CN104752267B - 一种激光退火装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光退火装置，包括：固体激光光源，扫描单元，支撑基板，通过激光照射对半导体膜进行退火；还包括扩束单元，匀光单元，聚光透镜单元；分光单元；以及第一光束探测器；激光光源发出激光束依次经过扩束单元、匀光单元和聚光透镜单元到达分光单元，经分光单元分光后分别入射至半导体膜和第一光束探测器；分光单元到第一光束探测器的光程距离与分光单元到半导体膜的光程距离相等。还公开了一种激光退火方法，通过实时监测照射到半导体膜表面的激光束尺寸的变化，并基于该检测值使聚光透镜单元在光轴方向移动，从而保证退火过程中照射在半导体膜上的激光束尺寸不变，以保证半导体膜退火的均匀性，从而提高半导体膜的退火质量。

Description

一种激光退火装置及方法
技术领域
本发明涉及一种激光退火装置及方法。
背景技术
近年来，广泛开展了对形成于玻璃等绝缘基底上的半导体膜使用激光退火技术，目的是晶化或提高结晶度，相变的结果是把非晶态材料转化为多晶或单晶态，这样使得离子注入后，掺入的杂质与晶体中的原子有序的排列组合，即改善了材料的电学特性。
激光退火是将从激光光源提供的脉冲光源，使用光学加工系统加工成剖面为细长的矩形光束，通过该矩形光束对基板上的半导体膜在光束的短轴方向上相对地进行扫描。通常，通过使基板移动，进行矩形光束的扫描。此外，该扫描以激光照射区域部分重复的方式来实施。
现有技术中公开了一种激光退火装置，包括固体激光光源，光束整形光学系统，扫描单元；光束整形光学系统包括长轴方向均化器和短轴方向均化器，对入射的激光在半导体膜的表面在矩形光束长轴方向和短轴方向的每一个中其作用并进行聚光；短轴方向均化器包括短轴用聚光透镜，对入射光在短轴方向进行聚光；以及投影透镜，将来自该短轴用聚光透镜的出射光投影到半导体膜的表面；还包括位置变动检测器，检测半导体膜的激光照射部分在该半导体膜的垂直方向的位置变动；以及透镜移动机构，使上述短轴用聚光透镜在光轴方向移动。
采用这种激光退火装置对半导体膜进行退火，只能监测出半导体膜的位置变动，无法监测出光路系统的指向以及聚光透镜单元漂移的变化，无法实时监测照射到半导体膜上的光束尺寸的大小，不能保证退火过程中光束尺寸不变，因此无法保证退火能量密度也不变，进而不能保证退火均匀性。且半导体膜位置变动一般不大，在10μm左右变化，而这个位置变动对光斑尺寸的影响不大。
发明内容
本发明目的在于提供一种激光退火装置及激光退火方法，能够实时监测照射到半导体膜上的光束尺寸的大小，对光束大小进行补正，不能保证退火过程中光束尺寸不变，从而实现对半导体膜均匀有效的退火。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案是：一种激光退火装置，包括：固体激光光源，提供一激光束；扫描单元，支撑基板，使所述激光束对所述基板上的半导体膜在所述激光束的短轴方向上相对地进行扫描，通过激光照射对所述半导体膜进行退火；还包括扩束单元：用于将激光光束尺寸扩大；匀光单元，用于减少所述激光光束的干涉作用；聚光透镜单元；分光单元；以及第一光束探测器；用于监测从所述分光单元的透射来的光斑的尺寸；所述激光光源发出激光束依次经过所述扩束单元、匀光单元和聚光透镜单元到达分光单元，经分光单元分光后分别入射至所述半导体膜和第一光束探测器；所述分光单元到所述第一光束探测器的光程距离与所述分光单元到所述半导体膜的光程距离相等。
作为优选，还包括控制器单元；所述控制器单元接收所述第一光束探测器反馈的信号，控制所述聚焦透镜单元在光轴方向上运动。
