CN117730397A - 用于激光退火的方法和装置 - Google Patents

Abstract

通过形成均匀线光束(20)的多个激光束(14A‑14D)中的脉冲对衬底(24)上的层(22)进行激光退火。激光束(14A‑14D)被分成第一组光束(14A、14D)和第二组光束(14B、14C)。第二组光束(14B、14C)从比所有光束(14A‑14D)组合更小的角度范围入射到层(22)上。光束(14A‑14D)中的脉冲被同步，使得第一组光束(14A、14D)中的脉冲在第二组光束(14B、14C)中的脉冲之前入射到层(22)上。第一组光束(14A、14D)中的脉冲熔化该层并且第二组光束(14B、14C)中的脉冲维持熔化。

Description

用于激光退火的方法和装置

优先权

本申请要求于2021年5月6日提交的美国临时申请序号63/185,273和于2021年10月1日提交的美国临时申请序号63/251,174的优先权，所述申请的公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明一般涉及使用投射到线光束中的紫外激光辐射对非晶硅层进行退火。本发明特别涉及退火，由此投射的线光束被分成时间上分离的脉冲，这些脉冲以不同的入射角传送到非晶硅层。

背景技术

激光硅退火是高分辨率有源矩阵液晶显示器(AMLCD)和有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示器生产中的关键工艺步骤。玻璃衬底上的薄非晶硅层被脉冲紫外激光束熔化，并在冷却时结晶。多晶硅层成为半导体基底，通过传统的光刻工艺在该半导体基底上形成薄膜晶体管(TFT)和其他电子电路。在退火步骤期间，衬底及其上的硅层呈“面板”的形式，随后可以将其分成较小的单独显示器，例如消费电子设备中使用的显示器。

激光硅退火是一个精密的过程，在激光加工过程中保持面板宽度上的最佳能量密度至关重要。激光束被成形为细长的“线光束”，投射到面板上。线光束的特点是具有跨越面板整个宽度的长轴和正交的短轴。线光束沿面板宽度具有均匀或“平顶”强度分布。沿着面板的长度在短轴方向上扫描每个面板。选择扫描速度以重复熔化和退火面板上每个位置处的硅，直到获得所需的多晶微结构。通常采用约20个连续激光脉冲进行照射。将每个位置暴露于多个激光脉冲还可以提供脉冲间平均。

在理想的微结构中，晶粒具有均匀的尺寸和取向，并且缺陷密度最小，可能对可用面板的产量产生不利影响。暴露于线光束期间的干涉效应优先定向这些晶粒，在退火硅的表面产生“波纹”。可以通过以斜角照射退火硅以观察由波纹引起的衍射来评估退火硅层的质量。沿线光束长轴的强度不均匀性会产生沿短轴对齐的条纹，称为“扫描不均(scanmura)”。强度的时间波动会产生沿长轴对齐的条纹，称为“射击不均匀(shot mura)”。用于表征硅再结晶的方法描述于美国专利9,335,276和美国专利公开2013/0341310中，每一篇均转让给本发明的受让人，并且每一篇的完整公开内容通过引用并入本文。这些方法可以在激光退火过程中应用，以实时调整工艺。

准分子激光器一直被青睐用于激光硅退火，这需要具有低于约1％RMS的低脉冲能量噪声和紫外波长的稳定激光束。例如，产生193纳米(nm)激光束的氟化氩(ArF)准分子激光器或产生351nm激光束的氟化氙(XeF)准分子激光器。最强大、最先进的工业准分子激光器使用氯化氙(XeCl)产生308nm激光束，脉冲能量高达1焦耳，脉冲重复率高达600赫兹。例如，来自加利福尼亚州圣克拉拉的Coherent Inc.的Lambda SX准分子激光器。这些工业准分子激光器可以连续运行超过1亿个脉冲，同时保持非常稳定的脉冲能量和光束参数。在需要更大脉冲能量的应用中，两个或更多个准分子激光器的输出可以通过光束混合光学器件和脉冲传送的同步来组合。这种光束混合和同步分别在美国专利7,408,714和8,238,400中进行了描述，每个专利都转让给本发明的受让人，并且每个专利的完整公开内容通过引用并入本文。

