CN1637483B - 激光掩模及使用它的结晶方法 - Google Patents

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Abstract

一种采用掩模的结晶方法，包括提供一个具有半导体层的基板；将一个掩模定位在基板上面，该掩模具有第一，第二和第三块，该掩模包括：在该第一块中的第一掩模图形；在该第二块中的第二掩模图形；以及在该第三块中的第三掩模图形，所述第一至第三块中的每一块具有包括多个透射区和一个遮挡区的周期性图形，第一块的第一掩模图形具有第一位置，第二块的第二掩模图形具有第二位置，第三块的第三掩模图形具有第三位置，第一，第二和第三位置彼此不同，并且相邻的三个透射区构成一个等边三角形，而六个等边三角形构成一个规则六边形；以及利用三次照射法通过掩模用激光束照射半导体层使其结晶。

Description

激光掩模及使用它的结晶方法
技术领域
本发明涉及到激光掩模及使用它的结晶方法，具体涉及到一种能够改善硅薄膜结晶特性的激光掩模及使用它的结晶方法。
背景技术
近来，由于对信息显示器特别是便携式信息显示器的需要，对薄膜型平板显示(FPD)器件的研发和市场化已经取得了积极的进展，从而正逐步取代阴极射线管(CRT)。在这些平板显示器件中，液晶显示(LCD)器件利用液晶的光学各向异性显示图像。LCD因其具有良好的分辨率、色彩表现能力和图像质量而被用于笔记本计算机、台式监视器和其他显示装置。
有源矩阵(AM)驱动方法是LCD器件中使用的一种典型驱动方法，用非晶硅薄膜晶体管(a-Si TFT)作为开关器件来驱动LCD器件的各个象素。EnglishLeComber等人在1979年披露了a-Si TFT技术，并且在1986年被商业应用于三英寸液晶便携电视。近来已经开发出显示面积在50英寸以上的TFT-LCD器件。然而，a-Si TFT的场效应迁移率大约的1cm2/Vsec，会阻碍其在对象素施加信号的外围电路中的应用，因为外围电路一般是按1MHz以上的频率工作的。为此，正在积极从事对于用场效应迁移率大于a-Si TFT的多晶硅(多-Si)TFT在玻璃基板上的象素区和驱动电路区内的外围电路中同时形成开关晶体管的研发。
自从1982年出现LCD彩色电视以来，多-Si TFT主要被用于小型平板显示器，例如是摄像机的目镜。这种TFT具有低感光度和高场效应迁移率，并且可以直接制作在基板上形成驱动电路。提高迁移率能提高驱动电路的工作频率。驱动电路的频率容量决定了在维持适当显示性能的同时所能驱动的象素数量。具体地说，提高频率会缩短施加给象素的信号的充电时间，从而减少信号畸变并提高图像质量。与驱动电压高达25V的a-Si TFT相比，多-Si TFT的驱动电压在10V以下，消耗的功率较小。
在基板上直接沉积多晶硅薄膜或是沉积一层非晶硅薄膜然后通过热处理结晶就能制成多-Si TFT。为了用廉价的玻璃作为基板，需要采用低温处理，并且，为了用多-Si TFT作为驱动电路，需要有一种提高场效应迁移率的方法。使非晶硅薄膜结晶的热处理方法一般有固相结晶(SPC)方法和准分子激光退火(ELA)方法。
SPC方法按600℃左右的低温形成多晶硅薄膜。按照这种方法，是在具有低熔点的玻璃基板上沉积一层非晶硅薄膜，然后按600℃左右执行数十小时的低温热处理经形成了多晶硅薄膜。用SPC方法获得的多晶硅薄膜具有约数μm(微米)的大颗粒。然而颗粒中有许多瑕疵。尽管多-Si TFT中的颗粒边界没有这样坏，这些瑕疵对多-Si TFT的性能也会有影响。
准分子激光退火方法是低温下制作多-Si TFT的一种典型方法。准分子激光用十纳秒时间对非晶硅薄膜照射高能激光束使非晶硅薄膜结晶。按照这种方法，在很短时间内使非晶硅熔化并且结晶，不会损坏玻璃基板。与按照常规热处理方法制作的多-Si薄膜相比，用准分子激光方法制作的多晶硅薄膜还具有良好的电特性。例如，用准分子激光方法制作的多-Si TFT的场效应迁移率在100cm2/Vsec以上，a-Si TFT的场效应迁移率是0.1～0.2cm2/Vsce，而按照一般热处理方法制作的多-Si TFT的场效应迁移率是10～20cm2/Vsce(IEEETrans.Electron Devices，vol.36，no.12，p2868，1989)。
现在详细描述采用激光的结晶方法。图1的示意图表示多晶硅薄膜的粒度与用来形成多晶硅薄膜的激光的能量密度之间的关系。
如图1所示，例如IEEE Electron Device Letters，DEL-7，276，1986中所述，在第一和第二区I和II内，多晶硅薄膜的粒度随着能量密度增大而增大。然而，在第三区III内，如果能量密度大于特定的能量密度Ec，结晶多晶硅的粒度就会急剧减小。也就是说，按照图1的曲线所示，硅薄膜的结晶机制与能量密度高于特定能量密度Ec时的情况不同。
图2A到2C，3A到3C和4A到4C的示意图表示按照图1的激光能量密度的硅结晶机制。也就是表示了按照各种激光能量密度的顺序结晶过程。采用激光退火的非晶硅结晶机制会受到激光照射条件等很多因素的影响，包括照射压、基板温度和包括吸收系数，热传导率、质量、杂质含量和非晶硅层厚度等物理/几何特性。
首先，如图2A到2C所示，图1的第一区(I)是一个部分熔化区，结晶的非晶硅薄膜12仅仅达到虚线，并且此时形成的颗粒G1的尺寸是大约100埃。如果用激光束照射基板10上已形成缓冲层11的非晶硅薄膜12，非晶硅薄膜12就会熔化。此时，由于强激光能量直接照射在非晶硅薄膜12的表面上，而照射非晶硅薄膜12下部的激光能量比较弱，非晶硅薄膜12的某一部位会熔化，结果，执行部分结晶。
按照激光结晶方法，晶体生长是主熔化(即通过用激光照射使非晶硅薄膜的表层熔化)、次熔化(即用熔化的硅固化过程中产生的潜热熔化非晶硅薄膜下部)以及下层的固化等过程完成的。以下要详细解释这些晶体生长过程。
被激光束照射的非晶硅薄膜的熔化温度在1000℃以上，并且基本上熔化成液态。由于表面熔化层与下层的硅和基板之间有很大的温度差，表面熔化层快速冷却直至形成固相晶核并且固化。表层仍然是熔化的直至完成固相晶核和固化。如果激光能量密度很高或是对外的散热很低，熔化状态会持续很长时间。由于表层会在使硅结晶的1400℃熔化温度以下的低温熔化，在温度低于变相温度时，表层会冷却并维持在超冷却(super-cooled)状态。
超冷却状态越大，也就是薄膜的熔化温度越低或是冷却速度越快，在固化过程中使固化达到良好结晶生长时的晶核形成速率就越高。在随着熔化的表层冷却开始固化时，晶体从晶核朝上生长。此时，在熔化的表层从液态到固态的相变过渡过程中会产生潜热，因此开始的次熔化会使下层非晶硅薄膜熔化。下层非晶硅随后发生固化。此时，下层次熔化的晶核生长速率加快，因为下层非晶硅薄膜比首先熔化层的超冷却更快。因此，次熔化层形成的晶体尺寸更小。因此就必须降低固化的冷却速度来改善结晶特性。限制所吸收的向外发射的激光能量就能降低冷却速度。这种限制方法有加热基板，双激光照射，或是在基板与非晶硅层之间插入一个缓冲隔离层。
图3A到3C的截面图表示图1中第二区(II)的硅结晶机制，第二区(II)代表结晶区接近完成的状态。
