CN104718600B - 结晶半导体膜的制造方法及制造装置 - Google Patents

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Abstract

在通过脉冲激光的照射来对非单晶半导体膜进行结晶化时，本发明为了防止产生照射不均，具有第1阶段和第2阶段，在第1阶段，将低于因脉冲激光的照射而使得所述非单晶半导体膜产生微结晶化的照射脉冲能量密度、且适于基于多次即N次的照射的结晶化的照射脉冲能量密度设为E0，从而以与照射脉冲能量密度E0相同的照射脉冲能量密度E1来照射所述脉冲激光，在第2阶段，以低于照射脉冲能量密度E1、且在为了使结晶再次熔融而所需的照射能量密度以上的照射脉冲能量密度E2来照射所述脉冲激光，对于同一照射面所进行的第1阶段和第2阶段的总计照射次数设为N次以上。

Description

结晶半导体膜的制造方法及制造装置
技术领域
本发明涉及通过在半导体膜上边多次照射截面为长方形形状的脉冲激光(重叠(overlap)照射)边使其移动，从而对非晶质膜进行结晶化、对结晶膜进行改质的结晶半导体膜的制造方法及制造装置。
背景技术
通常，TV、PC显示器所使用的薄膜晶体管由非晶(非结晶)硅(以下称为a-硅)构成，通过采用某些方法来使硅结晶化(以下称为p-硅)并加以利用，能够大幅度提高作为TFT的性能。目前，作为低温下的Si结晶化工艺，准分子激光退火技术已得以实用化，频繁利用于面向智能手机等小型显示器的用途，并进一步实现向大画面显示器等的实用化。
该激光退火法是通过对非结晶半导体膜照射具有高脉冲能量的准分子激光，使吸收了光能的半导体变成熔融或半熔融的状态，然后在被冷却从而凝固时进行结晶的方法。此时，为了处理大范围区域，沿相对较短的短轴方向扫描并照射整形成线射束形状的脉冲激光。通常，通过使设置有非结晶半导体膜的设置台移动来进行脉冲激光的扫描。
在上述脉冲激光的扫描中，按规定的间距使脉冲激光沿扫描方向移动，以使得在非结晶半导体膜的同一位置照射多次(重叠照射)脉冲激光。由此，能够进行尺寸较大的半导体膜的激光退火处理。
于是，在现有的使用线射束的激光退火处理中，考虑将激光脉冲的扫描方向的射束宽度固定为例如0.35～0.4mm左右，将每个脉冲的基板输送量设定为射束宽度的3％～8％左右，并且为了确保多个薄膜晶体管性能的均匀性，需要尽可能地增加激光的照射次数。
例如，在LCD(Liquid Crystal Display：液晶显示器)用的半导体膜中，将重叠率设定为92～95％(在照射次数为12～20次，射束宽度为0.4mm时扫描间距为32～20μm)，在OLED(Organic light-Emitting Diode：有机发光半导体)用的半导体膜中，将重叠率设定为93.8％～97％(在照射次数为16～33次，射束宽度为0.4mm时扫描间距为25～12μm)。
在这种激光退火处理中，通常，力图将射束截面的强度分布形成为平坦形状，实现短轴方向、长轴方向的处理的均匀性。对此，在专利文献1中提出了以下方法：对于由于激光能量的偏差，而生成的结晶化不良区域，在充分的结晶化处理后，通过以较低能量照射激光，在维持已充分结晶或已活性化的部分的同时，对因能量强度的偏差而导致膜质发生劣化的部分进行再结晶化或再活性化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：
日本专利特开平10-12548号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
专利文献1中作为课题的激光能量的偏差是由激光光源的输出偏差引起的。该激光光源的输出偏差可通过起振电路的改进、激光光源自身的改进等来获得较大的改善，从而因输出偏差而引起的结晶化的不良这样的课题逐渐变得不那么重要。并且，若进行多次重叠，则由于对同一照射面重叠照射多次脉冲激光，因此，因输出偏差而产生的结晶化不良区域再次熔融并进行结晶化，从而可实现不良区域的消除。
然而，根据本发明人的深度观察可知，即使在当前状况下，因脉冲激光的照射而结晶化的半导体中也认为存在有照射不均，该照射不均成为将半导体形成为器件时会对其性能产生影响的原因。
