CN100397576C - 薄膜半导体的制造方法及制造装置 - Google Patents

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Abstract

一种薄膜半导体的制造方法，包括：将可见光脉冲激光在被照射物的表面上聚光成细线形状，并且移动位置以使得在上述细线形状的照射区域的宽度方向上与下一个定时的照射区域重合，同时进行反复照射，在上述被照射物的表面上形成多晶硅膜的多晶化工序；上述多晶化工序在上述可见光脉冲激光对第1照射区域照射的期间或照射之前，对与上述第1照射区域部分重合的第2照射区域照射紫外光脉冲激光。

Description

薄膜半导体的制造方法及制造装置
技术领域
本发明涉及薄膜半导体的制造方法及制造装置。特别是涉及利用激光照射进行再结晶的技术。
背景技术
在绝缘基板的表面上形成多晶硅膜作为半导体层，利用此半导体层代替现有的半导体基板的多晶硅薄膜晶体管已公知。在此种多晶硅薄膜晶体管中，由于硅的晶粒边界限制了载流子的迁移度，所以优选是均匀地形成尽量大粒径的多晶硅。然而，在通过对作为原材料的非晶硅照射激光来加热熔融并在冷却时进行再结晶的所谓的激光再结晶方式中，对促进晶体生长的硅熔融部的温度控制一直很困难。因此，一直很难均匀而稳定地形成大粒径晶体。
对此，第一，有在日本专利申请特开2000-12484号公报(专利文献1)中披露的技术。在专利文献1中，通过在具有可见区域波长的第1脉冲激光和将第1脉冲激光经过波长变换成为其二次谐波而产生的具有紫外区域波长的第2脉冲激光重叠的状态下对非晶硅进行照射，使第2脉冲激光在非晶硅上在时间和空间上包含在第1脉冲激光中，并且通过抑制利用第2脉冲激光熔融的硅发出的热量的散发进行熔融部的温度控制，从而形成比较大粒径的多晶硅膜。
第二，有在日本专利申请特开2000-286195号公报(专利文献2)中披露的技术。在专利文献2中，利用作为可见光激光的Nd:YAG2ω激光束，使激光束聚光成具有在宽度方向上大致为高斯形状的光强度分布的细线形状，作为具有规定以上的能量密度梯度的激光束照射在非晶硅上。在此技术中，采用在非晶硅上的吸收系数低的可见光抑制膜厚方向的温度梯度，同时，有意地在宽度方向上形成温度梯度而在一维的横向方向上生长。由此，可以得到具有大粒径的晶体阵列的多晶硅膜。
专利文献1：日本专利申请特开2000-12484号公报
专利文献2：日本专利申请特开2000-286195号公报
发明内容
在上述的专利文献1的例子中，由于利用第1脉冲激光的加热重叠延长熔融硅的冷却时间而延长晶体生长时间，晶体加大。然而，由于使非晶硅熔融的第2脉冲激光是紫外光，在熔融的硅膜中产生膜厚方向的温度梯度，晶体在膜厚方向上生长。因此，过去一直存在晶体的大小受到膜厚的限制的问题。
在上述的专利文献2的例子中，由于使用可见光的激光束(以下称其为“可见激光”)，晶体不是在膜厚方向上而是在横向上生长。所以，不受膜厚限制，可以取得大粒径。可是，由于光束形状在宽度方向上具有高斯形状的分布，在光束的高斯形状分布的两侧的梯度部分上同时产生横向晶体生长。在专利文献2的例子中，也与通常的激光再结晶的场合一样，在使细线形状激光束在宽度方向上重叠的同时，使照射位置顺序移动而顺序进行结晶，使非晶硅全部表面进行结晶，由于在行进方向前侧的梯度部分上暂时形成的晶体部分中形成优质的多晶硅，对可见光的吸收非常少，在只以第1脉冲激光进行照射时，不能给予再熔融那样多的热量。因此，在高斯形状分布的梯度部分的两侧分别形成的多晶硅阵列分别独立存在，由于阵列之间的晶粒边界的性质不佳，虽然晶粒直径变大，但是载流子的迁移度不高的问题过去一直存在。
本发明的目的在于提供一种不受膜厚限制，并且可以稳定形成大晶体粒径的多晶硅膜的薄膜半导体的制造方法及制造装置。
为达到上述目的，本发明提供一种薄膜半导体的制造方法，包括：将可见光脉冲激光在被照射物的表面上聚光成细线形状，并且移动位置以使得在上述细线形状的照射区域的宽度方向上与下一个定时的照射区域重合，同时进行反复照射，在上述被照射物的表面上形成多晶硅膜的多晶化工序；上述多晶化工序在上述可见光脉冲激光对第1照射区域照射的期间或照射之前，对在宽度方向上与上述第1照射区域部分相互重合的第2照射区域照射紫外光脉冲激光。
根据本发明，由于第1和第2脉冲激光重叠而使被照射物的表面熔融，第2脉冲激光照射的部分成为非晶态，所以借助扫描，可以在所要求的区域形成极佳的多晶硅膜。特别是，可以在被照射物的整个表面上使在横向方向上生长的晶体具有同一晶体生长方向。并且，因为横向生长的末端部分再度熔融并且以其为起点进行下一个横向生长，所以晶体生长几乎是连续的，可以使结晶性非常好。
附图说明
图1为使用基于本发明的薄膜半导体的制造方法的半导体装置的制造方法的第1工序的说明图。
图2为使用基于本发明的薄膜半导体的制造方法的半导体装置的制造方法的第2工序的说明图。
图3为使用基于本发明的薄膜半导体的制造方法的半导体装置的制造方法的第3工序的说明图。
图4为使用基于本发明的薄膜半导体的制造方法的半导体装置的制造方法的第4工序的说明图。
