結晶裝置和結晶方法
2023-06-21 12:01:01
專利名稱：結晶裝置和結晶方法
技術領域：
本發明涉及一種結晶裝置和結晶方法。具體地，本發明涉及一種通過用雷射束照射多晶半導體膜或非晶半導體膜來形成結晶半導體膜的裝置和方法，其中使用一塊移相掩模版來調整該雷射束的相位。
背景技術：
通常情況下，用於例如控制施加到液晶顯示器(LCD)的像素上的電壓的開關元件的薄膜電晶體(TFT)的材料大致分為非晶矽和多晶矽。多晶矽的電子遷移率高於非晶矽的電子遷移率。因此，如果電晶體由多晶矽形成，則它的開關速度高於由非晶矽形成的電晶體的開關速度，這帶來的優點是顯示器的響應速度可以提高並且可以減少其它部件的設計餘量。而且，如果諸如驅動器電路和DAC的外圍電路以及顯示器主單元併入到顯示器中，則它們可以以更高的速度工作。
儘管多晶矽由一組晶粒形成，但是其電子遷移率低於圖像晶體矽(image crystal silicon)的電子遷移率。由多晶矽形成的小尺寸電晶體具有溝道區中的晶粒間界數量變化的問題。近來已經有人提出一種用於產生大直徑圖像晶體矽的結晶方法，以便提高電子遷移率和減少溝道部分中晶粒間界數量的變化。
作為這種類型的結晶方法，通常已經公知通過向移相掩模版施加準分子雷射束而形成結晶半導體膜的相位控制準分子雷射退火(ELA)，其中所述移相掩模版平行並靠近一層多晶半導體膜或非晶半導體膜。所述相位控制ELA的細節在例如2000年的Surface Science、第21卷、No.5、第278-287頁中公開了。相同的技術還在Jpn.Pat.Appln.KOKAI公報No.2000-306859(KOKAI日期11月2日)中公開了。
所述相位控制ELA產生反向峰值圖形的光強分布，其中對應於所述移相掩模版的移相區的部分的光強接近於零(在所述移相掩模版中心接近於零並且朝向其周邊急劇增加的光強圖形)。用具有反向峰值圖形的光強分布的光照射多晶半導體膜或非晶半導體膜。結果，根據所述光強分布產生一個熔化區，並且首先根據光強接近於零的部分而在未熔化或固化的部分中形成晶核。晶體從該晶核開始朝向其周邊橫向生長，從而產生大直徑單晶體。
如上所述，已知通過向平行並靠近半導體膜的移相掩模版施加準分子雷射束而形成結晶半導體膜的現有技術(代替方法(proxymethod))。然而，該代替方法存在以下缺陷由於所述半導體膜的磨損而汙染了所述移相掩模版，由此妨礙了良好的結晶。
因此本申請的申請人提出了一種關於一個圖像形成光學系統使半導體膜散焦而形成結晶半導體膜的技術(圖像散焦法)，，其中所述圖像形成光學系統置於一塊移相掩模版和待處理襯底(半導體膜)之間。本申請人還提出了一種如下技術(圖像NA法)布置圖像形成光學系統以使移相掩模版和半導體膜光學共軛，並且通過限定所述圖像形成光學系統數值孔徑在其雷射束髮射側形成結晶半導體膜。
根據上述圖像散焦法和圖像NA法，通常，採用輸出高輸出KrF準分子雷射束的KrF準分子雷射光源，並且由單一類型光學材料(例如，矽石玻璃)製成的圖像形成光學系統也是如此。在這種情況下，該KrF準分子雷射束的振蕩波長帶相對較寬(在最大值的一半處的整個寬度為大約0.3nm見圖5)，並且所述圖像形成光學系統產生相對大的色差。因而，所述KrF準分子雷射束的寬帶波長和圖像形成光學系統的色差的影響可能妨礙在諸如半導體膜的待處理襯底上產生所需光強分布。為了在半導體膜上產生所需光強分布，可以想到使用稜鏡、衍射光柵等使雷射束的頻帶變窄。但是，如果雷射束的頻帶變窄，則雷射器單元的尺寸將增加和變得複雜，並且其輸出也將降低。
通常，使用頻帶窄的雷射束，在兩個相鄰反向峰值圖形部分R之間的中間部分M中的光強分布伴隨著產生不規則隆起(見圖4)。在結晶工藝中，晶核有時形成在光強低的中間部分M的隆起的位置上(或不希望的位置上)。即使晶核形成在所希望的位置上，從該晶核開始並朝向其周邊進行的橫向生長停止在光強降低的所述中間部分M的一個位置上。因此可能妨礙大晶體的生長。
本發明的一個目的是提供一種結晶裝置和結晶方法，該結晶裝置和結晶方法能夠在所希望的位置上形成晶核並且允許晶體從該晶核開始進行充分地橫向生長，由此產生大直徑的晶粒。
發明內容
