CN102067285A - 结晶膜的制造方法及制造装置 - Google Patents

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Abstract

本发明在使非晶膜进行晶化时，可以均匀高效地制作细微的结晶。向位于基板(6)的上层的非晶膜(非晶硅膜(6a))照射510～540nm的可见波长范围的连续振荡激光(1a)，将所述非晶膜加热至不超过熔点的温度，使该非晶膜进行晶化。连续振荡激光优选功率密度为55～290kW/cm2、短轴宽度为100μm以下，进一步优选将连续振荡激光相对地以扫描速度50～1000mm/秒进行扫描。可以从非晶膜高效地制作晶粒直径的偏差较小的细微的结晶膜而不使基板损坏。

Description

结晶膜的制造方法及制造装置
技术领域
本发明涉及向非晶膜照射激光使其细微晶化来制作结晶膜的结晶膜的制造方法及制造装置。
背景技术
为了制造用于液晶显示装置等薄型显示器平板显示器的薄膜晶体管(TFT)的晶化硅，一般使用如下两种方法：一种方法是激光退火法，向设在基板上层的非晶硅膜照射脉冲激光，使该非晶硅膜熔融、再晶化；另一种方法是固相生长法(SPC，Solid Phase Crystallization)，用预热炉对上层具有非晶硅膜的上述基板进行加热，不使上述硅膜熔融，在固体的状态下进行结晶生长。
另外，本发明人确认了通过将基板温度保持在加热状态的状态下，向非晶膜照射脉冲激光，可以得到比固相生长更细微的多晶膜，并提出了专利申请(参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献1：日本专利特开2008-147487号公报
发明内容
本发明要解决的问题
近些年来，在制造大型电视用OLED(Organic light-emitting diode)面板或LCD(Liquid Crystal Display)面板时，希望有廉价制造均匀、大面积的细微的多晶硅膜的方法。
另外，最近，在取代液晶显示器作为最有希望的下一代显示器的有机EL显示器中，通过有机EL自身进行发光来提高屏幕的亮度。由于有机EL的发光材料不是像LCD那样进行电压驱动，而是进行电流驱动，因此对TFT的要求不同。在非晶硅所构成的TFT中，难以抑制老化，阈值电压(Vth)会产生大幅漂移，限制了器件的寿命。另一方面，多晶硅由于是稳定的材料，因此寿命较长。然而在多晶硅所构成的TFT中，TFT的特性偏差较大。该TFT特性的偏差是由于晶粒直径的偏差、以及结晶硅的晶粒的界面(晶界)存在于TFT的沟道形成区域，故更容易产生。TFT的特性偏差主要容易受存在于沟道间的晶粒直径和晶界的数量的影响。并且，若晶粒直径较大，则一般而言电子迁移率变大。有机EL显示器用途的TFT虽然电场电子迁移率较高，但必须使TFT的沟道长较长，RGB(红绿蓝)各1个像素的大小取决于TFT的沟道长，无法得到高分辨率。因此，对于晶粒直径的偏差较小而细微的结晶膜的要求程度越来越高。
但是，在以往的晶化方法中，难以解决这些问题。
这是因为，其中之一的激光退火法是使非晶硅先熔融并再晶化的过程，一般形成的晶粒直径较大。因此，如以前说明的那样，电场电子迁移率较高，多个TFT的沟道区域内的晶粒直径的数量产生偏差，以及随机的形状、相邻的结晶的结晶取向性的差异，结果会大幅影响TFT的特性偏差。特别在激光叠加部结晶性易于出现差异，该结晶性的差异会大幅影响TFT的特性偏差。另外，还存在由于表面的污染物(杂质)会使结晶产生缺陷这样的问题。
另外，由固相生长法(SPC法)得到的结晶的粒径较小、TFT偏差较小，是解决上述问题的最有效的晶化方法。然而，其晶化时间较长，难以用作为批量生产用途。在可以进行固相生长法(SPC)的热处理工序中，使用同时处理多片基板的批量型的热处理装置。由于同时对大量的基板进行加热，因此升温及降温需要较长时间，并且基板内的温度易于不均匀。另外，固相生长法若以高于玻璃基板的形变点温度的温度进行长时间加热，则会引起玻璃基板自身的收缩、膨胀，使玻璃损坏。由于SPC的晶化温度高于玻化点，因此较小的温度分布会使玻璃基板产生弯曲或收缩分布。其结果是，即便可以进行晶化，但在曝光工序等过程中会产生问题，难以制造器件。处理温度越高越要求温度均匀性。一般而言，晶化速度取决于加热温度，在600℃下需要10至15小时，在650℃下需要2至3小时，在700℃下需要几十分钟的处理时间。为了进行处理而不使玻璃基板损坏，需要长时间的处理时间，该方法难以用作为批量生产用途。