参见图3A到3C，多晶硅薄膜具有向下形成到下缓冲层11界面的比较大的颗粒30A-30C，该颗粒约3000到4000埃。如果用接近完成熔化能量而不是完成熔化能量照射在非晶硅薄膜12上，紧靠缓冲层11下面的几乎所有非晶硅薄膜12会熔化。此时，在熔化的硅薄膜12’与缓冲层11之间界面上尚未熔化的固体种子35形成晶核引发侧向生长，形成比较大的颗粒30A-30C(J.Appl.phys.82，4086)。然而，由于仅仅在激光能量使固体种子35留在缓冲层11表面上时才会发生结晶，加工余量极为有限。另外，由于固体种子35不是均匀产生的，多晶硅薄膜的结晶颗粒30A-30C具有不同的结晶方向，这样会产生不均匀的结晶特性。
图4A到4C的截面图表示图1中对应着完全结晶区的第三区(III)的硅结晶机制。
参见图4A到4C，对应着第三区(III)的能量密度不规则地形成很小颗粒30。当激光能量密度大于一个特定能量密度Ec时，施加的能量足以使非晶硅薄膜12完全熔化，不会留下可能生长成颗粒的固体种子。然后，在接收到强能量激光束时被熔化的硅薄膜12’经历一个迅速冷却过程，产生许多均匀的晶核35，随之产生细小颗粒30。
同时，采用脉冲式激光的准分子激光退火方法主要用于激光结晶，近来出现并且受到广泛注意的还有一种顺序横向固化(SLS)方法，通过水平方向上生长的颗粒来显著改善结晶特性。
顺序横向固化(SLS)方法利用了颗粒从液相硅与固相硅之间界面上横向生长的特点(Robert S.Sposilli，M.A.Crowder，and James S.Im，Mat.Res.Soc.Symp.proc.Vol.452，956到957，1997)。按照这种方法，控制激光能量密度和激光束的照射范围，颗粒按预定长度横向生长，从而增大硅颗粒的尺寸。
这种SLS是横向固化(LS)的一个例子，以下要参照附图说明有关LS的结晶机制。图5A到5C的截面图表示按照现有技术的顺序结晶过程。
参见图5A，如果激光具有在图1中第三区(III)内的能量密度，能够完全熔化非晶硅薄膜112的能量密度被照射在非晶硅薄膜112的一个部位，使非晶硅薄膜的该部位完全熔化。可以用一个构图掩模形成一个激光照射区和一个激光非照射区。此时如图5B和5C所示，由于激光有足够的能量，受激光照射的非晶硅薄膜112会完全熔化。然而，激光束是按一定间隔照射在非晶硅薄膜112上的，晶体从激光非照射区(固相)的硅薄膜112与熔化的硅薄膜112’(液相)之间的界面上生长。
这样，该界面为这种结晶提供晶核。换句话说，熔化的非晶硅薄膜112’在激光束照射之后立即从左/右界面即激光非照射区的界面上开始冷却。这是因为固相非晶硅薄膜112的热传导率比缓冲层111或是硅薄膜112和112’下面的玻璃基板要高。因此，在水平固相与液相之间界面上而不是中心部位的熔化的硅薄膜112’首先到达晶核形成温度，在相应的部位形成晶核。在形成晶核之后，颗粒130A和130B从低温侧到高温侧水平生长，也就是从界面到中心部位。由于横向结晶能够形成大尺寸的颗粒130A和130B，并且这一过程是用第三区的能量密度执行的，与其它区域相比，加工余量不受限制。然而，SLS存在以下问题。即：结晶是通过微小地和重复地移动掩模以增大颗粒尺寸来执行的，结果会使大尺寸非晶硅薄膜的结晶加工时间延长，并且会降低产量。
发明内容
为此，本发明提供了一种激光掩模及使用它的结晶方法，能够基本上解决因现有技术的局限和缺点带来的一些问题。
本发明的优点是提供了一种激光掩模及使用它的结晶方法，能够改善硅薄膜的结晶特性。
本发明的另一优点是提供了一种液晶显示器件，它包括用所述结晶方法制作的具有改良结晶特性的一种硅薄膜。
以下要说明本发明的附加特征和优点，一部分可以从说明书中看出，或者是通过对本发明的实施来学习。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他优点。
为了按照本发明的意图实现上述目的和其他优点，以下要具体和概括地进行说明。一种激光掩模包括第一，第二和第三块，该激光掩模包括：在该第一块中的第一掩模图形；在该第二块中的第二掩模图形；以及在该第三块中的第三掩模图形，所述第一至第三块中的每一块具有包括多个透射区和一个遮挡区的周期性图形，其中，第一块的第一掩模图形具有第一位置，第二块的第二掩模图形具有第二位置，第三块的第三掩模图形具有第三位置，第一，第二和第三位置彼此不同，并且相邻的三个透射区构成一个等边三角形，而六个等边三角形构成一个规则六边形。
按照本发明的另一方面，采用掩模的一种结晶方法包括提供一个具有半导体层的基板；将一个掩模定位在基板上面，该掩模具有第一，第二和第三块，该掩模包括：在该第一块中的第一掩模图形；在该第二块中的第二掩模图形；以及在该第三块中的第三掩模图形，所述第一至第三块中的每一块具有包括多个透射区和一个遮挡区的周期性图形，其中，第一块的第一掩模图形具有第一位置，第二块的第二掩模图形具有第二位置，第三块的第三掩模图形具有第三位置，第一，第二和第三位置彼此不同；并且相邻的三个透射区构成一个等边三角形，而六个等边三角形构成一个规则六边形；以及利用三次照射法通过掩模用激光束照射半导体层使其结晶。
按照本发明的再一方面，一种显示器件包括彼此交叉形成一个象素的栅极线和数据线；靠近交叉点的薄膜晶体管(TFT)，TFT包括一个多晶硅层，多晶硅层包括多个圆形晶体，由三个毗邻的圆形晶体构成一个等边三角形，而六个等边三角形构成一个规则六边形。
按照本发明的又一方面，一种显示器件包括彼此交叉形成一个象素的栅极线和数据线；靠近交叉点的薄膜晶体管(TFT)，TFT包括一个多晶硅层，多晶硅层包括具有多边形的多个晶体，并且三个毗邻晶体的中心构成一个等边三角形，而六个等边三角形构成一个规则六边形。
按照本发明的另一方面，制作显示器件的一种方法包括在基板上形成多个栅极线和数据线，栅极线和数据线彼此交叉限定象素；并且在象素中各交叉点处形成一个薄膜晶体管(TFT)，这一步骤还包括在基板上形成半导体层；将一个掩模定位在基板上面，该掩模具有第一，第二和第三块，该掩模包括：在该第一块中的第一掩模图形；在该第二块中的第二掩模图形；以及在该第三块中的第三掩模图形，在该第三块中的第三掩模图形，所述第一至第三块中的每一块具有包括多个透射区和一个遮挡区的周期性图形，其中，第一块的第一掩模图形具有第一位置，第二块的第二掩模图形具有第二位置，第三块的第三掩模图形具有第三位置，第一，第二和第三位置彼此不同；并且相邻的三个透射区构成一个等边三角形，而六个等边三角形构成一个规则六边形；以及利用三次照射法通过掩模用激光束照射半导体层使其结晶。
应该意识到以上的概述和下文的详细说明都是解释性的描述，都是为了进一步解释所要求保护的发明。
附图说明
所包括的用来便于理解本发明并且作为本申请一个组成部分的附图表示了本发明的实施例，连同说明书一起可用来解释本发明的原理。在附图中：
图1表示多晶硅薄膜的粒度与用来形成多晶硅薄膜的激光的能量密度之间的关系曲线。
图2A到4C表示按照图1的激光能量密度的硅结晶机制的截面图。
图5A到5C表示按照现有技术的一种顺序结晶过程的截面图。
图6A表示用于顺序横向固化(SLS)的一例激光掩模的平面图。
图6B表示用图6A的掩模结晶的一个硅薄膜的平面图。
图7表示图6B中结晶硅薄膜的部位“E”的放大平面图。
图8A到8C表示用图6A的掩模使硅薄膜结晶的顺序过程的平面图。
图9表示用于SLS的另外一例激光掩模。
