TWI332682B - Beam homogenizer and laser irradiation apparatus and method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

Description

1332682 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於對在特定區域中待要照射的表面上的束 斑進行均化的光束均化器，還關於將均化的束斑照射在待 要照射的表面上的雷射照射裝置。注意，根據本發明的半 導體裝置包括諸如主動矩陣液晶顯示裝置和主動矩陣電致 發光顯示裝置等的顯示裝置、電光裝置、以及諸如採用這 種顯示裝置或電光裝置的電器，本發明還關於半導體裝置 的製造方法。 【先前技術】 近年來’對於雷射退火技術已經廣泛地進行了硏究， 這種雷射退火技術對形成在玻璃之類的絕緣基底上的非晶 半導體膜或結晶半導體膜（具有除單晶性之外的諸如多晶 性或微晶性之類的結晶性的半導體膜）進行晶化或提高其 結晶性。此半導體膜通常由矽半導體膜組成。 與已經被廣泛使用的石英基底相比，玻璃基底更經濟 ’具有更高的可加工性，並具有能夠容易地生産大面積基 底的優點。這就是被廣泛硏究的原因。由於玻璃基底的熔 點低’故最好用雷射器來進行晶化。雷射器能夠將高的能 量僅僅施加到非單晶半導體膜而不明顯地改變基底的溫度 〇 藉由執行雷射退火而形成的結晶矽膜具有高的遷移率 。因此’採用此結晶矽膜來製作薄膜電晶體（TFT )，且 (2) (2)1332682 通常被用作例如單片液晶電光裝置，其中圖素T F T和驅 動電路TFT形成在同一個玻璃基底上。由於結晶矽膜由 大量晶粒組成’故稱爲 '"多晶矽膜〃或^多晶半導體膜 〇 此外’最好採用這樣一種方法，其中，用光學系統對 來自準分子雷射器之類的大功率脈衝雷射光束的光束進行 處理’以便在待要照射的表面上確定尺寸爲幾釐米平方的 正方形束斑或長度至少爲1 〇釐米的線條，且束斑的投影 位置相對於待要照射的表面被掃描，從而進行雷射退火， 因爲這種方法具有良好的産率，並在工業上很優異。 確切地說’當採用線狀束斑時，與採用需要沿正反左 右方向掃描的點狀束斑的情況不同，經由僅僅沿垂直於線 狀束斑長邊的方向進行掃描，待要照射的整個表面就能夠 被光束照射。這就導致高産率。此線狀束斑此處將是一種 具有大的形狀比的矩形束斑。掃描沿垂直於長邊的方向進 行’因爲這是最有效的掃描方向。由於高的産率，故使用 藉由在雷射退火中用適當的光學系統對脈衝準分子雷射光 束進行處理而得到的線狀束斑，正成爲目前製造技術的主 流。 圖10顯示用來使照射表面上的束斑形狀（雷射光束 的剖面形狀）線形化的光學系統。圖10所示的光學系統 是一種非常普通的光學系統。上述光學系統不僅將雷射光 束的剖面形狀轉變成線狀，而且還同時均化照射表面中束 斑的能量°通常’對光束能量進行均化的光學系統被稱爲 -5- (3) (3)1332682 光束均化器。亦即，圖10所示的光學系統還是一種光束 均化器。 當是爲紫外光的準分子雷射器被用作光源時’上述光 學系統的基質材料可以例如整個是石英。採用石英的理由 在於能夠得到高的透射率。而且，最好可以採用對所用準 分子雷射器的波長具有99%或以上透射率的塗層。 首先說明圖10A的側面圖。從雷射振盪器1201發射 的雷射光束沿一個方向被柱面透鏡陣列1 202a和1 202b分 裂。此處將此方向稱爲縱向方向。當平面鏡被組合到光學 系統中途時，縱向方向將沿平面鏡反射光的方向。此結構 的束斑被分裂成4個光束。分裂的各個束斑然後被柱面透 鏡1 2 04彙聚成一個束斑。然後，此束斑再次被分裂並在 平面鏡1 207處反射。然後，分裂的各個束斑被雙合柱面 透鏡1208再次彙聚成照射表面1209處的一個束斑。雙合 柱面透鏡是一種由2片柱面透鏡組成的透鏡。因此，線狀 雷射光束斑沿縱向的能量被均化，且線狀束斑的縱向長度 被確定。 下面說明圖10B的俯視圖。從雷射振盪器1201發射 的雷射光束沿垂直於縱向方向被柱面透鏡陣列1203分裂 。此處將此垂直方向稱爲橫向方向。當平面鏡被組合到光 學系統中途時，橫向方向將沿平面鏡反射光的方向。此結 構的束斑被分裂成7個光束。然後，被柱面透鏡1205分 裂成7個光束的雷射光束，在照射表面1 209處被彙聚成 —個束斑。參考號1207 - 1209所示的各個步驟被示於虛 (4) 1332682 線中，il·些虛.線顯不貫際光路的位置、 以及沒有安排平面鏡1 207情況下的照 是，線狀束斑沿橫向的能量被均化，且 被確定。 如上所述，柱面透鏡陣列1 2 0 2 a ' 分裂雷射光束的透鏡。線狀束斑處能量 於分裂光束的數目。 光學系統中的上述各個透鏡由對準 人造石英製成。而且，透鏡表面上被塗 射能夠容易地透射。因此，準分子雷射 射率能夠達到99%或以上。 被上述結構的光學系統線形化了的 偏移到其橫向方向的重疊方式被照射。 射退火對非單晶矽膜進行晶化並提高其 〇 下面顯示作爲待要照射的物體的半 方法。首先，厚度爲 0.7mm的 5英 1 73 7基底被製備作爲基底。然後形成 5;02膜（氧化矽膜），並在Si02膜的 5 Onm的非晶矽膜（以下表示爲a— Si 電漿CVD裝置來形成。基底在5 00 °C 含有氮氣的氣氛中1小時，從而降低膜 ，膜的抗雷射能力顯著改善》

