结晶装置以及结晶方法

专利名称：结晶装置以及结晶方法
技术领域：
本发明涉及一种结晶装置，此结晶装置对非晶质或多晶半导体薄膜使 用光线，以使此非晶质或多晶半导体薄膜熔化并结晶，本发明尤其涉及一
种结晶技术(Phase Modulated Excimer Laser Annealing (相位调制准分 子激光退火)PMELA)，此结晶技术是指对非单晶半导体薄膜照射具有经调 相所获得的光强度分布的激光束，从而使此非单晶半导体薄膜结晶。
背景技术：
已知有下述技术，即，使形成在玻璃基板等绝缘体上的非结晶半导体 层结晶，以获得结晶质半导体层，形成以此结晶质半导体层为活性层的薄 膜晶体管(TFT: thin film transistor )。
例如，在有源矩阵式液晶显示装置中，设置硅膜等半导体膜，在玻璃 基板上形成薄膜晶体管，并将此薄膜晶体管用作进行切换显示的开关元件。
在形成薄膜晶体管的步骤中，包含使非晶或多晶等非单晶半导体薄膜 结晶的步骤。作为此结晶技术，例如，激光结晶技术已为人所知，此激光 结晶技术是指，使用高能量的短脉冲激光束来使非单晶半导体薄膜的照射 区域熔化，并使此照射区域结晶。
目前，用于生产的激光结晶装置采用下述方法，即，对非晶硅照射纵 长光束(例如，500 ymX 300 mm )状的强度分布均匀的激光束。但是，对 于此方法而言，所获得的半导体膜的结晶粒度(grain size)小于等于0. 5 um，此结晶粒度较小，因此，在TFT的通道区域中会存在结晶粒界(grain boundary ),从而TFT的性能存在极限，例如TFT的特性受到抑制等。
为了提升所述TFT的性能，需要制造具有大晶粒的高品质半导体膜的 技术。作为满足此要求的结晶法，在各种激光结晶技术中，如下技术尤其 受到关注，对非单晶半导体薄膜照射具有经调相后形成的倒波峰图案状的 光强度分布的准分子激光束(excimer laser beam),以使此非单晶半导体 薄膜结晶。
将对非晶硅照射具有均勾强度分布的激光束而不进行所述调相的方法 称作准分子激光退火(Excimer Laser Annealing, ELA)纟支术，将照射经 调相的准分子激光束后进行结晶化的技术称作PMELA技术，对非单晶半导 体薄膜照射具有规定的光强度分布的准分子激光束，使此半导体膜的照射 部熔化，并使此半导体膜的照射部结晶。使用调相元件等光调制元件(light modulation device),例如使用 移相器(phase shifter)等调相元件，来对入射的激光束进行调相，由此 可以获得具有规定的光强度分布的准分子激光束。非单晶半导体薄膜例如 是形成在玻璃基板上的非晶硅薄膜或多晶硅薄膜。
目前正在开发的PMELA技术中，通过照射1次准分子激光束来使大小 为数mm见方的区域熔化 结晶。通过此结晶化非单晶半导体薄膜处理，能 够形成大小为几ym至lO ym左右的具有较为相同的晶粒的优质结晶硅薄 膜(例如，参照非专利文献l)。在由所述方法形成的结晶硅薄膜上制成的 TFT表现出优异的电学特性。
所述PMELA结晶技术具有如下的优异特征，即，激光束的使用效率高， 且可以获得粒径大的结晶。但是，为了获得稳定的电学特性，必须高精度 地对晶粒进行定位。而且，为了使大面积的半导体膜结晶，使用被称作步 进重复(st印and repeat)照射方式的照射方式，此照射方式重复进行下 迷步骤，即，对非单晶半导体膜照射激光束之后，使玻璃基板移动至下一 照射位置为止并停止，接着，再次照射激光束。
PMELA结晶技术中，为了对硅薄膜的微小区域中的熔化、结晶状态进行 评估，要求对此微小区域进行观察。作为对此结晶过程进行光学观察的技 术，已提出了如下技术，即，设置用于观察的照明光学系统，在照射脉沖 状能量光束后进行观察(例如，参照专利文献l)。
