CN1983511A - 激光结晶装置和结晶方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种具有高产量的激光结晶装置和结晶方法。具有预定光强度分布的激光照射至半导体膜上以熔化和结晶，其中以高定位精度非常快地设置照射位置，由此形成具有大晶粒尺寸的半导体膜。根据本发明的一个方面的激光结晶装置包括结晶激光光源(21)、将脉冲激光调制为具有预定光强度分布的移相器(24)、准分子成像光学系统(26)、安装处理基板(30)且沿着预定方向连续移动的基板保持台(40)、位置测量装置(50)以及基于通过位置测量装置(50)测量的平台(40)的位置指示脉冲激光的产生的信号产生装置(60)。

Description

激光结晶装置和结晶方法
技术领域
本发明涉及激光结晶装置和结晶方法，更特别地涉及非常快速地且以高定位精度执行定位以照射用于结晶的激光的激光结晶装置和结晶方法。
背景技术
形成在设置在例如玻璃基板的大面积基板上的例如硅膜的半导体膜上的薄膜晶体管(TFT)被用作例如用于有源矩阵型液晶显示装置中的开关显示的开关装置。
为了诸如用来形成薄膜晶体管的非晶或多晶半导体薄膜的非单晶半导体薄膜的结晶，例如，使用激光结晶技术，其中利用具有高能量的短脉冲激光来熔化并结晶非单晶半导体薄膜的照射区域。
现有的用于生产的激光结晶装置采用将具有均匀强度分布的结晶激光照射到非晶硅膜的方法。但是，根据该方法，结晶半导体膜中的晶粒尺寸小到0.5μm或更小，并且不能控制结晶的晶粒的位置。因此，在TFT的沟道区域中可能存在晶粒边界，从而在TFT的性能上存在局限，例如，不平坦特性。
需要一种技术来制造具有大晶粒的高质量半导体膜，以便提高TFT的性能。在各种激光结晶技术中，作为满足这种需要的结晶方法，注意力特别集中在相位调制准分子激光退火(PMELA)上，其中将具有由相位调制产生的反转峰值图形形状光强度分布的准分子激光照射到非单晶半导体薄膜上，从而使其结晶。PMELA技术是将具有预定光强分布的准分子激光照射到非单晶半导体薄膜上以便熔化和结晶该半导体膜的照射部分的方法。可以通过利用例如移相器的相位调制元件的入射激光的相位调制来获得具有预定光强分布的准分子激光。非单晶半导体薄膜例如是形成在玻璃基板上的非晶硅或多晶硅薄膜。在近来开发的PMELA技术中，在一次激光照射中熔化和结晶大约几平方毫米大小的区域。由于非单晶半导体薄膜的结晶，从而形成具有高质量的结晶硅薄膜，其具有从几μm至大约10μm大小的且尺寸相对均匀的晶粒(例如，参考Institute of Electronics，Informationand Communication Engineers的论文期刊Vol.J85-C，No.8，pp.624-629，2002中，Kohki Inoue、Mitsuru Nakata和MasakiyoMatsumura所发表的“Amplitude and Phase Modulated Excimer-LaserMelt-Regrowth Method of Silicon Thin-Film-A New Growth Methodof 2-D Position Controlled Large-Grains-”)。已经证实，通过该技术形成的结晶硅薄膜中制造的TFT具有稳定的电特性。
在常规方法的结晶装置中，以长的矩形光束(例如，500μm×300mm)形状并具有均匀的光强度分布的结晶激光照射半导体膜。因此，在技术上不可能定位将要形成晶粒的位置，且结晶半导体膜中的晶粒尺寸小到0.5μm或更小。因此，不需要绝对定位结晶激光的照射位置。
另一方面，PMELA结晶技术目前正在发展中，其中具有反转峰形光束分布的结晶激光通过利用移相器或衍射光学元件产生，并被照射至非单晶半导体薄膜。PMELA结晶技术具有良好的特性以致于结晶激光的利用率很高、能够获得大晶粒尺寸的晶体并且生长晶粒的定位也是可能的。然而，采用所谓的分步重复照射方法来结晶具有大面积的半导体膜。也就是说，重复下述内容：在激光一次照射到非单晶半导体膜之后，将玻璃基板移向并停在下一个照射位置，然后再次照射激光。因此，存在一种进一步提高产量以使得PMELA结晶技术变成一种批量生产技术的挑战。本申请人已经研发了一种技术来使PMELA结晶技术产业化，并且正在研发一种具有更高产量的结晶方法。
存在下述要求以将具有上述优良特性的PMELA技术引入到实际应用中作为生产例如液晶面板的装置：以微米级绝对定位精度来定位并形成晶粒以便形成TFT的主要部分；以及照射结晶激光以使得能够非常快地重复再现晶粒的定位和形成。
本发明的一个目的是提供一种具有高产量的激光结晶装置和结晶方法，其能够通过将具有预定光强度分布的脉冲激光照射至处理基板来熔融并结晶半导体膜，从而在连续移动的处理基板，即，高速移动的将被处理的基板上的预定位置处，形成具有带有大晶粒尺寸的结晶区域的半导体膜。
发明内容
通过下面根据本发明的激光结晶装置和结晶方法来解决上述问题。
根据本发明的一个方面，提供一种激光结晶装置，包括：根据激光产生指示信号的输入来产生脉冲激光的激光光源；以及设置在该激光的光路上并调制该脉冲激光以透射具有预定光强度分布的脉冲激光的移相器，其中通过该移相器调制的该脉冲激光被照射至设置在处理基板上的结晶薄膜，以熔化和结晶该结晶薄膜的照射区域，该激光结晶装置包括：安装处理基板且相对于脉冲激光照射位置沿着预定方向连续移动的基板保持台；测量沿着该预定方向连续移动的该基板保持台的位置的位置测量装置；以及根据由该位置测量装置测量的该基板保持台的位置来指示脉冲激光的产生的信号产生装置。
根据本发明的另一方面，设置在激光结晶装置中的基板保持台包括沿X方向调整激光照射位置的第一控制系统，沿Y方向调整激光照射位置的第二控制系统，和/或沿Z方向调整激光照射位置到该激光的焦平面的高度的第三控制系统。
根据本发明的另一方面，提供一种激光结晶装置，包括：根据激光产生指示信号的输入而产生脉冲激光的多个激光光源；以及设置在各个激光的光路上且调制该脉冲激光以透射具有预定光强度分布的脉冲激光的多个移相器，其中通过该移相器调制的该多个脉冲激光被照射至设置在处理基板上的薄膜，以熔化和结晶该薄膜的照射区域，该激光结晶装置包括：安装该处理基板且相对于脉冲激光照射位置沿着预定方向连续移动的基板保持台；测量沿着该预定方向连续移动的该基板保持台的位置的位置测量装置；以及根据由该位置测量装置测量的该基板保持台的位置来指示该脉冲激光的产生的信号产生装置。
根据本发明的另一方面，在激光结晶装置中设置的该多个激光光源被布置成同时将脉冲激光照射至在垂直于该连续移动的方向的第二方向上布置的薄膜上的不同位置处。
根据本发明的另一方面，在激光结晶装置中提供的通过该多个激光光源产生的该脉冲激光被布置成照射至在该连续移动的方向上的薄膜上的不同位置处。
根据本发明的另一方面，在激光结晶装置中设置的该激光光源与该激光产生指示信号的输入同步地产生该脉冲激光。
根据本发明的另一方面，提供一种激光结晶方法，包括：沿预定方向连续移动其上安装有处理基板的基板保持台；测量连续移动的基板保持台上的预定位置；根据该测量的位置信息，输出指示激光的产生的激光产生指示信号；一收到该激光产生指示信号就产生脉冲激光；调制该脉冲激光；以及将该调制了的脉冲激光照射在该处理基板上，以熔化和结晶设置在该处理基板上的结晶薄膜的照射区域。
根据本发明的另一方面，在激光结晶方法中提供的照射该处理基板的该脉冲激光具有多个脉冲激光光路，且照射该处理基板的不同区域。
根据本发明的另一方面，在激光结晶方法中提供的该连续移动的基板保持台上的该预定位置的测量包括在X方向和Y方向上对准该测量的位置与预定结晶位置，和/或在Z方向上将该测量的位置与该脉冲激光的聚焦平面对准。
