TWI463668B - 用於雷射退火之方法及系統、與經雷射退火之半導體薄膜 - Google Patents

用於雷射退火之方法及系統、與經雷射退火之半導體薄膜 Download PDF

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Description

用於雷射退火之方法及系統、與經雷射退火之半導體薄膜
本發明關於一種實行非晶半導體薄膜之雷射退火的雷射退火方法及雷射退火系統。此外本發明關於一種藉以上雷射退火方法製造之半導體薄膜。此外本發明關於半導體裝置，如薄膜電晶體(TFT)，及使用此半導體裝置之電－光裝置。
目前主動矩陣型驅動系統廣泛地用於電－光裝置，如電致發光(EL)裝置與液晶(顯示)裝置。在主動矩陣型驅動系統中，大量陳列於矩陣中之像素電極係經對應像素電極排列之薄膜電晶體(TFT)驅動。特別是在主動矩陣型驅動系統中，像素部份與驅動部份係形成於基板上。像素部份係藉像素電極與大量陳列於矩陣中之像素切換用TFT實現，及驅動部份具有由多個TFT組成之驅動電路且驅動像素部份。
TFT之主動層廣泛地使用非晶或多晶矽薄膜。由元素特性(如載子移動力)之觀點，其希望實現主動層(特別是用於驅動電路之TFT的主動層)之矽薄膜具有高結晶度。
在製造多矽TFT時，例如其首先形成非晶(非晶形)矽(a－Si)薄膜，然後藉雷射退火轉變成多晶，其係藉由以雷射光照射非晶矽而實現。目前廣泛地使用準分子雷射作為雷射退火之雷射光，而使用準分子雷射之雷射退火稱為ELA(準分子雷射退火)。準分子雷射為波長在308奈米或更短之紫外線波長範圍的脈衝振盪雷射，而藉ELA技術產生之多晶為粒度小之粒狀結晶。產生此粒狀結晶之原因如日本未審查專利公告第2005－072183號(以下稱為JPP 2005－072183號專利)之第0005與0036段、及對應之美國專利申請案公告第20060051943號(以下稱為US 20060051943號專利)之第0007與0059段所示。即無關結晶品質，準分子雷射光在矽薄膜之吸收大，使得準分子雷射光主要在矽薄膜之表面處吸收，而且在厚度方向產生大溫度梯度。因此結晶沿厚度方向生長，而且幾乎不按橫向方向生長。
如JPP 2005－072183號專利之第0006段及US 20060051943號專利之第0004段所示，其可藉由以波長350奈米或更長之連續波雷射光相對地掃描非晶矽薄膜，而按相對掃描方向生長粒度大之橫向結晶。
在使用發射波長350奈米或更長之連續波雷射光的雷射頭之情形，為了供應退火能量使橫向結晶生長，光點之最大寬度限於約10毫米。假設基板表面平行x－y平面，則雷射光之主(相對)掃描方向平行x方向，及雷射光之次(相對)掃描方向平行y方向。為了將全部非晶矽薄膜退火，其必須以雷射光沿x方向之線重複非晶矽薄膜之相對掃描。即每次完成以雷射光沿x方向之線的非晶矽薄膜相對掃描必須偏移y方向照射位置，然後在偏移之y位置沿x方向之線實行次一相對掃描。通常偏移雷射光之操作係實行使得沿x方向之線的各相對掃描照射之區域部份地重疊沿x方向之線的緊接相對掃描照射之區域。
在y位置實行非晶矽薄膜以雷射光沿x方向之線的各相對掃描時，粒度小之粒狀結晶(在第1A及1B圖描述為「粒狀Poly－Si」)係在製造橫向結晶之區域外部產生。其乃因為無法藉由控制雷射光之光束外形來防止熱散佈至直接以雷射光照射之區域周圍之區域，以致於雷射光之直接照射區域的近邊部份及/或未直接照射但熱散佈之區域(即位於緊接照射區域外部之區域)並未熱到可使橫向結晶生長之溫度，但是熱到產生粒狀結晶之溫度。因此粒狀結晶(粒狀Poly－Si)係在雷射光之直接照射區域之近邊部份及/或未直接照射但熱散佈之區域(即位於緊接照射區域外部之區域)製造。
其可視為在沿x方向之線的各相對掃描照射之區域部份地重疊沿x方向之線的緊接相對掃描照射之區域時，緊接相對掃描製造之粒狀結晶可轉變成橫向結晶。然而波長350奈米或更長之雷射光在非晶矽(a－Si)之吸收與粒狀結晶(粒狀Poly－Si)區域不同。因此在粒狀結晶區域係在如非晶矽之相同照射條件下照射時，有粒狀結晶區域未熱到轉變成橫向結晶所需溫度之可能性。此外在由表現如籽晶之粒狀結晶生長橫向結晶時，橫向結晶可在不希望之方向生長，使得橫向結之生長方向可變得不均勻。
此外即使是在粒狀結晶可轉變成按所需方向定向之橫向結晶時，其在產生橫向結晶之區域外部仍產生粒度小之粒狀結晶，因此不可能消除粒狀結晶。此外在以雷射光照射已生成之橫向結晶時，橫向結晶再度熔化，使得再度熔化橫向結晶之結晶度可改變。由於粒狀結晶之區域含大量粒邊界，而此種區域具有不良之電流特性。因此在形成TFT時必須避免粒狀結晶之區域。例如其可能必須基於TFT形成位置之設計資訊設法相對地掃描雷射光，使得雷射光束邊緣不重疊欲形成TFT之區域，或者選擇性地將雷射光僅施加至欲形成TFT之非晶半導體薄膜區域。
日本未審查專利公告第2005－217209號(以下稱為JPP 2005－217209號專利)及對應之美國專利申請案公告第20050169330 A1號(以下稱為US 20050169330號專利)揭示一種使用由Nd：YAG雷射(波長532奈米)或Nd：YVO4 雷射(波長532奈米)產生之第二諧波(second harmonic)生長橫向結晶之技術，及生長橫向結晶之較佳條件。較佳條件(例如JPP 2005－217209號專利之申請專利範圍第4及8項、及第0037段，及US 20050169330號專利之申請專利範圍第4及9項、及第0052段所示)包括掃描方向之雷射光的光束直徑為2至10微米，相對掃描速度為300至1000毫米/秒，及光束直徑為3微米之雷射光的輸出功率密度為0.4至2.4百萬瓦/平方公分。此外JPP 2005－217209號專利(例如第8圖)及US 20050169330號專利(例如第8A及8B圖)亦揭示雷射光對欲形成TFT之區域的選擇性應用。
JPP 2005－072183號專利(例如申請專利範圍第1及3項、第0011與0045段，及第7圖)及US 20060051943號專利(例如申請專利範圍第1及3項、第0034與0068段，及第7圖)揭示一種雷射退火技術，其中以波長350奈米或更長之脈衝可見光雷射光(如波長532奈米之Nd：YAG雷射的第二諧波)及波長短於350奈米之脈衝紫外線雷射光(如級數高於Nd：YAG雷射之第二諧波的諧波)，同時且相對地掃描及照射非晶矽薄膜，使得以脈衝可見光雷射光照射之區域部份地與脈衝紫外線雷射光照射之區域重疊。
此外JPP 2005－072183號專利(例如第0066段及第20圖)及US 20060051943號專利(例如第0089段及第20圖)敘述依照以上技術，粒狀結晶(在以脈衝可見光雷射光照射而製造橫向結晶之區域的外部製造)可因被脈衝紫外線雷射光照射而解晶，而在各相對掃描以脈衝紫外線雷射光照射所產生之非晶區域，可在脈衝可見光雷射光沿偏移線之次一相對掃描中，以脈衝紫外線雷射光再照射而轉變成橫向結晶，使其可得到在所有區域具有高結晶度之矽薄膜。
日本未審查專利公告第2004－152978號(以下稱為JPP 2004－152978號專利)表示(例如第0020段)由於Nd：YLF雷射(波長524或527奈米)之第二諧波在非晶矽薄膜之吸收較在結晶矽高出一或更多倍，具有此波長之雷射光在非晶矽的吸收較在結晶矽來得更佳，故非晶矽可較早熔化及結晶，使得其可得到具有高結晶度之矽薄膜。
日本未審查專利公告第2005－259809號(以下稱為JPP 2005－259809號專利)表示以下。由於390至640奈米範圍之雷射光(如波長532奈米之Nd：YAG雷射的第二諧波)在多晶矽之吸收低於非晶矽，即使是在以相同雷射光再照射因以390至640奈米之波長範圍的雷射光照射非晶矽薄膜而產生之多晶矽時，多晶矽不熔化，且多晶矽之特性不大幅改變(如例如JPP 2005－259809號專利之第0010段所示)。然而由於雷射光在粒度小之粒狀結晶(如多晶矽)區域的吸收低，其無法增加粒狀結晶區域之結晶度，使得再照射區域可適當的為肉眼所見(如例如JPP 2005－259809號專利之第0042段所示)。
因此JPP 2005－259809號專利提議使用以下技術(1)至(3)之一，在使用390至640奈米之波長範圍的雷射退火。
(1)JPP 2005－259809號專利提議(例如第0043段)將照射能量設為可達成實現TFT之充分載子移動力的最低可行範圍。特別是如JPP 2005－259809號專利之申請專利範圍第1項所示，JPP 2005－259809號專利提議雷射輸出功率E滿足條件 其中Elow及Ehigh為實現最大載子移動力之80%或更大的雷射輸出功率之下及上限值，而且係基於載子移動力與雷射輸出功率間之關係決定。
JPP 2005－259809號專利表示(例如第0048段)在雷射輸出功率E自實現TFT之充分最大載子移動力的雷射輸出功率範圍之上限值降低時，其可藉第一相對掃描降低在照射區域之近邊部份製造之多晶矽(粒狀結晶)的粒度，及藉第二相對掃描容易地再熔化粒狀結晶以提升結晶度。
(2)JPP 2005－259809號專利提議(例如申請專利範圍第3項及第0043段)照射區域邊緣處之強度改變區域的長度L應短，而較佳為3毫米或更小。JPP 2005－259809號專利表示(例如第0050段)在如上設定強度改變區域之長度L時，其可減少強度改變區域因第一相對掃描轉變成多晶矽之部份(即其中因第一相對掃描製造粒狀結晶之區域)，及使再照射區域之退化不明顯。
(3)JPP 2005－259809號專利提議(例如申請專利範圍第5項及第0043段)使強度改變區域之第二相對掃描的光學強度高於第一相對掃描之光學強度。JPP 2005－259809號專利表示(例如第0052段)由於在第二相對掃描以強度高於第一相對掃描雷射光之雷射光再照射第一相對掃描照射區域之近邊部份，其可容易地再熔化粒狀結晶，而可改良結晶度。