图6是用以说明利用PMELA结晶化的结晶装置的一个构成例的图。图6 中，结晶装置100具备用于结晶的光学系统101，此用于结晶的光学系统 101形成用来进行大粒径的结晶化的用于结晶的光图案。用于结晶的光学系 统101包括激光束源111、光束扩展器(beam expander) 112、均束器 (homogenizer) 113、移相器(例如，调相元件)114、成像光学系统115、 以及平台140，此平台140将基板130引导至预先规定的位置。光束扩展器 112扩大来自激光束源111的激光束，均束器113^使所述激光束在面内的光 强度均匀，然后，所述激光束照射到移相器114上。穿过移相器114的准 分子激光束被调制成规定的光强度分布，并由成像光学系统115照射到基 板130上。
而且，对非晶硅照射具有均匀强度分布的激光束而不进行调相的ELA 技术中，已提出了下述技术照射紫外线区域的光作为用于结晶的能量光 束，并将照射可见光区域的光作为用于观察的照明光，由此对结晶过程进 行光学观察。
图6中，观察结晶过程中的被处理区域的观察系统120包括用于观察 的照明光学系统以及显微观察光学系统，此用于观察的照明光学系统包含 用于观察的照明光源121、光束扩展器122、半镜面(half mirror) 123、以及环形镜面系统124，此显微观察光学系统包含显微光学成像系统125、 光检测器126、以及摄像装置(例如，参照专利文献2)。
而且，为了通过在均勻的温度分布下进行加热来促进晶体成长 (crystal growth),形成较大的晶粒，减少结晶缺陷，提升半导体膜的电 学特性，已提出了照射第1能量光束以及第2能量光束的技术，此第1能 量光束使半导体膜结晶，此第2能量光束在半导体膜中的吸收率小于所述 第1能量光束的吸收率，且第2能量光束的能量也小于使半导体膜结晶的 能量。此第2能量光束到达半导体膜的下部以及基板为止，并在半导体膜 的厚度方向上对半导体膜进行加热，由此加热基板，减小照射第1能量光 束前后的温度差。并且揭示了下述事项使用准分子激光的激光束作为所 述第1能量光束，使用包含可见光区域的波长成分的光作为第2能量光束 (参照专利文献3、 4)。
而且，为了使加热后的被处理基板的温度分布保持均匀，也已知在基 板的上层部分设置覆盖层的结构。对于被处理基板而言，例如，在基础基 板上，隔着绝缘膜而形成半导体薄膜等被处理膜，并于此膜上设置由绝缘 膜构成的覆盖膜。覆盖膜用于减少加热后的被处理基板放出的热量，使被 处理基板的温度分布均匀化。
而且，为了高精度地对晶粒进行定位，必须将光调制元件的图案精确 地投影在基板上，但如果频繁重复地连续照射激光束，则光学系统的环境 温度会上升，或透镜系统会产生热膨胀，由此，在照射激光束时，投影到 基板上的光调制元件的图案的投影倍率产生变动。
通过模拟可以确认使用波长为308 mn的激光时，如果环境温度上升 3°C，则例如当使用缩小率为1/5的远心透镜(telecentric lens )来将10 隨的光调制元件图案缩小成2 mm见方并转印到基板上时，倍率从1/5. 000 变为1/4.994，由此，在投影图案的周边部产生2. 4 um左右的误差。
在因照射激光束而形成的结晶区域中，如果在后续步骤中跨越结晶粒 界而形成晶体管，则所述投影倍率的变动会引起开关特性等的降低。
