用于优化非晶硅的结晶的系统和方法

专利名称：用于优化非晶硅的结晶的系统和方法
用于优化非晶硅的结晶的系统和方法
背景
1. 发明领域本发明的领域总地涉及液晶显示器(LCD)，并且更具体地涉及制造LCD的 系统和方法。
2.
背景技术：
已经存在良好建立并正在增长的有源矩阵式LCD市场，在所述有源矩阵式 LCD中，有源薄膜晶体管(TFT)被用来控制显示器中的每个像素。例如，有源矩阵式 LCD是用于计算机屏幕的主流技术。此外，近年来，有源矩阵式LCD解决方案还大举进 入诸如电视、移动电话、PDA、录像机等市场部分。有源矩阵式LCD被预测为显示器行业增长最快的部分，下一个五年预计的年 平均增长率超过35%。相反，预测无源式LCD和常规阴极射线管(CRT)具有平缓直至 负的增长率。仅有的被预测为具有正增长的其他显示技术为有机发光二极管(OLED)显 示器，其正针对于专用应用而兴起，并且预测在2007年之后(beyond)每年高于增加一 倍。除了快速的总体增长之外，LCD市场的性质正在改变，即更新的LCD应用包 括更大的多样性和更特殊的要求。例如，电话占约所有LCD的50。/。，但仅占LCD总面积 的2%。相反，监视器占LCD的约27。/。，但占总面积的50%。随着TV应用和大屏幕尺寸 的快速增长，计划到2008年电视构成超过LCD总面积的30。/。。与之前的LCD应用相比， 这些大屏幕的应用具有很多特殊的要求。为了支持所预期的高增长率以及为了成功地把握新的市场机遇，LCD制造商 必须能够在新兴显示器制造技术上占优，以提高LCD出售品(offering)的特征和性能， 而同时改进他们的产品成本和吞吐率(throughput)。随着LCD产业转变到快速增长和产品多样性的下一阶段， 一些成功因素可以 包括更小的像素尺寸、作为TFT尺寸的直接函数(direction fUnction)的更高的密度，以 及用于支持视频要求的更快的TFT切换速度。更亮的显示能力、对于每像素更多光的改 进的开口率(aperture ratio)，以及更低的总体生产成本同样是成功的因素。更低的生产 成本可能得自于更快的处理吞吐率和持续较高的每面板显示器良率两者。为了长期的成
5功，对于LCD制造商来说投资于这样的技术解决方案是重要的，所述技术解决方案还可 以以成本有效的方式适用于新兴高增长屏幕类型(例如OLED)的高效制造。当前用于在玻璃基底上创建传导层的两种主要的工艺方法是非晶硅 (Amorphous silicon) (a-Si)和低温多晶硅(poly-Si或LTPS)，所述这两种工艺方法将 支持用于有源矩阵式LCD的TFT的制造。在a-Si工艺中，在PECVD硅膜上直接创建晶 体管栅极。在多晶硅或LTPS工艺中，在制成栅极之前结晶PECVD硅膜，以生产高性能 的TFT。在这些工艺中，保持低温以避免玻璃基底熔融。因为通过非晶硅晶体管的电子移动固有地(inherently)较慢，因此基于a-Si 的TFT必须物理尺寸较大，以便提供足够的从源极到漏极的电流。另一方面，由于以多 晶硅可以实现的显著较高的电子迁移率(electronmobility)，基于LTPS的TFT可以更小 而更快。因为多晶硅晶体管固有地较小，因此更多的光可以通过每个像素。这允许考虑改 进的开口率、更大的像素密度或这两者的设计灵活性。尽管LTPS有TFT尺寸和性能优势，当今大多数LCD面板仍旧是使用非晶硅 工艺制造的。这是由于主要由较少工艺步骤而导致的a-Si的相对较低的成本以及与欠成熟 的LTPS设备相关联的潜在未知因素。a-Si还巳经是使成本最小化的"安全"工艺，因为大 屏幕LCD中的单个缺陷意味着报废整个设备；然而，尽管a-Si工艺相当好地被确定并且 是可控的，现在已经很清楚，a-Si技术在关于支持对更高的像素密度、更快的响应和更亮 的显示的新兴的要求方面正趋近于其极限。迄今为止，LTPS—般已经以制造更小的、更高性能的显示器为目标，因为基 于多晶硅的TFT的更小物理尺寸允许增加的屏幕亮度、更高的像素密度以及更低的功耗。 同样，LTPS晶体管固有更快的切换支持视频应用(例如视频录像机以及蜂窝电话和PDA 中的视频特征)的要求。显示器制造商还需要提前为有机发光二极管技术的兴起作打算，该技术将以计 划在2007年开始的快速增长成为显示器市场的一重要部分。 一些简单的OLED设备已经 在运用于专用应用(例如用于汽车仪器和数码相机的小屏幕、高亮度显示器)。 一些公司 已经宣布他们意图生产大屏幕的OLED显示器，当所述大屏幕的OLED显示器被产业化 时，将获取针对显示亮度和色彩为关键区分因素的应用的重要市场份额。在基于OLED的显示器中，分子结构实际上发光，而不是作为背光光源的光 阀(light valve)，因此使得能够有亮得多的屏幕。因为OLED中的发光材料是电流驱动 的，而不是如LCD中是电压驱动的，因此多晶硅更高的电子迁移率和更稳定的载流容量 (current capacity)将是OLED实现的关键使能因素(enabler) 。 OLED固有的更高的发 光度(luminescence)将允许设计者选择较小的像素来产生相同的亮度，由此使能更高的 分辨率。OLED显示器的实现因此将与通过多晶硅而可获得的较小几何形状相容得多。
