激光照射台、激光照射装置以及制造半导体装置的方法.pdf

当激光振荡器的输出变得更高，发展用于半导体膜激光退火工艺的更长的线形光束变成必要的。然而，如果线形光束的长度是300－1000mm或更长，那么用于形成线形光束的光学系统的光路长度变得非常长，从而增加了其占地面积尺寸。本发明缩短了光路长度。为了使光学系统的光路长度尽可能地短，并只增加线形光束的长度，可以在线形光束纵向上给半导体膜曲率。

1.  一种激光照射台，包括：一个表面，在其上放置有被光束照射的物体，
其中，所述表面给被光束照射的所述物体提供柱面形曲率。

2.  一种激光照射台，包括：一个表面，在其上放置有被光束照射的物体，
其中，所述表面提供曲率给将被光束照射的物体，
其中，所述曲率半径的中心和激光振荡器之间的距离大于所述曲率半径的中心和被光束照射的物体之间的距离。

3.  一种激光照射台，包括：一个表面，在其上放置有被光束照射的物体，
其中，所述表面提供凹柱面形曲率给被光束照射的物体。

4.  一种激光照射装置，包括：
激光振荡器，
第一装置，用于在第一方向扩展发自所述激光振荡器的激光束；
第二装置，用于在与所述第一方向正交的第二方向会聚所述激光束；以及
第三装置，用于提供给被以在所述第一方向扩展和在所述第二方向会聚的光束照射的一个物体一个照射表面并且相对于所述激光束移动所述照射表面。
其中，
所述照射表面具有在一个平行于所述第一方向的方向上的柱面形曲率，
所述第三装置包括第一表面，在其上放置有将被在所述第一方向上扩展和在所述第二方向会聚的光束照射的物体，该第一表面在平行于所述第一方向的所述方向上具有所述柱面形曲率。

5.  一种激光照射装置，包括：
激光振荡器，
第一装置，用于在第一方向扩展发自所述激光振荡器的激光束；
第二装置，用于在与所述第一方向正交的第二方向会聚所述激光束；以及
第三装置，用于提供给被以在所述第一方向扩展和在所述第二方向会聚的光束照射的一个物体一个照射表面并且相对于所述激光束移动所述照射表面。
其中，所述照射表面具有在一个平行于所述第一方向的方向上的曲率，
所述第三装置包括第一表面，在其上放置有被在所述第一方向上扩展和在所述第二方向会聚的光束照射的物体，该第一表面在平行于所述第一方向的所述方向上具有所述曲率，
所述曲率半径的中心和激光振荡器之间的距离大于所述曲率半径的中心和被光束照射的物体之间的距离。

6.  一种激光照射装置，所述装置包括：
激光振荡器；
第一装置，用于在第一方向扩展发自激光振荡器的激光束；
第二装置，用于在与第一方向正交的第二方向会聚激光束；以及
第三装置，用于提供给被以在所述第一方向扩展和在所述第二方向会聚的激光束照射的物体一个激光束照射表面并且相对于所述激光束在所述第二方向上移动。
其中，
所述照射表面具有在一个平行于所述第一方向的方向上的凹柱面形曲率，以及，所述第三装置包括第一表面，在其上放置有将被在所述第一方向上扩展和在所述第二方向会聚的激光束照射的物体，该第一表面在平行于所述第一方向的所述方向上具有所述凹柱面形曲率。

7.  根据权利要求4的激光照射装置，其中第一装置包含柱面透镜阵列或柱面透镜。

8.  根据权利要求5的激光照射装置，其中第一装置包含柱面透镜阵列或柱面透镜。

9.  根据权利要求6的激光照射装置，其中第一装置包含柱面透镜阵列或柱面透镜。

10.  根据权利要求4的激光照射装置，其中第二装置包含柱面透镜阵列或柱面透镜。

11.  根据权利要求5的激光照射装置，其中第二装置包含柱面透镜阵列或柱面透镜。

12.  根据权利要求6的激光照射装置，其中第二装置包含柱面透镜阵列或柱面透镜。

13.  根据权利要求4的激光照射装置，其中激光振荡器是准分子激光器、YAG激光器、YVO₄激光器、YLF激光器、YAlO₃激光器、或玻璃激光器。

14.  根据权利要求5的激光照射装置，其中激光振荡器是准分子激光器、YAG激光器、YVO₄激光器、YLF激光器、YAlO₃激光器、或玻璃激光器。

15.  根据权利要求6的激光照射装置，其中激光振荡器是准分子激光器、YAG激光器、YVO₄激光器、YLF激光器、YAlO₃激光器、或玻璃激光器。

16.  一种制造半导体装置的方法，包括：
在第一方向扩展发自激光振荡器的激光束；
在与第一方向正交的第二方向会聚激光束；以及
通过将激光束照射到一个半导体膜上对置于一表面上的该半导体膜退火，同时相对于半导体膜在所述第二方向移动；
其中：
所述半导体膜在平行于所述第一方向的方向上具有柱面曲率，
所述表面在平行于所述第一方向的所述方向上具有柱面曲率。

17.  一种制造半导体装置的方法，包括：
在第一方向扩展发自激光振荡器的激光束；
在与第一方向正交的第二方向会聚激光束；以及
通过将激光束照射到一个半导体膜上对置于一表面上的该半导体膜退火，同时相对于半导体膜在所述第二方向移动；
其中：
所述半导体膜在平行于所述第一方向的方向上具有曲率，
所述表面在平行于所述第一方向的所述方向上具有所述曲率，以及
所述曲率半径的中心和激光振荡器之间的距离大于所述曲率半径的中心和被光束照射的物体之间的距离。