图10表示按照本发明在激光掩模中构成周期性图形的一种方法。
图11表示图10中激光掩模的透射区尺寸。
图12表示为图10的激光掩模构成分为三个块的掩模图形的一种方法。
图13A到13C表示按照图12中所示方法构成的激光掩模的三个块。
图14A到14C表示用图13A到13C的激光掩模使硅薄膜结晶的过程。
图15A表示按照本发明第一实施例构成激光掩模的一种方法。
图15B表示参照图15A的图形构成方法制作的一例激光掩模。
图16A到16H表示用图15B的激光掩模使硅薄膜结晶的顺序过程。
图17表示表示按照本发明第二实施例在激光掩模中构成周期性图形的一种方法。
图18A表示按照本发明第二实施例构成激光掩模的一种方法。
图18B表示参照图18A所示的图形构成方法制作的一例激光掩模。
图19A到19G表示用图18B所示激光掩模使硅薄膜结晶的顺序过程。
图20表示液晶显示面板的结构，其中的驱动电路与LCD面板的阵列基板集成的平面图。
图21表示用按照本发明的结晶方法结晶的一种硅薄膜制作的一例LCD器件。
具体实施方式
以下要参照附图详细解释本发明的实施例。
图6A的平面图表示用于顺序横向固化(SLS)的一例激光掩模，与现有技术相比，该设计用来缩短结晶时间。参见图6A，激光掩模270包括缝隙图形275，它具有预定宽度和长度的矩形透射区273。激光掩模270包括两个透光的矩形透射区273和用于遮光的遮挡区274。透过缝隙275的透射区273，激光束按照透射区273的形状(例如是矩形)使硅薄膜结晶。
然而，参见图6B，由于激光束的衍射，结晶硅薄膜的边沿部位(E)具有不同于掩模图形(缝隙275)的圆形。以下要详细说明。为了参考，图6B中所示结晶硅薄膜边沿部位(E)上的虚线表示用于结晶的掩模270的缝隙275的形状。
图7表示图6B中结晶硅薄膜的部位“E”的放大平面图。如图7所示，边沿部位(E)的中心区域‘A’具有类似于缝隙275的结晶图形，因为激光束的能量密度足以完全熔化被照射的硅薄膜。然而，激光束在缝隙275的边沿部位(E)角上的区域‘B’处会衍射。因此，激光束没有足够的能量密度完全熔化硅薄膜。结果就会形成凸起或圆形的边沿部位(E)。换句话说，由于结晶硅薄膜的圆形边沿部位(E)中的颗粒是由熔化的非晶硅界面上靠近非晶硅薄膜(固相)形成的晶核生长的，第二颗粒230B会朝不同于第一颗粒230A的方向生长。也就是说，第二颗粒230B的结晶特性不同于第一颗粒230A，并因此在结晶硅薄膜中出现一个断续区。此时，由于断续区具有宽度(W)，结晶硅薄膜的凸起边沿部位(E)具有不同的结晶特性，需要缩小断续区的宽度(W)以将硅薄膜应用于LCD器件。
以下要描述用上述掩模使硅薄膜结晶的结晶过程。图8A到8C的平面图表示用图6A的掩模使硅薄膜结晶的顺序过程。
首先如图8A所示，将图6A的掩模270定位在基板210上，用第一激光束照射，使形成在基板210上的非晶硅薄膜212结晶。此时的结晶区对应着掩模270的透射区273，如果掩模270有两个透射区，结晶区就有两个在水平方向上具有预定长度的结晶区。换句话说，如果用包括矩形缝隙275的掩模270在基板210的表面上照射第一激光束，透过缝隙275受到第一激光束照射的硅薄膜就具有由位于上、下边界面上的非晶硅薄膜212(固相)附近形成的晶核横向生长(垂直于图8A)的第一区230A。此时，如上所述，由于激光束的衍射，结晶硅薄膜212’的边沿部位具有不同于掩模图形缝隙275的形状的圆形，并且在圆形的边沿部位(E)上由晶核生长出方向不同于第一颗粒230A的第二颗粒230B，晶核是在位于熔化非晶硅的边界面上的非晶硅薄膜212(固相)附近形成的。也就是说，第二颗粒230B的结晶特性不同于第一颗粒230A，并且在结晶硅薄膜中存在一个断续区。
在完成第一结晶过程之后，按照不大于掩模270图形的水平长度(缝隙275的宽度)的一个短距离上移动覆盖着基板210的平台(未图示)或掩模270，然后用第二激光束照射，在‘X’轴方向上继续结晶过程。例如，在‘X’轴方向上移动平台使其与按缝隙图形结晶的硅薄膜212’重叠之后，用第二激光束照射基板210的表面。
然后如图8B所示，在‘X’轴方向上形成与通过第一结晶过程形成的结晶硅薄膜212’具有相同图形的第二结晶图形212”，同时与第一结晶硅薄膜212’的断续区280重叠。然后，若是按如上参照第一激光束所述的相同方式用第三激光束照射基板210的表面，就能形成与按照第二结晶过程形成的结晶硅薄膜212”具有相同图形的第三结晶图形212”’，同时与第二结晶硅薄膜212”的断续区280重叠。此时，断续区280越宽，下一激光束的重叠区域就越宽，这样会增加总体加工时间。结晶硅薄膜212’，212”和212”’的断续区280具有不同的结晶特性，从这一点来看，由于断续区280周围的硅薄膜212仍处在没有结晶的非晶体状态，下一激光束需要覆盖这些断续区280。
在完成‘X’轴方向的结晶过程之后，在‘Y’轴方向上(对于移动平台的情况是在‘-Y’轴方向上移动)按预定距离移动掩模270或平台。然后如图8C所示从完成第一结晶过程的那点起开始在‘X’轴方向上再次执行激光照射过程。
在反复执行上述结晶过程时会出现一个问题，即多晶硅薄膜有多个具有正常颗粒的第一区(P1)和多个具有断续区的第二区(P2)，后者具有不同的结晶特性，并且位于第一区P1之间。也就是说，如果用具有这些断续区的硅薄膜制成LCD器件，LCD器件存在特性不均匀的问题，致使LCD器件的质量存在缺陷。另外，由于断续区周围的硅薄膜仍处在非晶硅状态而没有结晶，需要下一激光束覆盖这些断续区280。断续区彼此重叠的这些重叠区(称为X-重叠区)会产生照射痕迹。如果应用于LCD器件或有机发光二极管，这种照射痕迹会降低图像质量并产生不均匀的器件特性。
同时，尽管在上述结晶过程中没有解释，颗粒也会在‘Y’轴方向上生长，并且掩模在‘Y’轴方向上重叠，以便增大颗粒的尺寸，因此可以反复执行结晶。然而，在这种情况下会在‘Y’轴方向上的重叠区(称为Y-重叠区)内产生照射痕迹。
在采用图9中所示单一扫描方法的激光掩模370以及在采用上述移位方法(多次扫描方法)时，照射痕迹也是一个严重问题。因此，在激光束重叠的每一种结晶方法中都需要解决照射痕迹问题。本发明为此提供了一种激光掩模及使用它的结晶方法，不会在结晶硅薄膜内形成这种重叠区。为此，按照本发明的激光掩模具有周期性图形(periodic pattern)。
按照本发明的激光掩模被分成三个块，每块都具有周期性图形。激光束分三次照射在硅薄膜上，每次使用三个块之一。由于采用了周期性图形的掩模，采用上述方法(三次照射方法)结晶的硅薄膜具有均匀的结晶特性，没有X-重叠或Y-重叠区。如下文所述的由周期性掩模图形和三次照射方法形成的结晶硅薄膜具有迅速生长的均匀颗粒，没有照射痕迹。
首先要说明在激光掩模中构成这种周期性图形的方法。图10表示按照本发明在激光掩模中构成周期性图形的一种方法。激光掩模有三个块，每块具有自身的周期性图形。
参见图10，按照本发明的激光掩模包括多个具有圆形的透射区。激光掩模被分成三个块来解决照射痕迹问题。在第一块内形成位置为‘A’的透射区475A，并在第二块内形成位置为‘B’的透射区475B或位置为‘C’的透射区475C。位置A，B，C如图10中所示，以下要详述位置A，B，C及其之间的关系。如果第二块具有透射区475B，第三块就具有透射区475C。另一方面，如果第二块具有透射区475C，第三块就具有透射区475B。也就是说，激光掩模的三个块之一具有一个透射区475A到475C。
