TW561556B - Laser annealing apparatus and semiconductor device manufacturing method - Google Patents

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Shunpei Yamazaki
Koichiro Tanaka
Masaaki Hiroki
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Semiconductor Energy Lab
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561556 A7 ________ B7 五、發明説明（i ) 發明背景 發明領域 本發明係關於一種使用雷射光束的雷射退火裝置。本 發明速關於一種半導體裝置之製造方法，製造半導體裝置 所經過的步驟中包括使用雷射退火方法的步驟。於此之半 導體裝置是指一種利用半導體特性來發揮作用的一般裝置 ，包括液晶顯示器和發光裝置等電光裝置和將電光裝置作 爲一個部件包含其中的電子設備。 相關技術說明 近年來，廣泛開展了對形成於玻璃等絕緣基底上的半 導體層使用的雷射退火技術的硏究，目的是晶化或提高結 晶度。在本說明書中，將使用雷射光束晶化半導體層並獲 得結晶半導體層的方法稱作雷射結晶。 與習知常用的人造石英玻璃基底相比，玻璃基底價格 低廉，有極好的可加工性，具有容易製備大面積基底的優 點。這是上面提到的硏究的原因。同時，由於玻璃基底熔 點低，所以雷射器首先用在結晶過程中。雷射器可以只將 高能量傳遞給半導體層而完全不增加基底的溫度。而且與 使用電爐之加熱機構相比透射能要高得多。 結晶半導體層由很多晶粒形成，因此它們也稱作多晶 半導體層。因爲藉由雷射退火裝置形成的結晶半導體層遷 移率高，所以可以使用結晶半導體層來形成薄膜電晶體（ TFT )。它們廣泛使用在’例如，圖素驅動的單極液晶電光 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2l〇X297公釐） --^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 •1 經濟部智慧財產局g(工消費合作社印製 -4- 561556 A7 _______B7_ 五、發明説明（2) 設備和形成在一塊玻璃基底上的驅動電路TFT中。 同時，因爲雷射退火裝置生産能力和工業優勢高，所 以優先使用方法是將受激準分子雷射器等發出的高輸出脈 衝雷射藉由光學系統，在照射板上形成一個幾釐米平方的 方點或長度爲1 0多釐米的線性形狀，目的是掃描雷射（相 對於照射板移動雷射照射位置）。順便而言，將雷射形成 線性形狀是指雷射在照射板上形成線性形狀。它是指雷射 的截面形狀是線性形狀。此外，“線性形狀”在這裏不是 嚴格的“線性”，而是指長寬比大的矩形或橢圓形。例如 長寬比爲10或更大。（較佳是100〜10000)。 具體來講，與使用需要掃描的點狀雷射的情況不同， 使用線性雷射光束可以只藉由在線性光束縱向的垂直方向 掃描就可以實現整個照射平面的雷射照射，提供了高生産 效率。在縱向的垂直方向上進行掃描是因爲這個掃描方向 具有最高的效率。因爲生産效率高，所以在當前的雷射退 火處理中，使用脈衝振盪的受激準分子雷射藉由適當光學 系統形成的線性光束是製造使用TFT的液晶顯示設備技術 的主流。 爲了形成受激準分子雷射光束，將Kr*F (波長248 n m )或XeCI (波長308 nm)用作激發氣體。但是Kr (氪） 和Xe (氙）這樣的氣體是十分昂貴的。因此，如果使用了 Kr或Xe而且還要經常進行氣體交換，那麽會不利的提高 製造成本。 此外，兩到三年之內需要替換一次雷射振盪用雷射管 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） --------4J (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 ·丨 經濟部智慧財產笱8工消費合作社印製 -5- 561556 A7 B7 五、發明説明（3) it樣的附件和去除在振盪期間産生的不需要成分的氣體淨 化器。這些附件大多是昂貴的，這更不利的提高了製造成 本。 如上所述’使用受激準分子雷射光束的雷射照射設備 性能高。但是’此類雷射照射設備需花費很多人工來維護 ，而且如果用作主生産雷射照射設備，其運行成本（這裏 指設備運行必需的成本）不利的高。 因此’爲了實現運行成本低於受激準分子雷射器的雷 射器和使用雷射器的雷射退火方法，提出了 一種固態雷射 器（是將晶體棒組作爲共振腔來輸出雷射光束的）。 YAG雷射器是典型固態雷射器中的一種，使用它將雷 射光束照射到半導體層。根據YAG雷射器，光學系統將由 非線性光學元件調制成第二諧波的雷射光束（波長532 nm )處理成在照射面上呈線狀的線性光束。半導體層是厚度 爲55 nm的非晶體矽膜，是藉由電漿CVD方法在基底（“ 1 737基底”，由Corning公司製造）上形成的。得到結晶 矽膜的執行步驟包含一個對非晶體矽膜使用雷射退火方法 的步驟，但在其上形成了同心圓圖案。這個圖案表示板中 結晶矽膜的材料特性是不一致的。因此，如果使用上面形 成有同心圓圖案的結晶矽膜來製造TFT，那麽這個圖案反 而會影響TFT的電特性。這裏，同心圓的圖案稱作同心圓 圖案。 此外，因爲製造的電光設備螢幕的尺寸大，所以增加 了母玻璃的面積。在這之後，對於雷射退火方法，産生了 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 ·丨 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 -6- 561556 A7 _________B7 _ 五、發明説明（4) 將雷射光束高速照射到安裝在作爲基底的母玻璃上的半導 體層的需要。