雷射熱處理用光學系統和雷射熱處理裝置的製作方法

2023-10-23 05:45:57

專利名稱：雷射熱處理用光學系統和雷射熱處理裝置的製作方法
技術領域：
本發明特別涉及一種用於熱處理非晶或多晶矽膜使之多晶矽化的，熱處理基板上形成的矽薄膜用的雷射熱處理用光學系統及其裝置。
液晶面板的象素部分，由在玻璃或合成石英基板上以非晶或多晶矽膜製作的開關薄膜電晶體構成。要是能在該面板上同時構成驅動象素電晶體的驅動電路(主要是獨立設置於外部)，在液晶面板的製造成本、可靠性等方面就有突出的優點了。
然而現在，因為構成電晶體有源層的矽膜晶體性差，薄膜電晶體，象低遷移率所代表的那樣性能差，要求高速、高性能的集成電路製作就困難了。
矽膜的晶體性與薄膜電晶體的載流子遷移率之間的關係說明如下。用雷射熱處理得到的矽膜一般為多晶。多晶的晶界上局部存在著晶體缺陷，而缺陷妨礙薄膜電晶體有源層的載流子移動。因此，為了提高薄膜電晶體的遷移率，載流子就要減少在有源層移動過程中橫切晶界的次數，而且減少晶體缺陷。
一種改善矽膜晶體性的方法是用雷射熱處理，以便提供高遷移率薄膜電晶體。雷射熱處理的目的在於形成晶粒直徑大且晶界中的晶體缺陷少的多晶矽膜。
以前，在Appl.Phys.Lett.，39，1981，p425-427(文獻2)和Mat.Res.Soc.Symp.Proc.，Vol.358，1995，p915-p920(文獻3)做過雷射熱處理的試驗。這些文獻中，使用Nd-YAG雷射器的二次諧波(波長532nm)作為雷射器。在本例中，

圖12示出包括由Nd-YAG雷射器的二次諧波產生的雷射熱處理用光學系統的雷射熱處理裝置。在這裡，振蕩裝置1，作為熱處理用雷射器所用的代表性的可見光脈衝雷射光源，使用Nd-YAG雷射器二次諧波(波長532nm)。其振蕩雷射2用聚光用透鏡4進行聚光，對介以襯底膜6澱積於基板7上的非晶或多晶矽膜5進行照射和加熱。多晶矽膜5，由於脈衝雷射2的照射，在照射區域隨加熱而熔融，接著被冷卻。
可是，在文獻的報告中，在照射位置的束剖面為軸對稱高斯分布，因此，說到熔融矽的晶體，晶粒以中心對稱性地放射狀生長，就象圖13一樣。就是，雷射熱處理後的多晶矽膜性質，在面寬範圍均勻性非常低，因而未見到利用此項技術製成薄膜電晶體的報告。
另一方面，雖然以往一直使用波長很短的激態複合物雷射器，採用線狀束的剖面進行雷射熱處理，但是這與用波長330nm以上的雷射熱處理，根本上有不同的觀點。如上所述，用波長330nm以上的雷射熱處理，在結晶過程中，熔融矽發生涉及膜表面區域方向，即橫向晶體生長，因而把晶粒直徑做大作為目的。用激態複合物雷射的熱處理，由於涉及膜厚方向的生長，只不過謀求提高雷射熱處理後的薄膜在面寬範圍的薄膜質量均勻性和可生產性，連做大晶粒直徑也不作為目的。
並且，在激態複合物雷射器中，採用線狀束的光學系統，已公開於日本特許公開(Japanese Patent Publication Nos.)11-16851和10-3330777中，其中，從激態複合物雷射器振蕩器來的光束，在與束的光軸垂直面內正交的2個方向，同時通過排列(圓)柱形透鏡的(圓)柱陣列後，用會聚透鏡會聚，用作使兩個方向一起分布均勻化的束均化器，把這2個方向的會聚寬度作成不同的方式。
在用長方形剖面雷射束的熱處理中，為了製作特性優良的薄膜電晶體，必須使光強度分布的剖面最優化。特別是，束寬度方向的剖面，在晶體生長過程中影響大，是因為長度方向的分布左右生長晶體的區域。但是，用現有的線狀束形成用的光學系統，不適合選擇寬度方向的剖面。另外，在正交的兩個方向同時進行均化，也不可能把線狀束的寬度方向聚光到極限細小。
