專利名稱：用于半導(dǎo)體膜的激光退火方法和退火裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造用于薄膜晶體管的多晶硅或單晶硅半導(dǎo)體膜的方法和裝置， 這些薄膜晶體管用作液晶顯示器和有機(jī)EL顯示器的像素開關(guān)和驅(qū)動(dòng)電路。
背景技術(shù)：
對(duì)于用作液晶顯示器和有機(jī)EL顯示器的像素開關(guān)和驅(qū)動(dòng)電路的薄膜晶體管，采 用激光的激光退火被用作低溫工藝中的制造方法的一部分。這個(gè)方法將激光照射到形成于 襯底上的非單晶半導(dǎo)體表面，因此局部加熱和融化半導(dǎo)體膜，然后在后續(xù)的冷卻工藝中將 半導(dǎo)體膜結(jié)晶化成為多晶體或者單晶體。結(jié)晶的半導(dǎo)體膜呈現(xiàn)高載流子遷移率，結(jié)果提升 了薄膜晶體管的性能。為了進(jìn)行激光的照射，在半導(dǎo)體膜上執(zhí)行一致的處理是必要的，并因 此通常執(zhí)行控制用于保持恒定的激光輸出，以使照射的激光具有穩(wěn)定的照射能量。然而，當(dāng)激光振蕩器的振蕩條件改變或者當(dāng)脈沖波形由于激光氣體的退化而改 變，但激光輸出仍然恒定時(shí)，存在不能獲得恒定的晶體化特性的情形。圖3示出當(dāng)激光脈沖 能量改變時(shí)激光脈沖波形的改變，并且應(yīng)當(dāng)理解，該脈沖波形的輪廓本身隨著激光脈沖能 量波動(dòng)而改變。因此，通常，一般使用一種用功率表或光電二極管來(lái)探測(cè)激光從而控制激光的輸 出等，以使激光波形的能量積分值保持恒定的方法。另外，已經(jīng)提出一種脈沖氣體激光振蕩設(shè)備，其獲取激光的脈沖波形中多個(gè)最大 值之間的比率，當(dāng)這個(gè)比率超過(guò)預(yù)定值時(shí)，控制注入用于激光氣體的密封容器中的激發(fā)氣 體的量或者從電源供應(yīng)到充電/放電電路的電壓值中的至少一個(gè)(參考專利文獻(xiàn)1)。[相關(guān)現(xiàn)有文獻(xiàn)][專利文獻(xiàn)][專利文獻(xiàn)1]日本特許公開專利申請(qǐng)(公開)No.H10-12549

發(fā)明內(nèi)容
[本發(fā)明要解決的問(wèn)題]常規(guī)方法和裝置如上所描述地配置，因而具有下述問(wèn)題。1.當(dāng)鹵素氣體被注入作為激光氣體時(shí)，激光振蕩是不穩(wěn)定的，直到該激光氣體的 組分比率穩(wěn)定。2.當(dāng)鹵素氣體的組分比率升高時(shí)，脈沖能量的穩(wěn)定性下降。3. “將最大值之間的比率保持在預(yù)定的范圍內(nèi)”需要特定的時(shí)間段。4. “將最大值之間的比率保持在預(yù)定的范圍內(nèi)”以及激光器中呈現(xiàn)小能量波動(dòng)的 穩(wěn)定振蕩彼此是相對(duì)立的。5.由于光束發(fā)散等的影響，激光振蕩器的原始脈沖波形和照射到要照射的物體上 的脈沖波形彼此是不同的。設(shè)計(jì)本發(fā)明是為了解決上面所描述的常規(guī)方法和裝置的問(wèn)題，且其一個(gè)目的是提
