CN101208778A - 激光退火的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种通过在基板表面形成的半导体膜上照射激光束而进行的激光退火方法，包括生成与行进方向垂直的截面为矩形且电场朝矩形长边方向的线偏振的矩形激光束或者长轴朝长边方向的椭圆偏振的矩形激光束的步骤；使上述矩形激光束入射到基板表面上的步骤；以及将上述矩形激光束的波长设定为与驻波方向所要的晶粒尺寸相当的长度的步骤。

Description

激光退火的方法及装置
技术领域
0001
本发明涉及在半导体装置制造等中，在基板上的硅膜等非结晶半导体膜上照射矩形激光束而改良多晶或单晶半导体膜的技术，以及在基板上的多晶或单晶半导体膜上照射矩形激光束而提高多晶或单晶半导体膜的性能的技术。作为提高性能的对象，即原来的多晶或单晶半导体膜，包括通过固相生长而形成的膜以及通过激光退火而形成的膜。另外，所谓多晶或单晶半导体膜的性能提高，是指(1)晶粒尺寸增大，(2)晶粒中的缺陷减少以及(3)使残留在晶粒间的非结晶部分结晶化。
背景技术
0002
在半导体装置制造等领域中，在基板上形成薄膜晶体管(下面称作TFT(Thin Film Transistor))时，如果使用非结晶硅膜等非结晶半导体膜作为形成TFT的半导体层，则由于载流子迁移率小，所以无法高速动作。因此，通常通过激光退火，将非结晶硅膜转变为结晶的多晶或单晶硅膜。
0003
为了通过激光退火，使非结晶硅膜转变为多晶或单晶硅膜，往往使用与行进方向垂直的截面为矩形的激光束(下面称作矩形激光束)。使已形成非结晶硅膜的基板一边沿矩形的短边方向移动，一边在非结晶硅膜上照射。采用矩形激光束形成多晶或单晶硅膜的方法，例如已在专利文献1中公开。
0004
另外，作为与本发明相关的技术，有非专利文献2和3。在这些文献中有以下记载：如果在固体表面上照射偏振激光束，则在固体表面上激起表面电磁波，由于表面电磁波和入射激光相干涉，在固体表面上产生驻波，由此，在固体表面上形成微小的周期性结构。
专利文献1：特开2003-347210「半导体装置及其制造方法」
非专利文献1：www.nml.co.jp/new-business/SUB2/investigation/ripples/texture.pdf
非专利文献2：激光研究2000年12月、第28卷第12号、页824～828「激光感应表面电磁波引起的金属、半导体的脉动形成入射角依赖性」
非专利文献3：页1384～1401，IEE JOURNAL OF QUANTUMELECTRONICS.VOL.QE-22，NO.8，AUGUST，1986
0005
在通过矩形激光束照射而形成多晶或单晶硅的处理中，晶粒的生长方向受到温度梯度，即激光束的能量梯度的很大影响。如图1所示，因为矩形激光束的长边方向的能量是一定的，所以，对于长边方向，在任意位置上产生核，结果核将以任意尺寸生长。
0006
另外，如图2所示，在矩形激光束的短边方向的能量分布中有大的梯度。所以，结晶生长对于短边方向的能量分布是极其敏感的，因此，使短边方向的晶体尺寸变得均匀是极其困难的。如图3所示，短边方向的晶体尺寸偏差会大于长边方向的晶体尺寸偏差。
0007
这样，以往一直形成具有尺寸不均匀的晶粒的多晶或单晶硅膜。所以，如果在多晶或单晶硅膜上形成TFT，则起因于沟道部中每单位长度的晶粒数不同，在TFT之间性能会有误差。另外，由于晶粒尺寸在短边方向和长边方向明显不同，因此，TFT的性能在长边方向和短边方向会明显不同。这是因为：在沟道部移动的载流子遇到的晶界越多，TFT的性能就越下降。
发明内容
0008
因此，本发明的第一目的在于：提供一种能够沿长边方向得到由尺寸均匀的晶粒形成的多晶或单晶半导体膜的激光退火方法。
0009
另外，本发明的第二目的在于：提供一种能够沿短边方向得到由尺寸均匀的晶粒形成的多晶或单晶半导体膜的激光退火方法及装置。
0010
本发明的第三目的在于：提供一种能够在长边方向与短边方向之间得到由尺寸均匀的晶粒形成的多晶或单晶半导体膜的激光退火方法及装置。
0011
为了实现上述第一目的，根据本发明，提供一种激光退火方法，其特征在于包括如下步骤：生成与行进方向垂直的截面为矩形，且电场朝矩形的长边方向线偏振的矩形激光束或者长轴朝长边方向的椭圆偏振的矩形激光束；使上述矩形激光束入射到基板表面；以及将上述矩形激光束的波长大致设定为驻波方向的所要的晶粒尺寸的长度(权利要求1)。
0012
采用这种方法，能够在半导体膜表面上产生起因于入射矩形激光束在上述半导体膜表面产生的散射光和入射矩形激光束的驻波，沿驻波方向形成由尺寸均匀的晶体构成的多晶或单晶半导体膜。
