專利名稱：激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法，更特別地涉及非?？焖俚厍乙愿叨ㄎ痪葓?zhí)行定位以照射用于結(jié)晶的激光的激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法。
背景技術(shù)：
形成在設(shè)置在例如玻璃基板的大面積基板上的例如硅膜的半導體膜上的薄膜晶體管(TFT)被用作例如用于有源矩陣型液晶顯示裝置中的開關(guān)顯示的開關(guān)裝置。
為了諸如用來形成薄膜晶體管的非晶或多晶半導體薄膜的非單晶半導體薄膜的結(jié)晶，例如，使用激光結(jié)晶技術(shù)，其中利用具有高能量的短脈沖激光來熔化并結(jié)晶非單晶半導體薄膜的照射區(qū)域。
現(xiàn)有的用于生產(chǎn)的激光結(jié)晶裝置采用將具有均勻強度分布的結(jié)晶激光照射到非晶硅膜的方法。但是，根據(jù)該方法，結(jié)晶半導體膜中的晶粒尺寸小到0.5μm或更小，并且不能控制結(jié)晶的晶粒的位置。因此，在TFT的溝道區(qū)域中可能存在晶粒邊界，從而在TFT的性能上存在局限，例如，不平坦特性。
需要一種技術(shù)來制造具有大晶粒的高質(zhì)量半導體膜，以便提高TFT的性能。在各種激光結(jié)晶技術(shù)中，作為滿足這種需要的結(jié)晶方法，注意力特別集中在相位調(diào)制準分子激光退火(PMELA)上，其中將具有由相位調(diào)制產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)峰值圖形形狀光強度分布的準分子激光照射到非單晶半導體薄膜上，從而使其結(jié)晶。PMELA技術(shù)是將具有預(yù)定光強分布的準分子激光照射到非單晶半導體薄膜上以便熔化和結(jié)晶該半導體膜的照射部分的方法?？梢酝ㄟ^利用例如移相器的相位調(diào)制元件的入射激光的相位調(diào)制來獲得具有預(yù)定光強分布的準分子激光。非單晶半導體薄膜例如是形成在玻璃基板上的非晶硅或多晶硅薄膜。在近來開發(fā)的PMELA技術(shù)中，在一次激光照射中熔化和結(jié)晶大約幾平方毫米大小的區(qū)域。由于非單晶半導體薄膜的結(jié)晶，從而形成具有高質(zhì)量的結(jié)晶硅薄膜，其具有從幾μm至大約10μm大小的且尺寸相對均勻的晶粒(例如，參考Institute of Electronics，Informationand Communication Engineers的論文期刊Vol.J85-C，No.8，pp.624-629，2002中，Kohki Inoue、Mitsuru Nakata和MasakiyoMatsumura所發(fā)表的“Amplitude and Phase Modulated Excimer-LaserMelt-Regrowth Method of Silicon Thin-Film-A New Growth Methodof 2-D Position Controlled Large-Grains-”)。已經(jīng)證實，通過該技術(shù)形成的結(jié)晶硅薄膜中制造的TFT具有穩(wěn)定的電特性。
在常規(guī)方法的結(jié)晶裝置中，以長的矩形光束(例如，500μm×300mm)形狀并具有均勻的光強度分布的結(jié)晶激光照射半導體膜。因此，在技術(shù)上不可能定位將要形成晶粒的位置，且結(jié)晶半導體膜中的晶粒尺寸小到0.5μm或更小。因此，不需要絕對定位結(jié)晶激光的照射位置。
另一方面，PMELA結(jié)晶技術(shù)目前正在發(fā)展中，其中具有反轉(zhuǎn)峰形光束分布的結(jié)晶激光通過利用移相器或衍射光學元件產(chǎn)生，并被照射至非單晶半導體薄膜。PMELA結(jié)晶技術(shù)具有良好的特性以致于結(jié)晶激光的利用率很高、能夠獲得大晶粒尺寸的晶體并且生長晶粒的定位也是可能的。然而，采用所謂的分步重復照射方法來結(jié)晶具有大面積的半導體膜。也就是說，重復下述內(nèi)容在激光一次照射到非單晶半導體膜之后，將玻璃基板移向并停在下一個照射位置，然后再次照射激光。因此，存在一種進一步提高產(chǎn)量以使得PMELA結(jié)晶技術(shù)變成一種批量生產(chǎn)技術(shù)的挑戰(zhàn)。本申請人已經(jīng)研發(fā)了一種技術(shù)來使PMELA結(jié)晶技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，并且正在研發(fā)一種具有更高產(chǎn)量的結(jié)晶方法。
存在下述要求以將具有上述優(yōu)良特性的PMELA技術(shù)引入到實際應(yīng)用中作為生產(chǎn)例如液晶面板的裝置以微米級絕對定位精度來定位并形成晶粒以便形成TFT的主要部分；以及照射結(jié)晶激光以使得能夠非常快地重復再現(xiàn)晶粒的定位和形成。
本發(fā)明的一個目的是提供一種具有高產(chǎn)量的激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法，其能夠通過將具有預(yù)定光強度分布的脈沖激光照射至處理基板來熔融并結(jié)晶半導體膜，從而在連續(xù)移動的處理基板，即，高速移動的將被處理的基板上的預(yù)定位置處，形成具有帶有大晶粒尺寸的結(jié)晶區(qū)域的半導體膜。

發(fā)明內(nèi)容
通過下面根據(jù)本發(fā)明的激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法來解決上述問題。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種激光結(jié)晶裝置，包括根據(jù)激光產(chǎn)生指示信號的輸入來產(chǎn)生脈沖激光的激光光源；以及設(shè)置在該激光的光路上并調(diào)制該脈沖激光以透射具有預(yù)定光強度分布的脈沖激光的移相器，其中通過該移相器調(diào)制的該脈沖激光被照射至設(shè)置在處理基板上的結(jié)晶薄膜，以熔化和結(jié)晶該結(jié)晶薄膜的照射區(qū)域，該激光結(jié)晶裝置包括安裝處理基板且相對于脈沖激光照射位置沿著預(yù)定方向連續(xù)移動的基板保持臺；測量沿著該預(yù)定方向連續(xù)移動的該基板保持臺的位置的位置測量裝置；以及根據(jù)由該位置測量裝置測量的該基板保持臺的位置來指示脈沖激光的產(chǎn)生的信號產(chǎn)生裝置。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，設(shè)置在激光結(jié)晶裝置中的基板保持臺包括沿X方向調(diào)整激光照射位置的第一控制系統(tǒng)，沿Y方向調(diào)整激光照射位置的第二控制系統(tǒng)，和/或沿Z方向調(diào)整激光照射位置到該激光的焦平面的高度的第三控制系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種激光結(jié)晶裝置，包括根據(jù)激光產(chǎn)生指示信號的輸入而產(chǎn)生脈沖激光的多個激光光源；以及設(shè)置在各個激光的光路上且調(diào)制該脈沖激光以透射具有預(yù)定光強度分布的脈沖激光的多個移相器，其中通過該移相器調(diào)制的該多個脈沖激光被照射至設(shè)置在處理基板上的薄膜，以熔化和結(jié)晶該薄膜的照射區(qū)域，該激光結(jié)晶裝置包括安裝該處理基板且相對于脈沖激光照射位置沿著預(yù)定方向連續(xù)移動的基板保持臺；測量沿著該預(yù)定方向連續(xù)移動的該基板保持臺的位置的位置測量裝置；以及根據(jù)由該位置測量裝置測量的該基板保持臺的位置來指示該脈沖激光的產(chǎn)生的信號產(chǎn)生裝置。