激光退火装置的制作方法

文档序号:26010318发布日期:2021-07-23 21:30阅读:125来源:国知局
激光退火装置的制作方法

本发明涉及激光退火装置。



背景技术:

薄膜晶体管(tft:thinfilmtransistor)作为用于对液晶显示器(lcd:liquidcrystaldisplay)、有机el显示器(oled:organicelectroluminescencedisplay)等薄型显示器(fpd:flatpaneldisplay)进行有源驱动的开关元件来使用。作为薄膜晶体管(以下,称为tft)的半导体层的材料,使用非晶硅(a-si:amorphoussilicon)、多晶硅(p-si:polycrystallinesilicon)等。

就非晶硅而言,电子的移动容易度的指标即移动度低。因此,凭借非晶硅的话,无法完全应对在高密度/高精细化进一步发展的fpd中要求的高移动度的要求。因此,作为fpd中的开关元件,优选由移动度远高于非晶硅的多晶硅形成沟道层。作为形成多晶硅膜的方法,已知有通过使用了准分子激光的准分子激光退火(ela:excimerlaserannealing)装置向非晶硅膜照射激光来使非晶硅再结晶化而形成多晶硅的方法。

准分子激光退火(以下,称为ela)装置是使用了特殊的气体的气体激光器,存在设备成本以及维持成本高这样的问题。另外,ela装置存在产生的输出强、难以将激光的相位的对齐程度(相干性)、输出保持为恒定的状态这样的问题。在使用了玻璃基板(应变点:约600℃)的fpd的制造中,不能进行对玻璃基板造成影响这样的高温的处理。因此,在fpd的制造中使用ela装置的情况下,使用脉冲激光。

近年来,提出了利用半导体泵浦固体激光器(dpss:diodepumpedsolidstate)的激光照明装置(参照专利文献1)。在该激光照明装置中,光源模块、第一光纤、作为第二传输系统的光纤阵列、第二光学系统和均匀化要素依次配置。上述光源模块具备第一耦合光学系统和具有多个发射体的光源单元。该光源模块成为将来自光源单元的激光振荡光经由第一耦合光学系统向第一光纤引导的结构。

上述光源单元具备多个由半导体激光器、激光介质(激光晶体)和非线性材料(非线性晶体)构成的半导体泵浦固体激光器。在该光源单元中,成为如下结构:利用由半导体激光器输出的激励光对激光介质进行激励来形成基本波,将利用非线性材料对该基本波进行波长转换而得到的光向第一耦合光学系统射出。从第一耦合光学系统导向第一光纤的激光被向第二光纤阵列引导。从第二光纤阵列射出的多束的激光通过第二光学系统导向均匀化元件而被均匀化。从均匀化元件射出的束状的激光在第三光学系统中成形而向被处理物的表面照射。

在先技术文献

专利文献

专利文献1:日本专利第4948650号公报



技术实现要素:

本发明要解决的问题

然而,在上述的使用了半导体泵浦固体激光器的激光照明装置中,由于具备大量的光纤等光传输路径及光传输构件,因此存在结构复杂、制造成本增高的问题。另外,在上述的激光照明装置中,从光源模块连结到各第二光纤阵列的第一光纤的长度成为按各第二光纤阵列而不同的长度。因此,存在如下问题:对从第二光纤阵列射出的激光的输出有影响,激光的输出按各第二光纤阵列而不同。

