TW200528407A - Laser annealing apparatus and laser annealing method - Google Patents

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TW200528407A TW093105042A TW93105042A TW200528407A TW 200528407 A TW200528407 A TW 200528407A TW 093105042 A TW093105042 A TW 093105042A TW 93105042 A TW93105042 A TW 93105042A TW 200528407 A TW200528407 A TW 200528407A
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Description

200528407 五、發明說明（1) 發明所屬之技術領域 本發明是有關於一種雷射退火裝置（Laser annealing apparatus)及雷射退火方法，且特別是有關於將單一雷射 光束分成兩道非同步之雷射光束，並分別穿過具有互補之 圖案的兩個光罩而相繼照射於非晶石夕薄膜之雷射退火裝置 及雷射退火方法。 先前技術 隨著高科技之發展’視訊產品，特別是數位化之視訊 或影像裝置已經成為在一般日常生活中所常見的產品，而 目前在這些數位化之視訊或影像裝置中最受注目的顯示器 當屬於薄膜電晶體液晶顯示器（Thin Film Ti'ansistor Liquid Crystal Display， TFT LCD)。在各種薄膜電晶體 中，多晶矽（Poly - Silicon， P〇ly-Si)薄膜電晶體之電子 遷移率（Electron mobility)可達到 2〇〇cmvV-sec 以上，遠 較非晶矽（Amorphous Silicon， a-Si)薄膜雷晶艚之雪早 遷移率大。因此，可使薄膜電晶體之體積縮子 (Aperture ratio)增加，進而增加顯示器亮度且減少功率 消耗。 多晶矽薄膜電晶體早期製程是採用固相結晶（s〇丨土 d =1二^^111^1〇11，咖）製程，但是其製程溫度高 ί !此必需採用熔點較高的石英基板。由於 至3叶，因此過去只能發展小K板 近年來奴者雷射技術的不斷進步，發展出一種準分子雷射
200528407 五、發明說明（2) 退火（Excimer Laser Annealing, ELA)製程’其係使用雷 射光束照射於非晶矽薄膜，使非晶矽薄膜熔融（Mel ting) 後再結晶（Recrystallization)成為多晶石夕薄膜’並在溫 度攝氏600度以下完成全部製程。因此，成本遠低於石英 基板的玻璃基板也能被應用於多晶矽薄膜電晶體的製作， 進而適於以製作出較大尺寸的面板。值得注意的是，各種 雷射退火方法中，皆可藉由超橫向固化（Super Lateral Solidification, SLS)技術來形成具有較大晶粒尺寸 (G r a i n s i z e )之多晶矽薄膜，以進一步提高多晶矽薄膜電 晶體之電子遷移率。此外，以這種低溫固相結晶製程所形 成的多晶矽又被稱為低溫多晶矽（Low Temperature Poly-Silicon， LTPS) 〇 第1圖繪示為一習知雷射退火方法之示意圖。請參照 第1圖，此習知雷射退火方法係提供一光罩1 〇 〇於非晶矽薄 膜50上方，其中光罩1〇〇具有多數個非透光區110。接著提 供一脈衝式的準分子雷射光束80a，其中雷射光束80a照射 於非透光區11 〇的部份會被反射或吸收，而其他部份之雷 射光束80a則會穿過光罩1 00以使區域B的非晶矽薄膜50熔 融，並以非透光區1 1 0下方之區域A的非晶矽薄膜5 0為晶核 (C r y s t a 1 n u c 1 e u s )、，進行橫向的再結晶以成為多晶石夕薄 膜。之後，移動光罩100以使非透光區110位於區域B上 方，並且提供一雷射光束8 0b以使區域A的非晶矽薄臈50再 結晶成為多晶矽薄膜。 承上所述，此習知雷射退火方法不僅需使用兩次脈衝
