专利名称：激光退火方法以及激光退火装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及将整形为矩形光束的脉冲激光照射到半导体膜对半导体膜进行改性 (reform)的激光退火方法及激光退火装置。
背景技术：
激光退火，是对在由低熔点剥离(通常是无碱玻璃)构成的基板上形成的非晶硅膜 (以下，称为a-Si膜)照射激光束，使其熔融、固化并再结晶化，由此形成多晶硅膜的处理(例 如，参照下述专利文献1)。结晶化了的硅膜与a-Si膜相比电气特性优越，因此在对便携电 话、数字静态摄影机等的要求高精细的显示的液晶显示器进行驱动的晶体管中采用。激光退火如果如下方式进行，将从激光光源出射的脉冲激光，使用光学系统加工 成剖面为细长的矩形光束，通过使该矩形光束对基板上的半导体膜(例如a-Si膜)在光束 的短轴(minor axis)方向相对地进行扫描。通常，通过使基板移动，进行矩形光束的扫描。 此外，该扫描以激光照射区域部分地重复的方式来实施。在下述的专利文献2和3中，公开了作为激光光源使用准分子激光的激光退火装 置(以下，称为准分子激光退火装置)的光学系统的整体图。该光学系统构成为包括柱面 透镜阵列，将矩形光束在长轴(major axis)方向和短轴方向分别分割为多个；以及聚光透 镜，用于使在该柱面透镜阵列被分割的光束叠合。此外，在短轴方向中，在一旦使光束的能 线图均勻化之后，进一步通过投影透镜而被缩小投影。上述准分子激光退火装置中的光束形状是长轴365mm，短轴0. 4mm左右。在准分子 激光的情况下，由于激光的光束品质差，所以短轴宽度大，结果是焦点深度深。因此，几乎没 有起因于基板搬送装置的机械误差或基板表面的加工误差的激光被照射面的位置变动向 退火性能导致的影响。在这里，上述位置变动指的是相对于半导体膜垂直方向的位置变动。另一方面，准分子激光退火作为退火特性存在相对于激光照射能量的载流子迁移 率的变化大的问题。作为解决该问题的方案，将通过Nd YAG激光的第2谐波获得的脉冲 绿激光作为光源的激光退火装置(以下，称为固体绿激光退火装置)受到瞩目(例如，参照下 述专利文献4和5)。当使用该脉冲绿激光时，相对于一定的照射能量与准分子激光相比能 够获得较大的加工余裕。可是，相对于已实用化的准分子激光器的输出(最大IJ/脉冲)，固体绿激光器的输 出显著地低(不足0. IJ/脉冲)，因此必须将短轴方向的光束尺寸集中在100 μ m以下。结 果，短轴方向的焦点深度变浅，起因于半导体膜的位置变动的向退火性能的影响变得不能 忽视。在下述专利文献Γ6中，公开了一种在开孔等的激光加工用中应用的自动聚焦机 构。该自动聚焦机构监视加工面的变动，通过使将激光聚光到加工面的物镜在光轴方向移 动，从而使聚光点总是固定地保持在加工面。专利文献1 日本专利3204307号公报 专利文献2 日本特开2000-338447号公报4专利文献3 日本专利3191702号公报 专利文献4 日本特开平11-58053号公报 专利文献5 日本特开平11-23952号公报 专利文献6 日本专利28359M号公报非专利文献 1: K. Nishida et. al. , "Performance of Polycrystallization with High Power Solid Green Laser", AM-FPD 2006非专利文献2 岡本達樹、他、「低温求1J ν iJ 二 >用ν v-y二一义光学系乃開発」、RTM-05-28。在上述非专利文献2中，示出了固体绿激光退火装置的光学系统的整体图。在该 光学系统中，针对长轴方向，将激光以由长方形状的石英玻璃构成的波导分割为多个，将分 割了的激光通过转像透镜(image lens)叠合在玻璃基板上的半导体膜，针对短轴方向，通 过扩束镜(expander lens)而成为Φ80的平行光，以作为物镜的聚焦透镜将该平行光聚光 到玻璃基板上。在非专利文献2示出的固体绿激光退火装置中，在加工面在相对于面垂直方向上 变动的情况下，由于基板从短轴方向的焦点位置偏移，所以入射到加工面的硅膜的激光的 能量密度变动。在非专利文献2的光学系统的情况下，通过如上述专利文献4飞的自动聚 焦机构那样，对作为物镜的聚焦透镜的位置进行补正，从而能够回避上述能量密度的变动。