半導體薄膜的形成方法和半導體薄膜的形成裝置的製作方法
2023-12-09 15:22:41
專利名稱：半導體薄膜的形成方法和半導體薄膜的形成裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在絕緣材料所構成的基層上形成半導體薄膜的形成方法及半導體薄膜的形成裝置。
背景技術：
現有的半導體薄膜的形成方法，是使用絕緣材料所構成的基層，例如非晶質基板，特別是便宜的玻璃基板，為了在該基板上形成具有良好結晶性的半導體薄膜(例如矽(Si)薄膜)，利用紫外線(UV)脈衝雷射的結晶化法使半導體薄膜多結晶化。
然而，目前利用已實用化的雷射結晶化技術而獲得的矽薄膜，具有數百納米(nm)的平均結晶粒徑的多結晶薄膜，其遷移率(mobility)受結晶粒界的影響至多只有200cm2/V·sec。
使用此等薄膜的薄膜電晶體(TFT)，若考慮電氣性能的不平均(unevenness)等因素，則電晶體的信道長度L必須為平均結晶粒徑的10倍以上的微米(μm)程度。結果，只能設計出具有至多5MHz程度的截止頻率的驅動電路。
設計更高性能的驅動電路，例如能以100MHz程度驅動的電路時，粗略的計算，必須要具有1μm的信道長度L和300cm2/V·sec程度的遷移率的薄膜電晶體，且該電晶體不能有性能上的不平均。亦即，形成於非晶質基板上的半導體薄膜(Si膜)必須為具有1μm以上的結晶粒徑，且前述半導體薄膜的信道內必須沒有形成結晶粒界。
滿足以上要求的雷射結晶化方法有順序橫向固化(Sequential LateralSolidification，SLS)法(第一現有技術)及移相器結晶化法(第二現有技術)。《第一現有技術》
SLS方法繫結合超橫向成長(Super Lateral Growth，SLG)現象、及利用載臺(stage)進行的逐步及重複操作(step and repeat)的方法。
參照圖7，符號71表示準分子雷射，72表示射出光束，73表示均勻器，74表示線光束(經均勻化的雷射光)，75表示非晶質基板，76表示非單結晶半導體層，77表示經多結晶化的半導體層。
以往，用於液晶顯示器的薄膜電晶體用的半導體薄膜為非晶矽薄膜。一般說來，非晶矽的遷移率約為1cm2/V·sec，這樣的遷移率在主動矩陣型液晶顯示面板用的開關用電晶體中已足夠。然而，近年來，為了玻璃基板上的薄膜電晶體的高性能化所作的研究開發，已開發出圖7所示的利用準分子雷射使非晶矽結晶化的技術，即使在玻璃基板上亦可形成具有100cm2/V·sec的遷移率的非晶矽。利用該技術所得到的薄膜為具有約300至500nm程度的結晶粒徑a的多結晶薄膜。利用準分子雷射進行的結晶化方法，以20納秒(nsec)程度的短時間的紫外線照射矽薄膜，使矽薄膜熔融後經過凝固而結晶化的技術。其間，所供給的熱僅可使矽薄膜熔融，並不會對基板造成損害。
圖7所示的裝置中，採用氯化氙(XeCl)高輸出脈衝雷射(波長308nm)作為光源。量產時所用的雷射光的射出形狀為例如2cm×1cm的矩形形狀。通常，前述形狀的光束再經均勻器73整形成20cm(寬度b)×300至500μm的線光束，同時由均勻器73使該光束的光強度均勻化。照射雷射光時，以10至20μm的節距(pitch)搬送液晶顯示器用的母材玻璃，以使形成在母材玻璃上的非晶矽膜全面結晶化。
參照圖8，符號72表示準分子雷射的射出光束，81表示均勻器(第7圖之73)的複眼式透鏡(fly eye lens)，74表示線光束，82表示光束的投射光學(此組件並未顯示於圖7中)。
準分子雷射的射出光束72具有如上所述的例如2cm×1cm的矩形形狀，與一般的固體雷射相比，為相當均勻的光源光，但其邊緣附近會有如圖8中所示光強度略微降低的情形。此第一現有技術中所用的均勻器73(圖7)可例如圖8所示，利用複眼式透鏡81分割前述光束，使光束的形狀改變，並且改善光束強度的均勻性。以圖8所示方式可得到線光束74，用線光束74以如上所述的10至20μm的節距進行掃描，即可使大面積基板上的半導體薄膜結晶化。發明所欲解決之技術問題然而，以圖7、圖8所示的第一現有技術，或其它現有技術為基礎以得到高性能Si結晶化膜的利用SLG領域的技術，具有以下的缺點1)原理上，輸送節距超過SLG長度(至多1μm)，逐步及重複操作(step and repeat)即無法進行，因此其生產性差。