12404twf.ptd 第8頁 200528407 五、發明說明（3) 式準分子雷射光束，且需要移動光罩，才能使一固定範圍 内的非晶矽薄膜再結晶為多晶矽薄膜。 第2圖繪示為另一習知雷射退火方法之示意圖。請參 照第2圖，此習知雷射退火方法中，首先係於非晶矽薄膜 50上形成一第一圖案化罩幕層70a。接著提供一脈衝式的 準分子雷射光束80a，其中未受第一圖案化罩幕層70a覆蓋 之區域B的非晶矽薄膜50會被雷射光束80a熔融，並以第一 圖案化罩幕層7 0 a下方之區域A的非晶矽薄膜5 0為晶核，進 行橫向的再結晶以成為多晶矽薄膜。之後，移除第一圖案 化罩幕層70a，並於區域B之非晶矽薄膜50上形成一第二圖 案化罩幕層70b，接著再提供一雷射光束8 Ob照射於區域A 9 上，以使區域A的非晶矽薄膜5 0再結晶成為多晶矽薄膜。 承上所述，此習知雷射退火方法同樣需使用兩次脈衝 式準分子雷射光束，更需要形成圖案化罩幕層兩次，才能 使一固定範圍内的非晶矽薄膜再結晶為多晶矽薄膜。 第3圖繪示為再一習知雷射退火方法之示意圖。請參 照第3圖，此習知雷射退火方法中，主要係藉由雷射光相 位干涉（Phase interference)的方式，使脈衝式的準分子 雷射光束8 0能量對應於非晶矽薄膜5 0上的位置呈週期性變 化，其能量變化如第3圖中之曲線S所繪示。由第3圖可清 楚得知，區域B的非晶矽薄膜50會被雷射光束80熔融，並 φ 以區域A的非晶碎薄膜50為晶核，進行橫向的再結晶以成 為多晶矽薄膜。之後，移動玻璃基板以使雷射光源與非晶 矽薄膜5 0的相對位置改變，並且以雷射光源再一次提供能
12404twf.ptd 第9頁 200528407 五、發明說明（4) 量具有週期性變化之雷射光束（圖未示），以使區域A的非 晶矽薄膜5 0重複上述過程而再結晶成為多晶矽薄膜。 承上所述，此習知雷射退火方法仍需使用兩次脈衝式 準分子雷射光束，才能使一固定範圍内的非晶矽薄膜再結 晶為多晶矽薄膜。 發明内容 因此，本發明的目的就是在提供一種雷射退火裝置及 雷射退火方法，適於以一雷射光束將固定範圍内的非晶矽 薄膜全部再結晶為多晶矽薄膜，進而提高多晶矽薄膜之產 能。 基於上述目的，本發明提出一種雷射退火裝置，適於 © 對一非晶矽薄膜進行雷射退火，此非晶矽薄膜係區分為一 第一區域以及第一區域以外之一第二區域。此雷射退火裝 置主要係由一雷射光源模組、一分光元件（Beam splitter)、一第一光罩以及一第二光罩所構成。其中， 雷射光源模組係提供一雷射光束。分光元件係配置於雷射 光束之光路上，以將雷射光束分成一第一雷射光束與一第 二雷射光束。第一光罩係配置於第一雷射光束之光路上且 位於非晶矽薄膜之前，而第二光罩係配置於第二雷射光束 之光路上且位於非晶矽薄膜之前。而且，第一雷射光束係 照射於第一區域，而第二雷射光束係於第一區域之非晶矽 _ 薄膜完成再結晶後接續照射於第二區域。 此外，第一雷射光束至第一區域之光程例如係大於第 二雷射光束至第二區域之光程。雷射退火裝置例如更包括
