TW201346993A - 薄膜之先進準分子雷射退火 - Google Patents

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    • H01L21/02675—Crystallisation or recrystallisation of non-monocrystalline semiconductor materials, e.g. regrowth using laser beams
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    • H01L21/02667—Crystallisation or recrystallisation of non-monocrystalline semiconductor materials, e.g. regrowth
    • H01L21/02691—Scanning of a beam

Abstract

本揭示內容係關於新產生可使用於大型顯示器之Si膜以顯著增加的有效結晶速率結晶之雷射結晶方法。本揭示內容之此態樣中提出的特定方案稱為先進準分子雷射退火(AELA)方法，且其可經容易組態以使用不同可用且經試驗之技術組件製造大型OLED TV。如在ELA中，該先進準分子雷射退火(AELA)方法幾乎係一種基於部分/接近完全熔融體系之結晶方法，然而，該先進準分子雷射退火(AELA)方法可最終達成有效結晶速率增加比使用相同雷射源之習知ELA技術大一個數量級。

Description

薄膜之先進準分子雷射退火 相關申請案之交叉參考
本申請案是2012年12月6日申請之美國專利申請案第13/505,961號的部分接續並且根據專利法主張其權利，其係2010年11月2日申請之PCT/US10/55106的371，其根據專利法主張2010年1月12日申請的美國臨時申請案第61/294,288號、2009年12月31日申請的美國臨時申請案第61/291,663號、2009年12月31日申請的美國臨時申請案第61/291,488號、2009年12月15日申請的美國臨時申請案第61/286,643號、2009年11月24日申請的美國臨時申請案第61/264,082號、2009年11月3日申請的美國臨時申請案第61/257,657號及2009年11月3日申請的美國臨時申請案第61/257,650號的權利；該等案之全部內容以引用的方式併入本文中。
本申請案亦係2010年5月10日申請之美國專利申請案第12/776,756號之部分接續，其根據專利法主張2010年1月12日申請之美國臨時申請案第61/294,288號及2009年12月31日申請之美國臨時申請案第61/291,663號之權利。
本申請案亦根據專利法主張2012年8月23日申請之美國臨時申請案第61/692,316 號、2012年7月20日申請之美國臨時申請案第61/674,017號、2012年6月14日申請之美國臨時申請案第61/659,517號及2012年5月14日申請之美國臨時申請案第61/646,480號的權利，該等案之全部內容以引用的方式併入本文中。
本發明所揭示之內容係關於用於以準分子雷射進行雷射結晶化或處理薄膜之方法及系統。
在半導體處理領域中，已描述許多技術來將薄的非晶矽膜轉換成多晶膜。一此技術係準分子雷射退火(「ELA」)。ELA係一種可在基板(諸如，但不限於非耐熱基板(例如，玻璃及塑膠))上製造具有均勻晶體顆粒之多晶膜的脈衝雷射結晶製程。ELA系統及製程之實例描述於共同擁有的2009年8月20日申請，名為「Systems and Methods for Creating Crystallographic-Orientation Controlled Poly-Silicon Films」之美國專利公開案第20090309104號、2009年9月9日申請，名為「Process and System for Laser Crystallization Processing of Film Regions on a Substrate to Minimize Edge Areas,and Structure of Such Film Regions」的美國專利公開案第20100065853號及2006年3月9日申請，名為「Processes and Systems for Laser Crystallization Processing of Film Regions on a Substrate Utilizing a Line-Type Beam,and Structures of Such Film Regions」的美國專利 公開案第20070010104號中。
習知ELA工具使用單個線束，該單個線束在樣本表面上方以低速持續掃描以在單次掃描中每單位面積建立大量脈衝，脈衝之間存在大疊覆(例如，95%)。因此，在ELA中，藉由準分子雷射照射膜區域以使膜部分熔融，隨後結晶。膜之重複性部分熔融可導致形成小顆粒多晶膜；然而，該方法通常遭遇微結構不均勻性，其可由脈衝間能量波動及/或不均勻束強度分佈引起。不僅需要大量脈衝來引致導致更均勻顆粒大小之累積效應，而且亦減輕短軸束邊緣效應。在束之束邊緣段中，能量逐漸減小至零。取決於在膜中之位置，初始脈衝能量序列隨位置之變化可能發生。無法藉由後續ELA製程容易地消除此種變化且可能導致像素亮度中的假影(即，斑)。圖1A示出可用ELA獲得之任意微結構。多次照射Si膜以產生具有均勻顆粒大小之隨機多晶膜。圖1B描繪習知ELA單次掃描，示出線束101掃描膜104時束101在其短軸上之橫截面。束101在箭頭102的方向上前進且隨著束101跨膜104移動可用多個雷射脈衝照射膜104之區域103。
此外，已報告可用於極高生產量地獲得均勻顆粒結構(「UGS」)的結晶方法及工具。例如，此一系統揭示於名為「Processes and Systems for Laser Crystallization Processing of Film Regions on a Substrate Utilizing a Line-Type Beam,and Structures of Such Film Regions」之美國申請公開案第20070010104號中。UGS係單脈衝照射製程，其可涉及正被結 晶之膜之完全熔融結晶(「CMC」)及/或部分熔融結晶(「PMC」)。UGS製程之額外特徵係雷射脈衝之位置受控發射使得部分或完全熔融僅在諸行/列像素薄膜電晶體(「TFTs」)所駐留之區域中發生。當脈衝之間的步進距離超過線束寬度時，膜之未經照射區域(例如非晶沉積後之Si)保留在此等行之間。此選擇性區域結晶(「SAC」)製程因此可具有極高產量，此係因為每單位面積脈衝的平均數量可小於1。
然而，先前工具中沒有一個特別適宜最佳化用於極大膜的ELA，例如如用於具有低密度像素的電視機中。習知ELA係用於此等基板之低效製程，此係因為時間及資源被浪費用來使像素位置之間的Si基板結晶。雖然UGS工具允許吾人跳過該等區域，但是所獲得的材料之缺陷明顯多於典型的ELA材料並且當使用典型的照射條件時材料之均勻性亦不足。
在一態樣中，本揭示內容亦係關於一種用於使薄膜結晶之方法。在一些實施例中，該方法可包括以下步驟：提供具有複數個裝置形成區域之薄膜；產生具有均勻部分及兩個邊緣部分之線束，當在第一方向上持續平移薄膜半導體時，用線束之均勻部分照射第一裝置形成區域；及用線束之均勻部分照射與第一裝置形成區域不同之第二裝置形成區域。在一些實施例中，該第一裝置形成區域疊覆蓋第二裝置形成區域。在一些實施例中，該方法可包括以下步驟：持續照射連續裝置形成區域直到各裝置形成區域已被照射至少一次。在一些實施例 中，該方法可包括以下步驟：在各裝置形成區域已被照射至少一次後，在照射連續裝置形成區域的同時，在與該第一方向相反的第二方向上持續平移該膜。在一些實施例中，該方法可包括以下步驟：在各裝置形成區域已被照射至少一次後，將膜平移回至起始位置並在第一方向上持續平移膜，照射連續裝置形成區域。在一些實施例中，該方法可包括以下步驟：在各裝置形成區域已被照射至少一次後，在垂直於第一方向上之方向上轉移膜。在一些實施例中，該方法可包括以下步驟：在各裝置形成區域已被照射一次後，在平行於第一方向之方向上轉移膜。
在一些實施例中，該方法可包括以下步驟：照射各裝置形成區域至少兩次。在一些實施例中，該方法可包括以下步驟：照射各裝置形成區域至少四次。在一些實施例中，該方法可包括以下步驟：照射各裝置形成區域至少六次。
在一些實施例中，該裝置形成區域可包括待形成像素之區域。在一些實施例中，該裝置形成區域可包括待形成薄膜電晶體之區域。在一些實施例中，該裝置形成區域可包括待形成電容器之區域。在一些實施例中，該方法可包括以下步驟：在鄰近該第一裝置形成區域之電容器區域中形成電容器。在一些實施例中，裝置形成區域可包括待形成一行薄膜電晶體之區域。在一些實施例中，該裝置形成區域可包括待形成複數行裝置之區域。在一些實施例中，該裝置形成區域可包括第一行裝置之一 部分和第二行裝置之一部分，其中第一行裝置之部分接近第二行裝置之部分。在一些實施例中，該裝置形成區域可包括第一行像素中之區域及第-二行像素中之區域。
在一些實施例中，線束可具有足以使膜部分熔融之通量。在一些實施例中，線束可具有足以使膜完全熔融之通量。在一些實施例中，線束可具有足以使膜接近完全熔融之通量。在一些實施例中，線束可具有低於部分熔融臨限值但足以修改薄膜之結構的通量。在一些實施例中，該膜可為半導體膜。
在一態樣中，本揭示內容係關於一種用於使薄膜結晶之系統。在一些實施例中，該系統可包括用於產生具有均勻部分及兩個邊緣部分之線束之光學件；及電腦控制台，其中該電腦控制台固持具有複數個裝置形成區域之薄膜且經程式化以在第一方向上持續平移該台，以使束用線束的均勻部分照射第一裝置形成區域；及用線束的均勻部分照射與第一裝置形成區域不同的第二裝置形成區域。
在另一態樣中，本揭示內容係關於一種包括複數個裝置形成區域之薄膜，其中各區域包括第一結晶部分及第二結晶部分，其中該第一結晶部分及該第二結晶部分兩者包括均勻等方性晶體顆粒且該第一結晶部分具有大於第二結晶部分之晶體顆粒。在一些實施例中，複數個區域可包括至少第一行裝置形成區域及第二行裝置形成區域。在一些實施例中， 第一行之第一結晶部分可定位為接近第二行之第一結晶部分。在一些實施例中，第一行之第二結晶部分可定位為接近第二行之第二結晶部分。
本揭示內容之另一態樣係關於一種用於使薄膜結晶之方法，該方法包括以下步驟：提供具有配置成複數行之複數個裝置形成區域之薄膜；產生具有均勻區域及兩個邊緣部分之線束，當在第一方向上持續平移薄膜半導體時，用具有第一數量之束脈衝之線束之均勻部分照射第一行裝置形成區域；用有第二數量之束脈衝之線束之均勻部分照射第二行裝置形成區域；及用具有第二數量之束脈衝之線束之均勻部分照射第三行裝置形成區域，其中第一行接近第二行，且第三行與第二行隔開。在一些實施例中，第一數量之束脈衝可大於第二數量之束脈衝。在一些實施例中，第二數量之束脈衝可大於第一數量之束脈衝。
101‧‧‧線束
102‧‧‧前進方向
103‧‧‧區域
104‧‧‧雷射脈衝照射膜
105‧‧‧第二脈衝
106‧‧‧第一脈衝
107‧‧‧第三脈衝
110’‧‧‧雷射脈衝源
110‧‧‧雷射脈衝源
120‧‧‧緣區域
122‧‧‧非晶Si部分
124‧‧‧結晶Si部分
126‧‧‧過渡區域
140‧‧‧狹縫
164‧‧‧線型束
170‧‧‧樣本
172‧‧‧玻璃基板
175‧‧‧半導體薄膜
177‧‧‧中間層
180‧‧‧樣本台
200‧‧‧束脈衝
205‧‧‧頂部部分
206‧‧‧鏡子
208‧‧‧鏡子
210‧‧‧前沿部分
212‧‧‧鏡子
213‧‧‧脈衝擴展器
214‧‧‧鏡子
215‧‧‧後沿部分
216‧‧‧能量密度計
220‧‧‧分佈
228‧‧‧快門
410‧‧‧第一線型束脈衝
410’‧‧‧第二線束脈衝
420‧‧‧第三線型脈衝
420’‧‧‧第四線束脈衝
510‧‧‧第一列
511-519’‧‧‧部分
521-529‧‧‧區段
520‧‧‧第二列
910‧‧‧熔融區域
920‧‧‧第二區域
940‧‧‧第三區域
950‧‧‧第四區域
960‧‧‧第一結晶區域
970‧‧‧第二結晶區域
980‧‧‧移動方向
1000‧‧‧第一線束脈衝
1010‧‧‧第三線束脈衝
1020‧‧‧第二線束脈衝
1030‧‧‧第四線束脈衝
1100‧‧‧膜
1110-1118‧‧‧區域
1120‧‧‧掃描第一方向
1122‧‧‧第一線束脈衝
1124‧‧‧第二線束脈衝
1130‧‧‧掃描相反方向
1132-1136‧‧‧區域
1202-1208‧‧‧像素行
1210‧‧‧像素
1212-1216‧‧‧TFT區域
1300‧‧‧區域
1302‧‧‧顆粒
1304‧‧‧週期不均勻
1400‧‧‧照射曲線
1402‧‧‧膜
1404-1412‧‧‧像素
1426-1436‧‧‧區域
1446‧‧‧下一次衝擊
1450‧‧‧束
1452‧‧‧均勻區域
1454‧‧‧邊緣區域
1456‧‧‧邊緣區域
1458‧‧‧結晶臨限值
1460‧‧‧第二掃描
1500‧‧‧膜
1502‧‧‧晶體顆粒
1510‧‧‧CMT
1520‧‧‧膜之厚度
1600‧‧‧膜
1601‧‧‧頂帽狀束
1602-1606‧‧‧行
1608-1630‧‧‧膜
1700,1800‧‧‧膜
1701,1792,1801‧‧‧頂帽狀束
1702-1708‧‧‧行
1710-1732,1802-1832‧‧‧像素
1734-1756,1834-1856‧‧‧像素行
1760,1793,1878‧‧‧第一次衝擊
1762,1794,1876‧‧‧第二次衝擊
1764,1795,1880‧‧‧第三次衝擊
1766,1796‧‧‧第四次衝擊
1768-1790‧‧‧像素行
1810-1832‧‧‧像素行
1902、1904‧‧‧結晶區域
1900‧‧‧膜
1908,1912‧‧‧大顆粒區域
1906,1910‧‧‧小顆粒區域
