CN1519899A - 激光能量自动控制系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光能量自动控制系统与方法。该方法包括：首先，提供一衬底。接着，测量衬底的氢含量值。然后，评估氢含量值是否小于一氢含量临界值。若氢含量大于氢含量临界值，则发出一警示信号。若氢含量不大于氢含量临界值，则测量衬底的厚度值。另外，建立各衬底厚度值与各激光能量值的一个对比表。接着，藉由对比表评估对应厚度值的一个激光能量值。最后，以激光能量值为依据施加一对应激光能量于衬底。本发明还提供实行该方法所需的系统。

Description

激光能量自动控制系统与方法

技术领域

本发明涉及一种激光系统与方法，且特别涉及一种激光能量自动控制的系统与方法。

背景技术

现有驱动液晶显示装置的方法中，主要用来作为图线显示的是薄膜晶体管(thin film transistor；TFT)的方式，而目前常见的薄膜晶体管主要有非晶硅薄膜晶体管(a-Si:H TFT)及多晶硅薄膜晶体管(poly-Si TFT)两种。多晶硅又可分为高温多晶硅(high temperature poly silicon；HTPS)与低温多晶硅(lowtemperature poly silicon；LTPS)两种。

现有的低温多晶硅薄膜晶体管工艺是利用准分子激光作为热源，激光光经过投射系统后，会产生能量均匀分布的激光束，投射于非晶硅结构的玻璃基板上，当非晶硅结构玻璃基板吸收准分子激光的能量后，会转变成为多晶硅结构，因整个处理过程都是在600℃以下完成，此过程称为激光结晶退火(excimer laser annealing；ELA)工艺。因此，激光结晶为低温多晶是薄膜晶体管工艺的关键技术的一。

在进行激光结晶退火(excimer laser；ELA)工序前，必须有几点考虑。第一、准分子激光退火结晶系统对非晶硅(a-Si)的厚度相当敏感，一旦非晶硅的厚度变化超过10，所需要的激光最佳结晶能量就会有所不同，因此，激光结晶工序所提供的激光能量必须随着非晶硅的厚度而调整。第二、非晶硅通常都含有部分氢，若非晶硅的氢含量过高，在激光结晶工序的过程中，会有发生氢爆的危险，因此，一旦发现非晶硅的氢含量过高，就必须舍弃。

然而，现有的准分子激光退火结晶设备和膜厚测量仪、氢含量测量仪并未整合，必须将非晶硅额外做氢含量测量确定在安全范围内的后，才进行激光结晶过程，并且无法依据非晶硅的厚度调整激光能量，所以无法确切掌握所施加的激光是提供最佳激光结晶能量。

发明内容

因此，为了解决上述问题，本发明主要目的在于提供一种激光能量自动控制系统与方法，可适用于将薄膜晶体管(TFT)的非晶硅进行激光结晶(ELA)工序。

本发明的目的之一在于一种激光能量自动控制系统与方法，藉由该系统不仅可测量非晶硅的厚度与氢含量，并且可进行激光结晶(ELA)程序。

本发明的目的之二在于一种激光能量自动控制系统与方法，以对应不同的非晶硅层厚度提供一适当的激光结晶能量，使非晶硅层完全转变为结晶硅层。

本发明的目的之三在于一种激光能量自动控制系统与方法，以避免非晶硅层进行激光结晶(ELA)程序时发生氢爆的现象。

本发明的目的之四在于一种激光能量自动控制系统与方法，以增进产能(throughput)。

本发明的主要特征是利用先测量出非晶硅层的氢含量是否达到安全标准，达标准的非晶硅层才可进行激光结晶(ELA)工艺，并且在进行激光结晶(ELA)工艺之前，先测量出非晶硅层的厚度，藉由对比已预先建立的非晶硅层厚度与激光能量对比表以决定适当的激光能量。

为获致上述的目的，本发明提出一种激光能量自动控制系统，主要包括：一衬底承载装置，用以承载一衬底；一测量装置，用以测量上述衬底的一厚度值与上述衬底的一氢含量值；一对比装置，用以提供一氢含量临界值与各衬底厚度值与各激光能量值的一对比表，藉以评估上述氢含量值是否大于上述氢含量临界值，且以上述厚度值对比上述对比表所对应的一激光能量值；以及一激光装置，以依据上述激光能量值施加一对应激光能量于上述衬底。

如前所述，上述测量装置可包括一椭圆仪(ellipsometry)。上述氢含量值可藉由测量上述衬底的一消光系数(light extinction coefficient)，经由消光系数与能带(band gap)关系推算出来。上述厚度值可藉由测量上述衬底的一折射率(refractive index)，经过布拉格衍射定律(Bragg diffraction law)推算而得。