尤其是在半导体激光器中,射出激光的活性层的端面上的开口数(na)大,从该端面射出的激光大幅扩散。因此,在上述的激光照明装置中,在将从半导体激光器射出的激励光向激光介质的狭窄的导波路结构内导入时,存在容易产生大的导入损耗(入射效率的降低)这样的课题。此外,在上述的激光照明装置中,由于激光在激光介质、非线性材料、第一光纤、光纤阵列等大量的光传输构件中传输,因此存在光传输损耗(也包括耦合损耗)变大的课题。进而,在上述的激光照明装置中,存在若是光纤阵列中的光纤的数量增多则光传输损耗进一步变大的课题。尤其是在上述的激光照明装置中,由于半导体激光器的单体的输出小,因此存在因光传输损耗等而无法获得所期望的照明输出这样的课题。在上述的激光照明装置中,光源模块中需要配置激光介质和非线性材料的空间。因此,在该激光照明装置中,存在光源模块容易大型化而无法使光源模块高密度地集成的课题。因此,考虑如下结构:将光源模块设计成具备多个光纤激光器的结构并使这多个光纤激光器通过泵浦合束器来耦合。然而,若使用泵浦合束器,则存在发热显著的状况增多、因发热而扰乱输出激光的稳定性这样的课题。

本发明鉴于上述的课题而提出,其目标在于提供激光的光传输损耗小、能够将所期望的激光输出均匀化、向处理基板照射激光的激光照射条件的控制性好且能够实现大幅的低成本化的激光退火装置。

用于解决课题的方案

为了解决上述的课题并达成目标,本发明的方案涉及将激光束向被处理基板的表面照射来对被处理基板进行退火处理的激光退火装置,其特征在于,具备:光源部,其具备射出激光的半导体激光器;均匀化元件,其具有光入射面和与该光入射面对置的光出射面,从所述半导体激光器直接射出的激光向所述光入射面入射,从所述光出射面射出均匀化了的激光束;以及出射侧成像系统,其将从所述光出射面射出的激光束向被处理基板的表面投影。

作为上述方案,优选在所述光源部与所述均匀化元件之间具备入射侧成像系统,所述入射侧成像系统使从所述半导体激光器直接射出的激光的光束整体仅向所述光入射面的区域内入射。

作为上述方案,优选所述光源部具备多个所述半导体激光器。

作为上述方案,优选所述光源部具备单一的所述半导体激光器,在所述光源部与所述入射侧成像系统之间具备分散元件,所述分散元件使从所述半导体激光器直接射出的激光的光束分散为多束。

作为上述方案,优选从所述出射侧成像系统射出的激光束以矩形形状的光束点的形式投影到所述被处理基板的表面。

作为上述方案,优选所述均匀化元件从所述光出射面射出作为平行光的激光束。

作为上述方案,优选所述均匀化元件从柱形积分器、柱阵列、复眼透镜中选择。

作为上述方案,优选所述入射侧成像系统是配置在所述半导体激光器的活性层的激光出射端面上的片上透镜。

作为上述方案,优选所述光源连续振荡出激光。

发明效果

根据本发明的激光退火装置,能够实现激光的光传输损耗小、能够稳定地维持所期望的激光输出、向被处理基板照射激光的激光照射条件的控制性好且能够实现大幅的低成本化的将半导体激光器作为光源的激光退火装置。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式的激光退火装置的简要结构图。

图2是说明使用本发明的第一实施方式的激光退火装置将线束向非晶硅膜的表面照射的状态的立体图。

图3是表示本发明的第二实施方式的激光退火装置的主要部分的简要结构图。

图4是表示本发明的第三实施方式的激光退火装置的主要部分的简要结构图

图5是表示本发明的第四实施方式的激光退火装置的主要部分的简要结构图。

图6是表示本发明的第五实施方式的激光退火装置的主要部分的立体图。

图7是表示本发明的第六实施方式的激光退火装置的主要部分的简要结构图。

图8是表示本发明的第六实施方式的激光退火装置的光源部所使用的半导体激光器的剖视说明图。

具体实施方式

以下,参照附图对本发明的实施方式的激光退火装置的详细情况进行说明。不过应留意的是,附图是示意性的,各构件的尺寸、尺寸的比率或形状等与实际不同。另外,在附图彼此之间也包括彼此的尺寸的关系、比率或形状不同的部分。

[第一实施方式]

