CN1441463A - 半导体薄膜的形成方法和半导体薄膜的形成装置 - Google Patents

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Abstract

一种在绝缘材料所构成的基层上形成结晶性良好的半导体薄膜的形成方法及半导体薄膜的形成装置。该半导体薄膜的形成装置包括：作为光源的准分子镭射(excimerlaser)1；使从该准分子镭射1射出的光的光强度均匀分布的均匀器(homogenizer)3；以光强度分布经均匀器3均匀化后的光的振幅在光相对于非晶质基板9的相对运动方向增加的方式进行振幅调变的振幅调变光罩5；将振幅经振幅调变屏蔽5调变过的光，以可得到预定的照射能量的方式投射在形成于非晶质基板9上的非单结晶半导体层10上的投射光学系6；在光的照射面内设置温度低的点的移相器(phase shifter)8；以及使光与非晶质基板9相对运动而可进行X、Y方向扫描的基板台。

Description

半导体薄膜的形成方法和半导体薄膜的形成装置
                          技术领域
本发明涉及一种在绝缘材料所构成的基层上形成半导体薄膜的形成方法及半导体薄膜的形成装置。
                          背景技术
现有的半导体薄膜的形成方法，是使用绝缘材料所构成的基层，例如非晶质基板，特别是便宜的玻璃基板，为了在该基板上形成具有良好结晶性的半导体薄膜(例如硅(Si)薄膜)，利用紫外线(UV)脉冲雷射的结晶化法使半导体薄膜多结晶化。
然而，目前利用已实用化的雷射结晶化技术而获得的硅薄膜，具有数百纳米(nm)的平均结晶粒径的多结晶薄膜，其迁移率(mobility)受结晶粒界的影响至多只有200cm2/V·sec。
使用此等薄膜的薄膜晶体管(TFT)，若考虑电气性能的不平均(unevenness)等因素，则晶体管的信道长度L必须为平均结晶粒径的10倍以上的微米(μm)程度。结果，只能设计出具有至多5MHz程度的截止频率的驱动电路。
设计更高性能的驱动电路，例如能以100MHz程度驱动的电路时，粗略的计算，必须要具有1μm的信道长度L和300cm2/V·sec程度的迁移率的薄膜晶体管，且该晶体管不能有性能上的不平均。亦即，形成于非晶质基板上的半导体薄膜(Si膜)必须为具有1μm以上的结晶粒径，且前述半导体薄膜的信道内必须没有形成结晶粒界。
满足以上要求的雷射结晶化方法有顺序横向固化(Sequential LateralSolidification，SLS)法(第一现有技术)及移相器结晶化法(第二现有技术)。《第一现有技术》
SLS方法系结合：超横向成长(Super Lateral Growth，SLG)现象、及利用载台(stage)进行的逐步及重复操作(step and repeat)的方法。
参照图7，符号71表示准分子雷射，72表示射出光束，73表示均匀器，74表示线光束(经均匀化的雷射光)，75表示非晶质基板，76表示非单结晶半导体层，77表示经多结晶化的半导体层。
以往，用于液晶显示器的薄膜晶体管用的半导体薄膜为非晶硅薄膜。一般说来，非晶硅的迁移率约为1cm2/V·sec，这样的迁移率在主动矩阵型液晶显示面板用的开关用晶体管中已足够。然而，近年来，为了玻璃基板上的薄膜晶体管的高性能化所作的研究开发，已开发出图7所示的利用准分子雷射使非晶硅结晶化的技术，即使在玻璃基板上亦可形成具有100cm2/V·sec的迁移率的非晶硅。利用该技术所得到的薄膜为具有约300至500nm程度的结晶粒径a的多结晶薄膜。利用准分子雷射进行的结晶化方法，以20纳秒(nsec)程度的短时间的紫外线照射硅薄膜，使硅薄膜熔融后经过凝固而结晶化的技术。其间，所供给的热仅可使硅薄膜熔融，并不会对基板造成损害。
图7所示的装置中，采用氯化氙(XeCl)高输出脉冲雷射(波长308nm)作为光源。量产时所用的雷射光的射出形状为例如2cm×1cm的矩形形状。通常，前述形状的光束再经均匀器73整形成20cm(宽度b)×300至500μm的线光束，同时由均匀器73使该光束的光强度均匀化。照射雷射光时，以10至20μm的节距(pitch)搬送液晶显示器用的母材玻璃，以使形成在母材玻璃上的非晶硅膜全面结晶化。