18.  一种制造半导体装置的方法，包括：
在第一方向扩展发自激光振荡器的激光束；
在与第一方向正交的第二方向会聚激光束；以及
通过将激光束照射到一个半导体膜上对置于一表面上的该半导体膜退火，同时相对于半导体膜在所述第二方向移动；
其中：
所述半导体膜在平行于所述第一方向的方向上具有凹柱面曲率，
所述表面在平行于所述第一方向的所述方向上具有凹柱面曲率。

19.  根据权利要求16的制造半导体装置的方法，其中在扩展所述激光束的同时所述激光束的能量分布在第一方向上均匀。

20.  根据权利要求17的制造半导体装置的方法，其中在扩展所述激光束的同时所述激光束的能量分布在第一方向上均匀。

21.  根据权利要求18的制造半导体装置的方法，其中在扩展所述激光束的同时所述激光束的能量分布在第一方向上均匀。

22.  根据权利要求16的制造半导体装置的方法，其中在扩展所述激光束的同时所述激光束的能量分布在第二方向上均匀。

23.  根据权利要求17的制造半导体装置的方法，其中在扩展所述激光束的同时所述激光束的能量分布在第二方向上均匀。

24.  根据权利要求18的制造半导体装置的方法，其中在扩展所述激光束的同时所述激光束的能量分布在第二方向上均匀。

25.  根据权利要求16的制造半导体装置的方法，其中：所述激光振荡器是准分子激光器、YAG激光器、YVO₄激光器、YLF激光器、YAlO₃激光器、或玻璃激光器。

26.  根据权利要求17的制造半导体装置的方法，其中：所述激光振荡器是准分子激光器、YAG激光器、YVO₄激光器、YLF激光器、YAlO₃激光器、或玻璃激光器。

27.  根据权利要求18的制造半导体装置的方法，其中：所述激光振荡器是准分子激光器、YAG激光器、YVO₄激光器、YLF激光器、YAlO₃激光器、或玻璃激光器。

28.  根据权利要求16制造半导体装置的方法，其中半导体装置是选自一个组的装置，所述组包括个人计算机、视频相机、可移动计算机、护目镜型显示器、DVD播放器、CD播放器、前投式投影仪、背投式投影仪、便携式电话和便携式图书。

29.  根据权利要求17制造半导体装置的方法，其中半导体装置是选自一个组的装置，所述组包括个人计算机、视频相机、可移动计算机、护目镜型显示器、DVD播放器、CD播放器、前投式投影仪、背投式投影仪、便携式电话和便携式图书。

30.  根据权利要求18制造半导体装置的方法，其中半导体装置是选自一个组的装置，所述组包括个人计算机、视频相机、可移动计算机、护目镜型显示器、DVD播放器、CD播放器、前投式投影仪、背投式投影仪、便携式电话和便携式图书。

