CN1649081A - 激光退火方法及激光退火装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种激光退火方法及激光退火装置。借助插入到光束整形器和基板之间的转像器的以光轴为中心的转动，将利用调制器进行时间调制、利用光束整形器整形为细长形状的光束的激光的纵向方向围绕光轴转动，在对基板上的多个方向进行退火时，使整形为细长形状的激光在基板上转动，承载基板的基座只在XY两个方向上移动。由此，就可以将进行过时间调制，并且整形为细长形状的连续振荡的激光，在不使基板转动的情况下进行高速扫描对半导体薄膜进行退火。

Description

激光退火方法及激光退火装置
技术领域
本发明涉及适合对在绝缘基板上形成的非晶或多晶半导体膜照射激光进行膜质改善或扩大晶粒或单晶化的激光退火方法及激光退火装置。
背景技术
现在，使用液晶屏及有机EL屏等显示屏的平屏型显示装置已经开发和提供实用，或正处于实用化阶段。这种显示装置的显示屏，在显示区域具有由在玻璃及熔融石英等的基板上成膜的非晶态硅膜或多晶硅膜形成的薄膜晶体管(TFT)构成的二维排列(矩阵排列)的多个像素，利用该像素的上述薄膜晶体管的切换产生的导通和断开而形成图像。像素的薄膜晶体管，由设置于显示区域外侧的驱动电路实现上述切换驱动。
如果可以在此显示屏的基板上同时形成驱动像素的薄膜晶体管的驱动电路，可以期待大幅度地降低制造成本和提高可靠性。可是，由于形成薄膜晶体管的活性层的硅膜的结晶性差，以迁移率为代表的薄膜晶体管的性能低，制造像上述驱动电路这样要求高速高功能的电路很困难。
为了制造这些高速高功能的电路，高迁移率的薄膜晶体管是必需的，为了实现这一点，必须改善硅薄膜的结晶性。作为改善结晶性的方法，迄今注目于准分子激光退火。这一方法是通过对在玻璃等绝缘基板上形成的非晶态硅膜照射准分子激光，使非晶态硅膜变成多晶硅膜而改善迁移率。不过，利用准分子激光照射所得到的多晶硅膜，晶粒直径为约数10nm～数100nm，对于应用于驱动液晶屏的晶体管电路等而言性能不够。
作为解决这一问题的方法，在专利文献1中披露了一种通过将时间调制的连续振荡激光聚光成为线状并在高速扫描的同时进行照射，使结晶在扫描方向上横向生长、晶粒直径增大的方法。这是由于利用准分子激光器进行多晶化之后，只在驱动电路形成的区域在与形成晶体管的电流通路(漏源方向：也称为沟道)一致的方向上进行激光扫描使晶粒生长，且结果不存在横切电流通路的晶界，由此大幅度改善迁移率。
另外，在专利文献2中披露了一种使激光束光斑的纵向方向与应该照射的区域的纵向方向平行而提高激光的照射效率的激光退火技术。
专利文献1：日本专利申请特开2003-124136号公报。
专利文献2：日本专利申请特开平10-209069号公报。
专利文献3：日本专利申请特开平11-352419号公报。
发明内容
在上述现有技术中，对于在基板内在多个方向上进行激光扫描这一点没有具体考虑。就是说，在通常的薄膜晶体管屏(TFT屏)中，作为驱动电路必须有漏(信号线)驱动电路部和栅(扫描线)驱动电路部。因此，对于在基板上成膜的硅膜，必须对上述两个驱动电路部进行激光退火。在漏驱动电路部和栅驱动电路部设置于基板相邻两边上或即使是只对其中一个驱动电路部进行退火，该屏的取向都必须转动90度照射激光。
作为退火装置，必须具有至少在XY两个方向上可以进行退火的功能。与此相对，在专利文献2中揭示的是作为承载基板的基座，通过在直线运动机构之上叠置转动机构，可以使激光对不同方向进行扫描的方法。
可是，随着基板的大型化，正在准备采用1m见方以上的基板。因此，基板的转动基座的大小和重量也增加，在XY各方向上进行激光扫描时就成为很大负担。特别是，在高速扫描或高精度扫描时，存在的问题是：由于使重量大的转动基座一起转动，不仅XY基座的大型化和高刚性化及整个装置的振动对策是必需的，而且由于负载大，XY基座的寿命短，结果装置的制造成本及运行成本增大。
另外，在专利文献3中披露的方法是：通过使光束转动光学元件和均化器(光束整形器)同时围绕光轴转动而使均化为矩形的光束转动。其中，均化器是由多个柱面透镜阵列构成的复杂的光学系统，为了达到所希望的能量分布必须进行细微的调整。优选是，这些经过调整的柱面透镜阵列不动，例如说不转动。必须不使由作为复杂的光学系统的柱面透镜阵列构成的均化器转动，而使经过整形的光束转动。
本发明的目的在于提供一种可解决上述技术问题，实现基座小型化和轻量化，基座长寿命化，并且可降低装置成本，适用于显示屏的制造的激光退火方法及其装置。
为了达到上述目的，本发明的激光退火方法及激光退火装置的特征在于：承载基板进行高速扫描的基座只在XY两个方向上驱动；不设置转动基座而是进行时间调制，并且将整形为细长形状的激光围绕光轴转动。更具体言之，不是使柱面透镜阵列构成的均化器转动，而是由转像器使通过均化器的光束转动所要求的角度而达到。此外，对于结构简单的均化器，不使用转像器而是通过单个均化器转动使照射到基板上的光束转动所要求的角度而达到。本发明的有代表性的结构列举如下。
