TWI557779B - 雷射退火裝置及方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種,使用微透鏡陣列之雷射退火裝置及方法,特別是關於一種,防止將透射過微透鏡陣列之雷射光投影於照射面時的照度變動之雷射退火裝置及方法。
使用微透鏡陣列之雷射退火裝置,介由使垂直於光軸之方向的強度分布均一化之均質機,將自雷射光源射出之雷射光,入射至聚光透鏡,以此聚光透鏡使雷射光成為平行光後,介由遮罩圖案將其入射至微透鏡陣列。之後,藉由此一微透鏡陣列之各微透鏡,將雷射光,聚光於例如TFT(Thin Film Transistor,薄膜電晶體)基板上所設定之TFT形成預定區域(例如參考專利文獻1、2)。藉由將以微透鏡陣列聚光之雷射光,在形成於此一TFT形成預定區域之非晶矽(a-Si)膜,脈波狀地照射,先熔融a-Si膜,之後,藉由將此一熔融之a-Si急冷,形成多晶矽膜。藉此,施行TFT形成預定區域之雷射退火的改質。
圖5顯示,習知之雷射退火裝置所使用的微透鏡陣列之立體圖;圖6顯示,1個微透鏡之縱剖面的模式圖。微透鏡陣列1,係於1片玻璃基板其表面及背面形成作為凸透鏡之微透鏡2,並將此一微透鏡2在行方向及列方向以2維方式配置複數個。微透鏡陣列1配置為以雷射光之光源側(通常為上側)為表面側,以照射面側(通常為下側)為背面側。而如圖6所示,透射過微遮罩3之圖案的雷射光,入射至微透鏡陣列1其表面側之微透鏡2a,自背面側之微透鏡2b射出並照射於照射面4。此時,表面側之微透鏡2a,作為將雷射光聚光之照明透鏡而作用;背面側之微透鏡2b,作為於照射面製作影像之投影透鏡而作用。
[習知技術文獻]
[專利文獻]
專利文獻1 日本特開2010-283073號公報
專利文獻2 日本特開2004-311906號公報
然則,使用習知的微透鏡陣列之雷射退火裝置,在自微透鏡2b射出的雷射光其影像之焦點位置,從退火對象物之照射面4變動的情況,具有照射面中的照度變動,且影像尺寸亦產生變動等問題。由於此一照度變動,而有對於退火對象物之加熱熱量產生變動,退火條件產生變動等問題。
亦即,將液晶顯示裝置之TFT基板進行熱處理時,過去係對基板全體以雷射光掃描,藉由將形成於基板上之非晶矽膜(a-Si膜)熔融凝固,改質為多晶矽膜。然而,將雷射光照射基板全體過於浪費,而試著使用微透鏡陣列,僅將TFT之形成區域改質為多晶矽。此時,藉由遮罩之1個開口部、及對應於此開口部之1個微透鏡,將雷射光照射於1個TFT形成區域,過去如圖6所示,以1片微透鏡陣列1將雷射光照射於基板上,而成為非遠心光學系統,在自微透鏡之焦點位置起基板表面的被照射面之位置產生變動時,具有雷射光之照射面上的照射區域延展,且照射能量密度之照射面上的分布變得不均等問題。如此一來,則各TFT形成區域內的投入能量之密度變得不均,主要為,退火後之多晶矽區域的結晶粒度,於各TFT形成區域內產生變動。如此一來,則具有各TFT之載體移動速度產生變動等問題。
鑑於此一問題,本發明之目的為提供一種,可防止雷射光之照射面的照度(照射能量分布)變動之使用微透鏡陣列的雷射退火裝置及方法。
