TW588128B - Method and apparatus for forming a semiconductor thin film - Google Patents

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Mikihiko Nishitani
Yoshinobu Kimura
Masayuki Jyumonji
Yukio Taniguchi
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Ekisho Sentan Gijutsu Kaihatsu
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Description

588128 五、發明說明（1) [發明所屬之技術領域] 本發明係關於一種在絕緣材所構成的基層上形成半導 體薄膜之半導體薄膜之形成方法及半導體薄膜之形成裝 置。 [先前技術] 已實用化之半導體薄膜之形成方法，已知有使用絕緣 材所構成的基層，例如非晶質基板，特別是便宜的玻璃基 板，並為了在該基板上形成具有良好結晶性的半導體薄膜 (例如矽（S i )薄膜），而以利用U V (蘩外線）脈衝雷射之結晶 化法使半導體薄膜多結晶化。 然而，目前利用已實用化的雷射結晶化技術而獲得的 矽薄膜，係具有數百奈米（nm )的平均結晶粒徑之多結晶薄 膜，其遷移率（mobi 1 i ty)受結晶粒界的影響頂多只有 2 0 0 cm 2/ V· seco 使用此等薄膜之薄膜電晶體（TFT)，若考慮電氣性能 的不平均（une venne s s )等因素，則電晶體的通道長度1必 須為平均結晶粒徑的1 0倍以上之數微米（// m)程度。結 果，只能設計出具有頂多5MHz程度的截止頻率之驅動電 路。 設計更高性能的驅動電路，例如能以1 0 0 Μ Η z程度驅動 之電路時，粗略的計算，必須要具有1 // m的通道長度L和 3 0 0 cm2/V· sec程度的遷移率之薄膜電晶體，且該電晶體不 能有性能上的不平均。亦即，形成於非晶質基板上的半導 體薄膜（S i膜）必須為具有1// m以上的結晶粒徑，且前述半
314295.ptd 第8頁 588128 五、發明說明（2) 導體薄膜之通道内必須沒有形成結晶粒界者。 滿足以上要求之雷射結晶化方法有順序橫向固化 (Sequential Lateral Solidification， SLS)法(第一先 前技術）及移相器結晶化法（第二先前技術）。 ------------------I .〜. 《第一先前技術》 SLS方法係結合：超橫向成長（Super Lateral Growth, SLG)現象、及利用載台（stage)進行的逐步及重 複操作（s t e p a n d r e p e a t)之方法。 參照第7圖，符號7 1表示準分子雷射，7 2表示射出光 束，7 3表示均勻器，7 4表示線光束（經均勻化的雷射光）， 75表示非晶質基板，76表示非單結晶半導體層，77表示經 多結晶化的半導體層。 以在’用於液晶顯不裔之薄膜電晶體用的半導體薄膜 為非晶石夕薄膜。一般說來，非晶石夕的遷移率約為1(：1112/^· s e c ’ ii樣的遷移率在主動矩陣型液晶顯示面板用的開關 用電晶體中已足夠。然而，近年來，為了玻璃基板上的薄 膜電晶體的高性能化所作的研究開發，已開發出第7圖所 示之利用準分子雷射使非晶矽結晶化的技術，即使在玻璃 基板上亦可形成具有1 0 0 c m 2/ V· s e c的遷移率的非晶石夕。利 用該技術所得到的薄膜為具有約3 0 0至50 On峨度的結晶粒 径a之多結晶薄膜。利用準分子雷射進行的結晶化方法，' 係以20奈秒（nsec)程度之短時間的紫外線照射矽薄膜，使 石夕薄膜熔融而後經過凝固而結晶化之技術。其間，所供給 的熱僅可使矽薄膜熔融，並不會對基板造成損害。 ^
588128 五、發明說明（3) _第7圖所示的裝置中，係採用氯化氣（XeCl)高輸出脈 衝雷射（波長308nm)作為光源。量產時所用的雷射光的射 出形狀為例如2cnix lcm之矩形形狀。通常，前述形狀之光 束係再經均勻器73加以整形成2〇cm(寬度b)x 30 0至5〇〇// ffl 的線光束，同時由均勻器73使該光束的光強度均勻化。照 射雷射光時，係以10至2〇// m的節距（pitch)搬送液晶顯示 裔用的母材玻璃，以使形成在母材玻璃上的非晶矽膜全面 結晶化。
