激光结晶设备及激光结晶方法技术

本发明专利技术公开了一种激光结晶设备（１），其能够以几μｍ的高空间分辨率和几纳秒的高瞬时分辨率进行观察，该设备包括用于将激光照射到设置在衬底（２６）上的薄膜并熔化和结晶该薄膜的结晶光学系统（２），所述激光结晶设备（１）包括：照明光源（３１），设置在激光的光学路径之外并发射照亮所述薄膜以便进行观察的照明光；照明光学系统（３），包括环形光学元件（３Ａ），环形光学元件（３Ａ）具有位于中心处的激光的光学路径，并将照明光沿所述光学路径从照明光源（３１）引导至薄膜上；和观察光学系统（４），用于显示包括薄膜的衬底（２６）的放大图像。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种将激光照射到如半导体膜的薄膜上的结晶设备及一种结晶方法，以及尤其涉及一种，其中能够以放大的图像实时地观察半导体膜的熔化和结晶过程。
技术介绍
已经研发了一种激光结晶技术，其中例如高能短脉冲激光用于熔化和结晶半导体膜，使得例如非晶或多晶半导体膜的非单晶薄膜成为包含具有大晶粒的区域的结晶薄膜。例如，这种技术用于用作显示器件(如液晶显示器件和有机电致发光显示器件)的薄膜晶体管的非单晶半导体膜的结晶。在这类激光结晶技术中，注意力集中在照射用于结晶的相位调制准分子激光的相位调制准分子激光退火(PMELA)技术。PMELA技术将均匀的准分子激光形成为具有预定光强分布的激光。借助于相位调制元件，诸如例如移相器，相位调制该激光而使其具有负峰值光强分布。通过结晶光学系统将激光照射在半导体膜上，例如，照射形成在大面积玻璃衬底上的非晶硅或多晶硅薄膜上，以便使该半导体膜熔化并且结晶，以形成具有大晶粒的半导体膜。根据近来开发的PMELA技术，在一次照射中熔化和结晶大约几平方毫米大小的区域，以便形成具有高质量的结晶硅薄膜，其具有从几μm至大约10μm大小的相对均匀和大的晶粒。其相关细节例如披露在电子、信息和通信工程师协会的论文期刊Vol.J85-C，No.8，pp.624-629，2002中，Kohki Inoue、Mitsuru Nakata、MasakiyoMatsumura所发表的“硅薄膜的振幅和相位调制准分子激光熔化再生方法—2-D位置控制的大晶粒的新生长方法”中。在目前的PMELA技术中，准分子激光功率在实际使用过程中从5％变化至10％。可是，与准分子激光的稳定性相比，形成具有预定质量的结晶硅薄膜的加工裕度非常窄。因此，为了使EPMLA技术工业化，需要增加加工裕量，以便形成具有更高及稳定质量的结晶硅薄膜。由此，需要在紧接着激光照射之后，通过图像等以以几μm的高空间分辨率和/或纳秒(以下称作nsec)级的高瞬时分辨率，实时地观察或测量硅薄膜的变化，其中在小区域内熔化硅薄膜并随后使其结晶。在日本专利申请公开No.2001-257176中已经披露了一种用于估算激光退火的硅薄膜的结晶度的方法。这种方法包括向正在结晶的硅薄膜施加观察光，使用光谱仪对反射光进行例如拉曼(Raman)光谱测定；并由此估算多晶硅薄膜在结晶后的结晶度。在不执行相位调制的ELA技术中，在J.应用物理，Vo.87，No.1，pp.36-43，2000，M.Hatano，S.Moon，M.Lee，K.Suzuki以及C.Grigoropoulos的“Excimerlaser-induced temperature field in melting and resolidification of silicon thin films”中报道了一个实验实例，其中通过现场测量装置来现场测量熔化并结晶的硅薄膜的热特性。该报告涉及以纳秒级的高瞬时分辨率来测量熔化和结晶硅薄膜的热特性。更特别地，从上部倾斜地将作为用于观察的探测光的氦氖(He-Ne)激光(波长为633nm和1520nm)施加到熔化和结晶的区域。通过高速响应的铟镓砷化物光电检测器和/或硅pn光电二极管检测来自熔化和结晶区域的反射和/或透射光，以便测量硅薄膜的热特性。