3供一種用于半導(dǎo)體膜的激光退火方法和退火設(shè)備，其保持貢獻(xiàn)至結(jié)晶化的激光能量的穩(wěn)定 性，并提供具有恒定的晶體特性的半導(dǎo)體膜。[解決問(wèn)題的手段]用于本發(fā)明的第一方面的半導(dǎo)體膜的激光退火方法是一種在非單晶半導(dǎo)體膜上 照射脈沖激光來(lái)施加退火的用于半導(dǎo)體膜的激光退火方法，其中執(zhí)行對(duì)脈沖激光的能量控 制，以使該激光的脈沖波形的最大峰值高度保持預(yù)定的高度。根據(jù)本發(fā)明的第二方面的用于半導(dǎo)體膜的激光退火方法，在本發(fā)明的第一方面， 可測(cè)量激光的脈沖波形的最大峰值高度，并且可調(diào)節(jié)脈沖激光的輸出能量和/或脈沖激光 在輸出之后的能量，以使該最大峰值高度達(dá)到預(yù)定的高度。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)將激光波形的最大峰值高度保持在預(yù)定的高度，激光所照射的 半導(dǎo)體膜的晶體特性是恒定的。應(yīng)該注意，脈沖波形的脈沖寬度通常等于或者小于1000納 秒，優(yōu)選等于或者小于500納秒。然而，本發(fā)明并不限于具有特定脈沖寬度的情形。另外， 脈沖波形的預(yù)定高度能被適當(dāng)?shù)剡x擇并被設(shè)置成使得晶體特性恒定和出色。通常，定義預(yù) 定高度的范圍并執(zhí)行控制，以使脈沖波形的最大峰值高度被保持在這個(gè)范圍內(nèi)。圖4示出在激光的照射位置處關(guān)于激光脈沖能量的對(duì)結(jié)晶化最佳的最大峰值高 度和對(duì)結(jié)晶化最佳能量密度(由激光能量表測(cè)量)。從附圖中顯而易見(jiàn)，對(duì)于不同的激光脈 沖能量最佳的能量密度是不同的，因而應(yīng)該理解，即使在執(zhí)行保持脈沖波形的恒定積分值 的控制時(shí)，如果激光脈沖能量發(fā)生波動(dòng)則對(duì)結(jié)晶化最佳的條件也不能得到保持。另一方面， 就最大峰值高度而言，對(duì)于不同的激光脈沖能量最佳的最大峰值高度近似于恒定，因而即 使激光脈沖能量發(fā)生波動(dòng)，也有可能通過(guò)保持波形的恒定最大峰值高度來(lái)保持對(duì)結(jié)晶化最 佳的條件。結(jié)晶化的條件是否是最佳的能夠通過(guò)使用電子顯微鏡等觀測(cè)晶粒直徑來(lái)確定。另外，圖5示出脈沖能量(由功率表或者能量表測(cè)量的數(shù)值)、脈沖面積(脈沖波 形的積分值)和最大峰值高度之間的關(guān)系。如從圖中顯而易見(jiàn)，脈沖能量和最大峰值高度 并不成正比例關(guān)系，因而即使脈沖能量保持恒定，也不可能保持對(duì)結(jié)晶化最佳的狀態(tài)。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，在測(cè)量最大峰值高度時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)激光的輸出能量或者 能量，將脈沖波形的最大峰值高度適當(dāng)?shù)乇３衷陬A(yù)定高度是可能的。調(diào)節(jié)輸出能量的方法 可包括調(diào)節(jié)激光振蕩器的注入激發(fā)氣體的量和調(diào)節(jié)激光振蕩器的放電電壓值。另外，在輸 出之后的脈沖激光的能量的調(diào)節(jié)可通過(guò)可變衰減器來(lái)執(zhí)行，該可變衰減器能調(diào)節(jié)從激光振 蕩器輸出的脈沖激光的衰減率?？勺兯p器可以是任何衰減器，其能夠適當(dāng)?shù)馗淖兗す獾?衰減率，且并不限于本發(fā)明中的特定的一個(gè)衰減器。根據(jù)本發(fā)明的第三方面的用于半導(dǎo)體膜的激光退火方法，在本發(fā)明的第一或第二 方面中，非單晶半導(dǎo)體膜可以是硅膜。根據(jù)本發(fā)明的第四方面的用于半導(dǎo)體膜的激光退火方法，在本發(fā)明的第一至第三 方面中的任一個(gè)中，脈沖激光可以是準(zhǔn)分子激光。