用于将激光束成形为均匀线光束的方法和装置在美国专利7,265,908、7,428,039和7,615,722中有所描述，这些专利中的每一个都是共同拥有的，并且每一个的完整公开内容通过引用并入本文。这些方法结合了光束均匀化，由此将来自一个或多个源的激光束在空间上分区，并将分区的光束覆盖并投射到硅层上。例如，重叠并投影十到三十个之间的分隔光束，每个光束的短轴尺寸约为0.4mm，长轴尺寸为750mm至1500mm。光束均匀化装置包括一个或两个“微透镜阵列”，其包括多个比入射光束小得多的单独“微透镜”。每个微透镜都成为对整个重叠光束做出贡献的照明源。附加光学器件收集从微透镜发出的所有光束，并将它们整形为均匀的线光束。

最近，公开了一种紫外二极管泵浦固态激光器，它能够对进行硅激光退火，以生产具有所需质量的面板。这种固态激光器在美国专利公开2020/0235544中进行了描述，该专利公开是共同拥有的并且其完整公开内容通过引用并入本文。与准分子激光器相比，固体激光器具有较低的资本成本和较低的运行成本的优点。

发明概述

准分子激光器中的增益介质是流动的加压气体混合物，通常包括惰性气体、卤化物气体和缓冲气体。气体混合物由短电流脉冲激发，在气体放电中产生激发的弱键合二聚体。例如，具有308nm激光线的氯化氙二聚体。由准分子激光器发出的激光脉冲通常包括两个具有不同幅度的时间峰值，总脉冲持续时间为数十纳秒(ns)。对于硅激光退火中使用的准分子激光器来说，脉冲持续时间通常在50ns到70ns之间。脉冲持续时间影响纹波形成的速率。如果总脉冲持续时间太短，则需要降低扫描速度并且处理时间会增加。通过添加光学延迟或通过使用多个同步来传送时间上分离的脉冲的准分子激光谐振器，可以延长传送到面板的脉冲的持续时间。

上述二极管泵浦固体激光器中的增益介质是在1微米(μm)左右的红外波长处具有光学增益的掺钕(Nd³⁺)或镱(Yb³⁺)氧化物晶体。激光脉冲由激光谐振器的Q开关操作产生，并在光学非线性晶体中频率转换为紫外波长。这种固态激光器传送的激光脉冲的脉冲持续时间为数十纳秒。具有Nd³⁺:YAG增益晶体的示例性激光器通过在两个LBO晶体中三倍频来产生355nm的激光束。当激光谐振器针对最高输出功率进行优化时，脉冲持续时间为25ns。

需要利用固态激光器的激光退火装置和方法，以其资本成本和操作成本优势来形成具有目前由准分子激光器提供的高质量微结构的多晶硅。优选地，这些激光退火装置和方法将形成更接近均匀晶粒尺寸和取向的理想状态并且具有更少缺陷的微结构。

一方面，公开了根据本发明对衬底上的层进行退火的方法。提供多个脉冲激光束，并将其分成具有第一组激光脉冲的第一组激光束和具有第二组激光脉冲的第二组激光束。激光束形成线光束。线光束具有长维度、正交短维度以及沿长维度的均匀强度分布。沿着线光束的长维度的每个位置都被每一束激光束照射。该层由线光束照射。第二组激光束从比所有激光束组合更小的角度范围入射到该层上。激光束中的脉冲被同步，使得第一组激光脉冲在第二组激光脉冲之前入射到该层上。第一组激光束中的脉冲熔化由线光束照射的层中的材料，并且第二组激光束中的脉冲在熔化的材料固化之前入射到该层上。

附图说明

并入说明书中并构成说明书的一部分的附图示意性地示出了本发明的优选实施方案，并且与上面给出的一般描述和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1示意性地示出了根据本发明的用于对衬底上的层进行照射和退火的光学装置的一个优选实施方案，该光学装置包括控制器、多个激光源、包括两组线性微透镜阵列的光束均化器、以及包括四个柱面透镜的光束投射器。

图2是图1的光学装置的放大图，示出了由激光源提供的多个脉冲激光束聚焦到用于对层进行退火的线光束的长维度上的一个位置上，其中线光束由光束均化器和光束投射器共同形成。

