通过光纤激光器使非晶硅衬底均匀再结晶的工艺和系统的制作方法

本公开涉及平板显示器的制造。更具体地，本公开涉及配置为通过使用来自一个或多个光纤激光器的激光光束对非晶硅背板进行可控退火来提供基本均匀的多晶结构的基于光纤激光器的方法和系统。

背景技术：

平板显示器(FPD)制造环境是世界上最具竞争且技术最复杂的。设备设计者和制造商不断努力满足全球消费者对于分辨率更高、更亮、更大的显示器以及具有低功耗和更快视频能力的手机、PDA和其他紧凑型产品的需求，所有这些都比上一代技术更加昂贵。

薄膜晶体管(TFT)技术是FPD的基础，FPD可以是高分辨率、高性能液晶显示器(LCD)(如图1所示)或有机发光二极管(OLED)FPD。TFT显示电路制作于薄的半透明非晶硅(“a-硅或a-Si”)层上，并且布置在跨过该层的背板中以对应于各个像素。

工业界意识到，使用载流子迁移率比a-Si高大约两个量级的多晶硅(poly-Si)实质地减小了像素尺寸，提高了孔径比和像素分辨率。作为多晶硅的这些性质的结果，便携式/移动电子设备现在的主要特征是高分辨率平板显示器。

存在两种根本不同的用于通过结晶(退火)将a-Si转化为多晶硅的方法。一种是热退火(TA)方法，另一种是低温多晶硅退火(LTPS)方法，后者在这里是尤为感兴趣的。在后者中，a-Si首先被热处理以转变成液态非晶硅，然后将其保持在熔融状态一段时间。选择足以保持熔融状态的温度范围以允许最初形成的多晶体能够生长和结晶。LTPS方法基于两种通用方法-准分子激光退火(ELA)和顺序横向固化(SLS)，其中后者是本公开的主题。

在ELA中，准分子激光器以指向涂覆在衬底上的a-Si膜的3xx nm波长射出脉冲紫外(UV)光束。膜以小于整个膜厚度的厚度被加热和熔化。在膜底部上的剩余a-Si的孤立岛用作用于进一步晶体生长的种子源。当用至少0.4mm宽的光束扫描膜时，所得晶粒的均匀性，作为终端设备(例如平面屏幕)的高性能的关键，是通过以相同通量的多次照射每个位置的结果而实现的。通常，需要至少20个脉冲以在膜的每个位置处获得期望的晶粒均匀性。

驱动现有ELA发展的基本问题之一是通过允许更加灵活地控制膜制造的方式来操纵横向生长的固有不稳定条件。在这个意义上，处理这个问题的多种技术可以组合在一起作为受控SLS。

与上述传统ELA相反，SLS包括通过来自准分子激光器的光束在膜底部熔化a-Si膜的整个厚度而没有种子源岛。结果，结晶前沿从熔融膜的对侧生长。换句话说，增长是横向的。横向展开的晶粒可以被拉长到大的水平尺寸。后者是有利的，因为随着晶粒生长更大，电子迁移率增加。

横向生长通过相对于彼此移动涂覆有膜的衬底和激光光束来实现。包括将膜的每个位置照射两次的技术被称为双射SLS。

历史上，在ELA和SLS处理中使用的准分子激光器主导TFT平板显示器的退火。准分子激光器提供宽范围的加工功率，加工功率的平均范围高达300W和更高，能量高于1J，并且脉冲宽度通常在30到300ns之间。此外，准分子激光器输送波长(308nm)的UV光，其直接在a-Si中被吸收而不进行额外的频率转换。

准分子激光器的脉冲频率相对较低。据申请人所知，在SLS工艺中其不超过6kHz，并且在标准ELA中低得多。对于SLS，KHz频率导致高能量，准分子需要在一天的操作时间内进行多次气体变化，这使得它不适于大规模生产。

基于准分子的退火系统是一种大型笨重的结构(图1和2)，其在市场上的成本从几十万到超过1000-1500万美元。换句话说，它很昂贵。在操作中，由于包括频繁的气体填充和随后的调整在内的各种原因，已知准分子具有低的正常运行时间(或相反地，高停机时间)。除了后者，高维护成本还包括昂贵的人力成本-每几个月就要进行一次管更换。