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在激光結(jié)晶裝置中設(shè)置的該多個激光光源被布置成同時將脈沖激光照射至在垂直于該連續(xù)移動的方向的第二方向上布置的薄膜上的不同位置處。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在激光結(jié)晶裝置中提供的通過該多個激光光源產(chǎn)生的該脈沖激光被布置成照射至在該連續(xù)移動的方向上的薄膜上的不同位置處。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在激光結(jié)晶裝置中設(shè)置的該激光光源與該激光產(chǎn)生指示信號的輸入同步地產(chǎn)生該脈沖激光。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種激光結(jié)晶方法，包括沿預(yù)定方向連續(xù)移動其上安裝有處理基板的基板保持臺；測量連續(xù)移動的基板保持臺上的預(yù)定位置；根據(jù)該測量的位置信息，輸出指示激光的產(chǎn)生的激光產(chǎn)生指示信號；一收到該激光產(chǎn)生指示信號就產(chǎn)生脈沖激光；調(diào)制該脈沖激光；以及將該調(diào)制了的脈沖激光照射在該處理基板上，以熔化和結(jié)晶設(shè)置在該處理基板上的結(jié)晶薄膜的照射區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在激光結(jié)晶方法中提供的照射該處理基板的該脈沖激光具有多個脈沖激光光路，且照射該處理基板的不同區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在激光結(jié)晶方法中提供的該連續(xù)移動的基板保持臺上的該預(yù)定位置的測量包括在X方向和Y方向上對準該測量的位置與預(yù)定結(jié)晶位置，和/或在Z方向上將該測量的位置與該脈沖激光的聚焦平面對準。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在激光結(jié)晶方法中提供的該脈沖激光的產(chǎn)生包括與激光產(chǎn)生指示信號的輸入同步地產(chǎn)生該脈沖激光。
本發(fā)明的其它優(yōu)點將在下面的說明中陳述，其中的一部分優(yōu)點將從說明書中顯而易見，或者可通過實踐本發(fā)明而被領(lǐng)會。通過下文中特地指出的手段及組合可以實現(xiàn)并獲得本發(fā)明的優(yōu)點。


結(jié)合在說明書中并構(gòu)成說明書一部分的附圖示出了本發(fā)明的實施例，并且附圖與上面給出的概略描述和下面給出的實施例的詳細描述一起用于解釋本發(fā)明的原理。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的激光結(jié)晶裝置的一個例子的示圖；圖2所示的是解釋將被激光結(jié)晶裝置結(jié)晶的處理基板的結(jié)構(gòu)的一個例子的截面圖；圖3所示的是用于圖1中所示的激光結(jié)晶裝置中且利用移相器的結(jié)晶光學系統(tǒng)的主要部件的一個例子的示圖；圖4所示的是解釋根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的結(jié)晶工藝的一個例子的流程圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的激光結(jié)晶裝置的一個例子的示圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的激光結(jié)晶裝置的一個例子的示圖；圖7所示的是通過根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的激光結(jié)晶裝置將激光照射到一些區(qū)域的一個例子的示圖；
圖8是根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的激光結(jié)晶裝置的一個例子的示圖；以及圖9所示的是解釋根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的結(jié)晶工藝的一個例子的流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提供一種實現(xiàn)高定位精度和高產(chǎn)量，并且利用相位調(diào)制元件(下文中稱為移相器)對結(jié)晶激光賦予期望的光強分布以便形成高質(zhì)量的結(jié)晶半導體膜的激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法。
本說明書中，高產(chǎn)量的意思是結(jié)晶區(qū)域形成在處理基板上的預(yù)定位置處同時基板保持臺沿一個方向，例如沿X方向連續(xù)移動而不停止。連續(xù)移動的意思是沿著一個方向移動而不改變移動速度?；灞３峙_或者處理基板的預(yù)定方向上的結(jié)晶激光照射位置的意思是用于結(jié)晶的預(yù)定結(jié)晶區(qū)域或結(jié)晶激光照射位置。測量結(jié)晶激光照射位置的意思是通過位置測量裝置沿預(yù)定方向檢測基板保持臺或處理基板上的預(yù)定位置。
通過增加被照射結(jié)晶激光的位置的精確度來實現(xiàn)較高的質(zhì)量。具體來說，實時對連續(xù)移動的基板保持臺上的位置進行測量的同時決定結(jié)晶激光照射位置，以便將結(jié)晶激光照射至處理基板。例如，假定從決定照射位置到結(jié)晶激光的觸發(fā)信號產(chǎn)生的時間是1μsec或更短，并且從激光觸發(fā)信號輸入到激光光源至結(jié)晶激光的照射的時間是1μsec或更短。這種情況下總的延遲時間是2μsec或更短，因此能夠以高定置精度將結(jié)晶激光照射至處理基板。
因此，能夠提供一種具有高產(chǎn)量的激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法，其能夠在連續(xù)移動的處理基板上的預(yù)定位置處形成具有帶有大晶粒尺寸的結(jié)晶區(qū)域的半導體膜。
將參考附圖來描述本發(fā)明的實施例。結(jié)合入該說明書并且組成該說明書一部分的附圖示出了本發(fā)明的實施例，并且與上面給出的概括描述和下面給出的實施例的詳細描述一起，用于解釋本發(fā)明的原理。所有的這些附圖中，相應(yīng)的部分用相應(yīng)參考標記來表示。實施例僅是例子，并且在不偏離本發(fā)明的范圍和精神的情況下能夠作出各種改變和變型。
(第一實施例)圖1中示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的激光結(jié)晶裝置100的一個例子。激光結(jié)晶裝置100包括結(jié)晶光學系統(tǒng)2，基板保持臺40、臺位置測量系統(tǒng)50，和產(chǎn)生用于指示結(jié)晶激光的產(chǎn)生的信號的系統(tǒng)，例如激光觸發(fā)信號產(chǎn)生系統(tǒng)60?；灞３峙_40在結(jié)晶工藝周期期間以預(yù)定速率連續(xù)移動而不停止。激光結(jié)晶裝置100基于臺位置測量系統(tǒng)50對基板保持臺上的預(yù)定位置的測量向基于處理基板30上的預(yù)定位置照射結(jié)晶激光。
結(jié)晶光學系統(tǒng)2包括例如為準分子照明光學系統(tǒng)20的光源和順序設(shè)置在光學系統(tǒng)20的輸出光路上的移相器24、反射鏡25和準分子成像光學系統(tǒng)26。如圖3中所示，準分子照明光學系統(tǒng)20是發(fā)射并調(diào)整用于照亮移相器24的結(jié)晶激光的光學系統(tǒng)。準分子照明光學系統(tǒng)20包括用于響應(yīng)激光產(chǎn)生指示信號的輸入而產(chǎn)生脈沖激光的準分子激光光源21，和用于將脈沖激光形成為具有均勻光強度分布的光通量的均化器23。
