專利名稱：激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)和激光熱處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明特別涉及一種用于熱處理非晶或多晶硅膜使之多晶硅化的，熱處理基板上形成的硅薄膜用的激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)及其裝置。
液晶面板的象素部分，由在玻璃或合成石英基板上以非晶或多晶硅膜制作的開(kāi)關(guān)薄膜晶體管構(gòu)成。要是能在該面板上同時(shí)構(gòu)成驅(qū)動(dòng)象素晶體管的驅(qū)動(dòng)電路(主要是獨(dú)立設(shè)置于外部)，在液晶面板的制造成本、可靠性等方面就有突出的優(yōu)點(diǎn)了。
然而現(xiàn)在，因?yàn)闃?gòu)成晶體管有源層的硅膜晶體性差，薄膜晶體管，象低遷移率所代表的那樣性能差，要求高速、高性能的集成電路制作就困難了。
硅膜的晶體性與薄膜晶體管的載流子遷移率之間的關(guān)系說(shuō)明如下。用激光熱處理得到的硅膜一般為多晶。多晶的晶界上局部存在著晶體缺陷，而缺陷妨礙薄膜晶體管有源層的載流子移動(dòng)。因此，為了提高薄膜晶體管的遷移率，載流子就要減少在有源層移動(dòng)過(guò)程中橫切晶界的次數(shù)，而且減少晶體缺陷。
一種改善硅膜晶體性的方法是用激光熱處理，以便提供高遷移率薄膜晶體管。激光熱處理的目的在于形成晶粒直徑大且晶界中的晶體缺陷少的多晶硅膜。
以前，在Appl.Phys.Lett.，39，1981，p425-427(文獻(xiàn)2)和Mat.Res.Soc.Symp.Proc.，Vol.358，1995，p915-p920(文獻(xiàn)3)做過(guò)激光熱處理的試驗(yàn)。這些文獻(xiàn)中，使用Nd-YAG激光器的二次諧波(波長(zhǎng)532nm)作為激光器。在本例中，

圖12示出包括由Nd-YAG激光器的二次諧波產(chǎn)生的激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)的激光熱處理裝置。在這里，振蕩裝置1，作為熱處理用激光器所用的代表性的可見(jiàn)光脈沖激光光源，使用Nd-YAG激光器二次諧波(波長(zhǎng)532nm)。其振蕩激光2用聚光用透鏡4進(jìn)行聚光，對(duì)介以襯底膜6淀積于基板7上的非晶或多晶硅膜5進(jìn)行照射和加熱。多晶硅膜5，由于脈沖激光2的照射，在照射區(qū)域隨加熱而熔融，接著被冷卻。
可是，在文獻(xiàn)的報(bào)告中，在照射位置的束剖面為軸對(duì)稱高斯分布，因此，說(shuō)到熔融硅的晶體，晶粒以中心對(duì)稱性地放射狀生長(zhǎng)，就象圖13一樣。就是，激光熱處理后的多晶硅膜性質(zhì)，在面寬范圍均勻性非常低，因而未見(jiàn)到利用此項(xiàng)技術(shù)制成薄膜晶體管的報(bào)告。
另一方面，雖然以往一直使用波長(zhǎng)很短的激態(tài)復(fù)合物激光器，采用線狀束的剖面進(jìn)行激光熱處理，但是這與用波長(zhǎng)330nm以上的激光熱處理，根本上有不同的觀點(diǎn)。如上所述，用波長(zhǎng)330nm以上的激光熱處理，在結(jié)晶過(guò)程中，熔融硅發(fā)生涉及膜表面區(qū)域方向，即橫向晶體生長(zhǎng)，因而把晶粒直徑做大作為目的。用激態(tài)復(fù)合物激光的熱處理，由于涉及膜厚方向的生長(zhǎng)，只不過(guò)謀求提高激光熱處理后的薄膜在面寬范圍的薄膜質(zhì)量均勻性和可生產(chǎn)性，連做大晶粒直徑也不作為目的。
并且，在激態(tài)復(fù)合物激光器中，采用線狀束的光學(xué)系統(tǒng)，已公開(kāi)于日本特許公開(kāi)(Japanese Patent Publication Nos.)11-16851和10-3330777中，其中，從激態(tài)復(fù)合物激光器振蕩器來(lái)的光束，在與束的光軸垂直面內(nèi)正交的2個(gè)方向，同時(shí)通過(guò)排列(圓)柱形透鏡的(圓)柱陣列后，用會(huì)聚透鏡會(huì)聚，用作使兩個(gè)方向一起分布均勻化的束均化器，把這2個(gè)方向的會(huì)聚寬度作成不同的方式。
在用長(zhǎng)方形剖面激光束的熱處理中，為了制作特性優(yōu)良的薄膜晶體管，必須使光強(qiáng)度分布的剖面最優(yōu)化。特別是，束寬度方向的剖面，在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中影響大，是因?yàn)殚L(zhǎng)度方向的分布左右生長(zhǎng)晶體的區(qū)域。但是，用現(xiàn)有的線狀束形成用的光學(xué)系統(tǒng)，不適合選擇寬度方向的剖面。另外，在正交的兩個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行均化，也不可能把線狀束的寬度方向聚光到極限細(xì)小。
