CN111273436A - 激光照射方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光照射方法包括：第一扫描，其中通过使用点激光束沿Y方向移动基板的表面上的激光照射区域，在具有X方向上的宽度和Y方向上的长度的第一区域中扫描激光束；以及第二扫描，其中通过使用点激光束沿Y方向移动基板的表面上的激光照射区域，在具有X方向上的宽度和Y方向上的长度的第二区域中扫描激光束。第二区域的中心与第一区域的中心在X方向上间隔开。

Description

激光照射方法
技术领域
示例性实施例涉及激光照射方法以及用于该激光照射方法的激光照射装置。更具体地，示例性实施例涉及用于形成多晶硅的激光照射方法，以及用于该激光照射方法的激光照射装置。
背景技术
近来，已经制造出具有轻重量和小尺寸的显示装置。由于性能和有竞争力的价格，阴极射线管(CRT)显示装置已经被使用。然而，CRT显示装置在尺寸或可携带性方面有弱点。因此，诸如等离子体显示装置、液晶显示装置和有机发光显示装置的显示装置由于尺寸小、重量轻和功耗低而受到高度重视。
显示装置可以包括薄膜晶体管的有源图案，有源图案包括多晶硅。可以通过将准分子激光照射到非晶硅层使非晶硅层结晶来形成多晶硅。
发明内容
实施例涉及用于在设置于由X方向和垂直于X方向的Y方向形成的平面中的基板的表面上进行扫描的激光照射方法。激光照射方法包括：第一扫描，其中通过使用点激光束沿Y方向移动基板的表面上的激光照射区域，在具有X方向上的宽度和Y方向上的长度的第一区域中扫描激光束；以及第二扫描，其中通过使用点激光束沿Y方向移动基板的表面上的激光照射区域，在具有X方向上的宽度和Y方向上的长度的第二区域中扫描激光束。第二区域的中心与第一区域的中心在X方向上间隔开。
激光束的相对于基板的入射角θ、发散角θy和倾斜角φ满足以下公式。
<公式>
θy[mrad]<9.33×θ[deg]
入射角θ可以大于0°(deg)并且小于7.5°。
激光束可以由连续振荡激光振荡器或具有30MHz或更高的重复频率的脉冲振荡激光振荡器产生。
激光束可以由从YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、Y2O3激光器、玻璃激光器、红宝石激光器、翠绿宝石激光器以及钛:蓝宝石激光器中选择的固体激光器产生。
激光束的会聚角α可以不超过30mrad。
激光束可以按顺序通过激光光源、第一透镜和扫描器照射到基板上。激光照射区域可以通过扫描器的物理移动来移动。
扫描器是可旋转的电流计镜。
扫描器是可旋转的多面镜。
激光束在产生激光束的激光光源处的直径可以小于或等于10毫米。激光束在基板上的直径可以小于或等于100微米。从激光光源到基板的光路可以大于1米。
激光照射方法可以包括在基板上形成非晶硅层，以及将激光束照射到非晶硅层上以使非晶硅层结晶。
第一区域和第二区域可以彼此部分地重叠。
实施例还涉及用于将激光束照射到基板上的激光照射装置，该激光照射装置包括用于产生激光束的激光光源、从激光光源产生的激光束穿过的第一透镜以及反射已穿过第一透镜的激光束的扫描器，并且扫描器将改变被反射的激光束的方向。激光束的相对于基板的入射角θ、发散角θy和倾斜角φ满足以下公式。
<公式>
θy[mrad]<9.33×θ[deg]
入射角θ可以大于0°(deg)并且小于7.5°。
激光束可以由连续振荡型激光振荡器或具有30MHz或更高的重复频率的脉冲振荡型激光振荡器产生。
激光振荡器可以是从YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、Y2O3激光器、玻璃激光器、红宝石激光器、翠绿宝石激光器以及钛:蓝宝石激光器中选择的固体激光器。
激光束的会聚角α可以不超过30mrad。
扫描器可以是可旋转的多面镜。
扫描器可以是可旋转的电流计镜。
