CN1619401A - 显示装置的制造方法 - Google Patents

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Abstract

利用物镜集中激光束并且将其辐射到具有1微米或者更小的晶粒大小的非晶硅薄膜或者多晶硅薄膜上，从连续波形激光束开始处理激光束，(1)以便于利用EO调制器使其脉动并且在脉动时具有任意的随着时间的能量变化；(2)利用光束均匀器、具有任意透射率分布的滤波器和矩形狭缝使得具有任意的空间能量分布；和(3)利用高速旋转的漫射器来除去相干性。这样，有可能实现一种液晶显示设备，其中，在TFT面板装置中包含驱动电路，该驱动电路包括具有与单晶体属性基本相同的多晶硅膜。

Description

显示装置的制造方法
技术领域
本发明涉及对于膜质量的提高、晶粒的增大、或通过激光束照射在绝缘基板上形成的非晶或多晶半导体膜的单晶体化最理想的激光退火方法和激光退火设备，还涉及通过激光退火制造的薄膜晶体管(TFT)装置和提供这样一个TFT装置的显示设备。
背景技术
目前，液晶面板通过转换在玻璃或熔化的石英基板上形成有非晶或多晶硅膜的薄膜晶体管形成图像。如果可能形成用于驱动基板上的像素晶体管的驱动电路的话就可以期望同时大大降低生产成本和提高可靠性。
但是，因为形成晶体管活性层的硅膜的可结晶性能差，由移动性来表示的薄膜晶体管的性能就低并且要求高速和高性能的电路的制造就困难。为了制造这些高速、高性能的电路需要高移动性薄膜晶体管；并为了实现这个目的，需要在硅薄膜结晶性能方面的改进。
受激准分子激光退火在过去已经作为用于改进结晶性能的一种方法引起了注意。在这个方法中，通过借助在形成于玻璃等的绝缘基板上的非晶硅膜上照射受激准分子激光把非晶硅膜改变到多晶硅膜而提高移动性。但是，通过受激准分子激光照射获得的多晶膜的晶粒尺寸只有几百纳米。此膜不具有作为用于驱动液晶面板的驱动电路等而被应用的性能。
为了解决这个问题，在日本专利特许公开的申请No.2001-44120中公开下述方法，其中借助紫外线脉冲激光的照射增大晶粒尺寸，以一次脉冲激光的受激准分子激光为例，伴随它的是在可见光范围的二次脉冲激光照射。这个方法通过借助在一次脉冲激光200纳秒的照射时间内二次脉冲激光的照射延长再结晶时间，增加晶粒尺寸。
发明内容
在上述技术背景中，Q开关振荡固体激光谐波同掺钕离子或掺镱离子晶体或玻璃激发介质一起被用作二次脉冲激光：Nd:YAG激光，Nd:YLF激光，Yb:YAG激光，Nd：玻璃激光，或Yb：玻璃激光。
但是，这些激光的脉冲持续时间是几打到几百纳秒并且再结晶时间的延长是有限的。明确地，获得的晶粒尺寸在一微米左右，还不具备足够的能力作为用于驱动液晶面板的驱动电路等来应用。同时，衰减器和线形光束形成光学系统作为在上述背景技术中用于照射二次脉冲激光的光学系统来表示，可是这个装置[的使用]还有以下的问题。
第一个问题是Q开关振荡脉冲的输出按照时间以正弦波的形式改变，并且不能获得退火是所需最理想的脉冲持续时间和随时间改变的输出。
第二个问题是上述工作中的能量分布是高斯分布。这种情况下，无法获得对于激光退火是必要的均匀能量分布，或对于退火是最理想的[能量分布]。
除此以外，第三个问题是来自像Nd:YAG激光的固态激光的激光束具有高相干性。不规则性作为干涉影响的结果在被照射区域能量密度分布中发生。
本分明的目的是解决技术背景中的这些上述问题并提供一种激光退火方法和激光退火设备，它们对于非晶和多晶硅薄膜的退火是最理想的，具有在被照射区域不受干涉影响时适合的激光退火的能量分布，其中在最佳的脉冲持续时间的激光退火中获得最佳的随着时间的能量改变；本发明的目的还在于提供借助激光退火制造的TFT装置。
为了实现上述目的，关于本发明的激光退火方法放射出经过下面方法处理的激光束。首先，获得连续波束的振荡器用作激光振荡器，来实现期望的脉冲持续时间和期望的按照时间的能量改变。连续波激光束是脉动的，并且脉冲激光束能量按照时间的最佳变化通过像电光调制器或声光调制器这样的时间改变装置获得。
其次，具有相干性的激光束的相干性通过不相干的光学系统被消除或减弱，并且在被激光照射地区的干涉影响被减弱或消除。
第三，光束均匀器和矩形狭缝用来提供被照射区域全部表面的均匀能量分布；并且提供具有期望的透射率分布的滤波器用来给出特定的分布。获得了均匀的或期望的能量分布的激光束被用物镜照射在非晶或多晶硅膜上作为矩形狭缝图像的投影图像。
同时，为了实现上述目的，关于本发明的激光退火设备包括：输出连续波束的激光振荡器；用来按照时间调制激光的装置；光束均匀器；不相干光学系统；具有预期透射率分布的滤波器；矩形狭缝；和物镜。
除此以外，通过执行上述关于本发明的激光退火方法利用上述关于本发明的激光退火设备而获得关于本发明的TFT装置。
附图说明
本发明的这些和其它特性，目的和优点将通过下面协同附图的说明变得更加清晰，其中：
图1是表示关于第一实施例的激光退火设备结构的前视图；
图2是使用在第一实施例中的EO调制器的斜视图；
图3是使用在第一实施例中的EO调制器的斜视图；
图4是表示在EO调制器中外加电压和透射率之间的关系的图；
图5是表示在EO调制器中激光输入、外加电压和激光输出之间的关系的图；
图6是使用在第一实施例中的连续改变透射率的滤波器的平面图；
图7是表示入射角和P偏振光反射系数之间的关系的图；
图8是使用多透明基板并在第一实施例中使用的连续改变透射率的滤波器的平面图；
图9是表示在第一实施例中光束均匀器前部的横截面图像，和表示进出光线的能量分布的图；
图10是在第一实施例中的万花筒的前部平面图和进出光线的能量分布的图；