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 此外’對於雷射退火方法，産生了補償在半導體層結 晶過程中臨時熔化半導體層的雷射光束功率低的需要。 發明槪要 因此’本發明的一個目標是提供一種用於要求低運行 成本、能夠防止産生同心圓圖案或減少其形成的雷射照射 設備的雷射退火方法，以及提供一種包括使用雷射退火方 法步驟的半導體裝置之製造方法。 經濟部智慧財產笱員工消費合作社印製 下面將要考慮産生同心圓圖案的一個原因。照射到非 晶體矽膜的雷射光束是在照射面上呈線性形狀的線性光束 。因此’即使在雷射光束照射後獲得的結晶矽膜上形成一 些圖案’只要半導體層、基底和基底平台是完全平的，那 麽圖案也應該是與線性光束平行或垂直的。但是，看到的 圖案是同心圓圖案。從這一點，可以認爲同心圓圖案的産 生不是由線性光束導致的。也就是可以估計是半導體層的 厚度、半導體層的雷射光束吸收率、基底或基底平台或它 們的組合導致了同心圓圖案的産生。 下面將考慮産生同心圓圖案的原因中的半導體層的雷 射吸收率。分別得到非晶體矽膜（厚度55 nm )相對於波 長的反射率和透射率，圖1 0A和1 0B分別顯示了結果。請 注意，非晶矽膜是用電漿CVD方法在1 737基底上形成的 。圖1 0A和1 0B顯示非晶矽膜對於YAG雷射器第二諧波（ 波長532 nm )的反射率和透射率分別是26%和38%。我們 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 561556 A7 _ B7 五、發明説明（5) 認爲非晶矽膜表面的反射光在某一表面上與非晶矽膜透射 的雷射光束相互干擾。估計是這一點産生了同心圓圖案。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 因此，爲了防止或減少同心圓圖案的産生，我們認爲 必須要防止這樣的干擾。爲了防止干擾，聚焦多束雷射光 束，聚焦後的雷射光束照射基底表面上的半導體層，從而 使半導體層結晶。 因此，根據本發明的雷射退火裝置是一個包含下列元 件的雷射退火裝置：一個輸出雷射光束的雷射源；以及一 個移動由雷射光束斜向照射的基底的移動機構，其特徵在 於移動機構的作用是往復運動等於或大於基底之一邊長的 距離，和在往復方向的垂直方向移動等於或小於雷射光束 在雷射光束照射基底的區域中Y軸方向長度的距離。結果 藉由使用根據本發明的雷射退火裝置，可以防止或減少由 雷射光束照射不利産生的同心圓圖案的産生，可以提高所 得半導體裝置的可靠性。即使是大尺寸基底上的半導體層 ’也可以將雷射光束均勻的照射到其上面。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此外，根據本發明的雷射退火裝置是包含下列元件的 雷射退火裝置：一個輸出雷射光束的雷射源；一個調制雷 射光束的非線性光學元件；一個聚焦已調制雷射光束的波 導管；以及一個移動由聚焦雷射光束斜向照射的基底的移 動機構’其特徵在於移動機構的作用是往復運動等於或大 於基底之一邊長的距離，和在往復方向的垂直方向移動等 於或小於雷射光束在雷射光束照射基底的區域中γ軸方向 長度的距離。結果藉由使用根據本發明的雷射退火裝置， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X29*7公釐） -8- 561556 A7 B7 五、發明説明（6) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 可以防止或減少由雷射光束照射不利産生的同心圓圖案的 産生’可以提高所得半導體裝置的可靠性。即使是大尺寸 基底上的半導體層，也可以將雷射光束均勻的照射到其上 面。 根據本發明的半導體裝置之製造方法是包括下列步驟 的半導體裝置之製造方法：在基底上形成半導體層；以及 照射多束雷射光束到半導體層，其特徵在於連續重復在固 定速度移動基底的同時將雷射光束斜向照射到半導體層的 步驟和在移動方向的垂直方向移動等於或小於雷射光束寬 度的距離的步驟。結果，藉由使用根據本發明的雷射退火 裝置，可以防止或減少由雷射光束照射不利産生的同心圓 圖案的産生，可以提高所得半導體裝置的可靠性。即使是 大尺寸基底上的半導體層，也可以將雷射光束均勻的照射 到其上面。 經濟部智慧財產笱員工消費合作社印製 根據本發明的半導體裝置之製造方法是包括下列步驟 的半導體裝置之製造方法：在基底上形成半導體層；以及 照射多束雷射光束到半導體層，其特徵在於連續重復由多 個非線性光學元件分別調制多束雷射光束的步驟、使已調 制雷射光束藉由波導管從而聚焦已調制雷射光束的步驟、 在固定速度移動基底的同時將聚焦雷射光束斜向照射到半 導體層的步驟和在移動方向的垂直方向移動等於或小於雷 射光束的距離的步驟。結果，藉由使用根據本發明的雷射 退火裝置，可以防止或減少由雷射光束照射不利産生的同 心圓圖案的産生，可以提高所得半導體裝置的可靠性。即 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -9 - 561556 A7 B7 i、發明説明（7) 使是大尺寸基底上的半導體層，也可以將雷射光束均勻的 照射到其上面。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 而且，根據本發明的半導體裝置之製造方法是特徵在 於固定速度介於20〜200 cm/s範圍內的半導體裝置之製造 方法。結果是可以將雷射光束高速照射到在大尺寸基底上 提供的半導體層。 另外，在本發明中使用的雷射光束可以藉由光學系統 處理成橢圓形。 此外，根據本發明的半導體裝置之製造方法是特徵在 於雷射光束是以相對於基底前表面法線方向或基底後表面 法線方向5〜1 (T的斜角入射到半導體層的半導體裝置之製 造方法。這種方法是根據這樣的事實發明的：如果在傾斜 基底的同時執行使用雷射退火方法的步驟，那麽不會出現 问心圓圖案。同時使用本發明’可以去掉或減少由雷射光 束干擾引起的結晶半導體層的不規則材料特性。