CN108780744A - 激光退火装置 - Google Patents

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Aurora Advanced Laser Corp
Kyushu University NUC
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Abstract

激光退火装置具备：CW激光装置，其输出对非晶硅进行预热的CW激光，该CW激光是基于连续振荡的激光；脉冲激光装置，其对已被进行了预热的非晶硅输出脉冲激光；光学系统，其将CW激光和脉冲激光引导至非晶硅；以及控制部，其控制CW激光的照射能量密度，以便将非晶硅预热至低于熔点的规定的目标温度，并且控制脉冲激光的注量和脉冲数中的至少一方，以使被进行了预热的非晶硅结晶。

Description

激光退火装置
技术领域
本发明涉及一种激光退火装置。
背景技术
在液晶显示器(LCD：Liquid Crystal Display)中使用了在基板上形成有薄膜晶体管(TFT：Thin Film Transistor)的TFT基板。在液晶显示器中，TFT作为对由液晶单元构成的像素进行驱动的开关元件发挥功能。
通常情况下是使用玻璃基板来作为TFT基板的，但也在开发使用树脂制的柔性基板的TFT基板。作为TFT材料而使用非晶硅(a-Si)或多晶硅(poly-Si)。已知由于多晶硅与非晶硅相比，载流子迁移率高2个数量级左右，因此使用多晶硅会大幅度提高TFT的开关特性。
由于TFT基板所使用的玻璃基板或柔性基板耐热性较低，因此一直以来使用的是能够利用成膜温度较低的等离子体CVD(Chemical Vapor Deposition：化学气相沉积)法来进行成膜的非晶硅。与此相对，在多晶硅的成膜中，通常需要成膜温度较高的热CVD法，从而无法在耐热性较低的基板上直接成膜出多晶硅。因此，使用如下的方法作为在耐热性低的基板上成膜出多晶硅的方法：在基板上通过等离子体CVD法在基板上形成非晶硅后，利用激光退火装置将非晶硅改性为多晶硅(例如参照专利文献1至4)。
激光退火装置是如下的装置：通过对形成在基板上的非晶硅照射准分子脉冲激光等具有紫外线区的波长的脉冲激光来实施对非晶硅进行加热的退火的装置。非晶硅在通过退火而熔融后，通过结晶而成为多晶硅。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平6-077155号公报
专利文献2：WO2007/015388号公报
专利文献3：日本特开2000-12484号公报
专利文献4：日本特开2004-349643号公报
发明内容
本发明的一个观点的激光退火装置对基板上的非晶硅照射基于脉冲振荡的脉冲激光而进行退火，在该激光退火装置中具备：CW激光装置、脉冲激光装置、光学系统以及控制部。CW激光装置输出对非晶硅进行预热的CW激光，该CW激光是基于连续振荡的激光。脉冲激光装置对预热后的非晶硅输出脉冲激光。光学系统将CW激光和脉冲激光引导至非晶硅。控制部控制CW激光的照射能量密度，以便将非晶硅预热至低于熔点的规定的目标温度，并且控制脉冲激光的注量与脉冲数中的至少一方，以使已被进行了预热的非晶硅结晶。
附图说明
在以下，参照附图将本发明的几个实施方式仅作为示例来进行说明。
图1示意性示出比较例的激光退火装置的结构。
图2A示出脉冲激光照射至非晶硅膜的状态，图2B示出非晶硅膜被改性成多晶硅膜的状态。
图3是示出比较例的退火处理步骤的流程图。
图4示意性示出第1实施方式的激光退火装置的结构。
图5是示出第1实施方式的退火处理的步骤的流程图。
图6是示出CW激光及脉冲激光的输出状态和仅基于CW激光的被照射物的表面温度的时效变化的时序图。
图7A示出为了对非晶硅膜进行预热而照射CW激光的状态。图7B示出CW激光和脉冲激光照射至非晶硅膜的状态。图7C示出非晶硅膜被改性成多晶硅膜的状态。
图8是脉冲激光的注量与通过退火而结晶的粒径的尺寸的关系的曲线图。
图9是第1实施方式的变形例2的时序图。
图10A是示出多晶硅的光吸收率的波长依赖性的曲线图。图10B是示出非晶硅的光吸收率的波长依赖性的曲线图。
图11A是示出多晶硅的透光率的波长依赖性的曲线图。图11B是示出非晶硅的透光率的波长依赖性的曲线图。
图12示意性示出第2实施方式的激光退火装置的结构。
图13是示出第2实施方式的退火处理的步骤的流程图。
图14是示出CW激光和脉冲激光的输出状态与仅基于CW激光的被照射物的表面温度的时效变化的时序图。
图15示意性地示出第3实施方式的激光退火装置的结构。
图16是CW激光的线光束和脉冲激光的线光束的照射区域的重合的说明图。
图17示出相对进行移动的被照射物与线光束的关系。
图18A是线光束的照射区域的放大图，图18B示出图18A的B-B截面中的线光束的光强度分布。
图19是示出第3实施方式的退火处理的步骤的流程图。
图20是说明通过与被照射物的相对移动使线光束通过被照射物31上的点P的情况下的、点P处的温度的时效变化的图。
图21A是线光束的照射区域的放大图，图21B示出图21A的B-B截面中的线光束的光强度分布。
图22示出具备多个半导体光源的CW激光装置41的变形例。
图23示出脉冲激光装置的结构例。
图24示出复眼透镜。
实施方式
<内容>
1.概要
2.比较例的激光退火装置
2.1 激光退火装置的结构
2.2 激光退火装置的动作
2.3 课题
3.第1实施方式的激光退火装置
3.1 结构
3.2 动作
3.3 作用
3.4 变形例1
3.5 变形例2
3.6 脉冲激光的中心波长的优选范围
4.第2实施方式的激光退火装置
4.1 结构
4.2 动作
4.3 作用
4.4 变形例
4.5 其他
5.第3实施方式的激光退火装置
5.1 结构
5.2 动作
5.3 作用
5.4 变形例1
5.5 变形例2
5.6 变形例3
6.脉冲激光装置的详情
7.复眼透镜
以下，参照附图对本发明的实施方式详细地进行说明。以下所说明的实施方式示出本发明的几个例子，其并不会限定本发明的内容。此外，各实施方式中所说明的结构及动作不一定全部都是本发明的结构及动作所必须的。另外，对相同的结构要素标注相同的参照标号，并省略重复的说明。
1.概要
本发明涉及对基板上的非晶硅照射基于脉冲振荡的脉冲激光而进行退火的激光退火装置。
2.比较例的激光退火装置
2.1 激光退火装置的结构
图1示意性示出比较例的激光退火装置的结构。激光退火装置具备脉冲激光装置3和退火装置4。脉冲激光装置3与退火装置4通过光导管连接。
脉冲激光装置3是输出基于脉冲振荡的脉冲激光的装置。脉冲激光的脉冲时间宽度例如为约10ns～100ns的范围。在本例中，脉冲激光装置3是输出紫外区的脉冲激光的准分子脉冲激光装置。
准分子脉冲激光装置是例如以ArF、KrF、XeCl或XeF作为激光介质的准分子脉冲激光装置。在ArF准分子脉冲激光装置的情况下，脉冲激光的中心波长约为193.4nm。在KrF准分子脉冲激光装置的情况下，脉冲激光的中心波长约为248.4nm。在XeCl准分子脉冲激光装置的情况下，脉冲激光的中心波长约为308nm。在XeF准分子脉冲激光装置的情况下，脉冲激光的中心波长约为351nm。
此外，可以使用固体脉冲激光装置代替准分子脉冲激光装置。固体脉冲激光装置是固体脉冲激光装置与波长转换装置的组合，固体脉冲激光装置输出约1μm(1064nm)波长的脉冲激光，波长转换装置对脉冲激光进行使用非线形晶体的波长转换。波长转换装置将约1μm波长的脉冲激光转换成波长为355nm的第3高次谐波或波长为226nm的第4高次谐波。作为约1μm的脉冲激光装置，存在YAG激光装置、Yb光纤激光装置。
