专利名称：硅结晶设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及硅的晶化，更具体地，涉及硅结晶设备。虽然本发明的应用范围很宽，但其尤其适用于防止因确定激光束图案的投射镜的温度变化导致焦距变化，从而造成硅的不均匀结晶。
背景技术：
随着信息技术的发展，大量需求各种形式的平面显示器件。例如，已经研究和开发了LCD(液晶显示器)、PDP(等离子显示板)、ELD(电致发光显示器)、VFD(真空荧光显示器)作为各种设备的监视器。最近，LCD因其良好的图像质量、重量轻、体积小、功耗低而受到了极大的关注。作为CRT(阴极射线管)的替代品，LCD可以用作笔记本计算机、用于接收和显示广播信号的电视接收器等的移动显示器。
这种LCD包括用于显示图像的液晶板、以及用于向液晶板施加驱动信号的驱动单元，其中液晶显示板具有两个玻璃基板TFT阵列基板和滤色器基板，以及夹在这两个玻璃基板之间的液晶层。
在TFT阵列基板上，多条选通线以正常的间隔布置在一个方向上，多条数据线以正常的间隔垂直于所述选通线布置，多个像素电极分别形成在由这些选通线和数据线以矩阵形式相互交叉限定的多个像素区上，还形成了多个薄膜晶体管，其响应于选通线而开关，以将数据线信号传送到各像素电极。在滤色器基板上，形成黑底层以屏蔽照射到像素区以外的部分上的光，形成R、G、B滤色器层以表现颜色，并形成公共电极以再现图像。此外，通过间隔体使两个基板之间产生间隙，并用具有液晶注入孔的密封剂使这两个基板接合在一起，通过该液晶注入孔将液晶材料注入所述间隙。
LCD器件的一般驱动原理利用了液晶的光学各向异性和偏振性。薄且长的液晶分子趋于一个朝向，因而可以按照需要通过向液晶施加电场来控制这些分子的朝向。因此，如果液晶分子的朝向被改变，则光因液晶的光学各向异性而相应地折射，从而表达图像信息。目前，有源矩阵LCD因其良好的分辨率和运动图像再现能力而最引人注意，在有源矩阵LCD中，薄膜晶体管和与薄膜晶体管相连的像素电极以矩阵的形式排列。
在LCD中，薄膜晶体管的半导体层由多晶体硅(多晶硅)形成。薄膜晶体管和驱动电路可以形成在同一基板上，省去了连接薄膜晶体管和驱动电路的步骤，从而简化了制造工艺。此外，由于多晶硅具有比非晶硅高100到200倍的场效应迁移率，所以多晶硅响应速度快，并对温度和光稳定。
可以通过低温工艺或以高温工艺形成多晶硅。因为高温工艺的缺点在于其例如大约1000℃的工艺温度高于绝缘基板的变形温度，因而要求使用昂贵的石英基板。石英基板的耐热性好于玻璃基板，但晶体质量差，表面粗糙度差，并且晶粒尺寸太小，导致其应用性比由低温工艺形成的多晶硅差。已经进行了在低温下淀积非晶硅并使其结晶以形成多晶硅的研究与开发。
低温工艺包括激光退火、金属诱导结晶等。在激光退火中，脉冲形式的激光束被引向基板以在10～102纳秒内反复融化与固化，从而使对下绝缘基板的损害最小。现在参照
现有技术的硅结晶设备，其中激光束被引向基板以进行基板的结晶。
图1是示出了非晶硅晶粒大小和激光能量强度之间的关系的曲线图。如图1所示，根据激光能量强度，非晶硅的结晶可以分为第一区、第二区和第三区。
第一区是部分融化区，其中被引向非晶硅层的激光束的激光能量强度仅能融化非晶硅层的表面，从而通过部分融化和固化在该非晶硅层的表面形成精细晶粒。第二区为近完全融化区，在第二区中，被引向非晶硅层的激光束的激光能量强度高于第一区，融化了几乎所有的非晶硅层，从而利用在融化后剩下的精细晶核作为种子生长晶体，获得了比第一区更大的晶粒。然而，很难获得均匀的晶粒。第二区的宽度显著小于第一区。第三区是完全融化区，在第三区中，引向非晶硅层的激光束的激光强度高于第二区，融化了所有非晶硅层，足以在固化中进行均匀成核，从而获得晶粒精细而均匀的晶体硅层。
