CN1708831A - 结晶膜以及利用激光制造结晶膜的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一个表面上具有由非晶态材料制成的薄膜的工件。向该薄膜施加脉冲激光束，该脉冲激光束在沿该薄膜的表面上沿一个方向具有细长形光束截面，通过该脉冲激光束，该薄膜被熔融，之后使该薄膜凝固。在第一带状区域内连续形成沿光束截面的长轴方向排成链的晶粒，该第一带状区域沿光束入射区域的长轴方向延伸，并处在光束入射区域中位于其中心线与沿长轴方向延伸的光束入射区域的边界之间的区域中，且与所述边界和中心线隔开一定距离。

Description

结晶膜以及利用激光制造结晶膜的方法
技术领域
本发明涉及多晶膜制造方法以及结晶膜，特别是涉及通过向非晶态膜照射激光束来使其结晶的结晶膜制造方法以及由此方法制造的结晶膜。
结晶膜可被用于低温多晶TFT液晶显示器、太阳能电池板、纸型液晶显示器和有机EL显示器等。
背景技术
连续横向固化(SLS)技术是已知的，它包括向非晶硅薄膜施加受激准分子激光以使其反复熔融和凝固并在横向(薄膜的面内方向)生长晶体。下面对传统SLS技术进行详细描述。
脉冲激光束在其横截面被制成细长形之后穿过例如约3-30μm宽、100μm长的缝隙。穿过缝隙的脉冲激光束被导入光学聚焦系统，光学聚焦系统将缝隙聚焦在非晶硅薄膜的表面上。脉冲激光束变成入射到非晶硅膜上。此光学聚焦系统的放大倍数为例如1/3。激光束在非晶硅膜表面上的照射区域宽约1-10μm，长约33μm。照射区域的光束强度分布沿宽度方向大约呈矩形。
当激光束变成入射到非晶硅膜上时，非晶硅熔融。由于接近熔融区边界处的冷却速度比熔融区内部快，凝固是从边界附近开始的。凝固区域变成一晶核，从而晶体由此晶核向熔融区内部生长。由于晶体生长开始于照射区域的两个较长侧的边界，在照射区域的中心附近形成一个沿其宽度方向位于从两个边界开始生长的晶粒之间的晶粒边界。
通过沿宽度方向将脉冲激光束入射区域移动大约该宽度的50％来施加第二脉冲激光束。在由第一脉冲激光束在照射区域的中心附近形成的晶粒边界的一侧的一个区域被再次熔融。此区域内未再次熔融的晶粒变成籽晶，由此晶体在再熔融区域生长。
通过在移动脉冲激光束的入射区域的同时反复进行激光照射，可以沿照射方向的移动方向生长晶体。
下列文献1-3公开了使用Nd:YAG二次谐波激光、光束截面呈直线型以及激光束被施加于非晶硅层上以沿横向生长晶体等技术。下列文献4和5公开了使用受激准分子激光器以及通过图案掩膜将激光束施加于非晶硅层上以沿横向生长晶体等技术。
(文献1)JPA-2000-260731
(文献2)JPA-2000-286195
(文献3)JPA-2000-286211
(文献4)JPA-2000-505241
(文献5)JPA-2001-274088
迄今为止，人们一直期望掌握形成大晶粒的技术。本发明的目的是提供一种横向生长晶体的新技术。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种多晶膜制造方法，其包括以下步骤：(a)制备一个表面上具有由非晶态材料制成的薄膜的工件；(b)向该薄膜施加脉冲激光束，以将该薄膜熔融，该脉冲激光束在该薄膜表面上沿一个方向具有细长形光束截面，之后使薄膜凝固，以在沿光束入射区域的长轴方向延伸的第一带状区域内形成晶粒，所述第一带状区域位于该光束入射区域中处于其中心线和沿长轴方向延伸的光束入射区域的边界之间的区域中，且与所述边界和中心线隔开一段距离，该晶粒沿长轴方向排成链。
根据本发明的另一方面，提供一种多晶膜制造方法，其包括以下步骤：(i)制备一个表面上具有由非晶态材料制成的薄膜的工件；(j)向该薄膜施加脉冲激光束，以将该薄膜熔融，该脉冲激光束在该薄膜表面上沿一个方向具有细长形光束截面，之后使所述薄膜凝固和多晶化，在这样的条件下施加脉冲激光束，以使晶粒产生于由光束入射区域的中心线和与所述沿长轴方向延伸的光束入射区域的边界隔开一段距离的虚拟线界定的第一带状区域之内、晶粒沿长轴方向排成链、而且在中心线一侧的第一带状区域内产生的晶粒与在中心线另一侧的第一带状区域内产生的晶粒接触，其中在沿长轴方向延伸的各第一带状区域的外边界处，沿光束入射区域的短轴方向的脉冲激光束的脉冲能量密度梯度等于或小于280mJ/cm2/μm。
根据本发明的另一方面，提供一种多晶膜制造方法，其包括以下步骤：(p)制备一个表面上具有由非晶态材料制成的薄膜的工件；(q)向该薄膜施加脉冲激光束，以将该薄膜熔融，该脉冲激光束在该薄膜表面上沿一个方向具有细长形光束截面，之后使薄膜凝固和多晶化，该脉冲激光束具有这样的光束分布，其中熔融区域的边界处的脉冲激光束的脉冲能量密度梯度为280mJ/cm2/μm或更小。
通过在上述条件下进行脉冲激光束照射，可以获得大晶粒。
附图说明
图1是本发明的实施例所使用的激光退火系统的示意性平面图。
图2A是一工件的横截面视图和第一实施例所使用的脉冲激光在工件表面上的脉冲能量密度分布图，图2B是一个多晶化工件的平面示意性平面图。
图3是根据第一实施例的方法制造的多晶膜的SEM照片的草图。
图4A是熔融硅的温度与晶体生长速度的关系图，图4B是温度与晶核形成率(晶核形成因子)的关系图。
图5A是光束截面的宽度与晶粒尺寸(粒径)之间的关系图，图5B是脉冲能量密度分布梯度与晶粒尺寸之间的关系图。
图6是脉冲宽度与晶粒尺寸之间的关系图。
图7是当两道脉冲激光束施加于同一区域时激光束波形的一例子的视图。
图8A-8G是在根据第二实施例的多晶膜制造方法的制造过程中的薄膜的横截面示意图。
图9是根据第二实施例的方法制造的多晶膜的SEM照片的草图。
图10是每道照射的晶体生长长度与使整个区域多晶化所需的重叠率之间的关系图。
图11是波长与单晶硅和非晶硅的吸收系数的关系图。
图12A是多晶化区域与根据第三实施例的多晶膜制造方法所使用的脉冲激光束的脉冲能量密度分布之间的关系图，图12B是所制造的多晶膜的示意图。
图13A是多晶化区域与根据第四实施例的多晶膜制造方法所使用的脉冲激光束的脉冲能量密度分布之间的关系图，图13B是所制造的多晶膜的示意图。
图14是一工件基底和一用于根据第五实施例的多晶薄膜制造方法所使用的光屏蔽板的横截面视图以及脉冲能量密度分布图。
图15A-15C是示出了第五实施例的多晶膜制造方法中的多晶化如何进行的示意图。
图16是一工件基底和一用于根据第六实施例的多晶薄膜制造方法所使用的光屏蔽板的横截面视图以及脉冲能量密度分布图。
图17A-17C是示出了第六实施例的多晶膜制造方法中的多晶化如何进行的示意图。
具体实施方式
