专利名称：激光系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光系统，特别是但非排他地用于提供适合于对半导体膜的进行激光结晶的输出分布，如在薄膜器件中对非晶硅的结晶以形成多晶硅。本发明也涉及使用这种激光系统结晶半导体膜的设备和方法。
众所周知使用激光结晶处理能够制造例如用于显示器或其它电路的低温多晶硅(poly-silicon)器件。但是，由于激光结晶处理的差的均匀性，导致激光结晶处理的差的产出率。
产生这种差的均匀性的一个因素就是使用了一种简单的所谓帽顶(top-hat)光束分布。这种形式的输出对公知的激光束均化器是典型的。帽顶分布在整个分布的宽度上具有基本恒定的强度。因此，当非晶硅膜被这种扫描光束扫过进行结晶时，非晶硅膜就曝光在基本恒定的强度下。此强度必须处在很窄的范围内以便于结晶过程的成功。这是因为它要求在结晶过程中接近所有的膜被熔化，但是应该有未被完全熔透的非晶硅层。在冷却过程中，已经经历过完全熔透的层的一部分将再结晶成在最终产品中导致质量降低的细颗粒结构。作为激光源的输出的抖动的结果该强度可超出最大值并因此实现全熔透。
因为激光输出扫过正在被处理的样品，超过最大所需的强度的单个激光脉冲将是施加给衬底某些区域的第一个激光照射，但将是施加给其它区域的最后的激光照射。对该脉冲为最后照射的衬底区域将再结晶成这种细颗粒结构，因为不再进行激光加热。
本发明提供一种激光系统，该系统包括一种激光源，用于产生在一横向具有第一强度分布的激光束，以及用于改变第一强度分布的透镜系统，该透镜系统包括多个适合于将所述光束分成多个第一强度分布上的细光束(beamlet)的透镜元件，由透镜系统输出的细光束中至少之一相对于其它的细光束被颠倒，以便在激光系统的输出产生所需的强度分布。这种透镜系统使得由激光源产生的光束被改变，以使激光系统的输出根据激光结晶的要求发生变化，解决了上面指出的问题。这种实现基本上没有光束能量的损耗或者流量抖动的增加。
在一优选实施例中，透镜元件被安排在两个隔开的阵列中，每一个沿一个方向延伸，阵列适合于将至少一束细光束相对于其它光束颠倒。可选地，透镜系统可包括两个隔开的主透镜元件阵列，每一阵列沿一个方向延伸，和成对的透镜元件，每对来自每一阵列中，被安排将相应的细光束颠倒，其中一个或多个附加透镜元件被包括以防止至少一束细光束的颠倒或者提供至少一束细光束的进一步颠倒。因此，例如，根据本发明的附加透镜元件可被插入一个现有的适合它的透镜系统中。防止颠倒而不是进一步颠倒是优选的，因为后者可能导致更大的光损耗和离开透镜系统的细光束的发散。
附加透镜元件可包括一个或多个被安排在相应的成对的主透镜元件之间的成对的次透镜元件。优选地，次透镜元件中的每一个都具有凹的表面。
细光束中至少一个优选是那些位于第一强度分布中心的一侧的细光束。更具体地是，在有偶数个基本上相等宽度的细光束时，所述细光束中至少一个可以是那些在强度分布一半中的光束。如果有奇数个基本上相等宽度的细光束，则至少一束细光束是那些中心细光束一侧的光束。被颠倒的细光束数目也可被改变以满足特定的要求，因此改变了整个颠倒的效果。
优选地，激光系统输出的强度分布在分布宽度的至少部分上是锥形的。这对下面讨论的原因可能有利。
激光源可包括一个脉冲的源，产生具有半高斯分布的光束。
滤光器也可被提供以改变在激光系统输出产生的强度分布。这种滤光器是1999年9月24日提交的共同未决的英国专利申请号9922576.5的主题，因此其内容在此被结合引用。滤光器可包括透射部分和不透明部分，透射部分限定一个具有与主透镜元件的透镜间距对应的间距的重复图案。
本发明也提供包括本发明激光系统的激光设备，以及用于相对于要被激光处理的样品表面扫描所需强度分布的宽度的装置。扫描可通过将样品安装在可移动支架上来实现。
本发明的现有技术配置和实施例现在将通过实例、引用以及附图所示进行描述，其中
图1示出了公知激光系统的选择的元件，该激光系统包括用于产生帽顶强度分布的均化器；