根据本发明的另一方面，在激光结晶方法中提供的该脉冲激光的产生包括与激光产生指示信号的输入同步地产生该脉冲激光。
本发明的其它优点将在下面的说明中陈述，其中的一部分优点将从说明书中显而易见，或者可通过实践本发明而被领会。通过下文中特地指出的手段及组合可以实现并获得本发明的优点。
附图说明
结合在说明书中并构成说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，并且附图与上面给出的概略描述和下面给出的实施例的详细描述一起用于解释本发明的原理。
图1是根据本发明的第一实施例的激光结晶装置的一个例子的示图；
图2所示的是解释将被激光结晶装置结晶的处理基板的结构的一个例子的截面图；
图3所示的是用于图1中所示的激光结晶装置中且利用移相器的结晶光学系统的主要部件的一个例子的示图；
图4所示的是解释根据本发明的第一实施例的结晶工艺的一个例子的流程图；
图5是根据本发明的第二实施例的激光结晶装置的一个例子的示图；
图6是根据本发明的第三实施例的激光结晶装置的一个例子的示图；
图7所示的是通过根据本发明的第三实施例的激光结晶装置将激光照射到一些区域的一个例子的示图；
图8是根据本发明的第四实施例的激光结晶装置的一个例子的示图；以及
图9所示的是解释根据本发明的第四实施例的结晶工艺的一个例子的流程图。
具体实施方式
本发明提供一种实现高定位精度和高产量，并且利用相位调制元件(下文中称为移相器)对结晶激光赋予期望的光强分布以便形成高质量的结晶半导体膜的激光结晶装置和结晶方法。
本说明书中，高产量的意思是结晶区域形成在处理基板上的预定位置处同时基板保持台沿一个方向，例如沿X方向连续移动而不停止。连续移动的意思是沿着一个方向移动而不改变移动速度。基板保持台或者处理基板的预定方向上的结晶激光照射位置的意思是用于结晶的预定结晶区域或结晶激光照射位置。测量结晶激光照射位置的意思是通过位置测量装置沿预定方向检测基板保持台或处理基板上的预定位置。
通过增加被照射结晶激光的位置的精确度来实现较高的质量。具体来说，实时对连续移动的基板保持台上的位置进行测量的同时决定结晶激光照射位置，以便将结晶激光照射至处理基板。例如，假定从决定照射位置到结晶激光的触发信号产生的时间是1μsec或更短，并且从激光触发信号输入到激光光源至结晶激光的照射的时间是1μsec或更短。这种情况下总的延迟时间是2μsec或更短，因此能够以高定置精度将结晶激光照射至处理基板。
因此，能够提供一种具有高产量的激光结晶装置和结晶方法，其能够在连续移动的处理基板上的预定位置处形成具有带有大晶粒尺寸的结晶区域的半导体膜。
将参考附图来描述本发明的实施例。结合入该说明书并且组成该说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与上面给出的概括描述和下面给出的实施例的详细描述一起，用于解释本发明的原理。所有的这些附图中，相应的部分用相应参考标记来表示。实施例仅是例子，并且在不偏离本发明的范围和精神的情况下能够作出各种改变和变型。
(第一实施例)
图1中示出了根据本发明第一实施例的激光结晶装置100的一个例子。激光结晶装置100包括结晶光学系统2，基板保持台40、台位置测量系统50，和产生用于指示结晶激光的产生的信号的系统，例如激光触发信号产生系统60。基板保持台40在结晶工艺周期期间以预定速率连续移动而不停止。激光结晶装置100基于台位置测量系统50对基板保持台上的预定位置的测量向基于处理基板30上的预定位置照射结晶激光。
结晶光学系统2包括例如为准分子照明光学系统20的光源和顺序设置在光学系统20的输出光路上的移相器24、反射镜25和准分子成像光学系统26。如图3中所示，准分子照明光学系统20是发射并调整用于照亮移相器24的结晶激光的光学系统。准分子照明光学系统20包括用于响应激光产生指示信号的输入而产生脉冲激光的准分子激光光源21，和用于将脉冲激光形成为具有均匀光强度分布的光通量的均化器23。
从准分子照明光学系统20发射的并且具有均匀光强度分布的激光照射移相器24。移相器24是相位调制所照射的激光并透射具有适合于横向晶体生长的例如，反转峰形的预定光强度分布的结晶激光的光学元件。反射镜25是提供来将透过移相器24的激光的光路变为向着处理基板30的方向(图1中的向下方向)的光学元件，并且是全反射镜。
准分子成像光学系统26是用于将通过移相器24相位调制的结晶激光成像到处理基板30上，并且照射设置在处理基板30上的非单晶半导体薄膜33(参见图2)的光学系统。准分子成像光学系统26是用于将移相器24的透射光图像形成在非单晶半导体薄膜33上的光学系统。
图1中，结晶光学系统2是以投影型示出，其中移相器24布置在准分子照明光学系统20和准分子成像光学系统26之间。可以采用的另一结晶光学系统2是接近型的，其中移相器24接近处理基板30布置。
基板保持台40是可拆卸地安装处理基板30且具有由于台驱动单元45而可沿着X、Y和Z方向移动的机构的平台。基板保持台40能够根据需要包括用于角度调整的绕X轴或Y轴旋转的α或β调整功能，和绕Z轴旋转的γ调整功能。基板保持台40的移动需要高的位置精度和好的再现性，且基板保持台40例如通过空气轴承和线性马达驱动机构的结合而移动。沿X方向的移动速率例如是500mm/sec。
本实施例中的台位置测量系统50配置成高精确地测量连续移动的基板保持台40或处理基板30上的预定位置。台位置测量系统50包括台位置控制单元51和X方向位置测量单元52。将台位置测量系统50的输出信号提供给台驱动单元45和激光触发信号产生系统60。
X方向位置测量单元52能够通过利用例如激光干涉仪或线性标度尺，通过以高速计算脉冲信号且以几十nm数量级的高定位精度来测量基板保持台40沿X方向的移动距离，从而测量台位置。
将X方向位置测量单元52的测量结果发送至台位置控制单元51。台位置控制单元51将该定位信息发送至台驱动单元45且具有根据定位信息在预定定位精度范围内反馈控制基板保持台40的移动速率的伺服机构。X方向上的定位信息也被发送至激光触发信号产生系统60。
当基板保持台40沿X方向移动至预定位置时，激光触发信号产生系统60产生用于指示结晶激光的产生的触发信号。从基板保持台40到达预定位置处到产生用于发射结晶激光的触发信号之间的延迟时间例如是1μsec或更短。换句话说，指示结晶激光的发射的触发信号以1μsec或更短的延迟时间输入准分子照明光学系统20中的准分子激光光源。已经接收了触发信号的准分子激光光源发射脉冲激光。
处理基板30例如通过真空吸引可拆卸地安装至基板保持台40上的预定位置。处理基板30例如是550mm×650mm的大面积基板。须经结晶的处理基板30的结构通常如图2中所示，其中绝缘膜32上的非单晶半导体膜33形成在支撑基板31上，且设置绝缘膜34作为半导体膜33上的覆盖膜。非单晶半导体膜33例如是非晶硅膜、多晶硅膜、溅射硅膜、硅锗膜或脱氢非晶硅膜。支撑基板31例如是玻璃基板，诸如塑料基板的绝缘基板、诸如硅片的半导体基板。
例如脱氢非晶硅膜的非单晶半导体膜33的厚度在30nm至300nm的范围内，且典型地例如是50nm。绝缘膜32是提供来在其结晶处理期间防止不希望的杂质从支撑基板31扩散到非单晶半导体膜33。
覆盖绝缘膜34具有通过利用覆盖绝缘膜34对结晶激光的反射特性和吸热特性存储当用用于结晶的激光来照射非单晶半导体膜33时产生的热量的功能。覆盖绝缘膜34的热存储效应有助于在停止脉冲激光之后的冷却期间温度梯度的平滑，并且使晶粒的构成能够在非单晶半导体膜33的熔化区域的尺寸很大(5μm或更大)。覆盖绝缘膜34增强了结晶效率，但其能够被省略。
