CN108604532A - 用于点波束结晶的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

用于使薄膜结晶的方法和系统提供了激光波束点，使其在薄膜上连续地前进以创建持续的完全或部分熔融区域，其在该薄膜上平移并且结晶以形成均匀的、小粒状的晶体结构或晶粒。

Description

用于点波束结晶的方法和系统
相关申请的交叉引用
此申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2016年3月9日提交的题为“HIGHTHROUGHPUT，CONTIUOUS MELT SEQUENTIAL LATERAL SOLIDIFICATION”的美国临时专利申请号62/305,818、于2016年1月11日提交的题为“HIGH THROUGHPUT，CONTIUOUS MELTSEQUENTIAL LATERAL SOLIDIFICATION”的美国临时专利申请号67/277,355以及于2016年1月8日提交的题为“HIGH THROUGHPUT，CONTIUOUS MELT SEQUENTIAL LATERALSOLIDIFICATION”的美国临时专利申请号62/276,571的优先权，所有申请的内容通过整体引用并入本文。
技术领域
本公开涉及用于使用点波束结晶技术来处理硅膜的方法和系统。
背景技术
可以使用膜的激光控制的照射和熔化来处理膜(例如，硅膜)。激光控制的熔化可以在膜中创建所选择的晶体结构。激光结晶的现有方法包括连续横向固化(“SLS”)和准分子激光退火(“ELA”)。两种方法都依赖于在继续膜的处理之前(例如，在下一脉冲或系列脉冲照射膜之前)熔化-和-固化的一个完整循环，膜的先前照射过的区域经历整个熔化和固化循环并且变得完全固化。此外，这些方法可以产生具有约0.3至3.0微米的相对均匀的晶粒大小的膜，这对于今天的显示器和移动器件(每英寸约300至500个像素)来说是足够的。
下一代器件(包括用于虚拟现实观看的器件)需要每英寸高得多的像素(例如，每英寸约数千个像素)以产生高质量图像。这需要比使用现有ELA和SLS方法中利用的长线波束可以实现的结晶膜具有更好的均匀性的结晶膜。此外，现有的过程涉及具有高激光维护和操作成本的昂贵的仪器并且不是高效的。
发明内容
本公开涉及用于新的点波束结晶技术的方法和系统，其中使小的激光波束点在膜上连续地前进以创建持续的熔融区域，使该熔融区域在膜上平移并结晶以形成均匀的多晶结构或晶粒。因为这些晶粒的大小可以是1微米或小于0.3微米，并且是高度规律的，所以可以从这些膜创建具有每英寸3,000至5,000个像素的显示器。此外，所公开的方法和系统可以以高产量和高效率产生这些小的、均匀的粒状膜。一般而言，所公开的技术使具有低操作成本的新一类高效且廉价的激光器能够以更高的产量和更低的成本来创建相同或更好的材料。这些激光器可以具有非常高的频率和非常低的脉冲能量。例如，单模准连续波(QCW)光纤或固态激光器。
根据本公开的方面，一种用于使薄膜结晶的方法可以包括以下步骤：提供薄膜；提供在薄膜上产生点的激光波束；以及在第一方向连续地平移激光波束，同时通过在每个区域中施加激光脉冲而照射薄膜的重叠区域以生成熔融区域，每个激光脉冲在相对于前一激光脉冲发生整个熔化和固化循环之前被施加。该方法还可以包括以下步骤：沿第一方向传播熔融区域以创建由固体区域环绕的熔融区域后边缘，并且允许该熔融区域冷却并固化并且创建结晶区域。
根据本公开的方面，一种用于对薄膜进行处理的方法可以包括以下步骤：提供薄膜；提供在薄膜上产生点的激光波束；以及在第一方向连续地平移激光波束，同时通过在每个区域中施加激光脉冲而照射薄膜的重叠区域以生成熔融区域，每个激光脉冲在相对于前一激光脉冲发生整个熔化和固化循环之前被施加。该方法还可以包括以下步骤：沿第一方向传播部分熔融区域，以创建由固体区域环绕的熔融区域后边缘，并且允许熔融区域冷却并固化，并且在结晶区域中形成具有第一周期性的第一晶粒的周期性区域，接着形成第二晶粒的周期性区域，其中，第一晶粒大于第二晶粒。
根据本公开的方面，一种用于使薄膜结晶的系统可以包括计算机控制的平台(stage)(其中，计算机控制的平台保持薄膜)和激光系统，该激光系统包括用于生成在薄膜上产生点的激光波束的激光器。该激光系统可以被配置为使激光波束在第一方向连续地前进，同时通过在每个区域中施加激光脉冲而照射薄膜的重叠区域以生成熔融区域，每个激光脉冲在相对于前一激光脉冲发生整个熔化和固化循环之前被施加。在该系统中，使熔融区域沿第一方向传播以创建由固体区域环绕的熔融区域后边缘，并且熔融区域冷却并固化并且形成结晶区域。
