TWI435390B - 結晶質膜的製造方法以及製造裝置 - Google Patents

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Description

結晶質膜的製造方法以及製造裝置
本發明是有關於一種對非晶質膜照射雷射光而使之微細結晶化製作結晶質膜的結晶質膜的製造方法以及製造裝置。
液晶顯示裝置等的薄型顯示器平板顯示器中所使用的薄膜電晶體(Thin Film Transistor，TFT)的結晶化矽的製造一般使用如下兩種方法：對設置於基板上層的非晶矽膜照射脈衝雷射光而將該非晶矽膜熔融，並使之再結晶化的方法(雷射退火法)；利用備用加熱爐對上層具有非晶矽膜的上述基板進行加熱，不使上述矽膜熔融而保持固體的狀態使之結晶成長的固相成長法(SPC：Solid Phase Crystallization，固相結晶法)。
又，本發明者們確認藉由在將基板溫度保持為加熱狀態的狀態下對非晶質膜照射脈衝雷射光而利用固相成長獲得微細的多結晶膜，並提出本發明(參照專利文獻1)。
先行技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2008-147487號公報
近年來，於製造大型的電視(TeleVision，TV)用有機發光二極體(Organic light-emitting diode，OLED)面板或液晶顯示器(Liquid Crystal Display，LCD)面板時，要求廉價地製造均勻且大面積的微細的多結晶矽膜的方法。
又，最近，代替液晶顯示器而有力視為下一代顯示器的有機電激發光(electroluminescence，EL)顯示器中，藉由有機EL自身發光而提高螢幕的亮度。有機EL的發光材料如LCD般係電流驅動而非電壓驅動，因此對TFT的要求不同。非晶矽的TFT中經年變化的抑制困難，產生臨限值電壓(Vth)的大幅的偏移(drift)且元件的壽命受到限制。另一方面，多晶矽為穩定材料因此壽命長。然而，多晶矽的TFT中，TFT的特性不均較大。該TFT特性的不均藉由結晶粒徑的不均或結晶質矽的結晶粒的界面(結晶粒界)存在於TFT的通道形成區域而容易產生。TFT的特性不均主要容易受到通道間所存在的結晶粒徑與結晶粒界的數量而左右。進而，若結晶粒徑較大則一般而言電子移動度變大。有機EL顯示器用途的TFT的電場電子移動度高但是必須延長TFT的通道長度，RGB(紅、綠、藍)各1像素的尺寸依存於TFT的通道長度而無法獲得高解析度。因此，對結晶粒徑的不均較小且微細的結晶膜的要求程度日益變高。
然而，先前的結晶化方法中，解決該等問題較為困難。
這是因為，其一之雷射退火法是使非晶矽暫時熔融而使之再結晶化的製程，一般形成的結晶粒徑較大。因此，如上所述電場電子移動度高，且多個TFT的通道區域內的結晶粒徑的數量產生不均，或隨機的形狀、鄰接的結晶的結晶配向性的不同結果對TFT的特性不均產生較大影響。尤其雷射重合部容易出現結晶性的不同，該結晶性的不同對TFT的特性不均產生較大影響。又，亦存在藉由表面的污染物(contamination)(雜質)而結晶產生缺陷的問題。
又，藉由固相成長法(SPC法)而獲得的結晶的粒徑較小且TFT不均較少，是解決上述問題最有效的結晶化方法。然而，結晶化時間長，難以作為量產用途而採用。於實現固相成長法(SPC)的熱處理步驟中，使用將多塊基板同時處理的批量(batch)式熱處理裝置。由於將大量的基板同時加熱，因此升溫以及降溫需要長時間，並且基板內的溫度容易變得不均勻。又，固相成長法是以較玻璃基板的應變點溫度更高的溫度長時間加熱，則引起玻璃基板自身的收縮、膨脹且對玻璃帶來損害(damage)。SPC的結晶化溫度較玻璃轉移點高，因此以較少的溫度分佈發生玻璃基板的彎曲或收縮分佈。其結果為即便可結晶化但曝光步驟等的製程產生障礙而元件的製作變得困難。處理溫度越高越要求溫度均勻性。一般而言結晶化速度依存於加熱溫度，於600℃時需要10～15小時的處理時間，於650℃需要2～3小時的處理時間，於700℃時需要10分鐘的處理時間。為了不對玻璃基板帶來損害地進行處理則需要長時間的處理時間且該方法難以用作量產用途。