如果使用 這樣的結晶半導體層製造TFT，那麽會提高TFT的電特性 〇 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 而且，根據本發明的半導體裝置之製造方法是特徵在 於從平行於基底並靠近基底端面的方向進行半導體基底結 晶的半導體裝置之製造方法。藉由使用根據本發明的半導 體裝置之製造方法，可以製造半導體層表面是平的、具有 高電遷移率的半導體裝置。 此外’雷射光束可以從基底的後表面（形成半導體層 的表面的反面）照射到半導體層。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -10- 561556 A7 B7 五、發明説明（8) 至於雷射光束，可以使用通常所知的雷射器，例如 YAG雷射器（通常表示爲Nd·· YAG雷射器）、Nd:YLF雷 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 射器、Nd: YV04雷射器、Nd:YAI03雷射器、紅寶石雷射器 、T i:藍寶石雷射器或玻璃雷射器。特別的，最好使用一 致性和脈衝能量好的YAG雷射器。 例如，如果使用了 YAG雷射器，那麽最好使用第二諧 波（波長532 nm )。這是因爲YAG雷射器的基諧波（第 一諧波）的波長爲1 064 n m。第一諧波可以由包含一個非 線性元件的波長調制器調制成第二、第三或第四諧波。各 個諧波可以使用已知的技術來形成。在此敍述中，假設“ 固悲雷射益發出的雷射光束 不只包括第一諧波，還包括 波長半調制的諧波。 對於YAG雷射器還可以使用應用良好的Q開關方法（ Q調制開關方法）。這種方法是突然將Q率從Q率非常低 的狀態增加到會輸出能量級非常高、非常陡的脈衝雷射光 束。 經濟部智慧財產苟員工消費合作社印製 如果裝配了激發固態晶體的共振鏡或光源，那麽在本 發明中使用的固態雷射器基本上可以輸出雷射光束。因此 ，與受激準分子雷射器相比，不需要花費太多的人工來維 護。即，因爲固態雷射器的運行成本遠遠低於受激準分子 雷射器，所以可以大大減少半導體裝置的製造成本。此外 ，如果減少了維護頻率，就會提高大規模生產線的運行效 率，並提高製造過程的總生產量，還大大有利於減少半導 體裝置的製造成本。除此之外，固態雷射器所占面積小於 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -11 - 561556 A7 B7 五、發明説明（9) 受激準分子雷射器所占面積，這對於生產線的設計而言具 有好的影響。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 如果雷射光束的功率不低於10W，那麽即使是使用單 雷射光束也可以進行均勻的雷射退火。功率不低於1 〇w的 雷射光束足夠在半導體層的結晶過程中熔化半導體層。 圖式簡單說明 圖1爲一個雷射光束照射之例圖； 圖2爲一個雷射退火裝置之例圖； 圖3爲雷射退火裝置之一例圖； 圖4是處理目標基底的X和Y方向的說明圖； 圖5爲處理目標基底的移動時間和速度之間相互關係 的圖； 圖6爲一個根據本發明的雷射退火裝置例子的圖； 圖7 A到7 D顯示半導體裝置製造步驟； 圖8是根據本發明的半導體裝置的圖。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖9A是圖素部分TFT的示意圖，圖9B是驅動電路 T F T的示意圖； 圖1 Ο A是非晶矽膜（厚度 55 n m )反射率相對於波長 的圖’圖1 0B是非晶矽膜（厚度55 nm )透射率相對於波 長的圖； 圖11是一個雷射退火裝置例子的圖； 圖1 2是一個雷射退火裝置例子的圖；以及 圖13A到13C是一個雷射退火裝置例子的圖。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -12- 561556 Α7 Β7 五、發明説明（ώ 主要元件對照表 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 601 :透明窗 602 :雷射退火室 603 :台架 604 :平台 605 :移動機構 606 :處理目標基底 607 :供氣管 630 :真空泵 609 :雷射振盪器 6 1 0 :光學系統 61 1 :鏡子 608 :閘門閥 600 :雷射光束 201 :雷射振盪器 205 :柱面透鏡 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 206 :柱面透鏡 207 :反射鏡 202 :非線性光學元件 203 :平台 204 :基底 208 :台架 209 :移動機構 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） -13- 561556 A7 B7 五、發明説明（& (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 1 000:基底 1001 :保護膜 1 002a :氮化鉅膜 1 002b :鉬膜 1 002 :閘電極 1 003a :氮化矽膜 1 003b :氧化矽膜 1 004 :非晶半導體膜 8 1 1 :圖素部份 8 0 5 :閘極驅動電路 8 0 7 :源極驅動電路 803 :外部輸入端 804 :接線 801 :主動矩陣基底 經濟部智慧財產馬員工消費合作社印製 802 :相對基底 809 :末端密封材料 806 :閘極接線 808 :源極接線 8 1 0 :半導體層 9 1 0 :半導體層 906 :閘極接線 911 :接觸孔 1 1 00a-1 1 00c :雷射光束 1109a-1109c :雷射振盪器 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -14- 561556 A7 B7 五、發明説明（^ 1 1彳Oa-1 1 1 Oc ··光學系統 1 1 1 1 a-1 1 1 1 c :鏡子 