激光装置、激光退火方法和半导体器件的制造方法制造方法及图纸

提供激光装置和激光退火方法，利用该装置和方法，可获得具有更大晶粒尺寸的结晶半导体薄膜，而且该装置和方法在运行成本方面较低。容易维护和耐用性强的固态激光器被用作激光器，由其发射的激光被线性化，以增加生产量和降低整个生产成本。此外，用这样的激光来照射非晶半导体薄膜的正面和背面，以获得具有更大晶粒尺寸的结晶半导体薄膜。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及利用激光对半导体薄膜进行退火(以下称为激光退火)的方法和进行激光退火的激光装置(该装置包括激光器和将从激光器输出的激光引导到处理对象的光学系统)。本专利技术还涉及利用包括激光退火步骤的制造工艺制造的半导体器件以及该制造工艺方法。其中该半导体器件包括如液晶显示器和EL显示器之类的电子光学器件和将电子光学器件作为其部件之一的电子装置。近年来，薄膜晶体管(以下称为TFTs)有了很大的发展，并且使用多晶硅薄膜(po1ysilicon films)作为结晶半导体薄膜的TFTs特别引人注目。特别是在液晶显示器(液晶显示器件)和EL(电致发光)显示器中，这种TFTs用作转换象素的元件和形成用以控制象素的驱动电路的元件。获得多晶硅薄膜的一般方法是将非晶硅薄膜结晶成为多晶硅薄膜的技术。其中利用激光使非晶硅薄膜结晶的方法近来已成为特别引人注目的方法。在本说明书中，利用激光使非晶半导体薄膜结晶从而获得结晶半导体薄膜的情况被称为激光结晶化。激光结晶化能够对半导体薄膜瞬间加热，因此，作为使形成于诸如玻璃衬底或塑料衬底等的低耐热性衬底上的半导体薄膜退火的方法，它是一种有效的技术。此外，与使用电炉(以下称为退火炉退火)的常规加热方法相比，激光退火无疑可使生产量提高。有各种激光，一般用于激光结晶化的激光是从作为光源的脉冲振荡型受激准分子激光器产生和发射的激光(下文称为受激准分子激光)。受激准分子激光器的优点在于其输出大且能够以高频率重复照射，并且，受激准分子激光器具有对于硅薄膜来说的高吸收系数。为了产生受激准分子激光，使用KrF(波长248nm)或XeCl(波长308nm)作为激发气体。可是，Kr(氪)气体和Xe(氙)气体是非常昂贵的，在频繁填充气体时引起生产成本增加的问题。此外，每两年或三年，受激准分子激光退火要求更换例如用于激光振荡的激光管和用于去除在振荡期间产生的不需要的化合物的气体提纯部件等附件。这些附件中的许多也都是昂贵的，从而增加了生产成本。如上可知，对于批量生产的激光装置来说，使用受激准分子激光的激光装置不具有高性能，并且还具有其维护非常麻烦和运行成本(这指操作该装置所需要的成本)高的缺点。鉴于上述问题作出了本专利技术，因此本专利技术的目的在于提供激光装置和使用该激光装置的激光退火方法，该激光装置能够提供具有比现有技术大的晶粒尺寸的结晶半导体薄膜并且运行成本低。本专利技术的另一个方案是提供使用激光退火方法制造的半导体器件和制造该半导体器件的方法。本专利技术的特征在于，利用从作为光源的固态激光器(使用晶体棒作为谐振腔来输出激光的激光器)产生和发射的激光照射半导体薄膜的正面侧和其背面侧。当照射半导体薄膜时，最好用光学系统使激光线性化。为了使激光线性化，需要使激光形成为这样的形状，以便用激光照射处理对象时使被照射区域线性化。简要地说，它表示激光的横截面形状是线性的，这里的术语“线性”并不表示严格意义上的字含义，而是指具有大的纵横比例的矩形(或长方形)。例如，具有10或以上(最好为100至10000)纵横比的矩形或长方形。在以上结构中，固态激光器可以是一般公知的，例如YAG激光器(通常表示为Nd∶YAG激光器)、Nd∶YVO4激光器、Nd∶YAIO3激光器、兰宝石激光器、Ti红宝石激光器或玻璃激光器。由于其在一致性和脉冲能量方面极优，因而特别优选YAG激光器。有连续波YAG激光器和脉冲振荡型YAG激光器，在本专利技术中期望使用后者，因其可照射较大区域。可是，YAG激光器的基波(一次谐波)具有高至1064nm的波长。因此，最好使用二次谐波(波长532nm)、三次谐波(波长355nm)或四次谐波(波长266nm)。