CN101866024B - 光束均化器和激光照射装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光束均化器和激光照射装置。由于光学元件特性的缘故，光学元件在光学系统中的设置是受限的，所以在设计用于形成预定的激光束的光学系统中存在困难。本发明的目的是为了设计具有所需功能的光学系统，该光学系统不受设置光学元件的限制的影响。因此，将离轴柱面透镜阵列用作作用在光束长边方向上的柱面透镜阵列。

Description

光束均化器和激光照射装置

本申请是申请日为2005年3月24日、申请号为200510071783.3、发明名称为“光束均化器和激光照射装置”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于使特定区域的照射表面上的光斑均匀化的均化器。而且，本发明涉及一种以光束光斑来照射该照射表面的激光照射装置。

背景技术

近年来，已广泛地研究了通过激光退火来结晶在例如玻璃衬底的绝缘衬底上形成的非单晶半导体膜，或增强非单晶半导体膜的结晶度的技术。非单晶半导体膜例如为非晶半导体膜(a-Si:H)或晶体半导体膜(具有例如多晶半导体膜和微晶半导体膜(μc-Si:H)的结晶性的半导体膜)。通常把硅膜用作半导体膜。

与通常常规使用的石英衬底相比，玻璃衬底便宜且可用性优良，由此玻璃衬底具有能够容易地加工到大衬底中的优势。这就是进行上述研究的原因。此外，由于玻璃衬底具有低熔点，因此在结晶化中通常使用激光。激光可以仅对非单晶半导体膜给出高能量而不需要大幅增高衬底的温度。

由于晶体硅膜具有许多晶粒，因此它称为多晶硅膜或多晶半导体膜。由于由激光退火形成的晶体硅膜具有较高的迁移性，因此通常被用于单片液晶光电器件等当中。在该器件中，晶体硅膜用于薄膜晶体管(TFT)中，且用于在玻璃衬底上制造驱动像素的TFT和驱动电路的TFT。

由于激光退火的方法具有高生产率且优异的工业性，因此优选以如此方式来进行激光退火：利用光学系统将从具有高输出功率的受激准分子激光器等中发射的脉冲激光束整形为一侧具有几cm长度的正方形光斑或在照射表面上具有10cm或更大的长度的线，然后扫描光斑(激光束的照射位置相对于照射表面移动)。

具体地，当激光束具有线性形状，与需要从前到后进行扫描和从一侧到另一侧进行扫描的点状光斑不同，线性光斑可以仅在垂直于光斑的长边方向的方向上进行扫描以对整个照射衬底进行激光照射。由此，可得到高生产率。在垂直于长边方向的方向上扫描线性光束光斑，因为这是最有效的扫描方向。由于该高生产率，激光退火主要使用通过适当的光学系统对脉冲的受激准分子激光束整形而成的线性激光束。

图1A和1B示出在照射表面上把激光束的截面整形为线性的光学系统的例子。该光学系统不仅把激光束的截面整形为线性，而且同时使照射表面上的激光束的能量均匀化。通常，通过使用光学元件(柱面透镜、二重透镜等)使激光束能量均匀化的光学系统称为光束均化器。

首先，说明图1A的侧视图。通过柱面透镜阵列102a和102b，在垂直于激光束的移动方向的方向上划分从激光振荡器101发射的激光束。下文中该方向称为垂直方向。在该构造中，把激光束分为四束。通过柱面透镜104一次把这些分开的光束会聚于一束。接着，当在镜面106上反射激光束后，通过二重柱面透镜107，在照射表面108上再次把激光束会聚于一个激光束。二重柱面透镜为由两个柱面透镜构成的一组透镜。如此在短边方向上均匀化线性激光束的能量且在短边方向决定其长度。

接着，描述图1B的顶视图。通过柱面透镜阵列103在垂直于激光束的移动方向的方向和垂直于所述垂直方向的方向上，划分自激光振荡器101振荡的激光束。下文中垂直于垂直方向的方向称为水平方向。该构造中，激光束划分为七束。此后，通过柱面透镜105，在照射表面108上把分开的光束结合为一束。如此在长边方向使线性激光束的能量均匀且在长边方向决定其长度。

为了与受激准分子激光器相应，每个透镜都由石英制成。此外，涂覆透镜的表面以便于从受激准分子激光器发射的激光束能够良好地透过透镜。如此使得每个透镜的受激准分子激光束的透射率为99％或更高。

通过以在线性激光束的短边方向逐渐地转移线性光束的方式重叠的上述构造而形成的线性激光束来照射非单晶硅膜。由此，可在非单晶硅膜的整个表面上进行激光退火以结晶化或增强其结晶度。

通过上述光学系统把脉冲的受激准分子激光束整形为线性，并且例如当扫描线性激光束时，以线性激光束照射非单晶硅膜来得到多晶硅膜。

在所得的多晶硅膜中，可观察到水平和垂直条纹。当使用具有该条纹的多晶硅膜来制造具有集成的驱动器和像素的显示器(板上系统)时，由于每个条纹的半导体性能不同，因此屏幕上直接显示出条纹。屏幕上的条纹主要由像素部分的非均匀化结晶度而造成。通过改进激光束或非单晶硅膜的质量，可以减小该问题，该非单晶硅膜为激光束的照射表面。

具体地，与线性激光束的扫描方向平行显示的条纹主要由用于整形激光束的光学系统的设计造成。尽管由于该原因设计了各种光学系统，但是由于根据其特性设置构成光学系统的光学元件具有其自身的局限性，因此难以设计用于形成所需激光束的光学系统。

发明内容

由此，本发明的目的是设计具有所需功能而不受光学元件设置的局限性影响的光学系统。此外，本发明的另一个目的是提供一种具有所需功能而不受光学元件的设置的局限性影响的光束均化器。此外，本发明的又一目的是提供一种使用该光束均化器的激光照射装置。

