CN106783529B - 一种连续型非晶硅薄膜处理系统及方法 - Google Patents

一种连续型非晶硅薄膜处理系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种半导体制作技术领域，尤其涉及一种连续型非晶硅薄膜处理系统，包括：激光模块，第二光学镜片，第一光学镜片，激光模块发射激光光束；第二光学镜片，设置于非晶硅薄膜的上方，第一光学镜片，临近第二光学镜片设置于非晶硅薄膜的上方；通过第二光学镜片对非晶硅薄膜表面进行预处理，该预处理不会使得非晶硅薄膜表面晶化，但是会在非多晶薄膜表面以下0.25μm深度造成损失。再通过第一光学镜片进行晶化处理，第一光学镜片的激光光束能经过预处理的非多晶薄膜进行均匀晶化处理。

Description

一种连续型非晶硅薄膜处理系统及方法
技术领域
本发明涉及一种半导体制作技术领域，尤其涉及一种连续型非晶硅薄膜处理系统及方法。
背景技术
多晶硅薄膜是制造高迁移率薄膜半导体(TFT)的材料，TFT是制造平面显示屏的关键元件，因此如何将非晶硅(α-Si)转变成多晶硅(p-Si)就成为微电子器件制造中的重要工序，现在使用的多晶硅薄膜都具有高密度晶粒边界，显微组织的完整性相当差。用此材料制造的TFT装置都稳定性差(往往低于用单晶硅薄膜制造的TFT装置)，不能获得高性能和质量均匀稳定的TFT，使用传统加热退火虽能改善组织，提高性能，但必须用昂贵的石英晶体。激光退火则可将廉价的玻璃基底上的非晶硅薄膜转化为多晶硅薄膜，而不会损伤玻璃，因此具有广阔的应用前景。
现有的激光退火工艺常用的是准分子激光退火技术(ELA)，ELA制备多晶硅(p-Si)的温度通常低于450℃，用普通TFT玻璃即可。最初采用点状的激光束退火非晶硅(α-Si)薄膜，速度很慢，且得到的多晶硅(p-Si)缺陷很多。之后研发出将点状激光束改变为线状激光束，则可以使雷射扫描过程变得简单。
如图1所示，现有的准分子镭射退火系统，包括一光束光学系统1＂，通过镜面2＂形成激光光束3＂反射至基板4＂上，采用脉冲控制激光光束3＂连续扫描基板4＂上的非晶硅(α-Si)薄膜表面，进行晶化处理形成多晶硅(p-Si)薄膜，但是无法保证每个脉冲在非晶硅(α-Si)薄膜表面上的能量完全一致，尤其是当脉冲之间的差距不一致时，非晶硅(α-Si)薄膜在晶化过程中容易产生痕迹，造成显示亮度不均现象。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本发明提供一种连续型非晶硅薄膜处理系统及处理方法，用于对非晶硅薄膜进行均匀晶化处理，避免在非晶硅薄膜晶化过程中产生痕迹，造成显示亮度不均。
本发明的技术方案是：
一种连续型非晶硅薄膜处理系统应用于对非晶硅薄膜的晶化处理中，包括：
激光模块，发射激光光束；
第二光学镜片，设置于所述非晶硅薄膜的上方，且所述激光模块发射的部分激光光束通过所述第二光学镜片投射至所述非晶硅薄膜的表面，以对所述非晶硅薄膜进行预处理工艺；以及
第一光学镜片，临近所述第二光学镜片设置于所述非晶硅薄膜的上方；其中
所述第二光学镜片将剩余的所述激光光束反射至所述第一光学镜片，且所述第一光学镜片将所述剩余的所述激光光束全反射至经所述预处理工艺处理后的所述非晶硅薄膜的表面，以将所述非晶硅薄膜转化为多晶硅薄膜。
优选地，上述的连续型非晶硅薄膜处理系统，其中，所述激光模块发射的所述激光光束透过所述第二光学镜片的能量小于所述第二光学镜片反射的能量。