在形成多晶硅的工艺中，具有第二区的能量强度的激光束的应用次数和重叠率受到控制以形成均匀而粗大的晶粒。然而，该多晶硅表现出一些问题在于该多晶硅的多个晶粒的边界阻碍了电流，使得很难制造可靠的薄膜晶体管器件，由多个晶粒中的电子之间的碰撞产生了碰撞电流，并且该劣化损害了绝缘膜，导致了产品缺陷。为了解决这些问题，对使用SLS(连续横向固化)技术形成单晶硅进行了研究和开发，在SLS技术中，硅晶粒从液态硅和固态硅的边界表面开始垂直于该表面生长(Robert S.Sposilli M.A.Crowder，and James S.Im，Mat.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.452，956～957，1997)。在SLS技术中，通过适当控制激光束的强度、照射面积和平移距离，在横向方向上的预定长度中生长出硅晶粒，可以将非晶硅结晶为大于1μm的单晶体。
因为用于SLS工艺的激光应用设备将激光束会聚到很小的面积，因而该设备不能一次将大面积基板上的非晶硅层转化为多晶硅。为此，在把具有非晶硅层的基板装到载台上从而可以改变基板上的激光照射位置后，通过将激光束照射到基板的预定区域并随后移动基板以将激光束照射到下一区域，从而将激光束照射到基板的整个区域上。
图2示意性地示出了现有技术的SLS激光应用设备。
如图2所示，现有技术的SLS激光应用设备包括激光发射装置(未示出)，用以发射激光束；衰减器1，用于控制激光束的强度以衰减该强度；第一反射镜2a，用于改变激光束的光路；望远镜头3，用于扩散激光束；第二反射镜2b，用于再次改变激光束的光路；匀化和聚光镜4，用于均匀并会聚激光束；第三反射镜2c，用于偏转和改变激光束的路径；场镜5，用于将激光束的形式适当改变到足以照射激光束图案掩模的水平；具有图案的激光束图案掩模6，用于以预定图案通过激光束；投射镜7，用于以特定的会聚比会聚来自激光束图案掩模6的激光束，并照射到基板上；以及载台8，用于保持淀积有待结晶的非晶硅的基板10。
激光发射装置是308nm XeCl或248nm KrF的准分子激光器，其发出通过衰减器1、反射镜2a，2b，2c、各种功能的透镜3-5和7、以及激光束图案掩模6而以预定的激光束图案照射到基板10上的未处理过的激光束。提供反射镜2a，2b，2c以防止SLS激光应用设备在一个方向上过长，从而更有效地使用空间。如果需要，可以调整反射镜的数目以增大或减小SLS激光应用设备占据的空间。虽然未示出，但存在用于固定载台8的固定装置，和用于移动载台8的移动装置。也就是说，为了使基板10的整个表面结晶，把激光束照射到基板10上，同时载台8在X轴和Y轴方向细微地移动，以逐渐扩大结晶区。
图3示出了在图2的投射镜7处测量的温度变化和焦距变化之间的关系。投射镜7具有多个桶形的透射率为99％或更高的的石英透镜。通过激光束图案掩模6(见图2)把预定图案的激光束照射到投射镜7上，投射镜7会聚激光束的图案，并将其引向基板10(见图2)。然而，如图3所示，由于投射镜7的焦距随温度而线性地伸长，因而在μm的量级上照射激光束图案时，需要将投射镜7保持在预定的温度，以在结晶时不产生焦距偏差。
具体地，如图3所示，由于在没有焦距偏差的X℃处的±1℃温度偏差会产生±20～40μm范围内的焦距偏差，因而需要在进行结晶之前将投射镜7加热到预设的温度，从而获得正常结晶特性。例如，如果装/卸基板10时投射镜7的温度低于正常结晶时投射镜7的温度，则在结晶之后从载台8(见图2)上卸下基板8时或在结晶之前将基板10装载到载台8上时，焦距会变短。
如果在装载基板10之后，在投射镜7恢复到正常结晶温度之前进行结晶，则因为初始阶段不正确的焦距而不能实现正常结晶。现有技术的硅结晶设备不具有能够防止在卸载基板10之前和基板10结晶之后、在通过投射镜7照射激光束图案时，在完成了结晶的基板10上形成不期望的光束重叠区的元件。