图3是示出图1中所示的激光结晶装置100中所使用的结晶光学系统2中的准分子照明光学系统20的一个例子的示图。准分子照明光学系统20包括设置在与准分子激光光源21相同的光轴上的扩束器22和均化器23。
来自激光光源21的激光通过扩束器22扩展且通过均化器23在面内强度方面均匀，然后将该激光照射至移相器(相位调制元件)24。透过移相器24的准分子激光是具有预定光强度分布的调制光，预定光强度分布例如是反转峰形图案光强度分布，并且该准分子激光的方向通过反射镜25向着处理基板30改变，然后该准分子激光经由例如准分子成像光学系统的成像光学系统26照射至处理基板30上。
激光光源21输出具有足够熔化例如设置在处理基板30上的非晶或多晶半导体膜的非单晶半导体膜33的能量的激光，例如输出在非单晶半导体膜33上具有1J/cm2的能量的光。激光光源21例如是准分子激光光源，且输出例如半值宽度为大约25至30nsec的短脉冲的脉冲激光。激光优选例如是波长为248nm的KrF准分子激光或者波长是308nm的XeCl准分子激光。例如，准分子激光光源21是脉冲振荡型且具有例如从100Hz至300Hz范围内的振荡频率。在本实施例中，利用振荡频率为100Hz和半值宽度为25nsec的KrF准分子激光。此外，照射至处理基板30上的KrF准分子激光的光能量例如是熔化非单晶硅膜所需的大约1J/cm2。激光光源21发射脉冲激光，且发射的光的强度可随时间改变。
扩束器22将入射激光扩展，且包括扩展该光的凹透镜22a和形成平行光的凸透镜22b，如图3中所示。
均化器23具有限定入射激光在X-Y截面上的范围的功能和使所限定的形状范围内的光强度分布均匀的功能。例如，沿Y方向布置多个X方向柱面透镜以形成沿Y方向布置的多个光通量，且这些光通量通过X方向聚光透镜沿Y方向彼此重叠，然后重新分布。同样地，沿X方向布置多个Y方向柱面透镜以形成沿X方向布置的多个光通量，且这些光通量通过Y方向聚光透镜沿X方向彼此重叠，然后重新分布。更具体而言，如图3中所示，均化器23包括包含X方向柱面透镜23a和X方向聚光透镜23b的第一均化器，和包含Y方向柱面透镜23c和Y方向聚光透镜23d的第二均化器。第一均化器使移相器24上沿Y轴方向的激光强度均匀，且第二均化器使移相器24上沿X轴方向的激光强度均匀。因此，KrF准分子激光被均化器23调节为具有预定扩展角和在截面上具有均匀光强度的照明光，且照射移相器24。
移相器24是相位调制元件的一个例子，且例如是具有台阶的石英玻璃基板。激光引起该台阶边缘处的衍射和干涉，以提供激光强度方面的周期空间分布，且在该台阶的右侧和左侧之间提供例如180°的相位差。在该台阶的右侧和左侧之间具有180°相差的移相器24将入射光相位调制为具有对称的反转峰形光强度分布的光。台阶(厚度差)d能够得自关系式：d＝λ/2(n-1)，其中λ是激光的波长而n是移相器的透明基板的折射率。由此方程式，移相器24能够例如通过相应于光的预定相差在石英玻璃基板上形成台阶d而制得。例如，由于石英基板的折射率是1.46，KrF准分子激光的波长是248nm，因此为提供180°相差的台阶高度变为269.6nm。石英玻璃基板的台阶能够通过选择蚀刻或聚焦离子束(FIB)处理而形成。移相器24具有以如下方式形成的台阶：将入射光相位调制以形成反转峰形的光强度分布，且将准分子激光的相位移动半波长。结果，照射半导体膜33的结晶激光具有反转峰形图案的光强度分布，其中相应于相位移动了的部分(台阶)的部分处在最小光强度。根据这个方法，不利用用于其它方法中且遮蔽准分子激光以获得预定光强度分布的金属图案就能够获得预定光强度分布。
已经透射穿过移相器24的结晶激光通过像差被校正的准分子成像光学系统26以预定光强度分布成像在处理基板30上，该处理基板30布置在与移相器24共轭的位置。准分子成像光学系统26例如包括包含多个氟化钙(CaF2)透镜和/或合成石英透镜的透镜组。准分子成像光学系统26是具有以下性能的长焦距透镜：诸如1/5的缩小比、0.13的N.A.、2μm的分辨率、±10μm的焦深、50mm至70mm范围内的工作距离。
准分子成像光学系统26在光学共轭位置布置了移相器24和处理基板30。换句话说，处理基板30上的非单晶半导体膜33布置在与移相器24光学共轭的表面(准分子成像光学系统26的成像表面)。准分子成像光学系统26是在透镜之间具有孔径光阑的远心光学系统。
利用这种结晶光学系统2，能够将具有期望的光强度分布的结晶激光照射至处理基板30。
通过如图1中所示的结晶装置100的结晶处理是基于结晶激光的振动频率固定且基板保持台40以固定速率移动这一假定执行结晶。根据结晶激光光源21的振动频率(即，激光照射周期)和一次结晶激光照射的区域来确定基板保持台40的移动速率。
用于结晶工艺的结晶激光的条件例如包括1J/cm2的结晶激光的结晶通量、100Hz的激光光源21的振动频率、例如30nsec的激光脉冲宽度以及5mm×10mm的照射区域。如果以这些条件照射处理基板30而未留下未被照射的空间，那么基板保持台40在激光照射的间隔(100Hz)期间移动5mm。即基板保持台40的移动速率(V)仅需设为V＝5mm×100Hz＝500mm/sec。激光的脉冲宽度，例如，30nsec是如此短的时间使得能够认为激光与500mm/sec的基板保持台40的移动速率(V)相比基本上固定。
这是因为基板保持台40在一个激光脉冲的照射周期期间的移动距离是500mm/sec×30nsec＝15nm。即，脉冲激光的一个脉冲照射周期的30nsec期间基板保持台40的移动距离仪为15nm。这个移动距离，能够认为基板保持台40基本上处在固定状态，假定30nsec的照射周期内产生的晶粒的直径为5μm至10μm。换句话说，即使结晶区域中形成的薄膜晶体管的栅极宽度所需的定位精度是其栅极宽度的十分之一或更小，例如0.5μm，则在基板保持台40基本上处于固定状态的同时，基板保持台40的移动速率(V)能够被认为已经进行了结晶工艺。
因此，在本实施例中，结晶激光能够被照射至连续移动处理基板30上的预定激光照射区域，以熔化和结晶该区域。换句话说，上面描述的结晶工艺能够在基板保持台40连续移动的同时通过脉冲激光来结晶。基板保持台40相对于由激光光源21的结晶激光照射位置沿预定方向，例如沿X方向连续移动。
基板保持台40的这种高移动速率能够通过驱动机构而获得，该驱动机构是空气轴承和线性马达的组合。然而，空气轴承/线性马达驱动机构的速率稳定性至多为大约±0.1％。因此，当激光振动频率固定在100Hz且在以500mm/sec的速率连续移动基板保持台40的同时照射结晶激光时，定位精度结果为(500mm/sec±0.1％)×(1/100sec)＝5mm±0.1％＝4995μm至5005μm，这导致±5μm的照射位置误差。当如此固定激光振动频率时，不可能获得所需的±1μm的定位精度。即，如果使结晶激光的振动频率固定且基板保持台40以固定速率移动来执行结晶，则用于形成晶粒的位置不能实现1μm或更小的预定定位精度。因此，需要根据一些定位测量来控制和确定结晶激光的照射定时，从而使激光照射至处理基板30或基板保持台40的预定照射位置。
为了提高结晶工艺的产量且为了高精度地将激光照射至如上所述的处理基板30上的预定位置，检测移动中的处理基板30的位置或实时检测基板保持台40的位置，且根据该检测信息照射该结晶激光是很重要的。
