TWI816674B - 用於準分子雷射矽結晶之能量控制器 - Google Patents

用於準分子雷射矽結晶之能量控制器 Download PDF

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Abstract

一種準分子雷射退火設備包括及準分子雷射，其將雷射輻射脈衝遞送至支撐於一基體上之一矽層，該基體相對於該等雷射脈衝平移使得連續脈衝在該基體上重疊。監測該等雷射輻射脈衝中之各者的能量，將其傳輸至控制電子裝置，且藉由一高通數位濾波器調整下一雷射脈衝之該能量。

Description

用於準分子雷射矽結晶之能量控制器
發明領域 本發明大體上係關於使用一準分子雷射光束之一矽層的結晶。本發明尤其係關於藉由利用連續準分子雷射脈衝之受控制輻照的矽層之重複熔融及結晶。
發明背景 平板顯示器係用於所有當代攜帶型消費者電子裝置及大型電視之啟用技術。矽結晶係常常在製造薄膜電晶體(TFT)主動矩陣液晶顯示器(AMLCD)及主動矩陣有機發光二極體(AMOLED)顯示器時使用之處理步驟。結晶矽形成半導體基底，其中顯示器之電子電路藉由習知微影製程形成。
通常，結晶係使用雷射輻射之脈衝式光束執行，該雷射輻射經塑形成沿長度方向(長軸)具有均勻強度剖面且跨越寬度方向(短軸)具有均勻或「頂帽」強度剖面之長線的形式。在結晶製程中，藉由脈衝式雷射輻射重複地熔融玻璃基體上之薄非晶矽層(「矽膜」)，同時相對於遞送脈衝式雷射輻射之源及光學件而掃描基體及其上之矽層。經由曝露於在某最佳能量密度下之脈衝式雷射輻射發生重複熔融及重新固化(重結晶)直至在矽膜中獲得所要的結晶微結構。
光學元件用以將雷射輻射之脈衝式光束形成為矽膜上之長線。結晶出現在具有雷射輻射之長線之長度及寬度的條帶中。盡一切努力使脈衝式雷射輻射之強度沿長線保持高度均勻。此努力對於使結晶微結構保持均勻係必要的。有利的脈衝式雷射輻射源係準分子雷射，其遞送具有在電磁頻譜之紫外線區中之波長的雷射輻射。使用準分子雷射脈衝之上述結晶製程通常被稱作準分子雷射退火(ELA)。該製程係精細製程。最佳能量密度之誤差容限可係幾個百分比或甚至小至±0.5%。
在ELA之典型實例中，光束之「線長」(長軸尺寸)在約750毫米(mm)至1500 mm之範圍內。光束之「線寬」(短軸尺寸)係約0.4 mm。脈衝式雷射輻射具有約50 ns之持續時間及約500赫茲(Hz)之脈衝重複頻率，亦即，脈衝在時間上分離約2毫秒(ms)。以一速率垂直於光束之長軸而掃描基體及其上之矽層，使得矽層上之任何位置皆由約20個連續脈衝輻照，藉此使矽層重結晶。製程示意性地由圖1A及圖1B說明。
圖1A示意性地說明上文所論述之準分子雷射光束之典型的短軸強度剖面12。該光束之特徵在於此處在強度剖面之半高強度點之間量測到的線寬W。正被輻照之工件(上面具有矽層之基體)的掃描方向係藉由箭頭A指示。圖1B示意性地說明上文所論述之脈衝重疊方案，其中基體上之任何位置皆由約20個連續脈衝輻照。用於塑形準分子雷射光束之方法及設備描述於指派至本發明之受讓人的美國專利第7,615,722號及美國專利第7,428,039號中，且該等專利之全部揭示內容特此以引用之方式併入。
用於監測及將準分子雷射之輸出控制至上文所論述之約±0.5%容限的方法及設備已被開發出且處於使用中。然而，仍持續需要改良用於以改良之製造良率產生大面積結晶矽層之此類方法及設備。
