CN1969377A - 激光照射设备和激光照射方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种激光照射设备，它能通过改变向前和向后方向照射中照射光束的能量强度来制造均匀结晶的薄膜。本发明的激光照射设备包括激光振荡器和改变光束强度的装置，其中激光束斜着入射到照射表面，相对于照射表面扫描激光束，且光束强度根据扫描方向变化。而且，激光振荡器是连续波固体激光器、气体激光器或金属激光器。也可使用重复频率大于或等于10MHz的脉冲激光器。

Description

激光照射设备和激光照射方法
技术领域
本发明涉及激光照射设备(该设备包括激光器和引导激光器输出的激光束到照射物体的光学系统)以及一种激光照射方法，例如用于对半导体材料进行有效和均匀地退火。
背景技术
近年来，在基板上制造薄膜晶体管(此后称为TFT)的技术得到很大的发展，且它在有源矩阵显示装置中的应用得到提高。具体而言，因为使用多晶半导体薄膜的TFT比使用非晶半导体薄膜的常规TFT具有更高的场效应迁移率，可以实现高速操作。因此，试图通过在和象素相同的基板上形成驱动电路而控制象素，而驱动电路通常在基板外提供。
随着半导体器件需求的增加，需要在较短的时间以较低的温度制造半导体器件。在价格方面优于石英基板的玻璃基板用作半导体器件的基板。在玻璃基板上形成具有多晶半导体薄膜的TFT的情况下，尽管玻璃基板对热敏感且由于热而容易变形，通过采用激光退火，半导体薄膜容易在低温结晶。
此外，和使用辐射热或传导热的其他退火方法相比，激光退火具有这样的优点，它可以极大地缩短处理时间，且基板上的半导体薄膜可以被选择性地和局部地加热，从而不对基板构成热损害。
作为激光退火中使用的激光振荡器，根据它们的振荡方法，有脉冲激光振荡器和连续波(CW)激光振荡器。准分子激光器具有高输出功率和高重复频率重复照射能力的优点。而且，准分子激光器发射的激光束的优点在于对于硅薄膜具有高吸收系数，硅薄膜通常用作半导体薄膜。优选地，以这种方式执行激光照射：通过光学系统，在照射表面上，激光束被转换成矩形、线形或椭圆形状，然后该光束相对于照射表面在矩形、线形或椭圆形光束的短轴方向进行扫描，因为这种方法提供高产出率且是具有工业优势的。目前，通常通过在根据本技术结晶的半导体薄膜上形成的TFT而制造液晶显示器和EL(电致发光)显示器。
另一方面，当从连续波激光器发射的激光束(此后该激光束称为CW激光束)被转换成矩形、线形或椭圆形状且基板在矩形、线形或椭圆形状的短轴方向上相对移动时，可以形成沿移动方向延伸的大晶粒晶体。在根据大晶粒晶体的长轴方向制造TFT的情况下，该TFT比使用准分子激光器制造的TFT具有更高的迁移率。因为通过使用CW激光束形成的TFT，可以高速地驱动电路，所以可以制造用于驱动显示器、CPU等的驱动电路。
通常，已知图8所示的激光照射设备。该激光照射设备包括多个柱面透镜阵列等等。使用多个柱面透镜阵列2～6，激光振荡器1发射的激光束被分割成多个光束并会聚。然后，在激光束在反射镜7上反射之后，使用两个柱面透镜组成的双柱面透镜(doublet cylindricallens)，激光束会聚成一个矩形、线形或椭圆形激光束。此后，激光束被垂直传送到照射表面9。通过向照射表面传送矩形、线形或椭圆形光束，同时在线形光束的短轴方向相对移动光束，可以对非晶半导体的整个表面进行退火，从而使该非晶半导体结晶，其结晶度提高，或杂质元素被激活。
然而，因为常规激光照射设备需要使用多个昂贵的柱面透镜阵列且安置它们以形成如上所述所需的矩形、线形或椭圆形光束，设备在尺寸上存在问题且其成本增加。而且，因为整形成矩形、线形或椭圆形光点的激光束被垂直传送到照射表面，即，基板上形成的半导体薄膜的表面，从上面入射到半导体薄膜的光束穿过基板并被基板的底面反射。然后，从上面入射的光束与在底面反射的光束干涉。这样，有时不能制造均匀结晶的半导体薄膜。
本申请提出一种克服常规激光照射设备问题的紧凑和便宜的激光照射设备。该激光照射设备在图9中示出。该激光照射设备使用凸透镜13，激光束斜着入射到该凸透镜，使得激光束延伸，从而形成矩形、线形或椭圆形光束14。然后，延伸的光束斜着照射到照射表面15。
也就是说，该激光照射设备包括激光振荡器11、反射镜12、凸透镜13等。激光振荡器11发射的激光束在反射镜12上反射并斜着入射到凸透镜13，从而激光束被整形成矩形、线形或椭圆形光束14。光束14被传送到照射表面15。利用这种结构，设备可以做得很小，且可以避免由于基板的底面反射的光束导致的干涉的负面效应(见参考文献1：日本专利申请特开No.2003-257885)。