图3是图1的光学装置的实际布置的透视图。

图4是光功率对时间的曲线图，示意性地示出了用于入射在线光束中的位置上的图2的激光束中的脉冲同步的一个优选实施方案。

图5A、图5B和图5C是光功率对时间的曲线图，示意性地示出了用于入射在线光束中的位置上的图2的激光束中的脉冲同步的三个优选实施方案。

图6A是类似于图2的图1的光学装置的放大图，示意性地示出了聚焦到线光束的长维度上的一个位置上的脉冲激光束。

图6B是根据本发明的光学装置的另一个优选实施方案的放大图，类似于图1和图2的实施方案，示意性地示出了聚焦到线光束的短维度中的一个位置上的多个脉冲激光束。

发明详述

现在参考附图，其中相同的部件由相同的附图标记表示。图1示意性地示出了根据本发明的光学装置10的优选实施方案。光学装置10包括多个脉冲激光源12A-12D，每个脉冲激光源12A-12D提供脉冲激光束14A-14D，该脉冲激光束14A-14D被引导到光束均化器16中。激光束14A-14D透射通过光束均化器16并被光束投射器18拦截。光束均化器16和光束投射器18协作地将激光束14A-14D形成为线光束20，该线光束20照射衬底24上的层22。层22由待退火材料制成；例如，非晶硅。衬底24由玻璃等支撑材料构成。

图纸上的笛卡尔轴仅供参考。激光束14A-14D沿着激光源12A-12D和层22之间的“Z”轴传播。激光束14A-14D具有分别与线光束20的长维度和短维度相对应的正交横向“X”轴和“Y”轴。激光束14A-14D用不同的箭头来描绘，以在附图中识别和区分它们。每个光束在图1中被描绘为中心射线和两条外围射线。

这里，光束均化器16包括两组线性微透镜阵列26A-26D和28A-28D。每个微透镜阵列包括沿X轴线性排列的多个柱面微透镜30或32。每组中的各个微透镜阵列也沿X轴线性排列。因此，光束均化器16具有平行于X轴的长轴和平行于Y轴的正交短轴。在替代布置中，每组微透镜阵列中的多个单独的微透镜阵列可以由拦截所有激光束的单个微透镜阵列代替。激光束14A-14D从激光源12A-12D传播，穿过微透镜阵列26A-26D，然后穿过微透镜阵列28A-28D。

引导到光束均化器16上的激光束14A-14D沿其长轴连续布置。这里，激光束14A-14D分别照射线性微透镜阵列26A-26D，然后照射微透镜阵列28A-28D。从微透镜阵列28A-28D出射的激光束14A-14D在长轴(X轴)上发散。当引导到光束均化器16上的激光束14A-14D被良好准直时，可以省略微透镜阵列26A-26D，因为其实际目的是增加光束均化器16的角度接受度。

这里，光束投射器18包括四个柱面透镜34、36、38和40，它们按数字顺序串联布置在光束均化器16和层22之间。柱面透镜34和38在长维度(X轴)上具有正光功率。柱面透镜38具有至少在长维度上大约垂直于衬底24的光轴42。柱面透镜34被布置为拦截来自所有柱面微透镜32的发散激光辐射，并且与柱面透镜38一起在长维度上形成线光束20。虽然单独的柱面透镜34足以在长维度上形成线光束，但通过会聚和重叠来自所有微透镜的激光辐射，光束投射器通常具有多个光学元件。这里，在光束投射器18中包括柱面透镜38的一个实际优点是减少了光学装置10的总长度。

微透镜阵列28A-28D中的每个柱面微透镜32是发散激光辐射源。从每个圆柱形微透镜32发出的激光辐射与来自线光束20中的每一个其他圆柱形微透镜32的激光辐射重叠。因此，沿着线光束20的长维度的每个位置被激光束14A-14D中的每一个照射并且被均质化。线光束20位于层22上并且沿着长维度(X轴)具有均匀的强度分布。由此，线光束20在退火期间均匀地照射层22。

柱面透镜36和40在短维度(Y轴)上具有光功率。柱面透镜36布置成拦截所有激光辐射，并且与柱面透镜40一起形成短维度上的线光束20。总体而言，激光辐射中的所有射线由柱面透镜34和38聚焦在长维度(X轴)上，并由柱面透镜36和40聚焦在短维度上。所有射线朝线光束20会聚。