也就是说，在半导体膜上沿偏振方向即长边方向产生驻波，会产生此驻波的周期性能量，即与其相对应的温度梯度。所以，如果采用这种方法，在非结晶半导体膜上进行激光退火，则在周期性能量的波谷位置上会产生晶核，且各晶核向温度更高的方向生长，在互相触碰的部位形成晶界。所以，在长边方向相同的温度梯度的影响下，在周期性位置上已产生的晶核生长，因此，能够形成由长边方向的尺寸均匀的晶粒形成的多晶或单晶半导体膜。另外，如果采用这种方法，在多晶或单晶半导体膜上进行激光退火，则结晶在长边方向的周期性温度梯度的影响下生长，因此，可提高多晶或单晶半导体膜的性能，使长边方向的晶粒大小均匀。另外，通过选择矩形激光束的波长，能够沿长边方向得到所要的晶粒尺寸。
0013
另外，为了实现上述第二目的，根据本发明，提供一种激光退火方法，其特征在于包括如下步骤：生成与行进方向垂直的截面为矩形，且电场朝矩形的短边方向的线偏振的矩形激光束或者长轴朝短边方向的椭圆偏振的矩形激光束；以及使上述矩形激光束入射到基板上(权利要求2)。
0014
另外，为了实现上述第二目的，根据本发明，提供一种激光退火装置，其特征在于具备：生成与行进方向垂直的截面为矩形，且电场朝矩形的短边方向偏振的线偏振的矩形激光束；或者长轴朝短边方向的椭圆偏振的矩形激光束，并使其入射到半导体膜表面的短边偏振光束生成单元(权利要求6)。
0015
采用这种方法及装置，能够在半导体膜表面上产生起因于入射矩形激光束在上述半导体膜表面产生的散射光和入射矩形激光束的驻波，沿驻波方向形成由尺寸均匀的晶体构成的多晶或单晶半导体膜。
也就是说，在半导体膜上沿偏振方向，即短边方向产生驻波，或者沿椭圆偏振的长轴方向形成强驻波，会产生此驻波的周期性能量，即与其相对应的温度梯度。所以，如果采用这种方法及装置，在非结晶半导体膜上进行激光退火，则在周期性能量的波谷位置上会产生晶核，且各晶核向温度更高的方向生长，在互相触碰的部位形成晶界。所以，在周期性位置上已产生的晶核在短边方向的相同的温度梯度的影响下生长，因此，能够形成由短边方向的尺寸均匀的晶粒形成的多晶或单晶半导体膜。另外，如果采用这种方法及装置，在多晶或单晶半导体膜上进行激光退火，则结晶在短边方向的周期性温度梯度的影响下生长，因此，可提高多晶或单晶半导体膜的性能，使短边方向的晶粒大小均匀。
0016
根据本发明的优选实施方式，上述方法包括一边沿与矩形激光束的长边垂直的方向移动基板，一边用矩形激光束照射基板的半导体膜表面的步骤，调节上述入射角，使矩形激光束在半导体膜上的入射角沿基板移动的方向或者与基板移动方向相反的方向增大(权利要求3)。
0017
如果使上述入射角沿基板的移动方向增加，则短边方向的晶粒尺寸将增大，而如果使其沿与基板移动方向的相反方向增大，则短边方向的晶粒尺寸将减小。
所以，通过调节上述入射角，能够调整短边方向的晶粒尺寸。例如，调整入射角，能够使短边方向的晶粒尺寸与沿长边方向形成的晶粒尺寸大致相同。
0018
为了实现上述第三目的，根据本发明，提供一种激光退火方法，其特征在于包括如下步骤：生成与行进方向垂直的截面为矩形，且电场方向沿矩形的长边方向和短边方向交替变换地偏振的矩形激光束；以及使上述矩形激光束入射到基板表面上(权利要求4)。
0019
另外，为了实现上述第三目的，根据本发明，提供一种激光退火装置，其特征在于设有：发射激光束的第1和第2激光振荡器；控制第1和第2激光振荡器，使第1和第2激光振荡器的激光脉冲发射的定时互相错开的脉冲控制部；将来自第1激光振荡器的激光束转变为线偏振的第1偏振单元；将来自第2激光振荡器的激光束转变为线偏振的第2偏振单元；将来自第1偏振单元的激光束和来自第2偏振单元的激光束合成的光束合成单元；以及将来自光束合成单元的激光束转变为与行进方向垂直的截面为矩形的矩形激光束，并使其入射到基板上的矩形光束生成单元，第1偏振单元使激光束沿上述矩形的长边方向偏振，第2偏振单元使激光束沿矩形的短边方向偏振(权利要求8)。
0020
采用这种方法及装置，能够在半导体膜表面上交替地产生起因于入射矩形激光束在上述半导体膜表面产生的散射光和入射矩形激光束的、方向互相垂直的驻波，沿各驻波方向形成由尺寸均匀的晶体构成的多晶或单晶半导体膜。
也就是说，在半导体膜上沿偏振方向即长边方向和短边方向交替地产生驻波，并产生此驻波的周期性能量，即与其相对应的温度梯度。所以，如果采用这种方法及装置，在非结晶半导体膜上进行激光退火，则在周期性能量的波谷位置上会产生晶核，且各晶核向温度更高的方向生长，并在互相触碰的部位形成晶界。所以，在周期性位置上已产生的晶核在长边方向和短边方向的相同温度梯度的影响下生长，因此，能够形成由长边方向和短边方向的尺寸均匀的晶粒形成的多晶或单晶半导体膜。另外，如果采用这种方法及装置，在多晶或单晶半导体膜上进行激光退火，则结晶在长边方向和短边方向的周期性温度梯度的影响下生长，因此，可提高多晶或单晶半导体膜的性能，使长边方向和短边方向的晶粒大小均匀。
0021
根据本发明的优选实施方式，调整上述矩形激光束的能量密度或者上述矩形激光束的短边宽度，从而调整所形成的多晶或单晶半导体膜的晶粒尺寸(权利要求5)。
0022
由此，能够进行更细微的晶粒尺寸调整，从而能够形成由更均匀的晶粒形成的多晶或单晶半导体膜。
0023