從準分子照明光學系統(tǒng)20發(fā)射的并且具有均勻光強度分布的激光照射移相器24。移相器24是相位調(diào)制所照射的激光并透射具有適合于橫向晶體生長的例如，反轉(zhuǎn)峰形的預(yù)定光強度分布的結(jié)晶激光的光學元件。反射鏡25是提供來將透過移相器24的激光的光路變?yōu)橄蛑幚砘?0的方向(圖1中的向下方向)的光學元件，并且是全反射鏡。
準分子成像光學系統(tǒng)26是用于將通過移相器24相位調(diào)制的結(jié)晶激光成像到處理基板30上，并且照射設(shè)置在處理基板30上的非單晶半導體薄膜33(參見圖2)的光學系統(tǒng)。準分子成像光學系統(tǒng)26是用于將移相器24的透射光圖像形成在非單晶半導體薄膜33上的光學系統(tǒng)。
圖1中，結(jié)晶光學系統(tǒng)2是以投影型示出，其中移相器24布置在準分子照明光學系統(tǒng)20和準分子成像光學系統(tǒng)26之間。可以采用的另一結(jié)晶光學系統(tǒng)2是接近型的，其中移相器24接近處理基板30布置。
基板保持臺40是可拆卸地安裝處理基板30且具有由于臺驅(qū)動單元45而可沿著X、Y和Z方向移動的機構(gòu)的平臺?；灞３峙_40能夠根據(jù)需要包括用于角度調(diào)整的繞X軸或Y軸旋轉(zhuǎn)的α或β調(diào)整功能，和繞Z軸旋轉(zhuǎn)的γ調(diào)整功能?；灞３峙_40的移動需要高的位置精度和好的再現(xiàn)性，且基板保持臺40例如通過空氣軸承和線性馬達驅(qū)動機構(gòu)的結(jié)合而移動。沿X方向的移動速率例如是500mm/sec。
本實施例中的臺位置測量系統(tǒng)50配置成高精確地測量連續(xù)移動的基板保持臺40或處理基板30上的預(yù)定位置。臺位置測量系統(tǒng)50包括臺位置控制單元51和X方向位置測量單元52。將臺位置測量系統(tǒng)50的輸出信號提供給臺驅(qū)動單元45和激光觸發(fā)信號產(chǎn)生系統(tǒng)60。
X方向位置測量單元52能夠通過利用例如激光干涉儀或線性標度尺，通過以高速計算脈沖信號且以幾十nm數(shù)量級的高定位精度來測量基板保持臺40沿X方向的移動距離，從而測量臺位置。
將X方向位置測量單元52的測量結(jié)果發(fā)送至臺位置控制單元51。臺位置控制單元51將該定位信息發(fā)送至臺驅(qū)動單元45且具有根據(jù)定位信息在預(yù)定定位精度范圍內(nèi)反饋控制基板保持臺40的移動速率的伺服機構(gòu)。X方向上的定位信息也被發(fā)送至激光觸發(fā)信號產(chǎn)生系統(tǒng)60。
當基板保持臺40沿X方向移動至預(yù)定位置時，激光觸發(fā)信號產(chǎn)生系統(tǒng)60產(chǎn)生用于指示結(jié)晶激光的產(chǎn)生的觸發(fā)信號。從基板保持臺40到達預(yù)定位置處到產(chǎn)生用于發(fā)射結(jié)晶激光的觸發(fā)信號之間的延遲時間例如是1μsec或更短。換句話說，指示結(jié)晶激光的發(fā)射的觸發(fā)信號以1μsec或更短的延遲時間輸入準分子照明光學系統(tǒng)20中的準分子激光光源。已經(jīng)接收了觸發(fā)信號的準分子激光光源發(fā)射脈沖激光。
處理基板30例如通過真空吸引可拆卸地安裝至基板保持臺40上的預(yù)定位置。處理基板30例如是550mm×650mm的大面積基板。須經(jīng)結(jié)晶的處理基板30的結(jié)構(gòu)通常如圖2中所示，其中絕緣膜32上的非單晶半導體膜33形成在支撐基板31上，且設(shè)置絕緣膜34作為半導體膜33上的覆蓋膜。非單晶半導體膜33例如是非晶硅膜、多晶硅膜、濺射硅膜、硅鍺膜或脫氫非晶硅膜。支撐基板31例如是玻璃基板，諸如塑料基板的絕緣基板、諸如硅片的半導體基板。
例如脫氫非晶硅膜的非單晶半導體膜33的厚度在30nm至300nm的范圍內(nèi)，且典型地例如是50nm。絕緣膜32是提供來在其結(jié)晶處理期間防止不希望的雜質(zhì)從支撐基板31擴散到非單晶半導體膜33。
覆蓋絕緣膜34具有通過利用覆蓋絕緣膜34對結(jié)晶激光的反射特性和吸熱特性存儲當用用于結(jié)晶的激光來照射非單晶半導體膜33時產(chǎn)生的熱量的功能。覆蓋絕緣膜34的熱存儲效應(yīng)有助于在停止脈沖激光之后的冷卻期間溫度梯度的平滑，并且使晶粒的構(gòu)成能夠在非單晶半導體膜33的熔化區(qū)域的尺寸很大(5μm或更大)。覆蓋絕緣膜34增強了結(jié)晶效率，但其能夠被省略。
圖3是示出圖1中所示的激光結(jié)晶裝置100中所使用的結(jié)晶光學系統(tǒng)2中的準分子照明光學系統(tǒng)20的一個例子的示圖。準分子照明光學系統(tǒng)20包括設(shè)置在與準分子激光光源21相同的光軸上的擴束器22和均化器23。
來自激光光源21的激光通過擴束器22擴展且通過均化器23在面內(nèi)強度方面均勻，然后將該激光照射至移相器(相位調(diào)制元件)24。透過移相器24的準分子激光是具有預(yù)定光強度分布的調(diào)制光，預(yù)定光強度分布例如是反轉(zhuǎn)峰形圖案光強度分布，并且該準分子激光的方向通過反射鏡25向著處理基板30改變，然后該準分子激光經(jīng)由例如準分子成像光學系統(tǒng)的成像光學系統(tǒng)26照射至處理基板30上。
激光光源21輸出具有足夠熔化例如設(shè)置在處理基板30上的非晶或多晶半導體膜的非單晶半導體膜33的能量的激光，例如輸出在非單晶半導體膜33上具有1J/cm2的能量的光。激光光源21例如是準分子激光光源，且輸出例如半值寬度為大約25至30nsec的短脈沖的脈沖激光。激光優(yōu)選例如是波長為248nm的KrF準分子激光或者波長是308nm的XeCl準分子激光。例如，準分子激光光源21是脈沖振蕩型且具有例如從100Hz至300Hz范圍內(nèi)的振蕩頻率。在本實施例中，利用振蕩頻率為100Hz和半值寬度為25nsec的KrF準分子激光。此外，照射至處理基板30上的KrF準分子激光的光能量例如是熔化非單晶硅膜所需的大約1J/cm2。激光光源21發(fā)射脈沖激光，且發(fā)射的光的強度可隨時間改變。
擴束器22將入射激光擴展，且包括擴展該光的凹透鏡22a和形成平行光的凸透鏡22b，如圖3中所示。
均化器23具有限定入射激光在X-Y截面上的范圍的功能和使所限定的形狀范圍內(nèi)的光強度分布均勻的功能。例如，沿Y方向布置多個X方向柱面透鏡以形成沿Y方向布置的多個光通量，且這些光通量通過X方向聚光透鏡沿Y方向彼此重疊，然后重新分布。同樣地，沿X方向布置多個Y方向柱面透鏡以形成沿X方向布置的多個光通量，且這些光通量通過Y方向聚光透鏡沿X方向彼此重疊，然后重新分布。更具體而言，如圖3中所示，均化器23包括包含X方向柱面透鏡23a和X方向聚光透鏡23b的第一均化器，和包含Y方向柱面透鏡23c和Y方向聚光透鏡23d的第二均化器。第一均化器使移相器24上沿Y軸方向的激光強度均勻，且第二均化器使移相器24上沿X軸方向的激光強度均勻。因此，KrF準分子激光被均化器23調(diào)節(jié)為具有預(yù)定擴展角和在截面上具有均勻光強度的照明光，且照射移相器24。
移相器24是相位調(diào)制元件的一個例子，且例如是具有臺階的石英玻璃基板。激光引起該臺階邊緣處的衍射和干涉，以提供激光強度方面的周期空間分布，且在該臺階的右側(cè)和左側(cè)之間提供例如180°的相位差。在該臺階的右側(cè)和左側(cè)之間具有180°相差的移相器24將入射光相位調(diào)制為具有對稱的反轉(zhuǎn)峰形光強度分布的光。臺階(厚度差)d能夠得自關(guān)系式d＝λ/2(n-1)，其中λ是激光的波長而n是移相器的透明基板的折射率。由此方程式，移相器24能夠例如通過相應(yīng)于光的預(yù)定相差在石英玻璃基板上形成臺階d而制得。例如，由于石英基板的折射率是1.46，KrF準分子激光的波長是248nm，因此為提供180°相差的臺階高度變?yōu)?69.6nm。石英玻璃基板的臺階能夠通過選擇蝕刻或聚焦離子束(FIB)處理而形成。移相器24具有以如下方式形成的臺階將入射光相位調(diào)制以形成反轉(zhuǎn)峰形的光強度分布，且將準分子激光的相位移動半波長。結(jié)果，照射半導體膜33的結(jié)晶激光具有反轉(zhuǎn)峰形圖案的光強度分布，其中相應(yīng)于相位移動了的部分(臺階)的部分處在最小光強度。根據(jù)這個方法，不利用用于其它方法中且遮蔽準分子激光以獲得預(yù)定光強度分布的金屬圖案就能夠獲得預(yù)定光強度分布。
