CN1290154C - 激光结晶系统和控制准分子激光退火制程能量密度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光结晶系统和一种实时控制准分子激光退火程序能量密度的方法。该激光结晶系统包含有一准分子激光退火装置与一光学检测装置。该实时控制准分子激光退火程序的能量密度的方法，包含有利用进行一最佳能量密度决定程序，以决定出一最佳能量密度，以及利用该最佳能量密度的准分子激光来进行一准分子激光退火程序。

Description

激光结晶系统和控制准分子激光 退火制程能量密度的方法

技术领域

本发明涉及一种激光结晶系统和一种准分子激光退火的方法，特别是涉及一种具有光学检测和激光能量密度校正功能的激光结晶系统和一种实时控制准分子激光退火制程的能量密度的方法。

背景技术

液晶显示器具有外型轻薄、耗电量少、分辨率佳、无辐射以及抗电磁干扰等特性，故已被广泛地应用在手机、个人数字助理(PDA)、笔记型计算机、平面显示器等信息家电产品上。然而随着使用者对于显示器视觉感受要求的提升，加上新技术应用领域不断的扩展，于是更高画质、高分辨率且具低价位的液晶显示器变成未来显示技术发展的趋势，也造就了新的显示技术发展的原动力，而其中低温复晶硅薄膜晶体管(LTPS TFT)技术是实现上述目标的一项重要量产技术。

一般低温多晶硅制程大多利用准分子激光退火(Excimer LaserAnnealing，ELA)技术进行，亦即利用准分子激光作为热源以将非晶硅结构转换为多晶硅结构。当准分子激光经过光学投射系统后，会产生能量均匀分布的激光束，并投射于沉积有非晶硅膜的基板上，以使吸收准分子激光能量的非晶硅膜再结晶而转变成为多晶硅结构。由于上述制程是在600℃以下完成，一般玻璃基板或是塑料基板等皆可适用，因此更扩大了低温多晶硅薄膜晶体管液晶显示器的应用范围。

如前所述，目前在低温多晶硅薄膜晶体管液晶显示器的制作上，是以一准分子激光束照射扫瞄基板，藉此使基板上预先沉积的非晶硅转换为多晶硅结构。基板表面的多晶硅结构的品质会直接影响之后形成各式组件的特性，且多晶硅结晶状态的好坏主要受到二项因素的影响，一为基板表面的非晶硅膜厚，一为准分子激光光的能量密度。其中随着低温多晶硅薄膜晶体管液晶显示器的设计不同，或非晶硅镀膜制程的反应条件的差异，进行准分子激光退火制程的各批次基板表面的非晶硅膜厚或结晶状态可能有所不同，因此于进行准分子激光退火制程时必须选用适当能量密度的准分子激光，否则会使基板表面的多晶硅结晶状态不佳。另外，由于准分子激光的原理是将气体封存于一密闭腔室内，并利用电力激发气体产生准分子激光，因此准分子激光通常视使用状况经历约十数小时即必须重新填充新气体，且准分子激光的能量密度会随着使用时间而衰减，因此其能量密度不易控制。基于上述准分子激光本身的限制，在进行准分子激光制程时即使预先设定了一最佳能量密度，准分子激光的实际能量密度往往因衰减而与预先的设定值有所差异，而影响多晶硅的结晶状态。

除此之外，目前用来检测基板表面的多晶硅结晶状态的方法主要有二种检测方法，其一是利用一扫描式电子显微镜(scanning electro microscope，SEM)检测多晶硅结晶状态，另一种则是利用深紫外线显微镜(deep UVmicroscope)检测多晶硅结晶状态。其中，扫描式电子显微镜用来检视晶粒的大小(grain size)和形状与分布状况，然而由于此方法必须切割基板，并且需要经过腐蚀化学处理以突显晶界(grain boundary)来作样品分析，不仅不符合生产线的需求且属于破坏性检测，故只适用来作抽样检查。而深紫外线显微镜则是用来观察多晶硅的表面突起物排列的情形，然而由于此方法需将样品放大至一万倍以上，所以只能用来检测基板上数微米区域的多晶硅结晶状态的好坏，若对整片基板进行检测需花费数天的时间来检测一片基板，非常耗时，此外其设备相当精密而复杂，价格昂贵。