激光照射台、激光照射装置以及制造半导体装置的方法
本申请是中国专利申请02123292.X的分案申请。
发明领域
本发明涉及用于规定激光束照射到其上的照射表面的形状的台子。另外，本发明涉及激光照射装置，其中激光束的能量分布在某特定区域上是均匀的。本发明还涉及使能量分布均匀的方法，以及实现均匀性的光学系统。此外，本发明涉及使激光束的能量分布在某特定区域均匀的方法，以及用激光束对半导体膜退火的方法(该方法在下文中称作“激光退火”)。本发明还涉及制造半导体装置的方法，该半导体装置具有由薄膜晶体管(下文中称作“TFT”)构造的电路，其包括激光退火工艺。例如，电光装置，典型地液晶显示器，和其中安装这类电光装置作为部件的电子设备都包括在半导体装置这一类别中。也就是，整个技术说明中使用的术语“半导体装置”指能够利用半导体装置性能起作用的通用装置，电光装置、半导体电路、和电子设备都落在半导体装置的类别中。
技术背景
最近已经对通过实施非晶半导体膜或结晶半导体膜(不是单晶的半导体膜，但是具有诸如多晶性或微晶性的结晶性)换言之，形成于诸如玻璃的绝缘衬底上的非单晶半导体膜的激光退火实施晶化、或提高结晶度的技术进行了广泛地研究。诸如硅膜的膜经常用作半导体膜。
与经常被使用的传统石英衬底相比，玻璃衬底是低成本的，且能容易地做成大面积衬底。这是因为上述研究正积极地进行着。激光能将高能量只给予非单晶半导体膜，而不引起衬底温度很大的变化，因而激光适用于对形成于具有低熔点温度的玻璃衬低上的半导体膜退火(通常可利用的玻璃衬底的畸变温度是600℃的数量级)。
由激光退火形成的结晶半导体膜具有高迁移率。随着有源矩阵液晶电光装置的制造，通过使用结晶半导体膜、用于驱动像素并用在驱动电路中的TFT在单个玻璃衬底上的制造因而是蓬勃发展的。结晶半导体膜由许多晶粒构成，因而它们也称作多晶半导体膜。
在激光退火中，因为其具有良好的生产力并且是工业上有优势的，所以优选地使用了一种方法，其中具有高输出的脉冲型准分子激光器等的激光束由光学系统形成以便于在照射表面上有几平方厘米的正方形光斑，或长度等于或大于10cm的线形，然后实施激光束的扫描(使得激光束的照射位置相对于照射表面移动)。
特别是，如果使用线形激光束(下文中称作线形光束)，那么激光束能通过只在垂直于线形光束纵向的方向扫描照射在整个照射表面上。这不同于使用斑点形激光束的情形，用斑点形激光束时必需前、后、左、右扫描，因而能获得高的生产力。在垂直于纵向的方向进行扫描，因为该扫描方向具有最高的效率。由于它们的高生产力，由适当的光学系统形成的线形光束主要用在激光退火工艺中。注意，在这个技术说明中，线形光束长边的方向称作纵向，而短边称作横向。
说明用于将激光束的形状在照射表面形成为线形的光学系统的实例。图2所示的光学系统是极普通的一个。光学系统不仅在照射表面上将激光束的形状转换成线形，而且同时使激光束的能量分布均匀。通常，使光束能量分布更均匀的光学系统称作光束均化器。图2所示的光学系统是一种光束均匀器。
假如将是紫外光的准分子激光用作光源，人造石英可以例如作为光学照明系统的基本材料用在所有的情形中。因为能得到高透射率，所以这是可行的。另外，对于准分子激光的波长，可以采用能得到99％或更高的透射率的涂层材料作为涂层。
首先说明图2的侧视图。包含光轴并平行于侧视图页面地平面作为子午面，包含光轴并垂直于子午面的平面作为矢状面(sagittalplane)。光轴的方向对于一些情形在此改变，该情形中由于光学系统的设计有必要用反射镜等弯曲光路，并且假定子午面和矢状面也在这时改变。从激光振荡器1201输出的激光束通过柱面透镜阵列1202a和1202b在垂直于矢状面的方向被分开。根据这种结构，有4个柱面透镜包含在柱面透镜阵列1201中，因而分成四份。假定包含在柱面透镜阵列1202b中柱面透镜的数目也是4。分开的激光束通过柱面透镜1204在某一平面中互相重叠。不总是必须使用两个柱面透镜阵列1202a和1202b；也可以使用一个柱面透镜阵列。使用两个柱面透镜阵列的优点是能够改变线形光束的尺寸，线形光束在横向的宽度可以做得更短。
再一次分开的激光束用反射镜1207以直角弯曲，然后用双柱面透镜1208在照射表面1209上再做一次重叠。双柱面透镜指由两个柱面透镜构造的透镜。能量分布的均匀性就这样形成于线形光束的横向中，并确定线形光束横向内的宽度。使用反射镜1207以便于使照射表面成为水平表面(level surface)，且不总是必须的。
其次说明图2的上图。发自激光振荡器1201的激光束通过柱面透镜阵列1203在垂直于子午面的方向被分开。根据这种结构，柱面透镜阵列1203中包含7个透镜，因而激光束被分成7部分。也可以使用2个柱面透镜阵列1203以便于在纵向改变线形光束的长度。然后通过柱面透镜1205使激光束在照射表面1209上重叠成一个光束。对于不安置反射镜1207的情形，从反射镜1207向前用虚线给出的是正确的光路，以及透镜和照射表面的位置。这样在线形光束的纵向就形成能量分布的均匀性，并确定线形光束在纵向的长度。
线形光束的长度L用下面的要素确定：包含在柱面透镜阵列1203中的柱面透镜的宽度d；该柱面透镜的焦距f1；柱面透镜1205的焦距f2。这跟随图3来说明。柱面透镜1301由具有宽度d的柱面透镜构造。入射到柱面透镜阵列1301的激光束在焦距f1的位置会聚成多个位置。激光束然后在扩散的同时入射到柱面透镜1302上。柱面透镜1302是凸透镜，因而图中的两束平行光通量各自会聚在位于柱面透镜1302后面距离f2的位置。距离f2是柱面透镜1302的焦距。各自入射到柱面透镜阵列1301的激光束因而转变成具有长度L的线形光束。简单的计算表明：