另外，为了实现上述第三目的，根据本发明，提供一种激光退火方法，其特征在于包括如下步骤：生成线偏振的第1激光束；生成线偏振的第2激光束；将上述第1激光束和第2激光束合成，使上述第1激光束的偏振方向与上述第2激光束的偏振方向互相垂直；将上述合成后的激光束转变为与行进方向垂直的截面为矩形的矩形激光束；以及使上述矩形激光束入射到基板表面上(权利要求9)。
0024
另外，为了实现上述第三目的，根据本发明，提供一种激光退火装置，其特征在于具备：发射激光束的第1和第2激光振荡器；将来自第1激光振荡器的激光束和来自第2激光振荡器的激光束合成的光束合成单元；以及将来自光束合成单元的激光束转变为与行进方向垂直的截面为矩形的矩形激光束，并使其入射到基板上的矩形光束生成单元，来自上述第1和第2激光振荡器的激光束进行线偏振，来自第1激光振荡器的激光束的偏振方向和来自第2激光振荡器的激光束的偏振方向在对上述基板的入射位置上互相垂直(权利要求12)。
0025
采用这种方法及装置，能够在半导体膜表面上产生起因于入射矩形激光束在上述半导体膜表面产生的散射光和入射矩形激光束的、方向互相垂直的驻波，沿各驻波方向形成由尺寸均匀的晶体构成的多晶或单晶半导体膜。
也就是说，在半导体膜上沿互相垂直的偏振方向产生驻波，并产生此驻波的周期性能量，即与其相对应的温度梯度。
所以，如果采用这种方法及装置，在非结晶半导体膜上进行激光退火，则在周期性能量的波谷位置上产生晶核，各晶核向温度更高的方向生长，在互相触碰的部位形成晶界。所以，在周期性位置上产生的晶核在互相垂直的方向上产生的相同温度梯度的影响下生长，因此，能够沿互相垂直的方向形成由尺寸均匀的晶粒形成的多晶或单晶半导体膜，其结果是：在长边方向与短边方向之间的晶粒尺寸也成为均匀。
另外，如果采用这种方法及装置，在多晶或单晶半导体膜上进行激光退火，在互相垂直的各方向上的周期性温度梯度的影响下，结晶也能均匀地生长，其结果是：可提高多晶或单晶半导体膜的性能，使长边方向和短边方向的晶粒大小均匀。
0026
另外，为了实现上述第三目的，根据本发明，提供一种激光退火方法，其特征在于包括如下步骤：生成与行进方向垂直的截面为矩形的圆偏振的矩形激光束；以及使上述矩形激光束入射到基板表面上(权利要求10)。
0027
另外，为了实现上述第三目的，根据本发明，提供一种激光退火装置，其特征在于具备：生成与行进方向垂直的截面为矩形的圆偏振的矩形激光束并使其入射到半导体膜表面的圆偏振光束生成单元(权利要求13)。
0028
采用这种方法及装置，在半导体膜表面上沿偏振方向产生起因于入射矩形激光束在半导体膜表面产生的散射光和入射矩形激光束的驻波。由于矩形激光束是圆偏振光束，因此，此驻波在垂直于光的行进方向的面上进行圆周运动。由此，此驻波的周期性能量，即与其相对应的温度梯度就能沿半导体膜表面上的所有方向均匀地产生。
所以，如果采用这种方法及装置，在非结晶半导体膜上进行激光退火，则在周期性能量的波谷位置上会产生晶核，且各晶核向温度更高的方向生长，并在互相触碰的部位形成晶界。所以，在周期性位置上产生的晶核在沿所有方向均匀地产生的周期性温度梯度的影响下生长，因此，能够沿所有方向形成由尺寸均匀的晶粒形成的多晶或单晶半导体膜，其结果是：在长边方向与短边方向之间的晶粒尺寸也均匀。
另外，如果采用这种方法及装置，在多晶或单晶半导体膜上进行激光退火，则在均匀地产生的周期性温度梯度的影响下，结晶也沿所有方向而均匀地生长，其结果是：可提高多晶或单晶半导体膜的性能，使长边方向和短边方向的晶粒大小均匀。
0029
另外，为了实现上述第三目的，根据本发明，提供一种激光退火方法，其特征在于包括如下步骤：生成线偏振的激光束；将线偏振的上述激光束转变为非偏振光；将非偏振的上述激光束转变为与行进方向垂直的截面为矩形的矩形激光束；以及使上述矩形激光束入射到基板表面(权利要求11)。
0030
另外，为了实现上述第三目的，根据本发明，提供一种激光退火装置，其特征在于具备：发射线偏振的激光束的激光振荡器；将来自该激光振荡器的激光束转变为非偏振光的退偏振单元；以及将来自该退偏振单元的激光束转变为与行进方向垂直的截面为矩形的矩形激光束，并使其入射到基板上的矩形光束生成单元(权利要求14)。
0031
从激光振荡器发射的激光束往往为线偏振光，但采用这种方法及装置，将线偏振的激光束转变为非偏振光，使其入射到基板上，因此，不会在基板的半导体膜表面上产生驻波。
所以，如果采用这种方法及装置，在基板的半导体膜上进行激光退火，则在任意位置上会产生晶粒，而且晶粒生长也沿任意方向生长，因此，可抑制晶粒尺寸仅沿某一特定方向增大。其结果是：使半导体膜的晶粒尺寸作为整体而均匀化，在长边方向与短边方向之间的晶粒尺寸也均匀。
另外，如果采用这种方法及装置，在多晶或单晶半导体膜上进行激光退火，则晶粒的生长也沿任意方向生长，因此，可抑制晶粒尺寸仅沿某一特定方向增大。其结果是：可提高多晶或单晶半导体膜的性能。使半导体膜的晶粒尺寸作为整体而均匀化，在长边方向与短边方向之间的晶粒尺寸均匀。
对于本发明的其它目的及优点，可以从以下参照附图的说明中得到了解。
附图说明