优选地，上述的连续型非晶硅薄膜处理系统，其中，所述激光模块包括：
激光发射源，发射激光光束；
光整型装置，设置于所述激光光束的发射方向，对所述激光光束进行整型处理并输出。
优选地，上述的连续型非晶硅薄膜处理系统，其中，还包括：
第一调节装置，用以调整所述激光光束的发射方向，所述第一调节装置包括：
第三光学镜片，设置于所述光整型装置与所述第二光学镜片之间，用以接收所述激光光束，并将所述激光光束全反射至所述第二光学镜片。
优选地，上述的连续型非晶硅薄膜处理系统，其中，所述连续型非晶硅薄膜处理系统还包括：
第二调节装置，用以调整所述激光光束的发射方向，所述第二调节装置包括：
第四光学镜片，设置于所述光整型装置输出方向，用以接收所述激光光束，并将所述激光光束一次反射输出；
第五光学镜片，设置于所述第四光学镜片与所述第二光学镜片之间，用以接收所述经第四光学镜片一次反射输出的所述激光光束，并进行二次反射输出至所述第二光学镜片。
优选地，上述的连续型非晶硅薄膜处理系统，其中，还包括成像光学装置，设置于所述光整型装置与所述第二光学镜片之间，用以对所述激光光束进行光学聚焦处理并输出至所述第二光学镜片。
优选地，上述的连续型非晶硅薄膜处理系统，其中，所述成像光学装置包括第一凸面镜、平面镜、第二凸面镜，
所述第一凸面镜的凸曲朝向所述平面镜，
所述第二凸面镜的凸曲朝向所述第二光学镜片。
优选地，上述的连续型非晶硅薄膜处理系统，其中，所述第一光学镜片反射90％～95％的激光光束能量，所述第二光学镜片透射5％～10％的激光光束能量。
上述的连续型非晶硅薄膜处理系统，其中，所述基板为玻璃基板。
上述的连续型非晶硅薄膜处理系统，其中，所述激光光束的波长为308nm。
一种连续型非晶硅薄膜处理方法，其中，包括：
步骤S1、提供一覆盖有非晶硅薄膜的基板；
步骤S2、控制激光模块发射激光光束；
步骤S3、控制第二光学镜片透射第二预定能量的所述激光光束至所述非晶硅薄膜的表面部分区域进行晶化处理，并反射第一预定能量的所述激光光束；
步骤S4、控制第一光学镜片接收所述第一预定能量的所述激光光束，并全反射所述激光光束至与所述表面部分区域相邻的下一个待晶化处理表面区域，对下一个所述待晶化处理表面区域进行预处理；
步骤S5、判断所述非晶硅薄膜是否晶化处理完毕，在没处理完毕的状态下，返回执行步骤S3；
步骤S6、执行完毕。
上述的连续型非晶硅薄膜处理方法，其中，于所述步骤S2中，具体包括：
控制激光发射源发射激光光束；
控制光整型装置对所述激光光束进行整型处理并输出；
控制成像光学装置用以对所述激光光束进行光学聚焦处理并输出至所述第二光学镜片。
上述的连续型非晶硅薄膜处理方法，其中，所述第二预定能量范围为90％～95％，所述第一预定能量范围为5％～10％。
与现有技术相比，本发明的优点是：
本发明，采用第二光学镜片对非晶硅薄膜表面进行预处理，损伤其表面以下0.25μm深度的非晶硅层，再通过第一光学镜片对受损伤的非晶硅薄膜进行晶化处理，使得非晶硅薄膜能够被均匀晶化处理。
附图说明
图1为现有的一种准分子镭射退火系统结构示意图；
图2为本发明的连续型非晶硅薄膜处理系统的结构示意图；
图3为本发明的连续型非晶硅薄膜处理系统一种实施例的结构示意图；
图4为本发明的连续型非晶硅薄膜处理系统一种实施例的结构示意图；
图5为本发明的连续型非晶硅薄膜处理系统一种实施例的结构示意图；