图1是本发明的实施例所使用的激光退火系统的示意图。该激光退火系统包括处理室40、传送室82、转移室83和84、激光源71、均质器72、CCD摄像机88和视频监视器89。在处理室40上安装了一个直线运动机构60，它包括波纹管67、连接件63和65、线性导向机构64和线性马达66等。该直线运动机构60可以使位于处理室40中的工作台44进行平移运动。
处理室40与传送室82通过闸门阀85相连，传送室82与转移室83通过闸门阀86相连，而传送室82与转移室84通过闸门阀87相连。处理室40和转移室83、84分别装有真空泵91、92和93，以使各个室的内部可以抽真空。
传送室82内装有传送机械手94。传送机械手94将工件基底在处理室40和转移室83、84中的任意两室之间传送。
穿过处理室40的上壁形成一个激光束传输石英窗38。除石英之外，也可以使用光学玻璃如BK7。从激光源71输出的脉冲激光束进入衰减器76，然后被输入均质器72。均质器72将激光束的横截面形成为细长形并将激光束的强度沿其纵轴均一化。穿过均质器72的激光束透过具有与光束截面相对应的形状的细长形石英窗38，并入射到保持在处理室40内的工作台44上的基底上。调整均质器72和基底的相对位置，以使基底表面与均质化的平面相一致。
由直线运动机构60驱动的工作台44的平移运动方向与石英窗38的纵向垂直。因此，可以向基底表面上更宽的区域施加激光束和使形成于基底表面上的非晶态半导体膜多晶化。用CCD摄像机88对基底表面摄像，从而可以在视频监视器89上观察到正在进行处理的基底表面。
下面将参照图2A、2B和图3对第一实施例的多晶膜制造方法进行说明。
图2A是工件样品1的横截面视图和激光束在工件1的表面上沿短轴方向的脉冲能量密度分布图。工件1具有由以下部分构成的三层构造：0.7mm厚的玻璃基底2；覆盖玻璃基底的表面的100nm厚的二氧化硅膜3；以及形成于二氧化硅膜上的50nm厚的非晶硅膜4。二氧化硅膜3通过例如化学气相沉积(CVD)或溅射形成。非晶硅膜4通过例如低压CVD(LP-CVD)或等离子增强CVD(PE-CVD)形成。
光束截面中沿短轴方向的脉冲能量密度分布5可以由高斯分布来近似。非晶硅膜4在一施加了脉冲能量密度等于或高于可使非晶硅完全熔融的临界值Eth的激光束的区域6上完全熔融。“完全”一词指硅膜在整个厚度上均被熔融。
在区域6之外的脉冲能量密度在临界值Eth和值Ec之间的区域12内，硅膜部分熔融。“部分”一词指尽管一部分硅膜被熔融，但还存在一部分硅膜没有熔融并仍然保持非晶相。在脉冲能量为Ec的位置之外的区域9中，非晶硅膜4没有熔融。当熔融的硅凝固时，形成硅晶粒。
发明人发现了以下现象。在脉冲能量密度临界值Eth的位置附近的带状区域7中形成了相对较大的晶粒，在带状区域7内部的区域8中形成了细小晶粒，在区域12中晶粒随机分布，区域12中的晶粒具有介于区域8中的晶粒尺寸和区域7中的晶粒尺寸之间的中等尺寸，短语“晶粒尺寸”指分布在每个区域中的晶粒的平均尺寸。
图2B是施加脉冲激光束的区域的示意图。图2B中的垂直方向与光束入射区域的长轴相对应。带状区域7位于中心线11和沿光束入射区域的长轴延伸的边界10之间。带状区域7与光束入射区域的边界10隔开一段距离。多个晶粒13被形成并沿长轴方向排成链。
沿短轴方向的脉冲激光束的强度分布可以用高斯分布近似。沿短轴的强度分布的半值宽度在这里称作光束宽度。与高斯分布的裙部相对应的光束分量实际上还施加在与工件表面上的光束宽度相对应的区域的两个外侧上。光束入射区域的边界10可以定义为例如脉冲能量密度变为最大值的10％时的位置。
图3是由多晶化硅膜的扫描电子显微镜照片(SEM照片)所勾画出的简图。入射脉冲激光束是Nd:YLF激光的二次谐波(527nm或524nm的波长)且其脉冲宽度为100ns。在工件表面上沿长轴方向的光束截面的长度为5mm，光束宽度为0.2mm。
向同一区域同时施加了两个脉冲激光束，它们在工件表面上的脉冲能量密度为500mJ/cm2。因此有效脉冲能量密度为1J/cm2。脉冲能量密度用脉冲能量除以工件表面上的光束截面面积来计算。
可以看到，在带状区域7中形成了相对较大晶粒，该大晶粒沿长轴方向排成链。每个晶粒的长度沿短轴方向大约为1.5-2μm，沿长轴方向大约为0.7-1.5μm。在两个带状区域7之间的区域8中形成了多个细晶粒。
可以看到，在带状区域7之外的区域12中，晶粒呈随机分布，尺寸大于区域8中的细晶粒并小于带状区域7中的晶粒。位于随机分布晶粒区域12之外的区域9仍保持非晶相。通过显微镜观察，可以通过颜色差异发现这些区域之间的边界。
下面，将对如何形成图3所示具有不同尺寸的晶粒的机制的研究进行说明。
图4A是温度与硅晶体的生长速度的关系图，图4B是温度与晶体生长所需的晶核形成率的关系图。图4A的纵坐标代表生长速度，单位为“m/s”，图4B的纵坐标代表晶核形成率，单位为“1/cm3·s”，图4A和4B的横坐标代表温度，单位为“K”。图4A和4B所示的图是用Daiji ICHISHIMA(Sumitomo Heavy Industries，Ltd)在21st FEM研讨会的材料，vol.22，pp.27-32，the Simulation Integration System Sectional Committee，TheJapan Society for Technology of Plasticity，July14，1999中所述的“MicroAnalysis of Dynamic Crystal Growth Process of Polycrystal”方法绘制的。
如图4A所示，在单晶硅的熔点(1683K)处生长速度为0，随着温度的降低，生长速度增大。在1500K的温度附近，生长速度达到最大值。因此，熔融硅的温度越低，生长速度也就越快。生长速度还取决于固相和液相之间的界面处的温度梯度，温度梯度越陡，生长速度越快。
如图4B所示，随着温度从硅熔点降低，晶核形成率变大，并在600K的温度附近达到最大值。
图3所示的带状区域7被认为具有能够提供低晶核形成率和高生长速度的适当温度并在固液相界面处提供了适当的温度梯度。位于带状区域7和非晶区9之间的区域12被认为由于其温度比带状区域7低，所以具有高的晶核形成率，且由于在固液相界面处温度梯度平缓，所以具有更慢的生长速度。可以认为，此区域内的晶粒不能变大，因为在晶粒长大之前形成了多个晶核。
可以认为，在细晶区域8，由于温度低，所以晶核是爆炸式形成的，且晶核的形成比生长速度更占主导地位。当温度降低到晶核形成率突然变高的温度时，带状区域7内的晶体生长受到新生成晶核的妨碍，晶体生长停止。晶体生长停止的位置被认为位于带状区域7和细晶区域8之间的边界处。
