TW201421544A - 結晶半導體膜之製造方法以及製造裝置 - Google Patents

Abstract

本發明課題在於將非單結晶半導體膜藉由脈衝雷射的照射而進行結晶化時，防止照射不均產生。解決方法包括：第1步驟，將相較於藉由脈衝雷射的照射而在非單結晶半導體膜上產生微結晶化的照射脈衝能量密度為低，且藉由照射多次N次而適合結晶化的照射脈衝能量密度設為E0，藉由與照射脈衝能量密度E0相同的照射脈衝能量密度E1來照射脈衝雷射；第2步驟，藉由相較於照射脈衝能量密度E1為低，且成為用以使結晶再熔融的必要的照射能量密度以上的照射脈衝能量密度E2來照射脈衝雷射。將對於相同照射面的第1步驟與第2步驟的合計照射次數設為N次以上。

Description

結晶半導體膜之製造方法以及製造裝置

本發明是有關於在半導體膜上多次照射(重疊照射)剖面為長方形形狀的脈衝雷射，並且使其移動，從而進行非晶質膜的結晶化或結晶膜的改質的結晶半導體膜之製造方法以及製造裝置。

一般電視(TV)或個人電腦(personal computer，PC)顯示器所用的薄膜電晶體由非晶(非結晶)矽(以下稱a-矽)所構成，但是藉由任何手段將矽進行結晶化(以下稱p-矽)而加以利用，能夠使作為薄膜電晶體(thin film transistor，TFT)的性能顯著提升。現在已經實用化準分子雷射退火(excimer laser annealing)技術來作為低溫下的Si結晶化製程，且亦頻繁用於智慧型手機等小型顯示器用途，進而往大畫面顯示器等進行實用化。

該雷射退火法為如下流程：藉由對非結晶半導體膜照射具有高脈衝能量的準分子雷射，可使吸收了光能量的半導體成為熔融或半熔融狀態，之後冷卻凝固時進行結晶化。此時，為了處 理廣大的區域，將調整為線型光束(line beam)形狀的脈衝雷射相對地在短軸方向上掃描且照射。通常使設置有非結晶半導體膜的設置台移動而進行脈衝雷射的掃描。

上述脈衝雷射的掃描中，在非結晶半導體膜的同一位置上，以使脈衝雷射多次照射(重疊照射)的方式，使脈衝雷射在掃描方向上依規定的間距移動。藉此，能夠進行尺寸大的半導體膜的雷射退火處理。

而且，使用了現有的線型光束的雷射退火處理中，將雷射脈衝的掃描方向的光束寬度固定為例如0.35mm~0.4mm左右，將每次脈衝的基板傳送量設定為光束寬度的3%~8%左右，於確保多個薄膜電晶體的性能的均一性中，認為必須盡可能地增加雷射的照射次數。

例如，於液晶顯示器(Liquid Crystal Display，LCD)用的半導體膜中，將重疊率設定為92%~95%(照射次數12次~20次、光束寬度為0.4mm時，掃描間距為32μm~20μm)，於有機發光二極體(Organic Light-Emitting Diode)用的半導體膜中，設定為重疊率93.8%~97%(照射次數16次~33次、光束寬度為0.4mm時，掃描間距為25μm~12μm)。

在如此的雷射退火處理中，通常將光束剖面的強度分布設為平坦形狀，從而實現短軸方向、長軸方向的處理的均一性。相對於此，專利文獻1提出有以下方法：由於雷射能量的不均而生成結晶化不良區域，充分的結晶化處理後，藉由以更低能量來 照射雷射，一面維持形成有充分結晶或活性化的部分，一面進行因能量強度的不均而膜質惡化了的部分的再結晶化或再活性化。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開平10-12548號公報

專利文獻1中成為課題的雷射能量的不均起因於雷射光源的輸出不均。該雷射光源的輸出不均藉由振盪電路的改良或雷射光源本身的改良等，可獲得相當的改善，起因於輸出不均的結晶化的不良的課題逐漸變小。並且，藉由多次的重疊，於相同的照射面中，由於脈衝雷射重疊而照射多次，因此由輸出的不均而生成的結晶化不良區域再熔融而結晶化，從而實現不良區域的解除。

但是，根據本發明者等人慎重的觀察，可知現狀即便藉由脈衝雷射的照射，亦能在經結晶化的半導體中識別出照射不均，該照射不均成為原因，從而在製成裝置時對性能產生影響。

根據本案發明者等人的研究，認為上述照射不均為在線型光束的掃描方向(通常為短軸方向)的端部(掃描方向後端側)上形成多晶矽膜的隆起的原因。該部分相當於由雷射照射所產生的半導體膜的熔融部與未經雷射照射而維持固體的部分的界線。該隆起被認為是以照射能量的強度為比例而變大。亦即，隨著照射能量變大，熔融在半導體膜的膜厚方向上進行，且膜全體熔融後，成為液體的半導體膜層的溫度亦增大。認為該液相部分隨著溫度 降低而結晶化時，在溫度更早開始降低的固液界面，即在線型光束短軸端部上液體一面吸附且一面固化，因此產生隆起。另外，認為雷射的能量變動、線型光束短軸形狀的變化、相對於光束進行相對移動的半導體膜的位置混亂等，成為上述「隆起部」的高度或間隔的混亂之照射不均。