图5为使用基于本发明的薄膜半导体的制造方法的半导体装置的制造方法的第5工序的说明图。
图6为在基于本发明的实施方式1的薄膜半导体的制造方法中使用的激光退火装置的概念图。
图7为利用基于本发明的实施方式1的制造方法在被照射物上发生的第1、第2脉冲激光的照射区域重叠的情况的说明图。
图8为包含在基于本发明的实施方式1的薄膜半导体的制造方法中的扫描照射工序的说明图。
图9为基于本发明的实施方式1的激光照射的情况的说明图。在此图中(a)是表示在第1脉冲激光单独照射时在宽度方向上的能量密度分布的分布形状的曲线图；(b)是表示利用第1脉冲激光在被照射物中产生熔融部的情况的剖面图；而(c)是表示在被照射物内部的温度分布的曲线图。
图10为利用包含在基于本发明的实施方式1的薄膜半导体的制造方法中的扫描照射工序生长的晶粒的说明图。
图11为利用包含在基于本发明的实施方式1的薄膜半导体的制造方法中的扫描照射工序在横向方向上晶粒生长的情况的说明图。
图12为示出波长和关系的曲线图。
图13为示出第2脉冲激光的照射能量密度和在照射后形成的结晶状态的关系的曲线图。
图14为利用包含在基于本发明的实施方式1的薄膜半导体的制造方法中的多晶化工序对被照射物的表面进行锯齿状扫描的情况的说明图。
图15为基于本发明的实施方式1的第1、第2脉冲激光一部分重叠进行照射的情况的说明图。其中(a)是表示在第1、第2脉冲激光在宽度方向上的能量密度分布的分布形状的曲线图；(b)是表示通过使第1、第2脉冲激光之间重叠在被照射物中产生熔融部的情况的剖面图；而(c)是表示在被照射物内部的温度分布的曲线图。
图16为利用包含在基于本发明的实施方式1的薄膜半导体的制造方法中的多晶化工序在横向方向上晶体生长的情况的说明图。
图17为包含在基于本发明的实施方式2的薄膜半导体的制造装置中的内部波长变换型固体激光装置的概念图。
图18为基于本发明的实施方式3的薄膜半导体的制造装置的概念图。
图19为基于本发明的实施方式4的薄膜半导体的制造装置的概念图。
图20为包含于基于本发明的实施方式5的薄膜半导体的制造方法中的多晶化工序的说明图。
(附图标记说明)
1脉冲激光光源；2第1脉冲激光；6第2脉冲激光；8聚光照射光学系统；9被照射物；10非线性光学元件；11聚光透镜；12折光镜；13光束调整光学系统；14载台；21(用来聚光成为细线形状的)聚光透镜；22(聚光成为细线形状的)第1脉冲激光；23(聚光成为细线形状的)第2脉冲激光；24(被聚光了的第1脉冲激光的)分布形状；24n(新照射的第1脉冲激光的)分布形状；25(被聚光了的第2脉冲激光的)分布形状；26熔融部；27(聚光成为细线形状的光束的)纵向方向；29晶粒；31、38横向生长晶体；32(表示晶体生长方向的)箭头；34(表示第1脉冲激光的照射区域相对进行扫描的方向的)箭头；35(第1脉冲激光的)照射区域；36(第2脉冲激光的)第2照射区域；37非晶态部分；51(发射第2脉冲激光的)脉冲激光光源；52分色镜；53(第1脉冲激光的)光轴；54(第2脉冲激光的)光轴；71(表示被照射物移动方向的)箭头；80棱镜；101内部波长变换型固体激光装置；115固体激光介质；116半导体激光元件；117基波激光；118Q开关；119二次谐波生成用非线性光学元件；120第1端部反射镜；121第2端部反射镜；122二次谐波提取镜；123折光镜；124机壳；125光束取出窗；201绝缘基板；202底膜；203非晶硅膜；204(表示激光照射的)箭头；206(被构图了的)多晶硅膜；207栅绝缘膜；208栅电极；209源电极；210漏电极；211层间绝缘膜
具体实施方式
下面，参照图1～图5对基于本发明的实施方式1的薄膜半导体的制造方法及制造装置在何种情况下使用进行说明。如图1所示，利用CVD(化学汽相淀积)法在绝缘基板201的上表面上形成由氧化硅膜等构成的底膜202。底膜202用作防止绝缘基板201中的杂质扩散到要形成的多晶硅膜中的阻挡层。此外，还形成非晶硅膜203将其覆盖。
如图2的箭头204所示，以具有大于等于350nm的可见光区域的波长的第1激光及具有小于350nm的紫外区域的波长的第2激光作为照射用激光进行照射。此激光照射，加热非晶硅膜203使其熔融。在这样熔融的硅被冷却和固化时，形成多晶硅膜205。其后，利用光刻技术，如图3所示，使多晶硅膜206的构图成为岛状。
如图4所示，形成氧化硅膜作为栅绝缘膜207，并形成栅电极208。如图5所示，形成氧化硅膜或氮化硅膜作为层间绝缘膜211，并形成源电极209和漏电极210。这样，就制成以多晶硅膜206为半导体层的薄膜晶体管。
其中本发明主要关心的是图1至图2的工序，即通过对非晶硅膜203照射激光使其暂时熔融并冷却和固化而形成多晶硅膜205的工序。以下对此工序进行详细说明。
(实施方式1)
参照图6对作为基于本发明的实施方式1的薄膜半导体的制造装置的激光退火装置进行说明。此激光退火装置，具有脉冲激光光源1。脉冲激光光源1，用来产生具有属于可见光区域的波长的第1脉冲激光2。第1脉冲激光2，具体言之，是振荡波长515nm的氩脉冲激光。被照射物9如图1所示，通过照射激光使上表面的非晶硅膜203部分地熔融、再结晶而形成多晶硅膜。