此外JPP 2005－259809號專利(例如申請專利範圍第9及10項、第0054及0056段、及第15及17圖)揭示一種技術，其中在欲安置基板之平台上的預定區域形成反射膜，使得雷射光自平台反射至再照射區域，並在第二相對掃描以光學能量更高之雷射光再照射第一相對掃描照射區域之近邊部份。
日本未審查專利公告第2004－297055號(以下稱為JPP 2004－297055號專利)揭示(例如申請專利範圍第1項)一種技術，其中以波長為非晶矽呈現5×103 /公分或更大之吸收係數的第一雷射光、及波長為非晶矽呈現5×102 /公分或更小之吸收係數且熔化非晶矽呈現5×103 /公分或更大之吸收係數的第二雷射光，同時且重疊地照射非晶矽。JPP 2004－297055號專利表示(例如第0044及0084段)一個其中使用固態雷射(如YAG雷射)之諧波作為第一雷射光，及使用固態雷射之基波作為第二雷射光的實例。此外JPP 2004－297055號專利表示(例如第0015、0016及0084段、及第1(b)圖)在如上照射非晶矽時，第二雷射光未在正常矽吸收而是大幅在因以第一雷射光照射而熔化之非晶矽吸收，使其可將光束外形平坦化，減少其中產生粒狀結晶之區域，及擴大橫向結晶區域。
JPP 2005－072183(US 20060051943號專利)、JPP 2004－152978、JPP 2005－259809、及JPP 2004－297055號專利係利用非晶矽與多晶矽間吸收特性之差異。
例如JPP 2004－297055號專利之第5(a)及(b)圖的顯微相片顯示在使用JPP 2004－297055號專利之雷射退火技術時可擴大橫向結晶區域。然而JPP 2004－297055號專利之第5(a)及(b)圖的顯微相片亦顯示在橫向結晶區域外部仍產生粒度小之粒狀結晶。
JPP 2005－072183號專利之第0009段(US 20060051943專利之第0011段)敘述非晶矽薄膜可實質上完全地轉變成橫向結晶。然而發明人考量雖然JPP 2005－072183號專利之第8、13及14圖及一些其他部份所示技術可達成按主掃描方向轉變成橫向結晶，粒狀結晶區域或非晶區域必須仍沿次掃描方向。
依照JPP 2005－072183號專利揭示之技術，其將長方形脈衝雷射光束不連續地施加至非晶矽薄膜，使得相鄰之脈衝雷射光束重疊。因此非橫向結晶區域(粒狀結晶區域或非晶區域)係視為沿長方形脈衝雷射光束週邊，即沿主與次掃描方向製造。即使是在沿偏移線以脈衝雷射光實行次一相對掃描時，此非橫向結晶區域無法完全地再退火，使得粒狀結晶區域或非晶區域必須仍沿次掃描方向。
此外依照JPP 2005－072183號專利揭示之技術，其將粒狀結晶區域轉變成非晶狀態。因此需要高轉變用照射能量，如JPP 2005－072183號專利之第13圖所示。然而其認為以此高照射能量照射造成如橫向結晶再熔化及製造粒狀結晶之困擾。
如上所示，依照習知技術，即使可達成轉變成橫向結晶使得橫向結晶區域按主掃描方向延伸，其無法防止粒狀結晶仍沿橫向結晶區域之邊界，使得橫向結晶區域無法按次掃描方向延伸超越各相對掃描照射區域之寬度。此外即使消除此粒狀結晶，其無法消除在橫向結晶區域邊界處之不連續。
本發明係基於以上情況而研發。
本發明之第一目的為提供一種雷射退火方法及一種雷射退火系統，其可在實質上全部區域將非晶半導體薄膜高度結晶，及將非晶半導體薄膜轉變成全部薄膜區域幾乎無粒狀結晶之無縫橫向結晶薄膜。
此外本發明之第二目的為提供一種半導體薄膜，其係使用以上之雷射退火方法或雷射退火系統製造，具有高結晶度，而且適合作為TFT之主動層等。
此外本發明之第三目的為提供一種使用以上半導體薄膜之半導體裝置及電-光裝置。
為了完成以上第一目的，其提供本發明之第一態樣。依照本發明之第一態樣，其提供一種用於實行非晶半導體材料製半導體薄膜之雷射退火的雷射退火方法。此雷射退火方法包括以下步驟：(a)在第一區域生長橫向結晶之條件下以雷射光照射第一區域，而實行半導體薄膜第一區域之雷射退火；及(b)在將第二區域之粒狀結晶及非晶半導體材料轉變成橫向結晶，但不熔化因步驟(a)之雷射光照射而在半導體薄膜中製造之該橫向結晶的條件下，以雷射光照射第二區域，而實行半導體薄膜第二區域之雷射退火，其中第二區域從已以雷射光照射，且包括至少一部份因步驟(a)之雷射光照射而製造之粒狀結晶、及尚未結晶半導體薄膜中之至少一部份非晶半導體材料的半導體薄膜區域偏移。
在依照本發明第一態樣之雷射退火方法中，步驟(b)可重複一或多次。
此外為了完成上述第一目的，其亦提供本發明之第二態樣。依照本發明之第二態樣，其提供一種用於實行非晶半導體材料製半導體薄膜之雷射退火的雷射退火系統。此雷射退火系統包括其中裝設一或多個雷射光源之雷射頭，及其以雷射光照射半導體薄膜而實行依照本發明第一態樣之雷射退火方法的步驟(a)及(b)。
粒狀結晶可在以雷射光直接照射之各區域的近端部份、或在未以雷射光直接照射且熱散佈之區域(即位於緊接照射區域外部之區域)、或在兩種區域產生。
在本說明書中，雷射退火包括以雷射光直接照射之區域的雷射退火、及未以雷射光直接照射且其結晶狀態因熱散佈而改變之區域的雷射退火。
較佳為依照本發明第一態樣之雷射退火方法及依照本發明第二態樣之雷射退火系統亦可具有以下額外特點(i)至(vi)之一，或任何可行組合。
(i)執行步驟(b)使得先前已以雷射光照射之半導體薄膜的第二區域部份地重疊第三區域。
(ii)在其中半導體薄膜為矽薄膜之情形，第二區域之粒狀結晶、第二區域之非晶半導體材料、及半導體薄膜中製造之橫向結晶各具有吸收度AG 、AN 與AL ，而且第二區域係在步驟(b)中照射使得吸收度AG 、AN 與AL 滿足以下條件
在本說明書中，名詞「矽薄膜」表示一種其主成分為矽之薄膜，及「主成分」表示一種其組成物為50重量%之成分。其較佳為用於TFT之矽薄膜的矽組成物為90重量%或更大。
(iii)在具有特點(ii)之雷射退火方法或系統中，雷射光L具有波長λ，半導體薄膜具有厚度t，及波長λ與厚度t滿足以下條件0.8t＋320奈米λ0.8t＋400奈米 (3)
在滿足條件(3)時，其可滿足上述條件(1)及(2)。
(iv)雷射光係自一或多種振盪波長為350至500奈米範圍之半導體雷射發射。
(v)在具有特點(iv)之雷射退火方法或系統中，一或多種半導體雷射為GaN為主半導體雷射或ZnO為主半導體雷射。
(vi)雷射頭隨時以雷射光同時照射各第一及第二區域之一部份，而且雷射退火系統進一步包括以雷射光相對地掃描各第一及第二區域之相對掃描單元。
為了完成上述第二目的，其提供本發明之第三態樣。依照本發明之第三態樣，其提供一種藉由對非晶半導體薄膜實行依照本發明第一態樣之雷射退火方法而產生之經雷射退火半導體薄膜。一般而言，非晶半導體薄膜為非晶矽薄膜。其較佳為依照本發明第三態樣之經雷射退火半導體薄膜，係在經雷射退火半導體薄膜之實質上全部區域，由橫向結晶形成。此外依照本發明第三態樣之經雷射退火半導體薄膜可經圖案化或未圖案化。
此外為了完成上述第二目的，亦提供本發明之第四態樣。依照本發明之第四態樣，其提供一種在基板上實質上完全地且無縫地由橫向結晶形成之未圖案化半導體薄膜。依照本發明第四態樣之半導體薄膜可使用依照本發明第一態樣之雷射退火方法製造。
名詞「實質上完全地...由橫向結晶形成」之意義如下。
雖然使用依照本發明之雷射退火方法可在經雷射退火半導體薄膜的實質上全部區域，將非晶半導體材料轉變成橫向結晶，但由初次照射(步驟(a)之第一區域照射)及最終照射(步驟(b)之第二區域照射，或在重複步驟(b)之情形為最終重複步驟(b)之照射)所產生且未再照射以轉變成橫向結晶之粒狀結晶部份仍存在。然而依照本發明第一態樣之雷射退火方法結束後殘留之粒狀結晶量小。
因此名詞「實質上完全地...由橫向結晶形成」表示除了以上雷射退火方法結束後殘留之粒狀結晶部份，半導體薄膜之全部區域僅由橫向結晶形成。
此外為了完成上述第三目的，其提供本發明之第五及第六態樣。依照本發明之第五態樣，其提供一種使用依照本發明第三態樣之經雷射退火半導體薄膜而得之包括主動層的半導體裝置。此外依照本發明之第六態樣，其提供一種使用依照本發明第四態樣之未圖案化半導體薄膜而得之包括主動層的半導體裝置。例如依照本發明第五及第六態樣之半導體裝置為薄膜電晶體(TFT)。
此外為了完成上述第三目的，其提供本發明之第七及第八態樣。依照本發明之第七態樣，其提供一種包括依照本發明第五態樣之半導體裝置的電－光裝置。此外依照本發明之第八態樣，其提供一種包括依照本發明第六態樣之半導體裝置的電－光裝置。依照本發明第七及第八態樣之電－光裝置可為例如電致發光(EL)裝置、液晶裝置、電泳顯示裝置、或含EL裝置、液晶裝置、電泳顯示裝置之系統整合型面板(sheet computer)等。
依照本發明之第一及第二態樣，其可選擇性地熔化半導體薄膜之粒狀結晶區域(即粒狀結晶之區域)及非晶區域(即非晶結晶之區域)，並增加半導體薄膜之結晶度。此外由於步驟(b)之照射係在未熔化已製造橫向結晶之條件下實行，其無熔化已產生之橫向結晶及改變已產生之橫向結晶區域之結晶度的風險。
因此在使用依照本發明之雷射退火方法時，其可在半導體薄膜之實質上全部區域達成高結晶度，而且將非晶半導體薄膜轉變成在實質上全部區域幾乎無粒狀晶之無縫橫向結晶薄膜。如之後參考第15A及15B圖之SEM及TEM相片所解釋的，發明人已製造各在實質上全部區域無縫之橫向結晶薄膜。
此外在使用依照本發明之雷射退火方法時，其可以低成本製造具有高結晶度及均勻性且適合作為TFT之主動層的半導體(矽)薄膜。因此在使用依照本發明之半導體薄膜時，其可製造元素特性(例如載子移動力)及元素均勻性優異之半導體裝置(如TFT)。
此外由於依照本發明可製造各在實質上全部區域幾乎無粒狀結晶且無縫之橫向結晶薄膜，其不必設法避免在照射區域邊緣形成半導體裝置(如TFT)。例如其不必基於半導體裝置(如TFT)形成位置之設計資訊相對地掃描雷射光，使得雷射光束邊緣不重疊欲形成半導體裝置之區域，或者選擇性地將雷射光僅施加至欲形成半導體裝置之非晶半導體薄膜區域。如此其可以低成本安定地製造元素特性(例如載子移動力)及元素均勻性優異之半導體裝置(如TFT)。此外在光－電裝置係使用此半導體裝置製造時，光－電裝置可在例如顯示品質呈現優異之性能。
