TWI557802B - 用於在半導體基板上形成直線投射之方法及裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種用於照射一半導體基板之裝置，其包括具有一反射旋轉表面之一曲面鏡。本發明進一步係關於用於製造一選擇性發射體網格或在一掃描移動中照射一大面積半導體表面之此種裝置之用途。
半導體材料表面之雷射照射因用以獲得再結晶及摻雜物活化之應用(諸如非晶矽之熱退火)而為人所熟知。此技術藉由實現一極快加熱處理及加熱區域之淺深度而提供優於一習知加熱程序之顯著優點。
由於照射光束點之形狀及/或大小通常不匹配於將被照射之區域之形狀及/或大小，故最先進技術提供用於塑形雷射使得可照射具有特定大小及形狀之一半導體材料層之一區域或此等分離區域之一圖案之許多構件。
具有許多有趣應用之此特定形狀係一直線形狀。明顯可使用塑形成一直線投射之一照射光束以照射一半導體表面之一直線形區域，且亦藉由組合線形狀與一掃描移動而照射一半導體基板之一大區域。用於大區域照射之一直線形狀與一掃描移動之此組合係有利的，此係因為相較於逐步照射，照射速度增大，生產成本降低。此外，當使用一連續層時，重疊效應降低且處理均勻性增大。
用於自一照射源產生一直線投射之習知光學系統係已知的但具有許多缺點。舉例而言，具有若干圓柱形透鏡之一
光學系統具有以下缺點：鑒於將於許多應用中使用之直線投射之小寬度及雷射之發散，迫使吾人將透鏡定位成極接近於半導體基板，從而引起因半導體材料濺鍍而損壞透鏡之一風險。
在用於產生一直線投射之另一習知光學系統中使用繞射元件。此等繞射元件具有以下缺點：鑒於相對較大之雷射帶寬，不易於獲得所要線寬。另外，在高能量雷射照射下可降低此等繞射元件之使用期限。
在JP6145000中描述最先進技術裝置之另一實例，其中經由一半導體表面上之一曲面鏡反射一線性照射光源以形成與將被照射之半導體層之橫向方向平行之一直線投射且在表面上掃描以使半導體層再結晶。
然而，此技術之一明顯缺點係照射光源本身係線性及因此此系統與點光源(舉例而言，諸如雷射光源)不相容，雖然，如上文所述已知雷射光源對於退火、再結晶、摻雜物活化等係高度有效。
另一缺點係，為了照射一半導體基板上之許多分離平行線形之區域，光學系統必須進行一步進移動，從而導致無效率生產及高生產成本。
考慮到以上缺點，本發明之一目的係提供一種經調適以憑藉一點光源照射一半導體基板之一直線形區域之裝置。
本發明之另一目的係提供一種具有一光學系統之裝置，該光學系統具有因半導體材料濺鍍而損壞光學元件之最小化風險且具有一可接受之使用期限。
本發明之另一目的係提供一種具有同時產生多個分離平行直線投射之能力之裝置。
本發明之又另一目的係提供一種具有以高生產速度及高成本效益之方式照射(例如)光伏打設備中之一大面積半導體基板之能力之裝置。
此外，作為另一目的，本發明提供一種具有如所需般調諧線長及線寬之能力之裝置。
本發明藉由提供包括一曲面鏡及一點光源之一裝置實現以上目的，其中曲面鏡及點光源形成具有一旋轉軸之一系統，其中點光源係提供在該旋轉軸上或附近，且其中該旋轉軸大體上與待產生於一半導體基板上之一直線投射重合。
本發明係關於一種用於照射一半導體基板之裝置，其包括：a)一曲面鏡，其具有一反射旋轉表面，及b)一點光源，其產生沿一入射方向入射於曲面鏡上之一照射光束，該裝置之特徵為：曲面鏡及點光源形成具有一旋轉軸之一系統，其中點光源係提供在該旋轉軸上或附近；及該旋轉軸大體上與待產生於一半導體基板上之一直線投射重合。
另外，本發明係關於用於製造一選擇性發射體網格或在一掃描移動中照射一大面積半導體表面之此種裝置之用
途。