沿着从脉冲激光光源1到被照射物9的光路，顺序配置聚光透镜11、非线性光学元件10、折光镜12、光束调整光学系统13及聚光照射光学系统8。非线性光学元件10是使第1脉冲激光2的一部分经过波长变换生成具有紫外区域的波长的第2脉冲激光6并使第2脉冲激光6与第1脉冲激光2在同轴上重叠出射的装置。在图6中，在非线性光学元件10的右侧将第1脉冲激光2和第2脉冲激光6显示为两根平行直线，但实际上这两个激光的光轴是相同的。
聚光透镜11，是用来提高入射到非线性光学元件10的第1脉冲激光2的光强度以提高非线性光学元件10中变换为紫外光的波长变换效率的装置。折光镜12，是将从非线性光学元件10出射的第1脉冲激光2及第2脉冲激光6的行进方向以直角弯曲的装置。聚光照射光学系统8，是用来将第1脉冲激光2及第2脉冲激光6聚光照射被照射物9的聚光装置。被照射物9设置于载台14上。载台14可上下左右移动。
从非线性光学元件10出射的第1脉冲激光2及第2脉冲激光6，由折光镜12弯曲一个直角，入射到聚光照射光学系统8。利用此聚光照射光学系统8将第1脉冲激光2及第2脉冲激光6分别聚光成线状。在此制造装置中，通过借助载台14调整被照射物9的高度，可使第2脉冲激光6的聚光点位于被照射物9上。
此制造装置的脉冲激光光源1，使用在可见光区域中的振荡波长515nm的氩激光器，通过由Q开关将其脉冲化而产生第1脉冲激光2。在非线性光学元件10中使用β-BBO(β-BaB2O4、硼酸钡)晶体。在非线性光学元件10中，β-BBO晶体的表面经过切割以便在接受波长515nm的光的第1脉冲激光2产生第1脉冲激光2的二次谐波的第2脉冲激光6时满足相位匹配条件。所以，第2脉冲激光6成为波长为258nm的紫外光。另外，图中虽然未示出，但在非线性光学元件10中设置有根据温度及设置角度进行调整的调整单元。
在此制造装置中，具有通过将脉冲激光光源1、聚光照射光学系统8等进行组合而构成可见光脉冲激光照射单元，此单元将可见光脉冲激光在被照射物9的表面聚光成线状，并移动位置以使得在此细长形状的照射区域的宽度方向上与下一个定时的照射区域重合，同时反复进行照射。此外，此制造装置，具有通过将脉冲激光光源1、非线性光学元件10、聚光照射光学系统8等进行组合而构成紫外光脉冲激光照射单元，此单元在可见光脉冲激光对第1照射区域的期间或照射之前，对与上述第1照射区域部分重合的第2照射区域照射紫外光脉冲激光。
下面参照图7～图16对基于本发明的实施方式1的薄膜半导体的制造方法进行说明。
此制造方法包含多晶化工序。在多晶化工序中，由聚光照射光学系统8将作为可见光脉冲激光的第1脉冲激光2在基板形状的被照射物9的表面聚光成线状并为了在此细线形状的照射区域的宽度方向上与在下一个定时的照射区域重合而缓慢地移动位置的同时重复进行照射而在被照射物9的表面上形成多晶硅膜205(参照图2)。
但是，在此制造方法中，不仅使用第1脉冲激光2，而且也使用第2脉冲激光6进行照射。因此，对这两个脉冲激光的进行进行详细说明。
从脉冲激光光源1射出的第1脉冲激光2，由聚光透镜11聚光，入射到非线性光学元件10。由于非线性光学元件10，如上所述，为了在生成二倍谐波时满足相位匹配条件而受到切割，入射到非线性光学元件10的第1脉冲激光2的一部分经波长变换成为二倍谐波，成为在紫外区域具有波长的第2脉冲激光6。由于第2脉冲激光6是沿着第1脉冲激光2的光路生成的，在忽略偶然造成的行进方向上的移动时，第2脉冲激光6可以看作是与第1脉冲激光2同轴产生。
从非线性光学元件10射出的第1脉冲激光2及第2脉冲激光6，由同一折光镜12弯曲90°，入射到光束调整光学系统13。光束调整光学系统13，由多个柱面凸透镜及柱面凹透镜构成，在扩大第1脉冲激光2及第2脉冲激光6的束径的同时使光束发散角减小。
从非线性光学元件10到聚光照射光学系统8是使具有可见光区域波长的第1脉冲激光2及具有紫外光区域的波长的第2脉冲激光6在同一光轴上前进的而对两者进行传送的激光传送部。
入射到聚光照射光学系统8的第1脉冲激光2及第2脉冲激光6聚光成细线形状。此处，聚光照射光学系统8，具有相对光轴对称设置的一对棱镜80。因此，由于第1脉冲激光2及第2脉冲激光6的波长不同，出射角度不同。在本实施方式中，利用这种聚光照射光学系统8的功能，使第2脉冲激光6的聚光点与第1脉冲激光2的聚光点错开，第2脉冲激光6的聚光点永远处于被照射物9的行进方向的后侧照射。第1脉冲激光2及第2脉冲激光6，由于波长不同而产生色差，聚光点不同。在此制造方法中，具有紫外光波长的第2脉冲激光6的聚光点可通过借助载台14调整被照射物9的高度而使第2脉冲激光6的聚光点位于被照射物9上。
由本实施方式的制造方法在被照射物9上产生的第1脉冲激光2及第2脉冲激光6的各照射区域的图形如图7所示。第2脉冲激光6的照射区域36与第1脉冲激光2的照射区域35的大致一半重叠。在图7中，箭头71示出被照射物9的行进方向。箭头34示出第1脉冲激光2的照射区域35最终扫描被照射物9的表面的方向。第2脉冲激光6的照射区域36聚光于被照射物9的行进方向的后侧。另外，在纵向方向上，即在图7的左右方向上，第2脉冲激光6的照射区域36可以与第1脉冲激光2的照射区域35长度相同，或者优选是更长。