本發明之雷射退火裝置,具有:雷射光源,發出雷射光;第1微透鏡陣列,於透明基板之表面及/或背面上形成有複數個凸透鏡狀的微透鏡;第2微透鏡陣列,於透明基板之表面上及/或背面上形成有複數個凸透鏡狀的微透鏡;以及光學系統,將來自該雷射光源的雷射光整形為平行光後導入該第1微透鏡陣列;其特徵為,該第1微透鏡陣列與該第2微透鏡陣列,相互隔著間隔平行地配置,該第1微透鏡陣列及該第2微透鏡陣列,其微透鏡相互地對應而配置於同軸上,構成遠心光學系統。
本發明之雷射退火方法,使用具有如下元件之雷射退火裝置:雷射光源,發出雷射光;第1微透鏡陣列,於透明基板之表面及/或背面上形成有複數個凸透鏡狀的微透鏡;第2微透鏡陣列,於透明基板之表面上及/或背面上形成有複數個凸透鏡狀的微透鏡;以及光學系統,將來自該雷射光源的雷射光整形為平行光後導入該第1微透鏡陣列;其特徵為,藉由該第1微透鏡陣列與該第2微透鏡陣列,構成遠心光學系統,將該雷射光照射於該退火對象物以在聚焦於退火對象物上時將影像成像。
依本發明,藉第1與第2微透鏡陣列組成之光學零件,構成遠心光學系統,對於退火對象物,以雷射光聚焦在此一退火對象物上時將影像成像的條件,將雷射光照射於退火對象物而雷射退火,故即便自各微透鏡射出之雷射光的焦點位置與照射面間之距離產生變動,僅只照射面上之影像模糊而其邊緣擴大,仍不致造成各微透鏡的影像間距產生變動。是故,微透鏡陣列之照射面上的雷射光之照射區域的延展微小。因此,照射面上的雷射光之照度變動,與過去相較顯著微小。
[實施本發明之最佳形態]
以下,茲就本發明之實施形態,參考附圖具體地加以說明。圖1為顯示本發明實施形態的微透鏡陣列光學零件10之立體圖,圖2為顯示其各1個微透鏡的光學系統之剖面圖,圖3為顯示成像於照射面上之影像的圖。如圖1所示,此一光學零件10,第1微透鏡陣列11與第2微透鏡陣列12隔著適當間隔,相互平行地配置。此外,此等之第1及第2微透鏡陣列11、12,基本上為水平地配置,配置於被水平地搬運而至之退火對象的基板(例如TFT基板)之上方。而自雷射光源(未圖示)射出之雷射光,藉由光學系統,使垂直於其光軸之方向的強度分布均一化,整形為平行光後,入射至上方之微透鏡陣列11的表面(頂面)。
第1微透鏡陣列11之表面,係將複數個凸透鏡狀之微透鏡13配置為矩陣狀地形成;第2微透鏡陣列12之表面,同樣地將複數個凸透鏡狀之微透鏡14配置為矩陣狀地形成;第2微透鏡陣列12之背面,亦同樣地將複數個凸透鏡狀之微透鏡15配置為矩陣狀地形成。形成於此等第1微透鏡陣列11之微透鏡13、與形成於此等第2微透鏡陣列12之微透鏡14及15,配置為於同一光軸上整合各自對應之微透鏡彼此。因此,第1微透鏡陣列11之微透鏡13之配列間距,與第2微透鏡陣列12之微透鏡14及15的配列間距相同。
第1微透鏡陣列11之第1微透鏡13的口徑為例如0.44mm,第2微透鏡陣列12之第2微透鏡的口徑為例如0.15mm,第3微透鏡的口徑為例如0.15mm。此外,遮罩20與照射面21(基板面)間的距離為例如5.23mm,第1微透鏡陣列11與第2微透鏡陣列12之第2微透鏡14其前端間的距離為例如2.85mm。此外,第3微透鏡15與照射面21間的距離為,例如0.2mm(200μm)。
第1微透鏡13,作為將入射之雷射光聚光的照明透鏡而作用。此外,第2微透鏡14及第3微透鏡15,作為將自第1微透鏡陣列11入射之雷射光,於照射面21上成像的成像透鏡而作用。
此一第1微透鏡陣列11與第2微透鏡陣列12之構成,並不限於上述實施形態。於此等透鏡設計中,只要入射光瞳位置與前側焦點位置一致,而主光線與光軸在影像側平行,如此而構成影像側遠心光學系統即可。