向前发展，显示器制造商需要采用可以为多晶硅生产提供高吞吐率、高生产率 (yield)能力的面板制造技术，以满足当今多样的、快速增长的LCD要求，同时还为将 来(例如OLED市场上升(ramp-up))打下基础。LCD或者OLED制造方法可以关注于 三个领域生产高性能TFT，跨(across)整个面板产生均匀的(uniform)材料和器件， 以及通过高吞吐率和低操作成本的组合优化生产效率。最广泛使用的LTPS制造技术涉及这样的表面处理，所述表面处理使用激光器 来熔融硅膜，在非常短的时间段(一般以纳秒计)内将其加热到一液点(liquid point)， 之后硅膜再结晶为多晶硅。LTPS技术中主要的挑战包括对工艺的有效控制，以确保跨整 个面板均匀结晶，同时提供高水平的持续处理吞吐率和低操作成本。最普遍用于熔融硅的工艺被称为受激准分子激光退火(ELA) 。 ELA工艺的 低生产力和高操作费用己经妨碍了ELA的广泛应用。ELA的吞吐率固有地低，因为需要 多达50-100个激光脉冲来处理单个点(spot)。使用300W的激光器，当前一代的ELA 系统的吞吐率约为对Gen4 LCD来说10个面板(panel) /小时以及对Gen5来说仅5-6个 面板/小时。从性能和生产率的观点看，ELA工艺有着其他重大限制。ELA工艺是基于部 分熔融的原理，其中一些接近层底部的硅材料保持固态并且作为导致结晶垂直发生的"晶 种"。已知该工艺导致大的颗粒尺寸变化，并且具有小的处理窗口 (processwindow)。此 外，电子迁移率由于小的颗粒尺寸而相对低，因此ELA工艺艰难满足玻璃上系统(System on Glass, SOG)的要求。名为连续横向固化(Sequential Lateral Solidification, SLS)系统的另一新的结 晶工艺，在生产力、成本和生产率上提供一些改进。SLS是基于横向晶体生长，其中结晶 作用从熔融硅的边缘水平地进展，产生具有提高的电子迁移率的较大晶体颗粒。在标准的 SLS技术中，使用掩模来为每次激光"照射(shot)"曝光大致1.2毫米x25毫米的区域，并 且通过使该小的曝光区域在整个玻璃上步进来处理基底。使用300W的受激准分子激光器，SLS系统能够每小时产生多至18个Gen4 面板或10个Gen5面板。然而，因为SLS掩模是在多趟(pass)中以递增方式"步进"以覆 盖面板，因此激光能量在照射与照射间的变化(shot-to-shot variation)可能导致在整个面 板上多晶硅的可变性。步进还可能由于多步之间的重叠而造成接缝(seam)，这在显示器 中可能是可见的。另夕卜，标准SLS技术所不希望的人为现象(artifact)在于在硅的固化期 间形成的大的垂直凸起。在SLS退火之后出现的凸起的图形(pattern)可能使得难以沉积 均匀的栅极介电层，导致跨面板上TFT性能的非均匀性。

发明内容
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在一个实施方案中，一种被配置为使玻璃基底上的硅层退火的薄光束定向结晶 系统可以使用特殊的短轴激光光束分布，所述短轴激光光束分布在一个边缘包括了强度峰 值。在另一个实施方案中，可以在预先确定的位置终止外延横向生长，从而当工艺继续时， 外延生长从新的晶种重新起始。因此，生长的颗粒的结晶取向可以被随机化。因为外延横 向生长被阻止并且例如少于每20微米左右重新开始，在结晶膜内将有较少机会发展出纹 理。因此，可以提高材料中所制造的晶体管的均匀性。在另一个实施方案中，可以故意地改变步长。例如，对于较高迁移率的多晶硅， 可以使用较小的步长。可替换地，对于较低迁移率的多晶硅，可以使用较大的步长。因此， 所得的材料可以与所期望的晶体管应用相配合，并且可以在晶体管应用允许时通过使用较 大的步长来提高晶体管吞吐率。所述系统被配置为熔融硅层的部分，导致横向晶体生长。通过推进基底或者激 光器某个每脉冲步长并且使硅层经受来自激光器的连续逐次"照射"，使整个硅层通过重复 的熔融和晶体生长而结晶。产生自每次照射的横向晶体生长在熔融区域的中心造成凸起。 该凸起可以被重新熔融以提高材料表面的平坦性。因此，所述步长必须是这样的，即除了 在使用故意的中断来消除或降低纹理的形成的情况下，在连续逐次照射之间即熔融区之间 具有足够的重叠，以确保凸起被熔融。这可以要求步长小于来自任何单次激光脉冲的横向 生长距离。等于横向晶体生长长度的步长是理论最大步长。较小的步长减小吞吐率而增加 成本。根据本文描述的系统和方法所使用的特殊的短轴激光分布可以增加步长同时仍旧保
证凸起被熔融，并且由此增加吞吐率且降低成本。下面在题为"具体实施方式
"的章节中描述本发明的这些和其他特征、方面和实 施方案。


结合附图描述了本发明的特征、方面和实施方案，在附图中图1是图示在单次脉冲辐照之后膜表面的示例性横截面的图；图2是图示在单次脉冲辐照之后膜表面的另一示例性横截面的图；图3是图示在对图1的膜表面的横截面的第二次辐照期间光束的示例性位置的
图；图4是图示在图3中所图示的第二次辐照期间入射光子的示例性散射(scatter) 的图；图5A-5C是图示示例性短轴空间强度分布的图；图6是图示在"n"个脉冲后光束的示例性位置的图；图7是图示在"n+l"个脉冲后的光束空间强度和光束示例性位置的图；图8是用于制造液晶显示器的示例性设备；