接着，将参考图4来描述这个结晶工艺的实施例。图4是解释根据本实施例的结晶工艺的一个例子的流程图。在这个例子中，将考虑这样的情况，通过X方向位置测量单元52来实时测量在沿着X方向连续移动的基板保持台40上的X方向上的位置，从而通过激光触发信号产生系统以1μsec或更短的延迟时间产生激光照射信号。
结晶工艺在步骤401中通过沿X方向连续移动基板保持台40而开始。步骤402中，X方向位置测量单元52实时测量连续移动的基板保持台40的X方向上的位置，然后将位置脉冲信号经由台位置控制单元51发送至激光触发信号产生系统60。X方向上的测量位置也能够被设为在处理基板30上的预定位置。在步骤403中，激光触发信号产生系统60计算脉冲信号，且判定基板保持台40是否已经到达结晶激光照射位置。
当判定基板保持台40已经到达结晶激光照射位置时，在步骤404中，激光触发信号产生系统60产生激光触发信号作为结晶激光产生指示信号，然后将其发送至激光光源21。从判定到发送激光触发信号的时间通常为1μsec或更短。在步骤405中，激光光源21响应于所接收的触发信号产生结晶激光，且将结晶激光照射至处理基板30上。从接收触发信号到在激光光源21中产生结晶激光之间的延迟时间也为1μsec或更短。
因此，从结晶激光照射位置的检测到将激光照射至基板上的周期，即从步骤403至步骤405的延迟时间为(1+1)μsec或更短。移动距离，即这个周期期间基板保持台40的位移为500mm/sec×(1+1)μsec＝1μm或更短。激光触发信号产生系统60中的延迟时间能够进一步减小，从而可以使位移量减小至亚微米。
接着，进行到步骤406，激光触发信号产生系统60判定是否X方向上的所有预定位置都已经被结晶激光照射。如果即使在X方向上检测到未被照射过的单个位置，结晶处理也返回步骤402并执行用于结晶未被处理的地方的激光照射。如果X方向上的所有地方都被照射，则结晶工艺进行到步骤407。在步骤407中，激光触发信号产生系统60判定是否Y方向上的所有位置都已经被照射。如果激光触发信号产生系统60判定在Y方向上有一个地方未被照射，则结晶工艺进行到步骤408，且Y方向上的该位置移动到下一个位置，然后返回步骤401。如果Y方向上的所有位置都已经被照射，则激光触发信号产生系统60判定一个处理基板30的结晶工艺已经完成。
接着，完成了结晶工艺的处理基板30被自动卸载，且下一个处理基板30被自动装载并布置在基板保持台40上的预定位置。
根据本实施例，结晶激光以例如10mm×5mm的尺寸照射例如550mm×650mm的大面积基板的整个区域所需的时间例如是(650mm/500mm/sec)×(550mm/10mm)＝71.5sec。
实际上，每当完成安装在基板保持台40上的处理基板30上的一次X方向扫描且台40移动至Y方向上的下一个位置时，激光结晶装置100都通过反转X扫描方向总共重复X方向扫描55次。因此，结晶工艺需要Y方向的移动时间和反转基板保持台40沿X方向的移动的减速和加速时间。即使将这些考虑在内，结晶工艺的产量也能够每小时处理大约20至30片，由此根据该实施例实现了高产量。
如上所述，激光结晶装置100包括台位置测量装置和激光触发信号产生装置，由此以高定位精度非常快地定位至预定位置并能够照射结晶激光。即，激光结晶装置100能够使从结晶激光照射位置的检测至照射激光之间的时间延迟为2μsec或更短，且能够以1μm或更小的高定位精度将激光照射至处理基板30。因此，激光结晶装置100能够将具有预定光强度分布的结晶激光以高定位精度照射至连续高速移动的处理基板30上。这使得提供具有能够通过熔化和结晶非单晶半导体膜形成具有大晶粒尺寸的半导体膜的高产量的激光结晶装置和结晶方法成为可能。
(第二实施例)
在第一实施例中，通过校正台的移动速率的偏差而提高了移动的基板保持台在X方向的定位精度。然而，即使在利用空气轴承/线性马达驱动机构的基板保持台40的高精度控制装置中，在大约500mm/sec的高速率X方向移动的情况下，至多实现Y和Z方向上大约10μm的笔直度(straightness)。因此，需要以1μm或更小的定位精度照射结晶激光的激光结晶装置100必须在沿着X方向移动基板保持台40的同时进行另一个沿Y和/或Z方向的定位校正。
如图5中所示，本发明的第二实施例涉及激光结晶装置500，该激光结晶装置500执行结晶，以便在对沿垂直于基板保持台40的移动方向(X方向)的Y和Z方向至少之一的定位偏差进行校正的同时沿X方向连续移动处理基板。第二实施例示出了实现X-Y平面的高精度定位控制和高度上在Z方向的高精度定位控制，即聚焦精度的激光结晶装置。相同的标记指示与图1中相同的部件，且不再详细描述这些部件。Y方向上的定位控制的意思是控制X扫描方向上的下一个激光照射位置。高度上Z方向的定位控制的意思是控制处理基板30定位在准分子照明光学系统20的焦平面处。
如图5中所示，本实施例的特征在于：台位置测量系统50a除了第一实施例中的台位置控制单元51和X方向位置测量单元52之外还包括Y方向位置测量单元53和Z方向位置测量单元54。台位置测量系统50a以较高的定位精度测量移动的基板保持台40的位置。台位置测量系统50a将基板保持台40的位置信号提供给台驱动单元45和激光触发信号产生系统60。
X方向位置测量单元52和Y方向位置测量单元53例如利用激光干涉仪或线性标度尺以与第一实施例中的X方向位置测量单元52相同的方式以几十nm量级的高定位精度非常快地分别测量基板保持台40在X方向和Y方向上的位置。
Z方向位置测量单元54测量处理基板30的高度，且其能够例如利用上述的线性标度尺。然而，尽管图中未示出，由于玻璃基板厚度方面膨胀大约几十μm，因此处理基板30在Z方向具有偏差，从而利用表面位置测量系统更有效，该表面位置测量系统通过利用激光的表面反射测量处理基板30表面的实际高度。关于被测量处理基板30的表面高度的位置，能够测量任何不同于结晶激光当前被照射的位置的其它位置。在这种情况下，能够使用以下方法：预先测量下一个被照射的位置处处理基板30的表面高度且将其存储在存储器内，然后在激光照射时从存储器中读取以在那里控制进行沿Z方向上的校正。
基板保持台40的Y方向的位置根据台40的移动笔直度和台40的加工精度从预定位置变化。因此，预先测量沿X方向连续移动期间在Y方向上的位移，且将数据存储在例如作为校正表48的存储器内。通过Y方向位置测量单元53测量沿X方向连续移动期间基板保持台40的Y方向的位置。Y方向的位置的测量结果经由台位置控制单元51发送至台驱动单元45。台驱动单元45将测量值与用于Y方向的校正表48内预先存储值相比较，以输出位移量，并校正和控制基板保持台40的Y方向位置，以便位移量变为零。
在Z方向上，处理基板30的表面高度由于除了基板保持台40的垂直移动时的笔直度之外大面积处理基板30的平坦度，例如厚度改变和弯曲而变化。Z方向上的位置(高度)通过Z方向位置测量单元54而测得。Z方向位置测量单元54以与X方向和Y方向位置测量单元52和53相同的方式，利用线性标度尺等等测量基板保持台40的表面位置，即高度。Z方向上的测量结果与预先测量和存储在校正表48内的平台在Z方向上的高度数据相比较，以修正和控制高度方向上的偏差量。然而，在这种情况下，由于基板保持台40移动时的笔直度而引起的Z方向上的高度变化可以被校正，但是由于安装在基板保持台40上的处理基板30的平坦度引起的高度变化则不能被校正。
如果大面积处理基板30是玻璃基板，同样由于玻璃基板的平坦度引起的Z方向上的高度变化的量通常大于10μm。只要这个高度变化量在准分子成像光学系统26的焦深范围内，就将不会有问题。然而，激光结晶装置500的焦深典型地为大约±5至10μm，这取决于每个激光结晶装置500的光学系统。因此，在激光结晶装置500的台驱动单元45中也需要由于处理基板30的平坦度而引起的在Z方向上的高度的校正功能。