更具体地说，可以认为，在区域12中，来自在熔融层和下层之间的界面处所形成的晶核的晶体生长(非均匀生长)变成主导，而在细晶区域8中，来自在熔融层中所形成的晶核的晶体生长(均匀生长)变成主导。大晶粒被认为沿非均匀生长主导区域和均匀生长主导区域之间的边界处形成。
为形成大晶粒，必须将熔融区域设定成可提供快速生长速度和低晶核形成率的适当温度梯度和温度。如果在图2A所示的带状区域内温度梯度很陡，则保持适当温度的区域变窄，难以形成大晶粒。为形成大晶粒，优选使带状区域7附近的脉冲能量密度分布平缓一些。
如果脉冲能量密度分布的梯度太陡，则晶核形成率增大。相反，如果脉冲能量密度分布的梯度太平缓，则生长速度降低。因此，认为存在一些脉冲能量密度分布梯度既不太陡也不太平缓的范围，以在固液相界面处设定可提供快速生长速度和低晶核形成率的适当温度和适当温度梯度。
下面，参照图5对优选的脉冲能量密度分布曲线进行说明。
图5A显示了晶粒尺寸与工件表面上的光束宽度之间的关系。横坐标代表单位为“μm”的光束宽度，纵坐标代表单位为“μm”的晶粒尺寸。晶粒尺寸使用日本专利申请JP 2001-297983中所公开的晶体生长测定程序计算。
工件是100nm厚的二氧化硅膜和形成于所述二氧化硅膜上的50nm厚的非晶硅膜。在脉冲激光束波长为527nm和脉冲宽度(半值宽度)为140ns的条件下，对总宽度为6μm的光束入射区域中的区域进行模拟，其中位于脉冲能量密度是峰值一半的位置的外侧的宽度为1μm，位于脉冲能量密度是峰值一半的位置的内侧的宽度为5μm。此设定是基于脉冲能量密度分布梯度在脉冲能量密度变为峰值一半的位置处达到大约最大值，且在此区域形成了大晶粒。
光束入射区域沿短轴方向的强度分布设定成具有高斯分布。在不同峰值强度下对四个光束截面宽度：5.0μm、8.3μm、16.7μm和83.0μm分别进行模拟。在形成最大晶粒的条件下的晶粒尺寸被用作在该光束宽度下的晶粒尺寸。在脉冲能量密度最大值为1100mJ/cm2、1400mJ/cm2、1500mJ/cm2和1500mJ/cm2的条件下，分别在光束截面宽度为5.0μm、8.3μm、16.7μm和83.0μm时形成了最大晶粒。
图5B显示了晶粒尺寸与脉冲能量密度为峰值强度一半处的脉冲能量密度分布梯度的关系。图5B是通过计算图5A所示的各个测定点处的脉冲能量密度分布梯度而形成的。
如图5B所示，随着脉冲能量密度分布从20mJ/cm2/μm升高，晶粒尺寸逐渐增大。这可以归因于更快的晶体生长速度。但是，晶体尺寸在脉冲能量密度分布梯度为170mJ/cm2/μm附近达到最大值，随着梯度变得大于此值，晶粒变小。这可以归因于由于脉冲能量密度梯度变陡，固液相界面处的温度梯度也变陡且横向热消散使生长速度增大。即，可以认为由于达不到充分长的晶体生长时间，所以在晶体长大之前形成了多个晶核。
当形成图3所示的多晶薄膜时，在脉冲能量密度为500mJ/cm2的位置处的梯度为13mJ/cm2/μm。沿短轴方向，图3所示的带状区域7内的晶粒尺寸为大约1.5-2μm，与图5B所示的模拟结果的趋势几乎相同。在梯度为18mJ/cm2/μm的情况下，获得了与图5B所示的模拟结果几乎相同的趋势。如果在脉冲能量密度为500mJ/cm2处的梯度为10mJ/cm2/μm或更陡，则可以预期会获得与图5B所示模拟结果几乎相同的趋势。
由图5B所示的模拟结果可以判断，为形成大晶粒，优选将图2A和2B所示的带状区域7处(更严格地说，是带状区域7的外边界处)的脉冲能量密度分布设定为280mJ/cm2/μm或更平缓。同样优选将梯度设定为10mJ/cm2/μm或更陡。使用100nm厚的非晶硅膜进行了类似的模拟，并获得了与厚度为50nm时几乎相同的趋势。
在第一实施例中，如图2B所示，向晶粒随机分布的区域12施加了位于裙部的强度较高的激光束分量。由于在区域12中施加了强度较高的激光束，所以此区域的温度升高。因此，带状区域的温度和固液相界面处的温度梯度满足适于形成大晶粒的条件。优选将区域12的宽度设定为12-15μm或更宽，以获得足够的晶粒尺寸增大效果。
下面将参照图6对脉冲宽度与晶粒尺寸之间的关系进行说明。
图6显示了晶粒尺寸与脉冲宽度之间的关系。横坐标代表单位为“ns”的脉冲宽度，纵坐标代表单位为“μm”的晶粒尺寸。晶粒尺寸使用上文所引用的晶粒测定程序计算。
工件和脉冲激光束波长与参照图5进行说明时的条件相同。工件表面上的光束宽度设定为16.7μm。模拟方法与参照图5进行说明时所用的方法类似。
可以理解，当脉冲宽度变宽时，晶粒尺寸变大。这可以归因于当脉冲宽度变宽时，温度的下降变得平缓，因此熔融区域被更久地保持在适当的温度。但是，如果在恒定脉冲能量的条件下脉冲宽度变宽，则脉冲激光束的峰值强度降低，从而不能保持充分的功率密度。因此，脉冲宽度的上限受所用激光源的输出特征限制。
如果用受激准分子激光器作为激光源，则脉冲宽度通常为70ns或更窄。通常，全固态激光器如Nd:YLF激光器的脉冲宽度为20-30ns或100ns或更宽。为形成大晶粒，优选使用脉冲宽度为100ns或更宽的激光器。
为使硅熔融区域的温度状态达到最佳化，上述研究注意了脉冲能量密度的分布曲线和脉冲宽度。温度状态还可以通过在被第一个脉冲激光束熔融的区域凝固前向同一区域施加第二个脉冲激光束来控制。
图7显示了施加到工件上的激光束的波形的一个例子。横坐标代表经过时间，纵坐标代表激光束的强度。在t1时间施加了一个脉冲激光束S1作为第一道照射，在t2时间施加了一个脉冲激光束S2作为第二道照射。第一和第二道脉冲激光束的脉冲宽度(半值宽度)分别为PW1和PW2。在图7所示的例子中，尽管设定的第二道脉冲激光束的峰值强度低于第一道脉冲激光束，但两个峰值强度可以相同。
当施加了图7所示的第一道脉冲激光束S1之后，非晶硅膜被熔融。随着温度降低，形成晶核，从而由这些晶核生长成晶粒。在温度降低到晶核形成率变大的温度之前，施加第二道脉冲激光束S2，以再次加热同一区域。第二道激光束抑制晶核形成，从而晶体生长可以继续。因此可以形成大晶粒。
在通过第一道激光束入射熔融的区域完全凝固之前，施加第二道脉冲激光束S2。例如，从第一道激光束入射到第二道激光束入射的延迟时间设定为约300-1500ns。如果用全固态激光器作为激光源，则可以比使用受激准分子激光器更容易控制延迟时间。如下面所述，晶粒一旦形成，就比非晶相区域更难熔融。因此，晶粒一旦形成就很难被第二道脉冲激光束入射再次熔融。
例如，当施加脉冲能量密度峰值为1300mJ/cm2、脉冲宽度为140ns且光束宽度为16.7μm的脉冲激光束时，晶粒尺寸为约2.1μm。相比之下，当在第一道激光束的脉冲能量密度峰值为1300mJ/cm2，第二道激光束的脉冲能量峰值为700mJ/cm2且延迟时间为900ns的条件下多晶化之后，晶粒尺寸为约4.4μm。可以通过施加具有一定延迟时间的两道脉冲激光束来使晶粒变大。