图8为从聚光透镜21出射的第1脉冲激光22照射非晶硅膜203使非晶硅膜203熔融的情况的概念图。图8(a)的第1脉冲激光22，就是由设置于聚光照射光学系统8内的聚光透镜21将第1脉冲激光2聚光成细线形状的激光。
成为细线形状的第1脉冲激光22，对非晶硅膜203上的照射区域35进行照射，此时的第1脉冲激光22的能量密度的分布形状24如图8(a)所示。分布形状24，相对照射区域35的纵向方向是均匀的，几乎没有变化的所谓的平顶形状，在照射区域35的宽带方向上大致为高斯分布形状。
在利用具有这种分布形状24的氩激光进行热处理时，由于非晶硅对氩激光的吸收系数小，在膜厚方向上的加热大致是均匀的。利用这种激光照射产生的硅膜内的横向方向上的温度梯度，只对细线形状的照射区域35的宽度方向形成。所以，如图8(b)所示，在被照射物9上面覆盖的非晶硅膜203中，受到大于等于一定强度的光束照射的区域，在深度方向上整个熔融。就是说，在细线形状的局部区域在深度方向上整个产生扩展的熔融部26。图9示出从另一角度表现的其状态。通过图9的(a)所示的分布形状24的激光的照射，非晶硅膜203内成为如图9的(c)所示的温度分布，并且只在温度超过熔点的区域非晶硅熔融而成为，如图9的(b)所示，熔融部26。由于在深度方向及细线形状的照射区域35(图8(a))的纵向方向上温度梯度小，晶体生长为在照射区域35的宽度方向上的一维横向生长，如图10所示，形成晶粒直径为数μm大小的晶粒29。另外，因为晶体生长的取向是照射区域35的宽度方向，由于这一照射而形成的多晶硅膜的晶粒29，如图10的(a)所示，与照射区域的宽度方向30一致。图10的(b)为这样再结晶的部分的剖面图，由于在深度方向上几乎不存在温度梯度，在膜厚方向上整个区域一样结晶。
利用如上所述的脉冲激光波长大于等于350nm的激光进行热处理的横向生长的过程，对在硅膜内在横向方向上形成的温度分布影响很大。就是说，对于聚光成细线形状进行照射的激光的宽度方向的能量密度分布影响很大。由激光照射引入到硅膜内的热量，同样地分散到被照射物9的其它部分。就是说，硅膜内的横向温度分布曲线，如图11的(b)所示一样降低。所以，如图11的(b)的箭头32所示，晶体生长是从温度先降低到低于熔点的部分向着温度后降低到低于熔点的部分横向进行。这样，如图11的(a)所示，形成横向生长晶体31。
此横向晶体生长，在温度冷却的过程中，由于自然成核而生长的微晶遮挡住其行进方向而停止。所以，为了使大粒径的晶体生长成为横向生长晶体31，优选是在到达自然成核的时间使晶体生长得尽量长。因此，要求晶体生长速度快。一般，在一微小区域中的晶体生长速度v以v＝kΔT/Δx表示。其中，k是速度常数，ΔT是微小区域的温度差，Δx是微小区域的宽度。就是说，在硅膜内在横向方向上存在温度差时，如果温度大于等于熔点的区域的温度分布为陡峭的梯度时，晶体生长速度快，其结果就可以形成晶粒直径大的多晶硅膜。考虑到这一点，硅膜内的横向温度分布的陡峭梯度可通过使对靶体表面的照射能量密度分布成为陡峭梯度而实现。
第1脉冲激光22，因为在宽度方向的曲线分布是高斯分布，上述非晶硅膜203的表面的照射能量密度分布的陡峭梯度部分在宽度方向的两侧合计存在两个。在这两个部分中，在横向方向上分别生长的晶体，是向着横向方向的中心部分生长。为了使基板形状的被照射物9的整个表面成为多晶硅膜205，通过使被照射物9在图8的(a)所示的箭头71指示的方向上移动，第1脉冲激光22在箭头34的方向上相对被照射物9的表面进行扫描。然而，在此扫描中，当考虑被照射物9上的任意一点时，对于这一点，第1脉冲激光22的照射区域35(参照图8的(a))的被照射物9行进方向后侧及前侧的合计两个陡峭梯度部分顺序通过。所以，在照射区域35中，由被照射物9的行进方向后侧的陡峭梯度部分产生的晶体部分再次受到被照射物9的行进方向前侧的陡峭梯度部分的照射而改变结晶性。并且，大于等于350nm的激光在硅中的吸收率，如图12所示，与非晶硅相比，在晶体硅的部分中非常低。
所以，由于在立即照射之前形成的晶体的质量的不同，在硅膜中形成极其复杂的温度分布形状而不可能形成均匀的晶体。
但是，在具有紫外波长的第2脉冲激光对硅膜进行照射时，吸收系数对非晶硅和晶体硅大概相同，并且其绝对值与大于等于350nm的可见波长的光相比非常大。因此，因为不管被照射的硅膜的质量如何，在表面上吸收能量而在膜厚方向上产生很大的温度梯度，不在横向上生长。具有紫外波长的第2脉冲激光的照射能量密度和照射后形成的结晶状态的关系示于图13。此曲线图中所示出的结晶状态是分别利用光学显微镜观察的结果。在此实验中，是以超过约600mJ/cm2的照射能量密度得到的非晶硅的结果，并且与照射前的硅膜的状态无关。
(薄膜半导体的制造装置的详细情况)
