[發明專利]結晶裝置以及結晶方法

無效

• 申請號: 200710163150.4
• 申請日: 2007-10-10
• 公開（公告）號: CN101312117A
• 公開（公告）日: 2008-11-26
• 發明（設計）人: 秋田典孝;高見芳夫
• 申請（專利權）人: 株式會社島津制作所
• 主分類號: H01L21/00
• 分類號: H01L21/00;H01L21/02;H01L21/268;H01L21/20;H01L21/336;B23K26/00;B23K26/06
• 代理公司: 北京中原華和知識產權代理有限責任公司
• 代理人: 壽寧;張華輝

技術領域

本發明涉及一種結晶裝置，此結晶裝置對非晶質或多晶半導體薄膜使用光線，以使此非晶質或多晶半導體薄膜熔化并結晶，本發明尤其涉及一種結晶技術(Phase?Modulated?Excimer?Laser?Annealing(相位調制準分子激光退火)：PMELA)，此結晶技術是指對非單晶半導體薄膜照射具有經調相所獲得的光強度分布的激光束，從而使此非單晶半導體薄膜結晶化。

背景技術

已知有下述技術，即，使形成在玻璃基板等絕緣體上的非晶半導體層結晶，以獲得結晶質半導體層，形成以此結晶質半導體層為活性層的薄膜晶體管(TFT：thin?film?transistor)。

例如，在有源矩陣式液晶顯示裝置中，設置硅膜等半導體膜，在玻璃基板上形成薄膜晶體管，并將此薄膜晶體管用作進行切換顯示的開關元件。

在形成薄膜晶體管的步驟中，包含使非晶質或多晶等非單晶半導體薄膜結晶化的步驟。作為此結晶技術，例如，激光結晶技術已為人所知，此激光結晶技術是指，使用高能量的短脈沖激光束來使非單晶半導體薄膜的照射區域熔化，并使此照射區域結晶化。

目前，用于生產的激光結晶裝置采用下述方法，即，對非晶硅照射縱長光束(例如，500μm×300mm)狀的強度分布均勻的激光束。但是，對于此方法而言，所獲得的半導體膜的結晶粒徑(grain?size)小于等于0.5μm，此結晶粒徑較小，因此，在TFT的通道區域中會存在結晶粒界(grainboundary)，從而TFT的性能存在著極限，例如TFT的特性受到抑制等。

為了提升所述TFT的性能，需要制造具有大晶粒的高品質半導體膜的技術。作為滿足此要求的結晶法，在各種激光結晶技術中，如下技術尤其受到關注，對非單晶半導體薄膜照射具有經調相后形成的倒波峰圖案狀的光強度分布的準分子激光束(excimer?laser?beam)，以使此非單晶半導體薄膜結晶。

將對非晶硅照射具有均勻強度分布的激光束而不進行所述調相的方法稱作準分子激光退火(Excimer?Laser?Annealing，ELA)技術，將照射經調相的準分子激光束后進行結晶的技術稱作PMELA技術，對非單晶半導體薄膜照射具有規定的光強度分布的準分子激光束，使此半導體膜的照射部熔化，并使此半導體膜的照射部結晶。

使用調相元件等光調制元件(light?modulation?device)，例如使用移相器(phase?shifter)等調相元件，來對入射的激光束進行調相，由此可以獲得具有規定的光強度分布的準分子激光束。非單晶半導體薄膜例如是形成在玻璃基板上的非晶硅薄膜或多晶硅薄膜。

目前正在開發的PMELA技術中，通過照射1次準分子激光束來使大小為數mm見方的區域熔化·結晶。通過此結晶化非單晶半導體薄膜處理，能夠形成大小為幾μm至10μm左右的具有較為相同的晶粒的優質結晶硅薄膜(例如，參照非專利文獻1)。制作在由所述方法形成的結晶硅薄膜上的TFT表現出優異的電學特性。

所述PMELA結晶技術具有如下的優異特征，即，激光束的使用效率高，且可以獲得粒徑大的結晶。但是，為了獲得穩定的電學特性，必須高精度地對晶粒進行定位。而且，為了使大面積的半導體膜結晶化，使用被稱作步進重復(step?and?repeat)照射方式的照射方式，此照射方式重復進行下述步驟，即，對非單晶半導體膜照射激光束之后，使玻璃基板移動至下一照射位置為止并停止，接著，再次照射激光束。

PMELA結晶技術中，為了對硅薄膜的微小區域中的熔化、結晶狀態進行評估，要求對此微小區域進行觀察。作為對此結晶過程進行光學觀察的技術，已提出了如下技術，即，設置用于觀察的照明光學系統，在照射脈沖狀能量光束后進行觀察(例如，參照專利文獻1)。

圖8是用以說明利用PMELA結晶化的結晶裝置的一個構成例的圖。圖8中，結晶裝置100具備用于結晶的光學系統101，此用于結晶的光學系統101形成用來形成大粒徑的結晶化的用于結晶的光圖案。用于結晶的光學系統101包括激光束源111、光束擴展器(beam?expander)112、均束器(homogenizer)113、移相器(例如，調相元件)114、成像光學系統115、以及平臺140，此平臺140將基板130引導至預先規定的位置。光束擴展器112擴大來自激光束源111的激光束，均束器113使所述激光束在面內的光強度均勻化，然后，所述激光束照射到移相器114上。穿過此移相器114的準分子激光束被調制成規定的光強度分布，并由成像光學系統115照射到基板130上。