根据本公开的方面，一种用于使薄膜结晶的系统可以包括计算机控制的平台(其中，计算机控制的平台保持薄膜)和激光系统，该激光系统包括用于生成在薄膜上产生点的激光波束的激光器。该激光系统可以被配置为使激光波束在第一方向连续地前进，同时通过在每个区域中施加激光脉冲而照射薄膜的重叠区域以生成熔融区域，每个激光脉冲在相对于前一激光脉冲发生整个熔化和固化循环之前被施加。在该系统中，可以使熔融区域沿第一方向传播以创建由固体区域环绕的熔融区域后边缘，并且熔融区域冷却并固化并且在结晶区域中形成具有第一周期性的第一晶粒的周期性区域，接着形成第二晶粒的周期性区域，其中，第一晶粒大于第二晶粒。
附图说明
图1描绘了根据本公开的方面的用于执行所描述的连续横向固化技术的系统。
图2描绘了根据本公开的方面的由所描述的连续横向固化技术处理的膜的俯视图。
图3描绘了根据本公开的方面处理的膜。
图4描绘了根据本公开的方面处理的膜。
图5A和图5B描绘了根据本公开的方面的使用点波束结晶(“SBC”)技术处理的膜的熔融区域的俯视图。
图6描绘了根据本公开的方面的使用部分熔化技术处理的膜的激光照射。
图7描绘了根据本公开的方面的使用部分熔化技术处理的膜的示例性晶粒结构。
图8A描绘了根据所公开的光纤激光退火(“FLA”)方法利用一次扫描处理的膜的晶体结构。
图8B描绘了使用所公开的FLA技术扫描的膜在y方向的晶粒大小对距离的曲线图。
图9A描绘了根据本公开的方面的在图8A中公开的晶粒结构的单个周期内形成的晶体管。
图9B描绘了根据本公开的方面的在图8A中所示的晶粒结构的单个周期内形成的但从y轴以角θ倾斜的有源沟道(active channel)AC。
图10描绘了根据本公开的方面的使用四个不同波束的FLA扫描
具体实施方式
本公开涉及用于新薄膜结晶技术的方法和系统，其中使小的激光波束点在膜上连续地前进以创建持续的熔融区域，该熔融区域在膜上平移并结晶以形成均匀的、大粒状或小粒状的晶体结构或晶粒。因为这些晶粒的大小可以大于1微米或小于0.3微米，并且是高度均匀的，所以可以从这些膜创建具有每英寸3,000至5,000个像素的显示器。此外，所公开的方法和系统可以以高产量和高效率产生这些小的、均匀的粒状(grained)膜。此外，所描述的技术可以产生具有小的、均匀的晶粒而不需要拼接(stitching)的膜。
图1描绘了用于执行所描述的连续横向固化技术的系统100。在一些实施例中，系统100可以包括激光器102、谐波振荡器104、预扫描器光学器件106、波束扫描器108、扫描激光波束110、后扫描器光学器件112、最终波束114、样品116和平台118。
在一些实施例中，激光器102可以是高频低脉冲能量激光器，例如，准连续波固态激光器或光纤激光器。示例性的高频光纤激光器可以由IPG Photonics，Inc.(Oxford，MA)制造。高频是指10兆赫至数百兆赫的频率，例如，至少10MHz或约100MHz或900MHz。激光器102可以具有约100W至大于500W的总功率。激光器102可以具有小于1微焦耳至约10微焦耳的每脉冲能量。示例性激光器可以具有约1纳秒或更小的脉冲持续时间和在约1纳秒至约5纳秒的脉冲之间的间隔。注意，激光器102在所述频率下向样品提供一系列低能量脉冲，即，激光器102是脉冲激光器。例如，样品116的给定区域可以经历来自激光器102的10、20以及多达50或更多个脉冲。在一些实施例中，只要存在一些重叠以继续进行连续熔化过程，则连续熔化可以在每区域仅发生大约一次发射。激光器102也可以是非常相干的(例如，具有低M2)以形成几乎完美的高斯形状。由激光器102产生的波束可以具有空间和时间的相干性。激光器102也可以是单模激光器。在一些实施例中，激光器102可以具有UV范围内的波长，例如约355nm，或者可以是绿色的，例如532nm。
激光器102可以产生窄的、相对短的波束，并且相应地在膜上产生窄的、短的点。例如，该波束在长度上可以是约10微米至约1mm或约1厘米，并且在宽度上约1微米至100微米。在一些实施例中，该波束在长度上可以是几微米。具有这些尺寸的波束在本文中被称为点波束。尽管参照圆形或椭圆形点波束描述了本方法，但是本教导还可以应用于其他波束形状，例如方形波束、线波束以及本领域普通技术人员已知的其他配置。此外，由于对于给定的波束宽度而言，波束的尺寸被加长和缩短，其将影响每脉冲施加的能量密度，其中较长的波束将具有较低的每脉冲能量密度(需要较多的脉冲来熔化膜)而较短的波束具有较高的每脉冲能量密度(需要较少的脉冲来熔化膜)。
