專利名稱：結(jié)晶裝置以及結(jié)晶方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種結(jié)晶裝置，此結(jié)晶裝置對非晶質(zhì)或多晶半導(dǎo)體薄膜使 用光線，以使此非晶質(zhì)或多晶半導(dǎo)體薄膜熔化并結(jié)晶，本發(fā)明尤其涉及一
種結(jié)晶技術(shù)(Phase Modulated Excimer Laser Annealing (相位調(diào)制準分 子激光退火)PMELA)，此結(jié)晶技術(shù)是指對非單晶半導(dǎo)體薄膜照射具有經(jīng)調(diào) 相所獲得的光強度分布的激光束，從而使此非單晶半導(dǎo)體薄膜結(jié)晶化。
背景技術(shù)：
已知有下述技術(shù)，即，使形成在玻璃基板等絕緣體上的非晶半導(dǎo)體層 結(jié)晶，以獲得結(jié)晶質(zhì)半導(dǎo)體層，形成以此結(jié)晶質(zhì)半導(dǎo)體層為活性層的薄膜 晶體管(TFT: thin film transistor )。
例如，在有源矩陣式液晶顯示裝置中，設(shè)置硅膜等半導(dǎo)體膜，在玻璃 基板上形成薄膜晶體管，并將此薄膜晶體管用作進行切換顯示的開關(guān)元件。
在形成薄膜晶體管的步驟中，包含使非晶質(zhì)或多晶等非單晶半導(dǎo)體薄 膜結(jié)晶化的步驟。作為此結(jié)晶技術(shù)，例如，激光結(jié)晶技術(shù)已為人所知，此激 光結(jié)晶技術(shù)是指，使用高能量的短脈沖激光束來使非單晶半導(dǎo)體薄膜的照 射區(qū)域熔化，并使此照射區(qū)域結(jié)晶化。
目前，用于生產(chǎn)的激光結(jié)晶裝置采用下述方法，即，對非晶硅照射縱 長光束(例如，500 pmX30() mm)狀的強度分布均勻的激光束。但是，對 于此方法而言，所獲得的半導(dǎo)體膜的結(jié)晶粒徑(grainsize)小于等于0. 5 um，此結(jié)晶粒徑較小，因此，在TFT的通道區(qū)域中會存在結(jié)晶粒界(grain boundary),從而TFT的性能存在著極限，例如TFT的特性受到抑制等。
為了提升所迷TFT的性能，需要制造具有大晶粒的高品質(zhì)半導(dǎo)體膜的 技術(shù)。作為滿足此要求的結(jié)晶法，在各種激光結(jié)晶技術(shù)中，如下技術(shù)尤其. 受到關(guān)注，對非單晶半導(dǎo)體薄膜照射具有經(jīng)調(diào)相后形成的倒波峰圖案狀的 光強度分布的準分子激光束(excimer laser beam),以使此非單晶半導(dǎo)體 薄膜結(jié)晶。
將對非晶硅照射具有均勻強度分布的激光束而不進行所述調(diào)相的方法 稱作準分子激光退火(Excimer Laser Annealing, ELA)-技術(shù)，將照射經(jīng) 調(diào)相的準分子激光束后進行結(jié)晶的技術(shù)稱作PMELA技術(shù)，對非單晶半導(dǎo)體 薄膜照射具有規(guī)定的光強度分布的準分子激光束，使此半導(dǎo)體膜的照射部 熔化，并使此半導(dǎo)體膜的照射部結(jié)晶。使用調(diào)相元件等光調(diào)制元件(light modulation device),例如4吏用 移相器(phase shifter)等調(diào)相元件，來對入射的激光束進行調(diào)相，由此 可以獲得具有規(guī)定的光強度分布的準分子激光束。非單晶半導(dǎo)體薄膜例如 是形成在玻璃基板上的非晶硅薄膜或多晶硅薄膜。
目前正在開發(fā)的PMELA技術(shù)中，通過照射1次準分子激光束來使大小 為數(shù)mm見方的區(qū)域熔化 結(jié)晶。通過此結(jié)晶化非單晶半導(dǎo)體薄膜處理，能 夠形成大小為幾um至10 um左右的具有較為相同的晶粒的優(yōu)質(zhì)結(jié)晶硅薄 膜(例如，參照非專利文獻l)。制作在由所述方法形成的結(jié)晶硅薄膜上的 TFT表現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)特性。
所述PMELA結(jié)晶技術(shù)具有如下的優(yōu)異特征，即，激光束的使用效率高，且 可以獲得粒徑大的結(jié)晶。但是，為了獲得穩(wěn)定的電學(xué)特性，必須高精度地 對晶粒進行定位。而且，為了使大面積的半導(dǎo)體膜結(jié)晶化，使用被稱作步 進重復(fù)(step and repeat)照射方式的照射方式，此照射方式重復(fù)進行下 述步驟，即，對非單晶半導(dǎo)體膜照射激光束之后，使玻璃基板移動至下一 照射位置為止并停止，接著，再次照射激光束。
PMELA結(jié)晶技術(shù)中，為了對硅薄膜的微小區(qū)域中的熔化、結(jié)晶狀態(tài)進行 評估，要求對此微小區(qū)域進行觀察。作為對此結(jié)晶過程進行光學(xué)觀察的技 術(shù)，已提出了如下技術(shù)，即，設(shè)置用于觀察的照明光學(xué)系統(tǒng)，在照射脈沖 狀能量光束后進行觀察(例如，參照專利文獻1 )。
