CN109742042A - 低温多晶硅的激光退火装置和退火方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种低温多晶硅激光退火装置和退火方法，所述激光退火结晶装置依次包括：激光源，透镜组，微透镜阵列掩模，微透镜阵列，TFT掩模以及运输载台；其中，透镜组用于将激光源发出的激光束转换为光强均匀的线平行光，微透镜阵列掩模用于对照射到阵列基板的激光束的光束形状整形，运输载台用于承载制作低温多晶硅TFT阵列基板，微透镜阵列用于使激光聚光到加载的非晶硅薄膜上，TFT掩模用于形成遮挡图案。根据本申请实施例的低温多晶硅激光退火装置，增加了MLA掩模设计和微透镜阵列的灵活性以及TFT设计和工艺的灵活性。

Description

低温多晶硅的激光退火装置和退火方法

技术领域

本公开一般涉及显示技术领域，具体涉及低温多晶硅的制作领域，尤其涉及低温多晶硅的激光退火装置和退火方法。

背景技术

低温多晶硅(LTPS)晶体管可以为液晶显示器和AMOLED的背板提供显示驱动，LTPSTFT的载流子迁移率可以高达100cm²/V﹒s，虽然具有较大的开态电流，但是由于多晶硅晶界缺陷等原因，其关态电流比非晶硅TFT要大。漏电流的增加导致多晶硅功耗增大、整体器件的显示闪烁等显示不良问题发生。

另一方面，在传统的MLA(微透镜阵列)激光退火结晶设备中，MLA掩模设计和微透镜阵列的排列一般都固定下来，从而匹配激光光路的设计以达到激光照射的均匀性。对于TFT量产中经常变化的产品尺寸、显示面板分辨率以及像素设计，需要重新更换MLA掩模和微透镜排列组合，来匹配符合新的像素设计，导致设备和工艺调试时间加长。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于上述问题，本申请提供一种低温多晶硅激光退火装置，所述激光退火结晶装置依次包括：激光源，透镜组，微透镜阵列掩模，微透镜阵列，TFT掩模以及运输载台；其中，

透镜组用于将激光源发出的激光束转换为光强均匀的线平行光，

微透镜阵列掩模用于对照射到阵列基板的激光束的光束形状整形，

运输载台用于承载制作低温多晶硅TFT的阵列基板，

微透镜阵列用于使激光聚光到阵列基板的非晶硅薄膜上，

TFT掩模用于形成遮挡图案。

根据本申请实施例的低温多晶硅激光退火装置，通过在微透镜阵列出光侧增加TFT掩模，从而增加了MLA掩模设计和微透镜阵列的灵活性，通过TFT掩模控制激光照射的区域，控制低温多晶硅的结晶区域，增加了TFT设计和工艺的灵活性。

根据本申请的具体实施方式，所述TFT掩模是负性光刻胶制作的多晶硅掩模。

根据本申请的具体实施方式，所述多晶硅掩模的掩模图案与LTPS TFT工艺的多晶硅掩模互补。

根据本申请的具体实施方式，所述TFT掩模使用源漏电极掩模，其与LTPS TFT工艺的源漏电极掩模的图案一致。

根据本申请的具体实施方式，所述TFT掩模使用栅极掩模，其与LTPS TFT工艺的源漏电极掩模的图案互补。

根据本申请的具体实施方式，所述TFT掩模使用AMOLED工艺的多晶硅掩模。

根据本申请的具体实施方式，所述激光退火装置还包括掩模固定机构、掩模更换机构和掩模升降机构，掩模固定机构和掩模更换机构为一体结构，用于固定和更换不同图案的TFT掩模，掩模升降机构用于升降TFT掩模。

根据本申请的具体实施方式，所述激光退火装置还包括激光测距仪和激光测平器，均安装在掩模固定结构上，用于控制掩模升降机构的运动，使得TFT掩模和非晶硅薄膜表面的距离在5～50微米之间。