本發(fā)明就是為了消除這樣的問(wèn)題而作出的發(fā)明，特別是，其目的在于提供一種制作高性能薄膜晶體管，而必須控制用于使薄膜晶粒粗大，降低晶格缺陷，形成晶體性優(yōu)良的薄膜的激光光強(qiáng)度分布剖面的光學(xué)系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的就是提供一種極細(xì)的矩形狀，特別是，提供用于在膜材料表面的掃描方向，獲得光強(qiáng)度分布具有陡峻分布的激光的光學(xué)系統(tǒng)。
并且，本發(fā)明的又一個(gè)目的在于提供一種制作高性能的薄膜晶體管，而必須形成晶體性優(yōu)良薄膜的激光熱處理裝置。
另外，再一個(gè)目的就是提供一種制作高性能的薄膜晶體管，而必須制造晶體性優(yōu)良薄膜的方法。
為了用激光照射法熱處理在基板上形成的膜材料，本發(fā)明的激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)包括形成激光振蕩器發(fā)射激光束的剖面強(qiáng)度分布的強(qiáng)度分布成形裝置，及在基板上的膜材料上形成長(zhǎng)方形的束形狀的束形狀成形裝置。該強(qiáng)度分布成形裝置，將激光振蕩器來(lái)的激光束，在束剖面上的1個(gè)方向使光強(qiáng)度分布均勻化(進(jìn)行矩形化)，而且，在另一正交方向，維持激光振蕩器發(fā)射的激光束的強(qiáng)度分布；束形狀成形裝置，將這種分布的束制成長(zhǎng)方形剖面的束，并照射于膜材料表面。
束形狀成形裝置，特別是，擴(kuò)大或縮小上述1個(gè)方向和另一個(gè)方向的剖面，在膜材料上進(jìn)行均勻加熱。該光學(xué)系統(tǒng)，可在基板上的膜材料內(nèi)進(jìn)行溫度分布的控制，提供均勻加熱用的激光照射剖面。
強(qiáng)度分布成形裝置可以是在激光束的剖面平面內(nèi)的1個(gè)方向，將激光束的一部分進(jìn)行多次反射后，使之重疊，因此，能使束強(qiáng)度分布均勻。這種強(qiáng)度分布成形裝置，由相對(duì)面隔開(kāi)配置的一對(duì)反射面構(gòu)成也行。
對(duì)強(qiáng)度分布裝置來(lái)說(shuō)，就是選擇在激光束的剖面平面內(nèi)的波導(dǎo)構(gòu)造，使強(qiáng)度分布均勻。以少量的激光損耗形成高性能的薄膜。這種強(qiáng)度分布裝置可以是，一對(duì)反射面相對(duì)面，而在另一方向相平行的波導(dǎo)器件。
進(jìn)而，對(duì)另一個(gè)強(qiáng)度分布成形裝置來(lái)說(shuō)，可采用在激光束的剖面平面內(nèi)的一個(gè)方向進(jìn)行分割，而在另一方向延伸的分割(圓)柱形透鏡，因此，使強(qiáng)度分布均勻。
對(duì)另一個(gè)束形狀成形裝置來(lái)說(shuō)，就是在激光束的剖面平面內(nèi)的一個(gè)方向，把強(qiáng)度分布成形裝置所得的均勻分布，復(fù)制到基板上的膜材料上，作為在基板上的膜材料上形成長(zhǎng)方形束形狀的長(zhǎng)度方向構(gòu)成部分。為了復(fù)制，可以使用復(fù)制透鏡，例如球面透鏡。
進(jìn)而，對(duì)束形狀成形裝置來(lái)說(shuō)，把激光振蕩器發(fā)射的激光束，只在激光束的剖面平面內(nèi)的一個(gè)方向聚光到基板上的膜材料上，而在基板上的膜材料上形成長(zhǎng)方形束形狀的短邊方向也可以。這種束形狀成形裝置包括聚光透鏡，用聚光透鏡聚光于基板上的膜材料上，而聚光透鏡可以使用(圓)柱形透鏡。因此，在基板上的膜材料上，可陡峻地形成長(zhǎng)方形束形狀在短邊方向的激光照射強(qiáng)度梯度。
進(jìn)而，束形狀成形裝置也可以是多個(gè)(圓)柱形透鏡或者球面透鏡的組合構(gòu)成的裝置。因此，在基板上的膜材料上，可以均勻地形成長(zhǎng)方形束形狀的長(zhǎng)度方向強(qiáng)度分布，而且陡峻地形成短邊方向的激光照射強(qiáng)度梯度，同時(shí)可以照射任意形狀的激光。多個(gè)(圓)柱形透鏡或球面透鏡的全部或者兩者之一，是非球面透鏡也行?？梢园言诨迳系哪げ牧仙祥L(zhǎng)方形束形狀的短邊方向的強(qiáng)度分布，在由振蕩激光的定向性等性質(zhì)規(guī)定的界限內(nèi)，作成陡峻強(qiáng)度分布梯度。
本發(fā)明的激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)，還可以包括，接近基板上的膜材料，在基板上的膜材料上與長(zhǎng)方形束形狀的長(zhǎng)度方向平行地裝入的刀口(刀刃)。該刀口可以限定束形狀，將其光強(qiáng)度分布作成為陡峻。
根據(jù)本發(fā)明的激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)，可備有分割激光束，給分割后的激光束造成光程差，再進(jìn)行合成的脈沖寬度伸長(zhǎng)裝置。由于可設(shè)定激光的脈沖寬度，因而可以控制各種不同厚度的薄膜晶體生長(zhǎng)時(shí)間。
根據(jù)本發(fā)明的激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)，激光振蕩器利用330nm到800nm之間的波長(zhǎng)，膜材料，特別是硅材料，可以在其厚度方向進(jìn)行均勻加熱。
