TWI632611B - 雷射退火裝置及雷射退火方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係一種將雷射光照射至非晶矽膜以進行退火處理的雷射退火裝置，具備：能產生具固定脈波寬度、固定波長之第1雷射光的第1脈衝雷射；能產生脈波寬度及波長較該第1雷射光更長之第2雷射光的第2脈衝雷射；將該第1雷射光與該第2雷射光合成為同一光軸的合成機構；以及對該第1脈衝雷射、第2脈衝雷射作用而控制該第1及第2雷射光之產生時機的控制機構；其中，該控制機構係控制該第1脈衝雷射，使得該第1雷射光在該第2雷射光之脈波寬度內的預定時機產生。

Description

雷射退火裝置及雷射退火方法
本發明係關於一種將雷射光照射至非晶矽膜以進行退火處理的雷射退火裝置，尤其是關於一種提升雷射能量之利用效率並可進行良好效率之退火處理的雷射退火裝置及雷射退火方法。
習知雷射退火裝置係將間歇性地移動之雷射光各自照射至形成於基板主要表面的島狀之複數個受退火膜，藉以進行退火，使得該複數個退火膜成為具有期望特性之膜，係藉由將點狀雷射光複數次重覆照射至受退火膜，使受退火膜進行退火(例如，參考日本專利特開平第9-45632號公報)。
但是，於該習知退火裝置中，由於所照射之雷射光係單一波長的紫外線雷射光，藉由雷射光之照射使得例如非晶矽膜熔融時，會有紫外線雷射光之吸收率降低的問題。因此，無法充份地熔融至非晶矽膜深部，而無法充份地多晶矽化。
又，想要從一台光源裝置所產生之一雷射光來生成點狀複數個雷射光而同時對受退火膜之複數位置進行退火處理的情況中，由於雷射光之照射能量降低，需要雷射能量更大的大型光源裝置，而有退火裝置之製造成本增高的問題。
對於前述問題，雖可考慮以雷射光之複數曝射(shot)對受退火膜進行退火，但會使退火處理效率降低，而有退火處理製程之生產週期變長的問題。
於此，對應前述問題，本發明之目的係提供一種提升雷射能量之利用效率並可進行良好效率之退火處理的雷射退火裝置及雷射退火方 法。
為達成上述目的，本發明之雷射退火裝置，係將雷射光照射至非晶矽膜以進行退火處理者；其特徵在於具備：第1脈衝雷射，係產生具固定脈波寬度、固定波長之第1雷射光；第2脈衝雷射，係產生脈波寬度及波長較該第1雷射光更長之第2雷射光；合成機構，係將該第1雷射光與該第2雷射光合成為同一光軸；以及控制機構，係對該第1及第2脈衝雷射作用而控制該第1及第2雷射光之產生時機；該控制機構係控制該第1脈衝雷射，使得該第1雷射光在該第2雷射光之脈波寬度內的預定時機產生。
透過前述構成，運用控制機構控制第1脈衝雷射，產生具固定脈波寬度、固定波長之第1雷射光，且控制第2脈衝雷射，產生脈波寬度及波長較該第1雷射光更長之第2雷射光，運用合成機構，將第1雷射光與第2雷射光合成為同一光軸，並將第1及第2雷射光照射至非晶矽膜以進行退火處理。此時，運用控制機構控制第1脈衝雷射，使得第1雷射光在第2雷射光之脈波寬度內的預定時機產生。
較佳地，該控制機構係可控制該第1脈衝雷射以將該第1雷射光之產生時機調整至該第2雷射光之脈波寬度內。
更佳地，該第1脈衝雷射係產生波長355nm或532nm的該第1雷射光；且該第2脈衝雷射係產生波長1064nm的該第2雷射光。
又，本發明之雷射退火方法，係將具固定脈波寬度、固定波長的第1雷射光與脈波寬度及波長較該第1雷射光更長的第2雷射光合成為同一光軸並照射至非晶矽膜，以進行退火處理，其中係進行下述階段：產生該第2雷射光並照射該非晶矽膜的階段；以及於該第2雷射光之脈波寬度內的預定時機產生該第1雷射光並照射該非晶矽膜的階段。
較佳地，該第1雷射光之波長為355nm或532nm；且該第2雷射光之波長為1064nm。
1‧‧‧光源裝置
2‧‧‧照明裝置
3‧‧‧控制機構
4‧‧‧基板
5‧‧‧非晶矽膜
6‧‧‧第1脈衝雷射
7‧‧‧第2脈衝雷射
