一定程度上散焦时，通过调相装置1和双折射装置2E的共同作用，合成的光强分布也不会变化很大。即，保证了大的聚焦深度。具体地说，当待处理衬底5相对于光学成像系统4的焦点位置散焦10微米时，峰谷的相对值从约0.53上升至约0.62，并且峰宽W1从约1.30微米增加至约1.50微米。也就是说，峰谷的相对值和峰宽W1在上述理想的范围内变化。实施例14中获得的合成光强分布具有小于实施例13中的各向异性。
在实施例14中，在图31所示的结晶设备中，使用结构如图50所示的调相装置1来使待处理衬底5上的半导体(Si)薄膜结晶。在待处理衬底5上面，例如形成具有介于图52A、52B与图53A、53B所示的光强分布之间的光强分布的激光，并且通过图12所示的结晶工艺，如图14B所示，制备包括10平方微米的晶粒阵列的半导体薄膜。如图52A、52B和图53A、53B所示，即使在待处理衬底5相对于光学成像系统4的焦点位置散焦时，在待处理衬底5上合成的光强分布也不会变化很大。因为按照这种方式保证了大的聚焦深度，所以获得包含具有满意均匀性的晶粒阵列的半导体薄膜。
应当注意在上述实施例中，所述光强分布可以在设计阶段计算，但是优选预先在待处理的实际面上观测并确认。为此，可以通过光学系统放大衬底的待处理表面，并且通过例如CCD的成像装置输入。当使用的光是紫外线时，光学系统是有限制的。因此，可以在待处理的面上放置荧光板，并且光线可以被转化成可见光。在上述实施例中，已经介绍了调相装置1的具体结构实例，但是在本发明的范围内，所述调相装置1结构的各种修改是可能的。
另外，在上述实施例中，所述双折射装置2E布置在调相装置1的附近。但是，本发明并不局限于这种布置。当双折射装置2E被放置在调相装置1和待处理衬底5之间时，可以有效地产生上述双图像效果。具体地说，双折射装置2E优选被放置在调相装置1和光学成像系统4之间，或者光学成像系统4和待处理衬底5之间。当光学成像系统4的入射面被表面加工时，布置一个用来实现预定相位差的台阶，并且以这种方式可以结合双折射装置2E和调相装置1的功能。即，可以整体地形成光调制装置和光通量分裂装置。
另外，在上述实施例中，因为双折射装置2E包括一个双折射平行平板，所以垂直光线o具有与非垂直光线e不同的光程长度。因此，借助双折射装置2E，在两个光通量分裂器之间形成相位差，并且两个光通量的成像位置在光轴方向上被分开。萨伐特板(savart plate)可以用作避免该问题的光通量分裂装置2。萨伐特板由一对双折射平行平板构成，并且这些平行平板以晶体光轴相对于所述光轴形成预定角度的方式来构造。或者，为了避免由于相位差引起的成像位置分离的问题，通过所谓的弗朗松(Francon)变形萨伐特板，可以作为所述光通量分裂装置2。
另外，在上述实施例中，使用布置在调相装置1附近的双折射装置2E作为光通量分裂装置2。但是，本发明并不局限于该例，并且可以使用光学成像系统4的光瞳面或者放在附近的沃拉斯顿(Wollaston)棱镜来代替双折射装置2E。沃拉斯顿棱镜包括一对双折射偏振棱镜，并且这些偏振棱镜以晶体光轴相对于所述光轴形成预定角度的方式来构造。
通过本发明结晶方法制备的半导体薄膜被运用于薄膜晶体管，并且表现出高迁移率的优异TFT特性。因此，所述薄膜可以用于液晶显示器或者电致发光(EL)显示器的驱动电路，或者用于存储器(SPRAM或DRAM)或CPU的集成电路。
权利要求
