CN104775161B - 激光晶化光路系统、低温多晶硅薄膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光晶化领域，公开了一种激光晶化光路系统，在所述激光晶化光路系统中设置有干涉模块，所述干涉模块包括相互平行的第一全反镜、第二全反镜、及第一半透半反镜，所述第一半透半反镜设于第一全反镜与第二全反镜之间，所述第一全反镜的角度可调节，使用时调节所述第一全反镜的角度使其偏移所述平行方向。采用该技术具有结构设计简单、激光光能利用率高和光强分布稳定的优点。

Description

激光晶化光路系统、低温多晶硅薄膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及激光晶化领域，特别涉及一种激光晶化光路系统、及用其制备低温多晶硅薄膜的方法及所述低温多晶硅薄膜。

背景技术

多晶硅(p-Si)薄膜具有远大于非晶硅(a-Si)、并与单晶硅可相比拟的高载流子迁移率，常代替非晶硅应用于薄膜晶体管(TFT)的有源层，因此在集成周边驱动的有源液晶显示(AMLCD)和有源有机发光二极管(AMOLED)中具有非常重要的应用。平板显示器的多晶硅薄膜的衬底是难以承受高温工艺的玻璃，在此条件限制下，低温多晶硅(LTPS)技术是业界必然的选择。

就目前的技术而言，低温多晶硅技术主要有以下几种：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。由准分子退火晶化技术为代表的激光晶化技术具有较快的晶化速率、不对基板造成损伤和无污染等特点，是目前有源矩阵液晶显示(AMLCD)和有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)产业中应用最为广泛的低温多晶硅薄膜制备技术。

在制备多晶硅薄膜的激光退火(laser annealing)工艺研究中，为了生长大晶粒和晶界控制，许多研究都不约而同地朝向温度梯度(Thermal Gradient)的控制。温度梯度的控制，是触发晶粒超级横向成长的基本条件，其原理是：在激光照射阶段，通过各种方法改变非晶硅膜层的不同区域所吸收激光能量，在非晶硅膜层不同的区域间形成温度梯度；在随后的冷却再结晶阶段，膜层的晶粒由较低温的区域往较高温的区域横向生长。超级横向晶化是包括准分子激光退火(Excimer Laser Annealing,ELA)、控制超级横向晶化(Controlled Super Lateral Grown，C-SLG)和循序性横向生长(Sequential LateralSolidification，SLS)等工艺技术的基础，它可以分为两大类，一类是由基板端的改变来实现超级横向晶化，包括：局部改变非晶硅层反射率、局部改变非晶硅厚度和局部改变基板热传导分布等，另一类是由激光系统端的工艺改变来实现超级横向晶化，包括：加相位移光学镜片、加相位掩膜板和光束干涉等方法。与由基板端的改变实现超级横向晶化相比，由激光系统端的改变实现超级横向晶化方法具有工艺简单和不会对多晶硅膜层造成附带不良影响的优点，但同时具有激光系统端设计复杂，激光光能利用率低和光强分布不稳定等缺点。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种结构设计简单、激光光能利用率高和光强分布稳定的激光晶化光路系统。

本发明实施例的目的在于还提供一种低温多晶硅薄膜及其制备方法，非晶硅薄膜在激光器光束的照射下，发生超级横向生长，成长为晶粒尺寸大、分布均匀的低温多晶硅薄膜。

首先，本发明实施例提供的一种激光晶化光路系统，在所述激光晶化光路系统中设置有干涉模块，所述干涉模块包括相互平行的第一全反镜、第二全反镜、及第一半透半反镜，所述第一半透半反镜设于第一全反镜与第二全反镜之间，所述第一全反镜的角度可调节，使用时调节所述第一全反镜的角度使其偏移所述平行方向。