2)用該方法得到的多結晶薄膜的遷移率有其極限。不控制結晶粒界位置而使結晶粒徑變大所得到的多結晶薄膜，由於結晶粒徑相當不均勻，因此不具實用性。
3)掃描方向上幾乎每數百nm即存在有殘留結晶粒界，且在與掃描方向垂直的方向上亦每一輸送節距都存在有結晶缺陷，故從其在具有1μm的信道長度的薄膜電晶體上的應用性來看，就目前的情況而言並不適合。《第二現有技術》前述移相器結晶化法，是使用變換光的至少一部份的相位的移相器(phaseshifter)，在基板面上產生照射強度的強弱斜度，以控制結晶的橫方向成長以得到大結晶粒的結晶的方法。此一方法由松村等公開其基本概念並進行它的原理驗證。
例如，「使用準分子雷射之巨大結晶粒Si薄膜的形成(Preparation of Ultra-LargeGrain Silicon Thin-Film by Excimer-Laser)」(表面科學(Surface Science)Vol.21，No.5，pp.278-287，2000)。
第9圖(a)中，符號91表示準分子雷射，92表示射出光束，93表示光束強度(大小)變換光學系，94、95表示移相器，96表示非晶質基板，97表示非單結晶半導體層，第9圖(b)中，98表示結晶成長的起點，99表示單結晶粒。
近年來，如曾在上述《第一現有技術》中提到的，隨著玻璃基板上的薄膜電晶體的高性能化，即使在玻璃基板上亦可實現具有100cm2/V·sec的遷移率的薄膜電晶體，且已可將驅動電路等與畫素薄膜電晶體集積在同一基板上。但是，為了進一步實現液晶顯示面板等的系統化，必須尋求更高性能、無特性不平均的薄膜電晶體的材料。圖9所示的第二現有技術，即以此為目的而進行結晶粒徑(5μm程度)的控制及結晶粒界的位置控制的技術。在光源方面，基本上直接使用從準分子雷射91射出的射出光束92，但無法獲得充分的光強度時，則使用經光束強度變換光學系93(將用
圖10詳述於後)變換過光束形狀之光。另外，對光強度做二維的調變為此一技術的重點，其使用直交配置的移相器94、95，由靠移相器94在圖中的箭頭A方向(基板掃描方向)的比較和緩的調變(10μm節距，半節距c為5μm)、及靠移相器95在圖中之箭頭B方向(與基板掃描方向垂直的方向)的調變(目前經實證者為d＝20μm節距)的組合，產生如圖9(b)所示的結晶成長的起點98，以誘發在箭頭A方向的結晶的橫向成長(將用圖11詳述於後)。
參照圖10，符號92表示準分子雷射的射出光束，93表示光束強度變換光學系，100表示光罩(光圈)。
如前所述，準分子雷射的射出光束92具有例如2cm×1cm的矩形形狀，與一般的固體雷射相比，為相當均勻的光源光，但其邊緣附近會有如圖10中所示光強度略微降低的情形。此第二現有技術由於使用移相器94、95，需有光束的空間同調性(coherence)，故必須有如圖9所示的單透鏡或單透鏡的組合的光學系。為了變換照射強度，使用如圖10所示的光束強度變換光學系93變換光束的直徑。如此，雖保有光束的空間同調性，但光束的均勻性並未改善。這是此一技術的問題點。因此，設置了如圖10所示的光罩(光圈)100。使用光罩100雖會使光的利用效率降低，但可提高光的均勻性。
圖11(a)中，符號94、95表示移相器，96表示非晶質基板，97表示非單結晶半導體層，90表示準分子雷射光，圖11(b)中，98表示結晶成長的起點，99表示單結晶粒。
