CN1354495A - 半导体薄膜及其生产方法和设备、及生产单晶薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

一种生产单晶薄膜的方法,包括的步骤有:在绝缘基片上形成非单晶薄膜;将非单晶薄膜进行第一次热处理,由此形成其中多晶晶粒排列成近似规则的图形的多晶薄膜;及将多晶薄膜进行第二次热处理,由此形成其中多晶晶粒互相结合的单晶薄膜。在本方法中,第一次热处理或第二次热处理二者之一可以通过激光束,优选从准分子激光器发射的激光束照射完成。用该生产方法形成的单晶薄膜具有比现有技术的多晶薄膜好很多的性能,并适合于生产具有稳定特性的器件。该单晶薄膜能够采用激光照射作为热处理在短时间内完成。

Description

半导体薄膜及其生产方法和设备、 及生产单晶薄膜的方法

发明背景

本发明涉及一种适合用于液晶显示、存储器和其它电子器件的薄膜晶体管(TFTs)的半导体薄膜及其生产方法；一种用于生产单晶半导体薄膜的设备；以及一种生产单晶薄膜、单晶薄膜衬底和一种使用该衬底的半导体器件的方法。

作为半导体薄膜如形成在绝缘基片上的硅薄膜，已知有SOI(硅在绝缘体上)结构和非晶硅薄膜或形成在玻璃衬底上的多晶硅薄膜，其事实上已用于液晶显示器。

SOI结构的形成往往要通过多种步骤，包括将单晶硅晶片彼此粘贴的步骤和将其抛光的步骤，由于SOI结构基本上采用单晶硅晶片，SOI结构的大体上理想的单晶部分通常能够用作薄膜晶体管(TFT)的有源装置的沟道部分。因此，由此制造的器件能够显示出良好的电子特性，例如，高迁移率。然而，生产SOI结构的方法需要多种步骤，例如，将单晶硅晶片彼此粘贴的步骤和将其抛光的步骤。由此带来的缺点是步骤数量增加延长了生产时间，而且也提高了生产成本。

相反地，已知有一种形成结晶硅薄膜的方法，该方法依照低压CVD法或等离子CVD法，将一种源气沉积在衬底上，该源气通过将氢和SiF₄混合到硅烷气中而得，以及一种通过在衬底上形成非晶硅薄膜作为前体和使该非晶硅薄膜结晶以形成结晶硅薄膜的方法。在前者的沉积法中，其中硅的结晶与硅薄膜的沉积一同进行，因为衬底的温度需要保持在相对高的温度，更准确地说，600℃或更高，衬底必须用能够经受高温的昂贵材料如石英(QUARTS)来制造。在该方法中，使用廉价的玻璃衬底会引起衬底由于其耐热性差可能变形或扭曲的问题。关于后一种方法，如形成在衬底上的非晶硅薄膜的结晶方法，已知一种长时间(例如20小时)退火衬底的固相生长法，衬底上有非晶硅薄膜已经形成在其上。然而，这样一种退火方法有一个问题，即由于它需要的时间长，实用性差而且生产成本也升高。为了解决这些问题，已经积极地研究和开发了一种通过由准分子激光器发射的激光束照射使非单晶薄膜结晶的方法。

这种激光放射法包括在衬底上形成非晶硅薄膜或多晶硅薄膜，以及由准分子激光器发射的激光束照射加热薄膜，由此使薄膜结晶。例如，在使用XeCl准分子激光器的情况中，由于发射波长是308mm和吸收系数约为10⁶cm^-1，激光的能量被吸收在自非晶硅薄膜表面约10nm深的区域内，结果衬底温度稍许升高，并且只有靠近非晶硅薄膜表面的部分结晶。

通过由准分子激光器发射的激光束照射熔化非单晶薄膜和再结晶被熔化薄膜的技术能够在非晶硅薄膜或多晶硅薄膜中生长多晶硅晶粒。然而，稳定地控制以激光束发射次数为基础而由此形成的薄膜的结晶质量是非常困难的，因此会引起作为成品的薄膜晶体管的临界电压的变化。

另外，在利用PECVD(等离子体增强CVD)系统在衬底上形成非晶半导体薄膜的情况中，薄膜含氢的量约为2-20原子％。在此情况中，其上已形成薄膜的衬底被放入电炉中经受脱气处理，例如，在420℃约为2小时。通过脱气处理在薄膜中的氢浓度降至小于2原子％。

为了排除包含在薄膜中的氢在电炉中的这种脱气(退火)处理存在的问题是，由于衬底必须退火，例如在420℃约2小时，则生产率下降，而且，衬底由于脱气处理产生的热会变形及来自玻璃的污染物可以扩散在薄膜中。

发明概述

本发明的一个目的是提供一种半导体薄膜，其具有的性能大大高于相关技术的多晶薄膜并且适合于生产具有稳定特性的器件以及其生产时间充分短，以及一种用于生产半导体薄膜的方法和设备。

本发明的另一个目的是提供一种利用这种具有高结晶质量的半导体薄膜生产的半导体器件和单晶薄膜衬底。

本发明更进一步的目的是提供一种生产半导体薄膜的方法，该方法能防止在生产步骤中薄膜爆裂和短时间内从薄膜中排除氢，以及提供一种生产单晶半导体薄膜的设备。

为了解决上述问题，本发明人已经认真研究，发现在多晶薄膜中妨碍晶粒尺寸增大的原因之一是取决于用激光束照射薄膜的方法，以及最终形成一种很不同于相关技术的多晶薄膜的创新的半导体薄膜及其制造。更确切地说，本发明人已经发现，结晶半导体薄膜可以这样来形成：通过在一定照射条件下的激光照射使非单晶薄膜结晶，以致排列成大致规则图形的多晶晶粒形成在薄膜上，并且热处理薄膜，其具有突起的表面状态保持原样，由此促进薄膜的结晶。

因此，为了解决上述技术问题，根据本发明的第一方面，提供一种生产单晶薄膜的方法，包括的步骤：在绝缘基片上形成非单晶薄膜；使非单晶薄膜经受第一次热处理，由此形成多晶薄膜，其中多晶晶粒排列成近似规则的图形；以及使多晶薄膜经受第2次热处理，由此形成单晶薄膜，其中多晶晶粒彼此结合。

为了大量地生长其中多晶晶粒已经彼此结合的单晶区，可以优选邻近的多晶晶粒处于容易彼此结合的状态。从该观点来看，根据本发明，由于多晶晶粒排列成近似规则的图形，获得多晶晶粒的共同结晶方向性是可能的，例如，共同结晶取向平面如在热处理后再结晶时的(100)平面，并因此通过利用其有序达到多晶晶粒的光滑结合。因此，在热处理时，将易于促进多晶晶粒的结合，致使多晶膜转变成单晶膜。

根据本发明的第二方面，提供一种单晶薄膜的生产方法，包括的步骤为：在绝缘基片上形成非单晶薄膜；以及用激光束照射非单晶薄膜，由此将非单晶薄膜转变成单晶薄膜。

对该方案，通过用激光束照射非单晶薄膜，在非单晶薄膜中的晶体生长成单晶薄膜，由此，非单晶薄膜转变成单晶薄膜。

根据本发明的第三方面，提供一种生产单晶薄膜的方法，包括的步骤为：在绝缘基片上形成非单晶薄膜，使非单晶薄膜经受第一次热处理，以引入一个共同边界条件；将多晶薄膜经受第2次热处理，由此，形成其中多晶晶粒结晶的单晶薄膜。

对该方案，由于通过第一次热处理共同边界条件被引入多晶晶粒中，所以有可能得到多晶晶粒的共同结晶方向性，例如，共同结晶取向平面如在第一次热处理后再结晶时的(100)平面，并因此通过利用其有序达到多晶晶粒的光滑结合。因此，在第二次热处理时，能够易于促进多晶晶粒的结合，以使多晶膜转变成单晶膜。

根据本发明的第4方面，提供一种单晶薄膜衬底包括：一绝缘基片；和通过利用激光照射的单结晶作用形成在绝缘基片上的一单晶薄膜。具有这种结构，为形成单晶薄膜衬底的结晶作用是通过将多晶薄膜中的多晶晶粒排列成近似的规律的图形，并热处理该多晶薄膜来进行的。

根据本发明的第5方面，提供一种利用上述单晶薄膜衬底形成的半导体器件。

根据本发明的第6方面，提供一种形成在绝缘基片上的半导体薄膜，包括：形成在半导体薄膜表面上的微凸起。

根据本发明在半导体薄膜上的微凸起是多晶薄膜中多晶晶粒的边界部分，其在生产步骤中形成，互相抵触和重叠。这样的微凸起可以通过将在后面描述的显微镜照片中看到。每一个微凸起的高度可以在20nm或更小的范围内，优选10nm或更小，更优选5nm或更小；每个微凸起的直径可在0.1μm或更小的范围内，优选0.05μm或更小；以及每个微凸起的曲率半径可在60nm或更大的范围内，优选180nm或更大，更优选250nm或更大。微凸起的密度是在1×10¹⁰个/cm²或更少，优选1×10⁹个/cm²或更少，更优选5×10⁸个/cm²或更少。单晶区的大小可在1×10^-8cm^-2的范围内或更大，1×10^-7cm^-2或更大。单晶区不需要形成在绝缘基片上的整个表面上，但可以存在于部分多晶薄膜上。

根据本发明的第7方面，提出一种生产半导体薄膜的方法，包括的步骤为：在绝缘基片上形成非单晶薄膜；使非单晶薄膜经受第1次热处理，由此形成多晶薄膜，和使多晶薄膜经受第2次热处理，由此形成结晶半导体薄膜；其中在结晶半导体薄膜表面上的凸起低于多晶薄膜表面上的凸起。

对于该方案，在第一次热处理时，凸起形成在多晶薄膜的表面上。这种自表面向上的凸起是由多晶晶粒的边界重叠形成的。用于在多晶表面上形成凸起的热处理可通过由准分子激光器发射的激光束照射来举例说明。在第二次热处理时，在单晶薄膜表面上的凸起比多晶薄膜表面上的凸起低，以致至少部分处于边界彼此重叠的区域基本上消失了。这使得到含有结晶质量极高的单晶区的薄膜成为可能。

根据本发明的第8方面，提供一种生产半导体薄膜的方法，包括的步骤为：在绝缘基片上形成非单晶薄膜；使非单晶薄膜经受第一次热处理，由此形成多晶薄膜；以及使多晶薄膜经受第二次热处理，由此形成结晶半导体薄膜；其中在结晶半导体薄膜表面上的每个凸起的曲率半径大于在多晶薄膜表面上每个凸起的曲率半径。

对该方案而言，在第二次热处理时，在结晶半导体薄膜表面上的每个凸起的曲率半径大于在多晶薄膜表面上每个凸起的曲率半径，结果至少部分处于边界彼此重叠的边界区域基本上消失了。这使获得具有结晶质量极好的半导体薄膜成为可能。

根据本发明的第9方面，提供一种生产半导体薄膜的方法，包括的步骤为：在绝缘基片上形成非单晶薄膜；使非单晶薄膜经受第一次热处理，由此形成其中多晶晶粒排列成近似规则的图形的多晶薄膜；及使多晶薄膜经受第二次热处理，由此形成半导体薄膜，其中每个微凸起都形成在至少3个或更多的多晶晶粒之间的边界位置；其中每个微凸起的高度是在25nm或更小的范围内或者每个每个微凸起的曲率半径是在60nm或更大的范围内。

对于该方案，通过第一次热处理，其中多晶晶粒已经排列成近似规则的图形的多晶薄膜然后再进行第二次热处理。因此，至少部分处于边界互相重叠的区域基本上消失了。这就使获得具有极好结晶质量的结晶半导体薄膜成为可能。

根据本发明的第10方面，提供每个都利用上述具有微凸起作为部分结构的单晶薄膜的一种半导体器件和衬底。

根据本发明的第11方面，提供一种生产在基片上的半导体薄膜的方法，包括的步骤为：形成含氢的非单晶半导体薄膜；使含氢半导体薄膜经受第一次热处理，由此从中排除氢，接着使已经从其中排出了氢的非单晶薄膜经受第二次热处理，由此形成其中多晶晶粒排列成近似规则的图形的多晶体膜。

对于该方案，由于其中多晶晶粒几乎都被排成列的多晶膜是由第二次热处理形成的，其中已经进行结晶的结晶半导体薄膜能够形成，通过第一次热处理排除氢后，多晶膜通过继第一次热处理后的第二次热处理形成。因此，有可能去除使衬底露天的需要，并因此缩短了第一次和第二次热处理需要的时间。而且，由于氢的排除在热处理之前，所以，有可能防止膜的爆裂。

根据本发明的第12方面，提供一种生产在基片上的半导体薄膜的方法，包括的步骤为：形成含氢的非单晶半导体薄膜；使含氢非单晶薄膜经受第一次热处理，由此排除其中的氢，接着使已经排出氢的非单晶薄膜经受第二次热处理，由此熔融并再结晶非单晶薄膜；以及将经过熔融和再结晶形成的多晶膜作第三次热处理，由此，将多晶膜转变成单晶膜。

对于该方案，非单晶薄膜熔融和再结晶后，进行第三次热处理，通过熔融和再结晶将多晶膜转变成单晶膜。除氢后接着进行第二次热处理。因此，有可能去除使衬底露天的需要，并因此缩短了第一次和第二次热处理所需的时间。而且，由于氢的排除是在热处理之前进行，所以，有可能防止膜的爆裂。

