CN104576438A - 一种制备多晶硅薄膜的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种制备多晶硅薄膜的装置和方法，在准分子激光退火晶化工艺中，激光束长度小于非晶硅薄膜宽度的情况下，通过在激光束两端分别设置包括由遮蔽区和透光区交替设置组成的第一掩膜和第二掩膜，第一掩膜中的遮蔽区和透光区与第二掩膜中的透光区和遮蔽区互补设置，相邻两次激光扫描过程中第一掩膜和第二掩膜重合，使得重合区域只进行单次激光扫描，从而实现消除重叠扫描区域的目的，提高多晶硅薄膜晶化质量的均匀性；工艺简单，易实现大规模应用。而且第一掩膜和第二掩膜中透光区较大的一端靠近所述激光束端部设置；这样设置在激光束两端的透光区面积较大，就可以减少因激光束两端的能量坡度造成晶化质量不均匀的现象。

Description

一种制备多晶硅薄膜的装置和方法

技术领域

本发明涉及显示技术领域，具体涉及一种用于制备薄膜晶体管中多晶硅薄膜的装置以及制备多晶硅薄膜的方法。

背景技术

多晶硅薄膜晶体管（英文全称为Polycrystalline Silicon Thin FilmTransistor，简称为p-Si TFT）在有源矩阵显示技术中有重要的应用。尤其对有源有机发光显示设备（英文全称为Organic Light-Emitting Display，简称为OLED）而言，因为OLED是电流型器件，只有高迁移率的p-Si TFT才能充分满足其所需要的大电流。虽然高品质的非晶硅薄膜晶体管（英文全称为Amorphous Silicon Thin Film Transistor，简称为a-Si TFT）也可以驱动OLED且具有一致性高、制备成本低的优点，但其具有的阈值漂移现象很难得到根本解决。

现有技术中通常使用玻璃作为平板显示器的基板，由于玻璃基板耐高温性能较差，很难利用化学气相沉积（英文全称为Chemical Vapor Deposition，简称CVD）等方法直接生长多晶硅薄膜。因此，在显示技术领域，通常先利用对基板温度要求较低的等离子增强化学气相沉积（PECVD）在基板上形成非晶硅薄膜，然后使用快速退火固相晶化法（RTA）、准分子激光退火晶化法（ELA）、金属诱导横向结晶（MILC）、热丝催化化学气相沉积（Cat-CVD）等方法使得非晶硅转化为多晶硅，其中，准分子激光退火设备是当前唯一的工业化技术。

准分子激光退火晶化是由准分子激光器激发出脉冲激光束，激光束产生的高能量入射到非晶硅薄膜表面，仅在薄膜表层产生热能效应，使非晶硅薄膜在瞬间达到1700℃左右，从而实现非晶硅向多晶硅的转变。现有技术中激光束的宽度大约为400μm，长度根据设备的不同有所差异，最长可达1300mm。如图1所示，进行准分子激光退火晶化时，激光束固定不动，基板均匀移动（箭头方向为基板移动方向），实现对基板中非晶硅薄膜的晶化。对于小尺寸的基板，激光束长度可以覆盖整个基板，一次扫描即可完成整张基板的结晶化工艺；而对于尺寸较大的基板，如8.5代线的基板最窄边的边长为2200mm，激光束无法通过一次扫描完成整张基板的结晶化工艺。因此，对于大尺寸基板而言，就必须对基板的不同位置分别进行多次扫描，如图2所示，多次扫描就会在相邻两次扫描的边缘出现重复扫描区域，该部分的晶化质量与经单次激光扫描的区域偏差较大，相应地，在该部分制作的晶体管的电特性也会异于其他区域上制作的晶体管，从而导致显示器件出现亮度差异等状况。现有技术中，通常会通过电路设计的方法，以其他区域的薄膜晶体管替代此重复扫描区域的薄膜晶体管进行工作，以达到消除显示差异的目的，但此方法电路设计复杂，且容易出现由于对位偏差造成电路设计方法失效的问题。