如前所述，對光強度做二維的調變為此第二現有技術的重點。如圖11(a)所示，可利用移相器94(Y移相器)使準分子雷射光90產生如圖11(b)之②所示的光強度調變，利用移相器95(X移相器)使準分子雷射光90產生如圖11(b)之③所示的光強度調變。利用這兩個分離但直交的移相器94、95兩者的疊合，即可使如圖11(b)所示的位置控制型單結晶粒99成長。
然而，圖9至圖11所示的第二現有技術具有以下的缺點1)由於是利用移相器94、95形成照射強度上的強弱斜度，因此可實現約5至10μm程度的橫向成長，但必然會產生未單結晶化的領域，所以無法形成高密度的結晶。
2)由於使用移相器94、95，故要求照射光要有可幹涉性，因此必須為雷射的平行光束。然而目前可得的高輸出準分子雷射具有發散角，因此必須在位置精度與橫向成長的長度之間作取捨。再者，基於使平行光束系的操作可行的考慮，光束的振幅的均勻性必須相依於剛從雷射振蕩器射出的光束的振幅強度分布。
因此，有結晶化領域的位置精度、高密度化等方面的課題，必須在雷射照射領域內的均勻性與照射面積之間作取捨，在實用上其生產性會有問題。
發明內容
本發明的目的在提供一種在絕緣材料所構成的基層上形成結晶性良好的半導體薄膜的形成方法及半導體薄膜的形成裝置。解決問題之技術手段為了解決上述問題，本發明採用採用下述方法實現。
一種半導體薄膜的形成方法，在絕緣材料所構成的基層上形成非單結晶半導體層，然後以光照射前述非單結晶半導體層，並使前述光與前述基層相對運動，而使前述非單結晶半導體層結晶化，包括以下步驟使前述光的光強度分布均勻化；以前述光強度分布經均勻化後的光的振幅在前述光相對於前述基層的相對運動方向增加的方式進行振幅調變；將前述振幅經調變過的光，投射在形成於前述基層上的前述非單結晶半導體層上；以及在前述光的照射面內設置溫度低的點，以生成結晶成長的起點，然後沿著前述光相對於前述基層的相對運動方向形成結晶而形成單結晶領域。
一種半導體薄膜的形成方法，在絕緣材料所構成的基層上形成非單結晶半導體層，然後以光照射前述非單結晶半導體層，並使前述光與前述基層相對運動，而使前述非單結晶半導體層結晶化，包括以下步驟使前述光的光強度分布均勻化；以前述光強度分布經均勻化後的光的振幅在前述光相對於前述基層的相對運動方向增加的方式進行振幅調變；以及在前述光的照射面內設置溫度低的點，以生成結晶成長的起點，然後沿著前述光相對於前述基層的相對運動方向形成結晶而形成單結晶領域。
在上述兩種半導體薄膜的形成方法中，以前述成長的距離程度的節距使前述光與前述基層相對運動，並由使接在第一照射(shot)後的第二照射與先行的前述第一照射局部重疊，而形成帶狀的單結晶領域。
一種半導體薄膜的形成裝置，用以在絕緣材料所構成的基層上形成非單結晶半導體層，然後以光照射前述非單結晶半導體層，並使前述光與前述基層相對運動，而使前述非單結晶半導體層結晶化，包括發出前述光之光源；使從前述光源發出的光的光強度分布均勻化之均勻器(homogenizer)；以光強度分布經前述均勻器均勻化後的光的振幅在前述光相對於前述基層的相對運動方向增加的方式進行振幅調變的振幅調變機構；將振幅經前述振幅調變機構調變過的光，投射在形成於前述基層上的前述非單結晶半導體層上的投射光學系；在前述光的照射面內設置溫度低的點的機構；以及使前述光與前述基層相對運動的機構。
在上述半導體薄膜之形成裝置中，前述振幅調變機構為光吸收光罩(mask)。前述設置溫度低的點的機構為移相器(phase shifer)。前述設置溫度低的點之機構為具有光吸收點(dot)之光罩。
一種半導體薄膜的形成裝置，用以在絕緣材料所構成的基層上形成非單結晶半導體層，然後以光照射前述非單結晶半導體層，並使前述光與前述基層相對運動，而使前述非單結晶半導體層結晶化，包括發出前述光的光源；使從前述光源發出的光的光強度分布均勻化的均勻器；以光強度分布經前述均勻器均勻化後的光的振幅在前述光相對於前述基層的相對運動方向增加的方式進行振幅調變的振幅調變機構；在前述光的照射面內設置溫度低的點的機構；以及使前述光與前述基層相對運動的機構。
在上述半導體薄膜的形成裝置中，前述振幅調變機構連同前述設置溫度低的點的機構，為具有光吸收點(dot)的移相器。
