CN1877433A - 用于激光退火的移相器 - Google Patents

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Abstract

本发明的目标是提供一种用于激光退火的移相器，其能够有效地防止颗粒的附着。第一层(1)和第三层(3)由石英玻璃制成，并且在这些层(1、3)的表面中形成细沟槽(5、6)的两维图案。将第一层(1)和第三层(3)设置成使得在使设有沟槽(5、6)的表面彼此面对的状态下将第二层(2)夹在这两层之间。第一层(1)的周边边缘部分通过间隔器(4)叠置在第三层(3)的周边边缘部分上。第二层(2)由被引入到第一层(1)和第三层(3)之间的惰性气体形成。

Description

用于激光退火的移相器
发明领域
本发明涉及一种移相器，其用于通过使用具有不同相位的激光的干涉来利用具有预定强度分布的光通量照射被处理基板。例如，当在被处理基板的表面上形成薄膜晶体管时，在为了在被处理基板表面上的特定区域中生长晶粒而进行的激光退火过程中使用这种移相器。
背景技术
在诸如有源矩阵型液晶显示装置或有机电致发光显示装置等显示装置中，在由玻璃、塑料等制成的绝缘基板上形成大量的薄膜晶体管(TFT)，以便单独地驱动像素。至于用在TFT的源、漏和沟道区中的非晶硅(a-Si)膜，由于形成温度很低，因此可以通过汽相生长工艺比较容易地形成该膜，并且批量生产率也是令人满意的，该膜已经广泛地用作用于形成TFT的半导体薄膜。
然而，非晶硅膜具有的缺点是：该膜在诸如导电性的物理特性上比多晶硅(poly-Si)膜差(a-Si的迁移率比poly-Si的迁移率低两个或多个数量级)。因此，必须建立一种在多晶硅膜中形成TFT的源、漏和沟道区的方法，以便此后提高TFT的工作速度。
在这种情况下，作为形成多晶硅膜的方法，例如，采用一种使用准分子激光器的退火工艺(以下称为准分子激光退火[ELA]工艺)。当改变激光的平均强度(能量密度)时，ELA工艺可适用于除了形成多晶硅以外的各种工艺。例如，当将激光的强度设置为只具有加热功能的区域时，该工艺可用在形成TFT所需的杂质激活工艺中。当激光的强度极度增加时，导致温度快速升高，因此该工艺可用于从TFT除去膜。应该指出的是使用这些现象不限于TFT，并且该现象广泛地适用于半导体制造工艺。
可以在可使用通用玻璃基板的温度区(即，从室温到大约500℃)中进行这种ELA工艺(Matsumura，Surface Science Vol.21，No.5，pp.278to287，2000)。在ELA工艺中，例如，在基板上淀积预定厚度(例如，大约50nm)的非晶硅膜之后，用氟化氪(KrF)准分子激光(波长248nm)、氯化氙(XeCl)准分子激光(波长308nm)等照射非晶硅膜。非晶硅膜局部熔化、再结晶、并变为平均粒径大约为0.1至0.2μm的多晶硅膜。
很显然为了提高工作速度或提高诸如液晶显示装置或有机电致发光显示装置的显示装置的性能，多晶硅膜具有其限制。这是因为存在于有源层中的大量晶粒边界明显地增加了TFT的阈值电压(Vth)的波动，并在使用多晶硅制备TFT的情况下，显著地降低了工作特性。因此，需要控制每个TFT的有源层的晶粒边界或者使晶体生长以具有大的粒径，由此除去晶粒边界。
本发明人已经研究了将晶体直径设置为远远大于TFT尺寸并控制晶粒的生长位置，由此从TFT的有源层除去晶粒边界的方法。在该方法中，将用于调制激光相位的光学器件(以下称为移相器)插入在用激光照射非晶硅膜的光路的中间，并且将非晶硅膜上的激光的光强分布调整为合适的形状，由此增加粒径(横向晶体生长)。结果，已经研制了一种技术，这种技术能控制具有大约2到7微米的大粒径的硅单晶的位置，由此实现横向晶体生长。此外，还发现为了稳定地使膜结晶成具有所希望的粒径，用于在具有亚微米级的微米区中照射非晶硅膜的激光的光强分布对于其中控制具有大粒径的晶粒的位置的结晶是特别重要的。
由于被处理基板的表面上的光强梯度是晶粒生长的重要因素，因此用于形成光强分布的移相器的截面结构和表面状态是非常重要的。此外，颗粒(灰尘)容易附着到移相器的不平坦表面上。这是因为移相器一般由诸如玻璃的绝缘材料制成，因此常常产生静电，结果，吸附了大气中的颗粒。