圖8是用以說明利用PMELA結(jié)晶化的結(jié)晶裝置的一個構(gòu)成例的圖。圖8 中，結(jié)晶裝置100具備用于結(jié)晶的光學(xué)系統(tǒng)101,此用于結(jié)晶的光學(xué)系統(tǒng) 101形成用來形成大粒徑的結(jié)晶化的用于結(jié)晶的光圖案。用于結(jié)晶的光學(xué)系 統(tǒng)101包括激光束源111、光束擴展器(beam expander) 112、均束器 (homogenizer ) 113、移相器(例如，調(diào)相元件)114、成像光學(xué)系統(tǒng)115、 以及平臺140,此平臺140將基板130引導(dǎo)至預(yù)先規(guī)定的位置。光束擴展器 112擴大來自激光束源111的激光束，均束器113使所述激光束在面內(nèi)的光 強度均勻化，然后，所述激光束照射到移相器114上。穿過此移相器114 的準分子激光束祐:調(diào)制成規(guī)定的光強度分布，并由成像光學(xué)系統(tǒng)115照射 到基板130上。
而且，對非晶硅照射具有均勻強度分布的激光束而不進行調(diào)相的ELA 技術(shù)中，已提出了下述技術(shù)照射紫外線區(qū)域的光作為用于結(jié)晶的能量光 束，并使照射可見光區(qū)域的光作為用于觀察的照明光，由此對結(jié)晶過程進 行光學(xué)上的觀察。
圖8中，觀察結(jié)晶過程中的被處理區(qū)域的觀察系統(tǒng)120包括用于觀察 的照明光學(xué)系統(tǒng)以及顯微觀察光學(xué)系統(tǒng)，此用于觀察的照明光學(xué)系統(tǒng)包含 用于觀察的照明光源121、光束擴展器122、半鏡面(half mirror) 123、以及環(huán)形鏡面系統(tǒng)124，此顯微觀察光學(xué)系統(tǒng)包含顯微光學(xué)成像系統(tǒng)125、 光檢測器126、以及攝像裝置(例如，參照專利文獻2)。
而且，為了通過以均勻的溫度分布而進行加熱來促進晶體成長 (crystal growth),形成較大的晶粒，減少結(jié)晶缺陷，提升半導(dǎo)體膜的電 學(xué)特性，已提出了照射第1能量光束以及第2能量光束的技術(shù)，此第1能 量光束^f吏半導(dǎo)體膜結(jié)晶化，此第2能量光束在半導(dǎo)體膜中的吸收率小于所 述第1能量光束的吸收率，且第2能量光束的能量也小于使半導(dǎo)體膜結(jié)晶 化的能量。此第2能量光束到達半導(dǎo)體膜的下部以及基板為止，并在半導(dǎo) 體膜的厚度方向上對半導(dǎo)體膜進行加熱，由此來加熱基板，減小照射第1 能量光束前后的溫度差。并且揭示了下述事項使用準分子激光的激光束 作為所述第1能量光束，使用含有可見光區(qū)域的波長成分的光作為第2能 量光束(參照專利文獻3、 4)。
而且，為了使加熱后的被處理基板的溫度分布保持均勻，也已知在基 板的上層部分設(shè)置著覆蓋層的結(jié)構(gòu)。對于被處理基板而言，例如，在基礎(chǔ) 基板上，隔著絕緣膜而形成半導(dǎo)體薄膜等的被處理膜，并于此膜上設(shè)置由 絕緣膜構(gòu)成的覆蓋膜。覆蓋膜用于減少加熱后的被處理基板放出的熱量,使 被處理基板的溫度分布均勻化。
而且，為了高精度地對晶粒進行定位，必須將光調(diào)制元件的圖案精密 地投影在基板上，但如果頻繁重復(fù)地連續(xù)照射激光束，則光學(xué)系統(tǒng)的環(huán)境 溫度會上升，或透鏡系統(tǒng)會產(chǎn)生熱膨脹，由此，在照射激光束時，投影到 基板上的光調(diào)制元件的圖案的投影倍率會產(chǎn)生變動。
通過模擬可以確認使用波長為308 nm的激光時，如果環(huán)境溫度上升 3°C，則例如當(dāng)使用縮小率為1/5的遠心透鏡(telecentric lens)來將10mm 的光調(diào)制元件圖案縮小成2 mm見方并轉(zhuǎn)印到基板上時，倍率從1/5. OOO變 為1/4.994，由此，在投影圖案的周邊部產(chǎn)生2. 4 um左右的誤差。
在因照射激光束而形成的結(jié)晶區(qū)域中，如果在后續(xù)步驟中跨越結(jié)晶粒 界地形成晶體管，則所述投影倍率的變動會引起開關(guān)特性等的降低。
在可以形成達幾um的準單晶(quasi single crystal )的PMELA( Phase Modulated Excimer Laser Annealing)結(jié)晶技術(shù)中，光調(diào)制元件對晶體成 長擔(dān)負著重要作用，PMELA結(jié)晶技術(shù)的重要因素在于使光調(diào)制元件的形狀最 適化，此光調(diào)制元件的光強度分布借由準分子激光而轉(zhuǎn)印到被處理基板上。井上弘毅、中田充、松村正清；電子信息通信學(xué)會論文 雜志Vol. J85 — C， NO. 8， pp. 624 _ 629, 2002 "硅薄膜的振幅 相位控制準分 子激光熔化再結(jié)晶方法-新2 - D位置控制大晶粒形成法-"日本專利特開2006 — 66462號公報日本專利特開2005 — 294801號公報[專利文獻3]日本專利特開2000 - 68520號公報日本專利特開2002 — 261015號公報