图9A-9C是图示在多个故意中断连续的颗粒延长的脉冲后，光束的示例性位 置的图；图IOA和IOB是图示示例性TDX扫描的图， 一个具有故意的中断，另一个具 有沿整个衬底的一次连续扫描；图11是图示跨衬底具有故意的步长变化的示例性衬底的图；图12A和12B是图示两个示例性衬底的图， 一个示例性衬底具有故意非均匀 的步长，而另一个示例性衬底具有均匀的步长；以及图13是图示显示器的图，所述显示器包括一围绕显示区域的电路区域。
具体实施例方式薄光束定向结晶(thin-beam directional crystallization或者thin-beam directional 'Xtallization， TDX)制造方法可以组合多晶硅的固有优点和高效的数量导向的生产能力。 最终结果可能是出众的电子迁移率、平坦的表面形貌、大的处理窗口以及更大的吞吐率。 不同类型的激光器可以被用于薄光束定向结晶，例如，在一个实施方案中，可以使用固态 激光器。在另一实施方案中，高功率受激准分子激光器可以被用于TDX工艺。初始针对 微光刻应用的半导体而开发的主振荡器功率放大器(MOPA)配置也可以使用。该激光器 可以工作在351纳米,并且以杰出的脉冲到脉冲稳定性和高可靠性提供超过900瓦的功率。 还可以使用其他波长，例如308纳米的波长。 一般来说，可以使用被所要熔融的材料(例 如硅)强烈吸收的任何波长。在2004年2月18日递交、申请序列号为No.10/781,251、标 题为"Very High Energy, High Stability Gas Discharge Laser Surface Treatment System(非常高 能量、高稳定性气体放电激光器表面处理系统)"的同时待审定的美国专利申请；2004年 7月1日递交、申请序列号为No.lO/884，101、标题为"Laser Thin Film Poly-Silicon Annealing Optical System (激光薄膜多晶硅退火光学系统)"的美国专利申请；2004年7月1日递交、 申请序列号为No. 10/884,547、标题为"Laser Thin Film Poly-Silicon Annealing System (激光 薄膜多晶硅退火系统)"的美国专利申请；以及2005年8月11日递交、申请序列号为 No.l 1/201 ，877、标题为"Laser Thin Film Poly-Silicon Annealing Optical System (激光薄膜多 晶硅退火光学系统)"的美国专利申请中描述了TDX系统，这些美国专利申请通过引用以 如同完整阐述那样被包括在本文中。与本文所描述的系统和方法连同使用的TDX光学系统可以将激光转换为非常 长而薄的均匀光束，并且将所述光束传递到硅膜上。此外，它可以被配置来稳定光束的能 量、密度和指向；所有这些可以提高TDX工艺的一致性(consistency)。在一个实施方案 中，每个脉冲可以曝光约为5微米宽730毫米长的区域。光束的长度可以与基底宽度匹配， 从而玻璃在单趟中被处理。这可以帮助确保高度的均匀性(uniformity)和快的吞吐率。在 曝光期间，可以以恒速扫描面板，并且可以触发激光器以例如2微米的节距或步长进行发 射。该节距可以被选择为使得熔融区总是从前一脉冲的高质量晶体生晶(seedfrom)，产 生长的定向多晶硅晶体。每次脉冲还熔融前一熔融区中心处的大的脊或凸起，导致更平坦 的表面。
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TDX工艺是以受控超横向生长形式为基础,其中熔融区从边缘朝向中心横向重 新固化。与其中晶体生长从硅层内垂直发展的ELA不同，横向生长产生具有高电子迁移 率的大的定向多晶硅颗粒。TDX工艺具有比ELA大得多的处理窗口，因为它依赖于硅膜 空间受控的完全熔融，并且避免对能量敏感的部分膜熔融。对玻璃上系统(SOG)设计途径的使用是另一演进舞台，这仅在多晶硅的情况 下才可能。以本文描述的TDX工艺可实现的更高的电子迁移率和更小尺寸的晶体管允许 直接将驱动电子器件制造到薄的硅覆层中。这提供有力的方法来通过降低对巻带自动结合 (tab bond)连接的需要而降低面板成本且还提升面板的强健性。多晶硅高得多的电子迁 移率允许驱动电子器件的额外集成，例如将数模转换器(DAC)集成在基底上，以及通过 使用更快的驱动器控制更多的TFT开关来减少驱动器的数量。以SOG得到的总体成本节省可能是非常巨大的，尤其是对于处理由很多小的 LCD屏幕构成的大面板来说。使用常规的a-Si途径，其中单独的巻带自动结合的驱动电 子装置用于每个屏幕；驱动芯片可能构成每屏幕成本的重要百分比以及昂贵的额外组装步 骤。相比之下，以多晶硅进行的SOG允许驱动电子器件在背板制造工艺期间被高效地制 成。有鉴于此，图1是根据本文所描述的系统和方法的一个实施方案图示在薄光束 定向结晶工艺中单次脉冲辐照后膜表面102的示例性横截面的图。膜表面102例如可以为 非晶硅。薄光束辐照使用激光来使表面102的部分熔融。熔融部分一般从侧边向内朝熔融 区的中间凝固(freeze)或固化，留下两个横向固化区104和106。这是因为硅膜102的每 个未熔融边缘充当"晶种"，熔融硅可以在其上生长。