在上述兩種半導體薄膜的形成裝置中，還包括進行前述振幅調變機構及前述設置溫度低的點的機構的對位的對位機構。並且，前述對位機構使用對準用雷射束及對準標記之對位機構。
依照本發明，可得到能在玻璃基板等非晶質基板上，在任意位置以任意節距形成單結晶領域的技術，且可實現根據要求的電路的規格決定半導體薄膜的性能、按照設計準則形成能適用的單結晶數組的基礎技術。
附圖簡要說明圖1的(a)說明本發明實施例一的半導體薄膜的形成方法及裝置的圖，(b)是(a)的局部擴大詳細圖；圖2之(a)顯示圖1(a)的更具體的構成，(b)顯示振幅調變光罩製作用的Si(O，N)系薄膜和Si(O，C)系薄膜的組成及吸收端波長的圖；圖3之(a)是說明本發明實施例二的圖，(b)顯示振幅調變光罩製作用之Si(O，N)系薄膜和Si(O，C)系薄膜的組成及吸收端波長的圖；圖4之(a)是說明本發明實施例三的圖，(b)是顯示移相器製作用的Si(O，N)系薄膜和Si(O，C)系薄膜的組成及吸收端波長的圖；圖5之(a)是說明本發明實施例四之圖，(b)是(a)的局部擴大詳細圖；圖6是詳細說明圖實施例四的圖；圖7說明第一現有技術的圖；圖8系顯示第7圖的第一現有技術中的光學系的圖；圖9之(a)是說明第二現有技術的圖，(b)是(a)的局部擴大詳細圖；圖10是顯示第二現有技術中的雷射照射光學系的圖；圖11之(a)是顯示第二現有技術中的光調變光學系的圖，(b)是(a)的局部擴大詳細圖。
具體實施例方式
以下，利用圖式詳細說明本發明的實施例。以下說明的圖式中，具有相同機能的組件標以相同符號並省略對它的重複說明。實施例一圖1(a)中，1表示作為光源，例如準分子雷射，2表示射出光束，3表示均勻器，4表示線光束(經均勻化的雷射光)，5表示光吸收光罩之類的振幅調變光罩，6表示由如圓柱透鏡(cylindrical lens)所構成，以可得到預定的照射能量的方式投射光的投射光學系，7表示經過均勻化、振幅調變、投射之線光束，8表示用以在光的照射面內設置溫度低的點的機構，例如移相器，9表示例如玻璃基板等的非晶質基板，10表示例如Si(矽)等所構成的非單結晶半導體層，11表示經結晶化的半導體層。圖1(b)中，12表示單結晶數組。
前述的第二現有現有技術，由於使用移相器(圖9(a)、圖11(a)的94、95)，要求光束的空間同調性，因此基本上受一次光源的光束的均勻性所支配，而無法改善光束的均勻性。因此，第二現有技術的光利用效率低且生產性低。
而在本實施例一中，從作為一次光源的準分子雷射1射出的光束，由與前述第一現有技術所用的(請參照圖7的73)相同的均勻器3達成前述光束的成形與均勻化。之後，前述光束依序通過作為振幅調變機構的振幅調變光罩5、以可得到預定的照射能量的方式投射光的投射光學系6、及控制結晶成長的起點的移相器8。如此，即可與準分子雷射1所發出的光束的空間同調性無關(不相依)地得到與第二現有技術同樣的結晶成長。亦即，依照實施例一，可確保光的利用效率，而且可由線光束4、7的形狀產生形成單結晶數組12的效果。
圖2(a)中，符號4表示線光束(經均勻化的雷射光)，13表示振幅調變後的光強度分布，8表示移相器，9表示非晶質基板，10表示非單結晶半導體層，14表示結晶成長的起點(結晶化的起點)，15表示單結晶領域，16表示雷射照射時的溫度分布，17表示融點。
又，圖2(a)中省略振幅調變光罩5、投射光學系6等的圖標。
在準分子雷射為例如氟化氪(KrF，Krypton Fluoride)雷射的場合，如圖2(b)所示，可用Si(O，N)系薄膜，使膜厚在面內分布而製作振幅調變光罩5。同樣的，在氯化氙(XeCl，Xenon Chloride)雷射的場合，如圖2(b)所示，可用Si(O，C)系薄膜或Si(O，N，C)系薄膜製作振幅調變光罩5。
