CN1574213A - 结晶装置，结晶方法，薄膜晶体管的制造方法、薄膜晶体管和显示装置 - Google Patents

Abstract

在以高空间分辨率和高时间分辨率实时监视的同时，使一个半导体薄膜结晶的一种激光结晶装置(1)和方法。在一个包括用一束具有光强分布的脉冲激光照射一个半导体薄从而使该薄膜融化和以横向生长晶粒的方式结晶的结晶光学系统(20)的激光结晶装置(1)中，装置(1)包括一个位于激光光程之外的照明光源(42)，一个包括在中心部分提供激光光程并将照明光导引到薄膜(35)的环形光学元件(52、54)的照明光学系统(40)，和一个观察光学系统(60)，该观察光学系统(60)放大透过薄膜(35)透射的照明光，拾取正在横向生长的颗粒的一幅图象，并显示该图象。

Description

结晶装置，结晶方法，薄膜晶体管的制造 方法、薄膜晶体管和显示装置

技术领域

本发明涉及一种结晶装置、一种结晶方法、一种薄膜晶体管的制造方法、一种薄膜晶体管和一种显示装置，特别地，涉及一种结晶装置和方法，所述结晶装置和方法能够实时观测和监视半导体薄膜是怎样被融化和结晶的，和一种薄膜晶体管的制造方法、一种薄膜晶体管以及一种用由该结晶装置和方法制造的半导体薄膜对其进行处理的显示装置。

背景技术

使用结晶技术使半导体薄膜结晶形成薄膜晶体管，所述薄膜晶体管用在例如液晶显示装置或有机场致发光显示装置中；该结晶技术包括用一能量束，例如，一束高能量的激光如短脉冲激光使半导体薄膜融化和结晶。发明人已经在研制大屏幕的液晶显示装置。例如，在液晶显示装置中，用于象素部分的开关装置由薄膜晶体管组成。因为开关装置必须能够高速运转，所以将开关装置形成在结晶的硅薄膜中，以使有大的粒度。结晶的硅薄膜是通过一种激光结晶技术使形成在支撑衬底如大的玻璃衬底上的非晶硅薄膜结晶来形成的。

在上述结晶技术中，有一种技术引起了相当多的关注，该技术通过应用相位一调制激基激光束(例如，相位调制激基激光束器热处理(PMELA))来实现结晶。PMELA技术是一种通过用一束其相位被移相器调制并且有一个预定的光强分布的脉冲激基激光对硅薄膜，例如，非晶硅膜或多晶体硅薄膜进行照射，从而使其融化和结晶的方法。通过适当地控制结晶过程，能获得具有大的结晶粒度的的结晶硅薄膜。目前研发出的PMELA技术形成一个高质量的结晶硅薄膜，它具有结晶粒度为几μm到10μm的相对均匀的晶粒。通过在一个单一的激基激光束照射操作中在几个平方毫米的区域内融化和结晶一个预定的位置，该结晶硅薄膜得以形成。详细的情况在例如，电子、信息和通信工程师协会期刊，2002年第J85-C卷第8期624-629页上由Kohki Inowe MitsuruNakata和MasakiyoMattsumula等人撰写的“硅薄膜的振幅和相位调制激基激光束融化-再生长方法——一种2维位置控制大颗粒的新的生长方法(Amplitude and PhaseModulated Excimer-Laser Melt-Regrowth Method of Silicon Thin-Films-A newGrowth Method of 2-D Position-Controlled Large-Grains-)”一文中进行了描述。

当前，在一个具有至少几个μm的大的晶粒尺寸的硅薄膜中，一个或更多薄膜晶体管能够形成在一个晶体颗粒中。一个由薄膜晶体管组成的液晶显示装置能够在一个大的屏幕的整个表面上回放均匀的彩色图象并进行高速开关。具有上述特征和大结晶粒度的晶体颗粒的半导体薄膜的制造必须稳定可靠，而且必须对这些半导体薄膜的质量进行适当的管理。

通过目前的PMELA技术，一束可利用的激基激光能量差别仅为5-10％。然而，与激基激光束的稳定性相比，例如，形成一个期望质量的结晶硅薄膜的工艺裕度是非常小的。因此，将这一技术工业化需要增加工艺裕度从而进一步提高和稳定结晶硅薄膜的质量。要做到这一点，希望能够以几个微米的高空间分辨率和大约纳秒的高时间分辨率、实时或者一进行激光照射就开始观察和监视一个正在改变的结晶过程，也即在一个很小的区域，一个硅薄膜是怎样被融化和结晶的。

与这样的现场观测相似，实验的例子被M.Hatano，S.Moon，M.Lee，K.Suzuki，和C.Grigoropoulos在J.应用物理，2000年第87卷第1期36-43页，“硅薄膜融解和再固化过程中的激基激光束感应温度场(Excimer laser-inducedtemperature filed in melting and resolidification of silicon thin films)”一文进行了报道。在该实验中，观察到了硅薄膜的热特性，其中用激基激光束结晶(ELA)技术而未使用相位调制对硅薄膜进行融化和结晶。在该报告中，以大约纳秒量级(此后称为nsec)的高时间分辨率对被融化并结晶的硅薄膜的热特性进行了测量。特别地，一束He-Ne激光(波长：633和1520nm)，作为观察使用的探测光束，从斜上方进行照射到正在融化和结晶的区域上。用铟-镓-砷光电探测器和硅pn型发光二极管对从该区域反射和透射的光束进行探测，以测量硅薄膜的热特性。

在该PMELA中，将一束结晶激光照射到硅薄膜上几十到100nsec，使该硅薄膜融化并结晶。从融化到结晶结束所需的时间为几百nsec。此外，将被观察或监视的结晶区域是非常小的，其尺寸约为几十μm²。然而，M.Hatano等人的方法不能确定非晶硅薄膜的哪一部分被融化了，也就是说，不能确定非晶硅薄膜中被融化的区域。自然，也不能测量到融化区域中的时间变化。在现有技术中，如果在这样一个不能可靠地测定的硅薄膜上制造的硅薄膜晶体管在一个液晶显示装置中用作开关装置的话，开关单元可能导致电特性的故障。

此外，M.Hatano等人的方法不能测量位置信息，而这一信息在晶体生长(横向生长)中是重要的，即，大约1μm²的区域最多1nsec内发生的迅速的改变和在昏暗的光下发生的变化。要通过减小晶体管的尺寸同时增加集成度来实现高性能的显示，在方法开发中、在生产中和在质量管理中检测什么位置被结晶和结晶进行得如何是很重要的。

因此，M.Hatano等人的方法提供了一个高的时间分辨率，但它不可应用于同时满足最多几μm的空间分辨率和高时间分辨率的观察系统。

此外，在激光结晶中，一个非晶硅薄膜横向生长的速度估计为7m/sec。当前报道的晶体结晶粒度为大约几μm。因此，在结晶期间，要实时监视横向生长，最好使用等于某一个时间(10nsec或更短，和不足μm的空间分辨率)的时间分辨率来进行测量，该时间比晶体生长需要的时间至少低一个数量级，晶体生长需要的时间为：

${10}^{-6}m/(7m/\sec )\≅{10}^{-7}\sec =100n\sec$

此外，用一束观察照明光或监视光照射一个结晶区域，并测量来自于结晶区域的反射光的变化，根据这一方法得出的数据显示，相位跃迁(固态-液态-固态)的时间约为10nsec。需要10nsec的1/10，即1秒的分辨率来实时监视结晶期间的横向生长。因此，观察或监视基于该激光结晶方法的横向生长，例如，能够以最多1nsec的时间分辨率进行测量，能够以最多1μm的高空间分辨率进行测量，和能够以极少量的光来测量一个图象的时候就会出现问题。与被测量的时间(秒)和距离(米)的数量级相比，将被测量的光的数量要小得多，即，大约10^-9×10^-6。因此，将被观察或监视的光的数量存在问题。

该发明人一直在研发一种装备一个观察系统的激光结晶装置，更确切地说，是装备一个光学系统的激光结晶装置，该光学系统能够以几μm的高空间分辨率和数量级为nsec的高时间分辨率进行实时观察、或在激光融化期间或之后立即进行观察。要将这一观察系统引入该激光结晶装置，希望能使用一个光学系统，同时校正在一束结晶激基激光(紫外光区域)和一束观察照明光(可见光区域)中的象差。

要达到上面的目标和要求，必须进一步解决下面描述的问题。

从产品效率的观点来看，一个先决条件是PMELA装置中实际使用的镜头能够提供高光强和高占空并使一个大面积曝光。具体来说，在将要结晶的衬底上的激光光强最好约为1J/cm²。因此，与用于大集成电路的使用相似的激基激光束光的曝光装置如校准机或分节器相比，PMELA装置使用没有限制其大频谱宽度(0.5nm)的激光。此外，使用的激基激光束使用的是，例如，氟化氪(KrF)激基激光束或氯化氙(XeCL)激基激光束，波长分别为248nm或308nm。考虑到激光的这些波长，可利用的镜头材料受到限制；最好用UV级的人造水晶或氟化钙(CaF₂)。此外，依据耐热性，具有如用于可见光的显微透镜的涂浆(pasted)镜头的配置不是最可取的。因此，设计镜头时的自由度是有限的。

此外，在使用相位调制元件例如，一个移相器的结晶过程中，用具有预定光强分布的激光对在其上执行结晶过程的衬底进行照射。特别地，例如移相器中的掩蔽图型以大约几μm的高分辨率传送到衬底上，以致掩蔽图型在衬底上的尺寸变小或保持不变。因此，用在PMELA装置中的透镜(透镜组)必须经过紫外光区域色象差和畸变象差等的校正。如果这个单一的光学系统不仅用于激基激光束还用在显微镜观察使用的可见光，两个波长区域，即紫外光区域和可见光区域的象差必须同时校正。这是很难实现的。例如，纵然色象差能够成功地得到校正，也必须增加透镜的数目。那么，被透镜吸收的光数量也随之增加从而减少了到达衬底的激光光强。这与增加光强的需求是相反的。

此外，在用于一个表现出前面描述的性能的激基激光束的结晶光学系统中，一束透射的可见光不利地具有一个降低的分辨率。特别地，分辨率与光的波长成比例。因此，对于波长两倍于一束激基激光束束(波长：248-308nm)的可见光(波长：480-600nm)来说，当激基激光束的分辨率为2μm时，可见光的分辨率降低为4μm，表明能被可见光分辩的最小范围是激基激光束的两倍。因此，不可能获得最多1μm的分辨率，这一分辨率需要用来观察或监视几μm的结晶区域