參照第8圖，符號72表示準分子雷射的射出光束，81 表示均勻器（第7圖之73)的複眼式透鏡（f ly eye lens)， 7 4表示線光束 8 2表示光束的投射光學系（此元件並未顯 示於第7圖中）。 " 準分子雷射的射出光束72具有如上所述之例如2 cm之矩形形狀，與一般的固體雷射相比，為相當均勺白、 光源光，但其邊緣附近會有如第8圖中所示光強声欢:的 低的情形。此弟一先前技術中所用的均勻器7 3 (第7圖 例如第8圖所示，利用複眼式透鏡8 1分割前述光束，° )可 束的形狀改變，並且改善光束強度的均勻性。w给/吏光 ,,t w第8圖所 示方式可得到線光束74，用線光束74以如上所汗— ^ 处之1 G至c/ /z m的節距進行掃描，即可使大面積基板上的本道μ ν卞导體薄膜 結晶化。 朕 [發明内容] 發羞並皇一解直技Ji」口li— 然而，以第7圖、第8圖所示之第一先前技術， ’或其他
588128 五、發明說明（4) 之利用SLG領域 先前技術為基礎以得/到高性能s i結晶化膜 之技術，具有以下@缺點 1 )原-理上’輸送郎産超過S L G長度（丁苜夕1 ^ 、只夕丄Am)，逐步 及重複操作（step and repeat)即無法進行，因 、、义 4 u此其生產 性差。 2) 用該方法得到的多結晶薄膜的遷蒋查古 碟秒丰有其極限。不 控制結晶粒界位置而使結晶粒徑變大所得到的夕 〆 彳』夕結晶溥 膜，由於結晶粒徑相當不均勻，因此不具實用性。 3) 掃描方向上幾乎每數百nm即存在有殘留結晶粒界， 且在與掃描方向垂直之方向上亦每一輸送節距都存在有結 晶缺陷’故從其在具有1 // m的通道長度的薄膜電晶體上的 應用性來看，就目前的情況而言並不適合。 《第二先前技術》 前述移相器結晶化法，係使用變換光之至少一部份的 相位之移相器（p h a s e s h i f t e r )，在基板面上產生照射強 度的強弱斜度，藉以控制結晶之橫方向成長以得到大結晶 粒的結晶之方法。此一方法係由松村等公開其基本概念並 進行它的原理驗證。 例如，「使用準分子雷射之巨大結晶粒S i薄膜的形成 (Preparation of Ultra-Large Grain Silicon Thin-Film by Excimer-Laser)」（表面科學(Surface Science)Vol·21， No·5， ρρ·278-287， 2000)。 第9圖（a)中，符號91表示準分子雷射，92表示射出光 束，93表示光束強度（大小）變換光學系，94、95表示移相
314295.ptd 第11頁 588128 五、發明說明（5) 器，9 6表示非晶質基板，9 7表示非單結晶半導體層，第9 圖（b )中，9 8表示結晶成長之起點，9 9表示單結晶粒。 近年來，如曾在上述《第一先前技術》中提到的，隨 者玻璃基板上之薄膜電晶體的向性能化’即使在玻璃基板 上亦可實現具有100cm 2/V· sec的遷移率的薄膜電晶體，且 已可將驅動電路等與晝素薄膜電晶體集積在同一基板上。 但是，為了進一步實現液晶顯示面板等的系統化，必須尋 求更高性能、無特性不平均之薄膜電晶體的材料。第9圖 所示之第二先前技術，即為以此為目的而進行結晶粒徑（5 // m程度）的控制及結晶粒界的位置控制之技術。在光源方 面，基本上係直接使用從準分子雷射9 1射出之射出光束 9 2，但無法獲得充分的光強度時，則使用經光束強度變換 光學系9 3 (將用第1 0圖詳述於後）變換過光束形狀之光。另 外，對光強度做二維的調變為此一技術的重點，其係使用 直交配置的移相器9 4、9 5，藉由靠移相器9 4在圖中之箭頭 A方向（基板掃描方向）之比較和緩的調變（1 0// m節距，半 節距c為5// m)、及靠移相器95在圖中之箭頭B方向（與基板 掃描方向垂直之方向）的調變（目前經實證者為d二20// m節 距）的組合，產生如第9圖（b )所示之結晶成長之起點9 8， 以誘發在箭頭A方向之結晶的橫向成長（將用第1 1圖詳述於 後）。 參照第1 0圖，符號9 2表示準分子雷射的射出光束，9 3 表示光束強度變換光學系，1 0 0表示光罩（光圈）。 如前所述，準分子雷射的射出光束9 2係具有例如2 cm
