激光照射设备、激光照射方法和半导体装置的制造方法

摘要

提供一种激光照射设备和激光照射方法，其中，通过在使用偏转器的光学系统中设置狭缝，减少了用激光束照射的区域中用微晶形成的区域，且能够有利地对半导体膜进行激光处理。还提供一种使用上述激光照射设备和激光照射方法的半导体制造设备。在光学系统中，使用具有图像空间远心特性的f－θ透镜、或其形状根据激光束的入射角而改变的狭缝。所述狭缝设置在f－θ透镜和照射表面之间，且通过投影透镜将狭缝开口部分处的图像投影到照射表面上。通过上述结构，能对用激光束扫描的整个区域均匀地进行激光照射。

说明书

技术领域

本发明涉及激光照射设备(一种设备：包括激光振荡器和用于将从激光振荡器输出的激光束引到照射物体的光学系统)以及用于对半导体材料等均匀地和有效地进行激光照射的激光照射方法。而且，本发明涉及包括上述激光照射步骤的半导体装置的制造方法。

背景技术

在半导体装置的制造中，激光照射方法经常被使用。一个原因是，与使用辐射加热或传导加热的固相结晶方法相比，在激光照射方法中处理时间能够更显著地减少。另一个原因是，容易受热变形的基板例如玻璃基板在激光照射方法中不会受到热损坏。

为了进行激光照射，照射物体需要用从激光振荡器发射的激光束扫描。作为激光束的扫描方法，有一种使用检流计反射镜(galvanometer mirror)和f-θ透镜的光学系统。由于检流计反射镜具有可变的倾角，因此照射物体上的任意位置能够用被检流计反射镜反射的激光束照射。这使得能够通过用检流计反射镜在X方向进行扫描和用在台架(stage)上提供的自动装置在Y方向进行平移(transition)而在照射物体的整个表面上照射激光。而且，当设置两个检流计反射镜时，它们中的一个在X方向进行扫描，另一个在Y方向进行扫描，照射物体上的任意位置能够用激光束照射(例如，参考文献1：日本公开专利申请No.2003-86507)。

发明内容

通过使用上述的激光照射设备用射束点(beam spot)扫描照射表面，能够进行用于半导体材料等的激光照射。作为这个步骤的例子，将描述一种方法，其中，通过将CW(连续波)激光束形成为线状的射束点并用这个射束点在次轴方向扫描，来进行激光照射，所述CW激光束是具有532nm波长和10W功率的二次谐波，所述线状的射束点在主轴方向具有大约300μm的长度且在次轴方向具有大约10μm的长度。这里要注意的是，线状的射束点是指具有高纵横比(aspectratio)的矩形的或椭圆的射束点。另外，在次轴方向执行射束点扫描的理由是所述方法是最有效率的扫描方法。在用射束点扫描的部分中，半导体膜中晶体颗粒(grain)变得较大的区域被形成。当晶体颗粒的尺寸变得较大时，使用该半导体膜形成的TFT的沟道区中的颗粒边界的数目减少且迁移率变得较高，从而能够开发更复杂的装置(以下，在本说明书中，具有这样的大颗粒尺寸的晶体被称作大颗粒晶体)。这时，通过一次扫描获得的包括大颗粒晶体的区域的宽度大约是200μm。因此，为了通过激光照射使半导体膜的整个表面结晶，必须以这样的方式执行激光照射：用激光束扫描的位置在射束点的主轴方向偏移通过射束点的一次扫描获得的大颗粒晶体区域的宽度。

图16显示用于在半导体膜中的激光照射的射束点1001的照射轨迹和在射束点1001的A-A′截面中的能量密度分布1002。通常，从激光振荡器发射的具有TEM₀₀模(单横模)的激光束的截面具有如图16中附图标记1002所示的高斯能量分布，而不具有均匀的能量分布。

射束点的中央部分的能量密度被设置得比能够得到大颗粒晶体的阈值(Y)高。这时，射束点的边缘的能量密度比形成晶体区域的阈值(X)高且比阈值(Y)低。因此，当用这样的激光束照射半导体膜时，没有完全熔化的一些部分保留在用射束点的边缘照射的区域1004中。在区域1004中，没有在用射束点的中央部分照射的区域1003中形成的大颗粒晶体、而只有颗粒尺寸相对小的晶体颗粒(以下称作微晶)被形成。

在以这样的方式形成微晶的区域、即用射束点的边缘照射的区域1004中形成的半导体元件不能实现高性能。为了避免这一点，必须在形成大颗粒晶体的区域、即用射束点的中央部分照射的区域1003中形成半导体元件。在这种情况下，很明显，布局受到限制。因此，需要减少形成微晶的区域在用激光束照射的整个区域中的比例。

为了消除微晶区域，一种方法可以被考虑，其中，狭缝(slit)被设置在激光束的光路中，且具有低能量的线状射束点的两个边缘被消除。换句话说，恰在激光束发射后具有图17A形状的能量密度分布的光束通过穿过狭缝被变成具有图17B中实线所示的能量密度分布的光束。

这里，图18A显示一个例子，其中，狭缝1103被设置在光学系统的光路中，所述光学系统使用作为偏转器的检流计反射镜1101和f-θ透镜1102。在图18A的光学系统中，狭缝1103被设置在检流计反射镜1101之前。狭缝1103通常被设置在激光束的光路1005中以拦截(intercept)光束边缘。图18B显示激光束的截面1105和狭缝1103之间的位置关系。已经穿过狭缝开口部分的激光束被检流计反射镜偏转并进入光学系统。然后，通过改变检流计反射镜的倾角，能够用激光束扫描照射表面。这里，图中所示的光路1005是从垂直方向进入f-θ透镜的激光束的光路。另一方面，光路1006是从倾斜方向进入f-θ透镜的光路。比较这些光路，光路1006具有比光路1005长的光路长度，因为光路1006以其间的一角度进入照射表面。即，激光束的光路长度根据检流计反射镜的倾角变化。

