CN104838472B - 激光处理方法以及激光处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明为了降低由脉冲激光的重叠照射而对形成在半导体膜的隆起部造成的不良影响，在非单晶半导体膜上扫描具有规定的射束截面形状的脉冲激光并以规定的扫描间距进行重叠照射而得结晶半导体膜的激光处理方法中，将通过对半导体膜的脉冲激光照射而在半导体膜上被照射的脉冲激光束的扫描方向后端侧形成的隆起部的底边的扫描方向长度设为b，所述扫描间距设为p，在扫描间距设定在满足式0.75b≥p≥0.25b的范围内进行所述脉冲激光的重叠照射，使隆起部近接形成而缩小隆起部之间的高低差，降低照射不均。

Description

激光处理方法以及激光处理装置

技术领域

本发明涉及对非单晶半导体扫描直线束形的脉冲激光并进行多次重叠照射从而实现非晶质膜的结晶化或结晶膜的改变的激光退火方法以及激光退火装置。

背景技术

通常用于TV或PC显示器的薄膜晶体管由非晶(amorphous)硅(下面称为a-硅)构成，但通过以某些手段使硅结晶化(下面称为p-硅)而利用，可以显著提高作为TFT的性能。目前，作为低温下的Si结晶化工艺的准分子激光退火技术已被实用化，被频繁利用于面向智能手机等小型显示器的用途，针对大屏幕显示器等的实用化正进一步实现。

该激光退火方法的构成是，通过在非单晶半导体膜上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成为熔融或半熔融状态，之后在冷却凝固时结晶化。此时，为了处理广泛的区域，例如沿着短轴方向相对扫描并照射调整为直线束形的脉冲激光。通常，通过使设置了非单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，按照脉冲激光多次照射非单晶半导体膜的相同位置(重叠照射)的方式，以规定的扫描间距使脉冲激光沿着扫描方向移动。由此，能够实现尺寸较大的半导体膜的激光退火处理。

于是，在以往的利用直线束的激光退火处理中，将激光脉冲的扫描方向的射束宽度固定在0.35～0.4mm左右，为了确保多个薄膜晶体管的性能的均匀性，将每次脉冲的基板供给量设为射束宽度的5％～8％左右，在考虑生产效率的基础上决定激光的照射次数。

可是，脉冲激光束截面的强度分布中，在扫描方向端部具有强度逐渐降低而变为0的区域。在专利文献1中，将具有这样的强度分布的脉冲激光进行重叠照射时，不同强度区域内被多次照射的照射区域间在制成晶体管时移动度发生偏差的问题作为课题(段落0015～0019)，为了解决该课题而提出了对应于强度区域而将扫描间距设在规定值以下的方法。在专利文献1中，通过该方法可以制得移动度的偏差极小的薄膜晶体管(段落0026)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1

日本专利特开平9-45926号公报

发明概要

发明所要解决的技术问题

在上述专利文献1中，为了解决激光束的扫描方向前方的强度递减的强度分布引起的课题，作为具体例给出了1mm的扫描间距。

但是，根据本发明人的研究，明确了在专利文献1给出的扫描间距下，因激光束的扫描方向后端部的强度递减的区域(以下，称为陡峭部)而对作为半导体的性能产生影响。

即，如图6所示，在脉冲激光照射的例如硅膜101上，相应于直线束短轴的端部，每次脉冲照射时形成多晶硅膜的隆起部102。该部分相当于由激光照射形成的半导体膜的熔融部和未照射到具有半导体膜熔融所需的足够强度的激光而保持固体的部分的分界线。认为该隆起与照射能量的强度成比例地增大。即，随着照射能量的增加，在半导体膜的膜厚方向上发生熔融，而且整个膜熔融之后成为液体的半导体膜层的温度也增大。该液相部分随着温度的降低而结晶化时，在温度先开始下降的固液界面即直线束短轴边缘部的液体被吸引并固化，由此生成隆起。

在这样的隆起部中，激光能量的变动、直线束短轴形状的变化、对激光束相对移动的半导体膜位置错乱等成为主要原因，造成隆起部升高和间隔错乱的呈现。该错乱被认为是照射不均，将半导体膜作为设备元件来利用时则造成特性不均。