图11是表示在第一实施例中矩形狭缝和物镜之间的物理关系的前视图；
图12是表示在发出相干激光束的情况下，在关于第一实施例的激光退火设备中的能量分布的图像；
图13是解释关于第一实施例的激光退火方法的过程的基板的斜视图；
图14是用于解释在退火之后的TFT显示设备处理的示意图；
图15是表示在执行关于第一实施例的退火方法之前晶体状态的平面图；
图16是表示在执行关于第一实施例的退火方法之后晶体状态的平面图；
图17是表示关于第二实施例的激光退火设备结构的斜视图；
图18是表示在关于第三实施例的激光退火设备中的激光照射光学系统结构的斜视图；
图19是表示激光退火方法被执行区域和驱动电路活性区域之间的物理关系的基板的平面图；
图20是表示用于通过执行激光退火方法形成的驱动电路的晶体管结构的基板的平面图；
图21是表示在激光退火方法中随激光束能量被照射的时间的能量分布和变化的说明图；
图22是基板的平面图，用来解释在关于另一个实施例的激光退火方法中的扫描方法；
图23是基板的平面图，用来解释在关于另一个实施例的激光退火方法中的扫描方法；
图24是表示用于应用激光退火方法制造液晶显示设备的过程的流程图；
图25是表示激光退火过程的流程图；和
图26是表示由应用激光退火的TFT装置组成的液晶显示设备的应用例的斜视图；
具体实施方法
下面使用附图具体解释本发明。图1是表示关于本发明第一实施例的激光退火设备结构的附图，并由下述布置在提供一个振动防护机构(没有表示)的床1上的下列元件组成：用于发射连续波激光束2的激光振荡器3，用于开关激光束2的光闸4，用于扩展从激光振荡器3输出的激光束2的光束直径的光束扩展器5，用于激光束2的能量的脉冲和时间调制的电光调制器(下文中的“EO调制器”)6，用于调节激光束2的能量的连续变化透射率ND滤波器7，用于给予激光束2均匀能量分布的光束均匀器8，用于把激光束2压缩在一个方向并形成线形光束的柱面透镜9，用于确定激光束2的照射区域和照射形式的参考光源10，具有从参考光源10传送波长并反射激光束2的属性的分光镜11，提供高速旋转驱动设备12的漫射面板13，用于给在被照射表面中的能量密度分布提供期望的形式的滤波器14，用于消除激光束2的溢出部分并形成特定矩形形式的矩形狭缝15，用于合并照明光束、激光束2和参考光束的镜面17，在观察中使用的照明光源18，CCD相机19，用于阻止激光束照射在CCD相机19上的激光切割滤波器20，用于显示通过CCD相机19成像的样品表面的监视器22，用于检测焦点位置并在偏离焦点位置的情况下输出一个信号的自动对焦光学系统24，在观察中使用的用于集中激光束2的物镜25，用于支持样品26并移动[样品]到XYZθ方向的工作台28，固定在工作台28上的并用于测量激光束2的输出的功率监视器29，用于测量激光束2二维能量分布的光束轮廓器(beam proffer)30，和用于控制工作台28、激光振荡器3、光闸4、EO调制器6、连续变化透射率滤波器7、电动矩形狭缝15、对应来自自动对焦光学系统24的信号的Z型工作台、和图像处理单元以及类似单元(没有表示)的控制PC(控制设备)31。
接着，具体解释每个部分的操作和功能。最好提供给床1一个使用气垫来减弱来自底层的振动的振动防护机构(没有表示)。根据[设备]安装环境振动防护设备可能不是必须的。提供足够的强度和刚度来支持工作台28和不同光学系统。
连续波激光束2最好有被退火的非晶和多晶硅薄膜所吸收的波长，特别是从紫外光到可见光波长的波长。更具体地说，下述可能被应用：Ar激光和Kr激光及其二次谐波，Nd:YAG激光的二次和三次谐波，Nd:YVO4激光，和Nd:YLF激光。但是，考虑到输出的幅度和稳定性，泵激(pumped)LD(激光二极管)Nd:YAG激光的二次谐波(波长532nm)或者泵激激光二极管Nd:YVO4激光是优先选择的。下面的解释关注使用的具有高输出功率和出色稳定性和低噪音属性的泵激LD Nd:YVO4激光的二次谐波的情况。
从激光振荡器3振荡出的激光束2通过光闸4被切换开和关。特别是，激光振荡器3被放置在以恒定输出连续振荡激光束2的状态；光闸4通常是关的并且激光束2被光闸4阻住。此光闸4只有当激光束2要被照射时才被打开(开状态)输出激光束2。可以通过改变泵激激光二极管的开关来改变激光束的开关，但是为了保证激光输出的稳定性这是不推荐的。此外，从安全性来看，光闸4在当要停止激光束2的照射时可被关闭。
穿过光闸4的激光束2通过扩展器5扩展了它的光束直径并打到EO调制器6上。考虑到EO调制器6的损坏阈值，光束直径被光束扩展器5扩展到接近EO调制器6有效直径的尺寸。当从激光振荡器3振荡出的激光束2的光束直径在2mm左右并且EO调制器6的有效直径是15mm时，扩展器5的扩展系数是6左右。当然，当EO调制器6的损坏阈值对来自激光振荡器3的激光束2的直接照射来说是足够高时就没必要使用扩展器5。
如图2和3所表示的，EO调制器6使用Pockels单元61(下文中的“晶体”)和偏振光分光片62的组合。在激光束2是如图2表示的线形偏振光束的情况下，当通过驱动器(没有表示)向晶体61加电压V1(通常是0V电压)时，[激光束2]作为S偏振光束打到偏振光分光片62上并被偏转90度，而不用旋转穿过晶体61的激光束2的偏振方向。具体地说，在这个状态，激光束2是关状态并且因为激光束2被偏转90度输出而不能达到下游光学系统。
然后，如图3所示，通过使用可以使得由晶体61透射的激光束2的偏振方向旋转90度的电压V2，[激光束2]作为P偏振光达到偏振光分光片62，并且激光束2经过偏振光分光片62经历直线性传播。具体地说，在这种状态，激光束2是开状态而且经历直线性传播到达下游光学系统。