参照图8，符号72表示准分子雷射的射出光束，81表示均匀器(第7图之73)的复眼式透镜(fly eye lens)，74表示线光束，82表示光束的投射光学(此组件并未显示于图7中)。
准分子雷射的射出光束72具有如上所述的例如2cm×1cm的矩形形状，与一般的固体雷射相比，为相当均匀的光源光，但其边缘附近会有如图8中所示光强度略微降低的情形。此第一现有技术中所用的均匀器73(图7)可例如图8所示，利用复眼式透镜81分割前述光束，使光束的形状改变，并且改善光束强度的均匀性。以图8所示方式可得到线光束74，用线光束74以如上所述的10至20μm的节距进行扫描，即可使大面积基板上的半导体薄膜结晶化。发明所欲解决之技术问题
然而，以图7、图8所示的第一现有技术，或其它现有技术为基础以得到高性能Si结晶化膜的利用SLG领域的技术，具有以下的缺点：
1)原理上，输送节距超过SLG长度(至多1μm)，逐步及重复操作(step and repeat)即无法进行，因此其生产性差。
2)用该方法得到的多结晶薄膜的迁移率有其极限。不控制结晶粒界位置而使结晶粒径变大所得到的多结晶薄膜，由于结晶粒径相当不均匀，因此不具实用性。
3)扫描方向上几乎每数百nm即存在有残留结晶粒界，且在与扫描方向垂直的方向上亦每一输送节距都存在有结晶缺陷，故从其在具有1μm的信道长度的薄膜晶体管上的应用性来看，就目前的情况而言并不适合。《第二现有技术》
前述移相器结晶化法，是使用变换光的至少一部份的相位的移相器(phaseshifter)，在基板面上产生照射强度的强弱斜度，以控制结晶的横方向成长以得到大结晶粒的结晶的方法。此一方法由 松村等公开其基本概念并进行它的原理验证。
例如，「使用准分子雷射之巨大结晶粒Si薄膜的形成(Preparation of Ultra-LargeGrain Silicon Thin-Film by Excimer-Laser)」(表面科学(Surface Science)Vol.21，No.5，pp.278-287，2000)。
第9图(a)中，符号91表示准分子雷射，92表示射出光束，93表示光束强度(大小)变换光学系，94、95表示移相器，96表示非晶质基板，97表示非单结晶半导体层，第9图(b)中，98表示结晶成长的起点，99表示单结晶粒。
近年来，如曾在上述《第一现有技术》中提到的，随着玻璃基板上的薄膜晶体管的高性能化，即使在玻璃基板上亦可实现具有100cm2/V·sec的迁移率的薄膜晶体管，且已可将驱动电路等与画素薄膜晶体管集积在同一基板上。但是，为了进一步实现液晶显示面板等的系统化，必须寻求更高性能、无特性不平均的薄膜晶体管的材料。图9所示的第二现有技术，即以此为目的而进行结晶粒径(5μm程度)的控制及结晶粒界的位置控制的技术。在光源方面，基本上直接使用从准分子雷射91射出的射出光束92，但无法获得充分的光强度时，则使用经光束强度变换光学系93(将用图10详述于后)变换过光束形状之光。另外，对光强度做二维的调变为此一技术的重点，其使用直交配置的移相器94、95，由靠移相器94在图中的箭头A方向(基板扫描方向)的比较和缓的调变(10μm节距，半节距c为5μm)、及靠移相器95在图中之箭头B方向(与基板扫描方向垂直的方向)的调变(目前经实证者为d＝20μm节距)的组合，产生如图9(b)所示的结晶成长的起点98，以诱发在箭头A方向的结晶的横向成长(将用图11详述于后)。
参照图10，符号92表示准分子雷射的射出光束，93表示光束强度变换光学系，100表示光罩(光圈)。
如前所述，准分子雷射的射出光束92具有例如2cm×1cm的矩形形状，与一般的固体雷射相比，为相当均匀的光源光，但其边缘附近会有如图10中所示光强度略微降低的情形。此第二现有技术由于使用移相器94、95，需有光束的空间同调性(coherence)，故必须有如图9所示的单透镜或单透镜的组合的光学系。为了变换照射强度，使用如图10所示的光束强度变换光学系93变换光束的直径。如此，虽保有光束的空间同调性，但光束的均匀性并未改善。这是此一技术的问题点。因此，设置了如图10所示的光罩(光圈)100。使用光罩100虽会使光的利用效率降低，但可提高光的均匀性。
