硅结晶设备及硅结晶方法

专利名称：硅结晶设备及硅结晶方法
技术领域：
本发明涉及硅结晶方法和硅结晶设备，其中可以无需额外的光刻而形成对准标记(alignment key)，并且可以在装载基板时通过检测基板的偏差将基板调整到正确的位置。
背景技术：
信息技术的发展增加了对于各种显示器的需求。近来，人们一直在努力研发各种平板显示面板，例如液晶显示器件(LCD)，等离子体显示面板(PDP)，真空荧光显示器(VFD)等等。这些平面显示面板中的某些已经应用于各种显示器件。
LCD因其有利的特性和优点而应用最广，这些特性和优点包括质量图像高、重量轻、尺寸薄且紧凑，以及耗电低。LCDs、可作为阴极射线管(CRT)的替代品用于移动图像显示器件。将LCD用于接收和显示广播信号的例如电视和计算机显示器等设备也一直在研究中。
通常，LCD器件包括用于显示图像的LCD面板和将驱动信号施加到LCD面板的驱动单元。LCD面板包括彼此粘接在一起的第一和第二玻璃基板以及注入在第一和第二基板之间的液晶层。
对于这种情况，在第一玻璃基板(薄膜晶体管(TFT)阵列基板)上，沿一定方向以固定间距形成栅线，垂直于栅线以固定间距形成数据线，在由彼此交叉的栅线和数据线所确定的像素区域中形成具有矩阵型结构的像素电极，以及薄膜晶体管由栅线的信号开关，将信号从数据线传递到像素电极。
在第二玻璃基板(滤色片基板)上设置有用于遮蔽来自除像素区域之外其它部分的光线的黑矩阵层。在第二玻璃基板上设置有用于实现彩色显示的R/G/B(红/绿/蓝)滤色片层，以及显示图像的公共电极。
上述第一和第二玻璃基板通过衬垫料彼此保持预定间距，并且通过其上具有液晶注入口的密封剂粘接在一起。在两玻璃基板之间注入液晶材料。
LCD器件通常的驱动原理是利用液晶的光学各向异性和极化特性。因为液晶分子的结构细而长，所以液晶分子沿预定方向排列。根据偶极矩，液晶分子具有正介电各向异性或者负介电各向异性。向液晶施加感应电场来控制排列方向。因此，当任意控制液晶分子的排列时，液晶分子的排列最终发生改变。随后，由于液晶的光学各向异性，光线根据液晶分子的排列方向发生折射，从而表示出图像信息。
在近来的技术中，由薄膜晶体管和以矩阵形式排列且与薄膜晶体管相连接的像素电极形成的有源矩阵液晶显示器(LCD)被认为具有高分辨率，并且由于其表现动画影像的能力而引人注意。
在具有多晶硅半导体层的薄膜晶体管的LCD器件中，可以在同一基板上形成薄膜晶体管和驱动电路。另外，无需把薄膜晶体管和驱动电路连接起来，因此可以简化制造工艺。此外，多晶硅的场效应迁移率是非晶硅的场效应迁移率的一百到二百倍，因此对于温度和光具有高稳定性。
根据制造温度不同，多晶硅的制造方法可分为低温制造工艺和高温制造工艺。
高温制造工艺需要约1000℃的温度，这等于或者大于改进基板所需的温度。玻璃基板耐热性差，因此应该使用具有高耐热性的昂贵的石英基板。与利用低温制造工艺形成多晶硅相比，采用高温制造工艺制造多晶硅薄膜时，由于表面粗糙度高且晶粒微细，会出现不完全结晶，因此导致器件性能较差。因此，用蒸气沉积法在低温下形成多晶硅的非晶硅结晶技术正在研发之中。
在低温下沉积非晶硅以及将沉积后的非晶硅结晶的方法可以分为激光退火工艺和金属诱导结晶工艺。
低温激光退火工艺包括向基板上照射脉冲激光束。更具体地，通过使用脉冲激光束，以约每10到100纳秒重复进行基板的结晶和凝聚(condensation)。低温制造工艺的优点是可以将下绝缘基板上造成的损坏最小化。
现在详细地说明现有技术中采用激光退火法进行硅结晶的方法。
图1所示为非晶硅晶粒大小与激光能量密度的关系的曲线图。
图1表明根据激光能量的强度，非晶硅的结晶可以分成第一区、第二区和第三区。
第一区是部分熔融区，其中照射在非晶硅层上的激光能量的强度仅穿透非晶硅层的表面。在照射之后，在第一区中非晶硅层的表面部分熔融，并且在结晶工艺之后非晶硅层的表面形成小的晶粒。
第二区是近乎完全(near-to-complete)熔融区，其中激光能量的强度比第一区的要高，其将非晶硅几乎完全熔融。与第一区域相比，在熔融之后，残留晶核作为晶体生长的种子(seed)，从而用增长的晶体生长来形成晶粒。然而，在第二区中形成的晶粒不均匀。第二区的激光能量密度带比第一区的激光能量密度带相对更窄。
第三区是完全熔融区，其中与第二区相比具有增强密度的激光能量照射非晶硅层而使之完全熔融。在非晶硅层完全熔融之后，进行结晶工艺，以便均匀核化，从而形成由微细而且均匀的晶粒构成的晶硅(crystal silicon)层。
多晶硅的这种制造方法中，为了利用第二区的能量密度形成均匀，大而且粗糙的晶粒，需要控制激光束照射的数量也即发射量(shot)和重叠度。
然而，众多的多晶硅晶粒间的界面构成电流流动的障碍，因此降低了薄膜晶体管的可靠性。此外，在许多晶粒内会出现电子碰撞，从而由于碰撞电流和恶化对绝缘层造成损伤，因此引起产品降级或者产生缺陷。为了解决这种问题，使用连续横向结晶(SLS)法制造多晶硅，其中在液态硅和固态硅之间的界面以垂直于该界面的方向产生硅晶粒的晶体生长。Mat.Res.Soc.Symp.Proc.第452卷第956-957页(1997年，Robert S.Sposilli，M.A.Crowder和James S.Im所著)中详细地公开了现有技术的SLS结晶法。
在现有技术的SLS法中，通过控制激光能量的量，激光束的照射范围和平移(translation)距离来使硅晶粒横向生长一个预定长度，从而将非晶硅结晶为1μm或更大的单晶。
SLS中使用的照射设备把激光束聚集在小而窄的区域，因而在单一照射下沉积在基板上的非晶硅层不能完全地转化为多晶硅。因此，为了改变基板上的照射位置，将其上沉积有非晶硅层的基板安装在工作台上。然后，在对预定区域照射后，移动基板以对另一区域进行照射，从而完成对基板整个表面的照射处理。