根据本申请的具体实施方式，所述掩模升降机构的运动范围具有第一阈值H_th，使得满足：

H_th＝R_gun+d_class+d_a-Si+S_max，

其中S_max为可允许的TFT掩模和非晶硅薄膜表面之间间距的最大值，R_gun是预先输入的运输辊的直径，d_class是基板厚度，d_a-Si是非晶硅薄膜厚度。

根据本申请的具体实施方式，所述掩模升降机构运动的运动具有第二阈值P，使得激光测平器的探测器接收信号强度和发射激光强度的比值位于第二阈值P以内。

附图说明

参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。

图1示出根据本申请一个实施例的低温多晶硅激光退火装置的第一截面示意图；

图2示出图1实施例的低温多晶硅激光退火装置的第二截面示意图；

图3示出本发明所使用的一个LTPS TFT阵列基板的平面示意图；

图4示出本发明所使用的一个微透镜阵列的平面示意图；

图5示出根据本发明一个实施例的MLA掩模的平面示意图；

图6示出本发明的微透镜阵列和MLA掩模开口在阵列基板上的投影的平面示意图；

图7示出根据本发明一个实施例的TFT掩模的平面示意图；

图8示出根据本发明另一实施例的TFT掩模采用源漏电极掩模的平面示意图；

图9示出根据本发明又一实施例的TFT掩模采用栅极掩模的平面示意图；

图10示出根据本发明再一实施例的TFT掩模采用AMOLED的多晶硅掩模的平面示意图；

图11示出与图10图案互补的实施例的多晶硅掩模的平面示意图；

图12示出根据本发明又一个实施例的微透镜阵列的示意图；

图13示出根据一个实施例的低温多晶硅激光退火方法的流程图。

符号说明：

1 准分子激光源 2 光束扩展器 3 光强均化器

4 聚光透镜(组) 5 平行光 6 MLA掩模

7 透明基板 8 微透镜阵列 9 TFT掩模

10 非晶硅薄膜 11 阵列基板 12 运输辊

13 运输载台 15、16–对准机构 17 固定/更换机构

18 激光测平器 19 掩模升降机构 20 激光测距仪

30 栅线 31 数据线

40 微透镜阵列 41 微透镜

50 MLA掩模 51 不透光区域 52 开口

60 微透镜阵列 61 微透镜 62 MLA掩模开口

70 TFT掩模 71 不透光区域

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

图1示出根据本申请一个实施例的低温多晶硅激光退火装置的第一截面示意图。图2示出图1实施例的低温多晶硅激光退火装置的第二截面示意图。该低温多晶硅激光退火结晶装置依次包括：准分子激光源1，透镜组4，微透镜(MLA)阵列掩模6，微透镜阵列8，TFT掩模9以及运输载台13；其中，透镜组用于将激光源发出的激光束转换为光强均匀的线平行光，微透镜阵列8掩模用于对照射到阵列基板11的激光束的光束形状整形，运输载台13用于加载制作低温多晶硅TFT的非晶硅薄膜10和阵列基板11，微透镜阵列8用于使激光聚光到加载的非晶硅薄膜10上，TFT掩模9用于形成遮挡图案，控制激光退火照射区域和低温多晶硅结晶区域。

如图1所示，透镜组包括光束扩展器2、光强均化器3和聚光透镜4，利用光束扩展器2将准分子激光源1射出的激光扩展为线光源，准分子激光源1可以发射300Hz频率、波长分别为193nm、248nm、308nm和351nm的激发态激光。光强均化器3是调整线态激光强度的部件，使得激光光强沿整个光束可以保持95％以上的均匀性，透过光强均化器的激光由聚光透镜4形成平行线性光5照射MLA掩模6。

