专利名称：用激光结晶化法加工衬底上半导体薄膜区域的方法和屏蔽投影系统的制作方法
说明书优先权要求该申请要求的优先权是James S.Im于2000年11月27日提交的暂时申请案60/253,256，题为“采用激光结晶化法加工衬底上的半导体薄膜区的掩模投影系统”。政府权利声明根据美国国防先进研究计划署的授予号N66001-98-1-8913规定，美国政府有某些支配本发明的权利。
发明所属领域本发明是有关加工半导体薄膜的技术，尤其是有关利用有图形的激光子光束加工半导体薄膜的技术。
发明
背景技术：
连续横向凝固(sequential lateral solidification)是一种为人熟知的制造大晶粒单晶或多晶硅薄膜的技术。例如，在此引用作为参考的，且专利申请已转让给本申请的共同受让人的美国专利09/390,537，披露了一种利用能量可控激光脉冲和小幅平移硅样品以实施连续横向凝固而成长大晶粒多晶或单晶硅结构的详细优越设备和方法。此处描述的连续横向凝固技术和系统能在那些不允许外延再生长的衬底上生产出低缺陷密度的晶体硅薄膜，据此能制造高性能的微电子设备。
尽管上述专利文献披露了一种优越的实施连续横向凝固的系统，但人们还是尽力地改进其它能实施连续横向凝固的系统。美国专利5285236(’236专利)所披露的系统就是其中之一，在此引用作为参考。
参考图1，它是’236专利披露的一种1∶1投影照射系统。具体而言，包括产生能穿过光学系统22的均匀激光束的照明系统20，屏蔽14，以及投影透镜和入射在衬底样品上的反向单元。但是，此现有技术的投影照射系统中，屏蔽14上的能量密度必须大于衬底10上的能量密度。若考虑对衬底10影响很大的方法时，就会有问题出现，因为屏蔽14上的高能量密度会使其自身受到物理损害。另外，这样的高能激光还会损坏系统的光学元件。所以，有必要改进’236专利所描述的投影照射系统，可以在不损害屏蔽14的情况下实施连续横向凝固方法。
为了达到这些目的以及通过以下说明将会变得显著的其它目的，本发明一般提供，使照射束穿过分光器，将其变成两束光束，且每一束只提供原始束能量的一部分。
在本发明的一个示范实施例中，提供了一种在衬底上加工硅薄膜的方法和系统。尤其是，控制照射束发生器以预定脉冲重复频率连续发射出照射束脉冲。这些照射束脉冲被分成第一组光束脉冲和第二组光束脉冲。第一组光束脉冲照射穿过一个屏蔽，产生许多子光束(beamlets)。第二组光束脉冲和这些子光束入射和照射硅薄膜的至少一个区域。当第二组光束脉冲和子光束同时照射着薄膜的这个区域时，它们具有足以熔化硅薄膜该区域整个厚度的复合强度。照射束发生器装置以预定的脉冲重复频率连续发射出照射束脉冲。
在本发明的另一个示范实施例中，将照射束脉冲送至分光器，分光器将其分成第一组光束脉冲和第二组光束脉冲。分光器最好位于照射束到屏蔽路径的上游，在照射束脉冲抵达屏蔽之前被分成第一组光束脉冲和第二组光束脉冲。
在本发明的又一个示范实施例中，第一组光束脉冲的强度低于损害、降级或破坏屏蔽所需的强度。同时，在第二组光束脉冲还未到达屏蔽之前转移它，从而阻止其抵达屏蔽。另外，较佳的是，第二组光束脉冲的强度低于熔化硅薄膜这个区域整个厚度所需要的强度。
在本发明的再一个示范实施例，当照射硅薄膜的某个区域时，这个被照射和熔化的硅薄膜区域可以重新凝固和结晶。重新凝固和重新结晶后，平移样品使得子光束和第二组光束脉冲照射硅薄膜的又一个区域。薄膜的这个区域与重新凝固和重新结晶的区域至少有部分重叠。而且，可以微平移样品使得子光束和第二组光束脉冲至少照射一个先前照射、完全熔化、重新凝固和重新结晶的硅薄膜区域中的部分。
子光束和第二组光束脉冲可以由样品微平移后的位置处照射和完全熔化硅薄膜区域。屏蔽可有类似于点状的图形，图形的点状部分是屏蔽的遮光区域，它阻止第一组光束脉冲射穿屏蔽。屏蔽还可以有线状图形，图形的线状部分是屏蔽的遮光区域，它阻止第一组光束脉冲射穿屏蔽。而且，屏蔽还有透明图形，图形的透明部分不包括任何遮光区域。
在第一组光束脉冲和/或第二组光束脉冲的路径上，也可能有照射束扩展设备。
披露中引用和包括的
了本发明的较佳实施例，解释了本发明的原理。
图2示出本发明的一个投影照射系统的实施例的示意框图。
图3A示出采用图1所示的现有技术之中投影照射系统的硅薄膜样品的能量密度图形的示意曲线图。
图3B示出采用图2所示的本发明中投影照射系统实施例的硅薄膜样品的能量密度图形的示意曲线图。
图4A-4I示出本发明方法的第一个实施例中在横向凝固(″LS″)加工过程中不同阶段的照射束脉冲照射图形和薄膜样品示范区晶粒结构的示意图。
图4J示出采用图4A-4I所示方法制造的薄膜设备的俯视图。
图5A-5E示出本发明方法的第二个实施例中在LS加工过程中不同阶段的照射束脉冲照射图形和薄膜样品示范区晶粒结构的示意图。
图6A-6D示出本发明方法的第三个实施例中在LS加工过程中不同阶段的照射束脉冲照射图形的示意图和薄膜样品示范区晶粒结构的示意图。
图7示出是采用图4A-4I、图5A-5E、图6A-6D所示的方法且至少部分由图2中的计算机控制的LS加工过程的流程图，可由图2中的系统执行该流程。
发明详细描述图2示出依照本发明的投影照射系统的一个示范实施例的方块示意图。具体地讲，光束源200(例如一个脉冲准分子激光器)产生的准分子激光束201(由光束脉冲组成)穿过分光器210，变为两个光束211和221。在本发明的一个示范实施中，这两个分光束211和和221各自的能量是原始光束201能量的50％。本发明还允许图2所示的系统利用其它复合能量。光束211和221是由一组光束脉冲组成的。
