TWI467659B - 結晶質膜的製造方法以及結晶質膜的製造裝置 - Google Patents

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Description

結晶質膜的製造方法以及結晶質膜的製造裝置
本發明是有關於一種結晶質膜的製造方法以及製造裝置，該製造方法是對非晶質膜照射脈衝雷射光(pulse laser)，使該非晶質膜進行微細結晶化而製作結晶質膜。
為了製造液晶顯示裝置等薄型顯示器平板顯示器(flat panel display)中所使用的薄膜電晶體(Thin Film Transistor，TFT)的結晶矽(crystallized silicon)，通常使用如下兩種方法：對設置於基板上層的非晶矽(amorphous silicon)膜照射脈衝雷射光而使其熔融、再結晶化的方法(雷射退火法(laser annealing method))；以及將上層具有非晶矽膜的上述基板於加熱爐中進行加熱，使上述矽膜不熔融而以固體狀態進行結晶成長的固相成長法(Solid Phase Crystallization，SPC)。
另外，本發明者等人確認到如下情況並將其提出：藉由在將基板溫度保持為加熱狀態的狀態下照射脈衝雷射光，從而藉由固相成長來獲得微細的多結晶膜(參照專利文獻1)。
先前技術文獻
專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2008-147487號公報
近年來，於製造大型電視(television，TV)用有機發光二極體(Organic Light-Emitting Diode，OLED)面板或液晶顯示器(Liquid Crystal Display，LCD)面板時，謀求廉價地製造均勻且大面積的微細多結晶矽膜的方法。
另外，最近，代替液晶顯示器，作為下一代顯示器而被看好的有機電激發光(Electro-Luminescence，EL)顯示器中，藉由有機EL自身發光而提高螢幕(screen)的亮度。有機EL的發光材料並非是如LCD的電壓驅動，而是電流驅動，因此對TFT的要求不同。利用非晶矽的TFT難以抑制經年變化，會產生臨界電壓(threshold voltage，Vth)的大幅度漂移(drift)，使元件的壽命受限。另一方面，多晶矽(polysilicon)由於是穩定材料故壽命長。然而，利用多晶矽的TFT中，TFT的特性不均(fluctuation)大。該TFT特性的不均是由於結晶粒徑的不均、或結晶質矽的晶粒的界面(晶界)存在於TFT的通道(channel)形成區域而更容易產生。TFT的特性不均主要容易被存在於通道間的結晶粒徑與晶界的數量所影響。此外，若結晶粒徑大，則通常電子遷移率(electron mobility)變大。有機EL顯示器用途的TFT若電場電子遷移率高，則反而必需延長TFT的通道長度，導致RGB(紅、綠、藍)各自的1畫素的大小依存於TFT的通道長度，無法獲得高解析度。因此，對於結晶粒徑的不均小且微細的結晶膜的要求程度越發提高。
但是，先前的結晶方法難以解決上述問題。
其原因在於，作為先前的結晶方法之一的雷射退火法是使非晶矽暫時熔融而再結晶化的製程(process)，通常所形成的結晶粒徑大，結晶粒徑的不均亦大。因此，如上所述，電場電子遷移率高，多個TFT的通道區域內的結晶粒徑數產生不均的情況、或無規的形狀、相鄰結晶的結晶配向性的差異會對TFT的特性不均造成較大影響。尤其於雷射重合部容易出現結晶性的差異，該結晶性的差異會對TFT的特性不均造成較大影響。另外，亦存在由於表面的污染物(contamination)(雜質)而使結晶產生缺陷的問題。
