專利名稱:激光退火處理裝置及激光退火處理方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種向半導(dǎo)體膜照射脈沖激光來進(jìn)行激光退火的激光退火處理裝置及激光退火處理方法。
背景技術(shù):
對(duì)于液晶顯示器或有機(jī)EL (Electro-Luminescence :電致發(fā)光)顯示器的像素開關(guān)、驅(qū)動(dòng)電路所使用的薄膜晶體管,使用激光進(jìn)行激光退火是其低溫工藝制造方法中的一環(huán)。該方法是對(duì)在基板上成膜的非單晶半導(dǎo)體膜照射激光,在局部加熱熔融之后或加熱但不發(fā)生溶融之后,在冷卻過程中使半導(dǎo)體薄膜結(jié)晶成多晶或單晶。結(jié)晶后的半導(dǎo)體薄膜的載流子遷移率變高,因此能夠得到高性能的薄膜晶體管。另外,通過對(duì)結(jié)晶半導(dǎo)體薄膜進(jìn)行激光退火處理,也能改良品質(zhì)。提出有如下的退火方法在上述激光的照射過程中,將脈沖激光整形成矩形或線·形,一邊用該脈沖激光進(jìn)行掃描,一邊進(jìn)行重疊照射,由此來對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行退火(例如專利文獻(xiàn)I)。上述激光照射需要在整個(gè)半導(dǎo)體膜上均勻地進(jìn)行處理,而為了使所照射的脈沖激光具有穩(wěn)定的脈沖能量密度,通常進(jìn)行在規(guī)定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)激光輸出的控制、或利用可變衰減器在規(guī)定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)脈沖能量的控制?,F(xiàn)有專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I :日本專利特開平6-5537號(hào)公報(bào)
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的問題另外,在受脈沖激光照射而結(jié)晶的半導(dǎo)體膜中,粒徑較大的晶粒均勻存在,從而作為半導(dǎo)體元件能夠得到優(yōu)異的特性。因此,進(jìn)行激光退火時(shí)照射的脈沖激光的能量密度不能過大也不能過小,該能量密度必須在適合結(jié)晶的范圍內(nèi)。從而,雖然要在激光退火時(shí)在適合結(jié)晶的范圍內(nèi)對(duì)激光輸出如此進(jìn)行控制,但以往脈沖激光的合適范圍即容限(margin)較小,用于控制的裝置負(fù)擔(dān)較大,而且容易由輸出變動(dòng)導(dǎo)致結(jié)晶特性發(fā)生偏差。以往的脈沖激光如圖6所示,上升沿和下降沿都具有急劇變化的脈沖波形,本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)通過將該脈沖變成寬脈沖波形,適合結(jié)晶的能量密度本身就會(huì)變大,且上述范圍變得更大。但是,適合結(jié)晶的能量密度變大意味著如果輸出脈沖能量不發(fā)生變化,就必須減小脈沖激光的照射面積來增大脈沖能量密度。若減小脈沖激光的照射面積,則用于對(duì)半導(dǎo)體膜的一個(gè)面進(jìn)行處理的脈沖照射次數(shù)必然增加,將導(dǎo)致處理量下降。本發(fā)明以上述情況為背景,其目的在于提供一種激光退火處理裝置及處理方法,盡可能地抑制處理量下降,并能增大適合結(jié)晶等的能量密度的范圍即合適容限。