專利名稱：激光裝置和激光退火方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種使用激光束對半導(dǎo)體膜進行退火的方法(此后稱為激光退火)以及一套實現(xiàn)該目的的激光裝置(更具體地，一套包括激光源和光學(xué)系統(tǒng)的裝置，其中光學(xué)系統(tǒng)用于將從激光源中發(fā)射的激光束引導(dǎo)到需要處理的物體上)。
背景技術(shù)：
近年來，薄膜晶體管(此后稱為TFT)有了很大的發(fā)展，特別地，采用多晶硅膜(多晶硅膜)作晶體半導(dǎo)體膜的TFT吸引了很多的注意。尤其地，在液晶顯示器件(液晶顯示)或EL(電致發(fā)光)顯示器件中，這些TFT被用作開關(guān)像素的元件和構(gòu)成控制像素的驅(qū)動電路的元件。
在獲取多晶硅膜的常用技術(shù)中，非晶硅膜被晶化以得到多晶硅膜。特別地，使用激光束晶化非晶硅膜的方法得到很多關(guān)注。在本說明中，使用激光束晶化非晶半導(dǎo)體膜來得到晶體半導(dǎo)體膜的方法被稱為激光晶化。
激光晶化使對半導(dǎo)體膜的瞬時加熱成為可能，因此是一種對形成于具有低熱阻的襯底之上的半導(dǎo)體膜進行退火的有效技術(shù)，如玻璃襯底、塑料襯底以及類似襯底。另外，與傳統(tǒng)的采用電爐加熱方法(此后稱為爐子退火)相比，激光晶化具有更值得注目的高產(chǎn)量。
雖然有各種激光束可用，但在激光晶化中一般用從脈沖共振準分子激光器發(fā)射的激光束(以下稱準分子激光束)。準分子激光器可以提供較大的輸出功率，并能以高頻率反復(fù)激射。更進一步，對于硅膜，準分子激光束具有高吸收系數(shù)的優(yōu)點。
目前需要解決的最重要的問題之一是如何增大使用激光束晶化的晶體半導(dǎo)體膜中的晶粒直徑。顯而易見，晶粒(也稱之為顆粒)越大，TFT，尤其是其溝道形成區(qū)域，橫跨的的晶粒數(shù)目越少。這就使改善TFT的電學(xué)特性，如場效應(yīng)遷移或閾值電壓，的波動成為可能。
另外，由于每個晶粒內(nèi)部保持了相對滿意的結(jié)晶度，因此在制作TFT時，希望能夠?qū)系佬纬蓞^(qū)域放置在單個晶粒內(nèi)，以改善TFT的上述各種工作特性。
不過，使用目前可用的技術(shù)來獲得具有足夠大的晶粒直徑的晶體半導(dǎo)體膜是相當(dāng)困難的。盡管已報道的一些結(jié)果表明可以在實驗中獲得這種具有足夠大的晶粒直徑的晶體半導(dǎo)體膜，但是這些已報道的技術(shù)尚未達到實用水平。
例如，在實驗水平上，這些結(jié)果可用K.Shimizu，O.Sugiura and M.Matsumura在IEEE Transactions on Electron Devices，vol.40，No.1，pp.112-117(1993)上發(fā)表的題為“通過新穎的準分子激光器晶化方法制備的高遷移率多晶硅薄膜晶體管(High-mobility poly-Si thin-filmtransistors fabricated by novel excimer laser crystallization method)”的論文中描述的方法獲得。在這篇論文中，首先在襯底上形成Si/SiO2/n+Si三層結(jié)構(gòu)，然后使用準分子激光束同時從Si一側(cè)和n+Si一側(cè)對其進行照射。該論文也解釋了如此得到大晶粒直徑的原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于通過采用能夠提供具有大晶粒直徑的晶體半導(dǎo)體膜的激光退火方法以及可用于該激光退火方法中的激光裝置，來克服技術(shù)中的上述缺點。
依據(jù)本發(fā)明，在非晶半導(dǎo)體膜的結(jié)晶過程中，用激光束同時照射非晶半導(dǎo)體膜的上表面(其上沉積有一層薄膜)和后表面(與上表面相對的表面)，而且應(yīng)用于上表面的激光束(此后稱為第一激光束)的有效能量強度可以設(shè)置到與應(yīng)用于后表面的激光束(此后稱為第二激光束)的有效能量強度不同的量級。
更精確地，設(shè)置的激光束照射條件使第一激光束的有效能量強度Io與第二激光束的有效能量強度Io′之間的有效能量強度比Io/Io′滿足關(guān)系0＜Io′/Io＜1或1＜Io′/Io，其中Io和Io′的(Io′×Io)乘積不等于0。
在本說明中，術(shù)語“有效能量強度”定義為在考慮了由各種原因，如反射或類似情況，引起的能量損失后，照射到非晶半導(dǎo)體膜的上表面或后表面的激光束的能量強度。有效能量強度的單位與有效能量密度的單位相同，也就是mJ/cm2。雖然不能直接測量有效能量強度，但是依據(jù)已知的參數(shù)，如反射系數(shù)和透射系數(shù)，并且已知出現(xiàn)在激光束的光路中的介質(zhì)，就可計算出其值。
作為例子，以本發(fā)明應(yīng)用于如圖6所示的結(jié)構(gòu)的情形為例，詳細說明有效能量強度的計算方法。在圖6中，參考數(shù)字601表示用鋁制成的反射器，602表示Corning#1737襯底(厚度為0.7mm)，603表示厚度為200nm的氧氮化硅膜(此后稱為SiON膜)，604則表示厚度為55nm的非晶硅膜。使用空氣中波長為308nm的XeCl準分子激光束照射該樣品。
準分子激光束(波長為308nm)在恰好到達非晶硅膜604之前的能量強度用Ia表示。考慮到激光束在非晶硅膜表面的反射，第一激光束的有效能量強度Io可以表示為Io＝Ia×(1-RSi)，其中RSi表示激光束的反射率。在這種情況下，計算得到的Io為0.45×Ia。
更進一步，第二激光束的有效能量強度可以表示為Io′＝Ia×T1737×RAl×T1737×(1-RSiON-Si)，其中T1737表示#1737襯底的透射率，RAl表示Al表面的反射率，而RSiON-Si表示從SiON膜入射到非晶硅膜上的光束經(jīng)歷的反射率。從實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，從空氣中入射到SiON膜上的光束經(jīng)歷的反射，SiON膜中的透射，從SiON膜入射到#1737襯底上的光束經(jīng)歷的反射，以及從#1737襯底入射到SiON膜上的光束經(jīng)歷的反射都是可忽略的，因此在計算中沒有考慮。在這種情況下，計算得到的Io′為0.13×Ia。
相應(yīng)地，在圖6所示的結(jié)構(gòu)中，計算得到的第一激光束的有效能量強度Io和第二激光束的有效能量強度Io′分別為0.45Ia和0.13Ia。因此，計算得到的有效能量強度比Io′/Io為0.29。計算得到的有效能量強度比滿足0＜Io′/Io＜1關(guān)系的事實是本發(fā)明的特征之一。