激光束在产生激光束的激光光源处的直径可以小于或等于10毫米，激光束在基板上的直径可以小于或等于100微米，并且从激光光源到基板的光路可以大于1米。
附图说明
通过参考附图具体描述示例性实施例，各特征对于本领域技术人员来说将变得显而易见，附图中：
图1图示了在其上执行根据示例性实施例的激光照射方法的基板10的平面图；
图2图示了图1的基板10的侧视图；
图3是图示在图1的激光照射方法中激光束的入射角θ、发散角θy和倾斜角φ分量的图；
图4图示了示出在图1的激光照射方法中根据激光束的入射角θ和发散角θy的变化的多晶硅的晶体变化的示意图；
图5A和图5B图示了根据图4的样本1和样本2的多晶硅的晶体的图像；
图6图示了示出传统的激光照射装置50的激光束的角度分布AD的图；
图7图示了示出在图1的激光照射方法中激光束的会聚角α的图；
图8A和图8B图示了根据示例性实施例的激光照射装置100的图；并且
图9A和图9B图示了根据示例性实施例的激光照射装置200的图。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更充分地描述示例性实施例，然而，这些实施例可以以不同的形式体现，并且不应当被解释为限于本文所提出的实施例。相反，提供这些实施例是为了使得本公开全面和完整，并且向本领域技术人员充分地传达示例性实施方式。
在附图中，为了说明的清楚，层和区域的尺寸可以被夸大。还将理解的是，当层或元件被称为在另一层或基板“上”时，其可以直接在该另一层或基板上，或者也可以存在中间层。此外，将理解的是，当层被称为在另一层“下方”时，其可以直接在下方，或者也可以存在一个或多个中间层。另外，还将理解，当层被称为在两个层“之间”时，其可以是这两个层之间的唯一层，或者也可以存在一个或多个中间层。贯穿全文，相同的附图标记指代相同的元件。
图1图示了在其上执行根据示例性实施例的激光照射方法的基板10的平面图。图2图示了图1的基板10的侧视图。
参考图1和图2，根据激光照射方法，可以在基板10上在与X方向x垂直的Y方向y上多次扫描点激光束，以照射整个基板10。以这种方式，可以使基板10的全部经历激光处理。在下文中，将描述激光照射方法的细节。
根据激光照射方法，使用点激光束将激光束照射到基板10的表面上。激光束可以照射到基板10的表面上。可以沿Y方向y移动使用激光束照射的激光照射区域。因此，可以使用点激光束将激光束照射到线区域。因此，可以在具有X方向x上的宽度和Y方向y上的长度的第一区域中扫描激光束(第一扫描步骤，参见图1中与①相对应的箭头)。
点激光束的照射点可以在X方向x上移动预定距离，并且然后激光束可以照射到基板10的表面上，使得使用激光束照射的激光照射区域可以沿Y方向y移动。因此，可以在具有X方向x上的宽度和Y方向y上的长度的第二区域中扫描激光束(第二扫描步骤，参见图1中与②相对应的箭头)。
其后，点激光束的照射点可以在X方向x上移动预定距离，并且然后激光束可以照射到基板10的表面上，使得使用激光束照射的激光照射区域可以沿Y方向y移动。因此，可以在具有X方向x上的宽度和Y方向y上的长度的第三区域中扫描激光束(第三扫描步骤，参见图1中与③相对应的箭头)。
可以重复上述步骤以使用激光束照射整个基板10。
第一区域至第三区域的中心可以在X方向x上间隔开特定距离，并且第一区域至第三区域可以彼此部分地重叠。
可以以大约30m/s的速度扫描激光束，沿X方向x的移动间距可以为大约2mm。激光束的入射角θ(参见图3)可以为大约7°(度)，并且发散角θy(参见图3)可以为大约0±15mrad(毫弧度)。
非晶硅层可以形成在基板10上。可以通过激光照射使非晶硅层结晶以形成多晶硅。例如，由于非晶硅的几乎完全熔化而导致的结晶可以是由照射的激光束引起的。
