CN1691278A

CN1691278A - 激光结晶设备及激光结晶方法

Info

Publication number: CN1691278A
Application number: CN 200510078817
Authority: CN
Inventors: 高见芳夫
Original assignee: Liguid Crystal Advanced Technology Development Center K K
Current assignee: Liguid Crystal Advanced Technology Development Center K K
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2005-03-11
Publication date: 2005-11-02
Anticipated expiration: 2025-03-11
Also published as: CN100433245C

Abstract

本发明公开了一种激光结晶设备(1)，其能够以几μm的高空间分辨率和几纳秒的高瞬时分辨率进行观察，该设备包括用于将激光照射到设置在衬底(26)上的薄膜并熔化和结晶该薄膜的结晶光学系统(2)，所述激光结晶设备(1)包括：照明光源(31)，设置在激光的光学路径之外并发射照亮所述薄膜以便进行观察的照明光；照明光学系统(3)，包括环形光学元件(3A)，环形光学元件(3A)具有位于中心处的激光的光学路径，并将照明光沿所述光学路径从照明光源(31)引导至薄膜上；和观察光学系统(4)，用于显示包括薄膜的衬底(26)的放大图像。

Description

激光结晶设备及激光结晶方法

技术领域

本发明涉及一种将激光照射到如半导体膜的薄膜上的结晶设备及一种结晶方法，以及尤其涉及一种激光结晶设备及激光结晶方法，其中能够以放大的图像实时地观察半导体膜的熔化和结晶过程。

背景技术

已经研发了一种激光结晶技术，其中例如高能短脉冲激光用于熔化和结晶半导体膜，使得例如非晶或多晶半导体膜的非单晶薄膜成为包含具有大晶粒的区域的结晶薄膜。例如，这种技术用于用作显示器件(如液晶显示器件和有机电致发光显示器件)的薄膜晶体管的非单晶半导体膜的结晶。

在这类激光结晶技术中，注意力集中在照射用于结晶的相位调制准分子激光的相位调制准分子激光退火(PMELA)技术。PMELA技术将均匀的准分子激光形成为具有预定光强分布的激光。借助于相位调制元件，诸如例如移相器，相位调制该激光而使其具有负峰值光强分布。通过结晶光学系统将激光照射在半导体膜上，例如，照射形成在大面积玻璃衬底上的非晶硅或多晶硅薄膜上，以便使该半导体膜熔化并且结晶，以形成具有大晶粒的半导体膜。根据近来开发的PMELA技术，在一次照射中熔化和结晶大约几平方毫米大小的区域，以便形成具有高质量的结晶硅薄膜，其具有从几μm至大约10μm大小的相对均匀和大的晶粒。其相关细节例如披露在电子、信息和通信工程师协会的论文期刊Vol.J85-C，No.8，pp.624-629，2002中，Kohki Inoue、Mitsuru Nakata、MasakiyoMatsumura所发表的“硅薄膜的振幅和相位调制准分子激光熔化再生方法—2-D位置控制的大晶粒的新生长方法”中。

在目前的PMELA技术中，准分子激光功率在实际使用过程中从5％变化至10％。可是，与准分子激光的稳定性相比，形成具有预定质量的结晶硅薄膜的加工裕度非常窄。因此，为了使EPMLA技术工业化，需要增加加工裕量，以便形成具有更高及稳定质量的结晶硅薄膜。由此，需要在紧接着激光照射之后，通过图像等以以几μm的高空间分辨率和/或纳秒(以下称作nsec)级的高瞬时分辨率，实时地观察或测量硅薄膜的变化，其中在小区域内熔化硅薄膜并随后使其结晶。

在日本专利申请公开No.2001-257176中已经披露了一种用于估算激光退火的硅薄膜的结晶度的方法。这种方法包括：向正在结晶的硅薄膜施加观察光，使用光谱仪对反射光进行例如拉曼(Raman)光谱测定；并由此估算多晶硅薄膜在结晶后的结晶度。

在不执行相位调制的ELA技术中，在J.应用物理，Vo.87，No.1，pp.36-43，2000，M.Hatano，S.Moon，M.Lee，K.Suzuki以及C.Grigoropoulos的“Excimerlaser-induced temperature field in melting and resolidification of silicon thin films”中报道了一个实验实例，其中通过现场测量装置来现场测量熔化并结晶的硅薄膜的热特性。该报告涉及以纳秒级的高瞬时分辨率来测量熔化和结晶硅薄膜的热特性。更特别地，从上部倾斜地将作为用于观察的探测光的氦氖(He-Ne)激光(波长为633nm和1520nm)施加到熔化和结晶的区域。通过高速响应的铟镓砷化物光电检测器和/或硅pn光电二极管检测来自熔化和结晶区域的反射和/或透射光，以便测量硅薄膜的热特性。

此外，在日本专利申请公开No.2002-176009中披露了同时照射结晶激光和观察光的现场观察方法。在该专利中，具有孔的物镜用于结晶激光的照射以及观察光的照明和检测。结晶激光为未被相位调制的准分子激光，并通过物镜上设置的孔照射到正被处理的薄膜上。在退火过程中，由正被处理的薄膜所反射的光通过具有孔的物镜予以检测，以便测量例如样本表面的反射率、拉曼光谱等的现场变化。也就是说，根据结晶区域的物理特性值来执行结晶度评估。

将利用在此使用的ELA设备进行结晶的大规模生产线予以工业化中存在的问题包括：结晶过程的产量的提高，以及由于照射激光的不稳定性，通过由操作人员监视结晶过程而进行的质量控制的稳定性，诸如例如脉冲和/或波动在强度上的损失。在此，用于结晶的激光脉冲的照射周期非常短，例如大约25至30纳秒。为了解决这些问题，需要在激光照射之后，通过图像以几μm的高空间分辨率以及纳秒级的高瞬时分辨率现场和实时观察或测量硅薄膜的改变状态或结晶区域，其中硅薄膜在小区域内以大约10至几百纳秒的周期内熔化并随后结晶。

上述日本专利申请公开No.2001-257176的方法不适合通过图像观察硅薄膜的结晶的目的。日本专利申请公开No.2002-176009的方法适于通过图像进行观察，但其不适于通过图像以高瞬时分辨率和/或高空间分辨率来观察硅薄膜从熔化到结晶的变化。

M.Hatano等人的方法具有及时的高分辨率，但不适于同时满足几μm或更少的高空间分辨率以及几纳秒的高瞬时分辨率的图像观察系统。

本发明人已经发现，为了结晶半导体膜的较高质量，需要在激光结晶设备(例如准分子激光结晶(ELA)设备)中安装图像观察系统，即用于观察的光学系统。在该系统中，半导体膜从熔化状态变化至结晶状态，并且通过图像以几μm的高空间分辨率以及纳秒级的高瞬时分辨率对该薄膜进行实时观察，或在激光熔化或熔化之后立即进行的结晶期间中进行观察。