本实施方式的制造装置的结构，如图8所示，是使第1脉冲激光2聚光成细线形状的第1脉冲激光22及第2脉冲激光6聚光成细线形状的第2脉冲激光23对被照射物9进行照射。但是，此制造装置的结构是在对被照射物9以具有可见光波长的第1脉冲激光22进行照射的同时，可以对被照射物9的行进方向后侧的分布形状24成为陡峭梯度的部分几乎同时以将具有紫外光波长的第2脉冲激光6聚光成细线形状的第2脉冲激光23进行照射。在图8的(a)中，箭头71指示被照射物9实际移动的方向，箭头34指示第1脉冲激光22及第2脉冲激光23在被照射物9的表面上相对扫描的方向。
另外，第2脉冲激光23的照射能量密度为比结晶能量高的能量。在本实施方式中，在脉冲激光光源1的能量中，约40％变换为第2脉冲激光时，就可以满足这一条件。
另外，在本实施方式中，聚光照射光学系统8具有相对光轴配置成为对称形状的一对棱镜80。这一对棱镜80是区分照射区域的装置。通过使这一对棱镜80滑动，可以使第2脉冲激光23对高斯分布形状的第1脉冲激光22的分布形状24中的任何一侧的陡峭梯度部分进行照射。例如，在想要形成多晶硅膜205来覆盖作为基板的整个被照射物9时，如图14所示，可以对被照射物的表面通过锯齿状扫描进行全面照射，并且此时每当扫描一线就使扫描方向反转。在使扫描方向反转时，可以通过使棱镜80滑动和切换而改变第2脉冲激光23的光轴相对第1脉冲激光22的光轴的移动方向。采用这样的结构时，可以使第2脉冲激光永远照射第1脉冲激光的分布形状24的被照射物9的行进方向后侧的陡峭梯度部分。
换言之，本实施方式的薄膜半导体的制造装置包括：为了在作为基板的被照射物9的表面上形成多晶硅膜，将作为可见光激光的第1脉冲激光2在被照射物9的表面上聚光成细线形状而成为第1脉冲激光22，并为了使下一个定时的照射区域与这一第1脉冲激光22的细线形状的照射区域35在宽度方向上重叠而在移动位置的同时重复进行照射的可见光脉冲激光照射装置以及在上述可见光脉冲激光对第1照射区域35进行照射期间对与上述第1照射区域35重叠的第2照射区域36照射作为紫外光脉冲激光的第2脉冲激光23的紫外光脉冲激光照射装置。
(作用与效果)
图15的(a)示出图8的(a)的分布形状24、25的扩大部分。通过以这种方式使分布形状24、25重叠进行照射，则如图15的(b)所示，与分布形状24单独的场合(参照图9)相比在更宽的范围内熔融而形成熔融部26。已经了解到，通过这种分布形状24、25的重叠扫描，如图16所示，在被照射物9的行进方向的后侧(图16的右侧)的陡峭梯度部分上不会生成结晶，第2脉冲激光照射的部分将变成非晶态。此外，随着对被照射物9扫描的进行，成为非晶态的部分受到第1脉冲激光22的被照射物9的行进方向前侧的陡峭梯度部分的照射而形成非常均匀的横向生长晶体31。通过这样进行扫描，可在所要求的区域形成极佳的多晶硅膜205(参照图2)。
此外，在本实施方式中，可以在被照射物的整个表面上使在横向方向上生长的晶体具有同一晶体生长方向(参照图10)。一般，随着晶体的生长，结晶性变好。在本实施方式中，因为与横向生长的末端部分相连接的非晶态部分的硅再度熔融并且以其为起点进行下一个横向生长，所以晶体生长几乎是连续的，结晶性非常好。并且，已经了解到，在本实施方式中，在各个晶粒29的末端部形成的晶粒边界的隆起降低。
通过构成和使用这种薄膜半导体的制造装置或通过采用这种薄膜半导体的制造方法，可以使被照射物9的表面的非晶硅膜203多晶硅化，并且可以使所得到的多晶硅膜的结晶性非常好。
(实施方式2)
参照图17对作为基于本发明的实施方式2的薄膜半导体的制造装置的激光退火装置进行说明。图17为在此薄膜半导体的制造装置中作为脉冲激光光源1使用的内部波长变换型固体激光装置101的概念图。在本实施方式的薄膜半导体的制造装置中，除了具有内部波长变换型固体激光装置101作为脉冲激光光源1这一点之外，与实施方式1的相同(参照图6)。与实施方式1重复的部分不再重复。
如图17所示，内部波长变换型固体激光装置101包含一个作为固体元件的固体激光介质115用作活性介质。作为固体激光介质115，在本实施方式中，使用以钕离子掺杂的YAG(钇铝石榴石)晶体。在固体激光介质115的侧方配置有用来激发固体激光介质115的半导体激光元件116。由半导体激光元件116激发的固体激光介质115发射波长1064nm的近红外区域的基波激光117。在基波激光117的光路上设置用来使基波激光117脉冲化的Q开关118。第1端部反射镜120和二次谐波提取镜122设置成为中间夹着固体激光介质115及Q开关118。在受到二次谐波提取镜122反射的光指向的位置处设置有第2端部反射镜121。在二次谐波提取镜122和第2端部反射镜121之间设置有对基波激光117进行波长变换而生成二次谐波的二次谐波生成用非线性光学元件119。在本实施方式中，在此二次谐波生成用非线性光学元件119中使用的是KTP(KTiOPO4、磷酸钛氧基钾)晶体。二次谐波生成用非线性光学元件119的表面经过切割以便在波长1064nm的光入射时生成二次谐波时满足相位匹配条件。所以，二次谐波成为波长为532nm的可见光。另外，图中虽然未示出，但在二次谐波生成用非线性光学元件119中设置有根据温度及设置角度进行调整的调整单元。