[等式1]
L＝d·f2/f1     (1)
如上所述，柱面透镜阵列1202a、柱面透镜阵列1202b、和柱面透镜阵列1203作为分开激光束的透镜起作用。所得到的激光束的均匀性由分开部分的数目决定。根据前面提到的结构，有4部分乘7部分，因而形成28部分的总数。
通过照射根据上述结构这样获得的线形光束以便于被重叠，同时逐渐在横向移动光束，能够对于非单晶硅膜的整个表面进行激光退火，例如，能实现晶化且膜的结晶度得到提高。
发自准分子激光器的激光束的形状通常是矩形，落在近似1-5的长宽比的范围。激光束强度表现出高斯(Gaussian)分布，其中向着中心变得越来越强。激光束通过图2所示的光学系统能转变成，例如，均匀能量分布300mm×0.4mm线形光束。
根据本发明申请人进行的实验，当相对于半导体膜照射脉冲振荡的线形光束时，重叠间距在横向最适当地设为线形光束宽度的大约1/10。也就是，如果线形光束的横向宽度是0.4mm，那么可以在发射一个光脉冲直到发射下一个光脉冲的时间内在沿线形光束的横向移动半导体膜0.04mm的同时可实施激光退火。这样就提高了半导体膜激光退火的均匀性。迄今说明的方法是用来通过使用线形光束进行半导体膜的激光退火极其通用的方法。
最近激光振荡器越来越高的输出已经很值得注意了，且能够具有超过300mm的线形光束长度的激光振荡器已经变得可用了。然而，用在生产工厂的衬底尺寸也改变了，例如，现在设计600mm×720mm衬底，和1000×1200mm衬底。线形光束300mm量级的长度正变得不够用。如果考虑用，例如，300mm长线形光束对形成于600mm×720mm衬底上的半导体膜退火的情形，线形光束的纵向和衬底的短边(具有600mm长度的边)可以平行地安置。利用衬底长边的方向在720mm的距离上通过线形光束相对地扫描衬底，衬底表面的一半可被激光退火。假定留下的半个表面然后用类似的方法受到激光退火，则衬底的整个表面能受到激光退火。
如果激光退火用这类方法实施，也就是衬底(或线形光束)的扫描必须进行2次或更多次，并且衬底(或线形光束)必须前后左右移动，则在生产量和占地面积(footprint)上出现不利的影响。而且，如果在使用线形光束的时候在衬底的一半上实施激光退火，那么半导体膜的一半受到均匀地激光退火。然而，均匀性在半导体膜的一半和另一半之间的边界附近丧失了，并且在这个位置上很难形成半导体元件。考虑这些问题点，明显的是，使线形光束在纵向的长度至少与衬底短边的长度在同一数量级是优选的。
然而，对于光学系统的光路长度有一个趋势是变得更长以便于形成长线形光束。例如，5000mm量级的光路长度是必要的以制成300mm长的线形光束，另外为了制成1000mm长的线形光束，光路长度将超过10,000mm。
发明概述
本发明的目的是确定哪种类型的光学系统在形成非常长的线形光束中是必要的，可以制造哪种激光照射装置以便为高输出激光振荡器投入实际使用的将来做准备。另外，本发明的目的是给出具有非常小占地面积(footprint)的激光照射装置。
具有均匀能量分布的激光束通过将衬底塑造成具有曲率(至少一个曲率)的形状而形成。换言之，本发明的关键是通过给衬底以柱形曲率来调节线形光束的焦点的位置，衬底、特别是大面积衬底、用容许非常均匀的能量分布的线形激光束进行激光退火。大面积衬底很容易弯曲，因而有可能容易地形成本发明所必需的曲率。用激光束能实施多种类型的工艺，诸如半导体膜的晶化、和杂质元素的激活。
另外，随着本发明的采用，还有可能使用于形成传统线形光束或用于形成比传统光束短的线形光束的光学系统的光路长度比传统光学系统的光路长度更短。这种情形中，衬底变得相对较小，因而如果使用柔性衬底等代替诸如玻璃衬底的硬衬底，可以容易地给衬底以曲率。因而优选地使用柔性衬底。
涉及激光照射台的本发明的结构是在单一方向扩展的光束的照射表面具有在平行于该单一方向的方向有曲率的形状。
另外，涉及激光照射光学系统的本发明的结构有在单一方向扩展光束的第一装置，和为在单一方向扩展的光束建立照射表面的第二装置。第二装置给予照射表面在平行于单一方向的方向有曲率的形状。
在前述结构中，第一装置或第二装置包含柱面透镜阵列或柱面透镜。柱面透镜阵列能在单一方向扩展激光束，使光束均匀，或进行这两个操作。另外，柱面透镜能将激光束会聚在一个方向。激光束能通过组合两类透镜在单一方向扩展、变得均匀、并聚集，激光束能通过彼此成直角安置两类透镜在两个正交的方向的每一个扩展、变得均匀、并聚集。
另外，涉及激光照射装置的本发明的结构有激光振荡器、在第一方向扩展发自激光振荡器的激光束的第一装置、在正交于第一方向的第二方向聚集激光束的第二装置，和用于建立照射表面并在第二方向相对于激光束移动照射表面的第三装置。第三装置给予照射表面在平行于第一方向的方向具有曲率的形状。
在上述结构中，优选的是与本发明结合的激光振荡器在被半导体膜很好地吸收的波长范围具有高的输出。如果硅膜用作半导体膜，那么优选的是，考虑到吸收系数，发自所使用的激光振荡器的激光束的波长等于或小于600nm。准分子激光器、YAG激光器(高次谐波)和玻璃激光器(高次谐波)可以用作，例如，发射这种类型激光束的激光振荡器。
另外，诸如YVO₄激光器(高次谐波)、YLF激光器(高次谐波)、YAlO₃激光器玻璃激光器、红宝石激光器、金绿宝石激光器、钛蓝宝石激光器、Ar激光器、Kr激光器、CO₂激光器、氦镉激光器、铜蒸汽激光器、金属蒸汽激光器的激光器可以用作例如具有适于硅膜晶化波长的激光振荡器。另外，连续振荡型激光振荡器能用于本发明。
