專利名稱：激光輻射方法及激光輻射裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及到激光輻射方法及激光輻射裝置，此激光輻射方法及激光輻射裝置適合于例如結晶化非晶半導體膜，并能夠將強度分布均勻的線性激光束投射到輻射表面。更具體地說，本發明涉及到采用柱面透鏡的激光輻射方法及裝置，此激光輻射方法及裝置能夠形成強度分布均勻的激光束，并將此強度分布均勻的線性激光束投射到輻射表面上而不引起反映原激光束強度分布的線性激光束強度分布的偏離(bias)。
背景技術：
通常，借助于熱處理或激光退火方法使非晶半導體硅膜結晶化，來制造半導體器件。由于熱處理是在高溫下進行，故玻璃襯底出現例如熱造成的軟化問題。激光退火優越于熱處理之處在于能夠避免這種問題。例如，當以利用光學系統將脈沖準分子激光束成形為線性激光束斑之后，將此線性激光束斑掃描在非晶硅膜上的方式執行激光輻射時，就能夠得到多晶硅膜。
盡管有上述優點，但由于線性激光束的強度分布在激光束被掃描時發生起伏，故激光退火存在著膜上輻射不均勻的問題。這一輻射不均勻性使襯底中的半導體特性改變。因此，當利用存在著輻射不均勻性的膜來制造集成有驅動器和象素的顯示器件(平板上系統)，此輻射不均勻性就直接表現在顯示器件的屏幕上。特別是當制造典型為EL顯示器的具有高精度和高性能的顯示器件時，此輻射不均勻性就引起問題。
在用激光輻射裝置來形成線性激光束的情況下，從激光振蕩器發射的激光束(以下稱為原束)通常被柱面透鏡陣列分割。然后，分割后的激光束被柱面透鏡疊加，因此就在輻射表面上形成線性激光束。當這種線性激光束被用來加工半導體膜時，要求線性激光束具有高的均勻性，其中的能量密度起伏要求在百分之幾以內。
但當不滿足這一要求時，例如當線性激光束沿長軸方向(即縱向)的能量分布不均勻時，就難以在最佳能量范圍內在沿長軸方向的整個區域執行激光處理。結果就不可能均勻地處理襯底的整個表面，于是出現輻射不均勻性。亦即，在線性激光束的能量分布沿長軸方向依賴于原束的強度分布而起伏的情況下，就出現反映單位時間的原束強度分布改變的輻射不均勻性。
通常，為了提高線性激光束的均勻性而增大構成柱面透鏡陣列的柱面透鏡的數目，以使原束被分割成更多的光束。但隨著分割的光束的數目的增大，分割光束之間的干涉變得明顯，這可能導致在輻射表面上出現干涉條紋。而且，當利用其寬度與長度之間的寬高比都大的柱面透鏡來制造柱面透鏡陣列時，難以達到足夠的強度和透鏡精度；因而難以獲得所希望的光束。因此，實際上難以將分割光束的數目增大到激光輻射中的預定數目以上。
當原束的強度分布在一個方向上有偏離時，各個分割光束的強度分布也有偏離。因此通過組合在輻射表面上的分割光束而形成的線性激光束也反映了原束分布的偏離。雖然分割光束的數目增大了，但線性激光束的強度分布以同樣的方式在長軸方向上有偏離；因而不可能進行均勻的加工。如上所述，在利用常規柱面透鏡陣列來使激光束均勻的情況下，當原束不具有對稱的強度分布時，不可能在輻射表面上形成均勻的激光束。
而且，在氣體激光器的情況下，必須對密閉有介質氣體的且其中激發激光束的管進行冷卻。由于激光器的振蕩特性受例如冷卻水流量的起伏的影響，故原束的強度分布可能起伏。而且，已知原束的強度分布可能由于共振腔中元件的熱變形而起伏。此外，原束的強度分布可能由于其它各種因素而起伏。包括常規柱面透鏡的光學系統對于原束的起伏是敏感的。
為了均勻而穩定地對目標進行加工，要求光學系統能夠持續地形成均勻的線性激光束而不依賴于原束的強度分布。而且，要求光學系統對原束強度分布的起伏較不敏感。因此，需要這樣的激光輻射方法及激光輻射裝置，其能夠投射強度分布均勻的線性激光束而不受原束強度分布的影響。包括柱面透鏡的激光退火裝置已經被本發明人申請了專利(見參考文獻1日本待審專利申請No.10-253916)。此激光退火裝置包括凸柱面透鏡和凹柱面透鏡交替排列的柱面透鏡陣列。
發明內容
本發明的目的是提供一種激光輻射方法及激光輻射裝置，此激光輻射方法及激光輻射裝置適合于例如結晶化非晶半導體膜，并能夠提供強度分布均勻的激光束而不引起反映原激光束強度分布偏離的能量強度的偏離。要指出的是，本發明采用了柱面透鏡來使采用不同于參考文獻1所述的結構的光學對準變得容易。
