CN1637596A - 激光掩模以及利用其结晶的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光掩模和利用其结晶的方法，能够产生具有均匀的结晶特性的多晶硅薄膜。按照本发明，一种利用激光掩模结晶的方法，所述激光掩模具有第一区段中的参考图案和第二区段中的所述参考图案的相反图案，该方法包括：提供具有硅薄膜的基板；将激光掩模的第一区段设置在一部分硅薄膜上，然后通过该第一区段照射第一激光束；移动激光掩模或者基板，从而将激光掩模的第二区段设置在所述部分硅薄膜上，然后通过第二区段照射第二激光束。

Description

激光掩模以及利用其结晶的方法
本申请要求享有2003年12月29日递交的申请号为2003-99371的韩国专利申请的优先权，在此引用其全文作为参考。
技术领域
本发明涉及一种激光掩模以及利用其结晶的方法，尤其涉及一种能够产生结晶特性均匀的多晶硅薄膜的激光掩模以及利用其结晶的方法。
背景技术
近来，由于对信息显示、尤其是便携式信息显示的需要，人们对薄膜型平板显示(FPD)器进行了积极研究，并将其商业化，以此来代替阴极射线管(CRT)。在这些平板显示器中，液晶显示(LCD)器件由于其优良的分辨率、显色能力和图像质量而被广泛地用于笔记本电脑和台式监视器。
有源矩阵(AM)驱动法，种用于LCD器件的典型驱动法，采用非晶硅薄膜晶体管(a-Si TFT)作为开关元件以驱动LCD器件的各像素。a-Si TFT技术由英国人Le Comber等人在1979年发布，并在1986年被商业化为三英寸的液晶便携式电视机。近来，人们开发了显示面积超过50英寸的TFT-LCD器件。但是，a-Si TFT的场效应迁移率约为1cm2/Vsec，而为像素提供信号的外围电路一般在超过1MHz的条件下工作，因此这妨碍了其在外围电路中的应用。于是，人们正积极从事以下研究：利用场效应迁移率超过上述a-TFT的多晶硅(多晶-Si)TFT在玻璃基板上同时形成像素区域中的开关晶体管和驱动电路区域中的外围电路。
自1982年开发出LCD彩色电视机以来，多晶-Si TFT已用于小型平板显示器件，如可携式摄像机的目镜上。该TFT具有较低的光敏性和较高的场效应迁移率，其可直接设置在基板上形成驱动电路。迁移率的增大提高了驱动电路的工作频率。而驱动电路的频率性能决定了维持足够显示能力时被驱动的像素数目。更具体地说，频的率增大降低了提供给像素的信号的充入时间，从而使信号失真减少，图像质量提高。
多晶-Si TFT可通过以下方式制造：在基板上直接淀积多晶硅薄膜，或者淀积非晶硅薄膜、然后通过热处理使其结晶。为了采用价廉的玻璃作为基板，需要低温处理过程，为了将多晶-Si TFT用于驱动电路，需要提高场效应迁移率的方法。一般说来，用于非晶硅薄膜结晶的热处理方法是固相结晶(SPC)法和受激准分子激光退火(ELA)法。
SPC法在大约600℃的低温下形成多晶硅薄膜。在该方法中，多晶硅薄膜可通过以下方法形成：将非晶硅薄膜淀积到低熔点玻璃基板上，然后大约在600℃的条件下实施缓慢加热工艺达数十小时。通过SPC法形成的多晶硅薄膜具有尺寸比较大的晶粒，约几个μm(微米)。但是，这些晶粒中有许多缺陷。尽管不像多晶-Si TFT中的晶界那么差，但这些缺陷也负面影响着多晶-Si TFT的性能。
受激准分子激光退火法是在低温下制造多晶-Si TFT的典型方法。受激准分子激光器通过向非晶硅薄膜上照射10纳秒的高能激光束而使非晶硅薄膜结晶。在该方法中，非晶硅在非常短的时间内熔融和结晶，所以玻璃基板不会受损。与通过普通热处理法制造的多晶-Si薄膜相比，通过受激准分子激光法制造的多晶硅薄膜还具有良好的电学特性。例如，通过准分子激光法制造的多晶-Si TFT的场效应迁移率超过100cm2/Vsec，而a-Si TFT的场效应迁移率是0.1～0.2cm2/Vsec，通过普通热处理法制造的多晶-Si TFT的场效应迁移率为10～20cm2/Vsec(IEEE Trans.Electron Devices，1989年第36卷第12期，第2868页)。
下面详细描述采用激光的结晶方法。图1是表示多晶硅薄膜的晶粒尺寸与用于形成多晶硅薄膜的激光能量密度之间的关系曲线图。
如图1所示，按照IEEE Electron Device Letters，DEL-7,276,1986中所讨论的，在第一和第二区I和II中，随着能量密度增加，多晶硅薄膜的晶粒尺寸也增加。但是，在第三区III中，当能量密度高于特定能量密度Ec时，结晶后的多晶硅薄膜的晶粒尺寸急剧下降。即，按照图1所示曲线，在能量密度高于特定能量密度Ec时，硅薄膜的结晶机理发生变化。
图2A到2C、3A到3C和4A到4C是表示根据图1的激光能量密度的硅结晶机理的截面图。即，它们表示根据各激光能量密度的连续结晶过程。利用激光退火处理的非晶硅结晶机理受许多因素影响，例如包括能量密度、辐照压力、基板温度在内的激光照射条件和包括吸收系数、导热性、质量、杂质含量和非晶硅层厚在内的物理/几何特性。
首先，如图2A到2C所示，图1的第一区(I)是局部熔融区，非晶硅薄膜12仅结晶到虚线位置，此时形成的晶粒G1的尺寸约为几百埃。当激光束照射到已形成了缓冲层11的基板10上的非晶硅薄膜12上时，非晶硅薄膜12熔融。这时，由于强激光能量直接照射到非晶硅薄膜12的表面上，弱激光能量照射到非晶硅薄膜12的下部，所以非晶硅薄膜12仅熔融低至某一部分，由此获得了局部结晶。
