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TWI598930B - 經脈衝的線性射束 - Google Patents

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TWI598930B
TWI598930B TW103105391A TW103105391A TWI598930B TW I598930 B TWI598930 B TW I598930B TW 103105391 A TW103105391 A TW 103105391A TW 103105391 A TW103105391 A TW 103105391A TW I598930 B TWI598930 B TW I598930B
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pulsed
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詹姆士Ｍ 哈登
史考特Ｒ 卡爾森
羅伯特Ｊ 馬汀森
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ｎ萊特股份有限公司
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Description

經脈衝的線性射束
本發明涉及以雷射二極體為基礎的材料加工系統。
各種類型的矽基板被用於許多應用中，包括太陽能電池和顯示裝置。所謂的非晶矽(a-Si)被用於高解析度液晶顯示器以提供可以定義薄膜電晶體的主動層。非晶矽可以使用PECVD而沉積在薄膜中。低溫多晶矽(LTPS)可以通過將a-Si層暴露於高強度紫外雷射脈衝來製造，其快速熔融沉積的a-Si層而不加熱下層基板。然後a-Si層在結晶成具有依賴於在加工期間的溫度梯度的尺寸的顆粒。LTPS層的典型遷移率為約50-150cm2/V-sec的數量級，優於與a-Si關聯的0.5cm2/V-sec遷移率。
傳統的LTPS加工是基於以準分子雷射，或者所謂的準分子層退火(ELA)來表面處理。在ELA中，線形、近似均勻的雷射射束(通常為308奈米)作為約25奈秒的持續時間的一系列脈衝而引導至a-Si層，以加熱並熔化a-Si層。然後熔融層再結晶以形成多晶矽層(p-Si)。雷射脈衝能量和射束均勻性必須精確地控制。靶材的a-Si層的每個區域被暴露於幾個準分子雷射脈衝，並且加熱、熔化和再結晶製程被重複進行。所得的LTPS層呈現結晶區域的矩形陣列。加工一般是針對產生結晶區域或擁有用於大多數薄膜電晶體(TFT)背板的約300奈米的尺寸的“顆粒”。
作為生產設備維護的準分子雷射是複雜和昂貴的。即使是最好的準分子雷射往往有非常有限的服務壽命，並且更換準分子雷射腔和與其相關的光學元件可能是破壞性和昂貴的。雖然令人滿意的結果可以得到，但是與ELA相關的總加工成本居高不下。其它以雷射為基礎的方法也要求複雜或昂貴的設備，因此需要替代方法。
本發明揭露了使用經脈衝的雷射二極體以用於材料加工的方法和裝置。在一個範例中，方法包括：選擇一基板；以及藉由將所述基板暴露於來自至少一個雷射二極體的經脈衝的光學射束而在一暴露區域中加工所述基板。在特定的範例中，整形所述經脈衝的光學射束以形成線射束，其中所述暴露區域對應於所述線射束。根據一些範例，所述經脈衝的光學射束的光學脈衝具有一脈衝持續時間T以及一脈衝重複頻率f，使得fT是小於1、0.5或0.1。在典型的範例中，所述經脈衝的光學射束的波長範圍為780奈米和980奈米之間，以及峰值脈衝功率為至少10/fT、100/fT或1000/fT瓦特。在一些範例中，所述經脈衝的光學射束藉由複數個雷射二極體所產生，其中與所述雷射二極體相關聯的波長在780奈米和980奈米之間，並且在一些範例中，所述複數個雷射二極體中的至少兩個具有相差至少100奈米的發射波長。在其它範例中，其中所述複數個雷射二極體中的至少一個被配置成發射連續光學射束。在又一範例中，將所述經脈衝的射束作為一線射束而引導到所述基板。根據一些範例，掃描所述經脈衝的光學射束和基板中的至少一個，以便加工所述基板。在一些範例中，掃描被配置成使得所述基板區域接收至少2、5、10、20或100個連續光學脈衝。