CN1314995C - 连续横向固化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于制造液晶显示装置的连续横向固化装置，该装置能增强自身的光学特性并且防止因结晶薄膜的消融引起的破损。该装置包括：一产生激光束的激光源；一投影透镜，它将从激光源产生的激光束聚焦在其上形成有硅层的一基板上；一激光束分束器，它在投影透镜与该基板之间，用来透过从激光源产生的激光束以照射要进行结晶的硅层、阻挡从该基板朝向投影透镜反射回来的激光束，以及用作防止薄硅层消融的主要保护层；和一工作台，在它上面安装有该基板。
Description
本申请要求享有2003年6月30日提出的第P2003-043647号韩国申请的的权益，其在此全部引用以作参考。
技术领域
本发明涉及一种硅固化装置，尤其涉及一种连续横向固化装置。虽然本发明适于很宽的应用范围，不过它特别适于提高连续横向固化装置的光学特性并且防止因结晶薄膜的消融而引起的光学损伤。
背景技术
随着信息技术的发展，需要各种显示器。近来，已经努力研究和开发出各种平板显示板，例如液晶显示装置(LCD)、等离子显示板(PDP)、电致发光显示器(ELD)、真空荧光显示器(VFD)等等。有些类型的平板显示板现已用于各种显示装置中。
LCD现已广泛应用，因为它具有包括图像品质高、重量轻、尺寸小和功耗低的良好特性和优点，从而作为阴极射线管(CRT)的替代品用于移动图像显示装置中。LCD还被开发用于接收和显示广播信号的装置，例如电视、计算机监视器等等。
即使在用于各种领域中图像显示的LCD技术方面进行了重要的开发，但是图像品质无法满足LCD的特点和优点。
为了将液晶显示装置作为显示装置用于各种领域中，需要根据实现图像品质例如高分辨率、高亮度、宽显示屏等等并且保持高亮度、小型化和低功耗的特点这些要求来开发LCD。
这样的液晶显示装置包括显示图像的液晶显示板和将驱动信号施加到液晶板上的驱动单元。液晶显示板包括相互粘结的第一基板和第二基板以及注入在第一基板与第二基板之间的液晶层。
这样，在第一玻璃基板(TFT阵列基板)上形成：多条栅极线，它们沿着一个方向彼此间隔开排布；多条数据线，它们沿着基本上垂直于栅极线的方向彼此间隔开排布；多个象素电极，它们以矩阵形式形成于象素区内，该矩阵由彼此交叉的栅极线和数据线限定；多个薄膜晶体管，它们受到栅极线信号的开关控制，用以将数据线的信号传送给象素电极。
在第二玻璃基板(滤色片基板)上形成：一黑色矩阵层，它用来遮蔽来自象素区外部的光；一R/G/B滤色片层，它用来实现色彩显示；一公共电极，它用来实现图像显示，该公共电极形成于水平电场型LCD中的第一基板上。
上述第一基板和第二基板通过衬垫料彼此分开以形成一个空间，并且通过具有一液晶注入口的密封剂彼此粘结在一起。另外，将液晶注入在两基板之间。
通过保持密封剂所粘结的两个基板之间间隙内的真空状态，实施液晶注入法。然后，将液晶注入口浸入一个装有液晶的容器内，以便通过渗透作用使液晶注入两个基板之间的间隙内。当如上所述注入液晶时，用一种气密密封剂密封该液晶注入口。
一种普通液晶显示装置的驱动原理利用了液晶的光学各向异性和偏振特性。由于液晶的结构是薄而长，所以使液晶分子排列成具有一个特定方向。而且，可以通过将一人工电场施加到液晶上来控制排列的方向。因此，当液晶分子的排列受到任意控制时，液晶分子的排列最终受到改变。接着，由于液晶的光学各向异性，所以光线沿着液晶分子的排列方向受到折射，由此显示图像信息。
在最近的现有技术中，有源矩阵型液晶显示器(LCD)因其高分辨率和显示活动图像的能力而被看好，这种有源矩阵型液晶显示器由一薄膜晶体管和排列成矩阵形式并且连接到该薄膜晶体管上的象素电极构成。