本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)，特別適用于半導(dǎo)體裝置的制造方法，用光學(xué)系統(tǒng)照射基板上的半導(dǎo)體膜材料表面的剖面長(zhǎng)方形的激光束，掃描膜材料的表面，進(jìn)行表面連續(xù)加熱和冷卻，在此熔融冷卻過(guò)程中，制造出生長(zhǎng)了粗大晶粒的半導(dǎo)體膜。
對(duì)這種半導(dǎo)體膜材料而言，可以適用預(yù)先在基板上形成非晶或多晶硅膜，用此方法制成的硅膜，可以廣泛應(yīng)用于圖象用薄膜晶體管。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明以下，邊參照附圖，邊詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容。
圖1A表示本發(fā)明實(shí)施例的激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)。
圖1B-1D表示圖1A所示的光學(xué)系統(tǒng)的激光強(qiáng)度分布。
圖2A表示使用本發(fā)明實(shí)施例的激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)，照射薄膜狀的激光束剖面的配置。
圖3A表示本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)，特別是，表示x方向的強(qiáng)度分布成形裝置；圖3B表示在圖3A的光學(xué)系統(tǒng)的部分圖中，y方向的強(qiáng)度分布成形裝置。
圖4A表示本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例中的激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)，特別是，表示x方向的強(qiáng)度分布成形裝置；圖4B表示在圖4A的光學(xué)系統(tǒng)的部分圖中，y方向的強(qiáng)度分布成形裝置。
圖5A表示本發(fā)明再一個(gè)實(shí)施例中的激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)，特別是，表示x方向的強(qiáng)度分布成形裝置；圖5B表示在圖5A的光學(xué)系統(tǒng)的部分圖中，y方向的強(qiáng)度分布成形裝置。
圖6表示本發(fā)明其它實(shí)施例的激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)。
圖7表示本發(fā)明實(shí)施例的激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)。
圖8A表示本發(fā)明還有一個(gè)實(shí)施例中的激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)，特別是，表示y方向的束形狀成形裝置；圖8B是表示x方向的束形狀成形裝置，與圖8A同樣的圖。
圖9A和9B表示本發(fā)明實(shí)施例中的風(fēng)景或多晶硅膜上的激光強(qiáng)度分布曲線。
圖10表示本發(fā)明還有一個(gè)實(shí)施例的激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)。
圖11表示本發(fā)明的過(guò)去其它實(shí)施例的激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)。
圖12是表示包括現(xiàn)有激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)的激光熱處理裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖13是表示用現(xiàn)有軸對(duì)稱高斯型輪廓(profile)的激光進(jìn)行熱處理形成的硅膜晶粒配置典型圖。
圖1A是一個(gè)實(shí)施例中的激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖中，激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)，包括聚光振蕩器1、強(qiáng)度分布成形裝置30和束形狀成形裝置40，從激光振蕩器1發(fā)射的振蕩激光2配置成貫通強(qiáng)度分布成形裝置30和束形狀成形裝置40，束形狀成形裝置40安裝的位置，使振蕩激光會(huì)聚到基板7上形成的硅膜5表面上。
由激光振蕩器1發(fā)出的振蕩激光2，通常采用高斯分布，該分布，如圖1B所示，在強(qiáng)度分布成形裝置30的入口面A，例如A面上的束形狀PA是圓形的，A面的x方向強(qiáng)度分布XA和A面的y方向強(qiáng)度分布YA，實(shí)質(zhì)上可以認(rèn)為是高斯分布狀。