在一個特定範例中， 所述基板為具有非晶矽層形成於表面上的一玻璃，並且經脈衝的光學射束被施加，從而於表面上產生多晶矽層。在一些情況下，所述非晶矽層被加工以具有至少1、10、50、75、100或150cm2/Vs的遷移率。在另外的替代方案中，將所述經脈衝的光學射束引導到配置為均質化所述經脈衝的光學射束的光導，並且將所述基板暴露於均質化的所述光學射束。在一範例中，所述基板在所述暴露區域中暴露於來自所述雷射二極體的所述經脈衝的光學射束，以維持至少100毫秒和2秒之間的至少500℃的溫度。在又一範例中，所述基板在所述暴露區域中暴露於來自所述雷射二極體的所述經脈衝的光學射束，以維持至少100毫秒和2秒之間的至少1000℃的溫度。
裝置包括一個脈衝束源，其包括一經脈衝的射束源，其包括配置成產生各自的經脈衝的光學射束的複數個雷射二極體。一射束整形系統被配置成整形所述複數個經脈衝的光學射束並且將一基板暴露於所述經脈衝的光學射束，其中所述經脈衝的光學射束的負載循環(duty cycle)小於約0.5、0.2、0.1、0.05和0.01。在其他範例中，所述射束整形光學系統包括被配置為產生一均質化的射束的射束均質器，以及配置為引導作為線射束的所述均質化的射束至所述基板的一透鏡。在一些範例中，複數個光纖處於將所述複數個射束的各自的射束傳送至所述射束均質器。
依循著下面的詳細描述並且參照附圖進行，所公開的技術的前述和其它目的、特徵和優點將變得更加明顯。
100‧‧‧加工系統
102‧‧‧雷射二極體
103‧‧‧射束擾頻器或均質器
104‧‧‧線射束光學系統
105‧‧‧驅動器
106‧‧‧靶材
108‧‧‧載台
110‧‧‧控制系統
200‧‧‧曝光系統
201‧‧‧雷射二極體
202A‧‧‧光纖
202B‧‧‧光纖
202C‧‧‧光纖
206‧‧‧射束整形光學器件
210‧‧‧靶材
300‧‧‧多重發射體系統
301‧‧‧軸
302‧‧‧軸
303‧‧‧軸
304‧‧‧軸
305‧‧‧軸
306‧‧‧軸
311‧‧‧透射區域
312‧‧‧透射區域
313‧‧‧透射區域
315‧‧‧反射區域
316‧‧‧反射區域
317‧‧‧反射區域
318‧‧‧交錯器
320‧‧‧光導
圖1說明了包括雷射二極體的經脈衝的射束源的代表性加工系統。
圖2說明了包括配製成提供經脈衝的光學射束的光纖耦合雷射二極體的代表性加工系統。
圖3說明了用於將光纖耦合或自由空間光學射束組合成光導管的代表性裝置。
如在本申請案和申請專利範圍中所使用的單數形式“一”、“一個”和“所述”包括複數形式，除非上下文另有明確規定。另外，用語“包含”意味著“包括”。此外，用語“耦合”不排除於耦合元件之間的中間元件的存在。
本文所描述的系統、裝置和方法不應該被解釋為以任何方式限制。取而代之的是，本文所公開的內容被導引向各種的公開的實施例單獨以及與另一個的各種組合和子組合方式的所有新穎性和非顯而易見的特徵及態樣。所公開的系統、方法和裝置不局限於任何特定態樣或特徵或其組合，並且所公開的系統、方法和設備也不要求存在任何一個或多個特定的優點或可以解決的問題。操作的任何理論，是為了說明的方便，但所公開的系統、方法和裝置不限於操作的這些理論。
雖然一些所公開的方法的操作以特定的、連續的順序描述，以便於介紹，但應當理解的是，描述的這種方法包括重排，除非藉由特定的語言如下闡述的特定順序是必需的。例如，依序描述的操作可以在某些情況下被重新排列或同時執行。此外，為簡單起見，附圖可能沒有顯示其中所公開的系統、方法和裝置可以與其它的系統、方法和裝置一起使用的各種方法。此外，說明有時使用用語諸如“生產”和“提供”來描述所公 開的方法。這些用語為所執行的實際操作的高級抽象。對應於這些用語的實際操作將取決於特定的實行而改變，並且熟知本領域的技術人士可易於辨別。
在一些實例中，數值、程序或裝置被稱為“最低”、“最好”、“最小”或類似物。將理解為這些描述是為了表明在許多常用的功能的替代之間的選擇，這種選擇不必是較好的、較小的或者其他更優其它選擇的方式。