已經(jīng)透射穿過移相器24的結(jié)晶激光通過像差被校正的準分子成像光學系統(tǒng)26以預(yù)定光強度分布成像在處理基板30上，該處理基板30布置在與移相器24共軛的位置。準分子成像光學系統(tǒng)26例如包括包含多個氟化鈣(CaF2)透鏡和/或合成石英透鏡的透鏡組。準分子成像光學系統(tǒng)26是具有以下性能的長焦距透鏡諸如1/5的縮小比、0.13的N.A.、2μm的分辨率、±10μm的焦深、50mm至70mm范圍內(nèi)的工作距離。
準分子成像光學系統(tǒng)26在光學共軛位置布置了移相器24和處理基板30。換句話說，處理基板30上的非單晶半導體膜33布置在與移相器24光學共軛的表面(準分子成像光學系統(tǒng)26的成像表面)。準分子成像光學系統(tǒng)26是在透鏡之間具有孔徑光闌的遠心光學系統(tǒng)。
利用這種結(jié)晶光學系統(tǒng)2，能夠?qū)⒕哂衅谕墓鈴姸确植嫉慕Y(jié)晶激光照射至處理基板30。
通過如圖1中所示的結(jié)晶裝置100的結(jié)晶處理是基于結(jié)晶激光的振動頻率固定且基板保持臺40以固定速率移動這一假定執(zhí)行結(jié)晶。根據(jù)結(jié)晶激光光源21的振動頻率(即，激光照射周期)和一次結(jié)晶激光照射的區(qū)域來確定基板保持臺40的移動速率。
用于結(jié)晶工藝的結(jié)晶激光的條件例如包括1J/cm2的結(jié)晶激光的結(jié)晶通量、100Hz的激光光源21的振動頻率、例如30nsec的激光脈沖寬度以及5mm×10mm的照射區(qū)域。如果以這些條件照射處理基板30而未留下未被照射的空間，那么基板保持臺40在激光照射的間隔(100Hz)期間移動5mm。即基板保持臺40的移動速率(V)僅需設(shè)為V＝5mm×100Hz＝500mm/sec。激光的脈沖寬度，例如，30nsec是如此短的時間使得能夠認為激光與500mm/sec的基板保持臺40的移動速率(V)相比基本上固定。
這是因為基板保持臺40在一個激光脈沖的照射周期期間的移動距離是500mm/sec×30nsec＝15nm。即，脈沖激光的一個脈沖照射周期的30nsec期間基板保持臺40的移動距離儀為15nm。這個移動距離，能夠認為基板保持臺40基本上處在固定狀態(tài)，假定30nsec的照射周期內(nèi)產(chǎn)生的晶粒的直徑為5μm至10μm。換句話說，即使結(jié)晶區(qū)域中形成的薄膜晶體管的柵極寬度所需的定位精度是其柵極寬度的十分之一或更小，例如0.5μm，則在基板保持臺40基本上處于固定狀態(tài)的同時，基板保持臺40的移動速率(V)能夠被認為已經(jīng)進行了結(jié)晶工藝。
因此，在本實施例中，結(jié)晶激光能夠被照射至連續(xù)移動處理基板30上的預(yù)定激光照射區(qū)域，以熔化和結(jié)晶該區(qū)域。換句話說，上面描述的結(jié)晶工藝能夠在基板保持臺40連續(xù)移動的同時通過脈沖激光來結(jié)晶?；灞３峙_40相對于由激光光源21的結(jié)晶激光照射位置沿預(yù)定方向，例如沿X方向連續(xù)移動。
基板保持臺40的這種高移動速率能夠通過驅(qū)動機構(gòu)而獲得，該驅(qū)動機構(gòu)是空氣軸承和線性馬達的組合。然而，空氣軸承/線性馬達驅(qū)動機構(gòu)的速率穩(wěn)定性至多為大約±0.1％。因此，當激光振動頻率固定在100Hz且在以500mm/sec的速率連續(xù)移動基板保持臺40的同時照射結(jié)晶激光時，定位精度結(jié)果為(500mm/sec±0.1％)×(1/100sec)＝5mm±0.1％＝4995μm至5005μm，這導致±5μm的照射位置誤差。當如此固定激光振動頻率時，不可能獲得所需的±1μm的定位精度。即，如果使結(jié)晶激光的振動頻率固定且基板保持臺40以固定速率移動來執(zhí)行結(jié)晶，則用于形成晶粒的位置不能實現(xiàn)1μm或更小的預(yù)定定位精度。因此，需要根據(jù)一些定位測量來控制和確定結(jié)晶激光的照射定時，從而使激光照射至處理基板30或基板保持臺40的預(yù)定照射位置。
為了提高結(jié)晶工藝的產(chǎn)量且為了高精度地將激光照射至如上所述的處理基板30上的預(yù)定位置，檢測移動中的處理基板30的位置或?qū)崟r檢測基板保持臺40的位置，且根據(jù)該檢測信息照射該結(jié)晶激光是很重要的。
接著，將參考圖4來描述這個結(jié)晶工藝的實施例。圖4是解釋根據(jù)本實施例的結(jié)晶工藝的一個例子的流程圖。在這個例子中，將考慮這樣的情況，通過X方向位置測量單元52來實時測量在沿著X方向連續(xù)移動的基板保持臺40上的X方向上的位置，從而通過激光觸發(fā)信號產(chǎn)生系統(tǒng)以1μsec或更短的延遲時間產(chǎn)生激光照射信號。
結(jié)晶工藝在步驟401中通過沿X方向連續(xù)移動基板保持臺40而開始。步驟402中，X方向位置測量單元52實時測量連續(xù)移動的基板保持臺40的X方向上的位置，然后將位置脈沖信號經(jīng)由臺位置控制單元51發(fā)送至激光觸發(fā)信號產(chǎn)生系統(tǒng)60。X方向上的測量位置也能夠被設(shè)為在處理基板30上的預(yù)定位置。在步驟403中，激光觸發(fā)信號產(chǎn)生系統(tǒng)60計算脈沖信號，且判定基板保持臺40是否已經(jīng)到達結(jié)晶激光照射位置。
當判定基板保持臺40已經(jīng)到達結(jié)晶激光照射位置時，在步驟404中，激光觸發(fā)信號產(chǎn)生系統(tǒng)60產(chǎn)生激光觸發(fā)信號作為結(jié)晶激光產(chǎn)生指示信號，然后將其發(fā)送至激光光源21。從判定到發(fā)送激光觸發(fā)信號的時間通常為1μsec或更短。在步驟405中，激光光源21響應(yīng)于所接收的觸發(fā)信號產(chǎn)生結(jié)晶激光，且將結(jié)晶激光照射至處理基板30上。從接收觸發(fā)信號到在激光光源21中產(chǎn)生結(jié)晶激光之間的延遲時間也為1μsec或更短。
因此，從結(jié)晶激光照射位置的檢測到將激光照射至基板上的周期，即從步驟403至步驟405的延遲時間為(1+1)μsec或更短。移動距離，即這個周期期間基板保持臺40的位移為500mm/sec×(1+1)μsec＝1μm或更短。激光觸發(fā)信號產(chǎn)生系統(tǒng)60中的延遲時間能夠進一步減小，從而可以使位移量減小至亞微米。
接著，進行到步驟406，激光觸發(fā)信號產(chǎn)生系統(tǒng)60判定是否X方向上的所有預(yù)定位置都已經(jīng)被結(jié)晶激光照射。如果即使在X方向上檢測到未被照射過的單個位置，結(jié)晶處理也返回步驟402并執(zhí)行用于結(jié)晶未被處理的地方的激光照射。如果X方向上的所有地方都被照射，則結(jié)晶工藝進行到步驟407。在步驟407中，激光觸發(fā)信號產(chǎn)生系統(tǒng)60判定是否Y方向上的所有位置都已經(jīng)被照射。如果激光觸發(fā)信號產(chǎn)生系統(tǒng)60判定在Y方向上有一個地方未被照射，則結(jié)晶工藝進行到步驟408，且Y方向上的該位置移動到下一個位置，然后返回步驟401。如果Y方向上的所有位置都已經(jīng)被照射，則激光觸發(fā)信號產(chǎn)生系統(tǒng)60判定一個處理基板30的結(jié)晶工藝已經(jīng)完成。
接著，完成了結(jié)晶工藝的處理基板30被自動卸載，且下一個處理基板30被自動裝載并布置在基板保持臺40上的預(yù)定位置。
