CN1390986A - 晶体薄膜、其制备方法、使用其的元件、电路以及设备 - Google Patents

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Abstract

提供生产晶体薄膜的方法，包括将具有各个区域的起始薄膜进行熔化和再固化，所述区域在其状态上彼此不同而连续共存。起始薄膜的小区域所具有的晶粒或晶体簇的数目浓度的尺寸分布与周围区域不同。在熔化和再固化过程中，优先在一个区域中生长晶粒以控制晶粒在晶体薄膜中的位置。

Description

晶体薄膜、其制备方法、使用 其的元件、电路以及设备
发明领域
本发明涉及晶体薄膜和制造它的方法，使用晶体薄膜的元件，使用该元件的电路，和使用该元件或电路的设备，它们可用于需要高空间均匀性的大规模集成电路如平板显示器，图像传感器，磁性记录设备，和信息/信号处理器。
背景技术
平板显示器如液晶显示器已经通过将图像驱动电路单片安装在面板上而在精细度，显示速度和图像显示的浓淡等级得到改进。简单的矩阵驱动面板已经被对于每一像素有开关晶体管的有源矩阵驱动面板所取代。目前，提供超细的全色液晶显示器，通过运行在同一面板的周边上的转换电阻器电路来驱动有源矩阵，使该显示器适合于运动画面。
包括周边的驱动电路的单片装置能够在现实的生产成本下生产，这主要归因于在便宜的玻璃基板上形成具有优异的电性能的多晶硅薄膜的技术的开发；一种技术，其中通过将玻璃基板保持在低温下，沉积在玻璃基板上的无定形硅薄膜通过紫外区的光的短时间脉冲发射(如准分子激光器)而熔化和再固化。与通过固相结晶成多晶薄膜从同样的无定形硅薄膜获得的晶粒相比而言，通过熔化-再固化过程获得的晶粒具有在晶粒中低缺陷密度。因此，通过使用这一薄膜作为有源区所构造的薄膜晶体管显示了高的载流子迁移率。因此，甚至对于具有至多亚微米的平均粒度的多晶薄膜，也能够生产有源矩阵驱动的单片电路，它在对角线显示尺寸为几个英寸的具有100ppi或100ppi以下的精细度的液晶显示器中显示出足够的性能。
然而，比较清楚的是，使用由熔化-再固化法生产的多晶硅薄膜的目前的薄膜晶体管仍然在具有更大屏幕或更高精细度的下一代液晶显示器的工作性能上显得不足。此外，上述多晶硅薄膜对于在比液晶显示器更高的电压或更大电流下驱动的等离子显示器和电致发光显示器的未来应用领域中，或在医用大屏幕X射线图像传感器的应用领域中作为驱动电路元件来说显得性能不够。多晶硅薄膜，它具有至多亚微米的平均粒度，甚至在晶粒的低缺陷密度下仍然不能得到高性能的元件，这归因于许多的晶粒边界，它们在具有大约1微米的尺寸的元件的有源区中阻碍电荷转移。
为了降低晶粒边界密度，非常有效的是扩大平均晶粒粒度，它与晶粒边界密度成反比。同时，在无定形硅薄膜的短时间熔化-再固化中，已公开了几种方法来将平均晶粒粒度扩大至微米或更大。然而，通过所公开的方法，尽管平均晶粒粒度扩大了，但是晶粒尺寸分布变宽了。[例如J.S.Im，H.J.Kim，M.O.Thompson，Appl.Phys，Lett.63，1969(1993)；H.Kuriyama，T.Honda，S.Ishida，T.Kuwahara，S.Noguchi，S.Kiyama，S.Tsuda和S.Nakano，Jpn.Appl.Phys.32，6190(1993)]；晶粒边界的空间位置得不到控制[例如，T.Sameshima，Jpn.J.Appl.Phys.32，L1485(1993)；H.J.Kim和J.S.Im，Appl.Phys.Lett.68，1513(1996)]，因此，平均晶粒粒度的增大将增加在元件的有源区中晶粒边界密度的变化，导致元件性能的变化增大。另外，该方法本身是极其错综复杂的，因此不适合于实际的制造[例如，D.H.Choi，K.Shimizu，O.Sugiura和M.Matsumura，Jpn.J.Appl.Phys.31，4545(1992)和H.J.Song和J.S.Im，Appl.Phys.Lett.68，3165(1996)]。
至于这些问题，对于解决后一问题没有给出意见，但是对于解决前一问题已发展一些方法，其中通过控制晶粒的形成的位置来控制晶粒边界的位置和晶粒尺寸分布。这能够在多晶薄膜的化学蒸汽沉积和薄膜的固相结晶中得到验证(参见，例如，H.Kumomi和T.Yonehara，Jpn.J.Appl.Phys.36，1383(1997)；和H.Kumomi和F.G.Shi，“Handbook of Thin Films Materials”，第1卷，第6章，“Fundamentalsfor the formation and structure control of thin films：Nucleation，Growth，Solid-State Transformations”，H.S.Nalwa编(Academic Press，New York，2001))。
已有人报道了几种尝试，在由熔化-再固化法形成晶体薄膜中实现上述想法。Noguchi[日本专利申请公开No.5-102035]，和Ikeda[T.Noguchi和Y.Ikeda：Proc.Sony Research Forum，200(Sony Corp.，Tokyo，1993)]，在利用受激准分子-激光退火方法的无定形硅薄膜的熔化-再固化中，制备了穿过在无定形硅薄膜上提供的光截断层的开孔并让准分子激光束投射到无定形硅薄膜中。因此，在开孔部分的无定形硅有选择地熔化和再固化，在薄膜平面中形成了优先结晶区域。Toet等人[D.Toet，P.V.Santos，D.Eitel和M.Heintze，J.Non-Cryst.Solids 198/200，887(1996)；D.Toet，B.Koopmans，P.V.Santos，R.B.Bergmann和B.Richards，Appl.Phys.Lett.69，3719(1996)；和D.Toet，B.Koopmans，R.B.Bergmann，B.Richard，P.V.Santos，M.Arbrecht和J.Krinke，Thin Solid Films 296，49(1997)]将聚焦到约1μm的Ar激光束投射到无定形硅薄膜上引起仅仅在照射区域中的熔化和再固化。
然而，在上述方法中，在结晶区域中在该区域内的晶粒的任意位置上形成了许多晶粒，而且在这些区域中形成的晶粒的数目会在各个区域中有很大的不同。
Ishihara和Wilt[R.Ishihara and P.Ch.van der Wilt，J.Appl.Phys.37，L15(1998)；和P.Ch.van der Wilt和R.Ishihara，Phys.Stat Sol.(A)166，619(1998)]报道了通过在覆盖了氧化物层的单晶硅基片上的受激准分子-激光退火来进行无定形硅薄膜的熔化-再固化的方法，在该方法中氧化物膜沉积到具有小丘的单晶硅基片上，沉积的氧化物膜被压平。因此，下层的氧化物层可以在小丘的顶部上局部造得更薄，热量可以从熔化硅膜的较薄部分更快速地转移至基片上而引起快速冷却。因此，固化优先从小丘部分开始而引起晶粒的生长。Ishihara等人提到了通过优化小丘的投射区域和氧化物膜厚度来使在小丘上的单个晶粒生长的可能性。然而，该可能性还没有证实，而且最佳条件的范围是非常小的。而且这一方法使用了高度导热性的下层基片，因此不适合于使用玻璃基片的方法。此外，下层基片的精细加工和在大区域中氧化物膜的压平是不容易且不可实施的。
如上所述，在由熔化-再固化法形成晶体薄膜的过程中，晶粒形成的位置不容易控制。然而，这一方法有望改进薄膜的性能，因为通过熔化-再固化过程形成的薄晶体膜具有在晶粒中低密度的缺陷(与由其它薄膜形成方法制得的薄膜相比)。
发明内容
本发明希望提供利用熔化-再固化过程生产适合于玻璃基片或类似物的通用晶体薄膜的方法，其中晶粒的位置能够精确地控制。本发明希望还提供其中晶粒的位置能够精确控制的薄膜。本发明进一步希望提供高性能的元件和电路，和提供使用该薄膜的设备。
本发明的一种实施方案是生产晶体薄膜的方法，它包括将具有多个区域的起始薄膜进行熔化和再固化，这些区域在其状态上彼此不同而连续共存。尤其，在生产晶体薄膜的方法中，起始薄膜具有状态与周围区域不同的小区域，在所述小区域中生长了规定数目的晶粒或晶体簇。
在生产本发明的晶体薄膜的上述方法中，起始薄膜含有晶粒或晶体簇，在各区域之间不同的状态的区别在于起始薄膜的熔化和再固化步骤中保持未熔化的晶粒或晶体簇的数目浓度的尺寸分布。在这一实例中，下列构成是优选的。
在各区域之间不同的上述状态的区别在于晶粒或晶体簇的本体部分或表面，或在相邻晶粒或晶体簇之间的边界的熔点。
所述起始薄膜含有无定形部分，而且在各区域之间不同的状态的区别在于晶粒或晶体簇的本体部分或表面，或相邻晶粒或晶体簇之间的边界，或无定形部分的熔点。
上述起始薄膜是含有晶粒或晶体簇的无定形薄膜，在各区域之间不同的状态的区别在于在起始薄膜的无定形基体中含有的晶粒或晶体簇的数目浓度的尺寸分布。
上述起始薄膜是多晶薄膜，在各区域之间不同的状态的区别在于构成起始薄膜的晶粒或晶体簇的数目浓度的尺寸分布。
上述起始薄膜含有共存的无定形区域和多晶区域，在无定形区域和多晶区域之间的不同的状态的区别在于结晶性。
上述的起始薄膜是无定形的薄膜，在各区域之间不同的状态的区别在于在起始薄膜的熔化和再固化中的最大熔化时刻之前的固相结晶过程中雏晶成核的自由能垒的高度，尤其是，雏晶成核的自由能垒的高度由元素组成比率、所含的杂质浓度、表面被吸附物和起始薄膜和基片之间的界面的状态中的任一因素来控制。
在生产本发明的晶体薄膜的方法中，在各区域之间不同的状态的区别在于在从熔化相固化时的雏晶成核的自由能垒的高度，尤其是，雏晶成核的自由能垒的高度由元素组成比率、所含的杂质浓度、表面被吸附物和在起始薄膜和基片之间的界面状态中的任一因素来控制。