通常，当激光束具有1J或更大的每光源脉冲能量，并且基板10上的能量密度为大约470mJ/cm^2时，可以获得多晶硅的呈正方形形式的、具有相对高均匀度的大约300nm(纳米)的晶体尺寸的晶体。
图3是图示在图1的激光照射方法中激光束的入射角θ、发散角θy和倾斜角φ分量的图。
参考图3，示出了由激光光源LS产生的激光束相对于基板10的入射角θ、发散角θy和倾斜角φ。这里，入射角θ、发散角θy和倾斜角φ分量具有以下关系：当线(O-A)＝1时，
线(O-B)＝tan(φ)
线(O-LS)＝1/sin(θ)
(O-B/O-LS)＝tan(θy)
总结一下，当θy＝arctan(tanφ×sinθ)时，可以得到上述关系。
当倾斜角φ增大时，基板10上的多晶硅层的突起角度改变，并且取向性劣化。当激光束不具有倾斜角φ分量时，多晶硅的晶粒形成四边形晶体。当倾斜角φ分量增大时，晶粒变成多边形。当倾斜角φ为30°时，形成六方稳定晶体(晶粒)。其后，当倾斜角φ大于30°时，晶体变成不规则的正方形，并且取向性降低。
图4是示出在图1的激光照射方法中根据激光束的入射角θ和发散角θy的变化的多晶硅的晶体性能的示意图。图5A和图5B图示了图4的样本1和样本2的多晶硅的晶体的图像。
参考图3和图4，基于上面的描述，假设当倾斜角φ为30度或更小时发生取向，通过对此进行计算，可以获得在图4的示意图中图示的关系。例如，该示意图示出了根据入射角θ的、可以获得被取向晶体的发散角θy的范围。例如，可以理解，当入射角θ和发散角θy位于示意图的阴影区域中时，可以获得具有优异取向的晶体。
当用公式表示示意图的阴影区域时，可以得到以下公式。
<公式>
θy[mrad]<9.33×θ[deg]
参考图5A和图5B，当照射与针对样本1(SAMPLE1)和样本2(SAMPLE2)示出的入射角相对应的激光束时，在与样本2(SAMPLE2)相对应的条件下可以获得具有高取向的正方形晶粒(晶体)。
图6图示了示出常规激光照射装置50的激光束的角度分布AD的图。
参考图6，常规激光照射装置50可以包括第一透镜LN1、第二透镜LN2、均束器HZ和第三透镜LN3。从激光照射装置50的激光光源产生的激光束按顺序穿过第一透镜LN1、第二透镜LN2、均束器HZ和第三透镜LN3。激光束可以以线光束的形式照射到基板10上。
这里，图6中的垂直方向是线光束的长边方向，并且图示的激光路径示出了在激光照射装置50的线光束的长边方向上的光学系统。
均束器HZ可以接收具有高斯分布的能量密度的激光束，并且可以将激光束转换成在一个方向上具有均匀能量密度的激光束。
在该图中示出了由于激光束的路径差异而导致的角度分布AD。通过实验证实，当角度分布AD太大时，基板10上的多晶硅的晶粒的取向性差。当角度分布AD为40mrad(毫弧度)时，取向被示出是优异的，但当角度分布AD为62mrad时，取向被示出是差的。
即，多晶硅的晶体的取向与激光束的角度分布AD有关。当角度分布AD不超过特定度数时，可以获得良好取向性。
图7图示了示出在图1的激光照射方法中激光束的会聚角α的图。
参考图7，根据实施例的激光照射方法以与常规激光照射装置50不同的扫描方式照射点激光束，使得角度分布的影响可以与常规激光照射装置50中的角度分布的影响不同。
如该图所示，从激光光源LS到基板10的距离被称为光路L，激光束在激光光源LS中的直径被称为D1，激光束在基板10上的直径被称为D2。指示激光束的聚光度的会聚角α可以由α＝arctan((D1-D2)/2L)表示。
如在本实施例中的扫描方法的点激光束的角度分布AD可以如下。
(AD)＝2*(会聚角α)
基于图6中的描述，角度分布AD可以具有不超过60mrad的值，以获得良好的取向性。会聚角α的期望范围可以如下。
(会聚角α)<30mrad
通常，当D1远大于D2时，会聚角α可以满足以下公式。
<公式>
会聚角α<arctan((D1/2)/L)＝5mrad(毫弧度)
