用于低温多晶硅结晶的短脉冲光纤激光器

摘要

来自脉冲式光纤激光器的激光脉冲被导引至非晶硅层以通过重复的熔化和再结晶而产生包括结晶区域的无序排列的多晶硅层。可使用在10kHz至10MHz的重复率下、在约500nm与1000nm之间的波长范围下的约0.5到5ns的激光脉冲持续时间。可通过利用多模光纤中的拉曼散射使激光脉冲频谱展宽或通过将不同相位延迟应用到用激光脉冲形成的光束的不同部分来改善直线光束强度均一性，以减小光束相干性。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年12月31日提交的美国临时申请第61/747,805 号的优先权，所述申请特此以引证的方式全部纳入本说明书中。

技术领域

本公开内容涉及用于形成薄膜晶体管的硅层的方法和设备。

背景技术

各种类型的硅基板被用于包含太阳能电池和显示装置的许多应用中。 所谓的非晶硅(a-Si)被用于高分辨率液晶显示器中以提供其中可限定薄 膜晶体管的有源层(active layer)。可使用PECVD将非晶硅沉积于薄膜 中。可通过将a-Si层暴露到高强度的紫外线激光脉冲中来产生低温多晶 硅(LTPS)，所述激光脉冲快速熔化所沉积的a-Si层而不会加热底层基 板。a-Si层随后结晶成晶粒，所述晶粒的大小取决于在处理期间的温度梯 度。LTPS层的典型迁移率的数量级为约50-150cm²/V-sec，这优于与a-Si 相关的迁移率0.5cm²/V-sec。

常规的LTPS处理是基于使用准分子激光进行的表面处理或所谓的 准分子层退火(ELA)。在ELA中，线型、大致均一的激光束(通常为 308nm)作为具有约25ns的持续时间的一系列脉冲被导引至被加热并熔 化的a-Si层。所述熔化层随后再结晶，以形成多晶硅(p-Si)的层。激光 脉冲能量和光束均一性必须被精确控制。目标a-Si层的每一区域均被暴 露于若干准分子激光脉冲，并且还重复加热、熔化和再结晶过程。所得 LTPS层展现出结晶区域的矩形阵列，如图1A-1B中所示。对于大部分薄 膜晶体管(TFT)底板来说，处理通常以产生尺寸为约300nm的结晶区 域或“晶粒”为目的。

准分子激光作为生产装备是复杂的并且是昂贵的。即使是最佳的准分 子激光仍倾向于具有极有限的使用寿命，并且替换准分子激光腔及其相关 的光学组件可能具有破坏性并且是昂贵的。虽然可获得令人满意的结果， 但与ELA相关的总处理成本仍然很高。

发明内容

可使用处于可见光波长下的短光学脉冲来产生用于有源矩阵显示器 的高迁移率p-Si TFT底板。可使用在532nm处发射的脉冲式光纤激光器， 以产生具有超过100cm²/V-s的电子迁移率的随机取向型硅晶粒。

处理基板的代表性方法包括：基于来自光纤激光器的重复激光脉冲来 产生光学直线光束，所述重复激光脉冲具有在约1kHz与1MHz之间的 重复频率且具有小于约25ns的脉冲持续时间。扫描包含硅层的基板和光 学直线光束中的至少一者以便在所述硅层中产生硅晶粒，从而使得所述经 处理的硅层具有至少约50cm²/V-sec的迁移率。在代表性的实例中，激 光脉冲具有约532nm的波长，并且重复频率在约100kHz与200kHz之 间。通常，激光脉冲持续时间小于约10ns或1.5ns。在一些实例中，经 处理的硅层具有至少约50cm²/V-s或至少约100cm²/V-s的迁移率。在 一些实施方案中，经处理的硅层具有平均晶粒大小在约200nm与500nm 之间的硅晶粒，且所述硅晶粒随机取向。在一些实例中，有效能量密度在 约20mJ/cm²与200mJ/cm²之间。在其它实施方案中，激光脉冲经处理 以产生频谱增强脉冲，其中脉冲能量的至少约10％发生频率移位，并且 频谱增强脉冲被导引至基板。在一些实施方案中，通过多模光纤中的拉曼 散射来产生频谱增强脉冲，并且脉冲能量的至少约25％发生频率移位。 根据其它实例，多个相位延迟被应用于重复激光脉冲的不同部分，并且使 用经相位延迟的且频谱增强的光学脉冲来形成直线光束。