控制(生成)結晶成長的起點14的機構，在本實施例一可採用移相器8。本來移相器必須以所照射光源為同調光(coherent light)為前提。但是，如本發明所示，即使不是同調光亦恆可在相位互異的交界部取得光強度的最小值。因此，如圖2(a)的雷射照射時的溫度分布16所示，在Y方向的中央部，X方向的原點，會有溫度比周圍低的部份產生。結果，有如圖2(a)所示的結晶成長的起點14產生。
如上所述，由於直接處理剛從準分子雷射1射出的光束，在兼顧生產性和均勻性控制的點上會有困難，因此在本實施例一中，由光束的區域分割及混合而生成振幅均一的光束。此時，由於失去了光的可幹涉性，因此由使用振幅調變光罩5的振幅調變，調變非晶質基板9面上的照射強度。利用此一概念，可實現能保有約5至10μm程度的橫向成長。
另外，前述第一現有技術中用於結晶化的非晶矽膜的膜厚，通常為100nm以下，更佳者為50nm程度。在光束為使用高輸出準分子雷射且經光束的均勻化及光束的成形而得到的具有20cm程度的寬度的光束時，由於必需400mJ/cm2程度的照射能量因此能以5mm/sec程度的速度進行掃描。一般而言，基板為用於液晶顯示器的55cm×65cm的玻璃基板時，約花5分鐘使非晶矽薄膜的全面結晶化。
本實施例一中用於結晶化的非晶矽膜的膜厚為50nm至300nm，較佳為200nm程度。本實施例一所要求的照射能量，雖為前述第一吸現有技術所需的照射能量的2至3倍，但由進行二維的光學系設計，相較於第一現有技術，可以用約三分之一以下的速度在55cm×65cm的玻璃基板的全面形成單結晶薄膜。
亦即，雖然在非晶質基板上形成全面均一的單結晶薄膜為極困難的技術，但依照本發明，在特別是玻璃基板之類的非晶質基板上，亦可在任意位置以任意的節距形成單結晶領域，因此在根據要求的電路的規格決定半導體薄膜的性能、按照設計準則形成能適用的單結晶數組方面，本發明可作為基礎技術而發展出新的技術。
本實施例一的半導體薄膜的形成方法，與本發明權利要求1相對應。亦即，其在絕緣材料所構成的基層(非晶質基板9)上形成非單結晶半導體層(10)，然後以光(從準分子雷射1射出)照射前述非單結晶半導體層，並使前述光與前述基層相對運動，而使前述非單結晶半導體層結晶化的半導體薄膜的形成方法，包括以下步驟(利用均勻器3)使前述光的光強度分布均勻化；(由振幅調變光罩5)以前述光強度分布經均勻化後的光的振幅在前述光相對於前述基層的相對運動方向增加的方式進行振幅調變；(利用投射光學系6)將前述振幅經調變過的光，投射在形成於前述基層上的前述非單結晶半導體層上；以及(利用移相器8)在前述光的照射面內設置溫度低的點，以生成結晶成長的起點(14)，然後沿著前述光相對於前述基層的相對運動方向形成結晶而形成單結晶領域(15)。
又，本實施例一的半導體薄膜之形成裝置，與本發明的權利要求4相對應。亦即，其用以在絕緣材料所構成的基層上形成非單結晶半導體層，然後以光照射前述非單結晶半導體層，並使前述光與前述基層相對運動，而使前述非單結晶半導體層結晶化的半導體薄膜的形成裝置，包括發出前述光的光源(準分子雷射1)；使從前述光源發出的光的光強度分布均勻化的均勻器(3)；以光強度分布經前述均勻器均勻化後的光的振幅在前述光相對於前述基層的相對運動方向增加的方式進行振幅調變的振幅調變機構(振幅調變光罩5)；將振幅經前述振幅調變機構調變過的光，投射在形成於前述基層上的前述非單結晶半導體層上的投射光學系(6)；在前述光的照射面內設置溫度低的點的機構(移相器8)；以及使前述光與前述基層相對運動的機構(可在X、Y方向掃描的基板臺或光的掃描機構未圖示)。
又，本實施例一的半導體薄膜的形成裝置，與權利要求5相對應，前述振幅調變機構(振幅調變光罩5)為光吸收光罩。
又，本實施例一的半導體薄膜的形成裝置，與權利要求6相對應，前述設置溫度低的點的機構為移相器(8)。
又，本實施例一的半導體薄膜的形成裝置，與權利要求10相對應，復包括進行前述振幅調變機構(振幅調變光罩5)及前述設置溫度低的點的機構(移相器8)的對位的對位機構(為公知技術故未圖示)。