除此以外，如图4所示，通过在V1(通常是0V)和V2之间调节加给晶体61的电压，通过EO调制器6透射的激光束2的透射率可以被调节在T1(通常是0)和T2(这是最大透射率，特定为1)之间。换句话说，通过EO调制器6透射的激光束2的透射率可以从0到1进行调节。但是，这里假设晶体61和偏振光分光片62表面没有反射和吸收。
因此，如图5所示，打在EO调制器6(向EO调制器6输入)上的激光束2的输出统一是P0。通过加在V1，V2，V3和V1之间的阶跃电压到晶体61，从EO调制器6获得P2和P3的阶跃输出。这里，当加电压V2时用向EO调制器6的输入P0和透射率T2乘积得到输出P2；当加电压V3时以P0和透射率T3的乘积得到P3。
透射的激光束2的输出可以通过连续改变加给晶体61的电压被连续改变。结果，可能获得随时间发生最佳变化的脉冲激光束2。
此解释关注作为EO调制器6的Pockels单元61和偏振光分光片62的组合，但可以使用不同种类的偏振光元件。而且，在下面的解释中，晶体61和偏振光分光片62(或不同种类的偏振光元件)的组合被称作“EO调制器6”。
除了EO调制器，也可能使用AO(声光)调制器。可是一般说来，AO调制器的驱动频率比EO调制器的低，所以不适用在要求高速升降和通过小的脉冲持续时间提取脉冲光束的情况。这时，使用像EO调制器6或AO调制器可能通过从连续波激光束用预期脉冲持续时间获得具有预期波形(随时间的能量变化)的脉冲激光束。可换句话说，可能执行期望的时间调制。
连续变化透射率ND滤波器7是要调节照射样品26的激光束2的输出，并具有连续变化透射率。同时，在图1中[滤波器7]被放置在EO调制器6之后，但当损坏阈值足够高时，如果偏振方向没有被旋转或线形偏振光在透射率改变时没有被破坏[滤波器7]也可以被放置在EO调制器6之前。在这里使用具有图6所示结构的连续变化透射率ND滤波器7。它有对于激光束2的波长是透明的平板，例如石英板71和72，相对于垂直光轴73的平面74对称地放置。当对称关系被保持的同时改变入射角，并且透射的激光束的量改变。
当进行调节从而线性偏振激光束2作为P偏振光发射到石英板71和72上时，在界面的入射角和反射角如图7所示改变。当界面上的反射率是R时透射率T可以被表达为T＝1-R。反射率是0，因此当入射角是Brewster角时透射率变成1，意味着此角由tan-1(N)得到，其中石英板71和72的折射指数是N。当入射角增加时，反射率增加并且透射率下降；当入射角是90度时，反射率变成1从而透射率变成0。
相应地，通过在Brewster角和90度之间改变入射角来获得期望的反射率。在图6所示的结构中，在空气和石英之间有四个界面。结果，总的透射率T变成了在界面的透射率的4次方，T4＝(1-R)4。
因为在有一个单板(石英板)时的尺寸限制，实际上，因为不可能获得90度的入射角，这个限制就是几个百分点的透射率。但是，通过指数地改变在石英和空气之间的界面的数量容易地获得低透射率。如图8所示，当结构具有三个石英板71、71’、71”、72、72’、72”时存在12个界面。结果透射率T12被表达为T12＝(1-R)12并且不用把入射角变得很大而有效地降低了透射率。实际上，不可能把入射角变成90度，并且在石英板做得足够大以至于透射率可以从5到100％之间连续改变时，容易获得在0.05(5％)量级的透射率。
除此以外，在使用规则石英板的情况下有时有来自后表面的反射的影响，但是它可以通过在一个石英表面使用抗反射镀层被抵消。同时，在使用多石英板的情况下，有时有来自相邻石英板的反射的影响，但是它可以通过足够地增加石英板间的空间被抵消。
此外，在激光束2的直径小的情况下，可能使用由金属薄膜或介电多层膜形成的ND滤波器从而透射率在透明基板平面被连续改变。同时，在不可能连续改变透射率的地方，此发明的目的可以通过顺序地在ND滤波器间通过不同透射率或有不同透射率的多个ND滤波器组合的转换而充分地获得。自然地，可能借助控制泵激激光激光二极管的电流来调节激光输出，但因为像在改变输出的情况下要求特定时间量直到输出变得稳定的情况，这不是首选。
气态或固态激光通常如图9所示具有高斯能量分布，因此不改进关于本发明的激光退火就不能使用[这样的激光]。如果振荡器输出足够大，光束直径就足够宽并且可以通过只提取中心里比较均匀的部分而获得均匀能量分布。但是，光束的周边地区被消除并且很大一部分能量被浪费了。
使用光束均匀器8是为了解决这个缺点并把高斯分布转换成均匀分布。如图9实例所示，这是一个蝇眼透镜81和凸面透镜82的组合，蝇眼透镜81由一个二维棒状透镜阵列构成。输出光束被转换成具有均匀分布的光束。除了蝇眼透镜81，通过诸如两个柱面透镜的轴相交的柱面透镜阵列和一个凸面透镜的组合可以获得同样效果。
来自光束均匀器8的输出光线通过柱面透镜9被集中在唯一一个方向从而可以最终在矩形狭缝表面获得具有均匀能量分布(但在横向上具有高斯分布)的线性光束。其构成为蝇眼透镜81(或柱面透镜阵列组合)、凸面透镜82、和柱面透镜9以便用来形成具有均匀能量分布的线性光束的结构也可以用作光束均匀器。
另外，用来把[光束]集中为矩形或直线形的结构可以通过多蝇眼透镜或柱面透镜阵列的布置来建立。关键是具有高斯分布的激光束可以被转换成具有均匀能量密度分布的矩形或直线光束。
此外，如图10所示，也可能使用通过透镜84集中激光束2并使之进入空管85的万花筒，并且输出分布通过管85内的多反射变得均匀。这种情况下，通过连续转换获得具有均匀能量密度分布的矩形或直线形激光束2，激光束2进入时是圆的，但出来时是矩形或直线形。否则，可以使用激光束2在其中被分成相互重叠的多个[光束]的棱镜。
