专利名称：激光薄膜多晶硅退火系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及脉冲激光系统，所述脉冲激光系统用于涉及用激光对表面和/或衬底进行处理的加工工艺，所述处理是在大的面积和高重复率、高功率和脉冲对脉冲剂量稳定性的情况下进行的，并且更具体地，涉及细线光脉冲传输系统。
相关申请本申请要求2004年7月1日递交的、名称为“LASER THIN FILMPOLY-SILICON ANNEALING OPTICAL SYSTEM(激光薄膜多晶硅退火光学系统)”、序列号为10/884,547的美国申请的优先权，该美国申请是2004年2月18日递交的、名称为“VERY HIGH ENERGY，HIGH STABILITY GAS DISCHARGE LASER SURFACETREATMENT SYSTEM(非常高能量、高稳定性气体放电激光器表面处理系统)”、序列号为10/781,251(律师案卷号为2003-0105-02)的美国申请的部分继续申请，该美国申请是2003年11月26日递交的、名称为“VERY HIGH ENERGY，HIGH STABILITY GASDISCHARGE 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)”、序列号为10/722,992的美国申请的部分继续申请，该美国申请是2003年7月30日递交的、名称为“CONTROL SYSTEM FOR TWO CHAMBER GASDISCHARGE LASER(用于两腔气体放电激光器的控制系统)”、序列号为10/631,349的美国申请的部分继续申请；而该美国申请是2002年8月30日递交的、名称为“LITHOGRAPHY LASER WITH BEAM DELIVERY AND BEAM POINTING CONTROL(具有光束传输和光束指向控制的光刻激光器)”、序列号为10/233,253的美国申请的部分继续申请；该美国申请为2001年11月30日递交的、名称为“VERY NARROW BAND，TWO CHAMBER，HIGH REP RATE GAS DISCHARGE LASER SYSTEM(非常窄带、两腔、高重复率的气体放电激光系统)”、序列号为10/012,002的美国申请的部分继续申请，该美国申请于2003年9月23日被授权为美国专利No.6,625,191，而该美国申请为2001年8月29日递交的、名称为“VERY NARROW BAND，TWO CHAMBER，HIGH REP RATEGAS DISCHARGE LASER SYSTEM(非常窄带、两腔、高重复率的气体放电激光系统)”、序列号为09/943,343的美国申请的部分继续申请，该美国申请现在为美国专利No.6,567,450，而该美国申请为2001年7月30日递交的、名称为“HIGH REPETITION RATE GASDISCHARGE LASER WITH PRECISE PULSE TIMING CONTROL(具有精确脉冲定时控制的高重复率的气体放电激光器)”、序列号为09/837,035的美国申请的部分继续申请，该美国申请现在为美国专利6,618,421，所有这些公开在此通过引用被包括到本文中。
本申请与下列申请有关2003年6月25日递交的、名称为“METHOD ANDAPPARATUS FOR COOLING MAGNETIC CIRCUIT ELEMENTS(冷却磁性电路元件的方法和装置)”、序列号为10/607,407(律师案卷号为2003-0051-01)的申请，以及同样在2003年6月25日递交的、名称为“METHOD AND APPARATUS FOR ELECTRICALLYINTERCONNECTING HIGH VOLTAGE MODULES POSITIONED IN RELATIVELYCLOSE PROXIMITY(用于在以相对非常接近的方式定位的高压模块之间电气互连的方法和装置)”、序列号为10/606,412(律师案卷号为2002-0042-01)申请，2001年12月21日递交的、名称为“TIMING CONTROL FOR TWO-CHAMBER GAS DISCHARGE LASERSYSTEM(两腔气体放电激光系统的定时控制)”、序列号为10/036,727的申请，以及2002年5月7日递交的、名称为“GAS DISCHARGE ULTRAVIOLET LASER WITH ENCLOSEDBEAM PATH WITH ADDED OXIDIZER(具有加了氧化剂的封闭光束通路的气体放电紫外激光器)”、序列号为10/141,201的申请，以及2003年1月31日递交的、名称为“AUTOMATIC GAS CONTROL SYSTEM FOR A GAS DISCHARGE LASER(用于气体放电激光器的自动气体控制系统)”、序列号为10/356,168的申请，以及2001年5月3日递交的、名称为“INJECTION SEEDED LASER WITH PRECISE TIMING CONTROL(具有精确定时控制的种子注入激光器)”、序列号为09/848,043(发明人为Ness，et al.，公开号为20020085606，于2002年7月4日公开)的申请，以及2002年5月7日递交的、名称为“GAS DISCHARGE ULTRAVIOLET LASER WITH ENCLOSED BEAM PATH WITHADDED OXIDIZER(具有加了氧化剂的封闭光束通路的气体放电紫外激光器)”、序列号为10/141,201(发明人为Pan，et al.，公开号为US20020167986A1，于2002年11月14日公开)的申请，以及2001年12月21递交的、名称为“TIMING CONTROL FORTWO-CHAMBER GAS DISCHARGE LASER SYSTEM(两腔气体放电激光系统的定时控制)”、序列号为10/036,727(发明人为Ershov，et al.，公开号为US20020099269A1，于2003年5月29日公开)的申请，以及2001年11月30日递交的、名称为“VERY NARROW BAND，TWO CHAMBER，HIGH REP RATE GAS DISCHARGE LASER SYSTEM (非常窄带、两腔、高重复率的气体放电激光系统)”、序列号为10/012,002的申请，该申请现在为美国专利No.6,625,191，以及2001年4月18日递交的、名称为“HIGH REPETITION RATE GASDISCHARGE LASER WITH PRECISE PULSE TIMING CONTROL(具有精确脉冲定时控制的高重复率的气体放电激光器)”、序列号为09/837,035的申请，该申请现在为美国专利No.6,619,421，以及名称为“MAGNETIC MODULATOR VOLTAGE ANDTEMPERATURE TIMING COMPENSATION CIRCUIT(磁性调节器电压和温度定时补偿电路)”的美国专利No.6,016,325，以及在2000年5月23日授权给Sandstrom et al.