8‧‧‧合成機構
9‧‧‧共振器
10‧‧‧光放大器
11‧‧‧雷射衰減器
12‧‧‧前鏡部
13‧‧‧後鏡部
14‧‧‧ND：YAG桿件
15‧‧‧偏光分光器
16‧‧‧λ/4波片
17‧‧‧波克斯元件
18‧‧‧Q開關
19A‧‧‧第1偏光分光器
19B‧‧‧第2偏光分光器
20‧‧‧波克斯元件
20A‧‧‧第1波克斯元件
20B‧‧‧第2波克斯元件
21‧‧‧控制部
22‧‧‧偏光分光器
23‧‧‧擴束器
24‧‧‧反射鏡
25‧‧‧第1複眼透鏡
26‧‧‧第1聚光透鏡
27‧‧‧第2複眼透鏡
28‧‧‧射束掃描器
29‧‧‧第2聚光透鏡
30‧‧‧第1電光晶體元件
31‧‧‧第2電光晶體元件
32‧‧‧λ/2波片
33A‧‧‧電極
33B‧‧‧電極
L1‧‧‧第1雷射光
L2‧‧‧第2雷射光
圖1係顯示本發明雷射退火裝置之實施形態的前視圖。
圖2係顯示上述實施形態中所使用之第2脈衝雷射一構成例的俯視圖。
圖3係顯示上述第2脈衝雷射中，控制Q開關之波克斯元件(Pockels cell)的施加電壓，產生長脈衝第2雷射光的說明圖，圖3(a)係顯示正常控制時的圖表，圖3(b)係顯示施加電壓逐漸降低時的圖表。
圖4係顯示上述圖3(b)中，控制施加電壓以使施加電壓逐漸降低之梯度產生一次反曲點時所產生之雷射脈衝的圖表。
圖5係顯示上述第2脈衝雷射中所使用之雷射衰減器一構成例的俯視圖。
圖6係顯示藉由上述雷射衰減器於1脈衝之雷射光中選擇性地降低特定時間之能量的狀態說明圖，圖6(a)係顯示降低前之狀態，圖6(b)係顯示降低後之狀態。
圖7係顯示上述實施形態中所使用之第1及第2雷射光的脈衝波形一例之說明圖，圖7(a)係顯示第1雷射光，圖7(b)係顯示第2雷射光。
圖8係顯示各種無機材料波長與光吸收係數之關係的圖表。
圖9係顯示於本發明之雷射退火方法中，用於退火處理而有效地作用之雷射能量的說明圖，圖9(a)係顯示第1雷射光在第2雷射光之脈波寬度內的預定時機產生的情況，圖9(b)係顯示同時產生第1及第2雷射光的情況。
以下，根據添附圖式詳細說明本發明之實施形態。圖1係顯示本發明雷射退火裝置之實施形態的前視圖。該雷射退火裝置係將雷射光照射至非晶矽膜以進行退火處理，具備光源裝置1、照明裝置2、及控制機構3。
該光源裝置1係產生對在基板4上成膜之非晶矽膜5進行退火處理用的雷射光，為包含第1脈衝雷射6、第2脈衝雷射7、及合成機構8的構成。
此處，該第1脈衝雷射6係例如產生脈波寬度W1為20nsec、波長λ1為355nm或532nm的第1雷射光L1，為例如使用非線形光學結晶而從波長1064nm之基本波進行波長變換所產生的習知YAG雷射。另外，於以下說明中，係描述第1雷射光L1為λ1=355nm之雷射光的情況。又，第1脈衝雷射6不限於YAG雷射，只要能產生短波長之雷射光，亦可為例如準分子雷射等，但此處係說明YAG雷射的情況。
該第2脈衝雷射7能產生脈波寬度及波長較第1雷射光L1 更長的第2雷射光L2，係產生例如脈波寬度W2為350nsec、波長λ2為1064nm之雷射光的YAG雷射。另外，第2脈衝雷射7不限於YAG雷射，只要能產生長波長之雷射光，亦可為例如CO2雷射等，但此處係說明YAG雷射的情況。
更詳細地說，如圖2所示，第2脈衝雷射7具備：共振器9、光放大器10、及雷射衰減器11，並從第2雷射光L2之進行方向上游朝向下游般依上述次序進行配置。
該共振器9係使雷射光來回而產生駐波，於作為共振器鏡的前鏡部12及後鏡部13之間處，具備有受到圖示省略之閃光燈所激發而產生雷射光之作為雷射介質的例如ND：YAG桿件14、以及配置於該ND：YAG桿件14後方處而由作為偏光元件之偏光分光器15、λ/4波片16及波克斯元件17所構成的Q開關18。
該情況，係藉由個別設計的圖示省略之控制部，使得對該波克斯元件17施加之電壓逐漸降低般進行控制，以增大第2雷射光L2之脈波寬度。