激光束图案掩模6具有用于通过激光束的透光部分，以及用于遮挡激光束的遮光部分。透光部分的宽度限定了一次照射时的晶粒横向生长长度。另外，将参照附图详细描述激光束图案掩模6和基板10的通过激光束图案掩模6照射了激光束的区域。
图4是示出了用于照射激光束的激光束图案掩模6的平面图。图5示出了利用图4中的激光束图案掩模6由一次激光束照射形成的结晶区。如图4所示，激光束图案掩模6具有透光部分“A”，透光部分“A”具有以第一间隔a开口的图案；以及遮光部分B，遮光部分B具有以第二间隔b遮住的图案。
利用激光束图案掩模6如下地照射激光束。
通过激光束图案掩模6向淀积有非晶硅层的基板的上部一次照射激光束。在此，激光束通过激光束图案掩模6中的多个透光部分“A”，并融化非晶硅层的激光束所照射在的部分22(见图5)，从而液化对应透光部分“A”的部分。在此使用的激光能量强度是完全融化区，其中非晶硅层的被照射了激光束的部分完全融化。
如图5所示，基板的与具有多个连续的透光部分“A”的激光束图案掩模相对应的、通过一次激光束照射而照射了激光束的区域(也就是由宽度L和高度S限定的区域)被称作单位区域20。在激光束照射之后，硅晶粒从非晶硅区域和完全融化的液态硅区域的边界表面21a和21b向着激光照射区横向生长。晶粒24a和24b的横向生长垂直于边界表面。
如果与透光部分“A”对应的被照射了激光束的22部分的宽度短于结晶的硅晶粒24a的生长长度，则从非晶硅区和22部分的相对界面21a和21b向内垂直生长的相对晶粒在中点(晶粒边界25)碰撞并停止晶粒生长。
接着，为生长更多的硅晶粒，移动布置有基板的载台，并且在激光束照射部分旁边的区域照射激光束，以形成与第一次激光束照射连续的晶体。类似地，在激光束照射时快速并完全熔化的激光束照射部分具有从相对侧开始横向发生的晶粒生长。通常，根据激光束图案掩模的透光部分“A”和遮光部分“B”的宽度，作为一般的激光束照射处理，从相邻的激光束照射部分开始继续的晶粒生长长度是固定的。
前述现有技术的硅结晶设备具有以下的缺点。在现有技术的硅结晶设备中，投射镜的焦距随温度变化，导致当需要在几μm量级的精度下进行激光束照射以进行结晶时，需要在结晶之前将投射镜预热到预定程度。因此，作为预热的方法，可以在结晶之前，进行假激光照射，以将投射镜的温度提高到预定水平之上。然而，因为会缩短激光束照射时间或进行了假激光照射的玻璃不能使用，而产生了生产率降低的问题。
另选地，预先预测投射镜的焦距随温度的变化，以通过与偏差一样多地改变投射镜和基板之间的距离(Z轴)来补偿焦距的变化。然而，这需要非常复杂的硅结晶设备。
发明内容
因而，本发明意在一种硅结晶设备，其基本消除了因现有技术的局限和缺点产生的一个或多个问题。
本发明的一个目的是提供一种硅结晶设备，其即使在装/卸基板时也能够向投射镜照射激光束，从而保持投射镜的温度稳定。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明中进行阐述，一部分可以通过说明书而明了，或者可以通过本发明的实践而体验到。通过说明书、权利要求书和附图中具体指出的结构，可以实现或获得本发明的这些和其它优点。
为实现这些目的和其它优点，根据本发明的目的，如所实施并广泛描述的，该硅结晶设备包括发射激光束的激光束源；投射单元，其会聚并改变来自所述激光束源的激光束图案；装/卸基板的载台；激光束光闸，其将来自所述投射单元的激光束偏转到基板之外；以及冷却装置，用于接收被所述激光束光闸偏转的激光束，并散发由所接收的激光束产生的热量。
另一方面，该硅结晶设备包括发射激光束的激光束源；投射单元，其会聚并改变来自所述激光束源的激光束图案；装/卸基板的载台；反射镜，其将来自所述投射单元的激光束偏转到基板之外；以及冷却装置，用于接收被所述反射镜偏转的激光束，并散发由所接收的激光束产生的热量。