在光学系统中提供狭缝的情况下，为了避免激光束由狭缝引起的衍射效应，必须通过提供投影透镜使狭缝开口部分和照射表面之间具有共轭关系。已经穿过狭缝开口部分的激光束被投影到照射表面上。如上所述，在那种情况下，在图18A的光学系统中，激光束的光路长度根据检流计反射镜的倾角变化；相应地，不可能清楚地确定狭缝、投影透镜和照射表面之间的距离。因此、难以使狭缝和照射表面之间在照射区域的整个范围内具有共轭关系。另外，在将狭缝设置于基板附近的情况下，也难以完全消除狭缝引起的衍射效应。因此，在通过使用检流计反射镜和f-θ透镜的光学系统来加工半导体膜的情况下，难以消除形成微晶的区域。

在这样的情形下，本发明的目的是解决上述问题并提供一种激光照射设备和激光照射方法，其中，当用使用诸如检流计反射镜和f-θ透镜的偏转器的光学系统进行激光束照射时，能够通过减少用激光束照射的整个区域中形成微晶的区域的比例，来有利地对半导体膜进行激光照射。而且，本发明的另一目的是提供一种使用上述激光照射设备或激光照射方法的半导体制造设备。

本发明的激光照射设备的结构的一个特征是包括：激光振荡器；偏转器，其在偏转表面偏转从激光振荡器发射的激光束并通过改变该偏转表面的倾角用激光束扫描照射表面；成像光学系统，其聚集(condense)被偏转器偏转到照射表面的激光束；狭缝，其被提供在成像光学系统和照射表面之间并拦截激光束的边缘；以及投影透镜，其将在激光束经过的路径中的狭缝处形成的图像投影到照射表面上。

本发明的激光照射设备的结构的一个特征是包括：激光振荡器；偏转器，其在偏转表面偏转从激光振荡器发射的激光束并通过改变偏转表面的倾角用激光束扫描照射表面；光学系统，其处理激光束以在照射表面上形成线状的射束点；成像光学系统，其聚集被偏转器偏转到照射表面的激光束；狭缝，其被提供在成像光学系统和照射表面之间并拦截激光束的边缘；以及投影透镜，其将在激光束经过的路径中的狭缝处形成的图像投影到照射表面上。

在本发明中，连续波激光振荡器或脉冲激光振荡器可以被用作激光振荡器。上述激光照射设备的结构的一个特征是：连续波激光振荡器是Ar激光器、Kr激光器、CO₂激光器、YAG激光器、YVO₄激光器、YLF激光器、YAlO₃激光器、GdVO₄激光器、Y₂O₃激光器、红宝石激光器、变石(alexandrite)激光器、Ti：蓝宝石激光器、氦-镉激光器、GaN激光器、GaAs激光器和InAs激光器中的一个或多个。

上述激光照射设备的结构的一个特征是：脉冲激光振荡器是Ar激光器、Kr激光器、准分子(excimer)激光器、CO₂激光器、YAG激光器、YVO₄激光器、YLF激光器、YAlO₃激光器、GdVO₄激光器、Y₂O₃激光器、玻璃激光器、红宝石激光器、变石激光器、Ti：蓝宝石激光器、GaN激光器、GaAs激光器、InAs激光器、铜蒸气(vapor)激光器和金蒸气激光器中的一个或多个。

在上述激光照射设备的结构中，激光束通过非线性光学装置被期望地转变为高次谐波。例如，已知YAG激光器是发射波长为1064nm的激光束作为基波的激光器。这个激光束对于硅膜具有极低的吸收系数，并且对于这一状态，在技术上难以用激光照射执行作为一种半导体膜的非晶硅膜的结晶。然而，利用非线性光学装置，该激光束能够被转变为短波长激光，并且存在二次谐波(532nm)、三次谐波(355nm)、四次谐波(266nm)和五次谐波(213nm)作为高次谐波。由于这些高次谐波对非晶硅膜具有高的吸收系数，因此它们可被用于使非晶硅膜结晶。具有高次谐波的激光振荡器的激光介质通常被掺杂有Nd、Yb或Cr等，且通过这些元素的激发，发生激光振荡。

上述激光照射设备的结构的一个特征是：偏转器是检流计反射镜、多角镜、声光偏转器(AOD)、电光偏转器(EOD)、共振扫描器、全息扫描器和锥形扫描器中的一个或多个。

在上述激光照射设备的结构中，成像光学系统是f-θ透镜或远心f-θ透镜。远心f-θ透镜是具有图像空间远心特性的f-θ透镜。当使用远心f-θ透镜时，从远心f-θ透镜到照射表面的激光束的入射角能够被固定。

上述激光照射设备的结构的一个特征是：投影透镜是凸柱面透镜。

本发明的激光照射方法的结构的一个特征是包括步骤：用包括偏转表面且能够改变偏转表面的倾角的偏转器偏转从激光振荡器发射的激光束；使被偏转的激光束穿过成像光学系统；用设置在成像光学系统和照射表面之间的狭缝拦截激光束的边缘；用投影透镜将在激光束经过的路径中的狭缝处形成的图像投影到照射表面；以及用形成的射束点扫描照射表面。

本发明的激光照射方法的结构的一个特征是包括步骤：用光学系统处理从激光振荡器发射的激光束，以在照射表面上形成线状的射束点；用包括偏转表面且能够改变偏转表面的倾角的偏转器偏转激光束；使被偏转的激光束穿过成像光学系统；用设置在成像光学系统和照射表面之间的狭缝拦截激光束的边缘；用投影透镜将在激光束经过的路径中的狭缝处形成的图像投影到照射表面上；以及用形成的射束点扫描照射表面。

在本发明中，连续波激光振荡器或脉冲激光振荡器可以被用作激光振荡器。上述激光照射方法的结构的一个特征是：所述连续波激光振荡器是Ar激光器、Kr激光器、CO₂激光器、YAG激光器、YVO₄激光器、YLF激光器、YAlO₃激光器、GdVO₄激光器、Y₂O₃激光器、红宝石激光器、变石激光器、Ti：蓝宝石激光器、氦-镉激光器、GaN激光器、GaAs激光器和InAs激光器中的一个或多个。

