專利名稱：激光退火設(shè)備，tft裝置和相應(yīng)的退火方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對于膜質(zhì)量的提高、晶粒的增大、或通過激光束照射在絕緣基板上形成的非晶或多晶半導(dǎo)體膜的單晶體化最理想的激光退火方法和激光退火設(shè)備，還涉及通過激光退火制造的薄膜晶體管(TFT)裝置和提供這樣一個TFT裝置的顯示設(shè)備。
但是，因為形成晶體管有源層的硅膜的可結(jié)晶性能差，由移動性來表示的薄膜晶體管的性能就低并且要求高速和高性能的電路的制造就困難。為了制造這些高速、高性能的電路需要高移動性薄膜晶體管；并為了實現(xiàn)這個目的，需要在硅薄膜結(jié)晶性能方面的改進。
受激準(zhǔn)分子激光退火在過去已經(jīng)作為用于改進結(jié)晶性能的一種方法引起了注意。在這個方法中，通過借助在形成于玻璃等的絕緣基板上的非晶硅膜上照射受激準(zhǔn)分子激光把非晶硅膜改變到多晶硅膜而提高移動性。但是，通過受激準(zhǔn)分子激光照射獲得的多晶膜的晶粒尺寸只有幾百納米。此膜不具有作為用于驅(qū)動液晶面板的驅(qū)動電路等而被應(yīng)用的性能。
為了解決這個問題，在日本專利特許公開的申請No.2001-44120中公開下述方法，其中借助紫外線脈沖激光的照射增大晶粒尺寸，以一次脈沖激光的受激準(zhǔn)分子激光為例，伴隨它的是在可見光范圍的二次脈沖激光照射。這個方法通過借助在一次脈沖激光200納秒的照射時間內(nèi)二次脈沖激光的照射延長再結(jié)晶時間，增加晶粒尺寸。

發(fā)明內(nèi)容
在上述技術(shù)背景中，Q開關(guān)振蕩固體激光諧波同摻釹離子或摻鐿離子晶體或玻璃激發(fā)介質(zhì)一起被用作二次脈沖激光NdYAG激光，NdYLF激光，YbYAG激光，Nd玻璃激光，或Yb玻璃激光。
但是，這些激光的脈沖持續(xù)時間是幾打到幾百納秒并且再結(jié)晶時間的延長是有限的。明確地，獲得的晶粒尺寸在一微米左右，還不具備足夠的能力作為用于驅(qū)動液晶面板的驅(qū)動電路等來應(yīng)用。同時，衰減器和線形光束形成光學(xué)系統(tǒng)作為在上述背景技術(shù)中用于照射二次脈沖激光的光學(xué)系統(tǒng)來表示，可是這個裝置[的使用]還有以下的問題。
第一個問題是Q開關(guān)振蕩脈沖的輸出按照時間以正弦波的形式改變，并且不能獲得退火是所需最理想的脈沖持續(xù)時間和隨時間改變的輸出。
第二個問題是上述工作中的能量分布是高斯分布。這種情況下，無法獲得對于激光退火是必要的均勻能量分布，或?qū)τ谕嘶鹗亲罾硐氲腫能量分布]。
除此以外，第三個問題是來自像NdYAG激光的固態(tài)激光的激光束具有高相干性。不規(guī)則性作為干涉影響的結(jié)果在被照射區(qū)域能量密度分布中發(fā)生。
本分明的目的是解決技術(shù)背景中的這些上述問題并提供一種激光退火方法和激光退火設(shè)備，它們對于非晶和多晶硅薄膜的退火是最理想的，具有在被照射區(qū)域不受干涉影響時適合的激光退火的能量分布，其中在最佳的脈沖持續(xù)時間的激光退火中獲得最佳的隨著時間的能量改變；本發(fā)明的目的還在于提供借助激光退火制造的TFT裝置。
為了實現(xiàn)上述目的，關(guān)于本發(fā)明的激光退火方法放射出經(jīng)過下面方法處理的激光束。首先，獲得連續(xù)波束的振蕩器用作激光振蕩器，來實現(xiàn)期望的脈沖持續(xù)時間和期望的按照時間的能量改變。連續(xù)波激光束是脈動的，并且脈沖激光束能量按照時間的最佳變化通過像電光調(diào)制器或聲光調(diào)制器這樣的時間改變裝置獲得。
其次，具有相干性的激光束的相干性通過不相干的光學(xué)系統(tǒng)被消除或減弱，并且在被激光照射地區(qū)的干涉影響被減弱或消除。
第三，光束均勻器和矩形狹縫用來提供被照射區(qū)域全部表面的均勻能量分布；并且提供具有期望的透射率分布的濾波器用來給出特定的分布。獲得了均勻的或期望的能量分布的激光束被用物鏡照射在非晶或多晶硅膜上作為矩形狹縫圖像的投影圖像。
同時，為了實現(xiàn)上述目的，關(guān)于本發(fā)明的激光退火設(shè)備包括輸出連續(xù)波束的激光振蕩器；用來按照時間調(diào)制激光的裝置；光束均勻器；不相干光學(xué)系統(tǒng)；具有預(yù)期透射率分布的濾波器；矩形狹縫；和物鏡。
除此以外，通過執(zhí)行上述關(guān)于本發(fā)明的激光退火方法利用上述關(guān)于本發(fā)明的激光退火設(shè)備而獲得關(guān)于本發(fā)明的TFT裝置。


本發(fā)明的這些和其它特性，目的和優(yōu)點將通過下面協(xié)同附圖的說明變得更加清晰，其中圖1是表示關(guān)于第一實施例的激光退火設(shè)備結(jié)構(gòu)的前視圖；圖2是使用在第一實施例中的EO調(diào)制器的斜視圖；圖3是使用在第一實施例中的EO調(diào)制器的斜視圖；圖4是表示在EO調(diào)制器中外加電壓和透射率之間的關(guān)系的圖；圖5是表示在EO調(diào)制器中激光輸入、外加電壓和激光輸出之間的關(guān)系的圖；圖6是使用在第一實施例中的連續(xù)改變透射率的濾波器的平面圖；圖7是表示入射角和P偏振光反射系數(shù)之間的關(guān)系的圖；圖8是使用多透明基板并在第一實施例中使用的連續(xù)改變透射率的濾波器的平面圖；圖9是表示在第一實施例中光束均勻器前部的橫截面圖像，和表示進出光線的能量分布的圖；圖10是在第一實施例中的萬花筒的前部平面圖和進出光線的能量分布的圖；圖11是表示在第一實施例中矩形狹縫和物鏡之間的物理關(guān)系的前視圖；圖12是表示在發(fā)出相干激光束的情況下，在關(guān)于第一實施例的激光退火設(shè)備中的能量分布的圖像；圖13是解釋關(guān)于第一實施例的激光退火方法的過程的基板的斜視圖；圖14是用于解釋在退火之后的TFT顯示設(shè)備處理的示意圖；圖15是表示在執(zhí)行關(guān)于第一實施例的退火方法之前晶體狀態(tài)的平面圖；圖16是表示在執(zhí)行關(guān)于第一實施例的退火方法之后晶體狀態(tài)的平面圖；圖17是表示關(guān)于第二實施例的激光退火設(shè)備結(jié)構(gòu)的斜視圖；圖18是表示在關(guān)于第三實施例的激光退火設(shè)備中的激光照射光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的斜視圖；圖19是表示激光退火方法被執(zhí)行區(qū)域和驅(qū)動電路有源區(qū)域之間的物理關(guān)系的基板的平面圖；圖20是表示用于通過執(zhí)行激光退火方法形成的驅(qū)動電路的晶體管結(jié)構(gòu)的基板的平面圖；圖21是表示在激光退火方法中隨激光束能量被照射的時間的能量分布和變化的說明圖；圖22是基板的平面圖，用來解釋在關(guān)于另一個實施例的激光退火方法中的掃描方法；圖23是基板的平面圖，用來解釋在關(guān)于另一個實施例的激光退火方法中的掃描方法；圖24是表示用于應(yīng)用激光退火方法制造液晶顯示設(shè)備的過程的流程圖；圖25是表示激光退火過程的流程圖；和圖26是表示由應(yīng)用激光退火的TFT裝置組成的液晶顯示設(shè)備的應(yīng)用例的斜視圖；具體實施方法下面使用附圖具體解釋本發(fā)明。