解決問題的技術(shù)方案S卩,本發(fā)明的激光退火處理裝置中,第一項(xiàng)本發(fā)明的特征在于,包括輸出脈沖激光的激光光源;對(duì)所述脈沖激光進(jìn)行整形并引導(dǎo)至作為處理對(duì)象的半導(dǎo)體膜的光學(xué)系統(tǒng);以及設(shè)置被所述脈沖激光照射的所述半導(dǎo)體膜的工作臺(tái),照射到所述半導(dǎo)體膜上的所述脈沖激光的脈沖能量密度從最大高度的10%到該最大高度為止的上升時(shí)間為35ns以下,從所述最大高度到該最大高度的10%為止的下降時(shí)間為80ns以上。第二項(xiàng)本發(fā)明的激光退火處理裝置的特征在于,在所述第一項(xiàng)本發(fā)明中,所述上升時(shí)間為30ns以下,所述下降時(shí)間為85ns以上。
第三項(xiàng)本發(fā)明的激光退火處理裝置的特征在于,在所述第一項(xiàng)或第二項(xiàng)本發(fā)明中,具備波形整形部,該波形整形部將所述激光光源輸出的脈沖激光整形成具有所述上升時(shí)間和所述下降時(shí)間的脈沖波形。第四項(xiàng)本發(fā)明的激光退火處理裝置的特征在于,在所述第三項(xiàng)本發(fā)明中,所述波形整形部具備將所述激光光源輸出的脈沖激光分割成多個(gè)光束的光束分割部件、使所分割的各光束發(fā)生延遲的延遲部件、以及將所分割的各光束合成的光束合成部件。第五項(xiàng)本發(fā)明的激光退火處理裝置的特征在于,在所述第一至第四項(xiàng)本發(fā)明的任一項(xiàng)發(fā)明中,具有多個(gè)激光光源,各激光光源輸出的脈沖激光疊加而得到照射到所述半導(dǎo)體膜上的脈沖激光。第六項(xiàng)本發(fā)明的激光退火處理裝置的特征在于,在所述第一至第五項(xiàng)發(fā)明的任一項(xiàng)發(fā)明中,被所述脈沖激光照射的半導(dǎo)體膜是非單晶硅。第七項(xiàng)本發(fā)明的激光退火處理裝置的特征在于,在所述第一至第六項(xiàng)發(fā)明的任一項(xiàng)發(fā)明中,所述脈沖激光是準(zhǔn)分子激光。另外,本發(fā)明的激光退火處理方法的特征在于,獲取具有如下脈沖波形的脈沖激光在該脈沖波形中,脈沖能量密度從最大高度的10%到最大高度為止的上升時(shí)間為35ns以下,從所述最大高度到最大高度的10%為止的下降時(shí)間為80ns以上,一邊用該脈沖激光照射半導(dǎo)體膜,一邊進(jìn)行相對(duì)掃描來對(duì)該半導(dǎo)體膜進(jìn)行表面處理。S卩,根據(jù)本發(fā)明,通過對(duì)半導(dǎo)體膜照射上升時(shí)間和下降時(shí)間都被恰當(dāng)?shù)卮_定的脈沖激光,能夠用容限較大的合適的脈沖能量密度來進(jìn)行良好的退火處理。另外,能夠?qū)⑦m合結(jié)晶等的脈沖能量密度也控制得較小,并盡可能地增大照射面積,以較高的處理量來進(jìn)行處理。若上升時(shí)間超過35ns,則適合結(jié)晶等的脈沖能量密度變大,從而需要減小脈沖激光的照射面積。因此,將上升時(shí)間設(shè)定為35ns以下。基于同樣地理由,最好是在30ns以下。而若下降時(shí)間小于80ns,則適合結(jié)晶等的脈沖能量密度的容限變小,裝置負(fù)擔(dān)變大,也難以實(shí)現(xiàn)均勻結(jié)晶。因此,將下降時(shí)間設(shè)定為80ns以上。基于同樣地理由,下降時(shí)間最好是在85ns以上。另外,本發(fā)明中的上升時(shí)間定義為脈沖波形從最大高度的10%到最大高度為止的時(shí)間。而本發(fā)明中的下降時(shí)間則定義為脈沖波形從最大高度到最大高度的10%為止的時(shí)間。具有上述上升時(shí)間和下降時(shí)間的脈沖波形可以是從激光光源輸出的脈沖激光所具有的脈沖波形,也可以是通過波形整形部對(duì)脈沖波形進(jìn)行了整形后的脈沖波形。從而能夠得到所希望的脈沖波形,而無需使用特殊的激光光源。作為波形整形部,可以列舉例如使用延遲部件的單元。