尽管激光掩模图形是在位置‘C’的透射区475C的基础上形成的，位置‘A’的透射区475A或位置‘B’的透射区475B也可以用作参考点。如果用位置‘C’的透射区475C作为参考点，位置‘A’的透射区475A和位置‘B’的透射区475B在参考点475C外围。
如果用具有三个图形475A到475C的激光掩模使非晶硅薄膜结晶，如图10所示，相邻的三个图形475A到475C构成一个等边三角形，而六个等边三角形构成一个规则六边形。换句话说，位置‘C’的掩模图形475C或是位于第二块中位置‘B’的掩模图形475B就位于规则六边形的中心，而不同于中心图形的掩模图形围绕着规则六边形图形的中心另外，如果是顺序采用三个掩模图形475A到475C使非晶硅薄膜结晶，相邻的三个图形475A到475C就位于等边三角形的顶点上。
同时，为了用激光掩模通过三次(三次照射)使非晶硅薄膜完全结晶而且没有照射痕迹，三个周期性图形475A到475C的尺寸和间隔应该满足一定的关系。以下要说明这种关系。
图11以位置‘A’的透射区为例来表示图10中激光掩模的透射区尺寸。如图所示，假设位置‘A’的透射区475A的半径是‘R’，而透射区475A中心之间的距离是‘L’，为了使全部区域都能结晶，透射区的半径(R)应该满足公式(1)。
公式(1)： L 3 ≤ R ≤ L 2
如果掩模图形(475A到475C)的透射区半径(R)小于L/3，三次照射就不能使整个区域结晶，如果半径(R)大于L/2，掩模图形(475A到475C)则会彼此接触。
以下要详细解释在三个块中具有三种掩模图形的激光掩模。图12表示为图10的激光掩模构成分为三个块的掩模图形的一种方法。
参见图12，掩模图形575A到575C被依次定位在构成图10中规则多边形的等边三角形的角上。以第一行为例，从位置‘A’的掩模图形575A开始在‘X’轴方向上依次重复定位处在位置‘A’的掩模图形575A，位置‘C’的掩模图形575C，和位置‘B’的掩模图形575B。对于第二行，在移动了对应着第一行中掩模图形575A到575C的等边三角形侧边长度(L’)一半的距离之后，将另外一组掩模图形575A到575C定位。换句话说，在第二行中，在X轴方向移动L’/2之后，位置‘B’的掩模图形575B，位置‘A’的掩模图形575A，位置‘C’的掩模图形575C按X轴方向的顺序重复定位。第二行中的三个掩模图形575A到575C与第一行中相邻的掩模图形575A到575C共同构成等边三角形。第三行(也就是奇数行)的构成方式与第一行相同，而第四行(也就是偶数行)的构成方式与第二行相同。在激光掩模中将三个周期性掩模图形分成三个块，并且用这种激光掩模执行三次照射结晶方法，如下所述就能获得没有X-重叠或Y-重叠的结晶硅薄膜。
图13A到13C表示按照图12中所示方法构成的激光掩模中的三个块。在激光掩模中，在第二块内形成位置‘C’的掩模图形575C，在第三块内形成位置‘B’的掩模图形575B。如图所示，每一块(580’到580”’)包括多个圆形透射区573A到573C和用于遮光的遮挡区574A到574C。第一块580’包括位于图12中第一，第四和第七列的掩模图形575A。第二块580”包括位于第三，第六和第九列的掩模图形575C。第三块580”’包括位于第二，第五和第八列的掩模图形575B。尽管掩模图形575A到575C的透射区在图中具有圆形，也可以不受限制地由规则的多边形构成，例如有规则三角形，正方形，规则六边形和规则八角形。另外在图中，尽管圆形掩模图形575A到575C的半径(R)是掩模图形575A到575C中心之间距离(L)的三分之一，只要R与L之间的关系满足公式(1)，就不受此限制。
图14A到14C表示用图13A到13C的激光掩模使硅薄膜结晶的过程。用具有上述周期性的三个块激光掩模结晶的硅薄膜具有均匀的结晶特性，没有照射痕迹。
首先如图14A所示，在第一激光束通过形成在第一块580’内位置‘A’的掩模图形575A(也就是掩模图形575A的透射区573A)照射在基板510上时，用位于边界面上的非晶硅薄膜(固相)512作为晶核朝圆形图形573A的中心生长颗粒，形成具有圆形的第一多晶硅晶体512’。由这一第一结晶过程形成的结晶区对应着激光掩模的透射区573A。因此，如果在激光掩模的第一块内有八个透射区，就会在硅薄膜512中形成八个具有圆形的多晶硅晶体512’。
在完成第一结晶过程之后，通过图13B的第二块580”用第二激光束照射具有第一多晶硅晶体512’的硅薄膜512。第二结晶过程采用在位置‘C’形成掩模图形575C的第二块580”，不用在X或Y方向上移动基板。如图14B中所示，颗粒从第一多晶硅晶体512’的图形的圆周上开始朝着第二块580”的掩模图形575C的中心生长，形成第二多晶硅晶体512”。第二结晶过程使得三个第一晶体512’包围一个第二晶体512”，并且第二结晶过程从位置‘C’的掩模图形575C与三个第一晶体512’重叠的区域开始。结果，第二晶体512”就会朝着位置‘C’的掩模图形575C的中心生长。
接着通过图13C中形成了位置‘B’的掩模图形575B的第三块580”’用第三激光束照射具有第一和第二多晶硅晶体512’和512”的硅薄膜512。然后如图14C所示，颗粒从第二晶体512”的图形与位置‘B’的掩模图形575B重叠的区域520”开始朝着第三块580”’的掩模图形575B的中心生长，形成第三多晶硅晶体512”’，就完成了硅薄膜512的结晶。
按照这种方式，采用没有X-重叠或Y-重叠的激光掩模按三次照射方法使基板510上的硅薄膜512完成结晶，没有照射痕迹。如上所述，激光掩模有三个块，每块都具有周期性图形。此时，用三次照射方法形成的第一，第二和第三晶体512’，512”，和512”’具有和掩模图形575A到575C相同的圆形，因此，结晶硅薄膜具有径向生长的均匀颗粒。
以下要描述按照本发明的激光掩模和用它使大尺寸硅薄膜结晶的一种方法。图15A表示按照本发明第一实施例构成激光掩模的一种方法。
参见图15A，位置‘A’的掩模图形675A被形成在正方形实线表示的第一块680’内，位置‘C’的掩模图形675C被形成在第二块680”内，而位置‘B’的掩模图形675B被形成在第三块680”’内。按照图10或图12所示本发明的图形构成方法，三个掩模图形675A到675C被形成在激光掩模的三个块680’，680”和680”’内。在第一块680’内，12个圆形透射区(位置‘A’上的掩模图形675A)被布置成3行×4列矩阵结构。当然，透射区按十字形布置在奇数和偶数行内，使各行不会彼此对应，但是为了便于解释而将透射区布置在同一行内。和位置‘A’的掩模图形675A一样，在第二块680”内按3行×4列矩阵结构形成掩模图形675C的总共12个透射区。掩模图形675C的12个透射区的位置对应着第一块680’中三角形的位置。还要在第三块680”’内按3行×4列矩阵结构形成位置‘B’的掩模图形675B的总共12个透射区。掩模图形675B的12个透射区的位置对应着第一块680’中小方块的位置。