本发明是以上述情况为背景而完成的，其目的在于提供一种结晶膜的制造方法及制造装置，可以从非晶膜高效地制作晶粒直径的偏差较小的细微的结晶膜而不使基板损坏。
用于解决问题的方法
即，本发明的结晶膜的制造方法的特征在于，向位于基板的上层的非晶膜照射510至540nm的可见波长范围的连续振荡激光，将上述非晶膜加热至不超过熔点的温度，使该非晶膜进行晶化。
本发明的结晶膜的制造装置的特征在于，包括：激光振荡器，输出510至540nm的可见波长范围的连续振荡激光；光学系统，对从该激光振荡器输出的激光进行整形并导入非晶膜；扫描装置，使上述非晶膜沿着该非晶膜的表面方向对于上述激光相对移动；以及衰减器，调整上述激光的功率密度，使得上述激光在利用上述扫描装置扫描并照射到上述非晶膜时，该非晶膜被加热至不超过熔点的温度并被晶化。
根据本发明，通过将可见光范围的连续振荡激光照射到非晶膜，该激光被非晶膜有效吸收，非晶膜被急速加热至不超过熔点的温度，可以用不同于以往的熔融、再晶化法的方法，得到粒径的偏差较小的均匀的细微结晶、例如大小为50nm以下的细微结晶。在以往方式的熔融晶化法或利用预热炉的SPC(固相生长法)中，晶粒的偏差较大。在本发明中，除使用连续振荡激光以外不需要将上述非晶膜进行预热，可以抑制形成有非晶膜的基板的升温，高效地处理非晶膜。
另外，根据本发明，在激光的叠加处也可以得到同样的结晶性，均匀性提高。在以往方式的激光退火法中，在非晶膜的激光的叠加处会成为其他形态的结晶，损害结晶的均匀性。
另外，通过使非晶膜、特别是非晶硅的连续振荡激光其短轴宽度为100μm以下，沿着短轴宽度方向进行扫描使其在短时间内加热，难以达到基底的基板受到损坏的温度。特别是通过使激光以高速相对地进行扫描以缩短照射时间，可以确实避免损坏基板。另外，在本发明中，不需要对基板的预热，但作为本发明，不排除进行基板的加热。
另外，由于用非晶膜、特别是非晶硅吸收好的激光直接加热，因此不需要在非晶膜的上层间接地设有激光吸收层。
作为非晶膜，优选的是具有50至200nm的厚度的非晶硅膜。上述波长范围对于非晶硅膜的吸收率特别好，可以很好地进行细微晶化。由于若非晶硅膜的厚度为50nm以下，则加热的影响容易波及到基板，若超过200nm，则整个膜难以充分晶化，因此优选上述厚度。
但是，由于对于非晶硅的可见光吸收率会根据非晶硅的膜厚而变化，因此优选选定吸收好的膜厚。
另外，优选的是在将上述波长范围的连续振荡激光照射到非晶膜时，该激光的功率密度在照射面中为55～290kW/cm2的范围内。若功率密度较低，则无法充分加热非晶膜，难以晶化。另一方面，若功率密度太高，则非晶膜会被加热至超过熔点的温度等，难以得到细微的晶粒。因此，激光的功率密度优选上述范围。
另外，优选的是在激光的照射中，激光的短轴宽度为100μm以下。通过照射在非晶膜的一部分的区域，可以不给基板带来热影响，局部地对非晶膜进行急速加热。通过使激光在该短轴宽度方向相对地移动，可以在非晶膜较宽的区域进行晶化处理。但是，若短轴宽度太大，则为了高效地晶化就必须增加扫描速度，装置成本会提高。
通过使上述激光对非晶膜相对地进行扫描，可以使上述非晶膜沿表面方向晶化。该扫描可以使激光侧移动，可以使非晶膜侧移动，也可以使两者移动。该扫描速度优选为50～1000mm/秒。
若扫描速度较小，则照射时间增多，会被加热至超过熔点的温度，有时发生熔融或者烧蚀。另外，若扫描速度较大，则照射时间减少，有时无法加热至使其固相晶化的温度。
发明的效果
