CN101071758A

CN101071758A - 半导体装置、退火方法、退火装置和显示装置

Info

Publication number: CN101071758A
Application number: CNA2007100970366A
Authority: CN
Inventors: 十文字正之; 松村正清; 木村嘉伸; 西谷干彦; 平松雅人; 谷口幸夫; 中野文树; 小川裕之
Original assignee: Liguid Crystal Advanced Technology Development Center K K
Current assignee: Liguid Crystal Advanced Technology Development Center K K; Advanced LCD Technologies Development Center Co Ltd
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2007-11-14
Also published as: JP2004119617A; CN101071757A

Abstract

本发明提供一种半导体装置、退火方法、退火装置和显示装置。本发明的半导体装置具有在同一基片上的半导体装置电路内有2种以上平均晶粒直径的半导体层。

Description

半导体装置、退火方法、退火装置和显示装置

本发明为下述申请的分案申请，原申请信息如下：

申请日：2003年9月25日

申请号：03160364.5

发明名称：半导体装置、退火方法、退火装置和显示装置

技术领域

本发明涉及在多晶膜(多晶半导体薄膜)的表层部分上制造场效应晶体管的技术、以及适用于由制造场效应晶体管用的多晶半导体薄膜基片和场效应晶体管组合而成的液晶显示装置和信息处理装置等电子设备制造技术的半导体装置，涉及制造该半导体装置用的退火方法和退火装置、以及采用该半导体装置的显示装置。

背景技术

液晶显示器(LCD)的显示方法有对各个像素进行开关的有源矩阵方式。在有源矩阵方式的像素开关中，主要采用场效应晶体管之一种的非晶硅薄膜晶体管(以下简称为a-SiTFT)。

在液晶显示器的研究开发中，技术课题有：(1)高精细化、(2)高开口率化、(3)轻量化、(4)低成本化。为解决这些课题，作为场效应晶体管的一种的多晶硅薄膜晶体管(以下简称为Poly-SiTFT)作为取代非晶硅薄膜晶体管(a-SiTFT)的产品深受关注。Poly-SiTFT，与a-SiTFT相比，载流子迁移率高2个数量级以上，所以能减小元件尺寸，并且也能形成集成电路，因此，液晶显示器上也能安装驱动电路和运算电路。

在这种Poly-SiTFT的制作中，利用受激准分子激光结晶法。受激准分子激光结晶法，例如在日经マイクロデバイス增刊平板显示器1999年(日经BP公司1998年、132-139页)中有详细叙述。

现参照图1A～1D，详细说明采用过去的受激准分子激光结晶法的Poly-SiTFT的制造方法。如图1A所示，在玻璃基片5上依次淀积底层保护膜(例如SiO₂膜、SiN膜和SiN/SiO₂积层膜等)102和非晶硅薄膜103。然后，如图1B所示，当利用光学系统把光束整形成为四方形状或长方形状的受激准分子激光(XeCl和KrF等)50照射到非晶硅薄膜103上时，非晶硅薄膜103在50～100毫微秒的短时间内，经过熔化、凝固过程，从非晶结构变换成多晶结构。用受激准分子激光50在箭头105的方向上进行扫描，当非晶硅薄膜103进行局部急冷急热时，如图1C所示形成多晶硅薄膜106。

利用图1C所示的多晶硅薄膜106来制作图1D所示的薄膜晶体管。在多晶硅薄膜106的上部形成SiO₂薄膜的栅绝缘膜107。进一步在多晶硅薄膜106的特定区内分别掺入杂质元素，这样即形成源区109和漏区108。源区109和漏区108之间是沟道区106。在栅绝缘膜107上设置栅电极110，形成保护膜111，并且形成源电极112和漏电极113。这种Poly-SiTFT，当在栅电极110上加电压时，能控制源区109和漏区108之间所流过的电流。

但是，一般像素部内所用的TFT，在有源矩阵控制中为了保持电荷，不要求过高的迁移率，而是要求低截止电流。为了降低截止电流，放宽漏端的电场强度，所以必须增大TFT的沟道长度，但不能降低像素部的开口率。其结果，像素用TFT尺寸较大。

另一方面，被用于驱动电路和运算电路的TFT要求高速动作，所以要求高迁移率，截止电流没有多大问题。因此，尤其沟道长度的微细化对高速化是有效的，所以必须缩短TFT的沟道长度。其结果，驱动电路和运算电路用TFT尺寸减小。

这样，在像素用TFT和驱动电路/运算电路用TFT中要求的特性和尺寸完全不同。这些TFT希望全部在同一基片上同时(实质上是在同一工序中)形成，否则将丧失把这些不同种类的TFT制作在液晶显示器电路内的经济性优点。

但是，利用上述过去的激光退火法只能形成具有一定结晶性的Poly-SiTFT。因此，若用过去的方法在同一基片内制作不同尺寸的TFT，则产生以下问题(1)和(2)。

(1)尺寸大的TFT，沟道区内的晶粒界增多，所以，虽然阈值电压偏差减小(截止电流降低)，但动作慢。

(2)尺寸小的TFT，沟道区内的晶粒界减少，所以，动作快(高速动作)，但阈值电压偏差增大(截止电流大)。

这样，利用过去的方法，不能在同一基片内同时制作要求尺寸和特性不同的全部多种TFT。

发明的内容

本发明的目的在于提供这样的半导体装置、退火方法、退火装置和显示装置，该装置，能直接或间接地在同一基片上形成具有2种以上平均晶粒直径的半导体层，其结果，对尺寸不同的TFT，进行晶粒直径的控制，使作为TFT激活层的沟道区内的横切电流方向上的平均晶粒界N_a成为一定。

本发明的半导体装置，其特征在于：在同一基片上的半导体元件电路内具有包括2种以上的平均晶粒直径的半导体层。

本发明半导体装置，其特征在于：具有将在基片上直接或间接形成的半导体层作为沟道区的2种以上的场效应晶体管，在上述晶体管的栅长为L，且对流入上述晶体管内的电流方向进行横切的结晶粒界数的平均值为N_a的情况下，N_a/L的比在上述晶体管之间是±5％以内的频度分布。

所述的半导体装置，其特征在于：上述N_a/L的比在上述晶体管之间为±2％以内的频度分布。

所述的半导体装置，其特征在于：在上述基片上进一步具有使上述晶体管动作的电路层。

本发明的退火方法，其特征在于具有以下工序：

预先设定有关激光强度及其分布的预定目标的工序、

在激光光源和照射场之间准备光束截面调制部，而且，在上述照射场内准备基片和光束截面测量部并使其可更换的工序、

在上述照射场内布置上述光束截面测量部、从上述光源射出激光、利用上述光束截面调制部调制上述激光的强度及其分布、并利用上述光束截面测量部来测量上述照射场的入射面内的激光强度及其分布的工序、

根据上述测量结果来调整上述光束截面调制部的参数，使上述测量结果与上述设定目标相一致的工序、

把上述基片布置在上述照射场内，使该基片的入射面位于上述照射场的入射面内，并对上述基片和上述光束截面调制部进行位置对准的工序、以及

当上述测量结果达到与上述设定目标相一致时，把经过上述光束截面调制部进行了调制的激光照射到上述基片上的工序，

通过反复进行上述位置对准工序和上述激光照射工序，在同一基片内分别制作具有2种以上的平均晶粒直径的半导体层。

本发明的退火装置，其特征在于，具有：

激光光源：

光束截面调制部，它设置在上述激光光源和照射场之间，用于调制激光的强度及其分布；

光束截面测量部，用于测量上述照射场的入射面内的激光强度及其分布；

设定装置，用于预先设定有关激光强度及其分布的预定目标；以及

控制部，用于调节上述光束截面调制部的参数，以使上述光束截面测量部的测量结果与上述设定目标相一致。

所述的退火装置，其特征在于：把上述光束截面测量部布置在与上述基片相同的平面上。

所述的退火装置，其特征在于：上述光束截面调制部是包括作为空间强度调制光学元件的移相器在内的成像光学系统。

本发明的退火方法，其特征在于：当把激光照射到非单晶半导体层上进行退火时，把从预先存储了上述激光的光束截面的存储装置中读出的光束截面作为目标，设定退火用光束截面，从而进行退火。

所述的退火方法，其特征在于：从预先存储的存储装置中读出的光束截面，是通过实验而求出的最佳上述激光的激光断面被存储起来的光束截面。

所述的退火方法，其特征在于：从预先存储的存储装置中读出的光束截面是把在上次退火工序中所使用的上述激光的光束截面存储到上述存储装置内，并在下次的退火工序中从上述存储装置中读出的光束截面。

所述的退火方法，其特征在于：从预先存储的存储装置中读出的光束截面，在退火工序中在显示画面上显示出上述激光的光束截面。

本发明的非单晶半导体薄膜的退火方法，其特征在于：(a)在激光源和光束截面测量部之间插入空间强度调制光学元件，把上述光束截面测量部的入射面和上述空间强度调制光学元件之间的间隙d1调整到500μm以下，分别测量把经过上述空间强度调制光学元件调制后的激光照射到上述光束截面测量部的入射面上时的激光强度及其分布以及上述间隙d1，(b)在具有非单晶半导体薄膜的基片和上述激光光源之间插入上述空间强度调制光学元件，把上述基片的入射面和上述空间强度调制光学元件之间的间隙d1调整到500μm以下，把经过上述空间强度调制光学元件调制后的激光照射到上述基片的入射面上，分别测量已被证实通过该调制激光的照射而使上述半导体薄膜进行结晶从而进行横向生长时的激光强度及其分布以及上述间隙d1，(c)分别把与上述工序(b)的测量结果相对应的上述工序(a)的测量结果设定为激光强度及其分布以及上述间隙d1的目标值，(d)分别控制激光强度及其分布以及上述间隙d1，以便达到上述设定目标值，在该控制条件下把经过上述空间强度调制光学元件进行调制后的激光照射到上述基片的入射面上，(e)至少通过反复进行上述工序(b)～(d)，在同一基片内分别制作具有2种以上平均晶粒直径的半导体层。