0032
图1A、B、C表示传统技术中的通过矩形激光束照射在基板上产生的能量密度与所形成的晶粒尺寸的关系。
图2表示传统技术中的矩形激光束的短边方向的能量分布。
图3表示用按传统方法得到的晶粒尺寸。
图4是本发明实施方式1的激光退火装置中设置的长边用光学系统的结构图。
图5是本发明实施方式1的激光退火装置中设置的短边用光学系统的结构图。
图6A、B是表示激光束的长边方向的能量分布图。
图7A、B是表示激光束的短边方向的能量分布图。
图8是一边照射矩形激光束，一边移动基板的动作说明图。
图9A、B、C表示通过使其沿长边方向偏振的矩形激光束照射，在基板表面产生的长边方向的能量分布与所形成的晶粒尺寸之关系。
图10是根据实验的、照射使其沿长边方向偏振的矩形光束而得到的晶粒尺寸的状态图。
图11是根据实验的、照射使其沿长边方向偏振的高能量密度的矩形光束而得到的晶粒尺寸的状态图。
图12A、B、C表示通过沿短边方向偏振的矩形激光束照射，在基板表面产生的短边方向的能量分布与所形成的晶粒尺寸之关系。
图13表示通过沿短边方向偏振的矩形激光束的照射而得到的晶粒尺寸。
图14A、B是使沿短边方向偏振的矩形激光束倾斜入射时的说明图。
图15是根据实验的、照射沿短边方向偏振的矩形激光束而得到的晶粒尺寸的状态图。
图16是根据实验的、照射沿短边方向偏振的高能量密度的矩形光束而得到的晶粒尺寸的状态图。
图17是用于使偏振方向沿长边方向和短边方向交替变换，并在基板上照射矩形激光束的实施方式3的激光退火装置的结构图。
图18A、B是偏振方向调整的说明图。
图19是本发明的实施方式5的激光退火装置的结构图。
具体实施方式
0033
首先，说明本发明的原理。
如果线偏振的激光束入射到硅基板上，则沿激光束的偏振方向，即电场的振动方向形成周期性地出现的微小结构。周期性微小结构的周期与入射到硅基板上的激光束的波长相当。
0034
关于这种现象进行简单说明(更详细的内容参考非专利文献2和3)。从空气中入射到固体上的激光束因固体表面的微小凹凸而散射，在固体介质与空气之间激起表面电磁波。此表面电磁波的电场和入射激光束的电场相干涉，在固体表面上产生具有周期为激光波长大小的驻波。由于此驻波的剥蚀作用，在固体表面上形成周期性的微小结构。
0035
本发明利用由表面电磁波和入射激光束相干涉而产生的驻波的周期性能量分布，对硅膜等半导体膜进行激光退火处理。更具体地说，利用周期性能量分布，控制晶粒生长，得到由以均匀尺寸生长的晶粒形成的多晶或单晶半导体膜。
0036
以下参照附图，说明本发明的优选实施方式。另外，在各图中共用的部分上附以同一标记，省略重复的说明。
0037
[实施方式1]
图4和图5表示对半导体装置等的基板1上的非结晶硅膜进行退火处理的激光退火装置的结构。激光退火装置具有用以生成矩形激光束的光学系统。此光学系统由对应于矩形激光束的长边方向的长边用光学系统2和短边用光学系统4构成。图4表示的是长边用光学系统2的结构，图5表示的是短边用光学系统4的结构。在图4和图5中用同一标记表示长边用光学系统2和短边用光学系统4中共有的光学元件。
0038
如图4和图5所示，激光退火装置具备发射激光束的激光振荡器(未图示)；使激光振荡器发射的激光束线偏振的起偏元件5；以及将线偏振光束生成为与行进方向垂直的矩形截面的矩形激光束的扩束器7。在以下的说明中矩形激光束的截面矩形的长边方向和短边方向分别简称作长边方向和短边方向。
0039
扩束器7将入射激光束在长边方向扩大。激光退火装置还具备由通过扩束器7而沿长边方向扩大的激光束入射的柱形透镜阵列9。
0040
另外，激光退火装置具备将通过柱形透镜阵列9的矩形激光束在基板1上的长边方向的长度进行调整的长边用会聚透镜11以及将通过柱形透镜阵列9的矩形激光束沿基板1上的短边方向而会聚的短边用会聚透镜12。
0041
图6A表示通过扩束器7前的长边方向的激光束具有宽度A的能量分布，图6B表示照射定形硅膜时的长边方向的宽度A’的能量分布。另外，图7A表示通过扩束器7前的短边方向的激光束具有宽度B的能量分布，图7B表示照射非结晶硅膜时的短边方向的宽度B’的能量分布。如图6B所示，照射时的矩形激光束的能量沿长边方向大致恒定。
0042
根据实施方式1，可用上述起偏元件5使激光束线偏振，但该偏振方向是长边方向。也就是说，照射在非结晶硅膜上的矩形激光束的电场朝向长边方向。再有，也可用其它方法进行线偏振，如用玻璃面等代替起偏元件5，使激光束以布儒斯特角反射而成为线偏振等。
0043
另外，激光退火装置还具备移动装置(未图示)，在通过长边用光学系统2和短边用光学系统4，使矩形激光束入射到非结晶硅膜时，移动装置以预定速度沿图8的箭头方向，移动其表面已形成非结晶硅膜的基板1。通过移动装置，能够使矩形激光束一边入射到半导体膜表面，一边沿与长边方向垂直的方向移动基板，用矩形激光束照射半导体膜表面所想要的范围。图8中箭头表示的方向与垂直于长边方向，即短边方向对应。以下，也将矩形激光束的短边垂直投影在基板表面上的方向简称作短边方向。再有，上述的移动单元由移动装置构成。