可是，在开孔等的激光加工装置中使用的聚焦透镜比较小，相对于此，在激光退火 装置中使用的物镜(聚焦透镜或投影透镜)的大小一般较大，例如具有短轴方向IOOmm以 上X长轴方向150mm左右的尺寸。因此，用于保持这些透镜组的夹具也大，并且重量也非 常重。因此，使激光退火装置的物镜实时地在光轴方向上以数微米的精度移动并振动是非 常困难的。此外，也考虑使基板侧在相对于面垂直的方向上移动并振动，但激光退火用的基 板尺寸通常较大(例如，700mmX900mm以上)，使保持基板的工作台高精度地振动也是困难 的。再有，关于长轴方向，由于与短轴方向相比焦点深度非常大，所以几乎没有焦点位置的 变动导致的影响。
发明内容
本发明正是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种激光退火方法以及激光 退火装置，在使用了固体激光的激光退火中，能够容易地对应于半导体膜的激光照射部分 的位置变动，对矩形光束的短轴方向的焦点位置进行补正。为了解决上述课题，本发明的激光退火方法及激光退火装置采用以下的方案。( 1)即，本发明的激光退火方法，对从固体激光光源被脉冲振荡的激光进行整形并 且在半导体膜的表面聚光为矩形光束，使矩形光束相对于上述半导体膜在短轴方向相对地 扫描，通过激光照射对上述半导体膜进行改性，其特征在于，使用将入射光在短轴方向聚光 的短轴用聚光透镜(condenser lens)、和将来自该短轴用聚光透镜的出射光投影到上述半 导体膜的表面的投影透镜(projection lens)，使上述激光在上述半导体膜的表面在矩形 光束的短轴方向聚光，检测出上述半导体膜的激光照射部分在该半导体膜的垂直方向的位 置变动，基于该检测值使上述短轴用聚光透镜在光轴方向移动。当使短轴用聚光透镜在光轴方向移动时，一次成像面的位置也对应于其移动量在光轴方向上移动。此外，投影透镜的投影点(焦点位置)对应于一次成像面的位置的移动量 而移动。因此，通过检测出半导体膜的激光照射部分在半导体膜的垂直方向的位置变动， 基于该检测值使短轴用聚光透镜在光轴方向移动，从而即使产生基板搬送装置的机械误差 等导致的半导体膜的位置变动，也能够使矩形光束的短轴方向的焦点位置与半导体膜的表 面匹配。此外，在焦点位置的补正时移动的短轴用聚光透镜，与投影透镜相比配置在光轴 方向的上游侧且尺寸小而重量轻，如后述那样，相对于半导体膜的微米级的位置变动量的 短轴用聚光透镜的位置补正量成为毫米级。因此，以毫米级的精度对尺寸小且重量轻的短 轴用聚光透镜的位置进行补正即可，因此能够容易地进行焦点位置的补正。(2)此外，上述激光退火方法的特征在于，在上述短轴用聚光透镜的光轴方向上游 侧的位置，将使入射光在上述矩形光束的短轴方向分割为多个的多个短轴用柱面透镜阵列 在光轴方向隔开间隔配置，基于上述位置变动的检测值调整上述多个短轴用柱面透镜阵列 的间隔。在对通过了短轴用聚光透镜的激光的一次成像面的像的大小进行决定的要素中， 包含在其上游侧配置的多个短轴用柱面透镜阵列的合成焦点距离。此外，在对多个短轴用 柱面透镜阵列的合成焦点距离进行决定的要素中，包含各透镜阵列的光轴方向的间隔。因 此，通过使多个短轴用柱面透镜阵列的间隔变化，能够调整通过了短轴用聚光透镜的激光 的一次成像面的像的大小，结果，能够调整短轴方向的焦点位置的光束尺寸。由此，即使半 导体膜的位置变动，通过调整短轴方向的焦点位置的光束尺寸，从而能够使针对短轴方向 是同一尺寸的光束照射到半导体膜的表面。(3)本发明的激光退火装置，具备固体激光光源，对激光进行脉冲振荡；光束整 形光学系统，对来自该固体激光光源的激光进行整形并在半导体的表面聚光为矩形光束； 以及扫描单元，使上述矩形光束相对于上述半导体膜在短轴方向相对地扫描，通过激光照 射对上述半导体膜进行改性，其特征在于，上述光束整形光学系统具有长轴方向均化器和 短轴方向均化器，对入射的激光在上述半导体膜的表面在矩形光束的长轴方向和短轴方向 的每一个中起作用并进行聚光，该短轴方向均化器包括短轴用聚光透镜，对入射光在短轴 方向进行聚光；以及投影透镜，将来自该短轴用聚光透镜的出射光投影到上述半导体膜的 表面，该激光退火装置还具备位置变动检测器，检测上述半导体膜的激光照射部分在该半 导体膜的垂直方向的位置变动；以及透镜移动机构，使上述短轴用聚光透镜在光轴方向移 动。