图2示出现有技术中连续横向结晶(SLS)设备的示意图。图2示出现有技术中连续横向结晶(SLS)设备包括一个产生激光束的激光束产生器1，用于对由激光束产生器1发射出的激光束进行聚焦的聚焦透镱2，以及把激光束分开照射在基板10上的掩模3。位于掩模3下面的缩图镜(reduction lens)4把透过掩模3的激光束减少为恒定宽度。
激光束产生器1一般是在受激准分子激光器中利用XeCl产生波长约308纳米(nm)的光或者利用KrF产生波长248nm的光。激光束产生器1发出未调整的激光束。发出的激光束通过使能级得以控制的衰减器(未示出)。激光束然后穿过聚焦透镜2。
基板10上面沉积有非晶硅层，并且基板10固定在面对掩模3的X-Y工作台5上。
为了使基板10的整个表面结晶，精确地移动X-Y工作台5，从而逐步扩展结晶区域。
掩模3包括允许激光束通过的开口部分’A’和遮住激光束的闭合部分’B’(参见图3)。开口部分’A’的宽度确定了经过第一曝光后形成的晶粒的横向生长长度。
图3所示为在激光照射工艺中使用的掩模的平面图。图4示出用图3中的掩模进行激光束照射后形成的结晶区域。参照图3，激光照射工艺中使用的掩模形成了开口部分’A’和闭合部分’B’，开口部分具有以第一间距(a)开口的图案，闭合部分具有以第二间距(b)闭合的图案。开口和闭合部分依次交替。
下面将说明采用掩模进行的激光照射工艺。
首先，将掩模3放在其上沉积有非晶硅层的基板上，然后照射第一激光束。这时，所照射的激光束穿过掩模3上的多个开口部分’A’，如图4所示，从而使非晶硅层上对应着开口部分’A’的预定部分22熔融并液化。在这种情况下，激光能量的强度值选自完全熔融区，从而使受激光束照射的硅层完全熔融。
这时，通过单激光束照射，掩模3的多个开口部分’A’对应着基板的受激光束照射的单位区域20，其长为’L’，宽为’S’。
在激光束照射后，硅晶粒24a和24b从位于非晶硅区域和完全液化的硅区域之间的界面21a和21b开始朝照射区横向生长。硅晶粒24a和24b的横向生长沿与界面21a和21b垂直的方向进行。
在与掩模的开口部分’A’相对应的激光所照射的预定部分22中，如果预定部分22的宽度比硅晶粒24a的生长长度的两倍相对窄，那么从所述硅区域的两边以垂直方向向内生长的晶粒会在晶粒分界线25与另一晶粒相接触，从而使晶体生长停止。
随后，为了进一步生长硅晶粒，移动装载基板的工作台，从而对靠近第一照射区域的区域进行另一照射过程。因此用与第一曝光后形成的晶体相连接的新晶体形成另一晶体。同样地，在完全固化的那些区域的每条边横向形成晶体。通常，通过激光照射工艺产生并与相邻的受照射部分相连接的晶体的长度是由掩模的开口部分’A’和闭合部分’B’的宽度所确定的。
图5示出采用图3中的掩模对基板整个表面完成结晶工艺后的重叠部分。
图5表明，在用激光束的发射量(shot)照射基板的单位区域(C1，C2，……，Cm，Cm+1)逐次地进行结晶后，基板上存在激光束照射的重叠部分(01，02)。也即，当对相邻的单位区域照射激光束后，根据与相邻的单位区域部分重叠的掩模的开口部分’A’，位于相邻单位区域之间的预定部分就会受到激光束两次(或者多次)照射。例如，在沿X轴方向将基板移动与掩模3的开口部分的长度’L’相对应的距离的条件下，照射激光束就会产生重叠部分01。同样，在沿Y轴方向将基板移动与掩模3的(a+b)/2相对应的距离的条件下，照射激光束就会产生重叠部分02。在重叠部分01和02中存在受到激光束沿X轴和Y轴任一方向的两次照射的重叠部分51和52。重叠部分53沿X轴和Y轴方向受到4次激光束照射。
如果电路或者显示元件位于重叠部分51、52和53中，由于在硅结晶工艺期间产生的晶粒不均匀，电子迁移率就会降低。当重叠部分51、52和53对应着显示区域的像素区时，图像质量也会下降。
因而，现有技术硅结晶方法存在下述缺点。
现有技术中硅结晶是在基板的整个表面上进行的，并且在硅结晶工艺的进行中没有另外的对准标记。结果就难以控制激光束重叠部分的位置。因次，如果激光束重叠部分对应于像素区或者沟道区，可能造成图像质量差以及工作速度低。
一般地，LCD器件都限定显示区和非显示区。LCD中需要进行硅结晶的预定部分对应着具有必须快速工作的元件的部分。即，需要进行硅结晶的部分承载着例如显示区域中的驱动电路部分(栅驱动器和数据驱动器)以及非显示区域中的薄膜晶体管这样的元件。因而，可以选择性地在预定部分进行硅结晶工艺，而不需要对基板的整个表面实施硅结晶工艺。选择性的硅结晶可以减少激光照射的时间和数量。然而对于选择性的硅结晶来说，需要通过对准标记来检测基板上受激光束照射的部分。因此产生了进行光刻以形成额外的对准标记这样的需要，该对准标记在硅结晶工艺中带来了负担。

发明内容
因此，本发明提供一种硅结晶设备和硅结晶方法，其基本上克服了相关技术的局限性和缺点引起的一个或者多个问题。
本发明的目的是提供一种可以无需额外的光刻而形成对准标记，并且可以在装载基板时通过检测基板的偏差将基板调整到正确的位置的硅结晶设备及其硅结晶方法。
本发明的附加优点和特征将在后面的描述中得以阐明，通过以下描述，将使它们在某种程度上显而易见，或者可通过实践本发明来认识它们。本发明的这些目的和优点可通过书面描述及其权利要求以及附图中具体指出的结构来实现和得到。
为了实现这些和其它优点，按照本发明的目的，作为具体和广义的描述，本发明提供了一种用于结晶的工作台，其包括可以在水平方向移动的移动台；设置在该移动台上用于固定基板的固定板；以及在移动台上设置有用于旋转固定板的旋转框。
用于结晶的工作台还包括设置在固定板上可以上下移动的多个吸附销；在固定板的表面上形成用于吸附基板的真空槽。真空槽可以具有格子形状。