的、名称为“LASER-ILLUMINATED STEPPER OR SCANNER WITH ENERGY SENSORFEEDBACK(具有能量传感器反馈的激光照射步进式光刻机或扫描式光刻机)”的美国专利No.6,067,306，以及1999年11月30日递交的、名称为“LONG-PULSE PULSE POWERSYSTEM FOR GAS DISCHARGE LASER(用于气体放电激光器的长米脉冲脉冲电源系统)”、序列号为09/451,995的美国申请，2003年11月13日递交的、名称为“LONG DELAYAND HIGH TIS PULSE STRETCHER(长延迟和高TIS脉冲展宽器)”(律师案卷号为2003-0109-01)的美国申请，以及2001年5月11日递交的、名称为“FOUR KHZ GASDISCHARGE LASER(4KHz气体放电激光器)”、序列号为09/854,097的美国申请，以及名称为“RELIABLE，MODULAR PRODUCTION QUALITY NARROW-BAND HIGH REPRATE EXCIMER LASER(可靠的、模块化、工业质量的窄带高重复率准分子激光器)”的美国专利No.6,128,323，以及名称为“EXCIMER LASER WITH PULSE MULTIPLEXER(具有脉冲复用器的准分子激光器)”的美国专利No.6,067,311，以及2003年12月17日递交的、名称为“GAS DISDCHARGE LASER LIGHT SOURCE BEAM DELIVERY UNIT(气体放电激光光源光束传输单元)”、序列号为10/739,961(律师案卷号为2003-0082-01)的申请，以及2003年11月12日递交的、名称为“LASER LITHOGRAPHY LIGHT SOURCEWITH BEAM DELIVERY(具有光束传输的激光光刻光源)”、序列号为10/712,688的申请，以及2003年4月29日递交的、名称为“LITHOGRAPHY LASER WITH BEAMDELIVERY AND BEAM POINTING CONTROL(具有光束传输和光束指向控制的光刻激光器)”、序列号为10/425,361(律师案卷号为2003-0040-01)的申请，以及2002年5月7日递交的、名称为“LASEER LITHOGRAPHY LIGHT SOURC3 WITH BEAMDELIVERY(具有光束传输的激光光刻光源)”、序列号为10/141,216(律师案卷号为2002-0039-01)的申请，以及2002年9月25日递交的、名称为“LITHOGRAPHY LASERSYSTEM WITN IN-PLACE ALIGNMENT TOOL(具有原地对准工具的光刻激光系统)”、序列号为10/255,806的申请，该申请现在为美国专利No.6,704,340，以及名称为“LITHOGRAPHY LASER WITH BEAM DELIVERY AND BEAM POINTING (具有光束传输和光束指向的光刻激光器)”、序列号为10/233,253的申请，该申请为现在为美国专利No.6,704,339，所有这些公开在此通过引用被包括到本文中。
本申请还与2004年7月1日递交的、名称为“LASER THIN FILM POLY-SILICONANNEALING OPTICAL SYSTEM(激光薄膜多晶硅退火光学系统)”、序列号为10/884,101(律师案卷号为2004-0063-01)的共同待审定的申请有关，该公开在此通过引用被包括到本文中。
背景技术：
制造多排(row)的柱面透镜是已知的，例如通过用凹柱面杆(rod)来研磨和抛光，然后将栅(raster)旋转到90°以生成交叉的柱面透镜，它们可以和真实的轴向对称透镜不同，不同在于它们大大低于这样的极弱透镜(例如具有1mm方形孔径和80mm的焦距)的衍射极限。
(http://www.eso.org/gen-fac/pubs/messenger/achive/no.114-dec03/mess-wilson.pdf)已知JSW公司提供用于完成非晶硅(amorphous silicon)薄膜的晶化(crystallization)的设备(apparatus)，目的在于将非晶硅薄膜再晶化为多晶硅(“Poly-si”或“poly”)，从而在衬底上制造例如薄膜晶体管，以用于例如平板显示器。这被称为准分子激光退火(ELA)，这是由于利用了准分子激光器(例如XeCl激光器)作为光能源来进行ELA退火，采用了所述非晶硅的综合的(resultant)熔融和再结晶形成薄膜poly层，其中，例如形成薄膜晶体管栅极电路。
JSW已经证明了以例如370×470mm的表面面积和730×920mm的表面面积的衬底(substrate)来工作的能力，其中前一种面积是以具有365×0.4mm的光束尺寸、准分子激光器重复率300、重叠90％、扫描步距(pitch)0.02、扫描长度470、扫描次数等于1的工具来操作的，每片(sheet)进行了总共23500次晶化照射(shot)，其中每片的晶化时间为78秒，利用了21390次浪费的(wasting)照射，就每小时24.6屏(screen)的吞吐量(throughput)来讲，导致总共每屏44890次照射和每屏150秒的动作时间，其中在后一种情形中，类似的数字导致2次扫描来覆盖所述片，在第二种情形中具有更宽(920mm)的片、每片157秒的晶化时间、每片16698次浪费的照射、229秒的动作时间以及每小时15.70片的吞吐量。Lambda Phisik提供具有大致类似能力的机器。
Kahlert H.等人的“High-resolution optics for thin Si-film crystallization using excimerlaserspresent status and future development(用于采用准分子激光器的薄硅膜晶化的高分辨率光学装置现状和未来的发展)”，Proc.of SPIE-IS&T，Electronic Imaging，SPIE Vol.5004(2003)，pp.20-27(简称“Kahlert”)讨论了在工件处形成用于超级-横向-生长(“SLG”)晶化的、几百μm宽乘370mm长的光束。另外，讨论了顺续横向凝固，如在授权给Im的许多专利中也讨论的那样，所述的许多专利包括2001年11月27日授权的、名称为“CRYSTALLIZATION PROCESSING OF SEMICONDUCTOR FILM REGIONS ON ASUBSTRATE，AND DEVICES MADE THEREWITH(在衬底上半导体膜区域的晶化处理以及由此制造的器件)”的美国专利No.6,322,625，该专利基于1998年11月27日递交的、序列号为09/200,533的美国申请；以及2002年4月9日授权的、名称为“METHOD ANDSYSTEM FOR PROVIDING A CONTINUOUS MOTION SEQUENTIAL LATERALSOLIDIFICATION(提供连续运动的顺续横向凝固的方法和系统)”的美国专利No.6,368,945，该专利基于2000年3月16日递交的、序列号为09/526,585的美国申请；以及2003年4月29日授权给Im等人的、名称为“METHODS FOR PRODUCING UNIFORMLARGE-GRAINED AND GRAIN BOUNDARY LOCATION MANIPULATEDPOLYCRYSTALLINE THIN FILM SEMICONDUCTORS USING SEQUENTIAL LATERALSOLIDFICATION(采用顺续横向凝固生成均匀大晶粒化以及晶粒边界位置经过处理的多晶薄膜半导体的方法)”的美国专利No.6,555,449，该专利基于1999年9月3日递交的、序列号为09/390,535的美国申请；以及2003年5月13日授权的、名称为“SYSTEM FORPROVIDING A CONTINUOUS MOTION SEQUENTIAL LATERAL