(4)此外，上述激光退火装置的特征在于，上述短轴用均化器具有多个短轴用柱 面透镜阵列，配置在上述短轴用聚光透镜的光轴方向上游侧的位置，将入射光在上述矩形 光束的短轴方向分割为多个，该多个短轴用柱面透镜阵列在光轴方向隔开间隔配置，上述 激光退火装置还具备间隔调整机构，对上述多个短轴用柱面透镜阵列的间隔进行调整。通过这样构成的本发明的激光退火，能够实施上述激光退火方法。因此，根据本发 明的激光退火装置，能够容易地进行短轴方向的焦点位置的补正。此外，即使半导体膜的位 置变动，通过调整短轴方向的焦点位置的光束尺寸，从而能够使针对短轴方向是同一尺寸 的光束照射到半导体膜的表面。6
(5)此外，上述激光退火装置的特征在于，还具备移动机构控制部，基于来自上述 位置变动检测器的检测值控制上述透镜移动机构。因为具备这样的移动机构控制部，所以通过反馈控制对透镜移动机构的驱动进行 控制，由此能够通过自动控制实现短轴方向的焦点位置的补正。( 6 )此外，上述激光退火装置的特征在于，还具备调整机构控制部，基于来自上述 位置变动检测器的检测值，控制上述间隔调整机构。因为具有这样的调整机构控制部，所以通过反馈控制对间隔调整机构的驱动进行 控制，由此能够通过自动控制实现短轴方向的焦点位置的像的大小的调整。(7)此外，上述激光退火装置的特征在于，上述固体激光光源的光束品质在M2值是 20以上。当光束品质太好时，容易产生干涉条纹。通过使用光束品质在M2值是20以上的 激光，能够减少干涉条纹。(8)上述激光退火装置的特征在于，上述光束整形光学系统具有干涉减少光学系 统，减少上述激光的干涉作用。通过这样的干涉减少光学系统，能够减少矩形光束的干涉作用，因此能够减少光 束照射面的干涉条纹。(9)此外，上述激光退火装置的特征在于，从上述固体激光光源出射的激光，具有 高斯形状的能线图。(10)此外，上述激光退火装置的特征在于，上述矩形光束在短轴方向具有高斯形 状的能线图。(11)此外，上述激光退火装置的特征在于，上述位置变动检测器是非接触式位移 传感器。通过使用这样的非接触式位移传感器，能够实时地高精度地检测半导体膜的位置 变动。作为这样的非接触式位移传感器，优选激光式位移传感器、涡电流式位移传感器等。( 12)此外，上述激光退火装置的特征在于，具备多个上述固体激光光源，并且还具 备对来自上述多个固体激光光源的激光在时间和/或空间进行合成的单元。通过像这样合成多个激光，在时间上(使脉冲周期相互偏移)合成的情况下能够使 合成激光的脉冲频率为数倍，在空间上(使脉冲周期一致)合成的情况下能够使合成激光的 能量密度为数倍。因此，能够提高光束的扫描速度，结果能够使退火处理速度提高。再有， 在合成3个以上的激光的情况下，也可以将时间的合成和空间的合成组合。(13)此外，上述激光退火装置的特征在于，还具备处理室，将形成有上述半导体 膜的基板收容在内部，使基板的收容空间为真空或惰性气体气氛；或者惰性气体供给单元， 仅对上述半导体膜上的激光照射部分及其周围的限定的范围供给惰性气体。在激光退火中对基板上的半导体膜照射激光时，当激光照射部分接触大气时，产 生在基板表面形成凹凸、在基板表面形成氧化膜、或在结晶化工艺中制作的结晶粒变小等 的问题。本发明的激光退火装置通过具备上述结构的处理室或惰性气体供给单元，从而能 够阻止激光照射部分与大气接触。因此，能够回避上述诸问题。(14)此外，上述激光退火装置的特征在于，具备基板工作台，用于载置形成有上述半导体膜的基板，该基板工作台以不超过基板的熔点的温度被加热。通过将基板工作台加热到不超过基板的熔点的温度，从而能够基板不熔融而稳定 地进行激光退火。例如，在基板是无碱玻璃的情况下，熔点是大约600° C，因此基板工作台 被加热到不超过600° C的温度。根据上述的本发明，在使用了固体激光的激光退火中，可获得能够对应于半导体 膜的激光照射部分的位置变动对矩形光束的短轴方向的焦点位置容易地进行补正的优越 效果。