因此，本发明人已经研究了将能够进行图像观察的显微观察系统并入ELA系统中，以便能够实现现场(实时)观察。为了将显微观察光学系统并入ELA设备的光学系统中，优选地使用其中已经对用于结晶的准分子激光(紫外光)和用于观察的照明光(可见光)进行像差校正的光学系统。显微观察光学系统能够现场(实时)观察熔化并结晶后的半导体膜或结晶区域的图像。

解决上述问题以及满足上述需求额外引起以下问题。在ELA设备中，特别是在使用移相器的投射型相位调制(PM)ELA设备中，高分辨率(几μm)是优选的。假定因为生产效率而将PMELA设备中实际使用的透镜用于高光强度、高功率(high duty)以及大的区域中。具体地，将被结晶的衬底上的激光强度优选大约为1J/cm²。为了获得高的光强，不同于用于大规模集成电路生产的校准器(aligner)中所使用的激光，使用具有宽光谱带宽(0.5nm)的准分子激光。由于高能量激光，根据抗热性，包含涂料(pasted)和层叠(laminated)透镜(如适用于可见光的显微透镜)是不合适的。此外，将要使用的准分子激光可以是，例如波长分别为248nm和308nm的氟化氪(KrF)或氯化氙(XeCl)。当考虑到这些激光的波长时，优选使用的透镜材料限于UV级人造水晶或氟化钙(CaF₂)，而这降低了透镜设计的自由度。此外，例如，对于PMELA设备中使用的如用于以缩小或相同的尺寸并以大约几μm的高分辨率将移相器的掩膜图案转印到衬底上的透镜(组)，必须进行像差校正，如紫外线的色差和失真像差。

当在这种单光学系统中使用准分子激光和显微观察可见光时，必须在包含紫外光和可见光的两个波长区域内进行像差校正，而这是一个非常难的问题。即使能够校正色差，也必须增加透镜的数量，进而增加透镜对光的吸收。这降低了到达衬底的激光强度，这违背了获得适于结晶的高光强的需求。

另一问题是：适于具有上述性能的准分子激光的结晶光学系统，在其传送可见光时降低了可见光的分辨率。具体地，分辨率与光的波长成比例，使得例如在可见光(波长：480nm至600nm)具有大约准分子激光(波长：248nm，308nm)波长的两倍的情况下，2μm的分辨率在可见光中被减少至4μm的分辨率，而该分辨率为之前分辨率的两倍。因此，不能获得观察或测量几μm的结晶区域图像所必需的1μm分辨率。

也就是说，可以适于这种需要的光学系统需要稳定地用于至少两种不同波长：用于结晶的准分子激光(例如，波长为248nm)，具有高光强(例如在衬底上为1J/cm²或更高)、大的照射区域(例如，5.5mm²或更大)和高功率(duty)(例如，100Hz或更高的激光操作频率)；以及用于观察的照明光，例如是可见光(例如，480nm至650nm范围内波长)。

对于这样的实例，用于显微的高分辨率的UV激光聚光镜，例如ShowaOptronics的KVH20-8型号的透镜是可以从商业上获得的，在该透镜中，在紫外光和可见光的波长范围内同时校正色差。聚光镜被设计得使用一个光学系统利用准分子激光处理小区域(例如0.5mm²或更小)并用可见光进行观察。通过光学透镜进行的小区域处理倾向于例如通过照射激光来切除集成电路中的一部分布线。所述透镜充分满足空间分辨率(1μm)的需求，但不能以上述高光强、大照射区域以及高功率进行操作。

此外，需要使用极短时间(纳秒)的高瞬时分辨率进行观察，以便通过设置在衬底上处于熔化和结晶状态的半导体膜图像进行实时观察。需要符合短时间观察的观察所用的高亮度照明光。如果将可见光用作上述通过大量光学透镜进行观察所用的照明光，则不仅引起光量损失的问题，而且也引起对原始紫外光之成像特性的不利影响的问题。

本发明的一个目的是提供一种激光结晶设备以及激光结晶方法，其中能够以几μm或更少的高空间分辨率以及高瞬时分辨率，实时地观察或测量正以几百纳秒熔化和结晶的半导体膜上几μm区域的图像，或在其后立即对该图像进行观察或测量。

发明内容

以上描述的问题和所关注的事情可通过以下阐述的激光结晶设备和激光结晶方法予以解决。

根据本发明的一个方面，提供一种激光结晶设备，包括结晶光学系统，用于将激光照射到设置在衬底上的薄膜上并且熔化和结晶该薄膜，所述激光结晶设备包括：照明光源，设置在激光的光学路径之外，并且发射用于观察的照明光发射，以照亮所述薄膜；照明光学系统，包括环形光学元件，该环形光学元件具有位于中心处的激光的光学路径并将照明光沿所述光学路径从照明光源引导至薄膜上；和观察光学系统，用于以放大的图像显示包括薄膜的衬底的图像。

根据本发明的另一方面，提供一种激光结晶方法，包括：发射激光；将激光照射到设置在衬底上的薄膜，以熔化和结晶薄膜；利用观察照明光沿激光光学路径照亮激光照射的区域，其中经由反射型环形光学元件将照明光引导到薄膜，所述环形光学元件与激光的光学路径同轴设置并穿过激光，其中激光的光学路径设置在中心；放大经薄膜反射的反射观察照明光并将其成像为处于熔化或结晶状态的薄膜的至少一个图像；以及拾取放大的图像。

本发明的其他优势将在以下说明中予以阐述，并部分地根据该说明变得清楚，或可通过实践本发明予以了解到。借助下文特定指出的手段及其结合可以实现并获得本发明的优点。

附图说明

包含在说明书中并构成说明书一部分的附图说明本发明的实施例，并与以上给出的总的说明以及下文给出的实施例的详细说明一起说明本发明的原理。

图1为说明本发明实施例的系统结构示意图；

图2为示出了图1中观察照明光学系统使用偏振激光的结构的例子的示意图；

图3为说明作为图1中光电检测器实例的条纹管之结构的结构示意图；

图4A至4E为示出了用于观察图1中所示设备中的半导体膜的熔化和结晶的定时图实例的示意图，其中图4A示出了结晶脉冲激光EL的定时；图4B示出了用于观察照明光OL的触发信号P1以及用于条纹管的扫描电压SV的触发信号P2的定时；图4C示出了观察照明光OL的定时；图4D示出了条纹管42的扫描电压SV的定时；以及附图4E示出了成像器件的触发信号P3的定时；

图5为说明图1中显示部件上显示的图像的示意图；

图6A、6B示出了根据图1中所示设备的结晶过程的观察结果的一个实例，其中图6A示出了照射的准分子激光的光强分布，以及图6B示出了显示光照射区域中结晶过程的观察结果的显微图像；和