如上所述,在PMELA (Phase Modulated Excimer Laser Annealing) 結(jié)晶技術(shù)中，光調(diào)制元件對晶體成長擔(dān)負著重要作用，并且此PMELA結(jié)晶 技術(shù)的重要因素在于使光調(diào)制元件的形狀最適化，此光調(diào)制元件的光強度 分布借由準分子激光而轉(zhuǎn)印到被處理基板上。
但是，因準分子激光為紫外(ultraviolet, UV)光，并且為脈沖照射 激光，所以難以觀察到形成在基板上的光強度分布。因而，存在著無法使 該用來獲得所需的結(jié)晶成長的光調(diào)制元件最適化的問題。
對于PMELA (Phase Modulated Excimer Laser Annealing)結(jié)晶技術(shù) 而言，在所述專利文獻l中提出了對已結(jié)晶的狀態(tài)進行光學(xué)上的觀察，而且 對于ELA技術(shù)而言，于專利文獻2中也提出了利用紫外光區(qū)的準分子激光 來進行結(jié)晶化，并利用可見光區(qū)域的光來進行觀察，但是由于均是觀察結(jié) 晶后的狀態(tài)，所以為了根據(jù)所述觀察結(jié)果來最適化光調(diào)制元件的形狀，須預(yù) 先在用于監(jiān)視的區(qū)域中進行結(jié)晶化，在觀察此結(jié)晶狀態(tài)后，必須調(diào)整光調(diào) 制元件，因此存在如下問題，即，無法即時調(diào)整光調(diào)制元件，在使被處理 部分結(jié)晶時無法調(diào)整光調(diào)制元件。
而且，為了獲得均勻的溫度分布，將照射到被處理區(qū)域的能量光束分 成用來進行結(jié)晶的第1能量光束、和用來進行加熱的第2能量光束這2種， 并且使用吸收率小、能量小的光作為用來進行加熱的第2能量光束(專利 文獻3、 4中的0106、 0115、 0117段落等)，由此，可以不對被處理區(qū)域造 成影響地進行力口熱。
因此，目前已提出的技術(shù)均存在如下問題，即，無法在進行結(jié)晶化的 狀態(tài)下，對進行結(jié)晶的能量光束的光強度分布進行觀察 測定，且無法根 據(jù)此觀察 測定來調(diào)整光調(diào)制元件或金屬光圈，以使光強度分布最適化。
本申請案的發(fā)明者提出了如下所述的可視化裝置，對轉(zhuǎn)印到被處理基 板上的光強度分布的圖案使用可見光區(qū)域的光，由此可以使光強度分布可 視化。此可視化裝置使所述光強度分布可視化，由此，調(diào)整該形成光強度 分布的光調(diào)制元件或金屬光圈，并且使進行結(jié)晶化的光的光軸的位置對準 照射區(qū)域。
本發(fā)明中，使用紫外線區(qū)域的激光束及可見光區(qū)域的激光束這2種激 光束，作為照射到被處理基板上的激光束。對被處理基板均勻地照射紫外 線區(qū)域的激光束，由此使被處理基板中的進行結(jié)晶化的區(qū)域熔化。另一方 面，可見光區(qū)域的激光束具有結(jié)晶化所必需的能量并且具有圖案化的光強 度分布，使此光強度分布與熔化區(qū)域重疊，由此使熔化區(qū)域進行晶體成長。
非晶硅(amorphous silicon)膜對可見光區(qū)域的激光束的吸收率小，如果僅對非晶硅膜照射具有圖案化光強度分布的可見光區(qū)域的激光束，則 由于其吸收率小，所以無法使非晶硅膜結(jié)晶化。對此，本發(fā)明者著眼于熔 化的非晶硅膜對可見光區(qū)域的激光束的吸收率相當(dāng)大這一事項，通過對熔 化的非晶硅膜照射具有圖案化的光強度分布的可見光區(qū)域的激光束，可以 同時實現(xiàn)結(jié)晶化及可視化。
30 nsec口)相當(dāng)^的時間內(nèi)，施;^二種破壞;皮處理基板的膜并開始結(jié)晶所必需 的能量密度(臨界通量(critical fluence))。此臨界通量例如為100mJ/cm2 的能量密度。
因此，在結(jié)晶裝置中，為了使用可見光來進行結(jié)晶，需要可以獲得高 能量密度的輸出的可見光源，實現(xiàn)此可見光源，便可以同時實現(xiàn)結(jié)晶化及 可視化。
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明可以解決所述現(xiàn)有的問題，其目的在于提供一種在結(jié)晶 裝置中可以獲得高能量密度的輸出的可見光源。
本發(fā)明所具備的結(jié)晶裝置的態(tài)樣包括紫外光照射系統(tǒng)，將紫外光區(qū) 的激光束脈沖照射到被處理基板上；以及可見光照射系統(tǒng)，對被處理基板 上的與紫外光區(qū)的激光束的照射區(qū)域相同的照射區(qū)域，連續(xù)照射可見光激 光束。在因均勻地照射紫外光區(qū)的激光束而熔化的區(qū)域中，利用可見光激 光束的光強度分布來形成晶體成長。本發(fā)明的結(jié)晶裝置通過脈沖照射紫外 光區(qū)的激光束來使被處理基板熔化，并通過連續(xù)地照射可見光激光束來使 被處理基板結(jié)晶化，由此，使進行結(jié)晶化的激光束可視化。