具有高电场迁移率(electric field mobility)和低光电流的多晶硅通常用来形成上述薄膜晶体管的半导体层。根据制造的温度可以将多晶硅的制造方法分为低温制造法和高温制造法。
高温制造法要求大约1000℃的温度条件，该温度等于或者高于基板的修正温度。由于玻璃基板的耐热性很差，所以应当使用耐热性好的昂贵的石英基板。与利用低温制造法形成的多晶硅相比，当利用高温制造法制造多晶硅薄膜时，可能会由于较高的表面粗糙度和细微的晶粒而发生不适当的结晶，由此导致装置性能很差。因此，现在正在研究和开发对能够在低温时进行汽相淀积结晶非晶硅以形成多晶硅的技术。
低温制造法可以分为激光退火法和金属诱导(metal induced)结晶法两类。
激光退火法包括将一脉动激光束照射到一基板上。更具体地说，利用该脉动激光束，大约每10到100纳秒重复对基板固化和凝聚。这种低温制造法因其具有可以使下绝缘基板上引起的损伤达到最小的优点而被认可。
现在详细说明利用这种激光退火法的现有技术硅结晶法。
图1示出一曲线，该曲线表示出非晶硅颗粒大小与激光能量密度的关系。
如图1所示，根据激光能量强度，可以将非晶硅的结晶分成第一区、第二区和第三区。
第一区是局部熔化区，借此，照射在非晶硅层上的激光能量强度仅仅熔化非晶硅层的表面。在照射之后，非晶硅层的表面在第一区局部熔化，借此在一固化过程之后，小晶粒形成于非晶硅层的表面上。
第二区是接近完全熔化区，借此，比第一区高的激光能量强度几乎完全熔化非晶硅。在熔化之后，剩下的核用作晶体生长的晶种，由此以与第一区相比而增大的晶体生长来形成晶粒。但是，第二区中形成的晶粒并不均匀。第二区比第一区窄。
第三区是完全熔化区，借此，照射具有比第二区的强度更大的激光能量以完全熔化非晶硅层。在完全熔化非晶硅层之后，进行固化过程，以便进行均相成核，由此形成由细而均匀的晶粒构成的结晶硅层。
在这种多晶硅的制造方法中，激光束照射的次数和覆盖的程度都受控以便利用第二区的能量密度形成均匀而且大而粗糙的晶粒。
但是，多个多晶硅颗粒之间的界面成为电流流过的障碍，由此降低了薄膜晶体管装置的可靠性。另外，可能会在多个晶粒内产生电子间的冲撞，由于冲撞电流和恶化导致绝缘层破损，由此导致产品品质下降或者有残缺。为了解决制造多晶硅的方法中的这些问题，利用一种连续横向固化(SLS)结晶法，在液体硅与固体硅之间的界面上沿着垂直于该界面的方向进行硅晶粒的晶体生长。这种SLS结晶法详细公开在Robert S.Sposilli，M.A.Crowder，and James S.Im所著的Mat.Res.Soc.Symp.Proc.第452卷第956-957页，1997中。
在这种SLS结晶法中，激光能量的大小、激光束的照射范围和平移距离(translation distance)受控，以使具有预定长度的硅晶粒横向生长，由此将非晶硅结晶为单个晶体。
这种SLS结晶法中使用的照射装置将激光束汇聚到一个小而窄的区域内，使得淀积在基板上的非晶硅层不能借助单独一次照射全部转换为多晶硅。因此，为了改变基板上的照射位置，将其上淀积有非晶硅层的基板固定在一工作台上。然后，在一预定区域上照射之后，移动基板，以便能在另一个区域上进行照射，由此能在基板的整个表面上执行照射过程。
图2示出了一种现有技术激光热处理法的剖视图。
参见图2，在基板20上形成第一缓冲层21，然后形成非晶硅层22。之后，在其上淀积有非晶硅层22的基板20之上，放置具有按顺序交替的透明部分和不透明部分的激光束图案掩模(图中未示)。随后，在非晶硅层22上执行激光照射过程。
通常，利用化学汽相淀积(CVD)法在基板20上淀积非晶硅层22，这导致就在淀积之后，在非晶硅层22中有很高含量的氢。但是，当加热薄膜时，氢要从薄膜中逸出。因此，在非晶硅层22上执行基本的热处理，以便执行一个脱氢过程。如果在结晶之前氢没有消除，结晶后的硅层表面变粗糙，由此导致电性能很差。