Lambda公司製造的XeCl準分子雷 各個透鏡的位置、 射表面的位置。於 橫向方向的長度也 1202b、 1203 用作 分佈的均勻性決定 分子雷射器敏感的 敷，以便準分子雷 經由一個透鏡的透 線狀束斑，以逐漸 這使得能夠藉由雷 整個表面的結晶性 導體膜的典型製造 寸平方的 Corning 厚度爲 200nm的 表面上形成厚度爲 膜）。二種膜都用 的溫度下被暴露於 中的氫濃度。因此 射器L4308 (波長 332682

爲308nm’脈衝寬度爲30ns)被用作雷射振 射振盪器産生脈衝振盪雷射並具有每脈衝發 的能力。雷射光束出口處的雷射光束束g 30mm (都是半寬度）。雷射光束的出口由 從雷射振盪器發射之後垂直於雷射光束行進 界定。 由準分子雷射器産生的雷射光束的形狀 ，且用範圍約爲5的形狀比表示。雷射 示強度向束斑中心增大的高斯分佈。準分子 斑尺寸被轉變成125mmx0.4mm的線狀束g 所示光學系統引起的均勻能量分佈。 當將雷射光束照射到上述半導體膜時， 間距約爲線狀束斑短邊寬度（半寬度）的1 善了半導體膜中的結晶均勻性。根據上述例 的半寬度爲〇.4mm，因此，準分子雷射器的 定爲30Hz，且掃描速度被設定爲l.Omm/s 射光束。此時，雷射光束照射表面處的能量 4 5 OmJ/ cm2。迄今說明的方法是一種用線 半導體膜的一般方法。 某些習知的光束均化器採用能夠容易地 的反射平面鏡（見例如日本專利公開200 1 -爲了製造柱面透鏡陣列，要求高的加工 柱面透鏡陣列由沿曲線方向排列的多個 。此處的曲線方向被稱爲柱面母面的垂直方 盪器。這種雷 射670nW能量 E尺寸爲1 〇 X 雷射光束剛剛 方向的平面所 通常是矩形的 光束的強度表 雷射光束的束 ϊ，具有圖10 最合適的重疊 / 1 0。從而改 子，線狀束斑 脈衝頻率被設 ;，從而照射雷 密度被設定爲 狀束斑來晶化 執行精確處理 29 1 68 1 )。 精度。 柱面透鏡組成 向。形成柱面 -8- (6) ^1332682 透鏡陣列的各個柱面透鏡之間必定具有連接部分。各個連 接部分不具有彎曲的表面；藉由連接部分照射的光束發生 透射而不受柱面透鏡的影響。到達待要照射的表面而沒有 此影響的光束，能夠在照射表面上的矩形束斑處引起不均 勻的能量分佈。 形成柱面透鏡陣列的各個柱面透鏡必須以完全相同的 精度加以製造。當各個柱面透鏡具有不同的曲率時，即使 用彙聚透鏡，被柱面透鏡陣列分裂的各個雷射光束也不會 在照射表面處被彙聚到同一個位置。亦即，照射表面上矩 形束斑處的能量分佈不均勻。 照射表面上束斑處的不均勻能量分佈是由形成光學系 統的柱面透鏡陣列的結構問題和加工精度引起的。亦即， 不均勻性起源於引入到均化器中的所有雷射光束未被引入 到各個柱面透鏡起作用的部分以及被柱面透鏡陣列分裂的 所有雷射光束未被彙聚到同一個位置。 而且，當利用現有技術所述的方法，藉由掃描沿照射 表面上矩形短邊方向的能量分佈爲高斯分佈的矩形雷射光 束而對半導體膜進行晶化時，沿與掃描方向垂直的方向的 條形圖形淸楚地出現在半導體膜上。此條形圖形與半導體 膜的不均勻結晶性同步。例如，不均勻性呈現爲TFT電 學特性的分散，並在採用此TFT的平板上顯示出條形圖 形。 此條形圖形是由雷射振盪器不穩定的輸出造成的。因 此，消除條形圖形的唯一方法是改善雷射振盪器。但當沿 -9- (7) (7)f1332682 照射表面上矩形束斑短邊方向的能量分佈被均化時，雷射 振盪器輸出的不穩定性就被均北了，條形圖形就消失到背 景中。亦即’防止了條形圖形的出現。因此，需要均化能 量分佈的光學系統。亦即，利用柱面透鏡陣列能夠獲得具 有均勻能量分佈的矩形束斑，但要求高度精確的光學系統 【發明內容】 根據本發明’在用來形成矩形束斑的光學系統中，用 光導來代替用來均化照射表面上矩形束斑短邊方向能量分 佈的光學系統。此光導是一種通路，它能夠在某些區域中 俘獲光發射’並沿平行於其光路軸引導和透射其光流。 下面將說明用來解決上述問題的方法。圖1A和！B 顯示有助於說明用來解決上述問題的方法的示意圖。首先 說明示意圖之一的俯視圖圖1A。具有二個彼此面對的反 射表面以及照射表面1303的光導1302，被製備來從圖左 側向其發射光束。當光導1302存在時，用實線1301a表 示光束。當光導1302不存在時，用虛線1301b表示光束 〇 在不存在光導1302的情況下，如光束1301b所示’ 從左側入射的光束到達照射表面1 3 0 3 a、1 3 0 3 b、1 3 0 3 c。 