根据本申请发明人的研究，认为上述照射不均是由线射束的扫描方向(通常为短轴方向)的边缘部(扫描方向后端侧)所形成的多晶硅膜的突起而引起的。该部分相当于因激光照射而产生的半导体膜的熔融部与未被激光照射而保持固体状态的部分之间的分界线。该突起会与照射能量的强度成正比地变大。即，随着照射能量变大，半导体膜的膜厚方向的熔融加快，并且在整个膜熔融之后成为液体的半导体膜层的温度也增大。认为在该液相部分随着温度下降而进行结晶化时，液体被吸引至温度较先开始下降的固液界面即线射束短轴边缘部，并发生固化，从而产生突起。此外，激光的能量变动、线射束短轴形状的变化、与射束进行相对移动的半导体膜的位置错乱等导致所述“突起部”的高度、间隔的错乱，被认为是照射不均。
因此，若降低照射能量密度来照射脉冲激光，则能够减少上述照射不均，但为此需要在同一照射面上以更多的照射次数来照射激光，从而导致生产效率变差。此外，若照射脉冲能量密度变得过低，则会产生结晶粒径不够大的问题。
本发明是以上述情况为背景而完成的，其一个目的在于提供一种能够在极力抑制生产性下降的基础上，消除由脉冲激光的扫描方向边缘部引起的半导体膜上的照射不均的结晶半导体膜的制造方法及制造装置。
解决技术问题所采用的技术方案
即，在本发明的结晶半导体膜的制造方法中，第1本发明是通过在非单晶半导体膜上沿短轴方向相对地扫描并重叠照射脉冲激光来进行结晶化的结晶半导体膜的制造方法，其特征在于，
将照射脉冲能量密度设为E0，该照射脉冲能量密度低于利用所述脉冲激光的照射从而使所述非单晶半导体膜产生微结晶化的照射脉冲能量密度，且适于基于多次即N次照射的结晶化，
所述结晶半导体膜的制造方法包括：以与所述照射脉冲能量密度E0相同的照射脉冲能量密度E1来照射所述脉冲激光的第1阶段；以及
以照射脉冲能量E2来照射所述脉冲激光的第2阶段，所述照射脉冲能量E2低于所述照射脉冲能量密度E1，且在为了使结晶再次熔融而所需的照射能量密度以上，
对于同一照射面，所述第1阶段和所述第2阶段中的总计照射次数在N次以上。
第2本发明的结晶半导体膜的制造方法的特征在于，在所述第1本发明中，将适于所述结晶化的照射脉冲能量设为通过多次即N次照射而使得结晶粒径成长达到饱和的照射脉冲能量密度E，且在E×0.98～E×1.03的范围内。
第3本发明的结晶半导体膜的制造方法的特征在于，在所述第1或第2本发明中，所述照射脉冲能量密度E2在E1×0.95以上。
第4本发明的结晶半导体膜的制造方法的特征在于，在所述第1～第3本发明的任一发明中，所述总计照射次数在N×1.5以下。
第5本发明的结晶半导体膜的制造方法的特征在于，在所述第1～第4本发明的任一发明中，利用所述第1阶段，边扫描所述脉冲激光边依次对同一照射面进行N1次的多次照射，然后，对于所述规定面，利用所述第2阶段，边扫描所述脉冲激光边依次对同一照射面进行N2次的多次照射，所述N1与所述N2的和作为所述总计照射次数在N次以上。
第6本发明的结晶半导体膜的制造方法的特征在于，在所述第5本发明中，所述N1设为大于等于所述N2的次数。
第7本发明的结晶半导体膜的制造方法的特征在于，在所述第1～第6本发明的任一发明中，在所述脉冲激光的扫描方向的射束截面强度分布中，处于扫描方向后端的扫描方向后方侧具有比扫描方向前方侧的强度要低的强度，在所述扫描方向前方侧按照所述强度进行所述第1阶段的照射，在所述扫描方向后方侧按照所述强度进行所述第2阶段的照射。
第8本发明的结晶半导体膜的制造方法的特征在于，在所述第7本发明中，所述扫描方向前方侧的扫描方向宽度在所述扫描方向后方侧的扫描方向宽度以上。
第9本发明的结晶半导体膜的制造方法的特征在于，在所述第1～第8本发明的任一发明中，所述脉冲激光的波长在400nm以下。
第10本发明的结晶半导体膜的制造方法的特征在于，在所述第1～第9本发明的任一发明中，所述脉冲激光的半宽在200ns以下。
第11本发明的结晶半导体膜的制造方法的特征在于，在所述第1～第10本发明的任一发明中，所述非单晶半导体为硅。
第12本发明的结晶半导体膜的制造装置包括：输出脉冲激光的一个或两个以上的激光光源；
对所述脉冲激光进行整形并将其导入非单晶半导体的光学系统；
对所述脉冲激光的照射能量密度进行调整的能量调整部；
对所述非单晶半导体相对地扫描所述脉冲激光的扫描装置；以及
对所述激光光源、所述能量调整部以及所述扫描装置进行控制的控制部，该结晶半导体膜的制造装置的特征在于，
