CN1531023B - 激光器照射装置和方法以及半导体器件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

激光器照射装置、激光器照射方法以及半导体装置的制造方法。本发明的课题是提供一种能够显著地扩展光束点的面积，并使结晶性差的区域所占的比率下降的激光器照射装置。此外本发明的课题还涉及提供一种能够在使用连续振荡的激光器的同时提高生产率的激光器照射装置。进而，本发明的课题还涉及提供使用了该激光器照射装置的激光器照射方法以及半导体装置的制作方法。通过高次谐波的脉冲振荡的第1激光来对熔化了的区域照射连续振荡的第2激光。具体的是第1激光具有与可视光线相同程度或者短的波长(830nm，最好是780nm以下的程度)。通过根据第1激光而引起的半导体膜熔化，对第2激光的半导体膜的吸收系数就显著升高了，第2激光也变得容易被半导体膜吸收了。

Description

激光器照射装置和方法以及半导体器件的制造方法
技术领域
本发明涉及用于半导体膜的结晶化的激光器照射装置。此外还涉及使用该激光器照射装置的激光器照射方法及半导体装置的制作方法。
背景技术
使用了多晶半导体膜的薄膜晶体管(多晶TFT)与使用了非晶体半导体膜的TFT相比移动度高2位以上，具有能够在同一基板上一体形成半导体显示装置的像素部和其周边的驱动电路的优点。多晶半导体膜通过使用激光器热处理法，能够形成在廉价的基板上。
激光器根据其振荡方法，大体上分为脉冲振荡和连续振荡2类。受激准分子激光器所代表的脉冲振荡的激光器与连续振荡的激光器相比，每个单位时间的激光输出能量高3～6位左右。因此，能够以成为几厘米四角的矩形状或长度100mm以上的线状的方式用光学系统来成形光束点(在被处理物的表面上实际照射激光的照射区域)，高效地进行对半导体膜的激光照射，并提高生产率。因此，在半导体膜的结晶化中，使用脉冲振荡的激光器不断地成为主流。
另外，这里的“线状”并不是严格意义上的“线”，而是外观比大的长方形(或长椭圆形)的意思。例如，虽然将外观比是2以上(最好是10～10000)的称为线状，但是线状包含在矩形状中也是可以的。
但是，这样地使用脉冲振荡激光来结晶化的半导体膜集合并形成了多个晶粒，该晶粒的位置和大小是随机的。与晶粒内相比，结晶晶粒边界面(结晶晶粒边界)存在着无数的起因于非晶体结构或结晶缺陷等的再结合中心或捕获中心。当载流子在该捕获中心被捕获时，由于结晶晶粒边界的电位上升，对载流子成为障碍，所以就有载流子的输送特性下降的问题。
以上述问题为背景，通过在将连续振荡的激光器在一个方向上扫描的同时对半导体膜进行照射，就使结晶面向扫描方向连续地长大，形成由沿该扫描方向延长的单结晶构成的晶粒群的技术近年来倍受瞩目。一般认为通过使用上述方法，就能够形成至少在TFT的沟道方向上几乎不存在结晶晶粒边界的半导体膜。
而且，由于对半导体膜的激光的吸收系数越大，就越能有效地进行半导体膜的结晶化，所以吸收系数最好要大。吸收系数根据半导体膜的材料而不同。通过YAG激光器或YVO4激光器使通常用于半导体装置的几十～几百nm厚的硅膜结晶化的时候，比基波波长短的第2高次谐波的吸收系数更要高，通常将高次谐波应用与结晶化工序而几乎不使用基波。
但是，变换为高次谐波的激光与基波相比能量低，很难扩展光束点的面积和提高生产率。尤其是连续振荡的激光器与脉冲振荡的激光器相比，由于每个单位时间的激光输出能量低，所以生产率就变低了。例如对于Nd:YAG激光器，从基波(波长：1064nm)到第2高次谐波(波长：532nm)的变换效率在50％左右。此外，由于对变换为高次谐波的非线性光学元件的激光的抵抗性明显低，所以例如连续振荡的YAG激光器相对于能够输出10KW基波的激光器，第2高次谐波的输出能量只能输出10W左右。因此，为了得到对半导体膜的结晶化必需的能量密度就必须使光束点的面积缩小到10-3mm2左右，在生产率上要比脉冲振荡的受激准分子激光器差。
此外，在相对于扫描方向的垂直方向上的光束点的两端，与光束点的中心相比晶粒明显要小，并且形成了结晶性差的区域。即使在该区域形成了半导体元件与不能期待具有高特性。因此，为了缓和半导体元件的布局上的制约，占据全部激光照射的区域和减少该结晶性差的区域的比例就很重要。
此外，光束点的边缘近旁的形成了微结晶的区域在其表面上形成了与半导体膜的膜厚同样高度的凹凸(隆起)。因此，对于例如TFT，由于很难均匀地形成连接活性层而形成的栅极绝缘膜的膜厚，并且栅极绝缘膜的薄膜化也变得困难，所以就有妨碍了TFT或其他的半导体元件的细化的问题。
发明内容
本发明鉴于上述问题，其课题是提供一种能够显著地扩展光束点的面积，并使结晶性差的区域所占的比例下降，抑制隆起的形成的激光器照射装置。此外，本发明的课题还涉及提供一种能够在使用连续振荡的激光器的同时提高生产率的激光器照射装置。进而，本发明的课题还涉及提供使用了该激光器照射装置的激光器照射方法以及半导体装置的制作方法。
本发明的激光照射方法通过高次谐波的脉冲振荡的第1激光来对熔化了的区域照射连续振荡的第2激光。具体的是第1激光具有与可视光线相同程度或者短的波长(830nm，最好是780nm以下的程度)。通过根据第1激光而引起的半导体膜熔化，对第2激光的半导体膜的吸收系数就显著升高了，第2激光也变得容易被半导体膜吸收了。
图8(A)表示了对激光的波长(nm)的非晶体硅膜的吸收系数(cm-1)的值。此外图8(B)表示了对激光的波长(nm)的非晶体硅膜的吸收系数(cm-1)的值。另外，测定从由分光偏振光椭圆率测量仪获得的消光系数求得。由于只要吸收系数是1×104cm-1以上，就能通过第1激光来使半导体膜充分熔化，所以为了得到该数值范围的吸收系数，对于非晶体硅膜就考虑最好是将第1激光的波长设为780nm以下。另外，与第1激光的波长的吸收系数的关系是根据半导体膜的材料和结晶性等而不同的。因此，第1激光的波长并不限定于此，而是也可以以吸收系数为1×104cm-1以上的方式来设定合适的第1激光的波长。
此外本发明的激光器照射装置具有：对作为可视光线以下的波长的第1激光进行脉冲振荡的第1激光器振荡器和对作为基波的第2激光进行连续振荡的第2激光器振荡器。第1激光的光束点和第2激光的光束点通过各自对应的第1和第2光学系统来控制其形状及位置。而且第1激光和第2激光的光束点通过上述两个光学系统而相互重叠。进而，本发明的激光器照射装置具有控制对于第1激光的光束点和第2激光的光束点的被处理物的相对位置单元。
这样，因为由第1激光熔化的部分在通过作为连续振荡的第2激光的照射而维持熔化状态的半导体膜中进行移动，所以就形成了面向扫描方向连续长大的晶粒。通过形成沿该扫描方向延长的单晶粒就可以形成至少在TFT的沟道方向上几乎不存在结晶晶粒边界的半导体膜。
可维持熔化状态的时间是由脉冲振荡的激光器和连续振荡的激光器的输出的平衡来决定的。在可维持熔融状态的时间内，如果将下一个脉冲振荡的激光器对半导体膜进行照射，那么就能够继续保持了所述熔化状态的半导体膜的热处理。在极端的情况下，也很可能有如果一旦用脉冲激光器使半导体膜熔化了，那么其后，就只能用基波的照射来维持熔化状态的条件。在这种情况中，可以是脉冲激光器只进行1次闪光的照射，其后用连续振荡的激光器来维持熔化状态。
另外，由于像高次的高次谐波一样能量变低了，所以第1激光器在其基波波长的长度是1μm左右时，最好是第2高次谐波。但是本发明并不局限于此，第1激光也可以具有可视光线以下的波长。此外，第2激光是以成为对第1激光的能量的辅助为目的的，从这点来看比起对半导体膜的吸收系数更要重视被输出的能量。因此，第2激光最好是使用基波。但是本发明并不局限于此，第2激光即使是基波或高次谐波也都可以。
当在第2激光中使用基波的时候，由于没有必要对波长进行变换，所以考虑到非线性光学元件的老化也可以不限制能量。例如第2激光可以设为与连续振荡的可视光线以下的激光相比输出是100倍以上(例如输出1000W以上)的输出。因此，就消除了非线性光学元件的维护的繁杂，而且能够提高被半导体膜吸收的激光的总能量，能够得到更大颗粒直径的结晶。
另外，当关注其光束点的大小关系时，通过脉冲振荡的第1激光得到的第1光束点与通过连续振荡的第2激光得到的第2光束点的重叠方法通常考虑为两种。首先，针对以在第1光束点内纳入第2光束点的方式重叠的情况来进行说明。