如图11所示，通过使用电子矩形狭缝15从获得的矩形或直线形光束中消除溢出部分，并且形成所要求尺寸的矩形或直线形状。即便还有溢出也没有问题，并且电动矩形狭缝15可以被释放和允许全部激光束2穿过那里。此激光束2被照射从而通过物镜25被投射到样品26表面上。物镜25的放大倍数是M时，电动矩形狭缝15的图像或在电动狭缝15表面的激光束2的尺寸是放大倍数的倒数，即1/M。
但是，即便穿过电动矩形狭缝15的激光具有均匀能量分布，并且即便具有像规则YVO4激光束一样的相干性的激光束2在经过矩形狭缝15以矩形形成并打在样品26的表面，由激光束2的波长决定的干涉图案和物镜25的NA在矩形狭缝15边缘的衍射影响下发生，并且分布变得如图12所示的不规则。除此以外，即使当能量密度分布是部分的均匀，从干涉的影响中产生斑点图案。
为了消除这些不规则，漫射器13被插入到光路中。这个漫射器13由石英基板形成，其表面上有1000到2000个网眼的不规则变异。简单说，漫射器13的插入本身没有效果，但当漫射器13通过高速旋转驱动设备12被高速旋转时，激光束2随时间向随机的方向漫射并且光路长度和到达样品26表面的传播的方向是随机改变的。
在一个激光束2的脉冲完成的期间内激光束2被向各个方向漫射。结果，由于打到样品表面的光路的长度是变化的，消除了作为干涉结果的能量密度分布的不规则性并且相干性被减弱。结果，如图12中的虚线所示，获得具有几何均匀能量密度分布的投射图像。
当照射的激光束2的脉冲持续时间是10微秒时，激光束经过离漫射器13中心50mm远的地区被传送，漫射器13以每分钟6000转的速度旋转时在一个脉冲周期内移动300微米。当1000到2000网眼的平板用作漫射器13时，形成8到16微秒为周期的随机变化。由于激光束的每一部分平均通过20或更多的变化，足够可以消除干涉的影响并且激光束的相干性被减弱。
除此以外，基于目标，可能希望比均匀能量密度分布更具体的能量密度分布，例如：在直线光束横向具有一个斜坡的分布，或能量密度在中心部分低在线性形成光束的横向周边部分高的分布。在那些情况下，通过在电动矩形狭缝15的光路上插入具有特定透射率分布的滤波器14来实现该目的。
同样地，一个相板(例如，由厚SiO2膜随机点形成的，相位在0，π/2弧度，π弧度3π/2弧度之间变化的玻璃基板)可以被用来替代漫射器并像漫射器一样被高速旋转。另一方面，振动元件可以被装在镜面150或151上，用于在如图1所示的结构中将激光束折转90度，振动元件高频振动，或最好是以与激光束被照射的时间(对应于脉冲持续时间)同步的频率振动，从而变化激光束2的光路长度并且可以消除干涉效果。
为了把激光束2射到样品26上，在XY平面内驱动工作台28，同时激光束2以脉冲形式照射到期望的地点。但是，当由于样品26表面的不规则性或波动性焦点位置发生偏移时，发生能量密度的变化和放射形式的恶化并且目标就无法实现了。由于这个原因，为了可能连续照射焦点位置，通过执行控制，用自动聚焦光学系统24来检测焦点位置和，从焦点位置发生偏离的情况下，在Z方向(高度方向)驱动工作台28的控制来使在焦点位置的照射连续。
被激光束2照射的样品26的表面可以被CCD照相机19通过来自照明光源18的入射光照下来并用监视器22观察。在激光照射过程中进行观察的情况下，激光切割滤波器20被插入在CCD相机19之前，并通过被样品26表面反射的激光可防止CCD相机19的光晕并阻止[相机]损坏。
用来测量照射样品26的激光束2的输出功率的功率仪29、和用来测量能量密度分布的光束轮廓器30被放置在工作台28上。需要时，可以通过移动工作台28、和在直接位于物镜25下面或离开物镜25的状态下的光轴上安置上述功率仪29或光束轮廓器30的光线聚集部分，以此来测量激光输出和能量分布(轮廓)。
由于光线聚集部分的低损坏阈值，有必要衰减光束轮廓的测量从而使能量密度分布不发生变化。因为这个原因，衰减滤波器(没有表示)可以被插入到光路中。当多个衰减滤波器被插入，反射光线被在滤波器之间再次反射，与被透射的光线重叠，并在许多情况下破坏了轮廓。结果，[滤波器]没有被垂直于光轴插入，但可以相对于垂直于光轴的平面在滤波器之间以大间隔斜着插入。
为了与样品26对准，通过物镜25和CCD相机19在多个地点形成样品26上的对准标志或专用图案，每个的处理通过图像处理单元(没有表示)执行。对准标志的重心位置被检测并且可以通过相对于XYZθ轴移动工作台28来执行[对准]。
图1中，显示了单一物镜25，但可以在电动旋转器上安装多个物镜，并且物镜可以通过根据来自控制设备31的信号转换[透镜]来使用，这对于处理是理想的。具体地说，可以使用适合每个下述[处理]的物镜：当加载样品26时的大致对准，在需要时的精确对准，激光退火处理，处理后的观察，和如下讨论的对准标志的形式。自然也可能为了对准安装一个分离的光学系统(透镜，成像设备，和发光设备)，可以通过使用于激光退火的光学系统是对准光学系统的两倍，用相同光轴上的检测来提高对准精度。
下面用图13的解释作为本发明的一个实施例并使用上述关于本发明的使用激光退火设备的激光退火方法。如图13A所示，多晶硅薄膜基板100[具有下述结构]作为样品26被使用：在玻璃基板101的主平面上形成非晶硅薄膜，二者之间夹有绝缘薄膜102，并通过使用受激准分子激光束扫描整个表面将非晶硅薄膜结晶成多晶硅薄膜103。绝缘薄膜102是SiO2、SiN、或它们的合成物薄膜。多晶硅薄膜基板100被放置在工作台28上。