使用上述检测方法即使检测基板表面的多晶硅的结晶状态不佳，亦无法迅速调整出适合当时状况的准分子激光的能量密度。因此，如何改善现有激光结晶装置以及多晶硅结晶状态的检测方法，以提高检测效率与准分子激光制程的良率，已成为当前重要课题。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种具有光学检测和激光能量密度校正功能的激光结晶系统和一种实时控制准分子激光退火制程能量密度的方法，以检测出基板表面的多晶硅结晶状态，并实时调整准分子激光的能量密度至一最佳值，以形成良好的多晶硅结构。

根据本发明的一种具有光学检测和激光能量密度校正功能的激光结晶系统和一种实时控制准分子激光退火程序能量密度的方法。该激光结晶系统包含有一准分子激光退火(excimer laser annealing)装置与一光学检测装置。该准分子激光退火装置可执行一最佳能量密度决定程序及一准分子激光退火程序，其中该最佳能量密度程序用来决定准分子激光的一最佳能量密度，而该准分子激光退火程序依据该最佳能量密度利用准分子激光将一基板表面的非晶硅(amorphous silicon)转换成多晶硅(polysilicon)。该光学检测装置用来在该最佳能量密度决定程序中检测出该最佳能量密度，并在该准分子退火程序中判断出该基板表面的多晶硅的结晶状态是否良好。另外，该光学检测装置包含有一光源产生器、一影像接收器以及一数据处理系统。该光源产生器用来产生一可见光以照射该基板表面。该影像接收器用来撷取该基板表面所呈现的反射影像。该数据处理系统则与该准分子激光退火装置相连接，用以接收该影像接收器所检测出的信息，并根据所述信息控制该准分子退火装置。

在本发明的上述实时控制准分子激光退火制程的能量密度的方法中，利用数据处理系统可储存该影像接收器所撷取的各区域所呈现的各反射影像，并用来与该检测程序所撷取的该产品基板表面的反射影像进行比对。

上述实时控制准分子激光退火程序的能量密度的方法，包含有利用一表面具有非晶硅层的基板，进行一最佳能量密度决定程序，以决定出该准分子激光退火程序的最佳能量密度，以及提供一表面具有非晶硅层的产品基板，且该产品基板表面的非晶硅层的制程条件完全相同于该基板表面的该非晶硅层的制程条件，再利用前一步骤所决定出的该最佳能量密度的准分子激光来照射该产品基板，藉此将该产品基板表面的非晶硅层转换为多晶硅层。

由于本发明的激光结晶系统包含有一光学检测装置，结合本发明实时控制准分子激光退火程序的能量密度的方法，可实时调整准分子激光的能量密度于一最佳值，故可确保多晶硅层的结晶状态。