首先，本发明的退火装置：
(1)包括：用于承载基板并在两个正交的方向上移动的基座；使激光振荡的激光振荡器；将上述激光整形为细长形状的光束整形器；按照将整形为上述细长形状的激光投影到在上述基座上承载的上述基板上的位置关系配置的成像透镜；以及使整形为上述细长形状的上述激光围绕该激光的光轴转动的单元。
(2)包括：用于承载基板并在两个正交的方向上移动的基座；使激光振荡的激光振荡器；将上述激光整形为细长形状的光束整形器；用来将整形为上述细长形状的激光变换为平行光的中继透镜；按照将变换为上述平行光的激光以整形为上述细长形状的状态投影到在上述基座上承载的上述基板上的位置关系配置的成像透镜；以及使整形为上述细长形状的上述激光围绕该激光的光轴转动的单元。
(3)在上述(1)、(2)中，使上述整形为上述细长形状的上述激光围绕该激光的光轴转动的单元是在将上述激光整形为线状或矩形形状的光束整形器后面且在上述成像透镜前面插入的转像器。
(4)在上述(3)中，将上述激光整形为细长形状的光束整形器是鲍威尔透镜和圆柱透镜的组合、或四面体棱镜、或衍射光学元件、或多透镜阵列和圆柱透镜的组合中的任一个。
(5)在上述(1)、(2)中，使整形为上述细长形状的上述激光围绕光轴转动的单元是至少将激光整形为细长形状的上述光束整形器围绕上述激光的光轴自由转动而构成的机构。
(6)在上述(5)中，使上述激光整形为细长形状的光束整形器是鲍威尔透镜和圆柱透镜的组合、或四面体棱镜、或衍射光学元件中的任一个。
(7)在上述(1)至(6)中的任一个中，上述激光振荡器是产生连续振荡激光的振荡器，在将该激光整形为细长形状的上述光束整形器的前方设置有时间调制器，并将利用上述时间调制器进行时间调制的连续振荡激光整形为细长的形状。
而且，本发明的激光退火方法：
(8)是将在一个主面上形成有非晶态硅膜或多晶硅膜的基板承载于基座上，对上述基板上的非晶态硅膜或多晶硅膜的所要求的区域照射并扫描整形为细长形状的激光的方法，
在上述基板上的多个方向上进行上述激光的扫描时，不是使该基板转动，而是使整形为细长形状的激光围绕光轴转动，通过使承载该基板的上述基座只在正交的两个方向上移动，对所要求的位置、所要求的方向照射整形为上述细长形状的激光。
(9)在上述(8)中，对在一个主面上形成有非晶态硅膜或多晶硅膜的上述基板进行照射的激光是时间调制的连续振荡激光，且是整形为细长形状的激光。
(10)在上述(8)中，对在一个主面上形成有非晶态硅膜或多晶硅膜的上述基板进行照射的激光是脉冲振荡激光，且是整形为细长形状的激光。
另外，本发明并不限定于上述的结构及后述的实施方式的结构，在不脱离本发明的技术思想的前提下，可以有种种改变，这是自不待言的。
如上所述，根据本发明的激光退火装置及激光退火方法，在基板上正交的两个方向上进行激光的扫描时，不是使该基板转动，而是只使基板的移动方向改变。就是说，由于承载基板进行高速扫描的基座或进行高精度扫描的基座只在XY两个方向上驱动；不需要在XY基座上设置转动基座，可减小XY基座的负载而使基座长寿命化，并且可降低装置成本。另外，在使基板转动时，必须再次进行对准(定位)，会使得处理量降低，在使光轴转动时，不需要再次进行对准，从提高生产率的观点看也是有效的。
附图说明
从下面结合附图的描述，可以很容易了解本发明的上述及其他特点、目的和优点。附图中：
图1为示出本发明的一实施例的激光退火装置的光学系统结构的示图。
图2为说明在本发明的一实施例的激光退火装置中可采用的鲍威尔透镜方式的均化器的示图。
图3为说明在本发明的一实施例的激光退火装置中可采用的四面体棱镜方式的均化器的示图。
图4为说明本发明的一实施例的激光退火装置中可采用的衍射光学元件方式的均化器的示图。
图5为说明本发明的一实施例的激光退火装置中可采用的多透镜阵列方式的均化器的示图。
图6为示出本发明的另一实施例的激光退火装置的光学系统结构的示图。
图7为说明本发明的激光退火方法的一实施例的示图。
图8为示出在整形光束照射时在多晶硅膜基板上形成带状结晶的工序的示图。
图9为示出由形成的带状结晶形成薄膜晶体管的工序的示图。
图10为示出由本发明的另一实施例进行退火的区域的示图。
具体实施方式
下面，参照实施例的附图对本发明的具体实施方式予以详细说明。
[实施例1]
下面，按照实施例的附图对本发明予以详细说明。图1为示出本发明的一实施例的激光退火装置的光学系统结构的示图。在图1中，此激光退火装置包括：以光纤2连接激励用LD(激光二极管)1并产生连续振荡激光3的激光振荡器4；进行激光3的导通(ON)/关断(OFF)的遮光器5；用来调整激光3的能量的透射率可变ND滤波器6；使激光振荡器4输出的激光3实现脉冲化及能量的时间调制用的电光学调制器(下面称其为EO调制器)7；偏振光束分光器8；用来调整激光3的光束系统的光束扩展器(光束缩小器)9；将激光3整形为细长形状的光束的光束整形器(光束均化器)10；用来将经过整形的激光3变成规定尺寸的矩形狭缝11；用来将利用光束整形器10整形为线状的光束形状变换为平行光的中继透镜12；使透过光束围绕光轴转动的转像器13和容纳转像器13并围绕转动轴承18、18’等自由转动而构成的容纳容器17；使中继透镜12传送的像在承载于XY基座14上的基板15上成像的成像透镜16。