根据本发明的第13方面，提供一种生产在基片上的单晶半导体薄膜的设备，包括：用于在基片形成含氢非单晶薄膜的薄膜成型装置；用于将含氢非单晶薄膜作第一次热处理，由此排除其中的氢的第一次热处理装置；以及用于将已经除氢的非单晶薄膜继续进行第二次热处理的第二次热处理装置，由此熔融并再结晶非单晶薄膜。

根据本发明的第14方面，提供一种生产在基片上的单晶半导体薄膜的设备，包括：用于形成在基片上的含氢非单晶薄膜的薄膜成型装置；用于将含氢非单晶薄膜作第一次热处理的第一次热处理装置，由此排除其中的氢；用于将已除氢的非单晶薄膜继续进行第二次热处理的第二次热处理装置，由此形成多晶膜；以及将多晶膜进行第三次热处理的第三次热处理装置，由此将多晶膜转变成单晶膜。

具有这种结构，除氢后，继续进行第二次热处理。因此，有可能去除使衬底暴露于空气的需要，并因此缩短了第一次和第二次热处理所需的时间。

附图简介：

图1是用于一种根据本发明生产单晶薄膜方法的准分子激光照射设备的简图；

图2是一个说明一个根据本发明生产单晶薄膜方法例子中的形成非晶半导体薄膜步骤的透视剖视图；

图3是一个说明一个根据本发明的生产单晶薄膜方法例子中的形成多晶半导体薄膜步骤的透视剖视图；

图4是一个说明一个根据本发明的生产单晶薄膜方法例子中的形成单晶薄膜步骤的透视剖视图。

图5是在一个根据本发明的生产单晶薄膜方法的例子中由非晶半导体薄膜转变成的多晶半导体薄膜的扫描电子显微镜(SEM)照片；

图6是在一个根据本发明的生产单晶薄膜方法的例子中由多晶半导体薄膜转变成的单晶薄膜的SEM照片；

图7是一个表示使用本发明的单晶薄膜生产的半导体器件的有源矩阵型显示器的透视简图；

图8是一个表示本发明的半导体薄膜例子的剖视简图；

图9是一个表示本发明的半导体薄膜例子的透视剖视图；

图10是一个用于根据本发明生产半导体薄膜方法的准分子激光照射设备的简图；

图11是一个说明根据本发明的生产半导体薄膜方法例子中的形成非晶半导体薄膜的步骤的透视剖视图；

图12是一个说明根据本发明的生产半导体薄膜方法例子中的形成多晶半导体薄膜的步骤的透视剖视图；

图13是一个说明根据本发明的生产半导体薄膜方法例子中的形成结晶半导体薄膜的步骤的透视剖视图；

图14是一个在根据本发明生产半导体薄膜方法例子中由非晶半导体薄膜转变成的多晶半导体薄膜的微凸起的SEM照片；

图15是一个根据本发明生产半导体薄膜方法例子中由多晶半导体薄膜转变成的结晶半导体薄膜的微凸起的SEM照片；

图16是一个表示使用本发明的半导体薄膜生产的薄膜半导体器件的有源矩阵型显示器的透视简图；

图17是表示根据本发明的第6实施例的生产半导体薄膜方法的流程图；

图18是表示根据本发明的第7实施例的生产半导体薄膜方法的流程图。

图19是说明根据本发明第7实施例生产半导体薄膜方法中形成非晶半导体薄膜步骤的透视剖视图；

图20是说明根据本发明第7实施例生产半导体薄膜方法中形成多晶半导体薄膜步骤的透视剖视图；

图21是说明根据本发明第7实施例生产半导体薄膜方法中形成单晶薄膜步骤的透视剖视图；

图22是在根据本发明第7实施例生产半导体薄膜方法中由非晶半导体薄膜转变成的多晶半导体薄膜的SEM照片；

图23是在根据本发明第7实施例子生产半导体薄膜方法中，由多晶半导体薄膜转变成的单晶薄膜的SEM照片；

图24是一个表示用于根据本发明第8实施例生产单晶半导体薄膜的设备结构的简图；

图25A-25F是说明根据本发明第8实施例的生产半导体薄膜步骤和在步骤中的生产设备状态的剖视图。其中图25A表示CVD步骤；图25B表示衬底运送步骤；图25C表示脱气步骤；图25D表示将非晶膜转变成多晶膜的步骤；图25E表示将多晶膜转变成单晶膜的步骤，以及图25F表示卸下衬底的步骤；及

图26是表示使用本发明的单晶薄膜生产的半导体器件的有源矩阵型显示器的透视简图。

优选实施例的详细说明

在下文，本发明的优选实施例将参考附图描述。

首先，本发明的第1和第2实施例，其涉及一种生产单晶薄膜，单晶薄膜衬底，和利用该衬底作为其部分结构的半导体器件的生产方法，将参考附图描述。

〔第1实施例〕

一种根据本发明生产单晶薄膜的方法包括在绝缘基片上形成非单晶薄膜的步骤，将非单晶薄膜作第一次热处理，由此形成其中多晶晶粒排列成近似规则的图形的多晶薄膜的步骤，以及将多晶薄膜作第二次热处理，使多晶晶粒互相结合，由此形成单晶薄膜的步骤。

根据本发明生产单晶薄膜的方法，参考图1-6将在下文中描述。图1表示一个用于根据本发明生产半导体薄膜作为单晶薄膜方法的准分子激光器照射设备的例子。首先，将描述准分子激光器照射设备，其用于用准分子激光束照射形成在具有低耐热性的绝缘基片21如玻璃基片上的半导体薄膜22。其上已形成半导体薄膜22的低耐热性的绝缘基片21被安装在室20中。准分子照射设备具有一激光谐振腔23、一衰减器24和一包括有均化器的光学系统25，其零部件全部都设置在室20的外面。在XY方向可移动的载物台27设置在室20中。具有半导体薄膜22形成其上的绝缘基片21安装在载物台27上。激光谐振腔23包括准分子激光源，其间歇发射具有脉冲宽60纳秒或更大的激光束26。包括均化器的光学系统25接受来自激光谐振腔23经过衰减器24发射的激光束，将激光束整形成具有四边的每边长10mm或更大的矩形断面，以及用如此整形过的激光束照射半导体薄膜22。衰减器24调整来自激光谐振腔23发射的激光束能量。光学系统25不仅将激光束整形成矩形截面，而且也调整激光束，以使激光束能量均匀地分布在矩形断面。室20的内部保持在惰性气体氛围如氮气中。在激光束26照射时，载物台27移动，以使激光束26的末端部分互相重叠。半导体薄膜22的表面用这种激光束26顺序地间歇照射。形成在安置于准分子激光照射设备的室20内的绝缘基片21的主平面上的半导体薄膜22是通过等离子CVD系统形成的非晶硅膜。

在使半导体薄膜能够形成具有微凸起的表面状态的的范围内，任何准分子激光器都可以用于激光谐振腔23。例如可使用选自KrF，XeCL，XeF和ArF激光器中的一个或几个准分子激光器。

准分子激光器可以概括地分成两种类型：那些用于直线激光束照射的和那些用于矩形激光束照射的。用于直线激光束照射的准分子激光器发射的每束激光束是直线型。在用于直线激光束照射的准分子激光器照射具有特定分布的区域的情况中，衬底方面或激光源方面在特定方向移动，更确切地说，该区域是用直线激光束，通过在垂直于激光照射纵向的扫描方向重叠直线激光束照射而被照射的。用于矩形激光束照射的准分子激光器发射的各激光束是平面型。具有一种分布的区域的照射是用矩形激光束通过移动衬底方或激光源方，同时使被照射区的终端部分互相重叠。作为用于直线激光束照射的准分子激光器，通常可以采用具有能量密度为350mJ/cm²和脉冲宽度相对短的如约为20纳秒的准分子激光器。这种准分子激光器是，例如Lambda Physik Gmbh出售的。另一方面，作为用于矩形激光束照射的准分子激光器，通常可以采用具有能量密度480mJ/cm²和脉冲宽度比较长的如约为150-200纳秒的准分子激光器。这种准分子激光器是例如Sopra出售的。

根据本发明生产半导体薄膜方法的一个例子，下面将参考图2-6描述。首先参见图2，制备由玻璃、石英、陶瓷或蓝宝石制造的绝缘基片31，及非晶半导体薄膜32被形成在绝缘基片31的主平面上，例如，用等离子增强CVD法。作为绝缘基片31，可以采用具有低耐热性(低熔点)的所谓白玻璃，因为准分子激光器被用作光源。作为非晶半导体薄膜32，可以形成非晶硅膜，例如，通过等离子增强CVD法。非晶半导体薄膜32的厚度通常定为约50mm，根据待生产的半导体器件的特性可作适当调整。作为一个例子，非晶半导体薄膜32的厚度可设定在约500nm或更小的范围内，一般在约为100nm或更小，优选80nm或更小，更优选60nm或更小的范围内。

在非晶半导体薄膜32形成后，其上已形成非晶半导体薄膜32的绝缘基片31被安装到图1所示的准分子激光器照射设备中，然后进行准分子激光束照射作为第一次热处理。激光照射是利用波长为308nm的XeCl准分子激光在能量强度确定在340mJ/cm²和扫描方向的重叠比定在95％的条件下进行。在这种激光照射下，非晶半导体薄膜32被熔融和再结晶，形成由基本上排列好的多晶晶粒构成的多晶半导体薄膜33。在多晶半导体薄膜33中的每个多晶晶粒的具有近似矩形的形状，其对角线长度约0.2μm-0.6μm。晶粒的边界也通过准分子激光束照射形成。在晶粒边界部分，由于其互相碰撞晶体隆起产生的每个微凸起35存在于至少3个或更多的多晶晶粒之间的边界位置。微凸起35高度约为50nm，并且一般是在25nm或更大的范围内。

图5是通过激光照射由非晶半导体薄膜32转变成的多晶半导体薄膜33的SEM(扫描电子显微镜)照片。如该照片所示，显影成鳄鱼皮状的多晶晶粒(多晶硅晶粒)在水平和垂直方向排列成近似规则的图形，及许多微凸起各形成在至少3个或更多多晶晶粒中的边界位置。多晶晶粒近似规则的图形排列可以认为是发生在当赋予激光束强度周期性模式时。在直线激光束照射的情况中，这种周期性模式能够通过直线激光束照射时在开口部分等的衍射现象赋予直线激光束，以及在平面激光束的照射情况中，周期性模式可以在矩形激光束照射时通过强度调变掩膜片如位相掩膜片的干涉或衍射现象赋予矩形激光束强度。更全面地，可以认为通过激光照射共同边界条件被导入多晶晶粒。为了大量地生长其中多晶晶粒已经互相结合的单晶区，可以优选邻近的多晶晶粒处于容易互相结合的状态。根据该实施例子，为得到邻近的多晶晶粒容易互相结合的状态，作第一次热处理以形成多晶晶粒排列成近似规则的图形，并由此得到多晶晶粒的共同结晶方向性，例如，共同结晶取向平面如在热处理后再结晶时的(100)平面。在第一次热处理后排列近似规则的图形的多晶晶粒因此将有序地在基片上互相光滑地结合。因此，在接着的第二次热处理时，将容易促进多晶晶粒的相互结合，以使多晶薄膜转变成单晶薄膜。

紧随通过激光照射的第一次热处理后，用准分子激光束的照射作第二次热处理。激光照射是采用波长为308nm的XeCl准分子激光在能量强度定为300mJ/cm²和扫描方向的重叠比定为95％的条件下进行的。用于第二次热处理的激光照射的准分子激光的能量强度低于第一次热处理激光照射的准分子激光的能量强度，以使多晶半导体薄膜33的热处理温度低于第一次热处理激光照射的热处理温度。应当注意到，多晶半导体薄膜33的热处理温度设定为低于多晶硅的熔点。

如图4所示，多晶半导体薄膜33通过第二次热处理的准分子激光束的照射转变成单晶薄膜。更确切地说，通过第一次热处理形成的多晶半导体薄膜33中的邻近的多晶晶粒通过准分子激光束照射而互相结合，形成单晶薄膜34，其包括具有大小至少为1×10^-9cm²或更大的单晶区，优选1×10^-8cm²以及更优选其整个为单晶区构成。单晶薄膜34可以包括多晶半导体区或非晶半导体区。在第二次热处理的准分子激光束照射后，微凸起36便出现在单晶薄膜34的表面上。微凸起36的高度小于在多晶半导体薄膜33表面上的微凸起35的高度。微凸起36的高度非常小，其值等于或小于5nm-20nm，且微凸起36的直径小如0.1μm或更小。在单晶薄膜34表面上的每个微凸起36都是形成在与通过第一次热处理而得的多晶晶粒的至少3个或更多的边界位置相应的位置上，其由于其碰撞而隆起。因此，显而易见，在多晶半导体薄膜33表面上的微凸起35变平及剩下的仍然隆起的凸起成为单晶薄膜表面上的微凸起36。

单晶薄膜34表面上的微凸起36的密度也减小，例如降至1×10⁹/cm²或更小，微凸起36的曲率半径大于多晶半导体薄膜33表面上微凸起35的曲率半径，并且一般是在60nm或更大的范围内，优选180nm或更大，更优选250nm或更大的范围内。