作为优选，所述聚光透镜单元包括镜座、设置在所述镜座内的第一聚焦透镜以及支撑所述镜座的水平移动台；所述控制器单元控制所述水平移动台带动所述镜座和第一聚焦透镜在光轴方向上运动。
作为优选，所述第一聚焦透镜与所述镜座之间还设有压圈。
作为优选，所述匀光单元包括柱面和台阶形状的柱面镜，所述柱面设置在靠近所述扩束单元的一端，所述柱面镜设置在远离所述扩束单元的一端。
作为优选，所述第一光束探测器是非接触传感器。
作为优选，还包括第二光束探测器，用于监测经所述半导体膜反射回来的光斑的尺寸，来标定所述第一光束探测器的初始位置。
作为优选，所述半导体膜反射回来的光经过所述分光单元到达所述第二光束探测器，所述第二光束探测器与所述分光单元之间还设有第二聚焦透镜。
本发明提供的激光退火装置，在对半导体膜进行退火的过程中，激光退火装置需要一定时间才能稳定，先将激光退火装置打开，一段时间后，激光退火装置稳定后再进行退火；由于受光束M2因子和指向稳定性等的影响，高能量和低能量时的光斑尺寸存在一定的差异。激光束经过分光单元，大部分光经反射聚焦成所需的矩形光斑照射到半导体膜上，对半导体膜进行退火，小部分激光经过分光单元透射后聚焦到所述光束轮廓监测单元，所述光束轮廓监测单元对半导体膜退火过程中的光束尺寸变动进行实时监测，便于直观了解在半导体膜退火期间激光束的能量密度变化。基于该监测值，调整所述聚焦透镜单元到最佳位置，补偿光束的变化，使光束尺寸达到初始值，保证退火过程中光束尺寸不变，进而保证退火能量密度也不变，保证半导体膜退火均匀性。同时，有了强光下监测光束尺寸的功能，半导体膜退火前不需监测弱光下的光斑尺寸稳定性，节省时间，提高效率。
为了解决以上技术问题，本发明还提供了一种激光退火的方法，包括以下步骤：步骤一：启动所述固体激光光源，使其发射一激光束；步骤二：通过扩束单元、匀光单元和聚光透镜单元对所述激光束进行整形；步骤三，通过分光单元将来自所述聚光透镜单元的出射光投影到所述半导体膜的表面和第一光束探测器；步骤四：通过扫描单元使所述激光束对半导体膜在激光束短轴方向上相对地进行扫描，使激光照射对所述半导体膜进行退火；步骤五：通过第一光束探测器监测所述分光单元的透射光尺寸大小变化，以监测照射到半导体膜表面的激光光斑尺寸大小变化。
作为优选，基于所述步骤五中监测的光斑尺寸的值调整所述聚焦透镜单元的位置，使照射到所述半导体膜表面的激光束光斑尺寸大小保持不变。
作为优选，所述第一光束探测器将信号传送给控制器单元，控制所述聚焦透镜单元的在光轴方向上的位置变化。
作为优选，所述聚光透镜单元包括镜座、设置在所述镜座内的第一聚焦透镜以及支撑所述镜座的水平移动台；所述控制器单元控制所述水平移动台带动所述镜座和所述第一聚焦透镜在光轴方向上运动。
作为优选，所述第一聚焦透镜与所述镜座之间还设有压圈。
作为优选，所述步骤五还包括以下步骤：步骤5.1、通过第二光束探测器监测经所述半导体膜反射回来的光斑的尺寸，来标定所述第一光束探测器的初始位置，使第一光束探测器到分光单元的光程距离等于所述分光单元到所述半导体膜的光程距离；步骤5.2通过所述第一光束探测器监测所述分光单元的透射光的光斑尺寸大小，并跟预设的光斑尺寸进行对比。
作为优选，所述步骤5.1中，所述半导体膜反射回来的光经过所述分光单元到达所述第二光束探测器。
作为优选，所述第二光束探测器与所述分光单元之间还设有第二聚焦透镜。
采用本发明所提供的激光退火方法对半导体膜进行退火时，增加了监测半导体膜表面的激光束尺寸大小变化，并根据激光束尺寸的大小变化进行补偿的步骤，即当监测到照射到半导体膜表面的激光束尺寸变小时，调整聚焦透镜单元的位置，使激光束尺寸变大至初始值；当监测到照射到半导体膜表面的激光束尺寸变大时，调整聚焦透镜单元的位置，使激光束尺寸变小至初始值。从而保证半导体膜在退火过程中照射在半导体膜的激光束尺寸不变，进而保证退火能量密度也不变，以保证半导体膜退火的均匀性，从而提高半导体膜的退火质量。
