CN110998794A - 用于准分子激光硅结晶的能量控制器 - Google Patents

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Abstract

准分子激光退火设备(40)包括准分子激光器(42)，该准分子激光器将激光辐射脉冲传送到支撑在基板上的硅层(58)，该基板相对于激光脉冲平移，使得连续的脉冲在基板上重叠。监控每个激光辐射脉冲的能量，并将其发送到控制电子设备(48)，然后通过高通数字滤波器(62)调整下一个激光脉冲的能量。

Description

用于准分子激光硅结晶的能量控制器
技术领域
本发明总体上涉及使用准分子激光束的硅层的结晶。本发明尤其涉及通过连续的准分子激光脉冲的受控照射来进行硅层的反复熔化和结晶。
背景技术
平板显示器是所有当代便携式消费电子设备和大幅面电视的使能技术。硅结晶化是通常用于制造薄膜晶体管(TFT)有源矩阵液晶显示器(AMLCD)和有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示器的处理步骤。晶体硅形成半导体基板，其中显示器的电子电路通过常规的光刻工艺形成。
通常，结晶是使用激光辐射的脉冲束执行的，该脉冲束的形状为沿长度方向(长轴)具有均匀强度分布并且在整个宽度方向(短轴)上具有均匀或“礼帽式”强度分布的长线形式。在结晶过程中，玻璃基板上的非晶硅薄层(“硅膜”)通过脉冲激光辐射反复熔化，而基板和其上的硅层则相对于光源和光学器件进行扫描，输送脉冲激光辐射。通过以一定的最佳能量密度暴露于脉冲激光辐射下，反复进行熔化和再固化(再结晶)，直到在硅膜中获得所需的晶体微观结构为止。
光学元件用于在硅膜上将激光辐射的脉冲束形成一条长线。结晶发生在具有该长线激光辐射的长度和宽度的条带上。尽一切努力使脉冲激光辐射的强度沿长线保持高度均匀。为了保持晶体微观结构均匀，必须进行这种努力。脉冲激光辐射的优选来源是准分子激光器，其发射波长在电磁光谱的紫外线区域中的激光辐射。使用准分子激光脉冲的上述结晶过程通常称为准分子激光退火(ELA)。这个过程是一个微妙的过程。最佳能量密度的误差范围可能只有百分之几，甚至只有±0.5％。
在ELA的典型示例中，光束的“线长”(长轴尺寸)在约750毫米(mm)至1500mm的范围内。光束的“线宽”(短轴尺寸)约为0.4mm。脉冲激光辐射的持续时间约为50ns，脉冲重复频率约为500赫兹(Hz)，即，脉冲在时间上间隔约2毫秒(ms)。垂直于光束的长轴以一定的速率扫描基板和其上的硅层，以使得硅层上的任何位置被约20个连续脉冲照射，从而使硅层再结晶。该过程由图1A和图1B示意性地示出。
图1A示意性地示出了上述准分子激光束的典型短轴强度分布12。光束的特征在于线宽W，在此在强度分布的最大强度点的一半之间测量。箭头A表示被照射的工件(其上具有硅层的基板)的扫描方向。图1B示意性地示出了上面讨论的脉冲重叠方案，其中基板上的任何位置都被大约20个连续脉冲照射。用于成形准分子激光束的方法和设备在转让给本发明的受让人的美国专利No.7,615,722和美国专利No.7,428,039中有所描述，并且所述专利的全部公开内容通过引用合并于此。
已经开发出并正在使用用于将准分子激光器的输出监视和控制到大约上述的±0.5％公差的方法和设备。然而，仍然继续需要改善以提高的制造产量来生产大面积晶体硅层的这种方法和设备。
发明概述
本发明涉及用于通过沿入射光束路径将脉冲重复频率的多个激光脉冲传送到硅层同时使基板相对于入射光束路径平移来使支撑在基板上的硅层结晶的设备。激光脉冲具有大约平顶的强度分布和在平移方向上的宽度。选择脉冲重复频率与基板平移配合，使得连续的激光脉冲在基板上重叠。该设备包括产生和传送激光脉冲的激光发射器。每个激光脉冲具有脉冲能量。提供均质化和光束整形光学器件，并将其布置为接收激光脉冲，使激光脉冲具有大约平顶的强度分布，并将平顶的激光脉冲传送至基板。提供了激励器，其产生电脉冲并将其传送到激光发射器，以使激光发射器通电。每个电脉冲具有电脉冲能量。提供了能量监测器并将其布置为测量每个激光脉冲的脉冲能量，将测量的脉冲能量传送到控制电路，该控制电路包括数字滤波器。为控制电路提供硅层结晶所需的优选设定能量水平。控制电路和其中的数字滤波器被布置为调整下一个脉冲的电脉冲能量，以将激光脉冲的平均脉冲能量保持在设定能量水平，并且使小于脉冲重复频率的预定频率以下的激光脉冲的脉冲能量波动最小化。