图7A、7B示出了结晶过程的观察结果的另一实例，其中图7A示出了照射的准分子激光的光强分布，以及图7B示出了显示光照射区域中结晶过程的观察结果的显微图像。

具体实施方式

参照附图说明本发明的实施例。包含在说明书中并构成说明书一部分的附图说明本发明实施例的附图，并与以上给出的总的说明以及下文给出的实施例的详细说明一起说明本发明的原理。在所有附图中，用相同的参考数字表示相应的部分。这些实施例仅仅是一些实例，并且在不脱离本发明的范围和精神的情况下可进行各种改变和修改。

在ELA设备中，为了实时观察或测量几μm结晶过程区域的图像，其中在所述区域中以几百纳秒熔化和结晶半导体膜，必须符合来自用于结晶的准分子激光结晶光学系统以及用于图像观察的显微观察系统的需求。即，必须满足紫外光中几μm的高分辨率以及衬底上大约1J/cm²的高光强，这些是结晶光学系统的要求，以及满足可见光中几μm的高分辨率和纳秒级的高瞬时分辨率，这些是显微观察系统的要求。

为了解决这些问题，用于图像观察的观察照明光学系统以及显微观察系统并入到与结晶光学系统独立的激光结晶设备中。显微观察系统包括能够利用几μm的高分辨率和纳秒级的高瞬时分辨率进行观察的显微观察光学系统。以下参照附图说明本实施例的构造和应用的实例。

图1为示出了本实施例激光结晶设备1的概观的示意图。该设备为激光结晶设备1，用于以缩小尺寸投射相位调制元件的图像并包含反射型显微观察系统。此外，该设备具有在显微观察系统的图像观察结果的基础上，校正正在结晶的衬底26的位移的功能。

如图1所示，激光结晶设备1包括：结晶光学系统2，用于将激光照射在衬底26上的预定区域处，以使设置在衬底26上的半导体膜熔化和结晶，用于结晶；反射型观察照明光学系统3，用于施加照明光，以观察半导体膜的熔化和结晶部分；反射型显微观察光学系统4，用于通过图像测量和观察半导体膜中几μm区域内以几百纳秒发生的熔化和结晶；以及级驱动器60。本实施例的特征在于，由于结晶光学系统2中的成像光学系统25具有长焦距(50mm至70mm)，所以在成像光学系统25和衬底26之间的空间中同轴地设置用于高亮度可见光的独立的观察照明光学系统3和独立的反射型显微观察光学系统4。即，观察照明光学系统3和显微观察光学系统4独立于结晶光学系统2并且不会相互干扰。

本实施例涉及激光结晶设备和激光结晶方法，其特征在于：结晶激光，例如准分子脉冲激光，照射到衬底26上设置的用于结晶的半导体膜中例如大约4mm²至25mm²的区域内，以便实现熔化、固化以及结晶，使得利用观察照明光照射的μm级区域中的并且仅发生在几10纳秒级周期内的状态改变，以图像实时显示在监视屏幕45c上。

上述拾取几μm的极小区域内以几百纳秒级超高速进行改变的图像的显微观察系统特征在于：结晶光学系统2形成在中心轴上，并且设置环形光学元件3A，其构成结晶光学系统2的光学路径周围的反射型观察照明光学系统3和显微观察光学系统4，使得环形光学元件3A不阻挡激光的光学路径。这能够实现以几μm的高空间分辨率以及纳秒级的高空间分辨率进行观察或监视。在照射有结晶激光的结晶过程区域内仅以几百纳秒发生的变化图像，由显微观察光学系统4所拾取，并被存储在存储部件45b，例如存储器中。在观察者的所需条件下，例如以所需的速度，在监视器显示屏45c上以静止图像或视频图片于结晶之后或实时显示几μm的结晶过程区域中状态的变化。在此，结晶过程区域指照射有结晶激光并从正在熔化过程变化至固化过程直到完成结晶的区域。

首先，参照图1说明结晶光学系统2。结晶光学系统2包括：激光光源21、扩束器22、均化器23、相位调制元件24(如移相器)、成像光学系统25以及将衬底26引导至预定位置的衬底固定台27。由扩束器22扩展来自激光光源21的激光，并且横截面中的光强被均化器23均化，随后将激光照射到相位调制元件，如移相器24。已经通过移相器24的准分子激光为具有所需光强分布(例如负峰值光强分布)的调制光，并通过成像光学系统25(如准分子成像光学系统)被照射到衬底26上。

激光光源21输出例如大约25至30纳秒宽、具有例如1J/cm²能量的脉冲激光，其足以熔化设置在衬底26上的半导体膜，该半导体膜不是单晶，例如是非晶或多晶体半导体膜。所述激光优选为具有248nm的KrF准分子激光。其它照射光包括XeCl准分子激光、氟化氩(ArF)准分子激光、氩(Ar)激光、YAG激光、离子束、电子束以及氙(Xe)闪光灯。例如，准分子光源21为脉冲振荡型，并具有例如从100Hz至300Hz范围内的振荡频率，以及例如从20纳秒至100纳秒的半值宽度范围内的脉冲宽度。在本实施例中，使用半值宽度为25纳秒的KrF准分子激光。此外，照射到衬底26上的KrF准分子激光的光能量为1J/cm²。振荡频率为例如100Hz，并且利用准分子激光照射的区域为例如2mm×2mm大小，使得阶段照射准分子激光，同时由衬底控制台27以例如2mm的步幅移动衬底26，并且这样衬底26的移动速度为200mm/sec。

扩束器22扩展入射激光束，并且包括用于扩展光束的凹透镜22a以及用于形成平行光束的凸透镜22b，如附图1所示。均化器23确定入射激光束在X-Y方向上的截面尺寸，并在确定的形状内均化光束强度分布。例如，沿Y方向设置多个X方向的柱面透镜，以形成设置在Y方向上的多个光通量，每个光通量通过X方向的聚光镜在在Y方向上重新分布，类似地，沿X方向上设置的多个Y方向的柱面透镜，以形成设置在X方向上的多个光通量，并且每个光通量通过Y方向的聚光镜而在X方向上重新分布。即，如图1所示，均化器23包括具有第一蝇眼(fly-eye)透镜23a和第一聚光镜23b的第一均化器，以及包含第二蝇眼透镜23c和第二聚光镜23d的第二均化器。第一均化器将激光入射角在移相器24上调节得均匀，并且第二均化器将移相器24上的位置激光强度在横截面内均化。因此，通过使用均化器23，将KrF准分子激光调节成横截面具有所需角度分散以及均匀光束强度的照明光，并且该KrF准分子激光照射移相器24。