图2A和2B分别示出了激光束半高斯强度分布和帽顶分布的透视图；图3示出了图1系统输出的帽顶分布；图4示出了图1的根据本发明进行变型时的激光系统；图5示出了图4的激光系统产生的强度分布；和图6至8示出了根据本发明的激光系统的更多实施例。
图1示出了包括均化器12的公知激光系统2的选择的元件。均化器12适合于产生一个适合使半导体样品结晶的激光输出。系统2用于以线光束6对样品(未示出)进行辐射，该线光束6具有受控强度分布。一般，样品包括绝缘衬底上的硅膜。线光束6扫过样品的表面，并且这通常通过将样品安装在可移动支架(未示出)上来实现。
激光系统包括激光源8，其可产生具有半高斯强度分布的光束。激光源的输出是一个光前或光束，在与光束传播方向横切的一个维度上，强度按正态分布变化，如曲线10所示，然而强度沿与上述维度正交的横向维度保持不变。光束的宽度W可大约20毫米，且深度(相对于图1的页面进入或穿出)可具有相似的尺寸。
对于用激光结晶，所需线光束具有窄的宽度，例如0.5毫米，但是要大得多的长度以扫过半导体膜的整个衬底。另外，也需要改变如曲线10所示的正态强度分布。
为了再形成并改变光信号的强度，均化器12被提供，其包括透镜元件20a的一个输入阵列14，透镜元件20b的一个输出阵列16，以及一个聚焦或汇聚透镜18。每个阵列的单个透镜元件20a，20b是正放大率透镜并且可以是例如平凸圆柱透镜。均化器12的作用是将强度分布10分成不同的部分或细光束，并然后搭接细光束以便产生分布宽度上的更加均匀的激光强度。位于中央细光束的每一侧的细光束都具有对应于半高斯光束的相应部分的倾斜的分布。细光束通过汇聚透镜18被聚焦在一起朝向狭缝4，这使得最后光束的边缘变得尖锐。孔径的宽度可以调节以提供不同的光束宽度。场透镜22也可被提供。
透镜14、16和18的功能是改变和均化激光束宽度上的强度分布。另一透镜阵列也被提供，用于改变相对于分布10正交的激光输出的形状，但在图1中没有示出。该另一透镜阵列包括一垂直的透镜阵列，其可被安排来在激光输出的长轴改变强度分布，以便对激光输出的覆盖区域再整形以提供所需要的线光束。
在上面所述的范围内，参考图1所述的激光系统2的工作是公知的。特别是，现有商业上可用的系统具有特定的光学设计保证了半高斯光束强度分布从激光源8到所谓帽顶强度分布的转变。这些强度分布现在将参考图2和图3进行描述。
图2A示意性地表示了激光源8的半高斯输出分布10的透视图。这个强度分布随时间不完全是常数，而所谓的能量抖动会出现，即便是在先进的激光器中。下面讨论的显著的抖动类型是所谓的通过箭头30表示的流量抖动。流量抖动的结果是激光的峰值强度不恒定并且可在某些不可预知的容限范围内上升或下降。图2B透视地示明了传统上用在激光结晶设备中的所需帽顶强度分布。作为示意性表示，分布在分布的主宽度上具有基本不变的强度，并且光束的长度相对于激光源8的输出被大大地增加。
图3更详细地示出了帽顶强度分布。线32表示光束在样品表面的扫描方向。因此，边缘34表示强度分布的前缘，以及边缘36表示后缘。在激光结晶过程中，激光源8在激光输出和样品4之间的相对运动过程中是脉冲的。因此，样品上的一个给定点受到了激光辐射的许多次照射，由图3中的叉38表示。对例如图3中所说明的照射数目，样品的每个区域沿帽顶分布的顶部以基本恒定强度受到七次激光照射。帽顶分布的整个宽度可在500微米左右，并且虽然前缘和后缘趋向于竖直，但它们一般占有50微米左右的宽度。
使用过去已经认识到的帽顶分布的问题是分布不容许多的如图2A中所表示的流量抖动30。这是因为在帽顶分布的恒定部分处的强度是非常关键的。在对非晶硅进行激光结晶以形成多晶硅的情形中，激光结晶过程所提供的能量被要求熔化其几乎整个深度(厚度)的非晶硅膜。但是，非晶硅层的完全熔化将要被避免，因为随后的冷却产生细的晶体结构。激光结晶趋向于提供最大可能的颗粒尺寸，而这通过尽可能地近地接近完全熔化而不是实际上达到完全熔化来实现。因此，要实现最大的颗粒尺寸，帽顶分布的强度必须尽可能地接近最大水平。在激光源6的输出的任何流量抖动将转变成图3分布中的波动。在帽顶分布中强度的增加对从激光源6的特定脉冲接收它们最后激光照射的样品的那些区域将特别严重。这就是在图3中的照射38a。对样品的这些区域，再结晶将形成细颗粒的结构，并且将不再有其它的激光照射来修补这个位置。