在存在光導13 02的情況下，如光束1301a所示，入 射的光束被光導1302的反射表面反射，它們都到達照射 表面區域1303b。亦即，在存在光導1302的情況下，當 -10- (8) (8)1332682 不存在光導1 3 Ο 2時應該到達照射表面區域1 3 0 3 a和 1303c的所有的入射光束，都到達照射表面區域l3〇3b。 因此，當光束被發射進入光導1302時’入射的光束被分 裂，然後所有的分裂光束被重疊在照射表面1303b上的同 一個位置。於是，分裂入射光束以便將各個分裂的光束重 疊在同一個位置，就能夠在各個分裂的光束被重疊的位置 處均化光的能量分佈。 通常，利用均化器從光束的分裂得到的光束的數目越 大，分裂的光束被重疊的位置處的能量分佈的均勻性就越 高。光導1302內部較大的反射數目，能夠增大由於光束 分裂而得到的光束的數目。換言之，使光導的二個反射表 面沿發射光束到其中的方向更長，可以增大上述反射的數 目。同樣，使彼此面對的反射表面之間的間距更小，能夠 增大光束被分裂的數目。 根據本發明的另一種結構，在用來形成矩形束斑的光 學系統中，用光管來代替用來均化照射表面上矩形束斑沿 光束短邊方向能量分佈的光學系統。此光管是一種用拉擠 成型製作成錐形、棱柱形、柱形等的元件，通常藉由反射 從其一端傳送到另一端。 此處揭示的雷射裝置的特徵是具有包括上述光導或光 管的均化器。具有二個彼此面對的反射表面的光導或光管 ，能夠均化照射表面上矩形束斑短邊方向的能量分佈。 在製造半導體裝置的過程中，採用上述雷射照射裝置 能夠抑制來自照射表面上束斑能量不均勻的條形圖形的出 -11 - (9) 1332682 現，並改善半導體膜結晶性的均勻性。 根據本發明的一種情況，本發明的方法包含下 :提供雷射光束，將雷射光束經由光導，以及用經 之後的雷射光束照射半導體膜以便晶化半導體膜， 半導體膜表面處的雷射光束能量分佈被光導均化。 【實施方式】 參照圖2說明本發明所揭示的産生矩形束斑的 統。 首先說明圖2B中的側面圖。從雷射振盪器1L· 的雷射光束沿圖2B中所示箭頭的方向傳播。此雷 被球面透鏡1102a和1102b擴展。在從雷射振盪！ 發射的束斑足夠大的情況下，不需要這些組成部分 束斑沿矩形短邊方向被第二側面曲率半徑爲-且厚度爲20mm的柱面透鏡1105聚焦。當彎曲中 光束從透鏡面出射側時，曲率半徑的符號爲正，而 中心位於雷射進入透鏡面側時，符號爲負。而且， 入的透鏡面爲第一表面，而光束出射的透鏡面爲第 。照射表面上矩形束斑短邊處的能量分佈被具有二 面對的反射表面1 l〇6a和1 106b的位於柱面透鏡] 面1030mm的光導1106均化。光導1106沿光束發 的長度爲300mm，而反射表面之間的距離爲2mm。 在習知的光學系統中，照射表面上矩形束斑的 的能量分佈由柱面透鏡陣列的結構和製造精度以及 列步驟 由光導 其中， 光學系 )1發射 射光束 § 1101 〇 4 8 6mm 心位於 當彎曲 光束進 二表面 個彼此 105後 射方向 不均勻 組合分 -12- (10) 1332682 裂雷射光束的柱面透鏡的製造精度的問題引起。根 明的具有光導1 3 02的光學系統能夠改正上述問題。 利用排列在1 2 5 0mm後面的雙合柱面透鏡11 1 l〇7b，從光導1 106出射的雷射光束沿矩形短邊方 焦在雙合柱面透鏡後面23 7 mm處安置的照射表3 上。此處的雙合柱面透鏡指的是由二個柱面透鏡組 鏡。形成雙合柱面透鏡的二個柱面透鏡之一具有曲 爲125mm的第一表面、曲率半徑爲+ 77mm的第二 以及1 0mm的厚度；另一個柱面透鏡具有曲率半徑J + 97mm的第一表面、曲率半徑爲一 200mm的第二 以及20mm的厚度。二個柱面透鏡之間的間距爲5. 因此，矩形束斑短邊處的能量分佈被均化，且短邊 長度被確定。不一定採用雙合柱面透鏡，但雙合柱 使光學系統與照射表面之間具有空間，從而能夠獲 〇 接著說明圖2A的俯視圖。從雷射振盪器110 的雷射光束的束斑沿矩形長邊方向被柱面透鏡陣列 和1 1 03b分裂。柱面透鏡陣列1 1 03a包含30個沿 向排列的曲率半徑爲28mm '厚度爲5mm、以及 2mm的柱面透鏡。柱面透鏡陣列1 103b包含30個 方向排列的曲率半徑爲一 13.33mm'厚度爲5mm、 度爲2mm的柱面透鏡。且柱面透鏡陣列1103a和 之間的間距爲88mm。然後，雷射光束被排列在柱 1103b後面120mm的具有曲率半徑爲2140mm的第 據本發 0 7 a和 向被聚 D 1108 成的透 率半徑 表面、 % 表面、 5 mm。 方向的 面透鏡 得一室 1發射 1103a 曲線方 寬度爲 沿曲線 以及寬 1 103b 面透鏡 一表面 -13- (11) (11)1332682 和20mm厚度的柱面透鏡1 104組合在照射表面H08上。 因此，矩形束斑長邊的能量分佈被均化，且長邊方向的長 度被界定。 