0044
还有，也可用其它适合的光学系统来生成矩形激光束，照射在非结晶硅膜上。
0045
通过将沿长边方向偏振的矩形激光束照射在基板1上的非结晶硅膜上，与由非结晶硅膜表面的微小凹凸散射而激起的表面电磁波与矩形激光束相干涉而产生的非结晶硅膜上的驻波相对应，沿长边方向产生周期性的能量分布。图9A表示与这种驻波对应的长边方向的周期性能量分布。
0046
在非结晶硅膜上，产生与周期性能量分布相对应的周期性温度分布。所以，在熔融硅的凝固过程中，在冷却至核产生的临界温度区的部位就会产生晶核。核产生区是温度较低的区域，具体地说，如图9B所示，是图9A的周期性能量分布的波谷位置。晶核从核产生区向周边温度高的部分生长，结晶互相触碰而停止生长的区域就形成晶界。结果如图9C所示，在依赖于能量分布的周期性位置上形成晶粒，从而长边方向的晶粒尺寸变得均匀。
0047
这样，一边照射矩形激光，一边沿短边方向移动基板1，用矩形激光束照射整个非结晶硅膜。此时，因为激光束的长边方向的能量分布在时间上不变化，所以，能够在整个硅膜上沿长边方向形成等间隔的结晶。
0048
另外，驻波的能量周期与矩形激光束的波长相当。所以，通过选择用于照射的矩形激光束的波长，能够得到长边方向的所要的晶粒尺寸。
0049
另外，也能通过使矩形激光束的能量密度变化，调整形成的晶粒尺寸。图10表示：将电场方向为长边方向，波长为1μm的矩形激光束，以能量密度450～500mJ/cm2垂直地照射在非结晶硅膜上而得到的多晶或单晶硅中的晶粒。图11表示：将电场方向为长边方向，波长为1μm的矩形激光束，以大于500mJ/cm2的能量密度垂直地照射在非结晶硅膜上而得到的多晶或单晶硅中的晶粒。图10中长边方向的晶粒尺寸约1.0μm，图11中长边方向的晶粒尺寸约1.5μm。由实验结果可知，如果增加能量密度，就能获得尺寸大于上述驻波的能量周期的晶粒。
0050
再有，用长轴朝长边方向的椭圆偏振的激光束生成矩形激光束来代替线偏振激光束，也能获得与上述相同的效果。
0051
[实施方式2]
下面说明本发明的实施方式2。
实施方式2中的激光退火装置与实施方式1相同，但起偏元件5的偏振方向与实施方式1不同。在实施方式2中，起偏元件5使激光振荡器发射的激光束进行线偏振，使电场朝短边方向，然后，通过扩束器7，生成矩形激光束。这样，生成电场朝短边方向的矩形激光束，使它入射到非结晶硅膜上。再有，使激光束发射的激光振荡器和包括使它沿短边方向偏振的起偏元件5的长边用光学系统2和短边用光学系统4，构成短边偏振光束生成单元。如果激光振荡器发射沿短边方向线偏振的激光束，则能够省略起偏元件5。
0052
如图8所示，与实施方式1同样，在矩形激光束已入射到非结晶硅基板1上的状态下，沿短边方向使基板1以预定速度移动。由此，在整个非结晶硅膜上照射沿短边方向偏振的矩形激光束。
0053
在非结晶硅膜上入射的矩形激光束由非结晶硅膜上的微小凹凸散射，可激起表面电磁波。通过表面电磁波与入射的矩形激光束相干涉，在非结晶硅膜表面沿短边方向产生驻波。所以，此驻波具有沿短边方向的周期性能量。而如上所述，入射的矩形激光束的短边方向的能量分布如图7B所示。此驻波的周期性能量分布和矩形激光束的短边方向的能量分布重合，成为非结晶硅膜上的能量分布。图12A的用实线表示的曲线表示的是驻波的能量分布与入射的矩形激光束的能量分布(用虚线表示的曲线)相加的能量分布。
0054
在按照图12A的能量分布进行熔融的硅的短边方向上，会产生对应于能量分布的温度分布。如图12B所示，在能量分布的波谷位置上产生晶核。然后，在短边方向晶核向温度更高的区域生长，结晶互相交合，在生长停止的部位形成晶界。如图12C所示，结果在短边方向形成由尺寸均匀的晶体构成的多晶或单晶硅。
驻波的能量周期与矩形激光束的波长相当。所以，所形成的晶粒的短边方向尺寸为驻波的波节或波腹的间隔，即矩形激光束半波长的大小。所以，通过选择用于照射的矩形激光束的波长，能够得到短边方向所要的晶粒尺寸。
0055
另外，如上参照图6B所述，由于矩形激光束的长边方向的能量是一定的，因此，在任意位置上晶核会沿长边方向产生，以任意尺寸生长的晶粒会沿长边方向形成。典型地说，沿长边方向生长的晶粒尺寸为数百nm大小。通过使用数百nm大小的波长，能够使长边方向和短边方向的晶粒尺寸大致相同。所以，为了达到所形成的多晶或单晶硅的长边方向的晶粒尺寸大小，要求选择矩形激光束的波长。由此，能够得到图13所示的晶粒尺寸。
0056
而且，根据实施方式2，如果调整非结晶硅膜上的矩形激光束的入射角，并且一边移动基板1，一边使矩形激光束入射到非结晶硅膜上，则能够得到与入射角相应的短边方向的晶粒尺寸。也就是说，能够通过调整入射角来调整短边方向的晶粒尺寸。下面对此进行说明。
0057
如图14A所示，如果使入射角θ沿基板1的移动方向增加，则如〔式1〕所示，驻波的波节或波腹的间隔X增加。另外，〔式1〕中λ是激光束的波长。
【式1】
X = λ 1 - sin θ
0058