在一个示例中，当激光束在激光光源LS处的直径D1为大约10mm并且激光束在基板10上的直径D2为大约100μm(微米)，并且光路L为1m(1米)时，由于D1远大于D2，因此可以通过上述公式将会聚角α计算为5mrad(毫弧度)。因此，当会聚角α小于30mrad时，可以预见可以获得多晶硅晶体的优异取向。
如上所述，为了满足(会聚角α)<<30mrad，可以设计激光照射装置的D1、D2和L。
图8A和图8B是图示根据示例性实施例的激光照射装置100的图。
参考图8A和图8B，激光照射装置100可以包括激光光源LS、第一透镜LN1、第一镜MR1、第二镜MR2和第三镜MR3。激光照射装置100可以以扫描方式将点激光束照射到基板10的表面上。图8A中的虚线示出了针对一个扫描区域的一次扫描(参考图1和图2的描述中的第一扫描步骤)。
激光光源LS可以是激光振荡器。激光束由连续振荡型激光振荡器或具有30MHz或更高的重复频率的脉冲振荡型激光振荡器产生。例如，激光振荡器可以以30MHz的重复频率发射具有532nm的波长的激光束，或发射具有355nm的波长的激光束。例如，当激光振荡器使用Nd:YAG激光器(1064nm)固态激光器时，二次谐波可以具有532nm的波长，并且三次谐波可以具有355nm的波长。
激光振荡器可以使用合适的连续振荡固体激光器。固体激光器的示例包括YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、Y2O3激光器、玻璃激光器、红宝石激光器、翠绿宝石激光器、钛:蓝宝石激光器等。
从激光光源LS发射的激光束可以进入第一透镜LN1。第一透镜LN1可以是光会聚光学系统。例如，第一透镜LN1可以是球面透镜或菲涅耳透镜。穿过第一透镜LN1之后，激光束可以被第一镜MR1反射。
第一镜MR1可以是电流计镜。第一镜MR1可以旋转，以改变激光束被反射的角度。例如，第一镜MR1可以用作用于改变被反射的激光束的方向的扫描器。
从第一镜MR1反射的激光束可以顺序地被第二镜MR2和第三镜MR3反射。第二镜MR2可以是凸面镜，并且第三镜MR3可以是凹面镜。
从第三镜MR3反射的激光束可以照射到基板10上。
由激光光源LS产生的点激光束可以穿过第一透镜LN1，并且被第一镜MR1、
第二镜MR2和第三镜MR3反射，以在位置
Figure BDA0002304106940000071
处照射到基板10上。其后，第一镜MR1可以旋转，以在Y方向y上移动使用激光束照射的激光照射区域(参考
Figure BDA0002304106940000072
至
Figure BDA0002304106940000073
的虚线)。因此，可以使用点激光束将激光束照射到线区域，作为一次扫描。
点激光束的照射位置可以在X方向x上移动预定距离，并且可以通过重复激光扫描将激光束照射到整个基板10。
例如，具有532nm的波长、30MHz的频率、15μm的FWHM、250mJ/cm^2的能量密度、30m/s的激光扫描速度、在X方向x上2mm的移动间距、7°的入射角θ以及0±15mrad的发散角θy的激光束可以照射到基板10上。激光照射装置100的第一透镜LN1、第一镜MR1、第二镜MR2和第三镜MR3可以被配置为满足激光束的条件。
例如，入射角θ可以大于0°(deg)并且小于7.5°。如果入射角θ大于0度，则反射光和折射光可在硅表面上的突起处相互干涉，以产生表面波。表面波的强度周期可导致晶粒生长。
激光束的会聚角α可以为30mrad或更小。激光束的相对于基板10的入射角θ、发散角θy和倾斜角φ可以满足以下公式。
<公式>
θy[mrad]<9.33×θ[deg]
此外，如上所述，激光束的会聚角α可以为30mrad或更小。
可以根据第一镜MR1的旋转速度来调整激光扫描速度。
非晶硅层可以形成在基板10上，并且可以通过激光照射使非晶硅层结晶以形成多晶硅。
