TWI356206B - Beam homogenizer, laser irradiation apparatus, and - Google Patents
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Description
1356206 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明關於光束均勻器，使照在某區域之表面上的光 束點均勻。本發明也關於雷射照射裝置，以雷射點射照表 面。再者’本發明也關於製造半導體裝置的方法，使用以 雷射照射裝置形成的結晶半導體膜。 術 技 前 先 近年來’廣泛硏究結晶或提高非晶半導體膜或結晶半 r 導體膜（諸如多晶或微晶之具有晶性的半導體膜，非單 晶）之晶性的技術，也就是說，非單晶的半導體膜（稱爲 非單晶半導體膜）以雷射退火形成於諸如玻璃基底的絕緣 表面上。 相較於傳統使用的石英基底，玻璃基底的優點是便宜 及加工性優良，容易處理成大型基底。因玻璃基底的熔點 低’故雷射最好用來結晶。雷射可只對非單晶半導體膜給 予高能量，而不改變基底溫度太多。 以雷射退火形成的結晶矽膜具有高移動率。因此，廣 泛使用以此結晶矽膜形成的薄膜電晶體（TFT)。例如，結 晶砂膜廣泛用於單石液晶光電裝置等，其中像素的TFT 和驅動電路的TFT形成於一玻璃基底上。因結晶矽膜由 許多晶粒形成，故結晶矽膜稱爲多晶矽膜或多晶半導體 膜。 此外’可將諸如準分子雷射之具有高輸出之脈衝雷射 -5- (2) (2)1356206 振盪器所振盪的雷射光束形成一邊有數cm的方形點或長 度有l〇cm以上的線性點（例如，日本特許公告9-2 3 4 5 7 9 )。然後光束點相對於要照射的表面移動，進行雷 射退火。由於此方法可提高生產力，故較好。 詳言之，利用線性光束點時，由於只在垂直於長軸的 方向掃瞄線性光束點便可照射大型表面，故線性光束點可 提供高生產力。線性光束點此處表示具有高縱橫比的矩形 光束點。在垂直於線性光束點長軸的方向掃瞄光束點最有 效。因高生產力之故，目前，雷射退火處理主要利用經由 適當光學系統形成脈衝準分子雷射所得的線性光束點。 圖6A和6B顯示將表面上之光束點剖面形成線性之 光學系統的例子。圖6A和6B的光學系統是極平常的光 學系統。光學系統不僅將光束點剖面形成線性，同時也使 表面上的光束點能量均勻。通常，使光束能量均勻的光學 系統稱爲光束均勻器。圖6A和6B的光學系統也是光束 均勻器》 首先，解釋圖6 A的側視圖。雷射振盪器1 2 0 1所振 盪之雷射光束的光束點經由柱面透鏡陣列1 202a和1 202b 在一方向分隔。該方向稱爲垂直方向。當鏡面插入光學系 統時，垂直方向的光束彎到鏡面所彎曲的方向。雷射光束 在此結構分成四光束。分隔的光束點以柱面透鏡1 204合 成一光束點。再度分開的光束點在鏡面1 2 0 7反射後，光 束點以雙柱面透鏡12〇8在要照射的表面1209上再度聚成 一光束點。雙柱面透鏡是由二柱面透鏡組成的一組透鏡》 -6 - (3) »1 όΑ和6B的組態使在垂直方向形成線性的光束點能量 分布均勻，決定垂直方向的長度。 接著，解釋圖6 Β的頂視圖。雷射振盪器1 2 0 1所振盪 之雷射光束的光束點經由柱面透鏡陣列1 20 3在垂直於垂 直方向的方向分隔。垂直於垂直方向的方向稱爲水平方 向°當鏡面插入光學系統時，水平方向的光束彎到鏡面所 _曲的方向。光束點在此結構分成七光束點。其後，分成 七光束點的光束點以柱面透鏡1 205在要照射的表面1209 上合成一光束點。虛線顯示沒有鏡面1 2 0 7之情形之透鏡 和要照射的表面的正確光徑和正確位置。圖6Α和6Β的 組態使在水平方向形成線性的光束點能量分布均勻，決定 水平方向的長度。 如上述，柱面透鏡陣列1202a、1202b、1203是分隔 雷射光束之光束點的透鏡。分隔的光束點數目決定所得線 性光束點能量分布均勻性。 各透鏡由石英製成，以對應XeCl準分子雷射。此 外，透鏡有鍍膜，因而發自準分子雷射的雷射光束很多穿 過透鏡。可使每一透鏡的準分子雷射穿透率爲99%以上。 經由上述透鏡處理的線性光束點重疊，線性光束點在 短軸方向逐漸位移。以此照射性能，可對非單晶矽膜整個 表面進行雷射退火，以結晶或提高晶性。 接著，顯示製造半導體膜（變成要由雷射光束照射的 物體）的標準方法。起初，使用〇.7mm厚和一邊5吋長 的玻璃基底。Si〇2膜（二氧化矽膜）以電漿CVD裝置在 (4) (4)1356206 基底上形成200 nm厚，非晶矽膜（下文稱爲a-Si膜）在 Si〇2膜表面上形成50nm厚。當基底暴露於500°C溫度的 氮氣氛一小時，膜的氫濃度減少。膜對雷射光束的抗力顯 著增加。