需要与一个极短时间(nsec)相等的时间分辨率来实时观察或监视形成在衬底上的半导体薄膜是怎样被融化和结晶的。因此需要用一个适于短时间观察的高亮度观察照明光源或监视光源。当通过用于激基激光束的许多光学透镜施加用作观察照明或监视光的可见光时，不利地，不仅光量减少，而且紫外光固有的成像特性也退化了。

也就是说，满足上述要求的光学系统必须能够稳定地用在一激基激光束(波长：例如，248nm)和一个观察照明或监视光，例如，可见光(波长：例如，480-650nm)的至少两个不同的波长下，所述激基激光束具有高光强(例如，在衬底上至少1J/cm²)、大的照射面积(例如，至少5×5mm²)和高占空(如激光操作频率为至少100Hz)。

在本发明中，半导体薄膜的结晶是通过将一具有预定光强分布的能量束，例如，通过相位调制而具有预定光强分布的一束脉冲激基激光，照射到半导体薄膜上来实现的。被照射的半导体融化并结晶，其中，能量束的能量分布对所述结晶进行横向控制。本发明使以几μm的高空间分辨率和数量级为nsec的高时间分辨率实时或一进行脉冲激光束照射就开始观察或监视半导体薄膜是怎样被融化并结晶的成为可能。例如，通过在观察或监视的结果的基础上对一个结晶过程进行控制，可以稳定该结晶过程。因此，可以提供一使一个高质量的半导体薄膜能够有效地结晶的结晶装置和方法、一个薄膜晶体管、一种薄膜晶体管的制造方法和一种使用用该结晶装置和方法在半导体薄膜上制造的、使用该薄膜晶体管的显示装置。

发明内容

通过本发明的一种结晶装置和方法、一种薄膜晶体管、一种薄膜晶体管的制造方法和一种显示装置解决前面描述的问题是可能的。

一方面，在包括一个结晶光学系统的激光结晶装置中，所述结晶光学系统用一具有预定光强分布的脉冲激光照射形成在衬底上的薄膜，从而一进行脉冲激光照射之后就开始使薄膜融化并使薄膜生长晶粒横向结晶，该装置包括一个设置在激光的光程之外的照明光源，该光源发出一观察照明光来照射薄膜；还包括一个照明光学系统，该光学系统包括一个环形的光学元件，它在中心部分提供激光的光程，和将来自照明光源的照明光沿着光程引导到薄膜上；和一个观察光学系统，其放大从包括薄膜在内的衬底透过来的光、拾取横向生长的晶粒的图象并显示该图象。

另一方面，在一个包括一结晶光学系统的激光结晶装置中，所述结晶光学系统用具有预定光强分布的脉冲激光照射形成在衬底上的薄膜，从而使薄膜融化并结晶，其中固态-液态界面在脉冲激光照射后立即开始横向移动，该装置包括一个设置在激光的光程之外的照明光源，该光源发出一观察照明光来照射薄膜；还包括一个照明光学系统，该光学系统包括一个环形的光学元件，其在中心部分提供激光的光程，和将来自照明光源的照明光沿着光程引导到薄膜上；和一个观察光学系统，其放大从包括薄膜在内的衬底透过来的光、拾取正在横向移动的固-液界面的图象并显示该图象。

另一方面，一种激光结晶方法包括发出具有预定光强分布的脉冲激光的步骤；用该脉冲激光照射形成在衬底上的薄膜从而使该薄膜融化并结晶的步骤，其中，固-液界面在被脉冲激光照射后立即开始横向移动；使用同轴设置在激光光程周围的一环形光学元件，沿着激光的光程以一环形观察照明光照明被激光照射的一区域以内部通过该激光的步骤；使透过该薄膜透射的照明光放大并成像，拾取正在横向移动的固-液界面的图象的步骤，和显示拾取的图象。

另一方面，一种激光结晶方法包括用具有预定光强分布的一能量束照射一薄膜从而融化该薄膜并在一冷却过程中使该薄膜结晶的步骤；拾取薄膜中被该能量束照射的区域或该区域背面的图象的步骤；将拾取的光学图象转化为随时间而变化的电信号；和输出来自于该电信号的关于结晶的监视信息，其中监视信息在预定的第一方向被扩展。

另一方面，一种激光结晶方法包括用具有预定能量分布的一能量束照射一薄膜从而融化该薄膜并在一冷却过程中使该薄膜结晶的步骤；拾取薄膜中被该能量束照射的区域或该区域的背面的图象步骤；和存储一拾取的关于正在横向移动的固-液界面的该结晶的信息的步骤。

另一方面，一种制造薄膜晶体管的方法，其中，薄膜晶体管形成在一个结晶的半导体薄膜上，在形成该结晶的半导体薄膜时，用具有预定能量分布的一能量束照射一非单晶半导体薄膜从而融化该薄膜并在一冷却过程中使该薄膜结晶，用一高速扫描照相机拾取被融化和结晶的薄膜的图象，使薄膜中的预定区域结晶，同时监视该结晶。

另一方面，一种形成在一半导体薄膜上的薄膜晶体管，其中，通过用具有预定能量分布的一能量束照射非单晶半导体使该薄膜融化并通过在一冷却过程中结晶来形成所述薄膜晶体管，其中，被结晶的半导体薄膜形成在非单晶半导体薄膜中的预定区域，同时监视被融化和结晶的薄膜。

另一方面，一个显示装置包括结合在一起并具有一预定的间隔的一对衬底和容纳在该间隔中的电光物质，其中一个对置电极形成在一个衬底上，一个半导体薄膜形成在另一个衬底上，还包括象素电极和形成在半导体薄膜上的、驱动该象素电极的薄膜晶体管，其中，在非单晶半导体薄膜中的预定区域，半导体薄膜被结晶，同时拾取被融化和结晶的非单晶半导体薄膜的图象和监视该结晶。

附图说明

包括在说明书中并作为说明书的一部分的附图，说明了本发明的实施例，并且与上面给出的概述和下面给出的详细实施例描述一起，用来解释本发明的原理。

图1示出了本发明第一实施例的一个结晶装置的结构图；

图2示出了图1中的均化器的结构图；

图3是一个显示具有一个将被结晶的半导体薄膜的一个衬底的实施例的截面图；

图4A和4B是显示根据本发明第一实施例的观察照明光学系统的变型的构造图；

图5是作为图1中的光电探测器的一实施例的条纹管的结构图；

图6是用图1中示出的装置观察一个半导体薄膜的融化和结晶的操作计时的一个例子的图表；

图7示出了图1中的显微镜观察光学系统的显示装置上显示的图象的实施例；

图8示出了根据第一实施例的校正衬底的相对于一个成像位置的垂直失准的过程的实施例的流程图；

图9示出了根据第一实施例的校正衬底的共面失准过程的实施例的流程图；

图10是根据第一实施例的结晶装置的变形的结构图；

图11是根据第一实施例的显微镜观察光学系统的变形的结构图；

图12是通过图11显示的第一实施例的变形观察到的2维图象的实施例的视图；

图13A和13B是图解本发明第二实施例的一个结晶装置的结构的示例性示意图；

图14是根据第二实施例，观察或监视半导体薄膜中通过用结晶激光进行照射引起的融化区域中的时间变化的方法的实施例的透视图；

图15是显示观察或监视图14所示的半导体薄膜的融化区域中的时间变化的方法的视图；

图16是显示一个根据第二实施例的监视装置的例子的视图，该监视装置观察或监视半导体薄膜中通过用结晶激光进行照射引起的融化区域中的时间改变；

图17是显示一个根据第二实施例的监视装置的另一个例子的视图，该监视装置观察或监视半导体薄膜中通过用结晶激光进行照射引起的融化区域中的时间改变；

图18A-18F是显示根据本发明的制造半导体薄膜晶体管的步骤的截面图；

图19是根据本发明的一个显示装置的实施例的平面图；及

图20是说明本发明的一个实施例的包括一个薄膜晶体管部分的液晶显示装置的截面图。

具体实施方式

参考附图，将对解决上述问题的一个实施例的结构的一个例子以及应用实例给出描述。

(第一实施例)

根据第一实施例的一个激光结晶装置1包括一个实时观察或监视一个半导体薄膜的结晶过程的装置。该激光结晶装置1将具有预定光强分布的脉冲激基激光束照射到形成在衬底32上的半导体薄膜上来使该半导体薄膜融化。监视装置实时观察或监视融化的半导体薄膜一进行激光照射后立即开始的由晶粒的横向生长引起的结晶。

如图1所示，激光结晶装置包括一个结晶光学系统20和一个显微镜观察系统或监视装置40。结晶光学系统20用激光照射衬底32上的预定区域来使形成在衬底32上的半导体薄膜融化并结晶。显微观察系统或监视装置40观察半导体薄膜上正在融化和结晶的区域。显微观察系统40进一步包括一个用于施加一束观察照明光或监视光的观察照明光学系统或监视光照明光学系统42和一个用于观察半导体膜是怎样融化并结晶的透射式显微观察光学系统或监视部分60。本实施例的特征在于，因为结晶光学系统20中的成像光学系统30具有长的焦距(50-70mm)，用于例如，一高亮度可见光的一个独立的观察照明光学系统42同轴地位于成像光学系统30和衬底32之间的空间中。即，观察照明光学系统42独立于用于结晶的成像光学系统30。

这个实施例是特征在于结晶区域中的变化实时显示在，例如，监视屏幕74c上的一个激光结晶装置和方法。这一改变发生在用观察照明光或监视光照射的μm级区域中，该变化仅仅持续几百ns。使用这一装置和方法，用光例如脉冲激基激光束对待被结晶的衬底32上形成的半导体薄膜中的约为例如4-25mm²的区域进行照射，使其为融化并凝固结晶。

拾取在这样一个非常细微的区域中的快速变化的图象的显微观察系统或监视装置40的特征在于，结晶光学系统20形成在一个中心轴，且组成所述观察照明光学系统或监视光照射光学系统42的一个环形光学系统52、54位于结晶光学系统20的光程的周围。环形光学系统52，例如，一个环形反射镜，同轴地将观察照明光引导到结晶激光的周围。并且最好为单环形光学透镜的环形光学系统54将环形照明光聚焦到衬底32上。尽管可以使用具有多个环形透镜的物镜，但从光学性能和成本的角度来看是不实际的。这一环形光学系统52、54使以高空间分辨率和高时间分辨率来进行观测能够实现。关于用结晶激光进行照射的区域的状态变化的信息可以存储在图象处理单元74的存储部分74b，例如一个存储器中。可能将被照射的区域的状态变化作为静止图象或移动图象显示在监视器屏幕74c上，且在监视操作员期望的条件下，例如，以期望的速度，在结晶后即刻开始显示或实时显示。