如上所述，本發明的目的是提供一種激光輻射方法及激光輻射裝置，此激光輻射方法及激光輻射裝置適合于例如結晶化非晶半導體膜，并能夠將強度分布均勻的線性激光束投射到輻射表面。根據本發明的激光輻射方法包含下列步驟通過兩種柱面透鏡陣列對激光振蕩器發射的激光束進行分割而形成能量強度分布相反的兩種線性激光束，以及投射該兩種線性激光束，以便使它們在短軸方向疊加。根據本發明的激光輻射裝置包含激光振蕩器；兩種柱面透鏡陣列，用來將激光振蕩器發射的激光束分割成能量強度分布相反的多個光束；會聚透鏡，用來沿短軸方向疊加被所述兩種陣列分割的光束以便形成線性激光束；以及用來安裝輻射表面的平臺，透過會聚透鏡的激光透射到該平臺上。
在本發明的激光輻射方法和激光輻射裝置中，兩種柱面透鏡陣列優選具有下列結構中的任一種凹柱面透鏡陣列與凸柱面透鏡陣列沿它們的母線連接；以及其中凸柱面透鏡和凹柱面透鏡沿曲率方向交替排列的第一組合柱面透鏡陣列，被連接到其中凸柱面透鏡和凹柱面透鏡以相反于第一組合柱面透鏡陣列的方式沿曲率方向交替排列的第二組合柱面透鏡陣列。具體地說，在后一種結構中，第一組合柱面透鏡陣列中的凹柱面透鏡優選與第二組合柱面透鏡陣列中的凸柱面透鏡沿它們的母線方向連接。
根據本發明，兩種柱面透鏡陣列被組合，以便使激光振蕩器發射的激光束被分割成其能量分布相反的多個光束。例如，如圖3A所示，凸柱面透鏡陣列與凹柱面透鏡陣列沿它們的母線方向連接和組合。因此，透射通過凸柱面透鏡陣列的激光束以及透射通過凹柱面透鏡陣列的激光束以其能量強度分布相反的方式被會聚透鏡會聚。
結果，雖然原束具有能量強度分布的偏離，但由于透射通過凸柱面透鏡陣列和凹柱面透鏡陣列的激光束以彼此分布相反的方式被投射到輻射表面，所以此偏離能夠在輻射表面上被補償。因此，根據本發明，沿一個方向有偏離的強度分布能夠被補償，從而在輻射表面上形成高度均勻的線性激光束。而且，能夠構成難以受到原束強度分布起伏影響的光學系統。
在附圖中圖1A-1C示出了線性激光束沿長軸方向通過凹柱面透鏡陣列形成的情況下激光束的能量強度分布；圖2A-2C示出了線性激光束沿長軸方向通過凸柱面透鏡陣列形成的情況下激光束的能量強度分布；圖3A-3D示出了被用來勻化輻射表面上的能量強度分布的凸柱面透鏡陣列與凹柱面透鏡陣列的組合模式；圖4A和4B示出了采用圖3A中的柱面透鏡陣列組合的本發明的激光輻射裝置的第一實施模式；圖5A和5B是用光學設計軟件模擬的有關以與圖4中本發明第一實施模式所示激光輻射裝置情況相同的方式但僅僅采用凸柱面透鏡的比較實施模式以及圖2所示情況的能量強度分布曲線；圖6示出了采用圖3B所示透鏡組合的本發明激光輻射裝置的第二實施模式；圖7A-7D示出了用本發明的激光輻射裝置來制造薄膜晶體管(TFT)的工藝；以及圖8A-8C示出了具有能夠用本發明的激光輻射方法制造的顯示器件的各種電子裝置。
具體實施例方式以下參照附圖來描述實施方式和實施例。但本發明不局限于對下列的實施方式和實施例的描述，而是由權利要求范圍的描述來規定。在本發明中，激光振蕩器發射的激光束被兩種柱面透鏡陣列分割成能量強度分布相反的多個光束。因此，能量強度分布的偏離被補償，從而能夠在輻射表面上形成高度均勻的線性激光束。下面來描述這些柱面透鏡的結構、功能、特征、使用等。
為了用柱面透鏡來均勻化激光束，通常采用凹柱面透鏡或凸柱面透鏡。圖1A-1C示出了利用凹柱面透鏡的凹柱面透鏡陣列101沿長軸方向成形線性激光束的一個步驟。圖1A示出了原激光束在透過柱面透鏡陣列之前的能量強度分布，圖1B示意地示出了透過柱面透鏡陣列之后的激光束，而圖1C示出了輻射表面上的激光束能量強度分布。以激光束被凹柱面透鏡陣列101分割成多個光束之后再被會聚透鏡102組合在輻射表面103上的方式，在輻射表面103上形成了線性激光束。當借助于陣列101分割能量分布104沿一個方向具有偏離的原束而形成線性激光束時，沿一個方向具有偏離的能量分布105被形成在輻射表面103上。