在可以形成达几um的准单晶(quasi single crystal )的PMELA( Phase Modulated gxcimer Laser Annealing)结晶技术中，光调制元件对晶体成 长担负着重要作用，PMELA结晶技术的重要因素在于最适化光调制元件的形 状，此光调制元件的光强度分布借由准分子激光而转印到被处理基板上。井上弘毅、中田充、松村正清；电子信息通信学会论文 杂志Vol. J85_ C， NO. 8， pp. 624 - 629, 2002 "硅薄膜的振幅 相位控制准分 子激光熔化再结晶方法-新2 - D位置控制大晶粒形成法-"日本专利特开2006 - 66462号^St艮日本专利特开2005 - 294801号公报[专利文献3]日本专利特开2000 — 68520号公报日本专利特开2002 — 261015号公报
如上所述,在PMELA (Phase Modulated Excimer Laser Annealing) 结晶技术中，光调制元件对晶体成长担负着重要作用，并且此PMELA结晶 技术的重要因素在于最适化光调制元件的形状，此光调制元件的光强度分 布借由准分子激光而转印到被处理基板上。
但是，因准分子激光为紫外(ultraviolet, UV)光，并且为脉冲照射 激光，所以难以观察到形成在基板上的光强度分布。因而，存在着无法使 该用来获得所需的结晶成长的光调制元件最适化的问题。
对于PMELA (Phase Modulated Excimer Laser Annealing)结晶技术 而言，在所述专利文献1中提出了对已结晶的状态进行光学观察，而且对 于ELA技术而言，于专利文献2中也提出了利用紫外光区的准分子激光来 进行结晶化，并利用可见光区域的光来进行观察，但是由于均是观察结晶 后的状态，所以为了根据所述观察结果来最适化光调制元件的形状，须预 先在用于监视的区域中进行结晶化，在观察此结晶状态后，必须调整光调 制元件，因此存在如下问题，即，无法即时调整光调制元件，在使被处理 部分结晶时无法调整光调制元件。
而且，为了获得均勾的温度分布，将照射到被处理区域的能量光束分 成用来进行结晶化的第1能量光束、和用来进行加热的第2能量光束这2 种，并且使用吸收率小、能量小的光作为用来进行加热的第2能量光束(专 利文献3、 4中的0106、 0115、 0117段落等)，由此，可以不对被处理区域 造成影响地进行加热。
因此，目前已提出的技术均存在如下问题，即，无法在进行结晶化的 状态下，对进行结晶化的能量光束的光强度分布进行观察 测定，且无法 根据此观察 测定来调整光调制元件或金属光圈，以使光强度分布最适化。

发明内容
因此，本发明的目的在于解决所述现有的问题，在结晶装置中，使转 印到被处理基板上的由光调制元件或金属光圏所形成的光强度分布可视 化，并且根据此可视的光强度分布来调整光调制元件或金属光圈。
本发明对转印到被处理基板上的光强度分布的图案使用可见区域的 光，由此可以使光强度分布可视化。因为使所述光强度分布可视化，所以 可以对形成光强度分布的光调制元件或金属光圏进行调整。而且，因为使 光强度分布可视化，所以可以使进行结晶化的光的光轴对准照射区域。
本发明中，使用紫外线区域的激光束及可见光区域的激光束这2种激 光束，作为照射到被处理基板上的激光束。对被处理基板均匀地照射紫外线区域的激光束，由此使被处理基板中的进行结晶化的区域熔化。另一方 面，可见光区域的激光束具有结晶化所必需的能量并且具有图案化的光强 度分布，使此光强度分布与熔化区域重叠，由此使熔化区域进行晶体成长。
非晶硅(amorphous silicon)膜对可见光区域的激光束的吸收率小， 如果仅对非晶硅膜照射具有图案化的光强度分布的可见光区域的激光束， 则由于非晶硅膜的吸收率小，所以无法使非晶硅膜结晶。对此，本发明者 着眼于熔化的非晶硅膜对可见光区域的激光束的吸收率相当大这一事项， 通过对熔化的非晶硅膜照射具有图案化的光强度分布的可见光区域的激光 束，可以同时实现结晶化及可视化。