激光退火系统包括脉冲式激光器，所述脉冲式激光器经配置以提供在 10kHz与1MHz之间的重复率下具有小于10ns的脉冲持续时间的激光 脉冲。光学系统经配置以接收激光脉冲并产生直线光束。扫描组件经配置 以使得直线光束和基板相对于彼此而移动，从而使得直线光束沿基板表面 进行扫描，其中直线光束区域经选择以使得重复激光脉冲在基板表面上产 生a-Si层的重复熔化。在典型的实例中，激光脉冲具有在约0.5与2ns 之间的持续时间，脉冲重复率在70与120kHz之间，脉冲波长为532nm， 并且脉冲能量在约10与100μJ之间。在一些实例中，激光脉冲频谱增强 器经配置以接收激光脉冲并基于多模光纤的拉曼散射来产生频谱展宽脉 冲。在其它实例中，包含至少两个反射表面的阶梯式反射镜组件经配置以 提供不同激光脉冲部分之间的相位延迟，其中所述相位延迟基于反射表面 间距。在典型的实施例中，相位延迟对应于至少10mm、25mm、40mm 或50mm的反射表面间距。

处理硅层的方法包括：将硅层暴露于波长为约532nm的多个激光脉 冲，以形成尺寸在约200nm与400nm之间且在硅层中的迁移率为至少 50cm²/V-s的实质上随机取向型结晶硅粒。处理经暴露的硅层以限定薄膜 晶体管。在一些实例中，使用脉冲式光纤激光器来产生激光脉冲，所述脉 冲式光纤激光器产生具有在约0.5ns与2ns之间的持续时间的激光脉冲， 且所述激光脉冲在暴露硅层之前进行拉曼散射以产生频谱增强脉冲。采用 了液晶(LCD)或有机发光二极管(OLED)的有源矩阵显示器包含按照 上文所述被处理的硅层。

所述技术的前述的和其它的目标、特征及优点将因以下详细描述而变 得更加明显，以下详细描述参考附图进行。

附图说明

图1A-1B说明代表性的常规准分子激光退火的(ELA)LTPS基板。

图2是包含脉冲式光纤激光器的代表性处理系统的框图。

图3-4说明使用设备例如图2中示出的设备处理的代表性a-Si基板。

图5是包含多模光纤的激光系统的框图，所述多模光纤经配置以基于 拉曼散射来展宽激光脉冲频谱。

图6A-6B说明基于长度为10m并且具有50μm芯直径的多模光纤中 的拉曼散射所实现的提高的光束均一性。图6A说明与种子激光器相关的 输出强度分布，并且图6B说明使用耦合到多模光纤的脉冲式激光束(其 偏离芯中心并具有约5.9W的激光功率)所实现的输出强度分布，所述输 出强度分布表明通过拉曼散射实现的强度均一性改善。

图7A是拉曼转换效率作为使用长度为5m和10m的50μm芯光纤 所实现的输入端平均功率的函数的曲线图。

图7B是拉曼转换效率作为使用长度为5m和10m的50μm芯光纤 所实现的输入端峰值功率的函数的曲线图。

图8A-8B说明基于长度为10m并且具有25μm芯直径和250μm包 层直径的多模光纤中的拉曼散射所实现的提高的光束均一性。图8A说明 与种子激光器相关的输出强度分布，并且图8B说明使用耦合到多模光纤 的脉冲式激光束(其具有约5.5W的激光平均功率)所实现的输出强度分 布，所述输出强度分布表明由拉曼散射所提供的光束改善。

图9说明阶梯式反射器的布置情况，所述阶梯式反射器被设置以减小 光束空间相干性。

图10说明两个反射器的布置情况，所述反射器被设置以减小光束空 间相干性。

图11A-11B分别说明使用具有15mm和50mm间距的阶梯式反射器 所实现的干涉效应的减小。

图12说明基于梳状滤波器(interleaver)和漫射器来减小光束相干 性的系统，所述梳状滤波器被设置以合并多个光束，并且所述漫射器位于 光束焦点处。

图13是用于减小光束干涉效应的光学系统，其包含蝇眼透镜。

图14是使用脉冲式光纤激光器来处理硅层的代表性方法的框图。

具体实施方式

在代表性实施方案的上下文中呈现以下公开内容，所述代表性实施方 案不应解释为以任何方式进行限制。本公开内容涉及各种所公开实施方案 的所有新颖的和非显而易见的特征和方面，其单独存在以及以各种组合和 彼此的子组合的形式存在。所公开的方法、设备和系统不限于任何特定方 面或特征或其组合，并且所公开的实施方案也不要求应存在任何一个或多 个特定优点或应解决问题。

