專利名稱：結晶半導體的制造方法及激光退火裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及結晶半導體的制造方法及激光退火裝置，該結晶半導體的制造方法及激光退火裝置適用于制造在液晶顯示器、有機EL顯示器的像素開關、驅動電路中使用的薄膜晶體管的多晶或單晶半導體膜。
背景技術：
在液晶顯示器、有機EL(電致發光Electro-Luminescence)顯 示器的像素開關、驅動電路中使用的薄膜晶體管中，作為低溫工藝制造方法的一個環節，進行使用激光的激光退火。該方法中，對在基板上成膜的非單晶半導體膜照射激光來進行局部加熱熔融，此后，在其冷卻過程中，將半導體薄膜進行晶化以形成多晶或單晶。晶化后的半導體薄膜的載流子遷移率增高，因此，可使得薄膜晶體管具有高性能。在照射上述激光時，需要在半導體薄膜中進行均勻處理，一般進行使激光輸出恒定的控制，從而使所照射的激光具有穩定的照射能量，在脈沖激光中，進行使脈沖能量恒定的控制。然而，在上述脈沖激光中較多采用的受激準分子氣體激光器通過放電方式來振蕩出激光。高輸出的受激準分子氣體激光器中，利用高電壓進行I次的放電后，因殘留電壓而產生多次放電，其結果是產生具有多個波峰的激光。此時，第二波峰以后的波峰的特性可能與第一波峰的特性不相同。因此，提出一種脈沖激光振蕩裝置，在該裝置中，求出脈沖激光的脈沖波形中的多個極大值彼此之間的比，使該比收斂至規定范圍以內并使晶化硅的特性保持為一定(參照專利文獻I)。在該脈沖激光振蕩裝置中，上述脈沖激光束的時間變化波形包含2個以上的波峰群，將其中的第二波峰群的脈沖激光束的峰值設定為相對于最初的波峰群的脈沖激光束群在O. 37到O. 47的范圍內。現有技術文獻專利文獻專利文獻I :日本專利特開2001-338892號公報
發明內容
發明所要解決的問題如上所述，在上述專利文獻I示出的裝置中，通過使峰值比在穩定的范圍內，能將晶化硅的特性保持為一定。但是，存在以下問題即，即便穩定在這種范圍內的峰值比，在硅薄膜面內硅薄膜的晶化及活性化也未必均勻。本發明者對上述峰值比進行了進一步驗證的結果，發現相比于峰值比的穩定化、峰值比之值自身對晶化特性的均勻化有更大貢獻，從而完成了本發明。解決技術問題所采用的技術方案S卩，本發明的結晶半導體的制造方法的特征在于，在將脈沖激光照射到非晶半導體以使所述非晶半導體進行晶化時，所述脈沖激光因強度隨時間變化而在I個脈沖中具有多個波峰群，在對所述非晶半導體進行照射時，該波峰群中具有最大高度的第一波峰群和其后出現的第二波峰群在波峰強度值上滿足(第二波峰群)/ (第一波峰群X O. 35的關系。此外，本發明的激光退火裝置的特征在于，包括激光振蕩器，該激光振蕩器輸出脈沖激光；光學系統，該光學系統將所述脈沖激光導向非晶半導體；以及移動裝置，該移動裝置使所述非晶半導體進行相對移動以將所述脈沖激光對所述非晶半導體進行掃描并照射，所述激光振蕩器中，所輸出的脈沖激光因強度隨時間變化而在I個脈沖中具有多個波峰群，該波峰群中具有最大高度的第一波峰群和其后出現的第二波峰群在波峰強度值上滿足(第二波峰群)/ (第一波峰群)(O. 35的關系。本發明中，上述波峰強度比滿足上述關系，從而照射該脈沖激光的非晶半導體被晶化時，能獲得均勻的晶化特性。若該比超過O. 35，則晶化半導體的特性產生偏差。