上述激光照射方法的结构的一个特征是：脉冲激光振荡器是Ar激光器、Kr激光器、准分子激光器、CO₂激光器、YAG激光器、YVO₄激光器、YLF激光器、YAlO₃激光器、GdVO₄激光器、Y₂O₃激光器、玻璃激光器、红宝石激光器、变石激光器、Ti：蓝宝石激光器、GaN激光器、GaAs激光器、InAs激光器、铜蒸气激光器和金蒸气激光器中的一个或多个。

在上述激光照射方法的结构中，激光束通过非线性光学装置被期望地转变为高次谐波。具有高次谐波的激光振荡器的激光介质通常被掺杂有Nd、Yb或Cr等，且通过这些元素的激发，发生激光振荡。

上述激光照射方法的结构的一个特征是：偏转器是检流计反射镜、多角镜、声光偏转器(AOD)、电光偏转器(EOD)、共振扫描器、全息扫描器和锥形扫描器中的一个或多个。

上述激光照射方法的结构的一个特征是：成像光学系统是f-θ透镜或远心f-θ透镜。

上述激光照射方法的结构的一个特征是：投影透镜是凸柱面透镜。

本发明的半导体装置的制造方法的结构的一个特征是包括步骤：在基板上形成半导体膜；用本发明的激光照射方法在半导体膜上形成射束点；以及用射束点扫描半导体膜以对整个半导体膜执行激光照射。

本说明书中的激光照射方法指：用于使通过离子注入等形成在半导体基板或半导体膜中的受损区域或非晶区域结晶的技术、用于通过用激光束照射形成在基板上的非晶半导体膜来使半导体膜结晶的技术、诸如镍的促进结晶的元素被加入晶体(不是单晶)半导体膜中且进行激光照射以执行结晶的技术等等。另外，本说明书中的激光照射方法也包括用于半导体基板或半导体膜的平面化或表面改性的技术。

半导体装置指能够通过利用半导体特性而起作用的所有类型的装置。诸如液晶显示装置或发光装置的电光装置、以及包括这样的电光装置作为一部分的电子装置被包括在半导体装置的类别中。

通过设置在f-θ透镜和照射表面之间的狭缝扫描激光束而去除射束点的边缘。这时，或者通过使用远心f-θ透镜作为f-θ透镜或者通过根据激光束的场角(field angle)改变狭缝形状，将在狭缝开口部分处的图像投影到照射表面上变得容易。利用上述结构，即使使用包括偏转器和f-θ透镜的光学系统时，包括在用激光束照射的区域中的微晶区域的比例也被减少，且能够有利地对半导体膜进行激光处理。

虽然用偏转器执行激光束的扫描，但能够通过使用狭缝和投影透镜来减少偏转器中光轴位移的影响。另外，通过在狭缝开口部分调整图像的投影放大率，能够减少由狭缝的处理误差带来的影响。因此，在处理物体上照射区域中能够保持位置稳定性。而且，由于不需要在设备中使用高速传送台架，因此存在能减少设备的占地面积(footprint)尺寸的优点。另外，在转换激光束的扫描方向时的操作停止时间能够被缩得非常短。相应地，能够提高生产量，且能够高效地用激光束照射形成在大的基板上的半导体膜。

附图说明

在附图中：

图1显示本发明的激光照射设备；

图2显示本发明的激光照射设备；

图3显示本发明的激光照射设备的光学系统和f-θ透镜的畸变(distortion)特性；

图4显示f-θ透镜的畸变特性；

图5显示本发明的激光照射设备的光学系统；

图6显示激光束的照射部分和掩模形状之间的位置关系；

图7A和7B显示激光束的扫描方法；

图8显示本发明的激光照射设备；

图9显示本发明的激光照射设备；

图10A和10B显示射束点的交迭方法；

图11A和11B显示射束点的交迭方法；

图12A和12B显示本发明的激光照射设备和狭缝形状；

图13A和13B显示实施方式4的薄膜芯片；

图14A和14B显示实施方式4的薄膜晶体管被安装在其上形成有像素的基板上的方式；

图15显示实施方式5的CPU；

图16显示激光束的形状、激光照射轨迹和能量密度分布；

图17A和17B显示激光束的能量密度分布；和

图18A和18B显示激光照射设备的例子。

具体实施方式

将参考附图描述本发明的实施方式和实施例。注意，本领域技术人员容易理解，本发明不受限于下面的描述，且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在形式和细节中可以作出各种变化。因此，本发明不应当受限于下面的对实施方式和实施例的描述。

这个实施方式的激光照射设备通过使用诸如检流计反射镜的偏转器偏转从激光振荡器发射的激光束来进行激光照射。为了使激光束成形(shape)，f-θ透镜、狭缝和柱面透镜被设置在光学系统中。图1显示本发明的激光照射设备的例子。

图1中所示的激光振荡器101不是特别限定的，且能够使用连续波激光振荡器或者脉冲激光振荡器。作为连续波激光振荡器的例子有：Ar激光器、Kr激光器、CO₂激光器、YAG激光器、YVO₄激光器、YLF激光器、YAlO₃激光器、GdVO₄激光器、Y₂O₃激光器、红宝石激光器、变石激光器、Ti：蓝宝石激光器、氦-镉激光器、GaN激光器、GaAs激光器和InAs激光器等等。另外，作为脉冲激光振荡器的例子有：Ar激光器、Kr激光器、准分子激光器、CO₂激光器、YAG激光器、YVO₄激光器、YLF激光器、YAlO₃激光器、GdVO₄激光器、Y₂O₃激光器、玻璃激光器、红宝石激光器、变石激光器、Ti：蓝宝石激光器、GaN激光器、GaAs激光器、InAs激光器、铜蒸气激光器和金蒸气激光器等等。

从激光振荡器101发射的激光束穿过柱面扩展器102，其在一个方向扩展激光束的宽度。柱面扩展器102被用于在照射表面上形成线状射束点的主轴方向。注意，在从激光振荡器发射具有线状形状或矩形形状的激光束的情况下，柱面扩展器102不是必须被提供。已经穿过柱面扩展器102的激光束进入检流计反射镜103。检流计反射镜具有偏转激光束的功能，并能够通过改变检流计反射镜的倾角而用激光束扫描照射表面。使用检流计反射镜作为偏转装置的例子已经在此被描述，然而，本发明不限于此，且也可以使用诸如多角镜、AOD(声光偏转器)、EOD(电光偏转器)、共振扫描器、全息扫描器或锥形扫描器的偏转器来代替检流计反射镜。

