专利名称：用于提供单扫描、连续移动连续横向凝固的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种加工半导体薄膜材料的方法和系统，特别是使用激光照射和带有被照射的半导体膜的基底的连续运动，从在基底上的非晶或多晶薄膜形成大晶粒、晶粒形状和晶界位置可控的半导体薄膜。
背景技术：
在半导体处理领域，有数种尝试来使用激光将薄的非晶硅膜转变为多晶膜。例如，在James等的“Crystalline Si Films for IntegratedActive-Matrix Liquid-Crystal Displays”，11 MRS Bulletin 39(1996)中，描述了传统激发激光退火技术的概况。在该传统系统中，激发激光束形成一个长的横截面的光束形状，典型的是长最多30cm，宽50μm或更大。该成形光束在一个单晶硅样品上步进(例如，通过移动样品)完成其熔化和靠样品的再凝固完成晶粒形状和晶界受控多晶硅的形成。
有几个原因使得使用传统的激光退火技术生产多晶硅有问题。首先，该方法产生的多晶硅通常是小晶粒，无序微观结构的(例如晶粒形状和晶界位置的控制很差)，有不均匀的晶粒大小，因此导致不好和不均匀的结构，并因此降低产量。第二，为了得到需要质量的晶粒形状和晶界位置可控的多晶薄膜，生产该薄膜的生产产量必须保持非常低。而且，该方法通常需要控制气氛和预热非晶硅样品，会导致降低生产的速度。因此在该领域存在一种需求，即用更高的生产效率、将非晶或多晶半导体薄膜生产为高质量的、多晶或单晶半导体硅薄膜的方法和装置。同样存在一种需求，即生产用于制造高性能装置，如用于液晶显示屏的薄膜晶体管排列的，更大或更均匀微观结构的多晶硅薄膜的制造方法。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种方法，是用连续横向凝固(“SLS”)方法，生产大晶粒和晶粒形状和晶界位置可控的多晶薄膜半导体，并可用快速手段生产上述硅薄膜。本发明的另一个目的是实现给半导体薄膜提供一个简单和连续的运动移动，完成这种加速的连续横向凝固，不必要“微移动”薄膜，并在样品被连续移动时，以薄膜最初照射一样的方向再次照射在原先照射的区域。
至少一些目的是这样完成的用一种在基底上加工硅薄膜样品的方法和系统，在硅薄膜上具有一个不生长籽晶的表面部分，膜样品有一个第一边缘和一个第二边缘，控制一个照射光束发生器以一个预定的重复速度、发射连续照射光束脉冲。每一个照射光束脉冲被屏蔽确定第一多个子光束和第二多个子光束，每一照射脉冲的第一和第二子光束被供给照射膜样品，并具有足够穿过其整个厚度、熔化膜样品的照射部分的强度。以一个恒定预定速度连续扫描，使得在第一边缘和第二边缘之间、在膜样品的扫描方向、膜样品发生照射光束脉冲的第一和第二子光束的一个连续冲击。在扫描薄膜样品中，用照射光束脉冲的第一子光束连续照射膜样品的多个第一区，使得第一区的穿过其厚度熔化并留下在与多个第一区分别相邻的未照射区。另外在扫描薄膜样品中，允许每一第一区通过照射光束脉冲的每个第一子光束照射到再凝固和结晶。在第一区再凝固和结晶中，用照射光束脉冲的第二子光束连续照射膜样品的多个第二区，使得第二区穿过其厚度被熔化，其中每一个第二区与其中一个分别成对的再凝固和结晶的第一区和其中分别未照射区域部分重叠。
在本发明的另一个实施例中，在用第二子光束连续照射第二区中，通过第一子光束连续照射膜样品的第三区到穿过其厚度完全熔化第三区，每个第三区与分别一个重新凝固和结晶的第一区部分重叠，并还留下第三区之间分别相邻的未照射区域。一个第一区和一个第三区靠着平行于扫描方向的第一线，一个第二区可以靠着平行于扫描方向的第二线，第一线最好从第二线通过一个补偿延伸。根据用第一子光束连续照射的第二区，允许每一个第二区通过每个照射光束脉冲的第一子光束照射到再凝固和结晶。
根据本发明的另一个实施例，当连续扫描膜样品时，允许每一个第三区通过每个照射光束脉冲的第一子光束照射到再凝固和结晶。在照射第二和第三区后，用照射光束脉冲的第二子光束连续照射膜样品的多个第四区，使得第四区穿过其厚度熔化，其中每一第四区与一个成对的再凝固和结晶的第三区和其中其他分别未照射区域部分重叠。
在本发明的另一个实施例中，第一边缘位于膜样品的一边，相对于第二边缘所处膜样品的一边。另外，沿膜样品的第一和第二冲击为连续的，直到第一组图形的子光束的第一冲击和第二组图形的子光束的第二冲击通过膜样品的第二边缘。然后，膜样品被定位，使得第一和二组图形的子光束冲击在相对于膜样品的膜样品的第二边缘，然后，移动膜样品，使得第一和第二组图形的子光束的冲击从第一位置移动到第二位置，第二位置位于膜样品边界的外边。最后，得到膜样品，因此变形的子光束冲击第二位置直到膜样品的所有震动被衰减。在本实施例中，预定宽度的膜样品的一个完全部分最好被照射和再凝固，膜样品在完全部分具有可控的结晶晶粒生长。
在本发明的另一个实施例中，特别方向沿一个第一轨迹延伸，膜样品沿第二轨迹被移动，第二轨迹与第一轨迹垂直。照射光束脉冲的第一和第二子光束的连续冲击可以通过膜样品的第二边缘。然后，连续照射第一和第二区，定位膜样品，使得照射光束脉冲的第一和第二子光束在对于膜样品的膜样品边界外面的第一位置冲击。然后，定位膜样品，使得对于膜样品的第一和第二子光束连续照射从第一位置移动到第二位置，第二位置位于膜样品边界的外面。一个被照射的预定宽度的膜样品的完全部分，确定穿过其整个厚度熔化和再凝固，在整个完全部分膜样品具有一个控制的结晶晶粒生长。该特别方向可以沿一个第一轨迹延伸，膜样品可以沿一个第二轨迹移动，第一轴与第一轨迹垂直。第二位置的由离第一位置距离大致等于预定宽度来确定。
根据本发明的另一个实施例，以恒定的预定速度连续扫描膜样品，使得照射光束脉冲的第一和第二子光束的连续冲击还在第二边缘和第一边缘之间的其他方向发生，其他方向与扫描方向相对。同时，用照射光束脉冲的第二子光束连续照射膜样品的多个第五区，使得第五区穿过其厚度熔化并留下额外的、在分别相邻的第五区之间的未照射区域。另外，允许每一第五区通过照射光束脉冲的第二子光束照射到再凝固和结晶。此外，用照射光束脉冲的第一子光束连续照射膜样品的多个第六区，使得第六区穿过其厚度被熔化，其中每一第六区与一个成对再凝固和结晶的第五区和其中的分别额外未照射区域部分重叠。
在本发明的另一个实施例中，将照射光束脉冲部分屏蔽为减弱强度的发射连续部分强度照射脉冲，使得当连续部分强度照射脉冲照射膜样品的一个特定区域时，该特定区域的熔化少于膜样品整个厚度。然后，分别用一个连续部分强度照射脉冲连续照射每个再凝固和结晶第二区。
在本发明的另一个实施例中，提供了一种在基底上加工硅薄膜样品的方法和系统，在硅薄膜上具有一个不生长籽晶的表面部分，膜样品有一个第一边缘和一个第二边缘。控制一个照射光束发生器以一个预定的重复速度、发射连续照射光束脉冲。屏蔽每一个照射光束脉冲确定第一多个子光束和第二多个子光束，每一照射脉冲的第一和第二子光束被供给照射膜样品，并具有足够穿过其整个厚度、熔化膜样品的照射部分的强度。以一个恒定预定速度连续扫描膜样品，使得在第一边缘和第二边缘之间、在膜样品的扫描方向、膜样品发生照射光束脉冲的第一和第二子光束的一个连续冲击。在连续扫描中，用照射光束脉冲的第一子光束连续照射膜样品的多个第一区，使得第一区的穿过其厚度熔化并留下在与多个第一区分别相邻的未照射区域。每一第一区有第一宽度的第一边界，边界沿着垂直于扫描方向的第一线延伸。在连续扫描中，用照射光束脉冲的第一子光束照射每一第一区允许再凝固和结晶。在第一区再凝固和结晶后，膜样品的多个第二区用照射光束脉冲的第二子光束照射，使得第二区穿过整个厚度熔化。每一第二区的一个第一区域与至少一个再凝固和结晶第一区完全重叠，且分别的第二区的第二区域与相对未照射的区域提供的、邻接再凝固和结晶第一区重叠。第一区域有第二宽度的第二边界，第二宽度大于第一宽度的一半，第二边界沿第二线延伸，第二线平行于和补偿第一线。
