專利名稱：結(jié)晶膜的制造方法及制造裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及向非晶膜照射激光使其細(xì)微晶化來制作結(jié)晶膜的結(jié)晶膜的制造方法 及制造裝置。
背景技術(shù)：
為了制造用于液晶顯示裝置等薄型顯示器平板顯示器的薄膜晶體管(TFT)的 晶化硅，一般使用如下兩種方法一種方法是激光退火法，向設(shè)在基板上層的非晶硅膜照 射脈沖激光，使該非晶硅膜熔融、再晶化；另一種方法是固相生長法(SPC，Solid Phase Crystallization)，用預(yù)熱爐對(duì)上層具有非晶硅膜的上述基板進(jìn)行加熱，不使上述硅膜熔 融，在固體的狀態(tài)下進(jìn)行結(jié)晶生長。另外，本發(fā)明人確認(rèn)了通過將基板溫度保持在加熱狀態(tài)的狀態(tài)下，向非晶膜照射 脈沖激光，可以得到比固相生長更細(xì)微的多晶膜，并提出了專利申請(qǐng)(參照專利文獻(xiàn)1)?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 日本專利特開2008-147487號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題近些年來，在制造大型電視用0LED(0rganic light-emitting diode)面板或 IXD(Liquid Crystal Display)面板時(shí)，希望有廉價(jià)制造均勻、大面積的細(xì)微的多晶硅膜的方法。另外，最近，在取代液晶顯示器作為最有希望的下一代顯示器的有機(jī)EL顯示器 中，通過有機(jī)EL自身進(jìn)行發(fā)光來提高屏幕的亮度。由于有機(jī)EL的發(fā)光材料不是像LCD那 樣進(jìn)行電壓驅(qū)動(dòng)，而是進(jìn)行電流驅(qū)動(dòng)，因此對(duì)TFT的要求不同。在非晶硅所構(gòu)成的TFT中， 難以抑制老化，閾值電壓(Vth)會(huì)產(chǎn)生大幅漂移，限制了器件的壽命。另一方面，多晶硅由 于是穩(wěn)定的材料，因此壽命較長。然而在多晶硅所構(gòu)成的TFT中，TFT的特性偏差較大。該 TFT特性的偏差是由于晶粒直徑的偏差、以及結(jié)晶硅的晶粒的界面(晶界)存在于TFT的溝 道形成區(qū)域，故更容易產(chǎn)生。TFT的特性偏差主要容易受存在于溝道間的晶粒直徑和晶界的 數(shù)量的影響。并且，若晶粒直徑較大，則一般而言電子遷移率變大。有機(jī)EL顯示器用途的 TFT雖然電場電子遷移率較高，但必須使TFT的溝道長較長，RGB (紅綠藍(lán))各1個(gè)像素的大 小取決于TFT的溝道長，無法得到高分辨率。因此，對(duì)于晶粒直徑的偏差較小而細(xì)微的結(jié)晶 膜的要求程度越來越高。但是，在以往的晶化方法中，難以解決這些問題。這是因?yàn)?，其中之一的激光退火法是使非晶硅先熔融并再晶化的過程，一般形成 的晶粒直徑較大。因此，如以前說明的那樣，電場電子遷移率較高，多個(gè)TFT的溝道區(qū)域內(nèi) 的晶粒直徑的數(shù)量產(chǎn)生偏差，以及隨機(jī)的形狀、相鄰的結(jié)晶的結(jié)晶取向性的差異，結(jié)果會(huì)大 幅影響TFT的特性偏差。特別在激光疊加部結(jié)晶性易于出現(xiàn)差異，該結(jié)晶性的差異會(huì)大幅影響TFT的特性偏差。另外，還存在由于表面的污染物(雜質(zhì))會(huì)使結(jié)晶產(chǎn)生缺陷這樣的 問題。另外，由固相生長法(SPC法)得到的結(jié)晶的粒徑較小、TFT偏差較小，是解決上述 問題的最有效的晶化方法。然而，其晶化時(shí)間較長，難以用作為批量生產(chǎn)用途。