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1 1 1 3 :處理目標基底 1104：平台 1105 :移動機構 100a-100c:雷射振盪器 112a-112c:雷射光束 101a-101c :非線性光學元件 103 :光纖陣列 104 :波導管 105 :光纖陣列 經濟部智慧財產苟B(工消費合作社印製 1 1 3 :處理目標基底 1 1 0 :平台 107 :移動機構 1 06 :台架 1 300 :導軌 1301 :滑塊 1 302:滑桿 1 303 :電纜 1 304 :側板 1 305 ··氣孔 1 3 1 1 :處理目標 1310 ：平台 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -15- 561556 A7 ______B7_ 五、發明説明（^ [實施模式] (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 首先參照圖1來說明本發明之一個實施例中的雷射光 束照射方法。 藉由將雷射光束照射到非晶矽膜的結晶步驟，形成結 晶砂層。這個結晶過程是在配有透明窗6 0 1的雷射退火室 602中進行的。 首先’基底使用的是Corning公司製造的，由表示爲 # 7 0 5 9玻璃或# 1 7 3 7玻璃的硼矽酸鹽鋇玻璃或硼矽酸鹽鋁 玻璃製成的透光基底。替代做法是用石英基底或砂基底作 烏基底。在此貫施例中，使用了大小爲680 mmx 880 mm ，厚度爲1 .1 m m的玻璃基底。在此說明中，在上面按順序 形成底膜和半導體層的基底稱爲“處理目標基底”。 在雷射退火室602內配置了台架603、裝配在台架 603上的平台604和移動台架603的移動機構605。在雷 射退火室602外配置了真空泵630、供氣管607和閘門閥 608 〇 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 女裝台架603’迫樣由移動台架603的移動機構605 在與處理目標基底6 06的法線方向成正確角度的方向上（X 軸方向或丫軸方向）移動底座603，從而使雷射光束照射 到處理目標基底606的上表面。雷射光束照射方向與處理 目標基底606的法線方向相比偏了 5到1 0° 。 在此說明中，包含平台604和移動機構605的半導體 製造裝置稱作雷射退火裝置。台架603可以安裝在平台 604和移動機構605之間。雷射退火裝置除了上面提到的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -16 - 561556 A7 B7 五、發明説明（^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 元件外還包括雷射振盪器609、光學系統610和鏡子611 。非晶矽膜由配置有雷射退火裝置和透明窗6 1 1的雷射退 火室602、真空泵630、供氣管607和閘門閥608的組合 裝置來晶化。圖2從Y軸方向顯示了圖1的雷射退火裝置 。圖3顯示從鏡子一側（處理目標基底606的上方）觀看 的雷射退火裝置。移動機構605在X軸方向可以移動等於 或大於處理目標基底6 06之一邊長的距離，在垂直於X方 向的丫軸方向可以移動等於或小於雷射光束寬度的距離。 注意的是該雷射光束的寬度是在垂至於移動機構的移動方 向的方向上的雷射光束的寬度。 如圖1所示，雷射振盪器609發射出雷射光束600， 光學系統610處理雷射光束使其具有橋圓形截面，鏡子 6 1 1反射雷射光束，使其藉由透明窗6 0 1照射處理目標基 底606。照射光束可以是矩形的光束。 經濟部智慧財產苟員工消費合作杜印製 圖4是從法線方向顯不處理目標基底6 0 6的圖。安裝 處理目標基底606，使處理目標基底606的末端位於距雷 射光束照射位置1 〇 〇 m m遠的位置。接下來，在加速的同 時，移動移動機構605，使處理目標基底606以箭頭 的 方向移動。0.05秒之後，雷射光束600以固定速度（在本 實施例中是20 cm/s )照射處理目標基底606。如果雷射光 束照射位置在處理目標基底606的外側，那麽增加移動速 度（圖5)。接下來在與箭頭 方向相反的箭頭 方向執行 與箭頭 方向相同的步驟，從而晶化基底。爲了執行箭頭 方向的步驟和箭頭 方向的步驟，分別重復箭頭 方向 本紙浪尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X297公釐） -17- 561556 A7 B7 五、發明説明（g (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 的步驟和箭頭 方向的步驟。如果需要，可以重復執行這 些步驟，從而用雷射光束照射處理目標基底606的整個表 面。處理目標基底606上的半導體層在與處理目標基底 606平行並靠近處理目標基底606端面的方向上結晶。 移動處理目標基底606的速度可以設爲介於20到200 c m / s範圍內的恒定速度。 在結晶過程中，處理目標基底606可以放置在平台 604上，從而用安裝在台架603上的加熱器來將處理目標 基底606保持在一個預定的溫度上。如果非晶形矽層在 450°C的溫度上結晶，那麽會增加晶體的粒徑。 對於雷射振盪器609，使用將CW雷射光束振盪成雷射 光束600的振盪器。 雷射退火室602中的大氣可以使用作爲減壓和真空裝 置安裝的真空泵630來控制。安裝的藉由閥門連接到氫氣 缸的供氣管607a和藉由閥門連接到氮氣或其他氣缸的供氣 管607b組成以當成供氣裝置的供氣管607。在此實施例中 ，雷射光束以常溫常壓照射。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在此實施例中，在以20到200 cm/s的固定速度移動 基底的同時用雷射光束照射基底表面上的半導體層。由此 ，即使是大尺寸基底上的半導體層，也可以將均勻的雷射 光束照射到其上面。 在此實施例中，功率設置爲1 〇w。