被检流计反射镜103偏转的激光束进入远心f-θ透镜104。远心f-θ透镜是具有图像空间远心特性的f-θ透镜。当使用远心f-θ透镜时，能够固定激光束从远心f-θ透镜到照射表面的入射角。在这个实施方式中，将描述通过利用这样的知识以帮助在光学系统中设置狭缝的例子。

考虑到激光束的波长、在照射表面上的期望的扫描范围和像差性质而适当地设计这里使用的远心f-θ透镜。作为远心f-θ透镜104的例子，在图3中显示设计用于532nm波长的激光束的f-θ透镜的截面。远心f-θ透镜104由四个球面透镜(透镜202、透镜203、透镜204和透镜205)形成。作为透镜的材料，使用BK7。透镜202具有曲率半径为-57.5mm的第一表面、曲率半径为1638.2mm的第二表面和5.6mm的透镜厚度。透镜203具有曲率半径为-168.3mm的第一表面、曲率半径为-91.7mm的第二表面和22.2mm的透镜厚度。透镜204具有曲率半径为3100mm的第一表面、曲率半径为-113.3mm的第二表面和41.3mm的透镜厚度。透镜205具有曲率半径为979.5mm的第一表面、曲率半径为-358mm的第二表面和20.7mm的透镜厚度。透镜202被设置在离检流计反射镜201为116.1mm的位置。透镜202和透镜203间的距离被设成10.3mm，透镜203和透镜204间的距离设成0.1mm，以及透镜204和透镜205间的距离设成0.1mm。而且，透镜205和照射表面207之间的距离被设成326.8mm。注意，在本说明书中，在透镜设置的描述中，激光束的行进方向被称作前面。另外，在透镜中，激光束的入射侧由第一表面表示，且发射侧由第二表面表示。当曲率中心在透镜的激光束入射侧时，曲率半径的符号是负的，当曲率中心在发射侧时，曲率半径的符号是正的。

这里，远心f-θ透镜104被设计成具有图4所示的畸变。假定y是图像高度，f是焦距，θ是激光束到远心f-θ透镜104的入射角，通过上述的畸变，远心f-θ透镜104具有由公式y＝fθ所表示的f-θ特性。利用上述fθ特性，能够用激光束以恒定速度扫描处理物体的平面。另外，远心f-θ透镜104具有图像空间远心特性。图3显示穿过远心f-θ透镜104的不同区域的激光束的光路。由实线显示的光路208对应于检流计反射镜的倾角是0°的情形，由点线显示的光路209对应于检流计反射镜的倾角是4°的情形，且由短划线显示的光路210对应于检流计反射镜的倾角是8°的情形。在这些主要的射线穿过远心f-θ透镜104以后，它们总是从垂直方向进入照射表面。这里，在狭缝206设置在透镜205和照射表面207之间的情况下，狭缝206和照射表面207之间的距离在倾角为0°、4°和8°时分别由a、b和c表示。通过上述的远心特性，得到关系a＝b＝c。本发明的激光照射设备注意到这个方面，且通过将狭缝开口部分处的图像投影到照射表面上来进行激光照射。通过上述结构，能够容易地将狭缝和照射表面设置成独立于激光束的场角的彼此共轭位置关系。因此，能够有利地使激光束的整个扫描范围结晶。

本发明使用的狭缝不是特别限定的，且能够使用具有当激光束穿过狭缝时能够拦截激光束的强度低的部分的结构或形状的狭缝。例如，通过使用图1所示的板状狭缝105来遮挡激光束。狭缝105能够按照激光束的种类或能量来调整它的位置。相应地，能够调整在狭缝之间的狭缝开口部分的尺寸。在本发明的激光照射设备中，上述狭缝105被设置以作用于射束点的主轴方向。另外，图5显示狭缝的形状和射束点的截面之间的关系。狭缝1201被设置成平行于射束点1202的扫描方向，且狭缝开口部分的宽度被设成在扫描范围内恒定。相应地，能够去除射束点的作为具有低能量区域的两边缘。而且，能够调整射束点在主轴方向的长度。

狭缝的形状可以是这样的：只在对应于要用激光束扫描的区域的部分中提供开口部分作为图2的狭缝109。这使得能够对基板107上预定位置激光照射。图6显示通过使用上述狭缝109进行激光照射的例子。图6显示将半导体膜图案化中的掩模形状和用激光束照射的部分之间的关系的例子。图中的箭头指激光束的扫描方向。在用激光束照射而结晶之后，按照用于将半导体膜图案化的掩模形状301将半导体膜图案化。区域303代表用激光束302照射的部分。由短划线围绕的区域304代表激光束被狭缝遮挡的部分。利用上述方法，不用激光束照射不需要结晶的部分；相应地，能够减少对基板的损坏。

在对一部分进行激光束照射的情况下，可以用AO调制器等代替使用上述狭缝109来拦截激光束。在这种情况下，要用激光束扫描的部分可以根据掩模信息来识别，且AO调制器可以与检流计反射镜的操作同步以便用激光束照射仅必须被扫描的部分。

已经穿过狭缝109的激光束进入柱面透镜106。柱面透镜106被设置以在照射表面上形成射束点的主轴方向。柱面透镜106使得狭缝开口部分和基板107彼此具有共轭关系。即，假定狭缝开口部分和柱面透镜106之间的距离是“a”，柱面透镜106和基板107之间的距离是“b”，柱面透镜106的焦距是“f”，则形成公式(1)的关系。

1/f＝1/a+1/b…(1)

在狭缝开口部分，形成激光束的边缘被消除的图像；相应地，利用上述关系，基板也被用具有有利的能量分布的激光束照射。柱面透镜106的焦距可以被确定，以便狭缝开口部分处的图像当被投影到基板上时被缩小。狭缝开口部分处的图像以b/a倍的放大率被投影到基板上。相应地，可以设置狭缝109、柱面透镜106和基板107，以使上述光学系统具有a＞b的距离关系。上述结构的优点是：当被投影到基板上时，能够减少狭缝边缘处的处理误差。这样，能够制造狭缝开口部分处的图像而允许在狭缝边缘的相对大的处理误差值，且能够用激光束进行扫描而压低照射轨迹的膨胀(swell)。