另外，利用固相成長法(SPC法)獲得的結晶，其粒徑小且TFT不均少，是解決上述問題的最有效的結晶方法。然而，結晶化時間長，難以作為量產用途來採用。於可進行固相成長法(SPC)的熱處理步驟中，是使用可對多片基板同時進行處理的批式(batch type)熱處理裝置。由於對大量基板同時進行加熱，故升溫及降溫需要長時間，並且基板內的溫度容易變得不均勻。另外，固相成長法若於比玻璃基板的應變點溫度更高的溫度下長時間加熱，則會引起玻璃基板自身的收縮、膨脹，對玻璃造成損傷。由於SPC的結晶化溫度高於玻璃轉移點，故於少量的溫度分布中產生玻璃基板的撓曲或收縮分布。其結果，即使可進行結晶化，亦於曝光步驟等的製程中產生障礙，使元件的製作變得困難。處理溫度越高，越要求溫度均勻性。通常結晶化速度依存於加熱溫度，於600℃下需要10小時～15小時的處理時間，於650℃下需要2小時～3小時的處理時間，且於700℃下需要數10分鐘的處理時間。為了在不對玻璃基板造成損傷的情況下進行處理，需要長時間的處理時間，故該方法難以作為量產用途而採用。
本發明是以上述情況為背景研究而成，目的在於提供一種結晶質膜的製造方法，該製造方法可不對基板造成損傷，而由非晶質膜來效率良好地製作結晶粒徑的不均少的微細結晶質膜。
即，本發明的結晶質膜的製造方法中，第一本發明的特徵在於：以1次～10次的發數(shot number)對位於基板的上層的非晶質膜照射由340nm～358nm的波長所構成、且具有130mJ/cm2 ～240mJ/cm2 的能量密度的脈衝雷射光，將上述非晶質膜加熱至不超過結晶熔點的溫度而使其結晶化。
本發明的結晶質膜的製造裝置的特徵在於包括：脈衝雷射光源，其輸出波長為340nm～358nm的脈衝雷射光；光學系統，其將上述脈衝雷射光導引至非晶質膜上而進行照射；衰減器(attenuator)，其對自上述脈衝雷射光源輸出的上述脈衝雷射光的衰減率進行調整，以使上述雷射光以130mJ/cm2 ～240mJ/cm2 的能量密度照射至非晶質膜上；以及掃描裝置，其使上述雷射光對上述非晶質膜相對地移動，以使上述脈衝雷射光在上述非晶質膜上於1發～10發的範圍內進行重疊照射。
依據本發明，藉由將紫外線波長區域的脈衝雷射光以適度的能量密度與適度的發數來照射至非晶質膜上，進行急速加熱，則非晶質膜經加熱至不超過結晶熔點的溫度，從而可以與先前的熔融、再結晶法不同的方法來獲得粒徑的不均小的均勻微細結晶，例如尺寸為小於等於50nm且無突起的微細結晶。於先前方式的熔融結晶法中，結晶粒徑超過50nm地變大，另外，該熔融結晶法或利用加熱爐的SPC(固相成長法)中，晶粒的不均變大，無法獲得微細結晶。
另外，依據本發明，由於僅加熱至不超過結晶熔點的溫度，故經結晶化的膜自身不會再進行相變，例如由於僅使非晶矽變化為結晶矽，故於脈衝雷射光的重合部位亦獲得同樣的結晶性，均勻性提高。此外，藉由本發明條件下的脈衝雷射光的照射，可將非晶質膜加熱至比先前的固相成長法高的溫度。
另外，藉由並非連續振盪而是採用脈衝雷射光，則基底的基板不易達到受損傷的溫度。此外，本發明中不需要進行基板的加熱，但本發明並不排除進行基板加熱的方法。但是，本發明較理想的是不進行基板的加熱而照射上述脈衝雷射光。
此外，設置於基板上的非晶質膜若氫含量多，則於以如熔融結晶法的高能量進行照射時，Si-H的分子鍵容易斷裂，容易剝蝕(ablation)，故有脫氫的情況，但本發明中，矽是以固相的狀態變化，不易產生剝蝕，故可對不脫氫的非晶質膜進行處理。
其次，以下對本發明所規定的條件進行說明。
波長區域：340nm～358nm
上述波長區域對於非晶質膜、尤其是非晶矽膜而言，是吸收良好的波長區域，故可利用該波長區域的脈衝雷射光對非晶質膜進行直接加熱。因此，無需在非晶質膜的上層間接地設置雷射吸收層。另外，由於雷射光在非晶質膜上被充分吸收，故可防止基板被雷射光加熱，基板的撓曲及變形得到抑制，可避免基板的損傷。
此外，若雷射光的波長對於非晶質膜、尤其是非晶矽膜而言，為雖有吸收但亦透射的波長，則由於自下層側的多重反射，而導致對於非晶質膜的照射部分的光吸收率大幅依存於非晶質膜下層的厚度的偏差(不均)。若雷射光的波長為上述波長區域，則雷射光在非晶質膜、尤其是矽膜的表層可完全吸收，因此可不太考慮下層的膜厚不均而獲得多結晶膜。另外，可幾乎忽視非晶質膜的透射，因此亦可應用於在金屬上形成有非晶質膜者。
