專利名稱：激光退火方法以及激光退火裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將整形為矩形光束的脈沖激光照射到半導(dǎo)體膜對半導(dǎo)體膜進(jìn)行改性 (reform)的激光退火方法及激光退火裝置。
背景技術(shù)：
激光退火，是對在由低熔點剝離(通常是無堿玻璃)構(gòu)成的基板上形成的非晶硅膜 (以下，稱為a-Si膜)照射激光束，使其熔融、固化并再結(jié)晶化，由此形成多晶硅膜的處理(例 如，參照下述專利文獻(xiàn)1)。結(jié)晶化了的硅膜與a-Si膜相比電氣特性優(yōu)越，因此在對便攜電 話、數(shù)字靜態(tài)攝影機等的要求高精細(xì)的顯示的液晶顯示器進(jìn)行驅(qū)動的晶體管中采用。激光退火如果如下方式進(jìn)行，將從激光光源出射的脈沖激光，使用光學(xué)系統(tǒng)加工 成剖面為細(xì)長的矩形光束，通過使該矩形光束對基板上的半導(dǎo)體膜(例如a-Si膜)在光束 的短軸(minor axis)方向相對地進(jìn)行掃描。通常，通過使基板移動，進(jìn)行矩形光束的掃描。 此外，該掃描以激光照射區(qū)域部分地重復(fù)的方式來實施。在下述的專利文獻(xiàn)2和3中，公開了作為激光光源使用準(zhǔn)分子激光的激光退火裝 置(以下，稱為準(zhǔn)分子激光退火裝置)的光學(xué)系統(tǒng)的整體圖。該光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成為包括柱面 透鏡陣列，將矩形光束在長軸(major axis)方向和短軸方向分別分割為多個；以及聚光透 鏡，用于使在該柱面透鏡陣列被分割的光束疊合。此外，在短軸方向中，在一旦使光束的能 線圖均勻化之后，進(jìn)一步通過投影透鏡而被縮小投影。上述準(zhǔn)分子激光退火裝置中的光束形狀是長軸365mm，短軸0. 4mm左右。在準(zhǔn)分子 激光的情況下，由于激光的光束品質(zhì)差，所以短軸寬度大，結(jié)果是焦點深度深。因此，幾乎沒 有起因于基板搬送裝置的機械誤差或基板表面的加工誤差的激光被照射面的位置變動向 退火性能導(dǎo)致的影響。在這里，上述位置變動指的是相對于半導(dǎo)體膜垂直方向的位置變動。另一方面，準(zhǔn)分子激光退火作為退火特性存在相對于激光照射能量的載流子遷移 率的變化大的問題。作為解決該問題的方案，將通過Nd YAG激光的第2諧波獲得的脈沖 綠激光作為光源的激光退火裝置(以下，稱為固體綠激光退火裝置)受到矚目(例如，參照下 述專利文獻(xiàn)4和5)。當(dāng)使用該脈沖綠激光時，相對于一定的照射能量與準(zhǔn)分子激光相比能 夠獲得較大的加工余裕?？墒牵鄬τ谝褜嵱没臏?zhǔn)分子激光器的輸出(最大IJ/脈沖)，固體綠激光器的輸 出顯著地低(不足0. IJ/脈沖)，因此必須將短軸方向的光束尺寸集中在100 μ m以下。結(jié) 果，短軸方向的焦點深度變淺，起因于半導(dǎo)體膜的位置變動的向退火性能的影響變得不能 忽視。在下述專利文獻(xiàn)Γ6中，公開了一種在開孔等的激光加工用中應(yīng)用的自動聚焦機 構(gòu)。該自動聚焦機構(gòu)監(jiān)視加工面的變動，通過使將激光聚光到加工面的物鏡在光軸方向移 動，從而使聚光點總是固定地保持在加工面。專利文獻(xiàn)1 日本專利3204307號公報 專利文獻(xiàn)2 日本特開2000-338447號公報4專利文獻(xiàn)3 日本專利3191702號公報 專利文獻(xiàn)4 日本特開平11-58053號公報 專利文獻(xiàn)5 日本特開平11-23952號公報 專利文獻(xiàn)6 日本專利28359M號公報非專利文獻(xiàn) 1: K. Nishida et. al. , "Performance of Polycrystallization with High Power Solid Green Laser", AM-FPD 2006非專利文獻(xiàn)2 岡本達(dá)樹、他、「低溫求1J ν iJ 二 >用ν v-y二一義光學(xué)系乃開発」、RTM-05-28。在上述非專利文獻(xiàn)2中，示出了固體綠激光退火裝置的光學(xué)系統(tǒng)的整體圖。在該 光學(xué)系統(tǒng)中，針對長軸方向，將激光以由長方形狀的石英玻璃構(gòu)成的波導(dǎo)分割為多個，將分 割了的激光通過轉(zhuǎn)像透鏡(image lens)疊合在玻璃基板上的半導(dǎo)體膜，針對短軸方向，通 過擴(kuò)束鏡(expander lens)而成為Φ80的平行光，以作為物鏡的聚焦透鏡將該平行光聚光 到玻璃基板上。在非專利文獻(xiàn)2示出的固體綠激光退火裝置中，在加工面在相對于面垂直方向上 變動的情況下，由于基板從短軸方向的焦點位置偏移，所以入射到加工面的硅膜的激光的 能量密度變動。在非專利文獻(xiàn)2的光學(xué)系統(tǒng)的情況下，通過如上述專利文獻(xiàn)4飛的自動聚 焦機構(gòu)那樣，對作為物鏡的聚焦透鏡的位置進(jìn)行補正，從而能夠回避上述能量密度的變動?？