所述的退火方法，其特征在于：

把上述工序(C)的设定目标值存储起来，每次在基片上照射激光时把上述目标值调出，根据调出的上述目标值来进行上述工序(d)、(e)。

所述的退火方法，其特征在于：上述工序(b)的激光强度及其分布以及间隙d1，其条件是：上述非单晶半导体薄膜进行结晶，再稳定地横向生长晶体，而且生长的膜上不产生破坏。

所述的退火方法，其特征在于：在上述工序(b)中，进一步测量基片的温度，掌握该基片温度和上述激光强度以及上述横向生长的关系，根据该关系在上述工序(d)中对基片进行加热。

本发明的退火装置，其特征在于：在把激光照射到非单晶半导体层上进行退火的装置中，

把从预先存储了上述激光的光束截面的存储装置中读出的光束截面作为目标来设定退火用光束截面，从而进行退火。

所述的退火装置，其特征在于：从上述预先存储的存储装置中读出的光束截面，是通过实验求出的最佳上述激光束截面存储起来的。

所述的退火装置，其特征在于：从上述预先进行存储的存储装置中读出的光束截面是把在上次退火工序中所使用的上述激光的光束截面存储到上述存储装置内，在下次的退火工序中从上述存储装置中读出的光束截面。

所述的退火装置，其特征在于：从上述预先进行存储的存储装置中读出的光束截面，在显示画面上被显示出来。

所述的退火方法，其特征在于：在上述工序(a)中，在上述光束截面测量部的入射面上设置萤光板，把该萤光板布置在实质上与上述基片的入射面相同的平面上来进行测量。

所述的退火方法，其特征在于：在上述工序(a)、(b)、(d)中，在上述空间强度调制光学元件上利用具有使激光折射用的台阶的移相器，该移相器被布置成使激光轴通过上述台阶的状态。

本发明的退火装置，用于对非单晶半导体薄膜进行退火，其特征在于，具有：

激光光源，

载物台，用于放置具有非单晶半导体薄膜的基片；

空间强度调制光学元件，用于调制来自上述激光光源的激光；

光束截面测量部，具有入射面，并测量该入射面内的激光强度及其分布；该入射面的入射条件实质上等同于从上述激光源通过上述空间强度调制光学元件射入到上述基片的入射面内的条件，

定位装置，用于使上述载物台上的基片或上述光束截面测量部和上述空间强度调制光学元件进行相对移动，把上述基片的入射面或上述光束截面测量部的入射面和上述空间强度调制光学元件之间的间隙d1调整到500μm以下；以及

控制装置，其中，由上述空间强度调制光学元件进行调制后的调制激光进行照射使上述非单晶半导体薄膜进行结晶，从而进行横向(侧面)生长，当其已被证实时的激光强度及其分布，由上述光束截面测量部进行测量，并且对上述间隙d1进行测量，这些测量结果分别作为激光强度及其分布以及上述间隙d1的目标值而进行设定，使上述光束截面测量部所测出的强度和分布与上述目标值相一致，为此，对上述光束截面测量部和上述定位装置的动作进行控制。

所述的退火装置，其特征在于：把上述光束截面测量部的入射面布置在与上述基片的入射面实质上是相同的平面上来进行测量。

所述的退火装置，其特征在于：上述光束截面测量部具有一种萤光板，该板布置在与基片的入射面实质上是相同的平面上，对被照射的激光的强度及分布进行测量。

所述的退火装置，其特征在于：在上述空间强度调制光学元件中利用具有使激光折射用的台阶的移相器，该移相器被布置成激光轴通过上述台阶的状态。

本发明的薄膜晶体管，分别被形成在显示装置的像素和像素驱动用电路内，其特征在于，该薄膜晶体管通过以下工序而被形成：(a)在激光光源和光束截面测量部之间插入空间强度调制光学元件，并把上述光束截面测量部的入射面和上述空间强度调制光学元件之间的间隙d1调整到500μm以下，并分别测量把经过上述空间强度调制光学元件调制后的激光照射到上述光束截面测量部的入射面上时的激光强度及其分布以及上述间隙d1，(b)在具有非晶半导体薄膜的基片和上述激光源之间插入上述空间强度调制光学元件，并把上述基片的入射面和上述空间强度调制光学元件之间的间隙d1调整到500μm以下，并把经过上述空间强度调制光学元件调制后的激光照射到上述基片的入射面上，分别测量在通过该调制激光的照射而使上述半导体薄膜进行结晶从而进行横向生长已被证实时的激光强度及其分布以及上述间隙d1，(c)分别把与上述工序(b)的测量结果相对应的上述工序(a)的测量结果设定为激光强度及其分布以及上述间隙d1的目标值，(d)分别控制激光强度及其分布以及上述间隙d1，以便达到上述设定目标值，并在该控制条件下把经过上述空间强度调制光学元件进行调制后的激光照射到上述基片的入射面上，(e)至少通过反复进行上述工序(b)～(d)，在同一基片内分别制作具有2种以上平均晶粒直径的半导体层。

本发明的显示装置，具有：介由预定间隙互相接合的一对基片、被保持在该间隙内的电气光学物质、被形成在一边的基片上的对置电极，被形成在另一边的基片上的像素电极、与该像素电极相导通的晶体性半导体薄膜、用于驱动像素的像素驱动电路、以及被形成在该像素驱动电路上的晶体性半导体薄膜，

该显示装置的特征在于：上述各晶体性半导体薄膜的形成方法如下：(a)在激光源和光束截面测量部之间插入空间强度调制光学元件，把上述光束截面测量部的入射面和上述空间强度调制光学元件之间的间隙d1调整到500μm以下，分别测量把经过上述空间强度调制光学元件调制后的激光照射到上述光束截面测量部的入射面上时的激光强度及其分布以及上述间隙d1，(b)在具有非单晶半导体薄膜的基片和上述激光光源之间插入上述空间强度调制光学元件，把上述基片的入射面和上述空间强度调制光学元件之间的间隙d1调整到500μm以下，把经过上述空间强度调制光学元件调制后的激光照射到上述基片的入射面上，分别测量在通过该调制激光的照射而使上述半导体薄膜进行结晶从而进行横向生长已被证实时的激光强度及其分布以及上述间隙d1，(c)分别把与上述工序(b)的测量结果相对应的上述工序(a)的测量结果设定为激光强度及其分布以及上述间隙d1的目标值，(d)分别控制激光强度及其分布以及上述间隙d1，以便达到上述设定目标值，并在该控制条件下把经过上述空间强度调制光学元件进行调制后的激光照射到上述基片的入射面上，(e)至少通过反复进行上述工序(b)～(d)，在同一基片内分别制作具有2种以上平均晶粒直径的半导体层。

本发明的半导体装置，其特征在于：具有将在基片上直接或间接形成的半导体层作为沟道区的2种以上的场效应晶体管，在上述晶体管的栅长为L，且对流入上述晶体管内的电流方向进行横切的结晶粒界数的平均值为N_a的情况下，N_a/L的比在上述晶体管之间是±5％以内的频度分布。

上述N_a/L的比在上述晶体管之间为±2％以内的频度分布时效果更好。

再者，在上述基片上能具有使上述晶体管动作的电路层。

本发明的退火方法具有以下工序：

预先设定有关激光强度及其分布的预定目标的工序、

本发明的退火装置，其特征在于具有：

激光光源：

希望把上述光束截面测量部布置在与上述基片相同的平面上。上述光束截面调制部是包括作为空间强度调制光学元件的移相器在内的成像光学系统。

涉及本发明的退火方法，其特征在于：当把激光照射到非单晶半导体层上进行退火时，从预先存储了上述激光的光束截面的存储装置中读出的光束截面作为目标，设定退火用光束截面，进行退火。

涉及本发明的退火装置，其特征在于：在把激光照射到非单晶半导体层上进行退火的装置中，

从预先存储了上述光束截面的存储装置中读出的光束截面作为目标，设定退火用光束截面，进行退火。

涉及本发明的显示装置，具有：通过预定间隙互相接合的一对基片、保持在该间隙内的电气光学物质、形成在一边的基片上的对置电极，形成在另一边的基片上的像素电极、与该像素电极相导通的晶体性半导体薄膜、用于驱动像素的像素驱动电路、以及形成在该像素驱动电路上的晶体性半导体薄膜，