圖3顯示光學設計軟體模擬運行的結果’其中’能夠 得到長邊方向長度爲300mm而短邊方向長度爲的 具有均勻能量分佈的束斑。圖3 A顯示從矩形束斑中心沿 長邊方向延伸±〇.3mm以及沿短邊方向延伸± 〇.2mm部分 內的能量分佈。圖3B顯示矩形束斑短邊中心處的能量分 佈剖面圖。 在上述結構中，與根據本發明的光學系統組合的雷射 振盪器最好在一定波段中具有大的輸出，以便被半導體膜 完全吸收。若矽膜被用作半導體膜，則考慮到吸收率，從 所用雷射振盪器發射的雷射光束的波長最好等於或小於 6 00nm。例如，準分子雷射器、YAG雷射器（高次諧波） 、以及玻璃雷射器（高次諧波）可以被用作雷射振盪器， 用來發射這種雷射光束。 而且’雖然用目前技術，例如YV04雷射器（高次諧 波）' YLF雷射器（高次諧波）、以及Ar雷射器，還得 不到大的功率，但能夠被列舉爲産生波長適合於矽膜晶化 的雷射的雷射振盪器。 下面說明根據本發明的半導體裝置的製造方法，其中 採用了根據本發明的光束均化器和雷射照射裝置。首先準 備尺寸127mm平方且厚度爲〇.7mm的玻璃基底（， Corning 1·7 3 7玻璃，）。此基底足以承受高達6〇〇〇c的溫 -14- (12) (12)1332682 度。在玻璃基底上形成厚度爲200nm的氧化矽膜作爲基 底膜。而且，在氧化矽膜上形成厚度爲55nm的非晶矽膜 。二種膜都用濺射方法來形成。替代的，也可以用電漿 CVD方法來形成。 在45 0°C的氮氣氣氛中’對形成有澱積膜的基底加熱 1小時。此加熱過程用來降低非晶矽膜中的氫含量。當非 晶矽膜中的氫含量高時’此膜無法抵抗雷射能量，因此進 行加熱步驟。膜的氫含量應該適當地約爲1〇2()/ cm3。此 處，表式M02()/cm3"表示每立方釐米含有i〇2G個氫原 子。 在本實施例模式中，Lambda Physik公司製造的XeCl 準分子雷射器，L4 308〃被用作雷射振盪器。此準分子雷 射器是一種脈衝雷射器。此準分子雷射器的最大能量是每 脈衝 670mJ，其振盪波長是 308nm，而其最大頻率是 3 00 HZ。當脈衝雷射器的各個脈衝的能量起伏在±10%之 內’最好是±5%之內時，在基底的雷射處理過程中，能 夠得到均勻的晶化。 此處指出的雷射能量電位的起伏被定義如下：雷射能 量電位在基底照射期間內的平均値被設定爲標準，而此期 間內最小能量或最大能量與此平均値之間的差別被表示爲 %。 例如，藉由沿矩形束斑的短邊方向掃描其上放置圖2 所示待要照射的表面11 08的平台，來進行雷射光束照射 。此時，可以由光學系統的操作人員適當地確定待要照射 -15- (13) (13)1332682 的表面1108上束斑的能量密度和掃描速度。能量密度大 致在200 — 1000mJ/cm2範圍內。當適當地選擇掃描速度 ，使矩形束斑短邊方向的寬度可以在大約90 %或以上範 圍內彼此重疊時，非常可能進行均勻的雷射退火。最佳的 掃描速度決定於雷射振盪器的脈衝頻率’並可以認爲正比 於頻率。 以這種方式，來完成雷射退火技術。藉由重覆此技術 ，能夠處理大量的基底。例如’利用基底能夠製造主動矩 陣液晶顯示器。可以根據熟知的方法來完成製造。 在上述例子中，準分子雷射器被用作雷射振盪器。準 分子雷射器由於其相干長度非常小，僅僅幾微米，故適合 於上述例子的光學系統。下面所述某些雷射器本來具有大 的相干長度，但能夠採用人工改變了相干長度的雷射器。 爲了得到同樣大的功率以及矽膜大量吸收雷射光束的能量 ，替代的，最好採用 YAG雷射器的高次諧波或玻璃雷射 器的高次諧波。諸如YV〇4雷射器（高次諧波）、YLF雷 射器（高次諧波）、Ar雷射器之類的適合於矽膜晶化的 雷射器即爲例子。這些雷射光束的波段被矽膜完全吸收。 雖然在上述例子中非晶矽膜被指出作爲非單晶矽半導 體膜，但容易推測的是’本發明可以應用於其他的非單晶 半導體膜。舉例來說’此非單晶半導體膜完全可以是諸如 非晶矽鍺膜之類的具有非晶結構的化合物半導體膜。或者 ’此非單晶半導體膜完全可以是多晶矽膜。 (14) (14)1332682 實施例1 此處說明與上述光學系統不同的光學系統例子。 圖4A和4B顯示本實施例要說明的光學系統的例子 。首先說明圖4B的側面圖。從雷射振盪器140〗發射的雷 射光束向圖中所示箭頭的方向傳播。束斑尺寸沿其短邊被 具有曲率半徑爲—182mm的第二表面的厚度爲10mm的柱 面透鏡減小。具有二個彼此面對的反射表面1 4 05a和 1405b的光導1405，被安置成其光束入口位於柱面透鏡的 聚焦區域。光導1 405使束斑的能量分佈均化。此光導 1 405沿光束行進方向的長度爲3 00mm，反射表面之間的 距離爲 0.4mm。照射表面 1 4 06位於離光導1 405出口 0.2mm的位置處。在照射表面1406上，形成具有被均化 了的能量分佈的且其短邊爲〇.4mm的矩形束斑。 其次說明圖4A的俯視圖。從雷射振盪器1401發射 的雷射光束向圖中所示箭頭的方向傳播。