根据本实施例，当使用激光照射装置100时，可以通过以高速扫描点激光束来执行结晶。此时，当使用高频固态激光光源时，与使用常规气体激光装置的准分子激光退火相比，可以降低工艺成本。
此外，当在特定条件下维持入射角θ、发散角θy和会聚角α的同时照射激光束时，可以形成具有良好取向的多边形晶体。
激光照射装置100的多个透镜和镜可以被设计为使得激光的诸如发散角θy的特性可以在激光扫描工艺期间保持恒定。
在示例中，当波长为532nm，频率为30MHz，光束大小(FWHM)为15mm，能量密度为250mJ/cm^2，光束扫描速度为30m/s，沿X方向x的移动间距为2mm，θ为7°，并且θy为0±15mrad时，被激光束照射的多晶硅结晶层的AFM分析显示了大约550nm的周期的突起取向并且在FFT(快速傅里叶变换)图上没有多重干涉。
另一方面，当在激光扫描期间发散角θy为70mrad或更大时，发现晶体的取向消失。因此，合适的发散角θy可以优选为70mrad或更小。因此，可以看出，使用上述公式，入射角的期望范围小于7.5°(度)。
图9A和图9B是图示根据实施例的激光照射装置200的图。
参考图9A和图9B，激光照射装置200可以与图8A和图8B的激光照射装置100基本相同，除了被布置在激光束的路径中的光学系统之外。因此，将简要描述重复的说明。
激光照射装置200可以包括激光光源LS、第一透镜LN1、第一镜MR1和第二透镜LN2。激光照射装置200可以以扫描方式将点激光束照射到基板10的表面上。与图1和图2的描述中的第一扫描步骤类似，图9A中的虚线示出了针对一个扫描区域的一次扫描。
激光光源LS可以是激光振荡器。激光束可以由连续振荡型激光振荡器或具有30MHz或更高的重复频率的脉冲振荡型激光振荡器产生。
激光振荡器可以使用合适的连续振荡固体激光器。
从激光光源LS发射的激光束可以进入第一透镜LN1。第一透镜LN1可以是光会聚光学系统。第一透镜LN1可以是例如球面透镜或菲涅耳透镜。已穿过第一透镜LN1的激光束可以被第一镜MR1反射。
第一镜MR1可以是多面镜。第一镜MR1可以旋转，以改变激光束被反射的角度。例如，第一镜MR1可以用作用于改变被反射的激光束的方向的扫描器。
被第一镜MR1偏转的激光束可以穿过第二透镜LN2。第二透镜LN2可以是f-θ透镜。f-θ透镜可以聚集激光束以便总是聚焦在要被照射的基板10上。
已经穿过第二透镜LN2的激光束可以照射到基板10上。
由激光光源LS产生的点激光束可以穿过第一镜MR1和第二透镜LN2，以在位置
Figure BDA0002304106940000091
处照射到基板10上。其后，第一镜MR1可以旋转，以在Y方向y上移动使用激光束照射的激光照射区域(参考从
Figure BDA0002304106940000092
到
Figure BDA0002304106940000093
的虚线)。因此，可以使用点激光束在一次扫描中将激光束照射到线区域上。
点激光束的照射位置可以在X方向x上移动预定距离，并且可以通过重复激光扫描将激光束照射到整个基板10。
激光束的入射角θ、发散角θy、倾斜角φ和会聚角α的范围可以如上所述。
可以根据作为多面镜的第一镜MR1的旋转速度来调整激光束扫描速度。
根据激光照射方法，激光束可以照射到设置在由X方向和垂直于X方向的Y方向形成的平面中的基板的表面上。激光照射方法包括：第一扫描步骤，其中通过使用点激光束沿Y方向移动基板的表面上的激光照射区域，在具有X方向上的宽度和Y方向上的长度的第一区域中扫描激光束；以及第二扫描步骤，其中通过使用点激光束沿Y方向移动基板的表面上的激光照射区域，在具有X方向上的宽度和Y方向上的长度的第二区域中扫描激光束。第二区域的中心可以与第一区域的中心在X方向上间隔开。