柱面透镜不是特别限定的，且可以使用在入射侧或发射侧具有凸表面、或者在两侧都具有凸表面的柱面透镜。考虑到低像差和精度，优选地使用在入射侧具有凸表面的柱面透镜。

半导体膜被形成在基板107上，且用上述方法形成的射束点通过扫描来照射。作为基板107，使用以铝硼硅酸盐玻璃或钡硼硅酸盐玻璃为代表的玻璃基板、石英基板、陶瓷基板、不锈钢基板、以塑料基板或丙烯酸基板为代表的挠性基板、单晶半导体基板(典型地，N型或P型单晶硅基板、GaAs基板、InP基板、GaN基板、SiC基板或ZnSe基板)等。优选地，在激光照射中基板107被固定在吸力(suction)台架108上，因为定位精度变高。吸力台架108被提供在传送台架上。在使用检流计反射镜在X轴方向扫描射束点之后，将传送台架在射束点的主轴方向(Y轴方向)移动射束点在主轴方向的长度。通过重复上述操作，能够对基板的整个表面进行激光照射。注意，作为激光束的扫描方法，可以采用如图7A所示的线状射束点110沿X轴往复移动的扫描方法，或者如图7B所示的线状射束点沿一个方向移动的扫描方法。

通过上述方法，能够用激光束扫描基板107。注意，在用激光束扫描时，狭缝105或狭缝109、用于投影的柱面透镜106和基板107被完全地固定在上述光学系统中。因此，即使在诸如检流计反射镜的偏转器中产生光轴位移，激光束的照射轨迹也能够利用柱面透镜106的传送功能被固定在某个位置。另外，由于当在基板上扫描激光束时不必以高速移动传送台架，因此不产生由台架的直线度(straightness)或俯仰(pitching)等引起的影响。因此，能够稳定地进行激光照射，且能够有利地用本发明的激光照射设备用激光束照射半导体膜。

实施例1

实施例1将描述通过合成从多个激光振荡器发射的激光束以提高激光照射效率来对半导体膜进行激光照射的例子。

图8的激光振荡器401和402中的每一个都是具有20W输出功率、80MHz重复率、20到30psec脉冲宽度、532nm波长、1mm光束直径和TEM₀₀模(单横模)的锁模脉冲激光振荡器。锁模脉冲激光振荡器具有比传统的脉冲激光振荡器的几十到几百Hz的重复率高很多的重复率。一般认为，在用脉冲激光束照射半导体膜后，要花几十到几百nsec来完全固化半导体膜。使用具有10MHz或更高重复率的脉冲激光振荡器，可以在半导体膜被前一激光束熔化后且在该半导体膜被固化前用激光束照射该半导体膜；相应地，能够保持熔融状态。

不像使用传统脉冲激光振荡器的情形，在半导体膜中固相和液相之间的界面能够连续移动，从而形成具有在扫描方向连续生长的晶体颗粒的半导体膜。具体而言，能够形成晶体颗粒的集合体，各晶体颗粒具有在晶体颗粒的扫描方向的10-30μm、优选10-60μm的宽度和在垂直于扫描方向的约1-5μm的宽度。

从激光振荡器401发出的激光束穿过半波片403。在激光束穿过半波片403后，激光束被s-偏振化。而且，激光束被反射镜405反射且进入偏振分束器406。从激光振荡器402发射出的激光束穿过半波片404。在激光束穿过半波片404后，激光束被p-偏振化。在偏振分束器406处，上述两个激光束被合成。被合成的激光束穿过柱面扩展器407。线状射束点在照射表面上的主轴方向通过柱面扩展器407形成。在具有线状形状或矩形形状的激光束被从激光振荡器发射的情况下，柱面扩展器407不是必须被提供。已经穿过柱面扩展器407的激光束进入检流计反射镜408。检流计反射镜408具有偏转激光束的功能，且通过改变检流计反射镜408的倾角，能够用线状射束点扫描照射表面。

被检流计反射镜408偏转的激光束进入远心f-θ透镜409。远心f-θ透镜409使得当用形成的射束点扫描照射表面时扫描速度恒定。另外，这里使用的远心f-θ透镜409被设计成具有图像空间远心特性。因此，已经穿过远心f-θ透镜409的激光束具有独立于检流计反射镜408的倾角的对于照射表面的恒定入射角。利用上述结构，在远心f-θ透镜409和照射表面之间设置狭缝以及将在狭缝开口部分处的图像投影到照射表面上变得较容易。考虑到激光束的波长、扫描范围和期望的像差特性，通过组合多个球面透镜或柱面透镜来设计上述远心f-θ透镜409。在远心f-θ透镜409由多个透镜形成的情况下，为了尽可能防止光学系统中激光束的损失，优选地形成用于防止激光束损失的结构，其中透镜的表面被涂敷有抗反射膜。

已经穿过远心f-θ透镜409的激光束通过狭缝410。狭缝410被设置成作用在线状射束点的主轴方向上；相应地，能够去除线状射束点的两边缘处的能量低的区域。而且，能够调整射束点在主轴方向的长度。

然后，将狭缝开口部分处的图像通过作用于线状射束点的主轴方向上的柱面透镜411投影到照射表面上。通过柱面透镜411，狭缝410和照射表面被设置在成共轭位置。注意，柱面透镜411不是特别限定的，且可以使用在入射侧或发射侧具有凸表面、或者在两侧都具有凸表面的柱面透镜。考虑到低像差和精度，优选地使用在入射侧具有凸表面的柱面透镜。