此外，当装载该基板的时候，该吸附销从固定板的上方伸出，以便固定该基板，然后向下移动固定有该基板的该固定板，从而将该基板装载在该固定板的表面上。
进一步，当卸载该基板的时候，该吸附销从该固定板的上方伸出，以使该基板与该固定板隔开。
本发明提供一种硅结晶设备，包括用于固定其上沉积有硅的基板的工作台，工作台装有基板，可在水平方向内移动和旋转；用于检测该工作台上所固定的基板的传感器，其控制工作台的运动，以将基板对准；以及通过对基板照射激光束进行硅结晶的光学装置。
在本发明中，该光学装置包括激光束产生器；聚焦激光束的聚焦透镜；形成对准标记的掩模，其将已聚集的激光束分开地照射到该基板上；结晶掩模，在进行结晶工艺时，其将已聚集的激光束选择性地照射到基板上；以及缩图镜，其将通过用于形成对准标记的掩模和结晶掩模的激光束缩小。
在本发明中，该工作台包括用于在水平方向内移动的移动台；设置在移动台上以便固定基板的固定板；和设置在移动台上以便旋转固定板的旋转框。设置在固定板上能够上下移动的多个吸附销；以及设置在固定板表面上的真空槽。
另外，传感器检测基板的各个角的坐标。传感器包括至少第一、第二和第三传感器。第一和第二传感器设置在与沿该基板的长边方向的两个角的坐标对应的位置上，并且第三传感器设置在与沿该基板的宽边方向的那个角的坐标对应的位置上。第一、第二和第三传感器可由CCD照相机，或者由LD传感器形成。
本发明提供一种硅结晶方法，它包括提供硅结晶设备，该设备包括用于产生激光束的光学元件也即光学装置；用于固定其上沉积有硅的基板的工作台，该工作台装有基板，可在水平方向内旋转和移动；以及用于检测基板位置的传感器；该方法还包括在具有显示区域和非显示区域的基板的整个表面形成非晶硅层；将基板固定到工作台上；通过用传感器检测固定到工作上的基板并移动和/或旋转工作台来对准基板；通过在基板上方相应地放置形成对准标记所用的掩模，在基板的非显示区域的预定部分形成对准标记；以及通过在基板的上方相应地提供用于结晶的掩模而将非晶硅结晶。
在本发明中，对准基板的步骤包括根据基板的尺寸，设置第一和第二传感器，使之与沿基板的长边方向的角的坐标对应，以及设置第三传感器，使之与沿基板的宽边方向的角的坐标对应。该方法还包括用第一、第二和第三传感器检测基板的角的坐标；沿X轴和Y轴方向移动工作台和/或旋转工作台，从而使第一、第二和第三传感器都能检测到基板的角的坐标。
在本发明中，沿X轴和Y轴方向移动工作台以及旋转工作台的方法可以包括如果基板的角的坐标可由第一和第二传感器而不能由第三传感器检测到，那么沿(+)(-)X轴方向细微地移动工作台，从而使第三传感器检测到基板的角的坐标。然后，如果基板的角的坐标可由第三传感器而不能由第一和第二传感器检测到，那么沿(+)(-)Y轴方向细微地移动工作台，从而使第一和第二传感器检测到基板的角的坐标。之后，如果第一和第二传感器中任何一个可检测基板的角的坐标，那么旋转工作台，以使第一和第二传感器都能检测到基板的角的坐标，并且沿(+)(-)X轴方向移动该工作台，以使第三传感器能够检测基板的角的坐标。
在优选实施例中，对准标记形成为‘’形状。此外，当形成该对准标记时，激光束以第一能量密度照射，第一能量密度的强度适宜烧蚀非晶硅层。当进行结晶工艺时，激光束以第二能量密度照射，第二能量密度的强度足以使非晶硅层完全熔融。
在本发明中，结晶非晶硅层的工艺以两步来进行，第一步选择性地结晶显示区域的预定部分，第二步结晶非显示区域的驱动电路部分。
本发明涉及一种硅结晶方法，包括提供硅结晶设备，该设备包括用于产生激光束的光学装置；用于固定其上沉积有硅的基板的工作台；该装有基板的工作台可在水平方向内旋转和移动，以及用于检测基板位置的传感器。该方法包括步骤在具有显示区域和非显示区域的基板的整个表面上形成非晶硅层；将基板固定到工作台上；通过采用传感器检测固定到工作台上的基板并移动和/或旋转工作台来对准基板。该方法还包括通过在基板上方相应地放置用于形成对准标记的掩模，在基板的非显示区域的预定部分上形成对准标记；通过在基板的上方相应地放置第一结晶掩模，从而使显示区域内预定部分上的非晶硅进行结晶，以及通过在基板的上方相应地放置第二结晶掩模来结晶非显示区域上的非晶硅。
在本发明中，在检测对准标记和受激光束照射的基板上预定部分之间的间距时采用第一结晶掩模进行非晶硅结晶的步骤。此外，第一结晶掩模包括开口部分和闭合部分，根据每个像素中的半导体层的尺寸控制第一结晶掩模的开口部分的长度和宽度。第一结晶掩模可以包括至少一个对应着每一像素中的半导体层的图案块。此外，在用检测对准标记和受激光束照射的基板上预定部分之间的间距时进行用第二结晶掩模对非晶硅结晶的步骤。
应该理解，本发明前面概括性的描述和下面详细的描述都是示例性和解释性的，本发明意欲如权利要求书中提供进一步的解释。


这些附图提供了对本发明进一步的理解，它们构成了本申请的一部分，结合它们来说明本发明的实施例，并且和说明书一起用来解释本发明的原理。在附图中图1示出非晶硅晶粒大小对于激光能量密度的关系的曲线图；图2示出相关技术中连续横向结晶(SLS)设备的示意3示出现有技术中激光照射工艺中使用的掩模的平面图；图4示出用图3中的掩模进行第一激光束照射后形成的结晶区域；图5示出对基板整个表面完成结晶工艺后在预定区域上形成的重叠部分；图6示出根据本发明基板上形成的相应区域的平面图；图7示出根据本发明的图6中的对准标记的放大平面图；图8示出根据本发明的对准标记沿图7中I-I’线的截面图；图9示出根据本发明的用于结晶非晶硅的硅结晶设备中的工作台的透视图；图10示出装载在工作台的正确位置上的基板的平面图；图11示出根据本发明装载从固定板偏离的基板的情况的平面图；图12A和图12B示出根据本发明基板在固定板上滑动的情形的平面图；图13示出根据本发明第一实施例的硅结晶设备的透视图；图14A到图14D示出根据本发明采用图13中的硅结晶设备的硅结晶工艺；以及图15示出根据本发明的采用激光二极管传感器的硅结晶设备。