可以理解，前面的概述和下面的详细描述都是示例性和说明性的，旨在为权利要求所限定的本发明提供进一步的解释。
所包括的附图用于提供对本发明的进一步的理解，其被合并在说明书中，并构成说明书的一部分。附图示出了本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中图1是示出了非晶硅晶粒大小和激光能量强度之间的关系的曲线图；图2示意地示出了现有技术SLS激光应用设备；图3示出了温度变化和在图2的投射镜处测量到的焦距变化之间的关系；图4是示出了用于激光束照射的激光束图案掩模的平面图；图5示出了利用图4中的激光束图案掩模一次照射激光束形成的结晶区；图6示意性地示出了根据本发明第一实施例的硅结晶设备；图7的曲线图示出了对于第一实施例的硅结晶设备，投射镜的温度变化和结晶情况的关系；以及图8示意性地示出了根据本发明第二实施例的硅结晶设备。
具体实施例方式
现在详细说明本发明的优选实施例，其示例在附图中说明。只要可能，在全部附图中将使用相同的附图标记表示相同或类似的部件。
图6示意性地示出了根据本发明第一实施例的硅结晶设备。如图6所示，该硅结晶设备包括用于发射激光束的激光束源(未示出)；会聚透镜(未示出)，用于会聚来自所述激光束源的激光束；激光束图案掩模100，用于以预定的图案通过在所述会聚透镜处会聚的激光束；投射镜110，用于以预定的比率缩小通过激光束图案掩模100的激光束，并照射该激光束；载台130，用于放置淀积有非晶硅层的基板，以通过来自投射镜110的激光束来使非晶硅层结晶；激光束光闸120，用于在装/卸基板时将来自投射镜110的激光束偏转到基板之外；以及冷却装置125，用于接收被激光束光闸120偏转的光，并散发由所接收的激光束产生的热量。
会聚透镜、激光束图案掩模100和投射镜110构成了用于在将激光束以预定的形式引向基板之前会聚来自激光束源的激光束、改变激光束的图案并缩小该激光束的投射单元。虽然可以在进行结晶和不进行结晶时进行不同的激光束照射，但因为在结晶处理中，在装/卸基板时投射镜110的温度低于执行正常结晶时的温度，所以会由于错误的焦距而使投射镜110无法执行正常的结晶。
因而，根据第一实施例的硅结晶设备这样设计在装/卸基板时保持照射到投射镜110上的激光束，直到投射镜110达到投射镜110执行正常结晶的温度，但是该激光束不是照射到基板上，而是利用激光束光闸120偏转通过投射镜110的激光束的光路而照射到基板之外的冷却装置125上。换句话说，激光束光闸120响应于外部控制信号而开/关。因此，当激光束光闸120打开时，激光束光闸120使激光束从投射镜110传播到载台130。另一方面，当激光束光闸120被关闭时，激光束光闸120截断激光束从投射镜110向载台130的传播，并使光路向冷却装置125偏转。
在示例中，基板装载时间被定义为从将基板引入载台130开始到基板结晶之前的时间。基本卸载时间被定义为从基板结晶之后到下一基板引入载台之前的时间。
来自激光源的激光束以30～300Hz的频率触发。在第一实施例的硅结晶设备中，激光束光闸120的开/关信号、载台130的运动和激光束的触发信号是同步的。
也就是说，在将基板装上载台的同一时间，激光束不是被引向该载台，而是被激光束光闸120引向冷却装置125。类似地，从基板结晶完成开始到基板卸载完成，来自投射镜110的激光束不是被引向载台，而是被激光束光闸120引向冷却装置125。因而，在装/卸基板时关闭激光束光闸120，并且在基板结晶时打开激光束光闸120。
图7的曲线示出了对于第一实施例的硅结晶设备，投射镜的温度变化和的结晶情况之间的关系。如图7所示，由于结晶之前的时间未照射激光束图案，因而投射镜110的温度取决于投射镜110所在的环境的温度。通常，环境的温度大大低于结晶期间投射镜110的温度。由于投射镜110的低温会因错误的焦距而影响结晶的初始阶段，所以将激光束照射到投射镜110上，但由激光束光闸120截断对基板的激光束照射，从而在投射镜110经过了预定的预热时间之后，投射镜110执行结晶。