图11(a)中，符号94、95表示移相器，96表示非晶质基板，97表示非单结晶半导体层，90表示准分子雷射光，图11(b)中，98表示结晶成长的起点，99表示单结晶粒。
如前所述，对光强度做二维的调变为此第二现有技术的重点。如图11(a)所示，可利用移相器94(Y移相器)使准分子雷射光90产生如图11(b)之②所示的光强度调变，利用移相器95(X移相器)使准分子雷射光90产生如图11(b)之③所示的光强度调变。利用这两个分离但直交的移相器94、95两者的叠合，即可使如图11(b)所示的位置控制型单结晶粒99成长。
然而，图9至图11所示的第二现有技术具有以下的缺点：
1)由于是利用移相器94、95形成照射强度上的强弱斜度，因此可实现约5至10μm程度的横向成长，但必然会产生未单结晶化的领域，所以无法形成高密度的结晶。
2)由于使用移相器94、95，故要求照射光要有可干涉性，因此必须为雷射的平行光束。然而目前可得的高输出准分子雷射具有发散角，因此必须在位置精度与横向成长的长度之间作取舍。再者，基于使平行光束系的操作可行的考虑，光束的振幅的均匀性必须相依于刚从雷射振荡器射出的光束的振幅强度分布。
因此，有结晶化领域的位置精度、高密度化等方面的课题，必须在雷射照射领域内的均匀性与照射面积之间作取舍，在实用上其生产性会有问题。
                             发明内容
本发明的目的在提供一种在绝缘材料所构成的基层上形成结晶性良好的半导体薄膜的形成方法及半导体薄膜的形成装置。解决问题之技术手段
为了解决上述问题，本发明采用采用下述方法实现。
一种半导体薄膜的形成方法，在绝缘材料所构成的基层上形成非单结晶半导体层，然后以光照射前述非单结晶半导体层，并使前述光与前述基层相对运动，而使前述非单结晶半导体层结晶化，包括以下步骤：使前述光的光强度分布均匀化；以前述光强度分布经均匀化后的光的振幅在前述光相对于前述基层的相对运动方向增加的方式进行振幅调变；将前述振幅经调变过的光，投射在形成于前述基层上的前述非单结晶半导体层上；以及在前述光的照射面内设置温度低的点，以生成结晶成长的起点，然后沿着前述光相对于前述基层的相对运动方向形成结晶而形成单结晶领域。
一种半导体薄膜的形成方法，在绝缘材料所构成的基层上形成非单结晶半导体层，然后以光照射前述非单结晶半导体层，并使前述光与前述基层相对运动，而使前述非单结晶半导体层结晶化，包括以下步骤：使前述光的光强度分布均匀化；以前述光强度分布经均匀化后的光的振幅在前述光相对于前述基层的相对运动方向增加的方式进行振幅调变；以及在前述光的照射面内设置温度低的点，以生成结晶成长的起点，然后沿着前述光相对于前述基层的相对运动方向形成结晶而形成单结晶领域。
在上述两种半导体薄膜的形成方法中，以前述成长的距离程度的节距使前述光与前述基层相对运动，并由使接在第一照射(shot)后的第二照射与先行的前述第一照射局部重叠，而形成带状的单结晶领域。
一种半导体薄膜的形成装置，用以在绝缘材料所构成的基层上形成非单结晶半导体层，然后以光照射前述非单结晶半导体层，并使前述光与前述基层相对运动，而使前述非单结晶半导体层结晶化，包括：发出前述光之光源；使从前述光源发出的光的光强度分布均匀化之均匀器(homogenizer)；以光强度分布经前述均匀器均匀化后的光的振幅在前述光相对于前述基层的相对运动方向增加的方式进行振幅调变的振幅调变机构；将振幅经前述振幅调变机构调变过的光，投射在形成于前述基层上的前述非单结晶半导体层上的投射光学系；在前述光的照射面内设置温度低的点的机构；以及使前述光与前述基层相对运动的机构。
在上述半导体薄膜之形成装置中，前述振幅调变机构为光吸收光罩(mask)。前述设置温度低的点的机构为移相器(phase shifer)。前述设置温度低的点之机构为具有光吸收点(dot)之光罩。