本发明是以上述情况为背景来完成的，其目的在于提供一种减轻了由射束的扫描方向端部的陡峭部(steepness)引起的影响而能够制造照射不均少的结晶半导体膜的激光处理方法以及激光处理装置。

解决技术问题所采用的技术方案

即，本发明的激光处理方法中，第一发明提供一种激光处理方法，在非单晶半导体膜上扫描具有规定的射束截面形状的脉冲激光并以规定的扫描间距进行重叠照射而得结晶半导体膜的激光处理方法中，

将通过对所述半导体膜的脉冲激光照射而在所述半导体膜上被照射的脉冲激光束的扫描方向后端侧形成的隆起部的底边的扫描方向长度设为b，所述扫描间距设为p，

在所述扫描间距设定在满足下式(1)的范围内进行所述脉冲激光的重叠照射。

0.75b≥p≥0.25b …(1)

第二发明的激光处理方法是在前述第一发明中，对前述半导体膜的脉冲激光照射在前述半导体膜上以最适合于结晶化的照射能量密度进行。

第三发明的激光处理方法是在前述第一或第二发明中，前述脉冲激光的波长在400nm以下。

第四发明的激光处理方法是在前述第一～第三中任一项所述的发明中，前述脉冲激光的脉冲半宽值在200ns以下。

第五发明的激光处理方法是在前述第一～第四中任一项所述的发明中，前述非单晶半导体为硅。

第六发明的激光处理方法是在前述第一～第五中任一项所述的发明中，前述扫描间距为5～20μm。

第七发明的激光处理方法是在前述第一～第六中任一项所述的发明中，测定通过对前述半导体膜的脉冲激光照射而在前述半导体膜上被照射的脉冲激光束的扫描方向后端侧形成的隆起部的底边的扫描方向长度，根据该测定结果决定前述扫描间距。

第八发明的激光处理装置具备：

以规定的重复频率输出脉冲激光的脉冲起振激光光源，

调整前述脉冲激光束截面形状并引导至非单晶半导体膜的光学体系，

调整前述脉冲激光的能量密度的衰减器，

对前述非单晶半导体膜以规定的扫描速度相对扫描前述脉冲激光的扫描装置，以及

控制前述激光光源、前述衰减器以及前述扫描装置的控制部，

前述控制部按照如下条件决定前述激光光源的重复频率和前述扫描装置的扫描速度，即，获取通过对半导体膜的脉冲激光照射而在前述半导体膜上被照射的脉冲激光束的扫描方向后端侧形成的隆起部的底边的扫描方向长度b，根据该扫描方向长度，使前述脉冲激光向前述非单晶半导体膜照射时的扫描间距p满足下式(1)的条件。

0.75b≥p≥0.25b …(1)

第九发明的激光处理装置是在第八发明中，具备：测定通过对半导体膜的脉冲激光照射而在前述半导体膜上被照射的脉冲激光的扫描方向后端侧形成的的隆起部的底边的扫描方向长度b的膜表面形状测定装置。

在本发明中，通过将扫描间距设定在适当范围内，由激光束截面的扫描方向后端侧的陡峭部引起的隆起部近接形成。在此，对规定扫描间距的理由加以说明。

将隆起部的底边设为b，通过减小扫描间距p，可缩小隆起部之间的高低差。如果p大于0.75b，则无法充分获得缩小高低差的效果。另外，如果p小到不足0.25b，则重叠次数变多，生产效率降低。因此，关于扫描间距p是将其设为0.75b以下且0.25b以上。基于相同的理由，小于0.7b且0.5b以上分别为宜。

对扫描间距p的绝对值没有限定，但可例示为5～20μm。

隆起部底边的大小在本发明中没有特别限定，但可例示10～30μm的范围。

隆起部以由激光束的扫描方向后端部侧的照射形成的半导体膜的熔融部和未照射到具有半导体膜熔融所需的足够强度的激光而保持固体的部分的分界线为起点，经由半导体膜的隆起高度最高的位置，直到其减少倾向收尾的地点为止。通过利用隆起部高度的近似线(多项式近似线等)等，可明确呈现隆起部高度的增减倾向。