然而，上述激光照射设备仍具有以下问题。尽管使用CW激光束执行激光退火，例如使用长轴方向为300μm、短轴方向为10μm的矩形形状在532nm处提供10W功率的CW激光束，通过一次扫描形成的大晶粒晶体的宽度大约仅为200μm。因此，为了通过激光退火使基板的整个表面有效结晶，激光束需要来回扫描，同时将激光束移动光束一次扫描形成的大晶粒晶体的宽度。此时，如果激光束在短轴方向的强度分布沿着穿过光束短轴中心的平面(该平面垂至于基板且与光束的长轴平行)是不对称的，在向后扫描和向前扫描之间激光退火之后的结晶状态可能不同。
然而，当矩形、线形或椭圆形光束斜着传送到照射表面且基板沿着激光束的短轴方向移动时，根据如下所述的激光束的扫描方向，传送到非晶半导体薄膜的激光束的状态不同。这样，很难执行均匀结晶。
发明内容
本发明是为了解决上述问题，具体而言，本发明的一个目的是提供一种激光照射设备和激光照射方法，通过根据向前和向后扫描方向改变照射光束的能量密度，该方法可以制造均匀结晶的薄膜。
为达到上述目的，本发明采用下述结构。应当注意这里描述的激光退火方法表示使非晶区域结晶或使由于向半导体基板或半导体薄膜添加离子而形成的受损区域结晶的技术，通过使用激光束照射基板上形成的非晶半导体薄膜使半导体薄膜结晶的技术，在向半导体薄膜引入促进结晶的元素(例如镍)之后通过激光照射使不是单晶的半导体薄膜(上述不是单晶的半导体薄膜一般称为非单晶半导体薄膜)结晶的技术等。而且，激光退火包括应用于平面化或改变半导体基板或半导体薄膜表面的技术。
根据本说明书公开的本发明的一个方案，激光照射设备包括激光振荡器、改变光束强度的装置以及凸透镜或衍射光学元件，其中激光束入射到照射表面，其中激光束相对于照射表面扫描，且其中改变光束强度的装置在每个扫描方向上改变光束强度。
根据本发明的另一方案，激光照射设备包括激光振荡器、改变光束强度的装置以及凸透镜或衍射光学元件，其中光束入射到照射表面，其中光束相对于照射表面扫描，其中改变光束强度的装置在每个扫描方向改变光束强度，且其中在所有扫描方向上，在激光退火之后，照射表面处的结晶状态都是均匀的。
上述构造中，激光束可以斜着入射到照射表面。
根据本发明的另一方案，穿过凸透镜或衍射光学元件的激光束在照射表面上具有矩形、线形或椭圆形状。
根据本发明的另一方案，改变光束强度的装置是起偏振片。起偏振片的数量可以大于一个。
根据本发明的另一方案，激光振荡器是CW固体激光器、气体激光器或金属激光器，或脉冲固体激光器、气体激光器或金属激光器。作为固体激光器，有YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、GdVO4激光器、Y2O3激光器、玻璃激光器、红宝石激光器、变石激光器、Ti：蓝宝石激光器等。作为气体激光器，有Ar激光器、Kr激光器、CO2激光器等。作为金属激光器，有铜蒸汽激光器、金蒸汽激光器等。作为脉冲激光器，可以使用重复频率等于或大于10MHz的YVO4激光器、GdVO4激光器、YAG激光器等。
根据本发明的另一方案，激光振荡器发射的激光束通过非线性光学元件转化为谐波。
根据本发明的另一方案，激光束从激光振荡器发射，激光束经过改变光束强度的装置，该装置根据光束扫描方向改变光束强度，激光束经过凸透镜或衍射光学元件，然后激光束入射到照射表面。而且，通过相对于照射表面扫描激光束，照射表面可以在所有扫描方向上均匀退火。激光束可以斜着入射到照射表面。
根据本发明，因为激光束斜着传送到照射表面，可以抑制入射光束和从基板的底面反射的光束的干涉，可以向照射表面传送具有均匀能量分布的激光束。这样，基板上的非单晶半导体薄膜可以被均匀退火。
接着，通过起偏振片等改变光束强度，起偏振片等是根据扫描方向改变光束强度的装置。具体而言，激光束在整个照射表面以单次往复绘制(single-stroke drawing)，同时在正向或反向改变扫描方向。这样，基板上整个非单晶半导体薄膜可以均匀结晶。使用CW激光器或重复频率等于或大于10MHz的脉冲激光器，可以制造大晶粒晶体；因此，可以制造具有高迁移率的TFT。
因此，电学特性的变化可以得到减小，且可靠性得到提高。通过将本发明应用于TFT的大规模生产线，可以有效地生产具有高工作特性的TFT。因此，可以获得具有高工作特性和高可靠性的半导体器件，代表性地是有源矩阵类型液晶显示装置和有源矩阵EL显示装置。而且，半导体器件的制造过程中，可以扩大容限，产量大为提高；因此可以降低半导体器件的制造成本。
附图说明