一般来说，在激光结晶方法中，晶体通过初次熔融(非晶硅薄膜的表面层因激光照射而熔融)和二次熔融(下部非晶硅薄膜因为熔融硅固化过程中产生的潜热而熔融，然后下层固化)过程生长。这些晶体生长过程将在下面详细描述。
上面要照射激光束的非晶硅薄膜的熔融温度超过1000℃，它主要熔融为液态。由于在表面熔融层与下部的硅和基板之间存在较大温差，因此表面熔融层迅速冷却，直到固相成核和固化。表面层保持熔融态，直到固相成核和固化完成。当激光能量密度高或外部散热差时，熔融态会持续很长时间。由于表面层在低温下、例如在1000℃下熔融，而不是在晶体硅的熔融温度1400℃下熔融，因此表面层冷却，并维持温度低于相转变温度的过冷态。
过冷态越强，即薄膜的熔融温度越低或者冷却速度越快，固化时的成核率就越大，于是固化过程中生长为良好的晶体。当固化随着熔融层冷却而开始时，晶体从晶核开始沿向上方向生长。此时，在熔融表面层由液态转变为固态的相转变过程中产生潜热，于是第二熔融开始，下部非晶硅薄膜熔融。然后，下部的非晶硅薄膜发生固化。此时，因为下部的非晶硅薄膜比第一熔融层更加过冷，下部第二熔融层的成核发生率增大。于是，由第二熔融层产生的晶体尺寸较小。因此，必需降低固化过程的冷却速率，以改善结晶特性。冷却速度可通过抑制所吸收的激光能量发射到外部来降低。抑制方法的例子可以是加热基板、双激光束照射、或者在基板和非晶硅层之间插入缓冲绝缘层。
图3A到3C是表示图1第二区(II)的硅结晶机理的截面图，其中第二区(II)代表近乎完全结晶区。
参照图3A到3C，多晶硅表面的晶粒30A到30C相对较大，约为3000到4000埃，它们形成到下部缓冲层11的边界。当将近乎完全熔融的能量、而非完全熔融能量照射到非晶硅薄膜12上时，几乎所有靠近缓冲层11的非晶硅薄膜12熔融。此时，在熔融硅薄膜12’和缓冲层11之间的边界处还未熔融的固体籽晶35用作引发横向生长的结晶晶核，于是就形成了较大晶粒30A到30C(J.Appl.Phys.82，4086)。但是，因为该结晶仅发生在激光能量能使与缓冲层11的界面上存留固体籽晶35时，所以该工艺裕度非常有限。另外，因为固体籽晶35产生不均匀，所以多晶硅薄膜的结晶晶粒30A到30C的结晶方向不同，由此导致了结晶特性不均匀。
图4A到4C是表示对应于完全结晶区的图1第三区(III)的硅结晶机理的截面图。
参照图4A到4C，在对应于第三区(III)的能量密度作用下，不规则地形成了非常小的晶粒30。当激光能量密度高于特定能量密度Ec时，施加足以让非晶硅薄膜12完全熔融的足够能量，不留下可以长出晶粒的固体籽晶。然后，因接收高能激光束而熔融的硅薄膜12’经历迅速冷却过程，这就产生了多个均匀的晶核35，进而形成细小晶粒30。
其间，采用脉冲型激光的准分子激光退火法用于激光结晶，而且近来人们广泛建议并研究了连续横向固化(SLS)法，其通过在水平方向上生长晶粒从而表现出对结晶特性的大幅改善。
连续横向固化(SLS)法利用以下事实：晶粒从液相硅和固相硅之间的分界处横向生长(Robert S.Sposilli，M.A.Crowder，和James S.Im，Mat.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.452，956 to 957，1997)。在该方法中，通过控制激光能量密度和激光束的照射范围，使晶粒横向生长预定长度，由此增大了硅晶粒的尺寸。
该SLS是横向固化(LS)的一个例子，下面参照附图描述LS的结晶机理。图5A到5C是顺序表示按照相关技术的通用横向结晶法的结晶工艺的截面图。
参照图5A，当向一部分非晶硅薄膜112照射能量密度在图1第三区(III)中的激光(该能量密度能使非晶硅薄膜112完全熔融)时，该部分非晶硅薄膜完全熔融。然后采用构图的掩模形成激光照射区和激光未照射区。此时，如图5B和5C所示，因为激光具有充足的能量，在该激光照射下的非晶硅薄膜112完全熔融。但是，该激光束以特定间隔照射到非晶硅薄膜112上，晶体由激光未照射区的硅薄膜112(固相)和熔融硅薄膜112’(液相)之间的分界处开始生长。
于是，边界提供了该结晶过程的晶核。换言之，紧接在照射了激光束之后，熔融的硅薄膜112’从激光未照射区边界的左/右表面开始冷却。这是因为固相非晶硅薄膜112的导热性比位于硅薄膜112和112’下方的缓冲层111和玻璃基板110导热性高。于是，位于水平固相和液相之间分界处而非中央部分的熔融硅薄膜112’首先达到晶核形成温度，由此在相应部分上形成晶核。在形成晶核以后，晶粒130A和130B由低温侧向高温侧水平生长，即，由分界处向中央部分生长。由于横向结晶过程，能形成大尺寸的晶粒130A和130B，并且由于该过程利用第三区的能量密度实施，因此与其它范围相比，不会限制工艺裕度。
但是，SLS具有以下问题。即，为了增大晶粒尺寸，要通过无限次并且重复地移动掩模或工作台来实施结晶过程。结果，延长了大尺寸非晶硅薄膜结晶的工序时间，该工序产量也降低。
发明内容
因此，本发明涉及一种激光掩模和利用其结晶的方法，能够基本上避免由于现有技术的限制和缺点产生的一个或多个问题。