XeC丨準分子雷射（波長3 08 nm，脈寬30ns)做爲雷 射振盪器。雷射光束點大小在雷射光束窗爲1 5mm X 35mm。雷射光束窗界定爲雷射光束發自雷射振盪器後垂 直於雷射光束行進方向的平面。 發自準分子雷射的雷射光束通常爲矩形，以縱橫比表 示時，矩形光束的縱橫比約從1至5。雷射光束的高斯能 量分布中，雷射光束強度朝中心變高。雷射光束的光束點 經由圖6A和6B的光學系統變成具有均勻能量分布和 3 0 0 m m X 0.4 m m大小的線性光束點。 當雷射光束照在半導體膜時，線性光束點之短寬度的 約1/10是重疊雷射光束的最適當間距。可增進半導體膜 的晶性均勻。上例中，由於短寬度爲0.4 mm，故脈衝頻率 設爲300Hz，掃猫速度設爲l〇mm/s。在此情形，要照射 的表面上的雷射光束能量密度設爲450mJ/cm2。上述方法 是以線性雷射光束結晶半導體膜的非常普遍方法。 柱面透鏡須以準確度製造。 柱面透鏡陣列是柱面透鏡設在曲率方向的透鏡。曲率 方向界定爲垂直於柱面透鏡之柱面產生線的方向。柱面透 鏡陣列在構成柱面透鏡陣列的柱面透鏡間具有接點。由於_ 接點沒有如柱面透鏡的曲率，故射入接點的雷射光束穿 -8 - (5) (5)1356206 透，不受柱面透鏡影響。到達要照射的表面而不受柱面透 鏡影響的雷射光束會在照射表面上造成矩形光束點能量分 布不均勻。 此外，構成柱面透鏡陣列的所有柱面透鏡能以相同準 確度製造。當柱面透鏡的曲率不同時，即使利用聚光透 鏡，柱面透鏡陣列所分隔的雷射光束也不在要照射的表面 上的相同位置重疊。換言之，能量在照射表面上的矩形光 束點衰減的區域增加。這使能量可用性下降。 照射表面上之光束點不均勻能量分布的原因在於結構 問題和構成光學系統之柱面透鏡陣列的製造準確度。詳言 之，不均勻能量分布的其中一原因是並非柱面透鏡陣列所 分隔的所有雷射光束都在相同位置重疊。 再者，以在要照射的表面上的長軸方向具有不均勻能 量分布的矩形光束點照射及掃瞄半導體膜時，半導體膜晶 性在不均勻能量分布反射中變不均勻。晶性不均勻與諸如 移動率之半導體膜特性的不均勻同步。例如，不均勻晶性 隨包括半導體膜之TFT的電性變化而出現，在包括TFT 的面板上顯示亮和暗圖案。 本發明提供光束均勻器，可形成在照射表面上之長軸 方向有均勻能量分布的矩形光束點，而不用需要以高準確 度製造的光學透鏡。此外，本發明提供雷射照射裝置，可 照射在長軸方向有均勻能量分布的雷射光束。再者，本發 明提供製造半導體裝置的方法，可提高基底表面晶性並以 高作業特性製造TFT。 -9- 1356206
【發明內容】 本發明利用光波導做爲光學系統，在光學系統之照射 表面上的長軸方向使矩形光束點能量分布均勻，以形成矩 形光束點。光波導是可在某區域保持輻射光並傳輸輻射光 的電路，平行於通道軸引導能量流。 本發明提供光束均勻器，將光束點形成在照射表面上 縱橫比爲1 0 .以上（最好1 0 0以上）的矩形光束點，包括 在長軸方向使矩形光束點能量分布均勻的光波導。 本發明中，光波導用於光束均勻器的理由如下。當雷 射光束射入光波導時，雷射光束在光波導重複反射並引至 出口。換言之，射入光波導的雷射光束重疊，宛如入射雷 射光束在出口表面折疊。因此，由於射入光波導的雷射光 束得到類似分隔雷射光束在相同位置重疊之情形的效果， 故使雷射光束能量分布在雷射光束重疊的出口表面均勻。 本發明也提供光束均勻器，在照射表面上將雷射光束 形成縱橫比爲1 0以上（最好1 0 0以上）的矩形光束點。 光束均勻器包括在長軸方向使矩形光束點能量分布均勻的 光波導’和在長軸方向使發自光波導之光聚在照射表面的 一柱面透鏡或多個柱面透鏡。 本發明也提供光束均勻器，在照射表面上將雷射光束 形成縱橫比爲10以上（最好100以上）的矩形光束點。 光束均勻器包括在短軸方向使矩形光束點能量分布均勻的 手段’和在長軸方向使矩形光束點能量分布均勻的光波 -10- 1356206 ⑺ 導，其中該手段至少有一柱面透鏡陣列。 本發明也提供光束均勻器，在照射表面上將光束點形 成縱橫比爲10以上（最好100以上）的矩形光束點。光 束均勻器包括在長軸方向使矩形光束點能量分布均勻的光 波導，和在短軸方向使矩形光束點能量分布均勻的光波 導。 本發明之光束均勻器的上述結構中，光波導有對立的 —對反射平面。 · 此外，光管可做爲光波導。光管由圓形錐、錐形、圓 柱、菱鏡等形成，由反射將光從一端傳到另一端。此外， 光可由鏡面傳輸，可利用對立的一對反射平面。 本發明提供雷射照射裝置，在照射表面上將光束點形 成縱橫比爲1 〇以上（最好100以上）的矩形光束點。雷 射照射裝置包括雷射振盪器和光束均勻器，其中光束均勻 器包括在長軸方向使矩形光束點能量分布均勻的光波導》 本發明也提供雷射照射裝置，在照射表面上將光束點 Φ 形成縱橫比爲1 0以上（最好1 0 0以上）的矩形光束點。 雷射照射裝置包括雷射振盪器和光束均勻器，其中光束均 勻器包括在長軸方向使矩形光束點能量分布均勻的光波 導，和在短軸方向使矩形光束點能量分布均勻的光波導。 本發明之雷射照射裝置的上述結構中，光波導有對立 的一對反射平面。 此外，光管可做爲光波導。 本發明之雷射照射裝置的上述結構中，雷射振盪器選 -11 - (8) 1356206 自由準分子雷射、YAG雷射、玻璃雷射、yv〇4 GdV〇4雷射、YLF雷射、Ar雷射所組成的群類中》 本發明之雷射照射裝置的上述結構中，雷射照 包括相對於光束點移動要照射的物體的移動級，另 要照射的物體轉移到移動級的轉移裝置。 本發明提供製造半導體裝置的方法，包括下列 在基底上形成非單晶半導體膜，假設非單晶半導體 照射的表面，則以雷射光束對非單晶半導體膜進行 火，同時相對於非單晶半導體膜移動光束點位置。 束產生於雷射振盪器，然後形成縱橫比爲1 0以上 1 00以上）的矩形光束，經由柱面透鏡陣列和光波 均勻能量分布。柱面透鏡陣列在短軸方向作用於矩 點，光波導在長軸方向作用於矩形光束點。 本發明提供製造半導體裝置的方法，包括下列 在基底上形成非單晶半導體膜，假設非單晶半導體 照射的表面，則以雷射光束對非單晶半導體膜進行 火，同時相對於非單晶半導體膜移動光束點位置。 束產生於雷射振璗器’然後形成縱橫比爲1 0以上 100以上）的矩形光束’經由多個光波導具有均勻 布。至少一光波導在長軸方向作用於矩形光束點， 光波導在短軸方向作用於矩形光束點。 