图1中的激光结晶装置1将相位调制单元28的图象以减小的尺寸进行投影，激光结晶装置1包括透射型显微观察系统或监视装置40。该激光结晶装置1也具有在通过显微观察系统40进行观察的结果的基础上，校正将被结晶的衬底32的水平和/或共面失准的功能。

特别地，激光结晶装置1包括形成一个用于结晶的结晶光图型以生长大尺寸的晶粒的结晶光学系统20，观察照明光学系统或监视光照明光学系统42，它的主要部分安装在结晶激光的光程周围以形成一个观察环形光，一个显微观察光学系统或监视部分60，其观察一个经历结晶过程的区域，一个计时控制部分10和一个台驱动部分12。

结晶光学系统20包括一个激光源22，一个光束扩展器24，一个均化器26，一个相位调制单元28，例如一个移相器，一个成像光学系统30和一个将衬底32导引到预定位置的衬底保持台38。光束扩展器24扩展来自激光源22的脉冲激光，且和均化器26使共面的光强变为一致。然后将激光照射到相位调制元件28，如移相器。透射通过移相器28的光是具有预定光强分布的调制光，例如，为反转峰值图型。成像光学系统30，例如一激基成像光学系统将这一调制光以减小或相等的尺寸投影到衬底32上。

激光源22输出功率为，例如1J/cm²的激光，其足以使形成在衬底32上且不是单晶体的半导体薄膜，例如一非晶半导体薄膜或一多晶半导体薄膜融化。该激光最好为，例如，波长为248nm的氟化氪(KrF)激基激光束或波长为308nm的氯化氙(XeCl)激基激光束。其它可使用的能源光束光源可以是一个氟化氩(ArF)激基激光束、氩(Ar)激基激光束、YAG激光束、离子光束、电子光束或来自于氙(Xe)闪光灯的光。例如，激基激光束源22是一个脉冲振荡型的光源，其振荡频率为例如，100-300HZ、脉冲宽度的1/2例如为20-100nsec。当前实施例使用的是脉冲宽度的1/2为25nsec的KrF激基激光束。照射到衬底32上的KrF激基激光束具有约为1J/cm²的光能。假定振荡频率设置在例如100HZ，并且用激基激光束照射的区域面积为2×2mm²，用衬底保持台38例如以2mm的增量移动衬底32的同时，激基激光束被逐步地施加，衬底32的行进速度为200mm/sec。

光束扩展器24扩展入射的激光。如图2中所示，光束扩展器24由用于扩展的凹透镜24a和使入射光束平行的凸透镜24b组成。均化器26具有确定入射激光在X方向和Y方向的横截面的尺寸和使光束强度在确成形状内部分布均匀的功能。例如，许多X方向的柱面透镜被配置在Y方向以形成许多沿Y方向排列的光束。然后X方向的聚光透镜被用来重新分配Y方向的光束。同样，许多Y方向的柱面透镜安装在X方向以形成许多沿X方向排列的光束。然后Y方向的聚光透镜被用来重新分配X方向的光束。也就是说，均化器26由第一均化器和第二均化器组成，其中所述第一均化器由第一复眼透镜26a和第一聚光透镜26b组成，第二均化器由第二复眼透镜26c和第二聚光透镜26d组成。第一均化器使沿Y方向入射到移相器28上的激光束的光强分布均匀。第二均化器使沿X方向入射到移相器28上的激光束的光强分布均匀，并且设置激光到移相器28的一个入射角。相应地，KrF激基激光束被均化器26调节为具有预定角展度和均匀的局部光束强度的激光，然后照射移相器28。

移相器28是相位调制元件的一个例子，由例如，一个阶梯式(stepped)石英玻璃衬底组成。移相器28使激光发生衍射，并在阶梯边界处发生干涉以建立激光光强的周期性的空间分布。例如，每一个移相器28被提供有跨越一阶梯的180°的横向相差。具有180°的横向相位差的移相器对入射光进行相位调制来获得线对称的反转峰值样的光强分布。当激光的波长定义为λ，移相器的透明衬底的折射率定义为n，一阶梯(厚度差)d由d＝λ/2(n-1)决定。在该等式的基础上，例如通过形成与石英玻璃衬底上的预定相位差相应的阶梯(step)，可以制造该移相器28。通过有选择性的蚀刻或FIB(聚焦的离子束)蚀刻，能够形成石英玻璃衬底上的这些阶梯。例如，假定石英衬底具有1.46的折射率，由于XeCl激基激光束的波长为308nm，那么需要334.8nm的阶梯以提供180°的相位差。移相器28具有这样的阶梯从而对入射光进行相位调制以形成一个反转峰值样光强分布。移相器28从而将激基激光束的相位移动一个与半个波长相等的量。结果是，照射到半导体薄膜上的激光具有反转峰值模式的光强分布，其中，与相位移动部分相对应的光强变为最小值。这一方法能够获得预定的光束强度分布，而无需使用一束激基激光掩模如用在其它方法中的金属图型。

象差校正激基成像光学系统30形成透射通过移相器28到衬底32上的激光的图象。所述衬底处于与移相器28共轭的位置，以致图象具有预定的光强分布。该成像光学系统30由一组透镜组成，如许多氟化钙(CaF₂)透镜和合成石英透镜。成像光学系统30是一组长焦距透镜，具有如下性能，如：1/5的压缩比，0.13的数值孔径，2μm的分辨率，±10μm的景深和50-70mm的焦距。

成像光学系统30使移相器28和衬底32设置为光学上的共轭关系。换言之，衬底32放置在光学上与移相器28共轭的一个平面上(成像光学系统的一个成像平面)。成像光学系统30包括位于两个透镜之间的一个孔径。

如图3所示，待结晶的衬底32一般包括一个支撑衬底33，例如，一个透明的玻璃衬底，一个塑料衬底，或者一个半导体衬底(晶片)例如硅，借助于一绝缘薄膜34，一个处理薄膜35，例如，一个半导体薄膜(例如，一个非晶硅薄膜，一个多晶硅薄膜，一个溅射硅薄膜，一个硅锗薄膜，或一个脱氢非晶硅薄膜)形成在该支撑衬底上，并在处理膜35上提供一绝缘膜36作为覆盖膜。当前实施例中使用的衬底32是一个形成在一玻璃衬底上具有期望厚度如50nm的脱氢非晶硅薄膜。衬底32可去除地保持在衬底保持台38上，为了将衬底保持在预定的位置，衬底保持台能够在X、Y、和Z方向移动。

如上所述，激光结晶装置1是一个投影型结晶装置，其使用移相器28对被均化的脉冲激光进行相位调制从而形成一具有反转峰值样光强分布的结晶脉冲激光，然后用该脉冲激光照射衬底32。在进行脉冲激光照射之后，被脉冲激光照射的半导体薄膜35立即融化并开始结晶。特别地，结晶开始于被最低激光光强照射的位置。接着固-液界面开始朝被较高强度的激光照射的区域横向移动。从而晶体颗粒以一个非常高的速度横向生长。以这种方式，结晶根据光图型的预定光强分布在一水平方向前进。因此可能形成，例如具有大小为10μm的单晶颗粒的半导体薄膜。这一结晶过程发展得非常快，并且在几百nsec的非常短的时间内结束。为了观察或监视移动的固-液界面内这一非常快的变化和/或晶体颗粒的横向生长，装置1包括显微观察系统或监视装置40。显微观察系统40包括观察照明光学系统或监视光照明光学系统42，其发出观察照明光或监视光，和用于观察和显示的显微观察光学系统或监视部分60。显微观察光学系统60位于保持台38的下面以接收在结晶过程中通过形成在衬底32上的半导体薄膜35透射过来的光，在该结晶过程中，在激光照射后半导体薄膜35立即开始融化并横向结晶。显微观察光学系统60因而可以显微地实时观察、监视或测量结晶过程。(参见图1)其中结晶光学系统20的一部分与观察照明光学系统42的一部分重叠的一个复合光学系统位于保持台38之上，以致显微观察光学系统60能够实现观察、监视或测量。

在观察照明光学系统或监视光照明光学系统42中，观察照明光或监视器光被引导到如图1所示安装在成像光学系统30和衬底32之间的环形光学系统，并且不经过结晶光学系统20。观察照明光学系统42使观察照明光成为环形来照射衬底32。结晶激光的光程形成在环形光学系统的中心轴的周围。该复合光学系统使结晶过程和结晶观察过程能够互不干扰地进行。环形的观察照明光使本发明能够以高空间分辨率和高时间分辨率进行观察、监视或测量。

如图1所示，观察照明光学系统或监视光照明光学系统42包括一个高亮度观察照明光源44，一个光束扩展器50，一个环形反射镜52，和一个环形聚光透镜54。特别地，观察照明光学系统42中的光程由环形光学系统52和54提供，其中每一个具有一个窗孔，为了避免遮住上面描述的激光的光程，一束激基激光束束通过该窗孔。

光束扩展器50扩展来自于高亮度观察照明光源44的观察照明光束或监视光束以获得平行光束。然后，由环形的反射镜52和环形聚光透镜54组成的环形光学系统将该光束转换成环形的观察照明光束。环形的观察照明光沿一结晶激光的光程行进，并以例如与垂线相差7.5°的角度从与结晶激光相同的一侧照射衬底32。环形观察照明光从结晶激光的外部会聚地照射衬底32。即，环形的观察照明光在结晶过程中照射一个结晶区域。该结晶区域是用一束结晶激光照射的区域，使之从融化过程发展到固化过程，接着是结晶的完成。

为了能够以nsec级的时间分辨率进行观察，高亮度观察照明光源44具有非常高的光强。高亮度观察照明光源44例如可能是一个氙闪光灯或发射氩激光、氦-氖(He-Ne)激光或类似的激光的光源。在本实施例中，使用的是具有2μsec的脉宽和60W的功率的氙闪光灯。当一束激光用作光源时，为了使激光横截面之内的光强分布均匀，最好使用一个均化器(未示出)。为了抑制由吸收或反射引起的照明光或监视光的损失，光束扩展器50和聚光透镜54最好由少量的透镜组成。例如，可以使用非球面透镜。环形的反射镜52和环形聚光透镜54必须是环形的。然而，光束扩展器50没有必要一定是一环形的透镜。当反射镜52放置在衬底32上方距离衬底25mm时，环形反射镜52中的窗孔的尺寸可以为刚好通过直径为12mm的激光，如果给出这样的孔径，例如，衬底32上大约5×5mm的区域能够被结晶激光照射，并且到达衬底32的结晶激光的入射角预期是大约7.5°。环形反射镜52和环形聚光透镜54的形状可以是环形或者多边形。