其次,對本實施形態之動作進行說明。如同上述地由第1微透鏡陣列11及第2微透鏡陣列12構成之光學零件10,係替代習知的使用微透鏡陣列之雷射退火裝置的微透鏡陣列而設置。而自雷射光源,射出例如,YAG雷射之第3高次諧波(波長355nm)等的雷射光,此一雷射光,藉由均質機使垂直於光軸之方向的強度分布均一化,以聚光透鏡整形為平行光後,入射至光學零件10。
之後,如圖2及圖3所示,第1微透鏡陣列11之第1微透鏡13,例如,以令對於光軸朝外側3°而行進之雷射光為止均朝向內側之方式,使入射之雷射光聚光。其後,此一聚光之雷射光,自第1微透鏡陣列11射出,於例如2.85mm之空氣層行進,入射至第2微透鏡陣列12之第2微透鏡14。第2微透鏡陣列12作為成像透鏡而作用,自第2微透鏡14入射之雷射光由第3微透鏡15射出,於TFT基板之表面等的照射面21成像(聚焦)。此時之照射面21中的影像,如圖3(a)矩形影線地顯示。本實施形態中,通過遮罩之雷射光,藉由第1微透鏡陣列11與第2微透鏡陣列12,照射於基板表面等之被照射面21上,可將等倍的倒立影像,投影於照射面21上。亦即,此等第1微透鏡陣列11及第2微透鏡陣列12構成影像側遠心光學系統。
而自第3微透鏡15射出之雷射光的焦點位置產生變動之情況,亦即,退火對象的基板之表面,與第3微透鏡15間的距離,例如,自起始的0.02mm偏移,如圖3(b)所示,即便基板表面的位置變動為照射面22,成像於照射面22上之影像,仍與圖3(a)所示之像幾近相同。另,產生微透鏡15之焦點深度超過的變動之情況,如圖3(b)所示,較成像於焦點位置之小面積的影像(圖3(a))更為延展,輪廓些許模糊。然而,此一影像之投影圖案間隔(間距)p並未與成像於照射面21上的情況產生變化。亦即,本實施形態中,因使微透鏡為遠心光學系統,故將透射過遮罩圖案的雷射光藉由此一遠心光學系統投影於照射面22上時,即便焦點自照射面22上偏移,於焦點深度之範圍內,投影圖案間隔仍不產生變動,可抑制照度變動。藉此,可抑制起因於基板上之對焦偏移的退火不均。
因此,如圖4所示,雷射光之照度(每1發的能量密度),即便照射面的位置,自焦點位置(±0mm)偏移+0.06mm(+60μm)或-0.06mm(-60μm),僅其各個影像之輪廓位置的照度產生變動,影像之大部分位置的照度仍為均一。此係為,藉由第1及第2微透鏡陣列11、12,可構成遠心光學系統之故。此時,第2微透鏡陣列12與基板(照射面)間的間隔產生±50μm變動時之照度變動,可抑制於5.0%。
另一方面,圖6及圖7為,顯示如同習知之非遠心光學系統的圖。另,此等之圖中,未將縮小等情況列入考慮。如圖6所示,過去,以1片微透鏡陣列1將雷射光照射於照射面4上的情況,若於焦點位置成像,亦即,焦點位置位於照射面4,則如圖6所示,通過遮罩圖案之雷射光被投影於照射面上時,其投影圖案與遮罩圖案一致。例如,如圖7(a)所示,焦點位置於照射面4上一致的情況,將1個遮罩圖案的3個位置,各自以大小d、投影圖案間隔p投影於照射面4上,則此焦點位置自照射面4上偏移的情況,如圖7(b)所示,大小變大為d’,投影間隔亦增大為p’。此係為,以1片微透鏡陣列1,構成非遠心光學系統之故。此一非遠心光學系統中,若焦點位置產生變動,則合影像之大小延展而其輪廓之模糊增大,且各影像之投影圖案間隔(間距)亦產生變動。因此,以1個微透鏡照射之區域內,產生照度變動。