在生产本发明的晶体薄膜的方法中，具有连续晶体结构的至少一部分的晶粒的空间位置是通过控制起始薄膜中状态不同的各个区域的空间位置来控制的。
本发明的第二种实施方案是由生产上述晶体薄膜的方法生产的晶体薄膜。
本发明的第三种实施方案是使用本发明的晶体薄膜的元件；优选，具有连续晶体结构的晶粒的至少一部分通过控制起始薄膜中状态不同的各区域的空间位置来控制，具有控制位置的晶粒用作有源区域；更优选，该有源区域是在晶体薄膜的单晶粒内部形成的。
本发明的第四种实施方案是由本发明的上述元件组成的电路。本发明的第五种实施方案是使用本发明的元件或电路的设备。
附图的简述
图1A，1B，1C，1D，1E，1F，1G和1H显示了本发明的晶体薄膜和生产方法的第一基本实施方案。
图2A，2B，2C，2D，2E，2F，2G和2H显示了本发明的晶体薄膜和生产方法的第二基本实施方案。
图3A，3B，3C，3D，3E，3F，3G和3H显示了本发明的晶体薄膜和生产方法的另一实施方案。
图4A，4B，4C，4D，4E，4F，4G和4H显示了本发明的晶体薄膜和生产方法的另一实施方案。
图5A，5B，5C，5D，5E，5F，5G和5H显示了本发明的晶体薄膜和生产方法的另一实施方案。
图6A，6B，6C，6D，6E，6F，6G和6H显示了本发明的晶体薄膜和生产方法的另一实施方案。
图7A，7B，7C，7D，7E，7F，7G和7H显示了本发明的晶体薄膜和生产方法的另一实施方案。
图8A，8B，8C，8D，8E，8F，8G和8H显示了本发明的晶体薄膜和生产方法的另一实施方案。
图9A，9B，9C，9D，9E，9F，9G和9H显示了本发明的晶体薄膜和生产方法的另一实施方案。
图10显示了本发明的元件的第一基本实施方案。
图11显示了本发明的元件的第二基本实施方案。
图12显示了本发明的元件的另一实施方案。
图13显示了本发明的元件的另一实施方案。
图14显示了本发明的电路的一个实施方案。
图15显示了本发明的设备的一个实施方案。
优选实施方案的描述
由本发明解决的第一个问题是在薄膜的熔化再固化中晶粒形成的位置的精确控制。在如上所述的普通方法中，该位置通过在熔化薄膜中引起热分布的优先的再固化来控制。如果薄膜中的温度分布能够随时间的推移在空间上精确地控制，这种方法可能是非常有前景的，因为在熔化过程中和之后的晶粒的形成和生长在很大程度上取决于薄膜的温度。然而，在熔化之前和之后在薄膜中的热传导是相当或非常迅速的，因此，甚至在熔化-再固化的短时间中，陡的温度梯度也不能容易地定位在所期望的限定的区域中，正如二维热分析的模拟所指出的那样[Gupta，Song和Im，Mat.Res.Soc.Symp.Proc.397，465(1996)]。此外，在利用短波长光源如准分子激光器的短时间退火中，在晶粒形成的整个过程中规定的温度分布的形成从本质上讲是不可能的，因为膜厚度方向上的熔化和再固化也变化，这可从热分析的上述模拟和现场观察的结果明显看出[Hatano，Moon，Lee和Grigoropoulos，J.Appl.Phys.，87，36(2000)]。本发明的发明人已注意到，上述事实使得难以控制单个晶粒形成的位置或所形成晶粒的数量密度。本发明的发明人在广泛的研究后，发现了与基于热分布的普通方法完全不同的新型方法。
本发明的特征在于，为进行熔化和再固化而处理的起始薄膜具有在状态上不同的区域。本发明的特征还在于，为进行熔化和再固化而处理的起始薄膜具有状态与周围区域不同的小区域，优先在小区域中生长了规定数目的晶粒或晶体簇。
在本发明中，状态不同的区域的存在影响着熔化-再固化。为了解释这一效果，首先描述了熔化-再固化过程的动态方面，它在近年已有说明。
通过熔化和再固化的晶体薄膜的形成是随着起始薄膜的加热熔化被引发的。在就要熔化前的薄膜具有由例如含有晶体簇的多晶物质和无定形物质组成的非均质结构的情况下，熔点在薄膜中是不均匀的，这取决于薄膜的组分。通常，在晶粒或晶体簇中的本体部分的熔点(TC)，它们的表面的熔点(TS)，和在相邻晶粒之间的晶粒边界的熔点(TB)，以及无定形区域的熔点(TA)有下列关系：TC＞TS至TB＞TA。在就要熔化之前的薄膜由这类组分组成的情况下，熔化过程与熔化的最高温度(TM)、加热速率(dT/dt)、最高温度的持续时间和起始薄膜的构成的关系被分类和总结在表1-4中。
                                 表1
最高温度TM 加热速率dT/dt 最高温度的持续时间                        起始薄膜的构成
由晶粒或晶体簇组成的多晶 含有晶粒或晶体簇的无定形物质 既不含晶粒又不含晶体簇的无定形物质
TM＞TC ∞   ＞0     整个薄膜瞬间熔化
＜∞快速 在超过TB的温度下，在晶粒边界开始熔化，熔化从晶粒或晶体簇的表面扩展。最终整个薄膜熔化。 在超过TA的温度下，在无定形区域中熔化开始。在超过TS的温度下，晶粒或晶体簇开始在表面上熔化。最终整个薄膜熔化。 在超过TA的温度下，熔化局部开始。最终整个薄膜熔化。
＜∞缓慢 在低于TA的温度下，在固相和无定形区域中晶粒或晶体簇生长，自发成核以高速率和高密度进行。在超过TB的温度下，在晶粒边界上开始熔化，熔化从晶粒表面扩展。最终整个薄膜熔化。 在低于TA的温度下，自发成核以高速率和高密度局部地进行。在超过TB的温度下，在晶粒边界上开始熔化，熔化从晶粒的表面扩展。最终整个薄膜熔化。
                                 表2
最高温度TM 加热速率dT/dt 最高温度的持续时间 起始薄膜的构成
由晶粒或晶体簇组成的多晶 含有晶粒或晶体簇的无定形物质 既不含晶粒又不含晶体簇的无定形物质
TC＞TM＞TB ∞ 长 晶粒边界瞬间熔化。由于表面熔化使得晶粒或晶体簇的尺寸变小。 无定形区域瞬间熔化。由于表面熔化使得晶粒或晶体簇的尺寸变小。 整个薄膜瞬间熔化
短 晶粒边界瞬间熔化。晶粒或晶体簇的表面熔化，但尺寸几乎没有变小。 无定形区域瞬间熔化。晶粒或晶体簇的表面熔化，但尺寸几乎没有变小。
                                 表2(续)
最高温度TM 加热速率dT/dt 最高温度的持续时间 起始薄膜的构成
由晶粒或晶体簇组成的多晶 含有晶粒或晶体簇的无定形物质 既不含晶粒又不含晶体簇的无定形物质
TC＞TM＞TB ＜∞快速 长 在超过TB的温度下，在晶粒边界上开始熔化。由于表面熔化使得晶粒或晶体簇的尺寸变小。 在超过TA的温度下，在无定形区域中开始熔化。在超过TS的温度下，由于表面熔化使得晶粒或晶体簇的尺寸变小。 在超过TA的温度下，局部开始熔化。最终整个薄膜熔化。
短 在超过TB的温度下，在晶粒边界上开始熔化。晶粒或晶体簇在表面上熔化，但尺寸几乎没有变小。 在超过TA的温度下，在无定形区域中开始熔化。在超过TS的温度下，晶粒或晶体簇在表面上熔化，但尺寸几乎没有变小。
                                  表3
最高温度TM 加热速率dT/dt 最高温度的持续时间 起始薄膜的构成
由晶粒或晶体簇组成的多晶 含有晶粒或晶体簇的无定形物质 既不含晶粒又不含晶体簇的无定形物质
TC＞TM＞TB 0＜∞缓慢 长 在超过TB的温度下，在晶粒边界上开始熔化。由于表面熔化使得晶粒或晶体簇的尺寸变小。 在低于TA的温度下，晶粒或晶体簇在固相中和在无定形区域中生长，以高速率和高密度进行自发成核。在超过TB的温度下在晶粒边界上开始熔化，晶粒的尺寸显著变小。 在低于TA的温度下，以高速率和高密度局部地进行自发成核。在超过TB的温度下在边界上开始熔化，晶粒或晶体簇的尺寸显著变小。
                                        表3(续)
最高温度TM 加热速率dT/dt 最高温度的持续时间 起始薄膜的构成
由晶粒或晶体簇组成的多晶 含有晶粒或晶体簇的无定形物质 既不含晶粒又不含晶体簇的无定形物质
TC＞TM＞TB 0＜∞缓慢 短 在超过TB的温度下，在晶粒边界上开始熔化。晶粒或晶体簇在表面上熔化，但尺寸几乎没有变小。 在低于TA的温度下，在固相中和在无定形区域中晶粒或晶体簇生长，以高速率和高密度进行自发成核。在超过TB的温度下在晶粒边界上开始熔化，但晶粒尺寸几乎没有变小。 在低于TA的温度下，以高速率和高密度局部地进行自发成核。在超过TB的温度下在晶粒边界上开始熔化，但晶粒或晶体簇在尺寸上几乎没有变小。
                                表4
最高温度TM 加热速率dT/dt 最高温度的持续时间 起始薄膜的构成
由晶粒或晶体簇组成的多晶 含有晶粒或晶体簇的无定形物质 既不含晶粒又不含晶体簇的无定形物质
TS＞TM＞TA ∞ ＞0 没有熔化 仅仅无定形区域瞬间熔化 整个薄膜瞬间熔化
＜∞快速 在超过TA的温度下，只有无定形层熔化 在超过TA的温度下，整个薄膜熔化。
＜∞中等 在低于TA的温度下，在固相中和在无定形区域中晶粒或晶体簇生长，以高速率和高密度进行自发成核。在超过TA的温度下，只有剩下的无定形区域熔化。 在低于TA的温度下，以高速率和高密度进行自发成核。在超过TA的温度下，只有剩下的无定形区域熔化。
                              表4(续)
最高温度TM 加热速率dT/dt 最高温度的持续时间 起始薄膜的构成
由晶粒或晶体簇组成的多晶 含有晶粒或晶体簇的无定形物质 既不含晶粒又不含晶体簇的无定形物质
TS＞TM＞TA ＜∞缓慢 ＞0 没有熔化 在低于TA的温度下，在固相中和在无定形区域中晶粒或晶体簇生长，以高速率和高密度进行自发成核，引起整个薄膜的结晶。之后，甚至在超过TA的温度下也没有熔化。 在低于TA的温度下，以高速率和高密度进行自发成核，引起整个薄膜的结晶。之后，甚至在超过TA的温度下也没有熔化。