图IA是本发明的第1实施方式的激光退火装置的光束长轴方向的概略结构图。图IB是图IA的光束短轴方向的概略结构图。图2A是表示激光照射部分(加工面)的变动量与短轴用聚光透镜的移动量的关系 的图。图2B是短轴用聚光透镜的焦点距离不同的情况下的与图2A同样的关系图。图3A是本发明的第2实施方式的激光退火装置的光束长轴方向的概略结构图。图;3B是图3A的光束短轴方向的概略结构图。图4A是表示激光照射部分(加工面)的变动量与激光照射部分的像的大小的变动 率的关系的图。图4B是短轴用聚光透镜的焦点距离不同的情况下的与图4A同样的关系图。图5A是本发明的第3实施方式的激光退火装置的光束长轴方向的概略结构图。图5B是图5A的光束短轴方向的概略结构图。图6A是表示本发明的其它实施方式的激光退火装置的长轴用干涉减少光学系统 的结构的图。图6B是表示本发明的其它实施方式的激光退火装置的短轴用干涉减少光学系统 的结构的图。图7A是表示本发明的其它实施方式的激光退火装置的处理室的结构的图。图7B是表示本发明的其它实施方式的激光退火装置的惰性气体供给单元的结构 的图。
具体实施例方式以下，基于附图详细地说明本发明的优选实施方式。再有，在各图中对共同的部分 赋予同一符号，省略重复的说明。[第1实施方式]图IA和图IB表示本发明的第1实施方式的激光退火装置10的概略结构。在图IA中， 与纸面平行且与光轴垂直的方向是矩形光束的长轴方向，在图IB中与纸面平行且与光轴 垂直的方向是矩形光束的短轴方向。在图IA中，以假想线(虚线)表示有仅在短轴方向起作用的光学系统。在图IB中， 以假想线表示有仅在长轴方向起作用的光学系统。该激光退火装置10具备固体激光光源12，脉冲振荡激光1 ；光束整形光学系统13，对来自固体激光光源12的激光1进行整形并在半导体膜3的表面聚光为矩形光束；以 及扫描单元，使矩形光束对半导体膜3在短轴方向相对地扫描，通过激光照射对半导体膜3 进行改性。在本实施方式中，基板2是玻璃基板(例如无碱玻璃)，通过等离子体CVD法、溅射 法等的成膜法，在上述玻璃基板上例如成膜200nm的SW2膜，在其上作为半导体膜3例如 成膜50nm的a-Si膜。基板2通过基板工作台5被保持并在矩形光束的短轴方向被搬送。通过基板工作 台5的移动，能够使矩形光束对基板2上的a-Si膜在短轴方向相对地扫描。即，在本实施 方式中，基板工作台5构成激光扫描单元4。基板工作台5通过未图示的加热单元被加热到规定温度。这时，以不超过基板2 的熔点的温度被加热。通过这样，能够不使基板2熔融而稳定地进行激光退火。例如，在基 板2是无碱玻璃的情况下，熔点是大约600° C，因此基板工作台5被加热到不超过600° C 的温度。固体激光光源12例如以2、kHz的脉冲频率输出激光1。该激光1具有高斯形状 的能线图。固体激光光源12的种类不被特别限定，但例如可以使用Nd:YAG激光器、Nd:YLF 激光器、Nd YVO4激光器、Nd 玻璃激光器、Yb YAG激光器、Yb YLF激光器、Yb YVO4激光器、 Yb:玻璃激光器的任一种。这些固体激光器可靠性高，能够以高效率实现稳定的激光能量 的利用。此外，对于硅膜，由于在330ηπΓ800ηπι的可视光区域中吸收系数高，所以作为固体 激光光源12，优选射出上述YAG激光器、YLF激光器、YVO4激光器、玻璃激光器的第2或第3 谐波的激光1。当光束品质太好时，容易产生干涉条纹。因此，优选固体激光光源12的光束品质 在M2是20以上。通过使用这样品质的激光器，能够减少干涉条纹。从这样的固体激光光源12出射的激光1，入射到光束整形光学系统13。光束整形光学系统13具备扩束镜14，将来自固体激光光源12的激光1在长轴 方向和短轴方向扩大；长轴方向均化器19，在半导体膜3的表面在矩形光束的长轴方向起 作用对入射的激光1进行聚光；以及短轴方向均化器25，在半导体膜3的表面在矩形光束 的短轴方向起作用对入射的激光1进行聚光。作为一个结构例示出的扩束镜14包括凸球面透镜15、在短轴方向起作用的短轴 用柱面透镜16、和在长轴方向起作用的长轴用柱面透镜17。在该结构的扩束镜14中，能够 分别设定长轴方向和短轴方向的扩大率。再有，扩束镜14是其它结构也可，例如，也可以是 组合了凹球面透镜和凸球面透镜的结构。