下面对各部分的动作和功能予以详细说明。优选地，连续振荡激光3是作为退火对象的非晶态硅膜或多晶硅膜的吸收波长(从紫外到可见光波长)。更具体言之，Ar激光或Kr激光及其二次谐波、Nd:YAG激光、Nd:YVO4激光、Nd:YLF激光等的二次谐波及三次谐波等是可以应用的，但考虑到输出的大小及稳定性，LD(激光二极管)激励Nd:YAG激光的二次谐波(波长532nm)或LD激励Nd:YVO4激光的二次谐波(波长532nm)是最优选的。
从这些振荡器产生的激光具有圆形高斯形状的能量分布。在以后的说明中，对使用LD激励连续振荡Nd:YVO4激光的二次谐波的场合予以说明。
由激光振荡器4起振的激光3由遮光器5进行ON/OFF。就是说，激光振荡器4永远置于以一定输出使激光3起振的状态，而遮光器5通常为OFF状态，激光3受到遮光器5的遮挡。只在照射激光3时，通过打开此遮光器5(ON状态)，使激光3输出。通过使激励用激光二极管1进行ON/OFF，可进行激光3的ON/OFF，但对于确保激光输出的稳定性则不优选。除此之外，从安全性观点出发，即使是激光3的照射停止时，最好也关闭遮光器5。
通过遮光器5的激光3透过透射率可变ND滤波器6入射到EO调制器7。EO调制器7通过经驱动器(未图示)在普克尔盒(晶体)上施加电压使透过晶体的激光3的偏振方向转动。另外，置于晶体的后方的偏振光束分光器8只使偏振光分量通过，通过使S偏振光分量偏转90度，进行激光3的ON/OFF。
就是说，要使P偏振光入射到偏振光束分光器8就施加用来使激光3的偏振光方向转动的电压V1，而要使S偏振光入射就施加用来使激光3的偏振光方向转动的电压V2，通过交互施加电压V1和电压V2而对激光3进行时间调制。当然，通过施加电压V1和电压V2的中间的任意电压也可以设定任意的输出。另外，在图1中，作为EO调制器，说明的是普克尔盒7和偏振光束分光器8的组合，但也可以使用各种偏振片代替偏振光束分光器。在以后的说明中，有时也将普克尔盒7和偏振光束分光器8(或各种偏振片)的组合称为EO调制器。
另外，除了EO调制器也可以使用AO(音响光学)调制器。一般AO调制器，与EO调制器比较，驱动频率低，并且衍射率稍低，为70～90％，具有在激光3不是线偏振光时也可以进行ON/OFF的特征。这样，通过使用EO调制器7或AO调制器等调制器，可以从连续振荡激光得到具有在任意定时任意波形(能量随时间变化)的时间调制激光。即可以进行所要求的时间调制。
经过时间调制的激光3，入射到由用来调整束径的光束扩展器(或光束缩小器)9调整束径的光束整形器10。光束整形器10是用来将激光3整形为细长形状的光束形状的光学元件。此处所谓的细长形状指的是线状、矩形形状、椭圆形状或长圆形状。通常，气体激光及固体激光是具有高斯形状的能量分布的圆形的光束，不能原样不变应用于本发明的激光退火。在振荡器的输出足够大时，通过将束径充分扩展，只将中心部分比较均匀的部分切出，可以获得大致均匀的能量分布，但由于舍弃了光束的周围部分，能量的大部分浪费了。为解决这一缺点将高斯形状的分布变换为均匀分布(平顶)，使用光束整形器(光束均化器)10。所谓光束整形器10，定义为用来将从激光振荡器4输出的光束的能量分布变换为适用于激光退火的细长形状的光束的光束整形器。
图2为说明在本发明的一实施例的激光退火装置中可采用的鲍威尔透镜方式的均化器的示图。另外，图3为说明在本发明的一实施例的激光退火装置中可采用的四面体棱镜方式的均化器的示图。图4为说明本发明的一实施例的激光退火装置中可采用的衍射光学元件方式的均化器的示图。图5为说明本发明的一实施例的激光退火装置中可采用的多透镜阵列方式的均化器的示图。
作为图1的光束整形器10，可使用图2所示的鲍威尔透镜22和圆柱透镜23的组合、图3所示的四面体棱镜、图4所示的衍射光学元件、图5所示的多透镜阵列和凸透镜的组合。
图2所示的是由鲍威尔透镜22和圆柱透镜23构成的光束整形器10。鲍威尔透镜22是圆柱透镜的一种，如图2(a)所示，在使高斯分布的激光21入射时，在投影面(在图1中矩形开口狭缝11面)上成像，使在1轴方向的中心部分的能量密度高的部分变疏，而使周围部分能量密度低的部分变密。
因为对于与如图2(a)所示的面成直角方向，即垂直纸面的方向上，在使用单个鲍威尔透镜时能量分布保持原样不变，并且如图2(b)所示，用圆柱透镜23聚光。其结果，在矩形开口狭缝11面上形成在纵向方向(图2(a)所示的方向)上具有均匀的能量分布，而在横向方向(图2(b)所示的方向)上具有高斯分布的细长形状的光束。根据需要，通过由矩形开口狭缝11对光束周围部的能量密度变化大的部分或斜坡部分进行遮光，可以得到具有急剧上升的能量分布的细长形状的激光。