使用延遲部件時(shí),可以利用將激光光源輸出的脈沖激光分割成多個(gè)光束的光束分割部件、使所分割的各光束發(fā)生延遲的延遲部件、以及將所分割的各光束合成的光束合成部件來構(gòu)成波形整形部。通過設(shè)定延遲部件中的延遲量,能夠?qū)⒚}沖波形變成合適的波形。延遲部件能夠通過調(diào)整光路長度來改變延遲量。例如,將上述光束分割部件所分割的激光引導(dǎo)至各種具有不同光路長度的光學(xué)系統(tǒng)。通過將分割并延遲后的光束再次引導(dǎo)至單一光路上,能夠延長脈沖時(shí)間寬度,從而調(diào)節(jié)脈沖波形。尤其是通過調(diào)節(jié)分割時(shí)的強(qiáng)度比和設(shè)定分割后的各種光路長度,能夠恰當(dāng)?shù)馗淖兠}沖時(shí)間波形。另外,具有上述上升時(shí)間和下降時(shí)間的脈沖波形也可以通過將多個(gè)激光光源輸出 的脈沖激光疊加而得到。該波形可以是預(yù)先將多個(gè)脈沖激光合成為一個(gè)脈沖激光而照射到半導(dǎo)體膜上,也可以是通過對(duì)半導(dǎo)體膜照射多個(gè)脈沖激光,最終以得到所希望脈沖波形的能量密度進(jìn)行照射。在將多個(gè)脈沖激光疊加時(shí),也可以通過調(diào)節(jié)脈沖輸出的相位、或者插入延遲部件來得到所希望的脈沖波形。本發(fā)明適合用于非晶硅膜的結(jié)晶,但本發(fā)明對(duì)于材料的類別、目的等沒有特別的限定。例如,也可以對(duì)結(jié)晶半導(dǎo)體膜照射脈沖激光來進(jìn)行品質(zhì)改良。作為脈沖激光,適合使用高輸出的準(zhǔn)分子激光,但本發(fā)明不限于此。發(fā)明效果如上所述,根據(jù)本發(fā)明,包括輸出脈沖激光的激光光源;對(duì)所述脈沖激光進(jìn)行整形并引導(dǎo)至作為處理對(duì)象的半導(dǎo)體膜的光學(xué)系統(tǒng);以及設(shè)置被所述脈沖激光照射的所述半導(dǎo)體膜的工作臺(tái),照射到所述半導(dǎo)體膜上的所述脈沖激光的脈沖能量密度從最大高度的10%到該最大高度為止的上升時(shí)間為35ns以下,從所述最大高度到該最大高度的10%為止的下降時(shí)間為80ns以上,因此,能夠確保適合結(jié)晶等的合適容限較大,而無需格外增大適合結(jié)晶等的脈沖能量密度,能夠無偏差地進(jìn)行退火處理,而不會(huì)增大裝置負(fù)擔(dān),也不會(huì)降低處理量。
圖I是表示本發(fā)明一實(shí)施方式的激光退火處理裝置的簡圖。圖2是表示同一實(shí)施方式的波形整形部的簡圖。圖3是表示本發(fā)明的實(shí)施例所使用的脈沖激光的各脈沖波形的圖。圖4是表示同一實(shí)施例的脈沖上升時(shí)間與脈沖能量密度的容限之間的關(guān)系的圖。圖5是表示同一實(shí)施例中脈沖激光照射后的硅薄膜的表面結(jié)晶的照片,以代替圖片。圖6是表示以往的激光退火處理裝置所使用的脈沖激光的脈沖波形的圖。
具體實(shí)施例方式下面,對(duì)本發(fā)明的一實(shí)施方式進(jìn)行說明。圖I是表示本發(fā)明的激光退火處理裝置I的簡要情況的圖。
激光退火處理裝置I具有處理室2,該處理室2內(nèi)設(shè)有能夠沿X-Y方向移動(dòng)的掃描裝置3,在該掃描裝置3的上部設(shè)有基臺(tái)4?;_(tái)4上設(shè)有基板配置臺(tái)5作為工作臺(tái)。在進(jìn)行退火處理時(shí),將作為半導(dǎo)體膜的非晶硅膜100等設(shè)置在該基板配置臺(tái)5上。硅膜100在未圖示的基板上形成50nm的厚度。該形成可以采用常用的方法來進(jìn)行,本發(fā)明對(duì)半導(dǎo)體膜的形成方法沒有特別限定。掃描裝置3由未圖示的電動(dòng)機(jī)等進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。