在本發(fā)明中，強(qiáng)度分布成形30，按高斯分布保存x方向的強(qiáng)度分布，僅對(duì)y方向的強(qiáng)度分布進(jìn)行平滑化(即，矩形化)。強(qiáng)度分布成形裝置30的出口面B處激光的束形狀PB，如圖1C所示，實(shí)質(zhì)上被變換成長(zhǎng)方形。B面的x方向強(qiáng)度分布XB，維持A面的x方向強(qiáng)度分布XA，而B(niǎo)面的y方向強(qiáng)度分布YB，實(shí)質(zhì)上按頂峰分布來(lái)形成。
這樣以來(lái)，通過(guò)強(qiáng)度分布成形裝置30的激光，借助于束形狀成形裝置40，以x方向、y方向規(guī)定的倍數(shù)進(jìn)行調(diào)整，用長(zhǎng)方形的束形狀照射基板上的膜材料5。照射的剖面長(zhǎng)方形束，相對(duì)地掃描硅膜，因此，進(jìn)行熱處理。把束剖面長(zhǎng)方形的寬度定義為x方向，而長(zhǎng)度方向?yàn)閥方向(參照?qǐng)D2)，則基板上膜材料表面C上的束形狀PC，在C面的x方向強(qiáng)度分布XC變成縮小了A面的x方向強(qiáng)度分布XA的剖面，并繼續(xù)保存振蕩激光束2的高度定向性的性質(zhì)，因此，在C面的y方向強(qiáng)度分布YC實(shí)質(zhì)上被均勻化。
在這里，作為激光照射對(duì)象的靶，就是在基板上形成的硅膜。在基板7上，例如，利用玻璃，在基板上由氧化硅膜形成襯底層。襯底層，例如用化學(xué)汽相淀積(CVD)法，形成氧化硅膜200nm左右厚度。
硅膜是用LPCVD(低壓汽相淀積)以外的方法成膜的，厚度為70nm左右的非晶硅膜等。
膜材料，即使對(duì)于硅系列材料以外的材料，例如，非晶的鍺膜也能適用，可以制造出加粗的晶體性鍺膜。
在本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用中，將基板7裝載于移動(dòng)載物臺(tái)上的情況也行，這時(shí)，一面對(duì)固定的光學(xué)系統(tǒng)掃描移動(dòng)載物臺(tái)，一面照射激光束，相對(duì)地沿x方向移動(dòng)照射到基板上的薄膜表面上。
將激光照射到基板上的膜材料5上時(shí)，膜材料5吸收激光而被加熱，將對(duì)應(yīng)激光束剖面形狀的長(zhǎng)方形區(qū)域的膜材料熔融。這時(shí)，照射激光束的長(zhǎng)度方向即y方向，因?yàn)榧す?的強(qiáng)度分布均勻，沒(méi)有產(chǎn)生溫度梯度，僅x方向產(chǎn)生溫度梯度。熔融區(qū)域晶體化時(shí)，由于晶體按照溫度梯度生長(zhǎng)，就向基板7的移動(dòng)方向，即x方向1維生長(zhǎng)，形成晶粒直徑大約為幾微米的大晶粒。并且，熱處理后所形成的多晶硅膜的晶粒，同圖2一樣同作為晶體生長(zhǎng)方向的照射激光束的短邊方向一致，就是與移動(dòng)載物臺(tái)的移動(dòng)方向一致。
在x方向晶體生長(zhǎng)的過(guò)程，對(duì)膜材料5內(nèi)在x方向所形成的溫度分布影響很大。也就是，對(duì)照射的長(zhǎng)方形束的短邊方向的強(qiáng)度分布影響很大。通過(guò)激光照射，導(dǎo)入基板上膜材料5內(nèi)的熱，同樣向基板發(fā)散。就是，基板上膜材料5內(nèi)的x方向溫度分布同樣降低。首先從膜的溫度比熔點(diǎn)低的部分，而后向溫度降低到了熔點(diǎn)的部分橫向生長(zhǎng)著晶體。而且，該晶體生長(zhǎng)，在溫度下降的過(guò)程中，由于自然核發(fā)生(natural nucleation)而生長(zhǎng)了微晶，將其進(jìn)路隔斷，就停止朝x方向繼續(xù)生長(zhǎng)。亦即，只能在造成自然核發(fā)生之前的比較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，晶?？梢陨L(zhǎng)長(zhǎng)度，因此，要求高晶體生長(zhǎng)速度。
一般地說(shuō)，在某區(qū)域x的晶體生長(zhǎng)速度v，依存于該區(qū)域的溫度梯度ΔT/Δx，通過(guò)下式v=kΔT/Δx表示。其中，Δx為區(qū)域的微小長(zhǎng)度，ΔT為在該微小長(zhǎng)度的溫度差，k為速度常數(shù)(負(fù)值)。即，關(guān)于硅膜內(nèi)的x方向溫度分布存在的情況下，在熔點(diǎn)溫度附近，某區(qū)域的溫度分布為陡峻的溫度梯度，提高晶體生長(zhǎng)速度，其結(jié)果，就能在多晶硅膜上形成大晶粒直徑，可以獲得需要的高晶體性薄膜，而制作高性能薄膜晶體管。
如上述的光學(xué)系統(tǒng)，照射激光束的寬度方向的束強(qiáng)度分布由于可以保存振蕩激光2的定向性的性質(zhì)，因而可以在受振蕩激光2的性質(zhì)限制的界限以前進(jìn)行聚光，在基板上膜材料5上得到最大限度的光強(qiáng)度梯度，同時(shí)在最大限度的光強(qiáng)度梯度以下，任意控制強(qiáng)度分布，從而能夠控制基板上膜材料5內(nèi)x方向溫度分布。