所公開的方法和裝置相對於代表性應用來描述，諸如退火矽以形成LTPS、燒蝕或雷射尖峰退火、塑料焊接、焊錫或其它接合或退火製程。在一些實例中，光學射束以使用自由空間光學器件、光纖光學器件或者它們的組合所形成的線射束被傳送到基板。在所公開的方法和裝置中使用的雷射二極體通常產生波長在約600奈米和2100奈米之間的光學射束。如果能夠提供足夠的光學功率，可以使用單個發射器，但在大多數應用中，使用雷射二極體的陣列或堆疊以具有與自由空間光學器件或光纖結合的射束。在任何特定的應用中，合適的雷射二極體的波長是根據在基板上的一個或多個基板材料或層的相關聯的吸收係數而選擇。光學功率可以作為聚焦光點或者作為線射束或其它形狀而被應用。在許多應用中，線射束是方便的。
參照圖1所示，以雷射二極體為基礎的加工系統100包括耦合到驅動器105的一個或多個雷射二極體102，其中驅動器105施加具有選定的幅度和持續時間的脈衝電流以產生合適的脈衝能量、脈衝功率、脈衝持續時間、選定的脈衝重複率的光學脈衝。光學脈衝以線射束光學系統104被整 形為經脈衝的線射束並且引導到靶材106，如果需要的話，射束擾頻器或均質器103可以接收脈衝，並且提供在線射束中的更均勻的功率分佈。載台108保留了靶材106並且相對於線射束來掃描靶材106以加工靶材106。控制系統110被耦合到所述經脈衝的雷射二極體102和載台108，以便控制射束/靶材定位、光學射束屬性以及射束焦點。針對可用的光學功率，作為聚焦在靶材上的線射束區域被選擇以產生製程特定強度或通量。靶材掃描速率是基於線射束區域來確定，通常為線射束寬度、脈衝重複率以及在靶材處得到的脈衝重疊程度。在某些製程中，與連續脈衝相關的線射束具有大、小或沒有重疊。在許多應用中，諸如LTPS製程，在特定的靶材位置處多重曝光增加了製程品質。有效的通量範圍從約1mJ/cm2至約10,000mJ/cm2、10mJ/cm2至約1000mJ/cm2、約20mJ/cm2至約500mJ/cm2或約50mJ/cm2至約125mJ/cm2。
射束擾頻器可以使用分段透鏡或反射鏡、諸如複眼透鏡陣列的透鏡陣列或者具有圓形、矩形或其它橫截面面積的錐形或者非錐形光導來實現。射束擾頻器中的一個範例是揭露在Farmer等人的美國專利申請公開案第2012/0168411A1號，其在此作為參考而併入。
圖2是曝光系統200的方框圖，其中複數個雷射二極體係耦合以通過光纖202A-202C提供射束。射束整形光學器件206從光纖202A-202C接收射束，並且將對應的整形射束引導到靶材210。經整形的射束可以佈置為分離的線射束或聚焦光點，或者一些或所有的射束可以常見的線射束或聚焦光點組合。一個或多個雷射二極體(諸如雷射二極體堆疊)可以耦合到各個光纖202A-202C，並且光纖202A-202C可以具有不同或相同的磁芯尺寸，其範圍從單一模式芯到直徑50微米至1毫米之間的芯。與每個光纖202A-202C 相關的雷射二極體可以具有相同或不同的發射波長，並且波長的組合可以被耦合到每個光纖202A-202C。例如，可以使用具有約800奈米和980奈米之間的各種發射波長的雷射二極體。矽的吸收係數藉由在該波長範圍上方的大約10的因子而變化，因此，作為深度的函數的能量沉積可以被剪裁。類似於圖2的系統可以沒有光纖來實現。在一些實例中，多組的雷射二極體耦合到射束均質器，以及複數個均質化射束被整形且遞送至靶材。
圖3說明了多重發射體系統300，其允許沿著軸301-303接收的光學射束藉由交錯器318反射到一矩形光導320。沿著軸304-306接收的光學射束藉由交錯器318傳送光導320，並且與反射的射束一起在被擾頻後導引至靶材。交錯器318包括複數個透射區域311-313以及被配置為沿著選定軸透射或反射輸入射束的複數個反射區域315-317。雷射二極體的輸出射束可以塊材(bulk)光學元件被整形並且引導到交錯器318，或從光纖的射束可以被準直和耦合到交錯器318。射束可以具有不同的波長、脈衝持續時間、射束截面面積、形狀、數值孔徑、脈衝持續時間、脈衝重複率、偏振或者可以具有不同核心的形狀、大小或數值孔徑的光纖耦合。光導320被顯示為具有矩形橫截面面積，但其它形狀也可以使用，並且在某些情況下，使用了錐形光導。
包括多個雷射二極體的雷射二極體系統可以提供至少500瓦至1千瓦的連續光學功率。這種雷射二極體和二極體組件可操作以產生脈衝。提供峰值功率是大於可用連續波功率。在脈衝持續時間以及具有大約1ms或更長持續時間的雷射驅動電流，雷射二極體內部溫度接近連續波條件。不同的雷射二極體結構可以具有一些不同的準連續波脈衝持續時間 T CW 。對於更短的脈衝持續時間，雷射二極體的峰值功率P pk 可以取決於脈衝持續時間T和脈衝重複頻率(PRF)來增加。然後，峰值功率可以高達至少P CW /(PRF．T)，其中PRF．T與雷射二極體負載循環相關聯。帶有脈衝操作和增加的峰值功率，可以暴露更大的基板區域，使得較大的光點尺寸或更長的線射束都可以使用，同時保持雷射二極體的接合點的溫度不超過連續操作的溫度。例如，當操作在具有20微秒的脈衝持續時間的1kHz下時，雷射二極體在連續操作中的運轉1瓦光學功率的速率下可以被脈衝為具有50瓦峰值功率。