该显示装置的特征在于：上述各晶体性半导体薄膜的形成方法如下：(a)在激光源和光束截面测量部之间插入空间强度调制光学元件，把上述光束截面测量部的入射面和上述空间强度调制光学元件之间的间隙d1调整到500μm以下，分别测量把经过上述空间强度调制光学元件调制后的激光照射到上述光束截面测量部的入射面上时的激光强度及其分布以及上述间隙d1，(b)在具有非单晶半导体薄膜的基片和上述激光光源之间插入上述空间强度调制光学元件，把上述基片的入射面和上述空间强度调制光学元件之间的间隙d1调整到500μm以下，把经过上述空间强度调制光学元件调制后的激光照射到上述基片的入射面上，分别测量已被证实通过该调制激光的照射而使上述半导体薄膜进行结晶从而进行横向生长时的激光强度及其分布以及上述间隙d1，(c)分别把与上述工序(b)的测量结果相对应的上述工序(a)的测量结果设定为激光强度及其分布以及上述间隙d1的目标值，(d)分别控制激光强度及其分布以及上述间隙d1，以便达到上述设定目标值，在该控制条件下把经过上述空间强度调制光学元件进行调制后的激光照射到上述基片的入射面上，(e)至少通过反复进行上述工序(b)～(d)，在同一基片内分别制作具有2种以上平均晶粒直径的半导体层。

如上所述，通过反复进行激光的平均强度(激光束流)和分布(光束截面)的测量、间隙调整定位、激光照射，即可在同一基片上同时分别制作出TFT尺寸不同但在沟道区内的横切电流方向上的结晶粒界数的平均值N_a为一定的结晶区。

而且，测量、位置对准、照射这三个动作不一定每次都反复进行。也可以最初进行全部测量，将其测量结果存储(记录)起来，根据需要将其调出，求出对准位置所必须的操作量，然后对每个结晶区并行地进行位置对准和照射。

并且，本发明涉及使移相器相对于基片接近预定位置，照射预定束流的激光的所谓接近曝光方式。但也可以将其和投影法(把移相器布置在离开基片的激光源一侧的投影方式)组合使用。

在本说明书中，所谓“光束截面(ビ一ムフルエンス)”是指：为了结晶而射入到非单晶半导体层内的二维的光强度分布。而且，光束质量测试仪(プロフアイラ)(光束截面)，为了标准化可以降低光束强度。

在本说明书中，所谓“激光注量(laser fluence)”是表示激光能量密度的尺度，是对每单位面积的能量进行时间积分的结果，具体来说，是在光源或照射区域内测得的激光的平均强度。

在本说明书中，所谓“移相器(位相シフタ)”是指对激光这样的光进行调制，形成其强度的空间性的分布的空间强度调制光学元件。在此，“移相器”是受激准分子激光结晶法中所用的空间强度调制光学元件的术语，是区别于半导体装置制造的光刻工艺中曝光工序所用的“移相掩膜”的术语。

附图的简要说明

图1A～图1C是说明过去的退火方法用的概要断面图，

图1D是表示过去的半导体装置的概要断面图，

图2是表示本发明的退火装置(投影型激光退火装置)的一例的总体概要图。

图3是表示退火装置的光学系统的立体图。

图4是表示图2的退火装置的光学系统的结构方框图。

图5是表示激光源的一例的方框电路图。

图6是表示基片载物台的定位机构的结构方框图。

图7是表示移相器的定位机构的俯视图。

图8是表示移相器的定位机构的一部分的放大断面图。

图9是表示本发明的退火方法的一例的流程图。

图10A是表示光束截面A的图。

图10B是表示由光束截面A的激光照射所形成的小粒径晶体区的模式图。

图10C是表示光束截面B的图。

图10D是表示由光束截面B的激光照射所形成的大粒径晶体区的模式图。

图11A是说明本发明的退火方法用的概要断面图，

图11B是表示本发明的半导体装置的概要断面图。

图12A是TFT的激活层上所设置的激光标记的模式图。

图12B是栅层间膜除去后的TFT的激活层上所设置激光标记的模式图。

图13是表示载物台高度hz和每1μm的结晶粒界数(平均值Na)的关系的特性曲线图。

图14A是表示光束截面萤光面上的一元光束截面的扫描型电子显微镜照片图像(SEM图像)。

图14B是一元光束截面特性曲线图。

图15A是二维光束截面的计算机模拟图像，

图15B是表示光束截面萤光面上的二维光束质量测试仪的SEM图像。

图16A是与结晶化有关的模拟结果和实际结果合并表示的光束截面特性曲线图。

图16B是表示激光照射区的非晶质Si和结晶硅的SEM图像。

图17A是表示横向生长/膜破坏和光束截面的关系的特性曲线图。

图17B是表示横向生长过程中的Si薄膜的SEM图像。

图18A是表示光束截面的特性曲线图。

图18B是表示激光照射区的重复图形的SEM图像，

图18C是放大表示图18B的SEM图像的一部分的放大SEM图像。

图19是表示本发明的另一退火装置(接近型激光退火装置)的整体概要图。

图20是表示图19的退火装置的光学系统的结构方框图。

图21是表示间隙d1和每1μm的结晶粒界数(平均值Na)的关系的特性曲线图。

图22是表示显示装置的内部透视立体图。

发明的具体实施方式

以下参照附图，详细说明本发明的最佳实施方式。

第1实施方式

如图2所示，本实施方式激光结晶装置10是在激光光源1侧布置了衰减器2和光束截面调制部3的投影型激光退火装置。在光束截面调制部3的下游侧布置反射镜4，使激光50照射到被布置在激光轴50a终端侧的被处理基片5上。

在移动载物台7上并排布置被处理基片5和光束图形制作器6，借助于移动载物台7使其分别在X方向、Y方向、Z方向的各个方向上移动，以使位置与光源侧的光学系统对准。

移动载物台7，例如图6所示大致具有3个载物台71、72、73。也就是说，在无图示的直线导轨上支承X载物台71并使其可移动，其上面支承Y载物台72并使其可移动，再上面支承Z载物台73并使其可移动，并且再上面支承被处理基片5。另外也可以增加使Z载物台驱动机构73围绕Z轴旋转的θ旋转载物台(无图示)。再者，移动载物台7具有加热器7a，能把被处理基片5加热到预定温度。

在Z载物台73的主体上设置了左右一对滑动件74a、74b，并且其能沿着直线导轨(无图示)被滑动导向。两个滑动件74a、74b的对向面向上倾斜。在两个滑动件74a、74b之间设置了升降台76，其能沿着向上倾斜面被滑动导向。也就是说，升降台76具有与两个滑动件74a、74b的向上倾斜面相匹配的向下倾斜面，在该升降台76上放置被处理基片5。

滑动件74a、74b的侧部以分别旋转自如的状态与对应的滚珠丝杠75a、75b的一端相连结。滚珠丝杠75a、75b的另一端被连结在如步进马达和伺服马达那样的高精度电动机所构成的升降驱动机构9的旋转驱动轴上。容量传感器78被设置成能检测升降台76上面的高度位置的状态。若高度位置检测信号从传感器78被传送到控制器8内，则控制器8对升降驱动机构9的动作进行控制，分别使滚珠丝杠75a、75b进行旋转，使升降台76上升或下降，这样，使升降台76上的被处理基片5的位置与光源侧的光学系统精密地对准。

如图3所示，光束质量测试仪(ビ一ムプロフアイラ)6的光学系统的位置调整到其光轴与激光光源侧的光轴50a相一致。光束质量测试仪6设置在对准机构80上。该对准机构80与上述移动载物台7相同步，在XYZ各方向上被驱动。而且，也可以把对准机构80设置在移动载物台7上。

对准机构80具有X载物台81、Y载物台82、Z载物台83。X载物台81由无图示的直线导轨支承可进行移动，其上面对Y载物台82进行支承并使其可移动，其上面对Z载物台83进行支承并使其可移动，再上面对光束质量测试仪6的支持台66进行支承。设置无图示的传感器，用于检测Z载物台83上面的高度位置，根据该高度位置检测信号由微机8来调整Z载物台83的高度hz。

支持台66具有光学波导管64。光学波导管64的一侧从水平向上弯曲90°，形成垂直状，在该弯曲部上安装反射镜62，另外在其前端安装物镜65。物镜65被布置在接近透光性萤光板1b的背面处。光学波导管64的另一侧与CCD摄相机63光学性连接。

这种光束质量测试仪6在萤光板61上接受为紫外光的受激准分子激光50，将其变换成可见光，在CCD63上接收反射镜62上反射的可见光，同时测量出激光强度和光束截面。

并且，为了控制衰减器2、光束截面调制部3、移动载物台7、设置了微机8。在微机8的输入侧连接光束质量测试仪，在输出侧分别连接衰减器2、光束截面调制部3、移动载物台7的控制系统。CCD相机63向微机8发送摄像数据，由微机8对收到的摄像数据进行图像处理。

激光光源1具有使波长248nm的KrF受激准分子激光进行振荡的激光振荡器。该激光振荡器具有的输出性能是沿光轴50a射出激光50，该激光的能量(注量)足以熔化被处理基片5上的非晶质硅膜303。

衰减器2具有的功能是调节电介质的多层膜涂敷滤波器的角度，从而对激光的强度(振幅)进行光学调制，它具有无图示的传感器、电动机和控制系统。而且，在本实施方式的装置10中，从光源1射出的激光50通过衰减器2而调制成所需强度等级的注量，但激光源1本身也可以具有光束截面调整功能。也就是说，如图5所示，在光源1中设置控制电路14、光传感器15，光电变换器16、比较器17，利用传感器15来检测从激光振荡器的真空容器11中射出的振荡激光50，利用光电变换器16把光检测信号变换成电信号S1，用比较器17对该信号S1和预定的阈值信号S2进行比较，根据其比较结果，由控制电路14来控制电源13，对激光振荡器内的两电极12a、12b之间所加的电流进行反馈控制。若采用这种光源1，则能省略衰减器2。