图4示出了图1的根据本发明进行变型以解决上面问题的激光系统。变型包括插入两个附加的负放大率透镜元件阵列40a和40b，其可以是例如平凹圆柱形式。每对附加的透镜元件与阵列14和16中的相应的那些透镜元件对对准，其对着每个阵列14和16的中央透镜元件的一侧。阵列14和16中的剩余透镜元件对(即图4所示的上面五对)以与图1激光系统2中的那些透镜元件对相同的方式进行协作。即，在输入透镜阵列14中的透镜元件组21将入射的强度分布分成细光束，该细光束被聚焦在透镜元件20b的焦平面的焦点上。对图4中的最上面透镜元件用数字44标识该焦点。细光束然后发散直到入射到输出阵列16上，该输出阵列16使细光束折射再次以基本上平行的光束传播。从这些输出阵列的元件出射的细光束在相对于它们离开输入阵列的组21时的方位被颠倒。附加阵列40a和40b防止各自的细光束颠倒。阵列40a将入射的会聚光束转变成不太会聚的光束或甚至是基本平行的光束，同时阵列40b将该光束转变成具有与图1中透镜元件20b上的入射光近似相同的发散度。
用这种办法，单个细光束的倾斜分布就被转换到仅在光束中心的一侧。细光束(不是中心细光束)因此都被倾斜在相同方向上，相互加强而不是相互抵消，如在公知的帽顶装置中。这导致如图5所示的一个改进的激光强度分布50，其中在箭头52的方向流量增加。分布具有向下的斜度。图5示出了在图4的激光系统输出处所产生的从左向右看的强度分布。帽顶分布通过对比虚线56来显示。该分布因此可在箭头54的方向被扫过衬底，以便流量朝着后缘58减小。
变型的分布相对于帽顶分布可改变流量例如±10％。变化的程度依赖于透镜元件相对于最初半高斯光束宽度的尺寸。使用较少的元件将产生较大的变化，反之亦然。±10％的变化可使用六倍于单个透镜元件宽度的最初光束来实现。
锥形的分布保证样品的所有区域都受到所需数目的照射，因此对整个样品区域的大颗粒生长有了足够的能量，并且施加给样品每个区域的最终照射都不会有使完全熔透的足够的能量，即便是在激光源8的输出有流量抖动。也应这样配置以便最终的照射具有足够的能量将由于前一脉冲的抖动已完全被熔透的区域从完全熔透恢复到所需的接近熔透的状态。
图6所示的配置类似于图4的那种，除了附加阵列40a和40b被放置得更靠近之外，相互之间比到输入和输出阵列14和16之间更近一些。已经发现这有利于减小这些元件的光损耗。
另一实施例被示明于图7中，其中代替图5和6所示的平凹透镜位，双面凹的透镜被用于形成附加阵列40b。应该理解其它这种透镜类型和配置的组合可被采用以产生所需的强度分布。
不是对具有附加元件的透镜元件的输入和输出阵列的装置进行变型来实现如上面关于图4、6和7所描述的发明，本发明的一个可选实施例在图8中进行说明，其中输入和输出阵列60、62本身被改变。在图8所示的激光系统中，输入和输出阵列包括不同类型的透镜元件。上面五对透镜元件64a和64b是正放大率圆柱元件，也可能具有平凸形状，类似于先前图中所示阵列14和16中的那些。输入阵列60的下面四个透镜元件也是正放大率圆柱透镜，但是相对于透镜64a降低了放大率并因此相对于透镜64a延长了焦距的长度。输出阵列62的下面四个透镜元件66b是负放大率透镜并且可以是平凹圆柱状。可以看到下面四对透镜元件相当于前面图中附加透镜元件与它们在邻近的输入和输出阵列中得配对物的组合。
另一个优选实施例类似于图8中的那种。在此装置中，透镜元件66a从第一阵列中被省略。透镜元件66b在第二阵列中由具有相对微小的负放大率的元件所代替。这种装置在减小例如由于原始激光束的发散而引起的离轴光的影响方面可能是有利的。
很显然透镜元件66a和66b一起被省掉将会引起细光束相对于其它光束颠倒。另一方面，这可能导致光由于激光束的微小发散而被损耗，并且这也会损害激光系统输出的均匀性。
