激光退火方法以及激光退火裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及對(duì)非單晶半導(dǎo)體掃描直線(xiàn)束形的脈沖激光并進(jìn)行多次重疊照射從而實(shí)現(xiàn)非晶膜的結(jié)晶化或結(jié)晶膜的改性的激光退火方法以及激光退火裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]通常用于TV或PC顯示器的薄膜晶體管由非晶(amorphous)硅(下面稱(chēng)為a_硅)構(gòu)成，但通過(guò)以某些手段使硅結(jié)晶化(下面稱(chēng)為P-硅)而利用，可以顯著提高作為T(mén)FT的性能。目前，作為低溫下的Si結(jié)晶化工藝的準(zhǔn)分子激光退火技術(shù)已被實(shí)用化，被頻繁利用于面向智能手機(jī)等小型顯示器的用途，針對(duì)大屏幕顯示器等的實(shí)用化正進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。
[0003]該激光退火方法的構(gòu)成是，通過(guò)在非單晶半導(dǎo)體膜上照射具有高脈沖能量的準(zhǔn)分子激光，使吸收了光能的半導(dǎo)體成為熔融或半熔融狀態(tài)，之后在冷卻凝固時(shí)結(jié)晶化。此時(shí)，為了處理廣泛的區(qū)域，例如沿著短軸方向相對(duì)掃描并進(jìn)行照射調(diào)整為直線(xiàn)束形的脈沖激光。通常，通過(guò)使設(shè)置了非晶半導(dǎo)體膜的設(shè)置臺(tái)移動(dòng)來(lái)進(jìn)行脈沖激光的掃描。
[0004]在該激光退火處理中，通過(guò)光學(xué)體系將激光束形狀調(diào)整為規(guī)定形狀，使射束強(qiáng)度在射束截面上保持相同(頂部區(qū)段:平坦部)，進(jìn)而根據(jù)需要將射束進(jìn)行聚焦而照射在被處理物上。
[0005]作為射束形狀的一種，已知在射束的剖視下具有短軸寬度和長(zhǎng)軸寬度的直線(xiàn)形狀，通過(guò)將其沿短軸方向掃描并照射被處理物，能夠?qū)Ρ惶幚砦锏膹V大面積一并進(jìn)行高效處理。但是，即使在頂部區(qū)段呈直線(xiàn)束形，但經(jīng)過(guò)各種光學(xué)構(gòu)件等，也會(huì)在短軸方向以及長(zhǎng)軸方向的邊緣部上具有能量強(qiáng)度向外側(cè)遞減的部分(稱(chēng)為陡峭部)。
[0006]在專(zhuān)利文獻(xiàn)I中，以經(jīng)聚焦的激光的周邊部產(chǎn)生按高斯分布強(qiáng)度變?nèi)醯膮^(qū)域而導(dǎo)致線(xiàn)端部的切割不明確的問(wèn)題作為課題，在聚焦至100 μm后，在離開(kāi)被加工面的位置上配設(shè)掩模，根據(jù)該掩模的圖案形狀，例如相對(duì)于100 μ mX 30cm的范圍制成20 μ mX 30cm的極細(xì)開(kāi)溝圖案以使邊緣部的端部明確。
[0007]另外，在專(zhuān)利文獻(xiàn)2中，通過(guò)使直線(xiàn)束穿過(guò)狹縫來(lái)規(guī)定線(xiàn)寬，得到具有大致尖銳的邊緣(edge)的平坦性質(zhì)(第0011段落)。
[0008]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0009]專(zhuān)利文獻(xiàn)
[0010]專(zhuān)利文獻(xiàn)1:日本專(zhuān)利特開(kāi)平5-206558號(hào)公報(bào)
[0011]專(zhuān)利文獻(xiàn)2:日本專(zhuān)利特開(kāi)平9-321310號(hào)公報(bào)
[0012]發(fā)明的揭示