一种半导体薄膜的形成装置，用以在绝缘材料所构成的基层上形成非单结晶半导体层，然后以光照射前述非单结晶半导体层，并使前述光与前述基层相对运动，而使前述非单结晶半导体层结晶化，包括：发出前述光的光源；使从前述光源发出的光的光强度分布均匀化的均匀器；以光强度分布经前述均匀器均匀化后的光的振幅在前述光相对于前述基层的相对运动方向增加的方式进行振幅调变的振幅调变机构；在前述光的照射面内设置温度低的点的机构；以及使前述光与前述基层相对运动的机构。
在上述半导体薄膜的形成装置中，前述振幅调变机构连同前述设置温度低的点的机构，为具有光吸收点(dot)的移相器。
在上述两种半导体薄膜的形成装置中，还包括：进行前述振幅调变机构及前述设置温度低的点的机构的对位的对位机构。并且，前述对位机构使用对准用激光束及对准标记之对位机构。
依照本发明，可得到能在玻璃基板等非晶质基板上，在任意位置以任意节距形成单结晶领域的技术，且可实现根据要求的电路的规格决定半导体薄膜的性能、按照设计准则形成能适用的单结晶数组的基础技术。
                        附图简要说明
图1的(a)说明本发明实施例一的半导体薄膜的形成方法及装置的图，(b)是(a)的局部扩大详细图；
图2之(a)显示图1(a)的更具体的构成，(b)显示振幅调变光罩制作用的Si(O，N)系薄膜和Si(O，C)系薄膜的组成及吸收端波长的图；
图3之(a)是说明本发明实施例二的图，(b)显示振幅调变光罩制作用之Si(O，N)系薄膜和Si(O，C)系薄膜的组成及吸收端波长的图；
图4之(a)是说明本发明实施例三的图，(b)是显示移相器制作用的Si(O，N)系薄膜和Si(O，C)系薄膜的组成及吸收端波长的图；
图5之(a)是说明本发明实施例四之图，(b)是(a)的局部扩大详细图；
图6是详细说明图实施例四的图；
图7说明第一现有技术的图；
图8系显示第7图的第一现有技术中的光学系的图；
图9之(a)是说明第二现有技术的图，(b)是(a)的局部扩大详细图；
图10是显示第二现有技术中的雷射照射光学系的图；
图11之(a)是显示第二现有技术中的光调变光学系的图，(b)是(a)的局部扩大详细图。
                          具体实施方式
以下，利用图式详细说明本发明的实施例。以下说明的图式中，具有相同机能的组件标以相同符号并省略对它的重复说明。实施例一
图1(a)中，1表示作为光源，例如准分子雷射，2表示射出光束，3表示均匀器，4表示线光束(经均匀化的雷射光)，5表示光吸收光罩之类的振幅调变光罩，6表示由如圆柱透镜(cylindrical lens)所构成，以可得到预定的照射能量的方式投射光的投射光学系，7表示经过均匀化、振幅调变、投射之线光束，8表示用以在光的照射面内设置温度低的点的机构，例如移相器，9表示例如玻璃基板等的非晶质基板，10表示例如Si(硅)等所构成的非单结晶半导体层，11表示经结晶化的半导体层。图1(b)中，12表示单结晶数组。
前述的第二现有现有技术，由于使用移相器(图9(a)、图11(a)的94、95)，要求光束的空间同调性，因此基本上受一次光源的光束的均匀性所支配，而无法改善光束的均匀性。因此，第二现有技术的光利用效率低且生产性低。
而在本实施例一中，从作为一次光源的准分子雷射1射出的光束，由与前述第一现有技术所用的(请参照图7的73)相同的均匀器3达成前述光束的成形与均匀化。之后，前述光束依序通过作为振幅调变机构的振幅调变光罩5、以可得到预定的照射能量的方式投射光的投射光学系6、及控制结晶成长的起点的移相器8。如此，即可与准分子雷射1所发出的光束的空间同调性无关(不相依)地得到与第二现有技术同样的结晶成长。亦即，依照实施例一，可确保光的利用效率，而且可由线光束4、7的形状产生形成单结晶数组12的效果。
图2(a)中，符号4表示线光束(经均匀化的雷射光)，13表示振幅调变后的光强度分布，8表示移相器，9表示非晶质基板，10表示非单结晶半导体层，14表示结晶成长的起点(结晶化的起点)，15表示单结晶领域，16表示雷射照射时的温度分布，17表示融点。
又，图2(a)中省略振幅调变光罩5、投射光学系6等的图标。