虽然为了便于呈现而以特定的顺序来描述所公开的方法的操作，但应 理解，除非下文所陈述的具体语言要求特定排序，否则这种描述方式涵盖 对操作的重新排列。举例来说，在一些情况下，可重新排列或同时进行被 顺序描述的操作。此外，为简单起见，附图可能并未示出其中可以结合其 它物件和方法来使用所公开的系统、方法和设备的各种方式。

本公开内容有时使用如“产生”、“生成”、“选择”、“接收”、“展现” 和“提供”的术语来描述所公开的方法。这些术语是所进行的实际操作的高 度抽象。对应于这些术语的实际操作可根据具体实施方案而变化且可容易 地被本领域普通技术人员辨别。

除非上下文另外明确规定，否则单数形式包含复数形式。术语“包含” 意指“包括”。除非上下文另有规定，否则术语“耦合”意指通过机械方式、 电学方式或电磁方式连接或链接，并且既包含直接连接或直接链接又包含 通过不影响所述系统的预期操作的一个或多个中间元件所实现的间接连 接或间接链接。

可使用某些术语，例如“向上”、“向下”、“上部”、“下部”等等。在适 用时使用这些术语，以在处理相对关系时提供描述的某种明确性。然而， 这些术语并不意欲暗示绝对关系、位置和/或朝向。

除非上下文另有明确指示，否则术语“或”是指所述的替代要素中的单 一要素，或两个或多个要素的组合。

除非另有解释，否则本文中所使用的所有技术和科学术语具有与本公 开内容所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。虽然可在 本公开内容的实践或测试中使用类似于或等同于本文中所述的那些方法 和材料的方法和材料，但合适的方法和材料描述如下。材料、方法和实施 例仅是说明性的而非限制性的。从以下详细描述和权利要求书中，本发明 的其它特征是显而易见的。

除非另有指示，否则如说明书或权利要求书中所使用的表达组件数量、 百分比、温度、倍数等等的所有数字将理解为由术语“约”或“大致”来修饰。 因此，除非另外含蓄地或明确地指示，否则所述的数值参数为可取决于在 标准测试条件/方法下所探寻的期望性质和/或检测极限的近似值。当直接 地并且明确地区别实施方案与所论述的现有技术时，除非叙述词语“约”， 否则实施方案数字不为近似值。

参见图2，脉冲式光纤激光器材料处理系统200包含脉冲式光纤激光 器202，所述脉冲式光纤激光器202产生耦合到直线光束形成光学系统204 的脉冲式光学输出。目标206被设置以接收直线光束，并且可被紧固到平 移平台208使得直线光束可在目标206的表面上步进或扫描。或者，脉冲 式光纤激光器和光束形成光学系统204可相对于目标206而步进或扫描。 在一些实例中，目标206是位于可透过直线光束的基板上的硅层(例如， a-Si等)。

脉冲式光纤激光器202经配置以在可沿所扫描的直线光束产生局部 表面熔化和再结晶的功率水平、重复率和波长下产生光学脉冲。在一个实 例中，脉冲式光纤激光器202是由nLIGHT公司生产的PFL 250GREEN 光纤激光器。在80-120kHz的脉冲重复率以及最高达约60μJ的脉冲能 量下和在约532nm的波长下，脉冲持续时间的范围可为约0.7ns至约1.5 ns。相比于ELA，532nm辐射的吸收深度比波长更短的准分子辐射(约 308nm)的吸收深度更深，且脉冲持续时间显著更短(约1ns，与约25-60 ns形成对照)。

直线光束可被配置以用于基于基板大小、脉冲能量和优选的光束重叠 来暴露所选择的目标区域。选择扫描速度以产生期望的目标能量密度。通 常，有效的能量密度的范围是约10mJ/cm²至约1000mJ/cm²，约20 mJ/cm²至约500mJ/cm²，或约50mJ/cm²至约125mJ/cm²。

可建立例如扫描速率、直线光束大小和脉冲能量的暴露参数以产生所 选择的暴露能量密度和直线光束重叠。单个区域中熔化和再结晶的增加的 数目(与更高能量密度相关)倾向于产生更大的晶粒尺寸，且可相应地选 择暴露。