紫外光照射系統(tǒng)具備準分子激光束源以及紫外光照明光學(xué)系統(tǒng)，此紫 外光照明光學(xué)系統(tǒng)將從準分子激光束源發(fā)出的準分子激光束均勻地照射到 基板上。紫外光照射系統(tǒng)將準分子激光束均勻地照射到基板上，由此在基 板上形成熔化區(qū)域。
另一方面，可見光照射系統(tǒng)包括可見光激光束源；光強度分布形成 裝置，使從可見光激光束源發(fā)出的可見光激光束的光強度分布圖案化；以及 成像光學(xué)系統(tǒng)，使經(jīng)光強度分布形成裝置圖案化的光強度分布的光，成像在 被處理基板上的準分子激光束的照射區(qū)域中。
本發(fā)明的可見光照射系統(tǒng)是由二維陣列排列的多個可見光激光束源形 成的。可見光照射系統(tǒng)包括光強度分布形成裝置，使從各可見光激光束 源發(fā)出的多道可見光激光束的光強度分布圖案化；以及成像光學(xué)系統(tǒng)，使經(jīng) 光強度分布形成裝置圖案化的光強度分布的光，成像在被處理基板上的照 射區(qū)域中。將多個固體激光器或半導(dǎo)體激光器(semiconductor laser)發(fā)出的各可見激光束，重疊到符合被處理基板與光軸上的成像位置關(guān)系的光 強度分布形成裝置中。
將由從所述多個可見光激光束源發(fā)出的多道可見光激光束形成的可見 光激光束的光強度分布，照射到均勻照射紫外光區(qū)的準分子激光束后熔化 的照射區(qū)域中，使準分子激光束與可見光激光束重疊。使準分子激光束與 可見光激光束重疊，由此使被準分子激光束熔化的區(qū)域結(jié)晶化。在重疊準 分子激光束與可見光激光束時，重疊從多個可見光激光束源發(fā)出的多道可 見光激光束，并利用此重疊而形成的可見光激光束的光強度分布來形成晶 體成長。
本發(fā)明的結(jié)晶裝置重疊多道可見光激光束，由此可以提升整體光束的 均勻性，并且可以提高所照射的能量的能量密度。而且，重疊準分子激光 束的照射能量、與可見光激光束，由此可以進行臨界通量為最小能量的光
強度調(diào)整，并可以用在利用能量梯度(energy gradient)來進行的晶體橫 向成長中。
熔化狀態(tài)的非晶硅膜對可見光的吸收率高，利用此點，可以在照射可 見光激光束的區(qū)域中進行結(jié)晶化，因此，可以使進行結(jié)晶化的區(qū)域可視化。
而且，可見光照射系統(tǒng)在構(gòu)成上可以在多個可見光激光束源與光強度 分布形成裝置之間具備均束器。均束器可以具備多個透鏡，所述多個透鏡 與多個可見光激光束源一一對應(yīng)。
光強度分布形成裝置可以是光調(diào)制元件或為金屬光圈，此光調(diào)制元件 使從可見光激光束源發(fā)出的可見光激光束的相位偏移，以改變光強度，此金 屬光圈遮蔽從可見光激光束源發(fā)出的可見光激光束的一部分，以改變光強 度。
被處理基板具有非晶硅膜。因為非晶硅膜對準分子激光束的吸收率大 于非晶硅膜對可見光激光束的吸收率，所以脈沖照射出的準分子激光束被 非晶硅膜吸收，從而使此非晶硅膜熔化。另一方面，在非晶硅膜熔化前的 狀態(tài)下，非晶硅膜對可見光激光束的吸收率小，因此，無助于非晶硅膜的 結(jié)晶化，但在非晶硅膜熔化后的狀態(tài)下，非晶硅膜對可見光激光束的吸收 率變大，因此，非晶硅膜借由圖案化的光強度分布而結(jié)晶化。
而且，在本發(fā)明的結(jié)晶方法的態(tài)樣中，對被處理基板上的非晶硅膜均 勻地脈沖照射紫外光區(qū)的激光束，以使此非晶硅膜熔化，使從多個可見光 激光束源發(fā)出的多道可見光激光束的光強度分布圖案化，將此圖案化的可 見光激光束重疊地照射到熔化的液化硅區(qū)域中，由此，形成晶體成長。
根據(jù)本發(fā)明，可以形成能夠獲得高能量密度的輸出的可見光源，可以將 此可見光源應(yīng)用到結(jié)晶裝置的光源中。而且，在結(jié)晶裝置中，可以使轉(zhuǎn)印到被處理基板上的由光調(diào)制元件或金 屬光圈所形成的光強度分布可視化。
并且，可以根據(jù)可視化的光強度分布來調(diào)整光調(diào)制元件或金屬光圈。
圖1是用來說明本發(fā)明的結(jié)晶裝置1的結(jié)構(gòu)的概略圖。
圖2是用來說明準分子激光束源及可見光激光束源的激光束的一例的圖。
圖3是用來說明本發(fā)明的結(jié)晶裝置中所使用的可見光激光束源及可見 光照明光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖4是表示本發(fā)明的二維陣列狀光源的一構(gòu)成例的圖。