具体实施例方式
现在详细地讨论本发明的优选实施例，其中的例子根据附图来说明。只要可能，在整个附图中使用相同的参考数字表示相同的部件。
以下将参照附图来描述本发明的硅结晶设备和硅结晶方法。
图6示出根据本发明在基板上形成的相应区域的平面图。图6示出用于LCD器件的薄膜晶体管阵列的基板100，它定义了用于显示基本图像的显示区域110和围绕显示区域110的非显示区域120。在基板100的整个表面上沉积有非晶硅层。
在显示区域110上形成有彼此交叉以确定像素区域125的栅线和数据线(未示出)，在每一像素区域125中形成像素电极。另外，在像素区域125的预定部分内，在栅线和数据线的交叉处形成薄膜晶体管，该薄膜晶体管是由从栅线伸出的栅极(未示出)、从数据线伸出的源极(未示出)以及与源极以一个预定间距而设置的漏极(未示出)构成的。此外，在源极和漏极下面形成有半导体层127，从而在它们之间形成沟道。
在非显示区域120上形成由栅驱动器140和源驱动器150构成的驱动电路部分，从而将信号施加到显示区域110上各自的栅线和数据线。
同时，在基板110上形成对准标记130。对准标记130用于在半导体层上对结晶硅进行构图，或者检测基板的曝光部分以通过光刻法形成栅线、数据线或者像素电极。
可以通过光刻另外形成对准标记130。然而，很有创造性的硅结晶方法可以这样形成对准标记130，即在硅结晶工艺期间对非显示区域120的每个角以适宜于使非晶硅层烧蚀的能量密度照射激光束。在这种情况中，硅结晶工艺期间所形成的对准标记130可以在下面的光刻中使用几次。
图7示出图6中本发明所述的对准标记的放大平面图。图8示出沿本发明所述的对准标记图7中I-I’线的截面图。
如图7和图8所示，对准标记130是用掩模(未示出)形成的，该形成对准标记的掩模最好具有‘’的形状。对准标记不限于‘’的形状，可以采用其它合适的形状。这些形状可以包括但不限于 ‘+’，‘◇’， ‘’， ‘□’，‘→’，或者‘о’。
激光束的能量密度大约为完全熔融非晶硅层以及通过烧蚀去除用激光束照射后的非晶硅层的强度(或者更大)。在该激光束照射工艺中，对准标记130不是通过完全除去优选为‘’形状图案的非晶硅层而得到的，而是通过除去‘’形状图案中具有约0.1μm以下或者更小的临界尺寸(CD)的多个微细图案135而得到。
与现有技术的光刻中通过使用感光图案(光刻胶图案)发除去或者保留需要部分不同，具有创造性的对准标记可以通过下述步骤进行构图在基板102的整个表面上沉积缓冲层104和非晶硅层106；通过增加激光束照射的强度而使预定部分的非晶硅层106挥发；形成多个凹版的微细图案131；以及由多个微细图案131确定‘’形状的对准标记130(参见图8)。这时，可以通过改变用于形成对准标记的掩模的图案，使对准标记130形成 ‘+’，‘◇’， ‘’， ‘□’，‘→’或‘о’形状。然而，对准标记并不限于这些形状，任何合适的形状都可采用。
图9示出根据本发明的用于结晶非晶硅的硅结晶设备中的工作台的透视图。图9所示的用于结晶非晶硅的硅结晶设备中的工作台160具有移动台200、固定板220、销230(pin)、旋转框250、以及真空槽225。移动台200以各个方向移动所装载的基板(未示出)，以及固定板220固定所装载的基板(未示出)。此外，销230设置在固定板220的各角上，并且销230可上下移动以便吸附所装载的基板。旋转框250旋转固定板220，以把所装载的基板没有偏离或者滑动地调整到适当的位置。真空槽225设置在固定板220的表面上，以不留任何间隙地把基板固定到固定板220。
当把基板装载到固定板220上时，销230从固定板220上突出，以固定所装载的基板。然后，向下移动销230，以吸附所装载的基板，这样所装载的基板就固定到固定板220的表面。这时，固定板220表面上均匀形成的真空槽225利用真空作用将带销230的所装载的基板吸附住，因而所装载的基板没有间隙地固定到固定板220的表面。真空槽225优选地为格状。
当把基板装载到工作台160时，基板可能偏移或者滑动，这样基板就不能设置在与工作台160所对应的适当位置上。为了纠正这个问题，工作台160上具有旋转框250，当基板偏移或者滑动时用它调整基板，因此可以通过微旋或者以各个方向移动固定板220来调整所装载的基板。
由于进行结晶工艺过程中的空间限制，激光束通过掩模后的照射区域对应着基板的预定部分，这样移动台200将承载基板的工作台160沿一个方向移动。或者，通过将承载有基板的工作台160旋转90°来进行结晶工艺。这时，移动台200可以沿着X轴和Y轴两个方向移动工作台160。
图10示出在工作台所需的位置正确地装载有基板的平面图。图10表示，如果把基板100装载在工作台160的固定板220的正确位置，那么基板100四个角上形成的对准标记130就与工作台四个角上形成的销的位置V相吻合。
然而，当在固定板220上装载基板100时，基板100通常会偏移或者滑动。因而，基板100四个角上形成的对准标记130不会与工作台四个角上形成的销的位置V相吻合。
参照附图描述对固定板上所装载的基板进行调整的情形。
图11示出根据本发明的用于装载偏离固定板的基板的情形的平面图。图12A和图12B示出根据本发明的基板在固定板上滑动后的情形的平面图。
图11表示，当把基板100从外部装载到工作台的固定板220上时，由于外力作用，基板100可能会偏离固定板上的正确位置。