墒?，在開孔等的激光加工裝置中使用的聚焦透鏡比較小，相對于此，在激光退火 裝置中使用的物鏡(聚焦透鏡或投影透鏡)的大小一般較大，例如具有短軸方向IOOmm以 上X長軸方向150mm左右的尺寸。因此，用于保持這些透鏡組的夾具也大，并且重量也非 常重。因此，使激光退火裝置的物鏡實時地在光軸方向上以數(shù)微米的精度移動并振動是非 常困難的。此外，也考慮使基板側(cè)在相對于面垂直的方向上移動并振動，但激光退火用的基 板尺寸通常較大(例如，700mmX900mm以上)，使保持基板的工作臺高精度地振動也是困難 的。再有，關(guān)于長軸方向，由于與短軸方向相比焦點深度非常大，所以幾乎沒有焦點位置的 變動導(dǎo)致的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是鑒于上述情況而完成的，其目的在于提供一種激光退火方法以及激光 退火裝置，在使用了固體激光的激光退火中，能夠容易地對應(yīng)于半導(dǎo)體膜的激光照射部分 的位置變動，對矩形光束的短軸方向的焦點位置進(jìn)行補正。為了解決上述課題，本發(fā)明的激光退火方法及激光退火裝置采用以下的方案。( 1)即，本發(fā)明的激光退火方法，對從固體激光光源被脈沖振蕩的激光進(jìn)行整形并 且在半導(dǎo)體膜的表面聚光為矩形光束，使矩形光束相對于上述半導(dǎo)體膜在短軸方向相對地 掃描，通過激光照射對上述半導(dǎo)體膜進(jìn)行改性，其特征在于，使用將入射光在短軸方向聚光 的短軸用聚光透鏡(condenser lens)、和將來自該短軸用聚光透鏡的出射光投影到上述半 導(dǎo)體膜的表面的投影透鏡(projection lens)，使上述激光在上述半導(dǎo)體膜的表面在矩形 光束的短軸方向聚光，檢測出上述半導(dǎo)體膜的激光照射部分在該半導(dǎo)體膜的垂直方向的位 置變動，基于該檢測值使上述短軸用聚光透鏡在光軸方向移動。當(dāng)使短軸用聚光透鏡在光軸方向移動時，一次成像面的位置也對應(yīng)于其移動量在光軸方向上移動。此外，投影透鏡的投影點(焦點位置)對應(yīng)于一次成像面的位置的移動量 而移動。因此，通過檢測出半導(dǎo)體膜的激光照射部分在半導(dǎo)體膜的垂直方向的位置變動， 基于該檢測值使短軸用聚光透鏡在光軸方向移動，從而即使產(chǎn)生基板搬送裝置的機械誤差 等導(dǎo)致的半導(dǎo)體膜的位置變動，也能夠使矩形光束的短軸方向的焦點位置與半導(dǎo)體膜的表 面匹配。此外，在焦點位置的補正時移動的短軸用聚光透鏡，與投影透鏡相比配置在光軸 方向的上游側(cè)且尺寸小而重量輕，如后述那樣，相對于半導(dǎo)體膜的微米級的位置變動量的 短軸用聚光透鏡的位置補正量成為毫米級。因此，以毫米級的精度對尺寸小且重量輕的短 軸用聚光透鏡的位置進(jìn)行補正即可，因此能夠容易地進(jìn)行焦點位置的補正。(2)此外，上述激光退火方法的特征在于，在上述短軸用聚光透鏡的光軸方向上游 側(cè)的位置，將使入射光在上述矩形光束的短軸方向分割為多個的多個短軸用柱面透鏡陣列 在光軸方向隔開間隔配置，基于上述位置變動的檢測值調(diào)整上述多個短軸用柱面透鏡陣列 的間隔。在對通過了短軸用聚光透鏡的激光的一次成像面的像的大小進(jìn)行決定的要素中， 包含在其上游側(cè)配置的多個短軸用柱面透鏡陣列的合成焦點距離。此外，在對多個短軸用 柱面透鏡陣列的合成焦點距離進(jìn)行決定的要素中，包含各透鏡陣列的光軸方向的間隔。因 此，通過使多個短軸用柱面透鏡陣列的間隔變化，能夠調(diào)整通過了短軸用聚光透鏡的激光 的一次成像面的像的大小，結(jié)果，能夠調(diào)整短軸方向的焦點位置的光束尺寸。由此，即使半 導(dǎo)體膜的位置變動，通過調(diào)整短軸方向的焦點位置的光束尺寸，從而能夠使針對短軸方向 是同一尺寸的光束照射到半導(dǎo)體膜的表面。(3)本發(fā)明的激光退火裝置，具備固體激光光源，對激光進(jìn)行脈沖振蕩；光束整 形光學(xué)系統(tǒng)，對來自該固體激光光源的激光進(jìn)行整形并在半導(dǎo)體的表面聚光為矩形光束； 以及掃描單元，使上述矩形光束相對于上述半導(dǎo)體膜在短軸方向相對地掃描，通過激光照 射對上述半導(dǎo)體膜進(jìn)行改性，其特征在于，上述光束整形光學(xué)系統(tǒng)具有長軸方向均化器和 短軸方向均化器，對入射的激光在上述半導(dǎo)體膜的表面在矩形光束的長軸方向和短軸方向 的每一個中起作用并進(jìn)行聚光，該短軸方向均化器包括短軸用聚光透鏡，對入射光在短軸 方向進(jìn)行聚光；以及投影透鏡，將來自該短軸用聚光透鏡的出射光投影到上述半導(dǎo)體膜的 表面，該激光退火裝置還具備位置變動檢測器，檢測上述半導(dǎo)體膜的激光照射部分在該半 導(dǎo)體膜的垂直方向的位置變動；以及透鏡移動機構(gòu)，使上述短軸用聚光透鏡在光軸方向移 動。(4)此外，上述激光退火裝置的特征在于，上述短軸用均化器具有多個短軸用柱 面透鏡陣列，配置在上述短軸用聚光透鏡的光軸方向上游側(cè)的位置，將入射光在上述矩形 光束的短軸方向分割為多個，該多個短軸用柱面透鏡陣列在光軸方向隔開間隔配置，上述 激光退火裝置還具備間隔調(diào)整機構(gòu)，對上述多個短軸用柱面透鏡陣列的間隔進(jìn)行調(diào)整。通過這樣構(gòu)成的本發(fā)明的激光退火，能夠?qū)嵤┥鲜黾す馔嘶鸱椒?。因此，根?jù)本發(fā) 明的激光退火裝置，能夠容易地進(jìn)行短軸方向的焦點位置的補正。此外，即使半導(dǎo)體膜的位 置變動，通過調(diào)整短軸方向的焦點位置的光束尺寸，從而能夠使針對短軸方向是同一尺寸 的光束照射到半導(dǎo)體膜的表面。6