如图13A所示，通常在这个多晶硅薄膜基板100的两个地方形成对准标志104、104’。这些对准标志104、104’经常利用光照蚀刻技术被形成，但只用于此目的而执行光刻胶处理是很浪费的。因为这个原因，可以通过使用用于激光退火的激光束2连续照射到水平和垂直矩形中(例如用电动矩形狭缝15)并除去多晶硅薄膜，形成十字形标志作为对准标志104、104’。在这种情况下，能量密度自然地被设置得高于执行退火的情况。
工作台28或光学系统如图13B所示被移动的同时，根据基于对准标志104、104’的设计坐标，物镜25为退火而集中激光束105，激光束105有经过EO调制器6的给定脉冲波形、由均匀器8和滤波器14给予期望的能量分布、且在穿过高速旋转的漫射器13时失去了相干性。
被照射区域是例如为驱动每个像素的驱动电路形成的部分。当多晶硅薄膜基板100按需要被相对移动并多次前后通过时，只是连续地照射需要的地区。根据此设备的结构，相关扫描也可以通过移动光学系统执行。
更具体地说，照射具有5如图21A所示能量密度分布的激光束105。横向的能量密度分布如图21B所示是斜的，在扫描方向上能量密度增高。并且纵向上的能量密度分布变成如图21C所示的均匀能量密度分布。而且，脉冲波形变成如图21D所示的波形，其在初始均匀时期内具有均匀能量而后线性降低。
被照射区域的尺寸是在比如500微米乘20微米的矩形内。这个尺寸被激光振荡器3的输出决定；如果可能以一个足够高的输出振荡就可以照射较大的区域。如图21B所示横向的能量密度被设置为从正向的能量密度到扫描方向相反的一边线性地改变20％的大小。
同时，如图21D所示，激光束105的照射时间(脉冲持续时间)被设置成在第一个10微秒内具有恒定的能量然后在下一个5微秒内线性降低。当多晶硅薄膜基板100以100mm每秒的速度相对移动时，[激光束]以25微米的斜坡照射。因此，以25微米的斜坡形成500微米乘以20微米(以在上述15微秒激光照射时间内移动的距离来看，在更严格的意义上这是500微米乘以21.5微米激光照射的区域)激光照射区域。
为了以精确的25微米斜坡照射激光束105，工作台28或多晶硅薄膜基板100经历的距离可以被检测并且EO调制器以25微米的移动操作。具体地说，比如线性编码器或线性标度尺(没有表示)的距离测量设备可以被安装在放置多晶硅薄膜基板100的工作台28上，或者可以在工作台28的驱动轴上安装旋转编码器。可以计数对应于25微米移动的编码器输出脉冲，和发射一个触发信号来驱动EO调制器。
在这个系统中，以精确的25微米斜坡的照射是可能的，即使工作台28的速度有些变化。自然地，当照射激光束105时，工作台28最好以恒定速度移动。在以恒定速度移动的情况下，EO调制器也可以在恒定时间间隔(在上述情况中，是250微秒的间隔)被驱动。但是，考虑到速度变化和工作台28的不规则性，显然更希望有一个用来检测经历的距离的系统。
如图15所示，多晶硅薄膜103在本实施例中作为被激发原子激光退火的基板来使用。利用激发原子激光退火获得的多晶硅薄膜103是小晶粒120、121和尺寸不大于1微米(几百纳米)的晶粒的聚合。当在图中所示区域照射激光束时，激光照射区外的细小晶粒120保持它现有状态，但在照射区域内的细小晶体(比如，晶粒121)被熔化。
此后，随着激光能量的减弱或停止照射，熔化的硅从低温端到高温端形成晶体并具有和沿着温度梯度的晶种相同的晶体取向，这里晶种是保留在熔化区域边缘的晶粒。此时晶粒的生长速度随晶体取向改变，因此只有具有较快生长速度的晶体取向的晶粒最终保留。具体地说，如图16所示，具有慢生长速度的晶体取向的晶粒122被周围具有较快生长速度的晶体取向的晶粒所抑制，晶体生长就停止了。
同时，具有中等生长速度的晶体取向的晶粒123和124继续生长，但被具有较高生长速度的晶粒的生长所抑制并且不久，它们的生长停止。最后，只有具有最快的生长速度的晶体取向的晶粒125、126、和127继续生长。这些继续生长到末端的晶粒125、126、和127在严格意义上说是单独的晶粒，但具有大部分相同的晶体取向。熔化和再结晶的部分可以被有效地看作单晶体。
通过如上述讨论的那样在多晶硅薄膜103上照射激光束，只有多晶硅薄膜103被激光束105照射的部分如图13C所示的岛一样被退火，只有具有特定晶体取向的晶粒被形成并在严格意义上是多晶状态。但是，形成几乎具有单晶体性质的地区106。尤其是，这基本可以被看作是没有交叉晶粒边界的方向上的单晶体。
通过重复这些过程并连续在多晶硅薄膜基板100的相对扫描中要求退火的部分上连续照射激光105，将要形成驱动电路的二级管的部分全部转换成几乎具有单晶体性质的区域106。除此以外，因为晶粒在单一方向上在几乎具有单晶体性质的区域106中生长如图16所示，可以使电流方向与形成晶体管时晶粒生长的方向一致而避免流过晶粒边界的电流。
晶粒生长方向可以由所照射激光束105的能量密度分布和激光束的扫描方向(实际上是工作台的扫描方向)所控制。具体地说，如图21B所示，当给能量密度分布提供斜率时，晶粒开始从能量密度低的地方(低温端)再结晶并向能量密度高的地方(高温端)生长。
同时，通过激光束105的扫描，温度从被照射区域的外部下降，开始再结晶，晶体在激光束扫描方向生长。用本实施例，获得通过在横向的受激准分子激光退火生长大于1微米的晶粒尺寸，并且在纵向上生长大于10微米或更大的晶粒。
同时，在如图19所示的激光照射区域301中，只包含具有高速生长速度的晶粒的部分可以被安置成驱动晶体管的活性层(活性区域)302、303。通过扩散搀杂处理和光照蚀刻处理，活性区域302，303以外[的部分]被除去。利用如图20所示的光照蚀刻处理，形成在具有电阻性连接的栅绝缘膜上的栅极电极305、源电极306和漏极电极307[原文-307]，并且完成晶体管。晶粒边界304、304’出现在活性层303中。但是，因为电流在源极电极306和漏极电极307之间流动，电流不经过晶粒边界304、304’，并且获得基本等于单晶体结构情况的迁移率。