此外，光管可做爲光波導。 本發明之製造半導體裝置的方法的上述結構中 振盪器選自由準分子雷射、YAG雷射、玻璃雷射 雷射、 射裝置 包括將 步驟： 膜是要 雷射退 雷射光 (最好 導具有 形光束 步驟： 膜是要 雷射退 雷射光 (最好 能量分 至少一 ，雷射 、YV04 (9) (9)1356206 雷射、GdV〇4雷射、YLF雷射、Ar雷射所組成的群類 中〇 本發明提供雷射照射裝置，包括設有光波導的光束均 勻器。光波導包括對立的一對反射平面，可在照射表面上 的長軸方向使矩形光束點能量分布均勻。 使用以本發明的光波導形成矩形光束點的光束均勻器 時’可在照射表面上形成在長軸方向有均勻能量分布的矩 形光束點’而不用需要以高準確度製造的光學透鏡。此 外’由於光波導在短軸方向作用於矩形光束點，也可使能 量分布在照射表面上於該方向均勻，故較佳。當發自雷射 照射裝置的矩形光束點在短軸方向於照射表面上掃瞄時， 可抑制光束點不均勻能量分布所造成的不均勻晶性，可提 高半導體膜的晶性均勻。此外，當本發明用於低溫多晶矽 TFT的量產線時，可製造具有均勻高作業特性的TFT。再 者，當低溫多晶矽用於液晶顯示裝置或發光裝置時，可製 造具有極少顯示不均勻的顯示裝置。 【實施方式】 首先’參考圖1A和1B’解釋使用光波導使光束點能 量分布均勻的方法。起初，解釋圖1 A的頂視圖。製備具 有對立之一對反射平面102a和102b的光波導1〇2和要照 射的表面1 〇 3，雷射光束從左側入射。有光波導丨〇 2時， 以貫線a畫出雷射光束。沒有光波導1〇2時，從左側 入射的雷射光束在要照射的表面1 0 3到達區域1 〇 3 a、 -13- (10) (10)1356206 l〇3b、103c，如虛線 l〇ib。 另一方面’有光波導102時，如雷射光束l〇la，光 波導1 〇 2的反射平面反射雷射光束，所有光束到達要照射 的表面103的區域l〇3b。換言之，在沒有光波導1〇2之 情形到達區域103a和103c的所有雷射光束在設有光波導 W2之情形到達要照射的表面1〇3的區域l〇3b。因此，當 雷射光束射入光波導1〇2時，雷射光束重複反射並引至出 口。也就是說，雷射光束重疊，宛如入射雷射光束在要照 射的表面103的區域l〇3b折疊。此例中，沒有光波導 時，要照射的表面103上之雷射光束發散l〇3a、103b、 l〇3c的全長定義爲A，有光波導時，要照射的表面103上 之雷射光束發散103b的長度定義爲B。然後，A/B對應 於均勻器所分隔的雷射光束數目。因此，當入射線分隔且 所有分隔雷射光束在相同位置重疊時，使雷射光束能量分 布在重疊位置均勻。 通常，均勻器所分隔雷射光束愈多，在分隔雷射光束 重疊的位置能量分布愈均勻。當雷射光束在光波導102反 射更多次時，可增加光波導1 02所分隔的雷射光束數目。 換言之，可使在雷射光束入射之方向之光波導一對反射平 面的長度較長。此外，縮減對立反射平面間的空間，或增 加射入光波導之雷射光束的NA (數値孔徑），可增加分 隔雷射光束數目》 參考圖2Α和2Β，解釋包含本發明之光束均勻器之形 成矩形光束點的光學系統。圖2Α的頂視圖中，垂直於紙 -14 - (11) (11)1356206 面的方向是矩形光束點短軸方向。下文中，光管做爲光波 5曾 導。 首先’解釋圖2A的頂視圖。發自雷射振盪器201的 雷射光束在圖2A和2B的箭號方向傳播，然後雷射光束 射入柱面透鏡202。雷射光束經由柱面透鏡202在矩形光 束點長軸方向聚焦，然後射入具有對立之一對反射平面 203a和203b的光波導203。射入光波導203的雷射光束 在光波導203重複反射並引至出口。在矩形光束點長軸方 向有均勻能量分布的平面形成於光波導203的出口。例 如，光波導203可在雷射光束入射方向有300mm長度， 在反射平面間有2 m m距離。 在雷射光束入射方向之光波導203的長度愈長，或柱 面透鏡202的焦距愈短，則能量分布愈均勻。但須考慮光 學系統大小來製造實際系統，光波導長度和柱面透鏡焦距 須實際》 經由柱面透鏡陣列 205a、205b和柱面透鏡 206、 207a、207b，柱面透鏡204將形成於光波導203的出口之 矩形長軸方向具有均勻能量分布的光束點投射到要照射的 表面208»換言之，具有均勻能量分布的光束點和要照射 的表面208對雙柱面透鏡204共軛》在長軸方向使矩形光 束點能量分布均勻，決定長軸方向的長度。 具有光波導2 0 3的本發明可補救結構問題、柱面透鏡 陣列的製造準確度問題、會聚分隔光束之柱面透鏡的製造 準確度問題（在傳統光學系統造成要照射的表面上之矩形 -15- (12) (12)1356206 光束點的不均勻能量分布）。 接著，解釋圖2 B的側視圖。發自雷射振盪器2 0 1的 雷射光束在矩形光束點短軸方向經由柱面透鏡陣列205 a 和2 0 5 b分隔。柱面透鏡陣列2 0 5 a和2 0 5 b所分隔的雷射 光束由柱面透鏡2 06在相同表面上重疊，使短軸方向的矩 形光束點能量分布均勻。 經由柱面透鏡207a和207b所組成的雙柱面透鏡，由 柱面透鏡206所形成在矩形短軸方向具有均勻能量分布的 光束點投射到要照射的表面2 0 8。因此，矩形光束點能量 分布在要照射的表面208上的短軸方向均勻，決定短軸方 向的長度。不需利用雙柱面透鏡，但利用雙柱面透鏡時， 因在光學系統與要照射的表面間可確保某程度的距離，故 可給予空間邊際。要照射的表面上的光束點均勻性不需太 高時，或當雙柱面透鏡的F數（焦距/孔徑比）極高時， 可利用單柱面透鏡。 