本发明的优点是提供一种激光掩模和利用其结晶的方法，能够制造出结晶特性均匀的多晶硅薄膜。
在以下描述中将阐明本发明的其它特征和优点，通过这些描述将使它们在某种程度上变得明显，或者通过对本发明的实践可以学到它们。本发明的目的和优点将通过说明书及其权利要求以及附图中具体指出的结构实现和得到。
为了实现这些和其它优点，并按照本发明的目的，如具体和概括描述的，具有第一区段和第二区段的激光掩模包括：第一区段中的参考图案；以及第二区段中的所述参考图案的相反图案。
按照本发明的另一方面，一种利用激光掩模结晶的方法，所述激光掩模的具有第一区段中的参考图案和第二区段中的所述参考图案的反向图案，该方法包括：提供具有硅薄膜的基板；将激光掩模的第一区段设置在一部分硅薄膜上方，然后通过第一区段照射第一激光束；以及移动激光掩模或者基板，以便将激光掩模的第二区段移到所述部分硅薄膜上方，然后通过第二区段照射第二激光束。
在本发明的另一方面中，用于制造以薄膜晶体管作为开关元件的平板显示器件的方法包括：提供具有硅薄膜的基板；以及利用激光掩模使硅薄膜结晶为多晶硅薄膜，由此形成薄膜晶体管的有源层，所述激光掩模具有位于第一区段中的参考图案和位于第二区段中的所述参考图案的相反图案。
在本发明的又一方面中，以薄膜晶体管作为开关元件的平板显示器件包括薄膜晶体管的有源层，该薄膜晶体管包括具有多边形晶界的多晶硅薄膜。
要理解的是，本发明的前述概括描述和以下详细描述都是示范性和列举性的，以提供对所要求保护的本发明的进一步解释。
附图说明
为了提供对本发明的进一步理解而将附图包括进来，将其结合构成本说明书的一部分，这些附图示出了本发明的实施例，其连同说明书一起用于解释本发明的原理。
附图中：
图1是表示多晶硅薄膜的晶粒尺寸与用于形成多晶硅薄膜的激光能量密度之间的关系曲线图；
图2A到2C、3A到3C和4A到4C是表示按照图1的激光能量密度的硅结晶机理的截面图；
图5A到5C是顺序表示按照相关技术的横向结晶过程的结晶工艺截面图；
图6A是表示用于连续横向固化(SLS)过程的激光掩模的示意性平面图；
图6B是表示通过图6A的掩模结晶的硅薄膜的平面图；
图7是图6B的结晶硅薄膜的部分‘E’的放大平面图；
图8A到8C是顺序表示采用图6A的掩模的硅薄膜结晶工艺的平面图；
图9是表示按照本发明第一实施例用于构造具有周期性图案的激光掩模的方法示意图；
图10是表示在图9的透射区域之间的尺寸和距离的示意图；
图11A和11B是表示通过参照图9描述的图案构造方法制造的两段式激光掩模的各部分示意图；
图12A和12B是表示采用图11A和11B所示的激光掩模的硅薄膜结晶工艺的示意图；
图13是表示按照本发明实施例的激光掩模构造方法的示意图；
图14是表示通过图13所述的激光掩模构造法制造的激光掩模的示意图；
图15是表示按照本发明第二实施例的激光掩模的示意图；
图16是表示按照本发明第三实施例的激光掩模的示意图；
图17是表示按照本发明的激光结晶方法的激光结晶能量区的曲线图；
图18是表示液晶显示板结构的平面图，其中驱动电路与液晶显示板的阵列基板集成在一起；以及
图19表示采用通过按照本发明的结晶方法结晶的硅薄膜制造的CMOS液晶显示器件的例子。
具体实施方式
下面参照附图详细说明本发明的优选实施例。
图6A是表示用于连续横向固化(SLS)过程的激光掩模的示意性平面图，该掩模设计为比现有技术能够缩短结晶时间。参照图6A，激光掩模270包括狭缝型图案275，该图案具有预定宽度和长度的长方形透射区域273。激光掩模270包括用于透光的两块长方形透射区域273和用于挡光的阻挡区域274。透过狭缝275的透射区域273的激光束使硅薄膜根据透射区域273的形状(例如长方形)结晶。
但是，参照图6B，由于激光束的衍射，结晶硅薄膜的边缘部分(E)具有不同于掩模图案(狭缝275)的圆形形状。下面对此作详细描述。作为参考，图6B中所示的结晶硅薄膜边缘部分(E)处的虚线表示用于结晶的掩模270的狭缝275的形状。
图7是表示图6B的结晶硅薄膜的部分‘E’的放大平面图。如图7所示，由于照射了能量密度足以使硅膜完全熔融的激光束，边缘部分(E)中心的区域‘A’具有与狭缝275相类似的结晶图案。但是，该激光束在狭缝275的边缘部分(E)拐角处的区域‘B’发生衍射。于是，激光束的能量密度不足以使硅薄膜完全熔融。结果，边缘部分(E)变为凸起或圆形形状。换言之，因为结晶硅薄膜具有圆形形状的边缘部分(E)中的晶粒从靠近位于熔融非晶硅边界上的非晶硅薄膜(固相)处形成的晶核开始生长，因此第二晶粒230B沿着不同于第一晶粒230A的方向生长。即，第二晶粒230B的结晶特性与第一晶粒230A不同，结果，在结晶硅薄膜中出现了间断区域。此时，因为宽度为(W)的间断区域的存在，结晶硅薄膜的凸起边缘部分(E)的结晶特性不同，因此缩短间断区域的宽度(W)、以便将该硅薄膜用于LCD器件上是很重要的。
现在描述利用上述掩模使硅薄膜结晶的结晶工艺。图8A到图8C是顺序表示采用图6A的掩模的硅薄膜结晶工艺的平面图。
