雷射處理方法

2023-05-29 17:36:31 2

專利名稱：雷射處理方法
技術領域：
本發明涉及用雷射照射半導體，使其受到各種熱處理的技術。
迄今，對於用雷射照射半導體，使其受到各種熱處理的技術是人們所周知的。例如，下列技術都是已知的；採用雷射照射非晶矽膜片，將在一玻璃基片上由等離子體CVD形成的一種非晶矽膜片(a-Si膜片)轉換為一種晶狀矽膜片的技術；以及在經雜質離子摻雜後的一種熱處理技術，等等。例如，在由本發明申請人申請的日本未審專利申請No.Hei 6-51238中所描述的一種技術，就是使用雷射的各種熱處理技術以及雷射照射設備。
由於各種使用雷射的熱處理並不構成對基片的熱損壞，所以在不耐熱的材料，例如一種玻璃基片或類似基片被用作基片的場合，該種處理方法成為一種有用的技術。然而，存在著一個問題，即難以在整個時間將熱處理效應保持在一個穩定的程度上。因此，當用雷射照射非晶矽膜片使其結晶化時，難以穩定地獲得所要求的良好的結晶度。這樣，要求一種用於穩定獲得晶狀矽膜片的技術，這種膜片具有良好的結晶度。
本發明的目的在於至少解決以下方面所述的一個或多個問題(1)在用雷射照射半導體對其進行熱處理的技術中一直提供穩定的作用；以及(2)進一步提高用雷射照射非晶矽膜片所獲得的晶狀矽膜片的結晶度。
在此描述的本發明的第一實施例是包括以下步驟的方法；加熱處理非晶膜片，以便使其結晶化；用雷射照射被結晶化了的矽膜片。該方法的特徵在於在該雷射照射期間，樣品保持在熱處理溫度的±100℃內。
在如上述結構的第一實施例中，在結晶化步驟期間執行的熱處理溫度可選擇為450-750℃。
這個溫度的上限由於基片的最高允許溫度所限定。在基片是用玻璃製成的場合，該上限約為600℃。在考慮生產率場合，該溫度最好約550℃。在使用玻璃基片的場合，希望在約550-600℃溫度上進行熱處理。
在雷射照射期間，加熱溫度最好設定為約550-600℃。實際應用從約450℃開始加熱。因此，加熱溫度最好在550℃±100℃範圍。
在此公開的本發明的第二實施例是包括以下步驟的方法在低於600℃的溫度下加熱處理非晶矽膜片以便使其結晶化；用雷射照射被結晶化了的矽膜片。該方法的特徵在於，在雷射照射期間，樣品保持在加熱處理溫度的±100℃內。
在此公開的本發明的第三實施例是包括以下步驟的方法加熱處理非晶矽膜片，以便使其結晶化；至少注入雜質離子於該結晶化了的矽膜的一部位中；以及用雷射照射該離子注入部位。該方法的特徵在於，在雷射照射期間，樣品保持在加熱處理溫度的±100℃。
在此公開的本發明的第四實施例是包括以下步驟的方法加熱處理非晶矽膜片，以便使其結晶化；至少注入雜質離子於該結晶化了的矽膜的一部位中；以及用雷射照射該離子注入部位。該方法的特徵在於，在雷射照射期間，樣品保持在加熱處理溫度的±100℃內。
在此公開的本發明的第五實施例是包括以下步驟的方法當逐步地將具有線性截面的雷射束從非晶矽膜片的一邊移動到另一邊時，照射該非晶矽膜片，以便連續地使照射部位結晶化。該方法的特徵在於當加熱該受照射表面超過450℃時進行雷射照射。
在上述結構的第五實施例中，該線性截面的雷射束逐步地移動並與該膜片緊密接觸。因此，能用雷射有效地照射所要求的部位。通常，照射表面的溫度限制在約600℃。然而，這些溫度受到基片材料的限制。可以使用更高的溫度。
在此公開的本發明的第六實施例是包括以下步驟的方法引進一種用於促進結晶化的金屬元素於非晶矽膜中；加熱處理非晶矽膜，以便使其結晶化；用雷射照射結晶化了的矽膜片。該方法的特徵在於，在雷射照射期間，樣品保持在加熱處理溫度的±100℃內。
在上述結構的第六實施例以及以下第七至第十實施例中，用於促進晶化的金屬元素是從包括Fe，Co，Ni，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，Cu，Zn，Ag，以及Au的組選擇的一種或多種元素。在這些金屬元素中，鎳是產生最顯著效應的一種元素。
在以上所述方法中，熱處理溫度能選擇處在450℃-750℃的範圍。該溫度的上限由基片的最高允許溫度所限制。在使用玻璃基片的場合，上限約為600℃。在考慮生產率的場合，該溫度最好高於550℃。因此，在使用玻璃基片的場合，熱處理最好在約550-600℃的溫度上進行。此外，在雷射照射期間，該熱處理溫度最好約550-600℃。實際應用從約450°開始加熱。結果，希望從550℃±100℃的溫度範圍對基片進行加熱。
在此公開的本發明的第七實施例是包括下列步驟的方法引進一種用於促進結晶化的金屬元素於非晶矽膜片中；在低於600℃溫度對該非晶矽膜片進行熱處理；用雷射照射結晶化了的矽膜片。該方法的特徵在於，在雷射照射期間，樣品保持在熱處理溫度的±100℃範圍內。
在此公開的本發明的第八實施例是包括以下步驟的方法引進一種用於促進結晶化的金屬元素於非晶矽膜片中；熱處理該非晶矽膜片，以便使其結晶化；至少注入雜質離子於該晶化了的矽膜片的一部位中；用雷射照射該離子注入部位。該方法的特徵在於，在雷射照射期間，樣品保持在熱處理溫度的±100℃範圍內。
在此公開的本發明的第九實施例是包括以下步驟的方法引進一種用於促進結晶化的金屬元素於非晶矽膜片中；熱處理該非晶矽膜片，以便使其結晶化；至少注入雜質離子於該結晶化了的矽膜片的一部位中；用雷射照射該離子注入部位。該方法的特徵在於，在雷射照射期間，樣品保持在熱處理溫度的±100℃範圍內。
在此公開的本發明的第十實施例是包括以下步驟的方法引進一種用於促進結晶化的金屬元素於非晶矽膜片中；當逐步地將具有線性截面的雷射束從非晶矽膜片一邊移動到另一邊時，照射該非晶矽膜片，以便連續地使照射部位結晶化。該方法的特徵在於，當加熱受照表面超450℃時進行雷射照射。
在上述結構的該第十實施例中，該線性截面的雷射束逐步地移動並與該所希望的部位緊密接觸。因此，能用雷射有效地照射所希望的部位。通常，照射表面的溫度限制在約600℃。然而這些溫度受到基片材料的限制。可以使用更高的溫度。
根據本發明第十一實施例的雷射處理方法，包括用雷射照射在一玻璃基片上形成的矽膜片。該方法的特徵在於，在雷射照射期間，矽膜片在高於450℃但低於玻璃基片應變點的溫度上進行加熱。
根據本發明第十二實施例的雷射處理方法包括下列步驟用雷射照射在一玻璃基片上形成的矽膜片；然後在高於500℃但低於玻璃基片應變點的溫度上加熱該矽膜片。該方法的特徵在於，在雷射照射期間，矽膜片在高於455℃但低於玻璃基片應變點的溫度上進行加熱。
根據本發明第十三實施例的雷射處理方法，包括用雷射照射在一玻璃基片上形成的矽膜片。該方法的特徵在於，在雷射照射期間，矽膜片在550℃±30℃溫度上進行加熱。
根據本發明第十四實施例的雷射處理方法包括以下步驟用雷射照射在一玻璃基片上形成的矽膜片；然後在550℃±30℃溫度上加熱該矽膜片。該方法的特徵在於，在雷射照射期間，矽膜片在550℃±30℃溫度上加熱。
根據本發明第十五實施例的雷射處理方法包括以下步驟在一玻璃基片上形成矽膜片；加熱該矽膜片高達一希望溫度；在保持該希望溫度期間用雷射照射該矽膜片。該方法的特徵在於，所希望的溫度高於500℃但低於該玻璃膜片的應變點。
根據本發明第十六實施例的雷射處理方法包括以下步驟在一玻璃基片上形成矽膜片；進行所說非晶矽膜片的第一熱處理；以便使其結晶化；用雷射照射結晶化了的矽膜片；進行該矽膜片的第二熱處理。該方法的特徵在於，第一和第二熱處理之一或兩者均在高於500℃但低於該玻璃基片的應變點的溫度上進行。該方法的特徵在於雷射照射步驟是在高於455℃但低於該玻璃基片的應變點的溫度上加熱該基片時進行的。
根據本發明第十七實施例的雷射處理方法包括以下步驟在一玻璃基片上形成非晶矽膜片；引進一種促進矽結晶化的金屬元素於該非晶矽膜片中；進行非晶膜片的第一熱處理；之後用雷射照射該結晶化了的矽膜片；然後進行該矽膜片的第二熱處理。該方法的特徵在於，第一和第二熱處理之一或者兩者在高於500℃但低於該玻璃基片的溫度上進行。該方法的特徵還在於雷射照射步驟是在高於455℃但低於該玻璃基片應變點的溫度上加熱該基片時進行的。
在上述第十一至第十七實施例的雷射處理方法中，在玻璃基片上形成的矽膜片是用雷射照射的。在雷射照射期間，該基片在高於455℃但低於該玻璃基片應變點的溫度上進行加熱的。
在該玻璃基片上形成的矽膜片可以是直接在該玻璃基片上形成的非晶或晶狀的矽膜片。另外，一種絕緣膜片，例如氧化矽膜或鎳化矽膜形成在該玻璃基片上作為過渡膜片。非晶的或晶狀的矽膜片在該過渡膜片上形成。
在雷射照射期間，該膜片被加熱超過455℃，以便提高雷射照射的熱處理效果。矽膜片由雷射照射，為的是將能量傳給矽膜片。該能量將使矽膜結晶化，改善矽膜片的結晶度，或者激活包含在矽膜片中的摻雜。加熱同雷射照射一起使用。這將能提高雷射照射的效果。
我們用具有波長為248nm的KrF激元雷射去照射非晶矽膜片，以便使其結晶化。該非晶膜片在氧化矽膜片的過渡膜片上形成，該氧化矽膜片依次在玻璃膜片上形成。圖22表示矽膜片的喇曼(Raman)強度(相對值)對輸入雷射密度的關係。該喇曼強度(相對值)是矽膜片喇曼強度對單晶片喇曼強度的比值。它表示如喇曼強度(相對值)增加，則將改善結晶度。由圖22曲線能看出將獲得更高結晶度的矽膜片，只要在用雷射照射它時加熱基片(樣品)，如果雷射的強度保持相同的話。
圖23表示喇曼強頻譜的半值寬度(相對值)對輸入光能量密度的關係。該喇曼頻譜的半值寬度是給出喇曼頻譜峰的半值的寬度對從單晶片得到的喇曼頻譜的寬度的比值。它表示如果該半值寬度減小，則所得矽膜片具有更高的結晶度。
如從圖23曲線能看出的那樣，藉助於加熱膜片，而同時用雷射對其照射，則可得到具有良好結晶度的膜片。我們的實驗已經指出，同時用雷射照射實施的加熱的溫度被設置成高於455℃，最好超500℃溫度，高於550℃為更好。加熱超過500℃的場合將得到顯著的效果。
加熱基片的一種方法是使用安裝在一支承物中的加熱頭或支撐該基片的平臺。其他的方法包括用紅外線等加熱受照射的表面。正確地說，該加熱溫度是該受照射表面的被測溫度。但是，只要允許小的誤差，基片的被測溫度能用作為加熱溫度。
同時用雷射照射的加熱最好在低於玻璃基片的應變點上進行。這是由於儘管加熱，基片不致於捲曲或收縮。例如7059玻璃常用作有源矩陣液晶顯示器，它具有593℃的應變點。對於這種情況，希望在低於593℃的溫度上進行熱處理。
因此，憑經驗可知，在雷射照射期間，如果在550℃±30℃加熱基片，則可得到期待的結果。
特別地，如果矽膜片在雷射照射前由加熱而結晶化，則可得到顯著的結果。在根據上述第十六實施例的雷射處理方法中，在玻璃基片上形成的非晶矽膜片首先由加熱結晶化。之後由雷射照射進一步提高結晶度。由此，該膜片被進行了熱處理。用這種方法，在所得到的矽膜片中的缺陷密度將減少。