本發明就是為了消除這樣的問題而作出的發明，特別是，其目的在於提供一種製作高性能薄膜電晶體，而必須控制用於使薄膜晶粒粗大，降低晶格缺陷，形成晶體性優良的薄膜的雷射光強度分布剖面的光學系統。
本發明的另一個目的就是提供一種極細的矩形狀，特別是，提供用於在膜材料表面的掃描方向，獲得光強度分布具有陡峻分布的雷射的光學系統。
並且，本發明的又一個目的在於提供一種製作高性能的薄膜電晶體，而必須形成晶體性優良薄膜的雷射熱處理裝置。
另外，再一個目的就是提供一種製作高性能的薄膜電晶體，而必須製造晶體性優良薄膜的方法。
為了用雷射照射法熱處理在基板上形成的膜材料，本發明的雷射熱處理用光學系統包括形成雷射振蕩器發射雷射束的剖面強度分布的強度分布成形裝置，及在基板上的膜材料上形成長方形的束形狀的束形狀成形裝置。該強度分布成形裝置，將雷射振蕩器來的雷射束，在束剖面上的1個方向使光強度分布均勻化(進行矩形化)，而且，在另一正交方向，維持雷射振蕩器發射的雷射束的強度分布；束形狀成形裝置，將這種分布的束製成長方形剖面的束，並照射於膜材料表面。
束形狀成形裝置，特別是，擴大或縮小上述1個方向和另一個方向的剖面，在膜材料上進行均勻加熱。該光學系統，可在基板上的膜材料內進行溫度分布的控制，提供均勻加熱用的雷射照射剖面。
強度分布成形裝置可以是在雷射束的剖面平面內的1個方向，將雷射束的一部分進行多次反射後，使之重疊，因此，能使束強度分布均勻。這種強度分布成形裝置，由相對面隔開配置的一對反射面構成也行。
對強度分布裝置來說，就是選擇在雷射束的剖面平面內的波導構造，使強度分布均勻。以少量的雷射損耗形成高性能的薄膜。這種強度分布裝置可以是，一對反射面相對面，而在另一方向相平行的波導器件。
進而，對另一個強度分布成形裝置來說，可採用在雷射束的剖面平面內的一個方向進行分割，而在另一方向延伸的分割(圓)柱形透鏡，因此，使強度分布均勻。
對另一個束形狀成形裝置來說，就是在雷射束的剖面平面內的一個方向，把強度分布成形裝置所得的均勻分布，複製到基板上的膜材料上，作為在基板上的膜材料上形成長方形束形狀的長度方向構成部分。為了複製，可以使用複製透鏡，例如球面透鏡。
進而，對束形狀成形裝置來說，把雷射振蕩器發射的雷射束，只在雷射束的剖面平面內的一個方向聚光到基板上的膜材料上，而在基板上的膜材料上形成長方形束形狀的短邊方向也可以。這種束形狀成形裝置包括聚光透鏡，用聚光透鏡聚光於基板上的膜材料上，而聚光透鏡可以使用(圓)柱形透鏡。因此，在基板上的膜材料上，可陡峻地形成長方形束形狀在短邊方向的雷射照射強度梯度。
進而，束形狀成形裝置也可以是多個(圓)柱形透鏡或者球面透鏡的組合構成的裝置。因此，在基板上的膜材料上，可以均勻地形成長方形束形狀的長度方向強度分布，而且陡峻地形成短邊方向的雷射照射強度梯度，同時可以照射任意形狀的雷射。多個(圓)柱形透鏡或球面透鏡的全部或者兩者之一，是非球面透鏡也行。可以把在基板上的膜材料上長方形束形狀的短邊方向的強度分布，在由振蕩雷射的定向性等性質規定的界限內，作成陡峻強度分布梯度。
本發明的雷射熱處理用光學系統，還可以包括，接近基板上的膜材料，在基板上的膜材料上與長方形束形狀的長度方向平行地裝入的刀口(刀刃)。該刀口可以限定束形狀，將其光強度分布作成為陡峻。