脉冲振荡与连续振荡相比，被振荡的激光的每个单位时间的能量高。此外在高次谐波与基波中，高次谐波的能量要低，基波的能量要高。在本发明中，将具有高次谐波或可视光线以下的波长的激光进行脉冲振荡，将基波的激光进行连续振荡。而且，通过，以在高次谐波的第1光束点内纳入基波的第2光束点的方式重叠，就能够与将高次谐波和基波一同连续振荡的结构或将高次谐波连续振荡将基波脉冲振荡的结构相比，确保高次谐波和基波的光束点相互重合的区域的大小。
例如，以连续振荡的YAG激光器和脉冲振荡的受激准分子激光器为例，针对由2个激光器形成的2个光束点的重叠来进行说明。
图2(A)表示了具有基波的连续振荡的YAG激光器的光束点10与具有第2高次谐波的YAG激光器的光束点11重叠着的情况。基波的YAG激光器能够输出10kW左右的能量，此外，第2高次谐波YAG激光器能够输出10W左右的能量。
而且，当假定激光的能量100％被半导体膜吸收时，通过设各激光的能量密度为0.01～100MW/cm2，就能够实现半导体膜的结晶性的提高。因此这里设能量密度为1MW/cm2。
而且，假定具有基波的连续振荡的YAG激光器的光束点10的形状为矩形，当将其短轴方向的长度记作LX1，将长轴方向的长度记作LY 1，为了满足上述能量密度，使LX1在20μm～100μm，例如当LX1＝20μm时，使LY1＝50mm左右，当LX1＝30μm时，使LY1＝30mm左右比较适当。
此外，假定具有高次谐波的连续振荡的YAG激光器的光束点11的形状为矩形，当将其短轴方向的长度记作LX2，将长轴方向的长度记作LY2，为了满足上述能量密度，使LX2在20μm～100μm，例如当LX2＝10μm时，使LY21＝100μm左右比较适当。
当假定光束点11完全与光束点10重叠时，具有基波的连续振荡的YAG激光器的光束点10和具有第2高次谐波的连续振荡的YAG激光器的光束点11重叠的区域的面积就相当于光束点11的面积。
下面，图2(B)表示具有基波的连续振荡的YAG激光器的光束点10与脉冲振荡的受激准分子激光器的光束点12重叠着的情况。脉冲振荡的受激准分子激光器能够输出每一个脉冲1J左右的能量。此外，当使脉冲振幅为30nsec左右时，每个单位时间的输出变为30MW。因此，假定脉冲振荡的受激准分子激光器的光束点12的形状为矩形，当将其短轴方向的长度记作LX3，将长轴方向的长度记作LY3时，为了满足上述能量密度，使LX3在20μm～500μm，例如当LX3＝400μm时，使LY3＝300mm左右比较适当。
另外，各光束点的长轴根据能量密度和扫描速度等的各种条件的最优化，就能够变长到15cm或30cm左右。
当假定光束点10完全与光束点12重叠时，具有基波的连续振荡的YAG激光器的光束点10和具有第2高次谐波的连续振荡的YAG激光器的光束点12重叠的区域的面积就相当于光束点10的面积。因此，与如图2(A)所示将第1激光和第2激光一同连续振荡相比，如图2(B)所示将第1激光连续振荡、将第2激光脉冲振荡更能够大幅扩大两个激光的重叠区域，更能够提高生产率。
下面，针对以在用连续振荡输出的基波的第2光束点内纳入用脉冲振荡输出的高次谐波的第1光束点的方式重合的情况来进行说明。
图1(A)表示了在第1光束点901的形状、通过只有该第1光束点901的扫描而结晶化的半导体膜902的俯视图、在第1光束点901的长轴方向上被半导体膜902吸收的激光的能量分布。另外，半导体膜的结晶化如白色的箭头所示，通过在相对于长轴方向成垂直的方向上对第1光束点901进行扫描来进行。
在图1(A)中，虽然第1光束点901是矩形，在中心和其附近的某一定范围中其能量被保持在恒定的高度，但是在例如第1光束点的形状为椭圆形时，能量分布描绘正态曲线。无论是哪一个，第1光束点901的能量分布通常从边缘越靠近中心变得越高。而且，在第1光束点901中，在与具有比对使半导体膜熔化必需的能量EA高的能量的区域重叠的部分中，半导体膜902被结晶化。
而且，如图1(A)所示，只根据第1光束点901而结晶化的半导体膜902集合并形成了多个晶粒。虽然该晶粒的位置和大小是无规则的，但是由于越靠近第1光束点901的中心能量就越高(具体上是比能量EB高)，所以在该中心和其附近的区域903中半导体膜完全熔化，有获得晶粒直径约1μm左右的晶粒的倾向。相反的，在边缘附近的能量低的区域904(这里是能量EB以下的区域)里，通过残留部分没有完全熔化的区域，就有得不到越靠近中心和其附近的区域903晶粒直径就越大的晶粒而只形成晶粒直径比较小的晶粒(微晶)的倾向。另外，能量EB的高度比能量EA高，比第1光束点901内最高的能量EC的低。
边缘附近的形成微晶的区域904根据由晶粒边界的缺陷引起的再结合中心或捕获中心载流子的输送特性低，不适用于作为半导体元件使用的。因此，希望形成微晶的区域904狭窄的更能够缓和半导体元件的布局的制约。但是在第1光束点901内，由于存在着比能量EA和能量EB低的区域，所以就很难只通过光学系统的调整来使形成微晶的区域904变小。
下面，图1(B)表示了在第1光束点901和第2光束点911的形状、通过对第1和第2光束点901、911两者进行扫描而结晶化的半导体膜912的俯视图、在第1和第2光束点901、911的长轴方向上被半导体膜912吸收的激光的能量分布。另外，半导体膜912的结晶化如白色的箭头所示，通过在相对于长轴方向成垂直的方向上对第1和第2光束点901、911进行扫描来进行。
在图1(B)中，第2光束点911以完全覆盖第1光束点901的方式重叠。虽然波长是1μm左右的基波几乎不被固相的半导体膜所吸收，但是对液相的半导体膜的吸收系数是固相的1000倍，容易被吸收。因此，在图1(B)的情况下，在第1光束点901中，只在比对使半导体膜熔化所必需的能量EA还高的能量区域中，作为基波的第2激光的能量被半导体膜吸收。因此，如在图1(B)中用实线所表示的那样，被半导体膜912吸收的激光的全部能量在第1激光的能量比EA还高的区域中，变得不连续地比其他区域高。
此外由于第2激光是连续振荡的，所以通过第1激光而熔化的部分通过作为连续振荡的第2激光的照射，由于在维持其熔化状态的半导体膜中进行移动，所以就形成了面向扫描方向连续长大的晶粒。因此，在半导体膜912中，在有第1光束点901的不连续地能量高的区域的部分中，能够形成包含大晶粒直径的区域(大结晶区域)913。具体上是，能够形成在被包含的晶粒的扫描方向上的宽度是10～30μm，相对于扫描方向成垂直方向上的宽度是1～5μm左右的大结晶区域913。
另外图1(B)的情况也与图1(A)的情况相同，在其边缘附近，形成不包含大晶粒直径的晶粒只包含微晶的区域914。该区域虽然根据来自激光照射时的区域913的热传导而形成不能完全消灭，但是通过适当地选择激光的照射条件，就能够没有限制的使区域914变狭窄。因此，与图1(A)的情况相比，能够提高大晶粒直径的区域913的比例，能够缓和半导体元件的布局上的制约。
此外，图1(A)中边缘附近的形成微晶的区域904在其表面形成了与半导体膜的膜厚相同高度的凹凸(隆起)。在本实施例中能够没有限制地使边缘附近的形成微晶的区域变狭窄。此外，能够使边缘的高度为膜厚的一半以下，在更适宜的条件下为4分之一以下。例如，当半导体膜的膜厚为100nm时，能够使边缘的高度为50nm以下，在更适宜的条件下为20nm以下，能够制作特性更好的半导体元件。
此外，在只用脉冲振荡的激光来进行结晶化的情况下，在结晶的晶粒边界中，有氧、氮、碳等的杂质偏析的倾向。在结合了使用了激光的结晶化合使用了金属催化剂的结晶化的情况下，没有完全除气的金属催化剂会偏析。在本发明中，由于能够通过第2激光提高被半导体膜吸收的激光的全部能量，所以就能够保证较长的半导体膜从熔化到固化的时间。因此，正如区域熔化法，能够防止偏析系数的正的杂质的偏析，并进行半导体膜的纯化或溶质浓度的均匀化。因此，就能够提高使用了该半导体膜的半导体元件的特性，还能够抑制特性的偏移。
如上所述，根据第1光束点与第2光束点的大小关系所获得效果会不同。最好的是贴合第2光束点的形状，最大限度地使第1光束点正好纳入第2光束点内的程度变大，最终使两个光束点完全重合。这样，就能够享受到两者的效用。
此外，通过连接多个连续振荡的第2光束点，并将其与脉冲振荡的第1激光重叠，就能够进一步扩大得到大晶粒直径的区域的相对于扫描方向成垂直方向上的宽度。此外也可以连接脉冲振荡的第1光束点。通过上述结构就能够进一步缓和半导体元件布局上的制约，另外并还能够进一步提高激光结晶化中的生产率。
此外，通过使光束点成为线状，就能够尽量扩大在扫描方向上结晶化的晶粒聚集的区域的所述光束点长轴方向上的宽度。即，可以说能够使占全部光束点面积的比例下降。但是本发明中的光束点的形状并不局限于线状，即使是矩形或面状，只要是对被照射体能够进行充分的热处理的都是可以的。