可以不同地构造或使用观察照明光学系统或监视光照明光学系统42。例如，如图4A所示，聚光透镜56可以安装在结晶激光，如一束受基激基激光的光程之外，并且在光束扩展器50和环形反射镜52之间。这一结构使得环形反射镜52能够靠近衬底32安装。因此，可能减小通过结晶激光的窗孔的尺寸。在本例中，因为环形聚光透镜56位于激光的光程之外，所以环形聚光透镜56可以没有窗孔。

可选择地，如图4B所示，具有与图1中环形反射镜52和环形透镜54的组合相对应的功能的一个环形的凹透镜(反射镜)58可用作一个环形的光学器件。如果这样的话，光学器件的数目可以减少一个，成为图1所示的构造。

现在参考图1，将对拾取并显示表明结晶过程状态的图象的显微观察光学系统或监视部分60作出描述。显微观察光学系统60包括一个显微物镜62，其使穿过结晶区域透射过来的观察照明光或监视光，或者一束观察光放大和成像，还包括位于来自于物镜62的观察光的光程上以改变光程方向的一个反射镜64，将观察光形成一个图象的一个成像透镜66，一个光电探测器或者反射光测量装置68，其探测和显示结晶过程区域的通过物镜62和成像透镜66形成的正在变化的图象，一个图象增强器70，一个成像装置72和一个图象处理单元74。

当形成在衬底32上的被融化的半导体薄膜35(例如，一个非晶硅薄膜或一个多晶硅薄膜)被融化时，该薄膜35成为金属性的并且不透射可见光。另一方面，一个未融化的且被固化的硅薄膜可以相当好地透射红色可见光。用被透射的光执行观察的该方法提供一个高的对比度且适合于用来观察半导体薄膜是怎样融化并结晶的。此外，在该透射型显微观察光学系统40中，当观察照明光或监视光从与结晶激光相同的一边几乎垂直地照射到衬底上时，位于衬底32之下的显微物镜42具有一个有利条件，这是因为该透镜的中心部分能够被使用。

在显微观察光学系统或监视部分60中，从衬底32透射的光被显微物镜62收集起来并被反射镜64反射。然后成像透镜66以几μm的高分辨率在一个光电表面68a上形成一幅反射光的图象。光电表面68a是光电探测器或者反射光测量装置68的一个光接收表面。一个缝型的光接收窗形成在光电探测器68的光电表面68a上以观察高速变化的结晶过程。缝型的光电表面68a是一个长方形，例如，宽几mm和长几cm。光电探测器68倍增由与一个入射图象相应的光电表面68a转化的光电子的数目，从而在光电探测器68的荧光屏68c上形成一个高分辨率的图象。图象增强器70于是进一步增加光电探测器68的荧光屏68c上的高分辨率图象的亮度。然后成像装置72拾取高分辨率图象作为图象数据。然后图象处理单元74对图象数据进行信号处理。这一信号处理例如包括图象数据的分析和存储，并在显示部分74c上显示图象数据。

光电探测器或反射光测量装置68最好是一个如图5所示的光电管，例如，一个高速扫描照相机。该高速扫描照相机例如可以是一个条纹管，它能将入射光图象转化为光电子然后又将光电子转换回一个光学图象，并且能被变为一个具有几个纳秒的高时间分辨率的作为时间的函数的一维图象。一般的条纹管是一个具有特定应用的真空管，并被构造为例如图5所示的形式。入射光的图象被缝型的光电表面68a接收。缝型图象是一个来自处于结晶过程的一个区域的一维图象。光电表面68a将入射光的一维图象转化为光电子。由光电表面68a产生的光电子束经过一个扫描电极68b-2。为了在X方向或Y方向扫描光电子束，扫描电极68b-2配置有一对分开的电极。一个扫描电路68b-1施加一个扫描电压SV到扫描电极68b-2上。扫描电路68b-1提供给扫描电极68b-2随时间而变化的扫描电压SV(参见图5和图6)，其由来自定时控制部分10(参见图1)的触发信号P2(参见图5和图6)对其进行定时控制。当光电子束通过扫描电极68b-2时，光电子束被弯曲从而在条纹管68的荧光表面上形成一个投影图象R，所述弯曲依赖于随时间而变化的扫描电压。光电子束的投影图象R在荧光表面68c上显示的位置随时间变化。投影图象R是一个通过在时间上扫描一维缝型图象获得的两维图象，所述一维缝型图象是一个高分辨率图象，它把被光电表面68a接收的图象中的nsec级的时间变量表示成在荧光表面68c上的该位置的变量。为了提高条纹显像管68的灵敏度，至少可以把一个加速电极或者一个电子乘法器68e引入条纹显像管68中。

图象增强器70进一步倍增形成在条纹管68的荧光表面68c上的高分辨率二维图象的亮度，以形成一个被加强的高分辨率二维光学图象。特别地，尽管没有示出，图象增强器70具有下面描述的功能。图象增强器70的成像透镜拾取由条纹管68获得的高分辨率光学图象，然后在图象增强器70的光电表面上形成一个加强的高分辨率图象。光电表面形成在真空容器的内壁。从光电表面发出的光电子被加速、聚集，并且通过形成在真空容器的电子透镜被减小尺寸，以投影到图象增强器70的荧光表面。该荧光表面显示一个图象，所述图象的亮度通过加速和尺寸缩减而被倍增。

成像装置72例如一个二维CCD成像装置拾取显示在图象增强器70的荧光表面上的二维倍增光学图象，并将它转化为图象数据。因为将被CCD装置拾取的图象具有非常小的光量，CCD成像装置72最好抑制暗电流以提高S/N比。因此，最好为一个低温条件下(例如，在零下几十摄氏度和液氮温度之间)使用的冷却式CCD成像装置。

来自于CCD成像装置72的图象数据在图象处理装置74，例如个人电脑中的控制电路74a的控制下被处理并存储。数据处理包括，例如，确定从激光照射开始经过预定时间后已结晶区域的宽度。图象数据和被计算的数据根据需要显示在显示部分74c中，同时它们也存储在存储部分74b，如一个存储器中。负责结晶过程的人可以使用显示在显示部分74c上的数据来监视结晶的进行。此外，因为图象数据存储在存储部分74b中，在控制电路74a的控制下，可以提取一幅期望的图象做为一幅静止的或缓慢移动的图象并显示在显示部分74c上。通过如上所述的内容构造观察系统60，该显微观察光学系统或监视部分60能够实现以nsec数量级的高时间分辨率和几μm的高空间分辨率执行期望的观察或监视。

给激光结晶装置1设置一个定时控制部分10。该定时控制部分10执行不同类型的定时控制，例如，关于结晶激光源22、观察照明光源44、和显微观察光学系统或监视部分60的定时控制。例子在图6中示出。定时控制部分10分别发送触发信号P1和P2(图6(b))到观察照明光源44和一个扫描电压发生器68b，从而开始发射观察照明光或监视光OL和当结晶激光EL(图6(a))的照射脉冲下降时，施加扫描电压SV到条纹管68。一接到触发信号P1，观察照明光源44就发出观察照明光OL(图6(c))。一接到触发信号P2，条纹管68的扫描电压发生器68b就指示扫描电路68b-1产生随时间而变化的时间周期为t_s的扫描电压SV(图6(d))。扫描电压发生器68b从而将扫描电压SV施加到扫描电极68b-2。在施加扫描电压SV之后，定时控制部分10发送触发信号P3到成像装置72。成像装置72然后拾取图象增强器70的荧光表面上的二维图象来作为图象数据。

例如，图7示出了通过上述观察获得的图象数据的一个例子。这一图象数据是通过观察半导体薄膜35的结晶过程而获得的。用具有反转峰值样光强分布的相位调制结晶激光对待结晶的衬底32进行照射。结果，衬底32上的半导体薄膜35中被照射的区域融化。融化温度具有一个反转峰值样的温度分布，该分布中间低，两边高，与照射激光的光强分布相对应。当激光照射结束后，被照射区域的温度降低。冷却期间的温度梯度也与反转峰值样光强分布相对应。凝固或结晶的前端位置根据被控制的温度梯度横向移动。通过同时用由观察照明光源44发出的观察照明光或监视光照射结晶过程区域，显微观察光学系统或监视部分60的成像装置72拾取指示结晶过程的图象。这使得结晶能够被观察或监视到。该观察包括，例如，观察半导体薄膜怎样被结晶。测量例如包括测量结晶区域的尺寸。

在图7中，图象的宽度被部分放大，放大后的宽度为，例如10μm，尽管实际上为几百μm或更多。图象的高度与扫描电压SV被施加的时间相对应，例如，t_s＝300nsec。当被融化时，非晶硅薄膜35成为金属性的并且不能透射可见光。因而，被融化的区域成为一个暗的图象，然而，被结晶的区域变为一个明亮的图象，这是因为其透射可见光。在图7中，暗区代表硅薄膜中融化的区域，而白色区域代表被结晶或凝固的区域。图7中的上端与融化开始的时刻相对应，并且整个图象为暗黑色(阴影区域)。一个明亮的结晶区域随着时间的推移从中心扩展，结晶过程显示为向图7的底端方向进行。视场的中心是同与移相器28改变KrF激基激光束的相位之处对应的部分对准。在这一部分，因为KrF激基的相位被反转到相反的一边，被反转的相位互相之间发生干扰，从而实质上减小激基激光束的光强(理想情况下为0)。因此，在该部分，融化后的温度最低并且硅薄膜结晶的晶核形成被建立。随后，晶体颗粒依照被融化部分的温度梯度横向生长。相应地，结晶区域(阴影区域)随着时间的流逝朝着图底端的方向变得更宽。在本实施例中，由PMELA装置结晶的晶体颗粒的颗粒尺寸为，例如约6μm。

(第一实施例的第一个应用实例)

应用结晶过程观察结果的一个例子是失准的校正，所述失准为衬底32的表面与成像光学系统30的一个成像位置的水平的失准。成像位置的水平的失准的产生是因为下述的几个原因。当衬底32的表面没有与结晶激光，例如激基激光束的成像位置对准时，相位反转部分的激光光强不能被足够的减少。因此，融化后相位反转部分的温度要高于衬底32处于成像位置时融化后相位反转部分的温度。这使得在晶核形成中存在一个延迟，从而结晶的开始也延迟了。此外，不仅在激光相位反转部分而且随机地在其它部分，晶核被建立。从而，正在生长的晶体颗粒互相之间经常碰撞，并且已长成的晶体颗粒的颗粒尺寸减小。也就是说，结晶的多晶硅薄膜质量下降。