如以上指出的，激光器102的每脉冲能量可以是相对低的。例如，对于具有200W的功率的200MHz激光器而言，每脉冲能量可以是约一微焦耳。这种能量一般不足以用单脉冲或激光波束的发射来完全熔化硅膜的区域。然而，在某些情况下，如果波束具有极度小的面积，则能量可足以熔化膜。因此，可以将具有合适大小的点的多个脉冲以具有高度重叠的短接续地施加到膜上以熔化膜的区域。特别地，可以在相对于第一脉冲已发生整个熔化和固化循环之前施加第二脉冲或发射。与现有技术方法相比，这种增加的重叠可以是优选的，这是因为它提供了每脉冲能量的平均效应(每个脉冲具有一些轻微的能量变化)，这可以导致更均匀的膜。此外，在所描述的系统中，在无需打开和关闭激光器102的情况下，激光器102持续地发射并且可以以固定的高频率持续地发射。
谐波振荡器104可以将来自激光器102的光从例如约1065nm的红外波长转换为UV(355nm)或绿色(532nm)波长。
预扫描器光学器件106在谐波振荡器104之后并且在波束进入扫描器108之前处理波束。
在一些实施例中，所描述的系统和方法要求以高速度(例如，至少0.1km/s，例如10km/s以及高达20km/s或30km/s)扫描膜的表面。现有阶段不能够以此速率移动样品116和平台118。此外，光学系统也不能够以利用现有技术的那些速度来平移。相应地，本系统可以使用波束扫描器108以这样的速度在样品上引导波束。示例性波束扫描技术包括振镜(galvanometer)、反射多边形、声光技术和电光技术。此外，可以使用本领域普通技术人员已知的其他类型的波束导向技术来获得期望的扫描频率。
后扫描光学器件112在波束扫描器108之后处理波束。例如，后扫描器光学器件106可以使波束聚焦和成形。
样品116可以是要用激光照射处理的任何类型的膜，例如，金属膜或半导体膜。在一些实施例中，该膜可以是硅。
平台118可以是能够在光学系统下方的三个方向(x、y和z)上移动膜的平台。
系统100还可以包括用于控制系统的各种部件的必需的计算机系统。此外，系统100可以包括处理器和存储器，所述存储器用于存储关于如何根据下面描述的方法来操作系统的指令。
图2描绘了根据本公开的方面的由所描述的连续横向固化技术处理的膜200的俯视图。图2描绘了在所描述过程期间的膜200的一部分。来自激光器102的前一脉冲创建了完全或部分熔融的区域202，其冷却并主要垂直于波束运动的方向固化成均匀的、小的粒状晶体(如图3中所示)。在前一激光脉冲使膜200完全或部分熔化以形成熔融区域202(在结晶之前)之后，并且当在方向204上扫描波束时，如图2中所示的具有长度208和宽度210的第一脉冲被引导到膜200上以照射并形成也具有对应的长度208和宽度210的第一区域206。然后使用波束扫描器108使波束前进距离212并且将来自激光器的第二脉冲引导到膜200上以照射也具有对应的长度208和宽度210的第二区域216。然后波束再次前进相同的距离212，并且来自激光器的第三脉冲被引导到膜200上以照射并形成也具有对应的长度208和宽度210的第三区域218。使波束在膜200上连续地扫描，同时激光器102连续地发射，以在整个膜上形成熔融区域202，其冷却并结晶以形成小的、均匀的晶粒。
脉冲之间的平移距离212可以显著地小于点波束长度208。例如，点波束长度208可以是约100微米至1厘米，并且点波束宽度210可以是约1微米。对于被以3.750km/s扫描的150MHz激光器而言，脉冲之间的平移距离212可以是约25微米。对于较高频率，例如大约500MHz的频率，平移距离212可以小于10微米，例如7微米。相应地，在脉冲之间存在显著的重叠，并且膜的每个部分在一些情况下可以经历10、20、30、40、50或更多个激光脉冲。对于较短的点波束长度，脉冲之间的距离可以小至1微米。
如以上指出的，取决于点波束的尺寸，形成区域206的每个激光脉冲的能量可能不足以使区域206熔化。然而，通过用一系列或者10、20或甚至100个脉冲照射膜的同一区域，由重叠脉冲得到的面积的积分能量密度变得足以使被照射的区域熔化。例如，可以从多个重叠脉冲得到的膜区域的总的、积分能量密度可以是约每平方厘米几百微焦耳至约每平方厘米一焦耳。
一旦熔融区域202完全熔化，它就开始从未熔化的区域(即，在主要垂直于波束的传播的方向)冷却并结晶。图3描绘了一旦熔融区域202已经冷却并结晶的示例性晶体结构。图3示出了具有大约0.5微米的宽度(例如，被用于照射的点波束的宽度)的小的、均匀的晶粒302的区域。为了使样品的整个宽度结晶，将波束定位回到膜的左边缘，使其在垂直于扫描方向的方向平移设定距离，并执行第二次扫描。垂直于扫描方向的平移距离可以基于所选择的所得晶体结构来设定。单独晶粒可以具有小于0.5微米(例如，约0.3微米)的大小。
