光束均匀器、激光照射装置及半导体装置制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种光束均匀器，其能形成在长轴方向具有均匀能量分布的矩形束斑，而无需使用需要高精度制造的光学透镜。此外，本发明专利技术提供一种激光照射装置，其能照射出在长轴方向具有均匀能量分布的激光束。另外，本发明专利技术提供一种制造半导体装置的方法，其能增强衬底表面的可结晶性，并且制造出具有较高工作性能的ＴＦＴ。本发明专利技术之一的光束均匀器将被照射表面上的束斑整形成具有１０或更高，优选为１００或更高长宽比的矩形束斑，并且该光束均匀器包括一光波导，该光波导用于使矩形束斑在其长轴方向的能量分布均匀化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于使在某一区域内的、被照射表面上的束斑均匀化的光束均匀器。本专利技术还涉及一种激光照射装置，其使用束斑照射被照射表面。此外，本专利技术还涉及一种使用由激光照射装置形成的晶态半导体薄膜制造半导体装置的方法。
技术介绍
近年来，广泛地研究了一种用于结晶化或者用于增强非晶态半导体膜或晶态半导体膜(具有可结晶性的半导体膜，如非单晶的微晶或多晶体)的可结晶性的技术，所述晶态半导体膜也就是通过在诸如玻璃衬底的绝缘表面上执行激光退火而形成的非单晶的半导体膜(称作非单晶半导体膜)。通常使用硅薄膜作为半导体膜。与传统使用的石英衬底相比，玻璃衬底具有以下优点价格低廉，使用性较好，并且易于加工成大尺寸衬底。这就是广泛研究的原因所在。由于玻璃衬底具有较低熔点，所以优选使用激光进行结晶化。激光器可以将高能量仅施加给非单晶半导体膜，而不会太多地改变衬底温度。通过激光退火形成的结晶硅膜具有较高的迁移率。因此，由这种结晶硅膜制成的薄膜晶体管(TFT)的用途是十分广泛的。例如，结晶硅膜被广泛用于单片式液晶电光装置以及类似的装置中，其中在一个玻璃衬底上形成用于像素的TFT和用于驱动电路的TFT。因为结晶硅膜由若干晶粒构成，所以该结晶硅膜被称作多晶硅膜或多晶半导体膜。此外，可以将从具有高输出的脉冲激光振荡器(如受激准分子激光器)振荡得到的激光束整形为边长为几cm的正方形光斑或者长度为10cm或更长的线形光斑(例如，日本专利公开No.9-234579)。然后束斑相对要照射的表面发生移动，执行激光退火。由于这种方法可以提高生产率并且工业方面性能优越，所以优选采用这种方法。特别是，当采用线形束斑时，与需要从前到后并从一侧到另一侧扫描的点状束斑不同，线形束斑可以提供高生产率，因为可以仅通过沿垂直于其长轴方向的方向扫描线形束斑来照射大尺寸表面。应当注意，此处的线形束斑表示具有较大长宽比的矩形束斑。束斑沿垂直于线形束斑长轴方向的方向扫描，因为该方向是效率最高的扫描方向。由于这种高生产率，目前，激光退火过程主要采用的是通过适当光学系统整形脉冲受激准分子激光而获得的线形束斑。图6A和6B表示用于将在被照射表面上的束斑横截面整形为线形的光学系统的一个例子。图6A和6B中所示的光学系统是一种极普通的光学系统。该光学系统不仅将束斑的横截面整形成线形，而且还同时使束斑在被照射表面上的能量均匀化。通常，将这种用于均匀化光束能量的光学系统称作光束均匀器。图6A和6B中所示光学系统也是一种光束均匀器。首先，说明图6A的侧视图。从激光振荡器1201振荡得到的激光束的束斑通过柱面透镜阵列1202a和1202b沿一个方向分开。该方向称作垂直方向。当反射镜插入光学系统中时，在垂直方向的束斑被弯曲到由该反射镜弯曲的方向。在这种结构中激光束分成四束。用柱面透镜1204一次将这些分裂束斑组合成一个束斑。当再次分离的束斑在反射镜1207上反射时，双柱面透镜1208再次将束斑会聚到被照射表面1209上形成一个束斑。双柱面透镜是包括两个柱面透镜的一组透镜。图6A和6B的结构使整形成线形的束斑在垂直方向的能量分布均匀化，并且决定其在垂直方向的长度。接着，说明图6B的俯视图。从激光振荡器1201振荡得到的激光束的束斑通过柱面透镜阵列1203在垂直于垂直方向的方向中分裂。该垂直于垂直方向的方向称作水平方向。当反射镜插入光学系统中时，水平方向的束斑被弯曲到由该反射镜所弯曲的方向。在这种结构中束斑被分成七个束斑。此后，柱面透镜1205将分成七个光斑的束斑在被照射表面1209上组合成一个束斑。