图2示意性地示出了形成线光束20的激光束14A-14D的进一步细节并且与图1相比被放大。该图描绘了沿长维度(X轴)聚焦到线光束20中的一个位置44上的激光束14A-14D的部分。在图1中，激光束14A-14D中的每一个被描绘为入射在线光束20中的每个位置上的单条射线。在图2中，激光束14A-14D中的每一个被描绘为两条边界射线并且延伸穿过一定范围的入射角。例如，激光束14D跨越角度α_D。总的来说，激光束14A-14D跨越更大的角度α。中心轴46是聚焦到位置44上的激光束14A-14D的部分的质心。

在图1和图2所示的示例性装置中，其中激光束14A-14D穿过单独的相同的线性微透镜阵列对，激光束在不重叠的角度范围内入射到位置44上。当照射位置44时，每个激光束跨越大致相同的角度。在示例性装置中，有四个激光源，因此入射在位置44上的每个激光束跨越约等于或略小于0.25α的角度。例如，α约为8°，α_D约为2°。

我发现从较小角度范围照射层22有利于波纹形成和高质量激光退火。例如，如果使用所有激光源12A-12D，则较小的角度α是有利的。可替代地，如果仅使用激光源12D，则较小的角度α_D是有利的。为了最小化这些角度，使得实际上柱面透镜32、34和38的焦距应尽可能长。柱面微透镜30的焦距以及柱面微透镜30和32的宽度可能需要相应地调整。

图3是光学装置10的实际布置的透视图，为了清楚说明，省略了激光源12A-12D。在该布置中，光学装置10包括附加的转向镜50，其将激光束14C和14D引导到线性微透镜阵列26C和26D中。诸如转向镜50之类的转向光学器件使得能够在用于激光退火的集成工具内紧凑地布置光学元件。镜52和另一个镜54一起将激光辐射引导到衬底24和衬底24上的层22上，衬底24和层22在退火期间优选地是水平的。镜52和54中的一个或两个可以快速且重复地倾斜小范围的角度以使其在其长维度上“微平滑”线光束20，如共同拥有且完整公开内容通过引用并入本文的美国专利7,723,169中所描述的。

当激光辐射通过光束均化器16和光束投射器18引导到层22上时，附图上的笛卡尔轴表示传播轴Z以及横向轴X和Y。在退火期间，衬底24及其上的层22在短维度(Y轴)上平移，使线光束20照射的层22的部分56转变。在光学装置10的工作示例中，层22由非晶硅制成，非晶硅通过激光退火在部分56中转变为多晶硅。

返回到图1，光学装置10还包括连接到激光源12A-12D中的每一个的控制器60。控制器60发送控制激光源12A-12D中的每一个何时产生激光辐射脉冲的时钟信号或触发信号。控制器60从而使激光束14A-14D中的脉冲相对于彼此同步。

图4是光功率对时间的曲线图，示意性地示出了在线光束20和照明层22中的位置44上入射的激光束14A-14D中的脉冲。脉冲72A-72D由激光源12A-12D提供。图4描绘了控制器60的脉冲同步70的一个实施方案，其中顺序脉冲部分重叠并且顺序脉冲之间的时间间隔大约相等。在所描绘的脉冲同步的实施例中，脉冲72A、72D、72B和72C以此顺序入射在位置44上。脉冲72A和72D间隔时间τ₁，脉冲72D和72B间隔时间τ₂，脉冲72B和72C间隔时间τ₃，并且τ₁≈τ₂≈τ₃。四个单独的脉冲72A-72D共同形成更长的脉冲并且延长层22被连续照射的时间。例如，具有高达约100ns的有效持续时间的脉冲可以由Q开关激光器产生的四个单独的脉冲形成，每个脉冲具有25ns的持续时间。

图5A是示出由控制器60进行的脉冲同步80的另一个实施方案的光功率对时间的曲线图。由两个激光源提供的第一组脉冲82在由另外两个激光源提供的第二组脉冲84之前入射到层22上。第一组82中的脉冲同时或几乎同时入射(如图所示)。第一组82中的脉冲熔化由线光束20照射的层22中的材料。在延迟时间ΔT之后，第二组84中的脉冲在熔化的材料固化之前同时或几乎同时入射到层22上。每组内的脉冲几乎同时照射，可最大化初始化和维持熔化的总光功率。延迟时间ΔT延长了材料处于熔融液相的时间，有利于材料的结晶和高质量微结构的形成。脉冲同步80有效地模拟比任何激光源12A-12D单独提供的脉冲更长的脉冲。