314295.ptd 第12頁 588128 五、發明說明（6) X 1 cm之矩形形狀，與一般的固體雷射相比’為相當均勻 的光源光，但其邊緣附近會有如第1 0圖中所示光強度略微 降低的情形。此第二先前技術由於使用移相器9 4、9 5，需 有光束的空間同調性（coherence)，故必須有如第9圖所示 之單透鏡或單透鏡的組合之光學系。為了變換照射強度’ 係使用如第1 0圖所示之光束強度變換光學系9 3變換光束的 直徑。如此，雖保有光束之空間同調性，但光束的均勻性 並未改善。此為此一技術的問題點。因此’ δ又置了如第1 0 圖所示之光罩（光圈）1 〇 〇。使用光罩1 0 0雖會使光的利用效 率降低，但可提高光的均勻性。 第1 1圖（a)中，符號94、95表示移相器，96表示非晶 質基板，9 7表示非單結晶半導體層，9 0表示準分子雷射 光’第11圖（b)中，9 8表示結晶成長之起點，99表示單結 晶粒。 如前所述，對光強度做二維的調變為此第二先前技術 的重點。如第11圖（a)所示，可利用移相器94 (Y移相器）使 =分子雷射光9 0產生如第11圖（b)之②所示之光強度調 變，利用移相器95(X移相器）使準分子雷射光90產生如第 11圖（b)之③所示之光強度調變。利用這兩個分離但直交 的移相器9 4、9 5兩者的疊合，即可使如第11圖（b)所示之 位置控制型單結晶粒9 9成長。 然而，第9圖至第11圖所示之第二先前技術具有以下 的缺點： 1 )由於係利用移相器94、9 5形成照射強度上的強弱斜
3]4295._ 第13頁 588128 五、發明說明 度，因此 生未單結 2)由 性，因此 準分子雷 的長度之 的考量， 射出之光 因此 課題，必 取捨，在 本發 成結晶性 導體薄膜 為了 記載之構 亦即 方法，係 層，然後 前述基層 包括以下 強度分佈 的相對運 (7) 可實現 晶4匕的 於使用 必須為 射具有 間作取 光束的 束的振 ，有結 須在雷 實用上 明之目 良好的 之形成 H術- 約5至1 0 // m程度 領域，所以無法 移相器9 4、9 5， 雷射之平行光束 發散角，因此必 捨。再者，基於 振幅的均勻性必 幅強度分佈。 晶化領域的位置 射照射領域内的 其生產性會有問 的橫向成長’但必然會產 形成南密度的結晶。 故要求照射光要有可干涉 。然而目前可得之高輸出 須在位置精度與橫向成長 使平行光束系的操作可行 須相依於剛從雷射振盪器 精度、高密度化等方面的 均勻性與照射面積之間作 題。 的在提供一種在絕緣材所構成的基層上形 半導體薄膜之半導體薄膜之形成方法及半 裝置。 —手段— 解決上述問題，本發明係採用如申請專利範圍所 成。 ，申請專利範圍第1項記載之半導體薄膜之形成 在絕緣材所構成的基層上形成非單結晶半導體 以光照射前述非單結晶半導體層，並使前述光與 相對運動，而使前述非單結晶半導體層結晶化， 步驟：使前述光的光強度分佈均勻化；以前述光 經均勻化後的光的振幅在前述光相對於前述基層 動方向增加的方式進行振幅調變；將前述振幅經
314295.ptd 第14頁 588128 五、發明說明 調變過的 導體層上 生成結晶 相對運動 申請 係在絕緣 以光照射 相對運動 步驟：使 經均勻化 動方向增 内設置溫 述光相對 ^領域。 申請 係在申請 中，以前 對運動， 行之前述 申請 係用以在 然後以光 基層相對 括：發出 (8) 光，投射 ;以及在 成長之起 方向形成 專利範圍 材所構成 前述非單 ，而使前 前述光的 後的光的 加的方式 度低的點 於前述基 專利 專利 述成 並藉 第一 專利 絕緣 照射 運動 前述 範圍 範圍 長之 由使 照射 範圍 材所 前述 ，而 光之 在形成於前述基層上的前述非單結晶半 前述光的照射面内設置溫度低的點，以 點，然後沿著前述光相對於前述基層的 結晶而形成單結晶領域。 第2項記載之半導體薄膜之形成方法， 的基層上形成非單結晶半導體層，然後 結晶半導體層，並使前述光與前述基層 述非單結晶半導體層結晶化，包括以下 光強度分佈均勻化；以前述光強度分佈 振幅在前述光相對於前述基層的相對運 進行振幅調變；以及在前述光的照射面 ^以生成結晶成長之起點，然後沿者前 層的相對運動方向形成結晶而形成單結 第3項記載之半導體薄膜之形成方法， 第1項或第2項之半導體薄膜之形成方法 距離程度的節距使前述光與前述基層相 接在第一照射（shot)後的第二照射與先 局部重疊，而形成帶狀的單結晶領域。 第4項記載之半導體薄膜之形成裝置， 構成的基層上形成非單結晶半導體層， 非單結晶半導體層，並使前述光與前述 使前述非單結晶半導體層結晶化，包 光源；使從前述光源發出的光的光強度