附图说明
结合在说明书中并构成说明书一部分的附图示意性地示出了本发明的优选实施方案，并且与以上给出的一般描述以及下面给出的优选实施方案的详细描述一起用于解释本发明的原理。
图1A是示意性地示出了用于硅结晶的典型的现有技术的准分子激光脉冲的短轴强度分布的曲线图。
图1B示意性地示出了图1A的连续重叠的激光脉冲的典型的现有技术布置。
图2是示意性地示出由现有技术方法控制的假设准分子激光器的作为脉冲数的函数的激光脉冲能量的相对偏差的曲线图。
图3是示意性地示出图2的脉冲能量偏差的强度谱的曲线图，以图形方式描绘了作为频率函数的激光器的脉冲能量不稳定性。
图4是对于由现有技术方法控制的激光器而言对于图2的相对脉冲能量偏差，作为沿着基板的长度的函数的基板上的能量剂量的相对偏差的曲线图，具有图1A的强度分布的激光脉冲以图1B的重叠方式传送。
图5是示意性地示出图4的相对能量-剂量偏差的快速傅立叶变换谱的曲线图，以图形方式描绘了作为空间频率的函数的基板上的能量-剂量变化。
图6是示意性地示出了通过根据本发明的方法控制的假设准分子激光器的作为脉冲数的函数的激光脉冲能量的相对波动的曲线图，其中，低频脉冲能量波动使用高通数字滤波器去除。
图7是示意性地示出图6的脉冲能量波动的快速傅立叶变换频谱的曲线图，以图形方式描绘了作为频率的函数的脉冲能量不稳定性。
图8是对于由高通数字滤波方法控制的激光器而言对于图6的相对脉冲能量波动，作为沿着基板的长度的函数的能量剂量的相对变化曲线图，具有图1A的强度分布的激光脉冲以图1B的重叠方式传送。
图9是示意性地示出图8的相对能量-剂量变化的快速傅立叶变换谱的曲线图，以图形方式描绘了作为空间频率的函数的基板上的能量-剂量变化。
图10示意性地示出了根据本发明的准分子激光退火设备的优选实施方案，其被配置为在图1A和图1B的准分子激光结晶过程实现图6的高通滤波器能量控制方法。
发明详述
为了得到本发明的方法和设备，对准分子激光输出的现有技术能量控制进行了分析。对具有图1A的分布的多个激光脉冲进行了分析，连续的激光脉冲以图1B的重叠方式传送。特别地，进行了这种激光能量控制对施加于上述平移的硅层的辐射剂量的稳定性的影响。下文参考图2、图3、图4和图5阐述该分析的详细描述。
图2是示意性地示出了对于由现有技术方法控制的假设准分子激光器，作为脉冲数的函数的激光脉冲能量相对于期望脉冲能量的相对偏差的曲线图(曲线14)。该曲线图是使用随机数生成器以数学方式生成的，用于模拟脉冲间能量偏差，从而使偏差频谱具有恒定强度。假定激光器具有期望的脉冲能量1000毫焦耳(mJ)，脉冲以500Hz的脉冲重复频率(PRF)传送，即对应于2ms的瞬时脉冲间间隔。还假设激光脉冲能量与期望值的标准偏差为1％。
图3是示意性地示出针对图2的相对偏差的快速傅立叶变换(FFT)频谱的强度的曲线图。该曲线图显示了假设激光器的脉冲能量不稳定性随直至500Hz的激光器PRF的频率的变化(曲线16)。在这种情况下，可以看出，不稳定性的强度与频率无关，具有0.01(1％)的值。
认为平移的结晶硅层上的脉冲能量稳定性对于ELA工艺最重要，图2的曲线图转换为图4的曲线图，图4的曲线图是作为沿着退火的基板支撑的硅层的长度的函数的能量剂量(能量密度)偏差的曲线图(曲线18)。在本说明书和所附的权利要求书中，术语“在基板上”是指在由基板支撑的硅层上。
假定在生成图4的曲线图时，脉冲具有图1A的大约平顶的强度分布并且图1B中的重叠方式传送。优选的ELA工艺的平顶强度分布的宽度W在约0.4mm至约0.5mm的范围内，硅层相对于激光束的平移速度S在约每秒5毫米(mm/s)至约10mm/s的范围内，并用15至25个连续脉冲照射基板上的每个位置。在生成图4中，宽度W被假定为0.5mm，并且平移速度S被假定为10mm/s。假定的宽度和平移速度对应于用25个连续脉冲照射基板上的每个位置。在图2中可以看出，空间能量-剂量偏差被限制在约±0.005(±0.5％)的范围内，远小于脉冲间能量偏差。这是在空间上重叠各个平顶脉冲的预期效果，这导致基板上每个位置的脉冲间不稳定性平均化。
