专利名称：激光辐射方法和形成多晶硅薄膜的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光辐射方法和激光辐射装置，更具体地涉及一种通过在硅膜上辐射激光束来形成多晶硅(poly-Si)薄膜的激光退火处理中使用的激光辐射方法，以及使用这种激光辐射方法的激光辐射装置。
背景技术：
近些年来，作为在玻璃衬底上形成集成电路的薄膜器件，已经有力地发展了poly-Si TFT(薄膜晶体管)。一般以受激准分子激光结晶技术形成poly-Si膜。在该技术中，先形成无定形硅(a-Si)膜，并将受激准分子激光束辐射到a-Si膜上以熔化并再结晶a-Si膜，从而获得poly-Si膜。在受激准分子激光结晶技术中，a-Si膜的熔融状态依赖于其膜厚度、膜的光学常数、受激准分子激光束的波长、能量密度、脉冲宽度、光束剖面(profile)等等。一般地，激光辐射工序控制处理a-Si膜的厚度和要控制的作为靶的激光辐射装置的能量密度。这是因为实质上要控制的熔融状态难以评价和控制。
在a-Si膜的熔融状态中，熔化深度根据激光束的能量密度而增加。熔融状态变化中的显著阶段出现在两个点。一个是膜表面开始熔化的阶段。另一个是熔化深度达到膜厚度后整个膜完全熔化的阶段。前面的和后面的熔融状态分别引起结晶和微结晶。由于激光束辐射，膜温度升高，且一部分膜熔化。然后，通过后面的冷却将熔化区域或部分结晶。如果膜没有完全熔化，则结晶期间的成核位置位于固液界面中。另外，如果熔化深度等于膜厚度，则成核位置位于a-Si/衬底界面。在任何情形中，结晶与相异成核(heterogeneous nucleation)有关。此时，晶粒直径根据能量密度的增加而增加。TFT特性特别是其迁移率依赖于晶粒直径。因此，要求晶粒直径尽可能的大。
然而，另一方面，当膜完全熔化时，到达热平衡状态的液相结晶的机制变为相异成核，其中成核发生在膜中的各处。此时形成的晶粒的晶粒直径为20nm那样小。当能量密度过分增加时出现的晶粒直径快速减小的现象称作微结晶。发生微结晶的能量密度称作微结晶阈值。在物理含义中，微结晶阈值是将膜厚度、能量密度等的变化一起标准化并能评价熔融状态变化的参数。此外，从实际使用的观点看，微结晶阈值是很重要的值，因为具有比阈值高的能量密度的辐射不利地减小了晶粒直径并恶化了TFT特性。注意，随着膜厚度降低得较薄，冷却周期缩短。因此，在成核的孕核时间(incubation time)内结束了固化，且在一些情形中导致了无定形碎片(fraction)。该无定形碎片可以包括在微结晶中，在该本文中也称作微结晶。
在专利公开JP-A-2000-114174和JP-A-2002-8976中描述了下述技术，该技术将激光退火处理中辐射的激光束的输出调整为小于a-Si膜的微结晶阈值。
图9示出了JP-A-2000-114174中描述的激光退火装置的结构，其中通过使用受激激光32来分析辐射区域。该公开讲解了首先，通过在其上形成有a-Si膜的衬底31上辐射单次脉冲激光束来形成预辐射区域，能量密度以脉冲-到-脉冲(pulse-by-pulse)原理变化。之后，辐射受激激光32以获得反射的散射光34，并且通过使用拉曼光谱仪33，根据从用单次脉冲激光辐射的a-Si膜中的poly-Si部分反射的散射光34的强度，来确定是否发生了微结晶。
根据在JP-A-2000-114714中描述的技术，通过这种预辐射工序来检查a-Si膜的微结晶阈值。然后将小于微结晶阈值的能量密度确定为在主辐射工序中在从a-Si膜转变的p-Si膜中的要形成TFT的区域中的a-Si膜上辐射的激光束的能量密度。
同时，已经提出了一种控制晶粒位置的技术，其与一般的激光辐射技术不同，其中有意地辐射具有不小于a-Si膜的微结晶阈值的能量的激光束(见JP-A-2003-332346)。在该情形中，为了形成其位置被稳定控制的晶粒，确定微结晶阈值也是很重要的。