即，若將用於結晶化的雷射光的波長區域設為可見光區域，則50nm厚左右的矽雖吸收光，但亦存在透射的光，因此自矽下層(SiO2 、SiN層等緩衝層(buffer layer))的多重反射影響，若不使矽下層的緩衝層的厚度均勻，則存在矽的光吸收率亦變化的問題。於矽的上層設置SiO2 等覆蓋層(capping layer)的方式亦同樣地存在問題。
另外，若將脈衝雷射光的波長區域設為紅外線區域，則50nm厚左右的矽基本不吸收光，故通常於矽的上層部設置光吸收層。但是，若使用本方式，則存在塗佈光吸收層的步驟、及於脈衝雷射照射後去除該光吸收層的步驟自然增加的問題。
自上述各觀點考慮，本案發明中將脈衝雷射光的波長區域設定為紫外線區域的340nm～358nm。
能量密度：130mJ/cm2 ～240mJ/cm2
藉由對非晶質膜照射能量密度適度(非晶質膜上)的脈衝雷射光，則非晶質膜以固相的狀態進行結晶化，或者經加熱至超過非晶熔點且不超過結晶熔點的溫度而結晶化，從而可製作微結晶。若能量密度低，則非晶質膜的溫度並不充分提高，結晶化不充分進行，或結晶化變得困難。另一方面，若能量密度高，則導致產生熔融結晶，或者產生剝蝕。因此，將脈衝雷射光的能量密度限定為130mJ/cm2 ～240mJ/cm2 。
發數：1次～10次
對非晶質膜照射脈衝雷射光時，藉由適當地設定對同一區域照射的發數，則即使於所照射的光束面積內存在能量不均，亦可藉由多次照射而使結晶化的溫度變得均勻，結果可製作均勻的微結晶。
若發數多，則非晶質膜經加熱至超過結晶熔點的溫度，存在產生熔融或者剝蝕的情況。另外，隨著發數的增大，處理時間變長，效率差。
結晶率：60%～95%
較理想的是於上述波長、能量密度、發數的條件內，將結晶化時的結晶率設定為60%～95%。若結晶率小於60%，則用作薄膜電晶體等時變得難以獲得充分的特性。若對非晶質膜提供的能量少，則無法使結晶率大於等於60%。另外，若結晶率超過95%，則結晶的粗大化得以進展，變得難以獲得微細且均勻的結晶。若超過結晶熔點來照射脈衝雷射光，則結晶率容易變得超過95%。
此外，具體而言，結晶率可根據藉由拉曼分光(Raman spectroscopy)所獲得的結晶波峰的面積以及非結晶波峰的面積的比率(結晶Si波峰的面積/(非結晶Si波峰的面積+結晶Si波峰的面積))來決定。
此外，脈衝雷射光的脈衝寬度(半值寬度)較理想的是設為5ns～100ns。若脈衝寬度小，則峰值功率密度增大，有經加熱至超過熔點的溫度而熔融或者剝蝕(ablation)的情況。若脈衝寬度大，則峰值功率密度減小，有無法加熱至使其進行固相結晶化的溫度的情況。
並且，脈衝雷射光的脈衝頻率較理想的是6kHz～10kHz。
藉由脈衝雷射光的脈衝頻率提高至某程度(大於等於6kHz)，則每發之間的時間間隔變小，脈衝雷射光照射的熱於非晶質膜上得以保持，因此有效地作用於結晶化。另一方面，若脈衝頻率變得過高，則變得容易產生熔融、剝蝕。
另外，上述脈衝雷射光的短軸寬度較理想的是設為小於等於1.0mm。
藉由將脈衝雷射光在短軸寬度方向上相對地掃描，可一面對非晶質膜進行部分地照射、加熱，一面進行大區域的結晶化處理。但，若短軸寬度變得過大，則為了效率良好地結晶化，必需增大掃描速度，從而導致裝置成本增大。
藉由將上述脈衝雷射光對非晶質膜相對地掃描，可使上述非晶質膜沿著面方向進行結晶化。該掃描可使脈衝雷射光側移動，亦可使非晶質膜側移動，亦可使用兩者移動。上述掃描較理想的是以50mm/sec～1000mm/sec的速度進行。
若該掃描速度小，則峰值功率密度增大，有非晶質膜經加熱至超過結晶熔點的溫度而產生熔融或者剝蝕的情況。另外，若掃描速度大，則峰值功率密度減小，有無法加熱至使其進行固相結晶化的溫度的情況。