 雷射退火方法
習知上已知非晶矽(a－Si)及多晶矽(poly－Si)對於雷射光波長呈現不同之吸收特性。然而習知上已知粒狀結晶矽與橫向結晶矽(其均為多晶矽(poly－Si))間無雷射光吸收特性之差異。
發明人已調查粒狀結晶矽與橫向結晶矽對於雷射光波長之吸收特性，而且發現粒狀結晶矽與橫向結晶矽間之吸收特性差異，及橫向結晶不熔化之雷射照射條件。此外發明人已發現，在將矽薄膜在以上雷射照射條件下雷射退火時，矽薄膜中之橫向結晶不熔化，使得矽薄膜中僅粒狀結晶部份與非晶部份選擇性地熔化及轉變成橫向結晶，但不改變橫向結晶之結晶度，而將橫向結晶擴大至薄膜之全部區域。以下解釋發明人之評估細節。
首先藉由以自一或多種GaN為主半導體雷射發射且具有長形長方形橫切面之雷射光L連續地且相對地掃描a－Si薄膜而實行非晶矽(a－Si)薄膜之雷射退火。在以下解釋中，其假設基板表面平行x－y平面，雷射光之主掃描方向平行x方向，及雷射光之次掃描方向平行y方向。
第1A圖為描述藉雷射光在特定y位置處沿x方向之線的相對掃描製造橫向結晶及粒狀結晶之操作的示意透視圖。在第1A圖中，元件符號20表示欲雷射退火之非晶半導體(a－Si)薄膜，110表示用於安置基板之平台，及120表示雷射頭。第1A圖示意地顯示以雷射光L將a－Si薄膜20雷射退火之最小排列，及以雷射光L在特定y位置處沿x方向之線的相對掃描中途之狀況。在第1A圖中，其為了清楚而放大雷射頭。
如第1A圖所示，在特定y位置處實行以雷射光L沿x方向之線的相對掃描時，其因橫向生長而生成按主掃描方向x延伸之橫向結晶，並在橫向結晶區域(生成橫向結晶之區域)外部產生粒度小之粒狀結晶(poly－Si)。在以上沿線之相對掃描後，粒狀結晶在橫向結晶區域兩側製造，其具有沿x方向延伸之條狀形狀。
在第1A及1B圖描述之實例中，粒狀結晶係沿著以雷射光L直接照射之區域邊緣生成。依照雷射退火條件，粒狀結晶在以雷射光L直接照射之區域的近邊部份、及未直接照射且熱散佈之區域(即位於緊接照射區域外部之區域)產生。
在本說明書中，在藉由以雷射光實行相對掃描而生長橫向結晶之情形，其將因雷射光L在特定y位置處沿x方向之線的相對掃描而退火之區域稱為相對掃描雷射退火區域。
為了處理薄膜的所有區域，其重複地實行雷射光L沿x方向之線的相對掃描。此時每次沿x方向之線的相對掃描結束時，雷射光L之y位置偏移。y位置係以在涵蓋偏移前於橫向結晶之區域(橫向結晶區域)外部產生之粒狀結晶之區域(粒狀結晶區域)的至少一部份、及偏移前尚未結晶之非晶部份的至少一部份之區域實行偏移後雷射退火之方式偏移。此外橫向結晶區域可在偏移後藉相對掃描以雷射光L照射。第1B圖為描述藉相對掃描生成之橫向結晶區域與粒狀結晶區域在y位置偏移前、及藉後續相對掃描製造之橫向結晶區域與粒狀結晶區域在y位置偏移後之相對位置的實例之示意平面圖。在第1B圖中，在特定時間以雷射光L照射之區域係以元件符號L表示，粒狀結晶區域係以虛線表示，及橫向結晶區域係以虛線區域內部之非虛線區域表示。其較佳為恰在y位置偏移後藉相對掃描以雷射光L照射之區域部份地重疊藉前一相對掃描(恰在偏移前)以雷射光L照射之區域，如第1B圖所描述。
發明人已使用橢圓計測量橫向結晶區域(橫向poly－Si)、粒狀結晶區域(粒狀poly－Si)與非晶區域(a－Si)對各種測量光波長之複合折射率n＋ik，其中各複合折射率n＋ik中之k為衰減係數，及ik為各複合折射率之假想部份。測量結果示於第2及3圖。第2圖為顯示矽薄膜之各橫向結晶區域、粒狀結晶區域及非晶區域中波長與折射率n間關係之圖表，及第3圖為顯示矽薄膜之各橫向結晶區域、粒狀結晶區域及非晶區域中波長與吸收係數α間關係之圖表。吸收係數α係依照α＝k/4Πλ之關係式而得，其中λ為測量光之波長。
其次發明人已得到矽薄膜中橫向結晶區域、粒狀結晶區域及非晶區域對各波長之吸收度。
來自雷射頭之輸出能量因通過安裝在雷射退火系統中之各種光學系統的傳播期間發生之損失及薄膜表面處之菲涅耳反射(Fresnel retlection)而衰減，然後被薄膜吸收。薄膜吸收之光學能量可由下式表示Eab＝Ein×a×b，其中Eab為薄膜吸收之光學能量，Ein為施加至薄膜之光的光學能量，a為薄膜吸收之光量的比例，及b為進入薄膜之光量的比例。
在上式中，a×b對應吸收度，其為薄膜吸收之光學能量對施加至薄膜之光學能量的比例。
薄膜吸收之光量的比例a係由下式得到a＝exp－αt ，其中α為吸收係數，及t為薄膜之厚度。在發明人實行之測量中，厚度t為50奈米，其為使用雷射退火藉結晶製造多矽TFT之常見厚度。
進入薄膜之光量的比例b係由下式得到b＝1－((1－n)/(1＋n))2 ，其中n為折射率。即進入薄膜之光量的比例b為將自雷射頭發射之雷射光量減去因薄膜表面處之菲涅耳反射造成之損失而得之量。
此外發明人已對各雷射波長得到粒狀結晶矽(粒狀poly－Si)之吸收度對非晶矽(a－Si)之吸收度的比例、及橫向結晶矽(橫向poly－Si)之吸收度對非晶矽(a－Si)之吸收度的比例。即前者比例為粒狀結晶矽吸收度相對非晶矽吸收度，而且在以下稱為粒狀結晶矽吸收比例，及後者比例為橫向結晶矽吸收度相對非晶矽吸收度，而且在以下稱為橫向結晶矽吸收比例。第4圖為顯示雷射光波長與粒狀結晶矽之相對吸收比例間關係、及雷射光波長與橫向結晶矽之相對吸收比例間關係之圖表，其係如上而得。第4圖顯示粒狀結晶矽與橫向結晶矽關於雷射光波長之吸收特性間有大差異。
如第2至4圖所示，粒度小之粒狀結晶矽(粒狀poly－Si)的特性在非晶矽(a－Si)之特性與橫向結晶矽(橫向poly－Si)之特性之間。就發明人所知，粒狀結晶矽與橫向結晶矽間之吸收度差異過去尚未報告。
如第4圖所示，在波長短於350奈米之範圍，在粒狀結晶矽與橫向結晶矽之間為觀察到吸收特性之大幅差異，而且粒狀結晶矽與橫向結晶矽均呈現高達非晶矽吸收度之0.7至0.9倍的吸收度。在約350奈米或更長之波長範圍，粒狀結晶矽與橫向結晶矽之吸收度相對非晶矽均隨波長增加而減小。然而橫向結晶矽吸收度較粒狀結晶矽吸收度更大幅減小，而且橫向結晶矽吸收度之減小係從較粒狀結晶矽吸收度減小之波長還要更短之波長開始。因此在350至650奈米之波長範圍，粒狀結晶矽吸收度與橫向結晶矽吸收度相對非晶矽間之差異大。
雖然第4圖顯示相對非晶矽(a－Si)之吸收度的吸收度，如第3圖所示，橫向結晶矽、粒狀結晶矽與非晶矽之吸收度的絕對值在500奈米或更大之波長範圍均極小。因此較佳為將所使用之雷射光波長決定在橫向結晶矽與粒狀結晶矽之吸收度間差異大，而且粒狀結晶矽與非晶矽之吸收度絕對值不太小之範圍。
例如在厚度t為50奈米之情形，在使用350至500奈米(較佳為350至400奈米)範圍之雷射光時，其可實行雷射退火以熔化粒狀結晶區域與非晶區域，並且將粒狀結晶區域與非晶區域轉變成橫向結晶，但不熔化已產生之橫向結晶區域。
準分子雷射為目前廣泛地用於雷射退火之雷射光。由於準分子雷射為波長300奈米或更短之紫外線雷射，橫向結晶區域、粒狀結晶區域與非晶區域之吸收度均高，而且橫向結晶區域、粒狀結晶區域與非晶區域之吸收特性間無差異。
用於上述JPP 2005－072183(US 20060051943號專利)、JPP 2005－217209(US 20050169330號專利)、JPP 2004－152978、JPP 2005－259809、及JPP 2004－297055號專利揭示之技術的雷射光為自固態雷射輸出之波長500至550奈米範圍的第二諧波。由第4圖明顯可知，粒狀結晶矽與橫向結晶矽間之吸收特性差異在波長500至550奈米之範圍大。然而由於非晶矽之吸收度在此波長範圍非常低，如第3圖所示，粒狀結晶矽與橫向結晶矽間之吸收特性差異在此波長範圍實際上不太大。
即習知上用於雷射退火之雷射光，即波長300奈米或更短、或500至550奈米範圍之雷射光，對橫向結晶區域與粒狀結晶區域間之吸收特性不呈現大差異。此外由於橫向結晶區域與粒狀結晶區域均為多晶矽之區域，習知上已將橫向結晶區域與粒狀結晶區域之吸收特性視為差異不大。然而發明人已證明其中存在橫向結晶區域與粒狀結晶區域之吸收特性大為不同之波長範圍。
日本未審查專利公告第2004－064066號(以下稱為JPP 2004－064066號專利)揭示一種使用一或多種GaN為主模擬雷射(具有350至450奈米之振盪波長)之雷射退火系統。JPP 2004－064066號專利亦揭示(例如在0127段)相對掃描速度為3000毫米/秒，及非晶矽薄膜表面處之光學功率密度為600毫焦耳/立方公分之條件。然而JPP 2004－064066號專利未考量結晶狀態與吸收度等之間的關係。
單晶矽(c－Si)之熔化溫度為約1400℃，及非晶矽(a－Si)之熔化溫度為約1200℃。因此為了熔化粒狀結晶區域與非晶區域，其較佳為以雷射光照射而得之粒狀結晶區域與非晶區域的表面溫度為約1400℃或更高。
發明人已使用振盪波長為405奈米之GaN為主半導體雷射，以相對掃描速度為0.01米/秒之雷射光相對掃描，及改變自雷射頭輸出之光量而實行非晶矽薄膜之雷射退火。然而發明人已藉SEM及TEM觀察雷射光光點中央之橫向結晶生長或不生長，而且基於觀察結果得到約1700℃之值作為橫向結晶生長所需之所得表面溫度。此外發明人已發現在所得表面溫度變成約2200℃或更高時發生薄膜之部份磨損剝落。因此為了將粒狀結晶區域與非晶區域轉變成橫向結晶，其較佳為以雷射光照射得到之表面溫度(所得表面溫度)為約1700至2200℃。以雷射光照射得到之表面溫度為以雷射光照射之薄膜表面瞬間溫度。
所得表面溫度可理論上基於進入矽薄膜之光量及矽薄膜之吸收度而得。進入矽薄膜之光量可藉由將自雷射頭輸出之光量減去通過安裝在雷射退火系統中之各種光學系統的傳播期間發生之損失、及因薄膜表面處之菲涅耳反射造成之損失而得。