根據本發明的雷射熱處理用光學系統，可備有分割雷射束，給分割後的雷射束造成光程差，再進行合成的脈衝寬度伸長裝置。由於可設定雷射的脈衝寬度，因而可以控制各種不同厚度的薄膜晶體生長時間。
根據本發明的雷射熱處理用光學系統，雷射振蕩器利用330nm到800nm之間的波長，膜材料，特別是矽材料，可以在其厚度方向進行均勻加熱。
本發明的光學系統，特別適用於半導體裝置的製造方法，用光學系統照射基板上的半導體膜材料表面的剖面長方形的雷射束，掃描膜材料的表面，進行表面連續加熱和冷卻，在此熔融冷卻過程中，製造出生長了粗大晶粒的半導體膜。
對這種半導體膜材料而言，可以適用預先在基板上形成非晶或多晶矽膜，用此方法製成的矽膜，可以廣泛應用於圖象用薄膜電晶體。
附圖簡要說明以下，邊參照附圖，邊詳細說明本發明的內容。
圖1A表示本發明實施例的雷射熱處理用光學系統。
圖1B-1D表示圖1A所示的光學系統的雷射強度分布。
圖2A表示使用本發明實施例的雷射熱處理用光學系統，照射薄膜狀的雷射束剖面的配置。
圖3A表示本發明另一個實施例的雷射熱處理用光學系統，特別是，表示x方向的強度分布成形裝置；圖3B表示在圖3A的光學系統的部分圖中，y方向的強度分布成形裝置。
圖4A表示本發明又一個實施例中的雷射熱處理用光學系統，特別是，表示x方向的強度分布成形裝置；圖4B表示在圖4A的光學系統的部分圖中，y方向的強度分布成形裝置。
圖5A表示本發明再一個實施例中的雷射熱處理用光學系統，特別是，表示x方向的強度分布成形裝置；圖5B表示在圖5A的光學系統的部分圖中，y方向的強度分布成形裝置。
圖6表示本發明其它實施例的雷射熱處理用光學系統。
圖7表示本發明實施例的雷射熱處理用光學系統。
圖8A表示本發明還有一個實施例中的雷射熱處理用光學系統，特別是，表示y方向的束形狀成形裝置；圖8B是表示x方向的束形狀成形裝置，與圖8A同樣的圖。
圖9A和9B表示本發明實施例中的風景或多晶矽膜上的雷射強度分布曲線。
圖10表示本發明還有一個實施例的雷射熱處理用光學系統。
圖11表示本發明的過去其它實施例的雷射熱處理用光學系統。
圖12是表示包括現有雷射熱處理用光學系統的雷射熱處理裝置的結構圖。
圖13是表示用現有軸對稱高斯型輪廓(profile)的雷射進行熱處理形成的矽膜晶粒配置典型圖。
圖1A是一個實施例中的雷射熱處理用光學系統的結構圖。圖中，雷射熱處理用光學系統，包括聚光振蕩器1、強度分布成形裝置30和束形狀成形裝置40，從雷射振蕩器1發射的振蕩雷射2配置成貫通強度分布成形裝置30和束形狀成形裝置40，束形狀成形裝置40安裝的位置，使振蕩雷射會聚到基板7上形成的矽膜5表面上。
由雷射振蕩器1發出的振蕩雷射2，通常採用高斯分布，該分布，如圖1B所示，在強度分布成形裝置30的入口面A，例如A面上的束形狀PA是圓形的，A面的x方向強度分布XA和A面的y方向強度分布YA，實質上可以認為是高斯分布狀。
在本發明中，強度分布成形30，按高斯分布保存x方向的強度分布，僅對y方向的強度分布進行平滑化(即，矩形化)。強度分布成形裝置30的出口面B處雷射的束形狀PB，如圖1C所示，實質上被變換成長方形。B面的x方向強度分布XB，維持A面的x方向強度分布XA，而B面的y方向強度分布YB，實質上按頂峰分布來形成。