說明此情況時，相對於如圖3(a)所示使對波克斯元件17之施加電壓急速降低般的一般控制方法，如圖3(b)所示使對波克斯元件17之施加電壓逐漸降低般進行控制的情況，脈波寬度係例如從10ns增大至70ns。即，於共振器9內的震盪中，自Q開關18返回之輸出能量會沿時間軸緩慢增加且較正常能量更低，故ND：YAG桿件14內能量之取出亦變得緩慢，延長Q開關18內的脈衝振盪時間，所輸出之脈波寬度則變得更長。
此外，對波克斯元件之施加電壓的逐漸降低之梯度處，如圖4所示，若控制施加電壓，以產生至少一次反曲點，則可進一步增大脈波寬度。如此一來，藉由控制對波克斯元件17之施加電壓，可產生脈波寬度W2為350nsec的第2雷射光L2。
又，於該共振器9之下游處，設置有光放大器10。該光放大器10會將雷射光之脈衝能量增幅並進行輸出，可使用例如ND：YAG桿件。
此外，於該光放大器10之下游處，設置有雷射衰減器11。該雷射衰減器11使第2雷射光L2之能量降低，如圖5所示，具備有：於第 2雷射光L2光學路徑上配置成為正交尼科耳稜鏡(crossed Nichol prism)之作為偏光元件的第1及第2偏光分光器19A、19B；位於該第1及第2偏光分光器19A、19B之間，相對射入之直線偏光(例如P偏光)將光學軸呈45°般配置，藉由施加電壓使得通過內部的雷射光之偏光面迴轉，作為光電元件的波克斯元件20；及控制對該波克斯元件20之施加電壓值及施加時機的控制部21。
本實施形態中所使用之波克斯元件20之一例係藉由最大-3.6kV的施加電壓，來獲得λ/4波片的效果，藉由將第1及第2波克斯元件20A、20B串聯配置，以最大施加電壓-3.6kV進行並聯控制，以第1及第2波克斯元件20A、20B組合來獲得λ/2波片的效果。該情況，當第1及第2波克斯元件20A、20B的施加電壓在例如0kV~-3.6kV之間變化時，雷射衰減器11之光穿透率係在0%~100%之間變化。
又，該雷射衰減器11係藉由時間來控制波克斯元件20之施加電壓，將1脈衝之雷射光的包絡線(envelope)平坦化，使雷射能量沿時間軸呈均勻狀態。例如，於雷射衰減器11輸入如圖6(a)所示般於時間tn內釋放過大脈衝能量之長脈衝第2雷射光L2的情況，例如欲將該脈衝能量降低50%時，係將時間tn內之朝第1及第2波克斯元件20A、20B的施加電壓設為-1.8kV，在經過時間tn後則控制為-3.6kV。
藉此，於最初時間tn內穿透雷射衰減器11之第2雷射光L2的穿透率會降低至50%，在經過時間tn後，穿透率為100%。因此，關於圖6(a)所示之長脈衝第2雷射光L2於最初時間tn內之雷射強度係降低50%，經過時間tn後之雷射強度則仍舊維持原強度。其結果，如圖6(b)所示，1脈衝內之雷射強度在全寬度間係略呈固定。
另外，於圖2中，符號22係偏光分光器，符號23係使雷射光束路徑擴張的擴束器，符號24係反射鏡。
於該第1脈衝雷射6之光學路徑與該第2脈衝雷射7之光學路徑的交會點處，設置有合成機構8。該合成機構8係將第1雷射光L1與第2雷射光L2合成為同一光軸，例如為穿透λ1=355nm之第1雷射光L1，並反射λ2=1064nm之第2雷射光L2的分光鏡。
於該光源裝置1之下游側，設置有照明裝置2。該照明裝置 2係將雷射光照射至基板4上非晶矽膜5之預定退火區域，從雷射光之進行方向上游朝向下游依序具備有第1複眼透鏡25、第1聚光透鏡26、第2複眼透鏡27、射束掃描器28、及第2聚光透鏡29。
該第1複眼透鏡25係在同一平面內排列具備有複數個凸透鏡，使雷射光之橫剖面內的強度分布呈均勻狀態，並具有增大雷射光光束的擴束器之功能。
於光軸上，將前焦點對準至該第1複眼透鏡25之後焦點般設置有第1聚光透鏡26。該第1聚光透鏡26係用以將射出第1複眼透鏡25後而發散之雷射光光束收攏而射入至後述第2複眼透鏡27。