更進一步，本發(fā)明可用于第一激光束的強度比第二激光束的強度小的情況。換句話說，本發(fā)明可以用于滿足1＜Io′/Io關(guān)系的情況。
舉例來說，按照以下方法可以將第一和第二激光束的有效能量強度設(shè)置為不同的量級1在使用激光束通過放置于襯底之下的反射器照射非晶半導(dǎo)體膜的上表面和后表面時，調(diào)節(jié)反射器的反射率可以減小第二激光束的有效能量強度，使之變得比第一激光束的有效能量強度小。
2可以分割第一激光束，以形成第二激光束，使用合適的濾光片(例如可變衰減器或其他類似器件)可以減小第一激光束的有效能量強度或第二激光束的有效能量強度，以便使第一和第二激光束的有效能量強度設(shè)置在互不相同的量級上。
3根據(jù)其上沉積有非晶硅膜的襯底材料減小第二激光束的有效能量強度，以便使之變得比第一激光束的有效能量強度小。
4在襯底和非晶半導(dǎo)體膜之間放置絕緣層，以便利用該絕緣層來減小第二激光束的有效能量強度，從而導(dǎo)致第二激光束的有效能量強度比第一激光束的有效能量強度小。
5使用絕緣層膜覆蓋非晶半導(dǎo)體膜，以便使第一激光束在非晶半導(dǎo)體膜的表面處的反射變小，從而導(dǎo)致第一激光束的有效能量強度比第二激光束的有效能量強度大。
6使用絕緣層膜覆蓋非晶半導(dǎo)體膜，以便利用該絕緣膜減小第一激光束的有效能量強度，從而導(dǎo)致其有效能量強度比第二激光束的有效能量強度小。
7分別使用發(fā)射自從不同的共振源的第一和第二激光束，以便將兩個激光束的有效能量強度設(shè)置到不同的量級。
必須注意到，本發(fā)明并不局限于某種特定類型的激光器。相反，在本發(fā)明中可以使用各種激光器例如，通常熟悉的準分子激光器(典型地為KrF激光器或XeCl激光器)，固體激光器(典型地為Nd:YAG激光器或紅寶石激光器)，氣體激光器(典型地為Ar激光器或He-Ne激光器)，金屬蒸氣激光器(典型地為Cu蒸汽激光器或He-Cd激光器)或半導(dǎo)體激光器。
在使用具有長波長(Nd:YAG激光器為1064nm)基波(第一諧波)的激光器，例如Nd:YAG激光器，的情況下，推薦使用第二，第三或第四諧波。使用非線性晶體(非線性器件)來得到這些高階諧波。作為一種替代方法，也可以使用眾所周知的調(diào)Q開關(guān)來得到高階諧波。


圖1A和1B是根據(jù)本發(fā)明的一套激光裝置的構(gòu)造圖。
圖2A是圖1A和1B中所示的激光裝置的光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)造的側(cè)視圖。
圖2B是圖1A和1B中所示的激光裝置的光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)造的頂視圖。
圖3是用于解釋激光退火方法的剖面圖。
圖4A和4B是根據(jù)本發(fā)明的另一套激光裝置的構(gòu)造圖。
圖5是圖4A和4B中所示的激光裝置的光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)造的側(cè)視圖。
圖6是用于解釋第一和第二激光束的剖面圖。
圖7A和7B是多晶硅膜的晶粒的SEM照片。
圖8A和8B是多晶硅膜的晶粒的SEM照片。
圖9是多晶硅膜的晶粒的SEM照片。
圖10是多晶硅膜的晶粒的SEM照片。
圖11是多晶硅膜的晶粒的SEM照片。
圖12是多晶硅膜的晶粒的SEM照片。
圖13A到圖13E是用于解釋制作包含TFT于內(nèi)的CMOS電路的工藝中的各種步驟。
圖14A和14B是樣品構(gòu)造的剖面圖。
圖15A和15B是多晶硅膜的晶粒的SEM照片。
圖16是根據(jù)本發(fā)明的另一套激光裝置的構(gòu)造圖。
圖17A和17B是用于解釋透射可變型半鏡的示意圖。
圖18A和18B是多晶硅膜的晶化條件的SEM照片。
圖19A和19B是多晶硅膜的晶化條件的SEM照片。
圖20是照射能量與晶化狀態(tài)之間關(guān)系的示意圖。和圖21A和21B是入射能量或有效入射能量與晶化狀態(tài)之間關(guān)系的示意圖。
具體實施例詳述在對本發(fā)明優(yōu)選具體實施例進行詳細說明之前，首先簡要介紹發(fā)明者是如何獲得本發(fā)明的。圖7A和圖7B是激光退火得到的多晶硅膜用Secco腐蝕法處理后的SEM(掃描電子顯微鏡)照片。Secco腐蝕法處理的詳細情況，作為例子，請參看F.Secco D′Aragon發(fā)表在J.Electrochem.Soc.Vol.119，No.7，pp.948-950(1972)上的論文“用于硅中(100)面的位錯腐蝕(Dislocation etch for(100)planes in Silicon)”。
在圖7A和和圖7B中，用準分子激光光束照射形成在Corning#1737襯底(厚度為0.7mm)上的非晶硅膜(厚度為55nm)，一層氧化硅膜(厚度為200nm)則介于襯底和非晶硅膜之間。準分子激光器光束的是由XeCl作激發(fā)氣體提供的波長為308nm的脈沖激光光束，脈沖寬度為30ns。照射次數(shù)為20，能量密度為370mJ/cm2。
圖7A是通過激光晶化處理晶化的多晶硅膜，其中只有頂端表面受到激光束的照射(其平均晶粒直徑大約為0.3μm)，而圖7B顯示的是通過激光晶化處理晶化的多晶硅膜，其中頂端表面和后表面都受到了激光束的照射(其平均晶粒直徑大約為1.5μm)。這些結(jié)果可以確證，通過激光晶化處理晶化的，且頂端表面和后表面都受到了激光束照射的多晶硅膜，其晶粒直徑是只有頂端表面受到激光束照射的多晶硅膜的五倍，因此，從兩側(cè)都進行激光照射是有顯著效果的。
在本說明中使用的術(shù)語“平均晶粒直徑”是依據(jù)日本專利申請No.10-020566中的說明里描述的術(shù)語“晶粒區(qū)域的平均直徑”定義的。
如上所述，已經(jīng)確認，從非晶半導(dǎo)體膜的兩面進行激光照射可以導(dǎo)致合成的晶體半導(dǎo)體膜的晶粒直徑較大。應(yīng)該注意到，根據(jù)上述以前的技術(shù)論文中描述的實驗，需晶化的非晶半導(dǎo)體膜的背面不用激光束直接照射，而傾向于通過利用n+Si層中剩余熱量的方法來采用熱沉效應(yīng)的技術(shù)，這與后面描述的本發(fā)明者的方法完全不同。
然后，本發(fā)明者作了類似于上述論文的實驗，只是采用了石英襯底替代了玻璃襯底(另外，能量密度設(shè)置為200mJ/cm2)，其結(jié)果是，換句話說，得到了如圖8A和8B所示的Secco腐蝕法處理后的SEM照片。
