TWI260701B - Laser annealing apparatus and annealing method of semiconductor thin film using the same - Google Patents

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1260701 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於適合於形成在絕緣基板上之非晶質或多結 晶半導體膜，照射雷射光而進行膜質改善、結晶粒擴大、 或單結晶化之雷射退火方法及雷射退火裝置。 【先前技術】 現在，使用液晶面板或有機EL面板等顯示面板之平面面 板型顯示裝置正在開發’供於實用，或在實用化階段。該 ㈣頁示裝置中顯示面板’於顯示區域具有以成膜於玻璃或 溶融石英等基板上之非晶石夕膜或多晶石夕膜形成之薄膜電晶 體（TFT)所構成之二維排列（矩陣排列）的多個料，以該像 素之上述薄膜電晶體之開關之開.關而形成圖像。像素之 薄臈電晶體以設置於顯示區域外侧之驅動電路進行上述開 關驅動。 B如可於該顯示面板之基板上同時形成驅動像素之薄膜電 晶體之驅動電路，將可期待大幅度之製造成本降低及信賴 X β升㈣t成；I膜電晶體之主動層之梦膜結晶性較 差，故以移動度為代表之薄膜電晶體性能較低，難以製作 如同上述驅動電路之要求高速.高功能之電路。 =作該等高速.高功能之電路’必須有高移動度薄膜 曰曰體’為實現此而必須改善石夕薄膜之 ::::善手法’自先前起正注目於準分子雷射退火二 :係：形成在玻璃等絕緣基板上之非晶石夕膜照射準分子雷 精由使非晶石夕膜改變為多晶石夕膜，而改善移動度。惟 96655.doc 1260701 藉由照射準分子雷射而得之多結晶膜，結晶粒 麵〜數_随左右，應用於驅動液晶面板之驅 性能不足。 纷寻係 作為解㈣問題之方法，專教獻丨⑼有藉由 調變之連續振盪雷射光線狀聚光而高速一面掃描並一面月; 射’於知描方向使結晶橫方向成長，增大結晶粒徑之方 法。其係使基板全面藉由準分子雷射退火而多結晶化之 後，僅於形成驅動電路之區域，在與形成之電晶體:恭、、古 經路(汲極-源極方向，亦稱為通道)-致之方向掃描二； 光而使得結晶粒成長，結果藉由使得橫切電流經路之^曰 粒界不存在之方式，大幅改善移動度。 此外’專利文獻2揭示有使得雷射光光束點之長邊方向 與應照射區域之長邊方向平行，以提高雷射光照射效率之 雷射退火技術。 專利文獻1 ··特開2003-124136號公報 專利文獻2 ··特開平10_209069號公報 專利文獻3 ··特開平Π-352419號公報 【發明内容】 上述先前技術中，關於在基板内於多個方向掃描雷射光 之點則未具體考慮。亦即，通常之薄膜電晶體面板(tft面 板）面板中，必須有作為驅動電路之汲極（信號線）驅動電路 部與閘極（掃描線）驅動電路部。因此，對於成膜在基板之 矽膜’必須雷射退火上述兩驅動電路部。將汲極驅動電路 部與間極驅動電路部設置於基板之鄰接二邊時，或僅於其 96655.doc 1260701 中一方之驅動電路部退火，亦必須使該面板方向9〇度旋轉 而照射雷射。 作為退火裝置，必須至少可於χγ兩方向退火之功能。 對此’專利文獻2揭示有作為載置基板之載置台，藉由於 直動機構上重疊旋轉機構而旋轉基板，可於相異方向掃描 雷射光之方法。 惟伴隨基板之大型化，而欲採用1平方公尺以上之爲 板因此’基板之旋轉載置台亦使得大小·重量增加，往 XY各方向之雷射光掃描之際將成為極大負擔。特別為高 速掃描時或高精度掃描時，將使得較大重量之旋轉載置台 一併移動，不僅需要乂¥載置台之大型化、高剛性化且進 一步裝置全體之振動對策，進而因負荷較大而使得乂¥載 置台之壽命縮短，結果將具有裝置製造成本及運轉成本增 大之問題。 此外，專利文獻3揭示有藉由使光束旋轉光學元件與均 勻器（光束整形器）同時於光軸附近旋轉，而使得均勻化為 矩形之光束旋轉之方法。在此’肖勻器係由多個柱面透鏡 陣列所構成之複雜光學系統，為達成希望之能量分布而必 須有微妙之調整。該等調整結束之柱面透鏡陣列不希望有 所移動’更柱論例如旋轉。故必須不使複雜光學系統之柱 面透鏡陣列所構成之均句器旋轉而旋轉被整形之光束。 ^月之目的係提供一種解決上述先前技術之問題點， 實現載置台之+刑外 ^曰儿 、一 ^ j型化.輕罝化，謀求載置台之長壽命化， 進v虞置成本降低，適用於顯示面板製造之雷射退火方 96655.doc 1260701 域，使整形為細長形狀之雷射光一面照射並一面掃描之方 法， $ 於前述基板上之多個方向掃描前述雷射光之際，不使該 基板旋轉，使整形為細長形狀之雷射光於光軸附近旋轉， 載置該基板之前述載置台藉由僅於正交之2方向移動，於 希望位置、#望方向照身于前述整形為細長形狀之雷射光。 