圖1是表示關(guān)于本發(fā)明第一實施例的激光退火設(shè)備結(jié)構(gòu)的附圖，并由下述布置在提供一個振動防護機構(gòu)(沒有表示)的床1上的下列元件組成用于發(fā)射連續(xù)波激光束2的激光振蕩器3，用于開關(guān)激光束2的光閘4，用于擴展從激光振蕩器3輸出的激光束2的光束直徑的光束擴展器5，用于激光束2的能量的脈沖和時間調(diào)制的電光調(diào)制器(下文中的“EO調(diào)制器”)6，用于調(diào)節(jié)激光束2的能量的連續(xù)變化透射率ND濾波器7，用于給予激光束2均勻能量分布的光束均勻器8，用于把激光束2壓縮在一個方向并形成線形光束的柱面透鏡9，用于確定激光束2的照射區(qū)域和照射形式的參考光源10，具有從參考光源10傳送波長并反射激光束2的屬性的分光鏡11，提供高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動設(shè)備12的漫射面板13，用于給在被照射表面中的能量密度分布提供期望的形式的濾波器14，用于消除激光束2的溢出部分并形成特定矩形形式的矩形狹縫15，用于合并照明光束、激光束2和參考光束的鏡面17，在觀察中使用的照明光源18，CCD相機19，用于阻止激光束照射在CCD相機19上的激光切割濾波器20，用于顯示通過CCD相機19成像的樣品表面的監(jiān)視器22，用于檢測焦點位置并在偏離焦點位置的情況下輸出一個信號的自動對焦光學(xué)系統(tǒng)24，在觀察中使用的用于集中激光束2的物鏡25，用于支持樣品26并移動[樣品]到XYZθ方向的工作臺28，固定在工作臺28上的并用于測量激光束2的輸出的功率監(jiān)視器29，用于測量激光束2二維能量分布的光束輪廓器(beam profiler)2，和用于控制工作臺28、激光振蕩器3、光閘4、EO調(diào)制器6、連續(xù)變化透射率濾波器7、電動矩形狹縫15、對應(yīng)來自自動對焦光學(xué)系統(tǒng)24的信號的Z型工作臺、和圖像處理單元以及類似單元(沒有表示)的控制PC(控制設(shè)備)31。
接著，具體解釋每個部分的操作和功能。最好提供給床1一個使用氣墊來減弱來自底層的振動的振動防護機構(gòu)(沒有表示)。根據(jù)[設(shè)備]安裝環(huán)境振動防護設(shè)備可能不是必須的。提供足夠的強度和剛度來支持工作臺28和不同光學(xué)系統(tǒng)。
連續(xù)波激光束2最好有被退火的非晶和多晶硅薄膜所吸收的波長，特別是從紫外光到可見光波長的波長。更具體地說，下述可能被應(yīng)用Ar激光和Kr激光及其二次諧波，NdYAG激光的二次和三次諧波，NdYVO4激光，和NdYLF激光。但是，考慮到輸出的幅度和穩(wěn)定性，泵激(pumped)LD(激光二極管)NdYAG激光的二次諧波(波長532nm)或者泵激激光二極管NdYVO4激光是優(yōu)先選擇的。下面的解釋關(guān)注使用的具有高輸出功率和出色穩(wěn)定性和低噪音屬性的泵激LD NdYVO4激光的二次諧波的情況。
從激光振蕩器3振蕩出的激光束2通過光閘3[原文]被切換開和關(guān)。特別是，激光振蕩器3被放置在以恒定輸出連續(xù)振蕩激光束2的狀態(tài)；光閘4通常是關(guān)的并且激光束2被光閘4阻住。此光閘3[原文]只有當(dāng)激光束2要被照射時才被打開(開狀態(tài))輸出激光束2?？梢酝ㄟ^改變泵激激光二極管的開關(guān)來改變激光束的開關(guān)，但是為了保證激光輸出的穩(wěn)定性這是不推薦的。此外，從安全性來看，光閘4在當(dāng)要停止激光束2的照射時可被關(guān)閉。
穿過光閘4的激光束2通過擴展器5擴展了它的光束直徑并打到EO調(diào)制器6上?？紤]到EO調(diào)制器6的損壞閾值，光束直徑被光束擴展器5擴展到接近EO調(diào)制器6有效直徑的尺寸。當(dāng)從激光振蕩器3振蕩出的激光束2的光束直徑在2mm左右并且EO調(diào)制器6的有效直徑是15mm時，擴展器5的擴展系數(shù)是6左右。當(dāng)然，當(dāng)EO調(diào)制器6的損壞閾值對來自激光振蕩器3的激光束2的直接照射來說是足夠高時就沒必要使用擴展器5。
如圖2和3所表示的，EO調(diào)制器6使用Pockels單元61(下文中的“晶體”)和偏振光分光片62的組合。在激光束2是如圖2表示的線形偏振光束的情況下，當(dāng)通過驅(qū)動器(沒有表示)向晶體61加電壓V1(通常是0V電壓)時，[激光束2]作為S偏振光束打到偏振光分光片62上并被偏轉(zhuǎn)90度，而不用旋轉(zhuǎn)穿過晶體61的激光束2的偏振方向。具體地說，在這個狀態(tài)，激光束2是關(guān)狀態(tài)并且因為激光束2被偏轉(zhuǎn)90度輸出而不能達到下游光學(xué)系統(tǒng)。
然后，如圖3所示，通過使用可以使得由晶體61透射的激光束2的偏振方向旋轉(zhuǎn)90度的電壓V2，[激光束2]作為P偏振光達到偏振光分光片62，并且激光束2經(jīng)過偏振光分光片62經(jīng)歷直線性傳播。具體地說，在這種狀態(tài)，激光束2是開狀態(tài)而且經(jīng)歷直線性傳播到達下游光學(xué)系統(tǒng)。
除此以外，如圖4所示，通過在V1(通常是0V)和V2之間調(diào)節(jié)加給晶體61的電壓，通過EO調(diào)制器6透射的激光束2的透射率可以被調(diào)節(jié)在T1(通常是0)和T2(這是最大透射率，特定為1)之間。換句話說，通過EO調(diào)制器6透射的激光束2的透射率可以從0到1進行調(diào)節(jié)。但是，這里假設(shè)晶體61和偏振光分光片62表面沒有反射和吸收。
因此，如圖5所示，打在EO調(diào)制器6(向EO調(diào)制器6輸入)上的激光束2的輸出統(tǒng)一是P0。通過加在V1，V2，V3和V1之間的階躍電壓到晶體61，從EO調(diào)制器6獲得P2和P3的階躍輸出。這里，當(dāng)加電壓V2時用向EO調(diào)制器6的輸入P0和透射率T2乘積得到輸出P2；當(dāng)加電壓V3時以P0和透射率T3的乘積得到P3。
透射的激光束2的輸出可以通過連續(xù)改變加給晶體61的電壓被連續(xù)改變。結(jié)果，可能獲得隨時間發(fā)生最佳變化的脈沖激光束2。
此解釋關(guān)注作為EO調(diào)制器6的Pockels單元61和偏振光分光片62的組合，但可以使用不同種類的偏振光元件。而且，在下面的解釋中，晶體61和偏振光分光片62(或不同種類的偏振光元件)的組合被稱作“EO調(diào)制器6”。
除了EO調(diào)制器，也可能使用AO(聲光)調(diào)制器?？墒且话阏f來，AO調(diào)制器的驅(qū)動頻率比EO調(diào)制器的低，所以不適用在要求高速升降和通過小的脈沖持續(xù)時間提取脈沖光束的情況。這時，使用像EO調(diào)制器6或AO調(diào)制器可能通過從連續(xù)波激光束用預(yù)期脈沖持續(xù)時間獲得具有預(yù)期波形(隨時間的能量變化)的脈沖激光束。可換句話說，可能執(zhí)行期望的時間調(diào)制。