本发明中，设计光学系统以把用于将激光光斑会聚于一个方向的第一光学元件设置在照射表面侧，把用于在一个方向划分激光光斑的第二光学元件设置在光源侧，且以假想平面把照射表面共轭穿过第一光学系统，当激光束延伸到光源侧时，通过第二光学元件划分的激光束在假想平面上重叠。

本发明的光束均化器包含用于在一个方向划分激光光斑的离轴柱面透镜阵列和用于在一个方向会聚激光光斑的光学元件。

本发明的另一个光束均化器包含用于在矩形的短边方向划分激光光斑的光学元件、用于在矩形的长边方向划分激光光斑的离轴柱面透镜阵列，用于在长边方向会聚激光光斑的光学元件和用于在短边方向会聚激光光斑的光学元件。

本发明的激光照射装置包括用于振荡激光束的激光振荡器、用于在一个方向划分激光光斑的离轴柱面透镜阵列和用于在一个方向会聚激光光斑的光学元件。

本发明的另一个激光照射装置包括用于振荡激光束的激光振荡器、用于在矩形的短边方向划分激光光斑的光学元件、用于在矩形的长边方向划分激光光斑的离轴柱面透镜阵列、用于在长边方向会聚激光光斑的光学元件和用于在短边方向会聚激光光斑的光学元件。

通常使用的柱面透镜沿着母线对称。另一方面，上述离轴柱面透镜沿着母线不对称。当把离轴柱面透镜用作柱面透镜阵列时，可以自由地控制激光束的移动方向。由此，把离轴柱面透镜阵列用作作用于矩形长边方向的柱面透镜阵列。本说明书中所述的母线指位于柱面透镜的弯曲部分的母线，该柱面透镜的弯曲部分为距柱面透镜的平面部分最远的部分。

本发明中，包括多个离轴柱面透镜的离轴柱面透镜阵列包括：依照所需的光束长度、会聚透镜的曲率和构成阵列的柱面透镜的曲率来设计母线和透镜的中心轴之间的位移量的离轴柱面透镜。此外，设计离轴柱面透镜阵列，以便当其与用于长边方向的会聚透镜结合时，在照射表面上的同一个区域中重叠透射过各个离轴柱面透镜的光线。例如，当离轴柱面透镜阵列包括奇数的柱面透镜时，通过使每个离轴柱面透镜的母线和中心轴之间的位移量朝着阵列的相对端增加的方式，来把一般的柱面透镜设置在阵列的中心和把离轴柱面透镜设置在一般的柱面透镜对面。

本发明中，通过把用于长边方向的离轴柱面透镜阵列与用于长边方向的会聚柱面透镜相结合来解决上述问题。

该结合的优势在于可以以较大的自由度来设计光学系统。通常，限制了用于长边方向的会聚柱面透镜的设置。但是，当使用离轴柱面透镜阵列时，可以设计光学系统，同时控制光线在透射过用于长边方向的会聚柱面透镜后的移动方向。由此，增加了设计光学系统的自由度，且可把用于长边方向的会聚柱面透镜设置在所需的位置。

此外，可以设计具有所需功能的光学系统，例如，用于进一步均匀化长边方向的激光束的能量分布。

附图说明

附图中：

图1A和1B是示出常规激光照射装置的图；

图2A是抑制光线的视场角的光学系统的示例的图；

图2B用于抑制光线的视场角的激光照射装置的示例的图；

图3A和3B是示出激光照射装置中的光学系统的图；

图4是示出离轴柱面透镜阵列的图；

图5A和5B是示出激光束的能量分布的图；

图6A到6C是描述离轴柱面透镜阵列的参数和用于在长边方向会聚激光束的透镜的图；

图7A到7E描述用于制造半导体器件的方法的图；

图8A到8C是描述制造半导体器件的方法的图；

图9A到9C是描述制造半导体器件的方法的图；

图10A和10B是描述制造方法的图；

图11A到11H是装备有半导体器件的电子仪器的示例的图；

图12是描述共轭关系的图；

图13A和13B示出激光的能量分布的图。

具体实施方式

下面参考附图描述本发明的实施例形式和实施例。由于本发明可以以多种不同方式实施，本领域技术人员很容易理解，本发明的形式和细节可以以各种方式变化和修正，除非这些变化和修正脱离了下面所限定的本发明的范围和内容。由此，本发明不限于实施例模式和实施例的描述。

(实施例模式1)

本发明的实施例形式中，通过使用离轴柱面透镜阵列和用于长边方向的会聚透镜来形成线性光束的长边。该光学系统的优点在于可以如以下所述地自由地设计从用于长边方向的会聚透镜到照射表面的距离。

参照图6A到6C描述构成光学系统的离轴柱面透镜阵列和会聚透镜的参数。

图6A是用于描述本实施例形式的光学系统的图。该图中，通过离轴柱面透镜阵列601划分激光束，在长边方向的透镜602会聚划分的激光束，在照射表面603的相同区域中重叠划分的激光束。

本说明书中，n为透镜的折射率，i为离轴柱面透镜阵列601中透镜的标识号(阵列的中心透镜为i＝0，且标识号朝向阵列的末端增大)，r为构成离轴柱面透镜阵列601的离轴柱面透镜的第一表面的曲率半径，m为透镜602的第一表面的曲率半径，s为透镜602的中心厚度604，L为透射过离轴柱面透镜阵列601的激光束的焦点到透镜602的距离605，且g为从透镜602到照射表面603的距离606。

图6B示出构成离轴柱面透镜阵列601的离轴柱面透镜。在本说明书中，d为构成离轴柱面透镜阵列601的柱面透镜609在曲率方向的宽度610，xi为位移量613，其为从透镜609的中心轴611到母线612的距离。

当设计光学系统时，必须优化上述参数。为了优化上述参数，必须计算激光束的移动方向。从透镜602到照射表面603的距离606可近似为自下述等式1的g。

[等式1]