光束截面调制部3具有调制激光空间强度分布的功能，它由移相器31和成像光学系统32构成。在本实施方式的装置10中采用了把移相器31布置在离开基片5的激光源1一侧的投影方式。

如图4所示，成像光学系统32具有：沿激光光轴50a从光源侧依次排列的均化器32a、第1聚光镜32b、第2聚光镜32c、掩模32d、移相器31、远心型缩小透镜32e。

均化器32a具有对来自光源1的振荡激光进行均匀化的功能。第1聚光镜32b对来自均化器32a的均匀激光进行聚光，它被布置成与第2聚光镜32c共轭关系。在第2聚光镜32c的出射光路上设置了掩模32d。掩模32d遮挡非有效激光。缩小透镜32e具有在1/1～1/20倍范围内缩小图像的功能，布置成与被处理基片5上的绝缘性间隙膜305成共轭关系。

移相器31被布置在接近掩模32d处，对掩模32d的图形开口面进行覆盖。而且移相器31为了掩模32d的更换和光轴的对准位置，具有：包括传感器、执行机构、控制系统在内的对准机构。利用下述对准机构来精密地调整移相器31和掩模32d的相互间距离。

现参照图7、8，详细说明移相器31的对准机构。移相器31由支架90进行支承并能移动。如图7所示，支架90具有同心布置，互相连结的外环91和内环92。外环91由X驱动机构93和Y驱动机构94进行支承并能移动，分别在X方向和Y方向上进行微调整移动。

内环92如图8所示，具有固定移相器31用的多个止动器92a。移相器31被嵌入到内环92中，其周缘由止动器92a进行卡止固定。内环92由3个支点95a、95b、95c进行支承。这3个支点95a、95b、95c中，2个分别与气缸96a的杆相连结(图中为方便起见仅示出1个)。控制器8根据从容量传感器(无图示)来的位置检测信号来控制各气缸杆的Z方向移动量，由此使移相器31对准到X-Y面上(移相器31的露出)。

这样，移相器31的位置与成像光学系统32的其他零件精密对准。在本说明书中，所谓“移相器高度(间隙d)”是指移相器和掩模的相互间距离。

以下参照图9，具体地说明利用本发明的退火装置使非晶质硅膜的特定区域进行结晶的情况。

首先，把衰减器的倍率调整到1/100倍(工序S1)。然后使光束质量测试仪6进入，位于照射场内(工序S2)，用对准机构7和80把光束质量测试仪6的光轴粗调整到光源侧的光轴50a上(工序S3)。之后，用对准机构7和80使光束质量测试仪6的光轴精密地调整到光源侧的光轴50a上(工序S4)。

再者，利用对准机构90把移相器31的位置对准到掩模32d上，把移相器31和掩模32d间的间隙d调整到希望值上。这样来调整调制光学系统(工序S5)。

激光结晶工序，最初使移动载物台7在面内方向上移动，使激光光源1的光轴50a的前端在光束质量测试仪6的萤光板61上定位，用激光照射，测量其强度和光束截面(工序S6)。这时，根据移相器31的形状和与半导体基片5的距离、激光的强度分布、激光的角度分布等，设定所需的光束截面。成像光学系统32由透镜等光学部件构成，把基片5保持在离开成像光学系统32的焦点位置的散焦位置上进行激光照射。根据这时的掩模图形和散焦量来控制反峰值图形的光束截面形状和宽度。而且，反峰值图像的宽度，与散焦量的1/2次方成比例进行放大。这样测量光束截面(工序S6)。

对基片表面的任意点进行照射的光线群，包括通过光轴50a的中心光线而从被分割的光线中形成。某光线和中心光线形成的角，是取决于均化器32a的几何形状的、掩模32d中的该光线和中心光线所形成的角，乘上远心型透镜32e的倍率所得的值。

移相器31具有预定的台阶31a，在台阶31a处分割光线群内分别独立地产生菲涅耳衍射。这些衍射图形在基片表面上进行重叠，所以在基片表面的光强度分布中，不仅移相器31的参数(间隙d、相位差θ)，而且射入到移相器31内的光线群的扩展量(ε)和光线间的干涉性也复杂地相关。移相器31使沿光轴50a通过掩模32d的光50的相位交互地偏离0、π。

在光束截面测量后，使光束质量测试仪6从照射场中退出(工序S7)，使基片载物台进入照射场内(工序S8)。用对准机构7和80粗调整基片5的入射面大体与光源侧的光轴50a对准(工序S9)。然后，用对准机构7和80使基片5的入射面精密地调整对准到光源侧的光轴50a上(工序S10)。这样，若使基片位置对准光学系统32，则基片5被布置在缩小透镜32e的成像位置上。

然后，调整衰减器2的角度，使测出的强度和光束截面与预先设定的目标相一致。也就是说，使衰减器的初始倍率(1/100倍)增大100倍，调整到与实像等倍率(1倍)(工序S1)。

接着，使移动载物台7在面内方向上移动，这次，使光轴50a的前端在半导体基片5的预定结晶区域内定位，用预先设定的强度和光束截面的激光进行照射。也就是说，用图10A所示的光束截面A的脉冲激光进行照射，对非晶质硅膜303进行退火，形成图10B所示的小晶粒r1(工序S12)。激光50首先在衰减器2内调节电介质的多层膜涂敷滤波器的角度，对光束截面进行光学调制。然后，利用由2组(分别为X方向和Y方向)的小透镜对构成的均化器32a分割成发散光束。1次发射的脉冲持续时间为30毫微秒。被分割的光束的各中轴光线利用聚光镜32b集中到掩模32d的中心上。并且，各光束仅少量地被形成为发散型，所以对掩模32d的整体进行照明。被分割的微小出射区出现的全部光线群分别照射掩模32d上的全部点，所以，即使激光出射面上的光强度有面内摇摆，也能使掩模32d的光强度均匀。

通过掩模32d的各区的光线群的中心光线，即通过均化器32a的中心部分的一对透镜32a、32b的发散光线群，利用掩模图形附近的凸透镜32c而变成平行光线，然后通过远心型缩小透镜32e，垂直照射到基片5上。

再者，用图10C所示的光束截面的脉冲激光进行照射，对非晶质硅膜303进行退火，形成图10D所示的大晶粒r2(工序S12)。这样，在硅膜中的预定选择区内生成大粒径的晶粒r2。

移动载物台7能在XY面内按每个预定间隔步进式移动来改变位置，所以通过挪动照射区从而反复进行退火，能使大面积进行结晶(工序13)。并且，通过掩模32d的同一个部位的光线群聚集到基片面的一点上，也就是说能以均匀的光强度在基片面上制作掩模32d的缩小像。而且，XY表示水平面的X轴和Y轴，Z表示在与水平面相垂直的方向上延伸的轴。

而且，激光强度也可以用半导体功率计等分别进行测量。并且，也可以直接在CCD63上接收为紫外光的受激准分子激光。

萤光板61设置在与半导体基片5相同的平面上或者相平行的平面上。

在萤光板61设置在有台阶的平行平面上的情况下，使移动载物台7上下移动，把萤光板61定位在与半导体基片5相同的高度上进行测量。

这样能在与实际照射时相同的条件下测量基片面上的激光光束截面。

用CCD63所接受光的图像输入到微机8内，用任意的扫描线进行切片，从图像信号的强度分布中测量出激光强度和光束截面。

然后，对测出的强度和预先设定的目标强度进行比较，计算出操作量，向衰减器2输出操作信号，一边进行反馈，一边调节衰减器2的角度，使测出的强度达到目标强度。

并且，对测出的光束截面和预先设定的目标光束截面进行比较，计算出操作量，向光束截面调制部3和移动载物台7输出操作信号，使测出的光束截面达到目标的光束截面，为此，一边反馈，一边调节移相器31的位置和移动载物台7的高度。

判断前面的照射区域是否是最后的(工序S14)。在工序S14的判断结果是“否”的情况下，进行工序12的退火，在判断结果是“是”的情况下，使基片载物台返回到原来位置上，结束结晶处理。

反复进行以上的测量、定位、照射，在同一基片内同时分别制作出TFT尺寸不同但在沟道区内的横切电流方向上的结晶粒界数的平均值Na为一定的结晶区。

测量、定位、照射，也可以是并非这样地交互进行，而是最初进行所有的测量，求出定位所需的操作量，然后对每个结晶区平行地进行定位和照射。

实施例

以下表示尺寸不同但特性相同的TFT-A(小尺寸TFT)和TFT-B(大尺寸TFT)的制作例，作为本发明的实施例。

首先准备基片，如图11A所示，在绝缘体基片5(例如康宁1737玻璃，熔融石英、蓝宝石、塑料、聚酰亚胺等)上，形成绝缘性的保护膜302(例如四乙基原硅酸盐(TEOS)和用O₂的等离子化学气相生长法生成的、膜厚300nm的SiO₂膜，或者SiN/SiO₂积层膜、氧化铝、云母等)，在该保护膜302上形成非晶质半导体膜303(例如用等离子化学气相生长法生长的、膜厚100nm的非晶质Si层或非晶质SiGe层等)。并且，在非晶质半导体膜303上生成栅绝缘膜305(例如四乙基原硅酸盐(TEOS)和用O₂的等离子化学气相生长法生长的、膜厚100nm的SiO₂层)。成膜后，对这些薄膜302、303、305进行脱氢处理。例如在氮气环境中进行600℃×1小时的加热处理。