314295.ptd 第15頁 588128 五、發明說明（9) 分佈均勻化之均勻器（h 〇 m 〇 g e n i z e r );以光強度分佈經前 述均勻器均勻化後的光的振幅在前述光相對於前述基層的 相對運動方向增加的方式進行振幅調變之振幅調變機構； 將振幅經前述振幅調變機構調變過的光，投射在形成於前 述基層上的前述非單結晶半導體層上之投射光學系；在前 述光的照射面内設置溫度低的點之機構；以及使前述光與 前述基層相對運動之機構。 申請專利範圍第5項記載之半導體薄膜之形成裝置， 係在申請專利範圍第4項之半導體薄膜之形成裝置中，前 述振幅調變機構為光吸收光罩（m a s k )。 申請專利範圍第6項記載之半導體薄膜之形成裝置， 係在申請專利範圍第4項之半導體薄膜之形成裝置中，前 述設置溫度低的點之機構為移相器（p h a s e s h i f t e r )。 申請專利範圍第7項記載之半導體薄膜之形成裝置， 係在申請專利範圍第4項之半導體薄膜之形成裝置中，前 述設置溫度低的點之機構為具有光吸收點（do t )之光罩。 申請專利範圍第8項記載之半導體薄膜之形成裝置， 係用以在絕緣材所構成的基層上形成非單結晶半導體層， 然後以光照射前述非單結晶半導體層，並使前述光與前述 基層相對運動，而使前述非單結晶半導體層結晶化，包 括：發出前述光之光源；使從前述光源發出的光的光強度 分佈均勻化之均勻器；以光強度分佈經前述均勻器均勻化 後的光的振幅在前述光相對於前述基層的相對運動方向增 加的方式進行振幅調變之振幅調變機構；在前述光的照射
314295.ptd 第16頁 588128 五、發明說明（ίο) 面内設置溫度低的點之機構；以及使前述光與前述基層相 對運動之機構。 申請專利範圍第9項記載之半導體薄膜之形成裝置， 係在申請專利範圍第8項之半導體薄膜之形成裝置中，前 述振幅調變機構連同前述設置溫度低的點之機構，係為具 有光吸收點（d 〇 t )之移相器。 申請專利範圍第1 0項記載之半導體薄膜之形成裝置， 係在申請專利範圍第4項或第8項之半導體薄膜之形成裝置 中，復包括：進行前述振幅調變機構及前述設置溫度低的 點之機構的對位之對位機構。 申請專利範圍第1 1項記載之半導體薄膜之形成裝置， 係在申請專利範圍第1 0項之半導體薄膜之形成裝置中，前 述對位機構係使用對準用雷射光束及對準標記之對位機 構。 [實施方式] 以下，利用圖式詳細說明本發明之實施形態。以下說 明的圖式中，具有相同機能的元件係標以相同符號並省略 對它的重複說明。 實 U——態—一――— 第1圖（a)中，1表示作為光源之例如準分子雷射，2表 示射出光束，3表示均勻器，4表示線光束（經均勻化的雷 射光），5表示例如光吸收光罩之類的振幅調變光罩，6表 示由例如圓柱透鏡（c y 1 i n d r i c a 1 1 e n s )所構成，以可得到 預定的照射能量的方式投射光之投射光學系，7表示經過
314295.ptd 第17頁 588128 五、發明說明（π) 均勻化、振幅調變、投射之線光束，8表示用以在光的照 射面内設置溫度低的點之機構，例如移相器，9表示例如 玻璃基板等之非晶質基板，1 0表示例如S i (矽）等所構成之 非單結晶半導體層，11表示經結晶化的半導體層。第1圖 (b)中，12表示單結晶陣列。 前述之第二先前技術，由於使用移相器（第9圖（a)、 第1 1圖（a)之9 4、9 5 )，要求光束的空間同調性，因此基本 上受一次光源的光束的均勻性所支配，而無法改善光束的 均勻性。因此，第二先前技術的光利用效率低且生產性 低。 而在本實施形態一中，從作為一次光源之準分子雷射 1射出之光束，係藉由與前述第一先前技術所用的（請參照 第7圖之7 3 )相同的均勻器3達成前述光束的成形與均勻 化。之後，前述光束依序通過作為振幅調變機構之振幅調 變光罩5、以可得到預定的照射能量的方式投身光之投射 光學系6、及控制結晶成長之起點之移相器8。如此，即可 與準分子雷射1所發出的光束的空間同調性無關（不相依） 地得到與第二先前技術同樣的結晶成長。亦即，依照實施 形態一，可確保光的利用效率，而且可藉由線光束4、7的 形狀產生形成單結晶陣列1 2之效果。 第2圖（a)中，符號4表示線光束（經均勻化的雷射 光），1 3表示振幅調變後的光強度分佈，8表示移相器，9 表示非晶質基板，1 0表示非單結晶半導體層，1 4表示結晶 成長之起點（結晶化的起點），1 5表示單結晶領域，1 6表示
314295.ptd 第18頁 588128 五、發明說明（12) 雷射照射時的溫度分佈，1 7表示融點。 又，第2圖（a )中省略振幅調變光罩5、投射光學系6等 的圖示。 在準分子雷射為例如氟化氪（KrF，Krypton ?111〇1^(16)雷射的場合，如第2圖（13)所示，可用31(0^系 薄膜，使膜厚在面内分佈而製作振幅調變光罩5。同樣 的，在氣化氙（XeCl， Xenon Chloride)雷射的場合，如第 2圖（b)所示，可用S i (〇，C)系薄膜或S i (0，N，C)系薄膜製作 振幅調變光罩5。 控制（生成）結晶成長之起點1 4之機構，在本實施形態 一可採用例如移相器8。本來移相器必須以所照射光源為"^ 同調光（coherent light)為前提。但是，如本發明所示， 即使不是同調光亦恆可在相位互異的交界部取得光強度的 最小值。因此，如第2圖（a)之雷射照射時的溫度分佈i 6所 示，在Y方向的中央部，X，向的原點，會有溫度比周圍低 的部份產生。結果，有如第2圖（a)所示之結晶成長之起點 1 4產生。 如上所述，由於直接處理剛從準分子雷射1射出的光 束，在兼顧生產性和均勻性控制的點上會有困難，因此在 本實施形態一中，係藉由光束的區域分割及混合而生成振 幅均一之光束。此時’由於失去了光的可干涉性，因此藉 由使用振幅調變光罩5之振幅調變，調變非晶質基板9面^ 的照射強度。利用此一概念，可實現能保有約5至1 〇# m程 度的橫向成長。