在通过第一道脉冲激光束熔融的区域凝固之前施加第二道脉冲激光束的方法在此被称作双脉冲法。更概括地讲，在熔融的硅凝固之前施加两道或两道以上脉冲激光束的方法在此被称作多脉冲法。
第一实施例的方法不使用掩膜来使激光束的强度分布最平缓。因此激光束的能量利用效率可以得到提高。
通过第一实施例的方法，可以形成一个其中晶粒沿第一方向排成链的晶粒柱。在沿垂直于第一方向的方向上晶粒的平均尺寸可以设定为1.5μm或更大。
下面，对第二实施例进行说明，其中由第一实施例形成的晶粒在基底面内方向(in-plane direction)上进一步变宽。
图8A-8G是说明如何生长晶粒的示意图。图8A-8G中的每一个显示了硅膜的横截面，且图8A-8G的横向对应于脉冲激光束在入射区域内的短轴方向。
如图8A所示，当使用第一实施例的方法施加一脉冲激光束时，在两个带状区域7中形成了多个沿长轴方向(垂直于图纸的方向)排成链的晶粒。在位于两个带状区域7之间的区域8内形成了细晶粒。每个带状区域7的宽度例如为4μm。如图5A和5B所示，通过最佳化激光束入射条件，可以形成尺寸约为4μm的晶粒。
图8B显示了通过沿短轴方向移动激光束入射位置15μm施加第二道激光束之后的结晶状态。例如，如果光束宽度为100μm且移动距离为15μm，则重叠率为85％。
在带状区域7沿激光束移动的方向移动15μm的位置处形成了具有连续晶粒的带状区域20。带状区域20的宽度为4μm。尽管在两个带状区域20之间的区域内的非晶硅膜、细晶粒和小晶粒被熔融，但带状区域7内的大晶粒很难被熔融。事实上，尽管带状区域7内的晶粒被部分熔融，但仍剩下一些晶粒保持原样。随着温度降低，带状区域7内剩下的晶粒变成籽晶，从而发生晶体生长。
假定晶体生长发生到与由第一道激光束形成的晶粒的尺寸相同的程度，生长在带状区域7的两侧生长的晶粒长度为约4μm。因此，在位于激光束运动方向前侧的带状区域7的周围形成了宽度为约12μm的多晶区域7a。处于带状区域7a和位于激光束运动方向前侧的带状区域20之间的细晶区域15的宽度为约7μm。靠近位于激光束运动方向后侧的带状区域的非晶硅膜、细晶粒和小晶粒未被熔融，因此没有发生晶粒生长。
图8C显示了通过沿短轴方向移动激光束入射位置15μm施加第三道激光束之后的结晶状态。
在带状区域20沿激光束移动的方向移动15μm的位置处形成了具有连续晶粒的带状区域21。带状区域21的宽度为4μm。通过利用带状区域7a和位于激光束运动方向前侧的带状区域20中的晶粒作为籽晶，进一步发生了晶粒生长。
从带状区域7a向移动方向的后侧形成了宽约4μm的晶粒。同时，从带状区域20向激光束移动方向的前侧生长了宽约4μm的晶粒。在位于带状区域7a和带状区域20之间的区域15中，从两侧向中央发生了晶体生长。由于区域15的宽度为约7μm，所以当晶体生长从两侧生长3.5μm时，晶粒彼此碰撞使晶体生长停止。
这样，就形成了一个包含带状区域7a的宽19.5μm的带状区域7b，也形成了一个包含带状区域20的宽11.5μm的带状区域20a。在带状区域7b和20a内形成了多个沿长轴方向排成链的晶粒。沿区域15的中心线16形成了一晶粒边界。由于晶粒彼此碰撞，因此在中心线16的位置处形成了一个山脉状的突起。
图8D显示了通过沿短轴方向移动激光束入射位置15μm施加第四道激光束之后的结晶状态。
在带状区域21沿激光束移动的方向移动15μm的位置处形成了带状区域22。通过利用带状区域20a内的晶粒作为籽晶，晶体在沿激光束移动方向的前侧生长，且通过利用带状区域21内的晶粒作为籽晶，晶体在该带状区域的两侧生长。由此，形成了一个宽15μm的带状区域20a和一个宽11.5μm的带状区域21a。
图8E-8G显示了通过每次沿短轴方向移动激光束入射位置15μm施加第五-七道激光束之后的结晶状态。
第五道激光束形成了一个新带状区域23，并同时使带状区域21a和22变宽而形成带状区域21b和22a。第六道激光束使带状区域22a和23变宽而形成带状区域22b和23a。第七道激光束使带状区域23a变宽而形成带状区域23b。
这样，通过激光束入射位置每次沿短轴方向移动反复施加激光束，可以将几乎整个非晶硅膜多晶化。
图9是根据图8A-8G所述方法制造的多晶薄膜的SEM照片的示意图。可以观察到多个带状区域25。带状区域25宽约15μm，且在带状区域25内形成了多个沿长轴方向排成链的晶粒。相邻带状区域25之间的边界处形成了山脉状的突起26。
下面，参照图10，对使整个非晶硅膜多晶化的条件进行说明。由于脉冲激光入射位置移动时重叠率降低，所以图8B所示的细晶区域15的宽度变宽。在这种情况下，激光束入射区域在由此区域两侧生长的晶粒彼此碰撞之前移出区域15。此外，即使重叠率保持不变，如果每道激光束下晶体生长的长度变短，则也会发生同样的现象。因此，如果每道激光束照射下的晶体生长长度很短，则要求重叠率很高。
图10显示了每道激光束照射下的晶体生长长度与所需的重叠率之间的关系。横坐标代表每道激光束照射下的晶体生长长度，单位为“μm”，纵坐标代表重叠率，单位为“％”。例如，如果每道激光束照射下的晶体生长长度为10μm，则重叠率设定为70％或更高。很明显，当每道激光束照射下的晶体生长长度变短时，使整个非晶硅膜多晶化所需的重叠率变高。
为使整个非晶硅膜多晶化，应当将重叠率设定为使细晶区域15的中心线16保持在被激光束入射熔融的硅熔融区域直至如图8B所示从细晶区域15两侧生长的晶粒彼此相撞。
下面，参照图11对用来使非晶硅膜多晶化的激光束的优选波长进行说明。
图11显示了波长与非晶硅和单晶硅的光吸收系数的关系。横坐标代表波长，单位为“nm”，纵坐标代表吸收系数，单位为“×107cm-1”。图11中的黑圆和白圆分别代表单晶的吸收系数和非晶硅的吸收系数。
可以看出，在波长等于和大于约340nm的范围内，非晶硅的吸收系数比单晶硅大。在400-600nm以及其它波长范围内，非晶硅的吸收系数比单晶硅大一数位或更多。如果在先形成的晶粒被用作晶体生长的籽晶，则优选在不熔融晶粒的情况下使非晶区熔融。实际形成的晶粒所分布的区域不是单晶而是非晶硅。多晶硅的吸收系数取决于晶粒的尺寸，且其数值在单晶和非晶硅的中间。随着晶粒尺寸变大，多晶硅的吸收系数变得接近单晶，而随着晶粒尺寸变小，多晶硅的吸收系数变得接近非晶硅。
因此，优选使用波长等于或大于340nm的脉冲激光束，以优先熔融图2B所示的非晶区域9、随机分布区域12和细晶区域8，而不熔融带状区域7内的大晶粒。因此，如果波长太长则吸收系数会降低，所以优选使用波长为900nm或更短的脉冲激光。