由于附着的颗粒妨碍激光或干扰相位信息，因此出现下列问题。即，由于光强分布受到颗粒的干扰，因此导致光强分布的不希望的下降或升高。结果，阻碍了其位置已经被控制的晶体的横向生长。当通过用高能激光器照射而使颗粒在移相器表面上燃烧时，减少了移相器的寿命。有人认为可以设计一种器件以除去颗粒(例如，将空气喷射到掩模的表面上)，但是不可能很容易地除去由于静电而附着到不平坦部分上的颗粒。
发明内容
鉴于用于激光退火的常规移相器的上述问题而研制了本发明，因此本发明的目的是提供一种用于激光退火的移相器，颗粒不容易附着到该移相器上，并且该移相器能够将附着颗粒的影响降到最小。
本发明提供一种用于激光退火的移相器，该移相器在激光退火期间用具有规则强度分布的光通量照射被处理表面，该移相器包括：
第一层，在使用的激光波长内具有第一折射率；
第二层，设置在第一层上并在使用的激光波长内具有不同于第一折射率的第二折射率；
第三层，设置在第二层上并在使用的激光波长内具有第一折射率；以及
间隔器，沿着第一和第三层的周边边缘部分设置在第一层和第三层之间，该间隔器将第二层与外部阻隔开，
其中在第一层与第二层之间的界面和第二层与第三层之间的界面中的至少一个界面中形成细阶梯部分的两维图案，由此在穿过阶梯部分的激光和穿过阶梯部分以外的部分的激光之间形成相位差。
根据本发明中的用于激光退火的移相器，在穿过阶梯部分的激光和穿过阶梯部分以外的部分(即，参考表面)的激光的光路长度之间产生光路差。该光路差对应于通过阶梯部分的高度(或深度)乘以第一折射率和第二折射率之间的差而获得的值。这在穿过阶梯部分的激光和穿过阶梯部分以外的部分的激光之间产生相位差。当具有这种相位差的激光在被处理的表面上彼此干涉时，在被处理的表面上的光强中产生分布。
因此，可以通过使用本发明的用于激光退火的移相器用具有规则强度分布的光照射被处理的表面。因而，当在构成被处理表面的薄膜熔化并接着再结晶的情况下调整温度分布图案时，可以控制在被处理表面上的晶核产生和晶粒的生长。
此外，根据本发明中的用于激光退火的移相器，第一层和第二层之间的界面以及第二层和第三层之间的界面与外部隔离。因此，可以防止颗粒附着到阶梯部分上。结果，可以禁止由于颗粒引起的光强分布的不希望的下降或上升。可以稳定地控制晶粒的产生位置和尺寸。这消除了通过用高能激光照射使颗粒在移相器的阶梯部分中燃烧的问题。
例如，第一层和第三层由石英玻璃制成，第二层由惰性气体形成。
或者，第一层和第三层由石英玻璃制成，第二层由多孔硅石制成。
在这种情况下，用于激光退火的移相器优选在使用的激光波长内具有80％或以上的透射率。
优选地，为了防止彼此靠近的两个界面之间的激光的干涉，将第二层的厚度d设置成满足以下公式：
d≥λ2/Δλ，
其中λ表示激光的波长，Δλ表示振荡光谱宽度。
应该指出的是，代替上述由三层构成的用于激光退火的移相器，该移相器还可以由两层构成。
在这种情况下，本发明中的用于激光退火的移相器包括：
第一层，在使用的激光的波长内具有第一折射率；以及
第二层，设置在第一层上并在使用的激光的波长内具有不同于第一折射率的第二折射率；
其中在第一层和第二层之间的界面中形成细阶梯部分的两维图案，由此在穿过阶梯部分的激光和穿过阶梯部分以外的部分的激光之间形成相位差。
还在这种情况下，用于激光退火的移相器优选在使用的激光的波长内具有80％或以上的透射率。
而且，在本发明中，还提供一种激光退火设备，其用具有规则光强分布的光通量照射半导体薄膜以使半导体薄膜结晶，该设备包括：
激光源；
照明系统，将从激光源发射的激光会聚到焦点上；
移相器，设置在照明系统的焦点中；以及
图像形成光学系统，设置在移相器和半导体薄膜之间，
其中使用设有上述任何截面结构的用于激光退火的移相器作为所述移相器。
附图简述
图1是示出本发明的用于激光退火的移相器的横截面结构的例子的示意图；
图2是示出本发明的用于激光退火的移相器的横截面结构的另一例子的示意图；
图3是示出本发明的用于激光退火的移相器的横截面结构的又一例子的示意图；
图4是示出本发明的用于激光退火的移相器的横截面结构的再一例子的示意图；
图5是示出使用本发明的用于激光退火的移相器的激光退火设备的示意构造的示意图；