根據本發明且如圖1中圖解說明之一實施例中，提供一種用於照射一半導體基板之裝置，其包括：a)一曲面鏡(M)，其具有一反射旋轉表面，及b)一點光源(S)，其產生沿一入射方向入射於曲面鏡上之一照射光束，該裝置之特徵為：曲面鏡及點光源形成具有一旋轉軸(R)之一系統，其中點光源係提供在該旋轉軸上或附近；及該旋轉軸大體上與待產生於一半導體基板上之一直線投射(L)重合。
藉由定位點光源及曲面鏡使得其等形成具有一旋轉軸之一系統(其中點光源係提供在該旋轉軸上或附近)，且藉由定位該系統使得其旋轉軸大體上與待產生之直線投射重合，可憑藉一點光源照射半導體基板之一直線形區域，從而導致具有改良效率之退火、再結晶及摻雜物活化步驟。
此種裝置之進一步優點係，歸因於曲面鏡並非極接近於半導體基板而定位之事實，光學系統可遭受因半導體材料濺鍍而損壞光學元件之最小化風險，從而導致改良之使用期限。
在本發明之背景內容中，點光源可係適用於照射一半導體基板之任何點光源，舉例而言，諸如一發光二極體(LED)、一雷射二極體或其波長、能量及脈衝持續時間適用於該程序之任何雷射(諸如固態雷射或準分子雷射)。點
光源較佳可係一準分子雷射，更佳係氯化氙準分子雷射。
點光源之波長可在190奈米至600奈米、190奈米至550奈米、190奈米至480奈米之範圍內(歸因於矽在該等波長之高吸收能量)且較佳係308奈米。
照射能量可在1焦耳至25焦耳範圍內。為了達成此等能量，通常將雷射放電體積最佳化至10釐米(電極間間距)x7至10釐米(放電寬度)x100至200釐米(放電長度)。
在本發明之一實施例中，照射光源可經調適以產生具有介於0.1焦耳/平方釐米與10焦耳/平方釐米之間，較佳介於1焦耳/平方釐米與10焦耳/平方釐米之間，更佳介於1焦耳/平方釐米與5焦耳/平方釐米之間之一能量密度之一照射光束。
照射光束可係連續或脈衝式，較佳具有在100奈秒至1000奈秒範圍內或介於100奈秒與300奈秒之間，或較佳介於100奈秒與200奈秒之間之一脈衝持續時間。
在本發明之一較佳實施例中，點光源可係具有308奈米之一波長、介於100奈秒與200奈秒之間之一脈衝持續時間及介於1焦耳/平方釐米與5焦耳/平方釐米之間之一經投射照射光束能量密度之一準分子雷射。
根據本發明之具有用於產生直線投射之適當點光源及具有用於使用一掃描移動照射半導體基板之構件之一裝置可具有以高生產速度及高成本效益之方式照射(例如)光伏打設備中之一大面積半導體基板之能力。
在根據本發明之一實施例中，待產生之直線投射可具有
一特定長度且反射旋轉表面之反射表面之中心點之法線可與曲面鏡上之照射光束之入射方向形成一角度，其中該角度可經選擇使得照射光束投射在半導體基板上，從而形成具有該特定長度之直線投射。
藉由改變反射旋轉表面之中心點之法線與曲面鏡上之照射光束之入射方向之間之角度，可視需要調諧直線投射之長度。
替代地或結合改變角度，反射旋轉表面之大小亦可經調適至直線投射之長度。
根據本發明，曲面鏡可係凸面，但較佳係凹面。熟習此項技術者應瞭解，在使用一凹面鏡時，來自點光源之照射光束大體上將完全投射在半導體基板上，而在使用一適當凸面鏡時，僅照射光束之一小部分將投射在半導體基板上，其他部分將散射至環境中。
凹面鏡可係(例如)圓柱形、圓錐形或球形。
由於一柱面或錐面鏡僅具有一旋轉軸，故必須將點光源提供在該旋轉軸上，使得該點光源與該鏡一起形成同樣具有該旋轉軸之一系統。此旋轉軸必須與半導體基板上之所要直線投射重合。
由於一球面鏡具有與虛構球體中心點相交之無數條旋轉軸，故點光源係不可避免地提供在此等旋轉軸之一者上。因此，點光源之位置界定系統之旋轉軸。此旋轉軸必須與半導體基板上之所要直線投射重合。
在根據本發明及如圖2中圖解說明之一進一步實施例
中，裝置可另外包括用於將點光源投射在旋轉軸上或附近之一折疊式鏡(F)。此種折疊式鏡使得在點光源(S)本身定位在別處時將點光源(S')提供在旋轉軸上或附近成為可能，藉此避免點光源必須定位在與半導體基板相同之平面中。