图5是示意性地示出针对图4的能量-剂量偏差的FFT频谱的强度的曲线图(曲线20)。该曲线图提供了作为空间频率的函数的被照射的硅层上能量剂量变化的指示，单位为倒数毫米(1/mm)。这种变化在很大程度上取决于空间频率小于10/mm的空间频率。能量剂量变化的最大贡献是在小于1/W的空间频率上，对于W的假定值，该空间频率为2/mm。该空间频率范围对应于图3的脉冲能量不稳定性曲线图中的时间频率范围，小于20Hz。也就是说，1/W乘以S，在这种情况下为2/mm x 10mm/s＝20Hz。
假设如果从FFT频谱中滤除频率小于60Hz，即小于3x 20Hz的脉冲能量波动，则应显着降低沿被结晶的硅层的能量剂量变化。总体而言，尽管脉冲能量不稳定性可能会增加，但硅层对重叠的平顶脉冲的暴露会更均匀。
图6是示意性地示出了针对根据本发明进行控制的图2表征的假设激光器而言脉冲能量波动随脉冲数量变化的曲线图(曲线22)，其中具有低于约60Hz的频率的脉冲能量波动已经由高通数字滤波器去除。该曲线以类似于用于产生图2的曲线图的方式数学地产生，但使用高通数字滤波器转换数据。在这种情况下，数字滤波器是六阶椭圆形滤波器。可以看出，作为高通数字滤波的结果，最大的脉冲能量波动大于图2的未滤波情况。图6中波动的标准偏差约为1.9％，而未经滤波的情况为1％。
图7是示意性地示出针对图6的曲线图的脉冲能量波动的FFT频谱的强度的曲线图(曲线24)。该曲线图描述了脉冲能量的不稳定性与由高通数字滤波产生的频率的关系。可以看出，在小于60Hz和大于440Hz的频率下，脉冲能量的不稳定性已大大降低。然而，这是以在其他频率下脉冲能量不稳定性的显着增加为代价的。在此应注意，曲线24的对称性是FFT频谱表示的特征。
图8是示意性地示出由本发明的高通数字滤波方法控制的假想激光所传送的，的能量剂量随沿着基板的长度变化的曲线图(曲线26)。该曲线图是由图6的脉冲能量波动产生的，使用用于生成现有技术的未滤波示例的图4的曲线图的上述假设。可以看出，与图2的现有技术示例相比，能量-剂量变化被显着减小。即使激光输出的脉冲能量不稳定性差了大约两倍，基板上的能量剂量变化也比现有技术的示例提高了5倍以上。
图9是示意性地示出用于图8的能量剂量变化的FFT频谱的强度的曲线图(曲线28)。此曲线图描述了由于高通数字滤波导致的能量剂量不稳定性随空间频率的变化。可以看出，在空间频率小于约5/mm时，强度如预期的那样大大降低。
这里应当注意，尽管以上将高通数字滤波描述为使用六阶椭圆滤波器来执行，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以使用其他高通滤波器。其他可能的滤波器包括1型切比雪夫滤波器、2型切比雪夫滤波器和巴特沃思滤波器。包括自适应滤波器的类似滤波器可以单独使用或组合使用。
图10示意性地示出了根据本发明的准分子激光退火设备的优选实施方案40，其被配置为在图1A和1B的准分子激光结晶过程中实现图6的高通滤波器能量控制方法。在图中，光束路径用细线表示，而电气路径用粗线表示。仅提供这样的细节以用于理解以上讨论的本发明的原理。准分子激光器的一般细节在本领域中是众所周知的，并且在此不给出其详细描述。参见，例如，美国专利号6,727,731和美国专利申请号20130034118，其各自通过引用并入本文。
设备40包括用于产生激光脉冲的气体放电(准分子)激光发射器42。激光发射器42具有放电电极和谐振器光学器件(未示出)。放电电极由激励器46产生的电脉冲44激励。激励器46具有脉冲形成和脉冲压缩电路(未示出)。控制电路48调节由激励器产生并传送到放电电极的电脉冲能量。特别地，控制电路48调节由激励器产生的电压，以对放电电极充电。通过控制信号50进行电压调节。
控制电路48试图将激光输出保持在用于结晶过程的优选设定能量水平。设定能量水平可以作为预定水平手动地提供给控制电路，或者可以从过程监测器(未示出)定期地提供。该过程监测器通过评估设备40正在处理的硅层和基板来确定所需的设定能量水平。