因为例如衬底32不是足够的平坦，具有一个大的面积的衬底32被固定从而被偏转，或者成像光学系统30的成像位置由于自身的温度改变而被移动，在结晶过程中，结晶激光，例如激基激光束的成像位置可能发生改变。当施加一高能量的激基激光束时，成像光学系统30使它的温度发生改变(上升)。例如，当成像光学系统的温度改变1℃时，成像位置移动例如10μm。考虑到成像光学系统中的景深例如为±10μm，这一失准不可忽略不计。

图8是校正衬底32的表面与成像光学系统30的成像位置的失准的过程的一个实例的流程图。在步骤81，由结晶激基激光束对衬底32进行照射来融化硅薄膜35。同步地，在定时控制部分10的时间控制下，观察照明光或监视器光照射硅薄膜35中的融化区域。从而，对结晶过程的观察或监视开始。在步骤82，当从用激基激光束照射衬底32开始经过预定时间t_M时，图象处理单元74测量结晶区域的宽度W。特别地，当经过时间t_M时，如图7中央的T-T所示，结晶区域(白色区域)的宽度W被测量。在步骤83，将测得的宽度W与预定宽度W1相比较。如果宽度W大于宽度W1，可以确定结晶正在顺利进行。进入到步骤89。在步骤89，确定对衬底32上待结晶的所有区域来说，该处理过程是否已经完成。如果不是所有待结晶的区域都已经处理完毕，那么在步骤90，衬底32移动到将被结晶激光照射的下一个位置。然后回到步骤81。如果测量宽度W小于宽度W1，那么在步骤84，将测量宽度W与另一个预定宽度W2比较。宽度W2与结晶半导体薄膜35的质量的一个允许下限相对应。如果宽度W大于宽度W2，可以确定结晶过程在一个允许的范围之内。然而，在通过步骤87和88校正衬底32的高度之后，执行下一次的激基激光束照射。如后所述，在步骤87，在Z轴方向待校正的衬底32的高度，即失准量，在观察结果的基础上被计算出来。在步骤88，通过算得的失准校正量，台驱动部分12校正衬底32的高度。于是过程进入到步骤89。在步骤84，如果测得的宽度W小于宽度W2，确定晶体颗粒没有长到足够大。因此，通过步骤85和86，与步骤87和88相似，衬底32的高度被校正。然后回到步骤81，用激光重新照射该区域。

如下所述，在步骤85和87，待校正的衬底32高度的量被计算出来。图象处理单元74预存与衬底32的Z轴方向的给定失准数量(Z-轴失准量)相对应的一组图象。在结晶硅薄膜35的一个观察到的图象图型和存储的失准图象图型的基础上，图象处理单元74使用一个图型识别技术来计算衬底32距正确成像位置的Z轴失准量。算得的Z轴失准量被输入到台驱动部分12。在步骤86和88，台驱动部分12在Z轴失准量的基础上驱动衬底保持台38来校正衬底32在它的高度方向(Z轴)的位置。从而，硅薄膜35与激基激光束的正确成像位置对准。

(第一实施例的第二个应用实例)

应用的另一个实例是用根据本实施例的用于观察被受基激基激光照射的区域的二维图象的激光结晶装置1，来校正衬底32的共面位置即X-Y位置的失准。使用具有由移相器28形成的反转峰值样光强分布的激基激光束的结晶方法的特征在于，结晶颗粒形成的位置能够被预测。为此观察操作，显微观察光学系统或监视部分60应该被放置为使光电探测器68和图象加强器70或者仅仅光电探测器68暂时从成像透镜66的光程中退出，同时成像装置72或图象加强器70移动到成像透镜66的成像位置上。从而，能够拾取到结晶过程中该区域的一个二维图象。

下面将描述用上述构造的观察光学系统60来校正衬底32的X-Y位置的方法。图9是校正衬底32的X-Y位置的过程的一个实例的流程图。X-Y方向的校正能够按下述方法执行。例如，衬底32安装在具有对准标记的X-Y-Z保持台38上的一个预定位置上。在使用这一对准标记作为参考进行精密对准之后，能够执行结晶过程。在步骤91，用结晶激基激光束照射衬底32来使硅薄膜35融化。在步骤92，在结晶过程中的任何时间拾取被激基激光束照射的区域的一个二维图象。然后测量照射图形的X和Y位置。在步骤93，决定是否照射图形和对准标记之间的失准在允许的范围之内。如果失准在允许的范围之内，过程进行到步骤96。如果失准在允许的范围之外，过程进行到步骤94，图象处理单元74自动计算相对于对准标记的失准校正值。于是在步骤95，衬底32在X-Y方向的失准通过台驱动部分12被校正。在步骤96，决定是否在衬底32上的待结晶的所有区域上都已经执行了该过程。如果不是待结晶的所有区域都已经被处理，那么在步骤97，衬底32被移动到将用结晶激光照射的下一个位置。于是过程回到步骤91。

结晶过程显示在显示部分74c上。对准操作能够在屏幕上显示和核对。在每一次结晶激光照射后，失准校正能够自动执行以进行粗细调整。使用对准标记的失准校正结果可以被送到一个随后的光刻过程。

(第一实施例的变形)

图1示出了第一实施例的构造的一个变形。在这个变形中，移相器28和成像光学系统30从图1所示的结构中去除，将衬底32放置在均化器26的成像位置上。与图1中的实施例1相比，本变形能够减少光学器件如透镜的数目，从而施加一个增强光强的结晶激光是可能的。

显微观察光学系统或监视部分60不仅可以被构造为先前描述的结构，也可以部分地省略或不同于先前描述的构造。

在显微观察光学系统或监视部分60的一个变形中，所谓的门控CCD成像装置73能够在省略条纹管68的情况下使用，如图11所示，该门控CCD成像装置73具有一个图象加强器70和一个CCD成像装置72二者相结合的组合功能。该门控CCD成像装置73被放置成拾取一个由成像透镜66形成的二维图象。该门控CCD成像装置73通过一个CCD成像装置拾取在荧光表面上的一个瞬时图象，作为一个二维图象数据。通过仅仅在预定的某个瞬间给一个光倍增器施加一个高电压，来倍增被一个二维光电转换部分接收到的一个图象，并随着时间而变化，在荧光表面上记录该瞬间的二维图象，可以获得荧光表面上的该瞬时图象。因此，与条纹管68的使用相比，不能获得在一个具体区域的连续数据。然而，施加到光倍增器上的高电压能够以几nsecs的时间分辨率被控制。因此，在一个期望的时刻获得一个大面积的二维图象时可能的。

图12显示了根据当前变形的得到的图象的一个实例。上部的图形显示了用激基激光束一开始进行照射时的状态(t₀)。硅薄膜35被照射的区域融化。许多小的融化的区域以矩阵排列。每一个被融化的区域不透射照明光或监视光，因而看起来象一幅黑暗的图象。在该图中，融化的区域画上了阴影线。中间的图形显示了用激基激光束照射后t1时刻的状态。该图形显示结晶(白色区域)从每一个融化区域的中心开始，同时外部保持在融化状态。通过设计移相器28中使用的模式，能够控制结晶区域的形状。中间图形中的左边一个示出了一个例子，其中使用了一个形成方形光强分布的移相器。在每一个被融化的区域，中心的一个方形区域被结晶。中间图形中右边一幅示出了一个例子，其中使用了一个形成线对称的光强分布的移相器。在该图中，每一个被结晶的区域在该图的垂直方向延伸，结晶在水平方向发展。底部的图形显示了用激基激光束照射后t2时刻的状态。结晶已经完成，整个融化区域呈现白色。被融化并结晶的区域具有与未融化的区域不同的光反射和透射特性，所以即使在结晶后，也可以辩认出被结晶区域的边界。

在另一个变形中，条纹管68包括图5所示的加速电极68d和光倍增器68e中的至少一个。如果由条纹管68输出的一个最初的图象对于CCD成像装置72的灵敏度来说具有足够的光强或者CCD成像装置72具有足够高的灵敏度，可以省略图象加强器70。

本实施例不局限于先前描述的实施例。上面的实施例可以进一步变化或部分省略。例如，可以省略校正激光结晶装置1中的衬底32的位置失准的装置。在这种情况下，激光结晶装置1仅仅用来观察或监视在结晶过程中随着时间的推移半导体薄膜是怎样被融化和发生变化的，而不反馈对激光结晶过程的观察结果。

(第二实施例)

根据本发明的第二实施例，一个结晶装置包括用具有一个能量强度分布的能量束进行照射来融化形成在衬底32上的一个半导体薄膜35和在结晶过程中观察或监视半导体薄膜的功能。在该结晶过程中，用能量束进行照射之后，融化的半导体薄膜35立即开始横向结晶。一束观察照明光或者监视光倾斜地照射到衬底32上。然后，在结晶过程中从衬底32反射的光被观察或者监视。

参考图13A和13B，将对根据第二实施例的结晶装置作出简单描述。图13A中的结晶装置3是一个实施例的一个实例，其中，从与用结晶能量束照射的表面相反的背面一边观察或监视结晶过程中的快速改变。在该实施例中，具有一个能量分布的能量束例如是一束相位调制脉冲激基激光。

图13B中的结晶装置5是一个实施例的一个实例，其中，从用结晶能量束照射的前表面一侧观察或监视结晶过程中的快速改变。

如图13A所示，从背面监视结晶的激光结晶装置3由一个结晶光学系统120和位于衬底32的背面之下以监视结晶过程的一个显微观察系统或监视装置140组成。在根据本实施例的结晶光学系统120中，从图1所示的第一实施例中的结晶光学系统20去除成像光学系统30。此外，移相器28接近衬底32放置以使结晶激光形成一个预定的光强分布。结晶光学系统120使用一个光束扩展器24和一个均化器26使来自于一个能量束源，例如激光源22的脉冲激光均匀分布。用移相器28对激光进行调制使其具有一个预定的光强分布，例如，一个反转峰值样图型，然后投射到衬底32的前表面上。在示出的实例中，结晶光学系统120不使用成像光学系统30。然而，自然也可能使用如图1中示出的使用成像光学系统30的结晶光学系统20。

另一方面，从前表面侧监视结晶的激光结晶装置5，如图13B所示，由一个结晶光学系统20和从前表面侧监视结晶的一个显微观察系统或监视装置140构成。根据本实施例的结晶光学系统20可能与根据第一实施例的图1中示出的结晶光学系统20相同。光束扩展器24和均化器26使来自于一个能量束源，例如激光源22的脉冲激光均匀分布。移相器28位于光束扩展器24和均化器26的成像位置。衬底32位于成像光学系统30与移相器28相对的的成像位置并被具有预定光强分布的激光照射。反射型显微观察系统或监视装置140位于成像光学系统30和衬底32之间。显微观察系统140用一束照明光或监视光倾斜地照射衬底32，然后观察或监视一束被倾斜反射的照明光或监视光。从而可能从被一束结晶脉冲激光照射的前表面侧监视在结晶激光照射并横向移动后立即开始的的结晶。