然后，用图2装置进行激光结晶。激光光源1，例如采用KrF受激准分子激光等脉冲振荡的高能量激光。

从激光源1发出的激光，透过能对功率和光束截面进行调制的衰减器2和光束截面调制部3。其结果，使功率和光束截面被调制。然后，经过反射镜4等光学元件，到达移动载物台7。在移动载物台7上布置半导体基片5，激光结晶的方法是用被调制的激光来照射半导体基片5来进行的。在移动载物台7上设置了能测量光束截面也能作为功率计使用的光束质量测试仪6。该装置与测量用的微机8相连动，对移动载物台7的高度hz、功率以及能调制光束截面的光学系统的参数(例如衰减器2的角度和移相器31的位置等)进行设定，以取得最佳光束截面。

图10A所示的光束截面A用于形成小径晶粒区r1；图10C所示的光束截面B用于形成大径晶粒区r2。这些光束截面A、B由与上述测量用的微机8相连动的系统来进行条件设定。

利用光束截面A或光束截面B的激光50来照射非晶质硅膜303，形成所需的晶粒直径的多晶硅结晶膜。例如，在用光束截面A的激光照射选择区r1的情况下，如图10B所示，在该选择区r1内形成小粒径的结晶。并且，例如在用光束截面B的激光照射选择区r2的情况下，如图10D所示在该选择区r2内形成大粒径的结晶。这样，能在同一基片上分别制作出不同尺寸的结晶区。

于是，获得了图11B所示的薄膜晶体管。

对在TFT沟道区内的横切电流方向上的结晶粒界数的平均值Na，进行评价如下。

从TFT的激活层的边缘可以看出，如图12A所示用激光标记Mb等在4个地方作标记。然后在盐酸和氢氟酸等的酸溶液中除去图11B所示的源电极312、漏电极313、栅电极309、层间绝缘膜314，使作为激活层的多晶硅层306露出来。然后，使TFT形成面接触HF∶K₂CrO3(0.15mol/l)＝2∶1的混合液30秒，即进行所谓干壁绘画法腐蚀(Secco etching)，使晶粒界显著。对腐蚀面进行水洗，干燥后用扫描型电子显微镜进行图像观察。而且，作为图像观察装置也可以采用表面光洁度计和原子间力显微镜等。

在沟道区内的横切电流方向上的结晶粒界数的计数，例如对源部分的2个地方的标记Mb和漏部分的2个地方的标记Mb分别进行10等分，分别决定平行的直线。对该直线和粒界相交叉的数进行平均而进行计算。

因为用光束截面来控制粒径，所以在小粒径结晶区内存在的晶粒界比大粒径结晶区稠密。

TFT-A的栅长La定为2μm；TFT-B的栅长Lb定为4μm；宽度W均定为2μm。

为了获得具有同一性能的TFT，预先分别测量了图10A所示的光束截面A和图10C的所示的光束截面B。如图13所示，在此情况下，根据载物台高度hz和每1μm的结晶粒界数的关系数据，由hz值来决定希望的光束截面。

在此情况下，移相器的高度d＝0μm为一定，

测量条件如下：

TFT-A1所需的光束截面A在hz＝30μm时激光强度为500mJ/cm²(条件1)

TFT-B1所需的光束截面B在hz＝20μm时激光强度为700mJ/cm²(条件2)

利用该条件1和条件2，在基片上的多个区内照射图10A、10C所示的光束截面A、B激光，使非晶质硅膜进行结晶。

用这些方法制作的结晶区，分别按照与TFT-A1、TFT-B1相符合的尺寸制作布线图案，进行以下工艺。

如图11B所示，在栅绝缘膜上设置了栅电极309(例如高浓度磷掺杂多晶硅、W、TiW、WSi₂、MOSi₂)。对栅电极309进行掩盖，进行离子注入，形成了源区311、漏区310。例如，离子注入，若是N型TFT，则按10¹⁵cm^-2数量级注入P+，若是P型TFT，则按10¹⁵cm^-2数量级注入BF²⁺。然后，在电炉内以氮为载流气体从500℃起在600℃下进行1小时的退火，进行杂质的激活。并且，快速热退火(RTA)中也可以在700℃下加热1分钟。最后形成层间绝缘膜314，形成接点孔，形成源电极312、漏电极313。源电极312和漏电极313的材料，例如采用Al、W、Al/TiN等的金属。

评价试验

TFT的评价，在350mm×400mm的基片上引2条对角线，在交叉的中央位置以及中央位置和基片四角的中点共计5个点上进行评价。

在区域内，TFT的宽度W为2μm的一定值，长度La为2μm的TFT-A1、长度Lb为4μm的TFT-B1按一定的图形来形成。在5个点的各个位置上，当测量TFT特性时，得到TFT-A1和TFT-B1上具有相同的特性。

再者，为了调查沟道区内的横切电流方向上的结晶粒界数的平均值Na和栅长L的比Na/L，对测量了特性的TFT，为了弄清楚多晶硅层，把位置的标记Mb和上层部除去，在50μm×50μm的范围内用扫描型电子显微镜来分析评价。其结果，多个被测的TFT-A1和TFT-B1内的沟道区306内的横切电流方向上的结晶粒界数的平均值Na和栅长L的比Na/L，均为±5％以内的频度分布(偏离中心值的次数的发生频度；标准偏差)。

本发明制作的多个TFT的特性测量结果，TFT-A1和TFT-B1，尽管晶体管尺寸不同，但能获得同一性能(电子迁移率：250cm².V/s)。

并且，在光束截面测量中，利用上述条件1和条件2，并且调整移相器31的高度d，检测出最佳的d时，TFT-A1中d＝5μm为最佳；TFT-B1中，d＝1μm为最佳。

在这些条件下分别制作TFT-A1和TFT-B1，多个被测TFT-A1和TFT-B1内的沟道区306内的横切电流方向上的结晶粒界数的平均值Na和栅长L的比Na/L，均为±2％以内的频度分布。制作的多个TFT的特性测量结果，TFT-A1和TFT-B1，尽管晶体管尺寸不同，但能获得同一性能(电子迁移率：250cm².V/sec)。

以下说明用上述实施方式制作的薄膜晶体管实际适用于有源矩阵型液晶显示装置的例子。

图22表示采用薄膜晶体管的有源矩阵型显示装置的一例、显示装置120，其板的结构包括一对绝缘基片121、122和保持在两者之间的电气光学物质123。电气光学物质123广泛采用液晶材料。在下侧的绝缘基片121上用集成法形成了像素阵列部124和驱动电路部。驱动电路部被划分为垂直驱动电路125和水平驱动电路126，这些驱动电路125、126分别具有按照本发明制作的TFT-1A(参见图11B、图10B)。

并且，在绝缘基片121的周围部上端上形成了外部连接用的端子部127。端子部127通过布线128与垂直驱动电路125和水平驱动电路126相连接。在像素阵列部124上形成了行状的栅布线129和列状的信号布线130。在两种布线的交叉部上，形成了像素电极131和对其进行驱动用的薄膜晶体管132。该薄膜晶体管132相当于按本发明制作的上述TFT-B1(参见图11B、图10D)，对像素电极131进行开关驱动。

像素用TFT132的栅电极309与对应的栅布线129相连接，漏区305与对应的像素电极131相连接，源区310与对应的信号布线130相连接。并且，栅布线129与垂直驱动电路125相连接，信号布线130与水平驱动电路126相连接。

驱动电路用TFT-A1，与过去的多晶硅TFT相比，阈值电压偏差小，截止电流低。并且，TFT-A1的载流子迁移率达到与过去的多晶硅TFT相同的程度，开关动作速度快。

另一方面，像素用TFT132(TFT-B1)与过去的多晶硅TFT相比，载流子迁移率高，动作快。并且，TFT132(TFT-B1)，阈值电压偏差达到和过去的多晶硅TFT相同程度，进行低截止电流动作。

第2实施方式

以下说明本发明第2实施方式的接近型激光退火装置及使用其的退火方法。

如图19所示，激光退火装置10A在激光源1的光轴50a的始端上布置了衰减器2和光束截面调制部3的均匀化光学系统32，经过反射镜4把保持半导体基片5的移动载物台7布置在终端上。光束截面调制部3的移相器31布置在接近移动载物台7上的半导体基片5的入射面的位置上。

并且，激光退火装置10A与半导体基片5并排地设置了光束质量测试仪6，把半导体基片5和光束质量测试仪6一起固定在移动载物台7上。

并且，设置了控制用的计算机8，在输入侧连接光束质量测试仪6，在输出侧连接衰减器2、光束截面调制部3、移动载物台7的控制系统C。作为控制装置的计算机8分别控制衰减器2、光束截面调制部3、移动载物台7的动作。

衰减器2具有的功能是调节电介质的多层膜涂敷滤波器的角度，对激光的强度(光束截面)进行光学调制，它具有由计算机8来控制其动作的无图示的传感器、电动机和控制系统。在此，所谓“光束截面”是表示激光能量密度的尺度，是对每单位面积的能量进行时间积分的结果。

光束截面调制部3具有调制激光空间强度分布的功能，它由移相器31和均匀化光学系统32构成。

移相器31还具有用于掩膜图形的更换和光轴方向定位的、无图示的传感器、执行机构(アクチユエ一タ)和控制系统。

移相器31，例如按0和π交互地对通过掩模32d的光的相位进行错开，在移相部内产生光强度极小的反峰值图形，利用该反峰值图形在半导体基片5上例如对非晶质半导体膜的最早凝固的区域(晶核)进行位置控制，从这里开始横向生长晶体(横向生长；沿膜面的二维生长)，这样，把大粒径的晶粒设置在指定位置上。这时利用移相器的形状和与半导体基片5的距离、激光的角度分布等，设定希望的光束截面。