另外第1激光通过使用脉冲振荡的Ar激光器、Kr激光器、受激准分子激光器、CO2激光器、YAG激光器、Y2O3激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、玻璃激光器、红宝石激光器、绿宝石激光器、Ti：蓝宝石激光器、铜蒸汽激光器或金蒸汽激光器来获得。
另外第2激光通过使用连续振荡的Ar激光器、Kr激光器、CO2激光器、YAG激光器、Y2O3激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、玻璃激光器、红宝石激光器、Ti：蓝宝石激光器或氦镉激光器来获得。
另外，在根据连续振荡的激光的半导体膜的结晶化工序中，在一个方向上将光束点加工成长椭圆形或矩形，当在该光束点的短轴方向上进行扫描并使半导体膜结晶化时就能够提高生产率。加工后的激光束的形状变为椭圆形是因为原来的激光形状是圆形或近似圆形的形状。如果激光原来的形状是长方形的，那么就也可以通过柱面透镜等在一个方向上对其进行放大来使长轴进一步变长地来加工。此外，也可以使多个激光束分别在一个方向上加工成长椭圆形或矩形，并能够连接它们以在一个方向上作成进一步长的光束，来提高生产率。
在本发明中，通过照射具有容易被半导体膜吸收的可是光线以下的波长的、脉冲振荡的第1激光来使半导体膜熔化并提高基波的吸收系数。通过对第1激光进行脉冲振荡就能够获取比连续振荡时还显著地扩大光束点的面积的效果。而且通过在该熔化状态下照射具有基波的第2激光，第2激光就能够有效的被提高了基波吸收系数的半导体膜吸收。因此，由于使光束点的长轴变长了，所以就能够提高激光器结晶化的生产率，此外还有效地缓和了设计规则。
此外通过扫描第2激光就能够使通过第1激光而熔化的吸收系数被提高的区域移动，就能够在该扫描方向上形成全都铺上结晶长大了的晶粒的区域。进而，在第1激光的照射间歇结束后，通过第2激光的扫描能够使该熔化并提高了吸收系数的区域以一定程度地在一个方向上进行移动。
此外通过使第2激光成为基波，就不用考虑使用向高次谐波变换的非线性光学元件的适应性，作为第2激光，能够使用非常大输出的激光器，例如高次谐波的100倍以上的能量的。而且，也没有了由非线性光学元件的变质引起的维护的繁杂。特别是，能够产生所谓长期保持无需维护状态的固体激光的优点。
此外，通过使第1光束点和第2光束点的扫描方向一致，使第1光束点纳入第2光束点内，就如同用于解决课题的方法中所说的那样，能够锐减或消除光束点边缘附近的微晶区域。
附图说明
图1是表示光束点、半导体膜的结晶状态和能量分布的图。
图2是表示光束点的大小关系的图。
图3是表示本发明的激光器照射装置的结构的图。
图4是表示在本发明的激光器照射方法中，被处理物的扫描路径的图。
图5是本发明的激光器照射装置的结构的图。
图6是表示使用本发明的激光器照射装置来制作的发光装置的剖面图。
图7是在图5所示的激光器照射装置中使用的光束点的形状的图。
图8是表示激光的波长与吸收系数的关系的图。
图9是表示半导体装置的制作方法的图。
图10是表示半导体装置的制作方法的图。
图11是表示半导体装置的制作方法的电路图。
图12是在图形化之后激光结晶化时的半导体装置的制作方法的图。
图13是控制基板的位置的单元的一个实施例的图。
图14是本发明的激光器照射装置的结构的图。
图15是光束点的重合的一个实施例的图。
图16是本发明的激光器照射装置的结构的图。
具体实施方式
(实施方式1)
利用图3来对本发明的激光器照射装置的结构进行说明。
101是脉冲振荡的激光器振荡器，在本实施方式中，使用6W的Nd:YLF激光器。激光器振荡器101在TEM00的振荡模式下，通过非线性光学元件来被变换成第2高次谐波。特别是，虽然在不必局限于第2高次谐波，但是在能量效率这一点上，与高次的高次谐波相比还是第2高次谐波更好。频率是1kHz，脉冲振幅是60nsec左右。在本实施方式中，虽然使用了输出时6W左右的固体激光器，但是也可以使用输出达到300W的大型激光器，例如XeCl、KrF、ArF受激准分子激光器等。当是XeCl受激准分子激光器时波长为308nm，当是KrF受激准分子激光器时波长为248nm。
另外，非线性光学元件也可以设置在振荡器所具有的共振器内，还可以在基波的共振器之外设置具备其他非线性光学元件的共振器。前者具有装置小型、不需要精密控制共振器的长度的优点，后者具有能够忽略基波与高次谐波得相互作用的优点。
在非线性光学元件中，通过使用非线性光学常数比较大的KTP(KTiOPO4)、BBO(β-BaB2O4)、LBO(LiB3O5)、CLBO(CsLiB6O10)、GdYCOB(YCa4O(BO3)3)、KDP(KD2PO4)、KB5、LiNbO3、Ba2NaNb5O15等的结晶，特别是通过使用LBO或BBO、KDP、KTP、KB5、CLBO等，就能够提高从基波到高次谐波的变换效率。
从激光通常激光在水平方向上射出来看，从激光器振荡器101被振荡的第1激光，通过反射镜102，变换为以跟竖直方向成θ1角(入射角)的方向为其前进方向。在本实施方式中，θ1＝21°。被变换了前进方向的第1激光通过透镜103被加工成该光束点的形状，并被照射到被处理物104上。在图3中，反射镜102和透镜103相当于控制第1激光的光束点的形状和位置的光学系统。
在图3中，作为透镜103使用平凹柱面透镜103a和平凸柱面透镜103b。
平凹柱面透镜103a的曲率半径是10mm，厚度是2mm，当以光轴为第1激光的前进方向时，该透镜被配置在沿光轴距离被处理物104的表面29mm的位置上。而且平凹柱面透镜103a的母线与入射到被处理物104上的第1激光的入射面垂直。
平凸柱面透镜103b的曲率半径是15mm，厚度是2mm，该透镜被配置在沿光轴距离被处理物104的表面24mm的位置上。而且平凸柱面透镜103b的母线与入射到被处理物104上的第1激光的入射面平行。
这样，在被处理物104上就形成了3mm×0.2mm大小的第1光束点106。
此外，110是连续振荡的激光器振荡器，在本实施方式中，使用2kW的基波(波长1064nm)的Nd:YAG激光器。从激光器振荡器110被振荡的第2激光，通过φ300μm光纤来被传送。光纤111被配置成跟相对于竖直方向的射出口的方向成θ2角。在本实施方式中，θ2＝45°。此外，光纤111的射出口被配置在沿从激光器振荡器110射出的第2激光的光轴距离被处理物104离开105mm的位置上，使该光轴被包含在入射面内。
从光纤111射出的第2激光通过透镜112被加工成其光束点的形状，并被照射到被处理物104上。在图3中，光纤111和透镜112相当于控制第2激光的光束点的形状和位置的光学系统。
在图3中，作为透镜112使用平凸柱面透镜112a和平凸柱面透镜112b。
平凸柱面透镜112a的曲率半径是15mm，厚度是4mm，该透镜被配置在沿第2激光的光轴距离被处理物104的表面85mm的位置上。而且平凸柱面透镜112a的母线的方向与入射面垂直。
平凸柱面透镜112b的曲率半径是10mm，厚度是2mm，该透镜被配置在沿第2激光的光轴距离被处理物104的表面25mm的位置上。
这样，在被处理物104上就形成了3mm×0.1mm大小的第2光束点105。
在本实施方式中，将作为被处理物104的成膜半导体膜的基板与水平面平行设置。例如半导体膜成膜在玻璃基板的表面上。成膜半导体膜的基板是厚度为0.7mm的玻璃基板，以在激光照射时基板不掉落的方式被固定在第2激光的吸附平台107上。
吸附平台107通过X轴用的单轴自动机108和Y轴用的单轴自动机109就能够在平行于被处理物104的面内在XY方向上进行移动。
另外，当对相对于激光具有透光性的成膜于基半上的半导体膜进行热处理时，为了实现均匀地激光照射，当定义与照射面垂直的面，包含将光束的形状看作长方形时的短边的面或者包含长边的面的任意一个作为入射面时，所述激光的入射角在包含在入射面中的所述短边或所述长边的长度为W、设置在所述照射面上并且相对于所述激光具有透光性的基板的厚度为d时最好满足φ≥arctan(W/2d)。当使用多个激光时，该讨论则必须针对每个激光都成立。另外，当激光的轨迹不在所述入射面上时，就将该轨迹投影到该入射面时的入射角度设为φ。如果以该入射角度φ来入射激光时，那么在基板表面的反射光和来自所述基板背面的反射光就不会发生干涉，能够进行均匀的激光照射。以上的讨论是将基板的折射率作为1来考虑的。实际上，基板的折射率多是在1.5左右，当将该数值加入考虑时就得到了比由上述结论计算出的角度更大的计算值。但是，由于光束点的能量随着靠近光束点的边缘而衰减，所以在该部分的干涉的影响就少，用上述的算出值就能够得到足够的干涉衰减的效果。该讨论虽然最好即使对于第1激光对于第2激光也成立，两者都满足上述不等式，但是涉及像受激准分子激光器这样的相干长度极短的激光器时，即使是不满足上述不等式也没有问题。对上述的φ的不等式只适用于基板对激光具有透光性的情况。