另一方面，圖2A-2C示出了利用凸柱面透鏡的凸柱面透鏡陣列201沿長軸方向成形線性激光束的一個步驟。圖2A示出了原激光束在入射到柱面透鏡陣列中之前的能量強度分布，圖2B示意地示出了透過柱面透鏡陣列201之后的激光束，而圖2C示出了輻射表面203上的激光束能量強度分布。當原束具有有偏離的能量分布204時，被凸柱面透鏡陣列201分割的光束，以相同于由凹柱面透鏡陣列101形成的分布的方式，也具有帶偏離的能量分布。但由于通過凸柱面透鏡的激光束在一次會聚之后又擴展，故形成在輻射表面203上的能量分布205與通過凹柱面透鏡陣列101形成的能量分布105相反。
如上所述，當用凸柱面透鏡陣列或凹柱面透鏡陣列來形成線性激光束時，形成在輻射表面上的線性激光束的強度分布通常反映了原束的能量強度分布。但由這兩種陣列形成在輻射表面上的能量強度分布是相反的。本發明人已經注意了這一點，并基于這一事實而提出了本發明。
根據基于這一事實的本發明，原束被分割成多個區域，并使凸柱面透鏡陣列或凹柱面透鏡陣列作用在各個區域上，以便補償原束強度分布的偏離。例如，借助于層疊凸柱面透鏡陣列和凹柱面透鏡陣列來制造圖3A所示的連接的柱面透鏡陣列。圖3C是圖3A的正視圖。
如上所述，反映原束的能量強度分布的通過凸柱面透鏡陣列和凹柱面透鏡陣列形成在輻射表面上的能量強度分布是相反的。這是這兩種柱面透鏡陣列的組合的一個特征。因此，有可能借助于將原束分割成多個區域并使凸柱面透鏡陣列或凹柱面透鏡陣列作用于每個區域上，來補償原束強度分布的偏離。例如，通過沿它們的母線層疊采用多個凸柱面透鏡的凸柱面透鏡陣列以及采用多個凹柱面透鏡的凹柱面透鏡陣列，能夠制造圖3A所示的連接的柱面透鏡陣列。
當圖3A所示的柱面透鏡陣列被用來形成線性激光束時，凹柱面透鏡陣列沿短軸方向作用在激光束的上半區域上，而凸柱面透鏡陣列沿短軸方向用作于激光束的下半區域上。因此，由于由凸柱面透鏡陣列形成的分布以及由凹柱面透鏡陣列形成的分布都對沿長軸方向形成在輻射表面上的能量分布有貢獻，故能夠補償原束強度分布的偏離。
根據本發明，激光振蕩器發射的激光束被分割成多個光束，優選是偶數個光束，且分割的光束透過其中凸柱面透鏡陣列和凹柱面透鏡陣列被組合的被稱為連接的柱面透鏡陣列的二種柱面透鏡陣列。當光束被分割時，優選預先用柱面透鏡調節入射到構成連接的柱面透鏡陣列的凸柱面透鏡陣列或凹柱面透鏡陣列中的激光束沿短軸方向的寬度，以便其寬度不超過凹柱面透鏡陣列或凸柱面透鏡陣列的寬度。于是，激光束不透過連接的柱面透鏡陣列中的凹柱面透鏡陣列與凸柱面透鏡陣列的接點，從而形成更均勻的線性激光束。
此外，除了圖3A所示的二種柱面透鏡陣列之外，如圖3B所示，利用凹柱面透鏡和凸柱面透鏡沿曲率方向交替排列的柱面透鏡陣列，可以形成稱為波狀柱面透鏡陣列的兩種柱面透鏡陣列。圖3D是圖3B的正視圖。在此情況下，它們的凸部位于相反位置的兩種波狀柱面透鏡陣列被用于圖6所示的組合中。雖然原束的能量強度分布以相同于圖3A所示的方式具有偏離，但組合的波狀柱面透鏡陣列使得有可能將透過柱面透鏡陣列的激光束投射到輻射表面并使它們的分布相反，以便補償原束能量強度分布的偏離，并在輻射表面上形成高度均勻的線性激光束。要指出的是，稍后要詳細地描述采用這種波狀柱面透鏡陣列的實施模式。
參照圖4A和4B來更具體地描述根據本發明的激光輻射裝置的實施模式(以下稱為第一實施模式)。亦即，具體描述透鏡的條件，例如各個透鏡的曲率半徑、厚度、寬度，以及透鏡之間的距離。圖4A是平面圖，而圖4B是側面圖。首先來描述圖4B。激光振蕩器401發射的激光束沿圖4A和4B中箭頭所示的方向傳播，并被球面透鏡402a和402b擴展。當激光振蕩器401發射尺寸足夠大的激光束時，不一定需要這個結構。
激光振蕩器401發射的激光束沿短軸方向被作用在短軸方向上的柱面透鏡陣列分割。作用在短軸方向上的柱面透鏡陣列包含凸柱面透鏡陣列403a和凹柱面透鏡陣列403b，它們沿短軸方向確定了線性激光束的長度和均勻性。在本發明中，激光振蕩器發射的激光束如上所述被分割成多個光束，且分割的光束透過其中組合了兩種柱面透鏡陣列(凸柱面透鏡陣列和凹柱面透鏡陣列)的連接的柱面透鏡陣列。分割的光束的數目最好是偶數。激光束優選被分割成使激光束不入射到形成連接的柱面透鏡陣列的凹柱面透鏡陣列與凸柱面透鏡陣列的連接點。