根據(jù)本發(fā)明的第五方面的用于半導(dǎo)體膜的激光退火方法，在本發(fā)明的第一至第四 方面中的任一個(gè)中，脈沖波形的最大峰值高度可對(duì)照射到非單晶半導(dǎo)體膜上的激光的脈沖 波形進(jìn)行測(cè)量。本發(fā)明的第六方面的用于半導(dǎo)體膜的激光退火設(shè)備，包括激光振蕩器，其輸出脈 沖激光；光學(xué)系統(tǒng)，其將脈沖激光引導(dǎo)至非單晶半導(dǎo)體膜；最大峰值高度測(cè)量單元，其測(cè)量脈沖激光的最大峰值高度；以及控制單元，其通過(guò)最大峰值高度測(cè)量單元接收測(cè)量結(jié)果，并 控制激光振蕩器的脈沖激光的能量以使得最大峰值高度達(dá)到預(yù)定高度。本發(fā)明的第七方面的用于半導(dǎo)體膜的激光退火設(shè)備，包括激光振蕩器，其輸出脈 沖激光；可變衰減器，其調(diào)節(jié)脈沖激光的衰減率；光學(xué)系統(tǒng)，其將脈沖激光引導(dǎo)至非單晶半 導(dǎo)體膜；最大峰值高度測(cè)量單元，其測(cè)量脈沖激光的最大峰值高度；以及控制單元，其通過(guò) 最大峰值高度測(cè)量單元接收測(cè)量結(jié)果并控制可變衰減器的衰減率以使得最大峰值高度達(dá) 到預(yù)定高度。該控制單元可控制激光振蕩器中的脈沖激光的能量和可變衰減器的衰減率兩者。根據(jù)本發(fā)明的第八方面的用于半導(dǎo)體膜的激光退火裝置，在本發(fā)明的第六或第七 方面中，最大峰值高度測(cè)量單元可包括分束器，其設(shè)置于脈沖激光的光程上；脈沖波形檢 測(cè)單元，其檢測(cè)被分束器分割的一部分脈沖激光的波形；以及最大峰值高度確定單元，其確 定由脈沖波形檢測(cè)單元檢測(cè)的脈沖波形的最大峰值高度。[發(fā)明的效果]如前所述，根據(jù)本發(fā)明的用于半導(dǎo)體膜的激光退火方法，在用于在非單晶半導(dǎo)體 膜上照射脈沖激光來(lái)施加退火的半導(dǎo)體膜的激光退火方法中，執(zhí)行對(duì)脈沖激光的能量控 制，以使該激光的脈沖波形的最大峰值高度保持預(yù)定高度，因而提供以下的效果。1.根據(jù)與晶體特性高度相關(guān)的脈沖波形的最大峰值高度，控制激光照射的能量密 度，因而總是能獲得恒定的晶體特性。2.即使當(dāng)脈沖波形由于激光振蕩器的振蕩條件改變而改變時(shí)，也總是能獲得恒定 的晶體特性。3.當(dāng)脈沖波形由于激光氣體的退化而改變但輸出(W)恒定時(shí)，根據(jù)與晶體特性高 度相關(guān)的脈沖波形的最大峰值高度控制激光照射的能量密度，因而總是能獲得恒定的晶體 特性。


圖1為示意性地示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的激光退火設(shè)備的示圖。圖2為示出保持對(duì)結(jié)晶化最佳的狀態(tài)的步驟的流程圖。圖3為示出當(dāng)激光脈沖能量改變時(shí)激光脈沖波形改變的圖表。圖4為示出關(guān)于激光脈沖能量的對(duì)結(jié)晶化最佳的能量密度和最大峰值高度的圖表。圖5為示出脈沖能量密度和最大峰值高度與激光脈沖能量的關(guān)系的圖表。
具體實(shí)施例方式