如以上说明那样，根据本发明的结晶膜的制造方法，由于向位于基板的上层的非晶膜照射510至540nm的可见波长范围的连续振荡激光，将上述非晶膜加热至不超过熔点的温度使该非晶膜进行晶化，因此可以不超过基板的转移点或者即使超过转移点也能以低温进行处理，可以用激光仅将非晶膜加热至高温并使其晶化。同时具有可以在短时间生成50nm以下的微晶这样的效果。同时具有在叠加部也可以同样生成50nm以下的微晶这样的效果(对大面积的晶化有效)。同时具有通过缩短照射时间、将基板的形变(弯曲、变形、内部应力)抑制在最低限度的效果。同时具有由于多少将玻璃基板加热、因此去除非晶硅膜内内在的杂质或附着在表面的污染物的效果。另外，根据本发明，可以降低装置的成本及维护费用，可以进行开工率较高的处理，由此可以提高生产率。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式及一个实施方式的制造方法所使用的连续振荡固体激光退火处理装置的纵向剖视图。
图2是表示同一实施例的激光照射后的薄膜的SEM照片。
图3是表示同一实施例的激光照射后的薄膜的SEM照片。
标号说明
1激光振荡器
2激光遮光器
3衰减器
4光学系统
40a全反光镜
40b全反光镜
40c全反光镜
41a聚焦透镜
41b聚焦透镜
6基板
6a非晶硅薄膜
7基板载放台
8除振台
10连续振荡固体激光退火处理装置
具体实施方式
下面，基于图1说明本发明的一个实施方式。
在本实施方式的结晶膜的制造方法中，设以用于平板显示器TFT器件的基板6为对象，在该基板6上形成有非晶硅薄膜6a作为非晶膜。但是，作为本发明，成为对象的基板及形成于其上的非晶膜的类别不限于此。非晶硅薄膜6a由通常的方法形成于基板6的上层。
图1是表示用于本发明的一个实施方式的结晶膜的制造方法的连续振荡固体激光退火处理装置10，该连续振荡固体激光退火处理装置10相当于本发明的结晶膜制造装置。
在连续振荡固体激光退火处理装置10中，可见光CW激光振荡器1设置在除振台8上，该可见光CW激光振荡器1是输出波长为510至540nm的连续振荡激光的连续振荡固体激光器。
在可见光CW激光振荡器1的输出侧，配置对激光1a的通过和遮断进行切换的激光遮光器2，在该激光遮光器2的通过前方配置衰减器3。另外，衰减器3只要能以预定的衰减率使激光衰减即可，作为本发明，不限于特定的结构。
在衰减器3的输出侧，配置全反光镜40a、40b、40c，在全反光镜40c的偏转前方配置聚焦透镜41a、41b，这些全反光镜40a至40c、聚焦透镜41a、41b构成光学系统4，此外，在该光学系统4中，还包括未图示的光束均质器等，可对光束进行整形，使激光1a为长方形或者线束状等预定的形状，短轴宽度成为5～100μmm。
在光学系统4的射出方向，设置载放基板6的基板载放台7。基板载放台7可沿着该载放台的表面方向(XY方向)移动，包括使该基板载放台7沿上述表面方向高速移动的扫描装置(未图示)。
接下来，说明使用上述连续振荡固体激光退火处理装置10的非晶硅薄膜的晶化方法。
首先，在基板载放台7上，载放在上层形成有非晶硅薄膜6a的基板6。在本实施方式中该基板6不利用加热器等进行加热。
由可见光CW激光振荡器1输出波长为510至540nm的连续振荡激光，并且激光遮光器2打开，使激光1a可以通过。
从可见光CW激光振荡器1输出的连续振荡激光1a通过激光遮光器2后到达衰减器3，通过该衰减器3以预定的衰减率衰减。该衰减率被设定为，激光在加工面成为本发明规定的功率密度。衰减器3也可以使衰减率可变，可变更功率密度。另外，作为本发明，也可以不使用衰减器，而在激光源中进行输出调整来调整功率密度。
调整了功率密度的连续振荡激光1a在光学系统4中，被全反光镜40a、40b、40c反射并偏转，被聚焦透镜41a、41b聚焦。此时，通过未图示的光束均质器等。在该光学系统4中，振荡激光1a被整形为短轴宽度为100μm以下的长方形或者线束状，朝向基板6以照射面中为55～290kW/cm2的功率密度进行照射。
上述基板载放台7被扫描装置沿着非晶硅薄膜6a面在激光束的短轴宽度方向进行扫描，其结果是，在该非晶硅薄膜6a面的较宽区域，相对地进行扫描并照射上述连续振荡激光。另外，此时，使连续振荡激光的扫描速度为50～1000mm/秒，在非晶硅薄膜6a上，使连续振荡激光高速移动并照射。
利用上述连续振荡激光1a的照射，仅有基板6上的非晶硅薄膜6a被加热，在短时间内被多晶化。此时，非晶硅薄膜6a的加热温度成为不超过其熔点的温度(例如为1000～1200℃左右)。由该照射得到的结晶薄膜的晶粒直径为50nm以下，没有在以往的固相结晶生长法中观察到的突起，具有均匀且细微的优质的结晶性。