此外，如图12A和图12B所示，当把基板100从外部装载到固定板220上时，基板100是通过机械臂传送到固定板220上的。在这种情况下，由于速度的缘故，基板100可能不会停在固定板的正确位置上，因而基板100的四个角可能与销的位置V不吻合。也即，基板100可能会相对于固定板220上的正确位置发生滑动。图12A示出了基板向着相对于工作台上销的位置V右边向下滑动的情形。图12B示出基板向着相对于工作台上销的位置V左边向上滑动的情形。
在图11、图12A和图12B所示的情况中，需要按照顺时针方向旋转固定板，或者将工作台向西北或者东南(也即对角线)方向移动，从而对准基板。特别是，对于富有创造性的硅结晶方法来说，结晶工艺是选择性地在基板的预定部分进行而不是在基板的整个表面进行。考虑到此，就需要检查基板的偏离或者滑动并且将基板调整到正确位置。结果，结晶工艺在基板所选择的部分得以正确地完成。
下面描述在工作台上方具有额外的位置传感器的硅结晶设备。
图13示出根据本发明第一实施例的硅结晶设备的透视图。图13示出的硅结晶设备具有光学元件(未示出)、固定板220和工作台160上的吸附销230、传感器300、以及调整机构250。这里，光学元件(未示出)向基板的预定图案上照射激光束。然后，通过固定板220和的吸附销230利用真空吸附作用将基板装载到工作台160上。而且，还设置有传感器件300以检测装载到固定板220上的基板的位置，以及调整器件250调整在固定板220上偏离或者滑动的基板。如上所说明的，调整器件最好由旋转框250形成。
光学元件设置有用于照射激光束的激光束产生器；用于会聚激光束的会聚透镜；用于形成对准标记以找准选择部分的掩模；用于结晶工艺的掩模；以及用于缩小通过用于对准标记和结晶工艺的掩模而透射出的激光束的缩图镜。从而光学元件发射激光束图案。当装载基板100的时候，光学元件位于工作台160的上方，从而通过用于装载对准标记的掩模或者用于结晶工艺的掩模，向基板100相应的图案上照射激光束。
图13中的工作台与图9中的工作台具有相同的结构。
这里，吸附销230上下移动。即，当装载器(未示出)将基板100装载到固定板220上时，吸附销230向上移动从而将基板固定住。当装载器卸载基板时，吸附销230向下移动从而使基板向下移动，由此将基板装载到固定板220的表面上。之后，采用在固定板220表面上形成的格状真空槽225固定基板。
传感器300检测基板100的位置，以便通过轻微移动旋转框250来调整偏移后的基板的位置，或者通过移动工作台来调整滑动后的基板的位置。传感器300可以是CCD(电荷耦合器件)照相机或者LD(激光位移(laser displacement))传感器。即，在与固定板220上所固定的基板的各个角(或者边)相对应上位置上设置三个(或者多个)CCD照相机或者LD传感器。传感器300设置在光学元件内，并且传感器件300以预定的间隔垂直于基板100。此外，传感器300中的第一、第二和第三传感器301、302和303中的每一个设置在距基板100相同距离的位置处。如果使用CCD照相机作为传感器300，那么CCD照相机绘出基板各角的情况。如果使用LD传感器作为传感器300，那么LD传感器采用激光扫描法检测基板的各个角上的阶差。
图13表明传感器300具有第一、第二和第三传感器301、302和303(三个CCD照相机或者三个LD传感器)。第一和第二传感器301和302位于对应于沿基板的长边方向的两个角上，而第三传感器303位于对应于沿基板的较短的宽边(short width-side)方向的那个角上。基板为矩形，因此可以用三个CCD照相机或者三个LD传感器检测出基板的位置。
该有创造性的硅结晶设备具有通过吸附销230和真空槽225固定在固定板220上的基板，并且由传感器300检测基板的位置。如果基板偏离了正确的位置，旋转框250可以调整基板。另外，如果基板滑动，工作台沿X轴和Y轴方向移动以调整该基板。
图14A到图14D示出采用了图13中的硅结晶设备的有创造性的硅结晶工艺。
首先，制备基板100(限定有显示区域和非显示区域)，并且在基板100的整个表面上形成非晶硅层。
图14A示出通过装载器180将基板100移到工作台160的固定板220上去。然后，如图14B所示，当基板100位于固定板220上方时，吸附销230向上移动以吸附也即支撑基板100，然后抽走装载器180。
随后，支撑着基板100的吸附销230向下移动，以将基板100装载到固定板220的表面。然后，使用真空槽225将所装载的基板100固定到固定板220上。
图14C示出传感器300对固定在固定板220上的基板100的位置进行检测，因此可以检测出基板100是否偏离或者滑离了正确的位置。即，第一和第二传感器301和302(两个CCD照相机或者两个LD传感器)设置在对应于沿基板的长边方向的两个角的地方，第三传感器303(一个CCD照相机或者一个LD传感器)设置在对应于沿基板的较短的宽边方向的一个角的地方。在将基板固定到固定板220上之后，检查基板，以确定第一、第二和第三传感器301、302和303是否检测到该角的坐标。
图15示出图14C所示结构的变形，其中传感器300检测固定板220上所固定的基板100的位置，因此可以检测基板100是否偏离或者滑离了正确的位置。在这个实施例中，激光二极管(LD)传感器310的第一和第二传感器311和312(两个LD传感器)设置在对应于沿基板的长边方向的两个角的地方，第三传感器313(一个LD传感器)设置在与沿基板的较短的宽边方向的一个角相对应的位置。在将基板固定到固定板220上之后，检测基板，以确定第一、第二和第三LD传感器311、312和313是否检测到该角的坐标。
如果三个传感器检测出基板的角坐标，那么用所检测到的角坐标对基板进行重新对准，从而使基板正确地对准。即，即使检测到基板的角坐标，也可以将基板重新对准到正确的位置。另外，如果所有的三个传感器都不能检测到基板的角坐标，那么由坐标可以确定基板发生了偏移或者滑动。据此将移动台200沿X轴或者Y轴方向移动，以使所有的三个传感器都能够检测到基板的角坐标。