[0013]發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0014]但是，即使使用掩?；颡M縫、或者各種光學(xué)體系，也難以使陡峭部完全消失。該陡峭部的消減可以通過(guò)光學(xué)構(gòu)件的設(shè)計(jì)等來(lái)實(shí)施，但如果想要通過(guò)光學(xué)構(gòu)件的設(shè)計(jì)等使陡峭部過(guò)度消減，則如圖8所示，脈沖激光150的射束強(qiáng)度分布中平坦部151的短軸方向端部會(huì)局部形成強(qiáng)度急劇增加的強(qiáng)度凸部151a。另外，在使用掩?；颡M縫的情況下，也會(huì)因衍射現(xiàn)象而在透過(guò)的激光束的射束強(qiáng)度分布中同樣在平坦部151的短軸方向端部形成強(qiáng)度急劇增加的強(qiáng)度凸部151a。專(zhuān)利文獻(xiàn)I是在透光性導(dǎo)電膜等加工面上通過(guò)紫外線(xiàn)進(jìn)行直線(xiàn)繪制的方案，上述凸部不會(huì)成為特別的障礙。但是，在激光退火中，使用具備平坦部端形成有凸部的脈沖激光的情況下，會(huì)產(chǎn)生超出最適合的能量密度范圍等退火處理中的問(wèn)題。
[0015]為此，在以往的激光退火中，不使用掩?；颡M縫，而是將陡峭部的短軸方向?qū)挾仍O(shè)定成認(rèn)為在照射激光時(shí)相對(duì)無(wú)礙的70?100 μπι左右，由此避免強(qiáng)度凸部的出現(xiàn)，且使光學(xué)構(gòu)件的設(shè)計(jì)變得容易。
[0016]但是，根據(jù)本發(fā)明人的深入觀(guān)察認(rèn)識(shí)到即使在當(dāng)前情況下，由脈沖激光照射而結(jié)晶化的半導(dǎo)體上仍確認(rèn)到照射不均，已知該照射不均成為制成器件時(shí)對(duì)性能產(chǎn)生影響的原因。
[0017]根據(jù)本發(fā)明人的研宄，認(rèn)為上述照射不均的原因在于直線(xiàn)束的掃描方向端部的多晶硅膜的隆起部在每次照射中不均勻地形成。該部分相當(dāng)于由激光照射形成的半導(dǎo)體膜的熔融部和未照射到具有半導(dǎo)體膜熔融所需的足夠強(qiáng)度的激光而保持固體的部分的分界線(xiàn)。認(rèn)為該隆起隨照射能量的強(qiáng)度成比例地增大。即，隨著照射能量的增加，在半導(dǎo)體膜的膜厚方向上發(fā)生熔融，而且整個(gè)膜熔融之后成為液體的半導(dǎo)體膜層的溫度也增大。認(rèn)為該液相部分隨著溫度的降低而結(jié)晶化時(shí)，在溫度先開(kāi)始下降的固液界面即直線(xiàn)束短軸邊緣部的液體被吸引并固化，由此生成隆起。只要該隆起部以規(guī)定的間隔以同等的高度形成，照射不均就并非很顯眼。
[0018]但是，如果激光的輸出能量發(fā)生變動(dòng)，則如圖9所示，陡峭部的斜率也變化，對(duì)半導(dǎo)體膜的退火產(chǎn)生影響的區(qū)域(例如熔融閾值以上的區(qū)域)的短軸寬度也變化。圖9所示的射束強(qiáng)度分布中，在射束強(qiáng)度變動(dòng)+10%的情況下，具有100 μm的陡峭部的射束強(qiáng)度分布中，熔融閾值區(qū)域的短軸寬度在兩端分別增加3%。由此非單晶半導(dǎo)體上的熔融寬度變動(dòng)，因此前述隆起部發(fā)生高度以及間隔的錯(cuò)亂并作為照射不均而呈現(xiàn)。
[0019]本發(fā)明是以上述情況為背景來(lái)完成的，其目的在于提供一種能夠減輕由激光的輸出能量的變動(dòng)帶來(lái)的影響的激光退火方法以及激光退火裝置。
[0020]解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案
[0021]S卩，本發(fā)明的激光退火方法中的第I發(fā)明是，在非單晶半導(dǎo)體膜上將射束截面形狀為直線(xiàn)束的脈沖激光沿所述直線(xiàn)束的短軸方向掃描并進(jìn)行照射的激光退火方法中，
[0022]所述直線(xiàn)束在射束強(qiáng)度分布中具有位于短軸方向端部的陡峭部，所述陡峭部是具有所述射束強(qiáng)度分布中最大強(qiáng)度的10%以上且90%以下的強(qiáng)度的區(qū)域，
[0023]以使所述陡峭部中位于掃描方向后方側(cè)的所述陡峭部的短軸方向?qū)挾仍谒龇菃尉О雽?dǎo)體膜的照射面上為50 μπι以下的條件進(jìn)行所述照射。
[0024]第2發(fā)明的激光退火方法是在前述第I發(fā)明中，前述脈沖激光的波長(zhǎng)在400nm以下。
[0025]第3發(fā)明的激光退火方法是在前述第I或第2發(fā)明中，前述脈沖激光在照射面上的脈沖半寬值在200ns以下。第4發(fā)明的激光退火方法是在前述第I?第3發(fā)明的任一項(xiàng)發(fā)明中，所述脈沖激光在照射面上的所述射束強(qiáng)度分布中最大強(qiáng)度的值為250?500mJ/