此外，本發明的製造裝置可使用輸出紫外線區域的脈衝雷射光的固體雷射光源來輸出所需波長區域的脈衝雷射光，可利用維持(maintenance)性良好的雷射光源來製作微結晶。為了獲得均勻的微細結晶，脈衝雷射光可利用能量調整部來適當地調整能量密度而照射至非晶質膜上。能量調整部可對固體雷射光源的功率進行調整而獲得預定的能量密度，亦可對自固體雷射光源輸出的脈衝雷射光的衰減率進行調整等來調整能量密度。該脈衝雷射光可藉由利用掃描裝置對非晶質膜相對地掃描，而於非晶質膜的大區域以適當的結晶率獲得微細且均勻的結晶。藉由該掃描，以對相對於非晶質膜的同一區域的發數成為1～10的方式來設定脈衝的頻率、脈衝雷射光的短軸寬度、掃描速度。
掃描裝置可為使導引脈衝雷射光的光學系統移動而使脈衝雷射光移動的裝置，另外，亦可為使配置有非晶質膜的基台移動的裝置。
[發明效果]
如以上所說明，依據本發明，可對位於基板的上層的非晶質膜，以1次～10次的發數來照射由340nm～358nm的波長所構成、且具有130mJ/cm2 ～240mJ/cm2 的能量密度的脈衝雷射光，將上述非晶質膜加熱至不超過結晶熔點的溫度而使其結晶化，因此可製作平均粒徑小的結晶質膜，該結晶質膜可於TFT的通道區域存在多個晶粒且具有特別優異的均勻性，從而可解決上述問題。最近，隨著配線寬度變小，TFT的通道形成區域的尺寸(通道長度、通道寬度)亦變小，因此謀求可於基板整個區域均勻地製作平均粒徑小的穩定的結晶質膜。尤其謀求使鄰接區域的TFT特性之差成為最小的結晶化技術，利用本發明可確實地實現上述迫切期望。同時亦可去除附著於膜表面的雜質。
另外，依據本發明，可實現裝置的低成本化以及維護費用的減少化，可進行運行率高的處理，因此可提高生產性。
另外，依據本發明，由於是不超過基板(玻璃等)的轉移點、或者即使超過轉移點亦可於低溫下進行處理的製程，故可僅使非晶質膜以雷射加熱至高溫而使其結晶化。並且具有可於短時間內生成小於等於50nm的微結晶的效果。同時重合部亦具有同樣的生成小於等於50nm的微結晶的效果(對大面積的結晶化有效)。
並且，本發明具有將基板的變位(撓曲、變形、內部應力)抑制為最小限度的效果。同時本發明具有藉由對基板多少進行加熱，而去除非晶質膜內所存在的雜質及附著於表面的污染物的效果。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
以下，基於圖1來對本發明的一實施形態進行說明。
於該實施形態的結晶質膜的製造方法中，是以平板顯示器TFT元件中所使用的基板8為對象，於該基板8上形成非晶矽薄膜8a作為非晶質膜。非晶矽薄膜8a是利用常法而形成於基板8的上層，省略脫氫處理。
但是，本發明中成為對象的基板以及形成於該基板上的非晶質膜的類別並不限定於上述類別。
圖1表示本發明一實施形態的結晶質膜的製造方法中所使用的紫外線固體雷射退火處理裝置1，該紫外線固體退火處理裝置1相當於本發明的結晶質膜的製造裝置。
紫外線固體雷射退火處理裝置1中，輸出具有340nm～358nm的波長且脈衝頻率為6kHz～10kHz、脈衝寬度為5ns～100ns的脈衝雷射光的紫外線固體雷射振盪器2設置於除振台6上，且於該紫外線固體雷射振盪器2上包括生成脈衝信號的控制電路2a。
於紫外線固體雷射振盪器2的輸出側配置有衰減器(減弱器)3，且於衰減器3的輸出側經由結合器4而連接有光纖5。光纖5的傳送目的地上連接有光學系統7，該光學系統7包括聚光透鏡(condensing lens)70a、70b與配置於該聚光透鏡70a、70b間的光束均勻器(beam homogenizer)71a、71b等。於光學系統7的出射方向上設置有載置基板8的基板載置台9。光學系統7是以將脈衝雷射光整形為短軸寬度小於等於1.0mm的長方形或者線光束狀的方式來設定。
上述基板載置台9可沿著該基板載置台9的面方向(XY方向)移動，且該基板載置台包括使該基板載置台9沿著上述面方向高速移動的掃描裝置10。
接著，對使用上述紫外線固體雷射退火處理裝置1的非晶矽薄膜的結晶方法進行說明。
首先，於基板載置台9上載置上層形成有非晶矽薄膜8a的基板8。於該實施形態中，不對該基板8進行加熱器(heater)等的加熱。
控制電路2a中，以輸出預先設定的脈衝頻率(6kHz～10kHz)、且脈衝寬度為5ns～100ns的脈衝雷射光的方式生成脈衝信號，然後根據該脈衝信號自紫外線固體雷射振盪器2中輸出波長為340nm～358nm的脈衝雷射光。
