TWI520806B - 雷射照射裝置、使用此裝置進行雷射照射之方法以及非晶矽薄膜結晶化之方法 - Google Patents

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Description

雷射照射裝置、使用此裝置進行雷射照射之方 法以及非晶矽薄膜結晶化之方法
本發明是有關於一種雷射照射裝置、一種使用此裝置進行雷射照射之方法以及一種非晶矽薄膜(amorphous silicon film)結晶化之方法，特別是有關於一種可減少雷射光束強度變異之雷射照射裝置、一種使用此種裝置進行雷射照射之方法以及一種可改善多晶矽薄膜之結晶均勻度的非晶矽薄膜結晶化方法。
平面顯示裝置，如有機發光二極體(OLED)顯示器或薄膜電晶體液晶顯示器，因為其驅動特性而可以使用非常薄且具彈性之結構進行製造，所以已經被廣泛地被進行許多研究。
在這些平面顯示器中，主動矩陣式平面顯示裝置在每一個像素中含有一個像素電路，此像素電路會隨著來自掃瞄線及資料線上所施加之信號而調整並驅動每一個像素的發光元件。
每一個像素電路會包括一個薄膜電晶體，此電晶體則含有一具有通道的主動層。此主動層一般會以非晶矽或多晶矽來形成。
雖然使用非晶矽之薄膜電晶體可以在低溫下進行沉積，但它無法用於大尺寸的顯示裝置。因此，大多會使用多晶矽來製作薄膜電晶體。由於多晶矽具有高牽移率、高頻操作特性及低漏電流，所以它很適合用於大尺寸的平面顯示裝置中。
這種多晶矽是經由使用預設的結晶化方法將非晶矽進行結晶化步驟而形成的，其結晶化方法通常是雷射結晶。
在一基底上形成主動層(意即多晶矽層)之雷射退火步驟是藉由將一具有預設長度與寬度之線性雷射光束照射至基底的整個表面來進行。線性的雷射光束會在基底表面上以掃瞄且交疊的方式進行照射。
一般來說，準分子雷射之脈衝雷射光束會被用來做為雷射退火步驟中所使用的雷射光束。
振盪雷射光束在各種情況下並不是都一致的，可能會因為雷射振盪器被加熱所導致的溫度升高而產生改變，或是因光學系統中聚光鏡之折射或溫度變化而產生改變。
雷射光束的不均勻會導致結晶的不均勻，又進一步造成薄膜電晶體製作過程中產生不均勻的電阻值。因此，不均勻的結晶會是造成產品瑕疵的一個直接原因。
有鑑於上述問題，本發明之目的就是在提供一種可藉由減少不均勻雷射光束間之變異而改善多晶矽薄膜結晶均勻度之雷射照射裝置、一種使用此裝置進行雷射照射之方法以及一種使用此裝置進行非晶矽薄膜結晶化之方法。
依據本發明之一目的，雷射照射裝置包括一雷射振盪器及一光學系統。雷射振盪器係用以振盪一雷射光束。光學系統則設置於該雷射振盪器之前方，並用以修正該雷射光束並將該修正後的雷射光束照射至一物體上。其中，該光學系統包括一光束分割器以及一光通量調整器(luminous flux adjuster)，該光束分割器係用以將該雷射光束進行分割，而該光通量調整器係用以調整該雷射光束之通量。
依據本發明之另一目的，使用一雷射振盪器及一光學系統進行雷射照射之方法，包括以下步驟：使用該光學系統將來自該雷射振盪器而被振盪後的雷射光束進行修正；以及將該修正後的雷射光束照射至一物體上。其中，該光學系統使用該光束分割器分割該雷射光束，該光學系統會使用一光通量調整器調整該被分割後的雷射光束之通量而進行照射。
依據本發明之又另一目的，經由雷射照射而將非晶矽薄膜結晶化為一多晶矽薄膜之方法，包括以下步驟：使用一光束分割器將來自一雷射振盪器的振盪後雷射光束進行分割；以及經由一光通量調整器調整該被分割後的雷射光束之通量而進行照射。
本發明實施例之其他目的及/或優點部份顯示於以下的說明中，而部份是從說明中明顯可得知，或是可經由實施例之實際操作而得知。
1‧‧‧雷射照射裝置
10‧‧‧雷射振盪器
20‧‧‧光學系統
30‧‧‧光束分割器