所述控制部执行第1阶段和第2阶段，在所述第1阶段中，所述控制部对所述能量调整部进行控制，调整为与照射脉冲能量密度E0相同的照射脉冲能量密度E1，并控制所述扫描装置边以该照射脉冲能量密度E1扫描所述脉冲激光，边依次对所述非单晶半导体进行N1次(其中N1＜N)的多次照射，所述照射脉冲能量密度E0低于利用脉冲激光的照射而使得所述非单晶半导体膜产生微结晶化的照射脉冲能量密度，且适于基于多次即N次照射的结晶化，在所述第2阶段中，对于经过第1阶段中的所述脉冲激光照射后的半导体，所述控制部对所述能量调整部进行控制，调整为照射脉冲能量E2，并控制所述扫描装置边以该照射脉冲能量密度E2扫描所述脉冲激光，边依次对所述非单晶半导体进行N2次(其中，N2＜N、N1+N2≥N)的多次照射，所述照射脉冲能量密度E2低于所述照射脉冲能量密度E1，且在为了使结晶再次熔融而所需的照射能量密度以上。
第13本发明的结晶半导体膜的制造装置包括：输出脉冲激光的一个或两个以上的激光光源；
对所述脉冲激光进行整形并将其导入非单晶半导体的光学系统；
强度调整部，该强度调整部对所述脉冲激光的扫描方向的射束截面强度分布进行调整，以使得在所述强度分布中，在扫描方向后端的扫描方向后方侧的强度低于扫描方向前方侧的强度，且基于扫描方向后方侧的强度的照射脉冲能量密度在基于扫描方向前方侧的强度的照射脉冲能量密度的0.95倍以上；
对所述脉冲激光的照射能量密度进行调整的能量调整部；
对所述非单晶半导体相对地扫描所述脉冲激光的扫描装置；以及
对所述激光光源、所述能量调整部以及所述扫描装置进行控制的控制部，该结晶半导体膜的制造装置的特征在于，
所述控制部执行以下工序，即：所述控制部控制所述能量调整部来进行调整，以使得在所述脉冲激光的扫描方向前方侧的照射中达到与照射脉冲能量密度E0相同的照射脉冲能量密度E1，在所述脉冲激光的扫描方向后方侧的照射中达到照射脉冲能量E2，并且，控制所述扫描装置边扫描所述脉冲激光，边依次对所述非单晶半导体进行N次以上的多次照射，所述照射脉冲能量密度E0低于使得所述非单晶半导体膜产生微结晶化的照射脉冲能量密度，且适于基于多次即N次照射的结晶化，所述照射脉冲能量E2低于所述照射脉冲能量密度E1，且在为了使结晶再次熔融而所需的照射能量密度以上。
第14本发明的结晶半导体膜的制造装置的特征在于，在所述第12或第13本发明中，所述控制部将适于所述结晶化的照射脉冲能量设为通过多次即N次照射而使得结晶粒径成长达到饱和的照射脉冲能量密度E，且在E×0.98～E×1.03的范围内进行设定。
本发明中，对于非单晶半导体膜，与以适于基于N次照射的结晶化的照射脉冲能量密度进行脉冲激光照射的情况相同，能够利用第1阶段和第2阶段，使得非单晶半导体膜进行良好的结晶化，而不会产生微结晶。并且，本发明中，能够降低因脉冲激光的边缘部而导致的半导体膜上的突起部的高度。另外，结晶化可以是非单结晶的结晶半导体膜进行单结晶，可以是非晶质半导体膜结晶成为多结晶半导体膜，也可以是非晶质半导体膜成为单结晶半导体膜。
照射脉冲能量密度是半导体膜上的脉冲能量密度，在第1阶段，能将照射脉冲能量密度设为与适于基于N次照射的结晶化的照射能量密度相同，由此来进行照射。由此，在第1阶段中，可避免微结晶化。另外，第1阶段中适于结晶化的能量密度可在想要结晶化的范围内适当进行选定。例如，可以设定为与通过多次即N次的照射而使得结晶粒径成长达到饱和的照射脉冲能量密度E相同程度的照射脉冲能量密度。具体而言，优选为E×0.98～E×1.03的范围。若阶段1的照射脉冲能量密度超过E×1.03，则因结晶粒径变得粗大等而容易产生偏差。另一方面，若不到E×0.98，则结晶粒的成长变得不充分，从而容易产生结晶粒径的偏差。
此外，将第2阶段中的照射脉冲能量密度设为在照射脉冲能量密度E1以下、且在为了使结晶再次熔融而所需的照射能量密度以上，由此能够降低在第1阶段中产生的因脉冲激光的边缘部而导致的半导体膜上的突起部的高度，并且能够维持良好的结晶性。这里，第2阶段的照射脉冲能量密度E2需满足上述条件，且优选为在E1×0.95以上。由此，能够使得在第1阶段和第2阶段的脉冲激光照射后的结晶粒径成为结晶均匀地充分成长后得到的结晶粒径。如果第2阶段的照射脉冲能量密度过低，则若达不到熔融能量密度区域，突起就无法变得缓和，并且，即使达到了熔融能量密度区域，即使起到了缓和突起的作用，也无法获得充分的结晶成长，从而导致结晶粒径变小。
并且，优选为照射脉冲能量密度E2小于E1×0.98。若照射脉冲能量密度E2与照射脉冲能量密度E1相等，则在半导体膜上会再次形成同等的突起，从而无法起到缓和突起的作用。
此外，通过将总计照射次数设为N次以上，能够使得结晶粒径得到充分地成长。其中，对于N的数值并没有特别的限定，但从防止因输出偏差而导致膜质下降这一点来看，优选为某一程度的次数，例如可设为8次以上。