又，本實施例一的半導體薄膜的形成裝置，與權利要求11相對應，前述對位機構使用對準用雷射束及對準標記(此等為公知技術故未圖示)的對位機構。實施例二參照圖3(a)，符號18表示光吸收點，19表示具有光吸收點18的光罩。
本實施例二以具有光吸收點18的光罩19作為生成實施例一的圖2(a)的結晶成長的起點14的機構，且將光罩19設在圖3(a)所示的位置(與實施例一的移相器8相同的位置)之例。此具有光吸收點18的光罩19亦如圖3(b)所示，在例如KrF雷射的場合可用Si(O，N)系薄膜，在XeCl雷射的場合可用Si(O，C)系或Si(O，N，C)系薄膜製作。
與圖2(a)的雷射照射時的溫度分布16所示者一樣，如本實施例的雷射照射時的溫度分布16所示，低溫的部份在Y方向的中央部，X方向的原點產生。結果，有如圖3(a)所示的結晶成長的起點14產生，且和實施例一一樣，可實現約5至10μm程度的橫向成長。
本實施例二的半導體薄膜的形成裝置，與權利要求7相對應，前述設置溫度低的點的機構為具有光吸收點(18)的光罩(19)。實施例三本實施例三在圖1所示的構成中，不用振幅調變光罩5，而改配置在如圖4(a)所示之其段差上或其段差的鄰近處設有如圖3所示的光吸收點18的移相器23(將第2圖之移相器8旋轉90度而成者，在KrF雷射的場合由Si(O，N)系薄膜構成)，藉此可產生與上述實施例一、二同樣的結晶成長。通常，經均勻器均勻化後的準分子雷射光並不會因為移相器而產生光強度調變。然而，實際進行實驗後發現使玻璃基板9與用以控制上述橫向成長的移相器23間的距離在1mm以下，即可在玻璃基板9上產生和圖3(a)所示的雷射照射時的溫度分布16一樣的溫度分布。
本實施例三的半導體薄膜的形成方法，與本發明的權利要求2相對應。亦即，其在絕緣材料所構成的基層(非晶質基板9)上形成非單結晶半導體層(10)，然後以光(從準分子雷射1射出)照射前述非單結晶半導體層，並使前述光與前述基層相對運動，而使前述非單結晶半導體層結晶化的半導體薄膜的形成方法，包括以下步驟(利用均勻器3)使前述光的光強度分布均勻化；(由移相器23)以前述光強度分布經均勻化後的光的振幅在前述光相對於前述基層的相對運動方向增加的方式進行振幅調變；以及(利用光吸收點18)在前述光的照射面內設置溫度低的點，以生成結晶成長的起點(14)，然後沿著前述光相對於前述基層的相對運動方向形成結晶而形成單結晶領域(15)。
又，本實施例三的半導體薄膜的形成裝置，與本發明的權利要求8相對應。亦即，其用以在絕緣材料所構成的基層上形成非單結晶半導體層，然後以光照射前述非單結晶半導體層，並使前述光與前述基層相對運動，而使前述非單結晶半導體層結晶化的半導體薄膜的形成裝置，包括發出前述光的光源(準分子雷射1)；使從前述光源發出的光的光強度分布均勻化的均勻器(3)；以光強度分布經前述均勻器均勻化後的光的振幅在前述光相對於前述基層的相對運動方向增加的方式進行振幅調變的振幅調變機構(移相器23)；在前述光的照射面內設置溫度低的點的機構(光吸收點18)；以及使前述光與前述基層相對運動的機構(可在X、Y方向掃描之基板臺或光的掃描機構未圖示)。亦即，本實施例三中，並不需要將振幅經前述振幅調變機構調變過的光投射在形成於前述基層上的前述非單結晶半導體層上的投射光學系(6)。
又，本實施例三的半導體薄膜的形成裝置，與權利要求9相對應，前述振幅調變機構連同前述設置溫度低的點的機構，為具有光吸收點(18)的移相器(23)。實施例四圖5(a)中，符號4表示線光束(經均勻化的雷射光)，7表示經過均勻化、振幅調變、投射的線光束，8表示移相器，9表示非晶質基板，10表示非單結晶半導體層，11表示經結晶化的半導體層，20表示非晶質基板9(亦即未圖示的基板臺)的輸送節距。另外，圖5(a)中省略準分子雷射1、射出光束2、均勻器3、光吸收光罩所構成的振幅調變光罩5、及投射光學系6的圖標。圖5(b)中，符號12表示單結晶數組，20表示輸送節距，箭頭C表示橫向成長方向。