图3所示的四面体棱镜25，在激光21的入射侧为圆形、椭圆形或矩形，在出射侧形成以所要求的形状(在本实施方式中为细长形状)在其间连续变化的筒状，内表面成为激光21多次漫散射的表面状态。根据需要将激光21由透镜26进行收束或发散的同时导入到四面体棱镜25内。激光21，在四面体棱镜25的内表面上经过反复反射最后从出射口形成出射口的形状而输出。此时，可以将四面体棱镜25的射出口用作矩形开口狭缝。另外，在图3中示出的是中空形的四面体棱镜，但内部也可以由透明体，例如玻璃或石英等，构成。
图4所示的衍射光学元件28，设计成为通过使高斯分布的激光21入射在一个方向(图4(a)所示方向)上形成均匀分布，并且在其直角方向(图4(b)所示的方向)上以高斯分布方式聚光。就是说，衍射光学元件28的结构为在石英等的基板上利用光刻等工序形成细微的阶梯，透过各个阶梯部分的激光形成的衍射图形在成像面(在本实施方式中与矩形开口狭缝11面一致)上合成，结果在成像面(矩形开口狭缝11面)上可得到所要求的能量分布。
图5示出的多透镜阵列方式的均化器，由多透镜阵列(在图5中由多圆柱透镜阵列31构成)，中继透镜32、圆柱透镜33构成。激光21对着图5(a)所示的方向入射到多透镜阵列31，通过各透镜的激光由中继透镜32投影到成像面(矩形开口狭缝11面)而成为均匀的能量分布。
另一方面，如图5(b)所示，对于与如图5(a)所示的面成直角方向，激光21由圆柱透镜33聚光，在成像面(矩形开口狭缝11面)上可得到高斯分布的能量分布。根据需要，通过由矩形开口狭缝11对投影的光束的周围部的能量密度变化大的部分或斜坡部分进行遮光，可以得到急剧上升的能量分布。
此外，在利用能量足够大的激光振荡器4时，也可以将束径充分扩大，利用矩形开口狭缝切出必需的光束部分使用。此时，切出光束的工具为，例如，矩形、线状、椭圆状、长圆状等的孔口及狭缝构成的光束整形器10。另外，在不要求能量密度的均匀性时，也可以将圆柱透镜用作光束整形器10。此时，由于激光只在一个方向上压缩，在将压缩的方向作为高斯型分布的原样的横向方向，而将与其正交的方向作为原来的光束的原样(高斯分布)，可根据需要将孔口及狭缝中心部分切出使用。
返回到图1，利用中继透镜(也称为透镜管)12将利用光束整形器10得到的细长形状的光束变换为平行光，在透过转像器13之后，由成像透镜16在基板15上，使激光作为利用矩形开口狭缝11或光束整形器10整形的光束的投影像聚光照射到承载于XY基座14上的基板15上。但是，在成像透镜16的焦距足够大时，也可以不使用中继透镜12而在光束整形器10和成像透镜16之间配置转像器13。在设置中继透镜12时，由于即使是改变中继透镜12和成像透镜16的距离，投影到基板上的细长形状的光束的大小和能量密度也不会改变，可根据需要在中继透镜12和成像透镜16之间插入观察光学系统及能量监视光学系统(此处未图示)等。
转像器13，例如，可使用称为双棱镜的棱镜。此元件可通过设置成为以光轴为中心自由转动而使透过的光像转动等于双棱镜的转动角的两倍的角度。就是说，通过将双棱镜容纳于圆筒形的容器17中并由转动轴承18等保持，就可以很容易转动。在使双棱镜转动45度时，可使透过的光线转动90度，以本实施例为例，在基板15上可使细长形状的光束围绕光轴转动90度。就是说，其结构为在本发明的激光退火装置以整形为细长形状的激光对基板进行照射时，可以使细长形状的光束的纵向方向任意转动。另外，在图1中未示出转动的驱动机构，但通过直接连接电动机等或利用齿轮、传动带等传递转动力就可以。
另外，在两个正交的方向之外的方向，例如，在相对于基板的外形基准成45度的方向上进行激光扫描时，通过使转像器13转动22.5度而使细长形状的光束转动45度，就可以实现使基座在X方向及Y方向上等速移动。对于45度以外的角度，也可以通过控制使在扫描方向上细长形状的光束的横向方向转动，X方向和Y方向的速度矢量的合成成为扫描方向。
另外，也可以将反射镜组合而达到与双棱镜同样的功能用来代替双棱镜。就是说，只借助反射镜的反射就可以实现利用双棱镜产生的激光的折射与反射。
[实施例2]
下面对本发明的实施例2予以说明。图6为示出本发明的实施例2的激光退火装置的光学系统结构的示图。另外，与图1相同的部件赋予同一编号。在图6中，此激光退火装置包括：以光纤2连接激励用LD(激光二极管)1并产生连续振荡激光3的激光振荡器4；进行激光3的ON/OFF的遮光器5；用来调整激光3的能量的透射率可变ND滤波器6；使激光振荡器4输出的激光3实现脉冲化及能量的时间调制用的电光学调制器(下面称其为EO调制器)7；偏振光束分光器8；用来调整激光3的光束系统的光束扩展器(光束缩小器)9；将激光3整形为细长形状的光束的光束整形器(光束均化器)10；用来将经过整形的激光3变成规定尺寸的矩形狭缝11；用来将矩形狭缝11像在承载于XY基座14上的基板15上成像的成像透镜16；以及具有容纳光束整形器10并围绕转动轴承68等自由转动的结构的容纳容器67。