这里,在进行激光退火装置的结构的说明之前,说明利用激光退火装置进行退火处理的被处理基板的一例。如图1及图2所示,被处理基板10由玻璃基板11和在该玻璃基板11的表面上大致整面地形成的作为被处理膜的非晶硅膜12a构成,最终会成为tft基板。需要说明的是,也可以在非晶硅膜12a与玻璃基板11之间根据要制作的tft的结构来形成栅极线等布线图案。

如图2所示,带状的处理预定区域13以沿着扫描方向t延伸的方式设定于非晶硅膜12a。该处理预定区域13以沿着扫描方向t将未图示的多个tft形成预定部连结的方式形成。该处理预定区域13的宽度尺寸w设定为与要制作的tft的沟道层的宽度尺寸大致相同的尺寸。

(激光退火装置的简要结构)

以下,使用图1来说明本实施方式的激光退火装置1的简要结构。激光退火装置1具备基台2和激光照射部3。激光照射部3具备光源部4、入射侧成像系统5、作为均匀化元件的柱形积分器(rodintegrator)6、出射侧成像系统7。

在本实施方式中,如图1所示,将激光照射部3设置为能够沿着扫描方向t进行扫描。即,基台2上的被处理基板10不移动,激光照射部3移动来对被处理基板10的非晶硅膜12a实施退火处理。需要说明的是,在本实施方式中,设为将被处理基板10固定的结构,但当然也可以设为将激光照射部3固定且使被处理基板10进行扫描的结构。

如图1所示,光源部4具备多个(在本实施方式中为四个)半导体激光器20。在本实施方式中,作为半导体激光器20,使用波长带宽为400~500nm的gan(氮化镓)系的蓝光激光器。这些半导体激光器20以射出激光的光出射面位于同一平面上的方式配置。这些半导体激光器20以在一直线上等间隔地聚集的状态排列配置。在本实施方式中,半导体激光器20是进行连续振荡(或连续波振荡、cw:continuouswave)动作的cw激光器。

在本实施方式中,作为入射侧成像系统5,使用成像透镜。该入射侧成像系统5设定为使从四个半导体激光器20分别射出的激光的光束整体向柱形积分器6的后述的光入射面61入射。

柱形积分器6由长方体形状的玻璃柱构成,具有作为上下方向(长度方向)的上端面(一端面)的光入射面61、作为上下方向(长度方向)的下端面(另一端面)的光出射面62、彼此平行的一对侧面63和彼此平行的一对侧面64。另外,在柱形积分器6中,上下方向(长度方向)的长度设定为为了获得光的均匀化所必须的尺寸。在本实施方式中,柱形积分器6设定为一对侧面64彼此的距离短且另一对侧面63彼此的距离长。需要说明的是,在本实施方式中,作为均匀化元件,使用柱形积分器6,但也可以使用作为柱形积分器的集合体的柱阵列或复眼透镜等。

需要说明的是,在半导体激光器20中,射出激光的活性层的端面上的开口数(na)大,从该端面射出的激光大幅扩散。然而,在本实施方式中,以使入射侧成像系统5能够捕捉到从半导体激光器20扩展地射出的激光的方式,适当设定半导体激光器20与入射侧成像系统5的距离以及构成入射侧成像系统5的成像透镜的直径尺寸及焦点距离等。此外,在本实施方式中,使多个半导体激光器20的光出射面位于同一平面上且将半导体激光器20以聚集的状态排列配置。通过这样的设定以及光源部4的结构,能够使从半导体激光器20射出的激光的光束整体无遗漏地向柱形积分器6的光入射面61入射。

出射侧成像系统7设定为将柱形积分器6的光出射面62向被处理基板10的非晶硅膜12a的表面投影。需要说明的是,如图2所示,在本实施方式中,从出射侧成像系统7射出的激光束lb向非晶硅膜12a的表面投影所成的光束点bs设定为细长的矩形形状。如图2所示,光束点bs的宽度尺寸设定为与被处理基板10中的处理预定区域13的宽度尺寸w相同。

(激光退火装置的作用及动作)