凸起108可以存在于最后的凝固点，所述凝固点一般在被辐照表面的中心或者 在这附近。可以在两个边缘生长到彼此中时导致所述凸起105。在两个边缘生长在一起的 中心处或此附近，结晶的结构一般将不匹配，因为每个边缘是从熔融区的相对侧"生晶"的， 并且这些侧始于不同的、随机生成的晶种。在两个生长区相遇的地方，晶体将推动到彼此 中并且从表面向上推。这些凸起108的高度可以在膜厚度的数量级。膜厚度普遍为约50 到100纳米，然而，其他膜厚度是可能的。凸起108打破(breakup)表面的均匀化结晶结构。此外，如上面所讨论的， 在退火后出现的凸起108的图形也可能使得难以沉积均匀的栅极介电层，导致跨面部上 TFT性能的非均匀性。为了去除凸起108，可以在下次激光照射中重新熔融所述凸起108。例如，膜表面102可以在下一次照射的激光下移动某个步长。然而，必须将该 步长设置为确保足够的激光能量注入到凸起108，从而确保凸起108熔融。因此，重新熔 融每个凸起108的需要限制了可以实现的最大步长。在图1的实施例中，横向生长距离等于熔融区的宽度的约一半。因此，可以使用并且仍旧确保熔融凸起108的理论最大步长约 等于横向生长距离减去凸起108的宽度。然而， 一般来说，步长必须被保持为远小于理论最大值，例如小数百纳米，其 中激光脉冲宽度为约5pm。实际的步长将小于最大理论步长，因为由于凸起108比其余膜 表面102厚而需要更多的能量来重新熔融凸起108。此外，凸起108可以散射激光。因此， 不仅由于凸起的厚度而要耗费更多的能量来重新熔融凸起108，还将需要更多的能量来补 偿凸起108散射的激光能量。图4是图示在辐照期间入射光子的示例性散射的图。随着入射光子408辐照表 面102，这些光子中的一些402被凸起108散射。因此，可能需要更多的能量来熔融凸起 108。该散射和凸起108的额外厚度可以减小可实现的步长并且增加处理时间，或者降低 LCD制造的吞吐率。因此，将更多能量引导到凸起108的位置的空间强度短轴分布可以被 用来最大化步长304。还应该注意到，激光光束宽度必须被控制以避免形成如图2中图示的带核 (nucleated)颗粒204。带核颗粒可能在中心于侧边可以生长在一起前冷却时发生。当中 心在侧边可以生长在一起前冷却时，其结构一般将不与任一侧的晶体结构匹配，因为它不 是从任一侧离开而"生晶"的。相反，如果中心的冷区比侧边生长在一起要快的话，则它可 以从内垂直生晶。如果熔融区太宽，即激光光束宽度太宽，则这可能发生。当熔融区太宽 时，侧边不能在中心固化之前生长在一起。如果光束太宽，则随着横向固化区206和208生长到中心带核区204，可能产 生两个凸起210和212。当边缘生长到带核区204中时可能导致凸起210和212。每个横 向固化区206和208的结晶结构一般将不与带核区204匹配，因为每个边缘是从熔融区的 相对侧"生晶"的。在失配结构相遇的地方，晶体将推动到彼此中并且从表面向上推。如上 面讨论的， 一般优选的是在膜表面202固化时形成的LCD的结晶结构是均匀化的。凸起 212和212打破表面均匀化的结晶结构。因此，限制光束宽度使得不产生带核区204是有 利的。例如，在一个实施方案中，光束宽度约为5pm;然而，将理解，光束宽度将取决于 特定实施方案。只要每侧可以在核发生之前生长在一起，细颗粒带核区204将不会产生。如上面讨论的，膜表面102可以在光束下移动或步进以熔融凸起108。表面102 例如可以向左移动稍少于脉冲宽度的一半。凸起108则可以连同横向固化区104的小部分、 横向固化区106的全部以及未辐照非晶硅114的部分被重新熔融。随着横向固化区从左向 右生长，它将从横向固化区104生晶，使横向固化区104的晶体结构连续，直到在中间处 相遇而形成新的凸起。这可以参照图3看到。图3是图示在图1的膜表面的横截面的第二次辐照期间光束的示例性位置的 图。在第一辐照期间光束的位置被示出为在位置302。膜表面102可以在光束下移动以熔
11融表面102的下一区段(section)。表面102例如可以向左移动一步进距离304，所述步 进距离304可以稍小于脉冲宽度的一半。光束随后将在第二次照射期间被定位在306，其 将以入射光子308辐照表面102。光子308可以重新熔融凸起108连同横向固化区104的 小部分310、横向固化区106的全部以及未辐照非晶硅114的部分312。随着新的横向固 化区从左向右生长，它将从横向固化区104生晶，使横向固化区104的晶体结构连续，直 到在新的熔融区的中间处相遇而形成新的凸起。该新的凸起将大致在位置314处形成。图6是图示在"n"个脉冲后光束的示例性位置602的图。膜表面102可以以恒 速移动。每个脉冲可以被定时为在膜表面102移动一标称步长604时发生。如可以看到的， 连续的横向固化区604随着激光沿表面102移动而产生，所述每个横向固化区604约为光 束宽度602的长度的一半。如上面讨论过的，标称步长604 —般小于理论最大步长。但是 如下面解释的，可以通过使强度峰值接近凸起108来最大化实际步长。参照图3，步进距离304可以小于理论最大值，因为耗费额外的能量来重新熔 融凸起108，并且光可能被凸起108散射。较小的步进可能增加处理时间，并且浪费时间 重新熔融之前曾熔融的区域。