在脉冲同步80的一个实施例中，第一组脉冲82包括脉冲72A和72D，并且第二组脉冲84包括脉冲72B和72C。在这个实施例中，参考4，τ₁≈0，τ₂≈ΔΤ，τ₃≈0。参考图2，第一组激光束14A和14D入射到位置44上。然后，在延迟时间ΔT之后，第二组激光束14B和14C入射到位置44上。第二组激光束跨越小于角α的约α_B+α_C的角度。如上所述，较小的角度分布可以在激光退火多晶硅中产生更高质量的微结构。此外，我发现当微结构从熔化的材料中沉淀时，以较小的角度分布照射熔化的硅是最有利的。一般来说，沉淀会在每个重复的熔化和退火循环结束时发生。将此见解应用于脉冲同步80，可以对脉冲进行划分，使得第二组脉冲可以是72A和72B、72B和72C、或者72C和72D中的任意一个。

图5B是示出由控制器60进行的脉冲同步90的又一实施方案的光功率对时间的曲线图。第一组82和第二组84中的每一个内的单独脉冲在时间上是分离的。在所描绘的实施例中，第一组82内的脉冲相互间隔时间δt，第二组84内的脉冲相互间隔大约相同的时间δt，并且时间δt大约是延迟时间ΔT的一半。总的来说，第一组82熔化由线光束20照射的层22中的材料，并且第二组84延长材料处于熔融液相的时间。更一般地，ΔT≥2xδt，这意味着脉冲同步90比脉冲同步70或80维持熔化的总时间更长。

图5C是示出控制器60进行的脉冲同步100的又一实施方案的光功率对时间的曲线图。由所有单独脉冲提供的积分光功率102由较粗的线描绘。第一组82内的脉冲同时或几乎同时入射。第二组84内的脉冲在时间上间隔时间δt。在所描述的实施例中，延迟时间ΔT大约等于1.3xδt。总体而言，第一组脉冲82提供足够的能量以熔化由线光束20照射的层22中的材料，并且第二组脉冲84提供足够的光功率以延长材料处于熔融液相的时间。脉冲同步100的积分光功率102更接近于复制用于激光退火的准分子激光器典型的两个时间幅度峰值。然而，使用光学装置10的脉冲同步100可能更优越，因为积分光功率102在维持熔化的同时更加恒定。

再次，在脉冲同步90或100中，第二组脉冲可以是72A和72B、72B和72C、或者72C和72D中的任意一个。一般来说，最后一个脉冲对激光退火产生的微结构的质量影响最大。在脉冲同步90或100中，最后一个脉冲可以是第二组84中的任一脉冲，因为入射到位置44上的每个激光束14A-14D跨越大致相同的角度(α_A≈α_B≈α_C≈α_D)。

返回到图2，激光束14B和14C更靠近中心轴46并且一起跨越大约α_B+α_C的角度，该角度小于角度α。激光束14A和14D远离中心轴46并且跨度角度α。图6A示意性地示出了形成线光束20的激光束14A-14D并且类似于图2。第一组激光束14A和14D在相对于中心轴46的第一角度范围α_F内入射到位置44上。第二组激光束14B和14C在相对于中心轴46的第二角度范围α_S内入射到位置44上。第二角度范围α_S比第一范围角度α_F更靠近中心轴46。例如，角度α_F在大约2°至大约4°之间的范围内，并且角度α_S在0°至大约2°之间的范围内。

将脉冲同步80、90或100应用于该布置，当第一组脉冲82位于第一组激光束中并且第二组脉冲84位于第二组激光束中时，产生高质量微结构。也就是说，激光束14B和14C中的脉冲72B和72C被选择为第二组脉冲84。

在图6A所示的示例性布置中，线光束20的中心轴46在位置44处大约垂直于层22。如果光束投射器18是远心的，则中心轴46将在线光束20中的每个位置处大约垂直于层22，并且中心轴46将大约平行于柱面透镜38的光轴42。在所示的布置中，激光束14B和14C在层22上具有比激光束14A和14D更小的入射角。在一些退火应用中，通过选择具有较小角度分布和较小入射角的激光束中的第二组脉冲来产生更高质量的微结构。这里，激光束14B和14C在小于角度α的第二角度范围α_S内入射到位置44上。激光束14B和14C还具有较小的入射角，高达约α_B≈α_C。激光束14A和14D具有较大的入射角，高达约α_A+α_B≈α_C+α_D。