例如，图4描绘了处理过的膜400，其中已经执行了三次扫描。第一次扫描使区域402熔化并结晶。然后使波束在y方向(即，垂直于扫描方向的方向)上平移大于晶体结构的横向生长长度(但小于横向生长长度的两倍)的距离，并且执行第二次扫描以使区域404熔化并结晶。换句话说，区域402和406之间的重叠大于(但少于两倍)横向生长长度。再次，使波束在y方向平移大于(但小于两倍)晶体结构的横向生长长度的距离，并且执行第三次扫描以使区域406熔化并结晶。执行此过程直到整个膜结晶为止。得到的膜含有高度均匀的、小的晶粒。例如，在一些实施例中，晶粒可以是约0.3至约0.5微米。可以进行这些膜的进一步处理以形成晶体管以产生具有每英寸1,000；2,000和高达5,000个像素的显示器。这些屏幕然后可以被用于虚拟现实应用或需要非常高像素密度的其他应用。
在另一实施例中，可以使膜平移小于扫描之间的横向生长长度。这导致具有长晶粒的不同微结构。还应该注意的是，晶体在垂直于扫描方向的方向生长。
现有连续横向固化技术，例如在题为“Methods for producing uniform large-grained and grain boundary location manipulated polycrystalline thin filmsemiconductors using sequential lateral solidification”的美国专利号6,555,449中公开的那些技术(其整个公开内容通过引用被并入)，需要在膜被下一个脉冲照射和熔化之前的整个熔化和固化循环。因为本公开的方法使用具有低脉冲能量的高频激光器，所以此方法不依赖于针对每个脉冲的整个熔化和固化循环。代替地，通过多次照射熔融区域的每个区域并在波束扫描的方向沿膜的长度传播熔融区域来创建完全或部分熔融的区域。相应地，下一照射在前一区域已被横向爆发性地结晶之前发生，这导致不均匀的晶粒的形成。熔融区域然后在波束扫描的前进后面连续地结晶。最大爆发性结晶速率最多只有约15m/s。例如，如果以15km/s的10扫描波束，爆发性结晶前沿可以以低于波束的扫描速度的量级的约15m/s前进。因此，本方法不会受到由扫描方向的爆发性结晶引起的不均匀性的影响。
相应地，本文所公开的方法以快于最大固化速率(例如，15m/s)的速率扫描，使得有害的爆发性结晶过程滞后于膜被照射和熔化的速率。因此，通过此技术产生的膜具有改善的晶体结构。图5A描绘了根据所描述的完全熔化技术处理的膜的熔融区域202的俯视图。在图5A的示例中，来自重叠区域的脉冲的集成的(例如，累积的)能量密度高于完全熔化所需的能量密度。当熔融区域202冷却、固化并结晶时，形成由结晶区域502环绕的熔融尾部500。即，膜从熔融区域202的边缘向中心横向固化，并且结晶从外部进行到中心。这提供了短的、直的晶粒502，而不是成角度的晶粒。尾部500可以在波束504的前部后面大约1mm。此示例中的区域202可以完全熔融。
图5B描绘了根据所描述的完全熔化技术处理的膜的熔融区域510的俯视图。在图5B的示例中，来自重叠区域的脉冲的集成的(例如，累积的)能量密度低于完全熔化所需的能量密度但是高于用于完全融化所需的能量密度。当区域510部分熔化时，固化从在熔化区域内部存留的分布的固体种子(solid seed)继续进行，导致小的等轴的晶粒结构(区域512)，而不是在完全熔化条件和连续横向固化下获得的长的且定向的晶粒。
此外，尽管现有的连续横向固化技术可以产生均匀的晶粒，但是现有技术中的晶粒大小(例如，2.5至3.5微米)显著大于通过使用更相干的固态激光器由本公开的技术可实现的0.3至1.0微米的晶粒大小。
因为波束扫描以如此高的速度进行，所以膜可以被高效地处理。此外，以该方法实施的激光器操作成本较低，并且该方法可产生较高的每瓦结晶速率。这为制造提供了低得多的每瓦成本和总体上高效的过程。
虽然其他激光结晶技术，例如在美国专利申请公开号2015/0076504“AdvancedExcimer Laser Annealing for Thin Films”中公开的准分子激光退火技术(其全部内容通过引用并入本文)，可以产生相对小的晶粒，但这些技术由于不均匀的长的线波束和发射到发射的能量波动一般不产生由所公开的方法产生的均匀的并且对于具有每英寸1,000或更多个像素的显示器所必需的晶体结构。使用所描述的技术创建的示例性显示器可以是用于虚拟现实、移动电话、个人计算机和其他更大的显示器(例如电视机)的有机发光二极管显示器。
在一些实施例中，可以以相对于膜或样品或显示屏的边缘的角形成熔融区域和相应的晶体结构。这种技术被称为相对于膜或屏幕的边缘的波束倾斜。
在一些实施例中，激光源可以是连续波激光器或电子束。在一些实施例中，可以使用波束光栅(beam rastering)方法来扫描波束。