因此，在圖4A和4B所示的裝置中，在連接的柱面透鏡陣列之前，換言之在激光束入射的連接的柱面透鏡陣列的一側，提供了柱面透鏡陣列403a和403b。入射到連接的柱面透鏡陣列的激光束沿短軸方向的寬度被調整成使其寬度不超過構成連接的柱面透鏡陣列的凸柱面透鏡陣列或凹柱面透鏡陣列的寬度。于是，激光束不入射到連接的柱面透鏡陣列中的凸柱面透鏡陣列與凹柱面透鏡陣列的連接接點。雖然激光振蕩器發射的激光束能夠被其目的是補償原來強度分布的偏離的連接的柱面透鏡陣列分割，但優選如上所述預先用柱面透鏡陣列403a和403b來分割激光束。
在圖4A和4B中，柱面透鏡陣列403a具有6個凸柱面透鏡，分別具有3mm的厚度、3mm的寬度、以及曲率半徑為+146mm的第一表面。柱面透鏡陣列403b具有6個凹柱面透鏡，分別具有3mm的厚度、3mm的寬度、以及曲率半徑為-219mm的第一表面。柱面透鏡陣列403a與403b之間的距離為510mm。當曲率中心相對于透鏡表面位于光束發射的一側時，曲率半徑的符號為正。當曲率中心相對于透鏡表面位于光束入射的一側時，曲率半徑的符號為負。光束入射的透鏡表面被稱為第一表面，而從其發射光束的表面被稱為第二表面。
用來沿短軸方向會聚激光束的柱面透鏡406向著輻射表面被安置在離凹柱面透鏡陣列403b的195mm處。柱面透鏡406具有5mm的厚度和曲率半徑為+194mm的第一表面。利用這一柱面透鏡406，透過兩種陣列的激光束被會聚到一個區域中，并且在柱面透鏡406與輻射表面之間形成一個均勻的平面。此外，利用柱面透鏡406，光束斑的能量分布沿短軸方向被均勻化，并且通過將形成的均勻平面轉移到輻射表面就能夠形成具有均勻能量分布的線性激光束。
為了轉移此均勻的平面，雙柱面透鏡407向著輻射表面被安置在離柱面透鏡406的1465mm處。由于能夠使線性激光束更長，故優選安置雙柱面透鏡407；但不是必須提供雙柱面透鏡407。雙柱面透鏡是一種由兩個柱面透鏡構成的透鏡。
構成雙柱面透鏡的兩個柱面透鏡之一具有10mm的厚度、曲率半徑為+125mm的第一表面、以及曲率半徑為+77mm的第二表面。另一柱面透鏡具有20mm的厚度、曲率半徑為+97mm的第一表面、以及曲率半徑為-200mm的第二表面。兩個柱面透鏡之間的距離為5.5mm。這能夠沿短軸方向勻化束斑的能量分布并確定其沿短軸方向的長度。激光束被會聚在向著輻射表面安置于離雙柱面透鏡208mm處的輻射表面408上。于是能夠形成沿短軸方向能量分布均勻的光束。
接著來描述圖4A的平面圖。激光振蕩器401發射的激光束沿長軸方向被采用凸柱面透鏡陣列404a和凹柱面透鏡陣列404b的連接的柱面透鏡陣列分割。該連接的柱面透鏡陣列確定了線性激光束的長度和均勻性。此凸柱面透鏡陣列404a具有7個沿曲率方向排列的凸柱面透鏡。每個柱面透鏡具有5mm的厚度、6.5mm的寬度、以及曲率半徑為+35mm的第一表面。這些凸柱面透鏡被排列成使陣列的上端等于激光束光軸的高度。因此，凸柱面透鏡陣列404a僅僅作用于透過柱面透鏡403b下部的光束。
凹柱面透鏡陣列404b具有7個沿曲率方向排列的凹柱面透鏡。每個柱面透鏡具有4.8mm的厚度、6.5mm的寬度、以及曲率半徑為+35mm的第二表面。凹柱面透鏡404b被安置成使陣列的下端等于激光束光軸的高度。因此，凹柱面透鏡陣列404b僅僅作用于透過柱面透鏡陣列403b上部的光束。
凸柱面透鏡陣列404a和凹柱面透鏡陣列404b對應于本發明的連接的柱面透鏡陣列。作用在長軸方向的柱面透鏡405向著輻射表面被安置在離連接的柱面透鏡陣列70mm處，以便將激光束組合在輻射表面408上。柱面透鏡405具有5mm的厚度以及曲率半徑為+870mm的第一表面。柱面透鏡405沿長軸方向均勻化束斑的能量分布并確定其沿長軸方向的長度。
透過凸柱面透鏡陣列404a和凹柱面透鏡陣列404b形成的激光束，沿長軸方向具有彼此相反的能量分布。強度分布彼此相反的透過柱面透鏡陣列的激光束，被柱面透鏡406會聚。因此有可能補償激光振蕩器發射的光束的強度分布的偏離。因此，柱面透鏡406和連接的柱面透鏡陣列在本發明中都很重要。利用這種結構，能夠在不影響原始光束的條件下形成沿長軸方向能量分布均勻的線性激光束。而且，能夠構成對強度分布起伏較不敏感的光學系統。
而且，圖5A和5B中示出了由光學設計軟件模擬的結果。此結果表明線性激光束沿長軸方向的能量分布已經得到了改善。圖5A示出了當僅僅沿長軸方向采用凸柱面透鏡陣列來形成線性激光束時，形成在輻射表面上的能量分布。當原束的能量分布不對稱時，原來的能量分布被反映在此所示圖中，輻射表面上的強度分布被偏到一側。