在根據第十七實施例的雷射處理方法中，一種促進非晶矽膜片結晶化的催化元素被引進到該矽膜片中。之後，進行熱處理，以便結晶化該非晶結膜片。這種用於促進晶化的金屬元素可以是從包括Fe，Co，Ni，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，Cu，以及Au組選擇的一種或多種元素。特別地，對使用鎳(Ni)的場合，一種晶狀矽膜片能在550℃±30℃溫度上執行約4小時熱處理得到。
引進上述元素的一種方法包括用濺射，沉積，或CVD技術或形成與非晶矽膜片接觸的金屬元素層，或形成與其接觸的包含該金屬元素的層。引進上述元素的另一方法包括將一種包括該種金屬元素的液態溶液施加到非晶矽膜片的表面，並保持該金屬元素與非晶矽膜片接觸。
由於下列原因，所引進的金屬元素的量是這樣設定的，即該金屬元素在矽膜片中的濃度是1×1016cm-3至5×1019cm-3。如果金屬元素的濃度小於1×1016cm-3，則不能得到期待的效果。相反地，如果金屬元素的濃度超過5×1019cm-3，則半導體的電氣特性，或者所得到的晶狀矽膜片將受到損害。那就是這種起金屬作用的膜片的電氣特性越加顯著。
鎳元素被引進入非晶矽膜片的一些樣品。這些樣品被進行熱處理，以便使其晶化。用這種方法產生出晶狀矽膜片。測量膜片中的自旋密度。結果列表於圖24中。可以理解是在每個膜片中的自旋密度是該膜片中缺陷密度的一種度量。
在圖24中，樣品1，2和5在引進鎳元素後僅受到熱處理。樣品3在熱處理後受到雷射照射(LI)。樣品4在熱處理後受到雷射照射(LI)。然後，樣品4處於熱處理條件之下。從圖24能看出，樣品4具有最低的自旋密度，這指出樣品4在雷射照射(LI)後受到熱處理。
按這種方法，在雷射照射後進行的熱處理對降低膜片中的缺陷密度是十分有效的。如果在雷射照射後進行的熱處理的溫度被設置成超過500℃，那麼將產生期待的結果。該溫度的上限受限於玻璃基片的應變點。
根據本發明的第十八實施例的雷射處理系統包括一具有用於傳送基片的裝置的傳送腔；一具有用於加熱基片的裝置的第一加熱腔；一用於加熱基片的第二加熱腔；以及一具有用於將雷射瞄準基片的裝置的雷射處理腔。該第一加熱腔，第二加熱腔，以及雷射處理腔通過傳送腔集中在一起。在第一加熱腔中，基片在所要求的溫度上進行加熱。在雷射處理腔中，在第一加熱腔加熱的基片在加熱的同時用雷射照射。在第二加熱腔中，在雷射處理腔中用雷射照射過的基片被進行熱處理。
具有上述結構的例子表示在

圖18-20中。在圖18中，標號301是具有用於傳送基片315的機器人臂314的傳送腔。加熱腔305和302具有用於加熱膜片的裝置。雷射處理器304具有用於將雷射瞄準基片的裝置。
根據本發明的第十九實施例的雷射處理系統包括一用於用雷射照射基片的裝置以及一用於旋轉基片通過90°的裝置。該系統的特徵在於雷射具有線性截面。
根據本發明的第二十一實施例的雷射處理系統包括用於用雷射照射基片的裝置以及用於旋轉基片通過90°的裝置。該系統的特徵在於雷射具有線性截面。而且該具有線性截面的雷射在垂直於該雷射截面的縱方向上進行掃描並對準基片。該基片由旋轉裝置旋轉通過90°。這樣，線性截面的雷射從與先前方向差90°的方向上進行掃描，並且對準基片。
根據本發明的第二十二實施例的雷射處理系統包括一用雷射照射基片的裝置，以及一用於旋轉基片的裝置。該系統的特徵在於雷射具有線性截面。
根據本發明的第二十三實施例的雷射處理系統包括一用雷射照射基片的裝置以及用於旋轉基片的裝置。該系統的特徵在於雷射具有線性截面，並且該雷射在垂直於該雷射截面的縱方向上進行掃描並對準基片。基片由旋轉裝置旋轉，結果線性雷射在不同於先前方向的方向上進行掃描，並對準基片。
根據本發明的第二十四實施例的雷射處理系統包括一具有用於產生雷射的裝置雷射照射腔；一具有用於控制基片的裝置的基片旋轉腔；以及一連接該兩腔並具有用於傳送基片的傳送裝置的傳送腔。該系統的特徵在於雷射具有線性截面，而且線性雷射在垂直於雷射截面的縱方向上進行掃描。並對準基片。一旦基片用雷射照射，基片由傳送裝置傳送到旋轉腔，並由旋轉裝置進行旋轉。然後，基片再由傳送裝置送入雷射腔。基片再次被雷射掃描，但是在不同於雷射先前發射的角度上進行。
具有上述結構的雷射處理系統的例子表示在圖18-20中。表示在圖18-30中的系統在雷射處理腔304中具有用於產生雷射的裝置。在圖20中，標號331是用於發射雷射的雷射器。同樣，在由303表示的一腔中備有用於旋轉基片90°的裝置。雷射器331的雷射具有線性截面，其縱方向是從圖20電路的正面指向其反面。
圖20中的基片放置在平臺353上。該平臺由354指示的方向移動，結果，線性光束在垂直於該光束的軸向上掃描。在圖20所示的結構中，雷射束藉助於移動基片進行相對於該基片的掃描。當然，雷射束可以移動。
雷射照射能至少這樣重複兩次，即線性雷射束掃描的方向由先前掃描的方向改變90°。用此方法，整個所要求的表面能用雷射均勻照射。
在第一雷射照射步驟之後，基片在腔303中旋轉90°。然後，進行第2雷射照射步驟。這將提高雷射照射作用的均勻性。當然，這種掃描可以重複多次。
此外，基片能被旋轉30度。能進行三個雷射照射步驟。當然，雷射照射步驟的數量可進一步增加。基片旋轉通過的角度能設置在看得見雷射照射均勻性的地方。
本發明第二十五個方面包括引進非晶矽膜片中一種促進其結晶化的金屬元素的步驟；對上述非晶矽膜片進行熱處理，以便使其結晶化的步驟；以及用雷射照射在以前步驟中被結晶化的矽膜片的步驟；其中，樣品保持在偏離上述熱處理溫度±100℃範圍的溫度上。
在上述(在說明書中公開的所有方面的)結構中，正如一種金屬元素將促進晶化那樣，一種類型的金屬或許多類型的金屬元素能選用為這種金屬，例如Fe，Co，Ni，Rn，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，Cu，Zn，Ag和Au。而鎳是能提供最顯著效應的一種金屬元素。
在上述結構中，能夠選擇450℃-750℃溫度範圍作為熱處理時間溫度。該溫度的上限受限於基片的熱電阻溫度。當用玻璃基片作為基片時，約600℃考慮為上限溫度。此外，當考慮生產率時，該溫度考慮為550℃或再高一點。因此，當使用玻璃基片時，可考慮在550-600℃對其進行熱處理。
可考慮在雷射照射時設置加熱溫度到約550-600℃。但是在約450°或更高的溫度上加熱是實際上。因此，在550℃±100℃的溫度範圍內加熱玻璃基片是最適宜的。
此外，根據本發明的第二十六方面包括引進非晶矽膜片中一種促進其結晶化的金屬元素的步驟；對上述非晶矽膜片在600℃或更低溫度上進行熱處理，以便使其結晶化的步驟；以及用雷射照射在以前步驟中被結晶化的矽膜片的步驟，其中，樣品保持在偏離上述熱處理溫度時的±100℃範圍的溫度上。
此外，根據本發明的第二十七方面包括引進非晶矽膜片中一種促進其結晶化的金屬元素的步驟；對上述非晶矽膜片進行熱處理，以便使其晶化的步驟；至少摻雜離子於在以前步驟中被晶化的部分矽膜片中的步驟；以及用雷射照射上述摻雜離子的部位的步驟，其中，樣品保持在偏離上述熱處理溫度的±100℃範圍的溫度上。
此外，根據本發明其他方面包括用雷射(具有線性光束結構)照射非晶矽膜片，藉助連續地將該膜片從一邊到另一邊移動而引進一種金屬元素至該膜片中，該金屬元素將促進非晶矽膜片的結晶化；以及連續地結晶化用雷射照射的部位；其中，上述雷射照射在將未受雷射照射的表面加熱到450℃或更高時執行。
在上述方法中，一個必要的部位能有效地用雷射進行照射，只要連續地移動線性光束，用該線性光束去照射該區域。此外，用雷射照射的表面溫度條件(加熱溫度)正常情況下限制到約600℃。然而，該溫度受限於基片的材料質量。另外，可設置更高的溫度。
圖1是本發明例1的雷射處理系統的頂視圖；圖2是例1雷射處理系統的剖面圖；圖3是例1的雷射處理系統剖面圖；圖4是例1雷射處理系統的方塊圖；圖5是例1雷射處理系統的雷射光學系統的射線圖；圖6(A)-6(C)是按本發明例2說明在一基片上形成晶狀矽膜片步驟的剖面圖；圖7(A)-7(C)是按例2說明形成一薄膜電晶體步驟的剖面圖；圖8(A)-8(C)是按例3說明在一基片上形成晶狀矽膜片步驟的剖面圖；圖9(A)-9(D)是按例3說明形成薄膜電晶體步驟的剖面圖；圖10(A)-10(C)是按發明例4說明在一基片上形成晶狀矽膜片步驟的剖面圖；圖11是按發明例5的一種液晶顯示器的示意方塊圖；圖12(A)-12(D)是按發明例6說明在一基片上形成晶狀矽膜片步驟的剖面圖13(A)-13(D)是按發明例7說明在一基片上形成晶狀矽膜片步驟的剖面圖；圖14(A)-14(C)是按例7說明形成薄膜電晶體步驟的剖面圖；圖15(A)-15(D)是按發明例8說明在一基片上形成晶體狀矽膜片步驟的剖面圖；圖16(A)-16(D)是按例8說明形成薄膜電晶體步驟的剖面圖；圖17(A)-17(D)按發明例9說明在一基片上形成晶狀矽膜片步驟的剖面圖；圖18是發明例10的雷射處理系統的頂視圖；圖19是例如雷射處理系統的剖面圖；圖20是例10雷射處理系統的剖面圖；圖21是發明例11的雷射處理系統的頂視圖；圖22是一條曲線，表示起因於用雷射照射的非晶矽膜片的雷曼頻譜的強度，對入射在該矽膜片上的雷射的強度的關係(相對值)；以及圖23是一條曲線，表示起因於用雷射照射的非晶膜片的雷曼頻譜的強度對入射在該矽膜片上的雷射的強度的半值寬度(相對值)。
圖24是一表，表示晶狀矽膜片製造條件與該晶狀矽膜片的自旋密度之間的關係。
圖25是雷射處理設備的頂視圖；圖26是雷射處理設備的剖視圖；圖27是雷射處理設備的剖視圖。
實施例1在實施例1中，表示按本發明的一種雷射處理設備。圖1表示雷射處理系統的頂視圖。圖2表示沿圖1線A-A′的剖面圖。圖3表示沿圖1線B-B′的剖面圖。此外，圖4表示雷射處理系統的方塊圖。
在圖1-3中，標號101表示用於裝入和傳送基片(樣品)的裝入腔和傳送腔。在裝入和傳送腔中，在盒105中接納大量基片100。在每個基片100上形成用雷射照射的矽膜片以及處在加工過程中的薄膜電晶體。當基片裝入和脫離基片裝入和傳送腔101時，接納基片100整個盒105被搬動。
標號102表示傳送腔，用於傳送在設備中的基片。該傳送腔備有機器人臂，用於一個接一個地傳送基片。該機器人臂106裝有加熱裝置，並且甚至在傳送基片時使基片溫度(樣品溫度)保持在一固定的水平上。
此外，標號125表示對準裝置，用於定位基片。該裝置具有相對基片自動定位機器人臂的功能。
由標號103表示的腔是用雷射照射基片的腔。在該腔中，由設備107發射的用於雷射照射的雷射108能施加到放置在平臺109上，在該平臺上基片通過人造石英窗150放置。平臺109備有用於加熱基片的裝置。如箭頭所示，平臺109具有一維方向移動的功能。
用於雷射照射的設備107具有例如激勵KrF雷射雷射的功能，並包括圖5所示的光學系統。雷射形成具有數mm-數cm寬和數十cm長的線性光束通過圖5所示的光學系統。