要結合光學系統以形成矩形光束點並包含均勻器的雷 射振盪器最好具有高輸出和可在半導體膜充分吸收的波 長。當矽膜做爲半導體膜時，考慮吸收比，發自雷射振盪 器的雷射光束波長最好不大於60 Onm。例如，準分子雷 射、YAG雷射（諧波）、或玻璃雷射（諧波）做爲發射 此波長的雷射振盪器。 此外，YV04雷射（諧波）、GdV04雷射（諧波）、 YLF雷射（諧波）、Ar雷射做爲發射適當波長以結晶矽 膜的雷射振還器。 -16- (13) (13)1356206 下文中，解釋使用光束均勻器和雷射照射裝置之本發 明之製造半導體裝置的方法。首先，製備600 mm X 720 mm x 0.7mm大小的基底。對高達600°C之熱有足夠抗力的無 鹼玻璃基底（例如矽酸鋁硼玻璃、矽酸鋇硼玻璃或矽酸鋁 玻璃）可做爲此基底。氧化矽膜在玻璃基底上形成2 0 0nm 厚做爲底膜。此外，非晶矽膜在底膜形成5 5nm厚》這些 膜以濺射形成。也能以電漿CVD形成。 其上形成膜的基底置於450至500°C溫度的氮氣氛1 至3小時。此處理降低非晶矽膜的氫濃度。這是因此當非 晶矽膜含有太多氫時，膜不能抵抗雷射能量。非晶矽膜的 氫濃度在1〇2()原子/cm3的等級較適當。1〇2()原子/cm3表 示1〇2<)個氫原子在1 cm3中。 例如，此實施例模式中，XeCl準分子雷射做爲雷射 振盪器。此實施例中，利用 Lambda Physik公司所製的 XeCl準分子雷射（波長 3 0 8nm，脈寬 30ns ) STEEL 1 00 0。準分子雷射是脈衝雷射。準分子雷射具有每脈衝 1000mJ最大能量、308nm波長、300Hz最大頻率。當脈 衝雷射光能量在± 1 〇% (最好± 5% )內波動時，在雷射照 射一基底的每一脈衝中，可進行均勻晶化。 上述雷射光能量波動定義如下。換言之，在照射一基 底之期間的雷射能量平均値假設爲標準。然後，雷射能量 波動定義爲照射期間之平均値與最小値的差或照射期間之 平均値與最大値的差。 此外，Sopra公司所製的XeCI準分子雷射（波長 (14) (14)1356206 308nm，脈寬170ns) VEL 1520也可做爲雷射振盪器。準 分子雷射具有每脈衝15J最大能量和20Hz頻率。由於準 分子雷射的脈衝雷射光能量波動在雷射照射一基底的每一 脈衝中可抑制在± 2.5 %，故可進行均勻晶化。此外，當利 用包含本發明之光波導的光學系統時，雷射光束波動完全 不影響照射表面上的光束點位置。因此，當光波導結合諸 如VEL 1520之具有極穩定輸出的雷射振盪器時，可進行 極均勻雷射退火。 照射雷射光束，同時在矩形光束點短軸方向掃瞄圖 2 A和2 B的要照射的表面2 0 8。在此情形，可適當決定照 射的表面上之光束點的能量密度和掃瞄速度。能量密度可 在2 0 0mJ/cm2至1 0 00m J/cm2範圍。當掃瞄速度選在短軸 方向的矩形光束點寬度互相重疊約90 %以上的範圍時，可 均勻雷射退火。最佳掃瞄速度取決於雷射振盪器頻率，可 視爲正比於其頻率。 依此方式，完成雷射退火處理。當此作業重複進行 時，可處理許多基底。此外，製備可儲存多個基底的基底 支架和在基底支架與級間自動轉移多個基底的轉移裝置 時，可更有效處理基底。例如，依據已知方法使用基底， 可製造主動矩陣液晶顯示裝置。 準分子雷射在上例做爲雷射振盪器。因準分子雷射的 相甘長度只有數// m，故適於例中的光學系統。以下—些 雷射發射長相甘長度的雷射光束。若使用此雷射，則當分 隔光束在結合前有光徑差異時，可抑制干擾。在雷射光束 -18 - (15) (15)1356206 射入光學系統然後雷射光束可射入光束均勻器前，使雷射 光束通過光纖等，可任意改變相甘長度。最好也利用 YAG雷射諧波或玻璃雷射諧波，這是因爲同樣可輸出高 能量，發射在半導體膜充分吸收的雷射光束。YV〇4雷射 (諧波）、GdV04雷射（諧波）、YLF雷射（諧波）、Ar 雷射做爲結晶矽膜的其他適當雷射振盪器。這些雷射光束 的波長在矽膜充分吸收。 上例雖使用非晶矽膜做爲非單晶半導體膜，但本發明 可用於其他非單晶半導體。例如，諸如非晶矽鍺膜之具有 非晶結構的複合半導體膜可做爲非單晶半導體膜。多晶矽 膜也可做爲非單晶半導體膜。 [實施例1] 圖3 A和3 B顯示包含此實施例要解釋之光波導的光 學系統例子。光管可做爲光波導。首先，解釋圖3 A的頂 視圖。發自雷射振盪器301的雷射光束在圖3A和3B的 箭號方向傳播。圖3A的頂視圖中，垂直於紙面的方向是 矩形光束點短軸方向。 起初，球面透鏡3 02a和302 b擴展雷射光束。當雷射 振盪器301發射夠大的光束點時，不需此結構。諸如球面 透鏡302a和3 02b之擴展光束點形狀的光學系統通常稱爲 光束擴展器。 光束擴展器所擴展的雷射光束經由2 0 m m厚的柱面透 鏡303 (第一表面具有194.25 mm曲率半徑，第二表面爲 -19- (16) (16)1356206 平面）在矩形光束點長軸方向聚焦。當曲率中心在相對於 透鏡表面發射光束之側時，曲率半徑爲正號。當曲率中心 在相對於透鏡表面光束入射之側時，爲負號。此外，雷射 光束入射的透'鏡表面定義爲第一表面，雷射光束射出的透 鏡表面定義爲第二表面。 包含對立之一對反射平面3 04a和3 04b的光波導304 中，光波導304的入口位於柱面透鏡3 03的焦點。射入光 波導3〇4的雷射光束在光波導3 04重複反射，以使能量分 布均勻，然後雷射光束引至出口。在矩形光束點長軸方向 有均勻能量分布的平面形成於光波導304的出口。