參照附圖，現(xiàn)在將給出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的描述。激光退火設(shè)備包括用于輸出氣體激光的激光振蕩器1，該激光振蕩器1能通過(guò) 調(diào)節(jié)要注入氣體的量和放電電壓來(lái)調(diào)節(jié)激光輸出。作為激光振蕩器1，例如可以使用 Coherent公司的準(zhǔn)分子激光振蕩器LSX315C (波長(zhǎng)308nm，重復(fù)率300Hz)?？勺兯p器2設(shè)置于光程上，沿著該光程發(fā)射出從該激光振蕩器1輸出的激光10。 該可變衰減器2由衰減器光學(xué)元件構(gòu)成，其透射率根據(jù)激光的入射角度而改變，因此允許調(diào)節(jié)透射通過(guò)該可變衰減器2的激光的衰減率。在可變衰減器2上調(diào)節(jié)衰減率能通過(guò)可變 衰減器控制單元3執(zhí)行，且該可變衰減器控制單元3例如可由CPU、操作該CPU的程序等構(gòu) 成。其中排列有諸如均化器的光學(xué)部件的光學(xué)系統(tǒng)4被設(shè)置于該可變衰減器2的發(fā)射 側(cè)上的光程上，且激光10通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成形為例如具有465mm長(zhǎng)度和0. 4mm寬度的直線
束ο由該光學(xué)系統(tǒng)4引導(dǎo)的激光10的一部分由分束器5提取，且其主要部分透射通過(guò) 該分束器5，并照射到要處理的物體6上。作為要處理的物體6，例如考慮具有厚度50nm的
非晶硅膜。從分束器5提取的激光IOa被輸入到脈沖波形檢測(cè)裝置7。該脈沖波形檢測(cè)裝置 7檢測(cè)激光IOa的脈沖波形，并與根據(jù)本發(fā)明的脈沖波形檢測(cè)單元相對(duì)應(yīng)。例如，作為該脈 沖波形檢測(cè)裝置7，使用來(lái)自Hamamatsu Photonics的雙平面光電管(型號(hào)R1193U-52)。由該脈沖波形檢測(cè)裝置7所檢測(cè)的結(jié)果被輸出到控制單元8。該控制單元8由 CPU、用于操作該CPU的程序、存儲(chǔ)器單元構(gòu)成，該存儲(chǔ)器單元以非易失性方式存儲(chǔ)與脈沖 波形的預(yù)定最大峰值高度相關(guān)的數(shù)據(jù)等?？刂茊卧?根據(jù)脈沖波形檢測(cè)裝置7的檢測(cè)結(jié)果 確定波形的最大峰值高度。根據(jù)本發(fā)明，該控制單元8因而具有作為最大峰值高度確定單 元的功能，并與該脈沖波形檢測(cè)裝置7協(xié)作來(lái)構(gòu)造最大峰值高度測(cè)量單元?？刂茊卧?能 控制激光振蕩器1的輸出，并向可變衰減器控制單元3發(fā)出控制命令?，F(xiàn)在將給出激光退火設(shè)備的操作的描述。根據(jù)原始設(shè)置的輸出，激光10從激光振蕩器1輸出。該激光振蕩器1的振蕩能量 由內(nèi)建的能量表控制。能量表的數(shù)值與脈沖波形的積分值成正比。激光10到達(dá)可變衰減器2。該可變衰減器2被控制成以由可變衰減器控制單元3 原始設(shè)置的衰減率來(lái)透射激光10。該可變衰減器2設(shè)置最佳的照射能量密度，以便將要處 理的物體6結(jié)晶化。衰減了預(yù)定衰減率的激光被光學(xué)系統(tǒng)4成形為帶形，并達(dá)到分束器5。透射通過(guò)分 束器5的激光被照射到要處理的物體6上，從而向其施加激光退火。由分束器5分割的激 光IOa到達(dá)脈沖波形檢測(cè)裝置7，并且有關(guān)所檢測(cè)脈沖波形的信息被輸出到控制單元8?，F(xiàn)在將給出基于圖2的控制單元8中的控制步驟的描述。首先，在步驟1，檢測(cè)脈沖波形，并且所檢測(cè)的結(jié)果如前所述地被輸出到控制單元 8 (步驟si)。該控制單元8根據(jù)所檢測(cè)的脈沖波形確定波形中的最大峰值高度(步驟s2)。波 形中的第一峰值通常為圖3中所示的最大峰值，因而最大峰值高度能夠通過(guò)確定這個(gè)峰值 高度來(lái)識(shí)別?？刂茊卧?