上述（8)中，照射在於丨主面形成非晶矽膜或多晶矽膜 之前述基板之雷射光係時間調變之連續振盪雷射光，且整 形為細長形狀之雷射光。 (10)上述（8)中，照射在於丨主面形成非晶矽膜或多晶矽 膜之前述基板之雷射光係脈衝振盪之雷射光，且整形為細 長形狀之雷射光。 此外，本發明並非限定於上述構造及後述之實施形態所 揭示之構造，於不離開發明之技術思想，可進行各種變更 者應不需贅述。 如同上述，依據本發明之雷射退火裝置及雷射退火方 ;在基板上正父之2方向掃描雷射光而進行退火時， 可不旋轉基板而僅改變基板之移動方向。亦即，作為載置 基板且高速掃描之载置台或作為高精度掃描之載置台，因 僅於XY兩方向之驅動即可，不需要於χγ載置台上設置旋 轉載置口故對於ΧΥ載置台之負擔減小，可謀求載置台 長可卩化，進一步裝置成本之降低。此外，於旋轉基板 夺必肩再-人進行對位，使得生產量降低，惟旋轉光軸 夺不而再-人進行對位，由生產量提升之觀點亦為有效。 96655.doc 1260701 本發明之特徵、目的、及優點，由以下說明並參照圖式 應可更為明瞭。 【實施方式】 以下關於本發明之具體實施形態，參照實施例之圖式詳 細說明。 實施例1 以下依照實施例之圖式詳細說明本發明。圖丨為表示本 發明實施例1之雷射退火裝置之光學系統構造圖。圖丨中， 該雷射退火裝置之構造包含：結合激起用LD(雷射二極 體Η與光纖2並產生連續振蓋雷射光3之雷射振盈器4;進 行雷射光3之開（0N)/關（0FF)之閉蓋5 ;為調整雷射光3之 能量之透過率連續可變！^0濾鏡6 ;為實現由雷射振盪器4 輸出之雷射光3之脈衝化及能量之時間調變之光電調變器 (以後稱為EO調變器)7;偏光光束分光器8;為調整雷射： 3之光束系統之擴束器(縮束器)9 ;使雷射光3整形為細長形 狀光束之光束整形器(光束均勻器”〇;為使整形之雷射光3 成為特定尺寸之矩形缝隙11 ;使以光束整形IMG整形為線 狀之光束形狀變換為平行光之中繼透鏡12;使透過之光束 於光軸附近旋轉之影像旋轉器13與收納影像旋轉器13並於 走轉軸承18 18等自由旋轉所構成之收納容器m使以中 繼透鏡12輸送之像結像於载置在XY載置台Μ上之基板15 上之結像透鏡16。 其次，關於各部分夕叙从 L ^ 刀之動作·功能評細說明。連續振盪雷 射光3係對於退火對象之非晶矽薄膜或多晶矽薄膜具有吸 96655.doc 1260701 收之波長（紫外波長至可見波長）為佳。更具體係雖可應用 Ar雷射或Kr雷射與其二次諧波、Nd : YAG雷射、Nd : YV04雷射、Nd: YLE雷射等二次諧波及三次諧波等，惟 考慮輸出之大小及安定性，LD(雷射二極體）激起Nd: γΑ〇 雷射之二次諧波（波長532 nm)或LD激起Nd : YV〇4雷射之 二次諧波（波長532 nm)為最佳。 由4等振盪器產生之雷射光為圓形並具有高斯形能量分 布。以後之說明中關於使用LD激起連續振盪Nd: γν〇4雷 射之二次諧波之情形說明。 由雷射振盪器4振盪之雷射光3藉由閘蓋5而成為 ΟΝ/OFF。亦即，雷射振盪器4經常處於以一定輸出振盪雷 射光3之狀態，閘蓋5通常成為qff狀態，雷射光3以閘蓋5 遮蔽。藉由僅於照射雷射光3時打開該閘蓋5(〇Ν狀態），輸 出雷射光3。藉由使激起用雷射二極體i成為〇n/〇ff，雖 可進行雷射光3之ON/OFF，惟為確保雷射輸出之安定性而 不希望。其他由安全上之觀點，於欲停止雷射光3之照射 時，亦關閉閘蓋5即可。 通過閘蓋5之雷射光3透過用於輸出調整之透過率連續可 變ND濾鏡6而入射至£〇調變器7。E〇調變器7透過驅動器 (無圖示）於波卡爾器（結晶）施加電壓，藉此透過結晶之雷 射光3之偏光方向旋轉。此外，藉由置於結晶後方之偏光 光束分光器8僅使P偏光成分通過，使s偏光成分9〇度偏 向’藉此進行雷射光3之ON/OFF。 亦即，對於偏光光束分光器8，藉由交互施加為以p偏光 96655.doc -13- 1260701 入射之方式旋轉雷射光3之偏光方向之電壓VI，盥 光入射之古& /、兩以S偏 ^ 式疋轉雷射光3之偏光方向之電壓V2，使雷射 23時間調變。當然，藉由施加電壓VI與電壓V2中間2任 心電f ’亦可設定任意輸出。此外，圖1中雖說明組合波 卡爾σσ 7舆偏光光束分光器8作為EO調變器，惟可使 種偏光元件作為偏光光束分光器之代替品。以後之說日 月; ::組合波卡爾器7與偏光光束分光器8(或各種偏光元件) 者稱為Ε〇調變器。 …除ΕΟ調變器以外’可使用Α〇(聲光）調變器。一般來 :兄，入〇5周m目較於Ε〇調變器，驅動頻率較低，且繞射 效^亦為70%〜90%，相較於Ε〇調變器其效率較差，=其 特^係即使雷射光3不為直線偏光時亦可進行ΟΝ/OFF。如 此猎由使用ΕΟ調變器7或入〇調變器等之調變器，可由連續 振盛雷射光得到於任意時點具有任意波形㈤間之能量^ 化）之時間調變雷射光。亦即，可進行希望之時間調變。 時間調變之雷射光3，為 為私先束直輕之擴束器（或縮 )峨光束直徑並入射至光束整形器H)。光束整形哭 10係為使雷射光3整形為細長形狀之光束形狀之光學元 件。在此’所謂之細長形狀係指線狀、矩形、橢圓形、或 長圓形之意。通常氣體雷射或固體雷射係具有高斯形能量 分布之圓形光束，益法吉姑 、 …、直接用於本發明之雷射退火。使振 Μ崙輸出充分增大時，將/ 才籽使先束直徑充分擴大，藉由僅切 出中心部分之較為均勾部分’雖可得到大致均句之能量分 布’惟捨μ束之周邊部分，將使得能量之大部分浪費。 96655.doc 1260701 為解决该缺點，將高斯形分布變換 Μ ^ ^ 、马句勻分布（頂部平扫 1)，使用光束整形器（光束均勾哭 一 10^ ΊΊ如）10。所謂光束整形器 係疋義為將由雷射振盪器4輪 A、益人^ 勒出先束之能量分布變換 …运射退火之細長形狀光束之光束整形器。 圓2為說明本發明實施例1之雷射退火褒置可採用之 爾透鏡方式均勾哭之間。H .、'、氣 — 回 ，圖3為說明本發明實施例1 之缉射退火裝置可採用墓 ，明h ?木用之萬化同方式均勻器之圖。圖4為 况月本發明實施例1雷 株古U 田M ^ ^裝置可採用之繞射光學元 …勻态之圖。圖5為說明本發明實施例1之雷射退火 可採用之多重透鏡陣列方式均勻器之圖。 ^乍為圖！之光束均勾器10，可使用圖2所示之飽威爾透鏡 ^面透鏡23之組合’·圖3所示之萬花筒；圖4所示之繞 、光干U牛’圖5所不之多重透鏡陣列與凸透鏡之組合。 圖2所不者係以鮑威爾透鏡22與柱面透鏡（圓柱透鏡 成之光束整形為1〇。鲍威爾透鏡22為柱面透鏡之一 種’如圖2(a)所示，輸入高斯分布之雷射光21時，於i軸方 2使中心部分之能量密度較高部分以變疏之方式，周邊部 月匕里在度較低部分以變密之方式，於投影面（圖1中為 矩形開口縫隙11面)上結像。 對方、與圖2(a)所示之面成直角方向，亦即垂直於紙面之 方向因鮑威爾透鏡單體仍舊不使能量分布改變，如圖 2(b)所不’以挺面透鏡23聚光。其結果，於長邊方向（圖 2(a)所不之方向）具有均勻之能量分布，於短邊方向（圖2(七） 卜 ^ )具有高斯分布之細長形狀光束將形成於矩形 96655.doc 15 1260701 開口縫隙11面上。應其必要於光束周邊部之能量密度變化 車父大部分或平緩部分藉由矩形開〇縫隙n遮光，藉此㈣ 到具有上升急速之能量分布之細長形狀雷射光。 圖3所示之萬花筒25係形成為 , 取馬田射先21之入射側為圓 形、橢圓形、或矩形，出射側為 ~平王形狀（本貫施例為細 長形狀），於其間連續改變之筒 夕 U狀内面成為雷射光21將 夕重且亂反射之表面狀態。將雷射光21應其必要以透鏡％ —面收縮或發散’-面引導至萬花筒25内。雷射仙以萬 化心内表面重複反射，最終由射出口形成為射出口^ 狀並輪出。該情形下，可將萬花筒25之射出α作為矩形開 口縫隙而使用。此外，圖3中雖表示中空形之萬花筒，惟 内部以透明體，例如玻璃或石英等構成亦可。 圖4所示之繞射光學元件28係藉由入射高斯分布雷射光 21 ’以於一方向（圖4⑷所示方向）均勻分布，且於其直角 方向（圖4〇))所示方向）聚光為高斯分布之方式設計。亦 即，繞射光學元件28之構造係於石英等基板藉由絲刻工 序形成微細階差，使透過各個階差部分之雷射光所形成之 :射圖案於結像面(本實施例中與矩形開口縫隙u面一致) 合成，結果於結像面（矩形開口縫隙丨丨面）上得到希望之 量分布。 圖5所示之多重透鏡陣列方式之均勻器係以多重透鏡陣 列（圖5中以多重柱面透鏡陣⑽構成）、巾繼透鏡π、柱面 透鏡33所構成。雷射光21對於圖5(a)所示之方向，於多重 、、’車歹i 31入射，通過各透鏡之雷射光藉由中繼透鏡％投 96655.doc 1260701 時’即使改變中繼透鏡12與結像透鏡16之距離，投影於基 板上之細長形狀光束因大小與能量密度不改變，故於中繼 透鏡12與結像透鏡16之間可應其必要插入觀察光學系統或 能置監視光學系統（在此無圖示）等。 影像旋轉器13例如可使用被稱為道威稜鏡之稜鏡。其係 藉由使光軸於中心自由旋轉地設置，可使透過之光線以道 威稜鏡旋轉角2倍之角度旋轉。