因此，只要使照射能量密度降低而照射脈衝雷射，則可降低上述照射不均，但是因此必須在相同的照射面上以更多的照射次數來照射雷射，生產效率變差。另外，若照射脈衝能量密度變得過低，則產生結晶粒徑無法充分變大的問題。

本發明是以上述事情為背景而成者，其目的之一在於提供一種結晶半導體膜的製造方法以及製造裝置，其可以在極力抑制生產性的降低後，解除由脈衝雷射的掃描方向端部產生的半導體膜上的照射不均。

亦即，本發明的結晶半導體膜的製造方法中，第1本發明是在非單結晶半導體膜上一面沿短軸方向相對地掃描脈衝雷射一面重疊照射而進行結晶化的結晶半導體膜之製造方法，上述結晶半導體膜之製造方法的特徵在於包括：第1步驟，將相較於藉由上述脈衝雷射的照射而在上述非單結晶半導體膜上產生微結晶化的照射脈衝能量密度為低，且藉由照射多次N次而適合結晶化的照射脈衝能量密度設為E0，藉由與上述照射脈衝能量密度E0相同的照射脈衝能量密度 E1來照射上述脈衝雷射；以及第2步驟，藉由相較於上述照射脈衝能量密度E1為低，且成為用以使結晶再熔融的必要的照射能量密度以上的照射脈衝能量密度E2來照射上述脈衝雷射，並且對於相同照射面的上述第1步驟與上述第2步驟的合計照射次數為N次以上。

第2本發明的結晶半導體膜的製造方法於上述第1本發明中，其特徵在於：上述適合結晶化的照射脈衝能量密度作為藉由照射多次N次而結晶粒徑成長飽和的照射脈衝能量密度E，且在E×0.98~E×1.03的範圍內。

第3本發明的結晶半導體膜的製造方法於上述第1或第2本發明中，其特徵在於：上述照射脈衝能量密度E2為E1×0.95以上。

第4本發明的結晶半導體膜的製造方法於上述第1~第3本發明的任一項中，其特徵在於：上述合計照射次數為N×1.5以下。

第5本發明的結晶半導體膜的製造方法於上述第1~第4本發明的任一項中，其特徵在於：藉由上述第1步驟來一面掃描上述脈衝雷射一面對相同照射面依序進行N1次的多次照射，之後對上述規定面藉由上述第2步驟來一面掃描上述脈衝雷射一面對上述相同照射面依序進行N2次的多次照射，將上述N1+上述N2設為N次以上來作為上述合計照射次數。

第6本發明的結晶半導體膜的製造方法於上述第5本發明中，其特徵在於：將上述N1設為上述N2以上的次數。

第7本發明的結晶半導體膜的製造方法於上述第1~第6本發明的任一項中，其特徵在於：上述脈衝雷射在掃描方向的光束剖面強度分布中，朝向掃描方向後端的掃描方向後方側具有相較於掃描方向前方側的強度為低的強度，在上述掃描方向前方側根據上述強度進行上述第1步驟的照射，在上述掃描方向後方側根據上述強度進行上述第2步驟的照射。

第8本發明的結晶半導體膜的製造方法於上述第7本發明中，其特徵在於：上述掃描方向前方側的掃描方向寬度為上述掃描方向後方側的掃描方向寬度以上。

第9本發明的結晶半導體膜的製造方法於上述第1~第8本發明的任一項中，其特徵在於：上述脈衝雷射的波長為400nm以下。

第10本發明的結晶半導體膜的製造方法於上述第1~第9本發明的任一項中，其特徵在於：上述脈衝雷射的半值寬度為200ns以下。

第11本發明的結晶半導體膜的製造方法於上述第1~第10本發明的任一項中，其特徵在於：上述非單結晶半導體膜為矽。

第12本發明的結晶半導體膜的製造裝置的特徵在於包括：1個或2個以上的雷射光源，輸出脈衝雷射； 光學系統，調整上述脈衝雷射的形狀而導入至非單結晶半導體膜；能量調整部，調整上述脈衝雷射的照射能量密度；掃描裝置，對上述非單結晶半導體膜相對地掃描上述脈衝雷射；以及控制部，控制上述雷射光源、上述能量調整部及上述掃描裝置，上述控制部執行如下：第1步驟，控制上述能量調整部而調整成與照射脈衝能量密度E0相同的照射脈衝能量密度E1，上述照射脈衝能量密度E0相較於藉由脈衝雷射的照射而在上述非單結晶半導體膜上產生微結晶化的照射脈衝能量密度為低，且藉由照射多次N次而適合結晶化，且上述控制部控制上述掃描裝置，藉由上述照射脈衝能量密度E1一面掃描上述脈衝雷射一面對上述非單結晶半導體膜依序進行N1次(其中N1<N)的多次照射；第2步驟，在藉由上述第1步驟而照射了上述脈衝雷射的半導體上，上述控制部控制上述能量調整部而調整成照射脈衝能量E2，上述照射脈衝能量E2相較於上述照射脈衝能量密度E1為低，且為用以使結晶再熔融的必要的照射能量密度以上，且上述控制部控制上述掃描裝置，藉由上述照射脈衝能量密度E2一面掃描上述脈衝雷射一面對上述非單結晶半導體膜依序進行N2次(其中，N2<N，N1+N2≧N)的多次照射。