SOLIDIFICATION(提供连续运动的顺续横向凝固的系统)”的美国专利No.6,563,077，该专利基于2001年3月30日递交的、序列号为09/823,547的美国申请；以及2003年6月3日授权给Im等人的、名称为“SYSTEMS AND METHODS USING SEQUENTIAL LATERALSOLIDIFICATION FOR PRODUCING SINGLE OR POLYCRYSTALLINE SILICON THINFILMS AT LOW TEMPERATURES(采用顺续横向凝固以在低温下生成单或多晶硅薄膜的系统和方法)”的美国专利No.6,573,53，该专利基于1999年9月3日递交的、序列号为09/390,537的美国申请；以及2003年6月24日授权的、名称为“SPECIALIZEDSUBSTRATES FOR USE IN SEQUENTIAL LATERAL SOLIDIFICATION PROCESSING(用于顺续横向凝固处理的特殊衬底)”的美国专利No.6,582,827，该专利基于2000年11月27日递交的、序列号为09/722,778的美国申请，并且也在美国公开的专利申请中被讨论，所述公开的专利申请包括2003年5月22日公开的、发明人为Im等人、名称为“METHODS FOR PRODUCING UNIFORM LARGE-GRAINED AND GRAIN BOUNDARYLOCATION MANIPULATED POLYCRYSTALLINE THIN FILM SEMICONDUCTORSUSING SEQUENTIAL LATERAL SOLIDIFICATION(采用顺续横向凝固生成均匀大晶粒化以及晶粒边界位置经过处理的多晶薄膜半导体的方法)”的美国申请No.2003/0096489A1，该公开的申请基于2002年11月13日递交的、序列号为10/294,001的美国申请；以及2003年6月23日公开的、发明人为Im等人、名称为“METHOD FORPRODUCING UNIFORM LARGE-GRAINED AND GRAIN BOUNDARY LOCATIONMANIPULATED POLYCRYSTALLINE THIN FILM SEMICONDUCTORS USINGSEQUENTIAL LATERAL SOLIDIFICATION(采用顺续横向凝固生成均匀大晶粒化以及晶粒边界位置经过处理的多晶薄膜半导体的方法)”的美国申请2003/0119286A1，该公开的申请基于2002年12月3日递交的、序列号为10/308,958的美国申请。
其他讨论这样的薄膜晶化的多个方面的专利包括1995年7月11日授权给Chae的、名称为“METHOD OF MAKING A THIN FILM TRANSISTOR BY OVERLAPPINGANNEALING USING LASERS(通过采用激光的重叠退火来制造薄膜半导体的方法)”的美国专利No.5,432,122，该专利基于1993年11月3日递交的、序列号为147635的美国申请；以及2001年1月23日授权给Jung的、名称为“METHOD OF FABRICATING THINFILM TRANSISTORS FOR A LIQUID CRYSTAL DISPLAY(制造用于液晶显示器的薄膜半导体的方法)”的美国专利No.6,177,301，该专利基于1999年5月13日递交的、序列号为09/311,702的美国申请；以及2001年11月13日授权给Jung的、名称为“LASERANNEALING METHOD(激光退火方法)”的美国专利No.6,316,338，该专利基于2000年6月28日递交的、序列号为09/605,409的美国申请；以及2001年4月10日授权给Yamazazi等人的、名称为“APPARATUS AND METHOD FOR LASER RADIATION(激光辐射的装置和方法)”的美国专利No.6,215,595，该专利基于2000年5月30日递交的、序列号为09/583,450的美国申请；以及2001年10月9日授权给Zhang等人的、名称为“LASER PROCESSING METHOD(激光处理方法)”的美国专利No.6,300,176，该专利基于1995年7月19日递交的、序列号为504087的美国申请；以及2002年5月28日授权给Noguchi等人的、名称为“METHOD OF PRODUCING LIQUID CRYSTAL DISPLAYPANEL(加工液晶显示板的方法)”的美国专利No.6,396,560，该专利基于2000年9月21日递交的、序列号为09/667,758的美国申请；以及2004年4月1日公开的、发明人为Takeda等人、名称为“SEMICONDUCTOR THIN FILM AND PROCESS FOR PRODUCTIONTHEREOF(半导体薄膜及其加工工艺)”的美国专利申请，该公开的申请基于2003年6月17日递交的、序列号为10/462,792的美国申请。
Kalhert注意到，在现有技术中，现有技术在工件处被限制在400μm的激光脉冲尺寸、线宽。
图1所示为在Lahert中讨论的用于Lambda Physik ELA机的光学布局。参见图1，可以看到组件(assembly)20。组件20包括激光输出光束22，例如由Lambda Physik制造的XeCl LS 1000准分子激光器的输出。激光光束22通过衰减器(attenuator)24，该衰减器包括一对衰减板26。然后，激光光束22通过长轴扩束光学装置30在长轴方向上被扩束，所述长轴扩束光学装置30包括第一望远镜透镜32和第二望远镜透镜34，两者一起在形成在光束22的长轴方向上的扩束望远镜部件(telescopic element)。然后，所述光束通过长轴均化器(homogenizer)40，所述均化器40由第一排柱面镜42和第二排平行的柱面镜44组成，所述第一排柱面镜42中的每个具有在长轴方向上两者之间被选择的距离上的焦点，后面是成像透镜46，用来成像光束的所述长轴。然后，所述光束通过短轴均化器50，所述短轴均化器50包括第一排柱面镜52和第二排柱面镜54，其中所述第一排柱面镜52中的每个透镜具有两者之间被选择的距离上的焦点，后面是成像透镜56，用来在狭缝62处成像在所述短轴方向上的光束，所述狭缝形成在场阑(field stop)60中，所述场阑60还包括物镜64。然后，加宽后的光束80被具有90％反射率的镜90旋转90°，然后通过光束短轴放大镜100，所述短轴放大镜100由具有第一透镜102和第二透镜104的5X放大倍率的柱面镜对(doublet)组成，该柱面镜对形成在衬底130上或在衬底130周围的最终ELA光束120。现有技术组件20还包括光束质量监控系统110，所述系统110包括第一CCD摄像机112和第二CCD摄像机112。
图2仅示出图1的组件20的短轴光学组件的元件(component)并且示出了双激光光束22，22’在现有技术的Lambda Physik或JSW ELA机上的应用，所述双激光光束22，22’来自两台单腔Lambda Physik单振荡器准分子激光器，例如XeCl或KrF准分子激光器。另外还示出了这样的事实，即在场阑60处所述光束的短轴成像重叠，从而在组合重叠光束分布中只有部分能量通过狭缝(slit)62。
图3示出用于放大在短轴方向上的所述光束和用于扩展在长轴方向上的所述光束两者的可能透镜组合30，所述透镜组合30可以包括例如柱面凸透镜32，接着是柱面凹透镜34，导致线状光束120在扫描方向的轴线方向上变薄并且成为与所述扫描方向正交的细长形。