发明内容
发明所要解决的问题JP-A-2000-114174和JP-A-2002-8976中描述的微结晶阈值确定技术包括下面所述的几个问题。第一个问题是辐射激光束的技术在主辐射区域和预辐射区域之间不同，很难精确确定微结晶阈值。
具体地说，当移动激光辐射位置时执行辐射的扫描辐射技术适用于主辐射区域。另一方面，单次脉冲(one-shot pulse)辐射适用于预辐射区域。通过使用单次脉冲辐射，来确定a-Si薄膜的微结晶阈值。然而，已经先被结晶的poly-Si薄膜的微结晶阈值对于扫描辐射很重要。这是因为在扫描辐射中，甚至已经被前一脉冲结晶的poly-Si区域以及该poly-Si区域之前的另一个a-Si区域被下一个脉冲辐射。
一般地，扫描辐射包括对相邻脉冲90％或更高的交迭率，因此，被辐射的区域基本为poly-Si区域。poly-Si薄膜具有不同于a-Si膜的光学系数和熔点。因此，与a-Si膜相比，poly-Si薄膜的微结晶阈值升高。因而，对于单次辐射的微结晶阈值和对于扫描辐射的另一微结晶阈值具有不同意义，并包括不同的数值。
尽管从a-Si膜的微结晶阈值来估计poly-Si膜的微结晶阈值不是不可能，但通过这种估计获得的poly-Si膜的微结晶阈值缺少精度。此外，在主辐射工序中，将通过单次辐射确定的a-Si薄膜的微结晶阈值作为上限来执行扫描辐射意味着下面的内容。就是说，意味着用比在产生具有较大晶粒直径的结构时的能量密度级低的能量密度执行扫描辐射。从TFT迁移率的观点看引起了缺点。
还有，一般地，受激准分子激光辐射装置的脉冲振荡变化的范围达到±10％或更高。特别是在振荡的最初阶段中，气体循环速度和气体管温度不稳定，由此产生了较大的变化范围。然而，对于特定恒定时间周期的连续振荡后，装置进入平衡状态。之后，以约±3％的变化范围执行稳定的脉冲振荡，直到气体寿命终止。因而，交替地开和关所述振荡的单次辐射导致了非常差的脉冲产生稳定性。通过使用具有较大变化范围的这种单次辐射，不能以满意的可靠性来确定微结晶阈值。
第二个问题在于没有考虑用于确定微结晶状态的估计光的入射方向。一般地，激光束被成形为一维线性形状或细长的形状，因此使poly-Si薄膜的晶体结构的均匀性具有各向异性特性。还有，扫描辐射技术导致晶体结构在细长光束的短轴方向上包括周期性变化，所述短轴方向是扫描方向。因而，估计光的入射方向对于以高可靠性确定微结晶阈值很重要。然而，常规的技术没有考虑到入射方向的重要性。
鉴于常规技术中上面的问题，本发明的一个目的是提供一种激光辐射方法和激光辐射装置，其能以出色的可靠性和重复性来确定微结晶阈值，并还能以出色的可靠性和重复性来形成高性能结晶薄膜。解决问题的手段本发明提供了一种用于将半导体层的相(phase)从无定形状态变到结晶状态的方法，包括下述步骤将具有特定振荡频率的细长的第一脉冲激光束以多个不同的能量密度辐射到半导体层上，同时在垂直于第一脉冲激光束的长轴的方向上扫描，从而形成对应于不同能量密度的多个第一辐射区域；在基本上平行于第一脉冲激光束的长轴的方向上将平面光辐射到辐射区域上，以接收来自每个第一辐射区域的反射光；分析该反射光，从而估计微结晶能量密度的阈值；根据估计的阈值确定第一能量密度；以及以第一能量密度将具有特定振荡频率的细长的第二脉冲激光束辐射到半导体层上，同时在垂直于第二脉冲激光束的长轴的方向上扫描，从而形成第二辐射区域。
本发明还提供了一种使用如上所述的本发明方法的激光辐射装置，该装置包括激光源，用于产生脉冲激光束；光学系统，用于将脉冲激光束转变为细长的脉冲激光束；移动设备，用于相对于细长的脉冲光束在垂直于细长的脉冲激光束的长轴的方向上扫描移动衬底台；平面光源，用于在平行于细长的脉冲激光束的长轴的方向上辐射平面光；以及光敏器件，用于接收从半导体层反射的平面光。