下面，对图6各部分的动作和功能予以详细说明。连续振荡激光3是作为退火对象的非晶态硅膜或多晶硅膜的吸收波长(优选是从紫外到可见光波长)，更具体言之，Ar激光或Kr激光及其二次谐波、Nd:YAG激光、Nd:YVO4激光、Nd:YLF激光等的二次谐波及三次谐波等是可以应用的。但考虑到输出的大小及稳定性，LD(激光二极管)激励Nd:YAG激光的二次谐波(波长532nm)或LD激励Nd:YVO4激光的二次谐波(波长532nm)是最优选的。从这些振荡器产生的激光具有圆形高斯形状的能量分布。在以后的说明中，对使用LD激励连续振荡Nd:YVO4激光的二次谐波的场合予以说明。
由激光振荡器4起振的激光3由遮光器5进行ON/OFF。就是说，激光振荡器4永远置于以一定输出使激光3起振的状态，而遮光器5通常为OFF状态，激光3受到遮光器5的遮挡。只在照射激光3时，通过打开此遮光器5(ON状态)，使激光3输出。通过使激励用激光二极管1进行ON/OFF，可进行激光3的ON/OFF，但对于确保激光输出的稳定性则不是优选。除此之外，从安全性观点出发，即使是激光3的照射停止时，最好也关闭遮光器5。
通过遮光器5的激光3透过透射率可变ND滤波器6入射到EO调制器7。EO调制器7通过经驱动器(未图示)在普克尔盒(晶体)上施加电压使透过晶体的激光3的偏振方向转动，置于晶体的后方的偏振光束分光器8只使偏振光分量通过，通过使S偏振光分量偏转90度，进行激光的ON/OFF。就是说，要使P偏振光入射到偏振光束分光器8就施加用来使激光3的偏振光方向转动的电压V1，而要使S偏振光入射就施加用来使激光3的偏振光方向转动的电压V2，通过交互施加电压V1和电压V2而对激光3进行时间调制。当然，通过施加电压V1和电压V2的中间的任意电压也可以设定任意的输出。
另外，在图6中，作为EO调制器，说明的是普克尔盒7和偏振光束分光器8的组合，但也可以使用各种偏振片代替偏振光束分光器。在以后的说明中，有时也将普克尔盒7和偏振光束分光器8(或各种偏振片)的组合称为EO调制器。
除了EO调制器之外，也可以使用AO(音响光学)调制器。一般AO调制器，与EO调制器比较，驱动频率低，并且衍射率稍低，为70～90％，具有在激光3不是线偏振光时也可以进行ON/OFF的特征。这样，通过使用EO调制器7或AO调制器等调制器，可以从连续振荡激光得到具有在任意定时任意波形(能量随时间变化)的时间调制激光。即可以进行所要求的时间调制。
经过时间调制的激光3，入射到由用来调整束径的光束扩展器(光束缩小器)9调整束径的光束整形器10。光束整形器10是用来将激光3整形为细长形状的光束形状的光学元件。此处所谓的细长形状指的是线状、矩形形状、椭圆形状或长圆形状。通常，气体激光器及固体激光器是具有高斯形状的能量分布的圆形的光束，不能原样不变应用于本发明的激光退火。在振荡器的输出足够大时，通过将束径充分扩展，只将中心部分比较均匀的部分切出，可以获得大致均匀的能量分布，但由于舍弃了光束的周围部分，能量的大部分浪费了。为解决这一缺点将高斯形状的分布变换为均匀分布(平顶)，使用光束整形器(光束均化器)10。
另外，作为光束整形器10，可使用上述图2所示的鲍威尔透镜和圆柱透镜的组合、图3所示的四面体棱镜、图4所示的衍射光学元件、图5所示多透镜(或圆柱透镜)阵列和圆柱透镜的组合。此外，在利用能量足够大的激光振荡器4时，也可以将束径充分扩大，利用矩形开口狭缝切出必需的光束部分使用。此时，切出光束的工具为，例如，矩形、线状、椭圆状、长圆状等的孔口及狭缝构成的光束整形器10。
另外，在不要求能量密度的均匀性时，也可以将圆柱透镜用作光束整形器10。此时，由于激光只在一个方向上压缩，在将压缩的方向作为高斯型分布的原样的横向方向，而将与其正交的方向作为原来的光束的原样的高斯分布，可根据需要将孔口及狭缝中心部分切出使用。在这些光束整形器中，在结构单纯而可以得到任意形状和能量分布这一点上，衍射光学元件为最佳。
利用光束整形器10得到的细长形状的光束，由成像透镜16使激光作为利用矩形开口狭缝11或光束整形器10整形的光束的投影像聚光照射到承载于基座14上的基板15上。此处，也可以利用中继透镜(也称为透镜管)将利用光束整形器10整形为细长形状的激光变换为平行光，之后由成像透镜16在基板上，作为细长形状的光束进行投影。此时，由于即使是改变中继透镜和成像透镜的距离，投影到基板上的细长形状的光束的大小和能量密度也不会改变。因此，可根据需要通过设置中继透镜，在中继透镜和成像透镜16之间插入观察光学系统及能量监视光学系统等。
通过将光束整形器10容纳于圆筒形的容器67中并由转动轴承68、68’等保持，就可以很容易转动。通过使激光的光轴与光束整形器10的转动中心一致进行转动，可以使通过的激光转动。