第13本發明的結晶半導體膜的製造裝置的特徵在於包 括：1個或2個以上的雷射光源，輸出脈衝雷射；光學系統，調整上述脈衝雷射的形狀而導入至非單結晶半導體膜；強度調整部，在上述脈衝雷射的掃描方向的光束剖面強度分布中，上述強度調整部將上述強度分布以如下方式調整：朝向掃描方向後端的掃描方向後方側的強度相較於掃描方向前方側的強度為低，且由掃描方向後方側的強度產生的照射脈衝能量密度為由掃描方向前方側的強度產生的照射脈衝能量密度的0.95倍以上；能量調整部，調整上述脈衝雷射的照射能量密度；掃描裝置，對上述非單結晶半導體膜相對地掃描上述脈衝雷射；以及控制部，控制上述雷射光源、上述能量調整部及上述掃描裝置，上述控制部執行如下步驟：控制上述能量調整部，在上述脈衝雷射的掃描方向前方側的照射中成為與照射脈衝能量密度E0相同的照射脈衝能量密度E1，上述照射脈衝能量密度E0相較於上述非單結晶半導體膜中產生微結晶化的照射脈衝能量密度為低，且藉由照射多次N次而適合結晶化，在上述脈衝雷射的掃描方向後方側的照射中，調整成照射脈衝能量E2，上述照射脈衝能量E2相較於上述照射脈衝能量密度E1為低，且為用以使結晶再 熔融的必要的照射能量密度以上，上述控制部進而控制上述掃描裝置，一面掃描上述脈衝雷射一面對上述非單結晶半導體膜依序進行N次以上的多次照射。

第14本發明的結晶半導體膜的製造裝置在上述第12或第13本發明中，其特徵在於：上述控制部將上述適合結晶化的照射脈衝能量密度作為藉由多次N次的照射而結晶粒徑成長飽和的照射脈衝能量密度E，且設定為E×0.98~E×1.03的範圍內。

本發明中，與對非單結晶半導體膜以藉由N次照射而適合結晶化的照射脈衝能量密度進行脈衝雷射照射的情況相同，藉由第1步驟與第2步驟，能夠以未產生微結晶的方式，將非單結晶半導體膜良好地結晶化。並且，本發明中，能夠將由脈衝雷射的端部所引起的半導體膜上的隆起部的高度降低。此外，結晶化可使非單結晶的結晶半導體膜成為單結晶，另外亦可使非晶質半導體膜成為多結晶半導體膜，亦可使非晶質半導體膜成為單結晶半導體膜。

照射脈衝能量密度為半導體膜上的脈衝能量密度，於第1步驟中，可使照射脈衝能量密度成為與藉由N次照射而適合結晶化的照射能量密度相同來進行照射。藉此，於第1步驟中可避免微結晶化。此外，第1步驟中的適合結晶化的能量密度可在實現結晶化的範圍內適當地選定。例如，可以設為與藉由多次N次的照射而結晶粒徑成長飽和的照射脈衝能量密度E同程度的照射脈衝能量密度。具體而言，理想的是E×0.98~E×1.03的範圍。若步 驟1的照射脈衝能量密度超過E×1.03，則容易產生由結晶粒徑的粗大化等所引起的不均。另一方面，若小於E×0.98，則結晶粒成長不充分而容易產生結晶粒徑的不均。

而且，第2步驟中，藉由設為照射脈衝能量密度E1以下，且設為用以使結晶再熔融的必要的照射能量密度以上，可降低第1步驟中產生的由脈衝雷射的端部所引起的半導體膜上的隆起部的高度，並且可維持良好的結晶性。此處，第2步驟的照射脈衝能量密度E2必須滿足上述條件，但更理想的是E1×0.95以上。藉此，可使第1步驟及第2步驟的脈衝雷射照射後的結晶粒徑均一且充分地成長結晶。若第2步驟的照射脈衝能量密度過低，若未到達熔融能量密度區域，則無法緩和隆起，另外，即便到達熔融能量密度區域，即便得到隆起的緩和作用，亦無法得到充分的結晶成長，導致結晶粒徑變小。

另外，照射脈衝能量密度E2理想的是設為小於E1×0.98。若照射脈衝能量密度E2與照射脈衝能量密度E1相同，則在半導體膜上再度形成相同的隆起，無法得到隆起的緩和作用。