如果在中间阶段停止结晶，则激光束源检测到该事件，并停止照射激光束。在示例中，由于没有激光束照射到投射镜110上，所以投射镜110慢慢冷却。随后，在引入下一基板进行结晶时，在投射镜110通过前述预热步骤达到预设温度之后进行结晶。同时，在结晶和卸载基板之后，从激光束源发射激光束。此外，所产生的激光束是这样的投射镜110上被照射了原样的激光束，并且照射到基板上的激光束被激光束光闸120截断，从而防止激光束照射到基板上。
图8示意性地示出了根据本发明第二实施例的硅结晶设备。如图8所示，该硅结晶设备包括激光束源(未示出)，用于发射激光束；会聚透镜(未示出)，用于会聚来自所述激光束源的激光束；激光束图案掩模100，用于以预定的图案通过在会聚透镜处会聚的激光束；投射镜110，用于以预定的比率缩小通过光束图案掩模100的激光束，并照射该激光束；载台130，用于放置淀积有非晶硅层的基板，以通过来自投射镜110的激光束来使非晶硅层结晶；反射镜220，用于在装/卸基板时将来自投射镜110的激光束引到基板之外；以及冷却装置125，用于接收被反射镜220引导的光，并散发由所接收的激光束产生的热量。
会聚透镜、激光束图案掩模100和投射镜110构成了用于在以预定的形式把激光束照射到基板上之前会聚来自激光束源的激光束、改变激光束的图案并缩小该激光束的投射单元。为实现与前述第一实施例相同的目的，这样设计第二实施例的硅结晶设备在装/卸基板时保持照射到投射镜110上的激光束，直到投射镜110达到投射镜110执行正常结晶的温度，但是利用反射镜220来偏转通过投射镜110的激光束的光路，使该激光束不是照射到基板上，而是照射到基板之外的冷却装置125上。
在示例中，基板装载时间被定义为从将基板引入载台130开始的时刻到基板结晶之前的时刻之间的时间。基板卸载时间被定义为从基板结晶之后的时刻开始到将下一基板引入载台之前的时刻之间的时间。
来自激光束源的激光束以30～300Hz的频率触发。在第二实施例的硅结晶设备中，在装/卸基板期间，反射镜220位于投射镜110的下方，并随后在正常结晶期间移动到外侧。反射镜220的这种移动通过移动与反射镜220相连接的液压缸223来实现。在装/卸时，液压缸223的运动与载台130的运动同步。也就是说，在把基板装到载台上之前，或在基板结晶之后装载新的基板之前，来自投射镜110的激光束被反射镜220偏转到冷却装置125，然后移动液压缸，从而将反射镜移动到外部。因此，在基板结晶期间，在基板上照射正常的激光束。
考虑到形成几微米级的微观激光束图案的投射镜的温度变化引起的投射镜的较大的焦距变化，前述示例性实施例的硅结晶设备包括截断装置，例如激光束光闸、反射镜等，从而在正常结晶之前或之后投射镜可能发生温度变化时，防止激光束照射到基板上。另外，前述示例性实施例的硅结晶设备能够防止用于加热投射镜而照射的激光束所带来的损害。如上所述，前述示例性实施例的硅结晶设备还包括以下的优点。
首先，在将基板装载到载台上的期间加热投射镜，而确保焦距在进行正常结晶的水平上，这能够消除结晶期间投射镜的焦距变化引起的结晶不均。也就是说，如果投射镜在低于所需温度的温度下执行结晶，则在投射镜被照射了激光束之后，在达到所需温度之前的温度范围内，被照射了激光束的基板的一部分不能进行正常的结晶，从而需要反复照射激光束。本发明的示例性实施例预热该投射镜，从而解决了该问题。
第二，通过在投射镜的下方提供截断装置，例如激光束光闸、反射镜等，将不会在正常结晶之后在基板上形成光束重叠区。结果，可以确保结晶特性。
本领域的技术人员应明白，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明作出各种修改和变化。从而，本发明覆盖了落入在附加权利要求及其等同范围内的对本发明的修改和变化。