通过上述方法，具有主轴方向的500μm的长度和次轴方向的20μm的长度的射束点被形成。用形成的射束点扫描其上形成有半导体膜的基板412。作为基板412，使用以铝硼硅酸盐玻璃或钡硼硅酸盐玻璃为代表的玻璃基板、石英基板、陶瓷基板、不锈钢基板、以塑料基板或丙烯酸基板为代表的挠性基板、或单晶半导体基板(典型地，N型或P型单晶硅基板、GaAs基板、InP基板、GaN基板、SiC基板或ZnSe基板)等。优选地，在激光照射中基板412被固定在吸力台架413上，因为定位精度变高。吸力台架413被提供在Y台架上。在使用检流计反射镜在X轴方向扫描射束点之后，将Y台架在射束点的主轴方向移动射束点在主轴方向的长度。通过重复上述操作，能够对半导体膜的整个表面进行激光照射。

在这个实施例的激光结晶设备中，能够去除线状射束点的两边缘的能量低的区域；相应地，能够减少包括在激光照射区域中的微晶区域的比例，且能够有利地对半导体膜进行激光照射。

实施例2

实施例2将描述通过用偏转器偏转从多个激光振荡器发射的激光束并在照射表面上合成多个射束点来进行激光照射的例子。

图9的激光振荡器501和502中的每一个都是具有10W输出功率、80MHz重复率、20到30psec脉冲宽度、532nm波长、1mm光束直径和TEM₀₀模(单横模)的锁模脉冲激光振荡器。锁模脉冲激光振荡器具有比传统脉冲激光振荡器的几十到几百Hz的重复率高很多的重复率。一般认为，在用脉冲激光束照射半导体膜后，要花几十到几百nsec来完全固化半导体膜。使用具有10MHz或更高重复率的脉冲激光振荡器，可以在半导体膜被前一激光束熔化后且在该半导体膜被固化前用激光束照射该半导体膜；相应地，能够保持熔融状态。

不像使用传统脉冲激光振荡器的情形，在半导体膜中固相和液相之间的界面能够连续移动，从而形成具有在扫描方向连续生长的晶体颗粒的半导体膜。具体而言，能够形成晶体颗粒的集合体，每一个晶体颗粒具有在晶体颗粒的扫描方向的10-30μm、优选10-60μm的宽度和在垂直于扫描方向的约1-5μm的宽度。

从激光振荡器501发射的激光束通过柱面扩展器503，以在照射表面上形成线状射束点的主轴方向。在具有线状形状或矩形形状的激光束被从激光振荡器发射的情况下，柱面扩展器503不是必须被提供。已经穿过柱面扩展器503的激光束进入检流计反射镜505。检流计反射镜505具有偏转激光束的功能，且通过改变检流计反射镜505的倾角，能够用激光束扫描照射表面。

被检流计反射镜505偏转的激光束进入远心f-θ透镜507。远心f-θ透镜507使得当用形成的射束点扫描照射表面时扫描速度恒定。另外，这里使用的远心f-θ透镜507被设计成具有图像空间远心特性。因此，已经穿过远心f-θ透镜507的激光束具有独立于检流计反射镜505的倾角的对于照射表面的恒定入射角。通过上述结构，在远心f-θ透镜507和照射表面之间设置狭缝以及将在狭缝开口部分处的图像投影到照射表面上变得较容易。考虑到激光束的波长、扫描范围和期望的像差特性，通过组合多个球面透镜或柱面透镜来设计上述远心f-θ透镜507。在远心f-θ透镜507由多个透镜形成的情况下，为了尽可能防止光学系统中激光束的损失，优选地形成用于防止激光束损失的结构，其中透镜的表面被涂敷有抗反射膜。

已经穿过远心f-θ透镜507的激光束通过狭缝509。狭缝509被设置成作用在线状射束点的主轴方向上；相应地，能够去除射束点的一个边缘处的能量低的区域。而且，能够调整线状射束点在主轴方向的长度。

然后，狭缝开口部分处的图像通过作用于线状射束点的主轴方向上的柱面透镜511被投影到照射表面上。通过柱面透镜511，狭缝509和照射表面被设置成共轭位置。注意，柱面透镜511不是特别限定的，且可以使用在入射侧或发射侧具有凸表面、或者在两侧都具有凸表面的柱面透镜。考虑到低像差和精度，优选地使用在入射侧具有凸表面的柱面透镜。

类似于上述方式，通过使用柱面扩展器504、检流计反射镜506、远心f-θ透镜508、狭缝509和柱面透镜512，将从激光振荡器502发射的激光束形成为期望的射束点。

这个设备的狭缝509只作用在主轴方向中射束点的一个边缘。狭缝509不在其上作用的另一侧的边缘互相交迭；相应地，能量密度被设成适合于退火半导体膜。这里，参考图10A和10B详细描述激光束的合成方法。图10A显示照射表面上的两个射束点的形状。在图中，第一射束点1301表示用从激光振荡器501发射的激光束形成的射束点，第二射束点1302表示用从激光振荡器502发射的激光束形成的射束点。

图10B显示沿射束点的A-A′线所获得的截面的能量密度。阈值(Y)表示形成大颗粒晶体的能量密度，阈值(Z)表示导致诸如半导体膜的膜破裂的损坏的能量密度。从阈值(Y)到阈值(Z)的能量密度是只形成大颗粒晶体的能量区域，其适合于退火半导体膜。

图10B显示通过合成第一射束点1301和第二射束点1302形成的射束点的能量分布。在第一射束点1301和第二射束点1302的一侧的主轴方向的边缘被狭缝遮挡住。因此，合成的射束点的两个边缘处的能量分布都是陡的(sharp)。另一方面，在第一射束点1301和第二射束点1302互相交迭的一侧的每个边缘在合成射束点前具有高斯强度分布。然后，当调整射束点的相对位置时，第一射束点1301和第二射束点1302互相交迭。相应地，在射束点互相交迭的交迭区域中，能够得到具有适合于退火的能量分布的能量密度。

通过使用上述方法合成射束点，能够以在主轴方向较长的射束点长度进行激光照射。因此，在一次扫描中能够用激光束照射更宽的区域，从而半导体元件能够具有设计自由度。上述方法具有在光学系统中激光束损失小的优点，因为不需要诸如波片或偏振分束器的光学元件。当多个激光束被偏振分束器合成时，根据这个实施例的方法在激光束的总能量超过偏振分束器的损伤阀值的情况下是有效的。