如图IA所示，长轴方向均化器19包括多个长轴用柱面透镜阵列20a、20b，将入 射的激光1在长轴方向分割为多个；以及长轴用聚光透镜22，将在长轴方向分割为多个的 激光1在半导体膜3的表面在长轴方向上叠合。在本实施方式中，2个长轴方向柱面透镜阵 列20a、20b在光轴方向上隔开间隔而配置。在这样构成的长轴方向均化器19中，通过扩束镜14而被扩大了的激光1，通过长 轴用柱面透镜阵列20a、20b而在长轴方向被分割为多个。通过长轴用柱面透镜阵列20a、 20b而被分割的激光1，通过长轴用聚光透镜22在基板2上的半导体膜3的表面作为在长 轴方向细长的矩形光束而成像。再有，在长轴用聚光透镜22和基板2之间的光路上配置有反射镜23，来自长轴用聚光透镜22的出射光向基板2的方向被反射。照射到基板2的矩形光束的长轴方向的长度例如能够设为数10mm。该通过长轴方 向均化器19而被整形了的矩形光束，其长轴方向的能线图被均勻化，从高斯形状变形为平 顶形状。短轴方向均化器25具有短轴用聚光透镜四，将入射的激光1在短轴方向聚光； 以及投影透镜30，将来自短轴用聚光透镜四的出射光投影到半导体膜3的表面。在本实施 方式中，短轴方向均化器25还在短轴用聚光透镜四的光轴方向上游侧的位置，具有短轴 用柱面透镜阵列^5aJ6b，将入射光在短轴方向分割为多个，2个短轴用柱面透镜阵列^ku 26b在光轴方向隔开间隔而配置。在这样构成的短轴方向均化器25中，通过扩束镜14而被扩大了的激光1，通过短 轴用柱面透镜阵列26a、26b而在短轴方向被分割为多个。通过短轴用柱面透镜阵列^a、 26b而被分割的激光1，通过短轴用聚光透镜四而在短轴方向被聚光，在一次成像面S成像 之后，通过投影透镜30入射，在一次成像面S的像通过投影透镜30在短轴方向被缩小投影 到基板2上的半导体膜3的表面。再有，来自短轴用聚光透镜四的激光1通过反射镜23 向基板2的方向被反射。照射到基板2的矩形光束的短轴方向的长度例如能够设为数10 μ m。通过该短轴 方向均化器25而被整形了的矩形光束，其短轴方向的能线图被均勻化，从高斯形状变形为 平顶形状。如图IB所示，激光退火装置10还具备位置变动检测器31、透镜移动机构32和 控制装置34。位置变动检测器31检测出半导体膜3的激光照射部分在半导体膜3的垂直方向 的位置变动。因此，通过该位置变动检测器31，能够检测出起因于基板搬送装置的机械误 差、基板表面的加工误差的半导体膜3的表面的位置变动。位置变动检测器31的数量是1个也可是多个也可。在位置变动检测器31是1个 的情况下，针对半导体膜3的激光照射部分的矩形光束的长轴方向的中央位置检测出位置 变动，能够将该检测值作为代表的位置变动量。在位置变动检测器31是多个的情况下，针 对半导体膜3的激光照射部分的矩形光束的长轴方向的多个点检测出位置变动，能够将其 平均值作为位置变动量。位置变动检测器31优选是非接触式位移传感器。通过使用这样的非接触式位移 传感器，能够实时地高精度地检测半导体膜3的位置变动。作为这样的非接触式位移传感 器的一个例子，在本实施方式中示出了激光式位移传感器，但除此之外，也可以是涡电流式 位移传感器、超声波式位移传感器等。透镜移动机构32具有使短轴用聚光透镜四在光轴方向上移动的功能。控制装 置34具有移动机构控制部35，基于来自位置变动检测器31的检测值，控制透镜移动机构 32。当使短轴用聚光透镜四在光轴方向上移动时，一次成像面S的位置也对应于其移 动量在光轴方向上移动。此外，投影透镜30的投影点(焦点位置)对应于一次成像面S的位 置的移动量而移动。因此，通过位置变动检测器31检测出半导体膜3的激光照射部分在半导体膜3的垂直方向的位置变动，基于该检测值通过移动机构控制部35使短轴用聚光透镜四在光轴 方向上移动，由此即使产生基板搬送装置的机械误差等导致的半导体膜3的位置变动，也 能够使矩形光束的短轴方向的焦点位置与半导体膜3的表面匹配。像这样，通过反馈控制 对透镜移动机构32的驱动进行控制，由此能够通过自动控制实现短轴方向的焦点位置的 补正。图2A和图2B表示激光照射部分(加工面)的变动量与短轴用聚光透镜四的移动 量的关系。图2A是短轴用聚光透镜四和投影透镜30的焦点距离分别是650mm、300mm的 情况，图2B是短轴用聚光透镜四和投影透镜30的焦点距离分别是750mm、300mm的情况。