图6是由多晶半导体薄膜33转变成的单晶薄膜34的SEM照片。从该照片显而易见，在图5照片中所示的显影为鳄鱼皮状的多晶晶粒消失了并且许多微凸起也消失了，以及得到了具有大量单晶区的单晶薄膜34。单晶区的大小约为2μm，其大到足以形成薄膜晶体管的沟道区。

在以上的描述中，具有微凸起36的单晶薄膜34是通过用准分子激光束进行第一和第二次热处理形成的；然而，本发明不限制于此。例如，第一和第二次热处理可以通过由不同种类的激光器如稀有气体激光器或YAG激光器发射的激光束照射进行，或者可以通过不同种类的能量束如X射线或电子束在假设不允许能量束穿过薄膜的情况下照射进行。又由于第二次热处理是通过加热的退火处理，这种热处理不必通过激光照射进行，但是可以通过灯光退火，比较长时间的炉内退火，或利用电热丝式加热器进行。

不同于作为退火处理进行的第二次热处理，优选进行第一次热处理以在绝缘基片上形成其中多晶晶粒排列成近似规则的图形的多晶薄膜，以便形成微凸起。因此，第一次热处理是用大能量的准分子激光束照射进行的。在这种情况中，为得到排列成近似规则的图形的多晶晶粒，可以通过在开口部分等处直线激光束照射的衍射现象赋予激光束强度以周期性模式，或者强度调制掩膜片如位相掩膜片由矩形激光束照射的干涉或衍射现象赋予激光束强度以周期性模式。周期性模式赋予激光束强度对多晶晶粒核的生长有效，结果在绝缘基片上形成在其中多晶晶粒排列成近似规则的图形的多晶薄膜。

至少第一次热处理或第二次热处理二者之一可以大体上在真空中，惰性气体氛围中或非氧化气体氛围中完成。特别是，如果在非晶半导体薄膜最初形成在绝缘基片上后或第一和第二次热处理之间，处理是通过保持同样的常压气体或腔室没有露天地由一个腔室变到另一个进行，则有可能去掉调节常压气体消耗的时间。

作为绝缘基片31，可以是各种衬底如有特定刚度和耐热性的玻璃衬底，所谓白玻璃，塑料衬底，陶瓷衬底，石英衬底，硅晶片以及通过在半导体晶片上形成氧化膜或氮化膜而得的衬底。特别是，由于热处理只进行非常短的时间，低耐热性(例如600℃)的衬底可以足够使用。另外，各种中间层和反射层，以及其它功能层可以设置在绝缘基片31的薄膜形成表面上。

形成在绝缘基片31上的单晶薄膜34是通过结晶非单晶硅膜如非晶硅膜或多晶硅膜形成的单晶薄膜。单晶薄膜34的厚度是例如定在约40nm-50nm的范围内。结晶半导体薄膜是多晶薄膜处于热处理前状态的形式。在此情况中，多晶薄膜可处于理想的多晶晶粒排列成近似规则的图形状态。除硅外，SiGe和SiC可以用作形成单晶薄膜34的材料。

单晶薄膜34可以处于多晶区，其中多晶晶粒互相结合的单晶区以及非单晶区彼此混合的状态。其中多晶晶粒互相结合的单晶区的大小一般在1×10^-9cm²或更大的范围内，优选1×10^-8cm²，更优选16×10^-8cm²或更大。当单晶薄膜中单晶区的尺寸变大时，结晶特性变得接近完美的单晶，并且相应地单晶薄膜的性能变得稳定。单晶薄膜34不需要形成在绝缘基片的整个表面上，但是可以部分存在于多晶薄膜上。单晶薄膜34中的单晶区优选结晶取向平面：(110)，(111)和(110)平面之一。在这个实施例子中，准分子激光器扫描，但不是必须扫描。甚至在该例中，多晶晶粒排列成近似规则的图形。在该实施例子中，第一和第二次热处理是分别进行的；虽然，为提供共同边界条件的第一次热处理和为将多晶薄膜转变成单晶薄膜的第二次热处理可以几乎同时进行。

如上所述其上已经形成单晶薄膜34的绝缘基片31可以用作生产半导体器件的半导体衬底。半导体器件可以应用作为薄膜晶体管或其它电子器件，具体地，如将在后面所述，作为薄膜晶体管用于液晶显示器的同步电路。形成在绝缘基片上的单晶薄膜包含的单晶区能够当绝缘基片用作半导体器件的半导体衬底时，使半导体器件的特性稳定，更确切地说，当绝缘基片用作薄膜晶体管的半导体衬底时，其能够遏制临界值的变动并提高迁移率，该迁移率使器件能跟上高速工作。

〔第2实施例〕

有源矩阵型显示器作为半导体器件的一个例子，其采用根据本发明生产单晶薄膜方法生产的薄膜晶体管，将参考图7描述于下。在这个实施例中，半导体器件通过采用具有微凸起的薄膜作为沟道成形。参见图7，该显示器具有嵌板结构，包括一对绝缘基片51和52，以及电子光学材料53固定在其间。例如，液晶材料用作电子光学材料53。像素列阵部分54和同步电路部分集中地形成在下绝缘基片51上。同步电路部分分成垂直扫描器55和水平扫描器56，用于外部连接的接线端部57形成在绝缘基片51的周围部分的上端。接线端部57通过接线58与垂直扫描器55连接和水平扫描器56连接，成排布置的选通电路线59和成柱状布置的信号线路60形成在像素列阵部分54。像素电极61和用于驱动像素电极61的薄膜晶体管62形成在线路59和60二者的每个交叉点。薄膜晶体管62的选通电极与相应的选通线路59连接。薄膜晶体管62的漏极部位与相应的像素电极61相连接，及其源区与相应的信号线路60连接。选通线路59与垂直扫描器55连接，及信号线路60与水平扫描器56连接。每个用于切换地驱动像素电极61的薄膜晶体管62和包含在垂直扫描器55和水平扫描器56中的薄膜晶体管是根据第1实施例所述的方法生产的，以使薄膜的沟道部分具有微凸起的单晶区，其结晶特性接近于单晶。还有，除垂直扫描扫描器和水平扫描器外，视频驱动器和定时发生器也集中地形成在绝缘基片51上。

接着将参考附图描述第3、第4和第5实施例子，其涉及半导体薄膜及其生产方法，采用半导体薄膜作为部分结构的半导体器件，以及一种根据本发明的衬底。

〔第3实施例〕

本实施例中的半导体薄膜成形为形成在绝缘基片上的半导体薄膜，其中微凸起形成在半导体薄膜的表面上。

本实施例中的半导体薄膜也成形为由其中多晶晶粒排列成近似规则的图形的多晶薄膜形成在绝缘基片上的半导体薄膜，其中每个微凸起形成在至少3个或更多多晶晶粒之间的边界位置。

图8是根据本发明的半导体薄膜的示意图。参见图8，结晶的薄膜102形成在绝缘基片101上作为绝缘基片，及大量微凸起103形成在结晶薄膜102的表面上。

作为绝缘基片101，可以有各种衬底如具有特定刚度和耐热性的玻璃衬底、所谓白玻璃、塑料衬底、陶瓷衬底、石英衬底、硅晶片以及通过在半导体晶片上形成氧化膜或氮化膜而得的衬底。特别是，由于在本实施例中热处理仅进行很短的时间，具有低耐热性(例如600℃)的衬底可足够使用。另外，各种中间层和反射层，以及其它功能层可以成型在绝缘基片101的薄膜形成表面上。

形成在绝缘基片101上的结晶薄膜102是由结晶非单晶硅膜如非晶硅膜或多晶硅膜形成的半导体薄膜。结晶薄膜102的厚度T₁，例如，定在约40nm-50nm的范围内。结晶半导体薄膜处于热处理前状态的多晶薄膜形式。在此情况中，多晶薄膜最好是处于多晶晶粒排列成近似规则的图形的状态。微凸起103形成在结晶薄膜102的表面上。

在本发明形成半导体薄膜的情况中，微凸起103是在热处理时形成的。特别是通过利用准分子激光器进行第一次(最初的)热处理，微凸起103以近似规律的形式形成在结晶薄膜102的表面上，例如，微凸起103以间距N₁约为0.3μm排列。从上述来看，微凸起103形成在结晶薄膜102的表面上，同时排列成矩阵形式。微凸起103形成各种形状，例如近似锥形、矩形及畸形。微凸起103是通过由于多晶晶粒的晶体边界重叠或互相碰撞，多晶晶粒从表面上隆起的方法形成的。如后面将要描述的，在通过由第1准分子激光器发射的激光束照射和由第2准分子激光器发射的激光束照射形成结晶薄膜102的情况中，由于薄膜是通过具有近似矩形或诸如此类的多晶晶粒在由第1准分子激光器发射的激光束照射时聚集形成的，在近似矩形的四角的每个角和至少3个或更多多晶晶粒中间的每个边界位置的表面上，多晶晶粒由于多晶晶粒的晶体边界重叠和相互碰撞而隆起，以致形成大量微凸起103在水平和垂直方向排列成近似规律的形式，其取决于从第1准分子激光器发射的激光束的照射条件。

每个微凸起103的形状将参考图8描述于下。微凸起103的高度H1定义为结晶薄膜102的表面和微凸起103的顶部之间的距离，且在20nm或更小的范围内，优选10nm或更小，更优选5nm或更小。特别是，在第二次热处理时，由于进行结晶，微凸起103的高度H1变小，以致结晶薄膜102的表面变平成为整体。当结晶进行时，微凸起103的曲率半径R1会变大，在60nm或更大范围内，优选180nm或更大，更优选250nm或更大。微凸起103的直径在0.1μm或更小的范围内，优选0.05μm或更小。将注意到由于微凸起103不必形成为锥形，直径D₁更确切的意思是在水平面内微凸起103的大小。

微凸起103的排列间距N₁等于相邻两个微凸起103之间的间隙，更确切地说相等于处于微凸起103存在于多晶晶粒聚集形成近似矩形状态的每个多晶晶粒的直径。每个多晶晶粒的直径是，例如在0.1μm-4.0μm的范围内。图9是微凸起位于近似矩形的四角的每个角的示意图。在图9所示的例子中，微凸起103的间距N₁是，例如定为约0.3μm。此时，微凸起103的密度在1×10¹⁰/cm²或更小的范围内，优选1×10⁹/cm²或更小，更优选5×10⁸/cm²或更小。结晶薄膜102可以处在多晶区、其中多晶晶粒互相结合的单晶区及非单晶区互相混合的状态。多晶晶粒互相结合的单晶区的大小通常是在1×10^-8cm²或更大的范围内，优选1×10^-7cm²或更大。当结晶薄膜102的单晶区尺寸变大时，结晶的特性变得接近于完美的单晶；且相应地，结晶薄膜102的性能变得稳定。结晶薄膜102不需要形成在绝缘基片101的整个表面上，但是可以存在部分多晶薄膜中。结晶薄膜102中的单晶区优选结晶取向平面：(110)，(111)和(110)平面之一。

如上所述其上已形成结晶薄膜102的绝缘基片101可以用作生产半导体器件的半导体衬底。半导体器件可以应用为薄膜晶体管或其它电子器件，特别是，作为薄膜晶体管用作液晶显示器的同步电路，将在后面描述。形成在绝缘基片上的结晶薄膜102含有单晶区，其能够在绝缘基片上用作半导体器件的半导体衬底时稳定半导体器件的特性，更确切地说，其能够在绝缘基片用作薄膜晶体管的半导体衬底时，遏制临界值的变动，并提高迁移率，该迁移率能使器件跟上高速工作。

〔第4实施例〕

接下来，本发明的第4实施例，其涉及生产半导体薄膜的方法，将参考图10-15描述。按照本实施例生产半导体薄膜的方法，包括在绝缘基片上形成非单晶薄膜的步骤，对非单晶薄膜作第一次热处理的步骤，由此形成多晶薄膜，以及对多晶薄膜作第二次热处理的步骤，由此形成结晶半导体薄膜，其中在结晶半导体薄膜表面上的凸起小于多晶薄膜表面上的凸起。

根据本实施例生产半导体薄膜的改进方法包括在绝缘基片上形成非单晶区薄膜的步骤，对非单晶薄膜作第一次热处理的步骤，由此形成多晶薄膜，以及对多晶薄膜作第二次热处理的步骤，由此形成结晶半导体薄膜，其中在结晶半导体薄膜表面上每个凸起的曲率半径大于在多晶薄膜表面上每个凸起的曲率半径。

根据本实施例生产半导体薄膜的另一种改进方法包括在绝缘基片上形成非单晶薄膜的步骤，对非单晶薄膜作第一次热处理的步骤，由此形成其中多晶晶粒排列成近似规则的图形的多晶薄膜的步骤，以及对多晶薄膜作第二次热处理的步骤，由此形成结晶半导体薄膜，其中每个微凸起形成在至少3个或更多多晶晶粒之间的边界位置，其中每个微凸起的高度在25nm或更小的范围内，和每个微凸起的曲率半径在60nm或更大的范围内。

图10表示用于根据本发明生产半导体薄膜方法的准分子激光器照射设备的一个例子。首先，将描述用于以准分子激光束来照射形成在低耐热性绝缘基片21如玻璃衬底上的半导体薄膜22的准分子激光照射设备。其上已经形成半导体薄膜22的绝缘基片21安装在室20中，准分子激光照射设备具有激光谐振腔23，衰减器24和包含均化器的光学系统25，其零部件全部安置在室20外。在XY方向可移动的载物台27设置在室20内。其上形成有半导体薄膜22的绝缘基片21安放在载物台27上。