根据本发明的激光辐射方法和装置，根据来自由具有特定振荡频率的第一脉冲激光束形成的第一辐射区域的平面光的反射光，来确定微结晶阈值。根据该确定的微结晶阈值，确定辐射到主辐射工序上以形成第二辐射区域的第二脉冲激光束的能量密度。因此，在第二辐射区域上，能够以优良的可靠性和重复性来结晶衬底的表面。
还有，当确定微结晶阈值时，平面光在基本平行于细长的脉冲激光束的长轴的方向上入射，以接收来自第一辐射区域的反射光。因为通过分析反射光，以较高的精度检测到了微结晶结构中的变化，该变化周期性地出现在光束的短轴方向上，所以能够出色地确定微结晶阈值。
优选地在本发明的激光辐射技术中，每个第一辐射区域中的第一脉冲激光束的扫描间距(移动间距)长于第二辐射区域中的所述第二脉冲激光束的扫描间距。在该情形中，与第一辐射区域中的每个脉冲的移动距离被设为等于第二辐射区域中的每个脉冲的移动距离的另一个情形相比更加提高了产量。
还有，优选在本发明的激光辐射技术中，第一脉冲激光束具有比第二脉冲激光束的光束尺寸小的光束尺寸。形成第一辐射区域的区域最终没有用于产品或类似的结构。因此，通过使不用于产品的区域减得更小，在主辐射中使用的第二辐射区域能够更大。
在本发明的激光辐射技术中，在确定步骤中可以根据反射光的周期性估计阈值。可选择地，可以通过如下步骤来估计阈值，即确定在垂直于第一脉冲激光束的长轴的方向上反射光的颜色分布，并判断颜色变化的相邻峰之间的距离和/或颜色变化的均匀性。在用等于或高于微结晶阈值的能量密度形成的第一辐射区域中，微结晶区域周期性地出现，且反射光示出了周期性的变化。因此，通过检测这种周期性变化可获得微结晶阈值。
在本发明的激光辐射技术中，通过如下步骤来估计阈值，即确定在垂直于长轴的方向上反射光的颜色分布和颜色分布中的颜色宽度。例如，当接收的反射光的分辨率比周期性地形成的微结晶区域的周期粗糙(coarser)时，有时不能从反射光识别出明显的周期性。在该情形中，通过观察反射光分布中的颜色宽度变化可获得微结晶阈值。
根据本发明的激光辐射技术和装置，根据从第一辐射区域反射的平面光的反射光确定微结晶阈值。根据微结晶阈值确定用于将激光束辐射到第二辐射区域上的主辐射的能量密度，从而适合地将第二辐射区域结晶。结果，能够以优良的可靠性和重复性结晶衬底的表面。因而，通过以优良的可靠性和重复性结晶衬底的表面，可提高产品的特性，并能提高产品的生产率。此外，通过自动地确定微结晶阈值，可提高产品的制造产量。
根据本发明的激光辐射技术和装置，估计光在基本平行于扫描脉冲激光束的长轴的方向上入射，以接收并分析估计光从第一辐射区域的反射光。这能够以较高的精度检测微结晶结构，作为其结果，能够精确地确定微结晶阈值。在本发明的激光辐射技术和装置中，通过将第一辐射区域中扫描的扫描间距设为小于在主辐射中使用的扫描间距，可提高第一辐射区域上扫描辐射量。可选择地，通过使用具有比第二脉冲激光束尺寸小的尺寸的第一脉冲激光束，可以使第一辐射区域较小，从而增加主辐射的区域。因而提高了产品的生产率。
图1是示出了根据本发明激光辐射装置的结构的框图；图2是示出了由激光辐射装置用激光束辐射的衬底的平面图；图3是示出了激光束的能量密度与poly-Si晶粒直径和表面粗糙度之间关系的曲线；图4描绘了示出在不同辐射情形中激光辐射之后在衬底的每个位置处的晶粒直径(表面粗糙度)的曲线；图5描绘了示出由CCD光敏元件接收到的反射的光亮度变化的曲线；图6A是示出了光散射的示意性截面图，图6B和6C每一个都是示出了CCD光敏元件的图像的示意图，图6D是示出了对应于图6B和6C观察到的颜色变化的曲线；图7描绘了示出由CCD光敏元件接收到的反射的光亮度变化的曲线；图8描绘了示出能量密度与反射光的最大亮度和最小亮度差之间的关系的曲线；和图9是示出了常规激光退火装置的结构的三维透视图。