在利用短波长光源如准分子激光器的退火中，激光以小的深度穿透入薄膜中，仅仅加热薄膜表面附近的部分，薄膜的下层部分通过来自表面部分的热传导来加热。因此，在薄膜深度方向上的传递过程被包括在表1-4中所示的熔化过程的动态方面的分类中。也就是说，熔化在表面附近开始，并向薄膜和下层基片之间的界面扩展。在各深度下熔化的状态示于表1-4。
在表1-4中总结的熔化过程当中，薄膜的任何部分均没有熔化的系统被排除在本发明的考虑之外，因为这种系统不是本发明的目的。因此，熔化状态粗略地分成以下状态(1)完全熔化状态，其中整个薄膜处于熔融相，和(2)不完全熔化状态，其中晶体固体区域分散在熔融相中，与最高温度、加热速率、最高温度的持续时间和起始薄膜的构成的变化无关。接下来讨论再固化过程，其中处于上述两种熔化状态的任一种的薄膜在加热结束之后冷却。
为了引发处于完全熔化状态的薄膜的固化，晶核应该在熔融相中自发形成。根据传统的成核理论，在熔融相中在单位时间和单位体积中产生的晶核数，即成核速率(J)是形成晶核的自由能垒(W*)和系统的绝对温度(T)的函数，J∝exp(-W*/kT)。雏晶成核的自由能垒(W*)是晶体本体的熔点(TC)和过冷(ΔT＝T-TC)的函数，W*∝TC/ΔT，因此，随着T的下降，J按多重指数的规律提高。因此，紧接着在温度低于熔点TC之后不会发生成核，保持熔融状态。在温度变得足够低达一定时间之后，成核自发地和爆发性地发生，引起迅速的固化。引起可见的自发成核和最终的晶粒浓缩的过冷取决于冷却速率dT/dt和形成晶核的自由能垒W*。后者不仅取决于过冷而且取决于起始材料的状态。
另一方面，在处于不完全的熔化状态的薄膜中，从种子雏晶(它已分散在熔化基质中的未熔化的晶粒或晶体簇中)的液相外延生长的开始与冷却的开始同时发生。因此，保留在熔化基质中的未融化的晶粒或晶体簇先生长，当过冷变得显著时，仅仅在熔化区域中自发和快速地形成细晶粒。当薄膜逐渐冷却时，或当保留在熔化基质中的晶粒或晶体簇的浓度足够高或其尺寸足够大时，则仅仅通过剩余晶粒或晶体簇的生长就可以固化整个薄膜。另一方面，当薄膜快速冷却时，或当保留在熔化基质中的晶粒或晶体簇的浓度足够低或它的尺寸足够小时，在薄膜中的绝大部分的区域能够通过在剩余晶粒或晶体簇的显著生长之前加大过冷引起自发的爆发性成核，用细晶粒来固化。因此，晶粒的最终数目浓度和它的尺寸分布取决于冷却速率dT/dt和保留在熔化基质中的剩余晶粒或晶体簇的尺寸分布。此外，如表1到4中所示，后者取决于：(1)薄膜的温度条件，如最高温度TM，加热速率dT/dt，最高温度持续时间；和(2)诸如下面(2-1)和(2-2)之类的起始薄膜的状况：(2-1)与通过晶粒或晶体簇的数目浓度的尺寸分布来表述的起始薄膜的结晶性有关的结构，和(2-2)热力学性质，如在起始薄膜的熔化之前的固相结晶中雏晶成核的自由能垒，在晶粒和晶体簇中本体区域的熔点TC，其表面的熔点TS，相邻晶粒之间晶粒边界的熔点TB，和任何无定形区域(如果存在的话)的熔点TA。
在本发明中，词语“晶粒和晶体簇的数目浓度的尺寸分布”是指由在单位体积中g-尺寸的晶粒或晶体簇的数目f(g)作为g的函数来定义的物理量。
因此，只有当各f(g)值对于在整个尺寸空间区域中的任何“g”都一致时(g＞0)，两个“晶粒和晶体簇的数目浓度的尺寸分布”才彼此相等。否则，它们则不同。
考虑到上述事项，一般可以作如下结论：通过熔化-再固化过程形成的多晶薄膜的晶粒结构取决于熔化用的加热温度条件和用于再固化的冷却以及起始薄膜的状态(其中包括结构和热力学性质)，与完全熔化或不完全熔化的状态无关。从晶粒形成的空间位置的控制考虑，以上温度条件控制已进行了尝试，但是如上所述这一控制是不容易的。在综合考虑之后，本发明的发明人合理地预见了通过控制起始薄膜的空间状态来控制晶粒形成的位置的可能性。即，解决本发明中问题的方法是在空间上控制起始薄膜的状态。它的效果参考实施方案来说明。
图1A至1H和2A至2H说明了本发明的晶体薄膜及其制造方法的基本方案。图3A到3H至9A到9H说明了扩展方案。附图是在垂直于表面或界面的方向上截取的薄膜的一部分的示意性剖视图。在本发明中，薄膜可以与在其上面或下面的另外的层接触。在图1A到1H至9A到9H中，仅仅说明薄膜，没有显示其它层。在图1A到1H至9A到9H中，编号表示如下各个部分：1，小区域；2，周围区域；3，起始薄膜；4，为了熔化-再固化施加的能量；5，晶粒或晶体簇；6，晶粒；7，熔化区域；8，随机的晶体簇；9，晶粒边界。
为了在空间上控制起始薄膜的状态，在起始薄膜中，形成了状态不同于周围区域的小区域，而且在小区域中，使规定数目的晶粒或晶体簇在最高程度的熔化下保持未熔化，或雏晶成核在其中优先地进行。如图1A或图2A中所示，在起始薄膜3中形成了小区域1，它们与周围区域2彼此接触共存，然后对它们施加能量4来加热和熔化起始薄膜3，如图1B或图2B中所示。小区域1和周围区域2如下所示在薄膜的状态上不同。
小区域1和周围区域2被制得不同，使得在熔化的最终阶段(图1C)和在能量施加结束后的阶段(图1D)之间，规定数目的晶粒或晶体簇当中的一个或多个在小区域1中未熔化，周围区域中的晶粒或晶体簇保持在比小区域1中低得多的浓度下；或周围区域2完全熔化，没有不熔化的晶粒或晶体簇。或者，小区域1和周围区域2被制得不同，使得小区域1和周围区域2两者在熔化的最终阶段(图2C)中完全熔化，但是在小区域1中优先发生成核，以便在冷却-固化过程中形成晶粒或晶体簇5(图2D)，因为在小区域1中雏晶成核的自由能垒低于周围区域2中的自由能垒。
在具有状态不同的小区域1和周围区域2的起始薄膜的加热-熔化之后，在再固化过程中，晶体生长从晶粒或晶体簇5开始进行，所述晶粒或晶体簇5用作种子晶体来固化相邻的熔化状态的薄膜，并形成晶粒6(图1E和2E)。
之后，通过固化依次相邻的周围区域2，晶粒6的生长超出小区域1(图1F和2F)。然而，晶粒6的生长不是无穷的。在固化特点不在于晶粒6的熔化区域7中，在一定的过冷下，自发并爆发性地随机形成了晶粒或晶体簇8(图1G和2G)，已生长到周围区域2中的晶粒6接触到没有实施位置控制的晶粒或晶体簇，并在它们之间形成了晶粒边界9(图1H和2H)。所以，在小区域1中的受控制位置上，由熔化-再固化法用晶粒6形成晶体薄膜。
对于小区域1没有完全熔化的情况(如图1A到1H中所示)，保留在不完全熔化的小区域1中的晶粒或晶体簇5的数目能够通过在熔化之前含有的晶粒或晶体簇的数目浓度的尺寸分布、小区域1的体积或为加热-熔化目的的能量4施加的条件来精确控制。
对于小区域1和周围区域2都完全熔化的情况，优先在小区域1中形成的晶粒或晶体簇5的数目仅仅取决于雏晶成核的自由能垒W*，它能够通过小区域1的状态和固化的温度来精确控制。
在小区域1不完全熔化和小区域1完全熔化两种情况下，在小区域1中的晶粒6的数目不限于1，而是两个或更多个都可生长，如小区域1不完全熔化的图3A至3H中所示。
在图1A到1H，图2A到2H，和图3A到3H中，确定晶粒6的形成的位置的小区域1是作为由周围区域2包围的单域来设置的。然而，实施方案不限于它们，在本发明中小区域1能够多个、不连续或发散地设置。
图4A到4H，图5A到5H和图6A到6H示出了小区域1不完全地熔化的其它实施方案，对应于图1A到1H的实施方案。对于相邻小区域1彼此远离的情况(图4A)，在各小区域1的位置上所形成的晶粒之间随机自发和爆发性地形成了细晶粒或晶体簇8(图4H)。然而，对于在相邻小区域1之间的距离足够短的情况(图5A)，从它们生长的晶粒在它们之间的中点附近碰撞在一起从而在晶粒或晶体簇8的自发爆发性形成之前形成了晶粒边界9(图5H)。
对于以低于上述距离的最大距离排列在整个薄膜中的小区域1(图6A)，整个薄膜能够由位置受控的晶粒6组成(图6H)。对于以规则间隔排列的小区域1，薄膜能够用几乎相同尺寸的位置受控的晶粒6来形成。
在图4A到4H，图5A到5H，和图6A到6H中所示的实例中，小区域1不完全地熔化。然而，在如图2A到2H中所示的小区域1完全熔化的情况下能够使用类似的方法。
在图1A到1H至图6A到6H中所示的实施方案中，小区域1和周围区域2在起始薄膜3的平面方向上二维排列。在本发明中，可以使用三维构型，其中各区域也是在起始薄膜3的厚度方向上排列。例如，如图7A到7H中所示，小区域1是在薄膜的一半厚度部分中形成的，并且从上侧和周边侧被周围区域2包围，据此能够进行类似的熔化-再固化。在图7A到7H中，以图6A到6H中的短间隔排列的小区域1是不完全熔化的。小区域1的三维排列在图1A到1H至图5A到5H所示的构成中或对于小区域1完全熔化的情况也是可能的。此外，小区域1的三维构型不限于在图7A到7H中示出的那些，还包括各种变型。
在图1A到1H至图7A到7H中示出的实施方案中，在平面方向上起始薄膜3的扩展面积远大于小区域1或晶粒6的尺寸，或远大于在小区域1之间的间隔。然而，面积和尺寸或间隔可以在大小上相当。例如，在图8A到8H中，对于具有在附图中示出的尺寸的起始薄膜3，当小区域1在形成后被周围区域2包围(图8A)并进行熔化-再固化来引起小区域1的不完全熔化时，所形成的再固化薄膜具有被晶粒或晶体簇8(由没有位置控制的自发的随机成核作用所形成)包围的晶粒6(图8H)。在图9A到9H中，对于在平面方向上尺寸较小的起始薄膜3(图9A)，在没有位置控制的晶粒或晶体簇8的自发成核的爆发性发生之前，在整个起始薄膜3上生长晶粒6，形成了仅仅由晶粒6组成的再固化薄膜(图9H)。对于如图2A到2H中所示的小区域1完全地熔化的情况，对于如图3A到3H中所示的在小区域1中生长多个晶粒6的情况，对于如图4A到4H至图6A到6H中所示的起始薄膜3含有多个小区域1的情况，或对于如图7A到7H中所示的小区域1三维排列的情况，也能够进行在图8A到8H至图9A到9H中所示的熔化-再固化。在图8A到8H和图9A到9H中所示的起始薄膜3能够多个发散地设置在基片(在该图中没有示出)上。