首先，如图8A所示，将图6A的掩模270定位于基板210上或上方，向其照射激光束以便使基板210上形成的非晶硅薄膜212结晶。此时，要结晶的区域对应于掩模270的透射区域273，当掩模270有两个透射区域时，被结晶区域有两个在水平方向上有预定长度的结晶区域。换言之，当利用包括长方形狭缝275的掩模270向基板210的表面照射第一激光束时，通过狭缝275照射了第一激光束的硅薄膜长出第一晶粒230A，所述第一晶粒230A从靠近位于上下边界表面上的非晶硅薄膜212(固相)处形成的晶核开始横向(图8A中为纵向)生长。此时，如上所述，由于激光束衍射，结晶硅薄膜212’的边缘部分具有不同于掩模图案的狭缝275的形状的圆形形状。在圆形边缘部分(E)上，第二晶粒230B由靠近位于熔融非晶硅的边界表面上的非晶硅薄膜212(固相)处形成的晶核开始沿着不同于第一晶粒230A的方向生长。即，第二晶粒230B的结晶特性与第一晶粒230A的不同，于是在结晶硅薄膜中出现间断区域。
在完成了第一次结晶之后，短距离移动固定基板210用的工作台(未示出)或者置于基板210上的掩模270，所述距离不大于掩模270的图案的水平长度(狭缝275的宽度)，然后照射激光束，沿‘X’轴方向实施结晶工艺。例如，在‘X’轴方向上将工作台移到能与狭缝图案--结晶的硅薄膜212’的间断区域280重叠的位置之后，向基板210的表面照射激光束。
然后，如图8B所示，在‘X’轴方向上形成了与通过第一次结晶过程结晶的硅薄膜212’的图案相同的第二结晶图案212”，而且该图案与第一次结晶硅薄膜212’的间断区域280重叠。此后，当按照与相对第一激光束描述的方式相同的方式向基板210的表面上照射另一激光束时，形成了与通过第二次结晶过程结晶的硅薄膜212”的图案相同的第三结晶图案212，而且该图案与第二次结晶硅薄膜212”的间断区域280重叠。此时，间断区域280越宽，下一次激光束照射的激光束重叠区域就越宽，这增加了总加工时间。结晶硅薄膜212’、212”和212的间断区域280的结晶特性与结晶硅薄膜212’、212”以及212的不同。在该意义上，由于间断区域280周围的硅薄膜212保持非晶态而非经过了结晶，因此需要下一次照射的激光束与这些间断区域280重叠。
完成了‘X’轴方向上的结晶工艺之后，沿‘Y’轴方向将掩模270或工作台移动预定距离(在移动工作台的情况下，沿‘-Y’轴方向移动)。然后，如图8C所示，在‘X’轴方向上从完成了第一次结晶处理的位置开始再次实施激光照射过程。
在重复实施上述结晶过程时，产生以下问题，即，多晶硅薄膜有多个具有正常晶粒的第一区域P1和多个具有间断区域的第二区域P2，区域P2的结晶特性与第一区域P1的不同，且它们位于第一区域P1之间。也就是说，当通过结合这些具有间断区域的硅薄膜制造LCD器件时，LCD器件会因特性不均匀而受损，因此LCD器件的质量也变差。另外，因为间断区域周围的硅薄膜保持非晶态而没有经过结晶，因此需要照射下一次激光束以覆盖这些间断区域280。这些间断区域彼此重叠的重叠区域(即X重叠区域)形成照射标记。当将其用于LCD器件或者有机发光二极管时，照射标记降低了图像质量，会产生不均匀的器件特性。
同时，尽管在上述结晶过程中未加以说明，但晶粒可沿‘Y’轴方向生长，且掩模可与‘Y’轴方向重叠，由此增大晶粒的尺寸，然后重复进行结晶过程。但是，该情况下，会在‘Y’轴方向上的重叠区域(即Y-重叠区域)中形成照射标记。
上述结晶特性不均匀的问题在单扫描结晶方法中以及上述的过渡(transition)方法中成为重要问题。尤其是，结晶特性的不均匀造成器件特性的不均匀，所述器件特性涉及由结晶硅薄膜制成的薄膜晶体管的沟道取向(即，沟道形成方向)，进而降低了液晶显示器件的图像质量。
因此，在本发明中，在激光掩模上将按照把激光掩模分成两段的方式构造预定形状的狭缝图案，然后两次利用该激光掩模向硅薄膜照射激光束(“两次照射结晶法”)。通过该结晶方法，可在没有X-重叠或Y-重叠的情况下使硅薄膜的整个表面结晶。
即，本发明的激光掩模具有两个区段，各区段都有预定图案，这些图案可具有周期性或规则性。第二区段中的图案是第一区段的相反图案。按照本发明的原理，通过两次利用该激光掩模照射激光，使硅薄膜结晶为具有径向晶粒和均匀结晶特性的多晶硅薄膜。于是，当利用结晶均匀的硅薄膜制造薄膜晶体管之类的器件时，该器件具有均匀特性，基本上不会出现因沟道取向引起的器件不均匀问题。
下面参照附图描述按照本发明实施例的激光掩模以及利用其结晶的方法。
图9是表示安徽咱本发明的第一实施例构造具有周期性图案的激光掩模的方法示意图。该实施例的激光掩模构造为具有第一和第二区段，第一区段具有周期性图案，第二区段具有第一区段的相反图案。
参照图9，激光掩模主要被分为两个区段。在第一区段中形成透射区域375A(即圆形掩模图案)，其位置为“A”，除透射区域375A之外的其余区域都作为第二区段中的透射区域。如上所述，本发明的一个原理是提供具有两个区段的激光掩模，其中一个区段具有狭缝图案，另一区段具有所述狭缝图案的相反图案。应当理解的是，上述的激光掩模只是一个例子，本发明并不限于此。
如图9所示，位置“A”的三个相邻透射区域375A的中心位于正六边形的三个顶点上。按照第一实施例，位置“A”的透射区域375A之间的尺寸和距离应当满足一定关系。下面将参照附图进行说明
图10是表示图9的透射区域之间的尺寸和距离的示意图。
如图所示，如果位置A的透射区域375A的半径为R，透射区域375A的中心之间的距离为L，那么为了通过两次照射激光束使整个预定区域结晶(“两次照射结晶法”)，透射区域375A的半径R应当满足等式1。