但是，如果設置的 功率不小於1 0W，那麽即使是使用單束雷射光束也可以進 行均勻的雷射退火。功率不小於1 0W的雷射光束足以在半 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇X297公釐） -18- 561556 A7 B7 五、發明説明（y 導體層的結晶過程中熔化半導體層。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 在此實施例中，雷射振盪器發射雷射光束。另一種做 法是使用多個雷射振盪器聚焦多束雷射光束，從而增加光 束強度。因此藉由聚焦雷射光束，可以減少同心圓圖案的 産生，從而提局所得半導體裝置的可靠性。如果需要，可 以使用多個光學系統、多個鏡子、光纖等等。 根據本發明，在使用雷射退火方法的步驟中要將雷射 光束處理成具有橢圓形的截面，從而提高透射能。此外， 藉由使用易於維護的固態雷射器，可以得到比使用習知受 激準分子雷射器的雷射退火方法更高的透射能。因此可以 減少TFT和由TFT製成的顯示器這樣的半導體裝置的製造 成本。 此外，藉由將雷射光束斜向照射到半導體層，可以去 掉或減少在半導體層上産生的同心圓圖案，從而使半導體 的材料特性在使用雷射退火步驟之後變得均勻。如果使用 這樣的半導體層來製造半導體裝置，可以大大的提高半導 體裝置的性能。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明實施例之說明 實施例1 下面將參照圖6來說明此實施例中的光學系統。 對於雷射振盪器20 1，理想是使用大功率的雷射器（ 丫 AG雷射器、YV04雷射器等）。當然只要是氣體雷射器 、玻璃雷射器等功率大，也可以使用。使用光學系統將雷 $紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐) " '' -19 - 561556 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明説明（d 射振盪器20 1産生的雷射變成一個照射面爲線性形狀的線 性光束。光學系統使用，例如，長焦距的柱面透鏡205來 將雷射光束放大成長光束，使用柱面透鏡206將雷射光束 聚焦成細光束。藉由使用這樣的長焦距柱面透鏡，可以得 到減小了像差、在照射面上或附近的能量分佈均勻的雷射 光束。此外，長焦距柱面透鏡可以有效的抑制在入射到半 導體層上的光束的光束寬度和基底背表面反射的光束的光 束寬度之間産生明顯的差別。本發明的實驗顯示當使用了 焦距爲500 m m或更大的柱面透鏡時，能夠有力的減少像 差的影響。 < 反射鏡207安裝在柱面透鏡的前面，從而可以改變雷 射光束的傳播方向。藉由反射鏡207可以將雷射光束入射 到照射面上的角度調整到想要的角度β。如果柱面透鏡 2 06的角度根據反射鏡207的角度而改變，那麽在照射面 上可以形成更加勻稱的雷射光束。 此外，當線性光束照射到半導體層上時，進行的照射 在掃描期間具有雷射光束的〇到80%的掃描重疊率（在本 實施例中雷射光束是在X軸方向上）。注意到在脈衝雷射 器的情況下，進行的照射在連續照射的雷射光束之間具有 還可以重疊50-98%或可選的不重疊。因爲最優條件隨半導 體層的狀態或雷射光束的延遲時間而不同，所以最好是操 作員適當的確定最優條件。 在實施例1中，一個脈衝雷射器（輸出20W，頻率 30Hz，YAG )被用作雷射振盪器201。使用非線性光學元 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X 297公釐） ----：---,ιτ------11^— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -20 - 561556 A7 B7 i、發明説明（^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 件2 Ο 2將脈衝雷射光束調制到第二諧波，接下來使用光學 系統將其變成長度爲1 30 m m，寬度爲0.4 m m的線性光束 ’並且線性光束照射到半導體層上。此時，線性光束以與 基底垂直方向5到1 0度的角度偏差照射。 台架208安裝在平台203的下面，移動機構209安裝 在台架208下面。藉由移動機構209可以在X軸方向和γ 軸方向移動基底204。在移動機構209下面可以安裝滾珠 、圓柱、電機等。 處理目標基底204中的半導體層在與處理目標基底 204平行且靠近處理目標基底204端面的方向上結晶。 此外，藉由用雷射光束斜向照射處理目標基底204的 半導體層，可以去掉或減少在半導體層上産生的同心圓圖 案’從而使半導體的材料特性在使用雷射退火步驟之後變 得均勻。如果使用這樣的半導體層來製造半導體裝置，可 以大大提高半導體裝置的性能。 實施例2 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此實施例說明用於雷射退火設備的結晶方法。 首先，將玻璃基底（玻璃變形溫度爲667°C的Corning 1 737 )製備爲基底1〇〇〇。接下來在基底1 000上形成保護 膜1001，並藉由噴鍍方法在保護膜1001上以多層結構的 形式依次形成氮化鉅膜1 002a ( 50 nm厚）和鉅膜1〇〇2b ( 2 50 nm厚）。（圖7A)接下來，使用光微影法形成多層 結構的閘電極1 002，光微影法是習知的形成圖案的方法。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -21 - 561556 A7 _ _B7 五、發明説明（^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 隨後，在不暴露至大氣的條件下，以多層結構依次形 成閘極絕緣膜和非晶半導體層1 〇〇4。在此實施例中，爲了 防止雜質在製造過程中從閘極電極接線擴散到半導體層和 閘極絕緣膜之中，使用電漿CVD方法形成多層結構的氮化 矽膜1003a(50 nm厚）和氧化矽膜i〇〇3b(125 nm厚） ，該層當成多層結構的閘極絕緣膜的作用。