移相器24为相位调制元件的一个实例，并且是例如具有台阶的石英玻璃衬底。激光在台阶的边缘引起衍射和干涉，以提供激光强度的周期空间分布，并且例如在边缘的右边和左边上提供180°的相位差。在右边和左边上具有180°相位差的移相器24调制入射光的相位，以形成具有对称负峰值光强分布的光束。台阶(厚度差)d可以从d＝λ/2(n-1)中得出，其中λ为激光的波长，而n为移相器的透镜衬底的折射率。根据该等式，例如可通过在对应于预定相位差的石英玻璃衬底上形成台阶d而来生成移相器24。可通过选择地蚀刻和FIB(聚焦离子束)工艺形成石英玻璃衬底上的台阶。例如，当石英衬底的折射率为1.46时，XeCl准分子激光的波长为308nm，使得提供180°相位差的台阶为334.8nm。移相器24具有以这样方式形成的台阶，所述方式为相位调制入射光束以形成负峰值光强分布的方式，并将准分子激光的相位转换半波长。因此，照射在半导体膜上的激光具有负峰值的图案的光强分布，其中对应相位转换部分的部分处于最小光强处。根据这个方法，在不使用其他方法中通常使用的用于遮蔽准分子激光的金属图案的情况下获得所需光束光强分布。

已经通过移相器24的激光由相差被校正的准分子成像光学系统25以预定光强分布成像在衬底26上，所述衬底位于与移相器24具有共扼关系的位置上。成像光学系统25包括透镜组，其包含例如多个氟化钙(CaF₂)透镜和/或人造水晶透镜。成像光学系统25为一长焦距透镜，具有如1/5的缩减比、0.13的N.A.、2μm的分辨率、±10μm的聚焦深度以及50mm至70mm的焦距的性能。

成像光学系统25将移相器24和衬底26设置在光学共扼位置上。换句话说，衬底26被设置在与移相器24(成像光学系统的成像面)光学共扼的位置。成像光学系统25包括设置在透镜之间的孔径。

关于用于结晶的衬底26，正被处理的薄膜，例如半导体膜通常经由绝缘膜形成在衬底上，在所述衬底上形成有用作覆盖膜的绝缘膜。作为正被处理半导体膜，可以使用例如非晶硅薄膜、多晶硅薄膜、溅射硅薄膜、硅化锗薄膜、脱氢化非晶硅薄膜。作为衬底，可以使用例如玻璃衬底、塑料衬底、诸如硅的半导体衬底(晶片)。对于本实施例中使用的衬底26，将脱氢化非晶硅在衬底上形成得具有预定的厚度，例如50nm的厚度。将衬底26可拆卸地固定在衬底固定台27上，所述固定台可将衬底固定在预定位置上并可沿X、Y和Z方向移动。

如上所述，激光结晶设备1为投射型结晶设备，其中结晶激光被均化并由移相器24相位调制以形成具有负峰值的光强分布，由此将激光照射到衬底26。光图案引起水平方向上进行的结晶，并能够使半导体膜中大晶粒的尺寸增长例如大约10μm。结晶过程以极高的速度改变，并在几10纳秒至几百纳秒的极短时间周期内完成。设置具有几μm的反射型显微观察系统，以显微地观察、监视或观察以极高速变化的结晶过程的图像。反射型光学系统的特征在于：相比于由具有孔的透镜所组成的物镜，而不存在由于色差和吸收所引起的损失。

反射型显微观察系统包括：反射型观察照明光学系统3，用于发射用于观察的照明光；以及反射型显微观察光学系统4，其能够接收衬底26中结晶过程区域反射的光束并以图像将其实时显示在屏幕上。部分反射型显微观察光学系统4与部分反射型观察照明光学系统3共用，并被设置在成像光学系统25和衬底固定台27之间。共用部分使照明光的光学路径与结晶激光的光学路径同轴地重叠，并构成复合光学系统。该复合光学系统为能够在没有相互干扰的情况下同时实行结晶过程和结晶状态观察过程的光学系统。环形观察照明光和显微观察光能够使用几μm的高空间分辨率以及几纳秒的高瞬时分辨率进行观察、监视或测量结晶过程。

在反射型显微观察系统中，将从观察照明光源31发出的观察照明光通过半反射镜33以及反射环形光学元件3A施加到衬底26上。由衬底26反射的观察光通过与照明光基本相反的光学路径返回并进入显微观察光学系统4的光电检测器42。

观察照明光学系统3为中心位置配有在不阻挡结晶激光光学路径的情况下通过结晶激光的窗孔的环形光学系统。来自高亮度观察照明光源31的照明光通过以下说明的反射环形光学元件3A而变成环形，并沿结晶准分子激光同轴地施加到衬底26上。

衬底26反射的观察光通过与照明光光学路径相反的环形光学元件3A的光学路径返回，并通过半反射镜33并随后在显微观察光学系统4中被检测。在显微观察光学系统4中，已经传输通过半反射镜33的观察光被成像透镜41成像在光电检测器42的前表面上，所述前表面为光接收面，并且通过光电检测器42和图像增强器43获得的图像，被二维成像器件44转换成图像信号，并由图像处理部件45提取作为图像数据。

在观察照明光学系统3中，例如，扩束器32将来自高亮度观察照明光源31的照明光形成为平行光，并且该照明光被半反射镜33引导至环形光元件3A。进而照明光由于环形平面反射镜34而转向衬底26，并被环形凸反射镜35和环形凹反射镜36会聚在衬底26上的半导体膜上。环形观察照明光照亮结晶过程中的结晶过程区域。半导体膜上结晶过程区域反射的观察光经由环形凹反射镜36、环形凸反射镜35和环形平面反射镜34通过与照明光光学路径相反的光学路径到达半反射镜33。观察光穿过半反射镜33和成像透镜41，并在光电检测器42的光接收表面上形成半导体膜内结晶过程区域的图像。

对于观察照明光源31，高强度光源，例如氙(Xe)闪光灯或可见激光源，如Ar激光、氦氖(He-Ne)激光，可用于允许以纳秒级瞬时分辨率进行观察。扩束器32优选能够利用少量透镜形成平行光，以减少照射光的损耗，并且可使用例如非球面透镜。半反射镜33反射来自照明光源31的照明光并改变其方向，但透射由半导体膜反射以及从其返回的观察光。沿结晶准分子激光的光学路径设置环形平面反射镜34、环形凸反射镜35和环形凹反射镜36，因此它们必须是环形的而不能阻挡光学路径。环形平面反射镜34的窗孔在远离衬底26大约50mm的位置处具有大约13mm的直径，以不阻挡准分子激光地透射准分子激光，假定将照射该准分子激光的区域在衬底26上大约为2mm×2mm至5mm×5mm，并且激光在衬底26上的掠射角大约为7°。反射型观察照明光学系统3可以考虑并也可使用其它构造。