連續(xù)變化透射率ND濾波器7是要調(diào)節(jié)照射樣品26的激光束2的輸出，并具有連續(xù)變化透射率。同時，在圖1中[濾波器7]被放置在EO調(diào)制器6之后，但當(dāng)損壞閾值足夠高時，如果偏振方向沒有被旋轉(zhuǎn)或線形偏振光在透射率改變時沒有被破壞[濾波器7]也可以被放置在EO調(diào)制器6之前。在這里使用具有圖6所示結(jié)構(gòu)的連續(xù)變化透射率ND濾波器7。它有對于激光束2的波長是透明的平板，例如石英板71和72，相對于垂直光軸73的平面74對稱地放置。當(dāng)對稱關(guān)系被保持的同時改變?nèi)肷浣?，并且透射的激光束的量改變?br> 當(dāng)進行調(diào)節(jié)從而線性偏振激光束2作為P偏振光發(fā)射到石英板71和72上時，在界面的入射角和反射角如圖7所示改變。當(dāng)界面上的反射率是R時透射率T可以被表達為T＝1-R。反射率是0，因此當(dāng)入射角是Brewster角時透射率變成1，意味著此角由tan-1(N)得到，其中石英板71和72的折射指數(shù)是N。當(dāng)入射角增加時，反射率增加并且透射率下降；當(dāng)入射角是90度時，反射率變成1從而透射率變成0。
相應(yīng)地，通過在Brewster角和90度之間改變?nèi)肷浣莵慝@得期望的反射率。在圖6所示的結(jié)構(gòu)中，在空氣和石英之間有四個界面。結(jié)果，總的透射率T變成了在界面的透射率的4次方，T4＝(1-R)4。
因為在有一個單板(石英板)時的尺寸限制，實際上，因為不可能獲得90度的入射角，這個限制就是幾個百分點的透射率。但是，通過指數(shù)地改變在石英和空氣之間的界面的數(shù)量容易地獲得低透射率。如圖8所示，當(dāng)結(jié)構(gòu)具有三個石英板71、71’、71”、72、72’、72”時存在12個界面。結(jié)果透射率T12被表達為T12＝(1-R)12并且不用把入射角變得很大而有效地降低了透射率。實際上，不可能把入射角變成90度，并且在石英板做得足夠大以至于透射率可以從5到100％之間連續(xù)改變時，容易獲得在0.05(5％)量級的透射率。
除此以外，在使用規(guī)則石英板的情況下有時有來自后表面的反射的影響，但是它可以通過在一個石英表面使用抗反射鍍層被抵消。同時，在使用多石英板的情況下，有時有來自相鄰石英板的反射的影響，但是它可以通過足夠地增加石英板間的空間被抵消。
此外，在激光束2的直徑小的情況下，可能使用由金屬薄膜或介電多層膜形成的ND濾波器從而透射率在透明基板平面被連續(xù)改變。同時，在不可能連續(xù)改變透射率的地方，此發(fā)明的目的可以通過順序地在ND濾波器間通過不同透射率或有不同透射率的多個ND濾波器組合的轉(zhuǎn)換而充分地獲得。自然地，可能借助控制泵激激光激光二極管的電流來調(diào)節(jié)激光輸出，但因為像在改變輸出的情況下要求特定時間量直到輸出變得穩(wěn)定的情況，這不是首選。
氣態(tài)或固態(tài)激光通常如圖9所示具有高斯能量分布，因此不改進關(guān)于本發(fā)明的激光退火就不能使用[這樣的激光]。如果振蕩器輸出足夠大，光束直徑就足夠?qū)挷⑶铱梢酝ㄟ^只提取中心里比較均勻的部分而獲得均勻能量分布。但是，光束的周邊地區(qū)被消除并且很大一部分能量被浪費了。
使用光束均勻器8是為了解決這個缺點并把高斯分布轉(zhuǎn)換成均勻分布。如圖9實例所示，這是一個蠅眼透鏡81和凸面透鏡82的組合，蠅眼透鏡81由一個二維棒狀透鏡陣列構(gòu)成。輸出光束被轉(zhuǎn)換成具有均勻分布的光束。除了蠅眼透鏡81，通過諸如兩個柱面透鏡的軸相交的柱面透鏡陣列和一個凸面透鏡的組合可以獲得同樣效果。
來自光束均勻器8的輸出光線通過柱面透鏡9被集中在唯一一個方向從而可以最終在矩形狹縫表面獲得具有均勻能量分布(但在橫向上具有高斯分布)的線性光束。其構(gòu)成為蠅眼透鏡81(或柱面透鏡陣列組合)、凸面透鏡82、和柱面透鏡9以便用來形成具有均勻能量分布的線性光束的結(jié)構(gòu)也可以用作光束均勻器。
另外，用來把[光束]集中為矩形或直線形的結(jié)構(gòu)可以通過多蠅眼透鏡或柱面透鏡陣列的布置來建立。關(guān)鍵是具有高斯分布的激光束可以被轉(zhuǎn)換成具有均勻能量密度分布的矩形或直線光束。
此外，如圖10所示，也可能使用通過透鏡84集中激光束2并使之進入空管85的萬花筒，并且輸出分布通過管85內(nèi)的多反射變得均勻。這種情況下，通過連續(xù)轉(zhuǎn)換獲得具有均勻能量密度分布的矩形或直線形激光束2，激光束2進入時是圓的，但出來時是矩形或直線形。否則，可以使用激光束2在其中被分成相互重疊的多個[光束]的棱鏡。
如圖11所示，通過使用電子矩形狹縫15從獲得的矩形或直線形光束中消除溢出部分，并且形成所要求尺寸的矩形或直線形狀。即便還有溢出也沒有問題，并且電動矩形狹縫15可以被釋放和允許全部激光束2穿過那里。此激光束2被照射從而通過物鏡25被投射到樣品26表面上。物鏡25的放大倍數(shù)是M時，電動矩形狹縫15的圖像或在電動狹縫15表面的激光束2的尺寸是放大倍數(shù)的倒數(shù)，即1/M。
但是，即便穿過電動矩形狹縫15的激光具有均勻能量分布，并且即便具有像規(guī)則YVO4激光束一樣的相干性的激光束2在經(jīng)過矩形狹縫15以矩形形成并打在樣品26的表面，由激光束2的波長決定的干涉圖案和物鏡25的NA在矩形狹縫15邊緣的衍射影響下發(fā)生，并且分布變得如圖12所示的不規(guī)則。除此以外，即使當(dāng)能量密度分布是部分的均勻，從干涉的影響中產(chǎn)生斑點圖案。
為了消除這些不規(guī)則，漫射器13被插入到光路中。這個漫射器13由石英基板形成，其表面上有1000到2000個網(wǎng)眼的不規(guī)則變異。簡單說，漫射器13的插入本身沒有效果，但當(dāng)漫射器13通過高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動設(shè)備12被高速旋轉(zhuǎn)時，激光束2隨時間向隨機的方向漫射并且光路長度和到達樣品26表面的傳播的方向是隨機改變的。
在一個激光束2的脈沖完成的期間內(nèi)激光束2被向各個方向漫射。結(jié)果，由于打到樣品表面的光路的長度是變化的，消除了作為干涉結(jié)果的能量密度分布的不規(guī)則性并且相干性被減弱。結(jié)果，如圖12中的虛線所示，獲得具有幾何均勻能量密度分布的投射圖像。
當(dāng)照射的激光束2的脈沖持續(xù)時間是10微秒時，激光束經(jīng)過離漫射器13中心50mm遠的地區(qū)被傳送，漫射器13以每分鐘6000轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)時在一個脈沖周期內(nèi)移動300微米。當(dāng)1000到2000網(wǎng)眼的平板用作漫射器13時，形成8到16微秒為周期的隨機變化。由于激光束的每一部分平均通過20或更多的變化，足夠可以消除干涉的影響并且激光束的相干性被減弱。
除此以外，基于目標(biāo)，可能希望比均勻能量密度分布更具體的能量密度分布，例如在直線光束橫向具有一個斜坡的分布，或能量密度在中心部分低在線性形成光束的橫向周邊部分高的分布。在那些情況下，通過在電動矩形狹縫15的光路上插入具有特定透射率分布的濾波器14來實現(xiàn)該目的。
同樣地，一個相板(例如，由厚SiO2膜隨機點形成的，相位在0，π/2弧度，π弧度3π/2弧度之間變化的玻璃基板)可以被用來替代漫射器并像漫射器一樣被高速旋轉(zhuǎn)。另一方面，振動元件可以被裝在鏡面150或151上，用于在如圖1所示的結(jié)構(gòu)中將激光束折轉(zhuǎn)90度，振動元件高頻振動，或最好是以與激光束被照射的時間(對應(yīng)于脈沖持續(xù)時間)同步的頻率振動，從而變化激光束2的光路長度并且可以消除干涉效果。