本發明是以上述情況為背景而開發的，其目的在於提供一種可不對基板帶來損害地自非晶質膜有效地製作結晶粒徑的不均較少且微細的結晶質膜的結晶質膜的製造方法以及製造裝置。
亦即，本發明的結晶質膜的製造方法的特徵在於，對位於基板的上層的非晶質膜，照射510～540 nm的可視波長帶的連續振盪雷射光，將上述非晶質膜加熱至不超過熔點的溫度而使該非晶質膜結晶化。
本發明的結晶質膜的製造裝置的特徵在於包括：雷射振盪器，其輸出510～540 nm的可視波長帶的連續振盪雷射光；光學系統，其將自該雷射振盪器輸出的雷射光整形並導入至非晶質膜；掃描裝置，其使上述非晶質膜沿著該非晶質膜的面方向而相對於上述雷射光相對性地移動；以及衰減器(attenuator)，其於藉由上述掃描裝置而掃描上述雷射光且照射至上述非晶質膜時調整上述雷射光的功率密度(Power Density)，以使該非晶質膜加熱至不超過熔點的溫度而結晶化。
根據本發明，藉由將可視光域的連續振盪雷射光照射至非晶質膜，而非晶質膜有效地吸收該雷射光且非晶質膜被急速加熱至不超過熔點的溫度，利用與先前的熔融-再結晶化法不同的方法可獲得粒徑的不均較小的均勻的微細結晶，例如，尺寸為50 nm以下的微細結晶。先前方式的熔融結晶化法或利用備用加熱爐的SPC(固相成長法)中結晶粒的不均變大。本發明中，無需對上述非晶質膜進行連續振盪雷射光以外的備用加熱，可抑制形成有非晶質膜的基板的升溫而有效地處理非晶質膜。
又，根據本發明，雷射光的重合部位亦可獲得同樣的結晶性，均勻性提高。先前方式的雷射退火法中，非晶質膜的雷射光的重合部位成為其他形態的結晶，損害結晶的均勻性。
又，使非晶質膜、尤其非晶矽中的連續振盪雷射光的短軸寬度小於等於100 μm，且沿著短軸寬度方向掃描並加熱短時間，由此基底的基板難以變成受到損害的溫度。尤其高速且相對性地掃描雷射光並使照射時間短，由此可確實避免對基板的損害。再者，於本發明中不需要基板的備用加熱，但是作為本發明不排除進行基板的加熱。
又，非晶質膜、尤其非晶矽被吸收好的雷射光直接加熱，因此無於非晶質膜的上層間接地設置雷射吸收層的必要性。
作為非晶質膜，較佳為具有50～200 nm的厚度的非晶矽膜。上述波長帶中，非晶矽膜的吸收率尤其好，可良好地進行微細結晶化。若非晶矽膜的厚度小於50 nm，則容易對基板帶來加熱的影響，若超過200 nm，則膜整體的結晶化難以充分，因此上述厚度較佳。
然而，可視光相對於非晶矽的吸收率藉由非晶矽的膜厚而變化，因此選定吸收好的膜厚較好。
又，於將上述波長帶的連續振盪雷射光照射至非晶質膜時，該雷射光的功率密度期望於照射面中為55～290 kW/cm2 的範圍內。若功率密度較低，則無法充分加熱非晶質膜，結晶化變得困難。另一方面，若功率密度過高，則將非晶質膜加熱至超過熔點的溫度為止等，而難以獲得微細的結晶粒。因此，雷射光的功率密度期望為上述範圍。
又，於雷射光的照射時，期望使雷射光的短軸寬度小於等於100 μm。藉由照射至非晶質膜的一部分區域，可不對基板帶來熱影響地將非晶質膜部分地急速加熱。於該短軸寬度方向上使雷射光相對性地移動，由此可於非晶質膜的廣泛區域中進行結晶化處理。然而，若短軸寬度過大則有效地結晶化，因此必須使掃描速度變大，從而導致裝置成本增加。
藉由使上述雷射光相對於非晶質膜而相對性地掃描，可使上述非晶質膜沿著面方向而結晶化。該掃描既可於雷射光側移動，亦可於非晶質膜側移動，亦可於兩者移動。該掃描速度期望為50～1000 mm/秒。
若掃描速度較小，則照射時間增加，有加熱至超過熔點的溫度為止，熔融或剝離(ablation)的情形。又，若掃描速度較大，則照射時間減少，有無法加熱至固相結晶化的溫度為止的情形。
如以上所說明般，根據本發明的結晶質膜的製造方法，對位於基板的上層的非晶質膜照射510～540 nm的可視波長帶的連續振盪雷射光，將上述非晶質膜加熱至不超過熔點的溫度而使該非晶質膜結晶化，因此即便不超過基板的轉移點或超過轉移點亦可低溫地處理，且可利用雷射僅使非晶質膜加熱至高溫而結晶化。同時具有可以短時間生成50 nm以下的微結晶的效果。同時具有重合部亦可生成同樣的50 nm以下的微結晶的效果(對大面積的結晶化有效)。同時具有藉由使照射時間變短，而將基板的移位(彎曲、變形、內部應力)抑制為最小限的效果。同時具有如下效果：將玻璃基板稍微加熱，因此將存在於非晶矽膜內的雜質或附著於表面的污染物除去。又，根據本發明，實現裝置的低成本化以及維護費用的降低化，實現運轉率高的處理，由此可提高生產性。