本发明的典型实施例通过下面描述的附图进一步详细叙述图1为本发明中典型实施例中，在硅薄膜中不需要微平移样品实现大晶粒生长，用于实现单扫描、连续移动连续横向凝固(“SLS”)的系统的示意图；图2为一个典型实施例、有硅薄膜的样品概念分解的放大图；图3为本发明使用单扫描、连续移动SLS冲击基底上的硅薄膜的系统和方法，通过第一个典型实施例的屏蔽确定一个照射光束脉冲的强度图形的放大图；图4为使用本发明提供的单扫描、连续移动SLS第一个典型实施例的方法，光束脉冲冲击样品的典型冲击轨迹，样品由图1的系统移动；图5A-5G为根据图4所示本发明的方法的第一个典型实施例，在样品一个典型第一概念列上，置有硅薄膜、SLS处理的不同阶段的放射光束脉冲的强度图形和晶粒结构的部分，其中图3的照射光束脉冲的强度图形用于照射样品的第一概念列；图6A和6B为根据图4所示本发明的方法的第一个典型实施例，在样品一个典型第二概念列上，置有硅薄膜、两个SLS处理的连续阶段的放射光束脉冲的强度图形和晶粒结构的部分，其中沿着样品的第二概念列完成，在图5A-5G所示的硅薄膜样品的整个第一概念列被完全熔化，再凝固和结晶之后；图7为在硅样品的所有概念列的样品被完全熔化，再凝固和结晶之后，结晶的硅样品的膜；图8为第二典型实施例，通过本发明的系统和方法应用另外一个屏蔽确定照射光束脉冲的强度图形在其冲击基底上的硅薄膜，可促进硅薄膜的大晶粒生长；图9为根据本发明的方法的第二个典型实施例，在样品一个典型第一概念列上，置有硅薄膜、一个SLS处理的典型阶段的放射光束脉冲的强度图形和晶粒结构的部分，使用图8所示的屏蔽使得硅薄膜的长晶粒生长；图10为在光束脉冲完成样品第一概念列一个特定部分的照射，硅薄膜样品的图9的SLS处理的进一步的行进；图11为根据本发明的方法的第三个典型实施例，应用另外一个屏蔽确定照射光束脉冲的强度图形的放大图，在其冲击基硅薄膜时，它包括提供一个单独低能部分与照射光束脉冲的一个狭缝状截面相邻。
图12为根据本发明的方法的第四个典型实施例，应用另外一个屏蔽确定照射光束脉冲的强度图形的放大图，在其冲击基硅薄膜时，它包括两个低能部分，每个提供与另一个相对和与照射光束脉冲的一个狭缝状分别不同截面相邻。
图13A-13D为在使用图5A-5G第一个实施例所示的技术，顺时针方向旋转90°后，根据本发明的方法的第三个典型实施例，在样品不同的SLS处理步骤，硅薄膜的典型第一列的发射光束脉冲强度图形和晶粒结构部分；图14为使用图13A-13D所示的技术硅薄膜的旋转样品的所有概念列被完全熔化，再凝固和结晶后，样品的结晶硅薄膜示意图。
图15为根据图5A-5G和6A-6B中本发明典型实施例所示方法和图1的系统执行步骤的流程图。
发明详述某些系统和方法提供记载在美国专利号09/526,585(585申请)内的连续运动SLS，下面进行全面揭示。585申请清楚地描述和说明了该系统和方法的细节，以及样品微平移的应用，该样品由照射光束脉冲照射非晶硅薄膜以促进薄膜的连续横向凝固。和585申请中描述的系统类似，依照本发明实现非晶硅薄膜连续运动SLS过程的典型实施例由图1说明。该典型系统包括一Lambda Physik型LPX-315IXeCL脉冲受激准分子激光器110发射一照射光束(如，一激光束)，一可控光束能量强度调节器120以调节激光束的能量密度，一MicroLas两盘可变衰减器130，光束控制镜140，143，147，160和162，光束展开和校准镜头141和142，光束均化器144，聚光镜145，物镜148，一可能装配在移动台(未示)的投影屏蔽150，一4×-6×目镜161，一可控快门152，一多组件物镜镜头163，用于将入射放射光束脉冲164聚焦于装配在样品移动平台180进行SLS处理的具有硅薄膜52的样品40上，一花岗岩块光学工作台190固定在隔振和自动调平系统191，192，193和194，并与一个计算机106(如，一普通用途的运行一程序的计算机或者一特殊用途的计算机)连接以控制脉冲受激准分子激光器110，光束能量强度调节器120，可变衰减器130，快门152和样品移动平台180。
样品移动平台180由计算机106控制以实现样品40在平面X-Y方向和Z方向移动。以这种方式，计算机106控制样品40相对于放射光束脉冲164的相对位置。放射光束脉冲164的重复和能量强度也由计算机106控制。可以理解的是，本领域技术人员替代脉冲准分子激光器110，可以由其他已知的适于熔化半导体(或硅)薄膜52的低能量脉冲资源参照下述的方式生成照射光束脉冲。该已知资源可以是对照射光束路径进行适当修改的从光源110到样品40的脉冲固态激光，持续斩波激光(chopped continuous wave laser)，脉冲电子光束和脉冲离子光束等。在图1所示的典型实施例的系统中，计算机106控制样品40的移动以实现单向检测，依照本发明硅薄膜52的持续运动SLS过程，计算机106也可以控制装配在适当的屏蔽/激光束移动平台(为简化叙述未示)的屏蔽150和/或受激准分子激光器110的移动以变换照射光束164对硅薄膜52沿控制的光束的强度图形。另一个变换照射光束强度图形的可能途径是由计算机106控制光束控制镜。图1的典型系统可以用来实现样品40上的硅薄膜52的单扫描，连续运动SLS过程由下面详细描述。
585申请中进一步的详细描述，一非晶薄膜样品通过生成多个、预定流量的受激准分子激光脉冲被处理为单晶或多晶硅薄膜，受激准分子激光脉冲的流量的可控调节，均化激光脉冲平面的强度曲线，屏蔽每个均化后的激光脉冲以确定子光束，使用子光束照射非晶硅薄膜样品以影响被子光束照射的部分的熔化，可控并且相对于有图谱的子光束持续的移动样本。如申请585给出的子光束的输出，样品上的非晶硅薄膜通过对于子光束的连续移动样品的持续运动、被可控调节为单晶或者晶粒状、晶界位置受控的多晶硅薄膜，样品的照射由用屏蔽的、根据相应顺序位置的、放射波脉冲的子光束的变化的流量。根据本发明的系统和方法的一有益的改善是显著的节省照射的处理时间并通过不需任何样本微移动时完成样品40的截面的照射提高样品硅薄膜的SLS(即，微移动如585申请中所述)。
图2显示了具有非晶硅薄膜52的样品40的典型实施例的放大图。该典型样品40，如图2所示，在Y方向为40cm在X方向为30cm。样品40概念的分为若干列(如，第一列210，第二列220等)。每个列的位置/尺寸存储在计算机106的存储设备上，用计算机106来控制样品40的移动。每个列210，220等切为，如在X方向2cm，在Y方向40cm。这样，如果样品40是X方向30cm，样品40可以概念上分为15列。在下面讨论的系统范围中，样品40可以分为具有不同尺寸的列(如，40cm的列分为1cm，40cm的列分为3cm，40cm的列分为4cm等)。当样品40概念上分为列时，每列的至少一小部分延伸到列的全部尺寸并被相邻列重叠，即，一重叠部分230，可以避免硅薄膜52上有任何未被照射的部分的可能性。重叠部分230最好在所有相邻列中都存在。例如，重叠区域有1μm宽。可以理解的是，在本发明的范围内，其他宽度的重叠区域是可能的，如2μm。
图3为第一典型实施例、由照射到样品40的硅薄膜52上的屏蔽150确定的屏蔽过的光束脉冲164的强度图形235的放大示意图。强度图形235通过放置屏蔽150，该150有透明和不透明区域的特别图谱，在均化后的放射光束149的路径上，得到的子光束存在于屏蔽150并由物镜163聚焦以产生所需强度图形235的屏蔽照射光束脉冲164。使用该强度图形235，本发明的系统和方法可以完成硅薄膜52的单扫描，持续运动SLS。在本图中显示的第一典型强度曲线235包括两个子光束部分250，260，在每个部分有彼此分开的狭缝状子光束。狭缝状子光束255的位置在X方向与第二部分260的狭缝状子光束265相比有个偏移量。图3显示的典型强度图形235的详细描述在下面给出。
如上所述，强度图形235包括两个部分，即第一子光束部分250和第二子光束部分260。第一子光束部分250有第一狭缝状子光束255，每个在X方向的宽度大约是3μm，在Y方向的长度大约是1/2mm。第一狭缝状子光束255在第一阴影区域257内等距离排列(即第一狭缝状子光束255在第一阴影区域257内彼此分开排列)。第一阴影区域257有一宽度，如，1μm。
如图3所示，第二子光束部分260在Y方向实际临近第一子光束部分250，并具有第二狭缝状子光束265。第二子光束部分260包括第二阴影区域267和第二狭缝状子光束265分开。第二狭缝状子光束265和第二阴影区域267和第一狭缝状子光束255和第一阴影区域257通过插入阴影区域240分开。第二狭缝状子光束265和第二阴影区域267分别和第一阴影区域257通过插入阴影区域240分开尺寸上相似。每个第一狭缝状子光束255的沿Y方向伸展的边缘258与延伸入第二狭缝状子光束265的区域的线M一致，每个第一狭缝状子光束255的另一边缘259与延伸到第二狭缝状子光束265的区域的与具有在此处延伸的线M临近的线N一致。第一子光束部分250与第二子光束部分260由5μm宽的插入阴影区域240分开。需要注意的是，当向硅薄膜52放射全激光脉冲强度，屏蔽放射光束脉冲164不向阴影区域257，267，240射出光束能量。