在本实施例中，在基板15上为使线状(矩形形状)光束转动90度，可使容纳容器67转动90度。就是说，其结构为在本发明的激光退火装置以整形为细长形状的激光对基板进行照射时，可以使细长形状的光束的纵向方向任意转动。另外，在图6中未示出转动的驱动机构，但通过直接连接电动机等或利用齿轮、传动带等传递转动力就可以。另外，在图6所示的另一实施例的说明中，为了使整形为细长形状的光束转动，在将光束整形器10容纳于容器中时，必须切换矩形开口狭缝11的X方向尺寸和Y方向尺寸。在不使用矩形开口狭缝11时不受此限制。
另外，在两个正交的方向之外的方向，例如，在相对于基板的外形成45度的方向上进行激光扫描时，通过使转像器13转动45度而使细长形状的光束转动45度，就可以实现使基座在X方向及Y方向上等速移动。对于45度以外的角度，也可以通过控制使在扫描方向上细长形状的光束的横向方向转动，X方向和Y方向的速度矢量的合成成为扫描方向。此时，矩形开口狭缝11，与光束整形器10转动同样的角度即可，在不使矩形开口狭缝11转动时，作为开放状态，也可以采用不对光束遮光的措施或保持角度原样不变调整所要求的长度。或者，也可以使矩形开口狭缝11和光束整形器10一体地转动所要求的角度。
[实施例3]
下面，对利用上述的激光退火装置实施本发明的激光退火方法的实施例3予以说明。按照图1和图7进行说明。图7为说明本发明的激光退火方法的实施例的示图。此处，使用的基板15(图1)是在玻璃基板的一个主面上隔着绝缘体膜(未图示)形成非晶态硅膜，通过准分子激光全面扫描使多晶硅膜102结晶化的多晶硅膜基板。此处的绝缘体膜是SiO2或SiN或是它们的复合膜。多晶硅膜基板15由运输机械手等载置并固定到XY基座14上。
在此多晶硅膜基板15上，在多个地点利用退火用激光或另外设置的定位标记形成用激光来形成定位标记，检测形成的定位标记并进行定位。定位标记也可以预先利用光刻工序形成，也可以利用喷墨等的方式进行。另外，在不使用定位标记时，也可以通过用设置于XY基座14上的销(未图示)等顶住基板15的端面进行定位。另外，也可以在用设置于基座上的销(未图示)等顶住基板15的端面进行定位，且规定区域的退火全部结束之后，在与退火区域有一定关系的位置形成定位标记。
此定位标记，也可用在激光退火工序后的最初的光刻工序(通常是硅膜刻蚀工序)中的曝光位置的定位(掩模定位)。在其后的光刻工序中，使用由最初的光刻工序新形成的定位标记。
以检测出的定位标记为基准，按照设计上的坐标，首先，如图7(a)所示，对漏线(信号线)驱动电路部104扫描照射激光103。
激光由EO调制器7以任意照射时间宽度切出，由光束整形器10整形为线状的能量分布，透过矩形开口狭缝11、中继透镜12和转像器13，利用成像透镜16使激光103成为细长形状的光束照射多晶硅膜102。此时，通过使XY基座14高速移动，使细长形状的光束向与纵向方向正交的方向(横向方向)移动，可以对必须进行退火区域进行扫描。另外，此时的细长形状的光束，在横向方向(宽度方向)上小于等于10mm，优选是2mm～5mm，纵向方向与激光发生器输出有关系，在连续振荡输出为10W时，可整形为数100mm～数mm。
此处，之所以对横向方向的尺寸示出的是下限，是因为通过聚光成为更细，焦深变浅，由于基板的弯曲等产生散焦，使能量分布降低，不能进行良好的退火。通过附加自动对焦机构或预先测定基板表面的位移，使基板表面永远保持于物镜(投影透镜)的焦深之内，可忽略这一限制。扫描速度，也与硅膜厚度或细长形状的光束的横向方向尺寸相关，但300mm/s～1000mm/s的范围是合适的。另外，在图7中，如激光103的移动所示，使XY基座14(即基板15)移动也可以。
此处，按照图8，对在以经过时间调制的整形为细长形状的连续振荡的激光进行边扫描边照射时的多晶态硅膜的行为进行说明。图8为示出在整形光束照射时在多晶硅膜基板上形成带状晶体的工序的示图。另外，图9为示出由形成的带状晶体形成薄膜晶体管的工序的示图。如图8(a)所示，整形为细长形状的激光201在对多晶硅膜200上扫描的同时，对区域202照射。在以适当的功率密度进行照射时，激光照射区域202以外的多晶硅膜200保持原样不变，激光照射区域202以内的多晶硅膜熔融。
其后，由于激光201通过而急速凝固和再结晶化。此时，如图8(b)所示，在照射开始部从最初熔融的区域的硅开始冷却和凝固，作为与激光照射区域202相接的晶粒，例如，204成为籽晶，在激光的扫描方向上结晶成长。然而，由于该生长速度因结晶的方位而异，最后只有保持最快的生长速度的结晶方位的晶粒继续结晶生长。
就是说，如图8(b)所示，具有生长速度缓慢的结晶方位的晶粒205，受到周围的生长速度快的结晶方位的晶粒206、207的生长的抑制，结晶生长停止。另外，具有生长速度中等的结晶方位的晶粒206继续生长，但还受到生长速度大的晶粒207、208的抑制，不久生长停止。最后具有生长速度最大的结晶方位的晶粒207、208继续生长。