12404twf.ptd 第10頁 200528407 五、發明說明（5) 一時間延遲元件（Time delay device)，配置於第二雷射 光束之光路上。雷射光源模組例如係準分子雷射光源模 組，而雷射光源模組也可以由多個雷射光源所構成。 另外，第一光罩例如具有多個互相平行的第一條狀非 透光區。第一條狀非透光區例如係柵狀排列，且第一條狀 非透光區之位置係對應於第二區域。第二光罩例如具有多 個互相平行的第二條狀非透光區。第二條狀非透光區例如 係柵狀排列，且第二條狀非透光區之位置係對應於第一區 域。 或者，第一光罩例如具有多個第一矩形透光區。第一 矩形透光區例如係面陣列排列，而相鄰兩列之第一矩形透 光區於同一行係不互相對齊，且第一矩形透光區之位置係 對應於第一區域。第二光罩例如具有多個第二矩形透光 區。第二矩形透光區例如係面陣列排列，而相鄰兩列之第 二矩形透光區於同一行係不互相對齊，且第二矩形透，光區 之位置係對應於第二區域。 再者，雷射退火裝置例如更包括一第一透鏡組、一第 二透鏡組、一投射模組以及多個反射鏡。其中，第一透鏡 組與第二透鏡組例如分別配置於第一雷射光束與第二雷射 光束之光路上，且位於第一光罩與第二光罩之前。投射模 組例如係配置於第一雷射光束與第二雷射光束之光路上， 且位於第一光罩與第二光罩之後。反射鏡例如係配置於第 一雷射光束與第二雷射光束之光路上。 基於上述目的，本發明再提出一種雷射退火方法，適
12404twf.ptd 第11頁 200528407 五、發明說明（6) 於對一非晶矽薄膜進行雷射退火，此非晶矽薄膜係區分為 一第一區域以及第一區域以外之一第二區域。此雷射退火 方法中，首先將一雷射光束分為一第一雷射光束與一第二 雷射光束。之後，使第一雷射光束照射於非晶矽薄膜之第 一區域。並且，使第二雷射光束在第一區域之非晶矽薄膜 完成再結晶後，接續照射於非晶矽薄膜之第二區域。 此外，第一雷射光束至第一區域之光程例如係大於第 二雷射光束至第二區域之光程。 另外，使第一雷射光束照射於非晶矽薄膜之第一區域 的方法，例如係提供一第一光罩於第一雷射光束之光路 上，以使經過第一光罩之第一雷射光束照射於第一區域。 使第二雷射光束照射於非晶矽薄膜之第二區域的方法，例 如係提供一第二光罩於第二雷射光束之光路上，以使經過 第二光罩之第二雷射光束照射於第二區域。再者，雷射光 束例如係準分子雷射光束。 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細 說明如下。 實施方式 第4圖繪示為本、發明較佳實施例的雷射退火裝置之示 意圖。請參照第4圖，雷射退火裝置2 0 0係適於對一非晶矽丨_ 薄膜150進行雷射退火。雷射退火裝置200主要係由一雷射 光源模組21 0、一分光元件2 2 0、一第一光罩24 0以及一第 二光罩2 6 0所構成。其中，雷射光源模組210提供一雷射光
12404twf.ptd 第12頁 200528407 五、發明說明（7)
束L0。分光元件29 束L1與一第二雷斯係使雷射光束L0分離成一第一雷射光 射光束L1之光路μ光束L2。第一光罩24〇係配置於第一雷 罩2 6 0係配置於宽一且位於非晶矽薄膜1 5 0之前，而第二光 膜150之前。 —雷射光束1^2之光路上且位於非晶矽薄 俜大於第-雷射Γ光束L1至非晶矽薄膜15〇之光程例如 ΐί3。一例Λ束L2至非晶石夕薄膜150之光程。雷射退 例如更包括一時間延遲元件29〇， 射光束L2之光路上。 、乐一售 曰=外’第一雷射光束L1穿過第一光罩24 0後照射於非 晶石夕薄膜150之位置，不會與第二雷射光束[2穿過第二光 罩2 6 0後照射於非晶矽薄膜丨5 〇之位置重疊。而且，例如由 於時間延遲元件2 5 5的作用，第二雷射光束L2將以例如奈 秒（Nanosecond)或是微秒（Millisecond)等級的時間差 (Time difference)接續於第一雷射光束L1之後照射於非 晶矽薄膜1 5 0。