如前所述，上述对比装置可包括一计算机。上述对比装置将上述氢含量值评估的方法可包括：若上述氢含量值大于上述氢含量标准值，则发出一警示信号；以及若上述氢含量值不大于上述氢含量临界值，则通知上述测量装置测量上述衬底的厚度值。另外，上述对比装置以上述厚度值对比上述对比表所对应的一激光能量值的方法可包括：将上述测量装置所测量的上述衬底的厚度值传送至上述对比装置；藉由对比装置以上述厚度值对比上述对比表所对应的一激光能量值；以及将上述激光能量值传送至上述激光装置。

根据本发明，上述衬底包括一非晶硅层。上述对比表藉由评估具有各种不同厚度的上述非晶硅层完全转变成一结晶硅层所需要的激光能量所建立。

为获得上述目的，本发明又提出一种激光能量自动控制方法，主要包括：

首先，提供一衬底于一衬底承载装置。藉由一椭圆仪测量上述衬底的一氢含量值。然后，藉由一对比装置评估上述氢含量值是否小于一氢含量临界值。接着，若上述氢含量大于上述临界值，则上述对比装置发出一警示信号。接着，若上述氢含量不大于上述氢含量临界值，则藉由上述椭圆仪测量上述衬底的一厚度值。另外，建立各衬底厚度值与各激光能量值的一个对比表。然后，藉由上述对比表以上述对比装置评估对应上述厚度值的一激光能量值。最后，藉由一激光装置依据上述激光能量值施加一对应激光于上述衬底。

如前所述，上述衬底包括一非晶硅层。上述对比表藉由评估具有各种不同厚度的上述非晶硅层完全转变成一结晶硅层所需要的激光能量所建立。藉由一激光装置提供上述激光能量施加于上述衬底的步骤是进行一激光退火结晶过程，以使上述非晶硅层转变为结晶硅层。

根据本发明，上述厚度值藉由测量上述衬底的一折射率(refractiveindex)，再推算而得。

根据本发明，上述氢含量值藉由测量上述衬底的一消光系数(lightextinction coefficient)，经由消光系数与能带(band gap)关系推算出来。

附图说明

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下：

图1显示根据本发明的激光自动控制系统的一优选实施例的框图；以及

图2显示根据本发明的激光自动控制方法的一优选实施例的流程图。

附图中的附图标记说明如下：

100～衬底承载装置；    102～测量装置；

104～对比装置；        106～激光装置；

T1～衬底的氢含量值；   T2～通知测量厚度的讯号；

T3～衬底的厚度值；     T4～激光能量值的对比结果。

具体实施方式

以下请配合参考图1的激光自动控制系统的框图与图2的激光自动控制方法的流程图，以说明本发明的一优选实施例。

激光自动控制系统

请先参照图1，本发明的激光能量自动控制系统，主要包括：一衬底承载装置100、一测量装置102、一对比装置104以及一激光装置106。

衬底承载装置100可用来承载一将要施以激光处理的衬底，例如：适用于薄膜晶体管(TFT)的非晶硅层，并且衬底承载装置100可传送衬底至测量装置102与激光装置106。

测量装置102，用以测量衬底的一个厚度值与/或衬底的一个氢含量值。测量装置102例如为一椭圆仪(ellipsometry)，则可藉由测量衬底的一消光系数k(light extinction coefficient)，经由消光系数与能带(band gap)关系，便可推算出衬底的氢含量值。另外，衬底的厚度值可藉由测量上述衬底的一个折射率n(refractive index)，再推算而得。另外，衬底厚度也可以藉由一般反射仪(reflect meter)测量获得。

由Mr.Tauc J.(1974)于Amorphous and Liquid Semiconductors中所发表的“Optical properties of amorphous semiconductors”，我们可以得到以下的公式：

$N_H=C\·A\underset{\mathrm{\ω}}{\∫}[\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ω}\right)/\mathrm{\ω}]\mathrm{d\ω}$

A＝[1+2(ε_s/ε₀)]²(ε_s/ε₀)^1/2/9(ε_s/ε₀)²

其中，对于a-Si，ε_s/ε₀＝12；

N_H：a-Si薄膜的氢含量；

B、C、h：常数；

α(ω)：吸收系数(对于光频率是一函数关系)；

Eg^OPT：非晶硅层的光学能带；

ε_s：材料的介电常数；

ε₀：真空介电常数。

氢含量和吸收常数为一正相关，而氢含量和材料的光学能带有一定的关系，故可由椭圆仪量出非晶硅层的吸收常数。再者，我们可藉由椭圆仪测量出消光系数k和折射系数n及厚度，而k和吸收常数的关系为k＝[λα(ω)]/(4π)，所以藉由椭圆仪，不仅可测量出非晶硅层的厚度，又可算出非晶硅层的氢含量。