横向固化区104的小部分310被来自光束的光子308重新熔 融。因此，如将理解的，所述小部分310越大，则一般耗费来处理膜表面102的时间越长。 因此，如果所述小部分310可以被最小化，即可以实现更大的步长，则一般可以加速制造 工艺，导致更短的处理时间和更大的生产量。图5A-5C是图示可以被用来将更多能量引导到凸起108的位置的示例性短轴 空间强度分布的图。图5A示出礼帽式分布(top hat profile)。 一般来说，例如图5A中图 示的具有陡侧边的礼帽式分布是优选的，因为它导致对表面102的更均匀的能量施加；然 而，如注意到的，将更多能量引导到凸起108可能是优选的，以便增加步长。可以通过提 升具有如图5A所示的礼帽式分布的光束的能量密度来将更多能量引导到凸起108。但是， 一般来说，简单地提升具有礼帽式分布的光束的能量密度是不足够的，因为这最终可能导 致入射在非晶硅膜上的光束侧的膜损坏或者烧结(agglomeration)。大致使光束强度分布与膜所需熔融温度相关联的激光光束短轴分布可以是优 选的。该分布可以被修整为使得最大每脉冲步进距离成为可能而不超出损坏阈值。图5B 和5C图示与凸起108的位置相关联的两种短轴分布，其中强度峰值出现在光束边缘。例 如，如2004年7月1日递交、序列号为No. 10/884,547、标题为"Laser Thin Film Poly-Silicon Annealing System (激光薄膜多晶硅退火系统)"的同时待审定美国专利申请的图8和图9 中所图示的对光束传递和光束处理系统的恰当控制可以被用于处理该短轴空间强度分布， 该美国专利申请通过引用以如同完整阐述那样被包括在本文中。图7是图示具有类似于图5B中所图示的短轴空间强度分布的光束712的使用 的图。如在图7中可以看到的，强度在凸起108附近最高。以这种方式，可向凸起108施 加额外的能量。因为更多的能量被包含在短轴分布的左手侧，所以步长704可以增加，从
12而更接近地趋近于理论最大值，但仍旧确保凸起108的充分熔融。换言之，通过使用诸如图5B和5C中所图示的短轴空间强度分布，部分310 可以减小，而步长可以增加。将理解，步长的增加将取决于实现方案，但是步长可以由于 光束在凸起108的位置增加的强度而更接近理论最大值。对于5pm的光束宽度，步长例 如可以增加多至数百纳米。图8是根据本文描述的系统和方法的一个实施方案用于制造液晶显示器的示 例性表面处理系统800。如上述的薄光束定向结晶将具有更高的吞吐率、提高的多晶硅均 匀性的横向晶体生长的益处与修整短轴空间强度分布相结合。与标准ELA工艺相反，薄 光束定向结晶工艺增加吞吐率，同时产生更均匀的材料。使用特殊设计的激光器802和定制的光束形成光学系统804，基底809可以暴 露给长而薄的光束808。光束形成光学系统804可以产生例如上面关于图5A-5C所讨论的 短轴空间激光光束分布。在一个实施方案中，长而薄的光束808可以测量为5微米宽乘以 直至730毫米长。该光束配置可以允许在单次激光脉冲期间跨玻璃基底809宽度的完全覆 盖。因为5微米宽的区被致使完全熔融，硅通过横向生长结晶而固化，导致高迁移率的多 晶硅。为了处理整个基底809，可以在光束808之下扫描该玻璃，从而在单趟中发生结晶。 玻璃可以恒速移动，并且可以触发激光器在约2微米的平移(translation)后进行发射。通 过将每个新的"条带"重叠在之前一个之上，新的条带可以从前一条带的良质多晶硅"生 晶"，并且该系统可以跨整个基底809实现长的、均匀的晶体颗粒的连续生长。具有如上面描述的短轴空间强度分布的薄光束定向结晶可以比ELA高效得 多，其中，在薄光束定向结晶中使用少得多的脉冲来曝光每个区域，例如少于ELA所使 用的20-40个脉冲。这可以提供高得多的面板吞吐率。此外，处理窗口可以比ELA大得多， 因为它不依赖于部分熔融，这还帮助提高生产率。因为整个面板可以在单趟中曝光，所以 具有如上描述的短轴空间强度分布的薄光束定向结晶还可以避免在诸如SLS和ELA的多 趟曝光技术中可以看到的重叠区所导致的非均匀性。薄光束定向结晶的实际实现可以包括例如该系统中的三个主要部件激光器 802、光束形成光学系统804和工作台810。在一个实施方案中，可以使用具有悉心选择的 功率、脉冲频率和脉冲能量组合以支持长光束和高扫描率的特殊设计的高功率激光器802。
该激光器802例如可以提供900W的功率，这几乎是当前ELA激光器功率的三倍，以确 保最高的吞吐率。在一个实施方案中，可以使用初始为高要求的半导体光刻应用所设计的 激光器802，来确保跨整个基底良好的多晶硅和TFT性能均匀性。在一个实施方案，可以使用步进器(stepper)或平移器(translator)来在长而 薄的光束808之下移动工作台810。以这种方式，可以控制面板809在光束808下的部分， 从而面板809的各个部分可以被处理。在一个实施方案中，面板809可以为非晶硅包覆的玻璃面板。因此，光束808可以被用来熔融面板809上的硅膜表面。开发了光学系统来构建最佳光束形状。在一个实施方案中，最佳光束形状可以 是足够长以覆盖基底的整个宽度并且足够窄以优化结晶过程。可以对在该光学系统中包含 的投影光学系统的设计特别小心，以确保在高功率负载下的热稳定性和受控的焦深 (DOF)，以及使光学系统的寿命最大化。在一个实施方案中，为了确保在扫描方向上的快速移动，激光器必须以高重复 率(例如6KHz)进行工作，并且工作台速度可以例如对于约2微米的节距为12毫米/秒。 基底可以在单趟中曝光，这需要约150毫焦/脉冲来曝光Gen4基底。在一个实施方案中， 具有6KHz、 900W的激光器的薄光束结晶系统可以在少至75秒中处理整个Gen4面板。对于根据本文所描述的系统和方法可以使用的表面处理系统800的示例性实 施方案的更详细的描述，在序列号为No. 10/781,251; 10/884,101; 10/884,547和11/201,877