根據(jù)本實施例，結(jié)晶激光以例如10mm×5mm的尺寸照射例如550mm×650mm的大面積基板的整個區(qū)域所需的時間例如是(650mm/500mm/sec)×(550mm/10mm)＝71.5sec。
實際上，每當完成安裝在基板保持臺40上的處理基板30上的一次X方向掃描且臺40移動至Y方向上的下一個位置時，激光結(jié)晶裝置100都通過反轉(zhuǎn)X掃描方向總共重復X方向掃描55次。因此，結(jié)晶工藝需要Y方向的移動時間和反轉(zhuǎn)基板保持臺40沿X方向的移動的減速和加速時間。即使將這些考慮在內(nèi)，結(jié)晶工藝的產(chǎn)量也能夠每小時處理大約20至30片，由此根據(jù)該實施例實現(xiàn)了高產(chǎn)量。
如上所述，激光結(jié)晶裝置100包括臺位置測量裝置和激光觸發(fā)信號產(chǎn)生裝置，由此以高定位精度非?？斓囟ㄎ恢令A(yù)定位置并能夠照射結(jié)晶激光。即，激光結(jié)晶裝置100能夠使從結(jié)晶激光照射位置的檢測至照射激光之間的時間延遲為2μsec或更短，且能夠以1μm或更小的高定位精度將激光照射至處理基板30。因此，激光結(jié)晶裝置100能夠?qū)⒕哂蓄A(yù)定光強度分布的結(jié)晶激光以高定位精度照射至連續(xù)高速移動的處理基板30上。這使得提供具有能夠通過熔化和結(jié)晶非單晶半導體膜形成具有大晶粒尺寸的半導體膜的高產(chǎn)量的激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法成為可能。
(第二實施例)在第一實施例中，通過校正臺的移動速率的偏差而提高了移動的基板保持臺在X方向的定位精度。然而，即使在利用空氣軸承/線性馬達驅(qū)動機構(gòu)的基板保持臺40的高精度控制裝置中，在大約500mm/sec的高速率X方向移動的情況下，至多實現(xiàn)Y和Z方向上大約10μm的筆直度(straightness)。因此，需要以1μm或更小的定位精度照射結(jié)晶激光的激光結(jié)晶裝置100必須在沿著X方向移動基板保持臺40的同時進行另一個沿Y和/或Z方向的定位校正。
如圖5中所示，本發(fā)明的第二實施例涉及激光結(jié)晶裝置500，該激光結(jié)晶裝置500執(zhí)行結(jié)晶，以便在對沿垂直于基板保持臺40的移動方向(X方向)的Y和Z方向至少之一的定位偏差進行校正的同時沿X方向連續(xù)移動處理基板。第二實施例示出了實現(xiàn)X-Y平面的高精度定位控制和高度上在Z方向的高精度定位控制，即聚焦精度的激光結(jié)晶裝置。相同的標記指示與圖1中相同的部件，且不再詳細描述這些部件。Y方向上的定位控制的意思是控制X掃描方向上的下一個激光照射位置。高度上Z方向的定位控制的意思是控制處理基板30定位在準分子照明光學系統(tǒng)20的焦平面處。
如圖5中所示，本實施例的特征在于臺位置測量系統(tǒng)50a除了第一實施例中的臺位置控制單元51和X方向位置測量單元52之外還包括Y方向位置測量單元53和Z方向位置測量單元54。臺位置測量系統(tǒng)50a以較高的定位精度測量移動的基板保持臺40的位置。臺位置測量系統(tǒng)50a將基板保持臺40的位置信號提供給臺驅(qū)動單元45和激光觸發(fā)信號產(chǎn)生系統(tǒng)60。
X方向位置測量單元52和Y方向位置測量單元53例如利用激光干涉儀或線性標度尺以與第一實施例中的X方向位置測量單元52相同的方式以幾十nm量級的高定位精度非常快地分別測量基板保持臺40在X方向和Y方向上的位置。
Z方向位置測量單元54測量處理基板30的高度，且其能夠例如利用上述的線性標度尺。然而，盡管圖中未示出，由于玻璃基板厚度方面膨脹大約幾十μm，因此處理基板30在Z方向具有偏差，從而利用表面位置測量系統(tǒng)更有效，該表面位置測量系統(tǒng)通過利用激光的表面反射測量處理基板30表面的實際高度。關(guān)于被測量處理基板30的表面高度的位置，能夠測量任何不同于結(jié)晶激光當前被照射的位置的其它位置。在這種情況下，能夠使用以下方法預(yù)先測量下一個被照射的位置處處理基板30的表面高度且將其存儲在存儲器內(nèi)，然后在激光照射時從存儲器中讀取以在那里控制進行沿Z方向上的校正。
基板保持臺40的Y方向的位置根據(jù)臺40的移動筆直度和臺40的加工精度從預(yù)定位置變化。因此，預(yù)先測量沿X方向連續(xù)移動期間在Y方向上的位移，且將數(shù)據(jù)存儲在例如作為校正表48的存儲器內(nèi)。通過Y方向位置測量單元53測量沿X方向連續(xù)移動期間基板保持臺40的Y方向的位置。Y方向的位置的測量結(jié)果經(jīng)由臺位置控制單元51發(fā)送至臺驅(qū)動單元45。臺驅(qū)動單元45將測量值與用于Y方向的校正表48內(nèi)預(yù)先存儲值相比較，以輸出位移量，并校正和控制基板保持臺40的Y方向位置，以便位移量變?yōu)榱恪?br> 在Z方向上，處理基板30的表面高度由于除了基板保持臺40的垂直移動時的筆直度之外大面積處理基板30的平坦度，例如厚度改變和彎曲而變化。Z方向上的位置(高度)通過Z方向位置測量單元54而測得。Z方向位置測量單元54以與X方向和Y方向位置測量單元52和53相同的方式，利用線性標度尺等等測量基板保持臺40的表面位置，即高度。Z方向上的測量結(jié)果與預(yù)先測量和存儲在校正表48內(nèi)的平臺在Z方向上的高度數(shù)據(jù)相比較，以修正和控制高度方向上的偏差量。然而，在這種情況下，由于基板保持臺40移動時的筆直度而引起的Z方向上的高度變化可以被校正，但是由于安裝在基板保持臺40上的處理基板30的平坦度引起的高度變化則不能被校正。
如果大面積處理基板30是玻璃基板，同樣由于玻璃基板的平坦度引起的Z方向上的高度變化的量通常大于10μm。只要這個高度變化量在準分子成像光學系統(tǒng)26的焦深范圍內(nèi)，就將不會有問題。然而，激光結(jié)晶裝置500的焦深典型地為大約±5至10μm，這取決于每個激光結(jié)晶裝置500的光學系統(tǒng)。因此，在激光結(jié)晶裝置500的臺驅(qū)動單元45中也需要由于處理基板30的平坦度而引起的在Z方向上的高度的校正功能。
因此，在臺位置測量系統(tǒng)50a中，在測量處理基板30的表面的實際高度的同時優(yōu)選控制處理基板30的水平面。例如樣品表面位置測量系統(tǒng)54能夠用作Z方向位置測量單元54，該樣品表面位置測量系統(tǒng)54利用測量激光的表面反射來測量處理基板30的表面的高度。用于測量處理基板30的高度的位置能夠從結(jié)晶激光的當前照射位置移位，且例如可以在結(jié)晶激光下次照射的位置處預(yù)先測量表面高度。然后，Z方向位置測量單元54將測量結(jié)果反饋給臺驅(qū)動單元45以便處理基板30的Z方向高度能夠被控制。
照這樣，臺位置測量系統(tǒng)50a除了在X方向上高精度定位之外，還可以在Y方向和/或Z方向上高精度定位。因此，激光結(jié)晶裝置500將具有光學調(diào)制了的光強度分布的結(jié)晶脈沖激光照射至以高定位精度非?？斓囟ㄎ坏奶幚砘?0上的預(yù)定位置，以熔化和結(jié)晶非單晶半導體膜33。因此，能夠提供具有高產(chǎn)量的能夠形成具有大晶粒尺寸的半導體薄膜33的激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法。
(第三實施例)在第一和第二實施例中，已經(jīng)利用了一種結(jié)晶光學系統(tǒng)2，第三實施例涉及具有多個結(jié)晶光學系統(tǒng)2N的激光結(jié)晶裝置的例子。
圖6是示出了本實施例中激光結(jié)晶裝置600的一個例子的示圖。相同的標記指示與圖1中相同的部件，且不再詳細描述這些部件。圖6中，為了解釋的簡單性，示出了例如第一和第二結(jié)晶光學系統(tǒng)2A和2B的兩個結(jié)晶光學系統(tǒng)分離地布置在Y方向上的例子，Y方向垂直于基板保持臺40的掃描方向(X方向)。然而，結(jié)晶光學系統(tǒng)的數(shù)目及其布置并不局限于上述的數(shù)目和布置。圖6中，相同光學元件的數(shù)字標記增加了字母標記以與圖5中的光學系統(tǒng)相區(qū)別。