图6为本发明的连续型非晶硅薄膜处理方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
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的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
薄膜半导体的场致迁移率和多晶硅的晶粒尺寸呈正比，在激光光束能量较低时，多晶硅平均晶粒为100nm～200nm，在临界能量密度下，晶粒尺寸迅速增大到0.5μm～2μm，超过临界能量密度时，非多晶硅薄膜完全融化，晶粒尺寸迅速下降，晶粒尺寸大约为100nm，根据上述获得的技术特性，为了获得多晶硅的晶粒尺寸均匀，本发明提供一种连续型非晶硅薄膜处理系统。
如图2所示，一种连续型非晶硅薄膜处理系统，应用于对非晶硅薄膜的晶化处理中，其中，非晶硅薄膜2覆盖于一基板1上，还包括：
激光模块3，用于发射激光光束；
第二光学镜片5，设置于上述非晶硅薄膜2的上方，且上述激光模块3发射的部分激光光束通过上述第二光学镜片5透射至上述非晶硅薄膜2的表面，以对上述非晶硅薄膜2进行预处理工艺；
第一光学镜片4，临近上述第二光学镜片5设置于上述非晶硅薄膜2的上方；
其中，上述第二光学镜片5将剩余的上述激光光束反射至上述第一光学镜片4，且上述第一光学镜片4将剩余的上述激光光束全反射至经上述预处理工艺处理后的上述非晶硅薄膜2的表面，以将上述非晶硅薄膜转化为多晶硅薄膜。
通过第二光学镜片对非晶硅薄膜表面进行预处理，该预处理不会使得非多晶硅薄膜表面晶化，但是会在非多晶薄膜表面以下0.25μm深度造成损失，使非晶硅先产生细小晶种。再通过第一光学镜片进行晶化处理，第一光学镜片的激光光束能够对非晶硅薄膜表面进行均匀晶化处理。
本发明的工作原理是：连续型非晶硅薄膜处理系统，激光模块3发射激光光束；第二光学镜片5透射部分上述激光光束至上述非晶硅薄膜2的表面部分区域进行预处理，并反射剩余的上述激光光束；第一光学镜片4接收剩余的上述激光光束，并全反射上述激光光束至与上述表面部分区域相邻的下一个待晶化处理表面区域，对下一个上述待晶化处理表面区域进行晶化处理。待经第一光学镜片4透射的激光光束到达下一个上述待晶化处理表面区域时，下一个待晶化处理表面已经被预处理过，内部已有部分损伤，所以第一光学镜片4对其能够进行均匀晶化处理。
本发明中，采用第二光学镜片5对非晶硅薄膜2表面进行预处理，损伤其表面以下0.25μm深度的非晶硅层，再通过第一光学镜片4连续进行对受损伤的非晶硅薄膜2进行晶化处理，使得非晶硅薄膜2能够被均匀晶化处理。
上述的连续型非晶硅薄膜处理系统，其中，上述激光模块发射的激光光束透过上述第二光学镜片的能量小于上述第二光学镜片反射的能量，进一步地，上述所述第二光学镜片反射90％～95％的激光光束能量，所述第二光学镜片透射5％～10％的激光光束能量。5％～10％能量的激光光束可以对非晶硅薄膜2造成部分损伤，且不发生晶化处理，因为5％～10％能量的激光光速，其能量密度较低，无法发生晶化现象。
如图3所示，作为进一步优选实施方案，上述的连续型非晶硅薄膜处理系统，其中，上述激光模块3包括有：
激光发射源31，用于发射激光光束；
光整型装置32，设置于上述激光光束的发射方向，用于对上述激光光束进行整型处理并输出。通过光整型装置32对上述激光光束进行整型处理，形成多束能量分布均匀的线性激光光束，采用能量分布均匀的线性激光光束进行退火处理，能够使得晶化处理较均匀。