的美国申请中描述。在例如硅膜的TDX处理中的晶体生长开始时，所述膜的结晶形取向一般由于 非晶硅内晶体晶种的随机形成而是随机的。在该处理的每个脉冲上，由光束辐照形成的熔 融硅的一侧重新从之前重复(iteration)中生长的颗粒横向且外延地固化。另一侧由新近 形成的晶种从光束下膜的初始非晶部分横向生长。因为光束和/或衬底相对于彼此移动。随着光束横跨例如非晶硅包覆的玻璃面板进行扫描，TDX工艺可以引起在扫 描方向、垂直于膜或者两者的结晶纹理(texture)。该结晶纹理的形成是由于随着面板在 光束下移动或者光束横跨面板移动，由光束辐照所形成的熔融硅区域的一侧以横向和外延 的方式从在前面的重复中生长的颗粒重新固化。因此，随着光束横跨非晶硅包覆的玻璃面 板进行扫描，可以形成结晶纹理，因为在每次照射，硅的一部分从其之前的一部分生晶。图9A是图示在"n"次脉冲后光束的示例性位置900的图。随着光束横跨膜表 面902移动，每个脉冲可以被定时为在膜表面902移动一标称步长时发生。如上面讨论的， 在每次脉冲，由光束辐照所形成的熔融硅区域的一侧904以横向和外延的方式从前面的重 复中生长的颗粒重新固化。相对侧906由新近形成的晶种从光束下膜的初始非晶部分横向 生长。相对侧906最终可以通过后续脉冲被重新熔融。因为侧904以横向和外延的方式从 前面的重复中生长的颗粒重新固化，因此可以在固化区908形成结晶"纹理"。换言之，由于上面描述的工艺产生定向固化材料，即多晶硅，因此所产生的材 料可以包括"纹理"，因为纹理通常是在定向固化的材料中演变出来的。这样的纹理可以发 生在扫描方向、垂直于扫描方向或者这两者。所产生的纹理可以取决于材料、膜厚度、工 艺变量和相变。例如，在TDX工艺中，纹理的发展可以受步长、入射能量密度、激光光 束强度分布形状、使用者波长和激光脉冲持续时间的影响。
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如图10A所图示的，在例如对硅膜的TDX处理中晶体生长开始时，结晶取向 由于晶体晶种的随机形成而是随机的。该随机形成在膜的部分1016之上延伸。然而，随 着该工艺继续，结晶在部分1018中变得更均匀，因为熔融区的一侧904以横向和外延的 方式从前面的重复中生长的颗粒重新固化。如上面所解释的，该工艺产生如图IOA的部分 1018中所图示的长而均匀的颗粒。但是随着该长颗粒的形成，所述纹理可能横跨部分1018而变化。该纹理的变 化可能产生在处理的膜1000上形成晶体管1008性能上的非均匀性。换言之，纹理的变化 可能导致迁移率的变化以及其他影响晶体管1008性能的参数。这降低晶体管1008性能的 均匀性，这可能对显示器性能具有负面影响。在某些实施方案中，可以通过在预先确定的位置中断外延横向生长来阻止结晶 纹理形成。通过中断外延横向生长，每个新的区段中的后续外延横向生长从新的晶种重新 起始，由此使正在生长的颗粒的结晶取向重新随机化。图9B是连同图9A和9C根据一个实施方案图示用于处理膜902的示例性工 艺，该工艺使用故意过照射(intentional overshot)来中断膜902中横向生长。通过引入故 意的步进过照射(step overshoot) 910，可以打破固化区908的结晶纹理。在"第n"个脉冲 后，光束可以重新定位到位置912，在固化区908之间留下一间隙。该间隙可以被称为受 控过照射，因为例如非晶硅包覆的玻璃面板可以被允许在下一次辐照发生之前向前移动更 远。在一个实施方案中，该非晶硅包覆的玻璃面板可以以恒速移动，同时辐照的定时可以 被控制以留下间隙。如图9C中示出的，光束的后续脉冲形成横向固化区914，其中结晶取向再次 被重新随机化并且纹理化重新开始。这可以在图10B中所描绘的图的帮助下图示。图10B 图示在边界1004和1006引入故意过照射的情况下膜1002的结晶。如可以看到的，在每 次过照射之后，结晶再次随机化并且随后纹理化重新开始。在一个实施方案中，外延横向生长可以被阻止，并且大约每10-20微米重开始， 或者具有与晶体管1008的布图相匹配的节距。参照图9A-9C,峰916可以作为过照射的 结果而产生；然而，峰916的形成不应该影响性能，因为晶体管1008的活动区(active area) 并非跨边界1004和1006 (峰916将发生的地方)形成。因此，纹理将有较少机会在结晶 膜1002内发展出来并且晶体管1008的均匀性可以被最大化。在另一实施方案中，受控的 过照射可以在约每10微米发生。图10A的结晶膜1000将由于通过上述TDX工艺创建的晶体结构出众的质量 而呈现高迁移率。