图4根据本发明的实施方案的多个方面示出透镜组件的实施例，说明在长轴光束均化器40和短轴光束均化器50中实施的光束均化作用，所述透镜组件包括衬底140，该衬底可以由能够在所要求的强度水平下在光学上承受DUV光的适当材料(例如MgF2或CaF2)来制成，所述材料的厚度例如约1.2mm，以及在两侧中的每侧上的柱面折射的、平-凸柱面微透镜阵列，其中，例如，阵列中的透镜的间距(lens pitch)例如为约300μm，导致例如约1°的发散角以及远场平顶(flat-top)的强度分布。这样的透镜组件可以例如从SussMicrooptics获得，该组件在出售时被标明为CC-Q-300 1°，5mm×10mm，高功率光束均化器。
A.Voutsas等人的“Effect ofprocess parameters on the structural characteristics of laterallygrown，laser-annealed polycrystalline silicon films(工艺参数对横向生长、激光退火的多晶硅膜的结构特性的影响)”，Jour.of Appld.Phys.，Vol.94，No.12(2003年12月15日)(简称″Voutsas″)注意到光束分布参数的重要性，尤其就横向晶体生长来讲在光束的短轴方向上，该文的公开在此通过引用被包括进来。如Votsas所注意到的，这主要是由在光束成形图形的临界尺寸(即大致上为大纵横比矩形情况下的宽度)和投影光学装置的分辨能力(resolving power)(即大致上为投影透镜的数值孔径(numerical aperture))之间的关系来确定的。该关系确定了光束分布的边缘“锐度(sharpness)”，即，对强度从例如最大强度的10％上升到90％的空间要求。有效率的SLS处理可以要求陡的光束边缘分布，以最小化激光能量的低效利用，如在Voutsas中更详细地解释的那样。实际上，由于在数值孔径和焦深(depth of focus)要求之间的折衷，该分布可以由投影光学装置的衍射极限来支配。图4示出在所述光束的短轴方向上和在选择的部分上，在衬底上的典型现有技术空间强度分布，例如，通过前面讨论的光学装置来提供例如8-9mm宽的射束(beamlet)，所述射束是从具有数值孔径约50.05的5∶1投影透镜生成的。对应于SLS工艺窗口的强度范围也在Voutsas中被示出。对于该范围之外的强度值，薄膜的部分熔化可以和在强度太低的地方细粒多晶硅材料的后续形成一同发生。因此，在光束(de)的每个边缘，光束分布的锐度可以定义此区域(regime)的范围。依赖于射束的宽度，如果在辐照条件下LGL小于光束宽度的大约一半，则随机成核(nucleation)可以发生在光束的中心。Voutsas还注意到如果dL是横向生长长度，并且dc是中心核化区域的宽度，那么w25de12dL1dc其中w是光束宽度。Voutsas还注意到，为了优化射束利用，要求de→0和dc→0。并且根据Voutsas，核化的“中心”区域可以(例如通过实质性地减少射束的宽度)被有效地消除，而光束边缘区域可以被限制但决不会实际上被消除。Voutsas还指出除了投影光学装置的限制，光束分布畸变(distoration)的另一个来源是聚焦。对于投影光学装置的给定数值孔径，可以确定焦深(depth-focus)，例如定义投影透镜和被辐照样品表面间距离的变化度，所述变化度导致透镜成像能力(即透镜的分辨能力)实质上可忽略的变化。例如，对于给定投影透镜，如果样品平面的位置超出焦深的限制，可能发生已成像光束分布的畸变，例如将自身显示为“模糊的”；即在欠聚焦和过聚焦的情况下，不能完全分辨已成像光束。根据Voutsas，在这种条件下，最大光束强度减小并且边缘变得更散布，例如具有不那么陡的斜度或不那么陡峭的斜度。换言之，de增加，并且射束中心的核化的可能性也增加。Votsas还注意到LGL变化为以mm为单位从最佳焦平面离焦(defocusing)的程度的函数，例如由于光束分布中增加的边缘漫射(这可以导致横向生长的光束低效部分增加)，所以横向生长长度由于离焦而缩减。还注意到边缘长度变化为离焦的函数，其中在增加的离焦的情况下，横向生长长度的减少可以伴随着边缘长度的随之增加。Votasas指出增加激光能流(fluence)可以或多或少地补偿LGL上的离焦损失，但是，团聚(agglomeration)会对这种补偿的程度造成限制，指出为了确定最优衬底步距以维持大面积上的增长连续性，可能必须考虑例如由于离焦而造成的光束分布的畸变。
已知用于使用ELA的AMLCD制造的玻璃衬底包括例如Corning的MIE 101(2002年8月)中所描述的Corning1737 AMLCD玻璃衬底、Corning的PEI 101(2002年12月)中所描述的1737显示器级玻璃衬底、Corning的PEI 201(2002年12月)中所描述的Eagle2000TM显示器级玻璃衬底，以及“Glass substrates for AMLCD ApplicationsPropertiesand Implications(用于AMLCD应用的玻璃衬底性能和本质)”(TIP 101，2002年2月)和“Support Designs for Reducing the Sag of Horizontally Supported Sheets(用于减少被水平支撑的片凹陷的支撑设计)”(TIP 303，2003年2月)，它们的公开内容通过引用被包括在本文中。
图4根据现有技术中K.Lee.的“A Study on Laser Annealed Polycrystalline Silicon ThinFilm Transistors(TFTs)with SiNx Gate Insulator(对于具有SiNx栅极绝缘体的激光退火的多晶硅薄膜晶体管的研究)”第五章“Electrical and Structural Properties ofELA Poly-SiFilms(ELA多晶硅膜的电气和结构属性)”(http://tftlcd.khu.ac.kr/reserch/poly-Si/chapter5.html)，示意性示出用于准备准分子激光退火的(“ELA”)多晶硅膜的工艺流程。如图4中所示，可以使用例如JSW公司所提供的退火设备中的具有矩形光束形状的XeCl准分子激光系统(未示出)。通过APCVD在清洁的玻璃衬底132上沉积SiO2缓冲层134。通过PECVD沉积70nm厚的非晶硅:氢氧化物(“a-Si:H”)膜136，作为ELA的起始材料。a-Si:H膜由以150mJ/cm2扫描、具有94％重叠的准分子激光来脱氢(dehydrogenated)，以形成非晶硅层138。最后，脱氢的a-Si:层138由ELA以94％的重叠在300℃扫描而被晶化，以形成多晶硅层138。激光能量密度可以在240-330mJ/cm2之间变动，以找到最佳的激光强度，从而获得高质量的多晶硅膜138。
JSW ELA系统具有相对简单的用于晶化和活化(activation)的光学装置，但是JSWELA系统产生小晶粒化的微结构，并且具有仅仅大约100的TFT迁移率性能和仅仅每小时25片的吞吐量，相对高的每片维护成本以及虽然对焦点不敏感但对能量敏感的工艺余量。JWS 2 Shot(两次照射)SLS系统具有相对复杂的用于晶化的光学装置，产生2-3μm的晶粒以及在大约150和200之间的迁移率，以及每小时35片的吞吐量。它具有比之JWSELA便宜大约32％的每片维护成本，并且具有对能量不敏感但对焦点敏感的工艺余量。
图5示出具有大约9μm光束线宽的现有技术光束分布。