光镜212可以改变第一分光束211的方向至均化器213处，然后形成均匀光束215。此后，第二个光镜214改变均匀光束215(以及其光束脉冲)的方向，使其入射至样品平移台250夹持的半导体样品260上。应该理解，诸如金属的、介电的、聚合物薄膜的样品也可以替换硅半导体样品260。
在相同时间间隔内，光镜222可以改变第二分光束221(以及其光束脉冲)的方向，使它穿过屏蔽230。放置光镜使得第二光束221与屏蔽230排成一行，以允许第二分光束221(以及其光束脉冲)照射穿过屏蔽，变成屏蔽过的光束脉冲225。第二个光镜231改变屏蔽光束脉冲225的方向，使它通过投影透镜240。此后，穿过投影透镜240的屏蔽光束脉冲225又被反向单元241改变方向，入射至半导体样品260上。屏蔽230、投影透镜240和反向单元241可以与上述’236专利中描述的相似或相同。尽管可以采用其它复合光束，但较为理想的是，原始光束201(以及其光束脉冲)应该在穿过屏蔽230之前被分开。
熟悉本技术领域的人应该理解，与脉冲准分子激光源相反，在适当改变光源200到样品260的照射束路径的情况下，光束源200可以是另一种为人熟知的低能脉冲，这种脉冲能够以如下所述的方式熔化一层硅薄膜，例如脉冲固态激光、截断式连续波激光、脉冲电子照射或脉冲离子照射等。理想的是，与光束源200和样品台250连接的计算机270(例如，利用Intel Pentium4微处理机的计算机)控制样品台的平移和微平移。计算机270也可以控制屏蔽230的微平移，以致变换第一和第二光束211和221相对于样品260的照射图形。一般而言，光束源200产生的照射束脉冲的光束强度在10mJ/cm2～1J/cm2范围之内，脉冲宽度(半峰宽FWHM)在10～103纳秒(nsec)范围之内，脉冲重复频率在10Hz～104Hz范围之内。
图3A示出的是利用现有技术图1中的投影照射系统的能量密度图形的示范曲线图。具体地讲，如图1所示的现有技术之中的系统所提供的，没有分光器时衬底样品10平面的能量密度图形曲线图。如图3A所示，为了将硅薄膜样品特殊部分整个厚度完全熔化，激光脉冲的能量(Emelt)必须够大，而且可能要大于损坏屏蔽230能量的临界值(Edamage)。
图3B示出的是利用图2中的投影照射系统的示范实施例的硅薄膜样品的能量密度图形的示范曲线图。其中分光器211将原始光束201分成两个分光束211和221。具体地讲，第二分光束221的能量密度分布于屏蔽230平面的损坏能量临界值(Edamage)之下。在这种情况下，光束源200发射的照射束产生的光束就不会损坏或降级屏蔽230。同时，与第一分光束脉冲211相对应的均匀光束脉冲216照射样品260，脉冲216的强度不足以熔化硅薄膜样品260的整个厚度。当第二分光束221的强度与第一分光束211的强度加和后，所形成的复合脉冲的强度就足以熔化硅薄膜样品260的整个厚度。
本发明的方法的第一个示范实施例可参见图4A-4I。具体而言，图4A示出的是样品260的示范区，所示样品260可以是诸如部分集成制造的电路设备。示范区包括至少一个(较为理想的是一个以上的区域)硅薄膜区域82。区域82可以在水平方向和垂直方向延伸。区域82以及样品160上的其它区域有沿不同方向随机取向的小晶粒和晶界。区域82的厚度在20nm～2μm范围之内。硅薄膜样品和相关区域还可以有本发明所允许的其它厚度。
图4B示出的是具有所需强度图形的第一照射束脉冲照射的区域82。在这个实施例中，该图形为“点状图形”，最好与区域82的某些部分成直线排列。第二分光束221照射图2中的屏蔽230之后，就可以形成这样的图形。具体地讲并结合下面的细节，屏蔽230有一个或多个组的处于1微米相互正交位置处的遮光点状区的图形。因此，屏蔽230上这组遮光区会拦阻第二分光束脉冲221的通过，阻止它照射区域82上相应的部分。但是，屏蔽230上遮光点状区周围的其它区允许脉冲通过，通过的照射脉冲就会照射和熔化区域82的其它区(熔化区50)。所形成的光束脉冲的照射图形中包括与屏蔽230上的遮光点状区相对应的“阴影”区61。
当第二分光束脉冲221穿过屏蔽230的同时，第一分光束照射(但不熔化)样品260，第一和第二分光束脉冲211和221共同完全熔化的区域82的部分50，而不完全熔化点状未熔化区61。根据图2B所示的实施例，沿着区域82的中心线上有规则间隔的未熔化区61。具体而言，第一组第一和第二分光束脉冲211和221(第二分光束脉冲221的照射图形由屏蔽230限定)照射硅薄膜的区域82时，每个未被阻塞的第二分光束脉冲221照射的区域就会熔化穿整个厚度，而区域82中被屏蔽230遮光图形阻塞的区域会至少保持部分不熔化。所以，区域82的未熔化区50保持硅薄膜区域82的初始形成时的晶粒结构。
照射图形的阴影区有一个小的横截面区，阴影区的形状与未熔化区61的形状相对应，所述的未熔化区可以是任意的形状，如圆形、方形等。较为理想的是，阴影区应该足够大，使得样品260上的硅薄膜周围的熔化区不会完全熔化区域82上的与各个阴影区相连接的区域61。根据本发明和上述的描述，与阴影区重叠的区域82的区61会至少保持部分不被熔化。