附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的激光照射设备；
图2示意性地示出了根据本发明的另一激光照射设备；
图3的曲线图示出了能量密度和TFT的电子迁移率之间的关系；
图4的曲线图示出了TFT的电子迁移率的分布；
图5示出了基板的平面的状态；
图6是沿着图5的A-A’线的剖面图；
图7是沿着图5的B-B’线的剖面图；
图8示意性地示出了常规激光照射设备；
图9示意性地示出了另一种常规激光照射设备；
图10A到10D示意性地示出了根据本发明制造TFT的工艺；以及
图11A到11C示意性地示出了根据本发明的电子设备。
具体实施方式
[实施例1]
图1示出了激光照射设备的一个实例。首先，准备形成有非单晶半导体薄膜106的基板107。基板107放置在X轴平台108和Y轴平台109上。通过未示出的电机分别沿箭头所示的方向移动X轴平台108和Y轴平台109，可以自由地在X轴方向和Y轴方向移动基板107。X轴平台108可以如箭头所示地向前和向后扫描。
该激光照射设备包括激光振荡器101、两个起偏振片102和103、反射镜104以及凸透镜105。激光振荡器101是CW激光振荡器。作为CW固体激光器，有YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、GdVO4激光器、Y2O3激光器、变石激光器以及Ti:蓝宝石激光器。作为CW气体激光器，有Ar激光器、Kr激光器、CO2激光器。不仅可以使用CW激光器，还可以使用脉冲激光器。作为脉冲激光器，可以使用重复频率大于或等于10MHz的YVO4激光器、GdVO4激光器、YAG激光器等。
激光振荡器101发射的激光束通过非线性光学元件理想地转化成谐波。例如，已知YAG激光器发射1065nm波长的激光束。硅薄膜对该光束的吸收系数很低，使用这种激光束技术上很难使非晶硅薄膜(一种半导体薄膜)结晶。然而，通过使用非线性光学元件，激光束可以转换成较短波长。作为谐波，给出二次谐波(532nm)、三次谐波(355nm)、四次谐波(266nm)和五次谐波(213nm)。因为非晶硅薄膜对这些谐波具有高吸收系数，这些谐波可用于使非晶硅薄膜结晶。
根据本发明，起偏振片102(103)对应于改变光束强度的装置。起偏振片是一种部件，仅透过在360°的所有方向上光振动中在特定方向振动的光，阻隔特定方向之外的其它方向上振动的光。具体而言，通过调整两个起偏振片102和103透射轴之间的角度，激光振荡器101发射的激光束的强度可以如所希望地改变。在使用这种装置改变光束强度的情况下，优选地使用偏振度为100∶1或更高的激光束。这使得起偏振片可以在约0到99％的范围内调节能量。
例如，具体而言，起偏振片102固定，安置起偏振片103使得起偏振片103可以在正方向或负方向自由旋转。然后，通过将起偏振片103在正方向或负方向旋转预定角度，透过两个起偏振片102和103并传输到反射镜104的激光束的强度可以改变。通过按需要改变旋转角度，激光束的强度可以改变到任意强度。应当注意起偏振片的数目可以是一个，或两个以上。
当激光束斜着从上面进入凸透镜105时，由于形成聚焦线的位置处透镜的散光，具有近乎圆形形状的入射光束在与箭头所示的方向垂直的方向上伸长，箭头所示方向是X轴台架108的移动方向。然后，照射表面上的光束120具有矩形、线形或椭圆形状，短轴长为W，长轴长为H。因为聚焦线可以在两个位置形成，可以对其进行选择。然而，因为两个聚焦线彼此相交，实践者需要恰当地选择。详细情况参考文献1。
这种情况下，通过缩短短轴光束长度W可以延长长轴光束长度H。优选地，在其短轴方向上扫描光束120，因为这样可以扩大激光束一次扫描的区域，这提高了产出率。
下面描述使用该激光照射设备对非单晶半导体薄膜106进行退火的过程。首先，通过移动X轴平台108和Y轴平台109，基板107移动到退火开始的位置。然后，从激光振荡器101发射CW激光束，且CW激光束的光束强度通过起偏振片102和103调节，使其尽可能地高，但处于不剥离薄膜(不烧蚀非单晶半导体薄膜)的范围。调节后的近乎圆形形状的光束在反射镜104上反射，然后斜着进入凸透镜105的顶点。光束被凸透镜105延长，使得光束具有矩形、线性或椭圆形状，具有X轴平台108的箭头所示的移动方向上的短轴长度W和垂直于该移动方向的方向上的长轴长度H。然后，光束斜着传送到非单晶半导体薄膜106。
然后，X轴平台108向前移动，这是与激光束入射方向相同的方向，从而对非单晶半导体薄膜106进行退火。当到达向前方向的末端时，X轴平台108停止移动，然后Y轴平台109在Y轴方向移动大约对应于长轴长度H的长度。