如上所述，通过使电流方向与不经过根据本发明的激光退火熔化或再结晶的部分的晶界的方向一致，迁移率可以被提高到两倍或更多倍于只经过受激准分子激光退火的多晶硅薄膜103的迁移率。此迁移率的值对于可以高速驱动的液晶驱动电路的形成是足够的了。
另一方面，在只经过受激准分子激光退火的多晶硅薄膜103的区域中形成像素开关晶体管。因为在受激准分子激光退火获得的多晶硅膜中晶粒是细小的而且随机取向，迁移率和通过本发明的激光退火获得的晶粒相比是低的，但用作像素开关晶体管是足够了。
在一些情况下，即使非晶硅膜也足够用作像素开关晶体管。在那个情况下，受激准分子激光的退火被限制在只用来形成驱动电路的区域，并且可以随后执行根据本发明的激光退火方法。
上述讨论的程序可以如图24和25所示的流程图中被集中表示。具体地说，绝缘膜的形成和硅膜的形成都在基板上执行，并在受激准分子激光退火后，根据本发明的激光退火只在用于形成驱动电路的部分被执行。
为了更具体地解释根据本发明的激光退火，如图25所示的程序，经受受激准分子激光退火的基板被装在关于本发明的激光退火设备中，在基板边缘或角落执行预对准，并且对准标志通过激光处理而形成。在对准标志被检测并且对准(精细对准)被执行后，只在根据设计数据形成驱动电路的那些部分执行激光退火。在将[基板]装在激光退火装置中时用光刻胶处理形成对准标志的情况下，预对准和对准标志形成处理是不需要的。重复上述过程直到预期区域被完全退火后传送基板。
然后，如图24中的流程图所示，经过光照蚀刻处理，根据对准标志104、104’或根据从对准标志104、104’计算的原始坐标，多晶硅薄膜岛只保留在需要的部分中。其后，通过光刻胶处理执行栅绝缘膜的形成和栅极的形成，然后执行杂质掺入和被掺入的杂质的活化。
然后，通过比如夹层绝缘膜的形成、源极和漏极电极的形成、保护膜(钝化膜)的形成等的光刻胶处理，在多晶硅薄膜基板100上形成驱动电路107、107’和像素109如图14A所示，并且完成TFT装置。此外，执行根据本发明的激光退火后，对准标志104、104’被用于定位在至少一个光刻胶处理中。其后，新形成的对准标志可以用在上述光刻胶处理中。
然后，通过用于在TFT装置上安放彩色滤波器109的LCD工序(面板处理)，通过以下工序比如：取向膜的形成和摩擦的过程、和如图14B所示在其中密封液晶材料、和如图14C所示的和背光(没有表示)一起放置于底盘110中的模块处理，完成了具有高速驱动电路的液晶显示装置。
包括应用根据本发明的激光退火制造的液晶显示设备的产品实例包括以下内容：如图26A所示的液晶电视401的显示部分，如图26B所示的便携电话402的显示部分，或如图26C所示的笔记本电脑403的显示部分，加上包括在汽车仪表盘里的不同种仪器的显示部分，以及便携游戏装置的显示部分。
接下来，通过图17解释另一个根据本发明的激光退火设备的实施例。本实施例包括：其上加载一个可以从之得到多个面板200、200’、200”的大基板201的工作台202；提供给激光照射系统的多个光学透镜筒203、203’、203”；用于独立调整每个上述光学透镜筒位置的调整工作台204(用于光学透镜203’，203”的调整工作台没有被表示)；和用于支持上述调整工作台204的架205(在图中部分表示)。
如图18所示，包含下面内容的激光放射光学系统被容纳在光学透镜筒203中：激光振荡器210，光闸211，光束扩展器212，EO调制器213，光束均匀器214，高速旋转漫射器215，矩形狭缝216，物镜217，CCD照相机218，和用于获得期望的能量密度分布的滤波器219。除此以外，基本结构如图1所示，尽管下述内容在图18中省略了：用于观察的照明设备，用于参考光束的光源设备，和观察监视器，用于漫射的高速旋转装置，自动对焦的光学系统，图像处理单元，控制设备等等。
每个部分的功能都是与如图1所示的激光退火设备相同的，这里就不详细涉及了。不同的方面如下：激光照射光学系统的多个组(图17中是三个组)均被容纳在分别的光学透镜筒203、203’、203”中；它们中的每一个都被固定在可以被独立地在XYZ[方向]上移动的调整工作台204上；可能进行位置调整从而每个光学透镜筒203、203’、203”可以在每个面板的相同位置上照射激光束，并且激光退火可以在多个地点同时执行。
接下来解释使用上述激光退火设备的激光退火方法。如图13A所示，使用的基板201是具有同多晶硅薄膜基板100一样结构的基板，其中在玻璃基板101的主表面上形成非晶硅薄膜，在中间带有绝缘薄膜102，并且非晶硅薄膜103通过在整个表面扫描受激准分子激光而被再结晶。绝缘薄膜102是SiO2，SiN，或它们的合成物。可以在多晶硅薄膜基板201上形成多个面板(在图17中三个面板被形成在一个基板上)。
基板201被加载在工作台202上。在多个区域中的多个位置形成对准标志(没画)，这里，每个面板200、200’、200”将被形成在这个多晶硅薄膜基板201上。这些对准标志通常通过光照蚀刻技术形成，并且只为这个目的而执行光刻胶处理是浪费的。
由于这个原因，检测了多晶硅薄膜基板201的角落并执行了大致对准后，通过例如连续用矩形狭缝216将用于从光学透镜筒(例如203)将激光束形成为垂直和水平矩形并除去多晶硅薄膜，在每个面板200、200’、200”上的多个位置形成十字形标志作为对准标志。否则，对准每个光学透镜筒203、203’、203”到预定的标准位置后，在多个位置203、203’、203”[原文]形成十字型标志作为对准标志。