在准分子雷射为例如氟化氪(KrF，Krypton Fluoride)雷射的场合，如图2(b)所示，可用Si(O，N)系薄膜，使膜厚在面内分布而制作振幅调变光罩5。同样的，在氯化氙(XeCl，Xenon Chloride)雷射的场合，如图2(b)所示，可用Si(O，C)系薄膜或Si(O，N，C)系薄膜制作振幅调变光罩5。
控制(生成)结晶成长的起点14的机构，在本实施例一可采用移相器8。本来移相器必须以所照射光源为同调光(coherent light)为前提。但是，如本发明所示，即使不是同调光亦恒可在相位互异的交界部取得光强度的最小值。因此，如图2(a)的雷射照射时的温度分布16所示，在Y方向的中央部，X方向的原点，会有温度比周围低的部份产生。结果，有如图2(a)所示的结晶成长的起点14产生。
如上所述，由于直接处理刚从准分子雷射1射出的光束，在兼顾生产性和均匀性控制的点上会有困难，因此在本实施例一中，由光束的区域分割及混合而生成振幅均一的光束。此时，由于失去了光的可干涉性，因此由使用振幅调变光罩5的振幅调变，调变非晶质基板9面上的照射强度。利用此一概念，可实现能保有约5至10μm程度的横向成长。
另外，前述第一现有技术中用于结晶化的非晶硅膜的膜厚，通常为100nm以下，更佳者为50nm程度。在光束为使用高输出准分子雷射且经光束的均匀化及光束的成形而得到的具有20cm程度的宽度的光束时，由于必需400mJ/cm2程度的照射能量因此能以5mm/sec程度的速度进行扫描。一般而言，基板为用于液晶显示器的55cm×65cm的玻璃基板时，约花5分钟使非晶硅薄膜的全面结晶化。
本实施例一中用于结晶化的非晶硅膜的膜厚为50nm至300nm，较佳为200nm程度。本实施例一所要求的照射能量，虽为前述第一吸现有技术所需的照射能量的2至3倍，但由进行二维的光学系设计，相较于第一现有技术，可以用约三分之一以下的速度在55cm×65cm的玻璃基板的全面形成单结晶薄膜。
亦即，虽然在非晶质基板上形成全面均一的单结晶薄膜为极困难的技术，但依照本发明，在特别是玻璃基板之类的非晶质基板上，亦可在任意位置以任意的节距形成单结晶领域，因此在根据要求的电路的规格决定半导体薄膜的性能、按照设计准则形成能适用的单结晶数组方面，本发明可作为基础技术而发展出新的技术。
本实施例一的半导体薄膜的形成方法，与本发明权利要求1相对应。亦即，其在绝缘材料所构成的基层(非晶质基板9)上形成非单结晶半导体层(10)，然后以光(从准分子雷射1射出)照射前述非单结晶半导体层，并使前述光与前述基层相对运动，而使前述非单结晶半导体层结晶化的半导体薄膜的形成方法，包括以下步骤：(利用均匀器3)使前述光的光强度分布均匀化；(由振幅调变光罩5)以前述光强度分布经均匀化后的光的振幅在前述光相对于前述基层的相对运动方向增加的方式进行振幅调变；(利用投射光学系6)将前述振幅经调变过的光，投射在形成于前述基层上的前述非单结晶半导体层上；以及(利用移相器8)在前述光的照射面内设置温度低的点，以生成结晶成长的起点(14)，然后沿着前述光相对于前述基层的相对运动方向形成结晶而形成单结晶领域(15)。
又，本实施例一的半导体薄膜之形成装置，与本发明的权利要求4相对应。亦即，其用以在绝缘材料所构成的基层上形成非单结晶半导体层，然后以光照射前述非单结晶半导体层，并使前述光与前述基层相对运动，而使前述非单结晶半导体层结晶化的半导体薄膜的形成装置，包括：发出前述光的光源(准分子雷射1)；使从前述光源发出的光的光强度分布均匀化的均匀器(3)；以光强度分布经前述均匀器均匀化后的光的振幅在前述光相对于前述基层的相对运动方向增加的方式进行振幅调变的振幅调变机构(振幅调变光罩5)；将振幅经前述振幅调变机构调变过的光，投射在形成于前述基层上的前述非单结晶半导体层上的投射光学系(6)；在前述光的照射面内设置温度低的点的机构(移相器8)；以及使前述光与前述基层相对运动的机构(可在X、Y方向扫描的基板台或光的扫描机构未图示)。
又，本实施例一的半导体薄膜的形成装置，与权利要求5相对应，前述振幅调变机构(振幅调变光罩5)为光吸收光罩。