这样，强度图形235在Y方向的尺寸在加上第一狭缝状子光束255(1/2mm)和第二狭缝状子光束265(1/2mm)后大约是1.005mm，加上5μm得到插入阴影区域240。强度图形235在X方向的尺寸等于概念列210，220的宽度。这样，图3中典型强度图形235在X方向的大概尺寸是2mm，在Y方向的尺寸是1.005mm。另外，均化后的照射光束149的横截面至少应足以覆盖屏蔽150的部分以确定强度图形235。子光束151的排列离开屏蔽150并通过物镜163聚焦，结果是屏蔽的放射光束164在X方向的尺寸匹配样品40的每个概念上的列210，220的宽度。屏蔽的照射光束164(和强度图形235上的这些)在X方向的横截面最好略微大于每个概念列210，220的宽度。这种尺寸的优点将在后面更加详述的根据本发明的方法的实施例的进一步描述中。
可以理解的是第一和第二狭缝状子光束255，265需要依靠许多要素，如附属激光脉冲的能量强度，附属激光脉冲的持续时间，样品40上硅薄膜52的厚度，基底的温度和热传导性。当从处理效率的观点出发使用狭缝状子光束255，265，其在X方向的较大的宽度可以覆盖样品40的更大的宽度，选择第一和第二狭缝状子光束255，265的宽度就是很重要的，当样品40上的硅薄膜52的部分被照射并在其厚度上全部熔化，在上述熔化部分在再凝固和结晶时不发生形核现象。特别是，如果狭缝状子光束255，265的宽度过大，全部熔化部分的某些区将在被控横向晶粒生长到达这些区前再凝固。如果发生该情况，照射区域的晶粒生长的控制将会打折扣。
第一狭缝状子光束255的其他尺寸和形状，第一阴影区域257，第二狭缝状子光束265，第二阴影区域267和/或阴影区域240被考虑，并被纳入本发明的范围。例如，如果每个第一和第二狭缝状子光束255，265的伸展或长度大约是1mm(即，代替1/2mm)，在Y方向屏蔽的照射光束脉冲164的强度图形235的尺寸是2mm。
根据本发明强度图形235的一个重要方面是如果样品40被移动，先前被第一光束区250照射(同时再凝固并结晶)的样品40上硅薄膜被第二光束区260照射，每个第二狭缝状子光束与先前被第一光束区250的第一狭缝状子光束照射的区域重叠，同时与为照射区域重叠(即被各自的阴影区域257重叠的部分)。这是由于当样品40在Y方向由样品移动平台180带动移动时，屏蔽的放射光束164的第二狭缝状子光束265可以完全熔化(通过屏蔽的放射光束脉冲164的第一狭缝状子光束255)硅薄膜52先前熔化、冷却，再凝固和结晶的部分。根据本发明的更好的技术可以通过第一狭缝状子光束255促进在硅薄膜52的冷却区域的横向，可控晶粒成长，冷却和在先前凝固和再熔化的区域再凝固(不是随后的再熔化)，进一步延展的横向结晶为新熔化区域(是和原始熔化区域邻近的区域)。根据本发明的最佳实施例的技术和方法的细节下面再进一步描述。
图2中以及前述的典型样品40，如前所述的目的，屏蔽的放射束脉冲164的强度图形235在X方向为2mm，在Y方向为1/2mm(如，一个矩形)。然而，如上所述，屏蔽的放射束脉冲164的强度图形235不局限于任何特定的形状和尺寸。事实上，其它的形状和/或尺寸的强度图形235也可以使用，本领域普通技术人员根据本技术可以显而易见的得到(如，正方形，圆形等)。可以理解的是，如果需要采用屏蔽的放射束脉冲164的不同形状的强度图形，屏蔽150和可能的均化放射光束149将修改，在由物镜163聚焦后确定强度图形235。
屏蔽的照射光束脉冲164的横截面(即光束脉冲区域(BA))可以如下确定BA≈EPULSE×KOPTICSEDPROCESS]]>其中EPULSE是每个激光脉冲或放射束脉冲的能量，KOPTICS是穿过光学系统的照射光束能量的部分，EDPROCESS是过程的能量强度(如，500硅薄膜500mJ/cm2，30n秒的持续时间)。实验确定EDPROCESS更好。
现在参考图4，5A-5G和6A-6B来描述根据本发明的第一典型实施例的方法的细节，图4显示了当样品40在计算机106控制下由图1的样品移动平台180带动下移动时，样品40的硅薄膜52的光束脉冲照射部分的典型照射路径。本图为，使用根据本发明的第一典型实施例的方法完成的单扫描，持续运动SLS。图5A-5G显示了根据本发明第一典型实施例的方法，持续运动SLS过程的不同连续阶段照射光束脉冲164的强度图形和样品40上硅薄膜的典型第一概念列210的晶粒结构，参考图4在下面讨论。如图3所述，本方法的这个部分，照射光束脉冲164具有一由屏蔽150确定的强度图形235。图6A-6B显示了图4中说明的本发明的第一典型实施例的方法屏蔽的放射光束脉冲强度图形和在两连续平台的SLS处理的具有硅薄膜52的样品40的典型第二概念列220。本部分的方法在图5A-5G说明的样品40的全部概念第一列210的硅薄膜52完全熔化，冷却，再凝固和结晶后完成。
首先翻至图4，样本40放置在由计算机106控制的样本移动平台180上。样本40放置在固定位置屏蔽后的光束脉冲164(具有由屏蔽150确定的强度图形235)照射到离开样品40的一个位置300。之后，样本40在Y方向移动，在屏蔽后照射光束脉冲164达到并在位置310照射到样品40的一个边缘45之前，增加动量达到预先确定的速度。这显示在图4作为路径305以说明样品40在Y方向移动屏蔽后的放射光束脉冲164的路径。通过控制样品40在X和Y方向的运动，计算机106控制样品40相对于照射样品40的硅薄膜52的屏蔽后的光束脉冲164的相对位置。屏蔽后的放射光束脉冲164的脉冲持续时间，脉冲循环率和每个脉冲的能量也由计算机106控制。
图4说明的本发明的第一实施例，样品40相对于固定的放射光束脉冲164移动以便沿预先定好的照射路径持续照射硅薄膜52的连续部分、以获得硅薄膜52上控制晶粒尺寸和形状的大晶粒的横向生长，可控晶界的位置和取向。特别是，当样品40在Y方向移动时，固定放射光束164沿路径315照射和熔化全部第一列210的连续部分，从位置310开始直到放射光束脉冲164在位置320抵达底边缘47(相对并平行于边缘45)。照射光束脉冲164只是限制在由屏蔽150确定的强度图形235，只要每个放射光束脉冲164的强度图形235的每个子光束有充足的能量熔化硅薄膜52的被照射穿过全部厚度的区域，硅薄膜52的每个熔化的区域有充分的尺寸以使在熔化区域的晶粒的横向生长、在熔化区域没有形核。
重申一下，图4中显示了硅薄膜52的照射路径在图中参照移动的样品40，以使固定的放射光束脉冲164作为与固定样品40相交来叙述。
如图4所述，计算机造成放射光束脉冲164发射，样品40定位，放射光束脉冲164在样品40照射第一位置300。样品40然后在计算机106的控制下在Y方向相对于固定放射光束164加速抵达一预先确定的速度，且其轨迹为不在样品40的路径305。需要注意的是路径305不是固定的放射光束脉冲164的运动的结果，而是代表样品40涉及固定放射光束脉冲164的运动。
当样品40的上边缘45到达位置310由放射光束脉冲164照射的位置，样品40以对应于放射光束脉冲164预先确定的速度移动。预先确定的速度V可以按照下面的等式确定V=f×WB2]]>其中f是固定放射光束脉冲164的频率(脉冲循环率)，WB是放射光束脉冲164在Y方向的尺寸。如上面讨论的，屏蔽的放射光束164在Y方向的尺寸是2cm。固定放射光束脉冲164的频率f有在100赫兹和500赫兹之间(最好250赫兹)的刷新脉冲率。本发明的本实施例中，预先确定的速度是，例如250cm/秒。依照使用的受激准分子激光器110的类型和结构使用其它频率范围也是可以的。其后，当在-Y方向覆盖样品40的长度的屏蔽的放射光束脉冲164以预先确定的脉冲刷新率沿第二放射路径315照射样品40的硅薄膜52的持续部分时，样品40持续在+Y方向以预先确定的速度移动。
图5A-5G说明了照射(例如通过发射光束脉冲164)的连续步骤和当样品40在+Y方向移动时样品40的硅薄膜52的第一列的再凝固，这样样品40的第一列210的硅薄膜52的连续部分可以沿第二放射路径315照射。
特别是，图5A显示了邻近样品40的顶边缘45的第一概念列210硅薄膜52的第一区域410照射和完全熔化，样品40只是由固定放射光束脉冲164的强度图形235的第一子光束部分250重叠，第一狭缝状子光束255照射和完全熔化样品的区410的硅薄膜52。由于被屏蔽的放射光束脉冲164的强度图形235的第一阴影区257重叠，样品40的硅薄膜52的区415没有被照射和熔化。
当样品40移动过位置310(图4说明)，屏蔽的放射光束164发射强度外形235的第一狭缝状子光束255(或第一屏蔽的放射光束脉冲)并在第一概念列210照射硅薄膜52的每个第一区域410。以这种方式，第一区410的硅薄膜部分在其全部厚度上熔解。需要注意的样品40的第一列210的每个区415由第一区257重叠没有熔解。
翻到图5B，在依照预先确定的脉冲刷新率被第二放射波脉冲照射前，样品40的第一概念列210的硅薄膜52的每个区410被第一照射光束脉冲熔化，冷却，再凝固和结晶，在未熔化区415的邻近区形成两列相对生长的晶粒420，425。