发明内容

为此，本发明所要解决的是准分子激光退火晶化在大尺寸基板中应用时，重复扫描区域晶化质量与其他区域差别较大的问题，提供一种能制备晶化质量均匀的多晶硅薄膜的装置以及制备所述多晶硅薄膜的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

本发明所述的一种制备多晶硅薄膜的装置，包括：

准分子激光器，所述准分子激光器激发出的脉冲激光束连续扫描通过其照射区的非晶硅薄膜；

所述激光束长度方向的两端分别设置第一掩膜和第二掩膜，所述激光束透过所述第一掩膜和所述第二掩膜照射到所述非晶硅薄膜上；

所述第一掩膜和所述第二掩膜沿所述激光束长度方向均由若干交替设置的遮蔽区和透光区组成；

所述第一掩膜中的所述遮蔽区和所述透光区与所述第二掩膜中的所述透光区和所述遮蔽区互补设置；

所述第一掩膜和所述第二掩膜的长度方向平行于所述激光束长度方向设置，所述第一掩膜的长度小于等于所述激光束长度的一半，所述第一掩膜的宽度大于所述激光束的宽度。

所述第一掩膜的长度大于相邻两次激光扫描的重叠区域宽度。

所述第一掩膜和所述第二掩膜中所述透光区和所述遮蔽区沿掩膜长度方向上的宽度大于10μm且小于2mm。

所述第一掩膜和所述第二掩膜中所述透光区沿掩膜长度方向上的边长渐变设置。

所述第一掩膜和所述第二掩膜中所述透光区面积较大的一端靠近所述激光束端部设置。

所述透光区面积与所对应激光束位置的能量呈反比。

所述第一掩膜中所述遮蔽区沿所述第一掩膜长度方向上的边长比对应的所述第二掩膜中所述透光区沿所述第二掩膜长度方向上的边长小0～10%。

一种所述的制备多晶硅薄膜的装置制备多晶硅薄膜的方法，包括如下步骤：

S1、由准分子激光器激发出位置固定的脉冲激光束，且激光束长度方向与非晶硅薄膜长度方向相垂直；

S2、所述非晶硅薄膜沿其长度方向移动，所述激光束连续扫描通过其照射区的所述非晶硅薄膜，所述激光束的长度小于所述非晶硅薄膜的宽度，所述非晶硅薄膜宽度方向上需进行大于1次激光扫描，相邻两次激光扫描的重叠区域宽度大于0，第n+1次激光扫描时第一掩膜的位置与所述第n次激光扫描时第二掩膜的位置重合，实现所述非晶硅薄膜向多晶硅薄膜的转变，n为大于0的自然数。

一种制备多晶硅薄膜的方法所制备的多晶硅薄膜。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1、本发明提供一种制备多晶硅薄膜的装置，在准分子激光器激发出的脉冲激光束长度方向的两端分别设置包括由遮蔽区和透光区交替设置组成的第一掩膜和第二掩膜，第一掩膜中的遮蔽区和透光区与第二掩膜中的透光区和遮蔽区互补设置，相邻两次激光扫描过程中第一掩膜和第二掩膜重合，使得重合区域只进行单次激光扫描，从而实现消除重叠扫描区域的目的，提高多晶硅薄膜晶化质量的均匀性。

2、本发明提供一种制备多晶硅薄膜的装置，第一掩膜和第二掩膜中透光区沿掩膜长度方向上的边长渐变设置，使得掩膜中不同透光区面积沿掩膜长度方向上逐渐变化，且第一掩膜和第二掩膜中所述透光区较大的一端靠近所述激光束端部设置；这样设置在激光束两端的透光区面积较大，就可以减少因激光束两端的能量坡度造成晶化质量不均匀的现象。

3、本发明提供一种制备多晶硅薄膜的方法，在准分子激光退火晶化工艺中，激光束长度小于非晶硅薄膜宽度的情况下，通过在激光束两端分别设置包括由遮蔽区和透光区交替设置组成的第一掩膜和第二掩膜，第一掩膜中的遮蔽区和透光区与第二掩膜中的透光区和遮蔽区互补设置，相邻两次激光扫描过程中第一掩膜和第二掩膜重合，使得重合区域只进行单次激光扫描，从而实现消除重叠扫描区域的目的，提高多晶硅薄膜晶化质量的均匀性。