按照这种方式，各个掩模图形675A到675C的位置是按照本发明的图形构成方法组成的。也就是说，假定在位于第一行×第一列掩模图形675C(以下称为‘参考图形’)上的透射区的基础上在一块内形成三个图形，位于位置‘A’的第一行×第一列掩模图形675C上的透射区被左移一列(也就是其移动距离等于虚线所示小等边三角形的一侧)，而位于位置‘B’的第一行×第一列掩模图形675B上的透射区被右移一列。除了上述区别之外，在三个块680’到680”’内形成的三个掩模图形675A到675C具有同样的3行×4列结构。
在图15A中，还要在实线所示的三个块680’到680”’之外形成掩模图形675A到675C。三个块680’到680”’是用于在激光掩模上构成周期性图形675A到675C的虚拟区域，因此，可以按照激光设备和光学系统等加工条件重新布置掩模图形675A到675C。
块680’到680”’可以在三次照射结晶方法中用作下一照射的参考。因此，朝X轴方向的移动距离(也就是X-步幅距离(Dx))大致等于正方形(一块)水平一侧的长度，而朝Y轴方向的移动距离(也就是Y-步幅距离(Dy))大致等于正方形(一块)垂直一侧的长度。X-步幅距离(Dx)代表用于三次照射方法的激光掩模或平台在X轴方向上的移动距离，而Y-步幅距离(Dy)代表在X-轴结晶之后为了推进Y-轴方向结晶使激光掩模或平台在Y轴方向上的移动距离。Y-步幅距离(Dy)还代表激光掩模或平台在Y轴方向上的移动距离，使得硅薄膜上在X-轴方向结晶过程中没有受三次照射激光束照射的下部区域能够按三次照射方法结晶。为了消除X-重叠或Y-重叠，在确定X-步幅距离(Dx)和Y-步幅距离(Dy)时要考虑到三个块680’到680”’的周期性。
以下用一个例子来描述上述具有三个掩模图形的激光掩模。图15B表示参照图15A的图形构成方法制作的一例激光掩模。
如上所述，用按照本发明第一实施例的掩模构成方法形成的激光掩模670具有三个块，即位置‘A’的掩模图形675A，位置‘C’的掩模图形675C和位置‘B’的掩模图形675B。激光掩模670遮挡按一定周期性形成的掩模图形675A到675C的透射区以外的激光束。掩模670可以用遮光的金属制成，例如是铬，铝等等。尽管在激光掩模670的每一块内形成12个透射区，考虑到激光设备和光学系统等加工条件，也可以在每块内形成12个以上透射区。
以下要描述用这种激光掩模使大尺寸硅薄膜结晶的一种方法。图16A到16H表示用图15B的激光掩模使硅薄膜结晶的顺序过程。
如图所示，为了便于解释用实线代表三个块。用一个正方形实线代表每一块。在本例中，左起第一块680’对应着位置‘A’的掩模图形，第二块680”’对应着位置‘C’的掩模图形，而第三块680”’对应着位置‘B’的掩模图形。
参见图16A，通过图15B中所示的激光掩模用激光束照射沉积在基板上的硅薄膜，执行第一结晶过程。此时，如前一段中所述，激光束所具有的能量密度对应着完全熔化区，并且用位于边界面上的非晶硅(固相)作为晶核使晶体朝着圆圈中心生长，在第一照射区(P1)内形成多晶硅第一晶体612’。第一晶体612’具有径向颗粒。在这种情况下，第一照射区(P1)在整体上不会结晶，但会按照掩模670的图形形成多个圆形的第一晶体612’。具体地说，由第一结晶过程形成的结晶区对应着掩模670的透射区。因此，如果具有三个块680’到680”’的掩模有36个透射区，硅薄膜就也会有36个多晶硅晶体612’，每个晶体具有一定的半径。
在完成第一结晶过程之后，将安装基板的平台(未图示)或掩模670朝X-轴方向移动一个距离，该距离等于正方形(一块)的边长，并等于X-步幅距离(Dx)，然后照射第二激光束。平台被朝着“-X”轴方向移动X-步幅距离(Dx)，例如使第二块形成的位置‘C’的第一晶体612’与第三块中位置‘B’的掩模图形重叠，然后用第二激光束照射基板表面。接着如图16B所示形成与第一晶体612’具有相同形状的第二晶体612”。此时，第二晶体612”的位置相对于第一晶体612’偏移了X-步幅距离(Dx)，使第二晶体612”与第一晶体612’局部重叠。图16B中第一激光照射和第二激光照射彼此重叠的两个中心区也就是第一照射区(P1)和第二照射区(P2)彼此重叠的区域受到第二照射激光束照射，晶体从第一晶体612’的圆周开始朝第二照射的掩模670的图形的中心生长，形成多晶硅第二晶体612”。换句话说，通过第一结晶过程而结晶的三个第一晶体612’的位置围绕第二晶体612”，而第二结晶过程是从掩模图形与三个第一晶体612’彼此重叠的区域620’开始的，由此形成朝着掩模图形(参见图14B)中心生长的第二晶体612”。在图16B中，在第二照射过程中用掩模670的第一块形成的晶体是第一晶体而不是第二晶体。
接着，将平台或掩模670朝X-轴方向再次移动X-步幅距离(Dx)，然后用第三激光束照射，在X-轴方向上继续结晶。例如，在用第二激光束执行第二结晶过程之后，用第三激光束照射基板的表面。此时，由第一块形成的位置‘A’的第一晶体612’与第三块中位置‘B’的掩模图形重叠。然后，如图16C所示形成和第一晶体612’具有相同形状的第三晶体612”’。此时，第三晶体612”’的位置相对于第一晶体612’偏移了X-步幅距离(Dx)，并因此与第一晶体612’和第二晶体612”局部重叠。此时，图16C中第一，第二和第三激光束的中心区彼此重叠，也就是说，第一照射区(P1)，第二照射区(P2)和第三照射区(P3)彼此重叠的区域(即对应着用于第三激光照射的掩模670中第三块的对应区域)受到第三激光束的照射，因此，晶体从第二晶体612”图形的圆周上开始朝着第三照射的掩模670的图形中心生长，形成多晶硅第三晶体612”’。换句话说，通过第二结晶过程结晶而成的三个第二晶体612”是620”，按照第三激光束的掩模图形与三个第二晶体612”重叠，从而形成朝掩模图形(参见图14C)中心生长的第三晶体612”’。按照这种方式，在通过使用具有三个块的掩模执行三次照射结晶之后，三次照射区域被结晶，如图所示没有X-重叠，也就是没有照射痕迹。也就是说，完全形成第一晶体612’，第二晶体612”和第三晶体612”’的区域对应着已经结晶的三次照射区域，没有照射痕迹。在图16C中，在第三照射过程中由掩模670的第二块形成的晶体是在第一结晶过程之后由第三激光束新形成的第二晶体612”，不是第三晶体，而在第三照射过程中由掩模670的第一块形成的晶体是由第三激光束新形成的第一晶体612’，不是第三晶体。
接着如图16D所示，将平台或掩模670朝X-轴方向再一次移动X-步幅距离(Dx)，然后照射第四激光束。这样就能用第三照射激光在中心形成没有X-重叠或Y-重叠并且具有均匀结晶特性的三次照射结晶区(P)。如上所述，对应着第三晶体612”’的区域形成的三次照射结晶区(P)没有X-重叠，也就是没有照射痕迹。同时在X-轴方向上反复执行结晶过程。如图16E和16F所示，没有照射痕迹的三次照射结晶区(P)在X-轴方向上增多。这三次照射结晶区(P)是一种没有照射痕迹的均匀结晶区，它是用具有三个块的激光掩模形成的，每块具有周期性图形。