在熔化的第一区410的再凝固和结晶中，未熔化区域415界定熔化的第一区410，在邻近熔化的第一区410为晶粒横向生长形成籽晶。两个邻近的列420，425在邻接晶粒由特定的成长距离大约是1.5μm成长后，形成一些晶粒邻接边界430。每个再凝固第一区域410的所有晶粒的列420，425有各自的中心部分，相对于照射路径315有大角度(如，大约90°)的晶粒边界。
当熔化区域410发生冷却，再凝固和结晶时，样品40在Y方向沿照射路径315相对于固定照射光束脉冲164被连续移动。这是由于当第一列210的硅薄膜52的另一区域被第二照射光束脉冲照射时，固定照射光束脉冲164的强度图形235的第二子光束265照射硅薄膜52的各自部分，这样只有部分再凝固和结晶区域重叠，重叠部分未熔化。例如，第二照射光束脉冲的发射时间的控制使得样品40的移动距离小于第一裂缝子光束255的长度(如，1/2mm)。
翻到图5C，样品40的第一概念列的硅薄膜52使用强度图形235的第一和第二子光束部分250，260照射。当样品40到达第一列210的位置，在该位置强度图形235的第一狭缝状子光束255重叠再凝固区域410的该部分，计算机106控制受激准分子激光器110以通过屏蔽150(即第二照射光束脉冲)产生另一个放射光束脉冲以照射第一概念列210的硅薄膜52的特定部分。计算机106为脉冲定时并控制样品40的移动使第二照射光束照射下面叙述的硅薄膜52的特定区域。
如图5C所示，第二照射激光脉冲产生，这样第一狭缝状子光束255照射并完全熔化第一概念列210的硅薄膜52的第二区435，第二狭缝状子光束265完全熔化第一概念列210的硅薄膜的第三区445。第二区435最好沿图5B显示的第一区410的第一列210的相同的扫描路径。然而，第二区435作为偏移，在负Y方向的距离稍微小于第一区域410的长度(例如1/2mm)。如图5C所示，位于第一区410和第一区410的一小部分的第二区435之间的重叠区440再凝固，但被强度图形255的第一狭缝状子光束255完全熔化。计算机106控制脉冲的计时，样品40的移动允许该重叠区440存在以避免在薄膜52有未照射区的概率。重叠区440的宽度可以是，如1μm。重叠区440的其他宽度也可以使用(如，0.5μm，1.5μm，2μm等)。
第三区445最好沿平行于中心线P的线Q延伸(在Y方向)，沿第一区410和第二区435延伸，其偏移量大约是0.75μm。另外，每个第二区435的底边缘436相对于Y方向从第三区445的底边446偏移505μm。每个第二区435的顶边缘437在Y方向从各自第三区445的底边缘446偏移5μm。由于第二区435和第三区445的结构，第三区445重叠再凝固的第一区410的确定部分450，并被第一屏蔽照射光束脉冲熔化。这样，被第三区445重叠的这些部分450的硅薄膜52，沿先前未被熔化的区域沿其厚度完全熔化。
图5D显示了第二和第三区435，445，重叠区440和部分450以及先前熔化的部分的完全熔化的硅薄膜52的冷却，再凝固，晶粒生长和结晶。参照第二区435，每个这些区410再凝固和结晶形成晶粒460，465的两列，种籽晶并从邻近的未熔化区域455向彼此成长。相邻的两列460，465在相邻晶粒典型成长距离大约是1.5μm，具有晶粒邻接边界468。在每个第二再凝固区435的两列460，465，对于第二照射路径315，分别有一个中央部分，有形成大角度(例如接近90°)的晶界。
在邻接各自第一区410的未重叠部分的熔化的第三区445，该区已被照射和再结晶，在第一区410的未重叠部分的晶粒在第三区445的相对方向成长，直到晶粒长到晶粒邻近边界470的第三区445的相对位置。以这种方式，第一区的硅薄膜52的晶粒420，425的第一区410的晶粒沿展入第三区445以增加晶粒的长度。
和上面讨论的图5B类似，当第二和第三熔化区435，445发生再凝固时，样品40相对固定照射光束脉冲164沿第二照射路径315移动。特别是，样品40的移动使硅薄膜52的另一区域被具有图3中的强度图形235的第三照射光束脉冲照射，样品40移动使由第三照射光束脉冲再凝固的第二和第三区域435的部分重叠该区域。第三照射光束生成的定时和上述第二脉冲生成的控制类似。
翻到图5E，生成第三照射激光脉冲使得第一狭缝状子光束255照射并完全熔化第一列210的硅薄膜52的第四区475，第二狭缝状子光束265完全熔解第一列210的硅薄膜52的第五区485。第四区475最好和图5B说明的第一区410相同的方向沿展。和图5C中的第二区435相似，第四区475和第二区435在负Y方向有一距离，该距离略微小于第二区435的长度(即略微小于1/2mm)。重叠区域490位于第二区435和第四区475之间，重叠区域495位于分别是第一和第二区的小部分的第三区445和第五区485之间，该部分再凝固但是分别被屏蔽后的照射光束脉冲164的强度图形的第一和第二狭缝状子光束255和265完全熔解。计算机106控制脉冲的计时和样品40的移动以使重叠的区490，495的成长以避免硅薄膜52有未被照射区域的概率。重叠区490，495的宽度与重叠区440相似。
第四和第五区475，485的位置关系与前面描述的第二和第三区435，445的位置关系相同。由于该结构，第五区485重叠第三再凝固区445的部分497。这样，部分497(被第五区485重叠)的硅薄膜52重新被完全熔解。
图5F显示了先前完全熔解的第四和第五区475，485和重叠区490，497的再凝固和晶粒生长。参照图5D中描述的再凝固和横向生长是可应用的。特别是，由于第四区475的再凝固，被控晶粒从其边界产生籽晶而生长，形成晶粒生成500，505的两列，这样分别有效地扩展列460，465。相对于第五区485，晶粒生成510，515的两列也以同样的方式形成。这样，控制的硅薄膜52横向晶粒成长沿包括先前和完全熔化的第四和第五区475，485的硅薄膜52的第一列210沿展。
由于样品40连续移动且硅薄膜52的第一列210被屏蔽的照射光束脉冲164沿第二路径315照射，第一列210的硅薄膜52的其他区域的区域435，445和区域475，485的熔化结构熔化，控制的在所有第一列210的连续横向凝固和晶粒成长完成。这样，样品40的顶边缘45和底边缘47之间的样品40的完全第一概念列210的硅薄膜52的所有部分完成持续运动SLS。由于第一列210的所有区域被照射并完成SLS，不需要进一步的再照射硅薄膜52的任何部分。特别是，图5G说明的第一列210的持续运动SLS的最终产品，显示了当所有的熔化区域410，435，445，475，485的冷却和再凝固完成时，形成具邻近列510相对长晶粒的再凝固区域520，沿X方向生成晶粒边界。这是一种当使用照射光束脉冲照射的样品的每个列时，改善的需要样品40的微移动的SLS方法。该微移动需要样品的持续运动和缓慢的停止，样品被微移动，然后通过样品移动平台增加样品的移动速度达到预先确定的速度，当照射硅薄膜的特定列时，继续样品的移动。
返回到图4，当样品40移动时，屏蔽的照射波脉冲164的固定位置的照射抵达样品40的底边缘的相对于样品40的位置320，样品40的沿着第三路径325缓慢移动直到照射光束脉冲164的固定位置照射对应于样品40的位置在位置330，样品40达到完全停止。本实施例中，预先确定的]刷新率，例如，250-300脉冲/秒(最好使用受激准分子激光器110)且每个脉冲提供一强度图形为500mJ/cm2，脉冲持续时间为30n秒的子光束。
参照移动的样品40的固定照射光束脉冲164在位置330停止，样品40在计算机106控制下在X方向移动，这样脉冲照射光束脉冲164形成一个第四路径335，直到屏蔽照射光束脉冲在位置340照射样品40。样品40在-Y方向加速，脉冲照射光束穿过第五路径345，这样样品40在样品40的底边47抵达屏蔽的照射光束164的照射位置347时，抵达预先确定的移动速度。之后，样品在预先确定的速度在-Y方向沿第六照射路径350的全部长度持续移动，同时，屏蔽的照射光束脉冲164以预先确定的脉冲刷新率持续照射样品40的第二列220的熔化层52。
参照图6A，显示了第二概念列220的硅薄膜52的部分540在样品40移动后立即位于样品40的底边缘47之上，使得被屏蔽的照射光束脉冲164沿第六路径250照射。第二列220的硅薄膜52的部分540首先使用第二狭缝状子光束265照射，部分540的区域550在其全部厚度上熔化。这是由于屏蔽的照射光束脉冲164的强度图形的部分，该部分使用上述的结构的具有第二狭缝状子光束265的第二子光束部分260照射和完全熔解区域550。处理中的该点，由于其照射样品40的外边界(即，低于底边47)，第一狭缝状子光束255不照射样品40的第二列220。需要注意的是，特定区550的邻近第一概念列210的再凝固区域520的小带550，沿该区550的再凝固区520的稍微重叠的小部分550(如1/2mm)。在被第二狭缝状子光束265照射前，当屏蔽的照射光束164沿第六路径350照射样品40，该小带555在样品的第一列210完成照射和SLS。图4中显示的是对应于重叠部分230的开始阶段的小部分555。照射和熔解的区域550的硅薄膜52由阴影区域560分开。如上所述，区域560不被照射的原因是屏蔽的照射光束脉冲164的强度图形235的第一阴影区域267没有照射和熔解区域560。