但是，并不是无限制地生长，在生长到5～50微米左右的长度时，不久受到新开始生长的晶粒的抑制，分割为多个晶粒，结果可以得到宽度为0.2～2μm、长度5～50μm的晶粒。这些继续结晶生长到最后的晶粒207、208、209、210、211、212，在严格的意义上，是独立的晶粒，具有几乎相同的结晶方位，熔融再结晶的部分成为硅结晶横向生长、由带状晶体构成的多晶膜。此多晶膜实际上大致可以看作是单晶(准单晶)。并且，在此激光退火后的表面的凸凹小于等于10nm，是极为平坦的状态。
通过以如上所述方式用激光照射非晶态硅膜200，使经过激光201照射的区域202形成岛状(瓦状)退火，只有具有特定的结晶方位的晶粒生长，在严格的意义上是多晶状态，形成为具有大致接近单晶的性质的区域。
如图9(a)所示，利用在退火后实施的光刻工序形成岛状的硅膜区域250、351，经过对规定区域进行杂质扩散、栅绝缘膜形成等工序，如图9(b)所示，形成栅电极253、源电极254、漏电极255而完成薄膜晶体管(TFT)。如图9(b)所示，通过使带状晶粒的晶界方向(结晶生长方向)与电流流过的方向一致，由于电流不横切晶界，实质上可以认为是单晶。作为此时的硅膜的迁移率，可以得到大于等于400cm2/Vs，典型的为450cm2/Vs。
另外，在图7中作为玻璃基板只示出1个显示屏的大小，但实际上在基板内可形成多个显示屏。图10为示出由本发明的另一实施例进行退火的区域的示图。如图10(a)所示，示出的是对一个显示屏302内连续地照射激光103，使其成为一个块310，如图10(b)所示，利用EO调制器对激光103的ON/OFF反复操作，也可形成分割为多个照射块311、311’的准单晶区域。但是，至少在屏和屏的间隙部分，为了更新结晶生长，必须或是使激光成为OFF状态，或是使能量密度成为结晶不能生长。
另外，在图7(a)中，在一次扫描中可使对漏线(信号线)驱动电路部104的激光扫描完成，但照射宽度(整形为线状的光束的纵向方向尺寸)取决于激光103的输出及从设计上来讲形成驱动电路所必需的宽度，所以在一次扫描不能对规定的全部区域进行退火时，可根据需要进行多次扫描。
返回到图7，在对漏线(信号线)驱动电路部104的激光照射结束时，通过使图1的容纳转像器13的容器17转动45度，可使内部容纳的转像器13以激光的光轴为中心转动45度。或者，使光束整形器10转动90度。之后，按照设计信息，使XY基座14向着与对漏线(信号线)驱动电路部104进行退火的方向正交的方向(转动90度的方向)移动。由此，如图7(b)所示，以与对漏线(信号线)驱动电路部104进行照射相同的要领对栅线(扫描线)驱动电路部106进行激光103扫描和照射。
在图7(b)中，也可以对一个显示屏内连续地照射激光103，利用EO调制器对激光103的ON/OFF反复操作而形成分割为多个照射块的准单晶区域。并且，在图7(b)中，在一次扫描中可使对栅线(扫描线)驱动电路部106的激光扫描完成，但照射宽度取决于激光103的输出及从设计上来讲形成驱动电路所必需的宽度，所以在一次扫描不能对规定的全部区域进行退火时，可根据需要进行多次扫描。
之后，根据需要，如图7(c)所示，对接口电路部等外围电路部107以与对漏线(信号线)驱动电路部104及栅线(扫描线)驱动电路部106进行激光扫描相同的要领进行激光103照射的同时对基座进行扫描，完成对基板15的激光退火处理。处理完成的基板15由传送机械手(未图示)等移出，接着将新的基板装入继续进行退火处理。
利用上述方法，可对在玻璃基板15上形成的漏线(信号线)驱动电路区域104、栅线(扫描线)驱动电路区域106以及根据需要对其外围电路区域107利用将实施时间调制的连续振荡激光聚光成为细长形状进行照射。通过此照射，硅膜熔融，在激光通过的同时再凝固，在激光的扫描方向上晶粒生长。此时形成的晶粒，因激光照射的条件不同而异，一般成为相对激光的扫描方向为约5～50μm，在相对激光的扫描方向的直角方向为约0.2～2μm的带状晶体。通过使在玻璃基板上形成的TFT(薄膜晶体管)的源漏方向与结晶的生长方向相符，可形成高性能的晶体管。
另外，在本实施例中，说明的是以在玻璃基板上形成多晶硅膜的基板为对象进行退火的场合，但以在玻璃基板上形成非晶态硅膜的基板为对象的进行退火的场合也具有同样的效果，这是自不待言的。
由此，本发明的激光退火方法及激光退火装置可以应用于以TFT或液晶屏及有机EL为代表的显示屏的制造。在将本发明应用于液晶屏的制造时，是将在上述实施例中说明的激光退火应用于构成两片基板的一个，也称为有源矩阵基板的一侧的基板(TFT基板)。在该结果得到的硅膜上制作驱动电路的薄膜晶体管等。在显示区域具有以矩阵形状形成的多个像素，使两片基板的另一个粘合并在两基板之间的间隙中封入液晶而成为液晶屏。另外，在有机EL板的场合，在TFT基板上具有的各像素上涂覆有机发光层，将此有机发光层与周围环境隔断的称为封装盒的玻璃作为合适的绝缘部件进行粘合。