附图说明
图1是本发明所提供的激光退火装置的结构示意图；
图2是本发明所提供的激光退火装置的匀光单元的结构示意图；
图3是本发明所提供的激光退火装置的聚光透镜单元的剖面视图；
图4是本发明所提供的激光退火装置的光束轮廓监测单元的结构示意图；
图5是光束尺寸宽度方向的变化量与第一聚焦透镜到分光单元的距离的偏移量的关系图。
图中所示：1-第一入射光、2-第二入射光、3-第三入射光、4-第四入射光、10-固体激光光源、11-扩束单元、12-匀光单元、121-柱面、122-柱面镜、13-聚光透镜单元、132-镜座、133-第一聚焦透镜、134-压圈、14-分光单元、15-扫描单元、161-第一光束探测器、162-第二光束探测器、17-第二聚焦透镜、18-控制器单元、19-水平移动台、20-半导体膜、21-支撑基板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述：
实施例一：
请参考图1，一种激光退火装置，包括：固体激光光源10，提供一激光束；
扫描单元15，支撑基板21，使所述激光束对所述支撑基板21上的半导体膜20在所述激光束的短轴方向上相对地进行扫描，通过激光照射对所述半导体膜20进行退火；
还包括扩束单元11：用于将激光光束尺寸扩大；
匀光单元12，用于减少所述激光光束的干涉作用；所述匀光单元12包括柱面121和台阶形状的柱面镜122，所述柱面121设置在靠近所述扩束单元11的一端，所述柱面镜122设置在远离所述扩束单元11的一端。
柱面121较窄，类似于微透镜，可通过刻蚀加工完成；后部台阶形状的柱面镜122由磨削加工完成，保证柱面121和柱面镜122的平行度及与底面的垂直度，相对于单个柱面镜加工简单，且能够保证精度，保证匀光效果。
经过扩束单元11扩束后的激光束由柱面121侧入射，柱面121的出射光走过的光程差都大于相干长度，且各不相同，达不到干涉条件，从而避免光束发生干涉现象，保证光束的均匀性。
如图3所示：还包括聚光透镜单元13，用于对激光束在短轴方向进行聚光。所述聚光透镜单元13包括镜座132、设置在所述镜座132内的第一聚焦透镜133以及支撑所述镜座132的水平移动台19；
水平移动台19带动第一聚焦透镜133在光轴方向进行微米级精度的运动，从而调整第一聚焦透镜133与分光单元14之间的距离，调整第一入射光1的路线长短，从而改变照射到半导体膜20的第二入射光2的尺寸大小，起到调焦和对光斑尺寸进行补偿的效果。
优选的，所述第一聚焦透镜133与所述镜座132之间还设有压圈134，所述压圈134用于提高所述第一聚焦透镜133与所述镜座132之间的牢固性。
还包括分光单元14；用于分光并将光线入射至所述半导体膜20。
还包括第一光束探测器161；用于监测从所述分光单元14的透射的光斑的尺寸，也即照射到所述半导体膜20上的光束尺寸。所述第一光束探测器161是非接触传感器。所述第一光束探测器161设置在所述分光单元14后方，并位于所述激光束的行径路线终端。
所述激光光源发出激光束依次经过所述扩束单元11、匀光单元12和聚光透镜单元13到达分光单元14，经分光单元14分光后反射形成第二入射光2，透射形成透射光，即第三入射光3，分别入射至所述半导体膜20和第一光束探测器161；所述分光单元14到所述第一光束探测器161的光程距离与所述分光单元14到所述半导体膜20的光程距离相等，即第二入射光2、第三入射光3的光程相等。这样，经过第一聚焦透镜133聚焦后的第一入射光1，经过分光单元14的反射并照射在半导体膜20表面的第二入射光2的尺寸和第一光束探测器161检测到的第三入射光3的尺寸大小完全一致。如此，第一光束探测器161可实时高精度的监测光学系统的光束尺寸，也即照射到半导体膜20表面的光束尺寸。