在根據本發明之一實施例中，裝置可包括複數個點光源，各點光源沿旋轉軸上或附近之一平行直線提供且各點光源產生投射在半導體基板上之一照射光束，各照射光束促成直線投射。藉由使用沿旋轉軸上或附近之一平行直線之多個點光源，可增強直線投射之均勻性。此外，可增加直線投射之長度。另外，亦可增加半導體基板上之照射光束之強度。
在根據本發明且在圖3(橫截面視圖)及圖4(俯視圖)中圖解說明之一替代實施例中，裝置可包括複數個點光源(S1、S2、S3、S4)，各點光源沿與旋轉軸相交之一線提供且各點光源產生投射在半導體基板上之一照射光束，各照射光束促成許多平行線投射(L1、L2、L3、L4)。在此情況中，各點光源產生將投射在旋轉軸(R)上或與旋轉軸(R)平行之一照射光束。與旋轉軸相交之此線可係筆直或彎曲。
沿在旋轉軸上或附近之一平行直線提供之複數個點光源及沿與旋轉軸相交之一直線或曲線提供之複數個點光源之一組合亦係可行的。在此情況中，將投射許多平行直線，其中各線係由若干點光源促成。
可藉由用於自一點光源產生複數個點光源之一構件產生
此複數個點光源。顯然，藉由一足夠強大點光源同時照射複數個直線形區域提供關於處理均勻性、生產速度及生產成本之優點。
根據本發明且如圖5中圖解說明，用於自一點光源產生複數個點光源之此構件可包括定位於點光源(S)與曲面鏡(M)之間之一或多個微透鏡陣列(ML1、ML2)。(該等)微透鏡陣列將點光源分成複數個點光源(S')，各點光源(S')產生一照射光束。
替代地或結合一微透鏡陣列，用於自一點光源產生複數個點光源之此構件可包括複數個光纖(O)，各光纖接收一單一照射光束且形成提供在旋轉軸上或附近之一點光源。若複數個光纖係結合一微透鏡陣列一起使用，則各光纖自一單一微透鏡接收一單一照射光束。另外，在各光纖或一組光纖之出口處，可使用將點光源(S')之各者投射在曲面鏡上之一成像系統(P1、P2、P3)。
根據本發明之包括複數個點光源之一裝置可在半導體基板上同時產生至多20、至多40、至多60、甚至至多75個平行直線投射。此裝置對製造光伏打設備中之一選擇性發射體網格可極其有用。
此外，根據本發明之一裝置可包括用於減小直線投射寬度之一構件，從而允許如期望般調諧直線投射。
半導體基板可由適用於半導體或光伏打應用之任何材料製成，諸如(但不限於)結晶矽、未摻雜矽或摻雜矽、多晶矽、植入矽、碳化矽、非晶矽、矽鍺、III族至V族化合物
半導體(諸如砷化鎵、镓铝砷、氮化鎵)、II族至VI族化合物半導體(如碲化鎘、二硒化銅銦(CuInSe2)或二硒化銅銦鎵(Cu(In,Ga)Se2)及類似物)、多接面半導體堆疊及類似物。
如圖5中圖解說明之實例：
- 藉由兩個微透鏡陣列ML1及ML2(如圖5中展示，其等係以ML2中之各微透鏡在一光纖之入射面上形成ML1中之一對應透鏡之影像之此一方式進行配置)將雷射光束(通常10釐米×6釐米)分割成p×q(例如9×13)個子光束。相比於藉由將光纖之入口放置在ML1之焦點處而將光直接注入光纖中，形成此影像之優點係最小化峰值能量密度且因此減小損壞光纖之風險。
- 光纖之輸出將經配置以形成上述之次級光源。若待形成之直線之數目N係等於9且光纖之數目係p×q=9×13=117，則117個光纖輸出將配置成13個光纖輸出之9個群組，13個光纖輸出之各群組經定位以在試樣平面(sample plane)上形成9條直線之一者。
- 一柱面鏡投射該117個光源之光輸出以形成9條平行直線，每條直線由13個光纖輸出形成。
- 如上文所論述及圖2上所展示，將為實際目的而添加一平面鏡以避免將光纖輸出定位在試樣平面上。