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示出了根据本发明实施例的激光辐射装置的结构。一般用数字10表示的激光辐射装置具有激光源11、光学系统12、衬底台13、白色平面光源15、CCD光敏元件16和控制系统17。激光辐射装置10在制造TFT等的制造工序中用于将衬底上形成的a-Si膜变成poly-Si膜。
控制系统17控制激光辐射装置10的其他部件。激光源11产生脉冲激光。光学系统12将由激光源11产生的激光转变为线性形状光束或细长的光束。在衬底台13上，放置有要被透射通过光学系统的线性激光束14辐射的衬底。衬底台13能在激光束的短轴(minor-axis)方向上移动放置在其上的衬底，在此所述短轴方向称作X方向。白色平面光源15用平面光辐射衬底18。CCD光敏元件16接收在衬底18上反射的反射光。白色平面光源15和CCD光敏元件16在如下方向上彼此相对地放置，所述方向大致平行于通过光学系统12转变成线性形状的激光束4的长轴(major-axis)方向。在此，该长轴方向称作Y方向。
图2示出了在由激光辐射装置10用激光束辐射衬底18的状态中的顶平面图中的衬底18。在衬底18的表面上，预先形成a-Si膜。在将激光束辐射到一部分a-Si膜上以在其上制造TFT之前，激光辐射装置10将激光束辐射到衬底18的预辐射区域20上，激光束的能量密度连续且细微地变化，从而形成与不同能量密度对应的多个辐射区域19。CCD光敏元件16选择辐射区域19的内部作为测量区域(图像拾取区域)，并接收来自这些辐射区域的反射光。白色平面光源15均匀地将平面光辐射到比CCD光敏元件16的图像拾取区域足够宽的范围上。在本实施例中，评价CCD光敏元件16接收的来自辐射区域19的反射光的颜色分布，从而确定微结晶阈值。
图3是示出了激光束能量密度与poly-Si晶体的晶粒直径以及poly-Si表面粗糙度之间的关系的曲线。开始时，晶粒直径和表面粗糙度随着能量密度增加而增加，如图中所示。然而，当能量密度超过微结晶阈值(Mth)时，晶粒直径和表面粗糙度迅速下降。这意味着当光辐射到poly-Si膜上时，相对于入射光的反射方向和反射率在作为边界的微结晶阈值处较大地变化。
图4描绘了示出在不同辐射情形中激光辐射之后在衬底的每个位置处的晶粒直径(表面粗糙度)的曲线。在图4中，曲线(a)示出了当通过具有不小于微结晶阈值的能量密度的单次辐射来辐射激光束时晶粒直径如何变化。曲线(b)和(c)每个都示出了当通过扫描辐射来辐射激光束时晶粒直径如何变化。在实际的激光辐射中，脉冲激光束的边沿部分不可避免地包括下述区域，即在该区域中能量密度不大于阈值，即使当用不小于微结晶阈值的能量密度辐射激光脉冲时。因此，在单次辐射中，如曲线(a)中所示，由粗糙晶粒构成的部分(g1)出现在微结晶部分(g2)的每个边沿部分附近。
当用不小于微结晶阈值的能量密度执行扫描辐射时，由扫描脉冲的前(leading)光束边沿形成的粗糙晶粒部分被紧接前述扫描脉冲的另一个扫描脉冲微结晶。因而，如图4中曲线(b)中所示，粗糙晶粒部分(g1)和微结晶部分(g2)交替出现，粗糙晶粒部分(g1)由紧接着的扫描脉冲的后(trailing)边沿形成。因而，随扫描间距而发生晶粒直径的周期性变化。
另一方面，当能量密度稍低，从而微结晶阈值包含在脉冲振荡的强度变化范围内时，即如果根据辐射的脉冲有时超过微结晶阈值而其他时间不超过，则非周期性地出现发生微结晶的情形和不发生微结晶的情形。因而，阻止了晶粒直径变化的周期性，其中根据辐射脉冲的强度出现微结晶部分(g2)，如图4中的曲线(c)中所示。这意味着可通过评价晶粒直径的变化和各部分的周期性来确定微结晶阈值。
图5示出了由CCD光敏元件16从辐射区域接收的光的参考颜色的亮度变化。曲线(a)和(b)分别对应于图4中的曲线(a)和(b)。通过执行扫描辐射来制备辐射区域19，从而获得图4B中所示的晶粒直径。由CCD光敏元件16接收辐射区域19的反射光。在该情形中，当CCD光敏元件16的光学分辨率小于在扫描方向上的粗糙晶粒部分g1的宽度时，由CCD光敏元件16接收的光的参考颜色亮度在微结晶部分g2与粗糙晶粒部分g1之间明显不同，如图5中所示的曲线(a)中所示。