退火装置4包括光学系统21、工作台27、XYZ载台28、框架29、以及退火控制部32。在框架29上固定有光学系统21和XYZ载台28。
工作台27支承被照射物31。被照射物31是被照射脉冲激光从而被进行退火的对象，在本例中，是用于制造TFT基板的中间产品。XYZ载台28支承工作台27。XYZ载台28能够沿X轴方向、Y轴方向、Z轴方向移动，通过调整工作台27的位置，能够调整被照射物31的位置。XYZ载台28调整被照射物31的位置，使得从光学系统21射出的脉冲激光照射至被照射物31。
光学系统21具备例如高反射镜36a～36c、掩模37、转印光学系统38、监视装置39。高反射镜36a～36c以较高的反射率反射紫外区的脉冲激光。高反射镜36a使从脉冲激光装置3输入的脉冲激光向掩模37反射。高反射镜36b使穿过掩模37的脉冲激光向高反射镜36c反射。高反射镜36c使脉冲激光向转印光学系统38反射。在高反射镜36a～36c中，例如在由合成石英或氟化钙形成的透明基板的表面上涂覆有对脉冲激光进行高反射的反射膜。
高反射镜36c是使紫外区的光透过，且使可见光透过的分色镜。在掩模37上形成有开口，该开口规定照射到被照射物31的脉冲激光的照射区域的尺寸及形状。
转印光学系统38是将通过掩模37的开口而形成的照射区域的像、即开口像转印到被照射物31的表面的光学系统，其转印光强度均匀的开口像。转印光学系统38例如由两个聚光光学系统38a、38b构成。转印光学系统38可以由一个凸透镜构成，也可以是包括一个或多个凸透镜和一个或多个凹透镜的光学系统。此外，转印光学系统38可以是对可见区域和紫外区的脉冲激光的波长进行色差校正的透镜。
为了调整被照射物31的位置，监视装置39监视被照射物31的表面。监视装置39包括例如照明装置39a、半透半反镜39b、以及图像传感器39c。照明装置39a具有发出可见光的光源。在半透半反镜39b中，在使可见光透过的基板上形成光学膜，该光学膜使可见光的大约50％反射，使可见光的大约50％透过。图像传感器39c是针对可见光具有光接收灵敏度的受光元件呈二维地排列而成的二维图像传感器，例如是CCD(Charge Coupled Device：电荷耦合器件)图像传感器、CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor：互补金属氧化物半导体)图像传感器。
半透半反镜39b配置在使从照明装置39a入射的大约50％的可见光向高反射镜36c反射的位置。被半透半反镜39b反射的可见光透过高反射镜36c而入射至转印光学系统38。转印光学系统38将可见光照射至被照射物31的表面。由此，被照射物31的表面通过可见光而被照亮。被被照射物31的表面反射的可见光透过转印光学系统38及高反射镜36c，入射至半透半反镜39b。半透半反镜39b使入射的可见光的大约50％透过。
图像传感器39c配置在，被可见光照亮的被照射物31的表面的像经由转印光学系统38、高反射镜36c及半透半反镜39b而成像的位置。图像传感器39c拍摄被照射物31的表面的像。图像传感器39c将所拍摄到的像作为监视图像输出到退火控制部32。
如图2A所示，被照射物31例如包括：玻璃基板31a；基底绝缘膜31b及31c，它们形成在玻璃基板31a上；非晶硅膜31d，其形成在基底绝缘膜31b及31c上。基底绝缘膜31b及31c例如是氮化硅膜(SiN)和氧化硅膜(SiO2)。非晶硅膜31d是非晶硅(a-Si)薄膜，是进行退火的对象。
2.2 激光退火装置的动作
如图3的流程图所示，在进行退火的情况下，首先，在S10中将被照射物31设置在XYZ载台28上。在S11中使监视装置39的照明装置39a点亮。
在S12中，退火控制部32将被照射物31移动到初始位置。初始位置例如是最初的退火位置。此处，所谓退火位置是指，被照射物31的作为退火的对象区域的退火区域、和利用光学系统21使脉冲激光的掩模37的开口像成像的照射位置一致的位置。在被照射物31具有多个退火区域的情况下，第一个退火区域与照射位置一致的位置成为最初的退火位置。
退火控制部32根据图像传感器39c所输出的监视图像来检测被照射物31的退火区域。退火控制部32根据该检测结果控制XYZ载台28，调整被照射物31的X轴方向和Y轴方向的位置，由此，将被照射物31移动到作为最初的退火位置的初始位置。
此外，退火控制部32根据监视图像，搜索在被照射物31的表面上与焦点一致的Z轴方向上的位置。退火控制部32控制XYZ载台28，调整被照射物31的Z轴方向上的位置，使得被照射物31的退火区域与转印光学系统38的成像位置一致。
接下来，退火控制部32控制向被照射物31的退火区域照射的脉冲激光的注量和脉冲数。此处，注量表示脉冲激光所包含的每一个脉冲的照射能量密度(mJ/cm2)。在S13中，退火控制部32将脉冲激光所输出的目标脉冲能量Et的数据向脉冲激光装置3发送，以使得被照射物31的表面的退火区域中的注量达到规定值。
脉冲数是对同一个退火区域照射的脉冲激光的脉冲数。在S14中，退火控制部32以规定的重复频率，发送与预先设定的N个脉冲数对应的数量的发光触发信号。此处，N为1以上的整数。
脉冲激光装置3根据接收到的目标脉冲能量Et和发光触发信号而输出脉冲激光。脉冲激光装置3所输出的脉冲激光被输入至退火装置4。在退火装置4中，脉冲激光经由高反射镜36a、掩模37、高反射镜36b、及高反射镜36c而入射至转印光学系统38。
转印光学系统38将通过掩模37而形成的脉冲激光的掩模像转印到被照射物31的表面。由此，如图2A所示，针对非晶硅膜31d，向与掩模像对应的照射区域照射脉冲激光。脉冲激光的照射按照与目标脉冲能量Et对应的注量、及所设定的脉冲数来进行。当对非晶硅膜31d照射脉冲激光时，非晶硅膜31d上升到熔点Tm以上的温度并熔融。非晶硅膜31d在熔融后的再次硬化时结晶。由此，如图2B所示，非晶硅膜31d中的、被照射脉冲激光的退火区域被改性成多晶硅膜31e。
当针对一个退火区域的脉冲激光的照射结束时，在S15中，退火控制部32判定对全部的退火区域进行的照射是否已结束。退火控制部32在存在未处理的退火区域的情况下(S15中为否)，进入S16。在S16中，退火控制部32控制XYZ载台28，将被照射物31移动到下一个退火位置。之后，重复上述S13及S14的步骤。在S15中，退火控制部32在判定为不存在未处理的退火区域，针对被照射物31的全部退火区域的脉冲激光的照射已结束的情况下(S15中为是)，结束对被照射物31的退火处理。
2.3 课题
多晶硅膜31e由大量的晶体构成，优选为各晶体的粒径较大。这是因为例如在将多晶硅膜31e用于TFT的沟道的情况下，各晶体的粒径越大，则沟道内的晶体间的界面的数量便越小，从而在界面上产生的载流子的散射会减少。即，多晶硅膜31e的各晶体的粒径越大，则载流子的迁移率越高，TFT的开关特性便会提高。这样，为了增大多晶硅的晶体的粒径，需要提高非晶硅的熔融温度、延长硬化时间。
在上述比较例的激光退火装置中，为了增大多晶硅膜31e的各晶体的粒径，需要提高施加于非晶硅膜31d的脉冲激光的脉冲能量。
但是，为了提高脉冲激光的脉冲能量，需要使用高输出的脉冲激光装置来作为激光退火装置中所包括的脉冲激光装置。通过提高脉冲能量来得到高输出的脉冲激光装置存在大型、且制造成本高、功耗也较大的课题。例如，在准分子脉冲激光装置的情况下，为了提高脉冲能量，需要增大后述的激光腔室71(参照图23)，因此尺寸会变大，制造成本也会变高，且功耗也会增大。
在以下说明的实施方式中，为了解决该课题，具备CW激光装置41和退火控制部32A。CW激光装置41输出基于连续振荡的激光，该激光是对非晶硅进行预热的CW激光。退火控制部32A控制CW激光的照射能量密度，使得非晶硅被预热至低于熔点的规定的目标温度Tt。然后，退火控制部32A控制脉冲激光的注量和脉冲数的至少一方，使得被预热的非晶硅结晶。退火控制部32A相当于权利要求中的控制部。