图6是示出使用本发明的用于激光退火的移相器而结晶的组织(tissue)的暗场照片的示意图(没有任何干扰的情况)；以及
图7是示出使用本发明的用于激光退火的移相器而结晶的组织的暗场照片的示意图(存在干扰的情况)。
发明的详细说明
实施例1
图1示出本发明的用于激光退火的移相器的示意截面结构。在该图中，参考标记1表示第一层，2表示第二层，3表示第三层。
第一层1和第三层3例如由石英玻璃制成。利用第一层1的表面中的细沟槽5(阶梯部分)形成两维图形。同样，利用在第三层3的表面中的细沟槽6(阶梯部分)形成两维图形。将第一层1和第三层3设置成使得在使设有沟槽5、6的表面彼此面对的状态下将第二层2夹在第一层和第三层之间。第一层1的周边边缘部分经过间隔器4叠加在第三层3的周边边缘部分上。
在本例中，第二层2由被引入到第一层1和第三层3之间的惰性气体形成。将间隔器4的表面抛光成镜面。间隔器4的材料可以是金属，例如铝、铬、或不锈钢、石英、或玻璃。如果可能的话，间隔器4优选具有等于移相器的热膨胀系数的热膨胀系数。这就防止了由伴随着强烈激光的传输而产生的温度升高所引起的移相器破裂。每层优选通过光学接触结合到间隔器4(在通过镜面抛光的压力下进行结合)。这种结合还可以使用硅油或环氧试剂来进行。在这种情况下，必须注意防止结合表面被引入到激光的光路中。在第二层2中，代替惰性气体(例如N2、He、Ne等)，根据激光的强度，还可以使用洁净的空气。
至于如图1所示的在垂直于层1至3中的每一层的截面中的第一层1和第三层3的表面中的沟槽5和6的设置和截面形状，在把中心对称面夹在中间的两个层之间存在镜面对称关系。
应该注意的是，在本例中，考虑到投影透镜的性能，将第一层1和第三层3之间的间隔d(沟槽5、6的底部中的值)设计为60μm。在第一层1和第三层3之间设置间隔的原因是：如果这个间隔极小，则在激光穿过该间隔时发生干涉。当将上述间隔d设置成满足下列公式时可防止这种干涉：
d≥λ2/Δλ，
其中λ表示激光的波长，Δλ表示激光的振荡光谱宽度。应该指出的是，激光的这种干涉的问题将在后面详细说明。
实施例2
图2示出本发明的用于激光退火的移相器的横截面结构的另一例子。每层的截面形状与图1所示的上述例子相同。
在本例中，第一层1和第三层3由石英玻璃制成，第二层2b由多孔硅石(例如由美国Aerogel公司制造的商品名为“Silica Aerogel”)制成。多孔硅石具有1.01至1.06的光折射率，其非常接近于空气的光折射率。与构成第一层1和第三层3的石英玻璃(折射率：1.45)存在明显差异。此外，多孔硅石对于从KrF准分子激光器发射的激光(波长：248nm)来说具有较高的大约为80％的透射率，并且可以使穿过移相器的激光的衰减减到最小。
这种移相器将如下组装。将多孔硅石夹在第一层1和第三层3之间，并且在这些层之间施加压制负载(pressing load)。接着，沿着第一层1和第三层3的周边边缘部分在第一层1和第三层3之间固定间隔器(未示出)。然后，将间隔器结合到第一层1和第三层3上。因而，阻挡住第一层1和第三层3之间的空间，以防止颗粒进入。在用激光照射被处理基板时，通过基板表面的烧蚀(ablasion)产生颗粒。这些颗粒在设备中散射，并且担心它们到达移相器周边。
实施例3
图3示出本发明的用于激光退火的移相器的截面结构的又一例子。本例是图1所示的上述例子的改型。在本例中，第三层3c由平板石英玻璃构成。即，在第二层2c和第三层3c之间的界面6c中不形成任何细阶梯部分的两维图案。其他方面与图1所示的上述例子相同。
实施例4
图4示出本发明的用于激光退火的移相器的截面结构的再一例子。在本例中，移相器由两层构成，即第一层11和第二层12，并且在两层11和12之间的界面中利用细沟槽15形成两维图案。
在本例中，第一层11由石英玻璃制成，而第二层12是上述的多孔硅石。通过施加压制负载将这两层彼此结合在一起。在第一层11和第二层12之间的界面中利用粘接剂(未示出)将周边边缘部分彼此结合在一起。
实施例5
图5示出用于通过使用本发明的用于激光退火的移相器来使半导体薄膜结晶的激光退火设备的轮廓图。在该图中，参考标记31表示半导体薄膜，40表示激光源，41表示照明系统，45表示移相器，并且46表示图像形成光学系统。