在图1A到1H至图9A到9H中示出的实施方案中，起始薄膜3具有状态不同的两种类型的区域，即小区域1和周围区域2，但是状态不同的三种或三种以上类型的区域也可设置。例如，各单晶粒6优先形成的如图1A到1H中所示的小区域1，和形成多个晶粒6的如图3A到3H中所示的另一种类型的小区域1能够在一个起始薄膜3上共存。另外，具有不同的二维或三维结构的多个小区域可以在起始薄膜3上共存。
下面解释在熔化-再固化过程中用于形成起始薄膜3中共存的小区域1和周围区域2的基本实施方案。
对于小区域1不完全熔化的情况，小区域1和周围区域2被制得彼此不同，以使得在薄膜的熔化的最后阶段中，一个或一定数目的晶粒或晶体簇5在小区域1中不熔化，而在周围区域2中，晶粒或晶体簇在比小区域1中的浓度低得多的浓度下不熔化或没有留下来从而导致完全熔化。正如前面所述，未熔化晶粒或晶体簇的数目浓度的尺寸分布取决于与通过在起始薄膜中含有的未熔化晶粒或晶体簇的数目浓度的尺寸分布所限定的起始薄膜的结晶性有关的结构；还取决于热力学性质，如雏晶成核的自由能垒、在晶粒或晶体簇中本体区域的熔点、其表面的熔点、和在相邻晶粒之间晶粒边界的熔点以及起始薄膜含有无定形区域的情况下的该无定形区域的熔点。所以，为了达到本发明的目的，上述因素中的任一种在小区域1和周围区域2之间都是不同的。
例如，当晶粒或晶体簇的数目浓度的尺寸分布变到更大粒度的范围中(与周围区域2相比)(具有较大粒度的晶粒或晶体簇在数目上更多)，或具有更大的浓度(晶粒或晶体簇的数目更多)，并且起始薄膜在没有固相结晶的情况下熔化时，未熔化的晶粒或晶体簇能够保留下来。即使当起始薄膜熔化经历固相结晶时，在晶粒或晶体簇的数目浓度的初始尺寸分布上的差异直接反映到在固相结晶之后的尺寸分布，据此，未熔化的晶粒或晶体簇能够选择性地保留在小区域1的熔体中。对于在起始薄膜的熔化之前的固相结晶不是以大于雏晶成核的临界尺寸的晶粒的生长为特征而主要由雏晶成核过程控制的情况，在小区域1中雏晶成核的自由能垒的高度与周围区域2中的不同。在固相结晶中雏晶成核的自由能垒的高度取决于薄膜的元素组成比，所含杂质的浓度，在表面上的被吸附物，和在薄膜和基片之间的界面的状态。所以，通过将上述因素中的任何一个设计成各区域之间不同，能够在同一个薄膜中设置小区域1和周围区域2。因此，就在熔化之前，在小区域1中晶粒或晶体簇的数目浓度的尺寸分布属于比周围区域2中更大的粒度范围，据此，使未熔化晶粒或晶体簇选择性地保留在小区域1中。另外，通过设计在晶粒或晶体簇中的本体区域、它们的表面和在相邻晶粒之间的晶粒边界中的任何一处的熔点，使得在小区域1中该熔点高于周围区域2中，未熔化的晶粒或晶体簇能够选择性地保留在熔化过程的最后阶段的小区域1中。
对于小区域1完全熔化的其它情况，通过设计从熔融相的雏晶成核的自由能垒W*而使得它在小区域1中低于在周围区域2中，起始薄膜的状态在小区域1和周围区域2之间不同。因此，在小区域1和周围区域2的完全熔化之后的冷却-固化过程中，晶粒或晶体簇的核心优先在小区域1中形成，而过冷不是显著的。如前面所述，由自发成核所形成的晶粒或晶体簇的浓度仅仅取决于雏晶成核的自由能垒W*，W*的值取决于小区域1的状态，如起始薄膜的元素组成比，所含杂质的浓度，在表面上的被吸附物，以及在薄膜和基片之间界面的状态。所以，小区域1和周围区域2就上述因素中的任何一个来讲都不相同。
图10到13显示了使用由上述熔化-再固化过程形成的晶体薄膜的本发明元件的实施方案。图10到13显示了在垂直于表面或界面的方向上截取的薄膜的局部截面视图，与图1A到1H至图9A到9H类似。在图10到13中，在图1A到1H至图5A到5H或图8A到8H中所示的随机自发成核所形成的晶粒或晶体簇8被省略，仅仅示出了位置控制的晶粒6，根据需要，示出了用于支持该薄膜的基片100。
在本发明的晶体薄膜中，晶粒6的位置由小区域1的位置决定，它的尺寸预先决定。所以，在使用晶粒作为有源区域的元件制造中，使用晶粒6的有源区域容易与晶粒6的位置相关联。例如如图10中所示，元件的有源小区域10能够限制在晶粒6的内部。因此，元件的工作性能得到改进，在各元件当中的变化减少，因为没有晶粒边界归入元件的有源小区域10。
在由设置如图5A到5H至7A到7H中所示的多个小区域1的方法所制备的晶体薄膜中，能够在如图11中所示的含有所需数目的晶粒6的区域中设置有源小区域10。同样在这种情况下，包括在该元件的有源小区域10中的晶粒6的数目或晶粒边界的密度能够加以控制，因为小区域1的位置是预定的。因此，在各元件之间的变化能够减少。
在图10或11中所示的元件的有源小区域10是通过在晶粒6上提供合适的输入输出终端来形成的。根据元件类型，输入输出终端位于包括晶粒6的薄膜的上表面、下表面和周边面当中的任何位置。输入输出终端可与晶粒6接触或彼此远离，这取决于输入到元件的有源区域或从元件的有源区域输出的信号的类型。
图12和13显示了在由半导体材料组成的晶体薄膜上设置的MOS型薄晶体管(TFT)的实例。在附图中，编号表示如下各个部分：11，栅绝缘膜；12，栅极；13，源极；14，漏极；100，基片。
在图12中示出的元件是通过图9A到9H中所示的方法使用在基片100上单独形成的单晶粒6的MOS型TFT。在晶粒6的表面上，设置了栅极12、源极13和漏极14，在栅极12与晶粒6的表面之间设有栅绝缘膜11。在电极下方的晶粒6的区域中，通过控制传导类型，分别形成了通道区，源区和漏区。这一元件能够表现出高性能，因为在没有晶粒边界的单晶粒6内部形成了整个元件。通过在如图12中所示的同一基片100上形成多个元件，在各元件之间性能的变化能够减少。在图13中所示的实例中，通过图1A至1H或图2A至2H中所示的方法形成了晶体薄膜，仅仅在单晶粒6的部分上形成了栅区，在与晶粒6邻近并含有无位置控制的晶粒或晶体簇8的薄膜的部分上形成了源区和漏区。在这样的MOS类型TFT中，元件性能主要取决于作为有源区域的通道区中的电荷转移。所以，在图13中示出的多个元件表现高性能，在各元件之间有较少的性能变化。
在图12和13中示出的实例中，元件的有源区不含晶粒边界。然而，具有位置控制的晶粒边界9的晶体薄膜(它通过图3A到3H，图5A到5H至图7A到7H中任何一种方法获得)，能够在元件的有源区域中含有晶粒边界9。在有源区域中有晶粒边界9的元件在性能的绝对值上可能较差，但是通过控制晶粒边界的密度能够减少在各元件之间的变化。
图14显示了通过使用如上所示的本发明的元件构造的本发明的电路的实例。在附图中，编号表示如下部分：15，第一TFT的栅接线电极；16，第二TFT的栅接线电极；17，绝缘层。这一电路具有作为一部分的两个MOS型TFT，所述TFT分别包括在一个基片100上的如图12中所示的从作为生长中心的小区域1生长的单晶粒6。由栅极12控制的第一个TFT的漏极14经电线连接于第二个TFT的栅极16，电极和线路通过绝缘层17彼此绝缘。因此，由栅极16控制的第二个TFT是由第一个TFT的漏电压来控制的。在这样的电路中，第一个TFT和第二个TFT的元件性能应该精确控制。在有源区域中不含晶粒边界的这一实例的电路将满足以上所述的条件。
图15显示了包括本发明的电路的本发明的图像显示设备的实例。在附图中，编号表示如下部分：18，电极；19，发光层或光传输控制层；20，上电极。这一设备包括作为一部分的两个相连的TFT，如图14中示出的那样。第二个TFT的漏极连接于该元件的上部位置的电极18。在电极18上设置了发光层或光传输控制层19，进一步在其上设置了上电极20。通过电极18和上电极20施加于发光层或光传输控制层19的电压或引入到其上的电流取决于由第一个TFT漏电压控制的第二个TFT的漏电压或电流。发光层或光透射控制层19的光发射强度或透光率由施加的电压或引入的电流来控制。这一实例的图像显示设备使用以上元件作为一个像素的显示单元，并且由网格图形排列的此类元件组成。为了获得均匀的光强度和时间响应，在各像素之间性能的变化应该减至最小。使用包括在有源区域中不含晶粒边界的元件的电路的以上设备满足以上条件。
[实施例1]
由图1A到1H中示出的方法形成的晶体硅薄膜作为本发明的实施例1来描述。
在由二氧化硅和其它组分组成并具有无定形表面的基片上由蒸汽沉积方法形成了厚度50nm的含有晶体硅簇的无定形硅薄膜。含有晶体硅簇的这一无定形硅薄膜用来自表面侧的能量束来辐射(局部排除1μm直径的小区域)，从而使在薄膜的辐射区域中的晶体硅簇发生部分无定形化。所获得的膜用作起始薄膜。
这一起始薄膜用KrF准分子激光束在大约200mJ/cm2的能量密度下辐射30毫微秒进行熔化和再固化，获得晶体薄膜。
检查所形成的晶体薄膜的晶粒形状。结果发现，单晶粒已经在作为中心的具有约1μm直径的以上小区域周围生长至大约2μm直径的尺寸。周围部分无规地填充了具有约50nm的平均直径的各种尺寸的细晶粒。
在这一实施例的起始薄膜中，在没有用能量束辐射的约1μm直径的小区域中，晶体簇的数目浓度的尺寸分布和其浓度的平均值高于其它区域中的值。在晶体簇的数目浓度的尺寸分布上的这一差异使得在连续设置的各区域中状态有差异，形成了大约1μm直径的“小区域1”，如图1A到1H中所示。通过就地观察在上述熔化-再固化条件下能量束辐射过的薄膜和未辐射的薄膜的熔化-再固化过程，前者已证实完全熔化，而后者被证实不完全熔化。
如上所述，在这一实施例中，起始薄膜是含有晶体簇的无定形的薄膜，而且晶体簇的数目浓度的尺寸分布在起始薄膜的无定形基础材料中的各个区域之间不相同。因此，在起始薄膜的熔化-再固化中，剩余未熔化的晶体簇的数目浓度的尺寸分布在各区域中不相同，从而形成了由空间位置加以控制的晶粒组成的晶体薄膜。
[实施例2]
由图1A到1H中示出的方法形成的另一晶体硅薄膜作为本发明的实施例2来描述。