得到所需表面溫度所需之照射能量可約略由下式表示E1＝E2＋E3＋E4，其中E1為照射能量，E2為熔化能量，E3為提高至所需溫度所需之能量，及E4為熱散逸能量。照射能量E1、熔化能量E2、提高至所需溫度所需之能量E3、及熱散逸能量E4各可隨時間及溫度而改變。熔化能量E2為熔化薄膜照射部份所需之能量。
為了參考，以下顯示在其中尺寸為1微米×1微米×50奈米之長方形平行六面體的絕熱模型中，計算熔化能量E2與提高至所需溫度所需之能量E3的實例。在以下實例假設所需溫度為1400℃。
在以上體積中熔化Si所需之能量E2可如下計算E2＝Eum ×nSi ＝46×103 ×((2.32克/立方公分)×(10－6 ×10－6 ×50×10－9 立方米)/28)＝1.9×10－10 (焦耳)，其中Eum 為單位熔化能量，及nSi 為體積中Si之莫耳值。
此外在以上體積中提高Si之溫度至所需溫度所需之能量E3可如下計算。
E3＝C×MSi ＝770焦耳/公斤K×(2.32克/立方公分×(10－6 ×10－6 ×50×10－9 立方米))×1400℃＝1.3×10－10 (焦耳)，其中C為比熱，及MSi 為體積中Si之質量。
第5圖顯示照射雷射光而得之表面溫度與所吸收光學能量間關係、及結晶狀態與各所得表面溫度及所吸收光學能量間關係，其中在各表面溫度之所吸收光學能量值經在2200℃之所得表面溫度值標準化。雖然非晶矽在約1200℃或更高之溫度熔化，在第5圖中將1400℃或更低所得表面溫度(其中橫向結晶與粒狀結晶區域未熔化)示為「未熔化」。此外1700至2200℃之所得表面溫度範圍(其中橫向結晶生長)及2200℃或更高之所得表面溫度範圍(其中可發生薄膜之部份磨損剝落)亦示於第5圖。
即使是在以具均勻光學能量分布之光照射a－Si薄膜20時，所吸收光學能量之量依結晶狀態而不同，使得照射雷射光而得之表面溫度亦依結晶狀態而不同。第5圖顯示橫向結晶可在經標準化所吸收光學能量為0.82或更大，而且粒狀結晶在經標準化所吸收光學能量為0.70或更小不熔化之條件下生長。
在對粒狀結晶區域與非晶區域供應光學能量(被吸收)，使得照射雷射光而得之表面溫度為約1700至2200℃時，其可熔化粒狀結晶區域與非晶區域及將粒狀結晶區域與非晶區域轉變成橫向結晶，但不熔化已製造之橫向結晶。
在橫向結晶區域、粒狀結晶區域與非晶區域均在相同之照射條件下以雷射光照射之情形，在粒狀結晶矽(粒狀poly－Si)之吸收度AG 對非晶矽(a－Si)之吸收度AN 之比例為0.82或更大，及橫向結晶矽(橫向poly－Si)之吸收度AL 對非晶矽(a－Si)之吸收度AN 之比例為0.70或更小時，其可使橫向結晶區域、粒狀結晶區域與非晶區域中所吸收光學能量之比例為(0.70或更小)：(0.82至1.0)：1.0。
即在a－Si薄膜20為非晶矽薄膜之情形，其較佳為實行雷射退火使得橫向結晶區域對雷射光之吸收度AL 、粒狀結晶區域之吸收度AG 、及非晶區域之吸收度AN 滿足以下條件(1)及(2)。
此外為了安定地實行雷射退火使得橫向結晶不熔化，其更佳為實行雷射退火使得橫向結晶區域對雷射光之吸收度AL 、粒狀結晶區域之吸收度AG 、及非晶區域之吸收度AN 滿足以下條件(1A)及(2)。
在第4圖中，吸收比例程度等於0.7及0.82各以虛線表示。第4圖顯示在矽薄膜之厚度為50奈米之情形，在波長360至450奈米之範圍，粒狀結晶矽吸收比例(即粒狀poly－Si之吸收度對a－Si之吸收度的比例)為0.82或更大，及橫向結晶矽吸收比例(即橫向poly－Si之吸收度對a－Si之吸收度的比例)為0.70或更小。
對雷射光之吸收度隨矽薄膜之厚度t而改變。發明人已得到對於各薄膜厚度50、100與200奈米，雷射光波長與橫向結晶矽吸收比例(即橫向poly－Si之吸收度對a－Si之吸收度的比例)間之關係。結果示於第6圖。
第6圖顯示橫向結晶矽吸收比例(即橫向poly－Si之吸收度對a－Si之吸收度的比例)降至0.7之波長隨薄膜厚度而改變。此外雖然未顯示，粒狀結晶矽吸收比例(即粒狀poly－Si之吸收度對a－Si之吸收度的比例)增至0.82之波長亦隨薄膜厚度而改變。
在使用雷射退火藉結晶製造多矽TFT之情形，在薄膜厚度t大於120奈米時，TFT之形成變困難且增加漏電流。另一方面，在薄膜厚度t小於40奈米時，TFT之主動層厚度變太小，使得TFT之可靠度降低。因此其較佳為用於TFT之薄膜厚度t滿足以下條件(4)。
40奈米薄膜厚度t120奈米 (4)如上所述，在使用矽薄膜藉雷射退火結晶而製造多矽TFT，最常見之矽薄膜厚度為約50奈米。
第7圖為顯示雷射光波長範圍與矽薄膜之厚度t的圖表，其中粒狀結晶區域與非晶區域之所得表面溫度為約1700至2200℃，而且橫向結晶區域之所得表面溫度為1400℃或更低。
雖然橫向結晶矽吸收比例(即橫向poly－Si之吸收度對a－Si之吸收度的比例)降至0.7之波長隨薄膜厚度而改變，雷射退火應在以下條件(3)下實行0.8t＋320奈米λ0.8t＋400奈米 (3)其中λ為雷射光L之波長，及t為薄膜厚度。
在薄膜厚度滿足條件(4)，及雷射光波長在350至500奈米，而且較佳為350至490奈米之範圍內時，其可實行雷射退火以熔化粒狀結晶區域與非晶區域，及將粒狀結晶區域與非晶區域轉變成橫向結晶，但不熔化已製造之橫向結晶。
如以上所解釋，為了將粒狀結晶區域與非晶區域轉變成橫向結晶，其必須使粒狀結晶區域與非晶區域之所得表面溫度在約1700至2200℃之範圍內。發明人已在以上範圍內之各種溫度實行雷射退火，並發現在所到達之表面溫度在以上範圍中相對低者時可生成彎曲橫向結晶。彎曲橫向結晶係視為因為粒狀結晶表現如核，使得橫向結晶趨於按不平行雷射光之主掃描方向的方向(例如與主掃描方向相差5至45度之方向)生長，及橫向結晶亦趨於生長而按主掃描方向排列而產生。為了抑制元素特性之變化，其較佳為在全部薄膜區域排列幾乎全部橫向結晶之定向。
發明人已發現在粒狀結晶區域與非晶區域之所得表面溫度為2000±200℃之條件下實行雷射退火時，粒狀結晶瞬間熔化，且自如核之粒狀結晶生長的橫向結晶被抑制，使其可在全部薄膜區域排列幾乎全部橫向結晶之定向。此外發明人已發現在全部薄膜區可排列橫向結晶之生長方向，使得雷射光之主掃描方向與生長方向間之角度為5度或更小。
第8圖為顯示雷射光之相對掃描速度範圍與吸收功率密度之圖表，其中非晶區域之所達到的表面溫度為約2000±200℃。如第8圖所示，其較佳為實行雷射退火使得非晶區域之雷射光之相對掃描速度v(米/秒)及吸收功率密度P(百萬瓦/平方公分)滿足以下條件(5)。
習知上在SOI(絕緣體上之矽)技術之領域中，其報告不超過1公分/秒之矽結晶生長速率可示為V＝V0×exp(－Ea/kT)，其中V為由a－Si至poly－Si之轉變的固相生長速率(公分/秒)，k為波茲曼常數，T為退火溫度(K)，V0為等於2.3×108 至3.1×108 公分/秒之係數，及Ea為活化能量，其等於c－Si(結晶矽)之空位形成能量，而且特別是2.68至2.71 eV。
發明人已證實，在依照本發明之雷射退火中，橫向結晶生長速率亦可由如以上結晶生長速率之相同公式表示。由於非晶區域中退火溫度之上限為2200℃，如前所述，橫向結晶生長速率之上限為8米/秒。
在選擇用於雷射退火之雷射光波長使得粒狀結晶矽之吸收度AG 對非晶矽之吸收度AN 的比例為0.82或更大，及橫向結晶矽之吸收度AL 對非晶矽之吸收度AN 的比例為0.70或更小，而且橫向結晶區域、粒狀結晶區域與非晶區域均在相同照射條件下以雷射退火用雷射光照射，使得粒狀結晶區域與非晶區域之所得表面溫度為約1700至2200℃，及橫向結晶區域之所得表面溫度為約1400℃之情形，在含非晶區域、粒狀結晶區域與橫向結晶區域之薄膜表面的吸收度分布、照射薄膜表面之雷射光的光學強度、雷射光吸收能量、及溫度變成例如如第9圖所略示。薄膜溫度與所得表面溫度不同。第9圖亦示意地顯示半導體薄膜區域之結晶狀態、及相對地掃描表面之雷射光束的位置與主掃描方向。
由於非晶區域、粒狀結晶區域與橫向結晶區域之吸收度不同，雖然在含非晶區域、粒狀結晶區域與橫向結晶區域之薄膜表面的照射光強度分布均勻，非晶區域、粒狀結晶區域與橫向結晶區域所含之光學能量不同。因此將粒狀結晶區域與非晶區域加熱至粒狀結晶區域與非晶區域熔化之溫度，而且將已製造之橫向結晶區域的溫度抑制在橫向結晶區域不會再熔化之程度。
如第1A圖所描述，在特定y位置處實行以雷射光L沿x方向之線的第一相對掃描時，粒狀結晶在橫向結晶區域兩側生成，其具有沿x方向延伸之條狀形狀。依照習知技術，即使在偏移y位置後實行之第二相對掃描中，粒狀結晶亦在另一個第二相對掃描製造之橫向結晶區域兩側產生。
另一方面，依照本發明，在以雷射光L之第二相對掃描照射雷射光L之第一相對掃描製造之橫向結晶區域時，橫向結晶區域不熔化，而且再照射橫向結晶區域之溫度未到達製造粒狀結晶之溫度。因此在偏移y位置後實行之第二相對掃描中，粒狀結晶僅在第二相對掃描製造之橫向結晶區域一側製造，其存在非晶區域。即依照本發明，第二相對掃描可將因第一相對掃描在橫向結晶區域一側製造之粒狀結晶區域轉變成橫向結晶。因此在重複雷射光L在特定y位置處沿x方向之相對掃描及相對掃描後之y位置偏移時，薄膜可實質上完全地轉變成橫向結晶。
如以上所解釋，依照本發明可得到其全部區域係實質上由橫向結晶形成之實質上橫向結晶薄膜。橫向結晶薄膜為一種由按雷射光之主掃描方向延伸的條狀晶粒形成多矽薄膜。橫向結晶薄膜可有效地視為幾乎單晶薄膜(假單晶薄膜)。實質上全部橫向結晶薄膜為一種其全部區域係實質上由橫向結晶形成之薄膜。發明人已製造由主掃描方向長約5微米或更大及寬0.2至2微米之晶粒形成之實質上全部橫向結晶薄膜。(參見第15A及15B圖之SEM及TEM相片，其顯示具體例1之薄膜的表面。)