處理室2上設(shè)有將脈沖激光從外部導(dǎo)入的導(dǎo)入窗6。在處理室2的外部,設(shè)有脈沖激光光源10。該脈沖激光光源10由準(zhǔn)分子激光振蕩器構(gòu)成,能夠輸出波長為308nm、反復(fù)震蕩頻率為300Hz、脈沖上升時(shí)間< 5ns、脈沖下降時(shí)間約為45ns的脈沖激光,該脈沖激光光源10被控制為通過反饋控制將脈沖激光的輸出維持在規(guī)定范圍內(nèi)。該脈沖激光光源10進(jìn)行脈沖振蕩而輸出的脈沖激光15根據(jù)需要經(jīng)衰減器11調(diào)整能量密度,并經(jīng)過由透鏡、反射鏡、均化器等構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)12進(jìn)行光束整形、偏轉(zhuǎn),然后通過設(shè)置在處理室2上的導(dǎo)入窗而照射到處理室2內(nèi)的非晶硅膜100上。對(duì)于照射時(shí)的·照射面形狀沒有特別的限定,但利用上述光學(xué)系統(tǒng)12,能夠整形成例如光斑狀、圓形、方形、
矩形等。光學(xué)系統(tǒng)12還包括波形整形部13?;趫D2來進(jìn)行說明該波形整形部13的簡要情況。在波形整形部13的光路上設(shè)置有由半透明反射鏡構(gòu)成的分束鏡130,該分束鏡130對(duì)光束進(jìn)行分割,使得一部分光束15a發(fā)生90度反射,剩下的那部分光束15b則透過分束鏡130。即,分束鏡130相當(dāng)于本發(fā)明的光束分割部件。另外,在分束鏡130的反射方向上設(shè)有使入射角為45度的全反射鏡131,在該全反射鏡131的反射方向上設(shè)有使入射角為45度的全反射鏡132,在全反射鏡132的反射方向上設(shè)有使入射角為45度的全反射鏡133,在全反射鏡133的反射方向上設(shè)有使入射角為45度的全反射鏡134。在全反射鏡134的反射方向上,存在著所述分束鏡130的背面?zhèn)?從而光束以入射角45度進(jìn)行照射。經(jīng)分束鏡130進(jìn)行90度反射后的光束15a通過在全反射鏡131、132、133、134依次發(fā)生90度反射,變成發(fā)生了延遲的光束15c,到達(dá)分束鏡130的背面?zhèn)龋徊糠职l(fā)生90度反射而以延遲后的波形與光束15b疊加,剩下的光束則透過分束鏡130而重復(fù)發(fā)生所述全反射和被分束鏡130分割。在光束15b —側(cè)疊加的光束通過將延遲后的光束疊加而對(duì)脈沖波形進(jìn)行整形,變成上升沿急劇變化而下降沿緩慢變化的脈沖波形,作為脈沖激光150在光路上前行。具體而言,脈沖激光150變成脈沖能量密度從最大高度的10%到該最大高度為止的上升時(shí)間在35ns以下、從所述最大高度到該最大高度的10%為止的下降時(shí)間在80ns以上的脈沖波形。此外,通過改變各全反射鏡的位置來調(diào)節(jié)光路長度也能改變光束的延遲量,由此能夠任意地改變疊加后的脈沖激光的脈沖波形。另外,也可以對(duì)分割后的脈沖激光的強(qiáng)度進(jìn)行個(gè)別調(diào)整。脈沖激光150通過導(dǎo)入窗6而被導(dǎo)入處理室2內(nèi),并照射到基板配置臺(tái)5上的硅膜100上。此時(shí),基板配置臺(tái)5經(jīng)由掃描裝置3而與基臺(tái)4 一起移動(dòng),脈沖激光150—邊在硅膜100上進(jìn)行相對(duì)掃描一邊進(jìn)行照射。