R＜L/2      等式1
即，位置“A”的透射区域375A的半径R小于L/2，这是位置“A”的相邻透射区域375A彼此接触的条件。
在该激光掩模中，将位置“A”的透射区域375A之外的其余区域构造为第二区段中的透射区域。于是，当半径R小于L/2(这是透射区域375A尺寸的最大值)时，整个预定区域可通过两次照射结晶。该条件下，位置“A”的相邻掩模图案375A彼此接触。利用该激光掩模两次照射激光束得到的多晶硅膜具有均匀特性。下面将对此作详细说明。
图11A和11B是表示通过参照图9所述的图案构造方法制造的两段式激光掩模的各部分示意图。在该例子中，在第一区段480’中形成位置为“A”的掩模图案475A(以下称为参考图案)，在第二区段480”中形成掩模图案475B(以下称为相反图案)，该掩模图案是第一段的相反图案。该实施例中，通过参照图9所述的构图方法将第一区段480’中位置为“A”的掩模图案475A构造为参考图案。如上所述，本发明并不限于此，掩模图案的形状和位置可以变化。
如上所述，第一区段480’包括多个用于透光的圆形第一透射区域473A和用于挡光的第一阻挡区域474A。第二区段480”包括用于透光的第二透射区域473B和多个用于挡光的第二阻挡区域474B，所述第二透射区域对应于第一阻挡区域474A(即相反图案的形式)，所述第二阻挡区域对应于第一透射区域473A，因此第二透射区域473B和第二阻挡区域474B构造为第一区段480’的相反图案。尽管第一透射区域473A和第二阻挡区域474B为圆形形状，但本发明并不限于此，它们可以是正多边形形状，例如正三角形、正方形、正六边形和正八边形。此外，尽管图11A和11B中第一透射区域473A和第二阻挡区域474B尺寸相同，但本发明并不限于此，按照本发明，它们可具有各种尺寸，并可随意构造。
同时，图12A和12B是表示采用了图11A和11B中所示的激光掩模的硅薄膜结晶过程示意图。如图所示，通过上面所示的两段式激光掩模两次照射激光束，使硅薄膜的整个表面结晶。下面进行详细说明。
首先，如图12A所示，当通过图11A的第一区段480’、即通过参考图案475A(即，掩模图案475A的第一透射区域473A)向具有硅薄膜412的基板410上照射激光束进行第一次结晶时，晶体以位于圆形边界上的非晶硅薄膜412(固相)为晶核，朝圆形参考图案475A的中心生长，由此就形成了多晶硅薄膜412’，其为具有径向晶粒的第一晶体。通过第一次结晶过程进行结晶的区域对应于掩模的第一透射区域473A。当掩模的透射区域数为7时，结晶区域也有七个圆形多晶硅薄膜412’。
在完成了第一次结晶过程时，将图11B的第二区段480”施加到形成了第一多晶硅薄膜412’的基板410上，然后照射激光束，以进行第二次结晶过程。此时，第二区段480”具有相反图案475B。如图12B所示，作为第二次结晶过程的结果，晶体从通过第一次结晶过程结晶了的硅薄膜412’的周边开始(即，利用硅薄膜412’的周边作为晶体生长的籽晶)，沿着圆形结晶硅薄膜的外侧方向生长，由此形成了多晶硅薄膜412”，其为第二晶体。在该实施例中，在没有X-重叠或Y-重叠的情况下，即，在没有照射标记的情况下，通过激光掩模两次照射激光束使基板410的整个表面结晶。另外，由于激光掩模的各区段都有周期性图案，因此在最后得到的多晶硅薄膜中形成并均匀地分布着正六边形晶界490。由此，最后得到的多晶硅薄膜具有均匀的结晶特性。
下面描述按照第一实施例的激光掩模构造方法。图13是表示按照本发明第一实施例的激光掩模构造方法的示意图。
参照图13，参考图案575A位于第一区段580’中，参考图案575A的相反图案575B位于第二区段580”中。第一和第二区段580’和580”中的掩模图案575A和575B按照图9所示的第一实施例的图案构造方法形成。在第一区段580’中，将多个圆形的第一透射区域573A按正六边形方式设置，而在第二区段580”中，将多个作为第一透射区域573A的相反图案的第二阻挡区域574B按照与第一透射区域573A相同的正六边形方式设置。但是，这只是个例子，按照本发明的激光掩模并不限于该周期性或规则性。例如，相反图案575B可位于第一段580’中，而参考图案575A可位于第二段580”中。
同时，区段580’和580”可用作结晶过程中下一次照射的参考。在此，X-步进距离(Dx)代表为了实施X-轴结晶而使掩模或工作台沿X-轴方向移动的距离，Y-步进距离(Dy)代表在完成了X-轴的结晶之后为了实施Y-轴结晶而使掩模或工作台在Y-轴方向上移动的距离。此外，为了消除X-重叠或Y-重叠，确定用于进行X-步进的X-步进距离(Dx)和用于进行Y-步进的Y-步进距离(Dy)时要考虑区段580’和580”的周期性图案。
下面举例说明具有上述特性的激光掩模。图14是表示利用图13中所述的激光掩模构造法制造的激光掩模的示意图。
如图所示，激光掩模570具有包括第一透射区域573A和第一阻挡区域574A在内的参考图案575A和包括第二透射区域573B和第二阻挡区域574B在内的相反图案575B。除了掩模图案575A和575B的透射区域573A和573B之外，激光掩模570阻挡激光束照射到阻挡区域574A和574B上。激光掩模570可由在反射激光束方面性能优良的金属如铝制成。