因此需要用简单、便宜并且根本不需要维护的光纤激光源替换准分子激光器。

技术实现要素：

用于对玻璃、聚合物、非硅晶体衬底上的a-Si膜进行退火的本发明的SLS工艺和基于激光的系统基于使用一个或多个光纤激光器，该光纤激光器操作为将a-Si膜转变成大小基本均匀的多晶晶粒结构。对a-Si的每个位置的结晶包括用多个突发或UV光的分组照射位置，其中每个突发由以显著高于已知准分子激光器的MHz脉冲重复率发射的多个脉冲定义。在脉冲持续时间在100ps至2ns范围内可控地变化以及脉冲间距离在3ns与20ns之间变化的情况下，作为激光照射的结果而被激发的原子自始至终不会失去其迁移率。

根据本发明的一个方面，本发明的用于使非晶硅(a-Si)膜结晶的系统配置有光纤激光源，其操作为以不规则的脉冲重复率发射多个脉冲。

本公开的另一方面涉及一种控制器，其操作为控制光纤激光源，以便以突发重复率(BRR)发射包括膜照射光的多个分立分组的脉冲线束，并且每个分组内的多个脉冲以高于BRR的脉冲重复率(PRR)发射。光纤激光源以脉冲能量、每个脉冲的脉冲持续时间和PRR进行操作，这些参数是可控的，使得每个分组具有期望的分组时间功率分布(W/cm2)和分组能量,所述分组时间功率分布和分组能量足以在膜的暴露于至少一个分组的每个位置提供a-Si到多晶硅的转变。

根据上述方面的本发明系统的一个结构修改，光纤激光源配置有主振荡器功率光纤放大器(MOPFA)光学方案。主振荡器用作以基本频率输出单模(SM)或低模(LM)泵浦光的种子源，并且选自单频(SF)二极管激光器或SF光纤激光器。功率放大器被配置为掺镱(Yb)增强器，其操作用于放大具有1微米波长范围内的基波波长的泵浦光。该系统还包括二次谐波发生器(SHG)，SHG将基波波长泵浦光转换为入射在膜照射光所位于的a-Si膜上的5xxnm(例如532nm波长)的光。

在系统的另一种结构修改中，三次谐波发生器(THG)结合在根据上述公开的两个方面配置的结构中。THG位于SHG和a-Si膜之间，操作为将500多nm的波长转换为3xxnm(例如355nm)的膜照射光的波长。

根据上述公开方面中的每一个的本发明系统的另一结构修改包括根据侧泵浦技术来泵浦功率光纤放大器。备选地，泵浦方案被配置为使得泵浦光在与膜照射光的方向相反的方向上耦合到功率放大器的纤芯端。

在上述每个方面中公开的本发明系统的另一结构修改中，光纤放大器具有双瓶颈形截面或瓶颈形截面。功率光纤放大器的纤芯可以引导多个横模，但是在基波长处，功率光纤放大器仅以基模输出膜照射光。

上述每个方面的光纤激光源还配置有线宽加宽系统，以增加功率光纤放大器中有害非线性效应的阈值。此外，本发明的两个方面的系统设置有脉冲选择器，其可控地将连续脉冲路由到a-Si膜的期望位置。

本发明的第三方面涉及一种用于对非晶硅(a-Si)膜进行可控退火的方法，其包括上述公开方面的本发明系统及其结构修改。本发明的方法包括以突发重复率(BRR)发射光的一系列分组，其中光以基本波长发射，并且以脉冲重复率(PRR)在每个突发内发射多个光脉冲，其中PRR高于BRR。本发明的过程还包括控制PRR和每个脉冲的脉冲参数，以便为每个分组提供期望的分组时间功率分布(W/cm2)和期望的分组能量。期望的时间功率分布和期望的分组能量足以用入射在膜上的光的至少一个分组基本均匀地结晶a-Si层的预定区域。

根据本公开的另一方面的本发明的方法包括激励本发明的光纤激光源以便以可变重复率发射多个脉冲，并将脉冲引导到a-Si膜的至少一个预定区域，以使a-Si膜基本均匀地结晶。