另外，藉由將合計照射次數設為N次以上，可使結晶粒徑充分地成長。此外，N的數值並無特別限定，就防止由輸出不均所產生的膜質降低的觀點而言，理想的是某程度的次數，例如可設為8次以上。

進而，合計照射次數理想的是設為N×1.5以下。若全照射次數多，則導致生產性降低。就生產性的觀點而言，最理想的合計 照射次數為N次，但可考慮結晶化的狀態而進行選定。

進而，第1步驟的照射次數N1理想的是與第2步驟的照射次數N2相同或大於N2。藉此，可盡可能減少合計照射次數。

另外，本發明中，脈衝雷射的波長並無特別限定，但可表示例如400nm以下的波長。

進而，本發明中的脈衝雷射的半值寬度並無特別限定，但可表示例如200ns以下的半值寬度。

進而，上述第1步驟、第2步驟的脈衝雷射的照射可列舉依時間不同而對非單結晶半導體膜照射不同的脈衝雷射，但亦可為藉由一個脈衝雷射來進行第1步驟與第2步驟的脈衝雷射照射。脈衝雷射可為2個以上的脈衝雷射同時間照射至非單結晶半導體膜而模擬合成者。

亦即，脈衝雷射在掃描方向的光束剖面強度分布中，朝向掃描方向後端的掃描方向後方側具有較掃描方向前方側的強度為低的強度，在上述掃描方向前方側根據上述強度而進行上述第1步驟的照射，在上述掃描方向後方側根據上述強度而進行上述第2步驟的照射。

如以上說明，根據本發明，藉由第1步驟與第2步驟的脈衝雷射照射，具有可以使結晶充分地成長而獲得照射不均少的良質的結晶半導體膜的效果。

1‧‧‧結晶半導體膜製造裝置

2‧‧‧處理室

3‧‧‧掃描裝置

5‧‧‧平台

6‧‧‧導入窗

8‧‧‧控制部

10‧‧‧脈衝雷射振盪裝置

11‧‧‧衰減器

12‧‧‧光學系統

12a‧‧‧反射鏡

12b‧‧‧集光透鏡

15‧‧‧脈衝雷射

100‧‧‧矽膜

E1、E2‧‧‧照射脈衝能量密度

L1、L2‧‧‧長度

圖1為表示本發明的一實施形態的結晶半導體膜的製造裝置的圖。

圖2為同樣地表示在掃描方向的光束剖面強度分布中光束強度具有階層的光束剖面強度分布的圖。

圖3(a)與圖3(b)為同樣地表示在掃描方向的光束剖面強度分布中光束強度具有階層且調整脈衝雷射的形狀的光學系統的圖。

圖4(a)與圖4(b)為同樣地說明在掃描方向的光束剖面強度分布中光束強度具有階層的脈衝雷射的合成的圖。

圖5(a)與圖5(b)為同樣地表示實施例中的半導體膜表面的狀態的圖。

圖6為同樣地表示實施例中的不均評價的結果的圖。

以下，對本發明的一實施形態的結晶半導體膜的製造裝置以及製造方法進行說明。

結晶半導體膜製造裝置1具備處理室2，在該處理室2內具備可在X-Y方向移動的掃描裝置3，該掃描裝置3設有平台5。處理時，在該平台5上設置有非晶質的矽膜100等作為非單結晶半導體膜，根據需要而調整處理室2內的環境。矽膜100以例如40nm~100nm的厚度形成於未圖示的基板上。此外，本發明並未特別限定非單結晶半導體膜的厚度。可藉由通常方法進行非單結晶 半導體膜的形成，本發明並未特別限定半導體膜的形成方法。另外，作為成為處理對象的半導體膜，較佳為非晶質的半導體膜，但本發明並未限定為非晶質的半導體膜，可為非單結晶的半導體膜或一部分含有結晶的半導體膜，在該些中，可應用本裝置作為結晶的改質。

此外，掃描裝置3藉由未圖示的馬達等驅動，該馬達藉由後述的控制部8來控制動作，從而設定掃描裝置3的掃描速度。另外，處理室2中設有從外部導入脈衝雷射的導入窗6。

處理室2的外部設置有脈衝雷射振盪裝置10。該脈衝雷射振盪裝置10由準分子雷射振盪裝置構成。該脈衝雷射振盪裝置10連接於可進行控制的控制部8。根據控制部8的指令，脈衝雷射振盪裝置10以規定的輸出來輸出脈衝雷射。此外，本發明並未限定振盪裝置的類別或振盪介質，只要能夠將所需的脈衝雷射照射至半導體膜即可。

該脈衝雷射振盪裝置10中，進行脈衝振盪而輸出的脈衝雷射15例如波長為400nm以下，且脈衝半值寬度為200ns以下。其中，本發明並未限定為該些。

脈衝雷射15藉由衰減器(attenuator)11而調整脈衝能量密度。衰減器11連接於可進行控制的上述控制器8，根據控制部8的指令而設定為規定的衰減率。控制部8以在半導體膜的照射面上獲得規定的照射脈衝能量密度的方式調整衰減率。較佳的是在矽膜100的照射面上，能夠以能量密度成為100mJ/cm²~500 mJ/cm²的方式進行調整。