同时，激光掩模570的图案可与上述图案不同(尤其是在图13所示区段的边界区域处)。这是因为激光掩模570是在考虑了第二区段580”中的相反图案575B的第二透射区域573B的形状情况下制造的。即，相反图案575B的第二透射区域573B不能形成掩模中的边界。于是，如图14所示，在第二区段580”的边界区域中形成了预定阻挡区域。
下面将描述采用图14的激光掩模的硅薄膜结晶工艺。该结晶工艺按照图12A和12B所示的顺序执行，下面将解释基于上述顺序的X-轴和Y-轴结晶。
首先，通过图13或图14所示的上述激光掩模向淀积了非晶硅的基板照射激光束，以此进行第一次结晶过程。激光束的能量密度是前面部分所述的完全熔融区的能量密度。照射以后，晶体从位于周围边界处的非晶硅薄膜(固相)开始生长。结果，就形成了多晶硅薄膜，其为具有径向晶粒的第一晶体。
当完成了第一次结晶过程时，在X-轴方向上将掩模或放置基板的工作台移动X-步进距离(Dx)。然后照射激光束，利用通过第一次结晶过程结晶了的硅薄膜作为晶体生长的籽晶进行第二次结晶。此时，如上所述，在第一次结晶的硅薄膜周围形成了具有正六边形晶界的均匀多晶硅薄膜。
一旦通过在X-轴方向上重复移动掩模或基板、然后通过掩模照射激光束完成了X-轴的结晶过程，就开始Y-轴结晶。在Y-轴结晶过程中，沿Y-轴方向将掩模或工作台移到预定距离(在移动工作台的情况下，是沿负Y-轴方向移动)，然后在负X-轴的方向上从完成了X-轴结晶的部分开始再次实施X-轴结晶过程。通过重复进行X-轴和Y-轴结晶，就能得到具有均匀结晶特性的理想尺寸的多晶硅薄膜。
在该实施例中，参考图案的形状是图9或13所示的正六边形。但是，本发明并不限于此，按照本发明的激光掩模的参考图案可以构造为图15所示的正方形。图15是表示按照本发明第二实施例的激光掩模的示意图。
如图所示，激光掩模670包括第一区段680’中的正方形形状的参考图案675A和第二区段680”中的相反图案675B。参考图案675A具有多个透射区域673A和第一阻挡区域674A。参考图案为正方形形状，其中四个相邻透射区域的中心构成正方形。相反图案675B是该参考图案675A的相反形状，即具有圆形的第二阻挡区域674B和第二透射区域673B，区域674B是第一透射区域673A的相反形状，区域673B是第一阻挡区域674B的相反形状。尽管第一透射区域673A和第二阻挡区域674B是圆形图案，但本发明并不限于此，它们可以构造为正多边形形状，例如正三角形、正方形、正六边形和正八边形。此外，圆形形状的第一透射区域673A和第二阻挡区域674B的尺寸不要求相同。
上述实施例中的激光掩模包括周期性或规则性图案。但是，本发明并不限于此，并且适用于具有不规则或随机图案的两段式激光掩模。图16是表示按照本发明第三实施例的具有不规则或随机图案的激光掩模的示意图。
如图所示，激光掩模770包括位于第一区段780’中的参考图案775A和位于第二区段780”中的相反图案775B，所述参考图案775A具有多个圆形的第一透射区域773A和第一阻挡区域774A，所述相反图案775B具有多个与第一透射区域773A图案相反的第二阻挡区域774B和与第一阻挡区域774A图案相反的第二透射区域773B。如图16所示，第一透射区域773A和第二阻挡区域774B的尺寸不同，它们随机布置，没有任何规则性，这与第二实施例不同。与第一和第二实施例一样，通过具有不规则或随机图案的激光掩模两次照射激光束，可以获得均匀的多晶硅薄膜。
即，无论两段式激光掩模上构造的图案的形状和位置如何，只要第二区段与第一区段的图案相反，本发明的两次照射结晶法就适用。因此，硅薄膜的整个表面可通过两次照射结晶。
同时，图17是表示按照本发明的激光结晶法的激光结晶能量区的曲线图。例如，用于激光掩模的激光结晶能量区具有点状图案，其中各点状图案的直径为5μm。利用具有正六边形图案的第一实施例的激光掩模获得图17的曲线图。还可利用第二或第三实施例的激光掩模获得基本相同的结果。
如图所示，当激光掩模中的点状图案的直径为5μm时，如果所用激光的能量密度超过1100mJ/cm2，薄膜中结晶图案的尺寸可大于5μm。此外，该曲线显示，如果激光的能量密度约为1300mJ/cm2，结晶图案的尺寸就会增大到5.4μm。即，即便有0.8μm(是0.4μm的两倍)或少些的对准误差，基板上硅薄膜的整个表面也可以通过本发明的两次照射结晶过程结晶。该对准误差是发生在为了结晶而移动整个掩模或者基板时。
例如，当将能量密度约为1300mJ/cm2的激光用于两次照射结晶法时，因为结晶图案的尺寸比激光掩模中的参考图案大0.4μm，因此即便对准误差为0.8μm或稍嫌，整个薄膜还可以结晶。
现在描述采用按照本发明具有改善的结晶特性的硅薄膜制造液晶显示器件的方法。图18是表示液晶显示器件的结构平面图，其中驱动电路与LCD面板的阵列基板集成在一起。