准分子激光照射设备与参考图1所述第1实施例中的准分子激光照射相同，并因此，相应于图1所示的那些其它部件是用相同参考数字表示，并略去其重复的描述。

根据本发明生产半导体薄膜方法的一个例子将参考图11-15描述于下。首先参见图11，制备由玻璃、石英、陶瓷或蓝宝石制造的绝缘基片131，将非晶半导体薄膜132形成在绝缘基片131的主平面上，例如，用等离子增强的CVD法。作为绝缘基片131，可以采用低耐热性的所谓白玻璃，因为采用准分子激光作为光源，非晶薄膜132的厚度通常定在约50nm，并根据待生产半导体器件的特性可作适当调整。

非晶半导体薄膜132形成后，其上已经形成非晶半导体薄膜的绝缘基片131被安放到图10所示的准分子激光照射设备，然后进行准分子激光束照射作为第一次热处理。激光照射是采用波长为308nm的XeCl准分子激光在能量强度定为340mJ/cm²和扫描方向上的重叠比定为95％的条件下进行的。在此激光照射下，非晶半导体薄膜132被熔融和再结晶，以形成由基本上排列好的多晶晶粒构成的多晶半导体薄膜133。多晶半导体薄膜133中的每个多晶晶粒具有对角线长度约为0.2μm-0.6μm的近似矩形。晶粒边界也通过准分子激光束照射形成。在晶粒边界部分，如图12所示，由于其互相碰撞存在于至少3个或更多多晶晶粒之间的边界位置，使晶粒隆起而产生每个微凸起135。微凸起135最大高度约为50nm，并且一般是在25nm或更大的范围内。

图14是其中非晶硅转变成多晶硅的薄膜的SEM照片。如照片中所示，许多微凸起(观察到的是尺度3μm以内的约10块白点)是排列好的，更确切地说，许多多晶晶粒在水平和垂直方向排列成近似规则的图形，以及每个微凸起形成在至少3个或更多多晶晶粒中间的边界位置。

紧随用激光照射的第一次热处理后，通过准分子激光束照射进行第二次热处理。激光照射是用波长为308mJ/cm²的XeCl准分子激光在能量强度定为300mJ/cm²和在扫描方向的重叠比定为95％的条件下进行。用于第二次热处理的激光照射的准分子激光的能量强度可以低于用于第一次热处理激光照射的准分子激光的能量强度，以使多晶半导体薄膜133的热处理温度变得低于在第一次热处理的激光照射时的热处理温度。应该注意到：多晶半导体薄膜133的热处理温度设定为低于多晶硅的熔点。

如图13所示，多晶半导体薄膜133通过第二次热处理的准分子激光束的照射转变成结晶半导体薄膜134。更确切地说，通过第一次形成的多晶半导体薄膜133中相邻的多晶晶粒，通过准分子激光束的照射互相结合，以形成结晶半导体薄膜134，其包括大小至少为1×10^-8cm²或更大的单晶区，并优选其整个由单晶组成。第二次热处理的准分子激光束照射时多晶半导体薄膜133的热处理温度可以低于第一次热处理的准分子激光束照射时的，并且也可以低于多晶硅的熔点。结晶半导体薄膜134可以包含有除单晶区外的多晶半导体区。在第二次热处理的准分子激光束照射后，微凸起136出现在结晶半导体薄膜134的表面上，每个微凸起136的高度变得小于多晶半导体薄膜133表面上的每个微凸起135的高度，并且更确切地说，变得非常小，其值等于或小于5nm-20nm。微凸起136的直径变得小如0.1μm或更小。在结晶半导体薄膜134表面上的每个微凸起136形成的位置相应于通过第一次热处理而得的至少3个或更多多晶晶粒的边界位置，由于其碰撞而隆起。因此，显而易见，多晶半导体薄膜133表面上的微凸起135是平坦的及剩下的仍然隆起的凸起变成结晶半导体薄膜134表面上的微凸起136。

结晶半导体薄膜134表面上微凸起136的密度也降至，例如1×10¹⁰/cm²或更小，优选1×10⁹/cm²或更小。微凸起136的曲率半径大于多晶半导体薄膜133表面上的微凸起135的曲率半径，一般在60nm或更大的范围，优选180nm或更大，更优选250nm或更大。

图15是由多晶半导体薄膜133转变成的结晶半导体薄膜134的SEM照片。如该照片所示，许多微凸起136(其观察到为白点)在3μm的尺度内。示于图15中的白点是细辐射状，且不清楚，不像图14中显示的白点。

在以上描述中，有微凸起136的结晶半导体薄膜134通过准分子激光束照射进行第一和第二次热处理形成。然而，本发明不限制于此。例如，第一和第二次热处理可以通过由不同种类的激光器如稀有气体激光器或YAG激光器发射的激光束照射进行，或者可以通过不同种类的能量束如X射线或电子束在假设不允许能量束穿过薄膜情况下照射进行。还由于第二次热处理是通过加热的退火处理，这种热处理不必用激光照射完成，但是可以用灯光退火，较长时间的炉内退火，或利用电热丝式加热器来加热完成。

进行第一次热处理，不同于作为退火处理的第二次热处理，优选在绝缘基片上形成其中多晶晶粒排列成近似规则的图形的多晶薄膜，以形成微凸起。因此，第一次热处理是通过具有大能量的准分子激光束的照射完成。在此情况中，为得到排列成近似规则的图形的多晶晶粒，周期性模式能够通过直线激光束照射在开口部分等的衍射现象赋予激光束强度，或者周期性模式能够通过强度调制掩膜片如位相掩膜片由矩形激光束照射的干涉或衍射现象赋予激光束强度。周期性模式赋予激光束强度对多晶晶粒核的生长有效，结果其中多晶晶粒排列成近似规则的图形的多晶薄膜形成在绝缘基片上。

至少第一次热处理或第二次热处理二者之一能够基本上在真空中，惰性气体氛围中或非氧化气体氛围中完成。特别是，如果在非晶半导体薄膜最初形成在绝缘基片上后或第一和第二次热处理之间后，处理是通过保持同样的常压气体或不使腔室露天地从一个腔室改变到另一个腔室进行，则有可能去掉常压气体调节耗费的生产时间。

〔第5实施例〕

作为半导体器件的有源矩阵型显示器的一个例子，其采用根据本发明生产的薄膜晶体管，将参考图16描述如下，在该实施例中，半导体器件是采用具有微凸起的薄膜作为沟道成形。如图16所示，该显示器具有嵌板结构包括一对绝缘基片151和152，和电子光学材料153固定其间。例如，液晶材料用作电子光学材料153。像素列阵部分154和同步电路电路部分集中地形成在下绝缘基片151上。同步电路部分分成垂直扫描器155和水平扫描器156。用于外连接的接线端部157形成在绝缘基片151周围部分的上端。接线端部157通过接线158与垂直扫描器155和水平扫描器156连接。成排布置的选通电路159和成柱状布置的信号电路160成形在像素列阵部分154。像素电极161和驱动像素电极161的薄膜晶体管162形成在线路159和160二者的每个交叉处。薄膜晶体管162的选通电极与相应的选通电路159相连接。薄膜晶体管162的漏极部位与相应的像素电极161相连接，以及其源区与相应的信号电路160连接。选通电路159与垂直扫描器155连接，信号电路160与水平扫描器156连接。每个用于切换地驱动像素电极161的薄膜晶体管162和包含在垂直扫描器155及水平扫描器156中的薄膜晶体管是根据第4实施例所述的方法生产的，以使薄膜的沟道部分为具有微凸起的单晶区，其结晶特性接近于单晶。而且，除垂直扫描器155和水平扫描器156外，视频驱动器和定时发生器也可以总体地形成在绝缘基片151中，此外，单晶薄膜或接近于单晶薄膜的结晶薄膜可以用于同步电路部分，多晶薄膜或非单晶薄膜可以用于像素部分。

下面，第6、第7和第8实施例，其涉及一种生产半导体薄膜的方法和一种根据本发明生产可用于上述生产方法的单晶半导体薄膜的设备，将参考附图描述。

按照第6、第7和第8实施例，一种生产在基片上的半导体薄膜的方法，包括形成含氢非单晶半导体薄膜的步骤，将含氢非单晶薄膜作第一次热处理的步骤，由此排除氢；以及继续将已除氢的非单晶薄膜进行第二次热处理的步骤，由此形成其中多晶晶粒排列成近似规则的图形的多晶膜。按照第6、第7和第8实施例，生产在基片上的半导体薄膜的另一种方法，包括形成含氢非单晶半导体薄膜的步骤，将含氢非单晶薄膜作第一次热处理的步骤，由此排除氢；继续将已经除氢的非单晶薄膜进行第二次热处理的步骤，由此熔融和再结晶非单晶薄膜；以及将熔融和再结晶的多晶膜作第三次热处理，由此将多晶薄膜转变成单晶薄膜。

〔第6实施例〕

按照本实施例生产在基片上半导体薄膜的方法，包括形成含氢非单晶半导体薄膜的步骤，将含氢非单晶薄膜作第一次热处理的步骤，由此排除氢及继续将已经除氢的非单晶薄膜进行第二次热处理，由此形成其中多晶晶粒排列成近似规则的图形的多晶膜。

图17是表示按照本实施例生产半导体薄膜方法的流程图，按照本实施例生产半导体薄膜的连续步骤将描述如下。在步骤S1中，由非晶硅制成的非单晶膜形成在基片如绝缘基片上。这种非单晶膜的形成没有特别的限制，但是可以通过各种方法完成，例如，等离子CVD法、低压CVD法、大气压CVD法、催化剂辅助CVD法、光辅助CVD法及激光CVD法，然而，由于形成非单晶膜步骤继之以除氢步骤，优选采用等离子CVD法。将注意到在该步骤形成的非单晶膜可含氢。

在步骤S2中，进行第一次热处理以除氢，例如通过准分子激光束的照射完成。激光照射可以用脉冲宽60纳秒或更大的XeCl来完成。在这种准分子激光束照射下，可以从非单晶膜中排除氢，以致氢含量可以降至能够防止薄膜短时间内爆裂的水平。作为进行第一次热处理的方法，可以使用由准分子激光器发射的直线或矩形激光束照射，或由其它种类如稀有气体激光器或YAG激光器发射的激光束照射。然而，最好是采用脉冲宽60纳秒的激光器发射的激光束照射，其能使膜的内部熔融而不熔融衬底。

在用于除氢的第一次热处理后，在步骤S3中，第二次热处理是通过准分子激光束照射完成的。该激光照射是采用例如波长为308nm的XeCl准分子激光完成的。在这种准分子激光束照射下，排列成近似规则的图形的多晶晶粒根据照射条件形成在薄膜的表面上。换句话说，进行准分子激光束照射是用于将共同边界条件引入多晶晶粒，因此，在能够将这样的共同边界条件引入多晶晶粒的范围内，可以采用任何照射方法。更确切地说，任何激光照射方法，例如一种准分子激光器发射的直线或矩形激光束照射，或者其它种类激光器如稀有气体激光器或YAG激光器发射的激光束照射，在能够形成排列成近似规则的图形的多晶晶粒在薄膜表面上的范围内，都可以用于第二次热处理。在下一步骤中，理想的是进一步在固相中生长排列成近似规则的图形的多晶晶粒，以便减少多晶晶粒的边界。

第一次和第二次热处理分别在步骤S2和S3中完成，然而能够利用同一腔室连续进行，或它们能够通过彼此分开或改变在第一次和第二次热处理时用激光束照射的区域同时进行。

按照第6实施例形成的多晶膜，就临界电压和迁移率的稳定性二者而言，比单晶薄膜差，然而，多晶薄膜的优点是由于氢被充分地排除，大量多晶晶粒生长在固相中。结果，如果多晶薄膜被应用为半导体器件，则有可能提高半导体器件的性能。多晶膜还有另一优点，即由于排除氢在短时间内充分地进行，所以有可能防止多晶膜的爆裂。

〔第7实施例〕

按照本实施例生产在基片上的半导体薄膜的方法，包括形成含氢非单晶半导体薄膜的步骤，将含氢非单晶薄膜作第一次热处理的步骤，由此排除氢，继续将已除氢的非单晶薄膜进行第二次热处理的步骤，由此熔融和再结晶非单晶薄膜，以及将熔融和再结晶的多晶膜作第三次热处理的步骤，由此将多晶薄膜转变成单晶薄膜。

图18是表示按照本实施例生产半导体薄膜方法的流程图。本实施例不同于第6实施例，其中增加了第三次热处理以将多晶膜转变成单晶膜。按照本实施例生产半导体薄膜的连续步骤将描述如下。如第6实施例一样，在步骤S11中，由非晶硅制造的非单晶膜形成在基片如绝缘基片上。这种非单晶膜的形成没有特别的限制，但是可以各种方法完成，例如，等离子CVD法、低压CVD法、大气压CVD法、催化剂辅助CVD法、光辅助CVD法及激光CVD法，但是，由于形成单晶膜继之以除氢步骤，优选采用等离子CVD法。将注意到在该步骤形成的非单晶膜可以含氢。