同時，圖5B的曲線示出了用其中根據本發明組合了上述凸柱面透鏡和凹柱面透鏡的柱面透鏡陣列形成的線性激光束沿長軸方向的能量分布。如圖所示，能量分布被勻化了而不受原束能量分布的影響。如上所速，可以理解能量分布沿長軸方向已經得到了改善，并如圖5A和5B所示，利用根據本發明的柱面透鏡陣列，能夠在輻射表面上形成更為均勻的光束。
用于根據本發明的激光輻射裝置的激光振蕩器沒有特別的限制，可以采用各種激光振蕩器。其中優選是采用具有高輸出功率且發射半導體膜充分吸收的波長的激光振蕩器。當半導體膜是硅膜時，考慮到吸收比，激光振蕩器發射的激光束的波長優選為600nm或以下。例如，準分子激光器、YAG激光器(諧波)、或玻璃激光器(諧波)為發射這種激光束的激光振蕩器。雖然用目前的技術還得不到高的輸出功率，但YVO4激光器(諧波)、YLF激光器(諧波)、以及Ar激光器也可以被用作發射具有適合于結晶化硅膜的波長的激光束的激光振蕩器。
接著利用具體的例子來描述用本發明的激光輻射裝置制造半導體器件的方法。首先，準備尺寸為600×700×0.7mm的玻璃襯底(AN100)作為襯底。此玻璃襯底具有高達600℃的足夠的抗熱性。厚度為200nm的氧化硅膜被形成在玻璃襯底上作為基膜，并在其上形成厚度為55nm的非晶硅膜。用濺射方法來形成這些膜。也可以用等離子體CVD方法來形成這些膜。
其上形成有這些膜的襯底被置于450℃的氮氣氣氛中1小時，以便降低非晶硅膜中的氫濃度。執行這一過程是因為當硅膜包含太多的氫時就抵抗不了激光功率。膜中適當的氫濃度約為1020原子/cm3。此處，1020原子/cm3意味著1cm3中存在1020個氫原子。
本實施模式采用Lambda Physik公司制造的STEEL 1000XeCl準分子激光器作為激光振蕩器。此準分子激光器為脈沖激光振蕩器，最大功率為每脈沖1000mJ，發射波長為308nm，最大重復頻率為300Hz。在對一個襯底執行激光處理的過程中，當每個脈沖的脈沖激光束的功率在±10％內，優選在±5％內起伏時，有可能執行均勻的結晶化。上述的激光功率起伏被如下定義。對一個襯底進行輻射期間的激光功率平均值被假設為標準。然后，激光功率的起伏被定義為以百分比表示的平均值與輻射期間的最大值或最小值之間的差。
例如，以其上安裝有輻射表面的平臺沿矩形束斑短軸方向被掃描的方式，來提供激光束。在激光輻射處，專業人員可以在執行所需結晶化的范圍內恰當地確定輻射表面上束斑的能量密度和掃描速度。200-1000mJ/cm2的能量密度是恰當的。當掃描速度被選擇為矩形束斑沿其短軸方向的寬度彼此重疊大約90％或以上時，有可能均勻地執行激光退火。最佳的掃描速度依賴于激光振蕩器的脈沖重復頻率，并可以認為與其脈沖重復率成比例。
通過執行上述工藝，非晶硅膜就被退火并結晶化。當對非晶硅膜重復執行上述步驟時，能夠加工多個襯底。加工過的襯底于是可以根據已知的方法被用來制造有源矩陣液晶顯示器和EL顯示器件。上述制造方法采用準分子激光器作為激光振蕩器。由于準分子激光器具有短到幾微米的相干長度，故準分子激光器適合于上述制造方法中的激光輻射裝置的光學系統。
雖然下面所示的某些激光器具有長的相干長度，但在上述制造工藝中采用這樣的激光器的情況下，也可以采用相干長度被有意改變了的激光器。也優選采用YAG激光器的諧波或玻璃激光器的諧波，因為它們也具有高的輸出功率和在硅膜中被充分吸收的能量。作為適合于硅膜結晶化的激光振蕩器，有YVO4激光器(諧波)、YLF激光器(諧波)、Ar激光器等。這些激光束的波長在硅膜中被充分地吸收。
用來制造半導體器件的上述方法采用非晶硅膜作為非單晶半導體膜。但顯然本發明能夠被應用于其它的非單晶半導體膜。例如，可以使用例如非晶硅鍺膜的具有非晶結構的化合物半導體膜。而且，非單晶半導體膜不僅僅可以是非晶膜，也可以是多晶膜，例如多晶硅膜。
接著來詳細地描述不同于圖4A和圖4B所示第一實施模式的有關根據本發明的激光輻射方法的一個實施模式(以下稱為第二實施模式)。如上所述在圖3B中所示的波狀柱面透鏡陣列，被用作第二實施方案模式中的兩種柱面透鏡陣列。在此情況下，兩種柱面透鏡陣列包含第一組合柱面透鏡陣列以及第二組合柱面透鏡陣列。如圖6所示，在第一和第二柱面透鏡陣列中，凸柱面透鏡和凹柱面透鏡沿曲率方向交替排列。