2000‧‧‧膜
2002‧‧‧第一脈衝
2042‧‧‧第二脈衝
2004-2014‧‧‧裝置區域
2200‧‧‧膜
2202-2214‧‧‧像素行
2216‧‧‧束
2222‧‧‧一次衝擊
2218‧‧‧第二次脈衝
2220‧‧‧第三次衝擊
2224,2226‧‧‧衝擊/脈衝
參考下圖將更容易瞭解下列描述，其中：圖1A示出可用ELA獲得之隨機微結構；圖1B描繪習知ELA單次掃描；圖2A至圖2C描繪根據本揭示內容之一實施例之雷射脈衝之例示效能量分佈；圖2D描繪單次衝擊照射電漿增強型化學氣相沉積(PECVD)非晶矽膜；圖3A描繪根據本揭示內容之一實施例之非 週期性脈衝ELA系統；圖3B描繪根據本揭示內容之一實施例之用於非週期性脈衝ELA系統中之樣本；圖4示出根據本揭示內容之一實施例之束脈衝之例示性分佈；圖5A描繪根據本揭示內容之一實施例之非週期性脈衝ELA製程；圖5B係根據本揭示內容之一實施例之圖5A中的區域590之分解圖；圖6描繪根據本揭示內容之一實施例之非週期性脈衝ELA製程；圖7描繪根據本揭示內容之一實施例之如在圖5A中描繪之第一次非週期性脈衝掃描，且亦包括在膜之相反方向上之第二次掃描；圖8A描繪根據本揭示內容之一實施例在一次照射後膜之晶體結構；圖8B係根據本揭示內容之一實施例圖9A中之晶體結構之圖示；圖8C描繪根據本揭示內容之一實施例在以較高能量密度但仍以PMC體系照射一次後膜表面之原子力顯微鏡(「AFM」)掃描；圖8D係根據本揭示內容之一實施例圖8C中之晶體結構之圖示； 圖8E示出根據本揭示內容之一實施例在自未熔融晶種側向結晶時所形成的圓形區域；圖9描繪根據本揭示內容之一實施例之薄膜之介面回應函數；圖10A描繪根據本揭示內容之一實施例300 nm氧化物層在真空中之玻璃基板上的150 nm a-Si之FTR及BTR；圖10B根據本揭示內容之一實施例類似於圖10A，惟圖10B描繪真空結果；圖11A描繪根據本揭示內容之一實施例具有300 nm氧化物表面層之200 nm a-Si膜在1.32 CMT下的空氣中及在1.4 CMT下的真空中以奈秒為單位之時間(x軸)對正規化反射率值(y軸)之曲線；圖11B係在空氣環境中獲得之微結構的影像。
圖11C係在真空環境中獲得之微結構的影像。
圖12係根據本揭示內容之實施例之具有複數個像素行之薄膜的示意圖。
圖13係準分子雷射退火(ELA)處理膜之顆粒結構之圖示。
圖14A係根據本揭示內容之實施例之頂帽 狀束在具有複數個配置成行的像素之膜上方掃描之圖示。
圖14B係示出根據本揭示內容之實施例束跨薄膜平移之示意圖。
圖14C係根據本揭示內容之實施例頂帽狀束在具有複數個配置成行的像素之膜上方掃描之圖示。
圖15係根據本揭示內容之實施例先進準分子雷射退火(AELA)處理膜之顆粒結構之圖示。
圖16係根據本揭示內容之實施例頂帽狀束在具有複數個配置成行的像素之膜上方掃描之圖示。
圖17A係根據本揭示內容之實施例針對差分結晶頂帽狀束在具有複數個配置成行的像素之膜上方掃描之圖示。
圖17B係根據本揭示內容之實施例針對差分結晶頂帽狀束在具有複數個配置成行的像素之膜上方掃描之圖示。
圖18A係根據本揭示內容之實施例針對差分結晶頂帽狀束在具有複數個配置成行的像素之膜上方掃描之圖示。
圖18B係根據本揭示內容之實施例針對差分結晶頂帽狀束在具有複數個配置成行的 像素之膜上方掃描之圖示。
圖19係根據本揭示內容之實施例使用差分結晶之先進準分子雷射退火(AELA)處理膜之顆粒結構之圖示。
圖20係根據本揭示內容之實施例針對差分結晶頂帽狀束在具有複數個配置成行的像素之膜上方掃描之圖示。
圖21描繪根據本揭示內容之實施例之例示性AELA系統。
圖22係根據本揭示內容之實施例頂帽狀束在具有複數個配置成行的像素之膜上方掃描之圖示。
本揭示內容係關於用於結合部分熔融結晶及完全熔融結晶技術使用非週期性脈衝雷射技術來形成均勻多晶膜之系統及方法。在一些實施例中，非週期性脈衝ELA用於自無預存微晶之非晶沉積後Si膜(例如，藉由低壓化學氣相沉積(LPCVD)、電漿增強型化學氣相沉積(PECVD)、濺鍍或電子束蒸鍍獲得之膜)製造精細顆粒均勻結晶膜。在一些實施例中，泛射式照射方法可用於製造精細顆粒均勻結晶膜或針對非週期性照射方法製造前驅體膜。泛射式照射方法可為兩次衝擊部分熔融製程，其中無任何預存微晶之非晶矽膜(例如，PECVD膜)以兩個步驟變換成具有平均側向尺寸超過膜厚度之顆粒(即，小柱狀顆粒) 之精細顆粒均勻結晶膜。泛射式照射方法亦可為持續時間擴展之單次衝擊部分熔融法，其中無任何預存微晶之非晶矽膜(例如，PECVD膜)變換成具有平均側向尺寸小於膜厚度之顆粒之精細顆粒均勻結晶膜。泛射式照射方法亦可為完全熔融法，其中在膜之頂部及底部兩者上具有氧化物介面之任何種類的非晶矽膜變換成低缺陷小等軸顆粒Si膜。
描述使用雷射之位置受控循序觸發之非週期性脈衝ELA方法及工具。可使用多個雷射實施系統以在結晶製程中產生不同的非週期性雷射脈衝，例如，因各雷射脈衝導致單獨部分熔融及凝固循環而不同，且因脈衝之間的間隔不同而造成非週期性。以經協調脈衝序列使用多個雷射以單次掃描或多次掃描照射膜之選定區域並使其結晶。在受關注區域中可能需要多次掃描來達到較大數量之熔融及凝固循環以獲益於ELA中觀察到的多次照射之累積效應，其造成具有例如較緊密顆粒大小分佈之更均勻多晶膜。
非週期性脈衝
圖2A至圖2C中描繪雷射脈衝之例示性序列。y軸表示能量密度且x軸表示時間。圖2A描繪可用於習知ELA製程之雷射的週期性脈衝速率。週期性雷射重複率導致在時域中均勻間隔之雷射脈衝型樣。圖2B表示本文揭示之非週期性脈衝產生之實例，其中第二脈衝105在時間上接近於第一脈衝106發射。接著，第三脈衝107以不同於第一脈衝106與第二脈衝105之間的時間間隔之間隔發射。圖2C示出雷 射脈衝之脈衝速率及雷射功率(能量密度)皆不同之實施例。因此，經照射膜經歷非週期性脈衝速率及可變照射能量。由於第一脈衝106與第二脈衝105之間的時間相對較短，故由第一脈衝106及第二脈衝105照射的區域經歷疊覆增加。
第一脈衝106與第二脈衝105之間的時間延遲可小於第一脈衝106與第三脈衝107之間之時間間隔的一半。在一些實施例中，第一脈衝106與第二脈衝105之間的時間間隔小於第一脈衝106與第三脈衝107之間的時間間隔的十分之一或小於十二分之一或小於一百分之一。第一脈衝106與第二脈衝105之間的時間延遲可為約3微秒至約1微秒、約5微秒至約500微秒，及約10微秒至約100微秒。
因此，圖2B及圖2C展現採用兩個間隔緊密的雷射脈衝或一兩個雷射脈衝「串」之非週期性脈衝型樣；然而，可採用對應於三至五個或更多個雷射或雷射腔之較大數量之間隔緊密的脈衝(例如3至5個或更多個)。在此等實施例中，其中使用來自不同雷射之較大數量之間隔緊密的脈衝(例如，來自兩個不同雷射能量源或相同雷射能量源之兩個不同雷射載體之雷射束)，目標區域被照射相應較大數量之次數。例如，來自n個雷射源之n個脈衝可經緊密間隔以形成一n個雷射脈衝串且單個區域在單次掃描中將經歷n次照射。束可具有類似於習知ELA製程之寬度。
脈衝串中之兩個連續脈衝無需處於相同能量密度。例如，若膜因第一脈衝仍係熱 的，則第二脈衝可處於比第一脈衝低之能量密度。同樣地，較高能量密度可用於補償第一脈衝後之光學性質改變(非晶矽對UV光之吸收稍微優於結晶矽)。第二脈衝之能量密度的適當選擇因此亦可考量效果及其他可能的事物兩者使得膜將經歷相同程度的熔融。在此，熔融程度被理解為無關於熔融細節之熔融量測，該熔融程度可根據前驅體相位(非晶或結晶)、異質性(例如，具有均勻缺陷或具有由較大及較清潔顆粒包圍之缺陷核心)及表面形態(光滑或粗糙，例如具有類似於光之波長的週期性)發生明顯變化。因此當第二脈衝期間之熔融範圍等效於第一脈衝(例如膜之約80%)時，可達成相同程度之熔融。在多掃描製程中，此情況之目標在於受益於累積效應，該累積效應可導致更均勻多晶膜，期望大多數脈衝導致相同程度之熔融使得該製程效率最高。
因此，如圖2C所示，第一雷射脈衝及第二雷射脈衝可具有不同能量密度。具體而言，圖2C描繪能量密度小於第二脈衝之第一雷射脈衝。然而，在一些實施例中，第二雷射脈衝具有小於第一雷射脈衝之能量密度。此外，在多掃描製程中，第一脈衝與第二脈衝之能量密度之間的偏移可不同或在不同掃描中不存在偏移。例如，在第一次掃描中第一脈衝與第二脈衝之間的能量密度之偏移可經選定以補償光學性質在第二次掃描中時的改變，該偏移可經選定以補償溫度。在一些實施例中，即使兩個脈衝可具有不同能量密度，第二較低能量脈衝亦可因膜中來自第一脈衝之殘熱而引起 膜之熔融量與第一較高能量脈衝相同。
在一實施例中，本系統藉由使用來自複數個雷射源之脈衝的經協調觸發(如使用具有多個雷射腔例如管之單個雷射源亦可行)產生非週期性雷射脈衝以產生在時域上緊密間隔之一系列脈衝。複數個雷射源可併入單個雷射系統中。雷射系統係使用電腦控制技術來依預定方式照射基板之電腦控制系統，例如，電腦控制雷射之發射與台及一或多個雷射腔之移動以產生一或多個雷射束。各雷射束對應於一雷射源。各雷射束可由獨立雷射或作為包括在一個雷射系統內之複數個雷射腔之一部分之雷射腔產生。
前文已揭示具有多個雷射腔例如管之工具以(1)藉由同時觸發多個脈衝及隨後組合多個脈衝而增加脈衝能量，及(2)如在2008年4月29日頒予，名為「Systems and Methods for Processing Thin Films」之美國專利第7,364,952號中論述，藉由延遲觸發不同管及隨後將該等管組合增加脈衝持續時間。換言之，脈衝經組合以提供經修改單個熔融及凝固循環。非週期性脈衝ELA之不同點在於該非週期性脈衝ELA在單獨熔融/凝固循環中使用不同雷射之脈衝。然而，該等脈衝在時域上足夠接近，當該台高速行進時，該等脈衝展現明顯疊覆。
此外，非週期性脈衝ELA方法及工具亦可用於執行膜之選擇性區域結晶以僅使將形成為電子設備之膜之區域結晶。非週期性脈衝ELA方法及工具提供選擇性區域結晶，該選 擇性區域結晶導致膜之第一區域中之晶體生長，隨後由雷射之重複率決定中斷，且接著二或更多個脈衝之第二脈衝大量疊覆，從而導致在膜之第二區域中之晶體生長。雷射脈衝之間之時序引起非週期性雷射脈衝序列及經照射區域中之大量疊覆，此情況在下文進行詳細論述。此等方法及系統可用於高產量之ELA製程。
在選擇性區域結晶中，膜在製造電子裝置之位置結晶(在本文未論述之後續製程中)。然而，並非所有電子裝置需要均勻性同等或甚至導電性同等之材料。例如，就結晶均勻性而言，與大TFT或甚至大電容器相比，對小TFT之需求大很多。又，用於電流驅動之TFT可要求比用於切換之TFT更佳之均勻性。因此，就待結晶之特定區域的總面積而言，僅一小部分需用大量雷射脈衝加以結晶以獲得具高結晶均勻性及導電性之區域，同時剩餘部分可用較少脈衝或甚至單個脈衝處理。選擇性區域結晶非週期性脈衝ELA為僅掃描膜之選定區域提供架構，藉此減少處理時間。
非週期性脈衝ELA
非週期性ELA系統包括下列特徵之一或多者：多個雷射或雷射管，及用於延遲後續脈衝之觸發以使脈衝處於短連續之構件。系統亦可包括脈衝之位置受控觸發使得雷射束脈衝照射基板上之特定位置。時間上緊密間隔之兩個脈衝的時序應使得允許膜之經照射部分在脈衝之間凝固，同時位置控制確保經照射區域適當地位於基板上，例如以產生一行像素TFT或電路。雷射束脈衝進一步需要具有頂帽 束分佈，該頂帽束分佈具有足以使序列脈衝疊覆在選定區域之束寬。
可基於不同考量諸如產量、雷射功率、面板大小、顯示器大小、系統設計及工具維護選擇雷射源之數量。較大數量之雷射將通常導致較高結晶速率，但亦將必需較大數量之光學元件，此情況可導致更複雜且成本高之系統設計。又，較大數量之雷射可因維修需求更頻繁(例如更換管)而導致工具之停機時間變長。雷射數量之例示性值可為二至四或更多個雷射，各雷射之功率為約600 W或更多以處理可大於2 m2且可能大至5 m2或7.5 m2以使顯示器具有大至30吋、40吋或50吋或更大的直徑之玻璃面板。
非週期性脈衝ELA工具可提供以下優於習知ELA及/或USG工具之益處：
1.高效地輸送電力至預先選定的區域：憑藉位置控制，像素TFT/電路之間的區域非不必要地結晶。此導致較高效率之結晶速率。
2.消除束邊緣相關之假影：束邊緣不會撞擊在像素TFT/電路區域上使得其中結晶區域全部經歷實際相同的脈衝序列。
3.最佳化脈衝序列：藉由來自多個雷射源之一序列脈衝且在掃描振幅期間照射區域且因而該序列可被最佳化(例如，脈衝能量、脈衝持續時間、脈衝預先加熱)。
4.藉由在掃描之間實施垂直移位減小長軸上之束不均勻性。(短軸上之束不均勻性亦可藉由在掃描內或掃描之間進行有效平 行移位(即，藉由將束相對於受關注區域之側向放置轉移)而減小。)
在非週期性脈衝ELA中通常需要多次掃描來獲得令人滿意的材料均勻性。非週期性脈衝ELA之SAC操作通常導致高於習知ELA之產出率。此外，非週期性脈衝ELA獲得可接受之均勻晶體結構所需的脈衝數量可小於習知ELA所需的脈衝數量。在習知ELA中，束邊緣疊覆受關注區域，導致經照射區域沿掃描方向之晶體結構之變化。例如在Im及Kim之「Phase transformation mechanisms involved in excimer laser crystallization of amorphous silicon films」Appl.Phys.Lett.63,(14),1993年10月4日中論述晶體結構之變化，其中論述部分熔融低壓化學氣相沉積(「LPCVD」)膜中顆粒大小根據能量密度之變化；據信LPCVD非晶Si膜含有觸發結晶從而導致膜具有隨能量密度增加之顆粒大小之小微晶。在電漿增強型化學氣相沉積(「PECVD」)膜中，熔融及凝固製程進一步因不具有此等微晶而複雜化。因此，結晶之前先透過成核製程形成晶體。當成核密度低時，此可導致圓盤狀晶體結構，例如如在圖2D所示之單次衝擊即一個雷射脈衝照射PECVD非晶Si膜之極邊緣處可見。圖2D示出單次衝擊PECVD非晶Si膜之邊緣區域120。此邊緣區域120具有非晶Si部分122及結晶Si部分124。然而，非晶Si與結晶Si之間的過渡區域126並非銳利邊緣，而是含有結晶與非晶材料之混合物的異質區域。在第一次照射後膜之不均勻性因此由於存在顆粒大小變化及/或圓盤狀晶 體結構而被壓緊。在後續照射中不易於消除此等不均勻性。在習知ELA中，甚至在多至10個脈衝或更多個後，第一脈衝束邊緣之能量密度梯度之影響仍可見。因此需要大脈衝數量來擦除第一脈衝束邊緣之歷史記錄。