并且，总计照射次数优选设为N×1.5以下。若总照射次数增多，则会导致生产性的下降。从生产性的观点来看，最优选的总计照射次数为N次，但可考虑结晶化的状态来进行选定。
并且，第1阶段的照射次数N1优选为与第2阶段的照射次数N2相同，或多于第2阶段的照射次数N2。由此，能够尽可能减少总计照射次数。
在本发明申请中，脉冲激光的波长并没有特别的限制，例如可设为400nm以下。
在本发明申请中，脉冲激光的半宽也没有特别的限制，例如可设为200ns以下。
举例示出上述第1阶段、第2阶段的脉冲激光的照射是在不同的时间对非单晶半导体膜照射不同的脉冲激光，但也可以利用一个脉冲激光来进行第1阶段和第2阶段的脉冲激光照射。脉冲激光可以通过在同一时期对非单晶半导体膜照射两个以上的脉冲激光来近似合成得到。
即，对于脉冲激光，在扫描方向的射束截面强度分布中，处于扫描方向后端的扫描方向后方侧具有比扫描方向前方侧的强度要低的强度，在所述扫描方向前方侧按照所述强度进行所述第1阶段的照射，在所述扫描方向后方侧按照所述强度进行所述第2阶段的照射。
发明效果
如上述所说明的那样，根据本发明，可获得以下效果：通过第1阶段和第2阶段的脉冲激光照射，能够得到结晶充分成长且照射不均较少的优质结晶半导体膜。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的结晶半导体膜的制造装置的图。
图2是表示在扫描方向的射束截面强度分布中射束强度具有阶梯的射束截面强度分布的图。
图3是表示对在扫描方向的射束截面强度分布中射束强度具有阶梯的脉冲激光进行整形的光学系统的图。
图4是用于说明在扫描方向的射束截面强度分布中射束强度具有阶梯的脉冲激光的合成的图。
图5是表示实施例中半导体膜表面的状态的图。
图6是表示实施例中不均评价的结果的图。
具体实施方式
下面，对本发明的一实施方式的结晶半导体膜的制造装置及制造方法进行说明。
结晶半导体膜制造装置1具备处理室2，在该处理室2内具备可在X-Y方向移动的扫描装置3，该扫描装置3设置有平台5。在处理时，在该平台5上设置作为非单晶半导体膜的非晶质的硅膜100等，根据期望来调整处理室2内的气氛。硅膜100以例如40～100nm的厚度形成在未图示的基板上。另外，作为本发明，对于非单晶半导体膜的厚度并没有特别的限制。非单晶半导体膜的形成可按照常用方法来进行，作为本发明，对于半导体膜的形成方法并没有特别的限制。此外，作为处理对象的半导体膜优选为非晶质的半导体膜，但作为本发明，并不限于非晶质的半导体膜，可以是非单晶或一部分中包含有结晶的半导体膜，即使是这种半导体膜，对于结晶的改质也可应用本装置。
另外，扫描装置3由未图示的电动机等来驱动，该电动机由后述的控制部8来控制动作，并设定扫描装置3的扫描速度。此外，在处理室2中设有从外部导入脉冲激光的导入窗6。
在处理室2的外部设置有脉冲激光起振装置10。该脉冲激光起振装置10由准分子激光起振装置构成。该脉冲激光起振装置10以可进行控制的方式与控制部8相连接。脉冲激光起振装置10根据控制部8的指令，以规定的输出来输出脉冲激光。另外，作为本发明，对于起振装置的种类或起振介质并没有限制，只要能向半导体膜照射所期望的脉冲激光即可。
该脉冲激光起振装置10中，通过脉冲起振而输出的脉冲激光15例如波长在400nm以下，脉冲半宽在200ns以下。但是，作为本发明，对此并无限制。
脉冲激光15利用衰减器11来调整脉冲能量密度。衰减器11以可进行控制的方式与所述控制部8相连接，根据控制部8的指令来设定为规定的衰减率。控制部8中，对衰减率进行调整，以使得在向半导体膜进行照射的照射面上得到规定的照射脉冲能量密度。优选为在硅膜100的照射面上，能够将能量密度调整为100～500mJ/cm2。
透过衰减器11的脉冲激光15利用由透镜、反射镜、均匀器等构成的光学系统12进行射束整形，并通过处理室2所设置的导入窗6，从而照射到处理室2内的硅膜100，由此来导入脉冲激光15。图中，对作为光学系统12的一种的反射镜12a和聚焦透镜12b进行了图示。作为本发明，对于光学系统所包含的光学构件的种类、个数均没有特别的限制。
照射时照射面形状的截面为角形，角形中包含有线状的情况。
接着，对使用上述结晶半导体膜制造装置1的结晶半导体膜的制造方法进行说明。