所述专利文献1、 2所示的先行技术与本发明的相同点在于照射波段不 同的光，但由于使用紫外线区域的脉沖状激光束来进行结晶，并利用测定 照明光学系统来观察结晶后的状态，所以进行结晶化的激光束本身为紫外 线区域的光，而且是以脉冲照射的方式射出的，所以难以观察'测定。并 且，所述专利文献2所示的先行技术采用均匀地照射激光束的结构，此与 利用光强度分布来进行结晶化的技术不同。
而且，所述专利文献3、 4所示的先行技术与本发明的相同点在于照射 波段不同的光，但其中 一个先行技术中使用的光束是用于结晶化的紫外线 区域的脉冲状激光束，而另 一个先行技术中使用的光束是用于加热的包含 可见光区域的能量光束，并且，此用于加热的可见光是使用在被处理基板 的硅膜上的吸收率小的可见光，所以不会进行可见光区域的结晶化。
上述专利文献所示的先行技术均未揭示利用如下内容，即，可见光区 域的光的吸收率会因硅膜的熔化而上升。本发明利用可见光区域的光的吸 收率会因硅膜的熔化而上升这一点，由此可以同时实现结晶化及可视化。
本发明所具备的结晶装置的态样包括紫外光照射系统，将紫外光区 的激光束脉沖照射到被处理基板上；以及可见光照射系统，对被处理基板 上的与紫外光区的激光束的照射区域相同的照射区域，连续照射可见光激 光束。在因均匀地照射紫外光区的激光束而熔化的区域中，利用可见光激 光束的光强度分布来形成晶体成长。
本发明的结晶装置通过脉沖照射紫外光区的激光束来使被处理基板熔 化，并通过连续地照射可见光激光束来使被处理基板结晶，由此二种方式 的组合，使进行结晶处理的激光束可视化。
紫外光照射系统具备准分子激光束源以及紫外光照明光学系统，此紫 外光照明光学系统使从准分子激光束源发出的准分子激光束均匀地照射到 基板上。紫外光照射系统将准分子激光束均匀地照射到基板上，由此在基 板上形成熔化区域。
另一方面，可见光照射系统包括可见光激光束源；光强度分布形成装置，使从可见光激光束源发出的可见光激光束的光强度分布图案化；以及
成像光学系统，使具有经光强度分布形成装置图案化的光强度分布的光，成 像在被处理基板上的准分子激光束的照射区域中。
可见光照射系统将可见光激光束的经图案化的光强度分布照射到被处 理基板上的准分子激光束的照射区域中，使准分子激光束与可i见化激光束 重叠。借由此准分子激光束与可视化激光束的重叠,.可以使被准分子激光 束熔化的区域结晶化。
熔化状态的非晶硅膜对可见光的吸收率高，利用此点，可以在照射可 视化激光束的区域中进行结晶化，因此，可以使进行结晶化的区域可视化。
光强度分布形成装置可以是光调制元件或金属光圈，此光调制元件使 从可见光激光束源发出的可见光激光束的相位偏移，以改变光强度，此金属 光圏遮蔽从可见光激光束源发出的可见光激光束的一部分，以改变光强度。
被处理基板具有非晶硅膜。因为非晶硅膜对准分子激光束的吸收率大 于非晶硅膜对可见光激光束的吸收率，所以脉沖照射出的准分子激光束被 非晶硅膜吸收，从而使此非晶硅膜熔化。另一方面，在非晶硅膜熔化前的 状态下，非晶硅膜对可见光激光束的吸收率小，因此，无助于非晶硅膜的 结晶化，但在非晶硅膜熔化后的状态下，非晶硅膜对可见光激光束的吸收 率变大，因此，非晶硅膜借由图案化的光强度分布而结晶化。
而且，在本发明的结晶方法的态样中，对被处理基板上的非晶硅膜均 匀地脉冲照射紫外光区的激光束，以使此非晶硅膜熔化，使可见光激光束 的光强度分布图案化，将此图案化的可见光激光束，重叠地照射到熔化的 液化硅区域上，由此形成晶体成长。
根据本发明，结晶装置可以使转印到被处理基板上的由光调制元件或 金属光圈所形成的光强度分布可视化。
并且，可以根据可视化的光强度分布来调整光调制元件或金属光圈。


图l是用来说明本发明的结晶装置l的结构的示意图。 图。； ' "；"口 ""；'、、、'、 、