2
cm ο
[0026]第5發(fā)明的激光退火方法是在前述第I?第4發(fā)明的任一項(xiàng)發(fā)明中，前述非單晶半導(dǎo)體為娃。
[0027]第6發(fā)明的激光退火方法是在前述第I?第5發(fā)明的任一項(xiàng)發(fā)明中，前述脈沖激光在射束強(qiáng)度分布中在短軸方向具有平坦部，且前述最大強(qiáng)度以前述平坦部的強(qiáng)度的平均值給出。
[0028]第7發(fā)明的激光退火方法是在前述第I?第6發(fā)明的任一項(xiàng)發(fā)明中，前述脈沖激光在射束強(qiáng)度分布中，兩端部的任一方或雙方局部具有強(qiáng)度上升的強(qiáng)度凸部的情況下，在除了前述強(qiáng)度凸部以外的范圍內(nèi)給出前述最大強(qiáng)度。
[0029]第8發(fā)明的激光退火方法是在第6或第7發(fā)明的任一項(xiàng)發(fā)明中，前述直線(xiàn)束在前述非單晶半導(dǎo)體膜的照射面上的前述最大強(qiáng)度的96%以上的區(qū)域的短軸方向?qū)挾葹?00?500 μ m。第9發(fā)明的激光退火裝置具備:
[0030]輸出脈沖激光的激光光源，
[0031]調(diào)整前述脈沖激光的透射率的衰減器，
[0032]調(diào)整前述脈沖激光的射束截面形狀的同時(shí)將調(diào)整過(guò)的脈沖激光引導(dǎo)至非單晶半導(dǎo)體膜的照射面上的光學(xué)體系，
[0033]前述光學(xué)體系具備:將前述脈沖激光的射束截面形狀調(diào)整為在射束強(qiáng)度分布中具有規(guī)定強(qiáng)度以上的高強(qiáng)度區(qū)域的直線(xiàn)束的光學(xué)構(gòu)件，以及使位于前述射束的短軸方向端部的陡峭部中的至少掃描方向后方側(cè)的短軸方向?qū)挾纫栽谇笆龇菃尉О雽?dǎo)體膜的照射面上為50 μπι以下的條件急陸的光學(xué)構(gòu)件。
[0034]第10發(fā)明的激光退火裝置是在第9發(fā)明中，使前述陡峭部急陡化的光學(xué)構(gòu)件配置在前述脈沖激光的光路上，并且為遮蔽前述脈沖激光的射束截面的一部分的遮蔽部。
[0035]第11發(fā)明的激光退火裝置是在前述第10發(fā)明中，前述遮蔽部在前述高強(qiáng)度區(qū)域的短軸方向端的外側(cè)，遮蔽前述脈沖激光的射束截面的一部分。
[0036]第12發(fā)明的激光退火裝置是在前述第9?第11發(fā)明的任一項(xiàng)發(fā)明中，前述激光光源是輸出波長(zhǎng)在400nm以下的前述脈沖激光的光源。
[0037]第13發(fā)明的激光退火裝置是在前述第9?第12發(fā)明的任一項(xiàng)發(fā)明中，前述激光光源是輸出半寬值在200ns以下的前述脈沖激光的光源。
[0038]第14發(fā)明的激光退火裝置是在前述第9?第13發(fā)明的任一項(xiàng)發(fā)明中，前述光學(xué)體系具備將前述脈沖激光的強(qiáng)度調(diào)整為具有強(qiáng)度為最大強(qiáng)度的96%以上的前述高強(qiáng)度區(qū)域和位于端部的陡峭部的激光束強(qiáng)度分布的光學(xué)構(gòu)件。
[0039]第15發(fā)明的激光退火方法是在前述第9?第14發(fā)明的任一項(xiàng)發(fā)明中，前述衰減器將非單晶半導(dǎo)體膜的照射面上的前述脈沖激光的射束強(qiáng)度分布中最大強(qiáng)度值調(diào)整至250 ?500mj7cm2。
[0040]S卩，根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)使陡峭部急陡，由脈沖激光的輸出變動(dòng)引起的照射不均得到減輕。例如，在規(guī)定次數(shù)的重疊照射中，存在合適的照射能量密度，該能量密度具有一定程度的容許范圍。但是，如果陡峭部的寬度像以往那樣大(例如70 μπι以上)，則即使是在合適的照射能量密度范圍內(nèi)的變動(dòng)，也會(huì)呈現(xiàn)出照射不均。
[0041]陡峭部是能量強(qiáng)度向外側(cè)遞減的部分，是指具有短軸方向的射束強(qiáng)度分布中的最大強(qiáng)度的10%以上且90%以下的強(qiáng)度的區(qū)域。
[0042]陡峭部的寬度(50 ym以下)得以減小的本發(fā)