(5)此外，上述激光退火裝置的特征在于，還具備移動機構(gòu)控制部，基于來自上述 位置變動檢測器的檢測值控制上述透鏡移動機構(gòu)。因為具備這樣的移動機構(gòu)控制部，所以通過反饋控制對透鏡移動機構(gòu)的驅(qū)動進(jìn)行 控制，由此能夠通過自動控制實現(xiàn)短軸方向的焦點位置的補正。( 6 )此外，上述激光退火裝置的特征在于，還具備調(diào)整機構(gòu)控制部，基于來自上述 位置變動檢測器的檢測值，控制上述間隔調(diào)整機構(gòu)。因為具有這樣的調(diào)整機構(gòu)控制部，所以通過反饋控制對間隔調(diào)整機構(gòu)的驅(qū)動進(jìn)行 控制，由此能夠通過自動控制實現(xiàn)短軸方向的焦點位置的像的大小的調(diào)整。(7)此外，上述激光退火裝置的特征在于，上述固體激光光源的光束品質(zhì)在M2值是 20以上。當(dāng)光束品質(zhì)太好時，容易產(chǎn)生干涉條紋。通過使用光束品質(zhì)在M2值是20以上的 激光，能夠減少干涉條紋。(8)上述激光退火裝置的特征在于，上述光束整形光學(xué)系統(tǒng)具有干涉減少光學(xué)系 統(tǒng)，減少上述激光的干涉作用。通過這樣的干涉減少光學(xué)系統(tǒng)，能夠減少矩形光束的干涉作用，因此能夠減少光 束照射面的干涉條紋。(9)此外，上述激光退火裝置的特征在于，從上述固體激光光源出射的激光，具有 高斯形狀的能線圖。(10)此外，上述激光退火裝置的特征在于，上述矩形光束在短軸方向具有高斯形 狀的能線圖。(11)此外，上述激光退火裝置的特征在于，上述位置變動檢測器是非接觸式位移 傳感器。通過使用這樣的非接觸式位移傳感器，能夠?qū)崟r地高精度地檢測半導(dǎo)體膜的位置 變動。作為這樣的非接觸式位移傳感器，優(yōu)選激光式位移傳感器、渦電流式位移傳感器等。( 12)此外，上述激光退火裝置的特征在于，具備多個上述固體激光光源，并且還具 備對來自上述多個固體激光光源的激光在時間和/或空間進(jìn)行合成的單元。通過像這樣合成多個激光，在時間上(使脈沖周期相互偏移)合成的情況下能夠使 合成激光的脈沖頻率為數(shù)倍，在空間上(使脈沖周期一致)合成的情況下能夠使合成激光的 能量密度為數(shù)倍。因此，能夠提高光束的掃描速度，結(jié)果能夠使退火處理速度提高。再有， 在合成3個以上的激光的情況下，也可以將時間的合成和空間的合成組合。(13)此外，上述激光退火裝置的特征在于，還具備處理室，將形成有上述半導(dǎo)體 膜的基板收容在內(nèi)部，使基板的收容空間為真空或惰性氣體氣氛；或者惰性氣體供給單元， 僅對上述半導(dǎo)體膜上的激光照射部分及其周圍的限定的范圍供給惰性氣體。在激光退火中對基板上的半導(dǎo)體膜照射激光時，當(dāng)激光照射部分接觸大氣時，產(chǎn) 生在基板表面形成凹凸、在基板表面形成氧化膜、或在結(jié)晶化工藝中制作的結(jié)晶粒變小等 的問題。本發(fā)明的激光退火裝置通過具備上述結(jié)構(gòu)的處理室或惰性氣體供給單元，從而能 夠阻止激光照射部分與大氣接觸。因此，能夠回避上述諸問題。(14)此外，上述激光退火裝置的特征在于，具備基板工作臺，用于載置形成有上述半導(dǎo)體膜的基板，該基板工作臺以不超過基板的熔點的溫度被加熱。通過將基板工作臺加熱到不超過基板的熔點的溫度，從而能夠基板不熔融而穩(wěn)定 地進(jìn)行激光退火。例如，在基板是無堿玻璃的情況下，熔點是大約600° C，因此基板工作臺 被加熱到不超過600° C的溫度。根據(jù)上述的本發(fā)明，在使用了固體激光的激光退火中，可獲得能夠?qū)?yīng)于半導(dǎo)體 膜的激光照射部分的位置變動對矩形光束的短軸方向的焦點位置容易地進(jìn)行補正的優(yōu)越 效果。