因此，在台位置测量系统50a中，在测量处理基板30的表面的实际高度的同时优选控制处理基板30的水平面。例如样品表面位置测量系统54能够用作Z方向位置测量单元54，该样品表面位置测量系统54利用测量激光的表面反射来测量处理基板30的表面的高度。用于测量处理基板30的高度的位置能够从结晶激光的当前照射位置移位，且例如可以在结晶激光下次照射的位置处预先测量表面高度。然后，Z方向位置测量单元54将测量结果反馈给台驱动单元45以便处理基板30的Z方向高度能够被控制。
照这样，台位置测量系统50a除了在X方向上高精度定位之外，还可以在Y方向和/或Z方向上高精度定位。因此，激光结晶装置500将具有光学调制了的光强度分布的结晶脉冲激光照射至以高定位精度非常快地定位的处理基板30上的预定位置，以熔化和结晶非单晶半导体膜33。因此，能够提供具有高产量的能够形成具有大晶粒尺寸的半导体薄膜33的激光结晶装置和结晶方法。
(第三实施例)
在第一和第二实施例中，已经利用了一种结晶光学系统2，第三实施例涉及具有多个结晶光学系统2N的激光结晶装置的例子。
图6是示出了本实施例中激光结晶装置600的一个例子的示图。相同的标记指示与图1中相同的部件，且不再详细描述这些部件。图6中，为了解释的简单性，示出了例如第一和第二结晶光学系统2A和2B的两个结晶光学系统分离地布置在Y方向上的例子，Y方向垂直于基板保持台40的扫描方向(X方向)。然而，结晶光学系统的数目及其布置并不局限于上述的数目和布置。图6中，相同光学元件的数字标记增加了字母标记以与图5中的光学系统相区别。
参考图6，布置了第一和第二结晶光学系统2A和2B以便将其分配给例如在基板保持台40上沿Y方向分离20mm的照射分开位置，因为在这种情况下，结晶激光的一个照射区域的Y方向上的尺寸为10mm。在分配了处理基板30上的多个被照射区域这种照射方法中，处理基板30的两个分开的区域能够同时被结晶，且结晶时间能够减少至第一实施例中的将近一半。
至于被第一和第二结晶光学系统2A和2B照射的区域，结晶基板30上的区域可被分配为如图6中的实施例中的邻近照射区域，或者可被预先分成半区域A和B，以便结晶光学系统2A和2B用于同时分别照射A区域和B区域。第一和第二结晶光学系统2A和2B的照射定时可以是同时的或交错的。
图7中示出了利用图6中的激光结晶装置600的结晶激光照射的区域的关系的一个例子。图7中，垂直方向表示基板保持台40连续移动的X方向，且水平方向表示Y方向。在X方向上，在图中，在诸如第一时间和第三时间的奇数扫描时间照射区域从上向下移动，同时在偶数扫描时间照射区域从下向上移动。(实际上，照射位置固定，而处理基板30移动。)第一和第二结晶光学系统2A和2B照射的区域是在一次X扫描(例如，从上向下)中沿Y方向分开20mm的平行区域。换句话说，宽度为10mm的非结晶区域保持在被来自第一和第二结晶光学系统2A和2B的结晶激光照射的宽度为10mm的两个结晶区域之间。当基板保持台40为了返回执行用于下一次扫描的结晶处理而移动时，即，当基板保持台40沿相反方向移动，以便对于非单晶半导体基板30上的所有区域执行结晶处理时，这个非结晶区域被激光照射。因此，在该实施例的这个照射方法中，例如，基板保持台40沿Y方向的移动量当在X扫描中从奇数时间至偶数时间进行移动时，为沿左向10mm，并且当从偶数时间至奇数时间进行移动时，为向左30mm，从而能够使处理基板30的整个区域结晶而不遗留未被照射的空间。
在本实施例的照射方法中，能够在进行结晶的同时如同第一和第二实施例中那样对于基板保持台40的X、Y和Z方向上的位置进行校正。X和Y方向上的位置的高精度校正和控制能够通过上述的方法执行而没有问题。然而，关于Z方向上的校正，同时用这两个结晶激光照射的两个照射区域分开。因此，在远离Z方向位置测量单元54的测量位置的照射区域中，存在在Z方向上高度不被正确校正的可能性。然而，分开20mm的位置之间的高度差很小，并且典型地在处理基板30的平坦度方面最多是1至2μm或更小，从而该差值充分地小于准分子成像光学系统26的焦深，且不引起任何问题。
因此，根据本实施例，使用了多个结晶光学系统2，以便能够同时或以一个延迟来结晶多个结晶区域，从而允许提供较高产量的激光结晶装置，且同时在X方向、Y方向和/或Z方向上提供高精度定位。此外，根据本实施例，可以提供一种激光结晶装置，该激光结晶装置将具有光学调制了的光强度分布的多个结晶激光照射至以高定位精度非常快地定位在预定位置的基板，以熔化和结晶非单晶半导体膜33，以便其能够提供具有高产量的能够形成具有大晶粒尺寸的半导体薄膜33的激光结晶装置和结晶方法。
(第四实施例)
本发明的第四实施例涉及一种激光结晶装置800，其利用两个结晶光学系统，例如第一和第二结晶光学系统2A和2B以顺序地将结晶激光照射至在半导体膜32上分离几μm的位置，并由此将其结晶。
在本实施例中，结晶激光多次照射至连续移动的处理基板30上几乎相同的照射区域以实现结晶。在将结晶激光多次照射至几乎相同的照射区域的实施例中，例如，照射第一结晶激光，然后照射第二结晶激光，以便用第二结晶激光照射的大部分区域与用第一结晶激光照射的区域重叠。在这个实施例中，在通过第一激光结晶形成有大晶粒的半导体膜中，第二结晶激光进一步照射至在晶粒的生长方向分离几μm的位置，从而使半导体膜能够重新结晶以具有较大的矩形晶粒。
当仅执行一次结晶时，具有小尺寸和不同晶体取向的晶粒倾向于形成在晶体生长起始位置处，此处是激光强度最小的地方，此外，其中的特定晶粒优先生长为基体(base)小的大晶粒形状。然后，第二结晶激光以几μm的位移照射，以熔化上述小晶粒且使得作为籽晶的大晶粒的晶体生长成更大的方形晶粒。
在本实施例中，除上述的技术之外，结晶激光的照射位置通过台位置测量系统50a来精确控制。因此，通过利用多个结晶光学系统理想地实现这种结晶激光的多个照射。
图8中示出了根据本实施例的激光结晶装置800的一个例子。如图所示，第一和第二结晶光学系统2A和2B共享一个准分子成像光学系统26。因此，第一和第二结晶激光沿着激光结晶装置800中相同的光轴照射处理基板30。
下面将参考图8和9介绍本实施例中的结晶工艺的一个例子。参考图8，第一和第二准分子照明光学系统20A和20B分别包括P偏振和S偏振激光光源(未示出)，且被设计成经由单个准分子成像光学系统26照射处理基板30的相同区域。第一和第二移相器24A和24B设置在与处理基板30相等距离的位置处。偏振镜70反射来自第一照明光学系统20A的P偏振光且透射来自第二照明光学系统20B的S偏振光。
图9所示的是本实施例中的结晶工艺的一个例子的流程图。步骤901至903与第一实施例中的步骤401至403相同，因此不再详细描述。在步骤903中，判定沿X方向移动的基板保持台40的位置是否处在结晶激光照射位置。在步骤904中，如果基板保持台40的位置处在结晶激光照射位置，则激光触发信号产生系统60产生第一结晶激光触发信号并将其发送到第一激光光源21A，与第一实施例一样。在步骤905中，第一激光光源21A响应第一触发信号产生第一结晶激光，且照射处理基板30。
激光触发信号产生系统60发送第一结晶激光触发信号至第一激光光源21A，并且同时，启动用于第二激光光源21B的延迟计时器(步骤906)。延迟计时器中设定的延迟时间Td能够如下确定。
能够在一次结晶工艺中形成的晶粒的尺寸通常为5至10μm。第二结晶激光的照射位置被移动例如3μm。如果基板保持台40的移动速率为500mm/sec，则延迟时间Td能够通过下面的等式获得。