图3示出了其一部分被结晶的基板的平面图。
由于激光束的宽度和激光束图案掩模的大小都有限，所以无法用单次照射在基板20的整个表面上利用激光束进行结晶。因此，随着基板的尺寸变大，要多次移动单个激光束图案掩模，由此通过在各个小区域内重复结晶来进行结晶。
当一个小区域受到完全结晶时，将该区域内的激光束图案掩模定义为一个单元区块。通过多次激光束照射来进行一个单元区块内的结晶。
图4示出在第一次激光束照射之后，与透明部分对应的非晶硅层一部分的结晶区域。
参见图4，通过放置在非晶硅层22之上的激光束图案掩模(图中未示)发出单次激光束。在此，所发出的激光束透过激光束图案掩模上形成的多个透明部分‘A’。然后，激光束使非晶硅层22熔化，使其液化。这里使用的激光能量强度具有选自完全熔化区(如图1所示)中的一个值，由此完全熔化该硅层。
在激光束照射之后，硅粒33从非晶硅区与完全熔化液化硅区之间的界面32开始朝向照射区横向生长。该硅粒33的横向生长从界面32开始在水平方向上进行。
在与掩模的透明部分对应的非晶硅层22的照射区中，当激光束图案掩模的透明部分‘A’的宽度是硅粒生长长度的一半或者更少时，从硅区界面被照射区域的两侧向内沿着垂直方向生长的细颗粒与中点31接触，由此使得晶体生长停止。
在第一次照射的结晶过程之后，形成的结晶区数目与激光束图案掩模(图5中的标记43)上透明部分‘A’的数目相同。
为了进一步使硅粒生长，移动装有基板的工作台，以在与第一次被照射区域相邻的区域上进行另一个照射过程。这样，形成另一个晶体，使新晶体与第一次被照射区域中形成的晶体连接。类似地，在完全固化区域的每一侧上都形成晶体。通常，通过激光照射过程产生的并且连接到照射部分上的晶体生长长度在1.5到2微米(μm)的范围内。
通过重复几次上述过程，可以使图3中所示与一个单元区块‘C’对应的一部分非晶硅层结晶。
但是，在这种现有技术的硅结晶方法中，激光束图案掩模的透明部分‘A’的宽度小于不透明部分的宽度。因此，为了使一个单元区块完全结晶，结晶过程应当与工作台的多次小距离移动一起进行。
图5示出了一种现有技术连续横向固化装置(SLS)的示意图。
参见图5，这种连续横向固化(SLS)装置包括：产生激光束的激光束发生器41；聚焦透镜42，它对来自激光束发生器41的激光束聚焦；激光束图案掩模43，它将激光束脉冲分开来照射到基板50上；缩小镜(reduction lens)44，它形成于激光束图案掩模43之下，以一恒定比率缩小透过激光束图案掩模43的激光束。
激光束发生器41通常在一受激准分子激光器中利用XeCl产生波长约为308纳米(nm)的光或者利用KrF产生波长约为248纳米(nm)的光。激光束发生器41发出一未处理的激光束。所发出的激光束经过一衰减器(图中未示)，能级在该衰减器中受控。然后，激光束透过聚焦透镜42。
将其上淀积有非晶硅层的基板50固定到一个X-Y工作台上，该工作台面对激光束图案掩模43。
为了使基板50的整个表面都结晶，精密地移动该X-Y工作台，由此逐渐扩大结晶区。
激光束图案掩模43包括允许激光束通过的透明部分‘A’和阻挡激光束的不透明区‘B’。透明部分‘A’的宽度决定第一次曝光后形成的颗粒的横向生长长度。
将示于激光发生器41之下的控制激光束的强度和大小以及图案的聚焦透镜42、激光束图案掩模43和缩小镜44合起来称为投影透镜45。
图6示出在利用这种现有技术连续横向固化装置的结晶过程中激光束朝向激光发生器41反射回来的示意图。