按照与实施例1中同样的方法，在主要由二氧化硅组成并具有无定形表面的基片上由蒸汽沉积法形成了厚度50nm的含有晶体硅簇的无定形硅薄膜。含有晶体硅簇的这一无定形硅薄膜用来自表面侧的能量束辐射(局部排除0.7μm直径的小区域)，从而获得起始薄膜。在这一实施例中，与实施例1不同，在能量束辐射的区域中，在薄膜中含有的晶体硅簇完全成为无定形的。
这一起始薄膜用ArF准分子激光束在大约210mJ/cm2的能量密度下辐射30毫微秒进行熔化和再固化，获得晶体薄膜。
检查所形成的晶体薄膜的晶粒形状。发现，单晶粒已经在作为中心的具有约0.7μm直径的以上所述小区域周围生长至大约1.5μm直径的尺寸。周围部分无规地填充了具有约40nm的平均直径的各种尺寸的细晶粒。
在这一实施例的起始薄膜中，在没有用能量束辐射的约0.7μm直径的小区域中，存在晶体簇，但不存在于其它部分中。在晶体簇的数目浓度的尺寸分布上的这一差异引起在连续设置的各区域中状态有差异，形成了大约0.7μm直径的“小区域1”，如图1A到1H中所示。通过就地观察在上述熔化-再固化条件下完全制成无定形的能量束辐射过的薄膜和未辐射的薄膜的熔化-再固化过程，该能量束辐射过的薄膜被证实完全熔化，而未辐射的薄膜被证实不完全熔化，前者在比后者更低的温度下熔化。
如上所述，在这一实施例中，起始薄膜是含有晶体簇的无定形的薄膜，而且晶体簇的数目浓度的尺寸分布在起始薄膜的无定形基础材料中的各个区域之间不相同。因此，在起始薄膜的熔化-再固化中，剩余未熔化的晶体簇的数目浓度的尺寸分布在各区域中不相同，从而形成了由空间位置加以控制的晶粒组成的晶体薄膜。
[实施例3]
由图1A到1H中示出的方法形成的第三种晶体硅薄膜作为本发明的
实施例3来描述。
利用蒸汽沉积法在具有由无机硅化合物组成的无定形表面的基片上形成厚度80nm的多晶硅薄膜，作为起始薄膜。由选择性沉积手段进行起始薄膜的沉积，在约2μm2的小区域中获得约300nm的平均直径，在薄膜平面中的其它区域中获得约100nm的平均直径。
这一起始薄膜用XeCl准分子激光束在大约300mJ/cm2的能量密度下辐射40毫微秒进行熔化和再固化，获得晶体薄膜。
检查所形成的晶体薄膜的晶粒形状。发现，单晶粒已经在作为中心的约2μm2的以上所述小区域周围生长至大约3μm直径的粒度。周围部分无规地填充了约100nm的平均直径的各种尺寸的细晶粒。
在这一实施例的起始薄膜中，在大约2μm2的小区域中，晶粒或晶体簇的数目浓度的尺寸分布的平均值高于其它区域。在晶粒的数目浓度的尺寸分布中的这一差异使得在连续设置的各区域中状态有差异，形成了大约2μm2的“小区域1”，如图1A到1H中所示。通过就地观察在上述熔化-再固化条件下平均直径大约100nm和平均直径大约300nm的多晶硅薄膜的熔化-再固化过程，前者已证实完全熔化，而后者被证实不完全熔化。
如上所述，在这一实施例中，起始薄膜是含有晶粒或晶体簇的多晶薄膜，而且晶体簇的数目浓度的尺寸分布在各个区域之间不相同。因此，在起始薄膜的熔化-再固化中，剩余未熔化的晶粒或晶体簇的数目浓度的尺寸分布在各区域中不相同，从而形成了由空间位置加以控制的晶粒组成的晶体薄膜。
[实施例4]
由图1A到1H中示出的方法形成的第四种晶体硅薄膜作为本发明的
实施例4来描述。
利用蒸汽沉积法在具有由无机硅化合物组成的无定形表面的基片上形成厚度80nm的多晶硅薄膜。然后，按照与实施例2中同样的方法，这一多晶硅薄膜用来自表面侧的能量束进行辐射(局部排除大约0.7μm直径的小区域)，变成无定形的。它用作起始薄膜。
这一起始薄膜用XeCl准分子激光束在大约250mJ/cm2的能量密度下辐射40毫微秒进行熔化和再固化，获得晶体薄膜。
检查所形成的晶体薄膜的晶粒形状。发现，单晶粒已经在作为中心的约0.7μm直径的以上所述小区域周围生长至大约2μm直径的尺寸。周围部分无规地填充了约60nm的平均直径的各种尺寸的细晶粒。
在这一实施例的起始薄膜中，大约0.7μm直径的小区域是多晶，其它区域是无定形的。这一差异使得在连续设置的各区域中状态有差异，形成了大约0.7μm直径的“小区域1”，如图1A到1H中所示。通过就地观察无定形硅薄膜和多晶硅薄膜的熔化-再固化过程，前者已证实完全熔化，而后者被证实不完全熔化。前者在比后者更低的温度下熔化。
如上所述，在这一实施例中，晶体薄膜具有无定形区域和多晶区域，在各区域之间结晶性是不同的。因此，在起始薄膜的熔化-再固化中，剩余未熔化的晶粒或晶体簇的数目浓度的尺寸分布在各区域中不相同，从而形成了由空间位置加以控制的晶粒组成的晶体薄膜。
[实施例5]
由图1A到1H中示出的方法形成的第五种晶体硅薄膜作为本发明的
实施例5来描述。
按照与实施例4中同样的方法，利用蒸汽沉积法在具有由二氧化硅组成的无定形表面的基片上形成厚度80nm的多晶硅薄膜。然后这一薄膜用磷掺杂，局部排除大约1.5μm直径的小区域。它用作起始薄膜。
这一起始薄膜用XeCl准分子激光束在大约350mJ/cm2的能量密度下辐射40毫微秒进行熔化和再固化，获得晶体薄膜。
检查所形成的晶体薄膜的晶粒形状。发现，单晶粒已经在作为中心的具有约1.5μm直径的以上所述小区域周围生长至大约2.5μm直径的尺寸。周围部分无规地填充了约150nm的平均直径的各种尺寸的细晶粒。
在这一实施例的起始薄膜中，大约1.5μm直径的小区域含有很少的磷，而其它区域含有磷。这一差异使得在连续设置的各区域中状态有差异，形成了大约1.5μm直径的“小区域1”，如图1A到1H中所示。通过就地观察含磷的多晶硅薄膜和不含磷的多晶硅薄膜的熔化-再固化过程，前者已证实完全熔化，而后者被证实不完全熔化。前者在比后者更低的温度下熔化。此外，在含磷的多晶薄膜中，杂质磷被证实在晶粒边界发生分离。
如上所述，在这一实施例中，起始薄膜是含杂质的多晶硅薄膜，具有根据杂质浓度而有不同熔点的各个区域。因此，在起始薄膜的熔化-再固化中，剩余未熔化的晶粒或晶体簇的数目浓度的尺寸分布在各区域中不相同，从而形成了由空间位置加以控制的晶粒组成的晶体薄膜。
[实施例6]
由图1A到1H中示出的方法形成的第六种晶体硅薄膜作为本发明的
实施例6来描述。
由蒸汽沉积法在具有由二氧化硅组成的无定形表面的基片上形成了厚度100nm的既不含晶粒又不含晶体簇的无定形薄膜。然后，这一无定形硅薄膜用来自表面侧的能量束辐射(局部排除约0.6μm直径的小区域)，从而改变辐射区域中的无定形硅薄膜和底下的基片之间的界面的状态。它用作起始薄膜。
这一起始薄膜用KrF准分子激光束在大约310mJ/cm2的能量密度下辐射30毫微秒进行熔化和再固化，获得晶体薄膜。
检查所形成的晶体薄膜的晶粒形状。发现，单晶粒已经在作为中心的具有约0.6μm直径的以上所述小区域周围生长至大约3μm直径的尺寸。周围部分无规地填充了约50nm的平均直径的各种尺寸的细晶粒。
在这一实施例的起始薄膜中，在薄膜和底下的基片之间的界面的状态在大约0.6μm直径的小区域中与在其它区域中是不相同的。这一差异使得在连续设置的各区域中状态产生差异，形成了大约0.6μm直径的“小区域1”，如图1A到1H中所示。由能量束辐射来改变界面状态将会提高在无定形硅薄膜的固相结晶中微晶成核的自由能垒。结果，在起始薄膜的熔化之前的固相结晶中，优先在大约0.6μm直径的小区域中的固相中形成晶核，晶粒逐渐生长到小区域以外。其后，升高薄膜的温度，在小区域以外的区域中，以高成核速度形成了细晶粒。在熔化过程中，在大约0.6μm直径的小区域中的固相结晶中形成的大晶粒是不完全熔化的，而在小区域之外以高密度形成的细晶粒是完全熔化的。
如上所述，在这一实施例中，起始薄膜是无定形的薄膜，而且薄膜和基片之间的界面的状态在各区域之间有变化。所以，在起始薄膜的熔化-再固化中，在熔化前的固相结晶中雏晶成核的自由能垒的高度将随区域而变化。因此，剩余未熔化的晶粒或晶体簇的数目浓度的尺寸分布随各区域而变化，从而形成了由空间位置加以控制的晶粒组成的晶体薄膜。
[实施例7]
由图1A到1H中示出的方法形成的第七种晶体硅薄膜作为本发明的
实施例7来描述。
利用蒸汽沉积法在具有由二氧化硅组成的无定形表面的基片上形成厚度100nm的无定形硅薄膜。然后这一薄膜在大约1μm2的小区域中局部用锡掺杂。它用作起始薄膜。
这一起始薄膜用Ar+激光束在大约500mJ/cm2的能量密度下辐射10秒进行熔化和再固化，获得晶体薄膜。
检查所形成的晶体薄膜的晶粒形状。发现，单晶粒已经在作为中心的约1μm2的以上所述小区域周围生长至大约2.5μm直径的粒度。周围部分无规地填充了具有约40nm的平均直径的各种尺寸的细晶粒。
在这一实施例的起始薄膜中，杂质锡的浓度在大约1μm2的小区域中与在其它区域中是不相同的。这一差异使得在连续设置的各区域中状态产生差异，形成了大约1μm2的“小区域1”，如图1A到1H中所示。杂质如锡降低了在无定形硅薄膜的固相结晶中雏晶成核的自由能垒。结果，在起始薄膜的熔化之前的固相结晶中，优先在大约1μm2的小区域中的固相中形成晶核，晶粒逐渐生长到小区域以外。其后，升高薄膜的温度，在小区域以外的区域中，以高成核速度形成了细晶粒。在熔化过程中，在大约1.2μm2的小区域中的固相结晶中形成的大晶粒是不完全熔化的，而在小区域之外以高密度形成的细晶粒是完全熔化的。
如上所述，在这一实施例中，起始薄膜是含有杂质的无定形的薄膜，而且杂质的浓度在各区域之间有变化。所以，在起始薄膜的熔化-再固化过程中熔化之前的固相结晶中，雏晶成核的自由能垒的高度将随区域而变化。因此，剩余未熔化的晶粒或晶体簇的数目浓度的尺寸分布随各区域而变化，从而形成了由空间位置加以控制的晶粒组成的晶体薄膜。
[实施例8]
由图1A到1H中示出的方法形成的晶体硅-锗薄膜作为本发明的实施例8来描述。
利用蒸汽沉积法在具有由无机硅化合物组成的无定形表面的基片上形成厚度100nm的具有化学计量元素组成的无定形硅-锗薄膜。在这一薄膜中，向在无定形硅-锗薄膜上的大约2μm直径的小区域中局部加入锗。它用作起始薄膜。