光束經由由7個 沿彎曲方向鍵合的3 mm寬柱面透鏡組成柱面透鏡陣列 1403，各個柱面透鏡具有曲率半徑爲+ 35mm的第一表面 ，光束從而沿矩形的長邊被分裂。各個分裂的光束經由具 有曲率半徑爲+ 816mm的第一表面的 5mm厚柱面透鏡 1404，各個光束從而被重疊在照射表面1406上。於是能 夠産生其能量分佈沿矩形長邊方向被均化了的矩形束斑。 在柱面透鏡14 04具有較長焦距的情況下，對光進行會聚 的能力受到損害。因此，不必放入柱面透鏡1 404。 圖4A和4B所示的光學系統使得能夠形成具有被均 -17- (15) (15)1332682 化了的能量分佈且矩形短邊爲〇.4mm的矩形束斑。圖5A 和5B顯示用光學設計軟體進行模擬的結果。圖5A顯示 矩形束斑從束斑中心沿長邊方向±〇.3mm範圍內以及沿短 邊方向±0.2mm範圍內的能量分佈。圖5B是矩形中心部 分中沿其短邊方向的矩形束斑能量分佈的剖面圖。 實施例2 此處說明與上述光學系統不同的光學系統例子。圖 6A和6B顯示本實施例要說明的光學系統的例子。 首先說明圖6B的側面圖。在此圖中，雷射光束準確 地經由與圖4A和4B所示相同的光路，直至雷射光束到 達具有二個彼此面對的反射表面1605a和1605b的光導 1605。此光導1605與光導1405 —樣具有二個彼此面對的 反射表面。此光導1605沿光束行進方向的長度爲900mm ，反射表面之間的距離爲2.6mm。從光導1605輸出的光 束被成形，以便形成其短邊爲2.6mm的沿短邊方向具有 被均化了的能量分佈的矩形束斑。從光導1605輸出的光 束的尺寸被排列在光導1605後面l〇〇〇mm的雙合柱面透 鏡1 60 6a和1 60 6b減小。然後，光束被會聚在排列在雙合 柱面透鏡後面220mm的照射表面1 607上。此雙合柱面透 鏡包含：具有曲率半徑爲+ 125mm的第一表面和曲率半 徑爲+ 69mm的第二表面的厚度爲l〇mm的柱面透鏡；以 及具有曲率半徑爲+ 75mm的第一表面和曲率半徑爲 —226mm的第二表面的厚度爲20mm的柱面透鏡。此外， -18- (16) (16)1332682 柱面透鏡之間的間距爲1 m m。在照射表面1 6 Ο 7上，形成 有具有沿矩形短邊方向被均化了的能量分佈的矩形束斑。 可以用具有曲率半徑爲+ 963mm的第一表面和曲率半徑 爲一 980mm的第二表面的厚度爲30mm的柱面透鏡來代替 雙合透鏡。在此情況下，柱面透鏡最好被排列在光導 1605後面2000mm，而照射表面被排列在柱面透鏡後面 2 0 0 0mm。 其次說明圖6A的俯視圖。從雷射振盪器1601發射 的雷射光束向圖中所示箭頭的方向傳播。光束經由由7個 沿彎曲方向鍵合的3mm厚、3mm寬柱面透鏡組成的柱面 透鏡陣列1603，各個柱面透鏡具有曲率半徑爲+ 35mm的 第一表面，光束從而沿矩形的長邊被分裂。各個分裂的光 束經由具有曲率半徑爲+ 816mm的第一表面的 5mm厚柱 面透鏡1604，各個光束從而被重疊在照射表面1607上。 於是能夠産生其能量分佈沿矩形長邊方向被均化了的矩形 束斑。在柱面透鏡1 604具有較長焦距的情況下，對光進 行會聚的能力受到損害。因此，不必安置柱面透鏡1 604 〇 圖6A和6B所示的光學系統使得能夠形成具有被均 化了的能量分佈且矩形短邊爲0.6mm的矩形束斑。圖7A 和7B顯示用光學設計軟體進行模擬的結果。圖7A顯示 矩形束斑從束斑中心沿長邊方向± 0 · 3 m m範圍內以及沿短 邊方向±0.2mm範圍內的能量分佈。圖7B是矩形中心部 分中沿其短邊方向的矩形束斑能量分佈的剖面圖。 -19- (17) (17)1332682 本實施例所示的光學系統可以在例如根據實施例模式 的方法下被用來進行半導體膜的雷射退火。半導體膜的使 用使得能夠製造例如主動矩陣液晶顯示器。本技術領域的 熟練人員可以根據熟知的方法來進行此一製造。 實施例3 此處說明與上述光學系統不同的光學系統例子。圖 8A和8B顯示本實施例要說明的光學系統的例子。 在這些圖中，雷射光束準確地經由除了光導1 805之 外與圖4A和4B所示相同的光路。此光導1 80 5與光導 1405 —樣具有二個彼此面對的反射表面。光導1405在二 個彼此面對的反射表面之間具有中空的間距，而光導 1 805具有反射表面之間塡充有折射率爲η的介質1 805 c 的間距。這是二個例子的不同之處。在介質的折射率η大 於形成反射表面的材料的折射率的情況下，當光束以小於 或等於入射臨界角的角度進入光導1805時，光束被完全 反射。換言之，與光束不經受內部全反射的情況相比，此 時光導對光束的透射率變得更大。因此，來自光源1801 的光束能夠以更高的效率被會聚在照射表面1806上。順 便說一下，不一定要安置柱面透鏡1804。 圖8Α和8Β所示的光學系統使得能夠形成具有被均 化了的能量分佈且矩形短邊爲〇.4mm的矩形束斑。此處 ，介質的折射率和形成反射表面的材料的折射率分別爲 1 .52 1和1.464。