透過了衰減器11的脈衝雷射15藉由光學系統12來調整光束的形狀，上述光學系統12由透鏡、反射鏡、均質機(homogenizer)等所構成，且以通過設於處理室2的導入窗6而照射至處理室2內的矽膜100的方式導入脈衝雷射15。圖中，圖示有反射鏡12a與集光透鏡12b作為一個光學系統12。本發明並未特別限定光學系統中所含的光學構件的類別或數量。

照射時的照射面形狀設為剖面角形狀，於角形中包括線狀者。

接著，對使用了上述結晶半導體膜製造裝置1的結晶半導體膜的製造方法進行說明。

將上述矽膜100作為對象，從而決定較藉由脈衝雷射15的照射而產生微結晶化的照射脈衝能量密度為低，且藉由照射多次N次而適合結晶化的照射脈衝能量密度E0。作為適合結晶化的照射脈衝能量密度E0，可以選定與藉由N次照射而結晶粒徑成長飽和的照射脈衝能量密度E相同的照射脈衝能量密度。作為相同的照射脈衝能量密度，可例示E×0.98~E×1.03。此實施形態與藉由次數N次的重疊照射而以照射脈衝能量密度E0照射脈衝雷射時獲得相同的結晶化。

將上述照射脈衝能量密度E0決定為第1步驟的照射脈衝能量密度E1。另外，作為第2步驟的照射脈衝能量密度E2，決定為較照射脈衝能量密度E1為低，且用以使結晶再熔融的必要的照射能量密度以上的照射脈衝能量E2，於控制部8設定該些。此外，照 射脈衝能量密度E2理想的是設為E1×0.95以上。

上述E0、E1、E2可利用以經驗獲得數據者。

接著，決定第1步驟的重疊的照射次數N1與第2步驟的重疊的照射次數N2，且於控制部8進行設定。將N1與N2的和設為N以上。此外，理想的是N1≧N2，更理想的是N1+N2≦1.5N。N1、N2的次數能夠以經驗決定。

根據上述設定，在第1步驟的條件下，藉由掃描裝置3，一面使矽膜100在一方向上移動，一面從脈衝雷射振盪裝置10輸出脈衝雷射15，通過光學系統12、導入窗6而將脈衝雷射15重疊照射至處理室2內的矽膜100來進行處理。此外，重疊次數藉由掃描裝置3的掃描速度與脈衝雷射的重複頻率與脈衝的短軸方向寬度來決定。因此，控制部8以脈衝雷射的重複頻率為前提，從而以進行N1次的重疊的方式決定掃描裝置3的掃描速度。掃描速度例如可在6mm/s~16mm/s的範圍內選定。此外，本發明並非特別限定該掃描速度，可在例如1mm/s~100mm/s的範圍內選擇。另外，衰減器11的衰減率藉由控制部8而以矽膜100上的照射脈衝能量E1成為設定值的方式進行調整。該調整可預先求出衰減率與照射脈衝能量的關係而根據該關係來進行。另外，藉由未圖示的測定裝置來測定脈衝雷射15的脈衝能量密度，能夠以該脈衝能量密度成為規定值的方式進行衰減器11的控制。

接著，若矽膜100的規定區域的處理完成，則以使掃描裝置3沿反方向移動的方式進行動作，從而進行第2步驟的重疊 照射。控制部8以脈衝雷射的重複頻率為前提，從而以進行N2次的重疊的方式決定掃描裝置3的掃描速度。掃描速度例如可在6mm/s~16mm/s的範圍內選定。此外，本發明並非特別限定該掃描速度，可在例如1mm/s~100mm/s的範圍內選擇。另外，衰減器11的衰減率藉由控制部8而以矽膜100的照射脈衝能量E2成為設定值的方式進行調整。該調整能夠與第1步驟同樣地進行。另外，亦可藉由於第2步驟中使用脈衝寬度不同的脈衝雷射來改變重疊的次數，亦能夠以結合掃描速度等而獲得所需的重疊次數的方式進行。

進行了第1步驟的脈衝雷射照射與第2步驟的脈衝雷射照射的矽膜100的規定區域與藉由照射脈衝能量密度E0進行了N次的重疊照射的情形同程度良好地結晶化。進而，本實施形態中，藉由進行第1步驟的照射與第2步驟的照射，可降低由脈衝雷射的端部所引起的半導體膜上的隆起部的高度而消除照射不均，因此可提供於更良質的半導體裝置。

此外，上述實施形態說明了在規定的區域進行了第1步驟的掃描照射後，在上述區域進行第2步驟的掃描照射，但是亦能夠以使用2個脈衝雷射而在進行了第1步驟的照射後，立即進行第2步驟的照射的方式進行。在此情況下，2個脈衝雷射可使用由2個脈衝雷射光源輸出者，另外亦可分割由1個脈衝雷射光源輸出的脈衝雷射而進行能量調整或延遲調整等，從而獲得2個脈衝雷射。