这一起始薄膜用Ar+激光束在大约400mJ/cm2的能量密度下辐射5秒进行熔化-再固化。检查所形成的再固化的薄膜的晶粒形状。发现，单晶粒已经在作为中心的具有约2μm直径的以上所述小区域周围生长至大约4μm直径的尺寸。周围部分无规地填充了具有约100nm的平均直径的各种尺寸的细晶粒。
在这一实施例的起始薄膜中，在大约2μm直径的小区域中的元素组成比率与其它部分中的不同。这一差异引起在连续设置的各区域之间状态有差异，形成了大约2μm直径的“小区域1”，如图1A到1H中所示。在无定形硅-锗薄膜的固相结晶中雏晶成核的自由能垒将随硅与锗的元素组成比率而变化，接近化学计量比时达到最大值。结果，在起始薄膜的熔化之前的固相结晶中，优先在大约2μm直径的小区域的固相中形成晶核，晶粒逐渐生长到小区域以外。其后，升高薄膜的温度，在小区域以外的区域中，以高成核速度形成了细晶粒。在熔化过程中，在大约2μm直径的小区域中的固相结晶中形成的大晶粒是不完全熔化的，而在小区域之外以高密度形成的细晶粒是完全熔化的。
如上所述，在这一实施例中，起始薄膜是具有随区域而变化的元素组成比率的无定形薄膜。所以，在起始薄膜的熔化-再固化过程中熔化之前的固相结晶中，雏晶成核的自由能垒的高度将随区域而变化。因此，剩余未熔化的晶粒或晶体簇的数目浓度的尺寸分布随各区域而变化，从而形成了由空间位置加以控制的晶粒组成的晶体薄膜。
[实施例9]
由图1A到1H中示出的方法形成的第八种晶体硅薄膜作为本发明的
实施例9来描述。
利用蒸汽沉积法在具有由二氧化硅组成的无定形表面的基片上形成厚度100nm的无定形硅薄膜。然后在其表面上，在大约1μm直径的小区域的表面上局部形成了5nm厚度的钯薄膜。它用作起始薄膜。
这一起始薄膜用YAG激光束在大约250mJ/cm2的能量密度下辐射10秒进行熔化和再固化，获得晶体薄膜。
检查所形成的晶体薄膜的晶粒形状。发现，单晶粒已经在作为中心的具有约1μm直径的以上所述小区域周围生长至大约5μm直径的尺寸。周围部分无规地填充了具有约40nm的平均直径的各种尺寸的细晶粒。
在这一实施例的起始薄膜中，钯被吸附在大约1μm直径的小区域中的表面上，而不是在其它区域中。在表面被吸附物上的这一差异引起在连续设置的各区域之间状态有差异，形成了大约1μm直径的“小区域1”，如图1A到1H中所示。金属原子如钯和镍在薄膜表面上的吸附会降低在无定形硅薄膜的固相结晶中雏晶成核的自由能垒。结果，在起始薄膜的熔化之前的固相结晶中，优先在大约1μm直径的小区域中的固相中形成晶核，晶粒逐渐生长到小区域以外。其后，升高薄膜的温度，在小区域以外的区域中，以高成核速度形成了细晶粒。在熔化过程中，在大约1μm直径的小区域中的固相结晶中形成的大晶粒是不完全熔化的，而在小区域之外的、由高密度细晶粒组成的区域是完全熔化的。
如上所述，在这一实施例中，起始薄膜是在限制的区域中具有被吸附物的无定形薄膜。所以，在起始薄膜的熔化-再固化过程中熔化之前的固相结晶中，雏晶成核的自由能垒的高度将随区域而变化。因此，剩余未熔化的晶粒或晶体簇的数目浓度的尺寸分布随各区域而变化，从而形成了由空间位置加以控制的晶粒组成的晶体薄膜。
[实施例10]
由图1A到1H中示出的方法形成的晶体锗薄膜作为本发明的实施例10来描述。
利用蒸汽沉积法在具有由无机硅化合物组成的无定形表面的基片上形成厚度200nm的无定形锗薄膜。然后在其表面上，在大约2μm直径的小区域中局部形成了10nm厚度的铟薄膜。它用作起始薄膜。这一起始薄膜用GGG激光束在大约300mJ/cm2的能量密度下辐射1秒进行熔化和再固化，获得晶体薄膜。
检查所形成的晶体薄膜的晶粒形状。发现，单晶粒已经在作为中心的具有约2μm直径的以上所述小区域周围生长至大约5μm直径的尺寸。周围部分无规地填充了具有约80nm的平均直径的各种尺寸的细晶粒。
在这一实施例的起始薄膜中，铟被吸附在大约2μm直径的有限小区域中的表面上，而不在其它区域中。在表面被吸附物上的这一差异引起在连续设置的各区域之间状态有差异，形成了大约2μm直径的“小区域1”，如图1A到1H中所示。金属原子如铟在薄膜表面上的吸附会降低在无定形锗薄膜的固相结晶中雏晶成核的自由能垒。结果，在起始薄膜的熔化之前的固相结晶中，优先在大约2μm直径的小区域中的固相中形成晶核，晶粒逐渐生长到小区域以外。其后，升高薄膜的温度，在小区域以外的区域中，以高成核速度形成了细晶粒。在熔化过程中，在大约2μm直径的小区域的固相结晶中形成的大晶粒是不完全熔化的，而在小区域之外的、由高密度的细晶粒组成的区域是完全熔化的。
如上所述，在这一实施例中，起始薄膜是在限制区域中具有被吸附物的无定形薄膜。所以，在起始薄膜的熔化-再固化过程中熔化之前的固相结晶中，雏晶成核的自由能垒的高度将随区域而变化。因此，剩余未熔化的晶粒或晶体簇的数目浓度的尺寸分布随各区域而变化，从而形成了由空间位置加以控制的晶粒组成的晶体薄膜。
[实施例11]
由图2A到2H中示出的方法形成的晶体硅薄膜作为本发明的实施例11来描述。
利用蒸汽沉积法在具有由二氧化硅组成的无定形表面的基片上形成厚度100nm的无定形硅薄膜。然后这一薄膜在大约2μm2的小区域中局部用锡掺杂。它用作起始薄膜。
这一起始薄膜用KrF准分子激光束在大约400mJ/cm2的能量密度下辐射40毫微秒进行熔化和再固化，获得晶体薄膜。在上述条件下，整个薄膜是完全熔化的。
检查所形成的晶体薄膜的晶粒形状。发现，单晶粒已经在作为中心的约2μm2的以上所述小区域周围分别生长至大约4μm直径的粒度。周围部分无规地填充了具有约30nm的平均直径的各种尺寸的细晶粒。
在这一实施例的起始薄膜中，在大约2μm2的小区域中的杂质的浓度与其它区域中的不同。这一差异引起在连续设置的各区域之间状态有差异，形成了大约2μm2的“小区域1”，如图1A所示。杂质如锡也会降低在熔化的硅薄膜中雏晶成核的自由能垒，与在无定形硅薄膜的固相结晶中的效果类似。结果，在起始薄膜的完全熔化之后的再固化过程中，优先在大约2μm2的小区域中在熔化的硅中形成晶核，晶粒逐渐生长到小区域以外。
如上所述，在这一实施例中，起始薄膜是含有杂质的无定形的薄膜，而且杂质的浓度在各压域之间有变化。所以，在起始薄膜的熔化-再固化过程中，来自熔化基质的雏晶成核的自由能垒的高度将随区域而变化，形成了由空间位置加以控制的晶粒组成的晶体薄膜。
[实施例12]
由图2A到2H中示出的方法形成的晶体硅-锗薄膜作为本发明的实施例12来描述。
按照与实施例8中相同的方法，利用蒸汽沉积法在具有由无机硅化合物组成的无定形表面的基片上形成厚度100nm的具有化学计量元素组成的无定形硅-锗薄膜。在这一薄膜中，向在无定形硅-锗薄膜上的大约2μm直径的小区域中局部加入硅。它用作起始薄膜。
这一起始薄膜用XeCl准分子激光束在大约350mJ/cm2的能量密度下辐射40毫微秒进行熔化-再固化，获得晶体薄膜。在上述条件下，整个薄膜是完全熔化的。
检查所形成的晶体薄膜的晶粒形状。发现，单晶粒已经在作为中心的约2μm直径的以上所述小区域周围分别生长至大约4μm直径的粒度。周围部分无规地填充了具有约60nm的平均直径的各种尺寸的细晶粒。
在这一实施例的起始薄膜中，在大约2μm直径的小区域中的元素组成比率与其它部分中的不同。这一差异引起在连续设置的各区域之间状态有差异，形成了大约2μm直径的“小区域1”，如图2A所示。在熔化的硅-锗薄膜的固化中雏晶成核的自由能垒将随硅与锗的元素组成比率而变化，接近化学计量比时达到最大值，并在固相结晶中成核。结果，在完全熔化之后的再固化过程中，优先在大约2μm直径的小区域中形成了晶核，晶粒生长得更大而到达小区域以外。
如上所述，在这一实施例中，起始薄膜是具有随区域而变化的元素组成比率的无定形薄膜。所以，在起始薄膜的熔化-再固化过程中，来自熔化基质的雏晶成核的自由能垒的高度将随区域而变化。因此，形成晶体薄膜，它由在空间位置上加以控制的晶粒组成。
[实施例13]
由图3A到3H中示出的方法形成的晶体硅薄膜作为本发明的实施例13来描述。
按照与实施例1中相同的方法，制备起始薄膜，熔化并再固化，获得晶体硅薄膜，只是“小区域1”在尺寸上被制得更大，达到约1.5μm直径。
观察所获得的晶体薄膜的构成薄膜的晶粒的形状。发现，大约1.5μm直径的两个单晶粒已分别在大约1.5μm直径的小区域附近生长，周围部分无规地填充了平均直径大约50nm的各种粒度的细晶粒。
在这一实施例中，“小区域1”扩大到大约1.5μm直径，与“小区域1”的体积膨胀成比例地增加了在薄膜的熔化过程中未熔化晶粒或晶体簇保留在其中的可能性。因此在约1.5μm直径的小区域生长了多个晶粒。
按照与实施例1中同样的方法，在这一实施例中控制构成晶体薄膜的晶粒的空间位置。顺便说一下，在“小区域1”中生长的晶粒的数目的增加和控制能够与实施例2-12中类似地进行。这一控制不仅可以通过“小区域1”的体积，而且可以通过晶粒或晶体簇的浓度，以及在“小区域1”中的雏晶成核的自由能垒或熔点，和加热条件来进行。
[实施例14]
由图4A到4H中示出的方法形成的晶体硅薄膜作为本发明的实施例14来描述。
按照与实施例1中同样的方法，制备起始薄膜，然后熔化和再固化，获得晶体薄膜，只是以10μm的距离提供图1A的约1μm的两个“小区域1”。
观察所获得的晶体薄膜的构成晶体薄膜的晶粒的形状。发现，在大约1μm直径的两个小区域中分别生长了大约2μm直径的单晶粒，包括晶粒之间大约8μm长度的区域的周围部分无规地填充了平均直径大约50nm的各种尺寸的细晶粒。
按照与实施例1中同样的方法，控制在这一实施例中构成晶体薄膜的晶粒的空间位置。顺便说一下，使用多个“小区域1”的熔化-再固化过程也能够与实施例2-12中类似地进行。
[实施例15]
由图5A到5H中示出的方法形成的晶体硅薄膜作为本发明的实施例15来描述。