為了把激光束2射到樣品26上，在XY平面內(nèi)驅(qū)動工作臺28，同時激光束2以脈沖形式照射到期望的地點。但是，當(dāng)由于樣品26表面的不規(guī)則性或波動性焦點位置發(fā)生偏移時，發(fā)生能量密度的變化和放射形式的惡化并且目標(biāo)就無法實現(xiàn)了。由于這個原因，為了可能連續(xù)照射焦點位置，通過執(zhí)行控制，用自動聚焦光學(xué)系統(tǒng)24來檢測焦點位置和，從焦點位置發(fā)生偏離的情況下，在Z方向(高度方向)驅(qū)動工作臺28的控制來使在焦點位置的照射連續(xù)。
被激光束2照射的樣品26的表面可以被CCD照相機19通過來自照明光源18的入射光照下來并用監(jiān)視器22觀察。在激光照射過程中進行觀察的情況下，激光切割濾波器20被插入在CCD相機19之前，并通過被樣品26表面反射的激光可防止CCD相機19的光暈并阻止[相機]損壞。
用來測量照射樣品26的激光束2的輸出功率的功率儀29、和用來測量能量密度分布的光束輪廓器30被放置在工作臺28上。需要時，可以通過移動工作臺28、和在直接位于物鏡25下面或離開物鏡25的狀態(tài)下的光軸上安置上述功率儀29或光束輪廓器30的光線聚集部分，以此來測量激光輸出和能量分布(輪廓)。
由于光線聚集部分的低損壞閾值，有必要衰減光束輪廓的測量從而使能量密度分布不發(fā)生變化。因為這個原因，衰減濾波器(沒有表示)可以被插入到光路中。當(dāng)多個衰減濾波器被插入，反射光線被在濾波器之間再次反射，與被透射的光線重疊，并在許多情況下破壞了輪廓。結(jié)果，[濾波器]沒有被垂直于光軸插入，但可以相對于垂直于光軸的平面在濾波器之間以大間隔斜著插入。
為了與樣品26對準(zhǔn)，通過物鏡25和CCD相機19在多個地點形成樣品26上的對準(zhǔn)標(biāo)志或?qū)Ｓ脠D案，每個的處理通過圖像處理單元(沒有表示)執(zhí)行。對準(zhǔn)標(biāo)志的重心位置被檢測并且可以通過相對于XY 3軸移動工作臺28來執(zhí)行[對準(zhǔn)]。
圖1中，顯示了單一物鏡25，但可以在電動旋轉(zhuǎn)器上安裝多個物鏡，并且物鏡可以通過根據(jù)來自控制設(shè)備31的信號轉(zhuǎn)換[透鏡]來使用，這對于處理是理想的。具體地說，可以使用適合每個下述[處理]的物鏡當(dāng)加載樣品26時的大致對準(zhǔn)，在需要時的精確對準(zhǔn)，激光退火處理，處理后的觀察，和如下討論的對準(zhǔn)標(biāo)志的形式。自然也可能為了對準(zhǔn)安裝一個分離的光學(xué)系統(tǒng)(透鏡，成像設(shè)備，和發(fā)光設(shè)備)，可以通過使用于激光退火的光學(xué)系統(tǒng)是對準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)的兩倍，用相同光軸上的檢測來提高對準(zhǔn)精度。
下面用圖13的解釋作為本發(fā)明的一個實施例并使用上述關(guān)于本發(fā)明的使用激光退火設(shè)備的激光退火方法。如圖13A所示，多晶硅薄膜基板100[具有下述結(jié)構(gòu)]作為樣品26被使用在玻璃基板101的主平面上形成非晶硅薄膜，二者之間夾有絕緣薄膜102，并通過使用受激準(zhǔn)分子激光束掃描整個表面將非晶硅薄膜結(jié)晶成多晶硅薄膜103。絕緣薄膜102是SiO2、SiN、或它們的合成物薄膜。多晶硅薄膜基板100被放置在工作臺28上。
如圖13A所示，通常在這個多晶硅薄膜基板100的兩個地方形成對準(zhǔn)標(biāo)志104、104’。這些對準(zhǔn)標(biāo)志104、104’經(jīng)常利用光照蝕刻技術(shù)被形成，但只用于此目的而執(zhí)行光刻膠處理是很浪費的。因為這個原因，可以通過使用用于激光退火的激光束2連續(xù)照射到水平和垂直矩形中(例如用電動矩形狹縫15)并除去多晶硅薄膜，形成十字形標(biāo)志作為對準(zhǔn)標(biāo)志104、104’。在這種情況下，能量密度自然地被設(shè)置得高于執(zhí)行退火的情況。
工作臺28或光學(xué)系統(tǒng)如圖13B所示被移動的同時，根據(jù)基于對準(zhǔn)標(biāo)志104、104’的設(shè)計坐標(biāo)，物鏡25為退火而集中激光束105，激光束105有經(jīng)過EO調(diào)制器6的給定脈沖波形、由均勻器8和濾波器14給予期望的能量分布、且在穿過高速旋轉(zhuǎn)的漫射器13時失去了相干性。
被照射區(qū)域是例如為驅(qū)動每個像素的驅(qū)動電路形成的部分。當(dāng)多晶硅薄膜基板100按需要被相對移動并多次前后通過時，只是連續(xù)地照射需要的地區(qū)。根據(jù)此設(shè)備的結(jié)構(gòu)，相關(guān)掃描也可以通過移動光學(xué)系統(tǒng)執(zhí)行。
更具體地說，照射具有5如圖21A所示能量密度分布的激光束105。橫向的能量密度分布如圖21B所示是斜的，在掃描方向上能量密度增高。并且縱向上的能量密度分布變成如圖21C所示的均勻能量密度分布。而且，脈沖波形變成如圖21D所示的波形，其在初始均勻時期內(nèi)具有均勻能量而后線性降低。
被照射區(qū)域的尺寸是在比如500微米乘20微米的矩形內(nèi)。這個尺寸被激光振蕩器3的輸出決定；如果可能以一個足夠高的輸出振蕩就可以照射較大的區(qū)域。如圖21B所示橫向的能量密度被設(shè)置為從正向的能量密度到掃描方向相反的一邊線性地改變20％的大小。
同時，如圖21D所示，激光束105的照射時間(脈沖持續(xù)時間)被設(shè)置成在第一個10微秒內(nèi)具有恒定的能量然后在下一個5微秒內(nèi)線性降低。當(dāng)多晶硅薄膜基板100以100mm每秒的速度相對移動時，[激光束]以25微米的斜坡照射。因此，以25微米的斜坡形成500微米乘以20微米(以在上述15微秒激光照射時間內(nèi)移動的距離來看，在更嚴(yán)格的意義上這是500微米乘以21.5微米激光照射的區(qū)域)激光照射區(qū)域。
為了以精確的25微米斜坡照射激光束105，工作臺28或多晶硅薄膜基板100經(jīng)歷的距離可以被檢測并且EO調(diào)制器以25微米的移動操作。具體地說，比如線性編碼器或線性標(biāo)度尺(沒有表示)的距離測量設(shè)備可以被安裝在放置多晶硅薄膜基板100的工作臺28上，或者可以在工作臺28的驅(qū)動軸上安裝旋轉(zhuǎn)編碼器?？梢杂嫈?shù)對應(yīng)于25微米移動的編碼器輸出脈沖，和發(fā)射一個觸發(fā)信號來驅(qū)動EO調(diào)制器。
在這個系統(tǒng)中，以精確的25微米斜坡的照射是可能的，即使工作臺28的速度有些變化。自然地，當(dāng)照射激光束105時，工作臺28最好以恒定速度移動。在以恒定速度移動的情況下，EO調(diào)制器也可以在恒定時間間隔(在上述情況中，是250微秒的間隔)被驅(qū)動。但是，考慮到速度變化和工作臺28的不規(guī)則性，顯然更希望有一個用來檢測經(jīng)歷的距離的系統(tǒng)。