附图说明

图1为本发明的一具有光学检测暨激光能量密度校正功能的激光结晶系统的示意图。

图2为一利用不同准分子激光能量密度照射一基板上不同区域的示意图。

图3为一准分子激光能量密度与可见光的反射光相对强度以及各区域反射光强度变异系数的关系图。

图4为本发明实时控制准分子激光退火程序的能量密度的方法的一流程图。

附图符号说明

10激光结晶系统                     12准分子激光装置

14光源产生器                       16影像接收器

18基板                             20基板

30最佳能量密度决定程序             40准分子激光退火程序

50检测多晶硅结晶状态是否良好

具体实施方式

请参考图1，图1为本发明的一具有光学检测暨激光能量密度校正功能的激光结晶系统10的示意图。如图1所示，激光结晶系统10包含有一准分子激光退火(excimer laser annealing)装置12与一由一光源产生器14及一影像接收器16组成的光学检测装置。其中准分子激光退火装置10可产生准分子激光，并以线状扫描方式照射一基板18，藉此将基板18表面的一硅薄膜的结晶状态由非晶硅结构再结晶而转换为多晶硅结构。光学检测装置则用来判断经由准分子激光照射后的基板18表面的硅薄膜是否形成良好的多晶硅结构，其中光源产生器14可产生一可见光(例如白光)照射基板18，并与基板18呈适当的角度(上述角度介于10-85度，并以介于15-30度为较佳)，而由于经由准分子激光照射后的基板18表面的多晶硅结构会具有如阵列般排列的突起物(图未示)，因此光源产生器14产生的可见光会经突起物(图未示)反射并被影像接收器16所接收，而显示出多个垂直于准分子激光扫描方向的条纹，其中在本实施例中影像接收器16使用一高速线性扫描照相机来撷取可见光的反射影像，并利用一显示装置(图未示)显示反射影像。

经实际观察后发现当准分子激光具有适合基板18表面状况的能量密度的情形下，基板18表面的突起物(图未示)会呈均匀规则性的排列，且其排列间距约介于2500至3300奈米，因此具有类似分光光栅的作用，在此情况下经由突起物(图未示)反射的光线的光程差经公式计算后会介于5394-8684奈米，恰好是绿光的波长，换言之，当基板18表面的多晶硅具有良好的结晶状态时，基板18表面的突起物(图未示)会对绿光产生最大的建设性干涉，因此在此状况下影像接收器16的显示装置(图未示)所显示出的影像会呈现一整片绿色影像，而另一方面，当准分子激光的能量密度不匹配时，影像接收器16显示出的影像会呈现绿色与黑色相间的条纹，甚至会出现全黑的情况。

利用上述原理，本发明的激光结晶系统10可执行一最佳能量密度决定程序，并于一准分子激光退火程序结束后进行一检测程序，以检测多晶硅的结晶状态。其中，最佳能量密度程序在进行准分子激光退火程序之前，例如机台的每日保养、检修后、批次产品生产前，或是在品管的检测程序中检测出多晶硅的结晶状态不佳的情况下，用来决定或调整准分子激光程序中所应采用的一最佳能量密度。

为进一步说明上述最佳能量密度决定程序，请参考图2及图3。其中图2为一利用不同准分子激光能量密度照射一基板上不同区域的示意图，而图3为一准分子激光能量密度与可见光的反射光相对强度与各区域的反射光变异系数(coefficient of variance，CV)的关系图。本发明在进行最佳能量密度决定程序时，首先如图2所示，将一基板20区分为A、B、C及D四个区域，并分别利用具不同能量密度的准分子激光(在此范围中区域A、B、C及D所对应的能量密度分别为图3所示的EC-10、EC、EC+10、EC+20)照射上述四区域，藉此将基板20表面的非晶硅结构转换为具有不同结晶状态的多晶硅结构。接着再依序利用可见光照射上述区域，并量测各区域的反射光的强度。同时进一步量测出各区域内沿准分子激光扫描方向上不同位置的反射光的强度变化，以计算出各区域的反射光强度的变异系数，藉此制作出图3的准分子激光能量密度与可见光的反射光相对强度以及各区域反射光强度的变异系数的关系图。

由图3可知，当准分子激光的能量密度为EC时，EC对应的区域B的反射光的相对强度远大于其它能量密度对应的区域(A、C及D)的反射光的相对强度，除此之外，B区域的反射光强度的变异系数亦小于其它区域的变异系数，因此不会形成可视的条纹。换言之，在上述具有最佳能量密度的准分子激光的照射下，基板20表面的多晶硅结构具有良好的结晶状态。而由影像接收器的显示装置所显示的结果亦与上述结果吻合，如图2所示，在区域B所显示出的影像为一整片绿色(由于专利图标并非彩色图标，无法反应其真实色彩，特此说明)，而其它区域的影像，不论是能量密度过小(如区域A)或过大的区域(如区域C与D)均出现了大小不一的干涉条纹，当能量密度差异过大时，甚至会出现全暗的情况。