光波導 3 04在雷射光束行進的方向有20 0mm長度，在反射平面 間有2mm距離。 柱面透鏡305爲5mm厚，第一表面具有9.7mm曲率 半徑，第二表面爲平面，位於光波導304的出口之後 20mm。柱面透鏡3 05投射在形成於光波導3 04的出口之 矩形長軸方向有均勻能量分布的光束點，照射表面3 0 9位 於柱面透鏡305之後3600 mm。換言之，在長軸方向有均 勻能量分布的光束點和要照射的表面3 09對柱面透鏡305 共軛。在長軸方向使矩形光束點能量分布均勻，決定長軸 方向的長度。此實施例中，柱面透鏡305將發自光波導 3 0 4的雷射光束投射到要照射的表面3 〇 9。但爲降低像 差’也可應用雙柱面透鏡。雙柱面透鏡是由二柱面透鏡組 成的一組透鏡。也可使用由三個以上透鏡組成的一組透 鏡。透鏡數目可依設計系統或所需規格而定。 -20- (17) (17)1356206 接著，解釋圖3 B的側視圖。發自雷射振盪器3 0 1的 雷射光束經由包含球面透鏡302a和302b的光束擴展器擴 展。經由光束擴展器擴展的雷射光束經由20mm厚的柱面 透鏡306(第一表面具有486mm曲率半徑，第二表面爲 平面）在矩形光束點短軸方向聚焦，位於柱面透鏡305之 後 7 7 3.2 m m。 具有對立之一對反射平面307a和307b的光波導307 中，光波導3 Q 7的入口位於柱面透鏡3 0 6的焦點。射入光 波導3 0 7的雷射光束在光波導3 0 7重複反射，以使能量分 布均勻，然後雷射光束引至出口。在矩形光束點短軸方向 有均勻能量分布的平面形成於光波導307的出口。光波導 3 0 7在雷射光束行進的方向有2 50mm長度，在反射平面 間有2mm距離。 設在光波導3〇7的出口之後1 250mm的雙柱面透鏡 308a和308b將在形成於光波導307的出口之矩形短軸方 向有均勻能量分布的光束點投射到位於雙柱面透鏡之後 237mm的要照射的表面309。 構成雙柱面透鏡的一柱面透鏡具有 125mm曲率半徑 的第一表面和77mm曲率半徑的第二表面，厚度爲 10mm。另一柱面透鏡具有97mm曲率半徑的第一表面和-2 00 mm曲率半徑的第二表面，厚度爲2 0mm。二柱面透鏡 的距離爲5.5mm »因此，在短軸方向使矩形光束點能量分 布均勻，決定短軸方向的長度。要照射的表面可設在光波 導3 07後方而不用雙柱面透鏡，但利用雙柱面透鏡時，因 -21 - (18) 1356206 在光學系統與要照射的表面間可確保某程度的距離，故可 給予空間邊際。
包含圖3A和3B之光波導的光學系統可形成長軸 300mm大小、短軸 0.4mm且具有均勻能量分布的矩形光 束點。圖4A至4C顯示光學設計軟體的模擬結果。圖4A 顯示形成於短軸方向± 0.3mm和長軸方向± 200mm之平面 上的光束點能量分布。圖4B和4C分別顯示沿著圖4A之 線 A和 B所取的光束點剖面。垂直軸顯示雷射強度 (A.U·)’水平軸顯示長度（mm)。圖4Α中，光束點的形狀 極近似矩形’光束點線寬在 300mm長度上均勻。可由雷 射照射均勻退火。 以實施例模式的方法，對此實施例之包含光波導之光 學系統的半導體膜進行雷射退火。半導體膜可用來製造主 動矩陣液晶顯示裝置。可依據已知方法製造此裝置。 [實施例2] 此實施例顯示異於實施例模式之光學系統的例子。圖 5 A和5 B顯示此實施例要解釋的光學系統例子。此外，光 管可做爲光波導。此外，圖5A和5B中，與圖3A和3B 相同的組件以相同參考數字顯示。 圖5A和5B中，雷射光束通過與圖3A和3B相同的 光徑，雷射光束通過光波導504和507除外。光波導504 和507各有對立的一對反射平面及光波導3 04。光波導 3 〇4在該對反射平面間有空心空間。另一方面，光波導 -22- (19) (19)1356206 5〇4和507的空間塡入折射率η (>1)的介質。此爲這些光 波導的不同點。當雷射光束以臨界角以上射入光波導5〇4 和507時’依據與光纖相同的原理，雷射光束在反射平面 全反射。例如，當石英（折射率約1 .5 )製成的光波導設 在空氣時’可得到在空氣與光波導之介面有全反射平面的 光波導。利用上述光波導，相較於雷射光束未全反射的情 形’雷射光束穿透率更高。因此，發自雷射振盪器301的 雷射光束更有效傳到要照射的表面3 0 9。 此外’可使用多層結構的光波導取代圖5 Α和5 Β的 光波導5〇4和5 07。通常，可使用圖7A之二材料製成的 光波導’其中內材料7 〇 2 (例如包含鍺的石英）的折射率 高於外材料7 01 (例如石英）。 圖7B是沿著圖7A之光波導之線A-A’所取的剖面 圖。此外’圖7C是圖7B之反射平面的放大圖。當雷射 光束以不小於臨界角0 〇的入射角0射入光波導時，入射 雷射光束在對立的反射平面全反射。 此外，光波導504和5 0 7的入口表面可適當鍍膜，以 在雷射光束射入光波導504和5 07時降低光波導入口表面 的雷射光束反射率。 圖5A和5B的光學系統可形成長軸3 00mm和短軸 0.4mm的矩形光束點。 以實施例模式的方法，對此實施例之使用光學系統的 半導體膜進行雷射退火。半導體膜可用來製造主動矩陣液 晶顯示裝置或發光裝置。可依據已知方法製造此裝置。 -23- (20) 1356206 【圖式簡單說明】 圖1A和1B解釋光波: 化。 圖 2A 和 2B顯 示 使 用 的例 子 〇 圖 3 A 和 3B顯 示 使 用 的例 子 〇 圖 4 A 至 4 C顯示圖3 A 形光 束 點能 ;量 分布。 