當第一和第二組合柱面透鏡陣列被進一步組合時，必須將凸柱面透鏡和凹柱面透鏡的位置反轉。具體地說，如圖6所示，第一組合柱面透鏡陣列的凹柱面透鏡必須與第二組合柱面透鏡陣列的凸柱面透鏡沿它們的母線連接。
亦即，必須將這兩個透鏡陣列組合成使上部陣列的凹柱面透鏡位于下部陣列的凸柱面透鏡上方且以便這兩個柱面透鏡的母線如圖6所示被連接。簡而言之，兩種波狀柱面透鏡陣列必須被排列成使凸部如圖6所示相對并以反的關系被連接。結果，即使原束有能量強度分布偏離，透過柱面透鏡陣列的激光束也以其能量分布彼此相反的方式被投射到輻射表面上。因此有可能補償原束強度分布的偏離。于是能夠在輻射表面上形成高度均勻的線性激光束。
以下用制造TFT的實施例作為例子來更具體地描述本發明。但本發明不局限于此實施例，而是由權利要求范圍來規定。參照圖7A-7D，本實施例描述了用本發明的激光輻射裝置來制造薄膜晶體管(TFT)的步驟。
首先，如圖7A所示，基膜701被形成在具有絕緣表面的玻璃襯底700上。此玻璃襯底700可以是例如諸如鋇硼硅酸鹽玻璃或鋁硼硅酸鹽玻璃的玻璃襯底、石英襯底、SUS襯底等。此外，雖然諸如丙烯酸樹脂或典型為PET(polyethylene terephthalate)(聚對苯二甲酸乙二醇酯)、PES(polyethylene sulfone)(聚醚砜)、PEN(polyethylenenaphthalate)(聚萘二甲酸乙二酯)的塑料之類的柔性合成樹脂就抗熱性而言劣于其它襯底，但當襯底能夠抗制造過程中的加工溫度時，也可以采用由柔性合成樹脂制作的襯底。
為了防止包括在玻璃襯底700中的諸如Na的堿土金屬或堿金屬擴散進入半導體膜中，提供了基膜701。當堿土金屬或堿金屬存在于半導體中時，對半導體元件的特性有不利影響。因此，基膜由諸如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅(silicon nitride oxide)之類的絕緣材料形成，這能夠抑制堿土金屬和堿金屬擴散到半導體膜中。在本實施例中，用等離子體CVD方法形成了厚度為10-400nm的氮氧化硅膜。當采用諸如很難擴散雜質的石英襯底之類的襯底時，并不總是必須提供基膜。
接著，在基膜701上形成厚度為25-100nm(優選為30-60nm)的非晶半導體膜702。此非晶半導體膜702可以是硅或硅鍺。在本實施例中采用了硅。當采用硅鍺時，鍺的濃度優選約為0.01-4.5原子百分比。接著，如圖7B所示，本發明的激光輻射裝置被用來以激光束輻射非晶半導體膜702并使其結晶化。
在本實施方案中，采用了提供300W的準分子激光器。激光束沿圖7B中箭頭所示方向在非晶半導體膜702的表面上掃描。通過用激光束輻射非晶半導體膜702，就形成了結晶的半導體膜703。可以在諸如氮氣或稀有氣體的惰性氣氛中進行激光輻射。這能夠抑制激光輻射造成的半導體膜的表面粗糙，并抑制界面態密度變化造成的閾值變化。
接著，如圖7C所示，結晶的半導體膜703被圖形化，以便形成島狀半導體膜704-707。島狀半導體膜704和707被用來形成典型為TFT的各種半導體元件。形成柵絕緣膜708來覆蓋島狀半導體膜704-707。可以用等離子體CVD方法、濺射方法等，由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等來形成柵絕緣膜708。在本實施例中，用濺射方法形成了厚度為30-200nm的包括硅的絕緣膜。
接著，通過對柵絕緣膜上的導電膜進行圖形化而形成柵電極(未示出)。然后，用柵電極作為掩模或用待要形成并圖形化的抗蝕劑作為掩模，選擇性地將提供n型或p型導電性的雜質加入到島狀半導體膜704-707，來形成源區、漏區、LDD區等。上述過程能夠在同一個襯底上形成N溝道TFT 710和712以及P溝道TFT 711和713(圖7D)。隨后，形成絕緣膜714作為這些TFT的保護層。利用等離子體CVD方法或濺射方法，用包括硅的絕緣材料來形成厚度為100-200nm的絕緣膜714。此絕緣膜714可以具有單層結構或多層結構。在本實施例中，用等離子體CVD方法形成了厚度為100nm的氧氮化硅(siliconoxynitride)膜。