将所述硅膜100作为对象，并确定照射脉冲能量密度E0，该照射脉冲能量密度E0低于通过脉冲激光15的照射而产生微结晶化的照射脉冲能量密度，且适于通过多次即N次的照射来进行结晶。作为适于进行结晶化的照射脉冲能量密度E0，可选定与经过N次照射，从而结晶粒径成长饱和的照射脉冲能量密度E同等的照射脉冲能量密度。作为同等的照射脉冲能量密度，可举例示出E×0.98～E×1.03。在本实施方式中，在利用次数为N次的重叠照射，以照射脉冲能量密度E0来照射脉冲激光时，可获得同等的结晶化。
将上述照射脉冲能量密度E0确定为第1阶段的照射脉冲能量密度E1。此外，作为第2阶段的照射脉冲能量密度E2，确定比照射脉冲能量密度E1要低、且在为使结晶再熔融而所需的照射能量密度以上的照射脉冲能量密度E2，在控制部8中对其进行设定。另外，优选为照射脉冲能量密度E2在E1×0.95以上。
上述E0、E1、E2可利用根据经验而得到的数值。
接着，确定第1阶段重叠时的照射次数N1、以及第2阶段重叠时的照射次数N2，并在控制部8中进行设定。N1和N2的和设为N以上。另外，优选为N1≥N2，进一步优选为N1+N2≤1.5N。N1、N2的次数可根据经验来进行设定。
基于上述设定，在第1阶段的条件下进行下述处理：利用扫描装置3使硅膜100在一个方向上移动，并从脉冲激光起振装置10输出脉冲激光15，然后使脉冲激光15通过光学系统12、导入窗6，最终重叠照射至处理室2内的硅膜100。重叠次数由扫描装置3的扫描速度、脉冲激光的重复频率、以及脉冲的短轴方向的宽度来决定。因此，控制部8以脉冲激光的重复频率作为前提，来决定扫描装置3的扫描速度，以实现N1次的重叠。扫描速度例如可在6～16mm/秒的范围内进行选定。另外，作为本发明，对于该扫描速度并没有特别的限制，例如也可在1～100mm/秒的范围内进行选择。衰减器11的衰减率由控制部8来进行调整，以使得硅膜100上的照射脉冲能量E1达到设定值。可预先求得衰减率与照射脉冲能量之间的关系，根据该关系来进行该调整。此外，可以利用未图示的测定装置来测定脉冲激光15的脉冲能量密度，由此来进行衰减器11的控制，以使得该脉冲能量密度达到规定值。
接着，在硅膜100的规定区域的处理结束之后，以使扫描装置3向反方向移动的方式使其动作，并进行第2阶段的重叠照射。控制部8以脉冲激光的重复频率作为前提，来决定扫描装置3的扫描速度，以实现N2次的重叠。扫描速度例如可在6～16mm/秒的范围内进行选定。另外，作为本发明，对于该扫描速度并没有特别的限制，例如也可在1～100mm/秒的范围内进行选择。衰减器11的衰减率由控制部8来进行调整，以使得硅膜100上的照射脉冲能量E2达到设定值。该调整可与第1阶段同样地来进行。此外，也可以在第2阶段中使用脉冲宽度不同的脉冲激光，由此来改变进行重叠的次数，还可以通过综合扫描速度等来得到所期望的重叠次数。
与以照射脉冲能量密度E0进行N次重叠照射的情况相比，经过第1阶段的脉冲激光照射和第2阶段的脉冲激光照射的硅膜100的规定区域可获得相同程度的良好的结晶化。并且，在本实施方式中，通过进行第1阶段的照射和第2阶段的照射，降低了因脉冲激光的边缘部而产生的半导体膜上的突起部的高度，消除了照射不均，因此，能够提供更为优质的半导体器件。
另外，在上述实施方式中，说明了在对规定区域进行了第1阶段的扫描照射之后，对上述区域进行第2阶段的扫描照射这样的情况，但也可以使用两个脉冲激光，在进行了第1阶段的照射之后，直接进行第2阶段的照射。在该情况下，对于两个脉冲激光，可以使用从两个脉冲激光光源输出的脉冲激光，或者，也可以对从一个脉冲激光光源输出的脉冲激光进行分割，进行能量调整、延迟调整等，来得到两个脉冲激光。
另外，脉冲激光也可以通过对多个脉冲激光进行合成并对脉冲宽度进行调整后得到。
上述实施方式中，对下述情况进行了说明，即：在第1阶段中，利用一个脉冲激光对规定区域的硅膜进行处理，然后在第2阶段中，利用另一个脉冲激光来进行处理，但也可以利用一个脉冲在同一时期进行第1阶段和第2阶段。一个脉冲也包含有可近似认为是一个脉冲的情况。
即，对于脉冲激光，在短轴方向的射束截面强度分布中，处于扫描方向后端的扫描方向后方侧具有比扫描方向前方侧的强度要低的强度，在所述扫描方向前方侧按照所述强度进行所述第1阶段的照射，在所述扫描方向后方侧按照所述强度进行所述第2阶段的照射。
图2示出本方式所使用的脉冲激光的扫描方向的射束截面强度分布。
射束截面具有阶梯状的射束强度，即：在扫描方向前方侧具有脉冲照射能量E1的高度，而在扫描方向后方侧即后端具有脉冲照射能量E2的高度。在本方式中，利用具有脉冲照射能量E1的高度的脉冲部分，对硅膜100的同一区域进行N1次脉冲激光照射，利用具有脉冲照射能量E2的高度的脉冲部分，对硅膜100的同一区域进行N2次脉冲激光照射。N1、N2的次数由具有脉冲照射能量E1的高度的扫描方向的部分长度L1和具有脉冲照射能量E1的高度的扫描方向的部分长度L2、以及每个脉冲的间距来决定。例如，若设为L1＝L2(例如200μm)，则N1和N2成为基本相同的次数。