如图4所示，作为进一步优选实施方案，上述的连续型非晶硅薄膜处理系统，其中，还包括第一调节装置6，用以调整上述激光光束的发射方向，上述第一调节装置6包括：
第三光学镜片61，设置于上述光整型装置32与上述第二光学镜片5之间，用以接收上述激光光束，并将上述激光光束全反射至上述第二光学镜片5。通过调节装置6，可以调节非晶硅薄膜2与上述激光模块3之间的位置，因激光模块3发出的激光光束是按照直线方向照射，进而必须使得待晶化处理的基板1(非晶硅薄膜2)设置于激光模块3的照射方向，此种方式往往对基板1(非晶硅薄膜2)、激光模块3的设置位置有诸多限制，不利于实际生产需要，通过第一调节装置6，可以将激光光束进行一次反射，改变其照射方向，通过第三光学镜片61照射至非晶硅薄膜2表面位置。降低连续型非晶硅薄膜2处理系统对位置的要求。
如图5所示，作为进一步优选实施方案，上述的连续型非晶硅薄膜2处理系统，其中，还包括第二调节装置8，用以调整上述激光光束的发射方向，上述第二调节装置8包括：
第四光学镜片82，设置于上述光整型装置32输出方向，用以接收上述激光光束，并将上述激光光束一次反射输出；
第五光学镜片83，设置于上述第四光学镜片82与上述第二光学镜片5之间，用以接收上述经第四光学镜片82一次反射输出的上述激光光束，并进行二次反射输出至上述第二光学镜片5。
通过第四光学镜片82、第五光学镜片83，可以对激光光束进行两次反射，进而将激光光束照射至所需要的位置，即基板1(非晶硅薄膜2)可放置于任何位置，通过调整第四光学镜片82、第五光学镜片83角度，使得第四光学镜片82、第五光学镜片83相互配合调整激光光束的照射方向。进一步地，第二调节装置8也可由更多的光学镜片配合形成，此处不做具体数量、角度的限制。
作为进一步优选实施方案，上述的连续型非晶硅薄膜处理系统，其中，还包括成像光学装置7，设置于上述光整型装置32与第二光学镜片之间，用以对上述激光光束进行光学聚焦处理并输出至上述第二光学镜片5。进一步地，上述成像光学装置7包括第一凸面镜71、平面镜72、第二凸面镜73，上述第一凸面镜71的凸曲朝向上述平面镜72，上述第二凸面镜73的凸曲朝向上述第二光学镜片5。通过成像光学装置对上述激光光束进行聚集处理，有利于提高上述激光光束的能量密度，提升激光光束的利用率。
作为进一步优选实施方案，上述的连续型非晶硅薄膜处理系统，其中，上述基板1为玻璃基板1。采用玻璃基板1，其成本较低。
上述的连续型非晶硅薄膜处理系统，其中，上述激光光束的波长为308nm。波长为308nm的激光光束对非晶硅薄膜2具有高吸收系数，能够提高非晶硅薄膜2的晶化处理效率。
如图6所示，本发明同时一种连续型非晶硅薄膜处理方法，其中，包括：
步骤S1、提供一覆盖有非晶硅薄膜的基板；
步骤S2、控制激光模块发射激光光束；
步骤S3、控制第二光学镜片透射第二预定能量的上述激光光束至上述非晶硅薄膜的表面部分区域进行预处理，并反射第一预定能量的上述激光光束；
步骤S4、控制第一光学镜片接收上述第一预定能量的上述激光光束，并全反射上述激光光束至与上述表面部分区域相邻的下一个待晶化处理表面区域，对下一个上述待晶化处理表面区域进行晶化处理。
步骤S5、判断上述非晶硅薄膜是否处理完毕，在没处理完毕的状态下，返回执行步骤S3；
步骤S6、非晶硅薄膜晶化处理完毕。