$g=\frac{x_i-L(\tan {\mathrm{\θ}}_{a0}-\tan {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ai}})-\{p_0\tan ({\mathrm{\θ}}_{c0}-{\mathrm{\θ}}_{b0})-p_i\tan ({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ci}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{bi}})\}+\mathrm{id}}{\tan {\mathrm{\θ}}_{d0}-\tan {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{di}}}$

这里，可以从下列等式2得到通过离轴柱面透镜阵列601和构成离轴柱面透镜阵列601的离轴柱面透镜的中心轴划分的激光束之间的角607，θ_ai(参照图6A)。

[等式2]

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ai}}=\arcsin \left(\frac{(d+x_i){\{4n^2{r}^2-d^2\}}^{1/2}-{({4r}^2-d^2)}^{1/2}}{{4r}^2}\right)$

通过下述等式3和4可以得到在平行于光轴614且穿过激光束在透镜602上的入射位置的轴616与激光束在透镜602上的入射位置处的法线617之间的角618，并可以得到激光束的入射位置处的透镜602的厚度619，Pi(参照图6C)。

[等式3]

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{bi}}=\arcsin \left(\frac{L\tan {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ai}}+\mathrm{id}+x_i}{m}\right)$

[等式4]

P_i＝s-m(1-cosθ_bi)

从等式5可以得到穿过透镜602的激光束和在透镜602的激光束入射位置处的法线617(垂直于激光束的入射位置的切线615的线)之间的角620，θ_ci 。

[等式5]

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ci}}=\arcsin \left(\frac{\sin ({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ai}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{bi}})}{n}\right)$

从下述等式6可以得到从透镜602发射的激光束与透镜602的光轴614之间的角608，θ_di。

[等式6]

θ_di＝arcsin(n sin(θ_ci-θ_bi))

应当注意，间距g是当所有从阵列中的各个透镜发射的光束会聚在同一区域时的近似值。上述等式可以计算当使用离轴柱面透镜阵列时激光束的移动方向。通过上述等式，可构造具有所需功能的光学系统。

(实施例形式2)

本实施例形式的光学系统中，照射表面(像点)与离轴柱面透镜阵列和光源之间形成的假想物点共轭。这里，参考图12描述了平行光束入射到构成离轴柱面透镜阵列1201的离轴柱面透镜中的示例。应当注意，入射到离轴柱面透镜中的平行光束称为光束1202。离轴柱面透镜的中心轴1208与离轴柱面透镜的第一表面的交点称为交点1209。这里，连接交点1209和平行光束的焦点1210的光线延伸到光源侧，所述焦点形成在离轴柱面透镜阵列1201和用于长边方向的会聚透镜1205之间。当来自构成离轴柱面透镜阵列的两个离轴柱面透镜的光线以相同路径延伸到光源侧时，光线在物点1203交叉。物点1203和照射表面的中心位置(像点)1204与用于长边方向的会聚透镜1205共轭。

仅通过上述关系可以得到光学设计的最佳参数。例如，当平行光束入射到离轴柱面透镜阵列1201中时，光学路径延伸到光源侧处的物点1203。该图形中，用于形成图形的等式遵守1/f＝1/a+1/b，其中a为从物点1203到会聚透镜1205的距离，b为从会聚透镜1205到照射表面的距离，f为会聚透镜1205的焦距。这里，由于在长边方向的物点1203处假定形成的光束的长度为物高度1206的两倍，物高度1206对照射表面的所需光束的一半长度1207的比为a∶b。由此，当使用图像形成的上述等式时，通过设计光学系统可以形成照射表面上的具有所需长度的光束。

[实施例1]

应当理解，与激光束的扫描方向平行显示的条纹主要来自构成光学系统的透镜的条纹或附着于透镜的表面且由激光照射烧焦的灰尘。由于该不均匀区引起的透镜的不均匀透射可导致条纹。此外，当划分以形成长边方向的均匀光束的光线透射过具有非均匀透射率的区时，条纹可显示规则的间隔。

为了抑制该条纹，在线性光束的长边方向上作用的柱面透镜阵列优选设置为靠近照射表面。具体地，优选在照射表面和用于在短边方向均匀化线性光束的柱面透镜阵列之间设置用于线性光束的长边方向的柱面透镜阵列。

这里，如示例，描述了把光束的长边方向上作用的柱面透镜阵列设置为靠近照射表面的构造。为了通过上述构造得到所需的光束长度，在作用于光束的长边方向上的柱面透镜阵列中的每个柱面透镜必须具有短焦距。但是，当柱面透镜具有短焦距时，透射过的光束大角度地扩张。这里，当使用二重透镜作为短边方向的会聚透镜时，激光束的光线以大视场角入射到二重透镜中。由于光线的视场角取决于光线透射的透镜的位置，在长边方向入射到照射表面的中心部分的光线具有与从入射到照射表面的端部的光线不同的焦距。由此，短边方向的光束形状不同于线性光束的中心部和端部，且难以在照射表面上形成均匀的光束。

此外，大的光线的视场角不利地影响长边方向的光束的能量分布。此外，当把作用于光束的长边方向的柱面透镜阵列设置为靠近照射表面时，长边方向的线性光束的中心部的强度比其端部的强度更高。在加工半导体膜时，长边方向的光束强度的波动的平均值优选在1％的范围内。但是，取决于条件，波动范围恶化到近似10％。当光线具有上述的大视场角时，照射能量密度不同于长边方向的光束的中心部和端部。由此，可以均匀地加工衬底的整个表面。

此外，在其中未观察到表现为与线性光束的长边平行的条纹的照射能量具有较窄的裕度。因此，当光束在长边方向具有非均匀的能量分布时，照射能量不能保持在最佳裕度的范围以加工整个衬底。此外，这导致另一个条纹出现在平行于线性光束的长边方向的方向。由于该原因，应当理解，不能容易地把作用于光束的长边方向的柱面透镜阵列的构造设置为靠近照射表面。