參考圖6，布置了第一和第二結(jié)晶光學系統(tǒng)2A和2B以便將其分配給例如在基板保持臺40上沿Y方向分離20mm的照射分開位置，因為在這種情況下，結(jié)晶激光的一個照射區(qū)域的Y方向上的尺寸為10mm。在分配了處理基板30上的多個被照射區(qū)域這種照射方法中，處理基板30的兩個分開的區(qū)域能夠同時被結(jié)晶，且結(jié)晶時間能夠減少至第一實施例中的將近一半。
至于被第一和第二結(jié)晶光學系統(tǒng)2A和2B照射的區(qū)域，結(jié)晶基板30上的區(qū)域可被分配為如圖6中的實施例中的鄰近照射區(qū)域，或者可被預(yù)先分成半?yún)^(qū)域A和B，以便結(jié)晶光學系統(tǒng)2A和2B用于同時分別照射A區(qū)域和B區(qū)域。第一和第二結(jié)晶光學系統(tǒng)2A和2B的照射定時可以是同時的或交錯的。
圖7中示出了利用圖6中的激光結(jié)晶裝置600的結(jié)晶激光照射的區(qū)域的關(guān)系的一個例子。圖7中，垂直方向表示基板保持臺40連續(xù)移動的X方向，且水平方向表示Y方向。在X方向上，在圖中，在諸如第一時間和第三時間的奇數(shù)掃描時間照射區(qū)域從上向下移動，同時在偶數(shù)掃描時間照射區(qū)域從下向上移動。(實際上，照射位置固定，而處理基板30移動。)第一和第二結(jié)晶光學系統(tǒng)2A和2B照射的區(qū)域是在一次X掃描(例如，從上向下)中沿Y方向分開20mm的平行區(qū)域。換句話說，寬度為10mm的非結(jié)晶區(qū)域保持在被來自第一和第二結(jié)晶光學系統(tǒng)2A和2B的結(jié)晶激光照射的寬度為10mm的兩個結(jié)晶區(qū)域之間。當基板保持臺40為了返回執(zhí)行用于下一次掃描的結(jié)晶處理而移動時，即，當基板保持臺40沿相反方向移動，以便對于非單晶半導體基板30上的所有區(qū)域執(zhí)行結(jié)晶處理時，這個非結(jié)晶區(qū)域被激光照射。因此，在該實施例的這個照射方法中，例如，基板保持臺40沿Y方向的移動量當在X掃描中從奇數(shù)時間至偶數(shù)時間進行移動時，為沿左向10mm，并且當從偶數(shù)時間至奇數(shù)時間進行移動時，為向左30mm，從而能夠使處理基板30的整個區(qū)域結(jié)晶而不遺留未被照射的空間。
在本實施例的照射方法中，能夠在進行結(jié)晶的同時如同第一和第二實施例中那樣對于基板保持臺40的X、Y和Z方向上的位置進行校正。X和Y方向上的位置的高精度校正和控制能夠通過上述的方法執(zhí)行而沒有問題。然而，關(guān)于Z方向上的校正，同時用這兩個結(jié)晶激光照射的兩個照射區(qū)域分開。因此，在遠離Z方向位置測量單元54的測量位置的照射區(qū)域中，存在在Z方向上高度不被正確校正的可能性。然而，分開20mm的位置之間的高度差很小，并且典型地在處理基板30的平坦度方面最多是1至2μm或更小，從而該差值充分地小于準分子成像光學系統(tǒng)26的焦深，且不引起任何問題。
因此，根據(jù)本實施例，使用了多個結(jié)晶光學系統(tǒng)2，以便能夠同時或以一個延遲來結(jié)晶多個結(jié)晶區(qū)域，從而允許提供較高產(chǎn)量的激光結(jié)晶裝置，且同時在X方向、Y方向和/或Z方向上提供高精度定位。此外，根據(jù)本實施例，可以提供一種激光結(jié)晶裝置，該激光結(jié)晶裝置將具有光學調(diào)制了的光強度分布的多個結(jié)晶激光照射至以高定位精度非?？斓囟ㄎ辉陬A(yù)定位置的基板，以熔化和結(jié)晶非單晶半導體膜33，以便其能夠提供具有高產(chǎn)量的能夠形成具有大晶粒尺寸的半導體薄膜33的激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法。
(第四實施例)本發(fā)明的第四實施例涉及一種激光結(jié)晶裝置800，其利用兩個結(jié)晶光學系統(tǒng)，例如第一和第二結(jié)晶光學系統(tǒng)2A和2B以順序地將結(jié)晶激光照射至在半導體膜32上分離幾μm的位置，并由此將其結(jié)晶。
在本實施例中，結(jié)晶激光多次照射至連續(xù)移動的處理基板30上幾乎相同的照射區(qū)域以實現(xiàn)結(jié)晶。在將結(jié)晶激光多次照射至幾乎相同的照射區(qū)域的實施例中，例如，照射第一結(jié)晶激光，然后照射第二結(jié)晶激光，以便用第二結(jié)晶激光照射的大部分區(qū)域與用第一結(jié)晶激光照射的區(qū)域重疊。在這個實施例中，在通過第一激光結(jié)晶形成有大晶粒的半導體膜中，第二結(jié)晶激光進一步照射至在晶粒的生長方向分離幾μm的位置，從而使半導體膜能夠重新結(jié)晶以具有較大的矩形晶粒。
當僅執(zhí)行一次結(jié)晶時，具有小尺寸和不同晶體取向的晶粒傾向于形成在晶體生長起始位置處，此處是激光強度最小的地方，此外，其中的特定晶粒優(yōu)先生長為基體(base)小的大晶粒形狀。然后，第二結(jié)晶激光以幾μm的位移照射，以熔化上述小晶粒且使得作為籽晶的大晶粒的晶體生長成更大的方形晶粒。
在本實施例中，除上述的技術(shù)之外，結(jié)晶激光的照射位置通過臺位置測量系統(tǒng)50a來精確控制。因此，通過利用多個結(jié)晶光學系統(tǒng)理想地實現(xiàn)這種結(jié)晶激光的多個照射。
圖8中示出了根據(jù)本實施例的激光結(jié)晶裝置800的一個例子。如圖所示，第一和第二結(jié)晶光學系統(tǒng)2A和2B共享一個準分子成像光學系統(tǒng)26。因此，第一和第二結(jié)晶激光沿著激光結(jié)晶裝置800中相同的光軸照射處理基板30。
下面將參考圖8和9介紹本實施例中的結(jié)晶工藝的一個例子。參考圖8，第一和第二準分子照明光學系統(tǒng)20A和20B分別包括P偏振和S偏振激光光源(未示出)，且被設(shè)計成經(jīng)由單個準分子成像光學系統(tǒng)26照射處理基板30的相同區(qū)域。第一和第二移相器24A和24B設(shè)置在與處理基板30相等距離的位置處。偏振鏡70反射來自第一照明光學系統(tǒng)20A的P偏振光且透射來自第二照明光學系統(tǒng)20B的S偏振光。
圖9所示的是本實施例中的結(jié)晶工藝的一個例子的流程圖。步驟901至903與第一實施例中的步驟401至403相同，因此不再詳細描述。在步驟903中，判定沿X方向移動的基板保持臺40的位置是否處在結(jié)晶激光照射位置。在步驟904中，如果基板保持臺40的位置處在結(jié)晶激光照射位置，則激光觸發(fā)信號產(chǎn)生系統(tǒng)60產(chǎn)生第一結(jié)晶激光觸發(fā)信號并將其發(fā)送到第一激光光源21A，與第一實施例一樣。在步驟905中，第一激光光源21A響應(yīng)第一觸發(fā)信號產(chǎn)生第一結(jié)晶激光，且照射處理基板30。
激光觸發(fā)信號產(chǎn)生系統(tǒng)60發(fā)送第一結(jié)晶激光觸發(fā)信號至第一激光光源21A，并且同時，啟動用于第二激光光源21B的延遲計時器(步驟906)。延遲計時器中設(shè)定的延遲時間Td能夠如下確定。
能夠在一次結(jié)晶工藝中形成的晶粒的尺寸通常為5至10μm。第二結(jié)晶激光的照射位置被移動例如3μm。如果基板保持臺40的移動速率為500mm/sec，則延遲時間Td能夠通過下面的等式獲得。
Td＝3×10-6(m)/5×10-1(m/sec)＝6×10-6(sec)＝6μsec另一方面，PMELA裝置中通過激光的照射的結(jié)晶是在激光照射之后0.1至0.2μsec內(nèi)完成的。因此，在6μsec的延遲時間之后的第二結(jié)晶激光的照射時，通過第一結(jié)晶激光照射的結(jié)晶完全完成，且在非單晶半導體膜33上形成大晶粒。