在受激准分子激光器的波长范围(约308nm)内，非晶硅的吸收系数比340-900nm波长范围内的高。因此，仅仅在非晶硅膜的表面层中发生吸收，且在厚度方向产生温度梯度。如果使用340-900nm波长范围的激光束，则激光束进入非晶硅膜内相对较深的区域，从而膜在厚度方向上可以被均匀加热。由此可以形成质量更好的晶体。
下面，参照图12A和12B对第三实施例的多晶膜制造方法进行说明。
图12A显示了多晶化区域与所施加的激光束沿短轴方向的脉冲能量密度分布的关系。在施加了具有最高脉冲能量密度的激光束的区域35内形成了细晶。在区域35的两侧形成了具有沿长轴方向排成链的大晶粒的带状区域30A和30B。光束宽度这样设定，以使细晶粒区域35的宽度约等于带状区域30A和30B之一的宽度。
第二道激光照射是通过将激光入射位置移动与带状区域30A沿短轴方向的宽度相等的距离进行的。
如图12B所示，在已经形成了晶粒的带状区域30A和30B之间，形成了具有排成链的大晶粒的带状区域31A。同时，在位于激光束运动方向前侧的带状区域30B的前侧，形成了带状区域31B。
这样，由两道激光束形成了四个带状区域30A、31A、30B和31B。相邻带状区域的晶粒彼此接触。通过重复类似的步骤，膜的整个区域均可以被多晶化。
根据温度条件，可通过利用带状区域30A和30B内的晶粒作为籽晶进行晶体生长，而不是由图12A所示的区域35内形成的晶核发生晶粒生长。
下面，参照图13A和13B，对第四实施例的多晶膜制造方法进行说明。
图13A显示了多晶化区域和所施加的激光束沿短轴方向的脉冲能量密度分布的关系。在脉冲能量密度达到最大值的位置的两侧形成了具有沿长轴方向排成链的大晶粒的带状区域36A和36B。由于光束宽度窄，由带状区域36A内的晶核形成的晶粒与由带状区域36B内的晶核形成的晶粒相接触。沿接触线38具有一晶粒边界。
第二道激光照射是通过将激光入射位置移动与带状区域36A和36B沿短轴方向的宽度相等的距离进行的。
如图13B所示，形成了彼此接触的带状区域37A和37B。位于激光束运动方向后侧的带状区域37A与由第一道激光束形成的位于激光束运动方向前侧的带状区域36B接触。通过重复类似的步骤，膜的整个区域均可以被多晶化。
在第三和第四实施例中，如果将照射的脉冲激光束的脉冲能量密度分布设计成具有参照第一实施例所述的适当形状，则可以形成大晶粒。此外，如图7所示，如果两道脉冲激光束施加在同一区域，则晶粒生长得更大。
下面，参照图14和图15A-15C，对第五实施例的多晶膜制造方法进行说明。
图14显示了靠近激光束入射位置的工件1的横截面图以及沿光束截面短轴方向的脉冲能量密度分布的一例子。脉冲能量密度通常用脉冲能量除以工件表面的光束截面面积而得到。严格来说，由此计算获得的脉冲能量密度是在光束截面内的平均值。由于激光在光束截面内的强度是不均匀的，所以脉冲能量密度也是不均匀的。如果用高斯分布近似估计光强的分布，则脉冲能量密度分布也用高斯分布来近似。
如图14所示，与参照图2A所说明的第一实施例类似，工件是一个具有形成在玻璃基底2上的二氧化硅膜3和非晶硅膜4的层压基材。脉冲激光束的入射位置按图14中所示向右移动。
穿过图1所示均质器72的激光束的一部分被光屏蔽板18拦截，激光束的剩余部分经光学聚焦系统19入射到非晶硅膜4上。光屏蔽板18拦截位于沿光束截面短轴方向的脉冲能量密度分布的裙部的光。光学聚焦系统19将位于光屏蔽板18所处位置的光束截面聚焦在非晶硅膜4的表面上。聚焦放大倍数例如为1。
如果不使用光屏蔽板18，则用高斯分布对非晶硅膜4的表面上沿脉冲激光束短轴方向的脉冲能量密度分布进行近似。即，脉冲能量密度分布在中心区域密集，并向边界区域减弱。脉冲能量密度分布并不必必须具有高斯分布，它可以是中心区域密集并向边界处减弱的总体分布。
光屏蔽板18拦截位于激光束入射位置运动方向后侧的裙部的脉冲能量密度等于或低于EH的一部分脉冲激光束。在前侧，脉冲能量密度小于或低于EL的一部分脉冲激光束被屏蔽。脉冲能量密度EL低于EH。
在一实际例子中，光强并没有变成0，只是在光束截面的边界处被光屏蔽板18拦截，但光束截面从拦截位置向外扩宽约6μm。光束截面的边界被定义为光强达到峰值的20％的位置。
向非晶硅膜4施加了一道具有这种脉冲能量密度分布的脉冲激光束。非晶硅膜4在施加了脉冲密度等于或大于使非晶硅膜完全熔融的临界值的一部分激光束的区域上熔融。如果脉冲能量密度EL等于或大于此临界值，则施加了脉冲激光束的整个区域均被熔融。熔融区域冷却时，晶体从熔融区域的边界生长到内部。
如图15A所示，沿脉冲激光束入射位置运动方向后侧的边界形成了多个沿光束截面长轴方向排列的晶粒100a，且沿前侧的边界形成了多个晶粒101a。在形成晶粒100a的区域和形成晶粒101a的区域之间的区域中形成了类似于图3所示区域8的细晶粒。生长的晶粒的长度取决于熔融区域的温度和固液相界面处的温度梯度。后侧边界处的温度和温度梯度与前侧边界处的不同。因此从熔融区域的两个边界生长的晶粒的长度是不同的。
如果后侧边界处的温度和温度梯度满足适于晶体生长的条件，则形成于后侧边界处的晶粒100a比形成于前侧边界处的晶粒101a大。例如，形成于后侧边界处的晶粒100a的横向尺寸可达到7-8μm。
接着，通过沿光束截面的短轴方向移动脉冲激光束入射位置施加另一道脉冲激光束。入射位置的移动距离设置为可以使第二道激光束在光束截面后侧的边界与晶粒100a接触或重叠。由第一道激光束形成的位于前侧边界处的晶粒101a被第二道激光束熔融。
如图15B所示，在被第二道激光束熔融的区域的后侧边界处，晶体通过利用晶粒100a作为籽晶横向生长形成包含晶粒100a的大晶粒100b。如果第二道脉冲激光束的光束截面的后侧边界与晶粒100a接触，则晶粒100b的横向尺寸为14-16μm，约为晶粒100a的尺寸的两倍。
通过移动脉冲激光束的入射位置重复脉冲激光束照射，以使施加上一道激光束的区域与施加下一道激光束的区域部分重叠。入射位置的移动距离设置为使下一道脉冲激光束的光束截面的后侧边界与由前一道脉冲激光束形成的后侧晶粒接触或重叠。
如图15C所示，晶粒横向生长形成大晶粒100c。图15B所示的形成于光束截面的前侧边界处的小晶粒101b被下一道脉冲激光束熔融和消除。
在第五实施例中，晶体从由光屏蔽板18限定的光束截面的后侧边界生长。在第一实施例中，形成的具有大晶粒的带状区域7具有如图3所示的之字形状。第五实施例中，形成晶粒100a的区域是由光屏蔽板18人工决定的，通常具有直线形状，且具有连续晶粒100a的带状区域不具有之字形状。因此，可以很容易地确定第二道脉冲激光束的位置，以使光束截面的后侧边界接触具有连续晶粒100a的带状区域。