- 可選擇9個群組內之光纖之配置及精確數目以平衡9個群組之間之能量，因此形成能量相等之9條直線。舉例而言，若在微透鏡陣列之入口處之雷射光束並非均勻，則光
纖將經配置以補償此非均勻性。
- 柱面鏡形成放大率等於1之一光學系統。此意謂所形成之線之寬度將等於光纖之核心直徑。然而，歸因於可用性及為了最小化纖維之數目，應選擇介於0.5毫米至1毫米之間之光纖核心直徑。由於需要200微米至300微米之一線寬，故必須針對13個光纖輸出之各群組使用一光學成像系統以將線之寬度自該1毫米光纖核心大小減小至該200微米之所要線寬。此光學系統可係一單一透鏡或較佳(以減小透鏡上之能量密度)係緊密堆積之m個透鏡(例如，可緊密堆積之六角透鏡)。
F‧‧‧折疊式鏡
L‧‧‧直線投射
L1‧‧‧平行線投射
L2‧‧‧平行線投射
L3‧‧‧平行線投射
L4‧‧‧平行線投射
L4‧‧‧平行線投射
M‧‧‧曲面鏡
ML1‧‧‧微透鏡陣列
ML2‧‧‧微透鏡陣列
O‧‧‧光纖
P1‧‧‧成像系統
P2‧‧‧成像系統
P3‧‧‧成像系統
R‧‧‧旋轉軸
S‧‧‧點光源
S'‧‧‧點光源
S1‧‧‧點光源
S2‧‧‧點光源
S3‧‧‧點光源
S4‧‧‧點光源
圖1至圖5圖解說明根據本發明之一裝置之實施例。
L‧‧‧直線投射
M‧‧‧曲面鏡
R‧‧‧旋轉軸
S‧‧‧點光源
Claims (14)
- 一種用於照射半導體基板之裝置，其包括：曲面鏡，其具有反射旋轉表面；點光源，其產生沿入射方向入射於該曲面鏡上之照射光束；該曲面鏡及該點光源形成具有旋轉軸之系統，其中該點光源係提供在該旋轉軸上或附近；及該旋轉軸大體上與待產生於半導體基板上之直線投射重合，其中待產生之該直線投射具有特定長度，且其中該反射旋轉表面之中心點之法線與該入射方向形成角度，該角度經選擇使得該照射光束投射於該半導體基板上，從而形成具有該特定長度之該直線投射。
- 如請求項1之用於照射半導體基板之裝置，其中該曲面鏡係凹面鏡。
- 如請求項2之用於照射半導體基板之裝置，其中該凹面鏡呈圓柱形、圓錐形或球形。
- 如請求項1之用於照射半導體基板之裝置，其包括用於將該點光源投射在該旋轉軸上或附近之折疊式鏡。
- 如請求項1之用於照射半導體基板之裝置，其包括複數個點光源，各點光源沿該旋轉軸上或附近之平行直線提供且各點光源產生投射於該半導體基板上之照射光束，各照射光束促成該直線投射。
- 如請求項1之用於照射半導體基板之裝置，其包括複數個點光源，各點光源沿與該旋轉軸相交之線提供且各 點光源產生投射於該半導體基板上之照射光束，各照射光束促成許多平行直線投射。
- 如請求項5或6之用於照射半導體基板之裝置，其包括用於自一照射光源產生該複數個點光源之構件。
- 如請求項7之用於照射半導體基板之裝置，其中用於產生該複數個點光源之該構件包括定位在該照射光源與該曲面鏡之間之微透鏡陣列。
- 如請求項7之用於照射半導體基板之裝置，其中用於產生該複數個點光源之該構件另外包括複數個光纖，各光纖自微透鏡接收單一照射光束且形成提供在該旋轉軸上或附近之點光源。
- 如請求項8之用於照射半導體基板之裝置，其中用於產生該複數個點光源之該構件另外包括複數個光纖，各光纖自微透鏡接收單一照射光束且形成提供在該旋轉軸上或附近之點光源。
- 如請求項1之用於照射半導體基板之裝置，其另外包括用於減小該直線投射之寬度之構件。
- 一種如請求項1至11中任一項之裝置之用途，其係用於在該半導體基板上同時產生至多20個平行直線投射。
- 一種如請求項1至11中任一項之裝置之用途，其係用於製造選擇性發射體網格。
- 一種如請求項1至11中任一項之裝置之用途，其係用於在掃描移動中照射大面積半導體表面。
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