如圖15所示，多晶硅薄膜103在本實施例中作為被激發(fā)原子激光退火的基板來使用。利用激發(fā)原子激光退火獲得的多晶硅薄膜103是小晶粒120、121和尺寸不大于1微米(幾百納米)的晶粒的聚合。當(dāng)在圖中所示區(qū)域照射激光束時，激光照射區(qū)外的細小晶粒120保持它現(xiàn)有狀態(tài)，但在照射區(qū)域內(nèi)的細小晶體(比如，晶粒121)被熔化。
此后，隨著激光能量的減弱或停止照射，熔化的硅從低溫端到高溫端形成晶體并具有和沿著溫度梯度的晶種相同的晶體取向，這里晶種是保留在熔化區(qū)域邊緣的晶粒。此時晶粒的生長速度隨晶體取向改變，因此只有具有較快生長速度的晶體取向的晶粒最終保留。具體地說，如圖16所示，具有慢生長速度的晶體取向的晶粒122被周圍具有較快生長速度的晶體取向的晶粒所抑制，晶體生長就停止了。
同時，具有中等生長速度的晶體取向的晶粒123和124繼續(xù)生長，但被具有較高生長速度的晶粒的生長所抑制并且不久，它們的生長停止。最后，只有具有最快的生長速度的晶體取向的晶粒125、126、和127繼續(xù)生長。這些繼續(xù)生長到末端的晶粒125、126、和127在嚴(yán)格意義上說是單獨的晶粒，但具有大部分相同的晶體取向。熔化和再結(jié)晶的部分可以被有效地看作單晶體。
通過如上述討論的那樣在多晶硅薄膜103上照射激光束，只有多晶硅薄膜103被激光束105照射的部分如圖13C所示的島一樣被退火，只有具有特定晶體取向的晶粒被形成并在嚴(yán)格意義上是多晶狀態(tài)。但是，形成幾乎具有單晶體性質(zhì)的地區(qū)106。尤其是，這基本可以被看作是沒有交叉晶粒邊界的方向上的單晶體。
通過重復(fù)這些過程并連續(xù)在多晶硅薄膜基板100的相對掃描中要求退火的部分上連續(xù)照射激光105，將要形成驅(qū)動電路的二級管的部分全部轉(zhuǎn)換成幾乎具有單晶體性質(zhì)的區(qū)域106。除此以外，因為晶粒在單一方向上在幾乎具有單晶體性質(zhì)的區(qū)域106中生長如圖16所示，可以使電流方向與形成晶體管時晶粒生長的方向一致而避免流過晶粒邊界的電流。
晶粒生長方向可以由所照射激光束105的能量密度分布和激光束的掃描方向(實際上是工作臺的掃描方向)所控制。具體地說，如圖21B所示，當(dāng)給能量密度分布提供斜率時，晶粒開始從能量密度低的地方(低溫端)再結(jié)晶并向能量密度高的地方(高溫端)生長。
同時，通過激光束105的掃描，溫度從被照射區(qū)域的外部下降，開始再結(jié)晶，晶體在激光束掃描方向生長。用本實施例，獲得通過在橫向的受激準(zhǔn)分子激光退火生長大于1微米的晶粒尺寸，并且在縱向上生長大于10微米或更大的晶粒。
同時，在如圖19所示的激光照射區(qū)域301中，只包含具有高速生長速度的晶粒的部分可以被安置成驅(qū)動晶體管的有源層(有源區(qū)域)302、303。通過擴散攙雜處理和光照蝕刻處理，有源區(qū)域302，303以外[的部分]被除去。利用如圖20所示的光照蝕刻處理，形成在具有電阻性連接的柵絕緣膜上的柵極電極305、源電極306和漏極電極307[原文-307]，并且完成晶體管。晶粒邊界304、304’出現(xiàn)在有源層303中。但是，因為電流在源極電極306和漏極電極307之間流動，電流不經(jīng)過晶粒邊界304、304’，并且獲得基本等于單晶體結(jié)構(gòu)情況的遷移率。
如上所述，通過使電流方向與不經(jīng)過根據(jù)本發(fā)明的激光退火熔化或再結(jié)晶的部分的晶界的方向一致，遷移率可以被提高到兩倍或更多倍于只經(jīng)過受激準(zhǔn)分子激光退火的多晶硅薄膜103的遷移率。此遷移率的值對于可以高速驅(qū)動的液晶驅(qū)動電路的形成是足夠的了。
另一方面，在只經(jīng)過受激準(zhǔn)分子激光退火的多晶硅薄膜103的區(qū)域中形成像素開關(guān)晶體管。因為在受激準(zhǔn)分子激光退火獲得的多晶硅膜中晶粒是細小的而且隨機取向，遷移率和通過本發(fā)明的激光退火獲得的晶粒相比是低的，但用作像素開關(guān)晶體管是足夠了。
在一些情況下，即使非晶硅膜也足夠用作像素開關(guān)晶體管。在那個情況下，受激準(zhǔn)分子激光的退火被限制在只用來形成驅(qū)動電路的區(qū)域，并且可以隨后執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的激光退火方法。
上述討論的程序可以如圖24和25所示的流程圖中被集中表示。具體地說，絕緣膜的形成和硅膜的形成都在基板上執(zhí)行，并在受激準(zhǔn)分子激光退火后，根據(jù)本發(fā)明的激光退火只在用于形成驅(qū)動電路的部分被執(zhí)行。
為了更具體地解釋根據(jù)本發(fā)明的激光退火，如圖25所示的程序，經(jīng)受受激準(zhǔn)分子激光退火的基板被裝在關(guān)于本分明的激光退火設(shè)備中，在基板邊緣或角落執(zhí)行預(yù)對準(zhǔn)，并且對準(zhǔn)標(biāo)志通過激光處理而形成。在對準(zhǔn)標(biāo)志被檢測并且對準(zhǔn)(精細對準(zhǔn))被執(zhí)行后，只在根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)形成驅(qū)動電路的那些部分執(zhí)行激光退火。在將[基板]裝在激光退火裝置中時用光刻膠處理形成對準(zhǔn)標(biāo)志的情況下，預(yù)對準(zhǔn)和對準(zhǔn)標(biāo)志形成處理是不需要的。重復(fù)上述過程直到預(yù)期區(qū)域被完全退火后傳送基板。
然后，如圖24中的流程圖所示，經(jīng)過光照蝕刻處理，根據(jù)對準(zhǔn)標(biāo)志104、104’或根據(jù)從對準(zhǔn)標(biāo)志104、104’計算的原始坐標(biāo)，多晶硅薄膜島只保留在需要的部分中。其后，通過光刻膠處理執(zhí)行柵絕緣膜的形成和柵極的形成，然后執(zhí)行雜質(zhì)摻入和被摻入的雜質(zhì)的活化。
然后，通過比如夾層絕緣膜的形成、源極和漏極電極的形成、保護膜(鈍化膜)的形成等的光刻膠處理，在多晶硅薄膜基板100上形成驅(qū)動電路107、107’和像素109如圖14A所示，并且完成TFT裝置。此外，執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的激光退火后，對準(zhǔn)標(biāo)志104、104’被用于定位在至少一個光刻膠處理中。其后，新形成的對準(zhǔn)標(biāo)志可以用在上述光刻膠處理中。
然后，通過用于在TFT裝置上安放彩色濾波器109的LCD工序(面板處理)，通過以下工序比如取向膜的形成和摩擦的過程、和如圖14B所示在其中密封液晶材料、和如圖14C所示的和背光(沒有表示)一起放置于底盤110中的模塊處理，完成了具有高速驅(qū)動電路的液晶顯示裝置。
包括應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的激光退火制造的液晶顯示設(shè)備的產(chǎn)品實例包括以下內(nèi)容如圖26A所示的液晶電視401的顯示部分，如圖26B所示的便攜電話402的顯示部分，或如圖26C所示的筆記本電腦403的顯示部分，加上包括在汽車儀表盤里的不同種儀器的顯示部分，以及便攜游戲裝置的顯示部分。