雖然以上解釋情形之雷射退火半導體薄膜20為矽薄膜，其可藉由在熔化粒狀結晶區域與非晶區域且不熔化橫向結晶之照射條件下實行雷射退火，而製造任何其他材料之實質上全部橫向結晶薄膜。即在此照射條件下實行半導體薄膜之各相對掃描時，其可將粒狀結晶區域與非晶區域轉變成橫向結晶，但不熔化已藉前次相對掃描製造之橫向結晶，或改變已藉前次相對掃描產生之橫向結晶的結晶度，使得最終可得到實質上全部橫向結晶薄膜。
如前所述，在依照本發明之第一態樣用於實行非晶半導體材料製半導體薄膜之雷射退火的雷射退火方法中，半導體薄膜之第一區域的雷射退火係在步驟(a)在第一區域生長橫向結晶之條件下，以雷射光照射第一區域而實行；半導體薄膜之第二區域的雷射退火係在步驟(b)在將第二區域之粒狀結晶與非晶半導體材料轉變成橫向結晶，但不熔化因步驟(a)之雷射光照射而在半導體薄膜中製造之該橫向結晶的條件下，以雷射光照射第二區域而實行，其中將第二區域自已以雷射光照射，而且包括至少一部份因步驟(a)之雷射光照射而製造之粒狀結晶、及尚未結晶半導體薄膜中之至少一部份非晶半導體材料的半導體薄膜區域偏移。
製造半導體薄膜之材料並未特別地限制，而且可為例如矽、鍺、矽/鍺等。
如前所述，在依照本發明之雷射退火方法中，其較佳為在y位置偏移後藉各相對掃描以雷射光照射之區域部份地重疊藉偏移前之前一相對掃描以雷射光照射之區域，如第1B圖所描述。
部份重疊照射區域之方式並未特別地限制。在將藉一或更多前次雷射光相對掃描製造之全部粒狀結晶區域以後續相對掃描照射時，其將全部粒狀結晶區域轉變成橫向結晶，而且可藉後續相對掃描製造新橫向結晶區域，但不沿藉一或更多前次相對掃描製造之橫向結晶區域與藉後續相對掃描製造之橫向結晶區域的邊界製造粒狀結晶區域。
依照半導體薄膜之用途，其可保留橫向結晶區域間之粒狀結晶區域。即使在此情形，在將粒狀結晶區域v之1%或更大以後續相對掃描照射時，粒狀結晶區域可部份地轉變成橫向結晶，使得橫向結晶區域可擴大。在以後續相對掃描照射之粒狀結晶區域的比例較大時，其在半導體薄膜上形成較大之橫向結晶區域。因此其可實行各相對掃描使得將較高比例之藉一或更多前次相對掃描製造之粒狀結晶區域以各相對掃描照射，特別地，其較佳為50%或更大之比例。
依照雷射退火條件，粒狀結晶可在直接照射區域之一或多個近邊部份、及/或在一或多個未以雷射光直接照射且熱散佈之區域(即一或多個位於緊接照射區域外部之區域)生成。
考量在一或多個未以雷射光直接照射且熱散佈之區域(即一或多個位於緊接照射區域外部之區域)藉沿x方向之線的第一相對掃描產生粒狀結晶，然後藉次一相對掃描(其係在偏移y位置後實行)以雷射光沿x方向之線直接照射第一相對掃描產生之粒狀結晶的情形。在此情形，即使是在以第一相對掃描照射之區域不重疊以第二相對掃描照射之區域時，部份粒狀結晶可轉變成橫向結晶。然而由於照射區域之位置可偏離其中製造粒狀結晶之區域，在半導體薄膜係藉由在特定y位置處重複雷射光沿x方向之線的相對掃描而雷射退火，及在相對掃描後偏移y位置之情形，其較佳為實行各相對掃描使得相對掃描照射之區域部份地重疊前一相對掃描照射之區域。
在依照本發明之雷射退火方法中，其較佳為使用連續波雷射光。在使用脈衝波雷射光時，雷射光施加週期地中斷，即使是在致動雷射頭時。另一方面，在使用連續波雷射光之情形，在致動雷射頭時雷射光連續地施加至半導體薄膜，使得其可精密地且均勻地處理半導體薄膜及生長粒度較大之橫向結晶。此外考量適合用於依照本發明之雷射退火的波長範圍，其較佳為使用自一或多種半導體雷射發射之雷射光。
雖然在以上解釋之實例中，雷射光係藉由以雷射光相對掃描半導體而施加至半導體薄膜，本發明可應用於在橫向結晶生長之條件下實行之雷射退火，即使是在未實行相對掃描時。
例如考量重複在上述依照本發明具體實施例之照射條件下對半導體薄膜之長方形區域施加雷射光，並按一定方向減小長方形區域之寬度，但不改變長方形區域之中央線的情形。在此情形冷卻由起初長方形區域週邊開始，而且在長方形區域之中央線與外部之間產生溫度斜率，使得可生長自中央線延伸至外部之橫向結晶。在以上情形，藉重複施加雷射光之順序而退火之區域為依照本發明而雷射退火之區域。此時類似實行相對掃描之情形，其亦在產生橫向結晶之區域外部生成粒狀結晶。
然而由於重複施加雷射光對各雷射退火區域為必要的，而且須實行逐步減小長方形區域(例如藉不同之光罩等)，其無法連續地處理半導體薄膜，使得雷射退火方法無效率。此外其難以均勻地處理全部半導體薄膜區域。
因此在依照本發明之雷射退火中，其較佳為藉由以雷射光相對掃描半導體薄膜而實行半導體薄膜之雷射退火。在此情形橫向結晶係沿雷射光之主掃描方向生長，使得其可連續地生長橫向結晶，而且有效地處理全部半導體薄膜區域。此外由於可連續地且精密地處理全部半導體薄膜區域，其可得到均勻度優異之實質上全部橫向結晶薄膜。
由於依照本發明之雷射退火方法可製造無縫且在全部區域幾乎無粒狀結晶區域之橫向結晶薄膜，其不必基於TFT形成位置之設計資訊設法相對地掃描雷射光，使得雷射光束邊緣不重疊欲形成TFT之區域，或者選擇性地將雷射光僅施加至欲形成TFT之非晶半導體薄膜區域。因此其可以低成本安定地製造元素特性(如載子移動力)及元素均勻性優異之半導體裝置(如TFT)，使得使用此半導體裝置之電－光裝置呈現優異之性能，例如顯示品質。
雷射退火系統
以下參考第10、11、12A、及12B圖解釋依照本發明之一個具體實施例的雷射退火系統之構造。第10圖顯示依照具體實施例之雷射退火系統的全部構造，及第11圖顯示用於第10圖之雷射退火系統的組合半導體雷射光源(組合雷射光源)之內部構造。
雷射退火系統100包括平台110、雷射頭120及光學掃描系統140。其將欲雷射退火之半導體薄膜20(例如非晶矽薄膜)置於平台110上，雷射頭120輸出雷射光L，而且光學掃描系統140相對地掃描雷射光L。
特別地，光學掃描系統140係排列成按x方向(主掃描方向)相對地掃描雷射光L。此外平台110係排列成使用平台移動機構(未示)可按y方向移動，使得雷射光L在半導體薄膜20之y位置可偏移(即雷射光按y方向(次掃描方向)相對地移動)。如此在第10圖之構造中，平台110及光學掃描系統140構成相對掃描單元，其實現以雷射光L相對地掃描半導體薄膜20。
簡言之，雷射頭120係由多個組合雷射光源121組成，其緊密地排列在水冷式散熱器131上。
如第11圖所描述，各組合雷射光源121包括LD單元122，其含4個LD封裝123A至123D、及4個準直透鏡124A至124D。各LD封裝123A至123D中內建發射連續波雷射光之多橫向模式半導體雷射二極管(LD)作為雷射光源。如此4個LD封裝123A至123D輸出雷射光束L1至L4。在LD單元122中，4個準直透鏡124A至124D係對應4個LD封裝123A至123D排列，而且將各雷射光束L1至L4準直。
在組合雷射光源121中，4個LD封裝123A至123D係按x方向(即第11圖之水平方向)排列。
組合雷射光源121進一步包括4個反射鏡125A至125D、及2個偏光分光器(PBS)126A與126B。反射鏡125A至125D係對應LD封裝123A至123D排列，而且各反射雷射光束L1至L4。在雷射光束L1與L2被反射鏡125A與125B反射後，反射之雷射光束L1與L2進入偏光分光器(PBS)126A。此外在雷射光束L3與L4被反射鏡125C與125D反射後，反射之雷射光束L3與L4進入偏光分光器(PBS)126B。
PBS 126A與126B各係藉由偶合2個長方形稜鏡而形成，而且具有立方形狀。此外半波(相差)元件127附於PBS 126B之光進入面，而將雷射光束L3與L4之偏光方向偏移90度。
在排列PBS 126A以反射P－波分量之情形，在雷射光束L1與L2進入PBS 126A時，雷射光束L1與L2之S－波分量通過PBS 126A且各進入光二極管129A與129B以偵測光學輸出功率，及雷射光束L1與L2之P－波分量在PBS 126A中反射且進入PBS 126B。P－波分量與S－波分量之比例可藉由改變雷射光束L1與L2之偏光方向而改變。在以上排列中，其可藉由調整雷射光束L1與L2之偏光方向以增加P－波分量之比例，而有效地使用較大量之光。
在排列PBS 126B以使與被PBS 126A反射之分量相反之分量反射(或通過)的情形，即排列PBS 126B以反射S－波分量(與被PBS 126A反射之P－波分量相反)，被PBS 126A反射之雷射光束L1與L2的P－波分量可直接通過PBS 126B。另一方面，半波元件127在雷射光束L3與L4進入PBS 126B之前將雷射光束L3與L4之偏光方向偏移90度。此偏光方向偏移增加雷射光束L3與L4之S－波分量比例。即雷射光束L3與L4之S－波分量(其被PBS 126B反射)增加。此外雷射光束L3與L4之減少P－波分量通過PBS 126B，而且各進入光二極管129C與129D。
因此雖然雷射光束L1與L2及雷射光束L3與L4為實質上不同之偏光分量，雷射光束L1與L3之偏光分量組合(沿快相軸方向)、雷射光束L2與L4之偏光分量組合(沿快相軸方向)、及組合偏光光束之雷射光束L1與L3與組合偏光光束之雷射光束L2與L4的角光束組合(沿遲相軸方向)以組合雷射光源121之PBS 126B實現。
由於各半導體雷射(LD)具有相當低之光學輸出功率，藉高速相對掃描雷射退火所需之光學輸出功率無法僅使用單一LD達成，因此雷射頭120係由多個組合雷射光源121(其各由多個LD封裝123A至123D組成)組成。如果自各組合雷射光源121之多個LD封裝123A至123D輸出之雷射光僅藉角光束組合而組合，則局部深度變小，及可能發生因脫焦造成之光學強度變動。
多模式橫向半導體雷射(LD)在快相軸方向具有40至60度之光束擴散，及在遲相軸方向具有15至25度之光束擴散。在依照本具體實施例之雷射退火系統中，因脫焦造成之光學強度變動藉由沿快相軸方向實行雷射光束L1至L4之偏光光束組合，及沿遲相軸方向實行角光束阻合而抑制，使得到所需之光學輸出功率。