588128 五、發明說明（13) 另外，前述第一先前技術中用於結晶化之非晶矽膜的 膜厚’通常為l〇〇nm以下，更佳者為5〇nm程度。在光束為 使用高輸出準分子雷射且經光束的均勻化及光束的成形而 得到的具有20cm程度的寬度之光束時，由於必需40 0mJ/cm2 程度的照射能量因此能以5mm/sec程度的速度進行掃描。 一 4又而a ’基板為用於液晶顯示器之5 5 c mx 6 5 c m的玻璃基 板時，約花5分鐘使非晶矽薄膜的全面結晶化。
本實施形態一中用於結晶化之非晶矽膜的膜厚為5〇ηιη 至3 0 0nm，較佳為2 0 0nm程度。本實施形態一所要求之照 射忐量，雖為前述第一先前技術所需的照射能量的2至3 倍，但藉由進行二維的光學系設計，相較於第一先前技 術，可以用約三分之一以下的速度在55cmx 65cm的玻璃基 板的全面形成單結晶薄膜。 亦即，雖然在非晶質基板上形成全面均一的單結晶薄 膜為極困難的技術，但依照本發明，在特別是玻璃基板之 類的非晶質基板上’亦可在任意位置以任意的節距形成單 結晶領域，因此在根據要求的電路的規格決定半導體薄膜 的性能、按照設計準則形成能適用的單結晶陣列方面，本 發明可作為基礎技術而發展出新的技術。 本實施形態一之半導體薄膜之形成方法， 之申請專利範圍第1項相對應。亦即，苴 糸，、本^月 成的基層（非晶質基板9)上形成非單姓/曰、1、在絕緣材所構 战升早結晶半 然後以光（從準分子雷射1射出）照射前 曰 人、、、对了別迷非輩έ士曰主邋驊 層，並使前述光與前述基層相對運勒， 00 m 而使前述非單結晶
588128 五、發明說明（14) 半導體層結晶化之半導體薄膜之形成方法，包括以下步 驟：（利用均勻器3)使前述光的光強度分佈均勻化；（由振 幅調變光罩5 )以前述光強度分佈經均勻化後的光的振幅在 前述光相對於前述基層的相對運動方向增加的方式進行振 幅調變；（利用投射光學系6)將前述振幅經調變過的光， 投射在形成於前述基層上的前述非單結晶半導體層上；以 及（利用移相器8)在前述光的照射面内設置溫度低的點， 以生成結晶成長之起點（1 4 )，然後沿著前述光相對於前述 基層的相對運動方向形成結晶而形成單結晶領域（1 5)。 又，本實施形態一之半導體薄膜之形成裝置，係與本 發明之申請專利範圍第4項相對應。亦即，其係用以在絕 緣材所構成的基層上形成非單結晶半導體層，然後以光照 射前述非單結晶半導體層，並使前述光與前述基層相對運 動，而使前述非單結晶半導體層結晶化之半導體薄膜之形 成裝置，包括：發出前述光之光源（準分子雷射1 );使從 前述光源發出的光的光強度分佈均勻化之均勻器（3);以 光強度分佈經前述均勻器均勻化後的光的振幅在前述光相 對於前述基層的相對運動方向增加的方式進行振幅調變之 振幅調變機構（振幅調變光罩5);將振幅經前述振幅調變 機構調變過的光，投射在形成於前述基層上的前述非單結 晶半導體層上之投射光學系（6);在前述光的照射面内設 置溫度低的點之機構（移相器8);以及使前述光與前述基 層相對運動之機構（未圖示之可在X、Y方向掃描之基板台 或光的掃描機構）。
314295.ptd 第21頁 588128 五、發明說明（15) 又，本實施形態一之半導體薄膜之形成裝置，係與申 請專利範圍第5項相對應，前述振幅調變機構（振幅調變光 罩5 )為光吸收光罩。 又，本實施形態一之半導體薄膜之形成裝置，係與申 請專利範圍第6項相對應，前述設置温度低的點之機構為 移相器（8 )。 又，本實施形態一之半導體薄膜之形成裝置，係與申 請專利範圍第1 0項相對應，復包括：進行前述振幅調變機 構（振幅調變光罩5)及前述設置溫度低的點之機構（移相器 8)的對位之對位機構（為公知技術故未圖示）。 又，本實施形態一之半導體薄膜之形成裝置，係與申 請專利範圍第1 1項相對應，前述對位機構係使用對準用雷 射光束及對準標記（此等為公知技術故未圖示）之對位機 構。 實施形態二 參照第3圖（a )，符號1 8表示光吸收點，1 9表示具有光 吸收點1 8之光罩。 本實施形態二係以具有光吸收點1 8之光罩1 9作為生成 實施形態一之第2圖（a )之結晶成長之起點1 4之機構，且將 光罩1 9設在第3圖（a )所示的位置（與實施形態一之移相器8 相同之位置）之例。此具有光吸收點1 8之光罩1 9亦如第3圖 (b )所示，在例如K r F雷射的場合可用S i ( 0，N )系薄膜，在 XeCl雷射的場合可用Si (0, C)系或Si (0, N，C)系薄膜製作。 與第2圖（a )之雷射照射時之溫度分佈1 6所示者一樣，