這樣以來，通過強度分布成形裝置30的雷射，藉助於束形狀成形裝置40，以x方向、y方向規定的倍數進行調整，用長方形的束形狀照射基板上的膜材料5。照射的剖面長方形束，相對地掃描矽膜，因此，進行熱處理。把束剖面長方形的寬度定義為x方向，而長度方向為y方向(參照圖2)，則基板上膜材料表面C上的束形狀PC，在C面的x方向強度分布XC變成縮小了A面的x方向強度分布XA的剖面，並繼續保存振蕩雷射束2的高度定向性的性質，因此，在C面的y方向強度分布YC實質上被均勻化。
在這裡，作為雷射照射對象的靶，就是在基板上形成的矽膜。在基板7上，例如，利用玻璃，在基板上由氧化矽膜形成襯底層。襯底層，例如用化學汽相澱積(CVD)法，形成氧化矽膜200nm左右厚度。
矽膜是用LPCVD(低壓汽相澱積)以外的方法成膜的，厚度為70nm左右的非晶矽膜等。
膜材料，即使對於矽系列材料以外的材料，例如，非晶的鍺膜也能適用，可以製造出加粗的晶體性鍺膜。
在本發明的光學系統的應用中，將基板7裝載於移動載物臺上的情況也行，這時，一面對固定的光學系統掃描移動載物臺，一面照射雷射束，相對地沿x方向移動照射到基板上的薄膜表面上。
將雷射照射到基板上的膜材料5上時，膜材料5吸收雷射而被加熱，將對應雷射束剖面形狀的長方形區域的膜材料熔融。這時，照射雷射束的長度方向即y方向，因為雷射2的強度分布均勻，沒有產生溫度梯度，僅x方向產生溫度梯度。熔融區域晶體化時，由於晶體按照溫度梯度生長，就向基板7的移動方向，即x方向1維生長，形成晶粒直徑大約為幾微米的大晶粒。並且，熱處理後所形成的多晶矽膜的晶粒，同圖2一樣同作為晶體生長方向的照射雷射束的短邊方向一致，就是與移動載物臺的移動方向一致。
在x方向晶體生長的過程，對膜材料5內在x方向所形成的溫度分布影響很大。也就是，對照射的長方形束的短邊方向的強度分布影響很大。通過雷射照射，導入基板上膜材料5內的熱，同樣向基板發散。就是，基板上膜材料5內的x方向溫度分布同樣降低。首先從膜的溫度比熔點低的部分，而後向溫度降低到了熔點的部分橫向生長著晶體。而且，該晶體生長，在溫度下降的過程中，由於自然核發生(natural nucleation)而生長了微晶，將其進路隔斷，就停止朝x方向繼續生長。亦即，只能在造成自然核發生之前的比較長的時間內，晶粒可以生長長度，因此，要求高晶體生長速度。
一般地說，在某區域x的晶體生長速度v，依存於該區域的溫度梯度ΔT/Δx，通過下式v=kΔT/Δx表示。其中，Δx為區域的微小長度，ΔT為在該微小長度的溫度差，k為速度常數(負值)。即，關於矽膜內的x方向溫度分布存在的情況下，在熔點溫度附近，某區域的溫度分布為陡峻的溫度梯度，提高晶體生長速度，其結果，就能在多晶矽膜上形成大晶粒直徑，可以獲得需要的高晶體性薄膜，而製作高性能薄膜電晶體。
如上述的光學系統，照射雷射束的寬度方向的束強度分布由於可以保存振蕩雷射2的定向性的性質，因而可以在受振蕩雷射2的性質限制的界限以前進行聚光，在基板上膜材料5上得到最大限度的光強度梯度，同時在最大限度的光強度梯度以下，任意控制強度分布，從而能夠控制基板上膜材料5內x方向溫度分布。
在本發明的光學系統中，可取的是，利用具有從330nm到800nm之間振蕩波長的雷射。即，用該範圍的波長照射作為非晶或多晶矽膜的膜材料5時，非晶矽膜對雷射的吸收係數比較小，在穿透膜內部前，實質上對膜厚方向已均勻加熱，由於雷射照射而發生的矽膜內的橫向溫度分布，只在x方向形成。因此，作為非晶或多晶矽膜的基板上的膜材料5，在某強度以上的雷射束部分，全部深度方向都被熔融。