在I個波峰群中，可以具有多個波峰，能以波峰群中的最大高度來表示該波峰群中的波峰強度。在常規受激準分子激光中，最初出現高度相對較大的第一波峰群，此后，經過強度大大降低的極小值(最大高度的數分之I左右)之后，出現高度相對較小的第二波峰群，大體上具有2個波峰群。另外，作為本發明，I個脈沖中也可出現3個以上的波峰群。此外，I個脈沖可以是由I個激光振蕩器輸出的脈沖，也可以是將由2個以上的激光振蕩器所輸出的脈沖重合后的成為I個脈沖的脈沖。從激光振蕩器輸出時，該脈沖激光需要滿足上述波峰強度比。在I個脈沖中因強度隨時間變化而具有多個波峰群的情況下，通常，無法對各波峰群的高度分別進行調整。因此，從激光振蕩器輸出時，至少要滿足上述波峰強度比。此外，脈沖激光有時會因通過光學系統等而導致激光波形發生變化，使脈沖激光的最大高度降低。在該情況下，由于第一波峰群的強度降低，因此，存在上述波峰強度比增大的趨勢。因而，在上述波峰強度比在光路中發生變化的情況下，使從激光振蕩器輸出的脈沖激光的上述比在O. 35以下，成為考慮了上述變化的值(更小的值)，以使照射到非晶半導體時的脈沖激光的波峰強度比滿足上述條件。脈沖激光的輸出在脈沖能量上優選為700mJ以上，進一步優選為850mJ。若脈沖能量的輸出較小，則上述波峰強度比有減小的趨勢，但若脈沖能量較低，則配置在光路中以對激光的透射率進行調整的衰減器的調整范圍變得較小。在本發明中，作為非晶半導體的形成在基板上的非晶硅薄膜成為優選對象。基板通常使用玻璃基板，但作為本發明，對基板的材質沒有特別限定，可使用其它材質。非晶硅薄膜通常形成為40 IOOnm的厚度，但作為本發明，對其厚度沒有特別限定。此外，作為脈沖激光，作為優選可舉出波長為308nm的受激準分子激光。但是，作為本發明，脈沖激光的種類不限于此。發明的效果如上所述，根據本發明，在將脈沖激光照射到非晶半導體以使所述非晶半導體進行晶化時，所述脈沖激光因強度隨時間變化而在I個脈沖中具有多個波峰群，在對所述非晶半導體進行照射時，該波峰群中具有最大高度的第一波峰群和其后出現的第二波峰群在波峰強度值上滿足(第二波峰群)/ (第一波峰群)(O. 35的關系，因此，具有獲得均勻的結晶半導體的效果。
圖I是表示本發明一實施方式的激光退火裝置的示意圖。圖2是表示同一實施方式的激光退火裝置的實施例中的脈沖激光的脈沖波形的圖。圖3是表示同一實施方式的激光退火裝置的實施例中的各能量密度下的SEM照片的圖。圖4是表示同一實施方式的激光退火裝置的實施例中的照射不均勻的多晶硅薄膜的示意圖。
具體實施方式
下面，基于圖I對本發明的一實施方式進行說明。在本實施方式的結晶膜的制造方法中，設以用于平板顯示器TFT器件的基板8為對象，在該基板8上形成有非晶硅薄膜8a作為非晶膜。非晶硅薄膜8a由常規方法形成于基板8的上層，并進行脫氫處理。但是，作為本發明，成為對象的基板及形成于該基板上的非晶膜的類別不限于此。圖I是表示用于本發明的一實施方式的結晶膜的制造方法的受激準分子激光退火處理裝置I的圖，該受激準分子激光退火處理裝置I相當于本發明的激光退火裝置。在受激準分子激光退火處理裝置I中，輸出具有308nm的波長、脈沖頻率為I 600Hz、脈寬(FWHM :半峰全寬)為20 50ns的脈沖激光的受激準分子激光振蕩器2設置于除振臺6上，在該受激準分子激光振蕩器2中包括生成脈沖信號的控制電路2a。此外，如圖2所示，從受激準分子激光振蕩器2輸出的脈沖激光在I個脈沖中隨時間變化而具有2個波峰群A、B，第二波峰群B的波峰強度b相對于具有最大高度的第一波峰群A的波峰強度a滿足以下條件S卩，b/a*0.35以下。由于無法僅使第二波峰以后的波峰同第一波峰另外成形，且無法控制第二波峰以后的波峰，因此，需要輸出使第二波峰以后的波峰的強度下降的脈沖激光。通過激光振蕩電路的設計、激光振蕩器的能量設定或受激準分子氣體激光的氣體混合比等來進行該脈沖激光波形的設定。