接着，起偏振片102和103其中之一在正或负方向旋转预定角度以减小光束强度。同时，X轴平台108向后移动，这是朝向激光束入射方向的方向，以对非单晶薄膜106进行退火。当到达向后方向末端时，X轴平台108停止移动，然后Y平台109在Y轴方向移动大约对应于长轴长度H的长度。
接着，起偏振片102和103其中之一在正或负方向旋转预定角度，光束强度增加到原来的高光束强度。然后，X轴平台108向前移动，这是与激光束入射方向相同的方向。此后，通过重复上述操作，非单晶半导体薄膜106的整个表面可以以单次往复连续退火，使得非单晶半导体薄膜106结晶。尽管基板的整个表面可以通过在向前或向后方向之一上扫描光束而不改变光束强度进行退火，这种退火方法产出率低，因为这种方法的产出率是通过在向前和向后方向都扫描光束执行的退火方法的产出率的一半。
根据该过程对非单晶半导体薄膜106的整个表面进行退火，其整个表面可以均匀结晶。
接着，解释为什么必须通过起偏振片102(103)改变光束强度的原因。根据本发明人的实验，已证实具有较高能量密度的激光束可以制造具有较高迁移率的TFT。图3示出了n沟道TFT的电子迁移率的平均值与激光束能量密度的实验结果。水平轴表示激光束的能量密度的比例，此时假设烧蚀半导体薄膜时的能量密度阈值是100％，垂直轴表示制造的TFT的电子迁移率的平均值。从图3可以理解，当使用阈值或更低值范围内的具有较高能量密度的激光束对半导体薄膜退火时，可以制造具有较高电子迁移率的TFT。
然而，使用图1的激光照射设备使用在向前方向和向后方向具有相同光束强度的激光束进行退火时，有图4所示的问题。图4示出了使用图1所示的激光照射设备使用在前进方向和后退方向具有相同光束强度的激光束退火的情况下的实验结果。图4中，水平轴表示矩形光束的长轴方向，而垂直轴示出了制造的TFT的电子迁移率。
该结果表明，在通过激光照射设备使用激光束斜着照射照射表面时，通过在向前方向扫描激光束制造的TFT比在向后方向扫描激光束制造的TFT的迁移率低大约30％。使用具有这种变化的半导体薄膜制造TFT不是优选的。
参考图5到7描述图4所示的结果的原因。图5是从上面看基板的平面图。图6是沿着A-A’线的剖面图，它示出了向前扫描方向。图7是沿着B-B’的剖面图，它示出了向后扫描方向。如图5所示，使用凸透镜105形成并入射到非单晶半导体薄膜106上的具有矩形、线形或椭圆形状的入射光束121，作为具有短轴长度W和长轴长度H的矩形、线形、椭圆光束120，在非晶半导体薄膜上从位置(1)扫描到位置(2)。该实施例中，光束120具有矩形形状。
如图6和7所示，该光束被传送到非单晶半导体薄膜106。即使通过任何方法调整光学系统后，在照射处激光束的强度分布沿着经过光束短轴的中心的平面(垂直于基板，平行于光束的长轴)也是不对称的。换句话说，沿着该平面，短轴方向上激光束的强度分布不对称。因此，在向前和向后方向上，照射表面不能以相同的方式退火。因为光束的短轴短至约为10μm，很难测量短轴方向上光束的强度分布，不管强度分布沿该平面是否对称。而且，更难在短轴方向调节激光束的强度分布以使其沿该平面对称。
电路的特性遵循包括在电路中的TFT中的具有最低迁移率的TFT。因此，当利用在图6和7所示的方向交替地扫描激光束退火的半导体薄膜制造TFT时，整体遵循向前方向上迁移率低的TFT的特性。
因此，优选增加向前方向上激光束的能量，使得TFT的电子迁移率尽可能地高，但薄膜不被烧蚀等，而优选降低向后方向上激光束的能量使得薄膜不因过多能量而被烧蚀等。
也就是说，当在向前方向上扫描激光束时，起偏振片102(103)在正或反方向旋转以增加入射光束121的光束强度。同样，当在向后方向上扫描激光束时，起偏振片102(103)在正或反方向旋转以减小入射光束121的光束强度。因此，非单晶半导体薄膜106的整个表面可以使用高能量均匀地晶化。
由此，通过在向前和向后方向扫描激光束对非单晶半导体薄膜106进行退火的情况下，当光束在迁移率较低的方向上扫描时增加激光束的能量，当光束在迁移率较高的方向上扫描时降低激光束的能量。这样，可以抑制结晶的变化。
入射到基板107的矩形光束120在长轴方向的尺寸大约为150～400μm，在短轴方向的尺寸大约为1～30μm。光束120的尺寸中，长轴方向的长度可以根据短轴方向的长度确定，以便可以提供足够的能量密度。短轴方向的长度的上限约为30μm，而其下限约为1μm。此范围之外，很难制造具有高特性的大晶粒晶体。实际上，在短轴方向长度约为10μm的10W的CW激光束的情况下，其长轴方向的长度约为400μm。在短轴方向长度约为8μm的3W的CW激光束的情况下，其长轴方向的长度约为150μm。