3.第1实施方式的激光退火装置
3.1 结构
图4示意性示出第1实施方式的激光退火装置的结构。第1实施方式的激光退火装置具备退火装置4A以代替参照图1所说明的作为比较例的激光退火装置的退火装置4。第1实施方式的退火装置4A除了退火装置4的结构之外，还具备CW激光装置41。此外，伴随于设置了CW激光装置41，退火装置4A具备退火控制部32A及光学系统21A以代替退火装置4的退火控制部32及光学系统21。
CW激光装置41是输出基于连续振荡的激光即CW(Continuous Wave：连续波)激光的装置，例如半导体激光装置。CW激光的中心波长在本例中约为450nm。CW激光装置41通过向被照射物31照射CW激光而将被照射物31的非晶硅膜31d预热至低于非晶硅的熔点Tm且接近熔点Tm的规定的目标温度Tt。非晶硅的熔点Tm为1414℃。目标温度Tt优选为1300℃≤Tt<1414℃的范围。
光学系统21A除了图1所示的比较例的光学系统21的结构之外，还具备光闸42和高反射镜44。高反射镜44是涂覆有膜的分色镜，该膜以较高的反射率使中心波长约为450nm的光向转印光学系统38反射，以较高的透射率使除此之外的可见光透过。脉冲激光也入射至转印光学系统38。
高反射镜44通过使CW激光向转印光学系统38反射，使CW激光的照射光路与可见光的光路耦合。并且，高反射镜36c使CW激光的照射光路与脉冲激光的照射光路耦合。高反射镜44与高反射镜36c相当于权利要求中的使照射光路耦合的光学系统。此处，所谓耦合是指，使2条以上的光路重合为大致相同的光路。光学系统21A经由耦合所得到的照射光路，将CW激光及脉冲激光引导至被照射物31上的非晶硅膜31d。此外，光学系统21A构成为，非晶硅膜31d中的CW激光的照射区域将脉冲激光的照射区域的整个区域全部包括在内。
光闸42配置在CW激光装置41与高反射镜44之间的CW激光的光路上。光闸42由致动器42a驱动而开闭。通过光闸42的开闭，对CW激光的照射与非照射进行切换。
退火控制部32A除了图1所示的退火控制部32的功能之外，还对CW激光装置41和光闸42进行控制。
3.2 动作
参照图5及图6对第1实施方式的动作进行说明。图5是示出第1实施方式的退火处理的步骤的流程图。图6是示出CW激光及脉冲激光的输出状态和仅基于CW激光的、被照射物31的表面温度的时效变化的时序图。
如图5所示，在第1实施方式中，至被照射物31向XYZ载台28的设置(S100)、照明装置39a的点亮(S101)、和被照射物31向初始位置的移动(S102)为止的步骤与图3中所示的比较例的流程图中的S10～S12相同。
在S103中，退火控制部32A将开始指示与目标输出Wt的值一同发送给CW激光装置41，开始指示使CW激光开始以目标输出Wt输出。接收到开始指示时，CW激光装置41开始以目标输出Wt输出CW激光。
如图6的时序图所示，在初始状态下，由于光闸42关闭，即使CW激光的输出接通，在光闸42关闭的期间，CW激光也会被光闸42屏蔽。因此，CW激光不会入射至高反射镜44，不会照射至被照射物31。
在S104中，退火控制部32A向脉冲激光装置3发送目标脉冲能量Et。在该阶段中，由于未发送发光触发信号，因此脉冲激光的输出没有开始。
在S105中，退火控制部32A对致动器42a发送打开光闸42的指示。当光闸42打开时，CW激光开始经由高反射镜44而入射至转印光学系统38，向被照射物31照射。如图7A所示，通过照射CW激光而开始使非晶硅膜31d预热。
在S106中，当光闸42打开时，退火控制部32A重置定时器并使其启动。然后，在S107中，退火控制部32A利用定时器计测经过的时间，并对所测定到的时间t是否达到规定时间K进行判定。
此处，规定时间K是在以目标输出Wt向被照射物31的非晶硅膜31d照射CW激光的情况下，从照射开始至非晶硅膜31d的温度T达到目标温度Tt为止的时间。预先计测规定时间K，并将计测出的值设定于退火控制部32A。
另外，如后述那样，在本例中，CW激光的照射持续至脉冲激光的照射结束为止。在这种情况下，可以以如下方式求出规定时间K。首先，求出使得在CW激光的照射结束时刻温度T成为比目标温度Tt高且比熔点Tm略低的温度的、CW激光的照射时间K1。然后，将从照射时间K1减去脉冲激光的照射时间K2所得到的值、即“K1-K2”设为规定时间K。
如图6所示，在打开光闸42并开始照射CW激光时，非晶硅膜31d的温度开始向目标温度Tt上升。当时间t达到规定时间K时，非晶硅膜31d的温度T达到目标温度Tt。
在S107中，在判定为时间t达到规定时间K的情况下(S107中为是)，退火控制部32A向S108前进，以规定的重复频率对脉冲激光装置3发送N个发光触发信号。由此，如图6所示，以规定的重复频率进行包括N个脉冲的脉冲激光的输出。
另外，在图6的时序图中，CW激光的照射期间与脉冲激光的照射期间的比例是便利性地示出的。实际上，相对于CW激光的照射期间为数秒(s)的级别，如上所述，脉冲激光的脉冲时间宽度为约10ns～约100ns，与CW激光的照射期间相比，脉冲激光的照射期间非常短。
脉冲激光以与目标脉冲能量Et相对应的注量被照射至被照射物31的非晶硅膜31d。通过脉冲激光的照射，非晶硅膜31d上升至熔点Tm以上的温度并熔融。在图6中，如虚线所示，在照射脉冲激光期间，仅由CW激光而引起的温度变化维持为低于熔点Tm。图6所示的温度变化是假设仅照射CW激光的情况下的非晶硅膜31d的温度变化，在照射脉冲激光的情况下，非晶硅膜31d的温度T当然会超过熔点Tm。
在S108中，当脉冲激光的输出结束时，退火控制部32A向S109前进，对致动器42a发送关闭光闸42的指示，从而关闭光闸42。如图6所示，当光闸42被关闭时，由于CW激光被光闸屏蔽，因此CW激光的照射结束。
当脉冲激光的照射结束时，非晶硅膜31d下降至低于熔点Tm的温度，从而再次硬化。在脉冲激光的照射结束后，如果CW激光的照射也结束，则非晶硅膜31d的温度T会进一步下降并硬化。非晶硅膜31d在熔融后并再次硬化的过程中进行结晶，从而改性成多晶硅膜31e。
退火控制部32A在S109之后，执行与图3中所示的比较例的S15及S16同样的S110和S111。在S110中，退火控制部32A在判定为存在下一个还未处理的退火区域的情况下(S110中为否)，向S111前进，并将被照射物31移动到下一个退火位置。然后，在下一个退火位置，重复S105至S109的步骤。另一方面，在不存在还未处理的退火区域的情况下，判定为对被照射物31的全部退火区域的脉冲激光的照射结束，(S110中为是)，结束对被照射物31的退火处理。在退火处理结束的情况下，退火控制部32A向S112前进，关闭CW激光装置，停止CW激光的输出。
3.3 作用
图7是第1实施方式中的CW激光和脉冲激光的照射步骤的说明图。如图7A所示，在第1实施方式中，在对非晶硅膜31d在照射脉冲激光之前，照射CW激光。由此而进行预热，使得非晶硅膜31d的温度T达到目标温度Tt。接下来，如图7B所示，对预热后的非晶硅膜31d照射脉冲激光。在照射脉冲激光的期间内也持续照射CW激光。如图7C所示，非晶硅膜31d中的、被照射了脉冲激光的退火区域改性成多晶硅膜31e。
通过照射CW激光，非晶硅膜31d被预热至低于熔点Tm且接近熔点Tm的目标温度Tt，并且在预热后的状态下被照射脉冲激光。因此，在第1实施方式中，与比较例中的脉冲激光的单独照射的情况比较，能够使为了利用脉冲激光使非晶硅膜31d熔融所必需的最低输出相应地减小以CW激光进行预热的量。由此，由于能够抑制脉冲激光装置3的输出的上升，脉冲激光装置3的制造成本的上升和功率消耗的上升也被抑制。
