激光退火方法以及激光退火装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及对非单晶半导体扫描直线束形的脉冲激光并进行多次重叠照射从而实现非晶膜的结晶化或结晶膜的改性的激光退火方法以及激光退火装置。
【背景技术】
[0002]通常用于TV或PC显示器的薄膜晶体管由非晶(amorphous)硅(下面称为a_硅)构成，但通过以某些手段使硅结晶化(下面称为P-硅)而利用，可以显著提高作为TFT的性能。目前，作为低温下的Si结晶化工艺的准分子激光退火技术已被实用化，被频繁利用于面向智能手机等小型显示器的用途，针对大屏幕显示器等的实用化正进一步实现。
[0003]该激光退火方法的构成是，通过在非单晶半导体膜上照射具有高脉冲能量的准分子激光，使吸收了光能的半导体成为熔融或半熔融状态，之后在冷却凝固时结晶化。此时，为了处理广泛的区域，例如沿着短轴方向相对扫描并进行照射调整为直线束形的脉冲激光。通常，通过使设置了非晶半导体膜的设置台移动来进行脉冲激光的扫描。
[0004]在该激光退火处理中，通过光学体系将激光束形状调整为规定形状，使射束强度在射束截面上保持相同(顶部区段:平坦部)，进而根据需要将射束进行聚焦而照射在被处理物上。
[0005]作为射束形状的一种，已知在射束的剖视下具有短轴宽度和长轴宽度的直线形状，通过将其沿短轴方向扫描并照射被处理物，能够对被处理物的广大面积一并进行高效处理。但是，即使在顶部区段呈直线束形，但经过各种光学构件等，也会在短轴方向以及长轴方向的边缘部上具有能量强度向外侧递减的部分(称为陡峭部)。
[0006]在专利文献I中，以经聚焦的激光的周边部产生按高斯分布强度变弱的区域而导致线端部的切割不明确的问题作为课题，在聚焦至100 μm后，在离开被加工面的位置上配设掩模，根据该掩模的图案形状，例如相对于100 μ mX 30cm的范围制成20 μ mX 30cm的极细开沟图案以使边缘部的端部明确。
[0007]另外，在专利文献2中，通过使直线束穿过狭缝来规定线宽，得到具有大致尖锐的边缘(edge)的平坦性质(第0011段落)。
[0008]现有技术文献
[0009]专利文献
[0010]专利文献1:日本专利特开平5-206558号公报
[0011]专利文献2:日本专利特开平9-321310号公报
[0012]发明的揭示
[0013]发明所要解决的技术问题
[0014]但是，即使使用掩模或狭缝、或者各种光学体系，也难以使陡峭部完全消失。该陡峭部的消减可以通过光学构件的设计等来实施，但如果想要通过光学构件的设计等使陡峭部过度消减，则如图8所示，脉冲激光150的射束强度分布中平坦部151的短轴方向端部会局部形成强度急剧增加的强度凸部151a。另外，在使用掩模或狭缝的情况下，也会因衍射现象而在透过的激光束的射束强度分布中同样在平坦部151的短轴方向端部形成强度急剧增加的强度凸部151a。专利文献I是在透光性导电膜等加工面上通过紫外线进行直线绘制的方案，上述凸部不会成为特别的障碍。但是，在激光退火中，使用具备平坦部端形成有凸部的脉冲激光的情况下，会产生超出最适合的能量密度范围等退火处理中的问题。
[0015]为此，在以往的激光退火中，不使用掩模或狭缝，而是将陡峭部的短轴方向宽度设定成认为在照射激光时相对无碍的70?100 μπι左右，由此避免强度凸部的出现，且使光学构件的设计变得容易。
[0016]但是，根据本发明人的深入观察认识到即使在当前情况下，由脉冲激光照射而结晶化的半导体上仍确认到照射不均，已知该照射不均成为制成器件时对性能产生影响的原因。
[0017]根据本发明人的研宄，认为上述照射不均的原因在于直线束的扫描方向端部的多晶硅膜的隆起部在每次照射中不均匀地形成。该部分相当于由激光照射形成的半导体膜的熔融部和未照射到具有半导体膜熔融所需的足够强度的激光而保持固体的部分的分界线。认为该隆起随照射能量的强度成比例地增大。即，随着照射能量的增加，在半导体膜的膜厚方向上发生熔融，而且整个膜熔融之后成为液体的半导体膜层的温度也增大。认为该液相部分随着温度的降低而结晶化时，在温度先开始下降的固液界面即直线束短轴边缘部的液体被吸引并固化，由此生成隆起。只要该隆起部以规定的间隔以同等的高度形成，照射不均就并非很显眼。
[0018]但是，如果激光的输出能量发生变动，则如图9所示，陡峭部的斜率也变化，对半导体膜的退火产生影响的区域(例如熔融阈值以上的区域)的短轴宽度也变化。图9所示的射束强度分布中，在射束强度变动+10%的情况下，具有100 μm的陡峭部的射束强度分布中，熔融阈值区域的短轴宽度在两端分别增加3%。由此非单晶半导体上的熔融宽度变动，因此前述隆起部发生高度以及间隔的错乱并作为照射不均而呈现。