亦即，將道威稜鏡收納於 圓筒型容器17，藉由以旋轉軸承18等保持可容易旋轉。藉 =45度旋轉道威稜鏡，可使透過之光線9〇度旋轉，以本實 施例為例時，將於基板15上使細長形狀光束於光轴附近列 度旋轉。亦即，本發明退火裝置之構造係於基板上照射整 形為細長形狀之雷射光時，可使細長形狀之長邊方向任意 疋轉、此外，於圖1雖未表示驅動旋轉之機構，惟直接連 結馬達等或藉由齒輪、皮帶等傳達旋轉力亦可。 此外’正交2方向以外之古a .,, 向，例如對於基板之外形基 声於45度方向掃描雷射光時，可使影像旋轉心旋轉⑴ 2 =長形狀之光束旋轉45度，使載置台於X方向及γ 方向寺速移動而實現。關於45度 旋轉細長形狀光束之短邊方向 2亀方向 向量之Α成以…； D使x方向與Y方向之速度 成以成為知描方向之方式控制即可。 此外，取代使用道威稜鏡，可组人 稜鏡相同功能。亦即成：反射鏡而達成與道威 射，僅以反射鏡之反射構成而實現。 身于先折射及反 霄施例2 96655.doc 18 1260701 其次說明關於本發明之實施例2。圖6為表示本發明實施 例2之雷射退火裝置之光學系統構造圖。此外，與圖1相同 零件附以相同編號。圖6中，該雷射退火裝置之構造包 含·結合激起用LD(雷射二極體）1與光纖2並產生連續振盪 雷射光3之雷射振盪器4 ;進行雷射光3之ΟΝ/OFF之閘蓋 5 ’為調整雷射光3之能量之透過率連續可變ND濾鏡6 ;為 實現由雷射振盪器4輸出之雷射光3之脈衝化及能量之時間 調變之光電調變器（以後稱為E〇調變器）7 ;偏光光束分光 器8 ;為調整雷射光3之光束系統之擴束器（縮束器）9 ;使雷 射光3整形為細長形狀光束之光束整形器1〇 ;為使整形之 雷射光3成為特定尺寸之矩形缝隙丨丨；使矩形縫隙丨丨像結 像於載置在XY載置台14上之基板15上之結像透鏡16;及 收納光束整形器1〇並具有以旋轉軸承68等自由旋轉之構造 之收納容器67。 其次’關於圖6各部分之動作·功能詳細說明。連續振 盈雷射光3係對於退火對象之非晶矽薄膜或多晶矽薄膜具 有吸收之波長（紫外波長至可見波長為佳），更具體係可應 用Ar雷射或Kr雷射與其二次諧波、Nd : YAG雷射、Nd ·· YV04雷射、Nd : YLE雷射之二次諧波及三次諧波等。惟 考慮輸出之大小及安定性，LD(雷射二極體）激起Nd : YAG 雷射之二次譜波（波長532 nm)或LD激起Nd : YVO4雷射之 二次譜波（波長532 nm)為最佳。由該等振盪器產生之雷射 光為圓形且具有高斯形能量分布。以後之說明中關於使用 LD激起連續振盪Nd : YV04雷射之二次諧波之情形說明。 96655.doc -19- 1260701 由雷射振I哭4恭·彡昜4 a 〇N/〇FF。，·^ 之雷射光3藉由間蓋5而成為 亦P ’雷射振盈器4妙當虛於 一 a 射光3之狀態，問蓋5 ^ 、—&輪出振里雷 避蔽。ϋ “ 為㈣態，雷射光3以閘蓋5 出雷射h。- 時打開該間蓋5帅狀態），輸 :错由使激起用雷射二極體1成為ON/OFF，雖 ^:雷：光3之⑽⑽，惟為確保雷射輸出之安定性而 他由安全上之觀點，於欲停止雷射光3之照射 k ’亦關閉閘蓋5即可。 通過閘蓋5之雷射井3 ill ^ 1 ± 先透過用於輸出調整之透過率連續可 爻ND濾鏡6而入射至丑〇調變 爻态/ £〇凋茭态7透過驅動器 (，、，、圖不）於波卡爾器（結晶）施加電麼，藉此使透過結晶之 偏光方向旋轉，並藉由置於結晶後方之偏光光 “ η 8僅使Ρ偏光成分通過，使s偏光成分如度偏向， 猎此進仃雷射光3之〇N/〇FF。亦即，對於偏光光束分光器 1猎由父互施加為以p偏光人射之方式旋轉雷射光3之偏 光方向之電；ΐνι ’與為以3偏光人射之方式旋轉雷射光3之 偏光方向之電_，使雷射光3時間調變。當然，藉由施 加VI與V2中間之任意電壓，亦可設定任意輸出。 此外，圖6中雖說明組合波卡爾器7與偏光光束分光器8 作為EO調變器，惟可使用各種偏光元件作為偏光光束分 光器：代替品。以後之說明中亦將組合波卡爾器7與偏光 光束刀光杰8(或各種偏光元件）者稱為E〇調變器。 除EO調變器以外，可使用A〇(聲光）調變器。一般來 說，AO調變器相較於E〇調變器，驅動頻率較低，且繞射 96655.doc -20- 1260701 士不拘旎置密度之均勻性時，可使用 為光束整形器10。奸來T〜 卸還鏡作 X月形下，由射光因僅於一方向壓縮， 使=向成為之短邊方向，與其正交之方向成為原本之光 束=间f刀布，應其必要切出中心部分使用即可。該等光 束整形裔之中，由構造單純並可得到任意形狀能量分布 之點，繞射光學元件為最佳。 