图2示出了另一个激光照射设备的实例。该激光照射设备使用衍射光学元件110代替图1中的凸透镜105以将光束整形成矩形、线形或椭圆形光束。
也就是说，该激光照射设备包括激光振荡器101，两个起偏振片102和103、反射镜104以及衍射光学元件110。激光振荡器101是CW激光振荡器，与图1的CW激光振荡器相似。作为固体激光器，可以使用YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、GdVO4激光器、Y2O3激光器、变石激光器或Ti:蓝宝石激光器。作为气体激光器，可以使用Ar激光器、Kr激光器、CO2激光器。除了CW激光器，还可以使用脉冲激光器。作为脉冲激光器，可以使用重复频率大于或等于10MHz的YVO4激光器、GdVO4激光器、YAG激光器等。
衍射光学元件110也称为DOE或衍射光学器件。该元件是为了使用光的衍射获得所需能量，并通过在其表面形成凹槽用作会聚透镜。使用该衍射光学元件110，从CW激光振荡器101发射的具有高斯能量分布的激光束可以整形成具有均匀能量分布的矩形、线形或椭圆形光束。除了衍射光学元件110之外的其它元件与图1中的相同；因此此处省略其详细描述。
使用这种激光照射设备，与图1类似，通过来回扫描激光束，同时改变光束强度，对非单晶半导体薄膜106进行退火，可以使非单晶半导体薄膜106均匀结晶。
本发明不限于上述实施例的构造，可以在本发明的范围内进行适当修改。例如，分束器或ND滤光片(中性密度滤光片)可以代替起偏振片等，作为改变光束强度的装置以调整激光束的强度。这种情况下，当分束器或ND滤光片对激光敏感时，激光束的光束直径可以使用扩束器扩展以减小能量密度。在使用激光振荡器(其中通过改变激光器的激励光源的强度可以调节激光束的输出)的情况下，可以改变激励光源的强度。
[实施例2]
本实施例描述了使用根据本发明激光退火设备制造薄膜晶体管(TFT)的工艺。
如图10A所示，在具有绝缘表面的基板1000上形成基底薄膜1001。本实施例中玻璃基板用作基板1000。作为此处使用的基板，可以使用由硼硅酸钡玻璃或硼硅酸铝玻璃制成的玻璃基板、石英基板、陶瓷基板、不锈钢基板等。尽管以塑料、丙烯酸等为代表的柔性材料制成的基板一般在耐热性方面劣于上述基板，当基板可以承受制造工艺产生的热量时，可以使用柔性材料制成的基板。
提供基底薄膜1001是为了防止包括在基板1000中的碱土金属或诸如Na的碱金属扩散到半导体薄膜内。当碱土金属或碱金属在半导体中时，该金属对半导体元件的特性引起负面效应。因此，使用能够抑制碱土金属和碱金属向半导体扩散内的绝缘材料，例如氧化硅、氮化硅或氮氧化硅(silicon nitride oxide)形成基底薄膜。而且，基底薄膜1001可以具有单层结构或多层结构。本实施例中，通过等离子体CVD(化学气相淀积)方法形成厚度为10～400nm的氮氧化硅薄膜。
当基板1000是例如玻璃基板或塑料基板这样的甚至包括少量碱土金属或碱金属的基板时，提供基底薄膜以防止杂质的扩散是有效的。当使用石英基板这样的很难扩散杂质的基板时，并不总需要提供基底薄膜1001。
接着，通过已知方法(溅射方法、LPCVD方法、等离子体CVD方法等)在基底薄膜1001上形成厚度为25～100nm(优选地30～60nm)的非晶半导体薄膜1002。本实施例中，非晶半导体薄膜1002可以使用硅、硅锗等形成，本实施例中使用硅。当使用硅锗时，优选锗的浓度为0.01～4.5原子百分比。
接着，如图10B所示，使用本发明的激光退火设备用激光束照射非晶半导体薄膜1002以使该半导体薄膜结晶。本实施例中，使用凸透镜1005和提供10W的二次谐波且空间分布为TEM00模式(单横模)的Nd:YVO4激光器执行照射。除了该激光器，还可使用其它激光器。作为连续波(CW)固体激光器，有YAG激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、GdVO4激光器、Y2O3激光器、变石激光器或Ti:蓝宝石激光器。作为CW气体激光器，有Ar激光器、Kr激光器或CO2激光器。而且，还可以使用脉冲重复频率大于或等于10MHz的YVO4激光器、GdVO4激光器、YAG激光器等。
通过在所有扫描方向均匀地对该半导体薄膜进行退火，电子设备的特性可以稳定在良好条件。然而，当使用在图6和7所示方向上交替退火的半导体薄膜制造TFT时，TFT中的半导体薄膜的结晶状态取决于向前方向和向后方向而改变。这对电子设备的特性产生显著影响。