在可以進(jìn)行 固相生長法(SPC)的熱處理工序中，使用同時(shí)處理多片基板的批量型的熱處理裝置。由于 同時(shí)對(duì)大量的基板進(jìn)行加熱，因此升溫及降溫需要較長時(shí)間，并且基板內(nèi)的溫度易于不均 勻。另外，固相生長法若以高于玻璃基板的形變點(diǎn)溫度的溫度進(jìn)行長時(shí)間加熱，則會(huì)引起玻 璃基板自身的收縮、膨脹，使玻璃損壞。由于SPC的晶化溫度高于?；c(diǎn)，因此較小的溫度 分布會(huì)使玻璃基板產(chǎn)生彎曲或收縮分布。其結(jié)果是，即便可以進(jìn)行晶化，但在曝光工序等過 程中會(huì)產(chǎn)生問題，難以制造器件。處理溫度越高越要求溫度均勻性。一般而言，晶化速度取 決于加熱溫度，在600°c下需要10至15小時(shí)，在650°C下需要2至3小時(shí)，在700°C下需要 幾十分鐘的處理時(shí)間。為了進(jìn)行處理而不使玻璃基板損壞，需要長時(shí)間的處理時(shí)間，該方法 難以用作為批量生產(chǎn)用途。本發(fā)明是以上述情況為背景而完成的，其目的在于提供一種結(jié)晶膜的制造方法及 制造裝置，可以從非晶膜高效地制作晶粒直徑的偏差較小的細(xì)微的結(jié)晶膜而不使基板損 壞。用于解決問題的方法即，本發(fā)明的結(jié)晶膜的制造方法的特征在于，向位于基板的上層的非晶膜照射510 至540nm的可見波長范圍的連續(xù)振蕩激光，將上述非晶膜加熱至不超過熔點(diǎn)的溫度，使該 非晶膜進(jìn)行晶化。本發(fā)明的結(jié)晶膜的制造裝置的特征在于，包括激光振蕩器，輸出510至540nm的 可見波長范圍的連續(xù)振蕩激光；光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)從該激光振蕩器輸出的激光進(jìn)行整形并導(dǎo)入 非晶膜；掃描裝置，使上述非晶膜沿著該非晶膜的表面方向?qū)τ谏鲜黾す庀鄬?duì)移動(dòng)；以及 衰減器，調(diào)整上述激光的功率密度，使得上述激光在利用上述掃描裝置掃描并照射到上述 非晶膜時(shí)，該非晶膜被加熱至不超過熔點(diǎn)的溫度并被晶化。根據(jù)本發(fā)明，通過將可見光范圍的連續(xù)振蕩激光照射到非晶膜，該激光被非晶膜 有效吸收，非晶膜被急速加熱至不超過熔點(diǎn)的溫度，可以用不同于以往的熔融、再晶化法的 方法，得到粒徑的偏差較小的均勻的細(xì)微結(jié)晶、例如大小為50nm以下的細(xì)微結(jié)晶。在以往 方式的熔融晶化法或利用預(yù)熱爐的SPC(固相生長法)中，晶粒的偏差較大。在本發(fā)明中， 除使用連續(xù)振蕩激光以外不需要將上述非晶膜進(jìn)行預(yù)熱，可以抑制形成有非晶膜的基板的 升溫，高效地處理非晶膜。另外，根據(jù)本發(fā)明，在激光的疊加處也可以得到同樣的結(jié)晶性，均勻性提高。在以 往方式的激光退火法中，在非晶膜的激光的疊加處會(huì)成為其他形態(tài)的結(jié)晶，損害結(jié)晶的均 勻性。另外，通過使非晶膜、特別是非晶硅的連續(xù)振蕩激光其短軸寬度為100 μ m以下， 沿著短軸寬度方向進(jìn)行掃描使其在短時(shí)間內(nèi)加熱，難以達(dá)到基底的基板受到損壞的溫度。 特別是通過使激光以高速相對(duì)地進(jìn)行掃描以縮短照射時(shí)間，可以確實(shí)避免損壞基板。另外， 在本發(fā)明中，不需要對(duì)基板的預(yù)熱，但作為本發(fā)明，不排除進(jìn)行基板的加熱。另外，由于用非晶膜、特別是非晶硅吸收好的激光直接加熱，因此不需要在非晶膜的上層間接地設(shè)有激光吸收層。作為非晶膜，優(yōu)選的是具有50至200nm的厚度的非晶硅膜。