Td＝3×10-6(m)/5×10-1(m/sec)＝6×10-6(sec)＝6μsec
另一方面，PMELA装置中通过激光的照射的结晶是在激光照射之后0.1至0.2μsec内完成的。因此，在6μsec的延迟时间之后的第二结晶激光的照射时，通过第一结晶激光照射的结晶完全完成，且在非单晶半导体膜33上形成大晶粒。
在步骤907中，在预定延迟时间Td过去之后，激光触发信号产生系统60向第二激光光源21B发送第二激光触发信号。在步骤908中，第二激光光源21B响应第二触发信号照射第二结晶激光。
因此，第一和第二激光光源21A和21B的照射定时稍微交错，从而使第一和第二结晶激光能够以高定位精度照射至连续移动的处理基板30上仅分开几μm的位置。
然后，激光触发信号产生系统判定是否X方向上所有的位置都已经被照射(步骤909)，并判定是否Y方向上所有的位置都已经被照射(步骤910)，与第一实施例中的步骤406中和步骤406之后一样。如果处理基板30的整个区域都已经被照射，则完成该工艺。
虽然根据第一实施例已经描述了本实施例，但是Y方向和/或Z方向上的定位校正也能够如第二实施例中所描述的一起进行。
照这样，多个结晶激光，例如，两个结晶激光以几μsec的轻微差异(延迟)顺序地照射至处理基板30上的非单晶半导体膜33，以便在薄膜33中生长较大的晶粒。而且，在连续移动处理基板的同时，沿X方向、Y方向和/或Z方向高精度地控制定位，以便能够照射具有预定光强度分布的结晶激光。这使得提供具有高产量的能够熔化和结晶非单晶半导体膜以形成具有大晶粒尺寸的半导体薄膜的激光结晶装置和结晶方法成为可能。
本发明并不局限于上述的实施例，且能够作出各种变型。例如，在图1中作为例子的方式描述了投影照射方法，其中移相器的图像经由成像透镜被投影至处理基板上，但是其也可使用邻近照射方法，其中移相器邻近处理基板布置。
根据本发明的一个方面，提供了一种激光结晶装置和结晶方法，该激光结晶装置包括：产生激光的激光光源；以及调制该激光以透射具有预定光强度分布的激光的移相器，其中通过移相器调制的激光照射至设置在处理基板上的薄膜，以熔化和结晶该薄膜的照射区域，且该激光结晶装置的特征在于该装置包括：安装处理基板且在涉及脉冲激光照射位置的预定方向上连续移动的基板保持台；用于测量沿着预定方向连续移动的该基板保持台的位置的位置测量装置；以及用于根据由该位置测量装置测量的该基板保持台的位置指示激光的产生的信号产生装置，且该薄膜是非晶硅膜。
此外，该激光结晶装置和结晶方法的特征在于激光为准分子激光。在另一实施例中，激光结晶装置和结晶方法的特征在于激光照射至薄膜上的多个预定位置。在另一实施例中，激光结晶装置和结晶方法的特征在于控制垂直于连续移动的方向的至少一个方向上基板保持台的位置。在另一实施例中，激光结晶装置和结晶方法的特征在于垂直于连续移动的方向的方向包括在薄膜表面内的一个方向，并且连续移动的笔直度控制为10微米或更小。在另一实施例中，激光结晶装置和结晶方法的特征在于垂直于连续移动的方向的方向包括垂直于薄膜表面的方向，且提供有第二位置测量装置，用来测量垂直于薄膜表面的方向上基板保持台的位置。在另一实施例中，激光结晶装置和结晶方法的特征在于第二位置测量装置包括激光反射型探测器。在另一实施例中，激光结晶装置和结晶方法的特征在于由第二位置测量装置测量的位置是在连续移动的方向上且位于用激光照射的位置之前的位置。在另一实施例中，激光结晶装置和结晶方法的特征在于沿垂直于连续移动的方向的方向控制基板保持台的位置的精度控制到5微米或更小。在另一实施例中，激光结晶装置和结晶方法的特征在于位置测量装置包括激光干涉仪。在另一实施例中，激光结晶装置和结晶方法的特征在于位置测量装置包括线性标度尺。在另一实施例中，激光结晶装置和结晶方法的特征在于从通过位置测量装置测量基板保持台的位置到通过信号产生装置产生指示激光照射的信号之间的延迟时间为1微秒或更短。在另一实施例中，激光结晶装置和结晶方法的特征在于基板保持台的连续移动是速率受控的。
根据本发明的另一方面，提供一种激光结晶装置，该激光结晶装置包括：产生激光的多个激光光源；以及调制各自的激光以透射具有预定光强度分布的激光的多个移相器，其中通过移相器调制的多个激光照射至设置在处理基板上的薄膜，以熔化和结晶该薄膜的照射区域，且激光结晶装置的特征在于该装置包括：安装处理基板且在涉及脉冲激光照射位置的预定方向上连续移动的基板保持台；用于测量沿着预定方向连续移动的该基板保持台的位置的位置测量装置；以及用于根据由该位置测量装置测量的该基板保持台的位置指示激光的产生的信号产生装置，且该薄膜是非晶硅膜。此外，该激光结晶装置的特征在于激光是准分子激光。
在另一实施例中，激光结晶装置和结晶方法的特征在于激光被照射至薄膜上的多个预定位置。在另一实施例中，激光结晶装置和结晶方法的特征在于激光照射至在连续移动方向上并且在薄膜上分开1至30微米的不同位置。在另一实施例中，激光结晶装置和结晶方法的特征在于控制垂直于连续移动的方向的至少一个方向上基板保持台的位置。在另一实施例中，激光结晶装置和结晶方法的特征在于垂直于连续移动的方向的方向包括在薄膜表面内的一个方向，并且连续移动的笔直度控制为10微米或更小。在另一实施例中，激光结晶装置和结晶方法的特征在于垂直于连续移动的方向的方向包括垂直于薄膜表面的方向，且提供有第二位置测量装置，用来测量垂直于薄膜表面的方向上基板保持台的位置。在另一实施例中，激光结晶装置和结晶方法的特征在于第二位置测量装置包括激光反射型探测器。在另一实施例中，激光结晶装置和结晶方法的特征在于由第二位置测量装置测量的位置是在连续移动的方向上且位于用激光照射的位置之前的位置。在另一实施例中，激光结晶装置和结晶方法的特征在于沿垂直于连续移动的方向的方向控制基板保持台的位置的精度控制到5微米或更小。在另一实施例中，激光结晶装置和结晶方法的特征在于位置测量装置包括激光干涉仪。在另一实施例中，激光结晶装置和结晶方法的特征在于位置测量装置包括线性标度尺。在另一实施例中，激光结晶装置和结晶方法的特征在于从通过位置测量装置测量基板保持台的位置到通过信号产生装置产生指示激光照射的信号之间的延迟时间为1微秒或更短。在另一实施例中，激光结晶装置和结晶方法的特征在于基板保持台的连续移动是速率受控的。
本发明并不局限于上述的实施例，且能够作出各种变型。例如，在图1中作为例子的方式描述了投影照射方案，其中移相器的图像经由成像透镜被投影至处理基板上，但是其也可使用邻近照射方案，其中移相器邻近处理基板布置。
如上所述，在本发明中，激光结晶装置包括位置测量装置和激光触发信号产生装置。这使得提供具有高产量的激光结晶装置和结晶方法成为可能，其能够在连续移动处理基板的同时在高定位精度区域内形成具有大晶粒尺寸的高质量半导体膜。
已经给出了这里所公开的实施例的上述说明，从而本领域技术人员可以制造并利用本发明。
其它优点和变型对于本领域技术人员来说是容易想到的。因此，本发明就其更宽的方面来说并不局限于这里所示出和描述的特定细节和代表性的实施例。因此，在不脱离所附权利要求及其等价物所限定的总的发明构思的精神或范围的情况下，可以作出各种变型。

Claims (10)

1、一种激光结晶装置，其特征在于包括：根据激光产生指示信号的输入产生脉冲激光的激光光源；以及设置在该激光的光路上并调制该脉冲激光以透射具有预定光强度分布的脉冲激光的移相器，其中通过该移相器调制的该脉冲激光被照射至设置在处理基板上的结晶薄膜，以熔化和结晶该结晶薄膜的照射区域，该激光结晶装置包括：
安装该处理基板且在涉及脉冲激光照射位置的预定方向上连续移动的基板保持台；
测量在该预定方向上连续移动的该基板保持台的位置的位置测量装置；以及