1.一种用具有预定光强分布的光通量照射非单晶半导体膜，从而使所述半导体膜结晶的结晶设备，其特征在于包括调相装置(1)，其包括多个以一定周期排列并且互相具有基本相同图案的单位区域(1a)；及布置在所述调相装置(1)和非单晶半导体膜之间的光学成像系统(4)，所述调相装置(1)的每个所述单位区域(1a)包括具有特定相位的基准面(1aa)；第一区域(1ab)，其布置在每个单位区域(1a)中央附近，并且相对于所述基准面(1aa)具有第一相位差；及第二区域(1ac)，其布置在所述第一区域(1ab)附近，并且相对于所述基准面(1aa)具有基本上与所述第一相位差相同的相位差。
2.根据权利要求1所述的结晶设备，其特征在于所述预定光强分布具有多个以预定的周期排列并且具有基本相同的二维分布的单位分布区域，并且每个所述单位分布区域具有位于所述单位分布区域中央附近处、并且其光强从具有最低光强的区域沿半径朝向周围快速增加的反向峰值分布，以及其光强从所述反向峰值分布沿半径朝向周围缓慢增加的倾斜分布。
3.根据权利要求2所述的结晶设备，其特征在于当所述单位分布区域中所述光强的最大值被标准化为1时，每个所述单位分布区域中光强的最小值具有0.2至0.7的相对值。
4.根据权利要求2所述的结晶设备，其特征在于当所述单位分布区域中光强的最大值标准化为1时，通过向每个单位分布区域中的光强的最小值上加上最大值与最小值差值的2/5而获得的光强中，光强分布的宽度在0.5和1.5微米之间。
5.根据权利要求2所述的结晶设备，其特征在于以矩形或三角形晶格的形式、以4至20微米的间隔来排列所述各个单位分布区域。
6.根据权利要求1所述的结晶设备，其特征在于所述第一区域(1ab)具有与所述第二区域(1ac)基本相同的图案，并且基本上在一个点处与所述第二区域(1ac)接触。
7.根据权利要求1所述的结晶设备，其特征在于所述第一和第二区域(1ab、1ac)具有扇形形状。
8.根据权利要求1所述的结晶设备，其特征在于所述第一和第二区域(1ab、1ac)根据功能面直径的转换值整体具有0.3至1.5微米大小。
9.根据权利要求1所述的结晶设备，其特征在于所述每个单位区域(1aa)具有多个围绕所述第一和第二区域(1ab，、1ac)的第三区域(1ad)，并且每个第三区域(1ad)具有小于预定尺寸的点图案，并且相对于所述基准面(1aa)具有与所述第一区域(1ab)基本相同的相位差。
10.根据权利要求9所述的结晶设备，其特征在于所述单位区域(1aa)中所述第三区域(1ad)的比例随着离每个单位区域(1aa)中央的距离而变化。
11.根据权利要求9所述的结晶设备，其特征在于所述每个单位区域(1aa)具有多个小于所述预定尺寸的单元，并且每个单元中的所述第三区域(1ad)的比例随着所述单元而变化。
12.根据权利要求10或11所述的结晶设备，其特征在于所述第三区域的比例随着远离所述单位区域(1a)的中央而降低。
13.一种用具有预定光强分布的光通量照射非单晶半导体膜，从而使所述半导体膜结晶的结晶设备，其特征在于包括调相装置(1)，其包括多个以一定周期排列并且互相具有基本相同图案的单位区域(1a)；将通过所述调相装置(1)的光通量分成两束不相干光通量的光通量分裂装置(2)；及布置在所述光通量分裂装置(2)和所述非单晶半导体膜之间的光学成像系统(4)，所述调相装置(1)的每个单位区域(1a)包括具有特定相位的基准面(1aa)；第一区域(1ab)，其布置在每个单位区域(1a)中央附近，并且相对于所述基准面(1aa)具有第一相位差；及第二区域(1ac)，其布置在所述第一区域(1ab)附近，并且具有第二相位差，其绝对值基本上等于相对于所述基准面(1aa)的所述第一相位差的绝对值，并且其符号与所述第一相位差的符号不同，在两个相邻单位区域(1a)之间具有基本相同相位的所述基准面(1aa)，在两个相邻单位区域(1a)之间，相对于所述基准面(1aa)具有基本上相反相位差的所述第一区域(1ab)，在两个相邻单位区域(1a)之间，相对于所述基准面(1aa)具有基本上相反相位差的所述第二区域(1ac)。