圖5是用來說明本發(fā)明的結(jié)晶裝置中所使用的可見光激光束源及可見 光照明光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖6是用來說明借由準分子激光束與可見光激光束的重疊所造成的熔 融化及結(jié)晶化的圖。
圖7是用來說明借由準分子激光束與可見光激光束的重疊所造成的熔 融化及結(jié)晶化的圖。
圖8是用來說明PMELA結(jié)晶化的結(jié)晶裝置的一構(gòu)成例的圖。
1、 100:結(jié)晶裝置
12: UV照明光學(xué)系統(tǒng)
21:可見光激光束源
21b:光源單元
22a、 113:均束器
24、 115:成像光學(xué)系統(tǒng)
31:基礎(chǔ)基板
33:被處理膜
101:用于結(jié)晶的光學(xué)系統(tǒng)
112:光束擴展器
120:觀察系統(tǒng)
140:平臺
11: 13: 21a
22
23 30 32 34 111 114 130
準分子激光束源 熔融區(qū)i或
二維陣列狀光源 可見光照明光學(xué)系統(tǒng) 光調(diào)制元件 被處理基板 絕緣膜 結(jié)晶區(qū)域 激光束源 移相器 基板
具體實施例方式
以下，參照附圖，詳細il明本發(fā)明的實施形態(tài)。
圖1是用來說明本發(fā)明的結(jié)晶裝置1的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖1中，本發(fā) 明的結(jié)晶裝置1包括紫外光照射系統(tǒng)10以及可見光照射系統(tǒng)20,此紫外光照射系統(tǒng)10將紫外光區(qū)的激光束脈沖照射到被處理基板3Q上，此可見光 照射系統(tǒng)20對被處理基板30上的與紫外光區(qū)的激光束的照射區(qū)域相同的 照射區(qū)域，連續(xù)照射可見光激光束。紫外光照射系統(tǒng)10均勻地照射紫外光 區(qū)的激光束，借此使被處理基板30上的照射區(qū)域熔化?？梢姽庹丈湎到y(tǒng)20 對已熔化區(qū)域重疊地照射可見光，借此利用可見光的激光束的光強度分布 來形成晶體成長(crystal growth )。
紫外光照射系統(tǒng)10包括脈沖射出準分子激光束的準分子激光束源11、 以及照射激光束的UV照明光學(xué)系統(tǒng)12，通過與可見光照射系統(tǒng)20共有的 成像光學(xué)系統(tǒng)24，來將準分子激光束照射到被處理基板30上，使設(shè)置在被 處理基板30上的薄膜熔化。
可見光照射系統(tǒng)20包括可見光激光束源21，連續(xù)照射可見光激光束； 可見光照明光學(xué)系統(tǒng)22;光調(diào)制元件23,將可見光照明光學(xué)系統(tǒng)22照射 出的可見光激光束調(diào)制成規(guī)定的光強度分布的光線；成像光學(xué)系統(tǒng)24,使光 調(diào)制元件23的調(diào)制光在被處理基板30上成像；以及定位平臺(未圖示)， 支撐著被處理基板30,并且確定該被處理基板30上的二維位置。經(jīng)由成像 光學(xué)系統(tǒng)24而照射到被處理基板30上的調(diào)制光，使設(shè)置在被處理基板30 上的薄膜內(nèi)的由紫外光照射系統(tǒng)10所熔化的區(qū)域結(jié)晶化。
圖2是用來說明準分子激光束源及可見光激光束源的激光束的一例的 圖。圖2 (a)是準分子激光束的一例，照射著脈沖狀激光束。另一方面， 圖2 (b)是可見光激光束的一例，表示了光強度分布，且連續(xù)照射著激光 束。
可見光照明光學(xué)系統(tǒng)22具有光束擴展器(未圖示)或均束器(未圖示)， 此光束擴展器擴大從可見光激光束源21射出的可見光激光束的光束，此均 束器使面內(nèi)的光強度均勾化，所述可見光照明光學(xué)系統(tǒng)22射出并調(diào)整用于 結(jié)晶的激光束，此激光束對光調(diào)制元件23進行照明。另外，圖中，未顯示 光束擴展器以及均束器。
光調(diào)制元件23可以使用移相器來對用于結(jié)晶化的激光束進行調(diào)相，以 將此用于結(jié)晶的激光束調(diào)制成具有預(yù)期的光強度分布的光，例如調(diào)制成具 有倒波峰圖案的光強度分布的光。而且，可以利用光調(diào)制元件驅(qū)動機構(gòu)25 來使光調(diào)制元件23對光強度分布進行調(diào)整。
成像光學(xué)系統(tǒng)24將經(jīng)光調(diào)制元件23調(diào)相的用于結(jié)晶的激光束，縮小 照射到將要結(jié)晶化的非單晶半導(dǎo)體薄膜上。例如可以借由投影方式來實現(xiàn) 所述縮小照射，所述投影方式是在照明光學(xué)系統(tǒng)22與成像光學(xué)系統(tǒng)24之 間設(shè)置光調(diào)制元件23而成的。
為了使設(shè)置在被處理基板30上的非單晶半導(dǎo)體膜結(jié)晶化，例如，為了 使已熔化的非晶質(zhì)或多晶半導(dǎo)體膜結(jié)晶化，則可見光激光束源21須輸出具有充分能量的光，例如輸出一種在非單晶半導(dǎo)體膜上具有1 J/ci^的光。