圖9A和9B顯示用光學設計軟體進行模 -20- (18) (18)1332682 擬的結果。圖9 A顯示矩形束斑從束斑中心沿長邊方向 ± 0.3mm範圍內以及沿短邊方向範圍內的能量分 佈。圖9 B是矩形中心部分中沿其短邊方向的矩形束斑能 量分佈的剖面圖。 本實施例所示的光學系統可以在例如根據實施例模式 的方法下被用來進行半導體膜的雷射退火。半導體膜的使 用使得能夠製造例如主動矩陣液晶顯示器或電致發光顯示 器。本技術領域的熟練人員可以根據熟知的方法來進行這 —製造。 此處揭示的雷射照射裝置的特徵是如上所述具有包括 光導或光管的均化器。光導或光管具有二個彼此面對的反 射表面，並能夠沿照射表面上矩形束斑的短邊方向均化能 量分佈。 【圖式簡單說明】 在附圖中： 圖1顯示本發明的方法； 圖2顯示本發明所揭示的雷射照射裝置的例子； 圖3顯示被圖2所示光學系統處理過的矩形束斑的能 量分佈； 圖4顯示本發明所揭示的雷射照射裝置的例子； 圖5顯示被圖4所示光學系統處理過的矩形束斑的能 量分佈； 圖6顯示本發明所揭示的雷射照射裝置的例子； -21 - (19) 1332682 圖7顯示被圖6所示光學系統處理過的矩形束斑的能 量分佈； 圖8顯示本發明所揭示的雷射照射裝置的例子； 圖9顯示被圖8所示光學系統處理過的矩形束斑的能 量分佈：和 圖1 〇顯示習知的雷射照射裝置。 主要元件對照表 120 1 1 202a 1 202b ·„ 1204 120 7 1208 1209 1203 1205 13 0 1a 1301b 1302 1303 110 1 1102a > 1102b 1105 雷射振盪器 柱面透鏡陣列 柱面透鏡陣列 柱面透鏡 平面鏡 雙合柱面透鏡 照射表面 柱面透鏡陣列 柱面透鏡 光束 光束 光導 照射表面 雷射振盪器 球面透鏡 柱面透鏡 -22- (20)1332682 1106 光 導 1106a > 1106b 反 射 表 面 1107a > 1107b 雙 合 柱 面 透 鏡 1108 昭 射 表 面 1103a > 1103b 柱 面 透 鏡 陣 列 1104 柱 面 透 鏡 140 1 雷 射 振 盪 器 1402 柱 面 透 鏡 1405 光 導 1405a > 1 40 5 b 反 射 表 面 1406 昭 〆k、、 射 表 面 1403 柱 面 透 鏡 陣 列 1404 柱 面 透 鏡 1605 光 導 1605a， 1 605b 反 射 表 面 1606a > 1 606b 雙 合 柱 面 透 鏡 1 607 昭 / »、、 射 表 面 160 1 雷 射 振 盪 器 1603 柱 面 透 鏡 陣 列 1604 柱 面 透 鏡 1805 光 導 1 80 5 c 介 質 180 1 光 源 1806 昭 / t、、 射 表 面 -23 (21)1332682 1804 柱面透鏡 -24

Claims (1)

1332682 拾、申請專利範圍 第92 1 2575 1號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國99年1月11曰修正 1 · 一種雷射照射裝置，包含： 均化單元，用以均化雷射光在照射表面上沿著線狀形 狀的長度方向之能量分佈； 雷射振盪器； 光束均化器；以及 雙合柱面透鏡， 其中該單元具有至少一柱面透鏡陣列， 其中該光束均化器具有用來沿該線狀形狀寬度方向均 化雷射光之能量分佈的光導， 其中該雷射光由該光導離開，會聚在該線狀形狀的寬 度方向， 其中該雷射光的一光束斑在該照射表面上成形爲該線 狀形狀，和 其中該寬度方向係爲在該照射表面上之該線狀形狀的 短邊之方向。 2 ·如申請專利範圍第1項之雷射照射裝置，其中該 雷射振盪器是YAG雷射、或玻璃雷射。 3. 如申請專利範圍第1項之雷射照射裝置，其中該 雷射振盪器是YV04雷射、YLF雷射、或Ar雷射。 4. 如申請專利範圍第1項之雷射照射裝置，其中該 1332682 雷射振盪器是準分子雷射器。 5.如申請專利範圍第1項之雷射照射裝置，其中該 光束均化器進一步包含一柱面透鏡用以在寬度方向會聚雷 射光。 6 . —種雷射照射裝置，包含·· 均化單元’用以均化雷射光在照射表面上沿著線狀形 狀的長度方向.之能量分佈； 雷射振盪器； 光束均化器；以及 雙合柱面透鏡， 其中該單元具有至少一柱面透鏡陣列， 其中該光束均化器具有用來沿該線狀形狀寬度方向均 化雷射光之能量分佈的光導， 該光導包含二個彼此面對的反射表面， 其中該雷射光由該光導離開，會聚在該線狀形狀的該 寬度方向， 其中該雷射光的一光束斑在該照射表面上成形爲該線 狀形狀，和 其中該寬度方向係爲在該照射表面上之該線狀形狀的 短邊之方向。 7. 如申請專利範圍第6項之雷射照射裝置，其中該 雷射振盪器是YAG雷射、或玻璃雷射。 8. 如申請專利範圍第6項之雷射照射裝置，其中該 雷射振盪器是YV04雷射、YLF雷射、或Ar雷射。 