均匀化光学系统32由透镜等光学零件构成，在偏离均匀化光学系统2的焦点位置的散焦位置上固定半导体基片5，用激光照射。

用这时的掩膜图形和散焦量来控制反峰值图形的形状和宽度。

反峰值图形的宽度W，与移相器31和半导体基片5之间的间隙d1的1/2次方成比例(W＝k·d^1/2；k为系数)进行放大。

光束质量测试仪6在萤光板61上接受为紫外光的受激准分子激光，将其变换成可见光，在CCD63上接受反射镜62反射的可见光，同时测量激光强度和光束截面。该测量系统的光强度能达到光束截面测量所需的强度即可。

激光强度也可以用半导体功率计(パワ一メ一タ)等分别进行测量。

并且，也可以直接在CCD63上接受为紫外光的受激准分子激光。

并且，萤光板61设置在与半导体基片5同一平面上或者平行平面上。在把萤光板61设置在具有台阶的平行平面上的情况下，使移动载物台7上下移动，把萤光板61设在与半导体基片5相同的高度上进行测量。这样能在与实际照射时相同的条件下测量基片面上的激光光束截面。

希望萤光板61处于在光学上与半导体基片5表面等效的位置上。这时，萤光板61具有在入射的激光轴方向上移动的机构，使其偏离量反映在移动载物台7的上下量上。

用CCD63受光的图像被输入到微机8内，用任意的扫描线进行切片，从图像信号的强度分布中测量出激光强度和光束截面。

然后，对测出的强度和预先设定的目标强度进行比较，计算出操作量，向衰减器2输出操作信号，一边进行反馈，一边调节衰减器2的角度，使得测出的强度达到目标强度。

并且，对测出的光束截面和预先设定的目标光束截面进行比较，计算出操作量，向光束截面调制部3和移动载物台7输出操作信号，使测出的光束截面达到目标的光束截面，为此一边反馈，一边调节移相器31的位置和移动载物台7的高度。而且，在本实施方式中，说明了利用反馈控制方法来调节激光强度、激光分布、间隙d1的例子。但本发明并非仅限于这样，可以在最初测量激光强度、激光分布、间隙d1的全部内容，将其测量结果设定为目标值，存储(记录)起来，在需要激光照射时分别将其调出使用。这样能实现重复性良好的激光照射，能稳定地进行TFT沟道部的结晶。

移动载物台7能在前后、左右、上下3维方向上移动，它具有面内方向和光轴方向定位用的无图示的传感器、执行机构和控制系统。

在此，所谓“预先设定的目标强度”是指通过下述证实试验(参见图14A～图18C)已经证实，使非晶质半导体薄膜进行结晶，晶粒横向生长，结晶的膜不会因热收缩而被破坏的激光强度(激光注量)和分布(光束截面)。

参照图20，详细说明退火装置的光学系统。

退火装置10利用强度和光束截面被调制后的激光50来照射预先在基片5上依次淀积了底层保护膜302、非晶质硅膜303、顶层膜305的试样(参见图11A)。结晶对象是非晶质硅膜303。底层保护膜302和顶层膜305分别为SiO₂绝缘膜。

从作为光源的KrF受激准分子激光装置1射出波长248nm的长光束的激光50。激光50，首先在衰减器2内对电介质的多层膜涂敷滤波器的角度进行调节，对光束截面进行光学调制。然后，被2组(分别为x方向和y方向)的小透镜对构成的均化器32a分割成发散光束。而且，1次发射的脉冲持续时间为30毫微秒。被分割的光束的各中轴光线通过聚光镜32b(1号凸镜)而聚集在掩膜32d的中心上。

并且，各光束极小量地形成发散型，所以，全面照亮掩模32d。被分割的微小出射区射出的全部光线群分别照射掩膜32d上的全部点，所以，即使激光射出面上的光强度有面内摇摆，也能使掩模32d的光强度均匀。

通过掩模32d各区域的光线群的中心光线，即通过均化器32a的中心部分的透镜对的发散光线群，通过掩模附近的凸透镜32c而变成平行光线后，通过远心型缩小透镜32e，垂直地照射具有加热器7a的移动载物台7上放置的基片5。

移动载物台7能在XYZ各方向上调整位置，所以通过挪动照射区反复进行退火，能将大面积进行结晶。并且，通过掩模32d的同一个部位的光线群聚集到基片面的一点上，也就是说能以均匀的光强度在基片面上制作掩模32d的缩小像。而且，XY表示水平面的X轴和Y轴，Z表示在与水平面相垂直的方向上延伸的轴。

对基片表面任意点进行照射的光线群，由包括通过光轴a的中心光线、被分割的光线而被形成。某光线和中心光线形成的角，是取决于均化器32a的几何形状的、掩膜32d中的该光线和中心光线所形成的角，乘上远心型透镜32e的倍率所得的值。

布置在离试样500μm以内的近处的移相器31，具有预定的台阶31a，在台阶31a处使分割光线群分别独立地进行菲涅耳衍射。这些衍射图形在基片表面上重叠，所以在基片表面的光强度分布上，不仅移相器31的参数(间隙d，相位差θ)，而且射入到移相器31内的光线群的扩展量(ε)和光线间的干涉性，都是复杂相关的。

实施本发明的激光退火装置凭借以上结构，激光结晶工序，最初使移动载物台7在面内方向上移动，从而使激光光源1的光轴50a的前端在光束质量测试仪6的萤光板上定位，用激光照射，测量其强度和光束截面。

然后，分别对衰减器2的角度、移相器31的位置、移动载物台7的高度进行位置对准，以便测出的强度和光束截面与预先设定的目标相一致。

然后，使移动载物台7在面内方向移动，这次把光轴a的前端定位到半导体基片5的预定结晶区内，设定为间隙d1，用预先设定的强度和光束截面的激光进行照射。

证实试验

一边参照图14A～图18C，一边根据试样表面上的光束截面的实测结果来弄清楚调制激光的特征，对其实测结果和模拟结果进行比较，同时对比研究实测结果和结晶膜的组织。并且也弄清了各种临界光强度。

采用平行光时的单个移相器(光路差δ为180°)的一维的标准化菲涅耳衍射图形示于图14A内。移相器和光束质量测试仪的相互间距离(等同于移相器/基片间的间隙d1)定为110μm。图14B是表示图14A的衍射图形的一维光束截面的特性曲线图。图中的特性曲线C(细线)表示计算机模拟的、一维光束截面，特性曲线D(粗线)表示在光束图形制作器萤光板面上测出的一维光束截面。实测结果(特性曲线D)包括高次振动在内，与理论结果(特性曲C)很一致。尤其最小强度几乎为零，这表示受激准分子激光具有强的自干涉性。而且，希望光束质量测试仪6的分辨率比欲制造的晶粒径小一个数量级，在图14A、14B的测量例中，为0.4μm的分辨率。

In-plane cross-coupled移相器的二维标准化菲涅耳衍射图像示于图15A和图15B。间隙d定为30μm，相位差定为180°。图中用粗线围住的正方格子，一边长为5μm。图15A表示计算机模拟图像；

图15B表示在光束质量测试仪萤光板面上出现的激光注量的实像。在格子状的主图形(粗线)以外，也能看到内部的微细二维图形(细线)，已经证实该光束质量测试仪对2维图形的评价也是有效的。

图16A是表示在横坐标上取离开激光轴50a的距离(μm)；在纵坐标上取标准化的激光强度指数(任意单位)，均化器产生的多光束形成的断面的特性曲线图。纵轴的标准化的强度指数是作为结晶大致目标的参数，若对其进行平均，则收敛到1.0。而且，在图16A中，当强度指数为1.0时，相当于0.2J/cm²的激光注量，若对其乘上系数0.95，则可求出进行多晶化的临界光强度的0.19J/cm²。

图中，特性曲线E(细线)表示模拟结果；特性曲线F(粗线)表示实测结果。实测结果和模拟结果，除了有限个数的光束所引起的高空间频率成分外，两者的一致性良好。

图16B是在低平均光强度条件下进行结晶的膜组织。试样是在基片温度500℃下是300nm厚的SiO₂顶层膜/200nm厚的a-Si膜/1000nm厚的SiO₂膜/Si结构。生成多晶的部位(亮的部分)是局部高光强度的部位，局部低光强度的部分(暗的部分)是未结晶的区域。暗的部分，在图16A的特性区线E上与比0.19J/cm²所示的线(强度指数0.95)低的位置非常一致。产生的多晶化的临界光强度约为0.19J/cm²，该值与均匀照射时相同。而且，从高平均光强度的实验中已经查明，横向结晶的开始和膜不完全的临界光强度分别为0.48J/cm²、0.90J/cm²。另外，也已查明，能用单发射来生长的距离约为7微米。

图17A的特性曲线图是：在横坐标上取离开激光轴a的距离(μm)；在纵坐标上取被标准化的激光强度指数(无单位)，就已结晶的Si是否横向生长，并且，过大的收缩力是否会破坏横向生长的结晶膜，来表示和激光注量的关系。图中的特性曲线P是横向生长的临界线，在其上方区内横向生长Si晶体；在其下方区内不横向生长。特性曲线Q是膜破坏临界线，在其上方区内过大的收缩力会破坏Si晶体膜；在其下方区内不会破坏Si晶体膜。对两条特性曲线P、Q的指数乘上系数后的激光注量的换算值，分别约为0.5J/cm²和0.9J/cm²。特性曲线R是激光强度的光束截面。在特性曲线R位于被两条特性曲线P、Q夹持的区内时不会产生膜破坏，能稳定地横向生长。