亦即,如圖8所示,與成像於焦點位置的情況(0mm)相比,即便成像位置自焦點位置起變動例如+0.01mm或-0.01mm的情況,每1發之照度(雷射光的能量密度)產生變動。此外,此一情況,影像的輪廓位置中,亦產生照度變動。例如,圖6所示之第1微透鏡2a的口徑為0.25mm,第2微透鏡2b的口徑為0.02mm,遮罩3與照射面4間的距離為1.7mm,微透鏡陣列1之底面與照射面間的距離為0.2mm的情況,若焦點位置變動±10μm,則照度變動產生13.2%。
[產業上利用性]
本發明,由於在使用微透鏡陣列之雷射退火中,可防止將透射過微透鏡陣列之雷射光投影於照射面時的照度變動,故可防止對於退火對象物之加熱熱量的變動及退火條件的變動。因此,將本發明應用於例如液晶顯示裝置的TFT基板之熱處理時,可將退火後之多晶矽區域的結晶粒度均一化,本發明有效地防止各TFT之載體移動速度的變動。
1、11、12...微透鏡陣列
2a、2b、13、14、15...微透鏡
3、20...遮罩
4、21、22...照射面
10...光學零件
圖1 顯示本發明實施形態的微透鏡陣列光學零件10之立體圖。
圖2 顯示光學零件其各1個微透鏡之光學系統的剖面圖。
圖3 顯示遠心光學系統,(a)、(b)為顯示在照射面上成像之影像的圖。
圖4 顯示雷射光之照明位置、及與此位置之雷射光能量密度的關係之圖表。
圖5 顯示習知之雷射退火裝置所使用的微透鏡陣列之立體圖。
圖6 微透鏡陣列其1個微透鏡之光學系統的模式圖。
圖7 顯示非遠心光學系統,(a)、(b)為顯示在照射面上成像之影像的圖。
圖8 顯示雷射光之照明位置、及與此位置之雷射光能量密度的關係之圖表。
11、12...微透鏡陣列
13、14、15...微透鏡
10...光學零件
Claims (2)
- 一種雷射退火裝置,具有:雷射光源,發出雷射光;第1微透鏡陣列,於透明基板之表面及/或背面上形成有複數個凸透鏡狀的微透鏡;第2微透鏡陣列,於透明基板之表面上及/或背面上形成有複數個凸透鏡狀的微透鏡;以及光學系統,將來自該雷射光源的雷射光整形為平行光後,導入該第1微透鏡陣列;其特徵為:該第1微透鏡陣列與該第2微透鏡陣列,相互隔著間隔平行地配置,且該第1微透鏡陣列與該第2微透鏡陣列,其微透鏡相互對應而配置於同軸上,構成遠心光學系統;且來自該光學系統的光在通過該第1微透鏡陣列與該第2微透鏡陣列之後,沿著該微透鏡之光軸行進,並且照射在配置成和該光軸垂直的照射面。
- 一種雷射退火方法,使用具有如下元件之雷射退火裝置:雷射光源,發出雷射光;第1微透鏡陣列,於透明基板之表面及/或背面上形成有複數個凸透鏡狀的微透鏡;第2微透鏡陣列,於透明基板之表面上及/或背面上形成有複數個凸透鏡狀的微透鏡;以及光學系統,將來自該雷射光源的雷射光整形為平行光後導入該第1微透鏡陣列;其特徵為:藉由該第1微透鏡陣列與該第2微透鏡陣列,構成遠心光學系統;且設定成來自該光學系統的光在通過該第1微透鏡陣列與該第2微透鏡陣列之後,沿著該微透鏡之光軸行進,並且照射在配置成和該光軸垂直的照射面,以將該雷射光照射於退火對象物以在聚焦於該退火對象物上時將影像成像。
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