又，本实施例一的半导体薄膜的形成装置，与权利要求6相对应，前述设置温度低的点的机构为移相器(8)。
又，本实施例一的半导体薄膜的形成装置，与权利要求10相对应，复包括：进行前述振幅调变机构(振幅调变光罩5)及前述设置温度低的点的机构(移相器8)的对位的对位机构(为公知技术故未图示)。
又，本实施例一的半导体薄膜的形成装置，与权利要求11相对应，前述对位机构使用对准用激光束及对准标记(此等为公知技术故未图示)的对位机构。实施例二
参照图3(a)，符号18表示光吸收点，19表示具有光吸收点18的光罩。
本实施例二以具有光吸收点18的光罩19作为生成实施例一的图2(a)的结晶成长的起点14的机构，且将光罩19设在图3(a)所示的位置(与实施例一的移相器8相同的位置)之例。此具有光吸收点18的光罩19亦如图3(b)所示，在例如KrF雷射的场合可用Si(O，N)系薄膜，在XeCl雷射的场合可用Si(O，C)系或Si(O，N，C)系薄膜制作。
与图2(a)的雷射照射时的温度分布16所示者一样，如本实施例的雷射照射时的温度分布16所示，低温的部份在Y方向的中央部，X方向的原点产生。结果，有如图3(a)所示的结晶成长的起点14产生，且和实施例一一样，可实现约5至10μm程度的横向成长。
本实施例二的半导体薄膜的形成装置，与权利要求7相对应，前述设置温度低的点的机构为具有光吸收点(18)的光罩(19)。实施例三
本实施例三在图1所示的构成中，不用振幅调变光罩5，而改配置在如图4(a)所示之其段差上或其段差的邻近处设有如图3所示的光吸收点18的移相器23(将第2图之移相器8旋转90度而成者，在KrF雷射的场合由Si(O，N)系薄膜构成)，藉此可产生与上述实施例一、二同样的结晶成长。通常，经均匀器均匀化后的准分子雷射光并不会因为移相器而产生光强度调变。然而，实际进行实验后发现：使玻璃基板9与用以控制上述横向成长的移相器23间的距离在1mm以下，即可在玻璃基板9上产生和图3(a)所示的雷射照射时的温度分布16一样的温度分布。
本实施例三的半导体薄膜的形成方法，与本发明的权利要求2相对应。亦即，其在绝缘材料所构成的基层(非晶质基板9)上形成非单结晶半导体层(10)，然后以光(从准分子雷射1射出)照射前述非单结晶半导体层，并使前述光与前述基层相对运动，而使前述非单结晶半导体层结晶化的半导体薄膜的形成方法，包括以下步骤：(利用均匀器3)使前述光的光强度分布均匀化；(由移相器23)以前述光强度分布经均匀化后的光的振幅在前述光相对于前述基层的相对运动方向增加的方式进行振幅调变；以及(利用光吸收点18)在前述光的照射面内设置温度低的点，以生成结晶成长的起点(14)，然后沿着前述光相对于前述基层的相对运动方向形成结晶而形成单结晶领域(15)。
又，本实施例三的半导体薄膜的形成装置，与本发明的权利要求8相对应。亦即，其用以在绝缘材料所构成的基层上形成非单结晶半导体层，然后以光照射前述非单结晶半导体层，并使前述光与前述基层相对运动，而使前述非单结晶半导体层结晶化的半导体薄膜的形成装置，包括：发出前述光的光源(准分子雷射1)；使从前述光源发出的光的光强度分布均匀化的均匀器(3)；以光强度分布经前述均匀器均匀化后的光的振幅在前述光相对于前述基层的相对运动方向增加的方式进行振幅调变的振幅调变机构(移相器23)；在前述光的照射面内设置温度低的点的机构(光吸收点18)；以及使前述光与前述基层相对运动的机构(可在X、Y方向扫描之基板台或光的扫描机构未图示)。亦即，本实施例三中，并不需要将振幅经前述振幅调变机构调变过的光投射在形成于前述基层上的前述非单结晶半导体层上的投射光学系(6)。
又，本实施例三的半导体薄膜的形成装置，与权利要求9相对应，前述振幅调变机构连同前述设置温度低的点的机构，为具有光吸收点(18)的移相器(23)。实施例四
图5(a)中，符号4表示线光束(经均匀化的雷射光)，7表示经过均匀化、振幅调变、投射的线光束，8表示移相器，9表示非晶质基板，10表示非单结晶半导体层，11表示经结晶化的半导体层，20表示非晶质基板9(亦即未图示的基板台)的输送节距。另外，图5(a)中省略准分子雷射1、射出光束2、均匀器3、光吸收光罩所构成的振幅调变光罩5、及投射光学系6的图标。图5(b)中，符号12表示单结晶数组，20表示输送节距，箭头C表示横向成长方向。