在一些範例中，多重發射體系統可以被用於加工矽基板，或矽層，諸如玻璃或包括剛性和柔性基板的其它基板上的非晶矽。射束整形和掃描速率可以調整，以獲得適當的通量。帶有暴露於大多數的雷射二極體波長，射束能量是藉由諸如玻璃的透明基板來傳送，並且對基板的損傷或加熱不是擔心的。此外，在一些雷射二極體波長處，矽的吸收係數為足夠小(約103/cm，其與準分子波長處的106/cm相比)，入射射束的一部分藉由薄矽層傳送，以及可能需要更高的射束功率以存入足夠的能量。
在一些範例中，雷射脈衝參數被選擇以降低平均功率，並且保留可能需要加工的峰值功率。降低平均功率可以降低熱應力，從而使得基板不變形。典型的脈衝寬度範圍從大約1毫秒(準連續波)到大約1微秒，這樣PRF的範圍可以從大約1kHz至大約1MHz，而不會超過連續波限制。在其它範例中，脈衝持續時間的範圍從約1奈秒至約500微秒。
儘管脈衝射束允許無需額外的熱應力在雷射二極體的交叉點上的更高的峰值功率，經脈衝和連續的射束可以被結合並施加到基板。 例如，在經脈衝加工射束的應用之前，連續的射束可以被用來預熱基板，或者經脈衝加工射束可以施加於後方加熱射束以例如退火基板以除去製程射束誘導應力之後。在一些實例中，不同波長被選擇成使得第一射束(脈衝或連續)與在基板上的一個或多個層交互，以及第二射束(脈衝或連續)被選擇為與一個或多個不同的層或它本身基板進行交互。
在一些範例中，所公開的方法和裝置可以用於退火在基板中或上的摻雜層。所述摻雜層可以是經摻雜的多晶矽層並且具有摻雜物濃度從約1×1018/cm3至約1×1021/cm3，其以快速熱退火(RTP)製程進行熱退火。所述層然後在約1000℃至約1400℃的溫度下用脈衝射束退火，其中所述脈衝射束例如在約10毫秒和10秒之間的經脈衝的線射束。在其他範例中，所公開的方法和裝置用於激活摻雜物或半導體層或半導體基板中擴散摻雜物。在一些範例中，基板溫度被控制為小於約1100℃或其他溫度，以減少摻雜物擴散。特定溫度的選擇一般是取決於材料，並且對於某些製程，熔化是可以避免的。
參照圖示的實施例，已經描述和說明的公開的技術的原理，但是應該體認到的是，所示實施例可在佈置和細節中修改而不背離這些原理。提供以上的特定佈置以便於說明，也可以使用其他佈置。因此，我們主張在所有隨附的申請專利範圍書的範疇和精神內的所有內容作為我們的發明。
100‧‧‧加工系統
102‧‧‧雷射二極體
103‧‧‧射束擾頻器或均質器
104‧‧‧線射束光學系統
105‧‧‧驅動器
106‧‧‧靶材
108‧‧‧載台
110‧‧‧控制系統

Claims (27)

  1. 一種材料加工的方法，包括：選擇一基板；以及藉由將所述基板暴露於來自藉由一光纖所傳送的複數個雷射二極體的經脈衝的光學射束而在一暴露區域中加工所述基板，所述經脈衝的光學射束的光學脈衝具有一脈衝持續時間T以及一脈衝重複頻率f，使得fT是小於0.5，其中所述經脈衝的光學射束藉由所述複數個雷射二極體所產生，其中與所述複數個雷射二極體相關聯的波長在780奈米和980奈米之間。
  2. 根據申請專利範圍第1項的方法，進一步包括整形所述經脈衝的光學射束以形成線射束，其中所述暴露區域對應於所述線射束。
  3. 根據申請專利範圍第2項的方法，其中fT是小於0.1。
  4. 根據申請專利範圍第3項的方法，其中fT是小於0.05。
  5. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中fT是小於0.01。
  6. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中峰值脈衝功率為至少100/fT瓦特。
  7. 根據申請專利範圍第6項的方法，其中所述峰值脈衝功率為至少1000/fT瓦特。