在其上形成有半导体薄膜35的衬底32，被可去除地安装在可在X-Y-Z方向三维移动的衬底控制台38上。衬底32与第一实施例中的衬底相同。衬底32包括支撑衬底33，借助于下面的一层绝缘薄膜34，半导体薄膜35形成在支撑衬底33上。半导体薄膜35被顶层绝缘层36所覆盖。在本实施例中，半导体薄膜35是一个非晶硅薄膜。该非晶硅薄膜通常被氢化。支撑衬底可以是一个透明的玻璃或塑料衬底，一个硅衬底或其它的类似物。在本例中，使用的是一个透明的玻璃衬底。

相同的显微观察系统或监视装置140倒置后可用在图13A和13B中。显微观察系统140包括一个观察照明光学系统或监视光照明光学系统142和一个显微观察光学系统或者监视部分160，所述显微观察光学系统或者监视部分160接收来自于被一束观察照明光或监视光照射的半导体薄膜35的反射光，以监视结晶过程。结晶过程包括从一进行激光照射就开始且然后横向移动的一个横向的晶粒生长或固-液界面的横向移动。

在根据本实施例的显微观察系统或监视装置140中，以非常高的速度发生变化的结晶过程区域，适合用如图1中的高速扫描照相机68进行观察或监视。如前所述，高速扫描照相机68能够获得一个相对于基准时间的来自于衬底32的测量光的光强的时间变量，所述基准时间为例如用结晶激基激光束进行照射的时间

结晶过程的观察或监视输出一个成像信息，在该图象信息中，结晶过程区域的一个图象在晶粒生长的任意一个方向，例如一个水平的或垂直的方向被扩展或压缩。光学装置或电学装置能够用来在水平的或垂直的方向扩展或压缩结晶过程区域的图象。光学装置是，例如在显微观察光学系统或监视部分160中的一个柱面透镜166。电学装置为，例如连接到高速扫描照相机68的输出电路的一个扩展或压缩电路。为了将来自，例如一个微米级区域的微弱的光形成具有有利的S/N比的高速扫描照相机中的一幅图象，在水平或垂直方向扩展或压缩结晶过程区域的图象的装置可能改变在水平方向和竖直方向之间的放大率。即，例如，成像信息的水平信息被放大，同时垂直信息被压缩。结果，可能在纳秒级的时间内拾取到微米级的结晶过程区域的一幅图象。

参考图14，根据本实施例，将对观察或监视硅薄膜35中的融化区域中的时间变化的方法作出描述，其中所述融化区域是因为结晶激光的照射而建立的。用激光进行照射使硅薄膜35中被照射的区域融化。在融化后的冷却和凝固过程中，薄膜35被结晶。要允许晶体在一个期望的方向优先生长，移相器28用来提供融化硅薄膜35时的一个温度分布。在图14所示的例子中，箭头C表示晶体生长优先进行的方向。在激光照射期间，或一被激光照射就开始用一束照明或监视光对半导体薄膜35进行照射。

照明或监视光被半导体薄膜35部分反射。通过一个显微物镜62或柱面透镜166，反射光被利用光电效应的一个光电转换装置接收，例如，光电探测器68的一个光电表面68a，更确切地说，光接收表面68a，所述光接收表面68a是一个感光表面。该光电探测器或反射光测量装置68与图5中所描述的该装置相同。

在图示的例子中，柱面透镜166具有由两个不同曲率的曲线形成的断面形状(与母线垂直)。在这个例子中，通过柱面透镜166的光束被朝着柱面透镜166横断面曲率的内侧方向聚光。然而，在母线的方向，光束保持不变，没有发生转换或扩散。可选择地，柱面透镜166的断面形状可以选择为这样一种形状，该形状使通过柱面透镜166的光束在柱面透镜166的横断面的方向被发散。以这种方式，具有选择的断面形状的柱面透镜166使得通过柱面透镜166的光束能够投影整个光电表面68a。可选择地，通过改变柱面透镜166的位置，可以允许通过柱面透镜166的光束投影整个光电表面68a。

在硅薄膜35中的晶体生长的测量中，通过允许反射光进入柱面透镜166从而将硅薄膜35中的晶粒生长方向与柱面透镜166的母线方向对准，可以提高测量的精确度。在示例中，光电表面68a具有一个被拉长的长方形的平面形状。参考对图5的描述，投射到光电表面68a的反射光被转化为光电子。通过改变它们的行进方向，光电子可以到达荧光表面68c，所述行进方向的改变取决于扫描电极68b-2之间的电压。一个二维图象被记录在荧光表面68c上，该图象代表在结晶过程中沿着结晶生长方向C的时间改变信息。特别地，沿着晶体生长方向的投射到光电表面68c上的反射光的光强分布中的时间改变被测量。可从上述结果确定硅薄膜35中融化区域的时间改变。

在图14所示的实例中，来自于半导体薄膜35的反射光具有基本上为方形的截面形状。通过柱面透镜166的反射光在光电表面68a上具有基本上为长方形的截面形状。半导体薄膜35上X方向的长度L_X与它的Y方向的长度L_Y的比值被转化为，例如，光电表面68a上X方向的长度L_X与它的Y方向的长度L_Y的比值。

在图示的例子中，一通过柱面透镜166，反射光就相对地在与硅薄膜35中晶粒生长方向(箭头C)延伸的假想直线垂直的方向被相对地聚光。这增加了投射到光电表面68a上的光的数量，从而提高测量的S/N比。晶粒生长速度因而可以被精确地测量。

下面将描述一种进一步提高S/N比的方法。在利用由薄膜35反射的光对硅薄膜35的横向生长的测量中，假设硅薄膜35对观察光或监视光的反射比为10％，空间分辨率为0.33μm(为给测量精确度提供足够的余量，它被设置为等于所需的1μm的空间分辨率的1/3，并与大约10个电子的测量精确度相对应)，和时间分辨率为1nsec。那么，如果使用一个仅可能经历统计误差的理想的光电探测器或反射光测量装置68，一个等式被建立，该等式使测量能够以6％的波动被进行。然而，该等式不考虑由反射光测量装置68自身产生的暗噪声(暗电流)。在反射光的实际测量中，波动的振幅可能会增加。

参考图15，将对一个例子作出描述，在该例子中，一束观察照明光或监视光照射硅薄膜上近似X_A[μm]×X_A[μm]的长方形区域，例如，约10μm×约1μm的近似长方形区域A。结晶生长方向由箭头C示出。在一些情况下，X_A[μm]可能为约50μm

观察照明或监视光可能是，例如一束可见激光。在区域A中的一个面积为a(例如，一个约1μm×约1μm的近似正方形部分)的非常小的部分A_a上，监视光的照射功率P为，例如1Mw/μm²。1Mw/μm²的照射功率与用(10^-3/4e^-19)光子/μm²照射相对应。例如，通过照射波长约532nm的(2.5e×15个光子)/μm²的激光，换句话说，照射波长约532nm的每nsec(2.5e×6个光子)/μm²的激光，可以获得该照射功率。

显微物镜62将一束反射光放大，例如300倍，该反射光为被硅薄膜35反射的一束观察照明或监视光。然后，柱面透镜166允许反射光进入光电探测器68的光电表面68a。在光电表面68a上，反射光的横截面为一个近似长方形的X_B[mm]×Y_B[μm]的区域B，更确切地说，为约3mm×约300μm的长方形区域B。

下面对入射到光电表面68a上的反射光通过光电转换获得的电子的数目作出描述。在这种情况下，假定硅薄膜35对观察照明或监视光的反射率为100/％，光学系统中透镜的透射比为10％，和光电表面68a的量子效率(此后称其为QE)为10％。由光电表面68a为具有先前描述的照射功率的观察照明或监视光产生的电子数为每nsec(2.5e×4个光子)/μm²。

在1nsec内在被具有100％反射率的反射表面反射的光量中，统计波动值为((2.5e⁴)^1/2/(2.5e⁴))×100＝0.6％。如果空间分辨率为0.33μm，1nsec内在被具有10％的反射率的反射表面反射的光数量中，统计波动值是((2.5e³)^1/2/(2.5e³))×100＝0.07％。

通过增加观察照明或监视光的照射能量，可以提高测量的S/N比。然而，为了阻止非晶硅薄膜或多晶硅薄膜的质量下降，更确切地说，是被监视光照射的薄膜质量下降，照射能量具有一个上限。该上限值取决于硅薄膜的质量、薄膜厚度和薄膜的图型。例如，如果使用波长为约532nm的激光，对于具有100nm的均匀薄膜厚度且不具有前述图型的硅薄膜来说，直径1μm的每单位照射面积的照射能量的上限值是1mW。

参考图16，根据本实施例，对测量在半导体薄膜35中由结晶激光照射引起的融化区域中的时间变化的一个装置的实施例作出描述，在图16示出的例子中，一个显微观察系统或监视装置用参考标记140表示。一个包括该显微观察系统或监视装置的激光结晶装置一般用参考标记3表示。

该激光结晶装置3包括一个结晶光学系统120，一个可二维地移动一个衬底保持台38的X-Y台驱动装置(未示出)，和一个显微观察系统或监视装置140在所述衬底保持台38上设置有在其上形成有一个半导体薄膜35的衬底。

结晶光学系统120可能由第一实施例中的结晶光学系统20的一部分组成。因此，省略关于它的详细描述。可能用结晶激光对该半导体薄膜35的一个具体的部分进行照射，例如，365mm×400μm的一个带状区域或12mm×12mm的方形区域。

显微观察系统或监视装置140包括一个观察照明光学系统或监视光照明光学系统142和一个显微观察光学系统或者监视部分160。观察照明光学系统或监视光照明光学系统142包括一个观察照明光源或监视光源144，一个成形光学装置146，一个均化器148，和一个聚光透镜或成像透镜154。显微观察光学系统或监视部分160包括一个柱面透镜166，一个光电探测器或反射光测量装置68，和一个图象处理单元或计算装置74。显微观察光学系统160可以进一步包括一个显微物镜62和一个反射镜164。