另一方面，如果执行扫描辐射来获得图4中的曲线(c)中所示的状态，则如图5中的曲线(b)中所示阻止了颜色变化的周期性。因而，可通过估计与粗糙晶粒部分相对应的颜色变化的峰、峰之间的距离及其变化范围来确定微结晶阈值。
现在将考虑激光基本平行于光束短轴入射的情形。图6A中示出了辐射区域19沿光束短轴的截面图。如图6A中所示，在辐射区域中的poly-Si膜表面21上形成了粗糙晶粒部分23和微结晶部分22。如果光基本平行于光束短轴入射到poly-Si膜表面21上，则由于周期性出现并具有表面粗糙度的粗糙晶粒部分23的影响，来自微结晶部分22的反射光以及来自粗糙晶粒部分23的其他反射光彼此混合。
假定估计光在平行于光束短轴方向的方向上辐射，且由CCD光敏元件16接收来自辐射区域19的反射光。那么，如图6B中示意性所示，在微结晶部分24和粗糙晶粒部分25之间的边界处发生了颜色渗透(bleeding)或混合，由此使这些边界不清晰。如果倾斜地接收评价光，则由于CCD焦深的影响，光路长度在图像端部变化，从而颜色的基线(base line)变化。因此，出现了颜色变化的区域26。假定在另一侧上，光在平行于光束长轴的方向上辐射，且由CCD光敏元件16接收来自辐射区域19的反射光。那么，微结晶部分24与粗糙晶粒部分25之间的边界是清晰的。
图6D是示出了在图6B和6C中的方向A-B上的参考颜色的颜色变化的曲线。作为光学影响的结果，沿着图6B和6C中的CCD图像上的平行于光束短轴(或扫描)方向的线段AB，参考颜色的亮度如图6D中的曲线27和28所画那样变化。当对曲线27和28进行相互比较时，从曲线27观察不到明显的周期性。然而，可从曲线28确定明显的周期性。因此，为了以足够的可靠性和重复性确定微结晶阈值，需要通过使光在基本平行于光束长轴的方向上进入来进行评价。
在本实施例中，制备多个辐射区域19，同时在扫描期间改变能量密度。进一步用平面估计光对辐射区域19进行辐射，从而确定poly-Si膜的微结晶阈值。根据该确定的微结晶阈值，确定在用于多晶化(poly-crystallization)的主辐射中使用的能量密度，并相应地执行该主辐射。这样，可获得具有较大晶粒直径的高性能poly-Si膜。通过使用这种高性能的poly-Si膜形成TFT，能够获得具有高迁移率的TFT。
还有，在该实施例中，用基本平行于细长光束的长轴(即垂直于扫描方向的方向)的平面光对辐射区域19进行辐射。根据参考颜色的亮度变化的周期性，来确定poly-Si膜的微结晶阈值。因而，基本平行于光束长轴地辐射平面光。因此，能够以优良的可靠性和重复性确定poly-Si膜的微结晶阈值，同时减小了光散射的影响。根据本实施例，通过自动地确定稍微低于微结晶阈值的脉冲激光的能量密度，能够提供如下激光辐射技术和激光辐射装置，其实现了以高产量形成poly-Si膜。
接下来将描述本发明的第一个例子。在该例子中，在550mm×650mm的玻璃衬底上形成2000的SiO2膜。其上形成600的a-Si膜。之后，通过将受激准分子激光辐射到衬底的周围部分来在预辐射区域20内形成多个辐射区域19。在预辐射区域20内，振荡频率设为300Hz，通过遮挡275mm×0.4mm的线性光束来将激光束的尺寸设为30mm×0.4mm。扫描间距设为常数0.1mm。能量密度以10mJ/cm2的间隔从470mJ./cm2变化到510mJ./cm2。对于每个能量密度，扫描辐射宽度设为1cm。