此外，晶体生长方向可以与垂直于光束截面长轴的方向一致。在多晶薄膜上形成有源元件时，使有源元件的电流方向与晶体生长方向平行，由此可抑制载流子迁移率被晶粒边界降低。
在此实施例中，每施加一道脉冲激光束时均移动入射位置。如参照图7所做的说明，可以采用双脉冲法向同一区域施加两道脉冲激光束。使用此方法可以使晶粒的尺寸变大。
优选的将被光屏蔽掉的如图14所示的脉冲能量密度分布裙部的区域(即脉冲能量密度的优选值EH和EL)可以由在不同光屏蔽区域尺寸(宽度)下的多个测定实验来确定。
下面，将对实际进行的测定实验进行描述。来自激光源的激光束输出被成形为具有100μm宽和17mm长的光束截面的细长光束。光束截面的两侧均被光屏蔽板光屏蔽掉，以形成宽22μm的横截面，而且此光束截面聚焦在非晶硅膜的表面上。光束截面的宽度与光强分布的半值宽度对应。
在使用两个激光源的条件下采用了双脉冲法，第一和第二道脉冲激光束的脉冲能量密度分别设定为550mJ/cm2和500mJ/cm2，延迟时间设定为100ns。
在这些条件下，施加了两道脉冲激光束，形成于光束截面后侧的扫描方向上的晶粒101a的宽度为3.1μm。通过用脉冲激光束以3μm的间距扫描非晶硅膜的表面，晶体可以如图15C所示沿扫描方向连续结晶化地生长。晶粒的取向被测定。每个晶粒的<110>方向均与平行于晶体生长方向的方向(扫描方向)相一致。
下面，参照图16和图17A-17C，对第六实施例的多晶膜制造方法进行说明。
如图16所示，在第六实施例中，在脉冲激光束入射位置运动方向的前侧，一部分脉冲能量密度等于或低于EH的裙部被光屏蔽板18拦截，且在后侧，一部分脉冲能量密度等于或低于EL的裙部被光屏蔽板18拦截.
如图17A所示，使用一道照射，在光束截面前侧的边界上形成了相对较大的晶粒110a，在后侧的边界上形成了相对较小的晶粒111a。
如图17B所示，当通过移动脉冲激光束的入射位置进行另一道照射时，形成了晶粒110b和111b。由于相对较大的晶粒110a难以熔融，所以它们几乎不被第二道和随后的激光束熔融。晶粒110b从熔融区域前侧的边界向后侧(向晶粒110a侧)生长。当晶体生长的顶端触及晶粒110a时，晶体生长停止。
在这种情况下，通过利用已经形成的晶粒110a作为籽晶，发生了横向晶体生长。因此，脉冲激光束入射位置的移动间距可以比晶粒110a的宽度长。
如17C所示，通过移动脉冲激光束的入射位置，重复脉冲激光束照射，以形成相对较大的晶粒110a-110e。在图17C中，第三道激光束在光束截面后侧的边界处形成相对较小的晶粒111c。在第四道和随后的激光束照射中，由于光束截面后侧的边界位于相对较大晶粒110a-110e之内，所以在后侧边界的附近没有形成熔融区域。
在第六实施例中，如图17C所示，例如，在具有连续晶粒110a的带状区域和具有连续晶粒110b的带状区域之间形成了一个清晰的边界。此边界的位置可以通过使用光屏蔽板18人工决定。例如，在多晶硅膜上形成有源元件时，可以设定晶粒边界的位置，以使有源元件不与晶粒边界重叠。以上述方式，整个基材表面均可以用带状区域覆盖，如图9所示。
下面，对实际进行的测定实验进行描述。来自激光源的激光束输出被成形为具有100μm宽和17mm长的光束截面的细长形光束。扫描方向前侧的光束截面边界被光屏蔽板光屏蔽掉，形成宽55μm的横截面，而且此光束截面聚焦在非晶硅膜的表面上。在使用两个激光源的条件下采用了双脉冲法，第一和第二道脉冲激光束的脉冲能量密度分别设定为710mJ/cm2和640mJ/cm2，延迟时间设定为200ns。
在这些条件下，施加了两道脉冲激光束，形成于光束截面前侧扫描方向上的晶粒110a的宽度为5.4μm。通过用脉冲激光束以12μm的间距扫描非晶硅膜的表面，形成了宽12μm的带状区域和在光束截面的长轴方向上排成链的晶粒。相邻带状区域的晶粒在带状区域的边界处接触，且整个区域均可以被多晶化。
尽管由一道激光束照射形成的晶粒宽度为5.4μm，但最终形成的带状区域的宽度为12μm。这可归因于使用由一道激光束照射形成的宽度为5.4μm的晶粒作为籽晶，通过下一道激光束照射发生了横向晶体生长。此晶体生长过程与图8A-8G中所述的晶体生长过程类似。
在第五和第六实施例的测定实验中，采用了双照射法。优选将从第一道脉冲激光束入射到第二道脉冲激光束入射的延迟时间设定为100-1000ns。此优选的延迟时间比不使用光屏蔽板时稍短。这是因为光强分布的梯度在光束截面的两侧均很陡，而且凝固速度也比不使用光屏蔽板时快。
下面，对第七实施例进行说明。在第五和第六实施例中，部分激光束被光屏蔽板拦截，从而使光强分布(或脉冲能量密度分布)在光束截面的宽度方向上不对称。可以拦截激光束，以使光强分布对称。在光强分布对称的情况下，在扫描方向前后侧的边界处可以形成具有几乎相同尺寸的晶粒。因此，非晶硅膜可以用与图8A-8G所示的第二实施例、图12A和12B所示的第三实施例以及图13A和13B所示的第四实施例类似的方法多晶化。
在上述第五-第七实施例中，尽管光屏蔽板处的光束截面被聚焦在非晶硅膜表面上，但光屏蔽板可以设置在非晶硅膜附近。光屏蔽板与非晶硅膜之间的距离可以为约0.1mm。
在第五和第六实施例中，尽管部分激光束被光屏蔽板拦截，以形成一个光强分布在光束截面的宽度方向上不对称的激光束，但也可以由其它光学系统形成不对称的光强分布。例如，可以在光路中插入一个渐变滤光器，它具有形成在石英玻璃表面上的铬(Cr)等的光点图形。
上面参照优选实施例对本发明进行了描述。但本发明并不仅限于上述实施例。对于本领域的技术人员来说，显而易见，可以对其进行各种修改、改进和组合等。

Claims (35)

1.一种多晶膜制造方法，包括以下步骤：
(a)制备一个表面上具有由非晶态材料制成的薄膜的工件；
(b)向该薄膜施加脉冲激光束，以将该薄膜熔融，该脉冲激光束在该薄膜表面上沿一个方向具有细长形光束截面，之后使该薄膜凝固，以在沿光束入射区域的长轴方向延伸的第一带状区域内形成晶粒，该第一带状区域位于光束入射区域中处于其中心线与沿长轴方向延伸的光束入射区域的边界之间的区域中，且与所述边界和中心线隔开一段距离，该晶粒沿长轴方向排成链。
2.根据权利要求1所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在步骤(b)后还包括下列步骤：
(c)在以下条件下施加脉冲激光束，以使得脉冲激光束的入射位置沿该光束入射区域的短轴方向运动、形成于所述第一带状区域内的晶粒未被完全熔融、以及与该晶粒接触的区域内的薄膜被熔融，以通过利用所述带状区域内的晶粒作为籽晶在该第一带状区域的两侧生长晶体。
3.根据权利要求2所述的多晶膜制造方法，其特征在于：