圖IA是本發(fā)明的第1實施方式的激光退火裝置的光束長軸方向的概略結(jié)構(gòu)圖。圖IB是圖IA的光束短軸方向的概略結(jié)構(gòu)圖。圖2A是表示激光照射部分(加工面)的變動量與短軸用聚光透鏡的移動量的關(guān)系 的圖。圖2B是短軸用聚光透鏡的焦點距離不同的情況下的與圖2A同樣的關(guān)系圖。圖3A是本發(fā)明的第2實施方式的激光退火裝置的光束長軸方向的概略結(jié)構(gòu)圖。圖;3B是圖3A的光束短軸方向的概略結(jié)構(gòu)圖。圖4A是表示激光照射部分(加工面)的變動量與激光照射部分的像的大小的變動 率的關(guān)系的圖。圖4B是短軸用聚光透鏡的焦點距離不同的情況下的與圖4A同樣的關(guān)系圖。圖5A是本發(fā)明的第3實施方式的激光退火裝置的光束長軸方向的概略結(jié)構(gòu)圖。圖5B是圖5A的光束短軸方向的概略結(jié)構(gòu)圖。圖6A是表示本發(fā)明的其它實施方式的激光退火裝置的長軸用干涉減少光學(xué)系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)的圖。圖6B是表示本發(fā)明的其它實施方式的激光退火裝置的短軸用干涉減少光學(xué)系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)的圖。圖7A是表示本發(fā)明的其它實施方式的激光退火裝置的處理室的結(jié)構(gòu)的圖。圖7B是表示本發(fā)明的其它實施方式的激光退火裝置的惰性氣體供給單元的結(jié)構(gòu) 的圖。
具體實施例方式以下，基于附圖詳細(xì)地說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。再有，在各圖中對共同的部分 賦予同一符號，省略重復(fù)的說明。[第1實施方式]圖IA和圖IB表示本發(fā)明的第1實施方式的激光退火裝置10的概略結(jié)構(gòu)。在圖IA中， 與紙面平行且與光軸垂直的方向是矩形光束的長軸方向，在圖IB中與紙面平行且與光軸 垂直的方向是矩形光束的短軸方向。在圖IA中，以假想線(虛線)表示有僅在短軸方向起作用的光學(xué)系統(tǒng)。在圖IB中， 以假想線表示有僅在長軸方向起作用的光學(xué)系統(tǒng)。該激光退火裝置10具備固體激光光源12，脈沖振蕩激光1 ；光束整形光學(xué)系統(tǒng)13，對來自固體激光光源12的激光1進(jìn)行整形并在半導(dǎo)體膜3的表面聚光為矩形光束；以 及掃描單元，使矩形光束對半導(dǎo)體膜3在短軸方向相對地掃描，通過激光照射對半導(dǎo)體膜3 進(jìn)行改性。在本實施方式中，基板2是玻璃基板(例如無堿玻璃)，通過等離子體CVD法、濺射 法等的成膜法，在上述玻璃基板上例如成膜200nm的SW2膜，在其上作為半導(dǎo)體膜3例如 成膜50nm的a-Si膜。基板2通過基板工作臺5被保持并在矩形光束的短軸方向被搬送。通過基板工作 臺5的移動，能夠使矩形光束對基板2上的a-Si膜在短軸方向相對地掃描。即，在本實施 方式中，基板工作臺5構(gòu)成激光掃描單元4?；骞ぷ髋_5通過未圖示的加熱單元被加熱到規(guī)定溫度。這時，以不超過基板2 的熔點的溫度被加熱。通過這樣，能夠不使基板2熔融而穩(wěn)定地進(jìn)行激光退火。例如，在基 板2是無堿玻璃的情況下，熔點是大約600° C，因此基板工作臺5被加熱到不超過600° C 的溫度。固體激光光源12例如以2、kHz的脈沖頻率輸出激光1。該激光1具有高斯形狀 的能線圖。固體激光光源12的種類不被特別限定，但例如可以使用Nd:YAG激光器、Nd:YLF 激光器、Nd YVO4激光器、Nd 玻璃激光器、Yb YAG激光器、Yb YLF激光器、Yb YVO4激光器、 Yb:玻璃激光器的任一種。這些固體激光器可靠性高，能夠以高效率實現(xiàn)穩(wěn)定的激光能量 的利用。此外，對于硅膜，由于在330ηπΓ800ηπι的可視光區(qū)域中吸收系數(shù)高，所以作為固體 激光光源12，優(yōu)選射出上述YAG激光器、YLF激光器、YVO4激光器、玻璃激光器的第2或第3 諧波的激光1。當(dāng)光束品質(zhì)太好時，容易產(chǎn)生干涉條紋。因此，優(yōu)選固體激光光源12的光束品質(zhì) 在M2是20以上。通過使用這樣品質(zhì)的激光器，能夠減少干涉條紋。從這樣的固體激光光源12出射的激光1，入射到光束整形光學(xué)系統(tǒng)13。光束整形光學(xué)系統(tǒng)13具備擴(kuò)束鏡14，將來自固體激光光源12的激光1在長軸 方向和短軸方向擴(kuò)大；長軸方向均化器19，在半導(dǎo)體膜3的表面在矩形光束的長軸方向起 作用對入射的激光1進(jìn)行聚光；以及短軸方向均化器25，在半導(dǎo)體膜3的表面在矩形光束 的短軸方向起作用對入射的激光1進(jìn)行聚光。作為一個結(jié)構(gòu)例示出的擴(kuò)束鏡14包括凸球面透鏡15、在短軸方向起作用的短軸 用柱面透鏡16、和在長軸方向起作用的長軸用柱面透鏡17。在該結(jié)構(gòu)的擴(kuò)束鏡14中，能夠 分別設(shè)定長軸方向和短軸方向的擴(kuò)大率。再有，擴(kuò)束鏡14是其它結(jié)構(gòu)也可，例如，也可以是 組合了凹球面透鏡和凸球面透鏡的結(jié)構(gòu)。如圖IA所示，長軸方向均化器19包括多個長軸用柱面透鏡陣列20a、20b，將入 射的激光1在長軸方向分割為多個；以及長軸用聚光透鏡22，將在長軸方向分割為多個的 激光1在半導(dǎo)體膜3的表面在長軸方向上疊合。