根据本公开的第三和最后方面的本发明方法的一个修改涉及控制分组占空比、脉冲持续时间、脉冲幅度、脉冲占空比或这些参数的任何期望的组合。

根据两个工艺相关方面的另一修改，本发明工艺包括在X平面和Y平面之一或X平面和Y平面两者中使a-Si膜结晶。

附图说明

根据结合附图的以下详细描述，将更清楚上述和其他方面、特征和优点，附图中：

图1是平坦屏幕的分解视图；

图2是在LTPS工艺中使用的准分子激光器的示意表示；

图3是加入了图2的准分子激光器的典型LTPS模块的视图；

图4是所公开的系统的示意图；

图5示出了图4的系统的激光源；

图6是图5的激光源的光学示意图；

图7是从图4和图5的激光源发射的脉冲的连续突发的示意图；

图8是根据一个实施例的激光源的增强器的示意图；

图9是根据另一实施例的激光源的增强器的示意图；

图10示出了脉冲突发的优选形状；以及

图11是LCD背板的平面图。

具体实施方式

现在详细参考本发明的实施例。在有可能的情况下，附图和说明书中使用相同或相似的附图标记来表示相同或相似的部件或步骤。附图为简化形式，且不是按精确比例绘制的。除非明确说明，否则对于二极管激光器和光纤激光器领域的技术人员而言，说明书和权利要求中的词语和短语具有普遍和惯用的含义。词语“耦合”和类似术语并非必须表示直接的、紧邻的连接，还可以包括经由自由空间或中间元件进行的机械和光学的连接。

本公开的基本目的是提高包括标准ELA和SLS的硅退火工艺的生产率，并大大降低当前可用的退火系统的制造和操作成本。本发明的退火系统基于专门配置成执行上述工艺的光纤激光源。该目的通过包括光纤激光源的系统实现，该光纤激光源以可变重复率发射多个脉冲，以基本均匀地结晶a-Si层。

图4和图5示出了本发明的退火系统50的基本结构。一般来说，系统50包括配置有激光模块55的激光源，激光模块55容纳种子源激光器、可选的一个或多个光纤前置放大器、光纤增强器、电子器件、泵以及期望的激光操作所需的所有其它装置。此外，系统50包括便携式光学激光器头56，其包含一个或多个高次谐波发生器，它们将基本频率的泵浦光转换为高次谐波，引导和聚焦光学器件。柔性电缆54在自由空间延伸，同时屏蔽增强器级的有源光纤，其光学地耦合模块55和光学头56。备选地，柔性电缆54可用作标准输送光纤，其中在模块55内或单独的模块中容纳有增强器。

聚焦光学器件在衬底60处引导脉冲激光输出光束58，衬底60包括支撑a-Si膜62的玻璃层或子衬底66。尺寸为例如730×0.4mm2的准直输出线束58对a-Si 62进行退火，以形成基本均匀的多晶硅晶粒64。衬底60固定到平移级85，使得线束58可以扫描固定a-Si膜62的整个表面。备选地，具有膜的衬底60可相对于激光头56移位。另一种可能性是使激光头56和基底60相对于彼此可控地移位。

现在参考图6，示出了在图4的系统50中实现的示例性光纤激光源。模块55紧凑且轻。可以说，模块的大小与图6中所示的20美元钞票大小相当，从而使观看者能够真实地理解模块的紧凑性，特别是如果在模块55与图2中的准分子激光器的各自激光源的输出功率彼此接近的情况下对二者进行比较的话。模块55仅重约12kg并且具有532x332x52mm的规格。

大功率“绿光”和UV激光器的大多数应用主要受益于相对高的平均功率和相对低的峰值功率。高重复率、高占空比准连续波(QCW)激光源50最佳地满足这些条件。

激光源具有包括种子源和至少一个放大级的主振荡器功率光纤放大器(MOPFA)架构。种子源80可以选自二极管或光纤激光器。虽然种子源80可以输出具有高达2的M2的低(横)模IR光，但是如图所示的示例性种子源80被配置为单横模(SM)单频(SF)线性偏振(LP)激光分布反馈(DBF)半导体激光器。种子源激光器80的输入处的电流由种子源激光器驱动器18直接调制。一旦以已知方式确定了将在映射a-Si膜52(图4)上进行退火的期望位置，则种子源激光器驱动器18响应于从控制器85接收的信号而操作。

根据图7所示的本发明的一个突出特征，种子源80被驱动为以不均匀的重复频率或速率输出光脉冲。特别地，种子源80以可控突发重复率(BRR)在1064nm波长处输出脉冲的顺序分组70。然而，每个分组内的顺序脉冲72是以不同于BRR的脉冲重复率(PRR)产生的。

PRR被选择为最多等于(但优选地低于)结晶过程的时间常数，并且可以在100MHz和200MHz之间变化。在本发明的结晶过程中，时间常数大致等于20ns。目前，系统50的工作模型在150MHz PRR下工作。在本发明的范围内的脉冲持续时间可以在100ps和约2ns之间可控地变化。如果脉冲间持续时间不超过时间常数，则占空比也可以由控制器92可控地改变。目前，实验系统使用1.3ns脉冲宽度和约为6.67ns的相邻脉冲间时间段进行工作。通过改变PRR和占空比可以很容易地调整脉冲宽度。例如，随着PRR的增加和/或占空比的减小，脉冲宽度趋于减小。