發明概要 本發明係有關用於藉由沿一入射光束路徑以一脈衝重複頻率將多個雷射脈衝遞送至支撐於一基體上之一矽層同時相對於該入射光束路徑平移該基體來使該矽層結晶的設備。該等雷射脈衝具有一大致平頂強度剖面及在平移方向上之一寬度。該脈衝重複頻率經選擇與基體平移協作使得連續雷射脈衝在該基體上重疊。該設備包含產生及遞送該等雷射脈衝之一雷射發射器。該等雷射脈衝各自具有一脈衝能量。均質化及光束塑形光學件經提供且經配置以接收該等雷射脈衝，使該等雷射脈衝具有該大致平頂強度剖面且將平頂雷射脈衝遞送至該基體。提供一激勵器，其產生電氣脈衝且將電氣脈衝遞送至該雷射發射器以用於激勵該雷射發射器。該等電氣脈衝各自具有一電氣脈衝能量。一能量監測器經提供且經配置以量測各雷射脈衝之該脈衝能量，將所量測脈衝能量遞送至一控制電路，該控制電路包括一數位濾波器。該控制電路經供應有矽層結晶所需之一較佳設定能量位準。該控制電路及其中之該數位濾波器經配置以調整用於下一脈衝之該電氣脈衝能量，從而將該等雷射脈衝之平均脈衝能量維持在設定能量位準且最小化低於一預定頻率之該等雷射脈衝之脈衝能量波動，該預定頻率小於該脈衝重複頻率。
較佳實施例之詳細說明 在得出本發明之方法及設備時，執行對準分子雷射輸出之先前技術能量控制的分析。對具有圖1A之剖面及以圖1B之重疊方式遞送的連續雷射脈衝的多個雷射脈衝執行該分析。特定而言，研究此雷射能量控制對應用於上文所論述之經平移矽層的輻射劑量之穩定性的影響。下文參看圖2、圖3、圖4及圖5闡述此分析之實施方式。
圖2係示意性地說明受先前技術方法控制之假想準分子雷射的雷射脈衝能量與所要脈衝能量之相對偏差的曲線圖，該相對偏差依據脈衝數目而變化(曲線14)。使用隨機數產生器以數學方式產生該曲線圖，以模擬脈衝間能量偏差使得偏差之頻譜具有恆定強度。假定雷射具有1000毫焦耳(mJ)之所要脈衝能量，且脈衝以500 Hz之脈衝重複頻率(PRF)遞送，亦即，對應於2 ms之時間脈衝間分離。亦假定雷射脈衝能量與所要值之標準偏差係1%。
圖3係示意性地說明圖2之相對偏差的快速傅立葉變換(FFT)頻譜之強度的曲線圖。此曲線圖提供假想雷射的依據直至500 Hz之雷射PRF之頻率而變化的脈衝能量不穩定性(曲線16)的指示。在此情況下可見，不穩定性之強度與頻率無關，具有值0.01(1%)。
咸信經平移結晶矽層上之脈衝能量穩定性對ELA製程最重要，圖2之曲線圖經變換成圖4之曲線圖，其係依據沿正被退火之基體支撐矽層之長度而變化的能量劑量(能量密度)偏差(曲線18)之曲線圖。在本說明書及附於此之申請專利範圍中，「在基體上」一詞意謂在由基體支撐之矽層上。
在產生圖4之曲線圖時，假定脈衝具有圖1A之大致平頂強度剖面且以圖1B之重疊方式遞送。較佳ELA製程將具有在約0.4 mm至約0.5 mm之範圍內的平頂強度剖面之寬度W、在約5毫米/秒(mm/s)至約10 mm/s之範圍內的矽層相對於雷射光束之平移速度S，且用15至25個連續脈衝輻照基體上之各位置。在產生圖4時，假定寬度W係0.5 mm且假定平移速度S係10 mm/s。所假定之寬度及平移速度對應於用25個連續脈衝輻照基體上之各位置。在圖4中可見，空間能量劑量偏差被約束在約±0.005 (±0.5%)之範圍內，遠小於脈衝間能量偏差。此係在空間上重疊個別平頂脈衝之預期效應，其導致基體上之各位置處的脈衝間不穩定性得到平均。
圖5係示意性地說明圖4之能量劑量偏差的FFT頻譜之強度(曲線20)的曲線圖。此曲線圖提供正被輻照之矽層上的依據以倒數毫米(1/mm)為單位之空間頻率而變化的能量劑量變化之指示。在小於10/mm之空間頻率下，此變化在很大程度上取決於空間頻率。對能量劑量變化之最大貢獻係在小於1/W (對於假定值W，其係2/mm)之空間頻率下。此空間頻率範圍對應於在圖3之脈衝能量不穩定性曲線圖中的小於20 Hz之時間頻率範圍。亦即，1/W乘以S，其在此狀況下係2/mm×10 mm/s=20 Hz。