為了解決這個問題，根據本發明的第一方案，提供一種結晶裝置包括具有至少兩個移相區的一塊移相掩模版；發射給定波長範圍的光束以照射該移相掩模版的照明系統；以及布置在該移相掩模版和待處理對象之間的光學路徑中的圖像形成光學系統，所述移相掩模版轉換發射自該照明系統的光束的強度圖形，使其具有帶有反向峰值圖形部分的光強分布，所述反向峰值圖形部分在對應於該移相區的部分中具有光強的最小峰值，並且向所述對象施加光束以使該襯底結晶，其中所述移相掩模版和所述對象布置在所述圖像形成光學系統的共軛位置上，以及所述圖像形成光學系統具有對應於給定波長範圍的像差，以便在所述對象上在反向峰值圖形部分之間的中間部分形成沒有強度隆起的波形圖的光強分布。
根據本發明的第二方案，提供一種結晶裝置，包括
發射給定波長範圍的光束的一個光源；具有至少兩個移相區的移相掩模版，並且所述移相掩模版轉換發射自該光源的光束的強度圖形，使其具有帶有反向峰值圖形部分的光強分布，所述光強分布的光強在對應於該移相區的點上最低，並且向待處理對象施加光束以使該襯底結晶；以及用於改變給定波長範圍的光束的裝置，使得施加到所述對象的光束具有波長不同的多種光學成分，並且在所述對象上形成在反向峰值圖形部分之間的中間部分沒有強度隆起的波形圖的光強分布。
根據本發明的第三方案，提供一種通過用具有反向峰值圖形部分的光強分布的光束照射一塊移相掩模版和照射所述襯底而對待處理對象進行結晶的方法，所述光強分布的光強在對應於該移相掩模版的至少兩個移相區的部分中最低，該方法包括用給定波長範圍的光束照射該移相掩模版；以及通過一個圖像形成光學系統在所述對象上形成一個光強分布，所述光強分布在反向峰值圖形部分之間的中間部分上沒有強度隆起，布置所述圖像形成光學系統以使該移相掩模版和所述對象光學地共軛並且具有對應於給定波長範圍的像差。
附圖簡述
圖1是示出根據本發明一個實施例的結晶裝置的結構的示意圖；圖2是圖1中所示的照明系統的內部結構的示意圖；圖3A和3B分別是表示在所述結晶裝置中使用的移相掩模版的平面圖和側視圖；圖4是示出通過圖像散焦法和圖像NA法形成的反向峰值圖形部分的光強分布的曲線；圖5是示出根據本發明的實施例在一個數值例子中的KrF準分子雷射光源的振蕩波長分布的曲線；
圖6A和6B圖示了在本發明實施例中的圖像形成光學系統的色差的影響；圖7是示出根據本發明的實施例在所述數值例子中通過各個波長的光學成分在待處理襯底上形成的光強圖形的曲線；圖8是示出根據本發明的實施例在所述數值例子中最終形成在待處理襯底上的光強分布的曲線；圖9A和9B圖解了在本發明實施例的不同變型中將寬帶雷射束轉換成不同波長的光學成分的校準器的結構和功能；圖10A和10B是光源的振蕩波長分布和由多個波長光束形成的點像的圖；圖11是示出在本發明實施例的改型中通過不同波長的光學成分在待處理襯底上形成的光強圖形的曲線；圖12是示出在本發明實施例的改型中最終形成在待處理襯底上的光強分布的曲線；圖13A到13E是使用根據本發明實施例的結晶裝置製造電子器件的步驟的剖面圖。
本發明的最佳實施方式下面參照附圖介紹本發明的一個實施例。
圖1是示出根據本發明實施例的結晶裝置的結構的示意圖，並且圖2是圖1中所示的照明系統的內部結構的示意圖。參見圖1和2，本實施例的結晶裝置包括照射移相掩模版1的照明系統2。所述照明系統2具有提供波長為248nm的雷射束的KrF準分子雷射光源2a、布置在該光源的雷射束髮射側上的光束擴展器2b、第一蠅眼透鏡2c、第一聚焦光學系統2d、第二蠅眼透鏡2e和第二聚焦光學系統2f。
該光源2a提供的雷射束經該光束擴展器2b擴展成具有給定直徑的雷射束，然後進入該第一蠅眼透鏡2c。因此，在第一蠅眼透鏡2c的後焦面上形成多個小光源，並且來自所述小光源的光束的光通量以疊加方式經所述第一聚焦光學系統2d照射所述第二蠅眼透鏡2e的入射面。結果，在所述第二蠅眼透鏡2e的後焦面上形成數量比所述第一蠅眼透鏡2c的後焦面上的小光源數量更多的多個小光源。來自所述小光源的光束通量以疊加方式經所述第二聚焦光學系統2f照射該移相掩模版1。
所述第一蠅眼透鏡2c和第一聚焦光學系統2d構成第一均化器，並且該第一均化器關於該移相掩模版1上的入射角而使強度均勻。所述第二蠅眼透鏡2e和第二聚焦光學系統2f構成第二均化器，並且該第二均化器關於該移相掩模版上的一個面內位置而使強度均勻。因此，該照明系統向該移相掩模版1施加具有大致均勻光強分布的雷射束。
通過所述移相掩模版1調整其相位的雷射束通過一個圖像形成光學系統3施加到待處理襯底4。所述移相掩模版1和襯底4位於所述圖像形成光學系統3的光學共軛位置上。通過化學汽相澱積法在用於液晶顯示器的平板玻璃上依次形成一層底層膜和一層非晶矽膜而獲得該襯底4。通過真空吸盤、靜電吸盤等將該襯底4固定在襯底平臺5的給定位置上。通過未示出的驅動機構可以使所述襯底平臺在X、Y和Z方向移動。