按照与实施例14中同样的方法，制备起始薄膜，然后熔化和再固化，而获得晶体硅薄膜，只是在两个“小区域1”之间的距离减少至大约2μm。观察所获得的晶体薄膜的构成由熔化-再固化过程生产的晶体薄膜的晶粒的形状。发现，在大约1μm直径的两个小区域中分别生长了大约2μm直径的单晶粒，两个晶粒在生长前沿彼此接触而形成了晶粒边界。周围部分无规地填充了具有约50nm的平均直径的各种尺寸的细晶粒。
按照与实施例1中同样的方法，控制在这一实施例中构成晶体薄膜的晶粒的空间位置。顺便说一下，在“小区域1”中生长的晶粒的数目的增加和控制能够与实施例2-12中类似地进行。在这一实施例中以短距离设置的多个“小区域1”的熔化-再固化也能够与实施例2-12中类似地进行。
[实施例16]
由图6A到6H中示出的方法形成的晶体硅薄膜作为本发明的实施例16来描述。
按照与实施例14中同样的方法，制备起始薄膜，然后熔化和再固化，而获得晶体硅薄膜，只是按照正方格子图案以2μm的间隔周期性地形成多个与图1A中同样的约1μm直径的“小区域1”。
观察所获得的晶体薄膜的构成晶体薄膜的晶粒的形状。发现，在2μm间隔的正方格子的格点上分别生长了平均直径大约2μm的单晶粒，这些晶粒在生长前沿彼此接触形成晶粒边界。薄膜填充有位置受控的晶粒，没有无规的细晶粒区域的形成。
按照与实施例1中同样的方法，控制在这一实施例中构成晶体薄膜的晶粒的空间位置。使用多个“小区域1”的熔化-再固化过程也能够与实施例2-12中类似地进行。
[实施例17]
由图7A到7H中示出的方法形成的晶体硅薄膜作为本发明的实施例17来描述。
利用蒸汽沉积法在具有由二氧化硅组成的无定形表面的基片上形成厚度10nm的多晶硅薄膜。然后，在2μm间隔的正方格子的格点上留出大约1μm直径的小区域，除去这一多晶薄膜。此外在其上面，由蒸汽沉积法形成100nm厚度的无定形硅薄膜。它用作起始薄膜。在这一实施例中，“小区域1”是被平坦的无定形硅薄膜覆盖的在2μm间隔的正方格子的格点上排列的约1μm直径和10nm厚的多晶薄膜的小区域。
这一起始薄膜用KrF准分子激光束在大约310mJ/cm2的能量密度下辐射30毫微秒进行熔化和再固化，获得晶体薄膜。
检查所形成的晶体薄膜的构成用的晶粒的形状。发现，在2μm间隔的正方格子的各格点上生长了平均直径大约2μm的单晶粒，这些晶粒在生长前沿彼此接触形成晶粒边界。薄膜填充有位置受控的晶粒，没有无规的细晶粒区域的形成。
如上所述，在这一实施例中，起始薄膜具有多晶区域和无定形区域。因此，在起始薄膜的熔化-再固化过程中，剩余未熔化的晶粒或晶体簇的数目浓度的尺寸分布将随区域而变化，从而形成了由空间位置加以控制的晶粒组成的晶体薄膜。
使用三维“小区域1”的熔化-再固化过程也能够与实施例2-12的晶体薄膜类似地进行。
[实施例18]
由图8A到8H中示出的方法形成的晶体硅薄膜作为本发明的实施例18来描述。
在具有由二氧化硅组成的无定形表面的基片上形成与实施例1中相同的起始薄膜。然后，保留包括对应于图1的“小区域1”的大约1μm直径的小区域在内的大约10μm直径的小区域，除去这一多晶薄膜的绝大部分。在这一实施例中它用作起始薄膜。
这一起始薄膜用KrF准分子激光束在大约240mJ/cm2的能量密度下辐射30毫微秒进行熔化和再固化，获得晶体薄膜。
检查所形成的晶体薄膜的构成用的晶粒的形状。发现，在作为中心的大约1μm直径的小区域周围生长了大约3μm直径的单晶粒。从大约1μm直径的小区域生长的单晶粒的部分除外，保留在基片上的10μm直径的薄膜无规地填充了具有大约50nm的平均直径的各种尺寸的细晶粒。
按照与实施例1中同样的方法，控制在这一实施例中构成晶体薄膜的晶粒的空间位置。利用在这一实施例中在基片的有限区域上形成的起始薄膜的熔化-再固化过程能够与实施例2到17的晶体薄膜类似地进行。
[实施例19]
由图9A到9H中示出的方法形成的晶体硅薄膜作为本发明的实施例19来描述。
按照与实施例18中同样的方法，由熔化-再固化获得晶体薄膜，只是通过保留包括作为“小区域1”的大约1μm直径的小区域在内的大约4μm2的区域来除去薄膜。
检查所形成的晶体薄膜的构成用的晶粒的形状。发现，单个晶粒构成了4μm2的薄膜的全部面积，没有晶体间界。
按照与实施例1中同样的方法，控制构成晶体薄膜的晶粒的空间位置。用于形成在这一实施例中的单晶粒的熔化-再固化过程也能够与实施例2到17的晶体薄膜同样地进行。
[实施例20]
具有图10中所示的构成的磁性记录元件和使用该元件的设备作为本发明的实施例20来说明。
通过在已表面处理的玻璃盘基片上溅射来沉积50nm厚的钴-铬薄膜。在具有与圆盘共有的中心的2mm圆间隔的同心圆上，以2mm的区域间隔将铬作为掺杂物施加到大约0.1mm2的区域中。它用作起始薄膜。掺杂了铬的小区域对应于图10中的“小区域1”。
这一起始薄膜用在红外区中有光发射波长最大值的脉冲光束来进行辐射，由熔化-再固化过程形成晶体薄膜。因此，在掺杂了铬的大约0.1mm2的区域周围生长了部分弧形的晶粒。
用这一圆盘作为记录介质构造硬盘设备，其中部分弧形的各晶粒构成了物理扇区。使用这一硬盘设备，与使用没有局部掺杂铬的圆盘的同样构型的硬盘设备相比而言，出错率减少了一半。
在这一实施例中，掺杂铬的区域对应于小区域1，部分弧形的晶粒对应于晶粒6，电磁式拾波器(magnetic pick-up)对应于图10中的有源小区域10。
在这一实施例中的起始薄膜是无定形薄膜，其中元素组成比率随区域而变化。所以，在起始薄膜的熔化-再固化过程中，在固化过程中从熔化基质的雏晶成核的自由能垒随区域而变化，得到了由在空间位置上加以控制的晶粒组成的晶体薄膜。通过使用晶体薄膜来构造这一实施例的设备，该薄膜由具有由单晶粒形成的特殊区域的元件组成。
[实施例21]
具有在图11中示出的构成的晶体超导薄膜，和晶粒边界约瑟夫逊结类型的超导逻辑元件作为本发明的实施例21来描述。
通过在保持于260℃的蓝宝石基片上溅射，沉积了100nm厚度的超导性氧化物材料BaPb0.7Bi0.3O2的多晶薄膜。这一薄膜用来自表面的能量束进行辐射，只是在薄膜中1μm间隔的正方格子的格点上排列的0.25μm2的区域除外，来使辐射过的区域变得无定形化。它用作该实施例的起始薄膜。没有用能量束辐射的小区域构成了图11的“小区域1”。
起始薄膜用YAG激光束的脉冲调制的二次谐波辐射进行熔化-再固化而形成晶体薄膜。因此晶粒生长而在2μm的间隔的格子中形成晶粒边界。通过测量薄膜的体积电阻系数与温度的关系，这一薄膜被证实具有9K的超导跃迁。此外，隧道式的约瑟夫逊结的形成在晶粒边界从伏安特性得到证实。
这一薄膜通过普通的照相平版印刷术制造图案而留下10μm2小岛区域，连接由多晶BaPb0.75Bi0.25O2组成的电极端子与正方形小岛区域。因此制造出超导性逻辑元件，其中一对电极连接于作为控制终端的正方形小岛区域的两相对侧，另一对电极连接于作为栅极端子的正方形小岛的两剩余侧。
通过这一元件的基本性质的测量，最高约瑟夫逊电流是200μA，使栅电流超过以上电流的电压是1.8mV，这些对于使用沉积的简单多晶BaPb0.7Bi0.3O2薄膜的那些是优选的。与使用沉积的简单多晶BaPb0.7Bi0.3O2薄膜的那些相比，具有同样形状和尺寸的多个元件的性质的变化减少了一半。这些优点来源于以下事实：在10μm2有源区域中的晶粒边界即约瑟夫逊结的总长度，对于这些元件中的任何一个来说都是恒定的，而且由于在正方格子上排列的“结”位置，晶粒的串并行连接是恒定的。因此，本发明的晶体薄膜和元件的效果是明显的。
在这一实施例中，没有用能量束辐射的区域形成了图11中的小区域1，10μm2小岛区域对应于有源小区域10。
如上所述，在这一实施例中，起始晶体薄膜具有无定形区域和多晶区域。因此，在起始薄膜的熔化-再固化过程中，剩余未熔化的晶粒的数目浓度的尺寸分布将随区域而变化，从而形成了由空间位置加以控制的晶粒组成的晶体薄膜。本实施例也说明了使用具有受控制的空间位置的晶粒的元件的形成。
[实施例22]
具有在图12中示出的构成的MOS型TFT作为本发明的实施例22来描述。
使用在实施例19中描述的方法，在表面上已具有由二氧化硅制成的氮化硅薄膜和在其上的氧化物膜的玻璃基片上形成4μm2的硅单晶晶粒。使用硅薄膜晶体管制造所用的普通的低温加工方法，在其上沉积由二氧化硅组成的栅绝缘膜和栅极膜。除去栅极膜层，只是在单晶晶粒的中心部分上1μm宽度的区域除外。其余部分用硼掺杂，这通过如下来实现：一种使用剩余栅极膜作为掩模来形成栅区，源区和漏区的自对准方法。因此，栅区的全部面积被包括在单晶晶粒中。在其上，沉积了由绝缘膜形成的钝化层，穿过在各区域上的钝化层设有开孔。最后，沉积铝布线层并构造图案而形成栅极，源极和漏极，获得了MOS型TFT。
根据电特性的测量，本发明的所获得的MOS型TFT显示了比传统元件高两倍多的高迁移率，该传统元件是在没有“小区域1”的无规多晶薄膜上通过同样的方法以同样的元件形状形成。至于该特性的变化，迁移率的变化减少一半，临界电压的变化降低到大约1/4。
在这一实施例中，按照与实施例19中同样的方法，控制构成晶体薄膜的晶粒的空间位置。这一实施例解释了在晶体薄膜中的单晶粒中具有有源区域的元件的构成。
[实施例23]
具有在图13中示出的构成的MOS型TFT作为本发明的实施例23来描述。
根据在实施例18中所述的方法，通过使用具有大约1μm直径的“小区域1”的3μm×10μm的起始矩形薄膜，由熔化-再固化获得晶体薄膜。所获得的晶体薄膜具有在3μm×10μm的矩形中心上的该矩形长度方向上大约3μm长的单晶粒，其余区域填充了平均直径大约50nm的各种尺寸的细晶粒。