图17B是横向生长过程中的Si薄膜的SEM图像。离开激光轴50a的单侧不足10μm的范围内出现横向生长的S晶体。但是，离开激光轴50a为10μm以上的区内，激光强度的偏差(バラツキ)大，出现膜破坏的组织(图中点状的白块)。并且，激光轴50a附近区由于激光注量的强度不足而不进行结晶，仍保持非晶质状态。该区不进行横向生长。

用上述实验结果，求出了能用高充填率形成大晶粒(平均直径5微米)的光学系统。得到的光强度分布和膜组织分别示于图18A～图18C。图18A的纵坐标表示被标准化的激光强度(无单位)，是成为结晶大致目标的参数。若对其进行平均，则会收敛到1.0。图中的特性曲线G表示模拟结果，特性曲线H表示光束质量测试仪萤光板面上出现的截面实像的结果。而且，在图18A中，若对纵坐标的指数的最小值0.6乘上平均激光注量0.70J/cm²，则求出横向结晶的临界光强度0.42J/cm²；若对指数的最大值1.3乘上系数0.70J/cm²，则求出发生膜破坏的临界光强度0.91J/cm²。

图18B表示激光照射(J＝0.70mJ/cm²)区内的反复图形的SEM图像(0.24mm×0.24mm)；图18C表示对图18B的一部分进行放大后的SEM图像(20μm×20μm)。已观察到在离开激光轴50a单侧5μm以内稳定地横向生长Si晶粒。从此在照射区全面(0.24mm×0.24mm)内能以高充填率均匀地形成5μm左右的大晶粒。

利用高分辨率光束质量测试仪抽出了受激准分子激光的性质。其结果，能设计试样表面上光强度分布。再者，对各种临界光强度进行评价，对其结果进行综合，这样设计了用高充填率生长大晶粒的光学系统。通过实验确认了其的有效性。

在上述实施方式中说明了本发明的退火装置、退火方法适用于结晶装置的例子。但本发明也可以适用于杂质注入后进行的退火工序等其他工序。

实施例

以下表示尺寸不同但特性相同的TFT-A2(小尺寸TFT)和TFT-B2(大尺寸TFT)的制作例，作为本发明的实施例。

首先准备基片，如图11A所示，在绝缘体基片5(例如康宁1737玻璃，熔融石英、蓝宝石、塑料、聚酰亚胺等)的表面上，形成第1薄膜302(例如四乙基原硅酸盐(TEOS)和由O₂的等离子化学气相生长法生成的、膜厚300nm的SiO₂膜，或者SiN/SiO₂积层膜、氧化铝、云母等)，在第1薄膜302的表面上形成第2薄膜的非晶半导体膜303(例如用等离子化学气相生长法生长的、膜厚100nm的非晶质Si层或非晶质SiGe等)。并且，其上以SiO₂为栅绝缘膜，生成四乙基原硅酸盐(TEOS)和由O₂的等离子化学气相生长法生长的、(例如膜厚100nm)的SiO₂膜305。然后进行脱氢处理，(例如在氮气环境中进行600℃×1小时的加热处理)。

然后，用图19的装置进行激光结晶。激光光源1，例如采用KrF受激准分子激光等脉冲振荡的高能量激光。

从激光光源1发出的激光，透过能对功率和光束截面进行调制的衰减器2和光束截面调制部3。其结果，使功率和光束截面被调制。然后，到达移动载物台7。在移动载物台7上布置半导体基片5，激光结晶的方法是用被调制的激光来照射半导体基片5。在移动载物台7上设置了能测量光束截面也能作为功率计使用的光束质量测试仪6。该装置与测量用的微机8相连动，对移动载物台7的高度hz、功率以及能调制光束截面的光学系统的参数(例如衰减器2的角度和移相器31的位置等、间隙d)进行设定，以取得最佳光束截面。

图10A所示的光束截面A用于形成小粒径晶体区r1；图10C所示的光束截面B用于形成大粒径晶体区r2。这些光束截面A、B由与上述测量用的微机8相连动的系统来进行条件设定。

利用光束截面A或光束截面B进行结晶的结果，形成所需的晶粒直径的多晶硅。例如，在用光束截面A的激光进行结晶的情况下，如图10B所示，在预定的选择区内形成小粒径的结晶区r1。并且，例如在用光束截面B的激光照射进行结晶的情况下，如图10D所示在预定的选择区内形成大粒径的结晶区r2。这样，能通过改变激光截面而分别制作出不同的结晶区。

对在TFT沟道区内的横截电流方向上的结晶粒界数的平均值Na，进行评价如下。

从TFT的激活层的边缘可以看出，如图12A所示用激光标记Mb等在4个地方作标记。然后用盐酸和氢氟酸等的酸溶液除去图11B所示的源电极312、漏电极313、栅电极319、层间绝缘膜314，使作为TFT激活层(沟道区)的多晶硅层306露出来。然后，使用壁画蚀刻液(HF∶KCrO＝2∶1的混合液)对沟道区306进行30秒的湿式腐蚀，使晶粒界显著。对腐蚀面进行水洗，干燥后用扫描型电子显微镜进行图像观察。而且，图像观察装置也可以采用表面光洁度计和原子间力显微镜等。

在沟道区306内的横切电流方向上的结晶粒界数的计数，例如对源部分的2个地方的标记Mb和漏部分的2个地方的标记Mb分别进行10等分，分别决定平行的直线。对该直线和粒界相交叉的数进行平均而进行计算。因为用激光的光束截面来控制粒径，所以在小粒径结晶区r1内存在的晶体粒界比大粒径结晶区r2稠密。TFT-A2的栅长La定为2μm；TFT-B2的栅长Lb定为4μm；宽度W均定为2μm。为了获得具有同一性能的TFT，预先分别测量了图10A所示的光束截面A和图10C的所示的光束截面B。

如图21所示，在此情况下，根据载物台高度Z和每1μm的结晶粒界数的关系数据，改变间隙d1，即可决定希望的光束截面。在本实施例中，TFT-A2所需的光束截面，在间隙d＝300μm时激光强度为0.55mJ/cm²。此外，TFT-B2所需的光束截面，在间隙d1＝100μm时激光强度为0.66mJ/cm²。

利用该条件，在基片上的多个区内进行结晶。

制作的晶体通过图10A、图10C所示的光束截面A、B的激光照射而形成。

用这些方法制作的结晶区，分别按照与TFT-A2、TFT-B2相符合的尺寸进行图形制作，进行以下工艺。

如图11B所示，在栅绝缘膜上设置了栅电极309(例如高浓度磷掺杂多晶硅、W、TiW、WSi₂、MOSi₂)。对栅电极309进行掩盖，进行离子注入，形成了源区311、漏区310。例如，离子注入，若是N型TFT，则按10¹⁵cm^-2数量级注入P+，若是P型TFT，则按10¹⁵cm^-2数量级注入BF²⁺。然后，在电炉内以氮为载流气体从500℃起在600℃下进行1小时的退火，进行杂质的激活。并且，快速热退火(RTA)也可以在700℃下加热1分钟。最后形成层间绝缘膜314，形成接点孔，形成源电极312、漏电极313。源电极312和漏电极313的材料，例如采用Al、W、Al/TiN等。

TFT的评价，在350mm×400mm基片上引2条对角线，在交叉的中央位置以及中央位置和基片四角的中点共计5个点上进行评价。

在区内，TFT的宽度W为2μm的一定值，长度La为2μm的TFT-A2、长度Lb为4μm的TFT-B2按一定的图形来形成。在5个点的各个位置上，当测量TFT特性时，TFT-A2和TFT-B2均获得了同一特性。

再者，为了调查沟道区306内的横切电流方向上的结晶粒界数的平均值Na和栅长L的比Na/L，对测了特性的TFT，为了弄清楚多晶硅层，把位置的标记和上层部除去，在50μm×50μm的范围内用扫描型电子显微镜来分析评价。其结果，多个被测TFT-A2和TFT-B2内的各沟道区306内在横切电流方向上的结晶粒界数的平均值Na和栅长L的比Na/L，均为±5％以内的频度分布。

对本发明制作的多个TFT的特性进行了测量，其结果，虽然TFT-A2和TFT-B2的晶体管尺寸不同，但能获得同一性能(电子迁移率：250cm².V/s)。

如表1所示，在本实施方式中，基片温度为室温时能稳定地横向生长Si晶体膜的激光注量为0.6～1.3(J/cm²)的范围。基片温度为300℃时能稳定地横向生长Si晶体膜的激光注量为0.5～1.2(J/cm²)的范围。另外，基片温度为500℃时能稳定地横向生长Si晶体膜的激光注量为0.4～1.1(J/cm²)的范围。