圖8A顯示的是利用只使用激光束照射其上表面的各種激光晶化技術(shù)晶化的多晶硅膜，而圖8B顯示的是利用使用激光束照射其上表面和后表面的各種激光晶化技術(shù)晶化的多晶硅膜。從這些結(jié)果看出，使用石英襯底，平均晶粒直徑大約為0.4到0.5μm，但沒有觀察到在如圖7所示的情形中得到的大晶粒直徑。另外，當(dāng)使用激光束照射非晶半導(dǎo)體膜的上表面和后表面時，沒有任何顯著的差別。換句話說，盡管使用激光束照射了非晶半導(dǎo)體膜的上表面和后表面，但沒有觀察到增大平均晶粒直徑的效應(yīng)。
通過比較圖7A和7B與圖8A和8B之間的上述差別，本發(fā)明者假定，這些差別源于玻璃襯底透射率(大約50％)和石英襯底透射率(大約93％)的不同，也就是說，源于應(yīng)用于非晶半導(dǎo)體膜后表面上的激光束的有效能量密度的差別。因此，作了以下實驗以確定這種情形。
更特別地，準備了具有如圖6所示的襯底的樣品，其中使用石英襯底作襯底602，使用氮化鉭膜作反射器601。然后在與得到圖7B所示的SEM照片采用的條件相同的條件下，使用XeCl激光束照射該樣品，并在Secco腐蝕處理后使用SEM成像方法觀察得到的多晶硅膜的平均晶粒直徑。其結(jié)果如圖9所示。
從圖9可以看出，在得到的多晶硅膜中的晶粒是分散的，其分散樣式與圖7B所示的多晶硅膜中的分散樣式基本相同。更進一步，正如前面所述，在得到圖7B的SEM照片的情形下，第一和第二激光束的有效能量強度比為0.29。該結(jié)果表明，第二激光束基本上是由玻璃襯底衰減的。在本發(fā)明的樣品的情形下，計算得到的有效能量強度比為0.33。該結(jié)果表明，第二激光束基本上是由反射器衰減的。
圖8B中通過組合石英和鋁反射器得到的樣品和圖9中通過組合石英和氮化鉭膜反射器得到的樣品具有相同的結(jié)構(gòu)，除了反射器表面的材料不同以外。因此，只是反射器表面的反射率有明顯的不同，更具體地，圖9樣品的反射器表面的反射率比圖8B樣品的小。
從上述結(jié)果可以看出，在使用激光束照射非晶半導(dǎo)體膜的上表面和后表面以使之晶化的情形下，當(dāng)應(yīng)用于后表面的激光束(第二激光束)的有效能量強度小于應(yīng)用于上表面的激光束(第一激光束)的有效能量強度時，可以得到增大的晶粒直徑。
實施例模式1描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例模式中的一種。圖1A是根據(jù)本發(fā)明的一套激光裝置的構(gòu)造圖。該激光裝置包括激光源101，用于對從激光源101發(fā)射的激光束進行線性整形的光學(xué)系統(tǒng)201，和用于固定透明襯底的平臺102。平臺102配備有加熱器103和加熱器控制器104，以便將襯底的溫度維持在從室溫到550℃的溫度范圍內(nèi)。在平臺102上放置有反射器105，上面放置了其上形成有非晶半導(dǎo)體膜的襯底106。
結(jié)合圖1B描述在具有如圖1A所示構(gòu)造的激光裝置中支持襯底106的方法。支持于平臺102之上的襯底106放置在反應(yīng)室107中，而且由發(fā)射自激光源101的線性激光束照射。反應(yīng)室設(shè)置在負壓條件，或者通過排氣系統(tǒng)或充氣系統(tǒng)(沒有顯示出來)充滿惰性氣體，因此可以保證能夠半導(dǎo)體膜加熱到100到450℃且不受污染。
平臺102可以沿著反應(yīng)室中的導(dǎo)軌108移動，因此整個襯底由線性激光束照射。通過襯底106之上的石英窗(沒有顯示出來)，激光束可以進入反應(yīng)室。在如圖1B所示的構(gòu)造中，進一步配備有運輸室109，中間室110，裝載/卸載室111，且個個都直接或間接地與反應(yīng)室耦合在一起。這些室相互之間由分隔閥柵112和113分隔開來。
裝載/卸載室111配備有能夠放入多個襯底的盒子111。這些襯底由配備在運輸室109中的運輸自動機械115運輸。參考數(shù)字106′標(biāo)記的是正處于運輸過程中的一個襯底。使用這樣一個構(gòu)造，可以在減壓狀態(tài)下或惰性氣體中連續(xù)進行激光退火處理。
結(jié)合圖2A和2B描述用于對激光束進行線性整形的光學(xué)系統(tǒng)201的構(gòu)造。更準確地，圖2A顯示的是從其側(cè)面看到的光學(xué)系統(tǒng)201，而圖2B則是從其上方看到的光學(xué)系統(tǒng)201。
發(fā)射自激光源101的激光束由柱形透鏡列陣202沿縱向分割。而分割后的激光束由另一個柱形透鏡列陣203進一步分割，不過這次是沿側(cè)向分割。因此，激光束最終被柱形透鏡列陣202和203分割為矩陣。
然后使用柱形透鏡204聚焦被分割的激光束。聚集激光束穿過緊隨柱形透鏡204之后的另一個柱形透鏡205。然后光束由鏡206反射穿過柱形透鏡207，到達需要被照射的表面208。
在此處，投射到表面208上的激光束具有線性輻射面。更精確地，穿過柱形透鏡207的激光束具有線性橫截面。柱形透鏡列陣202，柱形透鏡204，和柱形透鏡207可以導(dǎo)致激光束在其寬度方向(較短尺寸的方向)上的均勻性，而柱形透鏡203和柱形透鏡205則可導(dǎo)致激光束在其長度方向(較長尺寸的方向)上的均勻性。
然后，結(jié)合圖3描述將激光束應(yīng)用于形成在襯底之上的半導(dǎo)體膜的上表面和后表面的構(gòu)造。圖3是圖1A中所示的襯底106和反射器105之間的位置關(guān)系示意圖。
在圖3中，在透明襯底301的上表面上(其上形成有薄膜或器件)，形成有絕緣半導(dǎo)體膜(或微晶半導(dǎo)體膜)303。另外，用于反射激光束的反射器304放置在透明襯底301之下。
玻璃襯底，石英襯底，晶化的玻璃襯底，或塑料襯底都可用作透明襯底301。使用透明襯底301自身便可調(diào)節(jié)第二激光束的有效能量強度。絕緣膜302可以由包含硅的絕緣膜，比如氧化硅膜或氧氮化硅(SiOxNy)膜構(gòu)成。使用絕緣膜302可以調(diào)節(jié)第二激光束的有效能量強度。非晶半導(dǎo)體膜303可以是化合物半導(dǎo)體膜，比如非晶SiGe膜，而不是非晶硅膜。
反射器304可以是其表面(用于反射激光束的表面)之上形成有金屬膜的襯底，或者是由金屬元素構(gòu)成的襯底。在上述情況下，金屬膜可以包括由各種金屬構(gòu)成的任何金屬膜。典型地，使用包含硅(Si)，鋁(Al)，銀(Ag)，鎢(W)，鈦(Ti)和鉭(Ta)中的任一種的金屬膜。不過，也可以使用合金，比如氮化鎢(WN)，氮化鈦(TiN)，氮化鉭(TaN)或其他類似物質(zhì)。
更進一步，反射器304可以放置在與透明襯底301相接觸的位置，或放置于與之相分離的位置。作為配備的反射器304的替代，可以直接在襯底301后表面(相對于上表面的表面)上形成上述的金屬膜，以便使此處可以反射激光束。在其中任一種情形下，控制反射器304的反射率，便可調(diào)節(jié)第二激光束的有效能量強度。更進一步，在反射器304放置于與透明襯底301相分離的位置的情形下，通過填充于其間的氣體物質(zhì)(氣體)可以控制第二激光束的有效能量強度。