每个单独分组的持续时间可以在30ns和500μs之间可控地变化，其中300ns的持续时间足以在两个300ns突发中在相同的照射区域内提供期望的晶粒均匀性，每个300ns突发的分组能量在50和200μJ之间变化。选择BRR以满足两个条件：1、熔融硅应该固化；以及2、所产生的热应当在衬底60中扩散而不损坏衬底60。在BRR的范围在约75KHz到约1MHz之间的情况下两种条件都良好地满足，并且提供具有沿X和Y方向之一的高度均匀晶粒的p-Si 64。

总之，每个脉冲的脉冲能量和脉冲持续时间以及PRR被控制为使得每个分组具有期望的分组时间功率分布(每秒W/cm2)以及足以在膜的暴露于至少一个光分组的每个位置提供a-Si转换的分组能量。如本领域普通技术人员已知的，时间功率分布和分组能量是容易测量的参数。

在基本波长处从种子源80发射的红外(IR)光在一个或多个可选的掺镱(Yb)光纤前置放大器82和Yb光纤增强器84中被进一步顺序放大，达到kW级别的平均功率。经过放大的IR光的单一频率和高功率都导致包括二次谐波发生器(SHG)86和(如果使用的话)三次谐波发生器90的频率转换方案具有高转换效率。另一方面，光纤放大器中的高功率以及因此高转换效率的限制之一已知是受激布里渊散射(SBS)，这是不期望的非线性现象。在已知减轻SBS的影响的各种方法中，使种子源80的线宽变宽通常用于增加增强器86中的SBS阈值。因此，系统50还具有线宽加宽系统(LBS)94，其操作用于将光纤放大器中的SBS阈值增加到几kW的级别。LBS 94可配置有噪声源、RF放大器和相位或幅度调制器。不管所使用的调制器的类型如何，加宽系统被配置为将来自种子源80的光的单频线宽一致地加宽到10至40GHz之间的线宽。

在图6的基础上参考图8，增强器84操作为将基本波长处的SF IR光放大至几kW的峰值功率级别，而IR光的平均功率可大约为峰值功率的1/2。如上所述，增强器84以kW级峰值功率(但低于SBS阈值)进行操作，这不仅由于在增强器84的输入处的光的线宽加宽，还由于增强器的配置。特别地，增强器84的掺Yb有源光纤95具有双瓶颈形状的单体MM纤芯102，然而该单体MM纤芯102被配置为基本上以单基模发射辐射。具体地，MM纤芯102包括相同的输入和输出小直径端部区域106，其尺寸设置成具有与熔合到有源光纤95的相对端的各个输入和输出无源SM光纤100和112中的一个基本匹配的模场直径。MM纤芯102进一步配置有各自的输入和输出模转换锥形区域110，其位于MM纤芯的中心放大区域的侧面，该区域的大均匀直径大于端部区域的均匀直径。中心区域104的增大的直径减小了所引导的光的功率密度，这增大了SBS阈值。单个或多个包层108可以具有与纤芯102相同的截面，或者可以具有不同的截面，例如标准的圆柱形截面。

如图8所示，增强器84是侧泵浦的。增强器的泵114可以配置有可由控制器94控制的多个MM电流调制二极管激光器。MM泵浦光输送光纤116具有平行于并耦合到包围放大纤芯区域104的包层108的区域的中心段。

图9示意性地示出了增强器84和端泵浦方案的备选配置。由柔性电缆54(图4)包围的增强器84具有图8的单体MM纤芯102。后者被构造成具有单个瓶颈形截面，其向安装到激光头56的增强器下游端增大。MM纤芯的另一个、上游端的尺寸被确定为，使得当IR光耦合到该端时，在MM纤芯102中仅激发一个基模。一个或多个泵输送泵光纤116(图8的泵114的引导泵)在电缆54内延伸，并且可以与或不与增强器84的增大下游端机械耦合。从泵输送光纤116发射的泵浦光入射在曲面反射器118上，该曲面反射器被配置为在与信号光IR的方向相反的传播方向中将泵浦光引导到纤芯102的远端。放大的IR光在光传播方向上通过反射元件118中形成的开口120传播。