接下來，通過圖17解釋另一個根據(jù)本發(fā)明的激光退火設(shè)備的實施例。本實施例包括其上加載一個可以從之得到多個面板200、200’、200”的大基板201的工作臺202；提供給激光照射系統(tǒng)的多個光學(xué)透鏡筒203、203’、203”；用于獨立調(diào)整每個上述光學(xué)透鏡筒位置的調(diào)整工作臺204(用于光學(xué)透鏡203’，203”的調(diào)整工作臺沒有被表示)；和用于支持上述調(diào)整工作臺204的架205(在圖中部分表示)。
如圖18所示，包含下面內(nèi)容的激光放射光學(xué)系統(tǒng)被容納在光學(xué)透鏡筒203中激光振蕩器210，光閘211，光束擴展器212，EO調(diào)制器213，光束均勻器214，高速旋轉(zhuǎn)漫射器215，矩形狹縫216，物鏡217，CCD照相機218，和用于獲得期望的能量密度分布的濾波器219。除此以外，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，盡管下述內(nèi)容在圖18中省略了用于觀察的照明設(shè)備，用于參考光束的光源設(shè)備，和觀察監(jiān)視器，用于漫射的高速旋轉(zhuǎn)裝置，自動對焦的光學(xué)系統(tǒng)，圖像處理單元，控制設(shè)備等等。
每個部分的功能都是與如圖1所示的激光退火設(shè)備相同的，這里就不詳細涉及了。不同的方面如下激光照射光學(xué)系統(tǒng)的多個組(圖17中是三個組)均被容納在分別的光學(xué)透鏡筒203、203’、203”中；它們中的每一個都被固定在可以被獨立地在XYZ[方向]上移動的調(diào)整工作臺204上；可能進行位置調(diào)整從而每個光學(xué)透鏡筒203、203’、203”可以在每個面板的相同位置上照射激光束，并且激光退火可以在多個地點同時執(zhí)行。
接下來解釋使用上述激光退火設(shè)備的激光退火方法。如圖13A所示，使用的基板201是具有同多晶硅薄膜基板100一樣結(jié)構(gòu)的基板，其中在玻璃基板101的主表面上形成非晶硅薄膜，在中間帶有絕緣薄膜102，并且非晶硅薄膜103通過在整個表面掃描受激準(zhǔn)分子激光而被再結(jié)晶。絕緣薄膜102是SiO2，SiN，或它們的合成物?？梢栽诙嗑Ч璞∧せ?01上形成多個面板(在圖17中三個面板被形成在一個基板上)。
基板201被加載在工作臺202上。在多個區(qū)域中的多個位置形成對準(zhǔn)標(biāo)志(沒畫)，這里，每個面板200、200’、200”將被形成在這個多晶硅薄膜基板201上。這些對準(zhǔn)標(biāo)志通常通過光照蝕刻技術(shù)形成，并且只為這個目的而執(zhí)行光刻膠處理是浪費的。
由于這個原因，檢測了多晶硅薄膜基板201的角落并執(zhí)行了大致對準(zhǔn)后，通過例如連續(xù)用矩形狹縫216將用于從光學(xué)透鏡筒(例如203)將激光束形成為垂直和水平矩形并除去多晶硅薄膜，在每個面板200、200’、200”上的多個位置形成十字形標(biāo)志作為對準(zhǔn)標(biāo)志。否則，對準(zhǔn)每個光學(xué)透鏡簡203、203’、203”到預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)位置后，在多個位置203、203’、203”[原文]形成十字型標(biāo)志作為對準(zhǔn)標(biāo)志。
接下來，在兩個位置的對準(zhǔn)標(biāo)志通過CCD相機218被連續(xù)成像在一個光學(xué)透鏡筒(比如203)上，位置重心由此被檢測，并且基于對準(zhǔn)標(biāo)志，通過根據(jù)設(shè)計坐標(biāo)的XY 3軸移動工作臺202來執(zhí)行基板201的精確對準(zhǔn)。除此以外，用于執(zhí)行退火的光學(xué)透鏡筒的CCD相機被用來檢測對準(zhǔn)標(biāo)志，但可以附加地安裝對準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)。這種情況下，可以通過單光學(xué)系統(tǒng)連續(xù)檢測多個對準(zhǔn)標(biāo)志，或者可以通過多個光學(xué)系統(tǒng)同時檢測多個對準(zhǔn)標(biāo)志。
然后，移動工作臺202從而用于每個面板200、200’、200”的每個對準(zhǔn)標(biāo)志的地點根據(jù)設(shè)計坐標(biāo)進入每個光學(xué)透鏡筒的視野。每個光學(xué)透鏡筒203、203’、203”的CCD相機218上成像對準(zhǔn)標(biāo)志，并且利用每個光學(xué)透鏡筒203、203’、203”的調(diào)整工作臺204調(diào)整位置從而重心與視野中心重合。每個光學(xué)透鏡筒203、203’、203”的位置由此被調(diào)整從而照射在基板201上形成的面板200、200’、200”上的相同位置。
其后，激光束只照射并退火那些根據(jù)如上討論的設(shè)計數(shù)據(jù)要在每個面板200、200’、200”上形成驅(qū)動電路的有源層(有源區(qū)域)的部分。
如上討論的，被照射的激光束具有由EO調(diào)制器213而給定的脈沖波形，由于均勻器214和所需的投射濾波器而造成的預(yù)期能量密度分布通過高速旋轉(zhuǎn)的漫射器215被漫射，喪失了相干性，通過矩形狹縫216被形成矩形，并通過物鏡217被集中和照射。需要時，來自均勻器214的輸出構(gòu)成形成矩形或直線形光束。
被激光束照射的區(qū)域是例如用來形成驅(qū)動每個像素的驅(qū)動電路的區(qū)域。隨著工作臺202移動連續(xù)照射所需區(qū)域和掃描多晶硅薄膜基板201。此時，每個光學(xué)透鏡筒203、203’、203”通過在加載了每個光學(xué)透鏡筒203、203’、203”的調(diào)整工作臺204的Z方向上獨立移動而被自動對焦機構(gòu)(沒有表示)所控制，從而所有物鏡與基板201表面具有恒定的物理關(guān)系。
當(dāng)大量的小面板被排列在單基板上時，可以通過對每幾個面板執(zhí)行退火、移動一個面板的距離、和再一次重復(fù)退火過程而對所有面板執(zhí)行退火。具體地說，如圖22A所示，對于在基板251上形成九行面板并且用三個光學(xué)透鏡筒退火的情況解釋[該過程]。
從基板251右端開始通過三個光學(xué)透鏡筒250、250’、250”對每3行執(zhí)行退火。當(dāng)對第一、第四和第七行面板的退火結(jié)束并且形成熔化和再結(jié)晶區(qū)域252、252’、252”時，基板251就被向右移動了一行，或者光學(xué)透鏡筒250、250’、250”組被向左移動一行，如圖22B所示，并且退火第二，第五，和第八行面板。
當(dāng)以同樣的方法移動又一個面板的距離后，執(zhí)行第三、第六、和第九行面板的退火并且基板251的退火結(jié)束。需要時，向被描繪的掃描方向以直角進行掃描的情況下，基板251可以被旋轉(zhuǎn)90度，轉(zhuǎn)換激光束的橫向和縱向，并且掃描方向改變。
在改變掃描方向的情況下，如圖23A所示，在第一列面板的三個面板從基板251的右端開始用每個光學(xué)透鏡筒250、250’、250”退火，并且形成熔化和再結(jié)晶區(qū)域254、254’、254”。接著，如圖23B所示，工作臺或光學(xué)透鏡筒在垂直于掃描方向的方向上被移動一個面板的距離，并且退火在第二列的三個面板。這個過程按需要重復(fù)多次，所有的面板都被退火，然后[處理]結(jié)束。