在步骤S12中，用于除氢的第一次热处理通过例如准分子激光束照射来完成。激光照射可以利用脉冲宽60纳秒或更大的XeCl进行。在这种准分子激光束照射下，氢从非单晶膜中排除，以使氢含量可降至能够防止薄膜爆裂的水平。作为实施第一次热处理的方法，可以采用由准分子激光器发射的直线或矩形激光束照射，或由其它种类的激光器如稀有气体激光器或YAG激光器发射的激光束照射。然而，理想的是用具有脉冲宽60纳秒的激光器发射的激光束照射，其使薄膜内部熔融而不熔融衬底。

在除氢的第一次热处理后，如实施例6一样，在步骤S13中，第二次热处理是通过准分子激光束照射完成的。该激光照射是采用在第6实施例中使用的相同准分子激光器进行的。在这种准分子激光束照射下，排列成近似规则的图形的多晶晶粒根据照射条件形成在薄膜的表面上。换句话说，进行准分子激光束照射以将共同边界条件引入多晶晶粒，并因此，在能够将这样的共同边界条件引入多晶晶粒的范围内，可以采用任何照射方法。更确切地说，任何激光照射方法，例如由准分子激光器发射的直线或矩形激光束照射，或者从其它种类激光器如稀有气体激光器或YAG激光器发射的激光束的照射，在能够形成排列成近似规则的图形的多晶晶粒在薄膜表面上的范围内，都可以用于第二次热处理。

第二次热处理后，在步骤S14中，进行第三次热处理，以使排列成近似规则的图形的多晶晶粒互相结合，使多晶晶粒中的边界消失，由此，形成单晶半导体薄膜。由此所得的多晶半导体薄膜很不同于由多晶膜通过结晶方法扩大多晶晶粒尺寸而得的相关技术的薄膜。即是说，按照本实施例的单晶半导体薄膜具有同等或类似于完美单晶的结晶质量，并且特别是可有效地用作薄膜晶体管的沟道部分。任何工艺方法，在能够将多晶薄膜转变成单晶薄膜的范围内都可以用于进行第三次热处理；然而，如第一次和第二次热处理，照射方法可以采用例如直线或矩形激光束照射，或者由不同种类的激光器如稀有气体激光器或YAG激光器发射的激光束照射。

第一次、第二次和第三次热处理分别在步骤S12、S13和S14中完成，然而，它们可以使用同一腔室连续进行，或者它们可以通过彼此分开或改变在第一次、第二次和第三次热处理中用激光束照射的区域同时进行。

虽然，按照本实施例生产半导体薄膜的方法在流程图基础上已经描述，参考图19-23将更充分地描述。首先参见图19，制备由玻璃、石英、陶瓷或蓝宝石制造的一种绝缘基片231，且非晶半导体薄膜232形成在绝缘基片231的主平面上，例如，通过等离子增强CVD法。作为绝缘基片231可以采用低耐热性(低熔点)的所谓白玻璃，因为采用准分子激光器作为光源。作为非晶半导体薄膜232，非晶硅膜可以通过例如等离子增强CVD法形成。非晶半导体薄膜232的厚度通常定在约50nm，并根据待生产的半导体器件特性可作适当调整。作为一个例子，非晶硅半导体薄膜232的厚度可以定在约100nm或更小的范围内，优选80nm或更小，更优选60nm或更小。

非晶半导体薄膜232形成后，用准分子激光束照射非晶半导体薄膜的一部分，以从其中除去氢。激光束的脉冲宽定在60纳秒或更大的范围内，优选60-300纳秒，更优选100-250纳秒，最优选120-230纳秒。准分子激光束照射可以通过能量强度为350mJ/cm²的几次发射重复，并可通过能量强度为300mJ/cm²的约50次发射重复。用脉冲宽60纳秒或更大的准分子激光束照射使从非晶半导体薄膜232中除去氢成为可能。即使非晶半导体薄膜232形成为含氢量10原子％或更少的薄膜，通过准分子激光束照射也能从该薄膜中除去这样的氢，以致在照射区域的挥发性气体浓度肯定降低。对于非晶硅膜，通过将膜中的含氢浓度抑制在8％或更小的范围内，有可能防止由于氢从非晶硅膜中释放而发生磨耗。在将非晶膜转变成多晶硅膜的情况中，理想的是将氢含量控制在2-5％的范围内。

准分子激光束的照射可以通过移动在脱气装置的腔室中的载物台的重复方法步骤进行，以这种方法使激光束端部彼此重叠，由此用激光束按顺序间歇地照射半导体薄膜表面，或通过扫描直线束来完成。准分子激光束方面可以在载物台固定，或者载物台和激光束两者都可以移动下来扫描。在此方法中，准分子激光照射使从薄膜的照射区除去氢成为可能，即肯定降低了氢浓度等，并因此形成非晶半导体薄膜232含氢的浓度，例如，在小于2原子％的范围内。

将其上已形成非晶半导体薄膜232的绝缘基片231装入准分子激光照射设备中，经受准分子激光束照射作为第二次热处理。激光照射是采用波长为308nm的XeCl准分子激光在能量强度定在340mJ/cm²和在扫描方向的重叠比定在95％的条件下完成的。此外，激光照射是振据线性激光照射法完成的。在这种激光照射下，非晶半导体薄膜232被熔融和再结晶，以形成如图20所示由基本上排列成好的多晶晶粒构成的多晶半导体薄膜233。多晶半导体薄膜233中的每个多晶晶粒具有其对角线长度约为0.2μm-0.6μm的近似矩形形状。结晶晶粒的边界也是通过准分子激光束照射形成。在晶粒的边界部分，由于其相互碰撞存在于至少3个或更多多晶晶粒中间的边界位置而晶粒隆起产生每一个微凸起235。微凸起235的高度最大约为50nm，且通常在25nm或更大的范围内。每个多晶晶粒的大小可以通过改变激光束脉冲数来控制。例如，通过增加激光束脉冲到20射次或更大。则每个多晶晶粒的大小可以增加到3μm或更大。此外，在本实施例中选择的能量强度使得非单晶硅熔融和再结晶；然而，能量强度可以选择到一个不使多晶硅熔融的值。在这种情况中，有可能在周相中生长多晶硅。

图22是通过激光照射非晶半导体薄膜转变成的多晶半导体薄膜SEM照片。如照片中所示，显影为类似鳄鱼皮状的多晶晶粒(多晶硅晶粒)，在水平和垂直方向排列成近似规则的图形，及许多微凸起各形成在至少3个或更多的多晶晶粒中间的边界位置。多晶晶粒的近似规则的图形排列可以认为在以周期性模式赋予激光束强度时发生。在直线激光束照射的情况中，这种周期性模式可以通过直线激光束照射时在开口部分等的衍射现象赋予直线激光束强度；以及在平面激光束照射情况中，周期性模式可以通过矩形激光束照射时强度调制掩膜片如位相掩膜片的干涉或衍射观象赋予矩形激光束强度。更全面地，可以认为通过激光照射将一个共同边界条件引入多晶晶粒。为了大量生长其中多晶晶粒已相互结合的单晶区，可以优选邻近的多晶晶粒处于容易互相结合的状态。为得到这种相邻的多晶晶粒易于互相结合的状态，根据该实施例，进行第一次热处理以形成多晶晶粒排列成近似规则的图形，并由此得到多晶晶粒的共同结晶方向性，例如，共同结晶取向平面如热处理后再结晶时的(100)平面。第一次热处理后排列成近似规则的图形的多晶晶粒，将由此根据其次序互相光滑地结合。因此，在下面的第三次热处理时，将容易促进多晶晶粒的互相结合，以将多晶半导体薄膜转变成单晶薄膜。

跟着激光照射的第二次热处理，用准分子激光束照射作第三次热处理。激光照射是采用波长为308nm的XeCl准分子激光在能量强度定为300mJ/cm²和扫描方向的重叠比定为95％的条件下进行。用于第三次热处理激光照射的准分子激光的能量强度低于用于第二次热处理激光照射的准分子激光的能量强度，以致多晶半导体薄膜233的热处理温度变得低于在第二次热处理激光照射时的热处理温度。可以认为，通过在这样的低温进行退火处理，从前形成的多晶硅生长在固相中，并由此相邻的晶粒互相结合。该热处理温度设定在低于形成多晶半导体薄膜233的材料多晶硅的熔点。而且，第三次热处理总照射能量(脉冲能量×脉冲数)设定为大于第二次热处理的，目的是有效地将多晶半导体薄膜转变成单晶薄膜。

如图21所示，多晶半导体薄膜233是通过作为第三次热处理的准分子激光束照射转变成单晶薄膜234，更确切地说，通过第二次热处理形成的多晶半导体薄膜233中的相邻多晶晶粒由于准分子激光束照射互相结合，形成单晶薄膜234，其包含有大小至少在9×10^-8cm²或更大的单晶区，并优选整个都由单晶构成。单晶薄膜234可以含有多晶半导体区或非晶半导体区。

在第三次热处理的准分子激光束照射后，微凸起236呈现在单晶薄膜234的表面上。微凸起236的高度小于多晶半导体薄膜233表面上的微凸起235的高度，微凸起236的高度非常小，其值等于或小于5nm-20nm。微凸起236的直径是小如0.1μm或更小。微凸起236的密度在1×10^-4个/cm²或更少的范围内。在单晶薄膜234表面上的每个微凸起236形成的位置相应于通过第二次热处理而得的至少3个或更多多晶晶粒的的边界位置，由于其相互碰撞而隆起。即是说，多晶半导体薄膜233表面上的微凸起235是平坦的，且剩下的仍隆起的凸起变成单晶薄膜234表面上的微凸起236。一些微凸起235完全消失。

图23是由多晶半导体薄膜233转变成的单晶薄膜234的SEM照片。从照片上显而易见，在图22照片中所示显影为类似鳄鱼皮状的多晶晶粒消失了以及许多微凸起也几乎消失了，并且得到具有大单晶区的单晶薄膜234。单晶区的大小约为2μm，其大到足以形成薄膜晶体管的沟道区。

如上所述，具有微凸起236的单晶薄膜234是通过由准分子激光束照射进行的第二次和第三次热处理形成，然而，本发明不限于此。例如，第二次和第三次热处理可以用不同种类的激光器如稀有气体激光器或YAG激光器发射的激光束照射进行，或者可以用不同种类的能量束如X射线或电子束在假设不允许能量束穿透薄膜的情况下照射进行。还有由于第三次热处理是通过加热的退火处理，这种热处理不必通过激光照射完成，但是可以用灯光退火，较长时间的炉内退火，或利用电热丝式加热器的碳加热器退火。在用炉内退火进行第三次热处理的情况中，理想的是具有耐热性的石英用作衬底及热处理在温度400-1000℃进行30min或更长。甚至在用灯光退火作第三次热处理的情况中，可取的是具有耐热性的石英用作衬底和热处理在温度400-1000℃时进行。

第二次热处理，不同于作为退火处理的第三次热处理，优选在绝缘基片上形成其中多晶晶粒排列成近似规则的图形的多晶薄膜。因此，第二次热处理是用具有大能量的准分子激光束照射完成。在此情况中，为得到排列成近似规律晶体点阵的多晶晶粒，周期性模式可以通过在开口部分等由直线激光束照射的衍射现象赋予激光束强度，或者周期性模式可以通过强度调制掩膜片如位相掩膜片由矩形激光束照射的干涉或衍射现象赋予激光束强度。赋予激光束强度以周期性模式对多晶晶粒核的生长有效，结果其中多晶晶粒排列成近似规则的图形的多晶薄膜形成在绝缘基片上。

至少第一次、第二次和第三次热处理之一，能够基本上在真空中，惰性气体氛围中或非氧化气体氛围中完成。特别是，如果处理是在非晶半导体薄膜最初形成在绝缘基片上后，第一和第二次热处理之间或第二次和第三次热处理之间，通过保持同样的常压气体或不使腔室露天地从一个腔室改变为另一个进行，则有可能去掉调节常压气体消耗的时间。由于腔室不露天，则有可能消除氧化作用。

作为绝缘基片231，可能有各种衬底如具有特定刚度和耐热性的的玻璃衬底、所谓白玻璃、塑料衬底、陶瓷衬底、石英衬底、硅晶片以及通过在半导体晶片上形成氧化膜或氮化膜而得的衬底。特别是，由于热处理仅在很短的时间内进行，具有低耐热性(例如600℃)的衬底可足够使用。另外，各种中间层和反射层，以及其它功能层可以设置在绝缘基片231的薄膜形成表面上。

形成在绝缘基片231上的单晶薄膜234是通过结晶非单晶硅膜如非晶硅膜或多晶硅膜形成的单晶薄膜。单晶薄膜234的厚度定为，例如约40mm-50nm的范围内。结晶半导体薄膜是处于热处理前状态的多晶薄膜形式。在此情况中，多晶薄膜理想的是处于多晶晶粒排列成近似规则的图形状态。除硅外，SiGe和SiC可以用作形成单晶薄膜234的材料。

单晶薄膜234可以处于多晶区，其中多晶晶粒互相结合的单晶区和非单晶区彼此混合的状态。其中多晶晶粒互相结合的单晶区的大小通常在9×10^-8cm²或更大的范围内，优选16×10^-8cm²或更大。当单晶薄膜中单晶区的尺寸变大时，结晶特性就变得接近于完美的单晶，并相应地单晶薄膜的性能变得稳定。单晶薄膜234不需要形成在绝缘基片的整个表面上，但是可以部分存在于多晶薄膜中。单晶薄膜234中的单晶区优选具有结晶取向平面：(100)，(111)和(110)平面之一。主结晶取向平面是(100)平面，但是也存在结晶取向平面(111)和(110)。