对这些结果加以综合，即可看出，为了稳定地横向生长Si晶体膜，最好对光强度调制的峰值和最低值进行控制，使激光注量在0.6～0.9(J/cm²)的范围内。

若按照本发明，则对于具有任意性能的各种尺寸的TFT能在同一基片内分别制作所需要的粒径的晶体区。

并且，若采用本发明，则能稳定地横向生长Si晶体膜，而不会产生膜破坏，所以，能提供阈值电压偏差小而且在高速动作性能上优异的TFT。

而且，本发明不仅能用于使非晶质半导体和非单晶半导体的薄膜组织进行结晶的受激准分子激光结晶法，而且也能用于使已掺入到半导体层中的杂质激活的激光退火法。

Claims

1、一种退火装置，其特征在于，具有：

激光光源：

光束截面调制部，设置在上述激光光源和照射场之间，用于调制激光的强度及其分布；

光束截面测量部，测量上述照射场的入射面内的激光的强度及其分布；

设定装置，预先设定有关激光强度及其分布的预定目标；以及

控制部，调节上述光束截面调制部的参数，以使上述光束截面测量部的测量结果与上述设定目标相一致。

2、如权利要求1所述的退火装置，其特征在于：把上述光束截面测量部布置在与上述基片相同的平面上。

3、如权利要求1所述的退火装置，其特征在于：上述光束截面调制部是包括作为空间强度调制光学元件的移相器在内的成像光学系统。

4、一种退火方法，其特征在于：当把激光照射到非单晶半导体层上进行退火时，把从预先存储了上述激光的光束截面的存储装置中读出的光束截面作为目标，设定退火用光束截面，从而进行退火。

5、如权利要求4所述的退火方法，其特征在于：从预先存储的上述存储装置中读出的光束截面，是通过实验求出最佳的上述激光的激光截面而被存储起来的光束截面。

6、如权利要求4所述的退火方法，其特征在于：从预先存储的上述存储装置中读出的光束截面是把在上次退火工序中所使用的上述激光的光束截面存储到上述存储装置内，并在下次的退火工序中从上述存储装置中读出的光束截面。

7、如权利要求4所述的退火方法，其特征在于：从预先存储的上述存储装置中读出的光束截面，在退火工序中在显示画面上显示出上述激光的光束截面的光束截面。

8、一种非单晶半导体薄膜的退火方法，其特征在于：

(a)在激光源和光束截面测量部之间插入空间强度调制光学元件，把上述光束截面测量部的入射面和上述空间强度调制光学元件之间的间隙d1调整到500μm以下，分别测量将由上述空间强度调制光学元件调制后的激光照射到上述光束截面测量部的入射面上时的激光强度及分布以及上述间隙d1，

(b)在具有非单晶半导体薄膜的基片和上述激光光源之间插入上述空间强度调制光学元件，把上述基片的入射面和上述空间强度调制光学元件之间的间隙d1调整到500μm以下，把经过上述空间强度调制光学元件调制后的激光照射到上述基片的入射面上，分别测量已被证实通过该调制激光的照射而使上述半导体薄膜进行结晶从而进行横向生长时的激光强度及分布以及上述间隙d1，

(c)分别把与上述工序(b)的测量结果相对应的上述工序(a)的测量结果设定为激光强度及分布以及上述间隙d1的目标值，

(d)分别控制激光强度及分布以及上述间隙d1，以便达到上述设定目标值，在该控制条件下把经过上述空间强度调制光学元件调制后的激光照射到上述基片的入射面上，

(e)通过至少反复进行上述工序(b)～(d)，在同一基片内分别制作具有2种以上平均晶粒直径的半导体层。

9、一种薄膜晶体管，分别被形成在显示装置的像素和像素驱动用电路内，其特征在于，该薄膜晶体管通过以下工序而被形成：(a)在激光光源和光束截面测量部之间插入空间强度调制光学元件，并把上述光束截面测量部的入射面和上述空间强度调制光学元件之间的间隙d1调整到500μm以下，并分别测量把经过上述空间强度调制光学元件调制后的激光照射到上述光束截面测量部的入射面上时的激光强度及其分布以及上述间隙d1，(b)在具有非晶半导体薄膜的基片和上述激光源之间插入上述空间强度调制光学元件，并把上述基片的入射面和上述空间强度调制光学元件之间的间隙d1调整到500μm以下，并把经过上述空间强度调制光学元件调制后的激光照射到上述基片的入射面上，分别测量在通过该调制激光的照射而使上述半导体薄膜进行结晶从而进行横向生长已被证实时的激光强度及分布以及上述间隙d1，(c)分别把与上述工序(b)的测量结果相对应的上述工序(a)的测量结果设定为激光强度及分布以及上述间隙d1的目标值，(d)分别控制激光强度及分布以及上述间隙d1，以便达到上述设定目标值，并在该控制条件下把经过上述空间强度调制光学元件进行调制后的激光照射到上述基片的入射面上，(e)通过至少反复进行上述工序(b)～(d)，在同一基片内分别制作具有2种以上平均晶粒直径的半导体层。

10、一种显示装置，具有：介由预定间隙互相接合的一对基片、被保持在该间隙内的电气光学物质、被形成在一边的基片上的对置电极，被形成在另一边的基片上的像素电极、与该像素电极相导通的晶体性半导体薄膜、驱动像素的像素驱动电路、以及被形成在该像素驱动电路上的晶体性半导体薄膜，

该显示装置的特征在于：上述各晶体性半导体薄膜通过以下工序形成：(a)在激光源和光束截面测量部之间插入空间强度调制光学元件，把上述光束截面测量部的入射面和上述空间强度调制光学元件之间的间隙d1调整到500μm以下，分别测量把经过上述空间强度调制光学元件调制后的激光照射到上述光束截面测量部的入射面上时的激光强度及分布以及上述间隙d1，(b)在具有非单晶半导体薄膜的基片和上述激光光源之间插入上述空间强度调制光学元件，把上述基片的入射面和上述空间强度调制光学元件之间的间隙d1调整到500μm以下，把经过上述空间强度调制光学元件调制后的激光照射到上述基片的入射面上，分别测量在通过该调制激光的照射而使上述半导体薄膜进行结晶从而进行横向生长已被证实时的激光强度及其分布以及上述间隙d1，(c)分别把与上述工序(b)的测量结果相对应的上述工序(a)的测量结果设定为激光强度及分布以及上述间隙d1的目标值，(d)分别控制激光强度及分布以及上述间隙d1，以便达到上述设定目标值，并在该控制条件下把经过上述空间强度调制光学元件进行调制后的激光照射到上述基片的入射面上，(e)通过至少反复进行上述工序(b)～(d)，在同一基片内分别制作具有2种以上平均晶粒直径的半导体层。

11、如权利要求8所述的退火方法，其特征在于：

12、如权利要8所述的退火方法，其特征在于：上述工序(b)的激光强度及分布以及间隙d1所取的条件是：上述非单晶半导体薄膜进行结晶，进而结晶稳定地横向生长，而且生长后的膜上不产生破坏。

13、如权利要求8所述的退火方法，其特征在于：在上述工序(b)中，进一步测量基片的温度，掌握该基片温度和上述激光强度以及上述横向生长的关系，根据该关系在上述工序(d)中对基片进行加热。

14、一种退火装置，把激光照射到非单晶半导体层上进行退火，其特征在于：

15、如权利要求14所述的退火装置，其特征在于：从预先存储的上述存储装置中读出的光束截面，是通过实验求出最佳的上述激光束截面而被存储起来的光束截面。

16、如权利要求14所述的退火装置，其特征在于：从预先存储的上述存储装置中读出的光束截面是把在上次退火工序中所使用的上述激光的光束截面存储到上述存储装置内，在下次的退火工序中从上述存储装置中读出的光束截面。

17、如权利要求14所述的退火装置，其特征在于：在显示画面上显示从预先存储的上述存储装置中读出的光束截面。

18、如权利要求8所述的退火方法，其特征在于：在上述工序(a)中，在上述光束截面测量部的入射面上设置萤光板，把该萤光板布置在实质上与上述基片的入射面相同的平面上来进行测量。

19、如权利要求8所述的退火方法，其特征在于：在上述工序(a)、(b)、(d)中，在上述空间强度调制光学元件上利用具有使激光折射用的台阶的移相器，该移相器被布置成使激光轴通过上述台阶的状态。

20、一种退火装置，对非单晶半导体薄膜进行退火，其特征在于，具有：

激光光源，

载物台，放置具有非单晶半导体薄膜的基片；

空间强度调制光学元件，调制来自上述激光光源的激光；

光束截面测量部，具有入射面，并测量该入射面内的激光强度及分布；该入射面的入射条件实质上等同于从上述激光源通过上述空间强度调制光学元件射入到上述基片的入射面内的条件，

控制装置，使上述光束截面测量部测量已证实了通过由上述空间强度调制光学元件调制后的调制激光的照射、使上述非单晶半导体薄膜进行结晶从而横向生长的情况时的激光强度及分布，并且对上述间隙d1进行测量，这些测量结果分别作为激光强度及分布以及上述间隙d1的目标值而进行设定，使上述光束截面测量部所测出的强度和分布与上述目标值相一致，为此，对上述光束截面测量部和上述定位装置的动作进行控制。

21、如权利要求20所述的退火装置，其特征在于：把上述光束截面测量部的入射面布置在与上述基片的入射面实质上是相同的平面上来进行测量。

22、如权利要求20所述的退火装置，其特征在于：上述光束截面测量部具有萤光板，该萤光板被布置在与基片的入射面实质上是相同的平面上，对被照射的激光的强度及分布进行测量。

23、如权利要求21所述的退火装置，其特征在于：在上述空间强度调制光学元件中利用具有使激光折射用的台阶的移相器，该移相器被布置成激光轴通过上述台阶的状态。