用基本平行于光束长轴的白色平面估计光辐射如此形成的辐射区域19，并通过彩色CCD接收来自那里的反射光。在彩色CCD前面设置有50倍放大透镜，并进行如此调整，使其分辨率微0.3μm。能量密度设为470mJ./cm2时，获得的图像的颜色为恒定的，且在辐射区域19的基本整个表面上为黄色。对于480mJ./cm2，在黄色区域中非周期性地观察到了线性红色区域。该红色区域具有来自微结晶区域的反射光的颜色，其不同于粗糙晶粒区域的黄色。在图像上，获得了沿平行于光束短轴的线段的亮度变化并表现出与图5的曲线(b)相似的变化。
在用490mJ./cm2或以上的能量密度形成的辐射区域19中，线性黄色区域和线性红色区域周期性地交替出现。存在如下趋势，即随着能量密度增加，黄色区域的宽度变窄。同样地，在图像上获得了沿平行于光束短轴的线段的黄色区域的亮度变化，并表现出与图5A的曲线类似的变化。因而，观察到了周期性的峰。峰间距离大约为0.1mm并等于扫描间距。峰间距离的变化在±7％范围内。在能量密度设为480mJ./cm2时，在辐射区域19中也观察到了几个峰。然而，其峰间距离不是恒定的。
根据上面的评价结果，poly-Si膜的微结晶阈值确定为490mJ./cm2，并在整个衬底表面上执行主辐射。主辐射的条件如下所述。振荡频率正好(intact)保持在300Hz。光束尺寸恢复为275mm×0.4mm。扫描间距设为0.04mm那样精细。作为不大于被确定的微结晶阈值490mJ./cm2的值，使用的能量密度为470mJ./cm2。在这些条件下，执行主辐射，从而使用poly-Si膜制备TFT。结果，可制备具有平均迁移率为260cm2/Vs，变化范围在5％内且具有高均匀性的TFT。
作为对比例，使用根据a-Si膜的微结晶阈值确定的能量密度来执行主辐射。在执行该例子的条件下，通过单次辐射(图4A)获得的微结晶阈值为430mJ./cm2。使用具有不大于该确定的能量密度的能量密度的能量执行主辐射来制备TFT。迁移率保持在140cm2/Vs。主辐射中的能量密度与希望的TFT特性相匹配。然而，在根据a-Si膜的微结晶阈值来设定主辐射中的能量密度的情形中，很难以出色的可靠性和重复性获得具有超过140cm2/Vs迁移率的TFT。
在该例子中，扫描间距根据下面的原因在预辐射区域和主辐射区域之间变化。就是说，TFT特性及其均匀性依赖于扫描间距。随着间距下降，均匀性提高。然而，如果使间距较小，则辐射工序的产量降低。对于主辐射区域，为了使TFT特性优先，确定扫描间距为0.04mm。另一方面，对于预辐射区域，仅需要确定poly-Si膜的微结晶阈值。在产量上来说较大的扫描间距更加理想。如果间距过大，辐射在预辐射区域上的脉冲数会降低，从而在一些情形中很难以足够的可靠性来确定微结晶阈值。考虑到这些点，预辐射区域的间距设为0.1mm，其大约是主辐射区域的辐射间距的几倍大。
为了提高TFT产品的生产率，激光尺寸也在预辐射区域和主辐射区域之间变化。因为预辐射区域不适宜产品制造，所以该区域最终被浪费掉。因此，辐射理想地仅作用在用于确定微结晶阈值的至少所需区域上。由于该原因，以减小的光束尺寸或特别是在长轴方向上减小的光束尺寸在预辐射区域上执行辐射。
现在将描述本发明的第二个例子。第二个例子采用高性能TFT制造技术，其中形成a-Si膜，其具有与JP-A-2003-332346中所述的膜厚度不同的膜厚度。像第一个例子中那样，在玻璃衬底上形成2000的SiO2膜。在SiO2膜上形成800的a-Si膜。在a-Si膜上选择性地沉积抗蚀剂，并执行干蚀刻，从而选择性地形成具有500膜厚度的薄膜区域。之后，与第一个例子类似，形成预辐射区域20。此时，激光束的能量密度以10mJ./cm2的间隔从400mJ./cm2变化到450mJ./cm2。
接下来，与第一个例子类似，用白色平面光辐射如此形成的预辐射区域20，并由彩色CCD接收来自那里的反射光。通过下述方法执行该反射光的测量，即选择一个点，该点形成有具有500膜厚度的薄膜且距离薄膜与厚膜之间的界面为7μm或更大。对于达到420mJ./cm2的能量密度，获得的图像是连续的且在基本整个表面上为紫色。对于430mJ./cm2的能量密度，五周期性地出现了蓝色条纹。对于440mJ./cm2或更大的能量密度，获得了其上以0.1mm间距周期性地排列有紫色和蓝色条纹的图像。