在一些实施例中，点波束的长度可以被减小。在这些实施例中，因为点波束将具有较小的面积，所以每个脉冲将赋予被照射区域较多的能量，并且将需要较少的脉冲来使膜的给定区域完全熔化。也可以使用其他的波束形状，例如，环形形状、人字形或将会创建连续的、移动的熔融区域的其他类型的形状。在一些实施例中，也可以使用近似单脉冲方法。
在一些实施例中，为了避免边缘区域，即，具有差的晶体结构的区域(因为未以基本上使该膜熔化的足够的能量照射该区域)，扫描过程可以在将该波束定位在膜或显示屏上方之前开始，使得膜的每个产品区域经历必需的脉冲数以产生必需的晶体结构。在其他实施例中，可以在激光照射之后去除具有差的晶体结构的边缘区域。
在一些实施例中，本系统和方法也可以被用于执行部分熔化结晶过程。例如，准连续波激光器可以被用于使膜部分熔化，而不是使膜的被照射区域完全熔化。
图6描绘了根据所描述的部分熔化方法的膜600的激光照射。第一次扫描604可以在正y方向发生，导致具有宽度606的区域602的照射。为了实现部分熔化，可以通过以较大宽度606成形波束来降低总能量密度。例如，宽度606可以是约一微米到约一百微米。部分熔化方法的扫描方向604上的每个脉冲或发射的重叠可以与上述方法类似，例如，每单位面积约1-50次发射。一旦第一次扫描604完成，波束被移动以开始第二次扫描608。第二次扫描608在垂直于扫描方向的负y方向移动的区域610处开始。两次连续扫描之间的重叠可以在从约1微米到多于10微米的范围内。相应地，膜上的同一点可以得到多次扫描，例如，只有少于两次并和多达约50次扫描。
图7描绘了使用利用非常少的扫描导致非常高的结晶率的所描述的部分熔化技术处理的膜的示例性晶粒结构700。得到的高产量和低处理成本的材料可以具有小晶粒，但可能是不均匀的。然而，不均匀性可以是有些规律的，使得不规则性可以重复。例如，该膜可以具有小晶粒702的周期和稍微较大晶粒704的周期。与器件尺寸相比，不规则性可以以相似或更小的距离重复。相应地，可以使用膜上器件的最佳定位来创建均匀的薄膜晶体管。
如与连续横向固化技术一样，可以以高速率(例如，10km/s或15km/s或者至少快于15m/s)来扫描波束。这对于部分熔化技术是有利的，因为它可以消除爆发性结晶的参与并由此在没有爆发性结晶的负面影响下产生更好质量的膜。
此外，为了补偿此部分熔化方法中产生的晶粒中的一些不均匀性，可以使器件相对于被处理的材料对准和/或倾斜以改善均匀性。
本公开的另一方面涉及用于使用光纤激光器执行部分熔化结晶的方法和系统。这种技术在本文中被称为光纤激光退火或“FLA”。针对FLA的系统和技术与以上描述的部分熔化技术相似。利用高频率(例如，100-900MHz)的光纤激光器创建点波束。点波束可以比针对以上讨论的完全熔化应用形成的线波束(具有1微米的宽度)更圆。例如，点波束可以具有5、10、20或50微米的宽度，和约50微米至约1mm的高度。波束点的确切形状可以被操控以递送适当的累积能量密度量来使膜部分熔化。
此FLA方法可以产生具有图8A中描绘的晶体结构的膜。图8A描绘了根据所公开的FLA方法以最少重叠大约一次扫描处理的膜的晶体结构800。晶体结构800包括大晶粒802的周期性区域，接着是小晶粒804的周期性区域，每个周期性区域具有周期性λ。由于在y方向执行重复的扫描，但是在x方向向下移动，周期性将重复，使得重复的扫描将在x方向具有相同的晶粒结构。图8B描绘了使用所公开的FLA技术扫描的膜在x方向的晶粒大小对距离的曲线图。图8B示出了特征晶粒大小变化的周期性λgrain。
由FLA技术产生的晶粒结构可以被用于形成晶体管的有源沟道。例如，图9A描绘了在图8A中公开的晶粒结构的单个周期内形成的晶体管。源极S和漏极D可以在大晶粒附近形成，并且器件的大小可以适合在周期λ内。图9B描绘了在图8A中所示的晶粒结构的单个周期内形成的但从y轴以角θ倾斜的有源沟道AC。将晶体管放置在周期性λ内可以在具有周期性非均匀晶粒大小的膜中创建均匀的晶体管。
图10描绘了根据本公开的方面的使用四个不同点波束的FLA扫描。在此示例中，利用四个波束1002、1004、1006、1008在扫描方向1014上扫描膜。可以例如使用分束器从单个激光器获取波束并将其分成四个波束而从一个激光器创建四个点波束1002、1004、1006、1008。这可以使用镜像配置来完成。在其他实施例中，可以使用两个激光器，将每个波束分成两个以创建四个波束，或者可以使用四个单独的激光器。例如，如果使用两个激光器，每个例如150MHz激光器可以产生具有5.5ns的脉冲间隔的1ns脉冲，以提供对应于300MHz激光器的有效能量。或者，可以使用300MHz的激光器，而将波束分成四个波束。通过使用四个单独的波束，所得到的膜的微结构周期性λ可以减少一半或四分之一，这取决于可以提供有源区域内的缺陷的变化的更平均的且减小的尺度并且从而提供在膜上的整个有源区域内形成的更均匀的晶体管的技术。在这种技术中可以减少周期性，这是因为可以减少一系列四个脉冲中的每个脉冲之间的步长距离。