根据由该位置测量装置测量的该基板保持台的位置来指示脉冲激光的产生的信号产生装置。
2、根据权利要求1所述的激光结晶装置，其特征在于该基板保持台包括沿X方向调整激光照射位置的第一控制系统，沿Y方向调整激光照射位置的第二控制系统，和/或沿Z方向调整激光照射位置到该激光的焦平面的高度的第三控制系统。
3、一种激光结晶装置，其特征在于包括：根据激光产生指示信号的输入而产生脉冲激光的多个激光光源；以及设置在各个激光的光路上且调制该脉冲激光以透射具有预定光强度分布的所述脉冲激光的多个移相器，其中通过该移相器调制的该多个脉冲激光被照射至设置在处理基板上的薄膜，以熔化和结晶该薄膜的照射区域，该激光结晶装置包括：
安装该处理基板且在涉及脉冲激光照射位置的预定方向上连续移动的基板保持台；
测量在该预定方向上连续移动的该基板保持台的位置的位置测量装置；以及
根据由该位置测量装置测量的该基板保持台的位置来指示该脉冲激光的产生的信号产生装置。
4、根据权利要求3所述的激光结晶装置，其特征在于该多个激光光源被设置成同时将脉冲激光照射至在垂直于该连续移动的方向的第二方向上布置的该薄膜上的不同位置处。
5、根据权利要求3所述的激光结晶装置，其特征在于通过该多个激光光源产生的该脉冲激光被设置成照射至在该连续移动的方向上的该薄膜上的不同位置处。
6、根据权利要求1至5中的任意一项所述的激光结晶装置，其特征在于该激光光源与该激光产生指示信号的输入同步地产生该脉冲激光。
7、一种激光结晶方法，其特征在于包括：
沿预定方向连续移动其上安装有处理基板的基板保持台；
测量该连续移动的基板保持台上的预定位置；
输出根据该测量的位置信息指示激光的产生的激光产生指示信号；
一收到该激光产生指示信号就产生脉冲激光；
调制该脉冲激光；以及
将该调制了的脉冲激光照射在该处理基板上，以熔化和结晶设置在该处理基板上的结晶薄膜的照射区域。
8、根据权利要求7所述的激光结晶方法，其特征在于照射该处理基板的该脉冲激光具有多个脉冲激光光路，且照射该处理基板的不同区域。
9、根据权利要求7或8所述的激光结晶方法，其特征在于该连续移动的基板保持台上的该预定位置的测量包括在X方向和Y方向上将该测量的位置与预定结晶位置对准，和/或将Z方向上的该测量的位置与该脉冲激光的焦平面对准。
10、根据权利要求7或8所述的激光结晶方法，其特征在于该脉冲激光的产生包括与该激光产生指示信号的输入同步地产生该脉冲激光。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110767576A (zh) * 2019-10-17 2020-02-07 上海华力集成电路制造有限公司 激光退火设备及激光退火工艺
WO2020239133A1 (zh) * 2019-05-31 2020-12-03 大族激光科技产业集团股份有限公司 激光切割设备及激光切割方法

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007165716A (ja) * 2005-12-15 2007-06-28 Advanced Lcd Technologies Development Center Co Ltd レーザー結晶化装置及び結晶化方法
WO2009011045A1 (ja) * 2007-07-18 2009-01-22 Shimadzu Corporation 結晶化装置
US9120088B2 (en) 2008-05-29 2015-09-01 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Heavily doped metal oxides and methods for making the same
JP2010160408A (ja) * 2009-01-09 2010-07-22 Hitachi High-Technologies Corp 処理作業装置及び処理作業方法並びに表示パネルモジュール組立装置および組立方法
WO2010104656A2 (en) * 2009-03-13 2010-09-16 The Board Trustees Ofthe University Of Illinois Rapid crystallization of heavily doped metal oxides and products produced thereby
JP5620669B2 (ja) * 2009-10-26 2014-11-05 東芝機械株式会社 レーザダイシング方法およびレーザダイシング装置
JP2012170989A (ja) * 2011-02-22 2012-09-10 Suzuki Motor Corp レーザ重ね溶接方法
DE102012010708B4 (de) * 2012-05-30 2021-12-23 Carl Zeiss Microscopy Gmbh Kombiniertes bearbeitungssystem zur bearbeitung mittels laser und fokussierten ionenstrahlen
KR102163606B1 (ko) * 2013-03-27 2020-10-08 고쿠리쓰다이가쿠호진 규슈다이가쿠 레이저 어닐링 장치
KR20170037633A (ko) * 2014-07-21 2017-04-04 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 스캐닝형 펄스 어닐링 장치 및 방법
CN104135603A (zh) * 2014-08-08 2014-11-05 山东神戎电子股份有限公司 一种具有分时照明功能的激光夜视仪
JP6532695B2 (ja) * 2015-02-19 2019-06-19 株式会社Ｓｃｒｅｅｎホールディングス 検査装置および検査方法
JP6616368B2 (ja) * 2017-09-14 2019-12-04 ファナック株式会社 レーザ加工前に光学系の汚染レベルに応じて加工条件を補正するレーザ加工装置
JPWO2019082314A1 (ja) * 2017-10-25 2020-11-19 株式会社ニコン 加工装置、加工システム、及び、移動体の製造方法
KR102516486B1 (ko) * 2017-12-05 2023-04-03 삼성디스플레이 주식회사 레이저 결정화 장치
JP7190875B2 (ja) * 2018-11-16 2022-12-16 東京エレクトロン株式会社 ポリシリコン膜の形成方法及び成膜装置
US11909091B2 (en) 2020-05-19 2024-02-20 Kymeta Corporation Expansion compensation structure for an antenna

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1041244A (ja) * 1996-07-24 1998-02-13 Sony Corp レーザ処理装置及び半導体装置の製造方法
JP2000210782A (ja) * 1998-02-19 2000-08-02 Ricoh Microelectronics Co Ltd 加工方法及びその装置
JP4403599B2 (ja) * 1999-04-19 2010-01-27 ソニー株式会社 半導体薄膜の結晶化方法、レーザ照射装置、薄膜トランジスタの製造方法及び表示装置の製造方法