在此内部波长变换型固体激光装置101的内部，构成以第1端部反射镜120为一端，而以第2端部反射镜121为另一端的谐振器，并且在该谐振器的光路上配置有Q开关118、固体激光介质115及二次谐波提取镜122。并且在此谐振器的光路上还设置有二次谐波生成用非线性光学元件119，构成谐振器内部波长变换单元。对第1端部反射镜120施加可使波长1064nm的基波激光117发生全反射的全反射涂层。对第2端部反射镜121施加可使波长1064nm的基波激光117和波长532nm的二次谐波两者发生全反射的全反射涂层。在二次谐波提取镜122上施加双波长涂层以便为了使光轴弯曲并且将二次谐波提取到谐振器外部使波长1064nm的基波激光117受到全反射，而使波长532nm的二次谐波全透过。其中在二次谐波生成用非线性光学元件119和在反对侧的用来使从二次谐波提取镜122提取的二次谐波的行进方向弯曲的折光镜123中间设置有二次谐波提取镜122。在内部波长变换型固体激光装置101的机壳124上设置有用来将二次谐波的光取出的光束取出窗125。利用Q开关118可以改变谐振器内的光损失量。
下面对动作进行说明。首先，使从半导体激光元件116出射的激发光从固体激光介质115的光轴侧方照射固体激光介质115而激发固体激光介质115。在激发的固体激光介质115中产生与激发光的波长、活性介质的原子结构相应的特定能级之间引起反转分布。虽然反转分布由于自然发射及感应发射而下降，但在谐振器内配置的Q开关118所引起的光损失很大的状态下，谐振器内的光强度不会增大，由于感应发射引起的反转分布可以忽略。所以，只要由于激发引起的反转分布的增加量超过由于自然发射引起的反转分布减小量，反转分布就会增加，在固体激光介质115内将蓄积高能量。在固体激光介质115内蓄积高能量的状态下，在使由于Q开关118引起的光损失量急速下降时，在固体激光介质115内产生的自然发射光，由第1端部反射镜120和第2端部反射镜121封闭于谐振器内。此外，由于受到固体激光介质115的感应发射引起的放大作用，谐振器内的基波激光117的光强度急速增加。由于感应发射的发生比例与通过固体激光介质115的光强度成比例，所以在光强度高的基波激光117通过固体激光介质115中时，感应发射显著，反转分布将减小到小于等于阈值。其结果，谐振器内的基波激光117，停止振荡。如上所述，通过在谐振器内设置Q开关118来增减谐振器内的光损失，可以生成高峰值的脉冲光。特别是，在本实施方式中，因为其结构为将基波激光117封闭在由第1端部反射镜120及第2端部反射镜121构成的谐振器内，谐振器内的基波激光117的光强度非常高。
在本实施方式中，因为在谐振器内配置有二次谐波生成用非线性光学元件119并且由第1端部反射镜120和第2端部反射镜121将基波激光117封闭在谐振器内，可以使峰值光强度非常高的基波激光117入射到二次谐波生成用非线性光学元件119。在二次谐波生成用非线性光学元件119中，基波激光117变换为二次谐波的比例，在理论上与基波激光117的光强度的平方成正比。利用在谐振器光路内具有本实施方式所示的波长变换装置的谐振器内部波长变换结构，可以使光强度的基波激光117入射到二次谐波生成用非线性光学元件119而高效率地生成二次谐波光。
在谐振器内生长的二次谐波，由设置于谐振器内的二次谐波提取镜122取出到谐振器外部。从谐振器出射的二次谐波由折光镜123使行进方向弯曲，从光束取出窗125出射到机壳124的外部。出射到机壳124的外部的具有可见光区域的波长的二次谐波，作为本发明的薄膜半导体的制造装置的激光退火装置的第1脉冲激光2用于退火。
另外，第2脉冲激光6的生成方法、传送到被照射物9的传送方法，除了对非线性光学元件10进行切割以便在波长532nm的光入射时生成二倍谐波时满足相位匹配条件之外，与实施方式1所示的结构相同。
在本实施方式中，是使用固体激光介质115产生近红外区域的基波激光117，对利用Q开关118脉冲化的基波激光117借助二次谐波生成用非线性光学元件119实施波长变换，生成具有可见光区域的波长的二次谐波，作为第1脉冲激光2应用于退火。这样，在将从固体激光介质产生的基波激光通过波长变换变成可见光并作为第1脉冲激光应用于退火时，不仅可以得到与实施方式1同样的效果，而且与在实施方式1中作为第1脉冲激光2的光源采用氩激光等气体激光不同，可以使生成第1脉冲激光的光源小型化。另外，因为与气体激光相比，可以高效率地生成第1脉冲激光2，可以降低退火时的运行成本，进行便宜而质量高的退火。
此外，在实施方式1中示出的氩激光，因为是利用放电中的电子激发气体介质，不能避免产生放电用的电极的消耗，从寿命和长期可靠性观点考虑，不能说很好。然而，如果如本实施方式所示，使用固体激光介质115时，因为不仅可以显著提高长期可靠性，也可以提高输出的稳定性，所以不仅可以降低维护费用，而且可以进行质量长期稳定的退火。另外，由于与气体激光相比更容易做到高输出功率，可以更容易提高退火操作的生产效率。