上述受激準分子激光振蕩器2相當于本發明的激光振蕩器。在受激準分子激光振蕩器2的輸出側配置有衰減器3，衰減器3的輸出側經由耦合器4與光纖5相連接。光纖5的傳輸目的地與包括聚焦透鏡70a、70b以及配置于該聚焦透鏡70a、70b之間的光束均化器(homogenizer) 71a、71b等的光學系統7相連接。光學系統7中除此之外還可包括反射鏡等適當的光學構件。作為本發明，對光學系統的內容沒有特別的限定，能由適當的光學構件來構成。在光學系統7中，除了對脈沖激光進行引導外，還可將脈沖激光整形成適當的光束形狀。在光學系統7的射出方向，設置有載放基板8的基板載放臺9。光學系統7被設定為將脈沖激光在照射面形狀上整形成長方形或線束狀。上述基板載放臺9可以沿著該基板載放臺9的表面方向(XY方向)移動，包括使該基板載放臺9沿上述表面方向高速移動的移動裝置10。接著，對使用了上述受激準分子激光退火處理裝置I的非晶硅薄膜的晶化方法進行說明。首先，在基板載放臺9上，載放在上層形成有非晶硅薄膜8a的基板8。在控制電路2a中生成脈沖信號，以輸出具有預先設定的脈沖頻率(I 600Hz)、脈寬(FWHM) 20 50ns、及上述脈沖能量的脈沖激光，根據該脈沖信號，利用受激準分子激光振蕩器2輸出波長為308nm的脈沖激光。從受激準分子激光振蕩器2輸出的脈沖激光到達衰減器3，因通過衰減器3而按規定的衰減率進行衰減。該衰減率被設定為使得脈沖激光在加工表面成為規定的能量密度。衰減器3也可具有可變的衰減率。能量密度經調整的脈沖激光由光纖5傳輸而導入至光學系統7中。在光學系統7中，如上所述，由聚焦透鏡70a、70b、光束均化器71a、71b等整形為短軸寬度在I. Omm以下的長方形或線束狀，朝基板8在加工表面上以規定的能量密度進行照射。此外，與輸出時相 同，脈沖激光隨時間變化而具有2個波峰群，且在加工表面上，用(第二波峰群的波峰強度)/ (第一波峰群的波峰強度)來計算出的波峰強度比為O. 35以下。上述基板載放臺9利用移動裝置10沿非晶硅薄膜8a表面在上述線束的短軸寬度方向進行移動，其結果是，在該非晶硅薄膜8a表面的較寬區域，上述脈沖激光進行相對掃描并進行照射。利用上述脈沖激光的照射，只有基板8上的非晶硅薄膜8a被加熱，在短時間內被
多晶化。通過上述照射獲得的結晶薄膜具有350nm左右的平均晶粒直徑且具有均勻、優質的結晶性。上述結晶薄膜可以適用于有機EL顯示器。但是，作為本發明的使用用途不限于此，可以用作為其他液晶顯示器或電子材料。另外，在上述實施方式中，通過使基板載放臺移動來使脈沖激光進行相對掃描，但也可以通過使傳導脈沖激光的光學系統高速移動來使脈沖激光進行相對掃描。實施例I下面，說明本發明的實施例。利用同一激光振蕩器并改變輸出(1050mJ、950mJ、850mJ)，在圖2中示出輸出脈沖激光時的脈沖波形。該波形是在與基板8上的非晶硅薄膜8a相應的位置處所測量的波形，以相對值來示出其強度。脈沖波形具有第一波峰群A、及其后出現的第二波峰群B。將脈沖激光的輸出增大的情況下(1050mJ)，第一波峰群的最大高度隨之增大，并且第二波峰群的高度也增大，設第一波峰群的波峰強度為a、第二波峰強度為b，則b/a為O. 418。此外，使脈沖激光的輸出比上述情況小的情況下(950mJ)，上述比變小，但有O. 374。這樣，將波峰強度比超過O. 35的脈沖激光照射到硅薄膜的情況下，第二波峰群的強度相對較高，硅薄膜再度熔融。即，在硅薄膜因第一波峰而熔融并從液體成為固體時，硅被晶化，但若第二波峰強度較高，則凝固的硅薄膜再度熔融、發生再晶化。在硅薄膜中這一現象的產生有偏差，晶化的均勻性受損。