在步驟907中，在預(yù)定延遲時間Td過去之后，激光觸發(fā)信號產(chǎn)生系統(tǒng)60向第二激光光源21B發(fā)送第二激光觸發(fā)信號。在步驟908中，第二激光光源21B響應(yīng)第二觸發(fā)信號照射第二結(jié)晶激光。
因此，第一和第二激光光源21A和21B的照射定時稍微交錯，從而使第一和第二結(jié)晶激光能夠以高定位精度照射至連續(xù)移動的處理基板30上僅分開幾μm的位置。
然后，激光觸發(fā)信號產(chǎn)生系統(tǒng)判定是否X方向上所有的位置都已經(jīng)被照射(步驟909)，并判定是否Y方向上所有的位置都已經(jīng)被照射(步驟910)，與第一實施例中的步驟406中和步驟406之后一樣。如果處理基板30的整個區(qū)域都已經(jīng)被照射，則完成該工藝。
雖然根據(jù)第一實施例已經(jīng)描述了本實施例，但是Y方向和/或Z方向上的定位校正也能夠如第二實施例中所描述的一起進行。
照這樣，多個結(jié)晶激光，例如，兩個結(jié)晶激光以幾μsec的輕微差異(延遲)順序地照射至處理基板30上的非單晶半導體膜33，以便在薄膜33中生長較大的晶粒。而且，在連續(xù)移動處理基板的同時，沿X方向、Y方向和/或Z方向高精度地控制定位，以便能夠照射具有預(yù)定光強度分布的結(jié)晶激光。這使得提供具有高產(chǎn)量的能夠熔化和結(jié)晶非單晶半導體膜以形成具有大晶粒尺寸的半導體薄膜的激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法成為可能。
本發(fā)明并不局限于上述的實施例，且能夠作出各種變型。例如，在圖1中作為例子的方式描述了投影照射方法，其中移相器的圖像經(jīng)由成像透鏡被投影至處理基板上，但是其也可使用鄰近照射方法，其中移相器鄰近處理基板布置。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法，該激光結(jié)晶裝置包括產(chǎn)生激光的激光光源；以及調(diào)制該激光以透射具有預(yù)定光強度分布的激光的移相器，其中通過移相器調(diào)制的激光照射至設(shè)置在處理基板上的薄膜，以熔化和結(jié)晶該薄膜的照射區(qū)域，且該激光結(jié)晶裝置的特征在于該裝置包括安裝處理基板且在涉及脈沖激光照射位置的預(yù)定方向上連續(xù)移動的基板保持臺；用于測量沿著預(yù)定方向連續(xù)移動的該基板保持臺的位置的位置測量裝置；以及用于根據(jù)由該位置測量裝置測量的該基板保持臺的位置指示激光的產(chǎn)生的信號產(chǎn)生裝置，且該薄膜是非晶硅膜。
此外，該激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法的特征在于激光為準分子激光。在另一實施例中，激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法的特征在于激光照射至薄膜上的多個預(yù)定位置。在另一實施例中，激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法的特征在于控制垂直于連續(xù)移動的方向的至少一個方向上基板保持臺的位置。在另一實施例中，激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法的特征在于垂直于連續(xù)移動的方向的方向包括在薄膜表面內(nèi)的一個方向，并且連續(xù)移動的筆直度控制為10微米或更小。在另一實施例中，激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法的特征在于垂直于連續(xù)移動的方向的方向包括垂直于薄膜表面的方向，且提供有第二位置測量裝置，用來測量垂直于薄膜表面的方向上基板保持臺的位置。在另一實施例中，激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法的特征在于第二位置測量裝置包括激光反射型探測器。在另一實施例中，激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法的特征在于由第二位置測量裝置測量的位置是在連續(xù)移動的方向上且位于用激光照射的位置之前的位置。在另一實施例中，激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法的特征在于沿垂直于連續(xù)移動的方向的方向控制基板保持臺的位置的精度控制到5微米或更小。在另一實施例中，激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法的特征在于位置測量裝置包括激光干涉儀。在另一實施例中，激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法的特征在于位置測量裝置包括線性標度尺。在另一實施例中，激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法的特征在于從通過位置測量裝置測量基板保持臺的位置到通過信號產(chǎn)生裝置產(chǎn)生指示激光照射的信號之間的延遲時間為1微秒或更短。在另一實施例中，激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法的特征在于基板保持臺的連續(xù)移動是速率受控的。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種激光結(jié)晶裝置，該激光結(jié)晶裝置包括產(chǎn)生激光的多個激光光源；以及調(diào)制各自的激光以透射具有預(yù)定光強度分布的激光的多個移相器，其中通過移相器調(diào)制的多個激光照射至設(shè)置在處理基板上的薄膜，以熔化和結(jié)晶該薄膜的照射區(qū)域，且激光結(jié)晶裝置的特征在于該裝置包括安裝處理基板且在涉及脈沖激光照射位置的預(yù)定方向上連續(xù)移動的基板保持臺；用于測量沿著預(yù)定方向連續(xù)移動的該基板保持臺的位置的位置測量裝置；以及用于根據(jù)由該位置測量裝置測量的該基板保持臺的位置指示激光的產(chǎn)生的信號產(chǎn)生裝置，且該薄膜是非晶硅膜。此外，該激光結(jié)晶裝置的特征在于激光是準分子激光。
在另一實施例中，激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法的特征在于激光被照射至薄膜上的多個預(yù)定位置。在另一實施例中，激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法的特征在于激光照射至在連續(xù)移動方向上并且在薄膜上分開1至30微米的不同位置。在另一實施例中，激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法的特征在于控制垂直于連續(xù)移動的方向的至少一個方向上基板保持臺的位置。在另一實施例中，激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法的特征在于垂直于連續(xù)移動的方向的方向包括在薄膜表面內(nèi)的一個方向，并且連續(xù)移動的筆直度控制為10微米或更小。在另一實施例中，激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法的特征在于垂直于連續(xù)移動的方向的方向包括垂直于薄膜表面的方向，且提供有第二位置測量裝置，用來測量垂直于薄膜表面的方向上基板保持臺的位置。在另一實施例中，激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法的特征在于第二位置測量裝置包括激光反射型探測器。