在本實施方式中，2個長軸方向柱面透鏡陣 列20a、20b在光軸方向上隔開間隔而配置。在這樣構(gòu)成的長軸方向均化器19中，通過擴(kuò)束鏡14而被擴(kuò)大了的激光1，通過長 軸用柱面透鏡陣列20a、20b而在長軸方向被分割為多個。通過長軸用柱面透鏡陣列20a、 20b而被分割的激光1，通過長軸用聚光透鏡22在基板2上的半導(dǎo)體膜3的表面作為在長 軸方向細(xì)長的矩形光束而成像。再有，在長軸用聚光透鏡22和基板2之間的光路上配置有反射鏡23，來自長軸用聚光透鏡22的出射光向基板2的方向被反射。照射到基板2的矩形光束的長軸方向的長度例如能夠設(shè)為數(shù)10mm。該通過長軸方 向均化器19而被整形了的矩形光束，其長軸方向的能線圖被均勻化，從高斯形狀變形為平 頂形狀。短軸方向均化器25具有短軸用聚光透鏡四，將入射的激光1在短軸方向聚光； 以及投影透鏡30，將來自短軸用聚光透鏡四的出射光投影到半導(dǎo)體膜3的表面。在本實施 方式中，短軸方向均化器25還在短軸用聚光透鏡四的光軸方向上游側(cè)的位置，具有短軸 用柱面透鏡陣列^5aJ6b，將入射光在短軸方向分割為多個，2個短軸用柱面透鏡陣列^ku 26b在光軸方向隔開間隔而配置。在這樣構(gòu)成的短軸方向均化器25中，通過擴(kuò)束鏡14而被擴(kuò)大了的激光1，通過短 軸用柱面透鏡陣列26a、26b而在短軸方向被分割為多個。通過短軸用柱面透鏡陣列^a、 26b而被分割的激光1，通過短軸用聚光透鏡四而在短軸方向被聚光，在一次成像面S成像 之后，通過投影透鏡30入射，在一次成像面S的像通過投影透鏡30在短軸方向被縮小投影 到基板2上的半導(dǎo)體膜3的表面。再有，來自短軸用聚光透鏡四的激光1通過反射鏡23 向基板2的方向被反射。照射到基板2的矩形光束的短軸方向的長度例如能夠設(shè)為數(shù)10 μ m。通過該短軸 方向均化器25而被整形了的矩形光束，其短軸方向的能線圖被均勻化，從高斯形狀變形為 平頂形狀。如圖IB所示，激光退火裝置10還具備位置變動檢測器31、透鏡移動機構(gòu)32和 控制裝置34。位置變動檢測器31檢測出半導(dǎo)體膜3的激光照射部分在半導(dǎo)體膜3的垂直方向 的位置變動。因此，通過該位置變動檢測器31，能夠檢測出起因于基板搬送裝置的機械誤 差、基板表面的加工誤差的半導(dǎo)體膜3的表面的位置變動。位置變動檢測器31的數(shù)量是1個也可是多個也可。在位置變動檢測器31是1個 的情況下，針對半導(dǎo)體膜3的激光照射部分的矩形光束的長軸方向的中央位置檢測出位置 變動，能夠?qū)⒃摍z測值作為代表的位置變動量。在位置變動檢測器31是多個的情況下，針 對半導(dǎo)體膜3的激光照射部分的矩形光束的長軸方向的多個點檢測出位置變動，能夠?qū)⑵?平均值作為位置變動量。位置變動檢測器31優(yōu)選是非接觸式位移傳感器。通過使用這樣的非接觸式位移 傳感器，能夠?qū)崟r地高精度地檢測半導(dǎo)體膜3的位置變動。作為這樣的非接觸式位移傳感 器的一個例子，在本實施方式中示出了激光式位移傳感器，但除此之外，也可以是渦電流式 位移傳感器、超聲波式位移傳感器等。透鏡移動機構(gòu)32具有使短軸用聚光透鏡四在光軸方向上移動的功能?？刂蒲b 置34具有移動機構(gòu)控制部35，基于來自位置變動檢測器31的檢測值，控制透鏡移動機構(gòu) 32。當(dāng)使短軸用聚光透鏡四在光軸方向上移動時，一次成像面S的位置也對應(yīng)于其移 動量在光軸方向上移動。此外，投影透鏡30的投影點(焦點位置)對應(yīng)于一次成像面S的位 置的移動量而移動。因此，通過位置變動檢測器31檢測出半導(dǎo)體膜3的激光照射部分在半導(dǎo)體膜3的垂直方向的位置變動，基于該檢測值通過移動機構(gòu)控制部35使短軸用聚光透鏡四在光軸 方向上移動，由此即使產(chǎn)生基板搬送裝置的機械誤差等導(dǎo)致的半導(dǎo)體膜3的位置變動，也 能夠使矩形光束的短軸方向的焦點位置與半導(dǎo)體膜3的表面匹配。像這樣，通過反饋控制 對透鏡移動機構(gòu)32的驅(qū)動進(jìn)行控制，由此能夠通過自動控制實現(xiàn)短軸方向的焦點位置的 補正。圖2A和圖2B表示激光照射部分(加工面)的變動量與短軸用聚光透鏡四的移動 量的關(guān)系。圖2A是短軸用聚光透鏡四和投影透鏡30的焦點距離分別是650mm、300mm的 情況，圖2B是短軸用聚光透鏡四和投影透鏡30的焦點距離分別是750mm、300mm的情況。在圖2A的情況下，在激光照射部分變動了士0. 5mm的情況下，通過使短軸用聚光 透鏡四移動士30mm，從而能夠使矩形光束的短軸方向的焦點位置與半導(dǎo)體膜3的表面匹 配。在圖2B的情況下，在激光照射部分變動了士0. 5mm的情況下，通過使短軸用聚光 透鏡四移動士40mm，從而能夠使矩形光束的短軸方向的焦點位置與半導(dǎo)體膜3的表面匹 配。像這樣，相對于半導(dǎo)體膜3的微米級的位置變動量的短軸用的聚光透鏡四的位置 補正量是毫米級。在焦點位置的補正時移動的短軸用聚光透鏡29，與投影透鏡30相比配置在光軸 方向的上游側(cè)且尺寸小并重量輕。