然后在存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器單元中的最大峰值高度的預(yù)定范圍上讀取數(shù)據(jù)， 并與所確定的(檢測(cè)的)最大峰值高度相比較(步驟S3)。應(yīng)該注意，最大峰值高度的預(yù)定 的范圍被預(yù)先存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中。對(duì)于該最大峰值高度的預(yù)定范圍，可根據(jù)要處理物體 6的類型等設(shè)置不同的數(shù)據(jù)。如果在以上比較中，所檢測(cè)到的最大峰值高度在最大峰值高度的預(yù)定范圍內(nèi)(在 步驟s3為“是”)，則認(rèn)為本激光10具有對(duì)結(jié)晶化最佳的最大峰值高度，并且激光波形的檢測(cè)繼續(xù)(至步驟Si)。重復(fù)執(zhí)行的激光波形的檢測(cè)可以是持續(xù)的，或者以預(yù)定的間隔斷斷續(xù) 續(xù)的。如果所檢測(cè)到的最大峰值高度沒(méi)有在預(yù)定范圍內(nèi)(在步驟S3為“否”)，則調(diào)節(jié)激 光輸出。通過(guò)調(diào)節(jié)放電電壓，執(zhí)行激光振蕩器1的輸出調(diào)節(jié)。如果所檢測(cè)到的最大峰值高 度高于預(yù)定范圍，則控制單元8調(diào)節(jié)激光振蕩器1的放電電壓來(lái)降低輸出，因而最大峰值高 度落入預(yù)定范圍內(nèi)。另一方面，如果所檢測(cè)到的最大峰值高度低于預(yù)定范圍，則控制單元8 調(diào)節(jié)激光振蕩器1來(lái)增高輸出，因而最大峰值高度落入預(yù)定范圍內(nèi)?；谒鶛z測(cè)到的最大 峰值高度偏離預(yù)定范圍的量，可確定調(diào)節(jié)的量。調(diào)節(jié)之后，激光的波形被持續(xù)地檢測(cè)(至步驟Si)，直到激光照射處理完成(在步 驟s5中為“是”)。如上所述，即使當(dāng)激光的輸出波動(dòng)時(shí)，通過(guò)將波形的最大峰值高度保持在預(yù)定值 激光退火也能夠在結(jié)晶化的最佳狀態(tài)下執(zhí)行，而不管脈沖波形的形狀如何，由此總是獲得 恒定晶體。在上面的控制步驟中，雖然脈沖波形的最大峰值高度由激光振蕩器1中的輸出調(diào) 節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)，但是脈沖波形的最大峰值高度可通過(guò)在可變衰減器2中調(diào)節(jié)衰減率來(lái)調(diào)節(jié)，或 者該脈沖波形的最大峰值高度可通過(guò)激光振蕩器1中的輸出調(diào)節(jié)和可變衰減器2中的衰減 率調(diào)節(jié)兩者來(lái)調(diào)節(jié)。盡管本發(fā)明是基于上面的實(shí)施例描述的，但是本發(fā)明并不限于說(shuō)明書的內(nèi)容，其 可在本發(fā)明的范圍內(nèi)作適當(dāng)?shù)馗淖?。[附圖標(biāo)記的描述]
1激光振蕩器
2可變衰減器
3可變衰減器控制單元
4光學(xué)系統(tǒng)
5分束器
6要照射的物體
7脈沖波形檢測(cè)裝置
8控制單元
權(quán)利要求
一種在非單晶半導(dǎo)體膜上照射脈沖激光來(lái)施加退火的用于半導(dǎo)體膜的激光退火方法，其特征在于，執(zhí)行對(duì)脈沖激光的能量控制，以使所述激光的脈沖波形的最大峰值高度保持預(yù)定高度。
2.如權(quán)利要求1所述的用于半導(dǎo)體膜的激光退火方法，其特征在于，測(cè)量所述激光的 脈沖波形的最大峰值高度，并調(diào)節(jié)所述脈沖激光的輸出能量和/或輸出后的脈沖激光的能 量，以使最大峰值高度保持預(yù)定高度。