假設若濾出FFT頻譜中具有小於60 Hz (亦即，小於3×20 Hz)之頻率的脈衝能量波動，則沿正被結晶之矽層的能量劑量變化應顯著減小。總體而言，雖然脈衝能量不穩定性可能增加，但矽層將更均勻地曝露於重疊的平頂脈衝。
圖6係示意性地說明根據本發明控制之由圖2特性化之假想雷射的依據脈衝數目而變化的脈衝能量波動(曲線22)之曲線圖，其中已藉由高通數位濾波器移除具有低於約60 Hz之頻率的脈衝能量波動。以類似於用以產生圖2之曲線圖之方式的方式但利用使用高通數位濾波器變換之資料在數學上產生該曲線。在此情況下，數位濾波器係六階橢圓濾波器。可見，作為高通數位濾波之結果，最大脈衝能量波動大於圖2之未經濾波狀況中的波動。相較於未經濾波狀況下之1%，圖6中之波動的標準偏差係約1.9%。
圖7係示意性地說明圖6之曲線圖之脈衝能量波動的FFT頻譜之強度(曲線24)的曲線圖。此曲線圖描繪由高通數位濾波引起之依據頻率而變化的脈衝能量不穩定性。可見，在小於60 Hz及大於440 Hz之頻率下的脈衝能量不穩定性實質上減少。然而，此減少係以脈衝能量不穩定性在其他頻率下之相當大的增加為代價來實現。此處應注意，曲線24之對稱性係FFT頻譜表示之特徵。
圖8係示意性地說明由受本發明之高通數位濾波方法控制的假想雷射所遞送的依據沿基體之長度而變化的能量劑量之變化(曲線26)的曲線圖。此曲線圖係使用針對先前技術未經濾波實例之用以產生圖4之曲線圖的上述假定自圖6之脈衝能量波動產生。可見能量劑量變化相較於圖2之先前技術實例的能量劑量變化顯著減少。即使雷射輸出之脈衝能量不穩定性差約兩倍，基體上之能量劑量變化仍比先前技術實例改良大於5倍。
圖9係示意性地說明圖8之能量劑量變化的FFT頻譜之強度(曲線28)的曲線圖。此曲線圖描繪由高通數位濾波引起之依據空間頻率而變化的能量劑量之不穩定性。可見如所預期，在小於約5/mm之空間頻率下，強度實質上減小。
此處應注意，雖然上文將高通數位濾波描述為藉由六階橢圓濾波器執行，但可使用其他高通濾波器而不背離本發明之精神及範圍。其他可能的濾波器包括契比雪夫1型、契比雪夫2型及巴特沃斯濾波器。可單獨或以組合形式使用包括自適應性濾波器之類似濾波器。
圖10示意性地說明根據本發明之準分子雷射退火設備的較佳實施例40，該準分子雷射退火設備經組配以在圖1A及圖1B之準分子雷射結晶製程中實施圖6之高通濾波器能量控制方法。在圖式中，藉由細線指定光學光束路徑且藉由粗線指定電氣路徑。僅提供此細節以用於理解上文所論述之本發明之原理。準分子雷射之一般細節係此項技術中所熟知的且其實施方式未呈現於本文中。參見例如美國專利第6,727,731號及美國專利申請案第20130034118號，其各者以引用之方式併入本文中。
設備40包括用於產生雷射脈衝之氣體放電(準分子)雷射發射器42。雷射發射器42具有放電電極及諧振器光學件(未圖示)。放電電極係藉由激勵器46所產生之電氣脈衝44來激勵。激勵器46具有脈衝形成及脈衝壓縮電路系統(未圖示)。控制電路48調節由激勵器產生且遞送至放電電極之電氣脈衝能量。特定而言，控制電路48調節由激勵器產生以用於對放電電極進行充電的電壓。電壓調節係經由控制信號50進行。