圖3A和3B是示出一塊移相掩模版的結構的示意圖。一般來說，如前面現有技術所述的，該移相掩模版由透明介質製成，例如，具有厚度變化的相鄰區域的石英襯底。在相鄰區域之間一個臺階(移相區)的邊緣，該移相掩模版使入射雷射束通量衍射並使它們彼此幹涉，並且提供具有周期性的空間分布的入射雷射束的強度。
更具體地說，參見圖3A，該移相掩模版1具有兩種類型的槽形相位區1a和1b，它們在一個方向(圖3A中的水平方向)上交替布置。形成該第一相位區1a和第二相位區1b使得在它們傳輸的雷射束通量之間形成180°的相位差。如果該移相掩模版1由矽石玻璃形成，該矽石玻璃相對于波長為248nm的雷射束具有1.5的折射率，則在該第一相位區1a和第二相位區1b之間形成一個248nm的臺階，如從圖3B可以理解的。換言之，在兩個區域1a和1b之間存在248nm的厚度差。該第一相位區1a和第二相位區1b之間的邊界對應於移相區1c。
如果將圖像散焦法(或圖像NA法)應用到一個光學系統，該光學系統的光源提供單波長或窄帶雷射束並且其圖像形成光學系統幾乎沒有像差，則該襯底4位於一個圖像形成光學區的散焦位置上(或限定在其雷射束髮射側上的圖像形成光學系統的數值孔徑)，結果是具有對應於該移相掩模版1的相位的反向峰值圖形的光強分布的雷射束施加到該襯底4上，如圖4所示。該光強分布具有以下特性。該光強在對應於該移相掩模版1的每個移相區1c的位置上是接近為零的最小反向峰值，並且從該反向峰值朝向周邊或者朝向所述第一相位區1a和第二相位區一維地和連續地增加。
參見圖4，根據相鄰兩個移相區1c形成的相鄰兩個反向峰值圖形部分R之間的中間部分M中的光強分布出現了不規則隆起(光強重複地增加和減小的波浪形分布)。在這種情況下，希望在該光強分布的反向峰值圖形的傾斜很大的位置(所述光強不高於一個固定值的由參考編號11表示的位置)產生晶核。然而，如果在上述中間部分M存在隆起(重複突起和凹陷)，可能在光強低的隆起位置(由參考編號12表示的不希望的位置)上產生晶核。
即使晶核產生在所希望的位置上，從該晶核開始並向其周邊進行的橫向生長將在所述每個反向峰值圖形部分R和所述中間部分M之間的邊界的一部分L上停止，在那裡光強下降。換言之，從該晶核開始進行的橫向生長將被限制在每個反向峰值圖形部分的寬度W的範圍(反向峰值圖形部分的近端(proximal ends)之間的距離，或增加的光強首次開始降低的點或它們附近之間的距離)。因此妨礙了相當大的晶體生長。順便提及，在所述圖像散焦法中，如果該圖像形成光學系統3具有適當的解析度，則每個反向峰值圖形部分的寬度W幾乎與該圖像形成光學系統3的圖像表面和該襯底4之間的距離的1/2次冪(即，散焦量)成比例地改變。另一方面，在所述圖像NA法中，每個反向峰值圖形部分的寬度W基本上等於該圖像形成光學系統的解析度。
如上所述，該KrF準分子雷射光源2a提供雷射束，該雷射束的振蕩波長帶相對較寬，除非該波長帶被特意變窄。如果該圖像形成光學系統3由單一類型的光學材料(例如，矽石玻璃)構成，則將發生相對大的色差。在本實施例中，該圖像形成光學系統3的色差發生量(一般為波像差的發生量)根據從該KrF準分子雷射光源2a提供的雷射束的振蕩波長帶來確定。因此，在中間部分中不會出現光強的隆起，並且可以用光強分布具有反向峰值圖形部分的雷射束照射該襯底(半導體膜)4。
下面將參照一個特定的數值例子來介紹本發明的原理。
圖5是示出在根據本實施例的所述數值例子中該KrF準分子雷射光源的振蕩波長分布的曲線。在這個曲線中，水平軸表示對應通過從所述波長(單位nm)減去248nm獲得的長度的位置，垂直軸表示振蕩強度(相對值)。如圖5所示，從該KrF準分子雷射光源2a發射的雷射束具有整體上的高斯強度分布。更具體地說，所述雷射束的中心波長λ是248.55nm，並且所述振蕩波長分布的最大值的一半處的整個寬度為約0.3nm(在最大值一半處的整個寬度Δλ0.15nm)。
在根據本實施例的所述數值例子中，所述圖像形成光學系統3隻由矽石玻璃構成，並在相等放大率上對於物體和圖像側來說都是遠心的。更具體地說，所述圖像形成光學系統3的整個長度(所述物體表面和圖像表面之間的距離)為1000mm(4f光學系統f＝250mm)，並且所述圖像形成光學系統在其雷射束髮射側上的數值孔徑為0.1。所述照明系統2的照明NA為0.05。該移相掩模版1中的移相區1c之間的間距P或每個相位區1a和1b的寬度為10μm(見圖3)。
下面將參照圖6A和6B介紹由於所述圖像形成光學系統3的色差而引起的圖像形成位置的偏移。