如上所述的其上已形成单晶薄膜234的绝缘基片231可以用作生产半导体器件的半导体衬底。该半导体器件可以用作薄膜晶体管或其它电子器件，特别是，用作将在后面描述的液晶显示器驱动电路的薄膜晶体管。形成在绝缘基片上的单晶薄膜含有单晶区，其能够在绝缘基片用作半导体器件的半导体衬底时，稳定半导体器件的特性，且更确切地说，其能够在绝缘基片用作薄膜晶体管的半导体衬底时，遏制临界值的变动，并提高迁移率，该迁移率使器件能跟得上高速工作。

〔第8实施例〕

本发明的第8实施例，其涉及生产单晶半导体薄膜的设备，将参考图24和图25A-25F描述。

首先，生产单晶半导体薄膜的设备将参考图24描述。图24是表示本实施例中一个生产半导体薄膜设备例子的剖视简图。该生产设备基本上包括CVD室259、激光照射室265和用于将室259和265两者互相连接的输送室264。

CVD室259是用于在放置于样品载物台262上的衬底上通过CVD法形成薄膜的加工室。膜形成气体261是通过形成在CVD室259上部的气体入口260引入，以在衬底上形成薄膜。输送室264构成输送通道，通过它在CVD室259中已加工的衬底输送到激光照射室265中而腔室不露天。特别是，闸门263设置在CVD室259和输送室264之间。例如，在薄膜用CVD法形成期间，闸门263保持关闭以阻止CVD室259和输送室264之间气体交通。激光照射室265是用于通过激光照射进行脱气处理和用于再结晶的退火处理的加工室。激光照射室265有样品载物台275，其上放置有从输送室264输送来的衬底。允许激光束穿过的石英窗266设置在激光照射腔室265的上部。由准分子激光器267发射的激光束穿过石英窗266，以照射在激光照射腔室265中的衬底的上表面。用于将在激光照射室265中的空气改变成特定的气氛如氮气氛围的气体人口268设置在激光照射腔室265的上部。用于已经进行激光照射的衬底卸料的出料口269，设置在激光照射室265的后壁。

配置在激光照射室265之上的准分子激光器267是具有脉冲宽为60纳秒或更大的脉冲宽度的激光器。在该例子中，除氢和通过退火再结晶是通过改变准分子激光激的辐射能量密度完成的。准分子激光器267最初位于面对样品载物台275上衬底的一个端部的位置以照射端部，并由此水平移动。

生产半导体薄膜的方法包括采用图24所示的生产半导体薄膜的设备进行脱气和再结晶的步骤，将参考图25A-25F描述。

首先参见图25A，衬底251是安放在CVD室259中的样品载物台262上，并且闸门263关闭以通过CVD法进行薄膜的形成。通过CVD形成薄膜进行如下：就是，作为用于形成非晶硅膜的CVD气体的硅烷和氢气通过气体人口260被引入CVD室259，并同时在CVD室259中进行等离子放电，从而非晶硅(a-Si)膜252沉积在衬底251上，在这种通过等离子体增强CVD形成非晶硅膜252的情况中，在非晶硅膜252必然含有氢。

薄膜形成后，停止等离子放电以及停止供应CVD气体，并且CVD室259内部排空。在CVD室259内部排空后，输送室264和照射室265也被排空。然后打开闸门，在CVD室259中其上已形成薄膜的衬底251以图25B所示方向输送。衬底251通过输送室264并到达激光照射室265。在激光照射室265中其上已形成薄膜的衬底251被放置在样品载物台275上。在输送室264和CVD室259之间形成的闸门263在衬底251通过闸门263后关闭。具有这种结构，由于衬底周围气体251在其中衬底251从CVD室259输送到激光照射室265期间是不露天的，这就有可能短时间加工衬底251并减少衬底251被无用的杂质污染的可能性。

在将其上含氢非晶硅膜252已形成的衬底251放置在激光照射室265中的样品载物台275上后，如图25C所示，非晶硅膜252用激光束272照射以除氢。激光束272的照射是采用准分子激光器267(脉冲宽度：60纳秒或更大)进行的，激光束272的能量密度确定在不使非晶硅膜252熔融和结晶的值，例如约300mJ/cm²。由于由准分子激光器267发射的激光束272不是立刻影响衬底251上的非晶硅膜252的整个表面，准分子激光器267沿着衬底251的主平面以图中的方向271移动以在含氢非晶硅膜252的整个表面上进行脱气。此外，可以采取另外的结构，即激光照射室265的大小制成衬底251两倍的大小和样品载物台275构造成XY平台，其中样品载物台275在水平方向移动，而准分子激光器267固定，以通过准分子激光器267发射的激光束272照射非晶硅膜252的整个表面。另外，准分子激光器267发射的激光束272和样品载物台275两者都能够移动。在这样的激光束272照射下脱气，非晶硅膜252中的含氢量降低。例如，有可能达到脱气氢量为2原子％或更少，其比得上用电炉退火完成的。

紧接脱气处理，非晶硅膜252结晶通过利用同样的准分子激光器267完成。通过利用准分子激光器267的用于结晶的激光照射进行为两个步骤：从准分子激光器267发射的激光束273照射用于多晶晶粒排列成近似规则的图形和从准分子激光器267发射的激光束274照射以将多晶薄膜转变成单晶膜。自准分子激光器267发射的激光束273的能量密度是，例如约340mJ/cm²。由于脱气处理包括通过由准分子激光器267发射的激光束272完成除氢，则有可能防止由准分子激光器267发射的激光束273照射期间膜爆裂。在这种从准分子激光器267发射的激光束273照射下，非晶硅膜首先是多晶化，然后多晶晶粒排列成近似规则的图形(见图22)。更确切地说，由准分子激光器267发射的激光束273照射以将非晶膜转变成多晶膜可以通过将准分子激光器267按照图25D中箭头271所示的方向移动来完成。结果，衬底251上的非晶硅膜252可以全部多晶化。如用于脱氢的激光照射一样，样品载物台275可以构造成XY平台。在这种情况中，自准分子激光器267发射的激光束273的全部照射可以通过在水平面内移动样品载物台275，同时固定准分子激光器267达到。准分子激光器267发射的激光束273和样品载物台275两者均可移动。

在通过由准分子激光器267发射的激光束273照射多晶晶粒排列成近似规则的图形后，如图25E所示，进行由准分子激光器267发射的激光束274的照射以将多晶膜转变成单晶膜。在激光束274的这种照射下，在多晶硅膜中的相邻多晶晶粒互相结合以致多晶硅膜转变成单晶硅膜252S。更确切地说，由准分子激光器267发射的激光束274照射以将多晶膜转变成单晶膜可以通过按照图25E中箭头271所示的方向移动准分子激光器267来完成，由此，在衬底251上的多晶硅膜可以全部转变成单晶硅膜。如用于脱氢的激光照射一样，样品载物台275可以构造成XY-平台。在这种情况中，自准分子激光器267发射的激光束274的全部照射可以通过沿水平面内移动样品载物台275同时固定准分子激光器267达到。准分子激光器267发射的激光束274和样品载物台275两者均可移动。

最后，如图25F所示，形成在激光照射室265侧部的卸料口269打开，已经过脱气处理和结晶处理两者的衬底251通过卸料口269移出激光照射室265。

如上所述，衬底251上的非晶硅膜252用同样的准分子激光器267进行脱气处理和结晶处理两者。按照相关技术的生产方法，由于用电炉进行脱气处理，从用CVD系统完成CVD步骤到用激光退火装置进行激光退火步骤，进行这些步骤需要2小时，并且还需要使衬底251露天。相反地，按照本实施例，由于从CVD步骤经过脱气步骤到结晶步骤可以用同样的半导体薄膜生产设备进行，则有可能提高生产率。此外，由于结晶前进行了充分的脱气，则有可能防止非晶硅膜252的爆裂，并因此生产出质量好的半导体薄膜。

〔第9实施例〕

一个有源矩阵型显示器作为半导体器件的例子，其采用根据本发明生产的薄膜晶体管，将参考图26描述如下。在本实施例中，生产薄膜是通过形成非单晶膜，用脉冲宽60纳秒或更大的准分子激光器除去包含在膜中的氢，将非单晶膜转变成其中多晶晶粒排列成近似规则的图形的多晶膜，以及通过多晶晶粒互相结合将多晶膜转变成单晶膜，以及该薄膜被用作半导体器件的沟道。参见图26，这种显示器具有嵌版结果包括一对绝缘基片281和282，及固定其间的光电材料283。例如，液晶显示材料用作光电材料283。像素列阵部分284和同步电路部分集中地形成在下绝缘基片281上。同步电路部分分成垂直扫描器285和水平扫描器286。用于外连接的接线端部287形成在绝缘基片281周边部分的上端。接线端部287通过接线288与垂直扫描器285和水平扫描器286相连接。成排布置的选通电路289和布置成柱状的信号线路290形成在像素列阵部分284中。像素电极291和用以驱动像素电极291的薄膜晶体管292形成在线路289和290二者的每个交叉点处。薄膜晶体管292的选通电极与相应的选通线路289相连接。薄膜晶体管292的漏极部位与相应的像素电极291相连接，及其源区与相应的信号线路290连接。选通线路289与垂直扫描器285连接，及信号线路290与水平扫描器286连接。每个用于切换地驱动像素电极291和包含在垂直扫描器285及水平扫描器286中的薄膜晶体管是用第8实施例的方法生产的，采用准分子激光器，其中得到薄膜的沟道部分是通过形成非单晶膜，除去膜中的氢，将非单晶膜转变成其中多晶晶粒排列成近似规则的图形的多晶膜，以及通过多晶晶粒互相结合将多晶膜转变成单晶膜。此外，除垂直扫描器和水平扫描器外，视频驱动器和定时发生器也可集体地形成在绝缘基片281中。

如上所述，根据本发明生产单晶薄膜的方法，通过第一次热处理多晶晶粒排列成近似规则的图形；及通过第二次热处理促进结晶作用以形成单晶薄膜，结果，在利用这种单晶薄膜生产半导体器件的情况中，有可能由于高迁移率实现器件的高速工作和有可能遏制器件临界电压的变动。此外，由于采用准分子激光器热处理能够短时间内完成，有可能显著地降低生产步骤所需要的时间。

根据本发明的半导体薄膜及其生产方法，一种通过第一次和第二次热处理形成的具有微凸起的结晶半导体薄膜表现出接近于单晶的特性，其很不同于有关技术的多晶薄膜。结果，在采用这种单晶薄膜生产半导体器件的情况中，有可能由于高迁移率实现器件的高速工作和有可能遏制器件临界电压的变动。此外，由于采用准分子激光器热处理能够在短时间内完成，有可能显著地降低生产步骤所需要的时间，并因此降低生产成本。

根据本发明的生产半导体薄膜方法和生产单晶半导体薄膜方法，由于可利用激光照射热处理短时间内排除氢，则有可能生产一种半导体薄膜，同时防止薄膜爆裂，并因此生产出一种薄膜毛病和损害少的半导体器件。

根据本发明的生产半导体薄膜方法和生产单晶半导体薄膜的设备，由于单晶膜可以通过激光照射形成在绝缘基片上，则有可能易于生产一种单晶半导体薄膜，其性能大大高于有关技术的多晶薄膜并适于生产具有稳定特性的器件以及其能够短时间内生产。

根据本发明的生产半导体薄膜方法和生产单晶半导体薄膜的设备，由于衬底能够在热处理期间衬底不露天的情况下进行热处理，则有可能防止膜的部分氧化和防止加工由一种气氛变到另一种而拖延。

虽然本发明的优选实施例已用特定的术语描述，但是这种描述仅仅用于说明目的，并且当然，在不违背下列权利要求的精神和范围的情况下可以作改变和变化。

Claims (181)

1.一种生产单晶薄膜的方法，包括步骤：

在绝缘基片上形成非单晶薄膜；

将非单晶薄膜进行第一次热处理，由此形成其中多晶晶粒排列成近似规则的图形的多晶薄膜；及

将多晶薄膜进行第二次热处理，由此形成其中多晶晶粒互相结合的单晶薄膜。

2.一种根据权利要求1的生产单晶薄膜方法，其中所述第一次热处理和第二次热处理的至少二者之一是通过激光束照射完成的。

3.一种根据权利要求1的生产单晶薄膜方法，其中所述第一次热处理和第二次热处理通过激光束照射完成，并且在所述第二次热处理的激光束强度低于在所述第一次热处理的激光束强度。