請繼續參照第4圖，雷射退火裝置2 0 0例如更包括一第 一透鏡組230、一第二透鏡組250、一投射模組270以及多 個反射鏡280。其中，第一透鏡組230例如配置於第一雷射 光束L1之光路上，且位於第一光罩240之前，以使第一雷 射光束L1能夠均勻且垂直於第一光罩240之主表面地入射 第一光罩240。第二透鏡組250例如配置於第二雷射光束L2 之光路上，且位於第二光罩260之前，以使第二雷射光束 L2能夠均勻且垂直於第二光罩260之主表面地入射第二光
12404twf.ptd 第13頁 200528407 五、發明說明（8) 罩2 6 0。透鏡組270例如係配置於第一雷射光束L1與第二雷 射光束L2之光路上，且位於第一光罩24〇與第二光罩260之 後。透鏡組270之作用在於調整第一雷射光束L1與第二雷 射光束L 2之光路，使其最終相繼照射於同一加工範圍内的 非晶矽薄膜1 5 0。反射鏡2 8 0例如係配置於第一雷射光束L 1 與第二雷射光束L2之光路上，反射鏡280之作用係改變第 一雷射光束L1與第二雷射光束L2之光路的方向，以配合雷 射退火裝置200之空間運用與光學設計。 另外，雷射光源模組2 1 0例如係準分子雷射光源模 組。雷射光源模組2 1 0例如係由多個雷射光源模組合而 成，其原因係在於單一雷射光源之最大能量是固定的，為 兼顧單次加工面積大且能量密度高（Energy density， ED)，則需要增加組成雷射光源模組21 0之雷射光源的數量 以提高產能（ThroughPut ) ° 第5 A圖與第5 B圖繪示為本發明較佳實施例的第一光罩 與第二光罩之上視圖。請共同參照第5A圖與第5B圖，第一 光罩2 4 0例如具有多個互相平行的第一條狀#透光區2 4 2， 第一條狀补透光區2 4 2例如係栅狀排列。第二光罩2 6 0例如 具有多個立相平行的第二條狀非透光區2 6 2，第二條狀非 透光區2 6 2例如係柵、狀排列。其中，第二條狀非透光區2 6 2 之相對位置係不與第一條狀非透光區2 4 2之相對位置重 疊。 第6 A圖與第6 B圖繪示為本發明另一較佳實施例的第一 光罩與第二光罩之上視圖。請共同參照第6A圖與第6B圖，
12404twf.ptd 第14頁 200528407 五、發明說明（9) 第一光罩240亦可係具有多個第一矩形非透光區244。第一 矩形透光區2 4 4例如係面陣列排列，而相鄰兩列之第一矩 形透光區244於同一行係不互相對齊。第二光罩260亦可係 具有多個第二矩形非透光區264。第二矩形透光區264例如 係面陣列排列，而相鄰兩列之第二矩形透光區2 6 4於同一 行係不互相對齊。其中，第二矩形非透光區2 6 4之相對位 置係不與第一矩形非透光區2 4 4之相對位置重疊。 第7圖繪示為本發明較佳實施例的雷射退火方法之示 意圖。請參照第7圖，此較佳實施例的雷射退火方法適於 對一非晶矽薄膜1 5 0進行雷射退火，其中非晶矽薄膜1 5 0係 區分為一第一區域C以及第一區域C以外之一第二區域D。 # 此雷射退火方法中，主要係先將一雷射光束L0分成一第一 雷射光束L1與一第二雷射光束L 2。接著使第一雷射光束L1 照射於非晶矽薄膜1 5 0之第一區域C，並且使第二雷射光束 L 2在非晶矽薄膜1 5 0之第一區域C完成再結晶後，接續照射 於非晶矽薄膜1 50之第二區域D。 請共同參照第4圖與第7圖，第一雷射光束L1至第一區 域C之光程，例如係大於第二雷射光束L2至第二區域D之光 程。此外，使第一雷射光束L 1照射於非晶矽薄膜1 5 0之第 一區域C的方法，例、如係提供一第一光罩2 4 0於第一雷射光 束L1之光路上，以使經過第一光罩240之第一雷射光束L1 φ 照射於第一區域C。使第二雷射光束L2照射於非晶矽薄膜 1 5 0之第二區域D的方法，例如係提供一第二光罩2 6 0於第 二雷射光束L2之光路上，以使經過第二光罩260之第二雷