根据上面的评价结果，poly-Si膜的微结晶阈值确定为440mJ./cm2，并在整个衬底表面上执行主辐射。主辐射的条件如下。作为不小于对薄膜厚度区域确定的poly-Si膜的微结晶阈值440mJ./cm2的值，使用的能量密度为445mJ./cm2。在该例子中，因而用不小于薄膜区域的微结晶阈值的能量密度执行主辐射。作为该结果，形成了位置被控制的晶粒，其从薄膜和厚膜部分之间的界面向着薄膜部分生长。在位置被控制的晶粒上设置栅极，制成了TFT。因而，产生了具有较高性能和较高均匀性的TFT，其中平均迁移率为430cm2/Vs，其变化范围在4％范围内。
除了在第二个实施例中的CCD光敏元件16的光学分辨率比扫描方向上的粗糙晶粒部分的宽度粗糙外，根据本发明第二个实施例的激光辐射装置具有与第一个实施例的激光辐射装置相似的结构。根据通过接收来自辐射区域的反射光而获得的图像，比扫描方向上的粗糙晶粒部分的宽度粗糙的CCD光敏元件16的光学分辨率使微结晶部分和粗糙晶粒部分之间的颜色变化显著区分。就是说，基本上仅仅检测到了微结晶部分的颜色。
图7示出了由CCD光敏元件16接收的光的参考颜色亮度的变化。为了获得图4中曲线(b)所示的状态，执行扫描辐射来制备辐射区域19。由CCD光敏元件16接收来自辐射区域19的反射光，由此由CCD光敏元件16接收的光的参考颜色的亮度如图7中的曲线(a)所示变化。在该情形中，基本上仅仅观察到了微结晶部分的颜色，且在单个周期内以相对细微的周期性出现基本恒定的颜色。这使得在整个区域上观察到均匀的颜色。
为了获得图4中曲线(c)所示的状态，执行扫描辐射来制备辐射区域。由CCD光敏元件16接收来自辐射区域的反射光。由CCD光敏元件16接收的光的参考颜色的亮度如图7中的曲线(b)所示变化。在该情形中，在CCD图像上，观察到通过不大于微结晶阈值的脉冲强度获得的非微结晶区域具有不同于微结晶部分的颜色。结果，非微结晶部分表现为具有明显尺寸的宽颜色变化峰。
如上所述，颜色变化的宽度在辐射脉冲的能量密度不小于微结晶阈值的情形和能量密度小于微结晶阈值的情形之间不同。在本实施例中，根据参考颜色的颜色变化的宽度尺寸确定微结晶阈值。之后，类似于第一个实施例，根据如此确定的微结晶阈值来确定在主辐射中使用的能量密度。因而，可获得具有大晶粒直径的poly-Si膜。
一般地，如果CCD的分辨率低，则焦深增加。因此，如果具有较低光学分辨率的CCD用作CCD光敏元件16，则优点在于微结晶阈值的确定受到衬底厚度的变化的影响很小。获得的另一个优点是减小了装置的成本。
接下来，将描述本发明的第三个例子。像在第一个例子中那样，在玻璃衬底上形成SiO2膜和a-Si膜。然后执行预辐射，从而形成辐射区域19。之后，用白色平面光辐射每个辐射区域19，并通过CCD接收反射光。此时，在CCD前面设置5倍放大透镜，并进行调整从而获得3μm的分辨率。在能量密度设为470mJ./cm2时，获得的图像是连续的并且在辐射区域19的基本整个表面上为黄色。对于480mJ./cm2的能量密度，在黄色区域中观察到了没有周期性的宽红色条纹。使用黄色作为参考颜色的亮度分布表现出图7中所示的曲线(b)。对于490mJ./cm2或以上的能量密度，观察到基本整个表面为红色。使用黄色作为参考颜色的亮度分布表现出图7中所示的曲线(a)。
对于每个辐射区域19，获得了亮度数据的最大强度与最小强度之间的差。如图8中所示，在能量密度设为480mJ./cm2的辐射区域19处获得了大的值。之后，在能量密度设为490mJ./cm2的另一个辐射区域处该差值下降。将490mJ./cm2的能量密度确定为微结晶阈值，在该能量密度时所述差值在先升高之后下降。