在上述的实施例中，是对使用产生连续振荡激光的激光振荡器作为在硅膜的退火中使用的激光的场合进行了说明。然而，本发明的激光退火方法及激光退火装置并不限定于此。很显然，可应用于对形成非晶态硅膜或多晶硅膜的基板进行准分子激光、LD激励脉冲YAG激光的高次谐波、LD激励YVO4激光的高次谐波、LD激励YLF激光的高次谐波等脉冲激光照射进行退火。特别是，也可以应用于称为SLS(顺序横向凝固)的将脉冲激光聚光成为线状，以小于等于1微米(典型为0.5微米左右)的微小间距，反复进行照射和高精度的移动，或者在以一定的速度移动的同时通过一定的反复照射，在激光的移动方向上使结晶生长的退火方法。
虽然本说明书只就几个实施方式进行了描述和说明，但应该理解，在不脱离由后附的权利要求的范围的情况下可进行各种改变和修改。因此，我们并想用此处所描述和示出的细节限制本发明，而是力求在后附的权利要求的范围内覆盖所有的这类改变和修改。

Claims (14)

1.一种激光退火装置，其特征在于包括：
用于承载基板并在两个正交的方向上移动的基座；
使激光振荡的激光振荡器；
将上述激光整形为细长形状的光束整形器；
按照将整形为上述细长形状的激光投影到在上述基座上承载的上述基板上的位置关系配置的成像透镜；以及
使整形为上述细长形状的上述激光围绕该激光的光轴转动的单元。
2.一种激光退火装置，其特征在于包括：
用于承载基板并在两个正交的方向上移动的基座；
使激光振荡的激光振荡器；
将上述激光整形为细长形状的光束整形器；
用来将整形为上述细长形状的激光变换为平行光的中继透镜；
按照将变换为上述平行光的激光以整形为上述细长形状的状态投影到在上述基座上承载的上述基板上的位置关系配置的成像透镜；以及
使整形为上述细长形状的上述激光围绕该激光的光轴转动的单元。
3.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于：
使整形为上述细长形状的上述激光围绕该激光的光轴转动的单元是，在将上述激光整形为线状或矩形形状的光束整形器后面且在上述成像透镜前面插入的转像器。
4.如权利要求2所述的激光退火装置，其特征在于：
使整形为上述细长形状的上述激光围绕该激光的光轴转动的单元是，在将上述激光整形为线状或矩形形状的光束整形器后面且在上述成像透镜前面插入的转像器。
5.如权利要求3所述的激光退火装置，其特征在于：
将激光整形为细长形状的光束整形器是鲍威尔透镜和圆柱透镜的组合、或四面体棱镜、或衍射光学元件、或多透镜阵列和圆柱透镜的组合中的任一个。
6.如权利要求4所述的激光退火装置，其特征在于：
将激光整形为细长形状的光束整形器是鲍威尔透镜和圆柱透镜的组合、或四面体棱镜、或衍射光学元件、或多透镜阵列和圆柱透镜的组合中的任一个。
7.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于：
使整形为上述细长形状的上述激光围绕光轴转动的单元是至少将激光整形为细长形状的上述光束整形器围绕上述激光的光轴自由转动而构成的机构。
8.如权利要求2所述的激光退火装置，其特征在于：
使整形为上述细长形状的上述激光围绕光轴转动的单元是，至少将激光整形为细长形状的上述光束整形器围绕上述激光的光轴自由转动而构成的机构。
9.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于：
使上述激光整形为细长形状的光束整形器是鲍威尔透镜和圆柱透镜的组合、或四面体棱镜、或衍射光学元件中的任一个。
10.如权利要求2所述的激光退火装置，其特征在于：
使上述激光整形为细长形状的光束整形器是鲍威尔透镜和圆柱透镜的组合、或四面体棱镜、或衍射光学元件中的任一个。
11.如权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于：
上述激光振荡器是产生连续振荡激光的振荡器，在将该激光整形为细长形状的上述光束整形器的前方设置有时间调制器，并将利用上述时间调制器进行时间调制的连续振荡激光整形为细长的形状。
12.一种激光退火方法，将在一个主面上形成有非晶态硅膜或多晶硅膜的基板承载于基座上，对上述基板上的非晶态硅膜或多晶硅膜的所要求的区域照射并扫描整形为细长形状的激光，其特征在于：
在上述基板上的多个方向上进行上述激光的扫描时，不是使该基板转动，而是使整形为细长形状的激光围绕光轴转动，通过使承载该基板的上述基座只在正交的两个方向上移动，对所要求的位置、所要求的方向照射整形为上述细长形状的激光。
13.如权利要求12所述的激光退火方法，其特征在于：
对在一个主面上形成有非晶态硅膜或多晶硅膜的上述基板进行照射的激光是时间调制的连续振荡激光，且是整形为细长形状的激光。
14.如权利要求12所述的激光退火方法，其特征在于：
对在一个主面上形成有非晶态硅膜或多晶硅膜的上述基板进行照射的激光是脉冲振荡激光，且是整形为细长形状的激光。
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