这里，由于考虑影响照射表面的能量分布的主要因素为视场角，因此如图2A所示首先通过具有短焦距和作用于长边方向的柱面透镜阵列201，把光线扩张到所需的光束长度。在该图所示的构造中，在长边方向会聚激光束的柱面透镜202抑制视场角。以该构造，可使得入射到用于在短边方向会聚激光束的二重柱面透镜203中的光线的视场角较小。此外，在图2A和2B的构造中，当通过柱面透镜阵列201划分的光束会聚到照射表面上的相同区时，由于从柱面透镜阵列201到柱面透镜202的距离需要大致等于从柱面透镜202到照射表面204的距离，因此限制了光学系统的设置。

图2B示出激光照射装置中抑制视场角的影响的光学系统的典型设置的示例。从激光振荡器207震荡激光束且传送到照射表面204。在图2B中，柱面透镜202设置在柱面透镜206和照射表面204之间。柱面透镜202的焦距等于柱面透镜202到照射表面204的距离，并且柱面透镜202的曲率相应于它的焦距。因此，透镜的厚度依据激光束透射的区域而不同。例如，当用500mm曲率半径的柱面透镜202形成长度为300mm的线性光束时，柱面透镜202的厚度在光束的中心和光束的末端相差大约40mm。而且，当作用在短边方向的柱面透镜阵列205a和206b划分的激光光柱通过柱面透镜206会聚以致均匀化时，激光束以包括线性光束的短边方向和光学轴的平面中的一个角度传播。因此，在形成光束中心部分的光线和形成在长边方向末端部分的光线之间的光程差增加。而且，在光束中心部分和末端部分之间的焦距的差也增加。

当柱面透镜202设置在柱面透镜206和激光振荡器207之间且不同于图2B中光学系统的部署时，可以避免由于柱面透镜202而导致的光程差的问题。但是，当考虑通过柱面透镜206形成的均匀化平面的投射放大和二重柱面透镜203的成像性能以及孔径尺寸时，从柱面透镜206到照射表面204的距离经常有数米长。因此，当柱面透镜202设置在柱面透镜206和激光振荡器207之间时，从柱面透镜202到照射表面204的距离不可避免的有数米或更长。由于从柱面透镜阵列201到照射表面204的距离必须接近从柱面透镜202到照射表面204的距离的两倍长，因此光学系统的足印(footprint)显著地增加。

如上，应当理解，当作用在长边方向的柱面透镜阵列置于照射表面和在短边方向均匀光束能量分布的柱面透镜阵列之间时，均匀化激光照射难以实现。目前，经常通过设置光学元件实现激光照射致使条纹容易形成从而保证在长边方向的均匀化。

根据这个原因，需要通过抑制条纹和保证在长边方向线性光束均匀化以便均匀地处理衬底的整个表面的装置，此外该装置还能保持激光能量的高效。

因此，参照图3A和3B，描述了在本实施例中公开的激光照射装置的光学系统。

首先，描述了图3B的侧视图。图3A和3B中的箭头标出激光振荡器301发出的激光束在一方向传播。通过球面透镜302a和302b发散激光束。当激光振荡器301发出足够大的光束光斑时无需该构造。

通过作用在短边方向的柱面透镜阵列303a和303b，在短边方向划分激光振荡器301发出的激光束的光斑。柱面透镜阵列303a包括四个设置在弯曲方向的柱面透镜，每个都包含具有+300mm的曲率半径、6mm厚度以及8mm宽度的第一表面。柱面透镜阵列303b包括四个设置在弯曲方向的柱面透镜，每个都包含具有-240mm的曲率半径、6mm厚度以及8mm宽度的第一表面。此外，柱面透镜阵列303a和柱面透镜阵列303b之间的距离设置为185mm。此外，当弯曲的中心在关于透镜表面发射光束的那一边时，曲率半径的符号是正的。当弯曲的中心在关于透镜表面入射光束的那一边时，曲率半径的符号是负的。此外，第一表面是激光束入射的表面，而第二表面是激光束发射的表面。

此后，激光束的会聚是通过作用在短边方向并置于朝向照射表面距柱面透镜阵列303b888mm处的柱面透镜306实现的。柱面透镜306厚20mm并且第一表面的曲率半径为+486mm。依据这种构造，阵列中的透镜发射出的光线会聚在同一区域，并且在照射表面和柱面透镜306之间形成均匀平面。因此，光束光斑的能量分布在短边方向均匀化，而且可通过转移均匀平面到振荡表面来形成具有均匀能量分布的线性光束。

为使光束形成图像，二重柱面透镜307设置在朝向照射表面与柱面透镜306相距2080mm处。二重柱面透镜307是一组透镜，它由两个柱面透镜307a和307b构成。两个透镜中的一个构成了二重柱面透镜307，其厚度为10mm，第一表面的曲率半径为+125mm，而第二表面的曲率半径为+77mm。另一个的厚度为20mm，第一表面的曲率半径为+97mm，而第二表面的曲率半径为-200mm。这两个透镜之间的距离为5.5mm。依据这种构造，激光束光斑的能量分布在短边方向均匀化，而在短边方向的光束光斑的长度被确定。虽然可不用二重柱面透镜，但是因为可在光学系统和照射表面之间保证足够的距离，所以二重柱面透镜可提供空间裕度。光线在设在二重柱面透镜后面235mm处的照射表面308上会聚。这样可形成在短边方向具有均匀能量分布的光束。