之后，与第一个例子相似地执行主辐射。作为主辐射中的能量密度，使用450mJ./cm2作为不大于确定的微结晶阈值490mJ./cm2的值。使用通过主辐射获得的poly-Si膜制备TFT。TFT的迁移率为180cm2/Vs并具有5％或更小范围内的变化。
在上面的实施例中，已经描述了其中在单个衬底台上执行激光辐射和确定微结晶阈值的例子。本发明并不限于这些例子。在工序步骤中可分别使用多个不同的衬底台。如果使用不同的台，则将增加装置的尺寸。然而，在不受其他组件限制的情况下可增加光源和CCD光敏元件的尺寸。因此，能够以更加好的可靠性和重复性来确定微结晶阈值。此外，预辐射区域和主辐射区域不必形成在单个衬底上。通过在另一个衬底上形成预辐射区域可确定微结晶阈值，所述另一个衬底具有与形成主辐射区域的衬底的膜厚度基本相等的膜厚度。
在上面的例子中，根据其优选的实施例描述了本发明。根据本发明的激光辐射技术和激光辐射装置并不限于上面的实施例。本发明的范围应认为包括通过对上面的实施例和例子做各种改变和修改而演变的那些技术和装置。
权利要求
1.一种用于将半导体层的相从无定形状态变到结晶状态的方法，包括下述步骤将具有特定振荡频率的细长的第一脉冲激光束以多个不同的能量密度辐射到半导体层上，同时在垂直于所述第一脉冲激光束的长轴的方向上扫描，从而形成对应于所述不同能量密度的多个第一辐射区域；在基本上平行于所述第一脉冲激光束的所述长轴的方向上将平面光辐射到所述第一辐射区域上，以接收来自每个所述第一辐射区域的反射光；分析所述反射光，从而估计微结晶能量密度的阈值；根据所述估计的阈值确定第一能量密度；以及以所述第一能量密度将具有所述特定产生频率的细长的第二脉冲激光束辐射到所述半导体层上，同时在垂直于所述第二脉冲激光束的长轴的方向上扫描，从而形成第二辐射区域。
2.根据权利要求1所述的方法，其中每个所述第一辐射区域中的所述第一脉冲激光束的扫描间距长于所述第二辐射区域中的所述第二脉冲激光束的扫描间距。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一脉冲激光束具有比所述第二脉冲激光束的光束尺寸小的光束尺寸。
4.根据权利要求1所述的方法，其中在所述确定步骤中根据所述反射光的周期性估计所述阈值。
5.根据权利要求1所述的方法，其中通过如下步骤来估计所述阈值，即确定在垂直于所述第一脉冲激光束的所述长轴的方向上的所述反射光的颜色分布，并判断颜色变化的相邻峰之间的距离和/或所述颜色变化的均匀性。
6.根据权利要求1所述的方法，其中通过如下步骤来估计所述阈值，即确定在垂直于所述长轴的方向上的所述反射光的颜色分布和所述颜色分布中的颜色宽度。
7.一种激光辐射装置，包括激光源，用于产生脉冲激光束；光学系统，用于将所述脉冲激光束转变为细长的第一脉冲激光束；移动设备，用于相对于所述第一脉冲激光束在垂直于所述第一脉冲激光束的所述长轴的方向上扫描移动衬底台；平面光源，用于在平行于所述第一脉冲激光束的所述长轴的方向上辐射平面光；以及光敏器件，用于接收从半导体层反射的所述平面光。
8.根据权利要求7所述的激光辐射装置，其中所述光学系统能改变所述第一脉冲激光束的尺寸。
全文摘要
一种用于将无定形硅膜变为多晶硅膜的方法包括下述步骤将细长的脉冲激光束辐射到硅膜上，同时在垂直于细长的脉冲激光束的长轴的方向上扫描，从而形成多个辐射区域；在平行于长轴的方向上将平面光辐射到辐射区域上；以及分析来自辐射区域的反射光的分布，从而确定微结晶阈值。使用该阈值进一步确定用于状态改变工序的细长的脉冲激光束的能量密度。
文档编号H01L21/00GK1828838SQ20061000934
公开日2006年9月6日 申请日期2006年2月28日 优先权日2005年2月28日
发明者奥村展 申请人:Nec液晶技术株式会社