另外，脉冲激光的扫描方向后端的陡峭部的宽度大小影响隆起部的底边大小。陡峭部可以以激光束强度分布中具有最大强度的10％以上且90％以下的强度的区域表示。本发明的脉冲激光中扫描方向后端侧的陡峭部的宽度可例示为例如100μm以下。陡峭部的宽度可通过光学构件的设计以及光路上的狭缝配置等来调整。但是，如果陡峭部变得太窄，则在射束强度分布中的平坦部的短轴方向端会形成强度急剧增加的凸部。为此，陡峭部的宽度调整至例如30μm以上。

对半导体膜的脉冲激光的照射理想的是在前述半导体膜上以最适合于结晶化的照射能量密度进行。最适合于结晶化的照射能量密度可根据适宜的基准决定，例如可设为与通过多次N次的照射而使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，理想的是E×0.98～E×1.03的范围。最适合的照射能量密度根据照射次数等不同，在本发明中不受限于特定的数值，但可例示例如250～500mJ/cm²。

另外，本发明中所使用的脉冲激光不受限于特定的激光，但可例示例如波长400nm以下、半宽值200ns以下的激光。另外，脉冲激光的种类也没有特别限定，但可例举准分子激光。

通过脉冲激光而成为结晶半导体膜的非单晶半导体膜在本发明中不受限于特定的材料，但可例示例如硅作为材料。本发明无论材料如何都可获得效果。

另外，在本发明的激光处理装置中，以规定的重复频率输出脉冲激光。该重复频率在本发明中没有特别限定，可例举1～1200Hz的重复频率。重复频率可通过接受来自控制部的控制来在激光光源中加以设定。

另外，脉冲激光可利用柱面透镜等各种光学构件，调整为例如四角形或直线束形等适宜形状。直线束的形状不受限于特定的形状，长轴相对于短轴具有较大比例的形状即可。可例举其比在10以上的形状。长轴侧的长度、短轴侧的长度在本发明中不受限于特定的长度，但可例举长轴侧的长度为370～1300mm、短轴侧的长度为100μm～500μm的长度。另外，脉冲激光通过均质器、柱面透镜等光学构件，可设为射束强度分布中具有例如最大强度的96％以上的平坦部和位于端部的最大强度的10～90％的陡峭部的分布。

衰减器是通过调整脉冲激光的透射率以使脉冲激光在非单晶半导体膜上获得规定能量密度的仪器，可通过接受来自控制部的控制来调整前述透射率。

另外，作为对非单晶半导体膜相对扫描脉冲激光的装置，可具备使脉冲激光或非单晶半导体膜的一方或双方移动的移动装置。脉冲激光的移动除了水平方向的移动之外，还可通过利用多面镜或检流计扫描镜的机构来实施。非单晶半导体膜的移动可采用使保持非单晶半导体膜的载物台等移动的机构等来实施。

扫描速度在本发明中没有特别限定，但可例示例如1～100mm/s。扫描装置可通过接受来自控制部的控制来设定扫描速度。

在控制部中，可通过获得隆起部的底边的扫描方向长度来决定扫描间距，而起部的长度可通过膜表面形状测定装置来测定。膜表面形状测定装置只要是能够测定受到脉冲激光的照射的半导体膜的膜表面形状的装置即可，不受限于特定的装置，但可例举原子力显微镜(AFM)、触针式表面形状测定仪等。在控制部中，根据扫描方向长度决定扫描间距，并控制激光光源、衰减器以及扫描装置来实施处理。扫描间距由激光光源的重复频率和扫描装置的扫描速度而定，因此在控制部中，通过设定其中之一或双方来设定扫描间距。控制部由CPU和使其运行的程序、记录运行参数的记忆部等构成。