在图2A的情况下，在激光照射部分变动了士0. 5mm的情况下，通过使短轴用聚光 透镜四移动士30mm，从而能够使矩形光束的短轴方向的焦点位置与半导体膜3的表面匹 配。在图2B的情况下，在激光照射部分变动了士0. 5mm的情况下，通过使短轴用聚光 透镜四移动士40mm，从而能够使矩形光束的短轴方向的焦点位置与半导体膜3的表面匹 配。像这样，相对于半导体膜3的微米级的位置变动量的短轴用的聚光透镜四的位置 补正量是毫米级。在焦点位置的补正时移动的短轴用聚光透镜29，与投影透镜30相比配置在光轴 方向的上游侧且尺寸小并重量轻。因此，根据本实施方式，以毫米级的精度对尺寸小且重量轻的短轴用聚光透镜四 的位置进行补正即可，因此能够容易地进行焦点位置的补正。[第2实施方式]图3A和图;3B表示本发明的第2实施方式的激光退火装置10的概略结构。本实施方式的激光退火装置10具备间隔调整机构37，对多个短轴用柱面透镜阵 列的间隔进行调整。在本实施方式中，通过使光轴方向上游侧的短轴用柱面透镜 阵列26a在光轴方向上移动，从而调整2个短轴用柱面透镜阵列的间隔。但是，也 可以通过使光轴方向下游侧的短轴用柱面透镜阵列26b或2个短轴用柱面透镜阵列^a、 26b的双方在光轴方向上移动，从而调整两者的间隔。控制装置34具有调整机构控制部 36，基于来自位置变动检测器31的检测值，控制间隔调整机构37。其它部分与实施方式1 相同。图4A和图4B表示使多个柱面透镜阵列的间隔为固定的情况下的、激光照射部分 (加工面)的变动量和激光照射部分的像的大小的变动率的关系。图4A是短轴用聚光透镜 29和投影透镜30的焦点距离分别是650mm、300mm的情况，图4B是短轴用聚光透镜四和投 影透镜30的焦点距离分别是750mm、300mm的情况。在图4A和图4B的情况下，在激光照射部分变动了士 0. 5mm的情况下，像的大小的 变动率都是1. 5%以下。在对通过了短轴用聚光透镜四的激光1的一次成像面的像的大小D进行决定的 要素中，包含在其上游侧配置的多个短轴用柱面透镜阵列26a、26b的合成焦点距离f；。具体 地，一次成像面的像的大小D以下述(1)式表示。其中，w是构成短轴用柱面透镜阵列^a、 26b的各柱面透镜阵列的短轴方向的宽度，是短轴用聚光透镜四的焦点距离。
此外，在对多个短轴用柱面透镜阵列的合成焦点距离&进行决定的要素 中，包含各透镜阵列的光轴方向的间隔d。具体地，合成焦点距离&以下述(2)式表示。其 中，f0'是各短轴用柱面透镜阵列的焦点距离。因此，通过使多个短轴用柱面透镜的间隔变化，能够调整通过了短轴用聚光透镜 29的激光1的一次成像面的像的大小，结果，能够调整短轴方向的焦点位置的光束尺寸。由此，根据本实施方式，通过位置变动检测器31针对半导体膜3的激光照射部分 检测出相对于半导体膜3垂直方向的位置变动，基于该检测值通过调整机构控制部36控制 间隔调整机构37控制部，使短轴用柱面透镜阵列26b在光轴方向上移动来调整各柱面 透镜阵列的间隔，调整短轴方向的焦点位置中的光束尺寸，由此，即使半导体膜3上的激光 照射部分的位置变动，针对短轴方向也能够对半导体膜3照射相同尺寸的光束。像这样，通 过反馈控制对间隔调整机构37的驱动进行控制，由此能够通过自动控制实现短轴方向的 焦点位置的像的大小的调整。[第3实施方式]图5A和图5B表示本发明的第3实施方式的激光退火装置10的概略结构。在本实施方式中，没有设置第1实施方式的短轴用柱面透镜阵列^aJ6b。其它部 分与实施方式1相同。因此，在本实施方式中短轴方向的能线图还是高斯形状的原样，但与第1实施方 式同样地，通过基于来自位置变动检测器31的检测值使短轴用聚光透镜四在光轴方向上 移动，能够使矩形光束的短轴方向的焦点位置与半导体膜3的表面匹配。[其它实施方式1]在上述各实施方式中，优选光束整形光学系统具有干涉减少光学系统，减少激光的干 涉作用。在图6A、图6B中表示这样的干涉减少光学系统的结构例。该干涉减少光学系统包 括长轴用干涉减少光学系统18，减少图6A的激光的长轴方向的干涉作用；以及短轴用干 涉减少光学系统对，减少图6B的短轴方向的干涉作用。