还已知对于这样的应用，利用例如惰性气体卤化物激光器的准分子激光器，其中由惰性气体原子和卤化物原子(Cl，I，F等)构成激光活性材料。此外，稀有气体卤化物激光器，例如XeCl、XeF、KrF和ArF，已经被验证，并且，如J.J.Ewing等人在Phys.Rev.A12，129(1975)和M.Hoffman等人在Appl.Phys.Lett.9，538(1976)中所指出的，已经在Si膜的重晶化上得到了有效利用，包括如在参考文献中所列出的包括XeF的那些激光器中的普通类型。参考文献还注意到为了晶化a-Si:H，诸如ArF(193nm)、KrF(248 nm)、XeCl(308nm)、XeF(351nm)的很多准分子激光器已经被使用。除了其他以外，XeCl准分子激光器具有良好的气体稳定性、在接近波数(wavenumber)为308nm的情况下a-Si:H膜的高吸收系数的优点。因此，由于稳定的操作和在308nm处a-Si:H(～106cm-1)的高吸收系数，很多公司采用XeCl激光器进行生产。K.Lee，“A Study on Laser AnnealedPolycrystalline Silicon Thin Film Transistors(TFTs)with SiNx Gate Insulator(具有SiNx栅极绝缘体的激光退火多晶硅薄膜晶体管的研究)”，第四章“Experimental Details(实验细节)”，http://tftlcd.kyunghee.ac.kr/research/poly-Si/chapter4.htmlC.Kim等人的“Excimer-Laser Crystallized Poly-Si TFT′s with Transparent Gate(具有透明栅极的准分子激光结晶的多晶硅TFT)”(IEEE Transaction on Electron Devices(IEEE电子器件学报)，Vol.43，No.4(1996年4月)，p.576-579) (简称“Kim”)讨论了XeF激光光辐射被使用在玻璃复合物(composite)上的非晶硅薄膜的玻璃衬底侧上，以在与所述玻璃衬底非晶硅界面相邻的非晶硅中形成多晶硅透明栅极电极。还讨论了使用该技术来形成这样的晶体管用于驱动器单片集成电路主动矩阵液晶显示器(“AM-LCD”)。Kim指出非晶硅的顶侧退火由准分子激光器完成，所述准分子激光器包括XeCl及其他，引用K.Sera等人的″High-performance TFT′s fabricated by XeCl excimer laser annealing ofhydrogenated amorphous-silicon film(由氢化非晶硅膜的XeCl准激光退火制造的高性能TFT)″(IEEE Transaction on Electron Devices(IEEE电子器件学报)，Vol.36，Np.12，(1989)，pp.2868-72)；Y.Morita等人的“UV pulsed laser annealing of Si-implanted siliconfilm and low-temperature super thin-film transistors(硅注入的硅膜的UV脉冲激光退火以及低温超薄膜晶体管)”(J.Appl.Phys.，Vol.28，No.2(1989)pp.L309-L311)；K.Shimizu等人的″On-Chip bottom gate polysilicon and amorphous silicon thin-film transistors usingexcimer laser annealed silicon nitride gate(使用准分子激光退火的氮化硅栅极的芯片上底栅极多晶硅和非晶硅薄膜晶体管)″(Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.29，No.10(1990)，pp.L1775-L1777)；K.Shimizu等人的″high-performance poly-si thin-film transistors withexcimer laser annealed silicon nitride gate(具有准分子退火的氮化硅栅极的高性能多晶硅薄膜晶体管)″(Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.32，No.1B(1993)，pp.452-57)；M.Furuta等人的″Bottom-gate poly-si thin film transistors using XeCl excimer laser and ion doping techniques(使用XeCl准分子激光退火和离子掺杂技术的底栅极多晶硅薄膜晶体管)″(IEEETransaction on Electron Devices(IEEE电子器件学报)，Vol.40，No.14(1993)pp.1964-69)；以及Y.Sun等人的″Excimer laser annealing process for polisilicon TFT AMLCDapplication(用于多晶硅TFT AMLCD应用的准分子激光退火工艺)″(Record of 1994 Int.Disp.Res.Conf.(1994))，它们每一篇的公开内容作为引用被包括在本文中。然而，Kim公开并建议仅使用XeF穿过衬底辐射来形成透明底栅极。
已知使用具有中间像的、由成排的透镜形成的成像通道，其中每条通道成像有限的角度范围，其中部分像的迭加由成像平面中的空间迭加(superpositioning)来完成，这要求正成像并且仅与下一相邻部分的迭加，以避免离轴像差(off-axis aberration)。mstnews 2/03，http://www.suss-microoptics.com/downloads/Publication/Miniaturization of Imaging_Systems.pdf已知使用蝇眼透镜来进行准分子激光光束的强度重新分布，如Y.Ozaki等人的“Cyllindrical fly′s eye lens for intensity redistribution of an excimer laser beam(用于准分子激光光束的强度重新分布的柱面蝇眼透镜)”(Applied Optics，Vol.28，Issue 1(1989年1月)p.106)和B.Crowther等人的″A fly′s eye condenser system for uniform illumination(用于均匀照射的蝇眼聚光器系统)″(Proc.of SPIE，International Optical Design Conference 2002，Vol.(2002)，pp.4832-35)中所讨论的。
发明内容
公开了一种气体放电激光结晶化设备和方法，用来完成工件的膜中的晶体结构或取向的转换，其可以包括以主振荡器功率放大器MOPA或功率振荡器功率放大器配置的XeF激光系统，所述激光系统以高重复率和高功率产生具有脉冲对脉冲剂量控制的激光输出光脉冲光束；从所述激光输出光脉冲光束产生长而薄(elongated thin)的脉冲工作光束的光学系统。所述设备还可以包括被配置为POPA激光系统的激光系统，并且进一步包括用来将来自第一激光PO单元的第一输出激光光脉冲光束引导进入第二激光PA单元的传递光学装置；以及，定时和控制模块，用来将第一和第二激光单元中的气体放电的产生定时在正或负3ns，以生成作为第一激光输出光脉冲光束的放大的第二激光输出光脉冲光束。所述系统可以包括在振荡器(oscillator)激光单元中的发散控制器。发散控制器可以包括非稳定谐振器结构。所述系统还可以包括介于所述激光器和所述工件之间的光束指向控制机构，以及介于所述激光器和所述工件之间的光束定位控制机构。光束参数计量可以为所述光束指向控制机构提供主动反馈，并且可以为所述光束定位控制机构提供主动反馈。