以下，根據圖1對本發明的一實施形態進行說明。
該實施形態的結晶質膜的製造方法中，以平板顯示器TFT元件所使用的基板6為對象，於該基板6上形成非晶矽薄膜6a作為非晶質膜。然而，作為本發明，成為對象的基板以及形成於基板的非晶質膜的種類並不限定於此。非晶矽薄膜6a藉由常用方法而形成於基板6的上層。
圖1是表示本發明的一實施形態的結晶質膜的製造方法中所使用的連續振盪固體雷射退火處理裝置10的圖，該連續振盪固體雷射退火處理裝置10相當於本發明的結晶質膜製造裝置。
連續振盪固體雷射退火處理裝置10中，將510～540 nm的波長的連續振盪雷射光輸出的連續振盪固體雷射即可視光CW雷射振盪器1設置於除振台8。
於可視光CW雷射振盪器1的輸出側，配置有切換雷射光1a的通過與遮斷的雷射快門2，於該雷射快門2的通過處配置有衰減器(attenuator)3。再者，衰減器3只要是可以規定的衰減率將雷射光衰減者即可，作為本發明並不限定於特定者。
於衰減器3的輸出側配置有全反射鏡40a、40b、40c，於全反射鏡40c的偏向處配置有聚光透鏡41a、41b，該等全反射鏡40a~40c、聚光透鏡41a、41b構成光學系統4，該光學系統4另外包括未圖示的光束均勻器(beam homogenizer)等，可將雷射光1a以長方形或線光束(line beam)狀等的規定的形狀進行光束整形，以使短軸寬度為5~100μm。
於光學系統4的出射方向設置有載置基板6的基板載置台7。基板載置台7包括掃描裝置(未圖示)，該掃描裝置可沿著該載置台的面方向(XY方向)而移動，且使該基板載置台7沿著上述面方向而高速移動。
其次，對使用上述連續振盪固體雷射退火處理裝置10的非晶矽薄膜的結晶化方法進行說明。
首先，於基板載置台7上，載置上層形成有非晶矽薄膜6a的基板6。該實施形態中該基板6不藉由加熱器等而進行加熱。
自可視光CW雷射振盪器1輸出510~540nm的波長的連續振盪雷射光，並且雷射快門2打開而實現雷射光1a的通過。
自可視光CW雷射振盪器1輸出的連續振盪雷射光1a，通過雷射快門2後到達衰減器3，藉由通過此而以規定的衰減率衰減。設定該衰減率以使於加工面中雷射光成為本發明規定的功率密度。衰減器3使衰減率可變，亦可改變功率密度。再者，作為本發明，亦可不使用衰減器， 於雷射光源中，進行輸出調整，而調整功率密度。
功率密度得到調整的連續振盪雷射光1a於光學系統4中，由全反射鏡40a、40b、40c反射且偏向，並由聚光透鏡41a、41b聚光。此時，通過未圖示的光束均勻器等。於該光學系統4中，將振盪雷射光1a整形為短軸寬度小於等於100μm的長方形或線光束狀，朝向基板6於照射面中以55~290kW/cm2 的功率密度進行照射。
上述基板載置台7藉由掃描裝置沿著非晶矽薄膜6a表面而於雷射光束的短軸寬度方向掃描，其結果為，於該非晶矽薄膜6a表面的廣泛區域上述連續振盪雷射光相對性地掃描且照射。再者，此時使連續振盪雷射光的掃描速度為50~1000mm/秒，於非晶矽薄膜6a上連續振盪雷射光高速移動且照射。
藉由上述連續振盪雷射光1a的照射而僅基板6上的非晶矽薄膜6a被加熱且以短時間多結晶化。此時，非晶矽薄膜6a的加熱溫度為不超過其熔點的溫度(例如1000~1200℃左右)。藉由該照射而獲得的結晶質薄膜的結晶粒徑小於等於50nm，亦無先前的固相結晶成長法中觀察到的突起，具有均勻且微細的良質的結晶性。
該結晶質薄膜可較佳地使用於有機EL顯示器。然而，作為本發明，使用用途並不限定於此，可用作其他的液晶顯示器或電子材料。
再者，上述實施形態中，藉由使基板載置台移動而將脈衝雷射光相對性地掃描，亦可藉由使引導脈衝雷射光的光學系統高速移動而將脈衝雷射光相對性地掃描。
實施例1
其次，對本發明的實施例進行說明。
進行如下實驗：使用上述實施形態的連續振盪固體雷射退火處理裝置10，對在玻璃製的基板的表面利用常用方法而形成的厚度為50 nm的非晶矽薄膜照射連續振盪雷射光。
該實驗中，使連續振盪雷射光的波長為532 nm的可視光，藉由光學系統以剖面長方形於加工面中以7 μm×2 mm或65 μm×2 mm的方式進行光束整形。再者，藉由衰減器3而調整雷射光，以使加工面的功率密度為表1所示的值。