作為具有從330nm到800nm之間振蕩波長的雷射，例如固體雷射諧波發生源是可取的。就是，使用Nd-YAG雷射器的二次諧波(532nm)或三次諧波(355nm)，Nd-YLF雷射器的二次諧波(524nm)或三次諧波(349nm)，或Yb-YAG雷射器的二次諧波(515nm)或三次諧波(344nm)。利用Ti-Sapphire(藍寶石)雷射器的基波或二次諧波也可以。
在小型裝置中，使用固體雷射器諧波發生源，可以有效地獲得330nm到800nm範圍波長的雷射，並能長時間穩定工作。可將雷射振蕩器1做得緊湊些，能將非晶或多晶矽膜的厚度方向均勻加熱，在雷射熱處理方法中，要製作高性能薄膜電晶體，就需要穩定地得到晶體性優良的薄膜。因此，若採用這種光學系統，通過雷射熱處理，就那提供均勻形成高性能薄膜用的雷射照射剖面。
並且，本發明的光學系統，除半導體材料以外，也可以熱處理作為絕緣膜的矽氧化膜。通過熱處理，也可以把用作透光性的導電膜的ITO膜應用於晶體化或高密度化，高性能化這樣的用途上。
實施例1圖3A和3B表示本發明實施例的雷射熱處理用光學系統的結構，強度分布成形裝置30，利用前頭具有細小錐狀全反射面的透光性器件。在強度分布成形裝置30中，可以利用由透光性材料形成的楔型器件31或一對傾斜相對的鏡面對。
以下，示出楔型器件31的例子，楔型器件31是形成契形的錐狀部件(block)，如圖3A所示，僅在前端一側，減少y方向的厚度，在x方向，如圖3B所示，厚度為一定。
從雷射振蕩器1入射到部件的寬幅度一側的入射面的振蕩雷射2被部件的y方向錐形表面反射。因此，關於y方向振蕩雷射2被周邊部分反射，在楔型器件31的窄幅度一側的出射面，周邊部分的反射光和中央部分的光重疊，形成實質上均勻的強度分布。另一方面，由於x方向楔型器件31的幅度比振蕩雷射2的束幅度要寬，所以照樣維持振蕩雷射2的定向性等的性質不變進行輸出。
採用以上的結構，通過雷射熱處理，就簡單得到用於在面區域方向均勻形成高性能薄膜的雷射照射輪廓。
另外，楔型器件31，除上述的透光性部件以外，包括使一對鏡子契形傾斜對置的中空體，完成同樣的作用。
實施例2在本實施例，強度分布成形裝置利用聚光用的透鏡32、在透鏡32的前方一側對置一對反射面的波導33。
至于波導33，可以利用在兩個表面全反射的透光性部件或使一對鏡面對置的鏡面體。
透鏡32是用於把來自振蕩器的雷射入射到波導33內的聚光透鏡，至於該透鏡，利用球面透鏡或在y方向會聚或發散的(圓)柱形透鏡。
以下，在強度分布成形裝置30的例子中，如圖4A和4B所示，示出了作為透鏡32的球面透鏡、和作為波導33的透光性窄幅部件的組合件。本例子，部件利用同幅度方向(y方向)垂直的寬大的一對表面作為全反射的反射面。
從雷射振蕩器1發出的振蕩雷射2，用凸透鏡32，向波導33的部件內入射，由于波導33同y方向垂直的兩個表面實質上是平行形成的部件，所以通過透鏡32入射，在部件內向y方向發散的振蕩雷射2，用一對表面進行全反射。因此，對於y方向，振蕩雷射2從周邊部分反射，在波導33的出口，把周邊部分的反射光與中央部分的直接進入的光合成起來，形成實質上均勻的強度分布。另一方面，x方向，由于波導33的幅度比振蕩雷射2的束幅度要寬，所以照樣維持振蕩雷射2的定向性等的性質不變進行輸出。
採用以上光學系統，結構簡單，能夠獲得形成均勻的高性能薄膜所需的雷射照射輪廓。
實施例3另一個實施例，雷射熱處理用光學系統的強度分布成形裝置30由分割(圓)柱形透鏡34組成，它如圖5A和5B所示，一個(圓)柱形透鏡被分割成兩個部分，就是相互分開的兩個半(圓)柱形透鏡。