當在所述圖像形成光學系統3中沒有發生色差時，從該移相掩模版1的光軸O上的一點發射的光束經圖像形成光學系統3聚焦在該襯底4的表面4a的光軸O上的一個點上，由此形成一個點像，所述光束不依賴於它們的波長。然而，在本實施例中，在所述圖像形成光學系統3中將發生色差。因此，如圖6A所示，在從該移相掩模版1的光軸O上的一個點發射的光束當中，中心波長的光束13聚焦在該襯底4的表面4a上的光軸O上，波長比所述中心波長短的光束14聚焦在該襯底4的表面4a上方的光軸O上(在所述圖像形成光學系統的一側)，並且波長比所述中心波長長的光束15聚焦在該襯底4的表面4a下面的光軸上(在所述圖像形成光學系統的相對側)。因而，在本實施例中，從該移相掩模版1的光軸上的一點發射的光束形成一個圖像，該圖像被散焦，以便沿著光軸O在該襯底4的表面4a上伸長，如圖6B中的橢圓形陰影部分所示。而且，由於所述圖像形成光學系統3對於兩側來說都是遠心的，因此該襯底4的平坦表面4a上的所有點的散焦量幾乎彼此相等，並且該圖像在平行於所述光軸的方向被散焦。注意到對應於在所述光軸方向伸長的圖像的各自波長的點，或者從該襯底4的表面4a散焦的點，最終形成在該襯底4的表面4a上的所述光強分布是通過疊加(合成)由各自波長的光通量形成的光強圖形而獲得的。
下表1示出了在根據本發明的所述數值例子中通過從每個光束的波長減去所述中心波長λ而獲得的波長偏移量(nm)和由於所述圖像光學系統3的色差而在每個光束中產生的縱向像差的量(散焦量μm)之間的關係。從表1看出，所述波長偏移量和縱向像差量幾乎彼此成比例。表1中所示的關係是在假設所述圖像形成光學系統3是薄透鏡的基礎上進行計算的結果。這種關係甚至在通過組合多個透鏡形成的實際圖像形成光學系統3中也是通常成立的。
表1波長偏移量0.000.050.100.150.200.25縱向像差量0 19 39 58 77 97波長偏移量-0.05 -0.10 -0.15 -0.20 -0.25縱向像差量-19 -39 -58 -77 -97圖7是示出了根據本實施例在所述數值例子中由各自波長的光束在所述襯底上形成的光強圖形的曲線。圖8是示出根據本實施例在所述數值例子中最終形成在與該移相掩模版相關的所述襯底4上的光強的曲線。在圖7中，參考編號21表示其波長與所述中心波長λ一致的光束(實線)，參考編號22表示其波長相對於所述中心波長λ偏移±0.05nm的光束(單點劃線)，參考編號23表示其波長相對於所述中心波長λ偏移±0.1nm的光束(虛線)，參考編號24表示其波長相對於所述中心波長λ偏移±0.15nm的光束(雙點劃線)，參考編號25表示其波長相對於所述中心波長λ偏移±0.2nm的光束(鏈線)，以及參考編號26表示其波長相對於所述中心波長λ偏移±0.25nm的光束(三點劃線)。
參見圖7，由其波長與所述中心波長λ一致的光束21形成的光強圖形對應於圖4中所示的具有反向峰值圖形部分和一個中間部分的所述光強分布。然而，當所述波長相對於所述中心波長λ偏移時，每個反向峰值圖形部分的最小值一定程度地增加，但是所述光強從每個反向峰值圖形部分朝向所述中間部分急劇減小的程度被降低了(位於每個反向峰值圖形部分兩側的正常峰值圖形的高度被降低了)。在其波長偏移得比一個固定距離大的光束中，即，其波長分別相對於所述中心波長λ的偏移量大於±0.15nm的光束24至26，所述光強不會從每個反向峰值圖形部分向所述中間部分減小(不出現正常峰值圖形)，並且在所述中間部分幾乎不發生光強的隆起。
如上所述，由各個波長的光束形成的所述光強圖形(即，圖7中所示的光強圖形)被疊加以獲得最終形成在該襯底4的表面4a上的光強分布。在根據本實施例的所述數值例子中，如圖8所示，用具有正常峰值圖形(角度圖形)的光強圖形分布的光束照射該襯底4的表面4a，其中所述光強在所述反向峰值圖形部分R之間的中間部分M中沒有隆起，而是朝向所述中間部分的中心稍微地且基本上單調地增加。
因而，任何晶核都不會在所述中間部分M生長而是在所述光強分布的反向峰值圖形部分的傾斜最大的位置(或所述強度不高於一個固定值的位置)生長。此外，所述光強在每個反向峰值圖形部分和所述中間部分M之間的邊界上不會下降(不形成正常峰值圖形)，而是朝向所述中間部分M稍微且單調地增加；因此，從該晶核開始並朝向其周邊進行的橫向生長不限於每個反向峰值圖形部分的寬度的範圍。因此，在本實施例中，可以在所希望的位置生長晶核，並且可以實現從該晶核開始的顯著的橫向生長，從而形成大直徑結晶半導體膜。