接著，有機絕緣膜715被形成在絕緣膜714上。此有機絕緣膜715利用SOG方法，由諸如聚酰亞胺、聚酰胺、BCB、或丙烯酸樹脂的有機絕緣材料形成。由于絕緣膜715主要是為了減緩形成在玻璃襯底700上的TFT所造成的凹凸并整平表面而形成的，故絕緣膜715優選為容易被整平的膜。而且，用光刻方法對絕緣膜714和有機絕緣膜715進行圖形化，以便形成達及雜質區的接觸孔。
接著，用導電材料形成導電膜，然后將其圖形化成布線716-723。隨后，當絕緣膜724被形成為保護膜時，就完成了圖7D所示的半導體器件。用本發明的激光輻射方法來制造半導體器件的方法不局限于上述制造TFT的方法。根據本發明，用激光輻射得到的結晶半導體膜被用作TFT的有源層。結果就能夠抑制各個TFT之間的遷移率、閾值、以及開態電流的差異。還要指出的是，激光輻射條件不局限于本實施例所述的條件。
在激光結晶化步驟之前，可以執行采用催化劑元素的結晶化步驟。鎳(Ni)、鍺(Ge)、鐵(Fe)、鈀(Pd)、錫(Sn)、鉛(Pb)、鈷(Co)、鉑(Pt)、銅(Cu)、或金(Au)可以被用作催化劑元素。激光輻射使半導體膜的上部熔化，但不熔化半導體膜的下部。因此，半導體膜下部保留未被熔化的晶體成為晶核，并且促使結晶化從半導體膜的下部向著上部進行。
與僅僅用激光束來結晶化半導體膜的情況相比，有可能進一步提高半導體膜的結晶性并在激光結晶化之后抑制半導體膜表面的粗糙度。因此，能夠更好地抑制典型為TFT的稍后要形成的半導體元件的特性變化，并能夠抑制關態電流。要指出的是，可以這樣進行結晶化即在加入催化劑元素以便促進結晶化之后執行熱處理，并且執行激光輻射以提高結晶性。或者，可以省略熱處理。具體地說，在加入催化劑元素之后，可以用激光束輻射半導體膜來代替熱處理，以便提高結晶性。
雖然本實施方案示出了本發明的激光輻射方法被用來結晶化半導體膜的例子，但該激光輻射方法也可以被用來激活加入在半導體膜中的雜質元素。用本發明制造半導體器件的方法能夠被應用于集成電路和半導體顯示器件的制造方法。諸如驅動器或CPU的功能電路的晶體管優選具有LDD結構或其中LDD與柵電極交迭的結構。為了提高速度，這些晶體管優選被小型化。由于本實施例完成的晶體管710-713具有LDD結構，故被優選地用于要求高速運行的驅動電路。
根據本發明，圖7所示的薄膜晶體管能夠被用來制造各種電子裝置。參照圖8A-8C來描述這些電子裝置的例子。圖8A示出了一種顯示器件，它包括底盤2001、支座2002、顯示部分2003、揚聲器部分2004、視頻輸入端子2005等。提供將用圖7A-7D所示的制造方法所制作的薄膜晶體管應用于顯示部分2003，來制造此顯示器件。此顯示器件包括液晶顯示器件和發光器件。具體地說，此顯示器件包括用來顯示信息的所有顯示器件，諸如計算機、TV廣播接收機、以及廣告的顯示器。
圖8B示出了一種計算機，它包括底盤2201、顯示部分2203、鍵盤2204、外部接口2205、點擊式鼠標2206等。圖7A-7D所示的制造方法能夠被應用于顯示部分2203和其它電路。而且，本發明能夠被應用于計算機中諸如CPU和存儲器的半導體器件。圖8C示出了作為移動終端中的一種的移動電話，它包括底盤2301、顯示部分2302等。由于典型為移動電話的諸如PDA的電子裝置以及數碼相機是移動終端，故它們的屏幕很小。因此，利用圖7D所示的小的晶體管來制作諸如CPU的功能電路，能夠使電子裝置緊湊且重量輕。
本實施例中制造的薄膜晶體管能夠被用作ID芯片。例如，利用圖7A-7D所示的制造方法，本發明的晶體管能夠被應用于ID芯片中的集成電路和存儲器。當這些晶體管被用作存儲器時，能夠記錄產品的流通過程。此外，當記錄產品的制造過程時，使批發商、零售商、以及消費者容易知曉生產地區、生產者、生產日期、工藝方法等。如上所述，用本發明制造的半導體器件的應用覆蓋了廣闊的范圍，且本發明制造的半導體器件能夠被應用于所有領域的各種電子裝置。
權利要求
1.一種激光輻射方法，包含從激光振蕩器發射激光束；利用至少第一柱面透鏡陣列和第二柱面透鏡陣列，形成其能量強度分布彼此相反的至少兩個激光束；以及通過沿短軸方向疊加此至少兩個激光束，將線性激光束投射在輻射表面上。