发明的效果

如上所述根据本发明，由激光束截面的扫描方向后端侧的陡峭部引起的隆起部近接形成，因此具有隆起部的高低差缩小、照射不均减少的效果。

附图简要说明

图1是表示本发明一实施方式的激光处理装置的概略的图。

图2是表示相同实施方式的、经调整的脉冲激光的短轴方向的射束强度分布的图。

图3是说明相同实施方式的、以本发明的扫描间距照射脉冲激光时隆起部的形成的图。

图4是相同实施方式的将照射不均数值化而得的试验例的图表。

图5是相同实施方式的强调了照射不均的试验例的图像。

图6是说明以以往的扫描间距照射脉冲激光时隆起部的形成的图。

具体实施方式

下面，根据附图，对本发明的实施方式的激光处理装置1进行说明。

激光处理装置1具备处理室2，在处理室2内具备可沿X-Y方向移动的扫描装置3，在该扫描装置的上部具备基座4。在基座4上，设置有作为载物台的基板设置台5。扫描装置3通过未图示的电动机等进行驱动。另外，在处理室2上设有将脉冲激光从外部导入的导入窗6。

退火处理时，在该基板设置台5上设置基板100等，该基板上形成有作为半导体膜的非单晶半导体的非晶质硅膜101。硅膜101在未图示的基板上以例如40～100nm的厚度(具体例如为50nm厚度)形成。该形成可通过常规的方法进行，对本发明的半导体膜的形成方法没有特别的限定。

在本实施方式中，说明了通过对非晶体膜进行激光处理来结晶化的激光处理相关的方式，但本发明的激光处理的内容不受限于这些，也可以是例如对非单晶的半导体膜进行单晶化，或进行结晶半导体膜的改质。

在处理室2的外部设有脉冲起振激光光源10。脉冲起振激光光源10由准分子激光起振器构成，可输出波长400nm以下、重复起振频率1～1200Hz的脉冲激光，该脉冲起振激光光源10可以以根据反馈控制来将脉冲激光的输出维持在规定范围内的方式进行控制。脉冲起振激光光源10上以可控制的方式连接有控制部7，通过控制部7可对脉冲起振激光光源10输出的脉冲激光的重复频率以及输出功率进行调整。

控制部可以以CPU以及使其运行的程序为主要构成，除此以外还可具有非易失性存储器或RAM等。

脉冲起振激光光源10中脉冲起振而输出的脉冲激光15在衰减器11中能量密度得到调整。衰减器11以可控制的方式与控制部7连接，通过控制部7可对透过衰减器11的脉冲激光15的透射率进行调整。

透过了衰减器11的脉冲激光12到达光学体系12。光学体系12由均质器12a、反射镜12b、柱面透镜12c等光学构件构成，对脉冲激光15实施使之成为直线束形的调整以及偏转、具有平坦部和陡峭部的射束强度分布的形成等，脉冲激光150通过设置在处理室2上的导入窗6照射到处理室2内的非晶质硅膜101上。构成光学体系12的光学构件不受限于上述，可具备各种透镜(均质器、柱面透镜等)、镜、波导部等。

接着，对上述激光处理装置1的运作进行说明。

脉冲起振激光光源10中，通过控制部7的控制以规定的重复频率脉冲起振，以规定输出功率输出脉冲激光15。脉冲激光15可设定为例如波长在400nm以下，脉冲半宽值在200ns以下。但在本发明中并不受限于此。

脉冲激光15在被控制部7控制的衰减器11中脉冲能量密度得到调整。衰减器11设定为规定的衰减率，以照射于硅膜101的照射面上而获得最适于结晶化的照射脉冲能量密度的条件调整衰减率。例如在使非晶质硅膜101进行结晶化等的情况下，可调整至在其照射面上能量密度达到250～500mJ/cm²。

透过了衰减器11的脉冲激光15在光学体系12中被调整为直线束形，进一步经过光学体系12的柱面透镜12c对短轴宽度进行聚焦，将其导入设置在处理室2上的导入窗6。

直线束可调整为例如长轴侧的长度为370～1300mm、短轴侧的长度为100μm～500μm的直线束。

如图2所示，直线束150具有相对于最大能量强度为96％以上的平坦部151、和位于长轴方向两端部的具有比前述平坦部151小的能量强度且能量强度向外侧递减的陡峭部152。陡峭部是最大强度的10％～90％范围的区域。