该结晶薄膜可以适用于有机EL显示器。但是，作为本发明的使用用途不限于此，可以用作为其他液晶显示器或电子材料。
另外，在上述实施方式中，是通过使基板载放台移动来相对地使脉冲激光进行扫描，但也可以通过使传导脉冲激光的光学系统高速移动来相对地使脉冲激光进行扫描。
实施例1
接下来，说明本发明的实施例。
进行了如下实验：使用上述实施方式的连续振荡固体激光退火处理装置10，对在玻璃制的基板的表面由通常的方法形成的50nm厚的非晶硅薄膜照射连续振荡激光。
在该实验中，设连续振荡激光为波长532nm的可见光，被光学系统进行光束整形，使其截面为长方形，加工面成为7μm×2mm或者65μm×2mm。另外，激光被衰减器3进行调整，使得在加工面中的功率密度成为表1所示的值。
通过使基板载放台以表1所示的扫描速度(载放台速度)移动，使连续振荡激光对上述非晶硅膜相对地进行扫描，且激光照射到该非晶硅膜。
以各种条件被激光照射的薄膜(No.a至j)的SEM照片如图2、3所示。
薄膜中，供试材料No.b、c、d、f、g、h、i的晶粒直径的偏差较小，整个面被均匀多晶化，且可以得到优质的多晶硅薄膜。晶粒也没有产生50nm以下的较小突起。另外，在叠加部也生成均匀的微晶。另外，即使预先在成为非晶硅完全熔解的条件的Secco溶液中进行蚀刻(21秒)也不会产生变化，可以确认得到的各硅膜具有结晶性。
另一方面，对于供试材料No.a，由于功率密度增大，因此被加热至超过熔点的温度并熔融。供试材料No.e、j的功率密度减少，在照射区域整个范围散布有无法得到固相晶化的状况。
即，根据本发明方法，判明可以均匀得到结晶硅膜，可以提供TFT特性的偏差较小的硅膜。
以上，基于上述实施方式及实施例说明了本发明，但本发明不限于上述说明的范围，只要不脱离本发明的范围，当然可以进行适当的变更。
Figure BPA00001278041200091

Claims (12)

1.一种结晶膜的制造方法，其特征在于，
向位于基板的上层的非晶膜照射510至540nm的可见波长范围的连续振荡激光，将所述非晶膜加热至不超过熔点的温度，使该非晶膜进行晶化。
2.如权利要求1所述的结晶膜的制造方法，其特征在于，
所述非晶膜是具有50至200nm的厚度的非晶硅膜。
3.如权利要求1或2所述的结晶膜的制造方法，其特征在于，
所述激光的功率密度在所述非晶膜照射面中为55～290kW/cm2。
4.如权利要求1至3中任一项所述的结晶膜的制造方法，其特征在于，
照射到所述非晶膜的激光的短轴宽度为100μm以下。
5.如权利要求1至4中任一项所述的结晶膜的制造方法，其特征在于，
使所述激光对所述非晶膜相对地进行扫描并进行所述照射，该扫描速度为50～1000mm/秒。
6.如权利要求5所述的结晶膜的制造方法，其特征在于，
将所述激光由光学系统进行光束整形为长方形或者线束状，使所述基板侧高速运动来进行所述扫描。
7.如权利要求1至6中任一项所述的结晶膜的制造方法，其特征在于，
由所述晶化得到大小为50nm以下的微晶。
8.一种结晶膜的制造装置，其特征在于，包括：
激光振荡器，输出510～540nm的可见波长范围的连续振荡激光；
光学系统，对从该激光振荡器输出的激光进行整形并导入非晶膜；
扫描装置，使所述非晶膜沿着该非晶膜的表面方向对于所述激光相对移动；以及
衰减器，调整所述激光的功率密度，使得所述激光在利用所述扫描装置扫描并照射到所述非晶膜时，该非晶膜被加热至不超过熔点的温度并被晶化。
9.如权利要求8所述的结晶膜的制造装置，其特征在于，
所述光学系统对激光进行整形，使得整形后的所述激光在扫描方向具有短轴宽度，该短轴宽度成为5～100μm。
10.如权利要求8或9所述的结晶膜的制造装置，其特征在于，
所述扫描装置以50～1000mm/秒的速度使所述非晶膜对于所述激光相对移动。
11.如权利要求8至10中任一项所述的结晶膜的制造装置，其特征在于，
所述衰减器将所述激光的功率密度在向所述非晶膜的照射面中调整为55～290kW/cm2。
12.如权利要求8至11中任一项所述的结晶膜的制造装置，其特征在于，
所述激光利用向所述非晶膜照射而将该非晶膜加热至1000～1200℃。
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