12404twf.ptd 第15頁 200528407 五、發明說明（ίο) 射光束L2照射於第二區域D。當然，使第一雷射光束L1與 第二雷射光束L 2照射於預定區域之方式並不侷限於利用光 罩，亦可採用其他適當之遮光方式。此外，第二光罩260 之圖案例如係不與第一光罩2 4 0之圖案重疊。此較佳實施 例的雷射退火方法所使用之雷射光束L 0例如係準分子雷射 光束。 值得注意的是，本較佳實施例之雷射退火方法係適於 在上述較佳實施例之雷射退火裝置中進行，但並非用以限 定必須在上述較佳實施例之雷射退火裝置中進行。 綜上所述，本發明較佳實施例之雷射退火裝置及雷射 退火方法具有下列優點： (1 )僅需使用一次脈衝式雷射光束，即可使一固定範 圍内的非晶矽薄膜全部再結晶為多晶矽薄膜，可節省製程 時間且進而增加產能。 (2 )不需移動光罩，即可使一固定範圍内的非晶矽薄 膜全部再結晶為多晶矽薄膜，可節省製程時間且進而增加 產能。
(3)本發明之雷射退火方法較易於組合更多數量之雷 射光源於雷射光源模組内，以利用一次脈衝式雷射光束獲 得更大的加工面積。V 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
12404twf.ptd 第16頁 200528407 圖式簡單說明 第1圖繪示為一習知雷射退火方法之示意圖。 第2圖繪示為另一習知雷射退火方法之示意圖。 第3圖繪示為再一習知雷射退火方法之示意圖。 第4圖繪示為本發明較佳實施例的雷射退火裝置之示 意圖。 第5 A圖與第5 B圖繪示為本發明較佳實施例的第一光罩 與第二光罩之上視圖。 第6 A圖與第6 B圖繪示為本發明另一較佳實施例的第一 光罩與第二光罩之上視圖。 第7圖繪示為本發明較佳實施例的雷射退火方法之示 意圖。 【圖式標示說明】 5 0 :非晶矽薄膜 70a :第一圖案化罩幕層 70b ··第二圖案化罩幕層 80、 80a、80b:雷射光束 1 00 :光罩 1 1 0 :非透光區 A、B ·區域 S :曲線 、 1 50 :非晶矽薄膜 2 0 0 :雷射退火裝置 2 1 0 :雷射光源模組 2 2 0 :分光元件
12404twf.ptd 第17頁 200528407 圖式簡單說明 230 240 242 244 250 260 262 264 270 280 290 L0 L1 L2 C ： D : 第一透鏡組 第一光罩 第一條狀非透光區 第一矩形非透光區 第二透鏡組 第二光罩 « 第二條狀非透光區 第二矩形非透光區 投射模組 反射鏡 時間延遲元件 雷射光束 第一雷射光束 第二雷射光束 第一區域 第二區域
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Claims (1)

  1. 200528407 六、申請專利範圍 1. 一種雷射退火裝置，適於對一非晶矽薄膜進行雷射 退火，其中該非晶矽薄膜係區分為一第一區域以及該第一 區域以外之一第二區域，該雷射退火裝置包括： 一雷射光源模組，該雷射光源模組係提供一雷射光 束， 一分光元件，配置於該雷射光束之光路上，其中該分 光元件係將該雷射光束分成一第一雷射光束與一第二雷射 光束； 一第一光罩，配置於該第一雷射光束之光路上且位於 該非晶矽薄膜之前；以及 一第二光罩，配置於該第二雷射光束之光路上且位於 該非晶矽薄膜之前，其中該第一雷射光束係照射於該第一 區域，而該第二雷射光束係於該第一區域之該非晶矽薄膜 完成再結晶後接續照射於該第二區域。 