修改方案之一为将偏振激光用作观察照明光的方法。偏振光的使用能够使照明光完全与从衬底26反射及从其返回的观察光相分离。图2中示出了光学系统的修改部分一个实例。如图所示，在扩束器32的前面运用偏振器32A，并且替换半反射镜33而使用偏振分光器33A和四分之一波片33B。这样的构造允许偏振激光用作光源。设置四分之一波片33B使其晶轴关于偏振器的透射轴偏移45°。由于这种设置，由衬底26反射的照明偏振激光的谐振表面和观察偏振激光的谐振表面被设置成90°，使得偏振分光器允许照明光和照明光完全分离。

环形光学元件的一种修改方案包括将环形平面反射镜34改变成环形凸反射镜。这种构造允许环形凸反射镜36设置得更接近环形凹反射镜35，或在不使用环形凹反射镜35和环形凸反射镜36的情况下允许照明会聚在衬底26上。

在另一种修改方案中，会聚透镜被设置在半反射镜33和环形平面反射镜34之间，并设置在结晶激光的光学路径之外。在这种结构中，可省略环形凹反射镜35和环形凸反射镜36，并且环形平面反射镜34可设置得更接近衬底26，并且可将其窗孔形成得更小。

在另一种修改方案中，以更长的距离设置环形凹反射镜35和环形凸反射镜36，并在其间设置环形平面反射镜34。对于环形反射光学系统可考虑其它修改方案，如在移相器24和成像光学系统25之间设置环形平面反射镜34，并且可使用这些修改方案中的一种。

由衬底26反射的观察光经由与照明光的光学路径相反的光学路径到达半反射镜33、环形凸反射镜36、环形凹反射镜35和环形平面镜34。观察光穿过半反射镜33并到达显微观察光学系统4。

除了与观察照明光学系统3共用的环形光学元件3A和半反射镜33外，显微观察光学系统4例如还包括显微成像光学系统41、光电检测器42、成像增强器43、成像器件44和成像处理部件45。

穿过半反射镜33的观察光被显微观察光学系统4处理，所述显微观察光学系统具有例如首先由成像透镜41成像所述观察光并随后以放大的图像对其成像的功能。来自衬底26上几μm级的结晶过程区域的观察光被成像透镜41以几μm的高分辨率成像在光电检测器42的光接收表面42a上。光电检测器42的光接收表面42a为狭缝形，以便观察以高速改变的结晶状态。光接收表面42a为将光转变成电子的光电表面。狭缝形光接收表面42a例如为几mm宽和几cm长的矩形。形成在光接收表面42a上具有几μm分辨率的结晶过程区域的高空间分辨率由光电检测器42和图像增强器43强化，并作为高分辨率图像由成像器件44所采用。图像处理部件45对图像数据进行信号处理。信号处理包括，例如图像数据的分析、图像数据的存储和图像数据在显示部件45c上的显示。

光电检测器42优选为例如光电管，如超高速扫描照相机，如图3所示。对于超高速扫描照相机，可以使用条纹管，其能够将入射光图像转换成光电子并随后再次将其转换成光图像，并使一维图像以几纳秒的高瞬时分辨率随时间进行改变。

常规的条纹管42为特殊用途的真空管，并具有图3中所示的结构。入射光所形成的图像被会聚在狭缝形光接收表面42a上并由其接收。狭缝形图像是结晶过程区域中的一维图像。光接收表面42a将一维的入射光图像转换成光电子。光接收表面42a中产生的光电子束穿过扫描电极42b-2。扫描电极42b-2配有一对沿X或Y方向扫描光电子束的电极。从扫描电路42b-1向扫描电极42b-2施加扫描电压SV。扫描电路42b-1根据这样的定时为扫描电极42b-2施加随时间变化的扫描电压SV(参见图3、图4D)，所述定时为通过来自定时控制器(附图1，50)的触发信号P2(参见图3、图4B)控制所述扫描电路42b-1的定时。光电子束根据扫描电压的改变而以随变化的量被弯曲，并将投射的光电子束图像R显示在荧光显示屏42c的随时间变化的不同位置处。所投射的图像R为高分辨率图像，其中根据时间扫描狭缝形一维图像，以使其变为二维图像，并且光接收表面42a上所接收的图像中纳秒级的瞬时改变被显示成荧光屏42c上位置的改变。可以整体合入加速电极42d或电子乘法器42e中的至少一个，以提高条纹管42的灵敏度。

形成在条纹管42的荧光屏42c上的高分辨率二维图像被图像增强器43亮度强化，由此形成高亮度二维强光图像。也就是说，图像增强器43具有以下功能。由条纹管42所获取的高分辨率二维图像被成像透镜(未示出)所拾取，并随后再次成像在图像增强器43的光电表面上。光电表面形成在真空容器的内壁上。从光电表面释放的光电子被设置在真空容器内的电子透镜加速、会聚和减少，并落在图像增强器43内的荧光屏上。其亮度通过上述加速和减少作用所强化的图像被显示在图像增强器43的荧光屏上。

显示在图像增强器43的荧光屏上的二维强光图像由成像器件44，例如二维CCD成像器件所拾取，并被转换成图像数据。由于CCD成像器件44拾取具有非常少量光的图像，优选地抑制暗电流并提高S/N比率。因此，低温(例如，从负几十摄氏度大约至液氮温度)下使用的冷却的CCD成像器件是优选的。

在成像处理部件45，例如个人电脑的控制电路45a的控制之下，对来自CCD成像器件44的图像数据进行处理并随后将其储存。数据处理包括例如计算预定时间过后结晶区域宽度。图像数据和所计算的数据被存储在存储部件45b如存储器中，并根据需要同时显示在显示单元45c上。负责结晶过程的人可以使用显示在显示单元45c上的数据来监视结晶进程。此外，由于图像数据被存储在存储部件45b中，所以在控制电路45a的控制下，作为静止图像或慢运动图像来提取所需图像并将其显示在图像显示单元45c上。

利用显微观察光学系统4的这种构造，能够以几纳秒级的高瞬时分辨率和几μ秒的高空间分辨率进行必要的观察。激光结晶设备1包括定时控制器50。定时控制器50控制用于如结晶激光源10、观察照明光源31和显微观察光学系统4的各种类型的定时。图4a至4e示出了这些定时的一个实例。与结晶脉冲激光EL(图4A)的照射脉冲同步，定时控制器50发出开始照射观察照明光OL的触发信号P1(图4B)和开始为条纹管42施加扫描电压SV的触发信号P2(图4B)。当观察照明光源31接收到触发信号P1时，其发射观察照明光OL(图4C)。当条纹管42的扫描电压发生器42b接收到触发信号P2时，扫描电压发生器42b指示扫描电流42b-1来产生对于t_s时间周期的随时间改变的扫描电压SV，并将扫描电压SV施加到扫描电极42b-2(图4D)。当扫描电压施加结束时，定时控制器50为成像器件44发送触发信号P3(图4E)，并且成像器件44将成像增强器43的荧光屏上二维图像拾取作为图像数据。

