TWI508144B - 雷射回火處理裝置以及雷射回火處理方法 - Google Patents

雷射回火處理裝置以及雷射回火處理方法 Download PDF

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Description

雷射回火處理裝置以及雷射回火處理方法
本發明關於一種以脈衝雷射光照射半導體膜進行雷射回火的雷射回火處理裝置以及雷射回火處理方法。
對液晶顯示器或有機電致發光(OEL)顯示器的畫素開關或驅動電路中使用的薄膜電晶體而言，低溫製程的製造方法的一個環節是使用雷射光的雷射回火。該方法是以雷射光照射形成於基板上的非晶半導體膜，局部加熱使非晶半導體膜熔融之後，或不使非晶半導體膜熔融地加熱之後，於其冷卻過程中使半導體薄膜結晶成多晶半導體薄膜或單晶半導體薄膜。結晶化之半導體薄膜由於載子移動率變高，故可提高薄膜電晶體的性能。又，亦可藉由對結晶半導體薄膜進行雷射回火處理來進行改質。已提出的方法有：於雷射光照射過程中，將脈衝雷射光整形為矩形狀或線狀，掃描該脈衝雷射光並進行重疊照射以對半導體進行回火(如專利文獻1)。上述雷射光照射過程須對整個半導體膜進行均勻處理，一般會作將雷射輸出調整至預定範圍內的控制，或藉可變衰減器將脈衝能量調整至預定範圍的控制，以使所照射的脈衝雷射光具有穩定的脈衝能量密度。
[先行技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利公開平6-5537號公報然而，對照射脈衝雷射光而結晶化的半導體膜而言，由於均勻地存在粒徑大的結晶粒，故可得作為半導體元件的優良特性。因此，雷射回火時照射的脈衝雷射光的能量密度必需適當，且在適合於結晶化的範圍內。如此，雷射回火時會將雷射輸出控制在適於結晶化的範圍內，但先前技術的脈衝雷射光有如下問題：脈衝雷射光的適當範圍即容限(margin)小，用以進行控制的裝置的負擔大，且由於輸出變動，結晶性容易產生不均勻。如圖6所示，先前技術的脈衝雷射光的上升、下降均有陡峭的脈衝波形，本發明者等人發現：使陡峭的脈衝波形變成寬闊(broad)的脈衝波形，則適於結晶化的能量密度本身會變高，且能量密度的範圍會變得比較大。然而，適於結晶化的能量密度變高，意味著若輸出脈衝能量無變化，則須減小脈衝雷射光的照射面積來提高脈衝能量密度。若減小脈衝雷射光的照射面積，則用以對半導體膜的一個面進行處理的脈衝照射次數必然會變多，處理量(throughput)會降低。
本發明是有鑑於上述情形而提出，目的在提供可儘可能抑制處理量降低，同時可增大適於結晶化等的能量密度的範圍即適當的容限的雷射回火處理裝置及處理方法。
亦即，本發明的雷射回火處理裝置中，第1發明的特徵在於包括輸出脈衝雷射光的雷射光源、對脈衝雷射光進行整形並將其導引至作處理對象的半導體膜的光學系統，以及設置照射脈衝雷射光的半導體膜的平台(stage)。照射半導體膜的上述脈衝雷射光自其脈衝能量密度的最大高度的10%升至該最大高度的上升時間為35奈秒以下，自最大高度降至最大高度的10%的下降時間為80奈秒以上。
第2發明的雷射回火處理裝置特徵在：第1發明中的上升時間為30奈秒以下，下降時間為85奈秒以上。
第3發明的雷射回火處理裝置特徵在：第1或第2發明更包括波形整形部，其將自上述雷射光源輸出的脈衝雷射光整形為具有上述上升時間與下降時間的脈衝波形。
第4發明的雷射回火處理裝置特徵在：第3發明所述波形整形部包括將自雷射光源輸出的脈衝雷射光分割為多條光束的光束分割單元、使分割出的各光束延遲的延遲單元，以及將分割出的各光束合成的光束合成單元。
第5發明的雷射回火處理裝置特徵在：第1~4發明中的任一者包括多個雷射光源，並將自各雷射光輸出的脈衝雷射光重合而得照射半導體膜的上述脈衝雷射光。
第6發明的雷射回火處理裝置特徵在：第1~5發明的任一者中，照射上述脈衝雷射光的半導體膜為非晶矽。
第7發明的雷射回火處理裝置特徵在：第1~6發明的任一者中，上述脈衝雷射光為準分子雷射(excimer laser)。