再参考图4C，第一组第一和第二分光束脉冲211和221照射样品260上的硅薄膜的区域82后，区域82熔化部分可以冷却和重新凝固。既然硅薄膜的区域82的至少部分未熔化区63的晶粒结构如同区域82的61区的原始晶粒结构，那么每个至少部分未熔化区63的就会在毗邻的区域82中重新凝固的熔化区中种植横向生长的晶粒。在每个熔化区的这种重新凝固期间，由分别重新凝固区域55中的每个至少部分未熔化区63长出的晶粒立刻包围硅薄膜样品82区域的每个至少部分未熔化区63。55区重新凝固后，在其边界处会形成52区。成核而形成的52区是小晶粒多晶硅区，即与区52相对应的硅薄膜区域被部分熔化，然后在小晶粒存在的条件下重新凝固。每个重新凝固区55与各自的52区、毗邻重新凝固区55以及其自己的52区之间有一定的界限。通过重新凝固区55中至少未被熔化区63，在重新凝固区55中种植籽晶，使得重新凝固区55生长晶粒。
每个至少部分未熔化区63的邻接晶粒生长的距离大约是屏蔽230的子光束(或形成的光束脉冲)限定的熔化区宽度的一半。以这种方式，可以在区域82的熔化区重新凝固后，在重新凝固区55中形成大晶粒62。毗邻的至少部分未熔化区63之间的距离，应该使得在硅薄膜区域82的熔化区重新凝固完成之前(即在相关距离内新的晶粒成核之前)，每个未熔化区63的晶粒生长与两个毗邻的至少部分未熔化区63的晶粒生长能够衔接。晶粒的特征生长距离是在新的晶粒成核之前晶粒生长的距离。
参考图4D，第一和第二分光束脉冲211和221最好照射硅薄膜样品的区域82的固定位置，所以计算机270控制样品平移台重新定位样品260。如此以来，第二组第一和第二分光束脉冲211和221的照射图形的阴影区64(第二分光束脉冲221的第二组穿过屏蔽230时产生的)可以微微移动一定的距离，该距离小于最大的邻接晶粒生产距离(该距离是第一和第二分光束脉冲211和221的第一组照射产生的，与第一和第二分光束脉冲211和221的第二组照射图形在区域82上阴影区61的先前位置相对应)。邻接晶粒生产距离是晶粒由至少部分未熔化区生长至毗邻的熔化区，且该过程发生在同一个熔化区中邻接的另一个晶粒生长以及生成邻接的区52(即成核区)之前。以这种方式，第一和第二分光束脉冲211和221的第二组照射在硅薄膜样品的区域82上，每个阴影区64不同于之前的阴影区，它与第一和第二分光束脉冲211和221的第一组照射形成的重新凝固区55有部分区域重叠。
例如，新阴影区64的位置相对于之前的阴影区61有0.01m～10m范围之内的距离移动。可以认为这样微小距离的移动为“微平移”。或者，第二组第一和第二分光束脉冲211和221照射区域82时，屏蔽230也可以代替样品260或与样品260一起微微平移，同样可以使照射图形的阴影区64移位。尽管，第二组第一和第二分光束脉冲211和221的照射图形的子光束相对于第一组第一和第二分光束脉冲211和221的照射图形的子光束发生了位移，但是，位移后的子光束完全重叠于区域82中与位移后的阴影区64不重叠的部分。
如图4D所示，样品260如上所述微平移后，图2系统中的第一和第二分光束脉冲211和221第二组照射区域82。如此以来，与移位后的以及未被阻塞的子光束相重叠的硅薄膜样品的区域82的每个部分就会被熔化穿整个厚度，并且区域82中被屏蔽230的点状图形阻止照射的部分至少保持部分不熔化。每个至少部分未熔化区毗邻于临近的熔化区。样品260可以朝任何方向微平移，只要位移后的阴影区64与重新凝固区55有部分重叠，所述重新凝固区55与第一和第二分光束脉冲211和221的第一组照射图形的阴影区61有部分重叠。例如，样品可以在相对于X轴方向成-135°角的-A方向上微平移，或者样品在相对于X轴方向成45°角的+A方向上微平移，其中，角度逆时针方向旋状则为正。
图4E示出的是第一和第二分光束脉冲211和221的第二组照射后，而且熔化区完成重新凝固后的样品260上的硅薄膜的区域82。新的重新凝固区55’将生长更多的晶粒，所述新的重新凝固区55’是第一和第二分光束脉冲211和221第二组照射后熔化区重新凝固形成的。这是因为，与第一和第二分光束脉冲211和221第一组照射后形成的至少部分未熔化区63相比较而言，样品260第一次微平移以及第一和第二分光束脉冲211和221的第二组照射后形成的至少部分未熔化区65含有较少量的晶粒。如图4E所示，由每个移位后的至少部分未熔化区65横向生长的晶粒，或者到达重新凝固后形成的区域82的成核区52，或者与毗邻的移位后的至少部分未熔化区65的晶粒生长邻接，以形成新的重新凝固区55’，邻接的晶粒由各自邻接生长距离处生长。再参考图4E，与图4C所示的重新凝固区55相比较，重新凝固区55’的晶粒66量少个大。
参考图4F，第一和第二分光束脉冲211和221的第二组照射形成的熔化区完成重新凝固之后，样品260还可以沿任何方向微平移(相对于第一和第二分光束脉冲211和221)一定的距离，该距离小于最大邻接晶粒生长距离(第一和第二分光束脉冲211和221第二组照射区域82之后)。这样以来，第一和第二分光束脉冲211和221的第三组照射图形的两次移位后的阴影区67重叠于或照射重新凝固区55中不同的部分。图2F所示的一个实施例中，进一步微平移方向与X轴成45°角。样品260沿此方向微平移后，具有屏蔽230限定的照射图形的第一和第二分光束脉冲211和221第三组照射区域82，但照射阴影区经过两次移位的部分。两次移位阴影区67偏移先前阴影区64一定的距离，该距离小于第一和第二分光束脉冲211和221第二组照射之后形成的最大邻接晶粒生长距离，例如可以在0.01m～10m范围之内。尽管第一和第二分光束脉冲211和221第三组的照射图形的子光束相对于第一和第二分光束脉冲211和221第二组的照射图形的子光束发生了位移，但是，两次移位子光束完全重叠于区域82中那些不与两次移位阴影区67重叠的部分。