圖 5 A 和 5 B顯 示 使 用 的例 子 0 圖 6 A 和 6B顯示 傳 統 光 圖 7 A 至 7C顯示 本 發 明 主 要元 ，件 符號說1 明 10 1a 雷射 光 束 101b 雷射 光 束 1 02 光波 導 102 a 反射 平 面 1 02b 反射 平 面 103 要照 射 的 表 201 雷射 振 盪 器 202 柱面 透 鏡 事之光束點能量分布的均勻 發明之光波導之光束均勻器 發明之光波導之光束均勻器 3B之光束均勻器所得的矩 發明之光波導之光束均勻器 均勻器。 光波導的例子。 -24- (21) 光波導 反射平面 反射平面 柱面透鏡 柱面透鏡陣列 柱面透鏡陣列 柱面透鏡 柱面透鏡 柱面透鏡 要照射的表面 雷射振盪器 球面透鏡 球面透鏡 柱面透鏡 光波導 反射平面 反射平面 柱面透鏡 柱面透鏡 光波導 反射平面 反射平面· 雙柱面透鏡 雙柱面透鏡 -25- (22) 要照射的表面 光波導 光波導 外材料 內材料 雷射振盪器 柱面透鏡陣列 柱面透鏡陣列 柱面透鏡 柱面透鏡 鏡面 雙柱面透鏡 要照射的表面
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Claims (1)
1356206 第0931 103*71號專利申請案中文申請專利範圍修正本 民國100年7月5日修正 拾、申請專利範園 1. —種光束均勻器，包括： 第一及第二柱面透鏡：及 光學系統，在一方向使光束點能量分布均句，光束點 爲線形， 該光學系統包括： 光波導，包含對立的一對反射平面， 其中一方向爲線形的長軸方向， 其中雷射光束射入光波導的一邊緣部，從光波導另一 邊緣部射出， 其中該光波導設於該第一及第二柱面透鏡之間，且 其中該雷射光束射入該第一柱面透鏡的彎曲表面，且 從該第二柱面透鏡的彎曲表面射出。 2. 如申請專利範圍第1項的光束均勻器，其中該光波 導爲光管。 3. 如申請專利範圍第1項的光束均勻器，其中該光束 點的縱橫比爲1 0以上。 4. 如申請專利範圍第1項的光束均勻器，其中該光束 點的縱橫比爲100以上。 5. —種光束均勻器，包括： 光學系統，在一方向使光束點能量分布均句，光束點 爲線形， 1356206 該光學系統包括： 光波導，包含對立的一對反射平面， 至少一柱面透鏡，將光波導所形成之具有均勻能量分 布的平面擴展並投射到照射表面， 其中一方向爲線形的長軸方向， 其中雷射光束射入光波導的一邊緣部，從光波導另一 邊緣部射出， Φ 其中該至少一柱面透鏡包括第一及第二柱面透鏡，且 其中該第一及第二柱面透鏡具有彼此相對的第一表 面，該第一柱面透鏡的該第一表面相對於該第二柱面透鏡 的該第一表面是凹的，且該第二柱面透鏡的該第一表面相 對於該第一柱面透鏡的該第一表面是凸的。 6 ·如申請專利範圍第5項的光束均勻器，其中該光波 導爲光管。 7.如申請專利範圍第5項的光束均勻器，其中該光束 φ點的縱橫比爲1 0以上。 8 .如申請專利範圍第5項的光束均勻器，其中該光束 點的縱橫比爲1 0 0以上。 9. 一種光束均勻器，包括： 第一光學系統，在第一方向使形成於照射表面上的光 束點能量分布均勻，第一光學系統包括含有對立之一對反 射平面的光波導； 桌一光學系統，在垂直於第一方向的第二方向使光束 點能量分布均勻，第二光學系統包括柱面透鏡陣列， -2- 1356206 其中該光束點爲線形， 其中該第一方向爲線形的長軸方向，該第二方向爲線 形的短軸方向， 其中雷射光束射入光波導的一邊緣部，從光波導另— 邊緣部射出。 10. 如申請專利範圍第9項的光束均勻器，其中該光 波導爲光管。 11. 如申請專利範圍第9項的光束均勻器，其中該光 束點的縱橫比爲1 0以上》 12. 如申g靑專利範圍第9項的光束均勻器，其中該光 束點的縱橫比爲1 0 0以上。 13·—種光束均勻器，包括： 第一及第二柱面透鏡；及 第一光學系統，在第一方向使形成於照射表面上的光 束點能量分布均勻； 第二光學系統，在垂直於第一方向的第二方向使光束 點能量分布均勻， 其中光束點爲線形， 其中第一方向爲線形的長軸方向，第二方向爲線形的 短軸方向， 其中第一光學系統和第二光學系統各包括含有對立之 一對反射平面的光波導， 其中雷射光束射入光波導的一邊緣部，從光波導另一 邊緣部射出， -3- 1356206 其中該第一光學系統之該光波導設於該第一及第二柱 面透鏡之間，且 其中該雷射光束射入該第一柱面透鏡的彎曲表面，且 從該第二柱面透鏡的彎曲表面射出。 1 4 .如申請專利範圍第1 3項的光束均勻器’其中該光 波導爲光管。 15. 如申請專利範圍第13項的光束均勻器’其中該光 束點的縱橫比爲1 〇以上。 16. 如申請專利範圍第13項的光束均勻器’其中該光 束點的縱橫比爲〗〇〇以上。 17. —種雷射照射裝置，包括： 雷射振盪器； 光束均勻器，至少在一方向使照射表面上的光束點能 量分布均勻，光束點爲矩形’ 其中一方向爲矩形的長軸方向， 其中該光束均勻器包括含有對立之一對反射平面的光 波導， 其中雷射光束射入光波導的一邊緣部’從光波導另一 邊緣部射出， 其中該光束均勻器另外包括第—及第二柱面透鏡，且 其中該雷射光束射入該第一柱面透鏡的彎曲表面，且 從該第二柱面透鏡的彎曲表面射出° 1 8 .如申請專利範圍第1 7項的雷射照射裝置，其中該 光波導爲光管。 -4- 1356206 1 9 ·如申請專利範圍第1 7項的雷射照射裝置，其中該 雷射振盪器爲準分子雷射、YAG雷射、或玻璃雷射。 20.如申請專利範圍第1 7項的雷射照射裝置，其中該 雷射振盪器爲YV04雷射、GdV04雷射、YLF雷射、或Ar 雷射。 