因此，结晶膜1000对于电路区域中晶体管的形成来说可以是优选的。 相反，图10B的结晶膜1002将呈现更好的均匀性，这可以使其对于显示区域中TFT的形成来说是优选的。因此，在显示面板的形成中将用于产生结晶膜1000和1002的两种工艺 组合可以是优选的。换言之，对于显示电路区域产生高质量的结晶膜(例如膜IOOO)而对 于显示区域本身产生更均匀的结晶膜(例如膜1002)可以是优选的。由于膜1002的较低质量，在膜1002上形成的TFT 1008的性能将不如在膜1000 上形成的晶体管；然而，已经显示，对于显示区域来说均匀性更重要而对于在电路区域形 成的晶体管来说质量更重要。因此，通过选择性地包括两种类型的膜，可以更好地优化两 种区域的性能。因此，当处理面板时，工艺的改变可以对不同区使用，以通过折衷质量对均匀 性来优化总体性能。例如，高质量结晶膜用于显示电路区域而更均匀的结晶膜用于显示区 域。图11是根据一个实施方案图示已经使用可变工艺处理的面板1100的图。面板1100 可以为其上形成有非晶硅膜的玻璃面板。在图11的实施例中，从面板IIOO产生数个区 1114。每个区1114可以由未处理的a-Si区1112分开。此外，每个区1114可以包括高迁 移率(例如高质量)区1104和较低迁移率但更均匀的区1106，所述高迁移率区1104用于 形成电路区域1108，而所述较低迁移率但更均匀的区1106用于形成显示区域1110。可以通过在底部所示箭头的方向上在激光光束1102下移动面板1100来从底到 顶处理面板1100。光束1102的每次照射的步长可以随产生区1104和1106所需而改变。 这可以通过改变面板1100平移的速率来实现。在其他实施方案中，面板1100可以以恒速 移动而改变激光1102的发射速率，即用于在区1106中产生故意的过照射910。例如，电路区域1108和显示区域1110的设置可以基于面板1100的预先确定 的布图或绘图(mapping)。该布局或布图可以预载入或者持续地馈送到控制器，从而激 光脉冲之间的步距可以以逐次照射为基础进行改变。随后可以使用面板IIOO预先确定的 布局来处理一个或更多个面板1100，以引导在面板1100的区1108和1U0中使用何种工艺。例如，OLED显示器可能从像素寻址TFT要求高度均匀性，而高性能一般不 是必须的。因此，在一个实施方案中，可以使用比横向生长长度大的步长来处理显示区域 1110。 一般来说，在该步长可以大于横向生长长度的同时，它还可以小于横向生长长度的 两倍。例如，对于5微米的光束宽度，显示区域1110可以具有例如在约2.5到3.5微米之 间的步长来优化均匀性。相反，数字电路区域1108 —般不打算被看到，并且因此视觉效 果一般不重要。然而，性能在数字电路区域1108可以是重要的，因为例如高性能可以导 致更高速度的数字电路。因此，可以使用小于横向生长长度的步长。例如，数字电路区域 1108可以使用小于1微米的步长。结晶仍可在单趟中发生。在一个实施方案中，在扫描期间重新编程不是必要的，因为触发激光脉冲1102 进行发射的操作可以随面板IIOO在光束下移动而发生，并且可以例如通过改变激光脉冲对于激光移动和/或激光相对于面板移动的速率来实现不同的步 长。此外，可以留出不需要晶体材料的区域不受辐照。尽管实施例是使用薄光束定向结晶工艺来处理非晶硅玻璃面板，但是将理解，
任何其中步长影响所得的多晶材料均匀性和质量(即颗粒尺寸、结晶取向等等)的定向固 化工艺可以从本文描述的系统和方法受益。在其他实施方案中，控制步长的能力可以被用来改进显示其的质量。例如，当 使用均匀步长时，可以产生周期性的分条(stripped)图形，该图形在显示区域可以对观看 者来说为可视。该分条的图形是由激光重叠应用所产生的。如图6中看到的，区603是不 连续的，而是包括周期性的形状。如上面所观察的，该周期性的形状可以被视为如图12A 中所图示的条形图形。图12A是图示具有恒定步距1204的TDX扫描1202的图，并且图12B是图示 具有故意的非均匀步距的TDX扫描1208的图。每个扫描1202和1208可以沿扫描轴线 1200发生。扫描1202具有恒定的步距，因此每条虚线1206可以指示从重叠区的边缘的照 射标记。取决于步距1204，下一次照射可以与上次照射重叠。具有恒定步长的TDX扫描1202—般将是重复性的。如果显示表面太过重复性， 则眼睛将看到表面上小的瑕疵。此外，表面上的瑕疵可能由于扫描的均匀性而重复。为了 使显示表面上的任何瑕疵更难被眼睛看到，可以使用具有故意非均匀步距的TDX扫描。 该非均匀的步距可以帮助中断例如LCD或者OLED显示器中由于其他方式恒定并且因此 周期性出现的步距而感觉到的任何视觉效果。在一个实施方案中，该步长可以在某个范围 (例如1到2微米)内改变。在另一个实施方案中，该步长可以以某个范围改变，例如l 到2微米。图13是图示显示器1300的图，所述显示器1300包括一围绕显示区域1304 的电路区域1302。如上面解释的，可以针对电路区域1302和显示区域1304使用不同的扫 描速率或者图形来优化性能；然而，这一般会要求两种扫描， 一种沿着x轴而一个沿着y 轴。这可能要求在一个方向(例如在x方向)进行扫描，移出面板，将面板旋转90度并 且接着在同一方向进行重新扫描来形成其余的电路区域；然而，通过使用可以将面板旋转 90度的工作台，可以快速且高效地实现电路区域1302和显示区域1304的形成。尽管上面已经描述了本发明的一些实施方案，但是将理解，所描述的实施方案 仅是为实施例的方式。因此，本发明应该不基于所描述的实施方案而受限。相反，本文描 述的发明的范围应该仅受限于当连同上述描述和附图考虑的所附权利要求书。