在本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)中，可取的是，利用具有從330nm到800nm之間振蕩波長(zhǎng)的激光。即，用該范圍的波長(zhǎng)照射作為非晶或多晶硅膜的膜材料5時(shí)，非晶硅膜對(duì)激光的吸收系數(shù)比較小，在穿透膜內(nèi)部前，實(shí)質(zhì)上對(duì)膜厚方向已均勻加熱，由于激光照射而發(fā)生的硅膜內(nèi)的橫向溫度分布，只在x方向形成。因此，作為非晶或多晶硅膜的基板上的膜材料5，在某強(qiáng)度以上的激光束部分，全部深度方向都被熔融。
作為具有從330nm到800nm之間振蕩波長(zhǎng)的激光，例如固體激光諧波發(fā)生源是可取的。就是，使用Nd-YAG激光器的二次諧波(532nm)或三次諧波(355nm)，Nd-YLF激光器的二次諧波(524nm)或三次諧波(349nm)，或Yb-YAG激光器的二次諧波(515nm)或三次諧波(344nm)。利用Ti-Sapphire(藍(lán)寶石)激光器的基波或二次諧波也可以。
在小型裝置中，使用固體激光器諧波發(fā)生源，可以有效地獲得330nm到800nm范圍波長(zhǎng)的激光，并能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作?？蓪⒓す庹袷幤?做得緊湊些，能將非晶或多晶硅膜的厚度方向均勻加熱，在激光熱處理方法中，要制作高性能薄膜晶體管，就需要穩(wěn)定地得到晶體性優(yōu)良的薄膜。因此，若采用這種光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)激光熱處理，就那提供均勻形成高性能薄膜用的激光照射剖面。
并且，本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)，除半導(dǎo)體材料以外，也可以熱處理作為絕緣膜的硅氧化膜。通過(guò)熱處理，也可以把用作透光性的導(dǎo)電膜的ITO膜應(yīng)用于晶體化或高密度化，高性能化這樣的用途上。
實(shí)施例1圖3A和3B表示本發(fā)明實(shí)施例的激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度分布成形裝置30，利用前頭具有細(xì)小錐狀全反射面的透光性器件。在強(qiáng)度分布成形裝置30中，可以利用由透光性材料形成的楔型器件31或一對(duì)傾斜相對(duì)的鏡面對(duì)。
以下，示出楔型器件31的例子，楔型器件31是形成契形的錐狀部件(block)，如圖3A所示，僅在前端一側(cè)，減少y方向的厚度，在x方向，如圖3B所示，厚度為一定。
從激光振蕩器1入射到部件的寬幅度一側(cè)的入射面的振蕩激光2被部件的y方向錐形表面反射。因此，關(guān)于y方向振蕩激光2被周邊部分反射，在楔型器件31的窄幅度一側(cè)的出射面，周邊部分的反射光和中央部分的光重疊，形成實(shí)質(zhì)上均勻的強(qiáng)度分布。另一方面，由于x方向楔型器件31的幅度比振蕩激光2的束幅度要寬，所以照樣維持振蕩激光2的定向性等的性質(zhì)不變進(jìn)行輸出。
采用以上的結(jié)構(gòu)，通過(guò)激光熱處理，就簡(jiǎn)單得到用于在面區(qū)域方向均勻形成高性能薄膜的激光照射輪廓。
另外，楔型器件31，除上述的透光性部件以外，包括使一對(duì)鏡子契形傾斜對(duì)置的中空體，完成同樣的作用。
實(shí)施例2在本實(shí)施例，強(qiáng)度分布成形裝置利用聚光用的透鏡32、在透鏡32的前方一側(cè)對(duì)置一對(duì)反射面的波導(dǎo)33。
至于波導(dǎo)33，可以利用在兩個(gè)表面全反射的透光性部件或使一對(duì)鏡面對(duì)置的鏡面體。
透鏡32是用于把來(lái)自振蕩器的激光入射到波導(dǎo)33內(nèi)的聚光透鏡，至于該透鏡，利用球面透鏡或在y方向會(huì)聚或發(fā)散的(圓)柱形透鏡。
以下，在強(qiáng)度分布成形裝置30的例子中，如圖4A和4B所示，示出了作為透鏡32的球面透鏡、和作為波導(dǎo)33的透光性窄幅部件的組合件。本例子，部件利用同幅度方向(y方向)垂直的寬大的一對(duì)表面作為全反射的反射面。
從激光振蕩器1發(fā)出的振蕩激光2，用凸透鏡32，向波導(dǎo)33的部件內(nèi)入射，由于波導(dǎo)33同y方向垂直的兩個(gè)表面實(shí)質(zhì)上是平行形成的部件，所以通過(guò)透鏡32入射，在部件內(nèi)向y方向發(fā)散的振蕩激光2，用一對(duì)表面進(jìn)行全反射。因此，對(duì)于y方向，振蕩激光2從周邊部分反射，在波導(dǎo)33的出口，把周邊部分的反射光與中央部分的直接進(jìn)入的光合成起來(lái)，形成實(shí)質(zhì)上均勻的強(qiáng)度分布。另一方面，x方向，由于波導(dǎo)33的幅度比振蕩激光2的束幅度要寬，所以照樣維持振蕩激光2的定向性等的性質(zhì)不變進(jìn)行輸出。
采用以上光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠獲得形成均勻的高性能薄膜所需的激光照射輪廓。
實(shí)施例3另一個(gè)實(shí)施例，激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)的強(qiáng)度分布成形裝置30由分割(圓)柱形透鏡34組成，它如圖5A和5B所示，一個(gè)(圓)柱形透鏡被分割成兩個(gè)部分，就是相互分開(kāi)的兩個(gè)半(圓)柱形透鏡。