各級自各多橫向模式半導體雷射二極管(LD)發射之高序橫向模式雷射光含2個按相對光軸之大約對稱方向傳播的波前分量。為了減少2個波前分量間之干涉，各組合雷射光源121進一步包括半波元件128，其排列於組合雷射光源121之光出口處，及將2個波前分量之一的偏光方向偏移90度。以下參考第12A及12B圖解釋此2個波前分量間之干涉、及半波元件128之功能。
第12A圖顯示自以高序橫向模式振盪之半導體雷射發射的雷射光之近場圖案(NFP)及遠場圖案(FFP)之圖，及第12B圖顯示半導體雷射之光學導波管。
多橫向模式LD同時以多種不同高序橫向模式振盪雷射光。如第12A圖所描述，任意級數m之高序橫向模式雷射光之近場影像NFP(m)具有依照級數m具有多個峰之光學強度分布，而且相鄰峰之相為相反的。如第12B圖所描述，多橫向模式LD之光學導波管R具有2個平行光軸A之側緣E1與E2。由於任意級數之高序橫向模式光在輸出此模式雷射光之前於2個側緣E1與E2之間重複地反射，此模式雷射光包括2個波前分量W1與W2，其各按相對光軸A之大約對稱方向傳播且彼此重疊。
即在波前分量W1被側緣E1反射時，波前分量W2大約在波前分量W1反射同時被側緣E2反射。然後在波前分量W1被側緣E2反射時，波前分量W2大約在波前分量W1反射同時被側緣E1反射。其視為具有上述光學強度分布及相之近場影像NFP(m)係由波前分量W1與W2間之干涉形成。
由於實務上多橫向模式LD同時以多種不同高級數橫向模式振盪雷射光，實際近場影像NFP係因多種不同高級數橫向模式之多個近場影像NFP(m)重疊而形成。
在各高序橫向模式雷射光中，2個波前分量W1與W2係按相對光軸A之大約對稱方向傳播，而且形成具有雙型強度分布之遠場影像FFP(m)，其具有峰P1與P2且相對光軸A為大約對稱。各高序橫向模式之峰P1與P2間之峰分離角θ係基於橫向模式之級數、多橫向模式LD之光學導波管R的條寬及折射率分布、振盪波長等而決定，而且趨於隨橫向模式之級數增加。在第12A圖中，其以實線曲線描述呈現最大峰分離角θ之遠場影像FFP(m)，及以虛線描述其他高級數橫向模式之遠場影像FFP(m)。
雖然不同高序橫向模式間之干涉低，各高序橫向模式之波前分量W1與W2間之干涉高。因此依照本具體實施例，其在各組合雷射光源121中提供將2個波前分量之一的偏光方向偏移90度之半波元件128，以降低各高序橫向模式之2個波前分量W1與W2間之干涉，及將自組合雷射光源121輸出之雷射光的光學強度分布均化。
如以上所解釋，在各組合雷射光源121中，準直透鏡124A至124D、反射鏡125A至125D、PBS 126A至126D、半波元件127、及半波元件128組成組合光學系統，其光學地組合自4個LD封裝123A至123D發射之雷射光束L1至L4。
回到第10圖，雷射退火系統110進一步包括稜鏡陣列132(作為偏轉器)，其附於由多個組合雷射光源121組成之雷射頭120的光離開面。稜鏡陣列132係由多個稜鏡132a組成。稜鏡132a之位置及稜鏡角度係對應各組合雷射光源121之位置而設定。
光學掃描系統140係由光學掃描鏡(動態偏轉器)141(如測電鏡)與準直透鏡142組成。自組合雷射光源121輸出之雷射光L被稜鏡陣列132偏轉，而且入射光學掃描鏡141，使得雷射光L按x方向相對地掃描。準直透鏡142對應雷射光L之相對掃描而移動，使得藉準直透鏡142將被光學掃描鏡141偏轉之雷射光L對準。
具有以上構造之依照本具體實施例的雷射退火系統100輸出y方向具有長形橫切面之雷射光束，而且將雷射光束施加至半導體薄膜20。在發明人構成之雷射退火系統100中，雷射光束具有0.5至2.7瓦/平方公分之光學功率密度，及在半導體薄膜20之表面處尺寸為20×4微米至40×8微米之橫切面。
在依照本具體實施例之雷射退火系統100中，其設定雷射光L之照射條件，使半導體薄膜20之表面處的粒狀結晶區域及非晶區域因照射而熔化，及半導體薄膜20之表面處的橫向結晶區域不因照射而熔化。
特別地，在半導體薄膜20為非晶矽薄膜之情形，其較佳為設定雷射光L之照射條件使得橫向結晶區域對雷射光之吸收度AL 、粒狀結晶區域之吸收度AG 、及非晶區域之吸收度AN 滿足上述條件(1)及(2)。
此外在半導體薄膜20為非晶矽薄膜之情形，亦較佳為雷射光L之波長λ及薄膜厚度t滿足上述條件(3)。
0.8t＋320奈米λ0.8t＋400奈米 (3)
在半導體薄膜20為非晶矽薄膜之情形，其進一步較佳為雷射頭中組合雷射光源121之半導體雷射二極管(LD)的振盪波長為350至500奈米之波長範圍。例如其可使用各具有含一或多種氮質半導體化合物(如GaN、AlGaN、InGaN、InAlGaN、InGaNAs、GaNAs等)之主動層的GaN為主半導體雷射、或第II－VI族化合物為主半導體雷射(如ZnO為主或ZnSe為主半導體雷射)。
在經雷射退火系統100雷射退火之半導體薄膜20為非晶矽薄膜之情形，其較佳為非晶區域中雷射光L之相對掃描速度v(米/秒)及吸收功率密度P(百萬瓦/平方公分)滿足上述條件(5)。
此外其較佳為雷射退火系統100實行雷射退火使得偏移y位置後(改變照射區域後)按x方向相對掃描期間之雷射光L照射區域部份地重疊恰在偏移前之前一相對掃描期間的雷射光L照射區域。
在使用依照本具體實施例之雷射退火系統100時，其可實行依照本發明之雷射退火方法。
變化之實例
雷射退火系統100之構造及操作方式不限於以上解釋之構造及操作方式，而且可在本發明之範圍內適當地修改。
例如在解釋之具體實施例中，以雷射光L照射半導體薄膜20係藉平台110之動作(移動)及光學掃描系統140之光動態偏轉而實現。或者x及y方向之相對掃描可藉雷射頭120在x及y方向之動作(移動)、平台110在x及y方向之動作(移動)、或雷射光L在x及y方向之相對掃描而實現。
為了得到具有長形橫切面之雷射光束，其較佳為將多種組合雷射光源121裝設在雷射頭120，而且各組合雷射光源121係由多個多橫向模式LD組成，如依照本具體實施例之雷射退火系統100。各組合雷射光源121所含多橫向模式LD之數量不限於4個，而且可依照設計適當地決定。或者雷射頭120可包括僅單一組合雷射光源121或僅單一多橫向模式LD。
半導體薄膜、半導體裝置及主動矩陣基板
以下參考第13A至13H圖，其為用於製造半導體薄膜、半導體裝置與主動矩陣基板之代表性階段的橫切面圖，解釋一種依照本發明用於製造半導體薄膜、使用此半導體薄膜之半導體裝置、與具有此半導體裝置之主動矩陣基板的之方法、及半導體薄膜、半導體裝置與主動矩陣基板之結構。在以下解釋之實例中，半導體裝置為一種像素切換用上閘極薄膜電晶體(TFT)，而且主動矩陣基板包括各藉以上TFT實現之切換元件。
在第13A圖描述之方法的第一步驟中，非晶半導體薄膜20係形成於基板10之全部上表面。在第13A圖描述之實例中，非晶半導體薄膜20為非晶矽(a－Si)薄膜。對於基板10並無限制。例如基板10為玻璃基板(如石英基板、硼酸鋇玻璃基板或鋁硼矽酸鹽玻璃基板)，或藉由在塑膠、矽或金屬(例如不銹鋼)之耐熱性絕熱基板的表面上形成絕緣膜，及使絕緣膜絕熱而製造之基板，其中塑膠、矽或金屬基板之耐熱性抗在依照本具體實施例之TF形成程序、及在TFT形成程序後之後處理期間實行之熱處理，而且塑膠、矽或金屬基板之絕熱性相當於或高於玻璃之絕熱性。
雖然半導體薄膜20可在基板10之表面上直接形成，或者半導體薄膜20可在將氧化矽、氮化矽等之嵌入層(未示)形成於基板10之表面上後形成。形成半導體薄膜20及嵌入層之方法並未特別地限制，而且可為氣相技術，如電漿CVD(化學蒸氣沉積)、LPCVD(低壓CVD)或濺射。
嵌入層之厚度並未特別地限制，而且較佳為約200奈米。半導體薄膜20之厚度並未特別地限制，而且較佳為約40至120奈米，例如約50奈米。
在半導體薄膜20係藉電漿CVD形成之情形，半導體薄膜20含許多氫。在將含許多氫之半導體薄膜20結晶時，其發生氫碰撞，使得半導體薄膜20之表面可變粗，而且半導體薄膜20可部份脫落。因此其較佳為在雷射退火前將半導體薄膜20脫氫。脫氫方式並未特別地限制，而且脫氫可藉熱退火實現(其例如在約500℃實行約10分鐘)。
其次在第13B圖描述之方法的第二步驟中，其對全部半導體薄膜20實行依照以上解釋之具體實施例的雷射退火以將半導體薄膜20之全部區域結晶。依照本具體實施例，其將半導體薄膜20之大約全部區域轉變成橫向結晶。
然後在第13C圖描述之方法的第三步驟中，其藉由對經雷射退火半導體薄膜21實行微影術圖案化，而去除經雷射退火半導體薄膜21之欲形成TFT元件部份以外之部份。在第13C圖中，在去除後殘留之經雷射退火半導體薄膜21部份係以元件符號22表示。
在第13D圖描述之方法的第四步驟中，其藉CVD、濺射等在第三步驟形成之結構上形成SiO2 等之閘極絕緣膜24。閘極絕緣膜24之厚度並未特別地限制。閘極絕緣膜24之較佳厚度的實例為約100奈米。
在第13E圖描述之方法的第五步驟中，閘極電極25係藉由以電極材料覆蓋在第四步驟形成之結構的上側，及實行微影術圖案化而形成於半導體薄膜22上。
在第13F圖描述之方法的第六步驟中，其使用閘極雷極25作為光罩將部份半導體薄膜22以摻雜劑(如磷(P)、硼(B)等)摻雜，使得形成主動區域作為源極區域23a與吸極區域23b。半導體薄膜22在源極區域23a與吸極區域23b間之部份變成通道區域23c。在第13F圖中，其假設摻雜劑為磷。較佳摻雜劑劑量之實例為約3.0×1015 個離子/平方公分。如此得到具有源極區域23a、通道區域23c與吸極區域23b之矽薄膜23作為各TFT之主動層。
在第13G圖描述之方法的第七步驟中，其在第六步驟形成之結構的上側形成SiO2 、SiN等之層間絕緣膜26，然後藉蝕刻(例如乾蝕刻或濕蝕刻)通過層間絕緣膜26形成接觸孔27a與27b，使得接觸孔27a與27b各到達源極區域23a與吸極區域23b。然後在層間絕緣膜26於接觸孔27a與27b上方之預定區域各形成源極電極28a與吸極電極28b，使得將接觸孔27a與27b各充填源極電極28a與吸極電極28b，及源極電極28a與吸極電極28b各接觸源極區域23a與吸極區域23b。