在步骤(c)中，沿长轴方向排成链的晶粒在沿长轴方向延伸的第二带状区域内形成，该第二带状区域位于该中心线和该脉冲激光束的入射区域的运动方向前侧的边界之间的一区域中，该第二带状区域与该边界隔开一段距离，且与该第一带状区域隔开一段距离；以及
该方法在步骤(c)后还包括下列步骤：
(d)通过沿短轴方向移动脉冲激光束的入射位置施加脉冲激光束，以使从第一带状区域向第二带状区域生长的晶粒与从第二带状区域向第一带状区域生长的晶粒发生接触。
4.根据权利要求1所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在步骤(b)后还包括下列步骤：
(d)在以下条件下施加脉冲激光束，从而使得脉冲激光束的入射位置沿光束入射区域的短轴方向运动、形成于所述第一带状区域内的晶粒未被熔融、以及在位于该第一带状区域和与该光束入射区域的运动方向前侧的第一带状区域的前侧边界接触的区域之间的区域中将薄膜熔融，以在一熔融区域中生长晶体；
其中在步骤(d)中，所述脉冲激光束在以下条件下施加，从而使得在位于第一带状区域之间的区域内形成的晶粒与在两边第一带状区域内形成的晶粒发生接触以及在位于光束入射区域运动方向前侧的第一带状区域的前侧的区域内形成的晶粒与在前侧的第一带状区域内形成的晶粒发生接触。
5.根据权利要求1所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在步骤(b)后还包括下列步骤：
(e)在以下条件下施加脉冲激光束，从而使得脉冲激光束的入射位置沿光束入射区域的短轴方向运动、形成于所述第一带状区域内的晶粒未被熔融、以及在位于该第一带状区域和与该光束入射区域的运动方向前侧的第一带状区域的前侧边界接触的区域之间的区域中将薄膜熔融，以通过利用两边第一带状区域内形成的晶粒作为籽晶的方式在位于第一带状区域之间的熔融区域内生长晶体，使从两侧生长的晶粒彼此接触，并通过利用第一带状区域内形成的晶粒作为籽晶的方式在位于光束入射区域运动方向前侧的第一带状区域的前侧的熔融区域内生长晶体。
6.根据权利要求1所述的多晶膜制造方法，其特征在于，所述薄膜由硅制成，且向该薄膜施加的脉冲激光束的波长为340-900nm。
7.根据权利要求1所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在步骤(b)中，在施加了一道脉冲激光束之后，在熔融区域完全凝固之前在同一位置施加第二道脉冲激光束。
8.根据权利要求1所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在沿长轴方向延伸的第一带状区域的外边界处，在步骤(b)中施加的脉冲激光束沿光束入射区域的短轴方向的脉冲能量密度梯度等于或小于280mJ/cm2/μm。
9.根据权利要求8所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在沿长轴方向延伸的第一带状区域的外边界处，在步骤(b)中施加的脉冲激光束沿光束入射区域的短轴方向的脉冲能量密度梯度等于或大于10mJ/cm2/μm。
10.根据权利要求1所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在步骤(b)中施加的脉冲激光束具有这样的脉冲能量密度分布，以使一个随机分布区域在该第一带状区域的部分外部区域内形成并与该第一带状区域接触，该随机分布区域内的晶粒呈随机分布且小于在第一带状区域内形成的晶粒，且从所述随机分布区域与非晶态区域之间的边界到第一带状区域的距离设定为15μm或更长。
11.一种多晶膜制造方法，包括以下步骤：
(i)制备一个表面上具有由非晶态材料制成的薄膜的工件；以及
(j)向该薄膜施加脉冲激光束，以将该薄膜熔融，该脉冲激光束在该薄膜表面上沿一个方向具有细长形光束截面，之后使该薄膜凝固和多晶化，在以下条件下施加脉冲激光束，以使晶粒产生于由光束入射区域的中心线和与沿长轴方向延伸的光束入射区域的边界隔开一段距离的虚拟线界定的第一带状区域之内、该晶粒沿长轴方向排成链、且在中心线一侧的第一带状区域内产生的晶粒与在中心线另一侧的第一带状区域产生的晶粒接触，
其中在沿长轴方向延伸的各第一带状区域的外边界处，该脉冲激光束沿光束入射区域的短轴方向的脉冲能量密度梯度等于或小于280mJ/cm2/μm。
12.根据权利要求11所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在沿长轴方向延伸的各第一带状区域的外边界处，该脉冲激光束沿光束入射区域的短轴方向的脉冲能量密度梯度等于或大于10mJ/cm2/μm。
13.根据权利要求11所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在步骤(j)中，在施加了一道脉冲激光束之后，在熔融区域完全凝固之前又施加了第二道脉冲激光束。
14.根据权利要求10所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在步骤(j)后还包括下列步骤：
(k)通过沿短轴方向移动脉冲激光束的入射位置继续向所述薄膜施加脉冲激光束，以使薄膜熔融然后凝固和多晶化，用来熔融和凝固的脉冲激光束在这样的条件下施加，以使晶粒产生于由光束入射区域的中心线和与所述沿长轴方向延伸的光束入射区域的边界隔开一段距离的虚拟线界定的第二带状区域之内、该晶粒沿长轴方向排成链、在中心线一侧的第二带状区域内产生的晶粒与在中心线另一侧的第二带状区域产生的晶粒发生接触、以及在移动方向后侧的第二带状区域内形成的晶粒与已经在移动方向后侧形成的晶粒发生接触。
15.根据权利要求11所述的多晶膜制造方法，其特征在于，所述薄膜由硅制成，且向该薄膜施加的脉冲激光束的波长为340-900nm。
16.根据权利要求11所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在步骤(j)中，一个随机分布区域在该第一带状区域的部分外部区域内形成并与该第一带状区域接触，该随机分布区域内的晶粒呈随机分布且小于在第一带状区域内形成的晶粒，所施加的脉冲激光束具有这样的脉冲能量密度分布，以使从所述随机分布区域与非晶态区域之间的边界到第一带状区域的距离为15μm或更长。
17.一种多晶膜制造方法，包括下列步骤：
(p)制备一个表面上具有由非晶态材料制成的薄膜的工件；
(q)向该薄膜施加脉冲激光束，以将该薄膜熔融，该脉冲激光束在该薄膜的表面上沿一个方向具有细长形光束截面，之后使该薄膜凝固和多晶化，该脉冲激光束具有这样的光束轮廓，即该脉冲激光束的脉冲能量密度梯度在一熔融区域的边界处为280mJ/cm2/μm或更小。