上述结构中，第一装置和第二装置包含柱面透镜阵列或柱面透镜。
本发明的结构涉及激光照射的方法，包括在第一方向扩展发自激光振荡器的激光束；在正交于第一方向的第二方向聚集激光束；相对于照射表面在第二方向移动激光束时将激光束照射到照射表面上。照射表面具有在平行于第一方向的方向有曲率的形状。
在上述结构中，优选的是发自激光振荡器的激光束的波长等于或小于600nm。准分子激光器、YAG激光器(高次谐波)和玻璃激光器(高次谐波)能用作、例如、发射上述激光束的激光振荡器。另外，可以用，例如，诸如YVO₄激光器(高次谐波)、YLF激光器(高次谐波)、YAlO₃激光器、玻璃激光器、红宝石激光器、金绿宝石激光器、钛蓝宝石激光器、Ar激光器、Kr激光器、CO₂激光器、氮镉激光器、铜蒸气激光器、金属蒸气激光器的激光器。此外，除了脉冲振荡型激光器，连续振荡型激光振荡器能用于本发明。
另外，本发明的结构涉及制造半导体装置的方法，该方法包括：在第一方向扩展发自激光振荡器的激光束；在正交于第一方向的第二方向聚集激光束；相对于半导体膜在第二方向移动激光束时将激光束照射到半导体膜上，从而进行半导体膜的退火。半导体膜设立为在平行于第一方向的方向有曲率的形状。
优选的是在上述结构中发自激光振荡器的激光束的波长等于或小于600nm。准分子激光器、YAG激光器(高次谐波)和玻璃激光器(高次谐波)能用作，例如，发射上述激光束的激光振荡器。另外，可以用，例如，诸如YVO₄激光器(高次谐波)、YLF激光器(高次谐波)、YAlO₃激光器、玻璃激光器、红宝石激光器、金绿宝石激光器、钛蓝宝石激光器、Ar激光器、Kr激光器、CO₂激光器、氦镉激光器、铜蒸气激光器、金属蒸气激光器的激光器。此外，除了脉冲振荡型激光器，连续振荡型激光振荡器能用于本发明。
通过应用本发明在照射表面上形成具有均匀性的非常长的激光束(特别是，线形光束)变得可能了。此外，形成这类激光束的光学系统是具有小覆盖区的激光照射装置，因而不会在尺寸上做得很大。当放置在每单位表面积具有高成本的洁净间中，光学系统特别有效。用这类激光束制造的半导体膜的性能变得均匀，TFT的电性能，并通过扩展，和半导体装置的工作性能都得到改善。还能实现半导体装置成本的降低。另外，可以用，例如，诸如YVO₄激光器(高次谐波)、YLF激光器(高次谐波)、YAlO₃激光器、玻璃激光器、红宝石激光器、金绿宝石激光器、钛蓝宝石激光器、Ar激光器、Kr激光器、CO₂激光器、氦镉激光器、铜蒸气激光器、金属蒸气激光器的激光器。此外，除了脉冲振荡型激光器，连续振荡型激光振荡器能用于本发明。
附图简述
在附随的图中，
图1是说明实施方案样式的视图；
图2是说明传统光学系统的视图；
图3是说明光学系统的视图；
图4A和4B是给出线形光束的能量分布的视图；
图5A和5B是给出线形光束焦点位置的视图；
图6是给出线形光束能量分布的视图；
图7A和7B是给出线形光束能量分布的视图；
图7A和7B是给出线形光束能量分布的视图；
图8A和8B是给出线形光束能量分布的视图；
图9是给出聚集透镜焦距与给予照射表面的曲率半径的关系的图，所述透镜使线形光束在纵向的能量分布更均匀；
图10A至10D是给出制造像素TFT和驱动电路TFT的工艺的横截面视图；
图11A至11C是给出制造像素TFT和驱动电路TFT的工艺的横截面视图；
图12是给出制造像素TFT和驱动电路TFT的工艺的横截面视图；
图13是给出像素TFT结构的俯视图；
图14是给出制造有源矩阵液晶显示器的工艺的横截面视图；
图15是发光装置的驱动电路和像素部分的横截面视图；
图16A和16B分别是发光装置的俯视图，和发光装置的驱动电路和像素部分的横截面视图。
图17A至17F是说明半导体装置实例的视图；
图18A至18D是说明半导体装置实例的视图；以及
图19A至19C是说明半导体装置实例的视图。
优选实施方案的详细说明
实施方案样式
本发明的实施方案样式将参考图5A和5B说明。
图5A和B给出光学系统和衬底弯曲方向之间位置关系的简单视图。图5A中，参考编号1501指用于在一个方向扩展激光束的光学系统，已经用光学系统1501扩展的激光束(在图中用有箭头A、B、C的虚线说明)用柱面透镜1502形成为细的线形。衬底1503在线形光束的纵向具有曲率，从而离衬底1503的边沿越近，衬底1503到柱面透镜1502的距离变得越短。换言之，曲率优选地在相对于激光束前进的方向的负方向上给出；就是说，曲率半径的中心在从激光振荡器侧的衬底的位置形成。这样就沿着衬底的曲率形成了线形光束1504。本发明的申请人进行了模拟，其确定了10,000-100,000mm量级的曲率半径是合适的。本技术说明中曲率用术语“曲率半径”变成数值，以使其表达更容易，但曲率是平缓的，因而衬底在一完整的圆圈上不总是必要的。曲率半径在很大程度上倚赖于光学系统的结构，有必要和光学系统的设计相呼应来决定曲率半径。当形成具有几万毫米的曲率半径的曲率时，衬底边缘和衬底中心的高度差特别细小，在几毫米，因而有可能不在衬底上放任何负荷时形成这个曲率。衬底常规上有1mm或更小的厚度，并且衬底表面积越大，形成曲率变得越容易。可以考虑诸如在具有曲率的台子上放衬底这样的方法、和用销钉支撑衬底并向着衬底的边缘增加销钉高度的方法以给出曲率。另外，如果每个销钉的高度自由地改变，则操作者在衬底的任意点自由地设定曲率。无论采用何种方法，都有可能非常容易地形成曲率。