此外，脈衝雷射亦可為合成多個脈衝雷射而調整脈衝寬度而成者。

此外，上述實施形態已說明了第1步驟中藉由1個脈衝雷射處理規定的區域的矽膜後，在第2步驟中藉由其他的脈衝雷射進行處理，但亦可以藉由1個脈衝同時間進行第1步驟與第2步驟的方式進行。此外，作為1個脈衝，亦包括可稱為模擬的1個。

亦即，脈衝雷射在短軸方向的光束剖面強度分布中，朝向掃描方向後端的掃描方向後方側具有較掃描方向前方側的強度為低的強度，在上述掃描方向前方側根據上述強度進行上述第1步驟的照射，在上述掃描方向後方側根據上述強度進行上述第2步驟的照射。

將該形態所使用的脈衝雷射的掃描方向的光束剖面強度分布表示於圖2。光束剖面具有如下的階層的光束強度：在掃描方向前方側具有脈衝照射能量E1的高度，在掃描方向後方側朝向後端而具有脈衝照射能量E2的高度。在此形態中，藉由具有脈衝照射能量E1的高度的脈衝部分在矽膜100的相同區域進行N1次的脈衝雷射照射，藉由具有脈衝照射能量E2的高度的脈衝部分在矽膜100的相同區域進行N2次的脈衝雷射照射。N1、N2的次數藉由具有脈衝照射能量E1的高度的掃描方向的部分長度L1、具有脈衝照射能量E1的高度的掃描方向的部分長度L2及每個脈衝的間距來決定。例如，若設為L1=L2(例如200μm)，則基本上 N1與N2為相同次數。

亦即，藉由使長度L1相對較長，可以增多N1的次數。因此理想的是設為L1≧L2。因此，N1、N2依存於長度L1、長度L2的大小，進而亦與上述實施形態同樣地依存於掃描速度與脈衝雷射的重複頻率。藉由該些設定，可決定此形態的N1、N2。

具有上述形狀的掃描方向的光束剖面強度分布的脈衝雷射能夠藉由各種方法而具有。

例如，如圖3(a)所示，在光學系統的光路上藉由光學構件的上流側或下流側來遮蔽雷射光束的一部分或配置抑制透過的構件，藉此如圖3(b)所示，部分地降低掃描方向的光束強度，可獲得光束強度具有成為階層的光束剖面強度分布的脈衝雷射。

另外，如圖4(a)所示，藉由將2個脈衝合成或模擬地合成，如圖4(b)所示，可獲得光束強度具有成為階層(掃描方向寬度L1、掃描方向寬度L2)的光束剖面強度分布的脈衝c。例如，可以在光束強度不同的脈衝a與脈衝b設置時間差而在光學系統進行合成，從而將經合成的脈衝照射至非單結晶半導體膜上。另外，藉由將光束強度不同的脈衝a與脈衝b同時錯開位置而照射至非單結晶半導體膜上，可以設為模擬的1個脈衝。

[實施例1]

接著，使用脈衝雷射光源(製品編號LSX540C)，在膜厚50nm的非結晶矽膜照射波長308nm、脈衝寬度70nm、重複頻率300Hz、光束剖面中長軸長度465mm×短軸長度400mm的 線型光束狀的準分子脈衝雷射而進行退火處理。

作為現有例，藉由重疊率95%(重疊照射20次)而適合結晶化的照射脈衝能量密度E0(最佳能量密度(Optinum energy density))；此例中設定370mJ/cm²。此時，以成為20μm間距的方式設定掃描速度以及脈衝雷射的重複頻率。照射脈衝能量密度E0不產生微結晶，與藉由上述重疊照射而使結晶粒徑飽和的照射脈衝能量密度E相同。

另外，作為發明例及參考例，在第一步驟中藉由重疊率90%(重疊照射10次)而設定與照射脈衝能量密度E0相同的照射脈衝能量密度E1(370mJ/cm²)。此時，以成為40μm間距的方式設定掃描速度。

進而，作為發明例，在第2步驟中藉由重疊率90%(重疊照射10次)來設定成為照射能量密度E1的-5%的照射能量密度E2(352mJ/cm²)。此時，以成為40μm間距的方式設定掃描速度。

進而，作為參考例，在第2步驟中藉由重疊率90%(重疊照射10次)而設定為成為照射能量密度E1的-10%、-15%或-20%的照射能量密度。此時，以成為40μm間距的方式設定掃描速度及脈衝雷射的重複頻率。

上述條件中，對非結晶的矽膜重疊照射脈衝雷射，評價處理後的結晶矽膜的照射不均及結晶性。另外，關於現有例與發明例，藉由原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)觀察 結晶矽膜的表面凹凸。