在本实施方式中，示出的是使用YAG晶体作为固体激光介质115，但固体激光介质115的材料并不限定于此，例如，使用以钕离子掺杂的YLF(LiYF4)晶体时，可以得到波长1047nm或1052nm的近红外区域的基波激光117。此外，因为自然发射的寿命比YAG晶体长，在利用Q开关118使基波激光117脉冲化时，可以在固体激光介质115内高效率地蓄积高能量。另外，因为随着固体激光介质115的温度变化的折射率的变化比YAG晶体小，所以激光输出功率及光束质量的稳定性提高。固体激光介质115，并不限定于此处所说的YAG晶体、YLF晶体，只要是具有近红外区域的振荡波长的晶体，任何一种都可以使用，可以根据退火必需的条件选定最佳的晶体。
另外，在本实施方式中，示出的是在谐振器内部进行波长变换、生成固体激光介质的二次谐波的结构，但只要是即使将基波激光117取出到谐振器外也可以维持基波激光117的光强度足够高，也可以将二次谐波生成用非线性光学元件119设置于谐振器外部，在谐振器外部进行波长变换，生成二次谐波，作为第1脉冲激光2应用于退火。在将二次谐波生成用非线性光学元件119配置于谐振器外部时，不仅谐振器的调节容易，输出的稳定性可进一步提高，保持退火对象的质量也更加容易。
另外，在本实施方式中，示出的是将半导体激光元件116用作固体激光介质115的激发光源的结构，但也可以使用弧光灯作为固体激光介质115的激发光源。在采用弧光灯作为激发光源时，虽然从长期可靠性观点考虑不如半导体激光元件116，但由于比半导体激光元件116便宜，可以降低激光退火装置的制造成本。
在本实施方式中，示出的是使用固体激光介质115的二次谐波作为第1脉冲激光2，生成第1脉冲激光2的二倍谐波，生成具有紫外区域的波长的第2脉冲激光6的结构，但具有紫外区域波长的第2脉冲激光6的生成装置并不限定于生成二倍谐波。例如，在将固体激光介质115的二次谐波作为第1脉冲激光2使用时，也可以将固体激光介质115的基波激光117和作为第1脉冲激光2的二次谐波同时入射到非线性光学元件10进行和频率混合，并且将具有紫外区域波长的基波激光的三倍谐波作为第2脉冲激光6使用。因为对进行波长变换的非线性光学元件的热负荷在生长的波长变换光的波长越短就越高，所以在将基波激光117的三倍谐波作为第2脉冲激光6使用时，与将基波激光117的二次谐波的二倍谐波，即基波激光117的四倍谐波作为第2脉冲激光6使用时相比较，生成第2脉冲激光6的非线性光学元件10的热负荷降低，作为激光退火装置的可靠性提高。
在实施方式1及实施方式2中，示出的是使用Q开关将激光脉冲化的结构，但脉冲化的方法并不限定于此，例如，即使是通过脉冲动作进行激光光源的激发，也可以得到可以应用于退火的脉冲激光。
(实施方式3)
参照图18对作为基于本发明的实施方式3的薄膜半导体的制造装置的激光退火装置进行说明。在此薄膜半导体的制造装置中，作为得到具有紫外区域波长的第2脉冲激光的方法，不是从生成第1脉冲激光2的脉冲激光光源1中取出谐波，而是具有独立于脉冲激光光源1的另一个脉冲激光光源51。脉冲激光光源51，是紫外激光光源，是波长308nm的XeCl准分子激光器。为了使从脉冲激光光源51出射的第2脉冲激光6相对第1脉冲激光2同轴重叠，在脉冲激光光源1和聚光照射光学系统8之间设置分色镜52，使第1脉冲激光2几乎无损失地透过并且使第2脉冲激光6高效地反射，并使第1脉冲激光2的光轴和第2脉冲激光6的光轴一致。另外，这两个激光光源的振荡定时由定时控制器使其同步而在大概在同一定时对被照射物9进行照射。
如本实施方式所示，即使是第1、第2脉冲激光的光源分别存在，也可以进行与实施方式1相同的照射，可以得到同样的效果。
在本实施方式中，因为可以使第2脉冲激光6不依赖第1脉冲激光2而生成，所以不需要用来进行从第1脉冲激光2到第2脉冲激光6的波长变换的非线性光学元件。所以，作为激光退火装置的可靠性提高。
另外，在本实施方式中，作为具有紫外区域波长的第2脉冲激光使用的是XeCl，但激光种类并不限定于此，只要是具有小于350nm的振荡波长的脉冲激光，可以获得同样的效果。
(实施方式4)
参照图19对作为基于本发明的实施方式4的薄膜半导体的制造装置进行说明。在实施方式3的薄膜半导体的制造装置中，是利用分色镜52使第1脉冲激光2和第2脉冲激光6的光轴相同的，而在实施方式4中，从分色镜52出射的各个的光轴的取向略有差别。这一角度差的设定为可以使在被照射物9的表面上第2脉冲激光6的照射区域与第1脉冲激光2的照射区域大概重叠一半，位于被照射物9的行进方向的后侧。
在本实施方式中，分色镜52是照射区域区分装置。
在此场合也可以与实施方式1、3进行同样的照射。根据本实施方式也可以获得与迄今为止的实施方式同样的效果。另外，在本实施方式中，因为不需要聚光照射光学系统8的棱镜80，可以更便宜地实现薄膜半导体的制造装置。
(实施方式5)
参照图20对作为基于本发明的实施方式5的薄膜半导体的制造装置进行说明。在实施方式1～4的薄膜半导体的制造装置中，是在使第1脉冲激光2和第2脉冲激光6分别聚光成细线形状的状态下大概在同时向被照射物9进行照射，但本发明的要点是在第1脉冲激光2的分布形状中在被照射物的行进方向后侧的陡峭梯度的部分处形成的横向生长的晶体部分变成非晶态。所以，第1、第2脉冲激光不需要同时进行照射，在被照射物的行进方向后侧的陡峭梯度的部分处形成横向生长的晶体之后一直到在被照射物的行进方向前侧的陡峭梯度的部分受到照射之间，利用第2脉冲激光使此横向生长晶体部分变成非晶态也可以获得同样的效果。