4.一种根据权利要求1的生产单晶薄膜方法，其中所述第二次热处理是在温度低于多晶薄膜的熔点下完成的。

5.一种根据权利要求1的生产单晶薄膜方法，其中至少所述第一次热处理或第二次热处理中之一是通过从准分子激光器发射的激光束照射完成的。

6.一种根据权利要求1的生产单晶薄膜方法，其中所述第一次热处理或第二次热处理中至少二者之一是通过直线激光束照射完成的。

7.一种根据权利要求6的生产单晶薄膜方法，其中所述直线激光束照射是通过在垂直于直线激光束照射纵向的扫描方向重叠激光束完成的。

8.一种根据权利要求1的生产单晶薄膜方法，其中所述第一次热处理或所述第二次热处理中至少二者之一是通过矩形激光束照射完成的。

9.一种根据权利要求8的生产单晶薄膜方法，其中所述矩形激光束的照射是利用掩膜片进行的。

10.一种根据权利要求1的生产单晶薄膜的方法，其中所述第二次热处理是炉内退火、灯光退火或电热丝式加热器退火。

11.一种根据权利要求1的生产单晶薄膜的方法，其中所述第一次热处理或第二次热处理中至少二者之一基本上是在真空中、惰性气体气氛或非氧化气体气氛中完成的。

12.一种生产单晶薄膜的方法，包括步骤：

在绝缘基片上形成非单晶薄膜；及

用激光束照射非单晶薄膜，由此，将非单晶薄膜转变成单晶薄膜。

13.一种根据权利要求12的生产单晶薄膜的方法，其中激光束是准分子激光束。

14.一种根据权利要求12的生产单晶薄膜的方法，其中所述激光照射进行分两个步骤：第一次激光照射和第二次激光照射。

15.一种根据权利要求14的生产单晶薄膜的方法，其中所述第二次激光照射的能量密度低于所述第一次激光照射的能量密度。

16.一种根据权利要求14的生产单晶薄膜的方法，其中通过第二次激光照射的照射区的温度低于非单晶薄膜的熔点。

17.一种根据权利要求14的生产单晶薄膜的方法，其中所述第一次激光照射和所述第二次激光照射中至少二者之一是直线激光束照射。

18.一种根据权利要求17的生产单晶薄膜的方法，其中所述直线激光束照射是通过在垂直于直线激光束照射纵向的扫描方向重叠激光束完成的。

19.一种根据权利要求14的生产单晶薄膜的方法，其中所述第一次激光照射或所述第二次激光照射中至少二者之一是通过矩形激光束照射完成的。

20.一种根据权利要求19的生产单晶薄膜的方法，其中所述矩形激光束照射是利用掩膜片进行的。

21.一种根据权利要求12的生产单晶薄膜的方法，其中所述激光照射基本上是在真空中、惰性气体气氛或非氧化气体气氛中完成的。

22.一种根据权利要求12的生产单晶薄膜的方法，其中所述激光照射后继之以热处理。

23.一种根据权利要求22的生产单晶薄膜的方法，其中所述热处理是炉内退火、灯光退火或电热丝式加热器退火。

24.一种根据权利要求22的生产单晶薄膜的方法，其中所述激光照射和热处理基本上是在真空中、惰性气体气氛或非氧化气体气氛中完成的。

25.一种生产单晶薄膜的方法，包括步骤：在绝缘基片上形成非单晶薄膜；

将非单晶薄膜进行第一次热处理，以引入共同边界条件，由此形成多晶薄膜；及

将多晶薄膜进行第二次热处理，由此形成其中多晶晶粒结晶的单晶薄膜。

26.一种根据权利要求25的生产单晶薄膜的方法，其中所述第一次热处理和所述第二次热处理中至少二者之一是通过激光束照射完成的。

27.一种根据权利要求25的生产单晶薄膜的方法，其中所述第一次热处理和第二次热处理是通过激光束照射完成的，在所述第二次热处理的激光束强度低于在所述第一次热处理的激光束强度。

28.一种根据权利要求25的生产单晶薄膜的方法，其中所述第二次热处理是在温度低于多晶薄膜的熔点下进行的。

29.一种根据权利要求25的生产单晶薄膜的方法，其中所述第一次热处理或所述第二次热处理中至少二者之一是通过从准分子激光器发射的激光束照射完成的。

30.一种根据权利要求25的生产单晶薄膜的方法，其中所述第一次热处理或第二次热处理中至少二者之一是通过直线激光束照射完成的。

31.一种根据权利要求30所要求的生产单晶薄膜的方法，其中所述直线激光束的照射是通过在垂直于直线激光束照射纵向的扫描方向重叠激光束完成的。

32.一种根据权利要求25的生产单晶薄膜的方法，其中所述第一次热处理或所述第二次热处理中至少二者之一是通过矩形激光束照射完成的。

33.一种根据权利要求32的生产单晶薄膜的方法，其中所述矩形激光束的照射是利用掩膜片进行的。

34.一种根据权利要求25的生产单晶薄膜的方法，其中所述第二次热处理是炉内退火、灯光退火或电热丝式加热器退火。

35.一种根据权利要求25的生产单晶薄膜的方法，其中所述第一次热处理或所述第二次热处理中至少二者之一基本上是在真空中、惰性气体气氛或非氧化气体气氛中完成的。

36.一种单晶薄膜衬底包括：

一种绝缘基片；及

采用激光照射通过单结晶作用形成在所述绝缘基片上的一种单晶薄膜。

37.一种根据权利要求36的单晶薄膜衬底，其中所述单晶薄膜厚度为500nm或更小。

38.一种根据权利要求36的单晶薄膜衬底，其中所述绝缘基片是由玻璃、石英或陶瓷制成。

39.一种根据权利要求36的单晶薄膜衬底，其中所述单晶薄膜是由Si，SiGe或SiC制成。

40.一种根据权利要求36的单晶薄膜衬底，其中所述用于形成单晶薄膜的单结晶作用是通过将在多晶薄膜中的多晶晶粒排列成近似规则的图形并将多晶薄膜热处理完成的。

41.一种单晶薄膜衬底包括

一种绝缘基片；及

采用激光照射通过结晶作用形成在所述绝缘基片上的一种半导体薄膜；

其中所述半导体薄膜至少含有一个单晶区。

42.一种根据权利要求41的单晶薄膜衬底，其中所述半导体薄膜是其中所述单晶区与多晶半导体区和非晶半导体区混合的薄膜.

43.一种根据权利要求41的单晶薄膜衬底，其中所述半导体薄膜厚度为500nm或更小。

44.一种根据权利要求41的单晶薄膜衬底，其中所述绝缘基片是由玻璃、石英或陶瓷制成。

45.一种根据权利要求41的单晶薄膜衬底，其中所述半导体薄膜是由Si，SiGe或SiC制成。

46.一种根据权利要求41的单晶薄膜衬底，其中用于形成所述半导体薄膜的所述单结晶作用是通过将多晶薄膜中的多晶晶粒排列成近似规则的图形并将所述多晶薄膜热处理完成的。

47.一种半导体器件包括：

一种绝缘基片；

一种形成在所述基片上的半导体薄膜，其中至少部分所述半导体薄膜是采用激光照射通过单结晶作用形成的；及

一种形成在所述单晶薄膜上的绝缘膜。

48.一种根据权利要求47的半导体器件，其中所述半导体薄膜是一种其中单晶区与多晶半导体区和非晶半导体区混合的薄膜，

49.种根据权利要求47的半导体器件，其中所述半导体薄膜厚度为500nm或更小。

50.一种根据权利要求47的半导体器件，其中所述绝缘基片由玻璃、石英或陶瓷制成。

51.一种根据权利要求47的半导体器件，其中所述半导体薄膜是由Si、SiGe或SiC制成。

52.一种根据权利要求47的半导体器件，其中所述用于形成所述半导体薄膜的结晶作用是通过将多晶薄膜中的多晶晶粒排列成近似规则的图形并将所述多晶薄膜热处理完成的。

53.一种形成在绝缘基片上的半导体薄膜，其包括

形成在所述半导体薄膜表面上的微凸起。

54.一种根据权利要求53的半导体薄膜，其中所述微凸起是排列成近似规律图形的形式。

55.一种根据权利要求53的半导体薄膜，其中每个所述微凸起的高度是在20nm或更小的范围内。

56.一种根据权利要求53的半导体薄膜，其中每个所述微凸起的直径是在0.1μm或更小的范围内。

57.一种根据权利要求53的半导体薄膜，其中所述微凸起每个的曲率半径是在60nm或更大的范围内。

58.一种根据权利要求53的半导体薄膜，其中所述微凸起的密度是在1×10¹⁰个/cm²或更小的范围内。

59.一种根据权利要求53的半导体薄膜，其中所述半导体薄膜的厚度在50nm或更小的范围内。

60.一种根据权利要求53的半导体薄膜，其中所述微凸起是由所述半导体薄膜中的多晶晶粒之间的边界部分隆起而形成的。

61.一种根据权利要求53的半导体薄膜，其中所述半导体薄膜是由非单晶、单晶或其组合制造。

62.一种根据权利要求53的半导体薄膜，其中所述半导体薄膜包含有尺寸为1×10^-8cm²或更大的单晶区。

63.一种根据权利要求53的半导体薄膜，其中所述半导体薄膜包含具有取向晶面为(100)、(111)和(110)晶面中之一的单晶区。

64.一种半导体器件包括：

一种绝缘基片；

一种形成在所述绝缘基片上的半导体薄膜，及

一种形成在所述半导体薄膜上的绝缘膜；

其中在所述半导体薄膜的表面上形成有微凸起

65.一种根据权利要求64的半导体器件，其中所述微凸起是排列成近似规律的图形。

66.一种根据权利要求64的半导体器件，其中每个所述微凸起的高度是在20nm或更小的范围内。

67.一种根据权利要求64的半导体器件，其中每个所述微凸起的直径是在0.1μm或更小的范围内。

68.一种根据权利要求64的半导体器件，其中每个所述微凸起的曲率半径是在60nm或更大的范围内。

69.一种根据权利要求64的半导体器件，其中所述微凸起的密度是在1×10¹⁰个/cm²或更小的范围内。

70.一种根据权利要求64的半导体器件，其中所述绝缘膜的厚度在5μm或更小的范围内。

71.一种根据权利要求64的半导体器件，其中所述半导体薄膜的厚度在50nm或更小的范围内。

72.一种根据权利要求64的半导体器件，其中所述半导体薄膜是由非单晶、单晶或其组合制造。

73.一种根据权利要求64的半导体器件，其中所述半导体薄膜包含有尺寸为1×10^-8cm²或更大的单晶区。

74.一种根据权利要求64的半导体器件，其中所述半导体薄膜包含具有取向晶面是(100)、(111)和(110)晶面中之一的单晶区。

75.一种衬底包括；

一种其表面上有微凸起的半导体薄膜。

76.一种根据权利要求75的衬底，其中所述微凸起排列成近似规律的图形。

77.一种根据权利要求75的衬底，其中所述每个微凸起的高度是在20nm或更小的范围内。

78.一种根据权利要求75的衬底，其中每个所述微凸起的直径是在0.1μm或更小的范围内。

79.一种根据权利要求75的衬底，其中每个所述微凸起的曲率半径是在60nm或更大的范围内。

80.一种根据权利要求75的衬底，其中所述微凸起的密度是在1×10¹⁰个/cm²或更小的范围内。

81.一种根据权利要求75的衬底，其中所述半导体薄膜的厚度在50nm或更小的范围内。

82.一种根据权利要求75的衬底，其中所述半导体薄膜是由非单晶、单晶或其组合制造。

83.一种根据权利要求75的衬底，其中所述半导体薄膜包含有大小为1×10^-8cm²或更大的单晶区。

84.一种根据权利要求75的衬底，其中所述半导体薄膜包含具有取向晶面是(100)、(111)和(110)晶面中之一的单晶区。

85.一种生产半导体薄膜的方法，包括步骤：

在绝缘基片上形成非单晶薄膜；

将非单晶薄膜进行第一次热处理，由此形成多晶薄膜；及

将多晶薄膜进行第二次热处理，由此形成结晶半导体薄膜；

其中在结晶半导体薄膜表面上的凸起低于多晶薄膜表面上的凸起。

86.一种根据权利要求85的生产半导体薄膜方法，其中所述多晶薄膜凸起在其表面上的每个凸起高度为25nm或更大。

87.一种根据权利要求85的生产半导体薄膜的方法，其中所述结晶半导体薄膜具有凸起在其表面上，每个凸起高度为20nm或更小。

88.一种根据权利要求85的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次热处理和第二次热处理的至少二者之一是通过激光束照射完成的。

89.一种根据权利要求85的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次热处理和第二次热处理是通过激光束照射完成的，及所述第二次热处理的激光束强度低于所述第一次热处理的激光束强度。

90.一种根据权利要求85的生产半导体薄膜的方法，其中所述第二次热处理在低于多晶薄膜熔点的温度进行。

91.一种根据权利要求85的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次热处理或所述第二次热处理中至少二者之一是通过从准分子激光器发射的激光束照射完成的。

92.一种根据权利要求85的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次热处理或所述第二次热处理中至少二者之一是通过直线激光束照射完成的。

93.一种根据权利要求92的生产半导体薄膜的方法，其中所述直线激光束照射是通过在垂直于直线激光束照射纵向的扫描方向重叠激光束完成的。

94.一种根据权利要求85的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次热处理或所述第二次热处理中至少二者之一是通过矩形激光束照射完成的。

95.一种根据权利要求94的生产半导体薄膜的方法，其中所述矩形激光束照射是利用掩膜片进行。

96.一种根据权利要求85的生产半导体薄膜的方法，其中所述第二次热处理是炉内退火。

97.一种根据权利要求85的生产半导体薄膜的方法，其中所述第二次热处理是灯光退火。

98.一种根据权利要求85的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次热处理或所述第二次热处理中至少二者之一基本上是在真空中、惰性气体气氛或非氧化气体气氛中完成的。