前述第二現有技術的問題點在於在圖9(b)所示的結晶化數組中，結晶化領域在面內的佔有面積率低，以及結晶成長的起點98經常鄰接於結晶化初期膜，例如非晶矽之相，因此結晶化的驅動力的主要因素會受冷卻過程所支配，且對於面內的微量不純物、膜與基板的界面狀態的不一致等相當敏感而受其影響，導致再現性差。
而在本實施例四中，藉由如圖5(a)所示的裝置構成中的載臺輸送機構(未圖示)，即能以比可期待的結晶化的橫向成長的距離略短，例如約5μm的輸送節距20在箭頭A方向搬送非晶質基板9。用這種方式即可提高結晶化領域在面內的佔有面積率，而且可形成提高再現性之單結晶數組12。結果，可從數組而形成帶狀的單結晶領域。
參照圖6，符號21表示一次照射(第一照射。單結晶粒)，22表示二次照射(第二照射)。
前述第二現有技術中所得的單結晶粒，在例如由非晶矽所構成的結晶化初期膜中，與圖6所示的一次照射所得的單結晶粒一樣。亦即，結晶從圖6所示的結晶成長之起點14朝橫向成長方向C而橫向成長，但此橫向成長會完全受結晶化的初期過程所支配。在結晶化的初期過程中，結晶核會在冷卻的過程中隨機形成，然後結晶朝橫向成長。在前述第二現有技術中所得的單結晶粒，在各自獨立的隨機過程中形成者，因此有再現性、均勻性上的問題。
另一方面，本實施例四的結晶化方式，如圖6所示，以與一次照射21所形成的單結晶粒的一部份重疊的方式進行二次照射22以及再下一次的照射(未圖示)，使其間相銜接地進行結晶化。如此，最初的一次照射21雖然仍大受隨機過程支配因素所支配，但二次照射22以後則由於結晶化的領域已與結晶成長的起點14銜接，已存在結晶成長所需的種(seed)，因此橫向成長能以該種為基礎而成長。亦即，可支配從矽的熔融-凝固的準平衡狀態起的成長，可大幅改善再現性、均勻性。
接著，在單結晶領域15的高密度化方面，可使用實施例一中所述的光源的概念進行光束的成形及變形，故可藉由振幅調變光罩5、移相器8、及橫向成長的距離程度的逐步及重複操作而形成帶狀的單結晶領域。
本實施例四的半導體薄膜的形成方法，與權利要求3相對應，其以前述成長的距離程度的節距(輸送節距20)使前述光與前述基層相對運動，並由使接在第一照射(21)後的第二照射(22)與先行的前述第一照射局部重疊，而形成帶狀的單結晶領域。
以上已根據實施例具體說明本發明，惟本發明並非限於上述實施例，而可在不脫離其要旨的範圍內作種種變更。例如，前述實施例一至三中雖使用玻璃基板等非晶質基板9作為由絕緣材料所構成的基層，但不限於此，亦可使用例如陶瓷、塑料等的各種透明或不透明的絕緣物質制的基層。另外，設在該基層上的非單結晶半導體層，可為非晶質半導體層，或者可為先形成已形成有微小粒徑的單結晶的多結晶半導體層然後使之再結晶化，之後才根據本發明形成半導體薄膜。
附圖標記1、71、91 準分子雷射(光源) 2、72、92 射出光束3、73 均勻器 4、7、74 線光束(經均勻化的雷射光)5 振幅調變光罩 6、82 投射光學系8、23、94、95移相器 9、75、96 非晶質基板10、76、97非單結晶半導體層 11經結晶化的半導體層12單結晶數組 13振幅調變後的光度分布14、98結晶成長之起點 15單結晶領域16雷射照射時的溫度分布 17融點18光吸收點 19光罩20輸送節距 21一次照射(第一照射)22二次照射(第二照射)77經多結晶化的半導體層81複眼式透鏡90準分子雷射光93光束強度變換光學系99單結晶粒100 光罩(光圈) a結晶粒徑b 寬度 c半節距d 節距 A基板掃描方向B 與基板掃描方向垂直方向 C橫向成長方向
權利要求
1.一種半導體薄膜的形成方法，其特徵在於，在絕緣材料所構成的基層上形成非單結晶半導體層，然後以光照射所述非單結晶半導體層，並使所述光與所述基層相對運動，而使所述非單結晶半導體層結晶化，包括以下步驟使所述光的光強度分布均勻化；以所述光強度分布經均勻化後的光的振幅在所述光相對於所述基層的相對運動方向增加的方式進行振幅調變；將所述振幅經調變過的光，投射在形成於所述基層上的所述非單結晶半導體層上；以及在所述光的照射面內設置溫度低的點，以生成結晶成長的起點，然後沿著所述光相對於所述基層的相對運動方向形成結晶而形成單結晶領域。