图2的光纤激光器系统202产生532nm的光学脉冲，对于所述光学 脉冲来说，硅所具有的吸收系数(数量级为2xl0⁴/cm)小于其对308nm 的光学脉冲所具有的吸收系数(数量级为2xl0⁵/cm)。可选择除532nm 之外的波长，并且可基于不同吸收系数来调节暴露参数。暴露于在400nm 与1μm之间或500nm与1μm之间的波长和/或波长组合下是方便的。

图3-4说明使用设备例如图2的设备处理的a-Si基板。经再结晶的 Si晶粒是显而易见的，并且展现与直线光束中的干涉效应相关的大小变 化。指示了直线光束和扫描方向。虽然Si晶粒是通过使用如所示出的脉 冲式光纤激光器进行的绿色激光退火(GLA)而形成的，但Si晶粒并不 是以矩形阵列来排列的。ELA LTPS的电性能取决于相对于Si晶粒的矩 形阵列的取向。相反地，通过GLA所获得的随机或准随机排列的Si晶粒 在作为Si层取向的函数的电性能方面可不展现或展现很少的变化。在这 类层的情况下，可在大部分制造过程中省略使多晶硅层对准TFT阵列的 步骤，从而简化制造。如图3-4中示出，均一的晶粒大小可能需要均一的 暴露，且在一些情况下，如下文所论述，光束均一性被进一步增强以改善 晶粒大小一致性。

直线光束可因相干性而展现例如衍射或散斑的干涉效应。可按照如下 文所公开的几种方式来减小光束相干性，并且可使用这些方法中的一种或 多种来改善直线光束均一性并减少归因于干涉效应的光束强度变化。参考 图5，拉曼增强型激光系统500包括脉冲式光纤激光器502，所述脉冲式 光纤激光器502被设置以将一系列激光脉冲导引至光束形成光学系统504。 种子激光源501耦合至脉冲式光纤激光器502以便促使激光脉冲形成。光 束形成光学系统504将激光脉冲集中到多模光纤(MMF)506中，并且 光束光学装置508从MMF 506接收输出脉冲，并且可经配置以形成直线 光束或其它光束形状从而用于材料处理。可使用球形和圆柱形光学元件的 组合。MMF 506通常被卷曲，以便增加所激发的光纤模式的数目。

选择MMF 506以便基于拉曼散射来展宽激光脉冲频谱。激光功率和 MMF长度是合宜的参数。对于532nm的激光脉冲来说，产生了通过拉 曼散射实现频谱增强的输出脉冲。由于拉曼散射是非线性(取决于强度) 效应，所以选择激光功率以实现合适的拉曼转换。另外，可选择MMF 长度以提供合适的相互作用长度，从而增强拉曼散射。通过激发多个不同 的斯托克斯波长，MMF 506中的多个不相关模式被激发。在一些实例中， 压电换能器510被设置以改变耦合至MMF 504的激光脉冲。数量级为激 光脉冲重复率的振动率是优选的。

图6A说明在MMF 506的输出端处的强度分布，其仅对应于种子激 光功率。强度变化是显著的。图6B说明在5.9W的激光输出功率下的强 度分布，所述激光输出功率足以产生拉曼散射。对均一性的改善是显而易 见的。图7A-7B说明对于脉冲式激光器(处于532nm下并且脉冲长度为 约1ns)的长度为5m和10m的50μm芯直径MMF来说作为输入端平 均功率和输入端峰值功率的函数的拉曼转换效率。可选择合适的平均功率 和/或峰值功率以获得优选的转换效率，从而提供具有更少相干性效应的 供集中的较不相干的输出光束。

在其它实例中，可使用具有不同芯直径的光纤以提高峰值强度并增强 拉曼转换效率。图8A说明在具有5m长度并且具有25μm芯直径/250μm 包层直径的光纤的输出端处的种子光的强度分布。图8B说明在5.5W的 激光输出功率下的仅拉曼移位光(其中532nm部分使用光学滤光片去除) 的强度分布，所述激光输出功率足以产生拉曼散射。如同先前实例，对均 一性的改善是显而易见的。