直线束150的硅膜101上的陡峭部152的宽度例如为40～100μm。

通过用被控制部7控制的扫描装置3以规定的扫描间距使硅膜101移动，由此可以使直线束150相对于硅膜101进行相对扫描并对硅膜101进行照射。此时的扫描速度可设为例如1～100mm/s。但是，本发明的前述扫描速度不受限于特定的范围。

决定扫描速度以及重复频率时，如图3所示，将通过脉冲激光15的照射而在硅膜101上形成的隆起部102的底边的扫描方向长度设为b，使扫描间距p满足下式。

0.75b≥p≥0.25b …(1)

扫描间距必须满足上述(1)式的条件，虽然不受限于特定的值，但可例举5～15μm的范围。

隆起部102的底边的扫描方向长度可在控制部7中预先获取，由此决定扫描间距。

隆起部102的底边的扫描方向长度可利用原子力显微镜(AFM)、触针式表面形状测定仪等膜表面形状测定装置20来测定。具体而言，根据设想的重叠次数，以最适于结晶化的能量密度照射激光脉冲，测定由射束的短轴方向端部的照射形成的隆起部的底边长度。测定可以作为基准预先进行，或也可以对经处理的硅膜进行测定。

预先测定时，通过一次照射脉冲激光也能测定扫描方向长度。得到隆起部底边的长度即可决定扫描间距，但规定的激光束形状下的照射次数由扫描间距的决定而定。该照射次数的最适合的能量密度有时会与测定隆起部102的底边长度时的能量密度不同。在此情况下，如果照射次数的变更导致最适合的能量密度变化，则可测定变更过的最适合的能量密度中的隆起部102的底边的扫描方向长度，根据其结果来决定扫描间距。

恰当的扫描间距的结果是，如图3所示，隆起部10近接形成，隆起部102之间的高低差缩小。因此即使发生激光能量变动、直线束短轴形状的变化、相对于激光束相对移动的半导体膜的位置的错乱等，也可以将其影响降低至轻微的程度。

[实施例1]

下面，利用实施方式中示出的激光处理装置进行了评价试验。试验条件如下。

(半导体膜上)

隆起部底边长度b 18μm(单次照射测定)

扫描间距p 15μm、10μm、5μm(15μm为比较例)

隆起部底边长度测定装置SII·纳米技术株式会社(エスアイアイ·ナノテクノロジー株式会社)制扫描型探针显微镜装置商品名“S-image(エスイメージ)”

按照上述条件照射脉冲激光，评价了所获得的多晶硅的照射不均。照射不均按照以下基准进行评价。

在结晶硅膜上的多个地点照射检查光，接收各自的反射光而获得彩色图像，检测出彩色图像的颜色成分，基于检测出来的颜色成分使彩色图像单色化。接着，对单色化后的图像的数据进行卷积(convolution)，获取强调了图像深浅的图像数据，并对强调了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。单色化可采用所检测到的颜色成分中的主要颜色成分来进行，主要颜色成分是光分布与其他的颜色成分相比相对较大的颜色成分。

单色化后的图像数据利用以激光束方向为行、激光的扫描方向为列的矩阵数据来表示，在卷积中，通过将规定系数的矩阵与单色化后的图像数据的矩阵相乘来进行。

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，分别获得强调了射束方向的图像深浅的图像数据、以及强调了扫描方向的图像深浅的图像数据。

具体而言，进行以下卷积。另外，规定系数的矩阵并不限于下述内容。

【数学式1】

对于强调了图像深浅的图像数据，利用在扫描方向、射出方向呈现出大量条纹的情况，求得各方向的射影。

具体地，利用以下所示的式分别对射出方向、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。

射影是各个方向上的总和，因此对噪音强的、随机的值被相互抵消。即，射出不均可通过计算射出方向的射影的差，作为数值来表示。射出不均较强的图像在射出方向的射影差变大，较弱的图像的射影差变小。相同地，扫描不均可通过计算扫描方向的射影的差，作为数值来表示。扫描不均较多的图像在扫描方向的射影差变大，较弱的图像的射影差变小。如此，基于射影差，可将射出不均以及扫描不均数值化。