结合图4和8回到图6，控制器92被配置为生成耦合到泵114(图8)的驱动器的信号，以调制泵浦二极管激光器114的输入处的电流。大多数时候，所公开的激光源与连续工作的泵114(图8)一起操作。然而，可以容易地实现不需要连续泵操作的情形，甚至可能危及激光系统50的完整性的情形。例如，如果BRR太低，则增强器84的过度泵浦可能导致破坏性的后果。级85(图4)的周期性加速/减速也可以是关停泵114的操作的原因。对于需要停止泵114的这种和其它情况，控制器92可以产生暂时关停泵114的信号。

泵114还可以响应于来自控制器94的信号而操作为以可变功率输出泵浦光。这允许改变分组70内的单个脉冲72的幅度，这导致对单个凹坑(pocket)70的总能量和分组的相应时间功率分布的可控制调整，这可以在图10中看到。

经过放大的IR光进一步入射到包括非线性LBO晶体的SHG 86上，该非线性LBO晶体在单通道SHG方案中转换基本波长的放大IR光，以便以例如范围在几百瓦到约1.5kW之间的平均功率在532nm波长处输出绿光。由于硅的固有特性，绿光的特性可能足以使图4的a-Si膜62结晶，并根据所建立的质量标准形成p-Si膜64。

备选地，IR和绿光(例如，500多nm)光束通过可选的上游滤光器88在自由空间继续传播，实现针对对有源稳定/故障排除的测量，以对三次谐波发生器(THG)90起作用，该THG 90被配置为具有LBO晶体的单通方案。后者被配置为利用和频混频产生在约355nm波长的UV范围内的光的基频的三次谐波。图4、6和7中的光纤激光源在510-540nm波长范围内以15％到30％之间的墙插效率工作。

图6的本发明的系统50可配置有位于上游滤波器88或下游滤波器92的下游的分组拾取器/分离器95，这取决于系统50是操作于500多nm波长范围还是300多nm的波长范围。该组件可以在许多情况下使用。如上所述，输出功率趋于增加。后者最容易通过增加突发的重复率来实现。然而，如果BRR太高，则连续分组之间的时间可能不足以使熔融Si充分冷却。因此，使用诸如多边形或电流计机械工具、声光或电光调制器之类的分组拾取器，能够重新路由跟随已经照射膜的初始区域的原始分组的第二分组，以照射不同的区域。同时，原始区域可以由第二分组之后的分组照射。这些工具及其操作的详细描述是与本申请同时提交的美国专利申请的主题的一部分。

结合图6和图7来参照图10，如上所述，受控参数具体包括脉冲重复率、突发重复率、脉冲和分组占空比、单个脉冲强度以及因此分组能量及其时间功率分布。优选地，每个分组70被成形为具有前导高功率峰值和后沿低强度峰值。

图11示出了高清LCD，其典型地具有数百万个固态快门的阵列，所述快门在每个红、绿或蓝像素120处透射或阻挡来自背光的光。每个像素具有控制实际液晶材料或透明区域140的透明电极。每个电极由TFT 160控制并与其共享不透明硅区域，TFT 160也称为阻挡部分光的晶体管区域。不透明TFT和其它像素透明区域之间的面积比是关键度量中被称为开口率的一个。原则上，仅TFT区域160将被结晶，而其余的a-Si 62可以保持完整。利用所公开的系统50，可以选择性地形成p-Si，使得不透明/透明面积比在1:1至1:5之间变化

基于前述内容，在系统50和已知系统的输出功率基本相同(例如1.2kW)的情况下，所公开的基于光纤的系统50的生产率A，即每单位时间(例如1小时)可对衬底60的多少平方米m2进行退火，比已知的LTPS ELA技术中的生产率A高得多。首先，这是因为所公开的系统50的输出可以被配置成不是照射衬底60(图4)的每个或选定区域20次，而是少得多的次数，其中脉冲的至少一个突发足以使-硅结晶。然后，基于实验数据，与LTPS ELA工艺中的晶体管区域的面积相比，每个晶体管区域的激光处理面积可以减小到约50％。总的来说，基于上述讨论的提高生产率的因素，相信所公开的LTPS处理An的生产率可以比已知的LTPS ELA处理(Ao)的生产率高10至20倍，即An～(10-20)Ao。

对于本领域技术人员显而易见的是，可以在目前公开的基于光纤激光器的退火系统中进行各种修改和变化。因此，在落入所附权利要求及其等同物的范围的情况下，本公开意在覆盖本公开的修改和变化。