4、本发明提供一种制备多晶硅薄膜的方法，在激光束长度小于非晶硅薄膜宽度的情况下，仅通过在激光束两端分别设置遮蔽区和透光区互补的第一掩膜和第二掩膜便可以实现消除重叠扫描区域、提高多晶硅薄膜晶化质量的目的，工艺简单，易实现大规模应用。

5、本发明提供一种制备多晶硅薄膜的方法，第一掩膜和第二掩膜中透光区沿掩膜长度方向上的边长渐变设置，使得掩膜中不同透光区面积沿掩膜长度方向上逐渐变化，且第一掩膜和第二掩膜中所述透光区较大的一端靠近所述激光束端部设置；这样设置在激光束两端的透光区面积较大，就可以减少因激光束两端的能量坡度造成晶化质量不均匀的现象。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是现有技术中制备多晶硅薄膜的方法的工艺示意图；

图2是图1中基板经两次激光扫描的示意图；

图3是本发明所述制备多晶硅薄膜的装置工作时的剖视图。

图4a是图3中第一掩膜和第二掩膜的俯视图；

图4b是本发明所述制备多晶硅薄膜的方法中非晶硅薄膜经一次激光扫描的俯视图；

图4c是本发明所述制备多晶硅薄膜的方法中非晶硅薄膜经二次激光扫描的俯视图；

图5a是激光束长轴方向上能量分布图；

图5b是图5a中第一掩膜和第二掩膜的俯视图。

图中附图标记表示为：1-基板、11-第一次激光扫描得到的多晶硅薄膜、12-第二次激光扫描得到的多晶硅薄膜、13-相邻两次激光扫描的重叠区域、14-激光扫描后被掩膜遮蔽区域、15-非晶硅薄膜、2-激光束、3-第一掩膜、4-第二掩膜、51-遮蔽区、52-透光区、61-第一挡板、62-第二挡板、7-密封镜片、81-激光束透过部分、82-激光束遮蔽部分、9-激光出口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明可以以许多不同的形式实施，而不应该被理解为限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的，并且将把本发明的构思充分传达给本领域技术人员，本发明将仅由权利要求来限定。在附图中，为了清晰起见，会夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。

本实施例提供一种制备多晶硅薄膜的装置和方法，如图3所示，所述制备多晶硅薄膜的装置在激光出口9由准分子激光器激发出位置固定的脉冲激光束2（图中下向粗箭头方向为激光光路），所述激光束2长度方向（图中双箭头所指示方向）与设置在基板1上的非晶硅薄膜15长度方向（垂直于纸面方向）相垂直，透过密封镜7并由分别设置在所述激光束2两端的第一挡板61和第二挡板62的所述激光束2的长度。所述非晶硅薄膜15沿其长度方向移动，所述激光束2连续扫描通过其照射区的所述非晶硅薄膜15，实现所述非晶硅薄膜15向多晶硅薄膜的转变。

如图2所示，本实施例中所述激光束2的长度为750mm、宽度为0.4mm，所述非晶硅薄膜15的宽度为1500mm，所述激光束2的长度小于所述非晶硅薄膜15的宽度，所述非晶硅薄膜15宽度方向上需进行二次激光束2的扫描，若使用现有技术，相邻两次激光束2扫描就会出现的重叠区域13，所述重叠区域13的宽度为5mm。图2、4b、4c中虚线框内为薄膜晶体管制作区域。

如图3所示，本实施例中，所述激光束2长度方向的两端分别设置第一掩膜3和第二掩膜4，所述第一掩膜3和所述第二掩膜4可分别固定在所述第一挡板61和所述第二挡板62上，所述激光束2端部透过所述第一掩膜3和所述第二掩膜4照射到所述非晶硅薄膜15上。