此外，即使在脉冲激光的脉冲能量与比较例相同的情况下，通过CW激光的预热，会提高非晶硅膜31d的熔融温度，从而能够延长硬化时间。因此，能够增大改性成多晶硅膜31e的情况下的晶体的粒径。
此外，由于CW激光的照射区域将脉冲激光的照射区域全部包含在内，因此能够对被脉冲激光照射的退火区域的整个区域进行预热。此外，由于光学系统21A具备使CW激光的照射光路与脉冲激光的照射光路耦合的光学系统，光学系统能够使小型化以及简化。
图8所示的曲线图是示出脉冲激光的注量(mJ/cm2)与通过退火而结晶的粒径(nm)的尺寸的关系的曲线图。粒径的尺寸是结晶了的多个晶体的粒径的平均值。以菱形描点而成的曲线图是仅利用脉冲激光的单独照射来进行退火的情况下的曲线图，其与比较例对应。以圆圈描点而成的曲线图是用CW激光进行预热、之后同时照射脉冲激光和CW激光而进行退火的情况下的曲线图，与第1实施方式对应。
在本例中，脉冲激光是XeF脉冲激光，CW激光是中心波长为约450nm的蓝色CW激光。CW激光的照射时间包括预热时的CW激光的单独照射的照射期间和与脉冲激光同时照射的照射期间，大约为10s。
如曲线图所示，当脉冲激光的注量上升时，结晶的粒径也会增大至某个值。在脉冲激光的单独照射的情况下，粒径的峰值约为500nm，这种情况下的脉冲激光的注量约为360mJ/cm2。与此相对，在以CW激光的照射进行预热的情况下，粒径的峰值约为800nm，与单独照射的情况下相比而增大。此外，还可知，在粒径示出了峰值的情况下，脉冲激光的注量约为300mJ/cm2，与单独照射比较，注量被抑制，低出了大约60mJ/cm2。
此外，根据该曲线图可知，在进行CW激光的预热的情况下，与脉冲激光的单独照射的情况相比，能够显著地观察到粒径增大这一效果的、注量的范围是240mJ/cm2～300mJ/cm2。因此，脉冲激光的注量的范围优选为240mJ/cm2～300mJ/cm2的范围。
另一方面，CW激光的照射能量密度(J/cm2)的范围优选为，出现利用CW激光的照射辅助脉冲激光使粒径增大的效果出现的范围，更加优选为，能够将非晶硅膜31d加热至目标温度Tt的范围。具体而言，非晶硅膜31d上的、CW激光的优选的照射能量密度的范围是318J/cm2～6340J/cm2的范围。此处，所谓CW激光的照射能量密度是指，对一个退火区域照射的CW激光的总照射能量密度。
CW激光的照射能量密度(J/cm2)是光强度密度(W/cm2)与照射时间(s)之积。CW激光的照射时间在上述的例子中约为10s，但优选在约1s～约10s的范围内进行调节。在照射时间的范围在约1s～10s的范围内被进行调节的情况下，为了得到上述照射能量密度，CW激光的目标输出Wt即光强度密度(W/cm2)优选在大约318W/cm2～634W/cm2的范围内被进行调节。
在利用CW激光的照射进行预热的情况下，退火控制部32A通过控制光强度密度和照射时间的至少一方来控制CW激光的照射能量密度。
此外，如图6所示，在本例中，即使在脉冲激光的照射开始后，在照射脉冲激光的期间也持续照射CW激光。即，CW激光的照射期间与脉冲激光的照射期间的整个期间在时间上是重合的，照射脉冲激光与CW激光被同时照射。
结晶是非晶硅膜31d在熔融后并再次硬化的过程中进行的。如果在脉冲激光的照射开始后也持续利用CW激光进行加热，则在非晶硅膜31d熔融后，在进行结晶并改性成多晶硅膜31e的过程中，能够较高地维持多晶硅膜31e的温度。由此，由于硬化时间变长，能够充分确保结晶生长的时间，因此结晶会进一步生长，从而能够期待结晶的粒径增大的效果。
另外，虽然在本例中，以脉冲激光的照射期间的整个期间与CW激光的照射期间重合的例子进行了说明，但脉冲激光的照射期间与CW激光的照射期间也可以部分地重合。
3.4 变形例1
对于CW激光的照射的结束定时，虽然在图6的例子中，几乎是在脉冲激光的照射结束的同时结束CW激光的照射，但也可以在脉冲激光照射结束后，使至CW激光的照射结束为止的延迟时间延长。如果在脉冲激光照射结束后还持续CW激光的照射，与图6的例子相比，由于进一步延长了硬化时间，因此能够期待结晶的粒径进一步增大的效果。退火控制部32A能够通过控制关闭光闸42的时间来延长延迟时间。
3.5 变形例2
图9是第1实施方式的变形例2的时序图。在变形例2中，与图6的例子不同，仅进行利用CW激光的照射的预热，在脉冲激光的照射开始的同时，停止CW激光的照射。如变形例2所示，CW激光的照射期间可以不与脉冲激光的照射期间重合。
在这种情况下，通过进行利用CW激光的照射的预热，能够获得抑制为了使非晶硅膜31d熔融所需的脉冲激光的最低输出的效果。此外，在本例的情况下，在脉冲激光的照射开始的时刻，非晶硅膜31d的温度T也上升到熔点Tm附近。因此，虽然与图6的例子或变形例1相比是较少的，但考虑与比较例相比硬化时间延长，因此也能够期待增大粒径的效果。当然，如上述的图6的例子或变形例1所示，对于增大粒径的效果，能够期待设置同时照射CW激光和脉冲激光的期间具有更大的效果，因此优选。
3.6 CW激光的中心波长的优选范围
图10是示出多晶硅及非晶硅的光吸收率的波长依赖性的曲线图。图10A是多晶硅的曲线图，图10B是非晶硅的曲线图。光吸收率越大，则温度上升的效率越佳。此外，在图10A和10B的各自之中，实线是膜厚为100nm的情况下的曲线图，点划线是膜厚为50nm的情况下的曲线图，波浪线是膜厚为30nm的情况下的曲线图。膜厚30nm、50nm、100nm是制造TFT基板的情况下的典型的膜厚。图10A是在作为基底膜的氧化硅膜(SiO2)上形成多晶硅膜的条件下计算出的数据，图10B是在作为基底膜的氧化硅膜(SiO2)上形成非晶硅膜的条件下计算出的数据。
一般而言，能够称作高效率的光吸收特性指的是，光吸收率的值为0.15以上的情况，只要在0.15以上，便能够期待CW激光照射的加热效果。首先，在膜厚为100nm的情况下，如图10B所示，相对于波长为大约650nm的红色激光，非晶硅的光吸收率达到0.15以上。但是，该波长的多晶硅的光吸收率为0.05，与非晶硅相比较低。
如上文所述，如果在脉冲激光的照射开始后也同时照射CW激光，由于在结晶的过程中能够将多晶硅的温度维持为较高，因此能够充分确保结晶生长的时间，从而能够期待粒径增大的效果。这是以利用CW激光的照射不仅对非晶硅，对多晶硅也具有使温度上升的加热效果为前提的。波长约为650nm的红色激光对于非晶硅而言加热效果较好，但由于多晶硅的光吸收率较低，因此对于多晶硅而言，加热效果较差。因此，即使使用波长大约为650nm的红色激光，也无法期待粒径增大的效果。
此外，如图10A所示，在多晶硅中，由于在波长超过500nm的区域中，任一膜厚的光吸收率均小于0.15，因此加热效果较差。因此，即使使用波长超过500nm的CW激光，也无法期待粒径增大的效果。
另一方面，在图10A中，在膜厚为50nm、100nm的情况下，对于波长在500nm以下的情况，光吸收率为0.15以上。因此，在结晶的过程中，能够高效地持续吸收光，将多晶硅的温度维持在较高的温度，因此能够期待粒径增大的效果。因此，在膜厚为50nm～100nm的情况下，CW激光的波长优选为约500nm以下。此外，在膜厚为50nm～100nm的情况下，对于波长为大约450附近，多晶硅和非晶硅的光吸收率均显示出良好的值。因此，CW激光的波长更优选为约450nm附近。
此外，如图10A所示，在多晶硅中，在膜厚为30nm的情况下，如果波长不为420nm以下，则光吸收率达不到0.15以上。因此，如果还考虑膜厚为30nm的情况，则CW激光的中心波长优选为约420nm以下。