另一方面，準分子激光束源ll輸出短脈沖激光束，例如輸出半值頻帶
寬度(half bandwidth)約為25 nsec至30 nsec的脈沖激光束。對于激 光束而言，例如，優(yōu)選波長為248 nm的KrF準分子激光束、和波長為308 nm 的XeCl準分子激光束。準分子激光束源例如為脈沖振蕩式準分子激光束源， 此脈沖振蕩式準分子激光束源的振蕩頻率例如為1 Hz至300 Hz。
光束擴展器(未圖示)使入射的可見光激光束擴大，例如，此光束擴 展器可以由^f吏光束擴大的凹透4竟(concave lens)與4吏光束變?yōu)槠?亍光的 凸透鏡(convex lens)構(gòu)成。而且，均束器(未圖示)具有如下功能，即， 確定已入射的激光束在XY截面方向上的尺寸，并使所確定的形狀內(nèi)的光強 度分布變得均勻。例如，沿著Y方向排列多個X方向柱面透鏡(cylindrical lens )，以形成沿著Y方向排列的多道光束，利用X方向聚光透鏡(condenser lens)來使各光束重合在Y方向上，從而進行再次分布。同樣地，沿著X 方向排列多個Y方向柱面透鏡，以形成沿著X方向排列的多道光束，利用Y 方向聚光透鏡來使各光束重合于X方向，從而進行再次分布。借由均束器， 將可見光激光束調(diào)節(jié)成具有規(guī)定的角度擴展(angel spread)且截面內(nèi)的 光強度均勻化的照明光。
移相器是光調(diào)制元件23的一例，例如是在石英玻璃基板上形成段差而 成的移相器。激光束在此段差的分界處發(fā)生衍射及干涉，對激光束強度賦 予周期性的空間分布，例如，在左右方形成180。的相位段差。在左右方形 成了 180°的相位段差的移相器將強度分布均勻的入射光的強度調(diào)制成倒 波峰狀的光強度分布。
移相器例如以對入射光進行調(diào)相，從而形成倒波峰狀光強度分布的方 式而形成段差，并調(diào)制可見光激光束的相位。其結(jié)果，照射半導(dǎo)體膜的激 光束的強度分布變成倒波峰圖案的光強度分布，此倒波峰圖案的光強度分 布是所述激光束在與相位的偏移部(段差)相對應(yīng)處經(jīng)強度調(diào)制后形成的。
穿透作為光調(diào)制元件23的移相器的激光束借由經(jīng)像差修正的成像光學(xué) 系統(tǒng)24，以規(guī)定的光強度分布而成像在被處理基板30上，此被處理基板 30設(shè)置在與移相器(光調(diào)制元件23)共軛的位置。成像光學(xué)系統(tǒng)24由透 鏡群構(gòu)成，此透鏡群例如包括多片氟化鈣(CaF2)透鏡以及合成石英透鏡， 所述透鏡例如是縮小率1/5、N. A. : 0. 13、分辨率2 um、焦點深度士10um、 焦距30 mm至70 mm的動作距離的單側(cè)遠心透鏡。
并且，可以使用金屬光圈來代替光調(diào)制元件23,借由光圈部的邊緣 (edge)部的段差來對光強度分布進行調(diào)相。
而且，通常，在經(jīng)結(jié)晶處理的被處理基板30上，隔著絕緣膜而在保持基 板上形成非單晶半導(dǎo)體膜(例如非晶硅膜、多晶硅膜、經(jīng)噴鍍的硅膜、硅鍺膜、或經(jīng)脫氫處理的非晶硅膜)，所述保持基板例如是指玻璃基板、塑料 基板等的絕緣基板，以及硅等的半導(dǎo)體基板(晶圓)等。
對于非單晶半導(dǎo)體膜的膜厚而言，例如在經(jīng)脫氫處理的非晶硅膜的情
形時，膜厚為30 nm至300 nm,例如為50 nm。設(shè)置絕緣膜的目的在于當(dāng) 使非單晶半導(dǎo)體膜結(jié)晶時，防止不良雜質(zhì)從保持基板擴散到非單晶半導(dǎo)體 膜中，或者積蓄因照射激光而產(chǎn)生的焦耳熱(Joule heat)。
并且，設(shè)置有覆蓋絕緣膜的結(jié)構(gòu)也已為人所知。覆蓋絕緣膜具有如下 的功能，即，利用此覆蓋絕緣膜對激光束的紫外光穿透特性以及隔熱特性， 蓄積非單晶半導(dǎo)體膜受到激光束照射并熔融時的熱量，以實現(xiàn)結(jié)晶化。此
覆蓋絕緣膜的蓄熱效果使得現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的結(jié)晶裝置，可以在非單晶半導(dǎo)體膜 的熔融區(qū)域中形成大粒徑(大于等于5 nm)的結(jié)晶化。此覆蓋絕緣膜用于 提高結(jié)晶化的效率，但由于本發(fā)明的結(jié)晶裝置可以在相同區(qū)域中進行熔化 與結(jié)晶化，所以也可以不需要覆蓋膜，此覆蓋膜是由為了保持加熱狀態(tài)而 設(shè)置在被處理基板30的非單晶半導(dǎo)體膜上的絕緣膜所構(gòu)成的。
本發(fā)明的結(jié)晶裝置1也可以具備定位平臺(未圖示)。定位平臺除了具 有XY平臺(未圖示)以外，還具有位置測定部(未圖示)，其中所述XY平 臺載置被處理基板30并在XY方向的二維平面上自如地移動，所述位置測 定部測定XY平臺上的二維平面位置。XY平臺包括沿著X軸方向移動的X軸 平臺、沿著Y軸方向移動的Y軸平臺、和支撐著所述X軸平臺及Y軸平臺 的定盤(未圖示)。被處理基板30載置在XY平臺上，通過使XY平臺在二 維平面移動來對被處理基板30進行定位。