图1的公知激光系统的另一个优选变型通过实例示明于图8中。一个滤光器68被插入到光路中，在激光源与输入透镜阵列60之间。滤光器被配置成用于改变透镜系统的输入以进一步改变激光系统输出的强度分布。滤光器可包括由孔或孔阵列形成的固体板或薄片。可选地，它可包括一个可透射的如石英的衬底，该衬底具有合适的抗反射层和用于改变光学透射的图形化的电介质层。
应该理解在此涉及的透镜元件阵列可指单独的元件的阵列或者包括多个邻近元件的单一透镜。
从阅读本公开中，其它的变化和变型对本领域的技术人员将是明显的。这种变化和变型可包括等价物和其它在激光系统和激光结晶设备的设计、制造和使用中已经公知的特征，并且其可使用代替或者除了在此已经描述的特点。特别是，对上述配置的有利变型可能对技术人员是明显的，例如，解决在激光束源中一般固有的发散以及减小光损耗。
虽然在本申请的权利要求中已经明确地表达了特征的特定组合，但是应该明白本发明公开的范围也包括既有明确的也有暗示的或其的任何概括的在此公开的任何新颖特征或者特征的任何新颖组合，无论它是否涉及到与目前权利要求中申明的相同发明，无论它是否是象本发明一样减轻了任何或者所有相同的技术问题。
因此本申请人在此提请注意，在提出本申请或任何源于此的申请期间，新的权利要求可阐明为任何这种特征和/或这种特征的组合。
权利要求
1.一种激光系统，包括一个激光源，用于在一个横向方向产生具有第一强度分布的激光束，和一个用于改变第一强度分布的透镜系统，透镜系统包括多个透镜元件，适合于将光束分成多个第一强度分布上的细光束，透镜系统输出的细光束中至少一束相对于其它的光束被颠倒，以便所需的强度分布被产生于激光系统的输出。
2.如权利要求1的激光系统，其中透镜元件被安排在两个隔开的阵列中，每个沿一个方向延伸，所述阵列适合于使至少一束细光束相对于其它的细光束颠倒。
3.如权利要求1的激光系统，其中透镜系统包括主透镜元件的两个隔开的阵列，每个都沿一个方向延伸，和成对的透镜元件，每对来自每个阵列，其被安排成将相应的细光束颠倒，并且其中一个或多个附加透镜元件被包括以防止至少一束细光束的颠倒或者提供至少一束细光束的进一步颠倒。
4.如权利要求3的激光系统，其中附加透镜元件包括一个和多个安排在相应的成对的主透镜元件之间的成对的次透镜元件。
5.如权利要求4的激光系统，其中次透镜元件中的每一个都具有凹的表面。
6.如前面任何一个权利要求的激光系统，其中细光束中的至少一束是那些位于第一强度分布中心的一侧的光束。
7.如前面任何一个权利要求的激光系统，其中所需的强度分布在分布宽度上的至少部分上是锥形的。
8.如前面任何一个权利要求中的激光系统，其中激光源包括一个脉冲的激光源。
9.如前面任何一个权利要求中的激光系统，其中第一强度分布包括一个半高斯分布。
10.如前面任何一个权利要求中的激光系统，其中滤光器被提供以改变在激光系统输出所产生的强度分布。
11.如权利要求10的激光系统，其中滤光器包括透射部分和不透光部分，透射部分限定一个具有与主透镜元件的透镜间距相对应的间距的重复图案。
12.包括如前面任何一个权利要求中的激光系统的激光设备，以及用于相对于要被激光处理的样品表面扫描所需强度分布宽度的装置。
13.如权利要求12的设备，其中用于扫描的装置包括一个用于支持样品的可移动支架。
14.一种在薄膜器件的制造过程中使用权利要求12或权利要求13的激光设备对半导体膜进行结晶的方法，其中具有所需强度分布的激光束被扫过半导体膜上以熔化其厚度上的一部分膜。
全文摘要
一种用于半导体膜的激光结晶的激光系统。它包括一个激光源(8),用于产生一个横向具有第一强度分布(10)的激光束;和透镜系统(12),用于改变第一强度分布。透镜系统包括多个透镜元件(20a,20b,40a,40b,64a,64b,66a,66b),适合于将光束分成多个第一强度分布上的细光束,由透镜系统输出的细光束中的至少之一相对于其它的细光束被颠倒,以便所需的强度分布(50)在激光系统的输出被产生。
文档编号H01L21/02GK1389007SQ01802331
公开日2003年1月1日 申请日期2001年7月23日 优先权日2000年8月9日
发明者D·J·麦库洛克, J·A·克拉克 申请人:皇家菲利浦电子有限公司