接下來說明獲得所述光強朝向所述中間部分M稍微地且單調地增加的圖形的光強分布的條件表達式。基於通常理解的作為確定Becke線衍射圖形的一種方法的原理，在由於所述圖像形成光學系統3的色差而產生的縱向像差具有最大值D時形成的反向峰值圖形部分的寬度W由下列表達式(1)給出。
W＝2×1.2(λ·D/2)1/2…(1)其中λ是從所述光源2a提供的雷射束的中心波長。
考慮上述數值例子中的計算過程，希望每個反向峰值圖形部分的寬度W基本上與所述反向峰值圖形部分之間的間距X相等(見圖8)，以便獲得所述光強朝向所述中間部分M的中心稍微地且單調地增加的圖形的光強分布。更具體地說，圖7中對應於該光束24的所述光強圖形接近這個條件。考慮如果每個反向峰值圖形部分的寬度W一定程度地接近所述反向峰值圖形部分之間的間距X而獲得充分的有利條件，則希望在所述寬度W和所述間距X之間建立起下列表達式(2)0.5×X≤2×X…(2)所述反向峰值圖形部分之間的間距X和所述移相掩模版1的移相區之間的間距P之間的關係取決於所述圖像形成光學系統3的圖像形成放大率。在根據本發明的所述數值例子中，所述圖像形成光學系統3的圖像形成放大率是相等的放大率，因此所述反向峰值圖形部分之間的間距X與所述移相區之間的間距P一致。將關係式(1)代入關係式(2)，得出下列表達式(3)的條件，如下列表達式(4)的條件那樣。
0.25X2/(2×1.44λ)≤D≤4X2/(2×1.44λ)…(3)0.87≤D·λ/X2≤1.389 …(4)將X＝10μm和λ＝0.24855μm作為所述數值例子的具體值代入表達式(4)中，關於由於所述圖像形成光學系統3的色差產生的縱向像差的最大值D而獲得下列條件表達式(5)。
35μm≤D≤560μm…(5)再次參見表1，應該理解，即使對應最大波長或最小波長的縱向像差量97μm用作所述縱向像差的最大值D或使用對應半寬的縱向像差量58μm，也能滿足條件式(5)。如前面參照表1所述的，具有色差的所述圖像形成光學系統3在相對於所述中心波長的波長偏移量和散焦量(縱向像差量)之間具有線性關係。換言之，對應所述半寬的縱向像差的最大值D可以由下列等式(6)來表示。
D＝k×Δλ…(6)其中Δλ是在從所述光源2a提供的雷射束的所述強度分布中在最大值的一半處的半寬，並且k是表示所述散焦量與相對於所述中心波長λ的波長偏移量之比的係數。因此可以參照等式(6)的關係修改該條件表達式(4)而得出下列條件表達式(7)。
0.087≤k·Δλ·λ/X2≤1.389…(7)在本實施例中，希望滿足該條件表達式(4)或(7)以獲得所述光強朝向所述中間部分的中心稍微地和單調地增加的圖形的光強分布。在前述實施例中，所述KrF準分子雷射光源2a提供具有整體為高斯強度分布的雷射束。但是，作為對此的修改，所述KrF準分子雷射光源2a可以提供在彼此不同的多個給定波長處具有最大強度的雷射束。
圖9A和9B圖解了不同的校準器的結構和功能，所述每一個不同的校準器將一個寬帶波長光束轉換成多個不同波長的光束來作為對本實施例的改型。圖9A所示的校準器是氣隙型校準器，並且圖9B所示的是實體型校準器。圖10A和10B是示出在本實施例的改型中光源振蕩波長分布和通過多個波長的光束形成的點像的圖。圖9A中所示的校準器28由一對平行平板28a和28b構成，在它們之間設有給定間隙t。這些平行平板28a和28b各由透明玻璃形成。在如此形成的校準器28中，已經經過第一平板28a的光束，例如雷射束被施加到第二平板28b的入射表面和/或被其反射，並且最終作為具有波長彼此不同的多種光學成分的光從所述第二平板28b發射。在這種情況下，基於一個寬帶波長入射雷射束由該校準器28形成的多個(本實施例中為4個)離散波長光束之間的峰值間隔δλ由下列等式(8)表示。
δλ＝λ2/(2tcosθ)…(8)其中λ是從所述光源2a固有地提供的寬帶波長光束的中心波長，並且在本改型中其值為248.5nm，而θ是雷射束入射到該校準器上的入射角，其值為0度。為了獲得例如0.133nm的峰值間隔δλ，給定間隙t必須設置為231μm。換言之，通過具有231μm間隙t的該校準器28的作用，基於從所述光源2a提供的寬帶波長光束可以獲得具有四個峰值波長的光束，這四個峰值波長的峰值形狀在如圖10A所示的強度分布中是相同的。