响应于来自激励器46的电脉冲，激光发射器42以期望的PRF沿着光束路径52传送一系列激光脉冲。PRF的优选范围是300Hz至600Hz。PRF的最优选范围是450Hz至600Hz。激光脉冲被传送到均化和光束整形光学器件54，其使激光脉冲具有图1A中所示的短轴强度分布。这些激光脉冲沿着入射光束路径56传送到支撑在基板60上的硅层58。基板沿箭头A所示的方向相对于入射光束路径56平移。平移速度选择为与激光脉冲的PRF相一致，产生图1B的重叠脉冲布置。
控制电路48包括数字滤波器62，为了便于说明，其在图10中示出为离散实体。实际上，数字滤波器62被集成到控制电路48中。分束器64将每个激光脉冲的一部分沿着光束路径66引导到能量监测器68。例如，该部分可以是大约3％。能量监测器68测量每个激光脉冲的能量，并将测量的能量值70提供给控制电路48。知道先前脉冲的测量能量值70以及对控制信号50的任何先前调整后，控制电路48和其中的数字滤波器62调整用于下一个激光脉冲的控制信号50，以使在一系列激光脉冲的预定频率以下的脉冲能量波动最小化。预定频率小于由激光发射器42传送的脉冲的PRF。
如上文所指出的，使用数字滤波器62对控制信号50的调整将脉冲能量波动增加到预定频率以上。但是，控制电路48仍将激光脉冲的平均能量保持在设定的能量水平。另外，连续激光脉冲的空间重叠仍使基板上每个位置处的总照射平均化，从而减轻了在较高频率下增加的脉冲能量波动对结晶过程的任何影响。
需要记住的是，较低的时间频率对应于较长的时间段，因此对应于沿平移方向的较长的距离，应注意，数字滤波器62不仅仅是应用于测量的能量值70的高通滤波器。这种高通滤波器实际上将消除确定对控制信号50的所需调整所需的来自光束路径52的低频脉冲能量反馈。数字滤波器62也不仅仅是应用于控制信号50的高通滤波器。这种高通滤波器将防止控制电路48将电脉冲44调节到补偿激励器46的输出特性或激光发射器42的效率中的任何缓慢漂移所需的低频。相反，控制电路48确定在对先前脉冲的脉冲能量的完全了解的情况下对控制信号50的所需调整，仅受能量监测器68的保真度限制。然后，控制电路48应用该调整来调节电脉冲44，仅受激励器46的敏捷性限制。
还应注意，对控制信号50的所需调整是使低频脉冲能量波动最小化并将平均脉冲能量维持在设定能量水平所需的调整，这在大多数情况下与使下一个脉冲的脉冲能量与设定能量水平匹配所需的调整不同。在上文中描述的本发明的最简单的实现中，将最小化低频脉冲能量波动所需的调整应用于下一个脉冲。本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，更复杂的实现方式是可能的。例如，对多个下一个激光脉冲应用调整。
总而言之，本发明通过最小化传送到硅层的一系列激光脉冲中的低频脉冲能量波动来最小化准分子激光结晶过程中的低频空间变化。上面参考优选实施方案和其他实施方案描述了本发明。然而，本发明不限于在此描述和描绘的实施方案。而是，本发明仅由所附权利要求书限制。

Claims (20)

1.设备，其通过沿入射光束路径将脉冲重复频率的多个激光脉冲传送到硅层同时使基板相对于入射光束路径平移来使支撑在基板上的硅层结晶，该激光脉冲具有大约平顶的强度分布和平移方向的宽度，选择脉冲重复频率与基板平移配合，以使连续的激光脉冲在所述基板上重叠，该设备包括：
激光发射器，其产生并传送激光脉冲，每个激光脉冲具有脉冲能量；
均质化和光束整形光学器件，其布置成用于接收激光脉冲，使激光脉冲具有大约平顶的强度分布，并将平顶的激光脉冲传送到基板；
激励器，其产生电脉冲并将其传送到激光发射器，以使激光发射器通电，每个电脉冲具有电脉冲能量；
能量监测器，其布置成测量每个激光脉冲的脉冲能量，将所测量的脉冲能量传送到包括数字滤波器的控制电路，该控制电路被提供了硅层结晶所需的优选设定能量水平，该控制电路以及其中的数字滤波器被布置用于调节下一脉冲的电脉冲能量，以将激光脉冲的平均脉冲能量保持在设定的能量水平，并使小于脉冲重复频率的预定频率以下的激光脉冲的脉冲能量波动最小化。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述数字滤波器包括椭圆滤波器、1型切比雪夫滤波器、2型切比雪夫滤波器和巴特沃思滤波器中的一个。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其中，所述激光发射器是准分子激光发射器。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述控制电路调节由所述激励器产生的电压，以对所述准分子激光发射器中的电极充电。