以光束整形器10得到之細長形狀光束，藉由結像透鏡 16’作為雷射光以矩形開口縫隙u或光束整形器1〇所整形 之光束投影像，聚光照射於載置在載置台14上之基㈣ 上在此卩光束整形器10整形為細長形狀之雷射光’藉 由中繼透鏡（亦稱為筒鏡）變換為平行光，之後以結像透鏡 16於基板上作為細長形狀之光束投影亦可。該情形下即 使改變中繼透鏡與結像透鏡之距離，投影於基板上之細長 开v狀光束#大小與能量密度不改變。因此，藉由設置中 Μ鏡:於中繼透鏡與結像透鏡16之間可應其必要插入觀 察光學系統或能量監視光學系統等。 光束整形器Η)收納於圓筒形之容器67，藉由以旋轉轴承 68’ 68·等保持可容易地旋轉。藉由使雷射光光軸與光束整 形器10之旋轉中^ -致並旋轉，可使得通過之雷射光旋 轉0 以本實施例為例時，為於基板15上使線狀（矩形狀）光束 90度旋轉，使收納容器67旋轉9〇度即可。亦即，本發明之 退火裝置之構造得、於基板上照射整形為細長形狀之雷射光 時’可使細長形狀光束之長邊方向任意旋轉。此外，於圖 96655.doc -22- 1260701 6雖未表示驅動旋 輪、皮帶等傳_#& t惟直接連結馬達等或藉由齒 例之說明中，為旋轉=:::外， 器陳納於容器並90产旋=長形狀之光束，將光束整形 X方向尺寸盘r必須有矩形開π縫隙11之 時則不限於此。D尺寸之切換。不使用矩形開口缝隙11 此外，ΓΡ aF 0 -4- /_、 45 7^ 口以外之方向，例如對於基板之外形於 :了雷射光時，可使光束整形器旋轉45度並使細 = 旋轉45度，使載置台14於x方向及γ方向等 現。_關於45度以外之角度，於掃描方向配合細 、束之紐邊方向’使χ方向與Υ方向之速度向量之 =以成為掃描方向之方式，控制載置台14之移動即可。 以月形下’矩形開口縫隙11僅旋轉與光束整形器10相同之 角度即可，不旋轉矩形開口縫隙110寺成為開啟狀態，不使 先束遮光地進行對策’或具有角度之下調整為希望長度亦 可。或使矩形開口縫隙U與光束整形器10_體旋轉希望角 度亦可。 實施例3 其指使料述雷料光裝置實施之本發Μ射退火方 法之實施例，作為本發明之實施例3而說明。依照圖!與圖 7說明。圖7為說明本發明雷射退火方法之實施例之圖。在 此❹之基板l5(Ki)為使用於玻璃基板主面透過絕 緣體㈣（無圖示）形成非晶％薄膜’藉由全面掃描準分子 雷射光結晶化為多晶矽薄膜102之多晶矽薄膜基板。在 96655.doc -23- 1260701 此，絶緣體薄膜為Si〇2或SiN或該等之複合膜。將多晶矽 薄fe基板1 5以搬運機器人等载置·固定於χγ載置台i 4 上。 於該多晶矽薄膜基板b，於多個位置藉由用於退火之雷 射光，或另外設置之校準標記形成用雷射光，形成校準標 ’貝J出幵y成之技準標纪而進行校準。校準標記預先以光 I虫刻工序形成亦可，以喷墨等手法形成亦可。此外，不使 用杈準標纪時，將基板15之端面按壓於設置在χγ載置台 14之銷（無圖示）等進行校準亦可。此外，將基板^之端面 知:二於。又置在χγ載置台μ之銷（無圖示）等進行校準，希望 區域之雷射退火全部結束之後，於與退火區域具有一定關 係之位置形成校準標記亦可。 該校準標記能使用於雷射退火工序後最初之光阻抗工序 (通常為矽薄膜之蝕刻工序）中之曝光定位（光罩之定位）即 可。於其以後之光阻抗工序中，使用最初之光阻抗工序中 新形成之校準標記。 以測出之校準標記位置作為基準，依照設計上之座標， 首先如圖7(a)所示，於汲極線（信號線）驅動電路部ι〇4掃 描·照射雷射光103。 雷射光藉由ΕΟ調變器7切出任意之照射時間寬度，藉由 光束整形器10整形為線狀能量分布，透過矩形開口^隙 η、中繼透鏡丨2、影像旋轉器13,藉由結像透鏡16使作為 細長形狀光束之雷射光10 3照射至多晶矽薄膜丨〇 2。此時 藉由高速移動ΧΥ載置台14，使細長形狀光束移動至^長 96655.doc -24- 1260701 可掃描必須退火之區域。 邊方向正交之方向（短邊方向 短邊方向（寬度方向） 長邊方向雖與雷射振 w時被整形為數100 此外，此時之細長形狀光束被整形為 係10 mm以下，而2 mm〜5 mm為佳； 盪器輸出相關，於連續振盪輸出i 〇 mm〜數mm ° 在此，表示短邊方向尺寸之下限係藉由更細地聚光將使 得焦點深度變淺，因基板之起伏等產生失焦並使得能量密 度降低，無法進行良好之退火之故。藉由附加自動焦點機 構’或預先測定基板表面之變位’經常使基板表面保持於 物鏡（杈衫透鏡）之焦點深度内，可無視於該限制。掃描速 度雖依據矽膜厚，或細長形狀光束之短邊方向尺寸，惟於 300 mm/s〜1〇〇〇 mm/s之範圍内為佳。