作为波长在420nm以下的CW激光，例如存在有GaN类半导体激光器输出的CW激光、作为连续振荡的YAG激光或光纤激光的第3高次谐波光、AlGaN类半导体激光。GaN类半导体激光器的CW激光的中心波长为405nm或450nm。第3高次谐波光的中心波长为355nm。AlGaN类半导体激光的中心波长为330nm。此外，作为波长为500nm以下的CW激光，除了上述之外，存在有中心波长为488nm的Ar离子激光、中心波长为450nm的半导体激光等。
3.6 脉冲激光的中心波长的优选范围
图11是示出多晶硅及非晶硅的透光率的波长依赖性的曲线图。图11A是多晶硅的曲线图，图11B是非晶硅的曲线图。此外，与图10同样地，在图11A及11B的各自之中，实线是膜厚为100nm的情况下的曲线图，点划线是膜厚为50nm的情况下的曲线图，波浪线是膜厚为30nm的情况下的曲线图。图11A是在作为基底膜的氧化硅膜(SiO2)上形成多晶硅膜的条件下计算出的数据，图11B是在作为基底膜的氧化硅膜(SiO2)上形成非晶硅膜的条件下计算出的数据。
脉冲激光与CW激光比较，光强度较高，因此在透过多晶硅膜、非晶硅膜等硅膜时，可能对玻璃基板或树脂基板造成损伤。特别是在使用了PET(聚乙烯对苯二甲酸酯)、PEN(聚萘二甲酸)、PI(聚酰亚胺)等树脂基板的情况下，比玻璃基板更容易发生损伤。
如图11所示，在多晶硅及非晶硅中，波长在365nm以下，透光率均显著下降。因此，脉冲激光的波长优选为365nm以下。能够使用上述的准分子脉冲激光装置、固体脉冲激光装置作为输出这样的波长的脉冲激光的脉冲激光装置。
4.第2实施方式的激光退火装置
4.1 结构
图12示意性示出第2实施方式的激光退火装置的结构。第2实施方式的激光退火装置具备退火装置4B以代替第1实施方式的退火装置4A。脉冲激光装置3与第1实施方式相同。
退火装置4B在除了图4所示的第1实施方式的退火装置4A的结构之外还具备放射温度计51这一点上是不同的。放射温度计51经由支架52固定于框架29。放射温度计51检测从被照射物31的表面发射的红外线，对位于被照射物31的表面的非晶硅膜31d的温度进行计测。放射温度计51将计测出的温度作为计测结果向退火控制部32B输出。
此外，退火装置4B具备退火控制部32B以代替第1实施方式的退火控制部32A。退火控制部32B具有根据放射温度计51的计测结果来控制脉冲激光的照射开始定时的功能。这一点与退火控制部32A是不同的。其他结构与第1实施方式的退火装置4A相同。
4.2 动作
参照图13及图14来说明第2实施方式的动作。图13是示出第2实施方式的退火处理的步骤的流程图。图14是示出CW激光及脉冲激光的输出状态和仅基于CW激光的、被照射物31的表面温度的时效变化的时序图。
如图13所示，S200～S205的处理步骤与图5中所示的S100～S105的处理步骤相同。退火控制部32B在S205中打开光闸，并开始CW激光的照射。退火控制部32B在CW激光的照射开始时，在S206中，开始利用放射温度计51计测温度T。
在S207中，退火控制部32B根据从放射温度计51输入的计测结果来判定被照射物31的非晶硅膜31d的温度T是否进入到规定温度Ta以上且规定温度Tb以下的范围。退火控制部32B在温度T未达到上述范围的情况下(S207中为否)，返回到S206。而且，在温度T进入到上述范围的情况下(S207中为是)，向S208前进，发送N个脉冲的发光触发信号，照射脉冲激光。S208～S212的处理步骤与第1实施方式的S108～S112的处理步骤相同。
此处，由规定温度Ta和规定温度Tb所规定的范围在目标温度Tt的范围内。如上所述，目标温度Tt的范围为1300℃≤Tt<1414℃的范围。例如，规定温度Ta为1400℃，规定温度Tb为1413℃。
4.3 作用
在第2实施方式中，用放射温度计51计测非晶硅膜31d的温度T，在确认了温度T处于规定温度Ta与Tb的范围内后，开始脉冲激光的照射。因此，与用定时器控制照射开始定时的第1实施方式进行比较，具有以下的优点。
首先，即将开始照射脉冲激光之前的温度T稳定。由于预先设定了脉冲激光的输出，因此通过使即将开始之前的温度T稳定，脉冲激光照射过程中的温度T也可能较为稳定。如果脉冲激光的照射过程中的温度T稳定，则具有多晶硅膜31e的晶体的粒径均匀的效果。
此外，根据被照射物31的种类，存在玻璃基板、树脂基板等基板材料不同，或非晶硅膜31d的膜厚不同的情况。当基板材料或膜厚不同时，即使CW激光的输出相同，非晶硅膜31d的温度T的上升率也不同。在这样的情况下，由于温度T是实际计测的，因此能够在不进行与基板材料或膜厚相对应的设定的前提下，使即将开始照射脉冲激光之前的温度T稳定。
4.4 变形例
此外，退火控制部32B可以根据放射温度计51的计测结果对CW激光装置41的输出进行反馈控制。具体而言，在非晶硅膜31d的温度T比规定温度Ta低的情况下，退火控制部32B提高CW激光装置41的CW激光的输出。另一方面，在温度T超过规定温度Tb的情况下，降低CW激光的输出。
4.5 其他
此外，在像这样能够控制CW激光装置41的CW激光的输出自身的情况下，可以通过控制CW激光装置41的输出来控制CW激光的照射的开始和结束。在这种情况下，可以不设置光闸42。
作为测量温度T的放射温度计51，可以使用例如以下文献中所记载的双色温度计(文献：精密工学会誌Vol.61,No2(1995)278-282：“レーザ照射部のフラッシュ温度測定”)。该文献中记载的双色温度计对从可见光中红外线的区域中选择的两个波长的光强度进行测定，计算强度比，由此来计测温度。双色温度计例如作为热辐射光的双色强度测定器，具有Ge元件和lnSb元件。而且，根据从各元件作为电压而输出的光强度的信号来测定强度比，由此来测量温度。该双色温度计适合测定非晶硅或多晶硅的微加工区域内高速变化的温度。
5.第3实施方式的激光退火装置
5.1 结构
图15示意性示出第3实施方式的激光退火装置的结构。图4所示的第1实施方式及图12所示的第2实施方式的各激光退火装置是在使被照射物31停止的状态下照射CW激光及脉冲激光的。与此相对，第3实施方式的激光退火装置是在使被照射物31向规定方向移动的同时，对被照射物31照射CW激光及脉冲激光的。第3实施方式的激光退火装置具备退火装置4C和光学系统21C。脉冲激光装置3与第1实施方式及第2实施方式相同。
在第3实施方式中，被照射物31例如是大画面显示器用的基板，形成有非晶硅膜31d的整个面成为退火区域。退火装置4C利用XYZ载台28，使被照射物31沿Y轴方向相对于从光学系统21C射出的CW激光及脉冲激光的照射位置进行匀速移动。CW激光及脉冲激光对以匀速移动通过照射位置的被照射物31进行照射。
光学系统21C具备脉冲激光用的第1光束均化器56和CW激光用的第2光束均化器57。第1光束均化器56配置在高反射镜36a与掩模37之间的光路上。第1光束均化器56具有复眼透镜56a和聚光光学系统56b。
掩模37具有线形状的开口。当脉冲激光通过掩模37的开口时，光束的截面形状被整形为线形。此处，在掩模37中，将截面形状被整形为线形，掩模37的开口像被转印光学系统39转印成像为线形的脉冲激光称作线光束PLB。
在第1光束均化器56中，聚光光学系统56b以复眼透镜56a的焦点与聚光光学系统56b的前侧焦点一致的方式配置。掩模37以与聚光光学系统56b的后侧焦点一致的方式配置。
此外，第2光束均化器57配置在CW激光装置41与高反射镜44之间的光路上。第2光束均化器57与第1光束均化器56同样，具有复眼透镜57a和聚光光学系统57b。此外，在第2光束均化器57与高反射镜44之间的光路上，配置有掩模58和高反射镜59。
掩模58具有线形的开口。CW激光在穿过掩模58的开口时，其光束的截面形状被整形为线形。此处，在掩模58中，将截面形状被整形为线形，掩模58的开口像被转印光学系统38转印成像为线形的CW激光称作线光束CWB。