图6B示意性地示出了根据本发明的光学装置110的另一个优选实施方案的细节。光学装置110类似于图1的光学装置10，光学装置110包括光束均化器16和用于协作形成线光束20的光束投射器18。光学装置110将短维度(Y轴)上的激光束14A-14D聚焦在位置44上。在短维度中，中心轴46可以相对于层22的法线112以小角度θ倾斜，如此处所示。实际上，这是通过倾斜柱面透镜38和40的光轴来实现的。倾斜有助于减轻来自层22的背反射。角度θ通常在4°至12°之间的范围内。作为示例，图中描绘了8°的角度。应当注意的是，线光束20在图6A和6B中示出为激光辐射的波前。

组合光学装置将具有光学装置10和110的元件。光学装置110可以包括位于激光源12A-12D和光束投射器18之间的附加光束均化器(未示出)。附加光束均化器将具有沿着短维度(Y轴)线性布置的柱面微透镜，这些微透镜在短维度上将具有正光功率。激光束14A-14D将在短维度上以不同角度被引导到附加光束均化器上。激光束14A和14D将被引导为更靠近附加光束均化器的外围，并且激光束14B和14C将被引导为更靠近附加光束均化器的中心。

可替代地，光学装置110可以通过简单地引导激光束14A-14D穿过光束均化器16和光束投射器18同时适当地考虑柱面透镜36和40在短维度上的成像特性，来省略附加的光束均化器。在层22的成像平面中，激光束14A和14D将以相对于激光束14B和14C更大的角度被引导。在层22的傅立叶平面中，激光束14A和14D将相对于激光束14B和14C具有更大的位移。

在这些布置中，聚焦在层22上的激光束14A和14D在长维度和短维度上都更远离中心轴46，而激光束14B和14C更靠近中心轴46。当与由控制器60进行的激光束14A-14D中的脉冲的创造性同步结合时，该聚焦布置也在退火之后在层22中提供更高质量的微结构。

本发明的光学装置将脉冲分成第一组激光束中的第一组82，随后是第二组激光束中的第二组84，第二组激光束从比形成组合线光束的所有激光束更小的角度范围入射。线光束形成的退火微结构的质量与当所有激光束从较小范围的角度入射时线光束形成的质量大致相同。然而，本发明的光学装置沿着光束传播轴(Z轴)比在较小的第二角度范围内传送所有激光束的等效光学装置更紧凑。在长维度(X轴)上，从柱面透镜34到层22的传播长度决定了会聚到层22的一个位置上的激光辐射的角分布。举例来说，在光学装置的一个实施例中为了形成具有1.7°角分布的2300毫米(mm)长的线光束，需要大约50m的传播长度。相比之下，为了在具有0.85°的较小最大角度分布的等效装置中形成相同的线光束，需要约90m的较长传播长度。仅在较小角度范围内传送第二组脉冲的本发明的光学装置可以在更紧凑的工具中提供期望的激光退火质量。

激光退火的最佳参数根据诸如层22的厚度、衬底24的厚度、衬底24的热容量和热导率、激光辐射的波长以及各个脉冲的持续时间等因素而变化。对于硅层、玻璃衬底和波长约为355nm、脉冲持续时间为20–30ns的激光辐射：通过每个单独脉冲沉积在层22上的能量可能在0.1–0.5毫焦耳每平方厘米(mJ/cm²)范围内，延迟时间ΔT可以在20–120ns范围内，时间δt可以在0–60ns范围内，单个激光束可以跨越角度(α_A、α_B、α_C或α_D)最大为3°，并且所有激光束跨越最大为18°的角度α。等同地，第一角度范围α_F可以在1°–9°的范围内，并且第二角度范围α_S可以在0°–3°的范围内。

退火多晶硅中的周期性微结构是通过聚焦激光辐射内的干涉形成的，并且该周期性主要在电场方向上形成。发现非偏振线光束可以产生沿线光束的长维度和短维度对齐的微结构。光学装置10或光学装置110均可产生足够质量的退火硅层以使用非偏振激光束制造商业显示器。可替代地，可以在光学装置10或光学装置110内选择性地引导偏振激光束或部分偏振光束，以实现入射到硅层上的偏振的最佳混合。