因此，根據(jù)本實施方式，以毫米級的精度對尺寸小且重量輕的短軸用聚光透鏡四 的位置進(jìn)行補正即可，因此能夠容易地進(jìn)行焦點位置的補正。[第2實施方式]圖3A和圖;3B表示本發(fā)明的第2實施方式的激光退火裝置10的概略結(jié)構(gòu)。本實施方式的激光退火裝置10具備間隔調(diào)整機構(gòu)37，對多個短軸用柱面透鏡陣 列的間隔進(jìn)行調(diào)整。在本實施方式中，通過使光軸方向上游側(cè)的短軸用柱面透鏡 陣列26a在光軸方向上移動，從而調(diào)整2個短軸用柱面透鏡陣列的間隔。但是，也 可以通過使光軸方向下游側(cè)的短軸用柱面透鏡陣列26b或2個短軸用柱面透鏡陣列^a、 26b的雙方在光軸方向上移動，從而調(diào)整兩者的間隔?？刂蒲b置34具有調(diào)整機構(gòu)控制部 36，基于來自位置變動檢測器31的檢測值，控制間隔調(diào)整機構(gòu)37。其它部分與實施方式1 相同。圖4A和圖4B表示使多個柱面透鏡陣列的間隔為固定的情況下的、激光照射部分 (加工面)的變動量和激光照射部分的像的大小的變動率的關(guān)系。圖4A是短軸用聚光透鏡 29和投影透鏡30的焦點距離分別是650mm、300mm的情況，圖4B是短軸用聚光透鏡四和投 影透鏡30的焦點距離分別是750mm、300mm的情況。在圖4A和圖4B的情況下，在激光照射部分變動了士 0. 5mm的情況下，像的大小的 變動率都是1. 5%以下。在對通過了短軸用聚光透鏡四的激光1的一次成像面的像的大小D進(jìn)行決定的 要素中，包含在其上游側(cè)配置的多個短軸用柱面透鏡陣列26a、26b的合成焦點距離f；。具體 地，一次成像面的像的大小D以下述(1)式表示。其中，w是構(gòu)成短軸用柱面透鏡陣列^a、 26b的各柱面透鏡陣列的短軸方向的寬度，是短軸用聚光透鏡四的焦點距離。
此外，在對多個短軸用柱面透鏡陣列的合成焦點距離&進(jìn)行決定的要素 中，包含各透鏡陣列的光軸方向的間隔d。具體地，合成焦點距離&以下述(2)式表示。其 中，f0'是各短軸用柱面透鏡陣列的焦點距離。因此，通過使多個短軸用柱面透鏡的間隔變化，能夠調(diào)整通過了短軸用聚光透鏡 29的激光1的一次成像面的像的大小，結(jié)果，能夠調(diào)整短軸方向的焦點位置的光束尺寸。由此，根據(jù)本實施方式，通過位置變動檢測器31針對半導(dǎo)體膜3的激光照射部分 檢測出相對于半導(dǎo)體膜3垂直方向的位置變動，基于該檢測值通過調(diào)整機構(gòu)控制部36控制 間隔調(diào)整機構(gòu)37控制部，使短軸用柱面透鏡陣列26b在光軸方向上移動來調(diào)整各柱面 透鏡陣列的間隔，調(diào)整短軸方向的焦點位置中的光束尺寸，由此，即使半導(dǎo)體膜3上的激光 照射部分的位置變動，針對短軸方向也能夠?qū)Π雽?dǎo)體膜3照射相同尺寸的光束。像這樣，通 過反饋控制對間隔調(diào)整機構(gòu)37的驅(qū)動進(jìn)行控制，由此能夠通過自動控制實現(xiàn)短軸方向的 焦點位置的像的大小的調(diào)整。[第3實施方式]圖5A和圖5B表示本發(fā)明的第3實施方式的激光退火裝置10的概略結(jié)構(gòu)。在本實施方式中，沒有設(shè)置第1實施方式的短軸用柱面透鏡陣列^aJ6b。其它部 分與實施方式1相同。因此，在本實施方式中短軸方向的能線圖還是高斯形狀的原樣，但與第1實施方 式同樣地，通過基于來自位置變動檢測器31的檢測值使短軸用聚光透鏡四在光軸方向上 移動，能夠使矩形光束的短軸方向的焦點位置與半導(dǎo)體膜3的表面匹配。[其它實施方式1]在上述各實施方式中，優(yōu)選光束整形光學(xué)系統(tǒng)具有干涉減少光學(xué)系統(tǒng)，減少激光的干 涉作用。在圖6A、圖6B中表示這樣的干涉減少光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)例。該干涉減少光學(xué)系統(tǒng)包 括長軸用干涉減少光學(xué)系統(tǒng)18，減少圖6A的激光的長軸方向的干涉作用；以及短軸用干 涉減少光學(xué)系統(tǒng)對，減少圖6B的短軸方向的干涉作用。如圖6A所示那樣，長軸用干涉減少光學(xué)系統(tǒng)18配置在長軸用柱面透鏡陣列20a、 20b的光軸方向上游側(cè)。長軸用干涉減少光學(xué)系統(tǒng)18由多個透明玻璃板18a構(gòu)成。各透明 玻璃板的寬度與構(gòu)成長軸用柱面透鏡陣列20a、20b的各柱面透鏡的寬度相同，各透明玻璃 板18a在長軸方向上排列，其光軸方向的長度以比激光1的相干長度長的規(guī)定長度而不同。 通過該長軸方向干涉減少光學(xué)系統(tǒng)18，通過了各透明玻璃板18a的激光1的光路變長玻璃 的長度的量，因此在各個激光1中產(chǎn)生比相干長度長的距離的光路差，相干性的影響消失， 相互不再干涉。如圖6B所示那樣，短軸用干涉減少光學(xué)系統(tǒng)M配置在短軸用柱面透鏡陣列^a、 26b的光軸方向上游側(cè)。