即，能够通过相对增长长度L1来增加N1的次数。由此，优选设为L1≥L2。因此，N1、N2取决于长度L1、L2的大小，并且与上述实施方式相同，还取决于扫描速度和脉冲激光的重复频率。通过这些设定来确定本方式中的N1、N2。
具有上述形状的扫描方向的射束截面强度分布的脉冲激光可通过多种方法来得到。
例如，如图3(a)所示，通过在光学系统的光路上，在光学构件的上游侧或下游侧配置用于对激光射束的一部分进行遮蔽或抑制其透过的构件，来得到具有如图3(b)所示那样的射束截面强度分布的脉冲激光，在该射束截面强度分布中，在扫描方向上射束强度局部变低、射束强度成为阶梯状。
此外，如图4(a)所示，通过对两个脉冲进行合成或近似合成，来得到具有如图4(b)所示那样的射束截面强度分布的脉冲c，在该射束强度分布中，射束强度成为阶梯状(扫描方向宽度L1、L2)。例如，可以对射束强度不同的脉冲a和脉冲b设置时间差，利用光学系统进行合成，并将合成后的脉冲照射到非单晶半导体膜上。并且，通过使射束强度不同的脉冲a和脉冲b的位置同时发生偏移，并照射到非单晶半导体膜上，能够近似作为一个脉冲。
[实施例1]
接着，使用脉冲激光光源(产品编号LSX540C)，对膜厚为50nm的非晶硅膜照射波长为308nm、脉冲宽度为70nm、重复频率300Hz、射束截面为长轴长度465mm×短轴长度400μm的线射束状的准分子激光，进行退火处理。
作为现有例，设定适于以重叠率95％(重叠照射20次)进行结晶化的照射能量密度E0(OED(Optimum energy density：最优能量密度)，本例中为370mJ/cm2)。此时，设定扫描速度和脉冲激光的重复频率，以达到20μm的间距。能量密度E0设定为与不会产生微结晶，且在所述重叠照射下结晶粒径饱和的照射能量密度E相同。
此外，作为发明例和参照例，设定在第1阶段以重叠率90％(重叠照射10次)进行照射的照射能量密度E1(370mJ/cm2)，照射能量密度E1与照射能量密度E0相同。此时，设定扫描速度以达到40μm的间距。
并且，作为发明例，设定在第2阶段以重叠率90％(重叠照射10次)进行照射的照射能量密度E2(352mJ/cm2)，照射能量密度E2比照射能量密度E1小5％。此时，设定扫描速度以达到40μm的间距。
此外，作为参照例，在第2阶段以重叠率90％(重叠照射10次)进行照射时，设定为比照射能量密度E1小10％、小15％、或小20％的照射能量密度。此时，也设定扫描速度和脉冲激光的重复频率，以达到40μm的间距。
在上述条件下，对非晶的硅膜重叠照射脉冲激光，然后对处理后的结晶硅膜的照射不均和结晶性进行评价。并且，对于现有例和发明例，利用AFM(AtomicForceMicroscope：原子力显微镜)对结晶硅膜的表面凹凸进行观察。
图5示出结晶硅膜的表面截面的简要图。在现有例中，如图5(b)所示，与脉冲激光的最终照射的边缘部分相应地形成相对较大的突起。另一方面，在发明例中，如图5(a)所示，可确认与上述相当的突起变低变缓，从而可知通过第1阶段和第2阶段的照射，使得突起变得缓和。
利用以下方法进行结晶硅膜的照射不均评价。
各示例中，在5个地点对结晶硅膜照射检查光，分别接受反射光从而获取彩色图像，检测出彩色图像的色彩分量，并基于检测得到的色彩分量来使色彩图像单色化。接着，对单色化的图像的数据进行卷积，获取强调图像深浅的图像数据，然后对强调图像深浅的图像数据进行射影变换，基于经过射影变换后的图像数据来评价表面不均。单色化可通过使用所检测到的色彩分量中的主要色彩分量来进行，主要的色彩分量是光分布中与其他的色彩分量相比相对较大的色彩分量。
单色化后的图像数据利用以激光的射束方向作为行、以激光的扫描方向作为列的矩阵数据来表示，在卷积处理中，通过将规定系数的矩阵与经单色化得到的图像的数据矩阵相乘来进行。
对于规定系数的矩阵，分别使用强调射束方向的矩阵、以及强调扫描方向的矩阵，可分别获得强调射束方向的图像深浅的图像数据、以及强调扫描方向的图像深浅的图像数据。
具体而言，进行以下卷积处理。另外，规定系数的矩阵并不限于下述内容。
【数学式1】
对于强调了图像的深浅的图像数据，利用在扫描方向、射出方向呈现出大量线条的情况，求得各方向的射影。