5.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述脉冲重复频率在300赫兹至600赫兹的范围内。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述脉冲重复频率在450赫兹至600赫兹的范围内。
7.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述数字滤波器经布置以最小化小于约60赫兹的激光脉冲的脉冲能量波动。
8.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，传送到所述硅层的所述脉冲在所述平移方向上的宽度在0.4毫米至0.5毫米的范围内。
9.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述基板相对于所述入射光束路径以每秒5毫米至每秒10毫米的速度移动。
10.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，选择脉冲重叠，以使所述基板上的任何位置被15至25个连续脉冲照射。
11.根据任一前述权利要求所述的设备，还包括过程监测器，由所述过程监测器周期性地将设置的能量水平提供给所述控制电路，所述过程监测器评估正在结晶的硅层。
12.使支撑在基板上的硅层结晶的方法，包括：
使用激光发射器产生并传送多个激光脉冲，所述激光脉冲具有脉冲重复频率，每个激光脉冲具有脉冲能量，通过由激励器产生和传送的电脉冲使所述激光发射器通电，所述电脉冲具有电脉冲能量；
使从所述激光发射器接收到的激光脉冲均质化并进行光束整形，以使激光脉冲具有大约平顶的强度分布；
沿入射光束路径将平顶的激光脉冲传送到硅层，同时相对于入射光束路径平移基板，所述激光脉冲在平移方向上具有宽度，选择所述脉冲重复率与基板平移配合，使得连续的激光脉冲在基板上重叠；
测量每个激光脉冲的脉冲能量；
将所测量的脉冲能量传送给包括数字滤波器的控制电路，该控制电路被提供有硅层结晶所需的优选设定能量水平；
调整下一个激光脉冲的电脉冲能量，以将激光脉冲的平均脉冲能量维持在设定能量水平，并使得小于脉冲重复频率的预定频率以下的激光脉冲的脉冲能量波动最小化。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述调整是使用椭圆滤波器、1型切比雪夫滤波器、2型切比雪夫滤波器和巴特沃思滤波器中的一个来执行的。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的方法，其中，所述激光发射器是准分子激光发射器。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述控制电路调节由所述激励器产生的电压，以对所述准分子激光发射器中的电极充电。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的方法，其中，所述脉冲重复频率在450赫兹至600赫兹的范围内。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，其中，所述数字滤波器被布置为最小化小于约60赫兹的激光脉冲的脉冲能量波动。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的方法，其中，传送到所述硅层的所述脉冲在所述平移方向上的宽度在0.4毫米至0.5毫米的范围内。
19.根据权利要求12至18中任一项所述的方法，其中，所述基板相对于入射光束以每秒5毫米至每秒10毫米的速度平移。
20.根据权利要求12至19中任一项所述的方法，其中，选择脉冲重叠，以使所述基板上的任何位置被15至25个连续脉冲照射。
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