如图4a所示，所述第一掩膜3和所述第二掩膜4是长度、宽度分别相等的矩形掩膜，均由若干沿所述矩形掩膜长度方向交替设置的遮蔽区51和透光区52组成；其中，所述第一掩膜3中的所述遮蔽区51和所述透光区52与所述第二掩膜4中的所述透光区52和所述遮蔽区51互补设置。本实施例中所述第一掩膜3由交替出现的两块所述透光区52和一块所述遮蔽区51组成，相应的所述第二掩膜4由交替出现的一块所述透光区52和两块所述遮蔽区51组成，作为本发明的可变换实施例，所述第一掩膜3和所述第二掩膜4中所述透光区52和所述遮蔽区51的数量不限。

所述第一掩膜3和所述第二掩膜4的长度方向平行于所述激光束2长度方向设置。所述第一掩膜3的长度为6mm，宽度为2mm。作为本发明的其他实施例，所述第一掩膜3的长度小于等于所述激光束2长度的一半，且所述第一掩膜3的长度大于相邻两次激光扫描的重叠区域13宽度，以确保所述第一掩膜3能够全面覆盖扫描重叠区域，所述第一掩膜3的宽度大于所述激光束2的宽度均能实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。

本实施例所述的制备多晶硅薄膜的方法，包括如下步骤：

S1、由准分子激光器激发出位置固定的脉冲激光束2，且激光束长度方向与非晶硅薄膜15长度方向相垂直；

S2、所述非晶硅薄膜15沿其长度方向移动，所述激光束2连续扫描通过其照射区的所述非晶硅薄膜15，实现所述非晶硅薄膜15向多晶硅薄膜的转变。

如图4b所示，步骤S2中所述激光束2的长度小于所述非晶硅薄膜15的宽度，所述非晶硅薄膜15的宽度方向上需进行大于1次激光扫描；沿所述基板1左侧进行第一次激光扫描，得到第一次激光扫描得到的多晶硅薄膜11，由于所述第一掩膜3和所述第二掩膜4的部分遮蔽作用，在第一次激光扫描得到的多晶硅薄膜11中留下激光扫描后被掩膜遮蔽区域14。如图4c所示，当一次激光扫描完成后，将所述基板1左移，调整所述基板1的位置，并将所述第一掩膜位置设置与第一次激光扫描时第二掩膜所在位置重合，进行第二次激光扫描。由于所述第一掩膜3中的所述遮蔽区51和所述透光区52与所述第二掩膜4中的所述透光区52和所述遮蔽区51互补设置，两次激光扫描时，重叠区域不存在重复扫描的情况，保证了多晶硅薄膜晶化质量的均匀性。

同理，当所述激光束2的长度远小于所述非晶硅薄膜15的宽度，在所述非晶硅薄膜15宽度方向上需要n+1次激光扫描时，第n+1次激光扫描时所述第一掩膜3的位置与所述第n次激光扫描时所述第二掩膜2的位置重合（n为大于0的自然数），同样能实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。

如图4a所示，本实施例中所述第一掩膜3中所述透光区52和所述遮蔽区51沿所述第一掩膜3长度方向上的宽度相同，与之对应的所述第二掩膜4中所述透光区52和所述遮蔽区51沿所述第二掩膜4长度方向上的宽度也相同，为2mm。

为了防止透过所述第一掩膜3或所述第二掩膜4的激光束2出现光干涉或衍射现象，所述第一掩膜3和所述第二掩膜4中所述透光区52和所述遮蔽区51沿掩膜长度方向上的宽度需大于10μm；同时，如果所述透光区52和所述遮蔽区51沿掩膜长度方向上的宽度太大，则相邻两次扫描时的结晶质量均匀性差别较大，无法达到很好的互补效果，因此，所述透光区52和所述遮蔽区51沿掩膜长度方向上的宽度还应小于2mm。因此，所述第一掩膜3和所述第二掩膜4中所述透光区52和所述遮蔽区51分别沿掩膜长度方向上的宽度相同或不同，同时宽度大于10μm且小于2mm时，均能实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。