當(dāng)使用本發(fā)明的結(jié)晶裝置1來使被處理基板30結(jié)晶化時，利用平臺驅(qū) 動控制裝置(未圖示)來驅(qū)動XY平臺，在被處理基板30上掃描激光束，以 使被處理基板30結(jié)晶化。
圖3是用來說明本發(fā)明的結(jié)晶裝置中所使用的可見光激光束源、與可 見光照明光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的截面圖，圖5是表示所述結(jié)構(gòu)的立體圖。
本發(fā)明的可見光激光束源21由二維陣列狀光源21a所構(gòu)成，將多個固 體激光束源或半導(dǎo)體激光束源等光源單元21b排列成二維陣列狀，由此形 成二維陣列狀光源21a。而且，在二維陣列狀光源21a與光調(diào)制元件23之 間的光路上，設(shè)置著可見光照明光學(xué)系統(tǒng)22。此可見光照明光學(xué)系統(tǒng)22使 二維陣列狀光源21a的各光源單元21b所發(fā)出的各可見激光束，重疊到符 合被處理基板30與光軸上的成像位置關(guān)系的光調(diào)制元件23中。
圖4表示二維陣列狀光源21a的一個構(gòu)成例。此處表示了如下示例，即， 在縱向及橫向上以陣列方式排列5個光源單元21b,由此形成二維陣列狀光 源21a。另外，所排列的光源單元的個數(shù)并不限定為5個，可以是任意規(guī)定 的個數(shù)。而且，可見光照明光學(xué)系統(tǒng)22具備均束器22a,以形成均勻照明光學(xué) 系統(tǒng)。均束器22a可以使用柱面透鏡或復(fù)眼透鏡(fly-eye lens )。圖5中，
元件;23 :的符合被處J;基板30與光軸上的成像;立置口L:系的位置。在;調(diào) 制元件23中重疊著從各光源單元21b產(chǎn)生的多道激光束。使來自所述多個 光源單元21b的激光束重疊，由此，除了可以提高能量密度以外，還可以 減少由光源單元21b的不均勻所引起的變動。
例如，使用波長為532 nm、功率為15 W的釔鋁石榴石激光器(YAG laser) 作為可見光源的光源單元21b，在將此光源單元21b排列成5X5的陣列狀 的結(jié)構(gòu)中，如果欲估算將整個光學(xué)系統(tǒng)的傳輸率設(shè)為40%時的能量密度， 則如下所述。如果以準分子激光束的照射時間(30 nsec)來換算注入到基 板中的能量，則成為25 (個)X15 (W) X30E-9X0. 4 ( J) = 4500 ( nJ )。 當(dāng)將此激光束照射到基板上的2 mmX2 mm的區(qū)域中時，能量密度(通量) 為4.5/0. 04 = 112 (mJ/cm2)。
此處，將開始結(jié)晶時破壞膜所必需的通量(臨界通量)假定為以準分 子激光照射的200 mJ/cm2。另外，此臨界通量也依賴于被處理基板的膜的 結(jié)構(gòu)。
由此，在本發(fā)明的結(jié)晶裝置中，在準分子激光的照射能量中重疊可見 光的照射能量，由此，將準分子激光的200 mJ/cm2的臨界通量設(shè)為最小能 量密度，將照射可見光激光束而產(chǎn)生的能量密度設(shè)為調(diào)整量，從而可以在 200 mJ/cm2~312 mJ/cm2的范圍內(nèi)進4亍光強度調(diào)制。
而且，沿著基板的移動方向進行所述光強度調(diào)制，由此可以形成能量 梯度。此能量梯度可以應(yīng)用到晶體的橫向成長中。
圖6、圖7是用來說明通過重疊準分子激光束與可見光激光束來實現(xiàn)熔 化及結(jié)晶化的圖。
在被處理基板30的基礎(chǔ)基板31上，設(shè)置著非晶硅膜作為絕緣膜32與 被處理膜33。將準分子激光束10a與可見光激光束20a重疊地照射到被處 理基板30上。以脈沖照射的方式來照射準分子激光束10a。因為準分子激 光的波長短，所以其在非晶硅膜中的吸收率高，進入被處理基板30的深度 淺，可以熔化非晶硅膜。
另一方面，由于連續(xù)照射的可見光激光束20a在非晶硅膜中的吸收率 小，所以其進入被處理基板30的深度深，可以到達較非晶硅膜更下側(cè)的層 為止，從而可以使注入到被處理基板30中的能量分散。
當(dāng)重疊地照射準分子激光束10a與可見光激光束20a時，在非晶硅膜 熔化之前的狀態(tài)下，由于可見光激光束20a在非晶硅膜中的吸收率小，所以 可見光激光束20a會穿過非晶硅膜的層，從而無法使非晶硅膜結(jié)晶化。與此相對，在非晶硅膜已熔化的狀態(tài)下，由于可見光激光束20a在非晶硅膜中 的吸收率大，所以可見光激光束20a在非晶硅膜的層中被吸收，從而可以 使非晶硅膜結(jié)晶化。
圖6 ( a )表示重疊地照射準分子激光束10a與可見光激光束20a的狀 態(tài)，圖6 ( b )顯示準分子激光束10a的照射狀態(tài)，圖6 ( c )顯示可見光激 光束20a的照射狀態(tài)。圖6(b)中，非晶石圭膜33的區(qū)域13由于受到準分 子激光束10a的照射而熔化。圖6 (c)中，對已熔化的區(qū)域13照射可見光 激光束20a,由此使其結(jié)晶。