又，本發明的雷射回火處理方法特徵在：獲得脈衝雷射光，以該脈衝雷射光照射半導體膜並相對移動地進行掃描，以對該半導體膜作表面處理。上述脈衝雷射光的脈衝波形為：自脈衝能量密度的最大高度的10%升至最大高度的上升時間為35奈秒以下，自最大高度降至最大高度的10%的下降時間為80奈秒以上。
亦即，本發明以適當確定了上升時間、下降時間的脈衝雷射光照射半導體膜，藉此而能以容限大的適當的脈衝能量密度進行良好的回火處理。又，亦可將適於結晶化等的脈衝能量密度抑制得較小，且可儘可能增大照射面積而以良好的處理量來進行處理。
再者，若上升時間超過35奈秒，則適於結晶化等的脈衝能量密度會變大，而須減小脈衝雷射光的照射面積。因此，上升時間設為35奈秒以下。依同樣的理由，此上升時間較佳為30奈秒以下。又，若下降時間不足80奈秒，則適於結晶化等的脈衝能量密度的容限變小，裝置負擔變大，或亦難以獲得均勻的結晶。因此，下降時間設為80奈秒以上。依同樣的理由，下降時間較佳為85奈秒以上。再者，本發明中上升時間定義為自脈衝波形最大高度的10%升至該最大高度的時間，下降時間定義為自脈衝波形最大高度降至該最大高度的10%的時間。
具上述上升時間及下降時間的脈衝波形可為自雷射光源輸出的脈衝雷射光所具脈衝波形，但亦可為藉波形整形部對脈衝波形整形而得者。藉此，可不使用特殊的雷射光源而得所需的脈衝波形。波形整形部例如為使用延遲單元的波形整形部。對利用延遲單元者而言，可藉如下部分構成波形整形部：將自雷射光源輸出的脈衝雷射光分割為多條光束的光束分割單元、使分割出的各光束延遲的延遲單元，以及將分割出的各光束合成的光束合成單元。設定延遲單元的延遲量可使脈衝波形成為適當形狀。延遲單元可藉由光路長度之調整來變更延遲量。例如，將上述光束分割單元分割出的雷射分別導引至光路長度不同的光學系統。將分割後延遲的光束再次導引至單一光路上，藉此使脈衝時間寬度伸長，而可調整脈衝波形。尤其是，調整分割時的強度比並設定分割後的各個光路長度，即可適當地變更脈衝時間波形。
又，具上述上升時間及下降時間的脈衝波形亦可將自多個雷射光源輸出的脈衝雷射光重合而得。對於該波形而言，可預先將多條脈衝雷射光合成為一條脈衝雷射光而照射半導體膜，亦可以多條脈衝雷射光形成所需的脈衝波形的能量密度而照射半導體膜。將多條脈衝雷射光重合時，可調整脈衝輸出的相位或使延遲單元介入，如此亦可獲得所需的脈衝波形。
本發明可較佳用於非晶質矽膜的結晶化，但本發明中的材料種類、目的無特別限制。例如，亦可以脈衝雷射光照射結晶質半導體膜而進行改質。脈衝雷射光可較佳使用高輸出率的準分子雷射光，但本發明並不限定於此。
[發明的效果]
如上所述，本發明包括輸出脈衝雷射光的雷射光源、對脈衝雷射光整形並將其導引至作為處理對象的半導體膜的光學系統，及設置照射脈衝雷射光的半導體膜的平台。照射半導體膜的上述脈衝雷射光自其脈衝能量密度的最大高度的10%升至最大高度的上升時間為35奈秒以下，自最大高度降至其10%的下降時間為80奈秒以上，因此可不顯著增大適於結晶化等的脈衝能量密度而確保適於結晶化等的大容限量，從而可不使裝置負擔增大或不使處理量降低地進行均勻的回火處理。
以下說明本發明的一個實施形態。圖1是本發明的雷射回火處理裝置1的概略圖。雷射回火處理裝置1包括處理室2，處理室2內設有可於X-Y方向移動的掃描裝置3，掃描裝置3的上部設有基台4。基台4上設有基板配置台5作為平台。於回火處理時，基板配置台5上設有作為半導體膜的非晶質矽膜100等。矽膜100以50 nm的厚度形成於未圖示的基板上。半導體膜可用通常方法形成，本發明不特別限定之。再者，掃描裝置3以未圖示的馬達等驅動。又，處理室2中設有自外部導入脈衝雷射光的導入窗6。
處理室2的外部設有脈衝雷射光源10，其由準分子雷射振盪器構成，可輸出波長308 nm、重複振盪頻率300 Hz、脈衝上升時間＜5奈秒、脈衝下降時間約45奈秒的脈衝雷射光。此脈衝雷射光源10藉由反饋(feedback)方式來控制，以將脈衝雷射光的輸出維持於預定範圍內。