用于执行激光照射方法的激光照射装置可以通过使用点激光束的扫描方法将激光束照射到基板上。此时，激光束的入射角θ、发散角θy和倾斜角φ可以满足θy[mrad]<9.33×θ[deg]，并且会聚角α可以为30mrad或更小。从而，可以提供用于生产优异质量的多晶硅的激光照射方法和激光照射装置，同时可以降低成本。
实施例可以应用于有机发光显示器以及包括该有机发光显示器的各种电子装置的制造中。例如，实施例可以应用于移动电话、智能电话、视频电话、智能平板、智能手表、平板电脑、汽车导航系统、电视、计算机监视器、笔记本等的制造。
通过总结和回顾，可以在基板上的非晶硅层上以恒定的间距扫描呈线光束形式的激光束，以执行结晶工艺。通常，使用气体激光器通过气体管形成线光束。因此，激光照射装置的制造成本和维护成本存在很大问题。
另外，晶体的尺寸和形状可以根据激光照射方法而改变，并且已经进行了各种尝试以在薄膜晶体管的多晶硅中获得均匀排列的多边形晶体。
实施例提供了一种能够在降低成本的同时形成高质量多晶硅的激光照射方法。
实施例还提供了一种用于激光照射方法的激光照射装置。
本文中已经公开了示例性实施例，并且尽管使用了特定的术语，但它们仅以一般和描述性的意义被使用和解释，而不是为了限制的目的。在某些情况下，如在递交本申请时对本领域普通技术人员来说将是显而易见的那样，结合特定实施例描述的特征、特性和/或元件可以单独使用，也可以与结合其他实施例描述的特征、特性和/或元件组合使用，除非另有明确说明。因此，本领域技术人员应理解，在不脱离随附权利要求所阐述的本公开的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上作出各种变化。

Claims (10)

1.一种激光照射方法，用于在设置于由X方向和垂直于所述X方向的Y方向形成的平面中的基板的表面上进行扫描，所述激光照射方法包括：
第一扫描，其中通过使用点激光束沿所述Y方向移动所述基板的所述表面上的激光照射区域，在具有所述X方向上的宽度和所述Y方向上的长度的第一区域中扫描激光束；以及
第二扫描，其中通过使用所述点激光束沿所述Y方向移动所述基板的所述表面上的激光照射区域，在具有所述X方向上的宽度和所述Y方向上的长度的第二区域中扫描激光束，并且
其中所述第二区域的中心与所述第一区域的中心在所述X方向上间隔开。
2.根据权利要求1所述的激光照射方法，其中，所述激光束的相对于所述基板的入射角θ、发散角θy和倾斜角φ满足以下公式
<公式>
θy[mrad]<9.33×θ[deg]。
3.根据权利要求2所述的激光照射方法，其中，所述入射角θ大于0°并且小于7.5°。
4.根据权利要求1所述的激光照射方法，其中，所述激光束由连续振荡激光振荡器或具有30MHz或更高的重复频率的脉冲振荡激光振荡器产生。
5.根据权利要求1所述的激光照射方法，其中，所述激光束由从YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、Y2O3激光器、玻璃激光器、红宝石激光器、翠绿宝石激光器以及钛:蓝宝石激光器中选择的固体激光器产生。
6.根据权利要求1所述的激光照射方法，其中，所述激光束的会聚角α不超过30mrad。
7.根据权利要求1所述的激光照射方法，其中，所述激光束按顺序通过激光光源、第一透镜和扫描器照射到所述基板上，并且所述激光照射区域通过所述扫描器的物理移动来移动。
8.根据权利要求7所述的激光照射方法，其中，所述扫描器是可旋转的电流计镜。
9.根据权利要求7所述的激光照射方法，其中，所述扫描器是可旋转的多面镜。
10.根据权利要求1所述的激光照射方法，其中，所述激光束在产生所述激光束的激光光源处的直径小于或等于10毫米，所述激光束在所述基板上的直径小于或等于100微米，并且从所述激光光源到所述基板的光路的长度大于1米。
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