99.一种生产半导体薄膜的方法，包括步骤：

在绝缘基片上形成非单晶薄膜；

将非单晶薄膜进行第一次热处理，由此形成多晶薄膜；及

将多晶薄膜进行第二次热处理，由此形成结晶半导体薄膜；

其中在结晶半导体薄膜表面上的每个凸起的曲率半径大于多晶薄膜表面上每个凸起的曲率半径。

100.一种根据权利要求99的生产半导体薄膜的方法，其中所述多晶薄膜具有凸起在其表面上，每个凸起的曲率半径为60nm或更小。

101.一种根据权利要求99的生产半导体薄膜的方法，其中所述结晶半导体薄膜具有凸起在其表面上，每个凸起的曲率半径为60nm或更大。

102.一种根据权利要求99的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次热处理和所述第二次热处理的至少二者之一是通过激光束照射完成的。

103.一种根据权利要求99的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次热处理和所述第二次热处理是通过激光束照射完成的，及所述第二次热处理的激光束强度是低于所述第一次热处理的激光束强度。

104.一种根据权利要求99的生产半导体薄膜的方法，其中所述第二次热处理是在温度低于多晶薄膜的熔点下完成的。

105.一种根据权利要求99的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次热处理或所述第二次热处理中至少二者之一是通过从准分子激光器发射的激光束照射完成的。

106.一种根据权利要求99的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次热处理或第二次热处理中至少二者之一是通过直线激光束照射完成的。

107.一种根据权利要求106的生产半导体薄膜的方法，其中所述直线激光束的照射是通过在垂直于直线激光束照射纵向的扫描方向重叠激光束完成的。

108.一种根据权利要求99的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次热处理或所述第二次热处理中至少二者之一是通过矩形激光束照射完成的。

109.一种根据权利要求108的生产半导体薄膜的方法，其中所述矩形激光束的照射是利用掩膜片完成的。

110.一种根据权利要求99的生产半导体薄膜的方法，其中所述第二次热处理是炉内退火。

111.一种根据权利要求99的生产半导体薄膜的方法，其中所述第二次热处理是灯光退火。

112.一种根据权利要求99的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次热处理或第二次热处理中至少二者之一基本上是在真空中、惰性气体气氛或非氧化气体气氛中完成的。

113.一种生产半导体薄膜的方法，包括步骤：

在绝缘基片上形成非单晶薄膜；

将非单晶薄膜进行第一次热处理，由此形成其中多晶晶粒排列成近似规则的图形的多晶薄膜；及

将多晶薄膜进行第二次热处理，由此形成半导体薄膜，其中每个微凸起形成在至少3个或更多多晶晶粒之间的边界位置；

其中每个微凸起的高度在25nm或更小的范围内，或每个微凸起的曲率半径在60nm或更大的范围内。

114.一种根据权利要求113的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次热处理和所述第二次热处理至少二者之一是通过激光束照射完成的。

115.一种根据权利要求113的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次热处理和第二次热处理是通过激光束照射完成的，及所述第二次热处理的激光束强度是低于所述第一次热处理的激光束强度。

116.一种根据权利要求113的生产半导体薄膜的方法，其中所述第二次热处理是在温度低于多晶薄膜的熔点下完成的。

117.一种根据权利要求113的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次热处理或所述第二次热处理中至少二者之一是通过从准分子激光器发射的激光束照射完成的。

118.一种根据权利要求113的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次热处理或第二次热处理中至少二者之一是通过直线激光束照射完成的。

119.一种根据权利要求118的生产半导体薄膜的方法，其中所述直线激光束的照射是通过在垂直于直线激光束照射纵向的扫描方向重叠激光束完成的。

120.一种根据权利要求113的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次热处理或所述第二次热处理中至少二者之一是通过矩形激光束照射完成的。

121.一种根据权利要求120的生产半导体薄膜的方法，其中所述矩形激光束的照射是利用掩膜片完成的。

122.一种根据权利要求113的生产半导体薄膜的方法，其中所述第二次热处理是炉内退火。

123.一种根据权利要求113的生产半导体薄膜的方法，其中所述第二次热处理是灯光退火。

124.一种根据权利要求113的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次热处理或所述第二次热处理中至少二者之一基本上是在真空中、惰性气体气氛或非氧化气体气氛中完成的。

125.一种根据权利要求113的生产半导体薄膜的方法，其中每个多晶晶粒的大小在0.1μm-4.0μm的范围内。

126.一种半导体薄膜，包括：

一种绝缘基片；和

形成在该基片上的一种多晶薄膜，其中多晶晶粒排列成近似规则的图形，

其中在至少3个或更多多晶晶粒之间的边界位置形成有微凸起；

127.一种根据权利要求126的半导体薄膜，其中所述微凸起排列成近似规律的形式。

128.一种根据权利要求126的半导体薄膜，其中所述半导体薄膜的厚度在50nm或更小的范围内。

129.一种根据权利要求126的半导体薄膜，其中每个多晶晶粒的大小在0.1μm-4.0μm的范围内。

130.一种生产在基片上的半导体薄膜的方法，包括步骤：

形成含氢非单晶半导体薄膜；

将含氢非单晶薄膜进行第一次热处理，由此除去其中的氢；

将已除氢的非单晶薄膜继续进行第二次热处理，由此形成其中多晶晶粒排列成近似规则的图形的多晶膜。

131.一种根据权利要求130的生产半导体薄膜的方法，其中排列成近似规则的图形的多晶晶粒通过所述第二次热处理在固相中生长，以减少多晶晶粒之间的边界。

132.一种根据权利要求130的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次热处理和第二次热处理是通过激光束照射完成的。

133.一种根据权利要求130的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次热处理是通过矩形激光束照射完成的。

134.一种根据权利要求130的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次热处理是通过从准分子激光器发射的激光束照射完成，且激光束的脉宽在60ns或更大的范围内。

135.一种根据权利要求130的生产半导体薄膜的方法，其中所述第二次热处理中是通过直线激光束照射完成的。

136.一种根据权利要求130的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次热处理和第二次热处理是在同一室中完成的。

137.一种生产在基片上的半导体薄膜的方法，包括的步骤有：

成形含氢非单晶半导体薄膜；

将含氢非单晶薄膜进行第一次热处理，由此除去其中的氢；

将已除氢的非单晶薄膜继续进行第二次热处理，由此熔融和再结晶非单晶薄膜；及

将熔融和再结晶形成的多晶膜进行第三次热处理，由此将多晶膜转变成单晶膜。

138.一种根据权利要求137的生产半导体薄膜的方法，其中在通过所述第二次热处理熔融和再结晶非单晶薄膜的步骤中，将非单晶薄膜转变成其中多晶晶粒排列成近似规则的图形的多晶膜。

139.一种根据权利要求137的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次、第二次和第三次热处理是通过激光束照射完成的。

140.一种根据权利要求137的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次热处理是通过矩形激光束照射完成的。

141.一种根据权利要求137的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次热处理是通过从准分子激光器发射的激光束照射完成的，且激光束的脉宽在60ns或更大的范围内。

142.一种根据权利要求137的生产半导体薄膜的方法，其中所述第二次热处理中是通过直线激光束照射完成的。

143.一种根据权利要求137的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次、第二次和第三次热处理是在同一室完成的。

144.一种根据权利要求137的生产半导体薄膜的方法，其中所述第三次热处理时的总照射能量低于所述第二次热处理的总照射能量。

145.一种根据权利要求137的生产半导体薄膜的方法，其中所述第三次热处理的温度低于所述第二次热处理的温度。

146.一种根据权利要求137的生产半导体薄膜的方法，其中所述第三次热处理的温度等于或低于多晶膜的熔点。

147.一种根据权利要求137的生产半导体薄膜的方法，其中所述第二次热处理是通过矩形激光束利用掩膜片完成的。

148.一种根据权利要求137的生产半导体薄膜的方法，其中所述第三次热处理是炉内退火。

149.一种根据权利要求137的生产半导体薄膜的方法，其中所述第三次热处理是灯光退火。

150.一种根据权利要求137的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次、第二次和第三次热处理中至少之一基本上是在真空中、惰性气体气氛或非氧化气体气氛中完成的。

151.一种根据权利要求137的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次、第二次和第三次热处理是在气密氛围中连续进行的。

152.一种根据权利要求137的生产半导体薄膜的方法，其中多晶膜中每个多晶晶粒的大小在0.2μm-0.6μm的范围内。

153.一种根据权利要求137的生产半导体薄膜的方法，其中所述第一次和第三次热处理是用同一激光系统完成的。

154.一种生产在基片上的单晶半导体薄膜的设备，包括

薄膜形成装置，用于在基片上形成含氢非单晶薄膜；

第一次热处理装置，用于将含氢非单晶薄膜进行第一次热处理，由此除去其中的氢；

第二次热处理装置，用于将已除氢的非单晶薄膜继续进行第二次热处理，由此熔融和再结晶非单晶薄膜。

155.一种根据权利要求154的生产单晶半导体薄膜的设备，其中通过所述用于熔融和再结晶非单晶薄膜的第二次热处理将非单晶薄膜转变成其中多晶晶粒排列成近似规则的图形的多晶膜。

156.一种根据权利要求154的生产单晶半导体薄膜的设备，其中所述第一和第二次热处理装置是激光束照射装置。

157.一种根据权利要求154的生产单晶半导体薄膜的设备，其中所述第一次热处理装置是矩形激光束照射装置。

158.一种根据权利要求154的生产单晶半导体薄膜的设备，其中所述第一次热处理装置是从准分子激光器发射的激光束照射装置，且激光束的脉宽在60ns或更大的范围内。

159.一种根据权利要求154的生产单晶半导体薄膜的设备，其中所述第二次热处理装置是直线激光束照射装置。

160.一种根据权利要求154的生产单晶半导体薄膜的设备，其中所述第一和第二次热处理装置是处于同一室中。

161.一种根据权利要求154的生产单晶半导体薄膜的设备，其中所述第二次热处理装置是采用掩膜片的矩形激光束照射装置。

162.一种根据权利要求154的生产单晶半导体薄膜的设备，其中所述第一和第二次热处理装置至少二者之一是基本上保持在真空、惰性气体气氛或非氧化气体气氛中。

163.一种根据权利要求154的生产单晶半导体薄膜的设备，其中所述第一和第二次热处理装置是连续设置的。

164.一种根据权利要求154的生产单晶半导体薄膜的设备，其中所述第一和第二次热处理装置是连续地、气密地设置的。

165.一种生产在基片上的单晶半导体薄膜的设备，包括：薄膜形成装置，用于在基片上形成含氢非单晶薄膜；

第一次热处理装置，用于将含氢非单晶薄膜进行第一次热处理，由此除去其中的氢；及

第二次热处理装置，用于将已除氢的非单晶薄膜继续进行第二次热处理，由此形成多晶膜；和

第三次热处理装置，用于将多晶膜进行第三次热处理，由此将多晶膜转变成单晶膜。

166.一种根据权利要求165的生产单晶半导体薄膜的设备，其中通过所述用于熔融和再结晶非单晶薄膜的第二次热处理，将非单晶薄膜转变成其中多晶晶粒排列成近似规则的图形的多晶膜。

167.一种根据权利要求165的生产单晶半导体薄膜的设备，其中所述第一和第二、和第三次热处理装置是激光束照射装置。

168.一种根据权利要求165的生产单晶半导体薄膜的设备，其中所述第一次热处理装置是矩形激光束照射装置。

169.一种根据权利要求165的生产单晶半导体薄膜的设备，其中所述第一次热处理装置是从准分子激光器发射的激光束照射装置，且激光束的脉宽在60ns或更大的范围内。

170.一种根据权利要求165的生产单晶半导体薄膜的设备，其中所述第二次热处理装置是直线激光束照射装射置。

171.一种根据权利要求165的生产单晶半导体薄膜的设备，其中所述第一、第二和第三次热处理装置是在同一室布置的。

172.一种根据权利要求165的生产单晶半导体薄膜的设备，其中所述第三次热处理时的总照射能量大于所述第二次热处理的总照射能量。

173.一种根据权利要求165的生产单晶半导体薄膜的设备，其中所述第三次热处理的热处理温度低于所述第二次热处理的温度。

174.一种根据权利要求165的生产单晶半导体薄膜的设备，其中所述第三次热处理的热处理温度等于或低于多晶膜的熔点。

175.一种根据权利要求165的生产单晶半导体薄膜的设备，其中所述第二次热处理装置是一个采用掩膜片的矩形激光束照射系统。

176.一种根据权利要求165的生产单晶半导体薄膜的设备，其中所述第三次热处理装置是一种电阻加热炉。

177.一种根据权利要求165的生产单晶半导体薄膜的设备，其中所述第三次热处理装置是红外线灯、氙灯或氪灯。

178.一种根据权利要求165的生产单晶半导体薄膜的设备，其中所述第一、第二和第三次热处理装置中至少之一是基本上保持在真空、惰性气体气氛或非氧化气体气氛中。

179.一种根据权利要求165的生产单晶半导体薄膜的设备，其中所述第一和第二次热处理装置是同一激光系统。

180.一种根据权利要求165的生产单晶半导体薄膜的设备，其中所述第一、第二和第三次热处理装置是连续设置的。

181.一种根据权利要求180的生产单晶半导体薄膜的设备，其中所述第一、第二和第三次热处理装置是气密性配置的。

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