自紫外線固體雷射振盪器2輸出的脈衝雷射光到達衰減器3，通過該衰減器3而以預定的衰減率衰減。該衰減率是以在加工面上脈衝雷射光達到本發明規定的能量密度的方式進行設定。衰減器3可使衰減率可變。
能量密度經調整的脈衝雷射光是由光纖5傳送而導入至光學系統7中。光學系統7中，如上所述利用聚光透鏡70a、70b、光束均勻器71a、71b等，將脈衝雷射光整形為短軸寬度小於等於10mm的長方形或者線光束狀，對基板8在加工面以130mJ/cm2 ～240mJ/cm2 的能量密度進行照射。
上述基板載置台9是沿著非晶矽薄膜8a面，利用掃描裝置10而於上述線光束的短軸寬度方向上移動，其結果，於該非晶矽薄膜8a面的較廣區域，將上述脈衝雷射光一面相對地掃描一面照射。另外，此時藉由設定利用掃描裝置的移動速度，而使脈衝雷射光的掃描速度為50mm/sec～1000mm/sec，且於非晶矽薄膜8a的同一區域以1次～10次的發數來重疊(overlap)照射脈衝雷射光。該發數是基於上述脈衝的頻率、脈衝寬度、脈衝雷射光的短軸寬度、脈衝雷射光的掃描速度而決定。
藉由上述脈衝雷射光的照射，僅基板8上的非晶矽薄膜8a經加熱而於短時間內多結晶化。此時，非晶矽薄膜8a的加熱溫度成為不超過結晶熔點的溫度(例如超過1000℃～1400℃左右)。此外，加熱溫度可設為不超過非晶熔點溫度的溫度、或者超過非晶熔點溫度但不超過結晶熔點的溫度。
藉由上述照射而獲得的結晶質薄膜，其結晶粒徑為小於等於50nm，且無先前的固相結晶成長法中所看到的突起，具有均勻且微細的優質結晶性。例如，可適宜列舉平均晶粒小於等於20nm、且標準偏差小於等於10nm的結晶質薄膜。晶粒可利用原子力顯微鏡(atomic force microscope，AFM)來測定。另外，所獲得的結晶可基於拉曼分光的結晶波峰的面積與非結晶波峰的面積之比來算出結晶率，該結晶率較理想的是60%～95%。
上述結晶質薄膜可適宜用於有機EL顯示器。但，本發明的使用用途並不限定於上述有機EL顯示器，可作為其他的液晶顯示器或電子材料來使用。
此外，上述實施形態中是藉由使基板載置台移動而使脈衝雷射光相對地掃描，但亦可為藉由使導引脈衝雷射光的光學系統高速移動而使脈衝雷射光相對地掃描。
實例1
接著，一面與比較例進行比較一面對本發明的實例進行說明。
使用上述實施形態的紫外線固體雷射退火處理裝置1，對利用常法而形成於玻璃製基板的表面的非晶矽薄膜進行照射脈衝雷射光的實驗。
該實驗中，將脈衝雷射光的波長設為355nm的紫外線區域光，將脈衝頻率設為8kHz，且將脈衝寬度設為80nsec。能量密度是利用衰減器3來調整為對象能量密度。
脈衝雷射光是利用光學系統而整形為在加工面上成為圓形，改變加工面的能量密度、光束尺寸、發數，對基板上的非晶矽膜照射脈衝雷射光。非晶矽經加熱而變化為結晶矽。根據圖2中所示的掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)照片來對該經照射的薄膜進行評價。另外，將各條件以及評價結果示於表1中。
關於將脈衝雷射光的能量密度設為70mJ/cm2 而經照射的薄膜，若將發數設為8000次，則如照片1所示，可製作10nm～20nm的微結晶。但是，發數多而需要長時間的處理，因此在工業上並不適合。
另外，關於將能量密度設為70mJ/cm2 且發數為800次的薄膜，非晶薄膜未經結晶化。其原因在於，能量密度過低，即使增加發數，亦達不到結晶化。
接著，當將脈衝雷射光的能量密度設為140mJ/cm2 、160mJ/cm2 、180mJ/cm2 、200mJ/cm2 時，如照片2～6所示，獲得均勻的微細結晶。
然後，當將脈衝雷射光的能量密度設為250mJ/cm2 時，如照片7所示，上述非晶薄膜經加熱至超過結晶熔點的溫度而熔融，因此成為熔融結晶，未獲得微細結晶。
進而，當將脈衝雷射光的能量密度設為260mJ/cm2 時，如照片8所示產生剝蝕。