在上述最佳能量密度决定程序中，基板20上各区域的反射影像可利用影像接收器撷取后，利用显示装置直接比对反射光的灰阶与条纹状态以判断出最佳能量密度。然而本发明的光学检测装置可还包含有一数据处理系统，用来计算出各区域的反射光相对强度与变异系数二项参数，藉以判断出最佳能量密度。另外，数据处理系统亦可储存影像接收器16所撷取的影像数据，以归纳出一最佳反射影像，而决定当次的最佳能量密度，并可视需求储存该次最佳反射影像及最佳能量密度，以作为日后各反射影像的参考影像数据，藉由比对分析以更有效控制准分子激光的能量密度。

一旦通过最佳能量密度决定程序决定出最佳能量密度后，即可进行准分子激光退火程序，先调整准分子激光的能量密度为上述最佳能量密度，再以线状扫描方式依序照射与基板20具有相同表面状况的产品基板，藉以将产品基板表面的非晶硅结构转换为多晶硅结构。其中值得注意的是如前所述，由于准分子激光装置本身的限制，即使设定了预定的能量密度，实际产生的准分子激光的能量密度亦会随着使用时间而衰减。另外，随着产品设计的变更或是非晶硅镀膜制程的制程条件不同，非晶硅层的厚度、特性可能有所不同。在上述二种情况下，原先设定的最佳能量密度可能无法达到预期的效果，而导致多晶硅的结晶状态不佳。因此每一片产品基板于准分子激光退火程序后，本发明的激光结晶系统10可选择性地进行一实时检测程序，利用光学检测装置进行非破坏性检测，当产品基板的多晶硅结构不佳时，即立刻停止准分子激光程序，并以原先排定的下一片产品基板再一次进行最佳能量密度决定程序，重新决定出一符合当时条件的最佳能量密度，再继续进行准分子激光退火程序，藉此达到实时控制准分子激光的能量密度的功能。

为进一步说明本发明实时控制准分子激光的能量密度的功能，请参考图4，图4为本发明实时控制准分子激光退火程序的能量密度的方法的一流程图。如图4所示，本发明实时控制准分子激光退火程序的能量密度的方法包含有下列步骤：

30：进行一最佳能量密度决定程序；

40：进行一激光退火程序；以及

50：进行一检测程序，判断多晶硅结晶状态是否良好，若是则执行步骤40，以另一基板进行激光退火程序，若否则执行步骤30，进行另一最佳能量密度决定程序。

本发明实时控制准分子激光退火程序的能量密度的方法流程详述如下。首先，进行一最佳能量密度决定程序，先提供一表面具有一非晶硅层的基板，并将基板表面的非晶硅层区分成多个区域，接着利用不同能量密度的准分子激光照射各区域，以将各区域的非晶硅结构转换为具有不同结晶状态的多晶硅结构。最后利用光学检测装置检测出各区域的结晶状态，以决定出一最佳能量密度。

接着进行准分子激光退火程序，提供一表面具有非晶硅层的产品基板，且上述产品基板表面的非晶硅层的制程条件完全相同于最佳能量密度决定程序中所使用的基板表面的非晶硅层的制程条件，再利用具有上述最佳能量密度的准分子激光来照射产品基板，藉此将产品基板表面的非晶硅层转换为具有良好结晶状态的多晶硅层。