如图所示，集成了驱动电路的LCD面板包括：阵列基板820、滤色片基板830以及在阵列基板820与滤色片基板830之间设置的液晶层(未示出)。阵列基板820包括：像素单元825、其内按矩阵结构排列着单元像素的图像显示区域以及位于像素单元825的外边缘上的栅驱动电路单元824和数据驱动电路单元823。尽管未示出，阵列基板820的像素单元825包括多条垂直和水平设置的栅线和数据线，从而在基板820上限定出多个像素区域。像素单元还包括设置在栅线与数据线交叉点附近作为开关元件的薄膜晶体管和设置在像素区域上的像素电极。作为向像素电极施加信号电压的开关元件，薄膜晶体管(TFT)是通过电场来控制电流流动的场效应晶体管(FET)。
对于阵列基板820的驱动电路部分823和824，数据驱动电路单元823位于阵列基板820长边上，阵列基板820与滤色片基板830相比具有伸出来的部分，而栅驱动电路单元824位于阵列基板820的短边。为了适当地将输入信号输出，栅驱动电路单元824和数据驱动电路单元823采用具有CMOS(互补金属氧化半导体)结构的薄膜晶体管和变换器。作为参考，CMOS是用于高速信号处理的具有MOS结构的集成电路，它需要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。作为通过栅线和数据线向像素电极提供扫描信号和数据信号的器件的栅驱动电路单元824和数据驱动电路单元823与外部信号输入端子(未示出)相连，从而可以控制通过外部信号输入端子传送的外部信号，并将其输出到像素电极上。
尽管未示出，但用于实现颜色的滤色片和共用电极(阵列基板820上设置的像素电极的反电极)设置在图像显示区域825上。阵列基板和滤色片基板之间设有衬垫料，用以提供均匀的盒间隙。阵列基板和滤色片基板通过设置在图像显示区域的外缘上的密封图案粘接到一起，由此构成了单元液晶显示面板。这两块基板通过阵列基板或滤色片基板上设置的粘接键相互粘接。集成了采用多晶硅薄膜的驱动电路的LCD板具有许多优点：具有优良的器件特性、优良的图像质量、充分的显示能量和较低的功耗。
下面详细描述采用了按照本发明制造的结晶硅薄膜的CMOS液晶显示器件。图19表示采用了按照本发明的结晶方法结晶的硅薄膜制造的CMOS液晶显示器的例子。对于像素单元上设置的薄膜晶体管(TFT)来说，N-型和P-型TFT都适用。对于驱动电路单元，N-型TFT或P-型TFT都可用于像素单元中，或者也可以采用既有N-型TFT又有P-型TFT的CMOS结构。
下面描述用于制造CMOS液晶显示器讲的方法。首先，在由绝缘材料如玻璃制成的基板820上设置由二氧化硅薄膜SiO2制成的缓冲层821。接着，在缓冲层821上形成由多晶硅制成的有源层824N和824P。有源层824N和824P由具有均匀结晶特性的多晶硅薄膜构成，该多晶硅薄膜没有照射标记，通过将非晶硅薄膜淀积到基板820上、然后利用本发明的两段式激光掩模通过两次照射使非晶硅薄膜横向结晶形成。此后，通过光刻工艺对结晶后的多晶硅薄膜构图，由此在NMOS和PMOS区域上形成有源层图案824N和824P。
之后，在形成了有源层824N和824P的基板820上淀积栅绝缘膜825A。
接着，在上面淀积了栅绝缘膜825A的基板820的预定区域(即，有源层824N和824P的沟道区域)上形成由钼(Mo)、铝(Al)或铝合金制成的栅极850N和850P。栅极850N和850P可通过以下方式形成：将栅金属淀积到上面已设置了栅绝缘膜825A的基板820的整个表面上，然后利用光刻工艺对栅金属构图，由此形成栅极850N和850P。
然后，通过实施N-掺杂工艺和P-掺杂工艺形成N-型薄膜晶体管(即，源极/漏极区域掺杂了N+离子的薄膜晶体管)和P-型薄膜晶体管。此时，N-型薄膜晶体管的源极和漏极区域822N和823N可通过植入能够提供电子的第五族元素如磷(P)等形成。另外，P-型薄膜晶体管的源极区域和漏极区域822P和823P可通过植入能够提供空穴的第三族元素如硼(B)等形成。
之后，在基板820的整个表面上淀积层间绝缘膜825B，然后利用光刻工艺形成能暴露部分源极/漏极区域822N、822P、823N和823P的接触孔。
最后，形成源极和漏极851N、851P、852N和852P，它们通过已形成的接触孔与源极区域和漏极区域822N、822P、823N和823P电连接，由此就完成了图19所示的CMOS液晶显示器件的制造。
同时，尽管本实施例描述了采用按照本发明结晶的硅薄膜制造液晶显示器件的方法，但本发明并不限于此，而是可将其用于有机EL之类的其它器件。
如上所述，本发明提供了一种两段式激光掩模，其第一区段具有预定图案，第二区段具有与第一区段的图案相反的图案。然后，通过两段式激光薄膜两次照射激光束，使硅薄膜结晶成结晶特性均匀的多晶硅薄膜。最后所得的多晶硅薄膜基本上没有照射标记，即没有X-重叠或Y-重叠。另外，当采用该多晶硅薄膜制造平板显示器件时，能够获得均匀的器件特性，由此也提高了平板显示器件的质量。而且，由于两次照射结晶方法的使用，本发明还能提高产量，降低制造成本。
对于本领域普通技术人员应当理解的是，可在不脱离本发明的精神或范围的情况下对上面讨论的显示器件及其驱动方法做出各种变化或改进。因此，试图认为只要本发明的变化和改进落在所附权利要求及其等效范围之内，本发明就涵盖了这些改进和变化。

Claims (28)

1、一种具有第一区段和第二区段的激光掩模，包括：
在第一区段中的参考图案；以及
在第二区段中的所述参考图案的相反图案。
2、根据权利要求1所述的激光掩模，其特征在于，所述参考图案包括多个第一透射区域和一个第一阻挡区域，所述相反图案包括多个第二阻挡区域和一个第二透射区域。