14.根据权利要求13所述的结晶设备，其特征在于所述预定光强分布具有多个以所述预定周期排列并且具有基本相同的二维分布的单位分布区域，并且每个所述单位分布区域具有位于所述单位分布区域中央附近处、并且其光强从具有最低光强的区域沿半径朝向周围快速增加的反向峰值分布，以及其光强从所述反向峰值分布沿半径朝向周围缓慢增加的倾斜分布。
15.根据权利要求14所述的结晶设备，其特征在于当所述单位分布区域中光强的最大值被标准化为1时，每个所述单位分布区域中光强的最小值具有0.2至0.7的相对值。
16.根据权利要求14所述的结晶设备，其特征在于当所述单位分布区域中光强的最大值标准化为1时，通过向每个单位分布区域中的光强的最小值上加上最大值与最小值差值的2/5而获得的光强中，光强分布的宽度在0.5和1.5微米之间。
17.根据权利要求14所述的结晶设备，其特征在于以矩形或三角形晶格的形式、以4至20微米的间隔来排列所述各个单位分布区域。
18.根据权利要求13所述的结晶设备，其特征在于所述第一区域(1ab)具有与所述第二区域(1ac)基本相同的图案，并且基本上在一个点处与所述第二区域(1ac)接触。
19.根据权利要求13所述的结晶设备，其特征在于所述第一和第二区域(1ab、1ac)具有扇形形状。
20.根据权利要求13所述的结晶设备，其特征在于所述第一和第二区域(1ab、1ac)根据功能面直径的转换值整体具有0.3至3微米的大小。
21.根据权利要求13所述的结晶设备，其特征在于所述每个单位区域(1a)具有围绕所述第一和第二区域(1ab、1ac)的多个第三区域(1ad、1ae)和多个第四区域(1af、1ag)，每个第三区域(1ad、1ae)具有小于预定尺寸的点图案，并且相对于所述基准面(1aa)具有与所述第一区域(1ab)基本相同的相位差，并且每个第四区域(1af、1ag)具有小于预定尺寸的点图案，并且相对于所述基准面(1aa)具有与所述第二区域(1ac)基本相同的相位差。
22.根据权利要求21所述的结晶设备，其特征在于所述单位区域(1a)中所述第三区域(1ad、1ae)和第四区域(1af、1ag)的比例随着离每个单位区域(1a)中央的距离而变化。
23.根据权利要求21所述的结晶设备，其特征在于每个单位区域(1a)具有多个小于所述预定尺寸的单元，并且每个单元中所述第三区域(1ad、1ae)和第四区域(1af、1ag)的比例随着所述单元而变化。
24.根据权利要求22或23所述的结晶设备，其特征在于所述比例随着远离所述单位区域的中央而降低。
全文摘要
本发明的结晶设备用具有预定光强分布的光通量照射非单晶半导体膜(5)，从而使该膜结晶，并且本发明的结晶设备包括含有多个以一定周期排列并且互相具有基本相同图案的单位区域的调相装置(1)，以及布置在所述调相装置和所述非单晶半导体膜之间的光学成像系统(4)。所述调相装置的每个单位区域包括具有特定相位的基准面；布置在每个单位区域中央附近并且相对于所述基准面具有第一相位差的第一区域；以及布置在所述第一区域附近并且相对于所述基准面具有与所述第一相位差基本相同的相位差的第二区域。
文档编号H01L29/786GK1734720SQ200510068519
公开日2006年2月15日 申请日期2005年4月28日 优先权日2004年8月3日
发明者加藤智也, 松村正清, 谷口幸夫 申请人:株式会社液晶先端技术开发中心