由多個透明玻璃板2 構(gòu)成。各透明玻璃板Ma的寬度與構(gòu)成短 軸用柱面透鏡陣列26a 的各柱面透鏡的寬度相同，各透明玻璃板2 在短軸方向上排 列，其光軸方向的長度以比激光1的相干長度長的規(guī)定長度而不同。通過該短軸用干涉減 少光學(xué)系統(tǒng)對，通過了各透明玻璃板2 的激光1的光路變長玻璃的長度的量，因此在各個12激光1中產(chǎn)生比相干長度長的距離的光路差，相干性的影響消失，相互不再干涉。再有，干涉減少光學(xué)系統(tǒng)可以是具有將通過的光變換為隨機偏振光的功能的偏振 消除元件構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)，或者也可以采用其它公知的結(jié)構(gòu)。例如，也可以采用在日本特開 2002-321081號公報中記載的結(jié)構(gòu)、在日本特開2004_341四9號公報的圖4中記載的結(jié)構(gòu)。[其它實施方式2]在上述各實施方式中，優(yōu)選具備多個上述固體激光光源12，并且還具備對來自多個 固體激光光源12的激光在時間和/或空間進(jìn)行合成的單元。這樣的合成單元例如能夠通 過反射鏡和偏振分束器的組合來構(gòu)成。通過像這樣合成多個激光，在時間上(使脈沖周期相互偏移)合成的情況下能夠使 合成激光的脈沖頻率為數(shù)倍，在空間上(使脈沖周期一致)合成的情況下能夠使合成激光的 能量密度為數(shù)倍。因此，能夠提高光束的掃描速度，結(jié)果能夠使退火處理速度提高。再有， 在合成3個以上的激光的情況下，也可以組合時間的合成和空間的合成。[其它實施方式3]在上述個實施方式中，優(yōu)選還具備處理室，將形成了半導(dǎo)體膜的基板收容在內(nèi)部，使 基板的收容空間為真空或惰性氣體氣氛；或者惰性氣體供給單元，僅對基板的激光照射部 分及其周圍的限定的范圍供給惰性氣體。在圖7A和圖7B中表示上述的處理室和惰性氣體 供給單元的結(jié)構(gòu)例。圖7A所示的處理室40在內(nèi)部具有保持基板2的基板工作臺5，以能夠使內(nèi)部為真 空或惰性氣體氣氛的方式構(gòu)成?；骞ぷ髋_5為了使被整形為矩形光束的激光1在短軸方 向進(jìn)行掃描，構(gòu)成為能夠在短軸方向移動。激光1通過設(shè)置在處理室40的透過窗41照射 到基板2。此外，圖7B所示的惰性氣體供給單元43具備平行相向體46，具有與基板2平行 并接近相向的下表面44，在該下表面44與基板2之間形成惰性氣體47的流路，并且具有使 激光1透過的透過窗45 ；以及氣體噴射單元48，將流量在光束長軸方向被均勻化了的惰性 氣體47，在從激光1的照射部分起在短軸方向隔開規(guī)定間隔的位置中朝向基板2的表面進(jìn) 行噴射。在激光退火中對基板2上的半導(dǎo)體膜照射激光1時，當(dāng)激光照射部分接觸大氣時， 產(chǎn)生在基板表面形成凹凸、在基板表面形成氧化膜、或在結(jié)晶化工藝中制作的結(jié)晶粒變小 等的問題。通過具備上述結(jié)構(gòu)的處理室40或惰性氣體供給單元43，從而能夠阻止激光照射 部分與大氣接觸，能夠回避上述的諸問題。再有，惰性氣體供給單元43并不限定于圖7B表示的結(jié)構(gòu)，在具有僅對基板2的激 光照射部分和其周圍的限定的范圍供給惰性氣體的功能的范圍中也可以是其它結(jié)構(gòu)。例 如，也可以是日本專利第35(^981號公報的圖2、圖4表示的結(jié)構(gòu)。在上述中，針對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行了說明，但上述公開的本發(fā)明的實施方式 不過只是例示，本發(fā)明的范圍并不限定于這些發(fā)明的實施方式。本發(fā)明的范圍通過本專利 所要求的范圍表示，還包含與本專利所要求的范圍的記載均等的意思，以及范圍內(nèi)的全部 變更。1權(quán)利要求
1.一種激光退火方法，對從固體激光光源被脈沖振蕩的激光進(jìn)行整形并且在半導(dǎo)體 膜的表面聚光為矩形光束，使矩形光束相對于上述半導(dǎo)體膜在短軸方向相對地掃描，通過 激光照射對上述半導(dǎo)體膜進(jìn)行改性，其特征在于，使用將入射光在短軸方向聚光的短軸用聚光透鏡、和將來自該短軸用聚光透鏡的出射 光投影到上述半導(dǎo)體膜的表面的投影透鏡，使上述激光在上述半導(dǎo)體膜的表面在矩形光束 的短軸方向聚光，檢測出上述半導(dǎo)體膜的激光照射部分在該半導(dǎo)體膜的垂直方向的位置變動，基于該檢 測值使上述短軸用聚光透鏡在光軸方向移動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光退火方法，其特征在于，在上述短軸用聚光透鏡的光軸方向上游側(cè)的位置，將使入射光在上述矩形光束的短軸 方向分割為多個的多個短軸用柱面透鏡陣列在光軸方向隔開間隔配置，基于上述位置變動的檢測值調(diào)整上述多個短軸用柱面透鏡陣列的間隔。