优选的，还包括控制器单元18；所述控制器单元18接收所述第一光束探测器161反馈的信号，控制所述聚焦透镜单元13在光轴方向上运动。所述控制器单元18控制所述水平移动台19带动所述镜座132和第一聚焦透镜133在光轴方向上运动。
优选的，还包括第二光束探测器162，所述第二光束探测器162设置在所述分光单元14上方，用于监测经所述半导体膜20反射回来的光斑的尺寸，来标定所述第一光束探测器161的初始位置。优选的，所述半导体膜20反射回来的光经过所述分光单元14到达所述第二光束探测器162，所述第二光束探测器162与所述分光单元14之间还设有第二聚焦透镜17。
标定原理：第二入射光2经过半导体膜20反射、再经过第二聚焦透镜17聚焦后形成第四入射光4照射到第二光束探测器162上，这样第二光束探测器162监测的第四入射光4尺寸与照射到半导体膜20上的第二入射光2尺寸相等，通过第二光束探测器162内部信号处理，标定第一光束探测器161的初始位置。完成标定后，第二光束探测器162可以拆除，也可不拆除。还包括工作台单元，用于承载形成所述半导体膜20的支撑基板21，所述支撑基板21通过工作台单元在矩形光束的短轴方向被搬送。通过工作台单元的移动，能够使矩形光束对基板上的半导体膜20的短轴方向相对地扫描。在本实施例中，所述工作台单元构成扫描单元15。
所述工作台单元以不超过所述基板的熔点的温度被加热。
工作原理：在对半导体膜20进行退火的过程中，激光退火装置需要一定时间才能稳定，先将激光退火装置打开，一段时间后，激光退火装置稳定后再进行退火；由于受光束M2因子和指向稳定性等的影响，高能量和低能量时的光斑尺寸存在一定的差异。经过第一聚焦透镜133聚焦后的第一入射光1经过分光单元14，大部分经反射聚焦成第二入射光2照射到半导体膜20上，对半导体膜20进行退火；小部分激光透射后形成第三入射光3照射到第一光束探测器161上，照射在半导体膜20上的第二入射光2与照射到第一光束探测器161上的第三入射光3是大小形状相同的矩形光斑，第一光束探测器161测量的第三入射光3尺寸的大小与照射在半导体膜20上第二入射光2的尺寸大小实质一样。这样，在退火过程中，由于透过分光单元14的能量不大，在第一光束探测器161上形成的光斑为真实的光斑，由此就可以实时监测退火过程中的第二入射光2的光斑尺寸大小，直观的了解在半导体膜20退火期间激光束第二入射光2的能量密度是否发生变化。
如果照射到半导体膜20表面的第二入射光2的光束尺寸发生变化，第一光束探测器161将会测得的第三入射光3的光束尺寸发生同样变化，第一光束探测器161将测得的第三入射光3的光束尺寸变动转换成相应的信号，反馈给控制器单元18，控制器单元18根据所得的信号控制水平移动台19带动第一聚焦透镜133在光轴方向上运动，调整第一聚焦透镜133到最佳位置，补偿光束的变化，使第三入射光3的光束尺寸达到初始值，同时照射到半导体膜20表面的第二入射光2的光束尺寸恢复到初始值，保证在第二入射光2的光束尺寸退火过程中保持不变，进而保证退火能量密度不变，保证半导体膜20退火均匀性。同时，有了强光下监测光束尺寸的功能，退火前不需监测弱光下的光斑尺寸稳定性，节省时间，提高效率。