此外，於圖7中，雖 顯示雷射光103之移動，惟移動載置台14(亦即基板15)亦 可。 在此，一面掃描並一面照射時間調變且整形為細長光束 形狀之連續振盪雷射光時之多晶矽薄膜之情形，依照圖8 說明之。圖8為表示照射整形為細長形狀光束並於多晶矽 膜基板形成帶狀結晶之工序之圖。此外，圖9為表示以形 成之帶狀結晶形成薄膜電晶體之工序之圖。如圖8(a)所 不，使整形為細長形狀之雷射光2〇1 一面於多晶矽膜2⑻上 掃描，一面照射至區域202。以適當能量密度照射時，雷 射照射區域202以外之多晶矽膜2〇〇雖仍舊殘留，惟雷射照 射區域202内之多晶矽膜將溶融。 之後’藉由通過雷射光20丨急速凝固·結晶化。此時， 96655.doc -25- !26〇7〇1 如圖8⑻所示，於照射開始部由最初溶融區域之石夕開始冷 部.凝固’接觸雷射照射區域2G2之結晶粒例如⑽係成為 種結晶，於雷射光之掃描方向結晶成長。惟其成長速度因 結晶方位而異，故最終僅具有成長速度最快之結晶方位之 結晶粒持續結晶成長。 亦卩如圖8(^)所示，具有成長速度較慢之結晶方位之 結晶粒205，被周圍之具有成長速度較快之結晶方位之結 晶粒206、2G7之成長所抑制，結晶成長將停止。此外，具 有成長速度為普通程度之結晶方位之結晶粒2〇6雖持續成 長准進一步被成長速度較大之結晶粒2〇7、208之成長所 抑制’不久後結晶成長將停止。最後具有結晶成長速度最 大之結晶方位之結晶粒2〇7、2〇8持續成長。 准並非無限成長，成長至5〜5〇微米左右之長度時，因不 久後被開始新成長之結晶粒抑制，或分割為多個結晶粒， 故結果可付到寬度〇·2〜2微米，長度5〜5〇微米之結晶粒。 忒等到取後為止持續結晶成長之結晶粒2〇7、2〇8、、 〇 211 212，嚴格而言雖為獨立之結晶粒，惟具有幾 乎相同之、、Ό M方位，溶融再結晶部分成為以矽結晶於橫方 向成長，帶狀結晶粒所構成之多結晶膜。該多結晶膜於實 效上可視為大致單結晶（擬似單結晶）。況且，該雷射退火 後之表面凹凸為1〇11111以下，係極為平坦之表面狀態。 藉由使雷射光201如同上述地照射於多晶矽薄膜2〇〇，照 射雷射光201之區域2〇2被島狀（磁磚狀）退火，使得僅具有 特定結晶方位之結晶粒成長，形成嚴袼來說雖為多結晶狀 96655.doc -26 - 1260701 恶，但具有接近於大致單結晶之性質之區域。 如圖9(a)所示，藉由退火後實施之光蝕刻工序形成島狀 之矽薄膜區域250、351，經過於特定區域進行雜質擴散、 :1極、邑、、彖膜形成等工序，可完成如圖9(b)所示之形成有閘 極253、源極254、汲極255之薄膜電晶體（TFT)。如圖9(b) 所不，藉由使得帶狀結晶粒之粒界方向（結晶之成長方向） 與電流之流動方向一致，因電流不橫切結晶粒界，故實質 上考量為單結晶亦可。此時作為矽膜之移動度，可得到 400 cm2/Vs以上，典型為45〇 cm2/Vs。 此外，圖7中雖作為玻璃基板僅顯^示i面板分，惟實際上 於基板内形成多個面板。圖1〇為表示藉由本發明其他實施 例而退火之區域之圖。如圖1〇⑷所示，雖顯示以使丨面板 302内連績而成為一個區塊31〇之方式照射雷射光⑺3，惟 如圖i〇(b)所示，藉由E0調變器重複雷射光ι〇3之 ΟΝ/OFF，形成被分割為多個照射區塊311、3ιι，之擬似單 結晶區域亦可。惟至少於面板與面板之空隙部分，為更新 結晶成長，必須使雷射光成為〇卯狀態或成為不產生結晶 成長之能量密度。 此外，圖7(a)中雖以1次掃描而結束往汲極線（信號線）驅 動電路部104之雷射照射，惟照射寬度（整形為線狀之光束 之長邊方向尺寸）係與由雷射103之輸出及設計上形成驅動 電路所必要之寬度相關，於丨次掃描無法退火特定區域全 部時’應其必要進行多次掃描亦可。 回到圖7，結束在 >及極線號線）驅動電路部1 之雷射 96655.doc -27- 1260701 产，:使圖1之收納影像旋轉器13之容器17旋轉45 f將使付收納於内部之影像旋轉器13以雷 中心旋轉45度。或9。度旋轉光束整形器H)。之後，= 3十貝訊，使XY載置台14往與退火沒極線驅動電路部104之 方向正交之方向⑼度旋轉之方向）移動。藉此，如圖7⑻ 斤丁 U;及極線⑷號線）驅動電路部1〇4之照射相同之要 領、’，於間極線（掃描線）驅動電路部i 06使雷射光丨G3 _面掃 描並一面照射。 圖7(b)中雖照射使i面板内連續之雷射光1Q3，惟藉由⑹ 。周、I:杰重複雷射光1〇3之on/qff來 〇 形成分割為多個區塊之 擬似早結晶區域亦可。此卜 」此外，圖7(b)中雖以1次掃描結束往 間極線（知·描線）驅動雷^ & 勒电路邛106之雷射照射，惟照射寬度與 由雷射光1 0 3之輪屮士凡士4» L 丄、 . 