此外，在日本专利申请公开No.2002-176009中披露了同时照射结晶激光和观察光的现场观察方法。在该专利中，具有孔的物镜用于结晶激光的照射以及观察光的照明和检测。结晶激光为未被相位调制的准分子激光，并通过物镜上设置的孔照射到正被处理的薄膜上。在退火过程中，由正被处理的薄膜所反射的光通过具有孔的物镜予以检测，以便测量例如样本表面的反射率、拉曼光谱等的现场变化。也就是说，根据结晶区域的物理特性值来执行结晶度评估。将利用在此使用的ELA设备进行结晶的大规模生产线予以工业化中存在的问题包括结晶过程的产量的提高，以及由于照射激光的不稳定性，通过由操作人员监视结晶过程而进行的质量控制的稳定性，诸如例如脉冲和/或波动在强度上的损失。在此，用于结晶的激光脉冲的照射周期非常短，例如大约25至30纳秒。为了解决这些问题，需要在激光照射之后，通过图像以几μm的高空间分辨率以及纳秒级的高瞬时分辨率现场和实时观察或测量硅薄膜的改变状态或结晶区域，其中硅薄膜在小区域内以大约10至几百纳秒的周期内熔化并随后结晶。上述日本专利申请公开No.2001-257176的方法不适合通过图像观察硅薄膜的结晶的目的。日本专利申请公开No.2002-176009的方法适于通过图像进行观察，但其不适于通过图像以高瞬时分辨率和/或高空间分辨率来观察硅薄膜从熔化到结晶的变化。M.Hatano等人的方法具有及时的高分辨率，但不适于同时满足几μm或更少的高空间分辨率以及几纳秒的高瞬时分辨率的图像观察系统。本专利技术人已经发现，为了结晶半导体膜的较高质量，需要在激光结晶设备(例如准分子激光结晶(ELA)设备)中安装图像观察系统，即用于观察的光学系统。在该系统中，半导体膜从熔化状态变化至结晶状态，并且通过图像以几μm的高空间分辨率以及纳秒级的高瞬时分辨率对该薄膜进行实时观察，或在激光熔化或熔化之后立即进行的结晶期间中进行观察。因此，本专利技术人已经研究了将能够进行图像观察的显微观察系统并入ELA系统中，以便能够实现现场(实时)观察。为了将显微观察光学系统并入ELA设备的光学系统中，优选地使用其中已经对用于结晶的准分子激光(紫外光)和用于观察的照明光(可见光)进行像差校正的光学系统。显微观察光学系统能够现场(实时)观察熔化并结晶后的半导体膜或结晶区域的图像。解决上述问题以及满足上述需求额外引起以下问题。在ELA设备中，特别是在使用移相器的投射型相位调制(PM)ELA设备中，高分辨率(几μm)是优选的。假定因为生产效率而将PMELA设备中实际使用的透镜用于高光强度、高功率(high duty)以及大的区域中。具体地，将被结晶的衬底上的激光强度优选大约为1J/cm2。为了获得高的光强，不同于用于大规模集成电路生产的校准器(aligner)中所使用的激光，使用具有宽光谱带宽(0.5nm)的准分子激光。由于高能量激光，根据抗热性，包含涂料(pasted)和层叠(laminated)透镜(如适用于可见光的显微透镜)是不合适的。此外，将要使用的准分子激光可以是，例如波长分别为248nm和308nm的氟化氪(KrF)或氯化氙(XeCl)。当考虑到这些激光的波长时，优选使用的透镜材料限于UV级人造水晶或氟化钙(CaF2)，而这降低了透镜设计的自由度。此外，例如，对于PMELA设备中使用的如用于以缩小或相同的尺寸并以大约几μm的高分辨率将移相器的掩膜图案转印到衬底上的透镜(组)，必须进行像差校正，如紫外线的色差和失真像差。当在这种单光学系统中使用准分子激光和显微观察可见光时，必须在包含紫外光和可见光的两个波长区域内进行像差校正，而这是一个非常难的问题。即使能够校正色差，也必须增加透镜的数量，进而增加透镜对光的吸收。这降低了到达衬底的激光强度，这违背了获得适于结晶的高光强的需求。另一问题是适于具有上述性能的准分子激光的结晶光学系统，在其传送可见光时降低了可见光的分辨率。具体地，分辨率与光的波长成比本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光结晶设备，包括结晶光学系统，该结晶光学系统将激光照射到设置在衬底上的薄膜上并熔化和结晶该薄膜，所述激光结晶设备的特征在于包括：照明光源，设置在所述激光的光学路径之外，并且发射用于观察的照明光，以照亮所述薄膜；照明光学系统，包括环形光学元件，所述环形光学元件在中心处具有所述激光的所述光学路径，并将所述照明光沿所述光学路径从所述照明光源引导至所述薄膜上；和观察光学系统，其以放大的图像来显示包括所述薄膜的所述衬底的图像。