314295.ptd 第22頁 588128 五、發明說明（16) 如本實施形態之雷射照射時之溫度分佈1 6所示，低溫的部 份在Y方向的中央部，X方向的原點產生。結果，結果，有 如第3圖（a )所示之結晶成長之起點1 4產生，且和實施形態 ——樣，可實現約5至1 0// m程度的橫向成長。 本實施形態二之半導體薄膜之形成裝置，係與申請專 利範圍第7項相對應，前述設置溫度低的點之機構為具有 光吸收點（1 8 )之光罩（1 9 )。 實施形態三 本實施形態三係在第1圖所示的構成中，不用振幅調 變光罩5，而改配置在如第4圖（a)所示之其段差上或其段 差的鄰近處設有如第3圖所示之光吸收點1 8之移相器2 3 (將 第2圖之移相器8旋轉90度而成者，在KrF雷射的場合係由 S i ( Ο，N )系薄膜構成），藉此可產生與上述實施形態一、二 同樣的結晶成長。通常，經均勻器均勻化後的準分子雷射 光並不會因為移相器而產生光強度調變。然而，實際進行 實驗後發現：使玻璃基板9與用以控制上述橫向成長的移 相器23間的距離在1 mm以下，即可在玻璃基板9上產生和第 3圖（a )所示之雷射照射時的溫度分佈1 6—樣的溫度分佈。 本實施形態三之半導體薄膜之形成方法，係與本發明 之申請專利範圍第2項相對應。亦即，其係在絕緣材所構 成的基層（非晶質基板9 )上形成非單結晶半導體層（1 0 )， 然後以光（從準分子雷射1射出）照射前述非單結晶半導體 層，並使前述光與前述基層相對運動，而使前述非單結晶 半導體層結晶化之半導體薄膜之形成方法’包括以下步
314295.ptd 第23頁 588128 五、發明說明（17) 驟：（利用均勻器3)使前述光的光強度分佈均勻化；（由移 相器2 3 )以前述光強度分佈經均勻化後的光的振幅在前述 光相對於前述基層的相對運動方向增加的方式進行振幅調 變；以及（利用光吸收點1 8)在前述光的照射面内設置溫度 低的點，以生成結晶成長之起點（1 4 )，然後沿著前述光相 對於前述基層的相對運動方向形成結晶而形成單結晶領域 15) ° 又，本實施形態三之半導體薄膜之形成裝置，係與本 發明之申請專利範圍第8項相對應。亦即，其係用以在絕 緣材所構成的基層上形成非單結晶半導體層，然後以光照 射前述非單結晶半導體層，並使前述光與前述基層相對運 動，而使前述非單結晶半導體層結晶化之半導體薄膜之形 成裝置，包括：發出前述光之光源（準分子雷射1 );使從 前述光源發出的光的光強度分佈均勻化之均勻器（3);以 光強度分佈經前述均勻器均勻化後的光的振幅在前述光相 對於前述基層的相對運動方向增加的方式進行振幅調變之 振幅調變機構（移相器2 3);在前述光的照射面内設置溫度 低的點之機構（光吸收點1 8);以及使前述光與前述基層相 對運動之機構（未圖示之可在X、Y方向掃描之基板台或光 的掃描機構）。亦即，本實施形態三中，並不需要將振幅 經前述振幅調變機構調變過的光投射在形成於前述基層上 的前述非單結晶半導體層上之投射光學系（6)。 又，本實施形態三之半導體薄膜之形成裝置，係與申 請專利範圍第9項相對應，前述振幅調變機構連同前述設 Ιϋ ΙΗ i 111 _ 1 314295.ptd 第24頁 588128 五、發明說明（18) 置溫度低的點之機構，係為具有光吸收點（1 8 )之移相器 (23)。 實施形態四 第5圖（a)中，符號4表示線光束（經均勻化的雷射 光），7表示經過均勻化、振幅調變、投射之線光束，8表 示移相器，9表示非晶質基板，1 0表示非單結晶半導體 層，1 1表示經結晶化的半導體層，2 0表示非晶質基板9 (亦 即未圖示的基板台）的輸送節距。另外，第5圖（a)中係省 略準分子雷射1、射出光束2、均勻器3、光吸收光罩所構 成的振幅調變光罩5、及投射光學系6的圖示。第5圖（b) 中，符號1 2表示單結晶陣列，2 0表示輸送節距，箭頭C表 示橫向成長方向。 前述第二先前技術的問題點係在於：在第9圖（b )所示 的結晶化陣列中，結晶化領域在面内的佔有面積率低，以 及結晶成長之起點9 8經常鄰接於結晶化初期膜，例如非晶 石夕之相，因此結晶化的驅動力的主要因素會受冷卻過程所 支配，且對於面内的微量不純物、膜與基板的界面狀態的 不一致等相當敏感而受其影響，導致再現性差。 而在本實施形態四中，藉由如第5圖（a )所示之裝置構 成中的載台輸送機構（未圖示），即能以比可期待的結晶化 的橫向成長的距離略短，例如約5 // m的輸送節距2 0在箭頭 A方向搬送非晶質基板9。用這種方式即可提高結晶化領域 在面内的佔有面積率，而且可形成提高再現性之單結晶陣 列1 2。結果，可從陣列而形成帶狀的單結晶領域。