在对一个覆盖有非晶硅薄膜的基板第一次处理时，第二预定能量的光束照射的空白区域，同时第一预定能量的激光光束照射在第一块需要晶化处理区域进行预处理，此后循环执行步骤S3、S4，直至完成整个晶化处理过程。
上述的连续型非晶硅薄膜处理方法，工作原理与上述的非晶硅薄膜处理装置工作原理相同，此处不做赘述。
作为进一步优选实施方案，上述的连续型非晶硅薄膜处理方法，其中，于上述步骤S2中，具体包括：
控制激光发射源发射激光光束；
控制光整型装置对上述激光光束进行整型处理并输出；
控制成像光学装置用以对上述激光光束进行光学聚焦处理并输出至上述第二光学镜片。本实施例获得的有益效果，上述非晶硅薄膜处理装置中已详尽，此处不再赘述。
作为进一步优选实施方案，上述的连续型非晶硅薄膜处理方法，其中，上述第二预定能量范围为90％～95％，上述第一预定能量范围为5％～10％。本实施例获得的有益效果，上述非晶硅薄膜处理装置中已详尽，此处不再赘述。
以上上述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种连续型非晶硅薄膜处理系统，应用于对非晶硅薄膜的晶化处理中，其特征在于，包括：
激光模块，发射激光光束；
第二光学镜片，设置于所述非晶硅薄膜的上方，且所述激光模块发射的部分激光光束通过所述第二光学镜片透射至所述非晶硅薄膜的表面，以对所述非晶硅薄膜进行预处理工艺；以及
第一光学镜片，临近所述第二光学镜片设置于所述非晶硅薄膜的上方；其中
所述第二光学镜片还将剩余的所述激光光束反射至所述第一光学镜片，且所述第一光学镜片将所述剩余的所述激光光束全反射至经所述预处理工艺处理后的所述非晶硅薄膜的表面，以将所述非晶硅薄膜转化为多晶硅薄膜；
所述第二光学镜片透射5％的激光光束能量，并反射95％的激光光束能量。
2.根据权利要求1所述的连续型非晶硅薄膜处理系统，其特征在于，所述激光模块包括：
激光发射源，发射激光光束；
光整型装置，设置于所述激光光束的发射方向，对所述激光光束进行整型处理并输出。
3.根据权利要求2所述的连续型非晶硅薄膜处理系统，其特征在于，还包括：
第一调节装置，用以调整所述激光光束的发射方向，所述第一调节装置包括：
第三光学镜片，设置于所述光整型装置与所述第二光学镜片之间，用以接收所述激光光束，并将所述激光光束全反射至所述第二光学镜片。
4.根据权利要求2所述的连续型非晶硅薄膜处理系统，其特征在于，还包括：
第二调节装置，用以调整所述激光光束的发射方向，所述第二调节装置包括：
第四光学镜片，设置于所述光整型装置输出方向，用以接收所述激光光束，并将所述激光光束一次反射输出；
第五光学镜片，设置于所述第四光学镜片与所述第二光学镜片之间，用以接收所述经第四光学镜片一次反射输出的所述激光光束，并进行二次反射输出至所述第二光学镜片。
5.根据权利要求2所述的连续型非晶硅薄膜处理系统，其特征在于，还包括：
成像光学装置，设置于所述光整型装置与所述第二光学镜片之间，用以对所述激光光束进行光学聚焦处理并输出至所述第二光学镜片。
6.根据权利要求5所述的连续型非晶硅薄膜处理系统，其特征在于，所述成像光学装置包括第一凸面镜、平面镜、第二凸面镜，
所述第一凸面镜的凸面朝向所述平面镜，
所述第二凸面镜的凸面朝向所述第二光学镜片。
7.根据权利要求1所述的连续型非晶硅薄膜处理系统，其特征在于，所述激光光束的波长为308nm。
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