最后再进行检测程序，利用本发明的光学检测装置检测经过上述准分子激光退火程序的产品基板表面的多晶硅层是否具有良好结晶状态。若多晶硅层的结晶状态在可接受的范围内，则继续加载下一片具有相同表面状态的产品基板，并以相同能量密度进行准分子激光退火程序，以此类推。一旦产品基板的表面状况因设计不同有所变更，或是在检测程序中检测出经过准分子激光退火程序的产品基板表面的多晶硅层的结晶状态不佳，即表示目前准分子激光的能量密度非最佳能量密度，在此状况下立刻以下一片产品基板进行另一最佳能量密度决定程序，以决定出符合当时条件的最佳能量密度。当决定出新的最佳能量密度后，即调整准分子激光的能量密度为新的最佳能量密度，并继续进行准分子激光退火程序，以此类推。

相较于已知技术，本发明的具有光学检测和激光能量密度校正功能的激光结晶系统和实时控制准分子激光退火程序的能量密度的方法，通过一光学检测装置可迅速决定出一最佳能量密度，同时通过实时监控多晶硅层的结晶状态，可实时有效校正激光能量密度，确保准分子激光制程的品质。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明的权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (21)

1.一种具有光学检测暨激光能量密度校正功能的激光结晶系统，该激光结晶系统包含有：

一准分子激光退火装置，该准分子激光退火装置可执行一最佳能量密度决定程序及一准分子激光退火程序，其中该最佳能量密度程序用来决定准分子激光的一最佳能量密度，而该准分子激光退火程序依据该最佳能量密度利用准分子激光将一基板表面的非晶硅转换成多晶硅；以及

一光学检测装置，用来在该最佳能量密度决定程序中检测出该最佳能量密度，并在该准分子退火程序中判断出该基板表面的多晶硅的结晶状态是否良好，该光学检测装置包含有：

一光源产生器，用来产生一可见光以照射该基板表面；

一影像接收器，用来撷取该基板表面所呈现的反射影像；以及

一数据处理系统，与该准分子激光退火装置相连接，用以接收该影像接收器所检测出的信息，以便分析并比对该影像接收器所撷取的各反射影像，以判断各区域的结晶状态，进而决定该准分子激光退火程序的最佳能量密度，并根据所述信息控制该准分子退火装置，其中，所述各区域通过划分基板表面的非晶硅层而得到，所述各反射影像分别利用不同能量密度的准分子激光照射在所述各区域而呈现，具有最佳结晶状态的区域所对应的准分子激光的能量密度即为该最佳能量密度。

2.如权利要求1所述的激光结晶系统，其中该准分子激光退火装置利用准分子激光以线状扫描方式执行该最佳能量密度决定程序及该准分子激光退火程序。

3.如权利要求1所述的激光结晶系统，其中该可见光为白光，且该影像接收器为一高速线性扫描照相机。

4.如权利要求1所述的激光结晶系统，其中该可见光的照射角度与该基板的平面夹角介于10至85度之间。

5.如权利要求1所述的激光结晶系统，其中该可见光的照射角度与该基板的平面夹角介于15至30度之间。

6.如权利要求1所述的激光结晶系统，其中该数据处理系统还连接有一显示装置，用以显示该基板表面的结晶状况。

7.一种决定准分子激光退火制程的最佳能量密度的方法，该方法包含有下列步骤：

提供一基板，该基板表面具有一非晶硅层，且该非晶硅层区分有多个区域；

进行一准分子激光退火程序，并分别利用不同能量密度的准分子激光照射各区域；

利用光源产生器以便产生一可见光以照射该基板表面的各区域；

利用一影像接收器以便撷取各区域所呈现的反射影像，以及

通过一数据处理系统以便分析并比对该影像接收器所撷取的各反射影像，以判断各区域的结晶状态，进而决定该准分子激光退火程序的最佳能量密度，其中，具有最佳结晶状态的区域所对应的准分子激光的能量密度即为该最佳能量密度。

8.如权利要求7所述的方法，其中该最佳能量密度用来提供给该准分子激光退火程序，以将至少一产品基板表面的非晶硅层结构转换为多晶硅层，且该产品基板表面的非晶硅层的制程条件完全相同于该基板表面的该非晶硅层的制程条件。