特别是，YAG激光器的二次谐波的频率为532nm并处在这样的波长范围内(约530nm)，即在该波长范围内，当用二次YAG激光波照射非晶硅膜时，在非晶硅膜上的反射是最少的。此外，在该波长范围内，可透过非晶半导体薄膜的激光量足以利用反射部件有效地从其背面侧再次照射非晶半导体薄膜。并且，二次谐波的激光能量大，最大约为1.5J/脉冲(在现有脉冲振荡型YAG激光装置中)。因此，当它被线性化时，其在纵向方向的长度被明显地拉长，从而能够用激光同时照射大的区域。利用非线性晶体可获得这些谐波。利用包括非线性元件的波长调制器，可将基波调制成二次谐波、三次谐波或四次谐波。由下列任何公知的技术都可形成各谐波。在本说明书中，“从作为光源的固态激光器产生和发射的激光”不仅包括基波而且还包括通过调制基波波长而获得的二次谐波、三次谐波和四次谐波。另外，还可使用常常用于YAG激光器中的Q开关方法(Q调制开关法)。该方法足以预先降低激光谐振器的Q值，然后迅速地提高Q值，从而输出具有非常高的能量值的尖锐脉冲激光。该方法是公知技术中的一种。基本上，只要固体晶体、谐振镜和激活固体晶体的光源令人满意，那么用于本专利技术的固态激光器便可输出激光。因此，其维护并不象受激准分子激光器那样费力。换言之，与受激准分子激光器相比，固态激光器的运行成本明显较低，从而能够较大地减少半导体器件的生产成本。维护方面的减少导致批量生产线生产率提高，从而制造步骤中的生产量整体提高。这对半导体器件生产成本的减少也相当有利。并且，固态激光器比受激准分子激光器占据更少的面积，这在设计生产线时也是有利的。此外，用激光照射非晶半导体薄膜的正面侧和背面侧来进行激光退火能够获得其晶粒尺寸比现有技术大(仅从其正面侧照射非晶半导体薄膜)的结晶半导体薄膜。按照本专利技术的应用，可以认为激光照射在非晶半导体薄膜的正面侧和背面侧使半导体薄膜的熔化和凝固周期缓慢，结果增大了晶粒尺寸。具有较大晶粒尺寸的结晶半导体薄膜的获得致使半导体器件的性能大大提高。以TFT为例，晶粒尺寸的扩大使在沟道形成区域中获得的晶粒边界数量减少。即，它允许制造在其沟道形成区域中具有一个优选为零的晶粒边界。由于各晶粒结晶性是这样的，以致基本上可以将其看作为单晶体，从而还可以获得等于或高于利用单晶半导体的晶体管的迁移率(电场效应迁移率)。并且，在本专利技术中载流子以非常低的频率穿过晶粒边界，从而减少了ON电流值(当TFT处于ON状态时的漏电流)、OFF电流值(当TFT处于OFF状态时的漏电流)、阈值电压、S值和电场效应迁移率的波动。附图中附图说明图1A和1B是表示激光装置结构的图；图2A和2B是表示激光装置的光学系统结构的图；图3是展示本专利技术激光退火方法的图；图4A和4B是表示激光装置结构的图；图5是展示本专利技术激光退火方法的图；图6是展示本专利技术激光退火方法的图；图7A至7E是展示制造有源矩阵衬底的工艺方法的图；图8A至8D是展示制造有源矩阵衬底的工艺方法的图；图9A至9C是展示制造有源矩阵衬底的工艺方法的图；图10A至10E是展示制造有源矩阵衬底的工艺方法的图；图11A至11E是展示制造有源矩阵衬底的工艺方法的图；图12是展示象素结构的图；图13A和13B是表示有源矩阵型液晶显示器件横截面结构的图；图14是表示有源矩阵型液晶显示器件顶部结构的图；图15是表示有源矩阵型液晶显示器件的透视图；图16A和16F是表示电子器件实例的图；图17A和17D是表示投影器实例的图；图18是展示本专利技术激光退火方法的图。实施模式1下面说明本专利技术的实施模式。图1A是表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光装置，包括：固态激光器；光学系统，使从作为光源的所述固态激光器产生和发射的激光的截面形状线性化；和处理室，用激光照射处理对象的前面和背面。

【技术特征摘要】