31~35‧‧‧反射鏡
40‧‧‧光通量調整器
110‧‧‧平台
120‧‧‧基底
130‧‧‧非晶矽薄膜
A、B、C‧‧‧媒介
L1~L9‧‧‧雷射光束
第1圖顯示了本發明實施例中一雷射照射裝置；第2及3圖分別顯示了使用第1圖中雷射照射裝置進行非晶矽結晶化之方法圖示及時序圖。
以下將配合圖示詳細說明本發明之實施例。所有圖示中相同的標號係參照到相同的元件，當某一部被指稱為「與另一部連接」時，這些部份可以是相互「直接連接」，或是在其間還有一第三裝置而相互「電性連接」。此外，在圖示中，材料層及區域之厚度可能為了方便說明而被放大。
第1圖顯示了本發明實施例中一雷射照射裝置，而第2及3圖分別顯示了使用第1圖中雷射照射裝置進行非晶矽結晶化之方法圖示及時序圖。
請參閱第1圖，本發明實施例中之雷射照射裝置1包括一雷射振盪器10及一光學系統20。光學系統20具有一光束分割器30及一光通量調整器40。
在本實施例中，光學系統20包括光束分割器30及光通量調整器40，但許多不同的型式及設計亦可以應用於本發明之實施例中。
雷射振盪器10是一種可對一脈衝型雷射光束進行振盪並將一具有特定波長之雷射光束進行振盪而成為具有特定頻率之脈衝。較佳的方式是，雷射振盪器10可以是一種準分子雷射。
光學系統20被設置於雷射振盪器10之前方，以修正來自雷射振盪器10被振盪後的雷射光束，並將修正後的光束照射至一物體。被照射出的雷射光束是一種具有長方形面積之線性雷射光束。
光學系統20會使用一預設之比例將雷射光束進行分割，光學系統20包括光束分割器30及光通量調整器40。光束分割器30具有多個反射鏡31至35，而光通量調整器40會對每一個被光束分割器30所分割出來的雷射光束通量進行調整。
光束分割器30含有多個反射鏡31至35，因此會使用每一面反射鏡之反射率(reflectance)及透光率(transmittance)來以一預設比例對雷射光束進行分割。雷射光束可以依據不同的目的而被分割成具有不同強度的多個雷射光束。
被分割後的雷射光束數量是由在光束分割器30中反射鏡之數量與排列來決定。
光通量調整器40包括多個媒介A、B及C，並依據媒介A、B及C之特性來調整被光束分割器30所分割之雷射光束的通量。
然而，光通量調整器可以依據被分割雷射光束的數量而含有一個或一個以上的媒介。
複數個媒介A、B及C是分別與被分割後的雷射光束相對的。然而，在這些被分割後的雷射光束中，其通量不需要被調整的光束並沒有與任何媒介相對。
舉例來說，用以調整雷射光束通量之媒介A、B及C可以是一種使用超低溫原子氣體或熱蒸氣來減少光通量之裝置，但本發明不限於此。
請參閱第1圖，使用光束分割器30及光通量調整器40來進行分割之方法，是以將來自雷射振盪器10、具有100%強度之被振盪後雷射光束被光束分割器30分割成4個強度為25%為例進行簡單說明，但本發明不限於此。
在某些實施方式中，強度100%、來自雷射振盪器10而被振盪後的第一雷射光束L1會被第一反射鏡31分割成第二及第三雷射光束L2、L3。第一反射鏡之透光率約為50%，而每一個第二、第三雷射光束L2及L3之強度則約為50%。
第二雷射光束L2再被一第二反射鏡32分割成第四、第五雷射光束L4、L5。第二反射鏡之透光率約為50%，而每一個第四、第五雷射光束之強度約為25%。
第五雷射光束L5會形成一第六雷射光束L6，第六雷射光束L6之路徑會被具有反射率約為100%之第三反射鏡33改變。
第三雷射光束L3會被一第四反射鏡34分割成第七及第八雷射光束L7、L8，第四反射鏡之透光率約為50%。每一個第七及第八雷射光束L7、L8之強度約為25%。
第八雷射光束L8會形成一第九雷射光束L9，第九雷射光束L9之路徑會被具有反射率約為100%之第五反射鏡35改變。