如本文所揭示，使用非週期性脈衝ELA之SAC可能需較少脈衝來達成同等均勻的結晶膜。如下文更詳細論述，跨線束之短軸的能量分佈含有逐漸改變能量密度之前沿及後沿與能量相對恆定之中央平坦區域。如本文所使用之術語線束指代寬度基本上小於束之長度之束，即束具有大的縱橫比。在習知ELA中，束邊緣係材料不均勻性之重要源。在非週期性脈衝ELA中，該等束邊緣定位在受關注區域外部使得受關注區域用第一脈衝之頂帽部分照射。此外，束之能量密度可經最佳化以產生累積製程之最均勻原始材料以減少達到所需位準之材料均勻性之脈衝數量。
執行非週期性脈衝ELA之系統
圖3A描繪非週期性脈衝ELA系統。該系統包括例如在308 nm(XeCl)或248 nm或351 nm下操作之複數個雷射脈衝源110、110’。一系列鏡子206、208、212將雷射束引導至可在y方向上掃描之樣本台180。束塑形為具有例如約360 nm、或約470 nm或約720 nm之長度或適於在一次、兩次或更多次掃描中處理玻璃面板之任何長度之線束。該系統亦可包括可用於控制雷射束之空間分佈之狹縫140及讀取狹縫140之反射之能量密度計216。可選快門228可用於在不存在樣本或無需照射時阻擋束。樣本 170可定位在台180上用於處理。此外，均質器可用於提供更均勻之頂帽束分佈。可使用衰減器。束能量藉由直接控制雷射而受控制。台180可為線性平移台，且可具有向側面平移之能力。視需要，該系統可包括脈衝擴展器213及用於產生持續時間擴展之脈衝之鏡子214。
樣本平移台180較佳由計算配置控制以實現樣本170在平面y方向上以及視需要在x及z方向上之平移。以此方式，計算配置控制樣本170相對於照射束脈衝之相對位置。照射束脈衝之重複及能量密度由計算配置控制。熟習此項技術者應瞭解取代束源110、110’(例如，脈衝準分子雷射)，照射束脈衝可由適於至少部分熔融(且可能遍及其整個厚度完全熔融)樣本170之半導體(例如，矽)薄膜之選定區域的短能量脈衝之另一已知源以下文所述之方式產生。此等已知源可為脈衝固態雷射、突變連續波雷射、脈衝電子束及脈衝離子束等等。通常，由束源110、110’產生之照射束脈衝依樣本位準提供範圍為400 mJ/cm2至1 J/cm2或1.5或以上之束強度、範圍為10奈秒至300奈秒之脈衝持續時間(FWHM)及範圍為10 Hz至300 Hz至600 Hz或1.2 kHz或以上之脈衝重複率。
圖3A之例示性系統可用於以下文進一步詳細描述之方式實行樣本170之半導體薄膜之處理。本揭示內容之例示性系統可使用遮罩/狹縫來界定所得遮蔽束脈衝之分佈並在半導體薄膜之相鄰部分及該等部分之邊緣部分被此遮蔽束脈衝照射並接著被結晶時減少此 等部分之不均勻性。
例如，非週期性脈衝ELA製程之線束可具有約100微米或更小至300微米至約400微米至600微米或更大之寬度。ELA束之通量經選定以不引致膜之完全熔融。因此，ELA束之通量應比引致給定膜之完全熔融之通量值低約5%至30%或更多。引致完全熔融之通量值取決於膜之厚度及脈衝之持續時間。此外，ELA束可具有約300 Hz至約600 Hz之相對較低的重複率。所揭示之高功率雷射之各脈衝提供足夠能量來跨照射區域之長度提供充分能量密度使得脈衝可熔融在該區域內之膜。
ELA線束可由頻率相對較低之雷射源產生，諸如可購自JSW(The Japanese Steel Works,Ltd.，位於日本东京品川区大崎一丁目11番1号Gate City Ohsaki-West Tower)之特定系統中所使用的雷射源。高頻雷射(諸如可購自TCZ)並非很好地適於非週期性脈衝ELA製程，此係因為所需掃描速度(該掃描速度由脈衝重複率及TFT或電路之節距規定)變得極高。
如圖3B中所示，樣本170之半導體薄膜175可直接位於例如玻璃基板172上，且可設置在該半導體薄膜175與該玻璃基板172之間之一或多個中間層177上。半導體薄膜175可具有介於100 與10000 (1微米)之間之厚度，只要該半導體薄膜175之至少特定所需區域遍及該等區域之厚度可至少部分或完全熔融。
根據本揭示內容之例示性實施例，半導體薄膜175可由矽(例如，非晶矽薄膜)、鍺、 鍺化矽(SiGe)等等組成，該等材料之全部較佳具有低位準之雜質。半導體薄膜175亦可利用其他元件或半導體材料。直接位於半導體薄膜175下方之中間層177可由氧化矽(SiO2)、氮化矽(Si3N4)及/或氧化物、氮化物或其他材料之混合物組成。
圖4中示出束脈衝200之例示性分佈，該束脈衝亦可由圖3A中所示之系統的光學件塑形及/或由遮罩產生。在此例示性實施例中，束脈衝200之能量密度具有具低於完全熔融臨限值之能量密度(即，束脈衝在膜完全熔融時之能量密度)之分佈220。特定言之，此分佈220包括頂部部分205、前沿部分210及後沿部分215。此實施例之頂部部分205延長達寬度C，在該寬度內能量密度近似恆定。寬度C可介於100微米至1 mm之間。前沿部分210可延長達距離D1(例如，介於50微米與100微米之間)，且後沿部分215可延長達距離D2(例如，亦在50 μm與100 μm之間)。前沿部分210具有長度為D1P之區段，該區段延伸至當能量密度近似恆定於結晶臨限值之較低點之點，即，束脈衝在膜結晶時之能量密度。類似地，後沿部分215具有長度為D2P之區段，該區段自結晶臨限值之點延伸至當能量密度近似恆定時之較高點。頂部部分205通常稱為束之「頂帽」部分。
該系統亦可包括多個投影透鏡以實現同時掃描薄膜之多個區段。在名為「System and Method for Processing Thin Films」之美國專利第7,364,952號中揭示一種用於允許同 時掃描薄膜之多個區段之系統。雖然已描述使用雙雷射源之方法及系統，但是亦可使用額外雷射。
非週期性雷射脈衝型樣較佳由具有相同重複率之複數個雷射之偏移發射獲得。如上所述，雷射可由電腦系統控制以產生圖2B至圖2C中所描繪之脈衝能量分佈。如上所述，雖然在所揭示之實施例中描繪兩個雷射管，但是非週期性脈衝ELA可使用超過兩個雷射管。例如，各發射單獨雷射脈衝之三個、四個、五個或更多個雷射管可用於在各掃描期間提供多至三次、四次、五次或更多次照射至膜之各部分中。
膜170可為單晶或多晶半導體膜，例如矽膜。該膜可為連續膜或不連續膜。例如，若膜係不連續膜，則該膜可為微影圖案化膜或選擇性沉積膜。若膜係選擇性沉積膜，則該膜可為經由化學氣相沉積、濺鍍或經溶液處理之薄膜，例如矽基墨水之噴墨印刷。
非週期性脈衝ELA方法
圖5A描繪非週期性脈衝ELA製程。圖5A示出已被兩組兩雷射脈衝照射之膜之例示性圖示，其中第一組兩雷射脈衝發生的時間接近，之後發生延遲(期間基板繼續在如箭頭980所示之y方向上移動)，且第二組兩雷射脈衝發生的時間亦接近。該製程包括至少四個照射步驟，其中兩個照射步驟(步驟1及步驟3)對應於來自主雷射之脈衝且兩個照射步驟(步驟2及步驟4)對應於來自次級雷射之脈衝。
圖5A示出樣本170之薄膜175相對於 由圖3A之系統的光學件塑形及/或由遮罩圖案化之線型束164之脈衝之循序平移。圖5B係圖5A中之區域590之分解圖。在設置在樣本170上之半導體薄膜175之照射之此例示性圖示中，樣本170在負y方向(箭頭980)上相對於線型束164之方向平移。當樣本170以此方式平移至一位置使得線型束164指向薄膜175之第一列510，束源110藉由計算配置致動使得來自主雷射源110之第一線型束脈衝410照射且至少部分熔融半導體薄膜175之第一列510上之一或多個部分511至519。圖5所示之第一線型脈衝410之分佈及長度基本上對應於圖4所示之脈衝200之分佈及長度。第一脈衝410之頂帽部分205之寬度C較佳為足夠寬以照射並部分熔融區域910中之部分511至519之整個橫截面。此等部分可設計為其中放置特定結構(例如，TFT)使得該等部分可用於界定像素。部分熔融之重新凝固部分將可能擁有小顆粒區域，但其中包括相對均勻之材料。熔融部分511至519重新凝固並結晶使得該等熔融部分511至519於其中具有均勻晶體顆粒生長。
其次，來自次級雷射源110’之第二線束脈衝410’照射薄膜175以引致薄膜175之部分熔融。第二線束脈衝410’之頂帽部分照射薄膜175之第二區域920以部分熔融部分511至519之整個橫截面。如圖5所示，區域910及區域920具有明顯疊覆且形成第一結晶區域960。在所揭示之非週期性脈衝ELA製程中，第一區域與第二區域之間之疊覆可大於70%、大於85%、大於90%、大於95%或大於99%。
在如上文所述使用線型脈衝410及410’照射並部分熔融第一列510後，樣本170在負y方向上平移(經由控制計算配置)使得束164撞擊在設置在樣本170上之半導體薄膜175之第二列520上。至於第一列510且在到達第二列520時，主雷射源110藉由計算配置致動以自用上文關於第一列510之照射所述之基本上相同方式照射及至少部分或完全熔融第二列520中之區域940中之一或多個區段521至529之主雷射之第三線型脈衝420。接著，來自次級雷射源110’之第四線束脈衝420’照射薄膜175以引致薄膜175之部分熔融，包括區段521至529。第四線束脈衝420之頂帽部分照射薄膜175之第四區域950。如圖5所示，第三區域940及第四區域950具有明顯疊覆以形成第二結晶區域970。在所揭示之非週期性脈衝ELA製程中，第一區域及第二區域之間之疊覆可大於70%、大於85%、大於90%、大於95%或大於99%。
對距離D執行樣本170之此平移(使得線型束164之撞擊自半導體薄膜175之第一列510移動至第二列520)。距離D亦可稱為像素列週期性或像素節距，此係因為對樣本170之其他列執行經由距離D之樣本170的平移。
樣本170相對於束164對該樣本170之撞擊的平移可持續執行(例如，無停止)。計算配置可控制雷射110、110’以基於預定義頻率產生對應脈衝410、410’、420、420’。以此方式，可定義樣本170相對於線型脈衝410’、410、420’、420撞擊半導體薄膜175之持續平 移速度V使得薄膜175之各自列510、520由脈衝精確照射。例如，樣本170之此平移速度V可定義為如下：V=Dxf雷射，其中f雷射係各雷射之頻率。因此，若距離D係200 μm，且f雷射係300 Hz，則速度V可為近似6 cm/sec，該速度可為恆定速度。
雖然樣本170無需相對於束164對該樣本170之衝擊持續平移，但是可基於由平移台180所提供之位置信號控制主雷射源110及次級雷射源110’之致動。此信號可指示樣本170相對於線型束164對樣本170該之撞擊位置之位置。基於與此信號相關之資料，計算配置可指示雷射源110、110’之致動及樣本170之平移以達成半導體薄膜170之特定部分(例如，列)之有效照射。因此，半導體薄膜175之至少部分位置受控照射可使用線型束164達成。
全部四次照射部分熔融區域，且熔融區域接著快速凝固以形成結晶區域。其中第一區域910與第二區域920疊覆之薄膜175之區域形成第一結晶區域960。其中第三區域940與第四區域950疊覆之薄膜175之區域形成第二結晶區域970。
第一雷射脈衝及第二雷射脈衝之膜速度及重複率(頻率)決定後續結晶區域在膜上之位置。在一或多個實施例中，該第一結晶區域960及該第二結晶區域970亦可疊覆，在該情況下，當該膜在y方向上掃描時，整個膜表面可結晶。
如圖5A所示，第一結晶區域960及第二結晶區域970不疊覆。因此，非週期性脈衝 序列可用於僅選擇性地受關注之特定區域，例如主動矩陣裝置諸如顯示器或感測器陣列中之像素TFT或電路511至519及TFT或電路521至529。在此SAC實施例中，第一結晶區域960與第二結晶區域970之間不存在疊覆。由於不具有疊覆，故固持樣本之台可以較高速度移動以增大第一結晶區域960與第二結晶區域970之間之間隔以匹配於矩陣型電子設備之週期性。台速度之此增加可導致總體處理量明顯增加。例如，在顯示器之像素陣列中，電子設備之密度相當低，例如具有數百微米或更大之像素節距，例如超過1 mm或更大，產量之明顯增加可僅藉由結晶此等區域達成。因此，對於給定雷射脈衝速率，該台可以較快速度移動以實現膜上之選定區域的完全結晶。在本申請案之例示性區段中引用SAC非週期性脈衝ELA系統之產量之例示性值。因此，非週期性脈衝SAC之產量改良實現大面板之更具競爭力的產量，例如諸如大型電視機製造所需之第8代面板(~2.20×2.50 m2)。
圖6描繪類似於圖5A中所示之掃描，惟第一線束脈衝1000及第三線束脈衝1010具有比第二線束脈衝1020及第四線束脈衝1030低之能量密度。此圖對應於圖7C中所描繪之能量密度。能量密度之範圍可自完全熔融臨限值之約20%至約70%。一般而言，在非週期性脈衝ELA中，第一熔融及凝固循環可經最佳化用於提供最均勻晶體結構以使ELA中之累積製程受益，從而導致具有低缺陷密度之具足夠均勻性的材料。例如，第一脈衝之能量密度可 高於完全熔融臨限值。此較高能量密度可例如藉由同時發射第一組兩脈衝以僅導致單個熔融及凝固循環而容易地達成(即，非不同脈衝)。同樣地，該第一組兩脈衝可用小延遲觸發以形成具有較長脈衝持續時間之組合脈衝，該較長脈衝持續時間可使部分熔融之材料之均勻性受益，甚至進一步尤其在原始材料為PECVD沉積之a-Si膜時亦為如此。