如圖5A所示，在y方向分割的一對(duì)分割(圓)柱形透鏡34，其長(zhǎng)度方向朝向x方向，從激光振蕩器1發(fā)出的振蕩激光2被分割成為，用這些半(圓)柱形透鏡折射的周邊部分光束和直接進(jìn)入兩個(gè)半(圓)柱形透鏡之間的間隙的中央部分光束。分割后的光束，在束形狀成形裝置40的入口面把周邊部分和中央部分的光重疊起來(lái)，形成實(shí)質(zhì)上均勻的強(qiáng)度分布。另一方面，x方向，由于分割(圓)柱形透鏡34的幅度比振蕩激光2的束幅度要寬，所以照樣維持振蕩激光2的定向性等的性質(zhì)不變進(jìn)行輸出。
強(qiáng)度分布成形裝置的這種結(jié)構(gòu)，在激光熱處理方法中，激光損失少，能得到均勻形成高性能薄膜用的激光照射輪廓。
實(shí)施例4本實(shí)施例4，示出上述的束形狀成形裝置40的具體結(jié)構(gòu)，而束形狀成形裝置包括復(fù)制透鏡。在復(fù)制透鏡41中，包括單透鏡或多個(gè)透鏡的組合。圖6的例子，作為束形狀成形裝置40，示出了利用單透鏡的復(fù)制透鏡41。
如上述實(shí)施例1～4所示的那樣，強(qiáng)度分布成形裝置30把激光振蕩器1發(fā)出的振蕩激光2的束形狀實(shí)質(zhì)上變換成長(zhǎng)方形，一邊將x方向的強(qiáng)度分布維持在振蕩激光2的強(qiáng)度分布，一邊將y方向的強(qiáng)度分布成形為頂峰分布。作為束形狀成形裝置40的復(fù)制透鏡41，任意縮小擴(kuò)大由強(qiáng)度分布成形裝置30所得的束強(qiáng)度分布，并照射到基板上的膜材料5上。
以上的束形狀成形裝置，可以把激光束形成為y方向均勻的強(qiáng)度分布，可以把x方向上保持強(qiáng)度分布的激光照射到基板上的用作非晶或多晶硅膜的膜材料5上，并在x方向掃描，激光熱處理之際，以簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，得到均勻形成高性能薄膜用的激光照射輪廓。
實(shí)施例5作為采用示于上述實(shí)施例4的單透鏡的束形狀成形裝置40特例，可以利用只有單向聚光的透鏡。圖7作為這種聚光透鏡的例子是利用(圓)柱形透鏡的例子。聚光透鏡中，包括單透鏡或復(fù)透鏡。
如上所述，從激光振蕩器發(fā)出的振蕩激光2，由強(qiáng)度分布成形裝置30，把激光束形狀變換成實(shí)質(zhì)上長(zhǎng)方形，而x方向的強(qiáng)度分布維持振蕩激光2的強(qiáng)度分布，y方向的強(qiáng)度分布被成形為凹頂(tophat)分布。
進(jìn)而，本實(shí)施例采用作為束形狀成形裝置40的聚光透鏡42，只聚光由強(qiáng)度分布成形裝置30所得的x方向強(qiáng)度分布，將被成形為長(zhǎng)方形的該束照射到基板上的膜材料5上。
這樣，因?yàn)椴扇∈褂镁酃馔哥R的束形狀成形裝置，能夠在x方向上直到振蕩激光2的定向性等性質(zhì)的界限內(nèi)進(jìn)行聚光，所以可使激光的照射強(qiáng)度梯度陡峻，可照射到作為非晶或多晶硅膜的基板上的膜材料5上，因此，在激光熱處理中，以簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，得到均勻形成高性能薄膜用的激光照射輪廓。
實(shí)施例6圖8A和8B示出激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)施例，它是在束形狀成形裝置40中，用實(shí)施例4的復(fù)制透鏡與實(shí)施例5的聚光透鏡的組合裝置。
從激光振蕩器1發(fā)出的振蕩激光2，如上述那樣，在強(qiáng)度分布成形裝置30中，x方向的強(qiáng)度分布維持振蕩激光2的強(qiáng)度分布，而y方向的強(qiáng)度分布被成形為凹頂分布。按長(zhǎng)方形成形的束，對(duì)于x方向，用作為束形狀成形裝置40的聚光透鏡42，只把由強(qiáng)度分布成形裝置30得到的x方向強(qiáng)度分布進(jìn)行聚光，對(duì)于y方向，用作為束形狀成形裝置40的復(fù)制透鏡41，任意縮小擴(kuò)大由強(qiáng)度分布成形裝置30得到的強(qiáng)度分布，照射到非晶或多晶硅膜5上。
若采用以上這樣的結(jié)構(gòu)，因?yàn)槟茉趛方向形成均勻強(qiáng)度分布，同時(shí)可以直到振蕩激光2的定向性等性質(zhì)的界限內(nèi)進(jìn)行聚光，可使激光的照射強(qiáng)度梯度陡峻，可照射到作為非晶或多晶硅膜的基板上的膜材料5上，因此在激光熱處理方法中，確實(shí)可得到均勻形成高性能薄膜用的線狀激光照射輪廓。
在本實(shí)施例中，完成束形狀成形裝置40的復(fù)制透鏡41和聚光透鏡42，也可以適當(dāng)?shù)兀謩e用多個(gè)透鏡的組合透鏡。并且，兩者透鏡之一，也可以兼有復(fù)制透鏡和聚光透鏡。
實(shí)施例7圖9A和9B示出了將實(shí)施例6中束形狀成形裝置40的聚光透鏡42，分別作成球面(圓筒面)透鏡和非球面透鏡的場(chǎng)合，在基板的膜材料5上的x方向計(jì)算出來(lái)的強(qiáng)度分布。