圖5(a)與圖5(b)表示結晶矽膜的表面剖面的概略圖。現有例中，如圖5(b)所示，與脈衝雷射的最終照射的端部分相對應而形成比較大的隆起。另一方面，於發明例中，如圖5(a)所示，識別出相當於上述的隆起變得較低而平緩，可知藉由第1步驟與第2步驟的照射而緩和隆起。

藉由以下的方法進行結晶矽膜的照射不均評價。

於各自的例中對結晶矽膜的5個地點照射檢查光，分別接受反射光而取得彩色圖像，檢出彩色圖像的顏色成分，根據所檢出的顏色成分而將彩色圖像單色化。接著，將經單色化的圖像的資料進行卷積(convolution)而取得強調了圖像濃淡的圖像資料。將強調了圖像濃淡的圖像資料進行投影變換(projective transformation)，根據經投影變換的圖像資料而評價表面不均。單色化可使用經檢出的顏色成分中主要的顏色成分來進行，主要的顏色成分可設為光分布較其他顏色成分相對大的顏色成分。

經單色化的圖像資料能夠以行列資料表示，上述行列資料是將雷射的光束方向設為列，且將雷射的掃描方向設為行，卷積是藉由將規定係數的行列乘以經單色化的圖像資料的行列來進行。

規定係數的行列是分別使用強調光束方向者與強調掃描方向者，從而分別取得強調了光束方向的圖像濃淡的圖像資料與強調了掃描方向的圖像濃淡的圖像資料。

具體而言，進行以下的卷積。此外，規定係數的行列並非限 定於下述。

對強調了圖像的濃淡的圖像資料利用整合在掃描方向、發射方向的條紋出現的狀況，從而求出各自方向的投影。

具體而言，藉由下述所示的式子，在發射方向、掃描方向上分別進行投影變換。

發射方向=(Max(Σf(x)/Nx)-Min(Σf(x)/Nx))/平均

掃描方向=(Max(Σf(y)/Ny)-Min(Σf(y)/Ny))/平均

其中，x表示發射方向的圖像的位置，y表示掃描方向的圖像的位置，f(x)表示x位置上的圖像資料，f(y)表示y位置上的圖像資料，Nx表示發射方向的圖像的數量，Ny表示掃描方向的圖像的數量。

圖6的不均分數為將掃描方向的不均數值化表示的分數。數值愈高表示不均愈大。

從圖6可知，在現有例中，不均分數成為0.2~0.3則不均大。如上所述，該情況可認為是脈衝雷射端部所引起的表面隆起所影 響。

另一方面，在發明例中，雖然第1步驟後的不均與現有例一樣大，但是第2步驟後不均分數成為0.06~0.13，不均得到緩和。此外，藉由-10%E0、-15%E0、-20%E0的照射脈衝能量密度進行第2步驟的照射，雖然不均較現有例變小，但是就減輕不均的方面而言並不充分。

接著，藉由掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope)的照片來觀察現有例、發明例及參考例的結晶矽膜的結晶性。

結果現有例、發明例均同樣地形成了均一的結晶粒。另一方面，設為-15%E0、-20%E0的參考例中，並未進行充分的結晶成長，結晶粒徑變小。-10%E0並非-15%E0、-20%E0的程度，但結晶粒徑仍稍微變小。

如以上所述，根據本發明例，可獲得良好的結晶粒成長，並且將脈衝雷射端部所產生的隆起變小而減輕不均。另外，與現有相比，可幾乎不使生產性降低來進行處理。

以上，根據上述各實施形態及實施例對本發明進行了說明，但本發明並非限定於該些說明內容，只要不脫離本發明的範圍，可適當地變更。

Claims (14)