用標號104表示的腔104是一加熱腔，用於加熱基片(樣品)，該腔接納大量的基片100，被接納在該加熱腔中的大量基片100由加熱裝置加熱到預定的溫度(電阻加熱裝置)。基片100被接納在提升機構111上。當需要時，該提升機構被上下移動，結果基片能由傳送腔102中的機器人臂106傳送。
每個腔具有封閉結構，並依靠排氣系統115-118採取降壓狀態或高真空狀態。每個排氣系統分別備有自己的真空泵119-122。此外，每個腔分別備有供氣系統112-114和126，用於提供要求的氣體(例如，惰性氣體)。再者，每個腔備有門閥122-124，用於獨立地提高每個腔的空氣密封度。實施例2在實施例2中，示出一個例子，其中，按本發明使用一種雷射處理的方法製備薄膜電晶體。圖12表示製備薄膜電晶體的步驟，直到得到晶狀矽膜片。在開始時，如圖12(A)所示，準備一塊玻璃基片60。使用濺射處理，在玻璃基片表面上形成厚度3000的作為基膜片的氧化矽膜602。例如，可以使用成熟的7059玻璃基片作為玻璃基片。
其次，使用等離子體CVD或降低壓力溫度(reduced pressurethermal)CVD形成厚度500的非晶矽膜片(a-Si膜片)603。然後在氧化特性環境中，利用UV光照射形成極薄的氧化膜604。該氧化膜604在下面溶液塗復步驟中用於考慮一種溶液的溫度特性。該氧化膜604的厚度最好能設置到約數十A(圖12(A))。
其次，引進的鎳(Ni)是一種金屬元素，用於促進非晶矽膜片603的結晶化。這裡，一種鎳乙酸鹽被用於將鎳引進非晶矽膜片601表面中。具體地，調整到具有預定鎳密度的一種鎳乙酸鹽逐滴形成水膜605。之後，旋轉器606被用來執行實現一種狀態的自旋烘乾操作，在這種狀態中，鎳元素接觸非晶矽膜片的表面。鎳元素的引進量由調整鎳乙酸鹽溶液中鎳的密度進行控制的。(圖12(B)。
其次，非晶矽膜片603是由熱處理該非晶矽膜片603進行結晶化的，因此提供了晶狀矽膜片607。這時熱處理可以在約450-750℃的加熱溫度進行。然而，當考慮玻璃基片的熱電阻問題時，熱處理要求在600℃或更低溫度上進行。此外，當溫度為500℃或更低時，所要求的結晶化時間為數十小時或更多。根據生產率的觀點，這是無好處的。這裡，由於玻璃基片的熱電阻問題以及熱處理時間問題，在550℃基片要經受四小時的熱處理。這樣，得到晶狀矽膜607。(圖12(C))。
當藉助熱處理得到晶狀矽膜片607時，使用圖1-3所示雷射照射設備用雷射照射該晶狀矽膜片607，以便進一步促進該晶狀矽膜片607的結晶化。開始時，接納處圖12(C)狀態的大量基片的盒105被接納在基片裝入和傳送腔101中。之後，每個腔被抽真空而呈現高真空狀態。此外，門閥全部關閉。此後門閥122打開，基片100由機器人臂106從盒105取出並被搬動到傳送腔102。之後的門124打開，保持在機器人臂106中的基片傳送到加熱腔104。此時，加熱腔104首先被加熱，以便將基片加熱到預定溫度。
在該基片被裝入到加熱腔104之後，緊接著的基片從盒105取出並傳送到加熱腔104。重複進行上述預定次數操作，所有接納在盒105中的基片被接納到加熱腔104。隨著門閥122和124關閉，所有接納在盒105中的基片被接納到加熱腔104。
在預定時間過去之後，門閥124打開，加熱到預定溫度(這裡在500℃)的基片由機器人臂106牽引到傳送腔102。這時，在傳送期間，由於包括在機器人臂106中的加熱裝置，基片保持在500℃。之後，門閥124關閉。接著，門閥123打開，並且加熱了的基片被傳送到腔103，以便用雷射進行照射。之後，門閥123關閉。
如果使用線性雷射器。在圖12(D)所示狀態，藉助於按線性雷射緯線方向移動基片平臺109，則雷射照射預定部位。對於圖12(D)所示狀態，移動基片平臺109，以便用雷射照射基片，結果該雷射從該基片的右端到其左端對基片進行掃掠。這裡，基片的傳送速度置10cm/min。在實施例中，在基片平臺109的溫度保持在500℃時，進行雷射照射。
雷射照射結束後，門閥123打開，夾持在基片夾持器中的基片由機器人臂106傳送到傳送腔102，接著門閥123關閉。之後，門閥122打開，基片被接納在裝入和傳送腔101中的盒105中。之後，門閥122關閉。
重複上述操作，所有接納在加熱腔中的基片能夠用雷射照射。在所有基片完成雷射照射後，在盒105中接納的基片連同接納基片的整個盒子被取出裝入和傳送腔101而到該設備的外面。
如圖12(D)所示，薄膜電晶體的有源層701由雷射照射促進晶狀矽膜片結晶度接著對膜片構圖而形成的。順便說說，特別薄的氧化膜604在這時被去掉。(圖7(A))。
接著，起柵絕緣膜的氧化矽膜702由濺射處理或等離子體CVD形成，厚度為100。之後，用蒸發沉積處理形成含有0.18wt％鈧(Sc)的鋁膜，厚度為600。之後，該膜被濺射，以形成柵電極703。當柵電極703形成時，該柵電極703在含5％酒石酸的甘醇溶液中使用柵電極703作為陽極經受陽極氧化。這樣，形成氧化鋁膜704，該氧化鋁膜704的厚度設置到約2500。氧化鋁膜704的厚度確定了在接著進行的雜質離子摻雜的步驟中形成的偏置柵的長度。
此外，用離子摻雜處理或等離子體摻雜處理，雜質離子(在該實施例是含磷離子)被摻雜到該有源層中。此時，柵電極703和圍繞該柵電極703的氧化怪704用作掩膜，結果雜質離子摻雜到705和709區域。從而由自身調整形成源區域705和漏區域709，此外，也由自身調整形成溝道信息區域707和偏置柵區域706以及708。
之後，用雷射晶化漏區域709以及激活摻雜雜質。在雷射照射區域的705和709可以施加強光。用圖1-3所示的設備執行源/漏區域705和709的雷射照射。此外，雷射照射時，基片加熱到500℃。
在用雷射完成熱處理之後，像形成的夾層絕緣膜那樣，氧化矽膜710用等離子體CVD形成到7000的厚度.在進行了全部鑽孔步驟之後，使用合適的金屬(例如，鋁)或其他合適的導電材料形成源電極711和漏電極712。最後，在氧環境下，氧化矽膜在350℃經受一小時的熱處理，由此實現圖7(C)所示的薄膜電晶體。實施例3在實施例3例子中，由於有選擇地引進一種金屬元素於非晶矽膜的部分表面，以促進非晶矽膜的晶化，在基片上晶體按平行方向生長，由此，用其晶體在該基片上彼此平行生長的矽膜片製備薄膜電晶體。
圖13表示得到晶化矽膜片的步驟。在開始時，像在玻璃基片601的基片那樣，氧化矽602用濺射處理形成到3000的厚度。進而，用等離子體CVD或低壓溫度(Low Pressure thermal)CVD，非晶矽膜603形成到500的厚度。之後，在氧化特性的環境中，極薄氧化膜604在非晶矽膜603的表面上形成。然後利用保護層形成保渡掩膜801。由於構成了保護醃膜801，在用標號802表示的區域中的非晶矽膜(在其上面形成氧化膜604)的表面就暴露出來。由標號802表示的區域具有矩形形狀(槽結構)，在圖13(圖13(A))深度方向具有縱向邊。
接著，在塗了鎳乙酸鹽溶液以形成水膜800之後，使用旋轉器608進行自旋烘乾操作。用這種方式，實現一種狀態，其中，鎳同特別由保護掩膜801暴露的非晶矽膜表面的部分802相接觸。(圖13(B))。
接著，移去保護掩膜801，基片在550℃經受四小時熱處理。在這一步驟，鎳從區域802擴散。這時，如箭頭803所指的那樣，電晶體平行於基片的方向行長。晶化由按針狀，柱狀或枝狀結構方式增長晶體來進行。由於這種結晶化，得到晶狀矽膜，其中，晶體在一或兩維按平行於基片的方向生長。這裡，由於由標號802表示的區域在圖8的深度方向具有縱向的槽狀結構，所以按箭頭803所指方向，晶體生長開始接近-維。順便說說，在箭頭803所指方向，晶體生長約50-200μm。(圖13(C))。
用熱處理方法生長晶體開始按針狀，柱狀或枝狀結構進行。然而，在TEM(發射電子束顯微鏡)下照相觀察指出非晶成分殘留在晶體生長分枝之間(分枝間的縫隙)。用雷射照射方法對非晶成分進行熱處理。上述殘留的非晶成分將被晶化，並且結晶度將進一步改善。
這種用雷射進行熱處理的方法能按同樣方式在本實施例進行。按此方式，能得到結晶度改善的晶狀矽膜片607。(圖13(D))。
接著，晶狀矽膜片607被構圖，以便提供如圖7(A)所示的有源層701。此時，重要的是晶體生長的開始點以及晶體生長的結束點不存在於有源層701中。其目的是用避免具有高金屬元素密度的區域形成有源層，而在晶體生長的開始點和結束點，所引進的金屬元素(這裡是鎳)的密度是高的。這將使得在金屬元素的影響下，免除器件的不穩定性成為可能。(圖14(A))。
接著，起柵絕緣膜作用的氧化矽膜702由濺射處理或等離子體CVD形成到1000的厚度。接著，含0.18wt％的鋁膜由電子束蒸發沉積形成到6000的厚度。之後，該鋁膜被構圖形成柵電極703。當柵電極703形成時，使用該柵電極703作陽極，將該柵電極在含5％酒石酸的甘醇溶液中經受陽極氧化，因此形成鋁的氧化層704。該氧化層704的厚度設置到約2500，氧化層704的厚度確定了在下面雜質離子摻雜步驟中形成的偏置柵區域的長度。
此外，用離子摻雜處理或等離子摻雜處理，雜質離子(在該實施例是磷)被摻雜到該有源層中。此時，柵極703和圍繞柵極703的氧化層704用作掩膜將雜質離子摻雜到區域705和709。按此方式，源區域705和漏區域709由自身調整形成。此外，溝道形成區域707和偏置柵區域706和708也由自身調整形成(圖14(B))。
之後，圖1-3所示的雷射處理設備用於雷射照射，以便晶化源區域705和漏區域709，並激活摻雜雜質。
在完成用雷射照射進行熱處理後，像夾層絕緣膜那樣，由等離子體CVD形成氧化矽膜710到7000厚度。然後，在整個鑽孔，步驟執行之後，使用合適的金屬(例如鋁)和其他合適的導電材料形成源電極711和漏電極712。最後，在氫環境下，氧化矽膜710在350℃經受四小時熱處理以實現圖14(C)所示的薄膜電晶體。
在實施例3中所示的薄膜電晶體，由於載流子沿晶體生長的方向移動，而晶體生長是按一維，按針狀，柱狀或枝狀進行，因此在載流子移動時間，電晶體受到晶粒邊界的影響，從而能得到具有大量載流子的移動的晶體。實施例4實施例4的特徵在於形成晶狀區域，該區域由於雷射照射被看作是單晶或非常接近單晶的晶體，使用促進非晶矽膜晶化的金屬元素，接著利用該區域形成薄膜電晶體的有源層。
圖15表示用於形成能看作為單晶或非常接近單晶的晶體的晶狀區域的步驟。在開始時，用濺射處理，在玻璃基片601上形成作為基膜的氧化矽膜602，厚度為3000。此外，用等離子體CVD或低壓CVD，形成厚度達500的非晶矽膜603。之後，在氧化特性的環境中，非晶矽膜由UV光照射而在該非晶矽膜603的表面上形成非常薄的氧化膜604。之後，使用保護以形成保護掩膜801。由於構成了保護掩膜801，使非晶矽膜表面(在其上形成氧化膜604)被暴露在由標號802表示的區域。由標號802表示的區域具有矩形形狀，在圖10(圖15A)的深度方向具有縱向邊。