在此實施例中 ，用了兩層絕緣膜作爲閘極絕緣膜，但是閘極絕緣膜可以 是單層或三層以上的多層結構。此外，在此實施例中，使 用電漿CVD方法在閘極絕緣膜上形成了一個厚度爲54 n m 的非晶矽膜1 004作爲非晶半導體層。而且，多層結構的形 成是在不暴露至大氣的條件下依次進行的，因此每個層接 觸面沒有從大氣中附著的雜質。 此後，進行加熱處理（溫度爲500°C，1小時）以減少 非晶矽膜中阻礙半導體層結晶的氫的濃度。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在得到如圖7C所示的狀態之後，爲了形成結晶半導體 層1 〇〇5，使用紅外光或紫外光（雷射退火）照射非晶半導 體層1 004使其結晶（雷射結晶）。（圖7 D )非晶半導體 層1 004在與基底1 000平行且靠近基底1〇〇〇端面的方向 上結晶 ° 在使用紫外光作爲結晶方法的情況下，可以使用紫外 光燈發出的雷射或強光，而在使用紅外光的情況下，可以 使用紅外光燈發出的紅外雷射或強光。在此實施例中， YV〇4雷射光束的形狀爲橢圓形，以5到1 0°的斜角照射到 半導體層。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -22- 561556 A7 B7 五、發明説明（2cj (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 此外，我們可以考慮非晶半導體層1 004的厚度、基底 溫度等來確定適當的雷射結晶的條件（例如雷射波長、照 射強度、重合度、和照射時間）。 此外’一些雷射結晶的條件會使半導體層在經過了熔 化狀態之後才結晶，或者半導體層在沒有熔化的固態或固 態和液態的中間狀態結晶。這種處理使非晶半導體層1 004 結晶並變成結晶半導體層1 005。在此實施例中，結晶半導 體層是多晶矽膜（多矽膜）。 實施例3 下面參照圖8到9的頂視圖來說明使用實施例1和2 得到的主動矩陣液晶顯示器設備的結構。 經濟部智慈財產苟員工消費合作社印製 在圖8A所示的主動矩陣液晶顯示器設備的頂視圖中， 在主動矩陣基底80 1上形成圖素部分8 1 1、驅動電路（閘 極驅動電路805和源極驅動電路807的統稱）、接到一個 F PC (柔性印刷電路）的外部輸入端803、將外部輸入端 803連接到對應電路輸入部分的接線804等等。藉由在其 間加入末端密封材料809將主動矩陣基底801和上面形成 有濾色器等等的相對基底802相互結合在一起。 閘極驅動電路的作用是將訊號輸入到所選的閘極接線 806。閘極接線806是電連接到閘極電極的接線。而且所選 的閘極接線是依次選擇的。當然，在閘極接線上配有絕緣 線。另一方面，源極驅動電路的功能是接收影像資料訊號 並將訊號送往與所選閘極接線連接的圖素電極。源極驅動 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -23- 561556 A7 B7 五、發明説明（21) 電路807及閘驅動電路806匹配移動。 接下來，藉由 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 選擇每個閘極接線的開關元件（未示出）和藉由對源極接 線808加上需要的電壓就可以得到主動矩陣型顯示設備的 影像。 提供在面向基底背面的圖素部分811的表面上形成的 濾色器，所以各有一個紅色（R )、綠色（G )和藍色（B )濾色器對應一個圖素。對於實際顯示來說，顔色的顯示 是藉由三種顔色的濾色器，即紅色濾色器、綠色濾色器和 藍色濾色器，來實現的。這三種顔色的濾色器可以隨意排 列。 經濟部智慧財產¾員工消費合作社印製 當由雷射照射導致的粒增長的方向（圖8)與箭頭方向 一致時，如果該方向與圖9A (圖素部分的TFT圖）中半導 體層810中載子的流動方向（通道方向）相同，那麽不會 降低電遷移率。806代表閘極接線，81 1代表接觸孔。同樣 ，如果圖8中由雷射照射導致的粒增長的方向與圖9B (驅 動電路的TFT圖）中半導體層810中載子的流動方向相同 ，那麼不會降低電遷移率。906代表閘極接線，9 1 1代表接 觸孔。 實施例4 下面將要說明一種與第一實施例中不同的雷射退火裝 置。在此實施例中的雷射退火裝置的特徵在於提供了多個 雷射振盪器、多個光學系統和多個鏡子，將各個由雷射振 盪器振盪並由光學系統處理的雷射光束聚焦，並將聚焦光 本紙張尺度適用中國國家標準（ CNsTa4規格（210X297公釐） ' ' -24- 561556 A7 B7 五、發明説明（y 束照射到基底。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 如圖1 1所示，雷射光束1 1 0 0 a到1 1 ο 〇 C分別由雷射 振盪器11〇9a到1109c發射，並由鏡子1111a到1111c反 射。反射的雷射光束聚焦並照射到安裝在平台1 1 04上的處 理目標基底1113。使用安裝在平台1104下面的移動機構 1105，處理目標基底1113可以在X軸方向和丫軸方向移 動。在移動機構彳1 05的下面安裝有滾珠、圓柱、電機等。 在此實施例中，可以防止或減少由雷射光束或多束雷 射光束照射不利産生的同心圓圖案的産生。因此可以提高 所得半導體裝置的可靠性。 實施例5 經濟部智慧財產笱員工消費合作社印製 下面將要說明與第一和第二實施例中不同的雷射退火 裝置。在此實施例中的雷射退火裝置的特徵在於提供了多 個雷射振盪器、多個非線性光學元件和一個波導管，各個 雷射振盪器發射雷射光束，各個非線性光學元件調制雷射 光束，波導管聚焦已調制雷射光束，聚焦雷射光束照射基 底。 如圖12所示，雷射振盪器100a到100c發射雷射光 束，雷射光束1 1 2a到1 12c由非線性光學元件1 01 a到 1 〇 1 c進行調制，入射到光纖陣列1 03，並由波導管1 04聚 焦。光纖陣列105發射的雷射光束照射平台110上的處理 目標基底113。