图4G示出的是第一和第二分光束脉冲211和221的第三组照射后样品260上的硅薄膜的重新凝固区域82，而且示出了熔化区完成了重新凝固。因为，与至少部分未熔化区65的一次移位相比较而言，至少部分未熔化区71的二次移位含有较少量的晶粒，所以随着区域82的每个熔化区重新凝固的完成，形成对应于新重新凝固区69将生长等量或少量的晶粒(第一和第二分光束脉冲211和221的第三组照射区域82之后)。如图4G所示，沿二次移位至少部分未熔化区71横向生长的晶粒，或者到达成核区52，或者与毗邻的二次移位至少部分未熔化区71的晶粒生长邻接，以形成新的重新凝固区69，邻接的晶粒生长于邻接的生长距离。与图4E所示的重新凝固区55’相比较，重新凝固区69’的晶粒68量少个大。
参考图2H，区域82的熔化区完成重新凝固之后(即，第一和第二分光束脉冲211和221的第三组照射之后)，样品260还可以相对于第一和第二分光束脉冲211和221沿任何方向微平移一定的距离，该距离小于第一和第二分光束脉冲211和221的第三组照射之后产生的最大邻接晶粒生长距离。这样以来，第一和第二分光束脉冲211和221的第四组照射图形的三次移位阴影区67与照射重新凝固区69的不同部分重叠。图4H所示的一个实施例中，进一步微平移方向与X轴成-135°角，进一步微平移距离在0.01m～10m范围之内。样品260沿此方向微平移后，具有与图4F所示的第一和第二分光束脉冲211和221第三组相同的照射图形第一和第二分光束脉冲211和221的第四组照射区域82，但相对于区域82阴影区72以及其照射图形都经过三次移位。
图4I示出的是第一和第二分光束脉冲211和221的第四组照射后的重新凝固区域82，以及每个完成了重新凝固的熔化区。与三次移位阴影63(即三次移位至少部分未熔化区)重叠或被照射的至少部分未熔化区73含有一个单晶。所以，第一和第二分光束脉冲211和221第三组再照射区域82之后，随着区域82的熔化区重新凝固，新的重新凝固区70一个对应区将可能生长等量或更多的晶粒。如图4I所示，沿三次移位至少部分未熔化区73横向生长的晶粒，或者到达成核区52，或者与毗邻的二次移位至少部分未熔化区73的晶粒生长邻接，以形成新的重新凝固区70。区域82的每个新重新凝固区70生长一个单晶，每个晶界垂直于境界位置处的一个区域82。应该理解，区域82经过图4A-4I所描述的多次或少次微平移、照射以及重新凝固步骤，才能获得图4I所示的区域82中的长晶粒晶体结构。
完成上述LS加工过程，硅薄膜的区域获得所需要的晶体结构之后，可以平移样品260至下一个区域以实施LS方法。例如，样品可以沿-K方向(与X轴成+135°角)平移一定距离，该距离最好稍小于区域82的重新凝固区的侧壁之间最长距离的直径。采用这种方式，第一和第二分光束脉冲211和221产生的平移后的照射图形照射样品260上的硅薄膜的临近部分，该部分偏移区域82的重新凝固区-45°角。
图4J示出的是示范薄膜晶体管设备90和90’的俯视图，所述设备可由图4A-4I中示出的方法制得。每个晶体管设备90和90’包括一个源端子(S)91，91’和一个漏端子(D)。另外，晶体管设备90和90’在大晶粒硅区域中有分别的活性沟道区93，93’，可在大晶粒的硅区域定位，这种定位将得到改进的电性能，允许其在高功能电路中使用。
图5A-5E描述的是本发明的第二个示范实施例。为了说明问题，将继续采用与描述第一个方法示范实施例(如图4A-4I所示)使用的样品260上的硅薄膜的区域82的相同结构来描述本发明的第二个示范实施例。正如第一个方法示范实施例中所述，初始时区域82在任意方向上取向的小晶粒和晶界。
参考图5B，具有屏蔽230的另一个实施例限定的照射图形的第一和第二分光束脉冲211和221的第一组照射区域82。所述屏蔽230包括一个相对较窄的遮光带，其被屏蔽的透明部分所环绕。遮光带会拦阻第二分光束脉冲221通过，但是遮光带周围的透明区允许第二分光束脉冲221通过。所以，当第二分光束脉冲221通过屏蔽230时，形成的光束脉冲的照射图形会有带状阴影区83，其形状与屏蔽230的遮光带的形状一致。除了阴影区83，由屏蔽230确定的第一分光束脉冲的强度图形，还包括照射与阴影区83不重叠的区域82的所有部分的子光束。阴影区83的宽度在0.01m～5m较为理想。
最初，放置样品使得具有第一和第二分光束脉冲211和221的第一组照射图形的阴影区83与区域82沿着硅薄膜的区域82的中心线重叠。第一和第二分光束脉冲211和221的第一组照射区域82中与非阴影区重叠且具有第二分光束脉冲221的照射图形的区域85和86后，熔化穿整个厚度，而与阴影区83重叠的区域至少保持部分未熔化。具有第二分光束脉冲211的照射图形的阴影区83应该足够宽，以致区域82中的熔化区85和86的热扩散不会严重熔化82区域中与阴影区83重叠的部分。第一和第二分光束脉冲211和221的第一组照射后，82区域中至少部分未熔化区84(参见图5C)将具有LS加工之前82区域的初始晶粒结构。
现在参考图5C，第一和第二分光束脉冲211和221的第一组照射区域82中熔化区85和86后，并且完成了冷却和重新凝固方法，将会由每个至少部分未熔化区84横向生长晶粒至未完全熔化且重新凝固的区域52(即成核小晶粒区)。如此以来，区域82中形成的重新凝固区87和88就会分别出现相对于区域82具有大晶粒和大角晶界的行73和74。