如果设置在基板的长边方向的第一和第二传感器301和302检测到基板的角坐标，而设置在基板的较短的宽边方向的第三传感器303没有检测到基板的角坐标，那么将移动台200沿着(+)(-)X轴方向微微移动，从而使第三传感器303检测到基板的角坐标。
同样，如果仅有设置在基板的较短宽边方向的第三传感器303检测到基板的角坐标，而设置在基板的长边方向的第一和第二传感器301和302没有检测到基板的角坐标，那么将移动台200沿着(+)(-)Y轴方向微微移动，从而使第一和第二传感器301和302检测到基板的角坐标。
通过移动该移动台200，第一和第二传感器301和302中的一个可以检测到角坐标，并且确定基板偏离了正确的位置。在这种情况下，旋转框250工作，以使第一和第二传感器301和302都能检测到基板的角坐标，从而将基板调整到正确的位置。同时，通过移动移动台200，第三传感器303也可以检测到基板的角坐标。
在将固定到固定板220上的基板对准后，在基板100的上方设置用于形成对准标记的掩模(未示出)。对准标记图案优选地为‘’形状。
随后，如图14D所示，通过用于形成对准标记的掩模，向非显示区域的预定部分照射具有第一能量密度的激光束，从而形成对准标记130。对准标记130与基板100的角相对应。这种情况下，根据上面讨论的工艺将基板进行预对准，然后通过使用对准标记130将基板放在正确的位置。
这时，把第一能量密度的激光束调整到可以完全烧蚀非晶硅层的强度。即，激光束以能够完全熔融非晶硅层的能量密度(图1中的第三区域)照射，因此基板100上与优选为‘’形状的掩模图案的非晶硅层不结晶，从而烧蚀为许多具有约1μm以下或者更小的临界尺寸CD的微小图案。
随后，在基板100的上方设置用于硅结晶工艺的掩模(未示出)。然后，通过该掩模向基板100上照射具有第二能量密度的激光束，由此完成结晶工艺。这里，可以利用该掩模在没有分区的整个基板上进行硅结晶工艺。或者，通过使显示区域(图6中的‘127’)的半导体层以及非显示区域中的驱动电路发生结晶的一序列结晶工艺，在基板上选择性地进行硅结晶工艺。
在选择性硅结晶工艺的后一种情况中，由在基板100的各个角上形成的对准标记130检测基板100上激光束照射部分和对准标记130之间的间隔。
在整体硅结晶和选择性硅结晶两种工艺中，对准标记130在结晶工艺之前形成，并且用于结晶工艺之后所进行的构图工艺中。
将第二能量密度设为必须能够完全熔融非晶硅层的能量密度(图1中的第三区域)，以便适合于SLS(连续横向结晶)。
尽管未示出，但是用于硅结晶工艺的掩模上形成有交替的开口部分和闭合部分。
对于选择性硅结晶工艺这后一种情况来说，用于硅结晶工艺的掩模的长度和宽度是根据在基板上形成的像素区域内的半导体层的尺寸来控制的。像素区域内所形成的半导体层的长度和宽度在几十微米，因此掩模的开口部分的长度比用于现有技术结晶工艺的掩模的要小。
如果在显示区域的半导体层部分和非显示区域的驱动电路部分上进行的结晶工艺采用同一个用于结晶工艺的掩模，那么由于掩模的开口部分尺寸小，结晶驱动电路部分所需的激光照射的数量就会增加。因此，除了用于在显示区域进行结晶工艺的掩模之外，需要提供一个具有更长开口部分的掩模，从而简化激光束照射工艺。
用于对准标记的第一能量密度和用于结晶工艺的第二能量密度都设为对应于图1中第三区的能量密度。然而，用于对准标记的掩模的狭缝宽度(大约10微米)比用于结晶工艺的掩模的狭缝宽度(大约2-3微米)相对要大。考虑到此，即使照射的是具有相同能量的激光束，但是用于形成对准标记的激光束的照射量通常比用于结晶工艺的激光束的照射量要大。
在完成结晶工艺之后，取消固定板220的吸附力，并且向上移动吸附销230，从而使基板100从固定板220上移开。然后，如上所述，将装载器180置于基板100和固定板220之间，卸载结晶后的基板。
下面将描述另一结晶方法。
首先，制备定义有显示区域和非显示区域的基板，并在基板的整个表面形成非晶硅层。
如图14A所示，将基板100放在工作台160的固定板220上方。然后，如图14B所示，通过使用吸附销230和真空槽225将基板100固定在固定板220上。此后，如图14C所示，用传感器300检测基板的角坐标。根据所检测到的结果，将移动台200沿X轴方向和Y轴方向移动，并操作旋转框250以对准基板，从而使偏离或者滑离了的基板对准。
随后，把形成对准标记所用的掩模(未示出)放置在基板100上方相应的位置。然后，如图14D所示，通过用于形成对准标记的掩模向非显示区域的预定部分照射具有第一能量密度的激光束，从而形成对准标记130。
然后，把第一结晶掩模(未示出)相应地放在基板的上方。在那之后，通过第一结晶掩模向显示区域的预定部分照射具有第二能量密度的激光束。这里，在使用第一结晶掩模的结晶工艺期间，照射激光束，同时检测基板上受激光束照射的预定部分与对准标记之间的间距。
显示区域上对应着第一结晶掩模的预定部分由半导体层部分形成的。
第一结晶掩模至少具有一个对应着半导体层部分的图案块(patternblock)。也即，当第一结晶掩模具有多个对应着半导体层部分的图案块时，就使得第一结晶掩模的图案块具有多个激光束照射部分，该激光束照射部分对应着像素间距而间隔。这个间隔是考虑到第一结晶掩模对于基板100的缩小比率。图案块具有与半导体层部分所对应的尺寸，其中多个开口和闭合部分交替设置。
在第一结晶掩模的图案块中，第一结晶掩模的长度和宽度是根据基板上所形成的像素区域内的半导体层的尺寸来控制的。通常，像素区域上形成的半导体层的长度和宽度在几十个微米内，因此该掩模的开口部分的长度比结晶工艺中使用的常规掩模的要小。