1332682 9. 如申請專利範圍第6項之雷射照射裝置，其中該 雷射振盪器是準分子雷射。 10. 如申請專利範圍第6項之雷射照射裝置，其中該 光束均化器進一步包含一柱面透鏡用以在寬度方向會聚雷 射光。 11. 一種雷射照射裝置，包含： 均化單元，用以均化雷射光在照射表面上沿著線狀形 狀的長度方向之能量分佈； 雷射振盪器； 光束均化器；以及 雙合柱面透鏡； 其中該單元具有至少一柱面透鏡陣列， 其中該光束均化器具有用來沿該線狀形狀寬度方向均 化雷射光之能量分佈的光管， 其中該雷射光由該光管離開，會聚在該線狀形狀的該 寬度方向， 其中該雷射光的一光束斑在該照射表面上成形爲該線 狀形狀，和 其中該寬度方向係爲在該照射表面上之該線狀形狀的 短邊之方向。 1 2.如申請專利範圍第1 1項之雷射照射裝置，其中 該雷射振盪器是YAG雷射、或玻璃雷射。 13.如申請專利範圍第11項之雷射照射裝置，其中 該雷射振盪器是YV04雷射、YLF雷射、或Ar雷射。 1332682 1 4 .如申請專利範圍第 該雷射振盪器是準分子雷射 1 5 ·如申請專利範圍第 該光束均化器進~步包含一 雷射光。 16· —種雷射照射裝置 均化單元，用以均化雷 狀的長度方向之能量分佈； 雷射振邊器； 光束均化器；以及 雙合柱面透鏡， 其中該單元具有至少一 其中該光束均化器具有 化雷射光之能量分佈的光管 其中該雷射光由該光管 寬度方向， 其中該光管包含二個彼 其中該雷射光的一光束 狀形狀，和 其中該寬度方向係爲在 短邊之方向。 17.如申請專利範圍第 該雷射振盪器是YAG雷射、 1 8 .如申請專利範圍第 11項之雷射照射裝置，其中 〇 11項之雷射照射裝置，其中 柱面透鏡用以在寬度方向會聚 ，包含： 射光在照射表面上沿著線狀形 柱面透鏡陣列， 用來沿該線狀形狀寬度方向均 離開，會聚在該線狀形狀的該 此面對的反射表面，及 斑在該照射表面上成形爲該線 該照射表面上之該線狀形狀的 1 6項之雷射照射裝置，其中 或玻璃雷射。 1 6項之雷射照射裝置，其中 -4- 1332682 該雷射振盪器是YV04雷射、YLF雷射 1 9 _如申請專利範圍第1 6項之雷 該雷射振盪器是準分子雷射。 20. 如申請專利範圍第16項之雷 該光束均化器進一步包含一柱面透鏡用 雷射光。 21. —種半導體裝置之製造方法， 在基底上形成非單晶半導體膜； 用雷射光束振盪器産生雷射光束； 至少用一柱面透鏡陣列和一光導來 便在照射表面上形成其能量分佈被均化 束斑； 藉由雙合柱面透鏡，會聚該雷射光 度方向的一方向； 將其上形成有該非單晶半導體膜的 ，使該非單晶半導體膜的表面與該照射 藉由在使該平台相對於雷射光掃描 照射該半導體膜的表面，對該非單晶半 火， 其中該柱面透鏡陣列作用於線性束 長度方向均化該線性束斑的能量分佈， 其中該光導作用於該線性束斑，用 度方向，將該線性束斑的能量分佈均化 其中該寬度方向係爲該線狀束斑的 、或Ar雷射。 射照射裝置，其中 射照射裝置，其中 以在寬度方向會聚 包含下列步驟： 成形雷射光束，以 了的雷射光之線性 於該線性束斑的寬 基底安置在平台上 表面重合；以及 時，用線性雷射光 導體膜進行雷射退 斑，以沿該束斑的 及 以沿該束斑的該寬 ，和 短邊之方向。 -5- 1332682 22. 如申請專利範圍第2i之半導體裝置之製造方法 ’其中該雷射光束振盪器是YAG雷射、或玻璃雷射。 23. 如申請專利範圍第2丨之半導體裝置之製造方法 ，其中該雷射光束振盪器是YVO4雷射、YLF雷射、或Ar 雷射。 24 ·如申請專利範圍第21項之半導體裝置之製造方 法，其中該雷射光束振盪器是準分子雷射。 25.如申請專利範圍第21項之半導體裝置之製造方 法’進一步包含使用一柱面透鏡用以在寬度方向會聚雷射 光。 26_ —種半導體裝置之製造方法，包含下列步驟： 在基底上形成非單晶半導體膜； 用雷射光束振盪器産生雷射光束； 至少用一柱面透鏡陣列和一光導來成形雷射光束，以 便在照射表面上形成其能量分佈被均化了的雷射光之線性 束斑； 藉由雙合柱面透鏡，會聚該雷射光於該線性束斑的寬 度方向的一方向； 將其上形成有該非單晶半導體膜的該基底安置在平台 上，使該非單晶半導體膜的表面與該照射表面重合；以及 藉由在使該平台相對於雷射光掃描時，用線性雷射光 照射該半導體膜的表面，對該非單晶半導體膜進行雷射退 火， 其中該柱面透鏡陣列作用於該線性束斑’以沿該束斑 1332682 的長度方向，均化該線性束斑的能量分佈， 其中該光導作用於線狀束斑，用於沿該束斑的 方向將該線性束斑的能量分佈均化， 其中該光導包含二個彼此面對的反射表面，和 其中該寬度方向係爲該線性束斑的短邊之方向 27. 如申請專利範圍第26之半導體裝置之製 ，其中該雷射光束振盪器是YAG雷射、或玻璃雷穿 28. 如申請專利範圍第26之半導體裝置之製 ，其中該雷射光束振盪器是YV〇4雷射、YLF雷射 雷射。 29. 如申請專利範圍第26項之半導體裝置之 法，其中該雷射光束振盪器是準分子雷射。 