根据图5B说明柱面透镜1502的焦点位置。图5B是从图5A的箭头方向观察的视图。由柱面透镜1502扩展的入射激光束焦点位置的聚集(来自柱面透镜1502的激光束焦点位置)沿着曲线1505具有曲率。这就是说，具有在对角线上的焦点位置、入射到柱面透镜1502的激光束，诸如激光束A和C，与从如同激光束B的直线方向入射到柱面透镜1502上的激光束相比，将具有向上移动(到柱面透镜1502的侧面)的焦距位置。本发明修正了这些移动。当把具有特别均匀能量分布的矩形光束变成线形光束时，发生焦点位置的移动，因而本发明还能用在从具有均匀能量分布的光束只形成线形光束的光学系统中。
这样用本发明通过给衬底以曲率，修正照射表面上的激光束焦点的移动变得可能了。此外，用本发明能使用于在照射表面上形成具有预定形状的激光束(例如，线形光束)的光学系统的光路长度更短。具有这类光学系统的激光照射装置的覆盖区变得更小，因而本发明当安置在每表面积具有极高单价的洁净间中时是特别有效的。
实施方案
实施方案1
用图1说明本发明的实施方案。
首先，制备1000mm×1200mm×0.7mm玻璃衬底。绝缘膜用众所周知的方法(诸如溅射、等离子体CVD、或低压CVD)形成于玻璃衬底的一个表面上。由诸如硼硅酸钡玻璃或硼硅酸铝玻璃的玻璃构成的衬底能作为玻璃衬底的实例给出。绝缘膜可以用氧化硅膜等，以200nm量级的膜厚度形成。绝缘膜作为阻塞层起作用，从而诸如对半导体装置有害的碱金属的物质不会从玻璃衬底影响非晶硅膜。注意，除了玻璃衬底外，还能用石英衬底、硅衬底、塑料衬底、金属衬底、不锈钢衬底、柔性衬底等。另外，柔性衬底有膜的形状并由诸如PET、PES、PEN或丙烯酸的材料制成。用柔性衬底，倘若制造半导体装置，能预料到更轻的重量。倘若由铝膜(诸如AlON、AlN、或AlO)、碳膜(诸如DLC(类金刚石碳))、SiN等制成的单层、或多层阻挡层形成于柔性衬底的前表面或前后表面，柔性衬底的可靠性能得到提高。因而优选的是形成阻挡层。
然后非单晶半导体膜用众所周知的方法形成于绝缘膜上。在实施方案1中，非晶硅膜作为非单晶半导体膜形成，具有55nm的厚度。注意，能容易地预言的是本发明还能用于其它非单晶半导体。例如，具有非晶结构的化合物半导体膜，诸如非晶锗硅膜，也可以用作非单晶半导体。另外，多晶硅膜也能用作非单晶半导体，如后面的实施方案中制造方法的实例中所示。
然后非单晶半导体形成于其上的衬底在450℃氮气氛中受热处理1小时。实施该工艺以减少非晶硅膜中氢的浓度。如果膜内氢的量太大，那么膜就不能承受激光的能量，所以实施该工艺。10²⁰/cm³量级的浓度对膜中的氢浓度是合适的。这里所用的值“10²⁰/cm³”指10²⁰个氢原子存在于膜的每cm³内。也可能用RTA(快速热处理)工艺在很短的时间周期内实施该工艺。根据光源和所用的处理方法，RTA工艺的最佳条件非常地不同，因而条件必须由操作者适当地确定。
例如，实施方案1中用具有308nm振荡波长的脉冲振荡XeCl准分子激光器作为激光振荡器实施该工艺。如果准分子激光器的最大输出在每个脉冲3J的量级，那么有可能通过形成1000mm×0.4mm线形光束充分地晶化非晶硅膜。
实施方案1中所使用的激光照射装置的实例在图1中说明。发自激光振荡器1101的激光束在入射到光学系统前用光束扩展器1102转换成预定的形状。光束扩展器常规地用Galileo型望远镜，这样减少了激光束的能量集中，使光学系统上的负载更小，或者，还可以作为优化入射到光学系统的激光束的形状的角色起作用。这就是说，如果让具有非常小光斑的激光束入射到光学系统，那么激光束分开部分的数目变得更少，能量分布均匀性的等级下降。另一方面，如果让具有非常大光斑尺寸的激光束入射到光学系统，那么将超出光学系统的有效直径，并出现能量损耗。光束扩展器的放大倍数可以通过考虑上述问题来确定。光束扩展器可以用柱面透镜形成，也可以用球面透镜形成。当期望在垂直和水平方向以同样的放大倍数扩展激光束时，可以用球面透镜形成，然而，当以不同放大倍数进行上述操作时，用柱面透镜形成。如果期望在垂直和水平方向用不同放大因子扩展激光束，那么可以用由柱面透镜构造的两个光束扩展器。实施方案1中发自激光振荡器的激光束的尺寸设为13×35mm。这个尺寸用于典型的高输出准分子激光器。为了尽可能多地减少激光束的能量聚集，光束用例如球面透镜构造的光束扩展器以1.8的放大倍数扩展。这就是说，激光束的尺寸变成23mm×63mm。这个光学系统中，平行于激光束横向的宽度(23mm)包含激光束光轴的平面被定义为子午面，平行于纵向长度(63mm)包含激光束光轴的平面被定义为矢状面。注意，对于其中反射镜放在光路中的情形，假定子午面和矢状面都根据由反射镜引起的变化而变化。
然后，让通过光束扩展器1102转换成所需放大倍数的激光束入射到柱面透镜阵列1103上。柱面透镜构造的柱面透镜阵列1103是60mm长、2mm宽、5mm厚的平凸型透镜，曲率半径等于4mm。如果让激光束从凸面入射，那么折射能力被优选地分散。在本技术说明中，曲率半径总是如配备在横向上那样得到。35个柱面透镜在阵列中排列起来，形成60mm×70mm×5mm范围的柱面透镜阵列。注意，为简化起见，图1中说明了7个柱面透镜。柱面透镜阵列1103平行于矢状面放置。激光束这样被分成多个光束，每个光束极大地被扩展。
激光束射出柱面透镜阵列1103，穿过120mm的空间，并让其入射到柱面透镜1104上。柱面透镜阵列1104是60mm长、150mm宽、20mm厚的平凸型透镜，曲率半径等于2140mm。让激光束从凸面入射。横向和矢状面平行安置。这样让用柱面透镜阵列1103分开的激光束在某一平面内互相重叠。柱面透镜阵列1103和柱面透镜1104的组合类似于图3所说明的光学系统。