具体而言，利用下述数学式分别对射出方向、扫描方向进行射影变换。
射出方向＝(Max(Σf(x)/Nx)-Min(Σf(x)/Nx))/平均
扫描方向＝(Max(Σf(y)/Ny)-Min(Σf(y)/Ny)))/平均
其中，x表示射出方向的图像位置，y表示扫描方向的图像位置，f(x)表示x位置处的图像数据，f(y)表示y位置处的图像数据，Nx表示射出方向的图像的个数，Ny表示扫描方向的图像的个数。
图6的不均分数是对扫描方向的不均进行数值化后得到的。数值越高表示不均越大。
由图6可知，在现有例中，不均分数为0.2～0.3，不均较大。考虑这是受到因上述脉冲激光的边缘而导致的表面突起的影响。
另一方面，在发明例中，在第1阶段后虽然不均与现有例同样较大，但在第2阶段后，不均分数变为0.06～0.13，不均变得缓和。另外，在第2阶段中，以-10％E0、-15％E0、-20％E0的照射脉冲能量进行照射，与现有例相比不均变小，但对于减少不均这一点而言仍然是不充分的。
接着，通过SEM(Scanning Electron Microscope：扫描电子显微镜)照片来观察现有例、发明例、以及参照例的结晶硅膜的结晶性。
其结果是，在现有例、发明例中，同等地形成均匀的结晶粒。另一方面，在设为-15％E0、-20％E0的参照例中，没有实现充分的结晶成长，结晶粒径较小。在-10％E0时，并未达到-15％E0、-20％E0时的程度，但结晶粒径稍小。
如上所述，根据本发明例，在获得良好的结晶粒成长的同时，能够减小因脉冲激光的边缘而引起的突起，从而减少不均。此外，与现有技术相比，能够在生产性几乎不会下降的情况下进行处理。
至此，基于上述各实施方式和实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于上述的说明内容，只要不脱离本发明的范围，就可以做出适当的变更。
标号说明
1 结晶半导体膜制造装置
2 处理室
3 扫描装置
5 平台
8 控制部
10 脉冲激光起振装置
11 衰减器

Claims (10)

1.一种结晶半导体膜的制造方法，通过在非单晶半导体膜上沿短轴方向相对地扫描并重叠照射脉冲激光，来进行结晶化，所述结晶半导体膜的制造方法的特征在于，
将照射脉冲能量密度设为E0，该照射脉冲能量密度低于利用所述脉冲激光的照射从而使所述非单晶半导体膜产生微结晶化的照射脉冲能量密度，且适于基于多次即N次照射的结晶化，
所述结晶半导体膜的制造方法包括：以与所述照射脉冲能量密度E0相同的照射脉冲能量密度E1来多次即N1次照射所述脉冲激光的第1阶段；以及
在所述第1阶段之后，以照射脉冲能量E2来多次即N2次照射所述脉冲激光的第2阶段，所述照射脉冲能量E2低于所述照射脉冲能量密度E1，且在为了使结晶再次熔融而所需的照射能量密度以上，
对于同一照射面，所述第1阶段和所述第2阶段中的总计照射次数即N1次+N2次在N次以上。
2.如权利要求1所述的结晶半导体膜的制造方法，其特征在于，
将适于所述结晶化的照射脉冲能量设为通过多次即N次照射而使得结晶粒径成长达到饱和的照射脉冲能量密度E，且在E×0.98～E×1.03的范围内。
3.如权利要求1或2所述的结晶半导体膜的制造方法，其特征在于，
所述照射脉冲能量密度E2在E1×0.95以上。
4.如权利要求1或2所述的结晶半导体膜的制造方法，其特征在于，
所述总计照射次数在N×1.5以下。
5.如权利要求1所述的结晶半导体膜的制造方法，其特征在于，
所述N1设为大于等于所述N2的次数。
6.如权利要求1或2所述的结晶半导体膜的制造方法，其特征在于，
所述脉冲激光的波长在400nm以下。
7.如权利要求1或2所述的结晶半导体膜的制造方法，其特征在于，
所述脉冲激光的半宽在200ns以下。
8.如权利要求1或2所述的结晶半导体膜的制造方法，其特征在于，
所述非单晶半导体为硅。
9.一种结晶半导体膜的制造装置包括：
输出脉冲激光的一个或两个以上的激光光源；
对所述脉冲激光进行整形并将其导入非单晶半导体的光学系统；
对所述脉冲激光的照射能量密度进行调整的能量调整部；
对所述非单晶半导体相对地扫描所述脉冲激光的扫描装置；以及
对所述激光光源、所述能量调整部以及所述扫描装置进行控制的控制部，该结晶半导体膜的制造装置的特征在于，