在這里，把作為(圓)柱形透鏡的聚光透鏡42的(圓)柱形面，就是將成圓筒面的面，作成由圓筒面改變的面，此(圓)柱形透鏡稱之為非球面的(圓)柱形透鏡。
例如，設(shè)聚光透鏡42的焦點(diǎn)距離為100mm，入射到聚光透鏡42上的激光束的x方向幅度為40mm。在聚光透鏡42為球面透鏡的情況下，如圖9A所示，可以在基板上的膜材料5上聚光到全幅度的一半值約30μm左右，而到周邊部分激光束就變寬了。另一方面，在聚光透鏡42為非球面透鏡的情況下，如圖9B所示，可以在基板上的膜材料5上聚光到全幅度的一半值約25μm左右，同時(shí)也可以抑制向周邊部分加寬。因此，與球面透鏡相比，可增大強(qiáng)度分布的梯度。
要是采用以上這樣的結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步使激光照射強(qiáng)度的梯度陡峻，在激光熱處理方法中，用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步得到形成高性能薄膜用的激光照射輪廓。
另外，在本實(shí)施例中，只對(duì)把聚光透鏡42作成非球面透鏡的情況進(jìn)行了陳述，但是即使把其它透鏡作成非球面的情況，也同樣有效果。
實(shí)施例8圖10是，本實(shí)施例在束形狀成形裝置40的前方配置了刀口50的例子。
在基板上的膜材料5的附近，為了遮斷束的一部分，配置了刀口50。借助于該刀口50，通過(guò)遮斷一部分照射于基板上的膜材料5的x方向的束，就可以將具有無(wú)限大光強(qiáng)度梯度的激光照射到基板上的膜材料5上。
利用這樣的刀口50，可使激光照射強(qiáng)度的梯度陡峻化到極限，激光熱處理之際，確實(shí)得到形成高性能薄膜用的激光照射輪廓。
實(shí)施例9本實(shí)施例9例示出用脈沖幅度伸長(zhǎng)裝置60的激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)，但將其配置在激光發(fā)射器和強(qiáng)度分布成形裝置30之間，使脈沖激光的脈沖時(shí)間寬度伸長(zhǎng)，并進(jìn)行調(diào)整的裝置。
在示于圖11的脈沖寬度伸長(zhǎng)裝置中，激光發(fā)射器的光軸上配置有束分裂器61，來(lái)自激光振蕩器1的振蕩激光入射，從束分裂器反射的一部分光被反射形成環(huán)的方式，本例中，第1到第4的四個(gè)全反射鏡62、63、64、和65被配置成矩形狀，并作成用最后的全反射鏡65反射的激光返回到束分裂器61的結(jié)構(gòu)。
脈沖寬度伸長(zhǎng)裝置60，由1個(gè)束分裂器和3個(gè)以上全反射鏡的光環(huán)構(gòu)成。振蕩激光2在束分裂器61中被分開(kāi)為2個(gè)束，一部分直進(jìn)輸入強(qiáng)度分布成形裝置30。激光的其它部分由束分裂器61反射，反射光通過(guò)由第1全反射鏡62、第2全反射鏡63、第3全反射鏡64和第4全反射鏡65順序反射，延遲后，再入射到束分裂器61中，同透過(guò)束分裂器61的激光進(jìn)行合成，入射到強(qiáng)度分布成形裝置30中。采用對(duì)延遲后的激光進(jìn)行重疊的辦法，可伸張激光的脈沖寬度，可調(diào)整激光照射作為硅膜的膜材料5的時(shí)間，因而可調(diào)整熔融了的非晶或多晶硅膜5的晶體生長(zhǎng)時(shí)間，而得到顆粒直徑大的晶體。這樣，脈沖寬度伸長(zhǎng)裝置可以適當(dāng)設(shè)定激光的脈沖寬度，因而可以調(diào)整晶體生長(zhǎng)時(shí)間，激光熱處理方法中，對(duì)各種薄膜，都可得到高性能的薄膜。
權(quán)利要求
1．一種激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)，用于通過(guò)激光照射熱處理基板上形成的膜材料，其特征是具備形成激光振蕩器發(fā)射的激光束的剖面強(qiáng)度分布的強(qiáng)度分布成形裝置，和在基板上的膜材料上形成長(zhǎng)方形束形狀的束形狀成形裝置，強(qiáng)度分布成形裝置，將同激光束的光軸垂直的剖面內(nèi)的y方向的激光束的強(qiáng)度分布均勻，且在剖面內(nèi)與該y方向正交的x方向的激光束的強(qiáng)度分布維持在激光振蕩器發(fā)射的激光束的強(qiáng)度分布；束形狀成形裝置，縮小或擴(kuò)大由強(qiáng)度分布成形裝置發(fā)射的激光束的x方向和/或y方向的束長(zhǎng)度，將膜材料表面上的激光束作成x方向狹窄y方向伸長(zhǎng)的長(zhǎng)方形。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征是強(qiáng)度分布成形裝置由在y方向上面對(duì)且相互隔開(kāi)配置的1對(duì)反射面構(gòu)成，合成由反射面反射從激光振蕩器發(fā)射的激光束的一部分而形成的反射光和該激光束的剩余部分通過(guò)反射面間隙而成的直射光，向束形狀成形裝置射入。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征是上述1對(duì)反射面是在y方向面對(duì)、x方向平行的波導(dǎo)器件。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征是強(qiáng)度分布成形裝置包括在y方向被分割的、在x方向伸長(zhǎng)的1對(duì)分割柱形透鏡，合成從激光振蕩器發(fā)射的激光束由分割柱形透鏡產(chǎn)生折射光和通過(guò)上述激光束的柱形透鏡間的間隙的直進(jìn)光，向束形狀成形裝置射入。