上述結(jié)合圖2A和2B(在圖中只顯示有柱形透鏡207)描述的通過光學(xué)系統(tǒng)進行了線性整形的激光束被允許照射到非晶半導(dǎo)體膜303上。進行了線性整形的激光束的照射是通過激光束的掃描實現(xiàn)的。
在其中任一種情形下，對于穿過柱形透鏡207并照射到非晶半導(dǎo)體膜303的上表面上的第一激光束305以及在反射器304處反射一次并照射到非晶半導(dǎo)體膜303的后表面上的第二激光束306，重要的是有效能量強度比(Io′/Io)滿足關(guān)系o＜Io′/Io＜1或1＜Io′/Io。為達此目的，反射器304對于激光束的反射率必須恰好設(shè)置在20到80％的范圍內(nèi)。另外，可以結(jié)合使用本具體實施例模式中描述的多個減小第二激光束的有效能量強度的不同方法，以得到希望的強度比。
穿過柱形透鏡207的激光束在聚集過程中相對于襯底表面的入射角為45°到90°。因此，第二激光束306可以從非晶半導(dǎo)體膜303周圍穿過，并入射到該膜的后表面上。另外，通過在反射器304的反射面上配備突起的方法，可以隨機反射激光束，從而更有效地獲得第二激光束306。
優(yōu)選實施例模式2以下描述不同于前一個具體實施例模式的本發(fā)明的另一個具體實施例模式。更精確地，在本具體實施例模式中，并不采用在前一個具體實施例模式中描述過的反射器，而且，由光學(xué)系統(tǒng)分割的兩個激光束系列用于從其上表面和后表面對非晶半導(dǎo)體膜的照射。
圖4A顯示的是與本發(fā)實施例模一致的激光裝置構(gòu)造圖。如圖4A所示的裝置的基本結(jié)構(gòu)與如圖1A和1B所示的激光裝置的基本結(jié)構(gòu)類似，因此，只有不同部分使用不同的參考數(shù)字作了標(biāo)記。類似部件具有相同的參考數(shù)字。
該激光裝置包括激光源101，用于對發(fā)射自激光源101的激光進行線性整形、并將之分為兩個系列的光學(xué)系統(tǒng)401，和用于將透明襯底固定于其上的透明平臺402。襯底403a固定在平臺402上，其上形成有非晶半導(dǎo)體膜403b。
在本實施例模式中，平臺402是透明的，其原因是要使用穿過平臺402的激光束照射非晶半導(dǎo)體膜403b。另外，從靠近平臺402的側(cè)面應(yīng)用于非晶半導(dǎo)體膜403b上的激光束(也就是第二激光束)的一部分穿過平臺402，因此，在獲得有效能量強度時，必須考慮發(fā)生在穿越平臺402的過程中的衰減。
圖4B解釋了在如圖4A所示的激光裝置中支持襯底403a的方法。其構(gòu)造與如圖1B所示的激光裝置的構(gòu)造相同，只是使用了透明襯底402，因此，此處將略去那兒的解釋。
結(jié)合圖5描述如圖4A所示的光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)造。更精確地，圖5顯示的是從其側(cè)面觀察到的光學(xué)系統(tǒng)401。發(fā)射自激光源501的激光束由柱形透鏡列陣502沿縱向分割。而分割后的激光束由另一個柱形透鏡列陣503進一步分割，不過這次是沿側(cè)向分割。因此，激光束最終被柱形透鏡列陣202和203分割為矩陣。
然后使用柱形透鏡504聚焦被分割的激光束。聚集激光束穿過緊隨柱形透鏡504之后的另一個柱形透鏡505。到現(xiàn)在為止，光學(xué)系統(tǒng)的上述構(gòu)造與圖2A和2B所示的構(gòu)造相同。
然后激光束入射到半鏡506上，以使之分割為第一激光束507和第二激光束508。第一激光束連續(xù)在鏡509和510處反射，并穿過柱形透鏡511，達到非晶半導(dǎo)體膜403b的上表面。
由于半鏡506的分割而得到的第二激光束508在鏡512，513和514處連續(xù)反射，并穿過柱形透鏡515，接著在穿過襯底403a后達到非晶半導(dǎo)體膜403b的后表面。
就像在前一個具體實施例模式中那樣，投射到襯底表面上的激光束具有線性照射面。柱形透鏡列陣502，柱形透鏡504和柱形透鏡515可以導(dǎo)致該線性整形了的激光束在其寬度方向(較短尺寸的方向)上的均勻性，而柱形透鏡503，柱形透鏡505和柱形透鏡511則可導(dǎo)致激光束在其長度方向(較長尺寸的方向)上的均勻性。
在其中任一種情形下，對于穿過柱形透鏡511并入射到非晶半導(dǎo)體膜403b的上表面上的第一激光束以及穿過柱形透鏡515并入射到非晶半導(dǎo)體膜403b的后表面上的第二激光束，重要的是有效能量強度比(Io′/Io)滿足關(guān)系o＜Io′/Io＜1或1＜Io′/Io。
在本實施例模式中，使用玻璃襯底(由具有大約為50％或更高的激光束透射率的材料制成)作襯底403a滿足了上述關(guān)系。應(yīng)該注意到，在減小第二激光束的有效能量強度的方法中，除了使用襯底的方法以外，還可以采用使用配備于襯底403a上的絕緣膜(圖中沒有標(biāo)出)的方法，或調(diào)節(jié)其上部署有襯底403a的平臺(圖中沒有標(biāo)出)的透射率或界面處反射率的方法。
更進一步，光學(xué)衰減濾光片可以放置在光學(xué)系統(tǒng)401中沿第二激光束的光路的任何位置，以減小第二激光束的有效能量強度。作為一種替代，光學(xué)衰減濾光片也可以放置在光學(xué)系統(tǒng)401中沿第一激光束的光路的任何位置，以減小第一激光束的有效能量強度。
另外，可以結(jié)合使用本具體實施例模式中解釋的多個減小第一或第二激光束的有效能量強度的不同方法，以得到希望的強度比。
以下描述本發(fā)明的具體實施例。
具體實施例1在本具體實施例中，結(jié)合圖3描述按照優(yōu)選實施例模式1中所述的構(gòu)造晶化非晶硅膜的情形。
在本具體實施例中，襯底301是厚度為1.1mm的石英襯底301，絕緣膜302是厚度為200nm的氧氮化硅膜(SiON膜)，而非晶半導(dǎo)體膜303是非晶硅膜。SiON膜302和非晶硅膜303都用等離子體CVD方法形成。
在本具體實施例中，首先將SiH4和N2O導(dǎo)入反應(yīng)室，流量分別為4sccm和400sccm，形成SiON膜302的沉積溫度為40℃，反應(yīng)室壓強為30Pa，放電功率密度為0.41W/cm2，放電頻率為60MHz。此后將SiH4導(dǎo)入反應(yīng)室，流量為100sccm，形成非晶硅膜303的沉積溫席為300℃，反應(yīng)室壓強為45Pa，放電功率密度為0.037W/cm2，放電頻率為13.56MHz。在實際工藝中，非晶硅構(gòu)圖為島狀圖案。
此后，使用如圖1B所示的準分子激光裝置實施非晶硅膜303的晶化過程。如同在圖3中所示的反射器304，使用了形成于硅襯底上的氮化鎢膜。而且，在反射器304和石英襯底301之間，留有150μm寬的縫隙。