具有四個峰值波長的所述光束包括其中心波長為248.3nm的第一波長光學分量A1、其中心波長為248.433nm的第二波長光學分量B1、其中心波長為248.566nm的第三波長光學分量B2以及其中心波長為248.7nm的第四波長光學分量A2。在這種情況下，如圖10B所示，所述第一波長光學分量A1在該襯底4的表面4a上(朝向所述圖像形成光學系統3)形成一個點像C1，該點像由於所述圖像形成光學系統3的色差而被散焦。所述第二波長光學分量B1在該襯底4的表面4a和所述點像C1之間形成一個散焦的點像D1。同樣地，所述第三波長光學分量B2在關於待處理襯底的表面4a與所述點像D1直徑相對的位置上形成一個散焦的點像D2。所述第四波長光學分量A2在關於該襯底4的表面4a與所述點像C1直徑相對的位置上形成一個散焦的點像C2。這些點像(C1、D1、D2、C2)的間隔是相同的。這些點像被包含於對應一個橢圓形陰影部分的橢圓形區域(由陰影表示的)內，該橢圓形陰影部分表示在圖6的光軸方向伸長的一個散焦圖像。
在本改型中，最終形成在該襯底4的表面4a上的所述光強分布也是通過疊加(合成)由所述波長光學分量(A1、B1、B2、A2)形成的光強圖形而獲得的。
應該理解的是，從另一種類型的校準器仍然可以獲得與上述氣隙型校準器相同的優點，例如，圖9B中所示的在具有厚度t的透明平板襯底29的一側上設有一層反射膜29a的固體型校準器。
圖11是示出通過上述四個波長光學分量(A1、B1、B2、A2)的每一個在該襯底上形成的光強圖形的曲線。
參見圖11，在由其波長分別相對接近於所述中心波長λ的第二和第三波長光學分量B1和B2形成的光強圖形中，所述光強趨於從每個反向峰值圖形部分朝向這些反向峰值圖形部分之間的中間部分降低一定的程度。相反，在由其波長分別遠離所述中心波長λ的第一和第四波長光學分量A1和A2形成的光強圖形中，每個反向峰值圖形部分的最小值增加，而所述光強不會從每個反向峰值圖形部分朝向這些反向峰值圖形部分之間的中間部分減小或者在所述中間部分不會出現光強的隆起。
圖12是示出通過合成圖11所示光學分量而獲得的並最終形成在該襯底4上的光強分布的曲線。
如圖12所示，在該襯底4的表面4a上最終形成一個光強分布，在該光強分布中在所述反向峰值圖形部分R之間的所述中間部分M中不會出現光強隆起而是所述光強朝向所述中間部分M的中心單調地增加。因此，在所述中間部分M不會產生任何晶核，而是可以在所述光強分布中的反向峰值圖形部分R的傾斜最大的位置產生晶核。由於該光強比上述實施例更明顯地朝向所述中間部分M的中心單調地增加，因此從晶核開始並向其周邊進行的橫向晶體生長很容易到達近乎所述中間部分的中部，而不限於所述每個反向峰值圖形部分的寬度的範圍。
在本改型中，晶核也可以在所希望的位置產生，並且可以實現從該晶核開始進行的充分的橫向晶體生長，以便形成大直徑結晶半導體膜，如上述實施例那樣。在本改型中，每個波長光束峰值的形狀和數量的設計自由度高於上述實施例。因此比上述實施例更容易實現所述光強朝向所述中間部分的中心正向地且單調地增加的光強分布。
在上述改型中，使用校準器將寬帶波長光束轉換成多個波長光束。然而，本發明不限於此。如果合成振蕩波長輕微變化的多個雷射束，則可使用多個光源部件和一個合成部件而獲得多個所希望的波長光束，所述多個光源部件用於提供其中心波長通常彼此不同的光束，所述合成部件用於合成從所述光源部件提供的多個雷射束。代替地，通過向寬帶波長光束的照明光學路徑中插入一個多膜反射鏡可以獲得多個所希望的波長光束，所述多膜反射鏡只反射特定波長的光束。在這種情況下，從圖7看出，通過僅僅只消除對所述強度分布的隆起貢獻最大的所述中心波長，可以提供很大的改進。
上述實施例採用通過一維地布置對應於相位0和π的兩種類型的槽形相位區形成的所述移相掩模版1。然而，本發明不限於此，還可以採用通過二維地布置對應於相位0、π/2、π和3π/2的四個矩形區而形成的移相掩模版。此外，一般情況下，可以採用具有三條或更多條移相線的一個交叉點(移相區)的移相掩模版，該移相掩模版形成為綜合復透射的圓形區域的中心位於所述交叉點上。而且，可以採用具有對應於移相區的圓形臺階的移相掩模版，並且該移相掩模版被設置成所述圓形階梯的透射光束與其周圍透射的光束之間的相位差變為π。甚至在設計階段也可以計算所述光強分布，但是希望觀察和確定待處理的實際表面(要被露出的襯底)上的光強分布。為此，必須只有通過一個光學系統來擴展所述待處理表面以便通過諸如CCD的一個圖像拾取器件來接收光束。當使用的光束是紫外線時，所述光學系統受到限制，因此可通過在所述待處理表面上提供一塊螢光板而將所述光束轉換成可見光。
下面將參照圖13A至13E介紹通過本發明的製造裝置和方法製造電子器件的方法。