如以上所示，藉由將脈衝雷射光的能量密度、脈衝寬度、發數設定為適當的範圍，可首次進行均勻且微細的結晶化。
如上述照片所明示，由本發明法所獲得的多結晶矽薄膜，其結晶粒徑的不均少，於面整體經均質地多結晶化，且可獲得優質的多結晶矽薄膜。另外，同時可確認重合部亦生成同樣的均勻微結晶。已判明，晶粒小於等於50nm，較小，且亦未產生突起，均勻地獲得結晶質矽膜，因此可提供TFT特性的不均少的矽膜。
[表1]
接著，一面與比較例進行比較一面對本發明的其他實例進行說明。
使用上述實施形態的紫外線固體雷射退火處理裝置1，對利用常法而形成於玻璃製基板的表面的非晶矽薄膜進行照射脈衝雷射光的實驗。該實驗中，將脈衝雷射光的波長設為355nm的紫外線區域光，將脈衝頻率設為6kHz～8kHz，且將脈衝寬度設為80ns(nsec)。脈衝能量密度是利用衰減器3來調整為對象能量密度。發數是利用平台速度進行調整而成為對象發數。將各供試材料的能量密度、發數示於表2中。另外，將以下所測定的結晶率同樣地示於表2中。
脈衝雷射光是利用光學系統而整形為在加工面上成為長方形，然後對基板上的非晶矽進行。非晶矽經加熱而變化為結晶矽。根據圖3、圖4中所示的SEM照片與圖5所例示的拉曼分光測定來評價該經照射的薄膜。結晶率是基於拉曼分光測定結果，利用結晶Si波峰的面積/(非結晶Si波峰的面積+結晶Si波峰的面積)的計算式(1)而算出。
於以下的實例以及比較例中，具體而言，是對50nm厚的薄膜，將波長為514.5nm、功率為2mW的Ar離子雷射光聚光為1mmΦ而照射，進行拉曼分光測定。圖5的拉曼測定結果中可知，於520cm-1 附近存在結晶Si的尖銳波峰，且基本不存在480cm-1 附近的非晶Si波峰。
進而基於測定結果，根據使用最小平方法的高斯擬合(Gaussian fitting)，分離為兩個波峰波形，然後利用上述計算式(1)由各個波峰波形來算出結晶率。
圖5所示的例子為下述實例No.3的資料，上述算出的結果為，結晶率約為88%。
(實例2)
關於將脈衝雷射光的能量密度設為130mJ/cm2 、且將脈衝頻率設為6kHz而照射有該脈衝雷射光的薄膜，若將發數設為6次，則如照片10所示，可製作10nm～20nm直徑的微結晶。根據拉曼分光測定對結晶率進行評價，結果為85%。另外，即使將脈衝頻率設為8kHz，亦獲得同樣的結果。
(實例3)
關於將脈衝雷射光的能量密度設為140mJ/cm2 、且將脈衝頻率設為6kHz而照射有該脈衝雷射光的薄膜，若將發數設為6次，則如照片11所示，可製作10nm～20nm的微結晶。根據拉曼分光測定對結晶率進行評價，結果為88%。另外，即使將脈衝頻率設為8kHz，亦獲得同樣的結果。
(實例4)
關於將脈衝雷射光的能量密度設為150mJ/cm2 、且將脈衝頻率設為6kHz而照射有該脈衝雷射光的薄膜，若將發數設為6次，則如照片12所示，可製作10nm～20nm的微結晶。根據拉曼分光測定對結晶率進行評價，結果為90%。另外，即使將脈衝頻率設為8kHz，亦獲得同樣的結果。
(實例5)
關於將脈衝雷射光的能量密度設為160mJ/cm2 、且將脈衝頻率設為6kHz而照射有該脈衝雷射光的薄膜，若將發數設為6次，則如照片13所示，可製作20nm～30nm的微結晶。根據拉曼分光測定對結晶率進行評價，結果為90%。另外，即使將脈衝頻率設為8kHz，亦獲得同樣的結果。
(實例6)
關於將脈衝雷射光的能量密度設為180mJ/cm2 、且將脈衝頻率設為6kHz而照射有該脈衝雷射光的薄膜，若將發數設為6次，則如照片14所示，可製作20nm～30nm的微結晶。根據拉曼分光測定對結晶率進行評價，結果為95%。另外，即使將脈衝頻率設為8kHz，亦獲得同樣的結果。
(實例7)
關於將脈衝雷射光的能量密度設為200mJ/cm2 、且將脈衝頻率設為6kHz而照射有該脈衝雷射光的薄膜，若將發數設為6次，則如照片15所示，可製作40nm～50nm的微結晶。根據拉曼分光測定對結晶率進行評價，結果為95%。另外，即使將脈衝頻率設為8kHz，亦獲得同樣的結果。
(比較例1)