接著，在塗敷鎳乙酸鹽溶液以形成水膜800之後，旋轉器606被用來執行自旋烘乾操作。這樣，將實現一種狀態，其中，鎳同特別由保護掩膜801所暴露的非晶矽膜的表面部分802相接觸。順便說說，在本實施例中表示了一個例子，其中使用保護掩膜801。然而，能使用氧化矽膜或類似的膜用作掩膜。(圖15(B))之後，去掉掩膜801，以便用圖1-3所示的設備用雷射對該膜進行照射。對於雷射照射，當樣品被加熱到500℃時，線性雷射810按標號811指示的方向移動(掃掠)，由此圖10的後向方向構成縱向。這種移動速度被設置得相當低，量級在1mm-10cm/min。這時，在由標號812表示的區域中，晶核或晶狀區域由加熱形成。晶核的產生或晶狀地區的形成是由鎳元素產生。
當如標號811所示移動線性雷射時，晶體從區域812生長，如標號813所示，一極小量鎳被引進入該區域。由標號813所示的晶體生長始於區域812，此處晶體核或晶體區域按外延生長方式或按能被認為是外延生長的狀態形成。(圖15(C))這種晶化的進行乃是由於用雷射照射區域的熔化或者從先前的晶狀區域到該照射區域的晶體的外延生長(或者能被認為外延生長的生長)。由標號811所示，藉助移動線性雷射810，晶體生長連續進行，正如標號813所示那樣。此外，由於促進晶化的金屬元素鎳轉向矽被熔化的區域，鎳元素隨著由標號813所示的晶化的增長而集中在晶體的末端。因此，在晶狀區域的中心部分，鎳的密度可以是低的。
以下將說明雷射照射步驟。在開始時，接納大量具有圖15(C)所示狀態的基片的盒105被接納在基片裝入和傳送腔101中。接著每個腔被抽真空，以致產生高真空狀態。此外，門閥處完全關閉狀態。之後，門窗122打開，基片100由機器人臂106從盒105取出，並轉移到傳送腔102。之後門閥124打開，而由機器人臂夾持的基片被使送到加熱腔124打開。這時，加熱腔104首先中熱到預定溫度(500℃)的便加熱該基片。
在該基片被裝入加熱腔104之後，下一基片再由機器人臂106從盒105取出，並傳送到加熱腔104。重複上述操作預定次數，所有接納在盒105中的基片被接納到加熱腔104中。
之後，在預定時間過去之後，門閥124開啟，加熱到預定溫度(在該實施例為500℃)的基片由機器人臂106牽引到傳送腔102。在傳送期間，由機器人臂中，的加熱裝置使基片保持在500℃。然後門閥124關閉。此外，門閥123打開，加熱的基片傳送到腔103進行雷射照射。之後，門閥123關閉。
使用線性雷射時，用雷射照射基片的預定區域是藉助於按該雷射的寬度方向移動該基片平臺109。這裡，對於圖12(D)的狀態，藉助於從基片(圖12(D)所示的右邊到其左邊移動基片平臺109來用雷射照射基片，結果使雷射掃掠基片。基片平臺109的移動速度設置在1cm/min。在該實施例中，在維持基片平臺溫度於500℃時用雷射照射基片。
在完成雷射照射之後，門閥123打開，用基片夾持器夾持的基片由機器人臂106傳送到傳送腔102。之後，門閥123關閉。接著，門閥122打開，基片被接納在基片裝入和傳送腔101中的盒105中。之後，門閥122關閉。
藉助於重複上述操作，所有的多個接納在加熱腔中的基片均被用雷射照射。在所有基片雷射照射完成之後，所有在盒105中接納的基片從基片裝入和傳送腔101取出到設備之外。
在該實施例中，從裝入第一基片到加熱腔104直到裝入最後一基片到加熱腔104所經過的時間認為是等於從加熱腔104取出該第一基片以便開始傳送該基片到腔103進行雷射照射直到取出最後一基片以便開始傳送該基片到腔103進行雷射照射所經過的時間。對於這樣一種過程，基片保持在加熱腔中的時間對所有基片能夠是相同的。
在基片上，引進鎳元素的形成的非晶矽膜表示在圖15(C)中。在500℃，晶核能容地在短期內產生。在引進鎳元素的地方，結晶化容易開始進行。因此，設置基片在加熱腔104中保持的時間相同，對於得到均勻晶狀矽膜片是重要的。
按此方式，有可能得到一種單晶，或可看作單晶的區域。該能被認為是單晶的區域包含1016-1020cm-3的氫。該區域具有一種結構，其中，內部缺陷用氫限定。(圖15(D))這個區域可以認為是非常大的晶粒。此外，此區域還可以再加大。
如圖15(D)所示，有單晶的情況或可認為是單晶的區域814，使用這些區域形成薄膜電晶體的有源層。換言之，對該基片構圖，以形成在圖16中由標號701表示的有源層。此外，在對該基片進行構圖的時間，極薄氧化膜802被去掉。此外，起柵絕緣膜作用的氧化矽膜702用濺射處理或等離子體CVD形成1000的厚度，(圖16A)接著，用電子束蒸發沉積處理形成含0.18tw％鈧的鋁膜。之後，基片被構圖，以形成柵極703。在形成柵極703之後，柵極703以其作為陽極在含有5％酒石酸的甘醇溶液中進行陽極氧化，由此形成鋁氧化層704。該氧化層704的厚度設置到約2500該氧化層704的厚度確定了在以下雜質離子摻雜步驟中形成的偏置柵區域的長度。
此外，用離子摻雜處理或等離子體摻處理將雜質離子(磷離子)摻雜到該有源層中。這時，柵極703和圍繞該柵極703的氧化層用作掩膜，以便將雜質離子摻雜到區域705和709中。按這種方式，源區域70 5和漏區域709按自對準方式形成。此外，溝道形成區域707和偏置區域706和708均按自對準方式形成。(圖16(C))之後，表示在圖1-3中的雷射設備被用來進行雷射照射，以便晶化源區域705和漏區域709以及激活雜質。
在用雷射完成熱處理之後，用等離子體CVD形成作為夾層絕緣膜的氧化矽膜710，厚度為7000。之後，在整個鑽孔步驟進行之後，用合適的金屬(例如鋁)以及其他合適的導電材料形成源極711和漏極712。最後，在氫環境下，基片在350℃經受一小時熱處理，以實現圖16(D)所示的薄膜電晶體。
在表示在該實施例的薄膜電晶體中，有源層是用單晶或可認為是單晶區域構成的。這樣晶粒實質上並不存在於該有源層中。這樣，薄膜電晶體被構成，結果該電晶體在工作時不受晶粒的影響。
對於形成排列成一條線的許多薄膜電晶體的情況，能有效地使用表示在本實施例中的結構。例如，這種結構能用在這種情況，即表示在圖16(D)中的許多薄膜電晶體同待製備在按圖16的深度方向的一條線上，這種由按一條線安排如此大量薄膜電晶體所形成的結構可以使用在液晶電光設備的外圍電路(位移-電阻電路等)。此外，使用單晶或能認為是單晶的晶狀矽膜的薄膜電晶體對使用在模擬緩衝放大器或類似放大器中是有用的。實施例5實施例5是一個例子，其中，用雷射照射的結晶化機理被有效地用來得到更類似於單晶的晶狀矽膜(具有良好的結晶度)。
圖17表示本實施例的製備步驟。在開始時，用濺射處理法，基氧化矽膜602在玻璃基離601上形成3000的厚度。之後，用等離子體CVD或低壓溫度CVD，非晶矽膜603形成500的厚度。此外，在氧化特性環境中，基片由UV光照射而形成極薄的氧化層膜604。此外，形成構成掩膜的氧化矽膜815。該氧化矽膜可以用濺射處理或用等離子體CVD。該氧化矽膜815可以使用塗敷溶液來形成。它是由將其加熱到約100-300℃進行處理的類型。例如，可以使用Tokyo應用化學公司生產的OCD(Ohka擴散源)溶液。氧化矽膜815在圖15由標號802表示的區域的深度方向上具縱向的槽形結構。氧化矽膜815的形成使非晶氧化矽膜603(在它上面形成氧化膜604)暴露在槽形結構區域802中。按要求的長度，槽形結構區域寬為數μ到數十μ。(圖17(A))其次，塗敷鎳乙酸鹽溶液於該氧化矽膜上以形成水膜800之後，旋轉器606用於執行自旋烘乾操作以便實現一種狀態，其中，鎳元素被提供在非晶矽膜603的表面上，通過在區域802中的氧化膜604同該非晶矽膜603接觸。(圖17(B))之後，如圖17(d)所示，線性雷射811在按由標號811表示的方向移動(掃掠)時加到基片。由於使用了圖5所示的光學系統，該雷射被壓成這樣一種結構，即在圖12的深度方向具有一個縱向側面。
用在500℃加熱樣品並將移動速度降低到1mm-10mm/min的極低速度這樣的方法執行雷射810對基片的照射。這時，在由標號812表示的區域中用加熱方法形成晶核或晶狀區域。由於鎳元素的作用產生晶核和形成晶狀區域。雷射照射步驟和實施例4相同。
當線性雷射被照射正當如標號811指的那樣的移動雷射的同時，在雷射照射之後，由於氧化矽不在該表面上，標號811所指示的區域很快冷卻。因為對著雷射移動的非晶矽膜是垂直地夾在上下氧化矽膜之間，而由於非晶矽膜被很快加熱到高溫，因此不存在逸散熱量的地方。這意味著存在具有晶體結構的冷區域812以及高溫溶化區域。自然地，在該兩區域之間產生急劇的溫度梯度。這樣由該溫度梯度的作用而促進晶體生長，結果為標號813所示那樣，能認為是連續的外延生長的晶體生長將繼續進行下去。之後，能得到單晶或能認為是單晶區814的區域。
實施例5中表示的結構，使實現始於起始點生長的可能性以及形成部分單晶或能認為是單晶的區域成為可能。
按這種方式，能得到單晶或能認為是單晶的區域(由圖17(D)標號814表示的)。該單晶或能認為是單晶的區域能形成超過數十μm的長度，並能使用該區域形成單晶薄膜電晶體。實施例6圖11表示本發明一實施例，其中構成具有較快速度的有源矩陣型液晶顯示系統。表示在圖11中的實施例是一個例子，其中，藉助於將在普通計算機主板上提供的半導體晶片固定在液晶顯示器的一對基片的至少一個基片上，該液晶顯示器將被小型化，並在重和厚度方面將減小，該液晶顯示器具有這樣一種結構，即它是夾在該一對基片之間。
下面將說明圖11。基片15是一液晶顯示器的基板，在此基片上，TFT 11，象素電極12，具有許多提供輔助電容13的有源矩陣電路13，X檢波/驅動器，Y檢波/驅動器，以及XY電路形成TFTs。能使用按本發明的TFT。
之後，在基板15上，還安裝其他的晶片。之後，這些晶片用接合線連接到該電路，玻璃上的晶片(COG)等。參照圖11，一校正晶片，一存儲器，一CPU，以及一輸入端是按此方式提供的晶片。除這些晶片外，可以提供其他不同的晶片。
參照圖11，輸入端係指用於讀出從外部輸入的信號以便將該信號轉移成圖象信號的一種電路。校正存儲器係指為控制板所特有的存儲器，用於對應有源矩陣的一輸入信號等。具體地，校正存儲器具有限於每一個象素的信息，如像非易失存儲器那樣，並單獨校正該信息。換言之，當在電光設備上的象素中存在點缺陷時，按該點缺陷而遮蔽了該缺陷。另一方面，當與周圍象素相比該象素是黑色的時候，一校大信號由象素送出，為的是提供相同的亮度，只要周圍象素具有黑色象素。由於該缺陷信息對各控制不同，所以累積在該校正存儲器中的信息對各控制板也不相同。