3、根据权利要求2所述的激光掩模，其特征在于，所述第一透射区域和第二阻挡区域的形状相同，所述第一阻挡区域和第二透射区域的形状相同。
4、根据权利要求2所述的激光掩模，其特征在于，所述第一透射区域和第二阻挡区域都设置为圆形形状。
5、根据权利要求4所述的激光掩模，其特征在于，所述第一透射区域的半径等于或小于两相邻第一透射区域的中心之间距离的一半。
6、根据权利要求2所述的激光掩模，其特征在于，所述两相邻第一透射区域的中心构成正多边形形状，该正多边形形状包括正三角形、正方形、正六边形和正八边形。
7、根据权利要求1所述的激光掩模，其特征在于，所述参考图案具有周期性和规则性。
8、根据权利要求2所述的激光掩模，其特征在于，所述第一透射区域在所述第一区段中随机或不规则分布。
9、一种采用激光掩模结晶的方法，所述激光掩模具有第一区段中的参考图案和第二区段中的所述参考图案的相反图案，该方法包括：
(a)提供具有硅薄膜的基板；
(b)将激光掩模的第一区段设置在一部分硅薄膜上方，然后通过该第一区段照射第一激光束；以及
(c)移动所述激光掩模或者基板，以便将所述激光掩模的第二区段设置在所述部分硅薄膜上方，然后通过该第二区段照射第二激光束。
10、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述参考图案包括多个第一透射区域和一个第一阻挡区域，所述相反图案包括多个第二阻挡区域和一个第二透射区域。
11、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一透射区域和第二阻挡区域形状相同，所述第一阻挡区域和第二透射区域形状相同。
12、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一透射区域和第二阻挡区域都设置为圆形。
13、根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一透射区域的半径等于或小于两相邻第一透射区域的中心之间距离的一半。
14、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述相邻第一透射区域的中心构成正多边形形状，该正多边形形状包括正三角形、正方形、正六边形和正八边形。
15、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所有第一透射区域的尺寸相同。
16、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一透射区域的尺寸不同。
17、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述参考图案具有周期性或规则性。
18、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一透射区域在所述第一区段中随机或不规则分布。
19、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一和第二激光束具有完全熔融区的能量密度。
20、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述结晶是连续横向结晶。
21、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一透射区域的尺寸要考虑所述第一和第二激光束的能量密度和移动过程中发生的对准误差来确定。
22、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还进一步包括：
沿X-轴方向重复(b)和(c)步骤；
沿Y-轴方向移动所述激光掩模或者基板；以及
沿负X-轴方向重复(b)和(c)步骤。
23、一种以薄膜晶体管作为开关元件的平板显示器件的制造方法，包括：
提供具有硅薄膜的基板；以及
利用激光掩模使硅薄膜结晶为多晶硅薄膜，从而形成薄膜晶体管的有源层，所述激光掩模具有第一区段中的参考图案和第二区段中的所述参考图案的相反图案。
24、根据权利要求23所述的方法，其特征在于，使所述硅薄膜结晶为多晶硅薄膜还包括：
将所述激光掩模的第一区段设置在一部分硅薄膜上方，然后通过该第一区段照射第一激光束；以及
移动所述激光掩模或者基板，从而将激光掩模的第二区段设置在所述部分硅薄膜上方，然后通过该第二区段照射第二激光束。
25、根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述平板显示器件是液晶显示器件或者电致发光二极管。
26、一种以薄膜晶体管作为开关元件的平板显示器件，其特征在于，所述薄膜晶体管的有源层包括晶界为多边形形状的多晶硅薄膜。
27、根据权利要求26所述的器件，其特征在于，所述多边形包括正三角形、正方形、正六边形和正八边形。
28、根据权利要求26所述的器件，其特征在于，所述平板显示器件是液晶显示器件或者电致发光二极管。
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