接着，描述了图3A的顶视图。通过作用在长边方向的柱面透镜阵列304在长边方向划分激光振荡器301发射出的激光束。柱面透镜阵列304包括15个设置在弯曲方向的柱面透镜，每个透镜都包含具有+19mm的曲率半径、5mm的厚度以及6.5mm的宽度的第一表面。图4是柱面透镜阵列304的顶视图。位于柱面透镜阵列304中心的柱面透镜401是一个沿母线对称的一般柱面透镜。但是，其它14个柱面透镜中的每一个都是沿母线非对称的。制造柱面透镜402和403，使得它们的母线从透镜的中心线在它的宽度方向向外移0.2mm。同样方法，柱面透镜404和405的母线从透镜的中心线在宽度方向向外移0.3mm，柱面透镜406和407的母线从透镜的中心线在宽度方向向外移0.4mm，柱面透镜408和409的母线从透镜的中心线在宽度方向向外移0.5mm，柱面透镜410和411的母线从透镜的中心线在宽度方向向外移0.6mm，柱面透镜412和413的母线从透镜的中心线在宽度方向向外移0.7mm，柱面透镜414和415的母线从透镜的中心线在宽度方向向外移0.8mm。这样一来，透镜的母线和中心线之间的偏移量从阵列中心到阵列相对末端增加。光线的传播方向可通过在宽度方向将母线移离透镜的中心线来自由控制。依据上述构造，通过柱面透镜阵列304和柱面透镜305传播的在长边方向上会聚的光线可在同样的区域会聚。

此后，通过在长边方向会聚激光束的柱面透镜305，使得激光束在照射表面308上组成一束光束。柱面透镜305具有曲率半径为+660mm和厚度为50mm的第一表面，它设在朝向照射表面距柱面透镜阵列304的740mm处。依据这种构造，光束光斑的能量分布在长边方向上均匀化，而长边方向的光束光斑的长度被确定。这里，由于构建柱面透镜阵列304的柱面透镜具有如上所述的偏移量，所以可减少当使用不具偏移量的一般柱面透镜阵列时出现的光束丢失。

依据上述构造，柱面透镜阵列304可置于照射表面和柱面透镜阵列303之间。而且，柱面透镜305可置于激光振荡器和柱面透镜306之间。使用柱面透镜阵列304和柱面透镜305的该实施例具有如下优点。一是造成传统光学系统中线性光束在照射表面上在长边方向上能量分布不均匀的光线的视场角可变小。另一是能量的利用率可增强。

图5A和5B示出了通过光学设计软件的模拟结果。在模拟中形成的线性光束具有均匀的能量分布、在长边方向的长度为300mm，而在短边方向的长度为0.4mm。图5A示出在长边方向的能量分布。在长边方向的光束强度的平均值的波动在0.5％的范围内(水平轴在-150到+150mm的范围内)。此外，图5B示出在短边方向的线性光束的能量分布。当然比图5中所示的光束更均匀的均匀光束形成在照射表面上。

优选的是，与该实施例的光学系统结合使用的激光振荡器具有较高的输出功率并且具有在半导体膜中良好吸收的波长。在将硅膜用作半导体膜时，考虑吸收系数，激光束优选具有600nm或者更小的波长。对于发射该激光束的激光振荡器，给出了受激准分子激光器、YAG激光器(谐波)和玻璃激光器(谐波)。

而且，作为发射激光束的激光振荡器应具有适当的波长来结晶硅膜，例如有YVO₄激光器(谐波)、YLF激光器(谐波)和Ar激光器以及GdVO₄激光器(谐波)。

[实施例2]

该实施例描述了使用实施例1中示出的激光照射装置制造半导体设备的方法。首先，准备好尺寸为600×720×0.7mm的玻璃衬底(AN100)。该衬底可耐热达600℃。在玻璃衬底上形成200nm厚的氧化硅膜作为基膜。然后，在此之上形成55nm厚的非晶硅膜。用溅射法来形成这些膜。也可替换地使用等离子CVD方法。

其上具有上述膜的衬底设在450℃的含氮的气体中。该处理会在非晶的硅膜中降低氢的密度。该处理的实施是因为当膜含有太多的氢时膜不能耐住激光能量。膜中的氢的密度适宜在10²⁰/cm³左右。10²⁰/cm³是指每1cm³存在数量为10²⁰的氢原子。

本实施例中使用的激光振荡器是Lambda Physik公司制造的STEEL 1000XeCl受激准分子激光器。受激准分子激光器是脉冲激光器。该受激准分子激光器的每个脉冲的最大输出功率为1000mJ，振荡波长为308nm，最大重复率为300Hz。当在激光器处理一个衬底期间，对于每个脉冲的脉冲的激光束的能量波动在±10％以内，最好是±5％以内时，可进行均匀地结晶。

上面描述的激光能量的波动定义如下。在照射一个衬底期间的激光能量的平均值假设是标准的。然后，激光能量的波动定义为这样一个值，其表达照射期间平均值与最小值之间的差，或者表示照射期间平均值与最大值之间的百分比之差。

例如，其上固定有照射表面的平台在矩形的短边方向上扫描，从而移动激光束。在这种情况下，专业技术人员可确定在照射表面上的光束光斑的能量密度和合适的扫描速度。合适的能量密度范围是200到1000mJ/cm²(优选地300到600mJ/cm²)。当选择的扫描速度在一个范围内，使得矩形光束光斑的宽度在短边方向彼此重叠大约90％或更多时，容易均匀地进行激光退火。最优的扫描速度依赖于激光振荡器的脉冲重复率，并且可以认为最优扫描速度与脉冲重复率成比例。

因此，完成了激光退火的步骤。通过重复上述步骤，可处理许多衬底。用此衬底，例如，可用已知的方法制造有源矩阵液晶显示器和EL显示器。

在上述例子中，准分子激光器用作激光振荡器。由于准分子激光器的相干长度只要几μm短，准分子激光器适合上述光学系统。虽然以下描述的激光器可能具有较长的相干长度，但是可使用故意改变相干长度的激光器。优选地使用YAG激光器的谐波或玻璃激光器的谐波，因为可获得与准分子激光器一样高的输出功率，并且激光束的能量在硅膜中充分的吸收。作为适用于硅膜结晶的激光振荡器，给出了YVO₄激光器(谐波)、YLF激光器(谐波)、Ar激光器、GdVO₄激光器(谐波)和此类激光器。这些激光束的波长充分地被硅膜吸收。