2 1 .如申請專利範圍第1 7項的雷射照射裝置，其中該 光束點的縱橫比爲1 0以上。 22.如申請專利範圍第1 7項的雷射照射裝置，其中該 光束點的縱橫比爲1 00以上。 2 3 . —種雷射照射裝置，包括： 雷射振盪器， 光束均勻器， 該光束均勻器包括： 第一光學系統，在第一方向使照射表面上的光束點能 量分布均勻； 第二光學系統，在垂直於第一方向的第二方向使光束 點能量分布均勻’第二光學系統具有柱面透鏡陣列， 其中該光束點爲線形， 其中該第一方向爲線形的長軸方向，該第二方向爲線 形的短軸方向’ 其中該第一光學系統包括含有對立之一對反射平面的 光波導， 其中雷射光束射入第一光波導的一邊緣部，從第一光 波導另一邊緣部射出。 1356206 24. 如申請專利範圍第23項的雷射照射裝置，其中該 光波導爲光管。 25. 如申請專利範圍第23項的雷射照射裝置，其中該 雷射振盪器爲準分子雷射、YAG雷射、或玻璃雷射。 26. 如申請專利範圍第23項的雷射照射裝置，其中該 雷射振盪器爲YV04雷射、GdV04雷射、YLF雷射、或Ar 雷射。 27. 如申請專利範圍第23項的雷射照射裝置，其中該 光束點的縱橫比爲1 0以上。 2 8 ·如申請專利範圍第2 3項的雷射照射裝置，其中該 光束點的縱橫比爲100以上。 2 9 · —種雷射照射裝置，包括： 雷射振盪器， 光束均勻器， 該光束均勻器包括： 第一光學系統’在第一方向使照射表面上的光束點能 量分布均勻； 第二光學系統’在垂直於第一方向的第二方向使光束 點能量分布均勻， 其中該光束點爲線形， 其中該第一方向爲線形的長軸方向，·該第二方向爲線 形的短軸方向， 其中該第一光學系統和該第二光學系統各包括含有對 立之一對反射平面的光波導 -6- 1356206 其中雷射光束射入第一光波導的一邊緣部，從第一光 波導另一邊緣部射出， 其中該光束均勻器另外包括第一及第二柱面透鏡， 其中該第一光學系統之該光波導設於該第一及第二柱 面透鏡之間，且 其中該雷射光束射入該第一柱面透鏡的彎曲表面，且 從該第二柱面透鏡的彎曲表面射出。 3 0.如申請專利範圍第29項的雷射照射裝置，其中該 光波導爲光管。 3 1 .如申請專利範圍第2 9項的雷射照射裝置，其中該 雷射振盪器爲準分子雷射、YAG雷射、或玻璃雷射。 3 2 .如申請專利範圍第2 9項的雷射照射裝置，其中該 雷射振Μ器爲YVO4雷射、GdV〇4雷射、YLF雷射、或Ar 雷射。 3 3 ‘如申請專利範圍第2 9項的雷射照射裝置，其中該 光束點的縱橫比爲1 0以上。 3 4 ·如申請專利範圍第2 9項的雷射照射裝置，其中該 光束點的縱橫比爲100以上。 3 5 .如申請專利範圍第2 9項的雷射照射裝置，其中該 雷射照射裝置包括相對於光束點移動該照射表面的移動 級。 36. 如申請專利範圍第35項的雷射照射裝置，其中該 雷射照射裝置包括將照射表面轉移到移動級的轉移裝置。 37. —種製造半導體裝置的方法，包括： 1356206 在基底上形成非單晶半導體膜， 以產生於雷射振盪器的雷射光束照射非單晶半導體 膜，同時相對於非單晶半導體膜移動雷射光束位置， 其中雷射光束經由具有柱面透鏡陣列和光波導的光學 系統形成線形，以形成線性光束點， 其中柱面透鏡陣列在短軸方向作用於線性光束點， 其中光波導在長軸方向作用於線性光束點， 其中該光學系統另外包括第一及第二柱面透鏡，且 其中該雷射光束射入該第一柱面透鏡的彎曲表面，且 從該第二柱面透鏡的彎曲表面射出。 38.如申請專利範圍第37項的製造半導體裝置的方 法，其中光管做爲該光波導。 3 9 _如申請專利範圍第3 7項的製造半導體裝置的方 法’其中該雷射振盪器爲準分子雷射、YAG雷射、或玻 璃雷射。 40.如申請專利範圍第37項的製造半導體裝置的方 法，其中該雷射振盪器爲YV04雷射、GdV04雷射、YLF 雷射、或Ar雷射》 4 1 _如申請專利範圍第3 7項的製造半導體裝置的方 法，其中該雷射光束的縱橫比爲1 〇以上。 42. 如申請專利範圍第37項的製造半導體裝置的方 法，其中該雷射光束的縱橫比爲1 〇〇以上。 43. —種製造半導體裝置的方法，包括： 在基底上形成非單晶半導體膜，及 -8 - 1356206 以產生於雷射振盪器的雷射光束照射非單晶半導體 膜，同時相對於該非單晶半導體膜移動該雷射光束的位 置， 其中雷射光束經由具有第一光波導及第二光波導的光 學系統形成線形，以形成線性光束點， 其中第一光波導在長軸方向作用於線性光束點， 其中第二光波導在短軸方向作用於線性光束點， 其中該光學系統另外包括第一及第二柱面透鏡，且 其中該雷射光束射入該第一柱面透鏡的彎曲表面，且 從該第二柱面透鏡的彎曲表面射出。 44. 如申請專利範圍第43項的製造半導體裝置的方 法，其中光管做爲該第一及第二光波導或其中之一。 45. 如申請專利範圍第43項的製造半導體裝置的方 法，其中該雷射振盪器爲準分子雷射、YAG雷射、或玻 璃雷射。 46. 如申請專利範圍第43項的製造半導體裝置的方 法，其中該雷射振盪器爲YV〇4雷射、GdV04雷射、Ylf 雷射、或Ar雷射。 47. 如申請專利範圍第43項的製造半導體裝置的方 法，其中該雷射光束的縱橫比爲1 0以上。 48. 如申請專利範圍第43項的製造半導體裝置的方 法，其中該雷射光束的縱橫比爲1 00以上。 49. 一種雷射照射裝置，包括： 提供線形的雷射光束之機構； -9 - 1356206 在線形的短軸方向使雷射光束能量分布均; 光波導； 其中該光波導在線形的長軸方向使雷射光束能量分布 均勻β 50.如申請專利範圍第49項的雷射照射裝置，其中該 光波導爲光管。