314295.ptd 第25頁 588128 五、發明說明（19) 參照第6圖，符號2 1表示一次照射（第一照射。單結晶 粒），2 2表示二次照射（第二照射）。 前述第二先前技術中所得之單結晶粒，在例如由非晶 矽所構成的結晶化初期膜中，係與第6圖所示之一次照射 所得的早結晶粒一樣。亦即’結晶係從第6圖所不的結晶 成長之起點1 4朝橫向成長方向C而橫向成長，但此橫向成 長會完全受結晶化的初期過程所支配。在結晶化的初期過 程中，結晶核會在冷卻的過程中隨機形成，然後結晶朝橫 向成長。在前述第二先前技術中所得之單結晶粒，係在各 自獨立的隨機過程中形成者，因此有再現性、均勻性上的 問題。 另一方面，本實施形態四的結晶化方式，係如第6圖 所示，以與一次照射2 1所形成的單結晶粒的一部份重疊的 方式進行二次照射2 2以及再下一次的照射（未圖示），使其 間相銜接地進行結晶化。如此，最初的一次照射2 1雖然仍 大受隨機過程支配因素所支配，但二次照射2 2以後則由於 結晶化的領域已與結晶成長之起點1 4銜接，已存在結晶成 長所需的種（s e e d ) ’因此橫向成長能以該種為基礎而成 長。亦即，可支配從矽的熔融-凝固的準平衡狀態起的成 長，可大幅改善再現性、均勻性。 接著，在單結晶領域1 5的高密度化方面，可使用實施 形態一中所述的光源的概念進行光束的成形及變形，故可 藉由振幅調變光罩5、移相器8、及橫向成長的距離程度的 逐步及重複操作而形成帶狀的單結晶領域。
314295.ptd 第26頁 588128 五、發明說明（20) 本實施形態四之半導體薄膜之形成方法，係與申請專 利範圍第3項相對應，其係以前述成長之距離程度的節距 (輸送節距2 0 )使前述光與前述基層相對運動，並藉由使接 在第一照射（2 1 )後的第二照射（2 2 )與先行之前述第一照射 局部重疊，而形成帶狀的單結晶領域。 以上已根據實施形態具體說明本發明，惟本發明並非 限於上述實施形態，而係可在不脫離其要旨的範圍内作種 種變更者。例如，前述實施形態一至三中雖使用玻璃基板 等非晶質基板9作為由絕緣材所構成之基層，但不限於 此，亦可使用例如陶瓷、塑膠等之各種透明或不透明的絕 緣物質製的基層。另外，設在該基層上的非單結晶半導體 層，可為非晶質半導體層，或者可為先形成已形成有微小 粒徑的單結晶之多結晶半導體層然後使之再結晶化者，之 後才根據本發明形成半導體薄膜。 發明功效 如以上之說明，依照本發明，可得到能在玻璃基板等 非晶質基板上，在任意位置以任意節距形成單結晶領域之 技術’且可貫現根據要求的電路的規格決定半導體薄膜的 性能、按照設計準則形成能適用的單結晶陣列的基礎技 術。
314295.ptd 第27頁 588128 圖式簡單說明 [圖式簡單說明] 第1圖之（a)係說明本發明實施形態一之半導體薄膜之 形成方法及裝置之圖，（b )係（a )之局部擴大詳細圖； 第2圖之（a)係顯示第1圖（a)之更具體的構成，（b)係 顯示振幅調變光罩製作用之Si (0, N)系薄膜和Si (0, C)系薄 膜的組成及吸收端波長之圖； 第3圖之（a)係說明本發明實施形態二之圖，（b )係顯 示振幅調變光罩製作用之Si (0, N)系薄膜和Si (0, C)系薄膜 的組成及吸收端波長之圖； 第4圖之（a)係說明本發明實施形態三之圖，（b )係顯 示移相器製作用之Si (0, N)系薄膜和Si (0, C)系薄膜的組成 及吸收端波長之圖； 第5圖之（a )係說明本發明實施形態四之圖，（b )係（a ) 之局部擴大詳細圖； 第6圖係詳細說明圖實施形態四之圖； 第7圖係說明第一先前技術之圖； 第8圖係顯示第7圖之第一先前技術中的光學系之圖； 第9圖之（a )係說明第二先前技術之圖，（b )係（a )之局 部擴大詳細圖； 第1 0圖係顯示第二先前技術中的雷射照射光學系之 圖， 第1 1圖之（a)係顯示第二先前技術中的光調變光學系 之圖，（b )係（a )之局部擴大詳細圖。