2.一種半導體薄膜的形成方法，其特徵在於，在絕緣材料所構成的基層上形成非單結晶半導體層，然後以光照射所述非單結晶半導體層，並使所述光與所述基層相對運動，而使所述非單結晶半導體層結晶化，包括以下步驟使所述光的光強度分布均勻化；以所述光強度分布經均勻化後的光的振幅在所述光相對於所述基層的相對運動方向增加的方式進行振幅調變；以及在所述光的照射面內設置溫度低的點，以生成結晶成長的起點，然後沿著所述光相對於所述基層的相對運動方向形成結晶而形成單結晶領域。
3.如權利要求1或2所述的半導體薄膜的形成方法，其特徵在於，以所述成長的距離程度的節距使所述光與所述基層相對運動，並由使接在第一照射後的第二照射與先行的所述第一照射局部重疊，而形成帶狀的單結晶領域。
4.一種半導體薄膜的形成裝置，其特徵在於，用以在絕緣材料所構成的基層上形成非單結晶半導體層，然後以光照射所述非單結晶半導體層，並使所述光與所述基層相對運動，而使所述非單結晶半導體層結晶化，包括發出所述光的光源；使從所述光源發出的光的光強度分布均勻化的均勻器；以光強度分布經所述均勻器均勻化後的光的振幅在所述光相對於所述基層的相對運動方向增加的方式進行振幅調變的振幅調變機構；將振幅經所述振幅調變機構調變過的光，投射在形成於所述基層上的所述非單結晶半導體層上的投射光學系；在所述光的照射面內設置溫度低的點的機構；以及使所述光與所述基層相對運動的機構。
5.如權利要求4所述的半導體薄膜的形成裝置，其特徵在於，所述振幅調變機構為光吸收光罩。
6.如權利要求4所述的半導體薄膜的形成裝置，其特徵在於，所述設置溫度低的點的機構為移相器。
7.如權利要求4所述的半導體薄膜的形成裝置，其特徵在於，所述設置溫度低的點的機構為具有光吸收點的光罩。
8.一種半導體薄膜的形成裝置，其特徵在於，用以在絕緣材料所構成的基層上形成非單結晶半導體層，然後以光照射所述非單結晶半導體層，並使所述光與所述基層相對運動，而使所述非單結晶半導體層結晶化，包括發出所述光的光源；使從所述光源發出的光的光強度分布均勻化的均勻器；以光強度分布經所述均勻器均勻化後的光的振幅在所述光相對於所述基層的相對運動方向增加的方式進行振幅調變的振幅調變機構；在所述光的照射面內設置溫度低的點的機構；以及使所述光與所述基層相對運動的機構。
9.如權利要求8所述的半導體薄膜的形成裝置，其特徵在於，所述振幅調變機構連同所述設置溫度低的點的機構為具有光吸收點的移相器。
10.如權利要求4或8所述的半導體薄膜的形成裝置，其特徵在於，復包括進行所述振幅調變機構及所述設置溫度低的點之機構的對位之對位機構。
11.如權利要求10所述的半導體薄膜的形成裝置，其特徵在於，所述對位機構系使用對準用雷射束及對準標記之對位機構。
全文摘要
一種在絕緣材料所構成的基層上形成結晶性良好的半導體薄膜的形成方法及半導體薄膜的形成裝置。該半導體薄膜的形成裝置包括作為光源的準分子鐳射(excimerlaser)1；使從該準分子鐳射1射出的光的光強度均勻分布的均勻器(homogenizer)3；以光強度分布經均勻器3均勻化後的光的振幅在光相對於非晶質基板9的相對運動方向增加的方式進行振幅調變的振幅調變光罩5；將振幅經振幅調變屏蔽5調變過的光，以可得到預定的照射能量的方式投射在形成於非晶質基板9上的非單結晶半導體層10上的投射光學系6；在光的照射面內設置溫度低的點的移相器(phase shifter)8；以及使光與非晶質基板9相對運動而可進行X、Y方向掃描的基板臺。
文檔編號C30B1/00GK1441463SQ0310432
公開日2003年9月10日 申請日期2003年1月30日 優先權日2002年2月28日
發明者松村正清, 西谷幹彥, 木村嘉伸, 十文字正之, 谷口幸夫, 平松雅人, 中野文樹 申請人:株式會社液晶先端技術開發中心