在第2光束均化器57中，聚光光学系统57b以复眼透镜57a的焦点与聚光光学系统57b的前侧焦点一致的方式配置。掩模38以与聚光光学系统57b的后侧焦点一致的方式配置。
高反射镜59配置在使透过掩模58的开口的线光束CWB向高反射镜44反射的位置。高反射镜44以使线光束CWB经由高反射镜36c向转印光学系统38反射的方式配置。由此，高反射镜44和高反射镜36c使线光束CWB的光路与线光束PLB的光路耦合。转印光学系统38将线光束CWB和线光束PLB转印到照射位置。
图16是线光束CWB及PLB的照射区域重合的说明图。图17示出相对移动的被照射物31与线光束CWB及PLB的关系。如图16及图17所示，线光束CWB和线光束PLB的各自的照射区域呈在与被照射物31的移动方向(Y轴方向)垂直的宽度方向(X轴方向)上延伸的线形。线光束CWB和线光束PLB的X轴方向的各自长度LCW及LPL例如比被照射物31的X轴方向上的宽度W长。
因此，如图17所示，只要将被照射物31向Y轴方向的一个方向进行移动，则线光束CWB及PLB就会相对于被照射物31从初始位置相对地移动到最终位置。由此，能够对被照射物31的整个面照射线光束CWB和线光束PLB。
此外，线光束CWB的Y轴方向上的光束宽度DCW比线光束PLB的Y轴方向上的光束宽度DPL宽。而且，线光束CWB的照射区域与线光束PLB的照射区域在被照射物31的移动方向即Y轴方向上是重合的。在本例中，线光束PLB的照射区域的整个范围与线光束CWB的照射区域重合。即，线光束CWB的照射区域包含全部的线光束PLB的照射区域。关于线光束PLB的尺寸，例如长度LPL为1500mm，光束宽度DPL为400μm。
此外，线光束CWB的照射区域具有相对于线光束PLB的照射区域而在前的在前区域AP，使得在对通过照射位置的被照射物31照射线光束PLB之前，照射线光束CWB。
即，如图17所示，当将被照射物31在Y轴方向上的移动方向设为YS方向时，由于被照射物31与照射位置是相对进行移动的，因此线光束CWB和PLB的照射区域相对于被照射物31向YB方向前进。在向YB方向前进的线光束CWB中，在前方存在在前区域AP，线光束PLB的照射区域位于后方。由此，能够通过线光束CWB的在前区域AP的照射进行预热。
这样的线光束CWB及PLB的照射区域的形状、尺寸、以及各照射区域的重合情况由掩模58及掩模37的开口形状、尺寸、以及配置位置来决定。
在图18中，图18A是线光束CWB及PLB的照射区域的放大图，图18B示出B-B截面中的、线光束CWB及PLB的光强度分布。由于线光束PLB比线光束CWB的光强度高，因此光强度在在前区域AP内相对较低，在线光束PLB所处的区域内变高。
放射温度计51配置成能够计测通过线光束CWB的在前区域AP的照射位置的被照射物31的温度，更具体而言，能够计测即将通过线光束PLB的照射位置之前的非晶硅膜31d的温度T。
5.2 动作
参照图19及图20，说明第3实施方式的动作。图19是示出第3实施方式的退火处理的步骤的流程图。图20是说明通过与被照射物31的相对移动使线光束CWB通过被照射物31上的点P的情况下的点P处的温度的时效变化的图。
如图19所示，在S300中，将大画面显示器用的被照射物31设置在XYZ载台28上。在S301中，退火控制部32C使被照射物31移动到初始位置。
在S302中，退火控制部32C对CW激光装置41发送目标输出Wt的初始值Wt0。由此，CW激光装置41以初始值Wt0开始输出。此外，在S303中，退火控制部32C对脉冲激光装置3发送目标脉冲能量Et。然后，在S304中，按照规定的重复频率开始发光触发信号的发送。由此，线光束CWB及PLB的照射开始。如图17所示，线光束CWB及PLB的照射区域在照射位置重合，线光束CWB的照射区域具有在前区域AP。
在S305中，退火控制部32C使XYZ载台28开始向Y轴方向移动，并使XYZ载台28加速。退火控制部32C控制XYZ载台28的速度，使得在线光束CWB到达被照射物31的时刻，成为规定速度的匀速移动。由此，被照射物31以规定的速度沿Y轴方向进行匀速移动。在此之间，退火控制部32C根据放射温度计51的测量结果，对CW激光装置41的输出进行反馈控制。在S306中，退火控制部32C利用放射温度计51对即将通过照射位置之前的非晶硅膜31d的温度T进行计测。然后，在S307中，计算温度T与目标温度Tt的温度差ΔT(＝T-Tt)。在S308中，在存在温度差ΔT的情况下，退火控制部32C变更CW激光装置41的目标输出Wt，使得温度差ΔT接近0。
在S309中，退火控制部32C对被照射物31的整个面的照射是否已结束进行判定。在整个面的照射还未结束的情况下(S309中为否)，返回S306，并重复S306至S308的处理步骤。在整个面的照射已结束的情况下(S309中为是)，退火控制部32C停止发送发光触发信号，从而使线光束PLB的输出停止。然后，在S311中，停止CW激光装置41，从而使线光束CWB的输出停止。此外，在S312中，停止XYZ载台28的移动。
5.3 作用
被照射物31通过照射位置的情况下，被照射物31上的点P的温度变化如图20所示。此处，与第1实施方式及第2实施方式同样，温度变化表示仅基于CW激光的线光束CWB的、温度变化。
首先，在时刻t1，当线光束CWB的在前区域AP到达点P时，开始对点P照射线光束CWB，从而开始基于CW激光的预热。通过照射线光束CWB，点P的温度T开始上升，当在时刻t2，在前区域AP向YB方向前进时，点P的温度T进一步上升。而且，优选为，在即将被照射脉冲激光的线光束PLB之前、即在线光束PLB的照射区域即将到达点P之前的时刻t3，点P的温度T达到目标温度Tt。
退火控制部3C通过重复图19的S306～S308的处理步骤，对CW激光装置41的输出进行反馈控制，使得温度T达到目标温度Tt。由此，在线光束PLB的照射开始之前，通过线光束CWB的在前区域AP的照射进行预热，使得非晶硅膜31d的温度T成为目标温度Tt。
在图20中，当经过了时刻t3时，在点P开始照射线光束PLB。在该时刻，进行预热以使温度T成为目标温度Tt，因此能够在已进行了预热的状态下照射线光束PLB。因此，与第1实施方式及第2实施方式同样，能够使脉冲激光的线光束PLB的输出相应地减小、通过CW激光的线光束CWB的照射而预热的量。
此外，在照射线光束PLB期间，同时照射线光束CWB。因此，如第1实施方式中所说明的那样，在从非晶硅膜31d改性为多晶硅膜31e的过程中，能够将多晶硅膜31e的温度维持为较高。由于若将多晶硅膜31e的温度维持得较高，则硬化时间会延长，因此能够期待结晶的粒径增大的效果。
由于在第3实施方式中，是在使被照射物31进行移动的同时，进行CW激光及脉冲激光的照射的，因此与第1实施方式及第2实施方式相比，退火的量提高。因此，有利于处理大画面显示器用的被照射物31的情况。作为大画面显示器用的被照射物31的尺寸，例如有时会达到2880mm×3130mm、3000mm×3320mm的尺寸。对于这种尺寸的被照射物31特别有效。
此外，由于在第3实施方式中，是在使被照射物31移动的同时连续地进行退火的，因此能够对较大的退火区域均匀地进行退火。假设，在利用第1实施方式或第2实施方式的激光退火装置对较大的退火区域进行退火的情况下，需要在变更CW激光及脉冲激光的照射区域的同时进行多次退火。在这种情况下，会产生照射区域彼此重合的部分和不重合的部分，晶体的粒径的均匀性可能会下降。在第3实施方式中，能够均匀地对较大的退火区域进行退火，因此晶体的粒径均匀。