JP2001160530A (ja) 1999-12-01 2001-06-12 Nikon Corp ステージ装置及び露光装置
CN1186802C (zh) 2000-03-21 2005-01-26 纽约市哥伦比亚大学托管会 顺序横向固化方法加工期间及其后硅薄膜的表面平面化
US6835426B2 (en) * 2001-01-19 2004-12-28 Potomac Photonics, Inc. Method and apparatus for pulse-position synchronization in miniature structures manufacturing processes
JP2003151916A (ja) * 2001-08-03 2003-05-23 Semiconductor Energy Lab Co Ltd レーザ照射装置およびレーザ照射方法、並びに半導体装置の作製方法
TW200304175A (en) * 2001-11-12 2003-09-16 Sony Corp Laser annealing device and thin-film transistor manufacturing method
JP3908153B2 (ja) 2001-11-16 2007-04-25 株式会社半導体エネルギー研究所 半導体装置の作製方法
US7105048B2 (en) * 2001-11-30 2006-09-12 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Laser irradiation apparatus
JP3992976B2 (ja) 2001-12-21 2007-10-17 株式会社半導体エネルギー研究所 半導体装置の作製方法
CN1327487C (zh) 2002-04-23 2007-07-18 株式会社液晶先端技术开发中心 结晶装置和结晶方法以及移相掩模
US6977775B2 (en) * 2002-05-17 2005-12-20 Sharp Kabushiki Kaisha Method and apparatus for crystallizing semiconductor with laser beams
TWI344027B (en) * 2002-08-19 2011-06-21 Univ Columbia Process and system for laser crystallization processing of film regions on a substrate to provide substantial uniformity within areas in such regions and edge areas thereof, and a structure of such film regions
CN1757093A (zh) * 2002-08-19 2006-04-05 纽约市哥伦比亚大学托管会 具有多种照射图形的单步半导体处理系统和方法
JP4474108B2 (ja) * 2002-09-02 2010-06-02 株式会社 日立ディスプレイズ 表示装置とその製造方法および製造装置
JP2005064079A (ja) * 2003-06-18 2005-03-10 Advanced Lcd Technologies Development Center Co Ltd 半導体薄膜の結晶化方法、及び半導体装置の製造方法
TW200503057A (en) * 2003-06-11 2005-01-16 Adv Lcd Tech Dev Ct Co Ltd Crystallization apparatus, crystallization method, method of manufacturing thin film transistor, thin film transistor, and display apparatus
TW200503061A (en) * 2003-06-30 2005-01-16 Adv Lcd Tech Dev Ct Co Ltd Crystallization method, crystallization apparatus, processed substrate, thin film transistor and display apparatus
JP4555033B2 (ja) * 2003-12-25 2010-09-29 株式会社 液晶先端技術開発センター 結晶化装置並びに方法、電子デバイスの製造方法、及び光変調素子
JP4503328B2 (ja) * 2004-03-29 2010-07-14 株式会社日本製鋼所 照射距離自動調整方法及びその装置
JP2006040949A (ja) * 2004-07-22 2006-02-09 Advanced Lcd Technologies Development Center Co Ltd レーザー結晶化装置及びレーザー結晶化方法
JP2007165716A (ja) * 2005-12-15 2007-06-28 Advanced Lcd Technologies Development Center Co Ltd レーザー結晶化装置及び結晶化方法
JP4956987B2 (ja) * 2005-12-16 2012-06-20 株式会社島津製作所 レーザー結晶化装置及び結晶化方法
JP2009010196A (ja) * 2007-06-28 2009-01-15 Advanced Lcd Technologies Development Center Co Ltd レーザー結晶化方法及び結晶化装置

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020239133A1 (zh) * 2019-05-31 2020-12-03 大族激光科技产业集团股份有限公司 激光切割设备及激光切割方法
US11931827B2 (en) 2019-05-31 2024-03-19 Han's Laser Technology Industry Group Co., Ltd. Laser cutting device and laser cutting method
CN110767576A (zh) * 2019-10-17 2020-02-07 上海华力集成电路制造有限公司 激光退火设备及激光退火工艺

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Publication number Publication date
TW200735220A (en) 2007-09-16
US20080073573A1 (en) 2008-03-27
JP2007165716A (ja) 2007-06-28
KR20070064262A (ko) 2007-06-20
US7847214B2 (en) 2010-12-07

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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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