在此條件下，在室溫和空氣中使用準分子激光束(更精確地，第一激光束305和第二激光束306)照射非晶硅膜303。準分子激光束由如圖2A和2B所示的光學(xué)系統(tǒng)整形為具有線性橫截面(0.4mm×160mm)，并被控制著從一端到另一端對襯底進行掃描。掃描速度設(shè)置為1mm/秒，能量密度(其能量強度對應(yīng)于圖6中的Ia)設(shè)置為336mJ/cm2，脈沖寬度設(shè)置為30ns，重復(fù)頻率設(shè)置為30Hz，重疊率設(shè)置為90％。因此，可以達到非晶硅膜303的同一區(qū)域的激光束脈沖共計有20個。
為了使用本具體實施例中的構(gòu)造執(zhí)行激光晶化，第一激光束的有效能量強度Io設(shè)置為151.2mJ/cm2，而第二激光束的有效能量強度Io′設(shè)置為77.3mJ/cm2。相應(yīng)地，在此情形下的有效能量強度比Io′/Io為0.51。
依照本具體實施例晶化的多晶硅膜的SEM照片如圖10所示。圖10中的照片顯示的是經(jīng)過Secco腐蝕處理后的狀況。此處Secco腐蝕處理是使用室溫腐蝕劑進行的，其中腐蝕劑由50cc的氫氟酸溶液，25cc水和1.14g鉻酸(二價)鉀混合而成。
結(jié)果如圖10所示，在島狀圖案的中心周圍可以辨認出具有平均晶粒直徑約為0.5到0.6μm的相對大的晶粒。盡管在島狀模式的邊緣/末端部分存在一些具有較小的晶粒直徑的晶粒，但通過改變使用的激光束的能量密度，可以移動這些小晶粒形成的位置。在使用依據(jù)本具體實施例晶化的多晶硅膜作TFT的有源層的情形下，可以設(shè)計具有較小晶粒直徑的這些部分，以將之排除在溝道形成區(qū)域之外。
具體實施例2在本具體實施例中，描述按照具體實施例模式1中的構(gòu)造晶化非晶硅膜的情形。本具體實施例中的激光晶化過程與具體實施例1中的激光晶化過程相同，只是在反射器304的表面形成了鎢膜，而激光能量密度修改為369mJ/cm2。其他條件的詳細描述請參看具體實施例1。
依據(jù)本具體實施例晶化的多晶硅膜的SEM照片如圖11所示。如同在具體實施例1中一樣，圖11中的照片顯示的是經(jīng)過Secco腐蝕處理后的狀況。Secco腐蝕處理的條件與具體實施例1中的條件相同。
為了使用本具體實施例中的構(gòu)造執(zhí)行激光晶化，第一激光束的有效能量強度Io設(shè)置為166.1mJ/cm2，而第二激光束的有效能量強度Io′設(shè)置為88.6mJ/cm2。相應(yīng)地，在此情形下的有效能量強度比Io′/Io為0.53。
結(jié)果如圖11所示，在整個島狀圖案中可以辨認出具有平均晶粒直徑約為0.6到0.7μm的相對大的晶粒。在圖11中，在島狀圖案的邊緣/末端部分不太明顯地辨認出一些具有較小的晶粒直徑的晶粒，這與圖10中的情形不同。不過，改變使用的激光束的能量密度，有時可以明顯地辨認出一些具有較小的晶粒直徑的晶粒，因此，激光能量密度的優(yōu)化是很關(guān)鍵的。與具體實施例1中的情形相同，既使存在具有較小的晶粒直徑的晶粒，也足以通過設(shè)計TFT而將具有較小晶粒直徑的這些部分排除在溝道形成區(qū)域之外。
具體實施例3在本具體實施例中，描述按照具體實施例模式1中的構(gòu)造晶化非晶硅膜的情形。本具體實施例中的激光晶化過程與具體實施例1中的激光晶化過程相同，只是在反射器304的表面形成了氧化鎢膜，激光能量密度修改為384mJ/cm2。其他條件的詳細描述請參看實施例1。
依據(jù)本具體實施例晶化的多晶硅膜的SEM照片如圖12所示。如同在具體實施例1中一樣，圖12中的照片顯示的是經(jīng)過Secco腐蝕處理后的狀況。Secco腐蝕處理的條件與具體實施例1中的條件相同。
為了使用本具體實施例中的構(gòu)造執(zhí)行激光晶化，第一激光束的有效能量強度Io設(shè)置為172.8mJ/cm2，而第二激光束的有效能量強度Io′設(shè)置為57.6mJ/cm2。相應(yīng)地，在此情形下的有效能量強度比Io′/Io為0.33。
結(jié)果如圖12所示，在整個島狀模式中可以辨認出具有平均晶粒直徑約為0.8到1.0μm的相對大的晶粒。在照片范圍之內(nèi)，晶粒都有在水平方向上伸長的形狀，這意味著晶化過程可能從邊緣部分沿島狀圖案的側(cè)向開始進行。在圖11中，也可輕微地辨認出這種趨勢。
另外，改變使用的激光束的能量密度，有時可以明顯地辨認出一些具有較小的晶粒直徑的晶粒，因此，激光能量密度的優(yōu)化是很關(guān)鍵的。與具體實施例1中的情形相同，既使存在具有較小的晶粒直徑的晶粒，也足以通過設(shè)計TFT而將具有較小晶粒直徑的這些部分排除在TFT的溝道形成區(qū)域之外。
具體實施例4在本具體實施例中，結(jié)合圖13A-13E描述按照具體實施例模式1或2中描述的方法，形成用作TFT有源層的多晶硅膜的方法。
首先在玻璃襯底上形成厚度為200nm的氧氮化硅膜(圖中沒有標(biāo)出)，然后在其上形成厚度為50nm的的非晶硅膜(圖中沒有標(biāo)出)。此后將非晶硅膜模式化為由非晶硅構(gòu)成的島狀圖案701a和701b(參看圖13A)。
然后按照具體實施例模式1或2中描述的方法，對如此形成的島狀圖案701a和701b進行激光晶化。通過激光晶化得到的，由多晶硅膜構(gòu)成的島狀圖案702a和702b在其邊緣/末端部分可能分別包括較小的晶粒區(qū)域703a和703b。而且，島狀圖案702a和702b的邊緣/末端部分包含有大量的晶體缺陷和/或晶格應(yīng)力(參看圖13B)。
在圖13B中用參考數(shù)字704a和704b標(biāo)記的斷線分別表示由非晶硅膜構(gòu)成的島狀圖案701a和701b的原始尺寸。因此，激光晶化可以將這些島狀圖案的尺寸減小大約1到15％。考慮導(dǎo)致尺寸減小的原因，可能是硅膜具有更完善的晶體結(jié)構(gòu)和/或硅膜被蒸發(fā)。不過，這里任何機制的細節(jié)都尚不清楚。
此后，進一步構(gòu)圖由多晶硅膜構(gòu)成的島狀圖案702a和702b以形成有源層705a和705b。用參考數(shù)字706a和706b標(biāo)記的斷線分別表示小晶粒區(qū)域703a和703b的原始周長(參看圖13C)。
然后，形成厚度為80nm的氧氮化硅膜以覆蓋有源層705a和705b，并由此形成柵絕緣膜。進一步在其上形成柵電極707。柵電極707典型地由包括氮化鎢膜和鎢膜的層狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成，總厚度為300nm(參看圖13D)。