图3是用来说明通过重叠准分子激光束与可见光激光束来实现熔化及
结晶化的图。
图4是用来说明通过重叠准分子激光束与可见光激光束来实现熔化及
结晶化的图。
图5是用来说明可见光在非晶硅膜、熔融化非晶硅膜及多晶硅膜等各膜中的吸收状态以及穿透状态的图。
图6是用来说明利用PMELA结晶化的结晶装置的一个构成例的图。 [符号的说明]
1:结晶装置11准分子激光束源
12UV照明光学系统13熔化区域
21可见光激光束源22可见光照明光学系统
23光调制元件24成像光学系统
30被处理基板31基础基4反
32绝缘膜33被处理膜
34结晶区域100结晶装置
101:用于结晶的光学系统111激光束源
112光束扩展器113均束器
114移相器115成像光学系统
120观察系统130基板
具体实施例方式
以下，参照附图，详细说明本发明的实施形态。
图1是用来说明本发明的结晶装置1的结构的示意图。图1中，本发
明的结晶装置1包括紫外光照射系统10以及可见光照射系统20，此紫外光 照射系统10将紫外光区的激光束脉冲照射到被处理基板30上，此可见光 照射系统20对被处理基板30上的与紫外光区的激光束的照射区域相同的 照射区域，连续照射可见光激光束。紫外光照射系统10均匀地照射紫外光 区的激光束，借此使被处理基板30上的照射区域熔化。可见光照射系统20 对已熔化区域重叠地照射可见光，借此利用可见光的激光束的光强度分布 来形成晶体成长(crystal growth )。
紫外光照射系统10包括脉沖射出准分子激光束的准分子激光束源11、 以及照射激光束的UV照明光学系统12，通过与可见光照射系统20共有的 成像光学系统24，来将准分子激光束照射到被处理基板30上，使设置在被 处理基板30上的薄膜熔化。
可见光照射系统20包括可见光激光束源21,连续照射可见光激光束； 可见光照明光学系统22;光调制元件23,将可见光照明光学系统22照射 出的可见光激光束调制成具有规定的光强度分布的光线；成像光学系统24， 使光调制元件23的调制光在被处理基板30上成像；以及定位平台(未图 示)，其支撑着被处理基板30,并且确定被处理基板30上的二维平面位置。 经由成像光学系统24而照射到被处理基板30上的调制光，使设置在被处 理基板30上的薄膜内的由紫外光照射系统IO熔化的区域结晶化。图2是用来说明准分子激光束源与可见光激光束源的激光束的一例的
图。图2 (a)是准分子激光束的一例，照射着脉冲状激光束。另一方面， 图2 (b)是可见光激光束的一例，表示了光强度分布，且连续照射着激光 束。
可见光照明光学系统22具有光束扩展器(未图示)或均束器(未图示), 此光束扩展器扩大从可见光激光束源21射出的可见光激光束的光束，此均 束器使面内的光强度均匀化，所述可见光照明光学系统22射出并调整用于 结晶的激光束，此激光束对光调制元件23进行照明。另外，图中，未显示 光束扩展器以及均束器。
光调制元件23可以使用移相器来对用于结晶化的激光束进行调相，以 将此用于结晶的激光束调制成具有预期的光强度分布的光，例如调制成具 有倒波峰图案的光强度分布的光。而且，可以利用光调制元件驱动机构25 来使光调制元件23对光强度分布进行调整。
成像光学系统24将经光调制元件23调相的用于结晶化的激光束，缩小 照射到将要结晶化的非单晶半导体薄膜上。例如可以借由投影方式来实现 所述缩小照射，所述投影方式是在照明光学系统22与成像光学系统24之 间设置光调制元件23而成的。
为了使设置在被处理基板30上的非单晶半导体膜结晶化，例如，为了 使已熔化的非晶质或多晶半导体膜结晶化，可见光激光束源21须输出具有 充分能量的光，例如输出一种在非单晶半导体膜上具有1 J/cm2的光。