在本实施方式的激光退火装置1中,从多个半导体激光器20连续照射波长带宽为400~500nm的蓝色的激光。具体而言,以在被处理基板10中的处理预定区域13的扫描方向整体上连续地振荡出激光的方式进行驱动。并且,在处理预定区域13呈岛状散布的情况下,以在对该处理预定区域13进行扫描的期间连续地振荡出激光的方式进行驱动。这里,连续照射是指对目标区域连续地照射激光的、且还包括所谓的伪连续照射在内的概念。即,即便激光是脉冲激光,若脉冲宽度宽,则有时也包含在该伪连续照射中。

在本实施方式中,作为各个半导体激光器20的输出,例如可以使用输出低的几w的输出。通过将多个半导体激光器20作为阵列来聚集,由此能够稳定地获得退火处理所需的例如几w到几十w、进而这以上的输出。

在激光退火装置1中,从多个半导体激光器20分别射出的激光经由入射侧成像系统5向柱形积分器6直接入射。因此,与现有那样使用光纤的情况相比,不会发生耦合损耗。此外,在激光退火装置1中,入射侧成像系统5的成像透镜使从半导体激光器20直接射出的激光的光束整体无遗漏地仅向柱形积分器6的光入射面61的区域内入射。

在本实施方式中,柱形积分器6设为一对侧面64彼此的距离短且另一对侧面63彼此的距离长。因而,在本实施方式中,在距离短的一对侧面64彼此之间,从光入射面61入射的激光朝着光出射面62反复进行全反射的次数容易增多,激光的光量得以充分地均匀化。

入射到柱形积分器6的光入射面61的激光的光束的一部分朝着光出射面62直线前进而从光出射面62直接射出,但带有规定以上的入射角的激光会到达柱形积分器6的一对侧面63中的任一个。在柱形积分器6的一对侧面63中的任一个处,入射的激光进行全反射而折回。在本实施方式中,由于一对侧面63彼此平行,因此,入射的激光反复进行全反射直至到达柱形积分器6的光出射面62为止,并从光出射面62射出。因此,入射到柱形积分器6的激光的光束在柱形积分器6的一对侧面63处折回并累积而从光出射面62射出。通过该累积,在柱形积分器6的光出射面62处,激光的光束内的光强度得以平均化而成为均匀的光强度分布。

在出射侧成像系统7中,将柱形积分器6的光出射面62向被处理基板10的表面投影。即,如图2所示,出射侧成像系统7将从柱形积分器6的光出射面62射出的激光的光束向被处理基板10的表面投影为矩形形状的光束点bs。

作为退火处理的顺序,如图1所示,在基台2上配置被处理基板10,使激光照射部3向扫描方向t移动,由此能够对设置于被处理基板10的表面上的非晶硅膜12a的处理预定区域13进行退火处理。如图2所示,通过激光束lb沿着扫描方向t移动,由此非晶硅膜12a被改性为多晶硅膜12p。

以下,对本实施方式的激光退火装置1的效果进行说明。根据本实施方式,能够使由半导体激光器20射出的激光直接向作为均匀化元件的柱形积分器6入射,因此即便是使用开口数(na)大的半导体激光器20,也能够减小激光的光传输损耗。

另外,根据本实施方式,通过直接使用具有稳定的输出特性的半导体激光器20,由此能够稳定地维持所期望的激光输出,能够提高向被处理基板10照射激光的激光照射条件的控制性。另外,在本实施方式中,与现有的ela装置、固体激光退火装置相比,能够直接使用廉价的半导体激光器20,因此能够实现大幅度的低成本化。根据本实施方式,在想要改变退火输出的设定的情况下,只要增减半导体激光器20的配置个数、点亮个数即可。

另外,通过像本实施方式那样对激光进行连续振荡(cw)驱动,由此能够对非晶硅膜12a进行没有变动的退火处理。因此,能够使多晶硅膜12p的结晶结构最佳化而形成优质的多晶硅膜,能够进行具有移动度高的沟道层的tft基板的制造。