随后，在基板上放置第二结晶掩模。第二结晶掩模也具有多个交替的开口和闭合部分。这里，开口部分具有几十个微米的宽度，并且开口部分长度约为几微米至几千微米。
之后，通过第二结晶掩模向非显示区域的驱动电路部分照射具有第二能量密度的激光束。在照射激光束的同时检测基板上受激光束照射的预定部分与对准标记之间的间距。在这种情况下，无论什么时候照射激光束，都无需检查对准标记130和基板上的激光束照射部分之间的间距。也即，在激光束一个方向照射的起点和终点检查对准标记和受激光束照射的基板之间的间距。
除了该结晶方法采用两个掩模来各自完成针对显示区域的半导体层部分和非显示区域的驱动电路部分所进行的结晶工艺之外，这个结晶方法使用与以前的结晶方法相同的工艺，。
在完成结晶工艺之后，除去固定板220的吸附力，并且向上移动吸附销230，这样就把基板100从固定板220上移开。然后，如上面所说明的，把装载器置于基板100和固定板220之间，卸载结晶后的基板。
因此，本发明中的硅结晶设备和硅结晶方法具有下面的优点。
在该有创造性的硅结晶设备中，提供了传感器以确定基板是否发生偏移或者滑动。在确定了基板的位置后，通过移动工作台或者操作旋转框来对准基板，从而在正确的位置上形成对准标记。
无需另外的光刻，通过掩模照射具有高能量密度的激光束，以在结晶工艺之前形成对准标记，从而通过烧蚀非晶硅层上的预定部分而形成对准标记。该对准标记可以在无需另外形成对准标记的工艺情况下用于所有的要求在结晶工艺之后进行构图的工艺中。
另外，由于对准标记是在预对准之后形成的，因此在曝光设备中很容易辨认出对准标记。
此外，即使装载不同的基板，在每个基板同一位置形成对准标记也是可行的。因此，如果需要对划分的区域选择性地结晶，考虑到这些间距，利用对准标记在基板上选择性地进行结晶工艺也变得可行。
对于本领域普通技术人员来说，显然，本发明可以在不背离本发明精神或者范围的前提下进行各种修改和改变。因而，本发明意欲包括这些修改和改变，只要它们落在所附的权利要求及其等价物的范畴内。
权利要求
1.一种用于结晶的工作台，包括能够沿水平方向移动的移动台；设置在所述移动台上并用于固定基板的固定板；以及设置在所述移动台上并用于旋转所述固定板的旋转框，该旋转框。
2.根据权利要求1所述的用于结晶的工作台，其特征在于，还包括设置在所述固定板上并能够上下移动的多个吸附销；以及在所述固定板表面上形成的并且能够吸附所述基板的真空槽。
3.根据权利要求2所述的用于结晶的工作台，其特征在于，当装载基板的时候，所述吸附销从所述固定板的上方伸出以固定所述基板，然后固定有基板时向下移动所述固定板，从而将所述基板装载在所述固定板的表面上。
4.根据权利要求2所述的用于结晶的工作台，其特征在于，当卸载基板的时候，所述吸附销从所述固定板的上方伸出，从而使所述基板与所述固定板分开。
5.根据权利要求2所述的用于结晶的工作台，其特征在于，所述真空槽为格状。
6.一种硅结晶设备，包括用于固定其上沉积有硅的基板的工作台，装有基板的所述工作台，可在水平方向内移动和旋转；用于检测所述固定在工作台上的基板的传感器，并控制所述工作台的运动以对准所述基板；以及通过向所述基板照射激光束进行硅结晶的光学装置。
7.根据权利要求6所述的硅结晶设备，其特征在于，所述光学装置包括激光束产生器；聚焦激光束的聚焦透镜；掩模，其在形成对准标记时将聚焦后的激光束分开地照射到所述基板上；结晶掩模，其在进行结晶工艺时将聚焦后的激光束选择性地照射到所述基板上；以及缩图镜，其将穿过用于形成对准标记的掩模和结晶掩模的激光束缩小。
8.根据权利要求6所述的硅结晶设备，其特征在于，所述工作台包括用于在水平方向内移动的移动台；设置在所述移动台上以固定基板的固定板；以及设置在所述移动台上以旋转所述固定板的旋转框。
9.根据权利要求8所述的硅结晶设备，还包括设置在所述固定板上并能够上下移动的多个吸附销；以及设置在所述固定板表面上的真空槽。
10.根据权利要求9所述的硅结晶设备，其特征在于，当装载基板的时候，所述吸附销从所述固定板的上方伸出以固定所述基板，然后在固定有基板时所述固定板向下移动，从而将所述基板装载在所述固定板的表面上。
11.根据权利要求9所述的硅结晶设备，其特征在于，当卸载所述基板的时候，所述吸附销从所述固定板的上方伸出，从而使所述基板与所述固定板分开。
12.根据权利要求9所述的硅结晶设备，其特征在于，所述真空槽为格状。
13.根据权利要求6所述的硅结晶设备，其特征在于，所述传感器检测所述基板的角的坐标。
14.根据权利要求6所述的硅结晶设备，其特征在于，所述传感器包括至少第一、第二和第三传感器。
15.根据权利要求14所述的硅结晶设备，其特征在于，将所述第一和第二传感器设置在与沿所述基板的长边方向的两个角的坐标对应的位置上，而第三传感器设置在与沿所述基板的宽边方向的角的坐标对应的位置上。
16.根据权利要求14所述的硅结晶设备，其特征在于，所述第一、第二和第三传感器包括电荷耦合器件照相机。
17.根据权利要求14所述的硅结晶设备，其特征在于，所述第一、第二和第三传感器包括激光位移传感器。
18.一种硅结晶方法，包括提供硅结晶设备，所述设备包括用于产生激光束的光学装置；用于固定其上沉积有硅的基板的工作台，所述装有所述基板的工作台可在水平方向内旋转和移动；以及用于检测所述基板位置的传感装置；在设有显示区域和非显示区域的所述基板的整个表面上形成非晶硅层；将所述基板固定到所述工作台上；通过采用所述传感器检测固定后的基板并移动和/或旋转所述工作台从而对准所述基板；通过在所述基板上方相应地放置用于形成对准标记的掩模，在基板的非显示区域的预定部分上形成对准标记；以及通过在基板的上方相应地提供用于结晶的掩模而使非晶硅结晶。