上述波長范圍對(duì)于非 晶硅膜的吸收率特別好，可以很好地進(jìn)行細(xì)微晶化。由于若非晶硅膜的厚度為50nm以下， 則加熱的影響容易波及到基板，若超過200nm，則整個(gè)膜難以充分晶化，因此優(yōu)選上述厚度。但是，由于對(duì)于非晶硅的可見光吸收率會(huì)根據(jù)非晶硅的膜厚而變化，因此優(yōu)選選 定吸收好的膜厚。另外，優(yōu)選的是在將上述波長范圍的連續(xù)振蕩激光照射到非晶膜時(shí)，該激光的功 率密度在照射面中為陽 ^OkW/cm2的范圍內(nèi)。若功率密度較低，則無法充分加熱非晶膜， 難以晶化。另一方面，若功率密度太高，則非晶膜會(huì)被加熱至超過熔點(diǎn)的溫度等，難以得到 細(xì)微的晶粒。因此，激光的功率密度優(yōu)選上述范圍。另外，優(yōu)選的是在激光的照射中，激光的短軸寬度為ΙΟΟμπι以下。通過照射在非 晶膜的一部分的區(qū)域，可以不給基板帶來熱影響，局部地對(duì)非晶膜進(jìn)行急速加熱。通過使激 光在該短軸寬度方向相對(duì)地移動(dòng)，可以在非晶膜較寬的區(qū)域進(jìn)行晶化處理。但是，若短軸寬 度太大，則為了高效地晶化就必須增加掃描速度，裝置成本會(huì)提高。通過使上述激光對(duì)非晶膜相對(duì)地進(jìn)行掃描，可以使上述非晶膜沿表面方向晶化。 該掃描可以使激光側(cè)移動(dòng)，可以使非晶膜側(cè)移動(dòng)，也可以使兩者移動(dòng)。該掃描速度優(yōu)選為 50 IOOOmm/ 秒。若掃描速度較小，則照射時(shí)間增多，會(huì)被加熱至超過熔點(diǎn)的溫度，有時(shí)發(fā)生熔融或 者燒蝕。另外，若掃描速度較大，則照射時(shí)間減少，有時(shí)無法加熱至使其固相晶化的溫度。發(fā)明的效果如以上說明那樣，根據(jù)本發(fā)明的結(jié)晶膜的制造方法，由于向位于基板的上層的非 晶膜照射510至540nm的可見波長范圍的連續(xù)振蕩激光，將上述非晶膜加熱至不超過熔點(diǎn) 的溫度使該非晶膜進(jìn)行晶化，因此可以不超過基板的轉(zhuǎn)移點(diǎn)或者即使超過轉(zhuǎn)移點(diǎn)也能以低 溫進(jìn)行處理，可以用激光僅將非晶膜加熱至高溫并使其晶化。同時(shí)具有可以在短時(shí)間生成 50nm以下的微晶這樣的效果。同時(shí)具有在疊加部也可以同樣生成50nm以下的微晶這樣的 效果(對(duì)大面積的晶化有效)。同時(shí)具有通過縮短照射時(shí)間、將基板的形變(彎曲、變形、內(nèi) 部應(yīng)力)抑制在最低限度的效果。同時(shí)具有由于多少將玻璃基板加熱、因此去除非晶硅膜 內(nèi)內(nèi)在的雜質(zhì)或附著在表面的污染物的效果。另外，根據(jù)本發(fā)明，可以降低裝置的成本及維 護(hù)費(fèi)用，可以進(jìn)行開工率較高的處理，由此可以提高生產(chǎn)率。


圖1是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式及一個(gè)實(shí)施方式的制造方法所使用的連續(xù)振 蕩固體激光退火處理裝置的縱向剖視圖。圖2是表示同一實(shí)施例的激光照射后的薄膜的SEM照片。圖3是表示同一實(shí)施例的激光照射后的薄膜的SEM照片。標(biāo)號(hào)說明1激光振蕩器2激光遮光器3衰減器
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4光學(xué)系統(tǒng)40a全反光鏡40b全反光鏡40c全反光鏡41a聚焦透鏡41b聚焦透鏡6 基板63非晶硅薄膜7基板載放臺(tái)8除振臺(tái)10連續(xù)振蕩固體激光退火處理裝置