例如，图5为正如上述获得的图像数据的示意图，并说明了结晶过程中改变的半导体膜的观察结果。附图示出了随时间扫描半导体膜中预定区域的一维图像的时间所产生的图像，所述图像随时间改变。水平轴表示半导体膜上的位置，而垂直轴表示经过的时间。被相位调制并具有负峰值光强分布的结晶脉冲激光被照射在结晶的衬底26上约25纳秒。因此，半导体膜所照射的区域被熔化，并且熔化温度具有一定的分布，即根据负峰值光强分布，在中心处低，而在其两侧高的分布。当停止结晶激光时，照射区域的温度开始冷却。冷却周期内的温度梯度对应负峰值光强分布的温度梯度，并在熔化的中心开始进行固化或结晶。结晶位置，即固液界面，根据时间梯度从中心横向移至外侧。结晶过程中变化的半导体膜由显微观察光学系统以这样的方式进行成像，所述方式为从观察照明光源31发出的观察照明光被同时施加到结晶过程区域上，由此能够实现以具有几μm的空间分辨率和几纳秒的瞬时分辨率的图像观察和/或测量结晶状态。所述观察为例如结晶状态的观察，以及如结晶过程中结晶区域大小和时间的测量。

在观察中，尽管其实际为几百μm或更大尺寸，但图像宽度可以被设置成任意所需大小。在图5中，为简明起见，以放大的图像示出具有一个峰值图案的激光部分，并且宽度可以为例如10μm。图像的高度可以被设置成任意所需时刻。在此，时间范围被设置成对应于扫描电压SV的施加时间，t_s＝300纳秒。

当硅薄膜熔化时，其变成金属的，这样良好地反射可见光。另一方面，结晶部分很好地透射可见光，尤其是红光。因此，在反射光观察中，熔化区域将被观察作为亮图像，并且结晶区域被观察作为案图像。在图5中，阴影区域表示硅薄膜的固化(结晶)区域，而白色区域表示熔化区域。图5的上端对应于熔化后的即时时刻，在整个宽度范围内为亮图案(白色区域)。观察到，结晶的黑色部分首先出现在中心处，进而从中心向外部扩展。也就是说，固液界面从中心移至外侧。在图5中，示出了随时间变化的预定区域的一维图像，随时间经过，可观察到在图5中结晶向下行进。区域的中心被调节成激光束的负峰值部分，也就是KrF准分子激光的相位被移相器24改变的部分。在这部分中，由于KrF准分子激光的相位在其两侧被反相，所以准分子激光的强度由于其间的干扰而显著减少(理想的为零)。因此，熔化后的薄膜温度为最低，并且从该位置开始结晶中硅薄膜的晶核形成。因此，根据熔化中的温度梯度，在图5中的晶粒向下生长。生长的晶粒尺寸大约为6μm，例如所述晶粒为在本实施例的PMELA设备中结晶的晶粒。因此，能够利用几μm的空间分辨率和几纳秒的瞬时分辨率来观察结晶过程作为图像。

在图5中，已经描述了具有一个负峰值的激光束的实例。可是，在实际结晶过程中，由相位转换掩模将准分子激光调节得包括多个具有光强分布的负峰值。图6A、6B和图7A、7B中示出了使用具有多个峰值的激光束进行结晶过程的观察实例。

图6A、6B示出了在使用黑白掩模形成具有含峰值和波谷的矩形光强分布的照射准分子激光时，几10μm区域内对于几百纳秒的时间周期的从熔化到结晶的结晶过程的观察结果。图6A示出准分子激光的光强分布，其中水平轴表示位置而垂直轴表示激光的相对强度，以及图6B表示借助于超高速扫描照相机观察的显微图像。如以上参照附图所说明的，由超高速扫描照相机观察的图像为在随时间变化的半导体膜上的预定区域上通过时间扫描一维图像产生的图像。在此，图6B示出了负像，并且表示出相比于图5中所述而反相的黑色和白色图像。即，以黑色图像示出了熔化部分，而以白色图像示出了结晶部分。附图的横向宽度为66μm，垂直轴对应于经过的时间，时间的上边为时间的开始点，时间向下经过，而整个高度相当于500纳秒。使用具有5μm的线/间隔的黑白掩模，将具有248nm的波长的准分子激光以0.42J/cm²的强度照射在具有50nm厚度的非晶硅薄膜上。应注意到，所用的光学系统是1/5缩小型，并且N.A.为0.125。如图6A所示，准分子激光的峰值间隔10μm。在图6B中，如上所述，黑色区域为熔化区域，白色区域为结晶区域，并且中间颜色的区域为未熔化的非晶硅区域。由于激光的照射，非晶硅薄膜在光的峰值部分周围熔化，并在对应于光的波谷的部分中不会熔化。已经观察到：结晶开始于熔化部分的两边并从此随时间推移，并且结晶完成于照射后的87纳秒。

图7A、7B示出了使用相位转移掩膜实现结晶的另一实例。类似于图6A、6B，图7A示出了准分子激光的光强分布，图7B为示出了结晶过程观察结果的图像。除准分子激光的强度为0.65J/cm²以外，照射条件和图6的相类似。如图7A所示，通过使用相位转移掩膜，实现准分子激光光强分布的显著改变，并且在对应黑白掩膜的凹处的部分中出现光强峰值。此外，即使是在光强波谷中，光强也太低，因此出现整体上具有相对小强度差的光强分布。当具有四个峰值的准分子激光照射到非晶硅薄膜上时，熔化了整个所照射的区域，如图7B所示。所述结晶开始于光照之后的43纳秒。结晶从对应光强分布的三个谷的部分，也就是根据需要从熔化温度最低的部分开始。随后，结晶朝光强的峰值进展，或者固液界面移动，并且在准分子激光照射后的125纳秒完成结晶。

从以上所述可知，本发明能够观察出现于光照射后仅125纳秒周期的硅薄膜从熔化到结晶的纳秒级的极高速的结晶过程。此外，可以确定，也能够通过调节照射光的强度分布控制硅薄膜的结晶。

利用观察结晶过程结果的一个实例包括将衬底26调焦至成像光学系统25的成像板上。散焦，即准分子激光的成像板和衬底上半导体膜之间的高度差，由以下几种原因引起。当结晶激光(准分子激光)的成像板从衬底26上的半导体膜移开时，没能按照设计将反相区域内的激光强度形成得较低。因此，此部分在熔化之后的温度比成像位置处的温度高，使得晶核延迟，这样引起结晶开始的延迟。此外，晶核倾向于不仅在激光强度并非最低的部分成核，而且也在其他部分随机成核。因此，存在更多正在生长的晶粒相互接触的机会，并且晶粒成长的尺寸变得更小。即，结晶硅膜的质量下降了。