如圖5A所示，在y方向分割的一對分割(圓)柱形透鏡34，其長度方向朝向x方向，從雷射振蕩器1發出的振蕩雷射2被分割成為，用這些半(圓)柱形透鏡折射的周邊部分光束和直接進入兩個半(圓)柱形透鏡之間的間隙的中央部分光束。分割後的光束，在束形狀成形裝置40的入口面把周邊部分和中央部分的光重疊起來，形成實質上均勻的強度分布。另一方面，x方向，由於分割(圓)柱形透鏡34的幅度比振蕩雷射2的束幅度要寬，所以照樣維持振蕩雷射2的定向性等的性質不變進行輸出。
強度分布成形裝置的這種結構，在雷射熱處理方法中，雷射損失少，能得到均勻形成高性能薄膜用的雷射照射輪廓。
實施例4本實施例4，示出上述的束形狀成形裝置40的具體結構，而束形狀成形裝置包括複製透鏡。在複製透鏡41中，包括單透鏡或多個透鏡的組合。圖6的例子，作為束形狀成形裝置40，示出了利用單透鏡的複製透鏡41。
如上述實施例1～4所示的那樣，強度分布成形裝置30把雷射振蕩器1發出的振蕩雷射2的束形狀實質上變換成長方形，一邊將x方向的強度分布維持在振蕩雷射2的強度分布，一邊將y方向的強度分布成形為頂峰分布。作為束形狀成形裝置40的複製透鏡41，任意縮小擴大由強度分布成形裝置30所得的束強度分布，並照射到基板上的膜材料5上。
以上的束形狀成形裝置，可以把雷射束形成為y方向均勻的強度分布，可以把x方向上保持強度分布的雷射照射到基板上的用作非晶或多晶矽膜的膜材料5上，並在x方向掃描，雷射熱處理之際，以簡單結構，得到均勻形成高性能薄膜用的雷射照射輪廓。
實施例5作為採用示於上述實施例4的單透鏡的束形狀成形裝置40特例，可以利用只有單向聚光的透鏡。圖7作為這種聚光透鏡的例子是利用(圓)柱形透鏡的例子。聚光透鏡中，包括單透鏡或復透鏡。
如上所述，從雷射振蕩器發出的振蕩雷射2，由強度分布成形裝置30，把雷射束形狀變換成實質上長方形，而x方向的強度分布維持振蕩雷射2的強度分布，y方向的強度分布被成形為凹頂(tophat)分布。
進而，本實施例採用作為束形狀成形裝置40的聚光透鏡42，只聚光由強度分布成形裝置30所得的x方向強度分布，將被成形為長方形的該束照射到基板上的膜材料5上。
這樣，因為採取使用聚光透鏡的束形狀成形裝置，能夠在x方向上直到振蕩雷射2的定向性等性質的界限內進行聚光，所以可使雷射的照射強度梯度陡峻，可照射到作為非晶或多晶矽膜的基板上的膜材料5上，因此，在雷射熱處理中，以簡單結構，得到均勻形成高性能薄膜用的雷射照射輪廓。
實施例6圖8A和8B示出雷射熱處理用光學系統的實施例，它是在束形狀成形裝置40中，用實施例4的複製透鏡與實施例5的聚光透鏡的組合裝置。
從雷射振蕩器1發出的振蕩雷射2，如上述那樣，在強度分布成形裝置30中，x方向的強度分布維持振蕩雷射2的強度分布，而y方向的強度分布被成形為凹頂分布。按長方形成形的束，對於x方向，用作為束形狀成形裝置40的聚光透鏡42，只把由強度分布成形裝置30得到的x方向強度分布進行聚光，對於y方向，用作為束形狀成形裝置40的複製透鏡41，任意縮小擴大由強度分布成形裝置30得到的強度分布，照射到非晶或多晶矽膜5上。
若採用以上這樣的結構，因為能在y方向形成均勻強度分布，同時可以直到振蕩雷射2的定向性等性質的界限內進行聚光，可使雷射的照射強度梯度陡峻，可照射到作為非晶或多晶矽膜的基板上的膜材料5上，因此在雷射熱處理方法中，確實可得到均勻形成高性能薄膜用的線狀雷射照射輪廓。
在本實施例中，完成束形狀成形裝置40的複製透鏡41和聚光透鏡42，也可以適當地，分別用多個透鏡的組合透鏡。並且，兩者透鏡之一，也可以兼有複製透鏡和聚光透鏡。