[0019]本发明是以上述情况为背景来完成的，其目的在于提供一种能够减轻由激光的输出能量的变动带来的影响的激光退火方法以及激光退火装置。
[0020]解决技术问题所采用的技术方案
[0021]S卩，本发明的激光退火方法中的第I发明是，在非单晶半导体膜上将射束截面形状为直线束的脉冲激光沿所述直线束的短轴方向扫描并进行照射的激光退火方法中，
[0022]所述直线束在射束强度分布中具有位于短轴方向端部的陡峭部，所述陡峭部是具有所述射束强度分布中最大强度的10%以上且90%以下的强度的区域，
[0023]以使所述陡峭部中位于扫描方向后方侧的所述陡峭部的短轴方向宽度在所述非单晶半导体膜的照射面上为50 μπι以下的条件进行所述照射。
[0024]第2发明的激光退火方法是在前述第I发明中，前述脉冲激光的波长在400nm以下。
[0025]第3发明的激光退火方法是在前述第I或第2发明中，前述脉冲激光在照射面上的脉冲半宽值在200ns以下。第4发明的激光退火方法是在前述第I?第3发明的任一项发明中，所述脉冲激光在照射面上的所述射束强度分布中最大强度的值为250?500mJ/
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[0026]第5发明的激光退火方法是在前述第I?第4发明的任一项发明中，前述非单晶半导体为娃。
[0027]第6发明的激光退火方法是在前述第I?第5发明的任一项发明中，前述脉冲激光在射束强度分布中在短轴方向具有平坦部，且前述最大强度以前述平坦部的强度的平均值给出。
[0028]第7发明的激光退火方法是在前述第I?第6发明的任一项发明中，前述脉冲激光在射束强度分布中，两端部的任一方或双方局部具有强度上升的强度凸部的情况下，在除了前述强度凸部以外的范围内给出前述最大强度。
[0029]第8发明的激光退火方法是在第6或第7发明的任一项发明中，前述直线束在前述非单晶半导体膜的照射面上的前述最大强度的96%以上的区域的短轴方向宽度为100?500 μ m。第9发明的激光退火装置具备:
[0030]输出脉冲激光的激光光源，
[0031]调整前述脉冲激光的透射率的衰减器，
[0032]调整前述脉冲激光的射束截面形状的同时将调整过的脉冲激光引导至非单晶半导体膜的照射面上的光学体系，
[0033]前述光学体系具备:将前述脉冲激光的射束截面形状调整为在射束强度分布中具有规定强度以上的高强度区域的直线束的光学构件，以及使位于前述射束的短轴方向端部的陡峭部中的至少扫描方向后方侧的短轴方向宽度以在前述非单晶半导体膜的照射面上为50 μπι以下的条件急陆的光学构件。
[0034]第10发明的激光退火装置是在第9发明中，使前述陡峭部急陡化的光学构件配置在前述脉冲激光的光路上，并且为遮蔽前述脉冲激光的射束截面的一部分的遮蔽部。
[0035]第11发明的激光退火装置是在前述第10发明中，前述遮蔽部在前述高强度区域的短轴方向端的外侧，遮蔽前述脉冲激光的射束截面的一部分。
[0036]第12发明的激光退火装置是在前述第9?第11发明的任一项发明中，前述激光光源是输出波长在400nm以下的前述脉冲激光的光源。
[0037]第13发明的激光退火装置是在前述第9?第12发明的任一项发明中，前述激光光源是输出半宽值在200ns以下的前述脉冲激光的光源。
[0038]第14发明的激光退火装置是在前述第9?第13发明的任一项发明中，前述光学体系具备将前述脉冲激光的强度调整为具有强度为最大强度的96%以上的前述高强度区域和位于端部的陡峭部的激光束强度分布的光学构件。
[0039]第15发明的激光退火方法是在前述第9?第14发明的任一项发明中，前述衰减器将非单晶半导体膜的照射面上的前述脉冲激光的射束强度分布中最大强度值调整至250 ?500mj7cm2。
[0040]S卩，根据本发明，通过使陡峭部急陡，由脉冲激光的输出变动引起的照射不均得到减轻。例如，在规定次数的重叠照射中，存在合适的照射能量密度，该能量密度具有一定程度的容许范围。但是，如果陡峭部的宽度像以往那样大(例如70 μπι以上)，则即使是在合适的照射能量密度范围内的变动，也会呈现出照射不均。
[0041]陡峭部是能量强度向外侧递减的部分，是指具有短轴方向的射束强度分布中的最大强度的10%以上且90%以下的强度的区域。
[0042]陡峭部的宽度(50 ym以下)得以减小的本发