此外，在第3实施方式中，由于对温度T进行实际测量，因此能够在不进行与基板材料或膜厚相对应的设定的前提下，使即将开始照射脉冲激光之前的温度T稳定。
另外，虽然以根据计测出的温度T对CW激光装置41的输出进行反馈控制的例子进行了说明，但也可以不进行反馈控制。在这种情况下，预先设定会达到目标温度Tt的CW激光的输出，将所设定的输出向CW激光装置41发送。设定值可以预先存储于激光退火装置的内置存储器，或者从外部装置读取。
5.4 变形例1
此外，可以在通过照射位置的、被照射物31上的点P处，在结束线光束PLB的照射的同时，结束线光束CWB的照射。此外，也可以在结束了线光束PLB的照射之后，继续进行线光束CWB的照射。若如上所述那样，在照射线光束PLB结束后，还继续照射线光束CWB，则能够期待粒径增大的效果。对于线光束CWB的照射结束定时，根据规定线光束CWB的照射区域的尺寸的掩模58的开口尺寸来调节。
此外，在本例中，以在被照射物31的移动方向、即Y轴方向上，线光束PLB的照射区域的整个范围与线光束CWB的照射区域重合的例子进行了说明，但也可以部分重合。
5.5 变形例2
如图21所示，线光束CWB的照射区域与线光束PLB的照射区域也可以不重合。在这种情况下，线光束CWB仅进行预热。图21A是与图18A同样的、线光束CWB和PLB的放大图，图21B是B-B截面中的线光束CWB和PLB的光强度分布。
5.6 变形例3
图22示出CW激光装置41的变形例。如图22所示，CW激光装置41可以具备具有多个半导体光源41a和多个准直透镜41b的光源单元。多个半导体光源41a分别输出CW激光。各半导体光源41a例如并排排列成线状。多个准直透镜41b与各半导体光源41a对应地设置。各准直透镜41b配置成其前侧焦点与各半导体光源41a的射出位置一致。
从各半导体光源41a输出的CW激光由各准直透镜41b进行准直。各准直透镜41b所射出的各准直光入射到第2光束均化器57的复眼透镜57a，并照射到配置于聚光光学系统57b的后侧焦点的掩模58。照射到掩模58的准直光通过第2光束均化器57，成为在与光轴垂直的截面方向上光强度分布均匀的科勒照明。
CW激光装置41具有排列成线状的多个半导体光源41a和准直透镜41b，从各个准直透镜41b射出非相干的CW激光。因此，能够输出减少了光斑的CW激光。
在本例中，虽然将多个半导体光源41a排列成线状，但也可以对多个半导体光源41a呈2维地进行排列，从而构成面光源。
6.脉冲激光装置的详情
图23示出能够在上述各实施方式中使用的脉冲激光装置3的结构例。脉冲激光装置3与上述各实施方式的激光退火装置中的、被组合使用的激光退火装置相对应地，与图4所示的退火控制部32A、图12所示的退火控制部32B、图15所示的退火控制部32C中的任意一个连接。在本例中，以与图4所示的退火控制部32A连接的例子进行说明。
脉冲激光装置3例如包括主振荡器MO、放大器PA、衰减器61、脉冲展宽器62、脉冲能量计测部63、光闸64、脉冲激光控制部66。
主振荡器MO例如包括激光腔室71、一对电极72a及72b、充电器73、脉冲功率模块(PPM)74。主振荡器MO还包括高反射镜76、输出耦合镜77。在图23中，示出从与激光的前进方向大致垂直的方向观察时的激光腔室71的内部结构。
激光腔室71是密封有作为激光介质的激光气体的腔室，激光介质例如包含氩气、氪气或氙气以作为稀有气体，包含氖气或氦气以作为缓冲气体，包含氯气或氟气等作为卤素气体。一对电极72a及72b作为用于通过放电来激发激光介质的电极，被配置在激光腔室71内。在激光腔室71内形成有开口，电绝缘部78堵塞该开口。电极72a支承于电绝缘部78，电极72b支承于返回板(return plate)71d。该返回板71d通过未图示的配线与激光腔室71的内表面连接。电绝缘部78嵌入有导电部78a。导电部78a向电极72a施加从脉冲功率模块74供给的高电压。
充电器73可以是以规定的电压对脉冲功率模块74中的未图示的充电电容器进行充电的直流电源装置。脉冲功率模块74包括例如由脉冲激光控制部66控制的开关74a。当开关74a从断开成为接通时，脉冲功率模块74基于保持在充电器73的电量生成脉冲状的高电压，并将该高电压施加在一对电极72a及72b之间。
当在一对电极72a及72b之间施加有高电压时，一对电极72a和72b之间的绝缘被破坏，并引起放电。利用该放电的能量，激发激光腔室71内的激光介质，使其转移到高能级。被激发的激光介质在之后转移到低能级时，发出与该能级差对应的光。
在激光腔室71的两端设置有窗口71a和71b。激光腔室71内产生的光经由窗口71a及71b向激光腔室71的外部射出。
高反射镜76以高反射率反射从激光腔室71的窗口71a射出的光，使其返回到激光腔室71。输出耦合镜77使从激光腔室71的窗口71b输出的一部光透过而输出，使另一部分反射而返回到激光腔室71内。
因此，由高反射镜76和输出耦合镜77构成光共振器。从激光腔室71射出的光在高反射镜76与输出耦合镜77之间往复，每次穿过电极72a与电极72b之间的激光增益空间都会被放大。放大的光的一部分经由输出耦合镜77，作为脉冲激光而被输出。
放大器PA配置在从主振荡器MO的输出耦合镜77输出的脉冲激光的光路上。放大器PA与主振荡器MO同样，包括激光腔室71、一对电极72a及72b、充电器73、脉冲功率模块(PPM)74。它们的结构可以与主振荡器所包括的结构相同。放大器PA可以不包括高反射镜76或输出耦合镜77。入射至放大器PA的窗口71a的脉冲激光一次性地穿过电极72a与电极72b之间的激光增益空间，并从窗口71b输出。
衰减器61配置在从放大器PA输出的脉冲激光的光路上，包括例如两片部分反射镜61a及61b、和这些部分反射镜的旋转载台61c及61d。两片部分反射镜61a及61b是透射率根据脉冲激光的入射角度而变化的光学元件。部分反射镜61a及部分反射镜61b可以由旋转载台61c及旋转载台61d来调整倾斜角度，使得脉冲激光的入射角度彼此一致、且达到所需的透射率。由此，脉冲激光被减光为所需的脉冲能量而通过衰减器61。此处，衰减器61可以根据脉冲激光控制部66的控制信号来控制透射率。
脉冲展宽器62配置在从衰减器61输出的脉冲激光的光路上。脉冲展宽器62例如包括分束器62y、第1～第4凹面镜62a～62d。
从衰减器61输出的脉冲激光从图中右侧入射到分束器62y的第1面。此处，分束器62y例如是使脉冲激光高度透过的CaF2基板，在第1面涂覆有使脉冲激光高度透过的膜，在与第1面相反一侧的第2面涂覆有使脉冲激光部分反射的膜。从图中右侧入射到分束器62y的脉冲激光的一部分透过分束器62y，另一部分被分束器62y的第2面反射，而从第1面射出。
第1～第4凹面镜62a～62d依次反射被分束器62y反射的脉冲激光，并使其从图中上侧入射至分束器62y的第2面。分束器62y反射从图中上侧入射的脉冲激光的至少一部分。由此，从图中右侧入射至分束器62y并透过的脉冲激光与从图中上侧入射至分束器62y并被反射的脉冲激光重合。另外，第1～第4凹面镜62a～62d的焦距大致相同，并且配置成利用第1～第4凹面镜62a～62d使分束器62y上的光束的像按照1：1成像。
在从图中右侧入射至分束器62y并透过的脉冲激光与从图中上侧入射至分束器62y并被反射的脉冲激光之间，产生与由第1～第4凹面镜62a～62d的形成的迂回光路的光路长相对应的时间差。由此，脉冲展宽器62对脉冲激光的脉冲宽度进行扩展。
脉冲能量计测部63配置在通过脉冲展宽器62的脉冲激光的光路上。脉冲能量计测部63例如包括分束器63a、聚光光学系统63b、光传感器63c。