所述控制部执行第1阶段和第2阶段，在所述第1阶段中，所述控制部对所述能量调整部进行控制，调整为与照射脉冲能量密度E0相同的照射脉冲能量密度E1，并控制所述扫描装置边以该照射脉冲能量密度E1扫描所述脉冲激光，边依次对所述非单晶半导体进行N1次的多次照射，所述照射脉冲能量密度E0低于利用脉冲激光的照射而使得所述非单晶半导体膜产生微结晶化的照射脉冲能量密度，且适于基于多次即N次照射的结晶化，其中N1＜N，在所述第2阶段中，对于经过第1阶段中的所述脉冲激光照射后的半导体，所述控制部对所述能量调整部进行控制，调整为照射脉冲能量E2，并控制所述扫描装置边以该照射脉冲能量密度E2扫描所述脉冲激光，边依次对所述非单晶半导体进行N2次的多次照射，所述照射脉冲能量密度E2低于所述照射脉冲能量密度E1，且在为了使结晶再次熔融而所需的照射能量密度以上，其中，N2＜N、N1+N2≥N。
10.如权利要求9所述的结晶半导体膜的制造装置，其特征在于，
所述控制部将适于所述结晶化的照射脉冲能量作为通过多次即N次的照射而使得结晶粒径成长达到饱和的照射脉冲能量密度E，且设定为E×0.98～E×1.03的范围内。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6096228B2 (ja) * 2015-01-09 2017-03-15 株式会社日本製鋼所 半導体膜の表面ムラ検出装置、レーザアニール装置および半導体膜の表面ムラ検出方法
KR102563724B1 (ko) * 2017-11-29 2023-08-07 니치아 카가쿠 고교 가부시키가이샤 반도체 발광 소자의 제조 방법
JP7140338B2 (ja) * 2017-12-21 2022-09-21 ギガフォトン株式会社 レーザ照射方法、及びレーザ照射システム

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6373870B1 (en) * 1996-02-13 2002-04-16 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Laser irradiation apparatus and laser irradiation method
TW200304175A (en) * 2001-11-12 2003-09-16 Sony Corp Laser annealing device and thin-film transistor manufacturing method
JP2005277007A (ja) * 2004-03-24 2005-10-06 Hitachi Ltd 多結晶半導体膜製造方法とその装置および画像表示パネル

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3306300B2 (ja) 1996-06-20 2002-07-24 三洋電機株式会社 半導体膜のレーザーアニール方法
CN104882371B (zh) * 2008-01-07 2018-01-26 株式会社 Ihi 激光退火方法以及装置
JP2012015445A (ja) * 2010-07-05 2012-01-19 Japan Steel Works Ltd:The レーザアニール処理装置およびレーザアニール処理方法
WO2012029488A1 (ja) * 2010-08-31 2012-03-08 株式会社日本製鋼所 レーザアニール装置およびレーザアニール方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6373870B1 (en) * 1996-02-13 2002-04-16 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Laser irradiation apparatus and laser irradiation method
TW200304175A (en) * 2001-11-12 2003-09-16 Sony Corp Laser annealing device and thin-film transistor manufacturing method
JP2005277007A (ja) * 2004-03-24 2005-10-06 Hitachi Ltd 多結晶半導体膜製造方法とその装置および画像表示パネル

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