具體實(shí)施例方式下面，基于圖1說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式。在本實(shí)施方式的結(jié)晶膜的制造方法中，設(shè)以用于平板顯示器TFT器件的基板6為 對(duì)象，在該基板6上形成有非晶硅薄膜6a作為非晶膜。但是，作為本發(fā)明，成為對(duì)象的基板 及形成于其上的非晶膜的類別不限于此。非晶硅薄膜6a由通常的方法形成于基板6的上層。圖1是表示用于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的結(jié)晶膜的制造方法的連續(xù)振蕩固體激 光退火處理裝置10，該連續(xù)振蕩固體激光退火處理裝置10相當(dāng)于本發(fā)明的結(jié)晶膜制造裝置。在連續(xù)振蕩固體激光退火處理裝置10中，可見光CW激光振蕩器1設(shè)置在除振臺(tái) 8上，該可見光CW激光振蕩器1是輸出波長為510至540nm的連續(xù)振蕩激光的連續(xù)振蕩固 體激光器。在可見光CW激光振蕩器1的輸出側(cè)，配置對(duì)激光Ia的通過和遮斷進(jìn)行切換的激 光遮光器2，在該激光遮光器2的通過前方配置衰減器3。另外，衰減器3只要能以預(yù)定的 衰減率使激光衰減即可，作為本發(fā)明，不限于特定的結(jié)構(gòu)。在衰減器3的輸出側(cè)，配置全反光鏡40a、40b、40c，在全反光鏡40c的偏轉(zhuǎn)前方配 置聚焦透鏡41a、41b，這些全反光鏡40a至40c、聚焦透鏡41a、41b構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)4，此外，在 該光學(xué)系統(tǒng)4中，還包括未圖示的光束均質(zhì)器等，可對(duì)光束進(jìn)行整形，使激光Ia為長方形或 者線束狀等預(yù)定的形狀，短軸寬度成為5 100 μ mm。在光學(xué)系統(tǒng)4的射出方向，設(shè)置載放基板6的基板載放臺(tái)7?；遢d放臺(tái)7可沿著 該載放臺(tái)的表面方向(XY方向)移動(dòng)，包括使該基板載放臺(tái)7沿上述表面方向高速移動(dòng)的 掃描裝置(未圖示)。接下來，說明使用上述連續(xù)振蕩固體激光退火處理裝置10的非晶硅薄膜的晶化 方法。首先，在基板載放臺(tái)7上，載放在上層形成有非晶硅薄膜6a的基板6。在本實(shí)施方 式中該基板6不利用加熱器等進(jìn)行加熱。由可見光CW激光振蕩器1輸出波長為510至540nm的連續(xù)振蕩激光，并且激光遮
6光器2打開，使激光Ia可以通過。從可見光CW激光振蕩器1輸出的連續(xù)振蕩激光Ia通過激光遮光器2后到達(dá)衰減 器3，通過該衰減器3以預(yù)定的衰減率衰減。該衰減率被設(shè)定為，激光在加工面成為本發(fā)明 規(guī)定的功率密度。衰減器3也可以使衰減率可變，可變更功率密度。另外，作為本發(fā)明，也 可以不使用衰減器，而在激光源中進(jìn)行輸出調(diào)整來調(diào)整功率密度。調(diào)整了功率密度的連續(xù)振蕩激光Ia在光學(xué)系統(tǒng)4中，被全反光鏡40a、40b、40c反 射并偏轉(zhuǎn)，被聚焦透鏡41a、41b聚焦。此時(shí)，通過未圖示的光束均質(zhì)器等。在該光學(xué)系統(tǒng)4 中，振蕩激光Ia被整形為短軸寬度為100 μ m以下的長方形或者線束狀，朝向基板6以照射 面中為55 ^OkW/cm2的功率密度進(jìn)行照射。上述基板載放臺(tái)7被掃描裝置沿著非晶硅薄膜6a面在激光束的短軸寬度方向進(jìn) 行掃描，其結(jié)果是，在該非晶硅薄膜6a面的較寬區(qū)域，相對(duì)地進(jìn)行掃描并照射上述連續(xù)振 蕩激光。