因为波束被分成至少一半并且有时分成四个，但仍然必须具有足够的能量来使膜部分熔化，所以点波束的大小被减小。例如，宽度1018可以保持相同，但高度1016可以被减小到约10微米至约250微米。相应地，在一些实施例中，点波束可以具有约5微米的宽度和约10微米的高度。为了使整个膜结晶，可以执行多次扫描以利用多个点波束照射整个膜。例如，图10描绘了第n次扫描1010和第N+1次扫描1012。示例性的扫描速率可以是每秒约几百到几千米。示例性扫描频率可以是大约1kHz至约10-20kHz。
对于完全熔化技术和部分熔化技术两者，本公开可以减少被处理的膜中的表面突起的数量和程度。在膜的正z方向的突起(即，膜的顶部表面)可以由结晶过程期间(在此期间Si的密度减小)被迫向上的结晶膜的固体区域完全环绕的液体中的原子引起。本发明的连续存在的熔融区域可以减少这些器件处理和性能有害的突起，这是因为由于液体原子在结晶期间更多地与熔融区域连接而它们不能被完全捕获并被固体环绕。
本文描述的主题(包括在此说明书中公开的结构手段及其结构等同物)可以以数字电子电路或者计算机软件、固件或硬件或者以其组合来实施。本文描述的主题可以被实施为一个或多个计算机程序产品，诸如有形地体现在信息载体中(例如，在机器可读存储器件中)或体现在传播信号中的用于由数据处理装置(例如，可编程处理器、计算机或者多个计算机)执行或用于控制其的操作的一个或多个计算机程序。计算机程序(也称为程序、软件、软件应用或代码)可以以任何形式的编程语言(包括编译或解释语言)来编写，并且其可以以任何形式(包括作为独立的程序或作为模块、部件、子例程或者适合在计算环境中使用的其他单元)进行部署。计算机程序不一定对应于文件。程序可以被存储在保存其他程序或数据的文件的一部分中、在专用于所探讨的程序的单个文件中、或者在多个协调的文件(例如，存储一个或多个模块、子程序或代码的部分的文件)中。计算机程序可以被部署为在一个站点处的一台计算机上或多台计算机上被执行或者跨多个站点分布并通过通信网络互连。
此说明书中的描述的过程和逻辑流(包括本文描述的主题的方法步骤)可以由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器来执行，以通过对输入数据进行操作并生成输出来执行本文描述的主题的功能。该过程和逻辑流也可以由专用逻辑电路(例如，FPGA(现场可编程门阵列)或者ASIC(专用集成电路))来执行，并且本文描述的主题的装置可以被实施为专用逻辑电路，例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)。
作为示例，适合于执行计算机程序的处理器包括通用和专用微处理器两者以及任何类型的数字计算机中的任何一个或多个处理器。一般地，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机的必要元件是用于执行指令的处理器以及用于存储指令和数据的一个或多个存储器器件。通常，计算机也将包括一个或多个用于存储数据的大容量存储器件(例如，磁盘，磁光盘或光盘)，或者被可操作地耦合以从其接收数据或向其传输数据或两者。适合于体现计算机程序指令和数据的信息载体包括非易失性存储器的所有形式，作为示例包括半导体存储器件(例如，EPROM、EEPROM和闪存器件)；磁盘(例如，内部硬盘或可移动盘)；磁光盘；以及光盘(例如，CD和DVD盘)。处理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或并入其中。
为了提供与用户的交互，本文描述的主题可以在具有用于向用户显示信息的显示器件(例如，CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示器)监视器)以及用户可以通过其向该计算机提供输入的键盘和指向器件(例如，鼠标或轨迹球)的计算机上实施。其他类型的器件也可以被用于提供与用户的交互。例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的感官反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈)，并且可以以任何形式接收来自用户的输入，包括声学、语音或触觉输入。
本文描述的主题可以以计算系统来实施，所述计算系统包括后端部件(例如，数据服务器)、中间件部件(例如，应用服务器)或前端部件(例如，具有通过其用户可以与本文描述的主题的实施方式交互的图形用户界面或网页浏览器的客户端计算机)或者此类后端、中间件和前端部件的任意组合。系统的部件可以通过数字数据通信的任何形式或介质(例如，通信网络)互连。通信网络的示例包括局域网(“LAN”)和广域网(“WAN”)，例如，互联网。