在以上晶体薄膜上，使用普通的硅TFT低温形成方法沉积了由二氧化硅组成的栅绝缘膜和栅极膜，栅极膜层被部分地除去，只是在宽度方向上大约3μm长的单晶粒的中心上的包括“小区域1”在内的1μm宽的部分未除去。其余部分用硼掺杂，这通过如下来实现：一种使用剩余栅极膜作为掩模来形成栅区、源区和漏区的自对准方法。因此，栅区的全部面积被包括在该全部面积的长度方向上大约3μm长的单晶粒中，而源区和漏区延伸到长度方向上大约3μm长的单晶粒的一部分和平均直径大约50nm的细晶区域。在其上面，沉积了绝缘膜的钝化层。在每一个区域上设置穿过该钝化层的开孔。在源区和漏区上的开孔被限制到从矩形晶体薄膜的长度方向的末端延伸大约3μm。最后，沉积铝布线层和构造图案而形成栅极、源极和漏极，获得了MOS型TFT。因此源极和漏极仅仅连接于平均直径大约50nm的细晶粒区域。
根据电特性的测量，本发明的所获得的MOS型TFT显示了比传统元件高两倍多的高迁移率，该传统元件在没有“小区域1”的无规多晶薄膜上通过同样的方法以同样的元件形状形成。至于该特性的变化，迁移率的变化减少一半，临界电压的变化显著降低到大约1/4。这一实施例的MOS型TFT具有与实施例22的元件相当的性能特征，虽然该元件不是全部包括在单晶粒中。这意味着在单晶粒内部形成了作为控制工作性能的有源区的通道区。
在这一实施例中，按照与实施例19中同样的方法，控制构成晶体薄膜的晶粒的空间位置。
[实施例24]
具有在图14中示出的构成的TFT集成电路作为本发明的实施例24来描述。
在同一基片上形成了在实施例22中所示的MOS型TFT的两个元件，电极如下连接。两个元件以6μm的中心距相邻放置。第一个TFT的漏极连接于第二个TFT的栅极。第二个TFT的这一栅极经由电容器元件连接于同一TFT的源极。因此构造了集成电路，它包括两个TFT元件和电容器元件。对于这一电路，源电流经由漏极供应给第二个TFT源的输出是通过电容器元件的电容器容量来控制，而电容器元件的存储容量和存储的转换都是由第一个TFT的栅电压控制。这一电路例如适用于有源矩阵型显示设备的像素转换和电流控制的电路。
通过基本特性的测量，将这一实施例中形成的电路与在无规的多晶薄膜上形成的电路进行比较(该薄膜通过相同的方法，按相同的电路形状但没有本发明的“小区域1”形成)。结果已证实，电路在可运行的转换频率范围内的运行速度快3倍多，从第二个TFT的漏极输出的电流的可控范围扩大了约1倍(是大约原来的2倍)。多个形成的同样电路的性能的变化减少了大约一半。这意味着在第一种TFT当中和在第二种TFT当中的变化和在一个电路中在第一个TFT和第二个TFT之间的相对性能与对比电路相比而言是小的。
在这一实施例中，按照与实施例19中同样的方法，控制构成晶体薄膜的晶粒的空间位置。
[实施例25]
具有在图15中示出的构成的EL图像显示设备作为本发明的实施例25来描述。
在实施例24中所述的TFT集成电路是作为在玻璃基片上的100μm的间隔的正方格子的格点上的基本电路来形成的。如下进行布线，使用正方格子中的单位格子作为图像显示设备的像素。首先，在正方格子中的一个轴线方向为每一个格子设置扫描线，栅极与其连接。另一方面，在垂直于扫描线的方向上，为各格子配备信号线和源线，每一个元件的第一源极和第二源极与其连接。在这些基本电路的集成电路上层压了绝缘层。设置开孔，以使各基本电路的第二个TFT的漏极裸露。接着，层压了金属电极，层压好的金属电极对于各像素来讲是分开和绝缘的。最后，将电致发光(EL)层和上面的透明电极层进行层压。因此，构造了有源矩阵型多色调EL图像显示设备，它用实施例24中所述的TFT集成电路进行像素的转换和输入电流的控制。
在这一图像显示设备中，通过根据扫描线的电压来驱动第一个TFT，将电荷存储在来自与输入到信号线中的电流相对应的源线的电容器元件中，通过与存储电荷相对应的第二个TFT栅电压所控制的电流经源线注入EL发射层。
测量这一实施例的图像显示设备的基本特性。这一实施例的图像显示设备与使用通过同样方法、按同样形状但没有设置本发明的“小区域1”的无规多晶薄膜所生产的设备进行对比。结果，就静态特性来讲，已经证实最高亮度和最大对比度改进到原来的约2倍，色调可再现的区域扩大到原来的约1.5倍，像素缺陷率和发光效率变化分别减少到原来的1/3和1/2。至于动态特性，已证实最高帧频改进约1倍。所有上述改进都归因于如实施例24中所述的基本电路特性的改进和各种变化的减少，还归因于构成基本电路的薄膜晶体管的特性的改善和其变化的减少。所以，该效果以在单晶粒中薄晶体管的有源区的形成为基础。
如以上所详细描述的那样，在由起始薄膜的熔化-再固化过程生产晶体薄膜时，本发明提供了一种通过在起始薄膜中设置连续共存的不同状态的区域而能够容易地控制构成该晶体薄膜的晶粒的空间位置的方法。
同样在由起始薄膜的熔化-再固化过程生产晶体薄膜时，本发明提供了一种通过在起始薄膜中设置状态与周围区域不同的小区域并且使规定数目的晶粒或晶体簇在小区域中生长，而能够容易地控制构成晶体薄膜的晶粒的空间位置的方法。
在本发明中，通过下列方法中的任何一种，能够在起始薄膜中形成状态彼此不同的各区域来控制在熔化-再固化过程中在晶体薄膜中晶粒的位置：在起始薄膜中形成晶粒或晶体簇的数目浓度的尺寸分布不同的区域；形成在晶粒或晶体簇的本体部分或表面上、在相邻晶粒或晶体簇之间的晶粒边界或无定形区域中的熔点不同的各个区域；在起始薄膜的基础材料中形成晶粒或晶体簇的数目浓度的尺寸分布不同的各个区域；形成构成作为起始薄膜的多晶薄膜的晶粒的数目浓度的尺寸分布不同的各个区域；在起始薄膜中形成无定形区域和多晶区域；在熔化-再固化过程中在从熔融相的固化中就雏晶成核的自由能垒而言不相同的各个区域的形成；以及在无定形起始薄膜的熔化之前的固相结晶中就雏晶成核的自由能垒而言不相同的各个区域的形成。此外在本发明中，通过形成元素组成比、所含的杂质浓度、或薄膜的表面被吸附物不相同或薄膜和基片之间的界面状态不同的各个区域而在起始薄膜上设置各个区域。
本发明进一步提供由上述方法中任何一种生产的晶体薄膜。通过在空间上将构成晶粒的受控位置与元件的规定区域相关联或通过在位置受控制的单晶粒内形成特定的区域，与由无规晶粒构成的普通晶体薄膜相比，本发明的晶体薄膜具有性能特征变化减小的改善的性能特征。
与使用仅仅由没有位置控制的无规晶粒组成的晶体薄膜的普通电路相比，使用本发明的上述元件的电路具有各种性能变化减少的得到改善的静态和动态特性。
使用本发明的元件或电路的本发明设备在操作特性上得到改进，这归因于元件或电路的改进的操作特性和减少的变化。因此，本发明提供了高性能的设备，该性能是使用仅仅由没有控制位置的无规晶粒组成的晶体膜的普通设备所无法实现的。

Claims (22)

1.一种生产晶体薄膜的方法，它包括将具有多个区域的起始薄膜进行熔化和再固化，所述区域在其状态上彼此不同而连续共存。
2.一种生产晶体薄膜的方法，它包括起始薄膜的熔化和再固化的步骤，其中起始薄膜具有状态与周围区域不同的小区域，规定数目的晶粒或晶体簇在小区域中生长。
3.根据权利要求2的生产晶体薄膜的方法，其中规定数目的晶粒或晶体簇在小区域中成核。
4.根据权利要求2的生产晶体薄膜的方法，其中规定数目的晶粒或晶体簇是在起始薄膜的最高程度熔化下的小区域中未熔化的晶粒或晶体簇。
5.根据权利要求1或2的生产晶体薄膜的方法，其中起始薄膜含有晶粒或晶体簇，在各区域之间不同的状态的特征在于：在起始薄膜的熔化和再固化步骤中未熔化的晶粒或晶体簇的数目浓度的尺寸分布。
6.根据权利要求5的生产晶体薄膜的方法，其中在各区域之间不同的状态的特征在于：晶粒或晶体簇的本体部分或表面或相邻晶粒或晶体簇之间的边界的熔点。
7.根据权利要求5的生产晶体薄膜的方法，其中起始薄膜含有无定形部分，在各区域之间不同的状态的特征在于：晶粒或晶体簇的本体部分或表面，或相邻晶粒或晶体簇之间的边界，或无定形部分的熔点。
8.根据权利要求5的生产晶体薄膜的方法，其中起始薄膜是含有晶粒或晶体簇的无定形的薄膜，在各区域之间不同的状态的特征在于起始薄膜的无定形基础材料中含有的晶粒或晶体簇的数目浓度的尺寸分布。
9.根据权利要求5的生产晶体薄膜的方法，其中起始薄膜是多晶薄膜，在各区域之间不同的状态的特征在于构成起始薄膜的晶粒或晶体簇的数目浓度的尺寸分布。
10.根据权利要求5的生产晶体薄膜的方法，其中起始薄膜含有共存的无定形区域和多晶区域，在无定形区域和多晶区域之间不同的状态的特征在于结晶度。
11.根据权利要求5的生产晶体薄膜的方法，其中起始薄膜是无定形的薄膜，在各区域之间不同的状态的特征在于在起始薄膜的熔化和再固化中熔化之前的固相结晶中雏晶成核的自由能垒的高度。
12.根据权利要求11的生产晶体薄膜的方法，其中，雏晶成核的自由能垒的高度由元素组成比率、所含的杂质浓度、表面被吸附物和起始薄膜和基片之间的界面状态中的任一因素来控制。
13.根据权利要求1或2的生产晶体薄膜的方法，其中在各区域之间不同的状态的特征在于从液相的固化的雏晶成核的自由能垒的高度。
14.根据权利要求13的生产晶体薄膜的方法，其中，雏晶成核的自由能垒的高度由元素组成比率、所含的杂质浓度、表面被吸附物和起始薄膜和基片之间的界面状态中的任一因素来控制。
15.根据权利要求1或2的生产晶体薄膜的方法，其中在晶体薄膜中具有连续晶体结构的晶粒中的至少一部分是通过控制在起始薄膜中状态不同的各区域的空间位置来控制的。
16.一种晶体薄膜，它由权利要求1或2所述的生产晶体薄膜的方法生产。
17.一种元件，它使用在权利要求16中所述的晶体薄膜。
18.根据权利要求17的元件，其中在晶体薄膜中具有连续晶体结构的晶粒的至少一部分是通过控制在起始薄膜中状态不同的各区域的空间位置来控制的，具有受控制的位置的晶粒用作有源区域。
19.根据权利要求18的元件，其中有源区域是在晶体薄膜中的单晶粒内部形成的。
20.一种电路，它使用权利要求17中所述的元件。
21.一种设备，它使用权利要求17中所述的元件。
22.一种设备，它使用权利要求20中所述的电路。
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