314295.ptd 第28頁 588128 圖式簡單說明 卜 7卜 91 準分子雷射（光源 ) 1、 Ί2、 92 射出光束 3、 73 均勻器 4、 7、 74 線光束（經均勻化的雷射光 ) 5 振幅調變光罩 6、 82 投射光學系 8' 23〜 94、 9 5移相器 9、 75> 96 非晶質基板 10> 76 > 97 非單結晶半導體層 11 經結晶化的半導體層 12 單結晶陣列 13 振幅調變後的光強 度分 佈 14、 98 結晶成長之起點 15 單結晶 領域 16 雷射照射時的溫度分佈 17 融點 18 光吸收 點 19 光罩 20 輸送節 距 21 一次照射（第一照射） 22 二次照射（第二照射） 77 經多結晶化的半導 體層 81 複眼式透鏡 90 準分子 雷射光 93 光束強度變換光學 系 99 單結晶粒 100 光罩（光圈） a 結晶粒徑 b 寬度 C 半節距 d 節距
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Claims (1)

  1. I 588128 余中倉利j IT:種H體薄膜之形成方法，係在絕緣材所構成的基 層上形成非單結晶半導體層，然後以光照射前述非單 結晶半導體層，並使前述光與前述基層相對運動，而 使前述非單結晶半導體層結晶化，包括以下步驟： 使前述光的光強度分佈均勻化； 以前述光強度分佈經均勻化後的光的振幅在前述 光相對於前述基層的相對運動方向增加的方式進行振 幅調變； 將前述振幅經調變過的光，投射在形成於前述基 層上的前述非單結晶半導體層上；以及 在前述光的照射面内設置溫度低的點，以生成結 晶成長之起點，然後沿著前述光相對於前述基層的相 對運動方向形成結晶而形成單結晶領域。 2. —種半導體薄膜之形成方法，係在絕緣材所構成的基 層上形成非單結晶半導體層，然後以光照射前述非單 結晶半導體層，並使前述光與前述基層相對運動，而 使前述非單結晶半導體層結晶化，包括以下步驟： 使前述光的光強度分佈均勻化； 以前述光強度分佈經均勻化後的光的振幅在前述 光相對於前述基層的相對運動方向增加的方式進行振 幅調變；以及 在前述光的照射面内設置溫度低的點，以生成結 晶成長之起點，然後沿著前述光相對於前述基層的相 對運動方向形成結晶而形成單結晶領域。
    314295.ptd 第31頁 588128 六、申請專利範圍 3. 如申請專利範圍第1項或第2項之半導體薄膜之形成方 法，其中，係以前述成長之距離程度的節距使前述光 與前述基層相對運動，並藉由使接在第一照射後的第 二照射與先行之前述第一照射局部重疊，而形成帶狀 的單結晶領域。 4. 一種半導體薄膜之形成裝置，係用以在絕緣材所構成 的基層上形成非單結晶半導體層，然後以光照射前述 非單結晶半導體層，並使前述光與前述基層相對運 動，而使前述非單結晶半導體層結晶化，包括： 發出前述光之光源； 使從前述光源發出的光的光強度分佈均勻化之均 勻器； 以光強度分佈經前述均勻器均勻化後的光的振幅 在前述光相對於前述基層的相對運動方向增加的方式 進行振幅調變之振幅調變機構； 將振幅經前述振幅調變機構調變過的光，投射在 形成於前述基層上的前述非單結晶半導體層上之投射 光學系； 在前述光的照射面内設置溫度低的點之機構；以 及 使前述光與前述基層相對運動之機構。 5. 如申請專利範圍第4項之半導體薄膜之形成裝置，其 中，前述振幅調變機構為光吸收光罩。 6. 如申請專利範圍第4項之半導體薄膜之形成裝置，其
    314295.ptd 第32頁 588128 置溫度低的點之機構為移相器。 範圍第4項之半導體薄膜之形成裝置，其 置溫度低的點之機構為具有光吸收點之光 六、申請專利範圍 中，前述設 7. 如申請專利 中，前述設 罩。 8. —種半導體薄膜之形成裝置，係用以在絕緣材所構成 的基層上形 非單結晶半 動，而使前 發出前 使從前 勻器； 以光強 在前述光相 進行振幅調 在前述 及 使前述 9.如申請專利 中，前述振 構，係為具 1 0 .如申請專利 置，其中， 置溫度低的 1 1.如申請專利 成非單結晶半導體層，然後以光照射前述 導體層，並使前述光與前述基層相對運 述非單結晶半導體層結晶化，包括： 述光之光源； 述光源發出的光的光強度分佈均勻化之均 度分佈經前述均勻器均勻化後的光的振幅 對於前述基層的相對運動方向增加的方式 變之振幅調變機構； 光的照射面内設置溫度低的點之機構；以 光與前述基層相對運動之機構。 範圍第8項之半導體薄膜之形成裝置，其 幅調變機構連同前述設置溫度低的點之機 有光吸收點之移相器。 範圍第4項或第8項之半導體薄膜之形成裝 復包括：進行前述振幅調變機構及前述設 點之機構的對位之對位機構。 範圍第1 0項之半導體薄膜之形成裝置，其
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