如此完成依照本具體實施例之TFT 30之製造。此外在圖案化前之經雷射退火半導體薄膜21(描述於第13B圖)、在圖案化後且在摻雜前之半導體薄膜22(描述於第13B圖)、及在摻雜後之矽薄膜23(描述於第13F圖)各對應依照本發明之半導體薄膜(其經雷射退火方法雷射退火)。
其次在第13H圖描述之方法的第八步驟中，其在第七步驟形成之結構的上側形成SiO2 、SiN等之層間絕緣膜31，然後藉蝕刻(例如乾蝕刻或濕蝕刻)通過層間絕緣膜31形成接觸孔32，使得接觸孔32到達源極電極28a。然後在層間絕緣膜31於接觸孔32上方之預定區域形成像素電極33，使接觸孔32充填像素電極33，及像素電極33接觸源極電極28a。
雖然用於製造含TFT與像素電極之部份的方法中各步驟之結構描述於第13A至13H圖，其實務上在基板上形成多個TFT使得TFT按矩陣陳列，及在對應TFT上方形成大量像素電極。其通常對液晶顯示裝置(LCD)用主動矩陣基板中之各點形成1個像素電極與1個像素切換用TFT，而且對電致發光(EL)顯示裝置用主動矩陣基板中之各點形成1個像素電極與2個像素切換用TFT。
如此在第八步驟中完成依照本具體實施例之主動矩陣基板40之製造。雖然未顯示，其在主動矩陣基板40之製造期間亦形成相對掃描線與信號線之線路。相對掃描線可與閘極電極25一起或分別形成，而且信號線可與吸極電極28b一起或分別形成。
在以上程序期間製造之經雷射退火半導體薄膜21、半導體薄膜22與矽薄膜23係使用依照本發明之雷射退火方法雷射退火。因此經雷射退火半導體薄膜21、半導體薄膜22與矽薄膜23具有高結晶度，而且適合作為TFT之主動層。此外由於依照本具體實施例之TFT 30係使用經雷射退火半導體薄膜21、半導體薄膜22與矽薄膜23製造，TFT 30之元素特性(如載子移動力)及元素均勻性優良。因此在將主動矩陣基板40用於電－光裝置時，如上形成之主動矩陣基板40呈現高性能。
在某些電－光裝置中，如液晶顯示裝置(LCD)與電致發光(EL)顯示裝置，其將大量像素電極及大量像素切換用TFT在基板上按矩陣排列，而且亦將用於驅動像素電極及TFT之驅動電路排列在相同基板上，其中驅動電路係由多個驅動TFT形成。通常驅動電路具有由N－型TFT與P－型TFT組成之CMOS結構。
由於半導體薄膜20可使用依照本發明之雷射退火方法實質上全部轉變成橫向結晶，本發明可同時形成像素切換用TFT之主動層及驅動TFT之主動層，而且製造具有優異元素特性(如載子移動力)之驅動TFT。
電－光裝置
以下解釋依照本發明之具體實施例的電－光裝置之結構。本發明可應用於有機電致發光(EL)裝置或液晶顯裝置。在以下解釋中，本發明係應用於有機EL裝置作為實例。第14圖為依照具體實施例作為電－光裝置之實例的有機EL裝置之分解透視圖。
如第14圖所描述，依照本具體實施例之有機EL裝置50係藉由在主動矩陣基板40上按預定圖案形成發光層41R、41G與41B，然後在發光層41R、41G與41B上依序形成共用電極42與密封膜43而製造。在將電流施加至發光層41R、41G與41B時，發光層41R、41G與41B各發射紅光(R)、綠光(G)與藍光(B)。發光層41R、41G與41B係按對應像素電極33之預定圖案形成，使得各像素由各發射紅光、綠光與藍光之3點組成。共用電極42與密封膜43係形成於主動矩陣基板40之實質上全部上表面。或者有機EL裝置50可使用其他型式之密封構件(如金屬罐或玻璃基板)代替密封膜43而密封。在此情形，乾燥劑(如氧化鈣)可含於有機EL裝置50之密封結構中。
在有機EL裝置50中，像素電極33之極性與共用電極42之極性相反。即在共用電極42為陽極時像素電極33為陰極，及在共用電極42為陰極時像素電極33為陽極。在自陽極注射正電洞及自陰極注射電子，重組且釋放重組能量時，發光層41R、41G與41B發射光。
此外為了增加發射效率，其可在陽極與發光層41R、41G與41B之間排列正電洞注射層及/或正電洞運輸層，及/或在陰極與發光層41R、41G與41B之間排列電子注射層及/或電子運輸層。
如以上所解釋，由於依照本具體實施例之電－光裝置(有機EL裝置)50係使用主動矩陣基板40構成，組成電－光裝置之TFT 30的元素特性(如載子移動力)及元素均勻性優良。因此依照本具體實施例之電－光裝置的電－光特性(如顯示品質)優良。
本發明之具體例
發明人已製造依照本發明之半導體薄膜的具體例1、及比較例1與2，如下所示。
具體例1
依照本發明之半導體薄膜的具體例1已依照以下步驟製造。
藉電漿CVD將厚20奈米之氧化矽嵌入層與厚50奈米之非晶矽(a－Si)薄膜依序形成於玻璃基板上。然後在約500℃實行熱退火經約10分鐘，並實行非晶矽薄膜之脫氫。
其次使用第10及11圖描述之雷射退火系統100實行非晶矽薄膜之雷射退火，其中將振盪波長為405奈米之GaN為主半導體雷射用於雷射光源，及雷射光束L具有在非晶矽薄膜之表面處尺寸為20×3微米之長形長方形橫切面。非晶矽薄膜已在各以下條件1至4下實質上全部雷射退火。
<條件1>條件1為雷射光之相對掃描速度為0.01米/秒，非晶區域之吸收功率密度為0.1百萬瓦/平方公分，及重疊比例為75%。
重疊比例為75%表示在以寬20微米之雷射光束實行各x方向相對掃描後y位置偏移5微米，使得在次一相對掃描重疊地照射寬15微米之區域。
第15A及15B圖各顯示如具體例1而得之矽薄膜的表面在矽薄膜於依照本發明具體實施例之條件1下實質上完全地雷射退火後之SEM及TEM相片。如第15A及15B圖所示，在將半導體薄膜於條件1下雷射退火之情形，即使是在以雷射光照射橫向結晶區域時，橫向結晶區域不熔化，雖然粒狀結晶區域與非晶區域熔化，使得得到在實質上全部區域幾乎無粒狀結晶區域且無縫之橫向結晶薄膜。此外其可將橫向結晶之定向對齊以在雷射光之主掃描方向的5度內。
此外發明人已證實，在將半導體薄膜各於以下條件2、3及4下雷射退火之情形，亦得到在實質上全部區域幾乎無粒狀結晶區域且無縫之橫向結晶薄膜
<條件2>條件2為雷射光之相對掃描速度為1.0米/秒，非晶區域之吸收功率密度為0.5百萬瓦/平方公分，及重疊比例為75%。
<條件3>條件3為雷射光之相對掃描速度為0.1米/秒，非晶區域之吸收功率密度為0.15百萬瓦/平方公分，及重疊比例為75%。
<條件4>條件1為雷射光之相對掃描速度為0.01米/秒，非晶區域之吸收功率密度為0.1百萬瓦/平方公分，及重疊比例為25%。
在雷射光之相對掃描速度較小時，熱散佈較容易，使得較易產生粒狀結晶。然而在使用依照本具體實施例之雷射退火方法的情形，即使是在以0.01米/秒之相對掃描速度實行雷射退火，各雷射光相對掃描產生之橫向結晶不被後續雷射光相對掃描(以重疊方式實行)熔化，雖然粒狀結晶區域與非晶區域被後續相對掃描熔化。因此已得到上述在實質上全部區域幾乎無粒狀結晶區域且無縫之橫向結晶薄膜。
比較例1
半導體之比較例1已依照與用於製造具體例1之步驟僅有在以下條件5下將非晶矽薄膜實質上完全地雷射退火不同之步驟製造。
<條件5>條件5為雷射光之相對掃描速度為0.01米/秒，非晶區域之吸收功率密度為0.09百萬瓦/平方公分，及重疊比例為70%。
第16A及16B圖各為如比較例1而得之矽薄膜的表面在矽薄膜於條件5下實質上完全地雷射退火後之SEM及TEM相片。如第16A及16B圖所示，即使是在以按條件5下之重疊方式實行之雷射光相對掃描照射粒狀結晶區域與橫向結晶區域時，粒狀結晶區域與橫向結晶區域均不熔化，使得粒狀結晶區域不因相對掃描轉變成橫向結晶。此外由於粒狀結晶表現如核，橫向結晶趨於按不平行雷射光之主掃描方向的方向(即與主掃描方向相差5至45度之方向)生長，及橫向結晶亦趨於對齊主掃描方向而生長。如此已觀察到彎曲橫向結晶。粒狀結晶在全部薄膜區域之觀察比例為30%或更大。
比較例2
半導體之比較例2已依照與用於製造具體例1之步驟僅有在以下條件6下將非晶矽薄膜實質上完全地雷射退火不同之步驟製造。
<條件6>條件6為雷射光之相對掃描速度為0.01米/秒，非晶區域之吸收功率密度為0.08百萬瓦/平方公分，及重疊比例為70%。即條件6中非晶區域之吸收功率密度低於條件5。
第17圖為作為比較例2之矽薄膜的表面在矽薄膜於條件6下實質上完全地雷射退火後之TEM相片。如第17圖所示，即便在非晶區域亦未轉變成橫向結晶區域，使得在如比較例2而得之矽薄膜的實質上全部區域生成粒狀結晶。
Vg－Id特性
發明人已使用如具體例1在條件1下藉雷射退火而得之矽薄膜、及如比較例1在條件5下藉雷射退火而得之矽薄膜製造TFT，而且評估TFT之Vg－Id特性。Vg－Id特性為閘極電壓Vg與吸極電流Id間之關係。在第18圖中，「比較例1－A」及「比較例1－B」表示使用如比較例1而得之矽薄膜製造之兩種不同TFT樣品。此外使用具體例1之矽薄膜製造之TFT、及「比較例1－A」及「比較例1－B」之TFT樣品的Vg－Id特性係以線性比例(細曲線)及對數比例(厚曲線)表示。沿圖表之右及左側各顯示線性比例及對數比例之座標。如第18圖所示，使用具體例1之矽薄膜製造之TFT呈現較使用比較例1之矽薄膜製造之TFT高之載子移動力及優異之元素(電流)特性。
其他事項
依照本發明之雷射退火系統及雷射退火方法可較佳地用於TFT之製造、具有TFT之電－光裝置之製造等。
10．．．基板
20．．．非晶半導體(a－Si)薄膜
21．．．經雷射退火半導體薄膜
22．．．半導體薄膜
23．．．矽薄膜
23a．．．源極區域
23b．．．吸極區域
23c．．．通道區域
24．．．閘極絕緣膜
25．．．閘極電極
26．．．層間絕緣膜
27a．．．接觸孔
27b．．．接觸孔
28a．．．源極電極
28b．．．吸極電極
30．．．薄膜電晶體
31．．．層間絕緣膜
32．．．接觸孔
33．．．像素電極
40．．．主動矩陣基板
41R．．．發光層
41G．．．發光層
41B．．．發光層
42．．．共用電極
43．．．密封膜