因此，具有強度為100%之第一雷射光束L1會通過光束分割器30，然後被分割成四個雷射光束L4、L6、L7及L9，都同樣具有相同的強度25%。
在此四個雷射光束中，第九雷射光束L9沒有通過任何媒介，而其他三個雷射光束L7、L4及L6則分別通過媒介A、B及C。
因此，具有強度100%之雷射光束L1，在自雷射振盪器振盪後，經過光學系統20，再被分割成各具有強度約為25%之的四個雷射光束L9’、L7’、L4’、L6’後被發射出來。
這四個雷射光束L9’、L7’、L4’、L6’可以依據媒介A、B及C之特性而在不同間隔時間被發射出去。可能的雷射光束輸出順序有很多，舉例來說，沒有通過任何媒介的雷射光束L9’被輸出，分別通過媒介A及B的雷射光束L7’及L4’被輸出，通過媒介C之雷射光束L6’被輸出。
在本實施例中，四個雷射光束L9’、L7’、L4’、L6’是以各自獨立的方式被輸出的，它們可以在被輸出前先被一聚光鏡聚集。此聚光鏡可以位在光通量調整器40之前方。
請參閱第2及3圖，以下將說明使用第1圖中雷射照射裝置進行非晶矽結晶化之方法。
然而，在本實施例中，假設雷射光束在被分割後並非以各自獨立的方式自光學系統20射出，但是是在被分割後的雷射光束於光學系統20中聚集後才同時被發射出來。光學系統20之設計可以參閱第1圖，此處不再進一步說明。
我們也假設依據媒介在雷射光束發射與振盪間的時間間隔長短會依媒介A、B、C之順序逐漸變短。延遲時間則會從媒介A、B到C逐漸變長，而自雷射振盪器10輸出、用以使非晶矽結晶化之雷射光束強度是假設為100%。
首先，當具有強度約100%的第一雷射光束L1自雷射振盪器10被振盪後，依第3圖之時間對輸出自光學系統20之雷射光束強度改變進行檢查，由於媒介A至C不同的延遲時間，自光學系統20輸出之第一雷射光束Le之最終強度與沒有經過媒介之雷射光束L9’強度是相同的，為25%。此處，自光學系統20射出之雷射光束會被稱為一個最終雷射光束(振盪)。
之後，當強度為100%之一第二雷射光束L1自雷射振盪器10振盪產生時，第二雷射光束(振盪)Le之最終強度等於沒有通過任何媒介之第二雷射光束(振盪)L9’強度及通過媒介A之第一雷射光束(振盪)L7’強度之和。第二雷射光束(振盪)L1之最終強度約為50%。
當強度為100%之一第三雷射光束L1自雷射振盪器10振盪產生時，第三雷射光束(振盪)Le之最終強度等於沒有通過任 何媒介之第三雷射光束(振盪)L9’強度、通過媒介B之第二雷射光束(振盪)L7’強度以及第一雷射光束L4’強度之和。第三雷射光束(振盪)Le之最終強度約為75%。
當強度為100%之一第四雷射光束L1自雷射振盪器10振盪產生時，第四雷射光束(振盪)Le之最終強度等於沒有通過任何媒介之第三雷射光束(振盪)L9’強度、通過媒介A之第三雷射光束(振盪)L7’強度、通過媒介B之第二雷射光束L4’強度、以及通過媒介C之第一雷射光束(振盪)L6’強度之和。第四雷射光束(振盪)Le之最終強度約為100%。
因此，自第四雷射光束被振盪時開始由光學系統20輸出之最終雷射光束強度與一開始自雷射振盪器10振盪產生之雷射光束強度是相同的。
請參閱第2圖，一具有非晶矽薄膜130之基底120被置於一平台110上，平台110是可移動的，而一雷射照射裝置1被安裝於面對非晶矽薄膜130之位置。
另一種做法是，平台110可以是固定的，而雷射照射裝置可以被設計成可移動。
雷射照射裝置1具有與第1圖中相同的設計，並依第3圖之時序操作，直至自雷射振盪器10振盪產生之雷射光束L1經由光學系統20被輸出為一最終雷射光束。
依據第3圖之時序，從第一到第三振盪雷射光束都沒有足夠的強度可以使非晶矽薄膜結晶化，因此它們無法在結晶化步驟中使用。
從第四雷射光束被振盪產生時開始，雷射照射裝置1會向非晶矽薄膜130照射一雷射光束，因而使非晶矽薄膜130結晶化。