如图6A所示那样，长轴用干涉减少光学系统18配置在长轴用柱面透镜阵列20a、 20b的光轴方向上游侧。长轴用干涉减少光学系统18由多个透明玻璃板18a构成。各透明 玻璃板的宽度与构成长轴用柱面透镜阵列20a、20b的各柱面透镜的宽度相同，各透明玻璃 板18a在长轴方向上排列，其光轴方向的长度以比激光1的相干长度长的规定长度而不同。 通过该长轴方向干涉减少光学系统18，通过了各透明玻璃板18a的激光1的光路变长玻璃 的长度的量，因此在各个激光1中产生比相干长度长的距离的光路差，相干性的影响消失， 相互不再干涉。如图6B所示那样，短轴用干涉减少光学系统M配置在短轴用柱面透镜阵列^a、 26b的光轴方向上游侧。由多个透明玻璃板2 构成。各透明玻璃板Ma的宽度与构成短 轴用柱面透镜阵列26a 的各柱面透镜的宽度相同，各透明玻璃板2 在短轴方向上排 列，其光轴方向的长度以比激光1的相干长度长的规定长度而不同。通过该短轴用干涉减 少光学系统对，通过了各透明玻璃板2 的激光1的光路变长玻璃的长度的量，因此在各个12激光1中产生比相干长度长的距离的光路差，相干性的影响消失，相互不再干涉。再有，干涉减少光学系统可以是具有将通过的光变换为随机偏振光的功能的偏振 消除元件构成的光学系统，或者也可以采用其它公知的结构。例如，也可以采用在日本特开 2002-321081号公报中记载的结构、在日本特开2004_341四9号公报的图4中记载的结构。[其它实施方式2]在上述各实施方式中，优选具备多个上述固体激光光源12，并且还具备对来自多个 固体激光光源12的激光在时间和/或空间进行合成的单元。这样的合成单元例如能够通 过反射镜和偏振分束器的组合来构成。通过像这样合成多个激光，在时间上(使脉冲周期相互偏移)合成的情况下能够使 合成激光的脉冲频率为数倍，在空间上(使脉冲周期一致)合成的情况下能够使合成激光的 能量密度为数倍。因此，能够提高光束的扫描速度，结果能够使退火处理速度提高。再有， 在合成3个以上的激光的情况下，也可以组合时间的合成和空间的合成。[其它实施方式3]在上述个实施方式中，优选还具备处理室，将形成了半导体膜的基板收容在内部，使 基板的收容空间为真空或惰性气体气氛；或者惰性气体供给单元，仅对基板的激光照射部 分及其周围的限定的范围供给惰性气体。在图7A和图7B中表示上述的处理室和惰性气体 供给单元的结构例。图7A所示的处理室40在内部具有保持基板2的基板工作台5，以能够使内部为真 空或惰性气体气氛的方式构成。基板工作台5为了使被整形为矩形光束的激光1在短轴方 向进行扫描，构成为能够在短轴方向移动。激光1通过设置在处理室40的透过窗41照射 到基板2。此外，图7B所示的惰性气体供给单元43具备平行相向体46，具有与基板2平行 并接近相向的下表面44，在该下表面44与基板2之间形成惰性气体47的流路，并且具有使 激光1透过的透过窗45 ；以及气体喷射单元48，将流量在光束长轴方向被均勻化了的惰性 气体47，在从激光1的照射部分起在短轴方向隔开规定间隔的位置中朝向基板2的表面进 行喷射。在激光退火中对基板2上的半导体膜照射激光1时，当激光照射部分接触大气时， 产生在基板表面形成凹凸、在基板表面形成氧化膜、或在结晶化工艺中制作的结晶粒变小 等的问题。通过具备上述结构的处理室40或惰性气体供给单元43，从而能够阻止激光照射 部分与大气接触，能够回避上述的诸问题。再有，惰性气体供给单元43并不限定于图7B表示的结构，在具有仅对基板2的激 光照射部分和其周围的限定的范围供给惰性气体的功能的范围中也可以是其它结构。例 如，也可以是日本专利第35(^981号公报的图2、图4表示的结构。在上述中，针对本发明的实施方式进行了说明，但上述公开的本发明的实施方式 不过只是例示，本发明的范围并不限定于这些发明的实施方式。本发明的范围通过本专利 所要求的范围表示，还包含与本专利所要求的范围的记载均等的意思，以及范围内的全部 变更。1权利要求
1.一种激光退火方法，对从固体激光光源被脉冲振荡的激光进行整形并且在半导体 膜的表面聚光为矩形光束，使矩形光束相对于上述半导体膜在短轴方向相对地扫描，通过 激光照射对上述半导体膜进行改性，其特征在于，使用将入射光在短轴方向聚光的短轴用聚光透镜、和将来自该短轴用聚光透镜的出射 光投影到上述半导体膜的表面的投影透镜，使上述激光在上述半导体膜的表面在矩形光束 的短轴方向聚光，检测出上述半导体膜的激光照射部分在该半导体膜的垂直方向的位置变动，基于该检 测值使上述短轴用聚光透镜在光轴方向移动。
