[发明专利]通过光纤激光器使非晶硅衬底均匀再结晶的工艺和系统

说明书

用于使非晶硅(a‑Si)膜结晶的本发明系统配置有准连续波光纤激光源，该准连续波光纤激光源操作为发射膜照射脉冲光束。光纤激光源操作为发射入射在a‑Si上的多个非重复脉冲。具体地，光纤激光器操作为以突发重复率(BRR)发射膜照射光的多个分立分组，并且以高于BRR的脉冲重复率(PRR)在每个分组内发射多个脉冲。每个脉冲的脉冲能量、脉冲持续时间以及PRR被控制为使得每个分组具有期望的分组时间功率分布(W/cm²)和足以在膜的暴露于至少一个分组的每个位置处提供a‑Si到多晶硅(p‑Si)的转变的分组能量。

技术领域

本公开涉及平板显示器的制造。更具体地，本公开涉及配置为通过使用来自一个或多个光纤激光器的激光光束对非晶硅背板进行可控退火来提供基本均匀的多晶结构的基于光纤激光器的方法和系统。

背景技术

平板显示器(FPD)制造环境是世界上最具竞争且技术最复杂的。设备设计者和制造商不断努力满足全球消费者对于分辨率更高、更亮、更大的显示器以及具有低功耗和更快视频能力的手机、PDA和其他紧凑型产品的需求，所有这些都比上一代技术更加昂贵。

薄膜晶体管(TFT)技术是FPD的基础，FPD可以是高分辨率、高性能液晶显示器(LCD)(如图1所示)或有机发光二极管(OLED)FPD。TFT显示电路制作于薄的半透明非晶硅(“a-硅或a-Si”)层上，并且布置在跨过该层的背板中以对应于各个像素。

工业界意识到，使用载流子迁移率比a-Si高大约两个量级的多晶硅(poly-Si)实质地减小了像素尺寸，提高了孔径比和像素分辨率。作为多晶硅的这些性质的结果，便携式/移动电子设备现在的主要特征是高分辨率平板显示器。

存在两种根本不同的用于通过结晶(退火)将a-Si转化为多晶硅的方法。一种是热退火(TA)方法，另一种是低温多晶硅退火(LTPS)方法，后者在这里是尤为感兴趣的。在后者中，a-Si首先被热处理以转变成液态非晶硅，然后将其保持在熔融状态一段时间。选择足以保持熔融状态的温度范围以允许最初形成的多晶体能够生长和结晶。LTPS方法基于两种通用方法-准分子激光退火(ELA)和顺序横向固化(SLS)，其中后者是本公开的主题。

在ELA中，准分子激光器以指向涂覆在衬底上的a-Si膜的3xx nm波长射出脉冲紫外(UV)光束。膜以小于整个膜厚度的厚度被加热和熔化。在膜底部上的剩余a-Si的孤立岛用作用于进一步晶体生长的种子源。当用至少0.4mm宽的光束扫描膜时，所得晶粒的均匀性，作为终端设备(例如平面屏幕)的高性能的关键，是通过以相同通量的多次照射每个位置的结果而实现的。通常，需要至少20个脉冲以在膜的每个位置处获得期望的晶粒均匀性。

驱动现有ELA发展的基本问题之一是通过允许更加灵活地控制膜制造的方式来操纵横向生长的固有不稳定条件。在这个意义上，处理这个问题的多种技术可以组合在一起作为受控SLS。

与上述传统ELA相反，SLS包括通过来自准分子激光器的光束在膜底部熔化a-Si膜的整个厚度而没有种子源岛。结果，结晶前沿从熔融膜的对侧生长。换句话说，增长是横向的。横向展开的晶粒可以被拉长到大的水平尺寸。后者是有利的，因为随着晶粒生长更大，电子迁移率增加。

横向生长通过相对于彼此移动涂覆有膜的衬底和激光光束来实现。包括将膜的每个位置照射两次的技术被称为双射SLS。

历史上，在ELA和SLS处理中使用的准分子激光器主导TFT平板显示器的退火。准分子激光器提供宽范围的加工功率，加工功率的平均范围高达300W和更高，能量高于1J，并且脉冲宽度通常在30到300ns之间。此外，准分子激光器输送波长(308nm)的UV光，其直接在a-Si中被吸收而不进行额外的频率转换。

准分子激光器的脉冲频率相对较低。据申请人所知，在SLS工艺中其不超过6kHz，并且在标准ELA中低得多。对于SLS，KHz频率导致高能量，准分子需要在一天的操作时间内进行多次气体变化，这使得它不适于大规模生产。