尽管本发明的光学装置在本文中被描述为具有四个激光源，但是其可以具有能够被分成至少第一组脉冲和第二组脉冲的任意数量的激光源。激光源可以是适合于熔化待退火材料的任何类型。在非晶硅的情况下，上述美国专利公开2020/0235544中描述的准分子激光器和二极管泵浦固态激光器已被证明适合激光退火。

第一组脉冲中的所有脉冲一起具有足够的能量来熔化层中的材料。施加第一组中的第一脉冲或初始脉冲可以预热材料，在施加后面的脉冲或者甚至在第一组中的最后一个脉冲之后发生熔化。可替代地，第一组脉冲可以只是具有足够能量来熔化层中的材料的一个脉冲。

第二组脉冲可以只是一个脉冲，其在第二角度范围内入射到层上并且具有足以延长材料熔化时间的延迟时间。例如，参见图4，第一组82可以是脉冲72A、72D和72B，而第二组84是脉冲72C。最后一个脉冲(这里，激光束14C中的脉冲72C)将对由激光退火产生的微结构的质量具有最大的影响，假设微结构在该最后一个脉冲期间从熔化的材料中沉淀出来。最后一个脉冲中激光辐射的光学干涉会产生微结构；例如，激光退火硅中的晶粒结构。

激光束共同跨越一定范围的入射角α。至少一个激光束中的脉冲晚于所有其他激光束中的脉冲、但在被第一组脉冲熔化的材料固化之前照射该层。至少一个激光束跨越优选小于0.5α且最优选小于0.25α的入射角范围。

总之，多个激光束被分成具有第一组激光脉冲的第一组激光束和具有第二组脉冲的第二组激光束。光束均化器和光束投射器共同将激光束形成具有长维度和短维度的线光束。线光束沿着长维度具有均匀的强度分布，用于对衬底上的层进行退火。第二组激光束从比所有激光束组合更小的角度范围入射到该层上。控制器使脉冲同步，使得第一组激光脉冲在第二组脉冲之前入射到该层上。

以上通过优选实施方案及其他实施方案对本发明进行了描述。然而，本发明不限于本文描述和描绘的实施方案。相反，本发明仅受所附权利要求书限制。

Claims (20)

1.用于对衬底上的层进行退火的方法，包括以下步骤：

提供多个脉冲激光束，所述激光束被分成具有第一组激光脉冲的第一组激光束和具有第二组激光脉冲的第二组激光束；

将所述激光束形成为线光束，该线光束具有长维度和正交的短维度，所述线光束沿着所述长维度具有均匀的强度分布，沿着所述线光束的长维度的每个位置被每一个所述激光束照射；

用所述线光束照射所述层，所述第二组激光束从比所有激光束组合的更小的角度范围入射所述该层上；以及

同步所述激光束中的脉冲，使得所述第一组激光脉冲在所述第二组激光脉冲之前入射到所述层上，所述第一组激光束中的脉冲熔化由所述线光束照射的层中的材料，并且所述第二组激光束中的脉冲在熔化的材料固化之前入射到所述层上。

2.根据权利要求1所述的用于退火的方法，其中，所述层由通过所述退火转变成多晶硅的非晶硅制成。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的用于退火的方法，其中，所述第一组激光束和第二组激光束内的顺序脉冲部分地重叠并且顺序脉冲之间的时间间隔相等，从而延长所述层被所述线光束连续照射的时间。

4.根据前述权利要求中任一项所述的用于退火的方法，其中，所述第一组激光脉冲同时入射到所述层上，所述第一组脉冲和所述第二组脉冲间隔延迟时间ΔT，并且所述第二组激光脉冲同时入射到所述层上。

5.根据前述权利要求中任一项所述的用于退火的方法，其中，所述第一组脉冲相互间隔时间δt，所述第一组脉冲和所述第二组脉冲间隔延迟时间ΔT，并且所述第二组脉冲相互间隔所述时间δt。

6.根据权利要求5所述的用于退火的方法，其中，ΔT≥2δt。

7.根据权利要求5所述的用于退火的方法，其中，所述延迟时间ΔT在20纳秒至120纳秒之间的范围内，并且所述时间δt在0纳秒至60纳秒之间的范围内。

8.根据前述权利要求中任一项所述的用于退火的方法，其中，所述第一组脉冲同时入射到所述层上，所述第一组脉冲和所述第二组脉冲间隔延迟时间ΔT，并且所述第二组脉冲相互间隔时间δt。