另外，此時(shí)，使連續(xù)振蕩激光的掃描速度為50 IOOOmm/秒，在非晶硅薄膜6a上， 使連續(xù)振蕩激光高速移動(dòng)并照射。利用上述連續(xù)振蕩激光Ia的照射，僅有基板6上的非晶硅薄膜6a被加熱，在短時(shí) 間內(nèi)被多晶化。此時(shí)，非晶硅薄膜6a的加熱溫度成為不超過其熔點(diǎn)的溫度(例如為1000 1200°C左右)。由該照射得到的結(jié)晶薄膜的晶粒直徑為50nm以下，沒有在以往的固相結(jié)晶 生長法中觀察到的突起，具有均勻且細(xì)微的優(yōu)質(zhì)的結(jié)晶性。該結(jié)晶薄膜可以適用于有機(jī)EL顯示器。但是，作為本發(fā)明的使用用途不限于此， 可以用作為其他液晶顯示器或電子材料。另外，在上述實(shí)施方式中，是通過使基板載放臺(tái)移動(dòng)來相對(duì)地使脈沖激光進(jìn)行掃 描，但也可以通過使傳導(dǎo)脈沖激光的光學(xué)系統(tǒng)高速移動(dòng)來相對(duì)地使脈沖激光進(jìn)行掃描。實(shí)施例1接下來，說明本發(fā)明的實(shí)施例。進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)使用上述實(shí)施方式的連續(xù)振蕩固體激光退火處理裝置10，對(duì)在 玻璃制的基板的表面由通常的方法形成的50nm厚的非晶硅薄膜照射連續(xù)振蕩激光。在該實(shí)驗(yàn)中，設(shè)連續(xù)振蕩激光為波長532nm的可見光，被光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行光束整形， 使其截面為長方形，加工面成為7 μ mX 2mm或者65 μ mX 2mm。另外，激光被衰減器3進(jìn)行調(diào) 整，使得在加工面中的功率密度成為表1所示的值。通過使基板載放臺(tái)以表1所示的掃描速度(載放臺(tái)速度)移動(dòng)，使連續(xù)振蕩激光 對(duì)上述非晶硅膜相對(duì)地進(jìn)行掃描，且激光照射到該非晶硅膜。以各種條件被激光照射的薄膜(No. a至j)的SEM照片如圖2、3所示。薄膜中，供試材料似丄^』』^、!!^的晶粒直徑的偏差較小，整個(gè)面被均勻多晶 化，且可以得到優(yōu)質(zhì)的多晶硅薄膜。晶粒也沒有產(chǎn)生50nm以下的較小突起。另外，在疊加 部也生成均勻的微晶。另外，即使預(yù)先在成為非晶硅完全熔解的條件的Secco溶液中進(jìn)行 蝕刻(21秒)也不會(huì)產(chǎn)生變化，可以確認(rèn)得到的各硅膜具有結(jié)晶性。另一方面，對(duì)于供試材料No. a，由于功率密度增大，因此被加熱至超過熔點(diǎn)的溫度 并熔融。供試材料No. e、j的功率密度減少，在照射區(qū)域整個(gè)范圍散布有無法得到固相晶化 的狀況。S卩，根據(jù)本發(fā)明方法，判明可以均勻得到結(jié)晶硅膜，可以提供TFT特性的偏差較小
7的硅膜。以上，基于上述實(shí)施方式及實(shí)施例說明了本發(fā)明，但本發(fā)明不限于上述說明的范 圍，只要不脫離本發(fā)明的范圍，當(dāng)然可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖兏?br> 權(quán)利要求
1.一種結(jié)晶膜的制造方法，其特征在于，向位于基板的上層的非晶膜照射510至540nm的可見波長范圍的連續(xù)振蕩激光，將所 述非晶膜加熱至不超過熔點(diǎn)的溫度，使該非晶膜進(jìn)行晶化。
2.如權(quán)利要求1所述的結(jié)晶膜的制造方法，其特征在于， 所述非晶膜是具有50至200nm的厚度的非晶硅膜。
