[发明专利]激光退火方法以及激光退火装置

说明书

技术领域

本发明涉及对非单晶半导体扫描直线束形的脉冲激光并进行多次重叠照射从而实现非晶膜的结晶化或结晶膜的改性的激光退火方法以及激光退火装置。

背景技术

通常用于TV或PC显示器的薄膜晶体管由非晶(amorphous)硅(下面称为a-硅)构成，但通过以某些手段使硅结晶化(下面称为p-硅)而利用，可以显著提高作为TFT的性能。目前，作为低温下的Si结晶化工艺的准分子激光退火技术已被实用化，被频繁利用于面向智能手机等小型显示器的用途，针对大屏幕显示器等的实用化正进一步实现。

该激光退火方法的构成是，通过在非单晶半导体膜上照射具有高脉冲能量的准分子激光，使吸收了光能的半导体成为熔融或半熔融状态，之后在冷却凝固时结晶化。此时，为了处理广泛的区域，例如沿着短轴方向相对扫描并进行照射调整为直线束形的脉冲激光。通常，通过使设置了非晶半导体膜的设置台移动来进行脉冲激光的扫描。

在该激光退火处理中，通过光学体系将激光束形状调整为规定形状，使射束强度在射束截面上保持相同(顶部区段：平坦部)，进而根据需要将射束进行聚焦而照射在被处理物上。

作为射束形状的一种，已知在射束的剖视下具有短轴宽度和长轴宽度的直线形状，通过将其沿短轴方向扫描并照射被处理物，能够对被处理物的广大面积一并进行高效处理。但是，即使在顶部区段呈直线束形，但经过各种光学构件等，也会在短轴方向以及长轴方向的边缘部上具有能量强度向外侧递减的部分(称为陡峭部)。

在专利文献1中，以经聚焦的激光的周边部产生按高斯分布强度变弱的区域而导致线端部的切割不明确的问题作为课题，在聚焦至100μm后，在离开被加工面的位置上配设掩模，根据该掩模的图案形状，例如相对于100μm×30cm的范围制成20μm×30cm的极细开沟图案以使边缘部的端部明确。

另外，在专利文献2中，通过使直线束穿过狭缝来规定线宽，得到具有大致尖锐的边缘(edge)的平坦性质(第0011段落)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本专利特开平5-206558号公报

专利文献2:日本专利特开平9-321310号公报

发明的揭示

发明所要解决的技术问题

但是，即使使用掩模或狭缝、或者各种光学体系，也难以使陡峭部完全消失。该陡峭部的消减可以通过光学构件的设计等来实施，但如果想要通过光学构件的设计等使陡峭部过度消减，则如图8所示，脉冲激光150的射束强度分布中平坦部151的短轴方向端部会局部形成强度急剧增加的强度凸部151a。另外，在使用掩模或狭缝的情况下，也会因衍射现象而在透过的激光束的射束强度分布中同样在平坦部151的短轴方向端部形成强度急剧增加的强度凸部151a。专利文献1是在透光性导电膜等加工面上通过紫外线进行直线绘制的方案，上述凸部不会成为特别的障碍。但是，在激光退火中，使用具备平坦部端形成有凸部的脉冲激光的情况下，会产生超出最适合的能量密度范围等退火处理中的问题。

为此，在以往的激光退火中，不使用掩模或狭缝，而是将陡峭部的短轴方向宽度设定成认为在照射激光时相对无碍的70～100μm左右，由此避免强度凸部的出现，且使光学构件的设计变得容易。

但是，根据本发明人的深入观察认识到即使在当前情况下，由脉冲激光照射而结晶化的半导体上仍确认到照射不均，已知该照射不均成为制成器件时对性能产生影响的原因。

根据本发明人的研究，认为上述照射不均的原因在于直线束的扫描方向端部的多晶硅膜的隆起部在每次照射中不均匀地形成。该部分相当于由激光照射形成的半导体膜的熔融部和未照射到具有半导体膜熔融所需的足够强度的激光而保持固体的部分的分界线。认为该隆起随照射能量的强度成比例地增大。即，随着照射能量的增加，在半导体膜的膜厚方向上发生熔融，而且整个膜熔融之后成为液体的半导体膜层的温度也增大。认为该液相部分随着温度的降低而结晶化时，在温度先开始下降的固液界面即直线束短轴边缘部的液体被吸引并固化，由此生成隆起。只要该隆起部以规定的间隔以同等的高度形成，照射不均就并非很显眼。

但是，如果激光的输出能量发生变动，则如图9所示，陡峭部的斜率也变化，对半导体膜的退火产生影响的区域(例如熔融阈值以上的区域)的短轴宽度也变化。图9所示的射束强度分布中，在射束强度变动+10％的情况下，具有100μm的陡峭部的射束强度分布中，熔融阈值区域的短轴宽度在两端分别增加3％。由此非单晶半导体上的熔融宽度变动，因此前述隆起部发生高度以及间隔的错乱并作为照射不均而呈现。