结晶设备在结晶过程中的散焦原因例如包括，衬底26不够平坦，由于固定大面积衬底26所引起的弯曲，以及由于成像光学系统25的温度变化所引起的图像位置的偏移。成像光学系统25根据高能量准分子激光改变(增加)其温度。这样，例如，当成像光学系统25中温度改变1℃，成像位置例如改变10μm。考虑到成像光学系统25的聚焦深度，例如大约为±10μm的聚焦深度，成像位置的偏移量就不是可以忽略的小了。

可通过以下方式观察成像光学系统25的成像位置的偏移。图5中心处示出的T-T示出了在准分子激光照射到正在进行结晶的衬底26后过了预定时间t_M的时间。由图像处理部件45测量上述时刻结晶区域的宽度W(阴影部分)。图像处理部件45使用一种已知的图案识别技术，根据结晶硅薄膜的图像图案计算偏移量。所计算的偏移量用于决定是否低于预定可接受的散焦量，并随后将其输出。如果图像处理部件45决定所计算的偏移量为不可接受的散焦量，其根据衬底26的位置计算校正量。台驱动器60在位置校正量的基础上，沿上述图像处理部件计算的衬底26的高度方向驱动衬底固定台27，由此沿衬底26的高度方向校正所述位置。

作为另一应用，将描述利用本发明的激光结晶设备1定位衬底26的方法。其中通过移相器24形成负峰值光强分布的结晶方法，可相对容易地确定形成晶粒的位置。光电检测器42和图像增强器43暂时地从成像光学系统41的光学路径移开。随后，将成像器件44移至显微成像光学系统41的位置，以便按照以下方式正确定位衬底26。例如，根据对准标记将衬底26置于X-Y-Z固定台27上预定位置。在参考对准标记进行位置精确调整后，可以开始结晶过程。在显示部件45c的屏幕上显示结晶过程，并根据显示器确定正在结晶的半导体膜的位置。当检测到偏移时，如果偏移超出可接受量，则图像处理部件45可根据对准标记自动检测偏移并进行校正。此外，在每次照射结晶激光时，可以自动实现偏移校正，用于精调。更进一步，基于对准标记的偏移校正的结果也被反馈到之后将执行的抗曝光过程。

以下，说明在激光结晶设备中使用的各种显微观察系统中，本发明使用反射型显微观察系统的原因。通常，显微观察系统包括使用由衬底26反射的反射光的系统和使用透射光的系统。在显微物镜直接会聚观察光的显微观察系统中，显微物镜必须置于反射型和透射型衬底26的附近。需要显微物镜的确切尺寸。这引起一个问题，就是即使是在从照射结晶激光相同的一侧倾斜地为衬底26施加观察照明光的反射方法中，正如下文中所述的，也很难在不阻挡结晶激光光学路径的情况下，将显微物镜设置在激光结晶光学系统25和衬底26之间的空间内。在从后面倾斜地施加观察光的方法中，也存在一些问题，如由诸如玻璃衬底的衬底26的后表面所反射的反射光会变成噪音，以及由通过玻璃衬底倾斜透射所执行的聚焦是很难的。

反射型观察照明光学系统3具有以下优点，所述光学系统采用具有窗孔以便不阻挡结晶激光光学路径的反射环形光学元件3A，并利用与结晶激光同轴的观察光进行照明。例如，所述优点包括由于缺少透镜的吸收而引起观察光的小损失，没有色差，并且不使用显微物镜而能够进行成像。因此，相比于观察光倾斜进入并且上述观察光直接由显微物镜会聚的显微观察系统，使用反射型观察照明光学系统3的反射型显微观察系统作为激光结晶设备1的显微观察系统是适合的。

类似于上述使用反射型观察照明光学系统3的反射型显微观察系统，对于光学设置而言透射显微观察系统是适合的，该透射显微观察系统采用类似环形光学元件3A，以从相同的侧面照射与结晶激光同轴的观察照明光，并且在所述系统中将显微物镜设置在后表面上。可是，这种系统也存在一些限制，例如衬底26存在其由透射可见光的材料制成，通过观察光的窗孔必须被设置在固定衬底26的衬底固定台27上，以及台27的后面部分不能用于其它目的。

进一步，将被处理的衬底26上的半导体膜(例如非晶硅薄膜、多晶硅薄膜)在熔化时变成金属的，并且可见光的反射比很高。另一方面，未熔化的硅膜和结晶硅薄膜能够非常好地透射红色可见光，使得反射比变低。在这方面，使用用于观察的反射光的方法适用于硅薄膜如何被熔化和结晶的高对比度观察。

本实施例中所述的显微观察光学系统4不仅具有上述的构造，而且具有根据以下所述的被省略的构造部分或是其它构造。

在一种修改方案中，在条纹管42包括加速电极42d或电子乘法器42e，并且作为条纹管42输出的主图像的强度对于CCD成像器件44的敏感度是足够时，或者在CCD成像器件44的敏感度非常高时，可省略图像增强器43。

在另一修改方案中，使用俗称的门控CCD成像器件44，其具有省略条纹管42并且集成图像增强器43和CCD成像器件44的结构。门控CCD成像器件仅在预定时刻为光电子乘法器施加电压，以便在荧光屏上记录该此刻的二维图像，进而通过CCD成像器件44获得二维图像数据。因此，对照使用条纹管42的情况，可在预定区域内获得顺序数据。可是，运用几纳秒级的高瞬时分辨率控制为光电子乘法器42e施加的高电压，以便在预定时刻，在宽观察区域内获得二维图像。

本发明不限于上述实施例，并且可进行修改。此外，在使用过程中可省略本发明的一部分。

例如，可省略用于校正激光结晶设备1的衬底偏移的机构，以便在不把观察结果反馈给激光结晶设备1的情况下，提供简单地观察半导体膜随时间熔化和结晶的变化。

如上所述，根据本发明，能够通过图像以几μm的高空间分辨率和纳秒级的高瞬时分辨率实时观察和测量半导体膜的熔化和结晶，或在结晶之后立即进行观察和测量。此外，例如通过根据观察结晶进行反馈，可提供激光结晶设备和结晶方法，其中结晶过程稳定并有效地实现结晶以产生高质量的半导体膜。

本发明不限于上述实施例，并且在不脱离本发明精神的情况下，可在实施阶段中进行各种修改。此外，上述实施例包括各种阶段，以及通过将公开的多个组成要求进行适当组合而获得各种类型的发明。例如，可以从实施例中示出的一些组成要求中删除了一些组成要求。

已经给出在此公开的上述实施例，可使本领域的任意技术人员能够制造和使用本发明。本领域的技术人员能够很容易地实现这些实施例的各种修改。

对于本领域技术人员来讲，很容易地想到其他优点和修改。因此，本发明在其广泛的方面不限于在此示出和说明的特定细节和代表性实施例。因此，在不脱离所附权利要求及其等价物限定的总的发明原理的精神和范围的情况下，可进行各种修改。