施加一束来自观察照明光源或监视光源144的照明或监视光，使得该光被会聚在半导体薄膜35上的一个已经用一束结晶激光在进行照射的一个区域。该观察照明光源144包括，例如一束Ar激光、一束He-Ne激光或一束Nd；YAG激光之一。图示的观察照明光源144是一个连续波激光(此后称之为“CW激光”)光源装置，其产生一束S偏振激光或P偏振激光。在图示的例子中，一个波长为约532nm的Nd；YAG激光源用来产生功率为1mW/μm²的的激光。

观察照明光源或监视光源144被连接到一个与结晶激光源22连接的定时控制部分或时间调节装置10(未示出)上。定时控制部分10被提供一个可选择的预置时间来开始产生一束照明或监视光，所述预置时间与开始产生一束结晶激光的时间相关。依照这一设定值，定时控制电路10给观察照明光源144发送一个指令开始发射监视光的信号。在示出的例子中，结晶激光发射开始的同时，定时控制部分10发送给观察照明光源144该指令开始发射监视光的信号。

成形光学装置146将由观察照明光源或监视光源144发射的激光的横截面的形状规定为一个预定的形状。在示出的例子，成形光学装置146将由观察照明光源144发射的激光的截面形状确定为圆形。

均化器148调整通过成形光学装置146的激光从而使激光在其横截面上具有一个均匀的光强分布。例如，来自于光源的一束Nd:YAG激光在其横截面上的光强分布符合高斯分布并且是不均匀的。一通过均化器148，Nd；YAG激光就被调整从而使其横截面上的光强均匀分布。

聚光透镜或成像装置154将照明或监视光会聚在半导体薄膜35上，该光通过成形光学装置146和均化器148并且具有一个有着均匀分布的光强的圆形横截面。在示例中，监视光照射非晶硅半导体薄膜35，以致通过一个玻璃支撑衬底33从衬底32的背面被会聚在该非晶硅半导体薄膜35上。

非晶硅半导体薄膜35至少反射一部分施加到非晶硅半导体薄膜35上的照明或监视光。该反射光又通过支撑衬底33然后被反射镜164反射来改变它的行进方向。然后该光通过柱面透镜166并被投射到光电探测器或反射光测量装置68上。因为硅薄膜一经融化就成为金属性的物质，它反射90％或更多的监视光。然而，在结晶之后，在一个未被融化或被凝固的区域，因为硅薄膜透射大部分的可见光，尤其是红色可见光，该硅薄膜具有低的反射率。因此，通过测量反射光强的分布，可以从结晶区域中分辨出被融化区。

在示例中，柱面透镜166放置在使它的母线与半导体薄膜35和半导体薄膜35中晶粒生长方向(C)平行的地方。通过调整反射镜64的方向，反射光的行进方向能够被正确地改变。一通过柱面透镜166，反射光在与沿着半导体薄膜35中晶粒生长方向(C)延伸的假想直线正交的方向被聚集。

光电探测器或反射光测量装置68在它的光电表面68a接收一束反射光。该反射光是被硅薄膜35反射的观察照明或监视光。如图16所示，光电探测器或反射光测量装置68是，例如使用一个高速扫描照相机的装置，它将光转化为电子，然后又将电子转化为一束光。带状的平面光电表面68a将接收到的反射光转化为与光强相对应的许多光电子。该光电子经过一个被施加随时间变化的电场的扫描电极68b-2，然后转化为时间变化信息，然后到达荧光表面68c上。然后，随着光强分布的时间变化，与形成在荧光表面68c上的光电子强度相对应，更确切地说，是与电子数相对应的一个投影图象被测量。

显示在荧光表面68c上的投影图象可被处理为一个二维的信息。相应地，通过使用成像装置，例如，一个CCD成像装置来拾取投影图象形成数字信息，该数字信息能够被加载到图象处理单元74，然后存储在存储部分74b。该数字图象也可以被控制电路74a，例如一台计算机进行处理。可选择地，数字信息可以被正确地显示在显示部分74c上。

图象处理单元74在与时间分辨率相对应的期望的时刻t1、t2、t3、…从显示在荧光表面68c上的连续二维投影图象中提取许多带状图象数据。接下来，对以模拟方式测量的每一个时刻的投影图象进行图象处理，以确定在该时刻的强度分布。此后，执行一个时间系列处理来计算反射光的光强中的时间变化。在计算结果的基础上，半导体薄膜35中的融化区域内的时间变化在图象处理单元74的显示部分74c上被监视并显示。

图16中的显示装置74c上的一个图象是被图象处理单元或计算装置74显示的测量结果的一个实例。在整个测量周期T，显示投影图象的光强分布的图象表明了测量时间t_n和在纵向上被照明或监视光照射的位置，更确切地说，是和半导体薄膜35中晶粒生长方向C所在的位置之间的关系。在该图中，为便于理解，整个测量周期T是60nsec，并且反射光的强度每隔10nsec采样一次，即在时刻t1、t2、t3、…、t6。整个测量周期和时刻t1、t2、…不局限于这些。在上面的图中，实线代表硅薄膜35被融化，具有一个增加的反射光强，同时虚线代表硅薄膜35处于固态，具有一个减少的反射光强。具体地说，实线代表硅薄膜被融化，处于液态。每一个实线的长度M代表在每一个时刻t1、t2、t3、…、t6的硅薄膜35中的融化区域的宽度。显示部分74c二维地指示了融化区域宽度M的时间变化。

(第二实施例的变形)

参考图17，下面描述观察半导体薄膜35中由结晶激光照射引起的融化区域中的时间变化的显微观察系统或监视装置的另一个实施例。在图17所述的例子中，根据本发明的一个显微观察系统或监视装置用参考标记141表示。柱面透镜166、光电探测器或反射光测量装置68、和图象处理单元或计算装置74与图16中的相似，因而被省略。

显微观察系统或监视装置14的一个观察照明光学系统143包括一个观察照明光源或监视光源144，一个成形光学装置146，一个均化器148和一个显微物镜162。显微观察光学系统161包括也用在所述观察照明光学系统143中的该显微物镜162，一个反射镜164，一个柱面透镜166(未示出)，一个光电探测器或反射光测量装置68(未示出)，和一个图象处理单元或计算装置74(未示出)。

作为该观察照明光源或监视光源144，可以使用上述产生一束激光的激光源。与前面的描述相同，监视光源144被连接到与结晶激光源22相连的定时控制部分10(未示出)。在该图示的例子中，结晶激光发射开始的同时，定时控制部分10发送给观察照明光源144一个指令开始发射照明或监视光的信号。

在本实施例中，成形光学装置146将由观察照明光源或监视光源144发射的激光成形为横截面的形状规定为一个长方形的形状。该长方形具有一个较短的边，和一个比该较短的边长得多得较长的边。均化器148将通过成形光学装置146的激光转换为在其横截面上具有一个均匀的光强分布。

用于成像的显微物镜162在半导体薄膜35上形成一个光的图象，其中所述光为通过成形光学装置146和均化器148后的具有均匀光强分布的板状的照明或监视光。板状照明光的横截面为长方形，短边和长边具有一个特定的比值。在图示的例子中，监视光从背面照射衬底32，从而通过玻璃支撑衬底33被施加到靠近玻璃支撑衬底33的半导体薄膜35的背面。从而，该监视光在半导体薄膜35的背面形成一个横截面为，例如60×1μm的图象。

至少部分施加到半导体薄膜35上的照明或监视光从半导体薄膜35的背面反射回来作为反射光。该显微物镜162也接收来自于半导体薄膜35的反射光。反射镜164是一面可移动的镜子，它能改变其自身反射面的取向。反射镜164在它的反射表面上接收通过显微物镜162的反射光，然后改变该光的行进方向，以致该光行进至光电探测器或反射光测量装置68(未示出)。改变了行进方向的反射光通过柱面透镜166(未示出)并到达光电探测器68。

(薄膜半导体装置的实施例)

现在，参考图18A-18F，下面将描述一个薄膜半导体装置(TFT)形成在一个结晶半导体层上的实施例。通过一个薄膜成形技术，如一个化学汽相沉淀过程或溅射处理，借助于一个下层的绝缘薄膜202，一个由例如非晶或多晶硅203组成的非单晶半导体薄膜203形成在一个支撑衬底201上(例如，由碱玻璃、石英玻璃、塑料、聚酰亚胺或类似物形成的透明长方形衬底)。一个覆盖绝缘薄膜204形成在该非晶硅薄膜203上(参见图18A)。

下层的绝缘薄膜202可能是，例如，厚度为50-100nm的一个SiN或SiO₂薄膜，或者这些薄膜的层叠薄片。该非晶硅薄膜203的厚度为，例如约50-200nm。可以使用其它的半导体薄膜，如Ge或SiGe。

如第一和第二实施例所述，以一束激基激光束205，例如一束KrF或者XeCL激基激光束作为能量束(参见图18B)，对非晶硅薄膜203进行照射处理，同时用显微观察系统或监视装置来观察或监视结晶过程。结果，非晶硅薄膜203以一个被控制的方式被结晶或再结晶，以形成一个结晶硅薄膜206，例如，具有大的单晶颗粒的结晶硅薄膜(参见图18C)。因为通过观察或监视结晶，结晶的硅薄膜206在一个被管理的情况下结晶，硅薄膜206具有一个高的结晶度，即所有被结晶的区域具有均匀的和大的单晶颗粒。

通过光刻法或类似技术，具有大的单晶颗粒的结晶硅薄膜206被处理成岛状的结晶硅薄膜206。覆盖绝缘薄膜204被去除。然后，由SiO₂等材料组成的门绝缘层207形成在包括该岛状结晶硅薄膜206的衬底上(参见图18D)。一个门电极208形成在门绝缘薄膜207上。然后，将门电极用作一个掩模，杂质离子209，如磷或硼，被可选择地注入岛状半导体薄膜206中(参见图18E)。结果，被掺有杂质的一漏极211和一个源极210被形成，且一个沟道212形成在源极210和漏极211之间。然后，一个SiO₂薄膜形成衬底的整个表面，作为层间绝缘体213。然后分别在源极和漏极上的层间绝缘体213内形成接触孔。然后一个源电极214和一个漏电极215分别形成在层间绝缘体213上以致能够通过接触孔与源电极和漏电极电接触(参见图18E)。以这种方式，一个顶栅型TFT200就完成了。

(显示装置的实施例)

现在，参考图19和20，下面将描述一个液晶显示装置301的一个实施例，在所述液晶显示装置中应用了一个包括上述TFT的显示装置。在这些图形中，通过同样的参考标记，表示了与图18中相同的元件。为避免重复，省略了它们的详细描述。在图19和20中，示出了一个显示装置，例如，一个有源的矩阵型液晶显示装置。在图19和20中，省略了一个辅助电容。在该图形中，参考标记300代表一个TFT。在这个实施例中，TFT300是一个具有形成在半导体层下面的门电极208的底栅型TFT的例子，在所述半导体层中形成有源极210和漏极211。TFT不限于底栅型TFT300，也可以使用上述的顶栅型TFT。