本实施例中，使用起偏振片作为改变光束强度的装置，在所有扫描方向上对半导体薄膜进行均匀退火。这里，光束强度可以以这样的方式调整，提前将布图输入到诸如计算机的控制装置，该控制装置用于控制移动起偏振片的电机，该控制装置根据输入的布图发送控制电机的信号，接收该信号的电机移动起偏振片。
而且，通过使用狭缝，可以阻隔激光束的低强度部分；因此，可以传送等于或大于预定强度的线形、椭圆或矩形光束。
此后，如图10C所示，通过激光照射形成的结晶半导体薄膜1003被图形化，从而形成岛状半导体薄膜1006。然后，形成栅极绝缘薄膜1007以覆盖岛状半导体薄膜1006。通过等离子体CVD方法或溅射方法，可以使用氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等形成栅极绝缘薄膜1007。本实施例中，通过等离子体CVD方法形成厚度为115nm的氮氧化硅薄膜。
接着，在栅极绝缘薄膜1007上形成导电薄膜并对其图形化以形成栅电极1008。此后，使用栅电极1008或图形化的抗蚀剂作为掩模，通过向岛状半导体薄膜1006添加提供n型或p型电导率的杂质形成源极区域1009、漏极区域1010、LDD区域1011等。根据上述步骤，可在相同的基板上形成N沟道TFT 1012和1014以及P沟道TFT 1013。
接着，如图10D所示，形成绝缘薄膜1015作为这些TFT的保护薄膜。使用氮化硅或氮氧化硅形成厚度100～200nm的单层或多层结构的绝缘薄膜1015。本实施例中，通过等离子体CVD方法形成厚度为100nm的氧氮化硅薄膜。使用绝缘薄膜1015，可以获得防止空气中的氧和湿气以及各种离子杂质进入的阻隔效果。
接着，形成绝缘薄膜1016。本实施例中，可以使用诸如聚酰亚胺、聚酰胺、BCB(苯并环丁烯)、丙烯酸或硅氧烷这样的有机树脂薄膜，TOF薄膜，无机层间绝缘薄膜(诸如氮化硅或氧化硅这样的包括硅的绝缘薄膜)，低k(低介电常数)材料等。硅氧烷是这样一种材料，它具有用-Si-O-Si-表示的硅和氧的键(硅氧键)作为基本单元，且具有硅与氟、脂肪族烃或芳(族)烃相结合的结构。因为形成绝缘薄膜1016的主要目的是缓和和平整化由于玻璃基板上形成的TFT导致的不平整，优选地使用具有优良平整度的薄膜。
而且，通过光刻方法图形化绝缘薄膜和有机绝缘薄膜以形成到达杂质区域的接触孔。
接着，使用导电材料形成导电薄膜，通过图形化该导电薄膜形成布线1017。此后，当形成绝缘薄膜1018作为保护膜时，完成了图10D所示的半导体器件。应当注意使用本发明的激光退火方法制造半导体器件的方法不限于上述制造TFT的方法。
在激光结晶步骤之前，可以提供使用催化剂元素的结晶步骤。作为催化剂元素，可以使用镍(Ni)、锗(Ge)、铁(Fe)、钯(Pd)、锡(Sn)、铅(Pb)、钴(Co)、铂(Pt)、铜(Cu)或金(Au)。
与仅通过激光照射使半导体薄膜结晶的情况相比，当在使用催化剂元素的结晶步骤之后执行激光照射结晶步骤时，可以进一步提高半导体薄膜的结晶度，并在激光结晶之后减小半导体薄膜表面的粗糙度。因此，可以进一步减小此后要形成的以TFT为代表的半导体元件的特性变化，并且可以抑制关断电流。
应当注意可以以这种方式执行结晶：在添加催化剂元素之后，执行热处理以促进结晶，然后执行激光照射。或者，省略热处理。而且，可以在热处理之后在保持温度的同时执行激光处理。
尽管本实施例示出了本发明的激光照射方法用于结晶半导体薄膜的实例，该激光照射方法可以应用于激活半导体薄膜中掺杂的杂质元素。而且，本发明的制造半导体器件的方法可用于制造集成电路和半导体显示装置的方法。
用于例如驱动器或CPU(中央处理单元)这样的功能电路的晶体管优选地具有LDD结构或LDD与栅电极交叠的结构。希望微型化晶体管以增加速度。因为根据本实施例完成的晶体管具有LDD结构，优选地该晶体管用于需要高速操作的驱动电路。
[实施例3]
根据本发明，使用薄膜晶体管可以完成各种电子设备。参考图11A到11C描述特定实例。
图11A示出了一种显示装置，包括机壳1101、支撑架1102、显示部分1103、扬声器部分1104、视频输入端子1105等。通过在显示部分1103中采用图10A到10D所示的制造方法形成的薄膜晶体管制造该显示装置。应当注意该显示装置包括液晶显示装置和发光装置，具体而言，为计算机、电视接收机、广告等显示信息的各种显示装置。