Claims

1、一种激光结晶设备，包括结晶光学系统，该结晶光学系统将激光照射到设置在衬底上的薄膜上并熔化和结晶该薄膜，所述激光结晶设备的特征在于包括：

照明光源，设置在所述激光的光学路径之外，并且发射用于观察的照明光，以照亮所述薄膜；

照明光学系统，包括环形光学元件，所述环形光学元件在中心处具有所述激光的所述光学路径，并将所述照明光沿所述光学路径从所述照明光源引导至所述薄膜上；和

观察光学系统，其以放大的图像来显示包括所述薄膜的所述衬底的图像。

2、根据权利要求1所述的激光结晶设备，其特征在于：所述环形光学元件包括环形平面反射镜，该环形平面反射镜设置在所述激光的所述光学路径上，并反射及引导来自所述照明光源的所述照明光到达所述薄膜。

3、根据权利要求1所述的激光结晶设备，其特征在于：所述环形光学元件包括环形凹反射镜和/或环形凸反射镜，其设置在所述激光的所述光学路径上，并反射及引导来自所述照明光源的所述照明光到达所述薄膜。

4、根据权利要求1所述的激光结晶设备，其特征在于：所述照明光学系统包括设置在所述光学路径之外的一个或多个透镜和/或半反射镜，并且所述透镜和/或半反射镜引导来自所述照明光源的所述照明光经由所述环形光学元件到达所述薄膜。

5、根据权利要求1所述的激光结晶设备，其特征在于：所述环形光学元件包括分别设置在所述激光的所述光学路径上的环形平面反射镜及环形凹反射镜和/或环形凸反射镜，所述环形平面反射镜反射并引导来自所述照明光源的所述照明光到达所述环形凹反射镜和/或环形凸反射镜，并且所述环形凹反射镜和/或环形凸反射镜反射并引导由所述环形平面反射镜所反射的所述照明光到达所述薄膜。

6、根据权利要求5所述的激光结晶设备，其特征在于：所述照明光学系统包括设置在所述光学路径之外的一个或多个透镜和/或半反射镜，并且所述透镜和/或半反射镜引导来自所述照明光源的所述照明光经由所述环形光学元件到达所述薄膜。

7、根据权利要求6所述的激光结晶设备，其特征在于：所述观察光学系统包括：

包括所述环形光学元件的显微光学系统，其放大并成像设置在所述衬底上的所述薄膜中的激光照射区域的熔化或结晶状态的至少一个图像，或者正在变化的熔化或结晶状态的至少一个图像；和

成像器件，其拾取由所述显微光学系统扩展的所述薄膜的所述图像。

8、根据权利要求6所述的激光结晶设备，其特征在于：所述观察光学系统包括：

包括所述环形光学元件的显微光学系统，其在光电子表面上放大和成像设置在所述衬底上的所述薄膜中的激光照射区域的熔化或结晶状态的至少一个图像，或正在变化的熔化或结晶状态的至少一个图像；

光电检测器，其倍增在所述光电表面中产生的电子并引导所述电子到荧光屏上，以形成荧光图像；和

成像器件，其拾取所述光电检测器的所述荧光图像。

9、根据权利要求1所述的激光结晶设备，其特征在于：所述激光是准分子激光，并且其中所述结晶光学系统包括相位调制元件，所述相位调制元件将入射的准分子激光相位调制成具有预定光强分布的光，其中已经穿过所述相位调制元件的所述激光照射所述薄膜。

10、根据权利要求9所述的激光结晶设备，其特征在于：所述观察光学系统包括：

包括所述环形光学元件的显微光学系统，其放大并成像设置在所述衬底上的所述薄膜中的激光照射区域的熔化或结晶状态的至少一个图像，或正在变化的熔化或结晶状态的至少一个图像；和

11、根据权利要求9所述的激光结晶设备，其特征在于：所述观察光学系统包括：

成像器件，用于拾取所述光电检测器的所述荧光图像。

12、根据权利要求1所述的激光结晶设备，其特征在于：所述观察光学系统包括：

13、根据权利要求12所述的激光结晶设备，其特征在于：所述光电检测器为条纹管。

14、根据权利要求12所述的激光结晶设备，其特征在于：所述成像器件为冷却CCD成像器件。

15、根据权利要求1所述的激光结晶设备，其特征在于：所述观察光学系统包括：

光电检测器，其倍增加在所述光电表面中产生的电子并引导所述电子到荧光屏上，以形成荧光图像；和

成像器件，用于拾取所述光电检测器的所述荧光图像。

16、根据权利要求15所述的激光结晶设备，其特征在于：所述光电检测器为条纹管。

17、根据权利要求1所述的激光结晶设备，其特征在于：所述观察光学系统与所述照明光学系统共享所述光学元件的一部分。

18、根据权利要求1所述的激光结晶设备，其特征在于：还包括：

图像处理部件，用于处理由所述观察光学系统检测的所述图像；

台驱动器，其具有根据由所述图像处理部件获得的所述衬底的位置数据来调节所述衬底的位置的功能。

19、根据权利要求1所述的激光结晶设备，其特征在于：所述薄膜是非晶硅膜或多晶硅膜。

20、一种激光结晶的方法，其特征在于包括：

发射激光；

将所述激光照射到设置在衬底上的薄膜上，以使所述薄膜熔化和结晶；

沿所述激光的光学路径，利用观察照明光来照亮激光照射的区域，其中经由反射型环形光学元件，将所述照明光引导至所述薄膜，所述环形光学元件与所述激光的光学路径同轴地设置并穿过所述激光，其中所述激光的所述光学路径设置在中心处；

放大并成像来自所述薄膜的反射的观察照明光，作为所述薄膜中的熔化或结晶状态的至少一个图像；以及

拾取所述放大的图像。

21、根据权利要求20所述的激光结晶方法，其特征在于：在将所述激光照射到所述薄膜期间或在将所述激光照射到所述薄膜之后，实现所述观察照明激光对所述薄膜的照明。

22、根据权利要求20所述的激光结晶方法，其特征在于：拾取所述图像的步骤还包括：

将所述放大的图像用作图像数据，其中所述放大的图像是所述薄膜中的熔化或结晶状态的至少一个图像，或正在变化的熔化或结晶状态的至少一个图像；

处理所述薄膜的所述图像数据；

根据图像处理的结果，计算所述衬底的位置数据；以及

根据所述位置数据，调节所述衬底的位置。

23、根据权利要求20所述的激光结晶方法，其特征在于：所述衬底是玻璃衬底，并且所述薄膜是形成在所述玻璃衬底上的非晶硅膜或多晶硅膜。