如图19和图20所示，液晶显示装置301包括一对前后透明衬底302和303，一个液晶层304，象素电极305，薄膜晶体管(TFT)300，扫描布线306，信号线307，作为连接终端工作的扫描布线终端308，作为连接终端工作的信号布线终端309，一个对置电极310等。

一对透明衬底302和303可能是例如，一对玻璃衬底。该透明衬底302和303将被称为玻璃衬底。该玻璃衬底302和303通过一个框型的密封元件(未示出)连接在一起。液晶层304位于玻璃衬底302和303之间的空间中，并被密封元件包围。

如图20所示，一对玻璃衬底302和303中的一个，例如，后面的玻璃衬底(阵列衬底)302它的内表面上设置有以矩阵形式形成的许多透明的象素电极305在行和列的方向延伸，许多TFTs300连接到各自的象素电极305上，每一个扫描布线306和信号布线307电连接到许多TFTs300上，并且许多扫描布线终端308和许多信号布线终端309形成在衬底302的相应的边缘上。

扫描布线306沿着象素矩阵电极5的各自的行被设置。每一个扫描布线306的一端连接到位于后部衬底302的边缘的许多扫描布线终端308中相应的扫描布线终端。许多扫描布线终端308被连接至一个扫描电路(未示出)。

另一方面，信号布线307沿着象素电极305各自的列布置。每一个信号布线307的一端被连接至位于后部衬底302的边缘的许多信号布线终端309中相应的一个信号线终端上。许多信号布线终端309被连接至一个采样保持电路上(未示出)。

在另一个玻璃衬底，例如前玻璃衬底(对向衬底)303的内表面，提供该透明对置电极310，所述透明对置电极310是一个单薄膜型电极并与许多象素电极305相对放置。此外，可能给前玻璃衬底303的内表面设置与许多象素块相对应的滤色镜和与象素块之间的区域相对应的屏蔽薄膜，在所述象素块中，各个象素电极305与对置电极310相对设置。

一个起偏振片(未示出)被提供在一对玻璃衬底302和303的外部。在透射型液晶显示装置301中，一个平面光源(未示出)位于后部的玻璃衬底302的后面。该液晶显示装置可能是一个反射型或一个半透射反射型液晶显示装置。

在图20中，TFT300是，例如底栅型的TFT。一个层间绝缘体315形成在底栅型TFT300的表面上。该TFT300不局限于底栅型，而是可能是，例如顶栅型的。

如上所述，本发明使得以最多几μm的高空间分辨率和纳秒数量级的高时间分辨率实时或一进行脉冲激光照射就开始观察或监视形成在衬底上的半导体薄膜的结晶过程成为可能。结晶过程包括通过照射具有预定能量分布的能量束，例如，经过相位调制后具有预定光强分布的一束脉冲激基激光束，融化半导体薄膜，和使融化区域结晶以横向生长晶体颗粒，所述晶粒的横向生长收到能量分布的控制。例如，通过在观察或监视的结果的基础上控制一个结晶过程，可以使结晶过程稳定发展。因此，可能提供一种结晶装置和方法，所述结晶装置和方法使一个高质量的半导体薄膜能够有效地被结晶，一种使用这种半导体薄膜的薄膜晶体管，生长一种薄膜晶体管的方法，和使用这种薄膜晶体管的显示装置。

本发明不局限于上述实施例。上述实施例包括不同的级别。因此，通过适当地将公开的大多数构成条件结合在一起，能够提取许多不同的发明。例如，实施例中示出的所有结构条件中的一些可以被省略。

本领域的技术人员将很容易想到本发明另外的优越性和变形。因此，本发明不局限于在此所示和描述的特定细节和代表性实施例。相应地，在不脱离由附加权利要求书及其等效物定义的概括的发明原理的精神或范围的情况下，可以作出各种变形。

Claims (18)

1、一种激光结晶装置，包括一个结晶光学系统，所述结晶光学系统用具有预定光强分布的一束脉冲激光照射形成在一个衬底上的薄膜，从而在一进行脉冲激光照射后就使薄膜融化并使薄膜生长颗粒结晶，所述激光结晶装置包括：

一个设置在激光的光程之外的照明光源，发出一束照明该薄膜的观察照明光；

一个包括环形光学元件的照明光学系统，所述环形光学元件在中心部分提供激光的光程并沿着所述光程将照明光从照明光源引导到薄膜上；和

一个观察光学系统，它将透射通过包括该薄膜在内的衬底的照明光放大，拾取横向生长着的颗粒的图象，并显示该图象。

2.一种激光结晶装置，包括一个结晶光学系统，所述结晶光学系统用具有预定光强分布的一束脉冲激光照射形成在一个衬底上的薄膜，使该薄膜融化并结晶，在所述薄膜中的一个固液界面在一进行脉冲激光照射后就开始横向移动，所述激光结晶装置包括：

一个设置在激光的光程之外的照明光源，发出一束照明该薄膜的观察照明光；

一个包括环形光学元件的照明光学系统，所述环形光学元件在中心部分提供激光的光程并沿着所述光程将照明光从照明光源引导到薄膜上；和

一个观察光学系统，它将透射通过包括该薄膜在内的衬底的照明光放大，拾取横向移动着的固液界面的图象，并显示该图象。

3.根据权利要求2所述的激光结晶装置，特征在于：所述环形光学元件由一个设置在激光的光程周围的环形的反射镜和一个光学透镜构成，该反射镜将来自照明光源的照明光反射并引导至薄膜上。

4.根据权利要求2所述的激光结晶装置，特征在于：所述激光是一束脉冲激基激光，所述结晶光学系统包括一个使激光均匀化的均化器和一个对被均化的激光的相位进行调制来获得具有预定光强分布的一束光的相位调制元件，通过相位调制元件透射过来的激光照射薄膜使其融化，并且在一进行激光照射后所述固液界面就横向移动。

5.根据权利要求2所述的激光结晶装置，特征在于所述观察光学系统包括：

一个透镜，它将形成在衬底上的薄膜的图象放大，并在一个光电表面上形成该图象；

一个光电探测器，它使在光电表面上产生的电子数倍增，并通过输入所述被倍增的电子在一个荧光表面上形成荧光图象；

一个图象增强器，它将来自于光电探测器的荧光图象放大，从而在另一个荧光表面上形成一幅被增强的图象；和

一个成像装置，其拾取图象增强器的荧光表面上的图象。

6.根据权利要求2所述的激光结晶装置，特征在于进一步包括：

一个图象处理单元，对被观察光学单元探测到的图象进行处理；和

一个台驱动部分，它具有在由图象处理单元获得的关于衬底的位置数据的基础上调整衬底的位置的功能。

7.根据权利要求5所述的激光结晶装置，特征在于所述成像装置是一个冷却式的CCD成像装置。

8.根据权利要求2所述的激光结晶装置，特征在于所述薄膜是非晶硅薄膜或多晶硅薄膜。

9.根据权利要求2所述的激光结晶装置，特征在于：所述衬底是透明的玻璃衬底，和所述薄膜是形成在该玻璃衬底上的非晶硅薄膜或多晶硅薄膜。

10.一种激光结晶方法，其特征在于包括：

发出一束具有预定光强分布的脉冲激光的步骤；

用该脉冲激光照射形成在一个衬底上的薄膜来使该薄膜融化和结晶的步骤，其中，在一进行脉冲激光照射后，一个固液界面就开始横向移动；

利用一个同轴地位于激光光程周围的环形光学元件沿着激光光程的环形观察照明光照明被该激光照射的一区域；

将通过薄膜透射的照明光进行放大并成像，且拾取正在横向移动的固液界面的图象的步骤；和

显示被拾取的图象的步骤。

11.根据权利要求10所述的激光结晶方法，特征在于：对薄膜进行激光照射的同时或将激光照射到薄膜上之后，用观察照明光对该薄膜进行照射。

12.根据权利要求10所述的激光结晶方法，特征在于进一步包括：

处理薄膜的图象数据的步骤；

在图象处理结果的基础上计算关于衬底的位置数据的步骤；和

在位置数据的基础上调整衬底的位置的步骤。

13.根据权利要求10所述的激光结晶方法，特征在于：所述衬底是透明的玻璃衬底，和所述薄膜是形成在该玻璃衬底上的非晶硅薄膜或多晶硅薄膜。

14.一种激光结晶方法，其特征在于包括：

用一个具有预定能量分布的能量束照射一个薄膜来使薄膜融化并在冷却过程中结晶该薄膜的步骤；

拾取被能量束照射的薄膜的一个区域或该区域背面的图象的步骤；

将拾取的光学图象转换成随时间变化的电信号；和

输出来自于该电信号的关于结晶的监视信息的步骤，

其中监视信息在预置的第一方向被扩展。

15.一种激光结晶方法，其特征在于包括：

用一个具有预定能量分布的能量束照射薄膜来使薄膜融化并在冷却过程中结晶该薄膜的步骤；

拾取被能量束照射的薄膜的一个区域或该区域背面的图象的步骤；和

存储关于在一个横向移动的固液界面上的结晶的被拾取的信息。

16.一种制造一个薄膜晶体管的方法，其特征在于：在该结晶半导体薄膜上形成薄膜晶体管，并且在形成该结晶半导体薄膜的过程中，用具有预定能量分布的能量束照射非单晶半导体薄膜来使薄膜融化并在一个冷却过程中结晶该薄膜，用一个高速扫描照相机使被融化和结晶的半导体薄膜成像，和当监视该结晶时，使薄膜中的一个预定的区域结晶。

17.一种形成在半导体薄膜上的薄膜晶体管，其中，该半导体薄膜是通过用具有预定能量分布的能量束照射非单晶半导体薄膜来使该薄膜融化并在一个冷却过程中结晶该薄膜而形成的，所述薄膜晶体管的特征在于：

在监视正在融化和结晶的薄膜的同时，在非单晶半导体中的一个预定的区域中形成所述结晶半导体薄膜。

18.一种显示装置，其特征在于包括：

一对结合在一起且带有一个预定的间隔的衬底；和

容纳在所述间隔中的电光物质；其中

在其中一个衬底上形成一个对置电极；

在另一个衬底上形成一个半导体薄膜，象素电极和驱动该象素电极的薄膜晶体管形成在半导体薄膜上；

其中，当拾取被融化和结晶的非单晶半导体薄膜的图象和监视该结晶时，在非单晶半导体薄膜中的预定区域，该半导体薄膜被结晶。

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