圖7描繪如圖5A中所述之第一非週期性脈衝掃描，且亦包括在膜1100之相反方向上之第二次掃描。在圖7之第一次掃描中，隨著掃描在第一方向1120上前進，照射五個區域1110、1112、1114、1116及1118。如關於圖5A論述，五個區域1110、1112、1114、1116及1118之各者對應於由第一線束脈衝1122照射之區域及由第二線束脈衝1124照射之區域。各照射導致經照射區域之部分熔融及後續結晶。由被第一線束脈衝1122照射之區域及被第二線束脈衝1124照射的區域形成的疊覆區域對應於第一區域1110。在膜之全部五個區域已在第一次掃描中被照射後，膜在正X方向上轉移且第二次掃描在與第一次掃描之相反方向上(箭頭1130之方向上)發生。在名為「Systems and Methods for Crystallization of Thin Films」之WO 2010/056990中揭示一種多掃描習知ELA技術。在一些實施例中，膜在掃描之前未在x方向上轉移或膜在第一次掃描與第二次掃描之間可在負x方向上轉移。如圖7所示，第二次掃描導致照射區域1132、1134及1136等等。此多道掃描可提供較高品質之晶體膜。膜可被掃描 一次、兩次、三次、四次、五次或更多次。
因此，非週期性脈衝ELA系統可能能夠執行多次掃描以達到所要數量之脈衝，例如，四雷射管系統可用於一個五次掃描製程中以達到膜之每單位面積脈衝總數為20。本技術允許準確控制膜之各段之脈衝能量序列。例如，在非週期性脈衝ELA中，在第一次掃描期間各串脈衝中之第一脈衝之通量可比後續掃描低。在一些實施例中，撞擊表面之最後脈衝之能量密度較小以引致表面熔融以減小ELA處理膜之表面粗糙度。此外，可完全避免像素TFT或電路或其任何部分之各段之脈衝能量密度序列可與束邊緣對其照射之該序列完全相同。避免束邊緣撞擊在受關注區域意味著累積製程可更快速地聚集於具有所需均勻性之材料，且因而與習知ELA製程比較，此材料之總脈衝數量可減小。因此，本方法之益處係雙重的：由於選擇性區域結晶，脈衝的平均數量減小，且由於因避免用束之邊緣照射而在第一脈衝後材料之起始不均勻性減小，故受關注區域中之脈衝數量減小。
與先前論述之ELA方法相比，非週期性脈衝選擇性區域結晶ELA中之束寬可通常較小；該寬度僅需與待結晶之區域寬度一樣寬。因此，可用的剩餘能量可用於增加束長。可使用較大尺寸的投影透鏡實現較長束長。又，束可分離成單獨光學路徑以在束脈衝之掃描期間同時使膜中之多個區域結晶。在掃描時增加處理區域之長度可減少完全結晶膜所需之掃描總次數。
此外，選擇性區域結晶非週期性脈衝ELA可用於精確對準束之頂帽部分使得受關注區域不被束之後緣照射。理想狀況下，受關注區域之第一次照射應使用束之頂帽部分或至少作為線束之一部分(該線束之全部具有高於膜之結晶臨限之類似能量密度)。如此，藉由選擇性地照射膜使得束邊緣不照射膜上之受關注區域，產生所需微結構及膜內之均勻性所需之掃描次數可減小。
在一些實施例中，光學件可用於將束分離成各引導至另一行像素TFT或像素電路(或至少待製造隨後像素TFT或電路之位置)之二或更多個線束。以此方式，可達成使用分離成兩個線束之束使每單位面積的脈衝數量加倍使得需甚至更少次數的掃描來達到完全結晶。眾多平行線束可用於撞擊在相鄰行之像素TFT/電路上或可用於撞擊在非相鄰行上。使用已知分離束及將該等分離束引導在分離光學軌道上之方式可產生眾多線束。分離束亦可重新結合以共同行進穿過光學路徑之部分，例如穿過投影透鏡或甚至在分離之後不久穿過投影透鏡。分離束可平行於彼此行進及/或在相對於彼此稍微偏移之角度下行進。維持束長的同時分離束將導致寬度為大約m分之一之束，其中m係線束之數量。
非週期性脈衝ELA方法之特定參數取決於束寬，該束寬繼而可取決於待結晶之區域之寬度。例如，主動矩陣裝置之大小可建議特定像素尺寸。像素尺寸可引起利用非週期性ELA處理能力之新像素佈局。例如，具有660 μm 像素節距之55吋顯示器可能需寬至300 μm之結晶區域。像素尺寸之進一步減小(例如對於超高清晰度顯示器而言)及尺寸朝向更適於非週期性ELA結晶方案之佈局之最佳化可減小此區域之尺寸至例如低於150 μm。最佳化可進一步包括在兩相鄰行中之像素具有不同佈局：相鄰行中之TFT/電路可放置為彼此較接近使得該等TFT/電路可在單次照射內疊覆，之後行進至待照射之下一區域的距離可甚至更大。
除像素TFT以外，在顯示器之周邊亦可能需要TFT，例如以製作行及列驅動器。列驅動器可能需具有較高效能以處理視訊信號。在一些實施例中，SAC提供足夠的結晶材料區域以在顯示器之周邊中整合所要驅動器。在其他實施例中，非週期性脈衝ELA之後可為單獨結晶步驟以更完全地使顯示器之周邊結晶。此可使用相同雷射及光學路徑藉由在該等區域中執行習知掃描ELA而完成。或者，此可使用塑形成窄線束之固態雷射執行循序側向凝固(「SLS」)或ELA而完成。或者，使用2D投影照射工具來執行例如2次衝擊SLS(即，每單位面積兩個雷射脈衝，如在2008年10月31日申請之名為「Systems and Methods for Uniform Sequential Lateral Solidification of Thin Films Using High Frequency Lasers」之美國專利申請案第12/063,814號中所示)或點狀SLS(即，使用具有點狀圖案之遮罩之SLS，如在2010年1月12日頒予之名為「Systems and Methods for Creating Crystallographic-Orientation Controlled Poly-Silicon Films」之第7,645,337號中所示)。此可整合至相同工具中以獲益於精確階段。如本文所使用，x次衝擊製程指代照射膜之各目標區域x次。
如上所述，選擇性區域結晶涉及僅結晶例如矩陣型電子設備或電路中之受關注區域。因此，結晶區域之位置需相對於矩陣型電子裝置或電路中之節點位置對準。因此，為實施SAC，應實施樣本對準技術。樣本對準之步驟可根據不同技術達成。在一技術中，樣本對準可使用結晶系統建立，該結晶系統進一步具有以樣本位置可在製造電子裝置之進一步處理步驟中重現的方式定位樣本之能力。當面板具有在結晶之前所偵測且與結晶製程對準之基準點或對準標記時可存在一種共同方式。此等樣本對準方法一般用於微影程序中以製造此等裝置之不同重疊特徵存在亞微米精確度之薄膜電晶體。SAC之樣本對準無需與微影術中同樣準確。例如，結晶區域在各側上可比受關注區域大數微米或10或更多微米。
在另一技術中，藉由在製造電子裝置之前偵測結晶區域之位置建立樣本對準。位置可透過偵測其中待放置電子設備之區域達成。由於自非晶至結晶之變化可用顯微鏡看到以致看到光學性質之改變而可偵測到該等區域。
用於樣本對準之系統可包括用於偵測基準點及將樣本相對於該基準點與已知位置對準之自動系統。例如，該系統可包括用於控制移動及回應於可偵測膜上之基準點之光 學偵測器之計算配置。光學偵測器可為例如CCD相機。
PECVD非晶Si膜之均勻部分熔融結晶
如上所論述，部分熔融結晶技術係其中一或多次照射用於結晶矽膜之技術，其中至少最後脈衝不引致膜之完全熔融。在一些實施例中，部分熔融泛射式照射方法可用於製造精細顆粒均勻結晶膜或針對非週期性脈衝照射方法製造前驅體膜。部分熔融泛射式照射方法可為兩次衝擊部分熔融製程，其中無任何預存微晶之非晶矽膜(例如，PECVD膜)以兩個步驟變換成具有平均側向尺寸超過膜厚度之顆粒之精細顆粒均勻結晶膜。部分熔融泛射式照射方法亦可為持續時間擴展之單次衝擊部分熔融製程，其中無任何預存微晶(例如，PECVD膜)之非晶矽膜變換成具有平均側向尺寸小於膜厚度之顆粒之精細顆粒均勻結晶膜。
教授James Im之工作已表明超側向生長(「SLG」)可在單次衝擊照射製程中發生，能量密度接近完全熔融臨限，如此「接近完全熔融」發生(Im等人，APL 63,1993,p 1969)從而導致具有低顆粒內之缺陷密度之顆粒的側向生長。此材料可用於產生遷移率自100 cm2/Vs向上之TFT。然而，此材料之TFT均勻性較差，比係因為顆粒大小對(1)脈衝能量密度，(2)前驅體膜之異質性，及(3)晶體成核製程之隨機性質(若使用完全非晶膜)極敏感。然而，此SLG體系中之多次照射可導致大小更均勻之顆粒。此藉由形成膜之與照射光的 波長相當之週期性表面粗糙度而變得可能，從而產生自我穩定製程。此方法已作為ELA商業化，最常見的是使用線束。如上所述，ELA製程係累積製程，其中初始不均勻性多晶膜歸因於接近完全熔融體系中之多次照射聚集成更均勻狀態。然而，若初始多晶狀態均勻，則ELA製程可更有效。
如上所論述，可使用UGS系統或非週期性脈衝ELA系統獲得更均勻之多晶膜，其中受關注區域不是使用束之邊緣照射。然而，甚至用束之頂帽部分初始照射之區域可因前驅體膜之異質性而遭受不均勻性及晶體成核製程之隨機性質(在完全非晶膜之情況下)。本揭示內容係關於用於執行部分熔融結晶以產生可對增加上文描述之ELA製程(習知及非週期性脈衝兩者)的效率有益之均勻初始結晶多晶膜之方法及系統。在其他實施例中，所獲得之具有增強的均勻性之PMC材料本身可用於產生薄膜電子裝置而無需進行進一步ELA處理。此可在較低效能薄膜裝置(例如小於100 cm2/Vs或低至10cm2/Vs)充足但膜之均勻性仍重要之情形中得利。
前文描述使用Im及Kim，Phase transformation mechanisms involved in excimer laser crystallization of amorphous silicon films，Appl.Phys.Lett.63,(14),1993年10月4日中之LPCVD沉積之非晶Si膜之部分熔融結晶(即，能量密度低於接近完全熔融臨限值之結晶)。此研究表明LPCVD Si膜並非完全非晶且小微晶存在於播種結晶之膜中。由於 微晶之高密度，微晶之間之側向間隔極小且晶體生長主要發生在垂直於膜之平面的方向上。顆粒大小極小使此材料對於製造均勻TFT特別有吸引力。LPCVD膜之單次衝擊結晶係稱為用泛射式照射工具執行之USG方法的結晶，該等工具進一步可進行雷射脈衝之階段同步照射(參見名為「Process and system for laser crystallization processing of film regions on a substrate to minimize edge areas,and a structure of such film regions」之美國專利申請公開案第2006-0030164 A1號(其使用二維投影系統)及名為「Processes and systems for laser crystallization processing of film regions on a substrate utilizing a line-type beam,and structures of such film regions」之美國專利申請案第2007-0010104 A1號(其使用線束ELA系統))。潛在地，此可為一種極高產量地製造LTPS裝置之方法。此等裝置當前考量用於UD-LCD TV產品(例如，近似2000×4000個像素，480 Hz及80”」)，此等裝置之非晶矽被斷定為具有不充分效能位準(n通道a-Si TFT之效能位準為近似1 cm2/Vs，該n通道a-Si TFT之效能位準係與效能位準高至30 cm2/Vs或甚至50 cm2/Vs之n通道UGS TFT相比)。
在此部分熔融能量密度體系中具有極小柱狀顆粒之PMC微結構決非普遍達成。研究已表明目前所瞭解之部分熔融結晶無法可再生地用於製造小顆粒均勻性LTPS TFT。Mariucci等人(薄固態膜427(2003)91-95)例如表明可獲得極具異質性及部分極具缺陷 性的材料(缺陷核心透過側向生長由較大及較清潔顆粒圍繞)。
圖8A描繪在於PMC體系之低端照射一次後膜之表面之AFM掃描。圖8A示出由指示側向生長及由凝固時Si的膨脹所致之相應的側向質量流動之大突出部所包圍之圓盤狀結構。圖8B係圖8A中之晶體結構之圖示。圖8B中之晶體結構具有缺陷核心800。此結構係播種側向結晶且導致圓盤狀結構之低密度的成核事件的結果。初始生長條件離平衡較遠。因此晶體具有高度缺陷性。隨著生長前端在彼此之上移動，充足的熱量釋放且造成膜之明顯的重新加熱。重新加熱可導致較低缺陷密度之側向生長。
圖8C描繪在以較高能量密度但仍以PMC體系照射一次後膜之表面之AFM掃描。圖8D係圖8C中之晶體結構之圖示。此處，自較高能量密度照射引進之進一步熱量導致在相位變換之初始階段中形成之缺陷核心區域的重新熔融。缺陷核心區域之熔融臨限值低於低缺陷密度外環之值且因而將優先熔融。依此等能量密度之重新生長將自外環播種且向內進行。此播種因在凝固時Si的膨脹而在中央產生小突出部。此等突出部在圖8C中的AFM掃描中可見。缺陷核心區域之重新熔融可導致更具均勻性之膜。圖8D係以對於膜之接近完全熔融充足之能量密度獲得的晶體結構之圖示。接近完全熔融指代整個膜熔融惟小晶種區域保持固態外之熔融方案。在膜凝固後，晶體顆粒自此等未熔融顆粒生長。圖8E示出當自未熔融晶種 側向結晶時所形成之圓形區域。
缺陷核心區域之二次熔融可受雷射脈衝之時間分佈影響。例如，可購自Coherent,Inc.(聖克拉拉，加利福尼亞)之準分子雷射趨於具有展示強度峰值之時間分佈。第一峰值可造成膜之初始劇增結晶，而第二峰值可導致在初始階段期間形成之缺陷核心區域之選擇性重新熔融。已知雷射之時間分佈可隨時間變化，尤其隨著雷射氣體之老化而變化。最終，隨著時間的過去，第三強度峰值可出現。因此，雖然在核心重新熔融後之材料可更均勻，但是該材料不易於經由來自雷射工具之許多脈衝重現。其他雷射可僅具有單個強度峰值且相同脈衝內之重新熔融之細節將可能不同。
一種改良此微結構之重現性的方法係將膜照射兩次。第一脈衝可最佳化用於獲得缺陷核心材料，而第二脈衝可最佳化用於重新熔融且因此清潔核心區域。此可使用兩次掃描或一步驟照射程序完成，其中在階段前進至下一位置之前兩個脈衝照射在各位置上。
本揭示內容係關於一種以更有效方式即單次掃描提供此兩部分照射部分熔融結晶製程之系統。非週期性脈衝ELA系統可用於產生兩部分製程之第一雷射脈衝以獲得跨膜具有大顆粒但均勻性較差之中間微結構，而第二脈衝用於清潔中間微結構以產生最終均勻膜。本方法因此教示第二脈衝之延遲觸發(及可能係第一或第二脈衝之通量控制)以達成重新熔融核心區域之最佳能量密度窗。之前已表明延遲之觸發，但接著模仿脈衝持續時間擴 展，且無鏡子之光學損耗。由於脈衝接近且可疊覆，此意味著膜並非完全冷卻或在第二脈衝到達時可能甚至未完全凝固，從而導致更有效地使用能量密度。此外，第一脈衝及第二脈衝之能量密度可相同或可不同。然而，由於膜在第二脈衝到達之前可能未經完全冷卻，故膜可經歷與第一脈衝相比自第二脈衝的不同程度的熔融。