图4表示改变扫描间距而进行试验的情况下将射出不均数值化而得的图表。

比较例中，照射不均的程度成为0.22～0.27的指标。

另一方面，扫描间距10μm和5μm满足本发明的条件式(1)，扫描间距为10μm时射出不均为0.13～0.18，5μm时，射出不均为0.081～0.11的指标，照射不均显著得到缓和。

图5的附图代用照片(倍率6倍)是表示在上述评价中强调了深浅的画面的照片。可知相对于扫描间距为15μm的比较例中不均明显的情况，扫描间距为10μm、5μm时，不均变少。

以上，基于上述实施方式对本发明进行了说明，但本发明不受限于上述实施方式的内容，只要不脱离本发明的范围，就可以作出适当的变更。

符号说明

1 激光退火装置

2 处理室

3 扫描装置

5 基板设置台

6 导入窗

7 控制部

10 脉冲起振激光光源

11 衰减器

12 光学体系

20 膜面形状测定装置

100 基板

101 硅膜

102 隆起部

Claims (9)

1.激光处理方法，该方法是在非单晶半导体膜上扫描具有规定的射束截面形状的脉冲激光并以规定的扫描间距进行重叠照射而得结晶半导体膜的激光处理方法，其特征在于，

将通过对所述半导体膜的脉冲激光照射而在所述半导体膜上被照射的脉冲激光束的扫描方向后端侧形成的隆起部的底边的扫描方向长度设为b，所述扫描间距设为p，

在所述扫描间距设定在满足下式(1)的范围内进行所述脉冲激光的重叠照射，

0.75b≥p≥0.25b…(1)。

2.如权利要求1所述的激光处理方法，其特征在于，对所述半导体膜的脉冲激光照射在所述半导体膜上以最适合于结晶化的照射能量密度进行。

3.如权利要求1或2所述的激光处理方法，其特征在于，所述脉冲激光的波长在400nm以下。

4.如权利要求1或2所述的激光处理方法，其特征在于，所述脉冲激光的脉冲半宽值在200ns以下。

5.如权利要求1或2所述的激光处理方法，其特征在于，所述非单晶半导体为硅。

6.如权利要求1或2所述的激光处理方法，其特征在于，所述扫描间距为5～20μm。

7.如权利要求1或2所述的激光处理方法，其特征在于，测定通过对所述半导体膜的脉冲激光照射而在所述半导体膜上被照射的脉冲激光束的扫描方向后端侧形成的隆起部的底边的扫描方向长度，根据该测定结果决定所述扫描间距。

8.激光处理装置，其特征在于，具备：以规定的重复频率输出脉冲激光的脉冲起振激光光源，

调整所述脉冲激光的射束截面形状并引导至非单晶半导体膜的光学体系，

调整所述脉冲激光的能量密度的衰减器，

对所述非单晶半导体膜使所述脉冲激光相对移动、对所述非单晶半导体膜以规定的扫描速度扫描所述脉冲激光的扫描装置，以及

控制所述激光光源、所述衰减器以及所述扫描装置的控制部，

所述控制部按照如下条件决定所述激光光源的重复频率和所述扫描装置的扫描速度，即，获取通过对半导体膜的脉冲激光照射而在所述半导体膜上被照射的脉冲激光束的扫描方向后端侧形成的隆起部的底边的扫描方向长度b，根据该扫描方向长度，使所述脉冲激光向所述非单晶半导体膜照射时的扫描间距p满足下式(1)的条件，

0.75b≥p≥0.25b…(1)。

9.如权利要求8所述的激光处理装置，其特征在于，具备：测定通过对半导体膜的脉冲激光的照射而在所述半导体膜上被照射的脉冲激光的扫描方向后端侧形成的隆起部的底边的扫描方向长度b的膜表面形状测定装置。