参见图6，在结晶过程中，照射到基板50的一部分激光束从基板50的表面反射回来，进入投影透镜45。这种情况下，照射到投影透镜45的激光束可能随后从投影透镜45内的透镜例如聚焦透镜或者缩小镜的表面朝向基板50反射回来。
反射回到基板50的激光束具有与由光源最初发出的激光路径不同的路径。这样，所反射的激光束作为一种干扰，可能降低SLS装置的性能，或者产生使结晶性能很差的寄生效应。
图7示出利用这种现有技术的连续横向固化装置的结晶过程中发生的消融示意图。
如图7所示，当通常利用SLS装置执行结晶过程时，所照射的激光束能量密度可能大于淀积在基板50上的薄硅层所能承受的能量。
这种情况下，由于照射到基板50上的激光束，在薄硅层上发生消融现象，由此使固体硅变成蒸汽。在此，汽化的硅粒51淀积在投影透镜45内一透镜(通常是缩小镜)的表面上。
随着激光照射重复进行，由于消融现象，颗粒51在投影透镜45内的透镜表面上的淀积增多，导致透镜的光学特性降低。
如上所述，现有技术的SLS结晶方法具有以下缺点：
为了在形成于一基板上的硅层上进行SLS结晶过程，应当形成具有几微米(μm)线宽的细激光束。因此，SLS装置应当包括形成于投影透镜内的一激光束图案掩模、一聚焦透镜和一缩小镜，以便修正从激光发生器中发出的激光束的图案。
这种情况下，当激光束经过投影透镜照射到基板上时，一部分激光束从基板的表面反射回来，然后通过投影透镜反射回基板。所反射的激光在要被结晶的区域中构成干扰。
另外，当用激光束照射形成于基板上的薄硅层时，所照射的激光束的能量密度可能立即变得非常高。在这种现象发生时，一部分薄硅层可能会汽化，导致有小颗粒沉积在透镜表面上。随着透镜恶化现象反复增多，使得透镜的光学特性有损。
发明内容
因此，本发明涉及一种连续横向固化装置，该装置基本上避免了因现有技术的局限和缺点带来的一个或者多个问题的。
本发明的一个优点是提供一种连续横向固化装置，该装置能够提高自身的光学特性并且防止因结晶薄膜的消融引起的光学破损。
以下要说明本发明的附加特征和优点，其中的一部分可以从说明书中看出，或是通过对本发明的实践来学习。采用说明书及其权利要求书和附图中具体描述的结构就能实现并达到本发明的目的和其它优点。
为了实现这些目的和其他优点，根据本发明，如这里所具体和概括描述的那样，一种用于制造液晶显示装置的连续横向固化装置包括：产生激光束的激光源；一投影透镜，它将从激光源产生的激光束聚焦在其上形成有硅层的一基板上；一激光束分束器，它在投影透镜与该基板之间，用来透过从激光源产生的激光束以照射要进行结晶的硅层、阻挡从该基板朝向投影透镜反射回来的激光束，以及用作防止薄硅层消融的主要保护层；和一工作台，在它上面安装有该基板。
应理解的是，前面总的描述和以下的详细描述是示例和解释性的，意欲用它们提供对所要求保护的本发明的进一步解释。
附图说明
所包括用来提供对本发明进一步理解并且包括在内构成本发明一部分的附图示出了本发明的各个实施例，并且连同文字描述一起用来解释本发明的原理。
这些附图中：
图1示出了激光能量密度与非晶粒大小关系的曲线；
图2示出了一种现有技术激光热处理法的剖视图；
图3示出了其一部分被结晶的基板的平面图；
图4示出了在第一次激光束照射之后，与透明部分对应的非晶硅层一部分的结晶状态；
图5示出了一种现有技术连续横向固化装置的示意图；
图6示出了在利用这种现有技术连续横向固化装置的结晶过程中发生反射回来现象的示意图；
图7示出了利用这种现有技术的连续横向固化装置的结晶过程中发生的消融示意图；
图8示出了根据本发明的一种连续横向固化装置的示意图；
图9示出了图8中根据本发明的连续横向固化装置的一个激光束分束器。
具体实施方式
现在详细描述本发明的优选实施例，它们的实例示于附图中。在可能的情况下，将在所有的附图中使用相同的附图标记以表示相同或者相似的部件。