一般地，玻璃基板对波长为1μm左右的基波或绿色的第2高次谐波具有透光性。该透镜为了满足不等式，可以在与入射面垂直的方向上错开平凸柱面透镜103b和平凸柱面透镜112b的位置并在与包含光束点的短轴的被处理物104的表面垂直的面内设置为具有入射角度φ1、φ2。在这种情况下，有在第1光束点106中φ1＝10°，在第2光束点105中φ2＝5°左右的斜率，并且不产生干涉。
另外第1激光和第2激光最好是从稳定性共振器获得的TEM00模式(单一模式)。在TEM00模式的情况下由于激光具有高斯形的强度分布，聚光性优良，所以光束点的加工就变得容易了。
在使用作为被处理物104的成膜半导体膜的基板时，在例如厚度0.7mm的玻璃基板的单面上对厚度200nm的氮氧化硅进行成膜，在其上作为半导体膜，使用等离子体CVD法对厚度70nm的非晶体硅(a-Si)膜进行成膜。进而，为了提高半导体膜对激光的适应性，而对该非晶体硅膜进行500℃、1小时的热处理。除热处理之外还可以实施使用了金属催化剂的结晶化。即使是对于实施了热处理的半导体膜还有对于使用金属催化剂而结晶化的半导体膜，最好的激光照射条件都是大致相同的。
而且，还使用了Y轴用的单轴自动机109在第2光束点105的短轴方向上对被处理物104(成膜半导体膜的基板)进行扫描。这时设各激光器振荡器101、110的输出为标准值。通过该被处理物104的扫描，第1光束点106和第2光束点105对被处理物104的表面被相对地进行扫描。
通过半导体膜在第1光束点106所照射的区域中熔化，连续振荡的第2激光的对半导体膜吸收系数显著提高了。因此，在扫描方向上延伸的相当于第2光束点105的长轴的宽度为1mm～2mm的区域内，以全部铺上的状态形成了在该扫描方向上结晶长大了的单晶的晶粒。
另外，在半导体膜中，第1光束点106和第2光束点105重叠照射的区域通过作为基波的第2激光变成被维持在由于第2高次谐波的第1激光吸收系数被提高的状态。因此，即使第2高次谐波的第1激光的照射间歇停止了，通过作为其后的基波的第2激光也能够维持在半导体膜熔化而且吸收系数被提高了的状态。因此，在第2高次谐波的第1激光的照射间歇停止后，为了在扫描过程中连续地不断维持该熔化而且吸收系数被提高了的区域，也最好再次照射第2高次谐波的第1激光来补充能量。
另外，第1光束点106和第2光束点105的扫描速度为几cm/s～几百cm/s比较合适，这里取50cm/s。
下面图4表示了在第1光束点106和第2光束点105的在被处理物104表面上的扫描路径。在作为被处理物104的半导体膜整个面上照射第2激光的情况下，在使用Y轴用的单轴自动机109来进行向一个方向的扫描后，使用X轴用的单轴自动机108来使第1光束点106和第2光束点105在相对于根据Y轴用的单轴自动机109的扫描方向成垂直的方向上滑动。
例如，通过Y轴用的单轴自动机109以扫描速度50cm/s来在一个方向上对半导体膜进行扫描。在图4中，用A1来表示该扫描路径。接着，使用X轴用的单轴自动机108来使第1光束点106和第2光束点105在相对于扫描路径A1成垂直的方向上滑动。根据该滑动的扫描路径用B1表示。接下来，面向与扫描路径A1相反的方向通过Y轴用的单轴自动机109来在一个方向上对半导体膜进行扫描。该扫描路径用A2表示。接着，用X轴用的单轴自动机108来使第1光束点106和第2光束点105在相对于扫描路径A2成垂直的方向上滑动。根据该滑动的扫描路径用B2表示。这样，通过按顺序反复进行通过Y轴用的单轴自动机109的扫描和通过X轴用的单轴自动机108的扫描，就能够对被处理物104的整个面照射第2激光或第1激光。
另外，扫描路径B1、B2...的长度最好是设为相当于第2光束点105的长轴的宽度1～2mm。
照射了第2激光的在扫描方向上形成了长大了的晶粒的区域结晶性非常好。因此，通过将该区域使用于TFT的沟道形成区域，就能够得到极高的移动度和导通电流。但是在半导体膜中，当存在没有必要是这样高的结晶性的部分时，也可以不对该部分照射激光。或者也可以通过使扫描的速度增加等不能得到高结晶性的条件来进行激光的照射。
另外，激光的扫描有固定作为被处理物的基板并使激光的照射位置移动的照射系统移动型、固定激光的照射位置并使基板移动的被处理物移动型、以及将上述两种方法相结合的方法。本发明的激光照射装置由于使用第1激光和第2激光的至少两个激光，所以适合于光学系统的结构能够作成最简单的被处理物移动型。但是本发明并不局限于此，通过对光学系统进行设计，也可以或者是照射系统移动型，或者是对被处理物移动型和照射系统移动型进行结合的。不论是任何一种情况，都是以能够控制对各光束点的半导体膜的相对的移动方向为前提的。
另外本发明的激光器照射装置中的光学系统并不局限于本实施例所表示的结构。
(实施方式2)
下面，用图9来对本发明的激光的照射方法及半导体装置的制作方法进行说明。
首先，如图9(A)所示，在基板500上成膜基底膜501。对于基板500能够使用例如硼酸钡玻璃或硼氧化铝玻璃等的玻璃基板、石英基板、SUS基板等。此外，由以PET、PES、PEN为代表的塑料或丙烯基等的具有可挠性的合成树脂构成的基板虽然一般与上述基板相比有耐热温度低的倾向，但是只要是在制作工序中能耐住处理温度的就能够使用。
基底膜501为了防止包含在基板500中的Na等的碱金属或碱土类金属在半导体膜中扩散，对半导体元件特性带来不好的影响而设置。因此，通过使用能够抑制碱金属或碱土类金属对半导体膜扩散的氧化硅或氮化硅、氮氧化硅等的绝缘膜来形成。在本实施方式中，使用等离子体CVD法以氮氧化硅的膜厚为10nm～400nm(最好是50nm～300nm)的方式来成膜。
另外，基底膜501即使是单层也可以层叠多个绝缘膜。此外跟玻璃基板、SUS基板或塑料基板一样，在使用不管包含多少碱金属或碱土类金属的基板的情况下，虽然从防止杂质的扩散观点来看设置基底膜是有效的，但是对石英基板等没有杂质的扩散问题的情况下，就不一定必须要设置了。
接着在基底膜501上形成半导体膜502。半导体膜502的膜厚取为25nm～100nm(最好是30nm～60nm)。另外，半导体膜502也可以是非晶体半导体，还可以是多晶半导体。此外半导体不只使用硅还可以使用硅锗合金。在使用硅锗合金的情况下，锗的浓度最好是0.01atomic％～4.5atomic％。
下面如图9(B)所示，使用本发明的激光器照射装置来对半导体膜502照射第1和第2激光，进行结晶化。
在本实施方式中，作为第1激光使用能量6W、1脉冲的能量6mJ/p、TEM00振荡模式、第2高次谐波(527nm)、振荡频率1kHz、脉冲振幅60nsec的YLF激光器。另外，通过用光学系统来加工第1激光，就使形成在半导体膜502表面上的第1光束点成为短轴200μm、长轴3mm的矩形，使能量密度成为1000mJ/cm2。
此外在本实施方式中，作为第2激光使用能量2kW、基波(1.064μm)的YLF激光器。另外，对第2激光进行振荡的激光器振荡器的输出最好是500W到5000W。通过用光学系统来加工第2激光，就使形成在半导体膜502表面上的第2光束点成为短轴100μm、长轴3mm的矩形，使能量密度成为0.7MW/cm2。
而且，在半导体膜502的表面上，以第1光束点和第2光束点相重合的方式来进行照射，向如图9(B)所示的白色箭头的方向扫描上述两个光束。通过由第1激光进行熔化，基波的吸收系数就变高了，第2激光的能量也容易被半导体膜吸收了。而且由于由作为连续振荡的第2激光的照射而熔化的区域在半导体膜中进行移动，所以面向扫描方向就连续地形成了长大了的晶粒。通过沿该扫描方向形成伸长了的单晶粒，就能够形成至少在TFT沟道方向上几乎不存在晶粒边界的半导体膜。
另外，也可以在稀有气体等的惰性气体气氛中照射激光。这样，就能够抑制由激光照射而引起的半导体表面的粗糙，能够抑制由于界面准位密度的离散而产生的阈值的离散。
通过对上述半导体膜502的激光照射就形成了结晶性更高的半导体膜503。