另一方面，准分子激光束源ll输出短脉冲激光束，例如输出半值频带 宽度(half bandwidth)约为25 nsec至30 nsec的脉冲激光束。对于激 光束而言，例如，优选波长为248 nm的KrF准分子激光束、和波长为308 nm 的XeCl准分子激光束。准分子激光束源例如为脉冲振荡式准分子激光束源， 此脉冲振荡式准分子激光束源的振荡频率例如为1 Hz至300 Hz。
光束扩展器(未图示)使入射的可见光激光束扩大，例如，此光束扩 展器可以由使光束扩大的凹透镜(concave lens)与4吏光束变为平行光的 凸透镜(convex lens)构成。而且，均束器(未图示)具有如下功能，即， 确定入射的激光束在XY截面方向上的尺寸，并使所确定的形状内的光强度 分布变得均匀。例如，沿着Y方向排列多个X方向柱面透镜(cylindrical lens)，形成沿着Y方向排列的多道光束，利用X方向聚光透镜(condenser lens)来使各光束重合在Y方向上，从而进行再次分布。同样地，沿着X 方向排列多个Y方向柱面透镜，形成沿着X方向排列的多道光束，利用Y 方向聚光透镜来使各光束重合于X方向，从而进行再次分布。借由均束器， 将可见光激光束调节成具有规定的角度扩展(angel spread)且截面内的 光强度均匀化的照明光。移相器是光调制元件23的一例，例如是在石英玻璃基板上形成段差而
成的移相器。激光束在此段差的分界处产生衍射及干涉，对激光束强度赋
予周期性的空间分布，例如，在左右方形成180。的相位段差。在左右方形 成了 180°的相位段差的移相器将强度分布均匀的入射光的强度调制成倒 波峰状的光强度分布。
移相器例如以对入射光进行调相，从而形成倒波峰状光强度分布的方 式而形成段差，并调制可见光激光束的相位。其结果，照射半导体膜的激 光束的强度分布变成倒波峰图案的光强度分布，此倒波峰图案的光强度分 布是所述激光束在与相位的偏移部(段差)相对应处经强度调制后形成的。
穿透作为光调制元件23的移相器的激光束借由经像差修正的成像光学 系统24，以规定的光强度分布成像在被处理基板30上，此被处理基板30 设置在与移相器(光调制元件23 )共轭的位置。成像光学系统24由透镜群 构成，此透镜群例如包括多片氟化钾(CaF2)透镜以及合成石英透镜，所述 透镜例如是缩小率1/5、 N. A. : 0. 13、分辨率2 p m、焦点深度±10 ix m、 焦距30 mm至70 mm的动作距离的单侧远心透镜。
并且，可以使用金属光圈来代替光调制元件23，借由光圈部的边缘 (edge)部的段差来对光强度分布进行调相。
而且，通常，在经结晶化处理的被处理基板30上，隔着绝缘膜而在保 持基板上形成非单晶半导体膜(例如非晶硅膜、多晶硅膜、经喷镀的硅膜、 硅锗膜、或经脱氬处理的非晶硅膜)，所述保持基板例如是指玻璃基板、塑 料基板等绝缘基板，以及硅等半导体基板(晶圆)等。
对于非单晶半导体膜的膜厚而言，例如在经脱氢处理的非晶硅膜的情 形时，膜厚为30 nm至300 nm,例如为50 nm。设置绝缘膜的目的在于当 使非单晶半导体膜结晶化时，防止不良的杂质从保持基板扩散到非单晶半 导体膜中，或者积蓄因照射激光而产生的焦耳热(Joule heat)。
并且，设置有覆盖绝缘膜的结构也已为人所知。此覆盖绝缘膜具有如 下功能，即，利用此覆盖绝缘膜对激光束的紫外光穿透特性以及隔热特性， 蓄积非单晶半导体膜受到激光束照射并熔融时的热量，以实现结晶化。此 覆盖绝缘膜的蓄热效果使得现有结构的结晶装置，可以在非单晶半导体膜 的熔融区域中达成大粒径(大于等于5 um)的结晶化。此覆盖绝缘膜用于 提高结晶化的效率，但由于本发明的结晶装置可以在相同区域中进行熔化 与结晶化，所以也可以不需要覆盖膜，此覆盖膜是由为了保持加热状态而 设置在被处理基板30的非单晶半导体膜上的绝缘膜所构成的。