微透镜阵列8是在透明基板7上配置许多微透镜的部件，它使激光聚光到作为被照射阵列基板11的非晶硅薄膜上10，形成低温多晶硅TFT。透明基板7与形成非晶硅薄膜的阵列基板11平行配置，微透镜配置的数量和间距与被激光照射的阵列基板11的像素间距相对应。在聚光透镜和微透镜阵列的透明基板之间还有MLA掩模6，使得聚光透镜出射的平行光5先经过MLA掩模6所构成的遮光部件，再进入微透镜8。利用该遮光部件可以将被微透镜8聚光后照射阵列基板11的激光束的光束形状整形为圆形、或者矩形、或者其它形状，其作用是保证形成低温多晶硅的区域具有均匀光强的激光照射，即利用微透镜有选择地照射形成TFT沟道的预定区域。

根据本申请实施例的低温多晶硅激光退火装置，通过在微透镜阵列8出光侧增加TFT掩模9，从而增加了MLA掩模6设计和微透镜阵列8的灵活性，通过TFT掩模9控制激光照射的区域，控制低温多晶硅的结晶区域，增加了TFT设计和工艺的灵活性。

阵列基板11被安置在运输载台13上，且由运输辊12移动，使得阵列基板11所有需要形成TFT的区域都可以被激光照射，其在图1中可左右移动，在图2中可垂直于纸面向内外移动。在运输载台13和固定微透镜阵列8的透明衬底7的固定机构上，分别设置光学对准机构15和16，通过光学对准微透镜阵列8和非晶硅薄膜10以及阵列基板11的相对位置，保证阵列基板11形成TFT的位置精准度。

如图1和图2所示，在微透镜出射光照射至非晶硅薄膜10以及阵列基板11之前，还经过一道TFT掩模9。TFT掩模9被连接掩模升降结构19的固定机构17所固定，掩模固定机构和掩模更换机构17为一体结构，使得TFT掩模可以被更换为不同图案的TFT掩模9。在掩模固定机构上安装有激光测距仪20和激光测平器18，激光测平器18包括激光光源和探测器，它们用于控制掩模升降机构19运动，使得TFT掩模9和基板的非晶硅薄膜10表面的距离在5～50微米之间。

更进一步地，根据预先输入的运输辊12的直径R_gun、阵列基板11的厚度d_class和非晶硅薄膜10的厚度d_a-Si，在接收激光测距数据和控制掩模升降机构19的控制系统中设定TFT掩模升降第一阈值H_th，使得

H_th＝R_gun+d_class+d_a-Si+S_max，

其中S_max为可允许的TFT掩模9和非晶硅薄膜10表面之间间距的最大值；采用H_th控制升降机构运动使得激光测距仪20反馈数据在H_th之内，这构成调节升降机构19的升降运动的粗调机制。激光测平器18的激光源发射的激光被探测器所接收，其中激光束的一部分被非晶硅薄膜10遮挡、或者折射、或者反射而不能进入探测器，在控制系统上设定第二阈值P，根据探测器接收信号强度和发射激光强度的比值与第二阈值P的大小关系，微调升降机构使得非晶硅薄膜和基板上下微移，使得探测器接收信号强度和发射激光强度的比值位于第二阈值以内，这构成精确调节升降机构19的升降运动的精调机制。例如，可以根据具体情况将P设置为50％，70％，80％。

图3示出本发明一个实施例使用的LTPS TFT阵列基板的平面示意图，包括沿水平方向的栅线30和垂直方向的数据线31，相邻栅线30和数据线31的交叉区域定义了像素区。相邻栅线的间距为Y，相邻数据线的间距为X。

图4是本发明一个实施例使用的微透镜阵列40的平面示意图，它包括沿阵列基板水平方向排列和沿阵列基板垂直方向排列的多个微透镜41，相邻微透镜41沿水平方向的间距等于阵列基板相邻数据线的间距X，相邻微透镜41沿垂直方向的间距等于阵列基板相邻栅线的间距Y，微透镜41在透明衬底上投影的半径为R。