1权利要求
1.一种用于处理衬底的设备，包括被配置为周期性地产生激光的激光器；光束整形光学系统，所述光学系统被耦合到所述激光器并且被配置为将从所述激光器发出的激光转换为具有短轴和长轴的长而薄的光束；以及被配置为支撑所述衬底的工作台；以及耦合到所述工作台的平移器，所述平移器被配置为推进所述衬底，从而产生与所述激光器的周期性发射相协同的步长，所述平移器和所述激光器还被配置为导致故意的步进过照射。
2. 如权利要求1的所述的设备，其中离第一故意的步进过照射约10微米导致第二故 意的步进过照射。
3. 如权利要求1的所述的设备，其中离第一故意的步进过照射约20微米导致第二故 意的步进过照射。
4. 如权利要求1的所述的设备，其中在第一故意的步进过照射之后导致第二故意的 步进过照射，从而可以在使用所述设备处理的衬底上在所述第一和第二故意的过照射之间 形成至少一个电子器件。
5. 如权利要求4的所述的设备，其中所述电子器件包括晶体管。
6. 如权利要求1的所述的设备，其中是在预先确定的位置导致故意的步进过照射。
7. 如权利要求6的所述的设备，其中所述预先确定的位置是基于预先确定的设计来 确定的。
8. 如权利要求6的所述的设备，所述设备还被配置为旋转所述工作台。
9. 如权利要求8的所述的设备，其中所述工作台可以旋转90度。
10. 如权利要求1的所述的设备，其中在所述短轴上的光束分布具有更多的能量处于 所述光束的一个边缘附近，所述边缘对应于所述衬底上的硅膜中的凸起。
11. 一种用于处理衬底的设备，包括 被配置为周期性地产生激光的激光器；光束整形光学系统，所述光学系统被耦合到所述激光器并且被配置为将从所述激光器 发出的激光转换为具有短轴和长轴的长而薄的光束；以及被配置为支撑所述衬底的工作台；以及耦合到所述工作台的平移器，所述平移器被配置为推进所述衬底，从而产生与所述激 光器的周期性发射相协同的步长，其中所述步长可以在至少两种距离设置之间改变。
12. 如权利要求ll的所述的设备，其中至少一种距离设置小于横向生长长度。
13. 如权利要求ll的所述的设备，其中至少一种距离设置大于横向生长长度。
14. 如权利要求ll的所述的设备，其中至少一种距离设置小于横向生长长度的两倍。
15. 如权利要求11的所述的设备，其中在所述短轴上的光束分布具有更多的能量处 于所述光束的一个边缘附近，所述边缘对应于所述衬底上的硅膜中的凸起。
16. 如权利要求11的所述的设备，其中一种距离设置在一组预先确定的位置被用来 处理预先确定的区域。
17. 如权利要求16的所述的设备，其中所述预先确定的区域是由预先确定的设计来 确定的。
18. —种用于处理硅膜的设备，包括 被配置为周期性地产生激光的激光器；光束整形光学系统，所述光学系统被耦合到所述激光器并且被配置为将从所述激光器 发出的激光转换为具有短轴和长轴的长而薄的光束；以及 被配置为支撑衬底的工作台；以及耦合到所述工作台的平移器，所述平移器被配置为推进所述衬底，从而产生与所述激 光器的周期性发射相协同的步长，所述平移器和所述激光器还被配置为导致故意非均匀的 步距。
19. 如权利要求18的所述的设备，其中所述非均匀步长以1微米到2微米的范围改变。
20. 如权利要求18的所述的设备，所述非均匀步长在1微米到2微米之间改变。
21. 如权利要求18的所述的设备，其中在所述短轴上的光束分布具有更多的能量处 于所述光束的一个边缘附近，所述边缘对应于所述衬底上的硅膜中的凸起。
22. 如权利要求18的所述的设备，所述设备还被配置为在其中所述步距为均匀的模 式下工作。
23. 如权利要求22的所述的设备，其中所述设备被配置为在这样的模式下工作，在 所述模式中，当处理显示区域时，所述步距为非均匀的。
24. 如权利要求22的所述的设备，其中所述设备被配置为在这样的模式下工作，在所述模式中，当处理非显示区域时，所述步距为均匀的。
全文摘要
在被配置为使玻璃基底上的硅层退火的薄光束定向结晶系统中，使用特殊的激光光束分布，所述激光光束分布在一个边缘具有强度峰值。该系统完全熔融硅膜的一空间受控的部分，导致横向晶体生长。通过推进基底或者激光器某个步长并且使硅层经受来自激光器的连续逐次“照射”，使整个硅层结晶。横向晶体生长在熔融区域的中心造成凸起，该凸起必须被重新熔融。因此，所述步长必须允许在连续逐次照射之间即熔融区之间具有足够的重叠，以确保凸起被熔融。这要求步长小于光束宽度的一半。较小的步长减小吞吐率而增加成本。根据本文描述的系统和方法所使用的特殊的激光分布可以增加步长，并且由此增加吞吐率且降低成本。
文档编号C30B35/00GK101517135SQ200780029667
公开日2009年8月26日 申请日期2007年7月23日 优先权日2006年8月7日
发明者B·A·特克, B·伯范德特, D·S·诺尔斯 申请人:Tcz私营有限公司