30. 如申請專利範圍第26項之半導體裝置之 法，進一步包含使用一第一柱面透鏡和一第二柱面 以在寬度方向會聚雷射光。 31. —種半導體裝置之製造方法，包含下列步 在基底上形成非單晶半導體膜； 用雷射光束振盪器産生雷射光束； 至少用一柱面透鏡陣列和一光管來成形雷射光 便在照射表面上形成其能量分佈被均化了的雷射光 束斑； 藉由雙合柱面透鏡，會聚雷射光於該線性束斑 方向的一方向； 將其上形成有該非單晶半導體膜的該基底安置 該寬度 造方法 ί。 造方法 '或Ar 製造方 製造方 透鏡用 驟： 束，以 之線性 的寬度 在平台 1332682 1 上’使該非單晶半導體膜的表面與該照射表面重合；以及 藉由在使該平台相對於雷射光掃描時用該線性雷射光 照射該半導體膜的表面，對該非單晶半導體膜進行雷射退 火， 其中該柱面透鏡陣列作用於線性束斑，以沿該束斑的 長度方向均化該線性束斑的能量分佈，和 其中該光管作用於線狀束斑，用於沿該束斑的該寬度 方向將該線性束斑的能量分佈均化，和 其中該寬度方向係爲該線性束斑的短邊之方向》 32. 如申請專利範圍第31之半導體裝置之製造方法 ’其中該雷射光束振盪器是YAG雷射、或玻璃雷射。 33. 如申請專利範圍第31之半導體裝置之製造方法 ’其中該雷射光束振盪器是YV04雷射、YLF雷射、或Ar 雷射。 34. 如申請專利範圍第31項之半導體裝置之製造方 法’其中該雷射光束振盪器是準分子雷射。 35. 如申請專利範圍第31項之半導體裝置之製造方 法，進一步包含使用一柱面透鏡用以在寬度方向會聚雷射 光。 36. —種半導體裝置之製造方法，包含下列步驟： 在基底上形成非單晶半導體膜； 用雷射光束振盪器産生雷射光束； 至少用一柱面透鏡陣列和一光管來成形雷射光束，以 便在照射表面上形成其能量分佈被均化了的雷射光之線性 1332682 束斑； 藉由雙合柱面透鏡，會聚該雷射光於該線性束斑的寬 度方向的一方向； 將其上形成有該非單晶半導體膜的基底安置在平台上 ，使該非單晶半導體膜的表面與該照射表面重合；以及 藉由在使該平台相對於雷射光掃描時，用線性雷射光 照射該半導體膜的表面，對該非單晶半導體膜進行雷射退 火， 其中該柱面透鏡陣列作用於該線性束斑，以沿該束斑 長度方向，均化該線性束斑的能量分佈， 其中該光管作用於該線狀束斑，用於沿該束斑的該寬 度方向，將該線性束斑的能量分佈均化， 其中該光管包含二個彼此面對的反射表面，和 其中該寬度方向係爲該線性束斑的短邊之方向。 37. 如申請專利範圍第36之半導體裝置之製造方法 ，其中該雷射光束振盪器是YAG雷射、或玻璃雷射。 38. 如申請專利範圍第36之半導體裝置之製造方法 ，其中該雷射光束振盪器是YV04雷射、YLF雷射、或Ar 雷射。 39. 如申請專利範圍第36項之半導體裝置之製造方 法，其中該雷射光束振盪器是準分子雷射。 40. 如申請專利範圍第36項之半導體裝置之製造方 法，進一步包含使用一第一柱面透鏡和一第二柱面透鏡用 以在寬度方向會聚雷射光。 -9- 1332682 i 41. —種半導體裝置之製造方法，包含下列步驟： 提供雷射光，此雷射光具有垂直於該雷射光的傳播方 向的剖面，其中該剖面具有長度和寬度； 使該雷射光透過柱面透鏡陣列； 使該雷射光通過光導； 在會聚該光後，以該光照射半導體膜，以便結晶化該 半導體膜， 其中該雷射光沿著剖面的長度方向的能量分佈係爲該 柱面透鏡陣列所均化， 其中沿該剖面寬度方向的雷射光之能量分佈被該光導 均化，和 其中該寬度方向係爲該雷射光的短邊之方向。 42. 如申請專利範圍第41之半導體裝置之製造方法 ，其中利用具有多個柱面透鏡的柱面透鏡陣列來增大雷射 光之剖面的長度。 43. 如申請專利範圍第41之半導體裝置之製造方法 ，其中該光導包含二個彼此面對的反射表面。 44. 如申請專利範圍第41項之半導體裝置之製造方 法，進一步包含使雷射光通過用以在寬度方向會聚雷射光 的一柱面透鏡。 45. —種半導體裝置之製造方法，包含下列步驟： 提供雷射光，此雷射光具有垂直於該雷射光的傳播方 向的剖面，其中該剖面具有長度和寬度； 使該雷射光通過柱面透鏡陣列； -10- 1332682 使該雷射光通過光管； 會聚該光於寬度方向的一方向；及 在會聚該光後，以該光照射半導體膜，以便結晶化該 半導體膜， 其中沿著剖面的長度方向之該雷射光的能量分佈係爲 該柱面透鏡陣列所均化， 其中沿該剖面寬度方向的雷射光之能量分佈被該光管 均化，和 其中該寬度方向係爲該雷射光的短邊之方向。 46.如申請專利範圍第45之半導體裝置之製造方法 ，其中利用具有多個柱面透鏡的柱面透鏡陣列來增大該雷 射光之剖面的長度。 4 7.如申請專利範圍第45之半導體裝置之製造方法， 其中該光管包含二個彼此面對的反射表面。 4 8.如申請專利範圍第45項之半導體裝置之製造方法 ，進一步包含使雷射光通過用以在寬度方向會聚雷射光的 一柱面透鏡。 -11 -