5 1 .如申請專利範圍第49項的雷射照射裝置，其中提 供線形的雷射光束之該機構包括雷射振盪器，選自由準分 子雷射、YAG雷射 '玻璃雷射、YV〇4雷射、GdV04雷 射、YLF雷射、及Ar雷射所組成的族群。 52.如申請專利範圍第49項的雷射照射裝置，其中提 供線形的雷射光束之該機構包括透鏡。 5 3 .如申請專利範圍第49項的雷射照射裝置’，其中在 線形的短軸方向使雷射光束能量分布均勻之該機構包括透 鏡陣列。 54. 如申請專利範圍第49項的雷射照射裝置，另外包 括移動級，用以相對於雷射光束移動欲被照射的物體。 55. 如申請專利範圍第49項的雷射照射裝置’其中該 光波導具有多層構造。 5 6.如申請專利範圍第49項的雷射照射裝置’其中該 光波導包括石英及鍺。 5 7 . —種雷射照射裝置，包括： 射出雷射光束之雷射振盪器； 第一透鏡； -10- 1356206 透鏡陣列； 第二透鏡；及 光波導， 其中第一透鏡將雷射光束成形爲線形， 其中透鏡陣列及第二透鏡在線形的短軸方向使雷射光 束能量分布均勻， 其中光波導在線形的長軸方向使雷射光束能量分布均 勻。 · 5 8 .如申請專利範圍第5 7項的雷射照射裝置，其中該 光波導爲光管。 5 9 .如申請專利範圍第5 7項的雷射照射裝置’其中該 雷射振盪器係選自由準分子雷射、YAG雷射、玻璃雷 射、YV04雷射、GdV04雷射、YLF雷射、及Ar雷射所組 成的族群。 6 0.如申請專利範圍第57項的雷射照射裝置’另外包 括移動級，用以相對於雷射光束移動欲被照射的物體。 0 6 1 .如申請專利範圍第5 7項的雷射照射裝置’其中該 光波導具有多層構造。 62 .如申請專利範圍第5 7項的雷射照射裝置’其中該 光波導包括石英及鍺。 6 3 .如申請專利範圍第5 7項的雷射照射裝置’其中該 第一透鏡爲柱面透鏡。 04.如申請專利範圍第57項的雷射照射裝置，其中該 透鏡陣列爲柱面透鏡陣列° -11 - 1356206 65. 如申請專利範圍第57項的雷射照射裝置，其中該 第二透鏡爲柱面透鏡。 66. —種雷射照射裝置，包括： 提供線形的雷射光束之機構； 第一光波導；及 第二光波導， 其中該第一光波導在線形的長軸方向使雷射光束能量 分布均勻；且 其中該第二光波導在線形的短軸方向使雷射光束能量 分布均勻。 67. 如申請專利範圍第66項的雷射照射裝置，其中該 第一及第二光波導各爲光管。 68. 如申請專利範圍第66項的雷射照射裝置，其中提 供線形的雷射光束之該機構包括雷射振盪器係選自由準分 子雷射、YAG雷射、玻璃雷射、YV04雷射、GdV04雷 射、YLF雷射、及Ar雷射所·組成的族群。 69. 如申請專利範圍第66項的雷射照射裝置，其中提 供線形的雷射光束之該機構包括透鏡。 7 0.如申請專利範圍第66項的雷射照射裝置，其中提 供線形的雷射光束之該機構包括光束擴展器。 7 1 .如申請專利範圍第6 6項的雷射照射裝置，另外包 括移動級，用以相對於雷射光束移動欲被照射的物體。 7 2.如申請專利範圍第66項的雷射照射裝置，其中該 第一及第二光波導的至少其中之一具有多層構造。 -12- 4 1356206
73. 如申請專利範圍第66項的雷射照射裝置，其中該 第一及第二光波導的至少其中之一包括石英及鍺。 74. —種製造半導體裝置的方法，包括： 在基底上形成半導體膜；及 以線形的雷射光束照射半導體膜， 其中該雷射光束藉由透鏡陣列及透鏡在線形的短軸方 向具有能量分布均勻， 其中該雷射光束藉由光波導在線形的長軸方向具有能 量分布均勻。 75. 如申請專利範圍第 74項的製造半導體裝置的方 法，其中該光波導爲光管。 76. 如申請專利範圍第74項的製造半導體裝置的方 法，其中該雷射光束從雷射振盪器射出，該雷射振盪器係 選自由準分子雷射、YAG雷射、玻璃雷射、YV04雷射、 GdV04雷射、YLF雷射、及Ar雷射所組成的族群。 77. 如申請專利範圍第74項的製造半導體裝置的方 法，其中該半導體膜包括矽。 78. 如申請專利範圍第74項的製造半導體裝置的方 法，其中該光波導具有多層構造。 7 9 ·如申請專利範圍第74項的製造半導體裝置的方 法，其中該光波導包括石英及鍺。 80.—種製造半導體裝置的方法，包括： 在基底上形成半導體膜；及 以線形的雷射光束照射半導體膜， -13- 1356206 其中該雷射光束藉由第一光波導在線形的短軸方向具 有能量分布均勻， 其中該雷射光束藉由第二光波導在線形的長軸方向具 有能量分布均勻。 81.如申請專利範圍第80項的製造半導體裝置的方 法，其中該第一及第二光波導各包括光管。
8 2 .如申請專利範圍第8 0項的製造半導體裝置的方 法，其中該雷射光束從雷射振盪器射出，該雷射振盪器係 選自由準分子雷射、YAG雷射、玻璃雷射、YV04雷射、 G d V 0 4雷射、Y L F雷射、及A r雷射所組成的族群。 8 3 ·如申請專利範圍第8 0項的製造半導體裝置的方 法，其中該半導體膜包括矽。 84. 如申請專利範圍第80項的製造半導體裝置的方 法，其中該第一及第二光波導的至少其中之一具有多層構 造。 85. 如申請專利範圍第80項的製造半導體裝置的方 法，其中該第一及第二光波導的至少其中之一包括石英及 鍺。 -14- $
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