进而,根据本实施方式,通过将原本小型的半导体激光器20与均匀化元件等组合,由此能够实现激光照射部3的轻量化。因此,根据本实施方式,能够设置成激光照射部3相对于被处理基板10移动的结构。

近年来,fpd的大型化进展,在现有那样具备大型的激光照射部的激光退火装置中,激光照射部侧的移动困难。在现有的激光退火装置中,存在因移动大型的被处理基板10而导致装置的占用空间变大这样的课题。需要说明的是,在本实施方式中,虽然设计成固定被处理基板10且使激光照射部3能够移动,但当然也可以反之固定激光照射部3且使被处理基板10能够移动。

另外,根据本实施方式,由于能够使用寿命为5000小时以上的半导体激光器20,因此半导体激光器20的更换周期也能够设定得长,光源部4的更换成本、维持成本与现有的激光退火装置相比也能够大幅下降。

[第二实施方式]

图3是表示本发明的第二实施方式的激光退火装置1a的简要结构图。本实施方式的激光退火装置1a具备一个半导体激光器20、分散元件8、作为均匀化元件的柱形积分器6、出射侧成像系统7。在本实施方式中,由半导体激光器20、分散元件8、入射侧成像系统5、柱形积分器6和出射侧成像系统7构成激光照射部3a。作为分散元件8,可以使用漫射板、衍射光学元件、棱镜阵列等。

在本实施方式中,将从一个半导体激光器20直接射出的激光利用分散元件8分散,在从入射侧成像系统5侧观察分散元件8侧时,看上去像是从多个半导体激光器20照射出激光那样分散,由此能够实现激光的均匀化。本实施方式的其他结构由于与上述第一实施方式的激光退火装置1的结构相同,因此省略说明。

根据本实施方式,能够使用单一的半导体激光器20来形成均匀化的激光束lb。因此,根据本实施方式,能够实现进一步的激光照射部3a的轻量化和低价格化。本实施方式的其他效果与上述第一实施方式的激光退火装置1的效果相同。

[第三实施方式]

图4是表示本发明的第三实施方式的激光退火装置1b的简要结构图。本实施方式的激光退火装置1b具备四个半导体激光器20、作为均匀化元件的柱形积分器6、出射侧成像系统7。在本实施方式中,由半导体激光器20、柱形积分器6和出射侧成像系统7构成激光照射部3b。

在本实施方式中,设定为从四个半导体激光器20射出的激光直接向柱形积分器6入射。在本实施方式中,为了从四个半导体激光器20射出的激光无遗漏地向光入射面61入射,使用具有面积比较大的光入射面61的柱形积分器6。本实施方式中的其他结构由于与上述第一实施方式的激光退火装置1的结构相同,因此省略说明。

在本实施方式中,由于没有使用构成上述第一实施方式的激光退火装置1的入射侧成像系统5,因此能够使装置结构进一步简化。本实施方式的效果与上述第一实施方式的效果相同。

[第四实施方式]

图5是表示本发明的第四实施方式的激光退火装置1c的简要结构图。本实施方式的激光退火装置1c具备一对半导体激光器20、与各半导体激光器20对应的一对入射侧成像系统5a、作为均匀化元件的柱形积分器6、出射侧成像系统7。在本实施方式中,由一对半导体激光器20、一对入射侧成像系统5a、柱形积分器6和出射侧成像系统7构成激光照射部3c。

在本实施方式中,设定为从两个半导体激光器20射出的激光分别经由入射侧成像系统5a向柱形积分器6的光入射面61无遗漏地入射。本实施方式中的其他结构由于与上述第一实施方式的激光退火装置1的结构相同,因此省略说明。本实施方式的效果与上述第一实施方式的效果相同。

[第五实施方式]