關於將脈衝雷射光的能量密度設為250mJ/cm2 、且將脈衝頻率設為6kHz而照射有該脈衝雷射光的薄膜，若將發數設為6次，則如照片16所示，經加熱至超過熔點的溫度而成為熔融結晶，未獲得均勻的結晶。根據拉曼分光測定對結晶率進行評價，結果為97%。另外，即使將發數減少至1次，亦獲得同樣的結果。
(比較例2)
關於將脈衝雷射光的能量密度設為260mJ/cm2 、且將脈衝頻率設為6kHz而照射有該脈衝雷射光的薄膜，若將發數設為6次，則如照片17所示產生剝蝕。
(比較例3)
關於將脈衝雷射光的能量密度設為120mJ/cm2 、且將脈衝頻率設為8kHz而照射有該脈衝雷射光的薄膜，若將發數設為8次，則雖結晶化，但若進行Secco蝕刻(Secco etching)，則如照片18所示，結晶的有些部位經蝕刻。根據拉曼分光測定對結晶率進行評價，結果為54%。
(實例8)
關於將脈衝雷射光的能量密度設為160mJ/cm2 、且將脈衝頻率設為8kHz而照射有該脈衝雷射光的薄膜，若將發數設為2次，則如照片19所示，可製作10nm～20nm的微結晶。根據拉曼分光測定對結晶率進行評價，結果為75%。
(實例9)
關於將脈衝雷射光的能量密度設為180mJ/cm2 、且將脈衝頻率設為8kHz而照射有該脈衝雷射光的薄膜，若將發數設為2次，則如照片20所示，可製作10nm～20nm的微結晶。根據拉曼分光測定對結晶率進行評價，結果為78%。
(比較例4)
使用與上述實驗不同的波長為308nm、脈衝寬度為20nsec的XeCl準分子雷射來進行同樣的實驗。關於將脈衝雷射光的能量密度設為180mJ/cm2 、且將脈衝頻率設為300Hz而照射有該脈衝雷射光的薄膜，以發數8次使其結晶化後，若為了進行SEM觀察而進行Secco蝕刻，則結晶化部全部被蝕刻。根據拉曼分光測定對結晶率進行評價，結果為54%。一般認為其原因在於，由於波長短而僅使表層面結晶化。
(比較例5)
使用與上述實驗不同的波長為308nm、脈衝寬度為20nsec的XeCl準分子雷射進行同樣的實驗。關於將脈衝雷射光的能量密度設為200mJ/cm2 、且將脈衝頻率設為300Hz而照射有該脈衝雷射光的薄膜，若將發數設為8次，則如照片21所示，經加熱至超過結晶熔點的溫度而成為熔融結晶，未獲得均勻的結晶。根據拉曼分光測定對結晶率進行評價，結果為97%。
[表2]
此外，實例3中，平均粒徑為15nm，標準偏差σ為7nm；比較例1中，平均結晶粒徑為72nm，標準偏差σ為42nm。
如圖5與圖3、圖4的照片明顯可知，本發明所獲得的多結晶矽薄膜，其晶粒的不均小且結晶率的比例亦高。進而可確認本發明的多結晶矽薄膜於面整體上均質地多結晶化，雷射的重合部亦生成相同的結晶。晶粒為小於等於50nm，較小，亦未產生突起，均勻地獲得結晶質矽膜，因此可提供TFT特性的不均少的矽膜。
以上，已基於上述實施形態以及實例對本發明進行了說明，但本發明並不限定於上述說明的範圍，只要不脫離本發明的範圍，則當然可加以適當變更。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為准。
1．．．紫外線固體雷射退火處理裝置
2．．．紫外線固體雷射振盪器
2a．．．控制電路
3．．．衰減器(減弱器)
4．．．結合器
5．．．光纖
6．．．除振台
7．．．光學系統
8．．．基板
8a．．．非晶矽薄膜
9．．．基板載置台
10．．．掃描裝置
70a．．．聚光透鏡
70b．．．聚光透鏡
71a．．．光束均勻器
71b．．．光束均勻器
圖1是表示本發明的一實施形態的製造裝置即紫外線固體雷射退火處理裝置的縱剖面圖。
圖2同為表示在實例中改變製造條件而照射脈衝雷射之後的薄膜的SEM照片。
圖3同為表示在其他實例中改變製造條件而照射脈衝雷射之後的薄膜的SEM照片。
圖4同為表示在其他實例中改變製造條件而照射脈衝雷射之後的的薄膜的SEM照片。
圖5是表示拉曼分光測定結果的圖。
1．．．紫外線固體雷射退火處理裝置
2．．．紫外線固體雷射振盪器
2a．．．控制電路
3．．．衰減器(減弱器)
4．．．結合器