視需要以衰減器11對上述脈衝雷射光源10中經脈衝振盪而輸出的脈衝雷射光15的能量密度作調整，由透鏡、反射鏡及均光器(homogenizer)等構成的光學系統12進行光束整形或使光束偏向，且此脈衝雷射光15經由設於處理室2的導入窗照射至處理室2內的非晶矽膜100。照射時的照射面形狀無特別限定，可藉上述光學系統12整形為例如點(spot)狀、圓形狀、角形狀、長條狀等。
又，光學系統12中含有波形整形部13，下文依圖2概略說明之。波形整形部13中的光路上配置由半鏡面(half mirror)構成的光束分光鏡130，其進行分割以使一部分的光束15a反射90度，剩餘部分的光束15b透射。亦即，光束分光鏡130相當於本發明的光束分割單元。又，於光束分光鏡130的反射方向，以入射角達45度的方式配置全反射鏡131；於全反射鏡131的反射方向，以入射角達45度的方式配置全反射鏡132；於全反射鏡132的反射方向，以入射角達45度的方式配置全反射鏡133；於全反射鏡133的反射方向，以入射角達45度的方式配置全反射鏡134。上述光束分光鏡130的背面側位於全反射鏡134的反射方向，以45度的入射角射出光束。
由光束分光鏡130反射90度而得的光束15a依序由全反射鏡131、132、133、134每次反射90度，藉此成為延遲的光束15c。光束15c到達光束分光鏡130的背面側，一部分光束被反射90度且以延遲之後的形態重合於光束15b，其餘的光束透過光束分光鏡130而反覆受到上述全反射及光束分光鏡130的分割。於光束15b側經重合而成的光束是藉由使延遲之後的光束重合來對脈衝波形整形，從而形成上升陡峭且下降緩和的脈衝波形，其作為脈衝雷射光150而於光路上前進。具體而言，脈衝雷射光150為自脈衝能量密度的最大高度的10%升至最大高度的上升時間為35奈秒以下、自最大高度降至其10%的下降時間為80奈秒以上的脈衝波形。再者，改變各全反射鏡的位置而調整光路長度即可改變光束的延遲量，藉此可任意變更重合後的脈衝雷射光的脈衝波形。又，亦可個別地對經分割的脈衝雷射光的強度作調整。
脈衝雷射光150經由導入窗6導入處理室2，且照射基板配置台5上的矽膜100。此時基板配置台5藉掃描裝置3與基台4一起移動，脈衝雷射光150於矽膜100上相對移動地掃描而進行照射。對雷射光源10的輸出、衰減器11的衰減率及脈衝雷射光的照射剖面積進行設定，即可使此時的脈衝雷射光150獲得適於結晶化的能量密度，從而使非晶矽膜100均勻地結晶化。再者，可將脈衝雷射光150一部分抽出，於與照射面同等的位置測定脈衝能量密度。可基於該測定結果來調整脈衝雷射光源10或衰減器11，以將脈衝雷射光150的脈衝能量密度調整為適當值。經脈衝雷射光150照射而結晶化的矽膜100的結晶粒較大，粒徑一致且結晶性優良。再者，此時適當的脈衝能量密度的容限大，可減輕裝置負擔，並且即便於雷射輸出發生變動時，亦可確保回火處理的均勻性。又，可將適於結晶化等的能量密度亦設定得較低，從而可增大脈衝雷射光的照射剖面積，以提高處理量。
[實例1]
以下說明本發明的實例及比較例。使用圖1、2所示雷射回火處理裝置1對波形整形部13的延遲量作調整，以得具有上升、下降時間不同的脈衝波形的脈衝雷射光。再者，該實例中脈衝雷射光的照射面形狀是465 nm、寬度0.4 mm的線光束(line beam)形狀。圖3表示各脈衝雷射光的脈衝波形，其中具體表示上升時間、下降時間，且將下降時間標記為脈衝衰減時間。
對具有上述脈衝波形的脈衝雷射光變更脈衝能量密度，並以其照射非晶矽膜100而進行評價。再者，主要是調整衰減器11的衰減率來變更脈衝能量密度。評價結晶性時，是用電子顯微鏡來確認結晶化的矽膜的表面，將由大結晶粒形成且粒徑一致的矽膜判斷為優質的矽膜。再者，良好的結晶粒例如為200 nm以上。對各脈衝波形，依結晶粒的大小、均勻性而分別求出最佳的結晶化脈衝能量密度。又，對上升時間51奈秒以外的脈衝雷射光求出適於結晶化的脈衝能量密度的上下限。圖4顯示使用各脈衝波形的脈衝雷射光的照射結果。可知隨著脈衝上升時間變短，最佳化脈衝能量密度逐步減少；於35奈秒以下，最佳化脈衝能量密度急遽下降。因此，必須將上升時間設為35奈秒以下。又，上升時間為30奈秒以下時，最佳化脈衝能量密度更顯著下降。