参考图5D，第一和第二分光束脉冲211和221第一组照射形成的区域82中的熔化区85和86完成重新凝固之后，样品260沿与X轴成135°角的M方向微平移，或屏蔽230(见图2)沿与X轴成-45°角的-M方向微平移，使得具有第一和第二分光束脉冲211和221第二组的照射图形的阴影区76移位，使得能与区域82中大晶粒行73重叠。熟悉该技术的人应该理解样品260与屏蔽230无论是独立或是一起微平移，都会使具有第一和第二分光束脉冲211和221的第二组照射图形的阴影区76与大晶粒行74重叠。尽管具有第一和第二分光束脉冲211和221的第二组照射图形的子光束相对于具有第一和第二分光束脉冲211和221的第一组照射图形发生了位移，但是位移子光束仍重叠于那些与位移阴影区76区不重叠的区域82所有部分。除了阴影区76区和子光束发生了位移之外，第一和第二分光束脉冲211和221的第二组照射图形与第一和第二分光束脉冲211和221的第一组照射图形是相同的。
样品260或屏蔽230(或同时)微平移后，第一和第二分光束脉冲211和221的第二组照射区域82。区域82中与位移子光束重叠的那部分的整个厚度会熔化，而与位移阴影区76重叠的那部分侧至少保持部分未熔化。每个至少部分未熔化区毗邻于附近的熔化区。因为至少部分未熔化区会包含相对于区域82比原始区域82的晶粒和晶界更大的大晶粒和形成更大角度的晶界，所以区域82中的熔化区77和78重新凝固后，这些大晶粒沿各个方向横向生长晶粒，由至少部分未熔化区85生长至区域82的重新成核区52，使得区域82有更大晶粒，如图5E所示。第一和第二分光束脉冲211和221的第二组照射区域82形成的熔化区完成重新凝固之后，可以反复实施以下方法，包括沿适合的方向反复微平移样品260或屏蔽，重新出现又一组第一和第二分光束脉冲211和221，样品260上的硅薄膜区域82的熔化区重新凝固以减少区域82中的晶粒数量。
完成上述LS加工过程，获得如上图5A-5E中所描述以及图4A-4I中所讨论的硅薄膜的区域82的晶体结构之后，可以平移样品260至下一个区域以实施LS方法。具体而言，样品可微平移至下一个区域以实施LS方法。例如，样品可以沿-M方向平移一定距离，使得第一和第二分光束脉冲211和221的下一照射稍微重叠于先前区域82中被照射、完全熔化且重新凝固的部分。这样，平移后的第一和第二分光束脉冲211和221产生的照射图形照射样品260上的硅薄膜的临近部分，该部分偏移区域82的重新凝固区-45°角。
图6A-6D描述的是本发明的第三个示范实施例。图6A示出的方法示范实施例中，屏蔽230包括至少两组狭缝300和310，他们各自又有遮光区307和317，遮光区周围分别是相应的屏蔽透明区305、390和315、319。本发明的这个方法示范实施例中使用的屏蔽230透明区305、390和315、319中没有任何遮光区。所以，狭缝300和310形成的第二分光束221的照射图案与屏蔽230的狭缝300和310的图案相实际上对应。
参考图6B，继续采用与描述第一个和第二个方法示范实施例(如图4A-4I、5A-5E所示)使用的样品260上的硅薄膜的区域82的结构来描述本发明的第三个示范实施例。正如第一个和第二个方法示范实施例中所述，初始时区域82有在任意方向上取向的小晶粒和晶界。最初，具有图6A中屏蔽230的实施例限定的照射图形的第一和第二分光束脉冲211和221的第一组照射到区域82的320、328、330、338部分。具体地讲，屏蔽230狭缝305和309形成的具有第二分光束的照射图形的部分照射区域320和328，屏蔽230狭缝315和319形成的具有第二分光束的照射图形的部分照射区域330和338。既然，屏蔽230遮光区会阻止第二分光束脉冲221照射区域82中毗邻与320、328、330、338区的329、339部分，所以区域329、339会至少部分未熔化。第一和第二分光束脉冲211和221的第一组照射区域320、328、330、338之后，熔化其整个厚度。
此后，硅薄膜的区域82中至少部分未熔化区329、339重新凝固和结晶，形成与未熔化区329、339相对应的成核区。而且，区域82中熔化区320、328、330、338被第一组第一和第二分光束脉冲211和221照射后，冷却和重新凝固，由成核区329、339横向生长的晶粒朝着完全熔化和重新凝固的区域320、328、330、338的中心322、332生长。如此以来，在区域82中就会形成重新凝固区320、328、330、338，而且每个重新凝固区域320、328和330、338会有各自两个的大晶粒行322、324和332、334。
第一组第一和第二分光束脉冲211和221照射形成的区域82中的熔化区320、328和330、338完成重新凝固之后，样品260沿与X轴成135°角的M方向平移，或屏蔽230(见图2)沿与X轴成-45°角的-M方向微平移，以致具有第二组第一和第二分光束脉冲211和221的照射图形发生移位，与区域82中重新凝固区320、328和330、338的至少一整行324、334重叠(较佳的是，与各自的中心322、332重叠)。熟悉该技术的读者应该理解样品260与屏蔽230无论是独立或时一起微平移，都会使具有第二组第一和第二分光束脉冲211和221的照射图形与至少一行324、334微微重叠。应该理解，第一和第二分光束脉冲211和221的第二组照射图形与第一和第二分光束脉冲211和221的第一组照射图形是相同的。在本发明的范围还允许，第二组第一和第二分光束脉冲211和221的照射图形与区域82中重新凝固区320、328和330、338的至少一行324、334微微重叠一小部分。