同时，硅薄膜的下部区域没有完成激光束的照射。这是因为结晶过程是仅仅在X-轴方向上执行的。在完成X-轴方向的结晶过程(X-轴结晶)之后，将图16G中的掩模670或平台(在移动平台的情况下是朝-Y轴方向)朝Y-轴方向移动Y-步幅距离(Dy)，然后在X-轴方向上连续执行以上参照X-轴结晶所述的结晶过程，从完成第一X-轴结晶过程的结束点开始。在这种情况下，采用和X-轴结晶中掩模670的同一块连续执行结晶。掩模670的上部图形(即形成在遮挡区以外的图形)的位置对应着在第一X-轴结晶之后尚未完成激光束的下部区域。这样就能用X-轴方向的结晶过程使下部区域完全结晶。用这种方法就能形成用X-轴方向上结晶过程结晶的下部区域，没有X-重叠。
然后如图16H所示在X轴方向和Y轴方向上反复使用上述方法。具体地说，三次照射结晶区(P)是一种没有X-重叠或Y-重叠并具有均匀的结晶特性的结晶区。这是因为该区域不包括照射痕迹并且晶体具有径向颗粒。
在本实施例中，用具有三个块的激光掩模按三次照射方法获得没有X-重叠或Y-重叠的结晶硅薄膜，每块都具有周期性图形。尽管掩模图形具有圆形的透射区，也可以形成具有规则多边形的透射区，例如是规则三角形，正方形，规则六边形，规则八角形等等。另外，尽管每一块有12个透射区，每块内透射区的数量可以根据加工条件来改变。另外，尽管透射区的半径(R)是透射区中心之间距离(L)的一半，只要R与L之间的关系满足公式(1)，就可以改变。在本实施例中，位置‘A’的掩模图形，位置‘C’的掩模图形，和位置‘B’的掩模图形是按照掩模的第一到第三块的顺序定位的，掩模图形的位置可以改变。
以下要描述三个掩模图形的另一种定位方式。图17表示表示按照本发明第二实施例在激光掩模中构成周期性图形的一种方法。
参见图17，在激光掩模内构成圆形透射区(A，B，C)，为了消除照射痕迹将激光掩模分成三个块。在第一块内形成位置为‘A’的激光透射区775A，在第二块内形成位置为‘B’的透射区775B，并在第三块内形成位置为‘C’的透射区775C。如上所述，圆形掩模图形775A到775C各自被顺序形成在三个块激光结晶掩模内。按照本实施例，位置‘B’的掩模图形775B是位于图17中规则六边形的中心，但是本发明不仅限于此。位置‘A’的透射区775A和位置‘C’的透射区775C围绕参考点775B。也就是说，在第三块内形成的位置‘B’的掩模图形775B是位于规则六边形图形的中心，不同的图形(也就是位置‘A’的掩模图形775A和位置‘C’的掩模图形775C)围绕它定位。同时，为了用三次照射方法完成硅薄膜的结晶并且没有照射痕迹，掩模图形775A到775C的尺寸和间隔应该满足公式(1)。
以下要描述具有按上述方法构成的掩模图形的激光掩模和使用这种激光掩模的结晶过程。图18A表示按照本发明第二实施例构成激光掩模的一种方法。本发明的第二实施例与本发明的第一实施例相同，唯独位置‘B’或‘C’的掩模图形被顺序定位在第二和第三块内。
参见图18A，位置‘A’的掩模图形775A被定位在用正方形实线表示的第一块780’内，位置‘B’的掩模图形775B被定位在第二块780”内，而位置‘C’的掩模图形775C被定位在第三块780”’内。按照图17所示的图形构成方法在激光掩模的三个块780’到780”’内形成三个掩模图形775A到775C。在第一块780’内按3行×4列矩阵结构布置有12个圆形(掩模图形775A)透射区。当然，透射区按十字形布置在奇数和偶数行内，使各行不会彼此对应，但是为了便于解释而假设将透射区布置在同一行内。和位置‘A’的掩模图形775A一样，在第二块780”内按3行×4列矩阵结构形成掩模图形775B的总共12个透射区。掩模图形775B的透射区的位置对应着图18A中第一块780’内小方块的位置。还要在第三块780”’内按3行×4列矩阵结构形成位置‘C’的掩模图形775C的总共12个透射区。掩模图形775C的透射区的位置对应着图18A中第一块780’和第三块780”’内的三角形的位置。
各个掩模图形775A到775C的位置是按照本发明的图形构成方法组成的。也就是说，在位于掩模图形775B(以下称为参考图形)中第一行×第一列上的透射区的基础上，假定在一块内形成三个图形，相对于参考图形，位于掩模图形775A中第一行×第一列上的透射区是位于等边三角形左下侧的顶点，而位于掩模图形775C中第一行×第一列上的透射区是位于等边三角形右下侧的顶点。将掩模图形775A和掩模图形775C偏移一定距离(等边三角形左/右一侧长度的一半，以及等边三角形的垂直高度)，在三个块780’到780”’内形成的三个掩模图形775A到775C具有相同的3行×4列结构。
与按照本发明第一实施例的激光掩模构成方法相比，按照本发明第一实施例的激光掩模构成方法具有不同的掩模设计。换句话说，按照第一实施例，掩模图形‘C’是位于第二块内，而第二实施例中是掩模图形‘B’位于第二块内。
以下要举例说明按上述图形构成方法形成的激光掩模。图18B表示参照图18A所示的图形构成方法制作的一例激光掩模。
如上所述，用本发明第二实施例的掩模构成方法形成的激光掩模有三个块，具有位置‘A’的掩模图形775A，位置‘B’的掩模图形775B，和位置‘C’的掩模图形775C。在本实施例中，在激光掩模770的每一块内形成12个透射区，考虑到加工条件例如是激光设备或光学系统，还可以形成12个以上透射区，不受此限制。
以下要描述用激光掩模使大尺寸硅薄膜结晶的一种方法。图19A到19G表示用图18B所示激光掩模使硅薄膜结晶的顺序过程。
如图所示，为了便于解释用实线表示三个块。每一块用一个正方形实线表示。在本例中，左起第一块780’对应着位置‘A’的掩模图形，第二块780”对应着位置‘B’的掩模图形，第三块780”’对应着位置‘C’的掩模图形。
参见图19A，通过图18B中所示的激光掩模用激光束照射沉积在基板上的硅薄膜，执行第一结晶过程。此时，激光束的能量密度对应着前一段中所述的完全熔化区，并且用位于边界面上的非晶硅(固相)作为晶核朝着圆圈的中心生长晶体，从而在第一照射区(P1)内形成多晶硅第一晶体712’。第一晶体712’具有径向颗粒
在完成第一结晶过程之后，将安装基板的平台(未图示)或掩模770朝X-轴方向移动一个距离，该距离等于正方形(一块)的边长(Dx)，然后照射第二激光束。平台被朝着“-X”轴方向移动X-步幅距离(Dx)，例如使第二块内位置‘B’的第一晶体712’与第三块中位置‘C’的掩模图形重叠，然后用第二激光束照射基板表面。接着如图19B所示形成与第一晶体712’具有相同形状的第二晶体712”。此时，第二晶体712”的位置相对于第一晶体712’偏移了X-步幅距离(Dx)，使第二晶体712”与第一晶体712’局部重叠。图19B中第一激光照射和第二激光照射彼此重叠的两个中心区也就是第一照射区(P1)和第二照射区(P2)彼此重叠的区域受到第二照射激光束照射，晶体从第二照射的掩模图形与第一晶体712’重叠的区域720’开始朝第二照射的掩模770的图形的中心生长，形成多晶硅第二晶体712”(参见图14B)。在图19B中，在第二照射过程中用掩模770的第一块形成的晶体是第一晶体而不是第二晶体。