3.如權(quán)利要求1或2所述的用于半導(dǎo)體膜的激光退火方法，其特征在于，所述非單晶半 導(dǎo)體膜為硅膜。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的用于半導(dǎo)體膜的激光退火方法，其特征在于，所述 脈沖激光為準(zhǔn)分子激光。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的用于半導(dǎo)體膜的激光退火方法，其特征在于，所述 脈沖波形的最大峰值高度對(duì)照射在非單晶半導(dǎo)體膜上的激光的脈沖波形進(jìn)行測(cè)量。
6.一種用于半導(dǎo)體膜的激光退火設(shè)備，包括 激光振蕩器，其輸出脈沖激光；光學(xué)系統(tǒng)，其將脈沖激光引導(dǎo)至非單晶半導(dǎo)體膜； 最大峰值高度測(cè)量單元，其測(cè)量脈沖激光的最大峰值高度；以及 控制單元，其通過(guò)所述最大峰值高度測(cè)量單元接收測(cè)量結(jié)果，并控制所述激光振蕩器 的脈沖激光的輸出能量，以使得最大峰值高度保持預(yù)定高度。
7.一種用于半導(dǎo)體膜的激光退火設(shè)備，包括 激光振蕩器，其輸出脈沖激光；可變衰減器，其調(diào)節(jié)脈沖激光的衰減率； 光學(xué)系統(tǒng)，其將脈沖激光引導(dǎo)至非單晶半導(dǎo)體膜； 最大峰值高度測(cè)量單元，其測(cè)量脈沖激光的最大峰值高度；以及 控制單元，其通過(guò)所述最大峰值高度測(cè)量單元接收測(cè)量結(jié)果，并控制所述可變衰減器 的衰減率，以使得最大峰值高度保持預(yù)定高度。
8.如權(quán)利要求6或7所述的用于半導(dǎo)體膜的激光退火設(shè)備，其特征在于，所述最大峰值 高度測(cè)量單元包括分束器，其設(shè)置于脈沖激光的光程上；脈沖波形檢測(cè)單元，其檢測(cè)被所述分束器分割的一部分脈沖激光的波形；以及 最大峰值高度確定單元，其確定由所述脈沖波形檢測(cè)單元檢測(cè)到的脈沖波形的最大峰值高度。
全文摘要
在激光退火中，不管激光輸出中如何波動(dòng)，都要確保結(jié)晶化的均勻性。在將脈沖激光照射到非單晶半導(dǎo)體膜上來(lái)施加退火的激光退火方法中，執(zhí)行對(duì)脈沖激光的能量控制，以使激光的脈沖波形的最大峰值高度達(dá)到預(yù)定高度，并且該控制能夠通過(guò)激光退火設(shè)備執(zhí)行。該激光退火設(shè)備包括激光振蕩器(1)，其輸出脈沖激光；光學(xué)系統(tǒng)(4)，其將脈沖激光引導(dǎo)至非單晶半導(dǎo)體薄膜；最大峰值高度測(cè)量單元，其測(cè)量脈沖激光的最大峰值高度；以及控制單元(8)，其通過(guò)最大峰值高度測(cè)量單元接收測(cè)量結(jié)果并控制激光振蕩器的脈沖激光的輸出能量；或者可變衰減器(2)，其調(diào)節(jié)脈沖激光的衰減率以使得最大峰值高度達(dá)到預(yù)定高度。
文檔編號(hào)H01L21/20GK101965627SQ20108000119
公開日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2010年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月2日
發(fā)明者次田純一, 鄭石煥 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日本制鋼所