将半导体薄膜31淀积在被处理基板30的表面上。被处理基板30固定在基板台32上。照明系统41设有衰减器42和均化器43。图像形成光学系统46设有第一聚焦透镜47、光栅48、和第二聚焦透镜49。
通过衰减器42调节从激光源40(例如，KrF准分子激光器)发射的激光的强度(激光能量密度)，并且在均化器43中使两维强度分布均匀化。之后，光进入移相器45。将形成阶梯部分的移相器45的表面设置在照明系统41的焦点位置上。其相位已经通过移相器45被调制的激光穿过图像形成光学系统46以进入被处理基板30。被处理基板30的表面上的半导体薄膜31处在图像形成光学系统46的焦点位置中。
应该指出的是，关于均化器43的结构，一般采用如下系统：其中利用第一蝇眼透镜将激光分为多束光，并且之后利用第二蝇眼透镜将这些激光彼此叠加在一起，由此形成均匀的光强。
图像形成光学系统46减少穿过移相器45的光，并且使光在被处理基板30的表面上形成为图像。通过图像形成光学系统46在两维上减少由移相器45形成的光强分布图案，并且将其投影在被处理基板30的表面上。例如，由图像形成光学系统46减少的量是五分之一。以这种方式，可以使用具有预定光强分布图案的激光来熔化被处理基板30的表面上的半导体薄膜31，然后固化，并相应地结晶。
接着，下面将说明在具有图1至3中的每个图所示的横截面结构的移相器中的激光干涉的问题。
由λ2/Δλ限定激光空间相干性，其中λ表示激光的波长，Δλ表示激光波长的半值宽度(FWHM)。在空间厚度小于该值的情况下发生干涉。因此，在具有图1至3中的每个图所示的中间层(第二层2、2b或2c)的移相器中，假设第一层1和第三层3之间的间隔是d，必须得到结果d≥λ2/Δλ。
为了确认这一点，使用设有图3所示的截面结构的移相器和图5所示的激光退火设备进行实验。在本实验中，在激光源40中使用KrF准分子激光器。作为测量结果，该激光具有0.248μm的波长。而且，Δλ大约为0.0007μm。因此，相干长度大约为87.9μm。
为了验证该值是否合适，利用移相器通过激光退火使半导体薄膜结晶，在所述移相器中将d(图3)设置为30μm和110μm。将激光能量密度设置为大约700mJ/cm2。已经确认移相器的第一层1和第二层2c之间的干涉和第二层2c和第三层3c之间的干涉中的任何一个都处在图像形成光学系统的焦深(DOF)范围内。
当观察被处理的激光退火基板的表面时，在使用其中设置d＝110μm的移相器进行激光退火的基板30中，在用光学显微镜拍摄的暗场照片中观察到细小的规则的条状图案，如图6的示意图所示。该条状图案由根据移相器的阶梯部分的图案结晶的区域(黑色带状部分)构成。没有观察到可能由于激光在间隔中的干涉引起的任何反常现象。
另一方面，在使用其中设置d＝30μm的移相器进行激光退火的基板30中，如图7的示意图所示，除了类似于上述例子的条状图案之外，在利用光学显微镜拍摄的暗场照片中，还观察到具有大约120μm的间距的粗糙条状图案，处在该图案与上述图案相交成大约75度的状态下。该第二条状图案由具有不同结晶状态的区域构成，并对应于干涉条纹。

Claims (14)

1、一种用于激光退火的移相器，在所述激光退火期间用具有规则强度分布的光通量照射被处理表面，该移相器的特征在于包括：
第一层(1)，在使用的激光的波长内具有第一折射率；
第二层(2)，设置在所述第一层(1)上并在使用的所述激光的所述波长内具有不同于所述第一折射率的第二折射率；
第三层(3)，设置在所述第二层(2)上并在使用的所述激光的所述波长内具有所述第一折射率；以及
间隔器(4)，沿着所述第一和第三层的周边边缘部分设置在所述第一层(1)和所述第三层(3)之间，并且将所述第二层(2)与外部阻隔开，
其中在所述第一层(1)和所述第二层(2)之间的界面和所述第二层(2)和所述第三层(3)之间的界面中的至少一个界面中形成细阶梯部分(5、6)的两维图案，由此在穿过所述阶梯部分(5、6)的所述激光和穿过所述阶梯部分以外的部分的所述激光之间形成相位差。
2、根据权利要求1所述的用于激光退火的移相器，其特征在于：所述第一和第三层(1、3)由石英玻璃制成，所述第二层(2)由惰性气体形成。