9.如权利要求7所述的方法，其中该准分子激光退火程序利用准分子激光以线状扫描方式照射该基板表面的该非晶硅层，以将该非晶硅层的非晶硅结构再结晶成多晶硅结构。

10.如权利要求7所述的方法，其中判断各区域的结晶状态的步骤包含有比较各区域的反射影像相对亮度强弱与比较由各区域内不同位置计算出的反射光强度的变异系数大小。

11.如权利要求7所述的方法，其中该数据处理系统可储存该影像接收器所撷取的各反射影像，且该数据处理系统还包含有一最佳反射影像，用来与该影像接收器所撷取的各反射影像进行比对，以进一步调整该准分子激光退火程序的该最佳能量密度。

12.如权利要求7所述的方法，其中该可见光的照射角度与该基板的平面夹角介于10至85度之间。

13.如权利要求7所述的方法，其中该可见光的照射角度与该基板的平面夹角介于15至30度之间。

14.一种实时控制准分子激光退火制程的能量密度的方法，该方法包含有下列步骤：

(a)利用一表面具有非晶硅层的基板，进行一最佳能量密度决定程序，以决定出该准分子激光退火程序的最佳能量密度；以及

(b)提供一表面具有非晶硅层的产品基板，且该产品基板表面的非晶硅层的制程条件完全相同于该基板表面的该非晶硅层的制程条件，再利用步骤(a)所决定出的该最佳能量密度的准分子激光来照射该产品基板，藉此将该产品基板表面的非晶硅层转换为多晶硅层，

其中，所述该最佳能量密度决定程序包含有下列步骤：

提供一基板，该基板表面具有一非晶硅层，且该非晶硅层区分有多个区域，

进行一准分子激光退火程序，并分别利用不同能量密度的准分子激光照射各区域，以将各区域的非晶硅结构转换为具有不同结晶状态的多晶硅结构，以及

利用光源产生器以便产生一可见光以照射该基板表面的各该区域；

利用一影像接收器以便撷取各该区域所呈现的反射影像，以及

通过一数据处理系统以便分析并比对该影像接收器所撷取的各该反射影像，以判断各该区域的结晶状态，进而决定该准分子激光退火程序的最佳能量密度，其中，具有最佳结晶状态的区域所对应的准分子激光的能量密度即为该最佳能量密度。

15.如权利要求14所述的方法，其中判断各区域的结晶状态的步骤包含有比较各区域的反射影像相对亮度强弱与比较由各区域内不同位置计算出的反射光强度的变异系数大小。

16.如权利要求14所述的方法，其中该方法在完成步骤(b)之后还包含有一步骤：

(c)进行一检测程序，利用一光学检测装置来检测该产品基板表面的结晶状态；

其中当该产品基板表面的该多晶硅层的结晶状态正常，则重复进行步骤(b)，以将其它产品基板表面的非晶硅层转换为多晶硅层，而当该产品基板表面的该多晶硅层的结晶状态不正常，则再次进行步骤(a)，以重新决定出另一最佳能量密度。

17.如权利要求16所述的方法，其中该数据处理系统可储存该影像接收器所撷取的各区域所呈现的各反射影像，并用来与该检测程序所撷取的该产品基板表面的反射影像进行比对。

18.如权利要求14所述的方法，其中该数据处理系统可储存该影像接收器所撷取的各反射影像，且该数据处理系统还包含有一最佳反射影像，用来与该影像接收器所撷取的各反射影像进行比对，以进一步调整该准分子激光退火程序的该最佳能量密度。

19.如权利要求14所述的方法，其中该可见光的照射角度与该基板的平面夹角介于10至85度之间。

20.如权利要求14所述的方法，其中该可见光的照射角度与该基板的平面夹角介于15至30度之间。

21.如权利要求14所述的方法，其中该准分子激光退火程序利用准分子激光以线状扫描方式照射该基板表面的该非晶硅层，以将该非晶硅层的非晶硅结构转换为多晶硅结构。

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