50．．．有機電致發光裝置
100．．．雷射退火系統
110．．．平台
120．．．雷射頭
121．．．組合雷射光源
122．．．雷射二極管單元
123A．．．雷射二極管封裝
123B．．．雷射二極管封裝
123C．．．雷射二極管封裝
123D．．．雷射二極管封裝
124A．．．準直透鏡
124B．．．準直透鏡
124C．．．準直透鏡
124D．．．準直透鏡
125A．．．反射鏡
125B．．．反射鏡
125C．．．反射鏡
125D．．．反射鏡
126A．．．偏光分光器
126B．．．偏光分光器
126C．．．偏光分光器
126D．．．偏光分光器
127．．．半波元件
128．．．半波元件
129A．．．光二極管
129B．．．光二極管
129C．．．光二極管
129D．．．光二極管
131．．．水冷式散熱器
132．．．稜鏡陣列
132a．．．稜鏡
140．．．光學掃描系統
141．．．光學掃描鏡
142．．．準直透鏡
L．．．雷射光
L1．．．雷射光束
L2．．．雷射光束
L3．．．雷射光束
L4．．．雷射光束
第1A圖為描述藉雷射光在特定y位置處沿x方向之線的相對掃描製造橫向結晶及粒狀結晶之操作的示意透視圖。
第1B圖為描述藉相對掃描製造之橫向結晶區域與粒狀結晶區域在y位置偏移前、及藉後續相對掃描製造之橫向結晶區域與粒狀結晶區域在y位置偏移後之相對位置的實例之示意平面圖。
第2圖為顯示矽薄膜之各橫向結晶區域、粒狀結晶區域及非晶區域中雷射光波長與折射率n間關係之圖表。
第3圖為顯示矽薄膜之各橫向結晶區域、粒狀結晶區域及非晶區域中雷射光波長與吸收係數間關係之圖表。
第4圖為顯示雷射光波長與粒狀結晶矽吸收度對非晶矽吸收度之比例間關係、及雷射光波長與橫向結晶矽吸收度對非晶矽吸收度之比例間關係之圖表。
第5圖為顯示照射雷射光而達到之表面溫度與所吸收光學能量間關係、及結晶狀態與各所達到之表面溫度及所吸收光學能量間關係之圖表，其中在各表面溫度所吸收之光學能量值，藉由在達到2200℃之表面溫度時的數值標準化。
第6圖為顯示在矽薄膜之厚度為50、100與200奈米之各情形，雷射光波長與橫向結晶矽吸收度對非晶矽吸收度之比例間關係之圖表。
第7圖為顯示雷射光波長範圍與矽薄膜之厚度t的圖表，其中粒狀結晶區域與非晶區域之所達到之表面溫度為約1700至2200℃，而且橫向結晶區域之所達到之表面溫度為1400℃或更低。
第8圖為顯示雷射光之相對掃描速度範圍與吸收功率密度之圖表，其中非晶區域之所達到表面溫度為約2000±200℃。
第9圖為顯示在含非晶區域、粒狀結晶區域與橫向結晶區域之薄膜表面的吸收度分布、照射薄膜表面之雷射光的光學密度、雷射光吸收能量、及溫度之實例之圖。
第10圖為描述依照本發明之一個具體實施例的雷射退火系統之構造之圖。
第11圖為描述用於第10圖之雷射退火系統的組合半導體雷射光源之內部構造之圖。
第12A圖為描述自以高階橫向模式振盪之半導體雷射發射的雷射光之近場圖案(NFP)及遠場圖案(FFP)之圖，而且係提出以解釋用於在多橫向模式降低雷射光同調性之排列。
第12B圖為描述半導體雷射之光學導波管之圖，而且係提出以解釋用於在多橫向模式降低雷射光同調性之排列。
第13A、13B、13C、13D、13E、13F、13G、及13H圖為依照本發明之一個具體實施例，一種用於製造半導體薄膜、半導體裝置及主動矩陣基板之方法各階段之結構的橫切面圖。
第14圖為依照本發明之一個具體實施例作為電－光裝置之有機電致發光(EL)裝置的分解透視圖。
第15A圖為依照本發明之一個具體實施例，作為具體例1之矽薄膜的表面在矽薄膜於條件1下實質上完全地雷射退火後之SEM相片。
第15B圖為依照本發明之一個具體實施例，作為具體例1之矽薄膜的表面在矽薄膜於條件1下實質上完全地雷射退火後之TEM相片。
第16A圖為作為比較例1之矽薄膜的表面在矽薄膜實質上完全地雷射退火後之SEM相片。
第16B圖為作為比較例1之矽薄膜的表面在矽薄膜實質上完全地雷射退火後之TEM相片。
第17圖為作為比較例2之矽薄膜的表面在矽薄膜實質上完全地雷射退火後之TEM相片。
第18圖為顯示具體例1及比較例1所得TFT之Vg－Id特性的評估結果之圖表。

Claims (26)

  1. 一種用於實行非晶半導體材料製半導體薄膜之雷射退火的雷射退火方法，其包括以下步驟：(a)在第一區域生長橫向結晶之條件下以雷射光照射第一區域，而實行該半導體薄膜第一區域之雷射退火；及(b)在將第二區域之粒狀結晶及非晶半導體材料轉變成橫向結晶，但不熔化因步驟(a)之雷射光照射而在半導體薄膜中產生之該橫向結晶的條件下以該雷射光照射第二區域，而實行該半導體薄膜第二區域之雷射退火，其中第二區域自已以雷射光照射，而且包括至少一部份因步驟(a)之雷射光照射而產生之粒狀結晶、及該尚未結晶半導體薄膜中之至少一部份非晶半導體材料的半導體薄膜區域偏移。
  2. 如申請專利範圍第1項之雷射退火方法，其中該步驟(b)係重複一或多次。
  3. 如申請專利範圍第1項之雷射退火方法，其中執行該步驟(b)使得第二區域部份地重疊該已以雷射光照射之半導體薄膜的區域。
  4. 如申請專利範圍第1項之雷射退火方法，其中該半導體薄膜為矽薄膜，第二區域之該粒狀結晶、第二區域之該非晶半導體材料、及半導體薄膜中生成之橫向結晶各具有吸收度AG 、AN 與AL ，而且該第二區域係在步驟(b)中照射使得吸收度AG 、AN 與AL 滿足以下條件 0.82(AG /AN )1.0，及(AL /AN )0.70。
  5. 如申請專利範圍第4項之雷射退火方法，其中該雷射光L具有波長λ，該半導體薄膜具有厚度t，及波長λ與厚度t滿足以下條件0.8t+320奈米λ0.8t+400奈米。
  6. 如申請專利範圍第5項之雷射退火方法，其中該厚度t滿足以下條件40奈米t120奈米。
  7. 如申請專利範圍第1項之雷射退火方法，其中該雷射光為連續波雷射光。
  8. 如申請專利範圍第1項之雷射退火方法，其中該雷射光係自一或多個半導體雷射發射。
  9. 如申請專利範圍第1項之雷射退火方法，其中以該雷射光同時照射各該第一及第二區域之一部份，而且以雷射光相對地掃描第一及第二區域而以雷射光照射第一及第二區域。
  10. 如申請專利範圍第9項之雷射退火方法，其中該半導體薄膜為矽薄膜，該非晶半導體材料以吸收功率密度P(百萬瓦/平方公分)吸收該雷射光，該第二區域以雷射光於相對掃描速度v(米/秒)相對地掃描，及該相對掃描速度v(米/秒)與吸收功率密度P(百萬瓦/平方公分)滿足以下條件0.44v0.34143 P0.56v0.34143 。
  11. 一種用於實行非晶半導體材料製半導體薄膜之雷射退火的雷射退火系統，其包括其中裝設一或多個雷射光源之雷射頭，及其以雷射光照射半導體薄膜而實行以下步驟(a)在第一區域生長橫向結晶之條件下以雷射光照射第一區域，而實行該半導體薄膜第一區域之雷射退火；及(b)在將第二區域之粒狀結晶及非晶半導體材料轉變成橫向結晶，但不熔化因步驟(a)之雷射光照射而在半導體薄膜中生成之該橫向結晶的條件下以該雷射光照射第二區域，而實行該半導體薄膜第二區域之雷射退火，其中第二區域自已以雷射光照射，而且包括至少一部份因步驟(a)之雷射光照射而產生之粒狀結晶、及該尚未結晶半導體薄膜中之至少一部份非晶半導體材料的半導體薄膜區域偏移。
  12. 如申請專利範圍第11項之雷射退火系統，其中該步驟(b)係重複一或多次。
  13. 如申請專利範圍第11項之雷射退火系統，其中執行該步驟(b)使得第二區域部份地重疊該已以雷射光照射之半導體薄膜的區域。
  14. 如申請專利範圍第11項之雷射退火系統，其中該半導體薄膜為矽薄膜，第二區域之該粒狀結晶、第二區域之該非晶半導體材料、及半導體薄膜中生成之橫向結晶各具有吸收度AG 、AN 與AL ，而且該第二區域係在步驟(b) 中照射使得吸收度AG 、AN 與AL 滿足以下條件0.82(AG /AN )1.0，及(AL /AN )0.70。
  15. 如申請專利範圍第14項之雷射退火系統，其中該雷射光L具有波長λ，該半導體薄膜具有厚度t，及波長λ與厚度t滿足以下條件0.8t+320奈米λ0.8t+400奈米。
  16. 如申請專利範圍第11項之雷射退火系統，其中該雷射光為連續波雷射光。
  17. 如申請專利範圍第11項之雷射退火系統，其中該雷射光係自一或多個半導體雷射發射。
  18. 如申請專利範圍第17項之雷射退火系統，其中該一或多種半導體雷射具有350至500奈米範圍之振盪波長。
  19. 如申請專利範圍第18項之雷射退火系統，其中該一或多個半導體雷射為基於GaN之半導體雷射或基於ZnO之半導體雷射。
  20. 如申請專利範圍第11項之雷射退火系統，其中該雷射頭隨時以雷射光同時照射各該第一及第二區域之一部份，而且該雷射退火系統進一步包括以雷射光相對地掃描各第一及第二區域之相對掃描單元。
  21. 如申請專利範圍第20項之雷射退火系統，其中該半導體薄膜為矽薄膜，該非晶半導體材料以吸收功率密度P(百萬瓦/平方公分)吸收該雷射光，該第二區域以雷射光於相對掃描速度v(米/秒)相對地掃描，及該相對掃 描速度v(米/秒)與吸收功率密度P(百萬瓦/平方公分)滿足以下條件0.44v0.34143 P0.56v0.34143 。
  22. 一種藉由對非晶半導體薄膜實行申請專利範圍第1項之雷射退火方法而製造之經雷射退火半導體薄膜。
  23. 如申請專利範圍第22項之經雷射退火半導體薄膜，其中該半導體薄膜為非晶矽薄膜。
  24. 如申請專利範圍第22項之經雷射退火半導體薄膜，其係在經雷射退火半導體薄膜之實質上全部區域由橫向結晶形成。
  25. 一種半導體裝置，其包括使用申請專利範圍第22項之經雷射退火半導體薄膜而得之主動層。
  26. 一種電-光裝置，其包括申請專利範圍第25項之半導體裝置。
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