接着，将平台或掩模770朝X-轴方向再次移动X-步幅距离(Dx)，然后用第三激光束照射，在X-方向上继续结晶。例如，在用第二激光照射执行第二结晶过程之后，用第三激光束照射基板的表面。此时，由第一块形成的位置‘A’的第一晶体712’与第三块中位置‘C’的掩模图形重叠。然后，如图19C所示形成和第一晶体712’具有相同形状的第三晶体712”’。此时，图19C中第一，第二和第三激光照射的中心区彼此重叠，也就是说，第一照射区(P1)，第二照射区(P2)和第三照射区(P3)彼此重叠的区域(即对应着用于第三激光照射的掩模770中第三块的对应区域)受到第三照射激光束的照射，因此，晶体从第二晶体712”图形的圆周上(也就是第三照射的掩模图形与第二晶体712”重叠的区域720”)开始朝着第三照射的掩模770的图形中心生长，形成多晶硅第三晶体712”’(参见图14C)。按照这种方式，在通过使用具有三个块的掩模执行三次照射结晶之后，三次照射区域被结晶，如图所示没有X-重叠，也就是没有照射痕迹。在图19C中，在第三照射过程中由掩模770的第二块形成的晶体是在第一结晶过程之后由第三激光束新形成的第二晶体712”，不是第三晶体，而在第三照射过程中由掩模770的第一块形成的晶体是由第三激光照射新形成的第一晶体712’，不是第三晶体。
接着如图19D所示，将平台或掩模770朝X-轴方向再一次移动X-步幅距离(Dx)，然后照射第四激光束。这样就能用第三照射激光在中心形成没有X-重叠或Y-重叠并且具有均匀结晶特性的三次照射结晶区(P)。如上所述，对应着第三晶体712”’的区域形成的三次照射结晶区(P)没有X-重叠，也就是没有照射痕迹。同时在X-轴方向上反复执行结晶过程。如图19E和19F所示，没有照射痕迹的三次照射结晶区(P)在X-轴方向上增多。这一三次照射结晶区(P)是一种没有照射痕迹的均匀结晶区，它是用具有三个块的激光掩模形成的，每块具有周期性图形。
接着，在完成‘X’轴方向的结晶过程(第一X-轴方向结晶)之后，在‘Y’轴方向上(对于移动平台的情况是在‘-Y’轴方向上移动)移动掩模770或平台，然后如上所述从完成第一结晶过程的那点起开始在-X轴方向上继续执行结晶。在这种情况下，采用和第一X-轴结晶相同的掩模770的同一块继续执行结晶。掩模770的上部图形(即形成在遮挡区以外的图形)的位置对应着在第一X-轴结晶之后尚未完成激光束照射的下部区域。这样就能用-X轴方向的结晶过程使下部区域完全结晶。用这种方法就能形成用-X轴方向上结晶过程结晶的下部区域，没有Y-重叠。然后在X轴和Y轴方向上反复执行上述方法，形成图19C所示的随意结晶区。
在第二实施例中，尽管位置‘A’的掩模图形，位置‘C’的掩模图形和位置‘B’的掩模图形被顺序定位在激光掩模的第一到第三块内，但不受此限制。例如可以将位置‘C’的掩模图形或是位置‘B’的掩模图形定位在第一块内，同时按同样的方式维持三个掩模图形的顺序。
按照本发明的第一和第二实施例所述，激光束通过在激光掩模的三个块内形成的三个掩模图形照射在硅薄膜上。硅薄膜上受到三次照射激光照射的部位被完全结晶。三次照射方法包括受到第一照射的第一结晶过程，受到第二照射的第二结晶过程，和受到第三照射的第三结晶过程。在第一结晶过程中，晶体以位于圆形图形周围也就是圆周边界面上的非晶硅薄膜(固相)作为晶核朝着圆圈的中心生长。在第二和第三结晶中，晶体以第一和第二晶体的圆周作为起点朝着第二照射和第三照射的掩模图形的中心生长。
以下要描述按照本发明采用具有改进结晶特性的硅薄膜制作LCD器件的一种方法。图20的平面图表示液晶显示面板的结构，其中的驱动电路与LCD面板的阵列基板集成。
如图所示，集成了驱动电路的LCD面板810包括阵列基板820，滤色器基板830，以及在阵列基板820和滤色器基板830之间形成的液晶层(未图示)。阵列基板820包括象素单元825，按矩阵构造布置有单元象素的图像显示区，以及位于象素单元825外边缘上的栅极驱动电路单元824和数据驱动电路单元823。尽管图中没有表示，阵列基板820的象素单元825包括许多栅极线和数据线，它们被垂直和水平布置并且在基板820上限定了许多象素区。象素单元还包括形成在栅极线和数据线的交叉点附近的一个薄膜晶体管即开关器件以及在象素区上形成的象素电极。作为开关器件对象素电极施加信号电压的薄膜晶体管(TFT)是一种场效应晶体管(FET)，用电场来控制电流。
阵列基板820上的数据驱动电路单元823位于阵列基板820上比滤色器基板830更加突出的长边一侧，而栅极驱动电路单元824位于阵列基板820的短边一侧。为了适当输出一个输入信号，栅极驱动电路单元824和数据驱动电路单元823采用具有CMOS(互补金属氧化物半导体)结构即倒相器的薄膜晶体管。CMOS是一种集成电路，它具有用于高速信号处理的MOS结构，并且需要P沟道和N沟道晶体管。其速度和密度特性介于NMOS和PMOS之间。作为用来通过栅极线和数据线为象素电极提供扫描信号和数据信号的栅极驱动电路单元824和数据驱动电路单元823被连接到外部信号输入端子(未图示)，控制通过外部信号端子传送的外部信号并将其输出到象素电极。
尽管图中没有表示，用来实现彩色的滤色器和作为形成在阵列基板820上的象素电极的一个相对电极的公共电极被形成在图像显示区825上。在阵列基板和滤色器基板之间形成一个垫片，提供均匀的单元间隙。用形成在图像显示区外围的密封图形将阵列基板和滤色器基板接合，形成一个单位液晶显示面板。两个基板通过形成在阵列基板或滤色器基板上的接合键接合。采用多晶硅薄膜的集成了驱动电路的LCD面板具有许多优点，具有良好的器件特性，良好的图像质量，充足的显示能力，以及低功耗。
以下要通过其制作工艺来描述按照本发明用结晶硅薄膜制作的一种集成了驱动电路的LCD面板。图21表示用按照本发明的结晶方法结晶的一种硅薄膜制作的一例LCD器件。对于形成在象素单元上的薄膜晶体管(TFT)，可以采用N-型和P-型TFT。对于驱动电路单元，可以采用和象素单元中一样的N-型或P-型TFT，也可以使用同时具有采用N-型和P-型TFT的CMOS结构。图21表示一例CMOS液晶显示器件。
以下要描述CMOS LCD器件的制作方法。首先在透明绝缘材料例如是玻璃制成的基板820上形成由氧化硅薄膜(SiO2)构成的一个缓冲层821。接着在形成了缓冲层的基板820上形成多晶硅制成的有源层824N和824P。为此，在基板820的整个表面上形成一个非晶硅薄膜之后，采用按照本发明的三次照射结晶方法使有源层824N和824P依次横向固化。此时，三次照射结晶方法采用具有三个块的激光掩模，每块都具有周期性图形。这样就能形成均匀的多晶硅薄膜，没有照射痕迹。
然后通过照相平板印刷术对结晶的多晶硅薄膜构图，在NMOS和PMOS区内形成有源层824N和824P。随后在有源层824N和824P上沉积一个栅极绝缘薄膜825A。接着在栅极绝缘薄膜825A上的一个特定区域(也就是有源层824N和824P的沟道形成区)上形成由钼(Mo)，铝(Al)或铝合金制成的栅极电极850N和850P。在栅极绝缘薄膜825A上沉积一层栅极金属之后用照相平板印刷术形成栅极电极850N和850P。然后顺序执行N-掺杂步骤和P-掺杂步骤形成一个N-型TFT(即在有源层824N的特定区域通过注入N+离子形成一个具有源极/漏极区822N和823的TFT)和一个P-型TFT。此时，N-型TFT的源极区822N和漏极区823N是通过射入能够提供电子的第五族元素例如是磷(P)来形成的。源极/漏极区822P和823P是通过射入能够提供空穴的第三族元素例如是硼(B)来形成的。然后在基板820的整个表面上沉积一层层间绝缘薄膜825B，并且用照相平板印刷术形成接触孔860N和860P暴露出一部分源极/漏极区822N，822P，823N和823P。最后形成源极/漏极电极851N，851P，852N和852P，通过接触孔860N和860P的电路连接到源极/漏极区822N，822P，823N和823P，就制成了一个CMOS液晶显示器件。尽管本发明提供了一种具有结晶硅薄膜的LCD器件的制作方法，本发明的原理还可以应用于诸如有机EL等其它显示器件，不仅限于LCD器件。