【技术特征摘要】
JP 2004-3-11 069470/2004;JP 2004-12-3 351734/20041.一种激光结晶设备，包括结晶光学系统，该结晶光学系统将激光照射到设置在衬底上的薄膜上并熔化和结晶该薄膜，所述激光结晶设备的特征在于包括照明光源，设置在所述激光的光学路径之外，并且发射用于观察的照明光，以照亮所述薄膜；照明光学系统，包括环形光学元件，所述环形光学元件在中心处具有所述激光的所述光学路径，并将所述照明光沿所述光学路径从所述照明光源引导至所述薄膜上；和观察光学系统，其以放大的图像来显示包括所述薄膜的所述衬底的图像。2.根据权利要求1所述的激光结晶设备，其特征在于所述环形光学元件包括环形平面反射镜，该环形平面反射镜设置在所述激光的所述光学路径上，并反射及引导来自所述照明光源的所述照明光到达所述薄膜。3.根据权利要求1所述的激光结晶设备，其特征在于所述环形光学元件包括环形凹反射镜和/或环形凸反射镜，其设置在所述激光的所述光学路径上，并反射及引导来自所述照明光源的所述照明光到达所述薄膜。4.根据权利要求1所述的激光结晶设备，其特征在于所述照明光学系统包括设置在所述光学路径之外的一个或多个透镜和/或半反射镜，并且所述透镜和/或半反射镜引导来自所述照明光源的所述照明光经由所述环形光学元件到达所述薄膜。5.根据权利要求1所述的激光结晶设备，其特征在于所述环形光学元件包括分别设置在所述激光的所述光学路径上的环形平面反射镜及环形凹反射镜和/或环形凸反射镜，所述环形平面反射镜反射并引导来自所述照明光源的所述照明光到达所述环形凹反射镜和/或环形凸反射镜，并且所述环形凹反射镜和/或环形凸反射镜反射并引导由所述环形平面反射镜所反射的所述照明光到达所述薄膜。6.根据权利要求5所述的激光结晶设备，其特征在于所述照明光学系统包括设置在所述光学路径之外的一个或多个透镜和/或半反射镜，并且所述透镜和/或半反射镜引导来自所述照明光源的所述照明光经由所述环形光学元件到达所述薄膜。7.根据权利要求6所述的激光结晶设备，其特征在于所述观察光学系统包括包括所述环形光学元件的显微光学系统，其放大并成像设置在所述衬底上的所述薄膜中的激光照射区域的熔化或结晶状态的至少一个图像，或者正在变化的熔化或结晶状态的至少一个图像；和成像器件，其拾取由所述显微光学系统扩展的所述薄膜的所述图像。8.根据权利要求6所述的激光结晶设备，其特征在于所述观察光学系统包括包括所述环形光学元件的显微光学系统，其在光电子表面上放大和成像设置在所述衬底上的所述薄膜中的激光照射区域的熔化或结晶状态的至少一个图像，或正在变化的熔化或结晶状态的至少一个图像；光电检测器，其倍增在所述光电表面中产生的电子并引导所述电子到荧光屏上，以形成荧光图像；和成像器件，其拾取所述光电检测器的所述荧光图像。9.根据权利要求1所述的激光结晶设备，其特征在于所述激光是准分子激光，并且其中所述结晶光学系统包括相位调制元件，所述相位调制元件将入射的准分子激光相位调制成具有预定光强分布的光，其中已经穿过所述相位调制元件的所述激光照射所述薄膜。10.根据权利要求9所述的激光结晶设备，其特征在于所述观察光学系统包括包括所述环形光学元件的显微光学系统，其放大并成像设置在所述衬底上的所述薄膜中的激光照射区域的熔化或结晶状态的...

【专利技术属性】
技术研发人员：高见芳夫，
申请(专利权)人：株式会社液晶先端技术开发中心，
类型：发明
国别省市：JP[日本]