以具有图20的(a)所示的分布形状24作为能量密度的分布形状的第1脉冲激光进行照射。被照射物9在箭头71的方向上移动，其结果，利用第1脉冲激光对被照射物9的扫描在箭头34的方向上进行。这样，如图20的(b)所示，在被照射物9表面的非晶硅膜203中产生熔融部26。之后，冷却开始，在图20的(c)所示的分布形状24的两侧的梯度部分上形成横向生长晶体31。之后，如图20的(d)所示，以具有分布形状25的第2脉冲激光进行照射。此时，第2脉冲激光，对分布形状25与分布形状24中在被照射物9的行进方向后侧，即与箭头71相反一侧的梯度部分重叠的位置进行照射。其结果，如图20的(e)所示，在分布形状25覆盖的区域中形成熔融部26。此时，在被照射物9的行进方向前侧的横向生长晶体31保留，而被照射物9的行进方向后侧的横向生长晶体31再次成为熔融部26。通过使这一状态的被照射物9冷却，原来是熔融部26的部分，如图20的(f)所示，变成非晶态部分37。之后，如图20的(g)所示，以具有分布形状24n的第1脉冲激光进行照射。分布形状24n与第1脉冲激光2的前次的照射时的分布形状24相比，处于图中向右移动的位置。因此，如图20的(h)所示，图中左侧的横向生长晶体31原样不变保留，而非晶态部分37再次成为熔融部26。此时，因为分布形状24n的梯度部分，与由分布形状24形成的梯度部分相比，处于图中向右侧移动的位置，晶体从横向生长晶体31的末端部分进一步向着图中右侧生长。所以，在冷却后形成如图20的(i)所示的横向生长晶体38那样的细长延伸的优质晶体。此时，在分布形状24n的图中右侧的梯度部分也形成横向生长晶体31，这一部分，之后，再次利用具有分布形状25(参照图20的(d))的紫外区域的第2脉冲激光进行照射而成为非晶态。以这样的步骤重复图20的(a)～(i)的循环，进行对被照射物9的表面的扫描。
即使是第1、第2脉冲激光不是如本实施方式那样同时，而是在不同的定时(timing)进行照射，也可以得到与上述实施方式同样的效果。
特别是，当使用分别独立的激光光源时，如本实施方式这样使第1、第2脉冲激光在不同的定时进行照射是很方便的。其原因是不需要为了约数毫微秒的同时照射进行同步。在本实施方式中，因为只要实现等于第1脉冲激光的振荡周期的毫秒量级的非常粗略的同步即已足够，所以薄膜半导体的制造方法及制造装置的稳定度可以提高。
另外，此处披露的上述实施方式的各点都是示例性而不是限制性的。本发明的范围是由权利要求的范围而不是上述说明示出，并且包含与权利要求等效的意思及一切变更。
本发明可应用于薄膜半导体的制造。

Claims (7)

1.一种薄膜半导体的制造方法，包括：
将可见光脉冲激光在被照射物的表面上聚光成细线形状，并且移动位置以使得在上述细线形状的照射区域的宽度方向上与下一个定时的照射区域重合，同时进行反复照射，在上述被照射物的表面上形成多晶硅膜的多晶化工序；
上述多晶化工序在上述可见光脉冲激光对第1照射区域照射的期间或照射之前，对在宽度方向上与上述第1照射区域相互部分重合的第2照射区域照射紫外光脉冲激光。
2.如权利要求1所述的薄膜半导体的制造方法，其中：在使上述被照射物在一个方向上相对移动的同时，照射上述可见光脉冲激光及上述紫外光脉冲激光，以使得上述第2照射区域与上述第1照射区域相比位于上述被照射物的行进方向的后侧。
3.如权利要求1所述的薄膜半导体的制造方法，其中：使用Nd:YAG的二次谐波作为上述可见光脉冲激光，使用比Nd:YAG的二次谐波的波长更短的谐波作为上述紫外光脉冲激光。
4.一种薄膜半导体的制造装置，包括：
为了在被照射物的表面上形成多晶硅膜，使可见光脉冲激光在被照射物的表面上聚光成细线形状，并且移动位置以使得在上述细线形状的照射区域的宽度方向上与下一个定时的照射区域重合，同时进行反复照射的可见光脉冲照射单元；以及
在上述可见光脉冲激光对第1照射区域照射的期间或照射之前，对在宽度方向上与上述第1照射区域相互部分重合的第2照射区域照射紫外光脉冲激光的紫外光脉冲照射单元。
5.如权利要求4所述的薄膜半导体的制造装置，包括：
使上述被照射物在一个方向上相对移动的被照射物移动单元；以及
设定成使上述第2照射区域与上述第1照射区域相比位于上述被照射物的行进方向的后侧的照射区域区别单元。
6.如权利要求4所述的薄膜半导体的制造装置，其中：作为上述可见光脉冲激光可以照射Nd:YAG的二次谐波，作为上述紫外光脉冲激光可以照射比Nd:YAG的二次谐波的波长更短的谐波。
7.如权利要求4所述的薄膜半导体的制造装置，包括：
以使上述可见光脉冲激光和上述紫外光脉冲激光在同一光轴上行进的方式传送上述可见光脉冲激光及上述紫外光脉冲激光的激光传送部；以及
为了在上述激光传送部中使上述可见光脉冲激光和上述紫外光脉冲激光的出射角度有差别而以夹着上述光轴相互对称的位置关系配置的棱镜。
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