应该理解的是，所公开的主题在其应用方面并不限于在下面描述中阐述的或者在附图中示出的构造的细节和部件的布置。所公开的主题能够具有其他实施例并且能够以各种方式实践和执行。而且，应该理解的是，本文采用的措辞和术语是出于描述的目的，而不应该被认为是限制性的。
照这样，本领域的技术人员应理解的是，此公开所基于的概念可以容易地被利用作为用于实现本公开主题的若干目的的其他结构、方法和系统的设计的基础。因此，重要的是，只要其不脱离本公开主题的精神和范围，权利要求被认为包括此类等同构造。
尽管已经在前述示例性实施例中描述和示出了所公开的主题，但应该理解的是，仅通过示例的方式做出本公开并且在不脱离所公开主题的精神和范围的情况下，可以在所公开主题的实施方式的细节上做出多种变化。

Claims (34)

1.一种用于使薄膜结晶的方法，所述方法包括：
提供薄膜；
提供在所述薄膜上产生点的激光波束；
在第一方向连续地平移所述激光波束，同时通过在每个区域中施加激光脉冲而照射所述薄膜的重叠区域以生成熔融区域，每个激光脉冲在先前照射的区域已经完全固化之前被施加；
通过在重叠被照射区域的前边缘开始熔化使所述熔融区域沿所述第一方向传播；以及
允许所述熔融区域冷却和固化并且在所述区域的后边缘中形成结晶区域。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在主要垂直于所述第一方向的第二方向将所述激光波束平移第一距离；以及
在平行于所述第一方向的第三方向连续地平移所述激光波束，同时照射所述薄膜的第二重叠区域；
其中，所述第一距离短于所述波束在所述第二方向的尺寸。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括：
在主要垂直于所述第一方向的第二方向将所述激光波束平移第二距离；以及
在所述第一方向连续地平移所述激光波束，同时照射所述薄膜的第三重叠区域；
其中，所述第二距离短于所述波束在所述第二方向的尺寸。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述熔融区域是完全熔融区域。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述熔融区域是部分熔融区域。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光器是恒定频率激光器、连续波固态激光器、准连续波固态激光器、电子束和光纤激光器中的一个。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，连续脉冲之间的平移距离显著短于点在所述第一方向的尺寸。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，连续脉冲之间的平移距离略微短于点在所述第一方向的尺寸。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述波束的形状是圆形、椭圆形和矩形中的一个。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述波束在至少一个方向的空间轮廓是高斯轮廓和顶帽式轮廓中的至少一个。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光器的波长处于UV光谱或可见光谱中。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述点波束扫描的区域的长度与基板尺寸一样长。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述点波束扫描的区域的长度至少与显示屏的尺寸一样长。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光器的频率是恒定的。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，通过组合较低频率的激光源获得恒定的激光频率。
16.根据权利要求1所述的方法，
其中，脉冲能量是在0.1微焦耳与100微焦耳之间；
其中，脉冲持续时间是在0.1纳秒与10纳秒之间；以及