如圖15解釋的，在基板201上形成的多晶硅膜是一微米或更小(幾百納米)的細小晶粒的聚合。當(dāng)激光被照射到這個晶粒聚合上時，被激光照射區(qū)域以外的細小晶粒保持它們的原有狀態(tài)，但在被照射區(qū)域以內(nèi)的細小晶粒被熔化。其后，用在被熔化區(qū)域周邊的作為殘余晶粒的晶種，在熔化的硅膜中生長具有晶種的晶體取向的晶體。
因為晶粒在此時的生長速度依賴晶體取向變化，只有那些具有最快生長速度的晶體取向的晶粒最終保留下來。具體地說，如圖16所示，具有慢生長速度的晶體取向的晶粒122被具有較快生長速度的晶體取向的晶粒的生長所抑制，然后晶體生長停止。同時，具有中等生長速度的晶體取向的晶粒123和124但被具有高生長速度的晶粒125，126和127的生長所抑制并且不久，它們的形成停止。最后，只有具有快的生長速度的晶體取向的晶粒125、126、和127繼續(xù)生長。
繼續(xù)生長到末端的晶粒125、126、和127從嚴(yán)格意義上說是獨立晶粒，但是大多具有相同的晶體取向。熔化和再結(jié)晶部分可以被有效地看作單晶體。具體地說，如圖13C所示，只有多晶硅薄膜103被激光束105照射的部分像島一樣被退火并且從嚴(yán)格意義上說是在多晶狀態(tài)下。但是，形成幾乎具有單晶體性質(zhì)的區(qū)域106。
通過在掃描基板201和在需要退火的部分連續(xù)照射激光束的同時重復(fù)這些過程，要形成驅(qū)動電路晶體管的區(qū)域都可以被轉(zhuǎn)換為幾乎具有單晶體性質(zhì)的區(qū)域。除此以外，因為晶粒在一致的方向上在幾乎具有單晶體性質(zhì)的區(qū)域中生長，如圖16所示可以通過使電流方向與當(dāng)晶體管形成時晶粒生長的方向一致而被避免流過晶粒邊界的電流。
晶粒生長的方向可以被照射出的激光束的能量密度分布和激光束掃描方向(實際上是，工作臺的掃描方向)控制。具體地說，當(dāng)給能量密度分布提供一個斜坡時，在結(jié)晶從能量密度低(低溫端)的地方開始并且[晶體]向能量密度高(高溫端)的地方生長。
同時，被照射區(qū)域由于掃描激光束和從與被照射區(qū)域分離的地區(qū)溫度開始下降而發(fā)生移動。因此結(jié)晶化開始并且晶體在激光束掃描方向上生長。用本實施例，可以獲得橫向利用受激準(zhǔn)分子激光的退火生長得比1微米晶粒尺寸大的，并且縱向生長到10微米或更大的晶粒。同時，可以獲得10微米或更大的晶粒。
在如圖19所示的被激光照射區(qū)域301中，可以將僅由具有高生長速度的晶粒組成的部分安置成驅(qū)動晶體管的有源層(有源區(qū)域)302，303。經(jīng)過摻雜處理和光照蝕刻處理，有源區(qū)域302，303以外的[地區(qū)]被除去。利用如圖20所示的光刻膠處理，形成具有電阻性連接的在柵絕緣膜上的柵極電極305、源極電極306和漏極電極307，并且完成晶體管。
晶粒邊界304、304’出現(xiàn)在有源區(qū)域303中。但是，因為電流在源極電極306和漏極電極307之間流動，電流不流過晶粒邊界304、304’，獲得基本等于由單晶體組成的情況的遷移率。具體地說，熔化和再結(jié)晶的部分的遷移率可以被增加到兩倍或更多倍于只經(jīng)受受激準(zhǔn)分子激光退火的多晶硅薄膜的地區(qū)。從而，可以在TFT裝置上形成高速驅(qū)動的液晶驅(qū)動電路。
除此以外，如圖20所示的晶體管只是一個實例并且[本發(fā)明]并不限于此。此晶體管可以有多種不同結(jié)構(gòu)，但顯然可能形成具有不離開本發(fā)明實質(zhì)的多種結(jié)構(gòu)的晶體管。
另一方面，在只經(jīng)受受激準(zhǔn)分子激光退火的多晶硅薄膜103區(qū)域中形成像素開關(guān)晶體管。具體地說，根據(jù)對準(zhǔn)標(biāo)志或根據(jù)從對準(zhǔn)標(biāo)志計算的原始坐標(biāo)，經(jīng)過例如柵絕緣膜的形成、柵極電極的形成、摻雜、被摻入?yún)^(qū)域的活化、源和漏極電極的形成、鈍化膜的形成等光刻膠處理完成TFT裝置。激光處理形成的對準(zhǔn)標(biāo)志作為用于光刻膠處理的對準(zhǔn)標(biāo)志被用在最少一個光刻膠處理的定位中。其后，新形成的對準(zhǔn)標(biāo)志可以被用在上述的光刻膠處理中。
然后，經(jīng)過用于在被完成的TFT裝置上形成有向膜的LCD(面板)處理，并經(jīng)過摩擦處理在TFT裝置上放置彩色濾波器和在那里密封液晶材料，和用于和背光(沒有表示)之類一起放置于底盤中的模塊處理，完成具有形成在玻璃基板上的高速驅(qū)動電路的液晶顯示裝置(一個所謂的面板上的系統(tǒng)或顯示器中的系統(tǒng))。
如上所述，涉及本發(fā)明的激光退火設(shè)備和激光退火方法的效果是，通過照射沒有干涉影響的激光束、具有用于退火被照射部分的適當(dāng)能量密度分布、以及具有用于退火的最佳脈沖持續(xù)時間和適當(dāng)?shù)碾S時間的能量改變，能夠使非晶硅或多晶硅薄膜的晶粒在預(yù)期方向上生長，將該膜轉(zhuǎn)化為包括尺寸大于10微米的晶粒的多晶硅薄膜，并大大提高多晶硅薄膜的遷移率。
同時，關(guān)于本發(fā)明的TFT裝置可能有這樣的效果在基板上產(chǎn)生高速驅(qū)動電路并且實現(xiàn)所謂的在面板上的系統(tǒng)或顯示器中的系統(tǒng)。
我們已經(jīng)表示和描述了多個根據(jù)本發(fā)明的實施例，要知道，被公開的實施例容許不離開此發(fā)明的范圍的變化和修改。因此，我們不打算一定要詳細地在這里表示和描述，而是要包含在附加的要求書的范圍內(nèi)的所有變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種激光退火設(shè)備包括在支撐樣品的狀態(tài)中可以移動的工作臺裝置；用于發(fā)射激光束的激光束源裝置；用于根據(jù)時間調(diào)制從激光束源裝置發(fā)射的激光束的能量的調(diào)制裝置；用于將從激光束源裝置發(fā)射的所述激光束調(diào)整到具有所需的空間能量分布的能量分布調(diào)整裝置；用于降低從激光束源裝置發(fā)射的所述激光束的相干性的相干性降低裝置；用于將已經(jīng)通過所述調(diào)制裝置、所述能量分布調(diào)整裝置和所述相干性降低裝置的激光束投射到所述樣品表面的投射光學(xué)系統(tǒng)裝置。
2.一種激光退火設(shè)備包括在支撐樣品的狀態(tài)中可以移動的工作臺裝置；用于發(fā)射激光束的激光束源裝置；用于根據(jù)時間調(diào)制從激光束源裝置發(fā)射的激光束的能量的調(diào)制裝置；用于使從激光束源裝置發(fā)射的所述激光束的截面形狀成形的成形裝置；用于降低從激光束源裝置發(fā)射的所述激光束的相干性的相干性降低裝置；用于將已經(jīng)通過所述調(diào)制裝置、所述成形裝置和所述相干性降低裝置的激光束投射到所述樣品表面的投射光學(xué)系統(tǒng)裝置。