形成柵電極707后，使用能夠提供n型導(dǎo)電性的雜質(zhì)進行摻雜，以形成源區(qū)708a，漏區(qū)709a和LDD區(qū)710。另外，使用能夠提供p型導(dǎo)電性的雜質(zhì)進行選擇摻雜，以形成有源區(qū)708b和漏區(qū)709b。在此p型摻雜過程中，同時形成溝道形成區(qū)域711a和711b(也就是有源區(qū)中沒有摻雜雜質(zhì)的部分)。
然后形成厚度為1μm的、由氧化硅構(gòu)成的層間絕緣膜(圖中沒有標(biāo)出)。此后，配備接觸孔以形成源線712a和712b以及漏線713。這些電線可由其中主要構(gòu)成組份為鋁膜的低電阻的導(dǎo)電膜形成(參看圖13E)。
根據(jù)上述制作步驟，便可形成具有如圖13E所示的構(gòu)造的CMOS電路716，其中n溝道型TFT714和p溝道型TFT715互補性地結(jié)合在一起。
本具體實施例只是本發(fā)明用于形成TFT有源層的一個示范具體實施例。本發(fā)明并不局限于上述的制作工藝。而且，本發(fā)明可以應(yīng)用于TFT的任何其他已知制作工藝。不過，應(yīng)該注意，本發(fā)明不能應(yīng)用于在有源層下配備有光防護膜或其他類似膜的情形，也就是說，不能應(yīng)用于對非晶半導(dǎo)體膜的上表面和后表面不能同時進行激光退火的情形。
盡管可以根據(jù)本發(fā)明形成了CMOS電路，但是使用已知技術(shù)可以輕松地制作在激活矩陣型圖像顯示器件的像素區(qū)域中配備的像素TFT。
具體實施例5盡管本發(fā)明已被應(yīng)用于具體實施例4中TFT的有源層的制作，但本發(fā)明可應(yīng)用于所有使用TFT的半導(dǎo)體器件。例如，本發(fā)明可應(yīng)用于有源矩陣型液晶顯示，有源矩陣型EL(電致發(fā)光)顯示，或有源矩陣型EC(電子鉻)顯示。
更進一步，本發(fā)明可以應(yīng)用于在IC或LSI中使用的SRAM的負載晶體管的形成。本發(fā)明對形成超過IC或LST的三維結(jié)構(gòu)中的TFT也有效。
具體實施例6在本發(fā)明中，可在具體實施例1中描述的條件下，使用激光束照射如圖14A和14B所示的結(jié)構(gòu)。
在如圖14A所示的結(jié)構(gòu)中，參考數(shù)字801標(biāo)記的是厚度為1.1mm的石英襯底，802標(biāo)記的是厚度為200nm的氧氮化硅膜，而803標(biāo)記的是厚度為55nm的非晶硅膜。此后，對如圖14A所示的結(jié)構(gòu)進行傳統(tǒng)的激光晶化。
另一方面，在如圖14B所示的結(jié)構(gòu)中，參考數(shù)字804標(biāo)記的是表面(反射面)由氮化鉭膜構(gòu)成的反射器，805標(biāo)記的是厚度為1.1mm的石英襯底，806標(biāo)記的是厚度為200nm的氧氮化硅膜，而807標(biāo)記的是厚度為55nm的非晶硅膜。此后根據(jù)本發(fā)明對如圖14B所示的結(jié)構(gòu)進行激光晶化。
得到的多晶硅膜有TEM(透射電子顯微鏡)照片如圖15和15B所示。更特別地，圖15A顯示的是通過晶化具有如圖14A所示結(jié)構(gòu)的非晶硅膜803得到的多晶硅膜的TEM照片，而圖15B顯示的是通過晶化位于如圖14B所示襯底之上的非晶硅膜807得到的多晶硅膜的TEM照片。
對比圖15A和15B可以看出，圖15B中根據(jù)本發(fā)明晶化的多晶硅明顯地具有較大的晶粒直徑。因此，從這些TEM照片可以確認，本發(fā)明可以提供具有增大的平均晶粒直徑的結(jié)晶半導(dǎo)體膜。
具體實施例7本發(fā)明者所作的實驗表明了，當(dāng)有效能量強度比Io′/Io滿足關(guān)系0＜Io′/Io＜1和1＜Io′/Io時，可以顯著增大平均晶粒直徑的特別條件。
在本具體實施例中，使用各種襯底(每個襯底的厚度為1.1mm)或不同材料制成的反射器(更嚴格地講，反射器的反射表面)作實驗。表1給出了實驗中樣品(A)-(H)使用的襯底和反射器，同時也給出了有效能量強度比。
表1

在表1中，“#1737”是來自Corning公司的玻璃襯底的商品號，而“AN100”是來自Asahi Glass Company的玻璃襯底的商品號。
在與具體實施例1-3中的條件相同的條件下，用XeCl激光束照射樣品，其中有效能量強度比的范圍為0.07到1.0，而且使用SEM方法觀察得到的多晶硅膜。
作為結(jié)果，已經(jīng)確認，在有效能量強度比為0.29，0.33，0.35和0.67時，可以得到大約1μm的平均晶粒直徑，而在有效能量強度比為1.0，0.16，0.11和0.07時，可以得到大約0.3μm的平均晶粒直徑。相應(yīng)地，在第一和第二激光束的有效能量強度相差20％或更多的條件下，相信可以顯著地增大平均晶粒直徑。相信上述結(jié)果已顯示出，當(dāng)有效能量強度比Io′/Io在0.2到0.9的范圍(更適宜的范圍為0.3到0.7)內(nèi)時，已經(jīng)達到了最佳晶化條件。
具體實施例8在本具體實施例中，結(jié)合圖16描述具有與在具體實施例模式2中描述的構(gòu)造不同的構(gòu)造的另一個光學(xué)系統(tǒng)的情形。更精確地，本具體實施例中的構(gòu)造允許線性激光束在長度方向或?qū)挾确较虻拈L度是可變的。
在使用本具體實施例中的光學(xué)系統(tǒng)10時，對于需要較高能量輸入進行晶化的半導(dǎo)體膜，可以在長度方向上為線性激光束設(shè)置較短的長度，而對于在相對低的能量輸入下便可進行晶化的半導(dǎo)體膜，可以在長度方向上為線性激光束設(shè)置較長的長度。因此?？梢赃_到最大能量效率。另外，由于允許線性激光束在寬度方向上的長度是可變的，便可確定最適宜的半導(dǎo)體膜晶化的橫向長度。
如圖16中所示的光學(xué)系統(tǒng)與如圖5所示的光學(xué)系統(tǒng)不同，除了用于在寬度方向上分割激光束的柱形列陣透鏡502外，還采用另一個柱形列陣透鏡11以展示相同的功能，而且除了用于在長度方向上分割激光束的柱形列陣透鏡503外，還采用另一個柱形列陣透鏡12以展示相同的功能。
在本具體實施例中，按照在寬度方向上對線性激光束的橫截面進行修正的方法，在長度方向上對線性激光束的橫截面進行了修正。相應(yīng)地，這里只描述用于執(zhí)行在長度方向上分割激光束的功能的兩個柱形透鏡。
在長度方向上由柱形列陣透鏡503分割的激光束的每個部分被允許入射到柱形列陣透鏡12中對應(yīng)的柱形透鏡上。更精確地，當(dāng)柱形列陣透鏡507被分為七個部分時，柱形列陣透鏡12也要按照對應(yīng)的方式分為七個部分。柱形列陣透鏡503和12可以具有相同的形狀。作為替代，除曲率半徑外，這些柱形列陣透鏡503和12可以是相同的。
在這一點上，根據(jù)焦距的組合便可確定激光束長度的可變范圍。更精確地，通過改變柱形列陣透鏡503和12之間的距離，便可確定線性激光束在長度方向上的長度。