實施例7圖9A和9B示出了將實施例6中束形狀成形裝置40的聚光透鏡42，分別作成球面(圓筒面)透鏡和非球面透鏡的場合，在基板的膜材料5上的x方向計算出來的強度分布。
在這裡，把作為(圓)柱形透鏡的聚光透鏡42的(圓)柱形面，就是將成圓筒面的面，作成由圓筒面改變的面，此(圓)柱形透鏡稱之為非球面的(圓)柱形透鏡。
例如，設聚光透鏡42的焦點距離為100mm，入射到聚光透鏡42上的雷射束的x方向幅度為40mm。在聚光透鏡42為球面透鏡的情況下，如圖9A所示，可以在基板上的膜材料5上聚光到全幅度的一半值約30μm左右，而到周邊部分雷射束就變寬了。另一方面，在聚光透鏡42為非球面透鏡的情況下，如圖9B所示，可以在基板上的膜材料5上聚光到全幅度的一半值約25μm左右，同時也可以抑制向周邊部分加寬。因此，與球面透鏡相比，可增大強度分布的梯度。
要是採用以上這樣的結構，可進一步使雷射照射強度的梯度陡峻，在雷射熱處理方法中，用簡單的結構，進一步得到形成高性能薄膜用的雷射照射輪廓。
另外，在本實施例中，只對把聚光透鏡42作成非球面透鏡的情況進行了陳述，但是即使把其它透鏡作成非球面的情況，也同樣有效果。
實施例8圖10是，本實施例在束形狀成形裝置40的前方配置了刀口50的例子。
在基板上的膜材料5的附近，為了遮斷束的一部分，配置了刀口50。藉助於該刀口50，通過遮斷一部分照射於基板上的膜材料5的x方向的束，就可以將具有無限大光強度梯度的雷射照射到基板上的膜材料5上。
利用這樣的刀口50，可使雷射照射強度的梯度陡峻化到極限，雷射熱處理之際，確實得到形成高性能薄膜用的雷射照射輪廓。
實施例9本實施例9例示出用脈衝幅度伸長裝置60的雷射熱處理用光學系統，但將其配置在雷射發射器和強度分布成形裝置30之間，使脈衝雷射的脈衝時間寬度伸長，並進行調整的裝置。
在示於圖11的脈衝寬度伸長裝置中，雷射發射器的光軸上配置有束分裂器61，來自雷射振蕩器1的振蕩雷射入射，從束分裂器反射的一部分光被反射形成環的方式，本例中，第1到第4的四個全反射鏡62、63、64、和65被配置成矩形狀，並作成用最後的全反射鏡65反射的雷射返回到束分裂器61的結構。
脈衝寬度伸長裝置60，由1個束分裂器和3個以上全反射鏡的光環構成。振蕩雷射2在束分裂器61中被分開為2個束，一部分直進輸入強度分布成形裝置30。雷射的其它部分由束分裂器61反射，反射光通過由第1全反射鏡62、第2全反射鏡63、第3全反射鏡64和第4全反射鏡65順序反射，延遲後，再入射到束分裂器61中，同透過束分裂器61的雷射進行合成，入射到強度分布成形裝置30中。採用對延遲後的雷射進行重疊的辦法，可伸張雷射的脈衝寬度，可調整雷射照射作為矽膜的膜材料5的時間，因而可調整熔融了的非晶或多晶矽膜5的晶體生長時間，而得到顆粒直徑大的晶體。這樣，脈衝寬度伸長裝置可以適當設定雷射的脈衝寬度，因而可以調整晶體生長時間，雷射熱處理方法中，對各種薄膜，都可得到高性能的薄膜。
權利要求
1．一種雷射熱處理用光學系統，用於通過雷射照射熱處理基板上形成的膜材料，其特徵是具備形成雷射振蕩器發射的雷射束的剖面強度分布的強度分布成形裝置，和在基板上的膜材料上形成長方形束形狀的束形狀成形裝置，強度分布成形裝置，將同雷射束的光軸垂直的剖面內的y方向的雷射束的強度分布均勻，且在剖面內與該y方向正交的x方向的雷射束的強度分布維持在雷射振蕩器發射的雷射束的強度分布；束形狀成形裝置，縮小或擴大由強度分布成形裝置發射的雷射束的x方向和/或y方向的束長度，將膜材料表面上的雷射束作成x方向狹窄y方向伸長的長方形。