為了使雷射光之橫剖面內的強度分布呈均勻狀態，該第2複眼透鏡27係將在同一面內排列具備有複數個凸透鏡之1對透鏡陣列以對應的凸透鏡中心軸成為一致的方式來對向配置。
該射束掃描器28係具備：相互於垂直方向進行偏向動作的方柱狀第1及第2電光晶體元件30、31，及於該第1及第2電光晶體元件30、31間使雷射光之偏光面迴轉90°並對齊第2電光晶體元件31之晶軸的λ/2波片32，而於第1及第2電光晶體元件30、31之光軸在平行對向面處分別設置有1對電極33A、33B。該情況，第1電光晶體元件30之1對電極33A與第2電光晶體元件31之1對電極33B的安裝位置以光軸為中心相互錯開90度的關係。
該第2聚光透鏡29設置為使前焦點對準至該第2複眼透鏡27光軸上之後焦點位置，以具有讓照射至基板4上之雷射光呈平行光線的功能。
設有電性連接於該光源裝置1之第1脈衝雷射6與第2脈衝雷射7的控制機構3。該控制機構3係對第1及第2脈衝雷射6、7作用而控制第1及第2雷射光L1、L2之產生時機，詳細而言，係控制第1脈衝雷射6，使得第1雷射光L1在第2雷射光L2之脈波寬度W2內的預定時機產生。
更詳細地說，控制機構3係可控制第1脈衝雷射6以將第1雷射光L1之產生時機調整至第2雷射光L2之脈波寬度W2內。藉此，可適當地調整照射至非晶矽膜5的雷射光之照射能量。
接著，說明前述構成之雷射退火裝置的動作。
首先，將表面處形成有非晶矽膜5之基板4載置於上表面的檯部(圖示省略)於其上表面之平行面內沿二維方向移動，而將基板4上的受退火區域中心重合至照明裝置2之光軸。
接著，藉由圖示省略的控制部，控制使第2脈衝雷射7之波克斯元件17之施加電壓的逐漸降低之梯度照預定般的逐漸降低，以產生例如脈波寬度W2=350nsec、波長λ2=1064nm的長脈衝第2雷射光L2。
該第2雷射光L2係藉由後述光放大器10增幅至固定等級之後，透過並聯控制將雷射衰減器11之第1及第2波克斯元件20A、20B的施加電壓降低至在預先實驗所確認的退火處理中充份必要之能量強度。又，同時，如圖7(b)所示，1脈衝內之雷射強度在全寬度間係略呈固定。接著，第2雷射光L2係以合成機構8之分光鏡進行反射而射入至後段的照明裝置2。
另一方面，藉由控制機構3之控制，使第1脈衝雷射6於第2脈衝雷射7驅動後延遲固定時間再行驅動，以產生例如脈波寬度W1=20nsec、波長λ1=355nm之例如圖7(a)所示之短脈衝第1雷射光L1。接著，該第1雷射光L1係穿透合成機構8之分光鏡，與第2雷射光L2合成為同一光軸而射入至照明裝置2。
上述所合成之第1及第2雷射光L1、L2係藉由照明裝置2增大光束直徑，使強度分布呈均勻狀態之後，透過射束掃描器28將基板4沿表面二維方向進行偏向來調整照射位置。藉此，可讓第1及第2雷射光L1、L2不相互干涉，將強度分布均勻之雷射光照射至基板4上。其結果，該受退火區域之非晶矽膜5係熔融再結晶化並相變化為多晶矽。
此處，將更詳細地說明以第1及第2雷射光L1、L2進行之退火處理。
如圖8所示，一般而言，已知矽(Si)在雷射光之波長較長時，則光吸收率降低。因此，一般而言，在對非晶矽膜5進行退火處理的情況中，係使用光吸收率較高、例如波長為355nm等紫外線之雷射光。
另一方面，亦知熔融之矽對紫外線之吸收率較低。因此，在紫外線雷射光之照射能量不夠高的情況中，藉由紫外線雷射光之照射使非 晶矽膜5之表面熔融時，會造成其後紫外線雷射光之吸收率降低且無法充份地熔融至非晶矽膜5深部的情況。因此，亦造成非晶矽膜5無法充份地多晶矽化至深部的情況。
對此，如圖8所示，由於長波長之例如1064nm的雷射光難以被矽吸收，一般而言，不使用於雷射退火處理中。但是，亦知長波長之雷射光較易被熔融矽所吸收。
於此，於本發明中，首先，係藉由短波長之第1雷射光L1將非晶矽膜5熔融之後，藉由長波長之第2雷射光L2將非晶矽膜5熔融至深部。