虽然本实施例使用非晶硅膜作为非单晶半导体膜，容易想到，实施例1中示出的激光照射装置可应用于其它的非单晶半导体。例如，具有例如非晶硅锗膜的非晶结构的化合物半导体膜可用作非单晶半导体膜。而且，多晶硅膜可用作非单晶半导体膜。

[实施例3]

本实施例描述了用于制造与图7A到10B相关的显示器的方法。在本实施例中所描述的制造显示器的方法中，类似地制造用于像素部分的TFT和提供其外围的用于驱动电路部分的TFT。但是，为了简化描述，只说明驱动电路的基本单元CMOS电路。

首先，如图7A所述，准备其上提供基膜(未示出)的衬底701。在本实施例中，基膜是具有100nm厚度的多层氮氧化硅膜和具有200nm厚度的氧化硅膜。在这种情况下，氮的密度优选在10到25wt％的范围内。可替换地，不提供基膜，半导体膜可直接形成在石英衬底之上。

接着，通过已知方法在衬底701上形成45nm厚的非晶硅膜702。注意，不仅仅可以使用非晶硅膜，还可以使用其它具有非晶结构的硅膜(包括微晶半导体)。而且，可以使用包括例如非晶硅锗膜的非晶结构的化合物半导体膜。

随后，通过激光结晶方法，非晶硅膜702结晶。通过使用如实施例1所示的激光照射装置，可进行激光结晶。执行激光结晶方法可结合使用RTA或退火炉的热结晶方法或使用金属元素提高结晶度的热结晶方法。

根据上述激光结晶，在非晶半导体膜中部分地形成结晶区703、704和705(图7B)。

接着，结晶度增加的结晶半导体膜部分地形成希望形状的图案和从结晶区703、704和705形成岛形半导体膜706到709(图7C)。

接着，如图7D中所示，形成栅绝缘膜710以覆盖岛形半导体膜706到709。由含硅的绝缘膜通过等离子CVD方法或溅射方法形成厚度为40到150nm的栅绝缘膜710。在该实施例中，通过等离子CVD方法形成110nm厚的氮氧化硅膜(组分比：Si＝32％，O＝59％，N＝7％，H＝2％)。栅绝缘膜并不限定为氮氧化硅膜，而且在单层或多层中可形成含硅的其它绝缘膜。

在使用氧化硅膜的情况下，所述氧化硅膜可通过等离子CVD方法在TEOS(原硅酸四乙酯)与O₂混合、反应压强为40Pa、衬底温度范围为300到400℃并且在电流密度0.5到0.8W/cm²的范围内高频(13.56MHz)放电的情况下形成。因此通过其后在400到500℃进行热退火形成的硅氧化膜可获得如栅绝缘膜的良好的特性。

接着，如图7E中所示，形成抗蚀掩膜711，并通过栅绝缘膜710加以p型杂质元素(此后称作p型杂质元素)。作为p型杂质元素，主要可使用第13族元素，典型使用硼或镓。此步骤(称为沟道掺杂步骤)是为了控制TFT的阈值电压。

在本实施例中，通过无质量分离地将二硼烷(B2H6)激发成等离子的离子掺杂方法加入硼。而且进行用质量分离的离子注入方法。依据此步骤，形成掺杂区域712到714，每个掺杂区域包含密度为1×10¹⁵到1×10¹⁸原子/cm³(典型的是5×10¹⁶到5×10¹⁷原子/cm³)的硼。

接着，形成200到400nm厚的导电膜，并构图以形成栅电极801到805(图8A)。虽然，栅电极可以是单导电膜，栅电极优选为多层，例如根据需要包含二或三层。已知的导电材料可用作栅电极的材料。

特别地，形成导电膜的元素可选自由导电的钽(Ta)、钛(Ti)、钼(Mo)、钨(W)、铬(Cr)和硅(Si)组成的组。而且，导电膜可由上述元素氮化物(典型的有钽氮化物膜、钨氮化物膜、钛氮化物膜)、由上述元素混合而成的合金(典型的有Mo-W合金或Mo-Ta合金)、或上述元素的硅化物(典型的有硅化钨膜或硅化钛膜)来形成。导电膜可以是单层或多层的。

在此实施例中，采用包括厚度为50nm的氮化钨(WN)膜和厚度为350nm的钨(W)膜的多层膜。该多层膜可通过溅射方法形成，当加入例如Xe或Ne的惰性气体作为溅射气体时，可以防止膜由于应力而剥落。

接着如图8B中所示，通过使用栅电极801到805作为掩膜以自动对准的方式加入n型杂质元素(本实施例中的磷)。优选包括密度为1×10¹⁶到5×10¹⁸原子/cm³(典型的是3×10¹⁷到3×10¹⁸原子/cm³)的磷的杂质区域806到814。

然后如图8C所示，形成抗蚀掩膜815a到815c，以覆盖栅电极，并且通过加入磷来形成包括高密度的n型杂质元素(本实施例中的磷)的杂质区816到822。在此实施例中，通过离子掺杂方法加入磷以使磷的密度范围为1×10²⁰到1×10²¹原子/cm³(典型的是2×10²⁰到5×10²¹原子/cm³)。

虽然，通过此步骤形成n沟道TFT的源区或漏区，在图8B步骤中形成的n型杂质区810到812的一部分被剩下用于开关TFT。剩下的这些区域是开关TFT的LDD区。

接着，如图9A所示，去除抗蚀掩膜815A到815C并形成新的抗蚀掩膜901。接着，添加p型杂质元素以形成包括高密度硼的杂质区902和903。这里，通过离子掺杂方法使用二硼烷(B₂H₆)加硼以致于硼的密度范围为3×10²⁰到3×10²¹原子/cm³(典型的是5×10²⁰到1×10²¹原子/cm³)。