2．根據權利要求1所述的光學系統，其特徵是強度分布成形裝置由在y方向上面對且相互隔開配置的1對反射面構成，合成由反射面反射從雷射振蕩器發射的雷射束的一部分而形成的反射光和該雷射束的剩餘部分通過反射面間隙而成的直射光，向束形狀成形裝置射入。
3．根據權利要求2所述的光學系統，其特徵是上述1對反射面是在y方向面對、x方向平行的波導器件。
4．根據權利要求1所述的光學系統，其特徵是強度分布成形裝置包括在y方向被分割的、在x方向伸長的1對分割柱形透鏡，合成從雷射振蕩器發射的雷射束由分割柱形透鏡產生折射光和通過上述雷射束的柱形透鏡間的間隙的直進光，向束形狀成形裝置射入。
5．根據權利要求1到4任一項所述的光學系統，其特徵是束形狀成形裝置包括把在強度分布成形裝置所得的y方向均勻分布複製到基板上的膜材料上的複製透鏡，藉助於複製透鏡，在基板上的膜材料上形成長方形束形狀的y方向。
6．根據權利要求1到4任一項所述的光學系統，其特徵是束形狀成形裝置包括只對x方向的光強度分布進行聚光的聚光透鏡，藉助於聚光透鏡，聚光於基板上的膜材料上。
7．根據權利要求6所述的雷射熱處理用光學系統，其特徵是束形狀成形裝置是多個柱形透鏡或球面透鏡的組合。
8．根據權利要求1到4任一項所述的雷射熱處理用光學系統，其特徵是所述光學系統包括用於遮斷照射基板上膜材料的束的x方向成分的一部分，接近基板上膜材料配置的刀口。
9．根據權利要求1到4所述的光學系統，其特徵是所述光學系統還包括把振蕩器來的脈衝雷射束分割成2個方向，給分割後的雷射束提供光程差再進行合成的脈衝寬度伸長裝置。
10．一種雷射熱處理裝置，包括權利要求1～4所述的雷射熱處理用光學系統和裝載基板可相對地掃描的載物臺，由該光學系統照射的所述剖面長方形束，在x方向掃描基板上的膜材料表面，進行表面連續加熱和冷卻。
11．根據權利要求10所述的裝置，其特徵是雷射振蕩器具有330nm到800nm之間的振蕩波長的脈衝雷射振蕩器。
12．根據權利要求10或11所述的裝置，其特徵是雷射振蕩器是發射固體雷射諧波的振蕩器。
13．一種半導體裝置的製造方法，其特徵是用根據權利要求1所述的雷射熱處理用光學系統照射基板上膜材料表面的剖面長方形狀的雷射束，在x方向掃描膜材料表面，進行表面的連續加熱和冷卻，製造長成粗大晶粒的半導體膜。
14．根據權利要求13所述的方法，其特徵是雷射熱處理用光學系統的雷射振蕩器是具有330nm到800nm之間的振蕩波長的脈衝雷射振蕩器。
15．根據權利要求13或14所述的方法，其特徵是半導體膜材料是預先在基板上形成的非晶或多晶矽膜。
全文摘要
在雷射熱處理方法中,提供控制形成高性能薄膜用的雷射照射剖面的光學系統。在向形成於基板上的膜上照射長方形束的光學系統中,通過用強度分布成形裝置使長度方向的強度分布均勻,短邊方向保持振蕩雷射的定向性等向的結構,能在振蕩雷射性質限制的界限內進行聚光,在基板上的膜上得到最大限度的強度梯度。因此,可在基板上的膜上形成陡峻的溫度分布,其結果,可形成高性能薄膜。
文檔編號H01L21/268GK1287381SQ0011874
公開日2001年3月14日 申請日期2000年6月23日 優先權日1999年6月25日
發明者岡本達樹, 小川哲也, 古田啟介, 時岡秀忠, 笹川智宏, 西前順一, 井上満悍, 佐藤行雄 申請人:三菱電機株式會社