詳細而言，如圖9(a)所示，產生第2雷射光L2並照射至非晶矽膜5之後，在該第2雷射光L2之脈波寬度W2內的固定時機，例如從第2雷射光L2之產生時刻(脈衝上升時刻)起經過t=100nsec後之時機，產生第1雷射光L1。該情況，在照射第1雷射光L1前，由於非晶矽膜5不吸收第2雷射光L2，因此非晶矽膜5不會熔融。但是，藉由第1雷射光L1之照射，使非晶矽膜5暫時熔融時，其後，非晶矽膜5將吸收第2雷射光L2並熔融至更深。該情況，關於第1及第2雷射光L1、L2適用於非晶矽膜5之退火處理的能量係圖9(a)中繪製斜線區域的能量。
藉此，即便因第1雷射光L1之照射使非晶矽膜5熔融而降低該第1雷射光L1之吸收率，但吸收波長較該第1雷射光L1更長之第2雷射光L2而進行非晶矽膜5之熔融，可對非晶矽膜5進行退火處理至深部。因此，相較於習知技術中僅使用紫外線之雷射光的情況，可更加提升雷射能量之利用效率，以進行效率較佳之退火處理。
於本發明中，將第1雷射光L1之產生時機適當地調整至第2雷射光L2之脈波寬度W2內，可調整雷射光之照射能量。例如，如圖9(b)所示，在產生第2雷射光L2之同時產生第1雷射光L1的情況中，適用於非晶矽膜5之退火處理的能量係圖9(b)中繪製斜線區域的能量，與圖9(a)相比可增加照射能量。當然，反之亦然。
另外，於上述實施形態中，雖說明了對非晶矽膜5上1個位置之受退火區域進行退火處理的情況，但本發明不限於此，亦可為在例如照明裝置2之第2聚光透鏡29的光射出側，配置有對應複數個退火區域而 排列具備複數個微透鏡的微透鏡陣列，自1個合成雷射光產生複數個合成雷射光而同時對複數個受退火區域進行退火處理。該情況，由於雷射能量之利用效率較習知技術更高，因此所使用之脈衝雷射功率可較習知技術更小。
又，亦可將基板4以固定速度沿該微透鏡之排列方向的垂直方向進行搬送、事前藉由攝影裝置進行拍攝並檢測出複數個受退火區域，而於檢測出該退火區域後將基板4移動固定距離，當該複數個受退火區域到達微透鏡陣列之複數個微透鏡正下方時，控制第1及第2脈衝雷射6、7以產生第1及第2雷射光L1、L2。藉此，可對基板4搬送方向之垂直方向的列狀複數個受退火區域一併進行退火處理，並可沿基板搬送方向反覆進行退火處理，而對基板4全表面進行退火處理。

Claims (4)

  1. 一種雷射退火裝置，係將雷射光照射至非晶矽膜以進行退火處理者；其特徵在於具備：第1脈衝雷射，係產生第1雷射光；第2脈衝雷射，係產生脈波寬度及波長較該第1雷射光更長之第2雷射光；合成機構，係將該第1雷射光與該第2雷射光合成為同一光軸；以及控制機構，係對該第1及第2脈衝雷射作用而控制該第1及第2雷射光之產生時機；該控制機構係可藉由將該第1雷射光之產生時機調整至該第2雷射光之脈波寬度內，以調整適用於退火處理之雷射光的照射能量，而藉由該第1雷射光來使該非晶矽膜的表面熔融後，再藉由該第2雷射光來使該非晶矽膜熔融至深部。
  2. 如申請專利範圍第1項之雷射退火裝置，其中，該第1脈衝雷射係產生波長355nm或532nm的該第1雷射光；且該第2脈衝雷射係產生波長1064nm的該第2雷射光。
  3. 一種雷射退火方法，係將第1雷射光與脈波寬度及波長較該第1雷射光更長的第2雷射光合成為同一光軸並照射至非晶矽膜，以進行退火處理，其特徵在於進行下述階段：產生該第2雷射光並照射該非晶矽膜的階段；以及藉由將該第1雷射光之產生時機調整至該第2雷射光之脈波寬度內以調整適用於退火處理之雷射光的照射能量並照射該非晶矽膜，而藉由該第1雷射光來使該非晶矽膜的表面熔融後，再藉由該第2雷射光來使該非晶矽膜熔融至深部的階段。
  4. 如申請專利範圍第3項之雷射退火方法，其中，該第1雷射光之波長為355nm或532nm；且該第2雷射光之波長為1064nm。
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