区域550的硅薄膜52冷却和再凝固以影响从其各自边开始的横向晶粒成长。特别是，每个区域550具有晶粒的沿各自区域550的全部长度沿展的两个相邻列570，575(图6B显示)。上述相对于第一列210的SLS，晶粒成长从相对于各自区域550的中心的阴影区域560开始。对于具有小重叠区域555的特定区域550，相邻的晶粒的完全部分565种籽晶并横向成长入特定区域550。
翻到图6B当区域550冷却和再凝固时，样品40在负Y方向以预先确定的速度沿第六路径350连续移动，在第二概念列220的硅薄膜52的另一部分被照射。由于当上述计算机106控制下样品40的移动时，屏蔽的照射光束脉冲164沿第六路径350照射硅薄膜52，第二狭缝状子光束265照射并完全熔解区580的硅薄膜52。参照上面图5C和6A讨论的，每个区580当重叠一先前照射和再凝固的区域550的部分，具有一小区域582。另外，参照图6A，特定区域580重叠和完全熔解部分584，并分界再凝固区域520具有一小区域583。另外，第一狭缝状子光束255照射并完全熔解区585的硅薄膜52。小区域583对应于图4显示的重叠部分230，并在图6A说明小区域555。
如图6B所示，区域585与区域580的距离(在负Y方向)稍微大于区域580的全部长度。区域580，585的对于彼此的结构和图5C显示的区域435，445的结构类似。之后，区域580，585以上述图5C的方式冷却并再凝固，当样品40的底边缘47替代第一列210的顶边45完成样品的第二列220的硅薄膜52的SLS。
重新翻到图4，当样品40在-Y方向移动以使屏蔽的光束脉冲164抵达样品40的顶边45时在固定位置照射，样品40的移动缓慢的沿着路径355直到样品40相对于样品40完全停止在位置360。参照移动样品40的固定光束脉冲164在第四位置360(即样品40的移动停止)停止后，样品40在负X方向在计算机106控制下移动，屏蔽的放射光束脉冲164沿第八路径365移动直到屏蔽的光束脉冲164在位置370照射样品40的外边界。样品40在Y方向加速使得屏蔽的照射光束脉冲164横穿另一路径，该路径平行于第二放射路径315(即，样品40在Y方向再次移动)。该过程持续到样品40的所有概念列的硅薄膜52被照射，SLS连续完成。
如上所述，样品40的移动和照射是在样品40的每个概念列完成的。这样，如果样品40概念上分为15个列，样品40在Y方向或-Y方向移动15次。图7显示了本发明持续SLS运动的单步骤的结果。本图说明了样品40的最终产品，该样品40的硅薄膜52的每个区域沿其整个范围扩展被照射以提高控制的SLS和晶粒成长。
使用高均化的照射波，即在样品40的移动方向上具有宽和薄的强度图形。特别是，当该强度使用时，其用更少的步骤去照射样品40的所有列。使用上述本发明的方法的实施例还具有计时优点。通常，样品40照射和处理硅薄膜52的总处理时间TPROCESS由下面的公式计算TPROCESS＝TCRYSTALIZATION+TWASTEDTCRYSTALIZATION=ATOTALABEAM×nfLASER,]]>ATOTAL是样品40的全部区(例如，40cm×30cm＝1200cm2)，ABEAM是光束区域(例如，2cm×1mm＝20mm2)，n是在特定点的命中的数目(例如，图5A-5G和6A-6B，n＝2)。本实施例中，每个列的结晶时间大约是1秒。这样，具有15个列的样品的全部结晶时间是15秒。下面，浪费的时间应该评估。例如，TWASTED＝nSTEP×TSTEP其中，nSTEP是样品进入下一列的时间(例如，对于15列来说，样品步进14次)，TSTEP是每个步骤需要的时间(如0.3秒)。这样，样品40的TWASTED是14×0.3秒＝4.2秒。为了和585申请中描述的方法和系统的时间浪费的结果对比，当本发明和585申请的系统和方法的样品40的每列的结晶时间相同时(由于本发明的样品速度的减少为585申请描述的样品速度)，585申请的系统和方法的浪费时间比本发明的系统和方法要高。这是因为本发明的系统和方法当屏蔽的照射光束脉冲164照射在样品40的外围时，不需要样品40微移动(如585申请中描述的)。这样，依照本发明，由于样品40不进行微移动，没有微移动时间。这样，如果585申请的样品每列完成一次微移动，样品薄膜没有结晶的浪费的时间是微移动14列×0.3秒＝4.2秒和规则移动全部样品4.2秒。这样，使用本发明的系统和方法每个样品节省的结晶时间减少如，和585申请相比为4.2秒。
图8显示了使用本发明的系统和方法当其照射在硅薄膜上，该方法可以促进硅薄膜的大晶粒的成长，另一屏蔽150确定的照射光束脉冲的强度图形的第二典型实施例的放大说明。该典型强度图形600包括狭缝状子光束601，603，605，607，609，611，613，615，617，619等。狭缝状子光束601，603，605，607，609，611，613，615，617，619沿X方向的宽度和强度图形235的第一狭缝状子光束255相同(如3μm)，这些狭缝状子光束的长度是，例如0.2μm。狭缝状子光束601，603，605，607，609，611，613，615，617，619的其他尺寸和形状也是可以的，并在本发明的保护范围内。
特别是，狭缝状子光束601在强度图形600的最右边的角落。狭缝状子光束603和狭缝状子光束601在X方向有偏移。特别是，狭缝状子光束603的顶边缘630沿展于狭缝状子光束601上部的线A。相似的，狭缝状子光束605与狭缝状子光束603有偏移(在X方向)，这样，狭缝状子光束605的顶边631在狭缝状子光束603沿展方向的上方的线B沿展。狭缝状子光束607相对于狭缝状子光束605，狭缝状子光束609相对于狭缝状子光束607的位置同理。狭缝状子光束611，613，615，617和619和狭缝状子光束601，603，605，607，609的排列结构相同，除了狭缝状子光束611的开始位置和狭缝状子光束601在Y方向相同，狭缝状子光束611在X方向有一特定长度635的偏移。按照本发明的一典型实施例，狭缝状子光束611的顶边缘634略微高于狭缝状子光束609的底边缘633沿展的线C。强度图形600的结构是，在X方向，强度图形600的第一行640(包括狭缝状子光束601，603，605，607，609)排列在强度图形600的第二行641(包括狭缝状子光束611，613，615，617，619)的上方，随后是第三行642等。强度图形600可以包括许多行的狭缝状子光束，例如，100，1000等，依靠照射激光光束149的宽度照射屏蔽150，和裂缝和屏蔽150的不透明的部分。
图9显示了依据本发明的方法的第二典型实施例的SLS处理的典型阶段，当图8的屏蔽光束脉冲的强度图形照射硅薄膜52的各自的部分，具有硅薄膜52的样品40的典型第一概念列210的部分的晶粒构造。使用图9中显示的典型实施例的方法，在硅薄膜52上可生长更大的晶粒。依照本发明的该典型实施例可以和上述参照图4，5A-5G和6A-6B的实施例实际相同的方式充分实现，当以强度图形235替代强度图形600照射，并完全熔化样品40的第一概念列210的硅薄膜52特别是，图9说明了当样品40的第一概念列210的硅薄膜52被强度图形600照射时，样品40在Y方向连续移动时的该典型实施例。样品40的第一概念列210的硅薄膜52在区域650，652，654，656，658，660，662，664，666，668等在其厚度全部熔解。可以理解的是这些特定区域被照射，是由于屏蔽的光束脉冲164的强度图形600的狭缝状子光束601，603，605，607，609，611，613，615，617，619等照射区域650，652，654，656，658，660，662，664，666，668等完全熔解硅薄膜52(即，通过硅薄膜52的厚度)。