圖7表示如下狀態(tài)，即，使重疊地照射著準分子激光束10a與可見光 激光束20a的位置移動，由此推進被處理基板30上的結(jié)晶過程。圖7 ( a ) 表示照射激光束之前的狀態(tài)，在圖7 (b)中，通過重疊地照射準分子激光 束10a與可見光激光束20a來使照射位置結(jié)晶化，在圖7 (c)中，使準分 子激光束10a與可見光激光束20a在被處理基板30上移動，由此對下一照 射位置重疊地照射準分子激光束10a與可見光激光束20a，從而進行結(jié)晶化。
根據(jù)本發(fā)明的態(tài)樣，使用多個廉價的可見光源來構(gòu)成二維陣列光源，由 此，可以解決僅依靠單個光源而導(dǎo)致的光量不足的問題。
當(dāng)利用現(xiàn)有的準分子激光束來進行結(jié)晶化時，由于在例如30 ns的短 時間，照射強脈沖，，、所以，要使用，蓋層來鎖住熱量，，根據(jù)本發(fā)明的
域結(jié)晶化，因此可以省略在基板上形成覆蓋膜等的初始膜的步驟。
并且，根據(jù)本發(fā)明的結(jié)晶裝置，通過使用可見光的光調(diào)制元件，以便
易于觀察到光強度分布，并且易于對光調(diào)制元件進行加工。
并且，根據(jù)本發(fā)明的結(jié)晶裝置，因為可以在可見光激光束的連續(xù)振蕩
下調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)的光軸，所以易于對裝置進行維護管理。
權(quán)利要求
1. 一種結(jié)晶裝置，其特征在于包括紫外光照射系統(tǒng)，將紫外光區(qū)的激光束脈沖照射到被處理基板上；以及可見光照射系統(tǒng)，對被處理基板上的與所述紫外光區(qū)的激光束的照射 區(qū)域相同的照射區(qū)域，連續(xù)照射可見光激光束；并且，所述可見光照射系統(tǒng)具有二維陣列排列的多個可見光激光束源， 在因均勻照射所述紫外光區(qū)的激光束而熔化的區(qū)域中，利用可見光激 光束的光強度分布來形成晶體成長，所述可見光激光束的光強度分布是重 疊從所述多個可見光激光束源發(fā)出的多道可見光激光束而形成的。
2. 如權(quán)利要求1所述的結(jié)晶裝置，其特征在于所述紫外光照射系統(tǒng)包括準分子激光，源、、以及紫外光照明光學(xué)系，充，地照射到基板上，所述可見光激光束源是固體激光器或半導(dǎo)體激光器， 所述可見光照射系統(tǒng)包括光強度分布形成裝置、以及成像光學(xué)系統(tǒng)， 所述光強度分布形成裝置使從所述各可見光激光束源發(fā)出的多道可見光激 光束的光強度分布圖案化，所述成像光學(xué)系統(tǒng)使經(jīng)所述光強度分布形成裝 置圖案化的光強度分布的光，成像在被處理基板上的所述照射區(qū)域中，并1，將所述多個固體激光器或半導(dǎo)體激光器發(fā)出的各可見激光束，重疊到符合所述被處理基板與光軸上的成像位置關(guān)系的光強度分布形成裝置中。
3. 如權(quán)利要求2所述的結(jié)晶裝置，其特征在于在所述可見光照射系統(tǒng)中，在多個可見光激光束源與光強度分布形成 裝置之間具備均束器。
4. 如權(quán)利要求3所述的結(jié)晶裝置，其特征在于所述均束器具備多個透鏡，所述多個透鏡與多個可見光激光束源一一 對應(yīng)。
5. —種結(jié)晶方法，其特征在于對被處理基板上的非晶硅膜均勻地脈沖照射紫外光區(qū)的激光束，使所 述非晶硅膜熔化，將從多個可見光激光束源發(fā)出的多道可見光激光束重疊到光強度分布 形成裝置中，借由所述光強度分布形成裝置來使重疊的可見光激光束的光強度分布圖案化，將所述經(jīng)圖案化的可見光激光束重疊地照射到所述熔化的液化硅區(qū)域 上，由此形成晶體成長。
全文摘要
本發(fā)明提供一種結(jié)晶裝置，在此結(jié)晶裝置中，提供可以獲得高能量密度的輸出的可見光源?？梢姽庹丈湎到y(tǒng)是由二維陣列排列的多個可見光激光束源形成的?？梢姽庹丈湎到y(tǒng)包括光強度分布形成裝置，使從各可見光激光束源發(fā)出的多道可見光激光束的光強度分布圖案化；以及成像光學(xué)系統(tǒng)，使經(jīng)所述光強度分布形成裝置圖案化的光強度分布的光，成像在被處理基板上的照射區(qū)域中。將多個固體激光器或半導(dǎo)體激光器發(fā)出的各可見激光束，重疊到符合被處理基板與光軸上的成像位置關(guān)系的光強度分布形成裝置。當(dāng)重疊準分子激光束與可見光激光束時，重疊從多個可見光的激光束源發(fā)出的多道可見光激光束，借由重疊所述可見光激光束所形成的可見光激光束的光強度分布來形成晶體成長。
文檔編號H01L21/20GK101312117SQ200710163150
公開日2008年11月26日 申請日期2007年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月24日
發(fā)明者秋田典孝, 高見芳夫 申請人:株式會社島津制作所