下面，如图9(C)所示对半导体膜503进行图形化，来形成岛状的半导体膜507～509，使用该岛状的半导体膜507～509就形成了以TFT为代表的各种半导体元件。
虽然没有图示，但是在例如制造TFT的情况下，以下面覆盖岛状的半导体膜507～509的方式来成膜栅极绝缘膜。在栅极绝缘膜中，能够使用例如氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等。此外成膜方法能够使用等离子体CVD法、喷镀法等。
下面，通过在栅极绝缘膜上成膜并图形化导电膜来形成栅极。而且，使用成膜并图形化栅极或保护膜的半导体膜作为掩膜，对岛状的半导体膜507～509添加付与n型或p型的导电性的杂质来形成源极区、漏极区，进而形成LDD区等。
通过上述一连串工序就能够形成TFT。另外，本发明的半导体装置的制作方法并不局限于岛状的半导体膜的形成以后的上述的TFT的制作工序。通过将本发明的激光照射方法而结晶化的半导体膜作为TFT活性层来使用，就能够抑制元件间的移动度、阈值以及导通电流的离散。
另外第1激光和第2激光并不局限于本实施方式所示的照射条件。
例如作为第1激光，也可以使用能量4W、1脉冲的能量2mJ/p、TEM00振荡模式、第2高次谐波(532nm)、振荡频率1kHz、脉冲振幅30nsec的YLF激光器。此外，例如作为第1激光，也可以使用能量5W、1脉冲的能量0.25mJ/p、TEM00振荡模式、第3高次谐波(355nm)、振荡频率20kHz、脉冲振幅30nsec的YVO4激光器。此外，例如作为第1激光，也可以使用能量3.5W、1脉冲的能量0.233mJ/p、TEM00振荡模式、第4高次谐波(266nm)、振荡频率15kHz、脉冲振幅30nsec的YVO4激光器。
而且，作为第2激光例如可以使用能量500W、基波(1.064μm)的Nd:YAG激光器。此外，例如作为第2激光可以使用能量2000W、基波(1.064μm)的Nd:YAG激光器。
此外也可以将使用了催化剂元素的结晶化工序设在由激光引起的结晶化之前。作为催化剂元素，虽然使用了镍(Ni)，但是除此之外还可以使用锗(Ge)、铁(Fe)、钯(Pd)、锡(Sn)、铅(Pb)、钴(Co)、铂(Pt)、铜(Cu)、金(Au)元素。当在使用了催化剂元素的结晶化工序之后进行通过激光的结晶化工序时，在通过催化剂元素的结晶化时形成的结晶在离基板更近侧通过激光的照射没有熔化而残留，使该结晶作为结晶核使结晶化继续。因此，由激光照射而引起的结晶化容易从基板侧向半导体膜的表面均匀一致地前进，与只通过激光的结晶化工序的情况相比，能够更好的提高半导体膜的结晶性，能够抑制根据激光的结晶化后的半导体膜表面的粗糙。因此，就能够进一步抑制后形成的半导体元件，例如具有代表性的TFT的特性的离散，能够抑制导通电流。
另外，也可以添加催化剂元素后进行加热处理来促进结晶化，而后通过激光的照射进一步提高结晶性，也可以省略加热处理的工序。具体说，也可以添加催化剂元素后以照射激光来代替加热处理，来提高结晶性。
在本实施例中，虽然表示了在半导体膜的结晶化中使用本发明的激光照射方法的例子，但是本发明也可以用于进行对半导体膜进行掺杂质的杂质元素的活性化。
本发明的半导体装置的制作方法能够用于集成电路或半导体显示装置的制作方法中。特别是当用于设置在液晶显示装置、在各像素具备以有机发光元件为代表的发光元件的发光装置、DMD(数字微镜设备)、PDP(等离子体显示面板)、FED(场致发射显示装置)等的半导体显示装置的像素部中的半导体元件时，能够抑制看到在像素部由照射的激光的能量分布不均而引起的横纹。
下面针对本发明的实施例来进行说明。
(实施例1)
在本实施例中针对本发明的激光照射装置的一个方式来进行说明。
图5表示了本实施例的激光器照射装置的结构。在本实施例中，从激光器振荡器1520来对脉冲振荡的具有可视光线以下的波长的第1激光进行振荡。此外，从两个激光器振荡器1500、1501来对连续振荡的第2激光进行振荡。
另外在本实施中，在激光器振荡器1520使用受激准分子激光器，取每1脉冲的输出能量为1J、脉冲振幅为30nsec左右，因此每个单位时间的输出为30MW。此外，在激光器振荡器1500、1501中都使用YAG激光器，取各自的输出能量为10kW。
从激光器振荡器1520振荡的第1激光，在被反射镜1523反射后，在光学系统1524中被会聚成矩形、椭圆形或线状，并被照射到被处理物1514上。另外，在本实施例中，虽然在激光器振荡器1520和反射镜1523之间设置了对第1激光进行遮挡的曝光盘1521，但不是必须要设置。此外，光学系统1524只要将光束点会聚成线状、矩形或椭圆形，并能够使能量分布均匀就可以。
另外，从激光器振荡器1500、1501振荡的第2激光分别入射到光束扩展器1508、1560上。在本实施例中，虽然在激光器振荡器1500、1501和光束扩展器1508、1560之间分别设置了对第2激光进行遮挡的曝光盘1502、1503，但不是必须要设置。
而且，通过在光束扩展器1508、1560，就能够抑制入射进来的第2激光的束散，并且能够调整光束截面形状的大小。
从光束扩展器1508、1560射出的第2激光，在柱面透镜1509、1561中，以其光束的截面形状呈矩形、椭圆形或线形的方式分别被延长。其后，该被延长了的第2激光在反射镜1510、1562处分别反射，并都入射到透镜1511中。入射的光通过透镜1511被会聚成线状，并被照射到激光器照射室1513内的被处理物1514上。在本实施例中，虽然将柱面透镜作为透镜1511使用，但只要是能够使光束点成为矩形、椭圆形或线状的透镜就可以。
在本实施方式中，反射镜1523、光学系统1524相当于与第1激光对应的光学系统。此外，光束扩展器1508、1560、柱面透镜1509、1561、反射镜1510、1562相当于与第2激光对应的光学系统。通过这两套光学系统就能够使通过第1激光在被处理物1514的表面上形成的第1光束点与通过第2激光在被处理物1514的表面上形成的第1光束点重合。
图7表示了如图5所示的激光器照射装置中所使用的各光束点的形状及其配置的一个例子。在图7中，1570相当于第1光束点，1571、1572分别相当于第2光束点。在图7中，第2光束点1571和1572以其长轴相一致的方式来相互部分重叠。而且，第1光束点以完全覆盖第2光束点1571、1572的方式来重叠。
在本实施例中，取第1光束点1570的短轴方向的长度LX1570为400μm，长轴方向的长度为110mm，能量密度为25MW/cm2左右。当换算成每1个脉冲的能量密度时，比较合适的是100～1000mJ/cm2。此外，取第2光束点1572的短轴方向的长度LX1572为200μm，长轴方向的长度为60mm，能量密度为0.1MW/cm2左右。而且第2光束点1571、1572相互重叠20mm，以使连接第2光束点1571、1572的长轴的长度为100mm。
通过这样地合成多个第2激光，就能够扩大第1激光和第2激光重叠的区域，并能够减少该结晶性差的区域占全部照射激光的区域的比例。
另外，在本实施例中，虽然使用两个激光振荡器来对被处理物照射两个系统的第2激光，但是本发明并不局限于此，也可以使用3个以上的多个系统的第2激光。此外，第1激光也可以作为多个系统。
在激光器照射室1513内，被处理物1514被放置在平台1515上，该平台1515通过3个单轴自动机1516～1518来控制其位置。具体地说是通过φ轴用的单轴自动机1516能够使平台1515在水平面内旋转。此外，通过X轴用的单轴自动机1517能够使平台1515在水平面内在X轴方向上进行移动。此外，通过Y轴用的单轴自动机1518能够使平台1515在水平面内在Y轴方向上进行移动。各位置控制单元的动作由中央处理装置1519来进行控制。
通过在对在Y轴方向上伸长的线状的光束点进行照射的同时对被处理物在X方向上进行扫描，就能够沿扫描方向形成伸长的晶粒群。虽然扫描速度可以取例如10～2000mm/s，最好是100～1000mm/s，但是根据半导体膜的膜厚、材料等条件，扫描速度的合适范围也会前后调整。这样，在沿扫描方向的宽度100mm的区域中，就能够在扫描方向上以全部铺上的方式形成结晶长大了的单晶的晶粒。在该扫描方向上全部铺上结晶长大了的晶粒的区域，与进行只使用连续振荡的激光而结晶化的现有技术相比，其宽度显著扩大了100倍左右。
另外在本实施例中，也可以设置使用了CCD等的光敏元件的监视器1512以正确的把握被处理物1514的位置。
(实施例2)
利用图6来针对使用本发明的激光器照射装置而形成的半导体装置的1个、发光装置的像素的结构来进行说明。