附图简要说明图1根据本发明的实施方案的多个方面示出表示光学系统多个方面的光学布局；图2示出图1的光学系统的另一个视图；图3示出用于既在短轴方向放大光束又在长轴方向扩展光束的可能透镜组合30；图4示出透镜组件的实施例，说明在长轴光束均化器上进行的光束均化作用；图5示出光束强度分布；图6示意性示出说明性的脉冲激光输出光束生成系统；图7根据本发明的实施方案的多个方面示意性地、部分地示出系统；图8示意性示出本发明的实施方案的多个方面；图9示意性示出本发明的实施方案的多个方面；图10a和图10b示出光束强度分布；图11示出光束强度分布；图12A和12B示出光束强度分布；图13根据本发明的实施方案的多个方面示出光学结构。
具体实施例方式
申请人提出了具有用于晶化和活化的简单光学设备的定向SLS系统，所述定向SLS系统产生或本质上可以产生延长工件长度的晶粒(grain)，造成200-400的迁移率(mobility)和每小时35片(sheet)的吞吐量。对申请人所提出的系统来讲，每件维护费比JWS ELA系统便宜大约37％，并且与JWS系统相比具有对能量或焦点不敏感的工艺余量(margin)。
对于片尺寸为370×470来说，申请人提出利用光束的一部分的能力，所述能力为可以用365×0.02mm或更小的细长薄光束在一次扫描中覆盖包括衬底的工件片，并且用730×0.02mm的细长薄光束以至少4000Hz的激光重复率、例如90％的重叠、例如0.002mm的扫描步距，470mm的扫描长度单次扫描覆盖730×920的工件片，在前一种情形中能够进行每片(sheet)23500次晶化照射(shot)，晶化时间为59秒，对于每片43秒的浪费时间来说有173,200次浪费的照射，以及就每小时35.38片的吞吐量来讲总共408,200次照射和102秒的动作时间，并且在后一种情形中，利用类似的数据(除例如80％的重叠之外)使用单次扫描覆盖片的整个730mm宽度，导致460,000次晶化照射、115秒的晶化时间、对总共469,959次照射来说有9,959次浪费的照射、以及每小时22.74片的吞吐量。在每种情况下，即使在4000Hz这样相对低的速率下，根据本发明的实施方案的多个方面可达到的吞吐量也比现有技术有大约45％的提高。
现在参照图6，根据本发明的实施方案的多个方面示意性示出说明性的脉冲激光输出光束生成系统160。系统160可以包括振荡器激光系统162和放大器激光系统164。脉冲激光输出光束生成系统160可以被配置为主振荡器、功率放大器系统，其中如本领域众所周知的，用例如线窄化模块(line narrowing module)或线窄化包(line narrowing package)来对振荡器系统的输出脉冲180进行线窄化，或脉冲激光输出光束产生系统160可以是其中不使用线窄化的功率振荡器。对于本应用的目的来说，两种形式的振荡器激光器都能够被使用，并且无论是主振荡器(MO)还是功率振荡器(PO)都被称为主振荡器(MO)。如图6中所示，MO可以包括非稳定谐振器(resonator)，所述谐振器包括凹反射镜170和凸反射镜172，反射镜170和172被示例性地示为调准为离轴振荡形式，从而通过振荡器激光系统162的气体放电腔中的阴极174和阳极176间的电气放电产生输出光束180。
输出光束180大约为50mJ，并且由于振荡器腔162的非稳定谐振器配置，它至少在一个轴上(例如水平轴上)具有相对低的发散度。该光束180被传递光学系统182中的近的全反射镜反射到放大器激光系统164的气体放电腔中，所述放大器激光系统164可以包括如MOPA激光系统领域内众所周知的多次通过(multi-pass)功率振荡器，例如本申请人的受让人以XLA型号系列出售的那些功率振荡器。通过放大器激光系统164的气体放电腔中的阴极174和阳极176之间的放电，在放大器激光系统164中光束180的强度被放大，以产生脉冲激光输出光束190，所述放大器激光系统164被定时到光束180的到达时刻。
应该理解，激光系统164可以是具有例如一次离轴通过的多次通过放大器系统。此外，放大器激光系统164也可以是振荡器系统，例如也被配置为非稳定谐振器腔(cavity)或稳定谐振器腔的振荡器系统，从而像功率振荡器一样在谐振器激光腔中放大输入光束180。
现在参照图7，根据本发明的实施方案的多个方面示意性地、部分地示出系统。工件130可以包括a-Si 140薄膜层，所述薄膜层可以用长而薄光束扫描，所述薄光束例如在与扫描方向正交的方向上大约为365mm-730mm长(即足够长以在该尺度上覆盖期望覆盖的工件130长度)，并且具有例如不想要被处理的某些边界，如图7的实施例所示。扫描方向上的扫描可以以如下方式进行根据光束120的尺寸，脉冲输出激光光束的每个脉冲以一步距(pitch)覆盖一晶化区域(例如365mm×5-20μm)，其中所述步距用来保证连续的晶化区域的重叠部分在每个脉冲上被所述光束辐射到，除了如下面所讨论的情况外，在所述例外的情况中脉冲可以被跳过，以例如在某些期望长度上故意地停止结晶，接着新的结晶生长可以在后续的脉冲上开始。
例如，对于在扫描方向上每个脉冲具有5μm的线宽，可以选择3μm的步距，则在脉冲和脉冲间所述3μm的步距将给出大约占脉冲线宽40％的重叠。
针对在工件上SLS所需要的大概1J/cm2的能量密度以及730mm×0.01mm的光束，这将需要73nJ，并假设从激光器到工作台的传输率(transmission rate)为705，则至少需要100mJ来自激光器。4KHz的光束重复率和例如2μm/脉冲的扫描步距需要2μm*4KHz＝8mm/s的工作台扫描速度。
根据本发明的实施方案的多个方面，空间光束强度分布(intensity profile)应该被维持为尽可能的尖锐，即分布侧面(side wall)斜度为对于10μm的脉冲宽度(FWHM)，侧面从大约10％的强度到90％的强度之间少于.2μm，即斜度大约＞9。其中如果光束分布不够陡，由于能量密度波动导致晶化区域(地带)波动，则可能存在较短的横向生长距离以及扫描方向上晶化地带总宽度变化的情况。
图7示出可能存在这样的场合，不处理工件全部的长度或宽度，例如在最先扫描的晶化区域之前或之后，以及在最后扫描的晶化区域之后，或是沿着一般正交于扫描方向的光束的纵向范围以外的边缘，故意在工件端部留下边界142不处理。使用在这里，术语工件的全部范围是指，例如对于晶化来说工件的期望覆盖面积的范围，与是否真正处理整个工件本身无关，从而例如根据本发明的多个方面用长而薄光束在所期望的工件部分上沿长度和宽度在一次扫描中形成期望的晶化。
现在参照图8和9，根据本发明的实施方案的多个方面示出根据本发明有用的光束传输和光束处理系统200。所述系统可以接收(take)脉冲激光输出光束190，并通过光束传输单元208和光束处理单元220将其传输给例如在工作台204上的工件。光束传输单元208可以包括光束稳定性计量模块206，计量模块206可以测量光束定位和指向，以及光束能量，并为BDU 208中的旋转镜(turning mirror)210提供主动反馈控制。
所述系统可以包括衰减器(attenuator)202，所述衰减器202工作在反馈控制中，以将光束190衰减例如大约5％-50％，用于在工作台205上工件130处的剂量控制。衰减器202可以包括冷却单元204。系统200还可以具有光束稳定性计量模块(“SMM”)206和光束稳定性控制模块210(“BSC”)210。BDU 208的输出被光束处理模块220接收。