控制電路48嘗試將雷射輸出維護在用於結晶製程之較佳設定能量位準。可手動地將設定能量位準供應至控制電路作為預定位準，或可自製程監測器(未圖示)週期性地供應設定能量位準。製程監測器藉由評估正由設備40處理之矽層及基體來判定所需設定能量位準。
回應於來自激勵器46之電氣脈衝，雷射發射器42以所要PRF沿光束路徑52遞送一系列雷射脈衝。PRF之較佳範圍係300 Hz至600 Hz。PRF之最佳範圍係450 Hz至600 Hz。雷射脈衝經遞送至均質化及光束塑形光學件54，其使雷射脈衝具有圖1A中所描繪之短軸強度剖面。此等雷射脈衝係沿入射光束路徑56遞送至支撐於基體60上之矽層58。該基體在由箭頭A指示之方向上相對於入射光束路徑56平移。平移速度經選擇為與雷射脈衝之PRF一致，以產生圖1B之重疊脈衝配置。
控制電路48包括數位濾波器62，為說明方便起見，該數位濾波器在圖10中描繪為離散實體。實務上，數位濾波器62經整合至控制電路48中。光束分光器64將各雷射脈衝之一部分沿光束路徑66引導至能量監測器68。舉例而言，該部分可係約3%。能量監測器68量測各雷射脈衝之能量且將所量測能量值70供應至控制電路48。在知曉先前脈衝之所量測能量值70及對控制信號50之任何先前調整的情況下，控制電路48及其中之數位濾波器62調整用於下一雷射脈衝之控制信號50以最小化低於用於該系列雷射脈衝之預定頻率的脈衝能量波動。預定頻率小於由雷射發射器42遞送之脈衝的PRF。
如上文所指出，使用數位濾波器62調整控制信號50增加高於預定頻率之脈衝能量波動。然而，控制電路48仍將雷射脈衝之平均能量維持在設定能量位準。此外，連續雷射脈衝之空間重疊仍對基體上之各位置處的總輻照進行平均，且藉此減輕增加之在較高頻率下的脈衝能量波動對結晶製程的任何影響。
要記住，較低時間頻率對應於較長時間段且因此對應於沿平移方向之較長距離，應注意，數位濾波器62並不僅僅係應用於所量測能量值70之高通濾波器。此高通濾波器將實際上消除判定對控制信號50之所需調整所需要的來自光束路徑52之低頻脈衝能量回饋。數位濾波器62亦不僅僅係應用於控制信號50之高通濾波器。此高通濾波器將防止控制電路48調節在補償激勵器46之輸出特性或雷射發射器42之效率之任何慢速漂移所需的低頻率下的電氣脈衝44。相比而言，控制電路48在完全瞭解僅受能量監測器68之保真度限制的先前脈衝之脈衝能量的情況下判定對控制信號50之所需調整。控制電路48接著在調節僅受激勵器46之靈活性限制的電氣脈衝44時應用彼調整。
亦應注意，對控制信號50之所需調整係最小化低頻脈衝能量波動及將平均脈衝能量維持在設定能量位準所需的調整，其在大多數情況下不同於匹配下一脈衝之脈衝能量與設定能量位準所需的調整。在上文所描述之本發明之最簡單實施中，將最小化低頻脈衝能量波動所需之調整應用於下一脈衝。熟習此項技術者將認識到，在不背離本發明之精神及範圍的情況下，更複雜實施係可能的。舉例而言，在多個接下來的雷射脈衝上應用該調整，
概言之，本發明藉由最小化遞送至矽層之一系列雷射脈衝中的低頻脈衝能量波動來最小化準分子雷射結晶處理中之低頻空間變化。上文已參考較佳及其他實施例描述本發明。然而，本發明不限於本文中所描述及描繪之實施例。實情為，本發明僅受附於此之申請專利範圍限制。
12‧‧‧短軸強度剖面14、16、18、20、22、24、26、28‧‧‧曲線40‧‧‧準分子雷射退火設備42‧‧‧氣體放電(準分子)雷射發射器44‧‧‧電氣脈衝46‧‧‧激勵器48‧‧‧控制電路50‧‧‧控制信號52、66‧‧‧光束路徑54‧‧‧均質化及光束塑形光學件56‧‧‧入射光束路徑58‧‧‧矽層60‧‧‧基體62‧‧‧數位濾波器64‧‧‧光束分光器68‧‧‧能量監測器70‧‧‧能量值W‧‧‧線寬A‧‧‧箭頭