19.根据权利要求18所述的硅结晶方法，其特征在于，所述对准基板的步骤包括根据基板的尺寸，设置第一和第二传感器，使之与沿所述基板的长边方向的角的坐标相对应，以及设置第三传感器，使之与沿基板的宽边方向的角的坐标相对应；用第一、第二和第三传感器检测基板的角的坐标；沿X轴和Y轴方向移动所述工作台，和/或旋转所述工作台，从而使第一、第二和第三传感器都能检测到基板的角的坐标。
20.根据权利要求19所述的硅结晶方法，其特征在于，所述沿X轴和Y轴方向移动所述工作台以及旋转所述工作台的方法包括如果所述基板的角的坐标可由第一和第二传感器而不能由第三传感器检测到，那么沿(+)(-)X轴方向细微地移动所述工作台，以使第三传感器检测到所述基板的角的坐标；如果所述基板的角的坐标可由第三传感器而不能由第一和第二传感器检测到，那么沿(+)(-)Y轴方向细微地移动所述工作台，以使第一和第二传感器检测到所述基板的角的坐标；以及如果第一和第二传感器中任何一个可检测所述角的坐标，那么旋转所述工作台，以使第一和第二传感器都能检测到所述基板的角的坐标，并且沿(+)(-)X轴方向移动所述工作台，以使第三传感器能够检测到基板的角的坐标。
21.根据权利要求18所述的硅结晶方法，其特征在于，所述对准标记形成为‘’形状。
22.根据权利要求18所述的硅结晶方法，其特征在于，当形成所述对准标记时，激光束以第一能量密度照射。
23.根据权利要求22所述的硅结晶方法，其特征在于，所述第一能量密度设置为适于烧蚀所述非晶硅层的强度。
24.根据权利要求18所述的硅结晶方法，其特征在于，当进行结晶工艺时，激光束以第二能量密度照射。
25.根据权利要求24所述的硅结晶方法，其特征在于，所述第二能量密度确定为可以使所述非晶硅层完全熔融的强度。
26.根据权利要求18所述的硅结晶方法，其特征在于，所述结晶非晶硅层的步骤分两步进行，第一步选择性地结晶显示区域的预定部分；第二步结晶非显示区域的驱动电路部分。
27.一种硅结晶方法，它包括提供硅结晶设备，所述设备包括用于产生激光束的光学装置；用于固定其上沉积有硅的基板的工作台，所述装有所述基板的工作台可在水平方向内旋转和移动；以及用于检测所述基板位置的传感器；在具有显示区域和非显示区域的所述基板的整个表面上形成非晶硅层；将所述基板固定到所述工作台上；通过采用所述传感器检测固定后的基板并移动和/或旋转所述工作台来对准所述基板；通过在所述基板上方相应地放置用于形成对准标记的掩模，在基板的非显示区域的预定部分形成对准标记；以及通过在基板的上方相应地放置第一结晶掩模来结晶显示区域内预定部分上的非晶硅结晶，以及通过在基板的上方相应地放置第二结晶掩模来结晶非显示区域上的非晶硅。
28.根据权利要求27所述的硅结晶方法，其特征在于，所述对准基板的步骤包括根据基板的尺寸，设置第一和第二传感器，使之与沿所述基板的长边方向的角的坐标相对应，以及设置第三传感器，使之与沿基板的宽边方向的角的坐标相对应；用第一、第二和第三传感器检测基板的角的坐标；沿X轴和Y轴方向移动所述工作台，和/或旋转所述工作台，从而使第一、第二和第三传感器都能检测到基板的角的坐标。
29.根据权利要求28所述的硅结晶方法，其特征在于，所述沿X轴和Y轴方向移动所述工作台以及旋转所述工作台的方法包括如果所述基板的角的坐标可由第一和第二传感器而不能由第三传感器检测到，那么沿(+)(-)X轴方向细微地移动所述工作台，以使第三传感器检测到所述基板的角的坐标；如果所述基板的角的坐标可由第三传感器而不能由第一和第二传感器检测到，那么沿(+)(-)Y轴方向细微地移动所述工作台，以使第一和第二传感器检测到所述基板的角的坐标；以及如果第一和第二传感器中任何一个可检测所述角的坐标，那么旋转所述工作台，以使第一和第二传感器都能检测到所述基板的角的坐标，并且沿(+)(-)X轴方向移动所述工作台，以使第三传感器能够检测到基板的角的坐标。
30.根据权利要求27所述的硅结晶方法，其特征在于，所述对准标记为‘’形状。
31.根据权利要求27所述的硅结晶方法，其特征在于，当形成所述对准标记时，所述激光束以第一能量密度照射。
32.根据权利要求31所述的硅结晶方法，其特征在于，所述第一能量密度设置为适于烧蚀所述非晶硅层的强度。
33.根据权利要求27所述的硅结晶方法，其特征在于，当进行结晶工艺时，激光束以第二能量密度照射。
34.根据权利要求33所述的硅结晶方法，其特征在于，所述第二能量密度确定为可以使所述非晶硅层完全熔融的强度。
35.根据权利要求27所述的硅结晶方法，其特征在于，在检测所述对准标记和受激光束照射的基板上预定部分之间的间距时采用第一结晶掩模进行所述非晶硅结晶的步骤。
36.根据权利要求27所述的硅结晶方法，其特征在于，所述第一结晶掩模包括开口部分和闭合部分，根据每一像素中的半导体层的尺寸控制所述第一结晶掩模的开口部分的长度和宽度。
37.根据权利要求27所述的硅结晶方法，其特征在于，所述第一结晶掩模包括至少一个对应于每一像素中的半导体层的图案块。
38.根据权利要求27所述的硅结晶方法，其特征在于，检测所述对准标记和受激光束照射的基板上预定部分之间的间距时用第二结晶掩模对所述非晶硅进行结晶。
全文摘要
一种新颖的硅结晶设备和硅结晶方法，其可以无需额外的光刻而形成对准标记，并且可以在装载基板的时候通过检测所述基板的偏差来将其调整到正确的位置。所述硅结晶设备包括可以在水平方向内移动的移动台，以及设置在所述移动台上用于固定基板的固定板。移动台上设有旋转固定板的旋转框。
文档编号B23K26/08GK1638029SQ20041010256
公开日2005年7月13日 申请日期2004年12月24日 优先权日2003年12月24日
发明者郑允皓, 金荣柱 申请人:Lg.菲利浦Lcd株式会社