接下来，在两个位置的对准标志通过CCD相机218被连续成像在一个光学透镜筒(比如203)上，位置重心由此被检测，并且基于对准标志，通过根据设计坐标的XY？3轴移动工作台202来执行基板201的精确对准。除此以外，用于执行退火的光学透镜筒的CCD相机被用来检测对准标志，但可以附加地安装对准光学系统。这种情况下，可以通过单光学系统连续检测多个对准标志，或者可以通过多个光学系统同时检测多个对准标志。
然后，移动工作台202从而用于每个面板200、200’、200”的每个对准标志的地点根据设计坐标进入每个光学透镜筒的视野。每个光学透镜筒203、203’、203”的CCD相机218上成像对准标志，并且利用每个光学透镜筒203、203’、203”的调整工作台204调整位置从而重心与视野中心重合。每个光学透镜筒203、203’、203”的位置由此被调整从而照射在基板201上形成的面板200、200’、200”上的相同位置。
其后，激光束只照射并退火那些根据如上讨论的设计数据要在每个面板200、200’、200”上形成驱动电路的活性层(活性区域)的部分。
如上讨论的，被照射的激光束具有由EO调制器213而给定的脉冲波形，由于均匀器214和所需的投射滤波器而造成的预期能量密度分布通过高速旋转的漫射器215被漫射，丧失了相干性，通过矩形狭缝216被形成矩形，并通过物镜217被集中和照射。需要时，来自均匀器214的输出构成形成矩形或直线形光束。
被激光束照射的区域是例如用来形成驱动每个像素的驱动电路的区域。随着工作台202移动连续照射所需区域和扫描多晶硅薄膜基板201。此时，每个光学透镜筒203、203’、203”通过在加载了每个光学透镜筒203、203’、203”的调整工作台204的Z方向上独立移动而被自动对焦机构(没有表示)所控制，从而所有物镜与基板201表面具有恒定的物理关系。
当大量的小面板被排列在单基板上时，可以通过对每几个面板执行退火、移动一个面板的距离、和再一次重复退火过程而对所有面板执行退火。具体地说，如图22A所示，对于在基板251上形成九行面板并且用三个光学透镜筒退火的情况解释[该过程]。
从基板251右端开始通过三个光学透镜筒250、250’、250”对每3行执行退火。当对第一、第四和第七行面板的退火结束并且形成熔化和再结晶区域252、252’、252”时，基板251就被向右移动了一行，或者光学透镜筒250、250’、250”组被向左移动一行，如图22B所示，并且退火第二，第五，和第八行面板。
当以同样的方法移动又一个面板的距离后，执行第三、第六、和第九行面板的退火并且基板251的退火结束。需要时，向被描绘的扫描方向以直角进行扫描的情况下，基板251可以被旋转90度，转换激光束的横向和纵向，并且扫描方向改变。
在改变扫描方向的情况下，如图23A所示，在第一列面板的三个面板从基板251的右端开始用每个光学透镜筒250、250’、250”退火，并且形成熔化和再结晶区域254、254’、254”。接着，如图23B所示，工作台或光学透镜筒在垂直于扫描方向的方向上被移动一个面板的距离，并且退火在第二列的三个面板。这个过程按需要重复多次，所有的面板都被退火，然后[处理]结束。
如图15解释的，在基板201上形成的多晶硅膜是一微米或更小(几百纳米)的细小晶粒的聚合。当激光被照射到这个晶粒聚合上时，被激光照射区域以外的细小晶粒保持它们的原有状态，但在被照射区域以内的细小晶粒被熔化。其后，用在被熔化区域周边的作为残余晶粒的晶种，在熔化的硅膜中生长具有晶种的晶体取向的晶体。
因为晶粒在此时的生长速度依赖晶体取向变化，只有那些具有最快生长速度的晶体取向的晶粒最终保留下来。具体地说，如图16所示，具有慢生长速度的晶体取向的晶粒122被具有较快生长速度的晶体取向的晶粒的生长所抑制，然后晶体生长停止。同时，具有中等生长速度的晶体取向的晶粒123和124但被具有高生长速度的晶粒125，126和127的生长所抑制并且不久，它们的形成停止。最后，只有具有快的生长速度的晶体取向的晶粒125、126、和127继续生长。
继续生长到末端的晶粒125、126、和127从严格意义上说是独立晶粒，但是大多具有相同的晶体取向。熔化和再结晶部分可以被有效地看作单晶体。具体地说，如图13C所示，只有多晶硅薄膜103被激光束105照射的部分像岛一样被退火并且从严格意义上说是在多晶状态下。但是，形成几乎具有单晶体性质的区域106。
通过在扫描基板201和在需要退火的部分连续照射激光束的同时重复这些过程，要形成驱动电路晶体管的区域都可以被转换为几乎具有单晶体性质的区域。除此以外，因为晶粒在一致的方向上在几乎具有单晶体性质的区域中生长，如图16所示可以通过使电流方向与当晶体管形成时晶粒生长的方向一致而被避免流过晶粒边界的电流。
晶粒生长的方向可以被照射出的激光束的能量密度分布和激光束扫描方向(实际上是，工作台的扫描方向)控制。具体地说，当给能量密度分布提供一个斜坡时，在结晶从能量密度低(低温端)的地方开始并且[晶体]向能量密度高(高温端)的地方生长。
同时，被照射区域由于扫描激光束和从与被照射区域分离的地区温度开始下降而发生移动。因此结晶化开始并且晶体在激光束扫描方向上生长。用本实施例，可以获得横向利用受激准分子激光的退火生长得比1微米晶粒尺寸大的，并且纵向生长到10微米或更大的晶粒。同时，可以获得10微米或更大的晶粒。
在如图19所示的被激光照射区域301中，可以将仅由具有高生长速度的晶粒组成的部分安置成驱动晶体管的活性层(活性区域)302，303。经过掺杂处理和光照蚀刻处理，活性区域302，303以外的[地区]被除去。利用如图20所示的光刻胶处理，形成具有电阻性连接的在栅绝缘膜上的栅极电极305、源极电极306和漏极电极307，并且完成晶体管。