图5是其为光束尺寸宽度方向的变化量与第一聚焦透镜133到分光单元14距离的偏移量的关系图，其中X轴是第一聚焦透镜133与分光单元14距离偏移量，单位mm；Y轴是光束尺寸大小宽度变化量，单位mm。由于光束发散角（NA）固定，从图中可以看出，它们之间的关系基本为线性关系，具体的线性常数可以通过标定确定，通过改变第一聚焦透镜133到分光单元14的距离，并测出光束尺寸的相对变化量，从而可以准确的得到它们之间的线性关系。反过来，当光束尺寸大小发生了变化，根据光束尺寸宽度方向的变化量与第一聚焦透镜133到分光单元14距离的偏移量之间的关系，控制水平移动台19带动第一聚焦透镜133移动来进行光束补偿，保证光束尺寸不变。
实施例二：
一种激光退火的方法，包括以下步骤：步骤一：启动所述固体激光光源10，使其发射一激光束；步骤二：通过扩束单元11、匀光单元12和聚光透镜单元13对所述激光束进行整形；步骤三，通过分光单元14将来自所述聚光透镜单元13的出射光投影到所述半导体膜20的表面和第一光束探测器161；步骤四：通过扫描单元15使所述激光束对半导体膜20在激光束短轴方向上相对地进行扫描，使激光照射对所述半导体膜20进行退火；步骤五：通过第一光束探测器161监测所述分光单元14的透射光，也即第三入射光尺寸大小变化，以监测照射到半导体膜20表面的激光光斑尺寸大小变化。
优选的，基于所述步骤五中监测的光斑尺寸的值调整所述聚焦透镜单元的位置，使照射到所述半导体膜20表面的激光束光斑尺寸大小保持不变。
优选的，所述第一光束探测器161将信号传送给控制器单元18，控制所述聚焦透镜单元的在光轴方向上的位置变化。
优选的，所述聚光透镜单元13包括镜座132、设置在所述镜座132内的第一聚焦透镜以及支撑所述镜座132的水平移动台19；所述控制器单元18控制所述水平移动台19带动所述镜座132和所述第一聚焦透镜133在光轴方向上运动。
优选的，所述第一聚焦透镜133与所述镜座132之间还设有压圈134。
优选的，所述步骤五还包括以下步骤：步骤5.1、通过第二光束探测器162监测经所述半导体膜20反射回来的光斑的尺寸，来标定所述第一光束探测器161的初始位置，使第一光束探测器161到分光单元14的光程距离等于所述分光单元14到所述半导体膜20的光程距离；步骤5.2通过所述第一光束探测器161监测所述分光单元14的透射光，也即第三入射光的光斑尺寸大小，并跟预设的光斑尺寸进行对比。
优选的，所述步骤5.1中，所述半导体膜20反射回来的光经过所述分光单元14到达所述第二光束探测器。
优选的，所述第二光束探测器162与所述分光单元14之间还设有第二聚焦透镜17。
采用本发明所提供的激光退火方法对半导体膜进行退火时，增加了监测照射到半导体膜20表面的激光光斑尺寸大小变化的步骤，并根据激光束尺寸的大小变化进行补偿的步骤，即当监测到照射到半导体膜20表面的激光束尺寸变小时，调整聚焦透镜单元13的位置，使激光束尺寸变大至初始值；当监测到照射到半导体膜20表面的激光束尺寸变大时，调整聚焦透镜单元13的位置，使激光束尺寸变小至初始值。从而保证在退火过程中照射在半导体膜20的激光束尺寸不变，进而保证退火能量密度也不变，以保证半导体膜20退火的均匀性，从而提高半导体膜20的退火质量。
本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (14)

1.一种激光退火装置，包括：
固体激光光源，提供一激光束；
扫描单元，支撑基板，使所述激光束对所述基板上的半导体膜在所述激光束的短轴方向上相对地进行扫描，通过激光照射对所述半导体膜进行退火；
其特征在于，还包括
扩束单元：用于将激光光束尺寸扩大；
匀光单元，用于减少所述激光光束的干涉作用；
聚光透镜单元；
分光单元；以及
第一光束探测器；用于监测从所述分光单元的透射来的光斑的尺寸；
所述激光光源发出激光束依次经过所述扩束单元、匀光单元和聚光透镜单元到达分光单元，经分光单元分光后分别入射至所述半导体膜和第一光束探测器；所述分光单元到所述第一光束探测器的光程距离与所述分光单元到所述半导体膜的光程距离相等，