对比装置104，可包括一计算机，于对比装置104内部除了预先建立一氢含量临界值外，还预先建立各衬底厚度值与各激光能量值的一对比表。测量装置102与对比装置104的间具有传输线路，可将测量装置102所测量到的结果，例如：氢含量值T1与衬底厚度T3，传送到对比装置104进行处理，对比装置104再将处理结果T2、T4分别传送至测量装置102与激光装置106。

由于不同材料所能允许的氢含量的标准各异，再者，不同激光设备在后续将提到的激光结晶(ELA)程序中所能容许的氢含量亦不相同，例如：以AKT公司所生产的CVD设备对材料非晶硅层进行激光结晶时，非晶硅层的氢含量不可大于5～6％(氢含量临界值)，否则会引起氢爆。因此，该氢含量临界值的设定必需参考测量材料与激光设备，藉以评估测量到的衬底氢含量值是否大于氢含量临界值。若测量到的衬底氢含量值大于氢含量临界值，则对比装置104会发出一警示信号。若测量到的衬底氢含量值不大于氢含量临界值，则对比装置104会发出一讯号，通知测量装置102测量衬底的厚度值。

另外，该预先建立的对比表经由重复激光测试各种不同厚度的既定材料衬底欲达到激光处理后理想状态所需要的不同激光能量大小的结果所得，例如：测试各种不同厚度的非晶硅层经过激光结晶(ELA)程序后，欲达到完全转变成结晶硅层所需要的激光能量。102测量装置所测量的衬底的厚度值会传送至对比装置104，对比装置104以测量到的衬底厚度值对比该对比表所对应的一激光能量值，然后，对比装置104会再将该激光能量值的对比结果传送至激光装置106。

激光装置106，接收对比装置104所通知的激光能量值后，会以该激光能量值为依据施加一对应激光能量于衬底。

标号A1、A2代表承载装置100传送衬底的路径，而标号T1、T2、T3、T4代表测量与对比结果信号的传送路径。

激光自动控制方法

请同时参照图1与图2，首先，于步骤S200中，提供一衬底于衬底承载装置100中。衬底承载装置100可传送衬底至系统内的各装置。该衬底的优选实施例为适用于薄膜晶体管(TFT)的一非晶硅层。

接着，于步骤S202中，测量衬底的氢含量。以衬底承载装置100传送衬底至测量装置102，藉由测量装置102，例如：椭圆仪，测量衬底的氢含量值。再将氢含量值的测量结果T1传送至对比装置104。

然后，于步骤S204中，藉由对比装置104评估上述氢含量值T1是否小于一氢含量临界值。若测量到的衬底氢含量值T1大于氢含量临界值，则进行步骤S206。若测量到的衬底氢含量值T1不大于氢含量标准值，则进行步骤S208、S210与S212。

步骤S206是指若测量到的衬底氢含量值T1大于氢含量临界值，则对比装置104会发出一警示信号。优选实施例为非晶硅层的氢含量不可大于5～6％(氢含量临界值)，否则以AKT公司所生产的CVD设备对材料非晶硅层进行激光结晶(ELA)时，将发生氢爆的现象。

步骤S208是指若测量到的衬底氢含量值T1不大于氢含量标准值，则对比装置104会发出一信号T2通知测量装置102，使测量装置102测量出衬底的厚度值T3。

接着，于步骤S210中，藉由测量到的衬底厚度值T3对比出激光能量值T4。测量装置102所测量的衬底的厚度值T3会再传送至对比装置104，对比装置104以测量到的衬底厚度值对比预先建立的对比表所对应的一激光能量值，决定该衬底厚度所适用的激光能量大小，优选实施例是评估出欲将具有预定厚度的非晶层藉由激光结晶(ELA)程序完全转变为结晶硅层所需要的适当激光能量，如表1所示。然后，对比装置104会再将该激光能量值的对比结果T4传送至激光装置106。

                       表1

激光结晶能量(mJ)	非晶硅层的厚度()
		200	100
210	200
		220	300
250	400
		270	500
290	600
		310	700
350	800
		400	900
460	1000

最后，于步骤S212中，以对比出的激光能量值T4为依据，实施一激光程序。衬底承载装置100再将衬底传送至激光装置106，并且激光装置106依据对比出的激光能量值T4调整适当的操作参数，例如：功率、时间...等，施加对应激光于衬底，以使衬底受到适当的激光程序，以免不必要的输出，以增进产能(throughput)。优实施例是使具有不同厚度的非晶硅层皆能以最适当的激光能量进行激光结晶(ELA)过程而完全转变为结晶硅层。

本发明的激光自动控制系统与方法的应用的优选实施例为如前所述的薄膜晶体管硅层的激光结晶化工艺，然而，本发明也可根据需求而定，根据其精神应用于任何其它激光工艺，在此并不加以设限。

本发明虽以优选实施例公开如上，但是其并非用以限定本发明的范围，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可做各种更动与润饰，因此本发明的保护范围应以所附的权利要求所界定的为准。