可选地，所述第一全反镜安装在高精度的角度位移台上。

可选地，所述第一半透半反镜及第二全反镜与水平方向的夹角为45度。

可选地，所述第一全反镜、第一半透半反镜及第二全反镜安装在同一直线导轨上，所述第一全反镜、第一半透半反镜及第二全反镜之间的间距可调。

可选地，所述第一全反镜与第一半透半反镜之间的间距及第一半透半反 镜与第二全反镜之间的间距相同。

可选地，所述第一全反镜及第二全反镜为全反射平面镜，所述第一半透半反镜为半透射半反射平面镜。

可选地，还依次包括扩束模块、混光模块、均束模块、光束整形模块及投影模块，在所述均束模块与光束整形模块之间设置所述干涉模块，所述混光模块为至少两台激光器发出的激光混光。

可选地，所述激光器为脉冲激光器或连续光激光器。

其次，本发明还提供了一种制备低温多晶硅薄膜的方法，包括：

形成位于玻璃基板缓冲层之上的非晶硅薄膜，

采用如上任一项所述的激光晶化光路系统对所述非晶硅薄膜进行激光照射，形成所述低温多晶硅薄膜。

最后，本发明还提供了一种低温多晶硅薄膜，其特征在于，所述低温多晶硅薄膜采用如上所述的制备方法得到。

由上可见，应用本实施例技术方案，由于采用所述激光晶化光路系统在光束中加入固定相位差以产生干涉，具有光能利用效率高、系统稳定可靠和系统改造便捷的特点。使得晶化光束截面中产生强弱相间的光强分布，以此在非晶硅薄膜中构建晶化温度梯度，激发硅晶粒发生超级横向生长从而获得大尺寸晶粒和晶界分布均匀的多晶硅薄膜，大大提高了多晶硅薄膜的载流子迁移率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种激光晶化光路系统结构示意图；

图2为本发明提供的一种干涉模块结构示意图；

图3为本发明提供的一种混光模块结构示意图；

图4为本发明提供的一种制备低温多晶硅薄膜的方法流程图；

图5为本发明提供的一种激光照射晶化过程示意图。

图6为本发明提供的一种超级横向生长过程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

本实施例提供一种激光晶化光路系统，如图1所示，依次包括扩束模块10、混光模块20、均束模块30、干涉模块40、光束整形模块50及投影模块60，如图2所示，所述干涉模块40包括相互平行的全反镜M6、全反镜M8、及半透半反镜M7，所述半透半反镜M7设于全反镜M6与全反镜M8之间，优选的，所述半透半反镜M7及全反镜M8与水平方向的夹角为45度。所述全反镜M6的角度可调节，使用时调节所述全反镜M6的角度使其偏移所述平行方向，优选的，所述全反镜M6安装在高精度的角度位移台上，可以实现角度的精准调节。所述全反镜M6、半透半反镜M7及全反镜M8安装在同一直线导轨上，所述全反镜M6、半透半反镜M7及全反镜M8之间的间距可调。可以但不限于，所述全反镜M6与半透半反镜M7之间的间距及半透半反镜M7与全反镜M8之间的间距相同。优选地，所述全反镜M6及全反镜M8为全反射平面镜，所述半透半反镜M7为半透射半反射平面镜。

可以但不限于，所述混光模块20为至少两台激光器发出的激光混光，所述激光器为脉冲激光器或连续光激光器。如图3所示，所述混光模块20包括全反镜M1、M2、M3、M5及半透半反镜M4，所述全反镜M1、M2、M3、M5及半透半反镜M4均为平面镜，所述全反镜M1与M2平行，所述全反镜M3、半透半反镜M4及全反镜M5相互平行，全反镜M4和M5、M6和M7、M7和M8相互间距相同，设为d。