如普通的計算機那樣，CPU和存儲器具有相同功能。具體地，該存儲器具有對應每一個圖象的圖象存儲器，像一個RAM。這些晶片都是CMOS型的。
此外，至少所要求的積成電路的部分能用本發明的一個方面來構成，以進一步提高系統的薄膜。
如上所述，GPU以及甚至存儲器都形成在液晶顯示器基片上。這樣的在一個基片上構成的像個人計算機那樣的電子設備在使液晶顯示器設備小型化以及推廣其應用而非常有用的。
按本發明製備的薄膜電晶體，如在實施例中所表示的能夠用在要求液晶顯示器系列化的電路中。具體地，最為有用的是在模擬緩衝電路中或其他要求的電路中使用由單晶或能認為是單晶的區域製備的薄膜電晶體。實施例7在實施例7中，表示用在發明實踐中的雷射處理設備。圖25表示雷射處理設備的頂視圖。圖26表示沿圖25A-A′線的剖視圖。圖27表示沿圖25B-B′線的剖面圖。
參照圖25-27，一盒式接收的饋送腔201是用於接收和饋送盒202的，而302用於接納基片，並且腔201備有機器人臂203。
盒202接納大量在其上面用雷射照射的矽膜的基片，並在製備步驟形成薄膜電晶體。基片用機器人臂203一個接一個地從該盒202傳送到用雷射進行照射的設備。最後，由雷射進行過照射的基片由機器人臂203接納在盒302中。
裝入和傳送腔204作為裝置用於從盒式接收和饋送腔201裝入和傳送基片。提供用於放置基片的堆放庫。該堆放庫205具有準直功能。以便精確地準直基片和機器人臂位置。
標號206表示用於將基片傳送進設備的傳送腔，在此提用於一個接一個地傳送基片的機器人臂207。該機器人臂207包括有加熱裝置。設計了機器人臂207，為的是在傳送基片時間保持溫度在固定的水平(樣品溫度)。
在腔208內部用於雷射照射。提供的平臺209沿如圖26所示箭頭，能按一維方向移動。在其頂表面上提供一人造窗210。順便說說，該平臺臺209備有用於加熱基片的裝置。用於雷射照射的腔208用來由雷射211對基片進行照射，該雷射211從外部設備211發射，通過人造石英窗210進行雷射照射。
用於雷射照射的設備211，例如，它具有激勵KrF激元雷射的功能，並包括圖5表示的光學系統。該雷射通過圖5所示光學系統進行處理，結果該雷射被形成線性光束，該光束具有數毫米到數釐米的寬度以及數十釐米的長度。
標號213表示加熱腔，用於加熱基片(樣品)。標號313表示逐漸冷卻腔，用於逐漸地冷卻基片(樣品)。加熱腔213和漸冷卻腔313具有相同結構。各個腔備有在垂直方向可移動的提升機構214和314，用於加熱基片的電阻加熱裝置215和315。在提升機構上面堆積基片200並用彼此預定的空間接納基片200。在此狀態，大量基片200用電阻加熱裝置215和315同時加熱或冷卻到一預定的溫度。當基片裝入加熱腔213以及從它轉移時，提升機構上下移動，結果基片能裝入傳送腔206，並用傳送腔206中的機器人臂207將其從該腔中傳送出去。
裝入和轉移腔204，傳送腔206以及用於雷射照射的腔，加熱腔213，以及漸冷卻腔313各自具有密封結構。每個腔的空氣密封度用門閥216-220進一步加強。裝入腔204，傳送腔206，用於雷射照射的腔208，以及加熱腔213用排氣系統221-225分別連接到真空泵226-230。每個腔形成低壓狀態或高真空狀態。每個腔還備有供氣系統231-235，用於提供所要求的氣體(例如，惰性氣體)。
在該實施例中，盒202接納大量基片(樣品)(例如基片具有圖12(C)的狀態)，而空盒202用於接納經雷射照射的基片。門閥216關閉，而裝入和傳送腔204，傳送腔206，用於雷射照射的腔208，加熱腔213以及漸冷卻腔216使用真空泵226-230形成高真空狀態。經預定時間的處理，門閥216打開。一基片用機器人臂203從盒202取出，然後傳送到裝入和傳送腔204，旋轉在堆放庫205上。門閥216關閉，而門閥217打開，因此在堆放庫205上的基片用傳送腔206中的機器人臂207被傳送到傳送腔206。門閥216關閉，門閥217打開，在堆放庫205上的基片用傳送腔206中的機器人臂207被傳送到傳送腔206。門閥217打開，夾持在機器人臂207中的基片被傳送到加熱腔213。此時，加熱腔213事先被加熱，因此將基片加熱到一預定溫度。
門閥217關閉，門閥216打開，緊接的基片從盒式接收和饋送腔201中的盒202取出，並傳送到裝入傳送腔204，然後緊接的基片由機器人臂207傳送到加熱腔213。所有接納在盒202中的基片由重複上述預定次數的操作被接納在加熱腔213中。順便說說，為保持在裝入和傳送腔204後面的腔中的真空狀態，門216和217受到控制，因此門閥216和217不在同一時間打開。此外，設備是這樣構造的，當所有在盒202中接納的基片被接納在加熱腔213中時，第一個基片被加熱到一預定的溫度。
當最後一基片從盒202傳送到加熱腔213時，加熱到一預定溫度的第一個基片用機器人臂207取出到傳送腔102，而門閥219關閉。此時，甚至在傳送的時候，用包括在機器人臂207中的裝置保持基片的溫度。加熱的基片被傳送到腔208以便雷射照射並放在平臺209上，而門閥218關閉。
從本設備發射的用於雷射照射的線性雷射212從人造石英窗210入射在用於雷射照射的腔208上，因此在平臺209上的基片由雷射進行照射。藉助於在雷射212寬度方向移動平臺209，一預定區域將被雷射照射。例如，在圖6所示狀態，藉助於從基片的右端到其左端移動基片平臺109。基片即被雷射所照射，因此，基片能用雷射掃掠。
在完成雷射照射之後，門閥218打開，在平臺209上的基片由機器人臂207傳送到逐漸冷卻腔313。然後第二個基片被傳送到用於雷射照射的腔208，因此，該第二個基片被雷射所照射，雖然該逐漸冷卻腔313被置於低於加熱腔213對應物的溫度，但結構使得不能產生急劇變化的溫度，所以不必擔心可能損壞基片。
重複上述操作預定次，所有在加熱腔213中的基片被進行雷射照射，接著連續地傳送到逐漸冷卻腔313進行冷卻。該設備按這種方式結構，即當最後一個基片被傳送到逐漸冷卻腔313時，該第一個基片被冷卻到一合適的溫度。此時門閥217打開，第一個基片由機器人臂207從加熱腔213傳送到裝入和傳送腔204，並放置在堆放庫205上。當門閥217關閉，而門閥216打開時，堆放庫205上的基片由機器人臂203接納到盒302中。之後，當門閥216關閉之後，門閥217打開，因此第二個基片由機器人臂207從逐斬冷卻腔313傳送到裝入和傳送腔204。重複上述操作預定次數，所有在該逐漸冷卻腔313中冷卻的基片被接納在盒302中。該盒整個被取出該設備。
在實施例7中，從第一個基片裝入加熱腔213到最後一個基片裝入該加熱腔213經過的時間等於由從該加熱腔213取出該第一個基片並在開始將該第一個基片傳送到腔208進行雷射照射到從該加熱腔取出最後一個基片並開始將該最後一個基片傳送到腔208進行雷射照射所經過的時間。按此方式，在基片保持在加熱腔中時的時間相對所有基片能被設置到相同的水平。
在該實施例中，按照由圖1-3所示的實施例1，溫度是能用逐漸冷卻腔313加以控制的。因此，甚至在溫度急劇變化影響下易於損壞的基片能安全地冷卻而不受到任何損壞。這樣，半導體的生產率能得到改善。例如，加熱腔213以及用於雷射照射的腔208的平臺209的溫度可以設置到500℃，而逐漸冷卻腔311的溫度可以設置到200℃。當逐漸冷卻腔313的溫度被設置到約200℃時，對於基片而言不存在提供急劇變化的溫度，甚至當該基片從該逐漸冷卻腔313傳送到處室溫的盒式接收腔201也是如此。在此具體的實施例中，逐漸冷卻腔313用作冷卻基片的腔，該腔313也能用作加熱基片的腔。
此外，在該實施例中，加熱，雷射照射和冷卻同時分別在加熱腔213，用於雷射照射的腔208，以及逐漸冷卻腔313中進行。這樣，能縮短雷射處理的時間。
按本發明，晶狀矽引進促進晶化的金屬元素進行晶化，以及熱處理由雷射進行照射，與此同時，樣品被加熱到上述熱處理溫度的±100℃的溫度範圍內，結果是晶狀矽膜的結晶度進一步提高，提供具有良好結晶度的矽膜。
此外，雜質離子摻雜到由引進促進晶化和熱處理的金屬元素進行晶化的晶狀矽膜，而該晶狀膜由雷射進行熱處理，與此同時，樣品被加熱到上述的處理溫度的±100℃的溫度範圍內，結果是雜質地區能有效地形成。
此外，用雷射從膜的一邊到其另一邊照射非晶矽膜，與其同時，將其加熱到450℃或更高的溫度，結果晶體件生長能連續進行，以形成單晶或能認為是單晶的區域。
具體地，對於促進晶化的金屬元素被引進到該非晶矽膜的情況，容易形成單晶或具有高結晶度的區域(能認為幾乎是單晶的區域)。此外，這時，在移動線性雷射的同時，藉助用線性雷射照射該晶狀矽膜，金屬元素能夠在晶體生長的結束處偏，結果在該晶狀區域中的金屬元素的密度能儘可能減小。例8在該例中，薄膜電晶體是用在此公開的雷射處理方法製備的。圖6(A)-6(C)說明直到獲得晶狀矽膜所進行的步驟。首先，如圖6(A)所示，準備一玻璃基片601。用濺射處理方法在基片上形成厚度為3000的氧化矽膜602作為過渡膜。例如，玻璃基片包含成熟的7059玻璃。
之後，用等離子體輔助CVD或低壓CVD(LPCVD)處理形成厚度為500的非晶矽(a-Si)膜103。(圖6(A))。
此後，該疊片被進行熱處理，以便晶化該非晶矽膜603，這樣得到晶狀矽膜607。這時，加熱溫度約450-750℃。然而，在考慮玻璃基片熱阻的場合，有必要低於600℃進行熱處理。如果加熱溫度低於500℃，則需要數十小時完成晶化步驟。但對生產率而言這是不利的。在本例中，由於玻璃基片的熱阻，以及還由於熱處理的時間，熱處理在550℃進行4小時。按此方法得到晶狀矽膜607(圖6(B))。
在用熱處理得到晶化矽膜607之後，使用示於圖1-3中的雷射處理系統，雷射指向膜607，以便晶化該晶狀矽膜607。以下簡要描述雷射處理步驟。
首先，保持大量呈現圖6(C)狀態的基片被插入到基片裝/卸腔101。每一個腔被抽到高度真空狀態。假定每一個門閥關閉。門閥122打開，允許機器人臂106從盒105取一基片100然後將其運送到傳送腔102。之後，另外門閥124打開。由機器人臂106夾持的基片被移到加熱腔104中，該腔已經預熱，以便在要求的溫度上加熱基片。
在將該基片運送到加熱腔104中之後，下一個基片再由機器人臂106從盒105中取出並移到加熱腔104中。重複這些操作給定次數。按此方法，所有保持在盒105中的基片被接收到加熱腔104中。之後，門閥122和124關閉。
在經過一給定時間之後，門閥124打開。由機器人臂將加熱到給定溫度(在該例中為500℃)的基片取進到傳送腔102中。在移動該基片期間，由包括在機器人臂電的加熱裝置將該基片維持在500℃。之後，門閥124關閉。門閥123打開。加熱的基片被傳送到腔103，以便用雷射照射該基片。之後，門閥123關閉。