权利要求
1.一种硅结晶设备，包括用于发射激光束的激光束源；投射单元，其会聚并改变来自所述激光束源的激光束的图案；装/卸基板的载台；激光束光闸，用于将来自所述投射单元的激光束偏转到所述基板之外；以及冷却装置，用于接收被所述激光束光闸偏转的激光束，并散发由所接收的激光束产生的热量。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述投射单元包括会聚透镜，用于会聚从所述激光束源发出的激光束；激光束图案掩模，用于以预定的图案通过由所述会聚透镜会聚的激光束；投射镜，用于以一比率缩小通过所述激光束图案掩模的激光束。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，在开始将基板引入所述载台的时刻和开始基板结晶的时刻之间的时间，或在基板结晶完成的时刻和开始将下一基板引入载台的时刻之间的时间中，所述激光束光闸将所述激光束偏转到所述基板之外。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，在照射中，所述激光束光闸的控制信号、所述载台的移动信号、所述激光束的触发信号是同步的。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述控制信号包括开信号，该开信号开启所述激光束光闸，以使所述激光束传播到所述载台。
6.根据权利要求4所述的设备，其中，所述控制信号包括关信号，该关信号关闭所述激光束光闸，以使所述激光束偏向所述冷却装置。
7.根据权利要求5所述的设备，其中，在所述基板结晶期间，向所述激光束光闸施加所述开信号。
8.根据权利要求6所述的设备，其中，在装/卸所述基板时，向所述激光束光闸施加所述关信号。
9.一种硅结晶设备，包括用于发射激光束的激光束源；投射单元，用于会聚并改变来自所述激光束源的激光束的图案；装/卸基板的载台；反射镜，用于将来自所述投射单元的激光束偏转到所述基板之外；以及冷却装置，用于接收被所述反射镜偏转的激光束，并散发由所接收的激光束产生的热量。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述投射单元包括会聚透镜，用于会聚从所述激光束源发出的激光束；激光束图案掩模，用于以预定的图案通过由所述会聚透镜会聚的激光束；以及投射镜，用于以一比率缩小通过所述激光束图案掩模的激光束。
11.根据权利要求9所述的设备，其中，在开始将所述基板引入所述载台的时刻和开始基板结晶的时刻之间的时间，或在基板结晶完成的时刻和开始将下一基板引入载台的时刻之间的时间中，所述反射镜将所述激光束偏转到所述基板之外。
12.根据权利要求9所述的设备，其中，在所述基板开始结晶时，所述反射镜被移动，使得所述激光束从所述投射单元照射到所述基板上。
13.根据权利要求9所述的设备，其中，还包括用于移动所述反射镜的液压缸。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述液压缸与所述载台装/卸所述基板同时操作。
全文摘要
一种硅结晶设备，包括激光束源，用于发射激光束；投射单元，用于会聚并改变来自所述激光束源的激光束图案；装/卸基板的载台；反射镜，用于将来自所述投射单元的激光束偏转到基板之外；以及冷却装置，用于接收被所述反射镜偏转的激光束，并散发由所接收的激光束产生的热量。从而在基板装载完成之前预热投射镜，或在基板结晶之后截断照射到基板上的激光束。
文档编号B23K26/06GK1637543SQ20041008168
公开日2005年7月13日 申请日期2004年12月24日 优先权日2003年12月26日
发明者郑允皓 申请人:Lg.菲利浦Lcd株式会社