3.如權(quán)利要求1或2所述的結(jié)晶膜的制造方法，其特征在于， 所述激光的功率密度在所述非晶膜照射面中為陽 ^OkW/cm2。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的結(jié)晶膜的制造方法，其特征在于， 照射到所述非晶膜的激光的短軸寬度為100 μ m以下。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的結(jié)晶膜的制造方法，其特征在于，使所述激光對(duì)所述非晶膜相對(duì)地進(jìn)行掃描并進(jìn)行所述照射，該掃描速度為50 IOOOmm/ 秒。
6.如權(quán)利要求5所述的結(jié)晶膜的制造方法，其特征在于，將所述激光由光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行光束整形為長方形或者線束狀，使所述基板側(cè)高速運(yùn)動(dòng)來 進(jìn)行所述掃描。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的結(jié)晶膜的制造方法，其特征在于， 由所述晶化得到大小為50nm以下的微晶。
8.一種結(jié)晶膜的制造裝置，其特征在于，包括激光振蕩器，輸出510 540nm的可見波長范圍的連續(xù)振蕩激光； 光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)從該激光振蕩器輸出的激光進(jìn)行整形并導(dǎo)入非晶膜； 掃描裝置，使所述非晶膜沿著該非晶膜的表面方向?qū)τ谒黾す庀鄬?duì)移動(dòng)；以及 衰減器，調(diào)整所述激光的功率密度，使得所述激光在利用所述掃描裝置掃描并照射到 所述非晶膜時(shí)，該非晶膜被加熱至不超過熔點(diǎn)的溫度并被晶化。
9.如權(quán)利要求8所述的結(jié)晶膜的制造裝置，其特征在于，所述光學(xué)系統(tǒng)對(duì)激光進(jìn)行整形，使得整形后的所述激光在掃描方向具有短軸寬度，該 短軸寬度成為5 100 μ m。
10.如權(quán)利要求8或9所述的結(jié)晶膜的制造裝置，其特征在于，所述掃描裝置以50 IOOOmm/秒的速度使所述非晶膜對(duì)于所述激光相對(duì)移動(dòng)。
11.如權(quán)利要求8至10中任一項(xiàng)所述的結(jié)晶膜的制造裝置，其特征在于，所述衰減器將所述激光的功率密度在向所述非晶膜的照射面中調(diào)整為55 290kW/cm 2ο
12.如權(quán)利要求8至11中任一項(xiàng)所述的結(jié)晶膜的制造裝置，其特征在于， 所述激光利用向所述非晶膜照射而將該非晶膜加熱至1000 1200°C。
全文摘要
本發(fā)明在使非晶膜進(jìn)行晶化時(shí)，可以均勻高效地制作細(xì)微的結(jié)晶。向位于基板(6)的上層的非晶膜(非晶硅膜(6a))照射510～540nm的可見波長范圍的連續(xù)振蕩激光(1a)，將所述非晶膜加熱至不超過熔點(diǎn)的溫度，使該非晶膜進(jìn)行晶化。連續(xù)振蕩激光優(yōu)選功率密度為55～290kW/cm2、短軸寬度為100μm以下，進(jìn)一步優(yōu)選將連續(xù)振蕩激光相對(duì)地以掃描速度50～1000mm/秒進(jìn)行掃描?？梢詮姆蔷じ咝У刂谱骶ЯＶ睆降钠钶^小的細(xì)微的結(jié)晶膜而不使基板損壞。
文檔編號(hào)H01L21/20GK102067285SQ201080001857
公開日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月1日
發(fā)明者井波俊夫, 富樫陵太郎, 河上徹太郎, 草間秀晃 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日本制鋼所