虽然杂质区902到903已经包括密度为1×10²⁰到1×10²¹原子/cm³的磷，在此添加硼的密度比上述密度高三倍。由于此原因，预先形成的n型杂质区完全转型到p型并用作p型杂质区。

接着如图9B所示，在去除抗蚀掩膜901后，形成第一层间绝缘膜904。可以用包括硅的绝缘材料来形成第一层间绝缘膜904。在此实施例中，通过等离子CVD方法形成厚度150nm的氮氧化硅膜。

此后，以各自的密度添加的n型或p型杂质元素被激活。在激活处理中采用激光退火方法。在使用激光退火方法的情况下，可使用用于结晶的激光。为了激活，必须使能量密度和结晶中的能量密度一样高或略低，结晶中的能量密度为100到1000mJ/cm²(优选300到600mJ/cm²)。

此外，激活处理可在形成第一层间绝缘膜904之前进行。

此外，通过在包括3到100％的氢的气体中，在300到450℃持续1到12小时进行热处理来进行氢化处理。此处理通过使用热激发的氢使得半导体膜的悬空键终结。作为其它的氢化方法，也可使用等离子体氢化(通过使用激发成等离子体的氢)。

注意，当形成第一层间绝缘膜904时可进行氢化处理。特别地，在形成厚度为200nm的氮氧化硅膜后，可进行如上所述的氢化处理，接着可形成厚度为800nm的氧化硅膜。

接着，在第一层间绝缘膜904上由有机绝缘材料或无机绝缘材料形成第二层间绝缘膜905。在此实施例中，由丙烯酸树脂形成厚度为1.6μm的第二层间绝缘膜905，接着形成第三层间绝缘膜(未示出)。第三层间绝缘膜能有效阻止第二层间绝缘膜进入后来形成的有机发光层。

接着如图9C所示，形成到第一层间绝缘膜904、第二层间绝缘膜905和第三层间绝缘膜(未示出)的接触孔和形成源和漏导线906到912。在此实施例中，由多层形成电极，所述多层包括通过溅射方法顺序形成的三层：100nm厚的钛膜、300nm厚的包含Ti的铝膜和150nm厚的Ti膜。也可采用其它的导电膜。

接着，形成像素电极1001以接触漏导线911。通过构图透明导电膜形成像素电极1001。像素电极1001用作发光元件的正极。透明导电膜可以是例如氧化铟和氧化锡的混合物、氧化铟和氧化锌的混合物、氧化锌、氧化锡或氧化铟。

在形成像素电极之后，边沿(bank)1002由树脂材料构成。通过构图丙烯酸膜或厚度为1到2μm的聚酰亚胺膜形成边沿1002，以暴露像素电极1001的一部分。优选是形成黑色的膜，该膜在边沿1002下成为屏蔽膜(未示出)。

接着，通过不将衬底暴露于空气地使用真空蒸发方法连续形成EL层1003和阴极(MgAg电极)1004。EL层的厚度可在80到200nm(典型的是从100到120nm)的范围内，阴极1004的厚度可在180到300nm(典型的是从200到250nm)的范围内。

在此步骤中，针对对应红色的像素、对应绿色的像素和对应蓝色的像素顺序地形成EL层和阴极。然而，由于EL层不具有足够的耐溶解抵抗力，所以必然要分离地形成各颜色，而不使用光刻技术。因此，通过金属掩膜优选覆盖除了所需像素以外的像素，以使EL层和阴极仅在必要的部分有选择地形成。

特别地，提供用于覆盖除了相应于红色的像素以外的所有像素的掩膜，并且通过使用此掩膜有选择地形成用于发红色的阴极和EL层。接着，提供用于覆盖除了相应于绿色的像素以外的所有像素的掩膜，并且通过使用此掩膜有选择地形成用于发绿色的阴极和EL层。接着，提供用于覆盖除了相应于蓝色的像素以外的所有像素的掩膜，并且通过使用此掩膜有选择地形成用于发蓝色的阴极和EL层。虽然这些掩膜在此说明书中均不相同，但也可将同样的掩膜用于所有的像素。此外，优选为当保持真空环境时进行处理，直至对所有像素形成EL层和阴极。

EL层1003可由已知材料形成。当考虑驱动电压时，已知材料最好是有机材料。例如，EL层可包含四层：空穴注入层、空穴传输层、发光层和电子注入层。虽然此实施例示出了使用MgAg电极作为EL元件的阴极的例子，也可使用其它已知材料。

当形成阴极1004时，完成发光元件1005。此后，形成保护膜1006以致完全地覆盖发光元件1005。包括碳膜、氮化硅膜或氮氧化硅膜的绝缘膜可用作单层或多层中的保护膜1006。

提供密封材料1007以覆盖保护膜1006，并且在那里粘贴外壳构件1008。密封材料1007是UV可固化树脂，并且优选使用内部具有吸湿特性或抗氧化特性的材料。在本实施例中，可使用玻璃衬底、石英衬底或塑料衬底作为外壳构件1008。

因此，完成了图10B中所示的具有p沟道TFT 1009、n沟道TFT1010、开关TFT 1011和电流控制TFT 1012的有源矩阵EL显示器。本发明的激光照射装置不但可用作制造具有这种结构的显示器，而且还可用于制造各种各样的显示器。此外，实施例1中示出的激光照射装置不但可用于结晶半导体膜，而且还可用于在形成抗蚀掩膜的光刻处理中曝光光致抗蚀剂。

[实施例4]