区域650的硅薄膜52没有经过先前的横向凝固。对应于区域652，狭缝状光束603照射在硅薄膜52在区域652熔解多于一半的再凝固区域(被狭缝状子光束601照射)。特别是，区域652的顶边缘位于沿M轴线沿展的边界644的线M上方，狭缝状子光束601的先前照射和晶粒成长形成边界644。可以理解的是，由于区域652的位置，中心653沿着区域650的底边缘延伸的线N上方确定。相似的，区域654的中心655稍微高于沿着区域652的底边缘延伸的轴线，区域656的中心657在稍微高沿区域654的底边缘的延伸线，且区域658的中心659在稍微高于沿区域656的底边缘延伸的轴定位。这样，区域650，652，654，656，658的结构对应于屏蔽的光束脉冲164的强度图形600的第一行640的狭缝状子光束601，603，605，607，609。
硅薄膜52在其厚度上的完全熔解区域660，662，664，666，668，与区域650，652，654，656，658有相同的结构，除了区域660沿X方向与区域650有一偏移，参考图8，偏移距离和狭缝状子光束601和狭缝状子光束611的距离635近似相同。另外，658区有一个小部分670与通过狭缝状子光束611先前熔化的硅薄膜52的区域重叠。最好使用该小部分670使得在硅薄膜52的再凝固区的边缘提供的小晶粒区域减少甚至消除。
图10为当沿着Y方向连续移动样品40时，第一列210使用图8中的屏蔽的SLS处理行进。在该方式中，硅薄膜52的多个行710，720，730等，在第一概念列210产生。多个这些行710，720，730等对应于图8中强度图形600的多个行640，641，642等。与图4中的方法相似，移动样品40使屏蔽的照射光束脉冲164到达样品40的低边缘47，且屏蔽的照射光束脉冲164不再冲击样品40提供的硅薄膜52，样品在为进一步移动，在X方向移动到达一个特定位置定位样品40，使得照射光束可以在样品40的第二概念列220冲击硅薄膜52。此外，在Y方向移动样品，用与图9和10实际相同的方式，照射样品40的第二概念列220的硅薄膜52。但是，狭缝状子光束609，619(和不是狭缝状的子光束601，611)首先照射第二概念列220中的硅薄膜52，从低边缘47开始，在顶边缘45完成样品40第二列的照射。在该方法中，样品40中所有概念列的硅薄膜52可有效地完成连续移动SLS，生成更长的晶粒。
如图8中典型的移动样品40和用屏蔽照射光束脉冲的强度图形600照射的速度V如下V＝LB*fLASER其中LB为图8中所示强度图形600的狭缝状子光束601，603，605，607，609，611，613，615，617，619等的宽度，fLASER为，例如激发激光110发射的照射光束149的频率。在图8中所示的典型实施例中，LB等于0.2mm，fLASER可以等于300赫兹。因此，在强度图形600的每行640，641，642等得到的五(5)个子光束的典型样品移动速度可等于60mm/秒。根据本发明的典型实施例，如果多个每行强度图形600的狭缝状子光束增加到，例如十(10)狭缝，那末每个狭缝的长度最好由一半减小到0.1mm。因此，通过强度图形600的每个列10个狭缝状子光束和上述计算，样品的移动速度等于30mm/秒。但是，在单行强度图形600使用更多数目的狭缝状子光束，可能在样品40的每个概念列的硅薄膜52中获得更长的晶粒。
图11所示第三典型实施例的放大图，为通过本发明的方法和系统的另一屏蔽150确定的强度图形800的照射光束脉冲，当它冲击基底上的硅薄膜情况。与图3中的强度图形235相似，强度图形800包括第一子光束截面250和第二子光束截面260。另外，强度图形800包括界定第二子光束截面260的一个降低强度截面810。降低强度的部分810只有平均照射光束149的强度的70％，可以由屏蔽150的灰色范围部分，通过照射通过屏蔽150的该灰色范围的平均照射光束149产生。该降低的强度810不熔化硅薄膜52的一个区，它冲击其整个厚度；确实，该屏蔽照射光束脉冲164的降低强度部分810仅部分熔化它照射的硅薄膜52区。
根据本发明图5A-5G和6A-6B的典型实施例的方法，图11所示的强度图形800可用于照射样品40。由于强度图形800中的降低强度部分810的出现，屏蔽照射光束脉冲164的横截面宽度可以大约1.5mm(与图3中的强度图形235提供的屏蔽照射光束脉冲164的宽度是1mm相对)，所以使用强度图形800的所有区，包括降低强度部分810。但是，屏蔽照射脉冲164的宽度增加时，可以与图4，5A-5G和6A-6B的强度图形235使用的相同的预定速度移动样品40。
根据本发明连续移动SLS处理图示的强度图形800，实际上与根据图5A-5D提供的第一两个照射光束脉冲冲击硅薄膜152相同。但是，对于图5E所示的第三照射光束脉冲，标注为820的区会使用强度图形800的降低强度部分810完全照射。当820区被强度图形820的降低强度部分照射时，它仅部分熔化。此外，当那里得到完整生长的晶粒，820区再凝固。由于820区的再凝固，该部分熔化具有优点，其表面平整，所以该表面上的峰和谷被最小化。样品40的第一概念列210的该过程持续直到样品40连续移动，使得屏蔽的照射光束脉冲164刚刚通过样品40的底边缘47。
根据图4描述的过程在与上述使用强度图形235实际相同的方法持续。但是，根据本发明的实施例，使用图谱800用于样品40上的硅薄膜52，在屏蔽照射光束脉冲164停止冲击样品40的第一列210的任何区后，使用强度图形800的降低强度部分810，使得当屏蔽照射光束脉冲164开始照射样品40的第二概念列、220。因此，屏蔽光束脉冲164的强度图形800的降低强度部分810用于强度图形800的两个子光束截面250，260的背面。这由例如旋转屏蔽150到180°完成。在该方法中，降低强度部分810可以部分照射再现照射和再凝固的第二列的区(例如，已经经过强度图形800的第一和第二子光束截面250、260的子光束SLS)。在到达样品45的顶边缘上，强度图形800的降低强度部分810可以再次用于通过屏蔽照射光束脉冲164的被照射的样品40的第一概念列210使用的相同的结构(例如，通过旋转屏蔽150的灰色范围到180°)。在该方法中，整个样品40的硅薄膜52可以有效地实现连续移动SLS，同时在其整个范围平整照射，再凝固和结晶硅薄膜52的表面。
图12为第四个典型实施例的放大图，为本发明的系统和方法使用的另一屏蔽概念确定的照射光束脉冲的强度图形830，冲击基底上的硅薄膜。与图3的强度图形800相似，强度图形830包括第一子光束截面250，第二子光束截面260和一个第一降低强度截面810界定的第二子光束截面260。另外，强度图形830包括第二降低强度部分810界定的第一子光束截面250。与第一降低部分810相比，第二降低强度部分840只有平均照射光束149的70％的强度，并可以通过均匀照射光束149的照射的屏蔽的灰色范围产生。
如果第一和第二降低强度部分810，840被用于照射样品40提供的硅薄膜52，图12所示的强度图形的表示应该被理解。但是，正像下面就要描述的，仅仅这些强度图形的降低强度部分810，840可用于这样的照射。
以使用图11中强度图形800的相似方法，图12中所示的强度图形830可以根据本发明的方法用于照射硅薄膜52。此外，屏蔽照射光束脉冲164的横截面宽度也是大约1.5mm。特别是，当连续移动样品40使得屏蔽照射光束脉冲164照射到第一概念列210时，只有屏蔽照射光束脉冲164的强度图形830中的第一子光束截面250，第二子光束截面260和第一降低强度部分810被照射和冲击样品40上的硅薄膜52，而不使用第二降低强度部分840。然后，第一概念列210上的SLS过程以与上述使用强度图形800的第一概念列210实际上相同的方法持续。
然后，在屏蔽照射光束脉冲164停止冲击第一概念列210的任何区后，且在它开始冲击样品40的第二概念列220之前，通过屏蔽移动步骤沿着Y轴定位或转变屏蔽150，使得当用屏蔽照射光束脉冲164开始照射样品的第二概念列220时，使用强度图形830的第二降低强度部分840，而不使用第一降低强度部分810用于照射样品的第二概念列220上的硅薄膜52。在本方法中，屏蔽照射光束脉冲164的强度图形830的第二降低强度部分840用于在屏蔽照射光束脉冲164的强度图形830的第一和第二截面250，260的背面端照射样品的第二概念列220上的硅薄膜52。在到达样品40的顶边缘45上，通过屏蔽移动台沿着负Y方向定位或转变屏蔽150，使得采用强度图形830在屏蔽照射光束脉冲164的被照射的样品40的第一概念列210使用的相同的结构。
如图13A-13D所示，根据本发明另一典型实施例的不同SLS处理的连续阶段中，样品40的硅薄膜52的第一概念列部分的发射光束脉冲强度图形和晶粒结构。在该实施例中，整个样品40的硅薄膜52已经完成连续运动的SLS，然后通过样品移动步骤顺时针方向90°旋转(例如，由计算机106控制)。在该旋转之后，样品40再次概念上被分为，例如15个列，样品40如上面图4，5A-5G，6A-6B所述的相同方法移动。