注意，在通过这个实施例的方法进行激光照射的情况下，必须合成两个激光束以便只有一个射束点被持续地形成在照射表面上。因此，通过使检流计反射镜的操作同步，由检流计反射镜505和检流计反射镜506偏转形成的射束点可以被形成为持续地互相交迭在照射表面上。

通过上述方法，具有在主轴方向500μm的长度和在次轴方向20μm的长度的射束点被形成。用形成的射束点扫描其上形成有半导体膜的基板513。作为基板513，使用以铝硼硅酸盐玻璃或钡硼硅酸盐玻璃为代表的玻璃基板、石英基板、陶瓷基板、不锈钢基板、以塑料基板或丙烯酸基板为代表的挠性基板、或单晶半导体基板(典型地，N型或P型单晶硅基板、GaAs基板、InP基板、GaN基板、SiC基板或ZnSe基板)等。优选地，在激光照射中基板513被固定在吸力台架514上，因为定位精度变高。吸力台架514被提供在Y台架上。在使用检流计反射镜在X轴方向扫描射束点之后，将Y台架在射束点的主轴方向移动射束点在主轴方向的长度。通过重复上述操作，能够对半导体膜的整个表面进行激光照射。

在这个实施例的激光结晶设备中，能够去除线状射束点的两边缘的能量低的区域；相应地，能够减少包括在激光照射区域中的微晶区域的比例，且能够有利地对半导体膜进行激光照射。

已经在这个实施例中描述了在照射表面上合成两个射束点的例子；然而，被合成的射束点的数目不限于此。作为例子，合成三个射束点的方法被显示在图11A和11B中。图11A显示照射表面上三个射束点的形状，图11B显示射束点的A-A′截面的能量密度。类似于图10B，从阈值(Y)到阈值(Z)的能量密度是只形成大颗粒晶体的能量区域，其适合于退火半导体膜。为了合成三个射束点，第二射束点1302的一个边缘与第一射束点1301交迭，第二射束点1302的另一个边缘与第三射束点1303交迭。相应地，高斯强度分布在交迭区域交迭，从而在合成后形成具有适合于退火的能量分布的能量密度。另外，第一射束点1301和第三射束点1303在主轴方向的另一边缘被狭缝遮挡住。因此，能够去除射束点边缘的低能量的区域。相应地，能够减少包括在激光照射区域中的微晶区域的比例。

实施例3

实施例3将描述通过根据激光束的入射角改变设置在f-θ透镜和照射表面之间的狭缝的形状来将狭缝开口部分处的图像投影到照射表面上的例子。

图12A和12B显示上述光学系统的例子。从激光振荡器发射的激光束进入检流计反射镜601。检流计反射镜601具有偏转激光束的功能，且通过改变检流计反射镜601的倾角，能够用激光束扫描照射表面。被检流计反射镜601偏转的激光束被包括两个球面透镜602a和602b的f-θ透镜602聚集到照射表面605。已经穿过f-θ透镜602的激光束的射束点在主轴方向的两个边缘被狭缝603去除掉。

如图12A所示，狭缝603被设置成弯曲的。弯曲的程度取决于激光束到照射表面的入射角而确定。这里，具有不同入射角的两个光路606和607被作为例子给出，且设置在这个光学系统中的狭缝603的形状被描述。光路606是当被检流计反射镜601偏转的激光束从垂直方向进入照射表面605时的光路。另一方面，光路607是当激光束从倾斜方向进入照射表面605时的光路。光路607的入射角在图中用θ表示。在本发明的激光照射设备中，光路606从狭缝603到投影透镜604的距离以及光路606从投影透镜604到照射表面605的距离分别用参考标记a和b表示。光路607从狭缝603到投影透镜604的距离以及光路607从投影透镜604到照射表面605的距离分别用参考标记a′和b′表示。这里，当投影透镜604的焦距用f表示时，为了获得在狭缝开口部分和照射表面之间的共轭位置关系，下面的公式(1)、(2)和(3)可被满足：

1/f＝1/a+1/b…(1)

a′＝ab/(b+a(1-cosθ))…(2)

b′＝b/cosθ…(3)。

通过上述结构，狭缝开口部分处的图像能够被投影到照射表面上。相应地，狭缝处的折射光的影响能够被消除。在光路606和光路607的投影中投影放大率分别是a/b和a′/b′，且投影放大率在光路之间不同。因此，为了抵消这一差异，可以根据激光束的入射角θ来改变狭缝开口部分的宽度。图12B显示狭缝603a和603b的形状，其中根据激光束的入射角改变开口部分的宽度。假定狭缝开口部分的宽度在光路606通过的区域中是X₁，且在光路607通过的区域中是X₂，则获得关系X₁＞X₂。X₁和X₂满足下面的公式(4)：

X₂＝bX₁cosθ/(b+a(1-cosθ))…(4)

如果具有上述结构的狭缝被制造，则能够用每个都具有主轴方向相同宽度的射束点来扫描整个照射表面。在例如θ＝10°和a＝b的情况下，从上述公式(4)得到X₂＝0.97X1。在这种情况下，狭缝开口部分具有不同的宽度X₁和X₂。由于穿过具有X₁的区域的激光束的能量的量与穿过具有X₂的区域的激光束的能量的量相同，因此产生了用于照射照射表面的激光束的能量密度的差异。然而，由于上述差异约为百分之几，因此在处理半导体膜时能量密度能够被设置成在整个照射区域中获得大晶体颗粒，而不存在实际问题。另外，当期望照射能量密度更恒定时，可通过控制检流计反射镜的操作速度来连续地改变射束点的扫描速度，从而抵消上述能量密度差异。这时可以按照日本公开专利申请No.2004-146823或美国公开专利申请No.2004/0065643等中描述的方法来进行激光照射。在此通过参考而并入这些参考文献的所有内容。为了抵消能量密度差异，f-θ透镜可以被设计成具有场曲率。相应地，穿过具有X₁的区域的激光束在照射表面上在射束点的次轴方向形成宽的宽度，而穿过具有X₂的区域的激光束形成该射束点的窄宽度，从而使得照射能量密度在整个照射区域上恒定。