自雷射振盪器10振盪產生之雷射光束被分割成多個雷射光束，這些光束在不同時間間隔自光學系統20被輸出而照射至非晶矽薄膜的相同區域上。
當不同時間間隔時輸出之雷射光束強度總和與自雷射振盪器10振盪產生之雷射光束強度相同時開始，雷射光束會被照射至非晶矽薄膜以使其結晶化。
同樣地，當自雷射振盪器10振盪產生之雷射光束被分割時，被分割後之雷射光束會被聚集以使非晶矽薄膜結晶化，在強度不一致之雷射光束間的變異就會被減小。
舉例來說，當自雷射振盪器振盪產生之雷射光束強度不是100%，而是80%時，照射至非晶矽薄膜之雷射光束強度就約為80%。
然而，依據本發明實施例，即使四個雷射光束之一具有強度約為80%，但其他三個雷射光束強度為100%時，照射至非晶矽薄膜之雷射光束強度可以具有約95%的強度，此強度為四個雷射光束強度之平均值。因此，雷射光束強度之變異被減小了。
依據本發明之實施例，多晶矽薄膜之結晶均勻度可以藉由減小不一致雷射光束間的變異來加以改善。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1‧‧‧雷射照射裝置
10‧‧‧雷射振盪器
20‧‧‧光學系統
30‧‧‧光束分割器
31~35‧‧‧反射鏡
40‧‧‧光通量調整器
A、B、C‧‧‧媒介
L1~L9‧‧‧雷射光束

Claims (18)

  1. 一種雷射照射裝置，包括：一雷射振盪器，用以依一第一間隔時間振盪一雷射光束；以及一光學系統，設置於該雷射振盪器之前方，並用以修正該雷射光束並將該修正後的雷射光束照射至一物體上；其中，該光學系統包括一光束分割器以及一光通量調整器，該光束分割器係用以將該雷射光束進行分割為複數個分割雷射光束，而該光通量調整器係用以調整各該複數個分割雷射光束之通量，以依序地自該光通量調整器依一第二間隔時間發射各該複數個分割雷射光束，且其中自該雷射振盪器之該雷射光束的該第一間隔時間係與自該光通量調整器之該分割雷射光束之該第二間隔時間相同。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之雷射照射裝置，其中該光束分割器包括複數反射鏡，該些反射鏡具有預設之反射率及透光率。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之雷射照射裝置，其中該光通量調整器包括一個或多個相對於該些被分割後雷射光束之媒介，其中該光通量調整器會依據一個或多個媒介的特性進行該雷射光束通量之調整。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之雷射照射裝置，其中該些被分割後的雷射光束具有一致的強度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之雷射照射裝置，其中該光學系統更包括一聚光鏡，該聚光鏡設置於該光通量調整器之前方，用以聚集該些被分割後的雷射光束而將其射出成為一道雷射光束。
  6. 一種使用一雷射振盪器及一光學系統進行雷射照射之方法，包括以下步驟：自該雷射振盪器依一第一間隔時間振盪一雷射光束；使用該光學系統之一光束分割器將該雷射光束分割為複數個分割雷射光束；使用該光學系統之一光通量調整器來調整各該複數個分割雷射光束之通量以依序地依一第二間隔時間發射各該複數個分割雷射光束；使用設置於該光通量調整器前方之一聚光鏡來聚集該複數個分割雷射光束；以及將該複數個分割雷射光束作為一個雷射光束照射至一物體上；其中自該雷射振盪器之該雷射光束的該第一間隔時間係與自該光通量調整器之該分割雷射光束之該第二間隔時間相同。