雷射具有線性截面。基片平臺409移動橫穿該雷射的截面，因此，雷射照射所要求的區域。在該例中，如圖6(C)所示，基片平臺109按這樣一種方式移動，即在雷射照射期間，雷射從圖的右端到左端掃掠。假定平臺109移動速度為10cm/min。在本例中，在雷射照射期間，平臺109的溫度保持在500℃。
在完成雷射照射之後，門閥123打開。由基片夾持器夾持的基片用機器人臂106移動到傳送腔102。之後，門閥123關閉。之後，門閥122打開。基片被插到裝/卸腔101中的盒105中。之後，門閥122關閉。
重複上述操作，以便用雷射照射每一個接納在加熱腔中的基片。在完成這些照射步驟之後，在盒105中接納的基片一個接一個地通過基片裝/卸腔101從系統取出。
如圖6(C)所示，用雷射照射促進了晶狀矽膜的結晶度。之後，膜片被光刻構圖，以形成薄膜電晶體的有源層701(圖7(A))。
之後，用濺射或等離子體輔助CVD形成厚度為1000的起柵絕緣膜作用的氧化矽膜702。接著，用蒸發技術形成厚度為6000的含0.18wt％的鈧的鋁膜。該鋁膜被進行光刻構圖，以形成柵極703。此後，在含有5％酒石酸的甘醇溶液中進行陽極化處理。在該處理中，柵極703用作陽極。按此方法，厚約2500的氧化鋁層704形成。該氧化層704的厚度確定了下面進行的將由雜質離子注入步驟形成的偏置柵區域的長度。
如圖7(B)所示，雜質離子(在該例中是磷離子)由離子摻雜或等離子體摻雜技術引進到該有源層。此時，柵極703和周圍的氧化層704起到掩膜的作用。雜質離子打進由剖面線表示的區域705和709。按此方式，源區域705和漏區域709由自調整技術形成。溝道形成區域707和偏置柵區域706、708也由自身調整技術形成。
在注入之後，疊片用雷射照射，以便晶化源區域705和漏區域709，並激勵注入的雜質。也可用強光替代雷射進行照射。用圖1-3所示的系統，雷射落倒源/漏區域上。在雷射照射期間，基片在500℃進行加熱。
在用雷射照射完成熱處理後，用等離子體輔助CVD形成厚度為7000的氧化矽膜710作為夾層絕緣膜。之後形成孔洞。源極711和漏極712由合適的金屬例如鋁或其他合適的導電材料形成。最後，疊片在350℃的氫環境中熱處理1小時。按此方法，如圖7(C)所示的薄膜電晶體宣告完成。例子9在本例中，非晶矽膜用雷射照射，或形成單晶，或形成具有能認為是非常接近單晶的結晶度的區域。使用該區域，形成薄膜電晶體的有源層。
圖8(A)-8(C)說明或形成單晶，或形成具有能認為是非常接近單晶的結晶度的區域的步驟。首先，用濺射技術在玻璃基片601上形成厚度到3000的氧化矽膜602作為過渡膜。之後用等離子體輔助CD或LPCVD形成厚度為5000的非晶矽膜603。(圖8(A))。
雷射由使用圖1-3所示的系統進行照射。在雷射照射期間，樣品在500℃進行加熱。雷射801具有線性截面。該線性截面的縱向是在附圖的深度方向。晶核在區域812形成，或該區域用加熱晶化。
雷射810在箭頭811指示的方向以1mm-10cm/min的甚低速掃掠。當線性截面雷射810以箭頭811所指示的方向移動時，晶體如813所示，從區域812生長。按這種處理，晶體按外延或基本上按外延方式從晶核或形成晶體的區域812生長。(圖8(B)。
晶化發生於下。該區域由於雷射照射而熔化。晶體按外延或基本外延方式在先晶化區域向熔化區域生長。當線性雷射按811所示方向掃掠時，晶體生長過程為813所示(圖8(C))。
以下將詳述雷射照射步驟。首先，夾持許多呈現圖8(A)狀態的基片(樣品)的盒105插入基片裝/卸腔101。每一個腔被抽成高真空。假定每一個門閥是關閉的。門閥122打開，以便允許機器人臂106從該盒105取出一個基片100並將其傳送到傳送腔102中。之後，另一門閥124打開。由機器人臂106夾持的基片移進加熱加腔104，該加熱腔104已預先加熱(在500℃)，以便在要求的溫度上去加熱基片。
在將該基片送入加熱腔104之後，下一個基片由機器人臂106再從盒105取出並移進該加熱腔104。這些操作重複一給定次數。按此方法，所有保持在盒105內的基片被接收到加熱腔104中。
在經過一給定時間後，門閥124打開。在給定溫度上加熱的基片(在本例中為500℃)由機器人臂106取到傳送腔102中。在該基片移動期間，由包括在機器人臂中的加熱裝置使該基片維持在500℃。之後，門閥124關閉。門閥123打開。經加熱的基片傳送到腔103，以便用雷射照射該基片。之後，門閥123關閉。
雷射具有線性截面。基片平臺109在雷射截面側向移動，因此雷射照射所要求的區域。在本例中，如圖8(B)所示，基片平臺109按這樣一種方法移動，即在雷射照射期間，雷射從圖的右端到左端掃掠。假定平臺109在1cm/mib的速度上移動。在本例中，在雷射照射期間，平臺109的溫度保持在500℃。
完成雷射照射之後，門閥123打開。由基片夾持器夾持的基片被機器人臂106移到傳送腔102中。之後，門閥123關閉。然後，門閥122打開。基片插入裝/卸腔101中的盒105中。之後，門閥122關閉。
重複上述操作，以便用雷射照射接納在加熱腔中的每一個基片。在完成這些照射步驟之後，接納在盒105中的基片一個接一個地通過基片裝/卸腔101從系統取出。
在本例中，介於當第一個基片被運送到加熱腔104的瞬間和當最後一個基片被裝入加熱腔104的瞬間之間的時間等於介於當該第一基片從該加熱腔104取出並開始向雷射照射腔103移動的瞬間和當該最後一個基片從該加熱器104取出並開始向雷射照射腔103運送瞬間之間的時間。結果，每一個基片保持在加熱腔中的時間相同。
非晶矽膜在每個基片上形成。在500℃溫度上，晶核容易在一短時間內形成並進行結晶化。因此，為製備均勻的晶狀矽膜，使基片各自保持在加熱腔104中的時間均勻是重要的。
按此方法，如圖8(C)所示，包括單晶或能認為是單晶區域814是能得到的。該區域814包含密度的1016-1020/cm3的氫原子。由氫原子限定內部缺陷。該區域能認為是一個很大的晶粒。該區域的範圍能進一步擴大。
如圖8(C)所示，當得到包括單晶或能認為是單晶的區域814時，利用該區域形成薄膜電晶體的有源區域。那就是，進行構圖步驟去形成圖9(A)中由701表示的有源區域。在構圖步驟期間，極薄的氧化膜802被去掉。用濺射或待離子體輔助CVD形成厚度為1000的用作柵絕緣膜的氧化矽膜702。
由此，包含18wt％的鈧的鋁膜用電子束蒸發技術形成到6000的厚度。該鋁膜經光刻構圖形成柵極703。此後，在含5％酒石酸的甘醇溶液中進行陽極化處理。在此處理中，柵極703用作陽極。按此方法，氧化鋁層704形成到約2500的厚度。該厚度的氧化層704確定了偏置柵區域的長度，該偏置柵區域用下面進行的雜質離子注入來形成(圖9(B))。
用離子摻雜或等離子摻雜技術引進雜質離子(在該例中是磷離子)到有源層中。此時，柵極703和周圍的氧化層704起掩膜作用。雜質離子進入區域705和709。按此方式，源區域705和漏區域709用自對準技術形成。溝形成區域707以及偏壓柵區域706，708也用自對準技術形成。
疊片通過使用圖1-3所示的雷射處理系統用雷射照射，以便結晶化源區域705和漏區域709，並激勵注入的雜質。
在完成用雷射照射進行熱處理後，用等離子體輔助CVD形成厚度7000的氧化矽膜710作為夾層絕緣膜。之後形成孔洞。源極711和漏極712由合適的金屬，例如鋁或其電導電材料形成。最後，疊片在350℃的氫環境下加熱處理1小時。按此法，如圖9(D)所示的薄膜晶體宣告完成。
本例中的薄膜電晶體具有用包含單晶或能認為是單晶的區域形成的有源層。因此，實質上無晶粒存在在該有源區域。薄膜電晶體的操作能阻止晶粒邊界的影響。
對於形成按行排列的許多薄膜電晶體的場合。能有效地使用本例的結構。例如，在許多薄膜電晶體在圖9(D)所示的附圖的深度方向上按行排列的場合能使用該種結構。這種包括一行薄膜電晶體的結構能用在外圍電路，例如用於液晶顯示器的位移寄存器。使用例如包括單晶或能認為是單晶的晶狀矽膜的這些薄膜電晶體一般用在模擬緩衝放大器等場合。例10在本例中，較接近於單晶(具有較好的結晶度)的晶狀矽膜能藉助於有技巧地使用由雷射引發的晶化機制而有效地得到。
圖10(A)-10(C)說明本例的製備步驟。首先用濺射技術在玻璃基片601上形成厚度為3000的氧化矽膜602作為過渡膜。之後，用待離子體CVD或低壓溫度CVD形成厚度為500的非晶矽膜603。由此，一掩膜由氧化矽膜形成。該氧化矽膜可以用濺射或等離子體輔助CVD形成。該氧化矽膜可以使用一種液體形成，這種液體是用來形成氧化矽膜的。當加熱至100-300℃時，這種液體呈溶固態。例如，能使用由Tokyo Ohka Kogyo公司製備的OCD(ohka擴散源)溶液。氧化矽膜815在由802表示的區域有一個槽，該槽在附圖深度方向延伸。非晶矽膜603的表面部分由槽形區域802暴露。該槽形區域具有數μm-數十μm的所要求的長度和寬度(圖10(A))。
在照射期間，如圖10(B)所示，線性雷射按箭頭811指示的方向掃掠。雷射的截面由圖5所示光學設備做成在附圖的深度方向延伸的形式。
當雷射810發射時，樣品被加熱到500℃。雷射在接近1mm-10cm/min的很低速度上進行掃掠。此時，在由剖面線指示的區域812用加熱形成結晶核或晶化區域。
在雷射照射期間，如果線性雷射按箭頭811指示的方向移動，由於沒有氧化矽膜存在在區域812的表面上，區域812在照射後將很快冷卻。由雷射掃掠的非晶矽膜片夾在上下氧化矽膜之間。因此，熱量無處逸散。因此該膜很快加熱到高溫。具體地，具有晶狀結構的冷區域812同時存在熔化區域。當然，在它們之間存在急劇變化的溫度梯度。該溫度梯度將促進晶體生長。結果，能認為是外延生長的晶體生長如813所示那樣進行。由此能得到包括單晶或能認為是單晶的區域814。
在本例的結構中，在生長開始點啟動生長是容易的。由此在部分膜上能形成包括單晶或能認為是單晶的區域。
按此方法，能得到如圖10(C)所示的包括單晶或能認為是單晶的區域814。該區域814能做成具有數十微米(μm)或更長的長度。用此區域，能製造單晶薄膜電晶體。例11在本例中，使用在此公開的雷射處理方法製備薄膜電晶體。圖12(A)-12(D)說明直到獲得晶狀矽膜所進行的加工步驟。首先，如圖12(A)所示，準備玻璃底片601。用濺射技術在該基片表面上形成厚度3000的氧化矽膜602作為過渡膜。例如，玻璃基片由熟悉的7059玻璃製造。
之後，用等離子體輔助CVD或LPCVD形成厚度500的非晶矽(a-Si)膜603。疊片在氧化環境中用UV光照射，以形成極薄的氧化膜604。該氧化層604改善了將在下面進行的溶液應用步驟中的液態溶液的可溼性。該氧化膜604的厚度在數十量級。圖(12(A))。