本发明的结晶装置1也可以具备定位平台(未图示)。定位平台除了具 有XY平台(未图示)以外，还具有位置测定部(未图示)，其中所述XY平 台载置^l皮处理基板30并在XY方向的二维平面上自如地移动，所述位置测定部测定XY平台上的二维平面位置。XY平台包括沿着X轴方向移动的X轴 平台、沿着Y轴方向移动的Y轴平台、和支撑着所述X轴平台及Y轴平台 的定盘(未图示)。被处理基板30载置在XY平台上，通过使XY平台在二 维平面移动来对被处理基板30进行定位。
当使用本发明的结晶装置1来使被处理基板30结晶化时，利用平台驱 动控制装置(未图示)来驱动XY平台，在被处理基板30上扫描激光束，以 使被处理基板30结晶化。
图3、图4是用来说明通过重叠准分子激光束与可见光激光束来实现熔 化及结晶化的图。
在被处理基板30的基础基板31上，设置着非晶硅膜以作为绝缘膜32 与被处理膜33。将准分子激光束10a与可见光激光束20a重叠地照射到被 处理基板30上。以脉冲照射的方式来照射准分子激光束10a。因为准分子 激光的波长短，所以其在非晶硅膜中的吸收率高，进入被处理基板30的深 度浅，可以熔化非晶硅膜。
另一方面，由于连续照射的可见光激光束20a在非晶硅膜中的吸收率 小，所以其进入被处理基板30的深度深，可以到达较非晶硅膜更下侧的层 为止，从而可以使注入到被处理基板30中的能量分散。
当重叠地照射准分子激光束10a与可见光激光束20a时，在非晶硅膜 熔化之前的状态下，由于可见光激光束20a在非晶硅膜中的吸收率小，所以 可见光激光束20a会穿过非晶硅膜的层，从而无法使非晶硅膜结晶化。与此 相对，在非晶硅膜已熔化的状态下，由于可见光激光束20a在非晶硅膜中的 吸收率大，所以可见光激光束20a在非晶硅膜的层中被吸收，从而可以使 非晶硅膜结晶化。
图3 (a )表示重叠地照射准分子激光束10a与可见光激光束20a的状 态，图3 (b)表示准分子激光束10a的照射状态，图3(c)表示可见光激 光束20a的照射状态。图3(b)中，非晶硅膜33的区域13由于受到准分 子激光束10a的照射而熔化。图3(c)中，对已熔化的区域13照射可见光 激光束20a,由此使其结晶化。
图4表示如下状态，即，使重叠地照射着准分子激光束10a与可见光 激光束20a的位置移动，由此推进被处理基板30上的结晶化过程。图4 ( a ) 表示照射激光束之前的状态，在图4 (b)中，通过重叠地照射准分子激光 束10a与可见光激光束20a来使照射位置结晶化，在图4 (c)中，使准分 子激光束10a与可见光激光束20a在被处理基板30上移动，由此对下一照 射位置重叠地照射准分子激光束10a与可见光激光束20a,从而进行结晶化。
图5是用来说明可见光在非晶硅膜、熔融化非晶硅膜及多晶硅膜中的 吸收状态和穿透状态的图。图5的上段表示积层在绝缘膜(熔融二氧化硅)上的各状态的硅膜的
各分界处的反射状态，图5的下段表示各状态的硅膜(50 nm)中的穿透状 态。
图5的左方表示非晶硅膜时的情况。非晶硅膜的折射率n为4, 2，吸收 率k为0. 46。经非晶硅膜反射后的可见光的透射率T,为46%，可见光因被 吸收而削弱之后，其透射率T2为63°/。。由此，总透射率T为1X1 = 29%。
另一方面，熔融化非晶硅膜的折射率n为18，吸收率k为5.2。经熔 融化非晶硅膜反射后的可见光的透射率L为23%,可见光因被吸收而削弱之 后，其透射率了2为0. 57%。由此，总透射率T为T\XT2= 0. 14°/。。