JP 1999-8-13 229518/99;JP 1999-9-3 250940/991．一种激光装置，包括固态激光器；光学系统，使从作为光源的所述固态激光器产生和发射的激光的截面形状线性化；和处理室，用激光照射处理对象的前面和背面。2．如权利要求1的激光装置，还包括将从作为光源的所述固态激光器产生和发射的激光形成谐波的装置。3．如权利要求1的激光装置，还包括将从作为光源的所述固态激光器产生和发射的激光形成二次谐波的装置。4．如权利要求1的激光装置，其特征在于，所述固态激光器是NdYAG激光器、Nd∶YVO4激光器或Nd∶YAIO3激光器。5．一种激光装置，包括固态激光器；光学系统，使从作为光源的所述固态激光器产生和发射的激光的截面形状线性化；和处理室，用激光照射处理对象的前面和背面，其中处理对象的背面具有反射部件，使激光器的光从其背面进入处理对象。6．如权利要求5的激光装置，还包括将从作为光源的所述固态激光器产生和发射的激光形成谐波的装置。7．如权利要求5的激光装置，还包括将从作为光源的所述固态激光器产生和发射的激光形成二次谐波的装置。8．如权利要求5的激光装置，其特征在于，所述固态激光器是NdYAG激光器、Nd∶YVO4激光器或Nd∶YAIO3激光器。9．一种激光装置，包括固态激光器；和光学系统，将从作为光源的所述固态激光器产生和发射的激光的截面形状线性化，以将激光从处理对象的前面和背面引入处理对象。10．如权利要求9的激光装置，还包括将从作为光源的所述固态激光器产生和发射的激光形成谐波的装置。11．如权利要求9的激光装置，还包括将从作为光源的所述固态激光器产生和发射的激光形成二次谐波的装置。12．如权利要求9的激光装置，其特征在于，所述固态激光器是NdYAG激光器、Nd∶YVO4激光器或Nd∶YAIO3激光器。13．一种激光装置，包括固态激光器；将从作为光源的所述固态激光器产生和发射的激光分离成三次谐波和四次谐波的装置；和将四次谐波从处理对象正面引入处理对象的光学系统，和将三次谐波从处理对象背面引入处理对象的光学系统。14．如权利要求13的激光装置，还包括将三次谐波和四次谐波的截面形状线性化的光学系统。15．如权利要求13的激光装置，其特征在于，所述固态激光器是Nd∶YAG激光器、Nd∶YVO4激光器或Nd∶YAIO3激光器。16．一种激光退火方法，包括以下步骤利用固态激光器作为光源来产生激光；将激光的截面形状线性化；和用其截面形状已被线性化的激光照射处理对象的正面和背面。17．如权利要求16的激光退火方法，还包括使激光形成谐波的步骤，在利用固态激光器作为光源来产生激光的步骤之后，执行该步骤。18．如权利要求16的激光退火方法，还包括使激光形成二次谐波的步骤，在利用固态激光器作为光源来产生激光的步骤之后，执行该步骤。19．如权利要求16的激光退火方法，其特征在于，Nd∶YAG激光器、Nd∶YVO4激光器或Nd∶YAIO3激光器被用作所述固态激光器。20．如权利要求16的激光退火方法，其特征在于，处理对象是非晶半导体薄膜或微晶半导体薄膜。21．一种激光退火方法，包括以下步骤使用固态激光器作为光源来产生激光；将激光的截面形状线性化；和用其截面形状已被线性化的激光照射处理对象的正面，同时用其截面形状已被线性化且已由处理对象背面上设置的反射部件反射的激光来照射处理对象的背面。22．如权利要求21的激光退火方法，还包括使激光形成谐波的步骤，在利用固态激光器作为光源来产生激光的步骤之后，执行该步骤。23．如权利要求21的激光退火方法，还包括使激光形成二次谐波的步骤，在利用固态激光器作为光源来产生激光的步骤之后，执行该步骤。24．如权利要求21的激光退火方法，其特征在于，Nd∶YAG激光器、Nd∶YVO4激光器或Nd∶YAIO3激光器被用作所述固态激光器。25．如权利要求21的激光退火方法，其特征在于，处理对象是非晶半导体薄膜或微晶半导体薄膜。26．一种激光退火方法，包括以下步骤使用固态激光器作为光源来产生激光；将激光的截面形状线性化；将激光或其截面形状已被线性化的激光分离成主激光和辅助激光；用主激光照射处理对象的正面，用辅助激光照射处理对象的背面。27．如权利要求26的激光退火方法，还包括使激光形成...

【专利技术属性】
技术研发人员：山崎舜平，大谷久，田中幸一郎，笠原健司，河崎律子，
申请(专利权)人：株式会社半导体能源研究所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]