原始膜通常為在經SiO2-塗佈之玻璃、石英或氧化Si晶圓上之約40 nm至100 nm厚或甚至高至200 nm厚之Si膜。較薄膜通常較佳，此係因為該較薄膜減少沉積時間且該較薄膜減小達到所需位準之熔融所需的能量密度。脈衝可具有約30 ns FWHM或更多例如多至300 ns FWHM或更多之脈衝持續時間。一般而言，較短脈衝在熔化Si膜時更有效，此係因為較少熱量損耗至下伏基板且可建立較高產量。可在整個部分熔融能量密度範圍內照射膜。
在另一實施例中，當使用無微晶之膜(如使用PECVD所獲得)時，完全避免圓盤形區域。圓盤形區域可藉由增加成核密度避免。較高成核密度可造成更垂直之結晶製程，從而導致較少側向生長及較少側向質量流動。較高成核密度可藉由轉移至更長脈衝持續時間達成，此係因為伴隨長的脈衝持續時間，非晶Si熔融前端移動更緩慢。如使圖9所示之介面回應函數(「IRF」)中可見，(描述固態-液態介面相對於其溫度之速度)此意味著其溫度相對於結晶Si熔融溫度Tx m更加過度冷卻。圖9中之 IRF在x軸上示出溫度且在y軸上示出晶體前端之速度。凝固區域係曲線之正y區域且熔融區域係曲線之負y區域。虛線對應於非晶矽，而實線對應於結晶矽。
因此，對於具有緩慢熔融特性之長脈衝900，成核快速開始且處於如由非晶Si IRF曲線上之點905所示之深度過度冷卻狀況。從傳統成核理論已知深度過度冷卻導致較高成核速率。因此，大量核子在短時間內且在膜因該等核子開始生長時熔化釋放熱量而開始預先加熱之前形成(此現象稱為再輝)。此高密度成核基本上消除區域中之側向生長，此係因為晶核生長將在垂直方向上發生。大量側向生長可產生較不均勻之結構及不均勻膜表面。因此，藉由使用長持續時間之脈衝(其每單位時間賦予膜較少能量)，可獲得類似於用(一些)LPCVD膜所獲得之膜，其中預存高密度之微晶。
使用短脈衝910，另一方面，熔融前端快速移動且較不過度冷卻。該狀況示意對應於IRF上之915。雖然過度冷卻比長脈衝照射膜程度小，但仍足以使成核發生，但速率較低。因此，在明顯再輝發生從而導致將膜進一步加熱至停止進一步成核之溫度之前在短時間間隔中形成較少核子。由於成核之密度較低，故此等類型之膜將經歷更多側向生長且將導致異質性晶體生長。
規則的準分子雷射脈衝可足夠短以實現短脈衝方案，而使用8x脈衝擴展器(以產生近似300 ns FWHM脈衝)，脈衝可產生為足夠 長以移動至長脈衝方案。或者，可使用各以短序列發射以引致單個熔融及凝固循環之多個雷射管產生長形脈衝。
因此，可藉由使用具有緩慢熔融特性之長脈衝透過單個脈衝部分熔融製程獲得均勻結晶膜。對於習知或非週期性脈衝ELA製程，此膜可用作前驅體膜。
完全熔融結晶
在另一態樣中，完全熔融體系中之照射用於產生精細顆粒之均勻結晶膜或製造將使後續累積ELA製程受益之初始結晶多晶膜。完全熔融結晶(CMC)係一種使用單次衝擊照射來全完熔融Si膜且接著該膜透過成核結晶之技術(參見名為「Process and system for laser crystallization processing of film regions on a substrate to provide substantial uniformity,and a structure of such film regions」之U.S.S.N.10/525,288)。CMC係稱為用泛射式照射工具執行之UGS方法之技術，該等工具進一步可進行雷射脈衝之階段同步照射(參見名為「Process and system for laser crystallization processing of film regions on a substrate to minimize edge areas,and a structure of such film regions」之U.S.S.N.10/525,297(其使用2D投影系統)及名為「Processes and systems for laser crystallization processing of film regions on a substrate utilizing a line-type beam,and structures of such film regions」之U.S.S.N.11/373,772(其使用線束ELA系統))。
本揭示之CMC方法集中於在薄膜中產生異質成核以形成低缺陷小等軸顆粒Si膜。系統使用高能量密度脈衝，例如大於膜完全熔融臨限值之1.3倍至1.4倍。處理在周圍空氣或任何含有氧氣之氛圍中執行。該製程可使用具有厚度小於約50 nm之氧化物表面層或蓋層之膜執行。系統結合SiO2玻璃、石英晶圓上之相對較薄Si膜(在100 nm至300 nm之範圍中)使用相對較長之脈衝持續時間，大約80 ns至大約500 ns(例如，200 ns或400 ns)。藉由選擇製程之參數以引致特定所需之異質成核方案取代先前技術中所教示之均質成核方案，成核可在介於膜與氧化物表面層之間之介面及膜與基板之間的介面上達成。由於上述參數，可形成低缺陷密度之晶體。
所揭示之CMC方法可用於極高產量地製造低效能LTPS裝置。此等裝置當前考量用於UD-LCD TV產品(例如，近似2000×4000個像素，480 Hz，80吋)，此等裝置之非晶矽被斷定為具有不充足的效能位準(n通道a-Si TFT之效能位準為近似1cm2/Vs，該n通道a-Si TFT之效能位準係與效能位準高至30 cm2/Vs或甚至50 cm2/Vs之n通道UGS TFT相比)。
已知完全熔融取決於照射條件及樣本組態導致各種成核引致之微結構；可在S.Hazair等人之「Nucleation-Initiated Solidification of Thin Si Films」，Mater.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.979(2007)中找到製程之描述。許多此等微結構之特性在於較大程度之異質性(可變顆粒大小、高缺陷之區域)， 該較大程度之異質性將導致裝置均勻性較差。例如，Hazair論文之主題係形成花狀顆粒(flg-Si)，其中缺陷核心區域由低缺陷密度「花瓣」形顆粒之環包圍。
然而，一個微結構尤其表現為例外且首先在S.R.Stiffler、M.O.Thompson及P.S.Peercy，Phys.Rev.Lett.60,2519(1988)中描述。此微結構由分佈在膜之整個厚度上的均勻小顆粒組成且具有極低顆粒內缺陷密度。期望此一微結構導致良好裝置均勻性且可能合理的裝置效能位準。此一微結構甚至適用於底部閘極TFT，此係因為與製備小顆粒Si之許多其他方式不同(包括沉積技術)，底部上/附近之晶體具有低缺陷密度及較大大小。然而，對於形成此微結構後之機制及因此獲得此可重現性之所需條件仍存在疑問。
Stiffler將小等軸顆粒Si(seg-Si)描述為均質成核，即遍及與僅在介面處相反之液體塊之固體成核的結果。Stiffler將其論斷建立在瞬變反射率(「TR」)資料與瞬變導電率(「TC」)資料之組合表明膜之前側反射率及導電率同時下降之基礎上。此論斷經爭論以表明遍及膜之塊體之成核。20年來，此論斷已係用來說明顆粒存在於膜之塊體內之可接受模型(即，未與表面或底部介面毗接)。近來，基於TR研究，已發現Stiffler模型不準確。
本TR研究反之提出假定seg-Si係缺陷核心結構之異質成核(即在介面上)(其後係體積再輝、重新熔融及重新凝固)之結果的模型。因此，此方案之初始階段等效於造成 flg-Si之階段，不同點在於缺陷核心區域以低缺陷密度顆粒重新熔融並重新凝固以形成seg-Si。
對於Stiffler資料，微結構特性係基於俯視平面圖SEM TEM及AFM影像。然而，此不足以說明TR資料中之全部特徵。具體而言，Stiffler模型無法說明前側TR(「FTR」)下降之前發生之後側TR(「BTR」)之下降，該下降可從在真空氛圍中進行的實驗中及在雷射照射之前移除原生表面SiO2層時觀察到。
目前，基於仰視平面圖以及橫截面之TEM微結構特性，已確定此TR下降導致具有在看起來向上生長之底部區域附近且在膜之頂部上變得較大之較小顆粒的微結構。另一方面，BTR及FTR兩者之幾乎同時下降係形成seg-Si微結構之必要(但不充分)條件，諸如其首先被Stiffler觀察到(且進一步被預期為對於製造均勻TFT係最佳的)。
通常，異質成核被認為僅在膜之底部介面發生。前側TR之下降對應於膜之頂部介面上(即，在表面上/附近)之成核之開始。接著，膜之兩側上之成核之同時起始(如由前側TR及後側TR兩者上之TR信號之同時下降表明)導致使被釋放回至膜之潛伏熱量大致翻倍且因此導致缺陷核區域之更加有效/廣泛重新熔融/重新凝固。表面上/附近之成核需存在介面。此一介面可例如具有(原生)氧化物。此氧化物膜可在照射之前存在或當存在氧氣時可在照射期間形成。取決於氛圍，其他表面反應發生可導致形成成核之適當介面。此外，發 現無此頂層(例如，藉由移除原生氧化物)且無在照射期間形成此頂層之能力(例如，藉由在真空下照射)，確實無表面成核發生且無如Stiffler所觀察到之seg-Si形成。最終，在以相對較低能量密度照射之一些樣本中，觀察到同時TR信號下降，但未觀察到Stiffler seg-Si。目前據信此可為經由在頂部介面上之成核形成之固體之完全重新熔融的結果。此外，薄於100 nm之膜亦可看見同時TR下降，然而，膜體積中潛在熱量表現為不充分而導致缺陷核心區域之更有效/廣泛重新熔融/重新凝固。
圖10A及圖10B描繪近期TR研究之結果。圖10A描繪無表面氧化物層在真空中之玻璃基板上之150 nm a-Si之FTR及BTR。曲線1400之底線係膜所經歷之照射。上述線係CMT之不同值之反射率值。圖10A中之x軸係以奈秒為單位之時間，y軸係反射率之正規化值。圖10B類似於圖10A，惟圖10B描繪空氣中之結果。圖10B示出在FTR在1.38 CMT之能量密度下下降之前BTR信號下降(位於曲線底部雷射信號上方之一系列信號)，其中FTR信號似乎與BTR同時開始下降。因此，甚至在無真空方案中，仍需較高能量來獲得seg-Si微結構。如圖10A及圖10B所示，由於固態及液態之間的反射率差異很大，故吾人可自TR資料區分從固態變換至液態之起點且反之亦然。考量FTR及BTR資料兩者及所得微結構(圖11B中所示)可推斷異質成核。圖11A描繪針對在1.32 CMT 1500下之空氣中及在1.4 CMT 1510之真空中之200 nm a-Si膜之以奈秒為單位之時間(x軸)對正 規化反射率值(y軸)之曲線。圖11B係空氣環境中獲得之微結構之影像。圖11C係真空環境中獲得之微結構之影像。如在兩個圖中可見，圖11B示出遍及膜之厚度1520之較大晶體。圖11C示出膜之表面附近之品質良好的晶體，但在與基板1540之介面附近品質較差之小晶體。因此，可見在表面上可發生反應以在表面上及底部介面上形成異質成核之氧化物層之空氣中非在異質成核僅可發生在底部介面上之真空中獲得真實3D seg-Si。
本方法特別關注製造底部閘極TFT，此係因為製造底部閘極TFT不同於製備小顆粒Si之許多其他方式(包括沉積技術)，底部處/附近的結晶具有低缺陷密度及較大的大小。因此，典型的底部閘極LTPS TFT遭遇低遷移率且亦可能遭遇高洩漏電流。製造底部閘極TFT需要在Si膜下方形成一經圖案化金屬膜(閘極)且該金屬膜藉由一絕緣層(閘極介電質)與Si膜分離。在雷射照射期間，此一金屬膜將用作一散熱片且將導致局部完全熔融臨限(CMT)能量密度移位。已發現，假設考量CMT之此局部移位，則用於達到seg-Si形成之條件仍保持不變。例如，對於藉由100 nm厚氧化物膜與矽膜分離之100 nm厚金屬，完全熔融臨限值之移位通常可高出15%至20%。用於seg-Si形成之一條件因此係以比局部CMT大1.3倍至1.4倍之一能量密度照射。必須注意，能量密度不能太高，否則會導致透過凝聚或燒蝕而損壞不具備散熱片之周圍膜。例如，對於100 nm金屬閘極之頂部上之 100 nm厚氧化物之頂部上之100 nm厚度之膜，可以1.4倍於局部完全熔融臨限值或近似1.61倍與1.68倍於周圍膜之完全熔融臨限值之間的局部完全熔融臨限值來照射，該臨限值低於膜之損壞臨限值。
Stiffler所使用之實驗條件稍微不同於本製程之條件。Stiffler使用一較短的雷射脈衝(30 ns對所揭示的近似80 ns)且亦使用更導熱基板：SOI(Si基板上之薄的250 nm SiO2之Si膜)或藍寶石上之Si。一般而言，均質成核需要極快速淬冷。包括玻璃基板及較長脈衝之當前揭示之製程之條件導致淬冷速度不快且因此降低均質成核之可能性且增加異質成核之可能性。Stiffler所使用的氧化物厚度不足以避免快速冷卻。因此，玻璃基板給定遠慢於Stiffler組態之冷卻。因此，本方法實施其中可藉由準確地瞭解所發生的情況而獲得Stiffler材料之有用、實際條件。
根據本揭示內容之實施例產生之樣本在塗佈SiO2的玻璃、石英(或亦氧化之Si晶圓)上包括100 nm至300 nm的Si膜。基於準分子雷射之系統(308 nm)用以以各種脈衝持續時間(30奈秒至250奈秒FWHM)及能量密度照射膜。使用前側及背側瞬變反射率量測執行現場分析。使用TEM進行照射材料之特徵化。亦參見Yikang「Vacuum Experiment Update：Microstructure analysis」(2009年9月2日)。
實例
對於大直徑TV，像素節距可為660 μm。運用一600 Hz雷射，掃描速度因此可為~40 cm/s。對於假設60%光學效率之~640 mJ/cm2脈衝，此一條件可使用塑形為100 μm×75 cm束之0.8 J脈衝而達成。接著，使用一4-管雷射，達成完全結晶需要5次重疊掃描。對於2.2×2.5 m2面板，結晶時間接著係三次平行掃描×(250 cm/40 cm/s)×5次重疊掃描=93.75 s。加速/減速消耗5秒鐘時間、平行掃描之間消耗10秒鐘時間且裝載及卸載消耗60秒鐘時間。接著，總處理時間係~95+5×5+2×10+60=200 s。更保守起見，可假定5分鐘的處理時間。接著該處理時間等於60/5×24×30=~8.5 k個面板/月。