虚线表示在未设置反射镜1207时的正确光路以及透镜与被照射表面的正确位置。图6A和6B的结构将整形成线形的束斑在水平方向的能量分布均匀化，并且决定其在水平方向的长度。如上所述，柱面透镜阵列1202a，1202b和1203为用于分裂激光束的束斑的透镜。所分裂出束斑的数量决定所获得的线形束斑的能量分布的均匀度。为了与XeCl受激准分子激光器相一致，每个透镜都是由石英(quart)制成的。此外，透镜上具有涂层表面，使得从受激准分子激光器发射出的激光束可以很好地通过透镜。这使得每个透镜对准分子激光束的透射率为99％或者更高。通过上述透镜处理的线形束斑是以这样一种重叠方式来照射的，使得线形束斑在线形束斑的短轴方向逐渐移动。通过这种照射，例如可以对非单晶硅膜的整个表面执行激光退火，从而使其结晶或增强其可结晶性。下面说明半导体膜的典型制造方法，其中半导体膜是激光束所照射的目标。最初，使用厚度为0.7mm，边长为5英寸的玻璃衬底。通过等离子体CVD装置在衬底上形成200nm厚的SiO2膜(二氧化硅薄膜)，并在SiO2膜表面上形成厚度为50nm的非晶硅膜(下面称作a-Si膜)。当衬底在500℃温度下暴露于氮气环境一小时后，薄膜中的氢浓度减小。这大大提高了该膜对于激光束的抵抗性。使用XeCl受激准分子激光器(波长308nm，脉冲宽度30ns)作为激光振荡器。在激光束窗口内激光束的光斑尺寸为15mm×35mm(均为最大值的一半)。激光束窗口定义为刚好在激光振荡器发射出激光束之后垂直于激光束传播方向的平面。受激准分子激光器发射出的激光束通常为矩形，并且当用长宽比表示时，矩形光束的长宽比大约为1到5。激光束具有高斯能量分布，其中越靠中心激光束强度越大。通过图6A和6B中所示光学系统，激光束的束斑变成具有均匀能量分布且具有300mm×0.4mm尺寸的线形束斑。当激光束照射半导体膜时，线形束斑的短轴宽度(最大宽度的一半)的大约1/10是使激光束重叠的最适当的间距。可以提高半导体膜中的结晶均匀度。在上述例子中，由于短轴宽度为0.4mm，所以在脉冲频率设定为300Hz、扫描速度设定为10mm/s的受激准分子激光器条件下照射激光束。在此情形中，激光束在被照射表面上的能量密度设定为450mJ/cm2。上述方法是一种使用线形激光束使半导体膜结晶的非常普通的方法。柱面透镜要求高精度地制造。柱面透镜阵列是沿其弯曲方向设置的柱面透镜。此处，弯曲方向定义为垂直于柱面透镜的柱面母线的方向。柱面透镜阵列在构成柱面透镜阵列的柱面透镜之间通常具有接合点。由于接合点不具有如柱面透镜的曲率，所以入射到接合点的激光束透过，不受柱面透镜影响。在不受柱面透镜影响下到达被照射表面的激光束可导致被照射表面上矩形束斑的能量分布不均匀。此外，必须以相同精度制造构成柱面透镜阵列的所有柱面透镜。当柱面透镜具有不同曲率时，即使使用会聚透镜，被柱面透镜阵列分裂的激光束也不会重叠在被照射表面的相同位置上。换句话说，矩形束斑在被照射表面上的能量衰减区域发生扩大。这导致能量利用率降低。束斑在被照射表面上能量分布不均匀应归因于构成光学系统的柱面透镜阵列的结构问题和制造精度。具体而言，不均匀能量分布的原因之一是由柱面透镜阵列分裂出的所有激光束并不重叠在相同位置。此外，当利用在被照射表面上在其长轴方向具有不均匀能量分布的矩形束斑照射和扫描半导体膜时，半导体膜的可结晶性不均匀，从而反映出不均匀能量分布。结晶的不均匀性与半导体膜性质(如迁移率)的不均匀性是同步的。例如，不均匀结晶表现为包含半导体膜的TFT的电学性质发生改变，并在包括TFT的面板上显示亮和暗图案。鉴于上述问题提出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光束均匀器，包括：用于使束斑在一个方向的能量分布均匀化的光学系统，该束斑为线形，该光学系统包括：光波导，其包括一对相对设置的反射面，其中所述一个方向为线形的长轴方向，并且其中激光束入射到光波导的一 个端部，并且从该光波导的另一端部射出。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：田中幸一郎，森若智昭，
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]