另一方面，如图14B所示，如果使入射角θ沿与基板1移动方向相反的方向增大，则如〔式2〕所示，驻波的波节或波腹的间隔X减小。还有，〔式2〕中λ是激光束的波长。与之有关的说明在非专利文献1中有记载。
【式2】
X = λ 1 + sin θ
0059
所以，通过调整矩形激光束的入射角，能够使驻波的周期变化，沿短边方向形成由其尺寸与驻波的能量周期相同的晶粒构成的多晶或单晶硅。这样，能够调整矩形激光束的入射角，从而调整晶粒尺寸。
0060
为调整矩形激光束的入射角，可使光学系统侧或基板侧倾斜。若为将光学系统侧倾斜的方式，则可例如预先将光学系统一体化地构成，通过摇动装置来使整个光学系统倾斜。若为使基板侧倾斜的方式，则用摇动装置使移动基板1的移动台倾斜。这些摇动装置可以是众所周知的适用装置。使光学系统或移动台倾斜的摇动装置构成入射角调整单元。
0061
根据实施方式2，可以取代选择矩形激光束波长的方式，或者在选择矩形激光束波长的方式之外，调整矩形激光束入射到非结晶硅膜上的角度，从而能够调整所产生的驻波的波长，即短边方向的晶粒尺寸。
0062
另外，也能够通过使矩形激光束的能量密度变化来调整所形成的晶粒尺寸。图15表示：将电场方向为短边方向、波长为1μm的矩形激光束，以能量密度450～500mJ/cm2，沿基板移动方向用10度入射角照射在非结晶硅膜上而得到的多晶或单晶硅中的晶粒。图16表示：将电场方向为短边方向、波长为1μm的矩形激光束，以大于500mJ/cm2的能量密度沿基板移动方向用10度入射角垂直地照射在非结晶硅膜上而得到的多晶或单晶硅中的晶粒。图15中短边方向的晶粒尺寸约1.0μm，图16中短边方向的晶粒尺寸约1.5μm。由实验结果可知：如果增加能量密度，则能获得尺寸大于上述驻波的能量周期的晶粒。
0063
[实施方式3]
下面说明本发明的实施方式3。
图17表示的是实施方式3的激光退火装置的结构，该装置使垂直于行进方向的截面为矩形的矩形激光束照射在非结晶硅膜上，形成的多晶或单晶硅。该激光退火装置设有：1对激光振荡器21、22；对应于各激光振荡器21、22而设的起偏元件24、25；使来自激光振荡器21的激光束反射的反射镜27；以及使来自2个激光振荡器21、22的激光束合成的分束器28。来自分束器28的合成光束入射到与实施方式1的图4及图5所示的光学系统相同的光学系统上，生成矩形光束，矩形光束可入射到基板1的非结晶硅膜上。图17中如虚线所示，仅表示与图4对应的长边用光学系统2(但不使用图4的起偏元件5)，短边用光学系统4与图5的相同，因此省略。另外，起偏元件24、25构成偏振单元，但也可用其它适当的元件来构成偏振单元。另外，在实施方式3中使用着的长边用光学系统2和短边用光学系统4构成矩形光束生成单元，但也可以采用其它的适当元件来构成矩形光束生成单元。光束合成单元由分束器28和反射镜27构成，但也可采用其它适当的元件来构成光束合成单元。
0064
根据实施方式3，起偏元件24、25分别使来自激光振荡器21、22的激光束进行线偏振。起偏元件24形成的偏振方向是长边方向，起偏元件25形成的偏振方向是短边方向。
0065
另外，实施方式3的激光退火装置还设有控制激光振荡器21、22的脉冲控制部29，使来自激光振荡器21、22的激光脉冲发射定时互相错开。因而，通过分束器28合成的激光束的偏振方向就能沿长边方向和短边方向交替地变换。
0066
另外，与实施方式1一样，激光退火装置还设有沿短边方向以预定速度移动基板1的移动装置。
0067
一边将电场方向交替变换的矩形激光束入射到基板1上的非结晶硅膜上，一边沿短边方向移动基板1，从而可用矩形激光束照射整个非结晶硅膜。
0068
由电场朝长边方向的矩形激光束在基板1上的照射区域的长边方向能量分布与图9A所示的相同，由电场朝短边方向的矩形激光束在基板1上的照射区域的短边方向能量分布与图12A所示的相同。所以，沿已熔融硅的长边方向和短边方向产生分别对应于图9A及图 12A的能量分布的温度分布。在熔融硅的凝固过程中，在冷却至核产生临界温度区的部位产生晶粒的核。结晶核的产生区域是图9A和图12A的能量分布的波谷位置。这些晶核沿温度高的长边方向和短边方向生长，并在晶体互相触碰而生长停止的区域形成晶界。结果，沿长边方向和短边方向形成由尺寸均匀的晶体构成的多晶或单晶硅。
0069
再有，用圆偏振的激光束生成矩形光束，代替电场方向沿长边方向和短边方向交替地变换的合成激光束，也能获得与上述相同的效果。
0070
另外，在实施方式3中也可使矩形激光束的能量密度变化，从而调整晶粒尺寸。
0071
[实施方式4]
下面说明本发明的4实施方式。
实施方式4的激光退火装置与图17所示的实施方式3的激光退火装置相同。
但在实施方式4中，脉冲控制部29也可以不是为了使来自激光振荡器21、22的激光脉冲发射的定时互相错开而控制激光振荡器21、22。也就是说，脉冲控制部29也可以为了使来自激光振荡器21、22的激光脉冲互相重合而控制激光振荡器21、22的激光脉冲的发射定时。另外，将激光振荡器21、22构成为发射线偏振光，可省略图17的起偏元件24、25。例如，激光振荡器21、22本身也可以发射线偏振光，否则，可分别将图17的起偏元件24、25装到激光振荡器21、22上。