图11B示出了一种计算机，包括机壳1111、显示部分1112、键盘1113、外部连接端口1114、指针鼠标1115等。通过采用图10A到10D所示的制造方法，可以制造显示部分1112和其它电路。而且，本发明可以应用到主体内部的其它半导体器件，例如CPU和存储器。
图11C示出了移动电话，它是移动终端的典型实例。该移动电话包括机壳1121、操作键1122、显示部分1123等。除了移动电话，因为诸如PDA(个人数字助理)、数码相机以及小型游戏机这样的电子设备都是移动终端，它们的显示屏很小。因此，通过使用图10A到10D所示的小晶体管形成诸如CPU和存储器这样的功能电路，可以获得更小和更轻的设备。
本实施例中制造的薄膜晶体管可以用作ID芯片。例如，通过图10A到10D所示的制造方法，晶体管可以用作ID芯片中的集成电路和存储器或用作ID标签。当晶体管用作存储器时，可以记录产品的流通过程和生产步骤工艺，例如产地、制造商、生产日期以及加工方法。对于批发商、零售商和消费者，知道这些信息变得容易。
而且，在TFT用作安装了射频功能的ID标签的情况下，通过使用ID标签代替常规条形码，可以简化产品结算和编目工作。而且，通过在结算处将已经完成结算输入到ID标签，并通过在出口提供的检查装置检查ID标签是否结算，可以防止忘记结算和行窃。
如上所述，根据本发明制造的半导体器件可以在很大范围得到应用，且根据本发明制造的半导体器件可以应用于各个领域中的各种电子设备。

Claims (48)

1.一种激光照射方法，包括
向半导体层传送激光束；
使用第一强度的激光束向第一方向扫描半导体层；以及
使用第二强度的激光束向第二方向扫描半导体层，
其中第一强度大于第二强度。
2.根据权利要求1的激光照射方法，其中激光束斜着传送到半导体层。
3.根据权利要求1的激光照射方法，其中第一方向和第二方向是相反的方向。
4.根据权利要求1的激光照射方法，其中当向第一方向扫描半导体层时，半导体层向第一方向的反方向移动。
5.根据权利要求1的激光照射方法，其中当向第二方向扫描半导体层时，半导体层向第二方向的反方向移动。
6.一种激光照射方法，包括：
发射第一激光束；
通过改变光束强度的装置将第一激光束变成第二激光束，所述装置能够根据扫描方向改变光束强度；
将第二激光束变成第三激光束；
向照射表面传送第三激光束；以及
使用第三激光束扫描照射表面。
7.根据权利要求6的激光照射方法，其中第三激光束斜着传送到照射表面。
8.根据权利要求6的激光照射方法，其中第一激光束从激光振荡器发射。
9.根据权利要求6的激光照射方法，其中改变光束强度的装置包括至少起偏振片和ND滤光片之一。
10.根据权利要求6的激光照射方法，其中通过至少凸透镜和衍射光学元件之一将第二激光束变成第三激光束。
11.根据权利要求6的激光照射方法，其中当使用第三激光束扫描照射表面时，照射表面向扫描方向的反方向移动。
12.根据权利要求6的激光照射方法，其中照射表面是半导体层的表面。
13.一种激光照射设备，包括：
激光振荡器；
改变光束强度的装置；以及
凸透镜；
其中激光束入射到照射表面，
其中使用激光束扫描照射表面，并且
其中利用改变光束强度的装置，在每个扫描方向上改变光束强度。
14.根据权利要求13的激光照射设备，其中穿过凸透镜或衍射光学元件的激光束在照射表面上具有矩形、线形或椭圆形状。
15.根据权利要求13的激光照射设备，其中改变光束强度的装置包括至少起偏振片和ND滤光片之一。
16.根据权利要求15的激光照射设备，其中起偏振片的数目大于一个。
17.根据权利要求13的激光照射设备，其中激光振荡器是连续波固体激光器、气体激光器或金属激光器，或脉冲固体激光器、气体激光器或金属激光器。
18.根据权利要求13的激光照射设备，其中激光振荡器是从一组激光器选择的一种，该组包括：连续波或脉冲YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、GdVO4激光器、Y2O3激光器、玻璃激光器、红宝石激光器、变石激光器以及Ti：蓝宝石激光器。
19.根据权利要求13的激光照射设备，其中激光振荡器是从一组激光器选择的一种，该组包括：Ar激光器、Kr激光器和CO2激光器。
20.根据权利要求13的激光照射设备，其中激光振荡器是选自一组激光器中的一种，该组包括重复频率等于或大于10MHz的YVO4激光器、GdVO4激光器和YAG激光器。
21.根据权利要求13的激光照射设备，其中从激光振荡器发射的激光束通过非线性光学元件转换成谐波。
22.一种激光照射设备，包括：
激光振荡器；
改变光束强度的装置；以及
衍射光学元件；
其中激光束入射到照射表面，
其中使用激光束扫描照射表面，并且