Claims (21)

1.一种激光能量自动控制系统，包括：

一衬底承载装置，用以承载一衬底；

一测量装置，用以测量上述衬底的一厚度值与上述衬底的一氢含量值；

一对比装置，用以提供一氢含量临界值与各衬底厚度值与各激光能量值的一对比表，藉以评估上述氢含量值是否大于上述氢含量标准值，且以上述厚度值对比上述对比表所对应的一激光能量值；以及

一激光装置，用以依据上述激光能量值施加一对应激光能量于上述衬底。

2.如权利要求1所述的激光能量自动控制系统，其中上述测量装置包括一椭圆仪。

3.如权利要求1所述的激光能量自动控制系统，其中上述对比装置包括一计算机。

4.如权利要求1所述的激光能量自动控制系统，其中上述对比装置将上述氢含量值进行评估的方法包括：

若上述氢含量值大于上述氢含量标准值，则发出一警示信号；以及

若上述氢含量值不大于上述氢含量标准值，则通知上述测量装置测量上述衬底的厚度值。

5.如权利要求1所述的激光能量自动控制系统，其中上述对比装置以上述厚度值对比上述对比表所对应的一激光能量值的方法包括：

将上述测量装置所测量的上述衬底的厚度值传送至上述对比装置；

藉由对比装置以上述厚度值对比上述对比表所对应的一激光能量值；

以及

将上述激光能量值传送至上述激光装置。

6.如权利要求1所述的激光能量自动控制系统，其中上述氢含量值藉由测量上述衬底的一消光系数，经由消光系数与能带关系推算出来。

7.如权利要求1所述的激光能量自动控制系统，其中上述厚度值藉由测量上述衬底的一折射率，再推算而得。

8.如权利要求1所述的激光能量自动控制系统，其中上述衬底包括一非晶硅层。

9.如权利要求6所述的激光能量自动控制系统，其中上述对比表藉由评估具有各种不同厚度的上述非晶硅层完全转变成一结晶硅层所需要的激光能量所建立。

10.一种激光能量自动控制方法，包括：

提供一衬底；

测量上述衬底的一氢含量值；

评估上述氢含量值是否小于一氢含量临界值；

若上述氢含量大于上述氢含量临界值，则发出一警示信号；

若上述氢含量不大于上述氢含量临界值，则测量上述衬底的一厚度值；

建立各衬底厚度值与各激光能量值的一对比表；

藉由上述对比表评估对应上述厚度值的一激光能量值；以及

以上述激光能量值为依据施加一对应激光能量于上述衬底。

11.如权利要求10所述的激光能量自动控制方法，其中上述厚度值藉由一反射仪测量上述衬底的一折射率，再推算而得。

12.如权利要求10所述的激光能量自动控制方法，其中上述厚度值藉由一椭圆仪测量上述衬底的一折射率，再推算而得。

13.如权利要求10所述的激光能量自动控制方法，其中上述氢含量值藉由一椭圆仪测量上述衬底的一消光系数，经由消光系数与能带关系推算出来。

14.如权利要求10所述的激光能量自动控制方法，其中上述衬底包括一非晶硅层。

15.如权利要求14所述的激光能量自动控制方法，其中上述对比表藉由评估具有各种不同厚度的上述非晶硅层完全转变成一结晶硅层所需要的激光能量所建立。

16.一种激光能量自动控制方法，包括：

提供一衬底于一衬底承载装置；

藉由一椭圆仪测量上述衬底的一氢含量值；

藉由一对比装置评估上述氢含量值是否小于一氢含量临界值；

若上述氢含量大于上述临界值，则上述对比装置发出一警示信号；

若上述氢含量不大于上述氢含量临界值，则藉由上述椭圆仪测量上述衬底的一厚度值；

建立各衬底厚度值与各激光能量值的一对比表；

藉由上述对比表以上述对比装置评估对应上述厚度值的一激光能量值；

藉由一激光装置依据上述激光能量值施加一对应激光能量于上述衬底。

17.如权利要求16所述的激光能量自动控制方法，其中上述厚度值藉由测量上述衬底的一折射率，再推算而得。

18.如权利要求16所述的激光能量自动控制方法，其中上述氢含量值藉由测量上述衬底的一消光系数，经由消光系数与能带关系推算出来。

19.如权利要求16所述的激光能量自动控制方法，其中上述衬底包括一非晶硅层。

20.如权利要求19所述的激光能量自动控制方法，其中上述对比表藉由评估具有各种不同厚度的上述非晶硅层完全转变成一结晶硅层所需要的激光能量所建立。

21.如权利要求19所述的激光能量自动控制方法，其中藉由一激光装置提供上述激光能量施加于上述衬底的步骤是进行一激光退火结晶过程，以使上述非晶硅层转变为结晶硅层。

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