在另一實施例中，激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法的特征在于由第二位置測量裝置測量的位置是在連續(xù)移動的方向上且位于用激光照射的位置之前的位置。在另一實施例中，激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法的特征在于沿垂直于連續(xù)移動的方向的方向控制基板保持臺的位置的精度控制到5微米或更小。在另一實施例中，激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法的特征在于位置測量裝置包括激光干涉儀。在另一實施例中，激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法的特征在于位置測量裝置包括線性標度尺。在另一實施例中，激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法的特征在于從通過位置測量裝置測量基板保持臺的位置到通過信號產(chǎn)生裝置產(chǎn)生指示激光照射的信號之間的延遲時間為1微秒或更短。在另一實施例中，激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法的特征在于基板保持臺的連續(xù)移動是速率受控的。
本發(fā)明并不局限于上述的實施例，且能夠作出各種變型。例如，在圖1中作為例子的方式描述了投影照射方案，其中移相器的圖像經(jīng)由成像透鏡被投影至處理基板上，但是其也可使用鄰近照射方案，其中移相器鄰近處理基板布置。
如上所述，在本發(fā)明中，激光結(jié)晶裝置包括位置測量裝置和激光觸發(fā)信號產(chǎn)生裝置。這使得提供具有高產(chǎn)量的激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法成為可能，其能夠在連續(xù)移動處理基板的同時在高定位精度區(qū)域內(nèi)形成具有大晶粒尺寸的高質(zhì)量半導體膜。
已經(jīng)給出了這里所公開的實施例的上述說明，從而本領(lǐng)域技術(shù)人員可以制造并利用本發(fā)明。
其它優(yōu)點和變型對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是容易想到的。因此，本發(fā)明就其更寬的方面來說并不局限于這里所示出和描述的特定細節(jié)和代表性的實施例。因此，在不脫離所附權(quán)利要求及其等價物所限定的總的發(fā)明構(gòu)思的精神或范圍的情況下，可以作出各種變型。
權(quán)利要求
1.一種激光結(jié)晶裝置，其特征在于包括根據(jù)激光產(chǎn)生指示信號的輸入產(chǎn)生脈沖激光的激光光源；以及設(shè)置在該激光的光路上并調(diào)制該脈沖激光以透射具有預(yù)定光強度分布的脈沖激光的移相器，其中通過該移相器調(diào)制的該脈沖激光被照射至設(shè)置在處理基板上的結(jié)晶薄膜，以熔化和結(jié)晶該結(jié)晶薄膜的照射區(qū)域，該激光結(jié)晶裝置包括安裝該處理基板且在涉及脈沖激光照射位置的預(yù)定方向上連續(xù)移動的基板保持臺；測量在該預(yù)定方向上連續(xù)移動的該基板保持臺的位置的位置測量裝置；以及根據(jù)由該位置測量裝置測量的該基板保持臺的位置來指示脈沖激光的產(chǎn)生的信號產(chǎn)生裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光結(jié)晶裝置，其特征在于該基板保持臺包括沿X方向調(diào)整激光照射位置的第一控制系統(tǒng)，沿Y方向調(diào)整激光照射位置的第二控制系統(tǒng)，和/或沿Z方向調(diào)整激光照射位置到該激光的焦平面的高度的第三控制系統(tǒng)。
3.一種激光結(jié)晶裝置，其特征在于包括根據(jù)激光產(chǎn)生指示信號的輸入而產(chǎn)生脈沖激光的多個激光光源；以及設(shè)置在各個激光的光路上且調(diào)制該脈沖激光以透射具有預(yù)定光強度分布的所述脈沖激光的多個移相器，其中通過該移相器調(diào)制的該多個脈沖激光被照射至設(shè)置在處理基板上的薄膜，以熔化和結(jié)晶該薄膜的照射區(qū)域，該激光結(jié)晶裝置包括安裝該處理基板且在涉及脈沖激光照射位置的預(yù)定方向上連續(xù)移動的基板保持臺；測量在該預(yù)定方向上連續(xù)移動的該基板保持臺的位置的位置測量裝置；以及根據(jù)由該位置測量裝置測量的該基板保持臺的位置來指示該脈沖激光的產(chǎn)生的信號產(chǎn)生裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光結(jié)晶裝置，其特征在于該多個激光光源被設(shè)置成同時將脈沖激光照射至在垂直于該連續(xù)移動的方向的第二方向上布置的該薄膜上的不同位置處。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光結(jié)晶裝置，其特征在于通過該多個激光光源產(chǎn)生的該脈沖激光被設(shè)置成照射至在該連續(xù)移動的方向上的該薄膜上的不同位置處。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任意一項所述的激光結(jié)晶裝置，其特征在于該激光光源與該激光產(chǎn)生指示信號的輸入同步地產(chǎn)生該脈沖激光。
7.一種激光結(jié)晶方法，其特征在于包括沿預(yù)定方向連續(xù)移動其上安裝有處理基板的基板保持臺；測量該連續(xù)移動的基板保持臺上的預(yù)定位置；輸出根據(jù)該測量的位置信息指示激光的產(chǎn)生的激光產(chǎn)生指示信號；一收到該激光產(chǎn)生指示信號就產(chǎn)生脈沖激光；調(diào)制該脈沖激光；以及將該調(diào)制了的脈沖激光照射在該處理基板上，以熔化和結(jié)晶設(shè)置在該處理基板上的結(jié)晶薄膜的照射區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光結(jié)晶方法，其特征在于照射該處理基板的該脈沖激光具有多個脈沖激光光路，且照射該處理基板的不同區(qū)域。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的激光結(jié)晶方法，其特征在于該連續(xù)移動的基板保持臺上的該預(yù)定位置的測量包括在X方向和Y方向上將該測量的位置與預(yù)定結(jié)晶位置對準，和/或?qū)方向上的該測量的位置與該脈沖激光的焦平面對準。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的激光結(jié)晶方法，其特征在于該脈沖激光的產(chǎn)生包括與該激光產(chǎn)生指示信號的輸入同步地產(chǎn)生該脈沖激光。
全文摘要
提供一種具有高產(chǎn)量的激光結(jié)晶裝置和結(jié)晶方法。具有預(yù)定光強度分布的激光照射至半導體膜上以熔化和結(jié)晶，其中以高定位精度非?？斓卦O(shè)置照射位置，由此形成具有大晶粒尺寸的半導體膜。根據(jù)本發(fā)明的一個方面的激光結(jié)晶裝置包括結(jié)晶激光光源(21)、將脈沖激光調(diào)制為具有預(yù)定光強度分布的移相器(24)、準分子成像光學系統(tǒng)(26)、安裝處理基板(30)且沿著預(yù)定方向連續(xù)移動的基板保持臺(40)、位置測量裝置(50)以及基于通過位置測量裝置(50)測量的平臺(40)的位置指示脈沖激光的產(chǎn)生的信號產(chǎn)生裝置(60)。
文檔編號H01L21/02GK1983511SQ200610064040
公開日2007年6月20日 申請日期2006年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月15日
發(fā)明者高見芳夫, 田口龍大 申請人:株式會社液晶先端技術(shù)開發(fā)中心, 株式會社島津制作所