其中利用改变光束强度的装置，在每个扫描方向上改变光束强度。
23.根据权利要求22的激光照射设备，其中穿过凸透镜或衍射光学元件的激光束在照射表面上具有矩形、线形或椭圆形状。
24.根据权利要求22的激光照射设备，其中改变光束强度的装置包括至少起偏振片和ND滤光片之一。
25.根据权利要求24的激光照射设备，其中起偏振片的数目大于一个。
26.根据权利要求22的激光照射设备，其中激光振荡器是连续波固体激光器、气体激光器或金属激光器，或脉冲固体激光器、气体激光器或金属激光器。
27.根据权利要求22的激光照射设备，其中激光振荡器为选自下面的组中的一种，该组包括：连续波或脉冲YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、GdVO4激光器、Y2O3激光器、玻璃激光器、红宝石激光器、变石激光器以及Ti：蓝宝石激光器。
28.根据权利要求22的激光照射设备，其中激光振荡器为选自包括Ar激光器、Kr激光器和CO2激光器的组中的一种。
29.根据权利要求22的激光照射设备，其中激光振荡器为选自下面的组中的一种，该组包括：重复频率等于或大于10MHz的YVO4激光器、GdVO4激光器和YAG激光器。
30.根据权利要求22的激光照射设备，其中从激光振荡器发射的激光束通过非线性光学元件转换成谐波。
31.一种激光照射设备，包括：
激光振荡器；
改变光束强度的装置；以及
凸透镜；
其中激光束斜着入射到照射表面，
其中使用激光束扫描照射表面，且
其中利用改变光束强度的装置，在每个扫描方向上改变光束强度。
32.根据权利要求31的激光照射设备，其中穿过凸透镜或衍射光学元件的激光束在照射表面上具有矩形、线形或椭圆形状。
33.根据权利要求31的激光照射设备，其中改变光束强度的装置包括至少起偏振片和ND滤光片之一。
34.根据权利要求33的激光照射设备，其中起偏振片的数目大于一个。
35.根据权利要求31的激光照射设备，其中激光振荡器是连续波固体激光器、气体激光器或金属激光器，或脉冲固体激光器、气体激光器或金属激光器。
36.根据权利要求31的激光照射设备，其中激光振荡器是选自下面的组中的一种，该组包括：连续波或脉冲YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、GdVO4激光器、Y2O3激光器、玻璃激光器、红宝石激光器、变石激光器以及Ti：蓝宝石激光器。
37.根据权利要求31的激光照射设备，其中激光振荡器是选自包括Ar激光器、Kr激光器和CO2激光器的组中的一种。
38.根据权利要求31的激光照射设备，其中激光振荡器是选自下面的组中的一种，该组包括：重复频率等于或大于10MHz的YVO4激光器、GdVO4激光器和YAG激光器。
39.根据权利要求31的激光照射设备，其中从激光振荡器发射的激光束通过非线性光学元件转换成谐波。
40.一种激光照射设备，包括：
激光振荡器；
改变光束强度的装置；以及
衍射光学元件；
其中激光束斜着入射到照射表面，
其中使用激光束扫描照射表面，且
其中利用改变光束强度的装置，在每个扫描方向上改变光束强度。
41.根据权利要求40的激光照射设备，其中穿过凸透镜或衍射光学元件的激光束在照射表面上具有矩形、线形或椭圆形状。
42.根据权利要求40的激光照射设备，其中改变光束强度的装置包括至少起偏振片和ND滤光片之一。
43.根据权利要求42的激光照射设备，其中起偏振片的数目大于一个。
44.根据权利要求40的激光照射设备，其中激光振荡器是连续波固体激光器、气体激光器或金属激光器，或脉冲固体激光器、气体激光器或金属激光器。
45.根据权利要求40的激光照射设备，其中激光振荡器是选自下面的组中的一种，该组包括：连续波或脉冲YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、GdVO4激光器、Y2O3激光器、玻璃激光器、红宝石激光器、变石激光器以及Ti：蓝宝石激光器。
46.根据权利要求40的激光照射设备，其中激光振荡器是选自包括Ar激光器、Kr激光器和CO2激光器的组中的一种。
47.根据权利要求40的激光照射设备，其中激光振荡器是选自下面的组中的一种，该组包括：重复频率等于或大于10MHz的YVO4激光器、GdVO4激光器和YAG激光器。
48.根据权利要求40的激光照射设备，其中从激光振荡器发射的激光束通过非线性光学元件转换成谐波。
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