習知20次衝擊(即，膜之每單位面積20個雷射脈衝)，ELA製程將需要同時觸發四個雷射管以得到400 μm×75 cm束。對於20次衝擊，掃描速度將因此為1.2 cm/s且結晶時間將為3×(250/1.2)=625 s。忽略加速/減速時間，總處理時間接著係625+2×10+60=705 s。更保守起見，可假設12.5分鐘處理時間，且生產量接著係約~3.4 k個面板/月。
雖然已展示且描述本發明之實例，但是熟習此項技術者將容易明白，在不脫離本發明之範疇之情況下可在其中作出各種改變及修改。例如，應明白，使一薄膜在一選定方向上前進可藉由使雷射光束保持靜止並相對於雷射源移動膜以及其中膜係靜止的且光束正在移動之實施例而完成。
用於薄膜之先進準分子雷射退火
本揭示內容之一態樣係關於新產生可以增加的有效結晶速率使大型顯示器之Si膜結晶之雷射結晶途徑。本發明之此態樣中提出的特定方案被稱為先進準分子雷射退火(AELA)方法，且該特定方案可容易經組態以製造大型有機發光二極體(OLED)TV(例如，55吋TV)。如在ELA中，AELA幾乎係一種基於部分-/近似-完全-熔融-體系之結晶途徑，然而，AELA最終可達成有效結晶速率增加的數量級比利用相同雷射源之習知ELA技術大1。AELA係一種選擇性區域結晶方法，其中用雷射光束之均勻頂帽部分以每掃描單次衝擊來照射所關注區域(例如，像素行)，即避免多次掃描光束-邊緣區域。在一些實施例中，以每掃描單次衝擊一次來照射多個像素行。在其他實施例中，一次掃描中的每次衝擊僅照射像素之一部分(例如，薄膜電晶體(TFT)或電容器)。
所述AELA方法可以有效結晶速率(與使用相同雷射源之習知ELA方法所期之速率相比)傳遞大量增益。AELA可主要由於以下原因而完成傳遞大量增益：(1)使膜均勻地結晶所需之脈衝數目潛在地大幅減小，此幾乎係藉由避免光束-邊緣區域且此外藉由對個別脈衝執行衝擊間最佳化而達成，(2)結晶區域潛在地減小，此係因為僅像素區域之一部分可能需要結晶區域，及(3)經由基於恆定且高速之連續掃描使用發射雷射脈衝之位置受控模式來有效地傳遞雷射功率。
OLED TV表示平板顯示器產業之 實質類型的新產品。(D.K.Flattery,C.R.Fincher,D.L.LeCloux,M.B.O’Regan及J.S.Richard,Information Display,27(2011)p.8)。此機會在發生時亦要求重新檢查並評估各種TFT技術。已成熟且佔優勢的a-Si：H TFT歸因於由低場效遷移率值及裝置穩定性引起之問題而被視為並非完全適用於該應用，且因此為該應用尋求一種更適合OLED之背板技術。背板技術指代用以製造用於平板顯示器之電晶體及電容器之技術。
尤其呈製造佔優勢的ELA方法之基於準分子雷射結晶之低溫多晶-Si(LTPS)TFT技術可被識別為該任務之明顯的候選者。(T.Sameshima及S.Usui,MRS Symp.Proc. 71(1986)p.435；J.S.Im,H.J.Kim及M.O.Thompson,Appl.Phys.Lett. 63(1993)p.1969；S.D.Brotherton,Semicond.Sci.Technol. 10(1995)p.721；S.Uchikoga及N.Ibaraki,Thin Solid Films,383(2001)p.19)。實際上，習知ELA方法近年來一直遭到重複不斷地批評且被摒棄，此係因為其一般不太適用於OLED顯示器且尤其不適用於大型OLED TV。因此，一直(且繼續)追求金屬-氧化物TFT及基於固相結晶技術作為替代性且具希望的「非雷射」背板技術候選者。(J.K.Jeong,Semicon.Sci.Technol. 26(2011)p.034008；C.Spinella,S.Lombardo,F.Priolo,J.Appl.Phys.,84(1998)p.5383；J.H.Choi,D.Y.Kim,S.J.Park,B.K.Choo及J.Jang,Thin Solid Films,427(2003)p.289)。
可認為大幅地消除先前針對OLED顯示器之ELA指出的許多技術問題。此可部分由ELA技術被證明在高產量製造行動電話及平板電腦之高解析度OLED螢幕方面成功而推斷出。ELA技術剩餘的問題係關於結晶之有效速率(其遠低於至少大型OLED TV應用所要的速率)。結晶之有效速率係處理基板面板之單位面積之速率，且該有效速率最終指示製程產出量、系統之月產量及與使用該方法相關之投資及操作成本-顯著用於決定技術之製造競爭性之所有臨界因數。大幅增加結晶之「每能量(per-power)」速率將在使該途徑更具吸引力的方面走得更長遠。
本揭示內容之AELA方法及系統藉由以下各者大幅增加有效的結晶速率：(1)認知且利用與OLED TV應用相關之特定技術要求，(2)識別且消除防止ELA方法之效率逐漸增加且變高之ELA問題(即，「邊緣」問題)，及(3)組態且實施允許以滿足上述考慮之方式有效地傳遞雷射功率之各種及已證實的技術元件。
OLED TV及ELA
開發針對大型OLED TV最佳化之背板技術需牢記的普遍點係：一般而言，TFT之有效通道遷移率可能遠低於製造高解析度行動顯示器(通常具有積體驅動器及其他電路)所需之通道遷移率。(J.S.Im及R.S.Sposili,MRS Bull. 21,No.3(1996)p.39)。OLED TV可接受較低遷移率裝置，此係因為此等TFT之主要目的係為滿足一致地驅動OLED 像素元件所需之當前相關要求。
對遷移率減小之此TFT容忍應被視為增加ELA方法之有效結晶速率之機會。(F.Simon,J.Brune及L Herbst,Appl.Surf.Sci. 252(2006)p.4402)。習知ELA途徑(其中近似分配20次衝擊以處理整個基板上方之區域)之結晶/功率效率相對較低之主要原因之一者係：為增加所得顆粒之大小及品質二者需要此等大約20次衝擊以實現製造基於行動LTPS之顯示器所需之高遷移率TFT。(F.Simon,J.Brune及L Herbst,Appl.Surf.Sci. 252(2006)p.4402)。因為可對OLED TV放鬆此要求，所以可大幅減小製造在一較低但仍充足的效能位準下運行之TFT所需的雷射衝擊之次數。
在與需要結晶處理之區域(即，其中必須產生多晶Si之區域)相關之幾何細節中可發現大型OLED TV之雷射結晶之額外的機會。例如，圖12描繪具有複數個像素行1202、1204、1206及1208之薄膜1200。各像素行含有複數個像素1210(例如，3個像素)。此例示性膜中所示之各像素具有三個部分：TFT區域1212、電容器區域1214及LED部分1214。TFT區域1212係其中隨後將形成TFT之膜1200之區域。如下文更詳細地論述，TFT區域1214具有最嚴格的結晶品質要求。電容器區域1214係其中隨後將形成電容器之區域。如下文更詳細地論述，電容器區域1214具有的結晶品質要求不如TFT區域1212嚴格。LED部分1214係其中將形成LED且完全無需結晶之像素之區域。雖然圖12示出具有 三個區域之像素1210中之三個區域，但是一些像素配置僅具有兩個區域：TFT區域及電容器區域。在此等實施例中，在TFT區域及電容器區域之頂部上形成LED。下文所述之方法同樣適用於任一組態。膜1200可為一薄膜(例如，半導體膜)，諸如矽。膜1200大體上沉積在一基板(例如，玻璃)上。雖然圖12示出TFT區域1212與電容器區域1214相鄰，但是TFT區域1212無需鄰接電容器區域1214，而是可稍微分開。進一步言之，雖然已就像素、TFT及電容器描述圖12，但是亦可在該膜之結晶裝置形成區域中形成任何裝置。
參考圖12，吾人可注意尺寸相對基本上開始之僅該膜之一部分及接著僅像素1210區域之一部分可需要處理。(即使在下一代超高密度(UHD)解析度下，情況仍將如此，無關於具有一底部發射或頂部發射結構之OLED裝置且無關於使用基於紅色、綠色、藍色(RGB)或白色OLED之組態之顯示器)。因此，吾人可藉由僅使需要結晶之區域結晶而節省大量的結晶時間及/或雷射功率，前提係實體上可以有效地利用雷射功率(即，無需在大幅減小頻率下操作或在處理時丟棄/浪費大部分功率，其二者將使最初增加結晶之速率及效率之初始目的失敗)之方式完成此任務。其次，以下係另外的情況：僅必須在一像素內結晶之總面積之一部分實際上將結束在製造TFT中使用且因此必須包括適合TFT的材料；品質較低的多晶材料可滿足其他區域(將在其中製造電容器)，此係因為多晶材料可滿足該等要 求。在此一情況中，吾人可考量使此等電容器區域有區別且甚至使用較少衝擊而更具功率效率低地結晶之可能性。
不幸的是，如下文論述，與大型OLED TV相關之前述提及的機會並非在習知ELA方法之框架內可藉由ELA在技術上開發且利用的機會。先前全方位服務於該方法(且順便提及總是可取且有利)之裝備及製程相關進展及最佳化的類型將不會賦予該方法完全利用大型OLED顯示器特定應用機會之可能性。
ELA束之前緣上之結晶
緩慢掃描束之前緣上表現的結晶相關問題對應於最終限制效率之習知ELA製程之固有態樣。由於束平移，在前緣上產生一第一衝擊結晶區域，在該前緣內(1)一非晶相與結晶相(在較高能量密度下發生之後續照射期間將不同地結晶)之間存在一陡峭邊界，(2)獲得具有超小顆粒之微結構之區域(因為在最低可能的能量密度下必須存在不可避免地普遍經由間接熔融爆炸結晶而結晶之區域)，及(3)不可避免地存在具有不均勻微結構及表面形態之結晶區域(因為該區域係用一系列能量密度照射)，此係因為束邊緣分佈顯然不均勻。(J.S.Im,H.J.Kim及M.O.Thompson,Appl.Phys.Lett.63(1993)p.1969；Q.Hu,C.S.Lee,T.Li,Y.Deng,U.J.Chung,A.B.Limanov,A.M.Chitu,M.O.Thompson及J.S.Im,MRS Symp.Proc.1321(2011)p.197)。圖13A係經由ELA處理之 薄膜之圖示。如所示，ELA膜具有週期不均勻性。區域1300表示具有具備均勻顆粒大小(例如，308 nm)之規則的顆粒1302之膜之高度規則部分。然而，ELA膜在該等高度規則區域1300之間具有週期不均勻性1304。
由於前述提及的因數，無法充分利用僅僅減小ELA製程衝擊次數以(藉由增加該等衝擊之間之步距)對應地增加LA製程之有效結晶速率之可能性。對於一給定束分佈，減小衝擊次數將不可避免地導致實體上大量存在將定期地顯現之不均勻性漸增區域；雖然易於藉由僅僅減小衝擊次數而獲得具有較小平均顆粒大小之材料(以產生仍具有足夠平均的遷移值之TFT)，但是在前緣處(由於與間接熔融結晶動態相關之基本原理)會伴隨產生顯得更嚴重之微結構不均勻問題，微結構不均勻問題將最終限制努力成功的程度。(J.S.Im,H.J.Kim及M.O.Thompson,Appl.Phys.Lett. 63(1993)p.1969；Q.Hu,C.S.Lee,T.Li,Y.Deng,U.J.Chung,A.B.Limanov,A.M.Chitu,M.O.Thompson及J.S.Im,MRS Symp.Proc. 1321(2011)p.197)。
一種認知邊緣問題對應於習知ELA方法之固有且不可避免特徵(且因此實際上不同於主要由藉由具有不良特性之雷射及束引入之不均勻性引起的通常提及的ELA問題)之程度之方式係設想使用「完美」的ELA系統來執行該製程。考量由以下各者組成之系統：(1)具有零脈衝間能量波動之雷射，及(2)產生具有完全均勻且精確塑形之空間分佈之 入射束之光學組件；具有一組理想規範之此一假想系統無法消除邊緣問題。(注意，藉由降低邊緣分佈之斜率部分改善該狀況並非儘可能免費，且並未消除上文提及的相界及爆炸結晶因數)。因為該習知ELA方法經組態且開發以使基本上整個顯示區域「全面地」結晶，所以以像素/子像素級實施選擇性及區域減小的結晶之任何可能性並非僅僅係習知ELA方法可考量之選擇。
先進的ELA方法：技術元件
如上所述，習知ELA方法藉由在a-Si膜上方相對於一膜垂直於長度低速地平移長且狹窄的頂帽狀束(即，具有高縱橫比之束)使該等膜結晶。緩慢地掃描該束，使得該束疊覆大約該束寬之均勻頂帽部分的95%(在該製程中傳遞約20次衝擊)以使藉由束掃描之基板之整個區域完全結晶。(要求苛刻的應用需要高的微結構均勻度(例如，OLED顯示器通常可需要更高的衝擊次數))。運用AELA方法，併有且利用區分該方法之下列技術基本原理以在能量及時間上有效地降低束進入顯示器之一非臨界部分中之邊緣面積，同時實現對像素內之預選定區域之多脈衝照射。
位置受控照射
AELA方法之基礎技術元件之一者對應於膜之位置受控結晶。圖14A係根據本揭示內容之實施例膜1402上方具有配置成行1420至1424之複數個像素1404至1418之頂帽狀束1400之掃描之圖示，各像素具有待結晶之區域1426至1436。此處如圖14A中所示， 基本思想係使用具有足夠狹窄邊緣之適當頂帽狀束以使用該頂帽束之均勻部分處理行像素之臨界區域，而邊緣區域定位於佈局之非臨界部分中。圖式示出如何使用(如上所述之)頂帽狀光束1400之均勻部分以「泛射式」照射一行像素1422。束1400照射該等像素1404至1418內之待結晶之區域1426至1436，同時以恆定高速移動。以位置受控方式觸發下一次衝擊1446以符合並照射待結晶之下一行1424。位置控制亦確保頂帽狀光束1400之邊緣區域在所關注區域1426至1436外部，即，所關注區域1426至1436僅僅由頂帽束1400之均勻部分照射。進一步言之，每次掃描僅使各所關注區域1426至1436照射一次，即，單次衝擊掃描。如本文中所使用，「衝擊」指代照射具有該膜之區域。「掃描」指代透過該膜之所關注區域之一序列連續「衝擊」處理整個膜。