勒出及17又计上形成驅動電路所必要之寬度 相關，於1次掃描盔法银令4主…> r d „ 唧细"、、凌退火特疋之區域全體時，應其必要 進行多次掃描亦可。 人應其必要如圖7(c)所示，於界面電路部等周邊電路 [U 07以與於汲極線（信號線）驅動電路部丨〇4及閘極線（掃 描線）驅動電路部106掃描雷射光相同之要領，於一面照射 雷射光103並-®掃㈣置纟，結束對於基板此雷射退 火處理。處理結束之基板b藉由搬運機器人（無圖示）搬 出，其次搬入新基板而繼續退火處理。 糟由上述方法，形成於玻璃基板15上之多結晶膜之汲極 線驅動電路區域104、閘極線驅動電路區域1〇6及應其必要 於其他周邊電路區域107，可使施加時間調變之連續振盪 96655.doc -28- 1260701 雷射光聚光為細長形狀而照射。藉由該照射，矽膜將溶融 ^與雷射光之通過同時再凝固，於雷射光之掃描方向使結 曰曰粒成長。此時形成之結晶粒雖依雷射照射條件而相異， 惟一般來說，對於雷射光之掃描方向成為5微米〜50微米， 對於雷射光之掃描方向在直角方向成為G 2微米〜2微米左 右之τ狀、纟η 。藉由使形成於玻璃基板上之(薄膜電晶 _ )之源極汲極方向與結晶之成長方向對位，可形成高 性能之電晶體。 ° 此外，本實施例中，雖說明關係以在玻璃基板上形成多 晶石夕膜之基板為對象進行退火之情形，惟以在玻璃基板上 形成非晶石夕膜之基板為對象進行退火之情形，亦具有相同 效果應不需贅述。 、藉此’本發明之雷射退火方法及雷射退火裝置可應用於 以TFT或液晶面板及有機EL為代表之顯示面板之製造。於 液晶面板之製造應用本發明時，於構成二片基板之—方， 亦稱為主動矩陣基板侧之基板（TFT)基板，應用以上述實 施例，明之雷射退火。其結果將於得到之㈣裝人驅動電 路之薄膜電晶體等。於顯示區域具有形成為矩陣狀之多個 像，’貼合二片基板之另一方，於兩基板之空隙封入液晶 而得到液晶面板。此外，有機EL面板時，於啊基板所具 有之各像素塗布有機發光層，貼合將該有機發光層由周圍 環境遮斷之亦稱為密封罐，且以玻璃為佳之絕緣構件。 上述之實施射，說明關於作為使用於⑦薄膜之退火之 雷射’使用產生連續振盪雷射光之雷射振盪器之情形。惟 96655.doc -29- 1260701 本發明之雷射退火方法及雷射退火裝置並非限定於此。明 顯可應用於在形成非晶矽薄膜或多晶矽薄膜之基板，照射 準分子雷射、LD激起脈衝YAG雷射之諧波、ld激起YV04 雷射之諧波、LD激起YLF雷射之諧波等脈衝雷射而進行之 退火。特別亦可應用於被稱為SLS(循序性側向結晶），使 脈衝雷射光聚光為線狀並重複1微米以下（典型為〇·5微米左 右）之微小間距之照射與高精度移動，或一面以一定速度 移動一面以一定重複照射，於雷射光之移動方向成長結晶 之退火方法。 在此雖說明本發明之數種實施例，惟應明瞭於本發明之 精神中可進行各種變更。因此，本發明不應被限制於該等 貫施例’需包含申請專利範圍中之各種變更。 【圖式簡單說明】 圖1為表示本發明一實施例之雷射退火裝置之光學系統 構造圖。 圖2(a)、2(b)為說明本發明一實施例之雷射退火裝置可 採用之鮑威爾透鏡方式均勻器之圖。 之圖。 圖3(a)、3(b)為說明本發明 一實施例之雷射退火裝置可 採用之萬花筒方式均勻器之 囷4(a) 4(b)為說明本發明一實 圖 4(a)、

一實施例之雷射退火裝置可 丙一實施例之雷射退火裝置可 勻器之圖。 之雷射退火裝置之光學系 96655.doc 1260701 統構造圖。 圖7(a) 7(c)為說明本發明雷射退火方法一實施例之圖。 圖8(a)、8(b)為表示照射整形光束並於多晶石夕膜基板形 成帶狀結晶之工序之圖。 圖9(勾9(b)為表示以形成之帶狀結晶形成薄膜電晶體 之工序之圖。 圖10(a)、i〇(b)為表示藉由本發明其他實施例而退火之 區域之圖。 【主要元件符號說明】 1 激起用LD 2 光纖 3, 21，1〇3, 201 雷射光 4 雷射振邊器 5 閘蓋 6 透過率連續可變ND濾鏡 7 調變器 8 偏光光束分光器 9 擴束器 10 光束整形器 11 矩形縫隙 12, 32 中繼透鏡 13 影像旋轉器 14 载置台 15 基板 96655.doc 1260701 16 結像透鏡 17, 67 收納容器 18, 18，，68, 68， 旋轉轴承 22 鮑威爾透鏡 23, 33 柱面透鏡 25 萬花筒 26 透鏡 28 繞射光學元件 31 多重透鏡陣列 101 玻璃基板 102, 200 多晶矽薄膜 104 汲極線驅動電路部 106 閘極線驅動電路部 107 其他周邊電路部 202 雷射照射區域 204, 205, 206, 207, 208， 結晶粒 209, 210, 211，212 250, 351 矽薄膜區域 253 閘極 254 源極 255 汲極 302 面板 310 區塊 311，31Γ 照射區域