在图6中，在基板6000上形成了基底膜6001，在基底膜6001上形成了晶体管6002。晶体管6002具有活性层6003、栅极6005、以及夹持在活性层6003与栅极6005间的栅极绝缘膜6004。
活性层6003使用通过使用本发明的激光器照射装置而结晶化的多晶半导体膜。另外活性层不仅是硅也可以使用硅锗合金。当使用硅锗合金时，锗的浓度最好是0.01～4.5atomic％。此外，也可以使用添加了氮化碳的硅。
此外栅极绝缘膜6004能够使用氧化硅、氮化硅、氮氧化硅。此外将它们进行层叠的膜，例如在SiO2上层叠SiN的膜，也可以作为栅极绝缘膜来使用。此外作为栅极6005是由从Ta、W、Ti、Mo、Al、Cu中选出的元素或者以所述元素为主要成分的合金材料或化合物材料来形成的。此外，也可以使用以掺杂了磷的杂质元素的多晶硅膜为代表的半导体膜。此外也可以层叠不是单层的导电膜而是由多层构成的导电膜。
此外晶体管6002被第1层间绝缘膜6006覆盖，在第1层间绝缘膜6006上层叠第2层间绝缘膜6007和第3层间绝缘膜6008。第1层间绝缘膜6006使用等离子体CVD法或喷镀法，能够以单层或层叠使用氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
此外，第2层间绝缘膜6007能够使用包含以有机树脂膜、无机绝缘膜、硅氧烷系列材料作为原材料而形成的Si-O结合和Si-CHx结合的绝缘膜等。第3层间绝缘膜6008使用与其他绝缘膜相比使水分和氧气等的成为加速发光元件的老化的原因的物质不易透过的膜。代表性的是使用例如DLC膜、氮化碳膜、由RF喷镀法形成的氮化硅膜等。
此外，在图6中，6010是阳极，6011是电场发光层，6012是阴极，阳极6010和电场发光层6011以及阴极6012重叠的部分相当于发光元件6013。晶体管6002的一个是控制供给发光元件6013的电流的驱动用晶体管，发光元件6013直接或经由其他电路元件被串联连接。电场发光层6011具有单个发光层或者层叠包含发光层的多个层的结构。
阳极6010形成在第3层间绝缘膜6008上。此外，在第3层间绝缘膜6008上形成了作为隔壁使用的有机树脂膜6014。另外，在本实施例中，虽然将有机树脂膜作为隔壁来使用，但是也能够将包含以无机绝缘膜、硅氧烷系列材料作为原材料而形成的Si-O结合和Si-CHx结合的绝缘膜等作为隔壁来使用。有机树脂膜6014具有开口部6015，通过在该开口部重合阳极6010和电场发光层6011以及阴极6012来形成发光元件6013。
而且在有机树脂膜6014和阴极6012上成膜保护膜6016。保护膜6016与第3层间绝缘膜6008同样使用与其他绝缘膜相比使水分和氧气等的成为加速发光元件的老化的原因的物质不易透过的膜，例如使用DLC膜、氮化碳膜、由RF喷镀法形成的氮化硅膜等。
此外，有机树脂膜6014的开口部6015中的端部最好是在有机树脂膜6014部分重叠而形成的电场发光层6011上，以在该端部不开小孔的方式而成为圆弧状。具体地说，描绘开口部中的有机树脂膜的截面的曲线的曲率半径最好是0.2～2μm。根据上述结构，就能够是后形成的电场发光层或阴极的覆盖性变得良好，能够防止阴极6010和阳极6012在由电场发光层6011形成的小孔中发生短路。此外通过使电场发光层6011的应力缓和，就能够降低的发光区域减少的所谓收缩的不良，并能够提高可靠性。
另外在图6中，表示了作为有机树脂膜6014，使用了正极型感光性的炳烯树脂的例子。在感光性有机树脂中，有光、电子、离子等的除去对能量线进行曝光的区域的正极型和残留被曝光的区域的负极型。在本发明中也可以使用负极型的有机树脂膜。此外也可以使用感光性的聚酰亚胺来形成有机树脂膜6014。在使用负极型的炳烯来形成有机树脂膜6014时，开口部6015中的短布成为S字状的截面形状。这时开口部的上端部和下端部中的曲率半径最好是0.2～2μm。
阳极6010能够使用透明导电膜。除I TO之外也可以使用在氧化铟中混入2～20％的氧化锌(ZnO)的透明导电膜。在图6中将I TO作为阳极6010来使用。此外阴极6012只要是工作函数小的导电膜就可以使用公知的其他材料。例如较好的是Ca、Al、CaF、MgAg、AlLi等。
另外在图6中，虽然表示了从发光元件发来的光被照射到基板6000侧的结构，但是也可以像光朝向与基板相反侧那样的结构的发光元件。此外，在图6中，虽然连接了晶体管6002和发光元件的阳极6010，但是本发明并不局限于此，也可以连接晶体管6002和发光元件的阴极6001。这种情况下，阴极形成在第3层间绝缘膜6008上。而且使用TiN等来形成。
另外，如果实际上到图6为止就完成了，那么气密性就要高以使不被外边的气体侵入，而且最好是用去气少的保护膜(层压膜、紫外线固化树脂膜等)或透光性的覆盖材料来进行封装(包埋)。这时，当或者使覆盖材料的内部充满惰性气体气氛，或者在内部配置吸水性材料(例如氧化钡)时，就能够提高OLED的可靠性。
另外，虽然在本实施例中将发光装置作为半导体装置的一个例子来举出，但是使用本发明的制作方法而形成的半导体装置并不局限于此。
(实施例3)
本实施例与实施方式2不同，是针对将通过催化剂元素的结晶化方法结合到根据本发明的激光器照射装置的结晶化方法上的例子来进行说明的。
首先到成膜半导体膜502，并在该半导体膜502上进行O族元素的掺杂的工序，参照到实施方式2的图9(A)为止的附图来进行。接下来如图10(A)所示，在半导体膜502的表面上用旋转镀层法来涂敷包含以重量换算1～100ppm的Ni的醋酸镍盐溶液。另外催化剂的添加并不局限于上述方法，也可以使用喷镀法、蒸镀法、等离子体处理等来进行添加。而且，在500～650℃下进行4～24小时，例如在570℃下，进行14小时的加热处理。通过该加热处理就从涂敷了醋酸镍盐溶液的表面开始面向基板500在纵向上形成了加速了结晶化的半导体膜520。
在加入处理中，例如将灯的辐射作为热源的RTA(快速加热热处理)、或者通过使用被加热的气体的RTA(气体RTA)来进行设定加热温度740℃、180秒的RTA。设定加热温度是用高温计测得的基板的温度，并将该温度作为热处理时的设定温度。也可以使用作为其他的方法的使用加热炉热处理炉在550℃下进行4小时的热处理。结晶化温度的低温化和时间缩短化是通过有催化剂作用的金属元素的作用来实现的。
另外，虽然在本实施例中使用镍(Ni)来作为催化剂元素，但是除此之外，还可以使用锗(Ge)、铁(Fe)、钯(Pd)、锡(Sn)、铅(Pb)、钴(Co)、铂(Pt)、铜(Cu)、金(Au)元素。
下面如图10(B)所示，使用本发明的激光器照射装置来对半导体膜520进行结晶化。在本实施例中，作为第1激光使用每1脉冲的能量1J左右，频率300kHz、脉冲振幅25nsec左右的脉冲振荡的受激准分子激光器，此外，作为第2激光使用能量500W，基波(1.064μm)的Nd:YAG激光器。
而且，在本实施例中，使通过第1激光得到的第1光束点和通过第2激光得到的第2光束点的扫描方向一致，以使第1光束点纳入第2光束点内。另外光束点的大小关系不局限于本实施例所示的结构。如本实施例，通过与第1光束点相比第2光束点变得更大，正如用于解决课题的方法中说明的那样，能够使光束点边缘附近的微晶区域锐减或消除。此外，相反的，通过以第1光束点比第2光束点更大的方式来设置该宽度，就能够最大限度地确保两个激光的重叠区域。另外，如果能够通过光学系统进行调整，就可以通过聚集两个光束点的相对于扫描方向呈垂直的方向上宽度来得到两者的效用。
通过对上述的半导体膜520的激光照射就形成了结晶性进一步提高了的半导体膜521。另外，在使用催化剂元素而结晶化了的半导体膜521内，考虑包含大约1×1019atoms/cm3左右的浓度的催化剂元素(这里为镍)。接着，进行存在于半导体膜521内的催化剂元素的除气。
首先，如图10(C)所示在半导体膜521的表面上形成氧化膜522。通过形成具有1nm～10nm的膜厚的氧化膜522就能够防止在后面的蚀刻工序中由于蚀刻而引起的半导体膜521表面的粗糙。氧化膜522能够使用公知的方法来形成。例如通过以硫酸、盐酸、硝酸等和双氧水混合的水溶液或臭氧水来对半导体膜521的表面进行氧化来形成，也可以通过在含氧的气氛中的等离子体处理或加热处理、紫外线照射等来形成。此外，也可以对氧化膜另外用等离子体CVD法或喷镀法、蒸镀法来形成。