前述第二现有技术的问题点在于：在图9(b)所示的结晶化数组中，结晶化领域在面内的占有面积率低，以及结晶成长的起点98经常邻接于结晶化初期膜，例如非晶硅之相，因此结晶化的驱动力的主要因素会受冷却过程所支配，且对于面内的微量不纯物、膜与基板的界面状态的不一致等相当敏感而受其影响，导致再现性差。
而在本实施例四中，藉由如图5(a)所示的装置构成中的载台输送机构(未图示)，即能以比可期待的结晶化的横向成长的距离略短，例如约5μm的输送节距20在箭头A方向搬送非晶质基板9。用这种方式即可提高结晶化领域在面内的占有面积率，而且可形成提高再现性之单结晶数组12。结果，可从数组而形成带状的单结晶领域。
参照图6，符号21表示一次照射(第一照射。单结晶粒)，22表示二次照射(第二照射)。
前述第二现有技术中所得的单结晶粒，在例如由非晶硅所构成的结晶化初期膜中，与图6所示的一次照射所得的单结晶粒一样。亦即，结晶从图6所示的结晶成长之起点14朝横向成长方向C而横向成长，但此横向成长会完全受结晶化的初期过程所支配。在结晶化的初期过程中，结晶核会在冷却的过程中随机形成，然后结晶朝横向成长。在前述第二现有技术中所得的单结晶粒，在各自独立的随机过程中形成者，因此有再现性、均匀性上的问题。
另一方面，本实施例四的结晶化方式，如图6所示，以与一次照射21所形成的单结晶粒的一部份重叠的方式进行二次照射22以及再下一次的照射(未图示)，使其间相衔接地进行结晶化。如此，最初的一次照射21虽然仍大受随机过程支配因素所支配，但二次照射22以后则由于结晶化的领域已与结晶成长的起点14衔接，已存在结晶成长所需的种(seed)，因此横向成长能以该种为基础而成长。亦即，可支配从硅的熔融-凝固的准平衡状态起的成长，可大幅改善再现性、均匀性。
接着，在单结晶领域15的高密度化方面，可使用实施例一中所述的光源的概念进行光束的成形及变形，故可藉由振幅调变光罩5、移相器8、及横向成长的距离程度的逐步及重复操作而形成带状的单结晶领域。
本实施例四的半导体薄膜的形成方法，与权利要求3相对应，其以前述成长的距离程度的节距(输送节距20)使前述光与前述基层相对运动，并由使接在第一照射(21)后的第二照射(22)与先行的前述第一照射局部重叠，而形成带状的单结晶领域。
以上已根据实施例具体说明本发明，惟本发明并非限于上述实施例，而可在不脱离其要旨的范围内作种种变更。例如，前述实施例一至三中虽使用玻璃基板等非晶质基板9作为由绝缘材料所构成的基层，但不限于此，亦可使用例如陶瓷、塑料等的各种透明或不透明的绝缘物质制的基层。另外，设在该基层上的非单结晶半导体层，可为非晶质半导体层，或者可为先形成已形成有微小粒径的单结晶的多结晶半导体层然后使之再结晶化，之后才根据本发明形成半导体薄膜。
附图标记1、71、91 准分子雷射(光源)           2、72、92 射出光束3、73     均匀器                     4、7、74  线光束(经均匀化的雷射光)5         振幅调变光罩               6、82     投射光学系8、23、94、95移相器                  9、75、96 非晶质基板10、76、97非单结晶半导体层           11        经结晶化的半导体层12        单结晶数组                 13        振幅调变后的光度分布14、98    结晶成长之起点             15        单结晶领域16    雷射照射时的温度分布          17    融点18    光吸收点                      19    光罩20    输送节距                      21    一次照射(第一照射)22    二次照射(第二照射)            77    经多结晶化的半导体层81    复眼式透镜                    90    准分子雷射光93    光束强度变换光学系            99    单结晶粒100   光罩(光圈)                     a    结晶粒径b     宽度                           c    半节距d     节距                           A    基板扫描方向B     与基板扫描方向垂直方向         C    横向成长方向