3、根据权利要求1所述的用于激光退火的移相器，其特征在于：所述第一和第三层(1、3)由石英玻璃制成，所述第二层(2)由多孔硅石制成。
4、根据权利要求3所述的用于激光退火的移相器，其在使用的所述激光的所述波长内具有80％或以上的透射率。
5、根据权利要求1所述的用于激光退火的移相器，其特征在于：将所述第二层(2)的厚度d设置成满足以下条件：d≥λ2/Δλ，
其中λ表示所述激光的所述波长，Δλ表示振荡光谱宽度。
6、一种用于激光退火的移相器，在所述激光退火期间用具有预定强度分布的光通量照射被处理表面，该移相器的特征在于包括：
第一层(11)，在使用的激光的波长内具有第一折射率；以及
第二层(12)，设置在所述第一层上并在使用的所述激光的所述波长内具有不同于所述第一折射率的第二折射率；
其中在所述第一层(11)和所述第二层(12)之间的界面中形成细阶梯部分(15)的两维图案，由此在穿过所述阶梯部分(15)的所述激光和穿过所述阶梯部分以外的部分的所述激光之间形成相位差。
7、根据权利要求1所述的用于激光退火的移相器，其在使用的所述激光的所述波长内具有80％或以上的透射率。
8、一种激光退火设备，用具有规则光强分布的光通量照射半导体薄膜(31)，以使所述半导体薄膜(31)结晶，该设备的特征在于包括：
激光源(40)；
照明系统(41)，将从所述激光源(40)发射的激光会聚到焦点上；
移相器(45)，设置在所述照明系统(41)的焦点中；以及
图像形成光学系统(46)，设置在所述移相器(45)和所述半导体薄膜(31)之间，
该移相器(45)包括：
第一层(1)，在使用的所述激光的波长内具有第一折射率；
第二层(2)，设置在所述第一层(1)上并在使用的所述激光的所述波长内具有不同于所述第一折射率的第二折射率；
第三层(3)，设置在所述第二层(2)上并在使用的所述激光的所述波长内具有所述第一折射率；以及
间隔器(4)，沿着所述第一和第三层的周边边缘部分设置在所述第一层(1)和所述第三层(3)之间，并且将所述第二层(2)与外部阻隔开，
其中在所述第一层(1)和所述第二层(2)之间的界面和所述第二层(2)和所述第三层(3)之间的界面中的至少一个界面中形成细阶梯部分(5、6)的两维图案，由此在穿过所述阶梯部分(5、6)的所述激光和穿过所述阶梯部分以外的部分的所述激光之间形成相位差。
9、根据权利要求8所述的激光退火设备，其特征在于：所述移相器的所述第一和第三层(1、3)由石英玻璃制成，所述第二层(2)由惰性气体形成。
10、根据权利要求9所述的激光退火设备，其特征在于：所述移相器的所述第一和第三层(1、3)由石英玻璃制成，所述第二层(2)由多孔硅石制成。
11、根据权利要求10所述的激光退火设备，其特征在于：所述移相器(45)在使用的所述激光的所述波长内具有80％或以上的透射率。
12、根据权利要求8所述的激光退火设备，其特征在于：将所述移相器(45)的所述第二层(2)的厚度d设置成满足以下条件：d≥λ2/Δλ，
其中λ表示所述激光的所述波长，Δλ表示振荡光谱宽度。
13、一种激光退火设备，用具有规则光强分布的光通量照射半导体薄膜(31)，以使所述半导体薄膜(31)结晶，该激光退火设备的特征在于包括：
激光源(40)；
照明系统(41)，将从所述激光源(40)发射的激光会聚到焦点上；
移相器(45)，设置在所述照明系统(41)的焦点中；和
图像形成光学系统(46)，设置在所述移相器(45)和所述半导体薄膜(31)之间，
该移相器(45)包括：
第一层(1)，在使用的激光的波长内具有第一折射率；以及
第二层(2)，设置在所述第一层(1)上并在使用的所述激光的所述波长内具有不同于所述第一折射率的第二折射率；
其中在所述第一层(11)和所述第二层(12)之间的界面中形成细阶梯部分(15)的两维图案，由此在穿过所述阶梯部分的所述激光和穿过所述阶梯部分以外的部分的所述激光之间形成相位差。
14、根据权利要求13所述的激光退火设备，其特征在于：所述移相器(45)在使用的所述激光的所述波长内具有80％或以上的透射率。
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