图8示出了根据本发明的一种连续横向固化装置的示意图。
根据本发明的这种连续横向固化(SLS)装置包括：其上淀积有一薄硅层的基板60；产生激光束的激光源65；投影透镜80，它对来自激光源65的激光束聚焦，改变激光束的图案，并且将具有改变图案的激光束照射到基板60上；形成于投影透镜80之下的激光束分束器70，它将从激光源65发出的激光束传送到基板60上，并且阻挡从基板60反射回投影透镜80的激光束；固定在基板60上的工作台67。
虽然图中未示，但是投影透镜80对激光束聚焦，改变激光束的图案，并且将具有改变图案的激光束照射到基板60上，以下将详细描述其结构。
投影透镜80包括：对从激光源65发出的激光束聚焦的聚焦透镜；将激光束分开并且将所分开的激光束照射到基板60上的激光束图案掩模；形成于激光束图案掩模之下的缩小镜，它以一恒定比率缩小透过激光束图案掩模的激光束。
激光源65通常在一受激准分子激光器中利用XeCl产生波长为308纳米(nm)的光或者利用KrF产生波长为248纳米的光。激光源65发出一种未处理的激光束。所发出的激光束通过一衰减器(图中未示)，能级在该衰减器中受控。然后，激光束通过聚焦透镜。
其上淀积有一薄非晶硅层的基板60固定在工作台67上，面对激光束图案掩模。
为了使基板60的整个表面都结晶，细微地移动工作台67，由此逐渐扩大结晶区。
其间，当来自激光源65的激光束经过投影透镜80以照射到基板60上时，一部分发出的激光束被基板60朝向投影透镜80反射回来。然后，激光束反射回基板60。但是，所反射的激光束对基板60上进行的结晶过程来说构成干扰。因此，在根据本发明的SLS装置的投影透镜80之下设置激光束分束器70，以防激光束被再次发射。
激光束分束器70将来自激光源65的激光束传送给基板60。但是，激光束分束器70阻挡从基板60反射回来的激光束，防止所反射的激光束朝向基板反射回去。因此，可以进行结晶过程，而不会发生激光束从基板60反射回投影透镜80的问题，使得能够产生期望的结晶图案而没有干扰因素。
这里，激光束分束器70的透射率约为99％。之后反射的传送给激光束分束器70的激光束分量应当约为1％。
另外，激光束分束器70还防止在基板60上形成的薄硅层发生消融，这种消融是由激光能量密度突然增大而引起的。这样，可以防止在投影透镜80内的透镜表面上引起破损。
这种情况下，由于消融，可能会在激光束分束器70的表面上淀积汽化硅粒。当硅粒过度淀积在激光束分束器70的表面上时，引起破损，可以替换该破损的激光束分束器70。
通常，与激光束分束器70相比，投影透镜80中所设置的聚焦透镜或者缩小镜非常昂贵，由此导致在需要更换时装置的成本增大。本发明的优势在于，通过将激光束分束器70作为防止薄硅层消融的主要保护层，可以以较低的成本更换提供最佳光学效果的装置，由此降低了整体产品成本。
其间，可以将激光束分束器70控制成为在两端倾斜。激光束分束器70的倾斜由以下两个因素决定：要被照射到激光束的基板上的区域和照射过程中需要的激光束强度。
图9示出图8中根据本发明的连续横向固化装置的激光束分束器。激光束分束器70可以包括在其上表面和下表面上的防反射层71和72。
防反射层71和72中的每一层都阻挡传送给激光束分束器70的激光束反射分量，以使激光束具有特定方向。
另外，防反射层71和72起一保护层作用，在发生消融时，该保护层保护激光束分束器70。因此，可以通过简单地更换防反射层71和72来恢复SLS装置的光学效率而无需更换激光束分束器70。
根据本发明的这种连续横向固化装置具有以下优点。
一激光束分束器固定在投影透镜之下，以便使从激光源照射到基板上的激光束具有特定方向，从而消除回反射，由此防止因激光束的反射而导致出现干扰。