5．．．光纖
6．．．除振台
7．．．光學系統
8．．．基板
8a．．．非晶矽薄膜
9．．．基板載置台
10．．．掃描裝置
70a．．．聚光透鏡
70b．．．聚光透鏡
71a．．．光束均勻器
71b．．．光束均勻器

Claims (13)

  1. 一種結晶質膜的製造方法，其中不進行基板的加熱，對位於上述基板的上層的非晶質膜，以1次~10次的發數來照射由340nm~358nm的波長所構成、且具有130mJ/cm2 ~240mJ/cm2 的能量密度的脈衝雷射光，將上述非晶質膜加熱至不超過結晶熔點的溫度而使其結晶化成小於等於50nm的結晶粒，其中上述非晶質膜為非晶矽膜。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之結晶質膜的製造方法，其中上述脈衝雷射光將上述非晶質膜加熱至不超過該非晶質膜的熔點的溫度、或者超過上述非晶質膜的熔點但不超過結晶熔點的溫度。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之結晶質膜的製造方法，其中上述結晶化是在結晶化後的結晶率為60%~95%的範圍內進行。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之結晶質膜的製造方法，其中上述脈衝雷射光的脈衝寬度為5ns~100ns。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之結晶質膜的製造方法，其中上述脈衝雷射光的脈衝頻率為6kHz~10kHz。
  6. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之結晶質膜的製造方法，其中對上述非晶質膜照射的脈衝雷射光的短軸寬度為小於等於1.0mm。
  7. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之結晶質膜的 製造方法，其中將上述脈衝雷射光對上述非晶質膜一面相對地掃描一面進行上述照射，且將該掃描速度為50mm/sec~1000mm/sec。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之結晶質膜的製造方法，其中藉由利用光學系統將上述脈衝雷射光進行光束整形而使其成為長方形或者線光束狀，使該光學系統高速移動而進行上述掃描。
  9. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之結晶質膜的製造方法，其中藉由上述結晶化而獲得尺寸為小於等於50nm且無突起的微結晶。
  10. 一種結晶質膜的製造裝置，其包括：脈衝雷射光源，其輸出波長為340nm~358nm的脈衝雷射光；光學系統，其將上述脈衝雷射光導引至非晶質膜上而進行照射，其中上述非晶質膜為非晶矽膜；衰減器，其對自上述脈衝雷射光源輸出的上述脈衝雷射光的衰減率進行調整，以使上述雷射光以130mJ/cm2 ~240mJ/cm2 的能量密度照射至位於未經加熱的基板的上層的上述非晶質膜上；以及掃描裝置，其使上述雷射光對上述非晶質膜相對地移動，以使上述脈衝雷射光在上述非晶質膜上於1發~10發的範圍內進行重疊照射而獲得小於等於50nm的結晶粒。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之結晶質膜的製造裝置，其中上述脈衝雷射光源是輸出脈衝頻率為6kHz~10 kHz的脈衝雷射光。
  12. 如申請專利範圍第10項或第11項所述之結晶質膜的製造裝置，其中上述光學系統對上述脈衝雷射光進行光束整形而使其成為短軸寬度小於等於1.0mm的長方形或者線光束狀。
  13. 如申請專利範圍第10項或第11項所述之結晶質膜的製造裝置，其中上述脈衝雷射光源是輸出脈衝寬度為5ns~100ns的脈衝雷射光。
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