在圖2中，示出了若脈沖激光的輸出進一步下降(850mJ)，則上述比減小、成為O. 35以下的情形。硅薄膜被均勻地晶化。接著，將上述波峰強度比為O. 374 (比較例)和O. 341 (發明例)的脈沖激光按照圖3所示能量密度(E/D)來照射到硅薄膜以使其晶化。在圖3中示出了所得到的多晶硅薄膜的SEM照片(倍率5000倍；代替圖片用的照片)。可見，結晶性根據照射到基板的能量密度的大小而變化，但是，以第二波峰強度較小的激光脈沖來照射的多晶硅薄膜(發明例)與以第二波峰強度較大的激光脈沖來照射的多晶硅薄膜(比較例)相比，能得到更均勻的結晶。
此外，對于上述試驗材料，一邊從傾斜方向改變角度一邊照射白色光，從而通過目視來觀察照射不均勻的產生。對于設能量密度為337mJ/cm2的發明例、和能量密度為333mJ/cm2的比較例，在圖4中示出了觀察結果。從圖4可知，在進行了均勻晶化的發明例中，無論照射角度如何，都未觀察到照射不均勻，但在比較例中，觀察到了照射不均勻。由此可知，在比較例中進行了不均勻的晶化。另外，在圖示以外的發明材料中也未觀察到照射不均勻，在圖示以外的比較例中也觀察到了與上述相同的照射不均勻。以上，基于上述實施方式對本發明進行了說明，但本發明不限于上述實施方式的內容，只要不脫離本發明的范圍，可進行適當的變更。標號說明I受激準分子激光退火處理裝置2受激準分子激光振蕩器3衰減器7光學系統70a聚焦透鏡70b聚焦透鏡71a光束均化器71b光束均化器8 基板8a非晶硅薄膜9基板載放臺10移動裝置
權利要求
1.一種結晶半導體的制造方法，其特征在于，在將脈沖激光照射到非晶半導體以使所述非晶半導體進行晶化時，所述脈沖激光因強度隨時間變化而在I個脈沖中具有多個波峰群，在對所述非晶半導體進行照射時，該波峰群中具有最大高度的第一波峰群和其后出現的第二波峰群在波峰強度值上滿足(第二波峰群)/ (第一波峰群)^ 0. 35的關系。
2.如權利要求I所述的結晶半導體的制造方法，其特征在于，所述非晶半導體是在基板上形成的非晶硅薄膜。
3.—種激光退火裝置,其特征在于,包括激光振蕩器，該激光振蕩器輸出脈沖激光；光學系統，該光學系統將所述脈沖激光導向非晶半導體；以及移動裝置，該移動裝置使所述非晶半導體進行相對移動以將所述脈沖激光對所述非晶半導體進行掃描并照射， 所述激光振蕩器中，所輸出的脈沖激光因強度隨時間變化而在I個脈沖中具有多個波峰群，該波峰群中具有最大高度的第一波峰群和其后出現的第二波峰群在波峰強度值上滿 足(第二波峰群)/ (第一波峰群)^ 0. 35的關系。
4.如權利要求3所述的激光退火裝置，其特征在于，在對所述非晶半導體進行照射吋，所述脈沖激光滿足所述關系{(第二波峰群)/ (第一波峰群)< 0. 35}。
全文摘要
在利用脈沖激光的照射來使硅薄膜進行晶化時，實現均勻的晶化。制造裝置包括激光振蕩器，該激光振蕩器輸出脈沖激光；光學系統，該光學系統將所述脈沖激光導向非晶半導體；以及移動裝置，該移動裝置使所述非晶半導體進行相對移動以將所述脈沖激光對所述非晶半導體進行掃描并照射，所述激光振蕩器中，所輸出的脈沖激光因強度隨時間變化而在1個脈沖中具有多個波峰群，該波峰群中具有最大高度的第一波峰群和其后出現的第二波峰群在波峰強度值上滿足(第二波峰群)/(第一波峰群)≤0.35的關系，將所述脈沖激光照射到非晶半導體，獲得具有均勻特性的結晶半導體。
文檔編號H01L21/20GK102859652SQ20118002112
公開日2013年1月2日 申請日期2011年3月16日 優先權日2010年4月29日
發明者鄭石煥, 次田純一, 町田政志 申請人:株式會社日本制鋼所