2.根據權利要求1的激光輻射方法，其中，通過沿短軸方向疊加該至少兩個激光束而投射線性激光束。
3.根據權利要求1的激光輻射方法，還包含用柱面透鏡將激光振蕩器發射的激光束分割成多個光束的步驟。
4.根據權利要求1的激光輻射方法，其中，第一柱面透鏡陣列和第二柱面透鏡陣列分別包含凹柱面透鏡陣列和凸柱面透鏡陣列。
5.根據權利要求1的激光輻射方法，其中，第一柱面透鏡陣列和第二柱面透鏡陣列沿其母線方向連接。
6.根據權利要求1的激光輻射方法，其中，第一柱面透鏡陣列包含第一組合柱面透鏡陣列，該第一組合柱面透鏡陣列中凸柱面透鏡和凹柱面透鏡沿曲率方向交替排列，且其中，第二柱面透鏡陣列包含第二組合柱面透鏡陣列，該第二組合柱面透鏡陣列中以相反于第一組合柱面透鏡陣列的方式，凸柱面透鏡和凹柱面透鏡沿曲率方向交替排列，且其中，第一組合柱面透鏡陣列和第二組合柱面透鏡陣列沿其母線方向連接。
7.一種用來將線性激光束投射在輻射表面上的激光輻射裝置，它包含激光振蕩器；至少第一柱面透鏡陣列和第二柱面透鏡陣列，用來將激光振蕩器發射的激光束分割成其能量強度分布相反的多個激光束；用來疊加該多個激光束的會聚透鏡；以及用來在其上安裝輻射表面的平臺，透過會聚透鏡的激光束被投射到其上。
8.根據權利要求7的激光輻射裝置，還包含提供在激光振蕩器與所述至少第一和第二柱面透鏡陣列之間的用來將激光振蕩器發射的激光束分割成多個光束的柱面透鏡陣列。
9.根據權利要求7的激光輻射裝置，其中，第一柱面透鏡陣列和第二柱面透鏡陣列分別包含凹柱面透鏡陣列和凸柱面透鏡陣列。
10.根據權利要求7的激光輻射裝置，其中，第一柱面透鏡陣列和第二柱面透鏡陣列沿其母線方向連接。
11.根據權利要求7的激光輻射裝置，其中，第一柱面透鏡陣列包含第一組合柱面透鏡陣列，該第一組合柱面透鏡陣列中凸柱面透鏡和凹柱面透鏡沿曲率方向交替排列，且其中，第二柱面透鏡陣列包含第二組合柱面透鏡陣列，該第二組合柱面透鏡陣列中，以相反于第一組合柱面透鏡陣列的方式，凸柱面透鏡和凹柱面透鏡沿曲率方向交替排列，且其中，第一組合柱面透鏡陣列和第二組合柱面透鏡陣列沿其母線的方向被連接。
12.一種制造半導體器件的方法，它包含在襯底上形成半導體膜；從激光振蕩器發射激光束；利用至少第一柱面透鏡陣列和第二柱面透鏡陣列，形成其能量強度分布彼此相反的至少兩個激光束；通過疊加此至少兩個激光束，將線性激光束投射在輻射表面上；以及用此線性激光束輻射半導體膜。
13.根據權利要求12的制造半導體器件的方法，其中，通過沿短軸方向疊加該至少兩個激光束來投射線性激光束。
14.根據權利要求12的制造半導體器件的方法，還包含用柱面透鏡將激光振蕩器發射的激光束分割成多個光束的步驟。
15.根據權利要求12的制造半導體器件的方法，其中，第一柱面透鏡陣列和第二柱面透鏡陣列分別包含凹柱面透鏡陣列和凸柱面透鏡陣列。
16.根據權利要求12的制造半導體器件的方法，其中，第一柱面透鏡陣列和第二柱面透鏡陣列沿其母線方向連接。
17.根據權利要求12的制造半導體器件的方法，其中，第一柱面透鏡陣列包含第一組合柱面透鏡陣列，該第一組合柱面透鏡陣列中凸柱面透鏡和凹柱面透鏡沿曲率方向交替排列，且其中，第二柱面透鏡陣列包含第二組合柱面透鏡陣列，該第二組合柱面透鏡陣列中，以相反于第一組合柱面透鏡陣列的方式，凸柱面透鏡和凹柱面透鏡沿曲率方向交替排列，且其中，第一組合柱面透鏡陣列和第二組合柱面透鏡陣列沿其母線方向連接。
18.根據權利要求12的制造半導體器件的方法，其中的半導體器件是選自包含顯示器件、計算機、以及移動電話的組中的至少一種。
全文摘要
本發明的目的是提供一種激光輻射技術，其利用柱面透鏡陣列、以強度分布均勻的激光束來照射輻射表面而不受原束強度分布影響。激光振蕩器發射的激光束被兩種柱面透鏡陣列分割成多個光束，它們是能量強度分布彼此相反的兩種線性激光束，且此兩種線性激光束沿短軸方向被疊加。這就能夠在輻射表面上形成強度分布均勻的線性激光束。
文檔編號B23K15/00GK1696763SQ20051007260
公開日2005年11月16日 申請日期2005年5月16日 優先權日2004年5月14日
發明者田中幸一郎, 大石洋正 申請人:株式會社半導體能源研究所