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之使用一雷射振盪器及一光學系統進行雷射照射之方法，其中該些被分割後的雷射光束具有一致的強度。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之使用一雷射振盪器及一光學系統進行雷射照射之方法，其中該光通量調整器包括一個或多個相對於該些被分割後雷射光束之媒介，其中該光通量調整器會對應於該分割雷射光束依據一個或多個媒介的特性個別進行該分割雷射光束之通量之調整。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之使用一雷射振盪器及一光學系統進行雷射照射之方法，更包括以下步驟：藉由該光學系統使用一設置於該光通量調整器前方之聚光鏡聚集該些被分割後的雷射光束而將其射出成為一道雷射光束。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之使用一雷射振盪器及一光學系統進行雷射照射之方法，其中該被分割後的雷射光束係被照射至該物體之相同區域。
  11. 一種經由雷射照射而將非晶矽薄膜結晶化為一多晶矽薄膜之方法，包括以下步驟：自一雷射振盪器依一第一間隔時間振盪一雷射光束；使用一光學系統之一光束分割器將該雷射光束分割為複數個分割雷射光束； 使用該光學系統之一光通量調整器來調整各該複數個分割雷射光束之通量以依序地依一第二間隔時間發射各該複數個分割雷射光束；使用設置於該光通量調整器前方之一聚光鏡來聚集該複數個分割雷射光束；以及將該複數個分割雷射光束以一雷射光束照射至一物體上；其中自該雷射振盪器之該雷射光束的該第一間隔時間係與自該光通量調整器之該分割雷射光束之該第二間隔時間相同。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之經由雷射照射而將非晶矽薄膜結晶化為一多晶矽薄膜之方法，其中該雷射光束係在通過該聚光鏡作為一個雷射光束之該雷射光束強度與來自該雷射振盪器之被振盪後該雷射光束之強度相同之時開始被照射至該非晶矽薄膜。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之經由雷照射而將非晶矽薄膜結晶化為一多晶矽薄膜之方法，其中該光通量調整器包括一個或多個相對於該些被分割後的雷射光束之媒介，其中該光通量調整器對應於該複數個分割雷射光束依據一個或多個媒介個別進行該複數個分割雷射光束的通量之調整。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之經由雷射照射而將非晶矽薄膜結晶化為一多晶矽薄膜之方法，更包括以下步驟： 藉由該光學系統使用一設置於該光通量調整器前方之聚光鏡聚集該些被分割後的雷射光束而將其射出成為一道雷射光束。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之經由雷射照射而將非晶矽薄膜結晶化為一多晶矽薄膜之方法，其中該些被分割後的雷射光束係在不同間隔時間經由該光通量調整器所具有的該相對媒介而被射出。
  16. 如申請專利範圍第11項所述之經由雷射照射而將非晶矽薄膜結晶化為一多晶矽薄膜之方法，其中該些被分割後的雷射光束具有一致的強度。
  17. 如申請專利範圍第11項所述之經由雷射照射而將非晶矽薄膜結晶化為一多晶矽薄膜之方法，其中該些被分割後的雷射光束係照射至該非晶矽薄膜之相同區域。
  18. 如申請專利範圍第11項所述之經由雷射照射而將非晶矽薄膜結晶化為一多晶矽薄膜之方法，其中該光束分割器包括複數反射鏡，該些反射鏡具有預設之反射率及透光率。
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