通过使用实施例1中所示的激光照射装置制造的半导体设备(具体地例如液晶显示器或EL显示器)可应用于各种电子仪器。电视机、摄影机、数码相机、护目镜型显示器(头戴式显示器)、导航系统、声音再现装置(汽车音响，音频组件)、个人计算机、游戏机、便携式信息终端(移动计算机、移动电话、移动游戏机或电子书)、配备有记录介质的图像再现装置(特别是用于再现例如数字通用光盘(DVD)的记录介质并具有显示图像的显示器的装置)和类似装置可作为半导体装置可应用其上的电子仪器的例子。在图11A到11H中说明了这些例子。

图11A是包括底盘13001、支架13002、显示部分13003、扬声器部分13004、图像输入终端13005和类似装置的电视机。实施例1中示出的激光照射装置可用于处理该显示部分13003，并完成该电视机。显示部分13003可以是EL显示器或液晶显示器。此外，电视机包括了用于计算机、电视广播接收、广告等的电视机。

图11B是包括主体13101、显示部分13102、图像接收部分13103、操作键13104、外部连接部分13105、快门13106和类似装置的数码相机。实施例1中示出的激光照射装置可用于处理显示部分13102等，并完成该数码相机。

图11C是包括主体13201、底盘13202、显示部分13203、键盘13204、外部连接端口13205、指示鼠标13206和类似装置的计算机。实施例1中示出的激光照射装置可用于处理显示部分13203等，并完成该计算机。

图11D是包括主体13301、显示部分13302、开关13303、操作键13304、红外线端口13305和类似装置的移动计算机。实施例1中示出的激光照射装置可用于处理显示部分13302等，并完成该移动计算机。

图11E是包括主体13401、底盘13402、显示部分A13403、显示部分B 13404、记录介质(例如DVD)读取部分13405、操作键13406、扬声器部分13407和类似装置的配备有记录介质的图像再现装置(特别的是DVD再现装置)。显示部分A13403主要显示图像信息，显示部分B13404主要显示字母信息。实施例1中示出的激光照射装置可用于处理显示部分A13403、显示部分B13404等，并完成该图像再现装置。配备有记录介质的图像再现装置包括游戏机等装置。

图11F是包括主体13501、显示部分13502、臂部分13503和类似装置的护目镜型显示器(头戴式显示器)。实施例1中示出的激光照射装置可用于处理显示部分13502等，并完成该护目镜型显示器。

图11G是包括主体13601、显示部分13602、底盘13603、外部连接端口13604、遥控接收部分13605、图像接收部分13606、电池13607、声音输入部分13608、操作键13609和类似装置的摄影机。实施例1中示出的激光照射装置可用于处理显示部分13602等，并完成该摄影机。

图11H是包括主体13701，底盘13702、显示部分13703、声音输入部分13704、声音输出部分13705、操作键13706、外部连接端口13707、天线13708和类似装置的移动电话。实施例1中示出的激光照射装置可用于处理显示部分13703等，并完成该移动电话。当显示部分13703显示黑底白字时，可抑制移动电话的能耗。

用于这些电子仪器的显示部分的显示装置包含用于驱动像素的薄膜晶体管。实施例1中示出的激光照射装置可用于结晶用于薄膜晶体管的半导体膜。此外，当用于电子仪器的显示部分的显示装置要求如EL显示装置的高清晰度和高性能时，通过使用实施例1中示出的激光照射装置结晶半导体膜，可制造具有显示部分的电子仪器，其显示中的不均匀度减少。

如这样的描述，用实施例1中示出的激光照射装置制造的半导体装置可大范围应用并且可用于每个领域中的电子仪器中。

[实施例5]

本实施例示出了通过本发明的激光照射装置获得具有更均匀的能量分布的光束的结果。

表1示出了通过本发明的激光照射装置获得的长边方向上的线性光束的能量的测量值的数据。

[表1]

基于测量值，图13A示出了线性光束在长边方向上的能量分布图，而图13B示出了能量强度相对于平均值的波动分布图。在图13A中，水平轴表示光束的长度[mm]而垂直轴表示能量[mJ/3cm]。如图13A所示，可获得长边方向上具有270mm长的均匀线性光束。平均能量是74.66[mJ/3cm]。另一方面，在图13B中，水平轴表示测量点[mm]，而垂直轴表示能量[％]。图13B指出能量波动在长边方向上减少。此外，能量强度相对于平均值的波动范围是0.94％(水平轴在-135到+135mm的范围内)。

因此，通过使用本发明的激光照射装置，可减小光线的视场角，并且可在照射表面上形成均匀光束。

本申请是基于2004年3月24日提交给日本专利局的序列号为2004-088037的日本专利申请，其内容合并于此作为参考。

Claims (6)

1.一种透镜阵列，包括：

多个离轴柱面透镜，所述多个离轴柱面透镜被配置成在长边方向上划分激光束的光斑，

其中离轴柱面透镜的每一个具有位于所述离轴柱面透镜的每一个的弯曲部分的母线，所述离轴柱面透镜的每一个的弯曲部分距离所述离轴柱面透镜的每一个的平面部分最远，

其中所述离轴柱面透镜的每一个沿母线是不对称的，并且

其中所述离轴柱面透镜的每一个的母线和中心线之间的位移量从透镜阵列的中心朝向透镜阵列的相对两端增加。

2.如权利要求1所述的透镜阵列，还包括：

透镜阵列的中心处的柱面透镜，所述离轴柱面透镜被布置在柱面透镜的相对两侧，

其中所述柱面透镜沿柱面透镜的母线是对称的。

3.一种光束均化器，包括如权利要求1或2所述的透镜阵列，其中透镜阵列被设置在光源一侧，而会聚光学元件被设置在照射表面一侧。

4.一种激光装置，包括如权利要求1或2所述的透镜阵列，其中透镜阵列被设置在激光振荡器一侧，而会聚光学元件被布置在照射表面一侧。

5.如权利要求4所述的激光装置，其中激光振荡器是准分子激光器、YAG激光器或玻璃激光器。

6.如权利要求4所述的激光装置，其中激光振荡器是YVO₄激光器、YLF激光器、Ar激光器或GdVO₄激光器。

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