其中，连续脉冲之间的时间小于100纳秒。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，单个脉冲的能量不足以使所述薄膜的区域熔化。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，来自单个脉冲的波束能量密度足以使所述薄膜的区域部分熔化。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，单个脉冲的波束能量密度足以使所述薄膜的区域完全熔化。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，后续脉冲的累积能量密度足以使所述薄膜的区域部分熔化。
21.根据权利要求16所述的方法，其中，后续脉冲的累积能量密度足以使所述薄膜的区域完全熔化。
22.根据权利要求1所述的方法，其中，使用被配置为在所述薄膜上引导所述激光波束的波束扫描器来使所述激光波束前进。
23.根据权利要求1所述的方法，其中，由于完全熔化且随后主要垂直于所述第一方向进行的横向结晶生长而形成伸长的晶粒。
24.根据权利要求1所述的方法，其中，由于所述薄膜的被照射区域的不完全熔化而形成小的等轴晶粒。
25.一种用于使薄膜结晶的方法，所述方法包括：
提供薄膜；
提供在所述薄膜上产生点的激光波束；
在第一方向连续地平移所述激光波束，同时通过在每个区域中施加激光脉冲而照射所述薄膜的重叠区域以生成熔融区域，每个激光脉冲在先前照射的区域已经完全固化之前被施加；
通过在被照射区域的前边缘开始熔化使所述熔融区域沿所述第一方向传播；以及
允许所述熔融区域冷却和固化并在所述结晶区域中形成具有第一周期性的第一晶粒的周期性区域，接着形成第二晶粒的周期性区域，其中，所述第一晶粒大于所述第二晶粒。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，使用光纤激光器产生所述激光波束并且脉冲能量足以使所述薄膜部分熔化但不足以使所述膜完全熔化。
27.根据权利要求25所述的方法，还包括：
在垂直于所述第一方向的第二方向将所述激光波束平移第一距离；以及
在平行于所述第一方向的第三方向连续地平移所述激光波束，同时照射所述薄膜的第二重叠区域；
其中，所述第一距离短于所述波束在所述第二方向的尺寸；
其中，结晶区域在所述第二方向具有基本相同的晶粒结构。
28.根据权利要求27所述的方法，还包括在第一晶粒的单个周期内形成晶体管。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，以相对于所述第一方向的角度形成所述晶体管的有源沟道。
30.一种用于使薄膜结晶的系统，所述系统包括：
计算机控制的平台，其中，所述计算机控制的平台保持薄膜；以及
激光系统，其包括用于生成在所述薄膜上产生点的激光波束的激光器，所述激光系统被配置为：
在第一方向连续地平移所述激光波束，同时通过在每个区域中施加激光脉冲而照射所述薄膜的重叠区域以生成熔融区域，每个激光脉冲在相对于前一激光脉冲发生整个熔化和固化循环之前被施加；
其中，所述熔融区域沿所述第一方向传播，以创建由固体区域环绕的熔融区域后边缘；并且
其中，所述熔融区域冷却和固化并且形成结晶区域。
31.根据权利要求30所述的系统，其中，所述激光系统还被配置为：
在垂直于所述第一方向的第二方向将所述激光波束平移第一距离；以及
在与所述第一方向相反的第三方向连续地平移所述激光波束，同时照射所述薄膜的第二重叠区域；
其中，所述第一距离短于所述结晶区域中的晶体结构的横向生长长度。
32.根据权利要求31所述的系统，其中，所述激光系统还被配置为：
在垂直于所述第一方向的所述第二方向将所述激光波束平移第二距离；以及
在所述第一方向连续地平移所述激光波束，同时照射所述薄膜的第三重叠区域；
其中，所述第二距离短于所述结晶区域中的晶体结构的横向生长长度。
33.一种用于对薄膜进行处理的系统，所述系统包括：
计算机控制的平台，其中，所述计算机控制的平台保持薄膜；以及
激光系统，其包括用于生成在所述薄膜上产生点的激光波束的激光器，所述激光系统被配置为：
在第一方向连续地平移所述激光波束，同时通过在每个区域中施加激光脉冲而照射所述薄膜的重叠区域以生成熔融区域，每个激光脉冲在相对于前一激光脉冲发生整个熔化和固化循环之前被施加；
其中，所述熔融区域沿所述第一方向传播，以创建由固体区域环绕的熔融区域后边缘；并且
所述熔融区域冷却并固化并且在结晶区域中形成具有第一周期性的第一晶粒的周期性区域，接着形成第二晶粒的周期性区域，其中，所述第一晶粒大于所述第二晶粒。
34.根据权利要求34所述的系统，其中，使用光纤激光器产生所述激光波束，并且脉冲能量足以使所述薄膜部分熔化。
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