如圖13A所示，通過化學汽相澱積、濺射等方法在整個一塊矩形絕緣襯底30(例如，鹼性玻璃、矽石玻璃、塑料和聚醯亞胺)上形成一層底層膜31(例如，厚度為50nm的SiN膜和厚度為100nm的SiO2膜的疊層膜)和一層非晶半導體膜32(例如，各具有大約50nm至200nm厚度的Si、Ge和SiGe)。然後，將準分子雷射束33(例如，KrF和XeCl)施加到所述非晶半導體膜32的部分表面或全部表面上。為了施加所述準分子雷射束，使用了上述實施例的裝置和方法。因而，如圖13B所示，所述非晶半導體膜32結晶成一層多晶半導體膜34。如此形成的所述多晶半導體膜34被轉換成多晶化或單晶化的半導體膜，所述多晶化或單晶化的半導體膜的晶粒位置受控以及其晶粒直徑大於通過常規製造裝置形成的多晶半導體膜的晶粒直徑。
通過光刻技術處理所述多晶半導體膜34以形成島狀半導體膜35。如圖13C所示，通過化學汽相澱積、濺射等技術在所述底層膜31和半導體膜35上形成作為柵極絕緣膜36的厚度為20nm至100nm的一層SiO2膜。
然後，在所述柵極膜36上對應所述半導體膜35的位置上形成一個柵電極37(例如，矽化物和MoW)。使用所述柵電極37作為掩模版，向所述半導體膜35中注入雜質離子38(當該器件是N溝道電晶體時使用磷，當該器件是P溝道電晶體時採用硼)，從而使該膜成為N型或P型。之後，在氮氣氣氛下對整個器件進行退火(例如，在450℃下退火一小時)，以激活所述半導體膜35中的雜質。結果，所述半導體膜35用作都具有高雜質濃度的源極41和漏極42，並且位於其間的溝道區40對應於所述柵電極37並具有低雜質濃度。
在所述柵極膜36上形成一層層間絕緣膜39。然後，在對應於所述源極41和漏極42的層間絕緣膜39和柵極膜36的那些部分中形成接觸孔。隨後，如圖13E所示，通過澱積和製作布線圖案在所述層間絕緣膜39上形成經所述接觸孔電連接到所述源極41和漏極42的一個源電極43和一個漏電極44。參照圖13A和13B所述可以理解，因為通過雷射束照射處理了形成所述溝道40的半導體，所以如此形成的薄膜電晶體是大直徑多晶或單晶。這種電晶體的開關速度高於使用未施加雷射束的非晶半導體的電晶體的開關速度。多晶化或單晶化電晶體可以設計成具有液晶驅動功能和諸如存儲器(SRAM，DRAM)和CPU的集成電路的功能。在非晶半導體膜中形成需要耐壓的電路，同時對需要高速遷移率的驅動器電路的電晶體進行多晶化或單晶化。
工業實用性如上所述，根據本發明，在所述待處理襯底上形成反向峰值圖形光強分布，其中所述光強在每個反向峰值圖形部分和其間的所述中間部分之間的邊界處不降低，而是通過用於提供在給定波長範圍內的光束的一個光源和具有對應於所述波長範圍的像差的一個圖像形成光學系統之間的合作，朝向所述中間部分的中心單調地增加。因而，可以在所希望的位置產生晶核，並且可以實現從該晶核開始進行的充分的橫向生長，從而形成大直徑結晶半導體膜。
在上面的說明中，要被結晶的物體被認為是待處理的襯底。應該理解待處理的物體是形成在所述襯底上的非晶和多晶層或膜，如上述實施例中所述的。為了結晶，在本發明中也包括一塊襯底本身，在這種情況下，所述襯底用作待處理的對象。結晶的材料不限於矽。例如，可以採用其它半導體，如Ge和SiGe。所述材料不限於半導體，如果它具有結晶性，則只須是金屬。在本發明中，結晶意味著提高結晶度。例如，非晶物質的結晶意味著它被轉換成多晶或圖像晶體物質，並且多晶物質的結晶意味著它被轉換成圖像晶體物質。
在本發明中，所述移相掩模版的移相區不限於不同相位區之間的一條邊界或一個點，而是可以包括所述邊界和點的附近部分。例如，當在相鄰相位區的其中一個當中提供沿著所述移相掩模版的邊界延伸的一個光屏蔽區時，該光屏蔽區是移相區。換言之，形成了對應於所述光屏蔽區的具有最小強度峰值的一個反向峰值圖形部分。
權利要求
1.一種結晶裝置，包括具有至少兩個移相區的一塊移相掩模版；發射給定波長範圍的光束以照射所述移相掩模版的一個照明系統；以及布置在所述移相掩模版和一個待處理對象之間的光學路徑中的一個圖像形成光學系統，所述移相掩模版轉換從所述照明系統發射的光束的強度圖形，使其具有帶有反向峰值圖形部分的光強分布，所述反向峰值圖形部分在對應於所述移相區的部分具有光強的最小峰值，並且所述移相掩模版向所述對象施加所述光束以使所述襯底結晶，其中所述移相掩模版和所述對象布置在所述圖像形成光學系統的共軛位置上，以及所述圖像形成光學系統具有對應於給定波長範圍的像差，以便在所述對象上形成在所述反向峰值圖形部分之間的中間部分沒有強度隆起的波形圖的光強分布。