特别的，图13A所示为，随着样品在Y方向连续移动时，如图3所示的强度图形235的第一子光束截面250的子光束照射的第一概念列850的熔化区。正如上面参考图5A讨论的，860区穿过其整个厚度熔化。与210区相反，第一列850的860区是在其熔化前经过SLS的。那末，如图13B所示，860区冷却，再凝固和再结晶。从860区的边界发生晶粒产生籽晶并生长。在本实施例中，由于样品40的硅薄膜52已经经历了SLS，在边界860提供的晶粒(以控制的方法生长)860区产生籽晶，并开始将再凝固区860生长形成具有单晶生长的更大区865。该过程如图13C所示，样品40在Y方向移动并以上面描述的图5C实际相似的方式持续。与435，445区相似，第一概念列850中的硅薄膜52的某些区870，875熔化。与435，445区有关，870，875区的特别部分与图13B原先照射和再凝固区865的某些部分重叠。如图13D所示，根据870区的冷却和再凝固，横向晶粒的生长被在如图5A-5G所示的过程使用的晶粒生长，从其边界产生籽晶和促进形成得到的885区。关于875区的冷却，再凝固和再结晶，在得到的880区的晶粒生长使用875区边界提供的再凝固区865促进。根据上面描述的图13A-13D描述的过程有关图5A-5G和6A-6B相关的技术，可以实现SLS在样品40上的硅薄膜52上提供更大的单晶区900，如图14所示。
下面见图15，为在计算机(或其他控制装置)的帮助下，完成的样品40的硅薄膜52的本发明的控制晶粒的形状，尺寸和晶粒边界的位置和取向的典型步骤单独步骤，连续移动SLS处理。如图15所示，在步骤1000，图1中系统的硬件部件，如准分子激光器110，光束能量密度调节器120，光束衰减器130和快门152至少部分通过计算机第一次初始化。一个样品40在步骤1005的移动平台180被装载。应注意该装载既可以是手动也可以是使用计算机106控制的已知样品装载设备。下面，样品移动平台180被移动，最好由计算机控制，到步骤1010初始位置。在步骤1015，如果必要，系统不同的其他光学元件手动调节或用计算机106控制调焦和校准。在步骤1020发射光束脉冲164被稳定到所需得强度，脉冲区间和脉冲重复速率。在步骤1021，确定在通过前一发射光束脉冲的照射后的其完全再凝固的每一熔化区之后，下一个发射光束脉冲是否照射硅薄膜52。如果否，步骤1022中，激发激光110的脉冲重复速率被调节。在步骤1024，确定是否每个发射光束脉冲的强度图形的每个子光束，有足够能量穿过其整个厚度熔化每一重叠的硅薄膜52，而不熔化强度图形的一个阴影区域重叠的一个相邻的区域。如果发生熔化不足或过熔，在步骤1025中，调节衰减器130使得每个发射光束脉冲具有足够能量完全熔化照射区的金属层，而不熔化相邻的未照射区。
在步骤1027，样品40被定位在样品40的第一概念列210的屏蔽照射光束脉冲164的点。在步骤1030，样品40的当前列用具有屏蔽150，700，800，830控制的强度图形的发射光束脉冲164照射。在步骤1035，连续移动样品60，使得屏蔽照射光束脉冲164在预定方向沿着样品40的当前列照射硅薄膜52。
在步骤1045，确定是否所有带有硅薄膜52的样品40的所有概念列经过了SLS处理。如果否，样品40被移动到样品40的下一个未照射概念列，过程循环回到步骤1030进一步沿着预定方向移动(例如，相反方向)用发射光束脉冲164照射样品40的下一个概念列。如果样品40的所有列完成了SLS处理，图1所示系统的硬件部件和光束可以关闭(步骤1055)过程结束。
前述的典型实施例仅仅描述了本发明的原理。对于专业人士根据本技术完成的、没有离开本发明的范围的不同改进和变化，由附带的权利要求确定。
权利要求
1.一种在基底上加工硅薄膜样品的方法，在硅薄膜上具有一个不生长籽晶的表面部分，膜样品有一个第一边缘和一个第二边缘，该方法包括如下步骤(a)控制一个照射光束发生器以一个预定的重复速度、发射连续照射光束脉冲；(b)屏蔽每一个照射光束脉冲确定第一多个子光束和第二多个子光束，每一照射脉冲的第一和第二子光束被供给照射膜样品，并具有足够穿过其整个厚度、熔化膜样品的照射部分的强度；(c)以一个恒定预定速度连续扫描，使得在第一边缘和第二边缘之间、在膜样品的扫描方向、膜样品发生照射光束脉冲的第一和第二子光束的一个连续冲击；(d)在步骤(c)中，用照射光束脉冲的第一子光束连续照射膜样品的多个第一区，使得第一区的穿过其厚度熔化并留下在与多个第一区分别相邻的未照射区；(e)在步骤(c)中，允许每一第一区通过照射光束脉冲的每个第一子光束照射到再凝固和结晶；和(f)在步骤(e)中，用照射光束脉冲的第二子光束连续照射膜样品的多个第二区，使得第二区穿过其厚度被熔化，其中每一个第二区与其中一个分别成对的再凝固和结晶的第一区和其中分别未照射区域部分重叠。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤(g)在步骤(f)中，通过第一子光束连续照射膜样品的第三区到穿过其厚度完全熔化第三区，每个第三区与分别一个重新凝固和结晶的第一区部分重叠，并还留下第三区之间分别相邻的未照射区域。
3.根据权利要求2所述的方法，其中一个第一区和一个第三区靠着平行于扫描方向的第一线，其中一个第二区靠着平行于扫描方向的第二线，和其中的第一线从第二线通过一个补偿延伸。
4.根据权利要求2所述的方法，还包括如下步骤(h)在步骤(g)中，允许每一个第二区通过每个照射光束脉冲的第一子光束照射到再凝固和结晶。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括如下步骤(i)在步骤(c)中，允许每一个第三区通过每个照射光束脉冲的第一子光束照射到再凝固和结晶；和(j)在步骤(h)和(i)中，用照射光束脉冲的第二子光束连续照射膜样品的多个第四区，使得第四区穿过其厚度熔化，其中每一第四区与一个成对的再凝固和结晶的第三区和其中其他分别未照射区域部分重叠。
6.根据权利要求1所述的方法，其中的第一边缘位于膜样品的一边，相对于第二边缘所处膜样品的一边。
7.根据权利要求6所述的方法，其中通过(f)的步骤(c)为连续的，直到由照射光束脉冲的第一和第二子光束的连续冲击膜样品通过膜样品的第二边缘，还包括如下步骤(k)从步骤(c)到步骤(f)，定位膜样品，使得照射光束脉冲的第一和第二子光束在关于膜样品的膜样品边界外部的第一位置冲击；和(l)在步骤(k)之后，定位膜样品，使得对于膜样品的第一和第二子光束的连续冲击从第一位置移动到第二位置，第二位置位于膜样品边界的外部。
8.根据权利要求7所述的方法，其中在通过步骤(f)的步骤(c)和步骤(k)前，照射膜样品的一个预定宽度的完全部分，穿过整个熔化厚度熔化和再凝固，膜样品在完全部分的整个横截面具有控制的结晶晶粒生长。
9.根据权利要求8所述的方法，其中的特别方向延伸沿一个第一轴，其中，在步骤(l)中，膜样品沿第二轴被移动，第一轴与第一轴垂直，和其中第二位置由离第一位置距离大致等于预定宽度来确定。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括如下步骤(m)步骤(l)后，以恒定的预定速度连续扫描膜样品，使得照射光束脉冲的连续冲击在第二边缘和第一边缘之间的其他方向发生，其他方向与扫描方向相对，和(n)在步骤(m)中，用照射光束脉冲的第二子光束连续照射膜样品的多个第五区，使得第五区穿过其厚度熔化并留下额外的、在分别相邻的第五区之间的未照射区域；(o)在步骤(m)中，允许每一第五区通过照射光束脉冲的第二子光束照射到再凝固和结晶，和(p)在步骤(o)中，用照射光束脉冲的第一子光束连续照射膜样品的多个第六区，使得第六区穿过其厚度被熔化，其中每一第六区与一个成对再凝固和结晶的第五区和其中的分别额外未照射区域部分重叠。
11.根据权利要求1所述的方法，其中的步骤(a)到(f)是没有执行对于膜样品的照射光束脉冲的第一和第二子光束的冲击的任何微调实现的。
12.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤(q)在步骤(g)中，允许每一第二区通过照射光束脉冲的第一子光束照射到再凝固和结晶；(r)将照射光束脉冲部分屏蔽为减弱强度的发射连续部分强度照射脉冲，使得当连续部分强度照射脉冲照射膜样品的一个特定区域时，该特定区域的熔化少于膜样品整个厚度；(s)步骤(q)和(r)后，分别用一个连续部分强度照射脉冲连续照射每个再凝固和结晶第二区。