另外，多晶硅膜的折射率n为3. 8，吸收率k为0. 03。经多晶硅膜反 射后的可见光的透射率T,为51%，可见光因被吸收而削弱之后，其透射率 丁2为97%。由此，总透射率T为I\XT2-50°/。。
因此，当在石英上形成50 nm的非晶硅膜时，可见光激光束在非晶硅 膜中的透射率为29%，而可见光激光束在熔融化非晶硅膜中的透射率为 0.14%，所以当将可见光激光束照射到正在熔化的硅上时，可见光激光束会 大幅被吸收，因此，可以可见光来形成晶体成长的光强度分布。
当利用现有的准分子激光束来进行结晶化时，由于在例如30 ns的短 时间内照射强脉冲光，所以需要使用覆盖层来锁住热量，但根据本发明的 结晶装置的态样，可以利用可见光激光束来使因准分子激光束而熔化的区 域结晶化，因此可以省略在基板上形成覆盖膜等初始膜的步骤。
并且，根据本发明的结晶装置，通过使用可见光的光调制元件，使得 易于观察到光强度分布，并且易于对光调制元件进行加工。
并且，根据本发明的结晶装置，因为可以在可见光激光束的连续振荡 下调整光学系统的光轴，所以易于对装置进行维护管理。
权利要求
1. 一种结晶装置，其特征在于包括紫外光照射系统，将紫外光区的激光束脉冲照射到被处理基板上；以及 可见光照射系统，对被处理基板上的与所述紫外光区的激光束的照射区域相同的照射区域，连续照射可见光的激光束；并且在因均匀地照射所述紫外光区的激光束而熔化的区域中，利用所述可见光激光束的光强度分布来形成晶体成长。
2. 如权利要求1所述的结晶装置，其特征在于,、所述紫外光照射:手、统包括准分子激光,束源;以及紫外i^照明光学系统、，地照射到基板上，所述可见光照射系统包括可见光激光源、光强度分布形成装置、以及 成像光学系统，所述光强度分布形成装置使从所述可见光激光束源发出的 可见光激光束的光强度分布图案化，所述成像光学系统使具有经所述光强 度分布形成装置图案化的光强度分布的光，成像在被处理基板上的所述照 射区域中。
3. 如权利要求2所述的结晶装置，其特征在于所述光强度分布形成 装置是光调制元件，此光调制元件使从可见光激光束源发出的可见光激光 束的相位偏移，以改变光强度。
4. 如权利要求2所述的结晶装置，其特征在于所述光强度分布形成装置是金属光圈，此金属光圈遮蔽从可见光激光束源发出的可见光激光束 的一部分，以改变光强度。
5. 如权利要求1至4中任一项所述的结晶装置，其特征在于 借由所迷被处理基板的非晶硅膜的吸收作用，所述紫外光照射系统使所述非晶硅膜熔化，借由所述熔化的非晶硅膜的吸收作用，所述可见光照射系统使所述非 晶硅膜结晶化。
6. —种结晶方法，其特征在于对被处理基板上的非晶硅膜均匀地脉冲照射紫外光区的激光束，以使 所述非晶硅膜熔化，使可见光的激光束的光强度分布图案化，将所述图案化的可见光的激 光束重叠地照射到所述熔化的液化硅区域上，由此形成晶体成长。
全文摘要
本发明提供一种结晶装置，在此结晶装置中，可以使转印到被处理基板上的由光调制元件或金属光圈所形成的光强度分布可视。此结晶装置具有紫外光照射系统以及可见光照射系统，此紫外光照射系统将紫外光区的激光束脉冲照射到被处理基板上，此可见光照射系统对被处理基板上的与紫外光区的激光束的照射区域相同的照射区域，连续照射可见光激光束。在因均匀地照射紫外光区的激光束而熔化的区域中，利用可见光激光束的光强度分布来形成晶体成长。结晶装置通过脉冲照射紫外光区的激光束来使被处理基板熔化，并通过连续地照射可见光激光束来使被处理基板结晶化，由此二种方式的组合，使进行结晶处理的激光束可视化。
文档编号H01L21/20GK101312116SQ200710163149
公开日2008年11月26日 申请日期2007年10月10日 优先权日2007年5月21日
发明者秋田典孝, 高见芳夫 申请人:株式会社岛津制作所