在光束190的光路中还可以有光束衰减器230，可以通过操纵电磁线圈(operatingsolenoid)232将所述衰减器230插入或撤离光束190在BDU 210内的光路。例如，光束衰减器230可被用来将光束最多衰减大约99％，以允许在下游以较低的光束功率水平进行计量。通过使用由光束分束器操纵电磁线圈244在光束190的光路中插入的光束分束器242，原始光束分布测量器(profiler)可以被用来测量(profile)接近激光系统160的光束分布。
光束分束器246可以被用来使光束190的小部分转向到SMM206中，就在光束190进入光束处理模块置220之前，在SMM 206中对光束190进行计量。SMM可以监控光束定位、指向(角度)和能量，并向BSC和/或主控制器208提供关于这些参数的信息，所述主控制器包括例如已编程的计算机处理器，所述已编程的计算机处理器也可以通过网络链路(例如RS-422)与激光系统160、BSC 210以及工件轮廓(workpiece profile)和能量探测器/控制器270保持通信。BSC可以与激光器和衰减器保持直接通信，以用于进行外部的激光器输出能量控制和衰减控制，并且BSC还可以具有到脉冲宽度监控器260的输出。
在光束190进入光束处理模块220之前，通过使用由可以手动操作的操纵电磁线圈254插入到光束190的光路中的光束分束器256，例如用功率表的摄像机(camera of powermeter)测量光束的服务工具可以被手动地插入到光束190的光路中。
系统还可以具有氮净化模块(nitrogen purge module)272，所述氮净化模块272可以用来净化BDU 208光束光路、光束处理模块220和工作台205中的一个或更多个。
安全传感器274可以与N2电磁阀一起来净化光束处理模块和/或工作台205。
快门248可以被放置在光束190的光路上，以防止光束190进入光束处理模块220。
在没有主动光束稳定化(例如BDU 208中的旋转境210的反馈控制)的情况下，光束指向漂移可能会非常大，例如高达100到200μrad。然而，在具有稳定化控制的情况下，偏离可以被保持为例如达到大约±25μrad的目标，这可以独立于激光负载循环(duty cycle)的影响而实现。在没有光束参数(例如指向和角度)主动反馈控制的情况下，可能会发生相对快速的偏离，例如指向偏离，这至少部分是由于负载循环改变，即达到200μrad左右，其中在突发(burst)之间具有例如±50μrad的改变。应该理解在操作中系统200可以提供以光束分布和在激光器出口的功率的形式提供的计量和控制，使用稳定化计量模块(SMM)进行的主动光束漂移(角度和定位)校正，用于维持整个光束传递、光束处理和光束利用过程中的能量稳定性的能量传感器反馈，在工作台上的衬底上进行的轮廓监控；用于优化工作台上的衬底上的光束而输入到光束传输光学装置的分布监控反馈；以及从工作台上和SMM中的能量监控器输入到激光器的功率监控反馈。
系统能够以这样的参数工作例如至少920mm的工作长度，如果必要的话，线宽分辨率＜0.05μm，单方向可重复性＜±0.25μm，精确度＜±1μm，以及～20μm的自动聚焦系统。
根据本发明的实施方案的多个方面，SMM用来测量光束指向和定位，并且BSC中已编程的控制器(未示出)计算光束指向和定位各自的错误信号，接着所述错误信号被主控制器280用来控制诸如激光能量输出、激光触发器和衰减器202这样的项目。如表I所示，对于工件上固定的N.A.，等同的系统中所产生的缩减量(reduction)变化。
表I
根据本发明的多个方面，造成了领结(bowtie)效应，即在光束的短轴方向上的光束扩展朝着光束的长轴方向上光束的纵向端发展。对于短轴上5-20μm的光束来说，在光束的端部(例如在±182.5mm处)，例如20μm增长为大约40μm到60μm之间。对于在短轴方向上线宽为400μm的光束来说，这样的光束扩展可以忽略的。但是，根据本发明的实施方案的多个方面，这种在大约2x到12x之间的光束增长(取决于光束长轴中心的光束线宽)是不可接受的。可以进行具有较小线弓形(line bow)效应的裂口LSF(split LSF)。光束纵向端的性能以几种方式恶化，包括长轴上的线宽增长、长轴均匀性(uniformity)的丧失和掩模(mask)平面(plane)上综合效率(integrated efficiency)的丧失。根据本发明的实施方案的多个方面，这将使长轴均匀性、线端处的剂量、稳定性以及吞吐量超出在长而薄光束ELA系统中的规范。
这种线弓形至少由两种因素产生，所述两种因素包括几何长度以及光束长短轴之间斜光线的相互作用(即长轴生成和在掩模平面上的短轴聚焦之间的相互作用)。申请人提出通过使用合成的“土豆片(potato chip)”透镜来减小不期望的线弓形的影响，所述“土豆片”透镜根据到长轴中心的距离，用例如定位在短轴物光学装置(field optic)的输出处的弱(低功率)交叉柱面透镜不同地折射所述光束。人们相信，其他造成线弓形的因素是短轴缩减透镜(reduction lens)的倾斜度(obliquity)和短轴阵列的单元内的倾斜度，人们相信这些因素是可校正的，或至少可以通过在短轴的焦点上的渐晕(vignetting)以相反效果来降低这些因素的影响。
非均匀性也可能是由于光束相干性(coherence)造成的干涉所引起的散斑(speckle)的结果，对于不会受到这种散斑和相干性问题影响的更高度发散的激光来说，就不会有这样的问题。缩减(reduction)是可以用分布式延迟设备(例如合成的“土豆片”透镜)来达到的干涉效应。分布式延迟设备是已知的，如P.Dainesi在“＿＿”(应用光学，1997)中所示，它公开的内容通过引用被包括在本文之中。
申请人提出一种系统，其中工件上光束的尺寸为例如365mm×5-20μm，视场为例如18mm，在没有脉冲展宽的情况下能量密度为400-1000mJ/cm2，在脉冲展宽情况下能量密度为＞600mJ/cm2，并且所述系统具有运行为大约755个负载循环的能力。此外，系统预期可以具有例如0.13的N.A.和20到5之间的缩小倍率，其中在2.0μm L/S图形下DOF＞±10μm，衰减器透射率(transmittance)在10％到100％之间，以及手动方式操作下衰减器稳定性＜0.5％。本发明还能够使用尺寸为例如5或6英寸、厚度为120mil的掩模，手动或自动地(可选的)对准，x、y、z轴移动范围(travel)为1160mm×400mm×1mm，分辨率为x＝0.1μm，y＝0.02μm，z＝0.5μm，在整个移动范围内＜±1.0的精度，以及高至大约500mm/s的移动速度。还预期有1.0°的θ行程(theta travel)。还预期有至少77mJ/脉冲的脉冲能量，至少4KHz的重复率，300W的功率，输出波长大约351nm，在大约351处使用XeF的双峰，在大约351的任一侧使用XeF的次峰，脉冲宽度大约29±5ns(FWHM)，例如两个脉冲间隔大约为100ns或≥200ns(FWHM)时脉冲宽度为30ns，气体寿命为大约40×106个脉冲或更多。
为了简化光束的采样，优选线性偏振。进入第一均化器(homogenizer)的光束宽度预期为30mm×30mm，其中光束接近在光束的短轴方向上受限制的衍射，例如为了获得工件上的10μm光束，而由于短轴上的损坏(spoiling)导致的空间相干性和±2％的光束稳定性满足例如在150mJ上15％的均匀性目标。
在扫描长度0.01mm，扫描宽度730mm，扫描长度方向上重叠为线宽的75％-80％的情况下，预期光束传输单元传输百分比(transmission percentage)为72.30％和脉冲展宽器脉冲传输百分比为65.36％。这可以用具有例如154mJ的最小能量、功率为618w的激光器来达到。