13.一种在基底上加工硅薄膜样品的系统，在硅薄膜上具有一个不生长籽晶的表面部分，膜样品有一个第一边缘和一个第二边缘，该系统包括如下一个存储器，储存一个计算机程序；和一个处理装置，执行计算机程序完成下列步骤(a)控制一个照射光束发生器以一个预定的重复速度、发射连续照射光束脉冲，(b)屏蔽每一个照射光束脉冲确定第一多个子光束和第二多个子光束，每一照射脉冲的第一和第二子光束出被供给照射膜样品，并具有足够穿过其整个厚度、熔化膜样品的照射部分的强度，(c)以一个恒定预定速度连续扫描，使得在第一边缘和第二边缘之间、在膜样品的扫描方向、膜样品发生照射光束脉冲的第一和第二子光束的一个连续冲击，(d)在步骤(c)中，用照射光束脉冲的第一子光束连续照射膜样品的多个第一区，使得第一区的穿过其厚度熔化并留下在与多个第一区分别相邻的未照射区域，(e)在步骤(c)中，允许每一第一区通过照射光束脉冲的每个第一子光束照射到再凝固和结晶；和(f)在步骤(e)中，用照射光束脉冲的第二子光束连续照射膜样品的多个第二区，使得第二区穿过其厚度被熔化，其中每一个第二区与其中一个分别成对的再凝固和结晶的第一区和其中分别未照射区域部分重叠。
14.根据权利要求13所述的系统，在步骤(f)中，处理装置用第一子光束连续照射膜样品的第三区直至穿过其厚度完全熔化第三区，每个第三区与一个分别成对的再凝固和结晶区第一区部分重叠，并还留下分别相邻的第三区之间的未照射区域。
15.根据权利要求14所述的系统，其中一个第一区和一个第三区靠着平行于扫描方向的第一线，其中一个第二区靠着平行于扫描方向的第二线，和其中的第一线从第二线通过一个补偿延伸。
16.根据权利要求14所述的系统，其中，当第三区通过第一子光束照射后，用照射光束脉冲的第一子光束照射的每一第二区允许再凝固和结晶。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，在步骤(c)中，用照射光束脉冲的第一子光束照射每一个第三区到允许再凝固和结晶；和其中，在第二区和第三区再凝固和结晶后，加工装置用照射光束脉冲的第二子光束连续照射膜样品的多个第四区，使得第四区穿过其厚度熔化，其中每一第四区与一个成对的再凝固和结晶的第三区和其中其他分别未照射区域部分重叠。
18.根据权利要求13所述的系统，其中的第一边缘位于膜样品的一边，相对于第二边缘所处膜样品的一边。
19.根据权利要求18所述的系统，其中加工装置完成通过(f)的步骤(c)，直到由照射光束脉冲的第一和第二子光束的连续冲击膜样品通过膜样品的第二边缘，其中，从步骤(c)到步骤(f)，加工装置定位膜样品，使得照射光束脉冲的第一和第二子光束在关于膜样品的膜样品边界外部的第一位置；和其中，在照射光束脉冲冲击第一位置后，加工装置定位膜样品，使得对于膜样品的第一和第二子光束的连续冲击从第一位置移动到第二位置，第二位置位于膜样品边界的外部。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，在步骤(c)到步骤(f)和照射光束脉冲连续冲击膜样品的第二边缘后，具有预定宽度的膜样品的完全部分被照射，穿过其整个厚度熔化和再凝固，在整个完全部分的横截面膜样品具有控制的结晶晶粒生长。
21.根据权利要求20所述的系统，其中的特别方向延伸沿一个第一轴，其中的处理装置移动根据膜样品沿第二轴从第一位置移动连续冲击到第二位置，第一轴与第一轴垂直，和其中第二位置由离第一位置距离大致等于预定宽度来确定。
22.根据权利要求21所述的系统，其中的处理装置还完成如下步骤(g)在连续冲击从第一位置移动到第二位置后，以恒定的预定速度连续扫描膜样品，使得照射光束脉冲的连续冲击在第二边缘和第一边缘之间的其他方向发生，其他方向与扫描方向相对，和(h)在步骤(g)中，用照射光束脉冲的第二子光束连续照射膜样品的多个第五区，使得第五区穿过其厚度熔化并留下额外的、在分别相邻的第五区之间的未照射区域；(i)在步骤(g)中，允许每一第五区通过照射光束脉冲的第二子光束照射到再凝固和结晶，和(j)在步骤(i)中，用照射光束脉冲的第一子光束连续照射膜样品的多个第六区，使得第六区穿过其厚度被熔化，其中每一第六区与一个成对再凝固和结晶的第五区和其中的分别额外未照射区域部分重叠。
23.根据权利要求13所述的系统，其中的处理装置完成步骤(a)到(O是没有执行对于膜样品的照射光束脉冲的第一和第二子光束的冲击的任何微调实现的。
24.根据权利要求13所述的系统，其中的加工装置还完成下列步骤(k)在第一子光束连续照射第三区后，允许每一第二区通过照射光束脉冲的第一子光束照射到再凝固和结晶，(l)将照射光束脉冲部分屏蔽为减弱强度的发射连续部分强度照射脉冲，使得当连续部分强度照射脉冲照射膜样品的一个特定区域时，该特定区域少于膜样品整个厚度被熔化，(m)步骤(k)和(l)后，分别用一个连续部分强度照射脉冲连续照射每个再凝固和结晶第二区。
25.一种在基底上加工硅薄膜样品的方法，在硅薄膜上具有一个不生长籽晶的表面部分，膜样品有一个第一边缘和一个第二边缘，该方法包括如下步骤(a)控制一个照射光束发生器以一个预定的重复速度、发射连续照射光束脉冲；(b)屏蔽每一个照射光束脉冲确定第一多个子光束和第二多个子光束，每一照射脉冲的第一和第二子光束被供给照射膜样品，并具有足够穿过其整个厚度、熔化膜样品的照射部分的强度；(c)以一个恒定预定速度连续扫描，使得在第一边缘和第二边缘之间、在膜样品的扫描方向、膜样品发生照射光束脉冲的第一和第二子光束的一个连续冲击；(d)在步骤(c)中，用照射光束脉冲的第一子光束连续照射膜样品的多个第一区域，使得第一区的穿过其厚度熔化并留下在与多个第一区分别相邻的未照射区，每个第一区与第一宽度有一个边界，边界沿着垂直于扫描方向的第一线延伸；(e)在步骤(c)中，允许每一第一区通过照射光束脉冲的每个第一子光束照射到再凝固和结晶；和(f)在步骤(e)中，用照射光束脉冲的第二子光束连续照射膜样品的多个第二区，使得第二区穿过其厚度被熔化，其中每一第二区的第一区域与至少一个再凝固和结晶的第一区完全重叠，并且每一个分别的第二区的第二区域与未照射区域提供的、邻接至少一个再凝固和结晶的第一区重叠，第一区域有沿第二线延伸的第二边界，第二线平行于和补偿第一线，第二宽度大于第一宽度的一半。
26.一种在基底上加工硅薄膜样品的系统，在硅薄膜上具有一个不生长籽晶的表面部分，膜样品有一个第一边缘和一个第二边缘，该系统包括如下一个存储器，储存一个计算机程序；和一个处理装置，执行计算机程序完成下列步骤(a)控制一个照射光束发生器以一个预定的重复速度、发射连续照射光束脉冲，(b)屏蔽每一个照射光束脉冲确定第一多个子光束和第二多个子光束，每一照射脉冲的第一和第二子光束被供给照射膜样品，并具有足够穿过其整个厚度、熔化膜样品的照射部分的强度，(c)以一个恒定预定速度连续扫描，使得在第一边缘和第二边缘之间、在膜样品的扫描方向、膜样品发生照射光束脉冲的第一和第二子光束的一个连续冲击，(d)在步骤(c)中，用照射光束脉冲的第一子光束连续照射膜样品的多个第一区，使得第一区的穿过其厚度熔化并留下在与多个第一区分别相邻的未照射区，每一第一区由第一宽度的边界，边界沿着扫描方向垂直的第一线延伸；(e)在步骤(c)中，允许每一第一区通过照射光束脉冲的每个第一子光束照射到再凝固和结晶；和(f)在步骤(e)中，用照射光束脉冲的第二子光束连续照射膜样品的多个第二区，使得第二区穿过其厚度被熔化，其中每一第二区的第一区域与至少一个再凝固和结晶的第一区完全重叠，并且每一个分别的第二区的第二区域与未照射区域提供的、邻接至少一个再凝固和结晶的第一区重叠，第一区域有沿第二线延伸的第二边界，第二线平行于和补偿第一线，第二宽度大于第一宽度的一半。
全文摘要
一种在基底上加工硅薄膜样品的方法和系统，在硅薄膜上具有一个不生长籽晶的表面部分，膜样品有一个第一边缘和一个第二边缘。控制一个照射光束发生器以一个预定的重复速度、发射连续照射光束脉冲，每一个照射光束脉冲被屏蔽确定第一多个子光束和第二多个子光束，每一照射脉冲的第一和第二子光束被供给照射膜样品，并具有足够穿过其整个厚度、熔化膜样品的照射部分的强度。以一个恒定预定速度连续扫描膜样品，使得在第一边缘和第二边缘之间、在膜样品的扫描方向、膜样品发生照射光束脉冲的第一和第二子光束的一个连续冲击。在扫描薄膜样品中，用照射光束脉冲的第一子光束连续照射膜样品的多个第一区，使得第一区的穿过其厚度熔化并留下分别相邻的第一区之间的照射区。在扫描薄膜样品中，允许每一第一区通过照射光束脉冲的每个第一子光束照射到再凝固和结晶。在第一区再凝固和结晶中，用照射光束脉冲的第二子光束连续照射膜样品的多个第二区，使得第二区穿过其厚度被熔化。其中每一个第二区与其中一个分别成对的再凝固和结晶的第一区和其中分别未照射区域部分重叠。
文档编号B23K26/06GK1443364SQ01811405
公开日2003年9月17日 申请日期2001年4月19日 优先权日2001年4月19日
发明者罗伯特·S·斯坡斯里, 詹姆斯·S·埃姆 申请人:纽约市哥伦比亚大学托管会, 埃尼维克公司