3.一種激光退火設(shè)備包括在支撐樣品的狀態(tài)中可以移動的工作臺裝置；用于發(fā)射激光束的激光束源裝置；用于調(diào)制從激光束源裝置發(fā)射的并且當(dāng)所述光閘裝置打開時的一個時期內(nèi)通過所述光閘裝置的激光束的能量的調(diào)制裝置；用于將從激光束源裝置發(fā)射的所述激光束調(diào)整到具有所需的空間能量分布的能量分布調(diào)整裝置；用于降低從激光束源裝置發(fā)射的所述激光束的相干性的相干性降低裝置；和用于將已經(jīng)通過所述調(diào)制裝置、所述能量分布調(diào)整裝置和所述相干性降低裝置的激光束投射到所述樣品表面的投射光學(xué)系統(tǒng)裝置。
4.一種激光退火設(shè)備包括在支撐樣品的狀態(tài)中可以移動的工作臺裝置；用于發(fā)射激光束的激光束源裝置；用于根據(jù)時間調(diào)制從激光束源裝置發(fā)射的并且通過所述光閘裝置的激光束的能量的調(diào)制裝置；用于將從激光束源裝置發(fā)射的所述激光束調(diào)整到具有所需的空間能量分布的能量分布調(diào)整裝置；和用于將已經(jīng)通過所述調(diào)制裝置和所述能量分布調(diào)整裝置的激光束投射到所述樣品表面的投射光學(xué)系統(tǒng)裝置。
5.依據(jù)權(quán)利要求1的激光退火設(shè)備，其中用于根據(jù)時間調(diào)制所述激光束的調(diào)制裝置是電光調(diào)制器。
6.依據(jù)權(quán)利要求1的激光退火設(shè)備，其中所述能量分布調(diào)整裝置包括光束均勻器、具有所需的透射率分布的濾波器、和矩形狹縫。
7.依據(jù)權(quán)利要求1的激光退火設(shè)備，其中所述相干性降低裝置是高速旋轉(zhuǎn)的漫射器。
8.依據(jù)權(quán)利要求1的激光退火設(shè)備，其中所述激光束源裝置產(chǎn)生YVO4激光的二次諧波。
9.依據(jù)權(quán)利要求1的激光退火設(shè)備，還包括用于控制所述投射光學(xué)系統(tǒng)的焦點位置和所述樣品表面之間關(guān)系的自動對焦機構(gòu)。
10.一種用于通過下述步驟使在樣品表面上形成的薄膜退火的激光退火方法根據(jù)時間調(diào)制從激光束源發(fā)射的激光束的能量；調(diào)整其能量已經(jīng)被調(diào)制的激光束的能量分布；和發(fā)射其能量已經(jīng)根據(jù)時間被調(diào)制并且其能量分布已經(jīng)被調(diào)整的所述激光束，以便于掃描具有在表面上形成的薄膜的樣品的表面。
11.一種用于通過下述步驟使在樣品表面上的薄膜的預(yù)期區(qū)域退火的激光退火方法根據(jù)時間調(diào)制從激光束源發(fā)射的激光束的能量；使其能量已經(jīng)被調(diào)制的激光束的截面形狀成形；和輻射其能量已經(jīng)根據(jù)時間被調(diào)制并且其截面形狀已經(jīng)被成形的所述激光束，以便于掃描具有在表面上形成的薄膜的樣品的表面。
12.一種用于通過下述步驟使在樣品表面上的薄膜部分退火的激光退火方法根據(jù)時間調(diào)制從激光束源發(fā)射的激光束的能量；調(diào)整其能量已經(jīng)根據(jù)時間被調(diào)制的激光束的能量分布；和在具有在表面上形成薄膜的樣品的表面上間斷發(fā)射其能量已經(jīng)根據(jù)時間被調(diào)制并且其能量分布已經(jīng)被調(diào)整的所述激光束。
13.依據(jù)權(quán)利要求10的激光退火方法，其中利用電光調(diào)制器根據(jù)時間來調(diào)制所述激光束。
14.依據(jù)權(quán)利要求10的激光退火方法，其中利用光束均勻器、具有所需的透射率分布的濾波器和矩形狹縫來調(diào)整所述激光束能量分布。
15.一種激光退火方法包括利用時間調(diào)制裝置將連續(xù)的激光束轉(zhuǎn)換成具有所需波形的脈沖激光束；利用空間調(diào)制裝置將所述脈沖激光束轉(zhuǎn)換成具有所需的能量分布的激光束；集中所述具有所需能量分布的激光束；和當(dāng)在具有插入其間的絕緣薄膜的玻璃基板上形成的非晶或者多晶硅薄膜上相對掃描的時候，只在所需的區(qū)域上照射集中的激光束。
16.一種激光退火方法包括利用時間調(diào)制裝置將連續(xù)的激光束轉(zhuǎn)換成具有所需波形的脈沖激光束；利用空間調(diào)制裝置將所述脈沖激光束轉(zhuǎn)換成具有所需的能量分布的激光束；在利用不相干光學(xué)系統(tǒng)降低所述激光束的相干性之后集中激光束；當(dāng)在具有插入其間的絕緣薄膜的玻璃基板上形成的非晶或者多晶硅薄膜上相對掃描的時候，只在所需的區(qū)域上照射集中的激光束。
17.一種激光退火方法包括用于在具有插入其間的絕緣薄膜的玻璃基板上形成的非晶硅薄膜的整個表面上照射受激準(zhǔn)分子激光、并且將所述非晶硅薄膜轉(zhuǎn)換成多晶硅薄膜的過程；和用于只在用于形成驅(qū)動電路的區(qū)域上照射要成為具有所需的脈沖波形和所需的能量分布的矩形或者直線形激光束的過程。
18.一種激光退火方法包括用于在具有插入其間的絕緣薄膜的玻璃基板上形成的非晶硅薄膜的整個表面上照射受激準(zhǔn)分子激光、并且將所述非晶硅薄膜轉(zhuǎn)換成多晶硅薄膜的過程；用于在所述多晶硅薄膜的多個位置處照射激光束并且形成對準(zhǔn)標(biāo)志的過程；和用于根據(jù)所述對準(zhǔn)標(biāo)志的位置來檢測所述對準(zhǔn)標(biāo)志、并且只在用于形成驅(qū)動電路的區(qū)域上照射具有所需的脈沖波形和所需的能量分布的矩形或者直線形激光束的過程；其中所述對準(zhǔn)標(biāo)志用于在至少一個不游光刻膠處理中定位。
19.一種具有在玻璃基板上形成的像素部分和驅(qū)動電路部分的TFT裝置其中構(gòu)成所述驅(qū)動電路的晶體管的有源層(有源區(qū)域)至少包含多晶硅，多晶硅包括不具有與電流方向相交叉的晶粒晶界的晶體。
20.一種具有在玻璃基板上形成的像素部分和驅(qū)動電路部分的TFT裝置其中形成所述像素部分的開關(guān)晶體管的有源層(有源區(qū)域)包括非晶或者多晶硅；和構(gòu)成所述驅(qū)動電路的晶體管的有源區(qū)域的多晶硅具有比構(gòu)成所述開關(guān)晶體管的有源層(有源區(qū)域)的非晶硅或者多晶硅更大的晶粒尺寸。
21.一種包括在具有在其上形成的多晶硅薄膜的玻璃基板上形成的像素部分和在像素部分周圍形成的驅(qū)動電路部分的TFT裝置；其中在相同的硅晶粒上布置構(gòu)成所述驅(qū)動電路的晶體管的柵極電極、源極電極和漏極電極。
全文摘要
利用物鏡集中激光束并且將其輻射到具有1微米或者更小的晶粒大小的非晶硅薄膜或者多晶硅薄膜上，從連續(xù)波形激光束開始處理激光束，(1)以便于利用EO調(diào)制器使其脈動并且在脈動時具有任意的隨著時間的能量變化；(2)利用光束均勻器、具有任意透射率分布的濾波器和矩形狹縫使得具有任意的空間能量分布；和(3)利用高速旋轉(zhuǎn)的漫射器來除去相干性。這樣，有可能實現(xiàn)一種液晶顯示設(shè)備，其中，在TFT面板裝置中包含驅(qū)動電路，該驅(qū)動電路包括具有與單晶體屬性基本相同的多晶硅膜。
文檔編號B23K26/073GK1414616SQ02154549
公開日2003年4月30日 申請日期2002年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月10日
發(fā)明者本鄉(xiāng)干雄, 宇都幸雄, 野本峰生, 中田俊彥, 波多野睦子, 山口伸也, 大倉理 申請人:株式會社日立制作所