在上述方法中，已经描述了具有图12B所示形状的狭缝被设置成在光学系统中弯曲的例子；然而，设置在本发明的激光照射设备中的狭缝的形状不限于此。例如，可以采用图5所示的方法，其中，具有边缘为直线的开口部分的狭缝1201在光学系统中被弯曲且被设置成倾斜的。

通过上述方法，能够去除线状射束点的两边缘的能量低的区域；相应地，能够减少包括在激光照射区域中的微晶区域的比例，且能够有利地执行对半导体膜的激光照射。这个实施例的优点是：由于不需要远心f-θ透镜，因此能够以低成本形成光学系统。另外，这个实施例的另一个优点是：由于能够用少量的透镜形成光学系统，因此能够防止光学系统中激光束的损失。

实施例4

实施例4将参考图13A到14B描述一种处理，其中，使用通过实施方式或实施例1、2和3中任一个所述的方法制造的基板来制造薄膜芯片，并将该薄膜芯片安装到其上形成有像素部分的基板上。

首先，制备其上通过激光照射形成有多晶半导体薄膜的基板。图13A显示基板701和在激光照射后形成在基板上的半导体膜702。在基板701上将结晶的半导体膜702图案化后或者在形成栅极电极或掩模等后，进行掺杂。注意，半导体膜的图案化可以在用激光束来结晶之前进行，或者结晶可以在图案化之前进行。然后，通过激活掺杂剂或形成各种绝缘膜或布线等，多个集成电路被形成在基板上。在这个处理中，通过使用玻璃基板或陶瓷基板，能够利用一边具有数米的大基板，且可从一个基板获得的集成电路的数目变得比使用硅基板或SOI基板的情况下的要大。相应地，能够获得生产量的提高且该处理适于批量生产。通过在形成集成电路后如图13B所示切割基板701，集成电路被彼此分离，且形成薄膜芯片703。

然后，在图14A和14B中显示将用上述方法形成的薄膜芯片安装到形成有像素部分的基板上的方式。在图14A中，像素部分802和扫描线驱动电路803被形成在基板801上。而且，形成在薄膜芯片804中的信号线驱动电路被安装在基板801上。具体而言，形成在薄膜芯片804中的信号线驱动电路被附接到基板801且被电连接到像素部分802。像素部分802、扫描线驱动电路803、以及形成在薄膜芯片804中的信号线驱动电路通过FPC 805每个被提供有电源电位或各种信号等等。

在图14B中，像素部分812和扫描线驱动电路813被形成在基板811上。另外，形成在薄膜芯片814中的信号线驱动电路被进一步安装到FPC 815上，所述FPC 815被安装到基板811上。像素部分812、扫描线驱动电路813、以及形成在薄膜芯片814中的信号线驱动电路通过FPC 815每个被提供有电源电位或各种信号等等。

薄膜芯片的安装方法不是特别限定的，且可以采用已知的COG(玻璃上芯片)方法、引线键合方法或TAB(卷带自动键合)方法等等。而且，用于安装薄膜芯片的位置不限于图14A和14B所示的那些位置，只要获得电连接就可以。尽管在图14A和14B中描述了使用仅仅用于形成信号线驱动电路的薄膜芯片的例子，但可以使用薄膜芯片形成扫描线驱动电路。另外，控制器、CPU或存储器等可以通过使用薄膜芯片而被形成且可以被安装。另外，薄膜芯片可以不被用于形成整个的信号线驱动电路或扫描线驱动电路，而是驱动电路中的一部分。

注意，驱动电路作为薄膜芯片被安装在其上的半导体显示装置中的像素部分中所使用的晶体管不限于包括使用非晶硅等的非晶半导体膜的TFT。使用微晶半导体膜或多晶半导体膜的TFT可以被使用。使用单晶硅形成的晶体管或使用SOI的晶体管可以被使用。备选地，使用有机半导体的晶体管或使用碳纳米管的晶体管可以被使用。通过使用与基板分离的薄膜芯片并通过将所述薄膜芯片安装到基板上来形成诸如驱动电路的集成电路，与在包括像素部分的基板上形成所有电路的情形相比，能够实现较高产量，且能够容易地根据每个电路的特性执行过程的优化。

实施例5

实施例5将描述通过使用多晶半导体薄膜基板而制造的CPU(中央处理单元)的结构，所述多晶半导体薄膜基板是通过实施方式或实施例1、2和3中任一个所描述的方法制造的。

图15显示这个实施例的CPU的结构。图15中显示的CPU主要包括基板900上的运算逻辑单元(ALU)901、ALU控制器902、指令译码器903、中断控制器904、定时控制器905、寄存器906、寄存器控制器907、总线接口(总线I/F)908和只读存储器(ROM)909。明显地，图15中显示的CPU只是一个结构被简化的例子，且实际的CPU可能根据用途而具有各种结构。

通过总线I/F 908输入到CPU的指令被输入到指令译码器903且在那里被译码，然后被输入到ALU控制器902、中断控制器904、寄存器控制器907和定时控制器905。

ALU控制器902、中断控制器904、寄存器控制器907和定时控制器905基于被译码的指令进行各种控制。具体而言，ALU控制器902产生信号用于控制ALU 901的驱动。当CPU在执行程序时，中断控制器904基于其优先权或屏蔽(mask)状态而判断来自外部输入/输出装置或外围电路的中断请求，并处理所述请求。寄存器控制器907产生寄存器906的地址，并根据CPU的状态从/到寄存器906读/写数据。

定时控制器905产生信号用于控制ALU 901、ALU控制器902、指令译码器903、中断控制器904和寄存器控制器907的驱动定时。例如，定时控制器905被提供有内部时钟发生器，用于基于基准时钟信号CLK1而产生内部时钟信号CLK2，并将时钟信号CLK2供给到各种上述电路。在CPU中执行的各种程序被存储在ROM 909中。

在这个实施例中，以CPU作为例子进行了描述；然而，本发明的半导体装置不限于CPU。类似于实施例4，使用玻璃基板或陶瓷基板在批量生产中是有利的，因为它使得多个CPU能够被制造在一个大尺寸基板上。

本申请基于2005年12月16日向日本专利局提交的系列号为2005-362766的日本专利申请，在此通过参考而并入其所有内容。