图6是表示本发明的第五实施方式的激光退火装置1d的简要结构图。本实施方式的激光退火装置1d具备具有四个半导体激光器20的光源部4、与各半导体激光器20对应的入射侧成像系统5b、作为均匀化元件的柱形积分器6、出射侧成像系统7。在本实施方式中,由光源部4、入射侧成像系统5b、柱形积分器6和出射侧成像系统7构成激光照射部3d。

在本实施方式中,设定为从四个半导体激光器20射出的激光分别经由入射侧成像系统5b向柱形积分器6的光入射面61无遗漏地入射。如图6所示,四个半导体激光器20在阵列基板41的下表面配置、固定成一列。入射侧成像系统5b以与各半导体激光器20对应的方式配置。本实施方式中的其他结构由于与上述第一实施方式的激光退火装置1的结构相同,因此省略说明。本实施方式的效果与上述第一实施方式的效果相同。

[第六实施方式]

图7是表示本发明的第六实施方式的激光退火装置1e的简要结构图。本实施方式的激光退火装置1e具备具有四个半导体激光器20a的光源部4、作为均匀化元件的柱形积分器6、出射侧成像系统7。在本实施方式中,由光源部4、柱形积分器6和出射侧成像系统7构成激光照射部3e。

如图7及图8所示,在本实施方式中,半导体激光器20a具备作为入射侧成像系统的片上透镜(on-chiplens)5c。如图8所示,半导体激光器20a具备依次层叠的n侧电极21、n型基板22、n型包覆层23、活性层24、p型包覆层25和p侧电极26。在活性层24的一端侧形成有全反射膜27。另一方面,在活性层24的另一端侧的反射面24a一体地形成有片上透镜5c。

在本实施方式中,由于在半导体激光器20a上一体地设置有片上透镜5c,因此无需另行设置入射侧成像系统,能够将激光照射部3e设为紧凑的结构。

另外,在本实施方式中,容易设定为从四个半导体激光器20a射出的激光分别经由片上透镜5c向柱形积分器6的光入射面61无遗漏地入射。本实施方式中的其他结构由于与上述第一实施方式的激光退火装置1的结构相同,因此省略说明。本实施方式的效果与上述第一实施方式的效果相同。

[其他的实施方式]

以上,对实施方式进行了说明,但不应理解构成这些实施方式的公开的一部分的论述及附图会限定本发明。在这些公开的基础上,各种各样的替代实施方式、实施例及运用技术对本领域技术人员来说也是显而易见的。

例如,在上述的第一至第六实施方式中,示出使用长方体形状的柱形积分器6来作为均匀化元件的例子,但也可以取代于此而使用柱阵列、复眼透镜等进行光的均匀化的光学元件。另外,作为柱形积分器6,也可以使用截面积随着从光入射面61朝向光出射面62而逐渐变小这样的结构的构件。

在上述的第一至第六实施方式中,针对半导体激光器20、20a的数目为1、2、4的情况进行了说明,但半导体激光器20的数目并不限定于此,还可以设为使用多个半导体激光器20、20a来提高激光束lb的输出的结构。

在上述的第一至第六实施方式中,设为使激光照射部3、3a、3b、3c、3d、3e移动且对被处理基板10进行位置固定的结构,但也可以设为被处理基板10移动且激光照射部3、3a、3b、3c、3d、3e被位置固定的结构。

在上述的第一至第六实施方式中,将半导体激光器20、20a设为蓝光激光器,但并不限定于此,当然也可以适用其他波长带宽的半导体激光器。

符号说明

1、1a、1b、1c、1d、1e激光退火装置

2基台

3、3a、3b、3c、3d、3e激光照射部

4光源部

5、5a、5b入射侧成像系统

5c片上透镜

6柱形积分器(均匀化元件)

7出射侧成像系统

8分散元件

10被处理基板

12a非晶硅膜

12p多晶硅膜

13处理预定区域

20、20a半导体激光器

24活性层

24a反射面

27全反射膜

41阵列基板

61光入射面

62光出射面

63侧面

64侧面

bs光束点

lb激光束

t扫描方向

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