9.根据权利要求8所述的用于退火的方法，其中，ΔT＝1.3δt。

10.根据权利要求8所述的用于退火的方法，其中，所述延迟时间ΔT在20纳秒至120纳秒之间的范围内，并且所述时间δt在0纳秒至60纳秒之间的范围内。

11.根据前述权利要求中任一项所述的用于退火的方法，其中，所述第一组激光束在相对于所述线光束的中心轴的第一角度范围α_F内入射到所述层上，所述第二组激光束在相对于中心轴的第二角度范围α_S内入射到所述层上，并且所述第二角度范围α_S比所述第一角度范围α_F更靠近所述中心轴。

12.根据权利要求11所述的用于退火的方法，其中，所述第一角度范围α_F在1°至9°之间的范围内，并且所述第二角度范围α_S在0°至3°之间的范围内。

13.根据权利要求11或权利要求12所述的用于退火的方法，其中，所述中心轴在所述长维度上垂直于所述层。

14.根据权利要求11或权利要求12所述的用于退火的方法，其中，所述第二组激光束在所述层上具有比所述第一组激光束更小的入射角。

15.根据权利要求11所述的用于退火的方法，其中，所述中心轴相对于所述层的在短维度上的法线倾斜4°至12°之间的范围内的角度θ。

16.根据前述权利要求中任一项所述的用于退火的方法，其中，所述第二组激光束是非偏振的。

17.根据前述权利要求中任一项所述的用于退火的方法，其中，所述第一组激光束和所述第二组激光束具有355纳米的波长，并且所述第一组激光脉冲和所述第二组激光脉冲具有在20纳秒至30纳秒之间的范围内的脉冲持续时间。

18.用于对衬底上的层进行退火的光学装置，包括：

多个脉冲激光源，每个所述脉冲激光源提供脉冲激光束；

光束均化器，所述光束均化器具有长轴和正交的短轴，所述激光束被引导至所述光束均化器并透过所述光束均化器，被引导的激光束沿所述光束均化器的长轴连续排列并被分成第一组激光束和第二组激光束；

光束投射器，所述光束投射器包括串联布置在所述光束均化器与所述层之间的多个透镜，所述光束投射器被布置为拦截通过所述光束均化器传输的所述激光束，所述光束均化器和所述光束投射器协同地将所述激光束形成为照射所述层的线光束，所述线光束具有长维度和正交的短维度，沿着所述线光束的长维度的每个位置被每一个所述激光束照射；以及

控制器，所述控制器用于同步所述激光束中的脉冲；

其中所述第二组激光束以比所有激光束组合的更小的角度范围入射到所述层上；

其中所述控制器同步所述激光束中的脉冲，使得所述第一组激光束中的脉冲在所述第二组激光束中的脉冲之前入射到所述层上，所述第一组激光束中的脉冲熔化被所述线光束照射的层中的材料，并且所述第二组激光束中的脉冲在熔化的材料固化之前入射到所述层上。

19.用于对衬底上的层进行退火的光学装置，包括：

多个脉冲激光源，每个所述脉冲激光源提供脉冲激光束；

光束均化器，所述激光束被引导到所述光束均化器中并透射通过所述光束均化器；

光束投射器，所述光束投射器包括串联布置在所述光束均化器与所述层之间的至少两个正透镜，所述光束投射器被布置为拦截穿过所述光束均化器透射的激光束，所述光束均化器和所述光束投射器共同将所述激光束形成照射所述层的线光束，所述线光束具有长维度和正交的短维度，沿着所述线光束的长维度的每个位置被每一个所述激光束照射，所述激光束共同跨越一定范围的入射角α到所述线光束中的位置上；以及

控制器，所述控制器用于同步所述激光束中的脉冲；

其中所述控制器同步所述激光束中的脉冲，使得至少一个激光束中的脉冲晚于所有其他激光束中的脉冲照射所述层，所述至少一个激光束跨越小于0.5α的入射角范围。

20.根据权利要求19所述的光学装置，其中，所述至少一个激光束跨越小于0.25α的入射角范围。