頂帽狀束1400可為使用雷射產生之線束。束1400可取決於待結晶之區域1426至1436之寬度及膜之像素節距(像素之間隔)具有約5微米至約100微米之寬度。在一些實施例中，取決於所要照射方案，束之寬度可經定大小小於一個像素寬度(例如，TFT或電容器之寬度)；大於一個像素寬度且小於兩個像素之寬度；或大於兩個像素之寬度。可透過使用光學件修正束以最小化邊緣區域且最大化均勻頂帽部分。如圖14C中所見(與上文圖5B相比)，使用一般技術者所瞭解的束修正技術，可修正束1450使得最大化均勻區域1452 並最小化邊緣區域1454、1456。此修正亦可藉由減小大於膜之結晶臨限值1458之邊緣區域之寬度來減小導致結晶之邊緣區域。因此，在束之不均勻邊緣區域中，僅熔融並結晶小部分膜。
待結晶之區域1426至1436可為整個像素、像素內之TFT、像素內之電容器、像素及像素內之電容器二者或複數個像素行(下文論述)。
圖14B示意地示出根據本揭示內容之實施例跨薄膜1402平移束1400。因為最佳地結晶所關注區域需要多個脈衝且膜之每次掃描僅傳遞一單個衝擊給各所關注區域，所以最佳地結晶所關注區域需要多次來回掃描。因此，如圖14B中所示，在一個方向上執行第一次掃描1405。一旦完成第一次掃描1405，顛倒膜之移動方向且在相反方向上執行第二掃描1460。在取決於所需品質處理各所關注區域達必需次數(例如，2次至10次)之前重複此方法。例如，對於TFT，可處理TFT之所關注區域達4次至10次。對於電容器，可處理所關注區域達2次至4次。在一些實施例中，在完成一次掃描之後，膜返回至其開始位置且在與第一掃描相同之方向(而非相反方向)上再次掃描該膜。
以恆定高速進行連續掃描
最簡單地可藉由精確定位束、照射區域且接著進入待照射之下一個區域並重複該循環執行以位置受控方式照射可實體上彼此分開之區域。然而，此解決方法導致在單獨 加速及減速脈衝之間之束/階段時浪費大量時間且不可接受。第二AELA元件係關於藉由照射需要結晶的區域同時以極高平移速度連續且恆定地移動束或樣本(如藉由雷射脈衝頻率及待照射之相鄰區域之幾何形狀指示)及使用階段-位置-受控雷射-脈衝發射能力以在空間精度之所需位準下傳遞束來避免此一情形；避免樣本平移速度之任何變動。
經由多次掃描進行多次衝擊處理
為產生將提供令人滿意的效能位準之多晶Si膜，最可能必須用多次衝擊來泛射式照射結晶區域。(至少最初情況應如此；最終吾人可預想採用基於單次衝擊之結晶技術之可能性，諸如完全熔融結晶(CMC)(Y.Deng,Q.Hu,U.J.Chung,A.M.Chitu,A.B.Limanov及J.S.Im,MRS Symp.Proc. 1245(2010)p.257)或使用時間上經修改/展寬脈衝之部分熔融結晶(PMC)(Q.Hu,C.S.Lee,T.Li,Y.Deng,U.J.Chung,A.B.Limanov,A.M.Chitu,M.O.Thompson及J.S.Im,MRS Symp.Proc. 1321(2011)p.197))。至少對於大型OLED TV，AELA方法之第三元件透過多次掃描區域(參見圖14B)並同時實施上述技術元件維持此多次衝擊要求，直到給預先選定區域傳遞必要次數的衝擊。可經實施以改良使用一空間不均勻束處理之結晶材料之均勻性之一種有用的結晶選擇對應於在線束平行方向上(該束在掃描之間之顯示區域外部)(圖7中所示)，且在垂直方向上(在照射像素行期間)特意引入束之有限平移/再定位，以防止 用該束內之熱(或冷)點重複地照射區域。
AELA膜
圖15A經先進準分子雷射退火(AELA)處理之膜之顆粒結構之圖示。經ALEA處理之膜1500具有隨機但均勻微結構的晶體顆粒1502。如圖示及影像二者所示，經AELA處理之膜具有規則、均勻、等軸、等方性顆粒圖案。等軸晶體指代具有近似相同長度之軸之晶體。相等軸長度之晶體具有更多平面(可在其上滑動)且因此具有較高的強度及延展性。
每次掃描經由連續發射進行多次衝擊
如上所述，對於其中使用多個管之大功率雷射，吾人可在每次掃描期間執行多次衝擊，衝擊次數潛在地多達雷射中管之數量。掃描期間對多次衝擊照射之區域之發射次數可與系統中雷射管之數量一樣多，前提係各管可產生具有足夠能量之脈衝以產生充分長且充分寬的束。此可僅藉由非同時循序且快速發射該等管而完成，此係因為束相對於樣本快速移動；脈衝之間之短且精確受控的時間間隔(在幾十微秒之範圍中)意味著此等循序衝擊之間可發生相當不明顯的平移，藉此導致甚至以極高AELA平移速度對照射區域進行多次衝擊處理。由膜/基板之背景溫度之細微增加引起的任何潛在問題可藉由適當地調整後續脈衝之能量密度而加以解決。當最佳地實施時，此連續循序發射選擇可(1)允許有效利用由基於多個管之雷射系統產生之大量功率，(2) 藉由減小所需掃描次數減小總體處理時間(且藉此降低各掃描之後與減速及加速台相關之「浪費」時間的總量)，及(3)降低樣本平移速度，進而使精確運動控制任務更易於管理。以脈衝之間之精確受控時間間隔循序發射多個雷射管之能力亦可有利於不一定彼此等距之分離且重複區域之單次衝擊照射(在一次掃描期間)。如下文所述，可使用循序發射來達成差分結晶。
多個像素之照射
取決於顯示器及AELA系統相關因數之特定組合，可有利於每次衝擊處理二或更多行像素。當像素之尺寸與束之寬度相比而為小時，情況尤為如此(但非限於該情況)。此處，可用每次衝擊處理多個像素區域，且可控制平移速度使得每次衝擊步進一個像素距離或每次衝擊以按比例增高的速度步進多個像素距離。
圖16描繪根據本揭示內容之實施例頂帽狀束1601在具有複數個配置成行1602至1606之像素1608至1630之膜1600上方掃描之圖示，其中膜1600之各照射覆蓋一個以上像素行。例如，束1601經適當定大小以在一次衝擊1632中照射兩個像素行1602、1604。掃描之第二次衝擊1634照射緊接著的兩個像素行1605、1606。雖然圖16示出兩個整個像素行之照射，但是位置受控束1601亦可經定大小且經定位，且可以此一方式移動該膜1600以照射多個像素行之部分(而非各行中之整個像素)，或可在一次衝擊中照射三 個、四個、五個或更多個像素行。亦可考量同時使用根據待結晶區域之幾何細節而最佳地塑形且定位之多個束更具功率效率地照射多個像素。
AELA方法之益處
可充分利用上述AELA技術元件以明確且靈活地區分該方法與習知ELA方法。與使用相同雷射源之習知ELA方法相比，利用且最佳化此等新的能力及益處(此等新的能力及益處之一些在下文列出)最終可導致大幅增加總體結晶速率。
衝擊次數減小
與AELA方法相關之主要益處之一者係，運用其位置受控照射能力，該等裝置可藉由僅使有問題的邊緣區域降位為顯示器之未經利用或較少利用之裝置臨界區域來完全避免該等有問題的邊緣區域。此解決方法使妨礙習知ELA方法利用「較低遷移率」機會之效能-均勻性相關性完全解耦。運用AELA，可使用顯著減小的衝擊次數獲得顆粒小(以及大)且均勻的多晶膜。在改良雷射及束相關特性之限制中，可實施基於單次衝擊之PMC(F.Simon、J.Brune及L Herbst,Appl.Surf.Sci. 252(2006)p.4402)或兩次衝擊AELA技術。
此外，束之空間分佈及平移步距不再限制且指示AELA製程之能量密度序列(即，能量密度對衝擊次數)。而是，現在可考量照射參數(例如，能量密度、脈衝持續時間等等)之衝擊間調整。此能力賦予先前所未能達到之位準的靈活度以(一般而言)最佳化 製程且(特定言之)減小衝擊次數。此處，可將第一脈衝識別為最臨界衝擊。該衝擊實際上使非晶膜結晶，且其中面臨涉及Si之所有三個凝相之複雜的熔融及凝固序列；該等過渡之細節判定所得多晶微結構及表面形態繼而影響膜之後續演進。特別重要的是，現在可在任何入射能量密度(包括高值且尤其在高值下)首次衝擊照射該膜；此與其中前緣處之區域總是不可避免地以最低可能性的結晶值首次衝擊結晶之ELA方法形成對比，其中間接熔化劇增結晶導致產生極具缺陷的精細顆粒材料。處置多晶膜之部分熔融之額外及後續衝擊亦可經進一步調整以允許使用最少數量之脈衝快速產生將產生具有充分的遷移率、穩定性及洩露電流特性之均勻TFT之膜。
差分結晶
運用AELA，吾人亦可考量使像素區域內之不同區域不同地結晶之可能性，且藉此進一步減小處理基板所需之總功率(且增加製程中結晶之有效速率)。例如，如圖12中所示，典型的像素結構由電容器佔據之區域及其中放置TFT之區域(通常較小)組成。因為電容器所需之結晶Si之微結構品質大體上低於製造TFT所需之微結構品質，所以若適當地組態各種技術元件且當適當地組態各種技術元件時，吾人可受益於基本上進一步減小用於處理此一區域之衝擊次數且受益於相應地增加結晶之有效速率。
圖17A描繪根據本揭示內容之實施例頂帽狀束1701在複數個具有配置成行 1702至1708之像素1710至1732之膜1700上方掃描之圖示，其中膜1700之每次照射覆蓋像素行1734至1756之第一部分。例如，束1701經適當地定大小以在一次衝擊1760中僅照射像素行1702之第一部分1734至1738。掃描之第二次衝擊1762照射第二像素行1762之緊接著的第一部分1740至1744。第三次衝擊1764照射第三像素行1706之緊接著的第一部分1746至1750，且第四次衝擊1706照射第四像素行1708之緊接著的第一部分1752至1756等等，直到照射整個像素行。在發生第一部分1734至1756之所要照射次數之前可在後續掃描中照射第一部分1734至1756。
圖17B描繪根據本揭示內容之實施例頂帽狀束1701在具有複數個配置成行1702至1708之像素1710至1732之膜1700上方掃描之圖示，其中膜1700之每次照射覆蓋像素行1768至1790之第二部分。例如，束1792經適當地定大小以在一次衝擊1793中僅照射像素行1702之第二部分1768至1772。掃描之第二次衝擊1794照射第二像素行1704之緊接著的第二部分1774至1778。第三次衝擊1795照射第三像素行1706之緊接著的第二部分1780至1784，且第四次衝擊1796照射第四像素行1708之緊接著的部分1786至1790等等，直到照射整個像素行。在發生第二部分1768至1790之所要照射次數之前可在後續掃描中照射第二部分1768至1790。
在一實施例中，該等第一部分1734至1756對應於其中隨後將形成TFT之區域。在 此情況下，可照射第一部分1734至1756達約4次至約10次之間的次數以在第一部分1734至1756中產生所要結晶結構。第二部分可對應於其中將形成電容器之區域。在此情況下，第二部分1768至1790可照射1次至4次以達成所要結晶結構。
圖18A描繪根據本發明之實施例頂帽狀束1801在具有複數個配置成行1802至1808之像素1810至1832之膜1800上方掃描之圖示，其中膜1800之每次照射覆蓋第一像素行1834至1838之第一部分及第二像素行1840至1844之第一部分，進而組合多個像素行及差分結晶。例如，束1801經適當地定大小以在第一次衝擊1802中照射第一像素行1884至1844之第一部分及第二像素行1840至1844之第一部分，且在第二次衝擊1863中照射第三像素行1846至1850及第四像素行1852至1856之第一部分。在發生第一部分1834至1856之所要照射次數之前可在後續掃描中照射第一部分1834至1856。
圖18B描繪根據本揭示內容之實施例頂帽狀束1876在具有複數個配置成行1802至1808之像素1810至1832之膜1800上方掃描之圖示，其中膜1800之每次照射覆蓋第一像素行1864至1868之第二部分及第二像素行1870至1874之第一部分，進而組合多個像素行及差分結晶。例如，束1876經適當地定大小為第一像素行1864至1868之第二部分及第二像素行1870至1874之第一部分。在發生第一部分1864至1868之所要照射次數之前可在後續掃 描中照射第二部分1864至1868。此外，透過衝擊1878及1880使第二部分之剩餘部分結晶。
在一實施例中，該等第一部分可對應於其中隨後將形成TFT之區域。在此情況下，可照射第一部分達約4次至約10次之間的次數以在第一部分中產生所要結晶結構。第二部分可對應於其中將形成電容器之區域。在此情況下，第二部分可照射1次至4次以達成所要結晶結構。
圖19A係根據本揭示內容之實施例使用差分結晶之經先進準分子雷射退火(AELA)處理之膜之顆粒結構之圖示。圖19A描繪具有用於後續裝置形成之複數個結晶區域1902、1904之膜1900。各結晶區域1902、1904包括兩個子區域：大顆粒區域1908、1912及小顆粒區域1906及1910。該兩個區域皆具有均勻、規則、等軸、等方性顆粒圖案。然而，因為大顆粒區域1908、1912已被照射之次數多於小顆粒區域1906及1910，所以大顆粒區域1908、1912具有大於小顆粒區域1906及1910之顆粒。因此，將有可能在較大顆粒區域1908、1912中形成TFT且將在小顆粒區域1906及1910中形成電容器。
圖20係根據本揭示內容之實施例針對差分結晶頂帽狀束在具有複數個配置成行之像素之膜上方掃描之圖示。在圖10之方法中，膜2000包括裝置區域2004至2014。各裝置區域對應於待結晶之區域且其中將形成諸如像素、電晶體及/或電容器之後續裝置。各裝置區域2004至2014包括兩個子區域2016至 2038。在第一脈衝2002中，束照射區域2040中之膜2000，進而照射子區域2020至2030。在第二脈衝2042中，該束照射子區域2028至2038中之膜2000。因此，在兩個脈衝之後，一些子區域2028、2030被照射兩次，而其他子區域2020至2026及2032至2038僅被照射一次。因此，若吾人以此方式掃描整個膜，則在一次掃描之後，該膜將含有被照射一次之一些區域(用於電容器形成之小顆粒區域)及被照射兩次之一些區域(用於TFT形成之大顆粒區域)。此外，若對膜執行兩次掃描，則一些區域將被照射兩次且一些區域將被照射四次。