  8. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中所述複數個雷射二極體中的至少兩個具有相差至少25奈米的發射波長。
  9. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中所述複數個雷射二極體中的至少一個被配置成發射連續光學射束。
  10. 根據申請專利範圍第8項的方法，進一步包括將所述經脈衝的光學 射束作為一線射束而引導到所述基板。
  11. 根據申請專利範圍第8項的方法，進一步包括：掃描所述經脈衝的光學射束和所述基板中的至少一個，以便加工所述基板。
  12. 根據申請專利範圍第11項的方法，其中所述掃描被配置成使得所述基板區域接收至少10個連續光學脈衝。
  13. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中所述基板為具有非晶矽層形成於表面上的一玻璃，進一步包括藉由結合來自所述複數個雷射二極體的組成的經脈衝的光學射束而整形所述經脈衝的光學射束以形成一光學線射束，其中與所述複數個雷射二極體相關聯的波長在780奈米和980奈米之間，所述複數個雷射二極體中的至少兩個具有相差至少25奈米的發射波長以便產生作為在所述非晶矽層中的深度的函數之一預定能量沉積，並且所述經脈衝的光學射束被施加，從而產生多晶矽層。
  14. 根據申請專利範圍第13項的方法，其中所述非晶矽層被加工以具有至少10cm2/Vs的遷移率。
  15. 根據申請專利範圍第13項的方法，其中所述非晶矽層被加工以具有至少50cm2/Vs的遷移率。
  16. 根據申請專利範圍第1項的方法，進一步包括將所述經脈衝的光學射束引導到配置為均質化所述經脈衝的光學射束的光導，並且將所述基板暴露於均質化的所述經脈衝的光學射束。
  17. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中所述基板包括含有摻雜物的摻雜區域，其中所述經脈衝的光學射束被施加，以便從所述摻雜區域擴散摻雜物。
  18. 根據申請專利範圍第17項的方法，其中所述基板包括具有所述摻雜區域的層以及所述經脈衝的光學射束被施加，從而使得在該層中的摻雜物擴散。
  19. 根據申請專利範圍第18項的方法，其中該層是經摻雜的矽層。
  20. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中所述基板在所述暴露區域中暴露於來自所述複數個雷射二極體的所述經脈衝的光學射束，以維持至少100毫秒和2秒之間的至少500℃的溫度。
  21. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中所述基板在所述暴露區域中暴露於來自所述複數個雷射二極體的所述經脈衝的光學射束，以維持至少100毫秒和2秒之間的至少1000℃的溫度。
  22. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中所述基板包括含有摻雜物的摻雜區域，其中所述經脈衝的光學射束被施加以便激活在所述摻雜區域中的所述摻雜物。
  23. 根據申請專利範圍第22項的方法，其中所述基板包括具有所述摻雜區域的層以及所述經脈衝的光學射束被施加，以便激活在該層中的所述摻雜物。
  24. 根據申請專利範圍第23項的方法，其中該層是經摻雜的矽層。
  25. 一種材料加工的裝置，包括：一經脈衝的射束源，其包括配置成產生各自的經脈衝的光學射束的複數個雷射二極體，前述複數個經脈衝的光學射束的波長範圍為780奈米和980奈米之間，其中所述複數個雷射二極體中的至少兩個雷射二極體發射相差至少25奈米的波長；以及 一射束整形系統，其配置成整形所述複數個經脈衝的光學射束並且將一基板暴露於所述複數個經脈衝的光學射束，其中所述複數個經脈衝的光學射束的負載循環小於約0.5。
  26. 根據申請專利範圍第25項的裝置，其中所述射束整形光學系統包括被配置為產生一均質化的射束的射束均質器，以及配置為引導作為線射束的所述均質化的射束至所述基板的一透鏡。
  27. 根據申請專利範圍第26項的裝置，進一步包括複數個光纖，其處於將所述複數個經脈衝的光學射束的各自的射束傳送至所述射束均質器。
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