圖5顯示對以脈衝上升時間22奈秒、下降時間87奈秒的脈衝波形的脈衝雷射光照射非晶矽膜而結晶化所得的矽膜的表面進行觀察的電子顯微鏡照片。由此照片可知適於結晶化的脈衝能量密度範圍為330~370 mJ/cm2 ，最佳脈衝能量密度為340 mJ/cm2 。若以比適於結晶化的脈衝能量密度低的脈衝能量密度照射脈衝雷射光，則所得結晶的結晶粒徑變小。又，若以比適於結晶化的脈衝能量密度高的脈衝能量密度照射脈衝雷射光，則所得結晶的結晶粒徑的不均勻性變大，而且隨能量密度上升，結晶粒會變小。
然而，對上升時間7奈秒的脈衝雷射光而言，雖然適於結晶化的脈衝能量密度降低，但作為適當範圍的容限量急遽變小。原因在於下降時間為78奈秒，低於80奈秒。因此，上升時間、下降時間均必須滿足本發明的條件。
以上雖已基於上述實施形態及實例來說明本發明，但本發明並不限定於上述說明內容，當可於不脫離本發明的範圍內進行適當的變更。
1．．．雷射回火處理裝置
2．．．處理室
3．．．掃描裝置
4．．．基台
5．．．基板配置台
6．．．導入窗
10．．．脈衝雷射光源
11．．．衰減器
12．．．光學系統
13．．．波形整形部
15、150．．．脈衝雷射光
15a、15b、15c．．．光束
100．．．矽膜
130．．．光束分光鏡
131、132、133、134．．．全反射鏡
圖1是本發明一實施形態的雷射回火處理裝置的概略圖。
圖2是同實施形態中波形整形部的概略圖。
圖3繪示本發明的實例使用的脈衝雷射光的各脈衝波形。
圖4表示同實例中脈衝上升時間與脈衝能量密度的容限的關係。
圖5為同實例中照射脈衝雷射光後的矽薄膜的表面結晶的圖式代用照片。
圖6繪示先前技術的雷射回火處理裝置所使用的脈衝雷射光的脈衝波形。

Claims (6)

  1. 一種雷射回火處理裝置，其使雷射光相對移動地掃描並進行照射，而使非晶矽半導體膜結晶化，所述雷射回火處理裝置的特徵在於：包括輸出脈衝雷射光的雷射光源、對該脈衝雷射光整形並將導引至非晶矽半導體膜的光學系統，以及設置照射該脈衝雷射光的該非晶矽半導體膜的可移動的平台，其中照射該非晶矽半導體膜的該脈衝雷射光自其脈衝能量密度的最大高度的10%升至該最大高度的上升時間為30奈秒以下，自該最大高度降至該最大高度的10%的下降時間為85奈秒以上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的雷射回火處理裝置，更包括波形整形部，以將自該雷射光源輸出的該脈衝雷射光整形為具有該上升時間與該下降時間的脈衝波形。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的雷射回火處理裝置，其中該波形整形部包括：將自該雷射光源輸出的該脈衝雷射光分割為多條光束的光束分割單元、使分割而成的各光束延遲的延遲單元，以及將分割而成的各光束予以合成的光束合成單元。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的雷射回火處理裝置，其包括多個雷射光源，且將自各雷射光源輸出的脈衝雷射光重合而得照射至該非晶矽半導體膜的脈衝雷射光。
  5. 一種雷射回火處理方法，其特徵在於： 獲得脈衝雷射光，將該脈衝雷射光照射至非晶矽半導體膜並相對移動地掃描，以對該非晶矽半導體膜進行結晶化處理，該脈衝雷射光的脈衝波形為：自脈衝能量密度的最大高度的10%升至該最大高度的上升時間為30奈秒以下，自該最大高度降至該最大高度的10%的下降時間為85奈秒以上。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的雷射回火處理方法，其中結晶化處理是用於獲得具有200nm以上的粒徑的結晶。
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