让发自柱面透镜1104的激光束在穿过395mm空间后入射到柱面透镜阵列1105a。柱面透镜阵列1105a有16个在阵列中排成一列的平凸型柱面透镜，每个透镜有150mm的长度、2mm的宽度、5mm的厚度、和100mm的曲率半径。换言之，柱面透镜阵列1105变成具有150mm×32mm×5mm维度的透镜。横向和子午面平行地安置。激光束从柱面透镜阵列1105a射出，穿过65mm的开口，并入射到柱面透镜阵列1105b。柱面透镜阵列1105b有16个在阵列中排列在一起的平凸透镜，每个透镜具有150mm的长度、2mm的宽度、5mm的厚度、80mm的曲率半径。换言之，柱面透镜阵列1105b变成具有150mm×32mm×5mm维度的透镜，横向和子午面平行地安置。另外，16个柱面透镜如此安置以致于由柱面透镜阵列1105a分成16部分的激光束以1比1的比例入射到柱面透镜阵列1105b的16个柱面透镜上。注意，为简单起见，图1中给出每组4个柱面透镜的2组。
接下来，柱面透镜1106放在柱面透镜阵列1105b后面1600mm的位置。柱面透镜1106是具有550mm的长度、60mm的宽度、20mm的厚度和486mm的曲率半径的平凸柱面透镜。激光的入射表面是平的表面。横向和子午面平行地安置。这样激光束一次转变成在安置在柱面透镜1106后面1000mm的平面上具有2mm量级宽度的线形光束。
双柱面透镜1108放在柱面透镜1106后面2050mm的位置。90°反射镜1107放在柱面透镜1106和双柱面透镜1108之间，其上放置有半导体膜的台子1109被如此设置以便于与水平面几乎平行。双柱面透镜1108由两个柱面透镜构造。如果从入射表面到出射表面的表面称作第一表面、第二表面、第三表面、和第四表面，那么第一表面的曲率半径是125mm、第二表面的曲率半径是77mm、第三表面的曲率半径是97mm、第四表面的曲率半径是200mm。用在这里的正数指曲率半径的中心在激光束出射的一侧，而负数指曲率半径的中心在激光束进入的一侧。第一表面和第二表面间的中心距离是10mm、第二表面和第三表面间的中心距离是5.5mm、第三表面和第四表面之间的中心距离是20mm。双柱面透镜具有1000mm的长度、70mm的宽度、35.5mm的厚度。横向和子午面平行地安置。台子1109安置在双柱面透镜后面大约238mm的位置。台子1109的位置必须非常精确地确定。这是因为光学系统的聚聚焦深度度只有0.5mm的量级。如上说明的完整的光学系统由曲率半径限定，数值是为使用具有等于1.4856的折射率的基础材料的透镜给出的。因而不必说，如果透镜的基础材料有不同的折射率，则考虑修正到上述数值是必要的。
其上形成有半导体膜的衬底1111放在台子1109上。台子1109配备有具有凹柱面形的微小曲率，曲率半径等于40,000mm。曲率半径的中心在激光束进入的一侧，曲率方向平行于矢状面。台子1109在垂直于线形光束1110的方向(图内虚线的部分)工作，在台子工作同时通过连续照射激光束，激光束照射到半导体膜的整个表面上。根据台子1109的提供的曲率，能在衬底中心和衬底边缘之间形成3mm的最大高度差。这样可以明白，给予台子大于线形光束聚焦深度的曲率(常规在0.5mm的量级)的效果是绝对的。另外，具有1m量级的侧面长度、1mm量级的厚度的衬底非常容易弯曲，假定形变在5mm的量级，曲率很容易给出。激光照射完成之后衬底从台子上移走之后，给予衬底的形变就消失了。
例如，当在图1所示的台子上的箭头方向扫描台子1109时实施线形光束的照射。线形光束在半导体膜上的能量密度、台子的速度在这时由操作者适当地确定。大约说来，能量密度在100mJ/cm²-1000mJ/cm²的范围。如果对于一个范围适当地选择台子的速度，该范围内在线形光束的横向上有90％或更大的重叠，那么就有实施均匀激光退火良好的可能性。最佳台子速度依赖于激光振荡器的频率，可以认为与频率成正比。图1的实例给出台子相对于线形光束的运动，但是台子也可以固定，线形激光束也可以运动。假定运动以相对的方式进行，这是可接受的振荡。另外，如果用连续振荡激光器，那么可以当相对于激光束在0.5-2000cm/s量级的速度移动台子时实施发射。
这样就完成了激光退火工艺。多个衬底能通过重复前面的步骤处理。例如，有源矩阵液晶显示器能用该衬底制造。例如，制造可以由操作者根据已知的方法实施。
具有非常均匀能量分布和超过500mm的长度的激光束能用本发明形成，因而本发明适合引入到批量生产线中。使用具有高输出的激光振荡器，其在线形光束沿纵向扩展时能保证足够的能量密度。必要的输出依赖于线形光束在横向的宽度和激光束波长，但是优选的具有大于或等于每个脉冲1J的能量。
尽管在前述实例中准分子激光器的用于激光振荡器，除了准分子激光器外还能用YAG激光器或玻璃激光器的更高谐波得到差不多高的输出。因为硅膜对这类激光器的激光束能量有良好的吸收，所以这些激光器是优选的。此外，诸如YVO₄激光器(高次谐波)、YLF激光器(高次谐波)和Ar激光器的激光器可以用作适用于晶化硅膜的激光振荡器。这些激光振荡器的激光束波长范围很好地被硅膜吸收。
这样用本发明能形成具有非常均匀能量分布的线形光束，因而通过这类线形光束的照射得到的半导体膜的物理性质也变得均匀。这样就减少了用该半导体膜制造的TFT的电性能的偏差，并得到好的TFT。注意，实施方案1中在半导体膜形成于整个衬底上的状态下，可以进行通过激光束的使用的退火。然而，激光退火还可以在第一次使半导体膜形成所需的形状的图形之后进行。
实施方案2
实施方案2中比较应用本发明的情形和不用本发明的情形中激光束在照射表面上的能量密度。