预期焦深＞100μm(±50μm)，像场曲率(image field curvature)＜20μm(±10μm)，在长轴上光束均一性(homogeneity)＜10％(±5％)以及＜5％(±2.5％)，光束陡度(steepness)＜10μm(10％-90％)。应该理解在操作中申请人用长而薄光束解决了与适当的SLS性能相关的两个关键问题，例如水平光束发散，该问题是用例如目标为0.15mrad@1/e2的低功率交叉柱面透镜和用来自激光器的较低发散度初始光束来解决的，这便于达到所需要的在衬底上10到20□m的斑点大小，以及维持水平斜度＜10□m(即50μrad)的水平光束指向，所述水平光束指向是通过例如在BDU中快速执行主动光束操控来达到的。
图10A示出根据本发明的实施方案的多个方面，传输到掩模平面的光束的短轴方向上的强度分布的实施例，该实施例示出从10％到90％的侧面斜度为0.02μm，光束线宽为大约130μm FWHM。图1B示出光束被场阑狭缝(掩模)修整/切断，以在掩模出处形成具有大约100μm FWHM和从10％到90％侧面斜度为0.01μm的光束。图11示出工件短轴上成像的脉冲光束宽度，它在90％处具有例如＜20μm的宽度，ΔI/Δx的斜度＜7μm，并且ΔI＜5％。
图12A示出具有领结状横向光束宽度发散的光束的实施例，并且图12B根据本发明的实施方案的多个方面示出所述发散被移除的光束。
图13根据本发明的实施方案的多个方面示出包括领结状发散校正光学部件(element)的光学系统。
根据本发明的多个方面，XeF是一种合适的激光系统，因为351nm左右的中心波长在对于给定波长来说硅的反射率保持在非常低的区域内，而随之对于该波长来说吸收率非常高，然而对于大大长于此波长的波长来说吸收率快速地下降到这样的水平，即在该水平下所需的传输到工件的能量很难达到。此外，351nm在DUV的范围内，在该范围中光学元件损坏因素可以较轻易且不昂贵地满足，然而，特别是在如此高的脉冲重复率下，下降到较低的标称波长(例如对于KrF来说248)，可能造成光学损坏避免因素的满足要难得多和昂贵得多。
申请人还已经认识到在激光器和工件之间的光学链中、在长轴光学装置之前放置短轴光学装置的做法的益处。
根据本发明的多个方面，短轴上的线宽LWvert＝pvfs[(f1+f2)-α，其中pv是例如形成均化器中每条通道的单独的柱面透镜在短轴上的宽度，α是沿光学路径上的这样的柱面透镜形成的第一组透镜和第二组透镜之间的距离，fs与短轴均化器的聚焦光学装置相关。在工件上的LW即LWwp等于缩减度(RED″)乘以LWvert。LWIFF+244λ(f/狭缝孔径)＝244λ(Fshort/pv。此外，掩模的LWDIFF大致等于RED(LWDIFF)。线宽发散度LWDIFF大致等于系统的fs1乘以激光光束的短轴发散度θs。每个通道的系统的fs1＝(f1/f2)*f短轴*RED，例如50/45乘以100mm乘以1/5X，所以LWDIV＝20mm×0.0001或大致2μm。一前一后的透镜f1和f2是起望远的和准直作用的。对于一些控制常数方程，例如J＝RED LWV+LWDIFF＝LWDIV，J可以是针对一些系统约束(例如pv和fs)而被最小化。发散度θs1等于激光器的θ短轴乘以(激光器的WL/WS。这一直起作用直到激光发散度或相干性中任一种或两者造成问题。不满足α＜f1+f2，则在相邻通道中可能会发生串扰(cross talk)，这导致例如工件上的图像中的条带(strip)。此外，可以调整f1和f2来控制场阑处的均匀性和侧面斜度(sidewall slope)，以及由此控制工件处的均匀性和侧面斜度。侧面的垂直性上的边缘模糊(blur)是几何像差和激光发散度两者的函数。
根据本发明的多个方面，申请人提出向工件提供细长光束，所述细长光束与本领域中数百μm的线宽形成对照。还是根据本发明的实施方案的多个方面，申请人提出将长轴阵列套起来。
根据本发明的多个方面，提供了高能量、高重复率的工件表面加热机构，所述机构包括脉冲XeF激光器，所述脉冲XeF激光器工作在4000Hz或高于4000Hz并在大约351nm的中心波长处产生激光输出光脉冲光束；光学系统，所述光学系统将所述激光输出光脉冲光束窄化为在激光输出光脉冲光束的短轴上小于20μm，并将所述激光输出光脉冲光束扩展，以在光束的长轴方向上形成覆盖所述长轴范围的工件，所述范围为370mm或930mm；所述光学系统包括介于激光器和工件之间的场阑；所述工件包括要被加热的层；其中所述光学系统以足够维持如下强度分布的放大率将激光输出光脉冲光束聚焦在场阑处，所述强度分布具有足够陡的侧面，以允许场阑在工件上维持足够陡的光束分布而不会在太高的强度水平上不阻挡光束分布，例如在大约5-10％强度水平上修整或切断光束分布，与本领域中在FWHM处或在FWHM之上相反。
本系统还可以包括光路中的远心转换透镜(telecentric conversion lens)以及作为例如领结校正机构的长轴锥形发散均化器，所述领结校正机构如在上面也描述过的或是不同的版本，并且在短轴上的情况也相同。
权利要求
1.一种气体放电激光结晶化设备，用来完成工件上的膜中的晶体结构或取向的转换，所述设备包括MOPA或POPA配置的XeF激光系统，所述激光系统以高重复率和高功率产生具有脉冲对脉冲剂量控制的激光输出光脉冲光束；光学系统，所述光学系统从所述激光输出光脉冲光束产生长而薄的脉冲工作光束。
2.如权利要求1的设备，其中所述激光系统被配置为POPA激光系统并且还包括传递光学装置，所述传递光学装置用来将来自第一激光PO单元的第一输出激光光脉冲光束引导进入第二激光PA单元；以及定时和控制模块，所述定时和控制模块用来将所述第一和第二激光单元中的气体放电的产生定时在正或负3ns内，以生成作为所述第一激光输出光脉冲光束的放大的所述第二激光输出光脉冲光束。
3.如权利要求1的设备，还包括在所述第一激光单元中的发散控制器。
4.如权利要求1的设备，还包括包括非稳定谐振器结构的发散控制器。
5.如权利要求1的设备，还包括介于所述激光器和所述工件之间的光束指向控制机构。
6.如权利要求1的设备，还包括介于所述激光器和所述工件之间的光束定位控制机构。
7.如权利要求5的设备，还包括为所述光束指向控制机构提供主动反馈控制的光束参数计量。
8.如权利要求6的设备，还包括为所述光束定位控制机构提供主动反馈控制的光束参数计量。
全文摘要
公开了一种气体放电激光结晶化设备和方法，用来完成工件的膜中的晶体结构或取向的转换，其可以包括以主振荡器功率放大器MOPA或功率振荡器功率放大器配置的XeF激光系统，所述激光系统以高重复率和高功率产生具有脉冲对脉冲剂量控制的激光输出光脉冲光束；从所述激光输出光脉冲光束产生长而薄的脉冲工作光束的光学系统。所述设备还可以包括被配置为POPA激光系统的激光系统，并且进一步包括用来将来自第一激光PO单元的第一输出激光光脉冲光束引导进入第二激光PA单元的传递光学装置；以及，定时和控制模块，用来将第一和第二激光单元中的气体放电的产生定时在正或负3ns内，以生成作为第一激光输出光脉冲光束的放大的第二激光输出光脉冲光束。所述系统可以包括在振荡器激光单元中的发散控制器。发散控制器可以包括非稳定谐振器结构。所述系统还可以包括介于所述激光器和所述工件之间的光束指向控制机构，以及介于所述激光器和所述工件之间的光束定位控制机构。光束参数计量可以为所述光束指向控制机构提供主动反馈控制，并且可以为所述光束定位控制机构提供主动反馈控制。
文档编号B23K26/00GK1886872SQ200480035031
公开日2006年12月27日 申请日期2004年11月12日 优先权日2003年11月26日
发明者威廉·N·帕特罗, 帕拉什·P·达斯, 拉塞尔·赫迪玛, 迈克尔·托马斯 申请人:Tcz股份有限公司