分束器63a使通过脉冲展宽器62的脉冲激光以较高的透射率向光闸64透过，并且使脉冲激光的一部分向聚光光学系统63b反射。聚光光学系统63b将被分束器63a反射的光聚光至光传感器63c的受光面。光传感器63c检测聚光至受光面的脉冲激光的脉冲能量，并将所检测到的脉冲能量的数据向脉冲激光控制部66输出。
脉冲激光控制部66在与退火控制部32A之间发送接收各种信号。例如，脉冲激光控制部66从退火控制部32A接收发光触发信号、目标脉冲能量Et的数据等。此外，脉冲激光控制部66对充电器73发送充电电压的设定信号，对脉冲功率模块74发送开关接通或断开的指令信号。
脉冲激光控制部66可以从脉冲能量计测部63接收脉冲能量的数据，也可以参照该脉冲能量的数据来控制充电器73的充电电压。可以通过控制充电器73的充电电压来控制脉冲激光的脉冲能量。此外，脉冲激光控制部66可以根据所设定的充电电压值来校正发光触发信号的定时，使得针对发光触发信号而按照规定的恒定时间放电。
光闸64可以配置在透过脉冲能量计测部63的分束器63a的脉冲激光的光路上。脉冲激光控制部66可以进行控制，使得在激光振荡的开始后的、在从脉冲能量计测部63接收的脉冲能量与目标脉冲能量Et之差达到允许范围内之前的期间内，关闭光闸64。脉冲激光控制部66还可以进行控制，使得如果从脉冲能量计测部63接收的脉冲能量与目标脉冲能量Et之差处于允许范围内，则打开光闸64。脉冲激光控制部66可以以与光闸64的开闭信号同步的方式，向退火控制部32A发送表示能够接收脉冲激光的发光触发信号的信号。
另外，图23中示出脉冲激光装置3包括放大器PA、衰减器61、以及脉冲展宽器62的情况，但不限于此，也可以省略放大器PA、衰减器61、以及脉冲展宽器62中的至少一个。此外，如上所述，脉冲激光装置3不限于准分子脉冲激光装置，也可以是固体脉冲激光装置。
7.复眼透镜
图24示出第3实施方式中所使用的复眼透镜56a的例子。复眼透镜56a具有排列在X轴方向和Y轴方向的二维平面内的多个小透镜。在复眼透镜56a中，由凹面形成的多个圆柱面561沿Y方向排列在使紫外区的光以较高的透射率透过的基板的第1面上。由凹面形成的多个圆柱面562沿X方向排列在该基板的第1面的相反侧的第2面上。圆柱面561的前侧焦平面的位置与圆柱面562的前侧焦平面的位置大致一致。对置的一对圆柱面561及562构成1个小透镜。复眼透镜56a的材料例如是合成石英或CaF2结晶。
复眼透镜56a的各小透镜例如是在X轴方向上较长的长方形，各小透镜各自射出矩形的光束。如图15所示，复眼透镜56a在与聚光光学系统56b组合使用的情况下，相对于聚光光学系统56b而言，作为多个矩形光束在二维平面内排列多个而成的面光源而发挥功能。当复眼透镜56a的各小透镜所射出的光束入射到聚光光学系统56b时，以与各小透镜的光束相似的形状，转换为尺寸较大的矩形的光束。
将复眼透镜56a的矩形光束的形状设为在X轴方向上较长的长方形进行了说明，但也可以是正方形，还可以是在Y轴方向上较长的长方形。此外，还可以是更接近线的形状的带状。矩形光束的形状根据向被照射物31照射的脉冲激光的照射区域的形状等适当地确定。矩形光束的形状能够通过变更复眼透镜56a的形状来变更。
另外，在本例的复眼透镜56a中，是在一块基板的第1面和第2面形成圆柱面的，但也可以使用在一个面上形成有圆柱面的两块基板组合而成的复眼透镜。此外，圆柱面也可以不是凹面，可以是凸面。此外，可以在基板上形成实现与圆柱面相同功能的菲涅尔透镜。
在图24中，说明了用于脉冲激光的复眼透镜56a，但图15及图22所示的用于CW激光的复眼透镜57a也和复眼透镜56a相同。
上述说明仅仅是示例，而没有意图进行限制。因此，对于本领域技术人员而言，在不脱离于所附加的权利要求的范围的情况下能够对本发明的各实施方式进行变更是显而易见的。
本说明书及所添加的权利要求的范围整体中所使用的用语应解释为“非限定性”用语。例如，“包含”或“所包含的”这样的用语应解释为“不限定于所记载的包含的内容”。“具有”这样的用语应解释为“不限于所记载的具有的内容”。此外，本说明书及所附加的权利要求书中所记载的修饰句“一个”应解释为“至少一个”或“一个或一个以上”的意思。

Claims (20)

1.一种激光退火装置，该激光退火装置对在基板上形成有非晶硅的被照射物照射基于脉冲振荡的脉冲激光而进行退火，
在该激光退火装置中具备：
CW激光装置，其输出对所述非晶硅进行预热的CW激光，该CW激光是基于连续振荡的激光；
脉冲激光装置，其对预热后的所述非晶硅输出所述脉冲激光；
光学系统，其将所述CW激光和所述脉冲激光引导至所述非晶硅；以及
控制部，其控制所述CW激光的照射能量密度，以便将所述非晶硅预热至低于熔点的规定的目标温度，并且控制所述脉冲激光的注量和脉冲数中的至少一方，以使被进行了预热的所述非晶硅结晶。
2.根据权利要求1所述的激光退火装置，其中，
所述控制部通过控制所述CW激光的光强度密度和照射时间中的至少一方来控制所述照射能量密度。
3.根据权利要求1所述的激光退火装置，其中，
所述CW激光的中心波长为约500nm以下。
4.根据权利要求3所述的激光退火装置，其中，
所述CW激光的中心波长为约450nm附近。
5.根据权利要求4所述的激光退火装置，其中，
所述CW激光的中心波长为约420nm以下。
6.根据权利要求1所述的激光退火装置，其中，
所述非晶硅上的所述CW激光的照射能量密度为318J/cm2～6340J/cm2的范围。
7.根据权利要求6所述的激光退火装置，其中，
所述CW激光的照射时间为1s～10s的范围。
8.根据权利要求7所述的激光退火装置，其中，
所述CW激光的光强度密度为318W/cm2～634W/cm2的范围。
9.根据权利要求1所述的激光退火装置，其中，
所述脉冲激光的中心波长为约365nm以下。
10.根据权利要求9所述的激光退火装置，其中，
所述非晶硅上的所述脉冲激光的注量为240mJ/cm2～320mJ/cm2的范围。
11.根据权利要求1所述的激光退火装置，其中，
所述目标温度为1300℃≤Tt<1414℃的范围。
12.根据权利要求1所述的激光退火装置，其中，
所述CW激光和所述脉冲激光各自的照射期间至少部分重合。
13.根据权利要求12所述的激光退火装置，其中，
在照射所述脉冲激光的期间内，持续所述CW激光的照射。
14.根据权利要求12所述的激光退火装置，其中，
在所述非晶硅上，所述CW激光的照射区域包含所述脉冲激光的照射区域的全部。
15.根据权利要求12所述的激光退火装置，其中，
该激光退火装置具有载台，该载台使所述被照射物相对于从所述光学系统射出的所述CW激光和所述脉冲激光的照射位置而进行匀速移动，
所述CW激光和所述脉冲激光对以所述匀速移动通过所述照射位置的所述被照射物进行照射，
所述CW激光的照射区域具有相对于所述脉冲激光的照射区域而在前的在前区域，使得在对通过所述照射位置的所述被照射物照射所述脉冲激光之前照射所述CW激光。
16.根据权利要求15所述的激光退火装置，其中，
所述脉冲激光的照射区域的全部或者一部分与所述CW激光的照射区域在所述被照射物的移动方向上重合。
17.根据权利要求16所述的激光退火装置，其中，
所述光学系统将所述CW激光和所述脉冲激光的与光轴垂直的截面形状整形为，在与所述被照射物的移动方向垂直的宽度方向上延伸的线形状。
18.根据权利要求1所述的激光退火装置，其中，
所述CW激光装置具备，输出所述CW激光的光源排列多个而成的光源单元。
19.根据权利要求1所述的激光退火装置，其中，
所述光学系统具备使所述CW激光的照射光路与所述脉冲激光的照射光路耦合的光学系统。
20.根据权利要求1所述的激光退火装置，其中，
该激光退火装置具备对所述非晶硅的温度进行计测的温度计。
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