此時(shí)的脈沖激光150為了得到適合結(jié)晶的能量密度,設(shè)定激光光源10的輸出、衰減器11的衰減率、脈沖激光的照射截面積,從而使非晶硅膜100均勻地進(jìn)行結(jié)晶。此外,通過取出一部分脈沖激光150,在與照射面同等的位置上,能夠測(cè)定脈沖能量密度?;谠摐y(cè)定結(jié)果,調(diào)節(jié)所述脈沖激光光源10和衰減器11,能夠?qū)⒚}沖激光150的脈沖能量密度調(diào)節(jié)到恰當(dāng)?shù)闹?。被該脈沖激光150照射而結(jié)晶的硅膜100的晶粒較大,且結(jié)晶粒徑較為一致,具有優(yōu)異的結(jié)晶特性。此時(shí),合適的脈沖能量密度的容限變大,能夠減輕裝置負(fù)擔(dān),并且在激光輸出發(fā)生變動(dòng)時(shí)也能夠確保退火處理的均一性。另外,適合結(jié)晶等的能量密度也能設(shè)定得較低,從而能夠增大脈沖激光的照射截面積,提高處理量。實(shí)施例I下面,對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例及比較例進(jìn)行說明。 使用圖I、圖2所示的激光退火處理裝置1,對(duì)波形整形部13的延遲量進(jìn)行調(diào)節(jié),從而得到具有上升時(shí)間和下降時(shí)間不相同的脈沖波形的脈沖激光。在本實(shí)施例中,脈沖激光的照射面形狀為465nm、寬O. 4mm的直線束狀。圖3是表示各脈沖激光的脈沖波形的圖,圖中具體示出了上升時(shí)間和下降時(shí)間。圖中,將下降時(shí)間記為脈沖衰減時(shí)間。對(duì)于具有上述脈沖波形的脈沖激光,改變其脈沖能量密度,照射到非晶硅膜100上,并對(duì)結(jié)晶特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。脈沖能量密度的改變主要通過調(diào)節(jié)衰減器11的衰減率來進(jìn)行。該結(jié)晶性的評(píng)價(jià)是通過利用電子顯微鏡照片來確認(rèn)結(jié)晶后硅膜的表面,對(duì)于晶粒形成得較大且粒徑相一致的硅膜,判斷為優(yōu)質(zhì)硅膜。晶粒在例如200nm以上則為優(yōu)良。對(duì)于各脈沖波形,考慮晶粒的大小、均一性,求出各自最佳的結(jié)晶脈沖能量密度。另外,對(duì)于上升時(shí)間在51ns以外的脈沖激光,求出適合結(jié)晶的脈沖能量密度的上限和下限。圖4中示出了使用各脈沖波形的脈沖激光的照射結(jié)果。可知隨著脈沖上升時(shí)間變短,最佳脈沖能量密度逐漸減小,當(dāng)上升時(shí)間在35ns以下時(shí),最佳脈沖能量密度急劇降低。因此,需要將上升時(shí)間設(shè)定為35ns以下。另外,如果上升時(shí)間在30ns以下,則最佳脈沖能
量密度進(jìn)一步顯著降低。圖5表示將具有如下脈沖波形的脈沖激光照射到非晶硅膜上,對(duì)結(jié)晶后的硅膜的表面進(jìn)行觀察得到的電子顯微鏡照片,其中,所述脈沖波形的脈沖上升時(shí)間為22ns,下降時(shí)間為87ns。從該照片可知,適合結(jié)晶的脈沖能量密度范圍為330 370mJ/cm2,最佳脈沖能量密度為340mJ/cm2。若用比適合結(jié)晶的脈沖能量密度要低的脈沖能量密度來照射脈沖激光,則所得到的結(jié)晶的結(jié)晶粒徑變小。另外,若用比適合結(jié)晶的脈沖能量密度要高的脈沖能量密度來照射脈沖激光,則所得到的結(jié)晶的結(jié)晶粒徑之間的偏差變大,且隨著能量密度的上升,晶粒變小。但是,對(duì)于上升時(shí)間為7ns的脈沖激光,雖然適合結(jié)晶的脈沖能量密度會(huì)降低,但是作為合適范圍的容限卻急劇變小。這是由于下降時(shí)間為78ns,小于80ns。因而,上升時(shí)間和下降時(shí)間都需要滿足本發(fā)明的條件。以上,基于上述實(shí)施方式和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說明,但本發(fā)明不限于上述說明的內(nèi)容,只要不脫離本發(fā)明的范圍,可進(jìn)行適當(dāng)?shù)母淖儭?biāo)號(hào)說明I激光退火處理裝置2處理室3掃描裝置5基板配置臺(tái)6導(dǎo)入窗10脈沖激光光源