Claims (11)

1.一种半导体薄膜的形成方法，其特征在于，在绝缘材料所构成的基层上形成非单结晶半导体层，然后以光照射所述非单结晶半导体层，并使所述光与所述基层相对运动，而使所述非单结晶半导体层结晶化，包括以下步骤：
使所述光的光强度分布均匀化；
以所述光强度分布经均匀化后的光的振幅在所述光相对于所述基层的相对运动方向增加的方式进行振幅调变；
将所述振幅经调变过的光，投射在形成于所述基层上的所述非单结晶半导体层上；以及
在所述光的照射面内设置温度低的点，以生成结晶成长的起点，然后沿着所述光相对于所述基层的相对运动方向形成结晶而形成单结晶领域。
2.一种半导体薄膜的形成方法，其特征在于，在绝缘材料所构成的基层上形成非单结晶半导体层，然后以光照射所述非单结晶半导体层，并使所述光与所述基层相对运动，而使所述非单结晶半导体层结晶化，包括以下步骤：
使所述光的光强度分布均匀化；
以所述光强度分布经均匀化后的光的振幅在所述光相对于所述基层的相对运动方向增加的方式进行振幅调变；以及
在所述光的照射面内设置温度低的点，以生成结晶成长的起点，然后沿着所述光相对于所述基层的相对运动方向形成结晶而形成单结晶领域。
3.如权利要求1或2所述的半导体薄膜的形成方法，其特征在于，以所述成长的距离程度的节距使所述光与所述基层相对运动，并由使接在第一照射后的第二照射与先行的所述第一照射局部重叠，而形成带状的单结晶领域。
4.一种半导体薄膜的形成装置，其特征在于，用以在绝缘材料所构成的基层上形成非单结晶半导体层，然后以光照射所述非单结晶半导体层，并使所述光与所述基层相对运动，而使所述非单结晶半导体层结晶化，包括：
发出所述光的光源；
使从所述光源发出的光的光强度分布均匀化的均匀器；
以光强度分布经所述均匀器均匀化后的光的振幅在所述光相对于所述基层的相对运动方向增加的方式进行振幅调变的振幅调变机构；
将振幅经所述振幅调变机构调变过的光，投射在形成于所述基层上的所述非单结晶半导体层上的投射光学系；
在所述光的照射面内设置温度低的点的机构；以及
使所述光与所述基层相对运动的机构。
5.如权利要求4所述的半导体薄膜的形成装置，其特征在于，所述振幅调变机构为光吸收光罩。
6.如权利要求4所述的半导体薄膜的形成装置，其特征在于，所述设置温度低的点的机构为移相器。
7.如权利要求4所述的半导体薄膜的形成装置，其特征在于，所述设置温度低的点的机构为具有光吸收点的光罩。
8.一种半导体薄膜的形成装置，其特征在于，用以在绝缘材料所构成的基层上形成非单结晶半导体层，然后以光照射所述非单结晶半导体层，并使所述光与所述基层相对运动，而使所述非单结晶半导体层结晶化，包括：
发出所述光的光源；
使从所述光源发出的光的光强度分布均匀化的均匀器；
以光强度分布经所述均匀器均匀化后的光的振幅在所述光相对于所述基层的相对运动方向增加的方式进行振幅调变的振幅调变机构；
在所述光的照射面内设置温度低的点的机构；以及
使所述光与所述基层相对运动的机构。
9.如权利要求8所述的半导体薄膜的形成装置，其特征在于，所述振幅调变机构连同所述设置温度低的点的机构为具有光吸收点的移相器。
10.如权利要求4或8所述的半导体薄膜的形成装置，其特征在于，复包括：进行所述振幅调变机构及所述设置温度低的点之机构的对位之对位机构。
11.如权利要求10所述的半导体薄膜的形成装置，其特征在于，所述对位机构系使用对准用激光束及对准标记之对位机构。
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