还包括第二光束探测器，用于监测经所述半导体膜反射回来的光斑的尺寸，来标定所述第一光束探测器的初始位置。
2.根据权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，还包括控制器单元；所述控制器单元接收所述第一光束探测器反馈的信号，控制所述聚光透镜单元在光轴方向上运动。
3.根据权利要求2所述的激光退火装置，其特征在于，所述聚光透镜单元包括镜座、设置在所述镜座内的第一聚焦透镜以及支撑所述镜座的水平移动台；所述控制器单元控制所述水平移动台带动所述镜座和第一聚焦透镜在光轴方向上运动。
4.根据权利要求3所述的激光退火装置，其特征在于，所述第一聚焦透镜与所述镜座之间还设有压圈。
5.根据权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述匀光单元包括柱面和台阶形状的柱面镜，所述柱面设置在靠近所述扩束单元的一端，所述柱面镜设置在远离所述扩束单元的一端。
6.根据权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述第一光束探测器是非接触传感器。
7.据权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述半导体膜反射回来的光经过所述分光单元到达所述第二光束探测器，所述第二光束探测器与所述分光单元之间还设有第二聚焦透镜。
8.一种激光退火的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：启动固体激光光源，使其发射一激光束；
步骤二：通过扩束单元、匀光单元和聚光透镜单元对所述激光束进行整形；
步骤三，通过分光单元将来自所述聚光透镜单元的出射光投影到半导体膜的表面和第一光束探测器；
步骤四：通过扫描单元使所述激光束对半导体膜在激光束短轴方向上相对地进行扫描，使激光照射对所述半导体膜进行退火；
步骤五：通过第一光束探测器监测所述分光单元的透射光尺寸大小变化，以监测照射到半导体膜表面的激光光斑尺寸大小变化；
所述步骤五还包括以下步骤：
步骤5.1、通过第二光束探测器监测经所述半导体膜反射回来的光斑的尺寸，来标定所述第一光束探测器的初始位置，使第一光束探测器到分光单元的光程距离等于所述分光单元到所述半导体膜的光程距离；
步骤5.2通过所述第一光束探测器监测所述分光单元的透射光的光斑尺寸大小，并跟预设的光斑尺寸进行对比。
9.根据权利要求8所述的激光退火的方法，其特征在于：基于所述步骤五中监测的光斑尺寸的值调整所述聚光透镜单元的位置，使照射到所述半导体膜表面的激光束光斑尺寸大小保持不变。
10.根据权利要求9所述的激光退火的方法，其特征在于，所述第一光束探测器将信号传送给控制器单元，控制所述聚光透镜单元的在光轴方向上的位置变化。
11.根据权利要求10所述的激光退火的方法，其特征在于，所述聚光透镜单元包括镜座、设置在所述镜座内的第一聚焦透镜以及支撑所述镜座的水平移动台；所述控制器单元控制所述水平移动台带动所述镜座和所述第一聚焦透镜在光轴方向上运动。
12.根据权利要求11所述的激光退火的方法，其特征在于，所述第一聚焦透镜与所述镜座之间还设有压圈。
13.根据权利要求8所述的激光退火的方法，其特征在于，所述步骤5.1中，所述半导体膜反射回来的光经过所述分光单元到达所述第二光束探测器。
14.根据权利要求13所述的激光退火的方法，其特征在于，所述第二光束探测器与所述分光单元之间还设有第二聚焦透镜。
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