可使用一雷射或運用使用多個雷射/管之循序發射技術達成差分結晶。藉由控制膜之平移速度及雷射之能量，可使用循序發射以產生不同或疊覆區域，其中各區域具有不同的結晶特性。因此，循序發射可用以產生具有不同的結晶性質之分離的不同區域，或可用以產生具有不同結晶性質之多個疊覆區域。例如，當使用循序發射且來自第一雷射/管之第一脈衝與來自一第二雷射/真空管之一第二脈衝疊覆時，所得膜將具有對應於該第一脈衝之第一結晶區域、對應於該第二脈衝之第二結晶區域及對應於該第一脈衝與該第二脈衝之間之疊覆之第三結晶區域。該第一脈衝/衝擊與該第二脈衝/衝擊之間之疊覆範圍可自最小地疊覆至幾乎完全疊覆。此外，每個區域可使用多次掃描以達成所需衝擊。
區域減小的結晶
使用AELA使區域減小的膜部分結 晶之選擇及機會提出增加結晶之有效速率之途徑。如之前暗指，此可能係因為(1)像素在空間上係以重複週期性方式配置，(2)大型OLED TV之像素尺寸不再極小，(3)僅使像素區域之一部分均勻地結晶係可行的且足以僅使像素區域之一部分均勻地結晶，及(4)在AELA中可僅將雷射功率分配給功率損失量可忽略之選定區域同時以大功率位準運行。
如由上文列出的益處可推斷出，至少在OLED TV之情況中藉由背離習知ELA方法之成熟且長期改善的公式可得到更多。AELA方法係關於僅將最小數量之均勻塑形且精確定製的束脈衝傳遞給需要被均勻地結晶之位置。可就AELA之優越生產率得出AELA優於ELA之主要貢獻；AELA可傳遞的生產率位準高於可使用ELA運用相同雷射達成之生產率位準。
AELA系統
AELA方法之一態樣涉及可實施AELA方法之方式及可進一步演進及共同演進該方法及顯示技術之各種潛在方式。在各種LTPS製造環境中已開發且測試用於實施AELA所需的許多技術元件及能力。(F.Simon、J.Brune及L Herbst,Appl.Surf.Sci. 252(2006)p.4402；J.S.Im、A.B.Limanov,P.C.van der Wilt,U.J.Chung,A.M.Chitu,Information Display,9(2007)p.14)。鑒於此背景，可使用用於習知ELA系統(其中頂帽狀束長度為約75 cm且寬度為幾百微米)之雷射及光學組件及用於第4代製造循序側向凝固(SLS)系統之 高速運動控制技術組態並開發第一代AELA系統。用於能夠精確高速平移之SLS系統之空氣軸承線性馬達台已被開發用於處置用於其他應用之較大基板且已可用於第8代基板。額外的重要因數係AELA系統完全回溯相容；其直接使用AELA系統以執行ELA(在一基板內選擇性地執行ELA或處理整個基板)。此回溯相容應大幅減小與採用此新方法相關之風險。此等因數應基本上消除延長的初始研發/評估週期且使AELA能夠容易地被接納為一種新的製造方法。最後，應注意可幾乎藉由以較高能量密度照射膜而最佳化AELA以亦提供用於製造約100 cm2/Vsec至200 cm2/Vsec之範圍中之高遷移率TFT之均勻的大顆粒多晶膜；由於先前提及的原因，與ELA相比應可以較高的有效結晶速率/減小的衝擊次數完成AELA。此高效能TFT經由AELA之可用性意味著：對於任何可能產品及製造，可藉由ALEA完全解決將需要或受益於此等高遷移率TFT之可用性之路線圖方案(例如，高亮度、高解析度及高刷新率的LCD及OLED顯示器)；就目前而言，包括利用金屬氧化物TFT、直接沉積或固相結晶技術之方法之基本上所有其他「非雷射」方法大概無法如此容易地適應需要路線方案之此等高遷移率TFT。總而言之，上文枚舉之各種因素應有助於基本上消除延長的初始研發/評估週期且使AELA能夠容易地實施為一種新的製造方法。
例如，圖21描繪例示性AELA系統。圖21示出基本上類似於用於圖3A中所示之非週期性脈衝ELA之系統之系統，惟僅使用一 個準分子雷射110以外。在一些實施例中，台180係一高速運動控制SLS台。
一般而言，在結晶期間膜本身無需移動；可跨膜掃描雷射束或界定雷射束形狀之遮罩而非提供照射區域與膜之相對運動。然而，相對於雷射束移動膜可在各後續照射事件期間提供均勻性改良的雷射束。
一旦藉由利用已經可用的事物而啟動，AELA方法應能夠藉由利用可進一步完成的事物來保持進步的動力。此可涉及最佳化AELA及顯示器相關細節之各種態樣。在此，吾人可預想可如何全部最佳化以下各者以保持AELA方法之生產率之持續增長：(1)結晶微結構/TFT效能，(2)裝置、電路及像素佈局，及(3)雷射及光束相關細節。當最佳地設計此等因數以充分利用由AELA供應之基本優點及靈活性時，可使用比可達成的有效結晶速率增加大1個數量級(當與藉由使用習知ELA方法基於相同雷射源而完成之有效結晶速率增加的數量級相比)之一組實際參數來評估。隨著有效結晶速率增加，結晶系統生產量由於諸如裝載基板及卸載基板耗費的時間之其他因數而逐漸變為負擔。運用AELA，可充分降低結晶時間以保證多腔室/單個雷射組態之系統改善該情形。
雖然AELA十分靈活且明確地經充分匹配以製造大型OLED TV，但是在較高像素密度下較小顯示器可使用該方法之程度尚不明瞭。AELA可為用於製造高解析度平板電腦/筆記型電腦LCD/OLED螢幕之可行方法。(該方 法應至少比習知ELA方法更為有效，該方法目前被許多人視為用於生產此等顯示器之產量-製造最相容的選擇)。對於此等產品，使用具有明確界定的邊緣之許多像素寬的束進行多像素處理可能係至少部分實施且相應地部分受益於AELA之一些元件之一種方式。或者，該情形可充分適用於使用在減小每個脈衝能量下採用高頻率之大功率雷射之薄束準分子雷射結晶系統來實施AELA。(應注意，基於薄束及基於投影之準分子雷射結晶方法亦皆可經組態以藉由僅對選定區域執行區域減小的結晶來提升生產量。)(D.S.Knowles、J.Y.Park、C.Im、P.Das、T.Hoffman、B.Burfeindt、H.Muenz、A.Herkommer、P.C.van der Wilt、A.B.Limanov及J.S.Im,Proc.SID 36,(2005)p.503；R.S.Sposili及J.S.Im,Appl.Phys.A. A67(1998)p.273；R.S.Sposili及J.S.Im,Appl.Phys.Lett. 69(1996)p.2864；J.S.Im,M.A.Crowder、R.S.Sposili、J.P.Leonard、H.J.Kim、J.H.Yoon、V.V.Gupta、H.J.Song及H.S.Cho,Phys.Stat.Solidi A,166,603(1998))。
即使影響及重要性不及前緣，束之後緣亦極為重要，此係因為後緣可另外引入微結構及/或表面形態相關不均勻性之程度；運用AELA，容易且優先解決此等問題。對於多行寬的束，可藉由適當地調整束及邊緣之寬度來管理後緣。
最後，由AELA系統提供的優點及能力無需限於結晶。系統之本質在於其在且僅 在需要照射之區域處有效地傳遞充分定義的功率量之能力。因此，可考慮對其他潛在製程及應用(例如，雷射摻雜及活化、雷射圖案化及燒蝕等等)使用該等系統。
位置受控ELA技術
對於小的螢幕應用(例如，平板電腦或電話)，像素節距較小，進而使得使用AELA進行選擇性區域結晶更為困難。因此，對於此等應用，大體上較佳地使整個膜結晶。然而，如圖13A及圖13B中所示，運用現有的ELA技術，所得膜可具有週期不均勻性，進而可導致不良品質的顯示器。因此，已開發一種新的ELA方法(ELA+)以消除ELA之不均勻問題且減小對膜之衝擊次數。如圖14C中所示，ELA+使用明確界定的光束以跨整個膜進行位置受控ELA。ELA+位置受控，此係因為當ELA導致不均勻性不受控制時，在ELA+中可策略性地評定不均勻性，使得後續形成之像素將不會置於膜之不均勻區域中。此可藉由使用大小大於兩個裝置形成區域之寬度(例如，兩個、三個、四個或多達十個裝置形成區域之寬度)之束且謹慎地控制束之第一次照射與束之第二次照射之間之疊覆區域而完成。
圖22係根據本揭示內容之實施例頂帽狀束在具有複數個配置成行2202至2214之像素之膜2200上方掃描之圖示。束2216經定大小使得在一次衝擊2222中，照射三個像素行2202至2206。接著，(透過膜2200或該束本身的移動)使該束前進，且在第二次脈衝2218中，照射緊接著的三個像素行2208至222。第 三次衝擊2220照射行2214及緊接著的兩行等等，直到照射整個膜。藉由將該束定大小為該膜之像素節距，均勻地照射含有像素之區域且在衝擊/脈衝2224、2226之間定位不均勻區域。
上述膜可為易受雷射照射處理影響之任何類型的半導體或氧化物膜。例如，該膜可包括矽、鍺、氧化物或複合半導體(例如，砷化鎵)。例示性氧化物膜包括氧化鈦及氧化鋅膜，其中氧化鋅膜可包括銦鎵鋅氧化物。在一些實施例中，可修改氧化物膜之照射以調整氧化物膜之熔融及凝固之參數或產生不熔融膜之固態退火製程。
雖然已示出且描述本發明之實例，但是熟習此項技術者將容易明白，在不脫離本發明之範疇之情況下可在其中作出各種改變及修改。熟習此項技術者將認知或能夠確認：僅僅對本文所述之特定成份及程序使用常規實驗、數種等效物。此等等效物被視為在本發明之範疇內且由下列申請專利範圍涵蓋。
1400‧‧‧照射曲線
1402‧‧‧膜
1404-1412‧‧‧像素
1426-1436‧‧‧區域
1446‧‧‧下一次衝擊
1452‧‧‧均勻區域
1454‧‧‧邊緣區域
1456‧‧‧邊緣區域
1458‧‧‧結晶臨限值

Claims (31)

  1. 一種用於使一薄膜結晶之方法，該方法包括以下步驟：提供具有複數個裝置形成區域之一薄膜；產生具有一均勻部分及兩個邊緣部分之一線束，當在一第一方向上持續平移薄膜半導體時，用該線束之該均勻部分照射一第一裝置形成區域；及用該線束之該均勻部分照射一第二裝置形成區域，該第二裝置形成區域與該第一裝置形成區域不同。
  2. 如請求項1之方法，其中該第一裝置形成區域疊覆該第二裝置形成區域。
  3. 如請求項1或請求項2之方法，該方法包括以下步驟：持續照射連續裝置形成區域直至該各裝置形成區域已被照射至少一次。
  4. 如請求項1或請求項2之方法，該方法包括以下步驟：在各裝置形成區域已被照射至少一次後，在照射連續裝置形成區域的同時，在與該第一方向相反的一第二方向上持續平移該膜。
  5. 如請求項1或請求項2之方法，該方法包括以下步驟：在各裝置形成區域已被照射至少一次後，將該膜平移回至一起始位置且在該第一方向上持續平移該膜，照射連續裝置形成區域。
  6. 如請求項1或請求項2之方法，該方法包括以下步驟：在各裝置形成區域已被照射至少一次後，在垂直於該第一方向之一方向上轉移該膜。
  7. 如請求項1或請求項2之方法，該方法包括以下步驟：在各裝置形成區域已被照射一次後，在平行於該第一方向之一方向上轉移該膜。
  8. 如請求項1或請求項2之方法，該方法包括以下步驟：照射各裝置形成區域至少兩次。
  9. 如請求項1或請求項2之方法，該方法包括以下步驟：照射各裝置形成區域至少四次。
  10. 如請求項1或請求項2之方法，該方法包括以下步驟：照射各裝置形成區域至少六次。
  11. 如請求項1或請求項2之方法，其中該裝置形成區域包括其中待形成一像素之一區域。
  12. 如請求項1或請求項2之方法，其中該裝置形成區域包括其中待形成一薄膜電晶體之一區域。
  13. 如請求項1或請求項2之方法，其中該裝置形成區域包括其中待形成電容器之一區域。
  14. 如請求項1或請求項2之方法，該方法包括以下步驟：在鄰近該第一裝置形成區域之一電容器區域中形成一電容器。
  15. 如請求項1或請求項2之方法，其中該裝置形成區域包括其中待形成一薄膜電晶體行之一區域。
  16. 如請求項1或請求項2之方法，其中該裝置形成區域包括其中待形成複數行裝置之一區域。
  17. 如請求項1或請求項2之方法，其中該裝置形成區域包括第一行裝置之一部分及第二行裝置之一部分，其中第一行裝置之該部分接近第二行裝置之該部分。
  18. 如請求項1或請求項2之方法，其中該裝置形成區域包括一第一行像素中之一區域及一第二行像素中之一區域。
  19. 如請求項1或請求項2之方法，其中該線束具有足以使該膜部分熔融之一通量。
  20. 如請求項1或請求項2之方法，其中該線束具有足以使該膜完全熔融之一通量。
  21. 如請求項1或請求項2之方法，其中該線束具有足以使該膜接近完全熔融之一通量。
  22. 如請求項1或請求項2之方法，其中該線束具有低於該部分熔融臨限值但足以修改該薄膜之結構之一通量。
  23. 如請求項1或請求項2之方法，其中該膜包括一半導體膜。
  24. 一種用於使一薄膜結晶之系統，該系統包括：用於產生具有一均勻部分及兩個邊緣部分之一線束之光學件；及一電腦控制台，其中該電腦控制台固持具有複數個裝置形成區域之一薄膜且經程式化以在一第一方向上持續平移該台，以使該束用該線束之該均勻部分照射一第一裝置形成區域；及用該線束之該均勻部分照射與該第一裝置形成區域不同之一第二裝置形成區域。
  25. 一種薄膜，該薄膜包括：複數個裝置形成區域，其中各區域包括一第一結晶部分及一第二結晶部分，其中該第一結晶部分及該第二結晶部分兩者包括均勻等方性晶體顆粒且該第一結晶部分具有大於該第二結晶部分之晶體顆粒。
  26. 如請求項25之薄膜，其中該複數個區域包括至少一第一行裝置形成區域及一第二行裝置形成區域。
  27. 如請求項25或請求項26之薄膜，其中該第一行之一第一結晶部分定位為接近該第二行之一第一結晶部分。
  28. 如請求項25或請求項26之薄膜，其中該第一行之一第二結晶部分定位為接近該第二行之一第二結晶部分。
  29. 一種用於使一薄膜結晶之方法，該方法包括以下步驟：提供具有配置成複數行之複數個裝置形成區域之一薄膜；產生具有一均勻部分及兩個邊緣部分之一線束，當在一第一方向上持續平移該薄膜半導體時，用具有一第一數量之束脈衝之該線束之該均勻部分照射一第一行裝置形成區域；用具有一第二數量之束脈衝之該線束之該均勻部分照射一第二行裝置形成區域；及用具有一第二數量之束脈衝之該線束之該均勻部分照射一第三行裝置形成區域，其中該第一行接近該第二行且該第三行與該第二行隔開。
  30. 如請求項29之方法，其中該第一數量之束脈衝大於該第二數量之束脈衝。
  31. 如請求項29或請求項30之方法，其中該第二數量之束脈衝大於該第一數量之束脈衝。
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