11衰減器 12光學(xué)系統(tǒng)13波形整形部15脈沖激光100硅膜
150脈沖激光
權(quán)利要求
1.一種激光退火處理裝置,其特征在于,包括 輸出脈沖激光的激光光源; 對(duì)所述脈沖激光進(jìn)行整形并引導(dǎo)至作為處理對(duì)象的半導(dǎo)體膜的光學(xué)系統(tǒng);以及 設(shè)置被所述脈沖激光照射的所述半導(dǎo)體膜的工作臺(tái), 照射到所述半導(dǎo)體膜上的所述脈沖激光的脈沖能量密度從最大高度的10%到該最大高度為止的上升時(shí)間為35ns以下,從所述最大高度到該最大高度的10%為止的下降時(shí)間為80ns以上。
2.如權(quán)利要求I所述的激光退火處理裝置,其特征在于, 所述上升時(shí)間為30ns以下,所述下降時(shí)間為85ns以上。
3.如權(quán)利要求I或2所述的激光退火處理裝置,其特征在于, 具備波形整形部,該波形整形部將所述激光光源輸出的脈沖激光整形成具有所述上升時(shí)間和所述下降時(shí)間的脈沖波形。
4.如權(quán)利要求3所述的激光退火處理裝置,其特征在于, 所述波形整形部具備 將所述激光光源輸出的脈沖激光分割成多個(gè)光束的光束分割部件; 使所分割的各光束發(fā)生延遲的延遲部件;以及 將所分割的各光束合成的光束合成部件。
5.如權(quán)利要求I至4的任一項(xiàng)所述的激光退火處理裝置,其特征在于, 具有多個(gè)激光光源,各激光輸出的脈沖激光疊加而得到照射到所述半導(dǎo)體膜上的脈沖激光。
6.如權(quán)利要求I至5的任一項(xiàng)所述的激光退火處理裝置,其特征在于, 被所述脈沖激光照射的半導(dǎo)體膜是非單晶硅。
7.如權(quán)利要求I至6的任一項(xiàng)所述的激光退火處理裝置,其特征在于, 所述脈沖激光是準(zhǔn)分子激光。
8.一種激光退火處理方法,其特征在于, 獲取具有如下脈沖波形的脈沖激光在該脈沖波形中,脈沖能量密度從最大高度的10%到最大聞度為止的上升時(shí)間為35ns以下,從所述最大聞度到最大聞度的10%為止的下降時(shí)間為80ns以上,一邊用該脈沖激光照射半導(dǎo)體膜,一邊進(jìn)行相對(duì)掃描來對(duì)該半導(dǎo)體膜進(jìn)行表面處理。
全文摘要
本發(fā)明提供一種激光退火處理裝置及激光退火處理方法,在對(duì)半導(dǎo)體膜照射脈沖激光來進(jìn)行退火時(shí),無需提高合適的脈沖能量密度,就能增大該脈沖能量密度的容限。包括輸出脈沖激光的激光光源;對(duì)脈沖激光進(jìn)行整形并引導(dǎo)至作為處理對(duì)象的半導(dǎo)體膜的光學(xué)系統(tǒng);以及設(shè)置被脈沖激光照射的所述半導(dǎo)體膜的工作臺(tái),照射到所述半導(dǎo)體膜上的所述脈沖激光的脈沖能量密度從最大高度的10%到該最大高度為止的上升時(shí)間為35ns以下,從最大高度到該最大高度的10%為止的下降時(shí)間為80ns以上,從而,無需格外增大適合結(jié)晶等的脈沖能量密度,就能增大其容限,能夠進(jìn)行良好的退火處理,而不會(huì)降低處理量。
文檔編號(hào)H01L21/268GK102971833SQ201080067800
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2010年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月5日
發(fā)明者次田純一, 鄭石煥, 町田政志 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日本制鋼所