使用时，激光器laser 1发出的光经所述扩束模块10扩束后通过所述混光模块20的全反镜M3反射射进所述半透半反镜M4，可以但不限于，激光光束水平入射到所述混光模块20，光束垂直截面的长轴平行于全反镜M3的长轴，光束垂直截面的短轴与全反镜M3的短轴成夹角45度。同理，激光器laser 2发出的光水平入射到所述混光模块20，通过所述全反镜M1和M2反射后也射进所述半透半反镜M4，经所述半透半反镜M4混光后产生的光束beam 1和beam 2各自都包含有一半的激光器laser 1发出的光和一半激光器laser 2发出的光，所述光束beam 1和beam 2经所述均束模块30匀束后水平射入所述干涉模块40，所述光束beam1经所述全反镜M6反射进入半透半反镜M7，所述光束beam 2射入所述半透半反镜M7，产生光束beam 1＇和beam 2＇，此时全反镜M6与全反镜M8及半透半反镜M7平行，光束beam 1＇或beam2＇中来自光束beam 1部分的光和来自光束beam 2部分的光其等相位面相互平行，在光束截面上没有相位差分布，没有干涉现象发生，当轻微的转动全反镜M6使得其偏移平行于半透半反镜M7和全反镜M8的方向时，光束beam 1＇或beam 2＇中来自光束beam 1部分的光和来自光束beam 2部分的光其等相位面就会出现一定的夹角，也就是说，光束截面上存在相位差分布，于是来自同一个激光器(laser 1或者laser 2)的光之间就会发生类似迈克耳孙干涉仪的劈尖干涉，即在光束beam 1＇和beam 2＇固定截面上可以得到相互平行的两套稳定的干涉条纹，干涉条纹垂直于光束的短轴方向，调整平面镜间距d，可以调节这两套条纹的位置，干涉条纹间距(晶化光束在基板上光强强弱相间 分布的周期)可以通过改变M6的偏移角度进行调节，这里所谓的偏移角度指的是指偏移平行于半透半反镜M7和全反镜M8方向的角度，所述光束beam 1＇和beam 2＇再依次经过光束整形模块50及投影模块60后将激光束照射到镀有非晶硅薄膜的基板上，进行激光晶化。

由上可见，加入干涉模块40的目的是通过对全反镜M6的转动，把相位差加入到beam 1和beam 2中以生产干涉，形成光束截面的光强具有明暗相间分布的beam 1＇和beam2＇。除此之外干涉模块40没有对光束进行其他的任何改变。

本发明公开了一种由光束干涉构建晶化温度梯度的激光晶化系统，相对于一般的基于干涉晶化的系统，具有光能利用效率高、系统稳定可靠和系统改造便捷的特点。

本发明还提供了一种制备低温多晶硅薄膜的方法，如图4所示，包括：

101、形成位于玻璃基板缓冲层之上的非晶硅薄膜。如图5所示，所述玻璃基板1为TFT制造工艺使用的玻璃基板；缓冲层2为氮化硅薄膜或者氧化硅薄膜或者它们的组合膜，缓冲层采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)的方法成膜；非晶硅薄膜3采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)的方法成膜。4为晶化光束照射截面干涉相消部分；5为晶化光束照射截面的干涉相长部分；6为晶化照射光束；7为激光照射晶化后的多晶硅薄膜；8为玻璃基板的移动方向。

102、采用上述任一种所述的激光晶化光路系统对所述非晶硅薄膜进行激光照射，形成所述低温多晶硅薄膜，如图5所示。非晶硅薄膜在激光器光束的照射下，发生超级横向生长，从而成长为晶粒尺寸大、分布均匀的多晶硅薄膜。

图6为非晶硅薄膜在干涉光束照射下，发生再结晶的超级横向生长过程示意图：a为非晶硅薄膜的干涉相消非完全熔融区域；b为非晶硅薄膜的干 涉相长熔融区域；c为再结晶的横向成长方向；d为再结晶生成的多晶硅区域；e为晶界。

其横向生长的原理为：照射光束的干涉相消区域，由于光强较小，非晶硅被加热达到的温度较低，处于非完全熔融状态；在照射光束的干涉相长区域，由于光强较大，非晶硅被加热达到的温度较高，处于完全熔融状态；由于干涉相消和干涉相长区域存在着温度梯度，所以在激光照射后的冷却再结晶阶段，非完全熔融区域存在的固态晶粒“种子”就会往两侧的完全熔融区域成长；当横向生长的晶粒遇到另外一个反方向横向生长的晶粒时，停止生长，并在相遇的位置形成晶界。