18.根据权利要求17所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在步骤(q)中施加的脉冲激光束的脉冲能量密度梯度在该熔融区域的边界处等于或大于10mJ/cm2/μm。
19.根据权利要求17所述的多晶膜制造方法，其特征在于，该薄膜由硅制成，且向该薄膜施加的脉冲激光束的波长为340-900nm。
20.根据权利要求17所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在步骤(q)中，在施加了一道脉冲激光束之后，在熔融区域完全凝固之前在同一位置上又施加了第二道脉冲激光束。
21.根据权利要求17所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在步骤(q)中，一随机分布区域在该第一带状区域的部分外部区域中形成并与该第一带状区域接触，该随机分布区域内的晶粒呈随机分布且小于在第一带状区域内形成的晶粒，所施加的脉冲激光束具有这样的脉冲能量密度分布，以使从所述随机分布区域与非晶态区域之间的边界到该第一带状区域的距离为15μm或更长。
22.一种形成于一下层基底的表面上的多晶膜，其由多晶材料制成且包含多个晶粒柱，每个晶粒柱包含多个沿第一方向在基底面内排成链的晶粒。
23.根据权利要求22所述的多晶膜，其特征在于，所述晶粒柱沿垂直于该第一方向的第二方向布置，且该晶粒柱内的晶粒与相邻晶粒柱内的晶粒接触。
24.根据权利要求22所述的多晶膜，其特征在于，所述晶粒柱的宽度恒定。
25.根据权利要求22所述的多晶膜，其特征在于，沿垂直于该第一方向的第二方向布置了多个晶粒柱，且每个晶粒柱内的晶粒沿该第二方向的平均尺寸为1.5μm或更大。
26.根据权利要求22所述的多晶膜，其特征在于，每个晶粒柱内的晶粒沿该第一方向的平均尺寸为0.7μm或更大。
27.根据权利要求22所述的多晶膜，其特征在于，在与各晶粒柱的一边界接触的区域内形成一随机分布区域，该随机分布区域内的晶粒呈随机分布且小于该晶粒柱中的晶粒，且该随机分布区域的宽度为15μm或更长。
28.一种多晶膜制造方法，包括以下步骤：
(a)制备一个表面上具有由非晶态材料制成的薄膜的工件；
(b)向该薄膜施加至少一道脉冲激光束，该脉冲激光束在该薄膜表面上沿一个方向具有细长形光束截面，且沿光束截面的短轴方向具有这样的光强分布，该光强分布具有在中心区域强、向边界减弱的不对称第一形状；
(c)以这样的方式移动脉冲激光束的入射位置和工件中的至少一个，以使脉冲激光束的入射位置在薄膜的表面上沿一个与脉冲激光束的光束截面的长轴方向交叉的方向移动，且使施加了一道脉冲激光束的区域与施加前一道脉冲激光束的区域部分重叠；
(d)向该薄膜施加至少一道脉冲激光束，该脉冲激光束具有该第一形状的光强分布；
(e)交替重复步骤(c)和(d)。
29.根据权利要求28所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述脉冲激光束通过用一掩膜光屏蔽掉沿光束截面的短轴的光强分布中等于或弱于第一光强的一第一裙部的一部分并不光屏蔽掉一第二裙部的一部分或光屏蔽掉等于或弱于一第二光强的第二裙部的一部分的方式获得，其中所述光强分布具有中心区域强并向着边界减弱的形状，所述第二光强比所述第一光强弱。
30.根据权利要求29所述的多晶膜制造方法，其特征在于：
在步骤(b)中，沿光束截面的长轴方向排成链的多个晶粒从第一裙部一侧的光束截面的边界向着光束截面的内部生长一段长度；
在步骤(c)中，脉冲激光束的入射位置在薄膜上经历了一相对移动，其中光束截面的第二裙部指向移动方向的前侧，且移动距离是使第一裙部一侧的光束截面的边界与由前一道激光束从光束截面的第一裙部一侧的边界生长的晶粒发生接触或重叠的距离；以及
在步骤(d)中，通过利用由前一道激光束生长的晶粒作为籽晶，从所述籽晶向着光束截面的内部生长晶体。
31.根据权利要求29所述的多晶膜制造方法，其特征在于：
在步骤(b)中，多个晶粒从第一裙部一侧的光束截面的边界向着光束截面的内部生长一段长度，所述晶粒沿光束截面的长轴方向排成链；
在步骤(c)中，脉冲激光束的入射位置在薄膜上移动，其中光束截面的第二裙部指向移动方向的前侧；以及
在步骤(d)中，所施加的脉冲激光束在薄膜表面上的脉冲能量密度这样设置，以使得由前道脉冲激光束在所述第一裙部一侧形成的晶粒不被再次熔融，且通过从第一裙部一侧的光束截面的边界向光束截面的内部生长一段长度形成多个沿光束截面的长轴方向排成链的晶粒。
32.根据权利要求31所述的多晶膜制造方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述脉冲激光束的入射位置的移动距离为使在步骤(d)中生长的晶粒与由前一道激光束生长的晶粒发生接触的距离。
33.根据权利要求28所述的多晶膜制造方法，其特征在于，所述薄膜由硅制成，且向该薄膜施加的脉冲激光束的波长为340-900nm。
34.一种多晶膜制造方法，包括下列步骤：
(a)制备一个表面上具有由非晶态材料制成的薄膜的工件；
(b)向该薄膜施加至少一道脉冲激光束，该脉冲激光束在该薄膜表面上沿一个方向具有细长形光束截面，且沿光束截面的短轴方向具有这样的光强分布，该光强分布具有通过用一掩膜光屏蔽掉光强分布的至少第一裙部部分而获得的第一形状，该光强分布在中心区域强并向着边界减弱；
(c)以这样的方式移动脉冲激光束的入射位置和工件中的至少一个，以使脉冲激光束的入射位置在薄膜的表面上沿一个与脉冲激光束的光束截面的长轴方向交叉的方向移动，且使施加了一道脉冲激光束的区域与施加前一道脉冲激光束的区域部分重叠；
(d)向该薄膜施加至少一道脉冲激光束，该脉冲激光束具有该第一形状的光强分布；
(e)交替重复步骤(c)和(d)。
35.一种多晶膜制造方法，包括下列步骤：
(a)制备一个表面上具有由非晶态材料制成的薄膜的工件；以及
(b)向该薄膜施加脉冲激光束，以将该薄膜熔融，该脉冲激光束在该薄膜的表面上沿一个方向具有细长形光束截面，之后使该薄膜凝固，以在第一带状区域内形成晶粒，该第一带状区域沿光束入射区域的长轴方向延伸，并处在光束入射区域中位于其中心线与沿长轴方向延伸的光束入射区域的边界之间的区域中，与所述边界和中心线隔开一段距离，并在第一带状区域的部分外部区域内形成一个与第一带状区域接触的随机分布区域，该随机分布区域内的晶粒呈随机分布且小于在第一带状区域内形成的晶粒。
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