如上所述，按照本发明的激光掩模和结晶方法有许多优点。按照本发明的激光掩模有三个块，每块具有自身的周期性图形。按照本发明的采用激光掩模的结晶方法，只要反复使用这三个块，就能够获得没有X重叠或Y重叠也就是没有照射痕迹的多晶硅薄膜。另外，如果用多晶硅薄膜制作液晶显示器件，由于有源层的结晶特性，器件能获得改进的均匀特性。此外，由于有源层没有照射痕迹，液晶显示器件的图像质量也能得到改进。
本领域的技术人员能够看出，无需脱离本发明的原理和范围还能对上述显示器件及其驱动方法作出各种各样的修改和变更。因此，本发明应该覆盖属于本发明权利要求书及其等效物范围内的修改和变更。

Claims (22)

1.一种激光掩模，具有第一，第二和第三块，该激光掩模包括：
在该第一块中的第一掩模图形；
在该第二块中的第二掩模图形；以及
在该第三块中的第三掩模图形，
所述第一至第三块中的每一块具有包括多个透射区和一个遮挡区的周期性图形，
其中，该第一块的第一掩模图形具有第一位置，第二块的第二掩模图形具有第二位置，第三块的第三掩模图形具有第三位置，第一，第二和第三位置彼此不同，并且
相邻的三个透射区构成一个等边三角形，而六个等边三角形构成一个规则六边形。
2.按照权利要求1的激光掩模，其特征在于，该透射区具有圆形形状，并且该透射区中心之间的距离是L，圆形透射区的半径是R，且L和R的关系是：
Figure F2004100911858C00011
3.按照权利要求1的激光掩模，其特征在于，各块内的该透射区被布置成N行×M列矩阵结构，N和M都是整数，
其中，各块内的该透射区按奇数和偶数行被布置成十字形，并且
所述第一块、第二块和第三块彼此保持一定距离，从而该第二块中的第二掩模图形的透射区位置对应于该第一块右移一列的位置，并且该第三块中的第三掩模图形的透射区位置对应于该第一块左移一列的位置。
4.按照权利要求1的激光掩模，其特征在于，该激光掩模是用金属制成的，金属包括铬或铝。
5.一种采用掩模的结晶方法，包括：
提供一个具有半导体层的基板；
将一个掩模定位在基板上面，该掩模具有第一，第二和第三块，该掩模包括：
在该第一块中的第一掩模图形；
在该第二块中的第二掩模图形；以及
在该第三块中的第三掩模图形，
所述第一至第三块中的每一块具有包括多个透射区和一个遮挡区的周期性图形，
其中，第一块的第一掩模图形具有第一位置，第二块的第二掩模图形具有第二位置，第三块的第三掩模图形具有第三位置，第一，第二和第三位置彼此不同；并且
相邻的三个透射区构成一个等边三角形，而六个等边三角形构成一个规则六边形；以及
利用三次照射法通过掩模用激光束照射半导体层使其结晶。
6.按照权利要求5的方法，其特征在于，该透射区具有圆形形状，并且该透射区中心之间的距离是L，圆形透射区的半径是R，并且L和R的关系是： L 3 &le; R < L 2 .
7.按照权利要求5的方法，其特征在于，各块内的该透射区被布置成N行×M列矩阵结构(N和M都是整数)，
其中，各块内的该透射区按奇数和偶数行被布置成十字形，并且
所述第一块、第二块和第三块彼此保持一定距离，从而该第二块中的第二掩模图形的透射区位置对应于该第一块右移一列的位置，并且该第三块中的第三掩模图形的透射区位置对应于该第一块左移一列的位置。
8.按照权利要求5的方法，其特征在于，该激光掩模是用金属制成的，金属包括铬或铝。
9.按照权利要求5的方法，其特征在于，使半导体层结晶还包括：
通过掩模照射第一激光束形成第一结晶区；
按照大致等于一个块的尺寸的距离移动掩模；
通过掩模照射第二激光束形成第二结晶区；
按照大致等于一个块的尺寸的距离移动掩模；并且
通过掩模照射第三激光束形成第三结晶区。
10.按照权利要求5的方法，其特征在于，该照射的激光具有能形成一个完全熔化区的能量密度。
11.按照权利要求5的方法，其特征在于，按照顺序横向固化(SLS)方法使半导体层结晶。
12.一种显示器件，包括：
彼此交叉形成一个象素的栅极线和数据线；
靠近交叉点的薄膜晶体管(TFT)，TFT包括一个多晶硅层，多晶硅层包括多个圆形晶体，由三个毗邻的圆形晶体构成一个等边三角形，而六个等边三角形构成一个规则六边形。
13.一种制作显示器件的方法，包括：
在基板上形成多个栅极线和数据线，栅极线和数据线彼此交叉限定象素；并且
在象素中各交叉点处形成一个薄膜晶体管(TFT)，这一步骤还包括：
在基板上形成半导体层；
将一个掩模定位在基板上面，该掩模具有第一，第二和第三块，该掩模包括：
在该第一块中的第一掩模图形；
在该第二块中的第二掩模图形；以及
在该第三块中的第三掩模图形，
在该第三块中的第三掩模图形，所述第一至第三块中的每一块具有包括多个透射区和一个遮挡区的周期性图形，
其中，第一块的第一掩模图形具有第一位置，第二块的第二掩模图形具有第二位置，第三块的第三掩模图形具有第三位置，第一，第二和第三位置彼此不同；并且
相邻的三个透射区构成一个等边三角形，而六个等边三角形构成一个规则六边形；以及
利用三次照射法通过掩模用激光束照射半导体层使其结晶。
14.按照权利要求13的方法，其特征在于，该透射区具有圆形形状，并且该透射区中心之间的距离是L，圆形透射区的半径是R，并且L和R的关系是：
Figure F2004100911858C00031
15.按照权利要求13的方法，其特征在于，各块内的该透射区被布置成N行×M列矩阵结构(N和M都是整数)，其中，各块内的该透射区按奇数和偶数行被布置成十字形，并且
所述第一块、第二块和第三块彼此保持一定距离，从而该第二块中的第二掩模图形的透射区位置对应于该第一块右移一列的位置，并且该第三块中的第三掩模图形的透射区位置对应于该第一块左移一列的位置。
16.按照权利要求13的方法，其特征在于，该激光掩模是用金属制成的，金属包括铬或铝。
17.按照权利要求13的方法，其特征在于，使半导体层结晶还包括：
通过掩模照射第一激光束形成第一结晶区；
按照大致等于一个块的尺寸的距离移动掩模；
通过掩模照射第二激光束形成第二结晶区；
按照大致等于一个块的尺寸的距离移动掩模；并且
通过掩模照射第三激光束形成第三结晶区。
18.按照权利要求13的方法，其特征在于，该照射的激光具有能形成一个完全熔化区的能量密度。
19.按照权利要求13的方法，其特征在于，按照顺序横向固化(SLS)方法使半导体层结晶。
20.按照权利要求12的器件，其特征在于，该显示器件是一种液晶显示器或电致发光显示器。
21.按照权利要求13的方法，其特征在于，该显示器件是一种液晶显示器或电致发光显示器。
22.按照权利要求12的器件，其特征在于，每个圆形晶体包括多个径向生长的颗粒。
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