之後，引進用於促進非晶矽膜603晶化的金屬元素鎳(Ni)。在該例中，使用鎳乙酸鹽溶液將鎳元素引進到非晶矽膜603的表面。更特別地，被調整到獲得所要求的鎳濃度的鎳乙酸鹽溶液滴下來形成水膜800。然後使用旋轉器606進行自旋烘乾步驟。鎳元素同非晶矽膜表面相接觸。鎳的引入量由調整在鎳乙酸鹽溶液中的鎳元素的濃度加以控制。(圖12(B))。
接著，疊片被加熱以晶化非晶矽膜603。按此方法，得到非狀矽膜。此時，加熱溫度約450-750℃。但是，在考慮玻璃熱阻的場合，有必要在低於600℃進行熱處理。如果加熱溫度低於500℃，執行晶化步驟需要數十小時。對生產率而言是不利的。在本例中由於玻璃基片的熱阻，以及還由於熱處理的時間，熱處理在550℃進行4小時。按此方法得到晶狀矽607(圖12(C))。
之後，用圖1-3所示雷射處理系統對晶態矽膜607進行雷射照射。這進一步促進晶狀矽膜607的晶化。雷射處理步驟按列2同樣方式進行。
如圖12(D)所示，由雷射照射促進晶狀矽膜的結晶度。構圖步驟按已結合圖7(A)-7(AC)描述過的例8的同樣方式進行。這樣形成一膜電晶體的有源層。此時，去掉極端薄膜的604。使用該有源層，薄膜電晶體宣告完成。例12本例涉及用於本發明的一雷射處理系統。圖18是本例的雷射處理系統的頂視圖。圖19是圖18AA′線的剖面圖。圖20是圖18BB′線的剖面圖。
在圖18-20中，用於裝入基片(樣品)的裝入腔用標號306表示。在其上形成受雷射照射的矽膜或粗加工的薄膜電晶體的大量的基片被接納到盒330中。在這條件下，盒330被從外面插入。當基片插入基片裝入腔306，或者從該裝入腔將它們取出時，基片和夾持它們的盒一起搬動。
由傳送腔301將基片在該系統中移動。該腔備有一機器人臂314用於一個接一個地運送基片。在其上旋轉一個基片的機器人臂的前端能通過360°旋轉，並能上下移動。該機器人臂314還包括一個加熱裝置，以便在傳送該基片315時保持該基片的溫度(樣品溫度)。
基片定位調整裝置300起準確調整包括基片在內的機器人臂。即調整裝置300保持機器人臂和基片間的固定的位置關係。
雷射照射腔304用雷射照射基片。在該腔304中，由雷射器331發射的雷射被一反射鏡332反射，然後通過由人造晶體製成的窗352投射到基片上，基片放在平臺353上。這個平臺備有用於加熱的裝置並能按由箭頭354指示的一個方向移動。
雷射器可以是一KrF激元雷射器，並如圖5所示，它備有用於將產生的雷射束的截面變成為線性形式的光學系統。這個線性截面具有數mm-數cm的寬度以及數十cm的長度。該雷射對準基片(樣品)。
該雷射的線性截面的縱向垂直於由354所示的運動方向。即縱向從圖20紙面的正面到反面延伸。在用該線性雷射照射基片期間，基片沿著平臺的354指示的方向移動。按此方法，雷射掃描整個基片。
加熱腔302和305起加熱基片的作用。在雷射射到在該雷射處理腔304中的基片上之前，加熱腔305加熱基片(樣品)。在雷射處理腔304中用雷射進行照射之後，加熱腔302熱處理基片。如圖19所示，大量基片315被堆積起來並被接納在每個加熱腔302和305中。被夾持的基片315由加熱裝置(電阻加熱裝置)317在要求的溫度上進行加熱。基片315接納在提升機構316上。如果需要提升，提升機構316向上移動然後向下移動。使用在傳送腔301中的機器人臂314，能一個接一個地將要求的一個基片移進或移出加熱腔305。
旋轉腔303起旋轉每一個基片90°的作用。一個能旋轉的平臺裝在該旋轉腔303中。所要求的基片由機器人臂314裝到該平臺上，然後該平臺旋轉90°。之後，由機器人臂取出該基片。按此方法，當基片已被旋轉90°時，基片由機器人臂夾持。
由於旋轉腔303的作用，基片均勻地被雷射照射。如前所述，射到基片(樣品)上的雷射束具有線性截面。在照射期間，藉助於按一個方向移動基片，則基片能整個地被雷射所照射。在這種情況下，雷射從基片的一邊掃向對邊。之後，基片旋轉90°。接著基片由雷射類似地照射。接著在兩個相互垂直的方向進行掃描。接著，基片能由雷射均勻地照射。
卸腔307起到將取來處理的基片脫離該系統的作用。並且如在裝入腔306中那樣，具有按相同方法夾持基片的盒330。大量基片沿該盒通過門355被取出系統。
上述腔301，302，303，304，305，306和307都是經得住低壓的閉合真空罐。這些腔具有它們各自的抽真空系統。所有這些腔能呈現降低的壓力條件。每一個腔都具有用於提供所要求的氧體例如隋性氣體的系統。每一個腔還具有一個抽真空的系統。如果需要，每一個腔能被抽到低壓或者高的真空。在圖19中表示抽真空系統318-319。在圖20中表示抽真空系統356，318和357。這些抽真空系統表示出具有高真空泵321-323，358，和359。
這些腔均備有門閥310-313，308，和309，以保證每個腔的絕緣和密封性。
以下描述圖18-20所表示的系統的操作例。非晶矽膜形成在由熟悉的7059玻璃做成的並具有593℃應變點的玻璃基片(10cm見方)上。該非晶矽膜用雷射進行照射，以便使它晶化。在該例中，非晶矽膜由雷射照射晶化。在晶化的矽膜進一步用雷射的場合，或摻雜雜質離子的矽膜在形成源/漏壓期間進行熱處理的場合能使用操作的下面工序。
在上述操作中，假定圖18所示的每一個腔中的環境空間是1個標準大氣壓的滲氮環境。在該例中，開發利用滲氮環境。藉助於使每個腔個有減小的壓力汙染水平能最有效地降到最小。
首先，門閥308-313以及允許通向外面的門355都是關閉的。在其上形成有非晶矽膜的數量滿足要求的玻璃基片(以後簡指基片)被插到盒(未示)中。該盒同基片一起裝入裝入腔306。之後，該裝入腔的門(未示)關閉。接著，門閥312打開。一個夾持在裝入腔306中的盒中的基片由機器人臂314取到裝入腔301中。此時，由調整裝置300調整機器人臂314和基片315之間的位置關係。
被取到傳送腔301的基片315由機器人臂314接納到加熱腔305中。為了將基片315放進加熱腔305，門閥311首先打開。之後，基片315由機器人臂314取到加熱腔305中。接著，門閥311關閉。
在加熱腔305中，基片在550℃溫度上加熱。重要的是該溫度被置於低於玻璃基片的應變點，因為如果加熱溫度超過應變點，玻璃基片的收縮和變形將是不可忽視的。
再在加熱腔305中加熱基片一給定時間之後，基片由機器人臂314運送到傳送腔301中。如果門閥308-313打開，則當由機器人臂搬運基片時，為保持每個腔的密封性和清潔度，它們必需關閉。
從加熱腔305取出的基片移到雷射處理腔304。在基片表面上形成的非晶矽膜由雷射進行照射。機器人臂備有加熱裝置，使得在保持基片在550℃溫度上的同時將其從加熱腔305運送到雷射處理腔304。在雷射處理腔304中，加熱裝置安裝在放置基片的平臺353上。在雷射照射期間，基片保持在550℃的溫度。
雷射331產生線性截面雷射束。該雷射束由反射鏡332反射並通過雷射處理腔304中的石英窗352指向基片。
在該例中，平臺353按箭頭354所示方向移動，因此所要求的表面(即在玻璃基片上形成的非晶矽膜)整個地由雷射所照射。那就是雷射束的截面從平面的正面向反面延伸。雷射以箭頭354指示的方向相對基片掃描。按此方法，放在平臺353上的基片面積由雷射掃描。
例如，波長為248nm的KrF激元雷射能用作上述雷射。XeC1激元雷射，其他激元雷射，或其他發射相干光的裝置也能用作雷射331。此外，也可以用如紅外線這樣的強光替代雷射。
完成雷射照射之後，基片只一次用機器人臂314從雷射腔304取到傳送腔301中。此時，門閥310首先打開。之後，該基片由機器人臂314取入傳送腔。之後，門閥310關閉。
放在傳送腔301中的基片被搬到基片旋轉腔303，在那裡該基片被旋轉90°，由於在該旋轉腔303中未作任何其他操作，所以門閥309能保持打開狀態。
在基片在旋轉腔303中旋轉90°之後，基片再次由機器人臂314取到傳送腔301中，基片再次移動到雷射處理腔304。此時，放在平臺303上的基片的方向與該基片第一次運到該雷射腔304時所呈現的方向相差90°。
當再次按箭頭354所示方向移動平臺353時，具有線性截面的雷射指向基片。在這種情況下，雷射掃描的方向與第一次掃描方向相差90°。因此，基片能被雷射均勻地照射。由此，在玻璃基片上能得到均勻晶化的矽膜。
在結束二次雷射照射後，基片再次由機器人臂314從傳送腔301取出日之後，基片被傳送到加熱腔302，在那裡，在550℃上進行的熱處理將產生所要求的結果。
基片在加熱腔302中進行熱處理之後，該基片由機器人臂314帶到傳送腔301。之後，基片由卸腔307中的盒330接納。這樣，遠處所述操作被連續進行，以便將所有基片收容到卸腔307中的盒330中。當盒330裝滿時，門355打開。基片連同盒330一起取出系統。由此結束一系列雷射照射步驟。
在本例中提供兩個加熱腔。在其他例子中，例如在例子3和8-11中，雷射熱處理是在製備晶態矽膜時進行的。之後，對膜進行熱處理，以便減小在該矽膜中的缺陷密度。在本例中，這些步驟能用一個系統進行，因為存在有兩個加熱腔。因此，能用高生產率得到具有高結晶度的以及低缺陷密度的晶狀矽膜。
特別地，藉助於將本例應用到圖12(A)-12(D)所示的例11的形成晶狀矽膜以及圖13(A)-13(D)所示的例3晶狀矽膜的製備步驟，能得到良好結晶度的矽膜。具體地，用於促進非晶矽膜晶化的一種元素被引入該非晶矽膜的表面，以便使晶體的生長平行於該表面。之後，包括這些晶體的矽膜由雷射照射，以便進一步提高結晶度。如果該膜接著進行熱處理，則能產生出具有良好結晶度和低缺陷密度的矽膜。例13本例是圖18-20中所示系統的改進。圖21表示本例的結構。在或圖18(說明例12的)或圖21中，相同元件用相同標號表示。在圖21所示系統中，一基片首先在加熱腔305中加熱。之後，該基片用雷射處理腔304中的雷射進行照射。接著，該基片在第二加熱腔351中進行熱處理，以減少在被照射的矽膜中的缺陷。
在加熱腔351中完成加熱之後，該基片在一慢冷卻腔350中慢慢冷卻。用調整引入該慢冷卻腔350中的氮氣量未調整冷卻的速度。接著，該基片運送到卸腔307中。
本例的雷射照射能應用於非晶膜的晶化，用於由加熱進行晶化的矽膜的熱處理(相應於例11和3中所描述的情況)，以及用於由雜質離子摻雜的矽膜的熱處理和激勵。
晶狀矽膜由引進促進晶化的金屬元素以及熱處理進行晶化。晶狀矽膜在樣品在在先加熱處理溫度的±100℃的溫度內的溫度上進行加熱的時候，用雷射照射進行熱處理。按此方法，結晶度進一步提高。結果能得到具有良好結晶度的矽膜。
由引入促進晶化的金屬元素以及熱處理對晶狀矽膜進行晶化。雜質離子注入該晶狀矽膜。當樣品在在先加熱處理溫度的±100℃的溫度內的溫度上加熱的時候，用雷射照射對基片進行加熱處理所有效地形成摻雜區域。
用雷射照射能使晶體連續地生長，即，當在高於450℃的溫度上加熱該膜片時，從非晶矽膜的一邊向另一邊照射具有線性截面的雷射，能形成包括單晶能被認為是一單晶的區域。