样品260或屏蔽230(或同时)平移后，第一和第二分光束脉冲21 1和221的第二组照射区域82的新区域340、342、350、352(他们与相对平移后的第一和第二分光束脉冲211和221重叠)。如同区域320、328、330、338，硅薄膜的新区域340、342、344、346的整个厚度被熔化。如前面所讨论的，屏蔽230的遮光区会阻止第二分光束脉冲221照射区域82中毗邻于340、342和344、346区的343、347区域，所以区域343、347会至少保持部分未熔化。图6C示出的就是被第一和第二分光束脉冲211和221照射的完全熔化区340、342、344、346已经重新凝固。也描述了部分未熔化区343、347。
图6D示出的是，区域82中完全熔化区340、342、344、346重新凝固后，区域343、347重新凝固和成核，以致成核区343、347的晶粒会种植籽晶于完全熔化区340、342、344、346中，这些区中的晶粒横向生长至各自的中心部分。同时，320、328、330、338区域中已凝固和没有重新熔化的部分的晶粒也会种植籽晶于熔化区340、342、344、346中，晶粒横向生长至这些区340、342、344、346中的各自中心部分。通过这种方式，晶粒就会由320、328、330、338区域中已凝固和没有重新熔化的部分延伸至新的凝固区340、342、344、346中，以致形成长晶粒，所述长晶粒扩展到硅薄膜区域82的分别与熔化区340、342和344、346相对应的重新凝固区的中心部分352、356和362、366。所以，324、334行中晶粒比350、354、360、364中的晶粒长。
通过这种方式，完成LS加工过程，获得图5A-6DE中所描述硅薄膜的区域82的晶体结构。应该理解，可以采用上述三个方法示范实施例中描述的方式。继续在+M方向上平移样品260或在-M方向上平移屏蔽230，直到整个样品根据本发明的第三个实施例被照射。
图7示出是采用图4A-4I、图5A-5E、图6A-6D所示的方法且至少部分由计算机控制的LS加工过程的流程图，图2系统执行该流程。在步骤500中，图2所示系统的硬件，比如光束源200和均化器213，至少部分由计算机270初始化。样品260在步骤505装载到样品平移台250上。应该注意，适用计算机270控制的样品装载设备时，这样的装载可以采用手动或使用已知样品装载设备自动控制。接着步骤510中，将样品台250平移，较为理想的是在计算机270的控制下，至一个初始位置510。在步骤515中，手控调节系统的各个其它光学元件，如有必要则利用计算机270控制，使他们聚焦成行。在步骤520中，稳定照射束/激光束201在一个预定的脉冲能量级别、脉冲宽度和重复频率。然后在步骤525中，引导稳定照射束/激光束201至分光器210，产生第一分光束脉冲211和第二分光束221。在步骤530中，第二分光束221与屏蔽230排成一行，第二分光束221照射穿过屏蔽230，形成屏蔽的光束脉冲225。
在步骤535中，如果样品260当前区域未熔化或已经凝固，具有屏蔽230控制的照射图形的屏蔽光束脉冲225和第一分光束脉冲211照射样品260当前区域。在此步骤中，可以采用图4A-4I和5A-5E中描述的方法使用方式平移样品260，照射和熔化相应区域的整个厚度。在步骤540中，确定样品260中是否还有其它需要执行LS加工过程的区域。如果有，利用样品平移台250平移样品260，以致下一个区域与第一和第二分光束脉冲211、221(步骤545)排成一行，返回至步骤535，在样品260的下一个区域上执行LS加工过程。否则，样品260的LS加工过程执行完毕，关闭图中所示系统的硬件和光束(步骤550)，整个方法终止。
上面只说明本发明的原理。根据这些原理，熟悉本领域的人员将明了，所描述的实施例还可有各种修该和变化形式。例如，尽管上述实施例是相对于连续横向凝固技术描述的，但也可以应用于其它材料加工技术，比如微细加工、光切除、显微花样技术，以及国际专利PCT/US01/12799和美国专利09/390,535、09/390,537、09/526,585中描述的技术，此处引用其所有的披露作为参考。上述参考的专利中描述的不同的屏蔽图形和入射光束图形也可用于本发明的系统和方法中。应该理解，熟悉本领域的人员将能够得到许多的系统和方法，虽然这里没有明显地说明和描述这些系统和方法，但是他们实施本发明地原理是在本发明地的精神和范围之内。
235871详细目录单“详细目录单”“PCT/US01/44415”“2002.03.14”“1.DOEO901根据U.S.C.371需要状态通知”“2.RO101 PCT/RO/101表备案件”“3.RO102N关于支付规定费用的通知-未答复”“4.RO105国际申请#和国际申请日的通知”“5.RO106要求补正国际申请缺陷(包括附件ABC)”
权利要求
1.一种加工样品上硅薄膜的方法，包括以下步骤(a)控制一个照射束发生器以预定重复频率发射照射束脉冲；(b)将照射束脉冲分为第一组分光束脉冲和第二组分光束脉冲；(c)使第一组分光束脉冲照射并至少部分穿过屏蔽，产生多个子光束；(d)提供第二组分光束脉冲和这些子光束入射并照射硅薄膜的至少一个区域，其中，当第二组分光束脉冲和这些子光束同时照射硅薄膜的至少一个区域时，第二组分光束脉冲和这些子光束提供的复合能量足以熔化硅薄膜至少一个被照射区域的整个厚度。