1. 一種結晶半導體膜之製造方法，其是在非單結晶半導體膜上一面沿短軸方向相對地掃描脈衝雷射一面重疊照射而進行結晶化的結晶半導體膜之製造方法，上述結晶半導體膜之製造方法的特徵在於包括：第1步驟，將相較於藉由上述脈衝雷射的照射而在上述非單結晶半導體膜上產生微結晶化的照射脈衝能量密度為低，且藉由照射多次N次而適合結晶化的照射脈衝能量密度設為E0，藉由與上述照射脈衝能量密度E0相同的照射脈衝能量密度E1來照射上述脈衝雷射；以及第2步驟，藉由相較於上述照射脈衝能量密度E1為低，且成為用以使結晶再熔融的必要的照射能量密度以上的照射脈衝能量密度E2來照射上述脈衝雷射，並且對於相同照射面的上述第1步驟與上述第2步驟的合計照射次數為N次以上。
2. 如申請專利範圍第1項所述的結晶半導體膜之製造方法，其中上述適合結晶化的照射脈衝能量密度作為藉由照射多次N次而結晶粒徑成長飽和的照射脈衝能量密度E，且在E×0.98~E×1.03的範圍內。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的結晶半導體膜之製造方法，其中上述照射脈衝能量密度E2為E1×0.95以上。
4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的結晶半導 體膜之製造方法，其中上述合計照射次數為N×1.5以下。
5. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的結晶半導體膜之製造方法，其中藉由上述第1步驟來一面掃描上述脈衝雷射一面對相同照射面依序進行N1次的多次照射，之後對上述規定面藉由上述第2步驟來一面掃描上述脈衝雷射一面對上述相同照射面依序進行N2次的多次照射，將上述N1+上述N2設為N次以上來作為上述合計照射次數。
6. 如申請專利範圍第5項所述的結晶半導體膜之製造方法，其中將上述N1設為上述N2以上的次數。
7. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述的結晶半導體膜之製造方法，其中上述脈衝雷射在掃描方向的光束剖面強度分布中，朝向掃描方向後端的掃描方向後方側具有相較於掃描方向前方側的強度為低的強度，在上述掃描方向前方側根據上述強度進行上述第1步驟的照射，在上述掃描方向後方側根據上述強度進行上述第2步驟的照射。
8. 如申請專利範圍第7項所述的結晶半導體膜之製造方法，其中上述掃描方向前方側的掃描方向寬度為上述掃描方向後方側的掃描方向寬度以上。
9. 如申請專利範圍第1項至第8項中任一項所述的結晶半導體膜之製造方法，其中上述脈衝雷射的波長為400nm以下。
10. 如申請專利範圍第1項至第9項中任一項所述的結晶半導體膜之製造方法，其中上述脈衝雷射的半值寬度為200ns以下。
11. 如申請專利範圍第1項至第10項中任一項所述的結晶半導體膜之製造方法，其中上述非單結晶半導體膜為矽。
12. 一種結晶半導體膜之製造裝置，其特徵在於包括：1個或2個以上的雷射光源，輸出脈衝雷射；光學系統，調整上述脈衝雷射的形狀而導入至非單結晶半導體膜；能量調整部，調整上述脈衝雷射的照射能量密度；掃描裝置，對上述非單結晶半導體膜相對地掃描上述脈衝雷射；以及控制部，控制上述雷射光源、上述能量調整部及上述掃描裝置，上述控制部執行如下：第1步驟，控制上述能量調整部而調整成與照射脈衝能量密度E0相同的照射脈衝能量密度E1，上述照射脈衝能量密度E0相較於藉由脈衝雷射的照射而在上述非單結晶半導體膜上產生微結晶化的照射脈衝能量密度為低，且藉由照射多次N次而適合結晶化，且上述控制部控制上述掃描裝置，藉由上述照射脈衝能量密度E1一面掃描上述脈衝雷射一面對上述非單結晶半導體膜依序進行N1次(其中N1<N)的多次照射；第2步驟，在藉由上述第1步驟而照射了上述脈衝雷射的半導體上，上述控制部控制上述能量調整部而調整成照射脈衝能量E2，上述照射脈衝能量E2相較於上述照射脈衝能量密度E1為低，且為用以使結晶再熔融的必要的照射能量密度以上，且上述控制部 控制上述掃描裝置，藉由上述照射脈衝能量密度E2一面掃描上述脈衝雷射一面對上述非單結晶半導體膜依序進行N2次(其中，N2<N，N1+N2≧N)的多次照射。
13. 一種結晶半導體膜之製造裝置，其特徵在於包括：1個或2個以上的雷射光源，輸出脈衝雷射；光學系統，調整上述脈衝雷射的形狀而導入至非單結晶半導體膜；強度調整部，在上述脈衝雷射的掃描方向的光束剖面強度分布中，上述強度調整部將上述強度分布以如下方式調整：朝向掃描方向後端的掃描方向後方側的強度相較於掃描方向前方側的強度為低，且由掃描方向後方側的強度產生的照射脈衝能量密度為由掃描方向前方側的強度產生的照射脈衝能量密度的0.95倍以上；能量調整部，調整上述脈衝雷射的照射能量密度；掃描裝置，對上述非單結晶半導體膜相對地掃描上述脈衝雷射；以及控制部，控制上述雷射光源、上述能量調整部及上述掃描裝置，上述控制部執行如下步驟：控制上述能量調整部，在上述脈衝雷射的掃描方向前方側的照射中成為與照射脈衝能量密度E0相同的照射脈衝能量密度E1，上述照射脈衝能量密度E0相較於上述非單結晶半導體膜中產生微結晶化的照射脈衝能量密度為 低，且藉由照射多次N次而適合結晶化，在上述脈衝雷射的掃描方向後方側的照射中，調整成照射脈衝能量E2，上述照射脈衝能量E2相較於上述照射脈衝能量密度E1為低，且成為用以使結晶再熔融的必要的照射能量密度以上，上述控制部進而控制上述掃描裝置，一面掃描上述脈衝雷射一面對上述非單結晶半導體膜依序進行N次以上的多次照射。
14. 如申請專利範圍第12項或第13項所述的結晶半導體膜之製造裝置，其中上述控制部將上述適合結晶化的照射脈衝能量密度作為藉由多次N次的照射而結晶粒徑成長飽和的照射脈衝能量密度E，且設定為E×0.98~E×1.03的範圍內。