特別地，在引進促進晶化的一種元素於非晶矽膜之中後，實質上能被認為是一單晶的更高結晶度區域能由進行上述雷射照射容易形成，此時，藉助於在雷射照射期間移動線性截面的雷射束，金屬元素能夠在晶體終止生長的地方離析。結果，金屬元素在晶化區域的濃度能降低到最小。
在該新的雷射處理方法中，由熱處理進行晶狀矽膜晶化是在在先加熱處理溫度的±100℃的溫度內的溫度上進行加熱。在此條件下，該膜片由雷射進行熱處理，以進一步提高結晶度。按此方法，能得到具有良好結晶度的矽膜。
雜質離子注入已由熱處理晶化的矽膜。該膜在在先加熱處理的溫度的±100℃內的溫度上進行加熱。在此條件下，膜片由雷射照射進行熱處理。按此方法，能有效地形成摻雜區域。
此外，在高於450℃溫度上加熱該膜片時，藉助於按照將具有線性截面的雷射從非晶矽膜的一邊向另一邊照射的雷射照射，晶體將連續地生長。能形成包括單晶或能認為是單晶的一個區域。
在該新的雷射處理方法中，促進晶化的一種金屬元素被引入非晶矽膜。在此條件下，進行上述雷射照射。這樣，能容易形成實質上能認為是單晶的高結晶度區域。在雷射照射之後進行熱處理。因此，由雷射照射引起的缺陷能夠減少。
在雷射照射期間，掃掠具有線性截面的雷射。按此方法，金屬元素在結晶終止生長的點上能導致離析。在該結晶化區域中的金屬元素的濃度能減到最小。
權利要求
1.一種雷射處理方法包括引入一種促進非晶矽膜結晶化的金屬元素到該非晶矽膜中的步驟；對該非晶矽膜進行熱處理，以便晶化該非晶矽膜的步驟；以及在樣品保持在熱處理步驟溫度的±100℃範圍內的溫度上的條件下用雷射照射在熱處理步驟結晶化的矽膜的步驟。
2.如權利要求1的方法，其中用加熱處理步驟晶化的矽膜的結晶度由雷射照射步驟加以促進。
3.如權利要求1的方法，其中從包括Fe，Co，Ni，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，Cu，Zn，Ag和Au組中選擇的一種或多種元素被用作金屬元素。
4.一種雷射處理方法包括引入一種促進非晶矽膜結晶化的金屬元素到該非晶矽膜中的步驟；在600℃或更低的溫度上對該非晶矽進行熱處理，以便結晶化該非晶矽膜；以及在樣品保持在熱處理步驟溫度的±100℃範圍內的溫度上的條件下用雷射照射在熱處理步驟結晶化的矽膜的步驟。
5.如權利要求4的方法，其中由加熱處理步驟促進結晶化的矽膜的結晶度。
6.如權利要求4的方法，其中從包括Fe，Co，Ni，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，Cu，Zn，Ag和Au組中選擇的一種或多種元素被用作金屬元素。
7.一種雷射處理方法包括引入一種促進非晶矽膜結晶化的金屬元素到該非晶矽膜中的步驟對該非晶矽膜進行熱處理，以便結晶化該非晶矽膜；注入一種雜質離子到由加熱處理步驟晶化的至少部分矽膜中的步驟；以及在樣品保持在熱處理步驟溫度的±100℃範圍內的溫度上的條件下用雷射對由注入步驟注入雜質離子的部分進行照射的步驟。
8.如權利要求7的方法，其中，由加熱處理步驟晶化的矽膜的結晶度由雷射照射步驟促進。
9.如權利要求7的方法，其中從包括Fe，Co，Ni，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，Cu，Zn，Ag和Au組中選擇的一種或多種元素被用作金屬元素。
10.一種雷射處理方法包括引入一種促進非晶矽膜晶化的金屬元素到該非晶矽膜中；連續地從非晶矽膜一邊到其另一邊移動線性束結構的雷射，以便將雷射照射到非晶矽膜的表面，其中由雷射照射的非晶矽膜區域被連續地結晶化，以及其中雷射照射是同加熱在450℃或更高溫度上的非晶矽膜的受照射的表面進行的，其中上述雷射照射是由加熱到450℃或更高溫度的未受雷射照射的表面進行的。
11.如權利要求10的方法，其中從包括Fe，Co，Ni，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，Cu，Zn，Ag和Au組中選擇的一種或多種元素被用作金屬元素。
12.如權利要求10的方法，其中該金屬元素被有選擇性地引入到該非晶矽膜的一預定區域中。
13.一種雷射處理方法包括步驟在一溫度上加熱處理非晶矽膜，以便使其結晶化；以及在保持所說矽膜在所說加熱處理步驟的溫度的±100℃內的溫度上的同時，用雷射照射所說晶狀矽膜。
14.如權利要求13的方法，其中，由所說加熱處理步驟晶化的所說矽膜的結晶度由雷射照射提高。
15.一種雷射處理方法包括步驟在低於600℃的溫度上加熱處理非晶矽膜，以便在所說膜片結晶化；以及在保持所說矽膜在所說加熱處理步驟的溫度的±100℃內的溫度上的同時，用雷射照射所說晶狀矽膜。
16.如權利要求15的方法，其中由所說的加熱處理的步驟結晶化的所說矽膜的結晶度由雷射照射提高。
17.一種雷射處理方法包括步驟在一溫度上加熱處理非晶矽膜，以便使其結晶化；注入一種雜質離子於所說晶化矽膜的至少一區域中；以及在保持所說矽膜在所說加熱處理步驟的溫度的±100℃的溫度上的同時，用雷射照射所說晶狀矽膜。
18.如權利要求17的方法，其中由所說加熱處理的步驟晶化的所說矽膜的結晶度由雷射照射提高。
19.一種雷射處理方法包括步驟產生線性截面的雷射；以及按所說由所說雷射照射的膜片的表面在高於450℃的溫度上進行加熱以便結晶化由雷射連續照射的區域這樣的方法，在所說雷射從所說矽膜的一邊連續移動到所說矽膜的另一邊的同時，將所說雷射指向非晶膜的表面。
20.一種雷射處理方法包括步驟在高於455℃以及低於所說玻璃基片的應變點的溫度上加熱所說矽膜的同時，用雷射照射在玻璃基片上形成的矽膜。
21.一種雷射處理方法包括步驟在高於455℃的溫度以及低於所說玻璃基片的應變點的條件下加熱所說矽膜的同時，用雷射照射在玻璃基片上形成的矽膜；以及接著在高於500℃以及低於所說玻璃基片的應變點的溫度上加熱所說矽膜。
22.一種雷射處理方法包括步驟用雷射照射在玻璃基片上形成的矽膜；以及在所說照射步驟期間在550℃±100℃溫度上加熱所說矽膜。
23.一種雷射處理方法包括步驟在550℃±30℃的溫度上加熱所說矽膜的同時，用雷射照射在玻璃基片上形成的矽膜；以及之後，在550℃±30℃溫度上加熱所說矽膜。
24.一種雷射處理方法包括步驟在玻璃基片上形成矽膜；在高於500℃和低於所說玻璃基片應變點的要求溫度上加熱所說矽膜；以及在保持所說矽膜在所說要求溫度上的同時，用雷射照射所說矽膜。
25.一種雷射處理方法包括步驟在玻璃基片上形成非晶矽膜；在第一溫度上形成所說非晶矽膜的第一熱處理，以便使其結晶化；在高於455℃以及低於所說玻璃基片的應變點的溫度上加熱所說矽膜的同時用雷射照射所說被結晶化了的矽膜；以及在第二溫度上形成被照射了的矽膜的第二熱處理，所說第一和第二溫度之一或兩者高於500℃以及低於所說玻璃基片的應變點。
26.一種雷射處理方法包括步驟在玻璃基片上形成非晶矽膜；引進一種用於促進矽晶化的金屬元素於所說非晶矽膜中；在第一溫度上形成所說非晶矽膜的第一熱處理，以便使其結晶化，在第一溫度上加熱所說膜的同時，用雷射照射所說被結晶化了的膜；以及在第二溫度上形成所說矽膜的第二熱處理，所說第一和第二溫度之一或兩者高於500℃以及低於所說玻璃基片的應變點，其中由在高於455℃以及低於所說玻璃基片應變點的溫度上加熱所說矽膜方法進行雷射照射。
27.如權利要求26的方法，其中所說金屬元素是從包括Fe，Co，Ni，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，Cu以及Au的組中選擇的一種或多種元素。
28.如權利要求26的方法，其中所說金屬元素是從包括Fe，Co，Ni，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，Cu以及Au的組合選擇的一種或多種元素，其中所說一個或多個元素在所說矽膜中的濃度是1×1016至5×1019cm-3。
29.一種雷射處理系統包括具有用於傳送基片的一傳送腔，具有用於在要求溫度上加熱所說基片的裝置的一第一加熱腔；一雷射處理腔，具有用於在加熱所說基片的同時，用雷射照射在所說第一加熱腔中加熱的所說基片的裝置；一第二加熱腔，具有用於熱處理在所說雷射處理腔中用雷射照射過的所說基片的裝置；以及所說第一加熱腔，所說第二加熱腔，以及所說雷射處理腔通過所說傳送腔連接。
30.一種雷射處理系統包括用於產生具有線性截面的裝置；以及用於旋轉基片90°的裝置。
31.一種雷射處理系統包括用於在垂直於所說線性截面縱向的方向上相對所說基於掃描所說雷射的時候，用具有線性截面的雷射照射基片至少兩次，結果進行第一雷射照射和第二雷射照射的裝置；以及用於旋轉所說基片90°的裝置，其中在所說第一雷射照射之後，所說基片由所說旋轉裝置旋轉90°，然後進行所說第二雷射照射。
32.一種雷射處理系統包括用於在垂直於所說線性截面的縱向的方向上相對所說基於掃描所說雷射的時候，在第一角度上用具有線性截面的雷射照射基片的裝置；以及用於旋轉基片90°的裝置，其中所說基片由所說旋轉裝置旋轉90°，之後，所說線性截面的光輝在與所說第一角度相差90°的第二角度上指向所說基片。
33.一種雷射處理系統包括用具有線性截面的雷射照射基片的裝置；以及用於旋轉所說基片的裝置。
34.一種雷射處理系統包括用於在垂直於所說線性截面的縱向的方向上相對所說基片掃描所說雷射的時候在第一角度上用具有線性截面的雷射照射基片的裝置；以及用於旋轉所說基片的裝置，其中所說基片由所說旋轉裝置旋轉，之後所說線性截面的雷射在不同於所說第一角度的第二角上被指向。
35.一種雷射系統包括一雷射照射腔，具有用於在垂直於所說線性截面的縱向的方向上相對所說基片掃描所說雷射的時候，用具有線性截面的雷射照射基片的照射裝置；一基片旋轉腔，具有用於旋轉所說基片的旋轉裝置；以及一連接到所說雷射照射腔和所說基片旋轉腔並具有用於傳送所說基片的一傳送裝置的傳送腔，其中所說僅一次由所說雷射在第一角度上照射的基片由所說傳送裝置傳送到所說旋轉腔中，由所說旋轉裝置旋轉，由所說傳送裝置再次運送到所說雷射照射腔中，所說基片由所說雷射在不同於所說第一角度的第二角度上進行掃描。
全文摘要
一種雷射處理設備提供一加熱腔，一用於雷射照射的腔以及一機器人臂，其中在其上形成用雷射照射的矽膜的基片的溫度在加熱腔中被加熱到450-750℃，接著用雷射照射該矽膜，結果能得到具有單晶或能夠被認為是單晶的矽膜。
文檔編號H01L21/00GK1122953SQ9511583
公開日1996年5月22日 申請日期1995年7月28日 優先權日1994年7月28日
發明者寺本聰, 大谷久, 宮永昭治, 濱谷敏次, 山崎舜平 申請人:株式會社半導體能源研究所