接着在氧化膜522上，使用喷镀法以25～250nm的厚度来形成包含浓度为1×1020atoms/cm3以上的稀有气体元素的除气用的半导体膜523。除气用的半导体膜523由于使与半导体膜521的蚀刻的选择比变大了，所以最好是比半导体膜521的膜密度低的。作为稀有气体元素使用从氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)中选择出的一种或多种。
下面使用加热炉热处理法或RTA法来实施热处理，并进行除气。当用加热炉热处理法来进行时，进行在氮氛围中用450～600℃，0.5～12个小时的加热处理。此外，当使用RTA法来进行时，使加热用的灯光源点亮1～60秒，最好是30～60秒，并反复进行1～10次，最好是2～6次。虽然灯光源的发光强度是任意的，但是应设为将半导体膜瞬间加热到600～1000℃，最好是700～750℃。
通过加热处理，半导体膜521内的催化剂元素就通过扩散向如箭头所示的除气用的半导体膜523进行移动，并被除气。
接着，有选择地对除气用的半导体膜523进行蚀刻并除去。蚀刻能够通过根据ClF3的不使用等离子体的干蚀刻、或根据包含肼或四甲基氢氧化氨((CH3)4NOH)的水溶液等碱溶液的湿蚀刻来进行。这时通过氧化膜522就能够防止半导体膜被蚀刻。
接着在通过氟酸除去氧化膜522之后，对半导体膜进行图形化，来形成岛状的半导体膜524～526(图10(D))。能够使用该岛状的半导体膜524～526来形成以TFT为代表的各种半导体元件。另外，本发明中的除气工序并不局限于本实施例所示的方法。也可以使用其它方法来降低半导体膜中的催化剂元素。
对于本实施例在通过催化剂元素结晶化时形成的结晶通过激光的照射而不熔化地残留在靠近基板侧，该结晶作为晶核推进了结晶化。因此，通过激光的照射的结晶化就容易均匀地从基板面向表面的前进，此外由于容易聚集该结晶方位，所以与实施方式2相比就抑制了表面的粗糙。因此就进一步抑制了后形成的半导体元件的特性的离散，代表性的是TFT的特性的离散。
另外，在本实施例中，是针对添加催化剂元素后进行加热处理来促进结晶化，而后通过激光的照射进一步提高结晶性的结构来进行说明的。本发明并不局限于此，也可以省略加热处理的工序。具体说，也可以添加催化剂元素后以照射激光来代替加热处理，来提高结晶性。
(实施例4)
在本实施例中，针对将通过催化剂元素的结晶化方法结合到根据本发明的激光器照射装置的结晶化方法上的与实施例3不同的例子来进行说明。
首先到成膜半导体膜502，并在该半导体膜502上进行O族元素的掺杂的工序，参照到实施方式2的图9(A)为止的附图来进行。接下来在半导体膜502形成具有开口部的掩膜540。然后，在半导体膜502的表面上用旋转镀层法来涂敷包含以重量换算1～100ppm的Ni的醋酸镍盐溶液。另外催化剂的添加并不局限于上述方法，也可以使用喷镀法、蒸镀法、等离子体处理等来进行添加。该被涂敷的醋酸镍盐溶液在掩膜540的开口部与半导体膜520相接(图11(A))。
接着，在500～650℃下进行4～24小时，例如在570℃下，进行14小时的加热处理。通过该加热处理就从涂敷了醋酸镍盐溶液的表面如实线的箭头所示形成了加速了结晶化的半导体膜530(图11(A))。加热处理的方法不局限于此，还可以用实施例3所示的其他方法来进行。
另外，催化剂元素能够使用在实施例3中列出的元素。
接着，在除去掩膜540之后如图11(B)所示，使用本发明的激光器照射装置来使半导体膜530结晶化。在本实施例中，作为第1激光使用能量6W、1脉冲的能量6mJ/p、第2高次谐波(527nm)、振荡频率1kHz、脉冲振幅60nsec的YLF激光器，此外作为第2激光使用能量2000W、基波(1.064μm)的Nd:YAG激光器。于是在本实施方式中，使通过第1激光得到的第1光束点和通过第2激光得到的第2光束点的扫描方向一致，并且使通过与第1光束点相比第2光束点的相对于扫描方向成垂直的方向上的宽度变得更大。光束点的宽度的大小关系不局限于此。
通过对上述的半导体膜530的激光的照射，就形成了结晶性进一步提高了的半导体膜531。
另外，在如图11(B)所示的使用催化元素而结晶化的半导体膜531内，考虑包含大约1×1019atoms/cm3左右的浓度的催化剂元素(这里为镍)。接着，进行存在于半导体膜531内的催化剂元素的除气。
首先，如图11(C)所示，以覆盖半导体膜531的方式来以150nm的厚度形成掩膜用的氧化硅膜532，通过图形话来设置开口部，来露出半导体膜531的一部分。而且添加磷并设置了对半导体膜531添加了磷的区域533。在该状态下，当在氮气氛中进行550～800℃、5～24小时，例如进行600℃、12小时的热处理时，对半导体膜531添加了磷的区域533作为除气地点而起作用，残留在半导体膜531中的催化剂元素从添加了磷的除气区域533中偏析出来。
而且，通过蚀刻并除去添加了磷的区域533，就在半导体膜531的残留区域中将催化剂元素的浓度降低到1×1017atoms/cm3以下。接着，在除去掩膜用的氧化硅膜532后，对半导体膜531进行图形化，来形成岛状的半导体膜534～536(图11(D))。使用该岛状的半导体膜534～536就能够形成以TFT为代表的各种半导体元件。另外，在本发明的除气工序中，并不局限于本实施例所示的方法。也可以使用其它的方法来降低半导体膜中的催化剂元素。
对于本实施例在通过催化剂元素结晶化时形成的结晶通过激光的照射而不熔化地残留在靠近基板侧，该结晶作为晶核推进了结晶化。因此，通过激光的照射的结晶化就容易均匀地从基板面向表面的前进，此外由于容易聚集该结晶方位，所以与实施方式2相比就抑制了表面的粗糙。因此就进一步抑制了后形成的半导体元件的特性的离散，代表性的是TFT的特性的离散。
另外，在本实施例中，是针对添加催化剂元素后进行加热处理来促进结晶化，而后通过激光的照射进一步提高结晶性的结构来进行说明的。本发明并不局限于此，也可以省略加热处理的工序。具体说，也可以添加催化剂元素后以照射激光来代替加热处理，来提高结晶性。
(实施例5)
在本实施例中，针对半导体元件制作工序中的激光照射的时间来进行说明。
在实施方式2中所示的制作方法中，在通过图形化形成岛状的半导体膜之前，对半导体膜照射激光来进行结晶化。但是本发明的半导体装置的制造方法并不局限于此，激光的照射时间可以由设计者来合适的设定。
例如，通过激光的照射的结晶化，也可以在将半导体膜图形化为岛状后来进行。图12(A)表示了对岛状的半导体膜1101照射激光的情况。1102相当于光束点，通过第1光束点和第2光束点实际上的重合来形成。光束点1102面向箭头所示的方向，相对于岛状的半导体膜1101进行相对的移动。
另外，在对岛状的半导体膜照射激光后也可以再次进行图形化。图12(B)表示了在进行2次图形化的半导体装置的制作工序中在第1次的图形化之后照射激光的情况。1103是通过第1次图形化而得到的岛状的半导体膜，在岛状的半导体膜1103内用点画线来表示的区域1104相当于根据结晶化后的第2次图形化而成为岛状的半导体膜的区域。1105相当于光束点，通过第1光束点和第2光束点实际上的重合来形成。光束点1105面向箭头所示的方向，相对于岛状的半导体膜1103进行相对的移动。对于图12(B)，在通过激光而结晶化后进行第2次的图形化，能够得到实际上作为半导体元件使用的岛状的半导体膜。
(实施例6)
在本实施例中针对控制基板的位置的单元的一个实施例进行说明。将控制基板的位置的单元的截面图表示在图13(A)上，将俯视图表示在图13(B)上。601是平台，603是用于使基板在平台601上移动的传送机，604是用于将基板602的一端固定在传送机上的基板固定单元，606是控制平台的位置的平台搬运单元，607是用于识别基板的位置的单元(在本实施方式中使用具有CCD的照相机)。
图13(C)是图13(A)所示的平台601的放大图。如图13(C)所示，在本实施例中通过从设在平台601表面上的孔605喷出空气、氮、氧等的气体，就能够如同气垫船一样使基板602从平台601保持水平地浮起。然后，通过用传送机603来控制基板固定单元604的位置，就能够使基板602在平台601上移动。
此外通过平台搬运单元606就可以在相对于根据传送机603的基板固定单元604的移动方向呈交叉的方向(最好是垂直的方向)上，使平台601移动。而且，如图13(A)所示，通过使由传送机603引起的固定单元的移动方向与平台601的移动方向相垂直，就可以使激光照射到基板602的整个面上。