根据所述玻璃基板的移动方式，激光的照射方式可以采用步进式或扫描式：

步进式：步长小于晶化光束在基板上光强强弱相间分布的周期的1/2；

扫描式：扫描速率小于非晶硅薄膜再结晶的晶界横向移动速率，并且如果采用脉冲式激光器，则其在脉冲持续时间内扫描长度小于晶化光束在基板上光强强弱相间分布的周期的1/2。

其中，激光晶化：利用激光器照射玻璃基板上非晶硅，非晶硅吸收光能转化为热能，非晶硅当温度达到一定值时就会从固态转化为熔融状态，接着又会在冷却时再结晶而生成多晶硅的过程；

超级横向晶化(Super Lateral Growth,SLG):非晶硅在激光照射下，处于临界完全熔融状态，在临界熔融状态下，熔融态的非晶硅中存在着微量的固态硅，而且它们之间的距离合适；在非晶硅冷却时，就会以这些微量的固态硅粒为中心发生晶化，而且由于这种条件下的薄膜非晶硅晶化后的晶粒横向尺寸远远的大于其纵向尺寸，所以叫超级横向晶化。

本发明公开了一种由光束干涉构建晶化温度梯度，激发晶粒超级横向生长而获得大尺寸晶粒和实现晶界控制的方法，增大低温多晶硅晶粒尺寸和降 低了低温多晶硅的制备成本。

本发明还提供了一种低温多晶硅薄膜，所述低温多晶硅薄膜采用上述任一种制备方法得到。在上述制作方法中，针对激光器设计激光参数，使得非晶硅薄膜更好地转化为低温多晶硅薄膜。

本发明结合了光束干涉技术和多晶硅超级横向成长的概念，具有在普通玻璃基板上制备大尺寸晶粒和晶界分布均匀的多晶硅薄膜、大大提高多晶硅薄膜载流子迁移率的潜在价值。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光晶化光路系统，其特征在于，在所述激光晶化光路系统中设置有干涉模块，所述干涉模块包括相互平行的第一全反镜、第二全反镜、及第一半透半反镜，所述第一半透半反镜设于第一全反镜与第二全反镜之间，所述第一全反镜的角度可调节，使用时调节所述第一全反镜的角度使其偏移所述平行方向。

2.如权利要求1所述的一种激光晶化光路系统，其特征在于，所述第一全反镜安装在高精度的角度位移台上。

3.如权利要求2所述的一种激光晶化光路系统，其特征在于，所述第一半透半反镜及第二全反镜与水平方向的夹角为45度。

4.如权利要求1所述的一种激光晶化光路系统，其特征在于，所述第一全反镜、第一半透半反镜及第二全反镜安装在同一直线导轨上，所述第一全反镜、第一半透半反镜及第二全反镜之间的间距可调。

5.如权利要求4所述的一种激光晶化光路系统，其特征在于，所述第一全反镜与第一半透半反镜之间的间距及第一半透半反镜与第二全反镜之间的间距相同。

6.如权利要求1至5中任一所述的一种激光晶化光路系统，其特征在于，所述第一全反镜及第二全反镜为全反射平面镜，所述第一半透半反镜为半透射半反射平面镜。

7.如权利要求6所述的一种激光晶化光路系统，其特征在于，还依次包括扩束模块、混光模块、均束模块、光束整形模块及投影模块，在所述均束模块与光束整形模块之间设置所述干涉模块，所述混光模块为至少两台激光器发出的激光混光。

8.如权利要求7所述的一种激光晶化光路系统，其特征在于，所述激光器为脉冲激光器或连续光激光器。

9.一种制备低温多晶硅薄膜的方法，其特征在于，包括：

形成位于玻璃基板缓冲层之上的非晶硅薄膜，

采用如权利要求1至8任一项所述的激光晶化光路系统对所述非晶硅薄膜进行激光照射，形成所述低温多晶硅薄膜。