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Claims (1)

1260^13132〇28號專利申請案 冰年（片7/日修(更)正本 中文申請專利範圍替換本(9 5年5月） 十、申請專利範圍·· -種雷射退火裝置’其特徵在於具 置基板並於正交之° '、係載 又之2方向移動者；雷射振盪器，1 盪雷射光者；光束整形哭 ^ . , /、係振 y 〃係使前述雷射光整形為 長形狀者；及以旋轉機ϋ 為、、、田 疋锝钱構，其係由結像透鏡所構成，盆 中該結像透鏡倍π、， /、 糸配置於使两述整形為細長形狀之雷射# 投影在载置於前述載置台上之前述基板上之位置二 者’·而該旋轉機構係使前述整形為細長形狀之前述雷射 光於該雷射光之光軸附近旋轉者。 2. 種田射退火u，其特徵在於具備：載置台，其係載 置基板並於正父之2方向移動者；雷射振盪器，其係振 盪雷射光者’光束整形器，其係使前述雷射光整形為細 長形狀者；中繼透鏡，其係、使前述整形為細長形狀之雷 射光變換為平行光者；及旋轉機構，其係由結像透鏡所 構成，其中該結像透鏡係配置於使前述變換為平行光之 雷射光在前述整形為細長形狀之狀態，投影在載置於前 述載置台上之前述基板上之位置關係者，而該旋轉機構 係使前述整形為細長形狀之前述雷射光於該雷射光之光 軸附近旋轉者。 3·如請求項1之雷射退火裝置，其中使前述整形為細長形 狀之前述雷射光於該雷射光之光軸附近旋轉之旋轉機 構’係插入至使前述雷射光整形為線狀或矩形之光束整 形裔以後且前述結像透鏡以前之影像旋轉器。 4·如請求項2之雷射退火裝置，其中使前述整形為細長形 96655-950502.doc . 1 . 1260701 狀之前述雷射光於該雷射光之光軸附近旋轉之旋轉機 構’係插入至使前述雷射光整形為線狀或矩形之光束整 形器以後且前述結像透鏡以前之影像旋轉器。 5. 如請求項3之雷射退火裝置，其中使雷射光整形為細長 形狀之光束整形器，係鮑威爾透鏡（p〇well lens )與柱 面透鏡 （cylindrical lens ) 之組合、萬花筒 (kaleidoscope )、繞射光學元件、或多重透鏡陣列與柱 面透鏡之組合之任一者。 6, 如請求項4之雷射退火裝置，其中使雷射光整形為細長 形狀之光束整形器，係鮑威爾透鏡與柱面透鏡之組合、 萬花筒、繞射光學元件、或多重透鏡陣列與柱面透鏡之 組合之任，-者。 7·如請求項1之雷射退火裝置，其中使前述整形為細長形 狀之雷射光於光軸附近旋轉之旋轉機構，係至少使雷射 光整形為細長形狀之前述光束整形器於前述雷射光之光 軸附近自由旋轉所構成之機構。 8·如請求項2之雷射退火裝置，其中使前述整形為細長形 狀之雷射光於光軸附近旋轉之旋轉機構，係至少使雷射 光整形為細長形狀之前述光束整形器於前述雷射光之光 轴附近自由旋轉所構成之機構。 9·如請求们之雷射退火裝置，其巾使雷射光整形為細長 形狀之光束整形器，係鮑威爾透鏡與柱面透鏡之組合、 萬花筒、或繞射光學元件之任一者。 =上L求項2之雷射退火裝置，#中使雷射光整形為細長 -2 - !26〇7〇1 、之光束正幵，係飽威爾透鏡與柱面透鏡之組合、 萬花筒、或繞射光學元件之任一者。 σ 峰：f項1之雷射退火裝置，其中前述雷射振盪器係產 續振盪雷射光之振盪器，於使該雷射光整形為細長 狀之刖述光束整形器前方設置時間調變器，使藉由前 “間調變器所時間調變之連續_射光整形為細長 形狀。 •-種雷射退火方法，其特徵在於··其係於載置台上載置 在1主面形成非晶矽膜或多晶矽膜之基板，並於前述基 板上之非晶矽膜或多晶矽膜之希望區域，使整形為細長 =狀之雷射光一面照射並一面掃描者；於前述基板上之 夕個方向掃描前述雷射光之際，不使該基板旋轉，使整 =為細長形狀之雷射光於光軸附近旋轉，載置該基板之 月】述載置台藉由僅於正交之2方向移動，於希望位置、 希望方向照射前述整形為細長形狀之雷射光。 13. 如請求項12之雷射退火方法，其中照射在於丨主面形成 非晶矽膜或多晶矽膜之前述基板之雷射光係時間調變之 連績振盈雷射光’且整形為細長形狀之雷射光。 14. 如請求項12之雷射退火方法，其中照射在於丨主面形成 非晶矽膜或多晶矽膜之前述基板之雷射光係脈衝振盪之 雷射光，且整形為細長形狀之雷射光。 96655-950502.doc -3-