2.如权利要求1所述的方法，其中，第一组分光束脉冲具有与低于损坏和降级屏蔽所需强度相应的强度。
3.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(c)包括阻止第二组分光束脉冲到达屏蔽的子步骤。
4.如权利要求3所述的方法，其中，阻止子步骤是在第二组分光束脉冲达到屏蔽之前，改变其方向而实现远离屏蔽的目的。
5.如权利要求1所述的方法，其中，第二组分光束脉冲具有与低于熔化硅薄膜的至少一个区域的整个厚度所需强度相应的强度。
6.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤(d)中，允许硅薄膜的至少一个被照射以及熔化区域重新凝固和结晶。
7.如权利要求6所述的方法，还包括以下步骤(e)在步骤(d)以及硅薄膜该区域重新凝固和结晶之后，平移样品，使得子光束和第二组分光束脉冲入射硅薄膜的另外一个区域，其中的另外区域与重新凝固和结晶的区域至少部分重叠。
8.如权利要求7所述的方法，其中，它还包括以下步骤(f)在步骤(d)之后以及步骤(e)之前，微平移样品，使得子光束和第二组分光束脉冲入射至少一部分先前被照射、完全熔化、重新凝固以及结晶的硅薄膜区域。
9.如权利要求8所述的方法，其中，子光束和第二组分光束脉冲从样品微平移后的入射位置处照射并完全熔化硅薄膜的该区域。
10.如权利要求8所述的方法，其中的屏蔽具有点状图形，使得图形的点状部分是屏蔽的遮光区，它阻止部分第一组分光束脉冲射穿屏蔽。
11.如权利要求8所述的方法，其中的屏蔽有线状图形，使得图形的线状部分是屏蔽的遮光区，它阻止第一组分光束脉冲的某些部分射穿屏蔽。
12.如权利要求7所述的方法，其中的屏蔽有透明图形，使得图形的透明部分不包括遮光区，所述遮光区能阻止第一组分光束脉冲的某些部分射穿屏蔽。
13.一种加工样品上硅薄膜的方法，包括以下步骤(a)控制一个照射束发生器装置以预定重复频率发射第一和第二组照射束脉冲；(b)使第一组分光束脉冲照射并至少部分穿过屏蔽，产生许多子光束；(c)提供第二组分光束脉冲和这些子光束入射并照射硅薄膜的至少一个区域，其中，当第二组分光束脉冲和这些子光束同时照射硅薄膜的至少一个区域时，其提供的复合能量足以熔化硅薄膜的至少一个被照射的区域的整个厚度。
14.如权利要求13所述的方法，其中步骤(a)包括以下子步骤i.以预定重复频率发射照射束脉冲；ii.将照射束脉冲分为第一组分光束脉冲和第二组分光束脉冲。
15.如权利要求14所述的方法，其中步骤(ii)在照射束脉冲到达屏蔽之前执行。
16.如权利要求13所述的方法，其中，第一组分光束脉冲具有与低于损坏和降级屏蔽所需强度相应的强度。
17.如权利要求13所述的方法，其中步骤(b)包括阻止第二组分光束脉冲达到屏蔽的子步骤。
18.如权利要求16所述的方法，其中，阻止子步骤是在第二组分光束脉冲达到屏蔽之前，通过移动第二组分光束脉冲完成离开屏蔽的。
19.如权利要求13所述的方法，其中，第二组分光束脉冲具有与低于熔化硅薄膜的至少一个区域的整个厚度所需强度相应的强度。
20.如权利要求13所述的方法，其中，在步骤(C)中，允许至少一个被照射以及熔化的硅薄膜区域重新凝固和结晶。
21.如权利要求20所述的方法，其中，它还包括以下步骤(d)在步骤(c)以及硅薄膜该区域重新凝固和结晶之后，平移样品，使得子光束和第二组分光束脉冲入射硅薄膜又一个区域，其中这个区域与允许重新凝固和结晶的区域至少部分重叠。
22.如权利要求21所述的方法，其中，它还包括以下步骤(e)在步骤(c)之后以及步骤(d)之前，微平移样品，使得子光束和第二组分光束脉冲入射至少一个先前被照射、完全熔化、重新凝固以及结晶的硅薄膜部分区域。
23.如权利要求22所述的方法，其中，子光束和第二组分光束脉冲从样品微平移后的入射位置处照射并完全熔化硅薄膜的该区域。
24.如权利要求22所述的方法，其中的屏蔽具有点状图形，使得图形的点状部分是屏蔽的遮光区，它阻止部分第一组分光束脉冲的某些部分射穿屏蔽。
25.如权利要求22所述的方法，其中，屏蔽具有线状图形，使得图形的线状部分是屏蔽的遮光区，它阻止部分第一组分光束脉冲的某些部分射穿屏蔽。
26.如权利要求21所述的方法，其中的屏蔽有透明图形，使得图形的透明部分不包括遮光区，遮光区能阻止部分第一组分光束脉冲的某些部分射穿屏蔽。
27.一种加工样品上硅薄膜的系统，包括一个储存计算机程序的存储器；与一个执行计算机程序的加工装置，执行如下步骤(a)控制照射光束发生器以预定重复频率发射照射光束脉冲；(b)将照射光束脉冲分为第一组分光束脉冲和第二组分光束脉冲。(c)使第一组分光束脉冲照射并至少部分穿过屏蔽，产生出多个子光束；(d)第二组分光束脉冲和这些子光束入射并照射至少一个硅薄膜区域，其中，当第二组分光束脉冲和这些子光束同时照射硅薄膜的至少一个区域时，第二组分光束脉冲和这些子光束提供的复合能量足以熔化硅薄膜的至少一个被照射的区域的整个厚度。
28.如权利要求27所述的系统，还包括，在加工装置附近有一个分光器，其中加工装置将照射脉冲导向至分光器，将其分为第一组分光束脉冲和第二组分光束脉冲。
29.如权利要求28所述的系统，其中，分光器位于照射束到屏蔽路径的上游。