0072
根据实施方式4，可设定激光退火装置，使来自第1激光振荡器21的激光束的偏振方向和来自第2激光振荡器22的激光束的偏振方向在基板1的入射位置上相互垂直。
0073
所以，在基板1的非结晶硅膜上，驻波会沿互相垂直的偏振方向产生，会产生与图9A所示相同的驻波的周期性能量，从而产生与其相对应的温度梯度。
与实施方式3的情况一样，其结果是：在周期性能量的波谷位置上产生晶核，各晶核向温度更高的方向生长，在互相触碰的部位形成晶界。所以，在周期性位置上已产生的晶核在沿互相垂直的方向产生的相同温度梯度的影响下生长，因此，能够沿互相垂直的方向形成由尺寸均匀的晶粒形成的多晶或单晶半导体膜，其结果是：在长边方向与短边方向之间的晶粒尺寸也成为均匀。
0074
在实施方式4中，也可以在分束器28与长边用光学系统2和短边用光学系统4之间，设置调节偏振方向的半波片等起偏元件。通过此起偏元件，例如，能够将图18A所示的激光束的偏振方向沿长边方向和短边方向的状态，转变为图18B所示的激光束的偏振方向与长边方向和短边方向倾斜45度的状态。
0075
[实施方式5]
下面说明本发明的实施方式5。
图19表示的是实施方式5的将垂直于行进方向的截面为矩形的矩形激光束照射在非结晶硅膜上，形成多晶或单晶硅的激光退火装置的结构。
此激光退火装置设有：与实施方式4相同的激光振荡器21；使来自激光振荡器21的线偏振激光束转变为圆偏振的1/4波片31；以及使来自1/4波片31的激光束转变为矩形激光束的上述长边用光学系统2和短边用光学系统4(但不使用图4、图5的起偏元件5)。在图19中为了简化，省略了短边用光学系统4。
再有，1/4波片31构成使线偏振激光束转变为圆偏振的圆偏振单元，但也可以采用其它适当的元件来构成圆偏振单元。另外，由激光振荡器21、圆偏振单元、长边用光学系统2和短边用光学系统4构成圆偏振光束生成单元，但也可用其它适当的元件来构成圆偏振光束生成单元。
0076
通过具有这种结构的激光退火装置，使圆偏振的矩形激光束入射到基板1的非结晶硅膜上。
由此，在非结晶硅膜上产生的驻波在垂直于光行进方向的面上进行圆周运动。由此，驻波的周期性能量，即与其相对应的温度梯度就沿半导体膜表面上的所有方向均匀地产生。
所以，如果采用这种方法及装置，在非结晶半导体膜上进行激光退火，则在周期性能量的波谷位置上产生晶核，各晶核向温度更高的方向生长，在互相触碰的部位形成晶界。所以，在周期性位置上已产生的晶核在沿所有方向均匀地产生的周期性温度梯度的影响下生长，因此，能够沿所有方向形成由尺寸均匀的晶粒形成的多晶或单晶半导体膜，其结果是：在长边方向与短边方向之间的晶粒尺寸也均匀。
0077
[实施方式6]
下面说明本发明的实施方式6。
除了上述1/4波片31之外，实施方式6的激光退火装置与图19所示的实施方式5的激光退火装置相同。
根据实施方式6，激光退火装置设有使来自激光振荡器21的线偏振激光束转变为非偏振光的退偏振片，代替图19的1/4波片31。再有，退偏振片构成使线偏振转变为非偏振光的退偏振单元，但也可以采用其它适当的元件来构成退偏振单元。
0078
可用这种退偏振片使来自激光振荡器21的线偏振激光束转变为非偏振的激光束。然后，来自退偏振片的非偏振的激光束通过长边用光学系统2和短边用光学系统4而成为矩形激光束。因而，可使非偏振光的矩形激光束入射到基板1的非结晶硅膜上。
0079
这样，根据实施方式6，由于使进行线偏振的激光束转变为非偏振光后入射到基板1上，因此，不会在基板1的非结晶硅膜表面产生驻波。
所以，晶粒会在任意位置上产生，且晶粒的生长也会沿任意方向生长，因此，可抑制晶粒尺寸仅沿某一特定方向增大。其结果是：半导体膜的晶粒尺寸作为整体而被均匀化，在长边方向与短边方向之间的晶粒尺寸也成为均匀。
0080
[其它实施方式]
再有，本发明不限定于上述的实施方式，当然可在不脱离本发明宗旨的范围的条件下进行各种变更。例如，可以调整矩形激光束的短边方向的形状，从而调整晶粒尺寸。短边方向的形状调整可以通过调整矩形激光束的短边长度而进行。由此，能够减小短边方向的能量梯度，能够抑制短边方向的晶粒生长。另外，本发明不仅能用于非结晶硅膜，也能用于其它的非结晶半导体膜。
0081
而且，上述实施方式是在非结晶半导体膜上照射矩形激光束，改良多晶或单晶半导体膜时的实施方式，但也可以取代非结晶半导体膜而在多晶或单晶半导体膜上照射矩形激光束，以提高多晶或单晶半导体膜的性能。由此，可以在长边方向和短边方向中的一个或两个方向上使晶体在周期性温度梯度的影响下生长，因此，可提高多晶或单晶半导体膜的性能，使长边方向和短边方向中的一个或两个方向上的晶粒大小均匀。在这种情况下，本发明能够用于提高多晶或单晶硅膜及其它的多晶或单晶半导体膜的性能。在实施方式6中，通过抑制晶粒尺寸沿某一特定方向的增大，改善多晶或单晶半导体膜的性能。