併入本說明書中且構成本說明書之一部分的隨附圖式示意性地說明本發明之較佳實施例，且與上文給出之發明內容及下文給出之較佳實施例的實施方式一起用以解釋本發明之原理。
圖1A係示意性地說明用於矽結晶之典型的先前技術準分子雷射脈衝之短軸強度剖面的曲線圖。
圖1B示意性地說明圖1A之連續重疊雷射脈衝的典型的先前技術配置。
圖2係示意性地說明受先前技術方法控制之假想準分子雷射的依據脈衝數目而變化的雷射脈衝能量之相對偏差的曲線圖。
圖3係示意性地說明圖2之脈衝能量偏差之強度頻譜的曲線圖，其以圖形方式描繪依據頻率而變化之雷射的脈衝能量不穩定性。
圖4係針對受先前技術方法控制之雷射的圖2之相對脈衝能量偏差的依據沿基體之長度而變化的基體上之能量劑量之相對偏差的曲線圖，其中雷射脈衝具有以圖1B之重疊方式遞送的圖1A之強度剖面。
圖5係示意性地說明圖4之相對能量劑量偏差之快速傅立葉變換頻譜的曲線圖，其以圖形方式描繪依據空間頻率而變化之基體上的能量劑量變化。
圖6係示意性地說明受根據本發明之方法控制之假想準分子雷射的依據脈衝數目而變化的雷射脈衝能量之相對波動的曲線圖，其中使用高通數位濾波器移除低頻脈衝能量波動。
圖7係示意性地說明圖6之脈衝能量波動之快速傅立葉變換頻譜的曲線圖，其以圖形方式描繪依據頻率而變化之脈衝能量不穩定性。
圖8係針對受高通數位濾波方法控制之雷射的圖6之相對脈衝能量波動的依據沿基體之長度而變化的能量劑量之相對變化的曲線圖，其中雷射脈衝具有以圖1B之重疊方式遞送的圖1A之強度剖面。
圖9係示意性地說明圖8之相對能量劑量變化之快速傅立葉變換頻譜的曲線圖，其以圖形方式描繪依據空間頻率而變化之基體上的能量劑量變化。
圖10示意性地說明根據本發明之準分子雷射退火設備的較佳實施例，該準分子雷射退火設備經組配以在圖1A及圖1B之準分子雷射結晶製程中實施圖6之高通濾波器能量控制方法。
40‧‧‧準分子雷射退火設備
42‧‧‧氣體放電(準分子)雷射發射器
44‧‧‧電氣脈衝
46‧‧‧激勵器
48‧‧‧控制電路
50‧‧‧控制信號
52、66‧‧‧光束路徑
54‧‧‧均質化及光束塑形光學件
56‧‧‧入射光束路徑
58‧‧‧矽層
60‧‧‧基體
62‧‧‧數位濾波器
64‧‧‧光束分光器
68‧‧‧能量監測器
70‧‧‧能量值
A‧‧‧箭頭

Claims (20)

  1. 一種用於藉由沿一入射光束路徑以一脈衝重複頻率將多個雷射脈衝遞送至支撐於一基體上之一矽層同時相對於該入射光束路徑平移該基體來使該矽層結晶的設備，該等雷射脈衝具有一大致平頂強度剖面及在平移方向上之一寬度，該脈衝重複頻率經選擇與基體平移協作使得連續雷射脈衝在該基體上重疊，該設備包含：一雷射發射器，其產生及遞送該等雷射脈衝，該等雷射脈衝各具有一脈衝能量；均質化及光束塑形光學件，配置來接收該等雷射脈衝，使該等雷射脈衝具有該大致平頂強度剖面，且將平頂雷射脈衝遞送至該基體；一激勵器，其產生電氣脈衝且將電氣脈衝遞送至該雷射發射器以用於激勵該雷射發射器，該等電氣脈衝各具有一電氣脈衝能量；一能量監測器，配置來量測各雷射脈衝之該脈衝能量，將所量測之該脈衝能量遞送至一控制電路，該控制電路包括一數位濾波器，該控制電路受供應以該矽層結晶化所需之一較佳設定能量位準，該控制電路及其中之該數位濾波器配置來調整用於下一脈衝之該電氣脈衝能量，從而將該等雷射脈衝之平均脈衝能量維持在上述設定能量位準，且最小化低於一預定頻率之該等雷射脈衝之脈衝能量波動，同時使高於該預定頻率之脈衝能量波動增加，該預定頻率小於該脈衝重複頻率。