另外，该激光束分束器可以起一基本的保护层的作用，该保护层保护投影透镜不受薄硅层消融的影响，薄硅层的消融是因照射激光束时能量密度突然增大而导致的薄硅层汽化引起的。
此外，可以防止对昂贵的投影透镜内透镜的损伤，由此降低了整体的产品成本。
最后，通过防止在投影透镜内的透镜中产生损伤，可以保持连续横向固化装置的光学特性，并且可以延长该装置的寿命。
对本领域的那些技术人员来说很明显的是，在不脱离本发明的精神或者范围的情况下，可以在本发明中做各种修改和变换。这样，假定本发明的这些修改和变换落在所附权利要求书及其等同物的范围内，意欲使本发明覆盖它们。
Claims (11)
1.一种用于制造液晶显示装置的连续横向固化装置，包括：
一产生激光束的激光源；
一投影透镜，它将从激光源产生的激光束聚焦在其上形成有硅层的一基板上；
一激光束分束器，它在投影透镜与该基板之间，用来透过从激光源产生的激光束以照射要进行结晶的硅层、阻挡从该基板朝向投影透镜反射回来的激光束，以及用作防止薄硅层消融的主要保护层；和
一工作台，在它上面安装有该基板。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于，投影透镜包括：
一聚焦透镜，它对激光束聚焦；
一激光束图案掩模，它限定激光束的形状；和
一缩小镜，它缩小聚焦后和限定形状后的激光束。
3.根据权利要求1的装置，其特征在于，还包括一防反射层，它在激光束分束器的上表面和下表面上。
4.根据权利要求3的装置，其特征在于，防反射层是可更换的。
5.根据权利要求1的装置，其特征在于，激光束分束器阻挡从基板朝向投影透镜反射回来的大于大约99％的激光束。
6.根据权利要求1的装置，其特征在于，激光束分束器可以两端倾斜。
7.根据权利要求6的装置，其特征在于，两端倾斜由照射区域和所需的激光束强度控制。
8.一种用于制造液晶显示装置的硅基板的结晶方法，包括：
通过一投影透镜和激光束分束器用一激光束照射其上形成有硅层的一基板，其中该激光束分束器用来透过从激光源产生的激光束以照射要进行结晶的硅层、阻挡从该基板朝向投影透镜反射回来的激光束，以及用作防止薄硅层消融的主要保护层；
平移该基板；
重复照射基板上的硅层并平移该基板；以及
当消融降低了激光束分束器的性能时，更换激光束分束器上的防反射层。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，激光束分束器阻挡从基板朝向投影透镜反射回来的大于大约99％的激光束。
10.根据权利要求8的方法，其特征在于，激光束分束器可以两端倾斜。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于，两端倾斜由照射区域和所需的激光束强度控制。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Owner name: LG DISPLAY CO., LTD. Free format text: FORMER NAME OR ADDRESS: LG. PHILIP LCD CO., LTD. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: Seoul, Korea Patentee after: LG Display Co., Ltd. Address before: Seoul, Korea Patentee before: LG Philips LCD Co., Ltd. |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20070509 Termination date: 20200617 |