图5示出本发明一个实施例使用的MLA掩模50的平面示意图，黑色为不透光区域51，MLA掩模的遮光部件包括沿阵列基板水平方向排列和沿阵列基板垂直方向排列的多个开口52，相邻开口沿水平方向的间距等于阵列基板相邻数据线的间距X，相邻开口沿垂直方向的间距等于阵列基板相邻栅线的间距Y，本发明实施例中提供的开口为圆形结构，开口在透明衬底上投影的半径为r。本实施例中设定的r/R比值大于等于80％。根据本申请其他实施例的MLA掩模的开口还可以有其它形状，比如矩形、正方形、梯形等，开口面积一般小于微透镜在透明衬底上的投影面积。

图6示出根据本发明一个实施例的微透镜阵列60和MLA掩模开口62在阵列基板上的投影的平面示意图。如图6所示，一般设置微透镜61与像素区相对应，MLA掩模开口62与微透镜61一一对应，且MLA掩模开口62的面积小于微透镜61的投影面积。

图7示出根据本发明一个实施例的TFT掩模70，其图案采用现有LTPS TFT工艺中多晶硅掩模的互补图案，作为本发明激光退火装置的TFT掩模使用。其中黑色区域为不透光区域71，此多晶硅掩模可以由负性光刻胶制作形成，与现有LTPS TFT光刻工艺的多晶硅掩模的图案互补。从微透镜出射的激光经过TFT掩模，照射至基板上非晶硅薄膜的部分区域，结晶形成低温多晶硅。

TFT掩模70可以是负性光刻胶制作的多晶硅掩模，与现有LTPS TFT工艺的多晶硅掩模互补；或如以下其它具体实施例，直接使用现有LTPS TFT工艺的源漏电极掩模版；或者是负性光刻胶制作的栅极掩模板，与现有LTPS TFT工艺的栅极掩模互补。

这里，通过使用不同的TFT掩模，控制激光退火照射区域和低温多晶硅结晶区域，保持低温多晶硅高迁移率和大的开态电流，同时降低关态电流，从而降低功耗和减少闪烁的显示不良。

相对于现有技术的MLA，本发明实施例在微透镜出光侧增加了TFT掩模，从而增加了MLA掩模设计和微透镜阵列的灵活性；通过TFT掩模控制激光照射的区域，控制低温多晶硅的结晶区域，增加了TFT设计和工艺的灵活性。本发明的微透镜尺寸和排列不受TFT设计和像素尺寸限制，可以在多种分辨率和不同TFT设计的阵列基板上使用。

图8示出本发明的另一实施例的TFT掩模采用源漏电极掩模的平面示意图。MLA激光退火装置使用源漏电极掩模作为TFT掩模，它与LTPS TFT光刻工艺所使用的源漏电极掩模的图案一致。在基板上沉积一层非晶硅薄膜，使用MLA装置激光照射基板，使得部分区域的非晶硅薄膜结晶形成低温多晶硅。

图9示出又一实施例的TFT掩模采用栅极掩模的平面示意图。MLA激光退火装置使用栅极掩模作为TFT掩模，黑色为不透光区域，可以由负性光刻胶制作形成，它与LTPS TFT光刻工艺所使用的源漏电极掩模的图案互补。在基板上沉积一层非晶硅薄膜，使用MLA装置激光照射阵列基板，使得部分区域的非晶硅薄膜结晶形成低温多晶硅。

图10示出TFT掩模采用AMOLED的多晶硅掩模的示意图。本发明的MLA激光退火装置还可以用于AMOLED显示面板的制造。

也可以使用图案互补的多晶硅掩模作为MLA激光退火装置的TFT掩模，图11示出与图10图案互补的实施例的多晶硅掩模的平面示意图，它与LTPS TFT光刻工艺所使用的多晶硅掩模图案互补。MLA激光照射使用的AMOLED的多晶硅掩模版可以由负性光刻胶制作形成，其中黑色为不透光区域。