晶粒边界304、304’出现在活性区域303中。但是，因为电流在源极电极306和漏极电极307之间流动，电流不流过晶粒边界304、304’，获得基本等于由单晶体组成的情况的迁移率。具体地说，熔化和再结晶的部分的迁移率可以被增加到两倍或更多倍于只经受受激准分子激光退火的多晶硅薄膜的地区。从而，可以在TFT装置上形成高速驱动的液晶驱动电路。
除此以外，如图20所示的晶体管只是一个实例并且[本发明]并不限于此。此晶体管可以有多种不同结构，但显然可能形成具有不离开本发明实质的多种结构的晶体管。
另一方面，在只经受受激准分子激光退火的多晶硅薄膜103区域中形成像素开关晶体管。具体地说，根据对准标志或根据从对准标志计算的原始坐标，经过例如栅绝缘膜的形成、栅极电极的形成、掺杂、被掺入区域的活化、源和漏极电极的形成、钝化膜的形成等光刻胶处理完成TFT装置。激光处理形成的对准标志作为用于光刻胶处理的对准标志被用在最少一个光刻胶处理的定位中。其后，新形成的对准标志可以被用在上述的光刻胶处理中。
然后，经过用于在被完成的TFT装置上形成有向膜的LCD(面板)处理，并经过摩擦处理在TFT装置上放置彩色滤波器和在那里密封液晶材料，和用于和背光(没有表示)之类一起放置于底盘中的模块处理，完成具有形成在玻璃基板上的高速驱动电路的液晶显示装置(一个所谓的面板上的系统或显示器中的系统)。
如上所述，涉及本发明的激光退火设备和激光退火方法的效果是，通过照射没有干涉影响的激光束、具有用于退火被照射部分的适当能量密度分布、以及具有用于退火的最佳脉冲持续时间和适当的随时间的能量改变，能够：使非晶硅或多晶硅薄膜的晶粒在预期方向上生长，将该膜转化为包括尺寸大于10微米的晶粒的多晶硅薄膜，并大大提高多晶硅薄膜的迁移率。
同时，关于本发明的TFT装置可能有这样的效果：在基板上产生高速驱动电路并且实现所谓的在面板上的系统或显示器中的系统。
我们已经表示和描述了多个根据本发明的实施例，要知道，被公开的实施例容许不离开此发明的范围的变化和修改。因此，我们不打算一定要详细地在这里表示和描述，而是要包含在附加的要求书的范围内的所有变化和修改。

Claims (16)

1.一种使用薄膜晶体管的显示装置的制造方法，其特征在于：
通过将连续振荡激光调制成脉冲并同时照射于半导体膜，使半导体晶粒生长成带状。
2.一种使用薄膜晶体管的显示装置的制造方法，其特征在于：
通过将连续振荡激光调制成脉冲并将调制成上述脉冲的激光形成为矩形或线形、同时照射于半导体膜，使半导体晶粒生长成带状。
3.根据权利要求1所述的使用薄膜晶体管的显示装置的制造方法，其特征在于：
通过将连续振荡激光调制成脉冲并同时照射于非结晶半导体膜，使半导体晶粒生长成带状。
4.根据权利要求1所述的使用薄膜晶体管的显示装置的制造方法，其特征在于：
在将连续振荡激光调制成脉冲并同时照射于半导体膜时，检测工作台的位置或工作台的移动量，在希望的位置上，使半导体晶粒生长成带状。
5.根据权利要求1所述的使用薄膜晶体管的显示装置的制造方法，其特征在于：
上述连续振荡激光是从紫外光到可见光的波长的激光。
6.根据权利要求1所述的使用薄膜晶体管的显示装置的制造方法，其特征在于：
在将连续振荡激光调制成脉冲时，使用调制器，从连续振荡激光，得到具有期望的脉冲宽度和期望的时间的能量变化的脉冲激光。
7.根据权利要求1所述的使用薄膜晶体管的显示装置的制造方法，其特征在于：
在将连续振荡激光调制成脉冲时，利用由EO调制器产生偏振光的旋转。
8.根据权利要求1所述的使用薄膜晶体管的显示装置的制造方法，其特征在于：
在将连续振荡激光调制成脉冲时，利用AO调制器。
9.根据权利要求1所述的使用薄膜晶体管的显示装置的制造方法，其特征在于：
使用LD激发YAG激光的第二谐振波或LD激发YVO4激光的第二谐振波为上述连续振荡激光的发光源。
10.根据权利要求1所述的使用薄膜晶体管的显示装置的制造方法，其特征在于：
将形成上述半导体膜的绝缘基板上的对准标志检出，并进行上述绝缘基板和激光光束之间的位置对准。
11.根据权利要求1所述的使用薄膜晶体管的显示装置的制造方法，其特征在于：
将形成上述半导体膜的绝缘基板上的对准标志检出，以来自工作台位置检测器的信号为基准进行上述绝缘基板和激光光束之间的位置对准。
12.根据权利要求1所述的使用薄膜晶体管的显示装置的制造方法，其特征在于：
在形成上述半导体膜的绝缘基板上，照射用于结晶生长的激光形成对准标志，将上述形成的对准标志检出，进行上述绝缘基板和激光光束之间的位置对准。
13.根据权利要求1所述的使用薄膜晶体管的显示装置的制造方法，其特征在于：
用调制成上述脉冲的激光光束照射，并同时使上述激光光束和上述半导体膜之间的位置关系相对地移动。
14.根据权利要求1所述的使用薄膜晶体管的显示装置的制造方法，其特征在于：
上述薄膜晶体管具有半导体晶粒生长成上述带状的半导体膜，在上述半导体膜上夹着栅绝缘膜形成的栅极、在上述半导体膜上以规定间隔设置的源极和漏极、和在源极和漏极之间形成的有源区。
15.根据权利要求14所述的使用薄膜晶体管的显示装置的制造方法，其特征在于：
上述薄膜晶体管的栅极和源极、漏极被配置在同一半导体结晶上而构成。
16.根据权利要求2所述的使用薄膜晶体管的显示装置的制造方法，其特征在于：
设有在将调制成上述脉冲的激光形成为矩形或线形时，在光路中将能量分布变换的光学系统，并通过以投射光学系统将所形成形状的光束缩小投射在基板上，而照射于半导体膜，使半导体晶粒生成成带状。
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