請注意，光纖陣列103是使雷射光束112a 到112c彼此接近的裝置。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -25- 561556 A7 __ B7 五、發明説明（ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 台架106安裝在平台110的下面，移動機構107安裝 在台架 1 06的下面。使用移動機構 1 07，處理目標基底 113可以在X軸方向和Y軸方向（未示出）移動。在移動 機構1 07的下面安裝有滾珠、圓柱、電機等。 在此實施例中，可以防止或減少由雷射光束或多束雷 射光束照射不利産生的同心圓圖案的産生。因此可以提高 所得半導體裝置的可靠性。 實施例6 下面將要說明一種與第一到第三實施例中的那些雷射 退火裝置不同的雷射退火裝置，同時特別關於一個移動平 台的、參照圖1 3的移動機構的例子。 一般來講，在其上安裝有雷射照射的處理目標的平台 沿著以X軸方向或丫軸方向安裝的導軌移動。稱作滾珠（ 軸承）的弧形物體放置在導軌和固定平台的部件（滑塊） 之間。從而實現了可以減少摩擦引起的負載和可以平滑移 動平台的機械裝置。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 因爲滾珠（軸承）會因平台的反復移動而磨損，所以 需要藉由定期維護來替換滾珠。此外，爲了更爲平滑的移 動平台’需要減少由平台移動引起的磨損。 圖1 3A顯示了此實施例中移動平台的移動機構。在圖 13A中’引用符號1 300表示導軌，在其上以一個固定方向 移動平台形成了一個方向的誤差。引用符號1 301表示固定 平台的部件，稱作滑塊。滑塊1 3 0 1可以沿著導軌1 3 0 0移 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公羡) -26- 561556 A7 B7 五、發明説明（ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 動。另一種做法是可以安裝多個滑塊，以預定的間隔固定 。引用符號1 302表示一個穿過在滑塊13CM上形成的洞、 沿著導軌1 300方向安裝的滑桿。滑桿1 302藉由側板1304 固定在導軌1 300上。 供電電壓和空氣藉由電纜1303送給滑塊1301。圖 13B是滑塊1301的放大圖。供電電壓産生使滑塊1301和 導軌1 300相互吸引的磁場。此外，供電電壓産生的磁場的 方向是滑塊1301遠離在滑塊1301中提供的洞中的滑桿 1 302並且不與其接觸的方向。根據線性電機力的原理，滑 塊1 30 1以箭頭所示的方向移動。另一方面，力作用在滑塊 1301和導軌1 300上，因此滑塊1301和導軌1 300藉由這 個磁場相互吸引。提供給滑塊1301的空氣藉由氣孔1305 釋放到滑塊1301和導軌1 300之間的區域裏。因爲力藉由 磁場的引力和氣體的釋放作用到滑塊1301遠離滑桿1302 的方向上，所以在滑塊1301和導軌1 300之間保持著一個 固定距離。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 另一種做法是，不是由藉由電纜提供的供電電壓來産 生磁場，而且導軌1 300和滑塊1301中的一個可以在磁性 元件的外面形成，導軌1 300和滑塊1 301中的另一個可以 在磁性元件吸引的材料的外面形成’從而産生了磁場。替 代做法是導軌1 300和滑塊1 30 1可以分別在磁性元件的外 面形成。 更進一步，不是由藉由電纜提供的供電電壓來産生磁 場，而且滑桿1 302和滑塊1 30 1中的一個可以在磁性元件 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210x 297公^ -27- 561556 A7 B7 五、發明説明（ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 的外面形成，滑桿1 302和滑塊1 301中的另一個可以在要 遠離磁性元件的材料的外面形成，從而産生了磁場。替代 做法是滑桿1 302和滑塊1 30 1可以分別在磁性元件的外面 形成。 使用在此實施例中顯示的平台移動機構，可以以非接 觸的方式沿著導軌移動平台，免除了滾珠（軸承）的定期 更換，因此利於維護。此外，因爲非接觸移動，幾乎不發 生摩擦，與使用滾珠的情況相比平台可以更爲平滑的移動 〇 圖13C顯示了雷射照射的處理目標1311安裝在固定 在滑塊1301上面的平台1310上的狀態。在此實施例中， 平台移動裝置使平台能夠更爲平滑的移動，使雷射光束更 爲均勻的照射處理目標1 3 1 1。 經濟部智慧財產苟員工消費合作社印製 如上所述，藉由使用根據本發明的雷射退火裝置，多 個雷射光束可以聚焦成一個雷射流，從而防止或減少了同 心圓圖案的産生，這是由雷射流照射不利産生的，能夠提 高所得半導體裝置的可靠性。如果使用了根據本發明的雷 射退火裝置，那麽即使是大尺寸基底上的半導體層，也可 以將雷射光束或多束雷射光束均勻的照射到上面。 此外，根據本發明，在使用雷射退火方法的步驟中要 將雷射光束處理成具有橢圓形的截面’從而提高透射能。 除此之外，藉由使用易於維護的固態雷射器’可以得到比 使用習知受激準分子雷射器的雷射退火産生的更高的透射 能。結果是可以減少TFT和由TFT製造的顯示器這樣的半 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -28- 561556 A7 B7 五、發明説明（d 導體裝置的製造成本。 而且藉由用雷射光束斜向照射半導體層，可以去掉或 減少在半導體層上産生的同心圓圖案，從而使半導體層的 材料特性在使用雷射退火方法的步驟之後變得均勻。如果 使用這樣的半導體層來製造半導體裝置，那麽可以大大提 高半導體裝置的性能。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慈財產局0(工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -29-