如图5a所示，由于所述激光束2端部存在能量不均的斜坡区域，直接照射在所述非晶硅薄膜15上时，容易出现结晶不均匀的现象。为此，作为本发明的其他实施例，中所述第一掩膜3和所述第二掩膜4中所述透光区52沿掩膜长度方向上的边长渐变设置，如图5a和5b所示，所述第一掩膜3和所述第二掩膜4中所述透光区52面积较大的一端靠近所述激光束2端部设置。

所述透光区52的面积与所对应激光束2位置的能量呈反比，因为能量较高时，透过所述透光区52的晶化质量差异会表现的比较明显，均匀性较差；能量较低时，透过透光区52的晶化质量差异表现的并不明显，均匀性较好，因此，靠近所述激光束2端部的所述透光区52的面积可设置大一些。

另外，为了防止相邻两次激光扫描时，所述基板1对位发生偏移，所述第一掩膜3中所述遮蔽区51的沿所述第一掩膜3长度方向上的边长比对应的所述第二掩膜4中所述透光区52沿所述第二掩膜4长度方向上的边长小0～10%，同样能实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。

本实施例还提供一种由上述制备多晶硅薄膜的装置和方法制备出的多晶硅薄膜。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种制备多晶硅薄膜的装置，包括：

准分子激光器，所述准分子激光器激发出的脉冲激光束连续扫描通过其照射区的非晶硅薄膜；其特征在于，

所述激光束长度方向的两端分别设置第一掩膜和第二掩膜，所述激光束透过所述第一掩膜和所述第二掩膜照射到所述非晶硅薄膜上；

所述第一掩膜和所述第二掩膜沿所述激光束长度方向均由若干交替设置的遮蔽区和透光区组成；

所述第一掩膜中的所述遮蔽区和所述透光区与所述第二掩膜中的所述透光区和所述遮蔽区互补设置；

所述第一掩膜和所述第二掩膜的长度方向平行于所述激光束长度方向设置，所述第一掩膜的长度小于等于所述激光束长度的一半，所述第一掩膜的宽度大于所述激光束的宽度。

2.根据权利要求1所述的制备多晶硅薄膜的装置，其特征在于，所述第一掩膜的长度大于相邻两次激光扫描的重叠区域宽度。

3.根据权利要求1或2所述的制备多晶硅薄膜的装置，其特征在于，所述第一掩膜和所述第二掩膜中所述透光区和所述遮蔽区沿掩膜长度方向上的宽度大于10μm且小于2mm。

4.根据权利要求3所述的制备多晶硅薄膜的装置，其特征在于，所述第一掩膜和所述第二掩膜中所述透光区沿掩膜长度方向上的边长渐变设置。

5.根据权利要求4所述的制备多晶硅薄膜的装置，其特征在于，所述第一掩膜和所述第二掩膜中所述透光区面积较大的一端靠近所述激光束端部设置。

6.根据权利要求5所述的制备多晶硅薄膜的装置，其特征在于，所述透光区面积与所对应激光束位置的能量呈反比。

7.根据权利要求6所述的制备多晶硅薄膜的装置，其特征在于，所述第一掩膜中所述遮蔽区沿所述第一掩膜长度方向上的边长比对应的所述第二掩膜中所述透光区沿所述第二掩膜长度方向上的边长小0～10%。

8.一种权利要求1-7任一所述的制备多晶硅薄膜的装置制备多晶硅薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、由准分子激光器激发出位置固定的脉冲激光束，且激光束长度方向与非晶硅薄膜长度方向相垂直；

S2、所述非晶硅薄膜沿其长度方向移动，所述激光束连续扫描通过其照射区的所述非晶硅薄膜，所述激光束的长度小于所述非晶硅薄膜的宽度，所述非晶硅薄膜宽度方向上需进行大于1次激光扫描，相邻两次激光扫描的重叠区域宽度大于0，第n+1次激光扫描时第一掩膜的位置与所述第n次激光扫描时第二掩膜的位置重合，实现所述非晶硅薄膜向多晶硅薄膜的转变，n为大于0的自然数。

9.一种权利要求8所述的一种制备多晶硅薄膜的方法所制备的多晶硅薄膜。