30.如权利要求27所述的系统，其中的第一组分光束脉冲具有与低于损坏和降级屏蔽所需强度相应的强度。
31.如权利要求27所述的系统，其中，加工装置执行计算机程序阻止第二组分光束脉冲达到屏蔽。
32.如权利要求31所述的系统，其中，在第二组分光束脉冲达到屏蔽之前，通过移动第二组分光束脉冲实现远离屏蔽。
33.如权利要求27所述的系统，其中，第二组分光束脉冲具有与低于熔化硅薄膜的至少一个区域的整个厚度所需强度相应的强度。
34.如权利要求27所述的系统，其中，当照射至少一个硅薄膜区域时，允许至少一个被照射以及熔化的硅薄膜区域重新凝固和结晶。
35.如权利要求34所述的系统，其中加工装置执行计算机程序进一步完成以下步骤(e)在子步骤(d)后和硅薄膜该区域重新凝固和结晶后，平移样品，使得子光束和第二组分光束脉冲入射硅薄膜另外一个区域，其中的另外区域与重新凝固和结晶的区域至少部分重叠。
36.如权利要求35所述的系统，其中，其中加工装置执行计算机程序进一步完成包括以下步骤(f)在子步骤(d)之后以及子步骤(e)之前，微平移样品，使得子光束和第二组分光束脉冲入射至少一个先前被照射、完全熔化、重新凝固以及结晶的硅薄膜区域部分。
37.如权利要求36所述的系统，其中，子光束和第二组分光束脉冲从样品微平移后的入射位置处照射并完全熔化硅薄膜的该区域。
38.如权利要求36所述的方法，其中，屏蔽具有点状图形，使得图形的点状部分是屏蔽的遮光区，它阻止部分第一组分光束脉冲的某些部分射穿屏蔽。
39.如权利要求36所述的系统，其中，屏蔽具有线状图形，使得图形的线状部分是屏蔽的遮光区，它阻止部分第一组分光束脉冲的某些部分射穿屏蔽。
40.如权利要求35所述的系统，其中，屏蔽具有透明图形，使得图形的透明部分不包括遮光区，所述遮光区能阻止部分第一组分光束脉冲的某些部分射穿屏蔽。
41.一种加工样品上硅薄膜的系统，包括一个存储计算机程序的存储器；与一个执行计算机程序的加工装置，执行步骤如下(a)控制照射束发生器以预定重复频率发射第一和第二组照射束脉冲；(b)使第一组分光束脉冲照射并至少部分穿过一个屏蔽，产生出多个子光束；(c)第二组分光束脉冲和这些子光束入射并照射至少一个硅薄膜区域，其中，当第二组分光束脉冲和这些子光束同时照射硅薄膜的至少一个区域时，第二组分光束脉冲和这些子光束提供的复合能量足以熔化硅薄膜的至少一个被照射的区域的整个厚度。
42.如权利要求41所述的系统，其中的加工装置控制照射束脉冲装置以预定重复频率发射。
43.如权利要求41所述的系统，还包括在加工装置附近有一个分光器，其中加工装置将照射脉冲导向至分光器，分光器将照射脉冲分为第一和第二组照射束脉冲。
44.如权利要求41所述的系统，其中，分光器位于照射束到屏蔽路径的上游。
45.如权利要求43所述的系统，其中，在照射束脉冲达到屏蔽之前，分光器将照射脉冲分为第一组照射束脉冲和第二组照射束脉冲。
46.如权利要求41所述的系统，其中，第一组分光束脉冲具有与低于损坏和降级屏蔽所需强度相应的强度。
47.如权利要求41所述的系统，其中，加工装置执行计算机程序防止第二组分光束脉冲达到屏蔽。
48.如权利要求47所述的系统，其中，在第二组分光束脉冲达到屏蔽之前，通过移动第二组分光束脉冲实现远离屏蔽的目的；
49.如权利要求41所述的系统，其中，第二组分光束脉冲具有与低于熔化硅薄膜的至少一个区域的整个厚度所需强度相应的强度。
50.如权利要求41所述的系统，其中，当照射至少一个硅薄膜区域时，允许至少一个被照射以及熔化的硅薄膜区域重新凝固和结晶。
51.如权利要求50所述的系统，其中，其中加工装置执行计算机程序进一步完成以下步骤(d)在子步骤后(c)和硅薄膜该区域重新凝固和结晶后，平移样品，使得子光束和第二组分光束脉冲入射硅薄膜另外一个区域，其中的另外区域与重新凝固和结晶的区域至少部分重叠。
52.如权利要求51所述的系统，其中，其中加工装置执行计算机程序进一步完成以下步骤(e)在子步骤(c)之后以及子步骤(d)之前，微平移样品，使得子光束和第二组分光束脉冲入射至少一个先前被照射、完全熔化、重新凝固以及结晶的硅薄膜区域部分。
53.如权利要求52所述的系统，其中，子光束和第二组分光束脉冲从样品微平移后的入射位置处照射并完全熔化硅薄膜的该区域。
54.如权利要求52所述的系统，其中，屏蔽具有点状图形，使得图形的点状部分是屏蔽的遮光区，它阻止部分第一组分光束脉冲射穿屏蔽。
55.如权利要求52所述的系统，其中，屏蔽具有线状图形，使得图形的线状部分是屏蔽的遮光区，它阻止部分第一组分光束脉冲射穿屏蔽。
56.如权利要求51所述的系统，其中，屏蔽具有透明图形，使得图形的透明部分不包括遮光区，所述遮光区能阻止部分第一组分光束脉冲射穿屏蔽。
全文摘要
提供了一种在样品上加工硅薄膜的方法和系统。尤其是，控制照射束发生器以预定脉冲重复频率发射照射束脉冲。然后将这些照射束脉冲分成第一组光束脉冲和第二组光束脉冲。第一组光束脉冲照射穿过屏蔽，产生出许多子光束。第二组光束脉冲和子光束照射至少一个硅薄膜区域。当第二组光束脉冲和子光束同时照射硅薄膜的这个区域时，子光束和第二组光束脉冲的组合使其具有足以熔化硅薄膜该区域整个厚度的复合强度。
文档编号B23K26/067GK1476552SQ01819257
公开日2004年2月18日 申请日期2001年11月27日 优先权日2000年11月27日
发明者詹姆斯·S·埃姆, 詹姆斯 S 埃姆 申请人:纽约市哥伦比亚大学托管会