Claims (1)

  1. 561556 A8 B8 C8 D8 々、申請專利範圍 1 1. 一種雷射退火裝置，包含： 輸出雷射光束的雷射光源；以及 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 移動該雷射光束斜向照射的基底的移動機構，其中 移動機構的作用是反復移動等於或大於基底之一邊長 的距離，和在反復移動方向的垂直方向上，移動等於或小 於雷射光束在該雷射光束照射基底的區域的Y軸方向上的 長度的距離。 2. —種雷射退火裝置，包含： 輸出雷射光束的雷射光源； 調制該雷射光束的非線性光學元件； 聚焦已調制雷射光束的波導管；以及 移動該雷射光束斜向照射的基底的移動機構，其中 移動機構的作用是反復移動等於或大於基底之一邊長 的距離，和在反復移動方向的垂直方向上，移動等於或小 於雷射光束在該雷射光束照射基底的區域的Y軸方向上的 長度的距離。 3. —種雷射退火裝置，包含： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 輸出雷射光束的雷射光源；以及 移動該雷射光束斜向照射的基底的移動機構，其中 移動機構的作用是反復移動等於或大於由空氣或磁場 飄浮起來的基底之一邊長的距離，和在反復移動方向的垂 直方向上，移動等於或小於雷射光束在該雷射光束照射基 底的區域的Y軸方向上的長度的距離。 4. 一種半導體裝置之製造方法，包含： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -30- 561556 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 2 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 在基底上形成半導體層；以及 照射多束雷射光束到該半導體層，其中 連續重復在第一方向以固定速度移動基底的時，用雷 射光束斜向照射半導體層的步驟和在垂直於第一方向的第 二方向移動基底等於或小於雷射光束寬度的距離的步驟。 5. 如申請專利範圍第4項之半導體裝置之製造方法， 其中 固定速度介於20到200 cm/s的範圍內。 6. 如申請專利範圍第4項之半導體裝置之製造方法， 其中 將雷射光束處理成在照射面上具有橢圓形的形狀。 7 .如申請專利範圍第4項之半導體裝置之製造方法， 其中 斜向照射到半導體層上的雷射光束的角度相對於基底 前表面的法線方向或基底後表面的法線方向是5到1 CT 。 8. 如申請專利範圍第4項之半導體裝置之製造方法， 其中 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 半導體層的結晶是在平行於該基底且靠近基底端面白勺 方向進行的。 9. 如申請專利範圍第4項之半導體裝置之製造方法， 其中 雷射光束從基底的後表面照射到半導體層。 10. 如申請專利範圍第4項之半導體裝置之製造方& ，其中 -31 - 本紙張尺度適用中國國家梂準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 561556 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 3 雷射光束是從由Nd: YAG雷射器、Nd: YLF雷射器、 Nd·· YV〇4雷射器和Nd·· YAI〇3雷射器組成的集合中選擇的 雷射器所發出的第二諧波。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 1 1 ·如申請專利範圍第4項之半導體裝置之製造方法 ，其中 雷射光束的輸出功率不小於10W。 12. —種半導體裝置之製造方法，包括下列步驟： 在基底上形成半導體層；以及 照射多束雷射光束到該半導體層，其中 連續重復多束雷射光束分別由多個非線性光學元件調 制的步驟、使已調制雷射光束藉由波導管從而聚焦已調制 雷射光束的步驟、在第一方向上固定速度移動基底的同時 用聚焦的雷射光束斜向照射半導體層的步驟，和在第一方 向的垂直方向上將基底移動等於或小於雷射光束寬度的距 離。 13. 如申請專利範圍第12項之半導體裝置之製造方法 ，其中 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 固定速度介於20到200 cm/s的範圍內。 1 4·如申請專利範圍第1 2項之半導體裝置之製造方法 ，其中 將雷射光束處理成在照射面上具有橢圓形的形狀。 15.如申請專利範圍第12項之半導體裝置之製造方法 ，其中 斜向照射到半導體層上的雷射光束的角度相對於基底 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -32- 561556 A8 B8 C8 _ D8 々、申請專利範圍 4 前表面的法線方向或基底後表面的法線方向是5到1 〇。。 16. 如申請專利範圍第12項之半導體裝置之製造方法 ，其中 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 半導體層的結晶是在平行於該基底且靠近基底端面的 方向進行的。 17. 如申請專利範圍第12項之半導體裝置之製造方法 ，其中 雷射光束從基底的後表面照射到半導體層。 18. 如申請專利範圍第1 2項之半導體裝置之製造方法 ，其中 雷射光束是從由Nd: YAG雷射器、Nd: YLF雷射器、 Nd: YV04雷射器和Nd: YAI〇3雷射器組成的集合中選擇的 雷射器發出的第二諧波。 19_如申請專利範圍第12項之半導體裝置之製造方法 ，其中 雷射光束的輸出功率不小於1 0W。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
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