3.一種激光退火裝置，具備固體激光光源，對激光進(jìn)行脈沖振蕩；光束整形光學(xué)系 統(tǒng)，對來自該固體激光光源的激光進(jìn)行整形并在半導(dǎo)體的表面聚光為矩形光束；以及掃描 單元，使上述矩形光束相對于上述半導(dǎo)體膜在短軸方向相對地掃描，通過激光照射對上述 半導(dǎo)體膜進(jìn)行改性，其特征在于，上述光束整形光學(xué)系統(tǒng)具有長軸方向均化器和短軸方向均化器，對入射的激光在上 述半導(dǎo)體膜的表面在矩形光束的長軸方向和短軸方向的每一個中起作用并進(jìn)行聚光，該短軸方向均化器包括短軸用聚光透鏡，對入射光在短軸方向進(jìn)行聚光；以及投影 透鏡，將來自該短軸用聚光透鏡的出射光投影到上述半導(dǎo)體膜的表面，該激光退火裝置還具備位置變動檢測器，檢測上述半導(dǎo)體膜的激光照射部分在該半 導(dǎo)體膜的垂直方向的位置變動；以及透鏡移動機構(gòu)，使上述短軸用聚光透鏡在光軸方向移 動。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光退火裝置，其特征在于，上述短軸用均化器具有多個短軸用柱面透鏡陣列，配置在上述短軸用聚光透鏡的光 軸方向上游側(cè)的位置，將入射光在上述矩形光束的短軸方向分割為多個，該多個短軸用柱 面透鏡陣列在光軸方向隔開間隔配置，上述激光退火裝置還具備間隔調(diào)整機構(gòu)，對上述多個短軸用柱面透鏡陣列的間隔進(jìn) 行調(diào)整。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光退火裝置，其特征在于，還具備移動機構(gòu)控制部，基于 來自上述位置變動檢測器的檢測值控制上述透鏡移動機構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的激光退火裝置，其特征在于，還具備調(diào)整機構(gòu)控制部， 基于來自上述位置變動檢測器的檢測值，控制上述間隔調(diào)整機構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光退火裝置，其特征在于，上述固體激光光源的光束品質(zhì) 在M2值是20以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光退火裝置，其特征在于，上述光束整形光學(xué)系統(tǒng)具有 干涉減少光學(xué)系統(tǒng)，減少上述激光的干涉作用。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光退火裝置，其特征在于，從上述固體激光光源出射的激 光，具有高斯形狀的能線圖。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光退火裝置，其特征在于，上述矩形光束在短軸方向具 有高斯形狀的能線圖。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光退火裝置，其特征在于，上述位置變動檢測器是非接 觸式位移傳感器。
12.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光退火裝置，其特征在于，具備多個上述固體激光光源， 并且還具備對來自上述多個固體激光光源的激光在時間和/或空間進(jìn)行合成的單元。
13.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光退火裝置，其特征在于，還具備處理室，將形成有上 述半導(dǎo)體膜的基板收容在內(nèi)部，使基板的收容空間為真空或惰性氣體氣氛，或者，惰性氣體 供給單元，僅對上述半導(dǎo)體膜上的激光照射部分及其周圍的限定的范圍供給惰性氣體。
14.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光退火裝置，其特征在于，具備基板工作臺，用于載置 形成有上述半導(dǎo)體膜的基板，該基板工作臺以不超過基板的熔點的溫度被加熱。
全文摘要
在使用了固體激光的激光退火中，能夠容易地對應(yīng)于半導(dǎo)體膜的激光照射部分的位置變動，對矩形光束的短軸方向的焦點位置進(jìn)行補正。使用將入射光在短軸方向聚光的短軸用聚光透鏡(29)、和將來自該短軸用聚光透鏡(29)的出射光投影到上述半導(dǎo)體膜(3)的表面的投影透鏡(30)，使激光(1)在半導(dǎo)體膜(3)的表面在矩形光束的短軸方向聚光。以位置變動檢測器(31)檢測出半導(dǎo)體膜(3)的激光照射部分在該半導(dǎo)體膜的垂直方向的位置變動，基于該檢測值使短軸用聚光透鏡(29)在光軸方向移動。
文檔編號H01L21/268GK102057467SQ20088012971
公開日2011年5月11日 申請日期2008年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月12日
發(fā)明者M正木, 川上隆介, 森田勝, 河口紀(jì)仁, 芳之內(nèi)淳, 西田健一郎 申請人:株式會社Ihi