本发明的微透镜尺寸和排列不受TFT设计和像素尺寸限制，可以在多种分辨率和不同TFT设计的阵列基板上使用。本发明也可以使用其它尺寸的微透镜和其它的排布方式。微透镜尺寸可以根据激光能量而调整，如图12所示的微透镜阵列，优化多晶硅的结晶质量和特性。一般设置激光扫描步长：<＝0.5*pixel pitch(像素间距)。

根据上述实施例，本申请还提供一种低温多晶硅的激光退火方法，如图13所示，包括以下步骤：

S100：将激光源发出的激光束转换为光强均匀的线平行光；

S110：利用微透镜阵列掩模对照射到阵列基板的激光束的光束形状整形；

S120：在激光聚光照射到非晶硅薄膜之前，利用TFT掩模形成遮挡图案，控制激光退火照射区域和低温多晶硅结晶区域；

S130：将制作低温多晶硅TFT的非晶硅薄膜和阵列基板加载到运输载台上；

S140：使激光聚光到加载的非晶硅薄膜上。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种低温多晶硅激光退火装置，其特征在于，所述激光退火结晶装置依次包括：激光源，透镜组，微透镜阵列掩模，微透镜阵列，TFT掩模以及运输载台；其中，

透镜组用于将激光源发出的激光束转换为光强均匀的线平行光，

微透镜阵列掩模用于对照射到阵列基板的激光束的光束形状整形，

运输载台用于承载制作低温多晶硅TFT的阵列基板，

微透镜阵列用于使激光聚光到所述阵列基板上的非晶硅薄膜上，

TFT掩模用于形成遮挡图案。

2.根据权利要求1所述的激光退火装置，其特征在于，所述TFT掩模是负性光刻胶制作的多晶硅掩模。

3.根据权利要求2所述的激光退火装置，其特征在于，所述多晶硅掩模的掩模图案与LTPS TFT工艺的多晶硅掩模图案互补。

4.根据权利要求3所述的激光退火装置，其特征在于，所述TFT掩模使用源漏电极掩模，其与LTPS TFT工艺的源漏电极掩模的图案一致。

5.根据权利要求3所述的激光退火装置，其特征在于，所述TFT掩模使用栅极掩模，其与LTPS TFT工艺的源漏电极掩模的图案互补。

6.根据权利要求3所述的激光退火装置，其特征在于，所述TFT掩模使用AMOLED工艺的多晶硅掩模。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的激光退火装置，其特征在于，所述激光退火装置还包括掩模固定机构、掩模更换机构和掩模升降机构，掩模固定机构和掩模更换机构为一体结构，用于固定和更换不同图案的TFT掩模，掩模升降机构用于升降TFT掩模。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的激光退火装置，其特征在于，所述激光退火装置还包括激光测距仪和激光测平器，均安装在掩模固定结构上，用于控制掩模升降机构的运动，使得TFT掩模和非晶硅薄膜表面的距离在5～50微米之间。

9.根据权利要求8所述的激光退火装置，其特征在于，其中所述掩模升降机构的运动范围具有第一阈值H_th，使得满足：

H_th＝R_gun+d_class+d_a-Si+S_max，

其中S_max为可允许的TFT掩模和非晶硅薄膜表面之间间距的最大值，R_gun是预先输入的运输辊的直径，d_class是基板厚度，d_a-Si是非晶硅薄膜厚度。

10.根据权利要求8所述的激光退火装置，其特征在于，其中所述掩模升降机构运动的运动具有第二阈值P，使得激光测平器的探测器接收信号强度和发射激光强度的比值位于第二阈值P以内。

11.一种低温多晶硅的激光退火方法，使用根据权利要求1-10所述的激光退火装置，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

所述激光退火装置将激光源发出的激光束转换为光强均匀的线平行光；

利用微透镜阵列掩模对照射到阵列基板的激光束的光束形状整形；

在激光聚光照射到非晶硅薄膜之前，利用TFT掩模形成遮挡图案；

将制作低温多晶硅TFT的阵列基板加载到运输载台上；

使激光聚光到非晶硅薄膜上。