在以上方法中，光束相干性通过使用非线性过程(拉曼散射)来扩展 脉冲频谱带宽而得以减小。在其它实例中，可通过将相位延迟引入到光束 的一些部分中来获得改善的直线光束均一性。参考图9，输入端激光束910 被导引至偏置反射器901-908的堆迭(stack)900，所述偏置反射器901-908 经配置以产生反射光束930。堆迭式反射器901-908中的每一个均包含一 个相应的反射表面。举例来说，反射器901包含反射表面921。沿输入端 光束轴线922方向的反射表面间隔d与应用到相应的光束部分的阶梯式相 位差相关。可选择表面间隔d以减小光束相干性，即，减小光束相干长度。 在一个实例中，表面间隔d被选择为光束相干长度的至少约0.1、0.2、0.5、 1或2倍。可改变数个反射器，并且可将反射器隔开而非如图9中示出的 堆迭在一起。间隔不必均一，并且反射表面可被任意地隔开或以增加或减 少间隔的方式被隔开。

参见图10，反射器对1002经配置以减小沿轴线1004的激光束输入 端的空间相干性。第一反射镜1006和第二反射镜1008以距离d而分隔开 并具有相应的反射表面1007、1009。反射表面1007可经配置以接近100％ 反射率，且反射表面1009被配置成部分反射，使得一系列反射光束部分 沿轴线1021-1024方向被导引。对于经历更多反射的光束部分来说，反射 表面可具有更低或更高的不同反射率。可通过供应合适的不同反射率来选 择与轴线1021-1024相关的光束部分的振幅。在其它实例中，反射表面 1109的反射率可作为位置的函数并取决于波长，使得轴线1021-1028中 的每一个均与不同波长范围相关。反射表面间隔通常是基于相干长度来选 择的。

图11A-11B分别是与15mm和50mm阶梯式反射镜延迟相关的直线 光束的横截面。干涉效应被减小，其中在50mm阶梯式反射镜延迟的情 况下减小的程度更大。

图12说明经配置以合并光束1201-1206的光学系统1200，所述光束 1201-1206被导引至具有反射带1212、1214、1216的梳状滤波器1201。 合并光束沿轴线1218方向被导引至光学系统1220，所述光学系统1220 包括一个或多个球形和圆柱形光学元件并产生分别沿xyz坐标系1240的 x轴和y轴而延伸的光束焦点1222、1226。可旋转型漫射器1224被设置 在焦点1222、1236中的一者处或附近，并且耦合到马达或其它装置以便 在方向1223上旋转。光学系统1230被设置以接收漫射光束并将所述光束 导引至目标或导引至其它光束整形光学装置。在典型的实例中，可旋转型 漫射器1224被设置在光束焦点处或附近，在所述光束焦点处，光束的更 为均一的横截面较窄。可旋转型漫射器1224可从边缘旋转或关于中心轴 而旋转，且放置驱动机构以避免阻断光束。

图13说明光学系统1300，所述光学系统1300包括被设置以接收沿 轴线1301传播的脉冲式激光束的蝇眼透镜1302或漫射器。透镜1304接 收由蝇眼透镜1302产生的光束部分并将所述光束部分导引至直线整形透 镜1312。举例来说，蝇眼透镜元件1304产生光束部分1308，所述光束部 分1308通过透镜1304而扩展到光束部分1310。直线整形(圆柱形)透 镜1312接收光束部分并基于通过蝇眼透镜1302产生的重叠光束部分而形 成直线图像1312。透镜1304、1312可为单元件透镜或多元件透镜，并且 可将反射性光学元件、折射性光学元件、全息光学元件或其它光学元件或 其组合用于光束整形。

参见图14，代表性的处理方法1400包括在1402处选择光纤激光器 脉冲持续时间、脉冲能量和重复率。在1404处，基于脉冲能量和预期基 板的大小来选择直线光束形状。在1406处，基于激光脉冲之间所期望的 重叠区域来选择扫描速率。在1408处，通过拉曼散射或将相位延迟引入 至不同的光束部分或使用漫射器或蝇眼透镜来减少光束波纹。在1410处， 在相对于基板而扫描光束、相对于光束而扫描基板或发生其组合情形时暴 露基板。在1412处，评价基板。举例来说，对于a-Si层来说，可基于晶 粒大小或迁移率来评价所述层。如果所暴露的层并不令人满意，那么可通 过返回到1402来重新进行暴露。否则的话，在1414处，处理继续。

鉴于可应用所公开技术的原理的许多可能的实施方案，应认识到，所 说明的实施方案仅为优选实施例且不应被视为限制本公开内容的范围。我 们主张在所附权利要求书的范围和精神内的一切。