2.根据权利要求1所述的激光退火方法，其特征在于，在上述短轴用聚光透镜的光轴方向上游侧的位置，将使入射光在上述矩形光束的短轴 方向分割为多个的多个短轴用柱面透镜阵列在光轴方向隔开间隔配置，基于上述位置变动的检测值调整上述多个短轴用柱面透镜阵列的间隔。
3.一种激光退火装置，具备固体激光光源，对激光进行脉冲振荡；光束整形光学系 统，对来自该固体激光光源的激光进行整形并在半导体的表面聚光为矩形光束；以及扫描 单元，使上述矩形光束相对于上述半导体膜在短轴方向相对地扫描，通过激光照射对上述 半导体膜进行改性，其特征在于，上述光束整形光学系统具有长轴方向均化器和短轴方向均化器，对入射的激光在上 述半导体膜的表面在矩形光束的长轴方向和短轴方向的每一个中起作用并进行聚光，该短轴方向均化器包括短轴用聚光透镜，对入射光在短轴方向进行聚光；以及投影 透镜，将来自该短轴用聚光透镜的出射光投影到上述半导体膜的表面，该激光退火装置还具备位置变动检测器，检测上述半导体膜的激光照射部分在该半 导体膜的垂直方向的位置变动；以及透镜移动机构，使上述短轴用聚光透镜在光轴方向移 动。
4.根据权利要求3所述的激光退火装置，其特征在于，上述短轴用均化器具有多个短轴用柱面透镜阵列，配置在上述短轴用聚光透镜的光 轴方向上游侧的位置，将入射光在上述矩形光束的短轴方向分割为多个，该多个短轴用柱 面透镜阵列在光轴方向隔开间隔配置，上述激光退火装置还具备间隔调整机构，对上述多个短轴用柱面透镜阵列的间隔进 行调整。
5.根据权利要求3所述的激光退火装置，其特征在于，还具备移动机构控制部，基于 来自上述位置变动检测器的检测值控制上述透镜移动机构。
6.根据权利要求4或5所述的激光退火装置，其特征在于，还具备调整机构控制部， 基于来自上述位置变动检测器的检测值，控制上述间隔调整机构。
7.根据权利要求3所述的激光退火装置，其特征在于，上述固体激光光源的光束品质 在M2值是20以上。
8.根据权利要求3所述的激光退火装置，其特征在于，上述光束整形光学系统具有 干涉减少光学系统，减少上述激光的干涉作用。
9.根据权利要求3所述的激光退火装置，其特征在于，从上述固体激光光源出射的激 光，具有高斯形状的能线图。
10.根据权利要求3所述的激光退火装置，其特征在于，上述矩形光束在短轴方向具 有高斯形状的能线图。
11.根据权利要求3所述的激光退火装置，其特征在于，上述位置变动检测器是非接 触式位移传感器。
12.根据权利要求3所述的激光退火装置，其特征在于，具备多个上述固体激光光源， 并且还具备对来自上述多个固体激光光源的激光在时间和/或空间进行合成的单元。
13.根据权利要求3所述的激光退火装置，其特征在于，还具备处理室，将形成有上 述半导体膜的基板收容在内部，使基板的收容空间为真空或惰性气体气氛，或者，惰性气体 供给单元，仅对上述半导体膜上的激光照射部分及其周围的限定的范围供给惰性气体。
14.根据权利要求3所述的激光退火装置，其特征在于，具备基板工作台，用于载置 形成有上述半导体膜的基板，该基板工作台以不超过基板的熔点的温度被加热。
全文摘要
在使用了固体激光的激光退火中，能够容易地对应于半导体膜的激光照射部分的位置变动，对矩形光束的短轴方向的焦点位置进行补正。使用将入射光在短轴方向聚光的短轴用聚光透镜(29)、和将来自该短轴用聚光透镜(29)的出射光投影到上述半导体膜(3)的表面的投影透镜(30)，使激光(1)在半导体膜(3)的表面在矩形光束的短轴方向聚光。以位置变动检测器(31)检测出半导体膜(3)的激光照射部分在该半导体膜的垂直方向的位置变动，基于该检测值使短轴用聚光透镜(29)在光轴方向移动。
文档编号H01L21/268GK102057467SQ20088012971
公开日2011年5月11日 申请日期2008年6月12日 优先权日2008年6月12日
发明者M正木, 川上隆介, 森田胜, 河口纪仁, 芳之内淳, 西田健一郎 申请人:株式会社Ihi