2.根據權利要求1所述的結晶裝置，其中對應於給定波長範圍的所述像差是色差，所述色差表示不同波長的光學分量的圖像形成位置在幾乎是沿光軸的方向上發生變化。
3.根據權利要求1或2所述的結晶裝置，其中所述照明系統具有一個光源，所述光源提供具有整體上為高斯波長強度分布的光束。
4.根據權利要求1所述的結晶裝置，其中所述照明系統具有一個光源，所述光源提供在彼此不同的多個給定波長上具有最大強度的光束。
5.根據權利要求4所述的結晶裝置，其中所述給定波長以幾乎規則的間隔設置在所述給定波長範圍內。
6.根據權利要求4或5所述的結晶裝置，其中所述光源包括一個校準器，所述校準器具有對應於所述給定波長之間的間隔的在反射面之間的間隔。
7.根據權利要求4或5所述的結晶裝置，其中所述光源具有多個光源部件和一個合成部件，所述多個光源部件提供中心波長彼此不同的與所述給定波長一致的多個光束，所述合成部件合成從所述光源部件提供的多個光束。
8.根據權利要求2所述的結晶裝置，其中當由基於所述光源提供的光束的像差產生的縱向像差的最大值為D，從所述光源提供的光束的中心波長為λ，並且形成在所述對象上的反向峰值圖形部分之間的間距為X的時候，則以下表達式成立0.87≤D·λ/X2≤1.389。
9.根據權利要求2所述的結晶裝置，其中當從所述光源提供的光束的中心波長為λ，從所述光源提供的光束的強度分布的最大值的一半處的半寬為Δλ，表示散焦量與相對於所述中心波長λ的波長偏移量之比的係數為k，以及形成在所述對象上的反向峰值圖形部分之間的間距為X時，則以下表達式成立0.087≤k·Δλ·λ/X2≤1.389。
10.一種結晶裝置，包括發射給定波長範圍的光束的一個光源；具有至少兩個移相區的一塊移相掩模版，並且所述移相掩模版轉換從所述光源發射的光束的強度圖形，使其具有帶有反向峰值圖形部分的光強分布，所述光強分布的光強在對應於移相區的點上最低，並且所述移相掩模版向待處理對象施加所述光束以使所述襯底結晶；以及用於改變給定波長範圍的所述光束的裝置，使得施加到所述對象的光束具有波長不同的多種光學成分，並且在所述對象上形成在所述反向峰值圖形部分之間的中間部分沒有強度隆起的波形圖的光強分布。
11.根據權利要求10所述的結晶裝置，其中所述裝置與所述移相掩模版共同來設置所述光強分布，使得在所述對象上在所述波形圖之間的中間部分具有山的形狀。
12.根據權利要求10或11所述的結晶裝置，其中所述裝置包括設置在所述光源和所述移相掩模版之間的光學裝置，以改變從所述光源發射的給定波長範圍的光束，從而得到具有波長不同的多個光學分量，並將該光束施加到所述移相掩模版。
13.根據權利要求9所述的結晶裝置，其中所述裝置包括設置在所述移相掩模版和所述對象之間的光學裝置，以便改變從所述移相掩模版發射的具有反向峰值圖形部分的光束，從而得到波長不同的多個光學分量，並將該光束施加到所述對象。
14.一種通過用具有反向峰值圖形部分的光強分布的光束照射一塊移相掩模版和照射所述襯底而使待處理對象進行結晶的方法，所述光強分布的光強在對應於所述移相掩模版的至少兩個移相區的部分中光強最低，該方法包括用給定波長範圍的光束照射所述移相掩模版；以及通過一個圖像形成光學系統在所述對象上形成一個光強分布，所述光強分布在反向峰值圖形部分之間的中間部分上沒有強度隆起，所述圖像形成光學系統設置成使所述移相掩模版和所述對象光學地共軛，並具有對應於給定波長範圍的像差。
15.根據權利要求13所述的方法，其中所述中間部分具有山狀的強度分布。
全文摘要
一種結晶裝置包括照射一塊移相掩模版(1)的照明系統(2)和布置在所述移相掩模版和一層半導體膜(4)之間的光學路徑中的圖像形成光學系統(3)。用具有反向峰值圖形部分的光強分布的光束照射所述半導體膜，所述光強分布的光強在對應於移相區的部分中最低以形成結晶半導體膜。該照明系統具有提供給定波長範圍的光束的一個光源。所述圖像形成光學系統設置成使所述移相掩模版和所述半導體膜光學地共軛，並具有對應於所述給定波長範圍的像差，以形成在所述中間部分沒有強度隆起的反向峰值圖形部分的光強分布。
文檔編號H01L21/336GK1650402SQ0380960
公開日2005年8月3日 申請日期2003年3月19日 優先權日2002年7月11日
發明者谷口幸夫, 松村正清, 山口弘高, 西谷幹彥, 辻川晉, 木村嘉伸, 十文字正之 申請人:株式會社液晶先端技術開發中心