  2. 如請求項1之設備，其中該數位濾波器包括一橢圓濾波器、一契比雪夫1型濾波器、一契比雪夫2型濾波器及一巴特沃斯濾波器中之一者。
  3. 如請求項1之設備，其中該雷射發射器係一準分子雷射發射器。
  4. 如請求項3之設備，其中該控制電路調節該激勵器所產生來用於對該準分子雷射發射器中之電極進行充電的一電壓。
  5. 如請求項1之設備，其中該脈衝重複頻率係在300赫茲至600赫茲之範圍內。
  6. 如請求項5之設備，其中該脈衝重複頻率係在450赫茲至600赫茲之範圍內。
  7. 如請求項1之設備，其中該數位濾波器配置來使小於約60赫茲之該等雷射脈衝之脈衝能量波動最小化。
  8. 如請求項1之設備，其中遞送至該矽層之脈衝在該平移方向上具有在0.4毫米至0.5毫米之範圍內的一寬度。
  9. 如請求項1之設備，其中該基體以在5毫米/秒至10毫米/秒之範圍內的一速度相對於該入射光束路徑平移。
  10. 如請求項1之設備，其中脈衝重疊係選擇成使得該基體上之任何位置受15至25個之間的連續脈衝輻照。
  11. 如請求項1之設備，其進一步包括一製程監測器，該設定能量位準由該製程監測器週期性地供應至該控制電路，該製程監測器評估正在結晶之該矽層。
  12. 一種用於使支撐於一基體上之一矽層結晶的方法，其包含：使用一雷射發射器產生及遞送多個雷射脈衝，該等雷射脈衝具有一脈衝重複頻率，該等雷射脈衝各具有一脈衝能量，該雷射發射器係藉由電氣脈衝激勵，該等電氣脈衝係藉由一激勵器產生及遞送，該等電氣脈衝具有一電氣脈衝能量；均質化及光束塑形自該雷射發射器接收到之該等雷射脈衝，以使該等雷射脈衝具有一大致平頂強度剖面；沿一入射光束路徑將平頂雷射脈衝遞送至該矽層，同時相對於該入射光束路徑平移該基體，該等雷射脈衝在平移方向上具有一寬度，脈衝重複率經選擇與基體平移協作，使得連續雷射脈衝在該基體上重疊；量測各雷射脈衝之該脈衝能量；將所量測之該脈衝能量遞送至一控制電路，該控制電路包括一數位濾波器，該控制電路受供應以矽層結晶化所需之一較佳設定能量位準；調整用於下一雷射脈衝之該電氣脈衝能量，從而將該等雷射脈衝之平均脈衝能量維持在上述設定能量位準，且最小化低於一預定頻率之該等雷射脈衝之脈衝能量波動，同時使高於該預定頻率之脈衝能量波動增加，該預定頻率 小於該脈衝重複頻率。
  13. 如請求項12之方法，其中該調整係使用一橢圓濾波器、一契比雪夫1型濾波器、一契比雪夫2型濾波器及一巴特沃斯濾波器中之一者執行。
  14. 如請求項12之方法，其中該雷射發射器係一準分子雷射發射器。
  15. 如請求項14之方法，其中該控制電路調節該激勵器所產生來用於對該準分子雷射發射器中之電極進行充電的一電壓。
  16. 如請求項12之方法，其中該脈衝重複頻率係在450赫茲至600赫茲之範圍內。
  17. 如請求項12之方法，其中該數位濾波器配置來使小於約60赫茲之該等雷射脈衝之脈衝能量波動最小化。
  18. 如請求項12之方法，其中遞送至該矽層之脈衝在該平移方向上具有在0.4毫米至0.5毫米之範圍內的一寬度。
  19. 如請求項12之方法，其中該基體以在5毫米/秒至10毫米/秒之範圍內的一速度相對於入射光束平移。
  20. 如請求項12之方法，其中脈衝重疊係選擇成使得該基體上之任何位置受15至25個之間的連續脈衝輻照。
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