2. 如申請專利範圍第1項所述之雷射退火裝置，其中 該第一雷射光束至該第一區域之光程係大於該第二雷射光 束至該第二區域之光程。 3. 如申請專利範圍第1項所述之雷射退火裝置，更包 括一時間延遲元件，配置於該第二雷射光束之光路上。 4. 如申請專利範圍第1項所述之雷射退火裝置，其中 該雷射光源模組包括準分子雷射光源模組。 5. 如申請專利範圍第1項所述之雷射退火裝置，其中 該雷射光源模組包括多數個雷射光源。 6. 如申請專利範圍第1項所述之雷射退火裝置，其中
    12404twf.ptd 第19頁 200528407 六、申請專利範圍 該第一光罩具有多數個互相平行的第一條狀非透光區，該 些第一條狀非透光區係柵狀排列，且該些第一條狀非透光 區之位置係對應於該第二區域。 7. 如申請專利範圍第1項所述之雷射退火裝置，其中 該第二光罩具有多數個互相平行的第二條狀非透光區，該 些第二條狀非透光區係柵狀排列，且該些第二條狀非透光 區之位置係對應於該第一區域。 8. 如申請專利範圍第1項所述之雷射退火裝置，其中 該第一光罩具有多數個第一矩形透光區，該些第一矩形透 光區係面陣列排列，而相鄰兩列之該些第一矩形透光區於 同一行係不互相對齊，且該些第一矩形透光區之位置係對 應於該第一區域。 9 .如申請專利範圍第1項所述之雷射退火裝置，其中 該第二光罩具有多數個第二矩形透光區，該些第二矩形透 光區係面陣列排列，而相鄰兩列之該些第二矩形透光區於 同一行係不互相對齊，且該些第二矩形透光區之位置係對 應於該第二區域。 1 0 .如申請專利範圍第1項所述之雷射退火裝置，更包 括一第一透鏡組與一第二透鏡組，分別配置於該第一雷射 光束與該第二雷射光束之光路上，且位於該第一光罩與該 第二光罩之前。 1 1 .如申請專利範圍第1項所述之雷射退火裝置，更包 括一投射模組，該投射模組係配置於該第一雷射光束與該 第二雷射光束之光路上，且位於該第一光罩與該第二光罩
    12404twf.ptd 第20頁 200528407 六、申請專利範圍 之後。 12.如申請專利範圍第1項所述之雷射退火裝置，更包 括多數個反射鏡，該些反射鏡係配置於該第一雷射光束與 該第二雷射光束之光路上。 1 3 · —種雷射退火方法，適於對一非晶矽薄膜進行雷 射退火，其中該非晶矽薄膜係區分為一第一區域以及該第 一區域以外之一第二區域，該雷射退火方法包括： 將一雷射光束分為一第一雷射光束與一第二雷射光 束； 使該第一雷射光束照射於該非晶矽薄膜之該第一區 域；以及 使該第二雷射光束在該第一區域之該非晶矽薄膜完成 再結晶後，接續照射於該非晶矽薄膜之該第二區域。 1 4.如申請專利範圍第1 3項所述之雷射退火方法，其 中該第一雷射光束至該第一區域之光程係大於該第二雷射 光束至該第二區域之光程。 1 5 .如申請專利範圍第1 3項所述之雷射退火方法，其 中使該第一雷射光束照射於該非晶矽薄膜之該第一區域的 方法包括： 提供一第一光罩於該第一雷射光束之光路上，以使經 過該第一光罩之該第一雷射光束照射於該第一區域。 1 6 .如申請專利範圍第1 3項所述之雷射退火方法，其 中使該第二雷射光束照射於該非晶矽薄膜之該第二區域的 方法包括：
    12404twf.ptd 第21頁 200528407 六、申請專利範圍 提供一第二光罩於該第二雷射光束之光路上，以使經 過該第二光罩之該第二雷射光束照射於該第二區域。 1 7.如申請專利範圍第1 0項所述之雷射退火方法，其 中該雷射光束包括準分子雷射光束。
    12404twf.ptd 第22頁
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