雷射光是藉由使基板載置台以表1所示的掃描速度(平台速度)移動，而將連續振盪雷射光相對於上述非晶矽膜相對性地掃描，且照射至該非晶矽膜。
圖2之(a)~圖2之(e)、圖3之(f)~圖3之(j)表示以各條件進行雷射光照射的薄膜(No. a～j)的掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)照片。
薄膜中，試驗材料No. b、c、d、f、g、h、i的結晶粒徑的不均較少，面整體均質地多結晶化，且可獲得良質的多結晶矽薄膜。結晶粒小於等於50 nm較小且亦不產生突起。又，重合部亦生成均勻的微結晶。又，提前根據成為非晶矽完全熔解的條件的Secco熔液的蝕刻(21秒鐘)無變化，亦可確認所獲得的各矽膜具有結晶性。
另一方面，試驗材料No. a功率密度增大，因此加熱至超過熔點的溫度為止而熔融。試驗材料No. e、j功率密度減小，照射區域整個區域散布未獲得固相結晶化的狀況。
亦即，根據本發明的方法，判明均勻地獲得結晶質矽膜，且可提供TFT特性的不均的較少的矽膜。
以上，根據上述實施形態以及實施例對於本發明進行了說明，但本發明並不限定於上述說明的範圍，只要不脫離本發明的範圍當然可進行適當的變更。
1．．．雷射振盪器
1a．．．連續振盪雷射光
2．．．雷射快門
3．．．衰減器
4．．．光學系統
6．．．基板
6a．．．非晶矽薄膜
7．．．基板載置台
8．．．除振台
10．．．連續振盪固體雷射退火處理裝置
40a、40b、40c．．．全反射鏡
41a、41b．．．聚光透鏡
圖1是表示本發明的一實施形態以及一實施形態的製造方法所使用的連續振盪固體雷射退火處理裝置的縱剖面圖。
圖2之(a)~圖2之(e)同樣是表示實施例中的雷射照射後的薄膜的SEM照片。
圖3之(f)~圖3之(j)同樣是表示實施例中的雷射照射後的薄膜的SEM照片。
1．．．雷射振盪器
1a．．．連續振盪雷射光
2．．．雷射快門
3．．．衰減器
4．．．光學系統
6．．．基板
6a．．．非晶矽薄膜
7．．．基板載置台
8．．．除振台
10．．．連續振盪固體雷射退火處理裝置
40a、40b、40c．．．全反射鏡
41a、41b．．．聚光透鏡

Claims (5)

  1. 一種結晶質膜的製造方法，其特徵在於：對位於基板的上層的作為非晶矽膜的非晶質膜，不進行所述基板的備用加熱而使具有510~540nm的可視波長帶且短軸寬度為5~100μm的線光束狀的連續振盪雷射光在短軸方向上以50~1000mm/秒的相對速度相對地進行掃描並且以在上述非晶質膜照射面中為55~290kW/cm2 的功率密度進行照射，而將上述非晶質膜加熱至不超過熔點的溫度且使上述非晶質膜結晶化，以獲得尺寸為50nm以下且均勻的微結晶矽。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的結晶質膜的製造方法，其中上述非晶質膜具有50~200nm的厚度。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的結晶質膜的製造方法，其中利用光學系統將上述雷射光光束整形為線光束狀，並使上述基板側高速移動，由此進行上述掃描。
  4. 一種結晶質膜的製造裝置，用以獲得尺寸為50nm以下且均勻的微結晶矽，其特徵在於包括：雷射振盪器，其輸出510~540nm的可視波長帶的連續振盪雷射光；光學系統，其將自上述雷射振盪器輸出的雷射光整形成短軸寬度為5~100μm的線光束狀並導入至作為非晶矽膜的非晶質膜；掃描裝置，其使上述非晶質膜沿著上述非晶質膜的面方向並相對於上述雷射光而以50~1000mm/秒的相對速 度相對性地移動；以及衰減器，其於使上述雷射光藉由上述掃描裝置而進行掃描並且照射至上述非晶質膜時將上述雷射光的功率密度調整成在上述非晶質膜照射面中為55~290kW/cm2 ，以使上述非晶質膜加熱至不超過熔點的溫度。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的結晶質膜的製造裝置，其中上述雷射光是藉由對上述非晶質膜的照射而將上述非晶質膜加熱至1000~1200℃。
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