另外，虽然没有设置用于识别基板的位置的单元的必要，但是通过设施该单元，就能够精密地控制基板602中的激光的照射位置。因此，没有必要结晶化的区域就可以省略激光的扫描。例如如图5所示的半导体装置的制作方法，在通过图形化形成岛状的半导体膜之后进行通过激光的结晶化时，不存在岛状的半导体膜的区域就可以省略激光的扫描。因此，就能够大幅缩短每一块基板所花费的处理时间。
(实施例7)
在本实施例中，针对第1光束点和第2光束点的重合方法的一个实施例来进行说明。
图14(A)表示了本实施例的激光器照射装置的结构。在本实施例中，重合着从4个振荡器1401～1404获得的4个激光。从振荡器1401、1403中获得连续振荡的基波的激光，从振荡器1402、1404中获得脉冲振荡的高次谐波的激光。从振荡器1401～1404振荡了的激光分别在光学系统1405～1408中被控制成器光束点的形状，并会聚到基板1410上。
图14(B)表示了通过如图14(A)所示的激光照射装置而形成在基板1410上的光束点的形状。图14(B)所示的光束点通过重合通过4个激光而获得的4个光束点而得到。具体地说，从振荡器1401振荡了的连续振荡的基波的激光被照射到1411所表示的区域上。从振荡器1402振荡了的脉冲振荡的高次谐波的激光被照射到1412所表示的区域上。从振荡器1403振荡了的连续振荡的基波的激光被照射到1413所表示的区域上。从振荡器1404振荡了的脉冲振荡的高次谐波的激光被照射到1414所表示的区域上。而且在本实施例中，如白色的箭头所示在相对于各区域的长轴呈垂直的方向上，集合了光束的扫描方向。
另外，在进一步重叠通过重叠区域1412与区域1414而获得的第1区域以及通过重叠区域1411与区域1413而获得的第2区域的区域中，能够得到大晶粒直径的结晶。在本实施例中，通过重叠区域1412与区域1414而获得的第1区域包含在通过重叠区域1411与区域1413而获得的第2区域中。另外第1区域和第2区域的大小关系并不局限于本实施例所示的结构。对应于基波的激光的第2区域的与扫描方向呈垂直方向上的宽度，可以比对应于高次谐波的激光的第1区域更宽，也可以是相反地更窄。对于前者，能够锐减或消除边缘附近的微晶区域的形成。对于后者，能够最大限度地确保得到大晶粒直径的区域。另外，当于扫描方向呈垂直方向上的宽度在第1区域和第2区域一致时，就能够得到上述两者的效用。
(实施例8)
在本实施例中，针对第1光束点和第2光束点的重合方法的一个实施例来进行说明。
在本实施例中，使用多个通过将脉冲振荡的高次谐波的第1激光和连续振荡的第2激光进行重合而获得的光束点，来进行激光的照射。图15表示了本实施例的光束点的布局的一个例子。在图15中虽然使用了4个(1601～1604)通过重合第1激光和第2激光而得到的光束点，但是该光束点的数目并不局限于此。该4个光束点的扫描方向都集合到相同的方向上。
具体地说，各光束点1601～1604在通过第2激光而形成的光束点中，以通过第1激光而形成的光束点(照射区域)1611～1614重叠的方式来形成。因此，在本实施例中，第1激光的光束点1611～1614相当于第1激光和第2激光重叠的区域。在第1激光的照射区域1611～1614中能够得到存在大晶粒直径的晶粒的区域1620。
在本实施例中，4个光束点1601～1604的长轴相互不一致。其中，第2激光的光束点1601～1604与相邻的光束点重合，另外而且通过第1激光的光束点1611～1614结晶化的区域相互重叠。在本实施例中，在光束点1601～1604的与第1光束点的照射区域1611～1614不重叠的区域中，由于激光很能被半导体膜吸收，所以就很难形成微晶区域。因此，就能够连接并形成存在大晶粒直径的区域1620。而且由于4个光束点1601～1604的长轴即使相互不一致也可以，所以就能够比较容易的进行光学系统的调整。
(实施例9)
在本实施例中，针对本发明的激光器照射装置所具有的光学系统的一个实施例来进行说明。
在图16中730是对第1激光进行振荡的激光器振荡器，使用输出6W、振荡频率1kHz、脉冲振幅60nsec的、具有第2高次谐波(波长532nm)的脉冲振荡的YLF激光器。另外，虽然在图16中使用了第2高次谐波，但是本发明并不局限于此，也可以使用更高次的高次谐。此外731是对第2激光进行振荡的激光器振荡器，在图16中，使用输出为2kW、具有基波(波长1.064μm)的连续振荡的Nd:YAG激光器。从各激光器振荡器730、731获得的第1和第2激光最好是TEM00振荡模式(单一模式)。
从激光器振荡器730被振荡的第1激光，通过使用了2个柱面透镜733、734的光束扩展器被整形为椭圆形状，在电反射镜735处被反射，在fθ透镜736处被聚光，并被照射到成膜在基板上的半导体膜737。
从激光器振荡器731被振荡的第2激光，在通过0.6mmφ的光纤738来传送后，在凸透镜739中被聚光成椭圆状，并被照射到成膜在基板上的半导体膜737。
通过重叠根据第1激光而得到的第1光束点和根据第2激光而得到的第2光束点来得到1个光束点740。另外，通过使入射角度不为0度而为50度以上，就能够将光束点聚光成椭圆形状。在本实施例中第2光束点成为例如短轴0.6mm、长轴3mm的椭圆形状，第1光束点成为例如短轴0.2mm、长轴3mm。
第2光束点通过使光纤738和凸透镜739向箭头741所示的方向移动，就能够在半导体膜737上进行扫描。由于光纤738具有可挠性，所以就能够使光纤738变形，并固定对凸透镜739的光纤738的射出口的朝向和位置，使包含射出口的光纤738的一部分与凸透镜739(用虚线743表示的部分)在箭头741的方向上进行移动，并能够沿箭头744的方向扫描第2光束点。此外，第1光束点通过使电反射镜735的角度变化就能够沿箭头744的方向进行扫描。此外通过fθ透镜736就能够极力抑制伴随电反射镜735的角度变化的第1光束点的形状的变化。根据上述结构就能够在相对于半导体膜737箭头744所示的方向上扫描通过第1光束点和第2光束点获得的光束点740。
而且在本实施方式中，加入对如箭头744所示方向的扫描，通过使用单轴平台来在如白色箭头745所示的方向上对半导体膜737进行扫描，就能够全面地照射第1激光和第2激光。使箭头744和白色箭头745交叉，最好是正交。在本实施例中，取第1和第2激光的扫描速度为例如500mm/sec。
另外本发明的激光器照射装置所使用的光学系统不局限于本实施方式所表示的结构。

Claims (5)

1.一种激光器照射方法，其特征在于，
对由硅构成的非晶体半导体膜照射具有对由硅构成的非晶体半导体膜的吸收系数为1×104cm-1以上的波长的被脉冲振荡的第1激光的第2高次谐波，和
被连续振荡的第2激光，
所述第2激光器振荡器为包含Nd的固体激光器，
所述第2激光以基波照射所述半导体膜，
所述第1激光的第2高次谐波具有780nm以下的波长，
在所述第1和第2激光照射时，控制所述第1激光的照射区域的形状和位置和所述第2激光的照射区域的形状和位置，所述第1激光的照射区域以纳入所述第2激光的照射区域内的方式来重叠。
2.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，
通过对形成在绝缘表面上的由硅构成的非晶体半导体膜照射具有对所述由硅构成的非晶体半导体膜的吸收系数为1×104cm-1以上的波长的被脉冲振荡的第1激光的第2高次谐波和被连续振荡的第2激光，来使所述由硅构成的非晶体半导体膜结晶化，
所述第2激光器振荡器为包含Nd的固体激光器，所述第2激光以基波照射所述半导体膜，
所述第1激光的第2高次谐波具有780nm以下的波长，
在所述第1和第2激光照射时，控制所述第1激光的照射区域的形状和位置和所述第2激光的照射区域的形状和位置，所述第1激光的照射区域以纳入所述第2激光的照射区域内的方式来重叠。
3.如权利要求2所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，
对形成在所述绝缘表面上的所述半导体膜进行加热处理。
4.如权利要求3所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述加热处理使用气体RTA。
5.如权利要求4所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，
通过所述加热处理，用金属催化剂使所述半导体膜结晶化。
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