5．根據(jù)權(quán)利要求1到4任一項(xiàng)所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征是束形狀成形裝置包括把在強(qiáng)度分布成形裝置所得的y方向均勻分布復(fù)制到基板上的膜材料上的復(fù)制透鏡，借助于復(fù)制透鏡，在基板上的膜材料上形成長(zhǎng)方形束形狀的y方向。
6．根據(jù)權(quán)利要求1到4任一項(xiàng)所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征是束形狀成形裝置包括只對(duì)x方向的光強(qiáng)度分布進(jìn)行聚光的聚光透鏡，借助于聚光透鏡，聚光于基板上的膜材料上。
7．根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)，其特征是束形狀成形裝置是多個(gè)柱形透鏡或球面透鏡的組合。
8．根據(jù)權(quán)利要求1到4任一項(xiàng)所述的激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)，其特征是所述光學(xué)系統(tǒng)包括用于遮斷照射基板上膜材料的束的x方向成分的一部分，接近基板上膜材料配置的刀口。
9．根據(jù)權(quán)利要求1到4所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征是所述光學(xué)系統(tǒng)還包括把振蕩器來(lái)的脈沖激光束分割成2個(gè)方向，給分割后的激光束提供光程差再進(jìn)行合成的脈沖寬度伸長(zhǎng)裝置。
10．一種激光熱處理裝置，包括權(quán)利要求1～4所述的激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)和裝載基板可相對(duì)地掃描的載物臺(tái)，由該光學(xué)系統(tǒng)照射的所述剖面長(zhǎng)方形束，在x方向掃描基板上的膜材料表面，進(jìn)行表面連續(xù)加熱和冷卻。
11．根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征是激光振蕩器具有330nm到800nm之間的振蕩波長(zhǎng)的脈沖激光振蕩器。
12．根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的裝置，其特征是激光振蕩器是發(fā)射固體激光諧波的振蕩器。
13．一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征是用根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)照射基板上膜材料表面的剖面長(zhǎng)方形狀的激光束，在x方向掃描膜材料表面，進(jìn)行表面的連續(xù)加熱和冷卻，制造長(zhǎng)成粗大晶粒的半導(dǎo)體膜。
14．根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征是激光熱處理用光學(xué)系統(tǒng)的激光振蕩器是具有330nm到800nm之間的振蕩波長(zhǎng)的脈沖激光振蕩器。
15．根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，其特征是半導(dǎo)體膜材料是預(yù)先在基板上形成的非晶或多晶硅膜。
全文摘要
在激光熱處理方法中,提供控制形成高性能薄膜用的激光照射剖面的光學(xué)系統(tǒng)。在向形成于基板上的膜上照射長(zhǎng)方形束的光學(xué)系統(tǒng)中,通過(guò)用強(qiáng)度分布成形裝置使長(zhǎng)度方向的強(qiáng)度分布均勻,短邊方向保持振蕩激光的定向性等向的結(jié)構(gòu),能在振蕩激光性質(zhì)限制的界限內(nèi)進(jìn)行聚光,在基板上的膜上得到最大限度的強(qiáng)度梯度。因此,可在基板上的膜上形成陡峻的溫度分布,其結(jié)果,可形成高性能薄膜。
文檔編號(hào)H01L21/268GK1287381SQ0011874
公開(kāi)日2001年3月14日 申請(qǐng)日期2000年6月23日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月25日
發(fā)明者岡本達(dá)樹(shù), 小川哲也, 古田啟介, 時(shí)岡秀忠, 笹川智宏, 西前順一, 井上満悍, 佐藤行雄 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社