Claims (14)

1.一种通过在基板表面形成的半导体膜上照射激光束而进行激光退火的方法，其特征在于包括如下步骤：
生成与行进方向垂直的截面为矩形且电场朝向矩形的长边方向的线偏振的矩形激光束，或者长轴朝向长边方向的椭圆偏振的矩形激光束；
使所述矩形激光束入射到基板的表面；以及
将所述矩形激光束的波长设定为与驻波方向的所要晶粒尺寸相当的长度。
2.一种通过在基板表面形成的半导体膜上照射激光束而进行激光退火的方法，其特征在于包括如下步骤：
生成与行进方向垂直的截面为矩形且电场朝向矩形的短边方向的线偏振的矩形激光束，或者长轴朝向短边方向的椭圆偏振的矩形激光束；以及
使所述矩形激光束入射到基板。
3.如权利要求2中记载的激光退火方法，其特征在于：
包括一边在与矩形激光束的长边垂直的方向移动基板，一边用矩形激光束照射基板的半导体膜表面的步骤，
调节所述入射角，使矩形激光束对半导体膜的入射角在基板移动方向上或在与基板移动方向相反的方向上增大。
4.一种通过在基板表面形成的半导体膜上照射激光束而进行激光退火的方法，其特征在于包括如下步骤：
生成与行进方向垂直的截面为矩形且电场方向沿矩形的长边方向和短边方向交替地变换偏振的矩形激光束；以及
使所述矩形激光束入射到基板表面。
5.如权利要求1至4中记载的退火方法，其特征在于：
调整所述矩形激光束的能量密度或者所述矩形激光束的短边宽度，从而调整所形成的多晶或单晶半导体膜的晶粒尺寸。
6.一种通过在基板表面形成的半导体膜上照射激光束而进行激光退火的装置，其特征在于：
设有短边偏振光束生成单元，该单元生成与行进方向垂直的截面为矩形且电场朝向矩形的短边方向偏振的线偏振的矩形激光束或长轴朝向短边方向的椭圆偏振的矩形激光束，并使其入射到半导体膜表面上。
7.如权利要求6中记载的激光退火装置，其特征在于设有：
在与矩形激光束的长边垂直的方向上移动基板的移动单元；以及
使矩形激光束对半导体膜的入射角在基板的移动方向上或在与基板移动方向的相反方向上增大的入射角调整单元。
8.一种通过在基板表面形成的半导体膜上照射激光束而进行激光退火的装置，其特征在于设有：
发射激光束的第1和第2激光振荡器；
控制第1和第2激光振荡器，使第1和第2激光振荡器的激光脉冲的发射定时互相错开的脉冲控制部；
将来自第1激光振荡器的激光束转变为线偏振的第1偏振单元；
将来自第2激光振荡器的激光束转变为线偏振的第2偏振单元；
将来自第1偏振单元的激光束和来自第2偏振单元的激光束合成的光束合成单元；以及
将来自光束合成单元的激光束转变为与行进方向垂直的截面为矩形的矩形激光束，并使其入射到基板上的矩形光束生成单元，
第1偏振单元使激光束在所述矩形的长边方向上偏振，第2偏振单元使激光束在矩形的短边方向上偏振。
9.一种通过在基板表面形成的半导体膜上照射激光束而进行激光退火的方法，其特征在于包括如下步骤：
生成线偏振的第1激光束；
生成线偏振的第2激光束；
以所述第1激光束的偏振方向与所述第2激光束的偏振方向互相垂直的方式，将所述第1激光束和第2激光束合成；
将所述合成后的激光束转变为与行进方向垂直的截面为矩形的矩形激光束；以及
使所述矩形激光束入射到基板表面上。
10.一种通过在基板表面形成的半导体膜上照射激光束而进行激光退火的方法，其特征在于包括如下步骤：
生成与行进方向垂直的截面为矩形的圆偏振的矩形激光束；以及
使所述矩形激光束入射到基板表面上。
11.一种通过在基板表面形成的半导体膜上照射激光束而进行激光退火的方法，其特征在于包括如下步骤：
生成线偏振的激光束；
将线偏振的所述激光束转变为非偏振光；
将非偏振光的所述激光束转变为与行进方向垂直的截面为矩形的矩形激光束；以及
使所述矩形激光束入射到基板表面上。
12.一种通过在基板表面形成的半导体膜上照射激光束而进行激光退火的装置，其特征在于设有：
发射激光束的第1和第2激光振荡器；
将来自第1激光振荡器的激光束和来自第2激光振荡器的激光束合成的光束合成单元；以及
将来自光束合成单元的激光束转变为与行进方向垂直的截面为矩形的矩形激光束，并使其入射到基板上的矩形光束生成单元，
来自所述第1和第2激光振荡器的激光束为线偏振光，
来自第1激光振荡器的激光束的偏振方向和来自第2激光振荡器的激光束的偏振方向在对所述基板的入射位置上互相垂直。
13.一种通过在基板表面形成的半导体膜上照射激光束而进行激光退火的装置，其特征在于设有：
生成与行进方向垂直的截面为矩形的圆偏振的矩形激光束，并使其入射到半导体膜表面的圆偏振光束生成单元。
14.一种通过在基板表面形成的半导体膜上照射激光束而进行激光退火的装置，其特征在于设有：
发射线偏振的激光束的激光振荡器；
将来自该激光振荡器的激光束转变为非偏振光的退偏振单元；以及
将来自该退偏振单元的激光束转变为与行进方向垂直的截面为矩形的矩形激光束，并使其入射到基板上的矩形光束生成单元。
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