[发明专利]激光装置和激光退火方法

说明书

本发明涉及到一种使用激光束对半导体膜进行退火的方法(此后称为激光退火)以及一套实现该目的的激光装置(更具体地，一套包括激光源和光学系统的装置，其中光学系统用于将从激光源中发射的激光束引导到需要处理的物体上)。

近年来，薄膜晶体管(此后称为TFT)有了很大的发展，特别地，采用多晶硅膜(多晶硅膜)作晶体半导体膜的TFT吸引了很多的注意。尤其地，在液晶显示器件(液晶显示)或EL(电致发光)显示器件中，这些TFT被用作开关像素的元件和构成控制像素的驱动电路的元件。

在获取多晶硅膜的常用技术中，非晶硅膜被晶化以得到多晶硅膜。特别地，使用激光束晶化非晶硅膜的方法得到很多关注。在本说明中，使用激光束晶化非晶半导体膜来得到晶体半导体膜的方法被称为激光晶化。

激光晶化使对半导体膜的瞬时加热成为可能，因此是一种对形成于具有低热阻的衬底之上的半导体膜进行退火的有效技术，如玻璃衬底、塑料衬底以及类似衬底。另外，与传统的采用电炉加热方法(此后称为炉子退火)相比，激光晶化具有更值得注目的高产量。

虽然有各种激光束可用，但在激光晶化中一般用从脉冲共振准分子激光器发射的激光束(以下称准分子激光束)。准分子激光器可以提供较大的输出功率，并能以高频率反复激射。更进一步，对于硅膜，准分子激光束具有高吸收系数的优点。

目前需要解决的最重要的问题之一是如何增大使用激光束晶化的晶体半导体膜中的晶粒直径。显而易见，晶粒(也称之为颗粒)越大，TFT，尤其是其沟道形成区域，横跨的的晶粒数目越少。这就使改善TFT的电学特性，如场效应迁移或阈值电压，的波动成为可能。

另外，由于每个晶粒内部保持了相对满意的结晶度，因此在制作TFT时，希望能够将沟道形成区域放置在单个晶粒内，以改善TFT的上述各种工作特性。

不过，使用目前可用的技术来获得具有足够大的晶粒直径的晶体半导体膜是相当困难的。尽管已报道的一些结果表明可以在实验中获得这种具有足够大的晶粒直径的晶体半导体膜，但是这些已报道的技术尚未达到实用水平。

例如，在实验水平上，这些结果可用K.Shimizu，O.Sugiura and M.Matsumura在IEEE Transactions on Electron Devices，vol.40，No.1，pp.112-117(1993)上发表的题为“通过新颖的准分子激光器晶化方法制备的高迁移率多晶硅薄膜晶体管(High-mobility poly-Si thin-filmtransistors fabricated by novel excimer laser crystallizationmethod)”的论文中描述的方法获得。在这篇论文中，首先在衬底上形成Si/SiO₂/n⁺Si三层结构，然后使用准分子激光束同时从Si一侧和n⁺Si一侧对其进行照射。该论文也解释了如此得到大晶粒直径的原因。

本发明的目的在于：通过采用能够提供具有大晶粒直径的晶体半导体膜的激光退火方法以及可用于该激光退火方法中的激光装置，来克服技术中的上述缺点。

依据本发明，在非晶半导体膜的结晶过程中，用激光束同时照射非晶半导体膜的上表面(其上沉积有一层薄膜)和后表面(与上表面相对的表面)，而且应用于上表面的激光束(此后称为第一激光束)的有效能量强度可以设置到与应用于后表面的激光束(此后称为第二激光束)的有效能量强度不同的量级。

更精确地，设置的激光束照射条件使第一激光束的有效能量强度Io与第二激光束的有效能量强度Io＇之间的有效能量强度比Io/Io＇满足关系0＜Io＇/Io＜1或1＜Io＇/Io，其中Io和Io＇的(Io＇×Io)乘积不等于0。

在本说明中，术语“有效能量强度”定义为在考虑了由各种原因，如反射或类似情况，引起的能量损失后，照射到非晶半导体膜的上表面或后表面的激光束的能量强度。有效能量强度的单位与有效能量密度的单位相同，也就是mJ/cm²。虽然不能直接测量有效能量强度，但是依据已知的参数，如反射系数和透射系数，并且已知出现在激光束的光路中的介质，就可计算出其值。