从Eq(1)可知，提高f2/f1以便使线形激光束在纵向的长度L更长。(每个变量参看图3)还有可能让包含在柱面透镜阵列中的柱面透镜的宽度d更大。然而，这不是优选的，因为激光束分开部分的数目减少了，因而线形光束能量分布的均匀性遭到破坏。另外，如果f2增加，L变得更长，但是透镜与照射表面间的距离增加，因而占地面积变得更大，这是不经济的。随后，能够明白的是更优选的是减少f1以便增加线形光束在纵向的长度L。
当使用图1所示光学系统时，进行了能量分布在照射表面中的模拟。光学系统详细的说明可以在实施方案1中找到。光束扩展器1102由具有220mm的第一面曲率和7mm厚度的的平凸透镜以及具有400mm的第二面曲率、12mm厚度的平凸透镜构成，其放在离平凸透镜353mm的距离处。柱面透镜阵列1103安置在离平凸透镜353mm的距离处。柱面透镜阵列1103被安置在离光束扩展器1102 50mm的距离处。其它透镜的曲率，和透镜之间的距离如实施方案1中所说明的那样。注意，图1所示的光学系统的结构不同于图2所示的光学系统的结构。但是，根据图2的结构，能够在照射表面上获得在形状上与图1的激光束类似的激光束。
如果光学系统中柱面透镜阵列1103的曲率半径定为14mm，所述光学系统具有从图1所示激光振荡器到照射表面大约5m的光路长度，那么形成于照射表面上的线形光束的尺寸将变成300mm×0.4mm。对该线形光束能量分布的模拟结果的实例示于图4A。垂直轴代表激光束的线形方向，水平轴代表激光束的横向。垂直轴采用不同于水平轴的刻度以便使结果更容易看。以后，类似的图根据同样的刻度给出。图中的阴影对应激光束的能量密度。从图4A中能看到能获得非常均匀的能量分布。然而，在该光学系统中，当柱面透镜阵列1103(如果用图2的光学系统结构，则是柱面透镜阵列1203)的曲率半径简单地减少到4mm的值时，照射表面上的线形光束纵向上的长度增加到1000mm量级的长度，线形光束纵向上激光束能量密度的均匀性明显地下降了。(见图4B)注意，线形光束在横向上的长度保持在0.4mm。
本发明的申请人考虑到能量的均匀性受到激光束扩展的角度变得很大这个事实的不利影响，其由于线形光束纵向上的长度扩充了很多。已经假设纵向上线形光束中心附近的焦点位置不同于线形光束两端的焦点位置。用光学设计软件，照射表面上衬底的形状已经从平面变成具有柱面曲率的形状，这样假定一种形状，其中衬底中心的高度不同于衬底两端的高度。重复进行模拟，大大地增加线形光束能量分布的均匀性。
对于把曲率加到衬底上然后形成1000mm×0.4mm线形光束的情形的模拟结果示于图6。可以看到线形光束的能量分布与图4B相比显著地改善了。
从前面的模拟结果说明了本发明的有效性。
实施方案3
实施方案3中给出光学系统的一个实例，其不同于实施方案1和实施方案2中讨论的光学系统。尤其是，当线形光束的长度改变时，只是对关于多大曲率必须提供给半导体膜做了说明。
图1所示的光学系统中线形光束的长度能通过改变柱面透镜阵列1103的焦距来改变。具体数值的实例如下：如果线形光束的长度是300mm，则柱面透镜阵列1103的曲率半径可以设为14mm，如果线形光束的长度是600mm，则曲率半径可以设为7mm。换言之，可以认为曲率半径和线形光束长度之间有反比关系。
线形光束长度是600mm时，对照射表面上线形光束能量分布的模拟结果示于图7A和7B。图7A所示的是当没有半导体膜曲率时，即当半导体膜是平面时的模拟结果。对其中曲率加在半导体膜的模拟运行的结果示于7B，给予半导体膜的曲率半径是40,000mm，与实施方案1中给出的相同。可以看到，通过将曲率给予半导体膜，线形光束能量分布的均匀性大大地增加了。
当线形光束的长度是300mm时，对照射表面上线形光束能量密度的模拟结果示于图8A和8B。图8A所示的是没有半导体膜曲率时，即半导体膜是平面时的模拟结果。对其中曲率加在半导体膜的模拟运行的结果示于8B，给予半导体膜的曲率半径是40,000mm，与实施方案1中给出的相同。可以看到，图8A和8B之间没有优势差别，本发明可以优选地适用于比较长的线形光束。
当衬底尺寸是600mm×720mm时，可以采用实施方案3所说明的具有600mm长度的线形光束的光学系统。这时给予衬底的曲率半径设为40,000mm，类似于实施方案1中所示的那样。
例如，通过利用实施方案3所示的光学系统根据实施方案1所示的方法实施半导体膜的线性退火。例如，有源矩阵液晶显示器能利用半导体膜制造。可以根据操作者预定的方法进行制造。
实施方案4
不同于实施方案1-3说明的光学系统的光学系统的实例在实施方案4中给出。尤其是，当光学系统的光路长度改变时，只是关于多少曲率必须提供给半导体膜做了说明。
为了只改变光学系统的光路长度而不改变线形光束的长度，图3中柱面透镜阵列1301的焦距f1的值和柱面透镜阵列1302的焦距f2的值可以在不改变f1和f2的比例时改变。特别地，焦距f2几乎等于柱面透镜阵列1302与照射表面间的距离，因而与光学系统的光路长度有强的相关性。
实施方案1中，柱面透镜1104对应拥有焦距f2的柱面透镜。柱面透镜1104的焦距f2在4400mm的量级。通过改变f2而不改变线形光束的长度，即改变f2而不改变f1和f2的焦距比(注意f1也要改变以保持f1和f2间同样的比例)，用实施方案1所示的光学系统通过模拟研究照射表面上的能量分布，确定衬底必须拥有以得到均匀能量分布的曲率半径的范围。这样得到的关于f2的衬底必须拥有的曲率半径范围示于表1，衬底必须拥有的曲率半径范围与f2的关系的图示于图9。注意，因为衬底必须拥有的曲率半径的范围较窄，所以只记录当焦距f2等于2200mm和3600mm时的最佳值。
表1