柱形列陣透鏡503和12之間的距離比柱形列陣透鏡503的焦距短兩倍是優(yōu)選的。在此情形下，由柱形列陣透鏡503分割的激光束的各個分割部分可以以一對一的關(guān)系入射到柱形列陣透鏡12中對應(yīng)的柱形透鏡上。
更進一步，在本具體實施例中，使用一個透射率可變型半鏡作半鏡13。其構(gòu)造將參照圖17A和17B加以描述。首先解釋如圖17A所示的透射率可變型半鏡的示范構(gòu)造。
圖中來自左側(cè)的激光束902由透射率可變型半鏡901分割成激光束903和904。透射率可變型半鏡901包括分別具有不同透射率的區(qū)域905-908。
當(dāng)透射率可變型半鏡901沿著箭頭909標(biāo)記的、且平行于透射率可變型半鏡901的方向移動時，穿過透射率可變型半鏡901的激光束的能量強度可以設(shè)置到與反射激光束904的能量強度不同的量級上。盡管在如圖17A所示的構(gòu)造中有四個區(qū)域905-908，但這些區(qū)域的數(shù)目并不限于4個，可以有兩個或更多的區(qū)域。
如圖17B所示是透射率可變型半鏡的另一個示范構(gòu)造。在此情形下，圖中來自左側(cè)的激光束912由透射率可變型半鏡911分割成激光束913和914。與圖17A中的透射率可變型半鏡901相比，透射率可變型半鏡911被分割為更多的區(qū)域，而且各個區(qū)域的透射率被設(shè)置為以細微臺階形式變化。
這種透射率可變型半鏡是市場上可以買到的。即使配置了具有按細微臺階形式變化的不同透射率的區(qū)域，穿過透射率可變型半鏡911的激光束913的能量強度也可以設(shè)置到與在透射率可變型半鏡911沿箭頭915標(biāo)記的方向移動時反射的激光束914的能量強度不同的量級。
使用上述光學(xué)系統(tǒng)中的一個系統(tǒng)，可以細微調(diào)節(jié)用于照射半導(dǎo)體膜的激光束的有效能量強度。在本具體實施例中描述的光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)造也適用于具體實施例1中描述的激光裝置。
具體實施例9在本具體實施例中，在考慮了在反射器的反射表面處的多次反射的情況下，計算了具體實施例7中的有效能量強度比。在本具體實施例的實驗中使用的樣品(A)-(H)與具體實施例7中的樣品(A)-(H)相同。應(yīng)該注意，在本具體實施例中，第二激光束的有效能量強度Io′可以表述為Io′＝Ia×Tsub×Rmirror×Tsub×(1-RSiON-Si)/1-RSiON-Si×Tsub×Rmirror×Tsub。
在上述公式中，Tsub表示襯底的透射率，Rmirror表示在反射器反射表面處的反射，而RSiON-Si表示從SiON膜入射到非晶硅膜上的光束經(jīng)歷的反射。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，從空氣入射到SiON膜上的光束經(jīng)歷的反射，SiON膜的透射率，從SiON膜入射到襯底上的光束經(jīng)歷的反射，和從襯底入射到SiON膜上的光束經(jīng)歷的反射都可以忽略，因此在計算中沒有考慮這些反射。
以上計算得到的數(shù)據(jù)都列在表2中。更精確地，表2中的數(shù)據(jù)是表1中的數(shù)據(jù)的修正版，修正時考慮了多次反射。
表2

基于這些數(shù)據(jù)，可以得到與具體實施例7中相同的最佳晶化條件，也就是說，有效能量強度比Io′Io的范圍為0.2到0.9(更適宜的范圍為0.3到0.7)。
具體實施例10在本具體實施例中，基于實驗結(jié)果描述本發(fā)明的優(yōu)點。在以下本具體實施例的描述中，將按五個等級相對評估結(jié)晶度。更精確地，在本說明中，結(jié)晶度被分為以下五個評估等級晶化狀態(tài)(0)在此狀態(tài)下，由于燒蝕使膜消失；晶化狀態(tài)(1)在此狀態(tài)下，可以辨認出細小晶粒，如圖18A所示；晶化狀態(tài)(2)在此狀態(tài)下，可以辨認出平均晶粒直徑約300到450nm的晶粒，如圖18B所示；
晶化狀態(tài)(3)在此狀態(tài)下，可以辨認出平均晶粒直徑約600到800nm的相對大的晶粒，如圖19A所示；晶化狀態(tài)(4)在此狀態(tài)下，可以辨認出具有大約3μm或更大的較大直徑的顯著大的晶粒，如圖19B所示。
特別地，在本具體實施例中，晶化狀態(tài)(4)中的晶粒指的也是由SLG(超橫向生長)形成的晶粒。
基于上述評估標(biāo)準，調(diào)查了激光晶化的條件和晶化狀態(tài)之間的關(guān)系。對在單一照射模式中照射能量(對應(yīng)于激光束在恰好到達非晶硅膜之前的能量強度Ia)和晶化狀態(tài)之間的關(guān)系和在雙重照射模式中二者之間的關(guān)系加以比較，便可得到如圖20所示的數(shù)據(jù)。在單一照射模式中，只用激光束照射非晶硅膜的上表面，而在雙重照射模式中，同時用激光束照射非晶硅膜的上表面和后表面。
從如圖20所示的數(shù)據(jù)可以清楚地看到，與單一照射模式相比，雙重照射模式可以在較低的照射能量下得到具有令人滿意的晶化狀態(tài)的晶化膜。更精確地，在單一照射模式的情形下，實現(xiàn)SLG需要的照射能量大約為510mJ/cm2，而在雙重照射模式的情形下，照射能量大約為440到460mJ/cm2便足以實現(xiàn)SLG。這表明，根據(jù)本發(fā)明，與傳統(tǒng)的單一照射模式相比，采用雙重照射模式可以在較低的照射能量下得到具有高晶化狀態(tài)的晶化半導(dǎo)體膜。
更進一步，從實驗可以知道，照射能量越高，第一激光束的有效能量越高，而且得到的晶化半導(dǎo)體膜的表面粗糙程度也越大。這意味著，對用于得到由SLG形成的晶粒的膜表面，由雙重照射模式引起的損傷較少。
然后描述通過改變反射器的反射率來改變有效能量強度比的實驗的結(jié)果。圖21A顯示的是照射能量與晶化狀態(tài)之間的關(guān)系，而圖21B顯示的是有效入射能量和晶化狀態(tài)之間的關(guān)系。
正如圖21A所示，反射器的反射率越高(也就是說，第二激光束的有效能量強度越高)，即使在同樣的照射能量下，得到的晶化狀態(tài)越令人滿意。可以確定，其原因是，在相同的照射能量下，雙重照射模式提供的有效入射能量要比單一照射模式提供的有效入射能量高。有效入射能量是所有輸入到非晶半導(dǎo)體膜中的有效能量的總和，更精確地，對應(yīng)于第一激光束和第二激光束的有效能量強度的總和。
從上述觀點，在將照射能量設(shè)置在同一量級的情況下調(diào)查了有效入射能量和晶化狀態(tài)之間的關(guān)系。其結(jié)果為，反射率越高，得到由SLG形成的晶粒(也就是說，晶化狀態(tài)(4)向較高能量一側(cè)移動)所需的有效入射能量越多，如圖21B所示。換句話說，具有低反射率的反射器適合于在較低的有效入射能量下提供由SLG形成的晶粒，由此可以實現(xiàn)較低能量損耗的晶化。
更進一步，正如圖21B所示，降低反射器的反射率，可以減小達到SLG所需的有效入射能量。不過，已經(jīng)確認，在反射率為0時，不會發(fā)生SLG。因此，相信可以達到SLG的反射器的反射率存在最佳值。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，在非晶半導(dǎo)體膜的激光晶化過程中，用激光束同時照射非晶半導(dǎo)體膜的上表面和后表面，且應(yīng)用于后表面的激光束的有效能量強度設(shè)置到與應(yīng)用于上表面的激光束的有效能量強度不同的量級，從而得到與使用傳統(tǒng)技術(shù)得到的晶化半導(dǎo)體膜相比，平均晶粒直徑較大的晶化半導(dǎo)體膜。
由于得到了具有大的平均晶粒直徑的晶化半導(dǎo)體膜，因此TFT的性能，或者由TFT形成的半導(dǎo)體器件，如有源列陣型顯示器件，的性能得到了顯著改善。
權(quán)利要求
1.一種激光裝置，包括一個用于發(fā)射激光束的激光源；一個用于將上述激光束分為第一激光束和第二激光束的半反射鏡；一個用于將第一激光束和第二激光束分別導(dǎo)引到被處理物體的上表面和后表面上的光學(xué)系統(tǒng)，其中所述光學(xué)系統(tǒng)包括用于衰減第一激光束的濾光片。
2.依照權(quán)利要求1的激光裝置，其中激光束由光學(xué)系統(tǒng)整型為具有線性橫截面。
3.一種形成半導(dǎo)體器件的方法，包括用第一激光束照射物體的上表面；用放置在物體的后表面上的反射器反射第二激光束；和用反射的第二激光束照射物體的后表面；其中應(yīng)用于上表面的第一激光束的有效能量強度Io設(shè)置到與應(yīng)用于后表面的第二激光束的有效能量強度Io′不同的量級。
4.依據(jù)權(quán)利要求3的方法，進一步包括對第一和第二激光束進行線性整型的步驟。
5.一種形成半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟從作為振蕩源的激光源中產(chǎn)生激光束；使用一光學(xué)系統(tǒng)將所述激光束分割為第一激光束和第二激光束；使用一個衰減濾光片衰減上述第一激光束；使用衰減后的第一激光束照射物體的上表面；和使用第二激光束照射物體的后表面。
6.一種形成半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟從作為振蕩源的激光源中產(chǎn)生激光束；使用一光學(xué)系統(tǒng)將所述激光束分割為第一激光束和第二激光束；使用一個衰減濾光片衰減上述第一激光束；使用衰減后的第一激光束照射一物體的上表面；和使用第二激光束照射所述物體的后表面，其中應(yīng)用于上表面的第一激光束的有效能量強度Io設(shè)置到與應(yīng)用于后表面的第二激光束的有效能量強度Io′不同的量級。
7.一種形成半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟從作為振蕩源的激光源中產(chǎn)生激光束；使用一光學(xué)系統(tǒng)將所述激光束分割為第一激光束和第二激光束；使用一個衰減濾光片衰減上述第一激光束；使用被衰減的第一激光束照射一物體的上表面；和使用第二激光束照射所述物體的后表面，其中應(yīng)用于上表面的第一激光束的有效能量強度Io與應(yīng)用于后表面的第二激光束的有效能量強度Io′滿足關(guān)系0＜Io′/Io＜1或1＜Io′/Io。
8.依據(jù)權(quán)利要求3，5，6或7的方法，進一步包括對第一和第二激光束進行線性再整型的步驟。
9.依據(jù)權(quán)利要求3，5，6或7的方法，其中所述物體是非晶半導(dǎo)體膜或微晶半導(dǎo)體膜。
10.一種激光裝置，包括一個用于發(fā)射激光束的激光源；一個用于將上述激光束分為第一激光束和第二激光束的半反射鏡；一個用于將第一激光束和第二激光束分別導(dǎo)引到被處理物體的上表面和后表面上的光學(xué)系統(tǒng)，其中所述光學(xué)系統(tǒng)包括一個用于衰減第二激光束的濾光片。
11.一種形成半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟從作為振蕩源的激光源中產(chǎn)生激光束；使用一光學(xué)系統(tǒng)將所述激光束分割為第一激光束和第二激光束；使用一個衰減濾光片衰減上述第二激光束；使用第一激光束照射一物體的上表面；和使用衰減后的第二激光束照射所述物體的后表面。
12.一種形成半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟從作為振蕩源的激光源中產(chǎn)生激光束；使用一光學(xué)系統(tǒng)將所述激光束分割為第一激光束和第二激光束；使用一個衰減濾光片衰減上述第二激光束；使用第一激光束照射一物體的上表面；和使用衰減后的第二激光束照射所述物體的后表面；其中應(yīng)用于上表面的第一激光束的有效能量強度Io設(shè)置到與應(yīng)用于后表面的第二激光束的有效能量強度Io′不同的量級。
13.一種形成半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟從作為振蕩源的激光源中產(chǎn)生激光束；使用一光學(xué)系統(tǒng)將所述激光束分割為第一激光束和第二激光束；使用一個衰減濾光片衰減上述第二激光束；使用第一激光束照射一物體的上表面；和使用衰減后的第二激光束照射所述物體的后表面；其中應(yīng)用于上表面的第一激光束的有效能量強度Io與應(yīng)用于后表面的第二激光束的有效能量強度Io′滿足關(guān)系0＜Io′/Io＜1或1＜Io′/Io。
全文摘要
為了使用激光束照射的方法晶化非晶半導(dǎo)體膜，使用了激光束照射非晶半導(dǎo)體膜的上表面和后表面。在此情形下，應(yīng)用于上表面的激光束的有效能量強度Io與應(yīng)用于后表面的激光束的有效能量強度Io′滿足關(guān)系0＜Io′/Io＜1或1＜Io′/Io。由此給出了能夠提供具有大的晶粒直徑的晶化半導(dǎo)體膜的激光晶化方法。
文檔編號B23K26/067GK1599040SQ20041008694
公開日2005年3月23日 申請日期2000年8月18日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月18日
發(fā)明者笠原健司, 河崎律子, 大谷久, 田中幸一郎 申請人:株式會社半導(dǎo)體能源研究所